【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、水素自動車等の水素エンジンに利用される水素エンジンを備えた熱交換システムにおける設計方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、水素自動車における水素エンジンの熱交換機構としては、次のような機構のものが提案されている（特開平２−８６９２２号公報等）。 即ち、エンジンによって加熱された熱交換媒体と水素吸蔵合金容器内の水素吸蔵合金との熱交換にあたり、前記熱交換媒体として冷却水又は潤滑油を用い、さらに常には排気ガスが水素吸蔵合金容器を迂回して排出される主管路と、
前記熱交換媒体の熱交換率が低いときのみこれを補うべく排気ガスが水素吸蔵合金容器内を通過して排出される補助加熱路とによって排気ガス通路を構成している。

【０００３】そして、熱交換媒体の温度や水素の圧力を測定して熱バランスをコントロールすることにより、従来必要とされていたラジエータや複雑な熱媒管路を省略することが可能となるとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実際にはエンジンと水素吸蔵合金容器とを冷却水配管で接続するとともに、排気ガス管路を水素吸蔵合金容器に迂回させるだけでは、ラジエータを不要化することは困難である。
つまり、エンジンで発生した水素の燃焼熱がエンジン冷却水に移動する熱量と比較して、水素吸蔵合金が水素を放出する際にエンジン冷却水から吸収する熱量が３分の１程度と小さい。 そのため、エンジン冷却水に残る余剰の３分の２の熱量を必ずラジエータによって大気中へ放散させる必要があるからである。

【０００５】例えば、エンジンが水素を３０Ｎｍ ³ /hrの速度で消費しているとき、水素吸蔵合金でこれだけの水素を放出するのに必要な反応熱量は、反応熱を３００
（kcal/ Ｎｍ ³ )とすると、 ３０ (Ｎｍ ³ /hr) ×３００（kcal/ Ｎｍ ³ )＝９０００
（kcal/hr) である。 一方、エンジンで３０Ｎｍ ³ /hrの水素が燃焼するので、その燃焼熱量は、燃焼熱を２４００（kcal/ Ｎ
ｍ ³ )とすると、 ３０ (Ｎｍ ³ /hr) ×２４００（kcal/ Ｎｍ ³ )＝７２００
０（kcal/hr) である。

【０００６】従って、上記水素吸蔵合金の反応熱量に比べて格段に大きい熱量がエンジン内で発生していることになる。 この熱量のうち最高でも５０％程度が実際に水素自動車を駆動するための駆動力として消費されるのみで、残りの５０％は熱としてラジエータから大気中へ放散される。 この大気中へ放散される熱量を有効活用して水素吸蔵合金からの水素放出反応の反応熱に充当するのであるが、前述のように、水素の燃焼熱量は水素吸蔵合金の反応熱量に比べてかなり過剰である。

【０００７】一方、通常エンジンからエンジン冷却水には前記燃焼熱量のうち３０％程度が移動する。 従って、
水素吸蔵合金容器内に流入する熱量は、 ７２０００（kcal/hr)×０．３＝２１６００（kcal/hr) である。 そのため、水素放出反応に利用されなかった余剰分の熱量は、 ２１６００（kcal/hr)−９０００（kcal/hr)＝１２６０
０（kcal/hr) であり、この熱量がそのままエンジンに戻ってゆく。 この余剰熱量によってエンジンの温度が上がり過ぎる場合には、その熱量をラジエータによって大気中に放散しなければならない。 その結果、ラジエータの不要化が困難となるのである。

【０００８】なお、ラジエータによる余剰熱の放散の必要性は、エンジン冷却水の温度がその最高温度（例えば８０℃）に到達した後に発生しやすい。 即ち、図３に示すように、エンジン冷却水の温度（曲線Ａ）が８０℃に達するまでは、水素吸蔵合金の温度（曲線Ｂ）が急激に上昇するとともに、前記余剰熱が消費されて水素吸蔵合金の温度も急激に上昇する。 しかし、エンジン冷却水の温度が８０℃に達すると、水素吸蔵合金の温度上昇に消費されていた熱が減少し、余剰熱量がほとんどエンジンに戻っていくことになる。 従って、その場合に余剰熱量を大気中へ放散させるためラジエータが必要とされる。

【０００９】本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、その目的は、水素吸蔵合金容器からエンジンへ戻る余剰熱量を格段に減少させることができるとともに、ラジエータ等の大気への熱放散装置の不要化が可能となる水素エンジンを備えた熱交換システムにおける設計方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では水素エンジンで加熱された熱交換媒体を熱交換媒体流通経路を介して水素吸蔵合金を有する水素吸蔵合金容器内に導入し、前記熱交換媒体と水素吸蔵合金との間で熱交換を行い、水素吸蔵合金から水素を放出させ、この水素を水素エンジンに導いて燃焼させる熱交換システムにおける各熱交換機器又は材料を、下記数１
で示される熱収支に関する式を満たすことにより構成したことを特徴とする水素エンジンを備えた熱交換システムにおける設計方法をその要旨としている。

