特開 2024-158220 水素供給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158220

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】水素供給装置

(51)【国際特許分類】

   F17C 7/04 20060101AFI20241031BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20241031BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20241031BHJP

   F02M 21/06 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

F17C7/04

C01B3/00 Z

F02M21/02 G

F02M21/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073234

(22)【出願日】2023-04-27

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和５年２月２３日に開催された「富士スピードウェイ公式テスト」にて発表

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩崎 良太

(72)【発明者】

【氏名】川上 佳史

(72)【発明者】

【氏名】松尾 朋幸

(72)【発明者】

【氏名】中野 智洋

【テーマコード（参考）】

3E172

4G140

【Ｆターム（参考）】

3E172AA03

3E172AA05

3E172AA06

3E172AB01

3E172BA01

3E172BD03

3E172DA90

3E172EB03

3E172EB10

3E172GA16

3E172GA17

3E172KA03

4G140AB01

(57)【要約】

【課題】動力装置に供給する水素ガスの温度を所定の温度範囲に保つ。
【解決手段】加熱器２０と、気化器４０と、加熱器２０と気化器４０の間に熱媒体を循環させる循環流路３０と、循環ポンプ３４と、制御部７０と、を含み、制御部７０は、気化器４０から流出する水素ガスが供給される動力装置の出力と、気化器４０から流出する熱媒体の温度と、が入力され、気化器４０から流出する熱媒体の温度と水素エンジン１５の出力に基づいて循環ポンプ３４の駆動デューティ指令値を算出し、算出した駆動デューティ指令値に基づいて循環ポンプ３４を駆動する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱媒体を加熱する加熱器と、
加熱された前記熱媒体により液体水素を気化させて水素ガスとする気化器と、
前記加熱器と前記気化器の間に前記熱媒体を循環させる循環流路と、
前記循環流路に設けられて前記熱媒体を圧送する循環ポンプと、
前記循環ポンプの動作を調節する制御部と、を含む水素供給装置であって、
前記制御部は、
前記気化器から流出する前記水素ガスが供給される動力装置の出力と、前記気化器から流出する前記熱媒体の温度と、が入力され、
前記気化器から流出する前記熱媒体の温度と前記動力装置の出力に基づいて前記循環ポンプの駆動デューティ指令値を算出し、
算出した前記駆動デューティ指令値に基づいて前記循環ポンプを駆動すること、
を特徴とする水素供給装置。

【請求項2】

請求項１に記載の水素供給装置であって、
前記制御部は、
前記気化器から流出する前記熱媒体の温度に基づいて前記循環ポンプのベース駆動デューティを計算し、
前記動力装置の出力に基づいて補正係数を算出し、
前記ベース駆動デューティに前記補正係数を掛け合わせて前記駆動デューティ指令値を算出すること、
を特徴とする水素供給装置。

【請求項3】

請求項２に記載の水素供給装置であって、
前記制御部は、
前記気化器から流出する前記熱媒体の温度が高くなるにつれ前記ベース駆動デューティが小さくなるように前記ベース駆動デューティを算出し、
前記動力装置の出力が大きくなるにつれて前記補正係数が大きくなるように前記補正係数を算出すること、
を特徴とする水素供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体水素を気化して水素ガスを供給する水素供給装置の水素ガスの温度制御に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、回転電機の冷却液を冷却する熱交換器に流入する冷却液の流量を回転電機の回転数に応じて変化させて回転電機を所定の温度範囲に保つ技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１４５０９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、近年、ガソリンに代わって水素ガスを直接燃焼させる水素エンジンを搭載した水素エンジン車両が用いられている。これらの水素エンジン車両では、液体水素を気化させた水素ガスを水素エンジンに供給する方法が用いられている。水素エンジンに供給される水素ガスの温度が高すぎると水素エンジンの出力が低下してしまい、水素ガスの温度が低すぎると極低温の水素ガスにより水素配管が損傷する場合がある。このため、水素エンジンに供給する水素ガスは所定の温度範囲とすることが求められている。

【0005】

そこで、本開示の水素供給装置は、動力装置に供給する水素ガスの温度を所定の温度範囲に保つことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の水素供給装置は、熱媒体を加熱する加熱器と、加熱された前記熱媒体により液体水素を気化させて水素ガスとする気化器と、前記加熱器と前記気化器の間に前記熱媒体を循環させる循環流路と、前記循環流路に設けられて前記熱媒体を圧送する循環ポンプと、前記循環ポンプの動作を調節する制御部と、を含む水素供給装置であって、前記制御部は、前記気化器から流出する前記水素ガスが供給される動力装置の出力と、前記気化器から流出する前記熱媒体の温度と、が入力され、前記気化器から流出する前記熱媒体の温度と前記動力装置の出力に基づいて前記循環ポンプの駆動デューティ指令値を算出し、算出した前記駆動デューティ指令値に基づいて前記循環ポンプを駆動すること、を特徴とする。

