JP4283529B2 - 燃料電池用の水素回収システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される水素（パージ水素）を回収するための水素吸蔵合金を利用した燃料電池用の水素回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、アノード電極−カソード電極間に固体高分子膜（電解質膜）を挟持したＭＥＡ（膜−電極接合体）を有し、常温でも発電が可能であるため、電気自動車の電源をはじめとする各種用途への適用が期待されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池の燃料となる水素の供給方法としては、液体水素を貯蔵した液体水素タンク、高圧の水素を貯蔵した高圧水素タンク、または水素をその内部に収納した水素吸蔵合金などの水素貯蔵材に補給した水素吸蔵タンク等から純水素として燃料電池へ供給する方法（純水素式）、炭化水素、例えば、メタノール水溶液から水蒸気改質法により生成した水素リッチガスを精製し、この精製した水素リッチガスを燃料電池へ供給する方法（改質式）等が挙げられる。
【０００４】
前記純水素式で水素が供給される燃料電池を備えた自動車（以下、「燃料電池車」という）のうち、高圧水素タンクを備えた高圧水素貯蔵型の燃料電池車では、高圧水素タンクに貯蔵された水素は、通常、燃料電池スタックを破損させないように、数段階で減圧されて所定圧力に調圧された後、燃料電池に供給されるようになっている。
尚、このように構成される燃料電池車において、水素は、前記高圧水素タンクの水素貯蔵量が空に近い場合を除き、高圧水素タンクから燃料電池へ水素を供給する水素供給ラインでレギュレータにより高圧から中圧を経て低圧の状態に減圧され、さらに燃料電池の運転に適した低圧状態に調圧されて燃料電池へ供給される。家庭用等の高圧水素貯蔵型の燃料電池システムにおいても略同様の構成となっている。
【０００５】
また、固体高分子型燃料電池では、水素を含むガス（燃料ガス）がアノード電極に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）がカソード電極に供給されると、アノード電極で前記水素ガスから電子が放出されてプロトン（イオン化した水素）が生成される。前記アノード電極で生成されたプロトンは、固体高分子膜（電解質膜）内を通って水と一緒にカソード電極側へ移動し、このカソード電極で空気中の酸素により酸化されて水を生じる。
尚、前記固体高分子膜（電解質膜）は、膜中のプロトンの移動を容易にするために常に湿らせておく必要があるので、前記水素を含むガス（燃料ガス）及び酸化剤ガス（空気）は加湿されて燃料電池へ供給される。
【０００６】
固体高分子型燃料電池は、発電時に水素と空気中の酸素との化学反応（発熱反応）で発生する熱により高温に保たれているものの、例えば、燃料電池の外郭部に近い発電部位では中心部と比較して冷却がより多くなされる。その結果、この固体高分子型燃料電池の水素の流路では、加湿された前記燃料ガス中の水が結露したり、あるいは発電時に生成された水が凝集したりして、水による閉塞が生じ、発電部位が減少して機能が低下する場合がある。
【０００７】
また、冬季などの冷間時には、燃料電池の運転を停止させているときに燃料電池の温度が氷点下以下となる場合がある。このような場合、燃料電池中に残留した反応生成水が凍結し、燃料電池の起動時に水素流路が凍結した水で閉塞されて燃料電池が発電できなくなる、あるいは部分的に前記水素流路の閉塞が生じて部分的に発電が行われることとなり、燃料電池の全発電出力に対しこの発電部位が過度に発熱したり、電解質膜等の破損等を引き起こしたりする虞がある。
【０００８】
以上説明した様に、燃料電池内で水による水素流路の閉塞が生じると、発電効率の低下や出力の低下など好ましくないことが生じるため、例えば、アノード極側では発電に必要な水素量を超える過剰な水素を燃料電池に吹きこみ、過剰な水素と共に流路閉塞を起こした余剰な水を燃料電池内からパージしてしまう運転方法がある。
【０００９】
このように水素流路の閉塞対策として使用された後、燃料電池から排出された水素（以下、パージ水素という）は、回収されて再度燃料とされるのが望ましい。そこで、前記パージ水素の回収及び再利用の方法として、例えば、比較的大量の水素を貯蔵することが可能な水素吸蔵合金（以下、ＭＨという）を利用することが検討されている。
【００１０】
このようなＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムとして、例えば、特開平５−２２５９９６号公報に開示された技術がある（特許文献１参照）。
この燃料電池用の水素回収システムは、図７に示すように、水素の吸蔵及び水素の放出を所望の圧力下で略連続的に行う水素吸蔵放出手段１００を備え、この水素吸蔵放出手段１００は、水素を吸蔵あるいは放出する２つのＭＨ１０１，１０２を備えるとともに、水素の吸蔵先、放出元を各々吸蔵切り換え手段１０３、放出切り換え手段１０４で切り換え自在に構成され、さらに各ＭＨ１０１，１０２が上述の所望の圧力に対応する温度に設定されるように加温水及び冷却水を所定の割合で混合手段１０５，１０６により混合し、この混合された加温水及び冷却水を各ＭＨ１０１，１０２に供給するように構成されている。
このように構成することにより、水素を安定的かつ経済的に燃料電池に供給することができ、さらに燃料電池の小形化を可能にした燃料電池発電システムを提供することが可能になる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５‐２２５９９６号公報（第１−５頁、第２図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池用の水素回収システムでは、ＭＨの加熱及び冷却を行うために、各ＭＨ１０１，１０２が上述の所望の圧力に対応する温度に設定できるように、加温水及び冷却水を所定の割合で混合する混合手段１０５，１０６が設けられ、また、回収した水素をＭＨから放出させるための加熱装置として、ヒータや燃焼器等の特別な付加設備が必要であった。
また、加温水及び冷却水を供給・排出する配管が必要となるため、配管等から系外への放熱量が大きくなり、エネルギー効率の点から余り好ましくなかった。
【００１３】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、水素吸蔵合金の加熱・冷却をするための特別な付加設備が不要で、水素吸蔵合金作動時のエネルギーロスを抑えることができる燃料電池用の水素回収システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に記載された燃料電池用の水素回収システムは、燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給できるように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１に記載された発明によると、燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給できるように構成したことにより、
（１）第一の水素吸蔵タンクを加熱するのにヒータや燃焼器等の特別な付加設備が不要となり、燃料電池用の水素回収システム全体の省スペース化・省コスト化を図ることができる。
（２）第二の水素吸蔵タンクにおける水素吸蔵熱を第一の水素吸蔵タンクの加熱に有効に利用することができるので、水素吸蔵合金作動時のエネルギーロスを低く抑えることができる。
（３）第一の水素吸蔵タンクから放出された水素が燃料電池で再利用されるので、燃料電池へ供給される水素の利用効率が高い燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
【００１６】
請求項２に記載された燃料電池用の水素回収システムは、前記第一の水素吸蔵タンクで水素を吸蔵させる際には、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用の水素回収システムである。
【００１７】
請求項２に記載された発明によると、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことで、前記第一の水素吸蔵タンクの水素吸蔵能力を向上させることができるので、水素吸蔵タンクを小型化（軽量化）することができる。また、放出した水素を燃料電池に戻すことで水素ロスを少なくすることもできる。
【００１８】
請求項３に記載された燃料電池用の水素回収システムは、前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用の水素回収システムである。
【００１９】
請求項３に記載された発明によると、前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことにより、燃料電池の発電反応に伴い生じた生成水やパージにより燃料電池から排出された凝集水等の多量の水を水素吸蔵タンクの上流側で除去することができるので水素吸蔵タンク内での水の凝集を抑制することができる。従って、タンク内での水素吸蔵合金と水素との反応速度が遅くなるのを防止することができる。
【００２０】
請求項４に記載された燃料電池用の水素回収システムは、前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することで前記水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の水素回収システムである。
【００２１】
請求項４に記載された発明によると、前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することにより、水素吸蔵タンク内の凝集水を再蒸気化することができるので、この水蒸気を燃料電池に戻すことで水素吸蔵タンク内の凝集水を除去することができる。従って、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることができる。尚、水素吸蔵熱で加熱する温度は１００℃以上が好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用の水素回収システムについて、図面を参照して説明する。
