(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源となるバッテリユニット(１)と、バッテリユニット(１)と接続されて、バッテリユニット(１)へ充電用の直流電力を供給すべき燃料電池ユニット(２)と、バッテリユニット(１)の側面に熱交換可能に連結されると共に、水素供給管(31)を介して燃料電池ユニット(２)と連結されたタンクユニット(３)とから構成され、バッテリユニット(１)にはタンクユニット(３)を介して燃料電池ユニット(２)が一体化され、タンクユニット(３)は、水素供給管(31)へ水素ガスを供給する水素吸蔵合金タンク(４)を内蔵し、且つバッテリユニット(１)との隔壁に充電の過程でバッテリユニット(１)から発生する熱を強制的に水素吸蔵合金タンク(４)に伝えるためのファン(６)が取り付けられており、前記水素吸蔵合金タンク(４)は、複数の水素吸蔵合金ペレット(45)が収納された筒体(41)の開口部に蓋体(42)を溶接固定して構成され、前記複数の合金ペレット(45)と蓋体(42)との間には、水素を通過させることが可能な多孔質の断熱材が介在していることを特徴とする直流電源の充電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車等の電動車両に搭載される直流電源を充電する装置に関し、特に、水素ガスの供給を受けて発電する燃料電池によって直流電源を充電する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車には、ニッケル−水素二次電池等からなるバッテリが搭載され、該バッテリから駆動モータ等へ必要な電力が供給される。
バッテリの充電は、家庭や最寄りの充電ステーションに設置された専用の充電器によって行なわれる。又、充電器の電源としては、一般に商用の交流電源が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電気自動車に搭載されたバッテリを充電する過程で、バッテリが発熱し、バッテリの温度がある限界値を越えると、それ以上の充電は不可能となる。従って、過大な温度上昇が発生しない様、低い電流で充電を行なわねばならず、充電に時間がかかる問題があった。
又、バッテリの充電は家庭や最寄りの充電ステーションで行なう必要があるため、走行途中でバッテリの出力電圧が低下した場合、その場では充電を行なうことが出来ず、走行は不可能となる。
更に、充電器は、商用の交流電力を直流に変換する必要があるため、電力変換に伴うエネルギー効率の低下によって、消費電力が大きい問題があった。
【０００４】
ところで、直流の電力源として、水素ガスと空気の電気化学的な反応によって発電する燃料電池が知られている。ここで、水素ガスの供給源として、水素吸蔵合金タンクを用いることによって、燃料電池の小型化、軽量化を図ることが可能である。
そこで、発明者らは、水素吸蔵合金タンクを用いたポータブル型の燃料電池を電気自動車に搭載して、出力電圧の低下したバッテリを充電する方式を開発した。該方式によれば、走行途中でバッテリの出力電圧が低下した場合、その場で燃料電池によって充電を行なうことが出来る。又、燃料電池から得られる直流の電力を直流のままバッテリへ供給すればよいので、電力変換に伴うエネルギー効率の低下は生じない。
【０００５】
ところが、水素吸蔵合金タンクを用いた燃料電池においては、水素吸蔵合金タンクの水素放出過程は吸熱反応であるため、水素ガスの放出に伴って水素吸蔵合金タンクの温度が低下し、一定温度を下回ると、水素ガスの放出が殆ど起こらなくなって、充電が停止する問題が発生する。
又、燃料電池による直流電源の充電によっても、依然として、直流電源の温度が上昇して充電停止に至る問題は発生する。
【０００６】
