JP3775411B2

JP3775411B2 - 燃料電池自動車

Info

Publication number: JP3775411B2
Application number: JP2003380674A
Authority: JP
Inventors: 野日吉龍
Original assignee: Tatsuno Corp
Current assignee: Tatsuno Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: JP2005102458A

Description

本発明は、石油の枯渇に対処できかつ公害問題のない燃料電池自動車に関する。

石油の枯渇及び公害問題から、水素ガスを燃料として燃料電池で発電し、燃料電池で発電された電力でモータを駆動して走行する燃料電池自動車が実用化されつつある。この燃料電池自動車の燃料となる水素ガスは引火性が高く、水素ガスの搭載量を多くして走行距離を伸ばすために高圧の水素ガスを水素ボンベに充填している。このために、水素ガス充填機は高価であり、水素ガス充填所の開設工事費も嵩むものである。しかも、水素ガスを燃料とする燃料電池自動車の普及台数は、現段階では少なく、水素ガス充填機を設けた水素ガス充填所の数も少なく、水素ガス充填所が各地に開設されるまでに相当の年月を要することになる。他方、水素ガス充填機に比べて充電機は安価であるので、ガソリン給油所及び駐車場等に充電機を設置して充電所とすることが容易である。また、サブバッテリーは工場で安価に大量生産でき、取扱いも安全で容易であるので、ガソリン給油所等で販売できる。

燃料電池自動車に関する技術は種々しられている。（特許文献１、２参照）しかしながら、エネルギ（水素ガス）の供給に関しては充分な技術がなく、したがって、実用上いわゆる「ガス欠（水素ガスがなくなる）」に対する対応が不充分である。

特開２００１−３３９８０７号公報特開２０００−３１５５１３号公報

本発明は、水素ガス充填機を設けた水素ガス充填所の数が少ないことに鑑みて発明されたもので、その目的は、水素ガス及びバッテリーの電力がなくなっても走行不能となることがない燃料電池自動車を提供することにある。

本発明の燃料電池自動車は、水素ガスを蓄える水素ボンベ（２）と、該水素ボンベ（２）に並列に着脱自在に設けられたサブ水素ボンベ（２１）と、該水素ボンベ（２１）およびサブ水素ボンベ（２１）内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池（３）と、該燃料電池（３）で発電された電力が供給されて走行輪（１４）を駆動するモータ（４）と、前記燃料電池（３）で発電された余剰電力を蓄電するバッテリー（５）と、該バッテリー（５）に並列に着脱自在に設けられたサブバッテリー（７）と、前記各機器を制御する制御装置（６）が搭載されている。

また、本発明の燃料電池自動車は、水素ガスを蓄える水素ボンベ（２）と、該水素ボンベ（２）に並列に着脱自在に設けられたサブ水素ボンベ（２１）と、該水素ボンベ（２１）およびサブ水素ボンベ（２１）内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池（３）と、該燃料電池（３）で発電された電力が供給されて走行輪（１４）を駆動するモータ（４）と、前記燃料電池（３）で発電された余剰電力を蓄電するキャパシシター（５ａ）と、該キャパシター（５ａ）に並列に着脱自在に設けられたサブキャパシター（７ｂ）と、前記各機器を制御する制御装置（６）が搭載されている。

そして、前記水素ボンベ（２）には水素ガスの充填口（１１）が設けられ、前記バッテリー（５）には電力の充電コネクタ（１６）が設けられている。

また、前記充填口（１１）は充填弁（１０）を介して水素ボンベ（２）に接続され、前記制御装置（６）は水素ガス充填機（３２）の充填信号に基づいて充填弁（１０）を開閉するようになっている。

さらに、前記充電コネクタ（１６）はゲート（１５）を介してバッテリー（５）に接続され、前記制御装置（６）は充電機（３５）の充電信号に基づいてゲート（１５）を開閉するようになっている。

