JP6556073B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、水素貯蔵材料から放出される水素を燃料ガスに用いた燃料電池システムに関する。
水素を燃料ガスに用いた燃料電池システムにおいて、水素源には、水素ガスタンク、液体水素タンク、水素貯蔵材料を充填したタンクなどが用いられる。これらの内、水素貯蔵材料を充填したタンクは単位体積あたりの水素貯蔵密度が高いので、システムを小型化することができる。そのため、これを用いた燃料電池システムは、特に移動体用のエネルギー源として好適である。しかし、水素貯蔵材料は、適正な水素放出温度があるため、燃料電池システムの始動性が悪いという問題がある。
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、高温型の水素吸蔵合金が内蔵されたメインタンクと、低温型の水素吸蔵合金が内蔵されたサブタンクとを燃料電池に接続した燃料電池装置が開示されている。
同文献には、
（ａ）始動時には、サブタンクから放出される水素を用いて燃料電池の暖機運転を行い、これと同時に燃料電池からの排熱を用いてメインタンクを加熱する点、
（ｂ）メインタンクの圧力が規定値に達した時には、メインタンクから放出される水素を用いて燃料電池の通常運転を行い、これと同時にメインタンクからサブタンクへ水素を充填する点、及び、
（ｃ）これによって、内部エネルギーのみによる暖機運転から通常運転への迅速な移行が可能となる点
が記載されている。
例えば、特許文献１には、高温型の水素吸蔵合金が内蔵されたメインタンクと、低温型の水素吸蔵合金が内蔵されたサブタンクとを燃料電池に接続した燃料電池装置が開示されている。
同文献には、
（ａ）始動時には、サブタンクから放出される水素を用いて燃料電池の暖機運転を行い、これと同時に燃料電池からの排熱を用いてメインタンクを加熱する点、
（ｂ）メインタンクの圧力が規定値に達した時には、メインタンクから放出される水素を用いて燃料電池の通常運転を行い、これと同時にメインタンクからサブタンクへ水素を充填する点、及び、
（ｃ）これによって、内部エネルギーのみによる暖機運転から通常運転への迅速な移行が可能となる点
が記載されている。
また、特許文献２には、単一のタンク内に、常温型の主水素吸蔵合金と、低温型の副水素吸蔵合金を収容した水素貯蔵タンクが開示されている。
同文献には、
（ａ）外部負荷の始動時には、副水素吸蔵合金から水素ガスが放出される点、
（ｂ）外部負荷の運転中は、外部負荷の廃熱によってタンクを加熱する点、及び
（ｃ）外部負荷の停止時には、副水素吸蔵合金が先に水素を吸蔵するため、低温始動が常に可能となる点
が記載されている。
同文献には、
（ａ）外部負荷の始動時には、副水素吸蔵合金から水素ガスが放出される点、
（ｂ）外部負荷の運転中は、外部負荷の廃熱によってタンクを加熱する点、及び
（ｃ）外部負荷の停止時には、副水素吸蔵合金が先に水素を吸蔵するため、低温始動が常に可能となる点
が記載されている。
さらに、特許文献３には、定常運転時に燃料電池に水素を供給する主水素吸蔵合金が収納されたメインタンクと、始動時に燃料電池に水素を供給する補助水素吸蔵合金が収容されたサブタンクとを備えた燃料電池システムが開示されている。
同文献には、このような構成によって、運転開始時等の排熱温度が低い状態であっても、水素ガスを燃料電池に供給できる点が記載されている。
同文献には、このような構成によって、運転開始時等の排熱温度が低い状態であっても、水素ガスを燃料電池に供給できる点が記載されている。
特許文献１、３に記載されているように、高温型の水素吸蔵材料を充填したメインタンクと低温型の水素吸蔵材料を充填したサブタンクとを組み合わせると、外部温度が低い場合であっても外部熱源を用いることなく水素を発生させることができる。そのため、これを燃料電池システムに用いると、システムの始動性が向上する。
しかし、燃料電池システムを常に始動可能の状態とするためには、サブタンクに水素を補給し、システムの停止時においてサブタンクをフル充填の状態に戻す必要がある。メインタンクからサブタンクに水素を補給するためには、メインタンク全体を加熱する必要があり、水素補給開始までに多大な時間と熱を必要とする。そのため、従来のシステムは、低温域において、システムの効率及び利便性が低いという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、水素貯蔵材料から放出される水素を燃料ガスに用いた燃料電池システムにおいて、システムの大型化や高コスト化を招くことなく、システムの始動性を向上させることにある。
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
第１水素貯蔵材料が充填されたメインタンクと、
第２水素貯蔵材料が充填された補給用タンクと、
第３水素貯蔵材料が充填された始動用タンクと、
前記メインタンク、前記補給用タンク、及び前記始動用タンクの内部温度を計測する温度計測手段と、
前記メインタンク又は前記始動用タンクから前記燃料電池への水素の供給、前記メインタンクから前記補給用タンクへの水素の補給、前記補給用タンクから前記始動用タンクへの水素の補給、及び前記始動用タンクから前記メインタンクへの水素の排出を適時に行うための水素供給手段と、
前記燃料電池の排熱を用いて、前記メインタンク及び／又は前記補給用タンクを加熱する熱交換手段と、
前記内部温度に基づき、前記水素供給手段及び前記熱交換手段を制御する制御手段と
を備えている。
（２）前記第１水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ1a、前記第２水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ2a、前記第３水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ3aとした時に、前記平均作動温度は、Ｔ3a＜Ｔ1a＜Ｔ2aの関係を満たす。
（３）前記メインタンクの熱容量をＸ1、前記補給用タンクの熱容量をＸ2とした時に、前記熱容量は、Ｘ2＜Ｘ1の関係を満たす。
（１）前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
第１水素貯蔵材料が充填されたメインタンクと、
第２水素貯蔵材料が充填された補給用タンクと、
第３水素貯蔵材料が充填された始動用タンクと、
前記メインタンク、前記補給用タンク、及び前記始動用タンクの内部温度を計測する温度計測手段と、
前記メインタンク又は前記始動用タンクから前記燃料電池への水素の供給、前記メインタンクから前記補給用タンクへの水素の補給、前記補給用タンクから前記始動用タンクへの水素の補給、及び前記始動用タンクから前記メインタンクへの水素の排出を適時に行うための水素供給手段と、
前記燃料電池の排熱を用いて、前記メインタンク及び／又は前記補給用タンクを加熱する熱交換手段と、
前記内部温度に基づき、前記水素供給手段及び前記熱交換手段を制御する制御手段と
を備えている。
（２）前記第１水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ1a、前記第２水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ2a、前記第３水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ3aとした時に、前記平均作動温度は、Ｔ3a＜Ｔ1a＜Ｔ2aの関係を満たす。
（３）前記メインタンクの熱容量をＸ1、前記補給用タンクの熱容量をＸ2とした時に、前記熱容量は、Ｘ2＜Ｘ1の関係を満たす。
本発明に係る燃料電池システムは、高温作動型のメインタンクと低温作動型の始動用タンクとの間に、補給用タンクを介在させている。補給用タンクは、メインタンクより高い作動温度域を有し、かつメインタンクより熱容量が小さくなっている。そのため、メインタンクから補給用タンク及び始動用タンクへの水素の補給を迅速、かつ、効率的に行うことができる。また、これによって、メインタンクが水素放出可能な温度に達する前に、始動用タンクの水素が枯渇することがない。さらに、始動性を向上させるために、始動用タンクの容量を大きくする必要がないので、システムの大型化や高コスト化を抑制することができる。その結果、低温から高温環境で作動する小型かつ安価なシステムを実現できる。また、低温環境でのシステムの効率、利便性が向上する。
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 燃料電池システム（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概略図を示す。図１において、燃料電池システム１０は、
燃料電池１２と、
第１水素貯蔵材料が充填されたメインタンク１４と、
第２水素貯蔵材料が充填された補給用タンク１６と、
第３水素貯蔵材料が充填された始動用タンク１８と、
メインタンク１４、補給用タンク１６、及び始動用タンク１８の内部温度を計測する温度計測手段（図示せず）と、
燃料電池１２への水素の供給、並びに、各タンク間の水素の補給及び排出を適時に行うための水素供給手段と、
燃料電池１２の排熱を用いて、メインタンク１４及び／又は補給用タンク１６を加熱する熱交換手段と、
各タンクの内部温度に基づき、水素供給手段及び熱交換手段を制御する制御手段（図示せず）と
を備えている。
燃料電池システム１０は、メインタンク１４、補給用タンク１６、及び／又は、始動用タンク１８の内部圧力を計測する圧力計測手段をさらに備えていても良い。
［１． 燃料電池システム（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概略図を示す。図１において、燃料電池システム１０は、
燃料電池１２と、
第１水素貯蔵材料が充填されたメインタンク１４と、
第２水素貯蔵材料が充填された補給用タンク１６と、
第３水素貯蔵材料が充填された始動用タンク１８と、
メインタンク１４、補給用タンク１６、及び始動用タンク１８の内部温度を計測する温度計測手段（図示せず）と、
燃料電池１２への水素の供給、並びに、各タンク間の水素の補給及び排出を適時に行うための水素供給手段と、
燃料電池１２の排熱を用いて、メインタンク１４及び／又は補給用タンク１６を加熱する熱交換手段と、
各タンクの内部温度に基づき、水素供給手段及び熱交換手段を制御する制御手段（図示せず）と
を備えている。
燃料電池システム１０は、メインタンク１４、補給用タンク１６、及び／又は、始動用タンク１８の内部圧力を計測する圧力計測手段をさらに備えていても良い。
［１．１． 燃料電池］
