JP3801887B2 - 電気化学エンジンのための熱処理システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両中の電気化学エンジンのための熱処理システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
電気化学エンジンの熱処理は、従来の内燃エンジンと比較すると、幾つかの重要な考察及びチャレンジを与える。第１に、内燃エンジンでは、消費熱は、排気ガスの流れ及び空気冷却式エンジン冷却液の流れの両方を通して、ほぼ等しく処理される。これと比較すると、電気化学エンジンは、空気冷却式エンジンの冷却液を通してその消費熱のほとんどを処置している。第２に、内燃エンジンは、１２０℃で典型的に作動し、これに対し、電気化学エンジンは、より低い８０℃の温度で作動する。このため、電気化学エンジンの熱処理システムにおける、冷却液及び空気の間の熱輸送は、消費熱及び３８℃での周囲熱の間のより小さい温度差に起因して、内燃エンジンのそれの約１／２である。これらを組み合わせて考察すると、ラジエータを通過する冷却空気の流れ率における閾値増加及びこれに関連するファンパワーの大きさを増大させるオーダーが必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような要求に合致する熱処理システムは、非常に大き過ぎて、車両前部の従来位置に配置することができない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車両中の電気化学エンジンのための熱処理システムに関する。この熱処理システムでは、ラジエータ及びこれと連係されたファンが、電気化学エンジンの組み込み位置に応じて、車両の後部に組み込まれる。車両の後部は、大きな表面積のラジエータを有用するのにより多く利用可能な組み込み体積を持つことができ、ファンのより低いパワー要求の状態で空気の大きい流れを可能にする。
【０００５】
車両の後部で利用可能な表面積という利点を奏するため、ラジエータは、後部フレームレールの間で後部車軸の背後に、平坦な形状で水平に取り付けることができる。空気入口ダクトは、積荷及び乗員の室体積を確保し、後部窓の近傍で、羽板パネル即ち空気スクープ（air scoop）などによってラジエータに滑らかな配管を提供するように設計される。ファンは、ラジエータを通して空気を押しやるか、或いは、空気を引っ張るように取り付けられる。
【０００６】
本発明とは異なる参考技術では、車両の後部で利用可能な表面積という利点を奏するように組み込まれたラジエータは、ルーフ内側パネル及びルーフ外側パネルの間に傾斜された状態で取り付けられる。ルーフ外側パネルの空気入口は、ラジエータの前方で、空気を入口空気ダクトに引き込み、空気がラジエータを通って流れ、ラジエータの後方にある空気ダクト出口から出ることを可能にする。
【０００７】
本発明の熱処理システムは、燃料電池スタックで加熱された冷却液を十分に空気冷却し、その一方で、車両全体に亘る組み込みに対して最小の影響しか及ぼさない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１を参照すると、車両１０は、概略１２で示される電源としての電気化学エンジン（ＥＣＥ）を備える。ＥＣＥ１２を作動させることによって、燃料電池スタック１６の燃料電池１４内における水素及び酸素の間の既知の電気化学反応により電流が生成される。
【０００９】
電気化学的プロセスのための水素を生成するために、燃料が、車両１０上で改質される。当該燃料ガソリン、メタノール、ディーゼル等を含む。燃料改質プロセス及び要求される関連のハードウェアを、図１に示して説明する。燃料は、当該技術で知られている従来の態様で、後部車軸２２の前方にある車両１０の後底部室２０内に示された燃料タンク１８内に蓄えられる。後底部室２０は、後部フレームレール２４の間の体積部分により画成され、車両床２６の下方にある。図２の車両床２６は、乗員座席を支持する座席床部分２８と、後部貯蔵空間３２内に蓄えられた部材を支持するための積荷床部分３０と、を備える。
【００１０】
