(57)【要約】  油圧ポンプの駆動ユニット(１)は、建設作業用機械の油圧ポンプ(１００)を駆動するための電動モーター(２)と、この電動モーター(２)に給電するための発電機(３)を有している。発電機(３)の発電モジュール(１４)は、締め付け板(４１)の間に、仕切り板(４４)を挟み電極接合体(４２)が多数枚、直列接続された構成となっており、水素発生用の液体燃料と空気とを各電極接合体(４２)に供給することにより発電する。ディーゼルエンジン等を用いて油圧ポンプ(１００)を駆動する場合とは異なり、低騒音で排ガスのでない油圧ポンプの駆動ユニットを実現でき、建設作業用機械の低騒音化、排ガスの削減に極めて有利である。
2007148382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モーターと、
この電動モーターに電力を供給する発電機とを有し、
この発電機は、発電モジュールと、この発電モジュールに水素発生用の液体燃料を供給する燃料供給部と、前記発電モジュールに空気を供給する空気供給部とを備え、
前記発電モジュールは、電解質膜を挟み、前記液体燃料が供給されるアノード側電極板と、空気に含まれている酸素が供給されるカソード側電極板とが対向配置された構成の発電モジュールを備えており、
前記アノード側電極板は、ゼオライト、コーラルサンドおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体に白金が担持された電極板であり、
前記カソード側電極板は、ゼオライトおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体にルテニウムが担持された電極板であることを特徴とする駆動ユニット。
【請求項２】
請求項１において、
前記発電機は、前記発電モジュールによって発生した電力を蓄える蓄電池を有していることを特徴とする駆動ユニット。
【請求項３】
請求項２において、
前記発電モジュールは、
一対の集電板と、複数枚の仕切り板と、複数枚の電極接合体を備え、
電極接合体は、前記アノード側電極板および前記カソード側電極板が前記電解質膜を挟み積層接着された構成となっており、
前記電極接合体は、前記仕切り板を挟み、直列接続されており、
両端に位置する各電極接合体は、それぞれ前記仕切り板を挟み、各集電板に接続されており、
前記仕切り板は、
燃料供給溝が形成されているアノード側表面と、空気供給溝が形成されているカソード側表面と、空気取り込み口が形成されている外周端面と、前記燃料供給溝および前記空気供給溝の形成領域から外れた部位において当該仕切り板の厚さ方向に貫通している燃料供給口とを備え、前記空気取り込み口は前記仕切り板の内部に形成した空気通路を介して前記空気供給溝に連通しており、前記燃料供給口は前記仕切り板の内部に形成した燃料通路を介して前記燃料供給溝に連通しており、
前記電極接合体および前記集電板には、それぞれ、前記仕切り板の各燃料供給口のそれぞれに対応する部位において厚さ方向に貫通している燃料供給口が形成されており、
前記電極接合体の前記アノード側電極板には、前記アノード側表面が対峙する状態で前記仕切り板が積層されており、前記カソード側電極板には、前記カソード側表面が対峙する状態で前記仕切り板が積層されていることを特徴とする駆動ユニット。
【請求項４】
請求項３において、
前記電極接合体と各仕切り板は枠状ガスケットを挟んだ状態で積層されており、
各枠状ガスケットには、前記燃料供給口に対応する部位において当該枠状ガスケットの厚さ方向に貫通している燃料供給口が形成されていることを特徴とする駆動ユニット。
【請求項５】
油圧ポンプを備えた油圧駆動機構と、
前記油圧ポンプを駆動するための駆動ユニットとを有し、
この駆動ユニットは、請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の駆動ユニットであることを特徴とする油圧式の作業用機械。
【請求項６】
請求項１ないし４のうちのいずれかの項に記載の駆動ユニットが搭載されていることを特徴とする電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧式のバックホーなどの建設作業用機械、その他の油圧式の作業用機械、電気自動車などに用いるのに適した低騒音で排ガスの出ない駆動ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
