(57)【要約】【課題】燃料電池車が加速用車線を走行する際の燃費の低下を抑制すること。【解決手段】加速用車線システム３０は、燃料電池車４０が走行可能な加速用車線３２と、加速用車線３２に設けられた酸素供給区間３４と、酸素供給区間３４に、空気よりも酸素濃度が高い高酸素濃度ガスを供給するための１又は２以上の酸素供給装置３８とを備えている。加速用車線システム３０は、酸素供給区間３４の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度を燃料電池車４０に送信するための酸素濃度検出器３８をさらに備えていても良い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車が走行可能な加速用車線と、
前記加速用車線に設けられた酸素供給区間と、
前記酸素供給区間に、空気よりも酸素濃度が高い高酸素濃度ガスを供給するための１又は２以上の酸素供給装置と
を備えた加速用車線システム。
【請求項２】
前記酸素供給区間は、
（ａ）車道の左右及び上部が壁で囲まれたトンネル型構造、
（ｂ）前記車道の両側に壁が立設された凹型構造、
（ｃ）前記車道の片側に壁が立設されたＬ型構造、又は、
（ｄ）Ｌ型構造の先端に庇を設けたコの字型構造、
を備えている請求項１に記載の加速用車線システム。
【請求項３】
水電解装置、又は人工光合成装置から排出される副成酸素を前記酸素供給装置に供給するための接続手段をさらに備えている請求項１又は２に記載の加速用車線システム。
【請求項４】
前記酸素供給区間の長さは、５０ｍ以上２００ｍ以下である請求項１から３までのいずれか１項に記載の加速用車線システム。
【請求項５】
前記酸素供給区間の酸素濃度を検出し、検出された前記酸素濃度を前記燃料電池車に送信するための酸素濃度検出器をさらに備えた請求項１から４までのいずれか１項に記載の加速用車線システム。
【請求項６】
前記酸素供給装置は、前記酸素供給区間の入口側から出口側に向かって酸素濃度が減少するように、前記酸素供給区間に前記高酸素濃度ガスを供給するものからなる請求項１から５までのいずれか１項に記載に加速用車線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速用車線システムに関し、さらに詳しくは、燃費を大幅に低下させることなく燃料電池車の加速を円滑に行うことが可能な加速用車線システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を動力源とする燃料電池車（ＦＣＶ）は、ＣＯ2を排出しない、ガソリン車に比べてエネルギー効率が高い、騒音を発生しない、有害ガスを排出しない、などの利点がある。そのため、現在、燃料電池車が普及しつつある。
燃料電池は、燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させ、電力を得る電池である。燃料電池には、種々のタイプが知られているが、燃料電池車の動力源には、現在、固体高分子形燃料電池が用いられている。固体高分子形燃料電池において高い出力を得るためには、電解質膜の含水状態を維持する必要がある。
【０００３】
また、燃料電池においては、一般に、酸化剤ガス中の酸素分圧が高くなるほど、高い出力が得られることが知られている。酸素分圧を高くする方法としては、例えば、
（ａ）酸化剤ガス全体の圧力を上昇させる方法、
（ｂ）酸化剤ガス中の酸素濃度を上昇させる方法
などが知られている。
【０００４】
しかし、固体高分子形燃料電池が低出力で作動している場合において、酸化剤ガス全体の圧力を高く維持すると、電解質膜の水分が過剰の酸化剤ガスによって持ち去られ、電解質膜が乾燥するという問題がある。
また、酸化剤ガス中の酸素濃度を上昇させた場合において、酸素利用率を低く設定すると、電圧上昇率は向上するが、未反応の酸素がそのまま排出されるという問題がある。一方、酸素利用率を高く設定すると、酸化剤ガス流路の入口側と出口側の酸素濃度差や温度差が大きくなる。その結果、かえって効率が低下したり、あるいは、燃料電池の劣化を加速させる場合がある。
