JP4461181B2 - 車載用着脱可能燃料電池電源ユニット - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池に関し、特に車両に使用する燃料電池に関する。
燃料電池を様々な自動車用エネルギーの代替供給源として利用することへの関心が高まっている。燃料電池によって、水素と酸素との電気化学的変化により水を生成する際に得られる電気を利用すると共に、利用時の環境汚染を大幅に軽減することができる。また、燃料電池は貯蔵した水素（例えば圧縮密閉したもの）を直接供給することにより作動することもできるし、間接的な水素供給源（例えば関連する燃料処理装置により放出される水素含有燃料）により作動することもできる。
しかしながら、燃料電池技術を自動車へ応用するには数多くの問題を克服しなければならない。このような問題とは例えば、（ｉ）様々な操作条件に応じて燃料電池に課せられる適切な限界量を維持しながら、車両に適する一定の寸法と大きさの燃料電池に十分な発電量を提供すること、（ｉｉ）内燃エンジンを動力源とする既存の車両に匹敵するように、車両の充電又は燃料補給に必要な時間を削減すること、（ｉｉｉ）燃料電池を車両の駆動及び制御に調和作動させること、（ｉｖ）燃料電池電源ユニットを、その車両に適するユニットにすること、等である。
本発明の課題は、上述された問題のいくつか又は全てを緩和又は克服する、車両用の燃料電池ベース電源ユニットを提供するために、様々な解決策を提供することである。
一つの態様によると、本発明は、車両用燃料電池電源ユニットを提供し、前記燃料電池電源ユニットは単一の筺体を備え、前記単一の筺体には、
燃料を保管するための燃料貯蔵槽と、
流体燃料からの電力を供給するための少なくとも一つの電気化学的燃料電池スタックと、
前記筐体の外表面に備えられた燃料補給ポートと、
少なくとも一つの燃料電池スタックのカソード要素を介する、前記筐体の外表面にある第１の空気流入ポートと、前記筐体の外表面にある第１の空気流出ポートとの間に伸びる空気流路とが含まれる。
図１に、好ましいコンパクト型の車載用燃料電池電源ユニット１０を示す。電源ユニット１０は特に、代替可能な電源として他の用途にも使えるように、部分的に車両から着脱可能とされている。そのような用途とは例えば、永久的または一時的な宿泊所用の自家電源、緊急用電源、携帯用事務所用電源、屋外照明、または携帯用コンピュータなど一般的に利用されている携帯機器などを含む。電源ユニット１０が着脱可能であることにより、電源ユニットの交換が可能となり、また、同じ電源ユニットを一つ以上の車両に使用することができるため、電源ユニットの補修が容易となる。完全に充電したユニットと放電した電源ユニットとを交換すると、つまり放電したユニットを付け替えると、電池駆動式の電気車両につきものの、充電期間の長さの問題を回避することができる。
電源ユニット１０はまた、使用が容易であり適応性があり効率的であるように、車両に取り付けられている。ユニット用ハウジング１１は、サイドパネル１１ａ、１１ｂと、後縁パネル１１ｃと、先端パネル１１ｅと（図４を参照のこと）、底面１１ｆ（図４を参照のこと）とを有する。後縁パネル１１ｃは、第１の空気流入ポートとしても機能する凹みハンドル１２を有する。先端パネル１１ｅもまた、第２の空気流入ポートとしても機能する凹みハンドル１４を含む。上面１１ｄはさらなる空気流入ポートとしても機能できる凹みハンドル１３を有する。サイドパネル１１ａ、１１ｂの一つまたは好ましくは両方は、空気流出ポート１５を有する。空気流入または流出ポートの正確な配置は設計によって異なってもよいし、いくつかの又は全ての流入／流出ポートは凹みハンドルとして機能することもできる。電源ユニットを車両に取り付けるときや取り外すときに操作が容易となるように、上面１１ｄはまた、燃料補給ポート１６を有することが好ましい。
