JP4590833B2 - 冷却システムを備える移動体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素貯蔵タンクを備え、この水素貯蔵タンクに貯蔵した水素を消費する水素消費装置に設けられた冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池などの水素消費装置に供給する水素を貯蔵するために、水素吸蔵合金を備える水素貯蔵タンクを用いる構成が知られている。水素吸蔵合金では、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際には発熱反応が進行し、水素吸蔵合金から水素を放出させる際には吸熱反応が進行する。そのため、従来から、水素吸蔵合金において水素の吸蔵・放出を行なう際には、水素貯蔵タンクの冷却あるいは加熱を行なって、水素の吸蔵・放出を促進する方法が採用されている。例えば、特許文献１には、水素放出時には、加熱した空気を水素貯蔵タンクの周囲に送気し、水素吸蔵時には、水素貯蔵タンクを冷却可能となるように温度調節した空気を水素貯蔵タンクの周囲に送気する構成が開示されている。
【０００３】
同様に、高圧の水素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンクにおいても、水素充填時には温度上昇が起こり、水素取り出し時には温度低下が起こる場合がある。すなわち、特許文献２に記載されているように、水素充填時には水素貯蔵タンク内で水素ガスが断熱圧縮されることで温度上昇が起こり、水素放出時には水素貯蔵タンク内で水素ガスが断熱膨張することで温度低下が起こる。
【特許文献１】
特開２００２−２５２００８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１２９５号公報
【特許文献３】
特開平７−９９０５７号公報
【特許文献４】
特開２００２−３７３６９０号公報
【特許文献５】
特開平４−１６３８６０号公報
【特許文献６】
特開平２−２０４１２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素消費装置を備えるシステム全体でのエネルギ効率については充分な検討が行なわれていなかった。特に、水素消費装置の駆動時、すなわち水素貯蔵タンクから水素を放出させる際に、システム全体のエネルギ効率を向上させる技術が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素貯蔵タンクから水素を取り出して水素消費装置を駆動する際に、システム全体のエネルギ効率を向上させる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと第１の高温部とを備え、前記水素貯蔵タンクに貯蔵した水素を消費する水素消費装置に設けられた冷却システムであって、
前記水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う前記水素貯蔵タンクの温度低下を利用して、外気を冷却する外気冷却部と、
前記外気冷却部が冷却した冷却外気を用いて、前記第１の高温部を冷却する第１の冷却部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の冷却システムによれば、水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う水素貯蔵タンクの温度低下により冷却した外気を用いて、水素消費装置が備える第１の高温部を冷却するため、第１の高温部を冷却するために要するエネルギを削減することができる。そのため、冷却システムを設けた水素消費装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【０００８】
本発明の冷却システムにおいて、前記第１の冷却部は、前記冷却外気とは独立して前記第１の高温部を冷却する独立冷却部を備えることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、冷却外気を用いて第１の高温部を冷却することにより、独立冷却部で消費するエネルギ量を抑えることができると共に、第１の高温部で放熱すべき熱量が増大するときにも、独立冷却部を用いることで、充分に第１の高温部を冷却することができる。
【００１０】
また、本発明の冷却システムにおいて、前記第１の冷却部は、前記冷却外気と、前記第１の高温部を冷却するための冷媒との間で熱交換を行なわせる熱交換器を備えることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、第１の高温部が、冷却外気の流路から離れた場所に設置されていても、冷却外気を用いて第１の高温部を冷却する動作を、効率よく行なうことができる。
【００１２】
このような本発明の冷却システムにおいて、前記水素消費装置が備える前記第１の高温部は、燃料電池であることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、冷却外気を用いて燃料電池を冷却することで、燃料電池を備える燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の冷却システムにおいて、さらに、
第２の高温部と、
前記冷却外気を用いて前記第２の高温部を冷却する第２の冷却部と
を備え、
前記第１の冷却部と前記第２の冷却部とは、前記冷却外気の流れに対して直列に配設されていることとしても良い。
【００１５】
このような場合には、特に、第１の高温部と第２の高温部のうちで放熱量が少ない方を上流側に配設すれば、第１の高温部と第２の高温部のそれぞれにおいて冷却の動作を良好に行なうことができるため、好ましい。
【００１６】
あるいは、本発明の冷却システムにおいて、さらに、
前記冷却外気を用いて、前記第１の高温部とは異なる第２の高温部を冷却する第２の冷却部と、
前記外気冷却部が排出する前記冷却外気を、前記第１の冷却部と前記第２の冷却部とに分配供給する冷却外気分配部と
を備えることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、第１の冷却部と第２の冷却部の両方に対して、充分に低温である冷却外気を供給することができる。特に、それぞれの冷却部に供給する冷却外気量を制御可能とするならば、それぞれの高温部の冷却状態を、より所望の状態に近づけることが可能となる。
【００１８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、冷却システムを搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．電気自動車１０の全体構成：
Ｂ．冷却システム１８の構成：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２０】
Ａ．電気自動車１０の全体構成：
図１は、本発明の好適な実施例である電気自動車１０の要部の構成を表わす説明図である。また、図２は、電気自動車１０の概略構成を表わすブロック図である。電気自動車１０は、燃料電池システム１５を備えており、燃料電池システム１５が有する燃料電池３０を主要な電源として用いている。本実施例の電気自動車１０は、電気自動車１０の屋上部に設けた冷却システム１８（図１参照）に特徴があるが、最初に図２に基づいて電気自動車１０の全体構成について説明する。
【００２１】
燃料電池システム１５は、燃料電池３０、水素貯蔵タンク３１、エアコンプレッサ３６および冷却装置４０を備えている。燃料電池３０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池３０として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池３０は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
【００２２】
水素貯蔵タンク３１は、内部に水素吸蔵合金を備えており、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵する。水素吸蔵合金が水素を放出する際には吸熱反応が進行するが、本実施例の水素貯蔵タンク３１は、水素放出時には、上記吸熱反応を利用して、水素貯蔵タンク３１の周囲の外気を冷却可能となっている。すなわち、水素放出時には、吸熱反応によって外気よりも低温となる水素吸蔵合金によって、水素貯蔵タンク３１の周囲の外気が冷却される。このように、水素吸蔵合金における吸熱反応を利用して外気を冷却可能となるように、水素貯蔵タンク３１は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウム合金やステンレス鋼によって形成されている。あるいは、水素貯蔵タンク３１として、金属製の容器の外周面に炭素繊維などの強化繊維を巻き付けて強度を確保したタンクを用いることとしても良い。また、外周部に強化繊維層を備えるタンクを用いる場合には、この強化繊維層に溶融金属を含浸させて、強化繊維層の熱伝導率を向上させる構成も好適である。