【００１１】 λ ₁ (１−λ ₂ )Ｑ ₁ ＝Ｗ×〔Ｃr ×Ｑr ＋（Ｃpm＋Ｃv)×ΔＴ〕 但し、λ ₁はエンジン冷却水熱取得率、λ ₂はエンジン冷却水大気熱放散率、Ｑ ₁はエンジン燃焼熱量、Ｗは水素吸蔵合金の重量、Ｃr は水素吸蔵量重量比、Ｑr は水素吸蔵合金の水素放出反応熱、Ｃpmは水素吸蔵合金の比熱、Ｃv は重量比容器比熱、ΔＴは常温からエンジン冷却水の最高到達温度までの温度差を表す。

【００１２】

【作用】この発明では、熱交換システムにおける各熱交換機器又は材料は、前記数１で示される熱収支に関する式に従って構成される。 例えば、水素吸蔵合金の種類を選定し、走行距離から必要水素量、さらにエンジン燃焼熱量を算出し、エンジン冷却水大気放散率を設定し、かつエンジン冷却水の温度変化を設定することにより、水素吸蔵合金の重量が求められ、熱交換機器である水素吸蔵合金容器の大きさが決定される。

【００１３】従って、エンジンの燃焼熱のうち、エンジン冷却水が取得し、かつ大気中へ放散されない熱量は、
水素吸蔵合金の水素放出反応の反応熱並びに水素吸蔵合金及び水素吸蔵合金容器の吸収量となる。 その結果、水素吸蔵合金容器からエンジンへ戻る熱量を大幅に減少させることができるとともに、ラジエータの不要化が可能となる。

【００１４】

【実施例】以下にこの発明を具体化した一実施例について図１及び図２に従って説明する。 この実施例では、大気への熱放散装置としてのラジエータを不要とした熱交換システムの設計方法について説明する。

【００１５】まず、発熱装置としての水素エンジン（以下単にエンジンという）と水素吸蔵合金容器との間の熱交換システムについて説明する。 図１に示すように、エンジン１とステンレス（ＳＵＳ）製の水素吸蔵合金容器２と間には、流量制御弁３を介して水等の熱交換媒体が流通する熱交換媒体流通経路４（以下熱媒流通経路という）が形成されている。 上記水素吸蔵合金容器２には、
水素吸蔵合金容器２内の圧力を検出する圧力センサ７が接続され、水素吸蔵合金容器２内の圧力を常時検出するようになっている。

【００１６】なお、水素吸蔵合金容器２内には細粒状のチタン鉄等の水素吸蔵合金Ｍが収容され、この水素吸蔵合金Ｍが収容されている部分には、外周部に図示しない熱交換フィンが設けられた熱交換チューブが蛇行状に配設され、水素吸蔵合金Ｍとの熱交換を有効に行うようになっている。

【００１７】前記熱媒流通経路４のうち、前記流量制御弁３に至る前の部分において熱媒流通経路４から分かれてエンジン１へ戻るバイパス流通経路５が設けられている。 そして、圧力センサ７が前記水素吸蔵合金容器２内の圧力が３０atm を越えたことを感知したとき、前記流量制御弁３を閉じるように制御することによって水素吸蔵合金容器２への熱交換媒体の供給を停止し、バイパス流通経路５を介してエンジン１から出た熱交換媒体をそのままエンジン１へ循環させるようになっている。 このバイパス流通経路５には、このバイパス流通経路５を流通する熱交換媒体の流通量を制御するバイパス流量制御弁６が設けられている。

【００１８】また、前記エンジン１の出口及び水素吸蔵合金容器２の入口における熱媒流通経路４には、それぞれ温度測定装置８，９が接続され、熱媒流通経路４内の熱交換媒体の温度を測定できるようになっている。

【００１９】次に、本発明における水素吸蔵合金容器２
を設計するための前記数１で示される熱収支に関する式について説明する。 この数１は水素吸蔵合金Ｍに満たされた水素を、再度水素の充填が必要とされる状態、即ち空又は残り少なくなった状態になるまでの期間中に、エンジン１に連続的又は途中エンジン１の停止を何度か伴いながら供給するとき、エンジン冷却水がその最高到達温度（例えば８０℃）まで達しないように、水素吸蔵合金Ｍの種類、重量及び水素吸蔵合金容器２の空重量を設計するためのものである。 即ち、ラジエータを不要とした水素吸蔵合金容器２の設計をするためのものである。

