JP2005071830A - Hydrogen-fueled automobile - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車に関する。 The present invention relates to a hydrogen vehicle using a fuel cell using hydrogen as a power source.
図4にもとづき、従来の水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車の動力系を説明する。図4は 従来の水素自動車の動力系の要部構成図である。なお、図4では、通常の操作に用いる遮断弁、調整弁等のほか、全体の制御系、および通常自動車において搭載される二次電池他の一般の電力系は図示省略されている。 A power system of a hydrogen vehicle using a conventional fuel cell using hydrogen as a power source will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a main part of a power system of a conventional hydrogen vehicle. In FIG. 4, in addition to the shut-off valve and the regulating valve used for normal operation, the entire control system and a general power system such as a secondary battery mounted in a normal automobile are not shown.
図4において、1は動力源となる燃料電池であり、燃料となる水素と空気中の酸素との化学反応により電気エネルギーを直接発生させる。燃料電池1が発電した電力E1は水素自動車の走行用の駆動モータ2に供給される。
In FIG. 4,
燃料となる水素を貯蔵する方式としては主に、水素吸蔵合金タンク、高圧容器、液体水素タンクの3タイプがあるが、本発明の対象とした水素自動車の貯蔵方式は高圧容器のタイプであり、高圧水素タンク3を備え、例えば350気圧程度の高圧水素ガスH1が貯蔵される。高圧水素タンク3から取り出された高圧水素ガスH2は、減圧弁4で例えば2気圧程度に減圧された供給水素ガスH2となり、加湿器5を経て燃料電池1に供給される。
There are mainly 3 types of hydrogen storage alloy tanks, high pressure containers, and liquid hydrogen tanks as the fuel storage system, but the hydrogen automobile storage system of the present invention is a high pressure container type. A high-
酸化剤ガスとしては、酸素を含む空気が用いられ、圧縮機動力装置6により駆動される空気圧縮機7が吸込み側空気A1を加圧し、例えば2気圧程度の吐出側空気を供給空気A2とし、供給空気A2は加湿器8を経て燃料電池1に供給される。
As the oxidant gas, air containing oxygen is used, and the
一方、燃料電池1の化学反応は発熱反応なので冷却を要し、燃料電池1は、冷却装置動力装置9により駆動される冷却装置10によって冷熱C1を供給されて冷却される。冷熱C1の供給方法は水等の適宜な冷却用冷媒を循環させて行う等、方式は適宜選択される。
On the other hand, since the chemical reaction of the
しかしながら、圧縮機動力装置6、冷却装置動力装置9はそれぞれ駆動のための電力E2、E3(通常、車載の二次電池から供給される)を要す一方、貯蔵された高圧水素ガスH1の高圧エネルギーは単に解放されるだけであり、その改善が望まれていた。その一つの対策として例えば、特開2001-197791公報(特許文献1)には、水素貯蔵装置から供給される高圧水素によって駆動されるタービン発電機を設け、その発生電力を車載の二次電池に蓄電することが示されている。しかしながら、高圧水素の減圧は主にその下流側に設けられた減圧弁によるものであり、高圧エネルギーの回収利用という点では十分なものとはいえなかった。
However, the
本発明は、上記の従来の水素自動車の動力系の問題を解消し、また従来の改良において依然残る問題を解消し、効率のよい動力回収が可能となる水素自動車を提供することを課題とするものである。 It is an object of the present invention to provide a hydrogen vehicle that solves the problem of the power system of the conventional hydrogen vehicle described above, solves the problem still remaining in the conventional improvement, and enables efficient power recovery. Is.
(1)本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、特許請求の範囲に記載した請求項1から請求項6の順に述べると、その第1の手段として、水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車において、高圧水素タンクと、同高圧水素タンクからの高圧水素ガスを、減圧し膨張させて前記燃料電池へ送る膨張装置と、前記燃料電池へ空気を加圧して送る空気圧縮機およびその動力装置と、前記燃料電池を冷却する冷却装置およびその動力装置と、前記膨張装置で減圧し膨張した水素ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷器とを備え、同蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給して空気を冷却するように構成してなることを特徴とする水素自動車を提供する。
(1) The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. When described in the order of
(2)第2の手段としては、第1の手段の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給することに代えて、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。 (2) As a second means, in the hydrogen vehicle of the first means, the cold energy stored in the regenerator is supplied to the suction side air of the air compressor or both the suction side air and the discharge side air. Instead, there is provided a hydrogen vehicle configured to supply the fuel cell to the fuel cell for cooling.
