JP3741009B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを供給する水素タンクと、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の温度を所望の温度にすることが可能な燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高圧水素タンクと、燃料電池と、を備えた燃料電池システムを搭載した車両を、例えば、寒冷地において冬場に使用する場合、周囲温度が極めて低い(例えば、0℃未満)ため、燃料電池システムの起動前には、燃料電池内が凍り付いている(例えば、電解質膜などが凍り付いている)恐れがあり、そのままでは、燃料電池を作動させることができない。従って、燃料電池システムの起動時には、燃料電池の温度を常温(例えば、0℃以上)まで上げて、燃料電池内を解凍させた上で、燃料電池を作動させる必要がある。
【0003】
そのため、従来においては、このような場合に、電気ヒータまたは燃焼ヒータを用いて、燃料電池本体または燃料電池内を循環する冷却水を加熱する方法が採られていた。
【0004】
また、従来においては、燃料電池が作動した後においても、燃料電池の温度が適正な温度までなかなか上がらない場合には、上記したのと同様の方法が採られていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、電気ヒータを用いる方法では、電気ヒータに電力を供給するために、車両に、大容量のバッテリを搭載する必要があるという問題があった。
【0006】
また、燃焼ヒータを用いる方法では、燃料電池に供給すべき燃料である水素ガスを燃焼ヒータに供給して燃焼させるため、その分の燃料(すなわち、水素ガス)は単に燃焼に利用されるだけであり、燃料電池における電力発生には何ら利用されないことになる。従って、その分の燃料が持つエネルギは、電力発生の観点から見て、損失になってしまうという問題があった。なお、電気ヒータを用いる場合においても、燃料電池によって発生した電力をバッテリに蓄えた上で、その蓄えた電力を電気ヒータに供給して、電気ヒータを加熱させる場合には、同様の問題が発生する。
【0007】
さらにまた、その他の方法として、燃料電池全体を断熱材等でくるんで、燃料電池を保温する方法も考えられるが、かかる方法では、燃料電池の運転終了後、或る程度の時間は燃料電池の温度を適正な温度に保つことができるが、長時間経過すると、何れは周囲温度まで低下してしまうため、この場合においても、起動時には、燃料電池の温度を適正な温度まで上げる必要がある。
【0008】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、大容量のバッテリを要することなく、燃料電池の温度を所望の温度にすることができ、しかも、エネルギを効率よく利用することができる燃料電池システムを提供することにある。
【0009】
【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の燃料電池システムは、水素ガスを供給する水素タンクと、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、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記燃料電池の温度が第1の基準温度以下である場合には、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクに前記水素ガスを供給して、該水素ガスを前記水素吸蔵タンクに吸蔵させることにより、該水素吸蔵合金タンクで熱を発生させ、発生したその熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させて、該燃料電池の温度を上昇させると共に、
前記燃料電池の温度が第3の基準温度より高い場合には、前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させることにより、該水素吸蔵タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させ、放出した該水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用することを要旨とする。
【0010】
このように、第1の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が第1の基準温度以下である場合に、水素タンクから水素吸蔵合金タンクに水素ガスを供給して、その水素ガスを水素吸蔵タンクに吸蔵させる。水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵すると、発熱反応を生じるため、水素吸蔵合金タンクは熱を発生する。この発生した熱を熱交換部の循環する熱交換媒体によって燃料電池に伝達させることにより、燃料電池の温度を上昇させる。
また、燃料電池の温度が第3の基準温度より高い場合に、燃料電池の発生する熱を利用して、水素吸蔵合金タンクに吸蔵されている水素ガスを放出させる。そして、放出した水素ガスを燃料電池に供給して、電力の発生に利用する。
【0011】
従って、第1の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が第1の基準温度以下である場合に、燃料電池の温度を所望の温度まで上げることができるので、例えば、冬場のように周囲温度が極めて低く、燃料電池システムの起動前に、燃料電池内が凍り付いている場合でも、起動時に、燃料電池の温度を常温まで上げて、燃料電池内を解凍させた上で、燃料電池を作動させることができる。
【0012】
また、水素吸蔵タンクに水素ガスを吸蔵させる際に発生する熱を利用して、燃料電池の温度を上昇させているので、従来において用いられていた電気ヒータや燃焼ヒータが不要となると共に、大容量のバッテリも必要としない。
また、燃料電池の温度を上昇させるために利用された水素ガス(すなわち、水素タンクから水素吸蔵合金タンクに供給され、水素吸蔵合金タンクに吸蔵された水素ガス)を、燃料電池に供給して、電力発生に用いることができるので、燃料である水素ガスの持つエネルギを効率よく利用することができる。