尚、図１（ａ）は、本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する水素吸蔵合金の温度との関係を示す図、図１（ｂ）は、本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する総吸蔵量との関係を示す図である。
また、図２は、本発明に係る水素吸蔵合金を利用した水素回収ユニットの構成を示す図、図３は、本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図、図４は、本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
また、図５は、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図、図６は、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
【００２３】
最初にＭＨを内部に収納した水素吸蔵タンク（以下、ＭＨタンクという）を使用して水素を貯蔵するときのメカニズムについて、図１を参照して説明する。
最初にＭＨの一般的な特性について説明する。
ＭＨは、以下の反応により熱の出入りを伴いながら水素の吸蔵・放出を行う。
Ｍ＋Ｈ2 ⇔ＭＨ2＋Ｑ（水素化物生成エネルギー）---------（１）
上記（１）式に基づき水素吸蔵時には、発熱し、水素放出時には、吸熱することから、この原理を利用してＭＨを冷却手段として用いる方法は、ＭＨ式冷凍機をはじめとして広く知られており、一部実用化されている。
【００２４】
ＭＨの作動温度は、水素吸蔵時、水素放出時ともＭＨの圧力−温度特性に従い、水素吸蔵圧力及び水素放出圧力（プラトー圧）は温度により変化する。逆に貯蔵圧力が決まればＭＨの作動温度も決まり、この特性を生かしてＭＨ式ヒータ等への応用がなされている。
【００２５】
ＭＨタンクにおける水素貯蔵のメカニズムは、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、ＭＨは水素の貯蔵開始と同時に水素吸蔵、昇温を開始し、ＭＨの温度は、ＭＨの圧力−温度特性に基づいて、水素の貯蔵プラトー圧が貯蔵圧力と等しくなる温度まで速やかに上昇する。
この時、ＭＨと水素との反応熱（水素吸蔵熱）はＭＨ自身、あるいはＭＨタンクの昇温に消費され、一種の蓄熱（蓄熱モード）による貯蔵がなされる。このため、蓄熱モードにおけるＭＨの蓄熱量は、貯蔵開始前のＭＨの温度とＭＨの作動温度との温度差に比例し、ＭＨの作動温度は、水素の貯蔵圧力により決定する。
【００２６】
蓄熱による水素貯蔵が行われ、各部が温度上昇し、水素の貯蔵プラトー圧が貯蔵圧力と一致する温度に到達後、水素貯蔵に伴う反応熱（水素吸蔵熱）は、ＭＨタンクの表面から外気（大気）へと放出される。この放熱による水素貯蔵は、ＭＨタンクの作動温度、外気温が一定であれば放熱量は放熱時間に比例する。
以上のことからＭＨタンクを用いた水素貯蔵のメカニズムは、図１（ｂ）に示すような貯蔵開始直後のある程度の水素の貯蔵（蓄熱モード貯蔵）と、時間経過に比例した水素貯蔵（放熱モード貯蔵）の組み合わせとなる。
【００２７】
また、ＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムにおける水素の貯蔵圧力（パージ水素を回収するときの圧力）は、燃料電池内では水素流路の圧損があるため、燃料電池へ供給される水素の圧力よりも低くなる。
このことから、ＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムでは、水素を吸蔵するとき（パージ水素を回収するとき）は室温（もしくは車速利用の送風冷却等）で行い、水素を放出させるとき（回収した水素を再利用するとき）は、燃料電池等の廃熱を利用して水素放出圧を昇圧して行うのが好ましい。
この場合、水素吸蔵時のＭＨの到達温度及び水素放出時のＭＨの作動温度もまたＭＨの圧力−温度特性に従う。
しかしながら、パージ水素の回収は速やかにされねばならず、ＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムの場合、回収（水素貯蔵）に伴う熱（発熱）は、蓄熱により処理する蓄熱モードによる水素貯蔵で水素回収を行うことになる。
【００２８】
以下、本発明に係る燃料電池用の水素回収システムに組み込まれるＭＨを利用した水素回収ユニットについて、図２を参照して説明する。
本発明に係る水素回収ユニット１は、図２に示すように、
燃料電池から排出される水素（以下、パージ水素という）を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンク（以下、Ｎｏ．１ＭＨタンクという）１ａと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンク（以下、Ｎｏ．２ＭＨタンクという）１ｂとが互いに隣接して熱交換可能に設けられている。
このように２つのＭＨタンク１ａ，１ｂを隣接して熱交換可能に設けたことにより、タンク同士の熱授受を無駄なく行うことができる。
【００２９】
尚、ＭＨは、同じ種類のＭＨを使用しても良いし、異なる種類のＭＨを使用しても良いが、本実施形態では、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａには高温度作動型のＭＨが、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂには低温作動型のＭＨが収納されている。
このようにＮｏ．１ＭＨタンク１ａに高温作動型のＭＨを、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂに低温作動型のＭＨを収納したことにより、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの作動温度を高くすることができるので、燃料電池から排出される水素吸蔵時の発熱温度を高くできるようになり、蓄熱モード時の水素吸蔵能力を高くできる結果、瞬時に水素を回収することが可能になる。
【００３０】
Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａには、例えば、水素吸蔵による平衡温度が６０℃程度、中圧水素の貯蔵時には、平衡温度が１００℃以上となるＭＨを選択し、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂには中圧水素を投入することで８５〜９０℃程度の高熱を発生させることができ、また、冷熱の発生は吸蔵した水素を放出させて燃料電池に対し再供給を行うことで２５〜３０℃程度の低温を発生させることができるＭＨを選択すれば良い。
このような作動条件を満たせるＭＨとしてＴｉＣｒ2，（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）2等のラーべス相合金（ＡＢ2型合金）、ＬａＮｉ5、ＭｍＮｉ5等ＡＢ5型合金、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ−Ｍｎ等ＢＣＣ（体心立方格子）合金が挙げられる。
【００３１】
また、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂにはそれぞれ以下のように配管部材が設けられている。
Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａには入口配管ＲＰinと出口配管ＲＰoutが設けられており、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの入口配管ＲＰinには逆止弁Ｂ1が、出口配管ＲＰoutには弁Ｖ1と逆止弁Ｂ2が設けられている。
一方、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂには入口配管ＳＰinと出口配管ＳＰoutが設けられており、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂの入口配管ＳＰinには逆止弁Ｂ3が、出口配管ＳＰoutには弁Ｖ2と逆止弁Ｂ4が設けられている。
さらに、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの入口配管ＲＰinとＮｏ．２ＭＨタンク１ｂの入口配管ＳＰinとの間には、仕切り弁Ｂ5が設けられている。
【００３２】
次に、このような構成からなる水素回収ユニットを一基組み込んだ本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムについて、図３を参照して説明する。
本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムは、図３に示すように、
高圧の水素を貯蔵した高圧水素タンク２と、
前記高圧水素タンク２から排出される高圧の水素を、２つのレギュレータ３ａ，３ｂを介して燃料電池４に適した水素圧力に減圧して水素を供給する水素供給ライン３と、
図示しないアノード極に水素が供給され、図示しないカソード極に空気が供給され、前記水素と前記空気中の酸素とが反応することで発電する前記燃料電池４と、
それぞれに水素吸蔵合金を収納した２つの隣接する熱交換可能に形成されたＮｏ．１ＭＨタンク１ａ，Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂから形成される水素回収ユニット１と、
前記水素回収ユニット１と前記水素供給ライン３及び燃料電池４とを結ぶ５つの配管ラインＲＰin，ＲＰout，ＳＰin，ＳＰout，ＴＳと、
から主要部が構成される。
【００３３】
高圧水素タンク２は、高圧の水素、例えば、３５ＭＰａの水素を貯蔵するための貯蔵容器であり、本実施形態では、軽量化や耐圧性を向上させるために繊維強化プラスチックス製の容器が使用されている。一般には、図示しない遮断弁が設けられている。
【００３４】
２つのレギュレータ３ａ，３ｂは、高圧水素タンク２から排出される高圧の水素を、燃料電池４ヘ供給するのに適した水素圧力に減圧するための減圧弁であり、高圧水素タンク２と燃料電池４とを連結する水素供給ライン３上に設けられている。尚、高圧の水素は一段階では減圧できないため２つのレギュレータ３ａ，３ｂを使用して２段階で減圧している。
【００３５】