建設用作業機械、例えば、住宅地などにおいて穴掘りなどを行うためのショベルカーは油圧式であり、油圧駆動機構の油圧ポンプをガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジンによって駆動して作動油圧を発生させるように構成されている。油圧式の作業用機械は、エンジン騒音のために、住宅地などにおいて夜間作業が制限されることが多い。【０００３】
また、ガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジンによって駆動する作業用機械や自動車は二酸化炭素を排出する。排ガスによる大気汚染は今地球上の問題として早急に解決しなければならない課題である。【０００４】
そこで、騒音問題を解消し、排ガスによる大気汚染を回避するために、電動モーターを用いて油圧ポンプを駆動することが考えられる。しかし、作業用機械に搭載して用いるのに適した小型で出力の高い電源を入手できないのが現状である。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の目的は、このような点に鑑みて、油圧式の作業用機械、電気自動車などに搭載するのに適した、小型で高出力の発電機が組み込まれた駆動ユニットを提案することにある。
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の駆動ユニットは、
電動モーターと、
この電動モーターに電力を供給する発電機とを有し、
この発電機は、発電モジュールと、この発電モジュールに水素発生用の液体燃料を供給する燃料供給部と、前記発電モジュールに空気を供給する空気供給部とを備え、
前記発電モジュールは、電解質膜を挟み、前記液体燃料が供給されるアノード側電極板と、空気に含まれている酸素が供給されるカソード側電極板とが対向配置された構成の発電モジュールを備えており、
前記アノード側電極板は、ゼオライト、コーラルサンドおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体に白金が担持された電極板であり、
前記カソード側電極板は、ゼオライトおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体にルテニウムが担持された電極板であることを特徴としている。
【０００７】
本発明者の実験によれば、かかる電極板を用いた発電モジュールでは、アノード側電極板に供給された液体燃料に含まれている水素が効率良く酸化分解され、常温下において効率良く発電動作が行われることが確認された。よって、従来のように、メタノールなどの燃料ガスを用いることなく、簡単な機構によって効率良く発電を行うことができる。
【０００８】
本発明において、発電モジュールは、一対の集電板と、複数枚の仕切り板と、複数枚の電極接合体を備えている。また、電極接合体は、アノード側電極板およびカソード側電極板が電解質膜を挟み積層接着された構成となっている。さらに、電極接合体は、仕切り板を挟み、直列接続されており、両端に位置する各電極接合体は、それぞれ仕切り板を挟み、各集電板に接続されている。さらには、仕切り板は、燃料供給溝が形成されているアノード側表面と、空気供給溝が形成されているカソード側表面と、空気取り込み口が形成されている外周端面と、燃料供給溝および空気供給溝の形成領域から外れた部位において当該仕切り板の厚さ方向に貫通している燃料供給口とを備え、空気取り込み口は仕切り板の内部に形成した空気通路を介して空気供給溝に連通しており、燃料供給口は仕切り板の内部に形成した燃料通路を介して燃料供給溝に連通している。また、電極接合体および集電板には、それぞれ、仕切り板の各燃料供給口にそれぞれに対応する部位において厚さ方向に貫通している燃料供給口が形成されており、電極接合体のアノード側電極板には、アノード側表面が対峙する状態で仕切り板が積層されており、カソード側電極板には、カソード側表面が対峙する状態で仕切り板が積層されている。
【０００９】