そして、前記水素ボンベ（２）およびサブ水素ボンベ（２１）内の圧力を検知する圧力センサ（９）が設けられ、前記制御装置（６）は圧力センサ（９）から圧力低下信号を受けて前記モータ（４）の駆動電力を燃料電池（３）からバッテリー（５）又はキャパシター（５ａ）の電力に切替えるようになっている。

（ａ）本発明の燃料電池自動車は、水素ガス充填所が近くにある場合には、水素ガスを水素ボンベに充填し、燃料電池で発電された電力で走行できる。そして、水素ガス充填所が近くにない場合には、充電所で電力をバッテリーに充電し、バッテリーの電力で走行することができる。
（ｂ）サブバッテリーが着脱自在に設けられているので、別個のサブバッテリーをトランク等に入れておき、バッテリーの電力がなくなった場合はサブバッテリーを交換することにより、水素ガス充填所も充電所もない場所で走行不能となった場合に対応することができる。
（ｃ）水素ボンベへの水素ガスの充填は制御装置によって制御されるので、引火性が高く高圧の危険な水素ガスを安全に充填することができる。
（ｄ）バッテリーへの電力の充電は制御装置によって制御されるので、大容量の電力を安全に充電できる。
（ｅ）水素ボンベ内の水素ガスがなくなると自動的にバッテリーの電力で走行するので、走行性がよい燃料電池自動車となる。
（ｆ）サブ水素ボンベが設けられ、メインの水素ボンベが空になった場合はサブ水素ボンベで走行できる。また、サブ水素ボンベは着脱自在に設けられているので、サブ水素ボンベを交換することにより、連続して水素ガスで走行できる。
（ｇ）キャパシターを用いれば、充放電の回数に制限がなく寿命が長く、繰り返しの負荷に強く充電が瞬時に行なわれる。またキャパシターは化学反応が伴わないので、急速充電、急速放電が可能であり、加速等の負荷時にモータに瞬時に電流を流すことができる。
（ｈ）キャパシターは小型、軽量であり、構造が簡単で、しかもメンテナンスフリーであるから、自動車に適している。
（ｉ）したがって、本発明を実施することにより、水素ガス充填機を設けた水素ガス充填所の数が少ない現状において、水素ガスがなくなっても燃料電池自動車が走行不能となることがないので、燃料電池自動車に安心して乗ることができるようになり、燃料電池自動車の普及の促進が図れるようになる。

図１は、本発明を実施した燃料電池自動車の全体を示す模式図、図２は、水素ガス充填機で燃料電池自動車へ水素ガスを充填している状態の正面図、図３は、充電機で燃料電池自動車へ電力を充電している状態の正面図である。

燃料電池自動車１には、水素ガスを蓄える水素ボンベ２と、水素ボンベ２内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池３と、燃料電池３で発電された電力で駆動されるモータ４と、燃料電池３で発電された余剰電力を蓄電するバッテリー５と、各機器を制御する制御装置６が搭載されている。

また、バッテリー５に並列にサブバッテリー７が着脱自在に設けられている。この予備のサブバッテリー７ａがトランク８等に積まれている。

水素ボンベ２は、水素ガスを３５０気圧程度の高圧で蓄え、水素ボンベ２内の圧力を検知する圧力センサ９の圧力信号は制御装置６へ送られる。そして、水素ボンベ２には充填弁１０を介して充填口１１が設けられ、充填弁１０は制御装置６の信号により開閉するようになっている。

図２に示すように、水素ガス充填所３１の水素ガス充填機３２の充填ノズル３３を接続したことを検知する接続センサ１２が充填口１１が設けられ、接続センサ１２の接続信号は制御装置６へ送られるようになっている。

燃料電池３は、配管１３で水素ボンベ２と接続され、水素ボンベ２から送られてくる水素ガスを燃料として発電し、発電した電力を制御装置６を介してモータ４及びバッテリー５へ送るようになっている。

モータ４は、燃料電池３で発電された電力で駆動され、走行輪１４を駆動して燃料電池自動車１を走行する。そして、水素ボンベ２内の水素ガスがなくなったときには、バッテリー５及びサブバッテリー７の電力でモータ４を駆動するようになっている。

