JP2006142924A - 水素燃料自動車における水素タンク冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素充填時に車載のラジエータ及びファンを使用して水素タンクを冷却する場合に比較して、水素充填時間を短くする。
【解決手段】冷房装置１５の冷媒循環回路３２から、膨張した冷媒液をエバポレータ３６を迂回して圧縮機３３に吸入される状態にするバイパス流路３９が分岐されている。バイパス流路３９の膨張弁３５寄りの分岐部には電磁三方弁４０が設けられている。電磁三方弁４０は、制御装置３１からの指令信号により、膨張弁３５を通過した冷媒液がエバポレータ３６を経て圧縮機３３に吸入される状態と、エバポレータ３６を迂回してバイパス流路３９を流れる状態とに切り換えられる。熱媒流路１６に、バイパス流路３９を流れる冷媒液と、熱媒流路１６に流れる熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器４１が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素燃料自動車における水素タンク冷却装置に係り、詳しくは水素吸蔵材を内蔵した水素タンク及び冷房装置を搭載した水素燃料自動車において、水素タンクへの水素の充填を従来に比較して短時間で行うことができる水素燃料自動車における水素タンク冷却装置関する。

近年、地球温暖化を抑制する意識が高まり、特に車両から排出される二酸化炭素の低減を目的として燃料電池電気自動車や水素エンジン自動車等の水素を燃料とした水素燃料自動車の開発が盛んである。水素燃料自動車としては、水素供給源として水素ガスが充填された水素タンクを搭載するものが一般的である。

水素の貯蔵、輸送の方法として、ある温度、圧力の条件のもとで水素を吸蔵して水素化物になり、必要時に別の温度、圧力の条件のもとで水素を放出する「水素吸蔵合金」といわれる金属の利用が着目されている。そして、水素吸蔵合金を使用した水素タンクでは、同じ容積で水素貯蔵量を増大させることができるため、注目されている。

水素タンクへの水素ガスの充填は、水素ステーションと呼ばれるガソリンスタンドやＬＰガススタンドに対応する設備で行われる。例えば、水素ステーションは、複数本のボンベからなる水素カードルと、水素カードルから供給される水素を車両の水素タンクに充填するディスペンサ（充填機）とを備えている。そして、ディスペンサのホース先端に設けられたカプラを前記水素タンクへの充填口に連結した状態で、水素カードルと水素タンクとの圧力差により、水素タンクに水素ガスを充填する。

水素タンクに水素ガスを充填する場合、水素タンク内の温度が高くなるため、冷却しながら充填しないと充填に時間がかかる。また、水素吸蔵合金を使用して水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて充填量を高める場合、水素吸蔵合金による水素吸蔵反応は発熱反応のため、冷却しないと水素吸蔵反応が円滑に進まない。

本願出願人は、水素吸蔵合金内蔵の水素タンクを搭載した燃料電池自動車において、水素吸蔵合金から水素を放出させる際に水素吸蔵合金を加熱するための熱媒体として燃料電池を冷却後の熱媒体を使用するとともに、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際に水素吸蔵合金を冷却するための熱媒体としても同じ熱媒体を使用するシステムを考えた。このシステムでは、熱媒体の冷却は燃料電池自動車に装備されたラジエータにより冷却される。そして、燃料電池の運転時には燃料電池を冷却後の熱媒体で水素吸蔵合金を加熱して水素の放出を円滑に行わせ、水素タンクへの水素充填時には、燃料電池の運転を停止して、ラジエータで冷却された熱媒体を燃料電池の冷却に使用せずに水素吸蔵合金の冷却に使用する。この場合、燃料電池の運転時には、熱媒体による燃料電池の冷却及び水素吸蔵合金の加熱が円滑に行われる。

しかし、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる場合、即ち水素タンクへの水素の充填時に、多量（例えば、５ｋｇ）の水素を短時間（例えば、５分以内）で高圧（例えば、３５ＭＰａ）に充填しようとすると、一般的な車載用のラジエータ及びファンでは水素吸蔵合金からの発熱及びガス圧縮熱の外部放出能力が不足するという問題がある。ここで、水素の充填量５ｋｇという値は、燃料電池自動車が１回の燃料充填でガソリン車並の５００ｋｍを走行可能な値である。

水素燃料自動車においても内燃機関をエンジンとした自動車と同様に空調装置あるいは冷房装置が装備される割合が多い。そして、水素燃料自動車として、圧縮された冷媒ガスを凝縮するコンデンサ及び膨張した冷媒液を蒸発するエバポレータを有する冷房装置と、水素吸蔵合金内蔵タンク内に熱冷媒流路の一部を形成する熱交換装置とを有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。前記熱交換装置は、水素吸蔵合金内蔵タンク内に配設した第１熱交換器と、前記冷房装置によって冷却される被冷却空気の通路又は冷房装置のコンデンサを冷却する冷却空気の通路の少なくとも一方に配設した第２熱交換器とを有している。この水素燃料自動車は、冷房装置と別個の熱交換装置を設けてあり、水素吸蔵合金からの水素放出に伴う水素吸蔵合金の冷熱は、第１熱交換器によって熱交換装置の冷媒に伝達され、この冷媒に伝達された冷熱は、第２熱交換器によって冷房装置の被冷却空気もしくは冷房装置のコンデンサを冷却する空気に伝達される。即ち、水素吸蔵合金の冷熱の利用により、冷房装置のエネルギー消費が低減される。