【０００５】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、空気極に供給される空気を圧送するターボコンプレッサと、ターボコンプレッサから吐出される空気の一部を空気極に供給し、残りの空気を分岐管を介してそのまま排出する燃料電池システムにおいて、
（ａ）透過膜式の酸素富化装置を用いて、分岐管に排出された空気から酸素富化空気を製造し、
（ｂ）製造された酸素富化空気と外部から供給される空気とを混合し、
（ｃ）混合ガスをターボコンプレッサで圧送する
方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、燃料電池スタック内の乾燥状態を抑制しつつ、分岐管内を流れる空気の有するエネルギを有効利用できる点が記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、酸素富化装置を備えた燃料電池において、酸化剤ガス流路を上下２段に分割し、上段の酸化剤ガス流路には酸素富化装置から排出される酸化剤ガスを供給し、下段の酸化剤ガス流路には上段の酸化剤ガス流路から排出された酸化剤ガスを供給する方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）酸素分圧を高くし、かつ、酸素利用率を小さくすることにより、出力電圧が増加する点、及び、
（ｂ）酸化剤ガス流路を上下２段に分割することによって酸素の平均分圧が高く保たれるため、大きな電圧上昇率が得られる点
が記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、磁界式の酸素富化装置を用いて酸素分圧を上昇さた酸素富化空気を生成させ、酸素富化空気を空気極に供給する燃料電池装置が開示されている。
同文献には、このような方法により燃料電池の発電効率が向上し、かつ、酸素分圧を上げる動作の際に消費するエネルギ量を少なくすることができる点が記載されている。
【０００８】
さらに、特許文献４には、燃料電池ではないが、
（ａ）トンネル内で生じる汚染空気を汚染空気捕集装置にて竜巻を起して捕集し、
（ｂ）汚染空気を汚染空気処理装置にて浄化し、
（ｃ）空気汚染処理装置の後方に酸素富化装置を配置し、トンネル内の空気からＣＯ2を除去し、あるいは、酸素富化装置からトンネル内に酸素を補給する
空気清浄方法が開示されている。
【０００９】
停止状態又は低速走行状態にある自動車が、高速走行が求められる道路に入る場合、加速用車線で加速する必要がある。内燃機関を動力源とする自動車と同様に、燃料電池車においても加速時の効率は低く、その改善が求められている。
燃料電池車において、高出力時の効率を上げる方法の１つとして、特許文献１〜３に開示されているように、酸素富化装置を用いて酸化剤ガス中の酸素濃度を上昇させる方法が考えられる。しかし、燃料電池車に酸素富化装置を搭載する方法では、自動車の体格増大や重量増加が生じるだけでなく、車体の設計が難しくなる場合がある。
【００１０】
例えば、酸素富化装置は、空気を取り込むためのフロントフード内に収容する必要がある。しかし、フロントフード内には、ラジエータ、モータ、回路などが既に収容されており、燃料電池スタックがさらに収容されている場合もある。また、フロントフード内には、衝突安全策としての空間の確保が必要である。そのため、フロントフード内にさらに酸素富化装置を収容することは、体格面で設計が困難になる。また、酸素富化装置の収容が可能であっても、酸素富化装置の搭載による重量増加も懸念される。
【００１１】
さらに、燃料電池車を利用する間、酸素富化装置が必要となる機会は少ないと見込まれる。そのため、酸素富化装置を搭載することで出力点の効率は向上しても、低出力な走行モードではかえって燃費が悪化する可能性も懸念される。また、酸素富化装置を搭載することによるコスト上昇も懸念される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０１６−１１５６２２号公報
【特許文献２】特開平０４−０６７５７５号公報
【特許文献３】特開平１０−３２１２４９号公報
