JP2002008705A

JP2002008705A - 水素供給システム

Info

Publication number: JP2002008705A
Application number: JP2000183265A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Mafune; 利宏真船; Shingo Morishima; 信悟森島; Eitaro Tanaka; 田中　　栄太郎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】低温時に水素貯蔵容器から燃料電池に水素を
供給する機能と、燃料電池から排出された未反応水素を
燃料電池に再循環させる機能を備える燃料電池水素供給
システムにおいて、システム全体を小型化するととも
に、低コスト化する。【解決手段】吸引により水素貯蔵容器１０内の圧力を
水素吸蔵合金の平衡水素圧以下にまで低下させ、水素貯
蔵容器１０から放出される水素を燃料電池１１に供給す
る機能とともに、燃料電池１１から排出される未反応水
素を、再び燃料電池１１に供給する機能を有するポンプ
装置３０、３１を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素貯蔵容器から
燃料電池に水素を供給するとともに、燃料電池に水素を
循環させる水素供給システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素と酸素との化学反応によ
って発電を行う燃料電池に、燃料である水素を供給する
水素供給装置として、水素を吸蔵する水素吸蔵合金等の
水素吸蔵材を備えた水素貯蔵容器が提案されている。

【０００３】図７は、水素吸蔵合金（ＬａＮｉ₅）の平
衡水素圧と温度との関係を示している。図７に示すよう
に、水素吸蔵合金の平衡水素圧は温度に依存しており、
低温領域（図７の例では１０℃以下）では、平衡水素圧
が大気圧（約０．１ＭＰａ）より低くなる。このため、
冬季などの低温時には、図７中の斜線部分で示すように
平衡水素圧が大気圧より低くなり、水素吸蔵容器内は負
圧になってしまい、燃料電池に水素を供給できない結果
となる。

【０００４】このため、低温時に水素貯蔵容器から燃料
電池に水素を供給するためには、水素貯蔵容器から水素
を吸い出すための吸出用ポンプが必要となる。この吸出
用ポンプによって、水素貯蔵容器内の圧力を平衡水素圧
より低くすることで、水素吸蔵合金から水素を放出さ
せ、燃料電池に水素を供給する。

【０００５】また、通常、燃料電池における発電を効率
よく行うため、燃料電池には発電量に対応する量の水素
を供給するのではなく、発電能力以上の水素を供給して
いる。そして、燃料電池内で化学反応が行われず、燃料
電池から排出される余剰分の未反応水素を、循環用ポン
プを用いて燃料電池に再循環させることが行われてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の吸出用ポンプ
と、循環用ポンプを水素供給システム内に併設するとす
れば、水素供給システム全体の体格が大きくなってしま
うとともに、高コストとなるという問題がある。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、低温時に水
素貯蔵容器から燃料電池に水素を供給する機能と、燃料
電池から排出された未反応水素を燃料電池に再循環させ
る機能を備える燃料電池水素供給システムにおいて、シ
ステム全体を小型化するとともに、低コスト化すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素吸蔵材料を内蔵し
た水素貯蔵容器（１０）内の圧力を吸引により低下さ
せ、水素貯蔵容器（１０）から放出される水素を燃料電
池（１１）に供給するとともに、燃料電池（１１）から
排出される未反応水素を、再び燃料電池（１１）に供給
するポンプ手段（３０、３１）とを備えることを特徴と
している。

【０００９】このように、低温時に水素貯蔵容器１０か
ら燃料電池１１に水素を供給するための吸出用ポンプ
と、燃料電池１１から排出された未反応水素を燃料電池
１１に再循環させる循環用ポンプとを一体化すること
で、水素供給システム全体を小型化できるとともに、低
コスト化することが可能となる。