【００２３】
水素貯蔵タンク３１に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路３２に放出されて、燃料電池３０のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路３３に導かれて再び水素ガス供給路３２に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは、流路内を循環して再度電気化学反応に供される。アノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路３３には、水素ポンプ３５が設けられている。また、アノード排ガス路３３から分岐して、開閉弁を備える流路が設けられており、これらは排ガス排出部３４を形成している。排ガス排出部３４の開閉弁を開状態としてアノード排ガスの一部を外部に排出することで、水素ガスを燃料電池３０に循環させることによって水素ガス中で水素以外の不純物（水蒸気や窒素など）の濃度が上昇しすぎるのを防いでいる。
【００２４】
エアコンプレッサ３６は、外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を、酸化ガスとして、酸化ガス供給路３７を介して燃料電池３０のカソードに供給する。この酸化ガス供給路３７において、カソードに供給する空気を加湿するための加湿器をさらに設けることとしても良い。
【００２５】
冷却装置４０は、燃料電池３０内部を通過するように形成された冷却水流路４３と、ラジエータ４２と、ポンプ４４とを備えている。ポンプ４４を駆動することで、冷却水流路４３内で冷却水を循環させることができる。燃料電池３０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池３０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ４２で冷却することによって、燃料電池３０を冷却して動作温度を所定の範囲内に保っている。ラジエータ４２は、冷却ファン４１を備えており、この冷却ファン４１を駆動することで、ラジエータ４２における冷却水の冷却を促進することができる。
【００２６】
電気自動車１０は、燃料電池３０の他に、補助電源としての２次電池５２を備えている。２次電池５２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して燃料電池３０と並列に接続されている。また、燃料電池３０と２次電池５２とを接続する回路には、負荷の一つである駆動モータ５６が接続されている。この駆動モータ５６は、駆動インバータ５４を介して燃料電池３０および／または２次電池５２から電力の供給を受ける。駆動インバータ５４は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、車両駆動用のモータ５６に供給し、駆動モータ５６の回転数とトルクとを制御する。駆動モータ５６の出力軸は、回転数を調節して動力を伝える減速ギヤ５７を介して車両駆動軸５８に接続している。
【００２７】
ここで、２次電池５２は、その残存容量が所定値以下になると、燃料電池３０によって充電される。また、また、電気自動車１０の制動時（車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ５６を発電機として用いて、生じた電力によって２次電池５２を充電することができる。なお、電源である燃料電池３０および２次電池５２から電力を供給される負荷としては、上記駆動モータ５６の他に、燃料電池補機や、車両補機や、車両の空調装置が挙げられる。燃料電池補機とは、既述した水素ポンプ３５、エアコンプレッサ３６、ポンプ４４、ラジエータ４２の冷却ファン４１および配管に設けられた弁など、燃料電池３０の発電に伴って駆動される機器をいう。車両補機とは、電気自動車１０が備える電子部品や照明装置をいう。
【００２８】
電気自動車１０は、さらに、図示しない制御装置を備えている。この制御装置は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池システム１５をはじめとする電気自動車１０の各部の動きを制御する。
【００２９】
Ｂ．冷却システム１８の構成：
図１に示すように、電気自動車１０には、その屋上部に冷却システム１８が配設されている。冷却システム１８は、３つの小部屋、すなわちタンク室２０、コンデンサ室２２およびラジエータ室２４を備えており、これらの小部屋は、電気自動車１０の前方側からこの順に設けられている。タンク室２０とコンデンサ室２２とは、ダクト２６によって連通されている。また、コンデンサ室２２とラジエータ室２４とはダクト２８によって連通されている。さらに、タンク室２０の前方壁面には、タンク室２０と外部とを連通させる外気導入口２１が設けられている。また、ラジエータ室２４の後方壁面には、ラジエータ室２４と外部とを連通させる外気排出口２５が設けられている。そのため、電気自動車１０の走行時には、外気導入口２１からタンク室２０内に外気が走行風として流入し、流入した外気は、タンク室２０、ダクト２６、コンデンサ室２２、ダクト２８、ラジエータ室２４の順に通過して、外気排出口２５から外部に排出される。
【００３０】
タンク室２０は、内部に水素貯蔵タンク３１を収納している。本実施例の電気自動車１０は、水素貯蔵タンク３１として５本のタンクを備えている。これら５本の水素貯蔵タンク３１は、タンク室２０内で、互いに平行となるように横に並べて配設されている。
【００３１】
コンデンサ室２２は、電気自動車１０の空調装置が備えるコンデンサ６０を収納している。コンデンサ６０は、図示しないコンプレッサやエバポレータと共に、冷房のための冷凍サイクルを実現する。冷凍サイクルでは、エバポレータにおいて車内の空気と冷媒とが熱交換することによって、車内の空気が冷やされると共に、冷媒は昇温してガス化する。このガス化した冷媒は、コンプレッサによって加圧されてコンデンサ６０に供給される。コンデンサ６０では、ガス化した高温の加圧冷媒は、外気と熱交換することによって降温して液化する。液化した冷媒は、再びエバポレータに送られて車内空気の冷却に用いられる。このように、コンデンサ６０は、冷媒を空冷するための装置である。なお、コンデンサ室２２には、コンデンサ６０に加えて、上記冷凍サイクルで用いるコンプレッサをさらに配設することとしても良い。コンプレッサは、冷媒を圧縮する動作に伴って昇温するが、コンデンサ室２２内に配設することで、コンデンサ６０と共に空冷することが可能となる。
【００３２】
ラジエータ室２４は、燃料電池システム１５が備える冷却装置４０に設けられたラジエータ４２を収納している。ラジエータ４２では、燃料電池３０を冷却するための冷媒が外気と熱交換することによって冷却される。なお、図１は、電気自動車１０の屋上部における主要な構成要素の配置を説明するものであり、各部を接続する配管などの記載は省略している。
【００３３】
冷却システム１８は、取り込んだ外気をタンク室２０内で冷却し、冷却した外気を用いて、コンデンサ６０およびラジエータ４２を通過する冷媒の冷却を行なう。このような冷却の動作は、以下のように行なわれる。既述したように、電気自動車１０の走行中には、走行風によって外気導入口２１からタンク室２０内へと外気が流入する。このとき、駆動用電源として燃料電池３０を用い、水素貯蔵タンク３１から水素を取り出す場合には、水素吸蔵合金から水素が放出されるのに伴って吸熱反応が進行するため、タンク室２０内に流入した空気は、水素貯蔵タンク３１と熱交換することで冷却される。タンク室２０内で冷却された外気は、下流側へ流れて、コンデンサ室２２およびラジエータ室２４を通過して、外部に放出される。このように、冷却された外気がコンデンサ室２２およびラジエータ室２４を通過することで、コンデンサ６０およびラジエータ４２を通過する冷媒の冷却が行なわれる。なお、上記のように外気と熱交換を行なうことで、水素貯蔵タンク３１内の水素吸蔵合金は熱を与えられ、水素吸蔵合金から水素が放出される動作が促進される。
【００３４】
以上のように構成された本実施例の電気自動車１０によれば、水素吸蔵合金が水素を放出する際に進行する吸熱反応により冷却した外気を用いてコンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却するため、コンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却するために要するエネルギを削減することができ、燃料電池システム１５あるいは電気自動車１０全体のエネルギ効率を向上させることができる。例えば、このようにタンク室２０内で冷却した冷却外気を用いない場合には、ラジエータ４２を通過する冷媒を冷却するためには、冷却ファン４１を駆動する必要があるが、冷却外気を用いることで、冷却ファン４１を駆動するために要するエネルギを削減する、あるいは不要とすることが可能となる。コンデンサ６０においても同様に、上記冷却外気を用いない場合には別途冷却ファンを設ける必要があるが、冷却外気を用いることで、冷却ファンを駆動するために要するエネルギを削減する、あるいは不要とすることが可能となる。特に、電気自動車１０の走行中は、タンク室２０からラジエータ室２４までの外気の流れが走行風により生じるため、外気を取り込み流通させるためにエネルギを消費する必要がなく、エネルギ効率をさらに向上させることができる。
