JP2002216812A - 車載用燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

車載用燃料電池システム及びその制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両に省スペース，軽重量で搭載することが
できる車載用燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 通常運転時に水素ガスを循環させるため
に用いるポンプ４１０を、低温始動時に、水素吸蔵合金
タンク２００から水素ガスを引き出すために用いる。１
つのポンプを水素ガスの循環と引き出しとで共用するこ
とにより、車両搭載時のスペースを節約できるととも
に、軽量化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の車両に
搭載するのに好適な車載用燃料電池システムに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】高圧水素ガスタンクや水素吸蔵合金タン
クなどからの水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃
料電池は、エネルギ効率が高いので、電気自動車などの
動力源として有望である。
【０００３】しかしながら、このような燃料電池を車両
の動力源として用いる場合、燃料電池は勿論のこと、上
記した高圧水素ガスタンクもしくは水素吸蔵合金タンク
などの水素ガス供給源や、これら水素ガス供給源から燃
料電池に水素ガスを送りこむための水素ガス流路などを
含む燃料電池システムを、車両に搭載する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池システムを車
両に搭載する場合、できる限り省スペースで、できる限
り軽重量で搭載できることが好ましい。また、可燃性の
高い水素ガスを扱うため、高い安全性を確保する必要も
ある。
【０００５】そこで、本発明の目的は、上記した課題を
解決し、車両に省スペース，軽重量で搭載することがで
き、しかも、高い安全性を確保することができる車載用
燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明
の第１の車載用燃料電池システムは、水素ガスを吸蔵し
たり、放出したりすることが可能な水素ガス吸蔵合金を
備える水素ガス吸蔵部と、該水素ガス吸蔵部から放出さ
れる前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共
に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備
え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであっ
て、前記水素ガス吸蔵部の放出口と前記燃料電池の供給
口との間をつなぐと共に、前記水素ガス吸蔵部から放出
される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する
第１の流路と、前記燃料電池の排出口と前記第１の流路
中における第１の箇所との間をつなぐと共に、前記燃料
電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の
流路に戻す第２の流路と、前記第２の流路中に配置さ
れ、前記第２の流路を流れる前記水素ガスを前記第１の
箇所に向かって流すポンプと、前記第１の流路中におけ
る前記水素ガス吸蔵部の排出口と前記第１の箇所との間
に位置する第２の箇所と、前記第２の流路中における前
記燃料電池の排出口と前記ポンプとの間に位置する第３
の箇所と、の間をつなぐと共に、前記第１の流路から分
岐された前記水素ガスを流して、前記第２の流路に送る
第３の流路と、前記第１の流路中における前記第２の箇
所と前記第１の箇所との間に配置され、開閉によりガス
を流したり止めたりすることが可能な第１のバルブと、
前記第２の流路中における前記燃料電池の排出口と前記
第３の箇所との間に配置され、開閉によりガスを流した
り止めたりすることが可能な第２のバルブと、前記第３
の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めた
りすることが可能な第３のバルブと、前記ポンプ及び前
記第１ないし第３のバルブを制御する制御部と、を備
え、前記制御部は、前記水素ガス吸蔵部から放出される
前記水素ガスの圧力が基準圧力を上回っている場合は、
前記第１及び第２のバルブを開き、前記第３のバルブを
閉じて、前記水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガ
スを前記第１の流路を介して前記燃料電池に供給させ、
前記燃料電池から排出される前記水素ガスを前記第２の
流路を介して前記第１の流路に戻し、前記ポンプにより
前記水素ガスを循環させると共に、前記水素ガス吸蔵部
から放出される前記水素ガスの圧力が前記基準圧力を下
回っている場合には、前記第１及び第２のバルブを閉
じ、前記第３のバルブを開いて、前記ポンプにより前記
水素ガス吸蔵部から前記水素ガスを引き出させ、引き出
した該水素ガスを前記第１の流路から前記第３の流路を
介して前記第２の流路に送り、該第２の流路から前記第
１の流路を介して前記燃料電池に供給させることを要旨
とする。
【０００７】また、本発明の第１の制御方法は、水素ガ
スを吸蔵したり、放出したりすることが可能な水素ガス
吸蔵合金を備える水素ガス吸蔵部と、該水素ガス吸蔵部
から放出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生
すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池
と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システム
の制御方法であって、（ａ）前記水素ガス吸蔵部の放出
口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記
水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガスを流して、
前記燃料電池に供給する第１の流路と、前記燃料電池の
排出口と前記第１の流路中における第１の箇所との間を
つなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガ
スを流して、前記第１の流路に戻す第２の流路と、前記
第２の流路中に配置され、前記第２の流路を流れる前記
水素ガスを前記第１の箇所に向かって流すポンプと、前
記第１の流路中における前記水素ガス吸蔵部の排出口と
前記第１の箇所との間に位置する第２の箇所と、前記第
２の流路中における前記燃料電池の排出口と前記ポンプ
との間に位置する第３の箇所と、の間をつなぐと共に、
前記第１の流路から分岐された前記水素ガスを流して、
前記第２の流路に送る第３の流路と、前記第１の流路中
における前記第２の箇所と前記第１の箇所との間に配置
され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可
能な第１のバルブと、前記第２の流路中における前記燃
料電池の排出口と前記第３の箇所との間に配置され、開
閉によりガスを流したり止めたりすることが可能な第２
のバルブと、前記第３の流路中に配置され、開閉により
ガスを流したり止めたりすることが可能な第３のバルブ
と、を用意する工程と、（ｂ）前記水素ガス吸蔵部から
放出される前記水素ガスの圧力が基準圧力を上回ってい
る否かを判定する工程と、（ｃ）前記水素ガスの圧力が
前記基準圧力を上回っている場合、前記第１及び第２の
バルブを開き、前記第３のバルブを閉じて、前記水素ガ
ス吸蔵部から放出される前記水素ガスを前記第１の流路
を介して前記燃料電池に供給させ、前記燃料電池から排
出される前記水素ガスを前記第２の流路を介して前記第
１の流路に戻し、前記ポンプにより前記水素ガスを循環
させる工程と、（ｄ）前記水素ガスの圧力が前記基準圧
力を上回っていない場合、前記第１及び第２のバルブを
閉じ、前記第３のバルブを開いて、前記ポンプにより前
記水素ガス吸蔵部から前記水素ガスを引き出させ、引き
出した該水素ガスを前記第１の流路から前記第３の流路
を介して前記第２の流路に送り、該第２の流路から前記
第１の流路を介して前記燃料電池に供給させる工程と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】このように、第１の車載用燃料電池システ
ムまたはその制御方法では、水素ガス吸蔵部から放出さ
れる水素ガスの圧力が基準圧力を上回っていれば、第１
及び第２のバルブを開き、第３のバルブを閉じて、水素
ガス吸蔵部から放出される水素ガスを第１の流路を介し
て燃料電池に供給させ、燃料電池から排出される水素ガ
スを第２の流路を介して第１の流路に戻し、ポンプによ
り、その水素ガスを循環させるようにしている。
【０００９】逆に、水素ガスの圧力が基準圧力を下回っ
ていれば、第１及び第２のバルブを閉じ、第３のバルブ
を開いて、ポンプにより水素ガス吸蔵部から水素ガスを
引き出させ、引き出した水素ガスを第１の流路から前記
第３の流路を介して第２の流路に送り、第２の流路から
第１の流路を介して燃料電池に供給させるようにしてい
る。
【００１０】従って、第１の車載用燃料電池システムま
たはその制御方法によれば、１つのポンプによって、水
素ガスの圧力が基準圧力を上回る通常運転時の場合に
は、水素ガスの循環を行わせ、水素ガスの圧力が基準圧
力を下回る、例えば、低温始動時のような場合には、水
素ガスの引き出しを行わせ、１つのポンプで循環と引き
出しを共用しているので、車両に搭載する際に、その
分、スペースを節約できるとともに、軽量化を図ること
ができる。
【００１１】また、通常運転時にポンプによって水素ガ
スを循環させることにより、燃料電池に供給される水素
ガスの見かけの流量が多くなり、流速も速くなるため、
燃料電池に対する水素の供給という観点から有利となっ
て、燃料電池の出力電圧を上げることができる。また、
燃料電池内で水素ガス中に窒素などの不純物が漏れ出し
て来ても、水素ガスを循環するようにしていれば、その
不純物が、水素ガス流路全体で均一化するため、燃料電
池内で滞留して発電動作に支障を来すこともない。
【００１２】また、低温始動時など、水素ガス吸蔵部か
ら放出されにくい水素ガスをポンプによって引き出させ
ることにより、短時間で、燃料電池を定常状態で運転さ
せることができるようになる。
【００１３】なお、第１及び第２のバルブには、両者が
一体となった流路切り替えバルブなども含まれる。
【００１４】本発明の第１の燃料電池システムにおい
て、前記第１及び第２のバルブのうち、少なくとも一方