【特許文献４】特開平５−２４８１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池車が加速用車線を走行する際の燃費の低下を抑制することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池車の体格増大、重量増加、設計の困難性の増大、あるいは、コスト増加を生じさせることなく、燃料電池車の高出力時及び低出力時の燃費の低下を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために本発明に係る加速用車線システムは、
燃料電池車が走行可能な加速用車線と、
前記加速用車線に設けられた酸素供給区間と、
前記酸素供給区間に、空気よりも酸素濃度が高い高酸素濃度ガスを供給するための１又は２以上の酸素供給装置と
を備えていることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１５】
燃料電池車が加速用車線の酸素供給区間に進入した場合において、酸素供給装置を用いて酸素供給区間内に高酸素濃度ガスを供給した時には、燃料電池車に搭載された燃料電池の空気極には、空気より酸素濃度が高い酸化剤ガスが一時的に供給される。その結果、少ない燃料でより高い出力が得られる。また、燃料電池車に酸素富化装置を搭載する必要がないので、体格増大、重量増加、設計の困難性の増大、及び、コスト増加も抑制される。さらに、加速用車線を通過した後は、空気が空気極に供給されるので、高出力時だけでなく、低出力時においても低燃費が維持される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】加速用車線が設置された高速道路の模式図である。
【図２】本発明に係る加速用車線システムの模式図である。
【図３】燃料電池の電流密度と電圧との関係を示す図である。
【図４】燃料電池の電流密度と出力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  加速用車線システム］
図１に、加速用車線が設置された高速道路の模式図を示す。高速道路の本線１２の近傍には、所定の間隔をおいて、サービスエリア（ＳＡ）又はパーキングエリア（ＰＡ）が設置されている。
高速道路を走行中の自動車がＳＡ・ＰＡに入る場合、本線１２から減速用車線１４に入る。ＳＡ・ＰＡには、給油ステーション（燃料電池車の場合は、水素ステーション）１６が設置されている場合がある。ＳＡ・ＰＡに立ち寄った自動車は、必要に応じて、給油ステーション１６で給油をした後、加速用車線３２ａを通って本線１２に合流する。
また、一般道と本線１２とが合流するインターチェンジ（ＩＣ）、あるいは、他の高速道路と本線１２とが合流するジャンクション（図示せず）に進入した自動車は、加速用車線３２ｂを通って本線１２に合流する。
【００１８】
図２に、本発明に係る加速用車線システムの模式図を示す。図２において、加速用車線システム３０は、
燃料電池車４０が走行可能な加速用車線３２と、
加速用車線３２に設けられた酸素供給区間３４と、
酸素供給区間３４に、空気よりも酸素濃度が高い高酸素濃度ガスを供給するための１又は２以上の酸素供給装置３６、３６…と
を備えている。
加速用車線システム３０は、酸素供給区間３４の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度を燃料電池車４０に送信するための酸素濃度検出器３８、３８…をさらに備えていても良い。
【００１９】
［１．１．  加速用車線］
本発明において、加速用車線３２の構造は、燃料電池４０が走行可能であり、かつ、所定の速度まで加速可能なものである限りにおいて、特に限定されない。また、加速用車線３２は、停止状態又は低速走行状態にある燃料電池車４０が、高速走行が求められる道路に入る場所に設置される。従って、加速用車線３２の設置場所は、必ずしも高速道路である必要はなく、一般道であっても良い。
【００２０】
［１．２．  酸素供給区間］
加速用車線３２には、酸素供給区間３４が設けられる。
