JP2001068127A - 燃料電池冷却装置及び燃料電池システム - Google Patents

燃料電池冷却装置及び燃料電池システム

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JP2001068127A
JP2001068127A JP24318399A JP24318399A JP2001068127A JP 2001068127 A JP2001068127 A JP 2001068127A JP 24318399 A JP24318399 A JP 24318399A JP 24318399 A JP24318399 A JP 24318399A JP 2001068127 A JP2001068127 A JP 2001068127A
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reactor
hydrogen
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heat
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Masahiko Kanehara
雅彦 金原
Yoshihiro Isogai
嘉宏 磯貝
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の冷却効率および排熱効率を高めら
れ、比較的小型で済むとともに、燃料電池の廃熱の有効
利用を図り易くなる燃料電池冷却装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池システムＦＣＳの冷却装置３
は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）／アセトン／Ｈ
2系のケミカルヒートポンプＨＰ１として構築される。
ケミカルヒートポンプＨＰ１は、ＩＰＡが貯蔵されたタ
ンク２０、循環管路２１、循環管路２１上に設けられた
ポンプ２２、熱交換器２３，２５、脱水素反応器２４お
よび水素化反応器２６を備える。脱水素反応器２４は燃
料電池１に内蔵され、その吸熱反応により燃料電池１を
冷却する。水素化反応器２６はラジエータとして機能
し、冷風機３０とともにラジエータ装置１５を構成す
る。燃料電池１の作動温度付近（約８０℃）の廃熱はケ
ミカルヒートポンプＨＰ１により昇温され、水素化反応
器２６から約２００℃の熱として排熱される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池冷却装置
及び燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池はエネルギー効率が高く小型化
を図り易いため、電気自動車の電源として採用されてい
る。特に固体高分子型燃料電池は作動温度が１００℃以
下と比較的低温であるため、自動車の電源や家庭用自家
発電装置として実用的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池は発電効率が
約５０％と高く、エネルギーの残り約５０％は廃熱とな
る。特に固体高分子型燃料電池は高分子電解質膜を使用
するため、電解質膜が反応熱に侵されないように、その
排熱を効率よく行う必要がある。従来は、燃料電池に冷
却水を流す冷却水循環式冷却装置を使用してラジエータ
で排熱する方法を採用していた。燃料電池は通常１００
℃以下の作動温度に保たれるように冷却されるが、燃料
電池から排出された冷却水の温度（例えば約８０℃）
と、ラジエータの周りの外部環境温度（例えば３０℃）
との温度差が小さくラジエータの放熱効率が悪いため、
ラジエータを放熱面積の広い大型のものを設置しなけれ
ばならなかった。このため、大型のラジエータを設置す
ることにより燃料電池システムが大型化するという問題
があった。
【０００４】また、固体高分子型燃料電池の廃熱は通常
１００℃以下の比較的低温の熱であるため、使い勝手が
悪く熱の有効利用を図り難いという問題があった。本発
明は前記課題を解決するためになされたものであって、
その目的は、燃料電池の冷却効率および排熱効率を高め
られ、比較的小型で済むとともに、燃料電池の廃熱の有
効利用を図り易くする燃料電池冷却装置及び燃料電池シ
ステムを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
請求項１に記載の発明は、燃料電池冷却装置において、
燃料電池の廃熱を昇温するための少なくとも一段のケミ
カルヒートポンプからなるケミカルヒートポンプシステ
ムと、前記ケミカルヒートポンプシステムによって昇温
された燃料電池の作動温度より高温な廃熱を排熱する排
熱手段とを備えている。
【０００６】この構成によれば、燃料電池の廃熱は少な
くとも一段のケミカルヒートポンプからなるケミカルヒ
ートポンプシステムによって昇温され、高温の廃熱とし
て排熱手段により排熱される。例えば排熱手段がラジエ
ータ装置である場合、ラジエータ温度と外部環境温度と
の温度差が相対的に大きくなって排熱効率が高まるた
め、ラジエータ装置が小型で済む。また、排熱手段によ
り排熱される熱が高温であるため熱の有効利用の機会が
増えることになる。さらに燃料電池がケミカルヒートポ
ンプの吸熱反応によって冷却されるのでその冷却効率も
高められる。
【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記燃料電池の作動温度付近の廃熱を
吸熱する一段を構築する燃料電池冷却用のケミカルヒー
トポンプは、燃料電池の作動温度で吸熱反応を起こすと
ともに燃料電池が作動時に発生する熱を熱源として吸熱
反応を起こすことが可能なように燃料電池と熱交換可能
に設けられた吸熱反応器と、燃料電池の作動温度より高
温の所定温度で発熱反応を起こす発熱反応器とを有する
ことを要旨とする。
【０００８】この構成によれば、燃料電池冷却用のケミ
カルヒートポンプを構成する吸熱反応器は、燃料電池に
対し熱交換可能に設けられているため、直接的な吸熱に
よって燃料電池の冷却効率が高められる。また、例えば
従来使用されていた冷却水循環式冷却装置が不要にな
る。
【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、燃料電池を経由する冷却水管路と、該
冷却水管路上に設けられた放熱器とを有する冷却水循環
式冷却装置を備え、前記燃料電池の作動温度付近の廃熱
を吸熱する一段を構築する燃料電池冷却用のケミカルヒ
ートポンプは、前記放熱器を熱源として吸熱反応を起こ
すことが可能なように該放熱器と熱交換可能に設けられ
た吸熱反応器と、該吸熱反応器における吸熱反応温度よ
り高温の所定温度で発熱反応を起こす発熱反応器とを有
することを要旨とする。
【００１０】この構成によれば、燃料電池冷却用のケミ
カルヒートポンプを構成する吸熱反応器は、冷却水循環
式冷却装置の放熱器と熱交換可能に設けられるため、例
えば従来使用されていた冷却水循環式冷却装置を利用す
ることで燃料電池冷却用のケミカルヒートポンプを構築
し易くなる。
【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の
いずれか一項に記載の発明において、前記ケミカルヒー
トポンプシステムは多数段のケミカルヒートポンプから
構築されている。
【００１２】この構成によれば、多数段のケミカルヒー
トポンプにより、燃料電池の作動温度付近の使い勝手の
悪い低品位の廃熱を、有効利用可能な温度まで昇温させ
ることが可能となる。
【００１３】請求項５に記載の発明は、燃料電池システ
ムにおいて、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料
