JP2007040390A - 燃料タンクの冷却システム及び燃料消費部システム - Google Patents

Abstract

【課題】
燃料タンクに水素を充填する際に、燃料タンクを冷却する際の冷却手段を、燃料消費部を駆動させる手段と共通化することにより、燃料消費部システムの小型化、効率化を図る。
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料消費部（１０）と、燃料タンク（３０）と、この燃料タンクを冷却する燃料タンク冷却手段（４０）と、を備え、燃料タンク冷却手段は、燃料消費部に供給される反応ガスの圧力によって駆動されることを特徴とする燃料タンクの冷却システムを提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料タンクの冷却システム及び燃料消費部システムに関するものである。

燃料電池車においては、燃料タンクの冷却なく水素充填を行う場合には、高温時に所望の圧力を得ても、充填終了時に温度低下が生じ、圧力が低下すると水素圧が下がるため、所望の水素充填量を得ることが困難である。このため、従来、燃料電池車に搭載する高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンクを、水素充填時に冷却するために、燃料電池車にタンク冷却手段が備えられていた。

このような例として、特許文献１（特開２０００−８８１９６号公報）には、水素吸蔵合金タンクに水素を充填するときにタンク冷却手段として熱交換機、冷却ファン等の冷却手段を用い、逆に水素吸蔵合金タンクから水素を放出させるときにタンク加熱手段を、それぞれ選択的に動作させる車載用水素吸蔵合金システムが記載されている。この水素吸蔵合金システムは、水素吸蔵合金を車輌に残したまま、水素吸蔵合金に水素を充填することを可能にするものである。
また、特許文献２（特開２０００−２６８８３７号公報）には、燃料電池を冷却するための水を供給する水循環ポンプとして、圧縮空気駆動式のものを使用し、燃料電池に水素ガスを供給する圧縮空気を作るための空気圧縮機と兼用して駆動する燃料電池システムが記載されている。このシステムは、燃料電池システムの水循環ポンプ、水素循環ポンプとして、圧縮空気駆動式のものを使用し、燃料電池に供給する圧縮空気を作るための空気圧縮機を兼用して駆動するが、この空気圧縮機は燃料電池へ圧縮空気を供給するため、燃料電池システムには既に具えられているので、駆動源を新たに設ける必要はない。
さらに、特許文献３（特開２００３−７３２４号公報）には、冷却ファンを油圧駆動とし、その油圧源となる油圧ポンプの駆動モータを燃料電池への酸化剤ガス供給用コンプレッサの駆動で兼用する燃料電池の冷却装置が記載されている。この装置も、ガス供給用コンプレッサと燃料電池の冷却装置とを兼用することで、装置の小型化を図るものである。
特開２０００−８８１９６号公報 特開２０００−２６８８３７号公報 特開２００３−７３２４号公報

しかしながら、上記特許文献１の車載用水素吸蔵合金システムでは、水素吸蔵合金を車輌に搭載したまま、水素冷却手段を駆動させ、水素吸蔵合金に水素を充填することが可能となったが、水素を充填するための冷却手段と、燃料電池への圧縮空気供給手段を別々に設ける必要があった。
一方、特許文献２のシステムは、燃料電池システムの水循環ポンプとして、圧縮空気駆動式のものを使用し、燃料電池に供給する水素ガスを作るための水素循環ポンプを駆動させる空気圧縮機を用いて駆動させるが、このポンプは、燃料電池本体の反応熱を除去することを目的としていた。また、特許文献３の燃料電池の冷却装置も、冷却ファンの動力源となる油圧ポンプの駆動モータを、燃料電池への酸化剤ガス供給用コンプレッサを駆動させるモータと兼用するものだが、やはり燃料電池本体の熱を除去することを目的としていた。
特許文献２、特許文献３のいずれも、燃料電池の駆動手段と燃料電池本体の冷却手段の駆動手段とを兼用して、燃料電池システムを小型化することについては言及していたが、燃料電池の駆動手段と水素充填のための燃料タンク冷却手段の駆動手段とを兼用することについては何ら示唆していなかった。このため、燃料電池の駆動手段と水素充填のための燃料タンク冷却手段の駆動手段とを兼用することによる装置の小型化・効率化を図ることはできなかった。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みたものであり、燃料消費部駆動手段が、燃料タンク冷却手段をも兼用することにより、燃料消費部システムの小型化、効率化を図ることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、（１）燃料消費部と、燃料タンクと、この燃料タンクを冷却する燃料タンク冷却手段と、を備え、燃料タンク冷却手段は、燃料消費部に燃料を供給する駆動源によって駆動されることを特徴とする燃料タンクの冷却システム、（２）燃料消費部と、燃料タンクと、この燃料タンクを冷却する燃料タンク冷却手段と、を備え、燃料タンク冷却手段は、燃料タンクに充填される燃料ガスの圧力によって駆動されることを特徴とする燃料消費部システム、を提供するものである。（１）の燃料タンクの冷却システムにおいて、燃料タンク冷却手段は、燃料消費部に供給される反応ガスの圧力によって駆動されるものであってもよく、燃料消費部に反応ガスを供給するコンプレッサを駆動するモータによって駆動されるものであってもよい。また、燃料タンク冷却手段は、燃料タンクへの燃料充填時にタンクを冷却するものであってもよい。

