JP2002081597A - 水素貯蔵システム - Google Patents

水素貯蔵システム

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JP2002081597A
JP2002081597A JP2000271658A JP2000271658A JP2002081597A JP 2002081597 A JP2002081597 A JP 2002081597A JP 2000271658 A JP2000271658 A JP 2000271658A JP 2000271658 A JP2000271658 A JP 2000271658A JP 2002081597 A JP2002081597 A JP 2002081597A
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hydrogen
pressure
storage system
pump
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JP2000271658A
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Yasushi Araki
康 荒木
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Original Assignee
Toyota Motor Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素貯蔵システム起動時に要求されるポン
プ仕事量を軽減することのできる水素貯蔵システムを提
供すること。 【解決手段】水素貯蔵システム10の制御装置20は、
連通弁V12を開いて圧力低減用通路PDを介して水素
貯蔵容器MH1と次に使用が予定されている水素貯蔵容
器MH2とを連通して、破線で示す負圧領域を拡張す
る。この結果、水素貯蔵容器MH2内の圧力は低減され
る。制御装置20は、水素貯蔵容器MH2内の圧力低減
を十分見込める時間が経過した後、連通弁V12を閉じ
る。制御装置20は、第2主制御弁V2を開き、第1制
御弁Vaを開くと共に、ポンプPを駆動して水素貯蔵容
器MH2から水素を放出させる。放出された水素は燃料
電池FCに供給される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素貯蔵合金を用
いて水素を貯蔵する水素貯蔵システムおよび水素貯蔵シ
ステムから水素を取り出す方法に関する。
【0002】
【従来の技術】水素を貯蔵する一つの手段として水素貯
蔵合金を用いる手段が知られている。水素貯蔵合金を用
いる場合には、水素原子が水素貯蔵合金の原子間に保持
されるため、水素を気体または液体状態で貯蔵する場合
と比較して、水素の貯蔵に必要な体積が小さくて済むと
いう利点がある。一般的に、水素貯蔵合金から水素原子
を取り出すためには、水素消費装置の廃熱を利用して水
素貯蔵合金を水素放出温度まで加熱したり、ポンプを用
いて水素貯蔵合金容器の圧力を水素放出圧力まで低減す
る方法が採られている。
【0003】また、水素消費装置が定常運転状態にない
場合には、水素消費装置の廃熱を利用することができな
いので、ポンプを駆動して水素貯蔵合金容器内の圧力を
低減したり、他のエネルギ源を用いて水素貯蔵合金を加
熱することによって、水素貯蔵システムから水素が取り
出されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水素貯
蔵合金を用いた水素貯蔵システムを移動体に搭載する場
合、水素貯蔵システム起動時に水素貯蔵合金の加熱、あ
るいは、ポンプの駆動に用いられるエネルギ源は電池電
源であることが多く、水素貯蔵システム起動時に常に十
分な電力を供給するためには比較的大きな電池容量が要
求される。したがって、大型の電池を搭載しなければな
らず、水素貯蔵システムの小型化が実用化に向けての重
要な技術課題の一つとなっている。
【0005】また、水素貯蔵合金の十分な加熱が期待で
きない水素貯蔵システム起動時には、水素放出圧力も相
対的に低く、ポンプに要求される仕事量も大きい。した
がって、水素貯蔵システム起動時に十分な水素を放出さ
せるためには、吐出能力・吸引圧力の大きなポンプ、す
なわち、一般的には、より大型のポンプが要求され、水
素貯蔵システムの小型化が困難であるという問題があっ
た。さらに、水素貯蔵システム起動時のみに用いられる
にも拘わらず、吐出能力・吸引圧力の大きなポンプを用
いなければならないため、ポンプを有効に活用できない
という問題もあった。
【0006】特に、水素貯蔵システムを移動体に搭載す
る際には、システムの小型化が要求されるが、上述の理
由により、システムの小型化が困難であるという問題も
あった。
【0007】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであり、小型化可能な水素貯蔵システムを提供
することを目的とする。また、水素貯蔵システム起動時
に要求されるポンプ仕事量を軽減することのできる水素
貯蔵システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題を解決するために本発明の第1の態様は、水素貯
蔵物質を内包すると共に、水素貯蔵時には水素放出圧力
より高い圧力に保持されている複数の水素貯蔵容器を備
える水素貯蔵システムであって、前記水素貯蔵容器と接
続されていると共に前記水素貯蔵容器内の圧力を調整す
るポンプと、前記水素貯蔵システムの起動時における前
記ポンプの仕事量を軽減する起動時負荷軽減手段とを特
徴として備える。
【0009】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムによれば、起動時負荷軽減手段を備えているので、水
素貯蔵システム起動時におけるポンプの仕事量を軽減す
ることができる。この結果、小型のポンプを用いること
が可能となり、水素貯蔵システムを小型化することがで
きる。
【0010】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記起動時負荷軽減手段は、前記水素貯蔵
