JP3818579B2 - 水素貯蔵装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を燃料とする車両(以下、「水素燃料車両」という。)における水素貯蔵装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、水素燃料車両の水素貯蔵装置としては、燃料である液体水素を貯蔵するタンクがある。このような構造の水素燃料車両では、燃料である液体水素をタンク内に充填する際に、この液体水素が気化することによりタンク内の圧力が上昇するため液体水素の充填が困難なものとなり、その充填作業に時間が掛かっていた。そのため、従来では、タンク内の圧力が所定値よりも上がらないように、適宜気化した水素(以下、「BOG」という。)を車両外部に抜き出すことによってタンク内の圧力を下げて充填時間の短縮を図っていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにBOGを車両外部に抜き出すことは、その抜き出したBOGの分だけ燃料効率を落とすことになっていた。一方、燃料効率を落とさないようにするためには、BOGの車両外部への抜き出しを極力抑えることが必要であるが、BOGの抜き出しを抑制すると前記のように充填作業に時間が掛かるため望ましくなかった。
【0004】
そこで、本発明の課題は、充填時間の短縮と燃料効率の向上を両立させることができる水素貯蔵装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項1に記載の発明は、水素利用機器によって駆動する水素燃料車両に搭載された液体水素タンクと、前記液体水素タンクへ液体水素を充填するための水素充填路と、前記液体水素タンク内で気化した水素の圧力が所定の作動圧力に達したときに該作動圧力により開放される開放弁を備えた排出路と、前記開放弁をバイパスするバイパス路と、前記気化した水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵タンクとを備えた水素貯蔵装置であって、前記水素吸蔵タンクを冷却する冷却手段を備え、液体水素充填時の水素吸蔵タンク内の圧力を下げることを特徴とするとともに、前記バイパス路に設けられ、かつ、前記排出路と前記バイパス路とを選択的に切り替える切替弁を備え、液体水素充填時は、液体水素タンク内で気化した水素が前記バイパス路を通るように前記切替弁が切り替えられ、当該液体水素タンク内の圧力が前記開放弁の作動圧力よりも低いことを特徴とする。
【0006】
請求項1に記載の発明によれば、液体水素充填時において、冷却手段により水素吸蔵タンクが冷却されるとともに、この水素吸蔵タンク内の圧力が下げられる。また、この液体水素充填時においては、液体水素タンク内で気化した水素がバイパス路を通るように切替手段(切替弁)が切り替えられることで、水素が開放弁をバイパスして水素吸蔵タンクへ供給される。このように水素吸蔵タンク内に吸い込まれた水素は、冷却された水素吸蔵合金に吸蔵される。なお、作動圧力は、液体水素タンク内の絶対圧力である場合のほかに、液体水素タンク内と水素吸蔵タンク内との差圧である場合も含まれる。また、水素充填時以外のときにおいては、液体水素タンク内の圧力が所定の作動圧力に達して開放弁が該作動圧力により開放されたときに液体水素タンク内の気化した水素が水素吸蔵タンク内へ吸い込まれる。
また、液体水素を充填する際に、液体水素タンク内で気化した水素がバイパス路を通るように切替手段(切替弁)を切り替えると、液体水素タンク内の圧力が開放弁を開放するための作動圧力よりも低い場合であっても、この水素が開放弁をバイパスして水素吸蔵タンクへ供給される。
【0007】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明の構成において、前記冷却手段は前記水素吸蔵タンクを前記液体水素の熱によって冷却することを特徴とする。
【0008】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明による作用に加え、たとえば、液体水素が通る水素充填路の周囲の空気が冷やされて液体となる場合には、この液体空気を空気と混合させてファン等の送風機により水素吸蔵タンクへ供給させる。
