WO2006068227A1

WO2006068227A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2006068227A1
Application number: PCT/JP2005/023607
Authority: WO
Inventors: Hidehito Kubo; Daigoro Mori
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2007-06-24
Also published as: DE112005002944T5; CN101010824A; DE112005002944B4; JP2006179441A; JP5002126B2; US20080044704A1

Abstract

　燃料電池システム１０では、水素吸蔵合金ＭＨ及び熱交換器１８を備える水素貯蔵タンク１２から燃料電池１１に水素が供給される。その際、燃料電池１１を冷却した後の熱媒体を使用して、水素貯蔵タンク１２内の圧力が所定の圧力以上に保持される。制御装置３０は、温度センサ２３からの検出信号に基づき、燃料電池１１に供給される水素の温度が所定温度以下のとき、燃料電池１１を冷却した後の熱媒体が熱交換器１８に供給されるように、第１～第４電磁バルブＶ１～Ｖ４を制御する。

Description

明細書

燃料電池システム技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは、水素吸蔵材を備える水素貯蔵タンクから燃料電池に水素が供給され、燃料電池を冷却した後の熱媒体を用いて水素吸蔵材を加熱し、タンク内の圧力を燃料電池への水素の供給に必要な圧力以上に保持する燃料電池システムに関する。

背景技術

[0002] 近年、地球温暖化を抑制する意識が高まり、車両から排出される二酸化炭素の低減を目的として燃料電池システムを用いた電気自動車や家庭用電源等が開発されている。この燃料電池システムでは、水素貯蔵タンクから燃料電池に燃料ガスとしての水素が供給される。

[0003] 水素を貯蔵、或いは輸送する手段として、ある温度、圧力の条件のもとでは水素を水素化物として吸蔵し、別の温度、圧力の条件のもとでは水素を放出する水素吸蔵合金が着目されている。この水素吸蔵合金を使用すれば、同じ容積のもとでも気体状態と比べてはるかに多くの水素を貯蔵することができる。

[0004] 燃料電池システムでは、燃料電池 (例えば、固体高分子型燃料電池）の発電時に発熱反応を伴うため、燃料電池を冷却する必要がある。また、水素貯蔵タンク内の水素吸蔵合金を使用して燃料電池に水素を供給する際、水素吸蔵合金から水素を放出させるのに吸熱反応を伴うため、タンク内の水素吸蔵合金を加熱する必要もある。

[0005] 例えば、特許文献 1には、燃料電池を冷却する熱媒体循環系が水素吸蔵合金を加熱する熱媒体循環系を兼用している構成が開示されている。同構成によれば、熱媒体の水素貯蔵タンクへの供給を制御することにより、水素貯蔵タンク内の圧力が燃料電池への水素の供給に必要な圧力以上に保持されている。

[0006] また、特許文献 2には、水素貯蔵タンク内の温度に対応する水素吸蔵合金のプラト一圧を超える圧力でタンク内の空隙部に水素ガスを充填することが開示されている。この場合、水素貯蔵タンクに充填される水素の圧力は 25〜50MPaが好ましいとされている。

特許文献 1 :特開平 5— 251105号公報

特許文献 2：特開 2004— 108570号公報

発明の開示

[0007] ところで、水素吸蔵合金に吸蔵された状態と、水素貯蔵タンク内の空間にプラトー圧を超える圧力で充填された状態とで水素を貯蔵するハイブリットタンクの場合、水素の満充填時に水素貯蔵タンク内の圧力がプラトー圧以上に設定されていれば、水素吸蔵合金から水素が放出されることはない。また、水素供給時には、水素貯蔵タンク内の圧力が所定の圧力に調整されており、水素貯蔵タンク内の空間に充填された水素が燃料電池に供給される。その際、燃料電池に供給される水素は断熱膨張して水素の温度が低下する。

[0008] 一方、燃料電池の酸素電極では水素と酸素とが反応して水が生成され、その一部が水蒸気となり、酸素電極から電解質膜を透過して水素電極に侵入することがある。また、固体高分子型燃料電池の場合、電解質膜は水素イオンを通過させるため湿潤状態に保たれている。このような理由から、例えば外気温が氷点下の場合、水素電極に供給される水素の温度が低くなることで、燃料電池の水素反応面に存在する水分が凍結して、水素流路の閉塞を招く虞がある。

[0009] また、燃料電池の通常運転時には冷却媒体の流量や温度を調整して燃料電池の温度が発電効率の良い温度（60〜80°C)に保たれているが、例えば燃料電池が暖気されていない場合、燃料電池に供給される水素の温度が低くなることで、水素反応面の温度が低下して、燃料電池の発電効率を低下させてしまう虞もある。