本発明において、燃料電池１２の構造は特に限定されない。本発明は、水素を燃料とするあらゆる燃料電池１２に対して適用することができる。燃料電池１２としては、例えば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池などがある。燃料電池１２は、特に、固体高分子型燃料電池が好ましい。
本発明において、燃料電池１２の構造は特に限定されない。本発明は、水素を燃料とするあらゆる燃料電池１２に対して適用することができる。燃料電池１２としては、例えば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、アルカリ型燃料電池、リン酸型燃料電池などがある。燃料電池１２は、特に、固体高分子型燃料電池が好ましい。
［１．２． メインタンク］
［１．２．１． 熱容量］
メインタンク１４は、第１水素貯蔵材料（図示せず）を充填するためのタンクである。第１水素貯蔵材料には、高温作動型の材料が用いられるため、メインタンク１４には、燃料電池１２と熱交換を行うための熱交換器（図示せず）が設けられている。
メインタンク１４は、定常運転時に燃料電池１２に水素を供給するために用いられる。また、メインタンク１４は、補給用タンク１６（及び、始動用タンク１８）に水素を補給し、システム停止時において補給用タンク１６及び始動用タンク１８をフル充填の状態に回復させるためにも用いられる。そのため、メインタンク１４には、相対的に多量の第１水素貯蔵材料が充填されており、その熱容量Ｘ1は、各タンクの中で最大となっている。
［１．２．１． 熱容量］
メインタンク１４は、第１水素貯蔵材料（図示せず）を充填するためのタンクである。第１水素貯蔵材料には、高温作動型の材料が用いられるため、メインタンク１４には、燃料電池１２と熱交換を行うための熱交換器（図示せず）が設けられている。
メインタンク１４は、定常運転時に燃料電池１２に水素を供給するために用いられる。また、メインタンク１４は、補給用タンク１６（及び、始動用タンク１８）に水素を補給し、システム停止時において補給用タンク１６及び始動用タンク１８をフル充填の状態に回復させるためにも用いられる。そのため、メインタンク１４には、相対的に多量の第１水素貯蔵材料が充填されており、その熱容量Ｘ1は、各タンクの中で最大となっている。
［１．２．２． 第１水素貯蔵材料］
メインタンク１４の作動温度範囲は、定常運転が可能な限りにおいて、特に限定されない。しかし、想定外に環境温度が高くなることもあるので、メインタンク１４の作動温度範囲は、燃料電池システム１０の使用環境温度の高温側に合わせて設定するのが好ましい。換言すれば、第１水素貯蔵材料には、使用環境温度の上限値において、上限の水素圧力が得られる材料を選択するのが好ましい。水素貯蔵材料は、一般に、圧力ウィンドウが設定されると、水素放出能は、温度で一義的に定まる。また、圧力ウィンドウを固定した場合、上限の水素圧力が得られる温度Ｔmaxと、下限の水素圧力が得られる温度Ｔminの差ΔＴ（＝Ｔmax−Ｔmin）の最大値は、材料によらずほぼ一定となる。
メインタンク１４の作動温度範囲は、定常運転が可能な限りにおいて、特に限定されない。しかし、想定外に環境温度が高くなることもあるので、メインタンク１４の作動温度範囲は、燃料電池システム１０の使用環境温度の高温側に合わせて設定するのが好ましい。換言すれば、第１水素貯蔵材料には、使用環境温度の上限値において、上限の水素圧力が得られる材料を選択するのが好ましい。水素貯蔵材料は、一般に、圧力ウィンドウが設定されると、水素放出能は、温度で一義的に定まる。また、圧力ウィンドウを固定した場合、上限の水素圧力が得られる温度Ｔmaxと、下限の水素圧力が得られる温度Ｔminの差ΔＴ（＝Ｔmax−Ｔmin）の最大値は、材料によらずほぼ一定となる。
例えば、圧力ウインドウを０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａに設定した場合、水素貯蔵材料の種類によらずΔＴの最大値は約５０℃となる。そのため、例えば、使用環境温度が−２０℃〜５０℃である場合、第１水素貯蔵材料には、０〜５０℃の作動温度範囲で、０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａの水素圧力が得られる材料を選択するのが好ましい。換言すれば、第１水素貯蔵材料として、最低作動温度Ｔ1minが０℃±１℃である材料を選択するのが好ましい。
ここで、「最低作動温度」とは、下限の水素圧力が得られる温度Ｔminをいう。
なお、本発明において、「水素貯蔵材料の作動温度Ｔ」というときは、異なる材料間で水素吸蔵放出能の大小関係を比較するための温度であって、所定の水素吸蔵放出能が得られる温度をいう。「水素貯蔵材料の作動温度Ｔ」としては、上述した「最低作動温度」の他、例えば、「平均作動温度Ｔa」などがある。
「平均作動温度Ｔa」とは、上限の水素圧力が得られる温度（最高作動温度）Ｔmaxと、下限の水素圧力が得られる温度（最低作動温度）Ｔminの平均値（＝（Ｔmax＋Ｔmin）／２）をいう。
ここで、「最低作動温度」とは、下限の水素圧力が得られる温度Ｔminをいう。
なお、本発明において、「水素貯蔵材料の作動温度Ｔ」というときは、異なる材料間で水素吸蔵放出能の大小関係を比較するための温度であって、所定の水素吸蔵放出能が得られる温度をいう。「水素貯蔵材料の作動温度Ｔ」としては、上述した「最低作動温度」の他、例えば、「平均作動温度Ｔa」などがある。
「平均作動温度Ｔa」とは、上限の水素圧力が得られる温度（最高作動温度）Ｔmaxと、下限の水素圧力が得られる温度（最低作動温度）Ｔminの平均値（＝（Ｔmax＋Ｔmin）／２）をいう。
［１．３． 補給用タンク］
［１．３．１． 熱容量］
補給用タンク１６は、第２水素貯蔵材料（図示せず）を充填するためのタンクである。第２水素貯蔵材料には、高温作動型の材料が用いられるため、補給用タンク１６には、燃料電池１２と熱交換を行うための熱交換器（図示せず）が設けられている。
補給用タンク１６は、始動直後から定常運転に至るまでの過渡期において、始動用タンク１８に水素を補給するために用いられる。補給用タンク１６は、短時間で（すなわち、メインタンク１４よりも先に）水素放出可能な状態にする必要がある。そのため、メインタンク１４の熱容量をＸ1、補給用タンク１６の熱容量をＸ2とした時に、熱容量は、Ｘ2＜Ｘ1の関係を満たしている必要がある。好ましくは、Ｘ2≦０．１Ｘ1である。
なお、補給用タンク１６は、１個のタンクからなるものでも良く、あるいは、複数個のサブタンクが連結しているものでも良い。この点については、後述する。
［１．３．１． 熱容量］
補給用タンク１６は、第２水素貯蔵材料（図示せず）を充填するためのタンクである。第２水素貯蔵材料には、高温作動型の材料が用いられるため、補給用タンク１６には、燃料電池１２と熱交換を行うための熱交換器（図示せず）が設けられている。
補給用タンク１６は、始動直後から定常運転に至るまでの過渡期において、始動用タンク１８に水素を補給するために用いられる。補給用タンク１６は、短時間で（すなわち、メインタンク１４よりも先に）水素放出可能な状態にする必要がある。そのため、メインタンク１４の熱容量をＸ1、補給用タンク１６の熱容量をＸ2とした時に、熱容量は、Ｘ2＜Ｘ1の関係を満たしている必要がある。好ましくは、Ｘ2≦０．１Ｘ1である。
なお、補給用タンク１６は、１個のタンクからなるものでも良く、あるいは、複数個のサブタンクが連結しているものでも良い。この点については、後述する。
［１．３．２． 第２水素貯蔵材料］
補給用タンク１６の作動温度範囲は、メインタンク１４より高温側に設定する。換言すれば、第１水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ1min、第２水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ2minとした時に、最低作動温度は、Ｔ1min＜Ｔ2minの関係を満たしている必要がある。
Ｔ1＜Ｔ2の関係を満たす場合において、補給用タンク１６とメインタンク１４がほぼ等温になった時には、メインタンク１４の内部圧力は、補給用タンク１６より高くなる。そのため、両者を連結すれば、メインタンク１４から補給用タンク１６に水素を補給することができる。例えば、第１水素貯蔵材料のＴ1maxが使用環境温度の上限温度である場合、第２水素貯蔵材料には、Ｔ2maxが使用環境温度の上限温度より高い材料を選択する。
但し、第２水素貯蔵材料のＴ2maxが高くなりすぎると、燃料電池１２の排熱による水素放出ができなくなる。従って、第２水素貯蔵材料のＴ2maxは、燃料電池１２の最大排熱温度以下である必要がある。
補給用タンク１６の作動温度範囲は、メインタンク１４より高温側に設定する。換言すれば、第１水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ1min、第２水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ2minとした時に、最低作動温度は、Ｔ1min＜Ｔ2minの関係を満たしている必要がある。
Ｔ1＜Ｔ2の関係を満たす場合において、補給用タンク１６とメインタンク１４がほぼ等温になった時には、メインタンク１４の内部圧力は、補給用タンク１６より高くなる。そのため、両者を連結すれば、メインタンク１４から補給用タンク１６に水素を補給することができる。例えば、第１水素貯蔵材料のＴ1maxが使用環境温度の上限温度である場合、第２水素貯蔵材料には、Ｔ2maxが使用環境温度の上限温度より高い材料を選択する。
但し、第２水素貯蔵材料のＴ2maxが高くなりすぎると、燃料電池１２の排熱による水素放出ができなくなる。従って、第２水素貯蔵材料のＴ2maxは、燃料電池１２の最大排熱温度以下である必要がある。
上述した条件を満たす限りにおいて、第２水素貯蔵材料の種類は、特に限定されない。例えば、圧力ウインドウを０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａに設定し、かつ、第１水素貯蔵材料の作動温度範囲が０〜５０℃（最低作動温度Ｔ1minが０℃±１℃）である場合、第２水素貯蔵材料には、５〜５５℃の作動温度範囲で、０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａの水素圧力が得られる材料を選択するのが好ましい。換言すれば、第２水素貯蔵材料として、最低作動温度Ｔ2minが５℃±１℃である材料を選択するのが好ましい。
［１．３．３． 理論水素貯蔵量］
補給用タンク１６は、メインタンク１４が水素放出可能な温度となるまでの間、始動用タンク１８の水素が枯渇しないように、始動用タンク１８に水素を補給するためのものである。そのため、補給用タンク１６の理論水素貯蔵量（すなわち、第２水素貯蔵材料の充填量）は、始動用タンク１８の水素の枯渇を防ぐことが可能な量であれば良い。補給用タンク１６の理論水素貯蔵量は大きくても良いが、理論水素貯蔵量を必要以上に大きくすると、かえって始動性が低下する。好適な理論水素貯蔵量については、後述する。
