JP2011000922A - 燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池の駆動（発電）効率を下げない範囲で、燃料タンクの許容範囲以上への過熱を抑制または防止し、燃料タンクの許容範囲以下への過冷を抑制または防止し、燃料タンクとの熱交換を利用して燃料電池の温度調節システムを燃料電池の駆動（発電）効率の高い範囲に維持するようにすることを目的とする。
【解決手段】この発明は、燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置において、燃料タンク周りに燃料タンクと熱交換可能なタンク用熱交換部を設け、熱交換システムのクーラントを燃料電池に流す燃料電池用配管に制御弁を設けるとともに、この制御弁の切り換えで熱交換システムのクーラントを燃料電池用配管からタンク用熱交換部に流すタンク用配管を設け、制御装置は、燃料タンクの温度が高温または低温となる所定の時期に制御弁を切り換えて熱交換システムのクーラントをタンク用配管でタンク用熱交換部へ流すことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置に係り、燃料電池搭載車両の水素供給システムおよび燃料電池の温度調節システム（冷却システム）、特に、水素供給システムの温度調節システムに関し、とりわけ燃料電池の温度調節システムを利用した燃料タンクの温度調節システムについての燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置に関する。

燃料電池搭載車両（ＦＣＶ：Ｆｕｅ１ Ｃｅ１１ Ｖｅｈｉｃｌｅ）においては、水素ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池の水素供給システムとして、高圧の水素ガスを充填・放出可能な燃料タンクを搭載している。燃料タンクは、水素ガスの充填過程（充填時）では水素ガスの断熱圧縮により温度が上昇し、水素ガスの放出過程（アイドリング、走行時）では断熱膨張により温度が低下する。燃料タンクの温度上限値は、法規によって８５℃、下限値は−４０℃と決められている。
そこで、従来の燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置には、水素供給システムの燃料タンクへの水素ガスの充填効率を高めるために、燃料タンク外部に容器元弁及び水素ガスの充填配管を冷却する熱交換器を設けた温度調節システムや、燃料タンク内部に水素ガスを冷却する熱交換器を設けた温度調節システムが提案されている。

特開２００２−８９７９３号公報 特開２００６−２９８３７１号公報 特開２００６−３１６９９４号公報 特開２００６−３１６９９６号公報

ところで、燃料電池搭載車両には、ＬＴ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）系とＨＴ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）系との、二種類の冷却系（熱交換システム）が存在する。ＬＴ系の熱交換システムは、車両補機（走行用モータなど）用の冷却系である。ＨＴ系の熱交換システムは、燃料電池用の冷却系である。ＨＴ系の熱交換システムの特徴は、電気伝導率が低い特殊なクーラント（熱交換媒体）であり、燃料電池内に入っても燃料電池のアノード（水素極）とカソード（酸素極）間のイオン反応を阻害しないようにしている。
また、燃料電池は、効率的に動作する温度域（例えば、５０〜８０℃）が存在するので、クーラント温度をその温度域から著しく外したくない要求がある。
前記燃料電池用の冷却系であるＨＴ系の熱交換システムは、図８に示すように構成される。図８において、１０１は水素ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池であり、１０２は燃料電池１０１の温度管理を行う熱交換システムである。熱交換システム１０２は、燃料電池１０１に電池用熱交換部１０３を燃料電池用供給配管１０４及び燃料電池用戻り配管１０５により接続し、燃料電池用供給配管１０４に熱交換媒体であるクーラントを流すクーラントポンプ１０６を備えている。なお、符号１０７は、クーラントの余剰・不足分を回収・補充するクーラントタンクである。
熱交換システム１０２は、燃料電池１０１と電池用熱交換部１０３との間に燃料電池用供給配管１０４及び燃料電池用戻り配管１０５を介してクーラントポンプ１０６によりクーラントを流し、燃料電池１０１を冷却して昇温したクーラントを電池用熱交換部１０３で放熱して冷却することで、燃料電池１０１の温度管理を行っている。

