JP4944300B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の低温起動に関し、殊に水素吸蔵合金を利用して暖機を行い、低温状態において燃料電池を起動する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の環境面から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）を電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。
【０００３】
ところで、燃料電池はある温度でその性能を最大に発揮する。例えば、燃料電池電気自動車のパワープラントとして注目されているプロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭ型燃料電池〔ＰＥＭ；Proton Exchange Membrane〕）では、その温度は約８０℃であり、温度が低いと発電性能（起電力）が低下する。このため、冬季や寒冷地で燃料電池電気自動車を起動する場合は、燃料電池を暖機（つまり所定温度まで燃料電池を加熱・加温）する必要がある。
【０００４】
従来は、燃料電池の暖機を次のように行っている。
（１）電気ヒータによる暖機； 燃料電池電気自動車が搭載するバッテリや車庫等に備えられた商用電源により電気ヒータを発熱させ、この熱により燃料電池を暖機する。
（２）水素燃焼器等による暖機； 燃料電池電気自動車が燃料（原燃料）として搭載する水素やメタノール（ガソリン）等を触媒燃焼器等に供給して燃焼させ、この燃焼熱により燃料電池を暖機する。
（３）燃料電池の自己発熱による暖機； 燃料電池が発電を開始すると水素と酸素の電気化学的な反応により発熱（いわゆる自己発熱）することを利用して燃料電池を暖機する。
（４）その他の暖機； 蓄熱剤や発熱剤により燃料電池を暖機する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（１）の電気ヒータによる暖機では、バッテリが消耗してしまい好ましくない。また、低温時にバッテリから充分な電力が供給されない場合がある。商用電源の場合は、路上等、商用電源がない場所では暖機することができない。（２）の水素燃焼器等による暖機では、燃料電池が発電に使用するはずの燃料（原燃料）を消費してしまい好ましくない。（３）の燃料電池の自己発熱による暖機では、燃料電池が発電できない状況にある場合は暖機することができない。また、暖機のために燃料（原燃料）を消費してしまい好ましくない。（４）の蓄熱材や発熱材の場合、必要なときに熱を取り出すことが困難であったり、何度も繰り返して使用することが困難であったりする。つまり、従来の技術では、暖機専用のエネルギーが必要であったり、発電に使用するはずのエネルギーを無駄に消費してしまったりした。さらに、暖機にしか使えない専用のヒータや専用の水素燃焼器等、あるいは専用の蓄熱剤や専用の発熱剤等を用いるため、燃料電池システムを大型化してしまう等の課題があった。また、暖機は素早く行う必要があるが、この要求を満たすには、さらなるエネルギーの消費や大型の暖機装置が必要になる。また、暖機は簡単な構成で容易に行えなければならない。なお、これらの点は、水素を燃料とする内燃機関（水素消費機器）を搭載する水素自動車でも同じである。
【０００６】
そこで、本発明は、前記課題を解決する燃料電池システム及び暖機システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み、本発明者らは鋭意研究を行い、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発熱し、この際に発生する熱が燃料電池を始めとする水素消費機器の暖機に使用できること。しかも、何度も繰り返して使用できることに着目し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前記課題を解決した請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスとして供給する水素を貯蔵する水素タンクと、水素吸蔵合金を収納して、前記水素タンクから供給される水素を吸蔵すると共に、前記吸蔵した水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する水素吸蔵合金収納タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給配管と、前記水素ガス供給配管から分岐して、前記水素タンクに貯蔵された水素を前記水素吸蔵合金収納タンクへと供給して吸蔵させ、前記水素吸蔵合金収納タンクに吸蔵された水素を燃料ガスとして前記燃料電池へと供給する分岐配管と、前記水素吸蔵合金収納タンクが前記水素タンクから水素を供給されて前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発生する熱を前記水素吸蔵合金タンクから熱媒体を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機する暖機手段とを、備え、前記水素の圧力は、前記水素タンク内≫前記水素吸蔵合金収納タンク内＞前記燃料電池内であることを特徴とする。
水素吸蔵合金（metallic alloys for hydrogen storage）は、水素（水素ガス）を吸い込み（吸蔵し）、また吸蔵した水素を必要に応じて取り出すことのできる合金であり、水素を吸蔵する際に発熱し、水素を放出する際に吸熱する。本発明では、この水素吸蔵時の発熱で燃料電池を暖機する。なお、暖機とは、燃料電池（燃料電池システム）を起動する際に燃料電池（燃料電池システム）を暖めることであるが、本発明では、運転中（発電中）の燃料電池（燃料電池システム）に熱を供給して加熱することを含んで意味する。
【００１５】
そして、請求項２に記載の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスとして供給する水素を貯蔵する水素タンクと、水素吸蔵合金を収納して、前記水素タンクから供給される水素を吸蔵すると共に、前記吸蔵した水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する水素吸蔵合金収納タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に備えられ、前記水素タンクからの水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池へと導く定常位置、及び、前記水素タンクからの水素を前記水素吸蔵合金収納タンクへと導く暖機位置を備える三方弁と、前記三方弁が前記暖機位置にされた際に、前記水素吸蔵合金収納タンクに前記水素タンクから水素を供給されて前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発生する熱を前記水素吸蔵合金タンクから熱媒体を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機する暖機手段とを備ええ、前記水素の圧力は、前記水素タンク内≫前記水素吸蔵合金収納タンク内＞前記燃料電池内であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
≪原理≫
まず、本発明により燃料電池を暖機する原理を説明する。
図１は、暖機原理を説明する模式図である。図２は、一例としてのＭＨタンクの内部温度−圧力（内圧）特性図である。図３は、ＭＨタンクに印加される水素の圧力によりＭＨタンクの内部温度が変化する様子をプロットしたタイムチャートである。なお、図２の摂氏温度の表示は、１０００／Ｔ（Ｋ）による温度表示（アーレニウスプロットによる温度表示）を解り易くするための目安的なものである。
【００１７】
図１の符号１は燃料電池（水素消費機器）であり、暖機の対象となる。符号２は水素を高圧（例えば約２５ＭＰａ）で貯蔵する高圧水素タンクであり、耐圧気密構造を有する。符号３は水素吸蔵合金を内蔵するＭＨタンクであり、耐圧気密構造を有する。このＭＨタンク３は高圧水素タンク２から水素の供給を受ける。なお、ＭＨタンク３は、暖機前の内圧が約０．１ＭＰａ（常圧）であり、水素を吸蔵可能な状態にある。
