JP2002134147A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部エネルギを用いずに、水素吸蔵合金から
の水素ガスによる燃料電池発電のみで、低温時の燃料電
池の迅速な始動を可能とする。 【解決手段】 燃料電池装置は、燃料電池セル９に水素
ガスを供給すべく該セル９に接続され、共に水素吸蔵合
金を内蔵する主水素吸蔵合金タンク７と補助水素吸蔵合
金タンク８とを備える。主水素吸蔵合金タンクと補助水
素吸蔵合金タンクは、主水素吸蔵合金タンクから補助水
素吸蔵合金タンクへ水素ガスを充填する充填路Ｌにより
接続された。通常運転時に補助水素吸蔵合金タンク内に
貯えられたガスにより燃料電池装置の始動が可能とな
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、燃料電池装置に関
し、特に燃料電池セルへの燃料ガスの供給技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池の燃料としての水素ガスを安定
的に貯蔵する手段として水素吸蔵合金を用いる燃料電池
システムがある。こうしたシステムにおいて、水素吸蔵
合金に吸蔵させた水素は、システム始動の低温時には放
出されにくいため、水素ガスの迅速な供給を可能とする
何らかの手段を必要とする。この種の手段として通常想
定されるものに、水素吸蔵合金の加熱があるが、加熱に
よる暖機には別途エネルギ供給のための電源等の外部エ
ネルギ供給源を必要とする。

【０００３】こうした外部エネルギを用いずに燃料電池
システムを始動させる提案が、特開平７−９４２０２号
公報に開示の燃料電池においてなされている。この従来
技術では、水素吸蔵合金を内蔵するメインのタンクの他
に、水素ガスタンクを設け、燃料電池本体への供給水素
ガスの一部を水素ガスタンクに貯えておき、貯えた水素
ガスタンク内のガスを始動に用いる構成が採られてい
る。また、この従来技術では、高温型水素吸蔵合金を内
蔵するタンクと、常温型水素吸蔵合金を内蔵するタンク
とを設け、冷機始動時は、常温型水素吸蔵合金から燃料
電池に水素を供給し、燃料電池の出力電力による電気加
熱で循環冷却水を加熱し、冷却水により高温型水素吸蔵
合金を加熱する方式が採られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術のように、始動時に使う水素を別途ガスタンクから供
給する方式では、水素吸蔵合金からのガス供給に比し
て、供給可能なガス量に対するタンクサイズが大きくな
るため、システムの大型化が避けられない問題点があ
る。また、従来技術における高温型水素吸蔵合金と常温
型水素吸蔵合金を用いる方式では、高温型水素吸蔵合金
の加熱に循環冷却水を用いるため、熱容量の大きな冷却
水の加熱に時間がかかり、始動に長時間を要する他、冷
却水循環のためのシステムの複雑化が避けられない。

【０００５】そこで本発明は、水素吸蔵合金を燃料貯蔵
に用いる燃料電池において、その運転状況や気象条件に
関わりなく、小型かつ簡素なシステム構成で、安定的に
燃料供給を可能とすることを主たる目的とする。次に、
本発明は、外部エネルギを用いずに、水素ガスによる燃
料電池発電のみで、低温時の燃料電池の迅速な始動を可
能とすることを目的とする。具体的には、本発明は、水
素吸蔵合金からのより低温側での水素放出を実現するこ
とを目的とする。また、本発明は、水素吸蔵合金の迅速
な加熱を可能とすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、燃料電池セルに水素ガスを供給すべく該
燃料電池セルに接続され、共に水素吸蔵合金を内蔵する
主水素吸蔵合金タンクと補助水素吸蔵合金タンクとを備
える燃料電池装置において、前記主水素吸蔵合金タンク
と補助水素吸蔵合金タンクは、主水素吸蔵合金タンクか
ら補助水素吸蔵合金タンクへ水素ガスを充填する充填路
により接続されたことを特徴とする。

【０００７】上記構成において、充填路は逆止弁を備
え、主水素吸蔵合金タンクから補助水素吸蔵合金タンク
への水素ガスの充填は、該逆止弁の開閉により自動的に
なされる構成とするのが有効である。

【０００８】上記いずれかの構成において、補助水素吸
蔵合金タンクは、主水素吸蔵合金タンクに内蔵された水
素吸蔵合金より低温で水素放出が可能な水素吸蔵合金を
内蔵する構成とするのが有効である。

【０００９】更に、補助水素吸蔵合金タンクは、少なく
とも燃料電池の低温始動時に、燃料電池セルに連通され
る構成としてもよい。

【００１０】また、上記いずれかの構成において、補助
水素吸蔵合金タンクの燃料電池セルへの連通は、主水素
吸蔵合金タンクの内圧の低下によりなされる構成を採る
のも有効である。

