JPH1075504A - ハイブリッド型燃料電池自動車 - Google Patents

ハイブリッド型燃料電池自動車

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JPH1075504A
JPH1075504A JP8228946A JP22894696A JPH1075504A JP H1075504 A JPH1075504 A JP H1075504A JP 8228946 A JP8228946 A JP 8228946A JP 22894696 A JP22894696 A JP 22894696A JP H1075504 A JPH1075504 A JP H1075504A
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flywheel
energy
battery
fuel
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Minoru Koga
実 古賀
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IHI Corp
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    • H01M50/20Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 余剰動力をフライホイールに貯蔵し、最高走
行速度で走行する時にはこのフライホイールに貯蔵した
動力を放出することにより燃料電池の負荷動力を軽減
し、コンパクト化すること及び最高効率で燃料電池を作
動させるができるハイブリッド型燃料電池自動車を提供
する。 【解決手段】 燃料電池11とフライホイール12を備
えたハイブリッド型燃料電池自動車10。自動車の制動
エネルギをフライホイールに貯蔵するため、電動機16
とフライホイール間に設けられた主変速機14及び主ク
ラッチ13と、燃料電池自動車を始動する電気エネルギ
を貯蔵するバッテリ15と、これらを制御するフライホ
イール制御装置17とを備えている。制御装置17は、
燃料電池及びバッテリからの電気エネルギを電動機を介
して機械エネルギに変換し、この機械エネルギを車軸に
伝達し、かつ余剰の機械エネルギを貯蔵するようにフラ
イホイール12,主変速機14及び主クラッチ13を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、フライホイールを用い
たハイブリッド型燃料電池自動車に関する。
【0002】
【従来の技術】自動車用原動機はオット及びディーゼル
内燃機関が主流であり、コンパクトであるが、排ガス中
のNOx ,微粒子及びCOガスの規制の観点から電気自
動車等のZEV(Zero Emission Vehicle) の出現が期待
されている。ZEVの一例として、燃料電池自動車及び
蓄電池を搭載したバッテリ車の開発が強力に推進されて
いる。なお、かかる燃料電池を原動機とする自動車の開
発では、排気ガス規制が厳しい米国が先行している。
【0003】図5はマイクロバス用固体高分子型燃料電
池の概略外形図である。この燃料電池は、水素吸蔵合金
を用いたものであり、車両種類;マイクロバス、車両重
量;5トン、出力;20KW(60Km/h走行時),
90KW(120Km/h走行時)、走行距離;300
Km、燃料;水素という基本仕様を有している。なおこ
の図は、燃料として水素吸蔵合金からの水素を利用し、
外形寸法を現在開発中の固体高分子型燃料電池の現状性
能値を基に算出したものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図5から、現状の燃料
電池では外形寸法が非常に大きくなるため燃料電池を用
いた自動車の商品化は極めて難しいことがわかる。燃料
電池システムの外形寸法が大きくなる理由は、電池性能
がいまだ開発途上であることに加えて、燃料電池の要求
出力が最高走行速度時に必要な動力で決定されているこ
とによる。
【0005】言い換えれば、燃料電池を自動車用原動機
として採用する場合の問題点は、定常走行時及び最高走
行速度時に必要な動力差が極めて大きいため、最高走行
速度時の動力に燃料電池出力を合致させると燃料電池の
占有スペースが大きくなり過ぎると共に、頻繁に過負荷