ここで、「酸素供給区間３４」とは、空気よりも酸素濃度が高い高酸素濃度ガスが充満している走行区間をいう。高酸素濃度ガスは、酸素供給区間３４に設置された酸素供給装置３６、３６…から供給される。
【００２１】
［１．２．１．  構造］
酸素供給区間３４の構造は、燃料電池車４０に高酸素濃度ガスを供給することが可能な限りにおいて、特に限定されない。酸素供給装置３６、３６…から供給された高酸素濃度ガスを散逸させることなく、効率良く燃料電池車４０で取り込むためには、酸素供給区間３４は、密閉型構造又は半密閉型構造を備えているのが好ましい。
酸素供給区間３４の構造としては、例えば、
（ａ）車道の左右及び上部が壁で囲まれたトンネル型構造、
（ｂ）車道の両側に壁が立設された凹型構造、
（ｃ）車道の片側に壁が立設されたＬ型構造、
（ｄ）Ｌ型構造の先端に庇を設けたコの字型構造、
などがある。
図２に示す例において、酸素供給区間３４は、トンネル型構造を備えている。
【００２２】
酸素供給区間３４をトンネル型構造にすると、高酸素濃度ガスが散逸しにくくなる。また、酸素供給区間３４を凹型構造にすると、車高の高い車でも通過可能となる。
さらに、酸素供給区間３４をＬ型構造又はコの字型構造にした場合において、酸素供給区間３４を２車線走行区間とした時には、壁に近い車線を走行する自動車は酸素供給の恩恵を受けやすく、壁から遠い車線を走行する自動車は酸素供給の影響を受けにくくなる。そのため、例えば、壁に近い車線は燃料電池車の走行用とし、壁から遠い車線は内燃機関車両や準ＥＶ車両の走行用とすることもできる。
【００２３】
［１．２．２．  長さ］
酸素供給区間３４の長さは、酸素供給区間３４の設置場所及び／又は形状、酸素供給区間３４の入口側及び出口側の制限速度、酸素供給区間３４内の平均酸素濃度、酸素供給区間３４の平均通過時間などに応じて、最適な長さを選択するのが好ましい。
例えば、時速４０ｋｍで酸素供給区間３４に進入し、時速８０ｋｍで酸素供給区間３４から抜ける場合、酸素供給区間３４の長さは、５０ｍ以上２００ｍ以下が好ましい。また、時速４０ｋｍから時速８０ｋｍまでの加速を約５秒間で行う場合、酸素供給区間３４の長さは、１００ｍ±５０ｍが好適である。
【００２４】
［１．３．  酸素供給装置］
［１．３．１．  構造］
酸素供給装置３６、３６…は、酸素供給区間３４に、空気よりも酸素濃度が高い高酸素濃度ガスを供給するためのものである。酸素供給装置３６、３６…の構造は、高酸素濃度ガスを酸素供給区間３４に供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。酸素供給装置３６、３６…としては、例えば、ノズル、送風機などがある。
【００２５】
［１．３．２．  酸素源］
酸素供給装置３６、３６…から供給される高酸素濃度ガスの酸素源は、特に限定されない。酸素源としては、例えば、
（ａ）水電解装置から排出される副成酸素、
（ｂ）人工光構成装置から排出される副成酸素、
（ｃ）酸素タンクに貯蔵されている純酸素、
などがある。
酸素供給装置３６、３６…から供給されるガスは、純酸素でも良く、あるいは、酸素源から供給される純酸素を空気で希釈した酸素富化空気でも良い。
【００２６】
加速用車線システム３０は、このような酸素源を自ら備えていても良い。
一方、加速用車線システム３０がこのような酸素源を備えていない場合において、その近隣にこのような酸素源が設置されている時（例えば、給油ステーション１６に水電解装置が設置されている時）には、酸素源からの高酸素濃度ガスを酸素供給装置３６、３６…に供給するための接続手段が必要となる。
【００２７】
酸素源は、特に、水電解装置又は人工光合成装置から排出される副成酸素が好ましい。副成酸素は、あまり用途がないことから、そのまま大気に廃棄されることが多い。しかし、副成酸素を加速用車線システム３０で活用すれば、酸素の有効利用にもつながり、総合的に見ればエネルギー効率の高い輸送システムを提供することができる。
【００２８】
さらに、給油ステーション（水素ステーション）１６が水電解装置を備えている場合、酸素源は、その水電解装置から排出される副成酸素が好ましい。
