JP2004022366A - 燃料電池システム及び燃料電池自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システム及び燃料電池自動車を提供すること。
【解決手段】燃料電池１０と，熱媒流路４を介して燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，水素を供給する水素タンク３とを有する。燃料電池１０の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給し，水素吸蔵合金タンク２において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達して燃料電池１０の温度を上昇させる暖機作業を行う。さらに，水素タンク１０から供給する水素を水素吸蔵合金タンク２を通過させて，当該水素を上記暖機作業により発熱した水素吸蔵合金２の熱により暖めて燃料電池２に供給する水素暖気運転を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池１０と，熱媒流路４を介して燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，水素を供給する水素タンク３とを有する。燃料電池１０の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給し，水素吸蔵合金タンク２において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達して燃料電池１０の温度を上昇させる暖機作業を行う。さらに，水素タンク１０から供給する水素を水素吸蔵合金タンク２を通過させて，当該水素を上記暖機作業により発熱した水素吸蔵合金２の熱により暖めて燃料電池２に供給する水素暖気運転を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は，例えば燃料電池自動車などに搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば燃料電池自動車に搭載されている燃料電池は，燃料極に水素，酸化剤極に酸素を供給し，電解質層を介した電気化学反応 Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ により発電するシステムである。
燃料電池から生成する水は通常未反応ガスと共に外部へ捨てられるが，燃料電池停止時などにはガス流通路に生成水が残ったままとなる場合がある。寒冷地などに燃料電池自動車を適用した場合，外気温が水の凝固点である０℃以下になると，ガス流通路に残った水が凍結しガス流通路を塞いでしまう。そのため，燃料ガスが流れなくなって，燃料電池が起動できないという問題が生じる。
【０００３】
特に上記燃料電池が固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である場合には，電解質膜内もしくはその表面に存在する水分が低温時に凍結することがあり，発電が不能或いは発電効率が低下する場合がある。また，ＰＥＦＣの場合には凍結していなくても，燃料電池本体を定常運転温度まで暖める必要がある場合がある。
さらに燃料電池の水素供給源として高圧水素ボンベを採用した場合，低温時に高圧水素ボンベ内の低温の水素が，燃料電池の水素供給圧まで減圧される際に断熱膨張によりさらに冷えて燃料電池へ供給されるため，定常運転温度まで暖機された燃料電池が，低温の水素により冷却されてしまう問題がある。
【０００４】
従来においては，低温から立ち上げるときに，電気エネルギー又は燃焼エネルギーなどによって燃料電池本体や燃料電池への供給水素を加熱する機能を設けた燃料電池システムが提案されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の燃料電池システムにおいては次の問題がある。
即ち，燃料電池本体を電気エネルギーを利用して加熱するためには専用の大容量のバッテリーが必要であり，また燃焼エネルギーを利用して加熱するためには，専用の燃焼設備が必要である。そのため，燃料電池システムの大型化を来してしまう。更には，発電に寄与しない電気エネルギーまたは燃焼エネルギーの消費によるエネルギー損失が大きく，燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。
燃料電池本体の暖機とともに供給水素の暖気が必要な場合は，さらにエネルギー効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システム及びこれを搭載した燃料電池自動車を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
第１の発明は，燃料電池と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクとを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
さらに，上記水素タンクから供給する水素を上記水素吸蔵合金タンクを通過させて，当該水素を上記水素吸蔵合金の熱により暖めて上記燃料電池に供給する水素暖気運転を行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【０００８】
上記第１の発明の燃料電池システムは，上記のごとく熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して接続された上記水素吸蔵合金タンクを有している。そして，本発明は，この水素吸蔵合金タンクに内蔵された水素吸蔵合金が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機作業及び上記水素暖気運転を実現可能にしたものである。
【０００９】
即ち，上記暖機作業は，まず上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給し，内蔵された水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ発熱させる。そして，この発生した熱を上記熱交換媒体に伝達し，さらに熱交換媒体から燃料電池に伝達することで燃料電池の温度を高める。このように，上記燃料電池システムでは，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，上記水素タンクから供給される水素を利用して上記暖機作業を行うことができる。またこの暖機作業において上記水素吸蔵合金タンク内に吸蔵された水素は，その後再び回収することもできるし，上記燃料電池の燃料として活用することもできる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ，上記暖機作業を実施することができる。
【００１０】
また，上記水素暖気運転は，まず上記暖機作業によって温度が上昇した上記水素吸蔵合金と上記燃料電池に供給する水素との間で熱交換を行ってその水素を暖める。そして，暖めた水素を燃料電池に供給することによって，燃料電池の温度低下を抑制することができる。また，上記燃料電池が最適温度より低い場合には，その最適温度への早期昇温を促すことができると共に，発電のための電気化学反応をより効率よく進めることができる。なお，この水素暖気運転は，上記暖機作業の作業完了後はもちろん，暖機作業の作業中に行ってもよい。
【００１１】
このように，本発明によれば，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１２】
第２の発明は，燃料電池と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクと，上記熱媒流路に接続され，上記燃料電池に導入する水素と上記熱交換媒体との熱交換を行う水素用熱交換器とを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
さらに，上記水素吸蔵合金の熱を吸収した上記熱交換媒体を上記水素用熱交換器に循環させると共に，上記水素タンクから供給する水素を上記水素用熱交換器を通過させて当該水素を上記熱交換媒体の熱により暖めて上記燃料電池に供給する水素暖気運転を行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項３）。
【００１３】
上記第２の発明の燃料電池システムは，上記のごとく熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して接続された上記水素吸蔵合金タンクを有し，さらに上記水素用熱交換器を有している。
そして，本発明の燃料電池システムでの暖機作業は，上述した第１の発明の場合と同様に行うことができる。
【００１４】
一方，上記水素暖気運転は，まず上記暖機作業によって温度が上昇した上記水素吸蔵合金と上記熱交換媒体との間で熱交換を行い，さらに熱交換媒体を上記水素用熱交換器内を循環させることにより，熱交換媒体と水素との間で熱交換を行ってその水素を暖める。そして，暖めた水素を燃料電池に供給することによって，燃料電池の温度低下を抑制することができる。また，上記燃料電池が最適温度より低い場合には，その最適温度への早期昇温を促すことができると共に，発電のための電気化学反応をより効率よく進めることができる。なお，この水素暖気運転も，上記暖機作業の作業完了後はもちろん，暖機作業の作業中に行ってもよい。
【００１５】
このように，本発明によっても，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
第３の発明は，上述した第１又は第２の発明の燃料電池システムを有し，該燃料電池システムから供給される電力により駆動モータを運転するよう構成されていることを特徴とする燃料電池自動車にある（請求項４）。
【００１７】
本発明の燃料電池自動車は，上記の優れた燃料電池システムを有している。そのため，例えば気温の低い環境下において上記燃料電池自動車の運転を開始しようとする際に，上記暖機作業を容易に行うことができ，さらに上記水素暖気運転をも実施することができる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ早期の正常運転開始を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
上記各発明における上記燃料電池としては，例えば固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用することができる。このＰＥＦＣは，電解質膜内に存在する水分が凍結することがあり，また，凍結していなくても燃料電池本体を定常運転温度まで暖める必要があることがある。そのため，上記暖機作業及び上記水素暖気運転を実施することが非常に有効である。なお，上記燃料電池としては，上記ＰＥＦＣ型以外の形式のものを適用することも勿論可能である。
【００１９】
