(57)【要約】【課題】天然ガスまたは水素ガスの圧力エネルギを有効に回収し、且つ発電に利用して燃費等を向上する。【解決手段】天然ガスまたは水素ガスを燃料として用いる自動車の発電装置において、圧縮ガスを充填して貯蔵する高圧タンクと、高圧タンクからの前記圧縮ガスを減圧し膨張させるスクロール膨張機と、圧縮ガスによって駆動されるスクロール膨張機に連結された発電機を備え、発電機で発電された電力は自動車のバッテリに供給するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガスまたは水素ガスの圧縮ガスを燃料として用いる自動車の発電装置において、
前記圧縮ガスを充填して貯蔵する高圧タンクと、
前記高圧タンクからの前記圧縮ガスを減圧し膨張させるスクロール膨張機と、
前記圧縮ガスによって駆動される前記スクロール膨張機に連結された発電機を備え、
前記発電機で発電された電力は自動車のバッテリに供給するように構成されていることを特徴とする自動車の発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の前記自動車の発電装置を備えていることを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスを燃料とするガス燃料自動車及び水素ガスを燃料とする燃料電池自動車の高圧ガスの圧力エネルギを回収して発電に利用する発電装置及びこれを備えた自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃料として圧縮天然ガスを使用する圧縮天然ガス自動車及び水素と導入した空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて発電を行う燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が従来から知られている（非特許文献１、非特許文献２参照）。
これら圧縮天然ガス自動車（ＣＮＧ自動車）及び燃料電池自動車（ＦＣＶ）は、（１）大気汚染の原因となる二酸化炭素（CO2）排出量をガソリン車やディーゼル車より低減でき、地球温暖化防止に貢献し、（２）また、窒素酸化物（NOx）や黒煙等の粒子状物質（PM）といった大気汚染物質の排出量が極めて少なく大気環境改善にも貢献できること、（３）騒音が低減でき 車内の快適さはもちろん、都市全体の騒音対策にも効果がある。このため、我が国では実用性の高い石油代替エネルギ車として、既にトラック、バス、塵芥車、軽貨物車、バン等の広い用途で普及している。
【０００３】
圧縮天然ガス自動車は天然ガスを気体のまま、高圧（２０ＭＰａ）でガス容器（タンク）に充填する。圧縮天然ガス供給は、ガス容器から燃料配管を通って減圧弁を介してインジェクタに所定圧力（約５０ｋＰａ〜３２５ｋＰａ）まで減圧され、エンジンに供給する（図３参照）。また、燃料電池自動車も航続距離を伸ばすため、超高圧タンクに水素を充填しておき、減圧弁を介して、所定圧力まで減圧され、燃料電池で発電し電動機（電気モータ）を回転させて走る（図４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本ガス協会ホームページ  http://www.gas.or.jp/ngvj/text/ngv_parts.html
【非特許文献２】燃料電池自動車（FCV）のしくみ http://www.jari.or.jp/portals/0/jhfc/beginner/about_fcv/index.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前述した従来技術の圧縮天然ガス自動車は、天然ガスを大気圧より高圧で供給するとエンジン吸気系で空気の吸入ができない、また燃料電池自動車でも燃料電池に供給する水素の圧力が高すぎると反応せず排出してしまう。このため圧縮天然ガスと水素も減圧弁により、所定の低圧ガスに減圧している。