また、車両に搭載される水素吸蔵合金に対し熱媒体を循環させて該熱媒体と前記水素吸蔵合金とで熱交換を行う熱媒体循環系と、該熱媒体を冷却する冷却手段と、該熱媒体を加熱する加熱手段とを備えた車載用水素吸蔵合金システムが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この車載用水素吸蔵合金システムは、前記水素吸蔵合金に水素を充填するときには前記冷却手段を、前記水素吸蔵合金から水素を放出させるときには前記加熱手段をそれぞれ選択的に作動させる。
特開平７−１８６７１１号公報（明細書の段落［００１１］、［００１５］、図１） 特開２０００−８８１９６号公報（明細書の段落［０００６］、［００１６］、［００１７］、図１）

一般的な車載用のラジエータ及びファン（例えば、冷却水流量：６０Ｌ／ｍｉｎ、風速：最大２ｍ／ｓ）では、外気温３０℃で充填を行った場合、水素タンクが空の状態から５分間で、満タン水素量の約８５％（４．２５ｋｇ）しか充填できない。５分で満タンの９５％（４．７５ｋｇ）以上の水素を充填させるには、ファン風速を６ｍ／ｓ以上にする必要がある。しかし、この風速が出せるファンを燃料電池自動車に搭載した場合、大きな設置スペースが必要になるとともに、水素充填時以外は能力が過剰のファンを装備することになる。

特許文献１の水素燃料自動車は、水素吸蔵合金内蔵タンク内の水素吸蔵合金からの水素放出に伴う水素吸蔵合金の冷熱を冷房装置の被冷却空気もしくは冷房装置のコンデンサを冷却する空気の冷却に利用することは記載されているが、水素吸蔵合金内蔵タンクへの水素充填を短時間で行うことに関しては何ら記載がない。

特許文献２は、水素吸蔵合金を車両に搭載した状態（オンボードの状態）で水素の充填を行うことを可能にすることを目的としており、本願出願人が問題としている、水素の充填を車載のラジエータ及びファンを使用して水素タンクを冷却する場合に比較して短時間で行うことに関しては何ら記載がない。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、水素充填時に車載のラジエータ及びファンを使用して水素タンクを冷却する場合に比較して、水素充填時間を短くすることができる水素燃料自動車における水素タンク冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料として水素を使用する車両駆動用の水素燃料駆動部と、水素吸蔵材を収容するとともに熱交換器を内蔵した水素タンクと、前記水素燃料駆動部と熱交換可能とし前記熱交換器の熱媒管に供給可能とする熱媒体が流れる熱媒流路と、前記熱媒流路を流れる熱媒体を冷却するためのラジエータと、冷媒ガスを圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒ガスを凝縮するコンデンサ及び膨張した冷媒液を蒸発させるエバポレータを有する冷房装置とを備えた水素燃料自動車における水素タンク冷却装置である。そして、前記冷房装置の冷媒循環回路から分岐されるとともに、膨張した冷媒液を前記冷房装置のエバポレータを迂回して前記圧縮機に吸入される状態にするバイパス流路を備えている。また、前記冷媒液が前記エバポレータを経て前記圧縮機に吸入される状態と、前記エバポレータを迂回して前記バイパス流路を流れる状態とに切り換える切換手段と、前記バイパス流路を流れる冷媒液により前記水素吸蔵材の冷却を行う水素吸蔵材冷却手段とを備えている。

水素タンクに水素を充填するときは、熱媒体が水素タンクに内蔵された熱交換器の熱媒管を流れる状態で熱媒流路を流れる。熱媒体はラジエータで冷却された後、熱媒管を流れて水素吸蔵材を冷却する。この発明では冷房装置の切換手段により、膨張した冷媒液はエバポレータを経る経路ではなく、エバポレータを迂回してバイパス流路を流れる状態に切り換えられる。そして、水素吸蔵材冷却手段の作用によりバイパス流路を流れる冷媒液で直接又は間接的に水素吸蔵材の冷却が行われる。従って、車載のラジエータのみで水素吸蔵材を冷却する場合に比較して短時間で水素充填を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記水素吸蔵材冷却手段は、前記バイパス流路を流れる冷媒液と前記熱媒流路に流れる熱媒体との間で熱交換を行うように構成されている。この発明では、バイパス流路を流れる冷媒液が水素タンクに内蔵された水素吸蔵材との間で、直接熱交換を行うのではなく、前記熱媒流路を流れる熱媒体との間で熱交換が行われ、水素タンクに内蔵された水素吸蔵材とは前記熱媒体を介して間接的に熱交換が行われる。従って、水素タンクの構造を変更せずに、バイパス流路を流れる冷媒液と、熱媒流路に流れる熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器を熱媒流路の途中に設けることで、容易に実施することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記水素吸蔵材冷却手段は、前記水素タンク内に、前記熱交換器の熱媒管と別に設けられた冷媒管であり、前記バイパス流路を流れる冷媒液が前記冷媒管を流れるように構成されている。従って、この発明では、冷房装置の冷媒液が水素タンク内に設けられた冷媒管に流れるため、冷房装置の冷媒液による水素吸蔵材に対する冷却効果が請求項２の構成に比較して向上する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記圧縮機は容量可変に構成され、前記圧縮機の容量を前記熱媒体の温度に対応して制御する制御手段を備えている。