前記燃料電池１０１の温度管理をする熱交換システム１０２のクーラント温度と、前記燃料電池１０１に水素ガスを供給する水素供給システムの燃料タンク温度との、車両運行時（充填時、アイドル・走行時）における温度変化は、図９・図１０に示すようになっている。
充填時においては、図９に示すように、燃料電池１０１が発電を停止し、かつ熱交換システム１０２のクーラントポンプ１０６が停止しているので、クーラント温度は熱交換システム１０２の停止から時間の経過とともに下降し、また、燃料タンク温度は水素ガスの充填開始から水素ガスの断熱圧縮により上昇する。
このため、水素ガスの充填過程では、高流量にして充填時間を短縮させようとすると、燃料タンク温度はより高い値まで上昇する。そのため、充填時間の短縮を考えたときは、上限温度がボトルネックとなっていた。
一方、アイドル・走行時においては、図１０に示すように、燃料電池１０１の発電で熱交換システム１０２が駆動しているのでクーラント温度は上昇し、また、燃料タンク温度は水素ガスの消費による放出で断熱膨張により低下する。
このため、放出過程では、高速で長時間走行する際に、燃料タンク温度が−２０℃以下に下がる状況が確認されていて、より高速で長時間の走行を考えると、燃料タンク温度の下限値も注意が必要であった。

前記特許文献２〜４に開示されるように、従来の燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置には、充填効率を高めるために、燃料タンク内部に熱交換器を収容したものがある。
これら特許文献２〜４に開示される技術は、燃料タンク内部で水素ガスと直接熱交換できるので交換効率が極めて高く、一見すると非常に優れているように見えるが、熱交換器により燃料タンク内部容量が減少されてしまうので、充填可能な水素ガスの絶対量が減ってしまう不都合がある。また、特許文献２〜４に開示される技術は、高圧な燃料タンクの開口部の閉塞部材を介して燃料タンク外部と熱のやりとりをするため、高圧水素ガスの漏洩を防ぐためのシール構造や狭い範囲で温度勾配が大きくなり熱負荷がかかるので、その構造が複雑になり大型化してしまう不都合がある。
また、充填時には、燃料タンクの開口部側では膨張が起き、燃料タンク内部では圧縮がおきるため、開口部だけを温度管理する方法では、温度変化に対して効率が悪く、タンク温度を充分に管理でき内不都合がある。

この発明は、燃料電池の駆動（発電）効率を下げない範囲で燃料タンクの許容範囲以上への過熱を抑制または防止すること、燃料電池の駆動（発電）効率を下げない範囲で燃料タンクの許容範囲以下への過冷を抑制または防止すること、燃料タンクとの熱交換を利用して燃料電池の温度調節システムを燃料電池の駆動（発電）効率の高い範囲に維持するようにすることを目的とする。

この発明は、水素ガスを充填・放出可能な燃料タンクと、水素ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池と、この燃料電池の運転時には熱交換媒体であるクーラントを流して燃料電池の温度管理を行う熱交換システムと、前記燃料タンクの温度を検出する燃料タンク温度検出手段と、前記クーラントの温度を検出するクーラント温度検出手段を備え、少なくとも前記燃料電池の発電時にはこれら燃料タンク温度検出手段及びクーラント温度検出手段の検出温度に基づいて燃料電池の熱交換システムを駆動制御する制御装置を備えた燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置において、前記燃料タンク周りに燃料タンクと熱交換可能なタンク用熱交換部を設け、前記熱交換システムのクーラントを前記燃料電池に流す燃料電池用配管に制御弁を設けるとともに、この制御弁の切り換えで熱交換システムのクーラントを燃料電池用配管から前記タンク用熱交換部に流すタンク用配管を設け、前記制御装置は、燃料タンクの温度が高温または低温となる所定の時期に前記制御弁を切り換えて熱交換システムのクーラントをタンク用配管でタンク用熱交換部へ流すことを特徴とする。

この発明の燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置は、燃料タンクと燃料電池の温度管理をするク−ラントとを熱交換することで、互いの温度変化を抑制できる。とくに、互いの温度変化が相反する条件下では、それぞれの効率（燃料電池の駆動（発電）効率、燃料タンクの充填効率）を高めることができる。熱交換システムは、経路が複雑化するが、新たな熱交換が可能になるので、ラジエータやファンの駆動等のもとの構成部品を小型化できるので、重量増加を少なくできる。

