专利名称：氢燃料汽车的氢罐冷却装置、氢罐冷却方法以及氢燃料汽车的制作方法
技术领域：
本发明涉及氢燃料汽车的氢罐冷却装置、氢罐冷却方法以及氢燃料汽车。详细地讲，本发明涉及在搭载有内装有氢吸藏材料的氢罐、和制冷装置的氢燃料汽车中、与以往相比能够在较短时间中将氢填充到氢罐中的技术。
背景技术：
近年来，抑制地球温暖化的意识提高，特别是以降低从车辆排出的二氧化碳为目的，燃料电池电动汽车及氢发动机汽车等、以氢为燃料的氢燃料汽车的开发在积极地开展。氢燃料汽车一般搭载填充有氢气的氢罐作为氢供给源。
作为氢的储存及输送的方法，着眼于在某个温度及压力的条件下吸藏氢而成为氢化物、在需要时在另一个温度及压力的条件下释放氢的所谓的“氢吸藏合金”的金属的使用。使用氢吸藏合金的氢罐由于能够通过相同的容积储存更多的氢，所以受到关注。
氢气向氢罐的填充是通过相当于汽油站或LP气体站的称作氢站的设备进行的。例如，氢站具备由多条高压储气瓶构成的氢主容器、和将从氢主容器供给的氢填充到车辆的氢罐中的分配器(填充机)。并且，在将设于分配器的软管的前端上的连接器连结在上述氢罐的填充口上的状态下，通过氢主容器与氢罐的压力差将氢气填充到氢罐中。
在将氢气填充到氢罐中时，由于氢罐内的温度变高，所以如果不一边将氢罐冷却一边填充氢气，则填充要花费时间。此外，在使氢吸藏在氢吸藏合金中而提高氢的填充量的情况下，由于氢吸藏合金的氢吸藏反应是放热反应，所以如果不进行冷却则氢吸藏反应不能顺利地进行。
在搭载有内置氢吸藏合金的氢罐的燃料电池汽车中，考虑使用将燃料电池冷却后的热媒体作为用来在从氢吸藏合金释放氢时将氢吸藏合金加热的热媒体、并且使用相同的热媒体也作为用来在使氢吸藏在氢吸藏合金中时将氢吸藏合金冷却的热媒体的系统。在该系统中，热媒体的冷却是通过装备在燃料电池汽车中的散热器进行冷却。并且，在燃料电池的运转时通过将燃料电池冷却后的热媒体将氢吸藏合金加热而顺利地进行氢的释放，在氢向氢罐填充时，停止燃料电池的运转，将由散热器冷却后的热媒体不用于燃料电池的冷却，而用于氢吸藏合金的冷却。在此情况下，在燃料电池的运转时，能够顺利地进行热媒体的燃料电池的冷却及氢吸藏合金的加热。
但是，在使氢吸藏到氢吸藏合金中的情况下，即在氢向氢罐填充时，如果想要在短时间(例如5分钟以内)以高压(例如35MPa)填充大量(例如5kg)的氢，则通过一般的车载用的散热器及风扇，从氢吸藏合金的放热及气体压缩热的外部释放能力不足。
在氢燃料汽车中，也与以内燃机作为发动机的汽车同样，装备有空调装置或制冷装置的比例较多。特许文献1公开了具备具有将压缩的冷媒气体凝缩的冷凝器及将膨胀的冷媒液蒸发的蒸发器的制冷装置、和设在内置氢吸藏合金的罐内而形成热冷媒流路的一部分的热交换装置的氢燃料汽车。上述热交换装置具有配设在内置氢吸藏合金的罐内的第1热交换器、和配设在由上述制冷装置冷却的被冷却空气的通路以及将制冷装置的冷凝器冷却的冷却空气的通路的至少一个中的第2热交换器。该氢燃料汽车设有与制冷装置独立的热交换装置，伴随着来自氢吸藏合金的氢释放的氢吸藏合金的冷热通过第1热交换器传递给热交换装置的冷媒，被传递给该冷媒的冷热通过第2热交换器传递给制冷装置的被冷却空气或将制冷装置的冷凝器冷却的空气。即，通过利用氢吸藏合金的冷热，减少了制冷装置的能量消耗。
此外，特许文献2公开了具备热媒体循环系统、将该热媒体冷却的冷却部、和将该热媒体加热的加热部的车载用氢吸藏合金系统。热媒体循环系统使热媒体对搭载在车辆中的氢吸藏合金循环而在该热媒体与上述氢吸藏合金之间进行热交换。该车载用氢吸藏合金系统分别在将氢填充到上述氢吸藏合金中时使上述冷却部、在使氢从上述氢吸藏合金释放时使上述加热部有选择地动作。
在使一般的车载用的散热器及风扇(例如冷却水流量60L/min，风速最大2m/s)动作的状态下、在外气温度30℃下将氢填充到氢罐中的情况下，在氢罐从空的状态开始经过5分钟时，只能填充满罐氢量的约85％(4.25kg)。为了在5分钟将95％(4.75kg)以上的氢填充到氢罐中，需要使风扇风速为6m/s以上。但是，在将能输出该风速的风扇搭载在燃料电池汽车中的情况下，需要较大的设置空间，并且是将除了氢填充时以外能力过剩的风扇装备到了燃料电池汽车中。