また、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンクから水素ガスを放出させるために、燃料電池の発生する熱を利用しているため、他のエネルギを必要としない。
【0013】
本発明の第2の燃料電池システムは、水素ガスを供給する水素タンクと、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、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記燃料電池の温度が第1の基準温度より高く第2の基準温度以下である場合には、前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給して、前記燃料電池において、前記電力の発生に利用すると共に、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクにも前記水素ガスを供給して、前記水素吸蔵タンクに吸蔵させることにより、該水素吸蔵合金タンクで熱を発生させ、発生したその熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させて、該燃料電池の温度を上昇させ、
前記燃料電池の温度が第3の基準温度より高い場合には、前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させることにより、該水素吸蔵タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させ、放出した該水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用することを要旨とする。
【0014】
このように、第2の燃料電池システムでは、第1の基準温度より高く第2の基準温度以下である場合に、水素タンクから水素ガスを、燃料電池に供給すると共に、水素吸蔵合金タンクにも供給する。燃料電池では、供給された水素ガスを電力の発生に利用する。水素吸蔵合金タンクでは、供給された水素ガスを吸蔵する。この吸蔵によって発生する熱を熱交換媒体によって水素吸蔵合金タンクから燃料電池に伝達させることにより、燃料電池の温度を上昇させる。
また、燃料電池の温度が第3の基準温度より高い場合に、燃料電池の発生する熱を利用して、水素吸蔵合金タンクに吸蔵されている水素ガスを放出させる。そして、放出した水素ガスを燃料電池に供給して、電力の発生に利用する。
【0015】
従って、第2の燃料電池システムによれば、第1の基準温度より高く第2の基準温度以下である場合に、燃料電池を作動させながら、燃料電池の温度を所望の温度まで上げることができるので、例えば、燃料電池内は凍り付いていないものの、燃料電池の温度がまだ低い場合に、燃料電池自体による発熱と水素吸蔵合金タンクから伝達される熱によって、燃料電池の温度を急速に上げることができる。
また、燃料電池の温度を上昇させるために利用された水素ガス(すなわち、水素タンクから水素吸蔵合金タンクに供給され、水素吸蔵合金タンクに吸蔵された水素ガス)を、燃料電池に供給して、電力発生に用いることができるので、燃料である水素ガスの持つエネルギを効率よく利用することかできる。
また、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンクから水素ガスを放出させるために、燃料電池の発生する熱を利用しているため、他のエネルギを必要としない。
【0016】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池および前記水素吸蔵タンクを循環する前記熱交換媒体の量が最小となるように、該熱交換媒体の循環経路を設定することが好ましい。
【0017】
水素吸蔵合金タンクで発生した熱を熱交換媒体によって燃料電池に伝達して、燃料電池を暖める際、熱交換媒体自体の温度が低い場合には、水素吸蔵合金タンクで発生した熱によって熱交換媒体自体も加熱する必要がある。しかし、上述したように、熱交換媒体の循環経路を設定することにより、循環する熱交換媒体の量は最小となるため、熱交換媒体を加熱するための熱量も少なくて済み、短時間で熱交換媒体自体の温度を上げることができる。従って、より少ないエネルギで燃料電池の温度をより早く上昇させることが可能となる。
【0022】
本発明の第3の燃料電池システムは、水素ガスを供給する水素タンクと、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、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記燃料電池の温度が第4の基準温度より高い場合には、前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させ、該水素吸蔵タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させることにより、伝達されたその熱を前記水素吸蔵タンクで吸収すると共に、放出した前記水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用することを要旨とする。
【0023】
このように、第3の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が第4の基準温度より高い場合に、燃料電池の発生する熱を循環する熱交換媒体によって水素吸蔵合金タンクに伝達させて、水素吸蔵タンクに吸蔵されている水素ガスを放出させる。そして、伝達された熱を水素吸蔵タンクで吸収すると共に、放出した水素ガスを燃料電池に供給して、電力の発生に利用する。
【0024】
従って、第3の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が第4の基準温度より高い場合に、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンクを利用して、燃料電池の温度を所望の温度まで下げることができるので、例えば、夏場のように周囲温度が高い場合でも、燃料電池の温度を定常温度に保つことができる。
【0025】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの態様に限ることなく、そのようなシステムを搭載した車両としての態様で実現することも可能である。
【0026】