【0011】
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の発明の構成において、前記水素吸蔵タンクは前記水素利用機器と接続されていて、前記水素利用機器を駆動する際には前記水素吸蔵タンク内の水素を、前記液体水素タンクの水素よりも優先して使用することを特徴とする。
【0012】
請求項3に記載の発明によれば、請求項1または請求項2に記載の発明による作用に加え、水素利用機器を駆動する際に、水素吸蔵タンクから水素を発生させ水素利用機器へ供給できる状況では、優先的に水素吸蔵タンクから水素を供給する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る水素貯蔵装置の詳細について説明する。この実施形態は、図1に示すように、水素を燃料とする燃料電池(水素利用機器)FCによって駆動する燃料電池自動車(水素燃料車両)Aに本発明を適用したものである。
【0014】
図1に示すように、水素貯蔵装置Mは、水素を貯蔵するために、液体水素タンク1と水素吸蔵タンク2の二つのタンクを主として備えている。さらに、この水素貯蔵装置Mは、その液体水素タンク1へ液体水素を充填するための水素充填路3と、液体水素タンク1内の気化した水素(以下、「BOG」という。)を排出するための排出路4と、水素吸蔵タンク2内の温度を制御するための温度制御装置5とを備えている。
【0015】
液体水素タンク1は、所定重量の液体水素を貯蔵することができるようになっている。そして、この液体水素タンク1には、液体水素を充填するための充填口11とBOGを排出するためのBOG排出口12とが適所に形成されている。
【0016】
水素吸蔵タンク2は、その内部に液体水素タンク1内のBOG発生量に見合う量のAB5系の水素吸蔵合金21が充填されており、液体水素タンク1で貯蔵可能な水素の約20分の1の重量の水素を貯蔵することができるようになっている。ここで、液体水素充填時における液体水素タンク1内のBOG発生量は約5%であるので、このように設定しておけば十分に液体水素タンク1内のBOGを回収できる。
【0017】
水素吸蔵合金21は、図2に示すような温度―圧力特性を有している。このように、水素吸蔵合金21は、温度によって水素の吸蔵・放出平衡圧力(解離圧)が異なるため、この水素吸蔵合金21の温度を制御することにより水素の吸蔵・放出を制御することができる。
【0018】
水素充填路3は、液体水素が通るための液水配管31と、この液水配管31の周囲を覆う配管カバー32とで主に構成されている。この水素充填路3は、その一端が燃料電池自動車Aの車両用充填口a1に接続され、他端が液体水素タンク1の充填口11に接続される。配管カバー32は、断熱性を有する材料を有しており、充填時の侵入熱を抑えるようにしている。
【0019】
排出路4は、その一端が液体水素タンク1のBOG排出口12に接続され、他端が水素吸蔵タンク2に接続されている。この排出路4は、その途中で第一の通路(排出路)41と第二の通路(バイパス路)42とに分岐しており、そのうち第一の通路41にはリリーフ弁(開放弁)V1が設けられている。このリリーフ弁V1をバイパスするように設けられた第二の通路42には、第一の通路41との分岐点および合流点の間に三方電磁弁(切替手段)V2が設けられている。
【0020】
リリーフ弁V1は、液体水素タンク1内のBOGの圧力が約500kPaの圧力に達したときに開放されるようになっている。
三方電磁弁V2は、燃料電池FC側に設けられる一つの電磁弁を閉じた状態にして第二の通路42に接続される二つの電磁弁を同時に開閉させることで、第一の通路41と第二の通路42とを選択的に切り替えるものである。また、この三方電磁弁V2は、三つの電磁弁のうち一つの電磁弁のみを閉じることにより、BOGの移動経路を自由に切り替えることができる。そして、この三方電磁弁V2や各種配管を介して、液体水素タンク1や水素吸蔵タンク2が燃料電池FCに接続されている。
【0021】
温度制御装置5は、液体水素タンク1側から水素吸蔵タンク2側へ延びるダクト51と、このダクト51内の液体水素タンク1側に設けられる冷却用ファン52と、ダクト51内の水素吸蔵タンク2側に設けられる加熱用ファン53とで主に構成されている。