燃料は、ＥＣＥ１２に配給され、特に、燃焼器３６及び改質器３８を備える参照番号３４で示された水素生成器に配給される。燃焼器３６は、熱を生成し、該熱を改質器３８に供給する。そこで、改質器は、部分的に酸化し、該燃料を改質して水素を含むガスを生成する。改質された生成物の残余の一酸化炭素を減少させるため、水素生成器３４は、１つ又はそれ以上の一酸化炭素減少反応器４０を更に備えており、そのうちの１つが、水素を含むガスが通過するところの優先酸化反応器であってもよい。冷却工程が、最終的な生成ガスを準備するため必要とされる場合には、クーラー４２が、水素生成器３４の１部分として備えられてもよい。
【００１１】
上述したような車上で改質される水素の代替として、電気化学的なプロセスのための水素が、車両に搭載された適切な貯蔵タンク内に貯蔵されてもよい。水素は、そのガス状態、液体状態、又は、貯蔵タンク内に含まれる水素保持材料により捕捉された固体状態のいずれかで貯蔵され得る。水素保持材料とは、可逆的に、貯蔵温度で水素を吸収、貯蔵することができ、該貯蔵温度より高い解放温度でそれを解放することができる材料をいう。水素保持材料の例は、水素と反応して金属の水素化物として水素を蓄える金属、例えば、ナトリウム−アルミニウム（sodium-aluminum）、ランタン−ニッケル化合物（lanthanum-nickelide）、チタニウム又はニッケルなどの金属を含む。
【００１２】
改質及び水素貯蔵のいずれの場合にしても、水素を含むガスは、加圧下で、燃料電池スタック１６に図示しないアノードを通して配給され、水素の陽子を形成する。
【００１３】
電気化学プロセスのための燃料電池スタック１６に酸素を供給するために、ＥＣＥ１２は、例えば空気コンプレッサ４６などの空気生成器４４と、オプションで、燃料電池１４の図示しないカソードへ加湿された酸化供給物を提供するためのカソード加湿器４８とを備える。カソードは、電解質によりアノードから分離されている。
【００１４】
電流及び熱は、当該技術分野で知られた態様で水素及び酸素を処理することによって燃料電池スタック１６内で生成される。生成された電流は、車両の付属物、並びに、例えば前部車軸５４により一対の前車輪５２に作動的に接続された電動モータ５０をパワー供給することができる。電圧コンバータ５６が、燃料電池スタック１６と、駆動モータ５０との間で作動し、生成された電流の電圧を調整する。エンジンコントローラ５８は、電気化学的プロセスを制御するため燃料の配給を監視し予定付けるため使用することができる。そのような補助構成部品は、床パンシャシトンネル（floor pan chassis tunnel）内又はエンジン室内部に組み込んでもよい。
【００１５】
約８０℃で作動するＥＣＥ１２により生成された熱を処理するため、熱処理システム６０が設けられる。この熱処理システムは、燃料電池スタック１６を通って延在する冷却液流れ回路６２と、冷却液ポンプ６４と、ラジエータ６６と、を備える。冷却液流れ回路６２のラジエータ入口ライン７０は、ＥＣＥで暖められた冷却液をラジエータ６６に配給し、ラジエータ出口ライン７２は、ラジエータで冷却された冷却液を燃料電池スタック１６に戻すように運ぶ。これらのラジエータライン７０、７２は、耐久性及び組み込みの便宜のため、車両の後部フレームレール２４及び側部フレームレール７４の内側に組み込まれてもよい。冷却液ポンプ６４は、典型的には燃料電池スタック１６の近傍に蒸気が蓄積することを回避するため、熱処理システム６０内の低いところに取り付けられる。
【００１６】
冷却液流れ回路６２は、冷却液リザーブタンク７５を備えてもよい。該リザーブタンクは、高温の冷却液のための膨張空間、リザーブ冷却液の貯蔵、冷却液からの蒸気の分離、及び、全作動条件の下で冷却液ラインが完全に液体で満たされることを確実にするための排気の機能を提供する。このため、冷却液タンク７５は、一般に、熱処理システム６０内で最も高いポイントに、或いは、その近傍に取り付けられる。
【００１７】
図３及び４で最も良く示されるように、ラジエータ６６は、冷却液が燃料電池スタック１６から吸収した熱を分散するように設計された熱交換器である。ラジエータ６６は、入口面７６及び出口面７８により画成され、それらの間に図示しない冷却液チューブのラジエータコアを備える。これと連係する１つ又はそれ以上のファン６７は、ラジエータ６６を通過して空気を冷却することをもたらす。このため、冷却能力の１つの有意な因子は、ラジエータ面の表面積であり、より大きい面は空気の流れのためのより大きい面積を有する。第２の因子は、ファンの推進力である。
