JP2004076959A

JP2004076959A - Warmup jacket and fuel cell system

Info

Publication number: JP2004076959A
Application number: JP2002233674A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Kato; 加藤　裕久; Hideto Kubo; 久保　秀人; Yoshihiro Isogai; 磯貝　嘉宏; Nobuo Fujita; 藤田　信雄
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP4162948B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and a fuel-cell car reducing energy loss for smooth start at low temperatures, while being excellent in responsiveness to load changes. <P>SOLUTION: A warmup jacket 65 for hydrogen pump covers a hydrogen pump 60 requiring warmup operation and warms up the hydrogen pump 60. The warmup jacket 65 has a hydrogen storage material built in to generate heat by storing hydrogen and to absorb heat upon releasing the hydrogen. For warmup operation, hydrogen is introduced to heat the hydrogen storage material, with the generated heat transferred to the hydrogen pump 60. After the warmup operation, the heat generated in the hydrogen pump 60 is transferred to the warmup jacket 60 to heat the built-in hydrogen storage material to release the hydrogen for regenerating operation. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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　Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ　により発電するシステムである。上記燃料電池システムは，燃料電池における発電を実施するため，水素タンク，空気ポンプ，水素ポンプ，水素加湿器及び空気加湿器等の補機を有している。
【０００３】
上記燃料電池システムにおいては，空気ポンプで圧縮され空気加湿器により加湿された空気と，水素タンクから供給され水素加湿器により加湿された水素とを燃料電池に供給し，該燃料電池は上述の反応式にしたがって発電を実施する。
また，このときに燃料電池から排出する生成水を含む未反応の酸素や水素をポンプで昇圧して，燃料電池に供給し，再利用する場合がある。
【０００４】
このように燃料電池システムは，ポンプ，空気加湿器，水素加湿器及びバルブ等，直接，水を導入する補機類を有する。
そのため，寒冷地などで燃料電池自動車を使用した場合，外気温が水の凝固点である０℃以下になると，上述の補機類の内部において残留水が凍結するおそれが高い。そして，補機類を動作させることができなければ，燃料電池を起動することもできない。
そこで，従来においては，低温下における燃料電池システムの立ち上げのために，電気エネルギー又は燃焼エネルギーなどによって上記補機類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，補機類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又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。
【０００６】
なお，燃料電池システム以外にも，補機類の暖機作業をしなければ運転を速やかに開始することできないシステムが多種存在する。そして，これら燃料電池システム以外のシステムにおいても効率良く，補機類等のシステム構成機器を暖機することができる手段の開発が望まれている。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，暖機を必要とする機器の速やかな暖機作業を実施しうる暖機ジャケットを提供すると共に，該暖機ジャケットを適用して，エネルギー損失を抑制することができ，かつ，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。
【０００８】
【課題の解決手段】
第１の発明は，暖機作業を必要とする暖機機器を被い，該暖機機器の暖機を実施する暖機ジャケットであって，
該暖機ジャケットは，水素を吸蔵して発熱すると共に水素を放出して吸熱する水素吸蔵材料を内蔵しており，
上記暖機作業を行う際には，水素を導入して水素吸蔵材料を発熱させ，発生した熱を上記暖機機器に伝達することにより該暖機機器を暖める暖機作業を行い，
上記暖機作業後においては，上記暖機機器又はその他の熱発生源において発生する熱を上記暖機ジャケットに伝達して，水素吸蔵材料を加熱することにより水素を放出する再生作業を行うよう構成されていることを特徴とする暖機ジャケットにある（請求項１）。
【０００９】
上記第１の発明の暖機ジャケットは，水素を吸蔵して発熱する水素吸蔵材料を内蔵すると共に，暖機作業を必要とする暖機機器を被っている。そして，本発明は，上記水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機機器の上記暖機作業を実現可能にしたものである。
【００１０】
即ち，上記暖機作業は，上記暖機ジャケットに水素を導入して，その内部の水素吸蔵材料を発熱させて行う。そして，この発生した熱を，上記暖機ジャケットに被われた上記暖機機器に伝達して，その温度を高くする。このように，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，上記水素吸蔵材料が水素を吸蔵する際に生じる熱を利用して上記暖機機器の暖機作業を，速やかに行うことができる。
【００１１】
また，上記暖機作業後においては，上記暖機機器又はその他の熱発生源において発生する熱を上記暖機ジャケットへ伝達して，上記暖機ジャケット内の上記水素吸蔵材料を加熱することにより，水素を放出させる再生作業を行う。そうすると，上記暖機ジャケットは，次回のコールドスタート時においても，上記暖機機器をスムースに暖機することができるようになる。
このように第１の発明によれば，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暖機ジャケットを提供することができる。
【００１２】
第２の発明は，水素を燃料とする燃料電池と，水素を貯蔵する高圧水素タンクと，暖機作業を必要とする暖機機器とを有する燃料電池システムであって，
上記暖機機器は，水素を吸蔵して発熱すると共に水素を放出して吸熱する水素吸蔵材料を内蔵する暖機ジャケットによって被われ，
該暖機ジャケットと上記高圧水素タンクとの間，及び上記暖機ジャケットと上記燃料電池との間は，水素を流通させる水素配管によって連結されており，
上記燃料電池システムは，上記高圧水素タンクから上記暖機ジャケットに水素を流入することにより，該暖機ジャケット内の水素吸蔵材料を発熱させ，その熱を上記暖機機器に伝達して暖機し，また，該暖機機器又は上記燃料電池システムを構成するその他の構成機器が発熱したとき，その熱を上記暖機ジャケットに伝達することにより内部の水素吸蔵材料を再生させ，かつ，放出される水素を上記燃料電池に供給するように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，上記暖機ジャケットと上記高圧水素タンクとを有している。そして，上記暖機ジャケットと上記高圧水素タンクとは，水素を流通させる水素配管によって連結されている。そして，本発明は，上記高圧水素タンクから上記暖機ジャケットへ水素を流入させて，その内部にある水素吸蔵材料が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機ジャケットによる上記暖機機器の暖機を実現可能にしたものである。
そのため，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，上記高圧水素タンクから水素を供給される上記水素吸蔵材料の発熱により，上記燃料電池システムを構成する暖機機器や外部システムを構成する機器等の暖機を実施することができる。
【００１４】
また，上記燃料電池システムは，上記暖機機器又は燃料電池システムを構成する構成機器が発熱したとき，その熱を上記暖機ジャケットに伝達することにより内部の水素吸蔵材料を加熱して再生する。
そのため，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，暖機機器等が運転する際の排熱を利用してエネルギー損失を抑制しつつ上記暖機ジャケット内部の上記水素吸蔵材料の再生を，効率的に行うことができる。
【００１５】
さらに，上記水素吸蔵材料から放出された水素を，上記燃料電池の燃料として供給するように構成してある。そのため，本発明によれば，上記のごとく，放出される水素を無駄にすることなく，非常に効率良く上記水素吸蔵材料を再生することができる。そして，暖機ジャケット内部の水素吸蔵材料を再生することにより，次回のコールドスタート時における上記機器の暖機を適切に実施することができる。
このように，上記第２の発明によれば，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。
【００１６】
第３の発明は，水素を燃料とする燃料電池と，水素を貯蔵する高圧水素タンクと，暖機作業を必要とする暖機機器とを有する燃料電池システムであって，
上記暖機機器を被う暖機ジャケットと，水素を吸蔵して発熱すると共に水素を放出して吸熱する水素吸蔵材料を内蔵する暖機タンクとを有し，
上記暖機ジャケットと上記暖機タンクと上記燃料電池との間は，熱交換媒体を流通する熱媒配管によって連結され，相互間で熱伝達ができるように接続されており，
上記燃料電池システムは，上記高圧水素タンクから上記暖機タンクに水素を流入することにより，該暖機タンク内の水素吸蔵材料を発熱させ，その熱を上記熱媒配管を流れる熱交換媒体及び上記暖機ジャケットを介して，上記暖機機器に伝達して暖機し，また，上記燃料電池が発熱したとき，その熱を上記熱媒配管を流れる熱交換媒体を介して上記暖機タンクに伝達することにより内部の水素吸蔵材料を再生させ，かつ，放出される水素を上記燃料電池に供給するように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６）。
【００１７】
上記第３の発明の燃料電池システムは，水素を吸蔵して発熱すると共に水素を放出して吸熱する水素吸蔵材料を内蔵する暖機タンクとを有している。そして，該暖機タンクと上記暖機ジャケット及び上記燃料電池とは，熱交換媒体を流通する熱媒配管によって連結され，それぞれ熱交換可能なように接続されている。
そのため，上記暖機ジャケット内部に水素吸蔵材料を配置しなくても，上記暖機ジャケットを利用して，暖機機器を適切に暖機することができる。すなわち，上記第３の発明によれば，上記暖機タンクの水素吸蔵材料で生じた熱を，熱交換媒体を介して上記暖機ジャケットに伝達している。そして，その熱を上記暖機機器に伝達して暖機を行う。
【００１８】
また，上記暖機タンク内の水素吸蔵材料は，上記燃料電池の排熱を利用して再生することができる。すなわち，熱交換媒体を介して，燃料電池の排熱を暖機タンクに伝達して水素吸蔵材料を加熱することにより水素吸蔵材料から水素を放出させることができる。したがって，次回のコールドスタート時において，上記暖機タンクから十分な熱量を発生させることができ，上記暖機機器を適切に効率良く暖機することができる。
このように，上記第３の発明によれば，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。
【００１９】
第４の発明は，上記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に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８）。
上記第４の発明の燃料電池自動車は，駆動モータを有しており，上記燃料電池システムにより発電された電力により，上記駆動モータを回転させ，その回転力を路面に伝えて走行する。
【００２０】
そのため，上記第４の発明による燃料電池自動車は，水素吸蔵材料が水素吸蔵時に発生する熱量を，上記暖機ジャケットを介して，上記暖機機器に伝達することにより，効率良く上記暖機機器の暖機作業を実施することができる。
また，上記水素吸蔵材料を再生するに当たっては，上記暖機機器又は燃料電池システムを構成するその他の構成機器等が運転する際に発生する排熱を利用して行う。また，このようにして水素吸蔵材料を再生させ，かつ，放出された水素を上記燃料電池へ供給するよう構成してある。そのため，エネルギー損失を抑制しながら，放出された水素を有効に活用して，上記水素吸蔵材料を再生させることができる。
このように，上記第４の発明によれば，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自動車を提供することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
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。
上記第１の発明における暖機ジャケットは，上記暖機機器の排熱が利用可能な場合には，その排熱を利用して水素吸蔵材料の再生を行うよう構成してあることが好ましい。この場合には，エネルギー損失をさらに抑制して効率的に水素吸蔵材料の再生を実施することができる。このとき，上記暖機機器と上記暖機ジャケットとは直接接触させてもよく，また，上記暖機機器と上記暖機ジャケットとにより形成される隙間に，熱交換媒体を充填することもよい。
【００２２】
また，上記その他の熱発生源としては，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入して積極的に熱を発生することもできる。しかし，エネルギー損失をさらに抑制するためには，上記暖機ジャケットを適用するシステムを構成する機器の排熱を利用することが好ましい。例えば，燃料電池システムに適用した場合には，燃料電池等の排熱を熱発生源として利用することが良い。
【００２３】
このとき，上記暖機機器以外のその他の熱発生源において発生する熱を上記暖機ジャケットに伝達する方法としては，上記熱発生源と上記暖機ジャケットとを，熱交換媒体を介して熱交換可能な状態で接触させる方法がある。この熱交換媒体としては，流体，固体及び気体等が考えられる。上記熱発生源と上記暖機ジャケットが近接している場合には，熱交換媒体を介在させることなく，直接に接触させることもできる。
なお，上記暖機ジャケットに内蔵する水素吸蔵材料としては，公知の様々な水素吸蔵材料を採用することができる。例えば，ＭｍＮｉ_５（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，Ｍｇ_２Ｎｉに代表されるマグネシウム系合金等の水素吸蔵合金や，活性炭やカーボンナノチューブ等の水素吸着炭素材等の様々な水素吸蔵材料がある。
【００２４】
また，水素吸蔵材料は，水素吸蔵合金からなることが好ましい（請求項２）。
この場合には，水素を吸蔵した際に発生する熱量が非常に大きく，効率的に上記暖機機器の暖機を実施することができる。また，水素吸蔵合金は，水素を吸蔵した場合であっても，化学的な安定性が高い。
なお，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，ＭｍＮｉ_５（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，Ｍｇ_２Ｎｉ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。
【００２５】
