特開 2024-76195 水素エンジンシステム

(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】P2024076195

(43)【公開日】2024-06-05

(54)【発明の名称】水素エンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/06 20060101AFI20240529BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20240529BHJP

   F02M 31/16 20060101ALI20240529BHJP

   F01P 7/16 20060101ALI20240529BHJP

【ＦＩ】

F02M21/06 B

F02M21/02 G

F02M31/16 E

F01P7/16 507Z

F01P7/16 504C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022187635

(22)【出願日】2022-11-24

(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

(71)【出願人】

【識別番号】000155986

【氏名又は名称】株式会社鈴木商館

(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】山本 亮介

(72)【発明者】

【氏名】田中 利尚

(72)【発明者】

【氏名】小田 太一

(57)【要約】

【課題】簡便な構成でコンパクトな水素エンジンシステムを提供する。
【解決手段】水素エンジン１０と、水素エンジン１０を冷却する液体の熱媒体が通流する冷却流路１６と、冷却流路１６に配置され、熱媒体と液体水素とが通流し、熱媒体により液体水素を気化させて水素ガスを発生させる気化器２０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素エンジンと、
前記水素エンジンを冷却する液体の熱媒体が通流する冷却流路と、
前記冷却流路に配置され、前記熱媒体と液体水素とが通流し、前記熱媒体により前記液体水素を気化させて水素ガスを発生させる気化器と、を備えること、
を特徴とする水素エンジンシステム。

【請求項2】

請求項１に記載の水素エンジンシステムであって、
前記熱媒体はＬＬＣ、又は水であること、
を特徴とする水素エンジンシステム。

【請求項3】

請求項２に記載の水素エンジンシステムであって、
前記気化器の内部における前記熱媒体の流速は、２６ｍｍ／ｓ以上であること、
を特徴とする水素エンジンシステム。

【請求項4】

請求項２に記載の水素エンジンシステムであって、
前記気化器の入口と出口との前記熱媒体の温度差は、１０℃以下であること、
を特徴とする水素エンジンシステム。

【請求項5】

請求項１に記載の水素エンジンシステムであって、
前記冷却流路は、前記水素エンジンを冷却する液体の第１熱媒体が通流する第１冷却流路と、前記第１熱媒体と異なる第２熱媒体が通流する第２冷却流路とで構成され、
前記第１冷却流路と前記第２冷却流路とに跨って配置され、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体とが通流して前記第１熱媒体により前記第２熱媒体を加熱する熱交換器と、を備え、
前記気化器は、前記第２熱媒体と前記液体水素とが通流し、前記第２熱媒体により前記液体水素を気化させて前記水素ガスを発生させること、
を特徴とする水素エンジンシステム。

【請求項6】

請求項５に記載の水素エンジンシステムであって、
前記第１熱媒体を冷却する冷却器を備え、
前記第１熱媒体と前記第２熱媒体はＬＬＣ、又は水であること、
を特徴とする水素エンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素エンジンシステムの構成に関する。

【背景技術】

【0002】

液体水素を気化して内燃機関に供給するシステムが提案されている。例えば、特許文献１には、加熱したヘリウムガスと液体水素とを熱交換させて液体水素を気化するシステムが開示されている。

【0003】

また、特許文献２には、水素エンジンと膨張エンジンを備え、水素エンジンの排気ガスで熱媒体を加熱して膨張エンジンを駆動し、膨張エンジンの高温の排気ガスで液体水素を加熱して水素ガスとして水素エンジンに供給するシステムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－０２１４３３号公報

【特許文献2】特許第２８８６２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、液体水素は極低温なので、特許文献２に記載されたようなシステムでは、熱交換させる熱媒体中の水分が凍結してしまい、流路が閉塞したり熱交換効率が低下したりするおそれがある。一方、特許文献１に記載されたシステムのようにヘリウムガスを中間熱媒体とすると熱媒体が凍結することはなくなるが、ガスとの熱交換となるので熱交換効率が悪くなり、装置全体が大きくなってしまうという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、簡便な構成でコンパクトな水素エンジンシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の水素エンジンシステムは、水素エンジンと、前記水素エンジンを冷却する液体の熱媒体が通流する冷却流路と、前記冷却流路に配置され、前記熱媒体と液体水素とが通流し、前記熱媒体により前記液体水素を気化させて水素ガスを発生させる気化器と、を備えること、を特徴とする。