燃料電池４は、図示しないアノード極（燃料ガス極）へは水素が、図示しないカソード極へは空気が供給され、電極でガスが触媒反応して水を生成する。このときの化学反応エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出し、外部負荷に供給して駆動する。
【００３６】
水素回収ユニット１は、上述したように２種類の異なるＭＨのそれぞれを収納した隣接する熱交換可能な２つのＭＨタンク１ａ，１ｂから形成され、燃料電池４から排出されるパージ水素回収用のＮｏ．１ＭＨタンク１ａと前記Ｎｏ．１ＭＨタンクを加熱・冷却するためのＮｏ．２ＭＨタンク１ｂとから形成される。
【００３７】
５つの配管ラインＲＰin，ＲＰout，ＳＰin，ＳＰout，ＴＳは、
高圧水素タンク２、２つのレギュレータ３ａ，３ｂ、燃料電池４までを連結する水素供給ライン３と、
燃料電池４の出口、水除去手段５、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａまでを連結するパージ水素回収ラインＲＰinと、
水素供給ライン３の２つのレギュレータ３ａ，３ｂの間から分岐しＮｏ．２ＭＨタンク１ｂまでを連結する中圧水素供給ラインＳＰinと、
前記Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ及び前記Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂの出口ラインＲＰout，ＳＰoutと下流側でそれぞれと合流する１本の配管であって、Ｎｏ．２レギュレータ３ｂの下流側で前記水素供給ライン３と合流する放出水素再供給ラインＴＳとから形成される。
【００３８】
ここで、燃料電池４の出口から水除去手段５、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａまでを連結するパージ水素回収ラインＲＰinに設けられている水除去手段５について説明する。
水除去手段５は、各種吸着材、水分離膜、機械的除湿手段等のうちの少なくとも１つの分離手段を使用して燃料電池から排出されるパージ水素中の水分を除去する装置である。本実施形態では水分離膜を使用している。
【００３９】
このように構成される本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムの作用について、図４の運転フローチャートを参照して説明する。
（１）最初に、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを冷却するために、燃料電池４の廃熱（又は外気の熱）を利用してＮｏ．２ＭＨタンク１ｂを加熱し、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂ内の水素を空にする（Ｓ１）。
このようにＮｏ．２ＭＨタンク１ｂから水素を放出させることによりＮｏ．１ＭＨタンク１ａの冷却を行うことで、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの水素吸蔵能力を向上させることができるので、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを小型化（軽量化）することができる。また、放出した水素を燃料電池４に戻すことで水素ロスを少なくすることも可能である。
（２）次に、燃料電池４（ＦＣ）からパージ水素がパージされるか否かを判断する（Ｓ２）。
このときの判断条件としては、▲１▼セル電圧の低下、▲２▼積算発電量（車両に搭載した場合は走行距離）、▲３▼運転時間（車両に搭載した場合は走行時間）等が考えられる。
（３）燃料電池４から水素がパージされない場合には、ステップＳ１に戻る。
（４）燃料電池４から水素がパージされる場合には、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａへ1回パージする（Ｓ３）。
このとき、パージ水素回収ラインＲＰinには水分離膜が設けられており、燃料電池４の発電反応に伴って生じた生成水や、パージにより燃料電池４から排出された凝集水等の多量の水をＮｏ．１ＭＨタンク１ａの上流側で除去できるのでＮｏ．１ＭＨタンク１ａ内での水の凝集を抑制することができる。これによって、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内でのＭＨと水素との反応速度の低下を防止することが可能である。
尚、前記水分離膜の機能が低下し、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内でのＭＨと水素との反応速度が低下した場合には、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの入口配管ＲＰinとＮｏ．２ＭＨタンク１ｂの入口配管ＳＰinとの間に設けられた仕切り弁Ｂ5を開放して燃料電池４へ供給する中圧水素の一部を供給する。
このように、燃料電池４へ供給する水素の一部を前記Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａに供給して、前記Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内の水ＭＨを水素吸蔵熱で加熱することにより、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内の凝集水を再蒸気化することができるので、この水蒸気を燃料電池４に戻すことでＮｏ．１ＭＨタンク１ａ内の凝集水を除去することが可能である。従って、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内のＭＨの水素吸蔵能力を回復させることができる。
（５）このようにしてＮｏ．１ＭＨタンク１ａへの水素パージが終了したら、高圧水素タンク２から燃料電池４へ水素を供給する水素供給ライン３の中圧水素をＮｏ．２ＭＨタンク１ｂへ供給し、水素吸蔵熱で発熱させる（Ｓ４）。
このようにＮｏ．１ＭＨタンク１ａを水素吸蔵熱で加熱することにより、
▲１▼加熱に温水を使用しないので、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを加熱するのにヒータや燃焼器等の特別な付加設備が不要となり、燃料電池用の水素回収システム全体の省スペース化・省コスト化が図れる。
▲２▼Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂにおける水素吸蔵熱をＮｏ．１ＭＨタンク１ａの加熱に有効に利用できるので、ＭＨ作動時のエネルギーロスを少なく抑えることが可能である。また、水素吸蔵熱を熱交換してＮｏ．１ＭＨタンク１ａへ供給し加熱するのでＭＨ作動時のエネルギーロスを少なく抑えることができる。
▲３▼Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａから放出された水素が燃料電池４で再利用されるので、燃料電池４へ供給される水素の利用効率が高い燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
（６）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ中の水素が空になったか否かを判断する（Ｓ５）。
（７）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ中の水素が空でない場合には、空になるまで加熱を続行する。
（８）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ中の水素が空になったら運転を終了し、ステップＳ１に戻る。
尚、図４に示す一例のフローは、図２の水素貯蔵容器Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａに対する水素パージを１回回収（Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａへパージ水素を所定量供給した後、このパージ水素を回収する水素パージサイクルが１サイクル実行される動作）として構成されているが、水素貯蔵容器Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａのサイズに応じて前記水素パージを複数回回収（前記水素パージサイクルが複数サイクル実行される動作）として構成されてもよい。
【００４０】
このような構成と作用を有する本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムによれば、
（１）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａで回収した水素を放出させるには、従来、電気ヒータや燃焼機器等が必要であったが、このような付加装置を設けることなく水素を放出させることができる。
（２）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを加熱するためにＮｏ．２ＭＨタンク１ｂへ供給した水素も回収して燃料電池４へ戻すことで、水素ロスの少ない燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
尚、本実施形態では、水素貯蔵容器Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの水素パージでこのタンクからパージ水素を１回回収する毎に、このパージ水素を燃料電池へ再供給するように構成しているが、本発明はこのような実施形態のみに限定されるものではなく、前記パージ水素を複数回回収する毎に前記燃料電池へ再供給するように構成してもよい。
【００４１】
次に、本発明に係る水素回収ユニットを２基組み込んだ本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムについて、図５を参照して説明する。