次に，上記第２の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第２の発明の燃料電池システムは，上記暖機機器が，空気ポンプ又は水素ポンプなどである場合には，自己発熱により水素吸蔵材料の再生を行うよう構成してあることが好ましい。この場合には，簡単なシステム構成により，水素吸蔵材料を効率良く再生することができる。また，空気加湿器等は，自己発熱は生じないが，空気ポンプで圧縮され高温となった空気が流入して高温となる。水素吸蔵材料を再生するに当たって，その熱を利用することができる可能性もある。
また，水素吸蔵材料の再生を行うための熱源として利用できる構成機器としては，燃料電池のほか，上記燃料電池システムが運転する際において排熱を生じる全ての構成機器を適用することができる。
【００２６】
上記第２の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においては，電解質膜内もしくはその表面に存在する水分が凍結することがある，また，その定常運転温度が設定されている。そのため，上記燃料電池システムを構成する上記暖機機器の暖機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。
【００２７】
また，上記暖機機器を暖機するに当たって，その暖機を行う温度範囲については，上記暖機機器の特性あるいは燃料電池システム全体のシステム特性に応じて任意に設定することができる。例えば，上記暖機機器が生成水を排出する配管中の開閉弁である場合に，その暖機の目的が開閉弁内部で氷結した生成水を融解させることのみであるときには，上記温度範囲を０℃付近までとすることができる。一方，例えば，上記暖機機器が，燃料電池へ供給する水素を加湿する水素加湿器である場合には，上記温度範囲を設定するに当たっては，上記燃料電池に供給する水素の最適供給温度が考慮されるべきである。また，例えば，上記暖機機器には最適運転温度が設定されており，その温度で運転開始したい場合がある。このような場合には，その最適運転温度付近まで暖機を行うこともできる。
【００２８】
さらに，上記暖機ジャケットに内蔵する水素吸蔵材料としては，上述したのと同様，公知の様々な水素吸蔵材料を採用することができる。
また，上記高圧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。
このとき，上記高圧水素タンクは，１つで上記暖機ジャケットと上記燃料電池とに水素を供給するよう構成することが好ましいが，２つ設けて暖機ジャケット用と燃料電池用と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，供給圧等を異なるものにすることもできる。
【００２９】
また，上記水素吸蔵材料は，水素吸蔵合金からなることが好ましい（請求項４）。
この場合には，水素吸蔵合金に，効率的に水素を吸蔵させることができ，また，水素を吸蔵した水素吸蔵合金にあっては，効率的にその水素を放出させることができる。
なお，上記水素吸蔵合金としては，上述したのと同様に，公知の様々な水素吸蔵合金を採用することができる。
【００３０】
また，上記構成機器で発生した熱は，熱交換媒体を介して，上記暖機ジャケットに伝達されるよう構成されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には，上記構成機器で発生した排熱を，熱交換媒体を介して，上記暖機ジャケット内の水素吸蔵材料に伝達して加熱することにより，効率良く水素を放出させることができる。そのため，上記暖機機器自体の熱が利用できない場合であっても，電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入する必要はない。それ故，エネルギー損失を抑制しつつ効率的に水素吸蔵材料の再生を行うことができる。
【００３１】
また，上記水素吸蔵材料は，水素吸蔵合金からなることが好ましい（請求項７）。
この場合には，水素の吸蔵率が高く，効率的に大きな熱量を発生させることができる可能性がある。そのため，上記暖機機器を効率的に暖機することができる。さらに，水素吸蔵合金の再生に当たって，その制御が比較的容易である。
【００３２】
【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３を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は，水素を燃料とする燃料電池１０と，水素を貯蔵する高圧水素タンク３と，暖機作業を必要とする空気ポンプ７０及び水素ポンプ６０とを有するシステムである。
そして，上記空気ポンプ７０及び水素ポンプ６０は，該空気ポンプ７０及び水素ポンプ６０を暖機する空気ポンプ用暖機ジャケット（以下，適宜ＯＰジャケットという）７５及び水素ポンプ用暖機ジャケット（以下，ＨＰジャケットという）６５によって被われている。該ＯＰジャケット７５及びＨＰジャケット６５は，水素を吸蔵して発熱すると共に水素を放出して吸熱する水素吸蔵材料を内蔵している。
【００３３】
そして，上記ＯＰジャケット７５及びＨＰジャケット６５と，上記高圧水素タンク３との間，及び上記ＯＰジャケット７５及びＨＰジャケット６５と，上記燃料電池１０との間は，水素を流通させる水素配管５１１，５１２，５０，５３によって連結されている。
以上のごとく構成されている燃料電池システム１は，上記高圧水素タンク３から上記ＯＰジャケット７５及びＨＰジャケット６５に水素を流入することにより，該ＯＰジャケット７５及びＨＰジャケット６５内の水素吸蔵材料を発熱させ，その熱を上記空気ポンプ７０及び水素ポンプ６０に伝達して暖機する。また，上記燃料電池システム１を構成する上記空気ポンプ７０又は上記水素ポンプ６０が発熱したとき，その熱を上記ＯＰジャケット７５又はＨＰジャケット６５に伝達することにより内部の水素吸蔵材料を再生させ，かつ，放出される水素を上記燃料電池１０に供給するように構成されている。
以下，これを詳しく説明する。
【００３４】
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，高圧水素タンク３と燃料電池１０とを連結するメイン流路５３と，高圧水素タンク３とＨＰジャケット６５又はＯＰジャケット７５とを連結するバイパス流路５１１又はバイパス流路５１２とを有する。また，上記メイン流路５３には，燃料電池１０の未反応水素ガスを回収したうえ燃料電池１０へ再供給する回収配管６３を接続してある。
【００３５】
上記バイパス流路５１１とバイパス流路５１２とは，高圧水素タンク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。
そして，上流流路５０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，Ｖ３が設けられている。また，バイパス流路５１１又はバイパス流路５１２には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ１１又はＶ１２が設けられている。さらに，回収配管６３には，メイン流路５３との流路を開閉する開閉弁Ｖ５が設けられている。
【００３６】
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３には，それぞれ水素圧力を規制するタンクレギュレータＲ１と供給レギュレータＲ２が配設されており，上記タンクレギュレータＲ１によりバイパス流路５１１，５１２に供給する水素圧力を規制し，供給レギュレータ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。
【００３７】
上記タンクレギュレータＲ１は，バイパス流路５１１，５１２に供給する水素圧力を第２所定圧力Ｐ２〜第１所定圧力Ｐ１の範囲で適宜設定変更しながら規制する可変レギュレータである。そして，供給レギュレータＲ２は，メイン流路５３に供給する水素圧力を第２所定圧力Ｐ２一定に規制する固定レギュレータである。なお，第２所定圧力Ｐ２は，第１所定圧力Ｐ１よりも低い圧力である。
【００３８】
さらに，上記開閉弁Ｖ３と燃料電池１０との間のメイン流路５３には，上記燃料電池１０に供給する水素を加湿するための水素加湿器７２が接続されている。
また，上記回収配管６３には，上記ＨＰジャケット６５により被われた水素ポンプ６０が配設されている。
【００３９】
そして，燃料電池システム１は，燃料電池１０へ供給される空気の流路として，エア流路５９を有する。該エア流路５９には，供給する空気を加圧する空気ポンプ７０と，空気を加湿する空気加湿器７１とを有する。ここで，空気ポンプ７０は，上記ＯＰジャケット７５により被われており，ＯＰジャケット７５との間で熱交換可能なよう構成してある。
【００４０】
さらに，燃料電池システム１は，燃料電池１０から排出される未反応ガスの流路として，排気配管６７，６６を有している。該排気配管６７，６６には，未反応ガスの流出を制御するための開閉弁Ｖ６が配設してある。
【００４１】
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，燃料電池１０のラジエータとして機能する冷却用熱交換器４３とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，メイン回路４０１により，上記電池循環部４１と冷却用交換器４３とがループ状につながれている。
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Ｖ４が配設されている。
【００４２】
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，該燃料電池１０には，図１に示すごとく，水素を供給するメイン流路５３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Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ　を進めて発電するよう構成されている。
【００４３】
また，上記ＨＰジャケット６５及びＯＰジャケット７５に内蔵する水素吸蔵材料としては，水素吸蔵合金である希土類系合金（ＭｍＮｉ_５系）を用いた。
また，上記高圧水素タンク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，高圧水素タンク３を別の形式のものに変更することも可能である。
また，水素ポンプ６０及び空気ポンプ７０には，その温度を測定する温度測定手段（図示略）が配設されている。
【００４４】
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，図３を用いて説明する。図２は，水素ポンプ６０及び空気ポンプ７０の暖機作業を実施する際の制御フローを示している。また，図３は，ＨＰジャケット６５及びＯＰジャケット７５の再生作業を実施する際の制御フローを示している。
【００４５】
なお，水素ポンプ６０の暖機作業の制御ステップと，空気ポンプ７０の暖機作業の制御ステップとは共通する部分が多い。そこで，図２に示すごとく，水素ポンプ６０に適用する制御ステップを示すほか，空気ポンプ７０に特有の制御ステップをカッコ書きで示している。また，同様に，再生作業の制御フローについても，図３に示すごとく，水素ポンプ６０に適用する制御ステップを示すほか，空気ポンプ６０に特有の制御ステップをカッコ書きで示している。
さらに，これらの図中においては，理解を容易に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。
【００４６】
また，本例では，水素ポンプ６０及び空気ポンプ７０の温度（以下，適宜ＨＰ温度及びＯＰ温度という）に対する第１の暖機基準温度として第１基準温度Ｔ１を設け，これを０℃に設定した。さらに本例では，水素ポンプ６０及び空気ポンプ７０が効率的に運転しうる第２の暖機基準温度として第２基準温度Ｔ２を設けた。なお，第２基準温度Ｔ２は，第１基準温度Ｔ１よりも高い温度である。
以下に，上記暖機作業及び上記再生作業について説明する。なお，以下の説明においては，水素ポンプ６０について説明を行い，空気ポンプ７０に特有の説明はカッコ書きで記載してある。
【００４７】
上記暖機作業においては，まず，図２に示すごとく，ステップＳ１０１においてＨＰ温度（ＯＰ温度）が第１基準温度Ｔ１以下か否かを判断する。ＨＰ温度（ＯＰ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，Ｖ１１（Ｖ１２），Ｖ３の開閉状態等を設定し，暖機作業を開始する。
【００４８】
即ち，ステップＳ１０２においては，開閉弁Ｖ０を開状態として高圧水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１１（Ｖ１２）を開状態としてＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）に水素を供給する。このとき，タンクレギュレータＲ１を第１所定圧力Ｐ１に設定し，内部の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて発熱させる。
【００４９】
そして，ＨＰ温度（ＯＰ温度）が第１基準温度Ｔ１を越えるまでは，上記ステップＳ１０２の状態を維持し，その後ＨＰ温度（ＯＰ温度）が第１基準温度Ｔ１を越えた場合には，ステップＳ１０３へ移行する。
該ステップＳ１０３では，第２基準温度及びＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）内の合金温度であるＨＰＭＨ温度（ＯＰＭＨ温度）と，ＨＰ温度（ＯＰ温度）との比較を行う。ＨＰ温度（ＯＰ温度）が第２基準温度Ｔ２以下であって，かつ，ＨＰＭＨ温度（ＯＰＭＨ温度）以下である場合には，ステップＳ１０４に示すごとく開閉弁Ｖ０，Ｖ１１（Ｖ１２），Ｖ３の開閉状態等を設定し，燃料電池１０を運転する。
【００５０】
即ち，ステップＳ１０４においては，上記ステップＳ１０２において設定した開閉弁Ｖ０，開閉弁Ｖ１１（Ｖ１２）及びタンクレギュレータＲ１の状態をそのまま維持する。そして，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）への水素の供給を継続して，内部の水素吸蔵合金をさらに発熱させる。このようにして，上記水素ポンプ６０（空気ポンプ７０）の暖機作業を継続する一方，ステップＳ１０４では，高圧水素タンク３から燃料電池１０への水素供給を開始して燃料電池１０を運転する。
【００５１】
具体的には，開閉弁Ｖ３を開状態として，上記供給レギュレータＲ２により規制された第２所定圧力Ｐ２の供給圧のもと，燃料電池１０へ水素を供給する。これにより，Ｐ２より高圧の第１所定圧力Ｐ１でＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）に水素を供給して水素吸蔵合金を発熱させながら，同時に，燃料電池１０には，Ｐ１よりも低圧の第２所定圧力Ｐ２で水素を供給して発電を実施することができる。
そして，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）が第２基準温度Ｔ２を越えるまでは，上記ステップＳ１０４の状態を維持する。そして，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）が第２基準温度Ｔ２を越えた場合には，ステップＳ１０５に移行して，暖機作業を終了して通常運転を実施する。
【００５２】
上記ステップＳ１０５においては，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態として保持する一方，開閉弁Ｖ１１（Ｖ１２）を閉状態とする。すなわち，高圧水素タンク３からＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）に通じる水素の流路を遮断する。このようにして，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）への水素供給を停止して，燃料電池システム１の通常運転を実施する。
【００５３】
次に，上記再生作業は，図３に示すごとく，水素ポンプ６０（空気ポンプ７０）の通常運転が継続され，その温度が十分に上昇してから実施する。この通常運転においては，燃料電池システム１は，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態とし，開閉弁Ｖ１１（Ｖ１２）を閉状態とすると共に，タンクレギュレータＲ１の規制圧を第１所定圧力Ｐ１に設定してなる通常運転状態にある。そして，燃料電池１０へは，上記供給レギュレータＲ２により規制された第２所定圧力Ｐ２の水素圧力のもと，水素が供給されている。
【００５４】
上記再生作業においては，まず，ステップＳ２０１においてＨＰ温度（ＯＰ温度）が再生基準温度Ｔｓ以上か否かを判断する。ＨＰ温度（ＯＰ温度）が再生基準温度Ｔｓ以上の場合には，さらに，ステップＳ２０２に示す条件に適合しているか否かを判断する。
該ステップＳ２０２においては，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）内の水素吸蔵合金に貯蔵されている水素量が規定量以上か否かを判断する。規定量以上であれば，ステップＳ２０３に示すごとく開閉弁Ｖ１１（Ｖ１２）の開閉状態等を設定し，再生作業を実施する。
