JP6954177B2

JP6954177B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6954177B2
Application number: JP2018032204A
Authority: JP
Inventors: 良介深谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019149250A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、高圧水素タンクから燃料電池スタックに水素を供給する供給路上に水素を減圧膨張させる膨張機を配置する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。

膨張機において、水素が膨張する膨張エネルギを機械的エネルギに変換することにより、システム全体におけるエネルギ変換効率を向上させている。

特開２００３−２１７６４１号公報特開平１０−１３２４１８号公報

上記従来技術の場合でも、燃料電池システム全体のエネルギ変換効率の一層の向上が求められている。

本発明は上記事実を考慮し、膨張機を介して一層効率的にエネルギ変換可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、水素タンクと、前記水素タンクから水素が供給される燃料電池スタックと、前記水素タンクから前記燃料電池スタックに到る水素供給経路上に配置され、前記水素を断熱膨張させる膨張機と、前記膨張機における水素の断熱膨張を機械的エネルギに変換して回収するエネルギ回収デバイスと、前記水素供給経路上で前記膨張機よりも前記水素タンク側に配置され、水素を吸蔵又は放出する水素吸蔵合金と、前記水素供給経路上で前記水素吸蔵合金よりも前記水素タンク側に配置され、前記水素タンクと前記水素吸蔵合金とを連通又は遮断する第１制御弁と、前記水素供給経路上で前記水素吸蔵合金と前記膨張機との間に配置され、前記水素吸蔵合金と前記膨張機とを連通又は遮断する第２制御弁と、前記燃料電池スタック内を通過して熱交換した冷却水が前記水素吸蔵合金を加熱する冷却水循環経路と、を備える。

このように構成された燃料電池システムでは、水素供給経路上に設けられた水素吸蔵合金の上流側に設けられた第１制御弁を開放し、下流側に設けられた第２制御弁を閉塞することによって、水素タンクから供給された水素を水素吸蔵合金に吸蔵させる。

続いて、第１制御弁も閉塞することによって、水素吸蔵合金から水素が放出される。この際、燃料電池スタックを通過して熱交換された冷却水によって水素吸蔵合金は加熱されており、水素吸蔵合金から放出された水素圧力が上昇する。

この状態で第２制御弁を開放することによって、加圧された水素が膨張機に供給され、断熱膨張される。この水素の断熱膨張をエネルギ回収デバイスで機械的エネルギに変換することによりエネルギとして回収している。

このように、水素供給経路上の膨張機の上流側に水素吸蔵合金を配設し、その水素吸蔵合金を燃料電池スタックを通過して熱交換された冷却水で加熱することにより、水素吸蔵合金から放出される水素の圧力を増加させている。この加圧された水素が膨張機に供給されることにより水素の断熱膨張量が増加し、エネルギ回収デバイスで機械的エネルギとして回収される量が増加する。すなわち、システム全体におけるエネルギ回収量が増加する。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、上記構成としたので、膨張機を介して一層効率的にエネルギ変換（回収）することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。第１実施形態に係る燃料電池システムにおける冷却水循環経路の切換制御を示すフローチャートである。第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システムにおける第３制御弁の切換状態説明図である。第２実施形態に係る燃料電池システムにおける冷却水循環経路の切換制御を示すフローチャートである。第３実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。第３実施形態に係る燃料電池システムにおける冷却水循環経路の切換制御を示すフローチャートである。第３実施形態に係る燃料電池システムの冷却水循環経路切換状態を示すブロック構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムにおける冷却水循環経路の切換制御を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて図１、図２を参照して説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、車両に搭載されたものである。

［構成］
燃料電池システム１０は、水素タンク１２Ａ、１２Ｂから燃料電池スタック１４に水素を供給する水素供給経路１６と、燃料電池スタック１４の内部に冷却水を通過させることにより燃料電池スタック１４を冷却する冷却水循環経路１８と、を備える。

先ず、水素供給経路１６について説明する。水素供給経路１６の水素タンク１２Ａ、１２Ｂ側を上流側、燃料電池スタック１４側を下流側とし、上流側から下流側に向かって説明する。