【0008】

このように、液体の熱媒体により液体水素を加熱するので、熱交換効率が高くなり、気化器をコンパクトにできる。これにより、水素エンジンシステムをコンパクトにできる。

【0009】

本発明の水素エンジンシステムにおいて、前記熱媒体は、ＬＬＣ又は水としてもよい。

【0010】

ＬＬＣ又は水のような一般的な熱媒体を用いることにより水素エンジンシステムの構成を簡便にすることができる。

【0011】

本発明の水素エンジンシステムにおいて、前記気化器の内部における前記熱媒体の流速は、２６ｍｍ／ｓ以上としてもよい。

【0012】

このように、液体の熱媒体流速を早くすることにより、液体の熱媒体の凍結を防止することができる。

【0013】

本発明の水素エンジンシステムにおいて、前記気化器の入口と出口との前記熱媒体の温度差は、１０℃以下としてもよい。

【0014】

この構成により、液体の熱媒体の温度低下を抑制して凍結を防止することができる。

【0015】

本発明の水素エンジンシステムにおいて、前記冷却流路は、前記水素エンジンを冷却する液体の第１熱媒体が通流する第１冷却流路と、前記第１熱媒体と異なる第２熱媒体が通流する第２冷却流路とで構成され、前記第１冷却流路と前記第２冷却流路とに跨って配置され、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体とが通流して前記第１熱媒体により前記第２熱媒体を加熱する熱交換器と、を備え、前記気化器は、前記第２熱媒体と前記液体水素とが通流し、前記第２熱媒体により前記液体水素を気化させて前記水素ガスを発生させてもよい。

【0016】

液体の第１冷媒によって液体の第２冷媒を加熱し、加熱した液体の第２冷媒を用いて水素を気化させるので、熱交換効率が高くなり気化器をコンパクトにできる。また、これにより、水素エンジンシステムをコンパクトにできる。

【0017】

本発明の水素エンジンシステムにおいて、前記第１熱媒体を冷却する冷却器を備え、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体はＬＬＣ、又は水としてもよい。

【0018】

これにより、水素エンジンの冷却を効果的に行うことができる。また、ＬＬＣ又は水のような一般的な熱媒体を用いることにより水素エンジンシステムの構成を簡便にすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明は、簡便な構成でコンパクトな水素エンジンシステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施形態の水素エンジンシステムの系統図である。

【図2】他の実施形態の水素エンジンシステムの系統図である。

【図3】他の実施形態の水素エンジンシステムの系統図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照しながら実施形態の水素エンジンシステム１００について説明する。図１に示すように、水素エンジンシステム１００は、水素エンジン１０と、気化器２０と、冷却流路１６と、水素流路３０とを備えている。尚、各図においてＬＨ_２は液体水素を示し、Ｈ_２は水素ガスを示す。

【0022】

水素エンジン１０は、外気を吸引する吸気ポート１１と、水素ガスが供給される水素ガスノズル１２と、水素ガスが燃焼した排気ガスを排出する排気ポート１３とを備えている。水素エンジン１０は、内部に水素エンジン１０を冷却する液体の熱媒体が通流する内部冷却流路１４を備えている。

【0023】

気化器２０は、熱媒体と液体水素とが通流し、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２０は、ケーシング２１と、ケーシング２１の内部に取り付けられたコイル２２とで構成されている。ケーシング２１には、熱媒体が流入する熱媒体入口２１ａと、熱媒体が流出する熱媒体出口２１ｂとが設けられている。コイル２２は、細い管をスパイラル状に成形した管部材である。コイル２２はコイル入口２２ａから液体水素が流入し、コイル出口２２ｂから水素ガスが流出する。コイル２２は、内部に液体水素と水素ガスとが通流し、外面を流れる熱媒体との間で熱交換を行う。

【0024】

冷却流路１６は、冷却水ポンプ１５と、熱媒体供給管１７と、内部冷却流路１４と、熱媒体出口管１８と、気化器２０と、熱媒体戻り管１９とで構成される。熱媒体供給管１７は、冷却水ポンプ１５の出口と水素エンジン１０の内部冷却流路１４の入口とを接続する。熱媒体出口管１８は、内部冷却流路１４の出口と気化器２０の熱媒体入口２１ａとを接続する。熱媒体戻り管１９は、気化器２０の熱媒体出口２１ｂと冷却水ポンプ１５の入口とを接続する。