[0010] 本発明は、以上のような事情に鑑み、燃料電池の運転温度の低下による発電効率の低下を抑制するとともに、水素反応面に存在する水分の凍結及び水素流路の閉塞を防止することの可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

[0011] 上記の課題を解決するため、本発明の第一の態様によれば、タンク本体内に水素吸蔵材を備える水素貯蔵タンクから燃料電池に水素が供給され、燃料電池を冷却した後の熱媒体を用いて水素吸蔵材を加熱し、タンク本体内の圧力を燃料電池への水素の供給に必要な圧力以上に保持する燃料電池システムにおレ、て、水素貯蔵タンク内に設けられる熱交換器と、熱交換器に熱媒体を供給する熱媒流路と、燃料電池に供給される水素の温度を検出する温度検出手段と、熱媒流路に設けられ、燃料電池を冷却した後の熱媒体が熱交換器に供給される状態と、同熱媒体が熱交換器を迂回する状態とに熱媒流路を切換可能な切換手段と、温度検出手段からの信号に基づいて切換手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池に供給される水素の温度が所定温度以下のとき、燃料電池を冷却した後の熱媒体が熱交換器に供給されるように切換手段を制御してレ、る。

[0012] 上記のように構成したことにより、燃料電池に供給される水素の温度に基づいて、燃料電池を冷却した後の熱媒体が熱交換器に供給されて水素貯蔵タンクが加熱される。これにより、燃料電池に供給される水素の温度が低くなりすぎることが防止される。よって、燃料電池の運転温度の低下が抑制されるため、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。また、燃料電池の水素反応面に存在する水分の凍結も回避されるため、水素流路が閉塞することも防止される。

[0013] 上記の燃料電池システムにおいて、所定温度は、燃料電池の水素反応面に存在する水分を凍結させる温度に設定されていることが望ましい。同構成によれば、水素反応面に存在する水分の凍結が回避されるため、水素流路が閉塞することが更に防止される。

[0014] 上記の燃料電池システムにおレ、て、複数本の水素貯蔵タンクを備え、各水素貯蔵タンクから共通の配管を介して燃料電池に水素が供給され、温度検出手段は、配管の各水素貯蔵タンクとの接続部と、燃料電池との間を流れる水素の温度を検出すること力 S望ましい。同構成によれば、各水素貯蔵タンクから燃料電池に供給される水素の温度を 1つの温度検出手段を用レ、て精度良く検出することができる。

[0015] 上記の燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却した後の熱媒体は水素貯蔵タンクの水素出口付近を通過した後に水素吸蔵材に供給されることが望ましい。同構成によれば、水素貯蔵タンクの水素出口付近が水素吸蔵材よりも先に加熱されるため、水素貯蔵タンクから燃料電池に供給される水素を一層効果的に加熱することができる。

[0016] 上記の燃料電池システムにおレ、て、切換手段は、燃料電池を冷却した後の熱媒体が各熱交換器へ順に供給される状態と、同熱媒体が特定の熱交換器に供給される状態とに熱媒流路を切換可能であることが望ましい。同構成によれば、燃料電池システムが複数本の水素貯蔵タンクを備える場合、全ての水素貯蔵タンクを同時に加熱することができ、また、特定の水素貯蔵タンクのみを選択的に加熱することもできる。

[0017] 上記の燃料電池システムにおいて、各水素貯蔵タンクにはバルブが設けられ、制御装置は、燃料電池への水素供給時に各水素貯蔵タンク内の水素の残量を均一化するように各バルブを開閉制御することが望ましい。同構成によれば、各水素貯蔵タンク内の水素の残量がほぼ均一となるため、各水素貯蔵タンク内の水素吸蔵材の加熱、つまり、熱媒体の各熱交換器への供給に関する制御が容易に行える。

[0018] 上記の燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池に供給されている水素貯蔵タンクから所定時間水素が供給されたとき、その水素貯蔵タンクとは別の水素貯蔵タンクから燃料電池に水素が供給されるように、各バルブを開閉制御することが望ましい。同構成によれば、熱媒体の各水素貯蔵タンクへの供給に関する制御がより一層容易に行える。

[0019] 上記の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載されることが望ましい。同構成によれば、例えば外気温等によらず、燃料電池自動車の運転状態を安定化させることができる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]第 1実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

