(57)【要約】【課題】燃料電池と電気的負荷との距離を短縮化し、両者をつなぐハーネスの軽量化を実現できる燃料電池車の電源装置を提供する。【解決手段】燃料電池車に搭載される２以上の電気的負荷（モータ１〜４、低圧機器５）と、これら負荷のうち、少なくとも２つの負荷の各々に近接して配置され、各負荷に対して電力を供給する合計２以上の燃料電池１１〜１５とを有する。２以上の負荷に対して、近接して複数の燃料電池１１〜１５を配することにより、各燃料電池自体のサイズを小型化し、さらには各燃料電池から各負荷への距離を短縮化することで、ハーネスの軽量化を実現することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車に搭載される２以上の電気的負荷と、
これら負荷のうち、少なくとも２つの負荷の各々に近接して配置され、各負荷に対して電力を供給する合計２以上の燃料電池とを有することを特徴とする燃料電池車の電源装置。
【請求項２】
各燃料電池の出力電圧・出力電流は、接続される負荷に応じて異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車の電源装置。
【請求項３】
２以上の電気的負荷にモータが含まれ、
このモータの回生電力を蓄電する蓄電手段を、モータに電力を供給する燃料電池に近接して設けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車の電源装置。
【請求項４】
２以上の電気的負荷にモータが含まれ、
各燃料電池に水素を供給するメイン水素供給部と、
前記モータの回生電力により車載の水を電気分解して水素を発生させる電気分解機構と、
電気分解機構で発生した水素を燃料電池に供給するサブ水素供給部とを具えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車の電源装置。
【請求項５】
サブ水素供給部の水素蓄積量を検知する水素量検知手段と、水素量検知手段の検知結果が一定値を超えた場合に、電気分解機構で発生した水素をメイン水素供給部に供給する切替機構とを具えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車の電源装置に関するものである。特に、燃料電池から負荷までの距離を短くし、その間の電線を短縮できる燃料電池車の電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、水素と酸素とを結合して電力を得る燃料電池の研究が広く行われている。燃料電池は、その発電効率が６０〜８０％と他のあらゆる発電装置に比して高く、電池反応時にはＨ２Ｏしか排出しないという優れた特性を有する。そのため、環境上やエネルギー資源上、燃料電池を搭載した燃料電池車が重要な技術として開発されている（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
燃料電池車の構成例を図４に示す。この燃料電池車は、単一の燃料電池１０１と、メタノール燃料タンク１０２と、改質器１０３および空気圧縮機１０４（コンプレッサ）を有する。メタノール燃料タンク１０２のメタノールを改質器１０３で改質して水素を生成し、得られた水素を燃料電池１０１に供給する。同時に空気圧縮機１０４で加圧した空気も燃料電池１０１に供給し、空気中の酸素と改質器１０３を介して供給された水素とを結合することにより発電する。発電電力は、パワーコントロールユニット１０５を介して二次電池１０６に蓄電されたり、モータ１０７を駆動して車輪１０８の回転に利用したりする。もちろん、エアコン、カーオーディオなどの図示しない車載電気機器への電力も、この燃料電池１０１の発電電力により賄われる。
【０００４】
【非特許文献】日経メカニカル別冊、「２１世紀のクルマはこうなる」、６７ページ、日経ＢＰ社、発行人：林  裕久、２０００年７月１７日
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池車では、一つの燃料電池から全ての電気的負荷への電力供給を行うため、燃料電池自体や負荷に電力を供給するためのハーネスが大型化し、車両重量増加の要因となっていた。
【０００６】
ハイブリッド車や燃料電池車に代表されるモータにて駆動力を得る車両において、動力性能を向上させるためにモータの出力が向上してきている。そのため、燃料電池自体も高出力のものが求められ大型化し、併せて燃料電池で生成した電力も大容量の太径電線で伝達することから、車重の増加につながっている。