ここで、電極接合体と各仕切り板は枠状ガスケットを挟んだ状態で積層することにより、液密状態で接合できる。この場合には、各枠状ガスケットに、燃料供給口に対応する部位において当該枠状ガスケットの厚さ方向に貫通している燃料供給口を形成しておけばよい。
【００１０】
この構成の発電モジュールでは、電極接合体の枚数を増やすことにより、発電容量を簡単に増加できる。
【００１１】
次に、本発明の油圧式の作業用機械は、油圧ポンプを備えた油圧駆動機構と、前記油圧ポンプを駆動するための駆動ユニットとを有し、この駆動ユニットとして、上記構成の駆動ユニットを用いることを特徴としている。油圧ポンプが電動モーターによって駆動され、電動モーターの電源として小型で高出力が得られる発電機を用いているので、騒音および排ガスのでない油圧駆動式の作業用機械を実現できる。
【００１２】
一方、本発明の電気自動車は、上記構成の駆動ユニットが搭載されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した作業用機械の油圧ポンプの駆動ユニットを示す概略構成図である。
【図２】図１の発電機を示す概略構成図である。
【図３】図２の発電機の発電モジュールを示す斜視図である。
【図４】図３の発電モジュールを示す分解斜視図である。
【図５】図４の仕切り板を示す斜視図である。
【図６】液体燃料の流れを示す説明図である。
【図７】発電モジュールの発電原理を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して、本発明の駆動ユニットを油圧式の作業用機械の駆動ユニットとして採用する場合の実施の形態を説明する。【００１５】
(全体構成)
図１は油圧ポンプの駆動ユニットの概略構成図である。本例の駆動ユニット１は、例えば、バックホーなどの油圧式の建設作業用機械の油圧ポンプ１００を駆動するためのものであり、電動モーター２と、電動モーター２に電力を供給する発電機３と、発電機３による発電電流を蓄えるバッテリ４とを備えており、電動モーター５に対する給電がキャパシタ５を介して行われるようになっている。これらの各部分２、３、４、５はコントローラ６によって駆動制御されるようになっている。コントローラ６は、一般には、当該駆動ユニット１が搭載される作業用機械の駆動制御を司るコントローラの一部として構成される。【００１６】
図２は発電機３を示す概略構成図である。発電機３は、発電モジュール１４と、この発電モジュール１４に水素発生用の液体燃料を供給するための燃料循環系１５と、発電モジュール１４に空気(酸素)を供給するための送風機１６と、発電機内部を冷却するための冷却ファン１７と、送風機１６、冷却ファン１７および燃料循環系１５のポンプを駆動するための内部電源１８とを備えている。【００１７】
液体燃料は水素発生効率の良い燃料であり、純水９５〜９８重量％に、有機物質を５〜２重量％溶解させたものを用いることができる。有機物質としては、柑橘類などの植物の精製油、トウモロコシや穀物類の発酵アルコールなどを用いることができる。特に、本願の出願人により製造販売されている液体燃料（商品名：「Ｚｕｍｉｅ−燃料」）を用いることが望ましい。【００１８】
発電機３の燃料循環系１５は、循環タンク２３と、この循環タンク２３に蓄えられている液体燃料を発電モジュール１４を経由して循環させるための燃料循環路２４と、この燃料循環路２４に沿って液体燃料を循環させるための循環ポンプ２５とを備えている。また、発電機筐体２６に配置した注入口２７から液体燃料を供給可能なメインタンク２８を備えている。循環タンク２３内の液体燃料が所定量以下になると、供給ポンプ２９が駆動されて、メインタンク２８から循環タンク２３に液体燃料が補給されるようになっている。【００１９】
燃料循環系１５は回収タンク３０を備えており、発電モジュール１４から空気と共に回収される液体燃料が当該回収タンク３０に溜まる。回収タンク３０に溜まった液体燃料は、必要に応じて、発電機筐体２６に配置した排水出口３１から排出される。また、回収タンク３０に回収された液体燃料を、供給ポンプ３２によって循環タンク２３の側に戻すことが可能となっている。【００２０】