水素吸蔵材が収容された水素タンクを冷却する場合、水素吸蔵材等を冷却する熱負荷は一定ではない。水素の充填開始から圧縮機を一定容量で駆動すれば圧縮機の制御が簡単となるが、容量最大として水素充填を行うと圧縮機が無駄なエネルギーを消費することになる。しかし、この発明では、圧縮機は、熱負荷に合わせて容量が調整されて駆動されるため、同じ充填時間であってもエネルギー消費量を少なくできる。

本発明によれば、車載のラジエータ及びファンを使用して水素充填時に水素タンクを冷却する場合に比較して、水素充填時間を短くすることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１に従って説明する。図１は燃料電池、水素タンク及び熱媒体の流通経路と、冷房装置の圧縮機、コンデンサ、エバポレータ及び冷媒の流通経路とを示す模式図であり、図２は水素燃料自動車と水素ステーションの概略構成図である。

図２に示すように、水素燃料自動車１１は、車両駆動用の水素燃料駆動部としての燃料電池１２と、複数本（２本図示）の水素タンク１３と、ラジエータ１４と、冷房装置１５とを備えている。燃料電池１２、水素タンク１３及びラジエータ１４は、燃料電池１２を冷却する熱媒体を水素タンク１３に供給可能とする熱媒流路１６を介して連結されている。水素タンク１３は、水素充填口１７ａを備えた配管１７に連結され、配管１７から各水素タンク１３に水素ガスの充填が可能になっている。

また、水素燃料自動車１１は、水素ステーション５１で水素タンク１３に水素ガスの充填を行うように構成されている。水素ステーション５１は、水素ガスを貯蔵する蓄ガス設備５２と、蓄ガス設備５２から供給される水素ガスを水素燃料自動車１１の水素タンク１３に充填するディスペンサ（充填機）５３とを備えている。なお、図２においては、水素燃料自動車１１、蓄ガス設備５２、ディスペンサ５３等の大きさの比は、実際の比と異なる状態で表されている。

水素ステーション５１の蓄ガス設備５２は、所定圧力で水素ガスが充填された複数のボンベ５４ａが配管５４ｂで連結された水素カードルで構成されている。図２では便宜上ボンベ５４ａを３本図示しているが、ボンベ５４ａの本数は例えば１０本以上である。各ボンベ５４ａには満充填状態において所定圧力（例えば、４４ＭＰａ）に水素ガスが充填されている。ディスペンサ５３は、先端にカプラ５５を備えたホース５６を備えるとともに、図示しない質量流量計、流量調整弁、開閉弁等を装備して、水素カードルから供給される水素ガスをホース５６を介して充填する公知の構成となっている。ディスペンサ５３は、カプラ５５を水素タンク１３への水素充填口１７ａに連結して、水素の充填を行うようになっている。

次に図１に従って燃料電池システムを詳細に説明する。
燃料電池１２は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンク１３から供給される水素と、コンプレッサ１８から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。定常運転時に燃料電池１２を冷却可能にするため、前記熱媒流路１６の一部が熱交換部１６ａとして燃料電池１２内に配置されている。

水素タンク１３は、タンク１９と、水素吸蔵材としての水素吸蔵合金ＭＨを内部に収容した水素吸蔵用ユニット２０と、タンク１９内で水素吸蔵用ユニット２０を支持する支持体２１とを備えている。また、水素タンク１３内には、水素吸蔵合金ＭＨとの間で熱交換を行う熱媒体の流路として、前記熱媒流路１６の一部が熱交換部１６ｂとして配置されている。この実施形態では熱媒体としてＬＬＣ（ロングライフクーラント）が使用されている。熱交換部１６ｂの周囲には水素吸蔵合金ＭＨとの間の熱交換の効率を高めるための多数のフィン２２が設けられている。水素吸蔵合金ＭＨとしては公知のものが使用されている。熱交換部１６ｂ及びフィン２２により熱交換器が構成され、熱交換部１６ｂは該熱交換器の熱媒管を構成する。

各水素タンク１３は、燃料電池１２の水素供給ポート（図示せず）に配管２３を介して連結され、燃料電池１２に水素を供給する。水素タンク１３は、満充填状態において所定圧力（例えば、約３５ＭＰａ）の高圧で水素を貯蔵し、図示しない減圧弁で圧力を減圧して燃料電池１２に一定の圧力（例えば、０．３ＭＰａ程度）で供給するようになっている。各水素タンク１３は、水素充填口１７ａを備えた配管１７に連結され、配管１７から各水素タンク１３に同時に水素ガスの充填が可能になっている。

コンプレッサ１８は、燃料電池１２の酸素供給ポート（図示せず）に配管２４を介して連結され、燃料電池１２に圧縮空気を供給する。コンプレッサ１８は図示しないエアクリーナでゴミ等が除去された空気を圧縮して配管２４に吐出するようになっている。

ラジエータ１４は、モータ２５により回転されるファン２６を備え、ラジエータ１４からの放熱が効率よく行われるようになっている。
熱交換部１６ａの入口及びラジエータ１４の出口の中間には電磁三方弁２８が設けられている。熱媒流路１６のうち電磁三方弁２８からラジエータ１４の入口に連結される部分を部分１６ｃとする。電磁三方弁２８は、熱媒体が燃料電池１２の熱交換部１６ａの入口側に供給される状態と、熱交換部１６ａに供給されずに部分１６ｃを流れる状態とに切り換え可能に構成されている。部分１６ｃには電磁三方弁２９が水素タンク１３と同じ数だけ設けられている。熱交換部１６ａの出口側は電磁三方弁２９より上流の部分１６ｃに連結されている。また、部分１６ｃの電磁三方弁２９より下流にポンプ２７が設けられている。ポンプ２７は熱媒流路１６内の熱媒体をラジエータ１４の入口に側へ送るように設けられている。

