JP2018010844A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、大型の冷却装置を用いることなく燃料電池の温度を適切な温度に維持することを可能とし、かつ、外部の熱源や冷却源を用いることなく可逆的な水素吸蔵／放出を可能にすること。
【解決手段】燃料電池システム１０は、水素貯蔵材料を内封した複数の反応器１２と、水素ガスを貯蔵するための水素タンク１４と、燃料電池１６と、反応器１２又は燃料電池１６からの排熱を外界に放出するための冷却装置１８と、反応器１２、水素タンク１４、及び燃料電池１６の間で水素ガスの供給経路を切り替え可能な水素ガスライン３０と、反応器１２、燃料電池１６、及び冷却装置１８の間で熱交換媒体の循環経路を切り換え可能な熱交換ライン４０と、水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り換える制御機構とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、水素貯蔵材料が内封された反応器の双方を備えた燃料電池システムに関する。
水素を燃料ガスに用いた燃料電池システムにおいて、水素源には、水素ガスタンク、液体水素タンク、水素貯蔵材料を充填したタンクなどが用いられる。これらの内、水素貯蔵材料を充填したタンクは単位体積あたりの水素貯蔵密度が高いので、システムを小型化することができる。そのため、これを用いた燃料電池システムは、特に移動体用のエネルギー源として好適である。
燃料電池には適切な作動温度域があるため、高い発電効率を得るためには、燃料電池の温度を適切な温度範囲に維持する必要がある。また、水素貯蔵材料は、水素ガスの吸蔵時には発熱を伴い、水素ガスの放出時には吸熱を伴うため、適時に水素を吸蔵／放出させるためには、水素貯蔵材料の熱管理が必要となる。
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、燃料電池システムの始動時において、
（ａ）駆動モータの車両駆動出力軸を固定した状態で駆動モータに電力を供給し、駆動モータにより消費された電力を熱として放出させ、この熱を用いて燃料電池の冷却水温度を上昇させると同時に、
（ｂ）発電可能な電力より低い電力出力で燃料電池スタックを発電させ、燃料電池スタック自身を発熱させることで、燃料電池スタックを内部から暖機する
燃料電池システムが開示されている。
同文献には、このような方法により、エネルギーロスを大きくすることなく燃料電池スタックの暖機を促進できる点が記載されている。
また、特許文献２には、１つのラジエタファンを用いて燃料電池の冷却液と他の放熱手段とを同時に冷却する場合において、燃料電池の冷却液を所定の比率でラジエタ方向とラジエタバイパス方向に分流する冷却系制御装置が開示されている。
同文献には、ラジエタファンを用いて、主として他の放熱手段を冷却する時には、燃料電池の冷却液をラジエタバイパス方向により多く流すことにより、燃料電池の冷却液の温度が過度に低下することを抑制できる点が記載されている。
また、特許文献３には、燃料電池とラジエタとの間で冷却液を循環させ、ラジエタをファンで冷却する場合において、
（ａ）ファンの回転数に制限回転数を設け、
（ｂ）燃料電池の使用環境に応じて制限回転数を変更可能とし、かつ、
（ｃ）燃料電池の使用環境が変化し、制限回転数の変更が必要となった時には、使用環境の変化よりも遅れて制限回転数を変更する
燃料電池の冷却制御装置が開示されている。
同文献には、このような方法により、冷却性能と音振性能の双方の要求を両立することができる点が記載されている。
さらに、非特許文献１には、水素タンクと燃料電池の間に水素吸蔵合金を内封した２つの反応器を設置し、水素吸蔵合金の水素吸蔵／放出に伴う発熱／吸熱を空調に用いるシステムが提案されている。
燃料電池の温度管理は、一般にラジエタを用いて行われている。燃料電池とラジエタとの間で冷却液を循環させる場合において、燃料電池の排熱温度が相対的に低い時には、ラジエタの熱交換部と外界温度との温度差ΔＴが小さくなる。この場合、燃料電池からの排熱処理を効率良く行うためには、大型のラジエタが必要となる。しかし、大型のラジエタを用いると、燃料電池システムの形状自由度が低下する。
一方、非特許文献１には、水素吸蔵合金の水素吸蔵／放出に伴う発熱／吸熱を空調に用いるシステムが開示されている。しかし、例えば、空調が冷却を必要としている時には、空調の熱を用いて水素吸蔵合金から水素を放出させることはできるが、水素吸蔵時の発熱を空調で利用することはできない。一方、空調が加熱を必要としている時には、水素吸蔵時の発熱を空調で利用することはできるが、水素吸蔵合金から水素を放出させる際には、他に熱源が必要となる。そのため、水素吸蔵合金と空調とを単に熱的に接続しただけのシステムでは、熱の有効利用が不十分である。
特開２００４−２４７１６４号公報 特開２００４−２５９４７２号公報 特開２００６−２２８６２９号公報
Int. J. Hydrogen Energy 36(2011)3215-3221
本発明が解決しようとする課題は、水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、大型の冷却装置を用いることなく燃料電池の温度を適切な温度に維持することを可能にすることにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、他の熱源や冷却源を用いることなく、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことを可能にすることにある。
