JP2005183043A - Warm-up device of fuel battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a warm-up device of a fuel battery capable of shortening time needed for warm-up of the battery or time needed for discharging hydrogen gas from a hydrogen storage alloy. <P>SOLUTION: The warm-up device of the fuel battery is provided with a fuel cell stack 4 structured of a plurality of cells 41 laminated and a fastening bolt 8 for restraining expansion due to lamination of the plurality of cells 41. The fastening bolt 8 functions as an MH system heater by the hydrogen storage alloy 83 being stored inside its hollow rod-shaped part 81. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池を暖機するための燃料電池の暖機装置に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell warm-up device for warming up a fuel cell.

近年、燃料電池自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池が注目されている。この燃料電池では、カソード側に酸素を含んだ空気を供給するとともにアノード側に水素を供給することで、これらの水素と酸素を反応させて電気を発生させている。   In recent years, fuel cells that are clean and have high energy efficiency have attracted attention as power sources for fuel cell vehicles. In this fuel cell, air containing oxygen is supplied to the cathode side and hydrogen is supplied to the anode side, whereby electricity is generated by reacting these hydrogen and oxygen.

ところで、燃料電池はある温度でその性能を最大に発揮する。例えば、燃料電池自動車のパワープラントとして注目されているプロトン交換膜型燃料電池(PEM型燃料電池〔PEM;Proton Exchange Membrane〕)では、その温度は約80℃であり、温度が低いと発電性能(起電力)が低下する。このため、冬季や寒冷地で燃料電池自動車を起動する場合は、燃料電池を暖機(つまり、所定温度まで燃料電池を加熱・加温)する必要がある。   By the way, the fuel cell exhibits its performance at a certain temperature. For example, a proton exchange membrane fuel cell (PEM fuel cell [PEM: Proton Exchange Membrane]), which is attracting attention as a power plant for fuel cell vehicles, has a temperature of about 80 ° C. Electromotive force) is reduced. For this reason, when starting a fuel cell vehicle in winter or in a cold region, it is necessary to warm up the fuel cell (that is, to heat and warm the fuel cell to a predetermined temperature).

このような問題に対し、従来、燃料電池の暖機を、水素を吸蔵することにより発熱する水素吸蔵合金を有するMH式ヒータで行う技術がある(例えば、特許文献1参照)。具体的に、この技術では、燃料である水素ガスを供給することでMH式ヒータが発熱し、このMH式ヒータからの熱が冷却水を介して燃料電池に伝達されることで燃料電池が暖機される。また、燃料電池の暖機が終わったら、逆に燃料電池からの熱が冷却水を介してMH式ヒータに伝達され、この熱によりMH式ヒータから水素ガスが放出され、燃料電池に戻されるようになっている。そのため、この技術では、無駄なエネルギを消費することなく燃料電池の暖機を行うことが可能となっている。   In order to solve such a problem, conventionally, there is a technique for warming up a fuel cell using an MH type heater having a hydrogen storage alloy that generates heat by storing hydrogen (for example, see Patent Document 1). Specifically, in this technique, the MH heater generates heat by supplying hydrogen gas as fuel, and the fuel cell is warmed by transferring heat from the MH heater to the fuel cell via the cooling water. Be fired. When the fuel cell has been warmed up, the heat from the fuel cell is transmitted to the MH heater via the coolant, and hydrogen gas is released from the MH heater and returned to the fuel cell. It has become. Therefore, with this technology, it is possible to warm up the fuel cell without consuming unnecessary energy.

特開2002−222658号公報(段落0036〜0038、図5)JP 2002-222658 A (paragraphs 0036 to 0038, FIG. 5)

しかしながら、前記した従来の技術では、MH式ヒータからの熱を、冷却水を介して燃料電池に伝達していたので、燃料電池の暖機に時間が掛かるという問題があった。また、MH式ヒータ内の水素ガスを燃料電池に戻す際にも、燃料電池からの熱が冷却水を介してMH式ヒータに伝達されるので、MH式ヒータ内の水素吸蔵合金から水素ガスを全て放出するまでに時間が掛かるという問題があった。   However, in the above-described conventional technology, heat from the MH heater is transmitted to the fuel cell via the cooling water, so that there is a problem that it takes time to warm up the fuel cell. Also, when returning the hydrogen gas in the MH heater to the fuel cell, the heat from the fuel cell is transferred to the MH heater via the cooling water, so that the hydrogen gas is removed from the hydrogen storage alloy in the MH heater. There was a problem that it took time to release all.

そこで、本発明では、燃料電池の暖機に掛かる時間や、水素吸蔵合金からの水素ガスの放出に掛かる時間を短縮することができる燃料電池の暖機装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell warming-up device that can shorten the time taken to warm up the fuel cell and the time taken to release hydrogen gas from the hydrogen storage alloy.

前記課題を解決する本発明のうち請求項1に記載の発明は、複数のセルが積層されて構成される燃料電池スタックと、水素を吸蔵することで発熱し、かつ周囲の熱を吸収することで水素を放出する水素吸蔵合金を有し、前記燃料電池スタックの暖機時に前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることで、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱によって前記燃料電池スタックを加熱する燃料電池の暖機装置であって、前記複数のセルの積層による広がりを抑制するための保持部材の少なくとも一部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention that solves the above-mentioned problems is a fuel cell stack configured by stacking a plurality of cells, and generates heat by absorbing hydrogen and absorbs ambient heat. A fuel cell that has a hydrogen storage alloy that releases hydrogen at a temperature and heats the fuel cell stack by the hydrogen storage heat of the hydrogen storage alloy by allowing the hydrogen storage alloy to store hydrogen when the fuel cell stack is warmed up The warming-up device is characterized in that the hydrogen storage alloy is accommodated in at least a part of a holding member for suppressing spread due to the stacking of the plurality of cells.

