JP5270428B2

JP5270428B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5270428B2
Application number: JP2009093131A
Authority: JP
Inventors: 知正小田; 康文国本; 芳徳河原崎; 泰宏藤田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: JP2010244881A

Description

この発明は、水素吸蔵合金タンクと燃料電池とを備え、前記水素吸蔵合金タンクから供給される水素と、酸化剤とによって前記燃料電池で発電を行う燃料電池システムに関するものである。

従来、水素吸蔵合金タンクから供給される水素、酸素などの酸化剤によって燃料電池で発電を行って電力を取り出す燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１）。このシステムの水素吸蔵合金タンク側を図５に示す。図において、２０が水素吸蔵合金タンクを収容した水素吸蔵合金タンク、２１が発熱体、２２が水素吸蔵合金タンクから燃料電池へ水素供給するための水素放出バルブ、２３が発熱体の空気取込み口、２４が空気取り込み用のバルブを示している。
このシステムでは、低温で起動するとき、発熱体の空気取込み口２３のバルブ２４を開け、発熱体２１に空気を取り入れる。空気を取り込んだ発熱体２１は発熱し、その熱が水素吸蔵合金タンク２０に伝わり、同タンク２０が加熱される。同タンク２０が規定温度（２５℃）になると、バルブ２４を閉め、加熱を休止し、併せて同タンク２０の水素放出バルブ２２を開け、燃料電池に水素を供給する。

特開平８−１１５７３２号公報

しかし、上記で提案されている燃料電池システムでは、以下の問題点がある。
（１）酸化反応を利用した発熱体であるため、燃料電池の起動までに要する時間が長く、システムとして使用可能になるまでの時間が長いという問題がある。
（２）発熱体の発熱量が小さいため、外気温が低い環境では、起動時間が長くなり、場合によっては水素吸蔵合金タンクを十分加熱することができず、その結果、水素放出ができなくなり、燃料電池の運転に支障を来すことが考えられる。
（３）発熱体を使用した場合、反応によってはガスが発生するため、そのガスが燃料電池の運転に問題を起こすことが考えられる。

本発明は、上記従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、燃料電池の起動時間が短く、かつ外気温に拘わらず確実に起動がなされる燃料電池システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の燃料電池システムのうち、第１の本発明は、水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクと、該水素吸蔵合金タンクから供給される水素と酸化剤とによって発電を行う燃料電池と、前記水素吸蔵合金タンクと該燃料電池とを通気可能に連結する水素供給ラインと、加水により発熱反応をして前記水素吸蔵合金タンクを加熱するとともに、前記発熱反応において発生する水素を前記燃料電池に供給可能な加水型発熱材と、前記加水型発熱材を密閉可能に収容し、前記水素吸蔵合金タンクの一部を装入可能な開口部を有する有底筒状のチャンバと、該チャンバと前記燃料電池とを通気可能に連結する水素供給サブラインと、を備え、
前記チャンバは、前記チャンバ内に前記水素吸蔵合金タンクの外面壁の一部または全部が露出するように前記開口部を通して前記水素吸蔵合金タンクの一部が装入されて前記開口部が封止され、前記加水型発熱材による内部温度の上昇によって前記水素吸蔵合金タンクを加熱可能であり、前記水素供給ラインは、前記チャンバ外で前記水素吸蔵合金タンクに連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、発熱材に加水することにより発熱反応が生じ、水素吸蔵合金タンクを加熱し、水素発生を促進し、水素供給ラインを通して燃料電池に水素を供給することができる。さらに、前記発熱反応によって水素が発生し、燃料電池に供給して起動を早める作用を果たす。

なお、水素吸蔵合金タンクに収容する水素吸蔵合金の種別は特に限定されるものではなく、適宜選定することができる。また、上記発熱材としては、加水により発熱反応を起こして水素を発生するものであればよく、特定のものに限定されるものではない。材質としては、一種または二種以上で構成することができ、全体として、加水により発熱反応を起こして水素を発生するものであればよい。例えば、酸化カルシウムとアルミニウムの混合物、活性アルミニウム、アルミ水素化物、水素化マグネシウムなどを用いることができる。

上記水素吸蔵合金タンクは、上記発熱材の発熱反応によって加熱されるように、配置や形状が設定される。例えば、発熱材を収容したチャンバ内に、水素吸蔵合金タンクの外壁面の一部または全部が露出するように配置することにより、伝熱を可能にすることができる。前記チャンバと燃料電池とを水素供給サブラインで通気可能にすることで、チャンバ内で発生した水素を燃料電池に供給することができる。