【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.実施例の構成:
B.昇温動作および通常動作:
C.再生動作:
D.冷却動作:
E.変形例:
【0027】
A.実施例の構成:
図1は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【0028】
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、水素ガスを供給する高圧水素タンク100と、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池200と、水素ガスを吸蔵したり、吸蔵した水素ガスを放出したりする水素吸蔵合金タンク300と、を備えている。
【0029】
このうち、高圧水素タンク100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10を開くと、およそ20〜35MPaの圧力を有する水素ガスが放出される。
【0030】
燃料電池200は、水素を含んだ水素ガスの供給と、酸素を含んだ酸化ガス(例えば、空気)の供給と、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。
【0031】
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。
【0032】
H2 → 2H++2e- …(1)
2H++2e-+(1/2)O2 → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
【0033】
このような燃料電池200を車両の動力源として用いる場合、燃料電池200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。
【0034】
また、燃料電池200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。
【0035】
水素吸蔵合金タンク300は、内部に水素吸蔵合金(図示せず)を有しており、内部の温度が低温になればなるほど、内部の圧力が下がるため、水素吸蔵合金は水素ガスを吸蔵しやすくなり、内部の温度が高温になればなるほど、内部の圧力が上がるため、水素吸蔵合金は吸蔵した水素ガスを放出しやすくなる。水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵する際、発熱反応を生じ、熱を発生する。逆に、吸蔵した水素ガスを放出する際には、吸熱反応を生じ、熱を吸収する。従って、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスを吸蔵させる際には、後述する熱交換システムによって、水素吸蔵合金タンク300の内部を冷却し、水素吸蔵合金タンク300から吸蔵した水素ガスを放出させる際には、その熱交換システムによって、水素吸蔵合金タンク300の内部を加熱する。
【0036】
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、同じくシステム内で酸化ガスを流通させるための酸化ガス流路64と、冷却水を循環させることにより、燃料電池200や水素吸蔵合金タンク300の温度を制御する熱交換システムと、制御部400と、を備えている。
【0037】
このうち、水素ガス流路は、高圧水素タンク100の放出口から分岐点52を介して燃料電池200の供給口に至る本流流路50と、水素吸蔵合金タンク300の供給・放出口と分岐点52とをつなぐ支流流路54と、を備えている。
【0038】
本流流路50には、高圧水素タンク100の放出口と分岐点52との間に、シャットバルブ10と、レギュレータ12と、が配置されており、分岐点52と燃料電池200の供給口との間には、レギュレータ14と、シャットバルブ16と、が配置されている。また、支流流路54には、シャットバルブ18と、圧力センサ20と、が配置されている。このうち、圧力センサ20は、主として、水素吸蔵合金タンク300から放出される水素ガスの圧力Phを検出するセンサである。
【0039】
一方、熱交換システムは、ウォータポンプ22と、ラジエータ500と、冷却水流路と、で構成されている。このうち、冷却水流路は、燃料電池200とラジエータ500とをつなぐ本流流路58と、本流流路58から分岐し水素吸蔵合金タンク300に至る支流流路60と、ラジエータ500をバイパスするバイパス流路62と、を備えており、不凍の処理を施した冷却水が流れている。
【0040】
本流流路58には、前述したウォータポンプ22の他、水温センサ28と、バイパスバルブ26と、が配置されている。このうち、水温センサ28は、燃料電池200から放出される冷却水の温度Twを検出するセンサである。燃料電池200から放出された直後の冷却水の温度は、燃料電池200の温度とほとんど差がないため、この水温センサ28によって検出される冷却水の温度Twを、燃料電池200の温度と見なすことができる。
【0041】
支流流路60には、調整バルブ24が配置されている。この調整バルブ24は、バルブの開閉ができる他、バルブの開度を変化させ、水素吸蔵合金タンク300へ流れる冷却水の流量を調整することができる。
【0042】
バイパス流路62の一端は、バイパスバルブ26に接続されている。このバイパスバルブ26は、3つの切り換えモードを持っている。そのうち、第1のモードは、経路aを経路bにつなぐモード(すなわち、冷却水をラジエータ500に流すモード)であり、第2のモードは、経路cを経路bにつなぐモード(すなわち、冷却水をバイパス流路62に流すモード)であり、第3のモードは、経路a,c何れも経路bにつながないモード(すなわち、冷却水をラジエータ500にもバイパス流路62にも流さないモード)である。
【0043】
また、制御部400は、圧力センサ20および水温センサ28からの検出結果を入力すると共に、各バルブ10〜18,24,26と、ウォータポンプ22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。
【0044】
なお、本実施例において、高圧水素タンク100は、本発明における水素タンクに、燃料電池200は、本発明における燃料電池に、水素吸蔵合金タンク300は、本発明における水素吸蔵合金タンクに、熱交換システムは、本発明における熱交換部に、冷却水は、本発明における熱交換媒体に、にそれぞれ相当している。