請求項1に記載の発明によれば、複数のセルの積層による広がりを抑制するための保持部材の少なくとも一部に水素吸蔵合金が収容されるので、この水素吸蔵合金で燃料電池スタックを直接加熱することができるとともに、燃料電池スタックで水素吸蔵合金を直接加熱することができる。また、保持部材の少なくとも一部に水素吸蔵合金を収容することで、その部分がMH式ヒータとなるので、MH式ヒータを別途設ける必要がなくなり、その分コストを下げることができる。   According to the first aspect of the present invention, since the hydrogen storage alloy is accommodated in at least a part of the holding member for suppressing the spread due to the stacking of the plurality of cells, the fuel cell stack is directly heated by the hydrogen storage alloy. In addition, the hydrogen storage alloy can be directly heated by the fuel cell stack. Further, by accommodating the hydrogen storage alloy in at least a part of the holding member, the part becomes an MH type heater, so that it is not necessary to separately provide the MH type heater, and the cost can be reduced accordingly.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池の暖機装置であって、前記保持部材は、前記複数のセルを貫通する締付ボルトであり、前記締付ボルトの棒状部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the warm-up device for the fuel cell according to claim 1, wherein the holding member is a fastening bolt that penetrates the plurality of cells, and a rod-like portion of the fastening bolt. Further, the hydrogen storage alloy is accommodated.

請求項2に記載の発明によれば、複数のセルを貫通する締付ボルトの棒状部に水素吸蔵合金が収容されるので、この水素吸蔵合金で全てのセルを均等に加熱することができるとともに、全てのセルで棒状部内の水素吸蔵合金全体を加熱することができる。   According to the second aspect of the present invention, since the hydrogen storage alloy is accommodated in the rod-shaped portion of the fastening bolt that penetrates the plurality of cells, all the cells can be uniformly heated with the hydrogen storage alloy. In all the cells, the entire hydrogen storage alloy in the rod-shaped portion can be heated.

請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池の暖機装置であって、前記保持部材は、前記燃料電池スタックを囲うように形成される電池ケースであり、前記電池ケースを構成する壁部のうち前記複数のセルの積層方向に延在する延在壁部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする。   A third aspect of the present invention is the fuel cell warm-up device according to the first aspect, wherein the holding member is a battery case formed so as to surround the fuel cell stack. The hydrogen storage alloy is accommodated in an extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells among the constituting wall portions.

請求項3に記載の発明によれば、複数のセルの積層方向に延在する延在壁部に水素吸蔵合金が収容されるので、この水素吸蔵合金で全てのセルを均等に加熱することができるとともに、全てのセルで延在壁部内の水素吸蔵合金全体を加熱することができる。   According to the invention described in claim 3, since the hydrogen storage alloy is accommodated in the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells, it is possible to uniformly heat all the cells with this hydrogen storage alloy. In addition, all the cells can heat the entire hydrogen storage alloy in the extending wall portion.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池の暖機装置であって、前記電池ケースを構成する壁部のうち前記燃料電池スタックの両端部のセルの外側に位置する端壁部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする。   A fourth aspect of the present invention is the fuel cell warm-up device according to the third aspect, wherein the ends of the wall portions constituting the battery case are located outside the cells at both ends of the fuel cell stack. The hydrogen storage alloy is accommodated in the wall portion.

請求項4に記載の発明によれば、燃料電池スタックの両端部のセルの外側に位置する端壁部に水素吸蔵合金が収容されるので、燃料電池スタックの両端部のセルを積極的に加熱することができる。これにより、例えば今まで稼動していた燃料電池スタックを停止させることで燃料電池スタックがその両端部から冷やされていくような場合であっても、再起動の際に燃料電池スタックのうち最も温度が下がっている両端部のセルが集中的に加熱されるので、燃料電池スタックを効率良く加熱することが可能となる。   According to the invention of claim 4, since the hydrogen storage alloy is accommodated in the end wall portions located outside the cells at both ends of the fuel cell stack, the cells at both ends of the fuel cell stack are actively heated. can do. As a result, for example, even when the fuel cell stack is cooled from both ends by stopping the fuel cell stack that has been operating until now, the temperature of the fuel cell stack at the time of restart is the highest. Since the cells at both end portions where the temperature is lowered are intensively heated, the fuel cell stack can be efficiently heated.

請求項1に記載の発明によれば、水素吸蔵合金が収容される部分と燃料電池スタックとが冷却水を介さずに直接熱のやり取りを行うことになるので、燃料電池の暖機に掛かる時間や、水素吸蔵合金からの水素ガスの放出に掛かる時間を短縮することができる。また、保持部材の少なくとも一部に水素吸蔵合金を収容することで、その部分がMH式ヒータとなるので、MH式ヒータを別途設ける必要がなくなり、その分コストを下げることができる。   According to the first aspect of the present invention, since the portion in which the hydrogen storage alloy is accommodated and the fuel cell stack exchange heat directly without passing through the cooling water, the time required for warming up the fuel cell. In addition, the time required for releasing hydrogen gas from the hydrogen storage alloy can be shortened. Further, by accommodating the hydrogen storage alloy in at least a part of the holding member, the part becomes an MH type heater, so that it is not necessary to separately provide the MH type heater, and the cost can be reduced accordingly.

請求項2に記載の発明によれば、複数のセルを貫通する締付ボルトの棒状部に水素吸蔵合金が収容されるので、この水素吸蔵合金で全てのセルを均等に加熱することができるとともに、全てのセルで棒状部内の水素吸蔵合金全体を加熱することができる。   According to the second aspect of the present invention, since the hydrogen storage alloy is accommodated in the rod-shaped portion of the fastening bolt that penetrates the plurality of cells, all the cells can be uniformly heated with the hydrogen storage alloy. In all the cells, the entire hydrogen storage alloy in the rod-shaped portion can be heated.

請求項3に記載の発明によれば、複数のセルの積層方向に延在する延在壁部に水素吸蔵合金が収容されるので、この水素吸蔵合金で全てのセルを均等に加熱することができるとともに、全てのセルで延在壁部内の水素吸蔵合金全体を加熱することができる。   According to the invention described in claim 3, since the hydrogen storage alloy is accommodated in the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells, it is possible to uniformly heat all the cells with this hydrogen storage alloy. In addition, all the cells can heat the entire hydrogen storage alloy in the extending wall portion.