在特许文献1中，记载了将伴随着从内置氢吸藏合金的罐内的氢吸藏合金的氢释放的氢吸藏合金的冷热用于将制冷装置的被冷却空气或冷却制冷装置的冷凝器的空气冷却的技术。但是，在特许文献1中，关于在短时间内对内置氢吸藏合金的罐进行氢填充则没有任何记载。
特许文献2的目的是能够在将氢吸藏合金搭载在车辆中的状态(车载的状态)下进行氢的填充。但是，特许文献2关于与使用车载的散热器及风扇将氢罐冷却的情况相比在短时间内进行氢的填充的本申请的目的则并没有任何记载。
特许文献1特开平7-186711号公报特许文献2特开2000-88196号公报发明内容本发明的目的是提供一种在氢填充时与使用车载的散热器及风扇将氢罐冷却的情况相比能够缩短氢填充时间的氢燃料汽车中的氢罐冷却装置。进而，本发明提供氢罐冷却方法及氢燃料汽车。
为了达到上述目的，本发明提供一种氢燃料汽车中的氢罐冷却装置。上述氢燃料汽车包含收容氢吸藏材料并内置热交换器的氢罐。上述热交换器包含热媒体流动的热媒管。驱动部使用从上述氢罐供给的氢作为燃料，来驱动车辆。上述氢燃料汽车具备热媒流路，流动有能够与上述驱动部进行热交换、并且能够供给到上述热媒管中的热媒体；散热器，用来将流过上述热媒流路的热媒体冷却；制冷装置，具有将冷媒气体压缩的压缩机、将压缩的冷媒气体凝缩的冷凝器、使膨胀的冷媒液蒸发的蒸发器、以及冷媒循环回路。在上述冷媒循环回路中设有上述压缩机、冷凝器及蒸发器。上述氢燃料汽车具备从上述冷媒循环回路分支、以使膨胀的冷媒液绕过上述蒸发器而被吸入到上述压缩机中的旁通流路。切换部能够切换为上述冷媒液经过上述蒸发器被吸入到上述压缩机中的状态、和在上述蒸发器中迂回而在上述旁通流路中流动的状态。氢吸藏材料冷却部使用在上述旁通流路中流动的冷媒液将上述氢吸藏材料冷却。
本发明还提供一种向搭载在氢燃料汽车中的氢罐填充氢时的氢罐冷却方法。上述氢燃料汽车具备流动有用来将上述氢罐冷却的热媒体的热媒流路、将流到上述热媒流路中的热媒体冷却的散热器、和制冷装置。上述冷却方法具备在向上述氢罐填充氢时、为了对上述散热器吹风而驱动风扇并驱动上述制冷装置的步骤；使用上述制冷装置的冷媒来辅助上述氢罐的冷却的步骤。
本发明还提供一种氢燃料汽车。该氢燃料汽车具备氢罐，收容氢吸藏材料并内置热交换器，上述热交换器包含热媒体流动的热媒管；驱动部，使用从上述氢罐供给的氢作为燃料，来驱动车辆；热媒流路，流动有能够与上述驱动部进行热交换、并且能够供给到上述热媒管中的热媒体；散热器，用来将流过上述热媒流路的热媒体冷却。制冷装置具有将冷媒气体压缩的压缩机、将压缩的冷媒气体凝缩的冷凝器、使膨胀的冷媒液蒸发的蒸发器、以及冷媒循环回路。在上述冷媒循环回路中设有上述压缩机、冷凝器及蒸发器。旁通流路从上述冷媒循环回路分支，以使膨胀的冷媒液绕过上述蒸发器而被吸入到上述压缩机中。切换部能够切换为上述冷媒液经过上述蒸发器被吸入到上述压缩机中的状态、和在上述蒸发器中迂回而在上述旁通流路中流动的状态。氢吸藏材料冷却部使用在上述旁通流路中流动的冷媒液将上述氢吸藏材料冷却。
图1是表示将本发明具体化的第1实施方式的热媒体及制冷装置的冷媒的流通路径的示意图。
图2是氢燃料汽车与氢站的概略结构图。
图3是表示本发明的第2实施方式的氢罐的结构的示意图。
图4A是表示本发明的另一实施方式的热交换部及冷媒管的示意立体图。
图4B是图4A的部分剖视图。
图5A是本发明的又另一实施方式的热交换器的示意图。
图5B是本发明的又另一实施方式的热交换器的示意图。
具体实施例方式
以下，说明将本发明具体化的第1实施方式。
如图2所示，氢燃料汽车11具备车辆驱动用的作为氢燃料驱动部的燃料电池12、两个氢罐13、散热器14、和制冷装置15。燃料电池12、氢罐13及散热器14经由能够将冷却燃料电池12的热媒体向氢罐13供给的热媒流路16连结。氢罐13连结在具备氢填充口17a的配管17上。能够从配管17向各氢罐13进行氢气的填充。
此外，氢燃料汽车11构成为，由氢站51对氢罐13进行氢气的填充。氢站51具备储存氢气的储气设备52、和将从储气设备52供给的氢气填充到氢燃料汽车11的氢罐13中的分配器(填充机)53。另外，在图2中，氢燃料汽车11、储气设备52、分配器53等的大小的比例与实际的比例不同。