[図 2]第 2実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

[図 3]第 3実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

[図 4]別の実施形態における水素貯蔵タンクの概略断面図。

[図 5]別の実施形態における水素貯蔵タンクの概略断面図。

発明を実施するための最良の形態

[0021] (第 1実施形態）

以下、本発明の第 1実施形態の燃料電池システム 10について図 1を参照して説明する。

[0022] 燃料電池システム 10は、燃料電池 11、 3本の水素貯蔵タンク 12、コンプレッサ 13 及びラジェータ 14を備えている。燃料電池 11、各水素貯蔵タンク 12及びラジェータ 14は、熱媒流路 15を介して相互に接続されている。本実施形態では、熱媒流路 15 を流れる熱媒体として、ロングライフクーラント (LLC)が使用されている。

[0023] 燃料電池 11は、固体高分子型の燃料電池である。燃料電池 11は、各水素貯蔵タンク 12から供給される水素と、コンプレッサ 13から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。燃料電池 11には、その運転時に燃料電池 11を冷却するための熱交換部 11aが設けられている。本実施形態では、この熱交換部 11aが熱媒流路 15の一部を構成している。

[0024] 各水素貯蔵タンク 12はタンク本体 16を備え、そのタンク本体 16内には水素吸蔵用ユニット 17が設けられている。水素吸蔵用ユニット 17は、水素吸蔵材として公知の水素吸蔵合金 MHを備えている。各水素貯蔵タンク 12内には、水素吸蔵合金 MHとの間で熱交換を行う熱交換器 18が設けられている。熱交換器 18は、水素吸蔵合金 M Hとの間で熱交換を効率よく行うために多数のフィン 19を備えてレ、る。本実施形態では、この熱交換器 18が水素吸蔵用ユニット 17の一部を構成すると共に、熱媒流路 1 5の一部も構成している。

[0025] 各水素貯蔵タンク 12は、共通の配管 20を介して燃料電池 11の水素供給ポート 20 bに接続されている。配管 20と各水素貯蔵タンク 12とを接続する接続部 20aには、バルブ 21がそれぞれ設けられている。配管 20において接続部 20aより下流側には調圧弁 22が設けられている。各水素貯蔵タンク 12の満充填時、各水素貯蔵タンク 12 内には、水素吸蔵合金 MHのプラトー領域の圧力（プラトー圧）より高い圧力（例えば、約 35MPa)で水素が充填される。水素供給時には、調圧弁 22によって、燃料電池 11に供給される水素の圧力が所定の圧力（例えば、 0. 3MPa程度）に調整される。また、配管 20において接続部 20aより下流側には、温度検出手段としての温度センサ 23が設けられている。温度センサ 23により、各水素貯蔵タンク 12から燃料電池 11 に供給される水素の温度が検出される。

[0026] 各水素貯蔵タンク 12は、水素充填口 24aを備えた管路 24に接続され、この管路 24 を通じて、例えば水素ステーションから各水素貝宁蔵タンク 12に水素ガスが充填される。各水素貯蔵タンク 12には、逆止弁 25及び圧力センサ 26がそれぞれ設けられている。逆止弁 25により、配管 20を流れる水素が管路 24を通じて各水素貯蔵タンク 12 内に逆流することが防止される。圧力センサ 26により、各水素貯蔵タンク 12内の圧力が検出される。

[0027] コンプレッサ 13は、管路 27を介して燃料電池 11の酸素供給ポート 27aに接続されている。燃料電池 11には、この管路 27を通じてコンプレッサ 13から圧縮空気（酸素）が供給される。コンプレッサ 13は図示しないエアクリーナを備え、清浄化された空気が圧縮された状態で管路 27に吐出される。

[0028] ラジェータ 14付近には、モータ 28の駆動により回転するファン 28aが配置されている。このファン 28aの回転により、ラジェータ 14を通過する熱媒体が冷却される。熱媒流路 15は、燃料電池 11の熱交換部 11aの入口とラジェータ 14の出口とを接続する第 1部分 15aと、熱交換部 11aの出口と各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18の入口とを接続する第 2部分 15bと、各熱交換器 18の出口とラジェータ 14の入口とを接続する第 3部分 15cとを備えている。

[0029] 第 1部分 15aには、ポンプ 29が設けられている。第 1部分 15aのポンプ 29より下流側には、第 1部分 15aから分岐して第 2部分 15bに接続されるバイパス部 15dが設けられている。バイパス部 15dと、第 1部分 15aの分岐部より下流側とには第 1及び第 2 電磁バルブ VI , V2がそれぞれ設けられている。第 1及び第 2電磁バルブ VI , V2によって、ポンプ 29から吐出された熱媒体が熱交換部 11aに供給される状態と、熱交換部 11aを迂回する状態とに切り換えられる。