尚、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムと本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムとの構成の差異は、第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムでは、第一実施形態の水素回収ユニットを２基互いに並列となるように設けて、交互にパージ水素の回収と回収したパージ水素を燃料電池４へ再供給する操作ができるように２つの切り換え弁６，７を設け、切り換え弁６，７とＮｏ．２水素回収ユニット１′を配管ＲＰ′in，ＳＰ′inで結び、Ｎｏ．２水素回収ユニット１′の下流側でＮｏ．１水素回収ユニット１の放出水素再供給ラインＴＳとＮｏ．２水素回収ユニット１′の放出水素再供給ラインＴＳ′とを合流させ、Ｎｏ．２レギュレータ３ｂ下流側の水素供給ライン３に連結するようにした点にある。
尚、本発明に係る第二実施形態で、第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムと同じ部材については、同じ符号を付して説明する。
【００４２】
このように本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムは、２基の水素回収ユニット１，１′を有し、例えば、Ｎｏ．１水素回収ユニット（第一実施形態と同じ水素回収ユニット）１が、回収したパージ水素の放出（Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの再生運転）を行っているときには、Ｎｏ．２水素回収ユニット１′がパージ水素の回収（Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの回収運転）を行うように運転される。
また、これ以外の運転方法として、例えば、３基以上の水素回収ユニットを用い、水素回収ユニット1基当たりの水素回収能力の調整を行うようにすることも可能である。
尚、各ＭＨタンクのパージ水素回収の終了、再生開始、及び次タンクの水素回収への切り換え判断は、各水素回収ユニットのパージ水素の回収回数による判断、あるいは水素回収ユニット内のＭＨに設置した温度計、歪計等の貯蔵量検知手段による判断で行われる。
【００４３】
このように構成される本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムの作用について、図６に示す運転フローチャートを参照して説明する。
（１）２基の水素回収ユニット１，１′（図５参照）のうち、何れのＮｏ．１ＭＨタンクが「空きタンク」、又は「水素回収済みタンク」であるかをデータとして読み込む（Ｓ１０）。
（２）Ｎｏ．１ＭＨタンクが「空きタンク」の水素回収ユニットは、以下のように運転する。
（ａ）Ｎｏ．２ＭＨタンクに高圧水素タンク２から燃料電池４へ水素を供給する水素供給ライン３の中圧水素をＮｏ．２ＭＨタンクへ供給し、水素吸蔵熱によりＮｏ．１ＭＨタンクを加熱して、Ｎｏ．１ＭＨタンクから確実に水素を放出させた後、燃料電池４の廃熱（又は外気の熱）でＮｏ．２ＭＨタンクを加熱して水素を放出させることによりＮｏ．１ＭＨタンクを冷却する（Ｓ１１）。
（ｂ）燃料電池４からのパージ水素をＮｏ．１ＭＨタンクに回収する（Ｓ１２）。
（ｃ）Ｎｏ．１ＭＨタンクに水素を貯蔵する残容量が有るか否かを確認する。残容量がある場合には、ステップＳ１２に戻る。
（ｄ）Ｎｏ．１ＭＨタンクに水素を貯蔵する残容量がなくなったら「水素回収済みタンク」としてメモリーに記録し（Ｓ１４）、ステップＳ１０に戻る。
（３）一方、Ｎｏ．１ＭＨタンクが「水素回収済みタンク」の水素回収ユニットは、以下のように運転する。
（ｉ）Ｎｏ．２ＭＨタンクに高圧水素タンク２から燃料電池４へ水素を供給
する水素供給ライン３の中圧水素を供給し、水素吸蔵熱によりＮｏ．１ＭＨタンクを加熱する（Ｓ１５）。
（ｉｉ）Ｎｏ．１ＭＨタンクから確実に回収済みのパージ水素を放出させ燃料電池４へ再供給する（Ｓ１６）。
（ｉｉｉ）Ｎｏ．１ＭＨタンク内の残水素量の有無を判断する（Ｓ１７）。
（ｉｖ）水素が残っている場合には、加熱を続行し、水素が無くなるまでＮｏ．１ＭＨタンクから水素を放出させて燃料電池４へ再供給する。
（ｖ）水素が無くなったら「空きタンク」としてメモリーに記録し（Ｓ１８
）、ステップＳ１０に戻る。
【００４４】
このような構成と作用を有する本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムによれば、
（１）水素回収ユニットを２基としたので、燃料電池４からのパージ水素の排出間隔が短くなっても対応できるようになる。
（２）従来、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａで回収した水素を放出させるには電気ヒータや燃焼機器等が必要であったが特別な付加装置を設けることなく、水素を放出させることができる。
（３）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを加熱するためにＮｏ．２ＭＨタンク１ｂへ供給した水素も回収して燃料電池４へ戻すことで、水素ロスの少ない燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
【００４５】
本発明は、このようなエネルギー回収が行われていなかった、従来のＭＨを用いた燃料電池用の水素回収システムを、ＭＨに水素を吸蔵・放出させるときの発熱・冷熱を適切に利用して水素を系外に出さないクローズドシステムとして構成したので、エネルギー効率の高い燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
また、本発明のように複数のＭＨタンクを有する燃料電池用の水素回収システムでは、一系統の水素回収ユニットがパージ水素の回収を行っているとき、他系統の水素回収ユニットは再生を行っている。換言すれば、常に一系統の水素回収ユニットには水素が残留している。そこで冬季等の冷間時に水素回収ユニットの再生を行えば、余剰熱にて燃料電池を暖機することが可能となる。
また、水素回収を行う予定の水素回収ユニットに、発電は行わないものの水素パージを行って水素貯蔵を行えば、水素貯蔵に伴う発熱反応を利用することができ、より一層速やかな暖機が可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
１．請求項１に記載された発明によれば、燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給することにより、
（１）第一の水素吸蔵タンクを加熱するのにヒータや燃焼器等の特別な付加設備が不要となり、燃料電池用の水素回収システム全体の省スペース化・省コスト化が図れる。
（２）第二の水素吸蔵タンクにおける水素吸蔵熱を第一の水素吸蔵タンクの加熱に有効に利用することができるので、水素吸蔵合金作動時のエネルギーロスを少なく抑えることができる。
（３）第一の水素吸蔵タンクから放出された水素が燃料電池で再利用されるので、燃料電池へ供給される水素の利用効率が高い燃料電池用の水素回収システムを提供できる。
２．請求項２に記載された発明によれば、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことで、前記第一の水素吸蔵タンクの水素吸蔵能力を向上させることができるので、水素吸蔵タンクを小型化（軽量化）することができる。また、放出した水素を燃料電池に戻すことで水素ロスを少なくすることもできる。
３．請求項３に記載された発明によれば、前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことにより、燃料電池の発電反応に伴い生じた生成水やパージにより燃料電池から排出された凝集水等の多量の水を水素吸蔵タンクの上流側で除去できるので水素吸蔵タンク内での水の凝集を抑制することができる。従って、タンク内での水素吸蔵合金と水素との反応速度が遅くなるのを防止することができる。
４．請求項４に記載された発明によれば、前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することにより、水素吸蔵タンク内の凝集水を再蒸気化することができるので、この水蒸気を燃料電池に戻すことで水素吸蔵タンク内の凝集水を除去することができる。従って、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることができる。尚、水素吸蔵熱で加熱する温度は１００℃以上が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する水素吸蔵合金の温度との関係を示す図である。（ｂ）本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する総吸蔵量との関係を示す図である。
【図２】本発明に係る水素吸蔵合金を利用した水素回収ユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
【図５】本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図である。
【図６】本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
【図７】従来の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図である。
【符号の説明】
１ 水素回収ユニット（Ｎｏ．１水素回収ユニット）
１ａ Ｎｏ．１ＭＨタンク（第一の水素吸蔵タンク）
１ｂ Ｎｏ．２ＭＨタンク（第二の水素吸蔵タンク）
２ 高圧水素タンク
３ 水素供給ライン
３ａ Ｎｏ．１レギュレータ
３ｂ Ｎｏ．２レギュレータ
４ 燃料電池
５ 水除去手段
６，７ 切り換え弁
１０，２０ 燃料電池用の水素回収システム
ＲＰin パージ水素回収ライン
ＲＰout 回収水素再供給ライン
ＳＰin 中圧水素供給ライン
ＳＰout 中圧水素再供給ライン
ＴＳ 放出水素再供給ライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される水素（パージ水素）を回収するための水素吸蔵合金を利用した燃料電池用の水素回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、アノード電極−カソード電極間に固体高分子膜（電解質膜）を挟持したＭＥＡ（膜−電極接合体）を有し、常温でも発電が可能であるため、電気自動車の電源をはじめとする各種用途への適用が期待されている。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池の燃料となる水素の供給方法としては、液体水素を貯蔵した液体水素タンク、高圧の水素を貯蔵した高圧水素タンク、または水素をその内部に収納した水素吸蔵合金などの水素貯蔵材に補給した水素吸蔵タンク等から純水素として燃料電池へ供給する方法（純水素式）、炭化水素、例えば、メタノール水溶液から水蒸気改質法により生成した水素リッチガスを精製し、この精製した水素リッチガスを燃料電池へ供給する方法（改質式）等が挙げられる。