水素タンク１２Ａ、１２Ｂは、図示しない車両に設けられた充填口２０とそれぞれ連通された水素補充経路２２が形成されている。

水素補充経路２２は、充填口２０と水素タンク１２Ａ、１２Ｂの間に電磁切換弁２４が配設されており、充填口２０と水素タンク１２Ａ、１２Ｂのいずれか一方と選択的に連通可能とされている。

なお、電磁切換弁２４と各水素タンク１２Ａ、１２Ｂの間には、それぞれ逆止弁２６Ａ、２６Ｂと開閉弁２８Ａ、２８Ｂが配設されている。なお、充填口２０にも、逆止弁３０が設けられている。

このように、水素補充経路２２が構成されることにより、充填口２０から水素タンク１２Ａ又は水素タンク１２Ｂに選択的に水素が補充可能とされている。

水素供給経路１６には、上流（水素タンク１２Ａ、１２Ｂ）側から下流（燃料電池スタック１４）側に向かって水素吸蔵合金反応器３２（以下、「ＭＨ反応器３２」という）、膨張機３４、熱交換器３６、インジェクタ３８が配設されている。

水素供給経路１６において、水素タンク１２Ａ、１２ＢとＭＨ反応器３２の間には、それぞれ開閉弁４０Ａ、４０Ｂと電磁切換弁４２が設けられており、水素タンク１２Ａ、１２Ｂのいずれか一方からＭＨ反応器３２に水素を供給可能に構成されている。

電磁切換弁４２とＭＨ反応器３２の間には、水素タンク１２Ａ、１２Ｂから供給された高圧な水素を所定の圧力まで減圧する調圧弁４４が設けられている。

さらに、水素供給経路１６において、ＭＨ反応器３２の直ぐ上流側（ＭＨ反応器３２と調圧弁４４との間）には、調圧弁４４とＭＨ反応器３２とを連通又は遮断する開閉弁である第１制御弁４６が配設されている。

また、水素供給経路１６において、ＭＨ反応器３２の直ぐ下流側（ＭＨ反応器３２と膨張機３４との間）には、ＭＨ反応器３２と膨張機３４とを連通又は遮断する開閉弁である第２制御弁４８が配設されている。

さらに、水素供給経路１６において第２制御弁４８の下流側に配設された膨張機３４には、水素の膨張エネルギを機械的エネルギに変換して回収するエネルギ回収デバイス５０が設けられている。

また、水素供給経路１６において膨張機３４の下流側に配設された熱交換器３６は、後述する燃料電池スタック１４で加熱された冷却水と膨張機３４における断熱膨張により冷却された水素が熱交換されるものである。

水素供給経路１６において熱交換器３６の下流側に配設されたインジェクタ３８は、燃料電池スタック１４に供給される水素量を調整するものであり、例えば、電磁式の開閉弁等から構成されている。

燃料電池スタック１４の排出側に配設された気液分離部５２は、燃料電池スタック１４から排出された反応ガスと水素ガスを気体成分と液体成分に分離するものである。

気液分離部５２は、水素ポンプ５４を介して水素供給経路１６のインジェクタ３８の下流側に連通されている。すなわち、水素ポンプ５４の駆動によって気液分離部５２で分離された気体成分中に含まれる水素ガスを再び燃料電池スタック１４に供給する構成である。

また、気液分離部５２で分離された液体成分は、排水弁５６を介して外部には移出される構成である。

次に、冷却水循環経路１８について説明する。

冷却水循環経路１８は、後述するラジエータ５８から燃料電池スタック１４の内部を通過してＭＨ反応器３２に到る第１経路６０と、ＭＨ反応器３２から熱交換器３６に到る第２経路６２と、熱交換器３６からラジエータ５８に到る第３経路６４と、から構成されている。

すなわち、第１経路６０上の燃料電池スタック１４を冷却した（燃料電池スタック１４で加熱された）冷却水は、ＭＨ反応器３２、熱交換器３６、ラジエータ５８で順次冷却され、再び燃料電池スタック１４に戻る構成である。

