JP2005086914A - 超電導モータを備えた電気自動車 - Google Patents

超電導モータを備えた電気自動車 Download PDF

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Abstract

【課題】 燃料電池用の液体水素を超電導モータの冷媒として用いた場合に、液体水素が超電導モータの熱により気化したボイルオフガスを再液化して有効利用する。
【解決手段】 車両駆動用の超電導モータ１４と、超電導モータ１４に電力を供給する燃料電池１２と、燃料として液体水素を貯留しているタンク１１とを備え、タンク１１から水素ガス用配管２３を介して液体水素を気化状態で燃料電池１２に供給していると共に、タンク１１から冷却用配管１８を介して超電導モータ１４に設けた冷却路１９に液体水素を冷媒として循環しており、冷却用配管１８や冷却路１９に液体水素が気化したボイルオフガスを集めて流入させるボイルオフガス用配管２０を連通させて設け、ボイルオフガス用配管２０の他端を連結した液化用冷却機１５でボイルオフガスを再液化すると共に、液化用冷却機１５とタンク１１との間に介設した液体水素還流用配管２２を通してタンク１１に戻す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導モータを備えた電気自動車に関し、詳しくは、電気自動車の燃料である液体水素を超電導モータの冷却のために有効活用すると共に、冷媒として用いられた液体水素が超電導モータの熱により気化したボイルオフガスを再液化するものである。
近年、ガソリン等の燃料資源の枯渇に対する懸念や内燃機関から排出される排気ガスによる環境悪化を改善すべく、電気によりモータを駆動して走行する電気自動車の開発が進められているが、該モータとして常電導モータを使用した場合には、電気抵抗による銅損が発生して低効率となると共に誘導電流が減衰し低出力となる問題があった。そこで、特開平６−６９０７号公報に開示されているように、超電導モータを採用すれば、超電導体部分での銅損がなくなり高効率とすることができると共に、モータ自身を小型化および高出力化することが可能となる利点がある。
超電導モータの超電導特性を発揮させるためには極低温に冷却する必要があり、液体水素、液体窒素、各種冷却機等を使用することが検討されているが、水素と酸素を反応させて発電させる燃料電池を利用した電気自動車には既に液体水素が搭載されているので、この液体水素を超電導モータを冷却するための冷媒として流用すれば効率的である。
しかしながら、特開平６−６９０７号公報に開示された電気自動車では、冷媒として使用された液体水素は超電導モータとの熱交換により気化され、また、運転が停止された状態であっても、外部からの熱により液体水素タンク内の液体水素が気化してボイルオフガスが発生してしまう。ボイルオフガスが発生するとそれを貯留・搬送するタンクや管の内部が高圧となり負荷が掛かるため、気化した水素はそのまま放出せざるを得ない問題がある。
また、この電気自動車に水素液化装置を搭載すればボイルオフガスを再度液化することは可能となるが、その液化装置を運転するためのエネルギー源として、電気自動車に搭載されている液体水素を用いてしまうと、自動車の走行のために使用できる液体水素が減少し、一度の燃料補給で走行可能な距離が短縮化されてしまう問題が発生する。特に液体水素は、ガソリン等の石油系燃料に比べて体積当たりのエネルギー量が小さいため、液化装置の運転用に液体水素を兼用させると結果的に走行可能距離の点で実用性に問題があるといえる。
特開平６−６９０７号公報
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、燃料電池用の液体水素を超電導モータの冷媒として活用すると共に、液体水素が超電導モータの熱により気化したボイルオフガスを再液化して有効利用し、また、再液化する際に電気自動車の走行性能に影響を与えないようにすることを課題としている。
上記課題を解決するため、本発明は、車両駆動用の超電導モータと、該超電導モータに電力を供給する燃料電池と、車両駆動用燃料として液体水素を貯留しているタンクとを備え、
上記タンクから水素ガス用配管を介して液体水素を気化状態で上記燃料電池に供給している一方、上記タンクから冷却用配管を介して上記超電導モータに設けた冷却路に液体水素を冷媒として流通させると共に上記タンクに返送して循環させていることを特徴とする超電導モータを備えた電気自動車を提供している。