【００１８】
ラジエータ６６は、車両１０の後部に組み込まれ、ラジエータ面７６、７８は、冷却表面積のサイズを最大にするため、図１において各々車両の長さ軸８０及び横軸８２により画成された略平面内にあるように方位付けられる。
【００１９】
図１乃至５で示された実施形態では、ラジエータ６６は、後部フレームレール２４の間で且つ積荷床３０の下方にある後底部室２０内に略水平に取り付けられる。ラジエータ６６の実質的な部分は、長さ方向で、後部車軸２２の後方にある。この位置におけるラジエータ６６の入口面７６は、上側面であり、出口面７８は下側面である。
【００２０】
後底部室２０内のラジエータ６６のこの位置は、冷却空気の流れに曝す上で最大の表面積を提供する。車両１０の外側から上側入口面７６へ冷却空気の流れを差し向けるため、図３乃至５で最も良く示されるように１つ又はそれ以上の空気ダクト８４が設けられる。空気ダクト入口８６は、近傍のボディパネル８８を通って、ボディパネルの内側の空気ダクト８４へと開口する。ダクト８４は、外側の冷却空気から調整キャビン室を分離するため、車両内部９０から密封されている。ダクト８４は、車両の形状に従っている。図３に示されるように、ダクトは、略水平の入口部分９２を有し、この入口部分は、略垂直のダクト部分９３へと流れる。垂直ダクト部分は、水平配給部分９４に移行する。
【００２１】
積荷床３０及びラジエータの上側の入口面７６の間に設けられた高圧室９６は、ダクト８４、より詳しくはラジエータ６６の入口面に入口空気を分配するための水平配給部分９４と流体的に連通している。空気は、ダクト８４を通って高圧室９６に流れ、ラジエータ６６の上側入口面７６を横切って分配される。小体積の高圧室９６では、ターニングベーン９８即ちハニカムを、当該流れを曲げて略水平方向からラジエータ６６へ向かって下方に差し向けるために使用してもよい。空気はラジエータ６６を通って上側入口面７６から下側出口面７８に流れ、空気出口として言及される、車両の底部を通って流れ出る。ここに示されたように、４つのファン６７が、ラジエータ６６を通して空気を引き寄せるためラジエータの下側面７８の下方に配置される。その代わりに、これらのファンを、空気ダクトから空気の流れをラジエータ６６を通して押し出すためラジエータの上側面７６の上方に配置してもよい。
【００２２】
ダクト８４は、要求された空気の流れの体積を操作するように設計されており、乗員空間又は積荷空間に突出を最小にするように後部ボディ構造内に組み込まれている。好ましくは、車両の両側に空気ダクト８４及びこれと連係される入口８６を設ける。スターティングポイントとして、トータルの断面ダクト面積はラジエータ表面積の約２分の１であるべきである。このため、２つのダクトが用いられる場合、各々のダクトは、ラジエータ表面積の４分の１としてサイズが定められる。
【００２３】
空気ダクト入口８６における空気圧力は、ニュートラルであり、又は、ラジエータ６６から出る空気のため車両の背後の低圧空気と比較して少し正となる。この正の圧力差を更に強めるため、空気流体力学装置を備えていてもよい。例えば、図２に示されるように、低い圧力を増強するためラジエータの前方下側エッジにおいて車両の下方に空気ダム１００を備えることができる。空気ダクト入口８６において圧力を増加させるため、図３に示されるように、側部ボディパネルの外側に空気スクープ１０２を備えてもよい。
【００２４】
例えば電子制御回路、モータ及び凝縮器などの補助装置を燃料電池スタックの作動温度（例えば８０℃）よりも低い作動温度（例えば５５℃）に維持するため、熱処理システムの１部分として補助低温冷却回路を設けてもよい。補助回路は、ＥＣＥ用のラジエータ６６に隣接して組み込まれた予備のより小さいラジエータ１０４を備えてもよい。図３に示されるように、予備ラジエータ１０４は、ラジエータ６６及びファン６７の前段に直列に配置されている。空気ダクト８４を通って流れる空気は、最初に予備ラジエータ１０４を通って流れ、次にラジエータ６６を通って流れるように配給される。更に、例えばキャビンの空気調和機の凝縮器などの大きい流れ面を必要とする凝縮器を、予備ラジエータ１０４に隣接して空気流れ経路内に配置してもよい。