ダクト51には、その液体水素タンク1側の適所に前記水素充填路3の周囲で生成される液体空気Lをダクト51内に誘導するための誘導ダクト54が接合されている。そして、ダクト51内には、前記冷却,加熱用ファン52,53の他に、これらの間の適所に水素吸蔵タンク2が設けられ、この水素吸蔵タンク2と加熱用ファン53との間に燃料電池FCを冷却した後の冷却水が通る冷却水用配管6が設けられている。
【0022】
ここで、本実施形態における「冷却手段」は、ダクト51と、冷却用ファン52と、誘導ダクト54とで主に構成されている。そして、この冷却手段は、適宜に液体空気Lや車両外部の空気を利用することによって、水素吸蔵タンク2を冷却させる構造となっている。
【0023】
次に、この水素貯蔵装置Mの動作について説明する。
まず、液体水素を燃料電池自動車Aに搭載された液体水素タンク1に充填する場合には、図3に示すように、車両用充填口a1(図1参照)を開閉可能に覆うフエールリッドを開けると(ステップS1)、図示しないスイッチがONとなって冷却用ファン52が回転を開始する(ステップS2)。そして、液体水素の供給を行うための供給装置(図示せず)に、その一端が接続された液体水素供給配管H(図1参照)の他端を車両用充填口a1に接続すると(ステップS3)、三方電磁弁V2は液体水素タンク1内で発生したBOGが第二の通路42を通るように切り替えられる(ステップS4)。
【0024】
ステップS4において三方電磁弁V2を切り替えた後、前記供給装置を作動させて、液体水素を液体水素供給配管Hと水素充填路3とを介して液体水素タンク1内に充填させる(ステップS5)。燃料電池自動車Aの利用者によって充填が終了されたか否かが判断される(ステップS6)。利用者によって充填が終了されていない場合は充填が継続されて、図示しないセンサにより液体水素タンク1内が満タンであるか否かが判断される(ステップS7)。ここで、液体水素タンク1内が満タンとなっていなければ、ステップS6に戻り、充填が停止されたか否かが判断される。そして、ステップS6において利用者によって充填が終了された場合、または、ステップS7において液体水素タンク1内が満タンであると判断された場合は、充填終了を示す信号が前記供給装置に送られて、この供給装置が停止することになる(ステップS8)。
【0025】
ステップS8において供給装置を停止させた後、液体水素供給配管Hを車両用充填口a1から切り離し(ステップS9)、フエールリッドを閉じる(ステップS10)。ステップS10においてフエールリッドが閉じられると、三方電磁弁V2が自動的に閉じられるとともに(ステップS11)、冷却用ファン52の回転も自動的に停止して(ステップS12)、液体水素タンク1内への液体水素の充填作業が終了する。
【0026】
ここで、ステップS5において液体水素の充填が開始されると、図1に示すように、水素充填路3の液水配管31内を通る液体水素により配管カバー32の周囲の空気が冷却されて、その表面に液体空気Lが生成される。この液体空気Lは、配管カバー32の表面を伝って誘導ダクト54内に移動した後、この誘導ダクト54内を通ってダクト51内へ誘導される。このようにダクト51内に誘導された液体空気Lは、ステップS2において回転を開始した冷却用ファン52により送風される車両外部の空気と混合することで低温の空気となって、水素吸蔵タンク2へ送られる。この低温の空気により水素吸蔵タンク2内が冷却されると、その内部の圧力が下がり、この圧力が液体水素タンク1内の圧力よりも低くなると、この液体水素タンク1内にあるBOGがステップS4において切り替えられた第二の通路42を通って水素吸蔵タンク2内に移動する。この水素吸蔵タンク2内に移動してきたBOGは、低温の空気により冷却された水素吸蔵合金21によって吸蔵される。このとき、この水素吸蔵合金21の温度は、水素吸蔵タンク2内の圧力を液体水素タンク1内の圧力よりも低くする必要があり、図2より30℃以下にすることが好ましい。
【0027】