【００３５】
なお、電気自動車１０の停車中に燃料電池システム１５を駆動する場合には、ラジエータ４２に併設した冷却ファン４１を駆動することによって、外気導入口２１からの外気の取り込みを行なえばよい。このように、冷却ファン４１を駆動して外気を取り込む場合にも、冷却外気によってコンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却する動作を同様に行なうことができる。これによって、電気自動車１０の停車中にも、ラジエータ４２やコンデンサ６０を冷却するために消費するエネルギを削減することが可能となる。なお、停車中に外気を取り込むためには冷却ファン４１等を駆動する必要があるが、この場合にも、冷却外気を用いずに冷却ファン４１単独でラジエータ４２を冷却する場合に比べて、冷却ファン４１が消費するエネルギ量は少なくて済む。そのため、走行風を利用しない場合であっても、水素貯蔵タンク３１との熱交換で冷却した冷却外気を用いることで、システム全体のエネルギ効率を向上する効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施例の冷却システム１８によれば、タンク室２０に対して、コンデンサ室２２、ラジエータ室２４の順に直列に接続しているため、冷却効率を向上させることができる。すなわち、タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いる際に、放熱量の少ないコンデンサ６０を先に冷却し、その後、放熱量の多きラジエータ４２を冷却しているため、コンデンサ６０とラジエータ４２との双方で、充分な冷却効率を確保することができる。
【００３７】
ここで、水素貯蔵タンク３１において、外周部に伝熱フィンを設け、周囲を流れる外気との間の熱交換を促進する構成も好ましい。すなわち、水素貯蔵タンク３１の外周部に、アルミニウムなど伝熱性に優れた材料で形成されるとともに、水素貯蔵タンク３１内部の水素吸蔵合金と熱的に接続している伝熱フィンを設けるならば、タンク室２０内に流入した外気を冷却する効率を向上させることができる。さらに、このような伝熱フィンを設けることで、水素貯蔵タンク３１内の水素吸蔵合金が降温するのを抑える効果が増すため、水素吸蔵合金から水素を放出させる動作を促進する効果を高めることができる。
【００３８】
あるいは、水素貯蔵タンク３１によって外気を冷却する動作を、所定の冷媒を介して行なうこととしても良い。すなわち、タンク室２０内に熱交換器を配設し、この熱交換器と水素貯蔵タンク３１内との間で冷媒を循環させることとしても良い。上記熱交換器において、水素貯蔵タンク３１内を通過することで冷却された冷媒と、外気との間で熱交換を行なわせることで、外気を冷却することができる。
【００３９】
Ｃ．第２実施例：
上記実施例では、タンク室２０とコンデンサ室２２とラジエータ室２４とは互いに連通していることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、ダクト２６および／またはダクト２８に開閉自在なダンパを設け、ダンパによって外気の流れを遮断可能としても良い。また、タンク室２０以外に外気導入口を設けても良く、ラジエータ室２４以外に外気排出口を設けても良い。図３に、第２実施例の冷却システム１１８の構成を示す。冷却システム１１８は、図１と同様の電気自動車において冷却システム１８に代えて設けられている。図３において冷却システム１８と共通する構成要素に同じ参照番号を付すことで、これらについての詳しい説明は省略する。冷却システム１１８は、ダクト２６にダンパ２７を備え、ダクト２８にダンパ２９を備えている。また、タンク室２０の後方壁面には、開閉自在であって、開口時にはタンク室２０内と外部とを連通させる外気排出口６５が設けられている。また、コンデンサ室２２の前方壁面には、開閉自在であって、開口時にはコンデンサ室２２内と外部とを連通させる外気導入口６６が設けられており、後方壁面には、同じく開口時にはコンデンサ室２２内と外部とを連通させる外気排出口６７が設けられている。また、ラジエータ室２４の前方壁面には、開閉自在であって、開口時にはラジエータ室２４内と外部とを連通させる外気導入口６８が設けられている。さらに、タンク室２０内にはファン６２が設けられており、コンデンサ室２２内にはファン６４が設けられている。なお、図３では、ファン６２、６４は、それぞれ水素貯蔵タンク３１あるいはコンデンサ６０の上流側に設けているが、下流側に設けることとしても良い。このような第２実施例の冷却システム１１８では、ダンパ２７、２８を開状態にすると共に、外気導入口６６、６８および外気排出口６５、６７を閉状態にすると、第１実施例の冷却システム１８と同様の動作を行なうことができる。以下、冷却システム１１８において採用可能なその他の動作形態について説明する。
【００４０】
第２実施例の冷却システム１１８における燃料電池システム１５の起動時の様子を図４に示す。燃料電池システム１５の起動時には、冷却システム１１８では、ダンパ２７を開状態として、ダンパ２９を閉状態とする。なお、以下の説明では、開状態のダンパについては図示を省略している。また、外気排出口６７を開状態とすると共に、外気導入口６６、６８および外気排出口６５を閉状態とする。これにより、外気導入口２１から導入された外気は、タンク室２０、ダクト２６、コンデンサ室２２を通過した後、外気排出口６７から外部に排出される。このとき、ラジエータ室２４では、積極的な外気の流通は行なわれない。
【００４１】
このような構成とすれば、燃料電池システム１５の起動時には、ラジエータ４２に冷却外気が流入しないため、ラジエータ４２を流れる燃料電池の冷媒が積極的に冷却されることがない。したがって、燃料電池３０は速やかに昇温することができ、冷却外気に起因して燃料電池３０の暖気時間が長引くことがない。また、このとき、コンデンサ６０は、タンク室２０で冷却された冷却外気によって冷却されるため、車両の冷房を効率良く行なうことが可能となる。
【００４２】
なお、このような燃料電池システム１５の起動時において、２次電池５２を駆動用電源として用いるならば、燃料電池３０から充分な電力が得られなくても電気自動車１０の走行を開始することができる。電気自動車１０を走行させる場合には、走行風を利用して、タンク室２０およびコンデンサ室２２に外気を流通させることができる。燃料電池システム１５の起動時に、電気自動車１０を走行させない場合には、ファン６２およびファン６４の少なくとも一方を駆動して、外気導入口２１から外気を取り込めばよい。
【００４３】
また、冷却システム１１８において、さらに、開閉自在であって、開口時にはタンク室２０内と車内とを連通させる冷気導入口６９を設けることとしても良い。このような構成とすれば、タンク室２０で冷却した冷却外気を直接車内に流入させて、車内の冷房を行なうことができる。タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう様子を図５（Ａ）に示す。タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう場合には、冷気導入口６９を開状態とすると共に、例えば、ダンパ２７、２９を閉状態とし、外気導入口６６および外気排出口６５、６７を閉状態とすることができる。このような場合には、タンク室２０内で冷却された冷却外気は、すべて冷房に用いられる。このとき、車両が走行中であれば、走行風を利用してラジエータ４２の冷却を行なえば良く、車両停止中であれば、冷却ファン４１を駆動してラジエータ４２の冷却を行なえば良い。また、燃料電池システム１５の暖機中であれば、外気導入口６８を閉状態として、ラジエータ室２４への外気の流入を遮断すればよい。
【００４４】
あるいは、タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう場合に、タンク室２０内で冷却した冷却外気の一部はコンデンサ室２２に導入して、冷凍サイクルを利用した冷房を同時に行なうこととしても良い。このような動作を行なう様子を図５（Ｂ）に示す。ここでは、ダンパ２７、２９は開状態とし、外気排出口６５、６７および外気導入口６６は閉状態としている。このような状態で冷気導入口６９の開度を調節すれば、冷却外気の一部で直接冷房を行なうこと共に、残りの冷却外気を用いてコンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却することができる。なお、このとき、ラジエータ４２の冷却は、上流側から供給される冷却外気だけを用いても良いが、図５（Ｂ）に示すように、さらに外気導入口６８を開状態とすると共に冷却ファン４１を駆動して、ラジエータ４２の冷却を促進することとしても良い。