本発明の目的は、電気自動車等の電動車両に搭載可能であって、然も、直流電源の温度上昇を抑えて、高い効率で継続的に充電を行なうことが出来る直流電源の充電装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る直流電源の充電装置は、直流電源となるバッテリユニット(１)と接続して、バッテリユニット(１)へ充電用の直流電力を供給すべき燃料電池ユニット(２)と、バッテリユニット(１)の側面に熱交換可能に連結されると共に、水素供給管(31)を介して燃料電池ユニット(２)と連結されたタンクユニット(３)とから構成され、バッテリユニット(１)にはタンクユニット(３)を介して燃料電池ユニット(２)が一体化され、タンクユニット(３)は、水素供給管(31)へ水素ガスを供給する水素吸蔵合金タンク(４)を内蔵し、且つバッテリユニット(１)との隔壁に充電の過程でバッテリユニット(１)から発生する熱を強制的に水素吸蔵合金タンク(４)に伝えるためのファン(６)が取り付けられている。
【０００９】
上記充電装置によれば、直流電源から発生する熱が強制的に水素吸蔵合金タンクに伝えられることによって、直流電源から熱が奪われて、直流電源が強制的に冷却されることになる。一方、燃料電池の水素吸蔵合金タンクは、直流電源からの熱を受けて、強制的に加熱されることになる。
又、燃料電池から得られる直流の電力を直流のまま直流電源へ供給することが出来る。
この結果、燃料電池の発電と直流電源の充電が共に高い効率で継続的に行なわれることとなり、短時間で直流電源の充電が完了する。
【００１０】
具体的には伝熱機構は、直流電源から発生する熱を、空気を媒体として水素吸蔵合金タンクへ伝える送風機構、或いは液体を媒体として水素吸蔵合金タンクへ伝える送水機構によって構成される。
該具体的構成によれば、強制的な対流熱伝達によって、直流電源から発生する熱が水素吸蔵合金タンクへ伝えられるので、高い伝熱効率が得られる。
【００１２】
上記充電装置は、バッテリユニット(１)と燃料電池ユニット(２)とタンクユニット(３)とを一体化して、電動車両に搭載することが可能である。この一体化によって、装置全体がコンパクトとなるばかりでなく、バッテリユニット(１)から発生する熱を外部に逃がすことなく、効率的に水素吸蔵合金タンク(４)へ伝えることが出来る。
【００１３】
又、本発明に係る充電装置において、水素吸蔵合金タンク(４)は、複数の水素吸蔵合金ペレット(45)が収納された筒体(41)の開口部に蓋体(42)を溶接固定して構成され、前記複数の合金ペレット(45)と蓋体(42)との間には、水素を通過させることが可能な多孔質の断熱材が介在している。
該水素吸蔵合金タンク(４)の製造工程においては、筒体(41)内に複数の合金ペレット(45)を装填し、更に多孔質の断熱材を詰め込んだ上で、筒体(41)の開口部に蓋体(42)を被せ、筒体(41)と蓋体(42)とを溶接する。この溶接の際、発生する熱やフラックス蒸気の一部が筒体(41)内へ侵入することになるが、断熱材の断熱効果によって、熱による合金ペレット(45)の変質が防止されると共に、断熱材の分子吸着効果によって、フラックス蒸気による合金ペレット(45)の劣化が防止される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明に係る直流電源の充電装置によれば、直流電源の温度上昇を抑えて、高い効率で継続的に充電を行なうことが出来る。然も、本発明に係る直流電源の充電装置は、電気自動車等の電動車両に搭載可能であって、これによって、走行途中で直流電源の出力電圧が低下した場合でも、その場で充電を行なうことが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１に示す如く、充電を施すべきバッテリユニット(１)は、ニッケル−水素電池からなる複数のバッテリモジュール(５)を内蔵している。各バッテリモジュール(５)の出力電圧は２８.８Ｖ、容量は６０Ａｈである。バッテリユニット(１)には、各バッテリモジュール(５)に同時に充電を施すためのプラス端子(11)及びマイナス端子(12)が設けられている。
【００１６】
バッテリユニット(１)には、タンクユニット(３)を介して燃料電池ユニット(２)が一体化されている。燃料電池ユニット(２)は、一般的なリン酸型燃料電池であって、その出力は１.７ｋＷである。燃料電池ユニット(２)には、バッテリユニット(１)を充電するための電力を出力すべきプラス端子(21)及びマイナス端子(22)が設けられており、これら一対の端子(21)(22)は、一対のワイヤー(９)(９)によってバッテリユニット(１)の一対の端子(11)(12)と接続されている。