システム起動時以外の時点で、前記ポンプを用いて前記
軽減されたポンプの仕事量を補っても良い。かかる構成
を備える場合には、ポンプの仕事量を平均化することが
できると共に、ポンプを有効に利用することができる。
また、ポンプの駆動に電池電源が用いられる場合には、
電池電源の小型化を図ることができる。
【0011】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記起動時負荷軽減手段は、前記水素放出
圧力以下の圧力を保持すると共に前記ポンプと連通可能
に接続されている圧力保持装置と、圧力保持条件時には
前記ポンプを駆動して前記圧力保持装置内の圧力を前記
水素放出圧力以下に低減する圧力保持制御装置であって
も良い。
【0012】かかる構成を備える場合には、水素貯蔵シ
ステムに水素放出圧力以下の圧力を保持することができ
る。
【0013】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムはさらに、システム起動時には前記ポンプを駆動して
前記水素貯蔵容器内の圧力を水素放出圧力以下に低減す
る起動時制御装置と、前記水素貯蔵容器と前記圧力保持
装置とを連通可能に接続する第1の連通装置と、所定条
件時には、前記起動時制御装置による前記ポンプの起動
に先立ち、前記第1の連通装置を介して前記水素貯蔵容
器と前記圧力保持装置とを連通させる第1の連通装置制
御装置とを備えても良い。
【0014】かかる構成を備える場合には、水素貯蔵シ
ステム、すなわち、圧力保持装置に保持されている水素
放出圧力以下の圧力を利用して、水素貯蔵容器内の圧力
を低減することが可能となり、水素貯蔵システム起動時
におけるポンプの仕事量を軽減することができる。ま
た、最大仕事量の小さなポンプを用いることが可能とな
り、水素貯蔵システムを小型化することができる。
【0015】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記水素貯蔵システムは水素消費装置と接
続されており、前記所定条件時は、前記圧力保持装置に
前記水素放出圧力以下の圧力が保持されていると共に前
記水素消費装置が起動する時であっても良い。かかる条
件時に、水素が必要とされると共に、水素貯蔵容器の圧
力を所望の通り低減させることができる。また、前記水
素消費装置は発熱型の水素消費装置であり、前記水素貯
蔵システムはさらに、前記水素消費装置が発生する熱を
用いて前記水素貯蔵容器から水素を放出させる熱循環装
置を備えても良い。かかる構成を備えることにより、水
素貯蔵システムが起動した後は、水素消費装置の発生す
る熱を利用して水素貯蔵装置から水素を放出させること
ができる。さらに、前記水素消費装置は燃料電池であっ
ても良い。
【0016】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムはさらに、前記ポンプと前記圧力保持装置とを連通可
能に接続する第2の連通装置と、前記圧力保持条件時に
は、前記第2の連通装置を介して前記ポンプと前記圧力
保持装置とを連通する第2の連通装置制御装置とを備
え、前記ポンプは二次電池を電源として駆動され、前記
圧力保持条件時は、前記二次電池の充電量が所定値以上
の場合であっても良い。
【0017】かかる構成を備えることにより、二次電池
をポンプの電力源として用いる場合であっても、二次電
池の充電状態が良好な状態にて、圧力保持装置に圧力を
保持させることができる。
【0018】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記圧力保持装置は、水素を放出した前記
水素貯蔵容器であっても良い。かかる構成を備える場合
には、水素貯蔵システムを拡張することなく圧力保持装
置を備えることができる。また、前記圧力保持装置は、
圧力保持用の容器であっても良い。かかる構成を備える
場合には、水素貯蔵システムの初回起動時においても、
圧力保持装置に保持されている水素放出圧力以下の圧力
を利用することができる。
【0019】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記複数の水素貯蔵容器のうち、前記ポン
プと最初に連通される水素貯蔵容器には、他の水素貯蔵
容器内に内包されている水素貯蔵合金よりも低い温度で
水素を放出する低温用水素貯蔵合金が内包されていても
良い。かかる構成を備える場合には、圧力保持装置に水
素放出圧力以下の圧力が保持されていない場合であって
も、少ないポンプ仕事量で水素を放出させることができ
る。また、圧力保持装置に水素放出圧力以下の圧力が保
持された後は、圧力保持装置に保持されている水素放出
圧力以下の圧力を利用して、水素貯蔵システム起動時に
おけるポンプ仕事量を軽減することができる。
【0020】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記圧力保持装置によって保持される圧力
は負圧であっても良い。かかる構成を備える場合には、
より迅速かつ効率的に水素貯蔵容器内の圧力を低減する
ことが可能となり、水素貯蔵システム起動時におけるポ
ンプ仕事量をより軽減することができる。
【0021】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記起動時負荷軽減手段は、他の前記水素
貯蔵容器に内包されている水素貯蔵合金よりも、低い温
度で水素を放出可能な低温用水素貯蔵合金を内包すると
共に、前記水素貯蔵システムの起動時に最初に用いられ
る起動用水素貯蔵容器と、他の前記水素貯蔵容器に貯蔵
されている水素を用いて前記起動用水素貯蔵容器に水素
を補充する水素補充装置とを備えても良い。
【0022】かかる構成を備える場合には、他の水素貯
蔵容器に内包されている水素貯蔵合金よりも、低い温度
で水素を放出可能な低温用水素貯蔵合金を内包する起動
用水素貯蔵容器を水素貯蔵システム起動時に用いること
ができる。したがって、水素貯蔵システム起動時におけ
るポンプ仕事量を軽減することができる。また、水素補
充装置を備えるので、起動用水素貯蔵容器に対して水素
を補充することができる。
【0023】本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システ