【００５５】
このステップＳ２０３においては，タンクレギュレータＲ１の規制圧を第２所定圧力Ｐ２に設定したうえ，開閉弁Ｖ１１（Ｖ１２）を開状態として，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）の内圧を低くする。そうすると，水素吸蔵合金から水素が放出され易くなる。
【００５６】
このようにして，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）内の水素吸蔵合金から放出された水素は，バイパス流路５１１（５１２）を経て，上記メイン流路５３に合流して，燃料電池１０へ供給されることとなる。したがって，再生作業時においては，燃料電池１０は，ＨＰジャケット６５（ＯＰジャケット７５）と高圧水素タンク３とから，同時に水素を供給されて運転することとなる。
【００５７】
そして，ＨＰ温度（ＯＰ温度）が再生基準温度Ｔｓ以上であって，かつ，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量以上である場合には，上記ステップＳ２０３の状態を維持し，再生作業を継続して行う。その後，ステップＳ２０２のごとく，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量を下回った場合には再生作業を終了する。また，ＨＰ温度（ＯＰ温度）が再生基準温度Ｔｓを下回った場合には，再生作業を中断して上記通常運転状態へ復帰する。具体的には，ステップＳ２０４に示すごとく，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態として，ＨＰ温度（ＯＰ温度）が上昇するまで待機する。
【００５８】
このように，本例の燃料電池システム１は，水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際，発熱する特性を積極的に利用して，上記暖機作業を実現することができる。
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，高圧水素タンク３から供給される水素を利用して行うことができる。
【００５９】
さらに，上記暖機作業を行って水素を貯蔵した上記水素吸蔵合金は，上記通常運転状態にある水素ポンプ６０又は空気ポンプ７０から生じる排熱を利用して再生される。この再生作業においては，水素ポンプ６０又は空気ポンプ７０の排熱を，ＨＰジャケット６５又はＯＰジャケット７５を介して，内部の水素吸蔵合金に伝達する。このように水素吸蔵合金を加熱することにより，水素を放出させ再生することができる。
また，水素吸蔵合金から放出された水素と，水素タンクから供給される水素とは，燃料電池１０へ同時に供給される。このようにして，再生作業時において，水素吸蔵合金から放出される水素は，燃料電池１０において無駄なく活用される。
【００６０】
このように，本例の燃料電池システム１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。
なお，本例では，図２，図３に示すごとく，ＨＰ温度及びＯＰ温度が共に第１基準温度Ｔ１以下の場合には，燃料電池１０を運転せず，暖機作業のみを行う。そして，ＨＰ温度又はＯＰ温度が，第１基準温度Ｔ１を超えて第２基準温度Ｔ２に達するまでは，水素ポンプ６０又は空気ポンプ７０の暖機作業と，燃料電池１０の運転とを並行して行っている。この制御方法に替えて，上記各開閉弁Ｖ０，Ｖ１１，Ｖ１２及びＶ３の開閉切り替えタイミング，タンクレギュレータＲ１の規制圧力の切り替えタイミングや，供給レギュレータＲ２の規制圧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。
【００６１】
さらに，本例においてＨＰジャケット６５又はＯＰジャケット７５として説明した暖機ジャケットを，燃料電池システム１以外のシステムに適用することも可能である。この暖機ジャケットに水素を供給することにより，システム構成機器の暖機を効率良く実施することができる。
【００６２】
（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，水素ポンプ６０及び空気ポンプ７０に替えて，水素加湿器７２及び空気加湿器７１の暖機作業を実施した例である。
本例の燃料電池システム１は，図４に示すごとく，実施例１のＨＰジャケット６５及びＯＰジャケット７５と，これらに水素を供給するバイパス流路５１１及び５１２とに替えて，水素加湿器７２の暖機作業を行う水素加湿器用暖機ジャケット（以下，適宜ＨＨジャケットという）８２，及び空気加湿器７１の暖機作業を行う空気加湿器用暖機ジャケット（以下，適宜ＯＨジャケットという）８１と，これらに水素を供給するバイパス流路５１とを配設してある。
【００６３】
上記ＨＨジャケット８２又は上記ＯＨジャケット８１は，水素加湿器７２又は空気加湿器７１を被うと共に，水素吸蔵合金を内蔵する。そして，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１とは，バイパス流路５１により高圧水素タンク３に連結されている。このバイパス流路５１は，高圧水素タンク３に接続された上流流路５０から分岐して配設されている。また，バイパス流路５１には，上流流路５０との開閉を行う開閉弁Ｖ１が配置されている。
【００６４】
さらに，図４に示すごとく，熱交換媒体を循環させる熱媒流路４には，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，ＨＨ循環部４２２及びＯＨ循環部４２１を含むループ状のサブ回路４０２を追加してある。該サブ回路４０２は，２つの分岐点４５１，４５２を介して，メイン回路４０１に並列に接続された構造となっている。また，サブ回路４０２は，熱交換媒体の流入を制御する開閉弁Ｖ２を有している。ここで，ＨＨ循環部４２２又はＯＨ循環部４２１は，上記ＨＨジャケット８２又は上記ＯＨジャケット８１と熱交換可能なように構成してある。
【００６５】
本例では，以上のごとく，構成された燃料電池システム１を用いて，水素加湿器７２及び空気加湿器７１の暖機作業と，該暖機作業を実施したＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１内部の水素吸蔵合金の再生作業とを行った。暖機作業の制御フローを図５に，再生作業の制御フローを図６に示す。以下に，これらの図を用いて，本例の内容について説明する。
【００６６】
上記暖機作業においては，まず，図５に示すごとく，ステップＳ３０１において，第１基準温度Ｔ１に基づいて，水素加湿器の温度（以下，適宜ＨＨ温度という）及び空気加湿器の温度（以下，ＯＨ温度という）を判断する。ＨＨ温度又はＯＨ温度が第１基準温度Ｔ１以下の場合には，ステップＳ３０２に示すごとく開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ３の開閉状態等を設定し，暖機作業を実施する。
【００６７】
即ち，ステップＳ３０２においては，開閉弁Ｖ０を開状態として高圧水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１を開状態としてＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に水素を供給する。このとき，タンクレギュレータＲ１を第１所定圧力Ｐ１に設定し，内部の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて発熱させる。
【００６８】
そして，ＨＨ温度及びＯＨ温度が第１基準温度Ｔ１を越えるまでは，上記ステップＳ３０２の状態を維持し，その後ＨＨ温度及びＯＨ温度が第１基準温度Ｔ１を越えた場合には，ステップＳ３０３へ移行する。
該ステップＳ３０３では，第２基準温度Ｔ２及びＨＨジャケット８２内の水素吸蔵合金温度（以下，ＨＨＭＨ温度）と，ＨＨ温度との比較を行うと共に，第２基準温度Ｔ２及びＯＨジャケット８２内の水素吸蔵合金温度（以下，ＯＨＭＨ温度）と，ＯＨ温度との比較を行う。そして，ＨＨ温度が第２基準温度以下かつＨＨＭＨ温度以下であるか，ＯＨ温度が第２基準温度以下かつＯＨＭＨ温度以下である場合には，ステップＳ３０４に示すごとく開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ３の開閉状態等を設定し，燃料電池１０を運転する。
【００６９】
即ち，ステップＳ３０４においては，上記ステップＳ３０２において設定した開閉弁Ｖ０，開閉弁Ｖ１及びタンクレギュレータＲ１の状態をそのまま維持する。そうすると，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１への水素の供給が継続され，内部の水素吸蔵合金は，さらに発熱する。このようにして，上記水素加湿器７２及び空気加湿器７１の暖機作業を継続する一方，ステップＳ３０４では，高圧水素タンク３から燃料電池１０へ水素供給し，燃料電池１０を運転する。
【００７０】
具体的には，開閉弁Ｖ３を開状態として，上記供給レギュレータＲ２により規制された第２所定圧力Ｐ２の供給圧のもと，燃料電池１０へ水素を供給する。これにより，Ｐ２より高圧の第１所定圧力Ｐ１でＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に水素を供給して水素吸蔵合金を発熱させながら，同時に，燃料電池１０には，Ｐ１よりも低圧の第２所定圧力Ｐ２で水素を供給して発電を実施することができる。
そして，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１が第２基準温度Ｔ２を越えるまでは，上記ステップＳ３０４の状態を維持する。そして，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１が第２基準温度Ｔ２を越えた場合には，ステップＳ３０５に移行して，暖機作業を終了して通常運転を実施する。
【００７１】
上記ステップＳ３０５においては，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態として保持する一方，開閉弁Ｖ１を閉状態とする。すなわち，高圧水素タンク３からＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に通じる水素の流路を遮断する。このようにして，燃料電池システム１の通常運転を実施する。
【００７２】
次に，上記再生作業は，図６に示すごとく，燃料電池システム１の通常運転が継続され，燃料電池１０の温度が十分に上昇してから実施する。該通常運転においては，燃料電池システム１は，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態とし，開閉弁Ｖ１を閉状態とすると共に，タンクレギュレータＲ１の規制圧を第１所定圧力Ｐ１に設定する通常運転状態にある。そして，燃料電池１０へは，上記供給レギュレータＲ２により規制された第２所定圧力Ｐ２の水素圧力のもと，水素が供給されている。
【００７３】
上記再生作業においては，まず，ステップＳ４０１において燃料電池１０の温度（以下，適宜ＦＣ温度という）が再生基準温度Ｔｓ以上か否かを判断する。ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上の場合には，さらに，ステップＳ４０２に示す条件を判断する。
該ステップＳ４０２においては，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１内の水素吸蔵合金に貯蔵されている水素量が規定量以上か否かを判断する。規定量以上であれば，ステップＳ４０３に示すごとく開閉弁Ｖ１の開閉状態等を設定し，再生作業を実施する。
【００７４】
上記ステップＳ４０３においては，タンクレギュレータＲ１の設定をＰ１よりも低圧の第２所定圧力Ｐ２とするとともに，開閉弁Ｖ１を開状態として，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１の内圧を低くして，水素吸蔵合金からの水素の放出を容易にする。また，ポンプ４０を運転し，上記サブ回路４０２に熱交換媒体を循環させる。そうすると，燃料電池１０の排熱は，電池循環部４１を介して熱交換媒体に伝達され，さらに，ＨＨ循環部４２１又はＯＨ循環部４２１を介してＨＨジャケット８２又はＯＨジャケット８１に伝えられることとなる。そして，この熱により内部の水素吸蔵合金が加熱され，水素が放出されることとなる。
【００７５】
このようにして，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１内の水素吸蔵合金から放出された水素は，バイパス流路５１を経て，上記メイン流路５３に合流する。そして，燃料電池１０へ供給されることとなる。したがって，再生作業時においては，燃料電池１０は，ＨＨジャケット８２，ＯＨジャケット８１及び高圧水素タンク３から，同時に水素を供給されて運転することとなる。
【００７６】
そして，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上であって，かつ，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量以上である場合には，上記ステップＳ４０３の状態を維持し，再生作業を継続して行う。その後，ステップＳ４０２のごとく，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量を下回った場合には再生作業を終了する。また，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓを下回った場合には，再生作業を中断して上記通常運転状態へ復帰する。具体的には，ステップＳ４０４に示すごとく，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態とする。
【００７７】
このように，本例の燃料電池システム１は，ＨＨジャケット８２又はＯＨジャケット８１により，水素加湿器７２又は空気加湿器７１の暖機作業を実施する。そして，暖機作業を実施した水素吸蔵合金の再生作業を実施するに当たっては，上記通常運転状態にある燃料電池１０から発生する排熱を利用する。そのため，水素加湿器７２及び空気加湿器７１等，運転時の自己発熱による排熱が十分でない補機類に対して，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１を適用した場合であっても，その再生作業を適切に実施することができる。
このように，本例の燃料電池システム２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。
【００７８】
なお，空気加湿器７１は，空気ポンプ７０で圧縮され昇温した空気が流入している。この空気の熱量が十分に得られる場合には，その熱量によりＯＨジャケット８１の水素吸蔵合金を再生することができる可能性もある。
また，本例においては，自己発熱を生じない補機類として，水素加湿器７２及び空気加湿器７１を例示している。その他，開閉弁Ｖ５〜Ｖ７等に対して適用することも有効である。また，図示していないが，水素加湿器７２又は空気加湿器７１へ水を供給するウォーターポンプ，逆止弁，燃料電池から排出される生成水と未反応の空気や水素とを分離回収する気液分離機，及び不要となった水素を空気と混ぜて排気する水素希釈器等に適用することもできる。
【００７９】
さらに，本例では，熱源として燃料電池１０を適用しているが，当然のことながら，他の熱源を利用することもできる。ＨＨジャケット８２又はＯＨジャケット８１に内蔵する水素吸蔵合金を再生するのに十分な熱量が得られる限り，モータ等他の熱源を適用することもできる。また，本例では，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に対する熱源を燃料電池１０に一本化している。当然ながら，熱交換媒体の配管等の取り回し等を考慮して，それぞれに対する熱源を別にすることも可能である。
その他の構成及び作用効果は，実施例１と同様である。
なお，本例においても，開閉弁の切り替えタイミング等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。
【００８０】
（実施例３）
本例は，実施例２の構成を基礎として，上記ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に内蔵されていた水素吸蔵合金を，追加する暖機タンク４５０に移設した例である。そして，該暖機タンク内４５０の水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱量を，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に伝達して，水素加湿器７２及び空気加湿器７１を暖機し得るように構成してある。
【００８１】