電池冷却装置と、燃料電池の作動温度より高温の温度で
水素を生成する反応を起こす水素生成反応器を備えると
ともに生成された水素を燃料電池に供給する水素供給装
置とを備え、前記排熱手段は、前記ケミカルヒートポン
プシステムのうち最高温段のケミカルヒートポンプを構
成する発熱反応器と、該最高温段のケミカルヒートポン
プが発熱した廃熱を前記水素供給装置における水素生成
のための熱源に利用可能に該発熱反応器と熱交換可能に
設けられた前記水素生成反応器とにより構成される。
【００１４】この構成によれば、燃料電池の廃熱がケミ
カルヒートポンプシステムによって昇温され、最高温段
のケミカルヒートポンプの発熱反応器から発熱される高
温の廃熱は、水素供給装置の水素生成反応器に熱交換に
より与えられ、水素生成反応の熱源として有効利用され
る。
【００１５】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の発明において、前記水素供給装置は炭化水素系化合物
の改質により水素を生成する燃料改質装置であり、前記
水素生成反応器は改質反応器である。
【００１６】この構成によれば、燃料電池の廃熱がケミ
カルヒートポンプシステムによって昇温され、最高温段
のケミカルヒートポンプの発熱反応器から発熱される高
温の廃熱は、燃料改質装置の改質反応器の熱源として有
効利用され、炭化水素系化合物の改質により水素を生成
するための熱源に利用される。
【００１７】請求項７に記載の発明は、請求項５に記載
の発明において、前記水素供給装置は水素吸蔵合金式水
素供給装置であり、前記水素生成反応器は水素吸蔵合金
に水素を放出させる水素吸蔵合金反応器である。
【００１８】この構成によれば、燃料電池の廃熱がケミ
カルヒートポンプシステムによって昇温され、最高温段
のケミカルヒートポンプの発熱反応器から発熱される高
温の廃熱は、水素吸蔵合金式水素供給装置の水素吸蔵合
金反応器の熱源として有効利用され、水素吸蔵合金に水
素を放出させる熱源に利用される。
【００１９】請求項８に記載の発明は、燃料電池システ
ムにおいて、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料
電池冷却装置と、燃料電池の作動温度より高温の温度で
含水素有機化合物を燃料とする脱水素反応により水素を
分離生成する脱水素反応器を有するとともに脱水素反応
生成物を液体保管する液体貯蔵器を有する水素供給装置
とを備え、前記ケミカルヒートポンプシステムのうち所
定の一段のケミカルヒートポンプを構成する発熱反応器
が発熱した廃熱を前記脱水素反応の熱源に利用可能に該
発熱反応器と前記脱水素反応器とが熱交換可能に設けら
れている。
【００２０】この構成によれば、燃料電池の廃熱がケミ
カルヒートポンプシステムによって昇温され、所定の一
段のケミカルヒートポンプの発熱反応器から発熱される
高温の廃熱は、水素供給装置の脱水素反応器に熱交換に
より与えられ、脱水素反応の熱源として有効利用され
る。
【００２１】請求項９に記載の発明は、請求項８に記載
の発明において、前記水素供給装置は前記脱水素反応器
を吸熱反応器とし、前記脱水素反応生成物を水素化する
水素化反応器を発熱反応器として前記ケミカルヒートポ
ンプシステムのうち最高温段のケミカルヒートポンプを
構築する。
【００２２】この構成によれば、水素供給装置の脱水素
反応器を吸熱反応器とし、脱水素反応生成物を水素化す
る水素化反応器を発熱反応器として最高温段のケミカル
ヒートポンプが構築されるので、水素供給装置と最高温
段のケミカルヒートポンプとの一部共通化により燃料電
池システムの構成が簡素となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明
を具体化した第１の実施形態を図１〜図５に従って説明
する。
【００２４】燃料電池システムＦＣＳは、例えば自動車
などの車両に電源として搭載されたり、家庭用自家発電
装置として使用される。燃料電池システムＦＣＳは、燃
料電池１と、燃料電池１に水素を供給するための水素供
給装置２と、燃料電池１を冷却するための冷却装置３と
を備える。本実施形態の燃料電池１は固体高分子型燃料
電池であり、高分子電解質膜で区画された燃料極及び空
気極からなる複数のセルを内蔵する。燃料電池１では、
燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中
の酸素との電解質膜を介した起電反応により発電が行わ
れる。水素供給装置２は、メタノール改質方式、水素吸
蔵合金方式、液体水素方式、高圧水素方式など、公知の
水素供給装置が使用される。本実施形態では空気供給系
（空気供給システム）については図示を省略している。
燃料電池１の構造は次のようになっている。
【００２５】図２に示すように燃料電池１の単セル１ａ
は、一対のリブ付きセパレータ４と、両セパレータ４間
に挟まれる一対の電極５，６と、両電極５，６間に挟ま
れる電解質膜７とを有する。一対の電極は、多孔質支持
層８にアノード触媒層９が形成されたアノード電極５
と、多孔質支持層８にカソード触媒層１０が形成された
カソード電極６とからなる。燃料（水素）はセパレータ
４のアノード電極側面上の溝を通って一方向へ流れ、空
気はセパレータ４のカソード電極側面上の溝を通って燃
料の流れ経路と直交する方向へ流れる。アノード側が燃
料極となり、カソード側が空気極となる。燃料電池１の
作動温度は約８０℃である。
【００２６】水素供給装置２は燃料電池１と水素供給管
路１１を通じて接続され、水素供給管路１１上には減圧
弁１２および流量制御弁（ＭＦＣ（Mass Flow Controll
er））１３が設けられている。ここで、流量制御弁（Ｍ
ＦＣ）１３は、流量を検出する流量検出部と、その検出
した検出流量値をフィードバックして開度の制御をする
制御弁部とを有するものである。制御部Ｃ１が消費電力
から発電の必要があると判断すると流量制御弁１３は開
かれるとともに要求発電量に応じた開度に制御され、水
素は要求発電量に応じた流量で燃料電池１に供給される
ようになっている。減圧弁１２は流量制御弁１３に送ら
れる水素の圧力を減圧する。
【００２７】冷却装置３は、燃料電池冷却用のケミカル
ヒートポンプＨＰ１と、排熱手段としてのラジエータ装
置１５とを備える。ケミカルヒートポンプＨＰ１の吸熱
によって燃料電池１を冷却する方式を採用する。ケミカ
ルヒートポンプＨＰ１には燃料電池１の作動温度（約８
０℃）で吸熱反応を起こす化学物質を利用する流体系が
好ましく、本実施形態では水素化脱水素反応系のケミカ
ルヒートポンプのうち、燃料電池１の作動温度約８０℃
に吸熱反応温度をもつＩＰＡ／アセトン／Ｈ2系のケミ
カルヒートポンプを採用する。
【００２８】冷却装置３は、燃料電池１の約８０℃の廃
熱をケミカルヒートポンプＨＰ１により昇温し、燃料電
池１の作動温度より高温な熱をラジエータ装置１５を使
って排熱する排熱システムを構築している。このため、
ケミカルヒートポンプＨＰ１は、低温側の吸熱反応によ
り吸熱した低温の熱を、高温側の発熱反応により高温の
熱として発熱する昇温型のものを採用する。
【００２９】ＩＰＡ／アセトン／Ｈ2系のケミカルヒー
トポンプＨＰ１では、ＩＰＡの脱水素反応が吸熱反応と
して進み、その脱水素反応により生成した反応生成物で
あるアセトンの水素化反応が発熱反応として進む。
【００３０】ＩＰＡの脱水素反応は次式で示される。 （ＣＨ3)2 ＣＨＯＨ（液）→（ＣＨ3)2 ＣＯ（気）＋Ｈ
2（気）−100.4kJ/mol ＩＰＡは脱水素反応によりアセトン（ＣＨ3 ）2 ＣＯと
水素Ｈ2 に分離する。この脱水素反応は触媒存在下で反
応温度約８０℃で起こる吸熱反応である。
【００３１】また、反応生成物であるアセトンの水素化