ムにおいて、前記ポンプは二次電池を電源として駆動さ
れても良い。また、前記水素貯蔵システムは、移動体に
搭載されていても良い。本発明の第1の態様に係る水素
貯蔵システムは、小型化が可能であると共に、水素貯蔵
システム起動時におけるポンプ仕事量を軽減することが
できるので、移動体への搭載に適している。
【0024】本発明の第2の態様は、水素貯蔵物質を内
包すると共に、水素貯蔵時には水素放出圧力より高い圧
力に保持されている複数の水素貯蔵容器を備える水素貯
蔵システムにおける水素放出方法であって、システム起
動に先だってポンプの仕事量を軽減させる処理を実行
し、システム起動時には前記ポンプと前記水素貯蔵容器
とを連通し、前記ポンプを駆動して前記水素貯蔵容器か
ら水素を放出させ、システム起動時以外の時に前記ポン
プを用いて前記軽減されたポンプの仕事量を補うことを
特徴として備える。
【0025】本発明の第2の態様に係る水素放出方法に
よれば、本発明の第1の態様に係る水素貯蔵システムと
同様な作用効果を得ることができる。また、以下の本発
明の第2の態様に係る水素放出方法においても同様であ
る。
【0026】本発明の第2の態様に係る水素放出方法に
おいて、圧力保持条件時には前記ポンプと圧力保持装置
とを連通し、前記ポンプを駆動して圧力保持装置内の圧
力を前記水素放出圧力以下に低減させることにより前記
軽減されたポンプの仕事量を補い、所定条件時には、前
記水素貯蔵容器と前記圧力保持装置とを連通することに
より前記ポンプの仕事量を軽減させる処理を実行するよ
うにしても良い。
【0027】本発明の第2の態様に係る水素放出方法に
おいて、前記水素貯蔵システムは水素消費装置と接続さ
れており、前記所定条件時は、前記圧力保持装置に前記
水素放出圧力以下の圧力が保持されていると共に前記水
素消費装置が起動する時であっても良い。
【0028】本発明の第2の態様に係る水素放出方法に
おいて、前記ポンプは二次電池を電源として駆動され、
前記圧力保持条件時は、前記二次電池の充電量が所定値
以上の場合であっても良い。
【0029】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る水素貯蔵シス
テムについて図面を参照していくつかの実施例に基づい
て説明する。
【0030】・第1の実施例 先ず、図1を参照して第1の実施例に係る水素貯蔵シス
テムの概略構成について説明する。図1は第1の実施例
に係る水素貯蔵システムの概略構成を示すブロック図で
ある。本実施例に係る水素貯蔵システム10は、水素消
費装置としての燃料電池FCに接続されている。
【0031】水素貯蔵システム10は、内部に水素貯蔵
合金(水素貯蔵物質)を有する複数の水素貯蔵容器MH
1,MH2,MH3,...MHn、システム起動時水
素供給路HS1、システム運転時水素供給路HS2、圧
力低減用通路PD、水素放出通路HD、制御装置20を
備えている。システム起動時水素供給路HS1とシステ
ム運転時水素供給路HS2とは互いにその下流端にて水
素供給口HS3と接続されており、システム起動時水素
供給路HS1の上流端は、三方弁Vcを介して圧力低減
用通路PDの下流端および水素放出通路HDの一方の下
流端と接続されている。システム運転時水素供給路HS
2の上流端は、水素放出通路HDの他方の下流端と接続
されている。なお、本実施例において上流とは水素貯蔵
容器MH側を意味し、下流とは水素供給口HS3側を意
味するものとする。また、水素供給口HS3には、燃料
電池FCのアノードガス供給口(図示しない)が接続さ
れている。
【0032】水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnのうち、水素貯蔵容器MH1には、他
の水素貯蔵容器MH2〜MHnに収容されている水素貯
蔵合金よりも低い温度でより多くの水素を放出する低温
用水素貯蔵合金が収容されている。これにより、全ての
水素貯蔵容器MH1〜MHnに水素が吸蔵されている状
態下における、水素貯蔵システム10の起動が容易とな
る。また、各水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnの内部圧力は、水素貯蔵時には、水素
放出圧力よりも高い圧力に保持されている。
【0033】各水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnは、第1主制御弁V1,第2主制御弁
V2,第3主制御弁V3,...第n主制御弁Vn、サ
ージタンク30を介して水素放出通路HDの上流端と接
続されている。サージタンク30には、水素圧力を検出
する圧力センサ31が備えられている。
【0034】各水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnと第1主制御弁V1,第2主制御弁V
2,第3主制御弁V3,...第n主制御弁Vnとの間
には、圧力低減用通路PDが接続されている。圧力低減
用通路PDには、隣接する水素貯蔵容器MHを連通する
ために連通弁V12、V23、V34...が配置され
ている。各水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnには、熱交換器HEが備えられてお
り、各熱交換器HEには熱交換制御回路40を介して燃
料電池FCの冷却液が供給される。熱交換制御回路40
は、制御装置20からの指令に従って冷媒の供給先とな
る水素貯蔵容器MHを切り換える。なお、水素貯蔵容器
MH1については、その特性により熱交換器を必ずしも
備えなくても良い。
【0035】システム起動時水素供給路HS1には、下
流側から逆止弁CV、第1制御弁Va、ポンプPが配置
されている。システム運転時水素供給路HS2には、下
流側から減圧弁RV、第2制御弁Vbが配置されてい
る。ポンプPには電源としてバッテリBATが接続され
ている。バッテリBATは、燃料電池FC運転時に充電
される。なお、充電状態を制御する制御回路の図示は省
略する。
【0036】制御装置20は、各種演算処理を実行する
中央処理装置(CPU)21、各種制御プログラムを格
納しているリードオンリメモリ(ROM)22および演
算結果、データ等を一時的に格納するランダムアクセス
メモリ(RAM)23を備えている。制御装置20は、