尚、燃料電池ユニット(２)の内部構造については周知のところであるので、図示及び説明を省略する。
【００１７】
タンクユニット(３)は、燃料電池ユニット(２)側に、複数本の水素吸蔵合金タンク(４)を内蔵しており、これらの水素吸蔵合金タンク(４)から得られる水素ガスは、水素供給管(31)を経て燃料電池ユニット(２)へ供給される。尚、各水素吸蔵合金タンク(４)は、直径が１５０ｍｍ、長さが５００ｍｍのＳＵＳ製の円筒内に、水素吸蔵合金として一般的なＭｍＮｉ4.5Ａｌ0.5を３６ｋｇ充填して構成されている。
タンクユニット(３)内には、バッテリユニット(１)との間の隔壁に、ファン(６)(６)が取り付けられている。又、バッテリユニット(１)のタンクユニット(３)とは反対側の壁面にも、ファン(61)(61)が取り付けられている。
これらのファン(６)(61)を図示省略するモータによって回転させることにより、前記壁面側からバッテリユニット(１)内へ空気が吸入され、バッテリユニット(１)のバッテリモジュール(５)間を通過する過程で温度上昇した空気は、タンクユニット(３)内へ勢いよく送り込まれることになる。
【００１８】
又、タンクユニット(３)内には、ファン(６)と水素吸蔵合金タンク(４)の間に、ファン(６)から送り込まれる温風を各水素吸蔵合金タンク(４)の表面に向けて一様な流れで導くための複数枚の導風板(32)が配置されている。
従って、バッテリユニット(１)から供給される温風によって、各水素吸蔵合金タンク(４)を効率的且つ均一に加熱することが出来る。
【００１９】
図１に示す充電装置は、バッテリユニット(１)、燃料電池ユニット(２)及びタンクユニット(３)がコンパクトに一体化されているため、電気自動車の電源装置として好適である。又、バッテリユニット(１)からタンクユニット(３)への温風の供給路がタンクユニット(３)の壁面によって包囲されているため、温風の熱を効率的に水素吸蔵合金タンク(４)へ伝えることが出来る。
【００２０】
燃料電池ユニット(２)の出力電圧によってバッテリユニット(１)の各バッテリモジュール(５)を充電する過程で、各バッテリモジュール(５)の表面から発生する熱は、前述の空気流との熱交換によってバッテリモジュール(５)の表面から奪われ、バッテリモジュール(５)は冷却されることになる。この結果、バッテリモジュール(５)の温度上昇が抑制され、比較的大きな充電電流によっても、継続的に充電を行なうことが可能となる。
【００２１】
バッテリモジュール(５)から送り込まれる温風は、各水素吸蔵合金タンク(４)の表面に吹き付けられ、該温風と各水素吸蔵合金タンク(４)との熱交換によって、各水素吸蔵合金タンク(４)は加熱されることになる。この結果、水素吸蔵合金タンク(４)からは、多量の水素ガスが継続的に放出され、この水素ガスの供給を受けて、燃料電池ユニット(２)は十分な大きさの電力を発生する。
この電力がバッテリユニット(１)へ供給されることにより、バッテリユニット(１)の充電は短時間で完了することになる。
【００２２】
図２乃至図４は、上記本発明の充電装置の効果を実証するために行なった実験の結果を表わしている。実験には、前述のファンによって温風を水素吸蔵合金タンクへ向けて供給する本発明の充電装置と、ファンによる温風の供給を停止した従来の充電装置とを用いた。ここで、バッテリユニットとしては、前述の構成を有するバッテリモジュールを１個だけ内蔵したものを作製し、前述の構成を有する燃料電池ユニットによって、充電レート１Ｃ、即ち６０Ａの電流を１時間に亘って供給すると共に、燃料電池ユニットから２８.８Ｖ、６０Ａの電力を得るべく、水素吸蔵合金タンクから燃料電池ユニットへ７２Ｎｌ／ｍｉｎの流量で水素ガスを供給し、この過程の電池温度、合金温度、水素流量を測定した。
【００２３】
尚、水素ガスの供給によって生じる水素吸蔵合金の吸熱量は２１０Ｗであった。又、バッテリモジュールを６０Ａで充電するときの発熱量は、計算上１４４Ｗとなる。従って、本発明の充電装置は、バッテリモジュールの１４４Ｗの発熱量を、水素吸蔵合金の２１０Ｗの吸熱量に充当することによって、バッテリモジュールの過熱と合金の温度低下を同時に防止するものである。
【００２４】