【0045】
B.昇温動作および通常動作:
それでは、本実施例の燃料電池システムにおける起動時の動作について、図2を用いて説明する。図2は図1の燃料電池システムにおける起動時の動作手順を示すフローチャートである。
【0046】
燃料電池システムの起動前、水素ガス流路の全てのシャットバルブ10,16,18は閉じている。また、冷却水流路のうち、調整バルブ24も閉じており、バイパスバルブ26は第2のモードとなっている他、ウォータポンプ22も停止している。また、水素吸蔵合金タンク300は、水素ガスを吸蔵していない空の状態となっている。
【0047】
そこで、燃料電池システムが起動されると、制御部400は、まず、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ10を開くと共に、冷却水流路のウォータポンプ22を駆動する(ステップS102)。シャットバルブ10が開くと、高圧水素タンク100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50に至る。また、ウォータポンプ22が駆動されると、冷却水が流れ始める。
【0048】
次に、制御部400は、水温センサ28からの検出結果を入力し、冷却水の温度Twが第1の基準温度T1以下であるか否かを判定する(ステップS104)。ここで、第1の基準温度T1としては、例えば、氷が溶ける温度である、およそ0℃が設定されている。
【0049】
判定の結果、冷却水の温度が第1の基準温度T1以下である場合には、燃料電池200の温度が低くて、燃料電池200内が凍り付いている恐れがあるので、第1の昇温動作を開始する。
【0050】
すなわち、制御部400は、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ16を閉じて、支流流路54のシャットバルブ18を開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を開き、バイパスバルブ26を第3のモードにする。そして、さらに、後述する吸蔵フラグを立てる(ステップS106)。
【0051】
本流流路50のシャットバルブ16を閉じて、支流流路54のシャットバルブ18が開くと、高圧水素タンク100から放出され、本流流路50に至った水素ガスは、矢印h1で示すように、分岐点52から支流流路54を通って、水素吸蔵合金タンク300に供給される。
【0052】
なお、本流流路50の途中には、1次減圧用のレギュレータ12が設けられており、高圧水素タンク100から放出された高圧(すなわち、およそ20〜35MPa)の水素ガスは、このレギュレータ12を通ることによって、およそ0.8〜1MPaまで減圧されて、水素吸蔵合金タンク300に供給される。
【0053】
一方、水素吸蔵合金タンク300は、前述したとおり、水素ガスを吸蔵していない空の状態であり、また、冷却水の温度が第1の基準温度T1以下ということで、周囲温度も低くく、水素吸蔵合金タンク300の温度も低い状態となっているため、水素吸蔵合金タンク300の内部の圧力は非常に低くなっている。
【0054】
従って、水素吸蔵合金タンク300におよそ0.8〜1MPaの水素ガスが供給されると、水素吸蔵合金タンク300の内部の圧力は非常に低いため、その供給された水素ガスは、水素吸蔵合金タンク300内の水素吸蔵合金によって速やかに吸蔵される。こうして、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵すると、上述したとおり、発熱反応を生じて、熱を発生する。
【0055】
一方、熱交換システムにおいて、支流流路60の調整バルブ24が開くと共に、バイパスバルブ26が第3のモードとなると、冷却水は、矢印w3の如く、燃料電池200から出た後、本流流路58,支流流路60,水素吸蔵合金タンク300,支流流路60,本流流路58を介して燃料電池200に戻る経路で循環する。
【0056】
従って、水素吸蔵合金タンク300で発生した熱は、循環される冷却水によって水素吸蔵合金タンク300から燃料電池200に伝達されるため、燃料電池200は加熱されて、温度を上げることになる。
【0057】
以上のようにして、本実施例の燃料電池システムにおいては、起動時に、高圧水素タンク100から放出された水素ガスを水素吸蔵合金タンク300に供給して吸蔵させることにより、水素吸蔵合金タンク300で熱を発生させ、その発生した熱を熱交換システムによって燃料電池200に伝達することにより、燃料電池200の温度を上げることができる。
【0058】
また、水素吸蔵合金タンク300で発生した熱を循環する冷却水によって燃料電池200に伝達して、燃料電池200を暖める場合、冷却水自体の温度が低いと、水素吸蔵合金タンク300で発生した熱によって冷却水自体も加熱する必要がある。しかし、本実施例の燃料電池システムによれば、熱交換システムにおいて、バイパスバルブ26を第3のモードにしているため、冷却水は、矢印w3に示すような経路でのみ循環し、バイパス流路62やラジエータ500に流れることはない。従って、冷却水は最小の経路で循環することになるので、循環する冷却水の量も最小となり、そのため、冷却水を加熱するための熱量も少なくて済み、短時間で冷却水自体の温度を上げることができる。よって、より少ないエネルギで燃料電池200の温度をより早く上昇させることが可能となる。
【0059】
なお、ステップS106では、このようにして、高圧水素タンク100から水素吸蔵合金タンク300に水素ガスが供給され、水素吸蔵合金タンク300に吸蔵されるため、前述した如く、制御部400は、水素吸蔵合金タンク300が水素ガスを吸蔵したことを示す吸蔵フラグを立てるのである。
【0060】
こうして、ステップS106の処理が完了すると、再び、ステップS104の処理に戻る。
【0061】
次に、ステップS104における判定の結果、冷却水の温度が第1の基準温度T1より高い場合には、燃料電池200内が凍り付いている恐れがないので、制御部400は、冷却水の温度Twが第2の基準温度T2以下であるか否かを判定する(ステップS108)。ここで、第2の基準温度T2はT2>T1であり、第2の基準温度T2としては、例えば、およそ30〜50℃が設定されている。
【0062】