【００４５】
あるいは、タンク室２０内で冷却した冷却外気はすべて直接冷房に用いると共に、冷凍サイクルを利用した冷房をさらに行なうこととしても良い。このような動作を行なう様子を図６（Ａ）に示す。ここでは、ダンパ２７、２９は閉状態としている。また、外気排出口６５は閉状態にすると共に、外気導入口６６、６８および外気排出口６７は開状態にしている。このような状態で冷気導入口６９を開状態とすれば、タンク室２０内で冷却された冷却外気を車内に導入して冷房を行なうことができる。また、必要に応じてファン６４、４１を駆動することで、コンデンサ６０およびラジエータ４２の冷却をそれぞれ個別に行なうことができる。
【００４６】
また、本実施例の冷却システム１１８によれば、水素貯蔵タンク３１において水素漏れが生じたときに、漏れた水素を速やかに排出して、タンク室２０内に水素が溜まるのを防止することが可能となる。タンク室２０内を掃気して、漏れた水素を排出する様子を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示すように、外気排出口６５を開状態としてファン６２を駆動することで、タンク室２０内に外気を流通させ、タンク室２０内を掃気して、速やかに水素を排出することができる。ここで、外気排出口６５は、タンク室２０の後方壁面の上部に設けられているため、空気よりも軽い水素を排出する動作を効果的に行なうことができる。水素貯蔵タンク３１からの水素漏れを検知するために、タンク室２０内に水素センサを設ける場合には、例えば、図６（Ｂ）にセンサ７０ａと示すように、タンク室２０の天井部内壁面に設けることとしても良いし、センサ７０ｂと示すように、外気排出口６５の近傍に設けることとしても良い。
【００４７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｄ１．変形例１：
水素貯蔵タンク３１は、水素吸蔵合金を備えていれば良く、さらに他種の吸蔵・吸着材を備えていても良い。例えば、水素吸蔵合金に加えて、活性炭やカーボンナノチューブをさらに備えることとしても良い。水素放出時に吸熱反応が進行して、取り込んだ外気を冷却可能であれば、本発明を適用することができる。
【００４９】
Ｄ２．変形例２：
また、冷却システムにおいて、水素貯蔵合金を備える水素貯蔵タンクに代えて、高圧ガスの状態で水素を貯蔵する水素貯蔵タンクを備えることとしても良い。高圧水素タンクを用いる場合にも、水素を放出する際にタンク内で水素が断熱膨張することにより温度低下するため、このようなタンク内の温度低下を利用して外気を冷却することができる。水素放出に伴う温度低下を利用して外気を冷却可能であれば、本発明を適用することができる。
【００５０】
Ｄ３．変形例３：
冷却システム１８、１１８では、外気を冷却するタンク室２０に対して、コンデンサ室２２とラジエータ室２４とは、互いに直列に接続しているが、並列に接続することとしても良い。すなわち、タンク室２０内で冷却した冷却外気の一部はコンデンサ室２２に導入し、残りの冷却外気はラジエータ室２４に導入することとしても良い。このような構成とすれば、ラジエータ４２を冷却するために、より温度が低い冷却外気を用いることが可能となる。特に、コンデンサ室２２とラジエータ室２４とのそれぞれに導入する冷却外気量を調節可能とすれば、コンデンサ６０とラジエータ４２の各々の冷却状態を、より所望の状態に近づける制御を行なうことができる。
【００５１】
Ｄ４．変形例４：
冷却システム１８、１１８では、冷却外気を用いてラジエータ４２を冷却することで、燃料電池システム１５が備える高温部である燃料電池３０を、冷媒を介して冷却しているが、燃料電池システム１５が備える他の高温部を冷却することとしても良い。例えば、燃料電池３０に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ３６を、冷却外気の流路に配設することとしても良い。これにより、空気を圧縮する動作に伴って昇温するエアコンプレッサ３６を、冷却外気によって冷却することができる。あるいは、燃料電池システム１５において、アノード排ガスやカソード排ガスの流路に、排ガス中の水蒸気を除去するための気液分離器を配設する場合には、この気液分離器を冷却外気の流路に配設することとしても良い。これにより、冷却外気によって排ガスを冷却して、排ガス中の水蒸気の凝縮を促進することができる。あるいは、水素ポンプ３５やポンプ４４を、冷却外気を用いて冷却することとしても良い。このように、水素を放出する水素貯蔵タンクとの熱交換によって冷却した冷却外気を用いて、燃料電池システム１５が備える高温部を冷却することで、高温部の冷却に要するエネルギを削減し、システム全体のエネルギ効率を向上させる同様の効果を得ることができる。
【００５２】
Ｄ５．変形例５：
冷却システム１８、１１８では、燃料電池システム１５が備える高温部を冷却外気を用いて冷却する際に、冷媒を介して冷却しているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池システム１５が備える高温部であるエアコンプレッサ３６を冷却する場合には、冷却外気の流路に配設した熱交換器とエアコンプレッサ３６との間で冷媒を循環させて冷却を行なっても良いが、冷却外気の流路中にエアコンプレッサ３６を配設して、これを直接冷却することとしても良い。
【００５３】
Ｄ６．変形例６：
第１および第２実施例では、冷却外気によって冷却される高温部を備える水素消費装置は燃料電池システムとしたが、異なる水素消費装置に本発明を適用することも可能である。本発明を適用可能な水素消費装置として、例えば水素エンジンを備える水素エンジンシステムを挙げることができる。水素エンジンに供給する水素を貯蔵する水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う温度低下を利用することで、既述した実施例と同様にして外気を冷却することができる。このとき、冷却外気の流路に、水素エンジンの冷却液を冷却するラジエータを配設すれば、水素消費装置の高温部である水素エンジンを、冷却外気を用いて冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の要部の構成を表わす説明図である。
【図２】電気自動車１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図３】第２実施例の冷却システム１１８の構成を示す説明図である。
【図４】冷却システム１１８における燃料電池システム１５の起動時の様子を表わす説明図である。
【図５】タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう様子を表わす説明図である。
【図６】冷却システム１１８における他の動作形態を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…電気自動車
１５…燃料電池システム
１８、１１８…冷却システム
２０…タンク室
２１…外気導入口
２２…コンデンサ室
２４…ラジエータ室
２５…外気排出口
２６、２８…ダクト
２７、２９…ダンパ
３０…燃料電池
３１…水素貯蔵タンク
３２…水素ガス供給路
３３…アノード排ガス路
３４…排ガス排出部
３５…水素ポンプ
３６…エアコンプレッサ
３７…酸化ガス供給路
４０…冷却装置
４１…冷却ファン
４２…ラジエータ
４３…冷却水流路
４４…ポンプ
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４…駆動インバータ
５６…駆動モータ
５７…減速ギヤ
５８…車両駆動軸
６０…コンデンサ
６２、６４…ファン
６５、６７…外気排出口
６６、６８…外気導入口
６９…冷気導入口
７０ａ、７０ｂ…センサ
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素貯蔵タンクを備え、この水素貯蔵タンクに貯蔵した水素を消費する水素消費装置に設けられた冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池などの水素消費装置に供給する水素を貯蔵するために、水素吸蔵合金を備える水素貯蔵タンクを用いる構成が知られている。水素吸蔵合金では、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際には発熱反応が進行し、水素吸蔵合金から水素を放出させる際には吸熱反応が進行する。そのため、従来から、水素吸蔵合金において水素の吸蔵・放出を行なう際には、水素貯蔵タンクの冷却あるいは加熱を行なって、水素の吸蔵・放出を促進する方法が採用されている。例えば、特許文献１には、水素放出時には、加熱した空気を水素貯蔵タンクの周囲に送気し、水素吸蔵時には、水素貯蔵タンクを冷却可能となるように温度調節した空気を水素貯蔵タンクの周囲に送気する構成が開示されている。
【０００３】