【００２０】この場合、エンジン１の冷却水がその最高到達温度に達しないのは、エンジン１の冷却水の保有熱のうち水素吸蔵合金Ｍからの水素放出反応に消費される以外の余剰熱を、水素吸蔵合金Ｍやその容器の温度上昇に充当し、エンジン１に戻る余剰熱を抑えるように水素吸蔵合金容器２を構成しているためである。

【００２１】ここで、数１は、前記のように、 λ ₁ (１−λ ₂ )Ｑ ₁ ＝Ｗ×〔Ｃr ×Ｑr＋（Ｃpm＋Ｃv)×
ΔＴ〕である。 上記λ ₁はエンジン冷却水熱取得率、即ち水素吸蔵合金容器２に水素を満たした状態から、再度水素充填が必要とされる所定の水素残量にまで低下するまでの期間中に、エンジン１で水素の燃焼により発生した全燃焼熱量Ｑ ₁に対する、同期間中にエンジン１からエンジン冷却水に移動した全熱量Ｑ ₂の比率を表す。 通常、このλ ₁
は0.1 〜0.5 である。

【００２２】λ ₂はエンジン冷却水大気熱放散率、即ち前記全熱量Ｑ ₂に対する、上記期間中にエンジン冷却水から大気中に放散された全熱量、言い換えると水素吸蔵合金容器２の表面やエンジン冷却水の配管、弁類の表面から大気中に放散された全熱量Ｑ ₃との比率を表す。 通常このλ ₂は 0〜0.5 である。

【００２３】Ｑ ₁はエンジン燃焼熱量、即ち前記期間中にエンジン１で水素の燃焼により発生した全燃焼熱量を表す（単位kcal）。 このＱ ₁は任意であるが、後述する計算例では６０Nm ³の水素に相当する１４４０００kcal
を用いた。

【００２４】Ｗは水素吸蔵合金Ｍの重量を表す（単位k
g）。 このＷは、その他の値によって決定される従属変数である。 Ｃr は水素吸蔵量重量比、、即ち前記期間内に水素吸蔵合金Ｍから放出された全水素量Ｆ（Nm ³ )と水素吸蔵合金重量Ｗ（kg）との関係、つまりＦ＝Ｃr ×Ｗ
から求められる比例定数を表す（単位Nm ³ /kg) 。 このＣ
r は水素吸蔵合金Ｍの種類によって決まる値である。

【００２５】Ｑr は水素吸蔵合金Ｍの水素放出反応熱を表す（単位kcal/Nm ³ ) 。 このＱr は水素吸蔵合金Ｍの種類によって決まる値である。 Ｃpmは水素吸蔵合金Ｍの比熱を表す（kcal/kg.℃) 。 このＣpmは水素吸蔵合金Ｍの種類によって決まる値である。

【００２６】Ｃv は重量比容器比熱、即ち水素吸蔵合金容器２の空重量と使用する水素吸蔵合金Ｍの重量の比に、空容器材料の平均的な比熱を掛け合わせた値を表す（単位kcal/kg.℃) 。 このＣv は、通常0.025 〜0.1kca
l/kg. ℃である。

【００２７】ΔＴは常温からエンジン冷却水の最高到達温度までの温度差を表す（単位℃）。 後述する計算例では常温の２０℃とエンジン冷却水の最高到達温度８０℃
との差である６０℃を用いた。

【００２８】次に、エンジン冷却水は通常０〜８０℃の範囲で使用されるが、この温度範囲において、大気圧以上の水素解離圧力が得られる水素吸蔵合金であれば、いかなる水素吸蔵合金Ｍでも使用が可能である。 この水素吸蔵合金Ｍとして、代表的なものを下記表１に示し、各水素吸蔵合金Ｍについて、前記数１の変数がどのようになるかを示した。 即ち、水素吸蔵合金Ｍとして、ニッケルミッシュメタル（ＭｍＮi ₅ ）、マンガンチタン（Ｔｉ
Ｍn ）、チタン鉄（ＦｅＴi ）、ニッケルランタン（Ｌ
a Ｎi ₅ ）、ニッケルカルシウム（ＣａＮi ₅ ）を示した。

【００２９】例えば、チタン鉄（FeTi) について計算すると、FeTiは水素化してFeTiH ₂となりFeTiと水素とのモル比は１：１である。 また、FeTiの１モル当量は103.74
g/mol である。 従って、Ｃr は次の式で求められる。

【００３０】Ｃr ＝22.4×１／103.74＝0.22 但し、吸蔵した水素全部を放出せず、例えば８割放出したところで再度水素を充填する場合は、この８割の値となる。 なお、表１におけるＣr は、最大吸蔵量から全ての水素を放出した場合の値である。