請求項4に記載の発明によれば、電池ケースの端壁部に水素吸蔵合金が収容されるので、例えば今まで稼動していた燃料電池スタックを停止させることで燃料電池スタックがその両端部から冷やされていくような場合であっても、再起動の際に燃料電池スタックのうち最も温度が下がっている両端部のセルを集中的に加熱して、燃料電池スタック全体を効率良く加熱することが可能となる。   According to the invention described in claim 4, since the hydrogen storage alloy is accommodated in the end wall portion of the battery case, for example, the fuel cell stack is moved from both ends thereof by stopping the fuel cell stack that has been operated so far. Even in the case of being cooled, the cells at both ends of the fuel cell stack where the temperature is the lowest are concentratedly heated at the time of restart to efficiently heat the entire fuel cell stack. Is possible.

〔第1の実施形態〕
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図1は第1の実施形態に係る燃料電池の暖機装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図であり、図2は燃料電池の暖機装置を構成する燃料電池スタックと締付ボルトを示す斜視図(a)と、(a)の燃料電池スタックを分解した状態を示す分解斜視図(b)である。また、図3は燃料電池スタックと締付ボルトの詳細を示す断面図である。
[First Embodiment]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a plan view showing a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell warm-up device according to the first embodiment, and FIG. 2 shows a fuel cell stack constituting the fuel cell warm-up device. They are a perspective view (a) which shows a bolt, and an exploded perspective view (b) which shows the state where the fuel cell stack of (a) was disassembled. FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of the fuel cell stack and the fastening bolts.

図1に示すように、燃料電池自動車1には、その略中央部の床下に、燃料電池システムボックス2が配設されている。この燃料電池システムボックス2の内部には、燃料電池システム、すなわち温調器3、燃料電池スタック4、加湿器5などが適所に配設されている。なお、燃料電池システムは、前記機器3〜5の他に、図4に示す冷却装置CMおよび高圧水素容器6や、燃料電池スタック4へ空気を供給する図示せぬコンプレッサなども備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell vehicle 1 is provided with a fuel cell system box 2 under the floor at a substantially central portion thereof. Inside the fuel cell system box 2, a fuel cell system, that is, a temperature controller 3, a fuel cell stack 4, a humidifier 5 and the like are arranged at appropriate positions. The fuel cell system includes a cooling device CM and a high-pressure hydrogen container 6 shown in FIG. 4 and a compressor (not shown) for supplying air to the fuel cell stack 4 in addition to the devices 3 to 5.

図2(a)に示すように、燃料電池スタック4は、複数のセル41が積層されて構成されている。なお、図2においては、便宜上、燃料電池スタック4の構造(例えば、各セル41の構造など)を簡易化して示しているが、具体的に、燃料電池スタック4の構造は図3に示すような構造となっている。   As shown in FIG. 2A, the fuel cell stack 4 is configured by stacking a plurality of cells 41. In FIG. 2, for convenience, the structure of the fuel cell stack 4 (for example, the structure of each cell 41) is shown in a simplified manner. Specifically, the structure of the fuel cell stack 4 is as shown in FIG. It has a simple structure.

図3に示すように、セル41は、主に膜電極構造体(Membrane Electrode Assembly)MEAからなり、この膜電極構造体MEAは、固体高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane)PEMと、この固体高分子電解質膜PEMを挟んで配設されるアノード側電極41aおよびカソード側電極41bとから構成されている。また、セル41は、良好な導電性を有する金属やカーボン製のセパレータ42により挟持されている。さらに、固体高分子電解質膜PEMのうちアノード側電極41aおよびカソード側電極41bから突出した部分と、その両側にあるセパレータ42との間には、水素ガスまたは空気の外部への流出を防止するためのシール部材43が設けられている。また、セル41の適所には、図2(b)に示すように、後記する締付ボルト8を挿通させるための挿通孔41cが形成されている。   As shown in FIG. 3, the cell 41 is mainly composed of a membrane electrode assembly MEA. The membrane electrode structure MEA includes a polymer electrolyte membrane PEM and a solid electrode. It is composed of an anode side electrode 41a and a cathode side electrode 41b arranged with a molecular electrolyte membrane PEM interposed therebetween. The cell 41 is sandwiched between separators 42 made of metal or carbon having good conductivity. Further, in order to prevent hydrogen gas or air from flowing out between the portions of the solid polymer electrolyte membrane PEM protruding from the anode side electrode 41a and the cathode side electrode 41b and the separators 42 on both sides thereof. The sealing member 43 is provided. Further, as shown in FIG. 2B, an insertion hole 41c is formed at an appropriate position of the cell 41 for inserting a tightening bolt 8 described later.

また、図2(a)および(b)に示すように、燃料電池スタック4は、その両端部に配設される保持板7を締付ボルト8で締め付けることによって固定されるようになっている。すなわち、保持部材である保持板7と締付ボルト8によって、複数のセル41の積層による広がりが抑制されている。ちなみに、本実施形態に係る燃料電池の暖機装置は、燃料電池スタック4と、締付ボルト8とで主に構成されることとなる。   Further, as shown in FIGS. 2A and 2B, the fuel cell stack 4 is fixed by fastening the holding plates 7 disposed at both ends thereof with fastening bolts 8. . That is, the spread due to the stacking of the plurality of cells 41 is suppressed by the holding plate 7 and the fastening bolt 8 that are holding members. Incidentally, the fuel cell warm-up device according to the present embodiment is mainly composed of the fuel cell stack 4 and the fastening bolts 8.

