JP3928964B2

JP3928964B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3928964B2
Application number: JP2003417503A
Authority: JP
Inventors: 貴寛栗岩; 宏和 ▲桑▼原; 亮史竹縄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: JP2005183012A

Description

本発明は、燃料電池の低温起動に関し、特に水素吸蔵合金を利用して暖機を行う燃料電池システムに関する。

近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ₂）と空気中の酸素（Ｏ₂）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。

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、燃料電池電気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電気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または加温）する必要がある。

従来、燃料電池の暖機は、次のような方法で行われていた。
（１）電気ヒータによる暖機；燃料電池電気自動車が搭載するバッテリや車庫等に備えられた商用電源により電気ヒータを発熱させ、この熱により燃料電池を暖機する（例えば、特許文献１参照）。
（２）水素燃焼器等による暖機；燃料電池電気自動車が燃料（原燃料）として搭載する水素やメタノール、ガソリン等を触媒燃焼器等に供給して燃焼させ、この燃焼熱により燃料電池を暖機する（例えば、特許文献２参照）。
（３）燃料電池の自己発熱による暖機；燃料電池が発電を開始すると水素と酸素の電気化学的な反応により発熱（いわゆる自己発熱）することを利用して燃料電池を暖機する（例えば、特許文献３参照）。
（４）その他の暖機；蓄熱剤や発熱剤により燃料電池を暖機する（例えば、特許文献４参照）。

一方、本出願人は、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発熱し、この際に発生する熱が燃料電池の暖機に使用できること、しかも、何度も繰り返して使用できることに着目し、燃料電池システムに暖機用の水素吸蔵合金タンクを付設し、この水素吸蔵合金タンクに水素を導入することにより発生した熱で燃料電池を暖機する技術を過去に提案した（特許文献５参照）。この燃料電池システムでは、高圧水素タンクと燃料電池との間に２段階で減圧を行わせるべく１次レギュレータと２次レギュレータとを配設し、１次レギュレータと２次レギュレータとの間から抽出した水素を水素吸蔵合金タンクに導入し、水素吸蔵合金が発した熱で燃料電池の冷却液を加熱することで暖機を行わせる。そして、暖機終了後には、燃料電池の冷却液により水素吸蔵合金タンクを加熱することにより水素吸蔵合金から水素を放出させ、この水素を２次レギュレータの下流側から燃料電池に吸引させて発電を行わせ、同時に水素吸蔵合金タンク内の水素吸蔵合金を再生させる構成が採られている。
特開平７−９４２０２号公報（段落００３８、図３）特開２００１−１１８５９３号公報（段落００３４、図１）特表２０００−５１２０６８号公報（第１７頁、図３）特開平１０−１４４３３３号公報（段落００１２〜００１５、図１）特開２００２−２２２６５８号公報（段落００３６〜００３８、図５）

しかしながら、（１）の電気ヒータによる暖機では、バッテリが消耗してしまい好ましくない。また、低温時にバッテリから充分な電力が供給されない場合がある。商用電源を使用する場合は、路上等の商用電源がない場所では暖機することができない。（２）の水素燃焼器等による暖機では、燃料電池が発電に使用するはずの燃料（原燃料）を消費してしまい好ましくない。（３）の燃料電池の自己発熱による暖機では、燃料電池が発電できない状況にある場合は暖機することができない。また、暖機のために燃料（原燃料）を消費してしまい好ましくない。（４）の蓄熱材や発熱材の場合、必要なときに熱を取り出すことが困難であったり、何度も繰り返して使用することが困難であったりする。つまり、従来の技術では、暖機専用のエネルギーが必要であったり、発電に使用するはずのエネルギーを無駄に消費してしまったりした。更に、暖機にしか使えない専用のヒータや専用の水素燃焼器等、あるいは専用の蓄熱剤や専用の発熱剤等を用いるため、燃料電池システムを大型化してしまう等の課題があった。また、暖機は素早く行う必要があるが、この要求を満たすには、更なるエネルギーの消費や大型の暖機装置が必要になる。また、暖機は簡単な構成で容易に行えなければならない。

一方、特許文献５に記載された燃料電池システムは、暖機に用いた水素を暖機終了後に燃料電池の燃料として用いるため、電気ヒータや水素燃焼器等による暖機法とは異なって電気エネルギーや水素燃料の消費の問題がない他、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発熱が極めて速やかで暖機が迅速に行えること、比較的小型の装置で外気温等の状況に拘わらず暖機が行えること等の特長を有している。ところが、この燃料電池システムでは、水素吸蔵合金の再生が完了する前に運転スイッチ（燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチ等）がＯＦＦ状態にされた場合、水素吸蔵合金タンク内に水素が残留してしまい（水素吸蔵合金が新たな水素の吸蔵を全く、あるいは、少量しか行えない状態となってしまい）、次回の暖機が困難になる問題があった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、簡便な構成を採りながら、燃料電池の効率的な暖機を実現した燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、高圧の水素を貯蔵する高圧水素タンクと、前記高圧水素タンクに貯蔵された水素を燃料ガスとして消費する燃料電池と、前記高圧水素タンクと前記燃料電池とを接続する水素供給ラインと、水素吸蔵合金を蓄えて、前記燃料電池と熱交換可能に接続された水素吸蔵合金タンクと、前記水素供給ラインに連結され、当該水素供給ラインと前記水素吸蔵合金タンクとの間での水素の移送に供される水素配管とを備え、前記燃料電池の暖機時に前記水素供給ラインから前記水素吸蔵合金タンクに水素を導入させて前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱によって当該燃料電池を加熱し、前記燃料電池の暖機後に当該燃料電池の発電に伴って発生する熱によって前記水素吸蔵合金タンクを加熱することで前記水素吸蔵合金タンクから水素を放出させて前記水素吸蔵合金の再生を行う燃料電池システムにおいて、前記水素吸蔵合金を再生する前に前記燃料電池の運転停止指令が入力されたとき、当該水素吸蔵合金の再生を行う緊急時再生手段と、前記水素供給ラインを前記高圧水素タンクと前記水素配管との間で連通または遮断する遮断弁と、をさらに備え、前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、当該遮断弁を閉鎖することを特徴とする。

請求項１の燃料電池システムでは、例えば、燃料電池の暖機途中あるいは水素吸蔵合金の再生途中に運転スイッチ（燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチ等）がＯＦＦ状態にされた場合、緊急時再生手段は、水素吸蔵合金タンクから水素を放出させて水素吸蔵合金の再生を完了させる。
さらに、請求項１の燃料電池システムでは、遮断弁が閉鎖されることにより高圧水素タンクからの水素の供給が停止され、燃料電池の運転（水素の消費）に伴って水素供給ラインの圧力が減少する。これにより、水素吸蔵合金タンクから水素供給ラインに水素が流入しやすくなり、水素吸蔵合金からの水素の放出が促進される。