運転となるため発電効率が低下し、かつ発電と同時に発
生する熱除去の問題が生じる。
【0006】図6は固体高分子型燃料電池の一般的電池
性能を示している。電池のコンパクト化を図るために、
一般的に大きな電流密度を採用するが、このため平衡状
態(OCV)より解離するので電池内ロス(電池損失)
が大きくなり、電池の発電効率が低下する。従って、こ
の矛盾を克服するためには、燃料電池の要求出力を小さ
くする必要がある。
【0007】一方、バッテリ車は蓄電池の電気エネルギ
を電動機で機械エネルギに変換するため、電動機のコン
パクト性の問題は少ないが、バッテリとして鉛蓄電池を
使用する場合は、1回の充電に130Kmから160K
m程度しか走行できずかつ充電に長時間を要する。ま
た、複数の電池を直列に接続して大きな電圧を得ている
が、均一な性能の電池を得ることが難しく、過充電、過
放電の問題があり、充放電の繰り返し回数に制約があ
る。
【0008】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、自動車用燃料電池に要求される出力を低減かつ平滑
化することができるハイブリッド型燃料電池自動車を提
供することにある。また、本発明の別の目的は、余剰動
力をフライホイールに貯蔵し、最高走行速度で走行する
時にはこのフライホイールに貯蔵した動力を放出するこ
とにより燃料電池の負荷動力を軽減し、これによりコン
パクト化と最高効率での燃料電池の作動を両立させるこ
とができる、燃料電池とフライホイールとをハイブリッ
ドした燃料電池自動車を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料電
池とフライホイールを備えたハイブリッド型燃料電池自
動車であって、自動車の制動エネルギをフライホイール
に貯蔵するため、電動機とフライホイール間に設けられ
た主変速機及び主クラッチと、燃料電池自動車を始動す
る電気エネルギを貯蔵するバッテリと、燃料電池及びバ
ッテリからの電気エネルギを電動機を介して機械エネル
ギに変換し、該機械エネルギを車軸に伝達し、かつ余剰
の機械エネルギを貯蔵するように制御するフライホイー
ル制御装置と、を備えたことを特徴とするハイブリッド
型燃料電池自動車が提供される。
【0010】上記本発明の構成によれば、フライホイー
ル,主変速機及び主クラッチ,バッテリ及びこれらを制
御するフライホイール制御装置を備えているので、フラ
イホイール制御装置により余剰動力をフライホイールに
貯蔵し、最高走行速度で走行する時にはこのフライホイ
ールに貯蔵した動力を放出することにより、燃料電池の
負荷動力を軽減し、燃料電池を含む駆動系をコンパクト
化することができ、併せて常時、最高効率で燃料電池を
作動させるができる。
【0011】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
フライホイールは、炭素繊維強化プラスチック,ガラス
繊維強化プラスチック,又はkevlar強化プラスチ
ックであり、かつ該フライホイールは、真空に減圧され
た気密容器内に格納されている。この構成により、フラ
イホイールを軽量化しその貯蔵エネルギ密度を高めると
共に、フライホイールの風損を大幅に低減することがで
きる。
【0012】前記燃料電池は、固体高分子燃料電池又は
リン酸型燃料電池であり、該燃料電池の燃料は、メタノ
ール、エタノール、ブタン等の液体炭化水素である、こ
とが好ましい。かかる作動温度の低い燃料電池を用いる
ことにより、燃料電池の起動時間を短縮することがで
き、かつ液体燃料を用いるので、単位体積当たりの貯蔵
エネルギを高めることができる。なお、水素吸蔵金属,
圧縮水素を用いてもよい。
【0013】また、一酸化炭素を二酸化炭素に変換する
シフトコンバータを更に備える、ことが好ましい。かか
るシフトコンバータを備えることにより、燃料ガス中に
含まれるCOガスを低減し、被毒による電池性能の低下
を防止することができる。更にまた、前記改質器及びシ
フトコンバータは、プレート型反応器である、ことが好
ましい。かかるプレート型反応器を用いることにより、
装置のコンパクト化を図ることができる。
【0014】また、前記燃料電池、改質器、及びシフト
バータは、一体に積層されている、ことが好ましい。こ
の構成により、装置全体のコンパクト化を更に図ること
ができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。自動車の走
行抵抗は、コロガリ抵抗、空気抵抗、勾配抵抗、
加速抵抗から構成される。また、特に、平地走行の場
合は、コロガリ抵抗、空気抵抗、加速抵抗のみとなる。
これらの走行抵抗のうち、加速抵抗が最も大きく、以
下、空気抵抗、コロガリ抵抗の順となる。従って、加速
時のエネルギの一部を燃料電池以外から供給できれば、
自動車用燃料電池に要求される出力を低減することがで
きる。本発明はかかる知見に基づくものであり、更に具
体的には、フライホイールを用い、フライホイールに貯
蔵されたエネルギを車両加速エネルギに活用すること、
及び車両の制動エネルギをフライホイールに貯蔵し有効
活用することを図ったものである。
【0016】図1は、本発明によるハイブリッド型燃料
電池自動車の全体ブロック図である。この図に示すよう
に、本発明のハイブリッド型燃料電池自動車10は、燃
料電池11、フライホイール12、主クラッチ13、主
変速機14、バッテリ15、電動機16、及びこれらを
制御するフライホイール制御装置17を備えている。ま
た、本発明の燃料電池自動車10は、更に、従クラッチ
2、従変速機3、差動歯車4、車軸5及び駆動輪6を備
えている。従クラッチ2〜駆動輪6までの駆動系は、ガ
ソリンエンジン又はディーゼルエンジンを用いた従来の
自動車と同様である。また、燃料電池11〜フライホイ
ール制御装置17は、従来のエンジンに代わる原動機に
相当する。
【0017】図1に示すように、主変速機14及び主ク
ラッチ13は、自動車の制動エネルギをフライホイール
12に貯蔵するため、電動機16とフライホイール12
の間に設けられている。また、バッテリ15は、燃料電
池自動車10を始動する際の電気エネルギを少なくとも
貯蔵している。更に、フライホイール制御装置17は、
燃料電池11及びバッテリ15からの電気エネルギを電
動機16を介して機械エネルギに変換し、この機械エネ
ルギを従クラッチ2〜車軸5までの駆動系を介して車輪
6に伝達し、かつ余剰の機械エネルギをフライホイール
12に貯蔵するように、フライホイール12、主クラッ
チ13、主変速機14、バッテリ15、及び電動機16
を制御するようになっている。なお、この図で1は燃料
タンクである。
【0018】上述した構成により、燃料電池11で発電
された電気エネルギは電動機16に伝達され機械エネル
ギに変換される。電動機16で余剰となる電気エネルギ
はバッテリ15に貯蔵され、逆に電動機16で不足する
電気エネルギはバッテリ15から供給される。また、電
動機16で発生した機械エネルギは、従クラッチ2、従
変速機3、差動歯車4及び車軸5を介して自動車の駆動
輪6に伝達される。電動機16で発生する機械エネルギ
が駆動輪6で消費されるエネルギより多い場合には、主
変速機14により電動機側の回転数をフライホイール1
2の回転数より大きくなるように制御し、主クラッチ1
3を入れることによりフライホイール12に電動機16
からの機械エネルギを貯蔵する。逆に、駆動輪6の機械
エネルギが不足する場合には、主変速機14によりフラ
イホイール12の回転数を電動機サイドより高く制御し
て、主クラッチ13を入れることによりフライホイール
12に貯蔵された機械エネルギを駆動輪6ヘ放出する。
【0019】また、制動時の自動車運動エネルギを回収
する場合には電動機サイドの回転数をフライホイール1
2の回転数より高くなるように主変速機14を制御後、
主クラッチ13を入れる(ONにする)ことにより運動
エネルギをフライホイール12に貯蔵する。なお、電動
機は、この実施形態では、燃料電池11及びバッテリ1
5からの直流をインバータなしで効率よく活用するた
め、直流電動機を採用しているが、交流電動機を用いて
もよい。
【0020】図2はフライホイールの機構図である。電
動機からの機械エネルギはフライホイール12の回転エ
ネルギとして貯蔵される。フライホイール12の回転エ
ネルギEは、E=(1/2)×Iω2 の式であらわされ
る。ここで、Iはフライホイールの慣性モーメント、ω
はフライホイールの角速度(rad/s)である。従っ
て、貯蔵する回転エネルギEを増大させるためには、フ
ライホイール回転数を増加させることが効果的である
が、フライホイールの強度的制約で回転数には上限値が
ある。
【0021】自動車用フライホイールの条件として自動
車の積載荷重を低減することが必要であり、フライホイ
