JP4454824B2 - 水素供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を燃料電池に供給する水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、水素を吸蔵させておいた水素吸蔵合金から水素を放出させて例えば自動車等の移動体に搭載した燃料電池などの水素利用機器に水素を供給するシステムは、多々開発されている（特開昭６１−２２０００９号公報、特開平１−２１６０２４号公報等）。
【０００３】
この水素吸蔵合金においては、水素の吸蔵・放出に熱の出入りを伴い、水素を吸蔵させる時には水素吸蔵合金から熱を除去してやらなければならず、水素を放出させる時には水素吸蔵合金に熱を供給してやらなければならない。この時の熱量は、水素１モル当たりにして２０〜４０ｋＪという巨大な熱量である。ここで、水素放出に必要な熱量は、水素吸蔵合金の熱容量により賄われ、その結果、水素吸蔵合金の温度が低下する。
【０００４】
ところで、一般的に、水素吸蔵合金は合金温度が高くなるほど水素解離圧（水素放出平衡圧）が高くなる性質を有しており、前述の如く水素の放出に伴い水素吸蔵合金の温度が低下すると水素解離圧（以下、解離圧と略す）が低下していく。図４は、縦軸に解離圧（絶対圧）、横軸に温度（上側は゜Ｃ表示、下側は絶対温度Ｔの逆数を１０００倍した数値で示す表示）をとって示す解離圧特性図である。図４において、実線と破線は解離圧特性を異にする２種類の水素吸蔵合金を示しており、また、放出限界圧とは前記水素利用機器に水素を供給するために必要な解離圧の下限値であり、解離圧が放出限界圧よりも下回ると水素を供給することができなくなる。したがって、水素放出に伴って水素吸蔵合金の温度が低下したときには、解離圧が放出限界圧よりも下がらないように水素吸蔵合金を加熱する必要がある。そのため、このシステムでは水素吸蔵合金に熱交換器を併設するのが一般的である。
【０００５】
そして、水素吸蔵合金から水素を放出するときには前記熱交換器によって水素吸蔵合金を加熱し、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるときには前記熱交換器により水素吸蔵合金を冷却する。
従来は、この熱交換器の熱媒体として、燃料電池など水素利用機器の冷却水を用いていた。即ち、水素利用機器を冷却した冷却水はかなりの高温になるので、この冷却水を熱媒体として熱交換器に供給して、水素放出時における水素吸蔵合金の加熱を行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記熱交換器の熱媒体に冷却水を用いた場合には、燃料電池と水素吸蔵合金との間で冷却水を循環させる冷却水回路を設けなければならず、装置の複雑化、大型化を招くという問題があった。また、冷却水の保有水量の増大により、重量増大を招くという問題もある。
そこで、この発明は、水素放出時に水素吸蔵合金を加熱する熱媒体として空気を用いることにより、構造簡易で小型・軽量化が可能な水素供給装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、水素と空気中の酸素の化学反応で電気を発生させる燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池７）と、水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵タンク（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵タンク１）と、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記燃料電池へ供給する第１の水素供給手段（例えば、後述する実施の形態における水素供給管９，１３および流量制御弁Ｖ1）と、前記燃料電池から排出された生成水を含む排出空気で前記水素吸蔵タンクを加熱する加熱手段（例えば、後述する実施の形態におけるダクト３、空気導入管３３）と、を備えた水素供給装置において、前記水素吸蔵タンクとは別に設けられ水素を貯蔵可能な水素貯蔵タンク（例えば、後述する実施の形態における水素貯蔵タンク１９）と、前記水素貯蔵タンクに貯蔵された水素を前記燃料電池に供給する第２の水素供給手段（例えば、後述する実施の形態における水素供給管１３，１７および流量制御弁Ｖ1）と、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記水素貯蔵タンクへ供給する第３の水素供給手段（例えば、後述する実施の形態における水素供給管９，１７および流量制御弁Ｖ1）と、前記燃料電池への水素供給時に通常は前記第１の水素供給手段を選択して、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記燃料電池へ供給し、前記水素貯蔵合金の温度が放出限界圧に対応する温度以下のときには前記第２の水素供給手段を選択して、前記水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を前記燃料電池に供給し、前記加熱手段により前記水素吸蔵タンクが加熱され前記水素吸蔵タンクが水素放出可能な温度になるまで前記第２の水素供給手段を継続して選択する制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁Ｖ１およびＥＣＵ３７）と、をさらに備えたことを特徴とする。
このように構成することで、水素吸蔵タンクを加熱する熱源を燃料電池で発生する熱で賄うことができる。また、この熱で暖められた空気を熱媒体としているので、装置構成を簡素化でき、重量低減が可能となる。
【０００８】
また、生成水を含む湿潤空気は乾いた空気よりも熱量が大きいので、水素吸蔵タンクおよび水素吸蔵合金と空気との熱交換効率が大きくなる。
さらに、始動時、寒冷地などにおいて水素貯蔵合金が放出限界圧に対応する温度以下になったため、水素吸蔵タンクから水素を燃料電池に供給することができないときには、水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を燃料電池に供給して運転し、その間に、水素吸蔵タンクを燃料電池の排熱により水素放出可能な温度まで昇温することができる。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、 前記制御手段は、前記燃料電池の運転を停止するときに前記第３の水素供給手段を選択して、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記水素貯蔵タンクへ供給することを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池を運転停止する前に、水素貯蔵タンクに水素を補充することができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記排出空気と該排出空気と温度の異なる空気とを混合する混合手段（例えば、後述する実施の形態における合流ダクト２１，外気ダクト２３，内気ダクト２５）を、前記水素吸蔵タンクの上流に備え、さらに、前記温度の異なる空気の流量を制御する流量制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁Ｖ２〜Ｖ４）を前記混合手段に備え、前記流量制御手段は前記水素吸蔵合金の要求温度に応じて制御されることを特徴とする。
このように構成することで、水素吸蔵タンクを加熱する空気の温度を所望の温度に制御可能となる。
【００１０】
しかも、水素吸蔵合金を常にその要求温度に保持することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
初めに、この発明に係る水素供給装置に関連する技術を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は、この関連技術の水素供給装置を備えた自動車用燃料電池システムの構成図である。内部に水素吸蔵合金を備えた水素吸蔵タンク１はダクト（加熱手段）３内の下流部位に設置されている。水素吸蔵タンク１はステンレス（ＳＵＳ３０４）製で耐圧１０ＭＰａで設計されており、外周面に多数のフィン１ａを備えている。この水素吸蔵タンク１に水素吸蔵合金が充填率５０％で充填されている。充填されている水素吸蔵合金はＬａＮｉ5系で、図４において実線で示す解離圧特性を有しており、４０゜Ｃで解離圧が１０気圧以上になっている。