【０００７】
また、モータの出力向上に伴い、モータに対して大電流を供給するため、太径電線を用いた場合であっても、その電気抵抗により熱が発生してしまい損失が増大している。
【０００８】
さらには、動力性能の向上に対応してモータが複数個になった場合には、燃料電池から各モータに電力を供給するための電線が長くなり、上記の問題点はさらに顕著になることが予想される。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、燃料電池と電気的負荷との距離を短縮化し、両者をつなぐハーネスの軽量化を実現できる燃料電池車の電源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の電気的負荷に対して複数の燃料電池を近接して配置することで上記の目的を達成する。
【００１１】
すなわち、本発明燃料電池車の電源装置は、燃料電池車に搭載される２以上の電気的負荷と、これら負荷のうち、少なくとも２つの負荷の各々に近接して配置され、各負荷に対して電力を供給する合計２以上の燃料電池とを有することを特徴とする。
【００１２】
２以上の負荷に対して、近接して複数の燃料電池を配することにより、各燃料電池自体のサイズを小型化し、さらには各燃料電池から各負荷への距離を短縮化することで、ハーネスの軽量化を実現することができる。
【００１３】
これら各燃料電池の出力電圧・出力電流は、接続される負荷に応じて異なることが好ましい。車載負荷には、高電圧・高電流を必要とする負荷から低電圧・低電流で良い負荷まで種々のものがある。各負荷に応じて、その負荷に必要な電力を供給できる燃料電池を設けることにより、必要な電力に対して最適化された燃料電池を装備することができる。燃料電池の出力を調整するには、例えばセル数を調整すれば良い。通常、燃料電池は複数のセル（単電池）を積層したスタックとして構成されているため、このセルの直列数、あるいは並列数を最適化することで、負荷に応じた電力供給が可能となる。それに伴い、低電圧の負荷にはセル数の少ない燃料電池を接続し、高電圧の負荷にはセル数の多い燃料電池を搭載することができ、車載される燃料電池の合計コストを削減することができる。
【００１４】
上記の電源装置において、２以上の電気的負荷にモータが含まれる場合、このモータの回生電力を蓄電する蓄電手段を、モータに電力を供給する燃料電池に近接して設けることが好ましい。
【００１５】
電気自動車やハイブリッドカーでは、減速時などにモータを発電機として機能させ、回生電力を発生させることができる。この回生電力を各モータに近接された蓄電手段に蓄電しておき、必要時に負荷に供給することで、回生電力の効率的な利用を図ることができる。特に、各モータ毎に独立した蓄電手段とすることで、各蓄電手段の小型化も実現できる。また、各モータと蓄電手段を近接させることで、モータと蓄電手段の距離を短縮化し、両者をつなぐ電線を軽量化して蓄電時の電力ロスを低減させることができる。
【００１６】
さらに、上記電源装置において、２以上の電気的負荷にモータが含まれる場合、各燃料電池に水素を供給するメイン水素供給部と、前記モータの回生電力により車載の水を電気分解して水素を発生させる電気分解機構と、電気分解機構で発生した水素を燃料電池に供給するサブ水素供給部とを具えることも好ましい。
【００１７】
通常、各燃料電池にはメイン水素供給部から水素が供給される。このメイン水素供給部とは別に、回生電力を利用して水を電気分解し、それに伴って得られた水素を貯えるサブ水素供給部を設ける。特に、電気分解機構をモータに近接して設けることで、回生電力の伝達距離を短縮することができ、効率よく回生電力を利用することが可能になる。それに伴い、サブ水素供給部からも燃料電池に水素を供給することができ、回生電力の有効利用を図ることができる。この構成によれば、蓄電手段を用いることなく回生電力を有効利用できる。
【００１８】
前述したサブ水素供給部を具える電源装置において、サブ水素供給部の水素蓄積量を検知する水素量検知手段と、水素量検知手段の検知結果が一定値を超えた場合に、電気分解機構で発生した水素をメイン水素供給部に供給する切替機構とを具えることが望ましい。
【００１９】
回生電力を利用した電気分解により生成された水素はサブ水素供給部に蓄積されるが、その蓄積量が一定値を超えた場合、余剰水素をメイン水素供給部に送ることで、生成された水素を無駄なく燃料電池に供給することができる。
【００２０】
以下、本発明の構成をより詳しく説明する。