は、前記燃料電池から前記水素ガス吸蔵部に向かう、前
記水素ガスの逆向きの流れを阻止する逆流防止手段を有
することが好ましい。
【００１５】燃料電池システムが停止状態となり、水素
ガス吸蔵部内が負圧になって、前記第１または第２の流
路内に逆向きの流れが生じようとしたとしても、このよ
うな手段を有することにより、その流れを阻止すること
ができるため、流路内に残存していた不純物を含んだ水
素ガスが水素ガス吸蔵部に流れ込むのを防ぐことができ
る。
【００１６】本発明の第２の燃料電池システムは、貯蔵
された水素ガスを所定の圧力でもって放出することが可
能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から放出され
た前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池
と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システム
であって、前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池
の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部か
ら放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供
給する第１の流路と、該第１の流路中に配置され、前記
水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低
減する少なくとも１つの減圧部と、前記第１の流路中に
おける前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置
する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第
２の流路と、前記第２の流路中に配置され、開閉により
ガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバル
ブと、を備え、前記リリーフバルブは、該リリーフバル
ブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガス
の圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素
ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部
に排出させることを要旨とする。
【００１７】このように、第２の車載用燃料電池システ
ムでは、水素ガスの圧力が基準圧力を上回った場合に、
リリーフバルブが開いて、その圧力の高い水素ガスを外
部に排出させる。
【００１８】従って、第２の車載用燃料電池システムに
よれば、減圧部が故障するなどの異常が生じ、水素ガス
の圧力が異常に高くなったとしても、直ちにその水素ガ
スは外部に排出されるため、燃料電池に不具合が生じる
恐れがなく、高い安全性を確保することができる。
【００１９】本発明の第２の燃料電池システムにおい
て、前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガス
が路面に向かうように、配置されていることが好まし
い。
【００２０】このように配置することにより、排出した
水素ガスが車両内の一定の場所に溜まることがなく、さ
らに高い安全性を得ることができる。
【００２１】本発明の第３の車載用燃料電池システム
は、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水
素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受け
て電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出す
る燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電
池システムであって、前記水素ガス供給部の送出口と前
記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガ
ス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃
料電池に供給する第１の流路と、前記燃料電池の排出口
と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと
共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流し
て、前記第１の流路に戻す第２の流路と、前記第２の流
路中に配置され、前記燃料電池から排出される前記水素
ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体
のみを除去する気液分離部と、を備えることを要旨とす
る。
【００２２】燃料電池から排出される水素オフガスは、
ウェットで、かなり多くの水分を含んでいる。そこで、
第３の車載用燃料電池システムでは、第２の流路中に配
置された気液分離部によって、この水素ガスに含まれる
水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去する
ようにしている。
【００２３】従って、第３の車載用燃料電池システムに
よれば、水素ガスが循環して燃料電池に供給された際
に、含まれる水分が気液混合体として供給されることが
なく、燃料電池の発電動作に支障をきたす恐れがない。
【００２４】本発明の第４の車載用燃料電池システム
は、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水
素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受け
て電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出す
る燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電
池システムであって、前記水素ガス供給部の送出口と前
記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガ
ス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃
料電池に供給する第１の流路と、前記燃料電池の排出口
と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと
共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流し
て、前記第１の流路に戻す第２の流路と、前記第１の流
路中における前記特定箇所と前記燃料電池の供給口との
間に配置され、前記水素ガスに含まれる水分を、液体と
気体とに分離して、液体のみを除去する気液分離部と、
を備えることを要旨とする。
【００２５】第１の流路内を流れる水素ガスの温度が低
い場合、循環により、その水素ガスと、第２の流路から
戻された水素ガスとが混合されると、水素ガスに含まれ
ていた水分が凝縮してしまい、気液混合体になって燃料
電池に供給される恐れがある。そこで、第４の車載用燃
料電池システムでは、第１の流路中の特定箇所より燃料
電池側、即ち、水素ガス同士が混合される部分に配置さ
れた気液分離部によって、水素ガスに含まれる水分を、
液体と気体とに分離して、液体のみを除去するようにし
ている。
【００２６】従って、第４の車載用燃料電池システムに
よれば、水素ガスが燃料電池に供給される際に、含まれ
る水分が気液混合体として供給されることがなく、燃料
電池の発電動作に支障をきたす恐れがない。
【００２７】本発明の第５の車載用燃料電池システム
は、貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもって放出する
ことが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から
放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する
燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池
システムであって、前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記
燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス
貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料
電池に供給する第１の流路と、該第１の流路中に配置さ
れ、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの
圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、前記第１の
流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との
間に配置され、前記第１の流路を流れる前記水素ガスの
温度を上げる昇温部と、を備えることを要旨とする。
【００２８】減圧部によって水素ガスの圧力を低減する
と、水素ガスが急膨張して、温度が急激に低下する場合
がある。そこで、第５の車載用燃料電池システムでは、
第１の流路中における減圧部よりも燃料電池側に配置さ
れた昇温部によって、水素ガスの温度を上げるようにし
ている。
【００２９】従って、第５の車載用燃料電池システムに
よれば、水素ガスが適正な温度で燃料電池に供給される
ため、燃料電池内の温度を下げることがなく、燃料電池
において、適正な反応温度で電気化学反応を起こさせる
ことができる。
【００３０】本発明の第６の車載用燃料電池システム
は、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水
素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受け
て電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出す
る燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電
池システムであって、前記水素ガス供給部の送出口と前
記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガ
ス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃
料電池に供給する第１の流路と、前記燃料電池の排出口
と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと
共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流し
て、前記第１の流路に戻す第２の流路と、前記第２の流
路中に配置され、前記第２の流路を流れる前記水素ガス
を前記特定箇所に向かって流し、前記水素ガスを循環さ
せるポンプと、前記水素ガス供給部及び前記ポンプを制
御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池
システムの始動時において、前記水素ガス供給部より前
記水素ガスを送出させると共に、前記ポンプを駆動させ
て、前記水素ガスが流れるべき流路内に流れを起こし、
該流路内に存在する不純物と送出した前記水素ガスとを
攪拌して均一化することを要旨とする。
【００３１】また、本発明の第２の制御方法は、水素ガ
スを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給
部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発
生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池
と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システム
の制御方法であって、（ａ）前記水素ガス供給部の送出
口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記
水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、
前記燃料電池に供給する第１の流路と、前記燃料電池の
排出口と前記第１の流路中における特定箇所との間をつ
なぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガス
を流して、前記第１の流路に戻す第２の流路と、前記第
２の流路中に配置され、前記第２の流路を流れる前記水
素ガスを前記特定箇所に向かって流し、前記水素ガスを
循環させるポンプと、を用意する工程と、（ｂ）前記燃
料電池システムの始動時において、前記水素ガス供給部
より前記水素ガスを送出させる工程と、（ｃ）前記ポン
プを駆動させて、前記水素ガスが流れるべき流路内に流
れを起こし、該流路内に存在する不純物と送出した前記
水素ガスとを攪拌して均一化する工程と、を備えること
を要旨とする。
【００３２】燃料電池システムの始動時には、燃料電池
内の水素ガス流路内は窒素などの不純物が含まれる場合
がある。このため、水素ガス流路に水素ガスを単に流す
だけでは、燃料電池の出力電圧はなかなか所望の電圧ま
で上がらない。そこで、第６の車載用燃料電池システム
または第２の制御方法では、燃料電池システムの始動時
において、水素ガス供給部より水素ガスを送出させると
ともに、前記ポンプを駆動させて、水素ガスが流れるべ
き流路内に流れを起こし、その流路内に存在する窒素な
どの不純物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化
するようにしている。
【００３３】このように、残留している窒素などの不純
物と送出した水素ガスとを均一化することにより、燃料
電池の出力電圧は直ちに所望の電圧まで立ち上がり、負
荷などへ供給することができるようになる。
【００３４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。 Ａ．第１の実施例： Ａ−１．第１の実施例の構成： Ａ−２．第１の実施例の動作： Ｂ．第２の実施例： Ｂ−１．第２の実施例の構成： Ｂ−２．第２の実施例の動作： Ｃ．変形例：
【００３５】Ａ．第１の実施例： Ａ−１．第１の実施例の構成：図１は本発明の第１の実
施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図であ
る。本実施例の燃料電池システムは、自動車などの車両
に搭載されるものであって、主として、水素ガスの供給
を受けて電力を発生する燃料電池１００と、その燃料電
池１００に水素ガスを供給する水素吸蔵合金タンク２０
０と、を備えている。
【００３６】このうち、燃料電池１００は、水素を含ん
だ水素ガスの他、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空
気）の供給を受けて、水素極と酸素極において、下記に
示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電
力を発生させている。
【００３７】即ち、水素極に水素ガスが、酸素極に酸化
ガスがそれぞれ供給されると、水素極側では式（１）の
反応が、酸素極側では式（２）の反応がそれぞれ起こ
り、燃料電池全体としては、式（３）の反応が行なわれ
る。
【００３８】 Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１） ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２） Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３） このような燃料電池１００を車両の動力源として用いる
場合、燃料電池１００から発生された電力によって電動
機（図示せず）を駆動し、その発生トルクを車軸（図示
せず）に伝達して、車両の推進力を得る。
【００３９】また、燃料電池１００は、複数の単セルが
積層されたスタック構造となっており、１つの単セル
は、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む
拡散電極（図示せず）である水素極及び酸素極と、さら
にそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せ
ず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹
凸が形成されており、挟み込んだ水素極と酸素極との間
で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素
極との間で形成される単セル内ガス流路には、前述した
ごとく供給された水素ガスが、酸素極との間で形成され
る単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れて
いる。
【００４０】一方、水素吸蔵合金タンク２００は、内部
に水素吸蔵合金（図示せず）を備えている。一般に、水
素吸蔵合金は、加熱すると、吸熱反応を生じて水素を放
出し、冷やすと、放熱反応を生じて水素を吸蔵する性質
がある。従って、水素吸蔵合金から水素を取り出す際に
は、図示せざる熱交換システムによって、水素吸蔵合金
タンク２００内の水素吸蔵合金を加熱する。
【００４１】なお、水素吸蔵合金は、不純物が存在する
と、劣化するため、水素吸蔵合金タンク２００内には高
純度の水素が蓄えられている。
【００４２】その他、本実施例の燃料電池システムは、
図１に示すように、システム内で水素ガスを流通させる
ための水素ガス流路と、酸化ガスを流通させるための酸
化ガス流路と、制御部５０を備えている。
【００４３】このうち、水素ガス流路は、水素吸蔵合金
タンク２００の放出口から燃料電池１００の供給口に至
る本流流路４０１と、燃料電池１００の排出口から後述
するポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流
路４０３と、本流流路４０１から分岐して循環流路４０
３に至るバイパス流路４０５と、循環している水素ガス
中の不純物を排出するための排出流路４０７と、圧力異
常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０９
と、を備えている。
【００４４】本流流路４０１には、水素吸蔵合金タンク
２００の放出口にシャットバルブ２０２が配置されてお
り、流路途中に圧力センサ４００とシャットバルブ４０
２と減圧バルブ４０４が配置されており、燃料電池１０
０の供給口にシャットバルブ１０２が配置されている。
また、循環流路４０３には、燃料電池１００の排出口に
シャットバルブ１０４が配置されており、流路途中に、
気液分離器４０６，シャットバルブ４０８及びポンプ４
１０がそれぞれ配置されている。さらに、バイパス流路
４０５にはシャットバルブ４１２が、排出流路４０７に
はシャットバルブ４１４が、リリーフ流路４０９にはリ
リーフバルブ４１６が、それぞれ配置されている。
【００４５】一方、酸化ガス流路は、燃料電池１００に
酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路５０１と、
燃料電池１００から排出された酸素オフガスを排出する
ための酸素オフガス排出流路５０３と、を備えている。
【００４６】酸化ガス供給流路５０１には、エアクリー
ナ５０２と、コンプレッサ５０４と、加湿器５０６と、
が配置されている。また、酸素オフガス排出流路５０３
には、気液分離器５０８と、コンバスタ５１０と、が配
されている。
【００４７】また、制御部５０は、圧力センサ４００か
らの検出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０
４，２０２，４０２，４０８，４１２，４１４と、ポン
プ４１０と、コンプレッサ５０４と、をそれぞれ制御す
る。なお、図面を見やすくするために、制御線等は省略
されている。
【００４８】Ａ−２．第１の実施例の動作：それではま
ず、酸化ガスの流れについて簡単に説明する。制御部５
０によってコンプレッサ５０４を駆動することにより、
大気中の空気が酸化ガスとして取り込まれ、エアクリー
ナ５０２によって浄化された後、酸化ガス供給流路５０
１を通り、加湿器５０６を介して燃料電池１００に供給
される。供給された酸化ガスは、燃料電池１００内にお
いて、上述した電気化学反応に使用された後、酸素オフ
ガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、酸
素オフガス排出流路５０３を通り、後述する気液分離器
５０８やコンバスタ５１０を介して、車両外部の大気中
に排出される。
【００４９】次に、水素ガスの流れについて詳細に説明
する。制御部５０によって、水素吸蔵合金タンク２００
のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャット
バルブ１０２，１０４とは、それぞれ、燃料電池システ
ムの運転時には基本的に開いているが、停止時には閉じ
ている。
【００５０】また、通常運転時には、制御部５０によっ