補給用タンク１６は、メインタンク１４が水素放出可能な温度となるまでの間、始動用タンク１８の水素が枯渇しないように、始動用タンク１８に水素を補給するためのものである。そのため、補給用タンク１６の理論水素貯蔵量（すなわち、第２水素貯蔵材料の充填量）は、始動用タンク１８の水素の枯渇を防ぐことが可能な量であれば良い。補給用タンク１６の理論水素貯蔵量は大きくても良いが、理論水素貯蔵量を必要以上に大きくすると、かえって始動性が低下する。好適な理論水素貯蔵量については、後述する。
［１．４． 始動用タンク］
［１．４．１． 熱容量］
始動用タンク１８は、第３水素貯蔵材料（図示せず）を充填するためのタンクである。第３水素貯蔵材料には、低温作動型の材料が用いられるため、始動用タンク１８は、必ずしも熱交換器を必要としないが、熱交換器を設けても良い。また、始動用タンク１８が環境温度に保持されるように、ファン等で始動用タンク１８に外気を供給するのが好ましい。
始動用タンク１８は、始動時に燃料電池１２に水素を供給するために用いられる。始動用タンク１８は、低温作動型の第３水素貯蔵材料が充填されているため、外部熱源が無い場合、あるいは、外部熱源からの熱量が少ない場合であっても、燃料電池１２に水素を供給することができる。そのため、始動用タンク１８の熱容量は、特に限定されない。
［１．４．１． 熱容量］
始動用タンク１８は、第３水素貯蔵材料（図示せず）を充填するためのタンクである。第３水素貯蔵材料には、低温作動型の材料が用いられるため、始動用タンク１８は、必ずしも熱交換器を必要としないが、熱交換器を設けても良い。また、始動用タンク１８が環境温度に保持されるように、ファン等で始動用タンク１８に外気を供給するのが好ましい。
始動用タンク１８は、始動時に燃料電池１２に水素を供給するために用いられる。始動用タンク１８は、低温作動型の第３水素貯蔵材料が充填されているため、外部熱源が無い場合、あるいは、外部熱源からの熱量が少ない場合であっても、燃料電池１２に水素を供給することができる。そのため、始動用タンク１８の熱容量は、特に限定されない。
［１．４．２． 第３水素貯蔵材料］
始動用タンク１８の作動温度範囲は、メインタンク１４より低温側に設定する。換言すれば、第１水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ1min、第３水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ3minとした時に、最低作動温度は、Ｔ3min＜Ｔ1minの関係を満たしている必要がある。
Ｔ3＜Ｔ1の関係を満たしているため、補給用タンク１６及びメインタンク１４の温度が低い場合であっても、燃料電池１２に水素を供給し続けることができる。また、補給用タンク１６及びメインタンク１４の温度が十分に高くなると、補給用タンク１６及びメインタンク１４の内部圧力は、始動用タンク１８より高くなる。そのため、これらを連結すれば、補給用タンク１６（及び、メインタンク１４）から始動用タンク１８に水素を補給することができる。
始動用タンク１８の作動温度範囲は、メインタンク１４より低温側に設定する。換言すれば、第１水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ1min、第３水素貯蔵材料の最低作動温度をＴ3minとした時に、最低作動温度は、Ｔ3min＜Ｔ1minの関係を満たしている必要がある。
Ｔ3＜Ｔ1の関係を満たしているため、補給用タンク１６及びメインタンク１４の温度が低い場合であっても、燃料電池１２に水素を供給し続けることができる。また、補給用タンク１６及びメインタンク１４の温度が十分に高くなると、補給用タンク１６及びメインタンク１４の内部圧力は、始動用タンク１８より高くなる。そのため、これらを連結すれば、補給用タンク１６（及び、メインタンク１４）から始動用タンク１８に水素を補給することができる。
上述した条件を満たす限りにおいて、第３水素貯蔵材料の種類は、特に限定されない。しかし、想定外に環境温度が低くなることもあるので、始動用タンク１８の作動温度範囲は、燃料電池システム１０の使用環境温度の低温側に合わせて設定するのが好ましい。換言すれば、第３水素貯蔵材料には、使用環境温度の下限値において、下限の水素圧力が得られる材料を選択するのが好ましい。
例えば、圧力ウインドウを０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａに設定し、かつ、使用環境温度範囲が−２０〜５０℃である場合、第３水素貯蔵材料には、−２０〜３０℃の作動温度範囲で、０．１ＭＰａ〜０．９ＭＰａの水素圧力が得られる材料を選択するのが好ましい。換言すれば、第３水素貯蔵材料として、最低作動温度Ｔ3minが−２０℃±１℃である材料を選択するのが好ましい。
［１．４．３． 理論水素貯蔵量］
燃料電池システム１０の環境温度は、季節や使用条件などにより大きく変動する。環境温度が想定外に低くなった場合であっても、始動を可能とするためには、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量は大きいほど良い。しかし、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量が大きくなるほど、システムが大型化する。本発明では、この問題を解決するために、メインタンク１４と始動用タンク１８との間に、熱容量の小さな補給用タンク１６を介在させている。この点が、従来とは異なる。
燃料電池システム１０の環境温度は、季節や使用条件などにより大きく変動する。環境温度が想定外に低くなった場合であっても、始動を可能とするためには、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量は大きいほど良い。しかし、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量が大きくなるほど、システムが大型化する。本発明では、この問題を解決するために、メインタンク１４と始動用タンク１８との間に、熱容量の小さな補給用タンク１６を介在させている。この点が、従来とは異なる。
環境温度が多少変動した場合であっても、確実に始動させるためには、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量は、平均的な環境温度（例：２５℃）での始動時に消費される水素量の２倍量が好ましい。補給用タンク１６は、環境温度が想定外に低くなった時に、始動用タンク１８に水素を補給するためのものである。そのため、補給用タンク１６の理論水素貯蔵量をＹ2、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量をＹ3とした時に、理論水素貯蔵量は、Ｙ3／２≦Ｙ2の関係を満たしているのが好ましい。換言すれば、補給用タンク１６の理論水素貯蔵量は、環境温度が想定外に変動した場合であっても、始動用タンク１８の水素充填率を５０％以上に回復させることが可能な量が好ましい。ここで、「水素充填率」とは、理論水素貯蔵量に対する実水素貯蔵量の割合をいう。
一方、Ｙ2が過度に大きくなると、補給用タンク１６が大型化し、熱容量が増大する。従って、Ｙ2≦２Ｙ3が好ましい。
一方、Ｙ2が過度に大きくなると、補給用タンク１６が大型化し、熱容量が増大する。従って、Ｙ2≦２Ｙ3が好ましい。
［１．５． 温度計測手段］
温度計測手段（図示せず）は、メインタンク１４、補給用タンク１６、及び始動用タンク１８の内部温度を計測するためのものである。計測された内部温度は、主として水素や排熱の流れの制御に用いられる。この点については、後述する。
温度計測手段（図示せず）は、メインタンク１４、補給用タンク１６、及び始動用タンク１８の内部温度を計測するためのものである。計測された内部温度は、主として水素や排熱の流れの制御に用いられる。この点については、後述する。
［１．６． 圧力計測手段］
燃料電池システム１０は、メインタンク１４、補給用タンク１６、及び／又は、始動用タンク１８の内部圧力を計測するための圧力計測手段をさらに備えていても良い。計測された内部圧力は、水素や排熱の流れの制御に用いることができる。
特に、燃料電池システム１０は、始動用タンク１８の内部圧力を計測する圧力計測手段２０を備えているのが好ましい。始動用タンク１８の内部温度及び内部圧力がわかると、始動用タンク１８の水素充填率を算出することができる。算出された水素充填率は、熱交換手段の制御に用いることができる。この点については、後述する。
燃料電池システム１０は、メインタンク１４、補給用タンク１６、及び／又は、始動用タンク１８の内部圧力を計測するための圧力計測手段をさらに備えていても良い。計測された内部圧力は、水素や排熱の流れの制御に用いることができる。
特に、燃料電池システム１０は、始動用タンク１８の内部圧力を計測する圧力計測手段２０を備えているのが好ましい。始動用タンク１８の内部温度及び内部圧力がわかると、始動用タンク１８の水素充填率を算出することができる。算出された水素充填率は、熱交換手段の制御に用いることができる。この点については、後述する。
［１．７． 水素供給手段］
水素供給手段は、燃料電池１２への水素の供給、並びに、各タンク間の水素の補給及び排出を適時に行うための手段である。より具体的には、水素供給手段は、
（ａ）メインタンク１４又は始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給、
（ｂ）メインタンク１４から補給用タンク１６への水素の補給、
（ｃ）補給用タンク１６から始動用タンク１８への水素の補給、及び
（ｄ）始動用タンク１８からメインタンク１４への水素の排出
を適時に行うための手段である。
水素供給手段は、燃料電池１２への水素の供給、並びに、各タンク間の水素の補給及び排出を適時に行うための手段である。より具体的には、水素供給手段は、
（ａ）メインタンク１４又は始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給、
（ｂ）メインタンク１４から補給用タンク１６への水素の補給、
（ｃ）補給用タンク１６から始動用タンク１８への水素の補給、及び
（ｄ）始動用タンク１８からメインタンク１４への水素の排出
を適時に行うための手段である。
水素供給手段は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。このような機能を奏するように、燃料電池１２及び各タンクをガス管で繋ぎ、各ガス管に逆止弁、開閉バルブなどの必要な装置を設置する。