図２は電池温度の変化を表わしており、このグラフから明らかな様に、ファンのない従来装置では電池温度が時間とともに大きく上昇しているのに対し、ファンを有する本発明装置では、初期に僅かな温度上昇が見られるが、その後は一定の温度(約３０℃)が維持されている。
図３は合金温度の変化を表わしており、このグラフから明らかな様に、温風供給のない従来装置では、最初の１０分間で急激に温度が低下しているのに対し、温風供給のある本発明装置では、初期に僅かな温度低下が見られるが、その直後に回復して、その後は一定の温度(約２０℃)が維持されている。
又、図４は水素流量の変化を表わしており、このグラフから明らかな様に、温風供給のない従来装置では、初期に水素流量が上昇した後、急激に低下しているのに対し、温風供給のある本発明装置では、初期に水素流量が上昇した後、殆ど低下することなく、一定の流量(約２Ｎｌ／ｍｉｎ)が維持されている。
【００２５】
従って、本発明の充電装置によれば、バッテリユニット(１)の温度上昇が防止されると同時に、水素吸蔵合金タンク(４)の温度低下が防止され、十分な量の水素ガスの継続的な供給を受けて、燃料電池ユニット(２)は大きな電力を発生し、バッテリユニット(１)を短時間で充電をすることが可能である。
【００２６】
図５に示す参考例の充電装置においては、バッテリユニット(１)及びタンクユニット(３)の内部に、水などの液体が注入された液体室(図示省略)が形成されており、両ユニット(１)(３)の液体室が第１送水管(71)及び第２送水管(72)によって互いに連結され、第１送水管(71)の途中にはポンプ(７)が取り付けられている。ポンプ(７)の駆動によって、バッテリユニット(１)とタンクユニット(３)の間を液体が循環し、両ユニットの熱交換が行なわれる。
【００２７】
又、図６及び図７は、水素吸蔵合金タンク(４)の具体的構成例を表わしている。
何れの例においても、水素吸蔵合金タンク(４)は、一端が開口した筒体(41)の内部に、水素吸蔵合金粉末を結着剤の混入によってペレット化した複数の合金ペレット(45)が収納されており、筒体(41)の開口部は蓋体(42)によって塞がれている。ここで、蓋体(42)は溶接部(44)によって筒体(41)に固定されている。蓋体(42)には水素導入・放出管(43)が突設されている。
尚、後述する性能確認に用いた水素吸蔵合金タンク(４)は、ＳＵＳ製であって、筒体(41)の内径が４.６ｃｍ、外径が５ｃｍ、長さが１６ｃｍである。
【００２８】
ところで、筒体(41)に蓋体(42)を溶接固定する場合、溶接熱が筒体(41)内の合金ペレット(45)に伝わり、合金ペレット(45)が変質する虞れがある。又、溶接の過程で発生するフラックス蒸気が筒体(41)内に侵入して、合金ペレット(45)を劣化させる虞れがある。
【００２９】
そこで、図６に示す水素吸蔵合金タンク(４)では、筒体(41)内に複数の合金ペレット(45)を装填した後、開口部に形成される空間にガラス繊維(８)を詰め込んだ上で、蓋体(42)を溶接固定する。
尚、後述する性能確認に用いる合金ペレット(45)の作製においては、水素吸蔵合金ＭｍＮｉ4.5Ａｌ0.5の粉末に、結着剤としてＰＴＦＥ(４フッ化エチレン)を重量比９：１の割合で混入し、内径４４ｍｍの金型に、成型後の厚さが１.５ｃｍとなる量を充填して、１５００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で加圧成型した。その後、不活性ガス中で３７０℃、２時間の焼結処理を施して、合金ペレット(45)を得た。ガラス繊維(８)の量は３０ｇである。
【００３０】
上記水素吸蔵合金タンク(４)によれば、ガラス繊維(８)が断熱効果を発揮し、溶接熱を遮断して、合金ペレット(45)の変質を防止することが出来る。又、ガラス繊維(８)間には、水素ガスの通過が可能な隙間が形成されるが、ガラス繊維(８)は、分子量の大なる粒子に対しては吸着効果を有するため、筒体(41)の開口部でフラックス蒸気の侵入が遮断され、合金ペレット(45)の劣化が防止される。
【００３１】
図８は、ガラス繊維を詰め込んだ本実施例の水素吸蔵合金タンクと、ガラス繊維の詰め込まれていない従来例との水素化平衡特性の比較を表わしている。図示の如く、従来例では、水素吸蔵合金の特性に変化が見られるが、本実施例では特性に変化が見られず、大きな水素吸収量が維持されている。
