JP2018185978A - 燃料電池システム - Google Patents

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冷却を可能にすること。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、水素タンク１６と、水素貯蔵材料が内封された反応器１８と、冷却装置２０と、燃料電池１２と水素タンク１６とを接続する第１水素ガスライン３０と、反応器１８と第１水素ガスライン３０とを接続する第２水素ガスライン４０と、燃料電池１２と冷却装置２０とを接続する第１熱交換ライン５０と、反応器１８を第１熱交換ライン５０に対して並列に接続する第２熱交換ライン６０と、圧力検出手段７２と、第１温度検出手段７４と、第２温度検出手段７６と、制御手段７８とを備えている。制御手段７８は、Ｐr、Ｔ1、及びＴ2を用いて、水素ガスの供給経路、及び冷媒の循環経路を適時に切り替える。【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。

また、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池からの排熱を蓄熱し、燃料電池の暖機や空調に用いることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することにある。

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、
水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
前記燃料電池に供給するための前記水素ガスを放出し、又は、前記水素タンクから供給される前記水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器と、
前記燃料電池との間で冷媒を循環させることによって、前記燃料電池と熱交換を行うための冷却装置と、
前記燃料電池の燃料流路と前記水素タンクとを接続するための第１水素ガスラインと、
前記反応器の水素流路と前記第１水素ガスラインとを接続するための第２水素ガスラインと、
前記燃料電池の冷媒流路（Ａ）と前記冷却装置の冷媒流路（Ｂ）とを接続するための第１熱交換ラインと、
前記反応器の冷媒流路（Ｃ）を前記第１熱交換ラインに対して並列に接続するための第２熱交換ラインと、
前記反応器内の圧力Ｐ_rを検出するための圧力検出手段と、
前記燃料電池の内部温度、又は前記内部温度を推定可能な温度（第１温度）Ｔ₁を検出するための第１温度検出手段と、
前記燃料電池システムが設置された環境の温度（第２温度）Ｔ₂を検出するための第２温度検出手段と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御手段と
を備えている。
（２）前記第１水素ガスラインは、前記燃料電池から前記水素タンクに向かって前記水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、前記第１水素ガスラインをｎ個（ｎ≧２）の圧力領域（第ｋ圧力領域の圧力：Ｐ_k＜第（ｋ＋１）圧力領域の圧力：Ｐ_k+1）に分割するための第ｋ減圧手段（１≦ｋ≦ｎ−１）を備えている。
（３）前記第２水素ガスラインは、前記反応器の前記水素流路を前記第１圧力領域若しくは前記第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第１水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。
（４）前記第１熱交換ラインは、前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）から排出された前記冷媒を、そのまま前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）に戻すためのバイパス熱交換ラインを備えている。
（５）前記第２熱交換ラインは、前記冷媒が前記燃料電池−前記冷却装置間、又は前記燃料電池−前記バイパス熱交換ライン間を循環する時に、前記冷媒の一部を前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に流すための流量調節手段を備えている。
（６）前記制御手段は、前記圧力Ｐ_r、前記第１温度Ｔ₁、及び前記第２温度Ｔ₂を用いて、前記水素ガスの供給経路、及び前記冷媒の循環経路を適時に切り替えるモード切替手段を備えている。

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反応器の双方を備えている。そのため、始動時に水素タンクから反応器に水素を供給すると、水素貯蔵材料が水素ガスを吸蔵し、発熱する。この時、熱交換ラインを燃料電池−バイパス熱交換ライン間の循環冷却に切り替えると同時に、冷媒の一部を反応器に分配すると、冷媒が冷却装置に熱を奪われることがなく、かつ、冷媒には水素吸蔵に伴う反応熱が加算される。その結果、外部熱源を用いることなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。燃料電池が所定の温度まで上昇した後、水素ガスラインを水素タンクから燃料電池への供給に切り替え、かつ、熱交換ラインを燃料電池−冷却装置間の循環冷却に切り替える。

一方、燃料電池が定常運転状態に入った後、燃料電池の温度が過度に上昇した時には、熱交換ラインを燃料電池−冷却装置間の循環冷却に維持したまま、冷媒の一部を反応器に分配する。また、これと同時に、水素ガスラインを反応器から燃料電池への供給ラインに切り替える。その結果、水素貯蔵材料が冷媒の熱を吸収し、水素ガスを放出する。また、水素放出反応（吸熱反応）により、冷媒が冷却される。その結果、小型の冷却装置を用いた場合であっても、燃料電池を冷却することができる。
さらに、Ｐ_r、Ｔ₁、及びＴ₂を用いて、水素ガスの供給経路及び冷媒の循環経路を適時に切り替えると、排熱ロスを最小限に抑制しながら、燃料電池の暖機及び冷却を効率良く行うことができる。

本発明に係る燃料電池システムの模式図である。 反応器の一例である。 モード切替手段を実行するための制御プログラムのフローチャートである。

図４（Ａ）は、暖機モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。図４（Ｂ）は、暖機モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図である。 図５（Ａ）は、暖機再生モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。図５（Ｂ）は、暖機再生モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図である。

図６（Ａ）は、冷却モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。図６（Ｂ）は、冷却モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図である。 図７（Ａ）は、冷却再生モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。図７（Ｂ）は、冷却再生モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図である。

図８（Ａ）は、冷却準備モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。図８（Ｂ）は、冷却準備モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図である。 図９（Ａ）は、暖機準備モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。図９（Ｂ）は、暖機準備モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図である。

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、
水素ガスを燃料とする燃料電池１２と、
水素ガスを貯蔵するための水素タンク１６と、
燃料電池１２に供給するための水素ガスを放出し、又は、水素タンク１６から供給される水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器１８と、
燃料電池１２との間で冷媒を循環させることによって、燃料電池１２と熱交換を行うための冷却装置２０と、
燃料電池１２の燃料流路と水素タンク１６とを接続するための第１水素ガスライン３０と、
反応器１８の水素流路と第１水素ガスライン３０とを接続するための第２水素ガスライン４０と、
燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）と冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）とを接続するための第１熱交換ライン５０と、
反応器１８の冷媒流路（Ｃ）を第１熱交換ライン５０に対して並列に接続するための第２熱交換ライン６０と、
反応器１８内の圧力Ｐ_rを検出するための圧力検出手段７２と、
燃料電池１２の内部温度、又は内部温度を推定可能な温度（第１温度）Ｔ₁を検出するための第１温度検出手段７４と、
燃料電池システム１０が設置された環境の温度（第２温度）Ｔ₂を検出するための第２温度検出手段７６と、
燃料電池システム１０の動作を制御する制御手段７８と
を備えている。
燃料電池システム１０は、燃料電池１２で得られた余剰電力を貯蔵する二次電池８０をさらに備えていても良い。

［１．１． 燃料電池］
本発明において、燃料電池１２は水素を燃料とするものであれば良く、燃料電池１２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（Ｔ_max）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、相対的に大型の冷却装置２０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２０を小型化することができる。

燃料電池１２の内部には、燃料を流すための燃料流路、酸化剤ガスを流すための酸化剤流路、及び冷媒を流すための冷媒流路（Ａ）（いずれも、図示せず）が設けられている。燃料電池１２の酸化剤流路には、大気を空気極に供給するためのエアコンプレッサ（図示せず）が接続されている。

［１．２． 水素タンク］
水素タンク１６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１６の構造、容量等は、特に限定されない。水素タンク１６中の水素ガスは、燃料電池１２に供給される場合と、反応器１８に供給される場合とがある。この点は、後述する。

［１．３． 反応器］
反応器１８は、水素貯蔵材料を内封するためのものである。反応器１８は、水素貯蔵材料の収容スペースと、冷媒を流すための冷媒流路（Ｃ）と、水素を流すための水素流路と（いずれも図示せず）を備えている。反応器１８の構造は、水素の吸蔵／放出、及び冷媒との熱交換が可能な限りにおいて、特に限定されない。反応器１８及び水素貯蔵材料の詳細については、後述する。

［１．４． 冷却装置］
冷却装置２０は、燃料電池１２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２０は、燃料電池１２の温度に応じて、冷媒の循環経路を切り替え可能な第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０を介して、燃料電池１２及び反応器１８に接続されている。そのため、単に燃料電池１２と冷却装置２０との間で冷媒を循環させる場合に比べて、冷却装置２０を小型化することができる。
冷媒の組成は、特に限定されない。

［１．５． 第１水素ガスライン］
第１水素ガスライン３０は、燃料電池１２の燃料流路と水素タンク１６とを接続するためのものである。第１水素ガスライン３０は、燃料電池１２から水素タンク１６に向かって水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、第１水素ガスライン３０をｎ個（ｎ≧２）の圧力領域（第ｋ圧力領域の圧力：Ｐ_k＜第（ｋ＋１）圧力領域の圧力：Ｐ_k+1）に分割するための合計（ｎ−１）個の第ｋ減圧手段（１≦ｋ≦ｎ−１）を備えている。第１水素ガスライン３０の構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。

［１．５．１． 分割数（ｎ）］
第１水素ガスライン３０の分割数（ｎ）は、２以上であれば良い。図１に示す例において、第１水素ガスライン３０は、第１主ガス管３２と、第１減圧手段３４ａと、第２減圧手段３４ｂとを備えている。すなわち、第１水素ガスライン３０は、燃料電池１２から水素タンク１６に向かって、第１圧力領域３２ａ（圧力：Ｐ₁）、第２圧力領域３２ｂ（圧力：Ｐ₂＞Ｐ₁）、及び第３圧力領域３２ｃ（圧力：Ｐ₃＞Ｐ₂）の合計３個の圧力領域に分割されている。

第１主ガス管３２は、燃料電池１２の燃料流路（図示せず）と水素タンク１６とを連結するためのものである。第１減圧手段３４ａは、圧力をＰ₂からＰ₁に減圧すると同時に、水素タンク１６から燃料電池１２への水素ガスの供給及び停止を行うためのものである。減圧機能及び開閉機能を備えた減圧手段としては、例えば、インジェクタなどがある。
第２減圧手段３４ｂは、圧力をＰ₃からＰ₂に減圧するためのものである。第２減圧手段３４ｂは、減圧機能を備えているものであれば良く、開閉機能は必ずしも必要ではない。減圧機能のみを備えた減圧手段としては、例えば、減圧弁などがある。

