特許 7153941 電源ユニット、移動式電源設備及び電力供給方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-06

(45)【発行日】2022-10-17

(54)【発明の名称】電源ユニット、移動式電源設備及び電力供給方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04302 20160101AFI20221007BHJP

   B60P 3/00 20060101ALI20221007BHJP

   C01B 3/38 20060101ALI20221007BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20221007BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20221007BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20221007BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20221007BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20221007BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221007BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04302

B60P3/00 U

C01B3/38

H01M8/04 Z

H01M8/04225

H01M8/04701

H01M8/04858

H01M8/0612

H01M8/10 101

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020098098

(22)【出願日】2020-06-05

(65)【公開番号】P2021190404

(43)【公開日】2021-12-13

【審査請求日】2021-05-26

【権利譲渡・実施許諾】特許権者において、権利譲渡・実施許諾の用意がある。

(73)【特許権者】

【識別番号】520199484

【氏名又は名称】三矢 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100160886

【弁理士】

【氏名又は名称】久松 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】三矢 昌俊

【審査官】清水 康

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－３１５８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１９９７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－２８４１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１９００５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１７８９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１６４０６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１９２２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５８０６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－ ８／０６６８

Ｃ０１Ｂ ３／００－ ６／３４

Ｂ６０Ｐ ３／００－ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池部と、蓄電池部と、前記蓄電池部から供給される電力によって前記燃料電池部の改質部を昇温するヒータと、を含む電源ユニットと、
前記電源ユニットが載置される荷台を備えた車両と、
を有する 移動式電源設備を用いて電力の供給を行う電力供給方法であって、
電力必要地域に向かって前記車両を走行させる走行時間中に、前記ヒータを用いて前記改質部を昇温することを特徴とする電力供給方法。

【請求項2】

前記移動式電源設備は、前記荷台と前記電源ユニットとの間に配設される緩衝体を有することを特徴とする請求項１に記載の電力供給方法。

【請求項3】

前記改質部が目標温度に到達して前記燃料電池部による発電が可能となった後に、前記燃料電池部で発電された電力を、前記電力必要地域に供給する主用途と、前記蓄電池部を充電する副用途とに用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力供給方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源ユニット、移動式電源設備及び電力供給方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、台風、大雨などの自然災害によって、電柱が倒壊したり、電源設備が浸水する等災害地域の電源インフラが一時的にダウンするケースが発生している。電源インフラがダウンしたとき、ディーゼル発電機、ガソリン発電機等の化石燃料を動力源とする発電機を使って電力を補う方法が知られている。しかしながら、軽油やガソリンは、危険物に相当し、容器の容量、販売、運搬、貯蔵等種々の点で制約があるため、災害が長期化したときに、燃料不足により電力を供給できなくなるおそれがある。また、ディーゼル発電機等の化石燃料を必要とする発電機には、発電時にＮＯ_Ｘ等の有害な排気ガスが発生したり、発電時の騒音が大きい等の問題がある。

【0003】

ここで、クリーンなエネルギ源として、水素と酸素との電気化学反応により電力を生成する燃料電池が知られている。燃料電池には、改質器が設けられており、この改質器は改質触媒の作用により約３００℃以上の温度で水蒸気（メタノールと水の混合液を気化した水蒸気）を改質する処理を行い、水素を発生させる。水蒸気の改質処理を行うためには、改質器を昇温する必要があるとところ、従来は電線などの固定電源インフラから引き回した電力を用いて、改質器を昇温していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－２５０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、電源インフラがダウンした災害地域では、そもそも電線から電力を引き回すことができないため、改質器の昇温が困難である。また、山奥等ではそもそも電線などのインフラが整備されていない場合もあるため、改質器を昇温することができない。ディーゼル発電機を用いて改質器を昇温する方法も考えられるが、ディーゼル発電機には上述した種々の問題がある。

【0006】

また、改質器の昇温には少なくとも１時間以上の時間が必要となるため、災害地域で燃料電池を早期に活用できないという課題がある。すなわち、燃料電池を災害地域に移動させた後１時間以上の時間をかけて昇温する必要があるため、早期に電力供給できないといった問題が懸念されていた。

