JP2006172932A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明では、構造を複雑化せずに、ＭＨタンク内の水素ガスを迅速に燃料電池へ戻すことができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料電池システムＳは、燃料電池４と、燃料電池４に水素ガスを供給する高圧水素タンク７と、燃料電池４と高圧水素タンク７とを繋ぐ水素ガス供給路８と、高圧水素タンク７から放出される水素ガスを減圧する１次レギュレータＲ１と、１次レギュレータＲ１で減圧された水素ガスを減圧する２次レギュレータＲ２と、水素吸蔵合金３１を内蔵したＭＨタンク３と、水素ガス供給路８の中圧水素ライン８ｂとＭＨタンク３とを繋ぐ水素導入排出路３２と、を備えている。そして、水素ガス供給路８と水素導入排出路３２の接続部８ｄと、１次レギュレータＲ１との間には、水素ガス供給路８の連通状態を切り替えるための中圧バルブ８１が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素吸蔵合金を利用して燃料電池の暖機を行う燃料電池システムおよびその制御方法に関するものである。

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。

ところで、前記したような燃料電池は、ある温度でその発電性能を最大に発揮するようになっており、温度が低いと発電性能が低下するといった特性を有している。そのため、冬季や寒冷地で燃料電池を起動する場合は、燃料電池を暖機（所定温度まで加温）する必要がある。このような問題に対する技術としては、従来、燃料電池の起動時において、燃料電池へ供給するための水素ガスを一時的に水素吸蔵合金に吸蔵させることで、この水素吸蔵合金を発熱させて燃料電池の暖機を行うとともに、暖機終了後には、水素吸蔵合金から水素ガスを放出させて燃料電池に戻すことで水素ガスの再利用を図ることができる燃料電池システムが知られている。以下に、このような燃料電池システムについて、二つの例を挙げて説明することとする。

第一の燃料電池システムとしては、燃料電池と、燃料電池に水素ガスを供給するための高圧水素タンクと、燃料電池と高圧水素タンクとを繋ぐ水素供給路と、高圧水素タンク内の高圧の水素ガスを段階的に減圧してから燃料電池へ供給するために前記水素供給路に上流側から順に配設される１次レギュレータおよび２次レギュレータと、水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンクと、前記水素供給路のうちの１次レギュレータと２次レギュレータの間の部分とＭＨタンクとを繋ぐ一本の配管とを備えたものが知られている（特許文献１，２参照）。なお、以下の説明においては、便宜上、高圧水素タンクと１次レギュレータとの間の部分を「高圧水素ライン」、１次レギュレータと２次レギュレータとの間の部分を「中圧水素ライン」、２次レギュレータと燃料電池との間の部分を「低圧水素ライン」と呼ぶこととする。この燃料電池システムによれば、中圧水素ラインからＭＨタンクへの水素ガスの導入やＭＨタンクから中圧水素ラインへの水素ガスの戻しを、一本の配管によって行うことができるので、構造を簡略化できるといったメリットがある。

第二の燃料電池システムとしては、前記した構造に加え、低圧水素ラインとＭＨタンクとを繋ぐ別の配管を設けることにより、暖機時には中圧水素ラインからＭＨタンク内へ水素ガスを導入し、水素吸蔵合金で吸蔵した水素ガスを燃料電池に戻す際にはＭＨタンクから低圧水素ラインへ水素ガスを戻すものが知られている（特許文献３参照）。この燃料電池システムによれば、ＭＨタンク内の水素ガスを中圧水素ラインよりも低い圧力となる低圧水素ラインに戻せばよいので、ＭＨタンク内を迅速に空にすることができるといったメリットがある。

特開２００４−２２３６５号公報 特開２００３−８６２１３号公報 特開２００２−２２２６５８号公報

しかしながら、前記した第一の燃料電池システムでは、その構造を簡略化できるといったメリットはあるが、ＭＨタンク内の水素ガスを中圧水素ラインに戻す際に、ＭＨタンク内を中圧水素ラインよりも高い圧力としなければならないので、ＭＨタンク内を空にするのに時間が掛かるといった問題があった。また、前記した第二の燃料電池システムでは、ＭＨタンク内を迅速に空にすることができるといったメリットはあるが、ＭＨタンク内の水素ガスを低圧水素ラインに戻す際に、ＭＨタンクから低圧水素ラインに導入された水素ガスが外乱とならないように絞り等を設ける必要があるため、構造が複雑化するといった問題があった。