【００１１】また、上記いずれかの構成において、燃料
電池セルは、その排気路を主水素吸蔵合金タンクにに連
通され、該タンクに内蔵された水素吸蔵合金は、燃料電
池セルからの排熱により加熱される構成を採るのも有効
である。

【００１２】更に、上記いずれかの構成において、補助
水素吸蔵合金タンクに、主水素吸蔵合金タンクと補助水
素吸蔵合金タンクの内圧を制御するリリーフ弁が設けら
れた構成を採るのも有効である。

【００１３】

【発明の作用及び効果】前記請求項１記載の構成では、
燃料電池装置の通常運転時に、主水素吸蔵合金タンクか
ら補助水素吸蔵合金タンクに水素ガスの充填が行なわれ
るため、運転停止時において、常に補助水素吸蔵合金タ
ンク内に通常運転時の水素ガス圧すなわち一定の水素ガ
ス残量を保持させることができる。したがって、この補
助水素吸蔵合金タンク内の水素ガスを必要に応じて用い
ることで、通常運転時における燃料電池セルへの安定的
な水素ガス供給が可能となる。

【００１４】そして、請求項２に記載の構成とすると、
主水素吸蔵合金タンクから補助水素吸蔵合金タンクへの
水素ガスの充填を、通常運転時に逆止弁の自動開閉で格
別の操作なしで行ない、補助水素吸蔵合金タンク内の水
素ガス圧を常に通常運転時における高温状態でのガス圧
に保つ十分な水素ガス残量の確保が容易に可能となる。

【００１５】また、請求項３に記載の構成とすると、同
じ温度条件の下で、補助水素吸蔵合金タンク圧を主水素
吸蔵合金タンク圧より高く設定することが可能となる。
したがって、この設定により、補助水素吸蔵合金タンク
の水素ガス残量の確保が一層容易になる。

【００１６】更に、請求項４に記載の構成とすると、上
記の構成により補助水素吸蔵合金タンクは常に一定量以
上の残量を保持することになり、水素ガス残量が大のと
きは、水素放出限界温度が下がる水素吸蔵合金一般の特
性を利用して、より低温側での水素放出を可能にするこ
とができるため、始動時の水素ガス残量が保証されない
主水素吸蔵合金タンクから燃料供給を十分に行なえない
低温時にも、補助水素吸蔵合金タンクからの水素ガス供
給が可能となる。それにより、外部エネルギを用いずに
燃料電池装置を始動できる。

【００１７】更に、請求項５に記載の構成とすると、主
水素吸蔵合金タンクの内圧の検出のみで補助水素吸蔵合
金タンクによる燃料電池セルへの水素ガスの供給を制御
できるため、燃料電池運転のための制御を簡素化するこ
とができる。

【００１８】また、請求項６に記載の構成とすると、補
助水素吸蔵合金タンクによる燃料電池セルへの水素ガス
の供給により発電を開始する燃料電池セルからの排熱に
より、外部エネルギを用いない主水素吸蔵合金タンク内
の水素吸蔵合金の加熱が可能となる。その結果、主水素
吸蔵合金タンク内の水素吸蔵合金からの水素ガス供給に
よっては燃料電池の運転が不可能な温度条件下でも、内
部エネルギのみによる暖機運転から通常運転への迅速な
移行が可能となる。

【００１９】更に、請求項７に記載の構成とすると、主
水素吸蔵合金タンクと補助水素吸蔵合金タンクの内圧を
単一のリリーフ弁で制御できるため、燃料供給システム
の簡素化が可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る
燃料電池装置の燃料供給系のシステム構成を示す。この
装置は、燃料電池セル（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）９に燃料
としての水素ガスを供給するシステムを構成している。
この燃料供給系は、燃料電池セル９に水素ガスを供給す
べく、燃料電池セル９の燃料供給路Ｓに接続され、共に
水素吸蔵合金（ＭＨ）を内蔵する主水素吸蔵合金タンク
（以下、実施形態の説明においてメインタンクと略記す
る）７と補助水素吸蔵合金タンク（同じく、サブタンク
と略記する）８とを備える。メインタンク７には高温形
の水素吸蔵合金が内蔵され、サブタンク８には常温形の
水素吸蔵合金が内蔵されており、これにより、サブタン
ク８は、メインタンク７に内蔵された水素吸蔵合金より
低温で水素放出が可能とされている。そして、本発明に
従い、メインタンク７とサブタンク８は、メインタンク
７からサブタンク８へ水素ガスを充填する充填路Ｌによ
り接続されている。