各水素タンク１３の熱交換部１６ｂの入口側は、部分１６ｃに電磁三方弁２９を介して連結されている。また、熱交換部１６ｂの出口側は、部分１６ｃの前記各電磁三方弁２９が設けられた部分より下流側に連結されている。電磁三方弁２９は、部分１６ｃを流れる熱媒体を熱交換部１６ｂの入口側へのみ通過可能な第１の状態と、部分１６ｃを流れる熱媒体を熱交換部１６ｂの入口側ではなく部分１６ｃの下流側へのみ通過可能な第２の状態とに切換可能に構成されている。部分１６ｃのラジエータ１４の入口付近には、ラジエータ１４に流れ込む熱媒体の温度を検知する温度センサ３０が設けられている。

前記コンプレッサ１８、モータ２５、ポンプ２７、電磁三方弁２８，２９は、制御装置３１からの指令によって運転あるいは切換え制御されるようになっている。ポンプ２７は制御装置３１からの指令信号に基づいて駆動、停止及び流量変更が可能になっている。制御装置３１には、温度センサ３０の検出信号と、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ（図示せず）の検出信号と、水素タンク１３内の圧力を検出する圧力センサ（図示せず）の検出信号とが入力される。制御装置３１は、水素充填時に温度センサ３０の検出信号に基づいて、後記する冷房装置用制御装置に圧縮機３３の容量変更の指令信号を出力するようになっている。即ち、制御装置３１は、圧縮機３３の容量を熱媒流路１６を流れる熱媒体の温度に対応して制御する制御手段としても機能する。

冷房装置１５は、フロンを冷媒とし、その冷媒循環回路３２には、冷媒ガスを圧縮する圧縮機３３と、圧縮された冷媒ガスを凝縮するコンデンサ３４と、膨張弁３５と、膨張した冷媒液を蒸発させるエバポレータ３６とが設けられている。コンデンサ３４は、圧縮機３３から吐出された高圧高温の冷媒ガスをファン３７により冷却して高圧の液冷媒にする。膨張弁３５は、高圧の液冷媒を低圧の霧状の冷媒とする。エバポレータ３６は、霧状の冷媒を蒸発させて、ファン３８により送られる空気を冷媒の蒸発潜熱で冷却するようになっている。圧縮機３３は図示しない冷房装置用制御装置からの指令により容量即ち冷房能力が変更可能に構成されている。冷房装置１５は車載用の公知のものを使用できる。冷房装置用制御装置は、前記制御装置３１からの指令信号によっても圧縮機３３の容量を調整可能に構成されている。

冷房装置１５の冷媒循環回路３２からは、膨張した冷媒液を冷房装置１５のエバポレータ３６を迂回して圧縮機３３に吸入される状態にするバイパス流路３９が分岐されている。バイパス流路３９の膨張弁３５寄りの分岐部には切換手段としての電磁三方弁４０が設けられている。電磁三方弁４０は、膨張弁３５を通過した冷媒液がエバポレータ３６を経て圧縮機３３に吸入される状態と、エバポレータ３６を迂回してバイパス流路３９を流れる状態とに切換え可能に構成されている。電磁三方弁４０は制御装置３１からの指令信号によって切換制御される。

部分１６ｃの、熱交換部１６ａの出口側との連結部より下流側で且つ最も上流側の電磁三方弁２９より上流側に、バイパス流路３９を流れる冷媒液と、熱媒流路１６に流れる熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器４１が設けられている。バイパス流路３９は、その一部が熱交換器４１内を通過し、かつ熱交換器４１内において熱媒流路１６に螺旋状に巻き付くように配設されている。熱交換器４１は、バイパス流路３９を流れる冷媒液により水素吸蔵合金ＭＨの冷却を行う水素吸蔵材冷却手段を構成する。この実施形態では、バイパス流路３９を流れる冷媒液は、熱媒流路１６を流れる熱媒体を介して間接的に水素吸蔵合金ＭＨの冷却を行う。

なお、水素燃料自動車１１は、燃料電池１２を使用できない水素充填時等に冷房装置１５やモータ２５等に電力を供給したり、燃料電池１２で発電された余剰の電力を充電したりするための図示しない二次電池を備えている。

次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
燃料電池１２は、環境温度が燃料電池１２の発電が可能な予め設定された温度（設定温度）以上の場合に通常運転が行われる。制御装置３１は環境温度を計測する温度センサ（図示せず）の検出信号に基づいて、環境温度が前記設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。通常運転時には、水素タンク１３から水素が燃料電池１２のアノード電極側に供給される。また、コンプレッサ１８が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１２のカソード電極側に供給される。

また、固体高分子型燃料電池は、８０℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池１２の温度が８０℃程度の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、熱媒流路１６内をラジエータ１４で冷却された熱媒体が循環される。また、水素吸蔵合金ＭＨからの水素の放出は吸熱反応のため、反応を円滑に進めるためには水素吸蔵合金ＭＨを加熱する必要があり、燃料電池１２の冷却後の温まった熱媒体が水素吸蔵合金ＭＨの加熱に使用される。