また，上記暖機基準温度としては，上記燃料電池の特性，あるいは燃料電池システム全体の特性に応じて任意に設定することができる。例えば燃料電池内での生成水の凍結を解消さえすれば十分に効率的な発電可能な場合には，上記暖機基準温度を上記生成水の凍結温度付近に設定することができる。また，燃料電池の最適運転温度が生成水の凍結温度よりも高い場合には，その最適運転温度付近を上記暖機基準温度として設定することもできる。この場合には，最適運転温度まで早期に燃料電池を昇温することができ，最適な運転状況を早期に実現することができる。
【００２０】
また，上記水素吸蔵合金タンクに内蔵される上記水素吸蔵合金としては，公知の様々な水素吸蔵合金を採用することができる。例えば，ＭｍＮｉ５（Ｍｍはミッシュメタル）に代表される希土類系合金，ＴｉＦｅに代表されるチタン系合金，Ｍｇ２Ｎｉに代表されるマグネシウム系合金等の様々な水素吸蔵合金がある。
【００２１】
また，上記水素タンクとしては，高圧水素ボンベ，水素吸蔵合金タンク，その他の種々のタイプの水素貯蔵手段を適用することができる。このうち，特に高圧水素ボンベは，バルブの操作のみによって水素の導出及び停止を制御できるので，制御機構を比較的簡単にすることができる。
また，上記水素タンクは，１つで上記燃料電池と水素吸蔵合金タンクに水素を供給するよう構成することが好ましいが，２つ設けて燃料電池用と水素吸蔵合金タンク用に分けることも可能である。また２つ設ける場合，その形式を異なるものにすることもできる。
【００２２】
次に，上記第１の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記水素の流路として，上記水素タンクと上記燃料電池とを直接的に連結したメイン流路と，上記水素タンクと上記水素吸蔵合金タンクとを連結した第１バイパス流路と，上記水素吸蔵合金タンクと上記燃料電池とを連結した第２バイパス流路とを有し，かつ，上記メイン流路，上記第１バイパス流路及び上記第２バイパス流路には，それぞれの流路を開閉する開閉弁が設けられており，上記燃料電池の温度に基づいて上記各開閉弁を開閉することにより，水素の供給経路を切り替えるよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
【００２３】
この場合には，上記メイン流路のみを通して直接的に水素タンクから燃料電池へ水素を供給する経路と，上記水素吸蔵合金タンクを通して間接的に水素を供給する経路とを切り替えたり，或いは両方の経路を有効にしたりすることができる。また，水素を上記水素吸蔵合金タンクに供給する経路のみを有効にすることもできる。
これにより，上記暖機作業のみの実施，暖機作業と発電との並行実施，暖機作業を行わない発電のみの実施を，上記各開閉弁の開閉によって容易に切り替えることができる。そして，この切り替えを上記燃料電池の温度に基づいて制御することによって，エネルギー効率に優れた発電を実現することができる。
【００２４】
また，上記メイン流路と上記第１バイパス流路とは，上記水素タンクに接続された同一の上流流路から分岐して配設されており，該上流流路と分岐後の上記メイン流路とには，それぞれ水素圧力を規制する第１レギュレータと第２レギュレータが配設されており，上記第１レギュレータにより上記第１バイパス流路に供給する水素圧力を規制し，上記第２レギュレータにより上記メイン流路に供給する水素圧力を規制するよう構成されていることが好ましい。
この場合には，上記２つのレギュレータによる水素圧力の規制によって，上記燃料電池への水素供給と上記水素吸蔵合金タンクへの水素供給を並行して実施する場合に，それぞれ最適な供給圧力を容易に設定することができる。
【００２５】
さらに，上記第２バイパス流路にも第３レギュレータを設けることが好ましい。この場合には，水素タンクから水素吸蔵合金タンクへの水素の供給圧力と，水素吸蔵合金タンクから燃料電池への水素の供給圧力とを，上記第１レギュレータと第３レギュレータとによって，それぞれ異なる値に設定することができる。そのため，水素吸蔵合金タンクに供給するのに最適な水素圧力と，水素吸蔵合金タンクから燃料電池に供給するのに最適な水素圧力を同時に実現することができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき，図１，図２を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は，燃料電池自動車に搭載するものであって，図１に示すごとく，燃料電池１０と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路４を介して上記燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，燃料電池１０及び水素吸蔵合金タンク２に水素を供給する水素タンク３とを有する。
【００２７】
そして，本例の燃料電池システム１は，燃料電池１０による発電を開始するに際し，燃料電池１０の温度が所定の暖機基準温度（第１基準温度Ｔ１）よりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給し，水素吸蔵合金タンク２において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達して燃料電池１０の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されている。
さらに，燃料電池システム１は，水素タンク３から供給する水素を水素吸蔵合金タンク２を通過させて，当該水素を上記暖機作業により発熱した水素吸蔵合金の熱により暖めて燃料電池１０に供給して発電を行う水素暖気運転を行うよう構成されている。
以下，これを詳説する。
【００２８】
本例の燃料電池システム１は，図１に示すごとく，水素の流路として，水素タンク３と燃料電池１０とを直接的に連結したメイン流路５３と，水素タンク３と水素吸蔵合金タンク２とを連結した第１バイパス流路５１と，水素吸蔵合金タンク２と燃料電池１０とを連結した第２バイパス流路５２とを有する。
上記メイン流路５３と第１バイパス流路５１とは，水素タンク３に接続された同一の上流流路５０から分岐して配設されている。また，上記メイン流路５３と第２バイパス流路５２とは，燃料電池１０に接続された同一の下流流路５４に合流している。
そして，上流流路５０，第１バイパス流路５１，第２バイパス流路５２，及びメイン流路５３には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ設けられている。
【００２９】
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３とには，それぞれ水素圧力を規制する第１レギュレータＲ１と第２レギュレータＲ２が配設されており，上記第１レギュレータＲ１により第１バイパス流路５１に供給する水素圧力を規制し，第２レギュレータＲ２によりメイン流路５３に供給する水素圧力を規制するよう構成されている。
本例では，第１レギュレータＲ１により水素圧力を所定の圧力範囲（第１所定圧力Ｐ１〜第２所定圧力Ｐ２（Ｐ１＞Ｐ２））で適宜設定変更しながら規制し，第２レギュレータＲ２により水素圧力を第２所定圧力Ｐ２に一定に規制するように設定した。
【００３０】
熱交換媒体を循環させる熱媒流路４は，図１に示すごとく，燃料電池１０内を循環する電池循環部４１と，水素吸蔵合金タンク２内を循環するＭＨ循環部４２と，冷却用熱交換器４３としてのラジエータを循環する部分とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，上記電池循環部４１と冷却用交換器４３とをループ状につないだメイン回路４０１に，上記ＭＨ循環部４２を含むループ状のサブ回路４０２が２つの分岐点４５１，４５２を介して並列に接続された構造となっている。
【００３１】
メイン回路４０１には，熱交換媒体を流動させるポンプ４０が配設されている。さらにメイン回路４０１には，バイパス路４７が設けられ，その一方の分岐点に三方弁Ｖ５が配設されている。
また，サブ回路４０２には開閉弁Ｖ４が配設されている。
【００３２】
また，本例における燃料電池１０としては，固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用した。そして，燃料電池１０には，図１に示すごとく，水素を供給するための上述した下流流路５４を接続してあると共に，空気を供給するための空気供給路５９を接続してある。そして，燃料電池１０は，供給された水素と，供給された空気に含まれる酸素とによって，電解質層を介した電気化学反応Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ を進めて発電するよう構成されている。
【００３３】
また，上記水素吸蔵合金タンク２としては，内蔵する水素吸蔵合金として希土類系水素吸蔵合金（ＭｍＮｉ５系）を採用したものを用いた。
また，上記水素タンク３としては，高圧水素を備蓄した高圧水素ボンベを採用した。
なお，上記燃料電池１０，水素吸蔵合金タンク２，水素タンク３を別の形式のものに変更することも可能である。
【００３４】
また，燃料電池１０内には，その温度を測定する温度測定手段（図示略）が，水素タンク３の水素導出口下流には，導出された水素温度を測定する温度測定手段（図示略）が，それぞれ配設されている。
【００３５】
次に，上記構成の燃料電池システム１の制御方法の一例を，図２を用いて説明する。同図は，水素の経路を切り替える制御フロー及び熱交換媒体の経路を切り替える制御フローを示す。図中においては，わかりやすくするため，各開閉弁の開状態を○，閉状態を×として示した。以下，同様である。
【００３６】
また，本例では，上記燃料電池１０の温度（以下，適宜ＦＣ温度という）に対する上記暖機基準温度として第１基準温度Ｔ１を設けた。さらに本例では，燃料電池１０の冷却が必要となる温度を第２基準温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）を設けた。また本例では，水素タンク３から導出される水素の温度（以下，適宜Ｈ２温度という）に対する基準である水素基準温度Ｔｈを設けた。
【００３７】
まず，図２に示すごとく，ステップＳ１０１においてＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ１０２に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ５の開閉状態を設定し，暖機作業を開始する。
【００３８】
即ち，開閉弁Ｖ０を開状態として水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１を開状態とし，さらに第１レギュレータＲ１を第１所定圧力Ｐ１に設定する。これにより第１所定圧力Ｐ１という高圧で水素吸蔵合金タンク２に水素を供給する。一方，開閉弁Ｖ２と開閉弁Ｖ３とは閉状態として，燃料電池１０への水素の供給はまだ行わない。
【００３９】
