JP2022121237A - 移動体、及び電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池を用いた移動体、及び電力供給装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、電動モータにより駆動される移動体であって、水素ガスを燃料として発電する発電手段と、発電手段から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加する電圧印加手段を備える、移動体に関する。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を用いた移動体、及び電力供給装置に関する。

従来、登坂時や長距離走行時の運転者への負担を軽減する目的で、電動モータにより車輪を駆動する電動アシスト機能が搭載された自転車（以下、電動アシスト自転車という）が広く利用されている。また、電動アシスト自転車以外にも、電動モータにより駆動される移動体として、電動キックボード、電動カート、ドローンなどが利用されている。

電動モータにより駆動される移動体では、動力源として、充電式の二次電池が用いられることが多い。しかしながら、充電式の二次電池は、電力を供給できる時間に対して、充電に要する時間が比較的長いという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、燃料電池を用いた移動体、及び電力供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下の［１］～［８］により、上記課題を解決するものである。
［１］電動モータにより駆動される移動体であって、水素ガスを燃料として発電する発電手段と、発電手段から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加する電圧印加手段を備える、移動体；
［２］電圧印加手段が、発電手段から出力された電圧の昇圧、及び／又は降圧を行う、［１］に記載の移動体；
［３］発電手段から出力される電圧、及び／又は電圧印加手段から出力される電圧を制御する制御手段を備える、［１］又は［２］に記載の移動体；
［４］発電手段、及び電圧印加手段を備える電力供給装置を備え、電力供給装置が、移動体に取り外し可能に設置されている、［１］～［３］のいずれかに記載の移動体；
［５］移動体が、二輪車両である、［１］～［４］のいずれかに記載の移動体；
［６］発電手段、及び電圧印加手段を備える電力供給装置を備え、電力供給装置が、柱状の形状を有しており、電力供給装置が、二輪車両のいずれかのフレームに沿って設置されている、［５］に記載の移動体；
［７］移動体が、搬送装置である、［１］～［４］のいずれかに記載の移動体；
［８］水素ガスを燃料として発電する発電手段と、発電手段から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加する電圧印加手段を備える、電力供給装置。

本発明によれば、燃料電池を用いた移動体、及び電力供給装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、電力供給システムの構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、移動体の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、移動体の一例を示す側面図である。 本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、移動体の一例を示す側面図である。

以下、図面等を用いて本発明の実施の形態について説明をするが、本発明の趣旨に反しない限り、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（電力供給システム）
本発明の実施の形態にかかる移動体は、電動モータにより駆動されるものである。電動モータには、以下のような電力供給システムにより電力が供給される。図１は、本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、電力供給システムの構成を示す概略図である。

図示するように、電力供給システム１は、水素ガス供給源２、電力供給装置３、モータ８、及び外部電圧制御用コントローラ９から構成されている。また、電力供給装置３は、水素ガス用レギュレータ４、燃料電池５、制御回路６、及び安定化電源装置７を備えている。

電力供給システム１においては、水素ガス供給源２から、水素ガス用レギュレータ４を経由して、燃料電池５に水素ガスが供給される。燃料電池５は、水素ガスを燃料として発電する。燃料電池５から出力された電圧は、安定化電源装置７において安定化され、安定化された電圧がモータ８に印加される。そして、モータ８によって、移動体が駆動される。また、制御回路６は、燃料電池５、及び／又は安定化電源装置７の制御を行う。制御回路６は、安定化電源装置７、及び／又は外部電圧制御用コントローラ９からの信号を受信する。

水素ガス供給源２は、燃料電池５に水素ガスを供給するものである。水素ガス供給源２は、図１に示すように、水素ガス用レギュレータ４を経由して、燃料電池５に水素ガスを供給する。

水素ガス供給源２は、図１のように、電力供給装置３の外部に設置する。図示しないが、電力供給装置３の内部に設置することもできる。

水素ガス供給源２は、燃料電池５に水素ガスを供給することが可能であればよく、特に限定されない。例えば、水素ガス供給源２は、水素ガスボンベ、水素吸蔵合金ボンベなどであってよい。

水素吸蔵合金ボンベは、水素分子と接触することで水素化物として水素を保持する合金を充填した、水素を貯蔵するためのボンベである。水素吸蔵合金ボンベは、水素ガスボンベと比べて、より小さい容積で水素を貯蔵することが可能である。また、水素吸蔵合金ボンベは、１０気圧以下の内部圧力で水素を貯蔵することができる。