【００１８】
燃料電池１の起動時、高圧水素タンク２からＭＨタンク３に水素を供給する。すると、ＭＨタンク３の内圧が上昇する。同時に、ＭＨタンク３が内蔵する水素吸蔵合金が水素を吸蔵して熱が発生し、ＭＨタンク３の内部温度が上昇する。この際のＭＨタンク３の内圧と内部温度の関係は、図２の内部温度−圧力特性図にしたがう。例えば（図３参照）、ＭＨタンク３の内圧が１ＭＰａになると、ＭＨタンク３の内部温度は８０℃前後になる。また、内圧が３ＭＰａになると、内部温度は１０５℃前後になる。
【００１９】
発生した熱は、ＭＨタンク３から燃料電池１に適当な伝熱手段により伝達され、燃料電池１が暖機される。燃料電池１への熱の伝達は、伝導、輻射及び／又は対流による態様で行うことができる。また、直接加熱でも間接加熱でも熱を伝達することができる。
【００２０】
なお、ＭＨタンク３の内部温度は、図３に示すように圧力を印加すると急激に上昇して最高温度を記録し、その後の温度上昇はなく温度を維持する（温度を維持している間も水素を連続的に吸蔵している）。また、水素吸蔵合金は、ボリューム全体（マス全体）として発熱する。このことより、ＭＨタンク３を、いわば水素吸蔵熱式ヒータ（ＭＨヒータ）と考えれば、このＭＨヒータは、燃焼式ヒータや電気式ヒータと異なり、加熱時のオーバーシュートがない。しかも、極めて短時間に最高温度に到達する。したがって、ＭＨヒータは、取り扱いが極めて容易であると共に迅速な暖機を行うことができる。また、図２及び図３から容易に解るように、印加する圧力により、温度を制御することができる。したがって、この点からも取り扱いが極めて容易である。なお、発生する熱量は、ＭＨタンク３が内蔵する水素吸蔵合金の種類及び量に比例する。
【００２１】
ちなみに、図２は、ＢＣＣ（Body Centered Cubic）系の水素吸蔵合金の温度−圧力特性を示すものでもある。ＢＣＣ系の水素吸蔵合金の場合、ＭＨタンク３の内圧が３ＭＰａになると水素吸蔵合金１００ｇ当り約２．４ｇ（約１．２ｍｏｌ）の水素を吸蔵する。また、発熱量は約１５ｋＪ／ｇ水素、つまりＢＣＣ系の水素吸蔵合金が１ｇの水素を吸蔵すると１５ｋＪの熱が発生する。水素吸蔵合金としては、例えば以下のものを使用することができる。
ＡＢ2型合金（ラーベス相合金）； ＴｉＣｒ2、（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）2・・
ＡＢ5型合金； ＬａＮｉ5、ＭｎＮｉ5・・
ＢＣＣ系合金； Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｍｎ・・
その他； Ｍｇ系合金
【００２２】
なお、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことができる。このため、水素吸蔵合金に吸蔵された水素を、燃料電池１（水素消費機器）の燃料として使用することもできる。あるいは、高圧水素タンク２に戻すようにすることもできる。水素吸蔵合金は、水素を放出すると再度の水素吸蔵が行えるようになる。もちろん、再度の水素吸蔵の際にも熱が発生する。
【００２３】
次に、本発明の燃料電池システムを燃料電池電気自動車（以下「車両」という）に適用した実施形態を説明する。
【００２４】
≪第１実施形態≫
第１実施形態は、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際に発生する熱で燃料電池を暖機しつつ、燃料電池に水素を供給して発電を行う。
図４は、第１実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。図５は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【００２５】
まず、車両を説明する。
図４に示す車両は、ＦＣボックスが乗員席の床下に搭載されている。このＦＣボックスの中には、燃料電池１０（図５参照）が収納されている。また、走行モータが車両の前部に搭載されている。また、高圧水素タンク２１及びＭＨタンク３１が車両の後輪の上方に横置きで搭載されている。なお、ＭＨタンク３１が発生した熱は図示しない燃料電池１０の１次冷却系配管内を流れる冷却水により燃料電池１０を暖機するようになっている。また、燃料電池１０は、高圧水素タンク２１及びＭＨタンク３１と図示しない水素供給管により接続されている。
【００２６】
また、燃料電池１０は、空気供給管により空気圧縮機と接続されている（図示外）。そして、燃料電池１０は、空気中の酸素と水素を電気化学的に反応させて発電する。発電した電力は走行モータに供給され、車両を走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解膜を挟んでアノード極及びカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータでさらに挟み込んだ単セルを、３００枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。なお、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
【００２７】
次に、図５を参照して、燃料電池システムＦ１を説明する。
第１実施形態の燃料電池システムＦ１は、燃料電池１０、水素供給系２０、暖機系３０、空気供給系４０、電力消費系５０及び制御装置６０を含んで構成される。
【００２８】
燃料電池１０は、前記説明したとおりＰＥＭ型の燃料電池であり、燃料ガスたる水素と酸化剤ガスたる空気が供給されて発電する。燃料電池１０が発電した電力は、ＶＣＵ（Voltage Control Unite）５１を介して取り出される。ＶＣＵ５１は、リミッタ機能を持った電力調整器であり、燃料電池１０から取り出す電流を制限する。ＶＣＵ５１を介して取り出された電流は、走行モータや補機等の負荷５２に供給される。なお、ＶＣＵ５１による取出し電流量は、図示しないスロットルペダルの踏込み量θthや補機消費電力等に基づいて設定される。
【００２９】
水素供給系２０は、燃料電池１０に燃料ガスたる水素を供給する役割を有する。このため、燃料電池１０の上流側の構成として、高圧水素タンク２１、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、２次レギュレータ２４、エジェクタ２５を有する。また、燃料電池１０の下流側の構成としてパージ弁２６を有する。それぞれの機器は、配管で接続され、高圧水素タンク２１からの水素は、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、２次レギュレータ２４、エジェクタ２５、燃料電池１０（アノード極）に供給されるようになっている。また、配管により、燃料電池１０（アノード極）から排出された未使用の水素は、エジェクタ２５に戻って循環使用されるようになっている。あるいは、排出された未使用の水素は、パージ弁２６により水素供給系２０の外部に排出されるようになっている。また、水素供給系２０は、後記する暖機系３０のＭＨタンク３１に水素を供給する役割を有する。このため、水素供給系２０は、暖機系３０に水素を供給するための分岐配管を有すると共に、ＭＨタンク３１の貯蔵圧（内圧）よりも高い圧力で高圧水素タンク２１に水素を貯蔵している。
【００３０】
高圧水素タンク２１は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の軽量タンクであり、耐圧性及び気密性が確保されている。この高圧水素タンク２１は、例えば内容積が約１００リットルあり、２５ＭＰａの最高圧力で水素が充填されている。本実施形態では、高圧水素タンク２１がいわば燃料タンクの役割も有する。
【００３１】
第１遮断弁２２は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。この第１遮断弁２２は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で高圧水素タンク２１から供給される水素の通流を遮断する。一方、開状態で高圧水素タンク２１からの水素を下流側に供給する。