上記構成とすると、電気自動車の駆動用燃料である極低温の液体水素を超電導モータの冷却用に共用できると共に、上記冷却用配管および冷却路を流通する液体水素は循環させてタンクに返送しているので、液体水素を無駄なく有効活用することができる。
上記タンクから上記超電導モータへの上記冷却用配管および／あるいは上記冷却路に、液体水素が気化したボイルオフガスを集めて流入させるボイルオフガス用配管を連通させて設け、該ボイルオフガス用配管の他端を液化用冷却機に連結し、該液化用冷却機でボイルオフガスを再度液化して貯留すると共に、該液化用冷却機と上記タンクとの間に介設した液体水素還流用配管を通して上記タンクに戻す構成としている。
上記構成とすると、超電導モータの超電導特性を発揮させるため極低温の雰囲気条件を維持する冷媒として兼用される上記液体水素が、上記冷却用配管において外温により気化されたり、上記冷却路において超電導モータとの熱交換により気化されてボイルオフガスが発生しても、上記ボイルオフガス用配管を通じて上記液化用冷却機に送られて再液化して体積を小さくした後、タンクへと戻して再利用するようにしているので、ボイルオフガスをそのまま放出する無駄を無くすことができる。
上記液化用冷却機の駆動電源として家庭用電力等の外部電源を用い、該液化用冷却機の電源回路側に接続したコネクタを、上記外部電源のコネクタに接続できる構成としている。
上記構成とすると、液化用冷却機を運転するためのエネルギー源として、電気自動車に搭載されている液体水素等のエネルギーを流用することなく、車外のエネルギーである外部電源を使用しているので、液体水素を自動車の駆動専用に有効に用いることができ、一度の燃料補給で走行可能な距離が短縮されないように防止できる。なお、上記外部電源としては、家庭用電力を用いて駐車時に供給するようにしたりすること等が考えられる。
上記液化用冷却機の駆動電源として車両に搭載した太陽電池を用い、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電する上記太陽電池と、上記液化用冷却機の電源回路とを接続する回路を設けている。
上記構成とすると、液化用冷却機の駆動電源には太陽電池を用い、液体水素で発電されたエネルギーを使用していないので、液体水素を自動車の駆動専用に利用できると共に、太陽エネルギーは自然エネルギーであるため、電気コストのユーザ負担を低減することができる。さらに、太陽電池は、日照時間内であれば常時発電を行えるので、長距離ドライブの際でも電力不足の心配がなくなる利点もある。
二次電池を搭載し、該二次電池は上記太陽電池と上記液化用冷却機あるいは上記外部電源との間に介設され、上記太陽電池で発電された電力あるいは上記外部電源の電力を二次電池に供給し、該二次電池に蓄電された電力を上記液化用冷却機の駆動電源として用いている。
例えば、駐車せずに走行している時には上記液化用冷却機への家庭用電力の供給を行うことができず、また、夜間や雨天時などの太陽光の照射量が少ない時には太陽電池による発電が行うことができない。このような外部電源による電力供給が受けられない時には、上記二次電池を搭載することで、二次電池に充電された電力をいつでも液化用冷却機の駆動用に供給することが可能となる。
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、超電導モータを極低温に維持する冷媒として電気自動車に燃料として搭載されている液体水素を共用することができ、かつ、超電導モータを冷却した液体水素は循環させてタンクに返送しているので、液体水素を有効活用することができ車両の大型化防止にも貢献する。また、液体水素が超電導モータの熱や外温との熱交換により気化されてボイルオフガスが発生しても、上記ボイルオフガス用配管を通じて上記液化用冷却機に送られて再液化してタンクへと戻して再利用されるので、ボイルオフガスをそのまま放出する無駄を無くすことができる。また、液化用冷却機の駆動電源として家庭用電力や太陽エネルギー等の外部電源を用いることで燃料電池の電力を使用せずに済み、一度の燃料補給で走行可能な距離が短縮するのを防止することができる。