［１．５．２． 圧力領域の圧力］
第１圧力領域３２ａは、燃料電池１２の燃料流路に直接、接続される。第１圧力領域３２ａの圧力Ｐ₁が低すぎると、燃料電池１２に向かって水素を流すことができない。従って、Ｐ₁は、０．１ＭＰａ以上が好ましい。Ｐ₁は、好ましくは、０．１１ＭＰａ以上、さらに好ましくは、０．１３ＭＰａ以上である。
一方、Ｐ₁が高くなりすぎると、燃料電池１２が破損するおそれがある。従って、Ｐ₁は、０．３ＭＰａ以下が好ましい。Ｐ₁は、好ましくは、０．２８ＭＰａ以下、さらに好ましくは、０．２５ＭＰａ以下である。

第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）のいずれか１つ（図１に示す例では、第２圧力領域３２ｂ）は、後述する第２水素ガスライン４０を介して、反応器１８の水素流路に接続される。反応器１８に接続される第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）の圧力Ｐ_kが低すぎると、水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることが困難となる。従って、Ｐ_kは、０．３ＭＰａ以上が好ましい。Ｐ_kは、好ましくは、０．６ＭＰａ以上、さらに好ましくは、０．９ＭＰａ以上である。
一方、Ｐ_kが高くなりすぎると、反応器１８が破損するおそれがある。従って、Ｐ_kは、２．０ＭＰａ以下が好ましい。Ｐ_kは、好ましくは、１．７ＭＰａ以下、さらに好ましくは、１．５ＭＰａ以下である。

第１水素ガスライン３０が３個以上の圧力領域に分割されている場合において、Ｐ₁、及びＰ_k以外の圧力Ｐ_j（ｊ≠１、ｋ）は、Ｐ_j＜Ｐ_j+1の条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。図１に示す例において、Ｐ₃は約７０ＭＰａである。

［１．６． 第２水素ガスライン］
第２水素ガスライン４０は、反応器１８の水素流路と第１水素ガスライン３０とを接続するためのものである。第２水素ガスライン４０は、水素吸蔵時には水素タンク１６から反応器１８に水素ガスを供給し、水素放出時には反応器１８から燃料電池１２の燃料流路に水素ガスを供給するために用いられる。そのため、第２水素ガスライン４０は、反応器１８の水素流路を第１圧力領域３２ａ若しくは第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）３２ｋのいずれか一方に切り替えて接続し、又は、第１水素ガスライン３０との接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。水素ガス切替手段の構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて，特に限定されない。

図１に示す例において、第２水素ガスライン４０は、第２主ガス管４２と、第１分岐管４４ａと、第２分岐管４４ｂと、第１開閉バルブ（Ｖ１）４６ａと、第２開閉バルブ（Ｖ２）４６ｂとを備えている。第２主ガス管４２の一端は、反応器１８の水素流路に接続され、他端は、第１分岐管４４ａの一端及び第２分岐管４４ｂの一端に接続されている。

第１分岐管４４ａの他端は、第１主ガス管３２の第２圧力領域３２ｂに接続されている。また、第１分岐管４４ａには、第１開閉バルブ（Ｖ１）４６ａが設けられている。
第２分岐管４４ｂの他端は、第１主ガス管３２の第１圧力領域３２ａに接続されている。また、第２分岐管４４ｂには、第２開閉バルブ（Ｖ２）４６ｂが設けられている。
図１に示す例において、第１分岐管４４ａ、第２分岐管４４ｂ、第１開閉バルブ（Ｖ１）４６ａ、及び第２開閉バルブ（Ｖ２）４６ｂが、反応器１８を第１圧力領域３２ａ若しくは第２圧力領域３２ｂのいずれか一方に切り替えて接続し、又は、第１水素ガスライン３０との接続を遮断するための水素ガス切替手段を構成する。

［１．７． 第１熱交換ライン］
第１熱交換ライン５０は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）と冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）とを接続し、燃料電池１２と冷却装置２０との間で冷媒を循環させるためものである。さらに、本発明においては、エネルギー効率を高めるために、第１熱交換ライン５０は、バイパス熱交換ラインを備えている。バイパス熱交換ラインは、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）から排出された冷媒を、そのまま燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）に戻すためのものである。すなわち、冷媒は、燃料電池１２と冷却装置２０の間を循環する場合と、燃料電池１２とバイパス熱交換ラインとの間を循環する場合とがある。第１熱交換ライン５０の構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。

図１に示す例において、第１熱交換ライン５０は、第１主水管５２ａと、第２主水管５２ｂと、第１冷媒ポンプ５４と、バイパス水管５６と、三方弁５８とを備えている。第１主水管５２ａの一端は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の出口に接続され、他端は、冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）の入口に接続されている。第２主水管５２ｂの一端は、冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）の出口に接続され、他端は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口に接続されている。

第１主水管５２ａの中間部分と第２主水管５２ｂの中間部分は、バイパス水管５６で連結されている。第１主水管５２ａとバイパス水管５６の結合点には、冷媒の流れの方向を冷却装置２０側（経路２側）又はバイパス水管５６側（経路１側）のいずれか一方に切り替えるための三方弁５８が設けられている。
さらに、第２主水管５２ｂには、冷媒を一方向に循環させるための第１冷媒ポンプ５４が設けられている。第１冷媒ポンプ５４は、バイパス水管５６と第２主水管５２ｂとの結合点と、燃料電池１２との間（すなわち、バイパス水管５６よりも燃料電池１２側にある第２主水管５２ｂ）に設けられている。
図１に示す例において、バイパス水管５６及び三方弁５８がバイパス熱交換ラインを構成する。

［１．８． 第２熱交換ライン］
第２熱交換ライン６０は、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）を第１熱交換ライン５０に対して並列に接続するためのものである。「並列に接続されている」とは、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）の一端が第１主水管５２ａに接続され、他端が第２主水管５２ｂに接続されていることをいう。
さらに、第２熱交換ライン６０は、冷媒が燃料電池１２−冷却装置２０間、又は燃料電池１２−バイパス熱交換ライン間を循環する時に、冷媒の一部を反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に流すための流量調節手段を備えている。第２熱交換ライン６０の構成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。

図１に示す例において、第２熱交換ライン６０は、第１分岐水管６２ａと、第２分岐水管６２ｂと、第２冷媒ポンプ６４とを備えている。第１分岐水管６２ａの一端は、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）の出口に接続され、他端は、第２主水管５２ｂに接続されている。第１分岐水管６２ａは、第２主水管５２ｂとバイパス水管５６の結合点と、第１冷媒ポンプ５４との間に接続されている。
第２分岐水管６２ｂの一端は、第１主水管５２ａに接続され、他端は、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）の入口に接続されている。第２分岐水管６２ｂは、燃料電池１２と三方弁５８との間に接続されている。さらに、第２分岐水管６２ｂには、冷媒を反応器１８に分配するための第２冷媒ポンプ６４（流量調節手段）が設けられている。

なお、第２冷媒ポンプ６４は、第１分岐水管６２ａに設置しても良い。また、第２冷媒ポンプ６４に代えて、又は、これに加えて、第１分岐水管６２ａ及び／又は第２分岐水管６２ｂに流量調節バルブ（流量調節手段）を設置しても良い。さらに、第１分岐水管６２ａを第１主水管５２ａに接続し、第２分岐水管６２ｂを第２主水管５２ｂに接続しても良い。

［１．９． 圧力検出手段］
圧力検出手段７２は、反応器１８内の圧力Ｐ_rを検出するためのものである。圧力Ｐ_rは、後述する暖機再生モード及び冷却再生モードにおいて、反応器１８への水素の吸蔵／放出を制御するために用いられる。圧力検出手段７２の構造及び設置位置は、このような制御が可能である限りにおいて、特に限定されない。
図１に示す例において、圧力検出手段は、反応器１８と第１開閉バルブ（Ｖ１）４６ａとの間にある第１分岐管４４ａ上に設置されている。

［１．１０． 第１温度検出手段］
第１温度検出手段７４は、燃料電池１２の内部温度、又は内部温度を推定可能な温度（第１温度）Ｔ₁を検出するためのものである。第１温度Ｔ₁は、後述する第２温度Ｔ₂と共に、燃料電池１２が加熱又は冷却を必要としているか否か、及び、反応器１８が水素の吸蔵又は放出を必要としているか否かを判断する際に用いられる。第１温度検出手段７４の構造及び設置位置は、このような判断が可能な限りにおいて、特に限定されない。

第１温度Ｔ₁としては、例えば、
（ａ）燃料電池１２の内部温度、
（ｂ）燃料電池１２の外壁温度、
（ｃ）燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口温度、
（ｄ）燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の出口温度、
（ｅ）冷媒流路（Ａ）の入口温度及び出口温度以外の温度であって、第１熱交換ライン５０を流れる冷媒の温度
などがある。
図１に示す例において、第１温度検出手段７４は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口側に設けられている。すなわち、第１温度Ｔ₁には、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口側の冷媒温度が用いられている。

［１．１１． 第２温度検出手段］
第２温度検出手段７６は、燃料電池システム１０が設置された環境の温度（第２温度）Ｔ₂を検出するためのものである。第２温度Ｔ₂は、上述した第１温度Ｔ₁と共に、燃料電池１２が加熱又は冷却を必要としているか否か、及び、反応器１８が水素の吸蔵又は放出を必要としているか否かを判断する際に用いられる。第２温度検出手段７６の構造及び設置位置は、このような判断が可能な限りにおいて、特に限定されない。図１に示す例において、第２温度検出手段７６は、冷却装置２０の近傍に設けられている。

［１．１２． 制御手段］
制御手段７８は、燃料電池システム１０の動作を制御するためのものである。
図１に示す例において、制御手段７８は、
（ａ）第１減圧手段３４ａ及び第２減圧手段３４ｂ、
（ｂ）第１開閉バルブ（Ｖ１）４６ａ及び第２開閉バルブ（Ｖ２）４６ｂ、
（ｃ）第１冷媒ポンプ５４及び三方弁５８、
（ｄ）第２冷媒ポンプ６４、並びに、
（ｅ）二次電池８０
の動作を制御する。
さらに、本発明において、制御手段７８は、圧力Ｐ_r、第１温度Ｔ₁、及び第２温度Ｔ₂を用いて、水素ガスの供給経路、及び冷媒の循環経路を適時に切り替えるモード切替手段を備えている。モード切替手段の詳細については、後述する。