【0025】

水素流路３０は、液体水素タンク３１と、液体水素ポンプ３２と、液体水素供給管３３と、気化器２０のコイル２２と、水素ガス出口管３４と、チャンバ３５と、水素ガス供給管３６と、減圧弁３７とで構成される。

【0026】

液体水素タンク３１は、液体水素を極低温で貯留するタンクである。液体水素供給管３３は、液体水素タンク３１とコイル入口２２ａとを接続する。液体水素供給管３３には、液体水素を加圧する液体水素ポンプ３２が取り付けられている。水素ガス出口管３４は、気化器２０のコイル出口２２ｂとチャンバ３５とを接続する。チャンバ３５は、高圧の水素ガスを貯留する。水素ガス供給管３６はチャンバ３５と水素エンジン１０の水素ガスノズル１２とを接続する。水素ガス供給管３６には、水素ガスの圧力を減圧する減圧弁３７が取り付けられている。

【0027】

次に、水素エンジンシステム１００の熱媒体と、液体水素と、水素ガスの流れについて説明する。

【0028】

低温の熱媒体は、冷却水ポンプ１５によって加圧され、熱媒体供給管１７を通って水素エンジン１０の内部冷却流路１４に流入する。熱媒体は、内部冷却流路１４を通ると水素エンジン１０の燃焼熱によって加熱され、高温の熱媒体となって内部冷却流路１４から熱媒体出口管１８に流出する。そして、熱媒体出口管１８から気化器２０の熱媒体入口２１ａを通ってケーシング２１の内部に流入する。

【0029】

一方、液体水素タンク３１に貯留された極低温の液体水素は、液体水素ポンプ３２で加圧されて液体水素供給管３３から気化器２０のコイル入口２２ａに流入する。

【0030】

ケーシング２１の内部に流入した高温の熱媒体はコイル２２の外面を流れる。また、コイル２２の内部には極低温の液体水素が流れる。コイル２２を通して高温の熱媒体と液体水素とが熱交換し、液体水素は気化して水素ガスとなって気化器２０のコイル出口２２ｂから水素ガス出口管３４に流出する。また、高温の熱媒体はコイル２２を流れる極低温の液体水素と熱交換し、低温の熱媒体となって熱媒体出口２１ｂから熱媒体戻り管１９に流出する。

【0031】

熱媒体戻り管１９に流出した低温の熱媒体は、冷却水ポンプ１５に流入し、冷却水ポンプ１５で加圧されて冷却流路１６を循環する。

【0032】

一方、水素ガス出口管３４に流出した高圧の水素ガスはチャンバ３５に一時的に貯留された後、減圧弁３７で水素エンジン１０への水素供給圧力まで減圧され、水素ガスノズル１２から水素エンジン１０の燃焼室（図示せず）に供給される。水素エンジン１０の燃焼室で燃焼した後の排気ガスは、排気ポート１３から外気に排出される。

【0033】

水素エンジンシステム１００では、熱媒体として水、或いはＬＬＣ（ロングライフクーラント）を用いてもよい。

【0034】

以上説明した水素エンジンシステム１００は、コイル２２を通して液体の熱媒体と液体水素或いは水素ガスとを熱交換させるので、熱媒体と液体水素或いは水素ガスとの間の熱交換効率が高くなり、気化器２０をコンパクトにできる。これにより、水素エンジンシステム１００をコンパクトにできる。

【0035】

また、実施形態の水素エンジンシステム１００では、気化器２０は、内部に熱媒体が通流する流路面積を小さくする仕切りが（図示せず）設けられている。この仕切りにより、コイル２２の外面を流れる熱媒体の流速が所定の流速以上に保持される。所定の流速は、例えば、熱媒体として水、或いはＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられる場合には、２６ｍｍ／ｓ以上としてもよい。これにより、熱媒体がコイル２２の外面を流れる際に凍結することを抑制し、熱交換効率の低下を抑制できる。

【0036】

また、実施形態の水素エンジンシステム１００では、熱媒体入口２１ａの温度Ｔ１と熱媒体出口２１ｂの温度Ｔ２との温度差が１０℃以下となるように冷却水ポンプ１５の吐出量を調整してもよい。これにより、熱媒体の凍結を抑制し、熱交換効率の低下を抑制できる。

