JP3928965B2

JP3928965B2 - Fuel cell warm-up device

Info

Publication number: JP3928965B2
Application number: JP2003418350A
Authority: JP
Inventors: 貴寛栗岩; 亮史竹縄; 宏和 ▲桑▼原
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: JP2005183043A

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本発明は、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 present invention sac Chi present invention to solve the above problems, the release and the fuel cell stack composed of a plurality of cells are stacked, and heat generation by absorbing hydrogen and the hydrogen by absorbing ambient heat And a fuel cell warming device that heats the fuel cell stack with 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. And the said hydrogen storage alloy is accommodated in at least one part of the holding member for suppressing the breadth by lamination | stacking of these cells.

このような燃料電池の暖機装置によれば、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 such a fuel cell warm-up device , 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 formed with the hydrogen storage alloy. While being able to heat directly, a hydrogen storage alloy can be heated directly with a 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.

また、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である。 Further, the holding member, said a plurality of cells fastening bolts passing through, the rod-like portion of the fastening bolt, is warmed up device for a fuel cell, characterized in that to accommodate said hydrogen storage alloy .

このような燃料電池の暖機装置によれば、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 such a warm-up device for a fuel cell , the hydrogen storage alloy is accommodated in the rod-shaped portion of the fastening bolt that penetrates the plurality of cells, so that all the cells can be heated uniformly with this hydrogen storage alloy. In addition, the entire hydrogen storage alloy in the rod-shaped portion can be heated in all the cells.

また、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である。 Further, the holding member is a battery case formed so as to surround the fuel cell stack, and the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells among the wall portions constituting the battery case, A warming-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated.

このような燃料電池の暖機装置によれば、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 such a warm-up device for a fuel cell , since the hydrogen storage alloy is accommodated in the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells, all the cells are evenly heated with this hydrogen storage alloy. In addition, all the cells can heat the entire hydrogen storage alloy in the extending wall portion.

また、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である。 Further, the end wall portion located outside the cells of both ends of the fuel cell stack of the wall portion constituting the battery case, warming-up apparatus for a fuel cell, characterized in that to accommodate said hydrogen storage alloy It is .

このような燃料電池の暖機装置によれば、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 such a fuel cell warm-up device , 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 Can be heated. 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.

本発明によれば、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 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, the hydrogen storage alloy The time required for the release of hydrogen gas from the 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.

また、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。 In addition , since the hydrogen storage alloy is accommodated in the rod-shaped portion of the clamping bolt that penetrates the plurality of cells, all the cells can be heated evenly with this hydrogen-absorbing alloy, and the hydrogen in the rod-shaped portion in all the cells. The entire storage alloy can be heated.

さらに、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。 Furthermore , since the hydrogen storage alloy is accommodated in the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells, all the cells can be heated evenly with this hydrogen storage alloy, and extended in all the cells. The entire hydrogen storage alloy in the wall can be heated.

さらにまた、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。 Furthermore , since the hydrogen storage alloy is accommodated in the end wall portion of the battery case, for example, when the fuel cell stack that has been operated so far is stopped, the fuel cell stack is cooled from both ends thereof. Even in such a case, it is possible to heat the entire fuel cell stack efficiently by intensively heating the cells at both ends of the fuel cell stack where the temperature is the lowest during the restart.

〔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 41 c for inserting a tightening bolt 8 described later is formed at an appropriate position of the cell 41.

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-shaped 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 P 1, an occlusion / discharge pipe P 2, 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 exchange heat directly 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.

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

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 clamping bolt that penetrates the plurality of cells for suppressing spread due to the stacking of the plurality of cells,
Inside the rod-shaped portion of the fastening bolt, a space is formed from one end side to the other end side of the plurality of stacked cells,
A warm-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated in the space .

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,
In order to suppress spreading due to the stacking of the plurality of cells, a battery case formed so as to surround the fuel cell stack ,
A space is formed from one end side to the other end side of the plurality of stacked cells in the extending wall portion extending in the stacking direction of the plurality of cells among the wall portions constituting the battery case. And
A warm-up device for a fuel cell, wherein the hydrogen storage alloy is accommodated in the space .

A warm-up device for a fuel cell according to claim 2 ,
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.