【００１２】
ダクト３の内部であって水素吸蔵タンク１よりも上流側には熱交換チューブ（加熱手段）５が設けられている。この熱交換チューブ５は、ダクト３の外部に設置された燃料電池（図１ではＦＣと記す）７の冷却水回路（図示せず）に接続されていて、燃料電池７の冷却水が循環するようになっている。燃料電池７は、水素と空気中の酸素とを化学反応させて電気を発生させるタイプのものであり、前記冷却水は燃料電池７が発電時に発生する熱を除去するためのものである。燃料電池７を冷却することによって加熱された冷却水が熱交換チューブ５に導入され、熱交換チューブ５を通過する際にダクト３を流れる空気と熱交換し、これにより冷却水は冷却され再び燃料電池７の冷却水回路に戻るようになっている。つまり、熱交換チューブ５は燃料電池７の冷却ラジエータと言うことができる。
【００１３】
水素吸蔵タンク１内において水素吸蔵合金から放出された水素は、水素供給管９、流量制御弁Ｖ1、水素供給管１３を介して燃料電池７に供給されるようになっている。この関連技術において、水素供給管９と流量制御弁Ｖ1と水素供給管１３は第１の水素供給手段を構成する。尚、水素供給管１３には流量計１５が設置されている。また、水素吸蔵タンク１内の水素は、水素供給管９、流量制御弁Ｖ1、水素供給管１７を介して、ダクト３の外部に設置された水素貯蔵タンク（図１ではガスタンクと記す）１９にも供給可能にされている。水素貯蔵タンク１９は、低温のため水素吸蔵合金から水素を放出できず、水素吸蔵タンク１から燃料電池７に水素を供給できない時に、水素貯蔵タンク１９内の水素を燃料電池７に供給するためのものである。流量制御弁Ｖ1はその弁体位置によって水素の流路を４パターンに切り替え可能にするものであり、第１の弁体位置では水素供給管９と水素供給管１３を連通して水素供給管１７を閉塞し、第２の弁体位置では水素供給管９と水素供給管１７とを連通して水素供給管１３を閉塞し、第３の弁体位置では水素供給管１３と水素供給管１７とを連通して水素供給管９を閉塞し、第４の弁体位置では全ての水素供給管９，１３，１７を閉塞するようになっている。
【００１４】
一方、ダクト３において水素吸蔵タンク１と熱交換チューブ５との間には、合流ダクト２１が連結されており、この合流ダクト２１には、外気を導入可能な外気ダクト２３と、自動車の室内空気を導入可能な内気ダクト２５が接続されている。この関連技術において、合流ダクト２１と外気ダクト２３と内気ダクト２５は混合手段を構成する。
【００１５】
ダクト３内において、熱交換チューブ５の上流には第１ファン２７が設けられ、水素吸蔵タンク１の下流には第２ファン２９が設けられている。これらファン２７，２９の駆動モータ（図示せず）は中央電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）３７に電気的に接続されており、ＥＣＵ３７からの指令に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するようになっている。
【００１６】
また、ダクト３内において、合流ダクト２１との合流点と熱交換チューブ５との間には流量制御弁Ｖ２が設けられている。また、外気ダクト２３，内気ダクト２５にもそれぞれ流量制御弁Ｖ３，Ｖ４が設けられている。これら流量制御弁Ｖ２〜Ｖ４の弁体を駆動するアクチュエータ（図示せず）はＥＣＵ３７に電気的に接続されており、ＥＣＵ３７からの指令値に応じて弁体の開度調整が行われるようになっている。この関連技術において、流量制御弁Ｖ２〜Ｖ４は流量制御手段を構成する。
【００１７】
水素供給管９，水素供給管１７には圧力センサ３９，４１が設けられており、これら圧力センサ３９，４１は検出圧力に応じた出力信号をＥＣＵ３７に出力する。
ダクト３内において、合流ダクト２１との合流点と水素吸蔵タンク１との間、および、熱交換チューブ５と流量制御弁Ｖ2との間には、温度センサ４３，４５が設けられている。また、外気ダクト２３、内気ダクト２５にも温度センサ４７，４９が設けられている。さらに、水素吸蔵タンク１内にも内部に収容されている水素吸蔵合金の温度を検出するための温度センサ５１が設けられている。これら温度センサ４３，４５，４７，４９，５１は検出温度に応じた出力信号をＥＣＵ３７に出力する。
【００１８】
このように構成された燃料電池の水素供給装置においては、水素吸蔵タンク１内の水素吸蔵合金が水素を放出する際に水素吸蔵合金に奪われる熱を補うために、第１ファン２７によってダクト３内に導入した外気を、熱交換チューブ５を流れる燃料電池７の冷却水と熱交換することにより加熱し、加熱された外気を水素吸蔵タンク１の周囲に流すことにより、外気の熱をフィン１ａから吸熱させる。
【００１９】
また、燃料電池７への水素の安定供給を図るために、水素吸蔵タンク１内を所定の一定圧力となるように制御するが、そのために、水素吸蔵合金の温度、換言すれば水素吸蔵タンク１内の温度が、前記一定圧力を解離圧としたときに対応する温度となるように制御する。尚、この関連技術では、水素吸蔵タンク１内の制御温度を４０゜Ｃとした。
【００２０】
そして、この水素供給装置における水素吸蔵タンク１の前記温度制御では、外気ダクト２３から導入される外気と、内気ダクト２５から導入される内気と、ダクト３の上流端から導入され熱交換チューブ５で加熱された外気（以下、加熱外気と称し、外気ダクト２３から導入される外気と区別する）とを所定流量比で混合することにより、水素吸蔵タンク１を所定温度に制御するのに必要な熱量を水素吸蔵タンク１に供給するようにしている。
【００２１】
詳述すると、ＥＣＵ３７は、温度センサ５１の出力信号から、水素吸蔵合金の温度およびその温度低下率等を算出し、これから水素吸蔵タンク１に供給すべき空気の温度（以下、目標空気温度という）を算出し、また、温度センサ４３，４５，４７，４９の出力信号から水素吸蔵タンク１に供給される空気の温度、加熱外気の温度、外気ダクト２３から導入された外気の温度、内気ダクト２５から導入された室内空気の温度を算出し、温度センサ４３で検出される空気温度が前記目標空気温度になるように加熱外気、外気、内気の流量比を算出し、その流量比となるように流量制御弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の弁開度を算出し、それぞれの弁開度に対応する出力信号を流量制御弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4のアクチュエータに出力する。この流量比制御（即ち、流量制御弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の開度制御）には、ＰＩＤ制御、フィードフォワード制御、フィードバック制御のいずれを採用することも可能である。
【００２２】
また、この水素供給装置では、通常は水素吸蔵タンク１から水素を燃料電池７に供給するが、始動時、寒冷地などにおいて水素貯蔵合金が放出限界圧に対応する温度以下になったため、水素吸蔵タンク１から水素を燃料電池７に供給することができないときには、水素貯蔵タンク１９に貯蔵されている水素を燃料電池７に供給するようにしている。この時、燃料電池７の排熱により水素吸蔵タンク１が水素放出可能な温度になるまで供給する。また、水素貯蔵タンク１９への水素の貯蔵は、燃料電池自動車の運転を停止するとき、即ち、燃料電池７の停止時に適宜実行するようにしている。
【００２３】
次に、図２および図３の図面を参照して、燃料電池への水素供給処理を説明する。なお、図２および図３に示す水素供給処理制御では、水素吸蔵タンク１内の温度を４０゜Ｃに制御し、水素貯蔵タンク１９内の圧力を１．０ＭＰａに制御するものとする。上記構成にしたことで、車載した場合に過渡に対応し得る熱量を水素吸蔵合金自体の熱量で賄うことができる。このため、外部から水素吸蔵タンク１へ供給する単位時間当たりの熱量を減少させることができる（図５参照）。まず、燃料電池自動車の始動時には、ＥＣＵ３７は、イグニッションスイッチのＯＮ信号を受けて（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進み、温度センサ５１の出力信号に基づき水素吸蔵タンク１の温度が０゜Ｃを越えているか否か判定する。