なお、冷却水循環経路１８には、第１経路６０の燃料電池スタック１４の下流側と第３経路６４とを連通させる第１バイパス６６が設けられている。第１経路６０と第１バイパス６６の分岐位置には、第１電磁切換弁６８が設けられている。第１電磁切換弁６８は、第１経路６０の燃料電池スタック１４側と、ＭＨ反応器３２側又は第１バイパス６６とを選択的に連通させる構成である。

また、冷却水循環経路１８には、第１経路６０における第１電磁切換弁６８の下流側と第２経路６２とを連通させる第２バイパス７０が設けられている。第１経路６０と第２バイパス７０の分岐位置には、第２電磁切換弁７２が設けられている。第２電磁切換弁７２は、第１経路６０の燃料電池スタック１４側と、ＭＨ反応器３２側又は第２バイパス７０とを選択的に連通させる構成である。

さらに、冷却水循環経路１８には、第３経路６４における第１バイパス６６の合流地点よりも下流側と第１経路６０における燃料電池スタック１４の上流側とを連通させる第３バイパス７４が設けられている。第１経路６０と第３バイパス７０の合流位置には、第３電磁切換弁７６が設けられている。第３電磁切換弁７６は、第１経路６０のラジエータ５８側又は第３バイパス７４と、第１経路６０の燃料電池スタック１４側とを選択的に連通させる構成である。

また、第１経路６０上で燃料電池スタック１４と第１電磁切換弁６８の間には、冷却水の温度Ｔ１を検出する第１温度検出センサ７８が配設されている。さらに、第３経路６４上で第１バイパス６６の合流位置と第３バイパス７４の分岐位置との間には、冷却水の温度Ｔ３を検出する第２温度検出センサ８０が配設されている。

制御装置８２は、第１温度検出センサ７８で検出された冷却水の温度Ｔ１、第２温度検出センサ８０で検出された冷却水の温度Ｔ３に基づいて、第１、第２制御弁４６、４８を切換制御すると共に、第１〜第３電磁切換弁６８、７２、７６等を切換制御するものである。

なお、制御装置８２のハードウェア構成は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むＥＣＵを備える。

［作用］
次に、燃料電池システム１０の作用について説明する。

先ず、燃料電池システム１０の駆動が開始されると、水素タンク１２Ａから水素供給経路１６を介して燃料電池スタック１４に水素が供給され、同様に供給された酸素と反応し、電気を生成する。この際、第１制御弁４６、第２制御弁４８のいずれもが開放されている。

この状態で、冷却水循環経路１８で冷却水の循環が開始される。すなわち、冷却水循環経路１８の第１経路６０で燃料電池スタック１４を通過した(燃料電池スタック１４で加熱された）冷却水は、ＭＨ反応器３２に供給される。ＭＨ反応器３２で冷却された冷却水は第２経路６２を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６で熱交換（冷却）された冷却水は、第３経路６４でラジエータ５８に供給される。ラジエータ５８で熱交換（冷却）された冷却水が、第１経路６０で再び燃料電池スタック１４に供給される。このようにして、冷却水循環経路１８で冷却水が循環される。

この際の制御装置８２による燃料電池システム１０の制御について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。

制御装置８２では、先ず、第１温度検出センサ７８で検出された冷却水の温度Ｔ１と、第２温度検出センサ８０で検出された冷却水の温度Ｔ３とが入力される（ステップＳ１０）。

次に、温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１２）。温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低い場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）には、制御装置８２から第１電磁切換弁６８に切換信号が出力され、第１電磁切換弁６８は第１経路６０の燃料電池スタック１４側と第１バイパス６６とを連通させると共に、第１経路６０の第２電磁切換弁７２側と遮断する（ステップＳ１４）。

これにより、冷却水は、燃料電池スタック１４から第３経路６４に直接流れるようになる。すなわち、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低い場合には、冷却水が過度に低温にならないように、ＭＨ反応器３２、熱交換器３６を通過しないようにしたものである。

一方、温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１以上の場合（ステップＳ１２でＮＯ）には、温度Ｔ１が第２閾値Ｔｈ２以下（Ｔｈ１≦Ｔ１≦Ｔｈ２）であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