保持板7は、各セル41よりも大きく形成された板体であり、その適所には、締付ボルト8を挿通させるための挿通孔7aが形成されている。締付ボルト8は、複数のセル41を貫通できる長さで形成される棒状部81と、スパナやレンチなどの工具を係合させるための頭部82とで主に構成されている。棒状部81には、その先端部にナットNを螺合させるための雄ねじ部81aが形成されている。   The holding plate 7 is a plate body that is formed larger than each cell 41, and an insertion hole 7 a for inserting the fastening bolt 8 is formed at an appropriate position. The fastening bolt 8 is mainly composed of a rod-like portion 81 formed with a length that can penetrate the plurality of cells 41 and a head portion 82 for engaging a tool such as a spanner or a wrench. The rod-like portion 81 is formed with a male screw portion 81a for screwing the nut N into the tip portion.

また、この棒状部81は、図3に示すように、内部に空間Aを有する中空の円柱状に形成されており、その内部には、粉末状の水素吸蔵合金83が収容されている。なお、空間Aは、積層された複数のセル41の一端側から他端側にかけて形成されるとともに、水素吸蔵合金83も、積層された複数のセル41の一端側から他端側にかけて詰め込まれている。すなわち、水素吸蔵合金83は、棒状部81を介して全てのセル41と熱のやり取りを行うことが可能となっている。   Further, as shown in FIG. 3, the rod-like portion 81 is formed in a hollow cylindrical shape having a space A therein, and a powdered hydrogen storage alloy 83 is accommodated therein. The space A is formed from one end side to the other end side of the plurality of stacked cells 41, and the hydrogen storage alloy 83 is also packed from one end side to the other end side of the plurality of stacked cells 41. Yes. That is, the hydrogen storage alloy 83 can exchange heat with all the cells 41 via the rod-shaped portion 81.

水素吸蔵合金83は、水素ガスを吸蔵することで発熱し、かつ周囲の熱を吸収することで水素ガスを放出する性質を有している。なお、このような水素吸蔵合金83としては、例えば以下のようなものを使用することができる。
AB2型合金(ラーベス相合金);TiCr2、(Zr,Ti)(Ni,Mn,V,Fe)2・・AB5型合金;LaNi5、MnNi5・・BCC系合金;Ti−V−Cr、Ti−V−Mn・・その他;Mg系合金
The hydrogen storage alloy 83 has a property of generating heat by storing hydrogen gas and releasing hydrogen gas by absorbing ambient heat. In addition, as such a hydrogen storage alloy 83, the following can be used, for example.
AB 2 type alloy (Laves phase alloys); TiCr 2, (Zr, Ti) (Ni, Mn, V, Fe) 2 ·· AB 5 type alloys; LaNi 5, MnNi 5 ·· BCC alloys; Ti-V- Cr, Ti-V-Mn, etc .; Mg-based alloy

そして、前記したように棒状部81が構成されることにより、この棒状部81は、MH式ヒータとして機能することとなる。言い換えると、棒状部81は、水素吸蔵合金83とこの水素吸蔵合金83を収容する収容容器からなるMH式ヒータで構成されることとなる。また、頭部82には、棒状部81の内部と後記する吸蔵放出用配管P2内とに連通する連通孔82aが形成されている。   And as above-mentioned, the rod-shaped part 81 is comprised, This rod-shaped part 81 will function as a MH type heater. In other words, the rod-like portion 81 is constituted by a MH heater composed of a hydrogen storage alloy 83 and a storage container for storing the hydrogen storage alloy 83. The head 82 is formed with a communication hole 82a that communicates with the inside of the rod-shaped portion 81 and the inside of the occlusion / discharge pipe P2 described later.

続いて、前記した燃料電池スタック4および締付ボルト8を備えた燃料電池システムについて、図4を参照して説明する。参照する図面において、図4は燃料電池スタックおよび締付ボルトを備えた燃料電池システムを示す構成図である。   Next, a fuel cell system including the fuel cell stack 4 and the fastening bolts 8 will be described with reference to FIG. In the drawings to be referred to, FIG. 4 is a configuration diagram showing a fuel cell system including a fuel cell stack and a fastening bolt.

図4に示すように、燃料電池システムは、前記した燃料電池スタック4および締付ボルト8の組を二組備える他、高圧水素容器6、水素供給配管P1、吸蔵放出用配管P2および冷却装置CMを主に備えている。高圧水素容器6は、燃料電池スタック4の燃料となる水素ガスを貯蔵しておくための容器である。なお、図4においては、便宜上、水素ガスを加湿するための加湿器、排出した水素ガスを再度燃料電池スタック4に戻すための循環用配管、空気を供給するためのコンプレッサなどを省略するとともに、締付ボルト8の形状などは簡略化して示している。   As shown in FIG. 4, the fuel cell system includes two sets of the fuel cell stack 4 and the clamping bolt 8 described above, a high-pressure hydrogen container 6, a hydrogen supply pipe P1, an occlusion discharge pipe P2, and a cooling device CM. It is mainly equipped with. The high-pressure hydrogen container 6 is a container for storing hydrogen gas that becomes fuel of the fuel cell stack 4. In FIG. 4, for the sake of convenience, a humidifier for humidifying the hydrogen gas, a circulation pipe for returning the discharged hydrogen gas to the fuel cell stack 4 again, a compressor for supplying air, and the like are omitted. The shape of the fastening bolt 8 is shown in a simplified manner.

水素供給配管P1は、高圧水素容器6から燃料電池スタック4に設けられた水素ガスや空気の供給量を調整するためのガス供給量調整部GAへ水素ガスを導くための管である。この水素供給配管P1には、高圧水素容器6側から順に一次レギュレータR1、二次レギュレータR2が設けられている。   The hydrogen supply pipe P <b> 1 is a pipe for introducing hydrogen gas from the high-pressure hydrogen container 6 to the gas supply amount adjustment unit GA for adjusting the supply amount of hydrogen gas and air provided in the fuel cell stack 4. The hydrogen supply pipe P1 is provided with a primary regulator R1 and a secondary regulator R2 in order from the high-pressure hydrogen container 6 side.