バッテリBAT、各主制御弁V1、V2、V3...V
n、各制御弁Va、Vb、各連通弁V12、V23、V
34...、三方弁Vcと制御線を介して接続されてお
り、バッテリBATからポンプPに供給する電流値、各
主制御弁および各制御弁の動作を制御する。制御装置2
0は、水素圧力を検出するために圧力センサ31と制御
線を介して接続されている。制御装置20はまた、既述
のように熱交換制御回路40と接続されており、熱交換
制御回路40を介して加熱する水素貯蔵容器MHを選択
する。
【0037】次に、上記構成を備える水素貯蔵システム
の動作について図2から図12を参照して説明する。図
2は本実施例に係る水素貯蔵システム10の運転制御を
実行するための処理ルーチンを示すフローチャートであ
る。図3は水素貯蔵システム10起動時における第1制
御弁Va、第2制御弁Vb、三方弁Vc、ポンプPの作
動状態を示す説明図である。図4は水素貯蔵システム1
0の通常運転時における第1制御弁Va、第2制御弁V
b、三方弁Vc、ポンプPの作動状態を示す説明図であ
る。図5は水素貯蔵システム10の通常運転時であっ
て、バッテリBATの充電量が所定値以上の場合(圧力
保持条件時)における第1制御弁Va、第2制御弁V
b、三方弁Vc、ポンプPの作動状態を示す説明図であ
る。図6は水素貯蔵システム10停止時における第1制
御弁Va、第2制御弁Vb、三方弁Vc、ポンプPの作
動状態を示す説明図である。
【0038】図7は水素貯蔵システム10の起動時
(1)における各主制御弁V1,...Vn、各連通弁
V12、V23,V34...の作動状態を示す説明図
である。図8は水素貯蔵システム10の起動時(2)に
おける各主制御弁V1,...Vn、各連通弁V12、
V23,V34...の作動状態を示す説明図である。
図9は水素貯蔵システム10の起動時(3)における各
主制御弁V1,...Vn、各連通弁V12、V23,
V34...の作動状態を示す説明図である。図10は
水素貯蔵システム10の通常運転時であって、バッテリ
BATの充電量が所定値以上の場合(圧力保持条件時)
における各主制御弁V1,...Vn、各連通弁V1
2、V23,V34...の作動状態を示す説明図であ
る。図11は水素貯蔵システム10の運転停止時におけ
る各主制御弁V1,...Vn、各連通弁V12、V2
3,V34...の作動状態を示す説明図である。図1
2は圧力保持条件時における各主制御弁V1,...V
n、各連通弁V12、V23,V34...の作動状態
を示す説明図である。
【0039】以下、図2のフローチャートに従って説明
する。なお、水素貯蔵システム10の起動時には、全て
の主制御弁および制御弁は閉じられていると共に三方弁
Vcは圧力低減通路PDを遮断する状態にあるものとす
る。また、水素貯蔵容器MH内の水素は、水素貯蔵容器
MH1から水素貯蔵容器MHn向かって順に消費される
ものとする。
【0040】システム起動時、制御装置20(CPU2
1)は、既にいずれかの水素貯蔵容器MH内に負圧が保
持されているか否かを判定する(ステップS100)。
制御装置20は、いずれの水素貯蔵容器MH1〜MHn
内にも負圧が保持されていないと判定した場合には(ス
テップS100:No)、第1主制御弁V1を開くと共
に、図3に示すように第1制御弁Vaを開き、ポンプP
を駆動して水素貯蔵容器MH1の圧力を水素放出圧力以
下とする(ステップS110)。このとき、水素貯蔵容
器MH1には、低温用水素貯蔵合金が内包されているの
で、水素貯蔵合金を加熱しない場合であっても、比較的
小さなポンプ仕事量にて水素を放出させることができ
る。放出された水素は水素放出通路HD、システム起動
時水素供給路HS1、水素供給口HS3を介して燃料電
池FCのアノードガス供給口に供給される。
【0041】これに対して、制御装置20は、いずれか
の水素貯蔵容器MH1〜MHn内にも負圧が保持されて
いると判定した場合には(ステップS100:No)、
起動時負荷軽減制御を実行する(ステップS120)。
なお、説明の都合上、先ず水素貯蔵容器MH1にのみ負
圧が保持されているものとする。起動時負荷軽減制御に
際して、制御装置20は、図7に示すように、連通弁V
12を開いて圧力低減用通路PDを介して水素貯蔵容器
MH1と次に使用が予定されている水素貯蔵容器MH2
とを連通して、破線で示す負圧領域を拡張する。この結
果、水素貯蔵容器MH2内の圧力は低減される。制御装
置20は、水素貯蔵容器MH2内の圧力低減を十分見込
める時間が経過した後、図8に示すように連通弁V12
を閉じる。制御装置20は、第2主制御弁V2を開き、
図3に示すように第1制御弁Vaを開くと共に、ポンプ
Pを駆動して水素貯蔵容器MH2から水素を放出させ
る。放出された水素は既述のように燃料電池FCに供給
される。
【0042】いずれかの起動時制御が終了すると、制御
装置20は、熱交換制御回路40から取得した燃料電池
FCの冷却水温度に基づいて燃料電池FCの暖機が完了
したか否かを判定し(ステップS130)する。制御装
置20は、燃料電池FCの暖機が完了していると判定し
た場合には(ステップS130:Yes)、図4に示す
ように第2制御弁Vbを開き、第1制御弁Vaを閉じ、
ポンプPの駆動を停止する、通常運転時制御を実行する
(ステップS140)。また、制御装置20は、水素貯
蔵容器MH2以降の水素貯蔵容器MHを使用する通常運
転制御時には、熱交換制御回路40を介して燃料電池F
Cの廃熱を使用中の水素貯蔵容器にMHに対して供給
し、加熱による水素放出処理を実行する。さらに、燃料
電池FCの暖機が完了した状態では、燃料電池FCにて
水素が消費されることにより減圧弁RVの下流側と上流
側とで差圧が発生し、減圧弁RVを介して燃料電池FC
に対して所定圧力(所定流量)の水素が供給されるの
で、ポンプPを作動させる必要はない。制御装置20
は、燃料電池FCの暖機が完了していないと判定した場
合には暖機完了まで待機する(ステップS130:N
o)。
【0043】制御装置20は、いずれかの水素貯蔵容器
MHが空になったか否か、すなわち、貯蔵されている水
素が放出されたか否かを判定する(ステップS15
0)。制御装置20は、サージタンク30に設置されて
いる圧力センサ31の検出値に基づいて、いずれかの水
素制御装置MHが空になったか否かを判定する。すなわ