燃料タンク温度管理装置のシステム構成図である。（実施例） 図１の矢印ＩＩ部分の拡大図である。（実施例） 充填時におけるクーラント温度と燃料タンク温度との変化を示す図である。（実施例） アイドル・走行時におけるクーラント温度と燃料タンク温度との変化を示す図である。（実施例） タンク用熱交換部を備えた燃料タンクの斜視図である。（実施例） タンク用熱交換部の拡大断面図である。（実施例） 燃料電池搭載車両の概略側面図である。（実施例） 燃料タンク温度管理装置のシステム構成図である。（従来例） 充填時におけるクーラント温度と燃料タンク温度との変化を示す図である。（従来例） アイドル・走行時におけるクーラント温度と燃料タンク温度との変化を示す図である。（従来例）

この発明は、燃料タンクとクーラントとの熱交換を利用して、燃料電池の駆動（発電）効率や燃料タンクの充填効率・放出効率を高い範囲に維持するようにするものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を説明する。

図１〜図７は、この発明の実施例を示すものである。図７において、１は燃料電池搭載車両、２はフロア、３はリヤフロア、４は前輪、５は後輪である。燃料電池搭載車両１は、前部に水素ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池６を搭載し、フロア２の下部に燃料電池６から後部に延びる排出管７を配設し、フロア２から立ち上がった後部のリアフロア３の下部に水素ガスを充填・放出可能な燃料タンク８を搭載している。燃料電池搭載車両１は、水素供給システムの燃料タンク８から燃料電池６に水素ガスを供給し、燃料電池６で水素ガスと酸化ガスを反応させて発電し、モータにより前輪４及び／又は後輪５を駆動して走行する。
前記燃料タンク８は、円筒形状の第１燃料タンク８ａと、第１燃料タンク８ａよりも大径で円筒形状の第２燃料タンク８ｂとの２個からなる。第１燃料タンク８ａ及び第２燃料タンク８ｂは、長手方向を車幅方向に指向させ、かつ小径の第１燃料タンク８ａを前側に位置させて大径の第２燃料タンク８ｂを後側に位置させた状態で、サブフレーム９に２本の金属バンドで締付固定して搭載している。

前記燃料電池搭載車両１は、図１に示すように、燃料電池６の運転時（発電時）に熱交換媒体であるクーラントを流して燃料電池の温度管理を行う熱交換システム１０を備えている。熱交換システム１０は、燃料電池６用の冷却系であるＨＴ系の冷却システムであり、燃料電池６に電池用熱交換部１１を燃料電池用配管の燃料電池用供給配管１２及び燃料電池用戻り配管１３により接続し、燃料電池用供給配管１２の途中に熱交換媒体であるクーラントを流すクーラントポンプ１４を備えている。
熱交換システム１０は、燃料電池６と電池用熱交換部１１との間に燃料電池用供給配管１２及び燃料電池用戻り配管１３を介してクーラントポンプ１４によりクーラントを流し、燃料電池６を冷却して昇温したクーラントを電池用熱交換部１１で放熱して冷却することで、燃料電池６の温度管理を行っている。
前記燃料タンク８には、燃料タンク８の温度を検出する燃料タンク温度検出手段である燃料タンク温度センサ１５を内部に設けている。前記燃料電池６には、クーラントの温度を検出するクーラント温度検出手段であるクーラント温度センサ１６を出口側に設けている。前記クーラントポンプ１４と、燃料タンク温度センサ１５と、クーラント温度センサ１６とは、燃料タンク温度管理装置１７を構成する制御装置１８に接続している。制御装置１８は、少なくとも燃料電池６の発電時にはこれら燃料タンク温度センサ１５及びクーラント温度センサ１６の検出温度に基づいて燃料電池６の熱交換システム１０のクーラントポンプ１４を駆動制御する。