判定の結果、冷却水の温度Twが第2の基準温度T2以下である場合には、燃料電池200内は凍り付いていないので、燃料電池200の作動は可能であるものの、燃料電池200の温度はまだ低く、効率的な運転ができないため、第2の昇温動作を開始する。
【0063】
すなわち、制御部400は、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ16と支流流路54のシャットバルブ18の両方を開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を開き、バイパスバルブ26を第3のモードにする。そして、さらに、吸蔵フラグが立っていない場合には、吸蔵フラグを立てる(ステップS110)。
【0064】
本流流路50のシャットバルブ16と、支流流路54のシャットバルブ18が共に開くと、高圧水素タンク100から放出され、本流流路50に至った水素ガスは、矢印h1,矢印h2で示すように、一部がそのまま本流流路50を通って、燃料電池200に供給され、残りが分岐点52から支流流路54を通って、水素吸蔵合金タンク300に供給される。
【0065】
なお、本流流路50の途中には、前述した1次減圧用のレギュレータ12の他に、2次減圧用のレギュレータ14が設けられており、本流流路50をそのまま通る水素ガスは、1次減圧用のレギュレータ12でおよそ0.8〜1MPaに減圧された後、さらに、2次減圧用のレギュレータ14を通ることによって、最終的に、およそ0.2〜0.3MPaまで減圧されて、燃料電池200に供給される。こうして、高圧水素タンク100から放出された高圧の水素ガスを2段階で減圧することよって、高圧の水素ガスが直接、燃料電池200に供給されないよう、燃料電池200を保護している。
【0066】
また、燃料電池200には、別に、酸化ガス流路64を介して酸化ガスが供給される。
【0067】
こうして、燃料電池200に水素ガスと酸化ガスが供給されると、前述したとおり、燃料電池200は、水素極と酸素極において電気化学反応を起こし、電力を発生させる。なお、このとき起きる電気化学反応は、発熱反応であるため、これによって、燃料電池200の温度は上昇する。
【0068】
一方、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスが供給されると、前述したとおり、その水素ガスは水素吸蔵合金タンク300内の水素吸蔵合金によって吸蔵され、水素吸蔵合金は、発熱反応を生じて、熱を発生する。発生した熱は、熱交換システムにおける、循環される冷却水によって燃料電池200に伝達されて、燃料電池200の温度を上げる。
【0069】
以上のようにして、本実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池200内は凍り付いていないものの、燃料電池200の温度がまだ低い場合には、燃料電池200を作動させながら、水素吸蔵合金タンク300を利用して燃料電池200の温度を上げることができるので、燃料電池200自体による発熱と相まって、燃料電池200の温度を急速に上げることができる。
【0070】
こうして、ステップS110の処理が完了すると、再び、ステップS104の処理に戻る。
【0071】
一方、ステップS110における判定の結果、冷却水の温度Twが第2の基準温度T2より高い場合には、燃料電池200の温度も十分高く、効率的な運転が可能なため、通常動作を開始する。
【0072】
すなわち、制御部400は、水素ガス流路のうち、支流流路54のシャットバルブ18を閉じて、本流流路50のシャットバルブ16と開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を閉じ、バイパスバルブ26を第2のモードにする(ステップS112)。
【0073】
支流流路54のシャットバルブ18が閉じて、本流流路50のシャットバルブ16が開くと、高圧水素タンク100から放出され、本流流路50に至った水素ガスは、矢印h2で示すように、そのまま本流流路50を通って、燃料電池200に供給される。
【0074】
また、燃料電池200には、別に、酸化ガス流路64を介して酸化ガスが供給されている。
【0075】
このように、燃料電池200に水素ガスと酸化ガスが供給されると、前述したとおり、燃料電池200は、水素極と酸素極において電気化学反応を起こし、電力を発生させる。この電気化学反応は、前述したとおり、発熱反応であるため、燃料電池200の温度は上昇する。
【0076】
一方、熱交換システムにおいて、支流流路60の調整バルブ24が閉じると共に、バイパスバルブ26が第2のモードとなると、冷却水は、矢印w2の如く、燃料電池200から出た後、本流流路58,バイパス流路62,本流流路58を介して燃料電池200に戻る経路で循環する。冷却水の温度Twが定常温度よりまだ低い場合に、ラジエータ500側に冷却水を回すと、冷却水の温度Twが上がっていかないからである。
【0077】
その後、制御部400は、水温センサ28を介して冷却水の温度Twを監視しながら、燃料電池200の温度上昇に伴い、冷却水の温度Twが定常温度まで上昇したら、バイパスバルブ26を第2のモードから第1のモードに切り換える。これにより、冷却水は、矢印w1の如く、燃料電池200から出た後、本流流路58,ラジエータ500,本流流路58を介して燃料電池200に戻る経路で循環する。この結果、燃料電池200によって昇温された冷却水は、ラジエータ500において冷却されるため、冷却水の温度Tw、延いては燃料電池200の温度を定常温度に保つことができる。
【0078】
以上によって、図2に示した一連の起動時の動作を終了する。
【0079】
C.再生動作:
次に、本実施例の燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金タンク300に吸蔵された水素ガスを燃料電池200で再利用するための再生動作について、図3を用いて説明する。図3は図1の燃料電池システムにおける再生動作の手順を示すフローチャートである。
【0080】
前述したとおり、通常動作時では、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ10,16は開いているが、支流流路54のシャットバルブ18は閉じている。また、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24は閉じており、バイパスバルブ26は第1または第2のモードとなっている。
【0081】