本例の燃料電池システム１は，図７に示すごとく，実施例２に基づいて，暖機タンク４５０を追加したものである。該暖機タンク４５０の内部には，水素吸蔵合金が収納されていると共に，その水素吸蔵合金と熱交換媒体との間の熱交換を行うタンク循環部４２３を配設してある。
【００８２】
そして，本例の燃料電池システム１の水素の流路は，図７に示すごとく，実施例２の構成に基づいて，ＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に至る上記バイパス流路に替えて，上記メイン流路５３に接続すると共に，高圧水素タンク３と暖機タンク４５０とを連結するバイパス流路５１を配設してある。
また，熱交換媒体を循環させる熱媒流路４の上記サブ回路４０２には，図７に示すごとく，実施例２に基づいて，上記タンク循環部４２３を追加し，直列に接続してある。
【００８３】
本例では，以上のごとく，構成された燃料電池システム１を用いて，水素加湿器７２及び空気加湿器７１の暖機作業と，該暖機作業を実施して水素を吸蔵した暖機タンク４２３内部の水素吸蔵合金の再生作業とを行った。以下，暖機作業の制御フローを示す図８及び再生作業の制御フローを示す図９を用いて，本例の内容について説明する。
【００８４】
上記暖機作業においては，まず，図８に示すごとく，ステップＳ５０１において，第１基準温度Ｔ１に基づいて，水素加湿器温度（以下，ＨＨ温度という）及び空気加湿器温度（以下，ＯＨ温度という）を判断する。ＨＨ温度又はＯＨ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，Ｖ２，Ｖ３の開閉状態等を設定し，暖機作業を実施する。
【００８５】
即ち，ステップＳ５０２においては，開閉弁Ｖ０を開状態として高圧水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１を開状態とし暖機タンク４２３に水素を供給する。このとき，タンクレギュレータＲ１を第１所定圧力Ｐ１に設定し，暖機タンク４２３内部の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて発熱させる。
【００８６】
また，ポンプ４０を運転して，上記サブ回路４０２に熱交換媒体を循環させる。そうすると，暖機タンク４５０内部の水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発生した熱量は，タンク循環部４２３を介して熱交換媒体に伝達される。そして，この熱交換媒体が，サブ回路４０２を循環する間，ＨＨ循環部４２２又はＯＨ循環部４２１を介してＨＨジャケット８２又はＯＨジャケット８１へ熱を伝達する。このようにして，水素加湿器７２又は空気加湿器７１を，ＨＨジャケット８２又はＯＨジャケット８１により暖機することができる。また，本例では，熱交換媒体は，燃料電池１０の電池循環部４１も循環するよう構成してある。そのため，水素加湿器７２及び空気加湿器７１と共に，燃料電池１０をバランス良く暖機することができる。
【００８７】
そして，ＨＨ温度及びＯＨ温度が第１基準温度Ｔ１を越えるまでは，上記ステップＳ５０２の状態を維持し，その後ＨＨ温度及びＯＨ温度が第１基準温度Ｔ１を越えた場合には，ステップＳ５０３へ移行する。
該ステップＳ５０３では，第２基準温度Ｔ２及び暖機タンク４５０内の水素吸蔵合金温度（以下，ＭＨ温度）と，ＨＨ温度及びＯＨ温度との比較を行う。そして，ＨＨ温度が第２基準温度以下かつＭＨ温度以下であるか，ＯＨ温度が第２基準温度以下かつＭＨ温度以下である場合には，ステップＳ５０４に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ３の開閉状態等を設定し，燃料電池１０を運転する。
【００８８】
即ち，ステップＳ５０４においては，上記ステップＳ５０２において設定した開閉弁Ｖ０〜Ｖ２，タンクレギュレータＲ１及びポンプ４０の状態をそのまま維持する。そして，暖機タンク４５０への水素の供給を継続して，内部の水素吸蔵合金をさらに発熱させる。このようにして，上記水素加湿器７２及び空気加湿器７１の暖機作業を継続する一方，ステップＳ５０４では，高圧水素タンク３から燃料電池１０へ水素を供給して燃料電池１０を運転する。
【００８９】
具体的には，開閉弁Ｖ３を開状態として，上記供給レギュレータＲ２により規制された第２所定圧力Ｐ２の供給圧のもと，加湿器燃料電池１０へ水素を供給する。これにより，Ｐ２よりも高圧の第１所定圧力Ｐ１で暖機タンク４５０に水素を供給して水素吸蔵合金を発熱させながら，同時に，燃料電池１０には，Ｐ１よりも低圧の第２所定圧力Ｐ２で水素を供給して発電を実施することができる。
【００９０】
そして，水素加湿器７２及び空気加湿器７１の温度が第２基準温度Ｔ２を越えるまでは，上記ステップＳ５０４の状態を維持する。そして，水素加湿器７２及び空気加湿器７１が第２基準温度Ｔ２を越えた場合には，ステップＳ５０５に移行して，暖機作業を終了して通常運転を実施する。
【００９１】
上記ステップＳ５０５においては，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態として保持する一方，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態とする。すなわち，高圧水素タンク３から暖機タンク４５０に通じる水素の流路を遮断する。このようにして，燃料電池システム１の通常運転を実施する。
【００９２】
次に，上記再生作業は，図９に示すごとく，燃料電池システム１の通常運転が継続され，燃料電池１０の温度が十分に上昇してから実施する。該通常運転においては，燃料電池システム１は，開閉弁Ｖ０，Ｖ３を開状態とし，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態とすると共に，タンクレギュレータＲ１の規制圧を第１所定圧力Ｐ１に設定する通常運転状態にある。そして，燃料電池１０へは，上記供給レギュレータＲ２により規制された第２所定圧力Ｐ２の水素圧力のもと，水素が供給されている。
【００９３】
上記再生作業においては，まず，ステップＳ６０１においてＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上か否かを判断する。ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上の場合には，さらに，ステップＳ６０２に示す条件を判断する。
該ステップＳ６０２においては，暖機タンク４５０内の水素吸蔵合金に貯蔵されている水素量が規定量以上か否かを判断する。規定量以上であれば，ステップＳ６０３に示すごとく開閉弁Ｖ１，Ｖ２の開閉状態等を設定し，再生作業を実施する。
【００９４】
上記ステップＳ６０３においては，タンクレギュレータＲ１の設定をＰ１よりも低圧の第２所定圧力Ｐ２とするとともに，開閉弁Ｖ１を開状態として，ＨＨジャケット６５及びＯＨジャケット７５の内圧を低くして，水素吸蔵合金からの水素の放出を容易にする。また，開閉弁Ｖ２を開状態とすると共に，ポンプ４０を運転させて，サブ回路４０２に熱交換媒体を循環させる。このようにして，燃料電池１０の排熱を，タンク循環部４２３を介して，暖機タンク４５０内の水素吸蔵合金を加熱する。
【００９５】
そうすると，暖機タンク４５０内の水素吸蔵合金からは水素が放出されることとなる。その放出された水素は，暖機タンク４５０から流出し，バイパス流路５１を経て，上記メイン流路５３に合流する。そして，燃料電池１０へ供給されることとなる。したがって，再生作業時においては，燃料電池１０は，暖機タンク４５０及び高圧水素タンク３から，同時に水素を供給されて運転する。
【００９６】
そして，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上であって，かつ，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量以上である場合には，上記ステップＳ６０３の状態を維持し，再生作業を継続して行う。その後，ステップＳ６０２のごとく，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量を下回った場合には再生作業を終了する。また，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓを下回った場合には，再生作業を中断して上記通常運転状態へ復帰する。具体的には，ステップＳ６０４に示すごとく，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態とする。
【００９７】
このように，本例の燃料電池システム１は，暖機タンク４５０内の水素吸蔵合金が発生した熱量をＨＨジャケット８２及びＯＨジャケット８１に伝達することにより，水素加湿器７２及び空気加湿器７１の暖機作業を実施する。そのため，ＨＨジャケット８２又はＯＨジャケット８１に，水素吸蔵合金が内蔵されていなくても，水素加湿器７２又は空気加湿器７１の暖機作業を適切に実施することができる。
【００９８】
また，水素を吸蔵した水素吸蔵合金の再生作業を実施するに当たって，上記通常運転状態にある燃料電池１０から発生する排熱を利用している。そのため，暖機タンク４５０内の水素吸蔵合金は，燃料電池１０の排熱を利用して，その再生作業を適切に実施することができる。ここでは，燃料電池１０から電池循環部４１へ伝達された熱は，さらに熱交換媒体を介してタンク循環部４２３から暖機タンク４５０へ伝達される。そして，この熱により水素吸蔵合金を加熱して，水素を放出させ再生することができる。
このように，本例の燃料電池システム１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。
また，本例によれば，水素加湿器７２や空気加湿器７１等の補機類だけでなく，燃料電池１０の暖機を同時に実施することができる。それ故，燃料電池システム１全体として，バランス良く暖機作業を実施することができる。
【００９９】
その他の構成及び作用効果は，実施例２と同様である。
なお，本例においても，開閉弁の切り替えタイミング等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。
【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，暖機作業における制御フローを示す説明図。
【図３】実施例１における，再生作業における制御フローを示す説明図。
【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，暖機作業における制御フローを示す説明図。
【図６】実施例２における，再生作業における制御フローを示す説明図。
【図７】実施例３における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図８】実施例３における，暖機作業における制御フローを示す説明図。
【図９】実施例３における，再生作業における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，
３．．．水素タンク，
４．．．熱媒経路，
４０．．．ポンプ，
５１．．．バイパス流路，
５３．．．メイン流路，
６０．．．水素ポンプ，
６５．．．水素ポンプ用暖機ジャケット（ＨＰジャケット），
７０．．．空気ポンプ，
７１．．．空気加湿器，
７２．．．水素加湿器，
７５．．．空気ポンプ用暖機ジャケット（ＯＰジャケット），
８１．．．空気加湿器用暖機ジャケット（ＯＨジャケット），
８２．．．水素加湿器用暖機ジャケット（ＨＨジャケット），
Ｖ１〜Ｖ３．．．開閉弁，
Ｖ４．．．三方弁，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a fuel cell system that can be mounted on a fuel cell vehicle, for example.
[0002]
[Prior art]
For example, a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle supplies hydrogen to a fuel electrode and oxygen to an oxidizer electrode, and performs an electrochemical reaction H through an electrolyte layer. ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ This is a system that generates power using O 2. The fuel cell system has auxiliary equipment such as a hydrogen tank, an air pump, a hydrogen pump, a hydrogen humidifier, and an air humidifier in order to perform power generation in the fuel cell.
[0003]
In the above fuel cell system, air compressed by an air pump and humidified by an air humidifier, and hydrogen supplied from a hydrogen tank and humidified by a hydrogen humidifier are supplied to the fuel cell. Generate electricity according to the formula.
At this time, unreacted oxygen or hydrogen including generated water discharged from the fuel cell may be pressurized by a pump, supplied to the fuel cell, and reused.
[0004]
As described above, the fuel cell system has auxiliary equipment for directly introducing water, such as a pump, an air humidifier, a hydrogen humidifier, and a valve.
Therefore, when a fuel cell vehicle is used in a cold region or the like, when the outside air temperature falls to 0 ° C. or lower, which is the freezing point of water, residual water is likely to freeze inside the above-described auxiliary devices. If the accessories cannot be operated, the fuel cell cannot be started.
Therefore, conventionally, a fuel cell system provided with a function of heating the above-mentioned auxiliary devices by electric energy or combustion energy for starting up the fuel cell system at a low temperature has been proposed.
[0005]
[Problem to be solved]
However, the above conventional fuel cell system has the following problems.
That is, a dedicated large-capacity battery is required to heat auxiliary equipment using electric energy, and a dedicated combustion facility is required to heat it using combustion energy. . Therefore, the size of the fuel cell system increases. Furthermore, energy loss due to consumption of electric energy or combustion energy that does not contribute to power generation is large, and the energy efficiency of the entire fuel cell system is reduced.