本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の電気自動車１０の概略図であり、超電導コイルが使用された走行駆動源となる超電導モータ１４と、超電導モータ１４を駆動するための電源であり水素と酸素を反応させて発電する燃料電池１２とを備えている。
燃料電池１２には、燃料としての水素ガスを液体水素タンク１１から供給する水素ガス用配管２３が接続されている。液体水素タンク１１内で液体水素として貯蔵されている水素は水素ガス用配管２３で水素ガスとして燃料電池１２へと供給され、燃料電池１２は別途供給される酸素（図示せず）と反応させることで発電し、この電力が電力変換器１３で直流電流から交流電流に変換されて超電導モータ１４を駆動している。
超電導モータ１４の外周には冷媒流路となる冷却路１９を備えており、液体水素タンク１１から液体水素を冷媒として供給する冷却用配管１８が冷却路１９に接続されている。
冷却路１９には、液体水素が超電導モータ１４の熱により気化したボイルオフガスを集めて導出させるボイルオフガス用配管２０を連通させている。
液体水素タンク１１には液体水素還流用配管２１、２２を介して液化用冷却機１５が接続されており、液体水素タンク１１内においてタンク外からの熱伝導によりボイルオフガスが発生して液体水素タンク１１内の圧力が設定値以上になると、ボイルオフガスを一方の導出側の液体水素還流用配管２１に導出して、液化用冷却機１５で沸点以下に冷却して再液化し、他方の返送側の液体水素還流用配管２２を通して液体水素タンク１１に戻す構成としている。なお、液体水素タンク１１には断熱材を設けて外部の熱を遮断しているが、液体水素の沸点は約−２５３℃とかなり低いため、断熱が完全ではなく気化してしまった場合を想定している。
また、ボイルオフガス用配管２０の他端は導出側の液体水素還流用配管２１に接続することで液化用冷却機１５へと連結し、超電導モータ１４外周の冷却路１９で液体水素が気化したボイルオフガスをボイルオフガス用配管２０を介して液化用冷却機１５に導いている。
なお、ボイルオフガス用配管２０の両端には開閉弁２６、２７が介設されており、通常は閉じた状態されるノーマルクローズとし、ボイルオフガスの発生により冷却路１９内の圧力が設定値以上になると開かれるようにしている。また、液体水素還流用配管２１にも、導出側と返送側の両方に開閉弁２８、２９が介設されており、通常は閉じた状態されるノーマルクローズとし、ボイルオフガスの発生により液体水素タンク１１内の圧力が設定値以上になると開かれるようにしている。
液化用冷却機１５の電源回路には、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池１７が蓄電用の二次電池１６を介して接続されている。つまり、太陽電池１７で太陽エネルギーから変換された電気エネルギーを用いて液化用冷却機１５を駆動させている。
次に、上記構成の電気自動車１０の動作を説明する。
電気自動車の走行時には、液体水素タンク１１から水素が気化した状態で水素ガス用配管２３に導出されて燃料電池１２に供給されて発電される。この発生した直流電流は電力変換器１３により変換された交流電流で超電導モータ１４を作動させ、車輪を駆動させている。
一方、液体水素タンク１１内の液体水素の一部は、冷却用配管１８を通じて超電導モータ１４外周の冷却路１９に導かれて循環し、超電導モータ１４を冷却する。したがって、電気自動車１０が走行により超電導モータ１４内で発熱しても、冷却路１９内の液体水素との熱交換により、常時、超電導モータ１４内の超電導コイルを極低温として超電導特性を維持することができる。
ここで、冷却路１９内の液体水素は超電導モータ１４との熱交換により気化されてボイルオフガスを発生し、それにより冷却路１９や冷却用配管１８の内部の圧力が設定値以上になると、開閉弁２６、２７は開状態とされて該ボイルオフガスはボイルオフガス用配管２０に導出されて液化用冷却機１５に導かれる。
液化用冷却機１５は、太陽電池１７で発電された電力を蓄電した二次電池１６の電力を利用して駆動され、ボイルオフガスを冷却して水素を再液化される。そして、返送側の液体水素還流用配管２２の開閉弁２９が開状態となり、再液化された液体水素が液体水素タンク１１に戻される。
また、液体水素タンク１１の周囲の外熱によりタンク１１内の液体水素の一部が気化されてタンク１１内の圧力が設定値以上になった場合には、導出側の液体水素還流用配管２１の開閉弁１８を開状態とし、ボイルオフガスを液化用冷却機１５に導出して再液化する。そして、再液化された液体水素は返送側の液体水素還流用配管２２を通じて液体水素タンク１１に戻される。