【００３２】
１次レギュレータ２３は、高圧水素タンク２１から供給される水素の圧力を減圧すると同時に所定の圧力に調整する減圧弁である。２次レギュレータ２４は、１次レギュレータ２３で減圧された水素の圧力をさらに減圧すると同時に所定の圧力に調整する減圧弁である。この２次レギュレータ２４には、カソード極の入口の圧力がパイロット圧として入力されている（図５参照）。このため、２次レギュレータ２４は、アノード極とカソード極の極間差圧の変動が少なくなるように動作する。ちなみに、燃料電池１０のアノード極への水素の供給は、２次レギュレータ２４にカソード極の入口の圧力がパイロット圧として入力されている関係から、後記する空気圧縮機４１が起動して、カソード極の入口の圧力が上昇してからである。つまり、水素供給系２０により燃料電池１０に水素が供給されるのは、第１遮断弁２２がＯＮになり、かつ空気供給系４０の空気圧縮機４１が起動してからである。
【００３３】
エジェクタ２５は、２次レギュレータ２４からの水素を燃料電池１０のアノード極に供給する。また、アノード極に向かう水素の流れを利用して、燃料ガスとして使用された後の水素、つまり燃料電池１０のアノード極から排出された水素を吸引して循環させる水素循環ポンプである。なお、排出水素を循環使用することで、燃費を向上させることができる。
【００３４】
パージ弁２６は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。このパージ弁２６は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で燃料電池１０から排出された水素をエジェクタ２５に向かわせる。一方、開状態で燃料電池１０から排出された水素を系外に排出する。
【００３５】
水素供給系２０における燃料電池１０のアノード極の圧力（アノード極入口の圧力）は、圧力センサＰAにより検出され、検出信号が制御装置６０に送信されるようになっている。
【００３６】
暖機系３０は、ＭＨタンク３１で発生した熱を燃料電池１０に供給して燃料電池１０を暖機する役割を有する。このため、暖機系３０は、ＭＨタンク３１、第２遮断弁３２、第３遮断弁３３、絞り３４及び循環ポンプ３５を含んで構成される。なお、本実施形態の暖機系３０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１を利用する構成になっている。このため、発電により燃料電池１０が発生した熱も暖機系３０を介して系外に放出され、燃料電池１０が冷却（ある温度に保持）される。
【００３７】
暖機系３０は、水素が通流する部分と燃料電池１０の冷却水（熱媒体）が通流する部分を有する。水素が通流する部分は、ＭＨタンク３１、第２遮断弁３２、第３遮断弁３３、絞り３４及びこれらを接続する配管から構成される。一方、冷却水が通流する部分は、ＭＨタンク３１（後記するジャケット部分）、循環ポンプ３５、燃料電池１０、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の熱交換器ＨＥ及びサーモスタット弁ＴＶ等、並びにこれらを接続する配管（１次冷却系Ｃ１の配管）から構成される。なお、符号Ｃ２は２次冷却系である。
以下、暖機系３０を構成する主要な機器を説明する。
【００３８】
ＭＨタンク３１は、樹脂製（ＦＲＰ製）よりも耐熱性があり熱伝導率もよいアルミニウム合金を材質とした耐圧気密タンクであり、その内部には水素吸蔵合金が充填されている。このＭＨタンク３１は、例えば３から５ＭＰａの最高圧力で水素を吸蔵することができるようになっている。また、このＭＨタンク３１の外側は水冷ジャケットで覆われており、ジャケット内を燃料電池１０の冷却水が通流するようになっている。したがって、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱は、燃料電池１０の冷却水に伝達され、この冷却水が燃料電池１０を循環することにより燃料電池１０の暖機が行われる。ちなみに、水素吸蔵合金の充填量（ＭＨタンク３１の内容積に比例）は、暖機に要する熱量に基づいて設定される。
【００３９】
第２遮断弁３２は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。この第２遮断弁３２は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で、１次レギュレータ２３からＭＨタンク３１に向かう水素の流れを遮断する。一方、開状態で、ＭＨタンク３１に向かう水素の流れを許容する。この第２遮断弁３２は、通常は閉状態であるが、ＭＨタンク３１に水素を供給して熱を発生する際に開状態になる。
【００４０】
第３遮断弁３３は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。この第３遮断弁３３は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で、ＭＨタンク３１から燃料電池１０（アノード極）に向かう水素の流れを遮断する。一方、開状態で、燃料電池１０に向かう水素の流れを許容する。この第３遮断弁３３は、暖機時及び通常時は閉状態であるが、ＭＨタンク３１に吸蔵された水素を放出して発電を行う際に開状態になる。
【００４１】
絞り３４は、ＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給される水素の圧力や流量が、燃料電池１０のアノード極の圧力に適合した圧力になるようにする減圧手段、あるいはアノード極に供給する流量に適合した流量になるようにする流量調整手段である。絞り３４を通流した水素は、水素供給系２０におけるエジェクタ２５と燃料電池１０のアノード極の間に供給されるようになっている（２次レギュレータ２４とエジェクタ２５の間に供給するようにしてもよい）。
【００４２】
循環ポンプ３５は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却水を循環させるポンプの役割を有する。この循環ポンプ３５により、冷却水は、ＭＨタンク３１（ジャケット部分）、循環ポンプ３５、サーモスタット弁ＴＶ（熱交換器ＨＥ）、燃料電池１０の順に循環する。なお、冷却水には、エチレングリコール等、冷却水の凍結点を下げる物質が添加されている。
【００４３】
暖機系３０における冷却水の水温及びＭＨタンク３１の圧力は、温度センサＴ及び圧力センサＰMにより検出される。そして、検出信号は、制御装置６０に送信される。
【００４４】
なお、暖機系３０は、ＭＨタンク３１で発生した熱を奪って燃料電池１０を暖機するほか、後記する放出モードでは、燃料電池１０で発生した熱をＭＨタンク３１に与えて水素吸蔵合金が吸蔵した水素の放出を促す役割を有する。水素吸蔵合金は、水素を放出すると吸熱して温度が下がり、水素の放出を行えなくなってしまうからである。なお、放出モードでは、冷却水がＭＨタンク３１により冷却されることになるので、燃料電池１０の冷却系Ｃ１，Ｃ２の負荷が低減される。つまり、水素放出モードでは、燃料電池１０の冷却性能（能力）が向上する。
【００４５】
空気供給系４０は、燃料電池１０に酸化剤ガスたる空気を供給する役割を有する。このため、空気圧縮機４１を有する。
空気圧縮機４１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置６０からの信号によりモータの回転速度が制御される。ちなみに、モータの回転速度を速くすると、燃料電池１０のカソード極に供給される空気の量が多くなる。なお、燃料電池１０に供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。また、燃料電池１０から排出されたオフガスは、加湿器を通流して燃料電池１０に供給される空気を加湿した後、系外に放出される。
【００４６】
電力消費系５０は、前記説明したとおりＶＣＵ５１及び負荷５２等から構成される。
【００４７】