そこで、本発明では、構造を複雑化することなく、ＭＨタンク内の水素ガスを迅速に燃料電池へ戻すことができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

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、水素ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、前記燃料電池と前記水素供給手段とを繋ぐ水素ガス供給路と、前記水素供給手段から放出される水素ガスを減圧する１次レギュレータと、前記１次レギュレータで減圧された水素ガスをさらに減圧する２次レギュレータと、水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンクと、前記水素ガス供給路のうちの前記１次レギュレータと前記２次レギュレータとの間の部分と、前記ＭＨタンクとを繋ぐＭＨ用流路と、を備えた燃料電池システムであって、前記水素ガス供給路と前記ＭＨ用流路との接続部と、前記１次レギュレータとの間に、前記水素ガス供給路の連通状態を切り替えるための中圧バルブを設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の暖機時においては、中圧バルブを開けることによって、水素供給手段からＭＨタンク内に水素ガスが供給されて、その内部の水素吸蔵合金が発熱するため、この熱を例えば冷却水を介して燃料電池に与えることによって、燃料電池の暖機を行うことができる。また、ＭＨタンク内に蓄えた水素ガスを燃料電池に戻す際には、中圧バルブを手動または自動で閉じるとともに、例えば燃料電池の発電で生じる熱を冷却水を介してＭＨタンクに与えることによって、ＭＨタンク内の水素吸蔵合金から水素ガスを中圧水素ラインへ放出させる。このとき、中圧バルブを閉じることによって、中圧バルブよりも下流側にある水素ガスが燃料電池で消費されて、その下流側の圧力が徐々に下がっていくため、ＭＨタンクから中圧水素ラインへの水素ガスの放出を容易に行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際に、前記中圧バルブを閉じる制御部を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際には、制御部によって中圧バルブが閉じられて、水素吸蔵合金からの水素ガスの放出が促進される。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、前記水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際に、前記中圧バルブを閉じることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際には、中圧バルブが閉じられるので、ＭＨタンクから中圧水素ラインへの水素ガスの放出が容易となる。

請求項１または請求項３に記載の発明によれば、中圧水素ラインに中圧バルブを設けるだけで、中圧バルブよりも下流側の圧力を下げて、ＭＨタンクから中圧水素ラインへの水素ガスの放出を行い易くすることができるので、構造を複雑化することなく、ＭＨタンク内の水素ガスを迅速に燃料電池へ戻すことができる。

請求項２に記載の発明によれば、水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際には、制御部によって中圧バルブが自動的に閉じられるので、中圧バルブを手動で閉める場合に比べて、水素ガスの中圧水素ラインへの放出を容易に行うことができる。

次に、本発明に係る一実施形態について、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は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。

図１に示すように、燃料電池システムＳは、空気供給系１と、水素供給系２と、ＭＨタンク３と、燃料電池４と、ＥＣＵ（制御部）５とで主に構成されている。

空気供給系１は、空気を圧縮して供給するコンプレッサ６と、このコンプレッサ６からの空気を燃料電池４に導く空気供給流路６１と、燃料電池４から排出される空気を外部に導く空気排出流路６２と、を主に備えている。なお、空気排出流路６２には、カソード極側の圧力（背圧）を制御する図示しない背圧弁が設けられている。

水素供給系２は、高圧水素タンク（水素供給手段）７と、水素ガス供給路８と、循環流路９とを主に備えている。

高圧水素タンク７内には、高圧の水素ガスが充填されており、この水素ガスは、高圧水素タンク７に備えられた図示しない遮断弁や、後記する中圧バルブ８１が開放されることで、水素ガス供給路８を通って燃料電池４へ供給されるようになっている。また、この高圧水素タンク７内の水素ガスは、前記した遮断弁や中圧バルブ８１の他に後記するＭＨ用遮断弁３３が開放されることで、ＭＨタンク３内にも供給されるようになっている。