図２及び３を参照すると、燃料電池電源ユニット１０の内部部品は一組の燃料電池スタック２０，２１と供給燃料貯蔵槽２２とを有する。好ましくは、供給燃料貯蔵槽２２は、圧縮気体水素を貯蔵するためのシリンダである。その他の実施例として、例えばメタノールや、エタノールや、水素化ホウ素ナトリウムなどの、適した貯蔵槽に収容された間接的な水素燃料供給源を使用してもよい。間接的な水素燃料供給源を利用する場合は、燃料電池スタック２０，２１を、そのような燃料（例えば直接メタノール型燃料電池、固体電解質型燃料電池、直接ボロハイドライド型燃料電池など）と、または、セルへ運搬する水素を発生させる適切な燃料処理機（図示せず）に複合した従来の水素陽イオン交換膜セルと、共に使用する燃料電池として適応させることができる。燃料貯蔵槽２２は、適切なパイプ３０とバルブシステム３１によって燃料補給ポート１６に接続されている。燃料は、高圧ガス調整弁３２と燃料供給パイプ３３と、低圧ガス調整弁３４を介して燃料電池スタック２０，２１に供給される。
冷却剤または酸化剤としての空気は、凹みハンドル１２，１４の空気流入ポートから燃料電池スタック２０，２１に供給される。燃料電池２０，２１は、好ましくは開カソードタイプ（open cathode variety）であり、周囲圧力の空気が、燃料電池カソードプレートに流れ込んで、（１）酸化剤供給源、（２）排出キャリアフロー、（３）冷却剤として機能する。このために、電源ユニットは、燃料電池スタック２０，２１の周囲で、流入ポート１２及び／又は流入ポート１４の間に延びる空気流路と、フィルタ３５,３６を介して燃料電池プレートの間に延びる空気流路とを備える。図４に特に示される通り、燃料電池２０，２１に要求される性能によっては、燃料電池プレート間の空気流を増加するためファン４０，４１で強制換気を施してもよい。空気は排出ポートまたはポート１５を介して電源ユニット１０から排気される。１１ａ、１１ｂの一方または両方に、流出ポートを設置してもよい（図５を参照）。
好ましい実施例では、後に記載する通り、車両が前進すると、空気流路を介して、燃料電池に対し強制空気冷却と酸素供給とを促すように、燃料電池電源ユニット１０を車両内部に設置する。
電源ユニットハウジング１１は、燃料電池の操作のためと、電源ユニット１０を取り付ける車両の電源制御装置を制御するための、電気制御回路２３を有する。
図５を参照すると、電源ユニットハウジング１１の底面１１ｆは、電源ユニット１０とユニットを取り付ける車両が電気的に接続するように、電気接触部５１を含む凹み部５０を有する。好ましくは、電気接触部５１は、原動力として高電流を供給するための接点と、制御信号を供給する制御接点との、２つ又はそれ以上の数の電力接点を有する。しかしながら代替または追加として、電力接点における変調信号か、独立した無線リンクを使って、制御信号を電源ユニット１０と車両との間で伝達してもよい。
電源ユニットハウジング１１の底面１１ｆは、後に詳述するように、取り付ける車両に適切な保持排出装置で接続するようにラッチポイント５２を有する。
図６は、好ましい実施例による、２輪車６０の内部に完全に収容された燃料電池電源ユニット１０の概略側面図を示す。電源ユニット１０は、ハンドル位置６１とサドル位置６２の間に位置するくぼみ部６３に設置される。図６のような完全に内部に収容する配置で注目すべきことは、空気流入ポート１４は電源ユニットの先端に位置しており、２輪車６０の前進に促されて、２輪車のフェアリング６４により空気を直接受容できることである。第２の空気流入１２は電源ユニット１０の後縁に位置しており、その空気流入に、フェアリング６４の片側または両側で適切に導かれた空気が直接に流れ込む。
燃料補給ポート１６は、くぼみ部６３に収容された電源ユニットの最上部に位置することから、即座に接触することができる。従って、車両６０の車上で、または車両から取り外したときにも、水素又はその他の燃料を燃料電池に補給することができる。