温度Ｔ１が第２閾値Ｔｈ２以下（Ｔｈ１≦Ｔ１≦Ｔｈ２）である場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）には、制御装置８２から第２電磁切換弁７２に切換信号が出力され、第２電磁切換弁７２は第１経路６０の第１電磁切換弁６８側と第２バイパス７０とを連通させると共に、第１経路６０のＭＨ反応器３２側と遮断する（ステップＳ１８）。

これにより、冷却水は、燃料電池スタック１４から熱交換器３６に直接流れるようになる。すなわち、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１以上第２閾値Ｔｈ２以下（Ｔｈ１≦Ｔ１≦Ｔｈ２）の場合には、冷却水が過度に低温にならないように、ＭＨ反応器３２を通過しないようにしたものである。

一方、温度Ｔ１が第２閾値Ｔｈ２よりも大きい場合（ステップＳ１６でＮＯ）には、制御装置８２から第２電磁切換弁７２に切換信号が出力され、第２電磁切換弁７２は第１経路６０の第１電磁切換弁６８側とＭＨ反応器３２側とを連通させると共に、第２バイパス７０側と遮断する（ステップＳ２０）。

これにより、冷却水は、ＭＨ反応器３２、熱交換器３６を順次経由して流れることになる。これは、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が十分に加熱されているため、ＭＨ反応器３２、熱交換器３６で冷却しても過度に低温にならないと判断しているものである。

この場合には、制御装置８２は、第１制御弁４６を開放したままで第２制御弁４８を閉塞してＭＨ反応器３２の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる。続いて、第１制御弁４６も閉塞する。この際、冷却水循環経路１８の第１経路６０で燃料電池スタック１４から供給された温度Ｔ１の冷却水によりＭＨ反応器３２が加熱されているため、水素吸蔵合金の反応平衡圧力が増加し、水素吸蔵合金から放出された水素圧力が増加する。

続いて、制御装置８２は、第２制御弁４８を開放する。これにより、水素吸蔵合金から放出された水素が膨張機３４に供給される。したがって、膨張機３４に供給される水素流量が増加し、膨張機３４における水素の断熱膨張を機械的エネルギに変換するエネルギ回収デバイス５０で回収されるエネルギ量が増加する。

一方、水素放出したＭＨ反応器３２が吸熱することにより、ＭＨ反応器３２を通過した冷却水は温度Ｔ２（＜Ｔ１）に冷却される。さらに、第２経路６２によって熱交換器３６に供給された冷却水は、断熱膨張された水素と熱交換されることにより温度Ｔ３（＜Ｔ２）に冷却される。

続いて、制御装置８２は、ラジエータ５８の上流側の冷却水の温度Ｔ３が第３閾値Ｔｈ３（＜第１閾値Ｔｈ１）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２２）。

温度Ｔ３が第３閾値Ｔｈ３よりも小さい場合（ステップＳ２２でＹＥＳ）には、第３電磁切換弁７６に切換信号を出力し、第１経路６０の燃料電池スタック１４側と第３バイパス７４側を連通させると共に、第１経路６０のラジエータ５８側と遮断する（ステップＳ２４）。これによって、冷却水がラジエータ５８を通過しなくなるため、冷却水が過度に低温になることが防止される。

一方、温度Ｔ３が第３閾値Ｔｈ３以上の場合（ステップＳ２２でＮＯ）には、現状を維持する。すなわち、第３電磁切換弁７６は、第１経路６０のラジエータ５８側と燃料電池スタック１４側とを連通させている。

これにより、熱交換器３６で冷却された冷却水は、第３経路６４でラジエータ５８に供給されてさらに冷却されて温度Ｔ０（＜Ｔ３）とされた後、燃料電池スタック１４に供給されて燃料電池スタック１４を冷却する。

このように、燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１４に対する水素供給経路１６上で膨張機３４の上流側にＭＨ反応器３２を配置しているため、ＭＨ反応器３２（水素吸蔵合金）が冷却水で加熱されることにより、一層加圧された水素が膨張機３４に供給される。したがって、ＭＨ反応器３２がない場合と比較して、膨張機３４に対する水素供給流量が増加し、膨張機３４からエネルギ回収デバイス５０で回収されるエネルギ量が増加する。すなわち、燃料電池システム１０におけるエネルギ回収効率を向上させることができる。

