JP2009054474A - 水素供給装置及び燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】水素化物の加熱及び冷却を高効率に行える、構成が簡単で、小型、且つ、軽量な水素供給装置、及び該水素供給装置を備える燃料電池自動車を提供する。
【解決手段】高断熱容器１内に水素化物２を備えるメインタンク３、温度が上昇した圧縮空気をメインタンク３へと送れるコンプレッサ４、メインタンク３と連結されており、圧縮空気を貯留できる圧縮空気貯留容器６、及び、回生エネルギー取得部２０を備えており、コンプレッサ４が回生エネルギー取得部２０によって取得される回生エネルギーによって駆動されることを特徴とする、水素供給装置１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素化物の加熱及び冷却を高効率に行える、構成が簡単で、小型、且つ、軽量な水素供給装置、及び該水素供給装置を備える燃料電池自動車に関する。

水素は様々な原料から製造することが可能であり、無尽蔵に存在する。また、水素は燃焼や燃料電池などでの反応後に有毒物質をほとんど発生しない。そのため、大気汚染や地球温暖化の抑制に繋がるクリーンなエネルギー源として注目を集めている。

水素をエネルギー源として利用する装置の具体例としては、燃料電池、水素エンジン、ニッケル水素蓄電池などを挙げることができる。そして、これらの装置に水素を供給する方法としては、水素を高圧圧縮水素として貯蔵した高圧ボンベから供給する方法、水素を液体水素として貯蔵した低温貯蔵タンクから供給する方法、水素を化合物として取り込んで貯蔵した水素化物から供給する方法などがある。この中で、水素を安全、且つ、高密度に貯蔵するなどの観点からは、水素化物から供給する方法が好ましいと考えられている。

水素化物は、圧力や温度を利用して水素を可逆的に吸蔵及び放出することが可能である。具体的には、冷却又は加圧によって多量に水素を吸蔵し、加熱又は減圧によって吸蔵した水素を放出させることができる。つまり、雰囲気温度以上で水素を放出する水素化物から水素を放出させるには、外部から熱を加える必要がある。この加熱には、バーナーや電気ヒータが用いられていた。しかし、バーナーを燃焼させるには、水素化物から放出された水素を酸素と混合させて燃焼しており、電気ヒータを用いる場合には、水素を用いて燃料電池で発電された電気を利用していた。この様な加熱方法では非常に効率が悪い。また、加熱に用いる水素を貯蔵する分の水素化物を余計に搭載する必要が生じ、貯蔵システムを大きく、重くする原因となっていた。

効率良く水素化物を加熱するための技術がこれまでにいくつか開示されている。例えば、特許文献１には、車両に搭載され、内部に水素吸蔵合金を収容していて、該水素吸蔵合金によって燃料としての水素を吸蔵して貯蔵することができると共に、前記水素吸蔵合金を加熱或いは冷却することができる熱交換器を備えている燃料タンクと、少なくともコンプレッサ及び室外熱交換器を含み、前記燃料タンクの熱交換器を流れる冷媒を加熱或いは冷却することができるように前記燃料タンクに結合されているヒートポンプシステムと、前記燃料タンクと前記ヒートポンプシステムを含む全体のシステムを制御し得る制御手段とを備えていて、前記燃料タンクへ水素を充填する水素吸蔵時には、前記ヒートポンプシステムにおいて放熱されて低温となった冷媒を前記燃料タンクの熱交換器へ供給して前記水素吸蔵合金を冷却する一方、前記燃料タンクから水素を放出させる時には、前記ヒートポンプシステムにおいて圧縮されて高温となった冷媒を前記燃料タンクの熱交換器へ供給して前記水素吸蔵合金を加熱するように構成されていることを特徴とする車両用燃料供給システム、が開示されている。