同様に、高圧の水素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンクにおいても、水素充填時には温度上昇が起こり、水素取り出し時には温度低下が起こる場合がある。すなわち、特許文献２に記載されているように、水素充填時には水素貯蔵タンク内で水素ガスが断熱圧縮されることで温度上昇が起こり、水素放出時には水素貯蔵タンク内で水素ガスが断熱膨張することで温度低下が起こる。
【特許文献１】
特開２００２−２５２００８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８１２９５号公報
【特許文献３】
特開平７−９９０５７号公報
【特許文献４】
特開２００２−３７３６９０号公報
【特許文献５】
特開平４−１６３８６０号公報
【特許文献６】
特開平２−２０４１２０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素消費装置を備えるシステム全体でのエネルギ効率については充分な検討が行なわれていなかった。特に、水素消費装置の駆動時、すなわち水素貯蔵タンクから水素を放出させる際に、システム全体のエネルギ効率を向上させる技術が望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素貯蔵タンクから水素を取り出して水素消費装置を駆動する際に、システム全体のエネルギ効率を向上させる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと第１の高温部とを備え、前記水素貯蔵タンクに貯蔵した水素を消費する水素消費装置に設けられた冷却システムであって、
前記水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う前記水素貯蔵タンクの温度低下を利用して、外気を冷却する外気冷却部と、
前記外気冷却部が冷却した冷却外気を用いて、前記第１の高温部を冷却する第１の冷却部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の冷却システムによれば、水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う水素貯蔵タンクの温度低下により冷却した外気を用いて、水素消費装置が備える第１の高温部を冷却するため、第１の高温部を冷却するために要するエネルギを削減することができる。そのため、冷却システムを設けた水素消費装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【０００８】
本発明の冷却システムにおいて、前記第１の冷却部は、前記冷却外気とは独立して前記第１の高温部を冷却する独立冷却部を備えることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、冷却外気を用いて第１の高温部を冷却することにより、独立冷却部で消費するエネルギ量を抑えることができると共に、第１の高温部で放熱すべき熱量が増大するときにも、独立冷却部を用いることで、充分に第１の高温部を冷却することができる。
【００１０】
また、本発明の冷却システムにおいて、前記第１の冷却部は、前記冷却外気と、前記第１の高温部を冷却するための冷媒との間で熱交換を行なわせる熱交換器を備えることとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、第１の高温部が、冷却外気の流路から離れた場所に設置されていても、冷却外気を用いて第１の高温部を冷却する動作を、効率よく行なうことができる。
【００１２】
このような本発明の冷却システムにおいて、前記水素消費装置が備える前記第１の高温部は、燃料電池であることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、冷却外気を用いて燃料電池を冷却することで、燃料電池を備える燃料電池システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の冷却システムにおいて、さらに、
第２の高温部と、
前記冷却外気を用いて前記第２の高温部を冷却する第２の冷却部と
を備え、
前記第１の冷却部と前記第２の冷却部とは、前記冷却外気の流れに対して直列に配設されていることとしても良い。
【００１５】
このような場合には、特に、第１の高温部と第２の高温部のうちで放熱量が少ない方を上流側に配設すれば、第１の高温部と第２の高温部のそれぞれにおいて冷却の動作を良好に行なうことができるため、好ましい。
【００１６】
あるいは、本発明の冷却システムにおいて、さらに、
前記冷却外気を用いて、前記第１の高温部とは異なる第２の高温部を冷却する第２の冷却部と、
前記外気冷却部が排出する前記冷却外気を、前記第１の冷却部と前記第２の冷却部とに分配供給する冷却外気分配部と
を備えることとしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、第１の冷却部と第２の冷却部の両方に対して、充分に低温である冷却外気を供給することができる。特に、それぞれの冷却部に供給する冷却外気量を制御可能とするならば、それぞれの高温部の冷却状態を、より所望の状態に近づけることが可能となる。
【００１８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、冷却システムを搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．電気自動車１０の全体構成：
Ｂ．冷却システム１８の構成：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２０】
Ａ．電気自動車１０の全体構成：
図１は、本発明の好適な実施例である電気自動車１０の要部の構成を表わす説明図である。また、図２は、電気自動車１０の概略構成を表わすブロック図である。電気自動車１０は、燃料電池システム１５を備えており、燃料電池システム１５が有する燃料電池３０を主要な電源として用いている。本実施例の電気自動車１０は、電気自動車１０の屋上部に設けた冷却システム１８（図１参照）に特徴があるが、最初に図２に基づいて電気自動車１０の全体構成について説明する。
【００２１】
燃料電池システム１５は、燃料電池３０、水素貯蔵タンク３１、エアコンプレッサ３６および冷却装置４０を備えている。燃料電池３０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池３０として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池３０は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。
【００２２】
水素貯蔵タンク３１は、内部に水素吸蔵合金を備えており、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵する。水素吸蔵合金が水素を放出する際には吸熱反応が進行するが、本実施例の水素貯蔵タンク３１は、水素放出時には、上記吸熱反応を利用して、水素貯蔵タンク３１の周囲の外気を冷却可能となっている。すなわち、水素放出時には、吸熱反応によって外気よりも低温となる水素吸蔵合金によって、水素貯蔵タンク３１の周囲の外気が冷却される。このように、水素吸蔵合金における吸熱反応を利用して外気を冷却可能となるように、水素貯蔵タンク３１は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウム合金やステンレス鋼によって形成されている。あるいは、水素貯蔵タンク３１として、金属製の容器の外周面に炭素繊維などの強化繊維を巻き付けて強度を確保したタンクを用いることとしても良い。また、外周部に強化繊維層を備えるタンクを用いる場合には、この強化繊維層に溶融金属を含浸させて、強化繊維層の熱伝導率を向上させる構成も好適である。
【００２３】
水素貯蔵タンク３１に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路３２に放出されて、燃料電池３０のアノードに供給される。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路３３に導かれて再び水素ガス供給路３２に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは、流路内を循環して再度電気化学反応に供される。アノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路３３には、水素ポンプ３５が設けられている。また、アノード排ガス路３３から分岐して、開閉弁を備える流路が設けられており、これらは排ガス排出部３４を形成している。排ガス排出部３４の開閉弁を開状態としてアノード排ガスの一部を外部に排出することで、水素ガスを燃料電池３０に循環させることによって水素ガス中で水素以外の不純物（水蒸気や窒素など）の濃度が上昇しすぎるのを防いでいる。
【００２４】