制御装置６０は、スロットルペダルの踏込み量θthや補機消費電力等に基づいて燃料電池１０の目標発電量を設定する役割を有する。また、目標発電量に基づいて燃料電池１０に供給する空気の量（空気圧縮機４１のモータ回転速度）を設定する役割を有する。また、目標発電量（水素消費量に比例）及びＭＨタンク３１の内圧に基づいて、ＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給する水素の量を設定する役割を有する。なお、ＭＨタンク３１に吸蔵された水素の放出量（燃料電池１０への供給量）は、制御装置６０が第３遮断弁３３を制御することによりコントロールされる。また、制御装置６０は、燃料電池１０の発電状態に基づいて目標発電量に制限を加え、燃料電池１０からの取出し電流量を設定する役割を有する。ＶＣＵ５１はこの取出し電流量に基づいて燃料電池１０から電流を取り出す。また、制御装置６０は、起動時に燃料電池１０を暖機するか否かの判断を行う役割（暖機モードへの移行制御）、暖機を制御する役割（暖機モード制御）及び吸蔵した水素の放出を制御する役割（放出モード制御）等も有する。
【００４８】
次に、制御装置６０の暖機モードへの移行制御、暖機モード制御及び放出モード制御を、前記した燃料電池システムＦ１の動作と併せて説明する。
図６は、燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。図７は、暖機モードを制御するフローチャートである。図８は、吸蔵した水素を放出する放出モードを制御するフローチャートである。
【００４９】
暖機モードへの移行制御は次のように行われる（図６参照）。
ステップＳ１で車両（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ（IG.ON）されると、制御装置６０は、システムチェックを行う（Ｓ２）。システムチェックの結果、異常と判断すると（no）、異常処理モードへ移行する（Ｓ３）。異常がないと判断すると（yes）、温度センサＴにより検出される冷却水温が暖機モードを開始する所定温度である３０℃以下か否か、つまり「冷却水温≦３０℃」か否かを判断する（Ｓ４）。３０℃以下でない場合、即ち冷却水温が３０℃を超える場合は、定常発電モードへ移行する（Ｓ５）。定常発電モードでは、暖機モードに移行せず、普通どおりに発電を行う。燃料電池１０がＰＥＭ型の場合、冷却水温が３０℃を超えていれば、比較的問題なく起動することができるからである。一方、ステップＳ４で冷却水温が３０℃以下の場合は、暖機モードへ移行する（Ｓ６）。
【００５０】
暖機モードは次のように制御され実行される（図５及び図７参照）。
なお、第１実施形態の燃料電池システムＦ１は、ＭＨタンク３１への水素の供給と燃料電池１０への水素の供給を同時に行うことができる。したがって、第１実施形態での暖機モードは、ＭＨタンク３１に水素を供給しつつ燃料電池１０にも水素を供給して発電を行うこととする（暖機しつつ発電）。
【００５１】
第１実施形態の暖機モードでは、制御装置６０は、第１遮断弁２２と第２遮断弁３２を開いて開状態にし、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にする（Ｓ１１）。これにより高圧水素タンク２１から、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、第２遮断弁３２を介してＭＨタンク３１に水素（暖機用の水素）が供給される。すると、ＭＨタンク３１の内圧が高まり水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱する。発熱は急激に起こり、直ちにＭＨタンク３１の内部温度が上昇するが、前記したとおり温度がオーバーシュートすることはない（図３参照）。なお、この段階では、空気圧縮機４１が起動していないので、水素は２次レギュレータ２４のところで遮断され、燃料電池１０には供給されない。
【００５２】
次に、制御装置６０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却水循環ポンプを兼ねる暖機系３０の循環ポンプ３５を起動すると共に、空気圧縮機４１を起動する（Ｓ１２）。これにより、燃料電池１０には、ＭＨタンク３１で発生した熱が冷却水を介して供給される。また、燃料電池１０のカソード極に空気が供給される。なお、カソード極に空気が供給されるとカソード極の圧力が上昇する。すると、前記したとおりカソード極の圧力をパイロット圧とする２次レギュレータ２４から燃料電池１０のアノード極に水素が供給される（発電開始）。なお、このときにおける燃料電池１０の目標発電量は、例えば空気圧縮機４１のモータや循環ポンプ３５等の補機類を動かすのに必要となる電力に相当する量である。ちなみに、本実施形態では暖機に電気ヒータを用いていないので、電気ヒータの消費電力を目標発電量に反映する必要がない。この分、貴重な水素を消費することがなく、燃費が向上する。
【００５３】
続いて、「冷却水温＜ＭＨ加熱終了温度」か否かを判断する（Ｓ１３）。ここでのＭＨ加熱終了温度、つまりＭＨタンク３１への水素（暖機用の水素）の供給を終了する温度は３２℃であり、暖機モードを開始する所定温度の３０℃よりも２℃高く設定してある。このように、ＭＨタンク３１に水素を供給して暖機モードを開始する所定温度とＭＨタンク３１への水素の供給を終了するＭＨ加熱終了温度にヒステリシスが設けてあるのは、制御を安定なものとするためである。
【００５４】
ステップＳ１３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度以上の場合（no）は、第２遮断弁３２を閉じて閉状態にし（Ｓ１４）、高圧水素タンク２１からＭＨタンク３１への水素の供給を停止する。これは、放出モードを円滑に実行するという理由による。また、ＭＨタンク３１が発生した熱の予熱と燃料電池１０が発電に伴って発生する熱により暖機を円滑に行うことができるので、さらなる発熱は不要であるという理由による。
【００５５】
そして、「冷却水素温度＞暖機終了温度」か否かを判断し（Ｓ１５）、冷却水温が暖機終了温度を超えている場合（yes）は、放出モードへ移行する（Ｓ１６）。ここでの暖機終了温度は、ＰＥＭ型の燃料電池１０を通常通り運転できる７０℃である。なお、冷却水温が暖機終了温度以下の場合（no）は、冷却水温が暖機終了温度を超えるまで判断を継続する。つまり、暖機モードを継続する。このようにＭＨ加熱終了温度と暖機終了温度を別々に設定しているのは、ＭＨ加熱終了時点（本実施形態では３２℃）で放出モードに移行すると、放出モードにおける水素吸蔵合金の吸熱で燃料電池１０が冷却され、暖機が迅速に行われない事態が生じる得るからである。このため、いわば、放出モードに移行するための基準温度である暖機終了温度を、ＭＨ加熱終了温度とは別に設定している。
【００５６】
説明をステップＳ１３に戻す。ステップＳ１３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度未満の場合（yes）は、「ＭＨタンク３１の内圧＜１次レギュレータ２３のレギュレート圧」か否かを判断する（Ｓ１７）。ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧と同じか上回る場合（no）は、第２遮断弁３２を閉じて閉状態にする（Ｓ１８）。これは、水素吸蔵合金による水素の吸蔵が飽和状態に達したと判断できるからである。なお、第２遮断弁３２を閉状態にした後も、暖機を継続するため、ステップＳ２０へ移行する。
【００５７】
ステップＳ１７で、ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧に満たない場合（yes）は、まだ水素を吸蔵することができるので、第２遮断弁３２を開く（Ｓ１９）。ところで、ステップＳ１８で第２遮断弁３２が閉じた後、水素の吸蔵が進行してＭＨタンク３１の内圧が低下する場合がある。このような場合が生じても、つまり、ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧に満たないのに第２遮断弁３２が閉じている場合が生じても、ステップＳ１９で手当てされ、暖機モードが適切に実行される。
【００５８】