【００２１】メインタンク７は、供給路Ｓを開閉する主
水素供給電磁弁２と、供給圧を調整するレギュレータ６
とを直列に介挿した供給路Ｓを介して燃料電池セルＦＣ
に接続されている。サブタンク８は、補助水素供給電磁
弁１を介挿した供給路Ｓ’を介してレギュレータ６の上
流で供給路Ｓに接続されている。メインタンク７の出口
付近の供給路には、メインタンク７の圧力を検出する圧
力センサ５が配設されている。サブタンク８には、タン
ク圧の過上昇を防止すべくリリーフ弁４が配設されてい
る。そしてメインタンク７からサブタンク８へ水素ガス
を充填する充填路Ｌには充填を自動的に行なうべく逆止
弁３が介挿されている。

【００２２】更に、燃料電池セル９は、その排気路Ｅを
メインタンク７に、それに内蔵された水素吸蔵合金との
非接触状態での熱交換が可能なように連通され、それに
よりメインタンク７に内蔵された常温形水素吸蔵合金
は、燃料電池セル９からの排熱により加熱される。

【００２３】図２は上記構成からなる燃料供給システム
の運転内容を示すフローチャートである。このフロー
は、当初のステップＳ１で、供給すべきタンクを選択す
べく、図１に示す圧力センサ５で検出されるメインタン
ク７の燃料電池側出口の圧力を読込む。次のステップＳ
２の判定で、検出されたメインタンク圧が予め定められ
た規定圧（例えば、約０．２ＭＰｓ）より小さい場合、
ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、補助水素供給
電磁弁１を開き、主水素供給電磁弁２は閉じたままとす
る。この処理により、サブタンク８内の水素ガスがレギ
ュレータ６で調圧されて燃料電池セル９に供給され、燃
料電池の発電が開始される。

【００２４】一方、ステップＳ２においてメインタンク
圧が規定圧以上と判定された場合、ステップＳ３に進
み、補助水素供給電磁弁１を閉じたままに維持し、主水
素供給電磁弁２を開く。この処理により、メインタンク
７内の水素ガスがレギュレータ６で調圧されて燃料電池
セル９に供給され、燃料電池の発電が開始される。次の
ステップＳ４とステップＳ５は、本形態における逆止弁
３の作動そのものを示すが、他の何らかの信号作動の充
填弁を用いる場合、その処理内容は、ステップＳ１で読
込まれたメインタンク７の燃料電池側出口の圧力値がサ
ブタンク圧よりも高いか否かの判定をステップＳ４で行
ない、この圧力値判定が成立する場合にステップＳ５に
進み、前記充填弁を開いてメインタンク７からサブタン
ク８への水素ガスの充填を行なうことになる。また、ス
テップＳ４での圧力値判定が不成立の場合は、前記充填
弁を閉じてメインタンク７からサブタンク８への水素ガ
スの充填を停止する。

【００２５】このようにして、燃料電池の運転を継続す
ることで、サブタンク８内の圧力が規定値を超える満充
填状態になると、リリーフ弁４が開き、サブタンク８内
の水素ガス圧力は規定値に保たれる。そして、ステップ
Ｓ７において燃料電池運転の停止指示があった場合、ス
テップＳ８に進み補助水素供給電磁弁１と主水素供給電
磁弁を共に閉じる。これにより燃料電池システムの運転
が停止する。

【００２６】このシステムでは、上記の運転経過から、
燃料電池システムの運転停止時にはサブタンク８内の圧
力が規定値の満充填状態が維持される。したがって、上
記フローにおけるステップＳ６の処理によるサブタンク
８からの水素ガス供給による燃料電池の始動は常に可能
である。なお、上記フローでは、メインタンク７の圧力
によって、いずれかのタンクを選択する構成を採ってい
るが、運転中にメインタンク７の圧力が低下したことに
よって水素の供給量が不足する場合に、補助水素供給電
磁弁２も並列的に開くことによって、水素ガスの供給量
（水素流量）を確保するシステム構成とすることもでき
る。

【００２７】かくして、この実施形態によれば、燃料電
池装置の通常運転時にメインタンク７からサブタンク８
に水素ガスの充填が行なわれるため、運転停止時におい
て、常にサブタンク８内に通常運転時の水素ガス圧すな
わち一定の水素ガス残量を保持させることができる。し
たがって、このサブタンク８内の水素ガスをメインタン
ク７の供給圧不足のときに用いることで、内部エネルギ
のみによる運転の継続や始動が常時可能となる。しか
も、メインタンク７からサブタンク８への水素ガスの充
填を、メインタンク７からの供給による通常運転時に、
逆止弁３の自動開閉で格別の操作なしで行ない、サブタ
ンク８内の水素ガス圧を常に通常運転時における高温状
態でのガス圧に保つ十分な水素ガス残量の確保がなされ
る。