電源ユニット１０は、くぼみ部６３の底面を形成する支持プラットフォーム６５の上に設置される。支持プラットフォームは枢着部６６で枢着され、排出機構を形成する気体駆動支柱６７により、枢着部６６を中心として移動することができる。電源ユニット１０は、支持プラットフォーム６５の内部にあるラッチ６８と連結するラッチポイント５２により支持プラットフォームと係合される。
図７は２輪車６０の車両内部から部分的に突出した燃料電池電源ユニット１０の概略側面図である。この部分的に突出した配置において、支持プラットフォーム６５は、枢着部６６の周囲を時計回りに約１５〜２０度回転して燃料電池電源ユニットがくぼみ６３から部分的に見えるように、気体駆動支柱６７により持ち上がる。この状態では電源ユニット１０は、支持プラットフォーム６５にラッチされたままである。
図８は、２輪車６０の車両から完全に突出した燃料電池電源ユニット１０の概略側面図である。この完全に突出した配置において、支持プラットフォーム６５は、２輪車６０のサドル位置６２と隣り合う支持レール８０とほぼ整列する位置まで、気体駆動支柱６７により持ち上がる。完全に突出した配置では、電源ユニットが支持プラットフォーム６５と支持レール８０に沿って後方に引き出されるように、ラッチ６８は電源ユニット１０のラッチポイント５２から分離してもよい（分離したラッチを示す図９を参照）。ラッチの分離は、容易に接触できるため手動で行うこともできるが（図８を参照）、支持プラットフォームが完全に突出した位置に達するときに自動で行うことが好ましい。
電源ユニット１０は、図８の排出された配置から図９の部分的に分離した位置へ、後縁ハンドル１２を使って簡単に引き下げることができる。この配置では、先端ハンドル１４もまた容易に接触できるため、電源ユニット１０の全体を２輪車から取り外すことができる。
注目すべきことは、図８の完全に排出された位置と、図９の分離中の位置とから、電源ユニット１０を滑らせる動作によって、電源ユニット１０の電気接触部５１を、支持プラットフォーム６５に組み込まれた対応する２輪車の電気接触部９０から分離することである。
図１０は、２輪車６０と完全に分離された燃料電池電源ユニット１０とを示す。
当然のことながら、類似の保持及び排出メカニズムを、例えば２輪またはそれ以上の車輪を持つ、その他の車両に備えることもできる。大型車両について、出力及び／又は車両幅を改良するように、いくつかの電源ユニットを設置するために、各々のくぼみ部６３を設けることができる。記載された好ましい設計は特に、すばやく簡単に車両へ接続し、分離することができる。
本明細書に記載する好ましい電源ユニット１０の重要な態様は、複数の異なる型の車両と接続できることと、輸送以外の目的でそれ自体が独立して電源として使用できることである。例えば、電源ユニット１０は、車両から分離して、野営または家庭内の電気として電力を供給することができる。電源ユニット１０が、電圧の異なる複数の差込口及び／または接続部（図示せず）に備えられていてもよいし、電気接触部５１との物理的係合に適合するコード付受口（電圧変換器と一体化したものであってもよい）が電源ユニットに備えられていてもよい。
電源ユニット１０を多様な型の車両や、多様な環境で確実に利用することができるように、燃料電池電源ユニットは、車両自体の電源制御装置と一体化されたマイコン制御による電気制御回路２３を有する。電気制御回路２３は、燃料電池の適切な保守に関する数多くの機能を有する。例えば、燃料／酸化剤比を適切に保つこと、必要な場合にはアノード及びカソードプレートを加湿すること、温度及び他の燃料電池の動作条件に依存する水分排出を適切に制限することなどである。しかしながら、電気制御回路はまた、燃料電池の最適動作条件を確保するように、車両の動作条件を決める車両自体の電源制御装置とも相関する。