水素ガス供給路８は、高圧水素タンク７と燃料電池４とを繋ぐ流路であり、その適所には、高圧水素タンク７側から順に１次レギュレータＲ１、中圧バルブ８１、２次レギュレータＲ２が設けられている。１次レギュレータＲ１および２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、高圧水素タンク７から燃料電池４までの圧力関係は、高圧水素タンク７から１次レギュレータＲ１までが最も高く、その次に１次レギュレータＲ１から２次レギュレータＲ２までが高く、２次レギュレータＲ２から燃料電池４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、高圧水素タンク７と１次レギュレータＲ１の間のラインを高圧水素ライン８ａ、１次レギュレータＲ１と２次レギュレータＲ２の間のラインを中圧水素ライン８ｂ、２次レギュレータＲ２と燃料電池４の間のラインを低圧水素ライン８ｃと呼ぶこととする。

中圧バルブ８１は、水素ガス供給路８の連通状態（遮断／連通）を切り替えるための弁であり、中圧水素ライン８ｂの適所（詳しくは、水素ガス供給路８と後記する水素導入排出路３２との接続部８ｄと、１次レギュレータＲ１との間）に設けられている。そして、この中圧バルブ８１を燃料電池４の稼動中において閉じると、この中圧バルブ８１よりも下流側の中圧水素ライン８ｂおよび低圧水素ライン８ｃ内の水素ガスが燃料電池４で消費されることで、中圧水素ライン８ｂおよび低圧水素ライン８ｃ内が減圧されていくようになっている。

循環流路９は、燃料電池４から排出される未使用の水素ガスを再度燃料電池４に戻すべく、燃料電池４の出口４ｂと低圧水素ライン８ｃとに接続されている。なお、この循環流路９には、図示は省略するが、水素ガスを循環させるためのエゼクタまたはポンプが適宜設けられている。また、この循環流路９には、その内部に溜まっている水素ガス中の不純物や燃料電池４内で生成される水を含んだ水素ガスを図示せぬ希釈器へ排出するためのパージ水素配管９１が接続されている。なお、この循環流路９内の水素ガスは、パージ水素配管９１の適所に設けられたパージ弁９２がＥＣＵ５により適宜開閉されることで、燃料電池４から前記希釈器へ間欠的にパージ（排出）されるようになっている。

ＭＨタンク３は、水素吸蔵合金３１を内部に収容した容器であり、高圧水素タンク７から供給される水素ガスを水素吸蔵合金３１に吸蔵させることで発熱し、その熱が冷却水を介して燃料電池４に伝達されるようになっている。また、このＭＨタンク３は、燃料電池４の発電により発生する熱が冷却水を介して伝達されるようになっており、この熱によって内部の水素吸蔵合金３１が加熱されることによって、水素吸蔵合金３１で吸蔵していた水素ガスを中圧水素ライン８ｂに戻すように構成されている。そして、前記したようなＭＨタンク３への水素ガスの導入や、ＭＨタンク３から中圧水素ライン８ｂへの水素ガスの排出は、一本の水素導入排出路（ＭＨ用流路）３２によって行われるようになっている。

水素吸蔵合金３１は、所定の温度（第一温度）まで冷却されることで周囲の水素ガスを吸蔵することが可能となり、また、前記第一温度よりも高い所定の温度（第二温度）まで加熱されることで吸蔵していた水素を水素ガスとして放出することが可能となる性質を有している。また、この水素吸蔵合金３１は、同じ温度条件下においては、その周囲の圧力が所定の圧力（放出圧）以下となると水素ガスを周囲に放出し、その周囲の圧力が前記放出圧よりも高い所定の圧力（吸蔵圧）以上になると周囲の水素ガスを吸蔵する性質を有している。

さらに、この水素吸蔵合金３１は、水素ガスを吸蔵する際に発熱し、かつ水素ガスを放出する際に吸熱する性質をも有している。なお、このような水素吸蔵合金３１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

水素導入排出路３２は、中圧水素ライン８ｂ（詳しくは中圧バルブ８１と２次レギュレータＲ２との間の部分）とＭＨタンク３とを繋ぐ流路であり、その適所に水素導入排出路３２の連通状態を切り替えるためのＭＨ用遮断弁３３が設けられている。

燃料電池４は、高圧水素タンク７に貯留された燃料となる水素ガスと、コンプレッサ６から供給される空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電を行うものである。そして、燃料電池４のアノード側には、その入口４ａに水素ガス供給路８が接続され、その出口４ｂに循環流路９が接続されている。