燃料電池システム等の燃料消費部システムにおいては、通常、コンプレッサをモータ或いはエンジンで駆動させ、燃料電池へ高圧の反応ガスを送り、化学反応をおこさせることにより、燃料電池を駆動させている。本発明では、この反応ガス、或いはコンプレッサの駆動エネルギの全部又は一部を燃料消費部側から燃料タンク冷却手段側に供給し、燃料タンク冷却手段を駆動させることができる。

本発明に係る燃料タンクの冷却システムによれば、燃料タンクを冷却して水素ガスを充填する際に、燃料消費部を駆動させる手段を用いて燃料タンク冷却手段を駆動させることにより、燃料消費部駆動手段が、燃料タンク冷却手段をも兼用し、燃料消費部システムの小型化、効率化を図ることができる。また、不要な部品を減らすとともに、コスト削減も図ることができる。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１乃至図３を参照して、実施形態１について説明する。
この実施形態１においては、燃料消費部１０、燃料タンク冷却手段４０、を備える燃料消費部システム１００が、コンプレッサ２０から燃料消費部１０に供給する反応ガスの供給する向きを、燃料タンク冷却手段４０方向に切り換え、燃料タンク冷却手段４０を駆動可能に構成されている。
図１は、燃料消費部システム１００内に、燃料消費部１０と燃料タンク冷却手段４０、切り換え手段（三方弁）５０が備えられた構成を示す。図２は、燃料タンク冷却手段４０に蓄冷機４４を設けた構成図を示す。図３は、燃料タンク冷却手段４０内の燃料タンク１０に冷却配管を行ったタンクの断面を示す。

燃料消費部１０に反応ガスを供給する系統としては、燃料タンク３０、コンプレッサ２０、切り換え手段（三方弁）５０を備える。燃料消費部１０に供給された反応ガスは、オフガスとして排出されている。燃料タンク３０を冷却する燃料タンク冷却手段４０は、圧縮機４１（コンプレッサ）、凝縮機４２、蒸発器からなる冷媒循環システムを備え、水、フロン、アルコール等の冷媒を圧縮・凝縮・蒸発させることにより、冷媒の温度を低下させることを可能に構成される。

燃料消費部１０は、燃料電池のほか、各種エンジン等が含まれる。燃料電池は、水素極（アノード）と酸素極（カソード）及びこの間に挟まれるイオン交換膜等から構成されるセルを積層してなり、水素ガスが水素極へ、酸素ガスが酸素極へそれぞれ供給されることにより化学反応を生じ、電力を発生可能に構成される。エンジンは、ガソリンのほか、プロパンガス、メタノール等によっても駆動可能に構成される。

圧縮機４１及びコンプレッサ２０は、圧縮した気体の自動調整装置、モータ、制御装置、エンジンなどを運転する制御装置、圧縮気体を蓄圧するタンクとその安全装置など、多くの付属機器からなり、気体を吸い込んで圧縮可能に構成される。
コンプレッサ２０により燃料消費部に供給される反応ガスは、燃料消費部１０に燃料ガスとして供給される水素ガス、酸素を含む酸化剤ガス等から構成される。