【0007】

これにより、動力装置の出力が変化した場合でも、動力装置に供給する水素ガスの温度を所定の温度範囲に保つことができる。

【0008】

本開示の水素供給装置において、前記制御部は、前記気化器から流出する前記熱媒体の温度に基づいて前記循環ポンプのベース駆動デューティを計算し、前記動力装置の出力に基づいて補正係数を算出し、前記ベース駆動デューティに前記補正係数を掛け合わせて前記駆動デューティ指令値を算出してもよい。

【0009】

これにより、動力装置の出力に応じた駆動デューティ指令値を算出することができる。

【0010】

本開示の水素供給装置において、前記制御部は、前記気化器から流出する前記熱媒体の温度が高くなるにつれ前記ベース駆動デューティが小さくなるように前記ベース駆動デューティを算出し、前記動力装置の出力が大きくなるにつれて前記補正係数が大きくなるように前記補正係数を算出してもよい。

【0011】

これにより、気化器から流出する水素ガスの温度の変化に先行して循環ポンプの流量を増減させるので、動力装置の出力が変化した場合でも、動力装置に供給する水素ガスの温度を所定の温度範囲に保つことができる。

【発明の効果】

【0012】

本開示の水素供給装置は、動力装置に供給する水素ガスの温度を所定の温度範囲に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態の水素供給装置と、その水素供給装置が搭載された水素エンジン車両の構成を示す系統図である。

【図2】図１に示す制御部のメモリに格納されたベース駆動デューティ算出用マップである。

【図3】図１に示す制御部のメモリに格納された補正係数算出用マップである。

【図4】図１に示す水素供給装置の動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら実施形態の水素供給装置１００について説明する。以下の説明では、水素供給装置１００は、水素エンジン車両２００に搭載される動力装置である水素エンジン１５に水素ガスを供給するものとして説明する。

【0015】

図１に示すように、水素供給装置１００は、熱媒体を加熱して気化器４０に供給する加熱回路１０と、気化器４０で気化した水素ガスを水素エンジン１５に供給する水素回路５０と、制御部７０とを備えている。最初に加熱回路１０について説明する。加熱回路１０は、加熱器２０と、気化器４０と、循環流路３０と、循環ポンプ３４と、で構成される。

【0016】

加熱器２０は、内部に冷却水流路２１と熱媒体流路３１とを備えている。冷却水流路２１は、水素エンジン１５の内部流路１７を通流した温度の高い冷却水が通流する。熱媒体流路３１は、気化器４０のケーシング４１の内部を通流した低温の熱媒体が通流する。加熱器２０は、冷却水流路２１を通流する温度の高い冷却水と低温の熱媒体との間で熱交換を行わせて熱媒体を加熱する。ここで、熱媒体は、液体であり、例えば、ロングライフクーラント（ＬＬＣ）であってもよい。

【0017】

冷却水流路２１は、冷却水供給管２２と、冷却水戻り管２３によって内部流路１７に接続されている。内部流路１７と、冷却水流路２１と、冷却水供給管２２と、冷却水戻り管２３とは、水素エンジン１５と加熱器２０との間で冷却水を循環させる冷却水循環流路２５を形成する。冷却水循環流路２５は、水素エンジン１５で温度の上昇した冷却水を加熱器２０の冷却水流路２１に循環させる。

【0018】

気化器４０は、ケーシング４１と、ケーシング４１の内部に収容された水素チューブ４５で構成される。ケーシング４１の内部には、加熱器２０で加熱された温度の高い熱媒体が通流する。水素チューブ４５の内部には低温の液体水素又は水素ガスが通流する。ケーシング４１の内部を通流する熱媒体は水素チューブ４５の外面を流れ、内部の液体水素を加熱、気化して水素ガスとする。

【0019】

循環流路３０は、加熱器２０の熱媒体流路３１と、熱媒体供給管３２と、気化器４０のケーシング４１と、熱媒体戻り管３３とで構成されている。熱媒体供給管３２は、熱媒体流路３１の出口と気化器４０の熱媒体入口４２とを接続する。熱媒体戻り管３３は、気化器４０の熱媒体出口４３と熱媒体流路３１の入口とを接続する。また、熱媒体供給管３２には、循環流路３０に熱媒体を圧送する循環ポンプ３４が設けられている。また、熱媒体戻り管３３の熱媒体出口４３の近傍には、気化器出口熱媒体温度ＴＬを検出する熱媒体温度センサ３８が設けられている。