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記燃料電池システムは、
水素貯蔵材料を内封した複数の反応器と、
水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
燃料電池と、
前記反応器又は前記燃料電池からの排熱を外界に放出するための冷却装置と、
前記反応器、前記水素タンク、及び前記燃料電池の間で前記水素ガスの供給経路を切り替え可能な水素ガスラインと、
前記反応器、前記燃料電池、及び前記冷却装置の間で熱交換媒体の循環経路を切り換え可能な熱交換ラインと、
前記水素ガスの供給経路、及び前記熱交換媒体の循環経路を切り換える制御機構と
を備えている。
（２）前記水素ガスラインは、
前記水素タンクから少なくとも１つの前記反応器に前記水素ガスを供給する供給経路（Ａ）と、
少なくとも１つの前記反応器から前記燃料電池に前記水素ガスを供給する供給経路（Ｂ）と、
前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給する供給経路（Ｃ）と、
を備えている。
（３）前記熱交換ラインは、
少なくとも１つの前記反応器と前記冷却装置との間で前記熱交換媒体を循環させる循環経路（Ａ）と、
少なくとも１つの前記反応器と前記燃料電池との間で前記熱交換媒体を循環させる循環経路（Ｂ）と、
前記燃料電池と前記冷却装置との間で前記熱交換媒体を循環させる循環経路（Ｃ）と
を備えている。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、水素貯蔵材料を内封した複数個の反応器の双方を備えている。そのため、始動時には水素タンクから燃料電池に水素を供給することにより、速やかに燃料電池の温度を適切な温度まで上昇させることができる。
また、燃料電池の温度が所定の温度まで上昇した時には、燃料電池からの排熱を用いて少なくとも１つの反応器（Ａ）を加熱し、反応器（Ａ）から水素を放出させることができる。反応器（Ａ）から放出された水素は、そのまま燃料電池の燃料として使用できる。
これと同時に、少なくとも１つの他の反応器（Ｂ）と冷却装置とを熱的に接続し、反応器（Ｂ）内に水素ガスを供給すると、反応器（Ｂ）内の水素貯蔵材料に水素を吸蔵させると同時に、冷却装置を用いて吸蔵熱を外界に放出することができる。
そのため、燃料電池の温度を適切な温度に維持するために、大型の冷却装置を用いる必要がない。また、反応器（Ａ）の水素放出／反応器（Ｂ）の水素吸蔵と、反応器（Ａ）の水素吸蔵／反応器（Ｂ）の水素放出とを交互に繰り返すと、他の熱源や冷却源を用いることなく、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことができる。
本発明に係る燃料電池システムの模式図である。 反応器（Ａ）で水素吸蔵を行い、反応器（Ｂ）で水素放出を行う場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の循環経路の模式図である。 反応器（Ａ）で水素放出を行い、反応器（Ｂ）で水素吸蔵を行う場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の循環経路の模式図である。 水素タンクから反応器を経由して燃料電池に水素ガスを供給する場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の供給経路の模式図である。 水素タンクから直接、燃料電池に水素ガスを供給する場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の供給経路の模式図である。
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 燃料電池システム］
図１に、本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。図１において、燃料電池システム１０は、
水素貯蔵材料を内封した複数の反応器１２と、
水素ガスを貯蔵するための水素タンク１４と、
燃料電池１６と、
反応器１２、又は燃料電池１６からの排熱を外界に放出するための冷却装置１８と、
反応器１２、水素タンク１４、及び燃料電池１６の間で水素ガスの供給経路を切り替え可能な水素ガスライン３０と、
反応器１２、燃料電池１６、及び冷却装置１８の間で熱交換媒体の循環経路を切り換え可能な熱交換ライン４０と、
水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り換える制御機構（図示せず）と
を備えている。
燃料電池システム１０は、さらに、沸騰器２０及び／又は温度計測手段（図示せず）を備えていても良い。
［１．１． 反応器］
［１．１．１． 反応器の構造］
反応器１２は、水素貯蔵材料を内封するためのものである。反応器１２は、水素貯蔵材料の収容スペースと、熱交換媒体と熱交換するための熱交換器（図示せず）とを備えている。反応器１２の構造は、水素の吸蔵／放出、及び熱交換媒体との熱交換が可能な限りにおいて、特に限定されない。
［１．１．２． 反応器の数］
図１において、燃料電池システム１０は、反応器（Ａ）１２ａ、及び反応器（Ｂ）１２ｂの合計２個の反応器１２を備えているが、これは単なる例示である。本発明において、反応器１２の数は特に限定されない。
反応器１２は、