燃料タンク３０は、燃料消費部に供給される反応ガスを液状或いはガス状にて貯蔵可能に構成される。

三方弁５０は、弁の切り換え状態が３通りあるガスバルブであり、ソレノイド（電磁石）により弁が切り換えられる。ソレノイド部分はコイル、鉄心等からなり、コイルに通電すると、磁化された鉄心がプランジャを吸引し、この動作により主弁を切り換える。

燃料タンク３０は、燃料消費部に供給される反応ガスを液状或いはガス状にて貯蔵可能に構成されれば足り、高圧水素タンク、水素吸蔵合金タンクに限らず、その他のタンクを用いてもよい。

さらに、切り換え手段（三方弁）５０は、弁の切り換え状態が少なくとも３通りあるガスバルブであれば足り、ソレノイドを用いた電磁弁のほか、空気作動弁、機械作動弁、等、他の弁を用いても良い。

燃料タンク冷却手段４０の冷媒としては、水、フロン、アルコール等に限らず、その他の蒸発可能な素材を用いても良い。
冷媒を凝縮し、蒸発器で蒸発させ、冷媒の温度低下を得たとき、図２に示すように、この冷却エネルギを蓄冷器４４に一時保存し、事後に燃料タンク３０を冷却するエネルギとして用いるよう構成してもよい。或いは、車輌走行中の減速によるエネルギ回生時に、回生エネルギを吸収し、蓄冷器に一時保存して事後にタンクの冷却エネルギとして用いるよう構成してもよい。

さらに、蒸発は、蒸発器でなく、タンク外周に設けた冷却配管４３により行ってもよい。その場合は、図３に示すように凝縮機から直接、温度の高いタンク入り口を中心に冷却配管を行うことが好ましい。さらに、タンク外周に冷却配管を行う場合、冷却配管４３をタンク落下時などの衝撃エネルギを吸収可能に設けてもよい。
燃料タンク冷却手段は、冷媒循環システムによらなくても、冷却ファン４５等の他の冷却手段を代わりに用いてもよく、さらに、冷媒循環システムにこれらを任意に組み合わせてもよい。

コンプレッサ２０の駆動手段は、モータのみならずエンジンによってもよい。また、コンプレッサ２０の形状は問わず、うずまき型、ピストン型、或いはその他の形状によってもよい。
コンプレッサ２０により燃料消費部１０に供給される反応ガスは、燃料消費部１０に燃料ガスとして供給される水素ガス、酸素を含む酸化剤ガス等から構成されるが、これ以外のガスを含んでもよい。

この実施形態１においては、燃料消費部１０、燃料タンク冷却手段４０、を備える燃料消費部システム１００が、コンプレッサ２０から燃料消費部１０に供給する反応ガスの供給する向きを、燃料タンク冷却手段４０方向に切り換え、燃料タンク冷却手段４０を駆動可能に構成されている。なお、燃料消費部１０と、燃料タンク３０と、燃料タンク冷却手段４０と、によって、本発明に係る燃料タンクの冷却システムの一実施形態が構成される。また、コンプレッサ２０は、本発明における駆動源の一実施形態である。

このように実施形態１を構成することにより、コンプレッサ２０により燃料消費部１０が駆動された後、燃料消費部１０に供給されていた反応ガスが、制御手段の制御により、切り換え可能な三方弁により燃料タンク冷却手段４０へ切り換えて供給され、燃料タンク冷却手段４０が駆動される。この切り換え期間は、燃料消費部１０の運転停止時や、間欠運転の停止時、燃料電池車の減速時等である。ただし、常に一部のガスを燃料タンク冷却手段４０に供給してもよい。

燃料消費部１０を駆動させるためのコンプレッサ２０を利用して燃料タンク冷却手段４０を駆動させることができ、燃料タンク冷却手段４０の駆動手段を別途設ける必要がなくなる。結果として、燃料消費部システム１００全体が小型化されかつ軽量にまとまり、燃料消費部１０を搭載した車輌全体を効率よく駆動させることができる。