反応は次式で示される。 （ＣＨ3)2 ＣＯ（気）＋Ｈ2（気）→（ＣＨ3)2 ＣＨＯ
Ｈ（液）＋100.4kJ/mol この水素化反応は触媒存在下で反応温度約２００℃で起
こる発熱反応である。アセトンの水素化反応によりＩＰ
Ａが再生される。
【００３２】図１に示すように、冷却装置３は、タンク
２０と、タンク２０に入口と出口が接続されるとともに
燃料電池１の内部を経由する循環管路２１と、循環管路
２１上に設けられたポンプ２２、熱交換器２３、脱水素
反応器（吸熱反応器）２４、熱交換器２５、水素化反応
器（発熱反応器）２６および凝縮器２７とを有する。脱
水素反応器２４は燃料電池１に内蔵されている。
【００３３】脱水素反応器２４の内部は触媒担持されて
いる。触媒には例えば微粒金属ニッケル、カーボン担持
貴金属、ラネーニッケル、ホウ化ニッケルなどが使用さ
れる。カーボン担持貴金属触媒用の貴金属には、白金、
ルテニウム、ロジウム、パラジウム等が使用される。脱
水素反応器２４では約８０℃でＩＰＡの脱水素反応が行
われる。また、水素化反応器２６の内部も触媒担持され
ている。触媒にはニッケル触媒（例えば微粒ニッケル担
持活性炭）が使用される。
【００３４】水素化反応器２６ではアセトン水素化反応
（発熱反応約２００℃）によりＩＰＡ、アセトン及び水
素の平衡混合物が得られ、その顕熱は熱交換器２５によ
ってアセトン・水素混合気体の予熱に使われるととも
に、熱交換器２３によってＩＰＡの予熱に使われる。ア
セトン水素化反応後の平衡混合物は、各熱交換器２５，
２３を通るときに降温されるとともに凝縮器２７でＩＰ
Ａ（沸点８２℃）およびアセトン（沸点５６℃）が共に
液化された状態で、タンク２０に還流される。タンク２
０に水素化反応器２６で反応せずに送り込まれた水素を
水素化反応器２６に戻すためのコンプレッサＣＰ１が設
けられている。すなわち、タンク２０に接続された管路
２１ａの先端が循環管路２１の水素化反応器２６の上流
側にて接続されている。コンプレッサＣＰ１は管路２１
ａ上に設けられ、タンク２０に設けられた圧力センサ
（図示せず）の検出値に基づいて制御部Ｃ１によりタン
ク２０の内部圧が設定値を超えないようにコンプレッサ
ＣＰ１が駆動されるようになっている。
【００３５】燃料電池１には温度センサ２８が設けら
れ、温度センサ２８の検出値に基づき燃料電池１が作動
温度になってから制御部Ｃ１によりポンプ２２は駆動さ
れる。循環管路２１上には水素化反応器２６を加温する
ためのヒータ２９が設けられている。また、ラジエータ
装置１５は、ラジエータとして機能する水素化反応器２
６と、その近傍に配置された冷風機３０とにより構成さ
れる。水素化反応器２６には温度センサ３１が設けら
れ、制御部Ｃ２により温度センサ３１の検出値に基づい
てヒータ２９および冷風機３０が制御され、水素化反応
器２６の内部温度が水素化反応温度（約２００℃）に調
節されるようになっている。
【００３６】脱水素反応器２４を燃料電池１に内蔵する
具体的構造としては、セパレータ４を燃料側と空気側の
２部品に分け、両部品間に脱水素反応器２４を挟み込む
挟持方式や、セパレータ４を構成する２部品の接合界面
上に脱水素反応器２４の反応通路を直接形成する一体方
式を採用することができる。
【００３７】図３は燃料電池１に内蔵された挟持方式の
脱水素反応器２４の組付構造を示す。燃料電池１はセパ
レータ４、電極５，６及び電解質膜７からなるセルが多
層に積層された構造をとり（図２を参照）、脱水素反応
器２４がセパレータ４を燃料側と空気側との２部品に分
けた２つのセパレータ部品４ａ，４ｂの間に挟持された
構造をとる。
【００３８】脱水素反応器２４には例えば図４に示すチ
ューブ式冷却板が使用される。図４に示すように、冷却
板４１はアルミニウムなどの金属からなるプレス成形品
からなり、その基板４２の内部には蛇行する経路のチュ
ーブ４３が成形されている。基板４２から延出するチュ
ーブ４３の両端部により、燃料流入部４３ａと燃料流出
部４３ｂが形成されている。チューブ４３の内部には脱
水素化反応のための触媒が担持されている。冷却板４１
がセパレータ部品４ａ，４ｂに挟持された組付状態で
は、反応通路となるチューブ４３がセパレータ４の燃料
極面と空気極面との間を通るように配置される。
【００３９】また、図５は燃料電池１に内蔵された一体
方式の脱水素反応器２４の組付構造を示す。燃料電池１
はセパレータ４、電極５，６及び電解質膜７からなるセ
ルが多層に積層された構造をとり（図２を参照）、脱水
素反応器２４はセパレータ４を燃料側と空気側との２部
品に分けた両セパレータ部品４ｃ，４ｄを接合すること
によって、両セパレータ部品４ｃ，４ｄの接合面上に加
工された溝通路によって形成されている。
【００４０】図６はセパレータ部品４ｃ（４ｄ）を示
す。セパレータ部品４ｃ（４ｄ）は、例えばカーボン等
の材質からなる基板４５を備える。基板４５には燃料流
路４６と水素流路４７と空気流路４８の三路が厚さ方向
に貫通して形成されている。燃料流路４６と水素流路４
７と空気流路４８は流入用と流出用とのそれぞれ１つず
つ形成され、基板４５は燃料流路４６の流入口４６ａと
流出口４６ｂ、水素流路４７の流入口４７ａと流出口４
７ｂ、および空気流路４８の流入口４８ａと流出口４８
ｂを有する。基板４５の表面には燃料流路４６の流入口
４６ａ及び流出口４６ｂと連通する状態で格子状の経路
をとる溝４５ａが刻設されている。セパレータ部品４ｃ
と接合されるもう一方のセパレータ部品４ｄにはその相
対面に溝４５ａと同形状の溝（図示せず）が形成され、
両溝の接合により反応管路４９が形成される。反応管路
４９の内部には脱水素反応用の触媒が担持されている。
反応通路となる反応管路４９はセパレータ４の燃料極面
と空気極面との間を通るようにセパレータ４の内部に形
成される。
【００４１】このセパレータ４が燃料電池１に組み込ま
れた状態では、三本の流路４６，４７，４８は燃料電池
１をセル列方向に貫通し、水素流路４７は各セルの燃料
極に連通され、空気流路４８は各セルの空気極に連通さ
れるようになっている。各セパレータ部品４ｃ，４ｄの
反応管路４９（溝４５ａ）と反対側の面上、すなわち燃
料極面と空気極面には水素流路および空気流路となる多
列の溝がそれぞれ直交する向きに形成されている（図２
を参照）。なお、図３および図５では、脱水素反応器２
４が燃料電池１のセル間にセル複数個おきに配置されて
いるが、各セパレータ４を脱水素反応器内蔵型の構成と
することもできる。なお、各制御部Ｃ１，Ｃ２は実際に
は燃料電池システムＦＣＳを制御する一つの制御ユニッ
トを構成している。
【００４２】上記のように構成される燃料電池システム
ＦＣＳは次のように作動する。燃料電池システムＦＣＳ
が装備される例えば車両または家庭用自家発電装置で電
力消費があると流量制御弁１３が開かれるとともに要求
発電量に応じた開度に制御され、水素供給装置２から燃
料電池１の燃料極に要求発電量に応じた流量で純水素が
供給され、これと同時に空気極には空気供給装置から空
気が供給され、燃料電池１の内部では発電が行われる。
【００４３】燃料電池１に設けられた温度センサ２８の
検出温度に基づいて制御部Ｃ１によりポンプ２２が駆動
され、脱水素反応器２４には燃料電池１が作動温度に保
たれる流量でＩＰＡが送られる。脱水素反応器２４内の
吸熱反応によって燃料電池１は冷却されて作動温度に調
節される。
【００４４】燃料電池１の廃熱はその冷却用（ＩＰＡ／
アセトン／Ｈ2系）ケミカルヒートポンプＨＰ１により
昇温され、その水素化反応器２６において発熱する約２
００℃の熱として排熱される。水素化反応器２６はラジ
エータとして機能し、冷風機３０の送風により水素化反
応器２６の内部温度が約２００℃に調節されるように制
御される。
【００４５】この燃料電池システムＦＣＳでは次の効果