水素ガス供給源２は、内部に貯蔵された水素が尽きた場合には、再度、水素を充填すること（以下、再充填という）が可能である。水素ガス供給源２に再充填が可能であることで、新たに別の水素ガス供給源２を購入するよりもコストを低減できる。また、水素ガス供給源２に再充填が可能であることで、ごみの排出を減らすことができる。

上述のように、水素吸蔵合金ボンベは、１０気圧以下の内部圧力で水素を貯蔵することができるため、安全性が高い。そのため、水素吸蔵合金ボンベの内部に貯蔵された水素が尽きた場合には、該水素吸蔵合金ボンベを再充填が可能な施設へ配送することで、容易に再充填を行うことができる。

また、水素ガス供給源２は、内部に貯蔵された水素が尽きた場合には、移動体から取り外し、別の水素ガス供給源２、又は、再充填された水素ガス供給源２と交換することが可能である。水素ガス供給源２が交換可能であることで、水素ガス供給源２の内部に貯蔵された水素が尽きた場合にも、すぐに燃料電池５に水素ガスを供給することができる。

水素ガス供給源２の容量は、移動体に求められる走行距離などにより、適宜設計可能である。また、水素ガス供給源２の形状や寸法は、水素ガス供給源２を設置する箇所の形状などにより、適宜設計可能である。

電力供給装置３は、上述のように、水素ガス用レギュレータ４、燃料電池５、制御回路６、及び安定化電源装置７を備えている。また、図１には示さないが、電力供給装置３は、さらに、外部から空気を取り込むための通風孔、燃料電池５の発電で生じた水を排水するための排水口、必要に応じて水素ガスを電力供給装置３の外部に排出するためのパージ弁などを備えることもできる。

水素ガス用レギュレータ４は、水素ガス供給源２から供給される水素ガスの流量を調整するものである。あるいは、水素ガス用レギュレータ４は、水素ガス供給源２から供給される水素ガスの圧力を、燃料電池５に供給する際に適した圧力へ調整するものであってもよい。

水素ガス用レギュレータ４は、水素ガス供給源２から供給される水素ガスの流量を調整することができればよく、特に限定されない。

燃料電池５は、水素ガス供給源２から供給された水素ガスを燃焼させることで発電するものである。水素ガス供給源２から供給された水素ガスは、電力供給装置３の備える通風孔から取り込んだ空気中の酸素と反応させることができる。

また、燃料電池５の発電で生じた水は、電力供給装置３の備える排水口から排水することができる。燃料電池５は、発電の際に二酸化炭素を生じないため、環境への負荷が少ない。

燃料電池５の出力する電力は、特に限定されず、移動体を駆動することが可能であればよい。例えば、移動体が電動アシスト自転車である場合、燃料電池５の出力する電力は、２５０Ｗ以上であることが好ましく、３００Ｗ以上であることがより好ましい。また、移動体が電動アシスト自転車である場合、燃料電池５の出力する電力は、３５０Ｗ以下であることが好ましく、３３０Ｗ以下であることがより好ましい。

制御回路６は、燃料電池５、及び／又は安定化電源装置７の制御を行うものである。また、制御回路６は、安定化電源装置７、及び／又は外部電圧制御用コントローラ９からの信号を受信するものである。

制御回路６は、安定化電源装置７からの信号を受信し、燃料電池５の制御を行うこととしてもよい。例えば、制御回路６は、燃料電池５に供給される水素ガスの流量を調整することで、燃料電池５の制御を行うことができる。その場合、制御回路６は、水素ガス用レギュレータ４の制御も行うこととしてもよい。

また、制御回路６は、外部電圧制御用コントローラ９からの信号（以下、モータ電圧制御用信号という）を受信し、燃料電池５、及び／又は安定化電源装置７の制御を行うことができる。例えば、制御回路６は、上述のように、燃料電池５に供給される水素ガスの流量を調整することで、燃料電池５の制御を行うこととしてもよい。また、例えば、制御回路６は、安定化電源装置７から出力する電圧を調整することで、安定化電源装置７の制御を行うもできる。

モータ電圧制御用信号については、後述する。

また、制御回路６は、燃料電池５の発電によって生じた水蒸気や水の排出を制御することができる。さらに、制御回路６は、水素ガスが漏れた際や水素ガスの圧力が規定値以上に高まった際などに、水素ガスを電力供給装置３の外部に排出するよう制御することもできる。