［１．１３． 二次電池］
燃料電池システム１０は、二次電池８０を備えていても良い。二次電池８０は、燃料電池１２で得られた余剰電力を貯蔵するためのものである。
燃料電池１２の冷却が必要になった場合、冷媒の熱を反応器１８が吸収することによって反応器１８から水素が放出される。放出された水素は、燃料電池１２に供給され、発電に利用される。この時に得られる電力が、電力消費装置が要求している電力を超えている場合がある。このような場合、二次電池８０を用いて余剰電力を貯蔵するのが好ましい。

［２． 反応器］
［２．１． 反応器の構造］
図２に、反応器１８の一例を示す。図２において、反応器１８は、筐体１８ａと、筐体１８ａの外周及び内部に設けられた冷媒流路（Ｃ）１８ｂとを備えている。冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、内部が空洞になっており、内部に冷媒を流せるようになっている。筐体１８ａの上面には、冷媒の入口１８ｃと冷媒の出口１８ｄが設けられている。各冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、それぞれ冷媒の入口１８ｃ及び冷媒の出口１８ｄと連結している。そのため、冷媒の入口１８ｃから供給された冷媒は、冷却流路（Ｃ）１８ｂを通って、冷媒の出口１８ｄから排出される。

また、冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、筐体１８ａの外壁及び隔壁を兼ねている。各冷媒流路（Ｃ）１８ｂの間にある空間は、水素ガスを流すための水素流路１８ｅであり、空間内には水素貯蔵材料２２が充填されている。水素貯蔵材料２２の詳細については、後述する。

冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、その内部を流れる冷媒と、水素貯蔵材料２２との間で熱交換を行うためのものである。そのため、冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、冷媒−水素貯蔵材料２２との間の熱交換を促進するための伝熱フィンを備えていても良い。
例えば、冷媒流路（Ｃ）１８ｂの内面には、冷媒と冷媒流路（Ｃ）１８ｂとの間の熱交換を促進させるための伝熱フィン（Ａ）（図示せず）が設けられていても良い。
あるいは、冷媒流路（Ｃ）１８ｂの外面（すなわち、水素貯蔵材料２２の充填部）には、冷媒流路（Ｃ）１８ｂと水素貯蔵材料２２との間の熱交換を促進するための伝熱フィン（Ｂ）（図示せず）が設けられていても良い。

［２．２． 水素貯蔵材料の組成］
反応器１８には、水素貯蔵材料２２が内封されている。本発明において、水素貯蔵材料２２の組成は、水素ガスの吸蔵及び放出が可能な限りにおいて、特に限定されない。
後述するように、水素タンク１６から燃料電池１２に水素ガスを供給するための第１水素ガスライン３０は、減圧手段を用いて、圧力の異なる複数個の圧力領域に分割される。一方、燃料電池１２は、その種類に応じて、最大排熱温度（Ｔ_max）が異なる。燃料電池１２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２２は、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔ_max）における平衡水素圧力が所定の条件を満たしているのが好ましい。この点については、後述する。

水素貯蔵材料２２は、水素の吸蔵時に発熱し、水素の放出時に吸熱する。そのため、効率よく水素の吸蔵及び放出を行うためには、水素貯蔵材料２２は、熱伝導率が高いものが好ましい。しかし、水素貯蔵材料２２は、一般に、熱伝導率が低いものが多い。このような場合には、水素貯蔵材料２２に熱伝導助剤を添加するのが好ましい。熱伝導助剤としては、例えば、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、グラファイト、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などがある。

［２．３． 水素貯蔵材料の平衡圧力］
燃料電池１２の温度が過度に上昇した時は、第２水素ガスライン４０を介して、反応器１８から燃料電池１２に水素が供給される。燃料電池１２の排熱のみを用いて反応器１８から水素を放出させるためには、水素貯蔵材料は、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔ_max）における平衡水素圧力がＰ₁より大きいものが好ましい。

一方、燃料電池１２の始動時には、第２水素ガスライン４０を介して、水素タンク１６から反応器１８に水素が供給される。第１水素ガスライン３０と反応器１８の圧力差のみによって、水素貯蔵材料に水素ガスを吸蔵させるためには、水素貯蔵材料は、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔ_max）における平衡水素圧力が、反応器１８に接続される第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）の圧力Ｐ_k未満であるものが好ましい。

［３． モード切替手段］
制御手段７８は、圧力Ｐ_r、第１温度Ｔ₁、及び第２温度Ｔ₂を用いて、水素ガスの供給経路、及び冷媒の循環経路を適時に切り替えるモード切替手段を備えている。
また、モード切替手段は、暖機モード実行手段、暖機再生モード実行手段、冷却モード実行手段、冷却再生モード実行手段、冷却準備モード実行手段、及び／又は、暖機準備モード実行手段を備えている。本発明において、モード切替手段は、これらのいずれか１つの手段を備えていても良く、あるいは、２以上の手段を備えていても良い。

例えば、モード切替手段は、
（ａ）暖機モード実行手段と、冷却モード実行手段のみを備えているもの、
（ｂ）（ａ）に加えて、さらに暖機再生モード実行手段、及び冷却再生モード実行手段を備えているもの、あるいは、
（ｃ）（ａ）又は（ｂ）に加えて、さらに暖機準備モード実行手段、及び冷却準備モード実行手段を備えているもの
のいずれであっても良い。

さらに、環境温度（第２温度Ｔ₂）が低い場合、一般に、冷却よりも暖機が必要とされる確率が高くなる。一方、環境温度が高い場合、一般に、暖機よりも冷却が必要とされる確率が高くなる。そのため、モード切替手段は、
前記Ｔ₂があるしきい値未満である時（又は、前記Ｔ₂が前記しきい値以下である時）に、下記（Ａ）のモード群に含まれるいずれか１つ以上のモードを実行し、
前記Ｔ₂があるしきい値以上である時（又は、前記Ｔ₂が前記しきい値を超える時）に、下記の（Ｂ）のモード群に含まれるいずれか１つ以上のモードを実行する
暖機・冷却切替手段をさらに備えていても良い。
（Ａ）暖機モード実行手段、暖機再生モード実行手段、又は、暖機準備モード実行手段。
（Ｂ）冷却モード実行手段、冷却再生モード実行手段、又は、冷却準備モード実行手段。

［３．１． 暖機モード実行手段（図４）］
［３．１．１． 概要］
モード切替手段は、暖機モード実行手段を備えていても良い。
ここで、「暖機モード実行手段」とは、燃料電池システム１０の始動後、燃料電池１２の加熱が必要と判断された場合に、水素タンク１６から反応器１８に水素ガスを供給し、第１熱交換ライン５０をバイパス熱交換ライン側に切り替え、かつ、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に冷媒の一部を流すことにより、水素貯蔵材料に水素ガスを吸蔵させ、水素ガスの吸蔵熱を用いて燃料電池１２を加熱する手段をいう（図４参照）。換言すれば、暖機モード実行手段とは、冷却装置２０からの放熱を抑制しながら、燃料電池１２自身の発熱及び水素吸蔵熱を用いて、燃料電池１２を速やかに昇温させる手段をいう。燃料電池システム１０が暖機モードにある場合、通常、燃料電池１２には、要求電力に応じて、水素タンク１６から水素ガスが供給される。

燃料電池１２には、適正な作動温度範囲がある。燃料電池１２の内部温度が適正な作動温度範囲より低い場合及び高い場合のいずれも、発電効率が低下する。そのため、燃料電池１２の温度が相対的に低い場合には、暖機モードを実行するのが好ましい。
暖機モードの実行が必要となる場合としては、例えば、
（ａ）燃料電池システム１０の始動直後であって、第２温度Ｔ₂が低い場合、
（ｂ）燃料電池システム１０の運転中であって、第２温度Ｔ₂が過度に低く、かつ、燃料電池１２の発電量が過度に少ない場合、
などがある。

［３．１．２． 暖機モードの開始条件］
第１温度Ｔ₁及び第２温度Ｔ₂が、それぞれ、以下の式（１．１）及び式（１．２）の条件を満たした場合、暖機モードを開始する。暖機モードは、始動時だけでなく、運転中にも実行される場合がある。
Ｔ₁＜Ｃ₁₁（又は、Ｔ₁≦Ｃ₁₁） ・・・（１．１）
Ｔ₂＜Ｃ₂₁（又は、Ｔ₂≦Ｃ₂₁） ・・・（１．２）
ここで、「Ｃ₁₁」は、暖機モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値（判定基準）である。「Ｃ₂₁」は、暖機モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₂の臨界値である。

［Ａ． Ｔ₁の条件］
Ｔ₁が燃料電池１２の適正な作動温度範囲の下限値Ｔ_1Lより低くなると、発電効率が低下する。従って、Ｔ₁がＴ_1L以上である時は、暖機モードを実行する必要はない。Ｔ₁がＴ_1L未満であっても、Ｔ₁とＴ_1Lの差が相対的に小さい時は、燃料電池１２自身の発熱によって短時間でＴ₁がＴ_1L以上となる場合がある。このような場合もまた、必ずしも暖機モードを実行する必要はない。一方、臨界値Ｃ₁₁を過度に小さく設定すると、暖機モードが実質的に機能せず、燃料電池１２を適正な作動範囲まで昇温させるのに長時間を要するおそれがある。
Ｃ₁₁の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［Ｂ． Ｔ₂の条件］
Ｔ₁が低い場合であっても、Ｔ₂が高くなるほど、燃料電池１２の暖機が必要となる確率は低くなる。これは、Ｔ₂が高くなるほど、燃料電池１２の発熱のみにより、燃料電池１２を短時間で適正な作動温度範囲まで昇温できるためである。
具体的には、Ｔ₂が低温域にある場合（Ｔ₂＜Ｔ_2L）、始動時だけでなく、運転中においても暖機が必要となる確率は、極めて高い。Ｔ₂が低温域〜中温域にある場合（Ｔ_2L≦Ｔ₂＜Ｔ_2M）、運転中において暖機が必要となる確率は、相対的に高い。Ｔ₂が中温域〜高温域にある場合（Ｔ_2M≦Ｔ₂＜Ｔ_2H）、運転中において暖機が必要となる確率は、相対的に低い。さらに、Ｔ₂が超高温域にある場合（Ｔ₂≧Ｔ_2H）、始動時だけでなく、運転中においても暖機が必要となる確率は、極めて低い。そのため、臨界値Ｃ₂₁が不適切であると、適時に暖機モードを実行できなくなるおそれがある。
Ｃ₂₁の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．１．３． 暖機モードの終了条件］
第１温度Ｔ₁が以下の式（１．３）の条件を満たした場合、暖機モードを終了する。
Ｔ₁≧Ｄ₁₁（又は、Ｔ₁＞Ｄ₁₁） ・・・（１．３）
ここで、「Ｄ₁₁」は、暖機モードを終了するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。