制御装置３１は、燃料電池１２の運転時には、電磁三方弁２８を熱媒体が熱交換部１６ａの入口に供給される状態に保持するとともに、水素タンク１３内の圧力を検出する圧力センサの検出信号に基づいて、各電磁三方弁２９を切換制御する。制御装置３１は、水素タンク１３内の圧力が予め設定された第１の設定圧力以下になると熱媒体が水素タンク１３を加熱する状態、即ち熱媒体が熱交換部１６ｂを流れる状態に電磁三方弁２９を切り換える指令信号を出力する。また、水素タンク１３内の圧力が予め設定された第２の設定圧力以上になると、熱媒体が水素タンク１３内を流れない状態に電磁三方弁２９を切り換える指令信号を出力する。

制御装置３１は、全ての水素タンク１３において、熱媒体による加熱を予め設定された所定時間継続しても第１の設定圧力に達しない状態になった時点で水素の充填が必要と判断する。そして、報知手段（例えばランプ等の表示部）を駆動させる。

水素タンク１３に水素ガスを充填（貯蔵）する際（水素充填時）、即ち水素吸蔵合金ＭＨに水素ガスを吸蔵させる場合は、水素燃料自動車１１は水素ステーション５１に停車する。制御装置３１は、水素充填時には、熱媒体が燃料電池１２の熱交換部１６ａに供給されずに部分１６ｃを流れる状態に切り換える指令信号を電磁三方弁２８へ出力し、各電磁三方弁２９には熱媒体を水素タンク１３の熱交換部１６ｂへ供給する状態に切り換える指令信号を出力する。従って、ラジエータ１４で冷却された熱媒体は燃料電池１２の熱交換部１６ａを経ずに各水素タンク１３の熱交換部１６ｂに供給される状態となる。また、制御装置３１から冷房装置１５の電磁三方弁４０に、冷媒液をバイパス流路３９を経て圧縮機３３へ供給する状態に切り換える指令信号が出力され、電磁三方弁４０は冷媒液をバイパス流路３９を経て圧縮機３３へ供給する状態になる。

従って、水素タンク１３への水素充填時には、熱媒流路１６を流れる熱媒体は、ラジエータ１４で冷却されるとともに、熱交換器４１においても冷却される状態となる。そして、ディスペンサ５３のカプラ５５が水素充填口１７ａに連結され、水素タンク１３への水素充填が行なわれる。

水素カードルから水素タンク１３内に供給された水素ガスは、水素吸蔵合金ＭＨと反応して水素化物となって水素吸蔵合金ＭＨに吸蔵される。水素の吸蔵反応は発熱反応であるので、水素の吸蔵反応で発生した熱を除去しないと吸蔵反応が円滑に進行しない。しかし、熱媒流路１６を流れる熱媒体が、ラジエータ１４だけで冷却されるのではなく、熱交換器４１においても冷却される。なぜならば、水素充填時には、膨張弁３５を通過することにより低温で霧状となった冷媒が、エバポレータ３６に供給されずにバイパス流路３９を流れる状態となり、熱交換器４１において液冷媒と熱媒体との熱交換によって液冷媒が蒸発する際に周囲から蒸発潜熱を奪うことによって熱媒体が冷却される。従って、燃料電池１２の熱交換部１６ａを流れず、部分１６ｃ、熱交換部１６ｂを通って水素タンク１３とラジエータ１４との間で循環するとともに、ラジエータ１４及び熱交換器４１の両方で冷却される熱媒体により、水素吸蔵合金ＭＨの発熱が除去されて吸蔵反応が円滑に進行する。その結果、例えば、外気温度３０℃、熱媒体の流速６０Ｌ／ｍｉｎの条件で、水素タンク１３が空の状態から５分で満タン（充填量５ｋｇ）の９５％（４．７５ｋｇ）以上の水素を充填させることができる。

また、制御装置３１は、冷房装置１５の圧縮機３３の容量を熱媒流路１６を流れる熱媒体の温度に対応して制御する。制御装置３１は図示しないメモリに記憶されたデータと、温度センサ３０の出力信号とに基づいて、対応する圧縮機３３の適切な容量を求めて、その容量で圧縮機３３が駆動されるように冷房装置用制御装置に指令信号を出力する。そして、冷房装置用制御装置は水素充填時には、制御装置３１からの指令信号に基づいて圧縮機３３の容量を制御して圧縮機３３の運転を行う。

水素タンク１３を冷却する場合、水素の充填開始から一定の容量で圧縮機３３を運転して、バイパス流路３９を流れる冷媒液で熱媒流路１６中の熱媒体を冷却すれば圧縮機３３の制御が簡単となる。しかし、熱交換器４１で熱媒体を冷却するのに必要な単位時間当たりの冷媒液量は、熱媒体の温度によって適正量が異なる。従って、圧縮機３３の容量を一定として短時間で水素充填を行う場合、圧縮機３３は、熱媒体の温度が最大のときに合わせた容量で水素充填完了まで駆動されるため、熱媒体の温度が低いとき（熱負荷が低いとき）には無駄なエネルギーを消費することになる。しかし、この実施形態では、圧縮機３３は、熱負荷に合わせて容量が調整されて駆動されるため、同じ充填時間であってもエネルギー消費量を少なくできる。