ステップＳ２０では、一定時間（例えば数秒）置いてその状態を維持する。この間も冷却水が循環して燃料電池１０を暖機している。このように時間を置くのは、制御を安定化させるという理由による。ステップＳ２０で一定時間置いた後はステップＳ１３に戻り、ＭＨタンク３１への水素の供給を終了するか否かを冷却水温で判断し、後の処理を継続して行う。
【００５９】
放出モードは次のように制御され実行される（図５及び図８参照）。
放出モードでは、制御装置６０は、燃料電池１０の目標発電量から水素消費量を演算し、この水素消費量に基づいてＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給する水素の量、つまり水素放出量を演算する（Ｓ２１）。例えば、水素放出量が水素消費量の２０％になるように演算される。あるいは、アノード極の圧力変動を打ち消すように水素放出量が演算される。そして、水素放出量に基づいて第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動する信号を生成し、第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動する（Ｓ２２）。これにより、ＭＨタンク３１からの水素は、第３遮断弁３３及び絞り３４を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。なお、信号のパルス幅は、水素消費量（目標発電量）が多いほど幅が広くなり（デューティ比が大きくなり）、ＭＨタンク３１から供給される水素の量（水素放出量）が多くなる。ちなみに、このように、第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動するのは、燃料電池１０のアノード極を循環している水素の流れに与える影響を小さくするためである。なお、絞り３４も同じ観点から設けられており、燃料電池１０のアノード極を循環している水素の流れに与える影響を小さくする。
【００６０】
次に、「ＭＨタンク３１の内圧＞アノード極の圧力」か否かを判断する（Ｓ２３）。ＭＨタンク３１の内圧がアノード極の圧力以下の場合（no）は、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にし、ステップＳ２６へ移行する。水素の逆流を防止するためである。一方、ＭＨタンク３１の内圧がアノード極の圧力を超える場合（yes）は、「アノード極の圧力≦アノード極の目標圧力＋２０ｋＰａ」か否かを判断する（Ｓ２５）。
【００６１】
ステップＳ２５で、アノード極の圧力が目標圧力に対して２０ｋＰａ超の場合（no）は、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にし（Ｓ２４）、ステップＳ２６へ移行する。アノード極の圧力が高くなりすぎると、発電に対して最適なアノード極の圧力が維持できなくなるからである。一方、アノード極の圧力が目標に対して２０ｋＰａ以下の場合（yes）は問題がないので、第３遮断弁３３を閉状態にすることなくステップＳ２６へ移行する。
【００６２】
次に、「ＭＨタンク３１の内圧≧１００ｋＰａ（ゲージ圧）」か否かを判断する（Ｓ２６）。ＭＨタンク３１の内圧が１００ｋＰａ未満の場合（no）は、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にし（Ｓ２７）、放出モードの制御を終了する（ＥＮＤ）。このようにするのは、ＭＨタンク３１の内圧がゲージ圧で１００ｋＰａ未満になると、水素吸蔵合金が吸蔵した水素の放出がほぼ完了したと判断でき、次に暖機モードを実行する場合にも発熱量を確保することができるからである。
【００６３】
ステップＳ２６で、ＭＨタンク３１の内圧が１００ｋＰａ以上の場合（yes）は、ステップＳ２１に戻って放出モードを継続する。まだＭＨタンク３１には放出すべき水素が吸蔵されており、次回も発熱量を多くして良好な暖機を行うためには、水素を放出しておくことが好ましいからである。
【００６４】
なお、水素吸蔵合金が吸蔵した水素を放出する反応は吸熱反応であるので、水素吸蔵合金の温度（ＭＨタンク３１の内部温度）が下がる。すると、水素吸蔵合金から水素を放出することができなくなってしまう。しかし、本実施形態のように燃料電池１０の冷却水をＭＨタンク３１（ジャケット部分）に通流させることにより、水素吸蔵合金には燃料電池１０の発電に伴って発生する熱が供給される。したがって、ＭＨタンク３１から安定的に、かつ確実に水素を取り出すことができる。ちなみに、ＭＨタンク３１から残らず水素を放出させることにより、次回の暖機の際の発熱量が確保できる。
【００６５】
次に、図９のタイムチャートを参照して第１実施形態の燃料電池システムＦ１の動作を説明する（図５を適宜参照）。
図９は、燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【００６６】
最初は、第１遮断弁２２、第２遮断弁３２及び第３遮断弁３３は閉じて閉状態にある。また、循環ポンプ３５は停止（Off）している。燃料電池１０の冷却水温は暖機モードを開始する所定温度である３０℃以下である。また、ＭＨタンク３１の内圧はほぼ０ｋＰａ（ゲージ圧）である。もちろん、燃料電池１０は発電を行っていない（Off）。また、放出モードにおけるＭＨタンク３１からの水素の放出は、燃料電池１０の暖機に影響を与えないように、水素の放出量が制限される。
【００６７】
この状態から車両（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ（IG.ON）される。これにより図６に示す制御が実行され、システム異常がなくかつ冷却水温が３０℃以下の場合は暖機モードへ移行する（System Check Clear）。
【００６８】
すると、図７に示す暖機モード制御が実行され、第１遮断弁２２及び第２遮断弁３２が開いて開状態になる。同時に、循環ポンプ３５が起動（On）する。これにより、ＭＨタンク３１に水素が供給され、ＭＨタンク３１の内部温度が上昇する。また、ＭＨタンク３１の内圧が上昇する。また、冷却水温が上昇し、昇温した冷却水が暖機系３０（１次冷却系Ｃ１）を循環することにより、ＭＨタンク３１で発生した熱が燃料電池１０を暖機する。なお、図９のタイムチャートでは、この時点（System Check Clear時点）での発電は行わない。つまり、空気圧縮機４１は起動していない。
【００６９】
ちなみに、ＭＨタンク３１に水素が供給されると、ＭＨタンク３１の温度は直ぐに最高温度に達し、その後は、一定の温度を維持する。また、ＭＨタンク３１の内圧は、しばらくすると高い圧力で一定になる。この間も暖機は継続される。
【００７０】
この図９のタイムチャートでは、ＭＨ加熱終了前に燃料電池１０による発電を開始する（Stack発電開始）。このため、バッテリ等を利用して空気圧縮機４１等、必要な補機を起動する。すると、水素と酸素が燃料電池１０に供給される。そして、燃料電池１０の電圧〔解放電圧〕が上昇した時点で、ＶＣＵ５１を介して空気圧縮機４１等へ負荷電流を取り出す。
【００７１】
そして、冷却水温がＭＨ加熱終了温度である３２℃に達するとＭＨタンク３１への水素の供給を終了するため、第２遮断弁３２を閉じて閉状態にする。ちなみに、このタイムチャートでは、暖機の終了と共にＭＨタンク３１が吸蔵した水素を、内圧が０ｋＰａになるまで（放出できる限り）放出する（放出モード）。このため、第３遮断弁３３が開いて開状態になる。ところで、前記したとおり、燃料電池１０が定常発電モードの温度（例えば７０〜８０℃）になる前に放出モードを実行すると、燃料電池１０の暖機が円滑に行われない事態が生じ得る。しかし、前記したとおり、この図９のタイムチャートにおいては、放出モードでの水素の放出が暖機に影響を与えないように、水素の放出量が制限されている。したがって、冷却水温がＭＨ加熱終了温度になった時点で、つまり燃料電池１０が充分に暖機される以前に、放出モードを実行している。なお、放出モードにおける吸熱が燃料電池１０に供給（伝熱）されないようになっている場合も、冷却水温がＭＨ加熱終了温度になった時点で放出モードを実行できる。
【００７２】