一方，熱交換媒体の循環経路の切り替え制御については，ステップＳ１０２に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，開閉弁Ｖ４を開くと共に，三方弁Ｖ５を三方向とも閉状態とする。これにより，図１に示すごとく，熱交換媒体がポンプ４０，電池循環部４１，ＭＨ循環部４２に順次流れ，再びポンプ４０に戻るように熱交換媒体の循環経路が形成される。
【００４０】
この状態において，上記のごとく水素吸蔵合金タンク２には水素が高圧状態で供給されているので，水素吸蔵合金タンク２内の水素吸蔵合金が水素を急速に吸蔵して発熱する。一方，水素吸蔵合金タンク２内には上記熱交換媒体が循環しているので，これに水素吸蔵合金から熱が伝わる。吸熱した熱交換媒体は，上記ポンプ４０を通って燃料電池１０内に送られる。燃料電池１０は，熱交換媒体から伝えられる熱によって加熱され暖機作業が実行される。
【００４１】
次に，図２に示すごとく，ステップＳ１０１において，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１を超えた場合に，ステップＳ１０３に移って次の運転状態に移行する。
まず，同図に示すごとく，熱媒流路の制御は，ステップＳ１０３において開閉弁Ｖ４を閉状態，三方弁Ｖ５をバイパス路４７とポンプ４０間のみ開状態とする。これにより，燃料電池１０と他の部分との熱交換媒体による熱交換が一旦停止される。
【００４２】
次に，ステップＳ１０４において，水素タンク３から導出される水素の温度（Ｈ２温度）が水素基準温度Ｔｈ以下か否かを判断する。Ｈ２温度が水素基準温度Ｔｈ以下の場合には，ステップＳ１０５において，開閉弁Ｖ２を開状態に変更する。さらに，第１レギュレータＲ１の規制圧力を第２所定圧力Ｐ２に設定変更する。
【００４３】
これにより，水素タンク３から導出される水素は，メイン流路５３に進入することなく，第１バイパス流路５１，水素吸蔵合金タンク２，第２バイパス流路５２を通って燃料電池１０に供給され始める。
このとき，水素は，水素吸蔵合金タンク２内において，上記暖機作業によって発熱した水素吸蔵合金から吸熱して暖められた状態で燃料電池１０に供給され，水素暖気運転が行われる。
【００４４】
この水素暖気運転は，Ｈ２温度が上記水素基準温度Ｔｈを超えるまで続けられる。そして，Ｈ２温度が水素基準温度Ｔｈを超えた後は，ステップＳ１０６に示すごとく，開閉弁Ｖ３を開状態とし，Ｖ１及びＶ２を閉状態とすることによって，メイン流路５３からのみの水素供給に切り替え，通常運転に移行する。また，このとき，第１レギュレータＲ１は，規制圧力を第１所定圧力Ｐ１に戻し，第２レギュレータＲ２の上流側圧力を高めて，この第２レギュレータＲ２での第２所定圧力Ｐ２への規制を安定化させる。
【００４５】
次に，同図に示すごとく，ステップＳ１０７において，さらにＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上か否かを判断する。ＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上の場合には，ステップＳ１０８において，三方弁Ｖ５を冷却用熱交換器（ラジエータ）４３とポンプ４０との間において連通させるよう変更し，バイパス路４７を閉塞状態とする。
【００４６】
これにより，第２基準温度Ｔ２を超えた燃料電池１０には，冷却用熱交換器４３を通過した熱交換媒体が流れこみ，燃料電池１０は熱交換媒体により冷却される。そして，これ以降，燃料電池１０は，自己発熱と熱交換媒体の循環による冷却とがバランスし，所定の安定した温度で発電を継続する。
【００４７】
このように，本例の燃料電池システム１においては，上記水素吸蔵合金タンク２に内蔵された水素吸蔵合金が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機作業及び上記水素暖気運転を実現することができる。
そして，上記暖機作業は，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，水素タンク３から供給される水素を利用して行うことができる。またこの暖機作業において水素吸蔵合金タンク２内に吸蔵された水素は，その後再び回収し，燃料電池１０の燃料として活用することができる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ，上記暖機作業を実施することができる。
【００４８】
また，上記水素暖気運転を行うことによって，上記暖機作業により暖まった燃料電池１０の温度を，水素の温度によって低下させることを抑制することができる。そのため，上記燃料電池１０が最適温度よりまだ低い場合には，その最適温度への早期昇温を促すことができると共に，発電のための電気化学反応をより効率よく進めることができる。
【００４９】
なお，本例では，図２に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合に上記暖機作業を行い，第１基準温度Ｔ１を超えた場合には，暖機作業を停止すると共に水素暖気運転を実施した。この制御方法に変えて，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１を超えても第２基準温度Ｔ２に達するまでは熱交換媒体の燃料電池１０と水素吸蔵合金タンク２間の循環を続けて暖機作業を継続し，この暖機作業の作業中にも上記水素暖気運転を行う制御方法を採用することもできる。また，上記各開閉弁Ｖ０〜Ｖ４及び三方弁Ｖ５の開閉切り替えタイミング及び第１レギュレータの規制圧力の切り替えタイミングなどを変更することにより，さらにその他の制御方法に変更することもできる。
【００５０】
（比較例１）
本例は，図３に示すごとく，水素暖気運転を行うのではなく，燃料電池１０の暖機によって，供給された水素による温度低下を補うよう構成した燃料電池システムである。
【００５１】
即ち，同図に示すごとく，実施例１における第２バイパス流路５２（図１）を削除し，燃料電池１０に供給する水素を水素吸蔵合金タンク２によって積極的に暖める機能を廃止した。そして，燃料電池１０の発電開始後においても，水素吸蔵合金タンク２における水素吸蔵合金の反応熱あるいは顕熱を熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達し続けることにより，水素による温度低下を補うように構成した。その他の構成は実施例１と同様である。
【００５２】
この場合には，トータル的な熱量からすれば，燃料電池１０の温度を維持することができても，燃料電池１０の水素供給口近傍の燃料電池セルが過度に冷却されることは避けられない。そのため，燃料電池１０の部分的な発電効率の低下が生じてしまう。
【００５３】
これに対し，上述した実施例１は，水素暖気運転によって予め暖めた水素を燃料電池１０に供給することができるので，燃料電池１０の水素供給口近傍においても過度の冷却を回避することができ，部分的な発電効率の低下を防止することができる。
【００５４】
（実施例２）
本例は，図４に示すごとく，実施例１の構成を基礎として，その第２バイパス流路５２に第３レギュレータＲ３を設け，制御方法を変更した例である。
即ち，図４に示すごとく，本例の燃料電池システム１は，図４に示すごとく，第２バイパス流路５２における開閉弁Ｖ２の下流側に，第３レギュレータＲ３を設けた。そして，この第３レギュレータＲ３は，水素圧力を第２所定圧力Ｐ２一定に規制するように設定した。一方，第１レギュレータＲ１の規制圧力は第２所定圧力Ｐ２よりも高圧の第１所定圧力Ｐ１一定に固定するようにした。なお，第２レギュレータＲ２の規制圧力は第２所定圧力Ｐ２であって，実施例１と同様である。また，その他の構成も実施例１と同様である。
【００５５】
次に，図５を用いて，本例における制御方法の一例を説明する。
同図は，水素の経路を切り替える制御フロー及び熱交換媒体の経路を切り替える制御フローを示す。
また，本例では，暖機基準温度として２つの第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ及び第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂ（Ｔ１Ｂ＞Ｔ１Ａ）を設け，さらにＦＣの冷却が必要となる第２基準温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１Ｂ）を設けた。また，水素基準温度Ｔｈも実施例１と同様に設定した。
【００５６】
まず，図５に示すごとく，ステップＳ３０１においてＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ以下の場合には，ステップＳ３０２に示すごとく，開閉弁Ｖ０及びＶ１を開状態，Ｖ２及びＶ３を閉状態とする。これにより，水素タンク３から第１所定圧力Ｐ１で水素吸蔵合金タンク２に水素を供給し，発熱させ，暖機作業を開始する。燃料電池１０への水素の供給はまだ行わない。
【００５７】
また，ＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ以下の場合には，ステップＳ３０２に示すように，開閉弁Ｖ４を開くと共に，三方弁Ｖ５を三方向とも閉状態とする。これにより，図４に示すごとく，熱交換媒体がポンプ４０，電池循環部４１，ＭＨ循環部４２に順次流れ，再びポンプ４０に戻るように熱交換媒体の循環経路が形成される。
【００５８】
この状態において，上記のごとく水素吸蔵合金タンク２には水素が高圧状態で供給されているので，水素吸蔵合金タンク２内の水素吸蔵合金が水素を急速に吸蔵して発熱する。一方，水素吸蔵合金タンク２内には上記熱交換媒体が循環しているので，これに水素吸蔵合金から熱が伝わる。吸熱した熱交換媒体は，上記ポンプ４０を通って燃料電池１０内に送られる。燃料電池１０は，熱交換媒体から伝えられる熱によって加熱され暖機作業が実行される。
ここまでの動作は，実施例１と同様である。
【００５９】
次に，図５に示すごとく，ステップＳ３０１において，ＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａを超えた場合には，ステップＳ３０３においてＦＣ温度がさらに第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂ以上か否かを判断する。第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂを超えていない場合には，ステップＳ３０４において，開閉弁Ｖ２を開状態に変更する。これにより，水素タンク３から導出される水素は，第１レギュレータＲ１を通過して第１所定圧力Ｐ１の高圧で水素吸蔵合金タンク２に供給され，さらに水素吸蔵合金の熱によって暖められた余剰の水素が第３レギュレータＲ３を通って第２所定圧力Ｐ２で燃料電池１０に供給され始める。即ち，上記暖機作業のための水素吸蔵合金タンク２への水素供給と同時に水素暖気運転を開始することができる。
【００６０】
この水素暖気運転は，ステップＳ３０５にあるように，Ｈ２温度が上記水素基準温度Ｔｈを超えるまで続けられる。そして，Ｈ２温度が水素基準温度Ｔｈを超えた後，あるいはＦＣ温度が第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂ以上となった場合は，ステップＳ３０６に示すごとく，開閉弁Ｖ３を開状態とし，Ｖ２を閉状態とすることによって，メイン流路５３からのみの水素供給に切り替え，通常運転に移行する。