[0030] 第 2部分 15bにおいて最も上流側の熱交換器 18に対応する分岐部より上流側には、第 2部分 15bから分岐して第 3部分 15cに接続されるバイパス部 15eが設けられている。また、バイパス部 15eと、第 2部分 15bにおいて同熱交換器 18への分岐部とバィパス部 15eへの分岐部との間には、切換手段としての第 3及び第 4電磁バルブ V3 , V4がそれぞれ設けられている。第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4によって、熱交換部 11a又はバイパス部 15dを通過した熱媒体が各熱交換器 18に供給される状態と、各熱交換器 18を迂回する状態とに切換えられる。

[0031] 制御装置 30は、マイクロコンピュータ（図示せず）を備えている。制御装置 30の入力側には、温度センサ 23、各圧力センサ 26がそれぞれ電気的に接続されている。制御装置 30の出力側には、コンプレッサ 13、調圧弁 22、モータ 28、ポンプ 29、バルブ 21、及び第 1〜第 4電磁バルブ VI , V2, V3, V4がそれぞれ電気的に接続されている。コンプレッサ 13、調圧弁 22、モータ 28、ポンプ 29、バルブ 21、第 1〜第 4電磁バルブ VI， V2, V3, V4は、制御装置 30からの指令信号に基づいて制御される。

[0032] 制御装置 30は、燃料電池 11の運転時に、熱媒体が燃料電池 11の熱交換部 11a に供給されるように、第 1及び第 2電磁バルブ VI , V2を制御する。制御装置 30は、温度センサ 23からの検出信号により燃料電池 11に供給される水素の温度を検出し、その温度が所定温度以下であるとき、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18に供給されるように、第 3及び第 4電磁バルブ V3， V4を制御する。本実施形態において、前記所定温度は、燃料電池 11の水素反応面に存在する水分が凍結する温度に設定されている。

[0033] 制御装置 30は、各圧力センサ 26からの検出信号により各水素貯蔵タンク 12内の圧力を検出する。制御装置 30は、タンク本体 16内の圧力が第 1の設定圧力以上であるとき、その水素貯蔵タンク 12に対応するバルブ 21を開くように制御する。また、制御装置 30は、少なくとも一つの水素貯蔵タンク 12内の圧力が第 1の設定圧力未満であるとき、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給されるように、第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を制御する。

[0034] また、制御装置 30は、温度センサ 23からの検出信号に関係なぐ少なくとも一つの水素貯蔵タンク 12内の圧力が水素吸蔵合金 MHのプラトー圧と同じであるとき、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給されるように、第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を制御する。

[0035] 次に、第 1実施形態の燃料電池システム 10の作用について説明する。

[0036] 燃料電池 11では、その周囲の温度が発電に必要な特定の温度以上である場合に始動時力通常運転が行われる一方、設定温度未満の場合には暖機運転後に通常運転が行われる。通常運転時には、各水素貯蔵タンク 12から水素が燃料電池 11のアノード極に供給されると共に、コンプレッサ 13から空気が所定の圧力に加圧された状態で燃料電池 11の力ソード極に供給される。

[0037] 燃料電池 11による発電は、適正温度（約 80°C)で最も効率良く行われるが、その発電時には発熱反応を伴うため、ラジェータ 14で冷却された熱媒体が燃料電池 11の熱交換部 11aに供給される。一方、各水素貯蔵タンク 12内では、水素吸蔵合金 MH 力水素を放出させるのに吸熱反応を伴うため、燃料電池 11を冷却した後の温められた熱媒体が、各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18に供給される。

[0038] 上記の理由により、制御装置 30は、燃料電池 11の通常運転時、熱媒体が熱交換部 11aに供給される状態に、第 1及び第 2電磁バルブ VI， V2を保持するとともに、温度センサ 23からの検出信号と圧力センサ 26からの検出信号とに基づいて第 3及び第 4電磁バルブ V3， V4を切換制御する。制御装置 30は、各水素貯蔵タンク 12内の圧力が第 1の設定圧力未満の場合、水素吸蔵合金 MHの加熱が必要であると判断し、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給される状態に、第 3 及び第 4電磁バルブ V3， V4を切り換える。また、制御装置 30は、全ての水素貯蔵タンク 12内の圧力が第 2の設定圧力以上の場合、水素吸蔵合金 MHの加熱が不要であると判断し、熱媒体が各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18を迂回する状態に第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を切り換える。

[0039] 制御装置 30は、各圧力センサ 26からの検出信号に基づき、各水素貯蔵タンク 12 内の圧力を検出する。制御装置 30は、その圧力が第 1の設定圧力以上である水素貯蔵タンク 12については水素が充填されていると判断し、その水素貯蔵タンク 21に対応するバルブ 21を開く。一方、制御装置 30は、熱媒体による加熱を所定時間継続しても全ての水素貯蔵タンク 12内の圧力が第 1の設定圧力未満である場合、各水素貯蔵タンク 12に水素の充填が必要であると判断し、報知手段 (例えばランプ等の表示部）を駆動させる。