そして、車両を長時間停車させた場合、すなわち三方電磁弁V2の三つの電磁弁が全て閉じられている場合には、図4に示すように、図示しないセンサによりリリーフ弁V1が開放しているか否かが判断される(ステップS21)。リリーフ弁V1が開放していると判断された場合、図示しないスイッチがONとなって冷却用ファン52が回転を開始する(ステップS22)。このとき、リリーフ弁V1が開放することで液体水素タンク1内のBOGが第一の通路41を通って水素吸蔵タンク2内に移動し、また、ステップS22において冷却用ファン52により車両外部の空気が水素吸蔵タンク2へ送風される。そのため、水素吸蔵タンク2内に移動してくるBOGは、車両外部の空気により冷却される水素吸蔵合金21により吸蔵される。ここで、水素吸蔵タンク2内に移動してくるBOGは、リリーフ弁V1を開放させたことにより、その圧力が約500kPa以上となっているので、図2より水素吸蔵合金21の温度を約73℃以下にすればBOGを吸蔵できる。そのため、車両外部の空気による冷却でも十分に水素吸蔵合金21を冷却させることができる。
【0028】
このように、冷却された水素吸蔵合金21でBOGを吸蔵することにより、水素吸蔵タンク2内でBOGが回収された後(ステップS23)、リリーフ弁V1が閉じているか否かが判断される(ステップS24)。ステップS24においてリリーフ弁V1が閉じていないと判断された場合は、ステップS23に戻り、再度BOGの回収が行われる。そして、ステップS24においてリリーフ弁V1が閉じていると判断された場合は、図示しないセンサにより水素吸蔵タンク2内の圧力が測定され(ステップS25)、その圧力が0.3MPaより高いか否かが判断される(ステップS26)。ステップS26において水素吸蔵タンク2内の圧力が0.3MPaよりも高いと判断された場合は、水素吸蔵合金21の冷却を継続させてBOGを吸蔵させつつ、ステップS25に戻り、再度圧力の測定が行われる。そして、ステップS26において水素吸蔵タンク2内の圧力が0.3MPa以下になったと判断された場合は、冷却用ファン52の回転を停止させる(ステップS27)。
【0029】
冷却用ファン52の回転が停止したとき、または、前記ステップS21においてリリーフ弁V1が開放していないと判断された場合には、燃料電池FCの運転が開始されたか否かが判断される(ステップS28)。ステップS28において燃料電池FCの運転が開始されていないと判断された場合は、ステップS21に戻り、前記のようなステップS21〜S28までの動作が再度行われる。ステップS28において燃料電池FCの運転が開始されたと判断された場合は、前記のような車両停止時におけるBOGの回収作業が終了する。
【0030】
さらに、燃料電池FCが駆動している場合には、水素吸蔵タンクに回収された水素を優先的に使用する。図5に示すように、まず燃料電池FCを冷却した後の冷却水の温度が約70℃よりも高いか否かが判断される(ステップS31)。ステップS31において冷却水の温度が約70℃以下である場合には、ステップS31に戻り、再度冷却水の温度が約70℃よりも高いか否かが判断される。このとき、図1に示すように、三方電磁弁V2は三つの電磁弁のうち水素吸蔵タンク2側の電磁弁のみが閉じられた状態となっており、燃料電池FCは液体水素タンク1から供給される水素により駆動されている。そして、燃料電池FCの駆動による発熱を前記冷却水が吸収することで、ステップS31において冷却水の温度が約70℃よりも高いと判断された場合には、加熱用ファン53の回転が開始される(ステップS32)。この加熱用ファン53の回転により車両外部の空気が送風されると、この空気が冷却水用配管6を通り、その内部の冷却水の熱量を奪って水素吸蔵タンク2へ移動して、この水素吸蔵タンク2を加熱する。ここで、燃料電池FCにおいて水素を利用する関係上、その水素吸蔵合金の圧力を0.3MPaよりも高くする必要があり、そのため水素吸蔵合金21の温度を約60℃以上にする必要がある(図2参照)。
【0031】
ステップS32において加熱用ファン53が回転すると、水素吸蔵タンク2内の圧力が0.3MPaよりも高いか否かが判断され(ステップS33)、水素吸蔵タンク2内の圧力が0.3MPa以下であると判断された場合は、ステップS32に戻り、再度ステップS32,S33を繰り返し行う。ステップS33において水素吸蔵タンク2内の圧力が0.3MPaよりも高いと判断された場合は、三方電磁弁V2がその三つの電磁弁のうち液体水素タンク1側の電磁弁のみが閉じられた状態に切り替えられて(ステップS34)、水素吸蔵タンク2内の水素が燃料電池FCへ供給される(ステップS35)。