Ｄ₁₁は、不必要な暖機モードの再実行を防ぐために、少なくとも暖機モードの開始条件（Ｃ₁₁）より高くする必要がある。一方、暖機モードを必要以上に継続するのは、実益がない。また、Ｄ₁₁が高くなりすぎると、燃料電池１２の温度が過度に上昇するおそれがある。
Ｄ₁₁の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．２． 暖機再生モード実行手段（図５）］
［３．２．１． 概要］
モード切替手段は、暖機再生モード実行手段を備えていても良い。
ここで、「暖機再生モード実行手段」とは、暖機モード終了後、暖機モードが再度実行される可能性が高いと判断された場合に、反応器１８から燃料電池１２への水素ガスの供給及び停止を繰り返しながら、第１熱交換ライン５０をバイパス熱交換ライン側に切り替え、かつ、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に冷媒の一部を流すことにより、反応器１８から燃料電池１２に水素ガスを断続的に放出し、反応器１８を水素吸蔵可能な状態に再生する手段をいう（図５参照）。換言すれば、暖機再生モード実行手段とは、エネルギー効率の低下を抑制しながら、反応器１８を水素吸蔵可能な状態に再生する手段をいう。

水素貯蔵材料から水素ガスを放出させる反応は、吸熱反応である。そのため、反応器１８から水素ガスを連続的に放出させると、燃料電池１２の温度が過度に低下する場合がある。燃料電池１２の温度が過度に低下し、適正な作動温度範囲を下回ると、発電効率が低下する。そのため、暖機再生モードにおいては、冷却装置２０による冷却を停止させた状態で、反応器１８からの水素の放出を断続的に行う。これにより、燃料電池１２の過度の温度低下を抑制することができる。

［３．２．２． 暖機再生モードの開始条件］
暖機モード終了後、第１温度Ｔ₁及び第２温度Ｔ₂が、それぞれ、以下の式（２．１）及び式（２．２）の条件を満たした場合、暖機再生モードを開始する。
Ｔ₁≧Ｃ₁₂（又は、Ｔ₁＞Ｃ₁₂） ・・・（２．１）
Ｃ₂₂≦Ｔ₂＜Ｃ₂₃（又は、Ｃ₂₂＜Ｔ₂≦Ｃ₂₃） ・・・（２．２）
ここで、「Ｃ₁₂」は、暖機再生モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。「Ｃ₂₂」及び「Ｃ₂₃」は、それぞれ、暖機再生モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₂の臨界値の下限値及び上限値である。

［Ａ． Ｔ₁の条件］
暖機再生モードは、暖機モードが再度実行される確率は相対的に高いが、短時間で暖機モードが実行される確率が低い場合に実行される。直前の暖機モードにおいて、反応器１８に必要以上の水素ガスを吸蔵させると、暖機モードが再度実行された時に反応器１８は必要量の水素ガスを吸蔵できなくなるおそれがある。また、反応器１８が必要以上の水素ガスを吸蔵した場合、吸蔵熱によりＴ₁が過度に上昇する。このような場合には、反応器１８が吸蔵した過剰の水素ガスを放出させ、次の暖機モードに備える。
臨界値Ｃ₁₂が小さくなりすぎると、燃料電池１２の温度が過度に低下して発電効率が低下する。一方、Ｃ₁₂が大きくなりすぎると、実質的に暖機再生モードが機能しなくなる。
Ｃ₁₂の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［Ｂ． Ｔ₂の条件］
Ｔ₂が過度に低い場合、短時間で暖機モードが実行される確率が高くなる。この場合、低速で水素を放出する暖機再生モードではなく、高速で水素を放出する暖機準備モードを実行するのが好ましい。
一方、Ｔ₂が過度に高い場合、暖機モードが再度実行される確率が低くなる。このような場合、必ずしも暖機再生モードを実行する必要はない。
Ｃ₂₂及びＣ₂₃の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．２．３． 暖機再生モードの終了条件］
反応器１８からの水素の放出を停止させた状態で、圧力Ｐ_rが以下の式（２．３）の条件を満たした場合、暖機再生モードを終了する。
Ｐ_r≦Ｐ_c1＠Ｄ₁₂（又は、Ｐ_r＜Ｐ_c1＠Ｄ₁₂） ・・・（２．３）
ここで、「Ｐ_c1＠Ｄ₁₂」は、Ｔ₁がＤ₁₂（圧力を測定する際の基準温度）である時の圧力Ｐ_rの臨界値である。

反応器１８が必要以上の水素ガスを吸蔵している場合、反応器１８の圧力Ｐ_rが上昇する。また、反応器１８の水素吸蔵量が同一であっても、Ｐ_rは、Ｔ₁に応じて変化する。さらに、暖機再生モードでは、水素の放出が断続的に行われる。そのため、水素ガスを放出している時にはＴ₁は低下し、放出を停止している時にはＴ₁は上昇する。これに伴い、Ｐ_rも増減を繰り返す。そのため、暖機再生モードを終了するか否かを判断する場合には、圧力を測定する際の基準温度Ｄ₁₂を定め、水素の放出を停止させた状態で、Ｔ₁＝Ｄ₁₂での圧力Ｐ_rの実測値と臨界値とを対比するのが好ましい。
臨界値Ｐ_c1＠Ｄ₁₂が小さくなりすぎると、必要以上に水素ガスが放出され、燃料電池１２の温度が低下する。一方、Ｐ_c1＠Ｄ₁₂が大きくなりすぎると、水素ガスの放出が不十分となり、次に暖機モードが実行されたときに、必要量の水素ガスを吸蔵できなくなる。
Ｐ_c1＠Ｄ₁₂の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．３． 冷却モード実行手段（図６）］
［３．３．１． 概要］
モード切替手段は、冷却モード実行手段を備えていても良い。
ここで、「冷却モード実行手段」とは、燃料電池１２の冷却が必要と判断された場合に、反応器１８から燃料電池１２への水素ガスの供給及び停止を繰り返しながら、第１熱交換ライン５０を冷却装置２０側に切り替え、かつ、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に冷媒の一部を流すことにより、反応器１８から燃料電池１２に水素ガスを断続的に放出し、反応器１８及び冷却装置２０を用いて燃料電池１２を冷却する手段をいう（図６参照）。換言すれば、冷却モード実行手段とは、冷却装置２０の冷却能力及び水素放出熱を用いて、燃料電池１２を速やかに冷却させる手段をいう。

冷却モードを実行する際には、反応器１８から水素ガスを連続的に放出させても良い。しかし、水素ガスを連続的に放出させると、燃料電池１２の温度が過度に低下したり、あるいは、次の冷却モードを実行する際に、水素ガスが不足するおそれがある。また、運転中に要求電力が減少し、冷却装置２０のみで燃料電池１２の冷却が可能となる場合がある。従って、冷却モードを実行する際には、反応器１８から水素ガスを断続的に放出させるのが好ましい。

［３．３．２． 冷却モードの開始条件］
第１温度Ｔ₁が以下の式（３．１）の条件を満たした場合、冷却モードを開始する。
Ｔ₁≧Ｃ₁₃（又は、Ｔ₁＞Ｃ₁₃） ・・・（３．１）
ここで、「Ｃ₁₃」は、冷却モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。
また、第１温度Ｔ₁が式（３．１）の条件を満たすことに加えて、さらに第２温度Ｔ₂が以下の式（３．２）を満たした時に、冷却モードを開始しても良い。
Ｔ₂≧Ｃ₂₄（又は、Ｔ₂＞Ｃ₂₄） ・・・（３．２）
ここで、「Ｃ₂₄」は、冷却モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₂の臨界値である。

［Ａ． Ｔ₁の条件］
Ｔ₁が燃料電池１２の適正な作動温度範囲の上限値Ｔ_1Uより高くなると、発電効率が低下する。また、Ｔ₁がＴ_1Uより過度に高くなると、燃料電池１２が破損するおそれがある。このような場合には、冷却モードを実行し、燃料電池１２を冷却する。
臨界値Ｃ₁₃が小さくなりすぎると、必要以上に冷却が行われ、燃料電池１２の効率が低下する。一方、Ｃ₁₃が大きくなりすぎると、燃料電池１２が破損するおそれがある。
Ｃ₁₃の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。
［Ｂ． Ｔ₂の条件］
一般に、Ｔ₂が高くなるほど、冷却モードが実行される確率が高くなる。臨界値Ｃ₂₄が小さくなりすぎると、必要以上に冷却が行われ、燃料電池１２の効率が低下する。一方、臨界値Ｃ₂₄が大きくなりすぎると、冷却モードが実質的に機能しなくなる。
Ｃ₂₄の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．３．３． 冷却モードの終了条件］
反応器１８からの水素の放出を停止した状態で、第１温度Ｔ₁が以下の式（３．３）の条件を満たした場合、冷却モードを終了する。
Ｔ₁＜Ｄ₁₃（又は、Ｔ₁≦Ｄ₁₃） ・・・（３．３）
ここで、「Ｄ₁₃」は、冷却モードを終了するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。

冷却モードの終了条件を満たすか否かは、Ｔ₁を安定させるために、反応器１８からの水素の放出を停止した状態で判断される。臨界値Ｄ₁₃は、不必要な冷却モードの再実行を防ぐために、少なくとも冷却モードの開始条件（Ｃ₁₃）より小さくする必要がある。但し、Ｄ₁₃が小さくなりすぎると、必要以上に水素ガスが放出され、燃料電池１２の温度が過度に低下する。
Ｄ₁₃の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．４． 冷却再生モード実行手段（図７）］
［３．４．１． 概要］
モード切替手段は、冷却再生モード実行手段を備えていても良い。
ここで、「冷却再生モード実行手段」とは、冷却モード終了後、冷却モードが再度実行される可能性が高いと判断された場合に、水素タンク１６から反応器１８への水素ガスの供給及び停止を繰り返しながら、第１熱交換ライン５０を冷却装置２０側に切り替え、かつ、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に冷媒の一部を流すことにより、反応器１８に水素ガスを断続的に供給し、反応器１８を水素放出可能な状態に再生する手段をいう（図７参照）。換言すれば、冷却再生モード実行手段とは、エネルギー効率の低下を抑制しながら、反応器１８を水素放出可能な状態に再生する手段をいう。燃料電池システム１０が冷却再生モードにある場合、通常、燃料電池１２には、要求電力に応じて、水素タンク１６から水素ガスが供給される。