ールの材質はエネルギ密度Wh/Kgが大きい,炭素繊
維強化プラスチック,ガラス繊維強化プラスチック,又
はkevlar強化プラスチック(kevlarは米国
デュポン社の登録商標),等であることが望ましい。ま
た、フライホイールの周速は800〜1200m/se
cが限界と考えられる。従って、フライホイールの回転
エネルギは風損によって時間とともに減衰するので、真
空ポンプで減圧された気密容器内にフライホイールを格
納する。また、軸受損失を低減するため、超伝導マグネ
ットによる磁気軸受の採用も、燃料を液化燃料を用いる
場合には特に有効である。
【0022】更に、自動車用燃料電池では起動時間が短
いことが望まれるため、作動温度が低い固定高分子型燃
料電池(60〜100℃)及びリン酸型燃料電池(約2
00℃)が好ましい。特に、高電流密度(1A/c
2 )での運転が可能であり、かつコンパクトな固体高
分子型燃料電池が自動車用燃料電池として最も適してい
る。
【0023】一方、これらの低温型燃料電池は燃料ガス
中に含まれるCOガスによって被毒し電池性能が低下す
るので、炭素を含む燃料を使用する場合には、COを低
減するために後述するシフトコンバータを備えるのがよ
い。
【0024】図3は固体高分子型燃料電池を用いた実施
例を示す図である。なおこの図は、燃料が液体メタノー
ルの場合を示している。燃料タンク1にはメタノールと
水のモル混合比が例えば1:1.5であるような混合液
が貯蔵されている。攪拌しないと各々の成分に分離する
ので、使用前には必ずポンプの戻し液でタンクを攪拌す
るか別設置する攪拌器で均一混合液となるようにする。
この均一混合液はポンプで蒸発器21に送られ、改質器
22の排気ガスからの熱を受け取って蒸発し、蒸発器2
1から改質器22へ送出される。改質器22のメタノー
ル及び水蒸気からなる混合気体が通過する流路には銅−
亜鉛系の改質触媒が充填され、触媒燃焼器25からの高
温排気ガスからの熱を受け取り、以下の改質反応(1)
によりメタノールが水素及びCO2 に熱分解される。
【0025】 CH3 OH+H2 O→CO2 +3H2 ...(1) また、生成されたH2 とCO2 は以下のシフト反応
(2)によってCOが生成する。改質触媒層の温度が2
50℃程度ではCO濃度は約1.0〜0.5vol%で
ある。 CO+H2 O→CO2 +H2 (シフト反応)...(2)
【0026】固体高分子型燃料電池のCO許容濃度は白
金電極を使用する場合、数ppm以下であり、白金−ル
テニュウム電極を使用する場合は約100ppmであ
る。従って、改質器22からの改質ガスはシフトコンバ
ータ23、CO除去器24でCO濃度の低減化を図って
いる。シフトコンバータ23では改質ガスのシフト反応
が発熱反応であるので空気で冷却している。改質器22
及びシフトコンバータ23はコンパクト化を図るため、
プレート型反応器を用いるのがよい。その構造を図7、
図8に示す。
【0027】シフトコンバータ23の改質ガス中のCO
濃度は0.5vol%程度であるので、CO除去器24
ではこの改質ガスに空気を添加した後、ルテニューム
(Ru)系の触媒層を通すことによりCOのみを選択酸
化してCO2 にしている。固体高分子型燃料電池11の
アノード及びカソードには加湿器27を介して改質ガス
及び空気が流れている。改質ガス中の水素はアノード電
極で水素イオンとなり、イオン交換膜を移動しカソード
側で酸素と反応し水となる(図9参照)。
【0028】水素イオンがイオン交換膜を通過する間に
数個の水分子を伴うので、イオン交換膜中の水分がなく
なり水分を加湿してやる必要がある。アノード排ガス中
には未反応水素が含まれているので、カソード排ガスと
ともに触媒燃焼器で燃焼された後、改質器の加熱源とし
て使用される。固体高分子型燃料電池11は電気発生に
伴い熱が発生するので、これを冷却水で除去する(図1
0参照)。冷却板は数セル毎に挿入されている。加熱さ
れた冷却水は冷却器26でカソード空気で冷却される。
固体高分子型燃料電池11で発生した直流の電気エネル
ギは電動機16で消費されるが一部はバッテリ15に貯
蔵される。なお、図3はメタノールを燃料とする場合を
示しているが、ブタン等の液化炭化水素を用いる場合も
同様である。
【0029】図4は燃料を水素吸蔵合金28からの水素
又は液体水素とした場合の固体高分子型燃料電池11の
実施例を示す。この場合、COの被毒問題がないため、