【００６１】
また，ＦＣ温度が第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂを超えた場合には，ステップＳ３０６において開閉弁Ｖ４を閉状態，三方弁Ｖ５をバイパス路４７とポンプ４０間のみ開状態とする。これにより，燃料電池１０と他の部分との熱交換媒体による熱交換が一旦停止される。
【００６２】
次に，同図に示すごとく，ステップＳ３０７において，さらにＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上か否かを判断する。ＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上の場合には，ステップＳ３０８において，三方弁Ｖ５を冷却用熱交換器（ラジエータ）４３とポンプ４０との間において連通させ，バイパス路４７を閉塞状態とする。
【００６３】
これにより，第２基準温度Ｔ２を超えた燃料電池１０には，冷却用熱交換器４３を通過した熱交換媒体が流れこみ，燃料電池１０は熱交換媒体により冷却される。そして，これ以降，燃料電池１０は，自己発熱と熱交換媒体の循環による冷却とがバランスし，所定の安定した温度で発電を継続する。
【００６４】
本例の場合には，ＦＣ温度が最適温度である第２基準温度Ｔ２まで継続して暖機作業と水素暖気運転を行うことができ，燃料電池システムの最適運転化をさらに早めることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
なお，本例においても，開閉弁等の切り替えタイミングを変更することにより，さらに制御方法を変更することができる。
【００６５】
（実施例３）
本例の燃料電池システム１は，図６に示すごとく，実施例１の構成を基礎として，水素の流路と熱媒流路６を変更し，さらにこの熱媒経路６に水素用熱交換器７を設けた例である。
具体的には，同図に示すごとく，実施例１と同様の燃料電池１０，水素吸蔵合金タンク２，水素タンク３を用いた。そして，水素の流路として，水素タンク３と燃料電池１０とを直接的に連結したメイン流路５３と，水素タンク３と水素吸蔵合金タンク２とを連結した第１バイパス流路５１とを設けた。また，メイン流路５３と第１バイパス流路５１とは，水素タンク３に接続された同一の上流流路５０から分岐して配設した。
【００６６】
上流流路５０，第１バイパス流路５１，及びメイン流路５３には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ３がそれぞれ設けられている。
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３とには，それぞれ水素圧力を規制する第１レギュレータＲ１と第２レギュレータＲ２が配設されている。第１レギュレータＲ１により水素圧力を第１所定圧力Ｐ１一定に規制し，第２レギュレータＲ２により水素圧力を第２所定圧力Ｐ２一定に規制するように設定した。
【００６７】
熱交換媒体を循環させる熱媒流路６は，図６に示すごとく，燃料電池１０内を循環する電池循環部６１と，水素吸蔵合金タンク２内を循環するＭＨ循環部６２と，水素用熱交換器７内を循環する水素循環部６７と，冷却用熱交換器（ラジエータ）６３を循環する部分とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，上記電池循環部６１とＭＨ循環部６２とをループ状につないだメイン回路６０１と，上記冷却用熱交換器６３を含むループ状の第１サブ回路６０２と，水素循環部６７を含むループ状の第２サブ回路６０３とを，分岐点６５１，６５２，６５３を介してそれぞれ並列に接続した構造となっている。
【００６８】
メイン回路６０１には，熱交換媒体を流動させるポンプ６０が配設されている。また，各回路の適所には，３つの開閉弁Ｖ６１〜Ｖ６３が配設され，循環経路の切り替えができるように構成されている。
また，燃料電池１０には，実施例１と同様に，空気供給路５９が接続されている。
【００６９】
次に，図７を用いて，本例の燃料電池システム１の制御方法の一例を説明する。図７は，水素の経路を切り替える制御フロー及び熱交換媒体の経路を切り替える制御フローを示す。
また，本例では，ＦＣ温度に対し，暖機基準温度として第１基準温度Ｔ１を設けた。また本例では，上記水素タンク３から導出される水素の温度が比較的安定的に低いので，特に水素基準温度Ｔｈを設けなかった。
【００７０】
まず，図７に示すごとく，水素経路の切り替え制御については，ステップＳ５０１においてＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ５０２に示すごとく開閉弁Ｖ０，Ｖ１を開状態，Ｖ３を閉状態として，水素を水素吸蔵合金タンク２に第１所定圧力Ｐ１の高圧で供給する。
【００７１】
また，同図に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ５０２において，開閉弁Ｖ６１及びＶ６３を閉じると共に，Ｖ６２を開いて，ポンプ６０，電池循環部６１，ＭＨ循環部６２に順次流れ，再びポンプ６０に戻るように熱交換媒体を循環させる。
これにより，水素吸蔵合金タンク２から熱交換媒体を介して燃料電池１０に熱が伝えられ，燃料電池１０の暖機作業が実行される。
【００７２】
次に，同図に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１を超えた場合には，ステップＳ５０３において，開閉弁Ｖ３を開状態とする。これにより，水素タンク３から導出される水素は，第１レギュレータＲ１を通過して第１所定圧力Ｐ１の高圧で水素吸蔵合金タンク２に供給されると共に，第２レギュレータＲ２を通過してさらに水素用熱交換器７を通過して燃料電池１０に供給される。
【００７３】
またこのとき，熱交換媒体の循環経路は，ステップＳ５０３に示すごとく，開閉弁Ｖ６１のみが開状態，その他が閉状態なる。そのため，熱交換媒体は，ポンプ６０，電池循環部６１，ＭＨ循環部６２，水素用熱交換器７を順次通ってポンプに戻る経路を取る。
【００７４】
これにより，熱交換媒体は，発熱した上記水素吸蔵合金の熱を吸収して水素用熱交換器７に送られる。一方，上記のごとく，水素タンク３から供給する水素は水素用熱交換器７を通過する。そのため水素は，熱交換媒体の熱により暖められて燃料電池１０に供給され発電に供され，水素暖気運転が行われる。
また，上記熱交換媒体は，上記水素用熱交換器７を通過した後，電池循環部６１を通過して残熱を伝え，暖機作業を継続する。
従って，本例では，この水素暖気運転と上記燃料電池１０の暖機運転とを並行して実施することができる。
【００７５】
そして，その後燃料電池１０の温度が十分に高くなった場合には，上記熱媒流路６における開閉弁Ｖ６１〜Ｖ６３の開閉状態を切り替えることにより，熱交換媒体の流路を変更し，燃料電池１０の冷却，あるいは水素吸蔵合金タンク２を加熱して水素を放出させて再生するという再生作業等を適宜行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】実施例１における，燃料電池システムの制御フローを示す説明図。
【図３】比較例１における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図４】実施例２における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図５】実施例２における，燃料電池システムの制御フローを示す説明図。
【図６】実施例３における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図７】実施例３における，燃料電池システムの制御フローを示す説明図。
【符号の説明】
１．．．燃料電池システム，１０．．．燃料電池，２．．．水素吸蔵合金タンク
２．．．水素タンク，４，６．．．熱媒経路，４０，６０．．．ポンプ，５１．．．第１バイパス流路，５２．．．第２バイパス流路５３．．．メイン流路，７．．．水素用熱交換器，Ｖ１〜Ｖ４，Ｖ６１〜Ｖ６６．．．開閉弁，Ｖ５．．．三方弁，
【技術分野】
本発明は，例えば燃料電池自動車などに搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば燃料電池自動車に搭載されている燃料電池は，燃料極に水素，酸化剤極に酸素を供給し，電解質層を介した電気化学反応 Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ により発電するシステムである。
燃料電池から生成する水は通常未反応ガスと共に外部へ捨てられるが，燃料電池停止時などにはガス流通路に生成水が残ったままとなる場合がある。寒冷地などに燃料電池自動車を適用した場合，外気温が水の凝固点である０℃以下になると，ガス流通路に残った水が凍結しガス流通路を塞いでしまう。そのため，燃料ガスが流れなくなって，燃料電池が起動できないという問題が生じる。
【０００３】
特に上記燃料電池が固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である場合には，電解質膜内もしくはその表面に存在する水分が低温時に凍結することがあり，発電が不能或いは発電効率が低下する場合がある。また，ＰＥＦＣの場合には凍結していなくても，燃料電池本体を定常運転温度まで暖める必要がある場合がある。
さらに燃料電池の水素供給源として高圧水素ボンベを採用した場合，低温時に高圧水素ボンベ内の低温の水素が，燃料電池の水素供給圧まで減圧される際に断熱膨張によりさらに冷えて燃料電池へ供給されるため，定常運転温度まで暖機された燃料電池が，低温の水素により冷却されてしまう問題がある。
【０００４】
従来においては，低温から立ち上げるときに，電気エネルギー又は燃焼エネルギーなどによって燃料電池本体や燃料電池への供給水素を加熱する機能を設けた燃料電池システムが提案されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の燃料電池システムにおいては次の問題がある。
即ち，燃料電池本体を電気エネルギーを利用して加熱するためには専用の大容量のバッテリーが必要であり，また燃焼エネルギーを利用して加熱するためには，専用の燃焼設備が必要である。そのため，燃料電池システムの大型化を来してしまう。更には，発電に寄与しない電気エネルギーまたは燃焼エネルギーの消費によるエネルギー損失が大きく，燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。
燃料電池本体の暖機とともに供給水素の暖気が必要な場合は，さらにエネルギー効率が低下してしまう。
【０００６】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システム及びこれを搭載した燃料電池自動車を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