【0037】

次に図２を参照しながら他の実施形態の水素エンジンシステム２００について説明する。先に図１を参照して説明した水素エンジンシステム１００と同様の部位には同様の符号を付して説明は省略する。

【0038】

図２に示すように、水素エンジンシステム２００は、水素エンジン１０と、気化器２０と、熱交換器５０と、第１冷却流路６０と、第２冷却流路７０と、水素流路３０とを備えている。以下、第１冷却流路６０と、第２冷却流路７０と、熱交換器５０について説明する。水素エンジン１０と、水素流路３０とは先に説明した水素エンジンシステム１００と同一の構成なので、説明は省略する。

【0039】

第１冷却流路６０は、水素エンジン１０を冷却する液体の第１熱媒体が通流する流路である。第２冷却流路７０は、第１熱媒体と異なる液体の第２熱媒体が通流する流路である。熱交換器５０は、第１熱媒体が通流する第１熱媒体流路５１と、第２熱媒体が通流する第２熱媒体流路５２とを備えている。熱交換器５０は、第１冷却流路６０と第２冷却流路７０とに跨って配置され、高温の第１熱媒体により低温の第２熱媒体を加熱する。気化器２０は、第２熱媒体と液体水素とが通流し、第２熱媒体により液体水素を気化させて水素ガスを発生させる。気化器２０の構造は、先に説明した水素エンジンシステム１００の気化器２０の構造と同一である。

【0040】

第１冷却流路６０は、第１冷却水ポンプ６５と、第１熱媒体供給管６１と、内部冷却流路１４と、第１熱媒体出口管６２と、第１熱媒体流路５１と、第１熱媒体戻り管６３とで構成される。第１熱媒体供給管６１は、第１冷却水ポンプ６５の出口と内部冷却流路１４の入口とを接続する。第１熱媒体出口管６２は、内部冷却流路１４の出口と熱交換器５０の第１熱媒体流路５１の入口とを接続する。第１熱媒体戻り管６３は、第１熱媒体流路５１の出口と第１冷却水ポンプ６５の入口とを接続する。

【0041】

第２冷却流路７０は、第２冷却水ポンプ７５と、第２熱媒体供給管７１と、第２熱媒体流路５２と、第２熱媒体出口管７２と、気化器２０と、第２熱媒体戻り管７３とで構成される。第２熱媒体供給管７１は、第２冷却水ポンプ７５の出口と第２熱媒体流路５２の入口とを接続する。第２熱媒体出口管７２は、第２熱媒体流路５２の出口と気化器２０の熱媒体入口２１ａとを接続する。第１熱媒体戻り管６３は、気化器２０の熱媒体出口２１ｂと第２冷却水ポンプ７５の入口とを接続する。

【0042】

次に、水素エンジンシステム２００の第１熱媒体と、第２熱媒体と、液体水素と、水素ガスの流れについて説明する。

【0043】

低温の第１熱媒体は、第１冷却水ポンプ６５によって加圧され、第１熱媒体供給管６１を通って水素エンジン１０の内部冷却流路１４に流入する。第１熱媒体は、水素エンジン１０の燃焼熱によって加熱され、高温の第１熱媒体となって第１熱媒体出口管６２に流出する。そして、高温の第１熱媒体は、第１熱媒体出口管６２から熱交換器５０の第１熱媒体流路５１に流入する。熱交換器５０で低温の第２熱媒体と熱交換して低温となった第１熱媒体は、第１熱媒体流路５１から流出して第１冷却水ポンプ６５に流入し、第１冷却水ポンプ６５で加圧されて第１冷却流路６０を循環する。

【0044】

低温の第２熱媒体は第２冷却水ポンプ７５によって加圧され、第２熱媒体供給管７１を通って熱交換器５０の第２熱媒体流路５２に流入する。熱交換器５０で高温の第１熱媒体と熱交換して高温となった第２熱媒体は、第２熱媒体流路５２から第２熱媒体出口管７２に流出する。そして、高温の第２熱媒体は、第２熱媒体出口管７２を通って気化器２０の熱媒体入口２１ａから気化器２０のケーシング２１の内部に流入する。