燃料供給システムは大幅に簡素化することができる。な
お、水素吸蔵合金の場合には合金重量に対する水素吸蔵
率wt%が現状の開発レベルでは約1wt%であり、車
両積載重量の軽減化を図るため、水素吸蔵率の大幅向上
及び吸蔵−放出サイクル数の向上が開発課題となってい
る。従って、液体水素貯蔵については、保冷技術、貯蔵
タンクの軽量化及び安全対策等の開発課題がある。
【0030】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。
【0031】
【発明の効果】上述したように、本発明のハイブリッド
型燃料電池自動車は、自動車用燃料電池に要求される出
力を低減かつ平滑化することができ、余剰動力をフライ
ホイールに貯蔵し、最高走行速度で走行する時にはこの
フライホイールに貯蔵した動力を放出することにより燃
料電池の負荷動力を軽減し、コンパクト化すること及び
最高効率で燃料電池を作動させるができる、等の優れた
効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるハイブリッド型燃料電池自動車の
全体ブロック図である。
【図2】フライホイールの機構図である。
【図3】固体高分子型燃料電池の実施例である。
【図4】固体高分子型燃料電池の別の実施例である。
【図5】90KW級固体高分子型燃料電池の外形寸法図
である。
【図6】固体高分子型燃料電池の性能図である。
【図7】改質器の実施例である。
【図8】シフトコンバータの実施例である。
【図9】固体高分子型燃料電池の原理図である。
【図10】固体高分子型燃料電池の構造図である。
【符号の説明】
1 燃料タンク 2 従クラッチ 3 従変速機 4 差動歯車 5 車軸 6 駆動輪 10 ハイブリッド型燃料電池自動車 11 燃料電池 12 フライホイール 13 主クラッチ 14 主変速機 15 バッテリ 16 電動機 17 フライホイール制御装置 21 蒸発器 22 改質器 23 シフトコンバータ 24 CO除去器 25 触媒燃焼器 26 冷却器 27 加湿器 28 水素吸蔵合金

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料電池とフライホイールを備えたハイ
    ブリッド型燃料電池自動車であって、 自動車の制動エネルギをフライホイールに貯蔵するた
    め、電動機とフライホイール間に設けられた主変速機及
    び主クラッチと、 燃料電池自動車を始動する電気エネルギを貯蔵するバッ
    テリと、 燃料電池及びバッテリからの電気エネルギを電動機を介
    して機械エネルギに変換し、該機械エネルギを車軸に伝
    達し、かつ余剰の機械エネルギを貯蔵するように制御す
    るフライホイール制御装置と、を備えたことを特徴とす
    るハイブリッド型燃料電池自動車。
  2. 【請求項2】 前記フライホイールは、炭素繊維強化プ
    ラスチック,ガラス繊維強化プラスチック,又はkev
    lar強化プラスチックであり、かつ該フライホイール
    は、真空に減圧された気密容器内に格納されている、こ
    とを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド型燃料電
    池自動車。
  3. 【請求項3】 前記燃料電池は、固体高分子燃料電池又
    はリン酸型燃料電池であり、該燃料電池の燃料は、メタ
    ノール、エタノール、ブタン等の液体炭化水素である、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のハイブリッド
    型燃料電池自動車。
  4. 【請求項4】 一酸化炭素を二酸化炭素に変換するシフ
    トコンバータを更に備えた、ことを特徴とする請求項1
    乃至3に記載のハイブリッド型燃料電池自動車。
  5. 【請求項5】 前記改質器及びシフトコンバータは、プ
    レート型反応器である、ことを特徴とする請求項4に記
    載のハイブリッド型燃料電池自動車。
  6. 【請求項6】 前記燃料電池、改質器、及びシフトバー
    タは、一体に積層されている、ことを特徴とする請求項
    4乃至5に記載のハイブリッド型燃料電池自動車。
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