【００１０】具体的には、請求項２に記載の発明のよう
に、水素貯蔵容器（１０）から燃料電池（１１）に供給
される水素が通過する第１の水素通路（２１）と、燃料
電池（１１）から排出される未反応水素が通過し、第１
の水素通路（２１）に合流する第２の水素通路（２２）
と、第１の水素通路（２１）における合流点の下流側
に、水素貯蔵容器（１０）から放出される水素を流入さ
せるか、あるいは、燃料電池（１１）から排出される未
反応水素を流入させるかを切り替える水素流路切替手段
（４１、４２）とを備え、ポンプ手段（３０、３１）
は、第１の水素通路（２１）における合流点下流側に設
けられているように構成することができる。

【００１１】このような構成により、ポンプ手段（３
０、３１）に、低温時に水素貯蔵容器１０から燃料電池
１１に水素を供給するための吸出用ポンプとしての機能
と、燃料電池１１から排出された未反応水素を燃料電池
１１に再循環させる循環用ポンプとしての機能とを持た
せることができる。

【００１２】また、請求項３に記載の発明では、ポンプ
手段（３１）は複数のポンプ（３２、３３）から構成さ
れた多段構成であり、水素貯蔵容器（１０）内の圧力を
低下させる場合には、複数のポンプ（３２、３３）を用
い、未反応水素を再び燃料電池（１１）に供給する場合
には、複数のポンプ（３２、３３）のうち１以上のポン
プ（３３）を用いることを特徴としている。

【００１３】このように、ポンプ手段（３１）を複数の
ポンプ（３２、３３）からなる多段構成とすることで、
必要に応じてポンプ手段（３１）の能力を使い分けるこ
とができ、水素供給システムの運転効率を向上させるこ
とができる。

【００１４】また、請求項４に記載の発明では、ポンプ
手段（３０）によって水素を圧縮する際に発生する熱を
用いて水素貯蔵容器（１０）を昇温させることを特徴と
している。これにより、低温時に水素貯蔵容器（１０）
から燃料電池（１１）に水素を供給する際に、ポンプ手
段（３１）による吸引のみならず、ポンプ手段（３１）
による水素の圧縮により発生した熱を水素貯蔵容器（１
０）の加熱に用いることができる。このように水素貯蔵
容器（１０）を加熱することで、水素貯蔵容器（１０）
からの水素放出を促すことができる。

【００１５】具体的には、請求項５に記載の発明のよう
に、ポンプ手段（３１）と水素貯蔵容器（１０）とに熱
媒体を循環させる熱媒体循環通路（５１）を備えるよう
に構成することで、ポンプ手段（３１）によって水素を
圧縮する際に発生する熱を用いて水素貯蔵容器（１０）
を昇温させることができる。また、請求項６に記載の発
明のように、第１の水素通路（２１）におけるポンプ手
段（３１）の下流側に設けられた熱交換器（５２）と、
熱交換器（５２）と水素貯蔵容器（１０）とに熱媒体を
循環させる熱媒体循環通路（５３）を備えるように構成
することができ、また、請求項７に記載の発明のよう
に、水素貯蔵容器（１０）と、第１の水素通路（２１）
におけるポンプ手段（３１）の下流側とをヒートパイプ
（５４）にて熱的に接続するように構成することができ
る。

【００１６】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
適用した第１実施形態の水素供給システムを図１に基づ
いて説明する。本第１実施形態の水素供給システムは、
例えば燃料電池を駆動電源とする電気自動車に搭載して
用いることができる。

【００１８】図１は、水素供給システムの全体概略構成
を示している。図１に示すように水素供給システムは、
燃料電池（ＦＣスタック）１１に水素を供給する水素貯
蔵容器１０を備えている。水素貯蔵容器１０には、水素
を貯蔵する水素貯蔵材料が内蔵されている。本第１実施
形態では、水素貯蔵材料として、水素吸蔵合金（例えば
ＬａＮｉ₅）を用いている。

