(57)【要約】【課題】    水素自動車の動力系において、貯蔵された燃料の高圧水素ガスの高圧エネルギーの効率のよい回収が可能となる水素自動車を提供する。【解決手段】  水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車において、高圧水素タンクと、高圧水素タンクからの高圧水素ガスを、減圧し膨張させて燃料電池へ送る膨張装置と、燃料電池へ空気を加圧して送る空気圧縮機およびその動力装置と、燃料電池を冷却する冷却装置およびその動力装置と、膨張装置で減圧し膨張した水素ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷器とを備え、蓄冷器に蓄冷した冷熱を、空気圧縮機の吸込み側空気または吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給して空気を冷却するように構成し、あるいは、燃料電池を冷却するために燃料電池へ供給するように構成した。【選択図】            図１
2005071830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車において、高圧水素タンクと、同高圧水素タンクからの高圧水素ガスを、減圧し膨張させて前記燃料電池へ送る膨張装置と、前記燃料電池へ空気を加圧して送る空気圧縮機およびその動力装置と、前記燃料電池を冷却する冷却装置およびその動力装置と、前記膨張装置で減圧し膨張した水素ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷器とを備え、同蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給して空気を冷却するように構成してなることを特徴とする水素自動車。
【請求項２】
請求項１に記載の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給することに代えて、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車。
【請求項３】
請求項１に記載の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給するとともに、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の水素自動車において、前記膨張装置は前記高圧水素タンクからの高圧水素ガスによって駆動され且つ前記高圧水素ガスを減圧し膨張させる膨張タービンと同膨張タービンに連結された発電機を備え、同発電機で発電された電力は前記空気圧縮機の動力装置または前記冷却装置の動力装置の一方または双方に供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車。
【請求項５】
請求項４に記載の水素自動車において、前記膨張タービンに代えてピストン形気体圧モータを備えてなることを特徴とする水素自動車。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の水素自動車において、前記発電機で発電された電力は蓄電池を介して供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４にもとづき、従来の水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車の動力系を説明する。図４は  従来の水素自動車の動力系の要部構成図である。なお、図４では、通常の操作に用いる遮断弁、調整弁等のほか、全体の制御系、および通常自動車において搭載される二次電池他の一般の電力系は図示省略されている。
【０００３】
図４において、１は動力源となる燃料電池であり、燃料となる水素と空気中の酸素との化学反応により電気エネルギーを直接発生させる。燃料電池１が発電した電力Ｅ１は水素自動車の走行用の駆動モータ２に供給される。
【０００４】
燃料となる水素を貯蔵する方式としては主に、水素吸蔵合金タンク、高圧容器、液体水素タンクの３タイプがあるが、本発明の対象とした水素自動車の貯蔵方式は高圧容器のタイプであり、高圧水素タンク３を備え、例えば３５０気圧程度の高圧水素ガスＨ１が貯蔵される。高圧水素タンク３から取り出された高圧水素ガスＨ２は、減圧弁４で例えば２気圧程度に減圧された供給水素ガスＨ２となり、加湿器５を経て燃料電池１に供給される。
【０００５】