安定化電源装置７は、燃料電池５から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加するものである。燃料電池５により出力される電圧は不安定なものであるため、安定化電源装置７によって電圧を安定化することで、モータ８の回転数を安定させることができる。

また、安定化電源装置７は、燃料電池５から出力された電圧の昇圧、及び／又は降圧を行うことができる。

安定化電源装置７は、特に限定されず、電圧を安定化することが可能であればよい。例えば、安定化電源装置７は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどが用いられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、波形の不安定な直流を、波形の安定した直流とすることが可能である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力された電圧の昇圧、及び／又は降圧を行うことが可能である。

上記において、電力供給装置３が、水素ガス用レギュレータ４、燃料電池５、制御回路６、及び安定化電源装置７を備える態様について記載したが、電力供給装置３は、燃料電池５を備えていればよく、水素ガス用レギュレータ４、制御回路６、及び／又は安定化電源装置７の有無については、適宜設計可能である。また、電力供給装置３は、水素ガス用レギュレータ４、燃料電池５、制御回路６、及び安定化電源装置７以外のものを備えることとしてもよい。

電力供給装置３の形状や寸法は、電力供給装置３を設置する箇所の形状や、電力供給装置３の内部の構成などにより、適宜設計可能である。

例えば、電力供給装置３は、全体として、角柱、円柱、直方体、球などの形状であることとしてもよい。電力供給装置３を二輪車両に設置する場合には、電力供給装置３は、全体として、角柱、又は円柱の形状であることが好ましい。

例えば、四角柱の形状の電力供給装置３を二輪車両に設置する場合には、電力供給装置３の高さ（最も長い辺の長さ）は、４００ｍｍ以下であることが好ましく、３３０ｍｍ以下であることがより好ましく、３００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。また、四角柱の形状の電力供給装置３を二輪車両に設置する場合には、電力供給装置３の底面の辺のうち、より長い辺の長さは、２００ｍｍ以下であることが好ましく、１５０ｍｍ以下であることがより好ましく、１２０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。さらに、四角柱の形状の電力供給装置３を二輪車両に設置する場合には、電力供給装置３の底面の辺のうち、より短い辺の長さは、１５０ｍｍ以下であることが好ましく、１１０ｍｍ以下であることがより好ましく、１００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。

電力供給装置３は、移動体に取り外し可能に設置されていることとしてもよい。

モータ８は、電力供給装置３から供給された電力により回転し、移動体を駆動するものである。モータ８は、特に限定されず、電力供給装置３から供給された電力により回転するものであればよい。

移動体が車輪により駆動するものである場合には、モータ８は車輪を駆動することとしてもよい。また、移動体がプロペラにより駆動するものである場合には、モータ８はプロペラを駆動することとしてもよい。

外部電圧制御用コントローラ９は、モータ８に印加する電圧を制御するものである。外部電圧制御用コントローラ９は、モータ８に印加する電圧を制御するために、制御回路６へ、モータ電圧制御用信号を送信することとしてもよい。

外部電圧制御用コントローラ９は、ユーザによる入力を受け付ける入力部や、情報を表示する表示部を備える。また、移動体がセンサを備えており、外部電圧制御用コントローラ９は、センサにより検知した情報を受信するセンサ情報受信部を備えていてもよい。

例えば、移動体が電動アシスト自転車である場合、移動体は、ペダルの軸にかかる回転方向の力を検知するトルクセンサ、ペダルの回転速度を検知するペダル回転センサ、移動体の走行速度を検知する走行速度センサ、ブレーキが握られたことを検知するブレーキセンサなどを備える。

また、例えば、移動体が電動アシスト自転車である場合、外部電圧制御用コントローラ９は、電動アシスト自転車のハンドル部分に備えている。そして、外部電圧制御用コントローラ９において、ユーザにより、燃料電池５の発電の開始／終了の指示、モータ８による車輪の回転のアシストの強度の指示などが入力される。

モータ電圧制御用信号は、特に限定されず、モータ８に印加する電圧を制御するための信号であればよい。例えば、移動体が電動アシスト自転車である場合、モータ電圧制御用信号には、ユーザにより入力される燃料電池５の発電の開始／終了の指示、ユーザにより入力されるモータ８による車輪の回転のアシストの強度の指示、トルクセンサにより検知されたペダルの軸にかかる回転方向の力に関する情報、ペダル回転センサにより検知されたペダルの回転速度に関する情報、走行速度センサにより検知された移動体の走行速度に関する情報、及び、ブレーキセンサにより検知されたブレーキが握られたことに関する情報などが含まれる。