また、燃料電池システム１０では、冷却水循環経路１８において燃料電池スタック１４の下流側で検出された冷却水の温度Ｔ１と第１閾値Ｔｈ１、第２閾値Ｔｈ２と比較することによって、冷却水循環経路１８を切り換えている。すなわち、冷却水循環経路１８では、冷却水の温度Ｔ１に基づいて、第１バイパス６６を利用することによってＭＨ反応器３２と熱交換器３６に冷却水を流さないことや、第２バイパス７０を利用することによってＭＨ反応器３２に冷却水を流さないことで、燃料電池スタック１４に供給される冷却水の温度を所定範囲内に保つことを可能としている。すなわち、燃料電池スタック１４が過冷却されることを防止して、燃料電池スタック１４が所定の性能を発揮できるようにしている。

さらに、燃料電池システム１０では、冷却水循環経路１８においてラジエータ５８に供給される冷却水の温度Ｔ３を検出し、この温度Ｔ３が第３閾値よりも低い（Ｔ３＜Ｔｈ３（＜Ｔｈ１））場合には、第１バイパス６６と第３バイパス７４を利用してＭＨ反応器３２と熱交換器３６とラジエータ５８に冷却水を流さないことで、燃料電池スタック１４を流入する冷却水温度を所定範囲内に保つ。すなわち、燃料電池スタック１４が過冷却されることを防止して、燃料電池スタック１４が所定の性能を発揮できるようにしている。

以上のように、水素供給経路１６において膨張機３４の上流側にＭＨ反応器３２を配置することによって燃料電池システム１０のエネルギ回収効率を増加させると共に、冷却水の温度が低すぎて燃料電池スタック１４を過冷却するおそれがある場合には、冷却水循環経路１８をＭＨ反応器３２等を通過しないように切り換えることによって、燃料電池スタック１４が所定の性能を発揮できるように制御している。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて図３〜図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成要素、ステップには同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

［構成］
燃料電池システム１００は、図３に示すように、水素供給経路１６において調圧弁４４とインジェクタ３８の間に第４バイパス１０２を設けたものである。分岐位置には、三方弁である第３制御弁１０４が配設されている。

第３制御弁１０４は、図４に示すように、水素供給経路１６の調圧弁４４側と第１制御弁４６側とのみを連通する第１開放状態と、水素供給経路１６の調圧弁４４側と第４バイパス１０２とのみを連通する第２開放状態と、水素供給経路１６の調圧弁４４側と第１制御弁４６側、第４バイパス１０２のいずれとも遮断する遮断状態とを切換可能とされている。

なお、図３に示すように、水素供給経路１６において、第４バイパス１０２との合流位置と熱交換器３６との間には逆止弁１０６が配置されている。

［作用］
次に、燃料電池システム１００の作用について図５のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図５において、第１実施形態と同様のステップについては、同一のステップ番号を付してその詳細な説明は省略している。

制御装置８２では、温度検出センサ７８で検出された燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１よりも低い場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）には、第３制御弁１０４を第２開放状態とする（ステップＳ３０）。これにより、水素供給経路１６では、調圧弁４４から第４バイパス１０２を介してインジェクタ３８に水素が供給される。

一方、ＭＨ反応器３２、膨張機３４には水素が供給されないため、冷却水循環経路１８を流れる冷却水がＭＨ反応器３２と熱交換器３６で熱交換（冷却）されず、冷却水の温度が低すぎて燃料電池スタック１４が過冷却になることが防止される。

一方、冷却水の温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１以上、第２閾値Ｔｈ２以下の場合（ステップＳ１０でＮＯ、ステップＳ１６でＹＥＳ）、制御装置８２は、第３制御弁１０４を第１開放状態とすると共に、第２電磁切換弁７２が切り換えられ冷却水循環経路１８は第２バイパス７０に連通される（ステップＳ３２）。これにより、水素供給経路１６では、調圧弁４４から第３制御弁１０４を介してＭＨ反応器３２、膨張機３４等に水素が供給される。また、冷却水循環経路１８では、燃料電池スタック１４を通過した冷却水が、ＭＨ反応器３２を通過することなく、熱交換器３６に供給される。このように、冷却水が熱交換器３６で冷却されるがＭＨ反応器３２で冷却（熱交換）されないため、冷却水の温度が過度に低下して燃料電池スタック１４を過冷却されることが回避される。