酸化剤ガスとしては、酸素を含む空気が用いられ、圧縮機動力装置６により駆動される空気圧縮機７が吸込み側空気Ａ１を加圧し、例えば２気圧程度の吐出側空気を供給空気Ａ２とし、供給空気Ａ２は加湿器８を経て燃料電池１に供給される。
【０００６】
一方、燃料電池１の化学反応は発熱反応なので冷却を要し、燃料電池１は、冷却装置動力装置９により駆動される冷却装置１０によって冷熱Ｃ１を供給されて冷却される。冷熱Ｃ１の供給方法は水等の適宜な冷却用冷媒を循環させて行う等、方式は適宜選択される。
【０００７】
しかしながら、圧縮機動力装置６、冷却装置動力装置９はそれぞれ駆動のための電力Ｅ２、Ｅ３（通常、車載の二次電池から供給される）を要す一方、貯蔵された高圧水素ガスＨ１の高圧エネルギーは単に解放されるだけであり、その改善が望まれていた。その一つの対策として例えば、特開２００１-１９７７９１公報（特許文献１）には、水素貯蔵装置から供給される高圧水素によって駆動されるタービン発電機を設け、その発生電力を車載の二次電池に蓄電することが示されている。しかしながら、高圧水素の減圧は主にその下流側に設けられた減圧弁によるものであり、高圧エネルギーの回収利用という点では十分なものとはいえなかった。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１９７７９１公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の従来の水素自動車の動力系の問題を解消し、また従来の改良において依然残る問題を解消し、効率のよい動力回収が可能となる水素自動車を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、特許請求の範囲に記載した請求項１から請求項６の順に述べると、その第１の手段として、水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車において、高圧水素タンクと、同高圧水素タンクからの高圧水素ガスを、減圧し膨張させて前記燃料電池へ送る膨張装置と、前記燃料電池へ空気を加圧して送る空気圧縮機およびその動力装置と、前記燃料電池を冷却する冷却装置およびその動力装置と、前記膨張装置で減圧し膨張した水素ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷器とを備え、同蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給して空気を冷却するように構成してなることを特徴とする水素自動車を提供する。
【００１１】
（２）第２の手段としては、第１の手段の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給することに代えて、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。
【００１２】
（３）また、第３の手段として、第１の手段の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給するとともに、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。
【００１３】
（４）第４の手段として、第１の手段ないし第３の手段のいずれかの水素自動車において、前記膨張装置は前記高圧水素タンクからの高圧水素ガスによって駆動され且つ前記高圧水素ガスを減圧し膨張させる膨張タービンと同膨張タービンに連結された発電機を備え、同発電機で発電された電力は前記空気圧縮機の動力装置または前記冷却装置の動力装置の一方または双方に供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。
【００１４】
（５）第５の手段として、第４の手段の水素自動車において、前記膨張タービンに代えてピストン形気体圧モータを備えてなることを特徴とする水素自動車を提供する。
【００１５】
（６）第６の手段として、第４の手段または第５の手段の水素自動車において、前記発電機で発電された電力は蓄電池を介して供給するように構成されてなることを特徴とする水素自動車を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