ち、各水素貯蔵容器MHが有する水素分圧の合計が水素
貯蔵システム10の水素全圧に対応するので、圧力セン
サ31によって検出される圧力変化に基づいていくつの
水素貯蔵容器MHが空になったかを判定することができ
る。また、本水素貯蔵システム10では、水素貯蔵容器
MH1から順に水素が放出されるので、いずれの水素貯
蔵容器が空になったかを判定することができる。
【0044】制御装置20は、空の水素貯蔵装置MHが
存在しないと判定した場合には(ステップS150:N
o)、燃料電池FCの運転が終了したか否かを判定する
(ステップS160)。全ての水素貯蔵容器MHが水素
を貯蔵している状態にて水素貯蔵システム10が最初に
起動される場合には、運転当初、本処理が実行されるこ
とになる。制御装置20は、燃料電池FCの運転が終了
していないと判定した場合には(ステップS160:N
o)、ステップS150の処理に戻る。
【0045】制御装置20は、いずれかの水素貯蔵装置
MHが空になったと判定した場合には(ステップS15
0:Yes)、バッテリBATの充電率が所定値以上で
あるか否かを判定する(ステップS170)。なお、説
明を簡単にするために、水素貯蔵容器MH1が空になっ
た場合について代表的に説明する。
【0046】制御装置20は、バッテリBATの充電率
が所定値未満であると判定した場合には(ステップS1
70:No)、ステップS160の処理に移行する。制
御装置20は、バッテリBATの充電率が所定値以上で
あると判定した場合には(ステップS170:Ye
s)、負圧保持制御を実行する(ステップS180)。
【0047】負圧保持制御では、制御装置20は、図5
に示すように第1制御弁Vaを開き、ポンプPを駆動
し、三方弁Vcを圧力低減用通路PDとシステム起動時
水素供給路HS1とを連通する状態にする。この結果、
図10に示すように、水素貯蔵容器MH1内の残存水素
がポンプPによって吸引され、水素貯蔵容器MH1内の
圧力が低減される。水素貯蔵容器MH1内の到達圧力
は、ポンプPの吐出能力ならびに吸引時間に依存する
が、少なくとも水素放出圧力以下とされ、好ましくは水
素貯蔵容器MH1内が真空となる圧力まで低減される。
ポンプPから吐出された気体は水素供給口HS3を介し
て燃料電池FCへ供給されるが、残存水素なので燃料電
池FCの運転を阻害することはない。また、ポンプPを
介して残存水素が供給される場合であっても、減圧弁R
Vの作用によって燃料電池FCに供給される水素圧力は
一定圧力に保持される。
【0048】制御装置20は、予め定められた時間が経
過した後、あるいは、圧力低減用通路PDに設置された
圧力計(図示しない)が所定の圧力値を検出すると、図
4に示すように、三方弁Vcを初期状態に戻し、ポンプ
Pを停止させ、第1制御弁Vaを閉じる。この結果、図
11に示すように水素貯蔵容器MH1は負圧を保持した
状態で全ての通路から遮断される。図5に示す水素回路
を用いることにより、水素貯蔵容器MH2から水素を放
出させつつ、すなわち、燃料電池FCの運転状態に影響
を与えることなく、水素貯蔵容器MH1内の圧力を低減
することができる。制御装置20は、負圧保持制御を終
了すると、ステップS160の処理に移行して既述の処
理を実行する。
【0049】なお、説明を容易にするために水素貯蔵容
器MH1が空の場合について説明したが、水素貯蔵容器
MH1に加えて他の水素貯蔵容器MHが空の場合にも同
様にして空の水素貯蔵容器MHの圧力を低減する処理が
実行される。例えば、図12には、水素貯蔵容器MH1
および水素貯蔵容器MH2が空になった場合における、
圧力保持制御の様子が示されている。かかる場合には、
連通弁V12が開かれている他は、各弁の動作状態は既
述の通りである。また、水素貯蔵容器MH3が空になっ
た場合には、連通弁V12に加えて連通弁V23が開か
れ、以降、順次、新しい連通弁が開かれていく。
【0050】制御装置20は、燃料電池FCの運転が終
了したと判定した場合には(ステップS190)、水素
貯蔵システム10の停止制御を実行する。この停止制御
では、制御装置20は、図6に示すように各制御弁およ
び各主制御弁を閉じ、三方弁Vcを初期状態とする。
【0051】以上説明したように、第1の実施例に係る
水素貯蔵システム10によれば、最初に水素を放出する
水素貯蔵容器MHに収容する水素貯蔵合金として、低温
時にも低い水素放出圧力にて水素を放出する低温用水素
貯蔵合金を用いている。したがって、システム起動時に
おいてポンプPに要求される仕事量を軽減することがで
きると共に、システム起動時から十分な水素を供給する
ことができる。この結果、吐出能力の低いポンプPを用
いることができると共に、ポンプPに対して電力を供給
するバッテリBATの容量を小さくすることが可能とな
り、水素貯蔵システム10を小型化することができる。
【0052】また、第1の実施例に係る水素貯蔵システ
ム10によれば、空となった水素貯蔵容器MHの内圧を
ポンプPによって低減させて、水素貯蔵容器MHを負圧
保持装置として用いている。そして、システム起動時に
は、負圧を保持している水素貯蔵容器MHと使用を予定
している水素貯蔵容器MHとを連通することにより、使
用を予定している水素貯蔵容器MHの内圧を低減する構
成を備えている。したがって、ポンプPに要求される仕
事量を平準化することが可能となり、ポンプPに掛かる
負荷が最も大きいシステム起動時に、ポンプPに要求さ
れる仕事量を低減することができる。この結果、従来と
比較して吐出能力の低いポンプPを用いることが可能と
なり、水素貯蔵システム10を小型化することができ
る。さらに、システム起動時におけるポンプPの仕事量
を低減することにより、バッテリBATの容量をも小さ
くすることが可能となり、ポンプPの小型化と相まって
水素貯蔵システム10を小型化することができる。ま
た、システム起動時から十分な水素を供給することがで
きる。
【0053】・第2の実施例 第2の実施例に係る水素貯蔵システム100について図
13を参照して説明する。図13は第2の実施例に係る
水素貯蔵システム100の概略構成を示すブロック図で
ある。なお、第2の実施例に係る水素貯蔵システム10
0は、一部を除いて第1の実施例に係る水素貯蔵システ
ム10と同様の構成を備えるので、以下の説明では異な