氢站51的储气设备52由通过配管54b连结了多个以规定压力填充有氢气的储气瓶54a的氢气主容器构成。在图2中为了方便而图示了3个储气瓶54a，但实际上储气瓶54a的个数是例如10个以上。在各储气瓶54a中，在满填充状态下以规定压力(例如44MPa)填充有氢气。分配器53是具备在前端具有连接器55的软管56、并且装备有未图示的质量流量计、流量调节阀、开闭阀等、将从氢主容器供给的氢气经由软管56填充的公知的结构。分配器53将连接器55连结在向氢罐13的氢填充口17a上，进行氢的填充。
接着，按照图1详细地说明燃料电池系统。
燃料电池12由例如固体高分子型的燃料电池构成，使从氢罐13供给的氢与从空气压缩机18供给的空气中的氧反应而产生直流的电能(直流电力)。为了在正常运转时能够将燃料电池12冷却，上述热媒流路16的一部分作为第1热交换部16a配置在燃料电池12内。
氢罐13具备罐主体19、内部收容有作为氢吸藏材料的氢吸藏合金MH的氢吸藏用单元20、和在罐主体19内支撑氢吸藏用单元20的支撑体21。此外，在氢罐13内，作为在与氢吸藏合金MH之间进行热交换的热媒体的流路，上述热媒流路16的一部分作为第2热交换部16b配置。在该实施方式中，作为热媒体而使用LLC(长效冷却液)。在第2热交换部16b的周围设有用来提高与氢吸藏合金MH之间的热交换的效率的多个翅片22。作为氢吸藏合金MH使用公知的物质。由第2热交换部16b及翅片22构成热交换器，第2热交换部16b构成该热交换器的热媒管。
各氢罐13经由配管23连结在燃料电池12的氢供给端口(未图示)上，对燃料电池12供给氢。氢罐13在满填充状态下以规定压力(例如约35MPa)的高压储存氢，通过未图示的减压阀将压力减压而以一定的压力(例如0.3MPa左右)供给到燃料电池12中。各氢罐13连结在具备氢填充口17a的配管17上，能够从配管17对多个氢罐13同时进行氢气的填充。
空气压缩机18经由配管24连结到燃料电池12的氧供给口(未图示)，对燃料电池12供给压缩空气。空气压缩机18将由未图示的空气清洁器除去了灰尘等的空气压缩，向配管24排出。
散热器14具备在马达25的作用下旋转的风扇26。通过风扇26的送风，高效地进行从散热器14的放热。
在第1热交换部16a的入口及散热器14的出口的中间设有第1电磁三通阀28。热媒流路16包含从第1电磁三通阀28连结到散热器14的入口的正流部分16c。第1电磁三通阀28构成为，能够切换为将从散热器14流出的热媒体供给到燃料电池12的第1热交换部16a的入口的状态、和不将从散热器14流出的热媒体供给到第1热交换部16a而使其流过正流部分16c的状态。在正流部分16c上，设有与氢罐13相同数量的第2电磁三通阀29。第1热交换部16a的出口在比所有的第2电磁三通阀29靠上游处连结在正流部分16c上。此外，在正流部分16c中，在比所有的第2电磁三通阀29靠下游处设有泵27。泵27将热媒流路16内的热媒体向散热器14的入口输送。
各氢罐13的第2热交换部16b的入口经由第2电磁三通阀29连结在正流部分16c上。此外，各第2热交换部16b的出口在比对应于该第2热交换部16b的第2电磁三通阀29靠下游处，连结在正流部分16c上。各第2电磁三通阀29构成为，能够切换为使流过正流部分16c的热媒体仅能够向对应于该第2电磁三通阀29的第2热交换部16b的入口通过的第1状态、和使流过正流部分16c的热媒体不能向第2热交换部16b的入口而仅能够向正流部分16c的下游通过的第2状态。在正流部分16c的散热器14的入口附近，设有检测流入到散热器14中的热媒体的温度的温度传感器30。
上述空气压缩机18、马达25、泵27、第1电磁三通阀28及第2电磁三通阀29根据来自控制装置31的指令而运转或被切换控制。泵27能够根据来自控制装置31的指令信号而驱动、停止及流量变更。在控制装置31中被输入温度传感器30的检测信号、检测燃料电池12的温度的温度传感器(未图示)的检测信号、和检测氢罐13内的压力的压力传感器(未图示)的信号。控制装置31根据向氢罐13进行氢填充时的温度传感器30的检测信号，对制冷装置用控制装置输出冷媒压缩机33的容量变更的指令信号。即，控制装置31也作为对应于在热媒流路16中流动的热媒体的温度来控制冷媒压缩机33的容量的控制部发挥功能。