バッテリー５は、燃料電池３で発電された余剰電力を蓄電し、蓄電した電力を制御装置６を介してモータ４へ送るようになっている。また、バッテリー５にはゲート１５を介して充電コネクタ１６が設けられ、ゲート１５は制御装置６の信号により開閉するようになっている。

図３に示すように、電力充電所３４の充電機３５の充電コネクタ３６を接続したことを検知する接続センサ１７が充電コネクタ１６に設けられ、接続センサ１７の接続信号は制御装置６へ送られるようになっている。

制御装置６は、運転者が操作するアクセル１８からアクセル信号を受け、アクセル信号に応じた電力を燃料電池３からモータ４へ送り、燃料電池３で発電された余剰電力をバッテリー５に送って蓄電する。

そして、制御装置６は、圧力センサ９の圧力低下信号を受けてモータ４の駆動電力を燃料電池３からバッテリー５及びサブバッテリー７へ切替え、報知器１９を作動して水素ボンベ２が空になったことを知らせる。また、バッテリー５及びサブバッテリー７の蓄電量が低下した場合は、報知器１９を作動して知らせるようになっている。

また、制御装置６は、水素ガス充填機３２から発信される充填信号を送受信器２０で受け、水素ガス充填機３２の充填ノズル３３を充填口１１に接続したときのオン信号を接続センサ１２から受け、両信号に基づいて充填弁１０を開いて水素ガスの充填を受ける。そして、水素ガスの充填後に、充填データを送受信器２０から発信するようになっている。

さらに、制御装置６は、充電機３５から発信される充電信号を送受信器２０で受け、充電機３５の充電コネクタ３６を充電コネクタ１６に接続したときのオン信号を接続センサ１７から受け、両信号に基づいてゲート１５を開いて充電を受ける。そして、電力の充電後に、充電データを送受信器２０から発信するようになっている。

なお、送受信器２０としては、有料道路等で実施されている無線式自動精算のシステムを利用することができる。このシステムを利用することにより、無接触でデータの授受ができ、料金の精算がスムーズにおこなえるようになる。

次に図４のフロー図に基づいて、燃料電池自動車１の走行の態様を説明する。
燃料電池自動車１は、水素ボンベ２内の水素ガスを燃料として燃料電池３で発電し、発電された電力でモータ４を駆動して走行する。

走行中に水素ボンベ２内の水素ガスの残量が少なくなり、圧力センサ９から圧力低下信号を受けると（ＳＴ１）、制御装置６は、モータ４の駆動電力を燃料電池３からバッテリー５及びサブバッテリー７へ切替る（ＳＴ２）。

さらに走行してバッテリー５及びサブバッテリー７の蓄電量が低下すると（ＳＴ３）、報知器１９を作動して運転者へ知らせる（ＳＴ４）。このようにして、バッテリー５及びサブバッテリー７の蓄電量が低下した場合は、報知器１９が作動して走行できなくなることが知らされる。なお、この報知は一定時間経過すると（ＳＴ５）、停止する（ＳＴ６）。

ステップＳＴ４の報知器１９の作動により、運転者はバッテリー５及びサブバッテリー７の蓄電量が低下したことを知り、安全な所に停車してサブバッテリー７を予備のサブバッテリー７ａと交換することになる。なお、サブバッテリー７では短距離だけの走行となるので、最寄りの水素ガス充填所３１で水素ガスの充填を受けるか、電力充電所３４で電力の充電を受けることになる。

次に図５のフロー図に基づいて、燃料電池自動車１への水素ガスの充填の態様を説明する。
水素ガス充填所３１において、水素ガス充填機３２の充填エリアに燃料電池自動車１を停車し、水素ガス充填機３２の充填ノズル３３を充填口１１へ接続すると、水素ガス充填機３２から充填信号が発信され、接続センサ１２からオン信号が出力される。