【0007】

ここで、特許文献１には、改質器に抵抗加熱式のシースヒータを配置する技術が開示されているが、シースヒータに提供される電力は商用電源であるため、上述した課題を解決することはできない。

【0008】

そこで、本発明は、ディーゼル発電機等の化石燃料を必要とする発電機を使用することなく、災害地域などに早期に電力供給し得る方法を構築することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本本発明に係る電源ユニットは、燃料電池部と、蓄電池部と、前記蓄電池部から供給される電力によって前記燃料電池部の改質部を昇温するヒータと、を含む。

【0010】

（２）上記（１）に記載の電源ユニットと、前記電源ユニットが載置される荷台を備えた車両と、を有する移動式電源設備。

【0011】

（３）前記荷台と前記電源ユニットとの間に配設される緩衝体を有する上記（２）に記載の移動式電源設備。

【0012】

（４）上記（２）及び（３）のうちいずれか一項に記載の移動式電源設備を用いて電力の供給を行う電力供給方法であって、電力必要地域に向かって前記車両を走行させる走行時間中に、前記ヒータを用いて前記改質部を昇温することを特徴とする電力供給方法。

【0013】

（５）前記改質部が目標温度に到達して前記燃料電池部による発電が可能となった後に、前記燃料電池部で発電された電力を、前記電力必要地域に供給する主用途と、前記蓄電池を充電する副用途とに用いることを特徴とする上記（４）に記載の電力供給方法。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、ディーゼル発電機等の化石燃料を必要とする発電機を使用することなく、災害地域などに早期に電力供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】移動式電源設備の概略図である。

【図2】電源ユニットのブロック図である。

【図3】移動式電源設備の代表的使用例を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１は、移動式電源設備の概略図である。同図を参照して、移動式電源設備１００は、車両１と電源ユニット２を有する。車両１は、キャビンの車両後方側に開放式の荷台１１が設けられたピックアップトラックである。ただし、本発明の車両は、ピックアップトラックに限定されるものではなく、電源ユニット２を載せる荷台を備えた他の車両であってもよい。車両１には、ガソリン自動車、電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車等種々の車両を用いることができる。

【0017】

車両１は、電源ユニット２を目的地に向かって搬送する。目的地は、例えば、自然災害により電線などの固定電源設備がダウンした地域の他、屋外イベント（例えば、コンサート）の会場等平常時に電源設備が必要とされる他の施設も含まれる。

【0018】

図２を参照しながら、電源ユニット２について詳細に説明する。図２は、電源ユニット２のブロック図である。図１及び図２を参照して、電源ユニット２は、燃料電池部２０及び蓄電池部３０を有する。燃料電池部２０は、タンク２１、ポンプ２２、改質部２４、ヒータ２５、燃料電池セルスタック２６及びコントローラ２７を含む。これらの要素は、図１に図示するように直方体状に形成された燃料電池ボックス２０ａの中に配設されている。

【0019】

タンク２１には、水及びメタノールを含む混合液が貯留されている。混合液全体を１００質量％としたとき、メタノールの濃度は、例えば、５５質量％に設定することができる。タンク２１と改質部２４との間には、ポンプ２２が配設されている。このポンプ２２を作動させることにより、タンク２１に貯留された混合液を改質部２４に向かって送液することができる。なお、本実施形態では、水及びメタノールの混合液をタンク２１に貯留したが、本発明はこれに限るものではなく、水及びメタノールの貯留タンクを夫々別に準備し、これらの貯留タンクから送液された水及びメタノールを管路内で混合してから、改質部２４に送液する方法であってもよい。

【0020】

改質部２４では、メタノール及び水の混合液を加熱,気化するとともに、この気化した混合気体を改質触媒と接触させることにより水蒸気改質反応（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２）を行わせ、水素を生成する。触媒には、Ｎｉ系の触媒、或いはＲｕ系の触媒を用いることができる。