【００２４】
ステップＳ１０２において肯定判定した場合には、水素吸蔵合金から水素放出が可能であるので、ステップＳ１０３に進んで、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９と水素供給管１３とが連通する位置にして水素吸蔵タンク１と燃料電池７とを接続し、水素吸蔵タンク１から燃料電池７への水素の供給を開始して（ステップＳ１０４）、燃料電池７を起動する（ステップＳ１０５）。次に、ステップＳ１０６に進み、第１ファン２７および第２ファン２９の運転を開始するとともに、流量制御弁Ｖ3，Ｖ4を閉じ流量制御弁Ｖ2を全開にして、熱交換チューブ５で加熱した外気を水素吸蔵タンク１に流す。
【００２５】
一方、ステップＳ１０２において否定判定した場合には、水素吸蔵合金から水素を放出することができない可能性が大きいので、ステップＳ１０７に進んで、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管１３と水素供給管１７とが連通する位置にして水素貯蔵タンク１９と燃料電池７とを接続し、水素貯蔵タンク１９から燃料電池７への水素の供給を開始して（ステップＳ１０８）、燃料電池７を起動する（ステップＳ１０９）。
【００２６】
ステップＳ１０９に続いて、ステップＳ１１０に進み、第１ファン２７および第２ファン２９の運転を開始するとともに、流量制御弁Ｖ3，Ｖ4を閉じ流量制御弁Ｖ2を全開にして、熱交換チューブ５で加熱した外気を水素吸蔵タンク１に流す。次に、ステップＳ１１１に進み、水素吸蔵タンク１の温度が０゜Ｃを越えたか否か判定し、否定判定した場合にはステップＳ１１０に戻り、水素貯蔵タンク１９からの水素供給および加熱外気による水素吸蔵タンク１の加熱を続行する。一方、ステップＳ１１１で肯定判定した場合には、ステップＳ１１２に進み、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９と水素供給管１３とが連通する位置にして水素吸蔵タンク１と燃料電池７とを接続し、水素吸蔵タンク１から燃料電池７への水素の供給を開始する（ステップＳ１１３）。
【００２７】
ステップＳ１０６あるいはステップＳ１１３に続いてステップＳ１１４に進み、水素吸蔵タンク１の温度が４０゜Ｃ以上か否か判定する。ステップＳ１１４において否定判定した場合には、ステップＳ１０６に戻り、水素吸蔵タンク１からの水素供給および加熱外気による水素吸蔵タンク１の加熱を続行する。ステップＳ１１４において肯定判定した場合には、ステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１４での肯定判定により始動時制御が終了し、通常走行制御に移行する。
【００２８】
通常走行時には、ステップＳ１１５において、温度センサ４３，４５，４７，４９，５１の出力信号に基づいて各部の温度を検出し、ステップＳ１１６に進んで、水素吸蔵タンク１の温度が４０゜Ｃとなるように混合空気の温度（目標空気温度）を算出する。次に、ステップＳ１１７に進み、前記目標空気温度となるように流量制御弁Ｖ2〜Ｖ4の開度を算出し、各流量制御弁Ｖ2〜Ｖ4のアクチュエータに制御信号を出力する。次に、ステップＳ１１８に進んで、運転停止指令があるか否か判定する。ステップＳ１１８で否定判定した場合には、ステップＳ１１５に戻る。したがって、通常走行状態では、運転停止指令がない限り、ステップＳ１１５からステップＳ１１７のステップを実行し続けることになる。ステップＳ１１８において肯定判定した場合には、ステップＳ１１９に進む。ステップＳ１１８での肯定判定により通常走行制御が終了し、停止制御に移行する。
【００２９】
運転停止時には、ステップＳ１１９において、圧力センサ４１の出力信号に基づいて水素貯蔵タンク１９内の圧力が１．０ＭＰａ以上か否か判定する。ステップＳ１１９において肯定判定した場合には、次回運転開始時に水素貯蔵タンク１９から燃料電池７に水素を供給するようになったとしても十分な量の水素が水素貯蔵タンク１９内に貯蔵されていると判断できるので、ステップＳ１２４に進み、第１ファン２７および第２ファン２９を停止し、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９，１３，１７の総てを閉塞する位置にして、停止動作を終了する（ステップＳ１２５）。
【００３０】
一方、ステップＳ１１９において否定判定した場合には、ステップＳ１２０に進み、流量制御弁Ｖ2を全開にし、流量制御弁Ｖ3，Ｖ4を全閉にする。さらに、ステップＳ１２１に進み、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９と水素供給管１７とが連通する位置にして水素吸蔵タンク１と水素貯蔵タンク１９とを接続し、水素吸蔵タンク１から水素貯蔵タンク１９に水素を充填する（ステップＳ１２２）。これは、ステップＳ１１９において否定判定したときには、次回運転開始時に水素貯蔵タンク１９から燃料電池７に水素を供給するようになったときに水素量が不足する虞があるので、運転停止する前に、水素貯蔵タンク１９に水素を補充するのである。
【００３１】
ステップＳ１２２に続いてステップＳ１２３に進み、水素貯蔵タンク１９内の圧力が１．０ＭＰａ以上か否か判定する。ステップＳ１２３において否定判定した場合には、ステップＳ１２２に戻り、水素貯蔵タンク１９への水素充填をを続行する。ステップＳ１２３において肯定判定した場合には、ステップＳ１２４に進み、第１ファン２７および第２ファン２９を停止し、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９，１３，１７の総てを閉塞する位置にして、停止動作を終了する（ステップＳ１２５）。
【００３２】
ところで、この関連技術における水素供給装置では、水素吸蔵タンク１に収容した水素吸蔵合金として、ＬａＮｉ5系で、図４において実線で示す解離圧特性を有する水素吸蔵合金を用いたが、これについて図４および図５を参照して説明する。図４において、破線は比較例であって、従来から水素吸蔵合金として一般的に用いられている水素吸蔵合金の解離圧特性を示している。以下、説明の都合上、図４において実線で示す解離圧特性の水素吸蔵合金を「本水素吸蔵合金」と称し、図４において破線で示す解離圧特性の水素吸蔵合金を「従来型水素吸蔵合金」と称して区別する。
【００３３】
図４から明らかなように、従来型水素吸蔵合金の場合には、放出限界圧に対応する温度（以下、これを放出限界温度という）が約５０゜Ｃ弱と高く、したがって、従来型水素吸蔵合金を使用した場合には水素吸蔵合金の温度を４０゜Ｃに制御したのでは水素を放出することができず、放出限界温度より高温の例えば約６０゜Ｃに制御して用いている。しかしながら、６０゜Ｃに制御しても放出限界温度との差が小さいので、加速・登坂時などにおいて燃料電池７に供給すべき水素必要量が急激に増大した場合には、従来型水素吸蔵合金の温度が放出限界温度以下にならないように、多大な熱量を短時間のうちに従来型水素吸蔵合金に供給しなければならない。このようにした場合には、前記関連技術のように燃料電池７の冷却水と熱交換して得た加熱外気では、投入熱量が間に合わないので、熱交換チューブ５とは別に加熱手段が必要になる。そうすると、装置が大型化し、重量も増大してしまう。
【００３４】
これに対して、本水素吸蔵合金の場合には、放出限界温度が０゜Ｃ以下と極めて低く、水素吸蔵合金を４０゜Ｃに制御して使用しても、放出限界温度との温度差が４０ｄｅｇ以上もある。したがって、本水素吸蔵合金の場合には、前記関連技術のように燃料電池７の冷却水と熱交換して得た加熱外気で本水素吸蔵合金を加熱しても、不足する熱量を水素吸蔵タンク１および本水素吸蔵合金の熱容量で賄うことができるので、本水素吸蔵合金の温度を放出限界温度以下にさせないようにすることができる。したがって、本水素吸蔵合金を用いた場合には、水素吸蔵タンク１を加熱する手段として、燃料電池７の冷却水を熱源とする熱交換器（即ち、熱交換チューブ５）だけで済み、空気を熱媒体とすることができるので、装置の小型化、軽量化を図ることができる。また、従来は廃棄されるだけであった燃料電池７の冷却水の廃熱を利用しているので、エネルギを有効利用することができる。