【０００４】
前記純水素式で水素が供給される燃料電池を備えた自動車（以下、「燃料電池車」という）のうち、高圧水素タンクを備えた高圧水素貯蔵型の燃料電池車では、高圧水素タンクに貯蔵された水素は、通常、燃料電池スタックを破損させないように、数段階で減圧されて所定圧力に調圧された後、燃料電池に供給されるようになっている。
尚、このように構成される燃料電池車において、水素は、前記高圧水素タンクの水素貯蔵量が空に近い場合を除き、高圧水素タンクから燃料電池へ水素を供給する水素供給ラインでレギュレータにより高圧から中圧を経て低圧の状態に減圧され、さらに燃料電池の運転に適した低圧状態に調圧されて燃料電池へ供給される。家庭用等の高圧水素貯蔵型の燃料電池システムにおいても略同様の構成となっている。
【０００５】
また、固体高分子型燃料電池では、水素を含むガス（燃料ガス）がアノード電極に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）がカソード電極に供給されると、アノード電極で前記水素ガスから電子が放出されてプロトン（イオン化した水素）が生成される。前記アノード電極で生成されたプロトンは、固体高分子膜（電解質膜）内を通って水と一緒にカソード電極側へ移動し、このカソード電極で空気中の酸素により酸化されて水を生じる。
尚、前記固体高分子膜（電解質膜）は、膜中のプロトンの移動を容易にするために常に湿らせておく必要があるので、前記水素を含むガス（燃料ガス）及び酸化剤ガス（空気）は加湿されて燃料電池へ供給される。
【０００６】
固体高分子型燃料電池は、発電時に水素と空気中の酸素との化学反応（発熱反応）で発生する熱により高温に保たれているものの、例えば、燃料電池の外郭部に近い発電部位では中心部と比較して冷却がより多くなされる。その結果、この固体高分子型燃料電池の水素の流路では、加湿された前記燃料ガス中の水が結露したり、あるいは発電時に生成された水が凝集したりして、水による閉塞が生じ、発電部位が減少して機能が低下する場合がある。
【０００７】
また、冬季などの冷間時には、燃料電池の運転を停止させているときに燃料電池の温度が氷点下以下となる場合がある。このような場合、燃料電池中に残留した反応生成水が凍結し、燃料電池の起動時に水素流路が凍結した水で閉塞されて燃料電池が発電できなくなる、あるいは部分的に前記水素流路の閉塞が生じて部分的に発電が行われることとなり、燃料電池の全発電出力に対しこの発電部位が過度に発熱したり、電解質膜等の破損等を引き起こしたりする虞がある。
【０００８】
以上説明した様に、燃料電池内で水による水素流路の閉塞が生じると、発電効率の低下や出力の低下など好ましくないことが生じるため、例えば、アノード極側では発電に必要な水素量を超える過剰な水素を燃料電池に吹きこみ、過剰な水素と共に流路閉塞を起こした余剰な水を燃料電池内からパージしてしまう運転方法がある。
【０００９】
このように水素流路の閉塞対策として使用された後、燃料電池から排出された水素（以下、パージ水素という）は、回収されて再度燃料とされるのが望ましい。そこで、前記パージ水素の回収及び再利用の方法として、例えば、比較的大量の水素を貯蔵することが可能な水素吸蔵合金（以下、ＭＨという）を利用することが検討されている。
【００１０】
このようなＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムとして、例えば、特開平５−２２５９９６号公報に開示された技術がある（特許文献１参照）。
この燃料電池用の水素回収システムは、図７に示すように、水素の吸蔵及び水素の放出を所望の圧力下で略連続的に行う水素吸蔵放出手段１００を備え、この水素吸蔵放出手段１００は、水素を吸蔵あるいは放出する２つのＭＨ１０１，１０２を備えるとともに、水素の吸蔵先、放出元を各々吸蔵切り換え手段１０３、放出切り換え手段１０４で切り換え自在に構成され、さらに各ＭＨ１０１，１０２が上述の所望の圧力に対応する温度に設定されるように加温水及び冷却水を所定の割合で混合手段１０５，１０６により混合し、この混合された加温水及び冷却水を各ＭＨ１０１，１０２に供給するように構成されている。
このように構成することにより、水素を安定的かつ経済的に燃料電池に供給することができ、さらに燃料電池の小形化を可能にした燃料電池発電システムを提供することが可能になる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５‐２２５９９６号公報（第１−５頁、第２図）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池用の水素回収システムでは、ＭＨの加熱及び冷却を行うために、各ＭＨ１０１，１０２が上述の所望の圧力に対応する温度に設定できるように、加温水及び冷却水を所定の割合で混合する混合手段１０５，１０６が設けられ、また、回収した水素をＭＨから放出させるための加熱装置として、ヒータや燃焼器等の特別な付加設備が必要であった。
また、加温水及び冷却水を供給・排出する配管が必要となるため、配管等から系外への放熱量が大きくなり、エネルギー効率の点から余り好ましくなかった。
【００１３】
本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、水素吸蔵合金の加熱・冷却をするための特別な付加設備が不要で、水素吸蔵合金作動時のエネルギーロスを抑えることができる燃料電池用の水素回収システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためになされた請求項１に記載された燃料電池用の水素回収システムは、燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給できるように構成したことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１に記載された発明によると、燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給できるように構成したことにより、
（１）第一の水素吸蔵タンクを加熱するのにヒータや燃焼器等の特別な付加設備が不要となり、燃料電池用の水素回収システム全体の省スペース化・省コスト化を図ることができる。
（２）第二の水素吸蔵タンクにおける水素吸蔵熱を第一の水素吸蔵タンクの加熱に有効に利用することができるので、水素吸蔵合金作動時のエネルギーロスを低く抑えることができる。
（３）第一の水素吸蔵タンクから放出された水素が燃料電池で再利用されるので、燃料電池へ供給される水素の利用効率が高い燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
【００１６】
請求項２に記載された燃料電池用の水素回収システムは、前記第一の水素吸蔵タンクで水素を吸蔵させる際には、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用の水素回収システムである。
【００１７】
請求項２に記載された発明によると、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことで、前記第一の水素吸蔵タンクの水素吸蔵能力を向上させることができるので、水素吸蔵タンクを小型化（軽量化）することができる。また、放出した水素を燃料電池に戻すことで水素ロスを少なくすることもできる。
【００１８】
請求項３に記載された燃料電池用の水素回収システムは、前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用の水素回収システムである。
【００１９】
請求項３に記載された発明によると、前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことにより、燃料電池の発電反応に伴い生じた生成水やパージにより燃料電池から排出された凝集水等の多量の水を水素吸蔵タンクの上流側で除去することができるので水素吸蔵タンク内での水の凝集を抑制することができる。従って、タンク内での水素吸蔵合金と水素との反応速度が遅くなるのを防止することができる。
【００２０】
請求項４に記載された燃料電池用の水素回収システムは、前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することで前記水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の水素回収システムである。
【００２１】
請求項４に記載された発明によると、前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することにより、水素吸蔵タンク内の凝集水を再蒸気化することができるので、この水蒸気を燃料電池に戻すことで水素吸蔵タンク内の凝集水を除去することができる。従って、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることができる。尚、水素吸蔵熱で加熱する温度は１００℃以上が好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池用の水素回収システムについて、図面を参照して説明する。
尚、図１（ａ）は、本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する水素吸蔵合金の温度との関係を示す図、図１（ｂ）は、本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する総吸蔵量との関係を示す図である。
また、図２は、本発明に係る水素吸蔵合金を利用した水素回収ユニットの構成を示す図、図３は、本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図、図４は、本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