て、これらの他、本流流路４０１のシャットバルブ４０
２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８はそれぞ
れ開いているが、バイパス流路４０５のシャットバルブ
４１２と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は閉
じている。なお、リリーフバルブ４１６は、後述するよ
うに、圧力異常時などの場合以外は閉じている。また、
圧力センサ４００は、水素吸蔵合金タンク２００から放
出される水素ガスの圧力を検出している。
【００５１】通常運転時、前述したとおり、熱交換シス
テムにより水素吸蔵合金タンク２００内の水素ガス吸蔵
合金を加熱して、水素ガスを放出させ、放出された水素
ガスは、本流流路４０１を通って燃料電池１００に供給
される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内にお
いて上述した電気化学反応に使用された後、水素オフガ
スとして排出される。排出された水素オフガスは、循環
流路４０３を通って本流流路４０１に戻され、再び、燃
料電池１００に供給される。このとき、循環流路４０３
の途中に設けられているポンプ４１０が駆動することに
よって、循環流路４０３を通る水素オフガスは勢いをつ
けて本流流路４０１に送り出される。こうして、通常運
転時、水素ガスは、本流流路４０１及び循環流路４０３
を通って循環している。
【００５２】このように、水素オフガスを本流流路４０
１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池
１００で使用される水素量は同じであっても、燃料電池
１００に供給される水素ガスの見かけの流量が多くな
り、流速も速くなるため、燃料電池１００に対する水素
の供給という観点からは有利となって、燃料電池１００
の出力電圧も上がる。
【００５３】また、燃料電池１００内では、酸化ガスに
含まれる窒素などの不純物が酸素極側から電解質膜を透
過して水素極側に漏れ出してくる。従って、仮に、水素
ガスを循環させないとすると、燃料電池１００内の後段
部において、水素極にその不純物が溜まり、その範囲が
時間と共に拡大していく。これにより、燃料電池１００
は発電動作に支障を来し、出力電圧が落ちてしまう恐れ
がある。しかし、上述したように、水素ガスを循環する
ようにしていれば、その不純物が、水素ガス流路全体で
均一化するため、上記のような不具合を解消することが
できる。
【００５４】なお、ポンプ４１０は、制御部５０によっ
て、その駆動が制御されており、燃料電池１００の発生
した電力の消費量に応じて、循環流路４０３を流れる水
素オフガスの流速を変化させている。
【００５５】また、水素吸蔵合金タンク２００から放出
された水素ガスの圧力は、最大１ＭＰａを超えない高圧
であるため、このまま水素ガスを燃料電池１００に供給
すると、圧力が高すぎて、燃料電池１００に不具合が生
じてしまう。そのため、本流流路４０１の途中に設けた
減圧バルブ４０４によって、水素ガスの圧力を１ＭＰａ
から、燃料電池１００に適正なおよそ０．２〜０．３Ｍ
Ｐａ程度まで減圧してから、燃料電池１００に供給する
ようにしている。
【００５６】また、前述したように、燃料電池１００内
の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成
され、その水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を通
して水素極側に入ってくる。従って、燃料電池１００か
ら排出される水素オフガスは、ウェットで、かなり多く
の水分を含んでいる。従って、この水素オフガスをこの
ままポンプ４１０を介して本流流路４０１に送り出して
やると、含まれている水分は、十分に蒸気化されずに気
液混合体になって、水素と共に燃料電池１００に供給さ
れ、燃料電池１００の単セル内において張り付いて、水
素ガス流路を塞いでしまう恐れがある。水分が単セル内
の水素ガス流路を塞いで、水素ガスの流れを止めると、
その単セルの出力電圧は落ちるため、燃料電池１００全
体の発電量も落ちてしまう。
【００５７】そのため、循環流路４０３の途中に気液分
離器４０６を設け、この気液分離器４０６によって、水
素オフガスに含まれる水分を気液分離し、液体分を除去
して、気体（水蒸気）分のみを他の気体と共にポンプ４
１０に送るようにしている。これにより、水素ガスに含
まれる水分は気体分のみとなり、燃料電池１００には、
水分が気液混合体として供給されることがなく、発電動
作に支障をきたす恐れがなくなる。
【００５８】図２は図１で用いられる気液分離器の一具
体例を示す断面図である。多くの水分を含んだ水素オフ
ガスは、流入口６０２よりシリンダ６０４内に流入す
る。流入した水素オフガスはシリンダ６０４内の内壁に
沿って螺旋状に回りながら下降する。このとき、含まれ
ていた水分は凝縮し、液体分は液滴としてシリンダ６０
４の内壁に付着し、それを伝って下に落ち、液だまり６
０８に集められる。一方、気体（水蒸気）分は他の気体
と共に、ガス流路６１０を通って流出口６０６より流出
する。こうして、水分を液体分と気体分とに気液分離す
ることが可能となる。
【００５９】また、液だまり９０８に集められた水は、
レベルセンサ（図示せず）などによって、所定の量にな
ったことが検出されたら、オートドレイン機構（図示せ
ず）によって、自動的にコック６１２を開いて外部に放
出される。
【００６０】また、前述したように、水素ガス中に含ま
れる不純物を均一化させるために、水素ガスを循環させ
ている。しかし、このように水素ガスを均一化させたと
しても、燃料電池１００内において、酸素極側から水素
極側には不純物が常時漏れ出してくるため、長時間経て
ば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は次第に上
がり、それに連れて水素の濃度が下がるため、燃料電池
１００の発電動作に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００６１】そのため、循環流路４０３から分岐した排
出流路４０７に、シャットバルブ４１４を設け、制御部
５０によって、このシャットバルブ４１４を定期的に開
いて、循環している不純物を含む水素ガスを排出するこ
とにより、不純物を含んだ水素ガスを、水素吸蔵合金タ
ンク２００からの純粋な水素ガスに置き換えるようにし
ている。これにより、水素ガス中の不純物の濃度は下が
り、逆に水素の濃度は上がるため、燃料電池１００の発
電を適切に行うことができる。
【００６２】また、前述したように、燃料電池１００内
では、酸素極側から水素極側へ水蒸気も漏れ出してくる
ため、温度によっては、その水蒸気が凝縮して単セル内
で張り付き、水素ガスの流れを止めてしまう恐れもあ
る。しかし、上記したように、シャットバルブ４１４を
開いて、水素ガスを排出すると、その圧力差で水素ガス
に急激な流れが生じるため、その勢いで凝縮していた水
分を吹き飛ばすこともできる。
【００６３】なお、燃料電池１００の発電動作中にシャ
ットバルブ４１４を開けたとしても、燃料電池１００の
出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはなら
ないため問題はない。シャットバルブ４１４の開放時間
としては、１ｓｅｃ以下が好ましく、例えば、５００ｍ
ｓｅｃ程度がより好ましい。
【００６４】シャットバルブ４１４から排出された水素
ガスは、排出流路４０７を通って、酸素オフガス排出流
路５０３に送り込まれ、酸素オフガス排出流路５０３を
流れる酸素オフガスと混合される。混合されたガスは、
気液分離器５０８を介してコンバスタ５１０に流入す
る。コンバスタ５１０は、白金触媒５１２を備えてお
り、燃焼によって、混合ガスに含まれる水素を酸素と反
応させて、水素をさらに低減させる。その後、コンバス
タ５１０を流出した混合ガスは大気中に排出される。
【００６５】以上が、通常運転時における水素ガスの流
れである。次に、低温始動時における水素ガスの流れに
ついて説明する。
【００６６】一般に、水素吸蔵合金は、温度が高いほ
ど、放出する水素の圧力は高くなり、温度が低いほど、
放出する水素の圧力は低くなる。そのため、水素吸蔵合
金タンクは低温になればなるほど、水素が放出されにく
くなる。従って、低温始動時には、水素吸蔵合金タンク
をヒータなどで急速に暖めて、水素が放出されやすくす
る必要がある。しかし、このように、ヒータを使って暖
める方法では、多大な電気エネルギが必要となるため、
車載用の燃料電池システムとしては不適切である。
【００６７】そこで、本実施例では、低温始動時には、
ヒータなどで暖める代わりに、ポンプ４１０によって、
水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスを引き出すよう
にしている。
【００６８】図３は図１の燃料電池システムの始動時に
おける制御部５０の制御内容の一例を示すフローチャー
トである。
【００６９】燃料電池システムの始動時、制御部５０
は、まず、図３に示すように、水素吸蔵合金タンク２０
０のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャッ
トバルブ１０２及び１０４を、閉じた状態から開く（ス
テップＳ１０２）。次に、制御部５０は、圧力センサ４
００によって検出された水素ガスの圧力を入力し（ステ
ップＳ１０４）、その圧力が予め設定された基準圧力を
上回っているか否かを判定する（ステップＳ１０６）。
【００７０】そして、周囲温度が適温で、水素吸蔵合金
タンク２００から十分な圧力の水素ガスが放出されてお
り、その圧力が基準圧力を上回っていれば、前述した通
常運転時の運転に移るために、制御部５０は、本流流路
４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシ
ャットバルブ４０８をそれぞれ開き、バイパス流路４０
５のシャットバルブ４１２と、排出流路４０７のシャッ
トバルブ４１４をそれぞれ閉じると共に（ステップＳ１
１４）、ポンプ４１０を標準回転で駆動して（ステップ
Ｓ１１６）、前述したとおりの水素ガスの循環を行わせ
る。
【００７１】しかし、周囲温度が低温で、水素吸蔵合金
タンク２００から水素ガスが放出されにくく、その圧力
が基準圧力を下回っていれば、低温始動時の運転に移
り、制御部５０は、本流流路４０１のシャットバルブ４
０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８と、排
出流路４０７のシャットバルブ４１４をそれぞれ閉じ、
バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２を開く（ス
テップＳ１０８）。そして、さらに、制御部５０は、ポ