この実施形態では以下の効果を有する。
（１）水素燃料自動車１１の水素タンク冷却装置は、燃料電池１２の冷却用に使用する熱媒体と、水素タンク１３の水素吸蔵合金ＭＨの冷却用あるいは加熱用に使用する熱媒体が共通の熱媒流路１６を流れるように構成されるとともに、熱媒流路１６を流れる熱媒体を冷却するためのラジエータ１４を備えている。また、車載用の冷房装置１５の冷媒循環回路３２から分岐されるとともに、膨張した冷媒液をエバポレータ３６を迂回して圧縮機３３に吸入される状態にするバイパス流路３９を備え、バイパス流路３９を流れる冷媒液により水素吸蔵合金ＭＨの冷却を行う水素吸蔵材冷却手段を備えている。従って、車載のラジエータ１４のみで水素吸蔵合金ＭＨを冷却する場合に比較して短時間で水素充填を行うことができる。

（２）水素吸蔵材冷却手段は、冷房装置１５の冷媒循環回路３２から分岐したバイパス流路３９を流れる冷媒液が直接水素吸蔵合金ＭＨを冷却するのではなく、水素タンク１３の外において熱媒流路１６を流れる熱媒体をバイパス流路３９を流れる冷媒液で冷却し、冷却された熱媒体で間接的に水素吸蔵合金ＭＨを冷却する。そして、熱媒流路１６の途中に設けられた熱交換器４１の一部をバイパス流路３９が構成する。従って、水素タンク１３の構造を変更せずに、バイパス流路３９を流れる冷媒液と熱媒流路１６に流れる熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器４１を熱媒流路１６の途中に設けることで、容易に実施することができる。

（３）圧縮機３３は容量可変に構成され、圧縮機３３の容量を熱媒流路１６を流れる熱媒体の温度に対応して制御する制御装置３１を備えている。従って、圧縮機３３は、熱負荷に合わせて容量が調整されて駆動されるため、同じ充填時間であってもエネルギー消費量を少なくできる。

（４）熱媒流路１６には、熱媒体が燃料電池１２の熱交換部１６ａを流れる状態と、熱交換部１６ａに供給されずに部分１６ｃを流れる状態、即ち熱交換部１６ａを経ずに水素タンク１３の熱交換部１６ｂに流れる状態とに切り換え可能な電磁三方弁２８が設けられている。そして、水素充填時には、熱媒体が燃料電池１２の熱交換部１６ａを経ずに水素タンク１３の熱交換部１６ｂを流れる状態で熱媒体が冷却される。従って、燃料電池１２を使用していた状態から直ぐに水素タンク１３への水素充填を行う場合でも、燃料電池１２の余熱で熱媒流路１６を流れる熱媒体が加熱されるのを回避することができ、熱媒体を効率良く冷却することができる。

（５）部分１６ｃであり、最も上流側の電磁三方弁２９の上流側に、熱交換器４１が設けられている。従って、熱交換器４１で冷却された熱冷媒が各水素タンク１３内の水素吸蔵合金ＭＨの冷却に有効に利用される。また、電磁三方弁２９の制御により、温度の高い（水素吸蔵反応の進行が遅い）水素タンク１３内の水素吸蔵合金ＭＨを集中して冷却する事もできる。

（６）水素燃料自動車１１は水素タンク１３を複数本備え、各水素タンク１３に熱媒体を供給する熱媒流路１６には、各水素タンク１３の熱交換部１６ｂに対応して、熱媒流路１６の流れを当該水素タンク１３の熱交換部１６ｂに供給する状態と、供給しない状態とに切換え可能な電磁三方弁２９を備えている。従って、制御装置３１からの指令信号により、各水素タンク１３で適正な状態となるように熱媒体の移動経路を変更することができ、水素タンク１３内の水素吸蔵合金ＭＨの加熱及び冷却を適正に行うことが容易になる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図３に従って説明する。この実施形態は、バイパス流路３９を流れる冷媒液により水素吸蔵合金ＭＨの冷却を行う水素吸蔵材冷却手段として、バイパス流路３９を流れる冷媒液が水素タンク１３内で水素吸蔵合金ＭＨと熱交換を行って、水素吸蔵合金ＭＨを直接冷却する点が前記第１の実施形態と異なっており、その他の構成は同じである。前記第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図３に示すように、各水素タンク１３内には、熱交換部１６ｂと別に冷媒管４２が設けられている。冷媒管４２はフィン２２を貫通するとともにフィン２２に溶接等で固着されている。冷媒管４２はバイパス流路３９の一部として構成され、バイパス流路３９を流れる冷媒液は、順次各冷媒管４２を流れるように構成されている。この実施形態では、冷房装置１５の冷媒液は水素タンク内に設けられた冷媒管を流れる際に水素吸蔵合金ＭＨとの間で直接熱交換を行って水素吸蔵合金ＭＨの冷却を行う。