例えば、起動状態で動作するとき、燃料電池は、電極が適切に水和されて最大の電力需要に達するまで、動作開始期間を必要とする。従って、車両の電源制御装置は、電気制御回路２３から、燃料電池の現行動作条件の下で許される最大電力または加速の指示を受ける。好ましい実施例において、車両は、燃料電池が加速時のような電力需要を一時的に満たすことができない場合に、ある期間だけピーク需要電力を提供することのできる鉛酸蓄電池などの副次的な電気供給源を備えている。電気制御回路２３は、車両電力制御装置が副次的供給源から引き出すべき電力の比率（proportion of power）を決定（または、副次的供給源が利用できない場合か副次的供給が超過する場合は、車両からの需要を制限）できるように、燃料電池の現行の動作条件の下で燃料電池電源ユニット１０から得られる電力について、車両の電力制御装置に指示する。
同様に、短期間の加速時など、一時的に高負荷電力となる場合は、副次的供給源から引き出す余剰の電力が、燃料電池電源ユニットの許容限界内にとどまるように、車両電源制御装置によって決めることができる。
従って、一般的な態様において、電源ユニット１０の電気制御回路２３は、任意の時点で燃料電池から瞬間的またはほぼ瞬間的に得られる最大電力を、即ち現行の動作許容範囲を、車両に指示する。現行の許容範囲は、（ｉ）セルの温度、（ｉｉ）利用できる酸化剤及び／または冷却気流、（ｉｉｉ）過去の需要電力（historic demand）、（ｉｖ）その他燃料電池に必要な保守、などという要因に従い継続的に変化する。例えば、ある燃料電池においては、セル電圧の変化によって予想されるピーク状態のセルを維持するように、定期的に燃料と酸化剤ガスのパージを行うことが好ましい。燃料電池システムのあるスタックを開閉することで、総出力の一時的な低下が比較的少なくなるように、定期的にパージを行うことができる。
車両電源制御装置は、車両需要電力が燃料電池電源ユニットの現行の動作許容範囲よりも低いと判断した場合に、車両の副次的電力供給源（例えば鉛酸蓄電池または他の電気化学的蓄電池）を充電するよう作動してもよい。
車両内における燃料電池の設置位置は、設計条件によって様々に変えることができる。しかしながら、図６から１０に示すように、２輪車６０の中央に設置して側面に空気流を通す場合では、暖かい空気流を運転手の近辺に流し続けることができる。その他の車両タイプでは、燃料電池の排気流を、空間の暖房を目的として利用してもよい。
その他の実施例は添付する請求の範囲内に含まれる。
２輪車などの車両への使用と、車両外への使用とに適する燃料電池電源ユニットの概略斜視図。 図１の燃料電池電源ユニットの概略斜視図で、側面を部分的に切り取り、内部詳細を明示する図。 図１の燃料電池電源ユニットの側面の概略斜視図で、側面を部分的に切り取り、内部詳細を明示する図。 図１の燃料電池電源ユニットの裏面の概略斜視図で、側面を部分的に切り取り、内部詳細を明示する図。 図１の燃料電池電源ユニットの底面の概略斜視図。 ２輪車の車両内部に完全に収容された図１の燃料電池電源ユニットの概略側面図。 ２輪車の車両内部から部分的に突出した図１の燃料電池電源ユニットの概略側面図。 着脱の準備が整った２輪車の車両から完全に突出した図１の燃料電池電源ユニットの概略側面図。 ２輪車の車両から完全に突出して、部分的に車両から離れた図１の燃料電池電源ユニットの概略側面図。 ２輪車の車両から完全に離れた図１の燃料電池電源ユニットの概略側面図。

Claims (14)

  1. 車両用の燃料電池電源ユニットであって、前記燃料電池電源ユニットは単一の筺体を備え、前記単一の筺体には、
    燃料を保管するための燃料貯蔵槽と、
    流体燃料からの電力を供給するための少なくとも一つの電気化学的燃料電池スタックと、
    前記筐体の外表面に備えられた燃料補給ポートと、
    少なくとも一つの燃料電池スタックのカソード要素を介する、前記筐体の外表面にある第１の空気流入ポートと、前記筐体の外表面にある第１の空気流出ポートとの間に伸びる空気流路と、
    前記電源ユニットを取り付ける車両の電源制御装置に接続する電気制御回路とを含み、