図４、図５を参照して、実施形態２について説明する。
この実施形態２においては、燃料消費部１０、燃料タンク冷却手段４０、を備える燃料消費部システム１００Ａが、燃料消費部に反応ガスを供給するコンプレッサ２０を駆動するモータ６０のエネルギを燃料タンク冷却手段４０へ切り換え、燃料タンク冷却手段４０を駆動可能に構成されている。
図４は、モータ６０が、コンプレッサ２０及び燃料タンク冷却手段４０に切り換え手段５１を介してそれぞれ接続された模式図を示す。図５は、モータ６０から回転力を取り出す構成を示す。

燃料消費部１０に反応ガスを供給する系統としては、燃料タンク３０、コンプレッサ２０及び切り換え手段（クラッチ）５１を備える。実施形態１と同様に、燃料消費部１０に供給された反応ガスは、オフガスとして排出され、燃料タンク３０を冷却する燃料タンク冷却手段４０は、主に圧縮機（コンプレッサ）４１、凝縮機４２、蒸発器からなる冷媒循環システムを備えている。

コンプレッサ２０はモータ６０により駆動可能に構成され、その構成内容は、コンプレッサ２０の駆動手段であるモータがコンプレッサに含まれない点を除き、実施形態１と同様であるので同一符号を付し、説明を省略する。
また、燃料タンク冷却手段４０、燃料消費部１０、圧縮機４１も、実施形態１と同様に駆動可能に構成されるので、同一符号を付し、説明を省略する。
モータ６０は、図５（ａ）に示すように、出力軸の両側にシャフトを備え、モータ６０の両側からそれぞれ回転力を取り出すことができるように構成されている。これによりモータ６０がコンプレッサ２０と燃料タンク冷却手段４０にそれぞれ接続され、コンプレッサ２０と燃料タンク冷却手段４０の両方、或いはいずれか一方を駆動可能に構成される。
切り換え手段（クラッチ）５１は、摩擦面が接着またはリベット止めされたクラッチディスク、摩擦熱を吸収可能なプレッシャープレート、及びもう一方の摩擦面より構成される。

モータ６０は、ブラシ付モータ、誘導モータ等、種類を問わず、いずれのモータから構成されてもよい。また図５（ｂ）に示すように、公知の機構を利用して、１軸の回転を２軸に分離してもよい。
また、切り換え手段（クラッチ）５１は、摩擦クラッチ以外の他のクラッチから構成されてもよい。
なお、燃料消費部１０と、燃料タンク３０と、燃料タンク冷却手段４０と、によって、本発明に係る燃料タンクの冷却システムの一実施形態が構成される。

このように実施形態２を構成することにより、コンプレッサ２０により燃料消費部１０が駆動された後、制御手段の制御により切り換え可能なクラッチ５１により、モータ６０のエネルギが燃料タンク冷却手段４０へ切り換えて供給され、燃料タンク冷却手段が駆動される。この切り換え期間は、燃料消費部１０の運転停止時や、間欠運転の停止時、燃料電池車の減速時等である。

なお、必ずしも完全にモータ６０のエネルギを全てコンプレッサ２０側から燃料タンク冷却手段４０側に切り換える必要はない。すなわち、燃料タンク冷却時は、燃料消費部駆動時に比較してモータ６０の消費エネルギが少なくて済む。従って、燃料タンク冷却時は、通常は全て燃料消費部１０に供給しているモータ６０のエネルギを燃料タンク冷却手段４０にタンク冷却に必要とされる量を供給してもよい。

よって、モータ６０が、コンプレッサ２０と、燃料タンク冷却手段４０の駆動手段を兼ねることができ、燃料タンク冷却手段４０の駆動手段を別途設ける必要がなくなる。
結果として、実施形態１と同様に、燃料消費部システム１００Ａ全体がコンパクトかつ軽量にまとまり、燃料消費部１０を搭載した車輌全体を効率よく駆動させることができる

図６を参照して、実施形態３について説明する。
この実施形態３においては、燃料消費部１０、燃料タンク冷却手段４０、を備える燃料消費部システム１００Ｂが、水素供給設備２００から燃料タンク３０に充填される燃料ガスの圧力によって燃料タンクの冷却装置４０を駆動可能に構成されている。
図６は、燃料消費部システム１００Ｂ内に燃料消費部１０、燃料タンク３０、燃料タンク冷却手段４０を設けた構成図を示す。