【0032】
ステップS35において水素吸蔵タンク2から燃料電池FCへ水素が供給されている間、水素吸蔵タンク2内が空になったか否かが判断される(ステップS36)。ステップS36において水素吸蔵タンク2内が空ではないと判断された場合は、燃料電池FCの運転が終了したか否かが判断される(ステップS37)。ステップS37において燃料電池FCの運転が終了していないと判断された場合は、ステップS33に戻り、再度ステップS33〜S36までの動作が行われる。そして、ステップS36において水素吸蔵タンク2内が空であると判断された場合、または、ステップS37において燃料電池FCの運転が終了したと判断された場合は、三方電磁弁V2の三つの電磁弁が閉じられる(ステップS38)。その後、加熱用ファン53の回転が停止する(ステップS39)。このように、ステップS31〜S39の流れで水素貯蔵装置Mが制御されることにより、水素吸蔵タンク2内の水素が液体水素タンク1内の水素よりも優先して使用されることになる。
【0033】
ここで、ステップS36において水素吸蔵タンク2内が空であると判断された場合では、燃料電池FCの運転はまだ終了していない。そのため、ステップS38,S39を経たあと、再度三方電磁弁V2をその三つの電磁弁のうち水素吸蔵タンク2側の電磁弁のみを閉じた状態に切り替えて、燃料電池FCに液体水素タンク1から水素を供給させる必要がある。
【0034】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
(1)液体水素充填時において、水素吸蔵タンクを冷却してその圧力を下げることで、液体水素タンク内のBOGを吸引し、圧力を下げることができるので、液体水素充填時間を短縮することができる。
(2)液体水素タンク1内のBOGは、水素吸蔵タンク2内の水素吸蔵合金21に吸蔵されるので、燃料効率を向上させることができる。
(3)液体水素により液体となった空気を利用することで、水素吸蔵タンク2内の水素吸蔵合金21を急速に冷却させることができる。
(4)車両を駆動する際には、水素吸蔵タンク2内のBOGから優先的に使用されるため、たとえば車両を停車した際に、水素吸蔵タンク2内の水素吸蔵合金21はBOGを発生した分だけ吸蔵が可能な状態となっている。これにより、車両の停車時においても、液体水素タンク1内のBOGを回収することができるので、液体水素タンク1内の圧力を一定に保つことができるとともに、燃料効率を向上させることができる。
(5)水素吸蔵タンク2を冷却させる媒体を空気とすることで、媒体が水のものと比べて、その構造を簡略化することができる。
【0035】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
(i)本実施形態では、液体水素充填時には第二の通路42を介して水素吸蔵タンク2へBOGを充填させたが、リリーフ弁V1を介して水素吸蔵タンク2へ充填することも可能である。水素吸蔵タンク内の圧力を下げることで液体水素タンク内との差圧(リリーフ弁前後の差圧)を大きくできるので、液体水素タンク内の圧力が上がるのを待たずにリリーフ弁が開放するようになる。
(ii)本実施形態では、冷却手段を液体水素の熱により生成される液体空気を利用したものを採用したが、本発明はこれに限定されず、たとえば、水素吸蔵タンク内を冷却水により冷却させる構造等であってもよい。また、水素充填路や液体水素タンクに直接空気を吹き付けることで液体水素の熱を利用して水素吸蔵タンクを冷却させる構造等にしてもよい。
(iii)また、液体水素タンクや水素吸蔵タンク等の大きさ、形状および材質等は適宜に変更可能であり、さらに、水素吸蔵合金の特性等も適宜に変更可能であることはいうまでもない。
【0036】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、たとえば、液体水素充填時において、液体水素タンク内の水素がバイパス路を通って水素吸蔵タンクに吸い込まれるので、液体水素タンク内の圧力が所定値以上に高くなることがない。そのため、液体水素タンク内に液体水素を充填する作業が容易となり、その充填時間を短縮することができる。さらに、液体水素タンク内の気化した水素は、水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金に吸蔵されるので、燃料効率を向上させることができる。