発電モジュール１４で発生した直流電流は、整流器３３を介して、内部電源１８およびバッテリ４に出力される。バッテリ４への電力供給路には起動スイッチ３４が配置されており、起動スイッチ３４をオンにすると、内部電源１８からリレー３５を介して、各ポンプ２５、２９、３２、送風機１６および冷却ファン１７に電力が供給され、これらの駆動が開始するようになっている。発電モジュール１４の発電状態が安定化した後は、バッテリ４の側への発電電流の供給が開始される。【００２１】
(発電モジュール)
図３は発電モジュール１４を示す斜視図であり、図４は発電モジュール１４の分解斜視図であり、図５はその仕切り板を示す説明図である。発電モジュール１４は、一対の集電板４５と、複数枚の仕切り板４４と、複数枚の電極接合体４２を備えている。電極接合体４２は、アノード側電極板４７およびカソード側電極板４８が電解質膜４６を挟み積層接着された構成となっている。アノード側電極板４７は、矩形枠状のガスケット４７ａの枠内に配置された矩形の電極板であり、カソード側電極板４８も、矩形枠状のガスケット４８ａの枠内に配置された矩形の電極板である。【００２２】
この構成の複数枚の電極接合体４２が、仕切り板４４を挟み、直列接続されている。また、両端に位置する各電極接合体(図示せず)は、それぞれ仕切り板４４を挟み、各集電板４５に接続されている。さらに、矩形の枠状のガスケット４３が電極接合体４２と、両側の仕切り板４４との間にそれぞれ挟まれて、これらの間が液密状態とされている。以下に、各部分の構成を詳細に説明する。【００２３】
まず、電極接合体４２のアノード側電極板４７は、ゼオライト、コーラルサンドおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体に白金が担持された電極板である。他方のカソード側電極板４８は、ゼオライトおよびカーボンブラックの微粒子粉末の焼結体にルテニウムが担持された電極板である。【００２４】
締め付け板４１、電極接合体４２、各ガスケット４３、各仕切り板４４、および各集電板４５には、それらの対角線方向の一対の角部分に、それらの厚さ方向に貫通して延びる位置決め穴４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａが形成されている。これらの位置決め穴４１ａ〜４４ａには不図示の位置決めピンが通されて、これらが整列状態で積層されている。また、各締め付け板には複数のボルト穴４１ｂが形成されており、これらに通した締結ボルト４９によって、これらが積層状態で一体化されている。【００２５】
一方の締め付け板４１、電極接合体４２、各ガスケット４３、各仕切り板４４および各集電板４５の対角線方向の他方の一対の角部分には、それらの厚さ方向に貫通して延びる一対の燃料供給口４１ｃ、４２ｃ、４３ｃ、４４ｃ、４５ｃが形成されている。液体燃料は、例えば、一方の締め付け板４１の外側表面において、上側の燃料供給口４１ｃに接続されている燃料供給管５０を介して供給され、下側の燃料供給口４１ｃに接続されている燃料供給管５０を介して排出される。【００２６】
集電板４５は、矩形の本体板部分の上端面の一方の端から一定幅で上方に端子板部分４５ｄが延びた形状とされている。本例では二枚の集電板４５は同一形状のものであり、逆向きに配置されている。【００２７】
次に図５、６を参照して仕切り板４４の構成を説明する。仕切り板４４は、一方の表面がアノード側表面５１とされ、ここには、一定幅の外周矩形枠部分の内側に、両端が相互に連通している一定間隔で平行に延びる一定深さの燃料供給溝５２が刻まれている。仕切り板４４の他方の表面はカソード側表面５３とされ、ここには、同じく一定幅の外周矩形枠部分の内側に、グリッド状に形成された一定深さの空気供給溝５４が形成されている。【００２８】
仕切り板４４の四辺の外周端面５５ないし５８には、それぞれ同一個数の空気取り込み口５９が形成されており、各空気取り込み口５９は仕切り板内部に形成されている空気通路６０を介して、空気供給溝５４に連通している。したがって、各仕切り板４４の空気供給溝５４には、外気が空気取り込み口５９を介して供給される。カソード側の仕切り板４４のカソード側表面５３の空気供給溝５４に供給された空気は、これに対峙している電極接合体４２のカソード側電極板４８に供給される。【００２９】