（１）特許請求の範囲に記載の請求項１の発明によれば、水素自動車を、水素を燃料とする燃料電池を動力源として用いる水素自動車において、高圧水素タンクと、同高圧水素タンクからの高圧水素ガスを、減圧し膨張させて前記燃料電池へ送る膨張装置と、前記燃料電池へ空気を加圧して送る空気圧縮機およびその動力装置と、前記燃料電池を冷却する冷却装置およびその動力装置と、前記膨張装置で減圧し膨張した水素ガスの冷熱を蓄冷する蓄冷器とを備え、同蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給して空気を冷却するように構成したので、蓄冷器の冷熱を空気圧縮機の吸込み側空気に供給して冷却することにより、吸込み側空気の密度を高めることができ、よって、空気圧縮機の動力装置の負荷を低減し、その使用電力が軽減される。また、併せ蓄冷器の冷熱を空気圧縮機の吐出側空気にも供給して吐出側空気を冷却すれば、加圧によって加熱された吐出側空気の温度を適正温度に下げることができ、燃料電池の運転の適正化に資することができる。
【００１７】
（２）請求項２の発明によれば、請求項１に記載の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給することに代えて、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成したので、蓄冷器の冷熱を、冷却装置からの冷熱とともに燃料電池に供給して、発熱反応による発電を行っている燃料電池を冷却することができ、その結果、燃料電池の運転の適正化に資することができるとともに、冷却装置の動力装置の負荷を低減し、その使用電力が軽減される。
【００１８】
（３）請求項３の発明によれば、請求項１に記載の水素自動車において、前記蓄冷器に蓄冷した冷熱を、前記空気圧縮機の吸込み側空気または同吸込み側空気と吐出側空気の双方に供給するとともに、前記燃料電池を冷却するために同燃料電池へ供給するように構成したので、請求項１の発明と請求項２の発明の上記作用効果をともに奏することができる。
【００１９】
（４）請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の水素自動車において、前記膨張装置は前記高圧水素タンクからの高圧水素ガスによって駆動され且つ前記高圧水素ガスを減圧し膨張させる膨張タービンと同膨張タービンに連結された発電機を備え、同発電機で発電された電力は前記空気圧縮機の動力装置または前記冷却装置の動力装置の一方または双方に供給するように構成したので、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の効果に加え、発電機で発電された電力を空気圧縮機の動力装置に供給するようにすれば、従来からの空気圧縮機の動力装置の使用電力を大幅に削減することができる。また、  発電機で発電された電力を冷却装置の動力装置に供給するようにすれば、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の効果に加え、従来からの冷却装置の動力装置の使用電力を大幅に削減することができる。勿論、空気圧縮機の動力装置と冷却装置の動力装置とにともに発電機の発電した電力を供給すれば、上記の作用効果をともに奏することができる。
【００２０】
（５）請求項５の発明によれば、請求項４に記載の水素自動車において、前記膨張タービンに代えてピストン形気体圧モータを備えてなるように構成したので、請求項４の発明の作用効果に加え、一般に「ピストン形空気圧モータ」等と呼ばれる空気モータと同様な、ピストン形気体圧モータを用いたことにより、比較的に小さい水素の流量においても、効率が高く、適切な回転数を設定しやすく発電機とのマッチングが得やすいものとなる。
【００２１】
（６）請求項６の発明によれば、請求項４または請求項５に記載の水素自動車において、前記発電機で発電された電力は蓄電池を介して供給するように構成したので、請求項４または請求項５の発明の作用効果に加え、発電機での発電と、圧縮機の動力装置または冷却装置の動力装置の一方または双方の電力消費の量とタイミングの調整が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、高圧水素タンク３に貯蔵された高圧水素ガスＨ１の高圧エネルギーを、冷熱エネルギーとして取り出し利用でき、またはさらに同時に電力として回収し利用することのできる、動力回収系を有する水素自動車であり、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。
【実施例１】
【００２３】