る構成を中心に説明し、同一の構成については同一の符
合を付してその説明を省略する。
【0054】第2の実施例に係る水素貯蔵システム10
0は、システム起動時における負荷軽減手段として、水
素貯蔵容器MHを負圧保持装置(圧力保持装置)として
機能させる代わりに、低温用水素貯蔵合金を収容する水
素貯蔵容器MH1を起動時に水素を放出する水素貯蔵容
器MHとして用いる。したがって、水素貯蔵容器MHを
負圧保持装置として機能させるために要求される圧力低
減用通路PD、および三方弁Vcを備えていない。
【0055】水素貯蔵システム100において、システ
ム起動時水素供給路HS1の上流端は、水素放出通路H
Dの一方の下流端と接続されている。システム運転時水
素供給路HS2の上流端は、水素放出通路HDの下流端
と接続されている。なお、本実施例において上流とは水
素貯蔵容器MH側を意味し、下流とは水素供給口HS3
側を意味するものとする。また、水素供給口HS3に
は、燃料電池FCのアノードガス供給口(図示しない)
が接続されている。
【0056】水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnのうち、水素貯蔵容器MH1には、起
動用水素貯蔵容器として用いられ、他の水素貯蔵容器M
H2〜MHnに収容されている水素貯蔵合金よりも低い
温度でより多くの水素を放出する起動用水素貯蔵合金が
収容されている。これにより、水素貯蔵システム10の
起動時におけるポンプPの仕事量を軽減することができ
る。また、各水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnの内部圧力は、水素貯蔵時には、水素
放出圧力よりも高い圧力に保持されている。
【0057】各水素貯蔵容器MH1,MH2,MH
3,...MHnと第1主制御弁V1,第2主制御弁V
2,第3主制御弁V3,...第n主制御弁Vnとの間
には、水素補充用通路HPが接続されている。水素補充
用通路HPには、隣接する水素貯蔵容器MHを連通する
ために連通弁V12、V23、V34...が配置され
ている。また、水素貯蔵容器MH1と連通弁V12との
間には逆止弁CVが配置されており、水素補充時におけ
る水素貯蔵容器MH1から他の水素貯蔵容器MH2,M
H3,...MHnへの水素の逆流を防止している。水
素貯蔵容器MH1には低温で水素を放出し易い起動用水
素吸蔵合金が用いられており、水素を放出させやすい反
面、水素を吸蔵させにくく、水素補充時に他の水素貯蔵
容器MHから供給された水素が逆流するおそれがあるか
らである。
【0058】次に、上記構成を備える水素貯蔵システム
100の動作について図14および図15を参照して説
明する。図14はシステム起動時における各弁の動作状
態、水素の流れを示す説明図である。図15は水素貯蔵
容器MH1に対して水素を補充する際における各弁の動
作状態、水素の流れを示す説明図である。なお、システ
ム起動時には、全ての弁が閉じられているものとする。
【0059】本実施例に係る水素貯蔵システム100で
は、図14に示すようにシステム起動時には必ず水素貯
蔵容器MH1から水素を放出させるので、制御装置20
は、システム起動時には、第1制御弁Va、第1主制御
弁V1を開き、ポンプPを作動させる。水素貯蔵容器M
H1に収容されている水素貯蔵合金は、他の水素貯蔵容
器MHに収容されている水素貯蔵合金と比較して、同一
圧力雰囲気下においてより低い温度でも水素を放出し易
い特性を有している。したがって、ポンプPに要求され
る仕事量、すなわち、ポンプPによって達成されるべき
圧力は比較的高くても構わず、起動時におけるポンプP
の仕事量を軽減することができる。
【0060】燃料電池FCの暖機が完了すると、制御装
置20は、図15に示すように、第1主制御弁V1を閉
じ、連通弁V12を開いて、水素貯蔵容器MH2内の水
素を用いて水素貯蔵容器MH1内に水素を補充する。こ
のとき、水素貯蔵容器MH1と連通弁V12との間には
逆止弁CVが配置されているので、たとえ、水素貯蔵容
器MH1内の起動用水素貯蔵合金が水素貯蔵容器MH2
から水素貯蔵容器MH1に対して一旦、補充された水素
が逆流することはない。
【0061】以後、暖機完了後にあっては、制御装置2
0は、水素貯蔵容器MH2が空になれば第2主制御弁V
2を閉じて第3主制御弁V3を開き、水素貯蔵容器MH
3が空になれば第3主制御弁V3を閉じて第4主制御弁
V4を開く、といったように順次、使用する水素貯蔵容
器MHを切り替えていく。したがって、燃料電池FCに
対しては、水素貯蔵容器MH3から水素貯蔵装置MHn
内の水素が順次、供給される。
【0062】このとき、各連通弁の開閉状態を制御する
ことにより、水素貯蔵容器MH1への水素の補充を実行
する。例えば、水素貯蔵容器MH2内の水素が空になっ
た場合には、連通弁23を開き、水素貯蔵容器MH3内
の水素を燃料電池FCに対して供給すると共に、水素貯
蔵容器MH1に対する補充用の水素として用いることが
できる。
【0063】以上説明したとおり、第2の実施例に係る
水素貯蔵システム100によれば、起動時に用いる水素
貯蔵容器MH1は、同一の圧力条件下において低い温度
でも水素を放出し易い特性を有する起動用水素貯蔵合金
を収容しているので、起動時におけるポンプPの仕事量
を軽減することができる。
【0064】また、燃料電池FCの暖機が終了し、燃料
電池FCの廃熱を利用して他の水素貯蔵容器MHからの
水素の放出が可能になると、水素貯蔵容器MH1に対し
て他の水素貯蔵容器MHに貯蔵されている水素を補充す
る構成を備えている。したがって、常時、水素貯蔵容器
MH1を起動用水素貯蔵容器として用いることができ
る。
【0065】以上、いくつかの発明の実施の形態に基づ
き本発明に係る水素貯蔵システムを説明してきたが、上
記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にする
ためのものであり、本発明を限定するものではない。本
発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価
物が含まれることはもちろんである。
【0066】例えば、第1の実施例では、水素貯蔵容器
MH1に低温用の水素貯蔵合金を収容しているが、他の