(3)また、第3の手段として、第1の手段の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給するとともに、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。 (3) As a third means, in the hydrogen vehicle of the first means, the cold heat stored in the regenerator is supplied to the suction side air of the air compressor or both the suction side air and the discharge side air. In addition, there is provided a hydrogen vehicle configured to supply the fuel cell to the fuel cell in order to cool the fuel cell.
(4)第4の手段として、第1の手段ないし第3の手段のいずれかの水素自動車において、前記膨張装置は前記高圧水素タンクからの高圧水素ガスによって駆動され且つ前記高圧水素ガスを減圧し膨張させる膨張タービンと同膨張タービンに連結された発電機を備え、同発電機で発電された電力は前記空気圧縮機の動力装置または前記冷却装置の動力装置の一方または双方に供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。 (4) As a fourth means, in the hydrogen vehicle of any one of the first means to the third means, the expansion device is driven by high-pressure hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank and depressurizes the high-pressure hydrogen gas. An expansion turbine to be expanded and a generator connected to the expansion turbine are provided, and the electric power generated by the generator is supplied to one or both of the power device of the air compressor and the power device of the cooling device. Provided is a hydrogen vehicle characterized by being made.
(5)第5の手段として、第4の手段の水素自動車において、前記膨張タービンに代えてピストン形気体圧モータを備えてなることを特徴とする水素自動車を提供する。 (5) As a fifth means, there is provided a hydrogen automobile according to the fourth means, wherein a piston type gas pressure motor is provided instead of the expansion turbine.
(6)第6の手段として、第4の手段または第5の手段の水素自動車において、前記発電機で発電された電力は蓄電池を介して供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。 (6) The sixth means is the hydrogen vehicle according to the fourth means or the fifth means, wherein the electric power generated by the generator is supplied through a storage battery. Provide cars.
(1)特許請求の範囲に記載の請求項1の発明によれば、水素自動車を、水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車において、高圧水素タンクと、同高圧水素タンクからの高圧水素ガスを、減圧し膨張させて前記燃料電池へ送る膨張装置と、前記燃料電池へ空気を加圧して送る空気圧縮機およびその動力装置と、前記燃料電池を冷却する冷却装置およびその動力装置と、前記膨張装置で減圧し膨張した水素ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷器とを備え、同蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給して空気を冷却するように構成したので、蓄冷器の冷熱を空気圧縮機の吸込み側空気に供給して冷却することにより、吸込み側空気の密度を高めることができ、よって、空気圧縮機の動力装置の負荷を低減し、その使用電力が軽減される。また、併せ蓄冷器の冷熱を空気圧縮機の吐出側空気にも供給して吐出側空気を冷却すれば、加圧によって加熱された吐出側空気の温度を適正温度に下げることができ、燃料電池の運転の適正化に資することができる。
(1) According to the invention of
(2)請求項2の発明によれば、請求項1に記載の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給することに代えて、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成したので、蓄冷器の冷熱を、冷却装置からの冷熱とともに燃料電池に供給して、発熱反応による発電を行っている燃料電池を冷却することができ、その結果、燃料電池の運転の適正化に資することができるとともに、冷却装置の動力装置の負荷を低減し、その使用電力が軽減される。 (2) According to a second aspect of the present invention, in the hydrogen vehicle according to the first aspect, the cold energy stored in the regenerator is converted into the suction side air of the air compressor or both the suction side air and the discharge side air. Instead of supplying to the fuel cell, the fuel cell is supplied to the fuel cell in order to cool the fuel cell, so that the cold energy of the regenerator is supplied to the fuel cell together with the cold energy from the cooling device, and is generated by an exothermic reaction. The fuel cell that is generating electric power can be cooled. As a result, it is possible to contribute to optimization of the operation of the fuel cell, and the load on the power unit of the cooling device is reduced, and the power used is reduced.