制冷装置15以氟隆为冷媒。在制冷装置15的冷媒循环回路32中，设有压缩冷媒气体的冷媒压缩机33、将压缩后的冷媒气体凝缩的冷凝器34、膨胀阀35、和使膨胀的冷媒液蒸发的蒸发器36。冷凝器34将从冷媒压缩机33排出的高压高温的冷媒气体通过风扇37冷却而成为高压的液冷媒。膨胀阀35使高压的液冷媒成为低压的雾状的冷媒。蒸发器36使雾状的冷媒蒸发，将由风扇38输送的空气通过冷媒的蒸发潜热冷却。冷媒压缩机33构成为，能够根据来自制冷装置用控制装置的指令而变更容量、即制冷能力。制冷装置15可以使用车载用的公知的结构。制冷装置用控制装置构成为，也能够根据来自控制装置31的指令来调节冷媒压缩机33的容量。
从制冷装置15的冷媒循环回路32分支出使膨胀的冷媒液成为绕过蒸发器36而被吸入到冷媒压缩机33中的状态的旁通流路39。在旁通流路39的膨胀阀35附近的分支部处，设有作为切换部的第3电磁三通阀40。第3电磁三通阀40构成为，能够切换为将通过膨胀阀35的冷媒液经过蒸发器36吸入到冷媒压缩机33中的状态、和绕过蒸发器36而流过旁通流路39的状态。第3电磁三通阀40根据来自控制装置31的指令信号而被切换控制。
在正流部分16c的、比与第1热交换部16a的出口的连结部靠下游、且比最上游的第2电磁三通阀29靠上游的部位处，设有热交换器41。热交换器41在流过旁通流路39的冷媒液与流过热媒流路16的热媒体之间进行热交换。旁通流路39的一部分配设为，通过热交换器41内并在热交换器41内以螺旋状卷绕在热媒流路16上。热交换器41构成通过流过旁通流路39的冷媒液将氢吸藏合金MH冷却的氢吸藏材料冷却部。在本实施方式中，流过旁通流路39的冷媒液经由流过热媒流路16的热媒体间接地将氢吸藏合金MH冷却。
另外，氢燃料汽车11具备在如氢向氢罐13填充时那样不能使用燃料电池12等时对制冷装置15及马达25等供给电力、或将由燃料电池12发电的剩余的电力充电的未图示的二次电池。
接着，说明如上述那样构成的装置的作用。
燃料电池12在环境温度为燃料电池12的可发电的预先设定的温度(设定温度)以上的情况下进行通常运转。控制装置31根据计测环境温度的温度传感器(未图示)的检测信号，如果环境温度为上述设定温度以上则从启动时开始通常运转，在环境温度不到设定温度的情况下进行热机后转移到通常运转。在通常运转时，从氢罐13将氢供给到燃料电池12的阳极。此外，驱动空气压缩机18，将空气加压为规定的压力，供给到燃料电池12的阴极。
此外，固体高分子型燃料电池在80℃左右高效地进行发电，但由于氢与氧的化学反应是放热反应，所以如果在燃料电池12中继续发电，则因反应热而燃料电池12的温度上升到比80℃左右的适合温度还高。为了防止该温度上升，使由散热器14冷却后的热媒体循环到热媒流路16内中。此外，由于从氢吸藏合金MH的氢的释放是吸热反应，所以为了顺利地进行反应而需要将氢吸藏合金MH加热。由此，在热媒体将发电中的燃料电池12冷却而变热后，将氢吸藏合金MH加热而从氢罐13释放氢。
控制装置31在燃料电池12的运转时将第1电磁三通阀28保持为将热媒体向第1热交换部16a的入口供给的状态，并且根据检测氢罐13的压力的压力传感器的检测信号而切换控制第2电磁三通阀29。控制装置31如果任一个氢罐13内的压力成为预先设定的第1设定压力以下，则输出将第2电磁三通阀29切换为热媒体加热该氢罐13的状态、即热媒体在对应的第2热交换部16b中流动的状态的指令信号。此外，控制装置31如果氢罐13内的压力成为预先设定的第2设定压力以上，则输出将第2电磁三通阀29切换为热媒体不在该氢罐13内流动的状态的指令信号。
控制装置31在所有的氢罐13中即使将热媒体的加热持续了预先设定的规定时间也没有成为达到第1设定压力的状态的时刻，判断为需要将氢填充到氢罐13中。并且，控制装置31驱动报告部(例如灯等的显示部)。
在将氢气填充(储存)到氢罐13中时(氢填充时)，即在使氢气吸藏到氢吸藏合金MH中的情况下，使氢燃料汽车11停车到氢站51。控制装置31在氢填充时，将切换为不将热媒体供给到燃料电池12的第1热交换部16a中而在正流部分16c中流动的状态的指令信号输出给第1电磁三通阀28，对各第2电磁三通阀29输出切换为将热媒体向氢罐13的第2热交换部16b供给的状态的指令信号。因而，由散热器14冷却的热媒体成为不经过燃料电池12的第1热交换部16a而被供给到氢罐13的第2热交换部16b中的状态。此外，控制装置31对制冷装置15的第3电磁三通阀40输出切换为将冷媒液经过旁通流路39向冷媒压缩机33供给的状态的指令信号。由此，第3电磁三通阀40成为将冷媒液经过旁通流路39向冷媒压缩机33供给的状态。