一次レギュレータR1および二次レギュレータR2は、上流側から供給されてくる水素ガスの圧力を減圧させるための減圧弁である。そのため、高圧水素容器6から燃料電池スタック4までの圧力関係は、高圧水素容器6から一次レギュレータR1までが最も高く、その次に一次レギュレータR1から二次レギュレータR2までが高く、二次レギュレータR2からガス供給量調整部GAまでが最も低いといった関係になっている。なお、以下の説明においては、便宜上、高圧水素容器6と一次レギュレータR1の間のラインを高圧ラインHL、一次レギュレータR1と二次レギュレータR2の間のラインを中圧ラインML、二次レギュレータR2とガス供給量調整部GAの間のラインを低圧ラインLLと呼ぶこととする。   The primary regulator R1 and the secondary regulator R2 are pressure reducing valves for reducing the pressure of the hydrogen gas supplied from the upstream side. Therefore, the pressure relationship from the high pressure hydrogen container 6 to the fuel cell stack 4 is highest from the high pressure hydrogen container 6 to the primary regulator R1, and then from the primary regulator R1 to the secondary regulator R2, and from the secondary regulator R2. The relationship is such that the gas supply amount adjustment unit GA is the lowest. In the following description, for the sake of convenience, the line between the high-pressure hydrogen container 6 and the primary regulator R1 is the high-pressure line HL, the line between the primary regulator R1 and the secondary regulator R2 is the medium-pressure line ML, and the secondary regulator R2. A line between the gas supply amount adjustment units GA is referred to as a low pressure line LL.

吸蔵放出用配管P2は、中圧ラインMLと前記した締付ボルト8の内部とに連通する管である。この吸蔵放出用配管P2には、中圧ラインML側から順に吸蔵放出用バルブV、圧力センサPSが設けられている。吸蔵放出用バルブVは、図示せぬ制御装置によって開閉されることで吸蔵放出用配管P2の連通状態を切り替えるものである。また、圧力センサPSは、締付ボルト8内の圧力を検出するセンサであり、吸蔵放出用バルブVと締付ボルト8の間の適所に配設されている。   The occlusion / discharge pipe P2 is a pipe that communicates with the intermediate pressure line ML and the inside of the tightening bolt 8 described above. The occlusion / discharge pipe P2 is provided with an occlusion / discharge valve V and a pressure sensor PS in this order from the intermediate pressure line ML side. The occlusion discharge valve V is opened and closed by a control device (not shown) to switch the communication state of the occlusion discharge pipe P2. The pressure sensor PS is a sensor that detects the pressure in the tightening bolt 8, and is disposed at an appropriate position between the occlusion discharge valve V and the tightening bolt 8.

冷却装置CMは、燃料電池スタック4を冷却させるための装置であり、主に、冷却水が通流する冷却水用配管C1と、この冷却水用配管C1の適所に配設されるラジエータC2および循環ポンプC3とで構成されている。冷却水用配管C1は、燃料電池スタック4の適所に接続されており、これにより、この冷却水用配管C1から燃料電池スタック4の各セル41(図2参照)へ冷却水が供給されるとともに、各セル41を流れた冷却水が冷却水用配管C1に戻るようになっている。また、この冷却水用配管C1のうち燃料電池スタック4の冷却水の出口側近傍には、燃料電池スタック4の温度を検出するための温度センサTSが設けられている。   The cooling device CM is a device for cooling the fuel cell stack 4, and mainly includes a cooling water pipe C1 through which the cooling water flows, and a radiator C2 disposed at an appropriate position of the cooling water pipe C1. It is comprised with the circulation pump C3. The cooling water pipe C1 is connected to an appropriate position of the fuel cell stack 4, whereby the cooling water is supplied from the cooling water pipe C1 to each cell 41 (see FIG. 2) of the fuel cell stack 4. The cooling water flowing through each cell 41 is returned to the cooling water pipe C1. Further, a temperature sensor TS for detecting the temperature of the fuel cell stack 4 is provided in the vicinity of the cooling water outlet side of the fuel cell stack 4 in the cooling water pipe C1.

ラジエータC2は、図示せぬファンを回転させることによって冷却水用配管C1を流れる冷却水を冷却するものである。また、循環ポンプC3は、燃料電池スタック4の各セル41と冷却水用配管C1とで構成される循環流路(閉じた流路)において冷却水を循環させるためのものである。   The radiator C2 cools the cooling water flowing through the cooling water pipe C1 by rotating a fan (not shown). The circulation pump C3 is for circulating cooling water in a circulation flow path (closed flow path) constituted by each cell 41 of the fuel cell stack 4 and the cooling water pipe C1.

次に、燃料電池スタック4の暖機方法について、図5および図6を参照して説明する。
参照する図面において、図5は燃料電池スタックの暖機方法を示す構成図であり、図6は水素吸蔵合金に吸蔵させた水素ガスを放出する方法を示す構成図である。なお、図5で示す暖機方法においては、締付ボルト8内の水素吸蔵合金83(図3参照)は水素ガスを吸蔵していない状態であり、また、冷却装置CMは起動していない状態となっている。
Next, a method for warming up the fuel cell stack 4 will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
In the drawings to be referred to, FIG. 5 is a block diagram showing a method for warming up a fuel cell stack, and FIG. 6 is a block diagram showing a method for releasing hydrogen gas stored in a hydrogen storage alloy. In the warm-up method shown in FIG. 5, the hydrogen storage alloy 83 (see FIG. 3) in the tightening bolt 8 is not storing hydrogen gas, and the cooling device CM is not activated. It has become.

図5に示すように、燃料電池スタック4を起動させると、まず、温度センサTSにより燃料電池スタック4の温度が検出され、その検出信号が図示せぬ制御装置に出力される。この制御装置では、温度センサTSからの検出信号に基づいて燃料電池スタック4を暖機(加温)する必要があるか否かを判断する。   As shown in FIG. 5, when the fuel cell stack 4 is started, first, the temperature of the fuel cell stack 4 is detected by the temperature sensor TS, and the detection signal is output to a control device (not shown). In this control device, it is determined whether or not the fuel cell stack 4 needs to be warmed up (warmed) based on a detection signal from the temperature sensor TS.