この燃料タンク温度管理装置１７は、図５・図６に示すように、燃料タンク８周りに燃料タンク８と熱交換可能なタンク用熱交換部１９を設けている。タンク用熱交換部１９は、図６に示すように、燃料タンク８の上側の外壁２０表面にヒートシンク（Ｈｅａｔ Ｓｉｎｋ）２１を密着させ、ヒートシンク２１にコルゲート状（波状）に折曲した保持部材２２の内側を当接させ、この保持部材２２に熱交換用管２３を貫通して保持させ、保持部材２２の外側に熱交換用管２３を覆うように断熱層２４を設けている。熱交換用管２２は、図５に示すように、燃料タンク８の上側の外壁２０の表面に沿い、長手方向に折り返し往復しながら周方向に延びるように配設している。
前記熱交換システム１０のクーラントを燃料電池６に流す燃料電池用配管の燃料電池用戻り配管１３には、図１・図２に示すように、燃料電池６から電池用熱交換部１１に向かって順次に３方弁からなる第１制御弁２５・第２制御弁２６を設けている。第１制御弁２５は、第１タンク用配管２７により前記タンク用熱交換部１９の熱交換用管２３の入口側に接続している。第２制御弁２６は、第２タンク用配管２８により前記タンク用熱交換部１９の熱交換用管２３の出口側に接続している。第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８は、第１制御弁２５・第２制御弁２６の切り換えで、熱交換システム１０のクーラントを燃料電池用配管の燃料電池用戻り配管１３からタンク用熱交換部１９の熱交換用管２３に流す。

前記制御装置１８は、燃料タンク８の温度が高温または低温となる所定の時期に、第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えて熱交換システム１０のクーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９へ流す。
即ち、制御装置１８は、燃料タンク８に水素ガスを充填する際には、燃料タンク温度センサ１５及びクーラント温度センサ１６により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、上昇傾向を示す燃料タンク温度変化を抑制するよう第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えてクーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９に流す。
また、制御装置１８は、燃料電池６が発電する際には、燃料タンク温度センサ１５及びクーラント温度センサ１６により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、予め設定した燃料タンク温度の低下傾向を示す燃料タンク温度変化を抑制するよう第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えてクーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９に流す。
さらに、制御装置１８は、燃料タンク温度センサ１５及びクーラント温度センサ１６により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、クーラント温度が燃料電池６の運転効率が高い温度範囲にある場合に、予め設定した燃料タンク温度の上限値を上回る傾向を示す燃料タンク温度変化と、下限値を下回る傾向を示す燃料タンク温度変化とを、ともに抑制するよう第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えてクーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９に流す。
なお、制御装置１８は、双方向のデータ通信が可能な車両通信線２９を介して燃料電池搭載車両１に搭載された他の制御装置３０に接続されている。

次に作用を説明する。
燃料タンク温度管理装置１７の制御装置１８は、熱交換システム１０によって、燃料電池６と電池用熱交換部１１との間に燃料電池用供給配管１２及び燃料電池用戻り配管１３を介してクーラントポンプ１４によりクーラントを流し、燃料電池６を冷却して昇温したクーラントを電池用熱交換部１１で放熱して冷却することで、燃料電池６の温度管理を行っている。
このとき、第１制御弁２５・第２制御弁２６は、第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８を閉鎖して燃料電池用戻り配管１３を連通することで、図２に矢印Ａで示すように、クーラントを電池用熱交換部１１にだけ流してタンク用熱交換部１９に流さない。
制御装置１８は、燃料タンク８の温度が高温または低温となる所定の時期に、第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えて、図２に矢印Ｂで示すように、熱交換システム１０のクーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９へ流す。
これにより、燃料タンク温度管理装置１７は、燃料タンク８と燃料電池６の温度管理をするためのク−ラントとを熱交換することで、互いの温度変化を抑制できる。とくに、互いの温度変化が相反する条件下では、それぞれの効率（燃料電池６の駆動（発電）効率、燃料タンク８の充填効率・放出効率）を高めることができる。熱交換システム１０は、第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８の付加で経路が複雑化するが、タンク用熱交換部１９による新たな熱交換が可能になるので、電池用熱交換部１１やファンの駆動等のもとの構成部品を小型化できるので、重量増加を少なくできる。