外部電圧制御用コントローラ９の形状や寸法は、外部電圧制御用コントローラ９を設置する箇所の形状などにより、適宜設計可能である。

（移動体）
本発明の実施の形態にかかる移動体は、特に限定されず、電動モータにより駆動されるものであればよい。例えば、移動体は、二輪車両であることとしてもよい。二輪車両には、例えば、電動アシスト自転車、電動キックボードなどが含まれる。

二輪車両に電力供給装置３が備えられる場合には、電力供給装置３が、柱状の形状を有しており、電力供給装置３が、二輪車両のいずれかのフレームに沿って設置されていることが好ましい。電力供給装置３が二輪車両のいずれかのフレームに沿って設置されている、とは、電力供給装置３の長手方向が、二輪車両のいずれかのフレームの長手方向と平行となるように設置されていることをいう。

図２は、本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、移動体の一例を示す側面図である。図２では、移動体は、一般的にシティサイクルと呼ばれる形状の電動アシスト自転車である。図２に示すシティサイクルは、自転車前方のヘッドチューブ（前輪を固定するフォークと繋がる部分のフレーム）と自転車後方のシートチューブ（後輪を固定するフォークと繋がる部分のフレーム）を繋ぐトップチューブ（ヘッドチューブとシートチューブを繋ぐ上下２本のフレームのうち、上部のフレーム）が、トップチューブの中央部付近で曲がった形状をしている。また、モータ８はペダルの近傍に備えられている。

図２（Ａ）においては、水素ガス供給源２は、リアキャリア（後輪の上部に備えられた荷台）の側面に、水素ガス供給源２の長手方向がリアキャリアと平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、シートチューブの後方に、シートチューブに沿って設置されている。

図２（Ｂ）においては、水素ガス供給源２は、リアキャリアの側面に、水素ガス供給源２の長手方向がリアキャリアと平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、トップチューブの曲がった部分の、シートチューブ側の直線部分に沿って設置されている。

図２（Ｃ）においては、水素ガス供給源２は、シートポストの前方に、水素ガス供給源２の長手方向がシートチューブと平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、トップチューブの曲がった部分の、ヘッドチューブ側の直線部分に沿って設置されている。

図３は、本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、移動体の一例を示す側面図である。図３では、移動体は、一般的に小径自転車と呼ばれる形状の電動アシスト自転車である。図３に示す小径自転車は、ヘッドチューブ及びシートチューブがシティサイクルと比べて短く、ヘッドチューブとシートチューブを繋ぐフレーム（以下、フレーム中央部という）が１本の形状をしている。また、モータ８はペダルの近傍に備えられている。

図３（Ａ）においては、電力供給装置３は、シートチューブの前方のフレーム中央部に、シートチューブに沿って設置されている。また、水素ガス供給源２は、電力供給装置３の前方に、水素ガス供給源２の長手方向が電力供給装置３の長手方向と平行となるように設置されている。

図３（Ｂ）においては、電力供給装置３は、フレーム中央部に沿って設置されている。また、水素ガス供給源２は、電力供給装置３の上部に、電力供給装置３の長手方向と水素ガス供給源２の長手方向が平行となるように設置されている。

図３（Ｃ）においては、水素ガス供給源２は、後輪の上部に、水素ガス供給源２の長手方向が地面と略平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、シートチューブ前方のフレーム中央部に、シートチューブに沿って設置されている。

図４は、本発明の実施の形態の少なくとも１つに対応する、移動体の一例を示す側面図である。図４では、移動体は、一般的にスポーツサイクルと呼ばれる形状の電動アシスト自転車である。図４に示すスポーツサイクルは、シートチューブ、トップチューブ、ダウンチューブ（ヘッドチューブとシートチューブを繋ぐ上下２本のフレームのうち、下部のフレーム）が、側面視において三角形となる形状をしている。また、モータ８はペダルの近傍に備えられている。

図４（Ａ）においては、水素ガス供給源２は、ダウンチューブの上部に、水素ガス供給源２の長手方向がダウンチューブと平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、シートチューブの前方に、シートチューブに沿って設置されている。

図４（Ｂ）においては、水素ガス供給源２は、後輪の上部に、水素ガス供給源２の長手方向が地面と略平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、シートチューブの前方に、シートチューブに沿って設置されている。