[0040] 各水素貯蔵タンク 12に水素を充填する際、水素ステーションのデイスペンサのカツブラが水素充填口 24aに接続される。そして、水素ステーションの水素カードルと各水素貯蔵タンク 12との圧力差によって、各水素貯蔵タンク 12内に水素が充填される。この場合、各水素貯蔵タンク 12内の水素吸蔵合金 MHに水素を吸蔵させるのに発熱反応を伴うため、水素吸蔵合金 MHを熱媒体により冷却しながら水素の充填を行う必要がある。

[0041] 上記の理由により、制御装置 30は、各水素貯蔵タンク 12への水素の充填時に、熱媒体が燃料電池 11の熱交換部 11aを迂回して第 2部分 15bに供給される状態に、第 1及び第 2電磁バルブ VI, V2を切り換えると共に、第 2部分 15bを流れる熱媒体が各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18に供給される状態に、第 3及び第 4電磁バルブ V3， V4を切り換える。これにより、ラジェータ 14で冷却された熱媒体が各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18に直接供給されるため、各水素貯蔵タンク 12内の水素吸蔵合金 MHを効果的に冷却することができ、水素吸蔵合金 MHへの水素の吸蔵反応を円滑に進行させることができる。

[0042] 水素吸蔵合金 MHのプラトー圧より高ぐかつ各水素貯蔵タンク 12内の温度に対応する水素吸蔵合金 MHの平衡圧より高い状態で各水素貯蔵タンク 12内に水素が満充填されている状態では、各水素貯蔵タンク 12内の空間に充填されている水素が燃料電池 11に供給される。この場合、各水素貯蔵タンク 12内の圧力は、燃料電池 1 1への水素供給に必要な圧力（第 :Lの設定圧力）以上であるが、従来構成の燃料電池システムでは、熱媒体による各水素貯蔵タンク 12の加熱は行われなかった。しかし、本発明によれば、制御装置 30は、各水素貯蔵タンク 12内の圧力が第 1の設定圧力以上であっても、燃料電池 11に供給される水素の温度が所定温度以下の場合、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給される状態に、第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を切り換える。これにより、熱媒体により各水素貯蔵タンク 12 が加熱されるため、燃料電池 11に供給される水素の温度が低くなりすぎることが防止される。

[0043] また、各水素貯蔵タンク 12内の圧力が水素吸蔵合金 MHのプラトー圧とほぼ同じである場合、制御装置 30は、燃料電池 11に供給される水素の温度によらず、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給される状態に、第 3及び第 4 電磁バルブ V3， V4を切り換える。この場合、熱媒体を各熱交換器 18に流し続けたとしても、各水素貯蔵タンク 12内の圧力が急激に高くなることはない。

[0044] 第 1実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

[0045] (1)燃料電池 11に供給される水素の温度が所定温度以下であるとき、制御装置 30 は、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各水素貯蔵タンク 12内の各熱交換器 18 に供給される状態に、第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を制御する。これにより、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給されて各水素貯蔵タンク 12 を加熱することができる。そのため、各水素貯蔵タンク 12から燃料電池 11に供給される水素の温度が低くなりすぎるのが防止される。よって、燃料電池 11の運転温度の低下による発電効率の低下を抑制できると共に、水素反応面に存在する水分の凍結及び水素流路の閉塞を防止できる。

[0046] (2)前記所定温度は、燃料電池 11の水素反応面に存在する水分が凍結する温度に設定されている。これにより、各水素貯蔵タンク 12から供給される水素の温度が、燃料電池 11の水素反応面に存在する水分を凍結させる温度にまでは低下しない。そのため、水素反応面での水分の凍結が回避されるため、燃料電池 11の水素流路が閉塞されずに、燃料電池 11が発電不能な状態になることを防止できる。

[0047] (3)各水素貯蔵タンク 12内の圧力が水素吸蔵合金 MHのプラトー圧である場合、制御装置 30は、燃料電池 11に供給される水素の温度によらず、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に供給されるように、第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を制御する。即ち、充填時に高圧で各水素貯蔵タンク 12の空間に充填された水素が燃料電池 11に供給された後、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が熱交換器 1 8に供給されるように制御される。そのため、温度センサ 23の検出温度に基づいて第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を制御するのに比較して制御が容易になる。