[0006]
There are many types of systems other than the fuel cell system, which cannot start operation promptly unless the auxiliary equipment is warmed up. It is desired to develop a means that can efficiently warm up system components such as accessories in systems other than these fuel cell systems.
[0007]
The present invention has been made in view of such a conventional problem, and provides a warm-up jacket capable of quickly performing a warm-up operation of a device requiring warm-up, and applying the warm-up jacket. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and smoothly starting up at a low temperature, and a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system.
[0008]
[Means for solving the problem]
A first invention is a warm-up jacket that covers a warm-up device that requires a warm-up operation, and performs warm-up of the warm-up device.
The warm-up jacket contains a hydrogen storage material that absorbs hydrogen, generates heat, and releases hydrogen to absorb heat.
When performing the warming-up operation, hydrogen is introduced to generate heat in the hydrogen storage material, and the generated heat is transferred to the warming-up device to perform a warming-up operation to warm up the warming-up device.
After the warming-up operation, heat generated in the warming-up device or other heat generating source is transmitted to the warming-up jacket, and a regeneration operation for releasing hydrogen by heating the hydrogen storage material is performed. The warm-up jacket is characterized in that:
[0009]
The warm-up jacket of the first invention has a built-in hydrogen storage material that absorbs hydrogen and generates heat, and covers a warm-up device that requires a warm-up operation. The present invention makes it possible to realize the warming-up operation of the warming-up device by positively utilizing the heat generation characteristics when the hydrogen storage material absorbs hydrogen.
[0010]
That is, the warm-up operation is performed by introducing hydrogen into the warm-up jacket and causing the hydrogen storage material inside to generate heat. Then, the generated heat is transmitted to the warm-up device covered by the warm-up jacket to increase the temperature. As described above, the warm-up operation of the warm-up device can be quickly performed by utilizing the heat generated when the hydrogen storage material absorbs hydrogen without introducing external electric energy or combustion energy. it can.
[0011]
Further, after the warming-up operation, heat generated in the warming-up device or other heat generating source is transmitted to the warming-up jacket, and the hydrogen storage material in the warming-up jacket is heated, whereby Perform a regeneration operation to release hydrogen. Then, the warm-up jacket can smoothly warm up the warm-up device even at the next cold start.
As described above, according to the first aspect, it is possible to provide a warm-up jacket capable of suppressing energy loss and smoothly performing startup at a low temperature.
[0012]
A second invention is a fuel cell system including a fuel cell using hydrogen as fuel, a high-pressure hydrogen tank for storing hydrogen, and a warm-up device requiring warm-up work,
The warm-up device is covered by a warm-up jacket containing a hydrogen storage material that absorbs hydrogen, generates heat, and releases and absorbs hydrogen.
The warm-up jacket and the high-pressure hydrogen tank and the warm-up jacket and the fuel cell are connected by hydrogen piping for flowing hydrogen,
The fuel cell system causes the hydrogen storage material in the warm-up jacket to generate heat by flowing hydrogen from the high-pressure hydrogen tank into the warm-up jacket, and transfers the heat to the warm-up device to warm up. Further, when the warm-up device or other components constituting the fuel cell system generate heat, the heat is transferred to the warm-up jacket to regenerate and release the internal hydrogen storage material. A fuel cell system is configured to supply hydrogen to the fuel cell (claim 3).
[0013]
The fuel cell system according to the second invention has the warm-up jacket and the high-pressure hydrogen tank. The warm-up jacket and the high-pressure hydrogen tank are connected by a hydrogen pipe through which hydrogen flows. The present invention provides the above-described warming-up system, in which hydrogen flows from the high-pressure hydrogen tank into the warming-up jacket, and the hydrogen storage material inside the hydrogen-absorbing material positively utilizes the heat generation characteristics when hydrogen is stored. The warm-up of the warm-up device by the jacket can be realized.
Therefore, in the fuel cell system, a warm-up device that constitutes the fuel cell system is generated by the heat of the hydrogen storage material supplied with hydrogen from the high-pressure hydrogen tank without introducing external electric energy or combustion energy. And warming up of devices and the like that constitute the external system.
[0014]
Further, when the warm-up device or a component device constituting the fuel cell system generates heat, the fuel cell system transfers the heat to the warm-up jacket to heat and regenerate the internal hydrogen storage material.
Therefore, in the fuel cell system, without introducing electric energy or combustion energy from the outside, heat loss during operation of the warm-up device or the like is utilized to suppress energy loss and to reduce the energy loss inside the warm-up jacket. The regeneration of the hydrogen storage material can be performed efficiently.
[0015]
Further, it is configured that the hydrogen released from the hydrogen storage material is supplied as fuel for the fuel cell. Therefore, according to the present invention, as described above, the hydrogen storage material can be regenerated very efficiently without wasting released hydrogen. Then, by regenerating the hydrogen storage material inside the warm-up jacket, the above-described equipment can be appropriately warmed up at the next cold start.
As described above, according to the second aspect, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and smoothly performing startup at a low temperature.
[0016]
A third invention is a fuel cell system comprising a fuel cell using hydrogen as fuel, a high-pressure hydrogen tank for storing hydrogen, and a warm-up device requiring warm-up work,
A warm-up jacket that covers the warm-up device and a warm-up tank that contains a hydrogen storage material that absorbs hydrogen and generates heat while releasing hydrogen to absorb heat;
The warm-up jacket, the warm-up tank, and the fuel cell are connected by a heat medium pipe that circulates a heat exchange medium, and are connected so that heat can be transmitted therebetween.
The fuel cell system generates hydrogen from the hydrogen storage material in the warm-up tank by flowing hydrogen from the high-pressure hydrogen tank into the warm-up tank, and transfers the heat to the heat exchange medium flowing through the heat medium pipe and the heat exchange medium. The fuel is transmitted to the warm-up device via the warm-up jacket and warmed up. When the fuel cell generates heat, the heat is transmitted to the warm-up tank via the heat exchange medium flowing through the heat medium pipe. The fuel cell system according to claim 6, wherein the internal hydrogen storage material is regenerated by supplying the hydrogen to the fuel cell, and the released hydrogen is supplied to the fuel cell.
[0017]
The fuel cell system according to the third aspect of the present invention has a warm-up tank containing a hydrogen storage material that absorbs hydrogen and generates heat and releases hydrogen to absorb heat. The warm-up tank, the warm-up jacket, and the fuel cell are connected by a heat medium pipe that circulates a heat exchange medium, and are connected so that they can exchange heat.
Therefore, the warm-up equipment can be appropriately warmed up using the warm-up jacket without disposing the hydrogen storage material inside the warm-up jacket. That is, according to the third aspect, the heat generated in the hydrogen storage material in the warm-up tank is transmitted to the warm-up jacket via the heat exchange medium. Then, the heat is transmitted to the warming-up device to warm up.
[0018]
Further, the hydrogen storage material in the warm-up tank can be regenerated by utilizing the exhaust heat of the fuel cell. That is, by transferring the exhaust heat of the fuel cell to the warm-up tank via the heat exchange medium and heating the hydrogen storage material, hydrogen can be released from the hydrogen storage material. Therefore, at the next cold start, a sufficient amount of heat can be generated from the warm-up tank, and the warm-up device can be appropriately and efficiently warmed up.
As described above, according to the third aspect of the invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and smoothly performing startup at a low temperature.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell vehicle having the above fuel cell system, wherein the driving motor is driven by electric power supplied from the fuel cell system. .
The fuel cell vehicle according to the fourth aspect of the present invention has a drive motor, rotates the drive motor by the electric power generated by the fuel cell system, and travels by transmitting the rotational force to a road surface.
[0020]
Therefore, the fuel cell vehicle according to the fourth aspect of the invention efficiently transfers the amount of heat generated by the hydrogen storage material when storing hydrogen to the warming-up device via the warming-up jacket. Warm-up work can be performed.
In regenerating the hydrogen storage material, exhaust heat generated when the warm-up device or other components constituting the fuel cell system is operated is used. Further, the hydrogen storage material is regenerated in this way, and the released hydrogen is supplied to the fuel cell. Therefore, the hydrogen storage material can be regenerated by effectively utilizing the released hydrogen while suppressing energy loss.
As described above, according to the fourth aspect of the invention, it is possible to provide a fuel cell vehicle that can suppress energy loss and can smoothly start up at a low temperature.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A preferred embodiment of the first invention will be described.
It is preferable that the warm-up jacket according to the first aspect of the invention is configured to regenerate the hydrogen storage material using the exhaust heat when the exhaust heat of the warm-up device is available. In this case, the energy loss can be further suppressed and the hydrogen storage material can be efficiently regenerated. At this time, the warm-up device and the warm-up jacket may be brought into direct contact with each other, or a gap formed between the warm-up device and the warm-up jacket may be filled with a heat exchange medium.
[0022]
Further, as the above-mentioned other heat generating sources, heat can be positively generated by introducing electric energy or combustion energy from the outside. However, in order to further suppress energy loss, it is preferable to use the exhaust heat of the equipment constituting the system to which the warm-up jacket is applied. For example, when applied to a fuel cell system, it is preferable to use exhaust heat of a fuel cell or the like as a heat generation source.
[0023]
At this time, as a method of transmitting the heat generated in other heat generating sources other than the warm-up device to the warm-up jacket, the heat generating source and the warm-up jacket are heat-exchanged through a heat exchange medium. There is a method of contacting as possible. The heat exchange medium may be a fluid, a solid, a gas, or the like. When the heat generation source and the warm-up jacket are close to each other, they can be brought into direct contact without interposing a heat exchange medium.
Various known hydrogen storage materials can be used as the hydrogen storage material incorporated in the warm-up jacket. For example, MmNi ₅ (Mm is misch metal), rare earth alloys represented by Ti, titanium alloys represented by TiFe, Mg ₂ There are various hydrogen storage materials such as a hydrogen storage alloy such as a magnesium alloy represented by Ni, and a hydrogen storage carbon material such as activated carbon and carbon nanotube.
[0024]
Further, it is preferable that the hydrogen storage material is made of a hydrogen storage alloy.
In this case, the amount of heat generated when storing hydrogen is extremely large, and the warm-up of the warm-up device can be efficiently performed. Further, the hydrogen storage alloy has high chemical stability even when hydrogen is stored.
As the hydrogen storage alloy, various known hydrogen storage alloys can be used. For example, MmNi ₅ (Mm is misch metal), rare earth alloys represented by Ti, titanium alloys represented by TiFe, Mg ₂ There are various hydrogen storage alloys such as a magnesium alloy represented by Ni.
[0025]
Next, a preferred embodiment of the second invention will be described.
The fuel cell system according to the second aspect of the present invention is preferably configured such that, when the warm-up device is an air pump or a hydrogen pump, the hydrogen storage material is regenerated by self-heating. In this case, the hydrogen storage material can be efficiently regenerated with a simple system configuration. Further, the air humidifier does not generate heat, but the air which has been compressed by the air pump and has a high temperature flows into the humidifier and has a high temperature. In regenerating the hydrogen storage material, there is a possibility that the heat can be used.
In addition, as a component that can be used as a heat source for regenerating the hydrogen storage material, any component that generates waste heat when the fuel cell system is operated can be applied, in addition to the fuel cell.
[0026]
As the fuel cell in the second invention, for example, a solid molecular fuel cell (PEFC) can be applied. In this PEFC, water present in the electrolyte membrane or on its surface may freeze, and its steady-state operating temperature is set. Therefore, it is very effective to warm up the warming-up devices constituting the fuel cell system. It should be noted that it is of course possible to apply a fuel cell of a type other than the PEFC type.
[0027]
In warming up the warm-up device, the temperature range in which the warm-up is performed can be arbitrarily set according to the characteristics of the warm-up device or the system characteristics of the entire fuel cell system. For example, if the warming-up device is an on-off valve in a pipe for discharging generated water, and the only purpose of the warm-up is to melt the generated water frozen inside the on-off valve, the temperature range is set to 0. It can be up to around ° C. On the other hand, for example, when the warming-up device is a hydrogen humidifier for humidifying the hydrogen supplied to the fuel cell, the optimal supply temperature of the hydrogen supplied to the fuel cell is taken into consideration when setting the temperature range. It should be. Further, for example, there is a case where an optimum operating temperature is set for the warm-up device, and it is desired to start the operation at that temperature. In such a case, it is possible to warm up to near the optimum operating temperature.
[0028]
Further, as the hydrogen storage material incorporated in the warm-up jacket, various well-known hydrogen storage materials can be employed as described above.
Further, as the high-pressure hydrogen tank, a high-pressure hydrogen cylinder, a hydrogen storage alloy tank, and other various types of hydrogen storage means can be applied. Among them, a high-pressure hydrogen cylinder in particular can control the derivation and stop of hydrogen only by operating the valve, so that the control mechanism can be relatively simplified.