【００１９】燃料電池１１は、電極１１ａおよび高分子
電解質膜１１ｂを備えている。燃料電池１１には、水素
貯蔵容器１０から水素供給通路２０を介して水素が供給
され、図示しない酸素供給装置から供給される酸素（空
気）との化学反応によって、発電が行われる。燃料電池
１１にて発生した電力は、走行用電動モータやバッテリ
等の電気機器（負荷）１２に供給される。

【００２０】水素供給通路２０には、水素供給通路２０
から分岐した後、再び水素供給通路２０に合流する水素
バイパス通路（第１の水素通路）２１が設けられてい
る。水素バイパス通路２１は、低温時に水素吸蔵容器１
０から燃料電池１１に水素を供給する場合に用いられ
る。水素バイパス通路２１には、燃料電池１１から排出
された未反応水素を、燃料電池１１に再循環させるため
の水素循環通路（第２の水素通路）２２が合流してい
る。

【００２１】水素バイパス通路２１には、ポンプ装置
（ポンプ手段）３０が設けられている。このポンプ装置
３０は、低温時に、水素貯蔵容器１０から水素を吸い出
して、燃料電池１１に水素を供給するとともに、燃料電
池１１から排出される未反応水素を燃料電池１１に再循
環させるためのものである。本第１実施形態のポンプ装
置３０は、１個のポンプから構成されている。なお、本
第１実施形態では、電動式ポンプを用いている。

【００２２】水素供給通路２０における、水素バイパス
通路２１の分岐点と合流点の間には、水素供給通路２０
を開閉する第１バルブ４０が設けられている。水素バイ
パス通路２１における、水素供給通路２０との分岐点と
水素バイパス通路２２との合流点との間には、水素バイ
パス通路２１を開閉する第２バルブが設けられている。
水素循環通路２２における、水素バイパス通路２１との
合流部の上流側には、水素循環通路２２を開閉する第３
バルブ４２が設けられている。これらのバルブ４０、４
１、４２により、水素の流路切り替えが行われる。な
お、本発明でいう水素流路切替手段は、第２バルブ４１
および第３バルブ４２とから構成されている。

【００２３】次に、上記構成の水素供給システムの作動
を図２に基づいて説明する。図２（ａ）は低温時におい
て水素貯蔵容器１０から燃料電池１１に水素が供給され
る場合の水素の流れを示しており、図２（ｂ）は燃料電
池１１に水素が循環される場合の水素の流れを示してい
る。

【００２４】まず、低温時における燃料電池１１への水
素の供給について説明する。低温時には、水素貯蔵容器
１０内の水素吸蔵合金の平衡水素圧が大気圧以下になっ
ているため、水素貯蔵容器１０内に負圧になっている。
このため、第１バルブ４０および第３バルブ４２を閉
じ、第２バルブ４１を開いた状態で、ポンプ３０を作動
させる。これにより、ポンプ３０にて吸引され、水素貯
蔵容器１０内は圧力が低下する。

【００２５】水素貯蔵容器１０内の圧力が、その温度に
おける水素吸蔵合金の平衡水素圧以下にまで低下するこ
とで、水素吸蔵合金から水素の放出が開始される。これ
により、図２（ａ）の実線で示すように、水素は、水素
貯蔵容器１０→水素供給通路２０→水素バイパス通路２
１→水素供給通路２０を介して、燃料電池１１に供給さ
れる。燃料電池１１では、水素と酸素との化学反応によ
り、発電が開始される。

【００２６】次に、燃料電池１１に水素を循環させる場
合について説明する。燃料電池１１には発電能力以上の
水素が供給されるため、燃料電池１１内で反応できなか
った余剰分の未反応水素が排出される。そこで、第１バ
ルブ４０および第３バルブ４２を開き、第２バルブ４１
を閉じた状態で、ポンプ３０を作動させる。これによ
り、図２（ｂ）の実線で示すように、燃料電池１１から
排出された未反応水素は、水素循環通路２２→水素バイ
パス通路２１→水素供給通路２０を介して燃料電池１１
に再循環する。