このように、第１実施形態によれば、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱を利用して燃料電池１０を確実に暖機することができる。また、吸蔵した水素を放出し、燃料ガスとして発電に供することができる。また、水素を放出することにより、次回も暖機を行うことができるようになる。また、暖機しつつ発電を行うので燃料電池１０も自己発熱し、暖機が迅速に行われる。また、高圧水素タンク２１から水素をＭＨタンク３１に供給するので、高圧水素タンク２１に水素を充填すれば、暖機用の水素も充填される。この点、例えば暖機専用の水素タンクを設けるのと異なり、水素充填の煩いが解消される。
なお、ＭＨタンク３１の温度は、水素貯蔵合金の温度−圧力特性（ＭＨタンク３１の内部温度−圧力特性図；図２参照）にしたがう。また、水素吸蔵合金の種類及び印加される水素の圧力が同じであれば熱の発生量は、水素吸蔵合金の量に比例する。よって、水素吸蔵合金の種類、ＭＨタンク３１に印加される水素の圧力及び水素吸蔵合金の量をパラメータとして、ＭＨタンク３１（いわば水素吸蔵熱式ヒータ（ＭＨヒータ））の特性を自由に設計することができる。一方、吸蔵した水素を放出する際は、その放出量や吸熱量を水素吸蔵合金の種類、圧力、温度をパラメータとして自由に放出量を制御することができる。
ところで、必要以上にＭＨタンク３１の内圧を高くしても水素の吸蔵量（貯蔵量）は余り増えない。その一方、耐圧性の関係からＭＨタンク３１の肉厚を厚くしなければならくなってしまう。すると、ＭＨタンク３１の内部で発生した熱が取り出しにくくなる。また、ＭＨタンクの重量も増えてしまう。また、吸蔵した水素を放出する場合についていえば、肉厚が厚くなるとＭＨタンク３１の内部に熱を供給しづらくなる。この点から、ＭＨタンク３１の内圧（貯蔵圧）が１から５ＭＰａ（１から３ＭＰａ）であれば、効率的に水素を吸蔵することができ、ＭＨタンク３１の肉厚も必要以上に厚くしないで済み、伝熱の点からも重量の点からも好ましい。
【００７３】
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態を説明する。
第２実施形態は、暖機を行ってから発電する実施形態である。ちなみに、第２実施形態は、極低温、例えば冷却水温が−２０℃以下の状態から暖機する実施形態である。なお、第１実施形態と共通する部分については、第１実施形態での符号と同一の符号を付してその説明を省略する。
図１０は、第２実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【００７４】
図１０に示すように、第２実施形態の燃料電池システムＦ２は、図５に示す第２遮断弁３２に相当する遮断弁を有しない。その代わりに、三方弁２７を有する。この三方弁２７は電磁作動の流路切換弁であり、制御装置６０からの信号に基づいて、定常位置と暖機位置に切り替わる。三方弁２７が定常位置にあるときは、高圧水素タンク２１からの水素は、２次レギュレータ２４の側に導かれる。一方、三方弁２７が暖機位置にあるときは、高圧水素タンク２１からの水素は、ＭＨタンク３１の側に導かれる。このため、ＭＨタンク３１に水素が供給されているとき、つまり燃料電池１０が暖機されているときは、燃料電池１０に２次レギュレータ２４を介して水素が供給されることはない。一方、２次レギュレータ２４を介して燃料電池１０に水素が供給されているときは、ＭＨタンク３１に水素が供給されることはない。
なお、制御装置６０は、起動時に燃料電池１０を暖機するか否かの判断を行う役割（暖機モードへの移行制御）、暖機を制御する役割（暖機モード制御）及び吸蔵した水素の放出を制御する役割（放出モード制御）等を有する。この点、第１実施形態と同じである。
【００７５】
次に、制御装置６０の暖機モード制御を、前記した燃料電池システムＦ２の動作と併せて説明する。なお、暖機モードへの移行制御及び放出モード制御は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
図１１は、暖機モードを制御するフローチャートである。
【００７６】
第２実施形態での暖機モードは次のように制御され実行される（図１０及び図１１参照）。
なお、第２実施形態の燃料電池システムＦ２は、三方弁２７を使用して水素の流路を切り替えていることから、ＭＨタンク３１への水素の供給と燃料電池１０への水素の供給を同時に行うことができない。したがって、第２実施形態での暖機モードは、ＭＨタンク３１への水素の供給を終了した後（ＭＨ加熱終了温度以上になった後）に三方弁２７の位置を切り替えて、発電を行うこととする。
【００７７】
第２実施形態の暖機モードでは、制御装置６０は、第１遮断弁２２を開いて開状態に、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にする。また、三方弁２７を暖機位置にする（Ｓ３１）。これにより、高圧水素タンク２１から、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、三方弁２７を介してＭＨタンク３１に水素が供給される。すると、ＭＨタンク３１の内圧が高まり水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱する。発熱は急激に起こり、直ちにＭＨタンク３１の内部温度が上昇するが、前記したとおり温度がオーバーシュートすることはない（図３参照）。
【００７８】
また、制御装置６０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却水循環ポンプを兼ねる暖機系３０の循環ポンプ３５を起動する（Ｓ３２）。これにより、燃料電池１０には、ＭＨタンク３１で発生した熱が冷却水を介して供給される。
【００７９】
次に、「冷却水温＜ＭＨ加熱終了温度」か否かを判断する（Ｓ３３）。ここでのＭＨ加熱終了温度は３２℃であり、暖機のための水素の供給を開始する所定温度の３０℃よりも２℃高く設定してある。これは、第１実施形態と同様、制御を安定にするためである。
【００８０】
ステップＳ３３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度以上の場合（no）は、三方弁２７を定常位置にする（Ｓ３４）。すると流路が切り替わり、高圧水素タンク２１からＭＨタンク３１への水素の供給が停止され、逆に燃料電池１０への水素の供給が可能な状態になる。このようにＭＨタンク３１への水素の供給を停止するのは、放出モードを円滑に実行するという理由による。また、ＭＨタンク３１が発生した熱の予熱と次のステップＳ３５で開始される燃料電池１０の発電に伴って発生する熱により暖機を円滑に行うことができるので、さらなる発熱は不要であるという理由による。なお、後記するステップＳ３９との関係で、第１遮断弁２２が閉状態になっている場合があるので、ステップＳ３４は、第１遮断弁２２を開く動作を併せて行うものとする。
【００８１】
ステップＳ３５で空気圧縮機４１を起動する。すると、第１実施形態と同様に、燃料電池１０のカソード極には空気が、アノード極には水素が供給される（発電開始）。このときにおける目標発電量は、第１実施形態と同じである。これにより、ＭＨタンク３１が発生した熱の予熱と燃料電池１０が発電に伴って発生する熱により暖機が円滑に行われる。
【００８２】
そして、ステップＳ３６で「冷却水温＞暖機終了温度」か否かを判断し、冷却水温が暖機終了温度を超えている場合（yes）は、放出モードへ移行する（Ｓ３７）。ここでの暖機終了温度は、第１実施形態と同じ７０℃とする。なお、冷却水温が暖機終了温度以下の場合（no）は、冷却水温が暖機終了温度を超えるまで判断を継続する。つまり、暖機モードを継続する。これらの点は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００８３】
説明をステップＳ３３に戻す。ステップＳ３３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度未満の場合（yes）は、「ＭＨタンク３１の内圧＜１次レギュレータ２３のレギュレート圧」か否かを判断する（Ｓ３８）。ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧と同じかそれを上回る場合（no）は、第１遮断弁２２を閉じて閉状態にする（Ｓ３９）。これは、水素吸蔵合金による水素の吸蔵が飽和状態に達したと判断できるからである。なお、第１遮断弁２２を閉状態にした後も、暖機を継続するため、ステップＳ４１へ移行する。ちなみに、ステップＳ３９で、第１遮断弁２２はそのまま開状態にしておいて、三方弁２７を定常位置に切り替える構成としてもよい。