水素貯蔵材料に水素ガスを吸蔵させる反応は、発熱反応である。そのため、反応器１８に水素ガスを連続的に供給すると、燃料電池１２の温度が過度に上昇する場合がある。燃料電池１２の温度が過度に上昇し、適正な作動温度範囲を超えると、発電効率が低下する。そのため、冷却再生モードにおいては、冷却装置２０による冷却を行うと同時に、反応器１８への水素の供給を断続的に行う。これにより、燃料電池１２の過度の温度上昇を抑制することができる。

［３．４．２． 冷却再生モードの開始条件］
冷却モード終了後、第１温度Ｔ₁及び第２温度Ｔ₂が、それぞれ、以下の式（４．１）及び式（４．２）の条件を満たした場合、冷却再生モードを開始する。
Ｔ₁＜Ｃ₁₄（又は、Ｔ₁≦Ｃ₁₄） ・・・（４．１）
Ｃ₂₅≦Ｔ₂＜Ｃ₂₆（又は、Ｃ₂₅＜Ｔ₂≦Ｃ₂₆） ・・・（４．２）
ここで、「Ｃ₁₄」は、冷却再生モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。「Ｃ₂₅」及び「Ｃ₂₆」は、それぞれ、冷却再生モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₂の臨界値の下限値及び上限値である。

［Ａ． Ｔ₁の条件］
冷却再生モードは、冷却モードが再度実行される確率は相対的に高いが、短時間で冷却モードが実行される確率が低い場合に実行される。直前の冷却モードにおいて、反応器１８から必要以上の水素ガスを放出させると、冷却モードが再度実行された時に反応器１８から必要量の水素ガスを放出できなくなるおそれがある。このような場合には、反応器１８が放出した過剰の水素ガスを補給し、次の冷却モードに備える。反応器１８が必要以上の水素ガスを放出した場合、放出熱によりＴ₁が過度に低下する。
臨界値Ｃ₁₄が小さくなりすぎると、冷却再生モードが実質的に機能しなくなる。一方、Ｃ₁₄が大きくなりすぎると、燃料電池１２の温度が過度に上昇し、発電効率が低下したり、燃料電池１２が破損するおそれがある。
Ｃ₁₄は、これらの点を考慮して、最適な値を選択するのが好ましい。

［Ｂ． Ｔ₂の条件］
Ｔ₂が過度に高い場合、短時間で冷却モードが実行される確率が高くなる。この場合、低速で水素を吸蔵する冷却再生モードではなく、高速で水素を吸蔵する冷却準備モードを実行するのが好ましい。
一方、Ｔ₂が過度に低い場合、冷却モードが再度実行される確率は低くなる。このような場合、必ずしも冷却再生モードを実行する必要はない。
Ｃ₂₅及びＣ₂₆の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．４．３． 冷却再生モードの終了条件］
反応器１８からの水素の放出を停止させた状態で、圧力Ｐ_rが以下の式（４．３）の条件を満たした場合、冷却再生モードを終了する。
Ｐ_r≦Ｐ_c2＠Ｄ₁₄（又は、Ｐ_r＜Ｐ_c2＠Ｄ₁₄） ・・・（４．３）
ここで、「Ｐ_c2＠Ｄ₁₄」は、Ｔ₁がＤ₁₄（圧力を測定する際の基準温度）である時の圧力Ｐ_rの臨界値である。

暖機再生モードと同様に、冷却再生モードを終了するか否かを判断する場合には、圧力を測定する際の基準温度Ｄ₁₄を定め、水素の放出を停止させた状態で、Ｔ₁＝Ｄ₁₄での圧力Ｐ_rの実測値と臨界値とを対比するのが好ましい。
臨界値Ｐ_c2＠Ｄ₁₄が小さくなりすぎると、水素ガスの吸蔵が不十分となり、次に冷却モードが実行されたときに、必要量の水素ガスを放出できなくなる。一方、Ｐ_c2＠Ｄ₁₄が大きくなりすぎると、過剰の水素ガスが吸蔵され、燃料電池１２の温度が上昇する。
Ｐ_c2＠Ｄ₁₄の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．５． 冷却準備モード実行手段（図８）］
［３．５．１． 概要］
モード切替手段は、冷却準備モード実行手段を備えていても良い。
ここで、「冷却準備モード実行手段」とは、冷却モードが実行される可能性が高く、かつ、エネルギー効率の低下の抑制よりも冷却モードの実行準備が優先されると判断された場合に、水素タンク１６から反応器１８へ水素ガスを供給し、第１熱交換ライン５０を冷却装置２０側に切り替え、かつ、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に冷媒の一部を流すことにより、反応器１８に水素を連続的に供給し、反応器１８を水素放出可能な状態に戻す手段をいう（図８参照）。換言すれば、冷却準備モードとは、エネルギー効率の低下を許容しながら、反応器１８を速やかに水素放出可能な状態に戻す手段をいう。燃料電池システム１０が冷却準備モードにある場合、通常、燃料電池１２には、要求電力に応じて、水素タンク１６から水素ガスが供給される。

Ｔ₂が過度に高い場合、短時間で冷却モードが実行される可能性が高い。このような場合には、反応器１８に水素ガスを連続的に供給し、反応器１８を速やかに水素放出可能な状態に戻す。その際、燃料電池１２の温度が過度に上昇する場合もあるが、ここでは冷却モードの実行準備が優先される。冷却準備モードを実行する際には、燃料電池１２の温度の上昇を抑制するために、冷却装置２０による冷却が行われる。

［３．５．２． 冷却準備モードの開始条件］
第１温度Ｔ₁及び第２温度Ｔ₂が、それぞれ、以下の式（５．１）及び式（５．２）の条件を満たした場合、冷却準備モードを開始する。
Ｔ₁＜Ｃ₁₅（又は、Ｔ₁≦Ｃ₁₅） ・・・（５．１）
Ｔ₂＞Ｃ₂₇（又は、Ｔ₂≧Ｃ₂₇） ・・・（５．２）
ここで、「Ｃ₁₅」は、冷却準備モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。「Ｃ₂₇」は、冷却準備モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₂の臨界値である。

［Ａ． Ｔ₁の条件］
冷却準備モードは、短時間で冷却モードが実行される確率が極めて高い場合に実行される。Ｔ₂が高い場合において、少なくともＴ₁が冷却モードの終了条件（Ｄ₁₃）以下になったときには、冷却モードが実行される確率が高くなる。
臨界値Ｃ₁₅が小さくなりすぎると、実質的に冷却準備モードが機能せず、再度冷却が必要となった場合に水素を放出（燃料電池１２を冷却）できなくなる。一方、Ｃ₁₅が大きくなりすぎると、燃料電池１２の温度Ｔ₁が過度に高くなり、燃料電池１２が破損するおそれがある。
Ｃ₁₅は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［Ｂ． Ｔ₂の条件］
一般に、Ｔ₂が高くなるほど、冷却モードが実行される確率が高くなる。特に、Ｔ₂が超高温域にある場合（Ｔ₂≧Ｔ_2H）には、冷却モードが実行される確率が極めて高くなる。
臨界値Ｃ₂₇が小さくなりすぎると、不必要に冷却準備モードが実行され、燃料電池１２の発電効率が不必要に低下することで、システムのエネルギー効率が低下する。一方、Ｃ₂₇が大きくなりすぎると、冷却準備モードが実質的に機能しなくなる。
Ｃ₂₇は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．５．３． 冷却準備モードの終了条件］
第１温度Ｔ₁が以下の式（５．３）又は式（５．４）の条件を満たした場合、冷却準備モードを終了する。
Ｔ₁＞Ｄ₁₅（又は、Ｔ₁≧Ｄ₁₅） ・・・（５．３）
Ｔ₁＜Ｄ₁₆（又は、Ｔ₁≦Ｄ₁₆） ・・・（５．４）
ここで、「Ｄ₁₅」は、冷却準備モードを終了するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。「Ｄ₁₆」は、冷却準備モード開始時のＴ₁（すなわち、Ｃ₁₅）である。

式（５．３）を用いて冷却準備モードの終了を判断する場合において、臨界値Ｄ₁₅は、不必要な冷却準備モードの再実行を防ぐために、少なくとも冷却準備モードの開始条件（Ｃ₁₅）より大きくする必要がある。但し、Ｄ₁₅が大きくなりすぎると、必要以上に水素ガスが吸蔵され、燃料電池１２の温度が過度に上昇する。
Ｄ₁₅の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。
一方、反応器１８の水素貯蔵量が最大量に近い場合、式（５．３）を満たさないことが考えられる。このような場合には、式（５．４）を用いて冷却準備モードの終了を判断するのが好ましい。

［３．６． 暖機準備モード実行手段（図９）］
［３．６．１． 概要］
モード切替手段は、暖機準備モード実行手段を備えていても良い。
ここで、「暖機準備モード実行手段」とは、暖機モードが実行される可能性が高く、かつ、エネルギー効率の低下の抑制よりも暖機モードの実行準備が優先されると判断された場合に、反応器１８から燃料電池１２へ水素ガスを供給し、第１熱交換ライン５０をバイパス熱交換ライン側に切り替え、かつ、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に冷媒の一部を流すことにより、反応器１８から燃料電池１２に水素ガスを連続的に放出し、反応器１８を水素吸蔵可能な状態に戻す手段をいう（図９参照）。換言すれば、暖機準備モードとは、エネルギー効率の低下を許容しながら、反応器１８を速やかに水素吸蔵可能な状態に戻す手段をいう。