また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記緊急時再生手段は、前記燃料電池の運転を継続させながら、前記水素吸蔵合金の再生を行うことを特徴とする。
請求項２の燃料電池システムでは、例えば、燃料電池の暖機途中あるいは水素吸蔵合金の再生途中に運転スイッチ（燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチ等）がＯＦＦ状態にされた場合、制御手段は、水素吸蔵合金の再生が完了するまで燃料電池の運転を継続させ、放出された水素を燃料電池に消費させる。

また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金タンクを加熱する加熱手段を備え、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、当該加熱手段による当該水素吸蔵合金タンクの加熱を行うことを特徴とする。
請求項２の燃料電池システムでは、緊急時再生において、水素吸蔵合金タンクを例えば電気ヒータにより加熱する。すると、水素吸蔵合金タンクの内圧および温度が上昇し、水素吸蔵合金からの水素の放出速度が増大する。

また、請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、前記水素吸蔵合金タンクの圧力と温度との少なくとも一方が通常運転時に当該水素吸蔵合金を再生させる場合より低い状態で前記水素吸蔵合金タンクから水素を放出させることを特徴とする。
請求項４の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金タンク内の温度や圧力が比較的低い状態であっても、水素吸蔵合金タンクから水素が放出される。

また、請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、通常運転時に当該水素吸蔵合金を再生させる場合より圧力の低い部位に前記水素吸蔵合金タンクからの水素を放出させることを特徴とする。
請求項４の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金タンク内の圧力が比較的低い状態であっても、水素吸蔵合金タンクから水素が放出される。

請求項１の発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の運転が暖機途中あるいは水素吸蔵合金の再生途中に停止されても、水素吸蔵合金が必ず再生されるため、寒冷地等における暖機が確実に行われるとともに、水素吸蔵合金タンクからの水素の放出が促進され、水素吸蔵合金の再生に要する時間が短縮される。また、請求項２の発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の運転により水素が消費されるため、水素吸蔵合金の再生が促進される。また、請求項３の発明に係る燃料電池システムによれば、水素吸蔵合金タンクからの水素の放出が促進され、水素吸蔵合金の再生に要する時間が短縮される。また、請求項４の発明に係る燃料電池システムによれば、水素吸蔵合金タンクからの水素の放出が促進され、水素吸蔵合金の再生に要する時間が短縮される。また、請求項５の発明に係る燃料電池システムによれば、水素吸蔵合金タンクからの水素の放出が促進され、水素吸蔵合金の再生に要する時間が短縮される。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
≪原理≫
まず、本発明により燃料電池を暖機する原理を説明する。図１は、暖機原理を説明する模式図である。図２は、一例としてのＭＨ（Metal Hydride：水素吸蔵合金）タンクの内部温度−圧力（内圧）特性図である。図３は、ＭＨタンクに印加される水素の圧力によりＭＨタンクの内部温度が変化する様子をプロットしたタイムチャートである。尚、図２の摂氏温度の表示は、１０００／Ｔ（Ｋ）による温度表示（アーレニウスプロットによる温度表示）を解りやすくするための目安的なものである。

図１の符号１は燃料電池であり、暖機の対象となる。符号２は水素を高圧（例えば、約３５ＭＰａ）で貯蔵する高圧水素タンクであり、耐圧気密構造を有する。符号３は水素吸蔵合金を内蔵するＭＨタンクであり、耐圧気密構造を有する。このＭＨタンク３は高圧水素タンク２から水素の供給を受ける。尚、ＭＨタンク３は、暖機前の内圧が約０．１ＭＰａ（常圧）であり、水素を吸蔵可能な状態にある。

燃料電池１の起動時、高圧水素タンク２からＭＨタンク３に水素を供給する。すると、ＭＨタンク３の内圧が上昇する。同時に、ＭＨタンク３が内蔵する水素吸蔵合金が水素を吸蔵して熱が発生し、ＭＨタンク３の内部温度が上昇する。この際のＭＨタンク３の内圧と内部温度の関係は、図２の内部温度−圧力特性図にしたがう。また、図３に示すように、ＭＨタンク３へ貯蔵させる水素の圧力を１ＭＰａにすると、ＭＨタンク３の内部温度は５８℃前後になる。また、ＭＨタンク３へ貯蔵させる水素の圧力を３ＭＰａにすると、内部温度は７５℃前後になる。

発生した熱は、ＭＨタンク３から燃料電池１に適当な伝熱手段により伝達され、燃料電池１が暖機される。燃料電池１への熱の伝達は、伝導や輻射、対流等により行うことができる。また、直接加熱でも間接加熱でも熱を伝達することができる。

尚、ＭＨタンク３の内部温度は、図３に示すように圧力を印加すると急激に上昇して最高温度を記録し、その後の温度上昇はなく略一定の温度を維持する（温度を維持している間も水素吸蔵合金は水素を連続的に吸蔵する）。また、水素吸蔵合金は、ボリューム全体（マス全体）として発熱する。このことから、ＭＨタンク３を、いわば水素吸蔵熱式ヒータ（ＭＨヒータ）と考えれば、このＭＨヒータは、燃焼式ヒータや電気式ヒータと異なり、加熱時のオーバーシュートがなく、しかも、極めて短時間に最高温度に到達する特性を有するといえる。したがって、ＭＨヒータは、取り扱いが極めて容易であると共に迅速な暖機を行うことができる。また、図２および図３から容易に解るように、印加する圧力により、温度を制御することができる。したがって、この点からも取り扱いが極めて容易である。尚、発生する熱量は、ＭＨタンク３が内蔵する水素吸蔵合金の種類および量に比例する。

ちなみに、図２は、（ＢＣＣ（Body Centered Cubic）系）の水素吸蔵合金の温度−圧力特性を示すものでもある。（ＢＣＣ系の水素吸蔵合金の場合、ＭＨタンク３の内圧が３ＭＰａになると水素吸蔵合金１００ｇ当り約２．４ｇ（約１．２ｍｏｌ）の水素を吸蔵する。また、発熱量は約１５ｋＪ／ｇ水素、つまりＢＣＣ系の水素吸蔵合金が１ｇの水素を吸蔵すると１５ｋＪの熱が発生する。水素吸蔵合金としては、例えば以下の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