また、特許文献２には、電解質保持層と、これを挟持する水素極と空気極とを備える単電池と、発電時発生する熱を除熱する冷却媒体が通流する冷却板とを有する燃料電池本体と、水素極に供給する水素を放出する水素貯蔵合金を貯蔵し、伝熱管を内蔵する水素貯蔵合金槽と、前記冷却媒体を冷却ガスとの熱交換により冷却する熱交換器とを備える燃料電池において、空気極から排出される排出酸化剤ガスの少なくとも一部を水素貯蔵合金槽内の伝熱管に通流させる排出酸化剤ガス供給系を設けたことを特徴とする燃料電池、が開示されている。さらに、特許文献３には、水素を生成する改質器と、前記改質器が生成した水素により発電し、未利用の水素を含むオフガスを排出する燃料電池と、冷却されることにより前記オフガスに含まれる水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出して前記燃料電池に供給する水素吸蔵部と、前記水素吸蔵部及び前記燃料電池の直近に配され、前記燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で前記水素吸蔵部を冷却する冷水用配管と、前記燃料電池及び前記水素吸蔵部の直近に配され、前記燃料電池から吸収した熱で前記水素吸蔵部を加熱する温水用配管とを備える燃料電池システム、が開示されている。特許文献４には、熱エネルギーを排出する熱源との間に熱移動経路を介し熱的に接続された熱交換器と、熱エネルギーを必要とする熱利用部品との間にそれぞれ独立の熱移動経路を介して熱的に接続された熱交換器において、熱利用部品と接続した複数の熱交換器が、熱源に接続された熱交換器と、個々にヒートポンプを介して熱的に結合されており、これらのヒートポンプを独立して制御する制御部を有することを特徴とする熱エネルギー分配装置、が開示されている。
特開２００１−２３９８４７号公報 特開平０５−０２９０１４号公報 特開２００６−１２７９１７号公報 特開２００１−２４８９３７号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、熱交換システムを用いて水素吸蔵合金の加熱及び冷却を行うため、システムが複雑である。また、特許文献２〜４に開示されている技術では、水素貯蔵部の加熱のみを考えており、冷却については考慮されていない。

そこで本発明は、水素化物の加熱及び冷却を高効率に行える、構成が簡単で、小型、且つ、軽量な水素供給装置、及び該水素供給装置を備える燃料電池自動車を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、高断熱容器内に水素化物を備えるメインタンク、温度が上昇した圧縮空気をメインタンクへと送れるコンプレッサ、メインタンクと連結されており、圧縮空気を貯留できる圧縮空気貯留容器、及び、回生エネルギー取得部を備えており、コンプレッサが回生エネルギー取得部によって取得される回生エネルギーによって駆動されることを特徴とする、水素供給装置である。

ここに、「高断熱容器」とは、熱損失係数の小さい容器であって、熱損失係数が１Ｗ／ｍ^２・Ｋ以下であることが好ましい。また、「水素化物」とは、圧力や温度を利用して水素を放出させることが可能な水素化物を意味する。本発明に用いることができる水素化物の具体例としては、ＡｌＨ_３、ＮＨ_３ＢＨ_３、ＬｉＨ＋ＬｉＯＨ、ＬｉＨ＋Ｈ_２Ｏ、ＮａＨ＋ＬｉＯＨ、ＮａＨ＋Ｈ_２Ｏなどを挙げることができる。さらに、「温度が上昇した圧縮空気をメインタンクへと送れるコンプレッサ」とは、水素供給装置の外部から空気を取り込み、その空気を圧縮して、圧縮空気の温度を、水素化物から水素を放出させられる程度の温度にまで上昇させてメインタンクへと送ることができるコンプレッサを意味する。さらに、「メインタンクと連結されており、圧縮空気を貯留できる圧縮空気貯留容器」とは、コンプレッサによって圧縮された圧縮空気を貯留することが可能であり、その貯留された圧縮空気を任意のタイミングでメインタンクへと流出させられる形態でメインタンクと連結されている容器を意味する。さらに、「回生エネルギー取得部」とは、通常は利用されずに捨てられるだけのエネルギーを回収できる機構を意味する。例えば、本発明の水素供給装置を自動車に搭載した場合、自動車を制動する際に、通常は捨てられているだけのエネルギーを有効に利用するために取得できる機構を意味する。

上記第１の本発明において、メインタンクから放出される水素を一時的に貯蔵し、水素利用装置へと水素を供給できる、バッファタンクを備えることが好ましい。

ここに、「水素利用装置」とは、水素を燃料として利用する装置を意味する。本発明において、バッファタンクに高圧ボンベを用いる場合は、メインタンクとバッファタンクとの間にコンプレッサを備えることで、バッファタンクに高圧の水素を充填することができる。