前記燃料タンク８の温度が高温または低温となり、熱交換システム１０のクーラントをタンク用熱交換部１９へ流す時期には、充填時、アイドル・走行時がある。
燃料タンク８への水素ガスの充填時においては、図３に示すように、燃料電池６が発電を停止し、かつ熱交換システム１０のクーラントポンプ１４が停止しているので、クーラント温度は熱交換システム１０の停止から時間の経過とともに下降し、また、燃料タンク温度は水素ガスの充填開始から水素ガスの断熱圧縮により上昇する。
制御装置１８は、燃料タンク８への水素ガスの充填時に、クーラント温度が燃料タンク温度よりも低い場合（クーラント温度＜燃料タンク温度）に、上昇傾向を示す燃料タンク温度変化を抑制するよう、第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えて第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８を燃料電池用戻り配管１３に連通することで、図２に矢印Ｂで示すように、クーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８を介してタンク用熱交換部１９に流す。
タンク用熱交換部１９へのクーラントの供給開始は、図３に示すように、クーラント温度が燃料タンク温度よりも低くなったときであるが、燃料電池用戻り配管１３からタンク用熱交換部１９へクーラントが流入するまでの時間的な遅れを考慮して、クーラント温度が燃料タンク温度よりも低くなる少し前から開始することが好ましい。
これにより、燃料タンク温度管理装置１７は、水素ガスの充填時に、クーラントで燃料タンク８の温度変化を抑制することによって、充填効率が上がり、短時間で充填を完了することができる。燃料タンク８は、水素ガスの充填時に異常高温になり難いので、可燃性ガスの扱いもより安全になる。また、燃料タンク８との熱交換でクーラントの温度低下を抑制し、燃料タンク温度と同じ温度に保持することができる。

一方、アイドル・走行時においては、図４に示すように、燃料電池６の発電で熱交換システム１０が駆動しているのでクーラントの温度は上昇し、また、燃料タンク８の温度は水素ガスの消費による放出で断熱膨張により低下する。
制御装置１８は、燃料電池６が発電する際に、予め設定した燃料タンク温度（図４に実線で示す）の低下傾向を示す燃料タンク温度変化（図４に破線で示す）を抑制するよう、第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えて第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８を燃料電池用戻り配管１３に連通することで、図２に矢印Ｂで示すように、クーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９に流す。
これにより、燃料タンク温度管理装置１７は、燃料電池搭載車両１の高速走行時など、燃料タンク８が温度低下する状況でも、燃料タンク温度の低下を抑制することができる。また、燃料タンク温度管理装置１７は、燃料電池搭載車両１の高速走行時など、燃料電池６の発電量が多く、長時間継続する際のように、クーラント温度が高温になりやすい状況（図４に破線で示す）でも、燃料タンク８の温度低下を利用してクーラント温度変化（図４に実線で示す）を抑制し、最適な範囲に燃料電池６の温度管理をすることができる。
したがって、燃料タンク温度管理装置１７は、アイドル・走行時に、燃料タンク８とクーラントの両者を必要以上に温度変化させることなく、最適な範囲に温度管理することができる。熱交換システム１０は、電池用熱交換部１１を大型化したり、ファンの駆動頻度を高めたりせず、温度管理を行うことができる。

また、制御装置１８は、燃料タンク温度センサ１５及びクーラント温度センサ１６により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、クーラント温度が燃料電池６の運転効率が高い温度範囲にある場合に、予め設定した燃料タンク温度の上限値を上回る傾向を示す燃料タンク温度変化と、下限値を下回る傾向を示す燃料タンク温度変化とを、ともに抑制するよう、第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えてクーラントを第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８でタンク用熱交換部１９に流す。
これにより、燃料タンク温度管理装置１７は、燃料タンク８を所望の温度範囲に収めることと、燃料電池６の運転効率を高く維持することとを、両立させることができる。なお、実施例では、法規制によって決められた燃料タンク８の温度範囲を所望の温度範囲として採用しているが、より狭い範囲に制御することも可能であり、安全性を高めることができる。