因而，在将氢填充到氢罐13中时，流过热媒流路16的热媒体成为被散热器14冷却、并且在热交换器41中也被冷却的状态。并且，将分配器53的连接器55连结在氢填充口17a上，将来自氢站51的氢填充到氢罐13中。
从氢主容器供给到氢罐13内的氢气与氢吸藏合金MH反应而成为氢化物，被吸藏在氢吸藏合金MH中。由于氢的吸藏反应是放热反应，所以如果不将在氢的吸藏反应中产生的热除去则不能顺利进行进一步的吸藏反应。但是，在本实施方式中，流过热媒流路16的热媒体不仅由散热器14冷却，在热交换器41中也被冷却。这是因为，在氢向氢罐13填充时，因通过膨胀阀35而成为低温雾状的冷媒成为不供给到蒸发器36中而流过旁通流路39的状态，在热交换器41中通过液冷媒与热媒体的热交换而液冷媒蒸发时，通过从周围吸取蒸发潜热而将热媒体冷却。因而，热媒体不流过燃料电池12的第1热交换部16a而从正流部分16c通过第2热交换部16b，在氢罐13与散热器14之间循环，并且在散热器14及热交换器41的两者中被冷却。通过这样被冷却的热媒体将氢吸藏合金MH的放热除去，顺利地进行氢的吸藏反应。结果，在例如外气温度30℃、热媒体的流速60L/min的条件下，能够向氢罐13中从空的状态开始在5分钟内填充满罐(填充量5kg)的95％(4.75kg)以上的氢。
此外，控制装置31对应于在热媒流路16中流动的热媒体的温度而控制制冷装置15的冷媒压缩机33的容量。控制装置31根据存储在未图示的存储器中的数据、温度传感器30的输出信号求出冷媒压缩机33的适当的容量，对制冷装置用控制装置输出指令信号，以通过该求出的容量驱动冷媒压缩机33。并且，制冷装置用控制装置在氢填充时根据来自控制装置31的指令信号控制冷媒压缩机33的容量，进行冷媒压缩机33的运转。
在将氢罐13冷却的情况下，如果从氢向该氢罐13填充开始时使冷媒压缩机33以一定容量运转，通过流过旁通流路39的冷媒液将热媒流路16中的热媒体冷却，则冷媒压缩机33的控制变得简单。但是，为了通过热交换器41将热媒体冷却所需要的每单位时间的冷媒液量根据热媒体的温度而合适量不同。因而，在使冷媒压缩机33的容量为一定而在短时间内进行氢填充的情况下，冷媒压缩机33以与热媒体的温度为最大时相匹配的容量被驱动，直到氢填充结束，所以在热媒体的温度较低时(热负荷较低时)会消耗无用的能量。但是，在本实施方式中，由于冷媒压缩机33配合热负荷调节容量而被驱动，所以与冷媒压缩机33的容量为一定的情况相比，即使是相同的氢填充期间也能够减少能量消耗量。
本实施方式具有以下的优点。
(1)氢燃料汽车11的氢罐冷却装置构成为，在燃料电池12的冷却中使用的热媒体、与在氢罐13的氢吸藏合金MH的冷却用或加热用中使用的热媒体都在共用的热媒流路16中流动。氢罐冷却装置具备用来将在热媒流路16中流动的热媒体冷却的散热器14。此外，氢罐冷却装置具备从车载用的制冷装置15的冷媒循环回路32分支的旁通流路39。旁通流路39使膨胀的冷媒液成为绕过蒸发器36而被吸入到冷媒压缩机33中的状态。氢罐冷却装置具备通过流过旁通流路39的冷媒液将氢吸藏合金MH冷却的氢吸藏材料冷却部。因而，与仅通过车载的散热器14将氢吸藏合金MH冷却的情况相比，能够在短时间内对氢罐13进行氢填充。
(2)作为氢吸藏材料冷却部发挥功能的散热器14并不是通过在从制冷装置15的冷媒循环回路32分支的旁通流路39中流动的冷媒液直接冷却氢吸藏合金MH。热交换器41在氢罐13之外用流过旁通流路39的冷媒液将在热媒流路16中流动的热媒体冷却，通过该冷却后的热媒体间接地冷却氢吸藏合金MH。并且，旁通流路39构成设在热媒流路16的中途的热交换器41的一部分。因而，通过不变更氢罐13的构造而将在流过旁通流路39的冷媒液与流到热媒流路16中的热媒体之间进行热交换的热交换器41设在热媒流路16的中途，能够容易地实现氢吸藏材料冷却部。
(3)冷媒压缩机33可变容量地构成。氢罐冷却装置具备对应于在热媒流路16中流动的热媒体的温度来控制冷媒压缩机33的容量的控制装置31。因而，冷媒压缩机33的容量与热负荷配合地调节容量而控制，所以与冷媒压缩机33的容量为一定的情况相比，即使向氢罐13中填充氢的时间相同，也能够减少能量消耗量。