Ｔ₂が過度に低い場合、短時間で暖機モードが実行される可能性が高い。このような場合には、反応器１８から水素ガスを連続的に放出し、反応器１８を速やかに水素吸蔵可能な状態に戻す。その際、燃料電池１２の温度が過度に低下する場合もあるが、ここでは暖機モードの実行準備が優先される。暖機準備モードを実行する際には、燃料電池１２の温度の低下を抑制するために、冷却装置２０による冷却は行われない。

［３．６．２． 暖機準備モードの開始条件］
第１温度Ｔ₁及び第２温度Ｔ₂が、それぞれ、以下の式（６．１）及び式（６．２）の条件を満たした場合、冷却準備モードを開始する。
Ｔ₁≧Ｃ₁₆（又は、Ｔ₁＞Ｃ₁₆） ・・・（６．１）
Ｔ₂＜Ｃ₂₈（又は、Ｔ₂≦Ｃ₂₈） ・・・（６．２）
ここで、「Ｃ₁₆」は、暖機準備モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。「Ｃ₂₈」は、暖機準備モードを開始するか否かを判断する際に用いられるＴ₂の臨界値である。

［Ａ． Ｔ₁の条件］
暖機準備モードは、短時間で暖機モードが実行される確率が極めて高い場合に実行される。Ｔ₂が低い場合において、Ｔ₁が相対的に低いときには、暖機モードが実行される確率が高くなる。
臨界値Ｃ₁₆が小さくなりすぎると、暖機モードによる発電効率の向上分が暖機準備モードの実行で打ち消される。一方、Ｃ₁₆が大きくなりすぎると、暖機準備モードが実質的に機能しなくなる。
Ｃ₁₆は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［Ｂ． Ｔ₂の条件］
一般に、Ｔ₂が低くなるほど、暖機モードが実行される確率が高くなる。特に、Ｔ₂が低温域にある場合（Ｔ₂＜Ｔ_2L）には、暖機モードが実行される確率が極めて高くなる。
臨界値Ｃ₂₈が小さくなりすぎると、暖機準備モードが実行される確率が低下し、暖機が必要な時に水素を吸蔵できない（暖機できない）確率が高まる。一方、Ｃ₂₈が大きくなりすぎると、不必要に暖機準備モードが実行されることで、燃料電池１２の発電効率が不必要に低下する。
Ｃ₂₈は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。

［３．６．３． 暖機準備モードの終了条件］
第１温度Ｔ₁が以下の式（６．３）又は式（６．４）の条件を満たした場合、暖機準備モードを終了する。
Ｔ₁≦Ｄ₁₇（又は、Ｔ₁＜Ｄ₁₇） ・・・（６．３）
Ｔ₁＞Ｄ₁₈（又は、Ｔ₁≧Ｄ₁₈） ・・・（６．４）
ここで、「Ｄ₁₇」は、暖機準備モードを終了するか否かを判断する際に用いられるＴ₁の臨界値である。「Ｄ₁₈」は、暖機準備モード開始時のＴ₁（すなわち、Ｃ₁₆）である。

式（６．３）を用いて暖機準備モードの終了を判断する場合において、臨界値Ｄ₁₇は、不必要な暖機準備モードの再実行を防ぐために、少なくとも暖機準備モードの開始条件（Ｃ₁₆）より小さくする必要がある。但し、Ｄ₁₇が小さくなりすぎると、必要以上に水素ガスが放出され、燃料電池１２の温度が過度に低下する。
Ｄ₁₇の値は、これらの点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。
一方、反応器１８の水素貯蔵量がゼロに近い場合、式（６．３）を満たさないことが考えられる。このような場合には、式（６．４）を用いて暖機準備モードの終了を判断するのが好ましい。

［３．７． 余剰電力充電手段］
燃料電池システム１０が、燃料電池１２で得られた余剰電力を貯蔵する二次電池８０をさらに備えている場合、暖機準備モード実行手段は、余剰電力充電手段をさらに備えていても良い。
ここで、「余剰電力充電手段」とは、燃料電池１２の発電出力が電力消費装置の出力を上回った場合に、余剰電力を二次電池８０に充電するための手段をいう。

暖機準備モード実行手段では、燃料電池１２のエネルギー効率の低下の抑制よりも反応器１８からの水素放出が優先される。そのため、過剰の水素ガスが燃料電池１２に供給され、燃料電池１２の発電出力が電力消費装置の出力を上回る場合がある。このような場合には、余剰電力を二次電池８０に充電するのが好ましい。

［３．８． 余剰電力充電手段］
燃料電池システム１０が、燃料電池１２で得られた余剰電力を貯蔵する二次電池８０をさらに備え、暖機準備モード実行手段が余剰電力充電手段をさらに備えている場合、暖機準備モード実行手段は、発電効率低下手段をさらに備えていても良い。
ここで、「発電効率低下手段」とは、二次電池８０の蓄電量が最大蓄電量の９５％を超えた時に、燃料電池１２の発電効率を低下させる手段をいう。

二次電池８０の蓄電量には、限界がある。そため、暖機準備モードが終了する前に、二次電池８０がフル充電の状態になることがある。このような場合、二次電池８０の蓄電量が最大蓄電量の９５％を超えた時に、燃料電池１２の発電効率を低下させるのが好ましい。燃料電池１２の発電効率を低下させると、発電量が低下し、燃料電池１２から排出される熱エネルギーが増大する。
燃料電池１２の発電効率を低下させる方法としては、例えば、水素と酸化性ガスのストイキ比を１．０（理論値）に絞った状態で運転する方法などがある。

［３．９． ノーマルモード］
燃料電池システム１０が上記のいずれのモードも実行していない場合、燃料電池１２をノーマルモードで運転する。「ノーマルモード」とは、反応器１８を第１水素ガスライン３０及び第１熱交換ライン５０から遮断し、三方弁５８を冷却装置２０側に切り替えた状態で燃料電池１２を運転するモードをいう。

［３．１０． 開始条件及び終了条件の具体例］
第２温度Ｔ₂及び圧力Ｐ_rは、測定位置が変わっても大きく変わることはない。一方、第１温度Ｔ₁は、測定位置によって大きく変わる。そのため、各モードの開始条件（臨界値Ｃ）及び終了条件（臨界値Ｄ、Ｐ_c）は、Ｔ₁の測定位置に応じて最適な値を選択するのが好ましい。表１に、Ｔ₁として燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口温度を用いた時の開始条件及び終了条件の一例を示す。

［３．１１． フローチャート］
図３に、モード切替手段を実行するための制御プログラムのフローチャートを示す。ステップ１（以下、単に「Ｓ１」という）において、暖機モードの開始条件を満たすか否かが判断される。開始条件を満たさない時（Ｓ１：ＮＯ）は、Ｓ７に進む。一方、開始条件を満たす時（Ｓ１：ＹＥＳ）には、Ｓ２に進み、暖機モードを実行する。次に、Ｓ３に進み、暖機モードの終了条件を満たすか否かが判断される。終了条件を満たさない時（Ｓ３：ＮＯ）には、Ｓ２に戻り、暖機モードを継続する。一方、終了条件を満たす時（Ｓ３：ＹＥＳ）には、Ｓ４に進む。

Ｓ４では、暖機再生モードの開始条件を満たすか否かが判断される。開始条件を満たさない時（Ｓ４：ＮＯ）には、Ｓ７に進む。一方、開始条件を満たす時（Ｓ４：ＹＥＳ）には、Ｓ５に進み、暖機再生モードを実行する。次に、Ｓ６に進み、暖機再生モードの終了条件を満たすか否かが判断される。終了条件を満たさない時（Ｓ６：ＮＯ）には、Ｓ５に戻り、暖機再生モードを継続する。一方、終了条件を満たす時（Ｓ６：ＹＥＳ）には、Ｓ７に進む。

Ｓ７では、冷却モードの開始条件を満たすか否かが判断される。開始条件を満たさない時（Ｓ７：ＮＯ）は、Ｓ１３に進む。一方、開始条件を満たす時（Ｓ７：ＹＥＳ）には、Ｓ８に進み、冷却モードを実行する。次に、Ｓ９に進み、冷却モードの終了条件を満たすか否かが判断される。終了条件を満たさない時（Ｓ９：ＮＯ）には、Ｓ８に戻り、冷却モードを継続する。一方、終了条件を満たす時（Ｓ９：ＹＥＳ）には、Ｓ１０に進む。

Ｓ１０では、冷却再生モードの開始条件を満たすか否かが判断される。開始条件を満たさない時（Ｓ１０：ＮＯ）には、Ｓ１３に進む。一方、開始条件を満たす時（Ｓ１０：ＹＥＳ）には、Ｓ１１に進み、冷却再生モードを実行する。次に、Ｓ１２に進み、冷却再生モードの終了条件を満たすか否かが判断される。終了条件を満たさない時（Ｓ１２：ＮＯ）には、Ｓ１１に戻り、冷却再生モードを継続する。一方、終了条件を満たす時（Ｓ１２：ＹＥＳ）には、Ｓ１３に進む。

Ｓ１３では、冷却準備モードの開始条件を満たすか否かが判断される。開始条件を満たさない時（Ｓ１３：ＮＯ）は、Ｓ１６に進む。一方、開始条件を満たす時（Ｓ１３：ＹＥＳ）には、Ｓ１４に進み、冷却準備モードを実行する。次に、Ｓ１５に進み、冷却準備モードの終了条件を満たすか否かが判断される。終了条件を満たさない時（Ｓ１５：ＮＯ）には、Ｓ１４に戻り、冷却準備モードを継続する。一方、終了条件を満たす時（Ｓ１５：ＹＥＳ）には、Ｓ１６に進む。

Ｓ１６では、暖機準備モードの開始条件を満たすか否かが判断される。開始条件を満たさない時（Ｓ１６：ＮＯ）は、Ｓ１９に進む。一方、開始条件を満たす時（Ｓ１６：ＹＥＳ）には、Ｓ１７に進み、暖機準備モードを実行する。次に、Ｓ１８に進み、暖機準備モードの終了条件を満たすか否かが判断される。終了条件を満たさない時（Ｓ１８：ＮＯ）には、Ｓ１７に戻り、暖機準備モードを継続する。一方、終了条件を満たす時（Ｓ１８：ＹＥＳ）には、Ｓ１９に進む。