図１に示す例において、燃料電池１２とメインタンク１４とは、主ガス管２２で接続されている。主ガス管２２には、燃料電池１２側の位置に、水素調圧弁２４が設けられている。水素調圧弁２４は必ずしも必要ではないが、主ガス管２２に水素調圧弁２４を設けると、燃料電池１２に供給される水素の圧力を一定に保つことができる。水素調圧弁２４の設計下限圧力は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な圧力を設定することができる。図１に示す例では、設計下限圧力は、０．１ＭＰａに設定されている。
主ガス管２２には、メインタンク１４側の位置に、逆止弁２６が設けられている。逆止弁２６は、燃料電池１２からメインタンク１４への水素の逆流を防ぐためのものである。
逆止弁２６の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁２６はメインタンク１４の内部圧力が十分に高くなったところで開弁させるのが好ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの下限値以上に設定するのが好ましい。図１に示す例では、逆止弁２６の設定圧は、水素調圧弁２４の設計下限圧力（例：０．１ＭＰａ）に設定されている。
逆止弁２６の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁２６はメインタンク１４の内部圧力が十分に高くなったところで開弁させるのが好ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの下限値以上に設定するのが好ましい。図１に示す例では、逆止弁２６の設定圧は、水素調圧弁２４の設計下限圧力（例：０．１ＭＰａ）に設定されている。
始動用タンク１８と主ガス管２２とは、バイパス管２８で接続されている。バイパス管２８は、水素調圧弁２４と逆止弁２６の間に接続されている。バイパス管２８には、始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給及び停止を行うための開閉バルブ３０が設けられている。
メインタンク１４と補給用タンク１６とは、タンク間ガス管３２で接続されている。タンク間ガス管３２には、逆止弁３４が設けられている。逆止弁３４は、補給用タンク１６からメインタンク１４への水素の逆流を防ぐためのものである。
逆止弁３４の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁３４はメインタンク１４から補給用タンク１４への水素の補給が可能となった時点で開弁させるのが望ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの下限値未満であっても良い。図１に示す例では、逆止弁３４の設定圧は、環境下限温度（例：−２０℃）でのメインタンク１４の作動圧力（例：０．０３ＭＰａ）に設定されている。
逆止弁３４の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁３４はメインタンク１４から補給用タンク１４への水素の補給が可能となった時点で開弁させるのが望ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの下限値未満であっても良い。図１に示す例では、逆止弁３４の設定圧は、環境下限温度（例：−２０℃）でのメインタンク１４の作動圧力（例：０．０３ＭＰａ）に設定されている。
補給用タンク１６と始動用タンク１８とは、タンク間ガス管３６で接続されている。タンク間ガス管３６には、逆止弁３８が設けられている。逆止弁３８は、始動用タンク１８から補給用タンク１６への水素の逆流を防ぐためのものである。
逆止弁３８の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁３８は補給用タンク１６の内部圧力が十分に高くなったところで開弁させるのが好ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの下限値以上に設定するのが好ましい。図１に示す例では、逆止弁３８の設定圧は、水素調圧弁２４の設計下限圧力（例：０．１ＭＰａ）に設定されている。
逆止弁３８の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁３８は補給用タンク１６の内部圧力が十分に高くなったところで開弁させるのが好ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの下限値以上に設定するのが好ましい。図１に示す例では、逆止弁３８の設定圧は、水素調圧弁２４の設計下限圧力（例：０．１ＭＰａ）に設定されている。
始動用タンク１８とメインタンク１４とは、タンク間ガス管４０で接続されている。タンク間ガス管４０には、メインタンク１４側の位置に、逆止弁４２が設けられている。逆止弁４２は、メインタンク１４から始動用タンク１８への水素の逆流を防ぐためのものであると同時に、始動用タンク１８の内部圧力が過度に高くなった時に、過剰の水素を始動用タンク１８からメインタンク１４に排出するためのものである。
逆止弁４２の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁４２は始動用タンク１８が破損する前に開弁させるのが好ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの上限値以下に設定するのが好ましい。図１に示す例では、逆止弁４２の設定圧は、始動用タンク１８の上限圧力（例：０．９ＭＰａ）に設定されている。
逆止弁４２の設定圧は、目的に応じて最適な圧力を選択することができる。逆止弁４２は始動用タンク１８が破損する前に開弁させるのが好ましいので、その設定圧は予め定められた圧力ウィンドウの上限値以下に設定するのが好ましい。図１に示す例では、逆止弁４２の設定圧は、始動用タンク１８の上限圧力（例：０．９ＭＰａ）に設定されている。
さらに、タンク間ガス管４０には、始動用タンク１８側の位置に、圧力計（圧力計測手段）２０が設けられている。圧力計２０は、始動用タンク１８の内部圧力を計測するためのものである。
［１．８． 熱交換手段］
熱交換手段は、燃料電池１２の排熱を用いて、メインタンク１４及び／又は補給用タンク１６を加熱するための手段である。始動直後においては、補給用タンク１６のみを加熱する。これは、メインタンク１４が適切な作動温度に昇温するまでの間、始動用タンク１８の水素量を枯渇させないためである。
所定時間経過後、熱交換経路を切り替え、メインタンク１４及び補給用タンク１６の双方を加熱する。これは、メインタンク１４及び補給用タンク１６の温度を短時間で等温にするためである。定常運転に移行後は、メインタンク１４及び補給用タンク１６の双方を加熱してもよく、あるいは、メインタンク１４のみを加熱しても良い。
熱交換手段は、燃料電池１２の排熱を用いて、メインタンク１４及び／又は補給用タンク１６を加熱するための手段である。始動直後においては、補給用タンク１６のみを加熱する。これは、メインタンク１４が適切な作動温度に昇温するまでの間、始動用タンク１８の水素量を枯渇させないためである。
所定時間経過後、熱交換経路を切り替え、メインタンク１４及び補給用タンク１６の双方を加熱する。これは、メインタンク１４及び補給用タンク１６の温度を短時間で等温にするためである。定常運転に移行後は、メインタンク１４及び補給用タンク１６の双方を加熱してもよく、あるいは、メインタンク１４のみを加熱しても良い。
熱交換手段は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。このような機能を奏するように、燃料電池１２及び各タンクを水管で繋ぎ、各水管に三方弁、循環ポンプなどの必要な装置を設置する。
図１に示す例において、燃料電池１２内の冷却水路（図示せず）の出口と、補給用タンク１６内の熱交換器（図示せず）の入口側とは、水管４４で接続されている。補給用タンク１６内の熱交換器の出口側と、メインタンク１４内の熱交換器（図示せず）の入口側とは、水管４６で接続されている。メインタンク１４内の熱交換器の出口側と、燃料電池１２内の冷却水路の入口側とは、水管４８で接続されている。
さらに、水管４６と水管４８とは、バイパス水管５０で接続されている。また、水管４６とバイパス水管５０との結合点には、三方弁５２が設けられている。燃料電池１２の冷却水は、循環ポンプ（図示せず）を介して、補給用タンク１６−燃料電池１２の二者間、又は、補給用タンク１６−メインタンク１４−燃料電池１２の三者間を循環する。
さらに、水管４６と水管４８とは、バイパス水管５０で接続されている。また、水管４６とバイパス水管５０との結合点には、三方弁５２が設けられている。燃料電池１２の冷却水は、循環ポンプ（図示せず）を介して、補給用タンク１６−燃料電池１２の二者間、又は、補給用タンク１６−メインタンク１４−燃料電池１２の三者間を循環する。
［１．９． 制御手段］
制御手段は、各タンクの内部温度に基づき、水素供給手段及び熱交換手段を制御するための手段である。水素供給手段及び熱交換手段の制御に際し、各タンクの内部圧力を用いても良い。より具体的には、制御手段は、
（ａ）水素ガスの供給経路の切り替え、及び、
（ｂ）燃料電池１２からの排熱の供給経路の切り替え
を行う。
制御手段は、各タンクの内部温度に基づき、水素供給手段及び熱交換手段を制御するための手段である。水素供給手段及び熱交換手段の制御に際し、各タンクの内部圧力を用いても良い。より具体的には、制御手段は、
（ａ）水素ガスの供給経路の切り替え、及び、
（ｂ）燃料電池１２からの排熱の供給経路の切り替え
を行う。
制御手段は、上述した機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。図１に示す例では、各タンク間の水素の流れは逆止弁によって自動的に制御されるので、制御手段は、少なくとも開閉バルブ３０の開閉タイミングと、三方弁５２の切り替えタイミングを制御する手段を備えていればよい。また、三方弁５２の切り替えタイミングを始動用タンク１８の水素充填率で判定する場合には、制御手段は、始動用タンク１８の内部温度及び内部圧力を用いて、始動用タンク１８の水素充填率を算出する算出手段を備えているものが好ましい。
制御手段は、特に、
（ａ）始動用タンク１８から供給される水素を用いて燃料電池１２を始動させ、
（ｂ）燃料電池１２を始動させた後、燃料電池１２からの排熱を用いて補給用タンク１６を加熱し、
（ｃ）補給用タンク１６の圧力が始動用タンク１８の圧力より高くなった後、補給用タンク１６から始動用タンク１８へ水素を補給し、
（ｄ）一旦減少した始動用タンク１８の水素充填率が予め定められたしきい値以上に回復した後、燃料電池１２からの排熱を用いてメインタンク１４を加熱し、
（ｅ）メインタンク１４と補給用タンク１６との間の温度差が予め定められたしきい値未満となった後、メインタンク１４から補給用タンク１６に水素を補給し、