このように、この燃料電池搭載車両１の燃料タンク温度管理装置１７は、燃料電池システムの燃料電池６及び水素供給システムの燃料タンク８の温度管理を、以下のように行っている。
燃料電池搭載車両１の燃料電池システムにおいては、燃料電池６が効率的に動く温度域が「５０〜８０℃」である。燃料電他６の温度を調整する冷却系（ＨＴ系）のクーラント温度もほぼこの値の範囲となる。また、水素供給システムは、法規制によって求められる燃料タンク８の取り得る温度範囲（許可温度範囲）が「−４０〜８５℃」の範囲なので、クーラント温度と燃料タンク８の温度の関係は次のようになる。
（１）．充填時：
燃料電池６のクーラント温度は、燃料電池６の駆動停止（発電停止）の後も停止時点の温度から急には下がらない。すなわち、およそ「５０〜８０℃」か、それよりやや低い温度である。一方、燃料タンク８は、充填開始時（あるいは充填前の時）には外気温度と同等であり、充填が進むにつれて温度が高くなる（図３参照）。
よって、『充填に因ってタンク温度が「−４０〜８５℃」の範囲の中でかなり高くなり、かつ、「５０〜８０℃」の範囲の中で比較的高い温度（理想的には、８０℃よりやや低い温度）であるクーラント温度が、相対的に燃料タンク温度より低くなる。』条件で、あるいは、『充填に因ってタンク温度が「−４０〜８５℃」の範囲の中でかなり低くなり、かつ、クーラント温度が、「５０〜８０℃」の範囲の中で比較的高い温度（理想的には、８０℃よりやや低い温度）である。』条件で、燃料タンク８とクーラントを熱交換することで、熱交換による充填効率向上、充填時間の短縮効果がある。燃料電池６のクーラント温度が「５０〜８０℃」の範囲を超えてしまう場合には、熱交換を止めてしまって、「５０〜８０℃」の範囲に収めるのが好ましい制御となる。
（２）．アイドル・走行時：
通常運転時、常温（外気温度と同じ）の燃料タンク８は、水素ガスを消費することで、温度が徐々に低下していく。燃料電池６が高負荷（高発電量）で使われると、燃料タンク８内の水素ガスの消費量が増大する。このため、消費による水素ガスの放出で断熱膨張が継続されることによって、燃料タンク温度は常温より徐々に低下する一方、燃料電池６では発電に伴う発熱量が増大するため、燃料電池６の温度を調整するクーラント温度は高温（８０℃など）になる（図４参照）。
それ故、温度変化が互いに相反する関係にあるクーラントと燃料タンク８は、互いの温度差が大きくなり易く、熱交換することによってそれぞれの温度変化を鈍化させたり、いずれかの温度を望ましい範囲（クーラント温度は「５０〜８０℃」の範囲、燃料タンク温度は「−４０〜８５℃」の範囲）に維持することによって、燃料電池６の運転効率を高めたり、水素ガスによる継続運転時間を長くしたりする効果がある。高速走行中や長時間にわたる走行中では、燃料電池６やクーラントの温度は高くなる。また、走行中における停車時のように燃料電池６の発電状態が極めて低い負荷（アイドル運転）である場合であっても、その状態が短時間であれば、燃料電池６やクーラントの温度は高いままである。

充填時には、燃料電池６の発電駆動は停止しているが、燃料電池システムの制御システムとしては電源の入った起動状態（スタンバイ状態）としてある。そのため、燃料タンク温度管理装置１７は、燃料タンク温度センサ１５及びクーラント温度センサ１６それぞれの出力を得たり、クーラントを循環するクーラントポンプ１４を駆動したりすることが可能となっている。したがって、水素ガスの充填中に燃料タンク８の温度が高くなった場合には、その時にクーラントを供給することができる。
燃料タンク温度管理装置１７は、燃料タンク８の温度変化として、燃料タンク温度センサ１５が随時検出した中で任意の時点の温度によって判断している。燃料タンク８の温度変化は、比較的緩慢な変化勾配を有し、それを予め実験等の経験的に把握できるので、単一の時点のデータから判断しても、必要充分な精度を達成できる。また、経過時間の間の温度変化をモニタし、温度と温度の変化勾配を考慮することで、より正確なタイミングで判断および制御ができる。
燃料タンク６の周囲に設けるタンク用熱交換部１９（大気との熱交換を行う燃料電池用熱交換部１１を第一の熱交換部とすれば、第二の熱交換部となる）は、図５に示すように、分岐の無い単管を曲げ加工した熱交換用管２３を、燃料タンク８の上側の表面を網羅するよう蛇行させて配設し、通路長を長くすることによって、熱伝導面積を広く確保するようにしている。これにより、タンク用熱交換部１９は、ＨＴ系のクーラントに極めて重要となる破損防止やシール性確保を実現している。なお、タンク用熱交換部１９は、熱伝導を助長するフィンなどを設けたり、熱容量をためるヒートシンクとしても良い。
充填時における燃料タンク温度上昇の要因である「断熱圧縮」とは、概してみた状態であり、厳密には、充填時の燃料タンク内部では、入り口付近では膨張が起きているが、それより奥では徐々に加圧圧縮しており、全体としてみれば断熱圧縮となる。
クーラント温度は、燃料電池６から流出するクーラントの温度を用いると、温度管理がし易く、本制御の精度も高くなる。しかし、クーラント温度を検出するクーラント温度センサ１６の数や位置も限られることから、燃料電池６に流人するクーラントの温度を用いる場合には、燃料電池６の駆動負荷を考慮して経験上から得られる上昇温度を加味して、制御を行うこともできる。
燃料タンク温度は、充填中のように、燃料タンク内でも入り口側と内奥部とでは温度が異なる状態があるので、燃料タンク内部の温度か、燃料タンク自体の温度が好ましい。