さらに、冷却水の温度Ｔ１が第２閾値Ｔｈ２よりも大きい場合（ステップＳ１０でＮＯ、ステップＳ１６でＮＯ）、制御装置８２は、第３制御弁１０４を第１開放状態とすると共に、第２電磁切換弁７２が切り換えられ冷却水循環経路１８はＭＨ反応器３２に連通される（ステップＳ３４）。これにより、水素供給経路１６では、調圧弁４４から第３制御弁１０４を介してＭＨ反応器３２、膨張機３４等に水素が供給される。また、冷却水循環経路１８では、燃料電池スタック１４を通過した冷却水が、ＭＨ反応器３２を通過して熱交換器３６に供給される。このように、冷却水がＭＨ反応器３２と熱交換器３６で熱交換され、加熱された冷却水を適切な温度まで冷却することができる。

さらに、温度検出センサ８０で検出されたラジエータ５８の上流側における冷却水の温度Ｔ３が第３閾値Ｔｈ３よりも低い場合には、第３制御弁１０４を第２開放状態に切り換え水素供給経路１６の調圧弁４４側と第４バイパス１０２とを連通させると共に、第３電磁切換弁７６を切り換え、第３バイパス７４を冷却水が通過するようにする。

このように、冷却水の温度Ｔ３が第３閾値Ｔｈ３よりも低い場合には、ＭＨ反応器３２、膨張機３４に水素を供給しないことによって、ＭＨ反応器３２、熱交換器３６で冷却水が熱交換しない（冷却されない）ように構成したため、冷却水が過度に冷却されることが防止される。また、第３バイパス７４が利用されているため、ラジエータ５８で冷却水が冷却されることも防止され、燃料電池スタック１４が過冷却されることが防止される。

このように本実施形態の燃料電池システム１００では、水素供給経路１６上に、ＭＨ反応器３２、膨張機３４、熱交換器３６をバイパスする第４バイパス１０２を設けている。したがって、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が非常に低い（Ｔ≦Ｔｈ１）場合には、第４バイパス１０２に水素を流す（ＭＨ反応器３２、膨張機３４に水素を流さない）ことにより、ＭＨ反応器３２、熱交換器３６における冷却水との熱交換（冷却水の冷却）を防止することができる。冷却水の温度Ｔ１が少し低い（Ｔｈ１≦Ｔ≦Ｔｈ２）場合には、ＭＨ反応器３２、膨張機３４に水素を流すものの、冷却水循環経路１８が第２バイパス７０を用いることによりＭＨ反応器３２に冷却水を流さない構成としている。これにより、ＭＨ反応器３２における熱交換を防止して冷却水が過度に冷却されないようにしている。

冷却水の温度Ｔ１が第２閾値Ｔｈ２よりも大きい（Ｔ１＞Ｔｈ２）には、水素をＭＨ反応器３２、膨張機３４に供給すると共に、冷却水をＭＨ反応器３２、熱交換器３６に供給することにより、冷却水をＭＨ反応器３２、熱交換器３６で冷却し、適温に冷却することができる。

この際、冷却水による加熱によりＭＨ反応器３２で水素圧力を高めて膨張機３４に流れる水素流量を増加させているため、エネルギ回収デバイス５０で回収されるエネルギ効率が高まる。

また、膨張機３４の前後の圧力差が減少して膨張機３４の作動が停止しても第３制御弁１０４を切り換えて第４バイパス１０２を用いることで、燃料電池スタック１４に対する水素供給を維持することができる。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて図６〜図８を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成要素、ステップには同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