燃料電池車に利用される燃料電池の種類としては、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、りん酸型（ＰＡＦＣ）などがある。ＰＥＦＣの作動温度は常温から１００℃である。固体電解質型の作動温度は約１０００℃である。りん酸型の作動温度は約２００℃である。中でも、作動温度が低く、小型化が可能なＰＥＦＣは燃料電池車に好適である。
【００２１】
燃料電池に使用される水素ガスの供給方法としては、水素ガスを直接供給する方法と、水素含有燃料を改質して水素を得る方法がある。
【００２２】
前者の水素燃料タイプでは、排出物が水のみで環境負荷が低く、しかも重量の重い改質器を搭載しなくてよいという利点がある。燃料電池車内での水素の貯蔵手段としては、水素吸蔵合金、水素高圧ボンベあるいは液体水素タンクなどが挙げられ、これらをメイン水素供給部とすればよい。
【００２３】
後者の改質燃料タイプでは、改質器で水素含有燃料を改質して、燃料電池に供給する水素を得る。水素含有燃料には炭化水素燃料が好適である。より具体的には、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガスまたはそれらの混合ガス等のガス燃料あるいはガソリン、灯油、重油、メタノール、ナフサまたはそれらの混合液体などの液体燃料が挙げられる。改質器により、水素含有燃料から水素を生成して燃料電池を運転することができる。その場合、改質器に水素含有燃料を供給する水素含有燃料供給手段を具えることが好ましい。水素含有燃料供給手段としては、水素含有燃料の貯留タンクなどが利用できる。これにより、ガソリンスタンドなど、既存の設備から水素含有燃料供給手段に容易に水素含有燃料の補給を受けることができる。改質燃料タイプでは、メイン水素供給部として、水素含有燃料を貯える水素含有燃料供給手段と、同供給手段から供給された水素含有燃料を水素に改質する改質器とを含む。
【００２４】
電気的負荷として含まれるモータは、発電機としての利用が可能なモータ、特に走行用モータとする。この走行用モータの回生電力を蓄電する蓄電手段としては、キャパシタや二次電池が好適である。
【００２５】
回生電力により電気分解される車載の水は、水タンクを設けて貯留しておくことが好適である。燃料電池の電池反応に伴って生成される水も、この水タンクに貯えられるように構成することが望ましい。
【００２６】
電気分解機構は、回生電力により車載の水を電気分解できるものであれば特に構成を問わない。
【００２７】
サブ水素供給部としては、水素タンクなど、水素を貯えることができるものが利用できる。通常、電気分解機構で生成された水素は、コンプレッサーなどで圧縮してサブ水素供給部に貯えられる。このコンプレッサーの駆動にも回生電力を利用することが好ましい。
【００２８】
サブ水素供給部の水素蓄積量は、水素量検知手段で検知する。例えば、サブ水素供給部に水素タンクを用いた場合、このタンクに設けられた圧力計により水素蓄積量を検知すれば良い。この圧力計の測定結果に基づいて、次に述べる切替機構を駆動する。
【００２９】
電気分解機構で発生した水素の供給先を、サブ水素供給部かメイン水素供給部に切り替える切替機構は、バルブを用いることが好適である。電気分解機構は配管を介してメイン水素供給部およびサブ水素供給部に分岐して接続しておき、この分岐箇所にバルブを設けることで、メイン水素供給部またはサブ水素供給部に水素の供給先を切り替えることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は本発明電源装置の模式説明図である。この電源装置は、合計４つの走行用モータ１〜４と、各モータに電力供給を行う合計４つのモータ用燃料電池１１〜１４と、モータ１〜４とは別の低電力機器５に電力供給を行う低電力機器用燃料電池１５と、全ての燃料電池１１〜１５に水素の供給を行うメイン水素タンク２１（メイン水素供給部）とを具えている。図において、各構成要素をつなぐ一本線は電線であり、二本線は水素用配管を示している。
【００３１】
メイン水素タンク２１には水素が貯えられ、この水素を各燃料電池１１〜１５に供給する。水素の供給された各燃料電池１１〜１５は、この水素と酸素を結合して発電する。一般に、燃料電池に供給される酸素は、加圧した空気から供給される。この空気の加圧には、図４に示した構成と同様に圧縮機（図１では図示せず）を用いる。
【００３２】