【００８４】
ステップＳ３８でＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧に満たない場合（yes）は、まだ水素を吸蔵することができるので、第１遮断弁２２を開く（Ｓ４０）。ところで、ステップＳ３９で第１遮断弁２２が閉じた後、水素の吸蔵が進行してＭＨタンク３１の内圧が低下する場合がある。このような場合が生じても、ステップＳ４０で手当てされ、第１実施形態と同様に暖機モードが適切に実行される。
【００８５】
ステップＳ４１では、一定時間（例えば数秒）置いてその状態を維持する。この間も冷却水が循環して燃料電池１０を暖機している。このように時間を置くのは、制御を安定化させるという理由による。ステップＳ４１で一定時間置いた後は、ステップＳ３３に戻り、ＭＨタンク３１への水素の供給を終了するか否かを冷却水温で判断する。
【００８６】
ところで、前記した第１実施形態の燃料電池システムＦ１では、ＭＨタンク３１に水素を供給（ＭＨタンク３１を発熱）しつつ燃料電池１０にも水素を供給して発電を行う実施形態であったが、この第２実施形態ではＭＨタンク３１に水素を供給している際に発電することはない。水素の流れを三方弁２７により切り替えているからである。
【００８７】
次に、図１２のタイムチャートを参照して第２実施形態の燃料電池システムＦ２の動作を説明する（図１０参照）。
図１２は、燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【００８８】
最初は、第１遮断弁２２は閉じて閉状態にある。また、三方弁２７は定常位置にある。また、循環ポンプ３５は停止（Off）している。燃料電池１０の冷却水温は暖機モードを開始する所定温度である３０℃以下である。また、ＭＨタンク３１の内圧はほぼ０ｋＰａ（ゲージ圧）である。もちろん、燃料電池１０は発電を行っていない（Off）。
【００８９】
この状態から車両（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ（IG.ON）される。これにより暖機モードへの移行制御（図６参照）が実行され、システム異常がなくかつ冷却水温が３０℃以下の場合は暖機モードへ移行する（System Check Clear）。
【００９０】
すると、図１１に示す暖機モード制御が実行され、第１遮断弁２２が開いて開状態になる。同時に、循環ポンプ３５が起動（On）する。これにより、ＭＨタンク３１に水素が供給され、ＭＨタンク３１の内部温度が上昇する。また、ＭＨタンク３１の内圧が上昇する。また、冷却水温が上昇し、昇温した冷却水が暖機系３０（１次冷却系Ｃ１）を循環することにより、ＭＨタンク３１で発生した熱が燃料電池１０を暖機する。
【００９１】
ＭＨタンク３１の温度は直ぐに最高温度に達し、その後は、一定の温度を維持する。また、ＭＨタンク３１の内圧は、しばらくすると高い圧力で一定になる。この間も暖機は継続される。
【００９２】
そして、冷却水温がＭＨ加熱終了温度である３２℃に達するとＭＨタンク３１への水素の供給を終了する。このため、三方弁２７が定常位置に切り替わる。第２実施形態では、三方弁２７が定常位置に切り替わると空気圧縮機４１が起動し、燃料電池１０に空気が供給される。また、空気圧縮機４１が起動することによりカソード極の圧力が上昇し、第１実施形態と同様にアノード極に水素が供給され、燃料電池１０が発電を開始する。
【００９３】
なお、この図１２のタイムチャートでは、ＭＨタンク３１への水素供給の終了後しばらくしてからＭＨタンク３１が吸蔵した水素を放出する（放出モード）。このため、第３遮断弁３３が開いて開状態になる。放出モードでは、図８のフローチャートと同様の制御が実行される。本実施形態のように、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１が暖機系３０を兼ねるような場合の放出モードは、前記したとおり、放出モードにおける水素の放出量を制限して行うか、あるいは燃料電池１０の暖機が完全に終了し、定常発電モードになった後に行うのが好ましい。
【００９４】
このように、第２実施形態によれば、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱を利用して燃料電池１０を確実に暖機することができる。また、吸蔵した水素を放出し、燃料ガスとして発電することができる。また、水素を放出することにより、次回も暖機を行うことができるようになる。また、暖機用の水素充填の煩いも解消される。また、燃料電池１０が発電できないような極低温からでも確実に燃料電池１０を暖機することができる。この際に、必要な電力は、制御装置６０、弁類（２２，２７，３３）、及び循環ポンプ３５である。したがって、従来のように電気ヒータで暖機するのと異なり、車両が搭載するバッテリに過大な負担を強いることなく燃料電池１０の暖機を行うことができる。この点からも、バッテリの起電力が小さくなっている極低温からの暖機に適している。
【００９５】
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態を説明する（図５などを適宜参照）。
第３実施形態は、燃料電池１０が暖機開始温度を上限温度とした所定温度範囲にある場合は暖機しつつ前記燃料電池１０による発電を行い（暖機しつつ発電）、極低温の場合（所定温度範囲の下限温度を下回る場合）は、発電を行わずに暖機のみ行う実施形態である。このため、第３実施形態の燃料電池システムＦ３（図５参照）の制御装置６０は、燃料電池１０の冷却水温を基準として、冷却水温が−２０〜３０℃の所定温度範囲の場合は、ＭＨタンク３１及び燃料電池１０の双方に水素を供給して、暖機しつつ発電を行う。一方、冷却水温が−２０℃未満の場合（極低温の場合）は、ＭＨタンク３１にのみ水素を供給し、暖機のみを行う。
なお、第３実施形態の機器構成は、第１実施形態の機器構成と同じ構成を有するものとする。したがって、機器構成の説明を省略する。
【００９６】
この第３実施形態の燃料電池システムＦ３の動作を図１３のフローチャートを参照して説明する。
図１３は、燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。
なお、図１３のフローチャートのステップＳ１〜ステップＳ５は、第１実施形態の暖機モードへの移行を制御するフローチャートと同じであるので、その説明を省略する。
【００９７】
ステップＳ４で冷却水温が３０℃以下の場合は、ステップＳ７で「冷却水温＜−２０℃」か否かを判断する。冷却水温が−２０℃以上の場合（no）は極低温ではないので、燃料電池１０を起動する暖機モード（燃料電池起動あり）が実行される（Ｓ８）。つまり暖機しつつ発電が行われる。この暖機モードでは、図７に示す暖機モードが実行される。一方、ステップＳ７で冷却水温が−２０℃未満の場合（yes）は極低温であるので、燃料電池１０を起動しない暖機モード（燃料電池起動なし）が実行される（Ｓ９）。なお、ステップＳ９の暖機モードは、燃料電池１０の冷却水温が−２０℃以上になった時点で空気圧縮機４１が起動し、これを契機として燃料電池１０に空気及び水素が供給され、燃料電池１０が起動して発電するようにしてある。
【００９８】
このように、第３実施形態によれば、燃料電池１０が発電できないような極低温下でも、確実に燃料電池１０の暖機を行うことができる。
【００９９】
なお、本発明は前記した実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。