水素ガスを充填・放出可能な燃料タンク８は、図５〜図７に示すように、長手方向を車幅方向に沿わせて、車両後下部に搭載している。燃料タンク８は、燃料電池搭載車両１の前部のフロア２よりも上方に高くなったリヤフロア３の下方空間に収容してあり、複数ある燃料タンク８の一方の燃料タンク８ａは後部座席の下方に位置し、他方の燃料タンク８ｂは荷室の下方に位置して搭載している。
この燃料タンク８の配設位置において、燃料タンク８は概略ラダー形状を呈するサブフレーム９に搭載して車体のフレームに着脱可能に取り付けられる。リヤフロア３の下面に臨む燃料タンク８は、表面を薄肉のバンド状保持部材にて保持してサブフレーム９に固定するため、燃料タンク８とリヤフロア３に囲まれた空間を小さくでき、タンク用熱交換部１９を表面上に敷設しても、なお高さ方向寸法を小さくできる。
燃料電池６の温度を調整する冷却系（ＨＴ系）の熱交換システム１０では、駆動モータ等の補機を冷却する冷却系（ＬＴ系）と比べて温度が高いだけでなく、クーラントに不純物が入ることを避けなければならず、電池用熱交換部１１においても損傷をできるだけ避けなければならない。燃料タンク８との熱交換を行うタンク用熱交換部１９は、熱交換用管２３を燃料タンク８の上側半面に対して敷設しているため、路面上の異物などとの接触の可能性を下げている。なお、燃料タンク８およびサブフレーム９の下方には、広範囲に広がるアンダーカバーを設け、それらを覆うようにしている。
タンク用熱交換部１９では、燃料タンク８の内部容量ではなく金属製燃料タンク構造体の体積を蓄熱体として利用でき、燃料タンク８の外壁２０内表面では燃料ガスである水素ガスとの熱交換を行い、外壁２０外表面では外気の雰囲気との熱交換を行う。リヤフロア３との距離は小さく、省スペースである。

燃料タンク温度管理装置１７は、燃料電池６の温度を調整する冷却系（ＨＴ系）である熱交換システム１０を利用しているが、これを燃料電池６の温度調節システムとしてさらに機能を向上するよう発展させることができる。燃料タンク８でのタンク用熱交換部１９では、発熱体である燃料電池６内を通過した後の温度上昇されたクーラントの熱を利用している。
すなわち、燃料タンク温度管理装置１７は、図１・図２に示すように、大気への放熱によってＨＴ系のクーラント冷却を担う電池用熱交換部１１を通過する前の、高温のクーラントの熱を利用することによって、燃料電池６直前のクーラントの温度への影響を少なく抑えることができる。この燃料タンク温度管理装置１７は、電池用熱交換部１１の放熱容量を増やすことなく、燃料タンク８のタンク用熱交換部１９で熱エネルギを消費することによって、ＨＴ系のクーラントの最低温度（冷却後温度）を下げることができ、燃料電池６の運転負荷を増大させる余裕を生むことができる。
燃料タンク温度管理装置１７は、発熱体である燃料電池６から出てＨＴ系の電池用熱交換部１１に至る燃料電池用配管である燃料電池用戻り配管１３の途中位置において、燃料タンク８のタンク用熱交換部１９を備える別配管の第１タンク用配管２７・第２タンク用配管２８を連結し、連結部分に三方弁からなる第１制御弁２５・第２制御弁２６を設けている。燃料タンク温度管理装置１７は、この三方弁からなる第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えて、燃料タンク８のタンク用熱交換部１９を燃料電池用戻り配管１３に介在させたり、燃料電池用戻り配管１３を短絡させたりを、択一的に選択して切り換えている。
燃料タンク温度管理装置１７は、この切換配分を、時間比率の変更などによって切り換えることで、ある程度、ＨＴ系の熱交換システム１０全体の温度をコントロールできる。さらに、分岐させ合流させるようにした場合は、第１制御弁２５・第２制御弁２６の切換制御の頻度を下げつつ、よりＨＴ系の熱交換システム１０の温度変化を細かく変えることができる。燃料電池６のクーラントの温度が、最適範囲より低下することがないように、三方弁からなる第１制御弁２５・第２制御弁２６を切り換えれば、燃料電池６の駆動効率も高く維持できる。