このような通常動作時において、図3に示す再生動作が開始されると、制御部400は、まず、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスが吸蔵されていることを示す吸蔵フラグが立っているか否かを判定する(ステップS202)。判定の結果、吸蔵フラグが立っていなければ、水素吸蔵合金タンク300には水素ガスが吸蔵されておらず、空の状態であるので、そのまま、図3に示す再生動作を終了する。
【0082】
判定の結果、吸蔵フラグが立っていれば、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスが吸蔵されているので、図3に示す再生動作を続行する。
【0083】
次に、制御部400は、水温センサ28からの検出結果を入力し、冷却水の温度Twが第3の基準温度T3より高いか否かを判定する(ステップS204)。ここで、第3の基準温度T3はT3>T2であり、第3の基準温度T3としては、例えば、およそ50〜80℃が設定されている。
【0084】
判定の結果、冷却水の温度Twが第3の基準温度T3以下である場合には、その第3の基準温度T3を超えるまで待機する。その後、冷却水の温度Twが第3の基準温度T3を超えたら、制御部400は、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ10を閉じて、支流流路54のシャットバルブ18を開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を開き、バイパスバルブ26を第3のモードにする(ステップS206)。
【0085】
熱交換システムにおいて、支流流路60の調整バルブ24が開くと共に、バイパスバルブ26が第3のモードとなると、冷却水は、矢印w3の如く、燃料電池200から出た後、本流流路58,支流流路60,水素吸蔵合金タンク300,支流流路60,本流流路58を介して燃料電池200に戻る経路で循環する。
【0086】
このとき、冷却水の温度Twは第3の基準温度T3を超えており、燃料電池200において、電気化学反応により発生した熱は、循環される冷却水によって、燃料電池200から水素吸蔵合金タンク300に伝達されるため、水素吸蔵合金タンク300は加熱されて、温度を上げることになる。この結果、水素吸蔵合金タンク300の内部の圧力は高くなって、水素吸蔵合金は、吸蔵していた水素ガスを放出する。
【0087】
前述したとおり、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ10は閉じており、支流流路54のシャットバルブ18は開いているため、水素吸蔵合金タンク300は、吸蔵していた水素ガスを外部に放出し、放出された水素ガスは、矢印h3に示すように、支流流路54,分岐点52,本流流路50を通って、燃料電池200に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池200において、電力発生のために利用される。
【0088】
次に、制御部400は、圧力センサ20からの検出結果を入力し、水素吸蔵合金タンク300から放出される水素ガスの圧力Phがほぼ第1の基準圧力P1となっているか否かを判定する(ステップS208)。ここで、第1の基準圧力P1としては、例えば、およそ0.8〜0.9MPaが設定されている。
【0089】
判定の結果、水素ガスの圧力Phが第1の基準圧力P1になっていない場合には、制御部400は、第1の基準圧力P1になるように、冷却水流路の調整バルブ24を制御して、バルブ開度を変化させ、水素吸蔵合金タンク300へ流れる冷却水の流量を調整する。こうして、水素吸蔵合金タンク300から水素ガスが放出される間、その水素ガスの圧力Phは、常に、第1の基準圧力P1になるように調整される。
【0090】
その後、水素吸蔵合金タンク300から放出される水素ガスの圧力Phが低下してきて、調整バルブ24を全開にしても、水素ガスの圧力Phが第1の基準圧力P1を維持できない場合に(ステップS212,S214)、制御部400は、水素吸蔵合金タンク300が吸蔵していた水素ガスを全て放出してしまい、空の状態になったものと判断する。
【0091】
そして、制御部400は、水素ガス流路のうち、支流流路54のシャットバルブ18を閉じて、本流流路50のシャットバルブ10を開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を閉じて、バイパスバルブ26を第1または第2のモードにする(ステップS216)。そして、水素吸蔵合金タンク300が空になったことを示すために、吸蔵フラグを下ろす(ステップS216)。
【0092】
以上によって、図3に示した一連の再生動作を終了し、通常動作に戻る。
【0093】
本実施例の燃料電池システムによれば、起動時に、燃料電池200の温度を上昇させるために利用された水素ガス(すなわち、高圧水素タンク100から水素吸蔵合金タンク300に供給され、水素吸蔵合金タンク300において吸蔵された水素ガス)を、燃料電池200の運転中に、燃料電池200に供給して、燃料電池200での電力発生に用いることができるので、燃料である水素ガスの持つエネルギを効率よく利用することかできる。
【0094】
また、燃料電池200の運転中に、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンク300を空の状態にすることができるので、運転が終了して、再度、燃料電池システムを起動する場合には、いつでも、上述した昇温動作を開始することができる。
【0095】
さらにまた、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンク300を空の状態にするために、燃料電池200の発生する熱を利用しているため、他のエネルギを必要としない。
【0096】
D.冷却動作:
ところで、通常動作では、前述したとおり、冷却水流路のバイパスバルブ26が第1のモードになっていれば、燃料電池200を循環する冷却水はラジエータ500において冷却されるため、燃料電池200の温度は定常温度に保たれているが、このような燃料電池システムを搭載した車両を、例えば、夏場に使用する場合、上記したようなラジエータ500による冷却だけでは、燃料電池200の温度を定常温度に保てない場合がある。
【0097】