［構成］
燃料電池システム２００は、図６に示すように、冷却水循環経路１８の第１経路６０と第２経路６２とを連通する第５バイパス２０２を有している。第１経路６０と第５バイパス２０２との分岐位置、第２経路６２と第５バイパス２０２との合流位置には、それぞれ第４電磁切換弁２０４、第５電磁切換弁２０６が配設されている。この第４電磁切換弁２０４は、第１経路６０の上流側と下流側又は第５バイパス２０２とを選択的に連通するものである。第５電磁切換弁２０６は、第２経路６２の上流側又は第５バイパス２０２と第２経路６２の下流（熱交換器３６）側とを選択的に連通するものである。

また、冷却水循環経路１８の第１経路６２において第４電磁切換弁２０４よりも下流側と第３経路６４とを連通する第６バイパス２０８を有している。第１経路６０と第６バイパス２０８との分岐位置、第３経路６４と第６バイパス２０８との合流位置には、それぞれ第６電磁切換弁２１０、第７電磁切換弁２１２が配設されている。この第６電磁切換弁２１０は、第１経路６０の上流側又は第６バイパス２０８と第１経路６０の下流（ＭＨ反応器３２）側とを選択的に連通するものである。第７電磁切換弁２１２は、第３経路６２の上流（熱交換器３６）側と下流側又は第６バイパス２０８とを選択的に連通するものである。

さらに、冷却水循環経路１８の第２経路６２において第５電磁切換弁２０６よりも上流側と第３経路６４において第７電磁切換弁２１２よりも下流側とを連通する第７バイパス２１４を有している。第２経路６２と第７バイパス２１４との分岐位置、第３経路６４と第７バイパス２１４との合流位置には、それぞれ第８電磁切換弁２１６、第９電磁切換弁２１８が配設されている。この第８電磁切換弁２１６は、第２経路６２の上流側と下流側又は第７バイパス２１４とを選択的に連通するものである。第９電磁切換弁２１８は、第３経路６２の上流（熱交換器３６）側又は第７バイパス２１４と第３経路６２の下流側とを選択的に連通するものである。

［作用］
次に、燃料電池システム２００の作用について図７のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図７において、第１実施形態と同様のステップについては、同一のステップ番号を付してその詳細な説明は省略している。

燃料電池システム２００では、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１以上第２閾値Ｔｈ２以下（Ｔｈ１≦Ｔ１≦Ｔｈ２）（ステップＳ１２でＮＯ、ステップＳ１６でＹＥＳ）の場合、第４電磁切換弁２０４、第５電磁切換弁２０６が切り換えられ、第１経路６０の上流側と第２経路６２の下流側が第５バイパス２０２を介して連通される。また、第６電磁切換弁２１０、第７電磁切換弁２１２が切り換えられ、第３経路６４の上流側と第１経路６２の下流側が第６バイパス２０８を介して連通される。さらに、第８電磁切換弁２１６、第９電磁切換弁２１８が切り換えられ、第２経路６２の上流側と第３経路６４の下流側が第７バイパス２１４を介して連通される（ステップＳ４０）。

すなわち、図８に実線で示すように、燃料電池スタック１４を通過した冷却水は、第１経路６０、第５バイパス２０２、第２経路を介して熱交換器３６に供給され、熱交換器３６で熱交換（冷却）される。熱交換器３６で冷却された冷却水は、第３経路６４、第６バイパス２０８、第１経路６０を介してＭＨ反応器３２に供給される。

この際、第１制御弁４６は開放され、第２制御弁４８は閉塞されている。すなわち、熱交換器３６で冷却されることにより、燃料電池スタック１４から直接供給されるよりも低温の冷却水がＭＨ反応器３２に供給されているため、ＭＨ反応器３２における水素吸蔵を促進することができる。

一方、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が第２閾値Ｔｈ２以上（Ｔｈ２≦Ｔ１）（ステップＳ１２でＮＯ、ステップＳ１６でＮＯ）の場合、第４電磁切換弁２０４〜第９電磁切換弁２１８が切り換えられ、第１経路６０〜第３経路６４それぞれの上流側と下流側が連通される（第５バイパス２０２〜第７バイパス２１４が遮断される）（ステップＳ４２）。

したがって、燃料電池スタック１４を通過した冷却水は、第１経路６０を介してＭＨ反応器３２に供給され、次に第２経路６２を介して熱交換器３６に供給され、最後に第３経路６４を介してラジエータ５８に供給される。