【0020】

循環ポンプ３４で加圧された熱媒体は、熱媒体供給管３２を通って熱媒体入口４２からケーシング４１の内部に流入する。熱媒体は、ケーシング４１の内部で水素チューブ４５の外面を流れ、水素チューブ４５の中を流れる低温の液体水素と熱交換して温度が低下する。温度の低下した熱媒体は、気化器４０の熱媒体出口４３から熱媒体戻り管３３に流出する。熱媒体は、熱媒体戻り管３３から加熱器２０の熱媒体流路３１に流入する。そして、熱媒体流路３１で冷却水流路２１を流れる温度の高い冷却水と熱交換して温度の上昇した熱媒体は熱媒体供給管３２から循環ポンプ３４に還流する。

【0021】

次に、水素回路５０について説明する。水素回路５０は、液体水素タンク５１と、液体水素ポンプ入口管５２と、液体水素ポンプ５３と、液体水素入口管５４と、水素チューブ４５と、水素ガス出口管５６と、減圧弁５７と、水素ガス供給管５９とで構成されている。

【0022】

液体水素タンク５１は内部に低温の液体水素を貯留するタンクである。液体水素ポンプ入口管５２は液体水素タンク５１と液体水素ポンプ５３の吸込口とを接続する。液体水素入口管５４は、液体水素ポンプ５３の吐出口と水素チューブ４５の入口とを接続する。水素ガス出口管５６は、水素チューブ４５の出口と減圧弁５７とを接続する。水素ガス出口管５６には、気化器出口水素ガス温度ＴＨを検出する水素ガス温度センサ５８が取り付けられている。水素ガス供給管５９は、減圧弁５７と水素エンジン１５のインジェクタ１６とを接続する。

【0023】

液体水素タンク５１に貯留された極低温の液体水素は液体水素ポンプ５３によって加圧され、液体水素ポンプ入口管５２から水素チューブ４５の中に流入する。水素チューブ４５の中を流れる液体水素は、水素チューブ４５の外面を通流する温度の高い熱媒体との間で熱交換し、気化して水素ガスとなる。水素チューブ４５の中を流れる水素ガスは、水素チューブ４５の外面を通流する温度の高い熱媒体との間で熱交換し、所定の温度の水素ガスとなって水素チューブ４５の出口から水素ガス出口管５６に流出する。水素ガスは減圧弁５７で水素エンジン１５への供給圧力に減圧された後、水素ガス供給管５９を通って水素エンジン１５のインジェクタ１６に供給される。水素ガスは水素エンジン１５の内部で燃焼して駆動力を発生するとともに、内部流路１７を通流する冷却水の温度を上昇させる。

【0024】

水素エンジン１５は、エンジン制御部６０によって制御される。エンジン制御部６０は、内部に情報処理を行うプロセッサであるＣＰＵ６１と、制御プログラムや制御データが格納されるメモリ６２とを含むコンピュータである。エンジン制御部６０は、インジェクタ１６の開度を調整して水素エンジン１５の出力を調整する。エンジン制御部６０は、水素エンジン車両２００に取り付けられたスタートスイッチ１８が接続されている。エンジン制御部６０は、スタートスイッチ１８がＯＮになると水素エンジン１５を始動させ、スタートスイッチ１８がＯＦＦとなると水素エンジン１５を停止する。また、エンジン制御部６０は、後で説明する制御部７０と通信して情報の授受を行う。エンジン制御部６０は、水素エンジン１５の出力とスタートスイッチ１８のオン／オフ信号を制御部７０に出力する。

【0025】

制御部７０は、内部に情報処理を行うプロセッサであるＣＰＵ７１と、制御プログラムや制御データを格納するメモリ７２とを備えるコンピュータである。循環ポンプ３４と、液体水素ポンプ５３とは制御部７０に接続されて制御部７０の指令によって動作する。また、熱媒体温度センサ３８は制御部７０に接続され熱媒体温度センサ３８が検出した気化器出口熱媒体温度ＴＬは制御部７０に入力される。また、制御部７０は、エンジン制御部６０と情報の授受を行う。制御部７０は、エンジン制御部６０から水素エンジン１５の出力とスタートスイッチ１８のオン／オフ信号とを受信する。