【0021】

ヒータ２５は、改質部２４に実装されている。ヒータ２５には、例えば、抵抗加熱式のシースヒータを用いることができる。ヒータ２５を作動させることにより、メタノール及び水の混合液の温度を速やかに目標温度に到達させることができる。ここで、目標温度は、好ましくは３００℃以上であり、より好ましくは４７０℃以上である。ヒータ２５に投下される電力は、蓄電池部３０から供給されるが、詳細については後述する。

【0022】

燃料電池セルスタック２６には、例えば、固体分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと記載する場合がある）セルを用いることができる。ＰＥＦＣセルは、電解質を燃料極及び空気極によって挟み込むことにより構成されており、隣接するＰＥＦＣセルの間にはセパレータが配設されている。複数のＰＥＦＣセルを積層して互いに直列に接続することにより燃料電池セルスタック２６を構成することができる。本実施形態では、燃料電池セルスタック２６の個数を一つとしたが、本発明はこれに限るものではなく、複数であってもよい。

【0023】

燃料電池セルスタック２６は、発電動作として、燃料極に送り込まれた水素を触媒によって水素イオン及び電子に分解するとともに、水素イオンを電解質を介して空気極に移動させ、電子を外部回路を介して空気極に移動させる。空気極に移動した水素イオンが、送り込まれた酸素及び電子と結合することにより、水が生成される。燃料電池セルスタック２６の発電時に発生した水は、水排出部２６ａから排水される。

【0024】

コントローラ２７は、燃料電池部２０全体の制御を司り、具体的には、ポンプ２２の作動を制御したり、ヒータ２５の発熱モードを制御したり、燃料電池セルの空気極に向かって空気を送風するポンプ（不図示）の作動制御等を行う。ヒータ２５の発熱モードには、改質部２４を昇温させる昇温モードと、改質部２４の保温を行う保温モードとが含まれており、コントローラ２７は、改質部２４が目標温度に到達すると昇温モードから保温モードにヒータ２５の発熱モードを変更する。改質部２４の温度は、温度センサ（例えば、サーミスタ）によって検出することができる。

【0025】

また、コントローラ２７は、蓄電池部３０から供給される電力を、ポンプ２２、ヒータ２５等に供給する制御を行う。なお、燃料電池セルスタック２６とコントローラ２７との間には、不図示のＤＣ／ＤＣコンバータが設けられており、コントローラ２７はＤＣ／ＤＣコンバータにおいて電圧調整された電力を蓄電池部３０等に供給する。

【0026】

なお、コントローラ２７によって行われる指示の一部は、作業者が不図示の操作ボタンを操作することによって、開始される。

【0027】

蓄電池部３０は、複数の二次電池を直列に接続した組電池によって構成されている。組電池は、図１に示すように直方体状に形成された蓄電池ボックス３０ａの中に配設されている。組電池の個数は１個であってもよいし、複数個であってもよい。複数個の組電池は、例えば、バスバーを用いて互いに接続することができる。二次電池は、充放電可能なバッテリであればよく、その種類は特に限定しない。例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、キャパシタ、鉛蓄電池を用いることができる。また、電池の形状は、角型であってもよいし、円筒型であってもよい。

【0028】

燃料電池部２０はオス端子２０ｂを有しており、蓄電池部３０はメス端子３０ｂを有しており、これらのオス端子２０ｂ及びメス端子３０ｂを接続することにより、燃料電池部２０及び蓄電池部３０を電気的に接続することができる。なお、オス端子２０ｂ及びメス端子３０ｂをそれぞれメス端子及びオス端子に変更してもよいことは、言うまでもない。

【0029】

蓄電池部３０は、燃料電池部２０から出力される電力によって充電することができる。ただし、商用電源、太陽光パネルなど他の電源を用いて充電することもできる。

【0030】

燃料電池ボックス２０ａ及び蓄電池ボックス３０ａと、荷台１１との間には、車両走行時の振動を軽減する緩衝体（不図示）を配設することができる。緩衝体の種類は特に限定しないが、例えば、高分子材料からなるエラストマー等の緩衝シートを用いることができる。また、スプリング、ダンパなどの緩衝機構を備えた緩衝体を用いることもできる。燃料電池ボックス２０ａ及び蓄電池ボックス３０ａと、荷台１１との間に緩衝体を介在させることにより、車両振動が燃料電池部２０及び蓄電池部３０に伝搬することを抑制できる。これにより、燃料電池部２０及び蓄電池部３０を振動から保護することができる。