水素貯蔵容器MHと同一の水素貯蔵合金を収容するよう
にしても良い。かかる場合には、水素貯蔵容器MHに代
えて、圧力保持容器を別に備えておくことにより、シス
テム起動時におけるポンプPの仕事量を軽減することが
できる。
【0067】また、上記各実施例では、水素消費装置と
して燃料電池FCを用いているが、水素を燃料として電
気エネルギまたは機械エネルギを生成する装置であれば
どのような装置であっても良い。例えば、水素エンジン
を用いても良い。
【0068】さらに、上記各実施例では、ポンプPの電
源としてバッテリBATを用いているが、各実施例に係
る水素貯蔵システム10を据え置きして用いる場合に
は、定置電源を用いるようにしても良い。
【0069】上記各実施例における、各弁、各通路の配
置は一例であり、第1の実施例においては、ポンプPを
用いて空の水素貯蔵容器MHを減圧すると共に他の水素
貯蔵容器MHから水素消費装置に対して水素を供給する
ことができる配置であればこれに限られない。また、第
2の実施例においては、起動用水素貯蔵容器に対して他
の水素貯蔵容器を用いて水素を補充することができる配
置であれば良い。
【0070】第1の実施例では空の水素貯蔵容器MHを
負圧保持装置(圧力保持装置)として用いることにより
起動時負荷軽減手段を実現しているが、圧力保持装置と
しての別の容器を備え、かかる圧力保持装置に負圧を保
持するようにしてもよい。また、圧力保持装置は脱着式
であっても良い。かかる場合には、予め負圧を保持して
いる圧力保持装置を用いることにより、システム運転時
に負圧を保持するための処理を実行しなくても良い。
【0071】また、上記各実施例では、水素貯蔵物質と
して水素貯蔵合金を用いたが、温度と圧力によって水素
の吸蔵と放出とを制御できる物質で有ればこれに限られ
ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例に係る水素貯蔵システムの概略構
成を示すブロック図である。
【図2】本実施例に係る水素貯蔵システム10の運転制
御を実行するための処理ルーチンを示すフローチャート
である。
【図3】水素貯蔵システム10起動時における第1制御
弁Va、第2制御弁Vb、三方弁Vc、ポンプPの作動
状態を示す説明図である。
【図4】水素貯蔵システム10の通常運転時における第
1制御弁Va、第2制御弁Vb、三方弁Vc、ポンプP
の作動状態を示す説明図である。
【図5】水素貯蔵システム10の通常運転時であって、
バッテリBATの充電量が所定値以上の場合(圧力保持
条件時)における第1制御弁Va、第2制御弁Vb、三
方弁Vc、ポンプPの作動状態を示す説明図である。
【図6】水素貯蔵システム10停止時における第1制御
弁Va、第2制御弁Vb、三方弁Vc、ポンプPの作動
状態を示す説明図である。
【図7】水素貯蔵システム10の起動時(1)における
各主制御弁、各連通弁の作動状態を示す説明図である。
【図8】水素貯蔵システム10の起動時(2)における
各主制御弁、各連通弁の作動状態を示す説明図である。
【図9】水素貯蔵システム10の起動時(3)における
各主制御弁、各連通弁の作動状態を示す説明図である。
【図10】水素貯蔵システム10の通常運転時であっ
て、バッテリBATの充電量が所定値以上の場合(圧力
保持条件時)における各主制御弁、各連通弁の作動状態
を示す説明図である。
【図11】水素貯蔵システム10の運転停止時における
各主制御弁、各連通弁の作動状態を示す説明図である。
【図12】圧力保持条件時における各主制御弁、各連通
弁の作動状態を示す説明図である。
【図13】第2の実施例に係る水素貯蔵システムの概略
構成を示すブロック図である。
【図14】システム起動時における各弁の動作状態、水
素の流れを示す説明図である。
【図15】水素貯蔵容器MH1に対して水素を補充する
際における各弁の動作状態、水素の流れを示す説明図で
ある。
【符号の説明】
10、100…水素貯蔵システム 20…制御装置 21…中央処理装置(CPU) 22…リードオンリメモリ(ROM) 23…ランダムアクセスメモリ(RAM) 30…サージタンク 31…圧力センサ 40…熱交換制御回路 V1…第1主制御弁 V2…第2主制御弁 V3…第3主制御弁 Vn…第n主制御弁 V12,V23,V34…連通弁 Va…第1制御弁 Vb…第2制御弁 Vc…三方弁 CV…逆止弁 RV…減圧弁 P…ポンプ BAT…バッテリ HS1…システム起動時水素供給路 HS2…システム運転時水素供給路 HS3…水素供給口 PD…圧力低減用通路 HD…水素放出通路 HP…水素補充用通路 FC…燃料電池 HE…熱交換器
フロントページの続き Fターム(参考) 3E072 DB03 EA10 3H045 AA02 AA09 AA12 AA25 AA39 BA31 CA04 DA01 DA05 DA19 EA13 EA42 4G040 AA12 AA29 4G140 AA12 AA29 5H027 AA02 BA14

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水素貯蔵物質を内包すると共に、水素貯
    蔵時には水素放出圧力より高い圧力に保持されている複
    数の水素貯蔵容器を備える水素貯蔵システムであって、 前記水素貯蔵容器と接続されていると共に前記水素貯蔵
    容器内の圧力を調整するポンプと、 前記水素貯蔵システムの起動時における前記ポンプの仕
    事量を軽減する起動時負荷軽減手段とを備える水素貯蔵
    システム。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の水素貯蔵システムにお
    いて、前記起動時負荷軽減手段は、前記水素貯蔵システ
    ム起動時以外の時点で、前記ポンプを用いて前記軽減さ
    れたポンプの仕事量を補うことを特徴とする水素貯蔵シ
    ステム。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載の水素貯
    蔵システムにおいて、前記起動時負荷軽減手段は、 前記水素放出圧力以下の圧力を保持すると共に前記ポン
    プと連通可能に接続されている圧力保持装置と、 圧力保持条件時には前記ポンプを駆動して前記圧力保持
    装置内の圧力を前記水素放出圧力以下に低減する圧力保