ンプ４１０を高回転数で駆動する（ステップＳ１１
０）。それによって、例え、水素吸蔵合金タンク２００
の温度が低くて、放出される水素ガスの圧力が低くて
も、水素吸蔵合金タンク２００からは、吸蔵されていた
水素ガスが十分に引き出される。引き出された水素ガス
は、本流流路４０１からバイパス流路４０５に入り、そ
のあと、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻
り、燃料電池１００に供給される。供給された水素ガス
は、燃料電池１００内で電気化学反応に供された後、水
素オフガスとなって、循環流路４０３に排出される。な
お、水素オフガス中に含まれる不純物の濃度は、時間が
経つに連れて上がるので、その不純物を除去するため
に、時々、シャットバルブ４１４を開いて、排出流路４
０７から水素オフガスを放出する。
【００７２】制御部５０は、水素吸蔵合金タンク２００
から放出される水素ガスの圧力が基準圧力を上回るま
で、その状態で待機する（ステップＳ１１２）。しか
し、燃料電池システムが始動して、しばらくすると、図
示せざる熱交換システムも十分働くようになって、水素
吸蔵合金タンク２００内の水素吸蔵合金も加熱されるた
め、温度が上がり、水素吸蔵合金タンク２００から十分
な圧力を有する水素ガスが放出されるようになる。する
と、その圧力は基準圧力を上回り、制御部５０は、本流
流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３
のシャットバルブ４０８をそれぞれ開き、バイパス流路
４０５のシャットバルブ４１２と、排出流路４０７のシ
ャットバルブ４１４をそれぞれ閉じ（ステップＳ１１
４）、ポンプ４１０を標準回転で駆動して（ステップＳ
１１６）、前述した通常運転時の運転に移る。
【００７３】このように、低温始動時には、ポンプ４１
０を用いることによって、多大な電気エネルギを必要と
することなく、水素吸蔵合金タンク２００に吸蔵されて
いる水素を取り出すことができる。
【００７４】また、本実施例では、通常運転時に水素ガ
スを循環させるために用いるポンプ４１０を、低温始動
時に水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスを引き出す
ために、共用しているため、ポンプを搭載するスペース
を節約できると共に、重量の軽減を図ることができる。
【００７５】また、ポンプ４１０としては、水素ガスを
循環させる場合と、水素ガスを引き出す場合とで、その
回転の速さを変えることにより、流速を変えることがで
きるポンプを用いる必要がある。即ち、水素ガスを循環
させる場合は、圧縮比（ポンプの吐出圧／ポンプの吸込
圧）が低いために、動力は低くて済むが、水素ガスを引
き出す場合には、圧縮比が高くなり、必要となる動力は
高くなる。
【００７６】以上が、低温始動時における水素ガスの流
れである。次に、停止時における作用について説明す
る。
【００７７】前述したとおり、燃料電池１００内では、
酸素極側から電解質膜を介して水素極側に窒素や水蒸気
などの不純物が漏れ出しており、通常運転時に循環して
いる水素ガス中にはそのような不純物がある程度含まれ
ている。その後、燃料電池システムの運転を停止する
と、水素吸蔵合金タンク２００の運転も停止して、水素
吸蔵合金タンク２００内の温度は低下する。すると、温
度によっては、水素吸蔵合金タンク２００内の圧力も低
下して負圧となる場合があり、本流流路４０１やバイパ
ス流路４０５から水素吸蔵合金タンク２００の放出口に
向かって逆向きの水素ガスの流れが生じる。従って、本
流流路４０１に設けられたシャットバルブ４０２やバイ
パス流路４０５に設けられたシャットバルブ４１２とし
て、通常のシャットバルブを用いたのでは、上記した逆
向きの流れに対して完全にはシャットできないので、こ
れらシャットバルブ４０２，４１２よりも燃料電池１０
０側の水素ガス流路中に残っている水素ガスが、シャッ
トバルブ４０２，４１２を介して、水素吸蔵合金タンク
２００側の水素ガス流路に漏れ出し、それら水素ガスは
水素吸蔵合金タンク２００内に流れ込む。そして、その
水素ガスには、窒素や水蒸気などの不純物も含まれてい
るため、それら不純物も一緒に水素吸蔵合金タンク２０
０内に流れ込むことになり、それら不純物によって水素
吸蔵合金タンク２００内の水素吸蔵合金が冒される恐れ
がある。
【００７８】そこで、本実施例では、シャットバルブ４
０２，４１２として、逆流防止機能付きのシャットバル
ブを用いるようにしている。従って、燃料電池システム
の運転停止時に、水素吸蔵合金タンク２００に向かって
逆向きの水素ガスの流れが生じたとしても、このような
逆流防止機能付きシャットバルブを用いることにより、
シャットバルブ４０２，４１２を介して水素吸蔵合金タ
ンク２００側の水素ガス流路に、不純物を含んだ水素ガ
スが漏れ出すことがなくなるため、水素吸蔵合金タンク
２００内の水素ガス吸蔵合金を保護することが可能とな
る。
【００７９】以上が、停止時における作用である。次
に、異常時における作用について説明する。
【００８０】まず、減圧バルブ４０４が故障するなどの
異常が生じた場合には、燃料電池１００に供給される水
素ガスの圧力が異常に高くなり、燃料電池１００に不具
合が生じる恐れがある。そのため、本実施例では、本流
流路４０１から分岐したリリーフ流路４０９の途中に、
リリーフバルブ４１６を設け、減圧バルブ４０４から燃
料電池１００に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力
が所定値以上に上がった場合に、リリーフバルブ４１６
が開き、車両外の大気中に水素ガスを排出する。このと
き、水素ガスの排出口は、排出した水素ガスが一定の場
所に溜まらないようにするために、路面に向かって水素
ガスが排出されるような位置に設けられていることが好
ましい。このような位置に設けることにより、排出した
水素は拡散しやすくなるからである。
【００８１】次に、車両衝突が起きたり、制御系の故障
が生じたりした場合には、最悪の場合、水素漏れなどを
起こす恐れがある。そのため、本実施例では、衝突の振
動や、制御系の故障などを感知した場合には、制御部５
０によって、水素吸蔵合金タンク２００のシャットバル
ブ２０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，
１０４が自動的に閉じ、水素ガスの供給を断ち、水素ガ
スが漏れるのを防ぐようにしている。
【００８２】Ｂ．第２の実施例： Ｂ−１．第２の実施例の構成：図４は本発明の第２の実
施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図であ
る。第１の実施例の燃料電池システムでは、水素ガスの
供給源として、水素吸蔵合金タンク２００を用いるよう
にしたが、本実施例の燃料電池システムでは、水素吸蔵
合金タンク２００に代えて、高圧水素ガスタンク３００
を用いるようにしている。
【００８３】この高圧水素ガスタンク３００は、内部に
高圧の水素ガスを充填しており、根本に取り付けられた
シャットバルブ３０２を開くと、およそ２０〜３５ＭＰ
ａの圧力を有する水素ガスが放出される。
【００８４】なお、燃料電池１００は、第１の実施例と
同一の構成であるので、説明は省略する。
【００８５】この他、本実施例の燃料電池システムは、
図４に示すように、水素ガス流路と、酸化ガス流路と、
制御部５０を備えているが、酸化ガス流路は、第１の実
施例と同一の構成であるので、説明は省略する。
【００８６】水素ガス流路は、高圧水素ガスタンク３０
０の放出口から燃料電池１００の供給口に至る本流流路
４０１と、燃料電池１００の排出口からポンプ４１０を
介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、循環し
ている水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４
０７と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリー
フ流路４０９と、を備えている。本実施例では、水素ガ
スの供給源として高圧水素ガスタンク３００を用いてい
るため、温度に関係なく、高圧の水素ガスを放出するこ
とができる。従って、水素吸蔵合金タンク２００の場合
のように、低温始動時に水素ガスを引き出す必要がない
ため、バイパス流路４０５は設けられていない。
【００８７】本流流路４０１には、高圧水素ガスタンク
３００の放出口にシャットバルブ２０２が配置されてお
り、流路途中に減圧バルブ４１８，熱交換器４２０，減
圧バルブ４２２及び気液分離器４２４がそれぞれ配置さ
れており、燃料電池１００の供給口にシャットバルブ１
０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃
料電池１００の排出口にシャットバルブ１０４が配置さ
れており、流路途中に、気液分離器４０６，ポンプ４１
０及び逆止弁４２６がそれぞれ配置されている。なお、
排出流路４０７にシャットバルブ４１４が、リリーフ流
路４０９にリリーフバルブ４１６が配置されている点
は、第１の実施例の場合と同様である。
【００８８】制御部５０は、圧力センサ４００からの検
出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０４，３
０２，４１４と、ポンプ４１０と、コンプレッサ５０４
と、をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくするた
めに、制御線等は省略されている。
【００８９】Ｂ−２．第２の実施例の動作：それでは、
水素ガスの流れについて詳細に説明する。なお、酸化ガ
スの流れについては、第１の実施例の場合と同様である
ので、説明は省略する。
【００９０】制御部５０によって、高圧水素ガスタンク
３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池１００のシ
ャットバルブ１０２，１０４とは、それぞれ、燃料電池
システムの運転時には基本的に開いているが、停止時に
は閉じている。
【００９１】また、通常運転時は、制御部５０によっ
て、その他、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は
閉じている。なお、リリーフバルブ４１６は、第１の実
施例の場合と同様に、圧力異常時などの場合以外は閉じ
ている。
【００９２】通常運転時、前述したとおり、制御部５０
がシャットバルブ３０２を開くと、高圧水素ガスタンク
３００からは水素ガスが放出され、その放出された水素
ガスは、本流流路４０１を通って燃料電池１００に供給
される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内にお