【００３５】
また、前記関連技術においては水素吸蔵タンク１を１０ＭＰａの耐圧設計にしているので、本水素吸蔵合金の解離圧１０ＭＰａに対応する温度である約１２０゜Ｃまで昇温可能となる。したがって、水素吸蔵タンク１への水素充填時に水素吸蔵タンク１および本水素吸蔵合金を１２０゜Ｃまで昇温することが可能なので、放熱効率を向上させることができる。したがって、水素充填時の水素吸蔵タンク１の冷却方式が空冷であっても、短時間で水素を充填することが可能となる。
【００３６】
なお、図５は、加速時に燃料電池７が必要とする水素流量と、水素吸蔵合金を放出限界温度以下にさせないために水素吸蔵合金に供給すべき投入熱量と、水素吸蔵合金の温度の時間的推移を示したものであって、投入熱量および水素吸蔵合金温度の線図のうち、実線は本水素吸蔵合金の場合を示し、破線は従来型水素吸蔵合金の場合を示している。
【００３７】
次に、この発明に係る水素供給装置の第１の実施の形態を図６の図面を参照して説明する。第１の実施の形態の水素供給装置が前記関連技術のものと相違する点は、ダクト３に供給される加熱空気源にある。以下、これについて説明する。
燃料電池７は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えて構成されており、アノード電極に水素を供給し、カソード電極に酸素を含む空気を供給して、前記固体高分子電解質膜を介した電気化学反応により電気エネルギを生じさせている。このときに、燃料電池７内では、水素と酸素の化学反応により水が生成され、この生成水は水蒸気となって空気とともに燃料電池７から排出空気（以下、オフガスという）として排出される。また、前記化学反応は発熱を伴うため、排出空気はかなりの高温（例えば、６０〜８０゜Ｃ）で排出される。第１の実施の形態では、この水分を含む高温のオフガスをダクト３に供給するようにしている。そのために、この第１の実施の形態では、前記関連技術においてダクト３内に設けていた熱交換チューブ５がない。即ち、第１の実施の形態では、燃料電池７が外気を加熱する熱交換器として機能する。
【００３８】
次に、図６を参照して、第１の実施の形態における水素供給装置のシステム構成を説明する。水素は水素供給管１３を介して燃料電池７に供給され、水素の排出ガスは水素供給管３１を介して水素供給管１３に戻されるようになっている。
燃料電池７に供給される空気は、図示しないスーパーチャージャによって加圧され、その加圧空気が燃料電池７に供給され、この空気のオフガスは空気導入管３３を介してダクト３に供給される。ダクト３に供給される空気は加圧空気であるので、この第１の実施の形態では第１ファン２７を設ける必要がない。その他の構成については前記関連技術のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
この第１の実施の形態の水素供給装置においては、前述したように水分を含んだ高温の空気オフガスがダクト３に供給され、この加熱空気が水素吸蔵タンク１に加熱用熱媒として供給される。この水分を含み加熱された湿潤空気は、前記関連技術の乾いた加熱外気よりも熱量が大きいので、前記関連技術の場合よりも、水素吸蔵タンク１と空気との熱交換効率を大きくでき、水素吸蔵タンク１および水素吸蔵合金をより速く加熱することが可能となる。
なお、この第１の実施の形態においても、前記関連技術の場合と同様に外気および内気との混合制御により、水素吸蔵タンク１および水素吸蔵合金を一定温度に制御することができる。
【００４０】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、温度の異なる空気として、燃料電池に供給される圧縮空気でもよい。圧縮空気は総発熱量としては燃料電池の発熱による熱と比べて大きくないが、瞬間的な温度は高い（１２０゜Ｃくらい）。例えば、始動時など燃料電池の発電によって得られる熱が充分でないときなどには、前記圧縮空気を温度の異なる空気として水素吸蔵タンクに供給することで、水素吸蔵タンクから急速に水素を放出させることができるので、急速始動ができるとともに、補助水素タンク（実施の形態における水素貯蔵タンク１９）の容量を小さくできるので、装置全体として小型化が図れる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、水素吸蔵タンクを加熱する熱源を燃料電池で発生する熱で賄うことができるので、エネルギを有効に利用することができるという優れた効果が奏される。また、空気を熱媒体としているので、装置構成を簡素化でき、重量低減が可能という効果もある。また、生成水を含む湿潤空気は乾いた空気よりも熱量が大きく、水素吸蔵タンクおよび水素吸蔵合金と空気との熱交換効率が大きくなるので、水素吸蔵合金を迅速に加熱することができ、水素吸蔵合金から水素を多量に放出させることができるという優れた効果が奏される。さらに、始動時、寒冷地などにおいて水素貯蔵合金が放出限界圧に対応する温度以下になったため、水素吸蔵タンクから水素を燃料電池に供給することができないときには、水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を燃料電池に供給して運転し、その間に、水素吸蔵タンクを燃料電池の排熱により水素放出可能な温度まで昇温することができる。
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池を運転停止する前に、水素貯蔵タンクに水素を補充することができる。
【００４２】
請求項３に記載した発明によれば、水素吸蔵タンクを加熱する空気の温度を所望の温度に制御可能となるので、水素吸蔵タンクを所望の温度に制御することが可能になるという効果がある。しかも、水素吸蔵合金を常にその要求温度に保持することが可能となるので、水素吸蔵タンクから水素利用機器へ水素を安定供給することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に関連する技術の水素供給装置を備えた自動車用燃料電池のシステム構成図である。
【図２】 前記関連技術における水素供給処理のフローチャート（その１）である。
【図３】 前記関連技術における水素供給処理のフローチャート（その２）である。
【図４】 水素吸蔵合金の解離圧特性図である。
【図５】 車両加速時における燃料電池の必要水素流量と水素吸蔵タンク加熱用の投入熱量と水素吸蔵合金温度の時間的推移を示す図である。
【図６】 この発明に係る第１の実施の形態の水素供給装置を備えた自動車用燃料電池のシステム構成図である。
【符号の説明】
１・・・水素吸蔵タンク
３・・・ダクト（加熱手段）
５・・・熱交換チューブ（加熱手段）
７・・・燃料電池
９，１３・・・水素供給管（第１の水素供給手段）
９，１７・・・水素供給管（第３の水素供給手段）
１３，１７・・・水素供給管（第２の水素供給手段）
１９・・・水素貯蔵タンク
２１・・・合流ダクト（混合手段）
２３・・・外気ダクト（混合手段）
２５・・・内気ダクト（混合手段）
３３・・・空気導入管（加熱手段）
３７・・・ＥＣＵ（制御手段）
Ｖ1・・・流量制御弁（第１，第２，第３の水素供給手段、制御手段）
Ｖ２〜Ｖ４・・・流量制御弁（流量制御手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を燃料電池に供給する水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、水素を吸蔵させておいた水素吸蔵合金から水素を放出させて例えば自動車等の移動体に搭載した燃料電池などの水素利用機器に水素を供給するシステムは、多々開発されている（特開昭６１−２２０００９号公報、特開平１−２１６０２４号公報等）。
【０００３】
この水素吸蔵合金においては、水素の吸蔵・放出に熱の出入りを伴い、水素を吸蔵させる時には水素吸蔵合金から熱を除去してやらなければならず、水素を放出させる時には水素吸蔵合金に熱を供給してやらなければならない。この時の熱量は、水素１モル当たりにして２０〜４０ｋＪという巨大な熱量である。ここで、水素放出に必要な熱量は、水素吸蔵合金の熱容量により賄われ、その結果、水素吸蔵合金の温度が低下する。
【０００４】