が得られる。 （１）燃料電池１に内蔵された脱水素反応器（吸熱反応
器）２４により吸熱された燃料電池１の廃熱はケミカル
ヒートポンプＨＰ１によって昇温され、ラジエータとし
て機能する水素化反応器（発熱反応器）２６において約
２００℃の高温の熱して排熱される。ラジエータとして
機能する水素化反応器２６の約２００℃の温度とその周
辺外部環境温度（例えば３０〜５０℃）との温度差が大
きいので、水素化反応器２６を約２００℃にするように
冷風機３０により冷却する際の排熱効率が高くなる。そ
の結果、従来技術において燃料電池の冷却に使用される
冷却水循環式冷却装置の約８０℃の冷却水の廃熱を排熱
するラジエータに比べ、ラジエータが小型で済む。よっ
て、従来の燃料電池システムにおいて、その大型化の原
因であったラジエータ部分が小型になるので、小型の燃
料電池システムＦＣＳを提供できる。
【００４６】（２）燃料電池１に内蔵された脱水素反応
器２４により作動温度（約８０℃）付近の低温の廃熱を
吸熱反応により吸熱する構成なので、冷却水の熱交換に
比べ燃料電池１の冷却効率を高めることができる。
【００４７】（第２の実施形態）以下、本発明を具体化
した第２の実施形態を図７に従って説明する。この実施
形態では、燃料電池１を冷却するための冷却水循環式冷
却装置の冷却水の熱を、ケミカルヒートポンプによって
吸熱して昇温させる方式を採用している。
【００４８】図７に示すように燃料電池システムＦＣＳ
は、燃料電池１と、水素供給装置２と、冷却装置３とか
らなる。冷却装置３は、冷却水循環式冷却装置５０と、
燃料電池冷却用のケミカルヒートポンプＨＰ１とから構
成される。
【００４９】ケミカルヒートポンプＨＰ１は、ＩＰＡ／
アセトン／Ｈ2系のケミカルヒートポンプにより構築さ
れ、脱水素反応器２４が燃料電池１の外部に配置されて
いる点を除いて前記第１の実施形態と同様の構成であ
る。すなわちタンク２０には循環管路２１の入口と出口
が接続され、循環管路２１上にはポンプ２２、熱交換器
２３、脱水素反応器（吸熱反応器）２４、熱交換器２
５、水素化反応器（発熱反応器）２６及び凝縮器２７が
設けられている。脱水素反応器２４および水素化反応器
２６の内部に担持されている触媒には前記第１の実施形
態と同様のものが使用される。脱水素反応器２４の内部
で起こる吸熱反応の熱源には、燃料電池１を冷却する冷
却水循環式冷却装置５０の排熱を利用する。
【００５０】冷却水循環式冷却装置５０は、燃料電池１
の内部を通る経路の閉回路を作る冷却水管路５１と、冷
却水管路５１上に設けられたポンプ５２及び放熱器５３
から構成される。放熱器５３は脱水素反応器２４と熱交
換可能な熱交換器を構成する。燃料電池１を冷却する放
熱器５３を流れる冷却水（温水）の温度は約８０℃で、
この約８０℃の廃熱が脱水素反応器２４の内部で起こる
吸熱反応の熱源として使用される。燃料電池１には温度
センサ２８が設けられ、温度センサ２８の検出値に基づ
き燃料電池１が作動温度になってから制御部Ｃ３により
ポンプ５２は駆動されるようになっている。
【００５１】脱水素反応器２４にその内部温度を測定す
るために設けられた温度センサ５４の検出値に基づいて
冷却水管路５１上に設けられたヒータ５５が制御部Ｃ３
により制御されることにより、ヒータ５５の予熱によっ
て脱水素反応器２４の内部温度が反応温度（約８０℃）
に調節されるようになっている。また、水素化反応器２
６に設けられた温度センサ３１の検出温度に基づいて制
御部Ｃ２により制御されるヒータ２９及び冷風機３０の
加熱・冷却作用により、水素化反応器２６の内部温度は
水素化反応温度（約２００℃）に調節されるようになっ
ている。なお、水素化反応器２６及び冷風機３０により
構成されるラジエータ装置１５により、排熱手段は構成
される。また、タンク２０に接続された管路２１ａの先
端が循環管路２１の水素化反応器２６の上流側にて接続
され、管路２１ａ上に設けられたコンプレッサＣＰ２
が、タンク２０に設けられた圧力センサ（図示せず）の
検出値に基づいて制御部Ｃ２により駆動されることによ
ってタンク２０の内部圧が設定値を超えないようになっ
ている。
【００５２】水素供給装置２は水素を燃料電池１に供給
するためのもので、前記第１の実施形態と同様の公知の
装置である。水素供給装置２は燃料電池１と水素供給管
路１１を通じて接続され、水素供給管路１１上には減圧
弁１２および流量制御弁（ＭＦＣ）１３が設けられてい
る。流量制御弁１３は制御部Ｃ３により要求発電量に応
じた開度に制御され、要求発電量に応じた流量の水素が
燃料電池１に供給されるようになっている。なお、各制
御部Ｃ２，Ｃ３は実際には燃料電池システムＦＣＳを制
御する一つの制御ユニットを構成している。
【００５３】この燃料電池システムＦＣＳでは前記第１
の実施形態で述べた（１），（２）と同様の効果に加
え、次の効果が得られる。 （３）従来の冷却水循環式冷却装置５０を利用し、その
放熱器５３をケミカルヒートポンプＨＰ１の脱水素反応
器２４と熱交換可能に設けるだけの構成により、排熱効
率を高めることができる。このため脱水素反応器２４を
燃料電池１に内蔵するための特殊な冷却板を使用するこ
となく、従来使用されている冷却水用の冷却板をそのま
ま採用して実施できる。
【００５４】（第３の実施形態）次に第３の実施形態を
図８に従って説明する。この実施形態は、水素供給装置
としてメタノール改質装置を採用する例であり、燃料電
池１の廃熱をケミカルヒートポンプにより昇温した高温
の熱をメタノール改質の熱源に使用する。燃料電池冷却
用のケミカルヒートポンプと、その発熱を吸熱してメタ
ノール改質装置の熱源に利用できる温度まで昇温させる
ケミカルヒートポンプとの二段のケミカルヒートポンプ
からなるケミカルヒートポンプシステムを構築する。
【００５５】燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１
と、水素供給装置２と、冷却装置３とからなる。水素供
給装置２であるメタノール改質装置６０は、原料となる
メタノールが貯蔵されたタンク６１、水が貯蔵されたタ
ンク６２、水素生成反応装置６３とを備える。水素生成
反応装置６３は、水素生成反応器としての水蒸気改質反
応器６４、選択酸化反応器６５、メタネーション反応器
６６、これら３つの反応器６４，６５，６６の各下流側
に設けられた３つの冷却器６７，６８，６９とを有す
る。各タンク６１，６２は水蒸気改質反応器６４と管路
７０，７１を通じて接続されており、各管路７０，７１
上にはポンプ７２，７３が設けられている。また、冷却
器６７，６８，６９には各ブロア７４，７５，７６によ
って空気流が供給され、冷却が行われる。各ポンプ７
２，７３及びブロア７４，７５，７６は制御部Ｃ４によ
り図示しない温度センサの検出値に基づいて好適に制御
される。
【００５６】水蒸気改質反応器６４における反応式は次
のようになる。 ＣＨ3 ＯＨ ＋ Ｈ2 Ｏ → ３Ｈ2 ＋ ＣＯ2 また、各反応器６４，６５，６６には例えばバーナ等の
熱源（図示せず）が設けられている。水素生成反応装置
６３の最下流の冷却器６９に接続された水素供給管路７
７は燃料電池１と接続されており、水素供給管路７７上
には前記各実施形態と同様の減圧弁１２および流量制御
弁（ＭＦＣ）１３が設けられている。流量制御弁（ＭＦ
Ｃ）１３は制御部Ｃ１により要求発電量に応じて開度制
御される。
【００５７】本実施形態では、メタノール改質装置６０
の熱源に利用できる十分な高温を得るため、ケミカルヒ
ートポンプを多段（本例では二段）に構築する。燃料電
池冷却用のケミカルヒートポンプＨＰ１には、前記各実
施形態と同様にＩＰＡ／アセトン／Ｈ2 系のケミカルヒ
ートポンプを採用する。
【００５８】最高温段である二段目のケミカルヒートポ
ンプＨＰ２には、ケミカルヒートポンプＨＰ１の発熱反