図１、図２に基いて、本発明の実施例１に係る水素自動車を説明する。図１は、本実施例の水素自動車の動力系の要部構成図である。図２は、図１中の膨張装置、蓄冷器およびその周囲の構成例の説明図である。なお、図１、２では、先に説明した従来例の図４同様に、通常の操作に用いる遮断弁、調整弁等のほか、全体の制御系、および通常自動車において搭載される二次電池他の一般の電力系は図示省略されている。また、図４において説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して説明を省略し、従来例と異なる部分を主に以下説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施例では高圧水素タンク３に接続する従来の減圧弁４に代えて膨張装置１１を設け、高圧水素タンク３からの高圧水素ガスを減圧、膨張させる。膨張装置１１は後述のように膨張タービンやピストン形気体圧モータ等で構成され、膨張装置１１で高圧水素ガスＨ１から減圧、急膨張し寒冷となった供給水素ガスＨ２の冷熱を、蓄冷器１２に蓄冷し、その冷熱Ｃ２を空気圧縮機７の吸込み側空気Ａ１に供給して冷却し、吸込み側空気Ａ１の密度を高めることができ、よって、圧縮機動力装置６の負荷を低減し、その使用電力Ｅ２を軽減する。
【００２５】
冷熱Ｃ２は、上記に加え、空気圧縮機７の吐出側空気である供給空気Ａ２にも供給し、供給空気Ａ２の冷却に用いてもよい。その場合、加圧によって加熱された供給空気Ａ２の温度を適正温度に下げることができ、燃料電池１の運転の適正化に供することができる。
【００２６】
膨張装置１１のさらに具体的な構成例を図２により説明すると、膨張装置１１は減圧膨張手段兼動力回収手段としての膨張タービン１３を備え、膨張タービン１３は高圧水素タンク３から導入された高圧水素ガスＨ１を減圧するとともに膨張させて回転駆動される。減圧、膨張した供給水素ガスＨ２は寒冷となり、例えば、約３５０気圧、３００°Ｋ（常温）程度から、約２気圧、１００°Ｋ程度が得られる。寒冷となった供給水素ガスＨ２は蓄冷器１２に導かれるとともに、蓄冷器１２内の蓄冷材１２ａに冷熱を与え、自身は加熱されて温度を上昇するとともに燃料電池１に送られる。蓄冷材１２ａとしては、種々の適宜のものが用い得るが、例えば鉛粒等がある。
【００２７】
蓄冷器１２内には蓄冷材１２ａ内を巡るように冷却管１２ｂが配置され、冷却管１２ｂ内を、吸込み側空気Ａ１、供給空気Ａ２、あるいは適宜な冷却冷媒Ｍを通過させ、それらに蓄冷材１２ａから冷熱Ｃ２を与え冷却することができる。冷却冷媒Ｍは、間接的に吸込み側空気Ａ１、供給空気Ａ２を冷却する場合や、後述の実施例２のように他の部分を冷却する場合等に用いられる。
【００２８】
なお、上記は一例であって、上記とは逆に冷却管１２ｂ内を供給水素ガスＨ２が通り、吸込み側空気Ａ１等が蓄冷材１２ａと接するように通過させてもよく、また、上記のものと構造、方式の異なる蓄冷器、蓄冷方法であってもよい。
【００２９】
また、好ましくは、膨張タービン１３には発電機１４を連結し、発電を併せ行わせる構成とし、発電した回収電力Ｅ４は、蓄電池１５（図１参照）に充電する。なお、膨張タービン１３に代えて一般に「ピストン形空気圧モータ」等と呼ばれる空気モータと同様な、ピストン形気体圧モータを用いてもよく、その場合は、比較的に小さい水素の流量においても、効率が高く、適切な回転数を設定しやすく発電機１４とのマッチングが得やすいメリットがある。
【００３０】
図１に示すように、回収電力Ｅ４は一旦蓄電池１５に充電するとともに、蓄電池１５から電力Ｅ５を圧縮機動力装置６に供給するようにすれば、従来からの圧縮機動力装置６の使用する電力Ｅ２を大幅に削減することができ、回収電力Ｅ４の発電と圧縮機動力装置６の電力消費の量とタイミングの調整が容易である。なお、定常運転等で両者の適合する設定が可能なときは蓄電池１５を介さず回収電力Ｅ４を直接供給電力Ｅ５として接続してもよい。その場合は蓄電池１５における充電放電を経ることによるロスが無くなり効率が向上する。
【実施例２】
【００３１】
図３に基いて、本発明の実施例２に係る水素自動車を説明する。図３は、本実施例の水素自動車の動力系の要部構成図である。なお、図３でも、先に説明した従来例の図４、実施例１の図１と同様に、通常の操作に用いる遮断弁、調整弁等のほか、全体の制御系、および通常自動車において搭載される二次電池他の一般の電力系は図示省略されている。また、図４、図１において説明した部分と同じ部分については、同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分を主に以下説明する。また、図２は、本実施例においても引用する。
【００３２】