モータ用燃料電池１１〜１４は、各々モータ１〜４に近接して分散配置されており、モータ用燃料電池１１〜１４からモータ１〜４までの距離を短くしている。そのため、両者をつなぐ電線を短縮化でき、ハーネスの軽量化を実現できる。各モータ用燃料電池１１〜１４は、近接する各モータ１〜４に一対一で対応して電力供給を行う。そして、ここに示す各モータ１〜４は、図示しない車輪を駆動することに用いられる。
【００３３】
また、メイン水素タンク２１は低電力機器用燃料電池１５にも水素を供給し、低電力機器用燃料電池１５は、モータ用燃料電池１１〜１４と同様に酸素と化合して発電を行う。この発電電力は、走行用モータ１〜４以外の低電力機器５、例えば、ヘッドライト、エアコン、カーオーディオ、ワイパー、パワーウィンドウ、電動リモコンミラー、電動シートなどの作動用として利用される。これらの低電力機器５は、通常、様々な場所に分散して配置されているため、全ての機器に近接して低電力機器用燃料電池１５を設置することは難しい。ただし、より駆動電圧の高い機器に近接して低電力機器用燃料電池１５を配することで、より太径が求められる機器用の電線を短縮化することで、効果的な軽量化を図ることができる。
【００３４】
この実施例では、メイン水素タンク２１およびモータ用燃料電池１１〜１４を環状の配管でつなぐリング結線としたが、メイン水素タンク２１を中心として、各モータ用燃料電池１１〜１４に放射状に配管をつなぐスター結線としても良い。
【００３５】
その他、メイン水素タンク２１の代わりに改質器を用いる構成としても良い。すなわち、メタノールなどの炭化水素燃料タンクを設け、この燃料タンクから供給されたメタノールを用いて改質器で水素を生成し、その水素を各燃料電池１１〜１５に供給するように構成しても良い。
【００３６】
さらに別の変形例としては、４つのモータに対して、２つの燃料電池としても良い。すなわち、前輪駆動用として燃料用電池１１、１３を一つの燃料電池にまとめ、後輪駆動用として燃料用電池１２、１４を一つの燃料電池にまとめることも考えられる。この場合でも単一の燃料電池で全てのモータに電力供給を行う場合に比べて各燃料電池からモータまでの距離を短縮化でき、その間の電線重量を軽減できる。
【００３７】
（実施例２）
次に、回生電力を効果的に回収する構成を具えた本発明例を図２に基づいて説明する。図２は回生電力の蓄電機構を有する本発明装置の部分説明図である。
【００３８】
ここでは、一組のモータ４とモータ用燃料電池１４を例として説明するが、他のモータ１〜３およびモータ用燃料電池１１〜１３においても図２と同様の構成とすればよい。
【００３９】
車両の制動時など、モータ４を発電機として機能させる場面では回生電力が生じる。本例では、この回生電力を蓄電するキャパシタ６をモータ４に近接して設けた。走行用モータ４には燃料電池１４が接続され、その間に交直変換器７が介在されている。交直変換器７は交流と直流を相互に変換する。走行用モータ４は、一般に交流モータが用いられることが多く、交直変換器７は交流の回生電力を直流に変換する。そして、交直変換器７と燃料電池１４との間から分岐をとってキャパシタ６に接続されている。制動時など、モータ４の回転により得られた回生電力は交直変換器７で直流に変換され、キャパシタ６に蓄電される。キャパシタ６に蓄電された電力は、必要に応じて、交直変換器７で交流に変換されてモータ４に供給される。
【００４０】
このように、各モータに近接してキャパシタ６を設けることで、回生電力をキャパシタ６に蓄電し、必要に応じて近接したモータ４の駆動に活用することができる。特に、モータ４とキャパシタ６を近接させることで、モータ４からキャパシタ６までの距離を短縮化し、両者をつなぐ電線を軽量化することができる。
【００４１】
（実施例３）
次に、回生電力の利用手段として、蓄電手段の代わりに電気分解装置を用いた本発明例を図３に基づいて説明する。図３は回生電力を利用する電気分解装置を有する本発明装置の部分説明図である。
【００４２】
ここでも、一組のモータとモータ用燃料電池を例として示しているが、他のモータおよびモータ用燃料電池においても図３と同様の構成とすればよい。
【００４３】
本例では、図２におけるキャパシタの代わりに、水タンク３１、電気分解装置３２およびサブ水素タンク２２を設ける。
【００４４】
水タンク３１には水が貯留されている。このタンク３１には、燃料電池１４の電池反応に伴って排出される水も貯えられるように構成しても良い。水タンク３１の水は、電気分解装置３２に導入されて水素と酸素に電気分解される。この電気分解装置３２の作動電力にモータ４の回生電力を利用する。つまり、モータ４で発電された交流の回生電力を交直変換器７で直流に変換し、電気分解装置３２に供給する。その際、モータ４と電気分解装置３２を近接して設けることで、両者の距離を短縮化し、その間をつなぐ電線を軽量化することができる。