At this time, it is preferable that one high-pressure hydrogen tank be configured to supply hydrogen to the warm-up jacket and the fuel cell. However, two high-pressure hydrogen tanks are separately provided for the warm-up jacket and the fuel cell. Is also possible. When two are provided, the type, supply pressure, and the like can be different.
[0029]
Preferably, the hydrogen storage material is made of a hydrogen storage alloy.
In this case, hydrogen can be efficiently stored in the hydrogen storage alloy, and the hydrogen can be efficiently released in the case of a hydrogen storage alloy storing hydrogen.
As the hydrogen storage alloy, various well-known hydrogen storage alloys can be employed as described above.
[0030]
In addition, it is preferable that the heat generated by the component device is transmitted to the warm-up jacket via a heat exchange medium.
In this case, hydrogen can be efficiently released by transmitting the waste heat generated by the above components to the hydrogen storage material in the warm-up jacket via the heat exchange medium and heating it. Therefore, even when the heat of the warming-up device itself cannot be used, there is no need to introduce electric energy or combustion energy. Therefore, the hydrogen storage material can be efficiently regenerated while suppressing energy loss.
[0031]
Further, it is preferable that the hydrogen storage material is made of a hydrogen storage alloy.
In this case, the hydrogen absorption rate is high, and there is a possibility that a large amount of heat can be generated efficiently. Therefore, the warm-up device can be efficiently warmed up. Further, in the regeneration of the hydrogen storage alloy, the control thereof is relatively easy.
[0032]
【Example】
(Example 1)
A fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell system 1 of the present embodiment is a system including a fuel cell 10 using hydrogen as a fuel, a high-pressure hydrogen tank 3 for storing hydrogen, and an air pump 70 and a hydrogen pump 60 that require a warm-up operation.
The air pump 70 and the hydrogen pump 60 are provided with an air pump warm-up jacket (hereinafter, appropriately referred to as an OP jacket) 75 for warming up the air pump 70 and the hydrogen pump 60 and a hydrogen pump warm-up jacket (hereinafter, HP). Jacket 65). The OP jacket 75 and the HP jacket 65 contain a hydrogen storage material that absorbs hydrogen, generates heat, and releases hydrogen to absorb heat.
[0033]
Hydrogen pipes 511 and 512 for flowing hydrogen are provided between the OP jacket 75 and the HP jacket 65 and the high-pressure hydrogen tank 3 and between the OP jacket 75 and the HP jacket 65 and the fuel cell 10. , 50, 53.
In the fuel cell system 1 configured as described above, by flowing hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 3 into the OP jacket 75 and the HP jacket 65, the hydrogen storage material in the OP jacket 75 and the HP jacket 65 is heated. Then, the heat is transferred to the air pump 70 and the hydrogen pump 60 to warm up. Further, when the air pump 70 or the hydrogen pump 60 constituting the fuel cell system 1 generates heat, the heat is transferred to the OP jacket 75 or the HP jacket 65 to regenerate the internal hydrogen storage material, and , Is configured to supply the released hydrogen to the fuel cell 10.
Hereinafter, this will be described in detail.
[0034]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of the present embodiment has a main flow path 53 connecting the high-pressure hydrogen tank 3 and the fuel cell 10, a high-pressure hydrogen tank 3 and an HP jacket 65 or an OP jacket as a hydrogen flow path. 75 and a bypass flow path 511 or a bypass flow path 512 connecting the second flow path 75 and the second flow path 75. The main flow path 53 is connected to a recovery pipe 63 for recovering unreacted hydrogen gas from the fuel cell 10 and re-supplying it to the fuel cell 10.
[0035]
The bypass flow path 511 and the bypass flow path 512 are provided so as to branch off from the same upstream flow path 50 connected to the high-pressure hydrogen tank 3.
The upstream flow path 50 and the main flow path 53 are provided with on-off valves V0 and V3 for opening and closing the respective flow paths. The bypass flow path 511 or the bypass flow path 512 is provided with an on-off valve V11 or V12 for opening and closing the respective flow paths. Further, the collection pipe 63 is provided with an on-off valve V5 for opening and closing the flow path with the main flow path 53.
[0036]
The upstream flow path 50 and the branched main flow path 53 are provided with a tank regulator R1 and a supply regulator R2 for regulating the hydrogen pressure, respectively, and supply the hydrogen to the bypass flow paths 511 and 512 by the tank regulator R1. And the supply pressure R2 is regulated by the supply regulator R2.
[0037]
The tank regulator R1 is a variable regulator that regulates the hydrogen pressure supplied to the bypass passages 511 and 512 while appropriately setting and changing the hydrogen pressure in the range of the second predetermined pressure P2 to the first predetermined pressure P1. The supply regulator R2 is a fixed regulator that regulates the hydrogen pressure supplied to the main flow path 53 to a second predetermined pressure P2. The second predetermined pressure P2 is lower than the first predetermined pressure P1.
[0038]
Further, a hydrogen humidifier 72 for humidifying the hydrogen supplied to the fuel cell 10 is connected to the main flow path 53 between the on-off valve V3 and the fuel cell 10.
Further, a hydrogen pump 60 covered by the HP jacket 65 is provided in the recovery pipe 63.
[0039]
The fuel cell system 1 has an air flow path 59 as a flow path of the air supplied to the fuel cell 10. The air passage 59 has an air pump 70 for pressurizing air to be supplied and an air humidifier 71 for humidifying the air. Here, the air pump 70 is covered with the OP jacket 75, and is configured to be able to exchange heat with the OP jacket 75.
[0040]
Further, the fuel cell system 1 has exhaust pipes 67 and 66 as flow paths for unreacted gas discharged from the fuel cell 10. The exhaust pipes 67 and 66 are provided with an on-off valve V6 for controlling the outflow of unreacted gas.
[0041]
As shown in FIG. 1, the heat medium flow path 4 for circulating the heat exchange medium includes a cell circulating unit 41 circulating in the fuel cell 10 and a cooling heat exchanger 43 functioning as a radiator of the fuel cell 10. I have. As shown in the figure, the battery circulation section 41 and the cooling exchanger 43 are connected in a loop by a main circuit 401.
The main circuit 401 is provided with a pump 40 for flowing a heat exchange medium. Further, a bypass path 47 is provided in the main circuit 401, and a three-way valve V4 is provided at one branch point thereof.
[0042]
Further, as the fuel cell 10 in the present example, a solid molecular fuel cell (PEFC) was applied. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 is connected to a main flow path 53 for supplying hydrogen and an air supply path 59 for supplying air. Then, the fuel cell 10 uses the supplied hydrogen and the oxygen contained in the supplied air to perform an electrochemical reaction H through the electrolyte layer. ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ It is configured to generate power by advancing O 2.
[0043]
The hydrogen storage material contained in the HP jacket 65 and the OP jacket 75 is a rare earth alloy (MmNi) which is a hydrogen storage alloy. ₅ System) was used.
As the high-pressure hydrogen tank 3, a high-pressure hydrogen tank storing high-pressure hydrogen was used.
The fuel cell 10, the hydrogen storage alloy tank 2, and the high-pressure hydrogen tank 3 can be changed to another type.
Further, the hydrogen pump 60 and the air pump 70 are provided with temperature measuring means (not shown) for measuring their temperatures.
[0044]
Next, an example of a control method of the fuel cell system 1 having the above configuration will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows a control flow when performing a warm-up operation of the hydrogen pump 60 and the air pump 70. FIG. 3 shows a control flow when the HP jacket 65 and the OP jacket 75 are reproduced.
[0045]
It should be noted that the control steps for the warm-up operation of the hydrogen pump 60 and the control steps for the warm-up operation of the air pump 70 have many parts in common. Therefore, as shown in FIG. 2, the control steps applied to the hydrogen pump 60 are shown, and the control steps unique to the air pump 70 are shown in parentheses. Similarly, regarding the control flow of the regeneration operation, as shown in FIG. 3, control steps applied to the hydrogen pump 60 are shown, and control steps unique to the air pump 60 are shown in parentheses.
Further, in these figures, the open state of each on-off valve is indicated by ○ and the closed state thereof is indicated by × for easy understanding. The same applies hereinafter.
[0046]
Further, in this example, a first reference temperature T1 is provided as a first warm-up reference temperature for the temperatures of the hydrogen pump 60 and the air pump 70 (hereinafter, appropriately referred to as HP temperature and OP temperature) and set to 0 ° C. . Further, in this example, the second reference temperature T2 is provided as the second warm-up reference temperature at which the hydrogen pump 60 and the air pump 70 can operate efficiently. Note that the second reference temperature T2 is a temperature higher than the first reference temperature T1.
Hereinafter, the warming-up work and the regeneration work will be described. In the following description, the hydrogen pump 60 will be described, and the description specific to the air pump 70 will be described in parentheses.
[0047]
In the warm-up operation, first, as shown in FIG. 2, it is determined in step S101 whether the HP temperature (OP temperature) is equal to or lower than the first reference temperature T1. If the HP temperature (OP temperature) is equal to or lower than the first reference temperature T1, the open / close state of the on-off valves V0, V11 (V12), and V3 is set as shown in step S102, and the warm-up operation is started.
[0048]
That is, in step S102, the open / close valve V0 is opened to allow the extraction of hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 3, and the open / close valve V11 (V12) is opened to supply hydrogen to the HP jacket 65 (OP jacket 75). . At this time, the tank regulator R1 is set to the first predetermined pressure P1, and the internal hydrogen storage alloy stores hydrogen to generate heat.
[0049]
The state of step S102 is maintained until the HP temperature (OP temperature) exceeds the first reference temperature T1, and thereafter, when the HP temperature (OP temperature) exceeds the first reference temperature T1, step S103 is performed. Move to.
In step S103, a comparison is made between the second reference temperature and the HPMH temperature (OPMH temperature), which is the alloy temperature in the HP jacket 65 (OP jacket 75), and the HP temperature (OP temperature). If the HP temperature (OP temperature) is equal to or lower than the second reference temperature T2 and equal to or lower than the HPMH temperature (OPMH temperature), the open / close state of the on-off valves V0, V11 (V12), and V3 as shown in step S104. Are set, and the fuel cell 10 is operated.
[0050]
That is, in step S104, the states of the on-off valve V0, on-off valve V11 (V12) and tank regulator R1 set in step S102 are maintained as they are. Then, the supply of hydrogen to the HP jacket 65 (OP jacket 75) is continued to further generate heat in the internal hydrogen storage alloy. In this way, the warm-up operation of the hydrogen pump 60 (air pump 70) is continued, while in step S104, the supply of hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 3 to the fuel cell 10 is started to operate the fuel cell 10.
[0051]
Specifically, the on-off valve V3 is opened, and hydrogen is supplied to the fuel cell 10 under the supply pressure of the second predetermined pressure P2 regulated by the supply regulator R2. Thus, while supplying hydrogen to the HP jacket 65 (OP jacket 75) at the first predetermined pressure P1 higher than P2 and causing the hydrogen storage alloy to generate heat, at the same time, the fuel cell 10 supplies the second pressure lower than P1 to the fuel cell 10. Power generation can be performed by supplying hydrogen at a predetermined pressure P2.
The state of step S104 is maintained until the HP jacket 65 (OP jacket 75) exceeds the second reference temperature T2. If the HP jacket 65 (OP jacket 75) has exceeded the second reference temperature T2, the process proceeds to step S105, where the warm-up work is terminated and normal operation is performed.
[0052]
In step S105, the on-off valve V0 and the on-off valve V3 are kept open, while the on-off valve V11 (V12) is closed. That is, the hydrogen flow path from the high-pressure hydrogen tank 3 to the HP jacket 65 (OP jacket 75) is shut off. In this way, the hydrogen supply to the HP jacket 65 (OP jacket 75) is stopped, and the normal operation of the fuel cell system 1 is performed.
[0053]
Next, as shown in FIG. 3, the regeneration operation is performed after the normal operation of the hydrogen pump 60 (the air pump 70) is continued and the temperature is sufficiently increased. In the normal operation, the fuel cell system 1 opens the on-off valves V0 and V3, closes the on-off valves V11 (V12), and sets the regulation pressure of the tank regulator R1 to the first predetermined pressure P1. It is in the set normal operation state. Then, hydrogen is supplied to the fuel cell 10 under the hydrogen pressure of the second predetermined pressure P2 regulated by the supply regulator R2.
[0054]
In the regeneration operation, first, in step S201, it is determined whether the HP temperature (OP temperature) is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts. If the HP temperature (OP temperature) is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts, it is further determined whether or not the condition shown in step S202 is satisfied.
In step S202, it is determined whether or not the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy in the HP jacket 65 (OP jacket 75) is equal to or more than a specified amount. If the amount is equal to or more than the prescribed amount, the open / close state of the on-off valve V11 (V12) is set as shown in step S203, and the regeneration operation is performed.
[0055]
In step S203, the regulation pressure of the tank regulator R1 is set to the second predetermined pressure P2, and the on-off valve V11 (V12) is opened to lower the internal pressure of the HP jacket 65 (OP jacket 75). Then, hydrogen is easily released from the hydrogen storage alloy.