そこで、次に、本実施例の燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金タンク300を利用して燃料電池200を冷却するための冷却動作について、図4を用いて説明する。図4は図1の燃料電池システムにおける冷却動作の手順を示すフローチャートである。
【0098】
なお、この冷却動作は、前述した再生動作の代わりに行うものである。また、この冷却動作は、基本的には、再生動作と同様であるので、異なる部分について詳細に説明する。
【0099】
通常動作時において、図4に示す冷却動作が開始されると、制御部400は、まず、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスが吸蔵されていることを示す吸蔵フラグが立っているか否かを判定する(ステップS302)。判定の結果、吸蔵フラグが立っていなければ、水素吸蔵合金タンク300は空の状態であって、水素吸蔵合金タンク300を利用した冷却は行えないので、図4に示す冷却動作を終了する。
【0100】
判定の結果、吸蔵フラグが立っていれば、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスが吸蔵されているので、図4に示す冷却動作を続行する。
【0101】
次に、制御部400は、水温センサ28からの検出結果を入力し、冷却水の温度Twが第4の基準温度T4より高いか否かを判定する(ステップS304)。ここで、第4の基準温度T4はT4>T2であり、第4の基準温度T4としては、例えば、およそ80℃以上が設定されている。
【0102】
判定の結果、冷却水の温度Twが第4の基準温度T4以下である場合には、冷却水の温度Twが高くなって、その第4の基準温度T4を超えるまで待機する。その後、冷却水の温度Twが第4の基準温度T4を超えたら、燃料電池200を冷却するために、制御部400は、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ10を閉じて、支流流路54のシャットバルブ18を開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を開き、バイパスバルブ26を第3のモードにする(ステップS306)。
【0103】
熱交換システムにおいて、支流流路60の調整バルブ24が開くと共に、バイパスバルブ26が第3のモードとなると、冷却水は、矢印w3の如く、燃料電池200から出た後、本流流路58,支流流路60,水素吸蔵合金タンク300,支流流路60,本流流路58を介して燃料電池200に戻る経路で循環する。
【0104】
従って、燃料電池200において、電気化学反応により発生した熱は、循環される冷却水によって奪い去られ、燃料電池200から水素吸蔵合金タンク300に伝達される。一方、水素吸蔵合金タンク300は、伝達された熱によって加熱されて温度が上がり、内部の圧力も高くなって、水素吸蔵合金は、吸蔵していた水素ガスを放出する。水素吸蔵合金は、水素ガスを放出する際に、吸熱反応を生じ、熱を吸収するため、水素吸蔵合金タンク300から流出する冷却水の温度は低下する。従って、燃料電池200には、この温度低下した冷却水が戻されることになり、燃料電池200の温度は下がる。
【0105】
また、前述したとおり、水素ガス流路のうち、本流流路50のシャットバルブ10は閉じており、支流流路54のシャットバルブ18は開いているため、水素吸蔵合金タンク300は、吸蔵していた水素ガスを外部に放出し、放出された水素ガスは、矢印h3に示すように、支流流路54,分岐点52,本流流路50を通って、燃料電池200に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池200において、電力発生のために利用される。
【0106】
次に、ステップS308〜S314の処理は、図3に示したステップS208〜S216の処理と同様であるので、説明は省略する。
【0107】
続いて、制御部400は、再び、水温センサ28からの検出結果を入力し、冷却水の温度Twが第4の基準温度T4以下になったか否かを判定する(ステップS318)。
【0108】
判定の結果、冷却水の温度Twが第4の基準温度T4以下になっていない場合には、その第4の基準温度T4以下になるまで、ステップS308〜S314の処理を繰り返す。その後、冷却水の温度Twが第4の基準温度T4以下になったら、制御部400は、水素ガス流路のうち、支流流路54のシャットバルブ18を閉じて、本流流路50のシャットバルブ10を開くと共に、冷却水流路のうち、支流流路60の調整バルブ24を閉じて、バイパスバルブ26を第1または第2のモードにする(ステップS320)。
【0109】
なお、ステップS308〜S314の処理を繰り返す間は、水素吸蔵合金タンク300から放出される水素ガスの圧力Phが第1の基準圧力P1を維持しており、水素吸蔵合金タンク300は空の状態になっていないので、ステップS320において、支流流路54のシャットバルブ18が閉じても、水素吸蔵合金タンク300には吸蔵された水素ガスがまだ残っている。
【0110】
従って、水素吸蔵合金タンク300に吸蔵された水素ガスが残っている限り、水素吸蔵合金タンク300を利用して燃料電池200を冷却させることは可能であるので、ステップS304の処理に戻る。
【0111】
こうして、水素ガスを吸蔵している水素吸蔵合金タンク300が空の状態になるまで、上記した処理が繰り返され、空の状態になったら、図2に示したステップS216と同様のステップS316の処理を実行する。
【0112】
以上によって、図4に示した一連の冷却動作を終了し、通常動作に戻る。
【0113】
本実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池200の温度が高い場合には、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンク300を利用して、燃料電池200を冷却することにより、燃料電池200の温度を定常温度に保つことができる。
【0114】
E.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。
【0115】