(3)請求項3の発明によれば、請求項1に記載の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給するとともに、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成したので、請求項1の発明と請求項2の発明の上記作用効果をともに奏することができる。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the hydrogen vehicle according to the first aspect, the cold energy stored in the regenerator is converted into the suction side air of the air compressor or both the suction side air and the discharge side air. Since the fuel cell is supplied to the fuel cell in order to cool the fuel cell, both the effects of the invention of
(4)請求項4の発明によれば、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の水素自動車において、前記膨張装置は前記高圧水素タンクからの高圧水素ガスによって駆動され且つ前記高圧水素ガスを減圧し膨張させる膨張タービンと同膨張タービンに連結された発電機を備え、同発電機で発電された電力は前記空気圧縮機の動力装置または前記冷却装置の動力装置の一方または双方に供給するように構成したので、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明の効果に加え、発電機で発電された電力を空気圧縮機の動力装置に供給するようにすれば、従来からの空気圧縮機の動力装置の使用電力を大幅に削減することができる。また、 発電機で発電された電力を冷却装置の動力装置に供給するようにすれば、請求項1ないし請求項3のいずれかの発明の効果に加え、従来からの冷却装置の動力装置の使用電力を大幅に削減することができる。勿論、空気圧縮機の動力装置と冷却装置の動力装置とにともに発電機の発電した電力を供給すれば、上記の作用効果をともに奏することができる。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the hydrogen vehicle according to any one of the first to third aspects, the expansion device is driven by high-pressure hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank and the high-pressure hydrogen gas. An expansion turbine that decompresses and expands the generator and a generator connected to the expansion turbine, and the electric power generated by the generator is supplied to one or both of the power device of the air compressor and the power device of the cooling device In addition to the effects of any one of the first to third aspects of the invention, if the electric power generated by the generator is supplied to the power device of the air compressor, the conventional air compression can be achieved. The power consumption of the power unit of the machine can be greatly reduced. Further, if the power generated by the generator is supplied to the power unit of the cooling device, in addition to the effect of the invention of any one of
(5)請求項5の発明によれば、請求項4に記載の水素自動車において、前記膨張タービンに代えてピストン形気体圧モータを備えてなるように構成したので、請求項4の発明の作用効果に加え、一般に「ピストン形空気圧モータ」等と呼ばれる空気モータと同様な、ピストン形気体圧モータを用いたことにより、比較的に小さい水素の流量においても、効率が高く、適切な回転数を設定しやすく発電機とのマッチングが得やすいものとなる。
(5) According to the invention of
(6)請求項6の発明によれば、請求項4または請求項5に記載の水素自動車において、前記発電機で発電された電力は蓄電池を介して供給するように構成したので、請求項4または請求項5の発明の作用効果に加え、発電機での発電と、圧縮機の動力装置または冷却装置の動力装置の一方または双方の電力消費の量とタイミングの調整が容易となる。
(6) According to the invention of
本発明は、高圧水素タンク3に貯蔵された高圧水素ガスH1の高圧エネルギーを、冷熱エネルギーとして取り出し利用でき、またはさらに同時に電力として回収し利用することのできる、動力回収系を有する水素自動車であり、本発明を実施するための最良の形態として、以下に実施例1、実施例2を説明する。
The present invention is a hydrogen vehicle having a power recovery system that can extract and use high-pressure energy of high-pressure hydrogen gas H1 stored in a high-
図1、図2に基いて、本発明の実施例1に係る水素自動車を説明する。図1は、本実施例の水素自動車の動力系の要部構成図である。図2は、図1中の膨張装置、蓄冷器およびその周囲の構成例の説明図である。なお、図1、2では、先に説明した従来例の図4同様に、通常の操作に用いる遮断弁、調整弁等のほか、全体の制御系、および通常自動車において搭載される二次電池他の一般の電力系は図示省略されている。また、図4において説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して説明を省略し、従来例と異なる部分を主に以下説明する。
A hydrogen vehicle according to
図1に示すように、本実施例では高圧水素タンク3に接続する従来の減圧弁4に代えて膨張装置11を設け、高圧水素タンク3からの高圧水素ガスを減圧、膨張させる。膨張装置11は後述のように膨張タービンやピストン形気体圧モータ等で構成され、膨張装置11で高圧水素ガスH1から減圧、急膨張し寒冷となった供給水素ガスH2の冷熱を、蓄冷器12に蓄冷し、その冷熱C2を空気圧縮機7の吸込み側空気A1に供給して冷却し、吸込み側空気A1の密度を高めることができ、よって、圧縮機動力装置6の負荷を低減し、その使用電力E2を軽減する。