【0045】

一方、液体水素タンク３１に貯留された極低温の液体水素は、液体水素ポンプ３２で加圧されて液体水素供給管３３から気化器２０のコイル入口２２ａに流入する。

【0046】

ケーシング２１の内部に流入した高温の第２熱媒体はコイル２２の外面を流れる。また、コイル２２の内部には極低温の液体水素が流れる。コイル２２を通して高温の第２熱媒体と液体水素とが熱交換し、液体水素は気化して水素ガスとなって気化器２０のコイル出口２２ｂから水素ガス出口管３４に流出する。また、高温の第２熱媒体はコイル２２の極低温の液体水素と熱交換し、低温の第２熱媒体となって熱媒体出口２１ｂから第２熱媒体戻り管７３に流出する。

【0047】

第２熱媒体戻り管７３に流出した低温の第２熱媒体は、第２冷却水ポンプ７５に流入し、第２冷却水ポンプ７５で加圧されて第２冷却流路７０を循環する。

【0048】

一方、水素ガス出口管３４に流出した高圧の水素ガスはチャンバ３５、減圧弁３７を通って水素ガスノズル１２から水素エンジン１０の燃焼室（図示せず）に供給される。水素エンジン１０の燃焼室で燃焼した後の排気ガスは、排気ポート１３から外気に排出される。

【0049】

水素エンジンシステム２００では、第１熱媒体、第２熱媒体として水、或いはＬＬＣ（ロングライフクーラント）を用いてもよい。

【0050】

以上説明した水素エンジンシステム２００は、熱交換器５０において液体の第１冷媒によって液体の第２冷媒を加熱するので、熱交換器５０をコンパクトにすることができる。また、コイル２２を通して液体の第２熱媒体と液体水素或いは水素ガスとを熱交換させるので、第２熱媒体と液体水素或いは水素ガスとの間の熱交換効率が高くなり、気化器２０をコンパクトにできる。これにより、水素エンジンシステム２００をコンパクトにできる。

【0051】

次に図３を参照しながら実施形態の水素エンジンシステム３００について説明する。図３に示す様に、水素エンジンシステム３００は、第１冷却流路６０に第１熱媒体を冷却するラジェータ５６を備えるものである。ラジェータ５６以外の構成は、先に説明した水素エンジンシステム２００と同一である。

【0052】

ラジェータ５６は、水素エンジン１０の内部冷却流路１４を通過して高温となった第１熱媒体を冷却するものである。ラジェータ５６は、内部に第１熱媒体が通流する内部流路５７を備え、外部に外気が通流する空冷式の冷却器である。

【0053】

水素エンジンシステム３００は、水素エンジン１０の温度が上昇し、大きな冷却能力が必要な場合に水素エンジン１０を十分に冷却することができ、水素エンジン１０の出力を高く保つことができる。

【0054】

以上説明した水素エンジンシステム３００では、熱交換器５０は第１熱媒体流路５１と第２熱媒体流路５２とを備え、ラジェータ５６と熱交換器５０とは別々の機器として説明したがこれに限らない。例えば、熱交換器５０が第２熱媒体流路５２のみを備え、ラジェータ５６を通過して温度の上昇した空気によって第２熱媒体を加温するようにしてもよい。また、第２熱媒体流路５２の外面をラジェータ５６の外面に接触させてラジェータ５６の外面からの熱伝導により第２熱媒体を加熱するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0055】

１０ 水素エンジン、１１ 吸気ポート、１２ 水素ガスノズル、１３ 排気ポート、１４ 内部冷却流路、１５ 冷却水ポンプ、１６ 冷却流路、１７ 熱媒体供給管、１８ 熱媒体出口管、１９ 熱媒体戻り管、２０ 気化器、２１ ケーシング、２１ａ 熱媒体入口、２１ｂ 熱媒体出口、２２ コイル、２２ａ コイル入口、２２ｂ コイル出口、３０ 水素流路、３１ 液体水素タンク、３２ 液体水素ポンプ、３３ 液体水素供給管、３４ 水素ガス出口管、３５ チャンバ、３６ 水素ガス供給管、３７ 減圧弁、５０ 熱交換器、５１ 第１熱媒体流路、５２ 第２熱媒体流路、５６ ラジェータ、５７ 内部流路、６０ 第１冷却流路、６１ 第１熱媒体供給管、６２ 第１熱媒体出口管、６３ 第１熱媒体戻り管、６５ 第１冷却水ポンプ、７０ 第２冷却流路、７１ 第２熱媒体供給管、７２ 第２熱媒体出口管、７３ 第２熱媒体戻り管、７５ 第２冷却水ポンプ、１００、２００、３００ 水素エンジンシステム。

【図1】

【図2】

【図3】