上記した実施例においては、燃料電池システムの起動時に、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスを吸蔵した場合、燃料電池200の運転中に、再生動作によって、水素吸蔵合金タンク300を空の状態にしてから、運転が終了するようにしている。しかしながら、水素吸蔵合金タンク300に水素ガスを吸蔵した場合であっても、水素吸蔵合金タンク300に、さらに水素ガスを吸蔵する余裕が十分ある場合には、水素吸蔵合金タンク300を空の状態にすることなく、運転を終了するようにしても良い。この場合においても、再度、燃料電池システムを起動する際に、いつでも、上述した昇温動作を開始することができる。
【0116】
また、上記した実施例においては、通常動作に移行した後は、昇温動作に戻ることはなかったが、通常動作を行っている際でも、燃料電池200の温度が低下するような場合には、昇温動作に戻るようにしても良い。
【0117】
また、上記した実施例においては、冷却動作時に、熱交換システムにおいて、支流流路60の調整バルブ24を開き、バイパスバルブ26を第3のモードにして、冷却水を矢印w3に示すように循環させて、燃料電池200の温度を水素吸蔵合金タンク300のみによって冷却させていた。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、調整バルブ24を開き、バイパスバルブ26を第1のモードにして、冷却水を矢印w1,矢印w3に示すように、水素吸蔵合金タンク300とラジエータ500に循環させて、燃料電池200の温度を水素吸蔵合金タンク300およびラジエータ500の両者によって冷却させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図2】図1の燃料電池システムにおける起動時の動作手順を示すフローチャートである。
【図3】図1の燃料電池システムにおける再生動作の手順を示すフローチャートである。
【図4】図1の燃料電池システムにおける冷却動作の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10,16,18…シャットバルブ
12,14…レギュレータ
20…圧力センサ
22…ウォータポンプ
24…調整バルブ
26…バイパスバルブ
28…水温センサ
50…本流流路
52…分岐点
54…支流流路
58…本流流路
60…支流流路
62…バイパス流路
64…酸化ガス流路
100…高圧水素タンク
200…燃料電池
300…水素吸蔵合金タンク
400…制御部
500…ラジエータ
Claims (5)
- 水素ガスを供給する水素タンクと、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、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記燃料電池の温度が第1の基準温度以下である場合には、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクに前記水素ガスを供給して、該水素ガスを前記水素吸蔵タンクに吸蔵させることにより、該水素吸蔵合金タンクで熱を発生させ、発生したその熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させて、該燃料電池の温度を上昇させると共に、
前記燃料電池の温度が第3の基準温度より高い場合には、前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させることにより、該水素吸蔵タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させ、放出した該水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用することを特徴とする燃料電池システム。 - 水素ガスを供給する水素タンクと、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、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記燃料電池の温度が第1の基準温度より高く第2の基準温度以下である場合には、前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給して、前記燃料電池において、前記電力の発生に利用すると共に、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクにも前記水素ガスを供給して、前記水素吸蔵タンクに吸蔵させることにより、該水素吸蔵合金タンクで熱を発生させ、発生したその熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させて、該燃料電池の温度を上昇させ、
前記燃料電池の温度が第3の基準温度より高い場合には、前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させることにより、該水素吸蔵タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させ、放出した該水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池および前記水素吸蔵タンクを循環する前記熱交換媒体の量が最小となるように、該熱交換媒体の循環経路を設定することを特徴とする燃料電池システム。 - 水素ガスを供給する水素タンクと、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、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記燃料電池の温度が第4の基準温度より高い場合には、前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させ、該水素吸蔵タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させることにより、伝達されたその熱を前記水素吸蔵タンクで吸収すると共に、放出した前記水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項4のうちの任意の1つに記載の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする車両。
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