また、図５は、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図、図６は、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
【００２３】
最初にＭＨを内部に収納した水素吸蔵タンク（以下、ＭＨタンクという）を使用して水素を貯蔵するときのメカニズムについて、図１を参照して説明する。
最初にＭＨの一般的な特性について説明する。
ＭＨは、以下の反応により熱の出入りを伴いながら水素の吸蔵・放出を行う。
Ｍ＋Ｈ2 ⇔ＭＨ2＋Ｑ（水素化物生成エネルギー）---------（１）
上記（１）式に基づき水素吸蔵時には、発熱し、水素放出時には、吸熱することから、この原理を利用してＭＨを冷却手段として用いる方法は、ＭＨ式冷凍機をはじめとして広く知られており、一部実用化されている。
【００２４】
ＭＨの作動温度は、水素吸蔵時、水素放出時ともＭＨの圧力−温度特性に従い、水素吸蔵圧力及び水素放出圧力（プラトー圧）は温度により変化する。逆に貯蔵圧力が決まればＭＨの作動温度も決まり、この特性を生かしてＭＨ式ヒータ等への応用がなされている。
【００２５】
ＭＨタンクにおける水素貯蔵のメカニズムは、図１（ａ），図１（ｂ）に示すように、ＭＨは水素の貯蔵開始と同時に水素吸蔵、昇温を開始し、ＭＨの温度は、ＭＨの圧力−温度特性に基づいて、水素の貯蔵プラトー圧が貯蔵圧力と等しくなる温度まで速やかに上昇する。
この時、ＭＨと水素との反応熱（水素吸蔵熱）はＭＨ自身、あるいはＭＨタンクの昇温に消費され、一種の蓄熱（蓄熱モード）による貯蔵がなされる。このため、蓄熱モードにおけるＭＨの蓄熱量は、貯蔵開始前のＭＨの温度とＭＨの作動温度との温度差に比例し、ＭＨの作動温度は、水素の貯蔵圧力により決定する。
【００２６】
蓄熱による水素貯蔵が行われ、各部が温度上昇し、水素の貯蔵プラトー圧が貯蔵圧力と一致する温度に到達後、水素貯蔵に伴う反応熱（水素吸蔵熱）は、ＭＨタンクの表面から外気（大気）へと放出される。この放熱による水素貯蔵は、ＭＨタンクの作動温度、外気温が一定であれば放熱量は放熱時間に比例する。
以上のことからＭＨタンクを用いた水素貯蔵のメカニズムは、図１（ｂ）に示すような貯蔵開始直後のある程度の水素の貯蔵（蓄熱モード貯蔵）と、時間経過に比例した水素貯蔵（放熱モード貯蔵）の組み合わせとなる。
【００２７】
また、ＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムにおける水素の貯蔵圧力（パージ水素を回収するときの圧力）は、燃料電池内では水素流路の圧損があるため、燃料電池へ供給される水素の圧力よりも低くなる。
このことから、ＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムでは、水素を吸蔵するとき（パージ水素を回収するとき）は室温（もしくは車速利用の送風冷却等）で行い、水素を放出させるとき（回収した水素を再利用するとき）は、燃料電池等の廃熱を利用して水素放出圧を昇圧して行うのが好ましい。
この場合、水素吸蔵時のＭＨの到達温度及び水素放出時のＭＨの作動温度もまたＭＨの圧力−温度特性に従う。
しかしながら、パージ水素の回収は速やかにされねばならず、ＭＨを利用した燃料電池用の水素回収システムの場合、回収（水素貯蔵）に伴う熱（発熱）は、蓄熱により処理する蓄熱モードによる水素貯蔵で水素回収を行うことになる。
【００２８】
以下、本発明に係る燃料電池用の水素回収システムに組み込まれるＭＨを利用した水素回収ユニットについて、図２を参照して説明する。
本発明に係る水素回収ユニット１は、図２に示すように、
燃料電池から排出される水素（以下、パージ水素という）を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンク（以下、Ｎｏ．１ＭＨタンクという）１ａと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンク（以下、Ｎｏ．２ＭＨタンクという）１ｂとが互いに隣接して熱交換可能に設けられている。
このように２つのＭＨタンク１ａ，１ｂを隣接して熱交換可能に設けたことにより、タンク同士の熱授受を無駄なく行うことができる。
【００２９】
尚、ＭＨは、同じ種類のＭＨを使用しても良いし、異なる種類のＭＨを使用しても良いが、本実施形態では、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａには高温度作動型のＭＨが、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂには低温作動型のＭＨが収納されている。
このようにＮｏ．１ＭＨタンク１ａに高温作動型のＭＨを、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂに低温作動型のＭＨを収納したことにより、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの作動温度を高くすることができるので、燃料電池から排出される水素吸蔵時の発熱温度を高くできるようになり、蓄熱モード時の水素吸蔵能力を高くできる結果、瞬時に水素を回収することが可能になる。
【００３０】
Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａには、例えば、水素吸蔵による平衡温度が６０℃程度、中圧水素の貯蔵時には、平衡温度が１００℃以上となるＭＨを選択し、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂには中圧水素を投入することで８５〜９０℃程度の高熱を発生させることができ、また、冷熱の発生は吸蔵した水素を放出させて燃料電池に対し再供給を行うことで２５〜３０℃程度の低温を発生させることができるＭＨを選択すれば良い。
このような作動条件を満たせるＭＨとしてＴｉＣｒ2，（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）2等のラーべス相合金（ＡＢ2型合金）、ＬａＮｉ5、ＭｍＮｉ5等ＡＢ5型合金、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ−Ｍｎ等ＢＣＣ（体心立方格子）合金が挙げられる。
【００３１】
また、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂにはそれぞれ以下のように配管部材が設けられている。
Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａには入口配管ＲＰinと出口配管ＲＰoutが設けられており、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの入口配管ＲＰinには逆止弁Ｂ1が、出口配管ＲＰoutには弁Ｖ1と逆止弁Ｂ2が設けられている。
一方、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂには入口配管ＳＰinと出口配管ＳＰoutが設けられており、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂの入口配管ＳＰinには逆止弁Ｂ3が、出口配管ＳＰoutには弁Ｖ2と逆止弁Ｂ4が設けられている。
さらに、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの入口配管ＲＰinとＮｏ．２ＭＨタンク１ｂの入口配管ＳＰinとの間には、仕切り弁Ｂ5が設けられている。
【００３２】
次に、このような構成からなる水素回収ユニットを一基組み込んだ本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムについて、図３を参照して説明する。
本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムは、図３に示すように、
高圧の水素を貯蔵した高圧水素タンク２と、
前記高圧水素タンク２から排出される高圧の水素を、２つのレギュレータ３ａ，３ｂを介して燃料電池４に適した水素圧力に減圧して水素を供給する水素供給ライン３と、
図示しないアノード極に水素が供給され、図示しないカソード極に空気が供給され、前記水素と前記空気中の酸素とが反応することで発電する前記燃料電池４と、
それぞれに水素吸蔵合金を収納した２つの隣接する熱交換可能に形成されたＮｏ．１ＭＨタンク１ａ，Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂから形成される水素回収ユニット１と、
前記水素回収ユニット１と前記水素供給ライン３及び燃料電池４とを結ぶ５つの配管ラインＲＰin，ＲＰout，ＳＰin，ＳＰout，ＴＳと、
から主要部が構成される。
【００３３】
高圧水素タンク２は、高圧の水素、例えば、３５ＭＰａの水素を貯蔵するための貯蔵容器であり、本実施形態では、軽量化や耐圧性を向上させるために繊維強化プラスチックス製の容器が使用されている。一般には、図示しない遮断弁が設けられている。
【００３４】
２つのレギュレータ３ａ，３ｂは、高圧水素タンク２から排出される高圧の水素を、燃料電池４ヘ供給するのに適した水素圧力に減圧するための減圧弁であり、高圧水素タンク２と燃料電池４とを連結する水素供給ライン３上に設けられている。尚、高圧の水素は一段階では減圧できないため２つのレギュレータ３ａ，３ｂを使用して２段階で減圧している。
【００３５】
燃料電池４は、図示しないアノード極（燃料ガス極）へは水素が、図示しないカソード極へは空気が供給され、電極でガスが触媒反応して水を生成する。このときの化学反応エネルギーを電気エネルギーとして外部に取り出し、外部負荷に供給して駆動する。
【００３６】
水素回収ユニット１は、上述したように２種類の異なるＭＨのそれぞれを収納した隣接する熱交換可能な２つのＭＨタンク１ａ，１ｂから形成され、燃料電池４から排出されるパージ水素回収用のＮｏ．１ＭＨタンク１ａと前記Ｎｏ．１ＭＨタンクを加熱・冷却するためのＮｏ．２ＭＨタンク１ｂとから形成される。
【００３７】
５つの配管ラインＲＰin，ＲＰout，ＳＰin，ＳＰout，ＴＳは、
高圧水素タンク２、２つのレギュレータ３ａ，３ｂ、燃料電池４までを連結する水素供給ライン３と、