第２の本発明は、上記第１の本発明の水素供給装置を備えた燃料電池自動車である。

第１の本発明の水素供給装置によれば、コンプレッサによって圧縮空気が生成され、圧縮されたことで温度が上昇した圧縮空気をメインタンクへと送り、その温度が上昇した圧縮空気によって水素化物が加熱されることで、水素化物から水素が放出される。一方、圧縮空気貯留容器に貯留されている圧縮空気をメインタンクへと送ることで、圧縮空気が高断熱容器内で断熱膨張して温度が下がり、その温度が下がった空気によって水素化物が冷却され、水素の放出を急激に下げることができる。すなわち、コンプレッサによって生成される圧縮空気によって、水素化物の加熱及び冷却が可能となる。また、コンプレッサを回生エネルギーによって駆動させることで、水素化物の加熱及び冷却を高効率に行うことができる。したがって、第１の本発明によれば、水素化物の加熱及び冷却を、簡単な構成で、高効率に行うことができる水素供給装置を得ることができる。さらに、水素化物を加熱するために水素を余分に搭載する必要がないため、水素供給装置を小型、且つ、軽量とすることが可能である。さらにまた、水素化物を加熱するために水素を燃焼させることがないため、第１の本発明の水素供給装置は安全面でも有利である。

また、バッファタンクが備えられることによって、水素利用装置に安定した量の水素を供給できる、水素供給装置を得ることができる。

第２の本発明によれば、第１の本発明の水素供給装置を備えることで、エネルギー効率が良い燃料電池自動車を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の水素供給装置及び燃料電池自動車について、具体的に説明する。

図１は、本発明にかかる水素供給装置を固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）を搭載した後輪駆動方式の燃料電池自動車に利用した場合の形態例を概略的に示した図である。

図１に示すように、本発明の水素供給装置１０は、高断熱容器１内に水素化物２を備えるメインタンク３、メインタンク３へと温度が上昇した圧縮空気を送れるコンプレッサ４、メインタンク３と連結されており、圧縮空気を貯留できる圧縮空気貯留容器６、メインタンク３から供給される水素を圧縮できるコンプレッサ５、及び、コンプレッサ５によって圧縮された水素を貯蔵できるバッファタンク７を備えている。ＰＥＦＣ８は、水素供給装置１０から水素を供給されることによって、電気エネルギーを生成する。水素の流れについては、後で詳述する。

ＰＥＦＣ８で生成された電気エネルギーは、直接、又は二次電池を介してモーター１１へと伝えられ（モーター１１及びＰＥＦＣ８の間の電気回路は不図示。）、燃料電池自動車が走行する。より具体的には、まず、ＰＥＦＣ８で生成される電気エネルギーによってモーター１１が駆動され、力学的エネルギーを生み出す。そして、モーター１１で生成される力学的エネルギーが、プロペラシャフト１２、ディファレンシャル１３、及びドライブシャフト１４を介して後輪１５、１５へと伝えられ、燃料電池自動車が走行する。

一方、燃料電池自動車の制動時には、ギアポンプ２１、液体貯留容器２２、及び蓄圧器２３を備える、回生エネルギー取得部２０によって回生エネルギーを得る。具体的には、まず、燃料電池自動車の制動時に、プロペラシャフト１２を利用してギアポンプ２１を駆動させる。そうすることによって、燃料電池自動車の慣性が持つ運動エネルギーが減少して、燃料電池自動車が制動されつつ、ギアポンプ２１が駆動される。すなわち、通常、燃料電池自動車の制動時には捨てられているだけのエネルギーによって、ギアポンプ２１を駆動させる。つまり、ギアポンプ２１は回生エネルギーを取得したことになる。そして、ギアポンプ２１を駆動させることによって、液体貯留容器２２内の液体（例えば、油。）がギアポンプ２１によって蓄圧器２３へと流される。図中のギアポンプ２１の左に示した矢印は、液体の流れの向きを示している。ギアポンプ２１によって蓄圧器２３へと送られた液体は、レギュレータ２４によって圧力を調整されつつ、三方弁２５を介して、コンプレッサ４又はコンプレッサ５の方へ選択的に流される。そして、コンプレッサ４又はコンプレッサ５は、上記液体の持つ力学的エネルギーによって駆動される。このようにして、回生エネルギー取得部２０によって取得された回生エネルギーで、コンプレッサ４又はコンプレッサ５が駆動される。コンプレッサ４又はコンプレッサ５の駆動に用いられた液体は液体貯留容器２２へと回収される（コンプレッサ４及びコンプレッサ５と液体貯留容器２２との間の配管は不図示。）。

水素供給装置１０では、上述したように、回生エネルギー所得部２０で得られた回生エネルギーによって、コンプレッサ４又はコンプレッサ５を選択的に駆動させることができる。回生エネルギーによって駆動されるコンプレッサ４は水素供給装置１０の外部から空気を取り込み、メインタンク３へと温度が上昇した圧縮空気を送ることができる。図中のコンプレッサ４の下に示した矢印は、水素供給装置１０の外部からコンプレッサ４へと取り込まれる空気の流れの向きを示している。