尚、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことができる。このため、水素吸蔵合金に吸蔵された水素は、燃料電池１の燃料として使用することができる。水素吸蔵合金は、水素を放出すると再度の水素吸蔵が行えるようになる。もちろん、再度の水素吸蔵の際にも熱が発生する。

次に、本発明の燃料電池システムを燃料電池電気自動車（以下「車両」という）に適用した実施形態を説明する。

≪実施形態≫
＜実施形態の構成＞
以下に述べる実施形態では、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際に発生する熱で燃料電池を暖機しつつ、燃料電池に水素を供給して発電を行う構成を採っている。図４は、実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。図５は、実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。

まず、車両を説明する。図４に示す車両Ｖは、ＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載されている。ＦＣボックスＦＣＢの中には、燃料電池１０（図５参照）が収納されている。また、走行モータＭが車両Ｖの前部に搭載されている。また、高圧水素タンク２１およびＭＨタンク３１が車両Ｖの後輪の上方に横置きで搭載されている。尚、ＭＨタンク３１が発生した熱は、図示しない燃料電池１０の１次冷却系配管内を流れる冷却液により、燃料電池１０を暖機する。また、燃料電池１０は、高圧水素タンク２１およびＭＨタンク３１と図示しない水素供給ラインにより接続されている。

また、燃料電池１０は、空気供給配管により空気圧縮機と接続されている（図示外）。そして、燃料電池１０は、空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電する。発電した電力は走行モータＭに供給され、車両Ｖを走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解膜を挟んでアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば３００枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。尚、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。

次に、図５を参照して、燃料電池システムＦ１を説明する。実施形態の燃料電池システムＦ１は、燃料電池１０、水素供給系２０、暖機系３０、空気供給系４０、電力消費系５０および制御装置（緊急時再生手段を含む）６０等から構成される。

燃料電池１０は、前記説明した通りＰＥＭ型の燃料電池であり、燃料ガスたる水素と酸化剤ガスたる空気が供給されることにより発電する。燃料電池１０が発電した電力は、ＶＣＵ（Voltage Control Unite）５１を介して取り出される。ＶＣＵ５１は、リミッタ機能を持った電圧調整器であり、燃料電池１０から取り出す電流を制限する。ＶＣＵ５１を介して取り出された電流は、走行モータＭ（図４参照）や補機等の負荷５２に供給される。尚、ＶＣＵ５１による取出し電流量は、図示しないスロットルペダルの踏込み量θthや補機消費電力等に基づいて設定される。

水素供給系２０は、燃料電池１０に燃料ガスたる水素を供給する役割を担っている。そのため、燃料電池１０の上流側には、高圧水素タンク２１の他、第１遮断弁（遮断弁）２２、１次レギュレータ２３、２次レギュレータ２４、第２遮断弁２５、エジェクタ２６が設置されている。また、燃料電池１０の下流側には、パージ弁２７が設置されている。燃料電池１０までの機器は、燃料配管（水素供給ライン）２９ａ〜２９ｆで接続されており、高圧水素タンク２１からの水素は、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、２次レギュレータ２４、第２遮断弁２５、エジェクタ２６を介して、燃料電池１０（アノード極）に供給される。また、燃料電池１０（アノード極）から排出されたガス（以下、排出水素と記す）は、燃料配管２９ｇを介してエジェクタ２６に戻り、燃料電池１０に再び導入（再循環）される。また、長時間にわたる再循環により不純物濃度が高くなった排出水素は、燃料配管２９ｈおよびパージ弁２７を介して、水素供給系２０の外部に排出される。

高圧水素タンク２１は、カーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等を素材とする軽量タンクであり、耐圧性および気密性が確保されている。高圧水素タンク２１は、例えば３５ＭＰａの最高圧力で水素が充填されている。本実施形態では、高圧水素タンク２１がいわば燃料タンクの役割も担う。

第１遮断弁２２は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。第１遮断弁２２は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉鎖状態で高圧水素タンク２１から供給される水素の流通を遮断する一方、開放状態で高圧水素タンク２１からの水素を下流側に供給する。

１次レギュレータ２３は、高圧水素タンク２１から供給される水素を減圧すると同時に第１の所定圧（例えば、１ＭＰａ：以下、第１調整圧Ｐ_H1と記す）に調整する減圧弁である。また、２次レギュレータ２４は、１次レギュレータ２３で減圧された水素を更に減圧すると同時に第２の所定圧（例えば、０〜０．５ＭＰａ：以下、第２調整圧Ｐ_H2と記す）に調整する減圧弁である。２次レギュレータ２４は、カソード極の入口圧力Ｐ_Cをパイロット圧としており（図５参照）、ＭＥＡに作用する応力すなわちアノード極とカソード極との極間差圧を小さくするように作動する。尚、第１調整圧Ｐ_H1および第２調整圧Ｐ_H2は、それぞれ対応する圧力センサＰ_H1，Ｐ_H2により検出され、これらの検出信号が制御装置６０に送信される。

第２遮断弁２５は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。第２遮断弁２５は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉鎖状態で燃料電池１０への水素の流通をエジェクタ２６の上流側で遮断する。

エジェクタ２６は、２次レギュレータ２４からの水素を燃料電池１０のアノード極に供給する。また、アノード極に向かう水素の流れを利用して、燃料ガスとして使用された後のガス、つまり燃料電池１０のアノード極から排出された排出水素を吸引して再循環させる水素循環ポンプとしての役割を担う。尚、排出水素を再循環させることで、燃料電池システムの燃費が向上する。

パージ弁２７は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。パージ弁２７は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉鎖状態で排出水素をエジェクタ２６に向かわせる一方、開放状態で排出水素を系外に排出する。

水素供給系２０において、燃料電池１０のアノード極の圧力（アノード極入口の圧力）Ｐ_Aが圧力センサＰ_Aにより検出される一方、カソード極の圧力（カソード極入口の圧力）Ｐ_Cが圧力センサＰ_Cにより検出され、これら検出信号が制御装置６０に送信される。

暖機系３０は、ＭＨタンク３１で発生した熱を燃料電池１０に供給して燃料電池１０を暖機する役割を担う。暖機系３０は、ＭＨタンク３１の他、第３遮断弁３２、３方電磁弁３３、循環ポンプ３５、水素配管３６ａ，３６ｂ、電気ヒータ（加熱手段）３７、補助ポンプ３８、および冷却液配管３９ａ〜３９ｈから構成される。尚、本実施形態の暖機系３０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１を利用する構成となっている。１次冷却系Ｃ１では、発電により燃料電池１０が発生した熱も暖機系３０を介して系外に放出され、燃料電池１０が冷却（所定温度に保持）される。