応温度で吸熱反応を起こす流体系かつ昇温型のケミカル
ヒートポンプを採用する。すなわち本実施形態では、燃
料電池冷却用のケミカルヒートポンプＨＰ１の発熱反応
温度である約２００℃で吸熱反応を起こす水素化脱水素
反応系のケミカルヒートポンプであるメチルシクロヘキ
サン／トルエン／Ｈ2系のケミカルヒートポンプを採用
する。
【００５９】つまりＩＰＡ／アセトン／Ｈ2系のケミカ
ルヒートポンプと、メチルシクロヘキサン／トルエン／
Ｈ2系のケミカルヒートポンプとを、それぞれ低温側ケ
ミカルヒートポンプ及び高温側ケミカルヒートポンプと
し、低温側ケミカルヒートポンプの発熱と高温側ケミカ
ルヒートポンプの吸熱とを熱交換可能に繋ぐ。そして、
燃料電池１の冷却に使用される低温側ケミカルヒートポ
ンプの廃熱を、高温側ケミカルヒートポンプによりさら
に昇温し、その高温の廃熱をメタノール改質の熱源とす
る。
【００６０】メチルシクロヘキサンＣ6 Ｈ11ＣＨ3の脱
水素反応は次式で表される。 Ｃ6 Ｈ11ＣＨ3（気）→Ｃ6 Ｈ5ＣＨ3（気）＋３Ｈ
2（気）− 204.8kJ/mol 上式のようにメチルシクロヘキサンは脱水素反応により
トルエンＣ6 Ｈ5ＣＨ3と水素Ｈ2 に分離する。この脱水
素反応は約２００℃で進む吸熱反応である。
【００６１】また、トルエンの水素化反応は次式で示さ
れる。 Ｃ6 Ｈ5ＣＨ3（気）＋３Ｈ2（気）→Ｃ6 Ｈ11ＣＨ
3（気）＋ 204.8kJ/mol この水素化反応は約３５０℃で進む発熱反応である。
【００６２】燃料電池冷却用のケミカルヒートポンプＨ
Ｐ１は、前記第１の実施形態と同様で脱水素反応器が燃
料電池１に内蔵される方式である。すなわちケミカルヒ
ートポンプＨＰ１は、タンク２０と、タンク２０に入口
と出口が接続されるとともに燃料電池１の内部を経由す
る循環管路２１と、循環管路２１上に設けられたポンプ
２２、熱交換器２３、脱水素反応器（吸熱反応器）２
４、熱交換器２５、水素化反応器（発熱反応器）２６お
よび凝縮器２７とを備えている。脱水素反応器２４には
前記第１の実施形態で述べた図４，図６に示す脱水素反
応器内蔵型セパレータが使用される。
【００６３】燃料電池１には温度センサ２８が設けら
れ、燃料電池１が作動温度になってから温度センサ２８
の検出値に基づいて制御部Ｃ１によりポンプ２２が駆動
される。また、水素化反応器２６には温度センサ３１が
設けられ、水素化反応器２６の内部温度が水素化反応温
度（約２００℃）になるように制御部Ｃ５によりヒータ
２９が制御されるようになっている。また、タンク２０
に接続された管路２１ａの先端が循環管路２１の水素化
反応器２６の上流側にて接続され、管路２１ａ上に設け
られたコンプレッサＣＰ１が、タンク２０に設けられた
圧力センサ（図示せず）の検出値に基づいて制御部Ｃ１
により駆動されることによって、水素化反応器２６で反
応せずタンク２０に送り込まれた水素が水素化反応器２
６に戻され、タンク２０の内部圧が設定値を超えないよ
うになっている。
【００６４】次に高温側ケミカルヒートポンプＨＰ２に
ついて説明する。メチルシクロヘキサン／トルエン／Ｈ
2系のケミカルヒートポンプＨＰ２は、脱水素反応系部
分と水素化反応系部分とから構成される。
【００６５】脱水素反応系部分は、気液分離器８０と、
気液分離器８０に入口を接続する管路８１と、管路８１
上に設けられたポンプ８２、熱交換器８３、脱水素反応
器８４および凝縮器８５とを備えている。管路８１の出
口は気液分離器８６に接続されている。脱水素反応器８
４ではメチルシクロヘキサンの脱水素反応が冷却用（低
温側）ケミカルヒートポンプＨＰ１の発熱（廃熱）を熱
源に利用して行われ、トルエン・水素混合気体が生成さ
れる。この冷却用ケミカルヒートポンプＨＰ１の水素化
反応器（発熱反応器）２６と脱水素反応器８４は、熱交
換可能な熱交換器を構成する。冷却用ケミカルヒートポ
ンプＨＰ１の発熱温度約２００℃で脱水素反応器８４内
の吸熱反応が進められる。脱水素反応器８４の内部温度
は温度センサ３１の検出値に基づく制御部Ｃ５によるヒ
ータ２９の制御により脱水素反応温度（約２００℃）に
調節されるようになっている。脱水素反応後の混合気体
の顕熱は熱交換器８３によってメチルシクロヘキサンの
予熱に使われる。凝縮器８５ではトルエンが液化され、
気液分離器８６にはトルエン（沸点１１１℃）が液化分
離される。脱水素反応器８４の内部は触媒担持されてお
り、触媒には例えばアルミナ担持白金などが使用され
る。なお、第１のケミカルヒートポンプはケミカルヒー
トポンプＨＰ１により構成され、第２のケミカルヒート
ポンプはケミカルヒートポンプＨＰ２により構成され
る。
【００６６】気液分離器８６は管路８７を通じて気液分
離器８０に接続されている。管路８７上には凝縮器８８
が設けられている。気液分離器８６内の水素を含むガス
は管路８７を通って気液分離器８０に送られる。
【００６７】一方、水素化反応系部分は、気液分離器８
６と、気液分離器８６に入口と出口を接続する循環管路
８９と、循環管路８９上に設けられたポンプ９０、ラジ
エータ８９ａ、水素化反応器９１、熱交換器９２、減圧
弁９３および凝縮器９４とを備えている。ラジエータ８
９ａの近傍には冷風機Ｆが設けられている。気液分離器
８０には水素分離膜（水素透過膜）９５が設けられ、そ
の水素分離膜９５を隔てたその下流側の室には水素管路
９６が接続されている。水素管路９６は、循環管路８９
に対しポンプ９０と水素化反応器９１との間において接
続されている。水素管路９６上には、２つの圧縮機９７
が設けられている。水素は２つの圧縮機９７により高圧
（例えば約２０気圧）に圧縮されてから水素化反応器９
１に供給されるようになっている。また、水素化反応器
９１には温度センサ９８が設けられ、循環管路８９に設
けられたヒータ９９および冷風機Ｆが温度センサ９８の
検出値に基づいて制御部Ｃ６により制御されることによ
り、その加熱・冷却によって水素化反応器９１の内部温
度が約３５０℃の水素化反応温度に調節されるようにな
っている。
【００６８】水素化反応器９１は水蒸気改質反応器６４
の内部を経由する経路で設けられている。水素化反応器
９１の廃熱は、メタノールの水蒸気改質の熱源に使用さ
れる。水素化反応器９１の内部は触媒担持されており、
触媒には例えばアルミナ担持白金などが使用される。水
素化反応器９１ではトルエン水素化反応（発熱反応：約
３５０℃）によりメチルシクロヘキサン、トルエン及び
水素の平衡混合物が得られる。水素化反応後の平衡混合
ガスの顕熱は熱交換器９２によってトルエンの予熱に使
われる。トルエン水素化反応後の平衡混合ガスは、熱交
換器９２を通るときに降温されるとともに減圧弁９３に
より減圧されてから凝縮器９４でトルエン（沸点１１１
℃）が液化され、気液分離器８６に還流される。
【００６９】気液分離器８６ではトルエン（沸点１１１
℃）が液化されて貯留され、メチルシクロヘキサンガス
（沸点１０１℃）は管路８７を通じて気液分離器８０に
送られる。管路８７上の途中に設けられた凝縮器８８で
メチルシクロヘキサンは液化されて気液分離器８０に貯
留される。なお、各制御部Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６は実
際には燃料電池システムＦＣＳを制御する一つの制御ユ
ニットを構成している。また、水素化反応器９１及び水
蒸気改質反応器６４により排熱手段が構成される。
【００７０】この実施形態によれば、次の効果が得られ
る。 （４）燃料電池１の約８０℃の廃熱はケミカルヒートポ
ンプＨＰ１により約２００℃に昇温され、さらにケミカ
ルヒートポンプＨＰ２により約３５０℃に昇温され、過
剰な熱をラジエータ８９ａで放熱した後、水蒸気改質反
応器６４の熱源とされる。このため、燃料電池１を吸熱
反応を利用して冷却するので冷却効率を高められるとと