（ａ）燃料電池１６からの排熱を用いて水素貯蔵材料から水素を放出し、放出した水素を燃料電池１６に供給している状態（以下、単に「放出」ともいう）、
（ｂ）水素タンク１４から供給される水素ガスを水素貯蔵材料に吸蔵させ、吸蔵熱を冷却装置１８により外界に排出している状態（以下、単に「吸蔵」ともいう）、又は、
（ｃ）水素貯蔵材料による水素の吸蔵／放出が行われておらず、かつ、燃料電池１６又は冷却装置１８との間で熱交換が行われていない状態（以下、単に「休止」ともいう）
のいずれかの状態を取る。
各反応器１２の状態の変更は、制御機構を用いて水素ガスライン３０及び熱交換ライン４０を切り替えることにより行われる。
例えば、２つの反応器１２（反応器（Ａ）１２ａ、及び反応器（Ｂ）１２ｂ）を備えた燃料電池システム１０において、定常運転時には、通常、
（ａ）反応器（Ａ）１２ａが放出であり、かつ反応器（Ｂ）１２ｂが吸蔵である状態と、
（ｂ）反応器（Ａ）１２ａが吸蔵であり、かつ反応器（Ｂ）１２ｂが放出である状態と
が交互に繰り返される。
３個以上の反応器１２を備えた燃料電池システム１０において、３個目以降の反応器１２の状態は、目的に応じて任意に選択することができる。
例えば、各反応器１２が、それぞれ、放出→吸蔵→休止の状態を周期的に繰り返すように、水素ガスライン３０及び熱交換ライン４０を制御しても良い。あるいは、２個以上の反応器１２を水素ガスライン３０及び熱交換ライン４０に直列又は並列に接続し、２個以上の反応器１２が同時に放出→吸蔵の状態、又は放出→吸蔵→休止の状態を周期的に繰り返すように、水素ガスライン３０及び熱交換ライン４０を制御しても良い。水素ガスライン３０及び熱交換ライン４０の制御方法の詳細については、後述する。
［１．１．２． 水素貯蔵材料］
各反応器１２には、それぞれ、水素貯蔵材料が内封されている。本発明において、水素貯蔵材料の組成は特に限定されない。各反応器１２には、それぞれ、同種の水素貯蔵材料が内封されていても良く、あるいは、各反応器１２毎に、それぞれ、異種の水素貯蔵材料が内封されていても良い。また、各反応容器１２に内封される水素貯蔵材料の量は、同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。
燃料電池１６は、その種類に応じて、最大排熱温度（Ｔmax）が異なる。燃料電池１６の排熱のみを用いて水素を放出させるためには、水素貯蔵材料は、水素圧力が０．１ＭＰａとなる時の平衡温度（以下、これを「最低平衡温度（ＴL）」ともいう）が燃料電池１６の最大排熱温度（Ｔmax）以下であるものが好ましい。最低平衡温度（ＴL）は、好ましくは、０．９×Ｔmax以下である。
なお、最低平衡温度（ＴL）が室温より高く、かつ、反応器１２を加熱するための外部熱源がない場合、始動時に反応器１２から燃料電池１６に水素を供給することはできない。この場合、燃料電池１６の温度がＴLを超えるまで、水素タンク１４から燃料電池１６に直接、水素ガスが供給される。
一方、燃料電池１６の最大排熱温度（Ｔmax）を超える発熱温度の実現に対し、必要以上の圧力が必要になると、反応器１２が破損するおそれがある。従って、水素貯蔵材料は、水素圧力が１０ＭＰａとなる時の平衡温度（以下、これを「最高平衡温度（ＴH）」ともいう）が燃料電池１６の最大排熱温度（Ｔmax）より高いものが好ましい。最高平衡温度（ＴH）は、さらに好ましくは、１．１×Ｔmax以上である。
［１．２． 水素タンク］
水素タンク１４は、水素ガスを貯蔵するためのものである。本発明において、水素タンク１４の構造、容量等は、特に限定されない。水素タンク１４中の水素ガスは、燃料電池１６に供給される場合と、反応器１２に供給される場合がある。この点は、後述する。
［１．３． 燃料電池］
本発明において、燃料電池１６の種類は、特に限定されない。特に、固体高分子型燃料電池は、最大排熱温度（Ｔmax）が他の燃料電池に比べて低く、外界温度との温度差ΔＴが相対的に小さい。そのため、効率よく冷却するためには、相対的に大きな冷却装置１８が必要となる。これに対し、固体高分子型燃料電池に対して本発明を適用すると、冷却装置１８を小型化することができる。
［１．４． 冷却装置］
冷却装置１８は、反応器１２又は燃料電池１６からの排熱を外界に放出するためのものである。本発明において、冷却装置１８は、熱交換媒体の循環経路を切り替え可能な熱交換ライン４０を介して、反応器１２及び燃料電池１６の中で最も温度の高いものに接続される。そのため、熱源と外界温度との差ΔＴを大きくすることができる。また、これによって、単に燃料電池１６と冷却装置１８との間で熱交換媒体を循環させる場合に比べて、冷却装置１８を小型化することができる。
熱交換媒体の組成は、特に限定されない。
［１．５． 沸騰器］
沸騰器２０は、燃料電池１６の生成水を貯蔵し、熱交換媒体との熱交換によって生成水を沸騰させるためのものである。沸騰した生成水は、水蒸気として沸騰器２０から排出される。沸騰器２０は、必ずしも必要ではないが、熱交換媒体の循環経路に沸騰器２０を設置すると、冷却装置１８を小型化することができる。
沸騰器２０の設置位置は、特に限定されない。例えば、燃料電池１６の最大排熱温度（Ｔmax）よりも水素貯蔵材料の最高平衡温度（ＴH）が高い場合、水素を吸蔵している時の反応器１２の温度は、通常、Ｔmaxより高くなる。このような場合、沸騰器２０は、少なくとも１つの反応器１２と冷却装置１８との間で熱交換媒体を循環させる循環経路（Ａ）に接続されているのが好ましい。沸騰器２０は、冷却装置１８に対して、熱交換媒体の流れの上流側に接続されていても良く、あるいは、下流側に接続されていても良い。
［１．６． 水素ガスライン］