    前記電源ユニットが前記電源制御装置を介して車両と接続している場合に、前記電気制御回路は、燃料電池の動作条件の下で許容される最大電力を前記電源制御装置に指示し、
    前記第１の空気流入ポート及び／又は前記第１の空気流出ポートは前記電源ユニットを持ち上げるための凹みハンドルを有する、
    燃料電池電源ユニット。
  2. 車両用の燃料電池電源ユニットであって、前記燃料電池電源ユニットは、前記車両と着脱自在であって、単一の筺体を備え、前記単一の筺体には、
    燃料を保管するための燃料貯蔵槽と、
    流体燃料からの電力を供給するための少なくとも一つの電気化学的燃料電池スタックと、
    前記筐体の外表面に備えられた燃料補給ポートと、
    少なくとも一つの燃料電池スタックのカソード要素を介する、前記筐体の外表面にある第１の空気流入ポートと、前記筐体の外表面にある第１の空気流出ポートとの間に伸びる空気流路とを含み、
    前記燃料電池電源ユニットを、前記車両から取り外して、独立した電源として使用するための少なくとも一つの副次的な電源差込口を有し、
    前記第１の空気流入ポート及び／又は前記第１の空気流出ポートは前記電源ユニットを持ち上げるための凹みハンドルを有する、
    燃料電池電源ユニット。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池電源ユニットであって、前記筐体の外表面に第２の空気流入ポートを有し、前記第２の空気流入ポートは前記空気流路と連結されている、燃料電池電源ユニット。
  4. 請求項３に記載の燃料電池電源ユニットであって、
    前記第２の空気流入ポート及び／又は前記第２の空気流出ポートは前記電源ユニットを持ち上げるための凹みハンドルを有する、
    燃料電池電源ユニット。
  5. 請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池電源ユニットであって、前記電源ユニットの先端上にある第１の流入ポートと、前記電源ユニットの後縁上にある第２の流入ポートとは、凹みハンドルを有する、燃料電池電源ユニット。
  6. 請求項５に記載の燃料電池電源ユニットであって、前記燃料補給ポートが前記電源ユニットの上面に設置されている、燃料電池電源ユニット。
  7. 請求項１又は２に記載の燃料電池電源ユニットであって、前記筐体の下表面にラッチを有する、燃料電池電源ユニット。
  8. 請求項１又は２に記載の燃料電池電源ユニットであって、前記筐体の下表面に一組の凹み接触部を有する、燃料電池電源ユニット。
  9. 請求項１〜８の何れかに記載の燃料電池電源ユニットを取り外し可能となるように受容する凹み部を含む、電気自動車。
  10. 請求項９に記載の電気自動車であって、前記凹み部は前記電源ユニットを前記凹み部から持ち上げるためのラッチ式排出機構を含む、電気自動車。
  11. 請求項１０に記載の電気自動車であって、前記ラッチ式排出機構は前記電源ユニットの支持プラットフォームを含み、前記プラットフォームはラッチを前記電源ユニットの前記筐体の下面上に係合するための係合機構を含む、電気自動車。
  12. 請求項９に記載の電気自動車であって、前記凹み部は、車両の先端から前記凹み部へ向かう空気流の通路を供給するための少なくとも一つの空気ダクトを有し、前記空気ダクトは、前記電源ユニットの前記筐体の外表面上にある流入ポートに整列される、電気自動車。
  13. 請求項９に記載の電気自動車であって、車両は、前記燃料電池電源ユニット内の電気制御装置と接続する電源制御装置を含み、前記電源制御装置は、前記燃料電池電源ユニットの前記電気制御回路により決定された許容限界に基づいた車両の動作条件を決定するよう機能する、電気自動車。
  14. 請求項９〜１３の何れか一項に記載の電気自動車は、２輪車である、電気自動車。
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