（ｆ）メインタンク１４の温度が予め定められたしきい値以上になった後、始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給の停止、及びメインタンク１４から燃料電池１２への水素の供給の開始を行い、
（ｇ）始動用タンク１８の内部圧力が予め定められたしきい値以上になった時に、始動用タンク１８からメインタンク１４へ水素を排出する
ことができるように水素供給手段及び熱交換手段を制御するものが好ましい。
（ａ）始動用タンク１８から供給される水素を用いて燃料電池１２を始動させ、
（ｂ）燃料電池１２を始動させた後、燃料電池１２からの排熱を用いて補給用タンク１６を加熱し、
（ｃ）補給用タンク１６の圧力が始動用タンク１８の圧力より高くなった後、補給用タンク１６から始動用タンク１８へ水素を補給し、
（ｄ）一旦減少した始動用タンク１８の水素充填率が予め定められたしきい値以上に回復した後、燃料電池１２からの排熱を用いてメインタンク１４を加熱し、
（ｅ）メインタンク１４と補給用タンク１６との間の温度差が予め定められたしきい値未満となった後、メインタンク１４から補給用タンク１６に水素を補給し、
（ｆ）メインタンク１４の温度が予め定められたしきい値以上になった後、始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給の停止、及びメインタンク１４から燃料電池１２への水素の供給の開始を行い、
（ｇ）始動用タンク１８の内部圧力が予め定められたしきい値以上になった時に、始動用タンク１８からメインタンク１４へ水素を排出する
ことができるように水素供給手段及び熱交換手段を制御するものが好ましい。
［２． 燃料電池システム（１）の運転方法］
図２〜図６に、始動直後から運転停止後までの燃料電池システム１０の運転方法を説明するための概略図を示す。
図２〜図６に、始動直後から運転停止後までの燃料電池システム１０の運転方法を説明するための概略図を示す。
［２．１． 始動］
図２に、始動直後の水素及び排熱の流れの概略図を示す。低温環境下（例：−２０℃〜０℃）で燃料電池システム１０を始動させる場合、環境温度が低すぎるため、メインタンク１４及び補給用タンク１６の内部圧力は低く、所定の圧力の水素を供給することができない。このような場合には、図２に示すように、開閉バルブ３０を空け、始動用タンク１８から供給される水素を用いて燃料電池１２を始動させる。第３水素貯蔵材料の作動温度範囲は、通常、使用環境温度の低温側に設定されているので、外部熱源が無い場合、あるいは、外部熱源からの熱量が少ない場合であっても水素を放出することができる。
図２に、始動直後の水素及び排熱の流れの概略図を示す。低温環境下（例：−２０℃〜０℃）で燃料電池システム１０を始動させる場合、環境温度が低すぎるため、メインタンク１４及び補給用タンク１６の内部圧力は低く、所定の圧力の水素を供給することができない。このような場合には、図２に示すように、開閉バルブ３０を空け、始動用タンク１８から供給される水素を用いて燃料電池１２を始動させる。第３水素貯蔵材料の作動温度範囲は、通常、使用環境温度の低温側に設定されているので、外部熱源が無い場合、あるいは、外部熱源からの熱量が少ない場合であっても水素を放出することができる。
この時、逆止弁２６、３８があるため、始動用タンク１８からメインタンク１４及び補給用タンク１６に水素が流れることはない。また、始動用タンク１８の内部圧力は、通常、上限圧力（例：０．９ＭＰａ）以下であるため、逆止弁４２が開くこともない。
燃料電池１２を始動させた後、冷却水ラインの三方弁５２を燃料電池１２−補給用タンク１６の二者間の熱交換ラインに切り替え、燃料電池１２からの排熱を用いて補給用タンク１６を加熱する。始動直後は、燃料電池１２からの排熱量は少ない。しかし、補給用タンク１６の熱容量Ｘ2はメインタンク１４の熱容量Ｘ1より小さいので、燃料電池１２からの排熱量が少ない場合であっても補給用タンク１６を短時間で加熱することができる。
［２．２． 補給用タンクからの水素の補給］
図３に、補給用タンクから始動用タンクへの水素補給の概略図を示す。補給用タンク１６を加熱すると、やがて補給用タンク１６の温度が所定のしきい値（例：作動温度の下限値）を超え、補給用タンク１６の内部圧力が上昇する。そして、補給用タンク１６と始動用タンク１８の差圧が逆止弁３８の設定圧を超えると、図３に示すように、補給用タンク１６から始動用タンク１８に水素が補給され、補給された水素が燃料電池１２に供給される。そのため、メインタンク１４の加熱が完了する前に始動用タンク１８の水素が枯渇することがない。
図３に、補給用タンクから始動用タンクへの水素補給の概略図を示す。補給用タンク１６を加熱すると、やがて補給用タンク１６の温度が所定のしきい値（例：作動温度の下限値）を超え、補給用タンク１６の内部圧力が上昇する。そして、補給用タンク１６と始動用タンク１８の差圧が逆止弁３８の設定圧を超えると、図３に示すように、補給用タンク１６から始動用タンク１８に水素が補給され、補給された水素が燃料電池１２に供給される。そのため、メインタンク１４の加熱が完了する前に始動用タンク１８の水素が枯渇することがない。
［２．３． メインタンクの加熱］
図４に、メインタンクから補給用タンクへの水素補給の概略図を示す。始動時に水素が消費されるため、始動用タンク１８の水素充填率は一旦減少する。しかし、補給用タンク１６からの水素の補給が開始されると、やがて始動用タンク１８の水素充填率が回復する。始動用タンク１８の水素充填率が所定のしきい値（例：８０％）以上に回復した後、燃料電池１２からの排熱を用いてメインタンク１４を加熱する。この時点では、燃料電池１２からの排熱量も多くなっているので、熱容量Ｘ1の大きなメインタンク１４であっても、短時間で加熱することができる。
図４に、メインタンクから補給用タンクへの水素補給の概略図を示す。始動時に水素が消費されるため、始動用タンク１８の水素充填率は一旦減少する。しかし、補給用タンク１６からの水素の補給が開始されると、やがて始動用タンク１８の水素充填率が回復する。始動用タンク１８の水素充填率が所定のしきい値（例：８０％）以上に回復した後、燃料電池１２からの排熱を用いてメインタンク１４を加熱する。この時点では、燃料電池１２からの排熱量も多くなっているので、熱容量Ｘ1の大きなメインタンク１４であっても、短時間で加熱することができる。
具体的には、図４に示すように、冷却水ラインの三方弁５２を燃料電池１２−補給用タンク１６−メインタンク１４の三者間の熱交換ラインに切り替え、燃料電池１２からの排熱を用いて補給用タンク１６及びメインタンク１４を加熱する。
メインタンク１４と補給用タンク１６との間の温度差が所定のしきい値（例：５℃）未満になり、メインタンク１４と補給用タンク１６の差圧が逆止弁３４の設定圧を超えると、メインタンク１４から補給用タンク１６（及び、始動用タンク１８）に水素が補給される。
メインタンク１４と補給用タンク１６との間の温度差が所定のしきい値（例：５℃）未満になり、メインタンク１４と補給用タンク１６の差圧が逆止弁３４の設定圧を超えると、メインタンク１４から補給用タンク１６（及び、始動用タンク１８）に水素が補給される。
［２．４． 定常運転への移行］
図５に、定常運転移行時の水素及び排熱の流れの概略図を示す。メインタンク１４の温度が所定のしきい値（例：作動温度の下限値）以上になった後、始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給を停止し、かつ、メインタンク１４から燃料電池１２への水素の供給を開始する。
図５に、定常運転移行時の水素及び排熱の流れの概略図を示す。メインタンク１４の温度が所定のしきい値（例：作動温度の下限値）以上になった後、始動用タンク１８から燃料電池１２への水素の供給を停止し、かつ、メインタンク１４から燃料電池１２への水素の供給を開始する。
具体的には、図５に示すように、開閉バルブ３０を閉にする。メインタンク１４の温度が十分に高くなると、メインタンク１４と燃料電池１２の差圧が逆止弁２６の設定圧を超えるので、メインタンク１４から燃料電池１２へ水素が供給される。また、メインタンク１４を用いた定常運転が開始された後も、メインタンク１４−補給用タンク１６−始動用タンク１８間の連通は保たれているので、やがて補給用タンク１６及び始動用タンク１８がフル充填の状態に回復する。
なお、常温から高温環境下（例：０〜５０℃）で燃料電池システム１０を運転する場合には、始動時点においてメインタンク１４は、水素発生可能な状態になっている。このような場合には、図２〜図４の工程を省略し、図５の状態から始動することができる。
［２．５． 始動用タンクの調圧］
図６に、始動用タンク１８からメインタンク１４への水素排出の概略図を示す。燃料電池システム１０の停止中において、環境温度が過度に高くなると、始動用タンク１８の内部圧力が上昇する。始動用タンク１８とメインタンク１４の差圧が逆止弁４２の設定圧（例：０．９ＭＰａ）以上になった時には、図６に示すように、逆止弁４２が開弁し、始動用タンク１８からメインタンク１４へ水素が排出される。
図６に、始動用タンク１８からメインタンク１４への水素排出の概略図を示す。燃料電池システム１０の停止中において、環境温度が過度に高くなると、始動用タンク１８の内部圧力が上昇する。始動用タンク１８とメインタンク１４の差圧が逆止弁４２の設定圧（例：０．９ＭＰａ）以上になった時には、図６に示すように、逆止弁４２が開弁し、始動用タンク１８からメインタンク１４へ水素が排出される。
［３． 燃料電池システム（１）の効果］
本発明に係る燃料電池システム１０は、高温作動型のメインタンク１４と低温作動型の始動用タンク１８との間に、補給用タンク１６を介在させている。補給用タンク１６は、メインタンク１４より高い作動温度域を有し、かつメインタンク１４より熱容量が小さくなっている。そのため、メインタンク１４から補給用タンク１６及び始動用タンク１８への水素の補給を迅速、かつ、効率的に行うことができる。また、これによって、メインタンク１４が水素放出可能な温度に達する前に、始動用タンク１８の水素が枯渇することがない。さらに、始動性を向上させるために、始動用タンク１８の容量を大きくする必要がないので、システムの大型化や高コスト化を抑制することができる。その結果、低温から高温環境で作動する小型かつ安価なシステムを実現できる。また、低温環境でのシステムの効率、利便性が向上する。
本発明に係る燃料電池システム１０は、高温作動型のメインタンク１４と低温作動型の始動用タンク１８との間に、補給用タンク１６を介在させている。補給用タンク１６は、メインタンク１４より高い作動温度域を有し、かつメインタンク１４より熱容量が小さくなっている。そのため、メインタンク１４から補給用タンク１６及び始動用タンク１８への水素の補給を迅速、かつ、効率的に行うことができる。また、これによって、メインタンク１４が水素放出可能な温度に達する前に、始動用タンク１８の水素が枯渇することがない。さらに、始動性を向上させるために、始動用タンク１８の容量を大きくする必要がないので、システムの大型化や高コスト化を抑制することができる。その結果、低温から高温環境で作動する小型かつ安価なシステムを実現できる。また、低温環境でのシステムの効率、利便性が向上する。