水素ガスライン３０は、反応器１２、水素タンク１４、及び燃料電池１６の間で水素ガスの供給経路を切り替え可能なものからなる。すなわち、水素ガスライン３０は、
水素タンク１４から少なくとも１つの反応器１２に水素ガスを供給する供給経路（Ａ）と、
少なくとも１つの反応器１２から燃料電池１６に水素ガスを供給する供給経路（Ｂ）と、
水素タンク１４から燃料電池１６に水素ガスを供給する供給経路（Ｃ）と
を備えている。
供給経路（Ｃ）は、少なくとも１つの反応器１２を経由して燃料電池１６に水素ガスを供給するものでも良く、あるいは、反応器１２を経由することなく燃料電池１６に水素ガスを供給するものでも良い。
水素ガスライン３０は、具体的には、
（ａ）反応器１２、水素タンク１４、及び燃料電池１６の間を接続し、水素ガスを流すためのガス管と、
（ｂ）水素ガスの流れを切り替えるための三方弁、開閉バルブ等と
を備えている。上述した機能を奏する限りにおいて、ガス管、三方弁、開閉バルブ等の配置は特に限定されない。
図１に示す燃料電池システム１０において、水素タンク１４の水素ガスの出口は、ガス管３２ａを介して反応器（Ａ）１２ａの水素ガスの入口に接続されている。ガス管３２ａの途中には、開閉バルブ３４ａが設けられている。また、反応器（Ａ）１２ａの水素ガスの出口は、ガス管３２ｂを介して燃料電池１６のアノードの入り口に接続されている。ガス管３２ａの途中には、開閉バルブ３４ｂが設けられている。
また、水素タンク１４の水素ガスの出口は、ガス管３２ａ及びガス管３２ｃを介して反応器（Ｂ）１２ｂの水素ガスの入口に接続されている。ガス管３２ｃの基端は、水素タンク１４と開閉バルブ３４ａの間にあるガス管３２ａに接続されている。さらに、ガス管３２ｃの途中には、開閉バルブ３４ｃが設けられている。
反応器（Ｂ）１２ｂの水素ガスの出口は、ガス管３２ｄ及びガス管３２ｂを介して燃料電池１６のアノードに接続されている。ガス管３２ｄの終端は、開閉バルブ３４ｂと燃料電池１６の間にあるガス管３２ｂに接続されている。さらに、ガス管３２ｄの途中には、開閉バルブ３４ｄが設けられている。
さらに、水素タンク１４の水素ガスの出口は、ガス管３２ａ、ガス管３２ｅ、及びガス管３２ｂを介して燃料電池１６のアノードに接続されている。ガス管３２ｅは、反応器（Ａ）１２ａ及び反応器（Ｂ）１２ｂを迂回して、水素ガスを水素タンク１４から燃料電池１６に直接、供給するためのバイパス管である。ガス管３２ｅの基端は、水素タンク１４と開閉バルブ３４ａの間にあるガス管３２ａに接続されている。また、ガス管３２ｅの終端は、開閉バルブ３４ｂと燃料電池１６の間にあるガス管３２ｂに接続されている。さらに、ガス管３２ｅの基端側及び終端側には、それぞれ、開閉バルブ３４ｅ及び開閉バルブ３４ｆが設けられている。
例えば、開閉バルブ３４ａを開とし、開閉バルブ３４ｂ〜３４ｆを閉とすると、ガス管３２ａを介して、水素タンク１４から反応器（Ａ）１２ａに水素ガスを供給することができる。この場合、ガス管３２ａが供給経路（Ａ）を構成する。
あるいは、開閉バルブ３４ｃを開とし、開閉バルブ３４ａ〜３４ｂ、３４ｄ〜３４ｆを閉とすると、ガス管３２ａ、３２ｃを介して、水素タンク１４から反応器（Ｂ）１２ｂに水素ガスを供給することができる。この場合、ガス管３２ａ、３２ｃが供給経路（Ａ）を構成する。
また、開閉バルブ３４ｂを開とし、開閉バルブ３４ａ、３４ｃ〜３４ｆを閉とすると、ガス管３２ｂを介して、反応器（Ａ）１２ａから燃料電池１６に水素ガスを供給することができる。この場合、ガス管３２ｂが供給経路（Ｂ）を構成する。
あるいは、開閉バルブ３４ｄを開とし、開閉バルブ３４ａ〜３４ｃ、３４ｅ〜３４ｆを閉とすると、ガス管３２ｄ、３２ｂを介して、反応器（Ｂ）１２ｂから燃料電池１６に水素ガスを供給することができる。この場合、ガス管３２ｄ、３２ｂが供給経路（Ｂ）を構成する。
さらに、開閉バルブ３４ｅ、３４ｆを開とし、開閉バルブ３４ａ〜３４ｄを閉とすると、ガス管３２ａ、３２ｅ、３２ｂを介して、水素タンク１４から燃料電池１６に水素ガスを供給することができる。この場合、ガス管３２ａ、３２ｅ、３２ｂが供給経路（Ｃ）を構成する。
［１．７． 熱交換ライン］
熱交換ライン４０は、反応器１２、燃料電池１６、及び冷却装置１８の間で熱交換媒体の循環経路を切り換え可能なものからなる。すなわち、熱交換ライン４０は、
少なくとも１つの反応器１２と冷却装置１８との間で熱交換媒体を循環させる循環経路（Ａ）と、
少なくとも１つの反応器１２と燃料電池１６との間で熱交換媒体を循環させる循環経路（Ｂ）と、
燃料電池１６と冷却装置１８との間で熱交換媒体を循環させる循環経路（Ｃ）と
を備えている。
また、沸騰器２０を備えている場合には、熱交換ライン４０は、さらに、反応器１２、燃料電池１６、冷却装置１８、及び沸騰器２０の間で熱交換可能なものからなる。上述したように、沸騰器２０を備えている場合には、沸騰器２０は、循環経路（Ａ）に接続されているのが好ましい。
熱交換ライン４０は、具体的には、
（ａ）反応器１２、水素タンク１４、及び燃料電池１６（並びに、沸騰器２０）の間を接続し、熱交換媒体を流すための水管と、
（ｂ）熱交換媒体の流れを切り替えるための三方弁、開閉バルブ等と
を備えている。上述した機能を奏する限りにおいて、水管、三方弁、開閉バルブ等の配置は特に限定されない。
図１に示す燃料電池システム１０において、燃料電池１６の熱交換媒体の出口は、水管４２ａを介して、反応器（Ａ）１２ａの熱交換媒体の入口に接続されている。水管４２ａの途中には、三方弁４４ａが設けられている。反応器（Ａ）１２ａの熱交換媒体の出口は、水管４２ｂを介して、燃料電池１６の熱交換媒体の入口に接続されている。水管４２ｂの途中には、三方弁４４ｂが設けられている。