(4)在热媒流路16中设有第1电磁三通阀28。第1电磁三通阀28能够切换成热媒体在燃料电池12的第1热交换部16a中流动的状态、不供给到第1热交换部16a中而流过正流部分16c的状态、即不经过第1热交换部16a而流到氢罐13的第2热交换部16b中的状态。并且，在氢填充时，在热媒体不经过燃料电池12的第1热交换部16a而流过氢罐13第2热交换部16b的状态下，通过散热器14及热交换器41将热媒体冷却。因而，即使在从使用燃料电池12的状态马上对氢罐13进行氢填充的情况下，也能够直接切换为热媒体不经过燃料电池12而在散热器14、正流部分16c及氢罐13中循环的状态。由此，能够避免通过燃料电池12的余热将流过热媒流路16的热媒体加热，能够高效率地将热媒体冷却。
(5)在正流部分16c中，在比最上游的第2电磁三通阀29靠上游的位置处设有热交换器41。因而，由热交换器41冷却的热冷媒被有效地用于各氢罐13内的氢吸藏合金MH的冷却。此外，通过控制第2电磁三通阀29，也可以将温度较高、即氢吸藏反应的进行较慢的氢罐13内的氢吸藏合金MH集中冷却。
(6)氢燃料汽车11具备多个氢罐13。在对各氢罐13供给热媒体的热媒流路16中，对应于各氢罐13的第2热交换部16b而具备第2电磁三通阀29。各第2电磁三通阀29能够切换为将流过热媒流路16的热媒体向对应的氢罐13的第2热交换部16b供给的状态、和不供给的状态。因而，根据来自控制装置31的指令信号，能够变更热媒体的移动路径，以使各氢罐13成为适当的温度状态，容易适当地进行氢罐13内的氢吸藏合金MH的加热及冷却。
接着，按照图3对本发明的第2实施方式进行说明。在本实施方式中，作为通过流过旁通流路39的冷媒液将氢吸藏合金MH冷却的氢吸藏材料冷却部，通过流过旁通流路39的冷媒液在氢罐13内与氢吸藏合金MH进行热交换而将氢吸藏合金MH直接冷却，这一点与上述第1实施方式不同，其他结构相同。与上述第1实施方式相同的部分赋予相同的标号而省略详细的说明。
如图3所示，在各氢罐13内，与第2热交换部16b另外地设有冷媒管42。冷媒管42贯通翅片22并通过焊接等固接在翅片22上。冷媒管42作为旁通流路39的一部分构成，构成为，使流过旁通流路39的冷媒液依次在各冷媒管42中流动。在该实施方式中，制冷装置15的冷媒液在流过设于氢罐内的冷媒管时在与氢吸藏合金MH之间直接进行热交换，进行氢吸藏合金MH的冷却。
因而，在该实施方式中，除了具有与上述第1实施方式的效果(1)、(3)、(4)、(6)同样的效果以外，还具有以下的效果。
(7)通过流过旁通流路39的冷媒液将氢吸藏合金MH冷却的氢吸藏材料冷却部是与第2热交换部16b另外地设在氢罐13内的冷媒管42，构成为，使流过旁通流路39的冷媒液流过冷媒管42。因而，制冷装置15的冷媒液流到设于氢罐13内的冷媒管42中，所以与如第1实施方式那样将氢吸藏合金MH间接冷却的结构相比，制冷装置15的冷媒液对氢吸藏合金MH的冷却效果提高了。
实施方式并不限于以上所述，例如也可以如下这样构成。
用来使流过上述旁通流路39的冷媒液流到氢罐13内的冷媒管42也可以不是如第2实施方式那样从第2热交换部16b完全独立的结构，也可以将第2热交换部16b与冷媒管42做成双层管。例如，如图4A及图4B所示，使用在作为第2热交换部16b的U字状的管的内部中插入小直径的U字状的冷媒管42的结构的双层管。冷媒管42的入口部42a及出口部42b在从冷媒管42的U字管的端部正交于该U字管的状态下贯通第2热交换部16b而形成。并且，在冷媒管42的入口部42a及出口部42b上连结着旁通流路39。冷媒管42的一部分以接触在第2热交换部16b的内表面上的状态配置。在此情况下，在冷媒管42内流动的冷媒液的一部分与第2热交换部16b内的热媒体进行热交换，另一部分经由第2热交换部16b的管壁在与氢吸藏合金MH之间进行热交换。
即，在图4A及图4B中，冷媒管42的下部接触在第2热交换部16b的下部的内表面上。流过冷媒管42的上部的冷媒液与第2热交换部16b内的热媒体进行热交换，流过冷媒管42内的下部的冷媒液经由第2热交换部16b的管壁在与氢吸藏合金MH之间进行热交换。因而，一部分的冷媒液能够不经由热媒体而将氢吸藏合金MH冷却，所以与设有热交换器41的情况相比，冷却氢吸藏合金MH的效率变好。