【0031】

次に、図３のフローチャートを参照しながら、移動式電源設備１００の代表的な使用例について説明する。なお、初期状態において、蓄電池部３０は満充電状態にチャージされているものとする。ステップＳ１０１において、車両１の荷台１１に燃料電池ボックス２０ａ及び蓄電池ボックス３０ａを載せる。これらの作業は、複数の作業者が協働して行ってもよいし、クレーンやフォークリフトなどを使って機械的に行ってもよい。なお、上述した通り、燃料電池ボックス２０ａ及び蓄電池ボックス３０ａと、荷台１１との間に緩衝体を配設してもよい。

【0032】

ステップＳ１０２において、オス端子２０ｂ及びメス端子３０ｂを接続して、燃料電池部２０及び蓄電池部３０を電気的に接続する。ステップＳ１０３において、操作ボタン（発熱開始ボタン）を操作することにより、ヒータ２５に対して昇温モードによる発熱動作を指示する。これにより、改質部２４の温度上昇が開始される。

【0033】

ステップＳ１０４において、車両１のイグニッションスイッチをオンして、車両１を電源インフラが失われた災害地域に向かって移動させる。このように車両走行を開始する直前にヒータ２５の発熱動作を開始させることにより、災害地に到着するまでの時間を利用して改質部２４の昇温処理を行うことができる。

【0034】

コントローラ２７は、改質部２４の温度を温度センサに基づき常時監視しており、改質部２４の温度が目標温度に到達すると、ヒータ２５の発熱モードを昇温モードから保温モードに切り替える（ステップＳ１０５）。ここで、目的地までの距離が長距離の場合には、車両１の走行中に改質部２４の温度が目標温度に到達し、目的地までの距離が短距離の場合には、車両１が目的地に到達した後に改質部２４の温度が目標温度に到達する。目標温度に到達したか否かは、例えば、燃料電池部２０に設けられたランプ（不図示）を点灯させることにより、報知することができる。

【0035】

ステップＳ１０６において、燃料電池部２０を災害地域の電源として用いるために、燃料電池部２０による発電を開始する。具体的には、公民館などの避難施設の主電源に燃料電池部２０を接続することによって、照明を発光させたり、エアコンを作動させること等ができる。また、災害地域にある通信施設に対して燃料電池部２０で発電された電力を提供してもよい。

【0036】

燃料電池部２０で発電された電力の一部を、蓄電池部３０の充電に利用してもよい。充電された蓄電池部３０は、災害地域の電源として用いることができる。これにより、燃料電池部２０及び蓄電池部３０からなる二つの電源を災害地域に提供することができる。

【0037】

本実施形態で使用される燃料電池部２０は、メタノール型の燃料電池であり、化石燃料を必要とする発電機と比べて以下の利点を有する。
・化石燃料である軽油やガソリンの場合、保管容量が所定量未満に規制されているのに対して、メタノール型燃料電池では燃料（希釈メタノール）の保管容量に対する規制がない。したがって、災害が長期化した場合でも、電力供給を継続的に行うことができる。なお、希釈メタノールには、長期保管による劣化が小さいというメリットもある。
・ディーゼル発電機等の化石燃料を必要とする発電機では発電時にＰＭ２．５、ＮＯ_Ｘ等の有害な排気ガスが発生する場合があるのに対して、メタノール型燃料電池では排気ガスがＣＯ_２であるため、環境に与える影響が小さい。
・ディーゼル発電機等の化石燃料を必要とする発電機では発電時の動作音が非常に大きくなるのに対して、メタノール型燃料電池では発電時の動作音が非常に小さくなるため、発電に伴う騒音を軽減することができる。

【符号の説明】

【0038】

１ 車両
１１ 荷台
２０ 燃料電池部
２１ タンク
２２ ポンプ
２４ 改質部
２５ ヒータ
２６ 燃料電池セルスタック
２７ コントローラ
３０ 蓄電池部
１００ 移動式電源設備

【図1】

【図2】

【図3】