[0056]
In this way, the hydrogen released from the hydrogen storage alloy in the HP jacket 65 (OP jacket 75) joins the main flow path 53 via the bypass flow path 511 (512) and is supplied to the fuel cell 10. Will be done. Therefore, during the regeneration operation, the fuel cell 10 is operated while hydrogen is simultaneously supplied from the HP jacket 65 (OP jacket 75) and the high-pressure hydrogen tank 3.
[0057]
If the HP temperature (OP temperature) is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts and the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy is equal to or greater than the specified amount, the state of step S203 is maintained and the regeneration operation is continued. Do it. Thereafter, as in step S202, when the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy falls below the specified amount, the regeneration operation ends. If the HP temperature (OP temperature) falls below the regeneration reference temperature Ts, the regeneration operation is interrupted and the operation returns to the normal operation state. Specifically, as shown in step S204, the on-off valves V1 and V2 are closed, and the process waits until the HP temperature (OP temperature) rises.
[0058]
As described above, the fuel cell system 1 of the present embodiment can realize the warming-up operation by positively utilizing the characteristic of generating heat when the hydrogen storage alloy stores hydrogen.
The warming-up operation can be performed using hydrogen supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 without introducing external electric energy or combustion energy.
[0059]
Further, the hydrogen storage alloy storing the hydrogen by performing the warming-up operation is regenerated by utilizing exhaust heat generated from the hydrogen pump 60 or the air pump 70 in the normal operation state. In this regeneration operation, the exhaust heat of the hydrogen pump 60 or the air pump 70 is transmitted to the internal hydrogen storage alloy via the HP jacket 65 or the OP jacket 75. By heating the hydrogen storage alloy in this manner, hydrogen can be released and regenerated.
Further, the hydrogen released from the hydrogen storage alloy and the hydrogen supplied from the hydrogen tank are simultaneously supplied to the fuel cell 10. In this manner, during the regeneration operation, the hydrogen released from the hydrogen storage alloy is utilized in the fuel cell 10 without waste.
[0060]
As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and smoothly performing startup at a low temperature.
In this example, as shown in FIGS. 2 and 3, when both the HP temperature and the OP temperature are equal to or lower than the first reference temperature T1, the fuel cell 10 is not operated and only the warm-up operation is performed. Until the HP temperature or the OP temperature exceeds the first reference temperature T1 and reaches the second reference temperature T2, the warm-up operation of the hydrogen pump 60 or the air pump 70 and the operation of the fuel cell 10 are performed in parallel. Is going. Instead of this control method, by changing the opening / closing switching timing of each of the on-off valves V0, V11, V12, and V3, the switching timing of the regulated pressure of the tank regulator R1, the regulated pressure of the supply regulator R2, and the like, further other operations are performed. The control method can be changed.
[0061]
Furthermore, the warm-up jacket described as the HP jacket 65 or the OP jacket 75 in this example can be applied to a system other than the fuel cell system 1. By supplying hydrogen to the warm-up jacket, the warm-up of the system components can be efficiently performed.
[0062]
(Example 2)
In this embodiment, as shown in FIG. 4, based on the configuration of the first embodiment, a warm-up operation of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 is performed instead of the hydrogen pump 60 and the air pump 70.
As shown in FIG. 4, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a hydrogen humidifier 72 instead of the HP jacket 65 and the OP jacket 75 according to the first embodiment and the bypass channels 511 and 512 for supplying hydrogen thereto. A warm-up jacket for a hydrogen humidifier (hereinafter, appropriately referred to as an HH jacket) 82 for performing a warm-up operation, a warm-up jacket for an air humidifier (hereinafter, appropriately referred to as an OH jacket) 81 for performing a warm-up operation for the air humidifier 71, and the like. And a bypass channel 51 for supplying hydrogen to the fuel cell.
[0063]
The HH jacket 82 or the OH jacket 81 covers the hydrogen humidifier 72 or the air humidifier 71 and contains a hydrogen storage alloy. The HH jacket 82 and the OH jacket 81 are connected to the high-pressure hydrogen tank 3 by the bypass flow path 51. The bypass flow path 51 is provided so as to branch off from the upstream flow path 50 connected to the high-pressure hydrogen tank 3. An on-off valve V1 that opens and closes the upstream flow path 50 is disposed in the bypass flow path 51.
[0064]
Further, as shown in FIG. 4, the heat medium flow path 4 for circulating the heat exchange medium includes a main circuit 401 in which the battery circulating section 41 and the cooling exchanger 43 are connected in a loop, and an HH circulating section 422 and a HH circulating section 422. A loop-shaped sub-circuit 402 including an OH circulation unit 421 is added. The sub-circuit 402 is configured to be connected in parallel to the main circuit 401 via two branch points 451 and 452. The sub-circuit 402 has an on-off valve V2 for controlling the inflow of the heat exchange medium. Here, the HH circulating unit 422 or the OH circulating unit 421 is configured to be able to exchange heat with the HH jacket 82 or the OH jacket 81.
[0065]
In this example, as described above, using the fuel cell system 1 configured as described above, the warm-up operation of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71, and the inside of the HH jacket 82 and the OH jacket 81 that have performed the warm-up operation. Regeneration work of the hydrogen storage alloy was performed. FIG. 5 shows a control flow of the warm-up operation, and FIG. 6 shows a control flow of the regeneration operation. Hereinafter, the contents of this example will be described with reference to these drawings.
[0066]
In the warm-up operation, first, as shown in FIG. 5, in step S301, based on the first reference temperature T1, the temperature of the hydrogen humidifier (hereinafter, appropriately referred to as HH temperature) and the temperature of the air humidifier (hereinafter, referred to as HH temperature). OH temperature). If the HH temperature or the OH temperature is equal to or lower than the first reference temperature T1, the open / close state of the on-off valves V0, V1, V3 is set as shown in step S302, and the warm-up operation is performed.
[0067]
That is, in step S302, the open / close valve V0 is opened so that hydrogen can be extracted from the high-pressure hydrogen tank 3, and the open / close valve V1 is opened to supply hydrogen to the HH jacket 82 and the OH jacket 81. At this time, the tank regulator R1 is set to the first predetermined pressure P1, and the internal hydrogen storage alloy stores hydrogen to generate heat.
[0068]
The state of step S302 is maintained until the HH temperature and the OH temperature exceed the first reference temperature T1, and thereafter, when the HH temperature and the OH temperature exceed the first reference temperature T1, the process proceeds to step S303. I do.
In step S303, the HH temperature is compared with the second reference temperature T2 and the hydrogen storage alloy temperature (hereinafter, HHMH temperature) in the HH jacket 82, and the hydrogen storage alloy in the OH jacket 82 is compared with the second reference temperature T2. The alloy temperature (hereinafter, OHMH temperature) is compared with the OH temperature. If the HH temperature is equal to or lower than the second reference temperature and equal to or lower than the HHMH temperature, or if the OH temperature is equal to or lower than the second reference temperature and equal to or lower than the OHMH temperature, the open / close valves V0, V1, and V3 are opened and closed as shown in step S304. The state and the like are set, and the fuel cell 10 is operated.
[0069]
That is, in step S304, the states of the on-off valve V0, on-off valve V1, and tank regulator R1 set in step S302 are maintained as they are. Then, the supply of hydrogen to the HH jacket 82 and the OH jacket 81 is continued, and the internal hydrogen storage alloy further generates heat. In this way, while the warming-up work of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 is continued, in step S304, hydrogen is supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 to the fuel cell 10, and the fuel cell 10 is operated.
[0070]
Specifically, the on-off valve V3 is opened, and hydrogen is supplied to the fuel cell 10 under the supply pressure of the second predetermined pressure P2 regulated by the supply regulator R2. Thus, hydrogen is supplied to the HH jacket 82 and the OH jacket 81 at the first predetermined pressure P1 higher than P2 to cause the hydrogen storage alloy to generate heat, and at the same time, the second predetermined pressure lower than P1 is supplied to the fuel cell 10. Power generation can be performed by supplying hydrogen at the pressure P2.
The state of step S304 is maintained until the HH jacket 82 and the OH jacket 81 exceed the second reference temperature T2. If the HH jacket 82 and the OH jacket 81 have exceeded the second reference temperature T2, the process proceeds to step S305, where the warm-up work is terminated and normal operation is performed.
[0071]
In step S305, the on-off valve V0 and the on-off valve V3 are kept open, while the on-off valve V1 is closed. That is, the flow path of hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 3 to the HH jacket 82 and the OH jacket 81 is shut off. Thus, the normal operation of the fuel cell system 1 is performed.
[0072]
Next, the regeneration operation is performed after the normal operation of the fuel cell system 1 is continued and the temperature of the fuel cell 10 is sufficiently increased, as shown in FIG. In the normal operation, the fuel cell system 1 normally sets the open / close valve V0 and the open / close valve V3 to the open state, closes the open / close valve V1, and sets the regulation pressure of the tank regulator R1 to the first predetermined pressure P1. In operation. Then, hydrogen is supplied to the fuel cell 10 under the hydrogen pressure of the second predetermined pressure P2 regulated by the supply regulator R2.
[0073]
In the regeneration operation, first, in step S401, it is determined whether the temperature of the fuel cell 10 (hereinafter, appropriately referred to as FC temperature) is equal to or higher than a regeneration reference temperature Ts. If the FC temperature is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts, the condition shown in step S402 is further determined.
In step S402, it is determined whether the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy in the HH jacket 82 and the OH jacket 81 is equal to or more than a specified amount. If the amount is equal to or more than the specified amount, the open / close state of the on-off valve V1 is set as shown in step S403, and the regeneration operation is performed.
[0074]
In step S403, the setting of the tank regulator R1 is set to the second predetermined pressure P2 lower than the pressure P1, the on-off valve V1 is opened, and the internal pressures of the HH jacket 82 and the OH jacket 81 are reduced to store hydrogen. Facilitates the release of hydrogen from the alloy. Further, the pump 40 is operated to circulate the heat exchange medium through the sub-circuit 402. Then, the exhaust heat of the fuel cell 10 is transmitted to the heat exchange medium via the cell circulation unit 41 and further transmitted to the HH jacket 82 or the OH jacket 81 via the HH circulation unit 421 or the OH circulation unit 421. Become. This heat heats the internal hydrogen storage alloy and releases hydrogen.
[0075]
In this way, the hydrogen released from the hydrogen storage alloy in the HH jacket 82 and the OH jacket 81 joins the main channel 53 via the bypass channel 51. Then, the fuel is supplied to the fuel cell 10. Therefore, during the regeneration operation, the fuel cell 10 is operated while hydrogen is simultaneously supplied from the HH jacket 82, the OH jacket 81, and the high-pressure hydrogen tank 3.
[0076]
If the FC temperature is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts and the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy is equal to or higher than the specified amount, the state of step S403 is maintained, and the regeneration operation is continued. Thereafter, as in step S402, when the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy falls below the specified amount, the regeneration operation ends. If the FC temperature falls below the regeneration reference temperature Ts, the regeneration operation is interrupted and the operation returns to the normal operation state. Specifically, as shown in step S404, the on-off valves V1 and V2 are closed.
[0077]
As described above, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the HH jacket 82 or the OH jacket 81 performs the warm-up operation of the hydrogen humidifier 72 or the air humidifier 71. In performing the regeneration operation of the hydrogen storage alloy that has been subjected to the warm-up operation, the exhaust heat generated from the fuel cell 10 in the normal operation state is used. Therefore, even when the HH jacket 82 and the OH jacket 81 are applied to the auxiliary equipment such as the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 that does not generate sufficient heat due to self-heating during operation, the regeneration operation is performed. Can be appropriately implemented.
As described above, according to the fuel cell system 2 of the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and smoothly performing startup at a low temperature.
[0078]
The air humidifier 71 is supplied with air which has been heated by being compressed by the air pump 70. If the calorific value of this air is sufficiently obtained, there is a possibility that the hydrogen absorbing alloy of the OH jacket 81 can be regenerated by the calorific value.
Further, in the present embodiment, the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 are illustrated as auxiliary devices that do not generate self-heating. In addition, application to the on-off valves V5 to V7 and the like is also effective. Although not shown, a water pump that supplies water to the hydrogen humidifier 72 or the air humidifier 71, a check valve, and a gas that separates and recovers unreacted air or hydrogen from the generated water discharged from the fuel cell. The present invention can also be applied to a liquid separator, a hydrogen dilutor that mixes unnecessary hydrogen with air, and exhausts the mixture.
[0079]
Further, in this example, the fuel cell 10 is applied as a heat source, but it is needless to say that other heat sources can be used. Other heat sources such as a motor can be used as long as a sufficient amount of heat can be obtained to regenerate the hydrogen storage alloy contained in the HH jacket 82 or the OH jacket 81. In this example, the heat source for the HH jacket 82 and the OH jacket 81 is integrated into the fuel cell 10. As a matter of course, it is also possible to use a different heat source for each in consideration of the operation of the pipes and the like for the heat exchange medium.
Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.
In this embodiment, the control method can be further changed by changing the switching timing of the on-off valve.