すなわち、ガス容器に高圧で貯蔵されている圧縮ガスの圧力を高圧から低圧へと減圧弁で単に減圧するだけの構成であるから、その圧力エネルギは熱エネルギとして無駄に捨てられ、圧縮ガスの大きい圧力エネルギが有効利用されなくて使用効率が良くない不都合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、その無駄に捨てられるエネルギを回収するため、減圧弁の代わりにスクロール膨張機を設置し、高圧の圧縮ガスを減圧する過程で、その圧力差により生じたエネルギを利用して高速回転させ、その回転力で発電機を駆動して自動車のバッテリに供給すると共に、燃費や航続距離等を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するため、本発明は、天然ガスまたは水素ガスの圧縮ガスを燃料として用いる自動車の発電装置において、前記圧縮ガスを充填して貯蔵する高圧タンクと、前記高圧タンクからの前記圧縮ガスを減圧し膨張させるスクロール膨張機と、前記圧縮ガスによって駆動される前記スクロール膨張機に連結された発電機を備え、前記発電機で発電された電力は自動車のバッテリに供給するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に係る自動車にあっては、請求項１に記載の自動車の発電装置を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、その無駄に捨てられるエネルギを回収するため、減圧弁の代わりにスクロール膨張機を設置し、高圧の圧縮ガスを減圧する過程で、その圧力差により生じたエネルギを利用して高速回転させ、その回転力で発電機を駆動して自動車のバッテリに供給すると共に、燃費や航続距離等を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る第１の実施例の圧縮天然ガス自動車の要部を示す図である。
【図２】本発明に係る第２の実施例の燃料電池自動車の要部を示す図である。
【図３】従来例の圧縮天然ガス自動車の要部を示す図である。
【図４】従来例の燃料電池自動車の要部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、圧縮天然ガス自動車及び燃料電池車の高圧ガス容器の出口に設置されている従来の減圧弁に代えてスクロール膨張機を設け、高圧ガス容器（高圧タンク）からの高圧ガスを減圧させ、さらに同時に電力として回収し利用することができる圧縮天然ガス自動車及び燃料電池車であり、本発明を実施するための最良の形態として、以下に実施例１、実施例２を説明する。
【００１２】
本発明の第一実施例では、圧縮天然ガス自動車の実施例を図１に基づいて説明する。図１において、圧縮天然ガス自動車は、圧縮天然ガスを充填して貯蔵する高圧タンク２と、高圧タンク２からの高圧な圧縮ガスを減圧し膨張させるスクロール膨張機３と、高圧タンク２からの高圧圧縮ガスによって駆動されるスクロール膨張機３に連結された発電機４を備え、発電機４で発電された電力は自動車のバッテリ５に供給するように構成されている。
【００１３】
高圧タンク２は、車両後部に収容設置される容量の大きい複数個のガス容器で、航続距離を伸ばすため天然ガスを高圧２０ＭＰａ（メガパスカル）で充填貯蔵している。通常、鋼製継目なし容器、アルミライナー製複合容器（アルミライナーを繊維強化プラスチックで補強した容器）及びプラスチックライナー製複合容器（通称：オールコンポジット容器）等を使用している。
【００１４】
そして、燃料を高圧タンク２（ガス容器）からエンジン１まで連通する燃料配管として、例えば、ステンレス鋼製や銅製（低圧部分の一部）等の細管２ｂで構成されている。
【００１５】
スクロール膨張機３は作動流体を膨張させることで動力を得る容積形の流体機械である。その構造は、例えば、図示しない、インボリュート曲線で構成された固定スクロールと揺動スクロールの２つのスクロールが互いに噛み合うように配置されており、固定スクロール中心部の給気口から高圧の圧縮ガスである作動流体を吸入させると、流体の持つ圧力エネルギでスクロールの壁面が押され、膨張室は作動流体を膨張させながら外側に向かって移行することで容積を増大させる。この過程で、揺動スクロールは固定スクロールと一定の偏心距離を保ちながら旋回運動し、クロール膨張機３の回転軸と連結した発電機４の回転子を回転させる。このように、流体の持つエネルギから機械的動力を回収することができる。
【００１６】
圧縮天然ガス自動車は各種の安全装置を装着して、安全性の確保には十二分の配慮をしている。例えば、ガス容器元弁２ａに内蔵された過流防止弁と容器安全（図示してない）弁、主止弁７、燃料遮断弁８及び逆止弁（図示してない）等がある。
【００１７】
図示しない過流防止弁は、ガス容器元弁２ａに組み込まれた弁で、燃料配管等の折損時にガス容器からの多量のガス流出を防止する装置である。
【００１８】
図示しない安全弁は、ガス容器元弁２ａに組み込まれた弁で、火災等によりガス容器の温度・圧力が上昇した場合、可溶栓（一定温度以上になると溶ける合金でできた栓）が溶けてガス容器２からガスを安全に放出する装置である。