従って、この実施形態においては、前記第１の実施形態の効果（１），（３），（４），（６）と同様の効果を有する他に次の効果を有する。
（７）バイパス流路３９を流れる冷媒液により水素吸蔵合金ＭＨを冷却する水素吸蔵材冷却手段は、水素タンク１３内に、熱交換部１６ｂと別に設けられた冷媒管４２であり、バイパス流路３９を流れる冷媒液が冷媒管４２を流れるように構成されている。従って、冷房装置１５の冷媒液が水素タンク１３内に設けられた冷媒管４２に流れるため、冷房装置１５の冷媒液による水素吸蔵合金ＭＨに対する冷却効果が、第１の実施形態のように水素吸蔵合金ＭＨを間接的に冷却する構成に比較して向上する。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 水素タンク１３内にバイパス流路３９を流れる冷媒液を流すための冷媒管４２は、第２の実施形態のように熱交換部１６ｂと完全に独立した構成ではなく、熱交換部１６ｂと冷媒管４２とを二重管としてもよい。例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、熱交換部１６ｂとしてのＵ字状の管の内部にＵ字状の冷媒管４２挿入した構成の二重管を使用する。冷媒管４２の入口部４２ａ及び出口部４２ｂは、Ｕ字管の端部からＵ字管に直交する状態で熱交換部１６ｂの管壁を貫通するように形成されている。そして、入口部４２ａ及び出口部４２ｂにバイパス流路３９が連結される。冷媒管４２は一部が熱交換部１６ｂの内面に接触する状態で配置されている。この場合、冷媒管４２内を流れる冷媒液は、一部は熱交換部１６ｂ内の熱媒体と熱交換を行い、一部は熱交換部１６ｂの管壁を介して水素吸蔵合金ＭＨとの間で熱交換を行う。従って、熱交換器４１を設ける場合に比較して、水素吸蔵合金ＭＨを冷却する効率が良くなる。

○ 熱媒流路１６を流れる熱媒体と、バイパス流路３９を流れる冷媒液との間で熱交換を行う熱交換器は、第１の実施形態の熱交換器４１のように熱媒流路１６を構成する管路と、バイパス流路３９を構成する管路とを介して熱が伝達される構成に限らない。例えば、図５（ａ）に示すように、熱媒流路１６の途中に二重管式の熱交換器４３を設け、内側の管路４３ａが熱媒流路１６の一部を構成し、外側の管路４３ｂがバイパス流路３９の一部を構成するように、熱媒流路１６及びバイパス流路３９を設けてもよい。この場合、熱媒体と冷媒液とは管路４３ａを介して熱交換を行うため、第１の実施形態に比較して熱交換が効率良く行われる。

○ 図５（ｂ）に示すように、バイパス流路３９の途中に二重管式の熱交換器４３を設け、内側の管路４３ａがバイパス流路３９の一部を構成し、外側の管路４３ｂが熱媒流路１６の一部を構成するように、熱媒流路１６及びバイパス流路３９を設けてもよい。この場合も、熱媒体と冷媒液とは管路４３ａを介して熱交換を行うため、第１の実施形態に比較して熱交換が効率良く行われる。

○ 水素タンク１３の外部に熱交換器４１又は熱交換器４３を設ける場合、最も上流側の電磁三方弁２９の上流側ではなく、最も上流側の水素タンク１３の熱交換部１６ｂの入口側に設けてもよい。また、各水素タンク１３の熱交換部１６ｂの入口側毎に設けてもよい。その場合、熱交換器４１又は熱交換器４３は複数となるが、バイパス流路３９に対して直列に接続しても良いし並列に接続しても良いし、直列、並列を組み合わせても良い。途中に電磁三方弁などを設けて熱交換器４１又は熱交換器４３に選択的に冷媒液を流すように制御しても良い。

○ 電磁三方弁２８を省略して、熱媒体が必ず燃料電池１２を経て水素タンク１３へ供給されるように熱媒流路１６を構成してもよい。
○ 電磁三方弁２９を省略して、熱媒体が必ず全ての水素タンク１３内の熱交換部１６ｂへ供給されるように熱媒流路１６を構成してもよい。

○ 熱交換部１６ｂを直列に接続するように熱媒流路１６を構成したが、並列に接続するように構成しても良いし、直列・並列を組み合わせても良い。
○ 冷媒管４２を直列に接続するようにバイパス流路３９を構成したが、並列に接続するように構成しても良いし、直列・並列を組み合わせても良い。

○ 冷房装置１５の冷媒はフロンに限らず、例えば二酸化炭素としてもよい。冷媒を二酸化炭素とした場合、フロンに比較してバイパス流路３９を流れる冷媒の圧力が高いため、第２の実施形態の場合に使用すると、水素タンク１３内で冷媒管４２に作用する圧力に抗するために冷媒管４２に必要な強度を低くすることが可能になる。

○ 水素燃料自動車１１に搭載される水素タンク１３の本数は２本に限らず、１本あるいは３本以上としてもよい。即ち、燃料電池１２と複数の水素タンク１３とが連結された構成であっても、燃料電池１２に１つの水素タンク１３から水素を供給する構成であってもよい。

○ 水素タンク１３を複数本搭載する場合、各水素タンク１３に同時に水素ガスが充填される構成に限らず、各水素タンク１３への分岐配管毎にバルブを設け、１本ずつ順に充填可能にしてもよい。

〇 水素カードルのボンベ５４ａ及び水素タンク１３に満充填した時の圧力は前記の圧力に限定されない。例えば、燃料電池自動車に搭載される水素タンク１３には満充填の際の圧力が２５ＭＰａのものもあり、その場合、ボンベ５４ａの圧力は４４ＭＰａより低くてもよい。

○ 燃料電池１２は固体高分子型の燃料電池に限らず、リン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等、燃料電池を冷却するのに熱媒体を使用する燃料電池であればよい。
○ 水素タンク１３は水素吸蔵合金以外の水素吸蔵材、例えば、活性炭素繊維（activated carbon fiber）や単層カーボンナノチューブを収容した構成としてもよい。