【００４５】
電気分解装置３２で生成された水素は、例えば図示しないコンプレッサーで圧縮してサブ水素タンク２２に貯える。このコンプレッサーの作動にもモータ４の回生電力を用いることが好ましい。
【００４６】
そして、サブ水素タンク２２の水素を燃料電池１４に供給して発電に利用する。サブ水素タンク２２は各モータ１〜３および燃料電池１１〜１３毎にも設けられており、それぞれ対応する燃料電池に水素を供給する。このように回生電力を水の電気分解に利用して燃料電池１４に用いる水素を生成することにより、回生電力の効率的な利用を図ることができる。特に、本例では、実施例２で示したキャパシタなどの蓄電手段を用いることなく回生電力の有効利用ができる。
【００４７】
さらに、図示していないが、サブ水素タンク２２に蓄積水素量を検知する圧力計を設け、この圧力計の計測値が一定値を超えた場合に、サブ水素タンク２２の水素をメイン水素タンク２１（図１）に切り替えて供給するよう配管を設けても良い。この切り替えは、サブ水素タンク２２から燃料電池１１〜１４またはメイン水素タンク２１につながる配管途中にバルブを設け、圧力計の計測値が一定値を超えた場合にサブ水素タンク２２からの水素供給路を燃料電池１１〜１４からメイン水素タンク２１に切り替えることで実現できる。
【００４８】
この構成によれば、サブ水素タンク２２で余剰水素が発生した場合でも、その余剰水素を無駄なく燃料電池１１〜１４における電池反応に利用することができる。特に、この切替機構がなければ、サブ水素タンク２２の水素は直接つながる燃料電池１４でしか利用できないが、切替機構を設けてメイン水素タンク２１側に送ることで、全ての燃料電池１１〜１５で利用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明燃料電池車の電源装置によれば、次の効果を奏することができる。
【００５０】
▲１▼燃料電池を分散して電気負荷装置の近傍に設置することにより、燃料電池から電気的負荷までの距離を短くすることができ、その間の電線の長さを短くすることができる。それに伴い、車両重量が軽減でき、電線の電気抵抗によって発生していたロスも低減することができる。
【００５１】
▲２▼負荷毎に燃料電池を設けた場合、負荷の電圧・電流の定格により燃料電池の直列セル数、並列セル数を最適化することにより燃料電池のコストを下げることが可能となる。
【００５２】
▲３▼回生電力を蓄積するための蓄電手段を各燃料電池毎に設置することにより、モータから蓄電手段までの距離を短くすることができる。このため、蓄積時の電力ロスを低減させ、蓄積装置の小型化を実現することが可能となる。
【００５３】
▲４▼回生電力も水の電気分解に利用することで、燃料電池の反応に用いる水素を生成することができ、この電気分解機構を各モータの近傍に設けることで、電気分解機構とモータとの距離を短縮し、効率よく回生電力を利用することができる。特に、水素にて蓄積するため、キャパシタ等の蓄電手段が不要となる。
【００５４】
▲５▼回生電力を利用して水の電気分解を行う場合、サブ水素供給部の蓄積水素量が一定値を超えた場合、メイン水素供給部に余剰水素を切り替えて供給するように構成することで、電気分解で得られる水素を無駄なく活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明電源装置の模式説明図である。
【図２】回生電力の蓄電手段を設けた本発明電源装置の部分説明図である。
【図３】回生電力を利用して水の電気分解を行う本発明電源装置の部分説明図である。
【図４】従来の燃料電池車の概略構成図である。
【符号の説明】
１〜４    走行用モータ
５    低電力機器
６    キャパシタ
７    交直変換器
１１〜１４    モータ用燃料電池
１５    低電力機器用燃料電池
２１    メイン水素タンク
２２    サブ水素タンク
３１    水タンク
３２    電気分解装置
１０１    燃料電池
１０２    メタノール燃料タンク
１０３    改質器
１０４    空気圧縮機
１０５    パワーコントロールユニット
１０６    二次電池
１０７    モータ
１０８    車輪
【図１】
2004253337.tif 000003
【図２】
2004253337.tif 000004
【図３】
2004253337.tif 000005
【図４】
2004253337.tif 000006