もに、燃料電池１の廃熱を水蒸気改質反応器６４の熱源
に有効利用でき、燃料電池システムＦＣＳの発電効率を
高めることができる。また、ケミカルヒートポンプＨＰ
１での排熱は約２００℃での発熱と吸熱との熱交換で行
われ、またケミカルヒートポンプＨＰ２での排熱は約３
５０℃での高温で行われるため、２つの水素化反応器２
６，９１およびラジエータ８９ａを排熱部分として有す
るもののその排熱効率が高く、従来のラジエータに比べ
小型で済む。
【００７１】（第４の実施形態）次に第４の実施形態を
図９に基づいて説明する。この実施形態では、水素供給
装置として水素吸蔵合金方式を使用する例である。前記
第４の実施形態と同様に燃料電池１の廃熱を多段（二
段）のケミカルヒートポンプにより昇温し、水素供給装
置における水素吸蔵合金の水素放出反応の熱源として使
用する。前記第４の実施形態とは水素供給装置が異なる
以外は同様の構成であるので、特に異なる構成について
のみ詳述する。
【００７２】燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１
と、水素供給装置２と、冷却装置３とからなる。水素供
給装置２は水素吸蔵合金を有する水素生成反応器として
の水素吸蔵合金反応器１００を備える。水素吸蔵合金に
は例えばＭｇ2ＮｉＨ4を使用する。Ｍｇ2ＮｉＨ4の平衡
分解圧は２５２℃で１気圧、３５２℃で１０気圧であ
る。水素吸蔵合金Ｍｇ2ＮｉＨ4は約３５０℃の熱を与え
ることで約１０気圧の水素を放出する。
【００７３】水素吸蔵合金反応器１００に接続された水
素供給管路７７は燃料電池１と接続されており、水素供
給管路７７上には前記各実施形態と同様の減圧弁１２お
よび流量制御弁（ＭＦＣ）１３が設けられている。流量
制御弁（ＭＦＣ）１３は制御部Ｃ１により要求発電量に
応じて開度制御される。
【００７４】水素吸蔵合金反応器１００の熱源に利用で
きる十分な高温を得るため、前記第３の実施形態と同様
にケミカルヒートポンプを二段に構築している。燃料電
池冷却用のケミカルヒートポンプＨＰ１にはＩＰＡ／ア
セトン／Ｈ2 系のケミカルヒートポンプを採用し、最高
温段である二段目（高温側）のケミカルヒートポンプＨ
Ｐ２にはメチルシクロヘキサン／トルエン／Ｈ2 系のケ
ミカルヒートポンプを採用する。
【００７５】高温側ケミカルヒートポンプＨＰ２を構成
する水素化反応器９１は水素吸蔵合金反応器１００の内
部に設けられている。水素吸蔵合金反応器１００では水
素化反応器９１との熱交換で得た約３５０℃の廃熱が水
素放出反応の熱源に使用される。なお、各制御部Ｃ１，
Ｃ５，Ｃ６は実際には燃料電池システムＦＣＳを制御す
る一つの制御ユニットを構成している。
【００７６】この実施形態によれば次の効果が得られ
る。 （５）燃料電池１の約８０℃の廃熱はケミカルヒートポ
ンプＨＰ１により約２００℃に昇温され、さらにケミカ
ルヒートポンプＨＰ２により約３５０℃に昇温され、水
素吸蔵合金反応器１００の熱源とされる。このため、燃
料電池１を吸熱反応を利用して冷却するので冷却効率を
高められるとともに、燃料電池１の廃熱を水素吸蔵合金
反応器１００の熱源に有効利用でき、燃料電池システム
ＦＣＳの発電効率を高めることができる。また、ケミカ
ルヒートポンプＨＰ１での排熱は約２００℃での発熱と
吸熱との熱交換で行われ、またケミカルヒートポンプＨ
Ｐ２での排熱は約３５０℃での高温で行われるため、２
つの水素化反応器２６，９１を排熱部分として有するも
ののその排熱効率が高く、従来のラジエータに比べ小型
で済む。
【００７７】（第５の実施形態）次に第５の実施形態を
図１０に基づいて説明する。本実施形態では、含水素有
機化合物を燃料に使用し、含水素有機化合物の脱水素反
応により水素を分離生成し、脱水素反応で得られた有機
系反応生成物を液体で貯蔵保管する方式の水素供給装置
を採用する。
【００７８】前記第４，第５の実施形態と同様に、燃料
電池冷却用のケミカルヒートポンプＨＰ１と、高温側ケ
ミカルヒートポンプＨＰ２との二段からなるケミカルヒ
ートポンプシステムを構築する。燃料電池冷却用のケミ
カルヒートポンプＨＰ１にはＩＰＡ／アセトン／Ｈ2 系
のケミカルヒートポンプを採用し、高温側ケミカルヒー
トポンプＨＰ２にはメチルシクロヘキサン／トルエン／
Ｈ2 系のケミカルヒートポンプを採用する。
【００７９】本実施形態では、水素を分離生成するため
の燃料としてメチルシクロヘキサンを使用し、メチルシ
クロヘキサンの脱水素反応を行うための脱水素反応器を
吸熱反応器とするとともに、その反応生成物であるトル
エンから燃料を再生する水素化反応器を発熱反応器とし
て最高温段である二段目のメチルシクロヘキサン／トル
エン／Ｈ2 系のケミカルヒートポンプＨＰ２は構築され
る。燃料であるメチルシクロヘキサンは脱水素反応器で
水素を分離するために消費され、その反応生成物である
トルエンの一部を水素化反応させて燃料の再生に使用す
ることによりケミカルヒートポンプを構築している。ま
た、本実施形態では高温側ケミカルヒートポンプＨＰ２
の高温の廃熱を利用して発電をする。
【００８０】燃料電池冷却用のケミカルヒートポンプＨ
Ｐ１の構成は、前記第３及び第４の実施形態と同様であ
る。燃料電池１の廃熱を昇温したケミカルヒートポンプ
ＨＰ１が発熱する約２００℃の廃熱は、メチルシクロヘ
キサンの脱水素反応の熱源として利用される。
【００８１】高温側のケミカルヒートポンプＨＰ２もそ
の基本的構成は前記第３及び第４の実施形態と同様であ
る。異なる点は、気液分離器８０に供給するための燃料
（メチルシクロヘキサン）を貯蔵するための燃料室１１
１と、気液分離器８６に貯留された反応生成物（トルエ
ン）を回収保管するための回収室１１２との二室を有す
る燃料タンク１１０を備えることである。燃料タンク１
１０の燃料室１１１は管路１２０を通じて気液分離器８
０に接続され、管路１２０上にはポンプ１２１が設けら
れている。また、気液分離器８６は管路１２２を通じて
燃料タンク１１０の回収室１１２に接続され、管路１２
２上にはポンプ１２３が設けられている。
【００８２】燃料タンク１１０は、２つの伸縮式容器１
１３，１１４を上下二段に接合させた構成をとり、２つ
の伸縮式容器１１３，１１４の各内部に燃料室１１１と
回収室１１２が形成される。メチルシクロヘキサン及び
トルエンは共に常温で液体であり、燃料タンク１１０の
各室１１１，１１２にはメチルシクロヘキサン及びトル
エンがそれぞれ液体で貯蔵される。
【００８３】気液分離器８０には水素供給管路１２５が
水素分離膜９５を隔てた下流側の室と連通する状態で接
続され、水素供給管路１２５の他端は燃料電池１と接続
されている。水素供給管路１２５上には減圧弁１２およ
び流量制御弁（ＭＦＣ）１３が設けられ、流量制御弁
（ＭＦＣ）１３が制御部Ｃ１により要求発電量に応じて
開度制御されることにより要求発電量に応じた流量の水
素が燃料電池１に供給されるようになっている。水素化
反応器９１に水素を供給するための水素管路９６は水素
供給管路１２５から分岐している。
【００８４】温度センサ３１の検出値に基づきヒータ２
９が制御部Ｃ７により制御されることにより水素化反応
器２６が約２００℃に調節されるようになっている。水
素化反応器２６が設定温度以上になると制御部Ｃ７によ
りポンプ８２が駆動され、脱水素反応器８４にメチルシ
クロヘキサンが送られ、脱水素反応器８４ではメチルシ
クロヘキサンの脱水素反応によって水素が分離生成され
る。温度センサ９８の検出値に基づきヒータ９９が制御
部Ｃ８により制御されることにより水素化反応器９１が
約３５０℃に調節されるようになっている。水素化反応
器９１が設定温度以上になると制御部Ｃ７によりポンプ
９０が駆動されて水素化反応器９１にトルエンが送られ
るとともに、制御部Ｃ７により２つの圧縮機９７が駆動