［４． 燃料電池システム（２）］
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクが連結した補給用タンクを備えている。この点が第１の実施の形態と異なる。補給用サブタンクは、ガス供給ラインに対して並列接続されていても良く、あるいは、直列接続されていても良い。
その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクが連結した補給用タンクを備えている。この点が第１の実施の形態と異なる。補給用サブタンクは、ガス供給ラインに対して並列接続されていても良く、あるいは、直列接続されていても良い。
その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［４．１． 補給用タンクの構成］
［４．１．１． 並列接続］
図７に、複数個の補給用サブタンクが並列接続された補給用タンクの概略図を示す。図７において、補給用タンク１６ａは、第１補給用サブタンク６２(１)〜第ｎ補給用サブタンク６２(ｎ)（ｎ≧２）が並列に接続されたものからなる。各補給用サブタンク６２（ｋ）（１≦ｋ≦ｎ）は、それぞれ分岐ガス管６４、６６に接続されている。また、分岐ガス管６４、６６は、それぞれ、タンク間ガス管３２、３６に接続されている。
［４．１．１． 並列接続］
図７に、複数個の補給用サブタンクが並列接続された補給用タンクの概略図を示す。図７において、補給用タンク１６ａは、第１補給用サブタンク６２(１)〜第ｎ補給用サブタンク６２(ｎ)（ｎ≧２）が並列に接続されたものからなる。各補給用サブタンク６２（ｋ）（１≦ｋ≦ｎ）は、それぞれ分岐ガス管６４、６６に接続されている。また、分岐ガス管６４、６６は、それぞれ、タンク間ガス管３２、３６に接続されている。
各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)に充填されている第２水素貯蔵材料の最低作動温度Ｔ2min(ｋ)は、それぞれ、Ｔ1min＜Ｔ2min(ｋ)の関係を満たしている。各第２水素貯蔵材料は、Ｔ1min＜Ｔ2min(ｋ)の関係を満たす限りにおいて、それぞれ同一材料であっても良く、あるいは、異種材料であっても良い。
さらに、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の熱容量Ｘ2(ｋ)は、それぞれ、Ｘ2(ｋ)＜Ｘ1の関係を満たしている。なお、熱容量Ｘ2(ｋ)は、必ずしもΣＸ2(ｋ)＜Ｘ1の関係を満たしている必要はない。これは、すべての補給用サブタンク６２(ｋ)を同時に加熱することが必ずしも必要ではなく、Ｘ1より小さい熱容量となる数の補給用サブタンク６２(ｋ)のみを加熱すれば、メインタンク１４を加熱するより速く補給用サブタンク６２(ｋ)を昇温できるためである。
さらに、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の熱容量Ｘ2(ｋ)は、それぞれ、Ｘ2(ｋ)＜Ｘ1の関係を満たしている。なお、熱容量Ｘ2(ｋ)は、必ずしもΣＸ2(ｋ)＜Ｘ1の関係を満たしている必要はない。これは、すべての補給用サブタンク６２(ｋ)を同時に加熱することが必ずしも必要ではなく、Ｘ1より小さい熱容量となる数の補給用サブタンク６２(ｋ)のみを加熱すれば、メインタンク１４を加熱するより速く補給用サブタンク６２(ｋ)を昇温できるためである。
各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の両端には、それぞれ、第ｍ補給用サブタンク６２(ｍ)（ｍ≠ｋ）から第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)への水素の逆流を防ぐための逆止弁６８、６９（逆流防止手段）が設けられている。
なお、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)に、作動温度範囲が同一である第２水素貯蔵材料を充填し、かつ、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)を同一温度に保持する場合、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の内部圧力は等しくなる。このような場合には、逆止弁６８、６９を省略することができる。
なお、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)に、作動温度範囲が同一である第２水素貯蔵材料を充填し、かつ、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)を同一温度に保持する場合、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の内部圧力は等しくなる。このような場合には、逆止弁６８、６９を省略することができる。
さらに、第１補給用サブタンク６２(１)内の熱交換器（図示せず）の入口側は水管４４に接続され、第ｎ補給用サブタンク６２(ｎ)内の熱交換器（図示せず）の出口側は水管４６に接続されている。さらに、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)内の熱交換器（図示せず）の出口側と第（ｋ＋１）補給用サブタンク６２(ｋ＋１)内の熱交換器（図示せず）の入口側とは、それぞれ、タンク間水管７０で接続されている。すなわち、図７に示す例では、すべての第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)を同時に加熱するようになっている。
なお、環境温度によっては、必ずしもすべての第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)を同時に加熱する必要がない場合もある。そのような場合には、熱交換手段は、燃料電池１２と第１補給用サブタンク６２(１)〜第ｎ補給用サブタンク６２(ｎ)の全部又は一部との間で選択的に熱交換する選択熱交換手段をさらに備えているのが好ましい。また、制御手段は、燃料電池１２の排熱を用いて、第１補給用サブタンク６２(１)〜第ｎ補給用サブタンク６２(ｎ)の全部又は一部を選択的に加熱する選択加熱手段をさらに備えているのが好ましい。
具体的には、水管４４及び水管４６に対して各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)を並列に接続し、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)内の熱交換器の入口側又は出口側に開閉バルブを設置すれば良い。そして、開閉バルブを選択的に開閉すれば、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)のいずれか１以上に燃料電池１２からの排熱を供給することができる。
［４．１．２． 直列接続］
図示はしないが、補給用タンクは、複数個の補給用サブタンクが直列接続されたものでも良い。その他の点は、並列接続の場合と同様であるので、説明を省略する。
図示はしないが、補給用タンクは、複数個の補給用サブタンクが直列接続されたものでも良い。その他の点は、並列接続の場合と同様であるので、説明を省略する。
［４．１．３． 理論水素貯蔵量］
直列接続及び並列接続のいずれの場合も、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の理論水素貯蔵量は特に限定されないが、第１の実施の形態と同様の理由から、第１の実施の形態と同様の関係を満たしているのが好ましい。
すなわち、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)（１≦ｋ≦ｎ）の理論水素貯蔵量をＹ2(ｋ)、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量をＹ3とした時に、理論水素貯蔵量は、Ｙ3／２≦ΣＹ2(ｋ)≦２Ｙ3の関係を満たしているのが好ましい。
直列接続及び並列接続のいずれの場合も、各第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)の理論水素貯蔵量は特に限定されないが、第１の実施の形態と同様の理由から、第１の実施の形態と同様の関係を満たしているのが好ましい。
すなわち、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)（１≦ｋ≦ｎ）の理論水素貯蔵量をＹ2(ｋ)、始動用タンク１８の理論水素貯蔵量をＹ3とした時に、理論水素貯蔵量は、Ｙ3／２≦ΣＹ2(ｋ)≦２Ｙ3の関係を満たしているのが好ましい。
［４．２． 燃料電池システム（２）の運転方法］
第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、基本的には、第１の実施の形態と同様にして運転することができる。
但し、本実施の形態においては、選択熱交換手段及び選択加熱手段を用いて、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)のいずれか１以上が、熱交換ラインに選択的に接続される場合がある。その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、基本的には、第１の実施の形態と同様にして運転することができる。
但し、本実施の形態においては、選択熱交換手段及び選択加熱手段を用いて、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)のいずれか１以上が、熱交換ラインに選択的に接続される場合がある。その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［４．３． 燃料電池システム（２）の効果］
第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクの連結体からなる補給用タンク１６ａを備えているので、以下のような効果が得られる。
（１）各サブタンクに作動温度範囲が同一である第２水素貯蔵材料が充填されており、かつ、選択熱交換手段及び選択加熱手段をさらに備えている場合には、始動用タンク１８への水素の補給量を調節することができる。