上記水素供給ラインおよび水素供給サブラインには、それぞれ開閉弁を設けることで、水素供給可能なラインを選択して、開閉弁の開閉動作によって水素供給を行うことができる。また、水素供給サブラインには、逆止弁を設けることにより、水素発生、水素供給後に水素が逆流するのを防止して、一方向での水素供給を確実に行うことができる。

水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクと、該水素吸蔵合金タンクから供給される水素と酸化剤とによって発電を行う燃料電池と、前記水素吸蔵合金タンクと該燃料電池とを通気可能に連結する水素供給ラインと、加水により発熱反応をして前記水素吸蔵合金タンクを加熱するとともに、前記発熱反応において発生する水素を前記燃料電池に供給可能な加水型発熱材と、を備える燃料電池システムにおいて、上記水素供給ラインおよび水素供給サブラインには、ライン内の圧力をそれぞれ検出する第１圧力センサと第２圧力センサとを設けることで、検出圧力に応じて前記開閉弁を適切に開閉動作させて、水素の供給を行うことができる。開閉弁の開閉動作は手動によって行うことも可能であり、開閉弁の開閉動作を制御する制御部によって行うことも可能である。

制御部によって開閉弁の開閉動作の制御を行う場合、所定の基準圧力を設定しておき、検出圧力が該基準圧力以上の場合にのみ開閉弁を開いて水素を供給可能にすることで、水素の供給が可能なラインのみを燃料電池に連通させて水素を適切に供給することができ、燃料電池の起動が早期に行われることを可能にする。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクと、該水素吸蔵合金タンクから供給される水素と酸化剤とによって発電を行う燃料電池と、前記水素吸蔵合金タンクと該燃料電池とを通気可能に連結する水素供給ラインと、加水により発熱反応をして前記水素吸蔵合金タンクを加熱するとともに、前記発熱反応において発生する水素を前記燃料電池に供給可能な加水型発熱材と、を備えるので、以下の効果が得られる。

（１）加水型の発熱反応を利用することで水素吸蔵合金タンクの加熱を短時間で行い、燃料電池の起動時間を短縮できる。また、低温の環境でも水素吸蔵合金タンクから水素を安定して放出することができ、放出した水素で燃料電池を運転することができる。
（２）加水型の発熱材は発熱量が十分大きいため、水素吸蔵合金タンクを十分加熱することができる。
（３）発熱材から発生するガスは水素であるため、燃料電池の燃料として使用できる。このため、発熱材から発生するガスを外部放出することなく効果的に利用できる。また、発生水素は水分を含んでおり、燃料電池にとっても適している。

本発明の一実施形態の燃料電池システムを示す図である。同じく、起動時に制御手順を示すフロー図である。同じく、水素吸蔵タンクに収容する一例の水素吸蔵合金におけるＰＣＴ線図である。同じく、実施例におけるタンク表面温度とタンク圧の変化を示す図である。従来の燃料電池システムの一部を示す断面図である。

以下に、本発明の一実施形態の燃料電池システムを添付図面に基づいて説明する。
燃料電池システム１は、水素吸蔵合金を収容した水素吸蔵合金タンク２と、水素と酸化剤とによって発電を行う筒状の燃料電池３とを備えている。
また、水素吸蔵合金タンク２の大半を収容する有底筒状のチャンバ４を有しており、該チャンバ４の開口部は小径穴径に形成され、前記水素吸蔵合金タンク２の一部を装入した際に、該水素吸蔵合金タンク２の外周面に密着してチャンバ４を封止するＯリング４ａが前記開口部の内周面に設けられている。また、チャンバ４の底面には、発熱材５が配置可能とされている。なお、ここでは、発熱材としてＣａＯとＡｌとが配置されるものとする。
この実施形態では、チャンバ内に水素吸蔵合金タンクを装入して水素吸蔵合金タンクの加熱を可能にしているが、本発明としては、熱の伝達方法は特に限定されるものではなく、適宜の熱伝達部材を介して水素吸蔵合金を加熱するように構成することも可能である。