Ｓ１９では、反応器１８を用いた燃料電池１２の加熱又は冷却を終了させ、ノーマルモードを実行する。次に、Ｓ２０に進み、運転を継続するか否かが判断される。運転を継続する場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）には、Ｓ１に戻り、上述したＳ１〜Ｓ１９の各ステップを繰り返す。一方、運転を継続しない場合（Ｓ２０：ＮＯ）には、システムを停止させる。

［４． 燃料電池システムの運転方法］
以下に、図１に示す燃料電池システム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１８に内封される水素貯蔵材料には、以下の平衡特性を持つ水素吸蔵合金を用いた。
水素圧力０．１ＭＰａの平衡温度： １０℃
水素圧力０．８ＭＰａの平衡温度： ６０℃
水素圧力１．３ＭＰａの平衡温度： ７５℃
水素圧力２．０ＭＰａの平衡温度： ９０℃

水素タンク１６には、最大圧力（Ｐ₃）が７０ＭＰａであるものを用いた。また、減圧弁（第２減圧手段３４ｂ）を用いて第２圧力領域３２ｂの圧力（Ｐ₂）を２ＭＰａに減圧し、さらにインジェクタ（第１減圧手段３４ａ）を用いて第１圧力領域３２ａの圧力（Ｐ₁）を０．１ＭＰａに減圧した。
燃料電池１２には、最大排熱温度（Ｔ_max）が９０℃であり、作動に必要な最小供給圧力が０．１ＭＰａであるものを用いた。また、冷却装置２０にはラジエタを用い、外気との熱交換により冷媒を冷却した。

燃料電池システム１０の作動時において、減圧弁（第２減圧手段３４ｂ）は全モードにおいて常時開とした。インジェクタ（第１減圧手段３４ａ）は、全モードにおいて、暖機／冷却とは別に、システムからの水素流量の要求に従って開閉した。燃料電池システム１０の停止時には、三方弁５８の出口をバイパス水管５６側（経路１側）に設定した。第１冷媒ポンプ５４は、全モードにおいて常時作動させた。

燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口側に、第１温度計Ｔ₁（第１温度計測手段７４）を設置した。冷却装置２０の空気取り込み部に、第２温度計Ｔ₂（第２温度計測手段７６）を設置した。さらに、反応器１８の内部圧力を検出するための圧力計Ｐ_rを設置した。設置した第１温度計Ｔ₁、第２温度計Ｔ₂、及び圧力計Ｐ_rの検出値を基に、モード開始・終了の判定を行った。また、モード中は、制御基準に従って、第１開閉バルブ（Ｖ１）４６ａ、第２開閉バルブ（Ｖ２）４６ｂ、三方弁５８、及び第２冷媒ポンプ６４の動作を制御した。

［４．１． 暖機モード］
図４（Ａ）に、暖機モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。図４（Ｂ）に、暖機モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図を示す。システム始動後、Ｔ₁及びＴ₂の検出値（図４では、Ｔ₁＝Ｔ₂＝５℃）が制御装置に入力される。Ｔ₁及びＴ₂の検出値が暖機モードの開始条件（例えば、Ｔ₂＜２５℃、Ｔ₁＜５５℃）を満たした場合、暖機モードを開始する。

制御装置からの出力信号により、Ｖ１が開となり、第１冷媒ポンプ５４及び第２冷媒ポンプ６４が作動する。この制御により、反応器１８に圧力Ｐ₂の水素ガスが供給され、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵して発熱する。その熱により第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０の冷媒が加熱され、Ｔ₁の検出値が上昇する。Ｔ₁の検出値が終了条件（例えば、Ｔ₁≧６０℃）を満たした場合、暖機モードを終了し、第２冷媒ポンプ６４を停止させ、Ｖ１を閉とする。

［４．２． 暖機再生モード］
図５（Ａ）に、暖機再生モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。図５（Ｂ）に、暖機再生モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図を示す。暖機モード終了後、Ｔ₁及びＴ₂の検出値が暖機再生モードの開始条件（例えば、１５℃≦Ｔ₂＜２５℃、Ｔ₁≧６０℃）を満たした場合、暖機再生モードを開始する。

制御装置からの出力信号により、三方弁５８の出口が経路１側となり、Ｖ２が開となり、第２冷媒ポンプ６４が作動する。この制御により、水素吸蔵合金が低圧の水素ガスを放出して吸熱する。その熱により第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０の冷媒が冷却され、Ｔ₁の検出値が低下する。Ｔ₁の検出値が下限温度（例えば、５８℃）になるとＶ２が閉となり、水素吸蔵合金からの水素放出（吸熱）が停止し、Ｔ₁の検出値が上昇する。Ｔ₁の検出値が上限温度（例えば、６０℃）になると、再びＶ２が開となり、Ｔ₁の検出値が低下する。上記の制御を繰り返し、Ｖ２閉の状態で終了条件（例えば、Ｐ_r≦０．７５ＭＰａ＠６０℃）を満たした場合、暖機再生モードを終了し、三方弁５８の出口を経路２側に切り替え、第２冷媒ポンプ６４を停止させる。

［４．３． 冷却モード］
図６（Ａ）に、冷却モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。図６（Ｂ）に、冷却モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図を示す。Ｔ₁の検出値が冷却モードの開始条件（例えば、Ｔ₂≧２５℃、Ｔ₁≧９０℃）を満たした場合、冷却モードを開始する。

制御装置からの出力信号により、三方弁５８の出口が経路２側となり、Ｖ２が開となり、第２冷媒ポンプ６４が作動する。この制御により、水素吸蔵合金が低圧の水素ガスを放出して吸熱する。その熱により第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０の冷媒が冷却され、Ｔ₁の検出値が低下する。Ｔ₁の検出値が下限温度（例えば、８６℃）になると、Ｖ２が閉となり、水素吸蔵合金からの水素放出（吸熱）が停止し、Ｔ₁の検出値が上昇する。Ｔ₁の検出値が上限温度（例えば、９０℃）になると、再びＶ２が開となり、Ｔ₁の検出値が低下する。上記の制御を繰り返し、Ｖ２閉の状態で終了条件（例えば、Ｔ₁≦８６℃）を満たした場合、冷却モードを終了し、第２冷媒ポンプ６４を停止させる。

［４．４． 冷却再生モード］
図７（Ａ）に、冷却再生モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。図７（Ｂ）に、冷却再生モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図を示す。冷却モード終了後、Ｔ₁及びＴ₂の検出値が冷却再生モードの開始条件（例えば、２５℃≦Ｔ₂＜３０℃、Ｔ₁＜７５℃）を満たした場合、冷却再生モードを開始する。

制御装置からの出力信号により、三方弁５８の出口が経路２側となり、Ｖ１が開となり、第２冷媒ポンプ６４が作動する。この制御により、反応器１８に圧力Ｐ₂の水素ガスが供給され、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵して発熱する。その熱により第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０の冷媒が加熱され、Ｔ₁の検出値が上昇する。Ｔ₁の検出値が上限温度（例えば、７９℃）になると、Ｖ１が閉となり、水素吸蔵合金の水素吸蔵（発熱）が停止し、Ｔ₁の検出値が低下する。Ｔ₁の検出値が下限温度（例えば、７５℃）になると、再びＶ１が開となり、Ｔ₁の検出値が上昇する。上記の制御を繰り返し、Ｖ１閉の状態で終了条件（例えば、Ｐ_r≧１．３５ＭＰａ＠７５℃）を満たした場合、冷却再生モードを終了し、第２冷媒ポンプ６４を停止させる。

［４．５． 冷却準備モード］
図８（Ａ）に、冷却準備モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。図８（Ｂ）に、冷却準備モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図を示す。Ｔ₁及びＴ₂の検出値が冷却準備モードの開始条件（例えば、Ｔ₂≧３０℃、Ｔ₁≦８０℃）を満たした場合、冷却準備モードを開始する。図８では、Ｔ₁が８０℃を検出した場合を示している。

制御装置からの出力信号により、三方弁５８の出口が経路２側となり、Ｖ１が開となり、第２冷媒ポンプ６４が作動する。この制御により、反応器１８に圧力Ｐ₂の水素ガスが供給され、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵して発熱する。その熱により第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０の冷媒が加熱され、Ｔ₁の検出値が上昇する。Ｔ₁の検出値が終了条件（例えば、Ｔ₁≧８８℃）を満たした場合、冷却準備モードを終了し、Ｖ１が閉となり、第２冷媒ポンプ６４が停止する。

［４．６． 暖機準備モード］
図９（Ａ）に、暖機準備モード時の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。図９（Ｂ）に、暖機準備モード時の各種のバルブ操作、並びに、これに伴うＴ₁及びＰ_rの推移の模式図を示す。Ｔ₁及びＴ₂が暖機準備モードの開始条件（例えば、Ｔ₂＜１５℃、Ｔ₁≧５５℃）を満たした場合、暖機準備モードを開始する。図９では、Ｔ₁＝５５℃、Ｔ₂＝１０℃を検出した場合を示している。

制御装置からの出力信号により、三方弁５８の出口が経路１側となり、Ｖ２が開となり、第２冷媒ポンプ６４が作動する。この制御により、水素吸蔵合金が低圧の水素ガスを放出して吸熱する。その熱により第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０の冷媒が冷却され、Ｔ₁の検出値が低下する。この際、燃料電池１２の発電出力が電力消費装置の出力を上回る場合、余剰電力を二次電池８０に充電する。二次電池の蓄電量が判定基準（例えば、最大値の９５％）を超えた場合、余剰電力が発生しないように燃料電池１２の発電効率を低下させる。Ｔ₁の検出値が終了条件（例えば、Ｔ₁≦４５℃）を満たした場合、暖機準備モードを終了し、Ｖ２が閉となり、第２冷媒ポンプ６４を停止させる。

［５． 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１６と、水素貯蔵材料を内封した反応器１８の双方を備えている。そのため、始動時に水素タンク１６から反応器１８に水素を供給すると、水素貯蔵材料が水素ガスを吸蔵し、発熱する。この時、熱交換ラインを燃料電池１２−バイパス熱交換ライン５６間の循環冷却に切り替えると同時に、冷媒の一部を反応器１８に分配すると、冷媒が冷却装置２０に熱を奪われることがなく、かつ、冷媒には水素吸蔵に伴う反応熱が加算される。その結果、外部熱源を用いることなく、燃料電池１２の温度を速やかに上昇させることができる。燃料電池１２が所定の温度まで上昇した後、水素ガスラインを水素タンク１６から燃料電池１２への供給に切り替え、かつ、熱交換ラインを燃料電池１２−冷却装置２０間の循環冷却に切り替える。