されて水素化反応器９１に水素が送られる。
【００８５】流量制御弁１３が開弁されて燃料電池１に
水素が供給される分だけ、気液分離器８０では燃料（メ
チルシクロヘキサン）が徐々に消費され、その一方で気
液分離器８６には反応生成物（トルエン）が徐々に増え
ることになる。気液分離器８０には液面センサ１２６が
設けられ、液面センサ１２６の検出信号に基づきポンプ
１２１が制御部Ｃ９により駆動されて燃料が供給される
ことによって、気液分離器８０には常時設定量（設定液
面）以上のメチルシクロヘキサン液が蓄えられる。 ま
た、気液分離器８６に溜まったトルエン液は、その液面
を検出する液面センサ１２７の検出信号に基づきポンプ
１２３が制御部Ｃ１０により駆動されることによって、
設定量（設定液面）を超えた分量については燃料タンク
１１０の回収室１１２に送られるようになっている。
【００８６】水素化反応器９１の廃熱は、発電システム
１３０の熱源に使用される。発電システム１３０は、タ
ンク１３１と、タンク１３１に入口と出口を接続する循
環管路１３２と、循環管路１３２上に設けられたポンプ
１３３、水蒸気発生器（受熱器）１３４、スクロール式
膨張機１３５および凝縮器１３６と、スクロール式膨張
機１３５に駆動連結された発電機１３７とを備えてい
る。ポンプ１３３は水素化反応器９１に設けられた温度
センサ９８の検出信号に基づき制御部Ｃ８により駆動制
御される。水素化反応器９１と水蒸気発生器１３４は熱
交換器を構成し、水素化反応器９１内の反応熱を熱源と
して水蒸気発生器１３４では水から水蒸気が生成され
る。スクロール式膨張機１３５は水蒸気により駆動さ
れ、その駆動力により発電機１３７が駆動されて発電が
行われる。発電機１３７により発電された電力は図示し
ないバッテリに蓄えられ、燃料電池システムＦＣＳの供
給電力として使用されるようになっている。なお、各制
御部Ｃ１，Ｃ７〜Ｃ１０は実際には燃料電池システムＦ
ＣＳを制御する一つの制御ユニットを構成している。ま
た、二段からなるケミカルヒートポンプシステムの排熱
手段は、水素化反応器９１及び発電システム１３０によ
り構成される。さらに燃料電池冷却用のケミカルヒート
ポンプＨＰ１の排熱手段は、水素化反応器２６及び脱水
素反応器８４により構成される。
【００８７】この実施形態によれば、次の効果が得られ
る。 （６）燃料電池１の約８０℃の廃熱はケミカルヒートポ
ンプＨＰ１により約２００℃に昇温され、さらにケミカ
ルヒートポンプＨＰ２により約３５０℃に昇温され、発
電システム１３０の熱源とされる。このため、燃料電池
１を吸熱反応を利用して冷却するので冷却効率を高めら
れるとともに、燃料電池１の廃熱を発電に有効利用で
き、燃料電池システムＦＣＳの発電効率を高めることが
できる。また、ケミカルヒートポンプＨＰ１での排熱は
約２００℃での発熱と吸熱との熱交換で行われ、またケ
ミカルヒートポンプＨＰ２での排熱は約３５０℃での高
温で行われるため、２つの水素化反応器２６，９１を排
熱部分として有するもののその排熱効率が高く、従来の
ラジエータに比べ小型で済む。また、ケミカルヒートポ
ンプＨＰ１の約２００℃の廃熱を燃料の脱水素反応の熱
源として利用するので燃料電池１の廃熱を有効利用でき
る。さらに燃料の脱水素反応とその反応生成物の水素化
反応によりケミカルヒートポンプを構築するので、燃料
電池１に供給する水素を生成するための脱水素反応系
と、廃熱昇温のためのケミカルヒートポンプとを１つの
共通の系のうえに構築でき、燃料電池システムＦＣＳを
簡素化できる。
【００８８】なお、実施形態は上記に限定されず、例え
ば次の形態でも実施できる。 ○ ケミカルヒートポンプＨＰ１を構築するのに使用す
る化学物質はＩＰＡに限定されない。要するに燃料電池
の作動温度に少なくとも吸熱反応をもつ昇温型のケミカ
ルヒートポンプを構築できる化学物質であればよい。
【００８９】○ ケミカルヒートポンプＨＰ２はメチル
シクロヘキサン／トルエン／Ｈ2系のケミカルヒートポ
ンプに限定されない。要するに燃料電池の作動温度に吸
熱反応をもつ昇温型のケミカルヒートポンプＨＰ１の廃
熱を昇温できるケミカルヒートポンプであればよい。例
えばシクロヘキサン／ベンゼン／Ｈ2系のケミカルヒー
トポンプを採用できる。また、水素化脱水素反応系のケ
ミカルヒートポンプにも限定されない。ケミカルヒート
ポンプを構成できる公知の他の化合物を使用できる。但
し、流体系のケミカルヒートポンプが好ましい。
【００９０】○ 前記第３〜第５の実施形態において、
燃料電池を冷却するための冷却水循環式冷却装置を備
え、その放熱器と熱交換可能に吸熱反応器を設けた燃料
電池冷却用のケミカルヒートポンプを構築することがで
きる。
【００９１】○ 燃料電池１の廃熱を少なくとも一段の
ケミカルヒートポンプにより昇温した高温の廃熱の利用
は、水素生成反応のための熱源や、熱機関の熱源、発電
用熱機関の熱源に限定されない。廃熱利用の熱機関の動
力は発電以外の利用も可能で、例えば補器の動力に使用
してもよい。また、高温の廃熱を利用して例えばゼーベ
ック効果を利用する熱発電素子により発電することもで
きる。
【００９２】○ 第１，第２の実施形態においてケミカ
ルヒートポンプＨＰ１の排熱をする排熱手段はラジエー
タ装置に限らず、熱発電素子を使用した発電システムを
構築することもできる。
【００９３】○ 第５の実施形態（図１０）において、
二段目のケミカルヒートポンプＨＰ２を構築せず脱水素
反応器８４のみとし、燃料電池１の廃熱を燃料の脱水素
反応の熱源に利用する構成でもよい。
【００９４】○ 第５の実施形態において発電システム
１３０に替え、水素化反応器９１をラジエータとして機
能させて冷風機により冷却するラジエータ装置を排熱手
段として採用する構成でもよい。
【００９５】○ 燃料電池の廃熱をケミカルヒートポン
プによって燃料の脱水素反応温度まで昇温できない場合
は、残りの昇温のために機械式ヒートポンプやヒータを
併用してもよい。
【００９６】○ ケミカルヒートポンプの段数は１段や
２段に限定されない。３段以上の複数段にケミカルヒー
トポンプを構築することができる。例えば燃料電池１の
廃熱を水素供給装置２における水素生成反応の熱源に利
用する場合、その反応の起こる反応温度まで昇温できる
ように３段以上のケミカルヒートポンプを構築すること
ができる。
【００９７】○ 燃料電池システムは車両電源用や家庭
用自家発電装置用の用途に限定されない。燃料電池が使
用されるあらゆるものを対象に冷却装置を採用できる。
前記実施形態及び別例から把握できる請求項以外の技術
的思想について、以下にその効果とともに記載する。
【００９８】（１）請求項２又は３において、前記燃料
電池冷却用のケミカルヒートポンプのみの一段を備え、
前記排熱手段は前記発熱反応器の熱を排熱するラジエー
タ装置（１５）である。この場合、ラジエータ装置を小
型にでき、燃料電池システムの小型化に寄与する。
【００９９】（２）請求項１〜９のいずれか一項におい
て、前記ケミカルヒートポンプシステムは、流体系のケ
ミカルヒートポンプから構築される。この場合、流体系
のケミカルヒートポンプであるので、燃料電池の廃熱を
吸熱した熱を昇温して発熱させる循環システムを組みや
すい。
【０１００】（３）請求項１〜４、９のいずれか一項に
おいて、前記排熱手段は熱エネルギーを電気エネルギー
に変換する発電手段である。この場合、燃料電池の廃熱
を昇温させた高温の熱を利用して発電手段により発電す
るので、廃熱の有効利用により発電効率を高めることが
できる。
【０１０１】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜４に記載
の発明によれば、燃料電池の廃熱はケミカルヒートポン
プシステムによって昇温されてから高温の廃熱として排