また、液体水素タンク内の圧力は開放弁を開放するための作動圧力よりも低くなるため、液体水素の充填が容易となり、充填時間をより短縮することができる。
【0037】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明による効果に加え、たとえば、液体水素の熱により液体となった空気を利用することで、水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を急速に冷却させることができる。したがって、水素吸蔵タンク内の圧力を急速に低下させることができるとともに、水素吸蔵合金による水素の吸蔵を急速に行わせることができる。
【0039】
請求項3に記載の発明によれば、請求項1または請求項2に記載の発明による効果に加え、水素利用機器により車両を駆動する際には、水素吸蔵タンク内の水素から優先的に使用される。そのため、たとえば車両を停車した際に、水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金は水素を発生した分だけ吸蔵が可能な状態となっているので、液体水素タンク内の圧力が開放弁を開放するための所定値より大きくなっていれば、液体水素タンク内の水素を水素吸蔵合金で吸蔵することができる。したがって、車両の停車時においても、液体水素タンク内の気化した水素を回収することができるので、液体水素タンク内の圧力を一定に保つことができるとともに、燃料効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る水素貯蔵装置の概略を示す概略図である。
【図2】本実施形態における水素吸蔵合金の特性を示す温度―圧力図である。
【図3】液体水素充填時における本実施形態の水素貯蔵装置の作動フローを示すフローチャートである。
【図4】停車時における本実施形態の水素貯蔵装置の作動フローを示すフローチャートである。
【図5】燃料電池駆動時における本実施形態の水素貯蔵装置の作動フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
FC 燃料電池(水素利用機器)
A 燃料電池自動車(水素燃料車両)
M 水素貯蔵装置
1 液体水素タンク
2 水素吸蔵タンク
21 水素吸蔵合金
3 水素充填路
4 排出路
41 第一の通路(排出路)
42 第二の通路(バイパス路)
5 温度制御装置
51 ダクト
52 冷却用ファン
53 加熱用ファン
54 誘導ダクト
V1 リリーフ弁(開放弁)
V2 三方電磁弁(切替手段)
L 液体空気
Claims (3)
- 水素利用機器によって駆動する水素燃料車両に搭載された液体水素タンクと、
前記液体水素タンクへ液体水素を充填するための水素充填路と、
前記液体水素タンク内で気化した水素の圧力が所定の作動圧力に達したときに該作動圧力により開放される開放弁を備えた排出路と、
前記開放弁をバイパスするバイパス路と、
前記気化した水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵タンクとを備えた水素貯蔵装置であって、
前記水素吸蔵タンクを冷却する冷却手段を備え、液体水素充填時の水素吸蔵タンク内の圧力を下げることを特徴とするとともに、
前記バイパス路に設けられ、かつ、前記排出路と前記バイパス路とを選択的に切り替える切替弁を備え、
液体水素充填時は、液体水素タンク内で気化した水素が前記バイパス路を通るように前記切替弁が切り替えられ、当該液体水素タンク内の圧力が前記開放弁の作動圧力よりも低いことを特徴とする水素貯蔵装置。 - 前記冷却手段は前記水素吸蔵タンクを前記液体水素の熱によって冷却することを特徴とする請求項1に記載の水素貯蔵装置。
- 前記水素吸蔵タンクは前記水素利用機器と接続されていて、
前記水素利用機器を駆動する際には前記水素吸蔵タンク内の水素を、前記液体水素タンクの水素よりも優先して使用することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の水素貯蔵装置。
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