(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極および両電極間に介在させたイオン伝導性膜を具備する燃料電池と、前記燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿手段と、前記酸化剤ガスを加湿するための酸化剤ガス加湿手段と、前記燃料ガス加湿手段または酸化剤ガス加湿手段に供給するための水を収容する水タンクとを備え、前記水タンクが、主タンク、および前記主タンクよりも容量が小さく、断熱構造を有する予備タンクを具備する電気自動車用発電システム。
【請求項２】
一対の電極および両電極間に介在させたイオン伝導性膜を具備する燃料電池と、前記燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿手段と、前記酸化剤ガスを加湿するための酸化剤ガス加湿手段と、前記燃料ガス加湿手段または酸化剤ガス加湿手段に供給するための水を収容する水タンクとを備え、前記水タンクが、主タンク、および前記主タンクよりも容量が小さく、収容された水を加熱する加熱手段を有する予備タンクを具備する電気自動車用発電システム。
【請求項３】
前記加熱手段が、電源および前記電源の出力により発熱する発熱体を具備する請求項２記載の電気自動車用発電システム。
【請求項４】
前記電源が、前記燃料電池の出力を蓄える二次電池からなる請求項３記載の電気自動車用発電システム。
【請求項５】
前記加熱手段が、液体燃料を燃焼させて発熱する請求項２記載の電気自動車用発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いた電気自動車の発電システムに関するものであり、特にその始動機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、クリーンエネルギー指向の高まりから、電気自動車に対する期待が高まっている。
これまで、リチウムイオン二次電池、ニッケル−水素二次電池、鉛酸蓄電池等の二次電池を動力源とした電気自動車が開発されてきている。しかしながら、これら二次電池を用いた電気自動車は、充電に長時間を要すること、容量が小さく走行距離が短いこと、所望の出力を得るためには電池重量が大きくなることなどが、実用上の大きな問題点になっている。
そこで、近年では、二次電池に代えて燃料で発電する燃料電池を動力源とした電気自動車の開発が活発に行われている。燃料電池は、例えば燃料ガスとしての水素をイオン伝導性膜を挟んで配された電極の一方に供給し、酸化剤ガスとしての酸素を他方の電極に供給してこれらを反応させることにより、電力を発生させるものである。燃料ガスとしての水素は、たとえばメタノールを高温下で水と反応させることにより得られる。このように燃料電池によると、内燃機関と同様に液体燃料を用いることができるため、従来の内燃機関を用いた自動車と同様に短時間で燃料の補給が可能になる。また、自動車の燃料タンクの容量によっては、一度の燃料補給で従来の自動車と変わらない走行距離を得ることが可能である。
【０００３】
燃料電池の両極にそれぞれ供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスには、イオン伝導性膜の劣化を防止するためにそれぞれ水蒸気が混合される。
水素ガスへは、燃料改質器でメタノールと水を反応させて水素を生成させるときに水素の生成に必要な量よりも多くの水蒸気を加える。空気には水を直接噴霧する。
燃料電池は、上記のように水の供給が必要である。また、電池自身の温度が低いと、安定した出力が得られない。しかし、燃料電池を電気自動車の動力源として用いるためには、環境に関わらず安定した始動を保証する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の問題点を解決し、低温下での加湿水の凝固を防止し、寒冷地等の低温環境下においても安定して始動することができる電気自動車用発電システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池へ供給する水を貯蔵するタンクとは別に、加熱機能または保温機能を備えた予備のタンクを設ける。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の電気自動車用発電システムは、一対の電極および両電極間に介在させたイオン伝導性膜を具備する燃料電池と、燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿手段と、酸化剤ガスを加湿するための酸化剤ガス加湿手段と、燃料ガス加湿手段または酸化剤ガス加湿手段に供給するための水を収容する水タンクとを備え、水タンクが、主タンク、および主タンクよりも容量が小さく、断熱構造を有する予備タンクを具備する。
【０００７】