そして、前記制御装置は、燃料電池スタック4の暖機が必要であると判断した場合に、吸蔵放出用バルブVを開放させる。このように吸蔵放出用バルブVが開放されると、高圧水素容器6から一次レギュレータR1を介して中圧の水素ガスが四つの締付ボルト8内に供給されることとなる。このように中圧の水素ガスが締付ボルト8内に供給されると、その内部に設けられた水素吸蔵合金83(図3参照)が水素ガスの吸蔵に伴って発熱することとなる。これにより、図3に示すように、全てのセル41がその中心側から水素吸蔵合金83によって直接暖められていくこととなる。   When the control device determines that the fuel cell stack 4 needs to be warmed up, it opens the storage / release valve V. When the occlusion / discharge valve V is thus opened, medium-pressure hydrogen gas is supplied from the high-pressure hydrogen container 6 into the four clamping bolts 8 via the primary regulator R1. When medium-pressure hydrogen gas is supplied into the clamping bolt 8 in this way, the hydrogen storage alloy 83 (see FIG. 3) provided therein generates heat as the hydrogen gas is stored. Thereby, as shown in FIG. 3, all the cells 41 are directly warmed by the hydrogen storage alloy 83 from the center side.

そして、燃料電池スタック4が暖機されたと温度センサTSからの検出信号に基づいて前記制御装置が判断すると、この制御装置は、吸蔵放出用バルブVを閉めるとともに、冷却装置CMを起動させ、通常のモードで燃料電池スタック4を稼動させる。このように燃料電池スタック4が通常のモードで稼動されると、各セル41(図3参照)が電気化学反応に伴って発熱することとなる。これにより、図3に示すように、締付ボルト8が外側全体から各セル41によって直接加熱されることとなる。   When the control device determines that the fuel cell stack 4 has been warmed up based on a detection signal from the temperature sensor TS, the control device closes the occlusion / discharge valve V and activates the cooling device CM. The fuel cell stack 4 is operated in the mode. As described above, when the fuel cell stack 4 is operated in the normal mode, each cell 41 (see FIG. 3) generates heat along with the electrochemical reaction. Thereby, as shown in FIG. 3, the fastening bolt 8 is directly heated by each cell 41 from the whole outside.

このように締付ボルト8が加熱されると、その内部の水素吸蔵合金83から水素ガスが放出されることとなり、これによって、締付ボルト8内の圧力が上がっていく。そして、図6に示すように、締付ボルト8内の圧力が中圧ラインMLの圧力よりも高くなったと圧力センサPSからの検出信号に基づいて前記制御装置が判断すると、この制御装置は、吸蔵放出用バルブVを開放させる。このように吸蔵放出用バルブVが開放されると、締付ボルト8内の水素ガスが、中圧ラインML、二次レギュレータR2、低圧ラインLLおよびガス供給量調整部GAを介して燃料電池スタック4に供給されることとなる。   When the clamping bolt 8 is heated in this way, hydrogen gas is released from the hydrogen storage alloy 83 inside the clamping bolt 8, thereby increasing the pressure in the clamping bolt 8. Then, as shown in FIG. 6, when the control device determines that the pressure in the tightening bolt 8 is higher than the pressure in the intermediate pressure line ML based on the detection signal from the pressure sensor PS, the control device The occlusion discharge valve V is opened. When the occlusion / discharge valve V is thus opened, the hydrogen gas in the clamping bolt 8 is transferred to the fuel cell stack via the intermediate pressure line ML, the secondary regulator R2, the low pressure line LL, and the gas supply amount adjusting unit GA. 4 will be supplied.

以上によれば、第1の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
(1)締付ボルト8内の水素吸蔵合金83と、燃料電池スタック4とが冷却水を介さずに直接熱のやり取りを行うことになるので、燃料電池スタック4の暖機に掛かる時間や、締付ボルト8内の水素吸蔵合金83からの水素ガスの放出に掛かる時間を短縮することができる。
According to the above, the following effects can be obtained in the first embodiment.
(1) Since the hydrogen storage alloy 83 in the tightening bolt 8 and the fuel cell stack 4 directly exchange heat without passing through the cooling water, the time required for warming up the fuel cell stack 4, The time required for releasing hydrogen gas from the hydrogen storage alloy 83 in the fastening bolt 8 can be shortened.

(2)締付ボルト8の棒状部81をMH式ヒータとして機能させることにより、MH式ヒータを別途設ける必要がなくなるので、部品点数を減少させ、その分コストを下げることができる。
(3)複数のセル41を貫通する締付ボルト8の棒状部81がMH式ヒータとして機能するので、全てのセル41を均等に加熱することができるとともに、全てのセル41で棒状部81全体を加熱することができる。
(2) By causing the rod-like portion 81 of the tightening bolt 8 to function as an MH heater, there is no need to separately provide an MH heater, so the number of parts can be reduced and the cost can be reduced accordingly.
(3) Since the rod-shaped portion 81 of the fastening bolt 8 that penetrates the plurality of cells 41 functions as an MH heater, all the cells 41 can be heated evenly, and the entire rod-shaped portion 81 is composed of all the cells 41. Can be heated.

(4)従来のように別途設けたMH式ヒータに冷却水用の配管を取り回す必要がなくなるので、冷却水の圧力損失を少なくすることできる。
(5)従来において別途設けていたMH式ヒータ分のスペースがいらなくなるので、その分システムを小型化することができる。
(4) Since there is no need to route a cooling water pipe to an MH heater separately provided as in the prior art, the pressure loss of the cooling water can be reduced.
(5) Since the space for the MH heater that has been separately provided in the prior art is not required, the system can be reduced in size accordingly.