エアコンプレッサ３６は、外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮した空気を、酸化ガスとして、酸化ガス供給路３７を介して燃料電池３０のカソードに供給する。この酸化ガス供給路３７において、カソードに供給する空気を加湿するための加湿器をさらに設けることとしても良い。
【００２５】
冷却装置４０は、燃料電池３０内部を通過するように形成された冷却水流路４３と、ラジエータ４２と、ポンプ４４とを備えている。ポンプ４４を駆動することで、冷却水流路４３内で冷却水を循環させることができる。燃料電池３０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池３０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ４２で冷却することによって、燃料電池３０を冷却して動作温度を所定の範囲内に保っている。ラジエータ４２は、冷却ファン４１を備えており、この冷却ファン４１を駆動することで、ラジエータ４２における冷却水の冷却を促進することができる。
【００２６】
電気自動車１０は、燃料電池３０の他に、補助電源としての２次電池５２を備えている。２次電池５２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して燃料電池３０と並列に接続されている。また、燃料電池３０と２次電池５２とを接続する回路には、負荷の一つである駆動モータ５６が接続されている。この駆動モータ５６は、駆動インバータ５４を介して燃料電池３０および／または２次電池５２から電力の供給を受ける。駆動インバータ５４は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、車両駆動用のモータ５６に供給し、駆動モータ５６の回転数とトルクとを制御する。駆動モータ５６の出力軸は、回転数を調節して動力を伝える減速ギヤ５７を介して車両駆動軸５８に接続している。
【００２７】
ここで、２次電池５２は、その残存容量が所定値以下になると、燃料電池３０によって充電される。また、また、電気自動車１０の制動時（車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ５６を発電機として用いて、生じた電力によって２次電池５２を充電することができる。なお、電源である燃料電池３０および２次電池５２から電力を供給される負荷としては、上記駆動モータ５６の他に、燃料電池補機や、車両補機や、車両の空調装置が挙げられる。燃料電池補機とは、既述した水素ポンプ３５、エアコンプレッサ３６、ポンプ４４、ラジエータ４２の冷却ファン４１および配管に設けられた弁など、燃料電池３０の発電に伴って駆動される機器をいう。車両補機とは、電気自動車１０が備える電子部品や照明装置をいう。
【００２８】
電気自動車１０は、さらに、図示しない制御装置を備えている。この制御装置は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池システム１５をはじめとする電気自動車１０の各部の動きを制御する。
【００２９】
Ｂ．冷却システム１８の構成：
図１に示すように、電気自動車１０には、その屋上部に冷却システム１８が配設されている。冷却システム１８は、３つの小部屋、すなわちタンク室２０、コンデンサ室２２およびラジエータ室２４を備えており、これらの小部屋は、電気自動車１０の前方側からこの順に設けられている。タンク室２０とコンデンサ室２２とは、ダクト２６によって連通されている。また、コンデンサ室２２とラジエータ室２４とはダクト２８によって連通されている。さらに、タンク室２０の前方壁面には、タンク室２０と外部とを連通させる外気導入口２１が設けられている。また、ラジエータ室２４の後方壁面には、ラジエータ室２４と外部とを連通させる外気排出口２５が設けられている。そのため、電気自動車１０の走行時には、外気導入口２１からタンク室２０内に外気が走行風として流入し、流入した外気は、タンク室２０、ダクト２６、コンデンサ室２２、ダクト２８、ラジエータ室２４の順に通過して、外気排出口２５から外部に排出される。
【００３０】
タンク室２０は、内部に水素貯蔵タンク３１を収納している。本実施例の電気自動車１０は、水素貯蔵タンク３１として５本のタンクを備えている。これら５本の水素貯蔵タンク３１は、タンク室２０内で、互いに平行となるように横に並べて配設されている。
【００３１】
コンデンサ室２２は、電気自動車１０の空調装置が備えるコンデンサ６０を収納している。コンデンサ６０は、図示しないコンプレッサやエバポレータと共に、冷房のための冷凍サイクルを実現する。冷凍サイクルでは、エバポレータにおいて車内の空気と冷媒とが熱交換することによって、車内の空気が冷やされると共に、冷媒は昇温してガス化する。このガス化した冷媒は、コンプレッサによって加圧されてコンデンサ６０に供給される。コンデンサ６０では、ガス化した高温の加圧冷媒は、外気と熱交換することによって降温して液化する。液化した冷媒は、再びエバポレータに送られて車内空気の冷却に用いられる。このように、コンデンサ６０は、冷媒を空冷するための装置である。なお、コンデンサ室２２には、コンデンサ６０に加えて、上記冷凍サイクルで用いるコンプレッサをさらに配設することとしても良い。コンプレッサは、冷媒を圧縮する動作に伴って昇温するが、コンデンサ室２２内に配設することで、コンデンサ６０と共に空冷することが可能となる。
【００３２】
ラジエータ室２４は、燃料電池システム１５が備える冷却装置４０に設けられたラジエータ４２を収納している。ラジエータ４２では、燃料電池３０を冷却するための冷媒が外気と熱交換することによって冷却される。なお、図１は、電気自動車１０の屋上部における主要な構成要素の配置を説明するものであり、各部を接続する配管などの記載は省略している。
【００３３】
冷却システム１８は、取り込んだ外気をタンク室２０内で冷却し、冷却した外気を用いて、コンデンサ６０およびラジエータ４２を通過する冷媒の冷却を行なう。このような冷却の動作は、以下のように行なわれる。既述したように、電気自動車１０の走行中には、走行風によって外気導入口２１からタンク室２０内へと外気が流入する。このとき、駆動用電源として燃料電池３０を用い、水素貯蔵タンク３１から水素を取り出す場合には、水素吸蔵合金から水素が放出されるのに伴って吸熱反応が進行するため、タンク室２０内に流入した空気は、水素貯蔵タンク３１と熱交換することで冷却される。タンク室２０内で冷却された外気は、下流側へ流れて、コンデンサ室２２およびラジエータ室２４を通過して、外部に放出される。このように、冷却された外気がコンデンサ室２２およびラジエータ室２４を通過することで、コンデンサ６０およびラジエータ４２を通過する冷媒の冷却が行なわれる。なお、上記のように外気と熱交換を行なうことで、水素貯蔵タンク３１内の水素吸蔵合金は熱を与えられ、水素吸蔵合金から水素が放出される動作が促進される。
【００３４】
以上のように構成された本実施例の電気自動車１０によれば、水素吸蔵合金が水素を放出する際に進行する吸熱反応により冷却した外気を用いてコンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却するため、コンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却するために要するエネルギを削減することができ、燃料電池システム１５あるいは電気自動車１０全体のエネルギ効率を向上させることができる。例えば、このようにタンク室２０内で冷却した冷却外気を用いない場合には、ラジエータ４２を通過する冷媒を冷却するためには、冷却ファン４１を駆動する必要があるが、冷却外気を用いることで、冷却ファン４１を駆動するために要するエネルギを削減する、あるいは不要とすることが可能となる。コンデンサ６０においても同様に、上記冷却外気を用いない場合には別途冷却ファンを設ける必要があるが、冷却外気を用いることで、冷却ファンを駆動するために要するエネルギを削減する、あるいは不要とすることが可能となる。特に、電気自動車１０の走行中は、タンク室２０からラジエータ室２４までの外気の流れが走行風により生じるため、外気を取り込み流通させるためにエネルギを消費する必要がなく、エネルギ効率をさらに向上させることができる。
【００３５】
なお、電気自動車１０の停車中に燃料電池システム１５を駆動する場合には、ラジエータ４２に併設した冷却ファン４１を駆動することによって、外気導入口２１からの外気の取り込みを行なえばよい。このように、冷却ファン４１を駆動して外気を取り込む場合にも、冷却外気によってコンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却する動作を同様に行なうことができる。これによって、電気自動車１０の停車中にも、ラジエータ４２やコンデンサ６０を冷却するために消費するエネルギを削減することが可能となる。なお、停車中に外気を取り込むためには冷却ファン４１等を駆動する必要があるが、この場合にも、冷却外気を用いずに冷却ファン４１単独でラジエータ４２を冷却する場合に比べて、冷却ファン４１が消費するエネルギ量は少なくて済む。そのため、走行風を利用しない場合であっても、水素貯蔵タンク３１との熱交換で冷却した冷却外気を用いることで、システム全体のエネルギ効率を向上する効果を得ることができる。