例えば、環境温度が想定外に低くなった場合には、始動に時間がかかるため、すべてのサブタンクに燃料電池１２の排熱を供給し、水素補給量を増大させることができる。一方、環境温度が相対的に高い場合には、少量の水素補給で定常状態に移行することができる。この場合、必要最小限のサブタンクのみを加熱すれば良いので、短時間でメインタンク１４からの水素供給が可能となる。
第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクの連結体からなる補給用タンク１６ａを備えているので、以下のような効果が得られる。
（１）各サブタンクに作動温度範囲が同一である第２水素貯蔵材料が充填されており、かつ、選択熱交換手段及び選択加熱手段をさらに備えている場合には、始動用タンク１８への水素の補給量を調節することができる。
例えば、環境温度が想定外に低くなった場合には、始動に時間がかかるため、すべてのサブタンクに燃料電池１２の排熱を供給し、水素補給量を増大させることができる。一方、環境温度が相対的に高い場合には、少量の水素補給で定常状態に移行することができる。この場合、必要最小限のサブタンクのみを加熱すれば良いので、短時間でメインタンク１４からの水素供給が可能となる。
（２）各サブタンクに作動温度範囲が同一である第２水素貯蔵材料が充填されており、かつ、選択熱交換手段及び選択加熱手段を備えていない場合には、各サブタンク中の水素貯蔵材料との熱交換が容易になり、水素貯蔵材料の温度を速く所定値まで上昇させることができるという効果が得られる。
（３）各サブタンクに作動温度が異なる第２水素貯蔵材料が充填されており、かつ、選択熱交換手段及び選択加熱手段を備えている場合には、燃料電池の発熱温度の変化に対応して適切なサブタンクのみを選択加熱できるという効果が得られる。
（３）各サブタンクに作動温度が異なる第２水素貯蔵材料が充填されており、かつ、選択熱交換手段及び選択加熱手段を備えている場合には、燃料電池の発熱温度の変化に対応して適切なサブタンクのみを選択加熱できるという効果が得られる。
［５． 燃料電池システム（３）］
本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクが連結した始動用タンクを備えている。この点が第１の実施の形態と異なる。始動用サブタンクは、ガス供給ラインに対して直列接続されていても良く、あるいは、並列接続されていても良い。さらに、本実施の形態に係る燃料電池システムは、第２の実施の形態（すなわち、複数個のサブタンクからなる補給用タンク）と組み合わせても良い。
その他の点については、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクが連結した始動用タンクを備えている。この点が第１の実施の形態と異なる。始動用サブタンクは、ガス供給ラインに対して直列接続されていても良く、あるいは、並列接続されていても良い。さらに、本実施の形態に係る燃料電池システムは、第２の実施の形態（すなわち、複数個のサブタンクからなる補給用タンク）と組み合わせても良い。
その他の点については、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［５．１． 始動用タンクの構成］
［５．１．１． 直列接続］
図８に、複数個の始動用サブタンクが直列接続された始動用タンクの概略図を示す。図８において、始動用タンク１８ａは、第１始動用サブタンク７２(１)〜第ｐ始動用サブタンク７２(ｐ)（ｐ≧２）が直列に接続されたものからなる。各始動用サブタンク７２（ｑ）（１≦ｑ≦ｐ）は、タンク間ガス管７４で接続されている。また、第１始動用サブタンク７２（１）はタンク間ガス管３６に接続され、第ｐ始動用サブタンク７２（ｐ）はバイパス管２８に接続されている。
［５．１．１． 直列接続］
図８に、複数個の始動用サブタンクが直列接続された始動用タンクの概略図を示す。図８において、始動用タンク１８ａは、第１始動用サブタンク７２(１)〜第ｐ始動用サブタンク７２(ｐ)（ｐ≧２）が直列に接続されたものからなる。各始動用サブタンク７２（ｑ）（１≦ｑ≦ｐ）は、タンク間ガス管７４で接続されている。また、第１始動用サブタンク７２（１）はタンク間ガス管３６に接続され、第ｐ始動用サブタンク７２（ｐ）はバイパス管２８に接続されている。
各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に充填されている第３水素貯蔵材料の最低作動温度Ｔ3min(ｑ)は、それぞれ、Ｔ3min(ｑ)＜Ｔ1minの関係を満たしている。さらに、直列接続の場合、水素ガスの流れの上流側（補給用タンク側）にある第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の最低作動温度Ｔ3min(ｑ)と下流側にある第（ｑ＋１）始動用サブタンク７２(ｑ＋１)の最低作動温度Ｔ3min(ｑ＋１)とは、Ｔ3min(ｑ)≧Ｔ3min(ｑ＋１)を満たしているのが好ましい。これは、水素ガスの流れの下流側にあるサブタンクから、優先的に水素を供給するためである。
各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)には、それぞれ、第(ｑ＋１)始動用サブタンク７２(ｑ＋１)から第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)への水素の逆流を防ぐための逆止弁７６（逆流防止手段）が設けられている。逆止弁７６は、第(ｑ＋１)始動用サブタンク７２(ｑ＋１)から放出された水素が第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に吸蔵されるのを防ぐために用いられる。
なお、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に、作動温度範囲が同一である第３水素貯蔵材料を充填する場合、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の内部圧力は等しくなる。このような場合には、逆止弁７６を省略することができる。
なお、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に、作動温度範囲が同一である第３水素貯蔵材料を充填する場合、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の内部圧力は等しくなる。このような場合には、逆止弁７６を省略することができる。
［５．１．２． 並列接続］
図９に、複数個の始動用サブタンクが並列接続された始動用タンクの概略図を示す。図９において、始動用タンク１８ｂは、第１始動用サブタンク７２(１)〜第ｐ始動用サブタンク７２(ｐ)（ｐ≧２）が並列に接続されたものからなる。各始動用サブタンク７２（ｑ）（１≦ｑ≦ｐ）は、それぞれ分岐ガス管７８、８０に接続されている。分岐ガス管７８、８０は、それぞれ、タンク間ガス管３６、バイパス管２８に接続されている。
図９に、複数個の始動用サブタンクが並列接続された始動用タンクの概略図を示す。図９において、始動用タンク１８ｂは、第１始動用サブタンク７２(１)〜第ｐ始動用サブタンク７２(ｐ)（ｐ≧２）が並列に接続されたものからなる。各始動用サブタンク７２（ｑ）（１≦ｑ≦ｐ）は、それぞれ分岐ガス管７８、８０に接続されている。分岐ガス管７８、８０は、それぞれ、タンク間ガス管３６、バイパス管２８に接続されている。
各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に充填されている第３水素貯蔵材料の最低作動温度Ｔ3min(ｑ)は、それぞれ、Ｔ3min(ｑ)＜Ｔ1minの関係を満たしている。各第３水素貯蔵材料は、Ｔ3min(ｑ)＜Ｔ1minの関係を満たす限りにおいて、それぞれ同一材料であっても良く、あるいは、異種材料であっても良い。
さらに、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の出口側には、それぞれ、第ｒ始動用サブタンク７２(ｒ)（ｒ≠ｑ）から第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)への水素の逆流を防ぐための逆止弁７６(逆流防止手段）が設けられている。また、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の入口側には、それぞれ、開閉バルブ８２が設けられている。逆止弁７６及び開閉バルブ８２は、第ｒ始動用サブタンク７２(ｒ)から放出された水素が第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に再吸蔵されるのを防ぐために用いられる。
各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に逆止弁７６及び開閉バルブ８２を設けると、制御手段を介して、第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の全部又は一部をガス供給ラインに選択的に接続することができる。さらに、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に、それぞれ、最低作動温度Ｔ3minが異なる第３水素貯蔵材料が充填される場合には、環境温度に応じて、最適な第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)をガス供給ラインに接続することができる。
なお、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に、作動温度範囲が同一である第３水素貯蔵材料を充填する場合、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の内部圧力は等しくなる。このような場合には、逆止弁７６及び開閉バルブ８２を省略することができる。
なお、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)に、作動温度範囲が同一である第３水素貯蔵材料を充填する場合、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の内部圧力は等しくなる。このような場合には、逆止弁７６及び開閉バルブ８２を省略することができる。
［５．１．３ 理論水素貯蔵量］
直列接続及び並列接続のいずれの場合も、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の理論水素貯蔵量は特に限定されないが、第１の実施の形態と同様の理由から、第１の実施の形態と同様の関係を満たしているのが好ましい。