燃料電池４の出口、水除去手段５、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａまでを連結するパージ水素回収ラインＲＰinと、
水素供給ライン３の２つのレギュレータ３ａ，３ｂの間から分岐しＮｏ．２ＭＨタンク１ｂまでを連結する中圧水素供給ラインＳＰinと、
前記Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ及び前記Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂの出口ラインＲＰout，ＳＰoutと下流側でそれぞれと合流する１本の配管であって、Ｎｏ．２レギュレータ３ｂの下流側で前記水素供給ライン３と合流する放出水素再供給ラインＴＳとから形成される。
【００３８】
ここで、燃料電池４の出口から水除去手段５、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａまでを連結するパージ水素回収ラインＲＰinに設けられている水除去手段５について説明する。
水除去手段５は、各種吸着材、水分離膜、機械的除湿手段等のうちの少なくとも１つの分離手段を使用して燃料電池から排出されるパージ水素中の水分を除去する装置である。本実施形態では水分離膜を使用している。
【００３９】
このように構成される本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムの作用について、図４の運転フローチャートを参照して説明する。
（１）最初に、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを冷却するために、燃料電池４の廃熱（又は外気の熱）を利用してＮｏ．２ＭＨタンク１ｂを加熱し、Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂ内の水素を空にする（Ｓ１）。
このようにＮｏ．２ＭＨタンク１ｂから水素を放出させることによりＮｏ．１ＭＨタンク１ａの冷却を行うことで、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの水素吸蔵能力を向上させることができるので、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを小型化（軽量化）することができる。また、放出した水素を燃料電池４に戻すことで水素ロスを少なくすることも可能である。
（２）次に、燃料電池４（ＦＣ）からパージ水素がパージされるか否かを判断する（Ｓ２）。
このときの判断条件としては、▲１▼セル電圧の低下、▲２▼積算発電量（車両に搭載した場合は走行距離）、▲３▼運転時間（車両に搭載した場合は走行時間）等が考えられる。
（３）燃料電池４から水素がパージされない場合には、ステップＳ１に戻る。
（４）燃料電池４から水素がパージされる場合には、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａへ1回パージする（Ｓ３）。
このとき、パージ水素回収ラインＲＰinには水分離膜が設けられており、燃料電池４の発電反応に伴って生じた生成水や、パージにより燃料電池４から排出された凝集水等の多量の水をＮｏ．１ＭＨタンク１ａの上流側で除去できるのでＮｏ．１ＭＨタンク１ａ内での水の凝集を抑制することができる。これによって、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内でのＭＨと水素との反応速度の低下を防止することが可能である。
尚、前記水分離膜の機能が低下し、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内でのＭＨと水素との反応速度が低下した場合には、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの入口配管ＲＰinとＮｏ．２ＭＨタンク１ｂの入口配管ＳＰinとの間に設けられた仕切り弁Ｂ5を開放して燃料電池４へ供給する中圧水素の一部を供給する。
このように、燃料電池４へ供給する水素の一部を前記Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａに供給して、前記Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内の水ＭＨを水素吸蔵熱で加熱することにより、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内の凝集水を再蒸気化することができるので、この水蒸気を燃料電池４に戻すことでＮｏ．１ＭＨタンク１ａ内の凝集水を除去することが可能である。従って、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ内のＭＨの水素吸蔵能力を回復させることができる。
（５）このようにしてＮｏ．１ＭＨタンク１ａへの水素パージが終了したら、高圧水素タンク２から燃料電池４へ水素を供給する水素供給ライン３の中圧水素をＮｏ．２ＭＨタンク１ｂへ供給し、水素吸蔵熱で発熱させる（Ｓ４）。
このようにＮｏ．１ＭＨタンク１ａを水素吸蔵熱で加熱することにより、
▲１▼加熱に温水を使用しないので、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを加熱するのにヒータや燃焼器等の特別な付加設備が不要となり、燃料電池用の水素回収システム全体の省スペース化・省コスト化が図れる。
▲２▼Ｎｏ．２ＭＨタンク１ｂにおける水素吸蔵熱をＮｏ．１ＭＨタンク１ａの加熱に有効に利用できるので、ＭＨ作動時のエネルギーロスを少なく抑えることが可能である。また、水素吸蔵熱を熱交換してＮｏ．１ＭＨタンク１ａへ供給し加熱するのでＭＨ作動時のエネルギーロスを少なく抑えることができる。
▲３▼Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａから放出された水素が燃料電池４で再利用されるので、燃料電池４へ供給される水素の利用効率が高い燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
（６）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ中の水素が空になったか否かを判断する（Ｓ５）。
（７）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ中の水素が空でない場合には、空になるまで加熱を続行する。
（８）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａ中の水素が空になったら運転を終了し、ステップＳ１に戻る。
尚、図４に示す一例のフローは、図２の水素貯蔵容器Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａに対する水素パージを１回回収（Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａへパージ水素を所定量供給した後、このパージ水素を回収する水素パージサイクルが１サイクル実行される動作）として構成されているが、水素貯蔵容器Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａのサイズに応じて前記水素パージを複数回回収（前記水素パージサイクルが複数サイクル実行される動作）として構成されてもよい。
【００４０】
このような構成と作用を有する本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムによれば、
（１）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａで回収した水素を放出させるには、従来、電気ヒータや燃焼機器等が必要であったが、このような付加装置を設けることなく水素を放出させることができる。
（２）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを加熱するためにＮｏ．２ＭＨタンク１ｂへ供給した水素も回収して燃料電池４へ戻すことで、水素ロスの少ない燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
尚、本実施形態では、水素貯蔵容器Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの水素パージでこのタンクからパージ水素を１回回収する毎に、このパージ水素を燃料電池へ再供給するように構成しているが、本発明はこのような実施形態のみに限定されるものではなく、前記パージ水素を複数回回収する毎に前記燃料電池へ再供給するように構成してもよい。
【００４１】
次に、本発明に係る水素回収ユニットを２基組み込んだ本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムについて、図５を参照して説明する。
尚、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムと本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムとの構成の差異は、第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムでは、第一実施形態の水素回収ユニットを２基互いに並列となるように設けて、交互にパージ水素の回収と回収したパージ水素を燃料電池４へ再供給する操作ができるように２つの切り換え弁６，７を設け、切り換え弁６，７とＮｏ．２水素回収ユニット１′を配管ＲＰ′in，ＳＰ′inで結び、Ｎｏ．２水素回収ユニット１′の下流側でＮｏ．１水素回収ユニット１の放出水素再供給ラインＴＳとＮｏ．２水素回収ユニット１′の放出水素再供給ラインＴＳ′とを合流させ、Ｎｏ．２レギュレータ３ｂ下流側の水素供給ライン３に連結するようにした点にある。
尚、本発明に係る第二実施形態で、第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムと同じ部材については、同じ符号を付して説明する。
【００４２】