また、仕切り板４４に形成されている一対の燃料供給口４４ｃは、仕切り板内部に形成されている燃料通路６１を介して、燃料供給溝５２に連通している。したがって、締め付け板４１の燃料供給管５０から供給された液体燃料は、燃料供給口４１ｃ、４５ｃ、４３ｃを通って仕切り板４４の燃料供給口４４ｃに流れ込み、ここから仕切り板内部の燃料通路６２を通って燃料供給溝５２に供給される。燃料供給溝５２が形成されている仕切り板４４のアノード側表面５１にはガスケット４３を介して電極接合体４２が液密状態で積層されているので、燃料供給溝５２は密閉された状態となっており、液体燃料が外部に漏れ出ることなく、電極接合体４２のアノード側電極板４７に供給される。【００３０】
ここで、図６に示すように、仕切り板４４、ガスケット４３、電極接合体４２および他方のガスケット４３に形成されている燃料供給口４４ｃ、４３ｃ、４２ｃ、４３ｃを通って、次段の仕切り板４４の燃料供給口４４ｃに液体燃料が供給され、ここから、内部の燃料通路６１を通って当該仕切り板４４の燃料供給溝５２に液体燃料が供給される。当該仕切り板４４の燃料供給溝５２を流れ落ちた液体燃料は、内部の燃料通路６１を通って他方の燃料供給口４４ｃに排出され、ここから、燃料供給口４３ｃ、４２ｃ、４３ｃおよび４４ｃを通って戻り、外部に排出される。【００３１】
この構成の発電モジュール１４では、仕切り板４４およびガスケット４３を挟み、直列接続される電極接合体４２の枚数を増やすことにより、発電容量を簡単に増加させることができる。【００３２】
また、この構成の発電モジュール１４は、液体燃料と触媒の電気化学反応によって発電を行うものであり、一般的な燃料電池の場合と基本的に同一である。すなわち、図７に示すように、液体燃料をアノード側電極板４７(燃料極)に供給すると、それが電気分解されて水素と酸素が生成され、水素が電気化学反応により水素イオンおよびマイナス電子に分かれる。この反応は水素が電子を放出するので酸化反応である。生じた水素イオンは電極接合体４２の電解質膜４６(触媒)を通ってカソード側電極板４８(酸素極)に移動する。電解質膜４６はイオン透過性はあるが電子は通さないので、マイナス電子はアノード側の集電板４５を介して外部に取り出される。一方、カソード側電極板４８(酸素極)には空気が送り込まれており、そこに含まれる酸素が、電解質膜４６(触媒)を通って供給される水素イオンと、集電板４５を介して外部から供給される電子とが還元反応して、水が生成される。これにより発電が行われる。生成された水は、空気と共に、回収タンク３０に回収される(図２参照)。【００３３】
このように構成された本例の駆動ユニット１を、油圧式の作業用機械に搭載して、その油圧ポンプを駆動すれば、低騒音の作業用機械を得ることができる。かかる作業用機械は、住宅地などにおける深夜の建設作業などに用いるのに適している。また、排ガスを出すことなく作業ができるので、換気の不十分な屋内やトンネル内の作業に用いるのに適している。【００３４】
(その他の実施の形態)
本発明の駆動ユニットは電気自動車の電動モーターを駆動するための駆動ユニットとして用いることができる。この場合の駆動ユニットも図１に示す構成とすることができる。この場合には、電動モーター２の出力が、油圧ポンプ１００ではなく、電気自動車の駆動輪の駆動軸に動力を伝達するための動力伝達機構に伝達される。【００３５】
以上説明したように、本発明の駆動ユニットは、従来の燃料電池に比べて発電効率が高く、小型で高出力を得ることのできる発電機を用いて油圧ポンプ駆動用の電動モーター、電気自動車用の電動モーターなどを駆動することができる。したがって、油圧式の作業用機械に用いるのに適した低騒音で排ガスのでない油圧ポンプの駆動ユニットを実現できる。また、電気自動車の電動モーターを駆動するに適した駆動ユニットを実現できる。
【図１】
2007148382.tif 000003
【図２】
2007148382.tif 000004
【図３】
2007148382.tif 000005
【図４】
2007148382.tif 000006
【図５】
2007148382.tif 000007
【図６】
2007148382.tif 000008
【図７】
2007148382.tif 000009
【国際調査報告】
2007148382.tif 000010
2007148382.tif 000011
2007148382.tif 000012
2007148382.tif 000013