暖機系３０は、水素が通流する系（暖機水素系）と、燃料電池１０の冷却液が通流する系（暖機冷却液系）と、ＭＨタンク３１を加熱する系（再生加熱系）とを有している。暖機水素系は、ＭＨタンク３１、第３遮断弁３２、および水素配管３６ａ，３６ｂから構成される。一方、暖機冷却液系は、ＭＨタンク３１（後記するジャケット部分）、３方電磁弁３３、循環ポンプ３５、燃料電池１０、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の熱交換器ＨＥおよびサーモスタット弁ＴＶ等、並びにこれらを接続する冷却液配管３９ａ〜３９ｈから構成される。また、再生加熱系は、電気ヒータ３７、および補助ポンプ３８から構成される。尚、符号Ｃ２は２次冷却系である。以下、暖機系３０を構成する主要な機器を説明する。

ＭＨタンク３１は、樹脂製のタンクよりも耐熱性があり熱伝導率もよいアルミニウム合金を材質とした耐圧気密タンクであり、その内部には水素吸蔵合金が充填されている。ＭＨタンク３１は、例えば３〜５ＭＰａの最高圧力で水素を吸蔵することができる。また、ＭＨタンク３１の外側は水冷ジャケットで覆われており、ジャケット内を燃料電池１０の冷却液が通流する。したがって、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱は、燃料電池１０の冷却液に伝達され、この冷却液が燃料電池１０を循環することにより燃料電池１０の暖機が行われる。ちなみに、水素吸蔵合金の充填量（ＭＨタンク３１の内容積に比例）は、暖機に要する熱量に基づいて設定される。

第３遮断弁３２は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。第３遮断弁３２は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉鎖状態で、１次レギュレータ２３の下流側の燃料配管２９ｃとＭＨタンク３１との間での水素の流れを遮断する一方、開放状態で、燃料配管２９ｃとＭＨタンク３１との間での水素の流れを許容する。第３遮断弁３２は、通常は閉鎖状態であるが、ＭＨタンク３１に水素を供給して熱を発生する際とＭＨタンク３１から水素を放出させる際（水素吸蔵合金を再生する際）とに開放状態になる。

３方電磁弁３３は、電磁作動の流路切換弁である。３方電磁弁３３は、制御装置６０からの信号に基づいて作動し、冷却液配管３９ｂと冷却液配管３９ｃとを連通させる第１ポジションと、冷却液配管３９ｈ（バイパス配管）と冷却液配管３９ｃとを連通させる第２ポジションとをとる。３方電磁弁３３が第１ポジションである場合、冷却液は、燃料電池１０から冷却液配管３９ａを介してＭＨタンク３１に流入した後、冷却液配管３９ｂ，３９ｃを介して循環ポンプ３５に流入する。また、３方電磁弁３３が第２ポジションである場合、冷却液は、燃料電池１０から冷却液配管３９ａ，３９ｈ，３９ｃを介して循環ポンプ３５に流入し、ＭＨタンク３１をバイパスすることになる。

循環ポンプ３５は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却液を循環させるポンプの役割を担う。この循環ポンプ３５により、冷却液は、ＭＨタンク３１（ジャケット部分）、循環ポンプ３５、サーモスタット弁ＴＶ（熱交換器ＨＥ）、燃料電池１０の順に循環する。尚、冷却液は、純水にエチレングリコール等、氷点（凍結温度）を下げる物質を添加したものである。

再生加熱系を構成する電気ヒータ３７は、図示しない電気二重層キャパシタや二次電池（ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等）を電源としており、制御装置６０からの信号に基づいて起動（発熱）し、熱媒体（本実施形態では、１次冷却系Ｃ１の冷却液）を介してＭＨタンク３１を加熱する。電気ヒータ３７は、燃料電池１０の暖機途中（ＭＨタンク３１への水素導入中）等にイグニッションスイッチがＯＦＦされた場合にも、ＭＨタンク３１からの水素の放出（水素吸蔵合金の再生）を可能とする手段である。

補助ポンプ３８は、電気ヒータ３７と同様に電気二重層キャパシタや二次電池を電源としており、制御装置６０からの信号に基づいて起動し、ＭＨタンク３１と電気ヒータ３７との間で冷却液を循環させる。

暖機系３０における冷却液の２箇所の液温Ｔ_IN，Ｔ_OUTは、温度センサＴ_IN（ＭＨタンク３１の入口側），Ｔ_OUT（ＭＨタンク３１の出口側）により検出され、これらの検出信号が制御装置６０に送信される。また、ＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHは、圧力センサＰ_MHにより検出され、この検出信号が制御装置６０に送信される。

暖機系３０は、ＭＨタンク３１で発生した熱を奪って燃料電池１０を暖機する他、後記する再生時には、燃料電池１０で発生した熱をＭＨタンク３１に与えて水素吸蔵合金が吸蔵した水素の放出を促す役割を担う。水素吸蔵合金は、水素を放出すると吸熱して温度が下がり、水素の放出を行えなくなるからである。尚、再生時には、冷却液がＭＨタンク３１により冷却されるため、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１，２次冷却系Ｃ２の負荷が低減される。つまり、再生時には、燃料電池１０の冷却性能（能力）が向上する。

空気供給系４０は、燃料電池１０に酸化剤ガスたる空気を供給する役割を担う。このため、空気圧縮機４１を有する。空気圧縮機４１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置６０からの信号によりモータの回転速度が制御される。ちなみに、モータの回転速度を速くすると、燃料電池１０のカソード極に供給される空気の量が多くなる。尚、燃料電池１０に供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。また、燃料電池１０から排出されたオフガスは、加湿器を通流して燃料電池１０に供給される空気を加湿した後、系外に放出される。

電力消費系５０は、前記説明した通りＶＣＵ５１および負荷（車両駆動用モータや灯火類等）５２等から構成される。

制御装置６０は、スロットルペダルの踏込み量θthや各種圧力Ｐ、各種温度Ｔ、補機消費電力量等に基づいて燃料電池１０の目標発電量を設定する役割を担う。また、制御装置６０は、目標発電量に基づいて燃料電池１０に供給する空気の量（空気圧縮機４１のモータ回転速度）を設定する役割を担う。また、制御装置６０は、目標発電量（水素消費量に比例）およびＭＨタンク３１の内圧Ｐ_Mに基づいて、ＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給する水素の量を設定する役割を担う。尚、制御装置６０は、燃料電池１０の状態（運転温度等）に基づいて目標発電量に制限を加え、燃料電池１０からの取出し電流量を設定する役割を担う。ＶＣＵ５１はこの取出し電流量に基づいて燃料電池１０から電流を取り出す。