水管４２ａに接続された三方弁４４ａの残りの出入口には、水管４２ｃが接続されている。燃料電池１６の熱交換媒体の出口は、水管４２ａ、三方弁４４ａ、及び水管４２ｃを介して、反応器（Ｂ）１２ｂの熱交換媒体の入口に接続されている。
反応器（Ｂ）１２ｂの熱交換媒体の出口は、水管４２ｄ及び水管４２ｂを介して、燃料電池１６の熱交換媒体の入口に接続されている。水管４２ｄの途中には、三方弁４４ｃが接続されている。また、水管４２ｄの終端は、三方弁４４ｂと燃料電池１６の間にある水管４２ｂに接続されている。
水管４２ｂに接続された三方弁４４ｂの残りの出入口は、水管４２ｅを介して、沸騰器２０の熱交換媒体の入口に接続されている。さらに、水管４２ｄに接続された三方弁４４ｃの残りの出入口は、水管４２ｆを介して水管４２ｅに接続されている。
沸騰器２０の熱交換媒体の出口は、水管４２ｇを介して、冷却装置１８の熱交換媒体の入口に接続されている。冷却装置１８の熱交換媒体の出口は、水管４２ｈを介して、三方弁４４ｄの１番目の出入口に接続されている。三方弁４４ｄの２番目の出入口は、水管４２ｉを介して、三方弁４４ａと反応器（Ａ）１２ａの間にある水管４２ａに接続されている。さらに、三方弁４４ｄの３番目の出入口は、水管４２ｊを介して、水管４２ｃに接続されている。
さらに、燃料電池１６の生成水の出口は、生成水排出管４６を介して、沸騰器２０の生成水の入口に接続されている。
例えば、三方弁４４ａを反応器（Ａ）１２ａ側に切り替え、かつ、三方弁４４ｂを燃料電池１６側に切り替えると、燃料電池１６→水管４２ａ→反応器（Ａ）１２ａ→水管４２ｂ→燃料電池１６の順に熱交換媒体を循環させることができる。この場合、水管４２ａ、４２ｂが循環経路（Ｂ）を構成する。
あるいは、三方弁４４ａを反応器（Ｂ）１２ｂ側に切り替え、かつ、三方弁４４ｃを燃料電池１６側に切り替えると、燃料電池１６→水管４２ａ→三方弁４４ａ→水管４２ｃ→反応器（Ｂ）１２ｂ→水管４２ｄ→水管４２ｂ→燃料電池１６の順に熱交換媒体を循環させることができる。この場合、水管４２ａ〜４２ｄが循環経路（Ｂ）を構成する。
また、三方弁４４ｄを反応器１２（Ｂ）１２ｂ側に切り替え、かつ、三方弁４４ｃを冷却装置１８側に切り替えると、冷却装置１８→反応器１２（Ｂ）１２ｂ→沸騰器２０→冷却装置１８の順に熱交換媒体を循環させることができる。この場合、これらを繋ぐ水管が循環経路（Ａ）を構成する。
あるいは、三方弁４４ｄ、４４ａを反応器（Ａ）１２ａ側に切り替え、かつ、三方弁４４ｂを冷却装置１８側に切り替えると、冷却装置１８→反応器（Ａ）１２ａ→沸騰器２０→冷却装置１８の順に熱交換媒体を循環させることがきる。この場合、これらを繋ぐ水管が循環経路（Ａ）を構成する。
さらに、三方弁４４ａを反応器（Ａ）１２ａ側に切り替え、三方弁４４ｂを冷却装置１８側に切り替え、三方弁４４ｄを反応器（Ｂ）１２ｂ側に切り替え、かつ、三方弁４４ｃを燃料電池１６側に切り替えると、燃料電池１６→反応器（Ａ）１２ａ→沸騰器２０→冷却装置１８→反応器（Ｂ）１２ｂ→燃料電池１６の順に熱交換媒体を循環させることができる。この場合、これらを繋ぐ水管が循環経路（Ｃ）を構成する。
［１．８． 温度計測手段］
燃料電池システム１０は、反応器１２及び燃料電池１６の温度を計測する温度計測手段（図示せず）をさらに備えていても良い。反応器１２の最大水素貯蔵量は、水素貯蔵材料の組成及び内封量で決まる。そのため、燃料電池１６に接続される負荷が一定である場合、温度計測以外の方法（例えば、燃料電池１６の稼働時間）により、反応器１２内の水素残量（すなわち、供給経路及び循環経路の切り替え時期）を予測することができる。従って、温度計測手段は、必ずしも必要ではない。
一方、負荷が変動する場合、燃料電池１６の稼働時間のみを用いて反応器１２内の水素残量を予測するのが難しい。このような場合には、温度計測手段を用いて反応器１２及び燃料電池１６の温度を計測し、計測された温度に基づいて、水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り替えるのが好ましい（判定手段）。
計測された温度は、具体的には、
（ａ）水素ガスを水素タンク１４から燃料電池１６に供給するか、あるいは、反応器１２から燃料電池１６に供給するかの判断、
（ｂ）反応器１２内の水素充填量又は水素残量の判断、
などに用いられる。
例えば、燃料電池１６の温度が水素貯蔵材料の最低平衡温度（ＴL）未満である場合、燃料電池１６の排熱のみを用いて水素貯蔵材料から水素を放出することができない。このような場合には、供給経路（Ｃ）を介して、水素タンク１４から燃料電池１６に水素ガスを供給するのが好ましい。
また、水素貯蔵材料への水素吸蔵を開始すると、水素貯蔵材料の温度が次第に上昇する。水素貯蔵材料がフル充填の状態に近づくと、吸蔵熱が次第に少なくなり、温度上昇が次第に緩慢となる。
一方、水素貯蔵材料からの水素放出を開始すると、水素貯蔵材料が燃料電池１６から放出される熱を吸収するため、水素貯蔵材料温度上昇は緩やかである。水素貯蔵材料の水素残量が少なくなると、放出熱の吸収量が次第に少なくなり、水素貯蔵材料の温度が次第に上昇する。
従って、反応器１２内の温度変化を計測することにより、水素充填量や水素残量、すなわち、供給経路及び循環経路の切り替え時期を予測することができる。
［１．９． 制御機構］