上記構成とすると、超電導モータ１４外周の冷却路１９や冷却用配管１８において液体水素が気化されてボイルオフガスが発生しても、ボイルオフガス用配管２０を通じて液化用冷却機１５に導出されて再液化した後、液体水素タンク１１へ戻して再利用可能としているので、ボイルオフガスをそのまま放出する等の無駄を無くすことができる。
また、液化用冷却機１５を作動させるためのエネルギー源として、超電導モータ１５の駆動用の燃料電池１２のエネルギーを流用することなく、車外のエネルギーである太陽エネルギーを使用しているので、液体水素による燃料電池１２の電力を自動車の駆動専用に有効に用いることができ、一度の燃料補給で走行可能な距離が短縮されないようにすることができる。さらに、太陽エネルギーは自然エネルギーであるため、電気コストのユーザ負担を低減することもできる。
なお、上記太陽電池１７の代わりに、走行時の風により発電する風力発電機を備えても好適である。
図２は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、外部電力として太陽電池１７の代わりに家庭用電源３３を用いている点である。
即ち、液化用冷却機１５の電源回路に接続された二次電池１６に入力コネクタ３１が接続されている一方、家庭の車庫には家庭用電源３３に接続された出力コネクタ３２を用意している。ユーザは電気自動車３０を自宅の車庫等に駐車している際に、電気自動車３０の入力コネクタ３１に家庭用電源３３の出力コネクタ３２を接続して、交流電源を二次電池１６に蓄電することとする。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
本発明の第１実施形態の電気自動車の概略図である。 第２実施形態の電気自動車の概略図である。
符号の説明
１０ 電気自動車
１１ 液体水素タンク
１２ 燃料電池
１３ 電力変換器
１４ 超電導モータ
１５ 液化用冷却機
１６ 二次電池
１７ 太陽電池
１８ 冷却用配管
１９ 冷却路
２０ ボイルオフガス用配管
２１、２２ 液体水素還流用配管
２３ 水素ガス用配管
３１ 入力コネクタ
３２ 出力コネクタ
３３ 家庭用電源

Claims (5)

  1. 車両駆動用の超電導モータと、該超電導モータに電力を供給する燃料電池と、車両駆動用燃料として液体水素を貯留しているタンクとを備え、
    上記タンクから水素ガス用配管を介して液体水素を気化状態で上記燃料電池に供給している一方、上記タンクから冷却用配管を介して上記超電導モータに設けた冷却路に液体水素を冷媒として流通させると共に上記タンクに返送して循環させていることを特徴とする超電導モータを備えた電気自動車。
  2. 上記タンクから上記超電導モータへの上記冷却用配管および／あるいは上記冷却路に、液体水素が気化したボイルオフガスを集めて流入させるボイルオフガス用配管を連通させて設け、該ボイルオフガス用配管の他端を液化用冷却機に連結し、該液化用冷却機でボイルオフガスを再度液化して貯留すると共に、該液化用冷却機と上記タンクとの間に介設した液体水素還流用配管を通して上記タンクに戻す構成としている請求項１に記載の超電導モータを備えた電気自動車。
  3. 上記液化用冷却機の駆動電源として家庭用電力等の外部電源を用い、該液化用冷却機の電源回路側に接続したコネクタを、上記外部電源のコネクタに接続できる構成としている請求項２に記載の超電導モータを備えた電気自動車。
  4. 上記液化用冷却機の駆動電源として車両に搭載した太陽電池を用い、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電する上記太陽電池と、上記液化用冷却機の電源回路とを接続する回路を設けている請求項２または請求項３に記載の超電導モータを備えた電気自動車。
  5. 二次電池を搭載し、該二次電池は上記太陽電池と上記液化用冷却機あるいは上記外部電源との間に介設され、上記太陽電池で発電された電力あるいは上記外部電源の電力を二次電池に供給し、該二次電池に蓄電された電力を上記液化用冷却機の駆動電源として用いている請求項３または請求項４に記載の超電導モータを備えた電気自動車。
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