As shown in FIG. 1, in this embodiment, an
冷熱C2は、上記に加え、空気圧縮機7の吐出側空気である供給空気A2にも供給し、供給空気A2の冷却に用いてもよい。その場合、加圧によって加熱された供給空気A2の温度を適正温度に下げることができ、燃料電池1の運転の適正化に供することができる。
In addition to the above, the cold heat C2 may also be supplied to the supply air A2 that is the discharge side air of the
膨張装置11のさらに具体的な構成例を図2により説明すると、膨張装置11は減圧膨張手段兼動力回収手段としての膨張タービン13を備え、膨張タービン13は高圧水素タンク3から導入された高圧水素ガスH1を減圧するとともに膨張させて回転駆動される。減圧、膨張した供給水素ガスH2は寒冷となり、例えば、約350気圧、300°K(常温)程度から、約2気圧、100°K程度が得られる。寒冷となった供給水素ガスH2は蓄冷器12に導かれるとともに、蓄冷器12内の蓄冷材12aに冷熱を与え、自身は加熱されて温度を上昇するとともに燃料電池1に送られる。蓄冷材12aとしては、種々の適宜のものが用い得るが、例えば鉛粒等がある。
A more specific configuration example of the
蓄冷器12内には蓄冷材12a内を巡るように冷却管12bが配置され、冷却管12b内を、吸込み側空気A1、供給空気A2、あるいは適宜な冷却冷媒Mを通過させ、それらに蓄冷材12aから冷熱C2を与え冷却することができる。冷却冷媒Mは、間接的に吸込み側空気A1、供給空気A2を冷却する場合や、後述の実施例2のように他の部分を冷却する場合等に用いられる。
A cooling pipe 12b is disposed in the
なお、上記は一例であって、上記とは逆に冷却管12b内を供給水素ガスH2が通り、吸込み側空気A1等が蓄冷材12aと接するように通過させてもよく、また、上記のものと構造、方式の異なる蓄冷器、蓄冷方法であってもよい。 Note that the above is an example, and conversely to the above, the supply hydrogen gas H2 may pass through the cooling pipe 12b, and the suction side air A1 or the like may be allowed to pass through in contact with the cold storage material 12a. A regenerator or a cold storage method with a different structure or method may be used.
また、好ましくは、膨張タービン13には発電機14を連結し、発電を併せ行わせる構成とし、発電した回収電力E4は、蓄電池15(図1参照)に充電する。なお、膨張タービン13に代えて一般に「ピストン形空気圧モータ」等と呼ばれる空気モータと同様な、ピストン形気体圧モータを用いてもよく、その場合は、比較的に小さい水素の流量においても、効率が高く、適切な回転数を設定しやすく発電機14とのマッチングが得やすいメリットがある。 Preferably, a generator 14 is connected to the expansion turbine 13 so that power generation is also performed, and the recovered power E4 generated is charged in the storage battery 15 (see FIG. 1). Instead of the expansion turbine 13, a piston type gas pressure motor similar to an air motor generally called a “piston type pneumatic motor” or the like may be used. In that case, even at a relatively low hydrogen flow rate, the efficiency is improved. This is advantageous in that it is easy to set an appropriate rotation speed and easily match the generator 14.
図1に示すように、回収電力E4は一旦蓄電池15に充電するとともに、蓄電池15から電力E5を圧縮機動力装置6に供給するようにすれば、従来からの圧縮機動力装置6の使用する電力E2を大幅に削減することができ、回収電力E4の発電と圧縮機動力装置6の電力消費の量とタイミングの調整が容易である。なお、定常運転等で両者の適合する設定が可能なときは蓄電池15を介さず回収電力E4を直接供給電力E5として接続してもよい。その場合は蓄電池15における充電放電を経ることによるロスが無くなり効率が向上する。
As shown in FIG. 1, the recovered power E4 is once charged in the
図3に基いて、本発明の実施例2に係る水素自動車を説明する。図3は、本実施例の水素自動車の動力系の要部構成図である。なお、図3でも、先に説明した従来例の図4、実施例1の図1と同様に、通常の操作に用いる遮断弁、調整弁等のほか、全体の制御系、および通常自動車において搭載される二次電池他の一般の電力系は図示省略されている。また、図4、図1において説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分を主に以下説明する。また、図2は、本実施例においても引用する。 Based on FIG. 3, the hydrogen vehicle which concerns on Example 2 of this invention is demonstrated. FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of the power system of the hydrogen vehicle according to the present embodiment. In FIG. 3, as in the case of FIG. 4 of the conventional example described above and FIG. 1 of the first embodiment, in addition to a shut-off valve and a regulating valve used for normal operation, the entire control system and a normal automobile are mounted. The secondary battery and other general power systems are not shown. Further, the same parts as those described in FIGS. 4 and 1 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and different parts are mainly described below. FIG. 2 is also referred to in this embodiment.