一方、燃料電池１２が定常運転状態（ノーマルモード）に入った後、燃料電池１２の温度が過度に上昇した時には、熱交換ラインを燃料電池１２−冷却装置２０間の循環冷却に維持したまま、冷媒の一部を反応器１８に分配する。また、これと同時に、水素ガスラインを反応器１８から燃料電池１２への供給ラインに切り替える。その結果、水素貯蔵材料が冷媒の熱を吸収し、水素ガスを放出する。また、水素放出反応（吸熱反応）により、冷媒が冷却される。その結果、小型の冷却装置２０を用いた場合であっても、燃料電池を冷却することができる。
さらに、Ｐ_r、Ｔ₁、及びＴ₂を用いて、水素ガスの供給経路及び冷媒の循環経路を適時に切り替えると、排熱ロスを最小限に抑制しながら、燃料電池１２の暖機及び冷却を効率良く行うことができる。

さらに、本発明に係る燃料電池システム１０は、以下のような効果が得られる。
（１）燃料電池１２の排熱処理を小型の冷却装置２０で実現できるので、システムの形状自由度が向上する。
（２）燃料電池１２の排熱を蓄熱する反応器１８を設けたこと、及び、燃料電池１２から排出される冷媒を直接、燃料電池１２に戻すバイパス熱交換ラインを設けたことにより、燃料電池１２の暖機・冷却に加え、空調が可能になる。また、暖機／冷却／空調に必要な動力が最小化されるため、システムのエネルギー効率が向上する。

（３）第１水素ガスライン３０を３個以上の圧力領域に分割した時には、反応器１８を低圧領域及び中圧領域に接続することができる。そのため、反応器１８や水素ガスライン系に過度の耐圧が不要となる。また、これによって、反応器１８や水素ガスライン系の機器を小型・低コスト化できる。
（４）水素タンク１６から燃料電池１２までの差圧を利用して水素の吸蔵・放出を行い、かつ、冷却装置２０と燃料電池１２の熱交換ラインを利用して水素の吸蔵・放出に伴う反応熱の放出・吸収を行っているので、反応器１８を設置することに伴うバルブの追加を最小化することができる。

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 燃料電池
１６ 水素タンク
１８ 反応器
２０ 冷却装置
３０ 第１水素ガスライン
４０ 第２水素ガスライン
５０ 第１熱交換ライン
６０ 第２熱交換ライン
７２ 圧力検出手段
７４ 第１温度検出手段
７６ 第２温度検出手段
７８ 制御手段
８０ 二次電池

Claims (12)

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、
   水素ガスを燃料とする燃料電池と、
   前記水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
   前記燃料電池に供給するための前記水素ガスを放出し、又は、前記水素タンクから供給される前記水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器と、
   前記燃料電池との間で冷媒を循環させることによって、前記燃料電池と熱交換を行うための冷却装置と、
   前記燃料電池の燃料流路と前記水素タンクとを接続するための第１水素ガスラインと、
   前記反応器の水素流路と前記第１水素ガスラインとを接続するための第２水素ガスラインと、
   前記燃料電池の冷媒流路（Ａ）と前記冷却装置の冷媒流路（Ｂ）とを接続するための第１熱交換ラインと、
   前記反応器の冷媒流路（Ｃ）を前記第１熱交換ラインに対して並列に接続するための第２熱交換ラインと、
   前記反応器内の圧力Ｐ_rを検出するための圧力検出手段と、
   前記燃料電池の内部温度、又は前記内部温度を推定可能な温度（第１温度）Ｔ₁を検出するための第１温度検出手段と、
   前記燃料電池システムが設置された環境の温度（第２温度）Ｔ₂を検出するための第２温度検出手段と、
   前記燃料電池システムの動作を制御する制御手段と
   を備えている。
   （２）前記第１水素ガスラインは、前記燃料電池から前記水素タンクに向かって前記水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、前記第１水素ガスラインをｎ個（ｎ≧２）の圧力領域（第ｋ圧力領域の圧力：Ｐ_k＜第（ｋ＋１）圧力領域の圧力：Ｐ_k+1）に分割するための第ｋ減圧手段（１≦ｋ≦ｎ−１）を備えている。
   （３）前記第２水素ガスラインは、前記反応器の前記水素流路を前記第１圧力領域若しくは前記第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第１水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。
   （４）前記第１熱交換ラインは、前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）から排出された前記冷媒を、そのまま前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）に戻すためのバイパス熱交換ラインを備えている。
   （５）前記第２熱交換ラインは、前記冷媒が前記燃料電池−前記冷却装置間、又は前記燃料電池−前記バイパス熱交換ライン間を循環する時に、前記冷媒の一部を前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に流すための流量調節手段を備えている。
   （６）前記制御手段は、前記圧力Ｐ_r、前記第１温度Ｔ₁、及び前記第２温度Ｔ₂を用いて、前記水素ガスの供給経路、及び前記冷媒の循環経路を適時に切り替えるモード切替手段を備えている。
2. 前記第１温度Ｔ₁は、
   （ａ）前記燃料電池の内部温度、
   （ｂ）前記燃料電池の外壁温度、
   （ｃ）前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）の入口温度、
   （ｄ）前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）の出口温度、又は、
   （ｅ）前記入口温度及び前記出口温度以外の温度であって、前記第１熱交換ラインを流れる前記冷媒の温度、
   である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記モード切替手段は、暖機モード実行手段を備え、
   前記暖機モード実行手段は、
   前記燃料電池システムの始動後、前記燃料電池の加熱が必要と判断された場合に、前記水素タンクから前記反応器に前記水素ガスを供給し、前記第１熱交換ラインを前記バイパス熱交換ライン側に切り替え、かつ、前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に前記冷媒の一部を流すことにより、前記水素貯蔵材料に前記水素ガスを吸蔵させ、前記水素ガスの吸蔵熱を用いて前記燃料電池を加熱するものからなる
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記モード切替手段は、暖機再生モード実行手段を備え、
   前記暖機再生モード実行手段は、
   暖機モード終了後、前記暖機モードが再度実行される可能性が高いと判断された場合に、前記反応器から前記燃料電池への前記水素ガスの供給及び停止を繰り返しながら、前記第１熱交換ラインを前記バイパス熱交換ライン側に切り替え、かつ、前記反応器の前記冷媒流路（Ｃ）に前記冷媒の一部を流すことにより、前記反応器から前記燃料電池に前記水素ガスを断続的に放出し、前記反応器を水素吸蔵可能な状態に再生するものからなる
   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. 前記モード切替手段は、冷却モード実行手段を備え、
   前記冷却モード実行手段は、
   前記燃料電池の冷却が必要と判断された場合に、前記反応器から前記燃料電池への前記水素ガスの供給及び停止を繰り返しながら、前記第１熱交換ラインを前記冷却装置側に切り替え、かつ、前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に前記冷媒の一部を流すことにより、前記反応器から前記燃料電池に前記水素ガスを断続的に放出し、前記反応器及び前記冷却装置を用いて前記燃料電池を冷却するものからなる
   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. 前記モード切替手段は、冷却再生モード実行手段を備え、
   前記冷却再生モード実行手段は、
   冷却モード終了後、前記冷却モードが再度実行される可能性が高いと判断された場合に、前記水素タンクから前記反応器への前記水素ガスの供給及び停止を繰り返しながら、前記第１熱交換ラインを前記冷却装置側に切り替え、かつ、前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に前記冷媒の一部を流すことにより、前記反応器に前記水素ガスを断続的に供給し、前記反応器を水素放出可能な状態に再生するものからなる
   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. 前記モード切替手段は、冷却準備モード実行手段を備え、
   前記冷却準備モード実行手段は、
   前記冷却モードが実行される可能性が高く、かつ、エネルギー効率の低下の抑制よりも前記冷却モードの実行準備が優先されると判断された場合に、前記水素タンクから前記反応器へ前記水素ガスを供給し、前記第１熱交換ラインを前記冷却装置側に切り替え、かつ、前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に前記冷媒の一部を流すことにより、前記反応器に水素を連続的に供給し、前記反応器を水素放出可能な状態に戻すものからなる
   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. 前記モード切替手段は、暖機準備モード実行手段を備え、
   前記暖機準備モード実行手段は、
   前記暖機モードが実行される可能性が高く、かつ、エネルギー効率の低下の抑制よりも前記暖機モードの実行準備が優先されると判断された場合に、前記反応器から前記燃料電池へ前記水素ガスを供給し、前記第１熱交換ラインを前記バイパス熱交換ライン側に切り替え、かつ、前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に前記冷媒の一部を流すことにより、前記反応器から前記燃料電池に前記水素ガスを連続的に放出し、前記反応器を水素吸蔵可能な状態に戻すものからなる
   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。
9. 前記燃料電池で得られた余剰電力を貯蔵する二次電池をさらに備えた請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池で得られた余剰電力を貯蔵する二次電池をさらに備え、
    前記暖機準備モード実行手段は、前記燃料電池の発電出力が電力消費装置の出力を上回った場合に、余剰電力を前記二次電池に充電する余剰電力充電手段をさらに備えている請求項８に記載の燃料電池システム
11. 前記暖機準備モード実行手段は、前記二次電池の蓄電量が最大蓄電量の９５％を超えた場合に、前記燃料電池の発電効率を低下させる発電効率低下手段をさらに備えている請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記モード切替手段は、
    前記Ｔ₂があるしきい値未満である時（又は、前記Ｔ₂が前記しきい値以下である時）に、下記（Ａ）のモード群に含まれるいずれか１つ以上のモードを実行し、
    前記Ｔ₂があるしきい値以上である時（又は、前記Ｔ₂が前記しきい値を超える時）に、下記の（Ｂ）のモード群に含まれるいずれか１つ以上のモードを実行する
    暖機・冷却切替手段をさらに備えている請求項１から１１までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
    （Ａ）請求項３に記載の暖機モード実行手段、請求項４に記載の暖機再生モード実行手段、又は、請求項８に記載の暖機準備モード実行手段。
    （Ｂ）請求項５に記載の冷却モード実行手段、請求項６に記載の冷却再生モード実行手段、又は、請求項７に記載の冷却準備モード実行手段。

Images