この発明は、燃料タンクとクーラントとの熱交換を利用して、燃料電池の駆動（発電）効率や燃料タンクの充填効率・放出効率を高い範囲に維持するようにするものであり、燃料電池システム及び水素供給システムに適用可能である。

１ 燃料電池搭載車両
６ 燃料電池
８ 燃料タンク
１０ 熱交換システム
１１ 電池用熱交換部
１２ 燃料電池用供給配管
１３ 燃料電池用戻り配管
１４ クーラントポンプ
１５ 燃料タンク温度センサ
１６ クーラント温度センサ
１７ 燃料タンク温度管理装置
１８ 制御手段
１９ タンク用熱交換部
２３ 熱交換用管
２５ 第１制御弁
２６ 第２制御弁
２７ 第１タンク用配管
２８ 第２タンク用配管

Claims (4)

1. 水素ガスを充填・放出可能な燃料タンクと、
   水素ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池と、
   この燃料電池の運転時には熱交換媒体であるクーラントを流して燃料電池の温度管理を行う熱交換システムと、
   前記燃料タンクの温度を検出する燃料タンク温度検出手段と、
   前記クーラントの温度を検出するクーラント温度検出手段を備え、
   少なくとも前記燃料電池の発電時にはこれら燃料タンク温度検出手段及びクーラント温度検出手段の検出温度に基づいて燃料電池の熱交換システムを駆動制御する制御装置を備えた燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置において、
   前記燃料タンク周りに燃料タンクと熱交換可能なタンク用熱交換部を設け、
   前記熱交換システムのクーラントを前記燃料電池に流す燃料電池用配管に制御弁を設けるとともに、この制御弁の切り換えで熱交換システムのクーラントを燃料電池用配管から前記タンク用熱交換部に流すタンク用配管を設け、
   前記制御装置は、燃料タンクの温度が高温または低温となる所定の時期に前記制御弁を切り換えて熱交換システムのクーラントをタンク用配管でタンク用熱交換部へ流すことを特徴とする燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置。
2. 前記制御装置は、燃料タンクに水素ガスを充填する際には、燃料タンク温度検出手段及びクーラント温度検出手段により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、
   上昇傾向を示す燃料タンク温度変化を抑制するよう制御弁を切り換えてクーラントをタンク用配管でタンク用熱交換部に流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置。
3. 前記制御装置は、燃料電池が発電する際には、燃料タンク温度検出手段及びクーラント温度検出手段により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、
   予め設定した燃料タンク温度の低下傾向を示す燃料タンク温度変化を抑制するよう制御弁を切り換えてクーラントをタンク用配管でタンク用熱交換部に流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置。
4. 前記制御装置は、燃料タンク温度検出手段及びクーラント温度検出手段により燃料タンク温度及びクーラント温度を検出し、
   クーラント温度が燃料電池の運転効率が高い温度範囲にある場合に、予め設定した燃料タンク温度の上限値を上回る傾向を示す燃料タンク温度変化と、下限値を下回る傾向を示す燃料タンク温度変化とを、ともに抑制するよう制御弁を切り換えてクーラントをタンク用配管でタンク用熱交換部に流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両の燃料タンク温度管理装置。

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