図４（Ｃ）においては、水素ガス供給源２は、後輪の上部に、水素ガス供給源２の長手方向が地面と略平行となるように設置されている。また、電力供給装置３は、ダウンチューブの上部に、ダウンチューブに沿って設置されている。

図２～４において、水素ガス供給源２が１つしか図示されていない場合は、図示されている水素ガス供給源２の奥に、図示されている水素ガス供給源２と平行に、もう１つの水素ガス供給源２が設置されていてもよい。

移動体に２つの水素ガス供給源２が設置されていることで、移動中に１つの水素ガス供給源２の内部に貯蔵された水素が尽きても、もう１つの水素ガス供給源２に交換することができる。そのため、移動中に燃料が尽きることでモータ８に電力が供給できなくなるという可能性を低減することができる。

水素ガス供給源２、電力供給装置３、モータ８の移動体への設置の態様は、図２～４に示した例に限られず、適宜設計可能である。例えば、水素ガス供給源２は、移動体に３つ以上設置されることとしてもよい。また、例えば、モータ８は、ペダルの近傍ではなく、前輪、又は後輪のハブに設置されることとしてもよい。あるいは、例えば、モータ８は、移動体に２つ以上設置されることとしてもよい。

また、移動体には、外部電圧制御用コントローラ９が設置されることとしてもよい。

水素ガス供給源２と電力供給装置３は、図２～４に示すように、それぞれ、移動体の異なる箇所に設置することが可能である。

また、本発明の実施の形態にかかる移動体は、電動モータにより駆動されるものであれば、二輪車両以外のものであることとしてもよい。例えば、移動体は、搬送装置であることとしてもよい。

搬送装置は、物、動物、人などを搬送するための装置のことであり、操縦者に操縦されて移動するものでも、プログラムに従って自動的に移動するものでもよい。また、搬送装置は、人が搭乗することが可能なものでもよく、人が搭乗することが不可能なものでもよい。搬送装置は、地上を走行可能な車両タイプのものでもよく、上空を飛行可能な飛行体タイプのものでもよく、水上を移動可能な船舶タイプのものでもよく、水中を潜航可能な潜水艇タイプのものでもよい。

搬送装置には、例えば、自動搬送カート、電動フォークリフト、ゴルフカート、ドローン、水中ドローンなどが含まれる。

このように、電動モータにより駆動される移動体が、水素ガスを燃料として発電する発電手段と、発電手段から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加する電圧印加手段を備えることで、燃料電池の発電によって、安定して移動体を駆動することが可能となる。また、二次電池の充電を行わずとも、水素ガス供給源を交換することで、容易に電力を得ることが可能な移動体を提供することができる。

また、本発明の実施の形態にかかる電力供給装置３は、移動体から取り外し、移動体以外のものへ電力を供給することが可能であることとしてもよい。

１ 電力供給システム
２ 水素ガス供給源
３ 電力供給装置
４ 水素ガス用レギュレータ
５ 燃料電池
６ 制御回路
７ 安定化電源装置
８ モータ
９ 外部電圧制御用コントローラ
１０ シティサイクル
１１ 小径自転車
１２ スポーツサイクル

Claims (8)

1. 電動モータにより駆動される移動体であって、
   水素ガスを燃料として発電する発電手段と、
   発電手段から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加する電圧印加手段
   を備える、移動体。
2. 電圧印加手段が、発電手段から出力された電圧の昇圧、及び／又は降圧を行う、
   請求項１に記載の移動体。
3. 発電手段から出力される電圧、及び／又は電圧印加手段から出力される電圧を制御する制御手段を備える、
   請求項１又は２に記載の移動体。
4. 発電手段、及び電圧印加手段を備える電力供給装置を備え、
   電力供給装置が、移動体に取り外し可能に設置されている、
   請求項１～３のいずれかに記載の移動体。
5. 移動体が、二輪車両である、
   請求項１～４のいずれかに記載の移動体。
6. 発電手段、及び電圧印加手段を備える電力供給装置を備え、
   電力供給装置が、柱状の形状を有しており、
   電力供給装置が、二輪車両のいずれかのフレームに沿って設置されている、
   請求項５に記載の移動体。
7. 移動体が、搬送装置である、
   請求項１～４のいずれかに記載の移動体。
8. 水素ガスを燃料として発電する発電手段と、
   発電手段から出力された電圧を安定化し、安定化した電圧をモータに印加する電圧印加手段
   を備える、電力供給装置。

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