ところで、一般的に、水素吸蔵合金は合金温度が高くなるほど水素解離圧（水素放出平衡圧）が高くなる性質を有しており、前述の如く水素の放出に伴い水素吸蔵合金の温度が低下すると水素解離圧（以下、解離圧と略す）が低下していく。図４は、縦軸に解離圧（絶対圧）、横軸に温度（上側は゜Ｃ表示、下側は絶対温度Ｔの逆数を１０００倍した数値で示す表示）をとって示す解離圧特性図である。図４において、実線と破線は解離圧特性を異にする２種類の水素吸蔵合金を示しており、また、放出限界圧とは前記水素利用機器に水素を供給するために必要な解離圧の下限値であり、解離圧が放出限界圧よりも下回ると水素を供給することができなくなる。したがって、水素放出に伴って水素吸蔵合金の温度が低下したときには、解離圧が放出限界圧よりも下がらないように水素吸蔵合金を加熱する必要がある。そのため、このシステムでは水素吸蔵合金に熱交換器を併設するのが一般的である。
【０００５】
そして、水素吸蔵合金から水素を放出するときには前記熱交換器によって水素吸蔵合金を加熱し、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させるときには前記熱交換器により水素吸蔵合金を冷却する。
従来は、この熱交換器の熱媒体として、燃料電池など水素利用機器の冷却水を用いていた。即ち、水素利用機器を冷却した冷却水はかなりの高温になるので、この冷却水を熱媒体として熱交換器に供給して、水素放出時における水素吸蔵合金の加熱を行っていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記熱交換器の熱媒体に冷却水を用いた場合には、燃料電池と水素吸蔵合金との間で冷却水を循環させる冷却水回路を設けなければならず、装置の複雑化、大型化を招くという問題があった。また、冷却水の保有水量の増大により、重量増大を招くという問題もある。
そこで、この発明は、水素放出時に水素吸蔵合金を加熱する熱媒体として空気を用いることにより、構造簡易で小型・軽量化が可能な水素供給装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、水素と空気中の酸素の化学反応で電気を発生させる燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池７）と、水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵タンク（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵タンク１）と、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記燃料電池へ供給する第１の水素供給手段（例えば、後述する実施の形態における水素供給管９，１３および流量制御弁Ｖ1）と、前記燃料電池から排出された生成水を含む排出空気で前記水素吸蔵タンクを加熱する加熱手段（例えば、後述する実施の形態におけるダクト３、空気導入管３３）と、を備えた水素供給装置において、前記水素吸蔵タンクとは別に設けられ水素を貯蔵可能な水素貯蔵タンク（例えば、後述する実施の形態における水素貯蔵タンク１９）と、前記水素貯蔵タンクに貯蔵された水素を前記燃料電池に供給する第２の水素供給手段（例えば、後述する実施の形態における水素供給管１３，１７および流量制御弁Ｖ1）と、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記水素貯蔵タンクへ供給する第３の水素供給手段（例えば、後述する実施の形態における水素供給管９，１７および流量制御弁Ｖ1）と、前記燃料電池への水素供給時に通常は前記第１の水素供給手段を選択して、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記燃料電池へ供給し、前記水素貯蔵合金の温度が放出限界圧に対応する温度以下のときには前記第２の水素供給手段を選択して、前記水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を前記燃料電池に供給し、前記加熱手段により前記水素吸蔵タンクが加熱され前記水素吸蔵タンクが水素放出可能な温度になるまで前記第２の水素供給手段を継続して選択する制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁Ｖ１およびＥＣＵ３７）と、をさらに備えたことを特徴とする。
このように構成することで、水素吸蔵タンクを加熱する熱源を燃料電池で発生する熱で賄うことができる。また、この熱で暖められた空気を熱媒体としているので、装置構成を簡素化でき、重量低減が可能となる。
【０００８】
また、生成水を含む湿潤空気は乾いた空気よりも熱量が大きいので、水素吸蔵タンクおよび水素吸蔵合金と空気との熱交換効率が大きくなる。
さらに、始動時、寒冷地などにおいて水素貯蔵合金が放出限界圧に対応する温度以下になったため、水素吸蔵タンクから水素を燃料電池に供給することができないときには、水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を燃料電池に供給して運転し、その間に、水素吸蔵タンクを燃料電池の排熱により水素放出可能な温度まで昇温することができる。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、 前記制御手段は、前記燃料電池の運転を停止するときに前記第３の水素供給手段を選択して、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記水素貯蔵タンクへ供給することを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池を運転停止する前に、水素貯蔵タンクに水素を補充することができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記排出空気と該排出空気と温度の異なる空気とを混合する混合手段（例えば、後述する実施の形態における合流ダクト２１，外気ダクト２３，内気ダクト２５）を、前記水素吸蔵タンクの上流に備え、さらに、前記温度の異なる空気の流量を制御する流量制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁Ｖ２〜Ｖ４）を前記混合手段に備え、前記流量制御手段は前記水素吸蔵合金の要求温度に応じて制御されることを特徴とする。
このように構成することで、水素吸蔵タンクを加熱する空気の温度を所望の温度に制御可能となる。
【００１０】
しかも、水素吸蔵合金を常にその要求温度に保持することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
初めに、この発明に係る水素供給装置に関連する技術を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１は、この関連技術の水素供給装置を備えた自動車用燃料電池システムの構成図である。内部に水素吸蔵合金を備えた水素吸蔵タンク１はダクト（加熱手段）３内の下流部位に設置されている。水素吸蔵タンク１はステンレス（ＳＵＳ３０４）製で耐圧１０ＭＰａで設計されており、外周面に多数のフィン１ａを備えている。この水素吸蔵タンク１に水素吸蔵合金が充填率５０％で充填されている。充填されている水素吸蔵合金はＬａＮｉ5系で、図４において実線で示す解離圧特性を有しており、４０゜Ｃで解離圧が１０気圧以上になっている。
【００１２】
ダクト３の内部であって水素吸蔵タンク１よりも上流側には熱交換チューブ（加熱手段）５が設けられている。この熱交換チューブ５は、ダクト３の外部に設置された燃料電池（図１ではＦＣと記す）７の冷却水回路（図示せず）に接続されていて、燃料電池７の冷却水が循環するようになっている。燃料電池７は、水素と空気中の酸素とを化学反応させて電気を発生させるタイプのものであり、前記冷却水は燃料電池７が発電時に発生する熱を除去するためのものである。燃料電池７を冷却することによって加熱された冷却水が熱交換チューブ５に導入され、熱交換チューブ５を通過する際にダクト３を流れる空気と熱交換し、これにより冷却水は冷却され再び燃料電池７の冷却水回路に戻るようになっている。つまり、熱交換チューブ５は燃料電池７の冷却ラジエータと言うことができる。