図３に示すように、本実施例では実施例１と同様に、高圧水素タンク３に接続する従来の減圧弁４に代えて膨張装置１１を設け、膨張装置１１は前述のように膨張タービン１３やピストン形気体圧モータ等で構成され、膨張装置１１で高圧水素ガスＨ１から減圧、急膨張し寒冷となった供給水素ガスＨ２の冷熱を、蓄冷器１２に蓄冷し、その冷熱Ｃ３を、冷却装置動力装置９により駆動される冷却装置１０からの冷熱Ｃ１とともに燃料電池１に供給して、発熱反応による発電を行っている燃料電池１を冷却する。冷熱Ｃ３の供給方法は水等の適宜な冷却冷媒Ｍを循環させて行う等、方式は適宜選択される。
【００３３】
その結果、燃料電池１の運転の適正化に供することができるとともに、冷却装置動力装置９の負荷を低減し、その使用電力Ｅ３を軽減する。
【００３４】
本実施例において、膨張装置１１の具体的な構成例は図２により前述した実施例１のものと同様である。従って、減圧膨張手段兼動力回収手段としての膨張タービン１３を備え、膨張タービン１３は高圧水素タンク３から導入された高圧水素ガスＨ１を減圧するとともに膨張させて回転駆動される。減圧、膨張した供給水素ガスＨ２は寒冷となり、蓄冷器１２に導かれるとともに、蓄冷器１２内の蓄冷材１２ａに冷熱を与え、自身は加熱されて温度を上昇するとともに燃料電池１に送られる。蓄冷器１２においては、適宜な冷却媒体Ｍが冷却され、その冷熱Ｃ３を燃料電池１に供給する。
【００３５】
また、好ましくは、膨張タービン１３には発電機１４を連結し、発電を併せ行わせる構成とし、発電した回収電力Ｅ４は、蓄電池１５に充電する。なお、膨張タービン１３に代えて実施例１で説明したようにピストン形気体圧モータを用いてもよい。
【００３６】
図３に示すように、回収電力Ｅ４は一旦蓄電池１５に充電するとともに、蓄電池１５から電力Ｅ６を冷却装置動力装置９に供給するようにすれば、従来からの冷却装置動力装置９の使用する電力Ｅ３を大幅に削減することができ、回収電力Ｅ４の発電と冷却装置動力装置９の電力消費の量とタイミングの調整が容易である。なお、定常運転等で両者の適合する設定が可能なときは蓄電池１５を介さず回収電力Ｅ４を直接供給電力Ｅ６として接続してもよい。その場合は蓄電池１５における充電放電を経ることによるロスが無くなり効率が向上する。
【００３７】
以上、本発明を図示の実施例１、実施例２について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
【００３８】
例えば、膨張装置１１により蓄冷器１２に蓄冷された冷熱は、空気圧縮機７へ供給する冷熱Ｃ２として、または燃料電池１の冷却に供される冷熱Ｃ３としての一方のみに限らず、それら両者を併せ供給するようにしてもよい。また、膨張装置１１で発電された回収電力Ｅ４は、圧縮機動力装置６への供給電力Ｅ５として、または冷却装置動力装置９への供給電力Ｅ６としての一方のみに限らず、それら両者を併せ供給するようにしてもよい。
【００３９】
また、上記実施例における蓄電池１５は、本発明の動力回収系専用のものとすれば、外乱の少ない制御が容易なものとなるが、従来から車載装備された二次電池と共通のものとしてもよく、その場合は車載装置の簡素化、軽量化に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例１に係る水素自動車の動力系の要部構成図である。
【図２】図１中の膨張装置、蓄冷器およびその周囲の構成例の説明図である。
【図３】本発明の実施例２に係る水素自動車の動力系の要部構成図である。
【図４】従来の水素自動車の動力系の要部構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１                  燃料電池
２                  駆動モータ
３                  高圧水素タンク
５                  加湿器
６                  圧縮機動力装置
７                  空気圧縮機
８                  加湿器
９                  冷却装置動力装置
１０                冷却装置
１１                膨張装置
１２                蓄冷器
１２ａ              蓄冷材
１２ｂ              冷却管
１３                膨張タービン
１４                発電機
１５                蓄電池
【図１】
2005071830.tif 000003
【図２】
2005071830.tif 000004
【図３】
2005071830.tif 000005
【図４】
2005071830.tif 000006