[0048] (4)燃料電池 11には、共通の配管 20を介して各水素貯蔵タンク 12から水素が供給される。また、配管 20において各水素貯蔵タンク 12への接続部 20aより下流側には、燃料電池 11に供給される水素の温度を検出する温度センサ 23が設けられている。同構成によれば、各水素貯蔵タンク 12に温度センサを設ける場合と比較して、燃料電池 11に近レ、位置で温度が検出されることから、燃料電池 11に供給される水素の温度をより一層精度良く検出することができる。

[0049] (5)配管 20において各水素貯蔵タンク 12との接続部 20aより下流側には、燃料電池 11に供給される水素の圧力を調整する調圧弁 22が設けられてレ、る。同構成によれば、各水素貯蔵タンク 12に調圧弁 22を設ける場合と比較して制御を容易に行うことができる。

[0050] (6)各水素貯蔵タンク 12には、バノレブ 21と、各水素貯蔵タンク 12内の圧力を検出する圧力センサ 26とがそれぞれ設けられている。同構成によれば、内部圧力が第 1 の設定圧力未満である水素貯蔵タンク 12のバルブ 21のみを閉じることによって、先に特定の水素貯蔵タンク 12が空に近くなつた場合でも、支障なく他の水素貯蔵タンク 12から水素を燃料電池 11に供給することができる。

[0051] (7)各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18への熱媒体の供給は、第 3及び第 4電磁バノレブ V3， V4により全ての水素貯蔵タンク 12に対して熱媒体の供給を行うか、供給を停止するかで制御されるため、各水素貯蔵タンク 12に第 3及び第 4電磁バルブ V3, V4を設ける場合に比較して制御を容易に行うことができる。

[0052] (8)各水素貯蔵タンク 12に水素が満充填されている状態で、タンク本体 16内におレ、て水素吸蔵合金 MHが占有してレ、なレ、空間には、水素吸蔵合金 MHのプラトー圧より高ぐかつ水素吸蔵合金 MHの平衡圧より高い圧力で水素が充填されている。これにより、水素吸蔵合金 MHのプラトー圧で水素が充填されている水素貯蔵タンク 1 2と比較して、水素貯蔵タンク 12の水素貯蔵量を増加させることができる。

(第 2実施形態）

次に、本発明の第 2実施形態の燃料電池システム 10について図 2を参照して説明する。第 2実施形態における第 1実施形態と同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

[0053] 図 2に示すように、各水素貯蔵タンク 12では、水素充填口と水素出口とがタンク本体 16の対向する端部 12a, 12bにそれぞれ設けられている。各水素貯蔵タンク 12では、熱媒体の入口及び出口と水素出口とが、タンク本体 16の同じ端部 12aにそれぞれ設けられている。配管 20は、接続部 20aを介して各水素貯蔵タンク 12の水素出口側の端部 12aに接続されている。各接続部 20aには、各水素貯蔵タンク 12内の圧力を検出する圧力センサ 26が設けられている。

[0054] 第 1実施形態の各水素貯蔵タンク 12では、熱交換器 18に供給された熱媒体が水素吸蔵合金 MHを加熱した後に，端部 12aの水素出口付近を加熱するため、水素吸蔵合金 MHの加熱により熱媒体力熱が奪われてしまレ、、端部 12aの水素出口付近の水素ガスの加熱が十分に行われない場合がある。しかし、本実施形態によれば、各水素貯蔵タンク 12の水素出口付近が水素吸蔵合金 MHよりも先に加熱されるため、水素出口付近の水素ガスの加熱を十分に行うことができる。

[0055] 第 2実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

[0056] (9)熱交換器 18に供給される熱媒体は、各水素貯蔵タンク 12の端部 12aの水素出口付近を加熱した後に水素吸蔵合金 MHを加熱する。これにより、各水素貯蔵タンク

12の水素出口付近では十分な加熱が行われるため、各水素貯蔵タンク 12から燃料電池 11に供給される水素が加熱され易くなる。

[0057] (10)各水素貯蔵タンク 12では、水素充填口と水素出口とがタンク本体 16の対向する端部 12a, 12bにそれぞれ設けられているため、各水素貯蔵タンク 12の口金の径を小さくすることができる。

(第 3実施形態）

次に、本発明の第 3実施形態の燃料電池システム 10について図 3を参照して説明する。第 3実施形態における第 1及び第 2実施形態と同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