【００３６】
また、本実施例の冷却システム１８によれば、タンク室２０に対して、コンデンサ室２２、ラジエータ室２４の順に直列に接続しているため、冷却効率を向上させることができる。すなわち、タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いる際に、放熱量の少ないコンデンサ６０を先に冷却し、その後、放熱量の多きラジエータ４２を冷却しているため、コンデンサ６０とラジエータ４２との双方で、充分な冷却効率を確保することができる。
【００３７】
ここで、水素貯蔵タンク３１において、外周部に伝熱フィンを設け、周囲を流れる外気との間の熱交換を促進する構成も好ましい。すなわち、水素貯蔵タンク３１の外周部に、アルミニウムなど伝熱性に優れた材料で形成されるとともに、水素貯蔵タンク３１内部の水素吸蔵合金と熱的に接続している伝熱フィンを設けるならば、タンク室２０内に流入した外気を冷却する効率を向上させることができる。さらに、このような伝熱フィンを設けることで、水素貯蔵タンク３１内の水素吸蔵合金が降温するのを抑える効果が増すため、水素吸蔵合金から水素を放出させる動作を促進する効果を高めることができる。
【００３８】
あるいは、水素貯蔵タンク３１によって外気を冷却する動作を、所定の冷媒を介して行なうこととしても良い。すなわち、タンク室２０内に熱交換器を配設し、この熱交換器と水素貯蔵タンク３１内との間で冷媒を循環させることとしても良い。上記熱交換器において、水素貯蔵タンク３１内を通過することで冷却された冷媒と、外気との間で熱交換を行なわせることで、外気を冷却することができる。
【００３９】
Ｃ．第２実施例：
上記実施例では、タンク室２０とコンデンサ室２２とラジエータ室２４とは互いに連通していることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、ダクト２６および／またはダクト２８に開閉自在なダンパを設け、ダンパによって外気の流れを遮断可能としても良い。また、タンク室２０以外に外気導入口を設けても良く、ラジエータ室２４以外に外気排出口を設けても良い。図３に、第２実施例の冷却システム１１８の構成を示す。冷却システム１１８は、図１と同様の電気自動車において冷却システム１８に代えて設けられている。図３において冷却システム１８と共通する構成要素に同じ参照番号を付すことで、これらについての詳しい説明は省略する。冷却システム１１８は、ダクト２６にダンパ２７を備え、ダクト２８にダンパ２９を備えている。また、タンク室２０の後方壁面には、開閉自在であって、開口時にはタンク室２０内と外部とを連通させる外気排出口６５が設けられている。また、コンデンサ室２２の前方壁面には、開閉自在であって、開口時にはコンデンサ室２２内と外部とを連通させる外気導入口６６が設けられており、後方壁面には、同じく開口時にはコンデンサ室２２内と外部とを連通させる外気排出口６７が設けられている。また、ラジエータ室２４の前方壁面には、開閉自在であって、開口時にはラジエータ室２４内と外部とを連通させる外気導入口６８が設けられている。さらに、タンク室２０内にはファン６２が設けられており、コンデンサ室２２内にはファン６４が設けられている。なお、図３では、ファン６２、６４は、それぞれ水素貯蔵タンク３１あるいはコンデンサ６０の上流側に設けているが、下流側に設けることとしても良い。このような第２実施例の冷却システム１１８では、ダンパ２７、２８を開状態にすると共に、外気導入口６６、６８および外気排出口６５、６７を閉状態にすると、第１実施例の冷却システム１８と同様の動作を行なうことができる。以下、冷却システム１１８において採用可能なその他の動作形態について説明する。
【００４０】
第２実施例の冷却システム１１８における燃料電池システム１５の起動時の様子を図４に示す。燃料電池システム１５の起動時には、冷却システム１１８では、ダンパ２７を開状態として、ダンパ２９を閉状態とする。なお、以下の説明では、開状態のダンパについては図示を省略している。また、外気排出口６７を開状態とすると共に、外気導入口６６、６８および外気排出口６５を閉状態とする。これにより、外気導入口２１から導入された外気は、タンク室２０、ダクト２６、コンデンサ室２２を通過した後、外気排出口６７から外部に排出される。このとき、ラジエータ室２４では、積極的な外気の流通は行なわれない。
【００４１】
このような構成とすれば、燃料電池システム１５の起動時には、ラジエータ４２に冷却外気が流入しないため、ラジエータ４２を流れる燃料電池の冷媒が積極的に冷却されることがない。したがって、燃料電池３０は速やかに昇温することができ、冷却外気に起因して燃料電池３０の暖気時間が長引くことがない。また、このとき、コンデンサ６０は、タンク室２０で冷却された冷却外気によって冷却されるため、車両の冷房を効率良く行なうことが可能となる。
【００４２】
なお、このような燃料電池システム１５の起動時において、２次電池５２を駆動用電源として用いるならば、燃料電池３０から充分な電力が得られなくても電気自動車１０の走行を開始することができる。電気自動車１０を走行させる場合には、走行風を利用して、タンク室２０およびコンデンサ室２２に外気を流通させることができる。燃料電池システム１５の起動時に、電気自動車１０を走行させない場合には、ファン６２およびファン６４の少なくとも一方を駆動して、外気導入口２１から外気を取り込めばよい。
【００４３】
また、冷却システム１１８において、さらに、開閉自在であって、開口時にはタンク室２０内と車内とを連通させる冷気導入口６９を設けることとしても良い。このような構成とすれば、タンク室２０で冷却した冷却外気を直接車内に流入させて、車内の冷房を行なうことができる。タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう様子を図５（Ａ）に示す。タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう場合には、冷気導入口６９を開状態とすると共に、例えば、ダンパ２７、２９を閉状態とし、外気導入口６６および外気排出口６５、６７を閉状態とすることができる。このような場合には、タンク室２０内で冷却された冷却外気は、すべて冷房に用いられる。このとき、車両が走行中であれば、走行風を利用してラジエータ４２の冷却を行なえば良く、車両停止中であれば、冷却ファン４１を駆動してラジエータ４２の冷却を行なえば良い。また、燃料電池システム１５の暖機中であれば、外気導入口６８を閉状態として、ラジエータ室２４への外気の流入を遮断すればよい。
【００４４】
あるいは、タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう場合に、タンク室２０内で冷却した冷却外気の一部はコンデンサ室２２に導入して、冷凍サイクルを利用した冷房を同時に行なうこととしても良い。このような動作を行なう様子を図５（Ｂ）に示す。ここでは、ダンパ２７、２９は開状態とし、外気排出口６５、６７および外気導入口６６は閉状態としている。このような状態で冷気導入口６９の開度を調節すれば、冷却外気の一部で直接冷房を行なうこと共に、残りの冷却外気を用いてコンデンサ６０およびラジエータ４２を冷却することができる。なお、このとき、ラジエータ４２の冷却は、上流側から供給される冷却外気だけを用いても良いが、図５（Ｂ）に示すように、さらに外気導入口６８を開状態とすると共に冷却ファン４１を駆動して、ラジエータ４２の冷却を促進することとしても良い。
【００４５】
あるいは、タンク室２０内で冷却した冷却外気はすべて直接冷房に用いると共に、冷凍サイクルを利用した冷房をさらに行なうこととしても良い。このような動作を行なう様子を図６（Ａ）に示す。ここでは、ダンパ２７、２９は閉状態としている。また、外気排出口６５は閉状態にすると共に、外気導入口６６、６８および外気排出口６７は開状態にしている。このような状態で冷気導入口６９を開状態とすれば、タンク室２０内で冷却された冷却外気を車内に導入して冷房を行なうことができる。また、必要に応じてファン６４、４１を駆動することで、コンデンサ６０およびラジエータ４２の冷却をそれぞれ個別に行なうことができる。
【００４６】
また、本実施例の冷却システム１１８によれば、水素貯蔵タンク３１において水素漏れが生じたときに、漏れた水素を速やかに排出して、タンク室２０内に水素が溜まるのを防止することが可能となる。タンク室２０内を掃気して、漏れた水素を排出する様子を図６（Ｂ）に示す。図６（Ｂ）に示すように、外気排出口６５を開状態としてファン６２を駆動することで、タンク室２０内に外気を流通させ、タンク室２０内を掃気して、速やかに水素を排出することができる。ここで、外気排出口６５は、タンク室２０の後方壁面の上部に設けられているため、空気よりも軽い水素を排出する動作を効果的に行なうことができる。水素貯蔵タンク３１からの水素漏れを検知するために、タンク室２０内に水素センサを設ける場合には、例えば、図６（Ｂ）にセンサ７０ａと示すように、タンク室２０の天井部内壁面に設けることとしても良いし、センサ７０ｂと示すように、外気排出口６５の近傍に設けることとしても良い。