このように本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムは、２基の水素回収ユニット１，１′を有し、例えば、Ｎｏ．１水素回収ユニット（第一実施形態と同じ水素回収ユニット）１が、回収したパージ水素の放出（Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの再生運転）を行っているときには、Ｎｏ．２水素回収ユニット１′がパージ水素の回収（Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａの回収運転）を行うように運転される。
また、これ以外の運転方法として、例えば、３基以上の水素回収ユニットを用い、水素回収ユニット1基当たりの水素回収能力の調整を行うようにすることも可能である。
尚、各ＭＨタンクのパージ水素回収の終了、再生開始、及び次タンクの水素回収への切り換え判断は、各水素回収ユニットのパージ水素の回収回数による判断、あるいは水素回収ユニット内のＭＨに設置した温度計、歪計等の貯蔵量検知手段による判断で行われる。
【００４３】
このように構成される本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムの作用について、図６に示す運転フローチャートを参照して説明する。
（１）２基の水素回収ユニット１，１′（図５参照）のうち、何れのＮｏ．１ＭＨタンクが「空きタンク」、又は「水素回収済みタンク」であるかをデータとして読み込む（Ｓ１０）。
（２）Ｎｏ．１ＭＨタンクが「空きタンク」の水素回収ユニットは、以下のように運転する。
（ａ）Ｎｏ．２ＭＨタンクに高圧水素タンク２から燃料電池４へ水素を供給する水素供給ライン３の中圧水素をＮｏ．２ＭＨタンクへ供給し、水素吸蔵熱によりＮｏ．１ＭＨタンクを加熱して、Ｎｏ．１ＭＨタンクから確実に水素を放出させた後、燃料電池４の廃熱（又は外気の熱）でＮｏ．２ＭＨタンクを加熱して水素を放出させることによりＮｏ．１ＭＨタンクを冷却する（Ｓ１１）。
（ｂ）燃料電池４からのパージ水素をＮｏ．１ＭＨタンクに回収する（Ｓ１２）。
（ｃ）Ｎｏ．１ＭＨタンクに水素を貯蔵する残容量が有るか否かを確認する。残容量がある場合には、ステップＳ１２に戻る。
（ｄ）Ｎｏ．１ＭＨタンクに水素を貯蔵する残容量がなくなったら「水素回収済みタンク」としてメモリーに記録し（Ｓ１４）、ステップＳ１０に戻る。
（３）一方、Ｎｏ．１ＭＨタンクが「水素回収済みタンク」の水素回収ユニットは、以下のように運転する。
（ｉ）Ｎｏ．２ＭＨタンクに高圧水素タンク２から燃料電池４へ水素を供給
する水素供給ライン３の中圧水素を供給し、水素吸蔵熱によりＮｏ．１ＭＨタンクを加熱する（Ｓ１５）。
（ｉｉ）Ｎｏ．１ＭＨタンクから確実に回収済みのパージ水素を放出させ燃料電池４へ再供給する（Ｓ１６）。
（ｉｉｉ）Ｎｏ．１ＭＨタンク内の残水素量の有無を判断する（Ｓ１７）。
（ｉｖ）水素が残っている場合には、加熱を続行し、水素が無くなるまでＮｏ．１ＭＨタンクから水素を放出させて燃料電池４へ再供給する。
（ｖ）水素が無くなったら「空きタンク」としてメモリーに記録し（Ｓ１８
）、ステップＳ１０に戻る。
【００４４】
このような構成と作用を有する本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムによれば、
（１）水素回収ユニットを２基としたので、燃料電池４からのパージ水素の排出間隔が短くなっても対応できるようになる。
（２）従来、Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａで回収した水素を放出させるには電気ヒータや燃焼機器等が必要であったが特別な付加装置を設けることなく、水素を放出させることができる。
（３）Ｎｏ．１ＭＨタンク１ａを加熱するためにＮｏ．２ＭＨタンク１ｂへ供給した水素も回収して燃料電池４へ戻すことで、水素ロスの少ない燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
【００４５】
本発明は、このようなエネルギー回収が行われていなかった、従来のＭＨを用いた燃料電池用の水素回収システムを、ＭＨに水素を吸蔵・放出させるときの発熱・冷熱を適切に利用して水素を系外に出さないクローズドシステムとして構成したので、エネルギー効率の高い燃料電池用の水素回収システムを提供することができる。
また、本発明のように複数のＭＨタンクを有する燃料電池用の水素回収システムでは、一系統の水素回収ユニットがパージ水素の回収を行っているとき、他系統の水素回収ユニットは再生を行っている。換言すれば、常に一系統の水素回収ユニットには水素が残留している。そこで冬季等の冷間時に水素回収ユニットの再生を行えば、余剰熱にて燃料電池を暖機することが可能となる。
また、水素回収を行う予定の水素回収ユニットに、発電は行わないものの水素パージを行って水素貯蔵を行えば、水素貯蔵に伴う発熱反応を利用することができ、より一層速やかな暖機が可能となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
１．請求項１に記載された発明によれば、燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給することにより、
（１）第一の水素吸蔵タンクを加熱するのにヒータや燃焼器等の特別な付加設備が不要となり、燃料電池用の水素回収システム全体の省スペース化・省コスト化が図れる。
（２）第二の水素吸蔵タンクにおける水素吸蔵熱を第一の水素吸蔵タンクの加熱に有効に利用することができるので、水素吸蔵合金作動時のエネルギーロスを少なく抑えることができる。
（３）第一の水素吸蔵タンクから放出された水素が燃料電池で再利用されるので、燃料電池へ供給される水素の利用効率が高い燃料電池用の水素回収システムを提供できる。
２．請求項２に記載された発明によれば、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことで、前記第一の水素吸蔵タンクの水素吸蔵能力を向上させることができるので、水素吸蔵タンクを小型化（軽量化）することができる。また、放出した水素を燃料電池に戻すことで水素ロスを少なくすることもできる。
３．請求項３に記載された発明によれば、前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことにより、燃料電池の発電反応に伴い生じた生成水やパージにより燃料電池から排出された凝集水等の多量の水を水素吸蔵タンクの上流側で除去できるので水素吸蔵タンク内での水の凝集を抑制することができる。従って、タンク内での水素吸蔵合金と水素との反応速度が遅くなるのを防止することができる。
４．請求項４に記載された発明によれば、前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することにより、水素吸蔵タンク内の凝集水を再蒸気化することができるので、この水蒸気を燃料電池に戻すことで水素吸蔵タンク内の凝集水を除去することができる。従って、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることができる。尚、水素吸蔵熱で加熱する温度は１００℃以上が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する水素吸蔵合金の温度との関係を示す図である。（ｂ）本発明に係る水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させたときの貯蔵時間に対する総吸蔵量との関係を示す図である。
【図２】本発明に係る水素吸蔵合金を利用した水素回収ユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
【図５】本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図である。
【図６】本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の水素回収システムの運転フローチャートである。
【図７】従来の燃料電池用の水素回収システムを示す全体構成図である。
【符号の説明】
１ 水素回収ユニット（Ｎｏ．１水素回収ユニット）
１ａ Ｎｏ．１ＭＨタンク（第一の水素吸蔵タンク）
１ｂ Ｎｏ．２ＭＨタンク（第二の水素吸蔵タンク）
２ 高圧水素タンク
３ 水素供給ライン
３ａ Ｎｏ．１レギュレータ
３ｂ Ｎｏ．２レギュレータ
４ 燃料電池
５ 水除去手段
６，７ 切り換え弁
１０，２０ 燃料電池用の水素回収システム
ＲＰin パージ水素回収ライン
ＲＰout 回収水素再供給ライン
ＳＰin 中圧水素供給ライン
ＳＰout 中圧水素再供給ライン
ＴＳ 放出水素再供給ライン
Claims (4)
- 燃料電池から排出される水素を貯蔵可能な第一の水素吸蔵タンクと前記燃料電池へ供給する水素の一部を貯蔵可能な第二の水素吸蔵タンクとを互いに熱交換可能に設け、
前記第二の水素吸蔵タンクに前記燃料電池へ供給する水素の一部を供給し、水素を吸蔵する際に発生する水素吸蔵熱により前記第一の水素吸蔵タンクを加熱することで、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素を前記燃料電池へ再供給できるように構成したことを特徴とする燃料電池用の水素回収システム。 - 前記第一の水素吸蔵タンクに水素を吸蔵させる際には、前記第二の水素吸蔵タンクから水素を放出させることにより前記第一の水素吸蔵タンクの冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の水素回収システム。
- 前記燃料電池から排出される水素中の水分を除去する水除去手段を前記第一の水素吸蔵タンクの上流側に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用の水素回収システム。
- 前記第一の水素吸蔵タンクにおいて、前記燃料電池へ供給する水素の一部を前記第一の水素吸蔵タンクに供給して、前記第一の水素吸蔵タンク内の水素吸蔵合金を水素吸蔵熱で加熱することで前記水素吸蔵合金の水素吸蔵能力を回復させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の水素回収システム。
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