【００２７】以上、本実施形態の構成によれば、低温時
に水素貯蔵容器１０から燃料電池１１に水素を供給する
ための吸出用ポンプと、燃料電池１１から排出された未
反応水素を燃料電池１１に再循環させる循環用ポンプと
を一体化することができる。これにより、水素供給シス
テム全体を小型化できるとともに、低コスト化すること
が可能となる。

【００２８】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態を図３に基づいて説明する。本第２実施形態は、上
記第１実施形態に比較して、ポンプ装置を複数のポンプ
から構成される多段構成とした点が異なるものである。
上記第１実施形態と同様の部分については、同一の符号
を付して説明を省略する。

【００２９】図３に示すように、本第２実施形態の水素
供給システムでは、ポンプ装置３１は、第１ポンプ３２
と第２ポンプ３３の２つのポンプから構成されている。
水素循環通路２２は、水素バイパス通路２１における第
１ポンプ３１と第２ポンプ３２との間に合流している。

【００３０】本第２実施形態の水素供給システムは、以
下のように作動する。まず、低温時には水素貯蔵容器１
０内が負圧であるため、ポンプ装置３１による吸引の
際、ポンプ装置３１の圧縮比を高くする必要がある。こ
のため、低温時には、第１、第３バルブ４０、４２を閉
じて、第２バルブ４１を開いた状態で、ポンプ装置３１
の２つのポンプ３２、３３を使用して吸引を行う。

【００３１】また、燃料電池１１から排出された未反応
水素を燃料電池１１に再循環させるためには、低温吸引
時に比較して、ポンプ装置３１の圧縮比を高くする必要
はない。このため、燃料電池１１に未反応水素を循環さ
せる場合には、第２バルブ４１を閉じて、第１、第３バ
ルブ４０、４２を開いた状態でポンプ装置３１の第２ポ
ンプ３３のみを作動させる。

【００３２】以上のように、ポンプ装置３１を複数のポ
ンプからなる多段構成とすることで、必要に応じてポン
プ装置３１の能力を使い分けることができ、水素供給シ
ステムの運転効率を向上させることができる。

【００３３】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態を図４に基づいて説明する。本第３実施形態は、上
記第２実施形態に比較して、ポンプ装置３１およびポン
プ装置３１から吐出される水素の熱を利用して、水素貯
蔵容器１０を昇温（加熱）するようにした点が異なるも
のである。上記第２実施形態と同様の部分については、
同一の符号を付して説明を省略する。

【００３４】図４に示すように、本第３実施形態の水素
供給システムでは、ポンプ装置３１および水素バイパス
通路２１におけるポンプ装置３１吐出側の全体を覆うよ
うにハウジング５０が設けられている。また、ハウジン
グ５０と水素貯蔵容器１０に熱媒体を循環させるための
熱媒体通路５１が設けられている。熱媒体は、ハウジン
グ５０内部を通過して、ポンプ装置３０による水素の圧
縮行程で発生した熱を受け取り、この熱を熱媒体通路５
１を介して水素貯蔵容器１０に移送し、水素貯蔵容器１
０を昇温させる。熱媒体としては、冷却水やＬＬＣ（ロ
ングライフクーラント：不凍性冷却水）のような液体、
あるいは、フロンや空気のような気体を用いることがで
きる。また、熱媒体通路５１には、熱媒体を循環させる
ための図示しないポンプが設けられている。

【００３５】このような構成により、低温時に水素貯蔵
容器１０から燃料電池１１に水素を供給する際に、ポン
プ装置３０による吸引のみならず、ポンプ装置３０によ
る水素の圧縮により発生した熱を水素貯蔵容器１０の昇
温に用いることができる。このように水素貯蔵容器１０
を昇温させることで、水素貯蔵容器１０に内蔵された水
素吸蔵合金の平衡水素圧を上昇させることができ、水素
吸蔵合金からの水素放出を促すことができる。