この際、第１制御弁４６は閉塞され、第２制御弁４８は閉塞されている。すなわち、燃料電池スタック１４から直接供給されて相対的に温度が高い冷却水をＭＨ反応器３２に供給することにより、ＭＨ反応器３２における水素放出を促進することができる。その後、第２制御弁４８を開放することで、放出された水素を膨張機３４に供給することができる。

このように、燃料電池システム２００では、冷却水の温度Ｔ１に基づいて冷却水循環経路１８の冷却水供給経路を切り換え、熱交換器３６に冷却水を通過させた後にＭＨ反応器３２に供給させる場合と、ＭＨ反応器３２に冷却水を通過させた後に熱交換器３６に通過させる場合とを切り換えている。すなわち、ＭＨ反応器３２に供給される冷却水を温度を変化させている。

この切換タイミングと、ＭＨ反応器３２の水素吸蔵・放出タイミングを同期させることで、ＭＨ反応器３２の水素吸蔵、水素放出を促進して膨張機３４に対する水素供給量を一層増加させ、エネルギ回収デバイス５０によるエネルギ回収効率を一層向上させることができる。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムについて図９及び図１０を参照して説明する。なお、第１〜第３実施形態と同様の構成要素、ステップには同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

［構成］
燃料電池システム３００は、燃料電池システム１００と同様の構成に、燃料電池システム２００と同様の第５バイパス２０２〜第７バイパス２１４が設けられたものである。

［作用］
次に、燃料電池システム３００の作用について図１０のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、図１０において、第１〜第３実施形態と同様のステップについては、同一のステップ番号を付してその詳細な説明は省略している。

燃料電池システム３００は、燃料電池スタック１４を通過した冷却水の温度Ｔ１が第１閾値Ｔｈ１以上（Ｔｈ１≦Ｔ１）（ステップＳ１２でＮＯ）の場合、第３制御弁１０４を第１開放状態としてＭＨ反応器３２、膨張機３４等に水素を供給する。ここで、ＭＨ反応器３２の水素吸蔵タイミングでは、第４電磁切換弁２０４〜第９電磁切換弁２１８を切り換えて熱交換器３６を通過した冷却水をＭＨ反応器３２に供給して水素吸蔵を促進するとともに、水素放出タイミングでは燃料電池スタック１４から直接ＭＨ反応器３２に供給して水素放出を促進している。

すなわち、ＭＨ反応器３２から膨張機３４への水素供給流量を一層増加させてエネルギ回収デバイス５０におけるエネルギ回収率を一層向上させている。

また、自動車の低負荷時等に膨張機３４の上流側と下流側との圧力差が小さく膨張機３４が作動停止した場合でも、第３制御弁１０４を切り換えて第４バイパス１０２を用いることにより、燃料電池スタック１４に対する水素供給を維持することができる。

１０、１００、２００、３００燃料電池システム
１２Ａ、１２Ｂ水素タンク
１４燃料電池スタック
１６水素供給経路
１８冷却水循環経路
３２水素吸蔵合金反応器（水素吸蔵合金）
３４膨張機
４６第１制御弁
４８第２制御弁

Claims

水素タンクと、
前記水素タンクから水素が供給される燃料電池スタックと、
前記水素タンクから前記燃料電池スタックに到る水素供給経路上に配置され、前記水素を断熱膨張させる膨張機と、
前記膨張機における水素の断熱膨張を機械的エネルギに変換して回収するエネルギ回収デバイスと、
前記水素供給経路上で前記膨張機よりも前記水素タンク側に配置され、水素を吸蔵又は放出する水素吸蔵合金と、
前記水素供給経路上で前記水素吸蔵合金よりも前記水素タンク側に配置され、前記水素タンクと前記水素吸蔵合金とを連通又は遮断する第１制御弁と、
前記水素供給経路上で前記水素吸蔵合金と前記膨張機との間に配置され、前記水素吸蔵合金と前記膨張機とを連通又は遮断する第２制御弁と、
前記燃料電池スタック内を通過して熱交換した冷却水が前記水素吸蔵合金を加熱する冷却水循環経路と、
を備える燃料電池システム。