その理由の１つ目は、給油ステーション１６に設置された水電解装置と加速用車線システム３０との距離が必然的に短くなるためである。
その理由の２つ目は、酸素発生のタイミングと酸素利用のタイミングがほぼ一致するためである。
【００２９】
高速道路を走行している車両側の行動を追ってみると、まず、水素補給のために本線１２から水素補給が可能なＳＡ・ＰＡに入り、水素補給を行う。水素補給が完了した後、再び本線１２に戻る。そのため、水電解による水素製造時に副成した酸素を、そのまま速やかに酸素供給区間３４に供給することで、酸素を有効利用することができる。また、酸素を長時間貯蔵する必要がないという点でも合理的である。
【００３０】
［１．３．３．  取り付け位置］
酸素供給装置３６、３６…の取り付け位置は、酸素供給区間３４の構造、燃料電池車４０の構造などに応じて、最適な位置を選択するのが好ましい。
燃料電池車４０の酸素取り込み口は、通常、フロントフードよりも低い位置に設置される。そのため、酸素供給装置３６、３６…を燃料電池車４０のフロントフードよりも低い位置に設置し、その高さで水平方向に高酸素濃度ガスを噴射するのが好ましい。
【００３１】
［１．３．４．  取り付け間隔］
酸素供給装置３６、３６…の取り付け間隔は、酸素供給区間３４の構造、燃料電池車４０の構造などに応じて、最適な間隔を選択するのが好ましい。
例えば、同じ出力で加速を開始する場合、加速用車線を進むにつれて速度は速くなる。そのため、酸素供給区間３４の出口に近くなるほど、単位長さ当たりの滞在時間は短くなる。すなわち、速度が速くなるほど、単位長さ当たりの酸素消費量は減る。そのため、酸素供給装置３６、３６…は、酸素供給区間３４の入口側から出口側に向かって酸素濃度が減少するように、酸素供給区間３４に高酸素濃度ガスを供給するものが好ましい。
【００３２】
酸素供給区間３４の出口側に向かって酸素濃度を漸減させる方法としては、例えば、
（ａ）等間隔に酸素供給装置３６、３６…を配置し、高酸素濃度ガスの噴射量を調整する方法、
（ｂ）酸素供給区間３４の入口側では酸素供給装置３６、３６…の間隔が密となり、出口側に向かうほど酸素供給装置３６、３６…の間隔が疎となるように、酸素供給装置３６、３６…の設置間隔を変更する方法、
（ｃ）酸素供給区間３４の入口側では純酸素を供給し、酸素供給区間３４の出口側では酸素濃度が１００％未満の酸素富化空気を供給する方法、
などがある。
【００３３】
［１．３．５．  稼働方法］
酸素供給装置３６、３６…の稼働方法（すなわち、高酸素濃度ガスの噴射タイミング）は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な時間を選択することができる。
酸素供給装置３６、３６…の稼働方法としては、例えば、
（ａ）常時、高酸素濃度ガスを噴射する方法、
（ｂ）ＦＣＶ４０の接近を検知して、高酸素濃度ガスを噴射する方法、
（ｃ）給油ステーション１６に設置される水電解装置から酸素が供給される場合には、その給油ステーション１６で水素を充填したＦＣＶ４０の接近を検知して、高酸素濃度ガスを噴射する方法、
などがある。
【００３４】
［１．４．  酸素濃度検知器］
燃料電池車４０は、燃料電池スタック４２と、水素タンク４４と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４６とを備えている。燃料電池スタック４２の出力は、水素タンク４４から供給される水素ガスの量だけでなく、空気取り込み口（図示せず）がら取り込まれる空気の量及び空気中の酸素濃度に依存する。そのため、燃料電池車４０に酸素濃度計を設置し、酸素濃度計で検出された酸素濃度をＥＣＵ４６に出力し、酸素濃度に基づいて燃料電池スタック４２の動作を制御する場合がある。
【００３５】
しかし、酸素濃度計を有さない燃料電池車４０が酸素供給区間３４を通過した場合、酸素供給区間３４は空気よりも酸素濃度が高くなっているため、燃料電池スタック４２を効率よく作動させることができない場合がある。このような場合には、加速用車線システム３０は、酸素供給区間の酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度を燃料電池車４０に送信するための酸素濃度検出器３８、３８…を備えているのが好ましい。この場合、燃料電池車４０は、酸素濃度検出器３８、３８…から送信される情報を受信する受信装置を備えている必要がある。