【００２５】
本発明とは異なる参考技術が図６及び図７に示されている。これらの図に示された熱処理システム１１０は、前述したように、燃料電池スタック１１４、冷却液ポンプ１１６及びラジエータ１１８を通って延在する、冷却液流れ回路１１２を備える。この参考技術では、ラジエータ１１８は、車両のルーフパネル１２０内に、ルーフ外側パネル１２２及びルーフ内側パネル１２４の間に組み込まれている。ラジエータ１１８は、入口面１２６及び出口面１２８を備え、それらの間に図示しない冷却液チューブのラジエータコアを備える。空気がラジエータ１１８を通って入口面１２６から出口面１２８に流れるようにするため、ラジエータを、略水平のルーフパネル１２０に対して傾斜して配置してもよい。図６に示されるように、ラジエータ１１８の前方エッジ１３０がルーフ内側パネル１２４から上方へと傾斜されるので、入口面１２６がラジエータの下側面となり、出口面１２８が上側面となる。その代わりに（図示していないが）、ラジエータ１１８の後方エッジ１３２がルーフ内側パネル１２４から上方へと傾斜される場合には、入口面１２６が上側表面となる。
【００２６】
車両の外側から入口面１２６へ冷却空気の流れを差し向けるため、ラジエータ１１８の前方にある、ルーフ外側パネル１２２の入口１３４は、ルーフ内側パネル１２４及び外側パネル１２６の間に介設された入口空気ダクト１３６へ開口する。入口空気ダクト１３６は、新鮮な空気を、空気入口１３４からラジエータの入口面１２６に運ぶ。
【００２７】
１つ又はそれ以上のファン１３８が、ラジエータ１１８を通して空気を引っ張るため、図６及び７に示されるように外側面１２８に直接取り付けられている。その代わりに、ファン１３８を、入口面１２６に向かって空気を押しやるように上流側に配置してもよい。
【００２８】
出口空気ダクト１４０は、ラジエータで暖められた空気を車両の外側に運ぶことができる。出口ダクト１４０の断面積は、加熱空気のより大きくなった体積の流れを収容するため、入口ダクト１３６より大きくしてもよい。出口ダクト１４０は、該出口ダクトがラジエータ１１８及びこれに連係されるファン１３８の上方で十分な張り出しを提供するため延在し、それらを例えば氷や岩などの環境上の懸念事項から保護するようであれば、図８に示されるように、取り外され、即ち、短くされてもよい。
【００２９】
冷却液流れ回路１１２は、燃料電池スタックで暖められた冷却液をラジエータ１１８まで運び、ラジエータで冷却された冷却液を燃料電池スタック１１４に戻すように、車両のボディピラー１４４内に組み込まれたラジエータ冷却液ライン１４２を更に備える。
【００３０】
以上より、本発明は、内燃エンジンと比較して電気化学エンジンの独自の熱的チャレンジを考慮した熱処理システムである。特定の車両の構造に応じて、車両の後部にラジエータを組み込むことは、従来の車両前部の配置と比較して冷却のために利用可能となる表面積を約２倍にすることができる。より大きい表面積のラジエータは、ファンのより低いパワー要求の下で、空気の大きい流れを可能とする。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態の前述の説明は、図示及び説明の目的のため与えられた。開示された正確な形態に本発明を余すことなく限定することは意図されていない。開示された実施形態は、上記の教えに鑑みて変更することができることは当業者には明らかであろう。上記実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を示すために選択されたものであり、これによって、当業者は、考えられる特定の使用に適合するように、本発明を様々な実施形態及び様々な変形例で利用することを可能にするものである。従って、前述の説明は単なる例示とみなすべきであり、これに限定するものではなく、本発明の真の範囲は請求の範囲によって示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、電気化学エンジンを包む車両及びこれに連係された本発明の熱処理システムの概略平面図である。