【００２８】ところで、水素吸蔵合金からのガス放出
は、温度によって変化する。図３はこうした水素吸蔵合
金の特性を特定の調合のものについて水素放出限界温度
と水素残量の関係で示す。図に示すように、水素残量は
温度によって変化し、特に水素残量が１０％から８０％
の範囲では、ほぼリニアに変化する。このことは、水素
吸蔵合金をタンク内に収容した状態では、タンク内の水
素ガス圧が、この範囲で水素ガス量と比例することを意
味する。そこで、前記実施形態では、専らメインタンク
７の圧力によって始動時の供給タンクを選択するシステ
ム構成を採っている。

【００２９】また、水素吸蔵合金の水素放出限界温度と
残量の関係は、その調合によって変えることができる。
そこで、サブタンク８に内蔵させる水素吸蔵合金をメイ
ンタンク７に内蔵された水素吸蔵合金より低温で水素放
出が可能なものとすることで、同じ温度条件の下で、サ
ブタンク圧をメインタンク圧より高く設定することも可
能となる。この特性を利用して、本システムにおけるサ
ブタンク８は、メインタンク７に比べて、同じ温度のと
き、タンク圧力が高い。これにより、サブタンク８を低
温始動用のタンクとする始動暖機運転も可能となる。更
に、このことを利用して、季節、運転条件に合わせメイ
ンタンク７に対するサブタンク８の温度と圧力との設定
関係を調節することができる。

【００３０】また、上記実施形態におけるメインタンク
７からサブタンク８へ水素ガスを充填する充填路Ｌに関
して、運転条件に合わせて逆止弁設定圧をスプリング負
荷の設定変更等で変化させることによって、サブタンク
８の上限圧を設定しても良い。そうした逆止弁設定圧の
変更によっても、サブタンク８のガス圧利用によるシス
テム始動可能温度範囲を変えることができる。

【００３１】以上、本発明を特定の実施形態を参照して
詳述したが、本発明はこの形態に限定されることなく、
特許請求の範囲に記載の事項に基づき、更に種々の改変
が可能なものである。例えば、燃料供給システムの作動
に関して、メインタンク７の残量が空になったときでも
運転継続を可能とすべく、補助水素供給電磁弁１を開
き、主水素供給電磁弁２を閉じ、サブタンク８に切換え
て水素を供給することもできる。更に、付加的な構成と
して、メインタンク７内の水素残量が少ないと判断され
るとき、運転者にその旨警告する機構を設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置のシステ
ム構成図である。

【図２】燃料電池装置の運転制御のフローチャートであ
る。

【図３】水素吸蔵合金の水素放出限界温度と水素残量の
関係を示すグラフである。

【符号の説明】 Ｓ，Ｓ７ 供給路 Ｌ 充填路 Ｅ 排気路 １ 補助水素供給電磁弁 ２ 主水素供給電磁弁 ３ 充填逆止弁 ４ リリーフ弁 ５ 圧力センサ ６ レギュレータ ７ メインタンク（主水素吸蔵合金タンク） ８ サブタンク（補助水素吸蔵合金タンク）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池セルに水素ガスを供給すべく該
   燃料電池セルに接続され、共に水素吸蔵合金を内蔵する
   主水素吸蔵合金タンクと補助水素吸蔵合金タンクとを備
   える燃料電池装置において、 前記主水素吸蔵合金タンクと補助水素吸蔵合金タンク
   は、主水素吸蔵合金タンクから補助水素吸蔵合金タンク
   へ水素ガスを充填する充填路により接続されたことを特
   徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 前記充填路は逆止弁を備え、主水素吸蔵
   合金タンクから補助水素吸蔵合金タンクへの水素ガスの
   充填は、該逆止弁の開閉により自動的になされる、請求
   項１記載の燃料電池装置。
3. 【請求項３】 前記補助水素吸蔵合金タンクは、主水素
   吸蔵合金タンクに内蔵された水素吸蔵合金より低温で水
   素放出が可能な水素吸蔵合金を内蔵する、請求項１又は
   ２記載の燃料電池装置。
4. 【請求項４】 前記補助水素吸蔵合金タンクは、少なく
   とも燃料電池の低温始動時に、燃料電池セルに連通され
   る、請求項１、２又は３記載の燃料電池装置。
5. 【請求項５】 前記補助水素吸蔵合金タンクの燃料電池
   セルへの連通は、主水素吸蔵合金タンクの内圧の低下に
   よりなされる、請求項４記載の燃料電池装置。
6. 【請求項６】 前記燃料電池セルは、その排気路を主水
   素吸蔵合金タンクにに連通され、該タンクに内蔵された
   水素吸蔵合金は、燃料電池セルからの排熱により加熱さ
   れる、請求項１〜５のいずれか１項記載の燃料電池装
   置。
7. 【請求項７】 前記補助水素吸蔵合金タンクに、主水素
   吸蔵合金タンクと補助水素吸蔵合金タンクの内圧を制御
   するリリーフ弁が設けられた、請求項１〜６のいずれか
   １項記載の燃料電池装置。