第１の発明は，燃料電池と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクとを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
さらに，上記水素タンクから供給する水素を上記水素吸蔵合金タンクを通過させて，当該水素を上記水素吸蔵合金の熱により暖めて上記燃料電池に供給する水素暖気運転を行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【０００８】
上記第１の発明の燃料電池システムは，上記のごとく熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して接続された上記水素吸蔵合金タンクを有している。そして，本発明は，この水素吸蔵合金タンクに内蔵された水素吸蔵合金が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機作業及び上記水素暖気運転を実現可能にしたものである。
【０００９】
即ち，上記暖機作業は，まず上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給し，内蔵された水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ発熱させる。そして，この発生した熱を上記熱交換媒体に伝達し，さらに熱交換媒体から燃料電池に伝達することで燃料電池の温度を高める。このように，上記燃料電池システムでは，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，上記水素タンクから供給される水素を利用して上記暖機作業を行うことができる。またこの暖機作業において上記水素吸蔵合金タンク内に吸蔵された水素は，その後再び回収することもできるし，上記燃料電池の燃料として活用することもできる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ，上記暖機作業を実施することができる。
【００１０】
また，上記水素暖気運転は，まず上記暖機作業によって温度が上昇した上記水素吸蔵合金と上記燃料電池に供給する水素との間で熱交換を行ってその水素を暖める。そして，暖めた水素を燃料電池に供給することによって，燃料電池の温度低下を抑制することができる。また，上記燃料電池が最適温度より低い場合には，その最適温度への早期昇温を促すことができると共に，発電のための電気化学反応をより効率よく進めることができる。なお，この水素暖気運転は，上記暖機作業の作業完了後はもちろん，暖機作業の作業中に行ってもよい。
【００１１】
このように，本発明によれば，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１２】
第２の発明は，燃料電池と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクと，上記熱媒流路に接続され，上記燃料電池に導入する水素と上記熱交換媒体との熱交換を行う水素用熱交換器とを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
さらに，上記水素吸蔵合金の熱を吸収した上記熱交換媒体を上記水素用熱交換器に循環させると共に，上記水素タンクから供給する水素を上記水素用熱交換器を通過させて当該水素を上記熱交換媒体の熱により暖めて上記燃料電池に供給する水素暖気運転を行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項３）。
【００１３】
上記第２の発明の燃料電池システムは，上記のごとく熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して接続された上記水素吸蔵合金タンクを有し，さらに上記水素用熱交換器を有している。
そして，本発明の燃料電池システムでの暖機作業は，上述した第１の発明の場合と同様に行うことができる。
【００１４】
一方，上記水素暖気運転は，まず上記暖機作業によって温度が上昇した上記水素吸蔵合金と上記熱交換媒体との間で熱交換を行い，さらに熱交換媒体を上記水素用熱交換器内を循環させることにより，熱交換媒体と水素との間で熱交換を行ってその水素を暖める。そして，暖めた水素を燃料電池に供給することによって，燃料電池の温度低下を抑制することができる。また，上記燃料電池が最適温度より低い場合には，その最適温度への早期昇温を促すことができると共に，発電のための電気化学反応をより効率よく進めることができる。なお，この水素暖気運転も，上記暖機作業の作業完了後はもちろん，暖機作業の作業中に行ってもよい。
【００１５】
このように，本発明によっても，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げをスムーズに行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１６】
第３の発明は，上述した第１又は第２の発明の燃料電池システムを有し，該燃料電池システムから供給される電力により駆動モータを運転するよう構成されていることを特徴とする燃料電池自動車にある（請求項４）。
【００１７】
本発明の燃料電池自動車は，上記の優れた燃料電池システムを有している。そのため，例えば気温の低い環境下において上記燃料電池自動車の運転を開始しようとする際に，上記暖機作業を容易に行うことができ，さらに上記水素暖気運転をも実施することができる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ早期の正常運転開始を実現することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
上記各発明における上記燃料電池としては，例えば固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用することができる。このＰＥＦＣは，電解質膜内に存在する水分が凍結することがあり，また，凍結していなくても燃料電池本体を定常運転温度まで暖める必要があることがある。そのため，上記暖機作業及び上記水素暖気運転を実施することが非常に有効である。なお，上記燃料電池としては，上記ＰＥＦＣ型以外の形式のものを適用することも勿論可能である。
【００１９】
また，上記暖機基準温度としては，上記燃料電池の特性，あるいは燃料電池システム全体の特性に応じて任意に設定することができる。例えば燃料電池内での生成水の凍結を解消さえすれば十分に効率的な発電可能な場合には，上記暖機基準温度を上記生成水の凍結温度付近に設定することができる。また，燃料電池の最適運転温度が生成水の凍結温度よりも高い場合には，その最適運転温度付近を上記暖機基準温度として設定することもできる。この場合には，最適運転温度まで早期に燃料電池を昇温することができ，最適な運転状況を早期に実現することができる。
【００２０】
また，上記水素吸蔵合金タンクに内蔵される上記水素吸蔵合金としては，公知の様々な水素吸蔵合金を採用することができる。例えば，ＭｍＮｉ５（Ｍｍはミッシュメタル）に代表される希土類系合金，ＴｉＦｅに代表されるチタン系合金，Ｍｇ２Ｎｉに代表されるマグネシウム系合金等の様々な水素吸蔵合金がある。
【００２１】
また，上記水素タンクとしては，高圧水素ボンベ，水素吸蔵合金タンク，その他の種々のタイプの水素貯蔵手段を適用することができる。このうち，特に高圧水素ボンベは，バルブの操作のみによって水素の導出及び停止を制御できるので，制御機構を比較的簡単にすることができる。
また，上記水素タンクは，１つで上記燃料電池と水素吸蔵合金タンクに水素を供給するよう構成することが好ましいが，２つ設けて燃料電池用と水素吸蔵合金タンク用に分けることも可能である。また２つ設ける場合，その形式を異なるものにすることもできる。
【００２２】
次に，上記第１の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記水素の流路として，上記水素タンクと上記燃料電池とを直接的に連結したメイン流路と，上記水素タンクと上記水素吸蔵合金タンクとを連結した第１バイパス流路と，上記水素吸蔵合金タンクと上記燃料電池とを連結した第２バイパス流路とを有し，かつ，上記メイン流路，上記第１バイパス流路及び上記第２バイパス流路には，それぞれの流路を開閉する開閉弁が設けられており，上記燃料電池の温度に基づいて上記各開閉弁を開閉することにより，水素の供給経路を切り替えるよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
【００２３】
この場合には，上記メイン流路のみを通して直接的に水素タンクから燃料電池へ水素を供給する経路と，上記水素吸蔵合金タンクを通して間接的に水素を供給する経路とを切り替えたり，或いは両方の経路を有効にしたりすることができる。また，水素を上記水素吸蔵合金タンクに供給する経路のみを有効にすることもできる。
これにより，上記暖機作業のみの実施，暖機作業と発電との並行実施，暖機作業を行わない発電のみの実施を，上記各開閉弁の開閉によって容易に切り替えることができる。そして，この切り替えを上記燃料電池の温度に基づいて制御することによって，エネルギー効率に優れた発電を実現することができる。
【００２４】
また，上記メイン流路と上記第１バイパス流路とは，上記水素タンクに接続された同一の上流流路から分岐して配設されており，該上流流路と分岐後の上記メイン流路とには，それぞれ水素圧力を規制する第１レギュレータと第２レギュレータが配設されており，上記第１レギュレータにより上記第１バイパス流路に供給する水素圧力を規制し，上記第２レギュレータにより上記メイン流路に供給する水素圧力を規制するよう構成されていることが好ましい。
この場合には，上記２つのレギュレータによる水素圧力の規制によって，上記燃料電池への水素供給と上記水素吸蔵合金タンクへの水素供給を並行して実施する場合に，それぞれ最適な供給圧力を容易に設定することができる。
【００２５】
さらに，上記第２バイパス流路にも第３レギュレータを設けることが好ましい。この場合には，水素タンクから水素吸蔵合金タンクへの水素の供給圧力と，水素吸蔵合金タンクから燃料電池への水素の供給圧力とを，上記第１レギュレータと第３レギュレータとによって，それぞれ異なる値に設定することができる。そのため，水素吸蔵合金タンクに供給するのに最適な水素圧力と，水素吸蔵合金タンクから燃料電池に供給するのに最適な水素圧力を同時に実現することができる。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき，図１，図２を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は，燃料電池自動車に搭載するものであって，図１に示すごとく，燃料電池１０と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路４を介して上記燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，燃料電池１０及び水素吸蔵合金タンク２に水素を供給する水素タンク３とを有する。