[0058] 熱媒流路 15には、第 1実施形態で示す第 2部分 15bに代えて、熱交換部 11aの出口とラジェータ 14の入口とを接続する第 6部分 15fが設けられている。各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18の入口は、第 6部分 15fから分岐した第 7部分 15gにそれぞれ接続されている。第 6部分 15fにおいて、各第 7部分 15gとの各分岐部には、切換手段としての電磁三方弁 31がそれぞれ設けられている。また、各水素貯蔵タンク 12の熱交換器 18の出口は、第 6部分 15fから分岐した第 8部分 15hにそれぞれ接続されている。各電磁三方弁 31は制御装置 30に接続されており、制御装置 30から出力される指令信号に基づいて、第 6部分 15fを流れる熱媒体が熱交換器 18の入口に供給される状態 (第 1の状態）と、分岐部よりも下流側の第 6部分 15fに熱媒体が供給される状態（第 2の状態）とに切換えられる。本実施形態では、各電磁三方弁 31によつて、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が各熱交換器 18に順に供給される状態、及び、選択された一つ又は二つの熱交換器 18に熱媒体が供給される状態のいずれか一方に切換えられる。また、各水素貯蔵タンク 12には、タンク本体 16内に充填されてレ、る水素の温度を検出する温度センサ 23がそれぞれ設けられている。

[0059] 次に、第 3実施形態の燃料電池システム 10の作用について説明する。 [0060] 先ず、制御装置 30は、温度センサ 23の検出信号及び圧力センサ 26の検出信号に基づいて、加熱を必要とする水素貯蔵タンク 12が存在しているのであればこれを選択する。次に、制御装置 30は、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が選択された水素貯蔵タンク 12内の熱交換器 18に供給されるように各電磁三方弁 31を切り換える。このように各電磁三方弁 31が切換えられた場合、加熱が必要な水素貯蔵タンク 1 2と対応する電磁三方弁 31が第 1の状態に保持されると共に、加熱が不要な水素貯蔵タンク 12と対応する電磁三方弁 31が第 2の状態に保持される。

[0061] 第 3実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

[0062] (11)制御装置 30は、加熱が必要な水素貯蔵タンク 12を選択し、その選択された水素貯蔵タンク 12内の熱交換器 18にのみ、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が供給されるように各電磁三方弁 31を制御する。これにより、加熱を必要とする水素貯蔵タンク 12内の水素吸蔵合金 MH及び水素の加熱が効率良く行われるため、燃料電池 11に供給される水素の温度を前記各実施形態と比較して短時間で上昇させること力 Sできる。

[0063] (12)熱媒体はラジェータ 14で冷却された後、各電磁三方弁 31によって、各水素貯蔵タンク 12を順に通過するカ或いは、選択された水素貯蔵タンク 12のみを通過するかが切り換えられる。この場合、各水素貯蔵タンク 12の温度センサ 23及び圧力センサ 26の検出信号に基づいて、各水素貯蔵タンク 12内の状態を適正な状態とするように熱媒体の移動経路を変更することができる。よって、各水素貯蔵タンク 12内の水素吸蔵合金 MHの加熱及び冷却を適正に、かつ容易に行うことができる。

[0064] なお、前記各実施形態は以下のように変更してもよい。

[0065] ·第 2実施形態において、熱交換器 18の構成を図 4に示す構成に変更してもよい。

図 4に示すように、熱交換器 18を構成する熱媒管 18aは、水素吸蔵用ユニット 17の外側に沿って延びた後、水素出口近傍から水素吸蔵用ユニット 17内に揷通され、水素出口の反対側で折り返して水素吸蔵用ユニット 17を貫通し、再び水素吸蔵用ュニット 17の外側に沿って延びるように形成されている。この場合、水素吸蔵合金 MHを加熱する前にタンク本体 16内の水素が加熱されるため、各水素貯蔵タンク 12から燃料電池 11に供給される水素が加熱され易くなる。 [0066] ·また、第 2実施形態において、熱交換器 18の構成を図 5に示す構成に変更してもよレ、。図 5に示すように、水素貯蔵タンク 12内には、水素吸蔵用ユニット 17を加熱する熱交換器 18とは別に、タンク本体 16内の空間を満たす水素を加熱する熱交換器 3 2が設けられている。この場合、熱交換器 32を流れる熱媒体が水素の加熱にのみ使用されるため、図 4の構成に比較して、水素貯蔵タンク 12内の水素を効率良く加熱すること力 Sできる。

[0067] ·前記各実施形態において、水素の温度を検出する温度センサ 23を燃料電池 11 に設けてもよい。また、温度検出手段としての温度センサ 23に代えて、燃料電池 11 の力ソード極（空気極）とアノード極 (水素極）との温度差を検知する構成を採用してもよい。

[0068] ·前記各実施形態において、燃料電池 11を冷却した後の熱媒体が熱交換器 18に供給されるか否かを判断するための前記所定温度は、燃料電池 11の水素反応面に存在する水分を凍結させる温度より高い温度（例えば、 5〜： 10°C)であってもよい。