    持制御装置とを備える水素貯蔵システム。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の水素貯蔵システムはさ
    らに、 システム起動時には前記ポンプを駆動して前記水素貯蔵
    容器内の圧力を水素放出圧力以下に低減する起動時制御
    装置と、 前記水素貯蔵容器と前記圧力保持装置とを連通可能に接
    続する第1の連通装置と、 所定条件時には、前記起動時制御装置による前記ポンプ
    の起動に先立ち、前記第1の連通装置を介して前記水素
    貯蔵容器と前記圧力保持装置とを連通させる第1の連通
    装置制御装置とを備えることを特徴とする水素貯蔵シス
    テム。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の水素貯蔵システムにお
    いて、 前記水素貯蔵システムは水素消費装置と接続されてお
    り、 前記所定条件時は、前記圧力保持装置に前記水素放出圧
    力以下の圧力が保持されていると共に前記水素消費装置
    が起動する時であることを特徴とする水素貯蔵システ
    ム。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の水素貯蔵システムにお
    いて、 前記水素消費装置は発熱型の水素消費装置であり、 前記水素貯蔵システムはさらに、前記水素消費装置が発
    生する熱を用いて前記水素貯蔵容器から水素を放出させ
    る熱循環装置を備えることを特徴とする水素貯蔵システ
    ム。
  7. 【請求項7】 請求項5または請求項6に記載の水素貯
    蔵システムにおいて、 前記水素消費装置は燃料電池であることを特徴とする水
    素貯蔵システム。
  8. 【請求項8】 請求項3ないし請求項7のいずれかに記
    載の水素貯蔵システムはさらに、 前記ポンプと前記圧力保持装置とを連通可能に接続する
    第2の連通装置と、 前記圧力保持条件時には、前記第2の連通装置を介して
    前記ポンプと前記圧力保持装置とを連通する第2の連通
    装置制御装置とを備え、 前記ポンプは二次電池を電源として駆動され、 前記圧力保持条件時は、前記二次電池の充電量が所定値
    以上の場合であることを特徴とする水素貯蔵システム。
  9. 【請求項9】 請求項3ないし請求項8のいずれかに記
    載の水素貯蔵システムにおいて、 前記圧力保持装置は、水素を放出した前記水素貯蔵容器
    であることを特徴とする水素貯蔵システム。
  10. 【請求項10】 請求項3ないし請求項8のいずれかに
    記載の水素貯蔵システムにおいて、 前記圧力保持装置は、圧力保持用の容器であることを特
    徴とする水素貯蔵システム。
  11. 【請求項11】 請求項3ないし請求項10のいずれか
    に記載の水素貯蔵システムにおいて、 前記複数の水素貯蔵容器のうち、前記ポンプと最初に連
    通される水素貯蔵容器には、他の水素貯蔵容器内に内包
    されている水素貯蔵合金よりも低い温度で水素を放出す
    る低温用水素貯蔵合金が内包されていることを特徴とす
    る水素貯蔵システム。
  12. 【請求項12】請求項3ないし請求項11のいずれかに
    記載の水素貯蔵システムにおいて、 前記圧力保持装置によって保持される圧力は負圧である
    ことを特徴とする水素貯蔵システム。
  13. 【請求項13】請求項1に記載の水素貯蔵システムにお
    いて、前記起動時負荷軽減手段は、 他の前記水素貯蔵容器に内包されている水素貯蔵合金よ
    りも、低い温度で水素を放出可能な低温用水素貯蔵合金
    を内包すると共に、前記水素貯蔵システムの起動時に最
    初に用いられる起動用水素貯蔵容器と、 他の前記水素貯蔵容器に貯蔵されている水素を用いて前
    記起動用水素貯蔵容器に水素を補充する水素補充装置と
    を備えることを特徴とする水素貯蔵システム。
  14. 【請求項14】請求項13に記載の水素貯蔵システムに
    おいて、 前記ポンプは二次電池を電源として駆動されることを特
    徴とする水素貯蔵システム。
  15. 【請求項15】請求項1ないし請求項14のいずれかに
    記載の水素貯蔵システムにおいて、 前記水素貯蔵システムは、移動体に搭載されていること
    を特徴とする水素貯蔵システム。
  16. 【請求項16】水素貯蔵物質を内包すると共に、水素貯
    蔵時には水素放出圧力より高い圧力に保持されている複
    数の水素貯蔵容器を備える水素貯蔵システムにおける水
    素放出方法であって、 システム起動に先だってポンプの仕事量を軽減させる処
    理を実行し、 システム起動時には前記ポンプと前記水素貯蔵容器とを
    連通し、前記ポンプを駆動して前記水素貯蔵容器から水
    素を放出させ、 システム起動時以外の時に前記ポンプを用いて前記軽減
    されたポンプの仕事量を補う水素放出方法。
  17. 【請求項17】請求項16に記載の水素放出方法におい
    て、 圧力保持条件時には前記ポンプと圧力保持装置とを連通
    し、前記ポンプを駆動して圧力保持装置内の圧力を前記
    水素放出圧力以下に低減させることにより前記軽減され
    たポンプの仕事量を補い、 所定条件時には、前記水素貯蔵容器と前記圧力保持装置
    とを連通することにより前記ポンプの仕事量を軽減させ
    る処理を実行することを特徴とする水素放出方法。
  18. 【請求項18】請求項17に記載の水素放出方法におい
    て、 前記水素貯蔵システムは水素消費装置と接続されてお
    り、 前記所定条件時は、前記圧力保持装置に前記水素放出圧
    力以下の圧力が保持されていると共に前記水素消費装置
    が起動する時であることを特徴とする水素放出方法。
  19. 【請求項19】請求項17または請求項18に記載の水
    素放出方法において、 前記ポンプは二次電池を電源として駆動され、 前記圧力保持条件時は、前記二次電池の充電量が所定値
    以上の場合であることを特徴とする水素放出方法。
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