いて前述の電気化学反応に使用された後、水素オフガス
として排出される。排出された水素オフガスは、循環流
路４０３を通って本流流路４０１に戻され、再び、燃料
電池１００に供給される。このとき、第１の実施例の場
合と同様に、循環流路４０３の途中に設けられているポ
ンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０３を
通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に送り
出される。こうして、通常運転時、水素ガスは、本流流
路４０１及び循環流路４０３を通って循環している。な
お、循環流路４０３中において、本流流路４０１との接
続点と、ポンプ４１０と、の間には、循環している水素
オフガスが逆流しないようにするために、逆止弁４２６
が設けられている。
【００９３】また、高圧水素ガスタンク３００から放出
された水素ガスの圧力は、前述したとおりおよそ２０〜
３５ＭＰａであり、第１の実施例における水素吸蔵合金
タンク２００の場合と比較しても、遙かに高いため、こ
の高圧の水素ガスを直接、燃料電池１００に供給する
と、圧力が高すぎて、燃料電池１００が壊れてしまう。
そのため、本実施例では、第１の実施例の場合より減圧
の段数を増やし、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次
減圧用の減圧バルブ４２２の２つ減圧バルブを、本流流
路４０１の途中に設けて、高圧の水素ガスを２段階で減
圧するようにしている。即ち、具体的には、１次減圧用
の減圧バルブ４１８によって、およそ２０〜３５ＭＰａ
からおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧し、さらに２次減圧
用の減圧バルブ４２２によって、およそ０．８〜１ＭＰ
ａからおよそ０．２〜０．３ＭＰａに減圧する。
【００９４】また、このように、１次減圧用の減圧バル
ブ４１８によって、高圧の水素ガスをおよそ２０〜３５
ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧するため、水
素ガスはおよそ５０倍に急膨張して、温度が急激に下が
ることになる。このような温度低下した水素ガスをその
まま燃料電池１００に供給すると、燃料電池１００内の
温度も低下し、十分な触媒活性が得られないため、電気
化学反応が進まず、発電に支障をきたす。そこで、本実
施例では、膨張によって温度低下した水素ガスをある程
度暖めて、適正な温度で燃料電池１００に供給するため
に、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧
バルブ４２２との間に熱交換器４２０を配置している。
この熱交換器４２０には、図示していないが、燃料電池
１００によって暖められた冷却水が供給されており、そ
の暖められた冷却水と温度低下した水素ガスとの間で熱
交換が行われるようになっている。こうして、温度低下
した水素ガスはこの熱交換器４２０を通過することによ
って、ほぼ適正な程度の温度となり、燃料電池１００に
供給することができる。従って、燃料電池１００内で
は、十分な反応温度が得られるため、電気化学反応が進
み、適正な発電動作を行うことができる。
【００９５】また、このように、本流流路４０１を流れ
る水素ガスは比較的温度が低いため、循環流路４０３を
循環し本流流路４０１に戻された水素オフガスと混合さ
れると、水素オフガスに含まれていた水分が凝縮してし
まい、気液混合体になって燃料電池１００に供給される
恐れがある。そこで、本実施例では、本流流路４０１と
循環流路４０３との接続点と、燃料電池１００の供給口
と、の間に、気液分離器４２４を設けて、この気液分離
器４２４によって、混合された水素ガスに含まれる水分
を気液分離し、液体分を除去して、気体（水蒸気）分の
みを他の気体と共に燃料電池１００に供給するようにし
ている。これにより、燃料電池１００は発電動作に支障
をきたす恐れがなくなる。
【００９６】以上が、通常運転時における水素ガスの流
れである。次に、始動時における制御について説明す
る。
【００９７】燃料電池システムが運転を停止すると、燃
料電池１００内では、酸素極側から電解質膜を介して水
素極側に窒素等の不純物が透過して拡散するため、最終
的には、酸化ガス流路は勿論のこと、水素ガス流路も窒
素等の不純物を含むことになる。従って、燃料電池シス
テムの始動時には、水素ガス流路内に存在する不純物を
抜いて、水素ガスで満たし、短時間で、燃料電池１００
が適正な発電をできる状態にする必要がある。
【００９８】始動時に水素ガス流路内に存在する不純物
を抜く方法としては、例えば、水素ガスを流入する前
に、水素ガス流路内に不活性ガスなどのパージガスを流
して不純物を押し出す方法が考えられるが、このような
方法では、パージガスを流すために、車両内に不活性ガ
スボンベを積まなければならないので、その分、余分な
スペースが必要となると共に、重量も重くなってしま
う。
【００９９】そこで、パージガスを流さずに、直接、水
素ガス流路内に水素ガスを流して不純物を押し出す方法
が考えられる。しかし、このような方法では、水素ガス
が不純物を押し出して、燃料電池の出力電圧が所望の電
圧になるまでにかなりの時間がかかり、その間、押し出
された不純物を抜くために、燃料電池から排出されるガ
スを外部に捨てると、そのガスには、高濃度の水素が含
まれている場合があり、問題があった。
【０１００】そこで、本実施例では、始動時には、水素
ガス流路内に水素ガスを流入するだけでなく、水素ガス
を循環させるためのポンプ４１０を駆動して、水素ガス
流路内に強制的な流れを起こし、水素ガス流路内に存在
する不純物と流入した水素ガスとを攪拌して均一化する
ようにしている。
【０１０１】図５は図４の燃料電池システムの始動時に
おける制御部５０の制御内容の一例を示すフローチャー
トである。
【０１０２】燃料電池システムの始動時、制御部５０
は、まず、図５に示すように、水素吸蔵合金タンク２０
０のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャッ
トバルブ１０２及び１０４を、閉じた状態から開く（ス
テップＳ２０２）。すると、高圧水素ガスタンク３００
から水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、
本流流路４０１内を流れる。次に、制御部５０は、ポン
プ４１０を標準回転で駆動して、循環流路４０３内に強
制的に流れを起こして、水素ガス流路内に存在する不純
物を移動させ、それら不純物と流入した水素ガスとを循
環させて攪拌すると、両者は早期に均一化する。
【０１０３】例えば、水素ガス流路内に存在する不純物
が大気圧（０．１ＭＰａ）であるとすると、水素ガスを
２気圧（０，２ＭＰａ）に減圧して流すことにより、大
気圧と２気圧なので、不純物と水素ガスがほぼ５０％ず
つの状態になり、この状態で循環させて攪拌し、不純物
と水素ガスを均一化させる。
【０１０４】このように、不純物と水素ガスを均一化さ
せると、燃料電池１００内の各水素電極には等しく水素
が供給されるため、燃料電池１００は、直ちに、開放端
電圧が立ち上がる。この立ち上がりを、制御部５０が、
電圧センサ（図示せず）からの検出結果に基づいて感知
すると（ステップＳ２０６）、「発電ＯＫ」として、制
御部５０は、燃料電池１００に負荷（図示せず）を接続
させる（ステップＳ２０８）。その後、制御部５０は、
シャットバルブ４１４の開け（ステップＳ２１０）、循
環しているガス（均一化している不純物と水素ガス）を
徐々に排出する。高圧水素ガスタンク３００から引き続
き水素ガスが流入しているので、循環しているガスは徐
々に水素濃度を上げていく。
【０１０５】その後、制御部５０は、所定時間経過した
ら（ステップＳ２１２）、水素ガス流路内に存在してい
た不純物はある程度抜け、循環している水素ガスの水素
濃度が十分になったとして、シャットバルブ４１４を閉
じる（ステップＳ２１４）。そして、通常運転状態とな
る。
【０１０６】このように、燃料電池システムの始動時に
は、水素ガス流路内に水素ガスを流入すると共に、ポン
プ４１０を駆動して、短時間で、燃料電池１００の出力
電圧を所望の電圧に上げることができる。また、パージ
ガスを必要としないため、パージガス用のボンベなどが
不要であり、省スペース化、軽量化を図ることができ
る。さらに、高濃度の水素ガスを排出することもないの
で、高い安全性を確保することもできる。
【０１０７】なお、本実施例において、排出流路４０７
に設けられたシャットバルブ４１４やリリーフ流路４０
９に設けられたリリーフバルブ４１６の作用は、第１の
実施例の場合と同様であるので、説明は省略する。
【０１０８】Ｃ．変形例：なお、本発明は上記した実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様にて実施することが可能
である。
【０１０９】上記した第１及び第２の実施例では、循環
流路４０３に気液分離器４０６を設けていたが、このよ
うな構成は、水素ガスの供給源として、水素吸蔵合金タ
ンク２００や高圧水素ガスタンク３００の代わりに、原
燃料を改質して水素ガスを生成する改質器などを用いた
燃料電池システムにおいても、適用することができる。
【０１１０】また、上記した第２の実施例では、本流流
路４０１に気液分離器４２４を設けていたが、このよう
な構成は、第１の実施例の燃料電池システムにおいて
も、適用することができ、また、水素ガス供給源として
改質器などを用いた燃料電池システムにおいても、適用
することができる。
【０１１１】また、上記した第２の実施例では、減圧バ
ルブ４１８と４２２の間に、熱交換器４２０を設けてい
たが、減圧バルブ４２２の下流側に設けるようにしても
良い。また、第１の実施例の燃料電池システムにおいて
も、減圧バルブ４０４を使用しているので、必要があれ
ば、この減圧バルブ４０４の下流側にこのような熱交換
器を設けるようにしても良い。
【０１１２】また、上記した第２の実施例では、燃料電
池システムの始動時に、図５に示しような制御を行なっ
ていたが、このような制御は、第１の実施例の燃料電池
システムにおいても、適用することができ、また、水素
ガス供給源として改質器などを用いた燃料電池システム
においても、適用することができる。但し、第１の実施
例の燃料電池システムに適用する場合、低温始動時であ
れば、まず、ポンプ４１０によって水素吸蔵合金タンク
２００から水素ガスを引き出した後、シャットバルブ４
０２，４０８，４１２の開閉状態を切り替えて、ポンプ
４１０によって残存している不純物と引き出した水素ガ
スを循環させ、均一化するようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例としての車載用燃料電池