【００２７】
そして，本例の燃料電池システム１は，燃料電池１０による発電を開始するに際し，燃料電池１０の温度が所定の暖機基準温度（第１基準温度Ｔ１）よりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給し，水素吸蔵合金タンク２において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達して燃料電池１０の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されている。
さらに，燃料電池システム１は，水素タンク３から供給する水素を水素吸蔵合金タンク２を通過させて，当該水素を上記暖機作業により発熱した水素吸蔵合金の熱により暖めて燃料電池１０に供給して発電を行う水素暖気運転を行うよう構成されている。
以下，これを詳説する。
【００２８】
本例の燃料電池システム１は，図１に示すごとく，水素の流路として，水素タンク３と燃料電池１０とを直接的に連結したメイン流路５３と，水素タンク３と水素吸蔵合金タンク２とを連結した第１バイパス流路５１と，水素吸蔵合金タンク２と燃料電池１０とを連結した第２バイパス流路５２とを有する。
上記メイン流路５３と第１バイパス流路５１とは，水素タンク３に接続された同一の上流流路５０から分岐して配設されている。また，上記メイン流路５３と第２バイパス流路５２とは，燃料電池１０に接続された同一の下流流路５４に合流している。
そして，上流流路５０，第１バイパス流路５１，第２バイパス流路５２，及びメイン流路５３には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がそれぞれ設けられている。
【００２９】
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３とには，それぞれ水素圧力を規制する第１レギュレータＲ１と第２レギュレータＲ２が配設されており，上記第１レギュレータＲ１により第１バイパス流路５１に供給する水素圧力を規制し，第２レギュレータＲ２によりメイン流路５３に供給する水素圧力を規制するよう構成されている。
本例では，第１レギュレータＲ１により水素圧力を所定の圧力範囲（第１所定圧力Ｐ１〜第２所定圧力Ｐ２（Ｐ１＞Ｐ２））で適宜設定変更しながら規制し，第２レギュレータＲ２により水素圧力を第２所定圧力Ｐ２に一定に規制するように設定した。
【００３０】
熱交換媒体を循環させる熱媒流路４は，図１に示すごとく，燃料電池１０内を循環する電池循環部４１と，水素吸蔵合金タンク２内を循環するＭＨ循環部４２と，冷却用熱交換器４３としてのラジエータを循環する部分とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，上記電池循環部４１と冷却用交換器４３とをループ状につないだメイン回路４０１に，上記ＭＨ循環部４２を含むループ状のサブ回路４０２が２つの分岐点４５１，４５２を介して並列に接続された構造となっている。
【００３１】
メイン回路４０１には，熱交換媒体を流動させるポンプ４０が配設されている。さらにメイン回路４０１には，バイパス路４７が設けられ，その一方の分岐点に三方弁Ｖ５が配設されている。
また，サブ回路４０２には開閉弁Ｖ４が配設されている。
【００３２】
また，本例における燃料電池１０としては，固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用した。そして，燃料電池１０には，図１に示すごとく，水素を供給するための上述した下流流路５４を接続してあると共に，空気を供給するための空気供給路５９を接続してある。そして，燃料電池１０は，供給された水素と，供給された空気に含まれる酸素とによって，電解質層を介した電気化学反応Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ を進めて発電するよう構成されている。
【００３３】
また，上記水素吸蔵合金タンク２としては，内蔵する水素吸蔵合金として希土類系水素吸蔵合金（ＭｍＮｉ５系）を採用したものを用いた。
また，上記水素タンク３としては，高圧水素を備蓄した高圧水素ボンベを採用した。
なお，上記燃料電池１０，水素吸蔵合金タンク２，水素タンク３を別の形式のものに変更することも可能である。
【００３４】
また，燃料電池１０内には，その温度を測定する温度測定手段（図示略）が，水素タンク３の水素導出口下流には，導出された水素温度を測定する温度測定手段（図示略）が，それぞれ配設されている。
【００３５】
次に，上記構成の燃料電池システム１の制御方法の一例を，図２を用いて説明する。同図は，水素の経路を切り替える制御フロー及び熱交換媒体の経路を切り替える制御フローを示す。図中においては，わかりやすくするため，各開閉弁の開状態を○，閉状態を×として示した。以下，同様である。
【００３６】
また，本例では，上記燃料電池１０の温度（以下，適宜ＦＣ温度という）に対する上記暖機基準温度として第１基準温度Ｔ１を設けた。さらに本例では，燃料電池１０の冷却が必要となる温度を第２基準温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）を設けた。また本例では，水素タンク３から導出される水素の温度（以下，適宜Ｈ２温度という）に対する基準である水素基準温度Ｔｈを設けた。
【００３７】
まず，図２に示すごとく，ステップＳ１０１においてＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ１０２に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ５の開閉状態を設定し，暖機作業を開始する。
【００３８】
即ち，開閉弁Ｖ０を開状態として水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１を開状態とし，さらに第１レギュレータＲ１を第１所定圧力Ｐ１に設定する。これにより第１所定圧力Ｐ１という高圧で水素吸蔵合金タンク２に水素を供給する。一方，開閉弁Ｖ２と開閉弁Ｖ３とは閉状態として，燃料電池１０への水素の供給はまだ行わない。
【００３９】
一方，熱交換媒体の循環経路の切り替え制御については，ステップＳ１０２に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，開閉弁Ｖ４を開くと共に，三方弁Ｖ５を三方向とも閉状態とする。これにより，図１に示すごとく，熱交換媒体がポンプ４０，電池循環部４１，ＭＨ循環部４２に順次流れ，再びポンプ４０に戻るように熱交換媒体の循環経路が形成される。
【００４０】
この状態において，上記のごとく水素吸蔵合金タンク２には水素が高圧状態で供給されているので，水素吸蔵合金タンク２内の水素吸蔵合金が水素を急速に吸蔵して発熱する。一方，水素吸蔵合金タンク２内には上記熱交換媒体が循環しているので，これに水素吸蔵合金から熱が伝わる。吸熱した熱交換媒体は，上記ポンプ４０を通って燃料電池１０内に送られる。燃料電池１０は，熱交換媒体から伝えられる熱によって加熱され暖機作業が実行される。
【００４１】
次に，図２に示すごとく，ステップＳ１０１において，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１を超えた場合に，ステップＳ１０３に移って次の運転状態に移行する。
まず，同図に示すごとく，熱媒流路の制御は，ステップＳ１０３において開閉弁Ｖ４を閉状態，三方弁Ｖ５をバイパス路４７とポンプ４０間のみ開状態とする。これにより，燃料電池１０と他の部分との熱交換媒体による熱交換が一旦停止される。
【００４２】
次に，ステップＳ１０４において，水素タンク３から導出される水素の温度（Ｈ２温度）が水素基準温度Ｔｈ以下か否かを判断する。Ｈ２温度が水素基準温度Ｔｈ以下の場合には，ステップＳ１０５において，開閉弁Ｖ２を開状態に変更する。さらに，第１レギュレータＲ１の規制圧力を第２所定圧力Ｐ２に設定変更する。
【００４３】
これにより，水素タンク３から導出される水素は，メイン流路５３に進入することなく，第１バイパス流路５１，水素吸蔵合金タンク２，第２バイパス流路５２を通って燃料電池１０に供給され始める。
このとき，水素は，水素吸蔵合金タンク２内において，上記暖機作業によって発熱した水素吸蔵合金から吸熱して暖められた状態で燃料電池１０に供給され，水素暖気運転が行われる。
【００４４】
この水素暖気運転は，Ｈ２温度が上記水素基準温度Ｔｈを超えるまで続けられる。そして，Ｈ２温度が水素基準温度Ｔｈを超えた後は，ステップＳ１０６に示すごとく，開閉弁Ｖ３を開状態とし，Ｖ１及びＶ２を閉状態とすることによって，メイン流路５３からのみの水素供給に切り替え，通常運転に移行する。また，このとき，第１レギュレータＲ１は，規制圧力を第１所定圧力Ｐ１に戻し，第２レギュレータＲ２の上流側圧力を高めて，この第２レギュレータＲ２での第２所定圧力Ｐ２への規制を安定化させる。
【００４５】
次に，同図に示すごとく，ステップＳ１０７において，さらにＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上か否かを判断する。ＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上の場合には，ステップＳ１０８において，三方弁Ｖ５を冷却用熱交換器（ラジエータ）４３とポンプ４０との間において連通させるよう変更し，バイパス路４７を閉塞状態とする。
【００４６】
これにより，第２基準温度Ｔ２を超えた燃料電池１０には，冷却用熱交換器４３を通過した熱交換媒体が流れこみ，燃料電池１０は熱交換媒体により冷却される。そして，これ以降，燃料電池１０は，自己発熱と熱交換媒体の循環による冷却とがバランスし，所定の安定した温度で発電を継続する。
【００４７】
このように，本例の燃料電池システム１においては，上記水素吸蔵合金タンク２に内蔵された水素吸蔵合金が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機作業及び上記水素暖気運転を実現することができる。
そして，上記暖機作業は，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，水素タンク３から供給される水素を利用して行うことができる。またこの暖機作業において水素吸蔵合金タンク２内に吸蔵された水素は，その後再び回収し，燃料電池１０の燃料として活用することができる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ，上記暖機作業を実施することができる。
【００４８】
また，上記水素暖気運転を行うことによって，上記暖機作業により暖まった燃料電池１０の温度を，水素の温度によって低下させることを抑制することができる。そのため，上記燃料電池１０が最適温度よりまだ低い場合には，その最適温度への早期昇温を促すことができると共に，発電のための電気化学反応をより効率よく進めることができる。