＜始動時制御＞
次に、図６のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池の始動時制御の手順を詳細に説明する（図５を適宜参照）。
運転者により車両Ｖ（図４参照）のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置６０は、図６に示す始動時制御を実行する。制御装置６０は、先ずステップＳ１で燃料電池システムＦ１のシステムチェックを行い、システムに異常があると判定した場合（Ｎｏ）にはステップＳ２の異常時処理へ移行する。ステップＳ１で異常がないと判定した場合（Ｙｅｓ）、制御装置６０は、ステップＳ３で燃料電池１０の温度Ｔ_FCが暖機要求温度Ｔ１（例えば、０℃）より低いか否かを判定し、この判定がＮｏであればステップＳ４で通常時始動制御に移行する。尚、燃料電池１０の温度Ｔ_FCは、暖機系３０における冷却液の液温Ｔ_INとしてもよいし、燃料電池１０の装置温度を温度センサで検出してその検出結果を用いるようにしてもよい。

燃料電池１０の温度Ｔ_FCが暖機要求温度Ｔ１より低く、ステップＳ３の判定がＹｅｓになった場合、制御装置６０は、ステップＳ５で、第１遮断弁２２および第３遮断弁３２を開放し、第２遮断弁２５を閉鎖し、更にインストルメントパネル等に設置された暖機警告灯（図示せず）を点灯させる。

これにより、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、第３遮断弁３２を介して、高圧水素タンク２１からＭＨタンク３１に水素（暖機用の水素）が供給される。すると、ＭＨタンク３１の内圧が高まり、水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱する。この発熱は急激に起こり、直ちにＭＨタンク３１の内部温度が上昇するが、前記した通り温度がオーバーシュートすることはない（図３参照）。また、運転者は、暖機警告灯の点灯により、燃料電池１０が暖機中であることを認識できる。尚、この段階では、第２遮断弁２５が閉じられているため、燃料電池１０に水素は供給されない。

次に、制御装置６０は、ステップＳ６で、３方電磁弁３３を第１ポジションにするとともに、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却液循環ポンプを兼ねる暖機系３０の循環ポンプ３５を起動する。これにより、燃料電池１０には、ＭＨタンク３１で発生した熱が冷却液を介して供給され、燃料電池１０の温度が速やかに上昇し始める。

次に、制御装置６０は、ステップＳ７で、ＭＨタンク３１の入口側の液温Ｔ_IN（すなわち、燃料電池１０の下流側の液温）が運転開始温度Ｔ２（例えば、３０℃）を超えたか否かを判定し、この判定がＮｏである間は制御インターバル毎にステップＳ７の判定を繰り返す。

ＭＨタンク３１の入口側の液温Ｔ_INが運転開始温度Ｔ２を超え、ステップＳ７の判定がＹｅｓになると、制御装置６０は、ステップＳ８で、第２遮断弁２５の開放と空気圧縮機４１の起動とを行う。これにより、燃料電池１０は、アノード極に水素が供給される一方でカソード極に空気が供給されて運転（発電）を開始する。この際、２次レギュレータ２４は、カソード極の入口圧力Ｐ_Cをパイロット圧とするため、燃料電池１０に空気圧縮機４１の吐出圧に応じた圧力（例えば、０．５ＭＰａ）に調整された水素を供給する。尚、燃料電池１０の目標発電量は、スロットルペダルの踏込み量θth（すなわち、車両Ｖの走行（走行用モータの運転）に消費される電力）の他、空気圧縮機４１のモータや循環ポンプ３５等の補機類の駆動に消費される電力に相当する量となる。そして、目標発電量が増加するに従い、燃料電池１０に供給する空気の量（空気圧縮機４１のモータ回転速度）が増大する。

次に、制御装置６０は、ステップＳ９で、第３遮断弁３２を閉鎖してＭＨタンク３１と水素配管３６ａとの連通を遮断する。これにより、ＭＨタンク３１への水素の供給が断たれ、水素吸蔵合金による水素の吸蔵が停止する。尚、燃料電池１０の温度は、水素吸蔵合金による水素の吸蔵が停止した後、ＭＨタンク３１との熱交換や運転に伴う自己発熱によって所定の温度（例えば、８０℃）まで上昇を続ける。また、ＭＨタンク３１の温度は、水素吸蔵合金の水素の吸蔵に伴う発熱が停止した後、燃料電池１０の冷却液温と平衡することになる。

次に、制御装置６０は、ステップＳ１０で、ＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHが第１調整圧Ｐ_H1を超えたか否か、あるいは、ＭＨタンク３１の入口側の液温Ｔ_IN（すなわち、燃料電池１０の温度）が再生開始温度Ｔ３（例えば、５０℃）を超えたか否かを判定し、これらの判定が共にＮｏである間は制御インターバル毎にステップＳ１０の判定を繰り返す。

ＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHが第１調整圧Ｐ_H1を超えて、あるいは、ＭＨタンク３１の入口側の液温Ｔ_INが再生開始温度Ｔ３を超えて、ステップＳ１０の判定がＹｅｓになると、制御装置６０は、ステップＳ１１で第３遮断弁３２を開放する。ここで、ステップＳ１０における再生開始温度Ｔ３は、ＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHが第１調整圧Ｐ_H1を超えるであろう温度に設定してある。

すると、ＭＨタンク３１からは水素吸蔵合金が吸蔵していた水素が放出され、この水素が、水素配管３６ｂ，３６ａを介して燃料配管２９ｃに流入する。燃料配管２９ｃに流入した水素は、高圧水素タンク２１からの水素とともに、２次レギュレータ２４や第２遮断弁２５、エジェクタ２６を介し、燃料電池１０に流入して消費される。尚、水素吸蔵合金は、水素を放出する（再生する）際に熱を吸収する（吸熱反応を起こす）が、冷却液を介して燃料電池１０の運転による熱が供給されるため、燃料電池１０の運転中は再生が継続される。

つまり、燃料電池の暖機時には、第１の圧力に減圧された高圧水素を水素吸蔵合金タンクに導入させ、水素吸蔵合金の水素吸蔵熱によって燃料電池の暖機を行い、水素吸蔵合金の再生時には、燃料電池の運転（発電）に伴って発生する熱によって水素吸蔵合金タンクを加熱することで、水素吸蔵合金タンク内の圧力を第１の圧力より高い圧力まで上昇させて水素を放出させる。このように、水素吸蔵合金タンク内の圧力を燃料電池の暖機時には第１調整圧Ｐ_H1とし、水素吸蔵合金の再生時には第１調整圧Ｐ_H1より高い圧力となるまで加熱することで水素配管を共有でき、簡易な構成の燃料電池システムを提供できるのである。