システムを示す構成図である。
【図２】図１で用いられる気液分離器の一具体例を示す
断面図である。
【図３】図１の燃料電池システムの始動時における制御
部５０の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例としての車載用燃料電池
システムを示す構成図である。
【図５】図４の燃料電池システムの始動時における制御
部５０の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
５０…制御部 １００…燃料電池 １０２…シャットバルブ １０４…シャットバルブ ２００…水素吸蔵合金タンク ２０２…シャットバルブ ３００…高圧水素ガスタンク ３０２…シャットバルブ ４００…圧力センサ ４０１…本流流路 ４０２…シャットバルブ ４０３…循環流路 ４０４…減圧バルブ ４０４…減圧バルブ ４０５…バイパス流路 ４０６…気液分離器 ４０７…排出流路 ４０８…シャットバルブ ４０９…リリーフ流路 ４１０…ポンプ ４１２…シャットバルブ ４１４…シャットバルブ ４１６…リリーフバルブ ４１８…減圧バルブ ４２０…熱交換器 ４２２…減圧バルブ ４２４…気液分離器 ４２６…逆止弁 ５０１…酸化ガス供給流路 ５０２…エアクリーナ ５０３…酸素オフガス排出流路 ５０４…コンプレッサ ５０６…加湿器 ５０８…気液分離器 ５１０…コンバスタ ５１２…白金触媒 ６０２…流入口 ６０４…シリンダ ６０６…流出口 ６１０…ガス流路 ６１２…コック
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６０Ｋ 15/03 Ｂ６０Ｋ 15/08 Ｆターム(参考） 3D035 AA06 3D038 CA00 CA11 CB01 CC00 5H027 AA02 BA14 BA16 BA19 BC06 BC11 KK05 KK44 MM09

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素ガスを吸蔵したり、放出したりする
    ことが可能な水素ガス吸蔵合金を備える水素ガス吸蔵部
    と、該水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガスの供
    給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガス
    を排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載
    用燃料電池システムであって、 前記水素ガス吸蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口と
    の間をつなぐと共に、前記水素ガス吸蔵部から放出され
    る前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１
    の流路と、 前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における第１
    の箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出さ
    れる前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２
    の流路と、 前記第２の流路中に配置され、前記第２の流路を流れる
    前記水素ガスを前記第１の箇所に向かって流すポンプ
    と、 前記第１の流路中における前記水素ガス吸蔵部の排出口
    と前記第１の箇所との間に位置する第２の箇所と、前記
    第２の流路中における前記燃料電池の排出口と前記ポン
    プとの間に位置する第３の箇所と、の間をつなぐと共
    に、前記第１の流路から分岐された前記水素ガスを流し
    て、前記第２の流路に送る第３の流路と、 前記第１の流路中における前記第２の箇所と前記第１の
    箇所との間に配置され、開閉によりガスを流したり止め
    たりすることが可能な第１のバルブと、 前記第２の流路中における前記燃料電池の排出口と前記
    第３の箇所との間に配置され、開閉によりガスを流した
    り止めたりすることが可能な第２のバルブと、 前記第３の流路中に配置され、開閉によりガスを流した
    り止めたりすることが可能な第３のバルブと、 前記ポンプ及び前記第１ないし第３のバルブを制御する
    制御部と、 を備え、 前記制御部は、前記水素ガス吸蔵部から放出される前記
    水素ガスの圧力が基準圧力を上回っている場合は、前記
    第１及び第２のバルブを開き、前記第３のバルブを閉じ
    て、前記水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガスを
    前記第１の流路を介して前記燃料電池に供給させ、前記
    燃料電池から排出される前記水素ガスを前記第２の流路
    を介して前記第１の流路に戻し、前記ポンプにより前記
    水素ガスを循環させると共に、 前記水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガスの圧力
    が前記基準圧力を下回っている場合には、前記第１及び
    第２のバルブを閉じ、前記第３のバルブを開いて、前記
    ポンプにより前記水素ガス吸蔵部から前記水素ガスを引
    き出させ、引き出した該水素ガスを前記第１の流路から
    前記第３の流路を介して前記第２の流路に送り、該第２
    の流路から前記第１の流路を介して前記燃料電池に供給
    させることを特徴とする車載用燃料電池システム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の車載用燃料電池システ
    ムにおいて、 前記第１及び第２のバルブのうち、少なくとも一方は、
    前記燃料電池から前記水素ガス吸蔵部に向かう、前記水
    素ガスの逆向きの流れを阻止する逆流防止手段を有する
    ことを特徴とする車載用燃料電池システム。
  3. 【請求項３】 貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもっ
    て放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス
    貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力
    を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載
    用燃料電池システムであって、 前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口と
    の間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出され
    る前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１
    の流路と、 該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放
    出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つ
    の減圧部と、 前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の
    供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部
    に向かって延びる第２の流路と、 前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流した
    り止めたりすることが可能なリリーフバルブと、 を備え、 前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定
    箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準
    圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１
    の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させるこ
    とを特徴とする車載用燃料電池システム。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の車載用燃料電池システ
    ムにおいて、 前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路
    面に向かうように、配置されていることを特徴とする車
    載用燃料電池システム。
  5. 【請求項５】 水素ガスを供給するための水素ガス供給
    部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの
    供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガ
    スを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車
    載用燃料電池システムであって、 前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口と
    の間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出され
    る前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１
    の流路と、 前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定
    箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出され
    る前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の
    流路と、 前記第２の流路中に配置され、前記燃料電池から排出さ
    れる前記水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分
    離して、液体のみを除去する気液分離部と、 を備える車載用燃料電池システム。
  6. 【請求項６】 水素ガスを供給するための水素ガス供給
    部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの
    供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガ
    スを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車
    載用燃料電池システムであって、 前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口と
    の間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出され
    る前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１
    の流路と、 前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定
    箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出され
    る前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の
    流路と、 前記第１の流路中における前記特定箇所と前記燃料電池
    の供給口との間に配置され、前記水素ガスに含まれる水
    分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去する気
    液分離部と、 を備える車載用燃料電池システム。
  7. 【請求項７】 貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもっ
    て放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス
    貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力
    を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載
    用燃料電池システムであって、 前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口と
    の間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出され
    る前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１
    の流路と、 該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放
    出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つ
    の減圧部と、 前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の
    供給口との間に配置され、前記第１の流路を流れる前記
    水素ガスの温度を上げる昇温部と、 を備える車載用燃料電池システム。
  8. 【請求項８】 水素ガスを供給するための水素ガス供給
    部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの
    供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガ
    スを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車
    載用燃料電池システムであって、 前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口と
    の間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出され
    る前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１
    の流路と、 前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定
    箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出され
    る前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の
    流路と、 前記第２の流路中に配置され、前記第２の流路を流れる
    前記水素ガスを前記特定箇所に向かって流し、前記水素
    ガスを循環させるポンプと、 前記水素ガス供給部及び前記ポンプを制御する制御部
    と、 を備え、 前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時におい
    て、前記水素ガス供給部より前記水素ガスを送出させる
    と共に、前記ポンプを駆動させて、前記水素ガスが流れ
    るべき流路内に流れを起こし、該流路内に存在する不純
    物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化すること
    を特徴とする車載用燃料電池システム。
  9. 【請求項９】 水素ガスを吸蔵したり、放出したりする
    ことが可能な水素ガス吸蔵合金を備える水素ガス吸蔵部
    と、該水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガスの供
    給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガス
    を排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載
    用燃料電池システムの制御方法であって、 （ａ）前記水素ガス吸蔵部の放出口と前記燃料電池の供
    給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス吸蔵部から放
    出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給す
    る第１の流路と、前記燃料電池の排出口と前記第１の流
    路中における第１の箇所との間をつなぐと共に、前記燃
    料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１
    の流路に戻す第２の流路と、前記第２の流路中に配置さ
    れ、前記第２の流路を流れる前記水素ガスを前記第１の
    箇所に向かって流すポンプと、前記第１の流路中におけ
    る前記水素ガス吸蔵部の排出口と前記第１の箇所との間
    に位置する第２の箇所と、前記第２の流路中における前
    記燃料電池の排出口と前記ポンプとの間に位置する第３
    の箇所と、の間をつなぐと共に、前記第１の流路から分
    岐された前記水素ガスを流して、前記第２の流路に送る
    第３の流路と、前記第１の流路中における前記第２の箇
    所と前記第１の箇所との間に配置され、開閉によりガス
    を流したり止めたりすることが可能な第１のバルブと、
    前記第２の流路中における前記燃料電池の排出口と前記
    第３の箇所との間に配置され、開閉によりガスを流した
    り止めたりすることが可能な第２のバルブと、前記第３
    の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めた
    りすることが可能な第３のバルブと、を用意する工程
    と、 （ｂ）前記水素ガス吸蔵部から放出される前記水素ガス
    の圧力が基準圧力を上回っている否かを判定する工程
    と、 （ｃ）前記水素ガスの圧力が前記基準圧力を上回ってい
    る場合、前記第１及び第２のバルブを開き、前記第３の
    バルブを閉じて、前記水素ガス吸蔵部から放出される前
    記水素ガスを前記第１の流路を介して前記燃料電池に供
    給させ、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを前
    記第２の流路を介して前記第１の流路に戻し、前記ポン
    プにより前記水素ガスを循環させる工程と、 （ｄ）前記水素ガスの圧力が前記基準圧力を上回ってい
    ない場合、前記第１及び第２のバルブを閉じ、前記第３
    のバルブを開いて、前記ポンプにより前記水素ガス吸蔵
    部から前記水素ガスを引き出させ、引き出した該水素ガ
    スを前記第１の流路から前記第３の流路を介して前記第
    ２の流路に送り、該第２の流路から前記第１の流路を介
    して前記燃料電池に供給させる工程と、 を備える車載用燃料電池システムの制御方法。
  10. 【請求項１０】 水素ガスを供給するための水素ガス供
    給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガス
    の供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素
    ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される
    車載用燃料電池システムの制御方法であって、 （ａ）前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供
    給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送
    出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給す
    る第１の流路と、前記燃料電池の排出口と前記第１の流
    路中における特定箇所との間をつなぐと共に、前記燃料
    電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の
    流路に戻す第２の流路と、前記第２の流路中に配置さ
    れ、前記第２の流路を流れる前記水素ガスを前記特定箇
    所に向かって流し、前記水素ガスを循環させるポンプ
    と、を用意する工程と、 （ｂ）前記燃料電池システムの始動時において、前記水
    素ガス供給部より前記水素ガスを送出させる工程と、 （ｃ）前記ポンプを駆動させて、前記水素ガスが流れる
    べき流路内に流れを起こし、該流路内に存在する不純物
    と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化する工程
    と、 を備える車載用燃料電池システムの制御方法。
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