前記水素吸蔵合金タンク２の水素放出側には、水素供給ライン６が接続されており、該水素供給ライン６の他端は、前記燃料電池３の水素取り入れ側に接続されている。該水素供給ライン６には、前記水素吸蔵合金タンク２に近い側から、該ラインにおける水素圧力を検出する第１圧力計６０、電磁開閉弁６１、逆止弁６２が順次介設されており、さらに燃料電池３の近傍では、圧力調整器６３が介設されている。また、前記チャンバ４には、水素供給サブライン７が該チャンバ４内と通気可能に接続されており、他端は、前記圧力調整器６３近くの上流側で前記水素供給ライン６に合流している。水素供給サブライン７には、前記チャンバ４に近い側から順次、該ラインの圧力を検出する第２圧力計７０、電磁開閉弁７１、逆止弁７２が介設されている。

また、燃料電池システム１には、前記電磁開閉弁６１、７１を制御する制御部１０を備えており、該制御部１０には、前記第１圧力計６０、第２圧力計７０の検出結果が送信されている。制御部１０は、ＣＰＵとこれを動作させるプログラム、データを記憶する記憶部などにより構成することができる。

上記燃料電池システム１では、チャンバ４に水素吸蔵合金タンク２を装入するとともに、チャンバ４内に経路８を通して水を注入する。チャンバ４は、上記したように、水素吸蔵合金タンク２の装入によって開口部がＯリング４ａで封止される。チャンバ４内に注入された水は、発熱材５と接触し、しばらくすると、ＣａＯ、Ａｌとの間で、以下の反応が生じる。
ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２＋発熱（１５kcal）
２Ａｌ＋３Ｃａ（ＯＨ）_２→３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２↑＋発熱（１５０kcal）

上記反応により、発熱が生じ、チャンバ４内が昇温するとともに、水素が発生する。チャンバ４内の昇温により水素吸蔵合金タンク２表面が加熱され、これに伴って内部の水素吸蔵合金が加熱され、水素吸蔵合金タンク２の内圧が上昇する。これにより、水素吸蔵合金タンク２からの水素の放出が促進される。また、チャンバ４内の水素は、燃料電池３に供給することで、燃料電池３の起動を早める作用を果たす。
上記動作では、電磁開閉弁６１、７１を制御部１０によって制御し、水素の供給を適切化することができる。その手順を図２のフローチャートに基づいて説明する。

制御手順の開始では、作業者によって水素吸蔵合金タンクおよび発熱材をチャンバ４内にセットし、さらに、チャンバ４内に水を注入することで制御が開始される。
上記開始に伴って、第１圧力計６０、第２圧力計７０によって圧力が検出され、検出結果が制御部１０に与えられる。制御部１０では、予め、閾値として１００ｋＰａＧの圧力値が設定されており、測定結果と閾値との比較判定を行う。

測定結果のいずれも閾値を超えない場合、圧力の検出および判定を継続する。
いずれかの測定結果が閾値を越えると、次ステップに移行し、先に検出圧力が閾値を超えた側で電磁開閉弁を開く動作をする。すなわち、第１圧力計６０の測定圧力が先に閾値を越えていれば、電磁開閉弁６１を開け、水素吸蔵合金タンク２から放出された水素を水素供給ライン６を通して燃料電池３に供給する。燃料電池３では、空気中の酸素などの酸化剤と前記水素との反応によって発電が行われる。次いで、第２圧力計７０の測定圧力と閾値とを比較判定し、第２圧力計７０の測定圧力が閾値を越えなければ、該判定を繰り返す。第２圧力計７０の測定圧力が閾値を超えれば、電磁開閉弁７１を開く。これによりチャンバ４内での反応によって生成された水素が水素供給サブライン７を通して燃料電池３への供給が可能になる。水素供給ライン６また水素供給サブライン７から供給される水素は、圧力調整器６３によって適切な圧力に調整されて燃料電池３に供給される。

一方、第２圧力計７０の測定圧力が先に閾値を越えれば、電磁開閉弁７１を開け、チャンバ４内での反応によって生成された水素を水素供給サブライン７を通して燃料電池３に供給する。燃料電池３では、空気中の酸素などの酸化剤と前記水素との反応によって発電が行われる。次いで、第１圧力計６０の測定圧力と閾値とを比較判定し、第１圧力計６０の測定圧力が閾値を越えなければ、該判定を繰り返す。第１圧力計６０の測定圧力が閾値を超えれば、電磁開閉弁６１を開く。これにより水素吸蔵合金タンク２で放出された水素は水素供給ライン６を通して燃料電池３に供給される。水素供給ライン６また水素供給サブライン７から供給される水素は、圧力調整器６３によって適切な圧力に調整されて燃料電池３に供給される。