第３遮断弁３２を開放した後、制御装置６０は、ステップＳ１２で、ＭＨタンク３１の入口側の液温Ｔ_INと出口側の液温Ｔ_OUTとの差が所定の再生終了閾値Ｔｒ_END（例えば、１℃）より小さいか否かを判定し、この判定が共にＮｏである間は制御インターバル毎にステップＳ１２の判定を繰り返す。ＭＨタンク３１内では、水素吸蔵合金の吸熱反応により燃料電池１０からの冷却水の熱が奪われる。ところが、再生が進行して水素の放出が行われなくなると吸熱反応が止み、ＭＨタンク３１の入口側の液温Ｔ_INと出口側の液温Ｔ_OUTとの差がなくなってくる。

再生が終了してステップＳ１２の判定がＹｅｓとなると、制御装置６０は、ステップＳ１３で、第３遮断弁３２を閉鎖するとともに前記の暖機警告灯を消灯して始動時制御を終了する。

次に、図７のタイムチャートを参照して、実施形態の燃料電池システムＦ１の始動時制御における動作を説明する（図５を適宜参照）。図７は、燃料電池システムＦ１の起動時における制御タイムチャートである。

車両Ｖ（図４参照）の停止時において、第１遮断弁２２、第２遮断弁２５および第３遮断弁３２は閉鎖状態にある。また、循環ポンプ３５は停止している。燃料電池１０の冷却液温は暖機を開始する所定温度である０℃以下である。また、ＭＨタンク３１の内圧はほぼ０ｋＰａ（ゲージ圧）である。もちろん、燃料電池１０は発電を行っていない。

この状態から車両Ｖ（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ状態となる。これにより図６に示す制御が実行され、システム異常がなくかつ冷却液温が０℃以下の場合は燃料電池１０の暖機へ移行する（System Check Clear）。

すると、図６に示す始動時制御が実行され、第１遮断弁２２および第３遮断弁３２が開いて開放状態になると同時に、循環ポンプ３５が起動する。これにより、ＭＨタンク３１に水素が供給され、ＭＨタンク３１の内部温度と内圧とが上昇する。また、冷却液温が上昇し、昇温した冷却液が暖機系３０（１次冷却系Ｃ１）を循環することにより、ＭＨタンク３１で発生した熱が燃料電池１０を暖機する。尚、図７のタイムチャートでは、この時点（System Check Clear時点）での発電は行わない。つまり、空気圧縮機４１は起動していない。

ちなみに、ＭＨタンク３１に水素が供給されると、ＭＨタンク３１の温度は直ぐに最高温度に達し、その後は、一定の温度を維持する。また、ＭＨタンク３１の内圧は、しばらくすると高い圧力で一定になる。この間も暖機は継続される。

図７のタイムチャートでは、暖機完了と同時に第１遮断弁２２を開放して燃料電池１０による発電を開始し（Stack発電開始）、同時に第３遮断弁３２を閉じて閉鎖状態にする。この際、前述した電気二重層キャパシタや二次電池を利用して空気圧縮機４１等、必要な補機を起動する。すると、水素と酸素が燃料電池１０に供給される。そして、燃料電池１０の電圧〔解放電圧〕が上昇した時点で、ＶＣＵ５１を介して空気圧縮機４１等へ負荷電流を取り出す。そして、冷却液温が再生開始温度である５０℃に達すると、第３遮断弁３２を再び開放して水素吸蔵合金から水素を放出させ始める。

このように、実施形態によれば、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱を利用して燃料電池１０を確実に暖機することができるとともに、暖機後に水素吸蔵合金が吸蔵した水素を放出させて燃料ガスとして発電に供することができる。また、水素吸蔵合金に水素を放出させることにより、次回も低温時の暖機を行うことができる。また、暖機しつつ発電を行うので燃料電池１０も自己発熱し、暖機が迅速に行われる。また、高圧水素タンク２１から水素をＭＨタンク３１に供給するため、高圧水素タンク２１に水素を充填すれば暖機用の水素も充填されることになり、暖機専用の水素タンクを設ける必要がなくなる。

ここで、ＭＨタンク３１の温度は、水素貯蔵合金の温度−圧力特性（ＭＨタンク３１の内部温度−圧力特性図；図２参照）に従う。また、水素吸蔵合金の種類及び印加される水素の圧力が同一であれば、熱の発生量は水素吸蔵合金の量に比例する。よって、水素吸蔵合金の種類、ＭＨタンク３１に印加される水素の圧力及び水素吸蔵合金の量をパラメータとして、ＭＨタンク３１（いわば水素吸蔵熱式ヒータ（ＭＨヒータ））の特性を自由に設定することができる。一方、吸蔵した水素を放出する際は、その放出量や吸熱量を水素吸蔵合金の種類、圧力、温度をパラメータとして自由に放出量を制御することができる。

ところで、ＭＨタンク３１では、その内圧を無制限に高くしても、水素吸蔵合金の吸蔵量（水素の貯蔵量）は余り増えないが、耐圧性を高めるべくＭＨタンク３１の肉厚を厚くしなければならなくなる。この場合、ＭＨタンク３１の内部で発生した熱が取り出し難くなると同時に、ＭＨタンク３１の重量も増えてしまう。また、水素吸蔵合金が吸蔵した水素を放出する場合についていえば、肉厚が厚くなるとＭＨタンク３１の内部に熱を供給しづらくなる。これらの点から、ＭＨタンク３１の内圧（貯蔵圧）が１〜５ＭＰａ（あるいは、１〜３ＭＰａ）であれば、効率的に水素を吸蔵することができ、ＭＨタンク３１の肉厚も必要以上に厚くしないで済み、伝熱の点からも重量の点からも好ましい。

＜緊急時再生制御＞
次に、燃料電池１０の暖機途中あるいは水素吸蔵合金の再生途中に、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦ状態にした場合に水素吸蔵合金を再生する制御の手順を述べる。
制御装置６０は、前記の始動時制御と並行して、図８にそのフローチャートを示す緊急時再生制御を実行する。この制御は、いわゆる割り込み制御であり、イグニッションスイッチが暖機途中（始動時制御のステップＳ５〜ステップＳ９）あるいは再生途中（始動時制御のステップＳ１１あるいはステップＳ１２）にＯＦＦ状態にされることによって開始される。