図3に示すように、本実施例では実施例1と同様に、高圧水素タンク3に接続する従来の減圧弁4に代えて膨張装置11を設け、膨張装置11は前述のように膨張タービン13やピストン形気体圧モータ等で構成され、膨張装置11で高圧水素ガスH1から減圧、急膨張し寒冷となった供給水素ガスH2の冷熱を、蓄冷器12に蓄冷し、その冷熱C3を、冷却装置動力装置9により駆動される冷却装置10からの冷熱C1とともに燃料電池1に供給して、発熱反応による発電を行っている燃料電池1を冷却する。冷熱C3の供給方法は水等の適宜な冷却冷媒Mを循環させて行う等、方式は適宜選択される。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, as in the first embodiment, an
その結果、燃料電池1の運転の適正化に供することができるとともに、冷却装置動力装置9の負荷を低減し、その使用電力E3を軽減する。
As a result, it is possible to optimize the operation of the
本実施例において、膨張装置11の具体的な構成例は図2により前述した実施例1のものと同様である。従って、減圧膨張手段兼動力回収手段としての膨張タービン13を備え、膨張タービン13は高圧水素タンク3から導入された高圧水素ガスH1を減圧するとともに膨張させて回転駆動される。減圧、膨張した供給水素ガスH2は寒冷となり、蓄冷器12に導かれるとともに、蓄冷器12内の蓄冷材12aに冷熱を与え、自身は加熱されて温度を上昇するとともに燃料電池1に送られる。蓄冷器12においては、適宜な冷却媒体Mが冷却され、その冷熱C3を燃料電池1に供給する。
In the present embodiment, a specific configuration example of the
また、好ましくは、膨張タービン13には発電機14を連結し、発電を併せ行わせる構成とし、発電した回収電力E4は、蓄電池15に充電する。なお、膨張タービン13に代えて実施例1で説明したようにピストン形気体圧モータを用いてもよい。
Preferably, a generator 14 is connected to the expansion turbine 13 so that power generation is also performed, and the recovered power E4 generated is charged in the
図3に示すように、回収電力E4は一旦蓄電池15に充電するとともに、蓄電池15から電力E6を冷却装置動力装置9に供給するようにすれば、従来からの冷却装置動力装置9の使用する電力E3を大幅に削減することができ、回収電力E4の発電と冷却装置動力装置9の電力消費の量とタイミングの調整が容易である。なお、定常運転等で両者の適合する設定が可能なときは蓄電池15を介さず回収電力E4を直接供給電力E6として接続してもよい。その場合は蓄電池15における充電放電を経ることによるロスが無くなり効率が向上する。
As shown in FIG. 3, the recovered power E4 is once charged in the
以上、本発明を図示の実施例1、実施例2について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。 The present invention has been described above with reference to the first and second embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made to the specific structure within the scope of the present invention. Needless to say.
例えば、膨張装置11により蓄冷器12に蓄冷された冷熱は、空気圧縮機7へ供給する冷熱C2として、または燃料電池1の冷却に供される冷熱C3としての一方のみに限らず、それら両者を併せ供給するようにしてもよい。また、膨張装置11で発電された回収電力E4は、圧縮機動力装置6への供給電力E5として、または冷却装置動力装置9への供給電力E6としての一方のみに限らず、それら両者を併せ供給するようにしてもよい。
For example, the cold energy stored in the
また、上記実施例における蓄電池15は、本発明の動力回収系専用のものとすれば、外乱の少ない制御が容易なものとなるが、従来から車載装備された二次電池と共通のものとしてもよく、その場合は車載装置の簡素化、軽量化に資することができる。
Further, if the
1 燃料電池
2 駆動モータ
3 高圧水素タンク
5 加湿器
6 圧縮機動力装置
7 空気圧縮機
8 加湿器
9 冷却装置動力装置
10 冷却装置
11 膨張装置
12 蓄冷器
12a 蓄冷材
12b 冷却管
13 膨張タービン
14 発電機
15 蓄電池
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