ＥＣＵ５は、燃料電池システムＳの各機器、主にコンプレッサ６、前記した背圧弁や遮断弁、中圧バルブ８１、ＭＨ用遮断弁３３、パージ弁９２などの制御を行っている。特に、このＥＣＵ５は、燃料電池４の起動時において、中圧バルブ８１やＭＨ用遮断弁３３を適宜制御することによって、ＭＨタンク３による燃料電池４の加熱（以下、「暖機」ともいう。）やＭＨタンク３から燃料電池４への水素ガスの排出（以下、「ＭＨ再生」ともいう。）を良好に行うように作動している。

具体的には、このＥＣＵ５は、燃料電池４の起動指令（例えばイグニッションスイッチのＯＮ信号）を受信したときに、前記した遮断弁、中圧バルブ８１およびＭＨ用遮断弁３３を開放させる機能を有している。これにより、燃料電池４の起動時において、高圧水素タンク７からＭＨタンク３に水素ガスが供給されるようになっている。

なお、本実施形態では、燃料電池４の起動指令を受信したときに、前記した遮断弁、中圧バルブ８１およびＭＨ用遮断弁３３を開放させるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池４の起動指令と、燃料電池４の現在の温度とに基づいて、燃料電池４を暖機する必要があるか否かを判断し、暖機する必要がある場合に、前記した遮断弁、中圧バルブ８１およびＭＨ用遮断弁３３を開放させ、暖機する必要がない場合には、前記した遮断弁および中圧バルブ８１のみを開放させるようにしてもよい。これによれば、燃料電池４を無駄に暖機することを防止して、燃料電池４の起動を迅速に行うことが可能となる。

また、ＥＣＵ５は、前記したような燃料電池４の暖機処理が終わったか否かを判断し、終わったと判断した場合に、中圧バルブ８１を閉じる機能を有している。これにより、燃料電池４の暖機後にＭＨ再生する場合において、閉塞された中圧バルブ８１によってその下流側が減圧されるので、ＭＨ再生を迅速に行うことが可能となる。

なお、前記したような暖機処理の終了判断の方法としては、例えば燃料電池４に設けた温度センサからの信号に基づいて燃料電池４の温度が所定値以上となったか否かを判断する方法や、単純に暖機処理を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する方法など、どのような方法を用いてもよい。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムＳの起動時におけるＥＣＵ５の動作について図２および図３を参照して説明する。参照する図面において、図２は燃料電池の暖機時におけるＥＣＵの動作を示す構成図であり、図３はＭＨ再生時におけるＥＣＵの動作を示す構成図である。

図２に示すように、燃料電池４を起動させるべく図示せぬイグニッションスイッチをＯＮにすると、燃料電池４の起動指令がＥＣＵ５に送信され、このＥＣＵ５によって図示せぬ遮断弁や、中圧バルブ８１およびＭＨ用遮断弁３３が開放される。これにより、高圧水素タンク７内の水素ガスは、その一部がＭＨタンク３内に供給され、その残りが燃料電池４に供給されることとなる。

このようにＭＨタンク３内に水素ガスが供給されると、このＭＨタンク３内の水素吸蔵合金３１は、水素ガスを吸蔵するとともに、この吸蔵に伴って発熱し、その熱が冷却水を介して燃料電池４に伝達されることとなる。そのため、燃料電池４が良好に暖機されることとなる。ここで、ＭＨタンク３内に供給される水素ガスは、１次レギュレータＲ１のみで減圧された比較的高めの圧力（中圧）となっているので、水素吸蔵合金３１による吸蔵も良好に行われるようになっている。

そして、燃料電池４の暖機が終了すると、ＥＣＵ５は、図３に示すように、中圧バルブ８１を閉塞させる。これにより、中圧バルブ８１よりも下流側の圧力が、燃料電池４による水素ガスの消費により徐々に低下していき、中圧となっているＭＨタンク３内の水素ガス（水素吸蔵合金３１の周囲にある水素ガス）が、減圧された中圧水素ライン８ｂへと流れ出していく。また、燃料電池４の暖機が終了した後は、燃料電池４による発電が開始されるため、この発電で生じる熱が、冷却水を介してＭＨタンク３へ伝達されることとなる。そのため、ＭＨタンク３内の水素吸蔵合金３１から水素ガスが放出されることとなり、この放出された水素ガスも、減圧された中圧水素ライン８ｂへと流れていくこととなる。