以上、本発明は、第1の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第1の実施形態では、水素吸蔵合金83から放出させた水素ガスを中圧ラインMLに戻すようにしているが、本発明はこれに限定されず、低圧ラインLLに戻すようにしてもよい。ただし、この場合は、戻した水素ガスが外乱とならないように遮断弁や絞りを適宜設ける必要があるので、本実施形態のように中圧ラインMLに戻す構造とした方がコストを低くすることができる。
As described above, the present invention is not limited to the first embodiment and can be implemented in various forms.
In the first embodiment, the hydrogen gas released from the hydrogen storage alloy 83 is returned to the intermediate pressure line ML, but the present invention is not limited to this and may be returned to the low pressure line LL. However, in this case, since it is necessary to appropriately provide a shut-off valve and a throttle so that the returned hydrogen gas does not become a disturbance, it is possible to lower the cost if the structure is returned to the intermediate pressure line ML as in this embodiment. Can do.

第1の実施形態では、締付ボルト8の棒状部81のみに水素吸蔵合金83を収容したが、本発明はこれに限定されず、締付ボルト8の頭部82や保持板7に水素吸蔵合金83を収容してもよい。   In the first embodiment, the hydrogen storage alloy 83 is accommodated only in the rod-shaped portion 81 of the clamping bolt 8. However, the present invention is not limited to this, and the hydrogen storage alloy is stored in the head 82 and the holding plate 7 of the clamping bolt 8. The alloy 83 may be accommodated.

〔第2の実施形態〕
以下に、本発明の第2の実施形態について説明する。この実施形態は第1の実施形態の保持部材(保持板7、締付ボルト8)を変更したものなので、第1の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。また、燃料電池の暖機方法についても第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。参照する図面において、図7は第2の実施形態に係る電池ケースを示す分解斜視図であり、図8は燃料電池スタックを収容した電池ケースが備えられた燃料電池システムを示す構成図である。
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention will be described below. Since this embodiment is obtained by changing the holding member (holding plate 7 and tightening bolt 8) of the first embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. To do. Further, the method for warming up the fuel cell is the same as that in the first embodiment, and the description thereof is omitted. In the drawings to be referred to, FIG. 7 is an exploded perspective view showing a battery case according to the second embodiment, and FIG. 8 is a configuration diagram showing a fuel cell system provided with a battery case containing a fuel cell stack.

図7に示すように、燃料電池スタック4は、箱状の電池ケース(保持部材)9内に収容されている。電池ケース9は、複数のセル41の積層による広がりを抑制するものであり、主に、一対の側壁部91と、一対の端壁部92と、一対の上壁部93および底壁部94とで構成されている。なお、本実施形態においては、側壁部91、上壁部93および底壁部94の延在壁部のうち側壁部91のみをMH式ヒータで構成している。   As shown in FIG. 7, the fuel cell stack 4 is accommodated in a box-shaped battery case (holding member) 9. The battery case 9 suppresses the spread due to the stacking of the plurality of cells 41. The battery case 9 mainly includes a pair of side wall portions 91, a pair of end wall portions 92, a pair of upper wall portions 93, and a bottom wall portion 94. It consists of In the present embodiment, only the side wall portion 91 of the extending wall portions of the side wall portion 91, the upper wall portion 93, and the bottom wall portion 94 is composed of an MH heater.

側壁部91は、中空の直方体状に形成されており、その内部には、前記した水素吸蔵合金83が詰め込まれている。また、この側壁部91の適所には、前記した吸蔵放出用配管P2内と側壁部91内とに連通する連通孔91aが形成されている。端壁部92は、燃料電池スタック4における両端部のセル41の外側に位置しており、一対の側壁部91の端部に挟まれつつ接合されることで、複数のセル41の積層による広がりの抑制に寄与するようになっている。そして、このように接合された側壁部91および端壁部92の上側および下側に、上壁部93および底壁部94を接合させることで、燃料電池スタック4が電池ケース9内に収容されることとなる。   The side wall portion 91 is formed in a hollow rectangular parallelepiped shape, and the above-described hydrogen storage alloy 83 is packed therein. In addition, a communication hole 91 a that communicates with the inside of the occlusion discharge pipe P <b> 2 and the inside of the side wall 91 is formed at an appropriate position of the side wall 91. The end wall portions 92 are located outside the cells 41 at both ends of the fuel cell stack 4, and are joined while being sandwiched between the end portions of the pair of side wall portions 91, so that the plurality of cells 41 are spread. It has come to contribute to the suppression of. The fuel cell stack 4 is accommodated in the battery case 9 by joining the upper wall part 93 and the bottom wall part 94 to the upper side and the lower side of the side wall part 91 and the end wall part 92 joined in this way. The Rukoto.

このように燃料電池スタック4を収容した電池ケース9は、図8に示すように、燃料電池システム内において二つ設けられ、これら二つの電池ケース9は、その側壁部91同士が接触するように並列に配設される。なお、この図8における燃料電池システムは、第1の実施形態に比べてガス供給量調整部GAの位置が異なるだけで、その他の構造は同様となっている。   As shown in FIG. 8, two battery cases 9 containing the fuel cell stack 4 are provided in the fuel cell system, and the two battery cases 9 are arranged so that the side walls 91 are in contact with each other. Arranged in parallel. Note that the fuel cell system in FIG. 8 is the same in other structures except that the position of the gas supply amount adjustment unit GA is different from that in the first embodiment.

以上によれば、第2の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
複数のセル41の積層方向に延在する延在壁部としての側壁部91がMH式ヒータで構成されるので、側壁部91内の水素吸蔵合金83で全てのセル41を均等に加熱することができるとともに、全てのセル41で水素吸蔵合金83全体を加熱することができる。
According to the above, the following effects can be obtained in the second embodiment.
Since the side wall portion 91 as the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells 41 is configured by the MH heater, all the cells 41 are heated evenly by the hydrogen storage alloy 83 in the side wall portion 91. In addition, all the cells 41 can heat the entire hydrogen storage alloy 83.