【００３６】（第４実施形態）次に、本発明の第４実施
形態を図５に基づいて説明する。本第４実施形態は、上
記第２実施形態に比較して、水素バイパス通路２１にお
けるポンプ装置３１の吐出側に熱交換器を設け、ポンプ
装置３０により圧縮された水素の熱を利用して、水素貯
蔵容器１０を昇温（加熱）させるようにした点が異なる
ものである。上記第２実施形態と同様の部分について
は、同一の符号を付して説明を省略する。

【００３７】図５に示すように、本第４実施形態の水素
供給システムでは、水素バイパス通路２１におけるポン
プ装置３１吐出側に熱交換器５２が設けられている。ま
た、熱交換器５２と水素貯蔵容器１０に熱媒体を循環さ
せるための熱媒体通路５３が設けられている。熱媒体
は、熱交換器５２を通過して、ポンプ装置３０による水
素の圧縮行程で発生した水素の熱を受け取り、この熱を
熱媒体通路５３を介して水素貯蔵容器１０に移送し、水
素貯蔵容器１０を昇温させる。

【００３８】このような構成により、上記第３実施形態
と同様に、低温時に水素貯蔵容器１０から燃料電池１１
に水素を供給する際に、ポンプ装置３０による吸引のみ
ならず、ポンプ装置３０による水素の圧縮により発生し
た熱を水素貯蔵容器１０の昇温に用いることができる。
このように水素貯蔵容器１０を昇温させることで、水素
貯蔵容器１０に内蔵された水素吸蔵合金の平衡水素圧を
上昇させることができ、水素吸蔵合金からの水素放出を
促すことができる。

【００３９】（第５実施形態）次に、本発明の第５実施
形態を図６に基づいて説明する。本第５実施形態は、上
記第２実施形態に比較して、水素バイパス通路２１にお
けるポンプ装置３０の吐出側と、水素貯蔵容器１０とを
ヒートパイプで接続した点が異なるものである。上記第
２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００４０】図６に示すように、本第５実施形態の水素
供給システムでは、水素バイパス通路２１におけるポン
プ装置３０の吐出側と、水素貯蔵容器１０とをヒートパ
イプ５４にて熱的に接続している。ポンプ装置３０によ
る水素の圧縮行程で発生した水素の熱は、ヒートパイプ
５４を介して水素貯蔵容器１０に移送され、水素貯蔵容
器１０が昇温される。

【００４１】このような構成により、上記第３実施形態
と同様に、低温時に水素貯蔵容器１０から燃料電池１１
に水素を供給する際に、ポンプ装置３０による吸引のみ
ならず、ポンプ装置３０による水素の圧縮により発生し
た熱を水素貯蔵容器１０の昇温に用いることができる。
このように水素貯蔵容器１０を昇温することで、水素貯
蔵容器１０に内蔵された水素吸蔵合金の平衡水素圧を上
昇させることができ、水素吸蔵合金からの水素放出を促
すことができる。

【００４２】なお、本第５実施形態では、ヒートパイプ
５４を使用しているので、上記第３、第４実施形態のよ
うに熱媒体を循環させる場合に比較して、熱媒体の劣化
がなく、また、熱媒体循環用のポンプが不要となる。

【００４３】（他の実施形態）上記各実施形態の水素供
給システムは、燃料電池を動力源とする電気自動車に搭
載する場合に限らず、例えば、家庭用の設置型燃料電池
にも適用可能である。

【００４４】また、上記各実施形態では、水素貯蔵容器
１０に内蔵された水素吸蔵材料として水素吸蔵合金を用
いたが、これに限らず、水素吸蔵材料として、水素吸蔵
能力を有する炭素系材料を用いた場合にも、同様に適用
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】上記第１実施形態の水素供給システムの全体構
成を示す概念図である。