制御装置６０は、緊急時再生制御を開始すると、先ず、図８のステップＳ２１で、現時点が始動時制御のステップＳ５〜ステップＳ９のいずれかを処理中であるか否かを判定する。そして、この判定がＮｏであれば、制御装置６０は、次にステップＳ２２で、現在が始動時制御のステップＳ１１あるいはステップＳ１１を処理中であるか否かを判定する。そして、この判定もＮｏであれば、制御装置６０は、イグニッションスイッチが暖機開始前あるいは再生終了後にＯＦＦ状態になったと判定し、ステップＳ２３で通常時運転停止制御に移行する。

運転者がイグニッションスイッチをＯＮ状態にした後、走行開始前に車両Ｖの運転を中止してイグニッションスイッチをＯＦＦ状態にする、あるいは、ごく短時間走行した後にイグニッションスイッチをＯＦＦ状態にすると、ステップＳ２１あるいはステップＳ２２の判定がＹｅｓになる。

制御装置６０は、ステップＳ２１の判定がＹｅｓになると、ステップＳ２４で、先ず始動時制御におけるステップＳ９までの処理を継続して実行し、燃料電池１０の運転開始とＭＨタンク３１への水素の導入停止とを行う。

次に、制御装置６０は、ステップＳ２５で、３方電磁弁３３を第２ポジションとする一方、電気ヒータ３７と補助ポンプ３８とを起動する。これにより、燃料電池１０からの冷却液は、冷却液配管３９ａ，３９ｈ，３９ｃを介して循環ポンプ３５に流れる（バイパスされる）ことになり、燃料電池１０とＭＨタンク３１との間の熱交換が停止される。そして、電気ヒータ３７により加熱された冷却液は、補助ポンプ３８によりＭＨタンク３１に流入することにより、ＭＨタンク３１の温度を上昇させる。ここで、燃料電池１０とＭＨタンク３１との間の熱交換を停止させる理由は、電気ヒータ３７により１次冷却系Ｃ１の冷却液全体を加熱することによる電気エネルギーの消費増大や再生に要する時間の増大を防止することにある。

次に、制御装置６０は、ステップＳ２６で、第１遮断弁２２を閉鎖し、高圧水素タンク２１から水素供給ラインへの水素の供給を停止させる。これにより、燃料電池システムＦ１では、高圧水素タンク２１からの新たな水素供給が無い状態で、燃料電池１０が低負荷運転（空気圧縮機４１のモータや循環ポンプ３５等の電力をまかなう運転）を続けることになる。その結果、１次レギュレータ２３の下流側の燃料配管２９ｃを含めて水素供給ラインの圧力が急速に低下する。

次に、制御装置６０は、ステップＳ２７で、ＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHが緊急時再生開始圧力Ｐ_L（例えば、０．３ＭＰａ）を超えたか否か、あるいは、ＭＨタンク３１の出口側の液温Ｔ_outが緊急時再生開始温度Ｔ４（例えば、３０℃）を超えたか否かを判定し、この判定がＮｏである間は制御インターバル毎にステップＳ２７の判定を繰り返す。尚、緊急時再生開始温度Ｔ４は、水素吸蔵合金の放出プラトー圧が緊急時再生開始圧力Ｐ_Lとなる温度である。

電気ヒータ３７の加熱によりＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHが緊急時再生開始圧力Ｐ_Lを超えて、あるいは、ＭＨタンク３１の出口側の液温Ｔ_outが緊急時再生開始温度Ｔ４を超えて、ステップＳ２７の判定がＹｅｓになると、制御装置６０は、ステップＳ２８で第３遮断弁３２を開放する。

これにより、ＭＨタンク３１からは水素吸蔵合金が吸蔵していた水素が放出され、この水素が、水素配管３６ｂ，３６ａを介して燃料配管２９ｃに流入する。燃料配管２９ｃに流入した水素は、２次レギュレータ２４や第２遮断弁２５、エジェクタ２６を介し、燃料電池１０に流入して消費される。尚、水素吸蔵合金は、水素を放出する際に熱を吸収するが、冷却液を介して電気ヒータ３７からＭＨタンク３１に熱が供給されるため、水素の放出（水素吸蔵合金の再生）が継続される。

次に、制御装置６０は、ステップＳ２９で、ＭＨタンク３１の出口側の液温Ｔ_outが緊急時再生終了温度Ｔ５（例えば、４０℃）を超えたか否かを判定し、この判定がＮｏである間は制御インターバル毎にステップＳ２９の判定を繰り返す。緊急時再生終了温度Ｔ５は、水素吸蔵合金が緊急時再生開始圧力Ｐ_Lの下で水素の放出を終了する温度である。

ＭＨタンク３１の出口側の液温Ｔ_outが緊急時再生終了温度Ｔ５を超え、ステップＳ２９の判定がＹｅｓになると、制御装置６０は、ステップＳ３０で、先ず燃料電池１０の運転を停止する。次に、制御装置６０は、ステップＳ３１で、３方電磁弁３３を第１ポジションとする一方、電気ヒータ３７と補助ポンプ３８とを停止する。次に、制御装置６０は、ステップＳ３２で、第３遮断弁３２を閉鎖するとともに前記の暖機警告灯を消灯して緊急時再生制御を終了する。

一方、前記のステップＳ２２の判定がＹｅｓになった場合、制御装置６０は、ステップＳ３３で始動時制御におけるステップＳ１３までの処理を継続して実行した後、ステップＳ３４で燃料電池１０の運転を停止して緊急時再生制御を終了する。この場合、燃料電池１０の温度が十分に高いため、電気ヒータ３７による加熱を行うことなく、ＭＨタンク３１内の水素吸蔵合金を再生することができるためである。

次に、図９のタイムチャートを参照して、実施形態の燃料電池システムＦ１の緊急時再生制御における動作（ステップＳ２５以降）を説明する（図５を適宜参照）。図９は、燃料電池システムＦ１の緊急時再生制御における制御タイムチャートである。

燃料電池１０の暖機途中に、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦ状態にすると、制御装置６０は、始動時制御におけるステップＳ９までの処理を継続して実行する。ステップＳ９までの処理を終えた時点で、燃料電池１０は運転中であり、ＭＨタンク３１内の水素吸蔵合金は水素の吸蔵を終えている。

この状態から、ステップＳ２６の緊急時再生制御が開始されると、電気ヒータ３７により加熱された冷却液がＭＨタンク３１に流入し、ＭＨタンク３１の内部温度と内圧とが上昇を始める。また、第１遮断弁２２が閉鎖されることにより、燃料電池１０が低負荷運転となり、１次冷却系Ｃ１の冷却液温が低下する。