熱されるので、排熱手段が例えばラジエータ装置であれ
ばそれを小型にでき、またケミカルヒートポンプの吸熱
反応を利用するので燃料電池の冷却効率を高めることが
できる。また、高温の廃熱が得られるので廃熱の有効利
用の機会を増やすことができる。
【０１０２】請求項５〜７に記載の発明によれば、燃料
電池の廃熱がケミカルヒートポンプシステムによって昇
温された高温の廃熱は、水素供給装置における水素生成
反応器の熱源として有効利用できる。
【０１０３】請求項８に記載の発明によれば、燃料電池
の廃熱がケミカルヒートポンプシステムによって昇温さ
れ、所定の一段のケミカルヒートポンプから発熱される
高温の廃熱を、水素供給装置における脱水素反応器の熱
源として有効利用できる。
【０１０４】請求項９に記載の発明によれば、請求項８
に記載の発明の効果に加え、水素供給装置の脱水素反応
器を吸熱反応器に利用して最高温段のケミカルヒートポ
ンプが構築されるので、水素供給装置と最高温段のケミ
カルヒートポンプとの一部共通化により燃料電池システ
ムの構成を簡素にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態における燃料電池システムを
示す回路図。
【図２】 燃料電池のセルを示す分解斜視図。
【図３】 燃料電池のセルを示す模式側面図。
【図４】 脱水素反応器の模式平面図。
【図５】 燃料電池のセルを示す模式側面図。
【図６】 図４と異なる脱水素反応器の部分模式平面
図。
【図７】 第２の実施形態における燃料電池システムを
示す回路図。
【図８】 第３の実施形態における燃料電池システムを
示す回路図。
【図９】 第４の実施形態における燃料電池システムを
示す回路図。
【図１０】 第５の実施形態における燃料電池システム
を示す回路図。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…水素供給装置、３…燃料電池冷却装
置としての冷却装置、１５…排熱手段としてのラジエー
タ装置、２４…吸熱反応器としての脱水素反応器、２６
…発熱反応器としての水素化反応器、４１，４４…吸熱
反応器としての冷却板、５０…冷却水循環式冷却装置、
５１…冷却水管路、５３…放熱器、６０…水素供給装置
及び燃料改質装置としてのメタノール改質装置、６４…
水素生成反応器及び改質反応器としての水蒸気改質反応
器、８４…吸熱反応器としての脱水素反応器、９１…発
熱反応器としての水素化反応器、１００…水素供給装置
である水素吸蔵合金式水素供給装置を構成するとともに
水素生成反応器としての水素吸蔵合金反応器、１１３…
液体貯蔵器としての伸縮式容器、ＨＰ１…ケミカルヒー
トポンプシステムを構成する燃料電池冷却用のケミカル
ヒートポンプ、ＨＰ２…ケミカルヒートポンプシステム
を構成するとともに最高温段のケミカルヒートポンプと
してのケミカルヒートポンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3L093 NN01 NN05 PP01 PP04 PP06 PP15 PP16 PP19 PP20 QQ03 RR01 RR05 5H027 AA06 BA01 BA13 BA14 CC06

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池の廃熱を昇温するための少なく
    とも一段のケミカルヒートポンプからなるケミカルヒー
    トポンプシステムと、 前記ケミカルヒートポンプシステムによって昇温された
    燃料電池の作動温度より高温な廃熱を排熱する排熱手段
    とを備えている燃料電池冷却装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池冷却装置にお
    いて、 前記燃料電池の作動温度付近の廃熱を吸熱する一段を構
    築する燃料電池冷却用のケミカルヒートポンプは、燃料
    電池の作動温度で吸熱反応を起こすとともに燃料電池が
    作動時に発生する熱を熱源として吸熱反応を起こすこと
    が可能なように燃料電池と熱交換可能に設けられた吸熱
    反応器と、燃料電池の作動温度より高温の所定温度で発
    熱反応を起こす発熱反応器とを有する燃料電池冷却装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の燃料電池冷却装置にお
    いて、 燃料電池を経由する冷却水管路と、該冷却水管路上に設
    けられた放熱器とを有する冷却水循環式冷却装置を備
    え、 前記燃料電池の作動温度付近の廃熱を吸熱する一段を構
    築する燃料電池冷却用のケミカルヒートポンプは、前記
    放熱器を熱源として吸熱反応を起こすことが可能なよう
    に該放熱器と熱交換可能に設けられた吸熱反応器と、該
    吸熱反応器における吸熱反応温度より高温の所定温度で
    発熱反応を起こす発熱反応器とを有する燃料電池冷却装
    置。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃
    料電池冷却装置において、 前記ケミカルヒートポンプシステムは多数段のケミカル
    ヒートポンプから構築されている燃料電池冷却装置。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃
    料電池冷却装置と、 燃料電池の作動温度より高温の温度で水素を生成する反
    応を起こす水素生成反応器を備えるとともに生成された
    水素を燃料電池に供給する水素供給装置とを備え、 前記排熱手段は、前記ケミカルヒートポンプシステムの
    うち最高温段のケミカルヒートポンプを構成する発熱反
    応器と、該最高温段のケミカルヒートポンプが発熱した
    廃熱を前記水素供給装置における水素生成のための熱源
    に利用可能に該発熱反応器と熱交換可能に設けられた前
    記水素生成反応器とにより構成される燃料電池システ
    ム。
  6. 【請求項６】 前記水素供給装置は炭化水素系化合物の
    改質により水素を生成する燃料改質装置であり、前記水
    素生成反応器は改質反応器である請求項５に記載の燃料
    電池システム。
  7. 【請求項７】 前記水素供給装置は水素吸蔵合金式水素
    供給装置であり、前記水素生成反応器は水素吸蔵合金に
    水素を放出させる水素吸蔵合金反応器である請求項５に
    記載の燃料電池システム。
  8. 【請求項８】 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃
    料電池冷却装置と、 燃料電池の作動温度より高温の温度で含水素有機化合物
    を燃料とする脱水素反応により水素を分離生成する脱水
    素反応器を有するとともに脱水素反応生成物を液体保管
    する液体貯蔵器を有する水素供給装置とを備え、 前記ケミカルヒートポンプシステムのうち所定の一段の
    ケミカルヒートポンプを構成する発熱反応器が発熱した
    廃熱を前記脱水素反応の熱源に利用可能に該発熱反応器
    と前記脱水素反応器とが熱交換可能に設けられている燃
    料電池システム。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の燃料電池システムにお
    いて、 前記水素供給装置は前記脱水素反応器を吸熱反応器と
    し、前記脱水素反応生成物を水素化する水素化反応器を
    発熱反応器として前記ケミカルヒートポンプシステムの
    うち最高温段のケミカルヒートポンプを構築する燃料電
    池システム。
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