すなわち、中圧バルブ８１を設けていない従来の構造では、燃料電池４の暖機終了後に、ＭＨタンク３内の圧力を中圧水素ライン８ｂよりも高くなるように加熱する必要があるため、暖機終了後からＭＨ再生までに時間が掛かるが、本実施形態では、燃料電池４の暖機終了後に中圧バルブ８１を閉じることによって、暖機終了後即座にＭＨ再生を行うことが可能となっている。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
中圧水素ライン８ｂに中圧バルブ８１を設けるだけで、中圧バルブ８１よりも下流側の圧力を下げて、ＭＨタンク３から中圧水素ライン８ｂへの水素ガスの放出を行い易くすることができるので、構造を複雑化することなく、ＭＨタンク３内の水素ガスを迅速に燃料電池４へ戻すことができる。

なお、本発明は、前記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。
本実施形態では、燃料電池４とＭＨタンク３との間で冷却水を循環させるようにしているが、本発明はこれに限定されず、冷却水をラジエータにも循環させるようにしてもよい。なお、この場合は、ＭＨタンクやラジエータ近傍に、これらを迂回するための迂回路を設けるのが望ましい。このように構成することにより、例えば通常運転時においては、ＭＨタンクを迂回させて、冷却水を燃料電池とラジエータとの間でのみ循環させることで、燃料電池を効率良く冷却することができ、また、暖機時においては、ラジエータを迂回させて、冷却水を燃料電池とＭＨタンクとの間でのみ循環させることで、燃料電池を効率良く暖機することができる。

本実施形態では、暖機終了後に中圧バルブ８１を閉じるようにしたが、本発明はこれに限定されず、水素吸蔵合金３１から水素ガスを放出させる際に、中圧バルブ８１を閉じればよい。すなわち、例えばＭＨタンク３内に蓄えた水素ガスを燃料電池４の停止時に使用する場合には、その際に中圧バルブ８１を閉じればよい。

本実施形態では、一本の水素導入排出路３２が特許請求の範囲にいう「ＭＨ用流路」に相当しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態におけるＭＨタンク３と中圧水素ライン８ｂとの間に二本の流路（ＭＨタンク３に水素ガスを導入させるための導入用流路およびＭＨタンク３から中圧水素ライン８ｂへ水素ガスを排出させるための排出用流路）を設ける場合には、そのうちの排出用流路が特許請求の範囲にいう「ＭＨ用流路」に相当することとなる。すなわち、このように二本の流路を設けた場合には、排出用流路と１次レギュレータとの間に中圧バルブを設ければ、仮に中圧バルブが導入用流路の下流側に配設されたとしても、本発明の効果を得ることができる。

本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 燃料電池の暖機時におけるＥＣＵの動作を示す構成図である。 ＭＨ再生時におけるＥＣＵの動作を示す構成図である。

符号の説明

Ｓ 燃料電池システム
１ 空気供給系
２ 水素供給系
３ ＭＨタンク
３１ 水素吸蔵合金
３２ 水素導入排出路（ＭＨ用流路）
３３ ＭＨ用遮断弁
４ 燃料電池
５ ＥＣＵ（制御部）
７ 高圧水素タンク（水素供給手段）
８ 水素ガス供給路
８ａ 高圧水素ライン
８ｂ 中圧水素ライン
８ｃ 低圧水素ライン
８１ 中圧バルブ
Ｒ１ １次レギュレータ
Ｒ２ ２次レギュレータ

Claims (3)

1. 水素ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、
   前記燃料電池と前記水素供給手段とを繋ぐ水素ガス供給路と、
   前記水素供給手段から放出される水素ガスを減圧する１次レギュレータと、
   前記１次レギュレータで減圧された水素ガスをさらに減圧する２次レギュレータと、
   水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンクと、
   前記水素ガス供給路のうちの前記１次レギュレータと前記２次レギュレータとの間の部分と、前記ＭＨタンクとを繋ぐＭＨ用流路と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記水素ガス供給路と前記ＭＨ用流路との接続部と、前記１次レギュレータとの間に、前記水素ガス供給路の連通状態を切り替えるための中圧バルブを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際に、前記中圧バルブを閉じる制御部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
   前記水素吸蔵合金から水素ガスを放出させる際に、前記中圧バルブを閉じることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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