送受信器２０を介して水素ガスの充填信号を受信し（ＳＴ１１）、接続センサ１２からオン信号を受け（ＳＴ１２）、制御装置６は充填弁１０へ開弁信号を出力し（ＳＴ１３）、充填弁１０が開いて水素ガスの充填が開始される。水素ガスの充填が終わり充填ノズル３３を充填口１１から外し、接続センサ１２からオフ信号が入力すると（ＳＴ１４）、制御装置６は充填弁１０へ閉弁信号を出力し、水素ガスの充填データを送受信器２０から出力する（ＳＴ１５）。この充填データを受けた水素ガス充填所３１のＰＯＳは充填伝票を発行し、充填料金が精算されて水素ガスの充填作業が終わる。なお、充填料金の精算は銀行決済とすることにより、精算がスムーズとなる。

次に図６のフロー図に基づいて、燃料電池自動車１への電力の充電の態様を説明する。
電力充電所３４において、充電機３５の充電エリアに燃料電池自動車１を停車し、充電機３５の充電コネクタ３６を充電コネクタ１６へ接続すると、充電機３５から充電信号が発信され、接続センサ１７からオン信号が出力される。

送受信器２０を介して電力の充電信号を受信し（ＳＴ２１）、接続センサ１７からオン信号を受け（ＳＴ２２）、制御装置６はゲート１５へ開信号を出力し（ＳＴ２３）、ゲート１５が開いて充電が開始される。充電が終わり充電コネクタ３６を充電コネクタ１６から外し、接続センサ１７からオフ信号が入力すると（ＳＴ２４）、制御装置６はゲート１５へ閉信号を出力し、電力の充電データを送受信器２０から出力する（ＳＴ２５）。この充電データを受けた電力充電所３４のＰＯＳは充電伝票を発行し、充電料金が精算されて電力の充電作業が終わる。なお、充電料金の精算は銀行決済とすることにより、精算がスムーズとなる。

図７は、燃料電池自動車の他の実施の形態を示す模式図である。
この実施の形態では、水素ボンベ２と並列にサブ水素ボンベ２１が着脱自在に設けられている。このサブ水素ボンベ２１は、配管２２で燃料電池３に接続され、圧力センサ９で圧力が検知されるようになっている。

そして、制御装置６は、水素ボンベ２の圧力低下信号を圧力センサ９から受けて、水素ガスの供給を水素ボンベ２からサブ水素ボンベ２１に切替え、サブ水素ボンベ２１の圧力低下信号を圧力センサ９から受けて、電力の供給を燃料電池３からバッテリー５及びサブバッテリー７に切替える。その他は、上述した機器と同様の働きをするので、同一符号を付して説明は省略する。

なお、予備のサブ水素ボンベ２１ａをトランク８等にいれておけば、サブ水素ボンベ２１の水素ガスも消費されたときに交換して走行できるので、水素ガス充填所が近くにない場所でも対応することができる。

図８は本発明の他の実施例を示している。この実施例は図１の実施例のバッテリー５に代えてキャパシター５ａを用いている。したがって、キャパシター５ａを用いることにより制御装置６から直接に充電でき、バッテリー５のようにゲート１５、充電コネクタ１６及び接続センサ１７が不要となり小型化できる。

同様に図１の実施例のサブバッテリー７に代えてサブキャパシター７ｂが設けられ、そしてトランク８等には予備のサブキャパシター７ｃが積まれている。

この図８の実施例でも作動は実質的に同じであるが、キャパシターを用いるので充放電の回数に制限がなく寿命が長く、繰返しの負荷に耐え、充電が瞬時に行なわれる。そして急速充電、急速放電が可能のため、加速時等の負荷の急上昇に対し、モータに瞬時に電流を流すことができ、タイムロスがない。

現在いわゆるガソリンスタンドは通常の道路走行に際して「ガス欠」を生じない距離に設置されているが、水素ガスステーションは設置数が充分ではなく、そのために公害のない燃料電池自動車の発達が妨げられている。
しかしながら、本発明を実施すれば、燃料電池自動車の走行距離をかなり延長させることができ、水素ガスステーションが一般的に設置されるまでは極めて重要な発明である。
また水素ガスステーションが一般化しても長距離を走行する場合に極めて有効である。