【００４９】
なお，本例では，図２に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合に上記暖機作業を行い，第１基準温度Ｔ１を超えた場合には，暖機作業を停止すると共に水素暖気運転を実施した。この制御方法に変えて，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１を超えても第２基準温度Ｔ２に達するまでは熱交換媒体の燃料電池１０と水素吸蔵合金タンク２間の循環を続けて暖機作業を継続し，この暖機作業の作業中にも上記水素暖気運転を行う制御方法を採用することもできる。また，上記各開閉弁Ｖ０〜Ｖ４及び三方弁Ｖ５の開閉切り替えタイミング及び第１レギュレータの規制圧力の切り替えタイミングなどを変更することにより，さらにその他の制御方法に変更することもできる。
【００５０】
（比較例１）
本例は，図３に示すごとく，水素暖気運転を行うのではなく，燃料電池１０の暖機によって，供給された水素による温度低下を補うよう構成した燃料電池システムである。
【００５１】
即ち，同図に示すごとく，実施例１における第２バイパス流路５２（図１）を削除し，燃料電池１０に供給する水素を水素吸蔵合金タンク２によって積極的に暖める機能を廃止した。そして，燃料電池１０の発電開始後においても，水素吸蔵合金タンク２における水素吸蔵合金の反応熱あるいは顕熱を熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達し続けることにより，水素による温度低下を補うように構成した。その他の構成は実施例１と同様である。
【００５２】
この場合には，トータル的な熱量からすれば，燃料電池１０の温度を維持することができても，燃料電池１０の水素供給口近傍の燃料電池セルが過度に冷却されることは避けられない。そのため，燃料電池１０の部分的な発電効率の低下が生じてしまう。
【００５３】
これに対し，上述した実施例１は，水素暖気運転によって予め暖めた水素を燃料電池１０に供給することができるので，燃料電池１０の水素供給口近傍においても過度の冷却を回避することができ，部分的な発電効率の低下を防止することができる。
【００５４】
（実施例２）
本例は，図４に示すごとく，実施例１の構成を基礎として，その第２バイパス流路５２に第３レギュレータＲ３を設け，制御方法を変更した例である。
即ち，図４に示すごとく，本例の燃料電池システム１は，図４に示すごとく，第２バイパス流路５２における開閉弁Ｖ２の下流側に，第３レギュレータＲ３を設けた。そして，この第３レギュレータＲ３は，水素圧力を第２所定圧力Ｐ２一定に規制するように設定した。一方，第１レギュレータＲ１の規制圧力は第２所定圧力Ｐ２よりも高圧の第１所定圧力Ｐ１一定に固定するようにした。なお，第２レギュレータＲ２の規制圧力は第２所定圧力Ｐ２であって，実施例１と同様である。また，その他の構成も実施例１と同様である。
【００５５】
次に，図５を用いて，本例における制御方法の一例を説明する。
同図は，水素の経路を切り替える制御フロー及び熱交換媒体の経路を切り替える制御フローを示す。
また，本例では，暖機基準温度として２つの第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ及び第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂ（Ｔ１Ｂ＞Ｔ１Ａ）を設け，さらにＦＣの冷却が必要となる第２基準温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１Ｂ）を設けた。また，水素基準温度Ｔｈも実施例１と同様に設定した。
【００５６】
まず，図５に示すごとく，ステップＳ３０１においてＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ以下の場合には，ステップＳ３０２に示すごとく，開閉弁Ｖ０及びＶ１を開状態，Ｖ２及びＶ３を閉状態とする。これにより，水素タンク３から第１所定圧力Ｐ１で水素吸蔵合金タンク２に水素を供給し，発熱させ，暖機作業を開始する。燃料電池１０への水素の供給はまだ行わない。
【００５７】
また，ＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａ以下の場合には，ステップＳ３０２に示すように，開閉弁Ｖ４を開くと共に，三方弁Ｖ５を三方向とも閉状態とする。これにより，図４に示すごとく，熱交換媒体がポンプ４０，電池循環部４１，ＭＨ循環部４２に順次流れ，再びポンプ４０に戻るように熱交換媒体の循環経路が形成される。
【００５８】
この状態において，上記のごとく水素吸蔵合金タンク２には水素が高圧状態で供給されているので，水素吸蔵合金タンク２内の水素吸蔵合金が水素を急速に吸蔵して発熱する。一方，水素吸蔵合金タンク２内には上記熱交換媒体が循環しているので，これに水素吸蔵合金から熱が伝わる。吸熱した熱交換媒体は，上記ポンプ４０を通って燃料電池１０内に送られる。燃料電池１０は，熱交換媒体から伝えられる熱によって加熱され暖機作業が実行される。
ここまでの動作は，実施例１と同様である。
【００５９】
次に，図５に示すごとく，ステップＳ３０１において，ＦＣ温度が第１Ａ基準温度Ｔ１Ａを超えた場合には，ステップＳ３０３においてＦＣ温度がさらに第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂ以上か否かを判断する。第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂを超えていない場合には，ステップＳ３０４において，開閉弁Ｖ２を開状態に変更する。これにより，水素タンク３から導出される水素は，第１レギュレータＲ１を通過して第１所定圧力Ｐ１の高圧で水素吸蔵合金タンク２に供給され，さらに水素吸蔵合金の熱によって暖められた余剰の水素が第３レギュレータＲ３を通って第２所定圧力Ｐ２で燃料電池１０に供給され始める。即ち，上記暖機作業のための水素吸蔵合金タンク２への水素供給と同時に水素暖気運転を開始することができる。
【００６０】
この水素暖気運転は，ステップＳ３０５にあるように，Ｈ２温度が上記水素基準温度Ｔｈを超えるまで続けられる。そして，Ｈ２温度が水素基準温度Ｔｈを超えた後，あるいはＦＣ温度が第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂ以上となった場合は，ステップＳ３０６に示すごとく，開閉弁Ｖ３を開状態とし，Ｖ２を閉状態とすることによって，メイン流路５３からのみの水素供給に切り替え，通常運転に移行する。
【００６１】
また，ＦＣ温度が第１Ｂ基準温度Ｔ１Ｂを超えた場合には，ステップＳ３０６において開閉弁Ｖ４を閉状態，三方弁Ｖ５をバイパス路４７とポンプ４０間のみ開状態とする。これにより，燃料電池１０と他の部分との熱交換媒体による熱交換が一旦停止される。
【００６２】
次に，同図に示すごとく，ステップＳ３０７において，さらにＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上か否かを判断する。ＦＣ温度が第２基準温度Ｔ２以上の場合には，ステップＳ３０８において，三方弁Ｖ５を冷却用熱交換器（ラジエータ）４３とポンプ４０との間において連通させ，バイパス路４７を閉塞状態とする。
【００６３】
これにより，第２基準温度Ｔ２を超えた燃料電池１０には，冷却用熱交換器４３を通過した熱交換媒体が流れこみ，燃料電池１０は熱交換媒体により冷却される。そして，これ以降，燃料電池１０は，自己発熱と熱交換媒体の循環による冷却とがバランスし，所定の安定した温度で発電を継続する。
【００６４】
本例の場合には，ＦＣ温度が最適温度である第２基準温度Ｔ２まで継続して暖機作業と水素暖気運転を行うことができ，燃料電池システムの最適運転化をさらに早めることができる。
その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
なお，本例においても，開閉弁等の切り替えタイミングを変更することにより，さらに制御方法を変更することができる。
【００６５】
（実施例３）
本例の燃料電池システム１は，図６に示すごとく，実施例１の構成を基礎として，水素の流路と熱媒流路６を変更し，さらにこの熱媒経路６に水素用熱交換器７を設けた例である。
具体的には，同図に示すごとく，実施例１と同様の燃料電池１０，水素吸蔵合金タンク２，水素タンク３を用いた。そして，水素の流路として，水素タンク３と燃料電池１０とを直接的に連結したメイン流路５３と，水素タンク３と水素吸蔵合金タンク２とを連結した第１バイパス流路５１とを設けた。また，メイン流路５３と第１バイパス流路５１とは，水素タンク３に接続された同一の上流流路５０から分岐して配設した。
【００６６】
上流流路５０，第１バイパス流路５１，及びメイン流路５３には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ３がそれぞれ設けられている。
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３とには，それぞれ水素圧力を規制する第１レギュレータＲ１と第２レギュレータＲ２が配設されている。第１レギュレータＲ１により水素圧力を第１所定圧力Ｐ１一定に規制し，第２レギュレータＲ２により水素圧力を第２所定圧力Ｐ２一定に規制するように設定した。
【００６７】
熱交換媒体を循環させる熱媒流路６は，図６に示すごとく，燃料電池１０内を循環する電池循環部６１と，水素吸蔵合金タンク２内を循環するＭＨ循環部６２と，水素用熱交換器７内を循環する水素循環部６７と，冷却用熱交換器（ラジエータ）６３を循環する部分とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，上記電池循環部６１とＭＨ循環部６２とをループ状につないだメイン回路６０１と，上記冷却用熱交換器６３を含むループ状の第１サブ回路６０２と，水素循環部６７を含むループ状の第２サブ回路６０３とを，分岐点６５１，６５２，６５３を介してそれぞれ並列に接続した構造となっている。
【００６８】
メイン回路６０１には，熱交換媒体を流動させるポンプ６０が配設されている。また，各回路の適所には，３つの開閉弁Ｖ６１〜Ｖ６３が配設され，循環経路の切り替えができるように構成されている。
また，燃料電池１０には，実施例１と同様に，空気供給路５９が接続されている。
【００６９】
次に，図７を用いて，本例の燃料電池システム１の制御方法の一例を説明する。図７は，水素の経路を切り替える制御フロー及び熱交換媒体の経路を切り替える制御フローを示す。
また，本例では，ＦＣ温度に対し，暖機基準温度として第１基準温度Ｔ１を設けた。また本例では，上記水素タンク３から導出される水素の温度が比較的安定的に低いので，特に水素基準温度Ｔｈを設けなかった。
【００７０】
まず，図７に示すごとく，水素経路の切り替え制御については，ステップＳ５０１においてＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ５０２に示すごとく開閉弁Ｖ０，Ｖ１を開状態，Ｖ３を閉状態として，水素を水素吸蔵合金タンク２に第１所定圧力Ｐ１の高圧で供給する。