【００４７】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｄ１．変形例１：
水素貯蔵タンク３１は、水素吸蔵合金を備えていれば良く、さらに他種の吸蔵・吸着材を備えていても良い。例えば、水素吸蔵合金に加えて、活性炭やカーボンナノチューブをさらに備えることとしても良い。水素放出時に吸熱反応が進行して、取り込んだ外気を冷却可能であれば、本発明を適用することができる。
【００４９】
Ｄ２．変形例２：
また、冷却システムにおいて、水素貯蔵合金を備える水素貯蔵タンクに代えて、高圧ガスの状態で水素を貯蔵する水素貯蔵タンクを備えることとしても良い。高圧水素タンクを用いる場合にも、水素を放出する際にタンク内で水素が断熱膨張することにより温度低下するため、このようなタンク内の温度低下を利用して外気を冷却することができる。水素放出に伴う温度低下を利用して外気を冷却可能であれば、本発明を適用することができる。
【００５０】
Ｄ３．変形例３：
冷却システム１８、１１８では、外気を冷却するタンク室２０に対して、コンデンサ室２２とラジエータ室２４とは、互いに直列に接続しているが、並列に接続することとしても良い。すなわち、タンク室２０内で冷却した冷却外気の一部はコンデンサ室２２に導入し、残りの冷却外気はラジエータ室２４に導入することとしても良い。このような構成とすれば、ラジエータ４２を冷却するために、より温度が低い冷却外気を用いることが可能となる。特に、コンデンサ室２２とラジエータ室２４とのそれぞれに導入する冷却外気量を調節可能とすれば、コンデンサ６０とラジエータ４２の各々の冷却状態を、より所望の状態に近づける制御を行なうことができる。
【００５１】
Ｄ４．変形例４：
冷却システム１８、１１８では、冷却外気を用いてラジエータ４２を冷却することで、燃料電池システム１５が備える高温部である燃料電池３０を、冷媒を介して冷却しているが、燃料電池システム１５が備える他の高温部を冷却することとしても良い。例えば、燃料電池３０に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ３６を、冷却外気の流路に配設することとしても良い。これにより、空気を圧縮する動作に伴って昇温するエアコンプレッサ３６を、冷却外気によって冷却することができる。あるいは、燃料電池システム１５において、アノード排ガスやカソード排ガスの流路に、排ガス中の水蒸気を除去するための気液分離器を配設する場合には、この気液分離器を冷却外気の流路に配設することとしても良い。これにより、冷却外気によって排ガスを冷却して、排ガス中の水蒸気の凝縮を促進することができる。あるいは、水素ポンプ３５やポンプ４４を、冷却外気を用いて冷却することとしても良い。このように、水素を放出する水素貯蔵タンクとの熱交換によって冷却した冷却外気を用いて、燃料電池システム１５が備える高温部を冷却することで、高温部の冷却に要するエネルギを削減し、システム全体のエネルギ効率を向上させる同様の効果を得ることができる。
【００５２】
Ｄ５．変形例５：
冷却システム１８、１１８では、燃料電池システム１５が備える高温部を冷却外気を用いて冷却する際に、冷媒を介して冷却しているが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池システム１５が備える高温部であるエアコンプレッサ３６を冷却する場合には、冷却外気の流路に配設した熱交換器とエアコンプレッサ３６との間で冷媒を循環させて冷却を行なっても良いが、冷却外気の流路中にエアコンプレッサ３６を配設して、これを直接冷却することとしても良い。
【００５３】
Ｄ６．変形例６：
第１および第２実施例では、冷却外気によって冷却される高温部を備える水素消費装置は燃料電池システムとしたが、異なる水素消費装置に本発明を適用することも可能である。本発明を適用可能な水素消費装置として、例えば水素エンジンを備える水素エンジンシステムを挙げることができる。水素エンジンに供給する水素を貯蔵する水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う温度低下を利用することで、既述した実施例と同様にして外気を冷却することができる。このとき、冷却外気の流路に、水素エンジンの冷却液を冷却するラジエータを配設すれば、水素消費装置の高温部である水素エンジンを、冷却外気を用いて冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の要部の構成を表わす説明図である。
【図２】電気自動車１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図３】第２実施例の冷却システム１１８の構成を示す説明図である。
【図４】冷却システム１１８における燃料電池システム１５の起動時の様子を表わす説明図である。
【図５】タンク室２０内で冷却した冷却外気を用いて冷房を行なう様子を表わす説明図である。
【図６】冷却システム１１８における他の動作形態を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０…電気自動車
１５…燃料電池システム
１８、１１８…冷却システム
２０…タンク室
２１…外気導入口
２２…コンデンサ室
２４…ラジエータ室
２５…外気排出口
２６、２８…ダクト
２７、２９…ダンパ
３０…燃料電池
３１…水素貯蔵タンク
３２…水素ガス供給路
３３…アノード排ガス路
３４…排ガス排出部
３５…水素ポンプ
３６…エアコンプレッサ
３７…酸化ガス供給路
４０…冷却装置
４１…冷却ファン
４２…ラジエータ
４３…冷却水流路
４４…ポンプ
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５４…駆動インバータ
５６…駆動モータ
５７…減速ギヤ
５８…車両駆動軸
６０…コンデンサ
６２、６４…ファン
６５、６７…外気排出口
６６、６８…外気導入口
６９…冷気導入口
７０ａ、７０ｂ…センサ
Claims (6)
- 移動体であって、
前記移動体の屋上部に設けられ、前記移動体の室内とは区画された空間が内部に形成されると共に、前記空間に外気が流入する外気導入口、および、流入した前記外気が前記空間から前記移動体外部へと流出する外気排出口を有する冷却システム収納部と、
前記冷却システム収納部内に収納され、前記移動体の駆動エネルギを発生する装置に供給する燃料である水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、
前記冷却システム収納部内に収納され、前記移動体に搭載される第１の高温部を冷却するための第１の冷却部と
を備え、
前記移動体の走行時には、前記空間内における前記外気導入口から前記外気排出口への外気の流れが、走行風によって生じ、
前記水素タンクは、前記空間における外気の流れ方向に対して、前記第１の冷却部よりも上流側に配置され、
前記第１の冷却部は、前記水素貯蔵タンクからの水素放出に伴う前記水素貯蔵タンクの温度低下を利用して冷却した冷却外気を用いて、前記第１の高温部を冷却する
移動体。 - 請求項１記載の移動体であって、
前記第１の高温部は、前記駆動エネルギを発生する装置であって、
前記第１の冷却部は、前記冷却外気と、前記駆動エネルギを発生する装置を冷却するための冷媒との間で熱交換を行なわせる熱交換器を備える
移動体。 - 請求項２記載の移動体であって、
前記駆動エネルギを発生する装置である前記第１の高温部は、燃料電池である
移動体。 - 請求項１ないし３いずれか記載の移動体であって、さらに、
第２の高温部と、
前記冷却システム収納部内に収納されて、前記冷却外気を用いて前記第２の高温部を冷却すると共に、前記第１の冷却部よりも放熱量の少ない第２の冷却部と
を備え、
前記第１の冷却部は、前記第２の冷却部よりも、前記冷却外気の流れに対して下流側に配設されている
移動体。 - 請求項２または３いずれか記載の移動体であって、さらに、
前記冷却システム収納部内に収納されて、前記冷却外気を用いて前記移動体の室内温度調整用の冷媒を冷却する第２の冷却部を備え、
前記第１の冷却部と前記第２の冷却部とは、前記第２の冷却部を経由した前記冷却外気が前記第１の冷却部に供給されるように、前記冷却外気の流れに対して直列に配設されている
移動体。 - 請求項４または５記載の移動体であって、
前記第１の高温部は、燃料電池であり、
前記燃料電池の起動時に、前記冷却システム収納部における前記第２の冷却部から前記第１の冷却部への前記冷却外気の流れを遮断すると共に、前記第２の冷却部を経由した前記冷却外気を前記システム収納部外へと排出させる冷却外気流れ変更部をさらに備える
移動体。
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