〇 水素燃料自動車１１は、水素燃料駆動部として燃料電池１２を搭載した燃料電池自動車に限らず、水素エンジンを搭載した水素エンジン車であってもよい。
○ 水素ステーション５１の蓄ガス設備５２は、満充填時の水素タンク１３内の圧力より大きな圧力で水素ガスが充填された複数のボンベ５４ａからなる水素カードルで構成されたものに限らない。例えば、ボンベ５４ａより大きな高圧タンクを使用してもよい。

○ 水素ステーション５１は、水素タンク１３に満充填した時の圧力より低い圧力の水素ガスが蓄ガス設備５２のボンベ５４ａやタンクに充填されており、ボンベ５４ａやタンクの水素ガスを圧縮器で圧縮して加圧した水素ガスを水素タンク１３へ供給する構成としてもよい。この場合、最初から高圧で多量の水素ガスを貯蔵する必要がない。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）前記熱媒流路には、熱媒体が前記水素燃料駆動部を冷却後に前記熱媒管に流れる状態と、前記水素燃料駆動部を経ずに前記熱媒管に流れる状態とに切り換える切換手段が設けられている。

（２）水素タンクを冷却するための熱媒体が流れる熱媒流路と、前記熱媒流路に流れる熱媒体を冷却するラジエータと、冷房装置とを備えた水素燃料自動車に搭載された水素タンクに、水素を充填する際の水素タンク冷却方法であって、水素の充填時に、前記ラジエータを駆動するとともに、前記冷房装置を駆動し、その冷媒を使用して水素タンクの冷却を補助する水素充填時の水素タンク冷却方法。

（３）車両を駆動する駆動部の燃料として水素を使用する水素燃料駆動部と、前記水素燃料駆動部に水素を供給するため水素吸蔵材を収容するとともに熱交換器を内蔵した水素タンクと、前記水素燃料駆動部を冷却する熱媒体を前記熱交換器の熱媒管に供給可能とする熱媒流路と、前記熱媒流路を流れる熱媒体を冷却するためのラジエータと、冷媒ガスを圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒ガスを凝縮するコンデンサ及び膨張した冷媒液を蒸発するエバポレータを有する冷房装置とを備えた水素燃料自動車であって、前記冷房装置の冷媒循環回路から分岐されるとともに、膨張した冷媒液を前記エバポレータを迂回して圧縮機に吸入される状態にするバイパス流路と、前記冷媒液が前記エバポレータを経て前記圧縮機に吸入される状態と、前記エバポレータを迂回して前記バイパス流路を流れる状態とに切り換える切換手段と、前記バイパス流路を流れる冷媒液により前記水素吸蔵材の冷却を行う水素吸蔵材冷却手段とを備えた水素燃料自動車。

第１の実施形態の熱媒体及び冷房装置の冷媒の流通経路を示す模式図。 水素燃料自動車と水素ステーションの概略構成図。 第２の実施形態の水素タンクの構成を示す模式図。 （ａ）は別の実施形態の熱交換部及び冷媒管を示す模式斜視図、（ｂ）は部分断面図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態の熱交換器の模式図。

符号の説明

１１…水素燃料自動車、１２…水素燃料駆動部としての燃料電池、１３…水素タンク、１４…ラジエータ、１５…冷房装置、１６…熱媒流路、１６ｂ…熱媒管としての熱交換部、３２…冷媒循環回路、３３…圧縮機、３４…コンデンサ、３６…エバポレータ、３９…バイパス流路、４０…切換手段としての電磁三方弁、４１，４３…水素吸蔵材冷却手段としての熱交換器、４２…同じく冷媒管。

Claims (4)

1. 燃料として水素を使用する車両駆動用の水素燃料駆動部と、水素吸蔵材を収容するとともに熱交換器を内蔵した水素タンクと、前記水素燃料駆動部と熱交換可能とし前記熱交換器の熱媒管に供給可能とする熱媒体が流れる熱媒流路と、前記熱媒流路を流れる熱媒体を冷却するためのラジエータと、冷媒ガスを圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒ガスを凝縮するコンデンサ及び膨張した冷媒液を蒸発させるエバポレータを有する冷房装置とを備えた水素燃料自動車における水素タンク冷却装置であって、
   前記冷房装置の冷媒循環回路から分岐されるとともに、膨張した冷媒液を前記冷房装置のエバポレータを迂回して前記圧縮機に吸入される状態にするバイパス流路と、
   前記冷媒液が前記エバポレータを経て前記圧縮機に吸入される状態と、前記エバポレータを迂回して前記バイパス流路を流れる状態とに切り換える切換手段と、
   前記バイパス流路を流れる冷媒液により前記水素吸蔵材の冷却を行う水素吸蔵材冷却手段と
   を備えた水素燃料自動車における水素タンク冷却装置。
2. 前記水素吸蔵材冷却手段は、前記バイパス流路を流れる冷媒液と前記熱媒流路に流れる熱媒体との間で熱交換を行うように構成されている請求項１に記載の水素燃料自動車における水素タンク冷却装置。
3. 前記水素吸蔵材冷却手段は、前記水素タンク内に、前記熱交換器の熱媒管と別に設けられた冷媒管であり、前記バイパス流路を流れる冷媒液が前記冷媒管を流れるように構成されている請求項１に記載の水素燃料自動車における水素タンク冷却装置。
4. 前記圧縮機は容量可変に構成され、前記圧縮機の容量を前記熱媒体の温度に対応して制御する制御手段を備えている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の水素燃料自動車における水素タンク冷却装置。

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