すなわち、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)（１≦ｋ≦ｎ）の理論水素貯蔵量をＹ2(ｋ)とする。なお、補給用タンク１６が１個のタンクからなる場合（ｎ＝１の場合）には、補給用サブタンク１６の理論水素貯蔵量をＹ2とする。また、第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の理論水素貯蔵量をＹ3(ｑ)とする。この時、理論水素貯蔵量は、ΣＹ3(ｑ)／２≦ΣＹ2(ｋ)≦２ΣＹ3(ｑ)の関係を満たしているのが好ましい。
直列接続及び並列接続のいずれの場合も、各第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の理論水素貯蔵量は特に限定されないが、第１の実施の形態と同様の理由から、第１の実施の形態と同様の関係を満たしているのが好ましい。
すなわち、第ｋ補給用サブタンク６２(ｋ)（１≦ｋ≦ｎ）の理論水素貯蔵量をＹ2(ｋ)とする。なお、補給用タンク１６が１個のタンクからなる場合（ｎ＝１の場合）には、補給用サブタンク１６の理論水素貯蔵量をＹ2とする。また、第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)の理論水素貯蔵量をＹ3(ｑ)とする。この時、理論水素貯蔵量は、ΣＹ3(ｑ)／２≦ΣＹ2(ｋ)≦２ΣＹ3(ｑ)の関係を満たしているのが好ましい。
［５．２． 燃料電池システム（３）の運転方法］
第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、基本的には、第１及び第２の実施の形態と同様にして運転することができる。
但し、本実施の形態においては、制御手段を介して、第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)のいずれか１以上が、ガス供給ラインに選択的に接続される場合がある。その他の点については、第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、基本的には、第１及び第２の実施の形態と同様にして運転することができる。
但し、本実施の形態においては、制御手段を介して、第ｑ始動用サブタンク７２(ｑ)のいずれか１以上が、ガス供給ラインに選択的に接続される場合がある。その他の点については、第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
［５．３． 燃料電池システム（３）の効果］
第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクの連結体からなる始動用タンク１８ａ又は１８ｂを備えているので、以下のような効果が得られる。
（１）各サブタンクに作動温度域が異なる第３水素貯蔵材料が充填されている場合、環境温度によらず、いずれか１以上のサブタンクは、水素発生可能な状態になっている。そのため、環境温度が想定外に低くなった場合であっても、燃料電池システム１０を始動させることができる。
（２）各サブタンクに作動温度域が同一である第３水素貯蔵材料が充填されている場合、始動時における水素発生量を増大させることができる。そのため、始動用タンク１８ａ又は１８ｂの水素が枯渇する前に、メインタンク１４を水素発生可能な状態にすることができる。
第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、複数個のサブタンクの連結体からなる始動用タンク１８ａ又は１８ｂを備えているので、以下のような効果が得られる。
（１）各サブタンクに作動温度域が異なる第３水素貯蔵材料が充填されている場合、環境温度によらず、いずれか１以上のサブタンクは、水素発生可能な状態になっている。そのため、環境温度が想定外に低くなった場合であっても、燃料電池システム１０を始動させることができる。
（２）各サブタンクに作動温度域が同一である第３水素貯蔵材料が充填されている場合、始動時における水素発生量を増大させることができる。そのため、始動用タンク１８ａ又は１８ｂの水素が枯渇する前に、メインタンク１４を水素発生可能な状態にすることができる。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
本発明に係る燃料電池システムは、定置型の発電システム、移動体のエネルギー源等に使用することができる。
１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１４ メインタンク
１６ 補給用タンク
１８ 始動用タンク
１２ 燃料電池
１４ メインタンク
１６ 補給用タンク
１８ 始動用タンク
Claims (11)
- 以下の構成を備えた燃料電池システム。
（１）前記燃料電池システムは、
燃料電池と、
第１水素貯蔵材料が充填されたメインタンクと、
第２水素貯蔵材料が充填された補給用タンクと、
第３水素貯蔵材料が充填された始動用タンクと、
前記メインタンク、前記補給用タンク、及び前記始動用タンクの内部温度を計測する温度計測手段と、
前記メインタンク又は前記始動用タンクから前記燃料電池への水素の供給、前記メインタンクから前記補給用タンクへの水素の補給、前記補給用タンクから前記始動用タンクへの水素の補給、及び前記始動用タンクから前記メインタンクへの水素の排出を適時に行うための水素供給手段と、
前記燃料電池の排熱を用いて、前記メインタンク及び／又は前記補給用タンクを加熱する熱交換手段と、
前記内部温度に基づき、前記水素供給手段及び前記熱交換手段を制御する制御手段と
を備えている。
（２）前記第１水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ1a、前記第２水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ2a、前記第３水素貯蔵材料の平均作動温度をＴ3aとした時に、前記平均作動温度は、Ｔ3a＜Ｔ1a＜Ｔ2aの関係を満たす。
（３）前記メインタンクの熱容量をＸ1、前記補給用タンクの熱容量をＸ2とした時に、前記熱容量は、Ｘ2＜Ｘ1の関係を満たす。 - 前記メインタンク、前記補給用タンク、及び／又は、前記始動用タンクの内部圧力を計測する圧力計測手段をさらに備えた請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、
（ａ）前記始動用タンクから供給される水素を用いて前記燃料電池を始動させ、
（ｂ）前記燃料電池を始動させた後、前記燃料電池からの排熱を用いて前記補給用タンクを加熱し、
（ｃ）前記補給用タンクの圧力が前記始動用タンクの圧力より大きくなった後、前記補給用タンクから前記始動用タンクへ水素を補給し、
（ｄ）一旦減少した前記始動用タンクの水素充填率が予め定められたしきい値以上に回復した後、前記燃料電池からの排熱を用いて前記メインタンクを加熱し、
（ｅ）前記メインタンクと前記補給用タンクとの間の温度差が予め定められたしきい値未満となった後、前記メインタンクから前記補給用タンクに水素を補給し、
（ｆ）前記メインタンクの温度が予め定められたしきい値以上になった後、前記始動用タンクから前記燃料電池への水素の供給の停止、及び前記メインタンクから前記燃料電池への水素の供給の開始を行い、
（ｇ）前記始動用タンクの内部圧力が予め定められたしきい値以上になった時に、前記始動用タンクから前記メインタンクへ水素を排出する
ことができるように前記水素供給手段及び前記熱交換手段を制御するものからなる請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記始動用タンクの内部温度及び内部圧力を用いて、前記始動用タンクの水素充填率を算出する算出手段を備えている請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記補給用タンクの理論水素貯蔵量をＹ2、前記始動用タンクの理論水素貯蔵量をＹ3とした時に、前記理論水素貯蔵量は、Ｙ3／２≦Ｙ2≦２Ｙ3の関係を満たす請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記補給用タンクは、第１補給用サブタンク〜第ｎ補給用サブタンク（ｎ≧２）が並列又は直列に接続されたものからなり、
各第ｋ補給用サブタンク（１≦ｋ≦ｎ）に充填されている前記第２水素貯蔵材料の平均作動温度Ｔ2a(ｋ)は、それぞれ、Ｔ1a＜Ｔ2a(ｋ)の関係を満たし、
前記各第ｋ補給用サブタンクの熱容量Ｘ2(ｋ)は、それぞれ、Ｘ2(ｋ)＜Ｘ1の関係を満たす
請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記熱交換手段は、前記燃料電池と前記第１補給用サブタンク〜前記第ｎ補給用サブタンクの全部又は一部との間で選択的に熱交換する選択熱交換手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の排熱を、前記第１補給用サブタンク〜前記第ｎ補給用サブタンクの全部又は一部に選択的に供給する選択加熱手段をさらに備えた請求項６に記載の燃料電池システム。 - 前記各第ｋ補給用サブタンク（１≦ｋ≦ｎ）には、それぞれ、第ｍ補給用サブタンク（ｍ≠ｋ）から前記第ｋ補給用サブタンクへの水素の逆流を防ぐための逆流防止手段が設けられている請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
- 前記始動用タンクは、第１始動用サブタンク〜第ｐ始動用サブタンク（ｐ≧２）が並列又は直列に接続されたものからなり、
第ｑ始動用サブタンク（１≦ｑ≦ｐ）に充填されている前記第３水素貯蔵材料の平均作動温度Ｔ3a(ｑ)は、それぞれ、Ｔ3a(ｑ)＜Ｔ1aの関係を満たしている
請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記始動用タンクは、第１始動用サブタンク〜第ｐ始動用サブタンク（ｐ≧２）が並列又は直列に接続されたものからなり、
第ｑ始動用サブタンク（１≦ｑ≦ｐ）に充填されている前記第３水素貯蔵材料の平均作動温度Ｔ 3a (ｑ)は、それぞれ、Ｔ 3a (ｑ)＜Ｔ 1a の関係を満たしており、
前記第ｋ補給用サブタンク（１≦ｋ≦ｎ）の理論水素貯蔵量をＹ 2 (ｋ)、前記第ｑ始動用サブタンク（１≦ｑ≦ｐ）の理論水素貯蔵量をＹ 3 (ｑ)とした時に、前記理論水素貯蔵量は、ΣＹ 3 (ｑ)／２≦ΣＹ 2 (ｋ)≦２ΣＹ 3 (ｑ)の関係を満たす請求項６から８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記各第ｑ始動用サブタンクには、それぞれ、第ｒ始動用サブタンク（ｒ≠ｑ）から前記第ｑ始動用サブタンクへの水素の逆流を防ぐための逆流防止手段が設けられている請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。
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