【００１３】
水素吸蔵タンク１内において水素吸蔵合金から放出された水素は、水素供給管９、流量制御弁Ｖ1、水素供給管１３を介して燃料電池７に供給されるようになっている。この関連技術において、水素供給管９と流量制御弁Ｖ1と水素供給管１３は第１の水素供給手段を構成する。尚、水素供給管１３には流量計１５が設置されている。また、水素吸蔵タンク１内の水素は、水素供給管９、流量制御弁Ｖ1、水素供給管１７を介して、ダクト３の外部に設置された水素貯蔵タンク（図１ではガスタンクと記す）１９にも供給可能にされている。水素貯蔵タンク１９は、低温のため水素吸蔵合金から水素を放出できず、水素吸蔵タンク１から燃料電池７に水素を供給できない時に、水素貯蔵タンク１９内の水素を燃料電池７に供給するためのものである。流量制御弁Ｖ1はその弁体位置によって水素の流路を４パターンに切り替え可能にするものであり、第１の弁体位置では水素供給管９と水素供給管１３を連通して水素供給管１７を閉塞し、第２の弁体位置では水素供給管９と水素供給管１７とを連通して水素供給管１３を閉塞し、第３の弁体位置では水素供給管１３と水素供給管１７とを連通して水素供給管９を閉塞し、第４の弁体位置では全ての水素供給管９，１３，１７を閉塞するようになっている。
【００１４】
一方、ダクト３において水素吸蔵タンク１と熱交換チューブ５との間には、合流ダクト２１が連結されており、この合流ダクト２１には、外気を導入可能な外気ダクト２３と、自動車の室内空気を導入可能な内気ダクト２５が接続されている。この関連技術において、合流ダクト２１と外気ダクト２３と内気ダクト２５は混合手段を構成する。
【００１５】
ダクト３内において、熱交換チューブ５の上流には第１ファン２７が設けられ、水素吸蔵タンク１の下流には第２ファン２９が設けられている。これらファン２７，２９の駆動モータ（図示せず）は中央電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）３７に電気的に接続されており、ＥＣＵ３７からの指令に基づいてＯＮ／ＯＦＦ動作するようになっている。
【００１６】
また、ダクト３内において、合流ダクト２１との合流点と熱交換チューブ５との間には流量制御弁Ｖ２が設けられている。また、外気ダクト２３，内気ダクト２５にもそれぞれ流量制御弁Ｖ３，Ｖ４が設けられている。これら流量制御弁Ｖ２〜Ｖ４の弁体を駆動するアクチュエータ（図示せず）はＥＣＵ３７に電気的に接続されており、ＥＣＵ３７からの指令値に応じて弁体の開度調整が行われるようになっている。この関連技術において、流量制御弁Ｖ２〜Ｖ４は流量制御手段を構成する。
【００１７】
水素供給管９，水素供給管１７には圧力センサ３９，４１が設けられており、これら圧力センサ３９，４１は検出圧力に応じた出力信号をＥＣＵ３７に出力する。
ダクト３内において、合流ダクト２１との合流点と水素吸蔵タンク１との間、および、熱交換チューブ５と流量制御弁Ｖ2との間には、温度センサ４３，４５が設けられている。また、外気ダクト２３、内気ダクト２５にも温度センサ４７，４９が設けられている。さらに、水素吸蔵タンク１内にも内部に収容されている水素吸蔵合金の温度を検出するための温度センサ５１が設けられている。これら温度センサ４３，４５，４７，４９，５１は検出温度に応じた出力信号をＥＣＵ３７に出力する。
【００１８】
このように構成された燃料電池の水素供給装置においては、水素吸蔵タンク１内の水素吸蔵合金が水素を放出する際に水素吸蔵合金に奪われる熱を補うために、第１ファン２７によってダクト３内に導入した外気を、熱交換チューブ５を流れる燃料電池７の冷却水と熱交換することにより加熱し、加熱された外気を水素吸蔵タンク１の周囲に流すことにより、外気の熱をフィン１ａから吸熱させる。
【００１９】
また、燃料電池７への水素の安定供給を図るために、水素吸蔵タンク１内を所定の一定圧力となるように制御するが、そのために、水素吸蔵合金の温度、換言すれば水素吸蔵タンク１内の温度が、前記一定圧力を解離圧としたときに対応する温度となるように制御する。尚、この関連技術では、水素吸蔵タンク１内の制御温度を４０゜Ｃとした。
【００２０】
そして、この水素供給装置における水素吸蔵タンク１の前記温度制御では、外気ダクト２３から導入される外気と、内気ダクト２５から導入される内気と、ダクト３の上流端から導入され熱交換チューブ５で加熱された外気（以下、加熱外気と称し、外気ダクト２３から導入される外気と区別する）とを所定流量比で混合することにより、水素吸蔵タンク１を所定温度に制御するのに必要な熱量を水素吸蔵タンク１に供給するようにしている。
【００２１】
詳述すると、ＥＣＵ３７は、温度センサ５１の出力信号から、水素吸蔵合金の温度およびその温度低下率等を算出し、これから水素吸蔵タンク１に供給すべき空気の温度（以下、目標空気温度という）を算出し、また、温度センサ４３，４５，４７，４９の出力信号から水素吸蔵タンク１に供給される空気の温度、加熱外気の温度、外気ダクト２３から導入された外気の温度、内気ダクト２５から導入された室内空気の温度を算出し、温度センサ４３で検出される空気温度が前記目標空気温度になるように加熱外気、外気、内気の流量比を算出し、その流量比となるように流量制御弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の弁開度を算出し、それぞれの弁開度に対応する出力信号を流量制御弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4のアクチュエータに出力する。この流量比制御（即ち、流量制御弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4の開度制御）には、ＰＩＤ制御、フィードフォワード制御、フィードバック制御のいずれを採用することも可能である。
【００２２】
また、この水素供給装置では、通常は水素吸蔵タンク１から水素を燃料電池７に供給するが、始動時、寒冷地などにおいて水素貯蔵合金が放出限界圧に対応する温度以下になったため、水素吸蔵タンク１から水素を燃料電池７に供給することができないときには、水素貯蔵タンク１９に貯蔵されている水素を燃料電池７に供給するようにしている。この時、燃料電池７の排熱により水素吸蔵タンク１が水素放出可能な温度になるまで供給する。また、水素貯蔵タンク１９への水素の貯蔵は、燃料電池自動車の運転を停止するとき、即ち、燃料電池７の停止時に適宜実行するようにしている。
【００２３】
次に、図２および図３の図面を参照して、燃料電池への水素供給処理を説明する。なお、図２および図３に示す水素供給処理制御では、水素吸蔵タンク１内の温度を４０゜Ｃに制御し、水素貯蔵タンク１９内の圧力を１．０ＭＰａに制御するものとする。上記構成にしたことで、車載した場合に過渡に対応し得る熱量を水素吸蔵合金自体の熱量で賄うことができる。このため、外部から水素吸蔵タンク１へ供給する単位時間当たりの熱量を減少させることができる（図５参照）。まず、燃料電池自動車の始動時には、ＥＣＵ３７は、イグニッションスイッチのＯＮ信号を受けて（ステップＳ１０１）、ステップＳ１０２に進み、温度センサ５１の出力信号に基づき水素吸蔵タンク１の温度が０゜Ｃを越えているか否か判定する。
【００２４】
ステップＳ１０２において肯定判定した場合には、水素吸蔵合金から水素放出が可能であるので、ステップＳ１０３に進んで、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９と水素供給管１３とが連通する位置にして水素吸蔵タンク１と燃料電池７とを接続し、水素吸蔵タンク１から燃料電池７への水素の供給を開始して（ステップＳ１０４）、燃料電池７を起動する（ステップＳ１０５）。次に、ステップＳ１０６に進み、第１ファン２７および第２ファン２９の運転を開始するとともに、流量制御弁Ｖ3，Ｖ4を閉じ流量制御弁Ｖ2を全開にして、熱交換チューブ５で加熱した外気を水素吸蔵タンク１に流す。
【００２５】
一方、ステップＳ１０２において否定判定した場合には、水素吸蔵合金から水素を放出することができない可能性が大きいので、ステップＳ１０７に進んで、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管１３と水素供給管１７とが連通する位置にして水素貯蔵タンク１９と燃料電池７とを接続し、水素貯蔵タンク１９から燃料電池７への水素の供給を開始して（ステップＳ１０８）、燃料電池７を起動する（ステップＳ１０９）。