コンプレッサ４からメインタンク３へと送られた圧縮空気は、圧縮されたことで温度が上昇している。この圧縮空気の温度を利用して、メインタンク３に備えられる水素化物２を加熱し、水素を放出させることができる。図中のコンプレッサ４の右に示した矢印は、圧縮空気の流れの向きを示している。コンプレッサ４に往復式（レシプロ）のコンプレッサを用いた場合、コンプレッサのピストン周波数を１００回／分程度とすることによって、水素化物２から水素を放出させられる程度の温度に上昇された圧縮空気を生成することができる。例えば、コンプレッサのピストン周波数を１００回／分〜１５０回／分程度とすることによって、水素化物２の温度を１０℃〜２０℃程度上昇させることが可能である。コンプレッサのピストン周波数を更に上昇させれば、圧縮空気の温度を１５０℃〜２００℃程度に上昇させることが可能であり、水素化物２をさらに加熱させて、水素の放出量を上げることが可能である。また、水素化物２を加熱する際には、ＰＥＦＣ８の廃熱を利用することもできる。図中のＰＥＦＣ８の下に示した矢印は、ＰＥＦＣ８の廃熱の流れの向きを示している。

コンプレッサ４からメインタンク３へと送られた圧縮空気は、同時に圧縮空気貯留容器６にも送られて貯留できる。本発明に用いることができる圧縮空気貯留容器６は、圧縮空気を貯留することが可能であり、水素供給装置１０の運転時の環境に耐え得るものであれば特に限定されない。
水素化物２からの水素の放出量を急激に下げたい場合には、圧縮空気貯留容器６に貯留されている圧縮空気をメインタンク３へと流す。図中のメインタンク３及び圧縮空気貯留容器６の間に示した矢印は、圧縮空気の流れの向きを示している。メインタンク３は高断熱容器１で覆われているため、メインタンク３へと送られた圧縮空気は断熱膨張して温度が下がる。この温度が下がった空気によって水素化物２の温度を１０℃〜３０℃程度下げることが可能であり、水素の放出量を下げることができる。このとき、メインタンク３へと流入するＰＥＦＣ８の廃熱は遮断される。さらに、ＰＥＦＣ８から排出される温水を抜き取ることによって、水素化物２の温度下降速度を早めることができる。

水素化物２から放出された水素は、メインタンク３からコンプレッサ５へと送られ、コンプレッサ５で昇圧されて、バッファタンク７へと送られる。図中のコンプレッサ５の下、及び右に示した矢印はそれぞれ水素の流れの方向を示している。コンプレッサ５に往復式のコンプレッサを用いた場合は、コンプレッサのピストン周波数を１０回／分〜３０回／分程度にすることで、高圧の水素を得ることができる。

バッファタンク７にはコンプレッサ５にて昇圧された高圧の水素が貯蔵されており、ＰＥＦＣ８へは、バッファタンク７から水素が供給される。図中のバッファタンク７及びＰＥＦＣ８の間に示した矢印は水素の流れの方向を示している。

本発明の燃料電池自動車の運転開始時には、まだＰＥＦＣ８の廃熱を利用できず、水素化物２は雰囲気温度となっている。したがって、このような場合には水素化物２から水素が放出させるには時間がかかるが、バッファタンク７が備えられていることによって、バッファタンク７からＰＥＦＣ８へと水素が供給される。燃料電池自動車の運転中には、走行状態に関わらず、バッファタンク７内の水素量をモニタし、水素量が一定以上になるまで、コンプレッサ５によって充填されながら走行を行う。

ＰＥＦＣ８ではバッファタンク７から供給された水素が燃料として用いられる。負極に供給される水素は、プロトンと電子に分解され、プロトンは電解質膜内を通って正極へと移動し、電子は外部回路を通って正極へ移動する。そして、正極では、プロトン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。ＰＥＦＣ８では、この一連の過程によって、電気が取り出されるとともに発熱する。この熱を、上述したように、水素化物２の加熱に利用することができる。