上記手順により、圧力が所定値を越えたラインのみを開いて水素供給を行うので、燃料電池３に供給するのに適した圧力で水素供給を行うことができ、燃料電池３の起動を確実かつ早期に行うことが可能になる。チャンバ４内の圧力は次第に低下する。
また、水素供給ライン６また水素供給サブライン７は、逆止弁６２、７２を設置しているため、水素が逆流する危険性はない。水素供給サブライン７では、電磁開閉弁７１を開けておけば、チャンバ４の発熱反応が進行して、水素発生量が少なくなると、発熱材と水との反応が終了した時点で系内の圧力は大気圧に戻る。

なお、上記では、電磁開閉弁を制御する制御部を備えるものについて説明をしたが、本発明としては、該制御部を備えず、または制御部による制御をオフにして、第１、第２圧力計の数値を作業者が読み取って、前記閾値に基づいて手動により開閉弁の開閉動作を行っても上記と同様の作用を得ることができる。

以下、この発明の実施例を説明する。なお、この実施例では、図１に示す燃料電池システムを用いた。
使用した発熱剤は、酸化カルシウムとアルミニウムの混合物２０ｇ、注水量は６０ｃｃ、外殻容器は内容積２，０００ｃｃのものを使用した。また、水素吸蔵合金タンクには、図３のＰＣＴ特性を有するＡＢ_５型の水素吸蔵合金を３．１ｋｇ充填した水素貯蔵量が約５００Ｌのタンクを使用した。なお、図３から分かるようにタンクに使用している合金は、−１０℃では圧力が大気圧以下であるため、合金の反応熱の関係からタンクから水素を放出することができない。

図４に上記条件で水素吸蔵合金タンクを加熱したときの結果を示す。試験前条件として、水素吸蔵合金タンクを約６時間、恒温槽で−２０℃に冷却した。発熱材に水を注入後、約２０分でタンク温度が１０℃を超え、それに伴いタンク圧力が０．３ＭＰａになり、水素放出が可能となった。
一方、発熱剤からの水素発生に関しては、
・ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）_２
・２Ａｌ＋３Ｃａ（ＯＨ）_２→３ＣａＯ・ＡｌＯ_３＋３Ｈ_２↑
の反応式より、理論的には発熱材１ｇあたり約５．２Ｌの水素を放出することができた。上記により、低温の環境においても、燃料電池の早期の起動が可能であることが明らかになった。

１燃料電池システム
２水素吸蔵合金タンク
３燃料電池
４チャンバ
５発熱材
６水素供給ライン
６０第１圧力計
６１電磁開閉弁
６２逆止弁
７水素供給サブライン
７０第１圧力計
７１電磁開閉弁
７２逆止弁
１０制御部

Claims

水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクと、該水素吸蔵合金タンクから供給される水素と酸化剤とによって発電を行う燃料電池と、前記水素吸蔵合金タンクと該燃料電池とを通気可能に連結する水素供給ラインと、加水により発熱反応をして前記水素吸蔵合金タンクを加熱するとともに、前記発熱反応において発生する水素を前記燃料電池に供給可能な加水型発熱材と、前記加水型発熱材を密閉可能に収容し、前記水素吸蔵合金タンクの一部を装入可能な開口部を有する有底筒状のチャンバと、該チャンバと前記燃料電池とを通気可能に連結する水素供給サブラインと、を備え、
前記チャンバは、前記チャンバ内に前記水素吸蔵合金タンクの外面壁の一部または全部が露出するように前記開口部を通して前記水素吸蔵合金タンクの一部が装入されて前記開口部が封止され、前記加水型発熱材による内部温度の上昇によって前記水素吸蔵合金タンクを加熱可能であり、前記水素供給ラインは、前記チャンバ外で前記水素吸蔵合金タンクに連結されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記水素供給ラインと、前記水素供給サブラインとにそれぞれ開閉弁が介設され、前記水素供給サブラインにさらに逆止弁が介設されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記水素供給ライン内の圧力を検出する第１圧力センサと、前記水素供給サブライン内の圧力を検出する第２圧力センサとをそれぞれ備え、これら第１圧力センサと第２圧力センサの検出結果を受けて、いずれのラインの圧力も所定圧力に達しない場合、各ラインに設けられた開閉弁を閉じ、いずれか一方のラインの圧力が所定圧力に達すると、該所定圧力が越えたラインに設けられた開閉弁を開いて該ラインを通じた前記燃料電池への水素供給を可能にし、さらに他方のラインの圧力が所定圧力に達すると、該他方のラインに設けられた開閉弁を開いて該ラインを通じた前記燃料電池への水素供給を可能にする制御を行う制御部を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。