制御機構は、水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り換えるためのものである。通常、水素タンク１４の水素量、反応器１２の水素量、反応器１２や燃料電池１６の温度、燃料電池１６の稼働時間などの制御パラメータを用いて、供給経路及び循環経路の切替制御を行う。制御機構を用いた供給経路及び循環経路の切替方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を用いることができる。制御機構としては、具体的には以下のようなものがある。
［１．９．１． 判定手段］
燃料電池システム１０が上述した温度計測手段を備えている場合、制御機構は、計測された温度に基づいて、水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り替える判定手段を備えているのが好ましい。判定手段の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。
［１．９．２． 切替手段（Ａ）］
制御機構は、切替手段（Ａ）を備えていてもよい。「切替手段（Ａ）」とは、
燃料電池１６と反応器（Ａ）１２ａとの間で熱交換媒体を循環させ、かつ反応器（Ａ）１２ａから燃料電池１６に水素ガスを供給する水素放出工程と、
水素タンク１４から反応器（Ｂ）１２ｂ（Ｂ≠Ａ）に水素ガスを供給し、かつ反応器（Ｂ）１２ｂと冷却装置１８との間で熱交換媒体を循環させる水素吸蔵工程と
が同時に又は個別に行われるように、水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り換えるものをいう。
燃料電池システム１０が２個の反応器１２を備えている場合において、反応器（Ａ）１２ａによる水素放出と、反応器（Ｂ）１２ｂによる水素吸蔵とを同時に行うと、一方の反応器１２を常にフル充填の状態にしておくことができる。
なお、燃料電池システム１０が３個以上の反応器１２を備えている場合において、フル充填の状態にある反応器１２が１個以上あるときには、反応器（Ａ）１２ａからの水素放出と、反応器（Ｂ）１２ｂへの水素充填とを必ずしも同時に行う必要はない。
［１．９．３． 切替手段（Ｂ）］
制御機構は、切替手段（Ｂ）を備えていても良い。「切替手段（Ｂ）」とは、
反応器（Ａ）１２ａからの水素放出及び燃料電池１６と反応器（Ａ）１２ａとの間の熱交換、並びに、反応器（Ｂ）１２ｂ（Ｂ≠Ａ）への水素吸蔵及び反応器（Ｂ）１２ｂと冷却装置１８との間の熱交換を同時に行う工程と、
反応器（Ｂ）１２ｂからの水素放出及び燃料電池１６と反応器（Ｂ）１２ｂとの間の熱交換、並びに、反応器（Ａ）１２ａへの水素吸蔵及び反応器（Ａ）１２ａと冷却装置１８との間の熱交換を同時に行う工程と、
を交互に繰り返すものをいう。
燃料電池システム１０が２個の反応器１２を備えている場合において、反応器（Ａ）１２ａと反応器（Ｂ）１２ｂとを交互に入れ替えて水素の吸蔵／放出を行うと、水素タンク１４内の水素が枯渇するまで、一方の反応器１２を常にフル充填の状態に維持することができる。
［１．９．４． 切替手段（Ｃ）］
また、制御機構は、切替手段（Ｃ）を備えていても良い。「切替手段（Ｃ）」とは、
燃料電池１６と反応器（Ｃ）との間で熱交換媒体を循環させ、かつ反応器（Ｃ）から燃料電池１６に水素ガスを供給する工程と、
水素タンク１６から反応器（Ｃ）に水素ガスを供給し、かつ反応器（Ｃ）と冷却装置１８との間で前記熱交換媒体を循環させる工程と
が交互に繰り返されるように、水素ガスの供給経路、及び熱交換媒体の循環経路を切り換えるものをいう。
例えば、燃料電池１６に接続される負荷が間欠的な出力を要求する場合、１つの反応器（Ｃ）のみを用いて、水素放出と水素吸蔵とを交互に繰り返すこともできる。
［２． 燃料電池システムの運転方法］
以下に、２個の反応器１２を備えた燃料電池システム１０の運転方法の具体例について説明する。なお、以下の説明では、反応器（Ａ）１２ａ及び反応器（Ｂ）１２ｂには同一の水素貯蔵材料が充填されるものとし、水素貯蔵材料の最低平衡温度（ＴL）は３０℃、最高平衡温度（ＴH）は１８３℃とした。この場合、０．１２ＭＰａでの水素放出平衡温度は３３℃、５ＭＰａでの水素吸蔵平衡温度は１５０℃となる。
水素タンク１４内部の最大圧力は７０ＭＰａであり、具備された圧力調整弁により水素放出圧を任意に設定できるものとする。燃料電池１６の最大排熱温度（Ｔmax）は、８０℃とした。さらに、冷却装置１８はラジエタとし、熱交換する外界温度は３５℃とした。
［２．１． 反応器（Ａ）への水素吸蔵、及び反応器（Ｂ）からの水素放出］
図２に、反応器（Ａ）１２ａで水素吸蔵を行い、反応器（Ｂ）１２ｂで水素放出を行う場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の循環経路の模式図を示す。図２において、開閉バルブ３４ａ〜３４ｆ、及び三方弁４４ａ〜４４ｄの内、黒く塗りつぶされている部分は、閉じられていることを表す。
水素タンク１４から反応器（Ａ）１２ａに水素（水素圧：５ＭＰａ）を供給すると、水素吸蔵反応により反応器（Ａ）１２ａ内の水素貯蔵材料が発熱する（１５０℃）。この時、三方弁４４ａ〜４４ｄを図２に示すように切り替えると、反応器（Ａ）１２ａを冷却装置１８との熱交換ラインに接続することができる。
反応器（Ａ）１２ａから排出された高温の熱交換媒体が沸騰器２０に入ると、沸騰器２０に貯蔵された生成水が加熱され、熱交換媒体は生成水に沸騰潜熱を奪われることで冷却される。生成水の一部は、水蒸気となって沸騰器２０から外界に放出される。