本発明の燃料電池自動車の全体を示す模式図。燃料電池自動車へ水素ガスを充填している状態の正面図。燃料電池自動車へ電力を充電している状態の正面図。燃料電池自動車の走行の態様を説明するフロー図。燃料電池自動車へ水素ガスを充填する態様を説明するフロー図。燃料電池自動車へ電力を充電する態様を説明するフロー図。燃料電池自動車の他の実施の形態を示す模式図。燃料電池自動車の別の実施の形態を示す模式図。

符号の説明

１・・・燃料電池自動車
２・・・水素ボンベ
３・・・燃料電池
４・・・モータ
５・・・バッテリー
５ａ・・・キャパシター
６・・・制御装置
７、７ａ・・・サブバッテリー
７ｂ、７ｃ・・・サブキャパシター
８・・・トランク
９・・・圧力センサ
１０・・・充填弁
１１・・・充填口
１２・・・接続センサ
１３・・・配管
１４・・・走行輪
１５・・・ゲート
１６・・・充電コネクタ
１７・・・接続センサ
１８・・・アクセル
１９・・・報知器
２０・・・送受信機
２１、２１ａ・・・サブ水素ボンベ
２２・・・配管
３１・・・水素ガス充填所
３２・・・水素ガス充填機
３３・・・充填ノズル
３４・・・電力充電所
３５・・・充電機
３６・・・充電コネクタ

Claims

水素ガスを蓄える水素ボンベ（２）と、該水素ボンベ（２）に並列に着脱自在に設けられたサブ水素ボンベ（２１）と、該水素ボンベ（２１）およびサブ水素ボンベ（２１）内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池（３）と、該燃料電池（３）で発電された電力が供給されて走行輪（１４）を駆動するモータ（４）と、前記燃料電池（３）で発電された余剰電力を蓄電するバッテリー（５）と、該バッテリー（５）に並列に着脱自在に設けられたサブバッテリー（７）と、前記各機器を制御する制御装置（６）が搭載されていることを特徴とする燃料電池自動車。
水素ガスを蓄える水素ボンベ（２）と、該水素ボンベ（２）に並列に着脱自在に設けられたサブ水素ボンベ（２１）と、該水素ボンベ（２１）およびサブ水素ボンベ（２１）内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池（３）と、該燃料電池（３）で発電された電力が供給されて走行輪（１４）を駆動するモータ（４）と、前記燃料電池（３）で発電された余剰電力を蓄電するキャパシシター（５ａ）と、該キャパシター（５ａ）に並列に着脱自在に設けられたサブキャパシター（７ｂ）と、前記各機器を制御する制御装置（６）が搭載されていることを特徴とする燃料電池自動車。
前記水素ボンベ（２）には水素ガスの充填口（１１）が設けられ、前記バッテリー（５）には電力の充電コネクタ（１６）が設けられている請求項１又は２のいずれかに記載の燃料電池自動車。
前記充填口（１１）は充填弁（１０）を介して水素ボンベ（２）に接続され、前記制御装置（６）は水素ガス充填機（３２）の充填信号に基づいて充填弁（１０）を開閉する請求項２又は３のいずれかに記載の燃料電池自動車。
前記充電コネクタ（１６）はゲート（１５）を介してバッテリー（５）に接続され、前記制御装置（６）は充電機（３５）の充電信号に基づいてゲート（１５）を開閉する請求項３又は４のいずれかに記載の燃料電池自動車。
前記水素ボンベ（２）およびサブ水素ボンベ（２１）内の圧力を検知する圧力センサ（９）が設けられ、前記制御装置（６）は圧力センサ（９）から圧力低下信号を受けて前記モータ（４）の駆動電力を燃料電池（３）からバッテリー（５）又はキャパシター（５ａ）の電力に切替える請求項１乃至５に記載の燃料電池自動車。