【００１９】
主止弁７は、高圧配管上のガス容器元弁２ａの近くに設置されており、スクロール膨張機３より下流の圧力の変動に応じて燃料圧力の異常（故障）を判定し、出力異常の緊急時には、コイル７ａの非通電により閉弁してエンジン１への燃料供給を自動的に遮断する。
【００２０】
燃料遮断弁８は、高圧配管上のスクロール膨張機３の近くに設置されており、エンジン停止時にエンジン１への燃料供給を遮断する。
【００２１】
このガス容器２からの燃料配管２ｂは、車両前方に延びて圧力センサを介して運転席の圧力計６に連通し、燃料遮断弁８に連通する。燃料遮断弁８は、エンジン停止時は、コイル８ａの非通電により閉弁して圧縮天然ガスを遮断し、コイル８ａの通電により開弁して天然圧縮ガスを供給する。
【００２２】
エンジン１への燃料は、エンジン負荷に応じ空気と天然ガスをインジェクタ１ａで混合してエンジン１に供給される。ただ、天然圧縮ガス自動車にとって、天然ガスを大気圧より高圧で供給すると、エンジン吸気系で空気の吸入ができなくなる。このためガス容器２に充填貯蔵される２０ＭＰａの高圧の圧縮天然ガスを、例えば約０．５ＭＰａ〜３．２５ＭＰａ（本実施例では０．４ＭＰａ）に減圧し、この大きい圧力差により生じたエネルギを利用して、気体の膨脹で回転駆動するスクロール膨張機３を使用すると、圧力エネルギを効率良く回収できることができる。
【００２３】
スクロール膨張機３は、高圧の圧縮天然ガスをスクロール回転子の中心から注入し、渦巻形状の回転子と壁を組み合わせることで狭い空間を作り、その中に高圧の圧縮天然ガスを閉じ込め、その圧力によって、閉じ込められる空間を外側に向かって膨張させていくことで円運動を行う。この回転を利用してスクロール膨張機３の回転軸と連結した発電機回転子を回すことができ、圧縮天然ガスの圧力膨張で回転駆動すると共に、２０ＭＰａの高圧の圧縮天然ガスを０．４ＭＰａ の低圧ガスに減圧するように設ける。
【００２４】
スクロール膨張機３で発電される発電電力は、バッテリ５の充電の他に、ヘッドライト等の各種照明装置、保安装置、エアコン等電気負荷の作動に利用することができ、その結果、燃費等を向上させることができる。
【００２５】
次に、本実施例の動作について説明する。先ず、ガス容器２の容器元弁２ａを開くと、高圧タンクのガス容器２に貯蔵される高圧の圧縮天然ガスが、燃料配管２ｂに導入される。この圧縮天然ガスは主止弁７を通り圧力センサ６ａを介して運転席の圧力計６にガス充填状態が表示する。
【００２６】
次に、燃料遮断弁８はエンジン停止時には、コイル８ａが非通電して閉弁し、圧縮天然ガスが遮断される。エンジン開始時には、燃料遮断弁８のコイル８ａに通電して、その電磁力で開弁する。そして、約２０ＭＰａの高圧の圧縮天然ガスは、スクロール膨張機３の中心部に注入することになる。
【００２７】
中心部に注入した圧縮天然ガスは、２つのスクロール（渦巻き状）で構成される空間において、先ず２０ＭＰａ の圧縮天然ガスの気体が外側に向けて除々に０．４ＭＰａ の低圧に膨張して通過し、この膨張による回転力（例えば、回転数３０００ｒｐｍ）がスクロール膨張機３の軸に取り付けられた発電機４に伝えられて発電する。すなわち、スクロール膨張機３の入口に高圧の圧縮天然ガスが注入されると、出口との間に差圧が生じ、その差圧によりスクロールが膨張室を大きくする。
これにより、圧縮天然ガスが通常に減圧する過程でそれ自体が所有する大きい圧力エネルギが、スクロール膨張機３の動力として効率良く回収することができる。また、スクロール膨張機３は非常に静音性が高いことに特徴があり、自動車にとっては最適といえる。
【００２８】
スクロール膨張機３により減圧した低圧ガスは、インジェクタ１ａにより流量制御して空気と良好に混合し、エンジン１に供給され運転開始する。このエンジン運転時には、スクロール膨張機３の回転子と連結した発電機４が駆動するため、発電機４の発電電力がバッテリ５に充電される。また発電電力が、自動車の照明装置に供給して点灯させ、電気負荷の大きいエアコンにも供給することができる。その結果、エンジン負荷が軽減して燃費等が改善できる。
なお、エンジン運転時のスクロール膨張機３による減圧状態を圧力センサ７が検知しており、緊急時には主止弁７を閉じて、インジェクタ１ａへの燃料供給を自動的に遮断することにしている。
【００２９】