在流过热媒流路16的热媒体与流过旁通流路39的冷媒液之间进行热交换的热交换器并不限于如第1实施方式的热交换器41那样经由划分热媒流路16的管的壁与划分旁通流路39的管的壁传递热的结构。例如，如图5A所示，也可以在热媒流路16的中途设置双层管式的热交换器43，将热媒流路16及旁通流路39设计为，使内侧管43a划分热媒流路16的一部分、外侧管43b划分旁通流路39的一部分。在此情况下，由于热媒体与冷媒液经由一个管43a的壁进行热交换，所以与经由包括热媒流路16的管壁与旁通流路39的管壁的两个管壁进行热交换的第1实施方式相比，能够效率良好地进行热交换。
如图5B所示，也可以在旁通流路39的中途设置双层管式的热交换器43，将热媒流路16及旁通流路39设计为，使内侧管43a划分旁通流路39的一部分、外侧管43b划分热媒流路16的一部分。在此情况下，由于热媒体与冷媒液也经由一个管43a的壁进行热交换，所以与经由两个管壁进行热交换的第1实施方式相比，能够效率良好地进行热交换。
在上述氢罐13的外部设置热交换器41或热交换器43的情况下，也可以不是在比最上游的第2电磁三通阀29靠上游，而是在最上游的氢罐13的第2热交换部16b的入口设置热交换器41或热交换器43。而且，也可以在各氢罐13的第2热交换部16b的第一个入口处设置热交换器41或热交换器43。在此情况下，作为氢罐冷却装置整体，热交换器41或热交换器43成为多个，但既可以将这些多个热交换器41或热交换器43相对于旁通流路39串联连接，也可以并联连接，也可以将串联连接和并联连接组合。也可以在旁通流路39的中途再设置电磁三通阀等，进行控制以使冷媒液有选择地流入到多个热交换器41或热交换器43中。
也可以省略上述第1电磁三通阀28而构成热媒流路16，以使热媒体一定经过燃料电池12而向氢罐13供给。
也可以全部省略多个上述第2电磁三通阀29而构成热媒流路16，以使热媒体一定被向所有的氢罐13内的第2热交换部16b供给。
将热媒流路16构成为将上述多个第2热交换部16b串联连接，但也可以构成为将多个第2热交换部16b并联连接，也可以将串联连接与并联连接组合。
将旁通流路39构成为将上述个冷媒管42串联连接，但也可以构成为将多个冷媒管42并联连接，也可以将串联连接与并联连接组合。
上述制冷装置15的冷媒并不限于氟隆，例如也可以是二氧化碳。在使冷媒为二氧化碳的情况下，与氟隆相比流过旁通流路39的冷媒的压力较高，所以如果在第2实施方式的情况下将二氧化碳作为冷媒使用，则冷媒管42的内压上升，所以能够降低为了克服在氢罐13内从外侧作用在冷媒管42上的罐内压而冷媒管42所需的强度。
搭载在上述氢燃料汽车11中的氢罐13的个数并不限于两个，也可以是1个或3个以上。即，也可以是将燃料电池12与多个氢罐13连结的结构，也可以是从1个氢罐13对燃料电池12供给氢的结构。
在搭载有多个上述氢罐13的情况下，并不限于从配管17向各氢罐13同时填充氢气的结构，也可以在向各氢罐13的每个分支配管中设置阀、依次一个个地填充到氢罐13中。
上述氢主容器的储气瓶54a及满填充到氢燃料汽车11的氢罐13中时的压力并不限于上述的压力。例如，在搭载在燃料电池汽车中的氢罐13中也有满填充时的压力为25MPa的情况，在此情况下，氢主容器的储气瓶54a的压力也可以比44MPa低。
上述燃料电池12并不限于固体高分子型的燃料电池，也可以是磷酸型燃料电池或碱型燃料电池等，只要是在冷却燃料电池中使用热媒体的燃料电池就可以。
上述氢罐13也可以做成收容氢吸藏合金以外的氢吸藏材料、例如活性炭纤维(activated carbon fiber)或单层碳纳米管的结构。
上述氢燃料汽车11并不限于搭载有燃料电池12作为氢燃料驱动部的电池汽车，也可以是搭载有氢发动机的氢发动机车辆。
上述氢站51的储气设备52并不限于由以比满填充时的氢罐13内的压力大的压力填充有氢气的多个储气瓶54a构成的氢主容器构成。例如也可以在储气设备52中使用比储气瓶54a大的高压罐。