【００３１】

【表１】

【００３２】次に、水素吸蔵合金ＭとしてＦｅＴi を用いた場合の水素吸蔵合金容器２の大きさＷを具体的に求める場合について説明する。 上記表１からＱr ＝２５
０、Ｃpm＝0.112 である。 また、Ｃr は水素圧力３０気圧（atm)で限界吸蔵量まで吸蔵後、その８割が放出されるまで再度水素を充填しない場合、Ｃr ＝0.18である。
一方、エンジン１の必要水素量は、走行距離を２００km
とすると６０Nm ³である。 よって、 Ｑ ₁ ＝６０（Nm ³ )×２４００ (kcal/Nm ³ ) ＝１４４００
０ (kcal) である。

【００３３】また、λ ₁ ＝0.3 、λ ₂ ＝ 0.1とする。 さらに、水素吸蔵合金容器２の重量に占める容器空重量の割合を２０％とし、容器材料としてＳＵＳ（比熱0.12kc
al/kg.℃) を用いる。 従って、 Ｃｖ＝0.12×0.2 ＝0.024 (kcal/kg. ℃) である。

【００３４】また、エンジン冷却水の温度は、２０℃でエンジン１が始動し、８０℃で最高到達温度に達する。
従って、 ΔＴ＝８０−２０＝６０（℃) である。

【００３５】以上の数値を用い、前記数１から Ｗ＝λ ₁ (１−λ ₂ )Ｑ ₁ ／〔Ｃr ×Ｑr ＋（Ｃpm＋Ｃv)×ΔＴ〕 ＝0.3 ×( １−0.1 ）×144000／〔0.18×250 ＋(0.112＋0.024)×60〕 ＝３８８８０／４５＋8.16 ＝７３１（kg）である。

【００３６】一方、水素吸蔵合金容器２の空重量Ｗt
は、 Ｗt ＝Ｗ×0.2 ＝７３１×0.2 ＝１４６（kg）である。 よって、水素吸蔵合金容器２全体の重量は、 ７３１＋１４６＝８７７（kg）となる。

【００３７】このように構成された水素吸蔵合金容器２
では、図２に示すように、温度測定装置８，９により測定されたエンジン冷却水の温度は最高温度が７５℃までしか到達せず、従ってラジエータによる余剰熱の大気放散を必要とせず、所定量の水素（６０Nm ³ ）をエンジン１に連続的に供給することができる。

【００３８】上記のように、この実施例の水素吸蔵合金容器２を用いることにより、ラジエータが不要となるため、ラジエータ本体の他、ラジエータホース、電動ファン及びエンジン冷却水のリザーバタンク等を不要とすることができる。 その結果、車両のボンネットのスペースの節約を図ることができ、ひいてはボンネットの小型化により運転手の前方の視界を広げることができる。

【００３９】このように、本発明の前記数１を用いることにより、水素吸蔵合金容器２からエンジン１へ戻る余剰熱量を大幅に減少させ、ラジエータをなくした状態において、熱交換システムにおける熱交換機器としての水素吸蔵合金容器２の大きさを容易に設計することができる。

【００４０】この発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で例えば以下のように構成してもよい。 （１）前記数１において、左辺即ちエンジン燃焼熱のうちエンジン冷却水が取得し、水素吸蔵合金容器２へ循環される熱量は、前記実施例のように計算式で求める他、
実測によって求めた値を使用してもよい。 （２）前記実施例では、水素吸蔵合金Ｍの種類を選定し、必要とされる水素吸蔵合金Ｍの重量を算出したが、
逆に例えば小型乗用車に搭載される水素吸蔵合金Ｍの重量を小さく設定し、それに必要とされる水素吸蔵合金Ｍ
の種類を設計することも可能である。 （３）本発明においてラジエータを設ける場合、エンジン冷却水大気熱放散率λ ₂を大きく設定し、ラジエータを有する熱交換システムを設計することもできる。 その場合、余剰熱量を主にラジエータによって大気中へ放散させる。 （４）熱交換媒体としては水素エンジンの冷却水以外に、水素エンジンの排気ガス等を補助的に利用してもよい。 （５）水素吸蔵合金Ｍによって放出される水素ガスはフォークリフト用の水素エンジンに利用する以外に、トラックや乗用車等の他の水素エンジンに利用してもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
水素吸蔵合金容器からエンジンへ戻る余剰熱量を格段に減少させることができるとともに、ラジエータ等の大気中への熱放散装置の不要化が可能となるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を表す図であって、発熱装置と水素吸蔵合金容器との間の熱交換のための装置を示す説明図である。

【図２】エンジン冷却水の温度と時間の関係を表すグラフである。

【図３】従来例を表し、エンジン冷却水の温度と時間の関係を表すグラフである。

【符号の説明】

１…エンジン、２…水素吸蔵合金容器、４…熱交換媒体流通経路、Ｍ…水素吸蔵合金。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 啓之 福岡県北九州市八幡東区枝光１丁目１番１ 号 新日本製鐵株式会社第３技術研究所内