【００２６】
ステップＳ１０９に続いて、ステップＳ１１０に進み、第１ファン２７および第２ファン２９の運転を開始するとともに、流量制御弁Ｖ3，Ｖ4を閉じ流量制御弁Ｖ2を全開にして、熱交換チューブ５で加熱した外気を水素吸蔵タンク１に流す。次に、ステップＳ１１１に進み、水素吸蔵タンク１の温度が０゜Ｃを越えたか否か判定し、否定判定した場合にはステップＳ１１０に戻り、水素貯蔵タンク１９からの水素供給および加熱外気による水素吸蔵タンク１の加熱を続行する。一方、ステップＳ１１１で肯定判定した場合には、ステップＳ１１２に進み、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９と水素供給管１３とが連通する位置にして水素吸蔵タンク１と燃料電池７とを接続し、水素吸蔵タンク１から燃料電池７への水素の供給を開始する（ステップＳ１１３）。
【００２７】
ステップＳ１０６あるいはステップＳ１１３に続いてステップＳ１１４に進み、水素吸蔵タンク１の温度が４０゜Ｃ以上か否か判定する。ステップＳ１１４において否定判定した場合には、ステップＳ１０６に戻り、水素吸蔵タンク１からの水素供給および加熱外気による水素吸蔵タンク１の加熱を続行する。ステップＳ１１４において肯定判定した場合には、ステップＳ１１５に進む。ステップＳ１１４での肯定判定により始動時制御が終了し、通常走行制御に移行する。
【００２８】
通常走行時には、ステップＳ１１５において、温度センサ４３，４５，４７，４９，５１の出力信号に基づいて各部の温度を検出し、ステップＳ１１６に進んで、水素吸蔵タンク１の温度が４０゜Ｃとなるように混合空気の温度（目標空気温度）を算出する。次に、ステップＳ１１７に進み、前記目標空気温度となるように流量制御弁Ｖ2〜Ｖ4の開度を算出し、各流量制御弁Ｖ2〜Ｖ4のアクチュエータに制御信号を出力する。次に、ステップＳ１１８に進んで、運転停止指令があるか否か判定する。ステップＳ１１８で否定判定した場合には、ステップＳ１１５に戻る。したがって、通常走行状態では、運転停止指令がない限り、ステップＳ１１５からステップＳ１１７のステップを実行し続けることになる。ステップＳ１１８において肯定判定した場合には、ステップＳ１１９に進む。ステップＳ１１８での肯定判定により通常走行制御が終了し、停止制御に移行する。
【００２９】
運転停止時には、ステップＳ１１９において、圧力センサ４１の出力信号に基づいて水素貯蔵タンク１９内の圧力が１．０ＭＰａ以上か否か判定する。ステップＳ１１９において肯定判定した場合には、次回運転開始時に水素貯蔵タンク１９から燃料電池７に水素を供給するようになったとしても十分な量の水素が水素貯蔵タンク１９内に貯蔵されていると判断できるので、ステップＳ１２４に進み、第１ファン２７および第２ファン２９を停止し、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９，１３，１７の総てを閉塞する位置にして、停止動作を終了する（ステップＳ１２５）。
【００３０】
一方、ステップＳ１１９において否定判定した場合には、ステップＳ１２０に進み、流量制御弁Ｖ2を全開にし、流量制御弁Ｖ3，Ｖ4を全閉にする。さらに、ステップＳ１２１に進み、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９と水素供給管１７とが連通する位置にして水素吸蔵タンク１と水素貯蔵タンク１９とを接続し、水素吸蔵タンク１から水素貯蔵タンク１９に水素を充填する（ステップＳ１２２）。これは、ステップＳ１１９において否定判定したときには、次回運転開始時に水素貯蔵タンク１９から燃料電池７に水素を供給するようになったときに水素量が不足する虞があるので、運転停止する前に、水素貯蔵タンク１９に水素を補充するのである。
【００３１】
ステップＳ１２２に続いてステップＳ１２３に進み、水素貯蔵タンク１９内の圧力が１．０ＭＰａ以上か否か判定する。ステップＳ１２３において否定判定した場合には、ステップＳ１２２に戻り、水素貯蔵タンク１９への水素充填をを続行する。ステップＳ１２３において肯定判定した場合には、ステップＳ１２４に進み、第１ファン２７および第２ファン２９を停止し、流量制御弁Ｖ1の弁体位置を水素供給管９，１３，１７の総てを閉塞する位置にして、停止動作を終了する（ステップＳ１２５）。
【００３２】
ところで、この関連技術における水素供給装置では、水素吸蔵タンク１に収容した水素吸蔵合金として、ＬａＮｉ5系で、図４において実線で示す解離圧特性を有する水素吸蔵合金を用いたが、これについて図４および図５を参照して説明する。図４において、破線は比較例であって、従来から水素吸蔵合金として一般的に用いられている水素吸蔵合金の解離圧特性を示している。以下、説明の都合上、図４において実線で示す解離圧特性の水素吸蔵合金を「本水素吸蔵合金」と称し、図４において破線で示す解離圧特性の水素吸蔵合金を「従来型水素吸蔵合金」と称して区別する。
【００３３】
図４から明らかなように、従来型水素吸蔵合金の場合には、放出限界圧に対応する温度（以下、これを放出限界温度という）が約５０゜Ｃ弱と高く、したがって、従来型水素吸蔵合金を使用した場合には水素吸蔵合金の温度を４０゜Ｃに制御したのでは水素を放出することができず、放出限界温度より高温の例えば約６０゜Ｃに制御して用いている。しかしながら、６０゜Ｃに制御しても放出限界温度との差が小さいので、加速・登坂時などにおいて燃料電池７に供給すべき水素必要量が急激に増大した場合には、従来型水素吸蔵合金の温度が放出限界温度以下にならないように、多大な熱量を短時間のうちに従来型水素吸蔵合金に供給しなければならない。このようにした場合には、前記関連技術のように燃料電池７の冷却水と熱交換して得た加熱外気では、投入熱量が間に合わないので、熱交換チューブ５とは別に加熱手段が必要になる。そうすると、装置が大型化し、重量も増大してしまう。
【００３４】
これに対して、本水素吸蔵合金の場合には、放出限界温度が０゜Ｃ以下と極めて低く、水素吸蔵合金を４０゜Ｃに制御して使用しても、放出限界温度との温度差が４０ｄｅｇ以上もある。したがって、本水素吸蔵合金の場合には、前記関連技術のように燃料電池７の冷却水と熱交換して得た加熱外気で本水素吸蔵合金を加熱しても、不足する熱量を水素吸蔵タンク１および本水素吸蔵合金の熱容量で賄うことができるので、本水素吸蔵合金の温度を放出限界温度以下にさせないようにすることができる。したがって、本水素吸蔵合金を用いた場合には、水素吸蔵タンク１を加熱する手段として、燃料電池７の冷却水を熱源とする熱交換器（即ち、熱交換チューブ５）だけで済み、空気を熱媒体とすることができるので、装置の小型化、軽量化を図ることができる。また、従来は廃棄されるだけであった燃料電池７の冷却水の廃熱を利用しているので、エネルギを有効利用することができる。
【００３５】
また、前記関連技術においては水素吸蔵タンク１を１０ＭＰａの耐圧設計にしているので、本水素吸蔵合金の解離圧１０ＭＰａに対応する温度である約１２０゜Ｃまで昇温可能となる。したがって、水素吸蔵タンク１への水素充填時に水素吸蔵タンク１および本水素吸蔵合金を１２０゜Ｃまで昇温することが可能なので、放熱効率を向上させることができる。したがって、水素充填時の水素吸蔵タンク１の冷却方式が空冷であっても、短時間で水素を充填することが可能となる。
【００３６】
なお、図５は、加速時に燃料電池７が必要とする水素流量と、水素吸蔵合金を放出限界温度以下にさせないために水素吸蔵合金に供給すべき投入熱量と、水素吸蔵合金の温度の時間的推移を示したものであって、投入熱量および水素吸蔵合金温度の線図のうち、実線は本水素吸蔵合金の場合を示し、破線は従来型水素吸蔵合金の場合を示している。
【００３７】
次に、この発明に係る水素供給装置の第１の実施の形態を図６の図面を参照して説明する。第１の実施の形態の水素供給装置が前記関連技術のものと相違する点は、ダクト３に供給される加熱空気源にある。以下、これについて説明する。