上述氢站51也可以做成在储气设备52的储气瓶54a及罐中填充有比满填充到氢罐13中时的压力低的压力的氢气、将用压缩器压缩了储气瓶54a及罐的气体而加压后的氢气向氢罐13供给的结构。该情况不需要从最初开始以高压将大量的氢气储存在氢站51中。
权利要求
1.一种氢罐冷却装置，是氢燃料汽车中的氢罐冷却装置，包括氢罐，收容氢吸藏材料并内置热交换器，上述热交换器包含热媒体流动的热媒管；驱动部，使用从上述氢罐供给的氢作为燃料，来驱动车辆；热媒流路，流动有能够与上述驱动部进行热交换、并且能够供给到上述热媒管中的热媒体；散热器，用来将流过上述热媒流路的热媒体冷却；制冷装置，具有将冷媒气体压缩的压缩机、将压缩的冷媒气体凝缩的冷凝器、使膨胀的冷媒液蒸发的蒸发器、以及冷媒循环回路，在上述冷媒循环回路中设有上述压缩机、冷凝器及蒸发器；其特征在于，具备旁通流路，从上述冷媒循环回路分支，以使膨胀的冷媒液绕过上述蒸发器而被吸入到上述压缩机中；切换部，能够切换为上述冷媒液经过上述蒸发器被吸入到上述压缩机中的状态、和绕过上述蒸发器而在上述旁通流路中流动的状态；氢吸藏材料冷却部，使用在上述旁通流路中流动的冷媒液将上述氢吸藏材料冷却。
2.如权利要求1所述的氢罐冷却装置，上述氢吸藏材料冷却部在流过上述旁通流路的冷媒液与流过上述热媒流路的热媒体之间进行热交换。
3.如权利要求1所述的氢罐冷却装置，上述氢吸藏材料冷却部包含设在上述氢罐内的冷媒管；流过上述旁通流路的冷媒液流过上述冷媒管。
4.如权利要求3所述的氢罐冷却装置，上述氢吸藏材料冷却部包含具有内侧管和外侧管的双层管，上述热媒管是内侧管及外侧管的一个，上述冷媒管是另一个。
5.如权利要求4所述的氢罐冷却装置，上述内侧管的一部分连接在上述外侧管上。
6.如权利要求1～5中任一项所述的氢罐冷却装置，上述压缩机是容量可变型压缩机；上述氢罐冷却装置还具备根据上述热媒体的温度来控制上述容量可变型压缩机的容量的控制部。
7.如权利要求1～6中任一项所述的氢罐冷却装置，上述切换部是第1切换部，上述氢罐冷却装置还具备的第2切换部，能够切换为使上述热媒体在将上述驱动部冷却后流到上述热媒管中的状态、和不经过上述驱动部而流到上述热媒管中的状态。
8.一种氢罐冷却方法，是向搭载在氢燃料汽车中的氢罐填充氢时的氢罐冷却方法，上述氢燃料汽车具备流动有用来将上述氢罐冷却的热媒体的热媒流路、将流到上述热媒流路中的热媒体冷却的散热器、和制冷装置，上述冷却方法具备在向上述氢罐填充氢时、为了对上述散热器吹风而驱动风扇并驱动上述制冷装置的步骤；使用上述制冷装置的冷媒来辅助上述氢罐的冷却的步骤。
9.一种氢燃料汽车，具备氢罐，收容氢吸藏材料并内置热交换器，上述热交换器包含热媒体流动的热媒管；驱动部，使用从上述氢罐供给的氢作为燃料，来驱动车辆；热媒流路，流动有能够与上述驱动部进行热交换、并且能够供给到上述热媒管中的热媒体；散热器，用来将流过上述热媒流路的热媒体冷却；制冷装置，具有将冷媒气体压缩的压缩机、将压缩的冷媒气体凝缩的冷凝器、使膨胀的冷媒液蒸发的蒸发器、以及冷媒循环回路，在上述冷媒循环回路中设有上述压缩机、冷凝器及蒸发器；其特征在于，具备旁通流路，从上述冷媒循环回路分支，以使膨胀的冷媒液绕过上述蒸发器而被吸入到上述压缩机中；切换部，能够切换为上述冷媒液经过上述蒸发器被吸入到上述压缩机中的状态、和绕过上述蒸发器而在上述旁通流路中流动的状态；氢吸藏材料冷却部，使用在上述旁通流路中流动的冷媒液将上述氢吸藏材料冷却。
全文摘要
氢燃料汽车具有流动有能够与驱动部进行热交换、并且能够供给到氢罐的热媒管中的热媒体的热媒流路。制冷装置具有将冷媒气体压缩的压缩机、冷凝器、蒸发器、以及冷媒循环回路。氢燃料汽车具备从冷媒循环回路分支、以使膨胀的冷媒液绕过蒸发器而被吸入到压缩机中的旁通流路。切换部能够切换为冷媒液经过蒸发器被吸入到压缩机中的状态、和在蒸发器中迂回而在旁通流路中流动的状态。氢吸藏材料冷却部使用在旁通流路中流动的冷媒液将氢吸藏材料冷却。因而，与在氢填充时使用车载的散热器及风扇将氢罐冷却的情况相比能够缩短氢填充时间。
文档编号B60K1/04GK101061014SQ20058003940
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月17日 优先权日2004年11月18日
发明者久保秀人, 森大五郎 申请人:株式会社丰田自动织机, 丰田自动车株式会社