また、スクロール膨張機３において、減圧された燃料ガスの供給圧を調整することにより、空燃比を調整することができる。すなわち、自動車の運転状況に応じて、スクロール膨張機３の回転数を変化させ、スクロール膨張機３の入口と出口と差圧を大小変化するように制御することで、空気と燃料ガスの混合組成を変動させ、エンジン１に供給する燃料ガスを最適に供給制御できる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施例では、図２を用いて説明する。本発明による燃料電池自動車は、燃料電池から水素又は改質水素を燃料とし、空気中の酸素を反応させて発電して電動機を駆動する車両である。その構成は、圧縮水素を充填して貯蔵する水素貯蔵器である高圧タンク２０と、高圧タンク２０からの高圧な圧縮水素を減圧し膨張させるスクロール膨張機３０と、高圧タンク２０からの圧縮水素によって駆動されるスクロール膨張機３０に連結された発電機４０を備え、発電機４０で発電された電力は自動車のバッテリ５０に供給するように構成されている。
【００３１】
燃料電池自動車では、第１実施例のようなインジェクタを備えたエンジンはなく、燃料電池６０及び電動機（発電機）７０を備えている点で異なる。また、第１実施例と重複する説明は省略する。
【００３２】
水素貯蔵器２０は、１０ないし１５０気圧程度の圧力をもって水素を貯蔵することができる高圧タンクのボンベで、例えば水素吸蔵合金やカーボナノチューブ、カーボナノファイバ、グラファイトナノファイバなどの炭素系材料が用いられる。
【００３３】
そして、水素貯蔵器２０の図示しない閉弁を開放することによって高圧水素をスクロール膨張機３０に注入してその駆動を行わせ、そのスクロール膨張機３０にて高圧水素を一定圧力に減圧させたうえで、その流量調整された水素を燃料電池６０または発電機４０に供給している。
【００３４】
燃料電池６０は、機能は既存の蓄電池と似ているが充電の代わりに水素を補給する。例えば、固体高分子型、ダイレクトメタノール型、リン酸型、炭酸溶融塩型、固体酸化物型、再生型等、異なる種類の燃料電池がある。
【００３５】
発電機４０は、第１実施例のようなスクロール膨張機３０の回転動力で発電するように連結する構成でも、スクロール膨張機３０から供給された水素を燃料として駆動し、その動力により発電する水素エンジン発電機であっても構わない。
【００３６】
また、燃料電池６０から得られる電気エネルギを用いてモータ走行を行うための電動機（発電機）７０が備えられている。そして、加速時には、燃料電池６０及びバッテリ５０から電力を供給し、動力性能を向上させ、走行時には、燃料電池６０とバッテリ５０から電力配分を最適化し、自動車のエネルギ効率を向上させる。また減速時には、電動機７０は発電機７０として機能して、制動エネルギを自動車の車体の運動エネルギを電気エネルギへと変換する回生を行い、バッテリ５０に備え、自動車のエネルギ効率を向上させる。
【００３７】
バッテリ５０としては、例えば蓄電効率の良い超伝導バッテリが用いられる。
【００３８】
以上に説明したように、第１実施例の圧縮天然ガス燃料自動車では、高圧の圧縮天然ガスを減圧する過程で、その圧力エネルギを動力として回収するスクロール膨張機を設ける構成であるため、圧縮天然ガスが所有している大きい圧力エネルギを有効利用できる。またスクロール膨張機３により気体の圧力エネルギを動力として効率良く回収することもできる。減圧弁の代わりに、ガス配管中にスクロール膨張機３を介設するだけであるから、構造も簡単である。
【００３９】
また、自動車の電気負荷を作動する電源装置にも、スクロール膨張機軸の回転動力で発電するように連結する発電機４の構成であるため、回収した動力を発電に有効利用できる。その結果、エンジン負荷が軽減して燃費等を向上できる。
【００４０】
第２実施例の燃料電池自動車では、水素貯蔵器２０から供給される高圧水素によって、まずスクロール膨張機３０を駆動して発電を行わせる共に、そのスクロール膨張機３０で高圧水素を減圧したうえで、その減圧された水素を燃料電池６０供給することができる。または水素エンジン発電機に供給して発電を行わせて、バッテリに蓄電させることもでき、水素貯蔵器２０から供給される水素をいずれにおいても、有効利用して発電効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１        エンジン
２        高圧タンク（ガス容器）
３，３０  スクロール膨張機
４，４０  発電機
５，５０  バッテリ
２０      高圧タンク（水素貯蔵器）
６０      燃料電池
７０      電動機（発電機）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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