【図２】 図２は、図１の車両の概略側面図である。
【図３】 図３は、熱処理システムの一部分の後面図である。
【図４】 図４は、図３の等角図である。
【図５】 図５は、図３の側面図である。
【図６】 図６は、本発明とは異なる参考技術を含む車両の側面図である。
【図７】 図７は、図６の平面図である。
【図８】 図８は、図６の側面図の変更部分である。
【符号の説明】
１０ 車両
１２ 電気化学エンジン（ＥＣＥ）
１４ 燃料電池
１６ 燃料電池スタック
１８ 燃料タンク
２０ 後底部室
２２ 後部車軸
２４ 後部フレームレール
２６ 車両床
２８ 座席床部分
３０ 積荷床部分
３２ 後部貯蔵空間
３４ 水素生成器
３６ 燃焼器
３８ 改質器
４０ 一酸化炭素減少反応器
４２ クーラー
４４ 空気生成器
４６ 空気コンプレッサ
４８ カソード加湿器
５０ 電動モータ
５２ 前車輪
５４ 前部車軸
５６ 電圧コンバータ
５８ エンジンコントローラ
６０ 熱処理システム（本発明の実施形態）
６２ 冷却回路
６４ 冷却液ポンプ
６６ ラジエータ
６７ ファン
７０ ラジエータ入口ライン
７２ ラジエータ出口ライン
７４ 側部フレームレール
７５ 冷却液リザーブタンク
７６ ラジエータの入口面
７８ ラジエータの出口面
８０ 車両の長さ軸
８２ 車両の横軸
８４ 空気ダクト
８６ 空気ダクト入口
８８ 後部ボディパネル
９０ 車両内部
９２ 略水平の入口部分
９３ 略垂直のダクト部分
９４ 水平配給部分
９６ 高圧室
９８ ターニングベーン
１００ 空気ダム
１０２ 空気スクープ
１０４ 予備のより小さいラジエータ
１１０ 熱処理システム（参考技術）
１１２ 冷却液流れ回路
１１４ 燃料電池スタック
１１６ 冷却液ポンプ
１１８ ラジエータ
１２０ 車両のルーフパネル
１２２ ルーフ外側パネル
１２４ ルーフ内側パネル
１２６ 入口面
１２８ 出口面
１３０ ラジエータの前方エッジ
１３２ ラジエータの後方エッジ
１３４ 空気入口
１３６ 入口空気ダクト
１３８ ファン
１４０ 出口空気ダクト
１４２ ラジエータ冷却液ライン
１４４ 車両のボディピラー

Claims (5)

1. 車両内の電気化学エンジンのための熱処理システムであって、
   冷却液ポンプと、
   長さ方向車両軸及び横方向の車両軸により画成された平面に略平行に配位されたラジエータであって、上側表面としての入口面及び下側表面としての出口面を有し、且つ、大きな冷却表面積を可能にするため前記車両の後底部室内に組み込まれた、前記ラジエータと、
   前記車両の外側から前記ラジエータの前記入口面に空気を配給するための空気ダクトと、
   前記空気ダクトから前記ラジエータを通して空気を流すため、該ラジエータと連係されたファンと、
   前記電気化学エンジンの燃料電池スタック、前記冷却液ポンプ及び前記ラジエータの間で延在する冷却回路と、
   を含み、
   前記空気ダクトは、
   冷却空気を提供するため前記車両の後部ボディパネル内に設けられた空気ダクト入口と、
   前記空気ダクト入口から延在する略水平な入口部分と、
   該入口部分から延在する略垂直なダクト部分と、
   該略垂直なダクト部分から、空気の流れを前記入口面に分配するため車両床及び前記ラジエータの前記入口面の間に設けられた高圧室に延在する水平配給部分と、から構成される、熱処理システム。
2. 前記高圧室は、前記空気の流れを曲げて前記ラジエータの前記入口面に差し向けるためのターニングベーンを更に備える、請求項１に記載の熱処理システム。
3. より低温で作動する補助装置を冷却するため、前記空気ダクトからの冷却空気を受け入れるように、前記ラジエータと平行に隣接した予備ラジエータを有する補助冷却回路を更に含む、請求項１に記載の熱処理システム。
4. 前記空気ダクトから冷却空気を受け入れるため、前記予備ラジエータに平行に隣接した凝縮器を更に含む、請求項３に記載の熱処理システム。
5. 前記冷却回路は、前記車両のフレームレール内に組み込まれた、ラジエータ入口ライン及びラジエータ出口ラインを備える、請求項１に記載の熱処理システム。

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