本発明の他の電気自動車用発電システムは、一対の電極および両電極間に介在させたイオン伝導性膜を具備する燃料電池と、燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿手段と、酸化剤ガスを加湿するための酸化剤ガス加湿手段と、燃料ガス加湿手段または酸化剤ガス加湿手段に供給するための水を収容する水タンクとを備え、水タンクが、主タンク、および主タンクよりも容量が小さく、収容された水を加熱する加熱手段を有する予備タンクを具備する。
【０００８】
本発明のさらに他の電気自動車用発電システムは、一対の電極および両電極間に介在させたイオン伝導性膜を具備する燃料電池と、燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池の他方の電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿手段と、酸化剤ガスを加湿するための酸化剤ガス加湿手段と、燃料ガス加湿手段または酸化剤ガス加湿手段に供給するための水を収容する水タンクとを備え、燃料電池、各手段または各手段を接続する管路を加熱する加熱手段をさらに備える。
【０００９】
上記の加熱手段には、たとえば、電源およびその出力により発熱する発熱体を有するものを用いることができる。好ましくは、電源には二次電池を用いる。特に、二次電池により燃料電池の出力、とりわけ燃料供給停止後の余剰の出力を蓄えるようにすることが望ましい。
また、液体燃料を燃焼させて発熱する加熱手段を用いることもできる。
燃料電池の加熱においては、燃料電池内を循環させる冷却水を加熱すると、有効にその内部で凝固した水を融解させることができる。また、燃料電池を効果的に加熱することができるため、短時間で燃料電池の出力を安定させることができる。
好ましくは、このようにして加熱された冷却水の経路の近傍に加熱しようとする各手段または管路を配し、これらをこの冷却水の放熱により加熱する。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本実施例の燃料電池発電システムの構成を図１に示す。
燃料電池１は、水素とシステム外部から吸入した空気中の酸素とを反応させて発電する。
燃料電池１に供給する空気は、車両の進行方向に対して前方に配された空気吸入口２よりシステム内に取り入れられる。加湿器３は、システム内に取り入れられた空気に水タンク４に収容された水を噴霧し、この加湿された空気を燃料電池１に供給する。
メタノールタンク５は、発電するための燃料であるメタノールを収容する。燃料改質器６は、メタノールタンク５に収容されたメタノールと水タンク４に収容された水を高温下で反応させて水素ガスを生成させる。燃料改質器６において生成した水素ガスは、燃料電池１に供給される。
なお、燃料電池１で消費されなかった水素は、燃料改質器６に環流する。
【００１２】
補助タンク７は、水タンク４と接続されていて、常に約１リットルの水を蓄えている。
コントロールユニット１８は、三方弁８および９を制御して、加湿器３および燃料改質器６に接続する水の供給源を水タンク４と補助タンク７の間で切り替える。正常運転時には、水タンク４から供給される水が加湿器３および燃料改質器６にそれぞれ供給され、燃料電池発電システムの起動時や水タンク４の空欠時には、補助タンク７に貯蔵された水が加湿器３および燃料改質器６にそれぞれ供給される。
ヒータ１１は、補助電源１０の出力によりシステムの起動時に補助タンク７を加熱する。燃料電池１は放熱器１２と管路１６で接続されていて、ポンプ１９により管路１６を図中矢印で示すように冷却水が循環するようになっている。管路１６は、水タンク４に隣接するように配されている。三方弁１３および１４は、コントロールユニット１８の制御により作動して、バイパス１７に冷却水を循環させる。放熱器１２は、空気吸入口２の上流に配されていて、空気吸入口２には放熱器１２により加熱された空気が流入する。ヒータ１５は、補助電源１０の出力により管路１６を流通する冷却水を加熱する。
【００１３】
次に、本発電システムの動作を説明する。
始動時には、コントロールユニット１８は、三方弁１３のＡ−Ｂ間および三方弁１４のａ−ｂ間を接続し、さらにスイッチＳＷ１をオンにして、ヒータ１５を作動させる。これにより、燃料電池１を通過した冷却水は、放熱器１２へは流れずに、バイパス１７を通じて循環する。すなわち、ヒータ１５により加熱されながら、燃料電池１中を流通する。燃料電池１は、このようにして加熱された冷却水により加熱され、燃料電池１の内部で凝固した水は融解する。
コントロールユニット１８は、燃料電池１の温度を検出して燃料電池１が充分に加熱されたと判断すると、三方弁１３および１４を切り換えて、三方弁１３のＡ−Ｃ間および三方弁１４のａ−ｃ間を接続する。
これにより、加熱された冷却水は、水タンク４の周囲を流通し、水タンク４を加熱する。この加熱により、水タンク４内の凝固した水が完全に融解したと判断すると、コントロールユニット１８は、スイッチＳＷ１をオフにしてヒータ１５による加熱を停止する。なお、水タンク４は大容量であるので、完全に凝固したタンク内の水をすべて融解させるには長時間を要する。したがって、燃料電池１の出力が安定してから水タンク４から加湿器３および燃料改質器６への水の供給が開始される。