[0069] ·前記各実施形態において、タンク本体 16内の圧力が第 1の設定圧力以上である全ての水素貯蔵タンク 12から水素を燃料電池 11に対して同時に供給する構成に代えて、各水素貯蔵タンク 12から順次水素を供給する構成としてもよい。例えば、各水素貯蔵タンク 12から水素が供給された時間を制御装置 30のメモリに記憶し、その供給時間が所定時間を経過する毎に、燃料電池 11に供給される水素貯蔵タンク 12を順次切り換えるようにしてもょレ、。

[0070] ·前記各実施形態において、各水素貯蔵タンク 12に対応する分岐配管毎にバルブを設け、各水素貯蔵タンク 12に対して 1本ずつ順に水素ガスが充填されるようにしてあよい。

[0071] ·前記各実施形態において、水素貯蔵タンク 12内に水素ガスが満充填されているときの圧力は 35MPaより大きくても、小さくてもよレ、。但し、水素貯蔵タンク 12がハイブリツドタンクの場合、水素貯蔵タンク 12内の満充填時の圧力は 5MPa以上が好ましレ、。

[0072] ·前記各実施形態において、燃料電池 11は、例えばリン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等であってもよぐまた、熱媒体は、例えば水等の流体であってもよい。 [0073] '前記各実施形態において、第 1〜第 4電磁バルブ VI , V2, V3, V4をそれぞれ電磁三方弁に変更してもよい。水素貯蔵タンク 12の本数は 3本に限らず、 2本以下又は 4本以上であってもよレ、。

[0074] ·前記各実施形態において、水素吸蔵合金 MHを、例えば、活性炭素繊維や単層カーボンナノチューブ等の水素吸蔵材に変更してもよい。また、燃料電池システム 10 は、燃料電池自動車用に代えて、例えば、車両以外の移動体用の燃料電池システムゃ、家庭用のコジェネレーションシステムに搭載されてもよい。

Claims

請求の範囲

[1] タンク本体内に水素吸蔵材を備える水素貯蔵タンクから燃料電池に水素が供給され

、前記燃料電池を冷却した後の熱媒体を用いて前記水素吸蔵材を加熱し、前記タンク本体内の圧力を前記燃料電池への水素の供給に必要な圧力以上に保持する燃料電池システムにおレ、て、

前記水素貯蔵タンク内に設けられる熱交換器と、

前記熱交換器に前記熱媒体を供給する熱媒流路と、

前記燃料電池に供給される水素の温度を検出する温度検出手段と、

前記熱媒流路に設けられ、前記燃料電池を冷却した後の熱媒体が前記熱交換器に供給される状態と、同熱媒体が前記熱交換器を迂回する状態とに前記熱媒流路を切換可能な切換手段と、

前記温度検出手段からの信号に基づいて前記切換手段を制御する制御手段とを備え、

前記制御手段は、前記燃料電池に供給される水素の温度が所定温度以下のとき、前記燃料電池を冷却した後の熱媒体が前記熱交換器に供給されるように、前記切換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。

[2] 前記所定温度は、前記燃料電池の水素反応面に存在する水分を凍結させる温度に設定されていることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。

[3] 複数本の水素貯蔵タンクを備え、前記各水素貯蔵タンクから共通の配管を介して前記燃料電池に水素が供給され、前記温度検出手段は、前記配管の前記各水素貯蔵タンクとの接続部と、前記燃料電池との間を流れる水素の温度を検出することを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の燃料電池システム。

[4] 前記燃料電池を冷却した後の熱媒体は、前記水素貯蔵タンクの水素出口付近を通過した後に前記水素吸蔵材に供給されることを特徴とする請求項 1〜請求項 3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

[5] 前記切換手段は、前記燃料電池を冷却した後の熱媒体が前記各熱交換器へ順に供給される状態と、同熱媒体が特定の熱交換器に供給される状態とに前記熱媒流路を切換可能であることを特徴とする請求項 3に記載の燃料電池システム。

[6] 前記各水素貯蔵タンクにはバルブが設けられ、前記制御装置は、前記燃料電池への水素供給時に前記各水素貯蔵タンク内の水素の残量を均一化するように前記各バルブを開閉制御することを特徴とする請求項 3又は請求項 5に記載の燃料電池システム。

[7] 前記制御装置は、前記燃料電池に供給されている前記水素貯蔵タンクから所定時間水素が供給されたとき、その水素貯蔵タンクとは別の水素貯蔵タンクから前記燃料電池に水素が供給されるように、前記各バルブを開閉制御することを特徴とする請求項 6に記載の燃料電池システム。

[8] 前記燃料電池システムは燃料電池自動車に搭載されることを特徴とする請求項:!〜請求項 7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。