ＭＨタンク３１の内圧Ｐ_MHが緊急時再生開始圧力Ｐ_Lを超えると（あるいは、ＭＨタンク３１の出口側の液温Ｔ_outが緊急時再生開始温度Ｔ４を超えると）、第３遮断弁３２が開放され、水素吸蔵合金が再生（水素の放出）を開始する。そして、水素吸蔵合金は、吸蔵していた水素の放出を終えると、電気ヒータ３７から供給される熱を吸収しなくなる。

これにより、ＭＨタンク３１の内部温度が緊急時再生終了温度Ｔ５を超えて上昇し、燃料電池１０の運転停止や、電気ヒータ３７および補助ポンプ３８の停止、第３遮断弁３２の閉鎖等が行われて、緊急時再生制御が終了する。これにより、冷却液温やＭＨタンク３１の内部温度は外気温まで低下する。

このように、本実施形態では、燃料電池１０の暖機途中あるいは水素吸蔵合金の再生途中に、イグニッションスイッチがＯＦＦ状態にされても、水素吸蔵合金の再生が行われることになり、次回の暖機の際の発熱量が確実に確保できるようになる。

尚、本発明は前記した実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、実施形態では、ＰＥＭ型の燃料電池１０を例にして説明したが、ＰＥＭ型に限定されることはない。また、燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、実施形態では、暖機を燃料電池１０の冷却液を加熱することで行うようにしたが、燃料ガスおよび／または空気を加温し、これを熱媒体として暖機を行う構成としてもよいし、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱をＦＣボックスＦＣＢ（図４参照）の中に導き、ＦＣボックスＦＣＢを暖機することにより燃料電池１０の暖機を行うようにしてもよい。また、ＭＨタンク３１を車両Ｖの後部に搭載する構成としたが、ＦＣボックスＦＣＢ内に搭載する構成としてもよい。また、燃料ガスおよび／または空気を加温し、これを熱媒体として暖機する構成としてもよい。また、水素配管を複数組設け、水素供給ラインからＭＨタンク３１に水素を導入する経路と、ＭＨタンク３１から前記水素供給ラインに水素を放出させる経路とを分けるようにしてもよい。

また、実施形態では、緊急時再生制御において、緊急時再生手段が電気ヒータ３７を用いてＭＨタンク３１を加熱するようにしたが、例えば、ＭＨタンク３１内の水素を、水素供給ラインで低圧となる部位や、水素供給ライン以外（例えば、大気）に放出するようにしてもよい。また、電気ヒータ３７は、冷却液以外の熱媒体を介して燃料電池１０を加熱するようにしてもよいし、ＭＨタンク３１内に埋設するようにしてもよい。また、緊急時再生制御における燃料電池１０とＭＨタンク３１間の冷却液流路の切換えを３方電磁弁以外の切換手段により行うようにしてもよいし、冷却液流路の切換えを行わないようにしてもよい。また、実施形態では、緊急時再生制御時に、電気ヒータ３７によるＭＨタンク３１の加熱と、第１遮断弁２２の閉鎖による高圧水素タンク２１から水素供給ラインへの水素の供給停止とを行うようにしたが、いずれか一方のみを行うようにしてもよい。また、水素供給ラインや水素配管、冷却液配管における圧力センサや温度センサの設置部位は、始動時制御や緊急時再生制御の具体的方法に応じて適宜変更あるいは追加等を行ってもよい。また、始動時制御や緊急時再生制御における圧力や温度の判定閾値は、水素吸蔵合金の特性等に応じたものであり、実施形態での例示に限られず適宜設定可能である。

本発明による暖機の原理を説明する模式図である。一例としてのＭＨタンクの内部温度−圧力特性図である。ＭＨタンクに印加される水素の圧力によりＭＨタンクの内部温度が変化する様子をプロットしたタイムチャートである。本発明に係る実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。本発明に係る実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。実施形態での始動時制御の手順を示すフローチャートである。実施形態での始動時制御における制御タイムチャートである。実施形態での緊急時再生制御の手順を示すフローチャートである。実施形態での緊急時再生制御におけるタイムチャートである。

符号の説明

Ｆ１燃料電池システム
１，１０燃料電池
２水素供給系，高圧水素タンク
２１高圧水素タンク
２２第１遮断弁（遮断弁）
２９ａ〜２９ｆ燃料配管（水素供給ライン）
３暖機系，ＭＨタンク
３１ＭＨタンク(水素吸蔵合金タンク)
３６ａ，３６ｂ水素配管
３７電気ヒータ（加熱手段）
６０制御装置（緊急時再生手段を含む）
Ｃ１１次冷却系

Claims

高圧の水素を貯蔵する高圧水素タンクと、
前記高圧水素タンクに貯蔵された水素を燃料ガスとして消費する燃料電池と、
前記高圧水素タンクと前記燃料電池とを接続する水素供給ラインと、
水素吸蔵合金を蓄えて、前記燃料電池と熱交換可能に接続された水素吸蔵合金タンクと、
前記水素供給ラインに連結され、当該水素供給ラインと前記水素吸蔵合金タンクとの間での水素の移送に供される水素配管と
を備え、
前記燃料電池の暖機時に前記水素供給ラインから前記水素吸蔵合金タンクに水素を導入させて前記水素吸蔵合金の水素吸蔵熱によって当該燃料電池を加熱し、前記燃料電池の暖機後に当該燃料電池の発電に伴って発生する熱によって前記水素吸蔵合金タンクを加熱することで前記水素吸蔵合金タンクから水素を放出させて前記水素吸蔵合金の再生を行う燃料電池システムにおいて、
前記水素吸蔵合金を再生する前に前記燃料電池の運転停止指令が入力されたとき、当該水素吸蔵合金の再生を行う緊急時再生手段と、
前記水素供給ラインを前記高圧水素タンクと前記水素配管との間で連通または遮断する遮断弁と、をさらに備え、
前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、当該遮断弁を閉鎖することを特徴とする燃料電池システム。
前記緊急時再生手段は、前記燃料電池の運転を継続させながら、前記水素吸蔵合金の再生を行うことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池システム。
前記緊急時再生手段は、
前記水素吸蔵合金タンクを加熱する加熱手段を備え、
前記水素吸蔵合金の再生にあたり、当該加熱手段による当該水素吸蔵合金タンクの加熱を行うことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、前記水素吸蔵合金タンクの圧力と温度との少なくとも一方が通常運転時に当該水素吸蔵合金を再生させる場合より低い状態で前記水素吸蔵合金タンクから水素を放出させることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記緊急時再生手段は、前記水素吸蔵合金の再生にあたり、通常運転時に当該水素吸蔵合金を再生させる場合より圧力の低い部位に前記水素吸蔵合金タンクからの水素を放出させることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。