【0026】

制御部７０はメモリ６２の中に図２に示すベース駆動デューティ算出用マップ７５と、図３に示す補正係数算出用マップ７６とを格納している。ベース駆動デューティ算出用マップ７５は、気化器出口熱媒体温度ＴＬに対するベース駆動デューティＤを規定したマップである。ベース駆動デューティＤは、気化器出口熱媒体温度ＴＬがＴＬ１まではＤ２である。気化器出口熱媒体温度ＴＬがＴＬ１とＴＬ２（ＴＬ２＞ＴＬ１）の間では、ベース駆動デューティＤは、気化器出口熱媒体温度ＴＬが高くなるにつれＤ２からＤ１まで低下する。そして、ベース駆動デューティＤは、気化器出口熱媒体温度ＴＬがＴＬ２を超えるとＤ１一定となる。尚、ベース駆動デューティＤは循環ポンプ３４の最低駆動デューティと１００％の間で設定されるので、Ｄ２の最大値は１００％で、Ｄ１の最小値は循環ポンプ３４の最低駆動デューティ、例えば、１０％である。

【0027】

また、補正係数算出用マップ７６は、水素エンジン１５の出力に対する循環ポンプ３４のベース駆動デューティＤを補正する補正係数Ｃを規定したマップである。補正係数Ｃは、水素エンジン１５の出力がＷ１よりも小さい場合には、最小値のＣ１である。そして、補正係数Ｃは水素エンジン１５の出力がＷ１からＷ２まで大きくなるとＣ１からＣ２まで大きくなる。そして、水素エンジン１５の出力がＷ２を超えると、補正係数ＣはＣ２一定となる。尚、本実施形態の水素供給装置１００では、補正係数Ｃは、１．０以上、例えば、１．０～２．０の間で設定される。この場合、Ｃ１の最小値は１．０であり、Ｃ２の最大値は２．０となる。

【0028】

制御部７０は、ベース駆動デューティ算出用マップ７５を用いて算出したベース駆動デューティＤと、補正係数算出用マップ７６を用いて算出した補正係数Ｃにより、駆動デューティ指令値ＤＳを下記の式１で算出する。
駆動デューティ指令値ＤＳ＝ベース駆動デューティＤ×補正係数Ｃ ・・・ （式１）
駆動デューティ指令値ＤＳは、循環ポンプ３４の流量制御を行う場合の指令値である。制御部７０は、気化器出口熱媒体温度ＴＬが低くなるとベース駆動デューティＤを高くして循環流路３０を通流する熱媒体の流量を大きくする。これにより、気化器４０での熱媒体と水素との交換熱量が大きくなり、気化器出口水素ガス温度ＴＨが上昇する。

【0029】

また、制御部７０は、気化器出口熱媒体温度ＴＬが高くなるとベース駆動デューティＤを小さくして循環流路３０を通流する熱媒体の流量を少なくする。これにより、気化器４０での熱媒体と水素との交換熱量が少なくなり、気化器出口水素ガス温度ＴＨが低下する。

【0030】

また、水素エンジン１５の出力が大きくなると水素ガスの流量が大きくなり、気化器出口水素ガス温度ＴＨが低下してくる。一方、水素エンジン１５の出力が小さくなると気化器出口水素ガス温度ＴＨが上昇してくる。この場合、駆動デューティ指令値ＤＳ＝ベース駆動デューティＤとしていると制御応答の遅れから水素エンジン１５の出力の増加／減少により気化器出口水素ガス温度ＴＨが大きく低下／上昇する場合がある。そこで、実施形態の水素供給装置１００では、補正係数算出用マップ７６と式１を用いて水素エンジン１５の出力に応じて駆動デューティ指令値ＤＳを変化させる先行制御を行う。これにより、気化器出口水素ガス温度ＴＨの大きな変動を抑制する。つまり、水素エンジン１５の出力が大きくなると出力増加による気化器出口水素ガス温度ＴＨの低下を見込んだ分だけ駆動デューティ指令値ＤＳが大きくなるように補正係数Ｃを大きくする。また、水素エンジン１５の出力が小さくなると出力低下による気化器出口水素ガス温度ＴＨの上昇を見込んだ分だけ駆動デューティ指令値ＤＳが小さくなるように補正係数Ｃを小さくする。これにより、簡便な方法で水素エンジン１５の出力の変動があった場合でも、気化器出口水素ガス温度ＴＨを所定の温度範囲に保つことができる。