【００１４】
起動時に、コントロールユニット１８は、さらにスイッチＳＷ２をオンにする。これにより、ヒータ１１は発熱して補助タンク７を加熱し、タンク内で凝固した水を融解させる。したがって、補助タンク７より加湿器３および燃料改質器６への水の供給が可能になる。
コントロールユニット１８は、補助タンク７内の温度を検出し、その内部に収容された水が凝固していなければ、三方弁８のａ−ｃ間および三方弁９のＡ−Ｃ間を接続して、補助タンク７から加湿器３および燃料改質器６への水の供給を開始し、さらにスイッチＳＷ２をオフにする。これにより、燃料電池１による発電が開始される。
コントロールユニット１８は、水タンク４内の水が融解したことを確認すると、三方弁８のｂ−ｃ間を接続し、さらに三方弁９のＢ−Ｃ間を接続して水タンク４からの水の供給を開始する。
【００１５】
以上のようにして、燃料電池１内で凝固した水を融解させ、さらに起動に必要な水を確保することが可能になる。また、燃料改質器６は、自身が発熱機構を有することから、その内部で凝固した水を容易に融解させることができる。
しかしながら、加湿器３の内部やこれら機器へ水を供給するための配管内で凝結した水を融解させるのは困難である。そこで、加湿器３やこれらの配管を、水タンク４と同様に、加熱された冷却水が流通する管路１６の近傍に配し、管路１６からの熱を受けて内部で凝固した水を融解させるようにする。もちろん、ヒータ１１の近傍に配したり、別途加熱用のヒータ等を配してもよい。
【００１６】
補助タンク７の概略を図２に示す。補助タンク７は、水を収容するための内部容器２０を有する。ヒータ１１は、補助タンク７と一体化されていて、内部容器２０の側面に捲回されている。ヒータ１１の熱が補助タンク７の外部に漏れないよう、内部容器２０と外缶２１の間には断熱材２２が充填されている。内部容器２０は、管路２３により水タンク４と接続されている。また、内部容器２０は、管路２４により三方弁８および９とそれぞれ接続されている。開放弁２５によりタンク内の圧力は一定に保持される。
なお、水タンク４の加熱には、ヒータを用いる代わりに、燃料であるメタノールを燃焼させてその熱を利用してもよい。
また、外気温度が氷点下数℃程度にしか低下しないような使用環境下では、上記のような水タンク４内の水が完全に凝固する可能性はほとんどない。そこで、必ずしも上記のような補助タンク７の加熱機構を設ける必要はない。たとえば、図３に示すようないわゆる魔法瓶構造を採用してもよい。すなわち、内部容器２０と外缶２１の間の空間を真空にして、内部容器２０を外気と熱的に遮断することで、タンク内の水の凝固を防ぐことができる。
【００１７】
燃料電池１の加熱についても、補助タンク７の加熱と同様に、ヒータを用いることもできる。また、たとえば図４に示すように、メタノールタンク５に接続された燃焼器２６によってメタノールを燃焼させ、その排気管２７からの伝熱により加熱することもできる。
なお、補助電源１０に、二次電池を用い、燃料電池１の出力を蓄えて、ヒータ１１および１５へ出力するようにしてもよい。一般に、燃料電池は燃料ガスや酸化剤ガスの供給を停止してもしばらくの間は出力を継続することから、この余剰の電力を蓄えるようにすることが、エネルギー効率上好ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によると、寒冷地等の低温環境下でも安定して始動することができる燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの一例の構成を示すブロック図である。
【図２】同燃料電池発電システムの補助タンクの構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の他の燃料電池発電システムに用いる補助タンクの構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明の他の燃料電池発電システムに用いる加熱機構の構成を示す概略したブロック図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  空気吸入口
３  加湿器
４  水タンク
５  メタノールタンク
６  燃料改質器
７  補助タンク
８、９、１３、１４  三方弁
１０  補助電源
１１、１５  ヒータ
１２  放熱器
１６、２３、２４  管路
１７  バイパス
１８  コントロールユニット
１９  ポンプ
２０  内部容器
２１  外缶
２２  断熱材
２５  開放弁
２６  燃焼器
２７  排気管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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