燃料電池７は、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを備えて構成されており、アノード電極に水素を供給し、カソード電極に酸素を含む空気を供給して、前記固体高分子電解質膜を介した電気化学反応により電気エネルギを生じさせている。このときに、燃料電池７内では、水素と酸素の化学反応により水が生成され、この生成水は水蒸気となって空気とともに燃料電池７から排出空気（以下、オフガスという）として排出される。また、前記化学反応は発熱を伴うため、排出空気はかなりの高温（例えば、６０〜８０゜Ｃ）で排出される。第１の実施の形態では、この水分を含む高温のオフガスをダクト３に供給するようにしている。そのために、この第１の実施の形態では、前記関連技術においてダクト３内に設けていた熱交換チューブ５がない。即ち、第１の実施の形態では、燃料電池７が外気を加熱する熱交換器として機能する。
【００３８】
次に、図６を参照して、第１の実施の形態における水素供給装置のシステム構成を説明する。水素は水素供給管１３を介して燃料電池７に供給され、水素の排出ガスは水素供給管３１を介して水素供給管１３に戻されるようになっている。
燃料電池７に供給される空気は、図示しないスーパーチャージャによって加圧され、その加圧空気が燃料電池７に供給され、この空気のオフガスは空気導入管３３を介してダクト３に供給される。ダクト３に供給される空気は加圧空気であるので、この第１の実施の形態では第１ファン２７を設ける必要がない。その他の構成については前記関連技術のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
この第１の実施の形態の水素供給装置においては、前述したように水分を含んだ高温の空気オフガスがダクト３に供給され、この加熱空気が水素吸蔵タンク１に加熱用熱媒として供給される。この水分を含み加熱された湿潤空気は、前記関連技術の乾いた加熱外気よりも熱量が大きいので、前記関連技術の場合よりも、水素吸蔵タンク１と空気との熱交換効率を大きくでき、水素吸蔵タンク１および水素吸蔵合金をより速く加熱することが可能となる。
なお、この第１の実施の形態においても、前記関連技術の場合と同様に外気および内気との混合制御により、水素吸蔵タンク１および水素吸蔵合金を一定温度に制御することができる。
【００４０】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、温度の異なる空気として、燃料電池に供給される圧縮空気でもよい。圧縮空気は総発熱量としては燃料電池の発熱による熱と比べて大きくないが、瞬間的な温度は高い（１２０゜Ｃくらい）。例えば、始動時など燃料電池の発電によって得られる熱が充分でないときなどには、前記圧縮空気を温度の異なる空気として水素吸蔵タンクに供給することで、水素吸蔵タンクから急速に水素を放出させることができるので、急速始動ができるとともに、補助水素タンク（実施の形態における水素貯蔵タンク１９）の容量を小さくできるので、装置全体として小型化が図れる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、水素吸蔵タンクを加熱する熱源を燃料電池で発生する熱で賄うことができるので、エネルギを有効に利用することができるという優れた効果が奏される。また、空気を熱媒体としているので、装置構成を簡素化でき、重量低減が可能という効果もある。また、生成水を含む湿潤空気は乾いた空気よりも熱量が大きく、水素吸蔵タンクおよび水素吸蔵合金と空気との熱交換効率が大きくなるので、水素吸蔵合金を迅速に加熱することができ、水素吸蔵合金から水素を多量に放出させることができるという優れた効果が奏される。さらに、始動時、寒冷地などにおいて水素貯蔵合金が放出限界圧に対応する温度以下になったため、水素吸蔵タンクから水素を燃料電池に供給することができないときには、水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を燃料電池に供給して運転し、その間に、水素吸蔵タンクを燃料電池の排熱により水素放出可能な温度まで昇温することができる。
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池を運転停止する前に、水素貯蔵タンクに水素を補充することができる。
【００４２】
請求項３に記載した発明によれば、水素吸蔵タンクを加熱する空気の温度を所望の温度に制御可能となるので、水素吸蔵タンクを所望の温度に制御することが可能になるという効果がある。しかも、水素吸蔵合金を常にその要求温度に保持することが可能となるので、水素吸蔵タンクから水素利用機器へ水素を安定供給することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に関連する技術の水素供給装置を備えた自動車用燃料電池のシステム構成図である。
【図２】 前記関連技術における水素供給処理のフローチャート（その１）である。
【図３】 前記関連技術における水素供給処理のフローチャート（その２）である。
【図４】 水素吸蔵合金の解離圧特性図である。
【図５】 車両加速時における燃料電池の必要水素流量と水素吸蔵タンク加熱用の投入熱量と水素吸蔵合金温度の時間的推移を示す図である。
【図６】 この発明に係る第１の実施の形態の水素供給装置を備えた自動車用燃料電池のシステム構成図である。
【符号の説明】
１・・・水素吸蔵タンク
３・・・ダクト（加熱手段）
５・・・熱交換チューブ（加熱手段）
７・・・燃料電池
９，１３・・・水素供給管（第１の水素供給手段）
９，１７・・・水素供給管（第３の水素供給手段）
１３，１７・・・水素供給管（第２の水素供給手段）
１９・・・水素貯蔵タンク
２１・・・合流ダクト（混合手段）
２３・・・外気ダクト（混合手段）
２５・・・内気ダクト（混合手段）
３３・・・空気導入管（加熱手段）
３７・・・ＥＣＵ（制御手段）
Ｖ1・・・流量制御弁（第１，第２，第３の水素供給手段、制御手段）
Ｖ２〜Ｖ４・・・流量制御弁（流量制御手段）
Claims (3)
- 水素と空気中の酸素の化学反応で電気を発生させる燃料電池と、
水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵タンクと、
前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記燃料電池へ供給する第１の水素供給手段と、
前記燃料電池から排出された生成水を含む排出空気で前記水素吸蔵タンクを加熱する加熱手段と、
を備えた水素供給装置において、
前記水素吸蔵タンクとは別に設けられ水素を貯蔵可能な水素貯蔵タンクと、
前記水素貯蔵タンクに貯蔵された水素を前記燃料電池に供給する第２の水素供給手段と、
前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記水素貯蔵タンクへ供給する第３の水素供給手段と、
前記燃料電池への水素供給時に通常は前記第１の水素供給手段を選択して、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記燃料電池へ供給し、前記水素貯蔵合金の温度が放出限界圧に対応する温度以下のときには前記第２の水素供給手段を選択して、前記水素貯蔵タンクに貯蔵されている水素を前記燃料電池に供給し、前記加熱手段により前記水素吸蔵タンクが加熱され前記水素吸蔵タンクが水素放出可能な温度になるまで前記第２の水素供給手段を継続して選択する制御手段と、
をさらに備えたことを特徴とする水素供給装置。 - 前記制御手段は、前記燃料電池の運転を停止するときに前記第３の水素供給手段を選択して、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を前記水素貯蔵タンクへ供給することを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
- 前記排出空気と該排出空気と温度の異なる空気とを混合する混合手段を、前記水素吸蔵タンクの上流に備え、さらに、前記温度の異なる空気の流量を制御する流量制御手段を前記混合手段に備え、前記流量制御手段は前記水素吸蔵合金の要求温度に応じて制御されることを特徴とする請求項１に記載の水素供給装置。
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