[0080]
(Example 3)
This embodiment is an example in which the hydrogen storage alloy contained in the HH jacket 82 and the OH jacket 81 is transferred to an additional warm-up tank 450 based on the configuration of the second embodiment. Then, the amount of heat generated when the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 450 absorbs hydrogen can be transmitted to the HH jacket 82 and the OH jacket 81 to warm up the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71. It is configured as follows.
[0081]
As shown in FIG. 7, the fuel cell system 1 according to the present embodiment is obtained by adding a warm-up tank 450 based on the second embodiment. Inside the warm-up tank 450, a hydrogen storage alloy is stored, and a tank circulation unit 423 for exchanging heat between the hydrogen storage alloy and a heat exchange medium is provided.
[0082]
As shown in FIG. 7, the hydrogen flow path of the fuel cell system 1 of the present embodiment is changed to the main flow path instead of the bypass flow path leading to the HH jacket 82 and the OH jacket 81 based on the configuration of the second embodiment. A bypass flow path 51 is connected to the flow path 53 and connects the high-pressure hydrogen tank 3 and the warm-up tank 450.
Further, as shown in FIG. 7, the tank circulating section 423 is added to the sub-circuit 402 of the heat medium flow path 4 for circulating the heat exchange medium and connected in series based on the second embodiment.
[0083]
In this example, as described above, using the fuel cell system 1 configured as described above, the warm-up operation of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71, and the warm-up tank 423 storing the hydrogen by performing the warm-up operation. The internal hydrogen storage alloy was regenerated. Hereinafter, the contents of this example will be described with reference to FIG. 8 illustrating a control flow of a warm-up operation and FIG. 9 illustrating a control flow of a regeneration operation.
[0084]
In the warming-up operation, first, as shown in FIG. 8, in step S501, based on the first reference temperature T1, a hydrogen humidifier temperature (hereinafter, referred to as HH temperature) and an air humidifier temperature (hereinafter, referred to as OH temperature). Judge). If the HH temperature or the OH temperature is equal to or lower than the first reference temperature T1, the open / close state of the on-off valves V0, V1, V2, and V3 is set as shown in step S502, and the warm-up operation is performed.
[0085]
That is, in step S502, the open / close valve V0 is opened to allow hydrogen to be extracted from the high-pressure hydrogen tank 3, and the open / close valve V1 is opened to supply hydrogen to the warm-up tank 423. At this time, the tank regulator R1 is set to the first predetermined pressure P1, and hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 423 to generate heat.
[0086]
Further, the pump 40 is operated to circulate the heat exchange medium through the sub-circuit 402. Then, the amount of heat generated by the hydrogen storage alloy inside the warm-up tank 450 storing hydrogen is transmitted to the heat exchange medium via the tank circulation unit 423. The heat exchange medium transfers heat to the HH jacket 82 or the OH jacket 81 via the HH circulating section 422 or the OH circulating section 421 while circulating in the sub-circuit 402. Thus, the hydrogen humidifier 72 or the air humidifier 71 can be warmed up by the HH jacket 82 or the OH jacket 81. Further, in this example, the heat exchange medium is configured to circulate also in the cell circulating unit 41 of the fuel cell 10. Therefore, the fuel cell 10 can be warmed up in a well-balanced manner together with the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71.
[0087]
The state of step S502 is maintained until the HH temperature and the OH temperature exceed the first reference temperature T1, and thereafter, when the HH temperature and the OH temperature exceed the first reference temperature T1, the process proceeds to step S503. I do.
In step S503, the second reference temperature T2 and the hydrogen storage alloy temperature (hereinafter, MH temperature) in the warm-up tank 450 are compared with the HH temperature and the OH temperature. If the HH temperature is equal to or lower than the second reference temperature and equal to or lower than the MH temperature, or if the OH temperature is equal to or lower than the second reference temperature and equal to or lower than the MH temperature, the open / close state of the on-off valves V0 to V3 is determined as shown in step S504. Is set, and the fuel cell 10 is operated.
[0088]
That is, in step S504, the states of the on-off valves V0 to V2, the tank regulator R1, and the pump 40 set in step S502 are maintained as they are. Then, the supply of hydrogen to the warm-up tank 450 is continued to further generate heat in the internal hydrogen storage alloy. In this way, while the warming-up operation of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 is continued, in step S504, hydrogen is supplied from the high-pressure hydrogen tank 3 to the fuel cell 10 to operate the fuel cell 10.
[0089]
Specifically, the on-off valve V3 is opened, and hydrogen is supplied to the humidifier fuel cell 10 under the supply pressure of the second predetermined pressure P2 regulated by the supply regulator R2. Thereby, while supplying hydrogen to the warm-up tank 450 at the first predetermined pressure P1 higher than P2 to cause the hydrogen storage alloy to generate heat, at the same time, the second predetermined pressure P2 lower than P1 is applied to the fuel cell 10. To supply hydrogen to perform power generation.
[0090]
Then, the state of step S504 is maintained until the temperatures of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 exceed the second reference temperature T2. If the temperature of the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 exceeds the second reference temperature T2, the process proceeds to step S505, where the warm-up operation is completed and the normal operation is performed.
[0091]
In step S505, the on-off valves V0 and V3 are kept open, while the on-off valves V1 and V2 are closed. That is, the flow path of hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 3 to the warm-up tank 450 is shut off. Thus, the normal operation of the fuel cell system 1 is performed.
[0092]
Next, the regeneration operation is performed after the normal operation of the fuel cell system 1 is continued and the temperature of the fuel cell 10 is sufficiently increased, as shown in FIG. In the normal operation, the fuel cell system 1 normally sets the on-off valves V0 and V3 to the open state, closes the on-off valves V1 and V2, and sets the regulation pressure of the tank regulator R1 to the first predetermined pressure P1. In operation. Then, hydrogen is supplied to the fuel cell 10 under the hydrogen pressure of the second predetermined pressure P2 regulated by the supply regulator R2.
[0093]
In the regeneration operation, first, in step S601, it is determined whether the FC temperature is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts. If the FC temperature is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts, the condition shown in step S602 is further determined.
In step S602, it is determined whether the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 450 is equal to or greater than a specified amount. If the amount is equal to or more than the specified amount, the open / close state of the on-off valves V1 and V2 is set as shown in step S603, and the regeneration operation is performed.
[0094]
In step S603, the tank regulator R1 is set to the second predetermined pressure P2 lower than P1, the on-off valve V1 is opened, and the internal pressures of the HH jacket 65 and the OH jacket 75 are reduced to store hydrogen. Facilitates the release of hydrogen from the alloy. Further, the on-off valve V2 is opened and the pump 40 is operated to circulate the heat exchange medium through the sub-circuit 402. In this way, the exhaust heat of the fuel cell 10 heats the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 450 via the tank circulation unit 423.
[0095]
Then, hydrogen is released from the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 450. The released hydrogen flows out of the warm-up tank 450, and joins the main flow path 53 via the bypass flow path 51. Then, the fuel is supplied to the fuel cell 10. Therefore, during the regeneration operation, the fuel cell 10 is operated by simultaneously supplying hydrogen from the warm-up tank 450 and the high-pressure hydrogen tank 3.
[0096]
If the FC temperature is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts and the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy is equal to or greater than the specified amount, the state of step S603 is maintained and the regeneration operation is continued. Thereafter, as in step S602, when the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy falls below the specified amount, the regeneration operation ends. If the FC temperature falls below the regeneration reference temperature Ts, the regeneration operation is interrupted and the operation returns to the normal operation state. Specifically, as shown in step S604, the on-off valves V1 and V2 are closed.
[0097]
As described above, the fuel cell system 1 of the present embodiment transmits the amount of heat generated by the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 450 to the HH jacket 82 and the OH jacket 81, thereby allowing the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 to operate. Perform warm-up work. Therefore, even if the HH jacket 82 or the OH jacket 81 does not include a hydrogen storage alloy, the warming-up operation of the hydrogen humidifier 72 or the air humidifier 71 can be appropriately performed.
[0098]
Further, in performing the regeneration operation of the hydrogen storage alloy that has stored hydrogen, exhaust heat generated from the fuel cell 10 in the normal operation state is used. Therefore, the hydrogen storage alloy in the warm-up tank 450 can properly perform the regeneration operation by using the exhaust heat of the fuel cell 10. Here, the heat transmitted from the fuel cell 10 to the battery circulation unit 41 is further transmitted from the tank circulation unit 423 to the warm-up tank 450 via a heat exchange medium. Then, the heat can heat the hydrogen storage alloy to release and regenerate hydrogen.
As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and smoothly performing startup at a low temperature.
Further, according to the present embodiment, not only auxiliary equipment such as the hydrogen humidifier 72 and the air humidifier 71 but also the fuel cell 10 can be simultaneously warmed up. Therefore, the warm-up operation can be performed in a well-balanced manner for the entire fuel cell system 1.
[0099]
Other configurations and operational effects are the same as those of the second embodiment.
In this embodiment, the control method can be further changed by changing the switching timing of the on-off valve.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a control flow in a warm-up operation in the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a control flow in a reproduction operation according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a control flow in a warm-up operation in the second embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a control flow in a reproduction operation according to the second embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating a control flow in a warm-up operation according to the third embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a control flow in a reproduction operation according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1. . . Fuel cell system,
10. . . Fuel cell,
3. . . Hydrogen tank,
4. . . Heat medium path,
40. . . pump,
51. . . Bypass channel,
53. . . Main channel,
60. . . Hydrogen pump,
65. . . Warm-up jacket for hydrogen pump (HP jacket),
70. . . Air pump,
71. . . Air humidifier,
72. . . Hydrogen humidifier,
75. . . Warm-up jacket for air pump (OP jacket),
81. . . Warming jacket for air humidifier (OH jacket),
82. . . Warm-up jacket for hydrogen humidifier (HH jacket),
V1 to V3. . . On-off valve,
V4. . . Three-way valve,

Claims

A warm-up jacket for covering a warm-up device that requires a warm-up operation and performing warm-up of the warm-up device,
The warm-up jacket contains a hydrogen storage material that absorbs hydrogen, generates heat, and releases hydrogen to absorb heat.
When performing the warming-up operation, hydrogen is introduced to generate heat in the hydrogen storage material, and the generated heat is transferred to the warming-up device to perform a warming-up operation to warm up the warming-up device.
After the warming-up operation, heat generated in the warming-up device or other heat generating source is transmitted to the warming-up jacket, and a regeneration operation for releasing hydrogen by heating the hydrogen storage material is performed. A warm-up jacket characterized by being made.

2. The warm-up jacket according to claim 1, wherein the hydrogen storage material is made of a hydrogen storage alloy.

A fuel cell system comprising a fuel cell using hydrogen as fuel, a high-pressure hydrogen tank for storing hydrogen, and a warm-up device requiring warm-up work,
The warm-up device is covered by a warm-up jacket containing a hydrogen storage material that absorbs hydrogen, generates heat, and releases and absorbs hydrogen.
The warm-up jacket and the high-pressure hydrogen tank and the warm-up jacket and the fuel cell are connected by hydrogen piping for flowing hydrogen,
The fuel cell system causes the hydrogen storage material in the warm-up jacket to generate heat by flowing hydrogen from the high-pressure hydrogen tank into the warm-up jacket, and transfers the heat to the warm-up device to warm up. Further, when the warm-up device or other components constituting the fuel cell system generate heat, the heat is transferred to the warm-up jacket to regenerate and release the internal hydrogen storage material. A fuel cell system configured to supply hydrogen to the fuel cell.

4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the hydrogen storage material comprises a hydrogen storage alloy.

5. The fuel cell system according to claim 3, wherein the heat generated by the constituent devices is transmitted to the warm-up jacket via a heat exchange medium.

A fuel cell system comprising a fuel cell using hydrogen as fuel, a high-pressure hydrogen tank for storing hydrogen, and a warm-up device requiring warm-up work,
A warm-up jacket that covers the warm-up device and a warm-up tank that contains a hydrogen storage material that absorbs hydrogen and generates heat while releasing hydrogen to absorb heat;
The warm-up jacket, the warm-up tank, and the fuel cell are connected by a heat medium pipe that circulates a heat exchange medium, and are connected so that heat can be transmitted therebetween.
The fuel cell system generates hydrogen from the hydrogen storage material in the warm-up tank by flowing hydrogen from the high-pressure hydrogen tank into the warm-up tank, and transfers the heat to the heat exchange medium flowing through the heat medium pipe and the heat exchange medium. The fuel is transmitted to the warm-up device via the warm-up jacket and warmed up. When the fuel cell generates heat, the heat is transmitted to the warm-up tank via the heat exchange medium flowing through the heat medium pipe. The fuel cell system is characterized in that the internal hydrogen storage material is regenerated by the above operation, and the released hydrogen is supplied to the fuel cell.

7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the hydrogen storage material comprises a hydrogen storage alloy.

A fuel cell vehicle, comprising the fuel cell system according to any one of claims 3 to 7, wherein the fuel cell system is configured to operate a drive motor with electric power supplied from the fuel cell system.