メインタンク３は、高断熱容器１内に水素化物２を備える形態をしている。高断熱容器１は、熱損失係数が１Ｗ／ｍ^２・Ｋ以下であることが好ましい。また、本発明に用いることができる水素化物２は、水素を放出する際の反応が１０ｋＪ／ｍｏｌ以下の吸熱反応、又は発熱反応である水素化物であって、ＰＥＦＣ８の常用温度（約８０℃）±３０℃にて制御可能である材料が好ましい。具体的には、例えば、ＡｌＨ_３、ＮＨ_３ＢＨ_３、ＬｉＨ＋ＬｉＯＨ、ＬｉＨ＋Ｈ_２Ｏ、ＮａＨ＋ＬｉＯＨ、ＮａＨ＋Ｈ_２Ｏなどを挙げることができる。これらの材料を用いることによって、ＰＥＦＣ８の廃熱（約８０℃）を水素化物２の加熱に有効に利用することができる。また、例えば、水素化物２がＡｌＨ_３であった場合には、上述したように、水素化物２の温度を１０℃〜３０℃程度下げて６０℃程度とすれば、水素が放出されなくなる。
通常、このようなタンクは、燃料電池自動車に搭載したままで水素を充填させることは困難であるため、燃料電池自動車に搭載される場合は、タンクごと回収され、水素充填済みタンクとの交換となる。

このようにして、本発明の水素供給装置では、回生エネルギーを利用してコンプレッサを駆動させ、そのコンプレッサによって生成された圧縮空気によって水素化物の加熱及び冷却を行い、該水素化物からの水素の放出開始／停止を行うことができる。かかる形態とすることによって、エネルギー効率が良く、構成が簡単な水素供給装置とすることができる。また、水素化物の加熱に水素を使用しないため、余分な水素（水素化物）を搭載する必要がなく、小型化・軽量化を図ることができる。さらに、水素化物の加熱のために水素を燃焼させることがないため、安全面でも有利である。さらにまた、燃料電池自動車にこのような水素供給装置を備えることによって、エネルギー効率の良い燃料電池自動車を得ることができる。

これまでの本発明の説明では、自動車の制動時に、ドライブシャフト１４の持つ力学的エネルギーによってギアポンプ２１を駆動させ、ギアポンプ２１によって生成される圧縮液体の持つ力学的エネルギーを利用する回生エネルギー取得部を例示したが、本発明の回生エネルギー取得部はかかる機構に限定されるものではなく、通常は捨てられているだけのエネルギーを有効に利用するために取得できる機構であれば良い。

これまでの本発明の説明では、圧縮空気がメインタンク３を介して圧縮空気貯留容器６に流れる形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されるものではない。圧縮空気貯留容器は、コンプレッサから送られる圧縮空気を貯留でき、その圧縮空気をメインタンクへと送ることができる位置に配設されていれば良く、コンプレッサに圧縮された圧縮空気がメインタンクを介さずに圧縮空気貯留容器へと流れる形態であっても良い。

また、これまでの本発明の説明では、圧縮空気を生成するためのコンプレッサ４と、バッファタンクへ圧縮した水素を送るためのコンプレッサ５が備えられる形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されるものではない。上記２台のコンプレッサの働きを１台のコンプレッサで行えるように配管設計されても良い。ただし、同一配管内において水素と空気が混合すると、発火などの危険があるため、コンプレッサを２台備える形態が好ましい。

また、これまでの本発明の説明では、往復式のコンプレッサを用いた形態を例示したが、本発明はかかる形態に限定されるものではない。メインタンクへと圧縮空気を送るコンプレッサは、水素化物から水素を放出させられる程度の温度にまで空気を圧縮させられるものであればよく、水素をバッファタンク（高圧ボンベ）に送るコンプレッサは、水素をある程度圧縮できるものであれば良い。

本発明にかかる水素供給装置を燃料電池自動車に適用した場合の形態例を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 高断熱容器
２ 水素化物
３ メインタンク
４ コンプレッサ
５ コンプレッサ
６ 圧縮空気貯留容器
７ バッファタンク
８ ＰＥＦＣ
１０ 水素供給装置
１１ モーター
１２ プロペラシャフト
１３ ディファレンシャル
１４ ドライブシャフト
１５ 後輪
２０ 回生エネルギー取得部
２１ ギアポンプ
２２ 液体貯留容器
２３ 蓄圧器
２４ レギュレータ
２５ 三方弁

Claims (3)

1. 高断熱容器内に水素化物を備えるメインタンク、温度が上昇した圧縮空気を前記メインタンクへと送れるコンプレッサ、前記メインタンクと連結されており、前記圧縮空気を貯留できる圧縮空気貯留容器、及び、回生エネルギー取得部を備えており、
   前記コンプレッサが前記回生エネルギー取得部によって取得される回生エネルギーによって駆動されることを特徴とする、水素供給装置。
2. 前記メインタンクから放出される水素を一時的に貯蔵し、水素利用装置へと前記水素を供給できる、バッファタンクを備えることを特徴とする、請求項１に記載の水素供給装置。
3. 請求項１又は２に記載の水素供給装置を備えることを特徴とする、燃料電池自動車。

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