次いで、熱交換媒体は、冷却装置１８における外界（３５℃）との熱交換により、さらに冷却される。冷却された熱交換媒体（９０℃）は、再度、反応器（Ａ）１２ａに戻される。このループにより、燃料電池１６の排熱温度（８０℃）を超える高温排熱を冷却装置１８に流通させることができ、冷却装置１８の熱交換能力が向上する。その結果、冷却装置１８を小型化することができる。
一方、反応器（Ｂ）１２ｂから燃料電池１６に水素（水素圧：０．１２ＭＰａ）を放出すると、水素放出反応により反応器（Ｂ）１２ｂ内の水素貯蔵材料が吸熱する（３３℃）。この時、三方弁４４ａ〜４４ｄを図２に示すように切り替えると、反応器（Ｂ）１２ｂが燃料電池１６との熱交換ラインに接続され、反応器（Ｂ）１２ｂの吸熱により燃料電池１６（最大排熱温度：８０℃）を冷却することができる。
［２．２． 反応器（Ａ）からの水素放出、及び反応器（Ｂ）への水素吸蔵］
図３に、反応器（Ａ）１２ａで水素放出を行い、反応器（Ｂ）１２ｂで水素吸蔵を行う場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の循環経路の模式図を示す。図３において、開閉バルブ３４ａ〜３４ｆ、及び三方弁４４ａ〜４４ｄの内、黒く塗りつぶされている部分は、閉じられていることを表す。
図３に示すように開閉バルブ３４ａ〜３４ｆ、及び三方弁４４ａ〜４４ｄを制御すると、図２とは逆に、反応器（Ａ）１２ａにおいて水素放出を行い、かつ、反応器（Ｂ）１２ｂにおいて水素吸蔵を行うことができる。その他の点については、図２と同様であるので、説明を省略する。
さらに、図２の状態と図３の状態とを交互に繰り返すと、反応器（Ａ）１２ａ及び反応器（Ｂ）１２ｂとの熱交換により燃料電池１６を連続的に冷却することができる。
［２．３． 水素タンクから燃料電池への水素供給（１）］
図４に、水素タンク１４から反応器（Ａ）１２ａを経由して燃料電池１６に水素ガスを供給する場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の供給経路の模式図を示す。図４において、開閉バルブ３４ａ〜３４ｆ、及び三方弁４４ａ〜４４ｄの内、黒く塗りつぶされている部分は、閉じられていることを表す。
反応器（Ａ）１２ａがフル充填の状態にある時に、開閉バルブ３４ａ、３４ｂを同時に開け、水素タンク１４から反応器１２ａを経由して燃料電池１６に水素（水素圧：０．１２ＭＰａ）を供給する。この場合、反応器（Ａ）１２ａ内において水素吸蔵反応が起こらないため、反応器（Ａ）１２ａは発熱しない。
また、三方弁４４ａ〜４４ｄを図２に示すように切り替えると、熱交換媒体を、燃料電池１６→反応器（Ａ）１２ａ→沸騰器２０→冷却装置１８→反応器（Ｂ）１２ｂ→燃料電池１６のループで循環させることができる。
図４は、燃料電池１６が低負荷（発熱量少）状態にある場合の例である。水素貯蔵材料の最低平衡温度（ＴL）は３０℃である。そのため、燃料電池１６の実際の温度が６０℃（＜Ｔmax）である場合において、図４に示すように熱交換媒体を循環させると、反応器（Ａ）１２ａが加温される。しかし、反応器（Ａ）１２ａの温度が最高平衡温度（ＴH）を超えることはないので、反応器（Ａ）１２ａが破損するおそれはない。
また、冷却装置１８として小型ラジエタを用いた場合であっても、燃料電池１６が低負荷（発熱量少）状態である時には、燃料電池１６の排熱処理を行うことができる。この場合、冷却装置１８により熱交換媒体が冷却され、冷却された熱交換媒体（５５℃）が反応器（Ｂ）１２ｂに送られるので、反応器（Ｂ）１２ｂが破損するおそれもない。
［２．４． 水素タンクから燃料電池への水素供給（２）］
図５に、水素タンク１４から直接、燃料電池１６に水素ガスを供給する場合の水素ガスの供給経路及び熱交換媒体の供給経路の模式図を示す。図５において、開閉バルブ３４ａ〜３４ｆ、及び三方弁４４ａ〜４４ｄの内、黒く塗りつぶされている部分は、閉じられていることを表す。
開閉バルブ３４ｅ、３４ｆを同時に開け、水素タンク１４から直接、燃料電池１６に水素ガスを供給する。この場合、反応器（Ａ）１２ａ、及び反応器（Ｂ）１２ｂには水素が流れないので、これらはいずれも発熱しない。
また、図５に示すように三方弁４４ａ〜４４ｄを制御すると、熱交換媒体を、燃料電池１６→反応器（Ａ）１２ａ→沸騰器２０→冷却装置１８→反応器（Ｂ）１２ｂ→燃料電池１６のループで循環させることができる。図５の熱交換ラインは、図４と同様であるので、詳細な説明を省略する。
［３． 作用］
本発明に係る燃料電池システム１０は、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンク１４と、水素貯蔵材料を内封した複数個の反応器１２の双方を備えている。そのため、始動時には水素タンク１４から燃料電池１６に水素を供給することにより、速やかに燃料電池１６の温度を適切な温度まで上昇させることができる。
また、燃料電池１６の温度が所定の温度まで上昇した時には、燃料電池１６からの排熱を用いて少なくとも１つの反応器（Ａ）１２ａを加熱し、反応器（Ａ）１２ａから水素を放出させることができる。反応器（Ａ）１２ａから放出された水素は、そのまま燃料電池１６の燃料として使用できる。
これと同時に、少なくとも１つの他の反応器（Ｂ）１２ｂと冷却装置１８とを熱的に接続し、反応器（Ｂ）１２ｂ内に水素ガスを供給すると、反応器（Ｂ）１２ｂ内の水素貯蔵材料に水素を吸蔵させると同時に、冷却装置１８を用いて吸蔵熱を外界に放出することができる。