以上、本発明は、第2の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第2の実施形態では、側壁部91のみに水素吸蔵合金83を収容したが、本発明はこれに限定されず、端壁部92、上壁部93または底壁部94に水素吸蔵合金83を収容してもよい。特に、端壁部92に水素吸蔵合金83を収容した場合は、例えば今まで稼動していた燃料電池スタック4を停止させることで燃料電池スタック4がその両端部から冷やされていくような場合であっても、再起動の際に燃料電池スタック4のうち最も温度が下がっている両端部のセル41を集中的に加熱するので、燃料電池スタック4全体を効率良く加熱することが可能となる。
As described above, the present invention is not limited to the second embodiment and can be implemented in various forms.
In the second embodiment, the hydrogen storage alloy 83 is accommodated only in the side wall portion 91, but the present invention is not limited to this, and the hydrogen storage alloy 83 is provided in the end wall portion 92, the upper wall portion 93, or the bottom wall portion 94. It may be accommodated. In particular, when the hydrogen storage alloy 83 is accommodated in the end wall portion 92, for example, when the fuel cell stack 4 that has been operated so far is stopped, the fuel cell stack 4 is cooled from both ends thereof. Even when the fuel cell stack 4 is restarted, the cells 41 at both ends of the fuel cell stack 4 where the temperature is the lowest are intensively heated, so that the entire fuel cell stack 4 can be efficiently heated.

第1の実施形態に係る燃料電池の暖機装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図である。It is a top view which shows the fuel cell vehicle provided with the warming-up apparatus of the fuel cell which concerns on 1st Embodiment. 燃料電池の暖機装置を構成する燃料電池スタックと締付ボルトを示す斜視図(a)と、(a)の燃料電池スタックを分解した状態を示す分解斜視図(b)である。FIG. 2 is a perspective view (a) showing a fuel cell stack and fastening bolts constituting a warm-up device for a fuel cell, and an exploded perspective view (b) showing a state in which the fuel cell stack of (a) is disassembled. 燃料電池スタックと締付ボルトの詳細を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the detail of a fuel cell stack and a fastening bolt. 燃料電池スタックおよび締付ボルトを備えた燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system provided with the fuel cell stack and the fastening bolt. 燃料電池スタックの暖機方法を示す構成図である。It is a block diagram which shows the warming-up method of a fuel cell stack. 水素吸蔵合金に吸蔵させた水素ガスを放出する方法を示す構成図である。It is a block diagram which shows the method to discharge | release the hydrogen gas occluded by the hydrogen storage alloy. 第2の実施形態に係る電池ケースを示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the battery case which concerns on 2nd Embodiment. 燃料電池スタックを収容した電池ケースが備えられた燃料電池システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system provided with the battery case which accommodated the fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

4 燃料電池スタック
41 セル
41a アノード側電極
41b カソード側電極
41c 挿通孔
42 セパレータ
43 シール部材
MEA 膜電極構造体
PEM 固体高分子電解質膜
7 保持板(保持部材)
7a 挿通孔
8 締付ボルト(保持部材)
81 棒状部
82 頭部
82a 連通孔
83 水素吸蔵合金
9 電池ケース(保持部材)
91 側壁部(延在壁部)
91a 連通孔
92 端壁部
93 上壁部(延在壁部)
94 底壁部(延在壁部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Fuel cell stack 41 Cell 41a Anode side electrode 41b Cathode side electrode 41c Insertion hole 42 Separator 43 Seal member MEA Membrane electrode structure PEM Solid polymer electrolyte membrane 7 Holding plate (holding member)
7a Insertion hole 8 Tightening bolt (holding member)
81 Rod-shaped part 82 Head part 82a Communication hole 83 Hydrogen storage alloy 9 Battery case (holding member)
91 Side wall (extended wall)
91a Communicating hole 92 End wall part 93 Upper wall part (extending wall part)
94 Bottom wall (extending wall)

Claims (4)

複数のセルが積層されて構成される燃料電池スタックと、
水素を吸蔵することで発熱し、かつ周囲の熱を吸収することで水素を放出する水素吸蔵合金を有し、
前記燃料電池スタックの暖機時に前記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることで、前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱によって前記燃料電池スタックを加熱する燃料電池の暖機装置であって、
前記複数のセルの積層による広がりを抑制するための保持部材の少なくとも一部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする燃料電池の暖機装置。
A fuel cell stack configured by stacking a plurality of cells;
It has a hydrogen storage alloy that generates heat by storing hydrogen and releases hydrogen by absorbing ambient heat,
A fuel cell warm-up device that heats the fuel cell stack by hydrogen storage heat of the hydrogen storage alloy by storing hydrogen in the hydrogen storage alloy during warm-up of the fuel cell stack,
A warming-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated in at least a part of a holding member for suppressing spread due to the stacking of the plurality of cells.
請求項1に記載の燃料電池の暖機装置であって、
前記保持部材は、前記複数のセルを貫通する締付ボルトであり、
前記締付ボルトの棒状部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする燃料電池の暖機装置。
The warm-up device for a fuel cell according to claim 1,
The holding member is a fastening bolt that penetrates the plurality of cells;
A warming-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated in a rod-like portion of the tightening bolt.
請求項1に記載の燃料電池の暖機装置であって、
前記保持部材は、前記燃料電池スタックを囲うように形成される電池ケースであり、
前記電池ケースを構成する壁部のうち前記複数のセルの積層方向に延在する延在壁部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする燃料電池の暖機装置。
The warm-up device for a fuel cell according to claim 1,
The holding member is a battery case formed so as to surround the fuel cell stack,
A warming-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated in an extending wall portion extending in a stacking direction of the plurality of cells among the wall portions constituting the battery case.
請求項3に記載の燃料電池の暖機装置であって、
前記電池ケースを構成する壁部のうち前記燃料電池スタックの両端部のセルの外側に位置する端壁部に、前記水素吸蔵合金を収容させたことを特徴とする燃料電池の暖機装置。
A warm-up device for a fuel cell according to claim 3,
A warming-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated in end wall portions located outside the cells at both ends of the fuel cell stack among the wall portions constituting the battery case.
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