燃料消費部１０に燃料ガス、例えば水素ガスを供給する系統としては、燃料タンク３０を備える。燃料消費部１０に供給された水素ガスは、オフガスとして排出されている。燃料タンク３０を冷却する燃料タンク冷却手段４０は、冷却配管４３、凝縮機４２、蒸発器等からなる冷媒循環システムを備え、水、フロン、アルコール等の冷媒を圧縮・凝縮・蒸発させることにより、冷媒の温度を低下させることを可能に構成される。

燃料消費部１０、燃料タンク３０、燃料タンク冷却手段４０、凝縮機４２、冷却配管４３は、実施形態１と同様であるので同一符号を付し、説明を省略する。

外部の水素供給設備２００から燃料タンク３０に高圧の水素ガスが供給される際の、水素ガスの圧力を用いて、燃料タンク冷却手段４０が駆動される。

外部の水素供給設備２００から燃料タンク３０に高圧の水素ガスが供給される際の、水素ガスの圧力を用いて、燃料タンク冷却手段４０を駆動させることができ、燃料タンク冷却手段４０の駆動手段を別途設ける必要がなくなる。結果として、燃料消費部システム１００Ｂ全体が小型化されかつ軽量にまとまり、燃料消費部１０を搭載した車輌全体を効率よく駆動させることができる。

本発明は、かかる実施形態により何等制限されるものではなく、種々に変更して適用可能である。また、複数の実施形態を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る燃料タンクの冷却システムは、燃料消費部と、燃料タンクを冷却する手段とを備え、（１）燃料消費部に供給される反応ガスの圧力を利用して燃料タンク冷却手段を駆動させる、或いは、（２）燃料消費部に反応ガスを供給するコンプレッサを駆動するモータを用いて燃料タンク冷却手段を駆動させるため、燃料消費部システムの小型化、効率化を図ることができるが、これは、燃料電池車はもちろん、その他、燃料電池を用いて駆動する移動体全般に広く利用することができる。

本発明の実施形態１に係る冷却システムの構成を説明するための構成図である。 図１に示した冷却システムの燃料タンク冷却手段に蓄冷機を設けた模式図である。 図１に示した冷却システムの燃料タンクに冷却配管を行った状態を示す断面図である。 本発明の実施形態２に係る冷却システムの構成を説明するための構成図である。 モータから回転力を取り出す構成を示す図である。 本発明の実施３に係る燃料消費部システムの構成を説明するための構成図である。

符号の説明

１０…燃料消費部、２０…コンプレッサ（駆動源）、３０…燃料タンク、４０…燃料タンク冷却手段、４１…圧縮機、４２…凝縮器、４３…冷却配管、４４…畜冷機、４５…冷却ファン、５０…切り換え手段（三方弁）、５１…切り換え手段（クラッチ）、６０…モータ、１００Ｂ…燃料消費部システム

Claims (5)

1. 燃料消費部と、
   燃料タンクと、
   前記燃料タンクを冷却する燃料タンク冷却手段と、を備え、
   前記燃料タンク冷却手段は、前記燃料消費部に燃料を供給する駆動源によって駆動されることを特徴とする燃料タンクの冷却システム。
2. 前記燃料タンク冷却手段は、前記燃料消費部に供給される反応ガスの圧力によって駆動されることを特徴とする燃料タンクの冷却システム。
3. 前記燃料タンク冷却手段は、前記燃料消費部に反応ガスを供給するコンプレッサを駆動するモータによって駆動されることを特徴とする燃料タンクの冷却システム。
4. 前記燃料タンク冷却手段は、前記燃料タンクへの燃料充填時にタンクを冷却することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の燃料タンクの冷却システム。
5. 燃料消費部と、
   燃料タンクと、
   前記燃料タンクを冷却する燃料タンク冷却手段と、を備え、
   前記燃料タンク冷却手段は、前記燃料タンクに充填される燃料ガスの圧力によって駆動されることを特徴とする燃料消費部システム。
   
   

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