【００７１】
また，同図に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ５０２において，開閉弁Ｖ６１及びＶ６３を閉じると共に，Ｖ６２を開いて，ポンプ６０，電池循環部６１，ＭＨ循環部６２に順次流れ，再びポンプ６０に戻るように熱交換媒体を循環させる。
これにより，水素吸蔵合金タンク２から熱交換媒体を介して燃料電池１０に熱が伝えられ，燃料電池１０の暖機作業が実行される。
【００７２】
次に，同図に示すごとく，ＦＣ温度が第１基準温度Ｔ１を超えた場合には，ステップＳ５０３において，開閉弁Ｖ３を開状態とする。これにより，水素タンク３から導出される水素は，第１レギュレータＲ１を通過して第１所定圧力Ｐ１の高圧で水素吸蔵合金タンク２に供給されると共に，第２レギュレータＲ２を通過してさらに水素用熱交換器７を通過して燃料電池１０に供給される。
【００７３】
またこのとき，熱交換媒体の循環経路は，ステップＳ５０３に示すごとく，開閉弁Ｖ６１のみが開状態，その他が閉状態なる。そのため，熱交換媒体は，ポンプ６０，電池循環部６１，ＭＨ循環部６２，水素用熱交換器７を順次通ってポンプに戻る経路を取る。
【００７４】
これにより，熱交換媒体は，発熱した上記水素吸蔵合金の熱を吸収して水素用熱交換器７に送られる。一方，上記のごとく，水素タンク３から供給する水素は水素用熱交換器７を通過する。そのため水素は，熱交換媒体の熱により暖められて燃料電池１０に供給され発電に供され，水素暖気運転が行われる。
また，上記熱交換媒体は，上記水素用熱交換器７を通過した後，電池循環部６１を通過して残熱を伝え，暖機作業を継続する。
従って，本例では，この水素暖気運転と上記燃料電池１０の暖機運転とを並行して実施することができる。
【００７５】
そして，その後燃料電池１０の温度が十分に高くなった場合には，上記熱媒流路６における開閉弁Ｖ６１〜Ｖ６３の開閉状態を切り替えることにより，熱交換媒体の流路を変更し，燃料電池１０の冷却，あるいは水素吸蔵合金タンク２を加熱して水素を放出させて再生するという再生作業等を適宜行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】実施例１における，燃料電池システムの制御フローを示す説明図。
【図３】比較例１における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図４】実施例２における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図５】実施例２における，燃料電池システムの制御フローを示す説明図。
【図６】実施例３における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図７】実施例３における，燃料電池システムの制御フローを示す説明図。
【符号の説明】
１．．．燃料電池システム，１０．．．燃料電池，２．．．水素吸蔵合金タンク
２．．．水素タンク，４，６．．．熱媒経路，４０，６０．．．ポンプ，５１．．．第１バイパス流路，５２．．．第２バイパス流路５３．．．メイン流路，７．．．水素用熱交換器，Ｖ１〜Ｖ４，Ｖ６１〜Ｖ６６．．．開閉弁，Ｖ５．．．三方弁，
Claims (4)
- 燃料電池と，
熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，
上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクとを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
さらに，上記水素タンクから供給する水素を上記水素吸蔵合金タンクを通過させて，当該水素を上記水素吸蔵合金の熱により暖めて上記燃料電池に供給する水素暖気運転を行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１において，上記水素の流路として，上記水素タンクと上記燃料電池とを直接的に連結したメイン流路と，上記水素タンクと上記水素吸蔵合金タンクとを連結した第１バイパス流路と，上記水素吸蔵合金タンクと上記燃料電池とを連結した第２バイパス流路とを有し，かつ，上記メイン流路，上記第１バイパス流路及び上記第２バイパス流路には，それぞれの流路を開閉する開閉弁が設けられており，
上記燃料電池の温度に基づいて上記各開閉弁を開閉することにより，水素の供給経路を切り替えるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池と，
熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，
上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクと，
上記熱媒流路に接続され，上記燃料電池に導入する水素と上記熱交換媒体との熱交換を行う水素用熱交換器とを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度が所定の暖機基準温度よりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
さらに，上記水素吸蔵合金の熱を吸収した上記熱交換媒体を上記水素用熱交換器に循環させると共に，上記水素タンクから供給する水素を上記水素用熱交換器を通過させて当該水素を上記熱交換媒体の熱により暖めて上記燃料電池に供給する水素暖気運転を行うよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムを有し，該燃料電池システムから供給される電力により駆動モータを運転するよう構成されていることを特徴とする燃料電池自動車。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002176251A JP2004022366A (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 燃料電池システム及び燃料電池自動車 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002176251A JP2004022366A (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 燃料電池システム及び燃料電池自動車 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004022366A true JP2004022366A (ja) | 2004-01-22 |
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ID=31174662
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002176251A Pending JP2004022366A (ja) | 2002-06-17 | 2002-06-17 | 燃料電池システム及び燃料電池自動車 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004022366A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006066295A (ja) * | 2004-08-27 | 2006-03-09 | Toyota Motor Corp | ガス供給システム |
| JP2009535572A (ja) * | 2006-04-28 | 2009-10-01 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト | 水素消費システム及びその操作方法 |
| US20110189560A1 (en) * | 2010-02-03 | 2011-08-04 | Young Green Energy Co. | Fuel cell system |
| JP2016031878A (ja) * | 2014-07-30 | 2016-03-07 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
| JP2018147730A (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-20 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池システム |
| JP2018185978A (ja) * | 2017-04-26 | 2018-11-22 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池システム |
| JP2022147126A (ja) * | 2021-03-23 | 2022-10-06 | 仁 山内 | 自動車 |
-
2002
- 2002-06-17 JP JP2002176251A patent/JP2004022366A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006066295A (ja) * | 2004-08-27 | 2006-03-09 | Toyota Motor Corp | ガス供給システム |
| JP2009535572A (ja) * | 2006-04-28 | 2009-10-01 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト | 水素消費システム及びその操作方法 |
| US20110189560A1 (en) * | 2010-02-03 | 2011-08-04 | Young Green Energy Co. | Fuel cell system |
| JP2016031878A (ja) * | 2014-07-30 | 2016-03-07 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
| JP2018147730A (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-20 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池システム |
| JP2018185978A (ja) * | 2017-04-26 | 2018-11-22 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池システム |
| JP2022147126A (ja) * | 2021-03-23 | 2022-10-06 | 仁 山内 | 自動車 |
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