【００３６】
酸素濃度検知器３８、３８…の設置箇所、及び設置個数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択する。例えば、酸素濃度検知器３８、３８…は、等間隔に設置されていても良い。あるいは、酸素濃度検知器３８、３８…は、酸素供給区間３４の入口側から出口側に向かうにつれて間隔が疎になるように設置されていても良い。
【００３７】
［３．  作用］
図３に、燃料電池の電流密度と電圧との関係を示す。図３に示すように、低電流密度領域では、電圧は、酸化剤ガス中の酸素濃度にあまり影響を受けない。しかし、高電流密度領域では、酸化剤ガス中の酸素濃度が低くなるほど、電圧が低下する。これは、高電流密度領域では、酸素の拡散が律速となるためである。
【００３８】
図４に、燃料電池の電流密度と出力との関係を示す。図４に示すように、低出力領域では、ある一定の出力を得るために必要な電流密度は、酸化剤ガス中の酸素濃度にあまり影響を受けない。しかし、高出力領域においては、酸化剤ガス中の酸素濃度が低くなるほど、ある一定の出力を得るために必要な電流密度が大きくなる。これは、酸化剤ガス中の酸素濃度が低い場合において高出力を得るためには、より多くの燃料が必要となることを意味している。
【００３９】
停止状態又は低速走行状態にある燃料電池車が、高速走行が求められる道路に入る場合、加速用車線で加速する必要がある。加速には高出力が必要であるため、酸化剤ガスとして空気を用いた場合には、燃料電池車の効率が低下する。
この問題を解決するために、燃料電池車に酸素富化装置を搭載することも考えられる。しかし、この方法では、燃料電池車の体格増大、重量増加、設計の困難性、コスト増加などの問題が生じる。また、低出力時に高酸素濃度ガスを燃料電池に供給し続けると、より多くの過酸化水素が生成し、燃料電池の劣化を加速させる場合がある。
【００４０】
これに対し、加速用車線に酸素供給区間を設けると、燃料電池車の体格増大等の問題を生じさせることなく、加速時の効率を向上させることができる。これは、以下の理由による。
【００４１】
すなわち、高酸素濃度状態では、単位体積当たりの酸化剤ガスに含まれる酸素の濃度が高い。そのため、燃料電池スタックの空気極への酸化剤ガス供給量を、酸素濃度に応じて減らすことができる。極端な例では、空気中の酸素濃度が２０％であるのに対し、酸素供給区間内の酸素濃度は、最大で１００％まで上げることができる。その場合、燃料電池スタックの空気極への酸化剤ガス供給量は、空気吸入時の１／５で済む。これにより、酸化剤ガスの供給に要するブロアや過給機の動力を大幅に削減することができる。
【００４２】
また、燃料電池に高酸素濃度ガスを供給すると、空気使用時よりも燃料電池内の酸素分圧が大幅に上がる。これと同時に、酸素の拡散を阻害していた窒素が少なくなるため、拡散抵抗による損失が減少し、高出力運転時の性能が大幅に向上する。さらには、空気使用時よりも高酸素濃度ガス使用時のガス流速が遅くなるため、電解質膜からの水分の持ち去りが減少する。その結果、電解質膜の乾きによる性能低下が起きにくくなり、これが出力向上要因として働く。さらに、加速用車線を通過した後は、通常の空気が空気極に供給されるので、高出力時だけでなく、低出力時においても低燃費が維持される。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明に係る加速用車線システムは、高速道路の加速用ランプウェイに用いることができる。
【符号の説明】
【００４５】
３０  加速用車線システム
３２  加速用車線
３４  酸素供給区間
３６  酸素供給装置
【図１】
2019075223.tif 000003
【図２】
2019075223.tif 000004
【図３】
2019075223.tif 000005
【図４】
2019075223.tif 000006