【００３２】
又、図７に示す水素吸蔵合金タンク(４)では、筒体(41)内に複数の合金ペレット(45)を装填した後、開口部に形成される空間に、直径４.６ｃｍ、厚さ３ｍｍのマイカセラミック焼結板(81)を装填した上で、蓋体(42)を溶接固定する。
尚、合金ペレット(45)は図６の例と同様の工程によって作製した。
【００３３】
上記水素吸蔵合金タンク(４)によれば、マイカセラミック焼結板(81)が断熱効果を発揮し、溶接熱を遮断して、合金ペレット(45)の変質を防止することが出来る。又、マイカセラミック焼結板(81)は多孔質であって、水素ガスの通過が可能であるが、マイカセラミック焼結板(81)によってフラックス蒸気の侵入が遮断され、合金ペレット(45)の劣化が防止される。
【００３４】
更に、他の実施例として、図６の例と同一組成の水素吸蔵合金と、ＰＴＦＥと、粉末断熱材としてのケイ酸カルシウム保温材とを、８.５：１.０：０.５の割合で混合し、図６の例と同様に、厚さが２ｃｍの合金ペレットを作製した。そして、図７に示すマイカセラミック焼結板(81)に替えて、上記の複合型合金ペレットを装填し、蓋体を溶接固定した。
【００３５】
上記水素吸蔵合金タンクによれば、マイカセラミック焼結板に替えて装填した複合型合金ペレットが断熱効果とフラックス蒸気遮断効果を発揮し、他の合金ペレットの劣化が防止される。
従って、マイカセラミック焼結板の如き断熱材を準備する必要がなく、これによって工程が簡略化される。
【００３６】
図９は、複合型合金ペレットを内蔵した本実施例の水素吸蔵合金タンクと従来例との水素化平衡特性の比較を表わしている。図示の如く、従来例では、水素吸蔵合金の特性に変化が見られるが、本実施例では特性に変化が見られず、大きな水素吸収量が維持されている。
【００３７】
水素吸蔵合金タンク(４)の何れの実施例においても、合金ペレット(45)が水素の吸放出を繰り返す過程でその一部が微粉化するが、ガラス繊維(８)やマイカセラミック焼結板(81)等の断熱材がフィルターの役割を果たすので、従来は不可欠であったフィルターを省略することが可能である。
【００３８】
尚、水素吸蔵合金タンク(４)に装填すべき断熱材は、無機系、有機系を問わず、例えば無機系として石綿、セラミックファイバー等を、有機系としてフォームポリスチレン等を採用することが出来る。又、粉末断熱材としては、けいそう土保温材等を採用することが出来る。
【００３９】
上記実施の形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る充電装置の一部破断斜視図である。
【図２】電池温度の時間変化を本発明と従来で比較したグラフである。
【図３】合金温度の時間変化を本発明と従来で比較したグラフである。
【図４】水素流量の変化を本発明と従来で比較したグラフである。
【図５】充電装置の参考例を示す側面図である。
【図６】水素吸蔵合金タンクの一部破断斜視図である。
【図７】水素吸蔵合金タンクの他の実施例を示す一部破断斜視図である。
【図８】図６に示す水素吸蔵合金タンクについての水素化平衡特性を従来と比較したグラフである。
【図９】他の構成を有する水素吸蔵合金タンクについての水素化平衡特性を従来と比較したグラフである。
【符号の説明】
(１)  バッテリユニット
(２)  燃料電池ユニット
(３)  タンクユニット
(31)  水素供給管
(32)  導風板
(４)  水素吸蔵合金タンク
(41)  筒体
(42)  蓋体
(45)  合金ペレット
(５)  バッテリモジュール
(６)  ファン
(61)  ファン
(８)  ガラス繊維
(81)  マイカセラミック焼結板
【図１】
0003643662.tif 000002
【図２】
0003643662.tif 000003
【図３】
0003643662.tif 000004
【図４】
0003643662.tif 000005
【図５】
0003643662.tif 000006
【図６】
0003643662.tif 000007
【図７】
0003643662.tif 000008
【図８】
0003643662.tif 000009
【図９】
0003643662.tif 000010