【図２】図１の水素供給システムにおける水素の流れを
示す概念図である。

【図３】上記第２実施形態の水素供給システムの全体構
成を示す概念図である。

【図４】上記第３実施形態の水素供給システムの全体構
成を示す概念図である。

【図５】上記第４実施形態の水素供給システムの全体構
成を示す概念図である。

【図６】上記第５実施形態の水素供給システムの全体構
成を示す概念図である。

【図７】水素吸蔵合金の平衡水素圧と温度との関係を示
す特性図である。

【符号の説明】

１０…水素貯蔵容器、１１…燃料電池（ＦＣスタッ
ク）、２０…水素供給通路、２１…水素バイパス通路
（第１の水素通路）、２２…水素循環通路（第２の水素
通路）、３０、３１…ポンプ装置（ポンプ手段）、４
０、４１、４２…バルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中栄太郎愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 3E072 EA10 4G040 AA14 AA16 AA22 5H027 AA02 BA14 BA19 KK05 KK06 MM08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素と酸素との化学反応により電気エネ
ルギーを発生させる燃料電池（１１）に水素を供給する
水素供給システムであって、水素吸蔵材料を内蔵した水素貯蔵容器（１０）内の圧力
を吸引により低下させ、前記水素貯蔵容器（１０）から
放出される水素を前記燃料電池（１１）に供給するとと
もに、前記燃料電池（１１）から排出される未反応水素
を、再び前記燃料電池（１１）に供給するポンプ手段
（３０、３１）を備えることを特徴とする水素供給シス
テム。
【請求項２】前記水素貯蔵容器（１０）から前記燃料
電池（１１）に供給される水素が通過する第１の水素通
路（２１）と、前記燃料電池（１１）から排出される未反応水素が通過
し、前記第１の水素通路（２１）に合流する第２の水素
通路（２２）と、前記第１の水素通路（２１）における前記第２の水素通
路（２２）との合流点の下流側に、前記水素貯蔵容器
（１０）から放出される水素を流入させるか、あるい
は、前記燃料電池（１１）から排出される未反応水素を
流入させるかを切り替える水素流路切替手段（４１、４
２）とを備え、前記ポンプ手段（３０、３１）は、前記第１の水素通路
（２１）における前記合流点下流側に設けられているこ
とを特徴とする請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】前記ポンプ手段（３１）は複数のポンプ
（３２、３３）から構成された多段構成であり、前記水素貯蔵容器（１０）内の圧力を低下させる場合に
は、前記複数のポンプ（３２、３３）を用い、前記未反応水素を再び前記燃料電池（１１）に供給する
場合には、前記複数のポンプ（３２、３３）のうち１以
上のポンプ（３３）を用いることを特徴とする請求項１
または請求項２に記載の水素供給システム。
【請求項４】前記ポンプ手段（３１）によって水素を
圧縮する際に発生する熱を用いて前記水素貯蔵容器（１
０）を昇温させることを特徴とする請求項１ないし３の
いずれか１つに記載の水素供給システム。
【請求項５】前記ポンプ手段（３１）と前記水素貯蔵
容器（１０）とに熱媒体を循環させる熱媒体循環通路
（５１）を備えていることを特徴とする請求項４に記載
の水素供給システム。
【請求項６】前記第１の水素通路（２１）における前
記ポンプ手段（３１）の下流側に設けられた熱交換器
（５２）と、前記熱交換器（５２）と前記水素貯蔵容器
（１０）とに熱媒体を循環させる熱媒体循環通路（５
３）とを備えていることを特徴とする請求項４に記載の
水素供給システム。
【請求項７】前記水素貯蔵容器（１０）と、前記第１
の水素通路（２１）における前記ポンプ手段（３０）の
下流側とをヒートパイプ（５４）にて熱的に接続してい
ることを特徴とする請求項４に記載の水素供給システ
ム。