【0031】

次に図４を参照して水素供給装置１００の動作について説明する。スタートスイッチ１８がオンになると、水素エンジン１５と水素供給装置１００が始動する。水素供給装置１００の制御部７０は、図４のステップＳ１０１で熱媒体温度センサ３８によって気化器出口熱媒体温度ＴＬを取得する。制御部７０は、図４のステップＳ１０２に進んで、メモリ７２に格納しているベース駆動デューティ算出用マップ７５を参照して気化器出口熱媒体温度ＴＬに対応するベース駆動デューティＤを算出する。

【0032】

図４のステップＳ１０３で制御部７０は、エンジン制御部６０から水素エンジン１５の出力を受信する。そして、制御部７０は、図４のステップＳ１０４で図３に示す補正係数算出用マップ７６を参照して水素エンジン１５の出力に対応する補正係数Ｃを算出する。

【0033】

次に、制御部７０は、図４のステップＳ１０５に進んで先に述べた式１により駆動デューティ指令値ＤＳを算出する。

【0034】

次に、制御部７０は、図４のステップＳ１０６に進んで、算出した駆動デューティ指令値ＤＳにより循環ポンプ３４の駆動制御を行う。

【0035】

次に、制御部７０は、図４のステップＳ１０６を実行したら図４のステップＳ１０７に進む。制御部７０は、ステップＳ１０７でエンジン制御部６０からスタートスイッチ１８のオフ信号を受信しているか判断する。制御部７０は、図４のステップＳ１０７でＮＯと判断した場合には、図４のステップＳ１０１に戻ってステップＳ１０１からステップＳ１０７の動作を繰り返して実行する。一方、制御部７０は、図４のステップＳ１０７でＹＥＳと判断した場合には処理を終了する。

【0036】

このように、制御部７０は、気化器出口熱媒体温度ＴＬが低くなるとベース駆動デューティＤを高くして循環流路３０を通流する熱媒体の流量を大きくする。すると、気化器４０での熱媒体と水素との交換熱量が大きくなり、気化器出口水素ガス温度ＴＨが上昇する。また、制御部７０は、気化器出口熱媒体温度ＴＬが高くなるとベース駆動デューティＤを小さくして循環流路３０を通流する熱媒体の流量を少なくする。すると、気化器４０での熱媒体と水素との交換熱量が少なくなり、気化器出口水素ガス温度ＴＨが低下する。これにより、水素供給装置１００は、気化器出口水素ガス温度ＴＨを所定の範囲内に保ち、水素ガスの温度が高くなることによる水素エンジン１５の出力の低下や、水素ガスの温度が低くなることによる水素配管の損傷を抑制することができる。

【0037】

また、制御部７０は、水素エンジン１５の出力増加による気化器出口水素ガス温度ＴＨの低下を見込んだ分だけ駆動デューティ指令値ＤＳが大きくなるように補正係数Ｃを大きし、水素エンジン１５の出力低下による気化器出口水素ガス温度ＴＨの上昇を見込んだ分だけ駆動デューティ指令値ＤＳが小さくなるように補正係数Ｃを小さくする。これにより、簡便な方法で水素エンジン１５の出力の変動があった場合でも、気化器出口水素ガス温度ＴＨを所定の温度範囲に保つことができる。

【0038】

以上の説明では、水素供給装置１００は水素エンジン車両２００の水素エンジン１５に水素ガスを供給するものとして説明したがこれに限定されない。例えば、車両に搭載された動力装置である燃料電池に水素ガスを供給するものでもよい。

【符号の説明】

【0039】

１０ 加熱回路、１５ 水素エンジン、１６ インジェクタ、１７ 内部流路、１８ スタートスイッチ、２０ 加熱器、２１ 冷却水流路、２２ 冷却水供給管、２３ 冷却水戻り管、２５ 冷却水循環流路、３０ 循環流路、３１ 熱媒体流路、３２ 熱媒体供給管、３３ 熱媒体戻り管、３４ 循環ポンプ、３８ 熱媒体温度センサ、４０ 気化器、４１ ケーシング、４２ 熱媒体入口、４３ 熱媒体出口、４５ 水素チューブ、５０ 水素回路、５１ 液体水素タンク、５２ 液体水素ポンプ入口管、５３ 液体水素ポンプ、５４ 液体水素入口管、５６ 水素ガス出口管、５７ 減圧弁、５８ 水素ガス温度センサ、５９ 水素ガス供給管、６０ エンジン制御部、６１、７１ ＣＰＵ、６２、７２ メモリ、７０ 制御部、７５ ベース駆動デューティ算出用マップ、７６ 補正係数算出用マップ、１００ 水素供給装置、２００ 水素エンジン車両。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】