そのため、燃料電池１６の温度を適切な温度に維持するために、大型の冷却装置を用いる必要がない。また、反応器（Ａ）１２ａの水素放出／反応器（Ｂ）１２ｂの水素吸蔵と、反応器（Ａ）１２ａの水素吸蔵／反応器（Ｂ）１２ｂの水素放出とを交互に繰り返すと、他の熱源や冷却源を用いることなく、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことができる。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
本発明に係る燃料電池システムは、定置型の発電システム、移動体のエネルギー源等に使用することができる。
１０ 燃料電池システム
１２ 反応器
１４ 水素タンク
１６ 燃料電池
１８ 冷却装置
２０ 沸騰器
３０ 水素ガスライン
４０ 熱交換ライン

Claims (8)

  1. 以下の構成を備えた燃料電池システム。
    （１）前記燃料電池システムは、
    水素貯蔵材料を内封した複数の反応器と、
    水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
    燃料電池と、
    前記反応器又は前記燃料電池からの排熱を外界に放出するための冷却装置と、
    前記反応器、前記水素タンク、及び前記燃料電池の間で前記水素ガスの供給経路を切り替え可能な水素ガスラインと、
    前記反応器、前記燃料電池、及び前記冷却装置の間で熱交換媒体の循環経路を切り換え可能な熱交換ラインと、
    前記水素ガスの供給経路、及び前記熱交換媒体の循環経路を切り換える制御機構と
    を備えている。
    （２）前記水素ガスラインは、
    前記水素タンクから少なくとも１つの前記反応器に前記水素ガスを供給する供給経路（Ａ）と、
    少なくとも１つの前記反応器から前記燃料電池に前記水素ガスを供給する供給経路（Ｂ）と、
    前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給する供給経路（Ｃ）と、
    を備えている。
    （３）前記熱交換ラインは、
    少なくとも１つの前記反応器と前記冷却装置との間で前記熱交換媒体を循環させる循環経路（Ａ）と、
    少なくとも１つの前記反応器と前記燃料電池との間で前記熱交換媒体を循環させる循環経路（Ｂ）と、
    前記燃料電池と前記冷却装置との間で前記熱交換媒体を循環させる循環経路（Ｃ）と
    を備えている。
  2. 前記反応器及び前記燃料電池の温度を計測する温度計測手段をさらに備え、
    前記制御機構は、前記温度計測手段により計測される前記温度に基づいて、前記水素ガスの供給経路、及び前記熱交換媒体の循環経路を切り換える判定手段を備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御機構は、切替手段（Ａ）を備え、
    前記切替手段（Ａ）は、
    前記燃料電池と反応器（Ａ）との間で前記熱交換媒体を循環させ、かつ前記反応器（Ａ）から前記燃料電池に前記水素ガスを供給する水素放出工程と、
    前記水素タンクから反応器（Ｂ）（Ｂ≠Ａ）に前記水素ガスを供給し、かつ前記反応器（Ｂ）と前記冷却装置との間で前記熱交換媒体を循環させる水素吸蔵工程と
    が同時に又は個別に行われるように、前記水素ガスの供給経路、及び前記熱交換媒体の循環経路を切り換えるものである請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御機構は、切替手段（Ｂ）を備え、
    前記切替手段（Ｂ）は、
    反応器（Ａ）からの水素放出及び前記燃料電池と前記反応器（Ａ）との間の熱交換、並びに、反応器（Ｂ）（Ｂ≠Ａ）への水素吸蔵及び前記反応器（Ｂ）と前記冷却装置との間の熱交換を同時に行う工程と、
    前記反応器（Ｂ）からの水素放出及び前記燃料電池と前記反応器（Ｂ）との間の熱交換、並びに、前記反応器（Ａ）への水素吸蔵及び前記反応器（Ａ）と前記冷却装置との間の熱交換を同時に行う工程と、
    を交互に繰り返すものである請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御機構は、切替手段（Ｃ）を備え、
    前記切替手段（Ｃ）は、
    前記燃料電池と反応器（Ｃ）との間で前記熱交換媒体を循環させ、かつ前記反応器（Ｃ）から前記燃料電池に前記水素ガスを供給する工程と、
    前記水素タンクから前記反応器（Ｃ）に前記水素ガスを供給し、かつ前記反応器（Ｃ）と前記冷却装置との間で前記熱交換媒体を循環させる工程と
    が交互に繰り返されるように、前記水素ガスの供給経路、及び前記熱交換媒体の循環経路を切り換えるものである請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池の生成水を貯蔵し、前記熱交換媒体との熱交換によって前記生成水を沸騰させる沸騰器をさらに備え、
    前記沸騰器は、前記循環経路（Ａ）に接続されている請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記水素貯蔵材料は、水素圧力が０．１ＭＰａとなる時の平衡温度が前記燃料電池の最大排熱温度以下であるものからなる請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素貯蔵材料は、水素圧力が１０ＭＰａとなる時の平衡温度が前記燃料電池の最大排熱温度より高いものからなる請求項１から７までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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