例えば、燃料電池１０を冷却水で暖機したが、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱をＦＣボックス（図４参照）の中に導き、ＦＣボックスを暖機することにより燃料電池１０の暖機を行うようにしてもよい。また、ＭＨタンク３１を車両の後部に搭載する構成としたが、ＦＣボックス内に搭載する構成としてもよい。また、燃料ガス及び／又は空気を加温し、これを熱媒体として暖機する構成としてもよい。また、第１実施形態及び第２実施形態とも、第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動すると共に絞り３４を設ける構成としたが、絞り３４を省く構成としてもよい。あるいは、絞り３４を設ける場合は、第３遮断弁３３を通常のＯＮ−ＯＦＦ弁とする構成としてもよい。なお、第３遮断弁３３と絞り３４の位置を入れ替えて、絞り３４を上流側に設ける構成としてもよい。また、暖機しつつ発電を行う所定温度範囲を−２０〜３０℃としたが、下限温度を例えば−３５℃に設定してもよいし、上限温度を２０℃に設定してもよい。
【０１００】
また、ＭＨタンク３１が放出する水素をエジェクタ２５の下流側に供給したが、上流側に供給するようにしてもよい。また、吸蔵した水素の放出は、暖機モードの終了と同時に行う必要はなく、車両を停止するまでの間に行えばよい。また、第２実施形態を三方弁２７で説明したが、流路切替手段たる三方弁２７に代えて、(1)１次レギュレータ２３から２次レギュレータ２４に向かう水素の流れを遮断する遮断弁と (2)１次レギュレータ２３からＭＨタンク３１に向かう水素の流れを遮断する遮断弁（第１実施形態の第２遮断弁３２に相当）を組み合わせた流路切替手段としてもよい。また、第２実施形態では、燃料電池１０による発電を、冷却水温が３２℃を超えた時点で開始したが、−２０℃を超えた時点で開始してもよい。この場合は、三方弁２７に代えて前記した遮断弁を用いた流路切換手段としておく。また、第３実施形態について、冷却水温がＭＨ加熱終了温度（３２℃）に達した時点で、発電を開始するようにしてもよい。また、ＰＥＭ型の燃料電池１０を例にして説明したが、ＰＥＭ型に限定されることはない。また、燃料電池電気自動車を例に説明したが、水素を燃料とする水素エンジン（水素消費機器）を搭載した水素自動車にも本発明を適用することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、水素吸蔵合金に燃料電池の燃料となる水素を吸蔵させる際に発生する熱を利用して燃料電池の暖機を行う。したがって、暖機のために特別のエネルギーを準備する必要がないし、構成も簡単である。しかも、水素吸蔵合金は、可逆的に水素の吸蔵／放出を繰り返すことができるので、何度でも暖機して燃料電池を低温起動することができる。さらに、発熱に際してオーバーシュートがないことから、暖機を容易に行うことができ、取り扱いも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による暖機原理を説明する模式図である。
【図２】 一例としてのＭＨタンクの内部温度−圧力特性図である。
【図３】 ＭＨタンクに印加される水素の圧力によりＭＨタンクの内部温度が変化する様子をプロットしたタイムチャートである。
【図４】 本発明に係る第１実施形態（及び第２実施形態）の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。
【図５】 本発明に係る第１実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図６】 第１実施形態での燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。
【図７】 第１実施形態での暖機モードを制御するフローチャートである。
【図８】 第１実施形態での吸蔵した水素を放出する放出モードを制御するフローチャートである。
【図９】 第１実施形態での燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【図１０】 本発明に係る第２実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図１１】 第２実施形態での暖機モードを制御するフローチャートである。
【図１２】 第２実施形態での燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【図１３】 第３実施形態での燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。
【符号の説明】
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ … 燃料電池システム
１，１０ … 燃料電池
２ … 水素供給系、高圧水素タンク
２１ … 高圧水素タンク
３ … 暖機系、ＭＨタンク
３１ … ＭＨタンク
Ｃ１ … １次冷却系
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の低温起動に関し、殊に水素吸蔵合金を利用して暖機を行い、低温状態において燃料電池を起動する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の環境面から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）を電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。
【０００３】
ところで、燃料電池はある温度でその性能を最大に発揮する。例えば、燃料電池電気自動車のパワープラントとして注目されているプロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭ型燃料電池〔ＰＥＭ；Proton Exchange Membrane〕）では、その温度は約８０℃であり、温度が低いと発電性能（起電力）が低下する。このため、冬季や寒冷地で燃料電池電気自動車を起動する場合は、燃料電池を暖機（つまり所定温度まで燃料電池を加熱・加温）する必要がある。
【０００４】
従来は、燃料電池の暖機を次のように行っている。
（１）電気ヒータによる暖機； 燃料電池電気自動車が搭載するバッテリや車庫等に備えられた商用電源により電気ヒータを発熱させ、この熱により燃料電池を暖機する。
（２）水素燃焼器等による暖機； 燃料電池電気自動車が燃料（原燃料）として搭載する水素やメタノール（ガソリン）等を触媒燃焼器等に供給して燃焼させ、この燃焼熱により燃料電池を暖機する。
（３）燃料電池の自己発熱による暖機； 燃料電池が発電を開始すると水素と酸素の電気化学的な反応により発熱（いわゆる自己発熱）することを利用して燃料電池を暖機する。
（４）その他の暖機； 蓄熱剤や発熱剤により燃料電池を暖機する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、（１）の電気ヒータによる暖機では、バッテリが消耗してしまい好ましくない。また、低温時にバッテリから充分な電力が供給されない場合がある。商用電源の場合は、路上等、商用電源がない場所では暖機することができない。（２）の水素燃焼器等による暖機では、燃料電池が発電に使用するはずの燃料（原燃料）を消費してしまい好ましくない。（３）の燃料電池の自己発熱による暖機では、燃料電池が発電できない状況にある場合は暖機することができない。また、暖機のために燃料（原燃料）を消費してしまい好ましくない。（４）の蓄熱材や発熱材の場合、必要なときに熱を取り出すことが困難であったり、何度も繰り返して使用することが困難であったりする。つまり、従来の技術では、暖機専用のエネルギーが必要であったり、発電に使用するはずのエネルギーを無駄に消費してしまったりした。さらに、暖機にしか使えない専用のヒータや専用の水素燃焼器等、あるいは専用の蓄熱剤や専用の発熱剤等を用いるため、燃料電池システムを大型化してしまう等の課題があった。また、暖機は素早く行う必要があるが、この要求を満たすには、さらなるエネルギーの消費や大型の暖機装置が必要になる。また、暖機は簡単な構成で容易に行えなければならない。なお、これらの点は、水素を燃料とする内燃機関（水素消費機器）を搭載する水素自動車でも同じである。
【０００６】
そこで、本発明は、前記課題を解決する燃料電池システム及び暖機システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題に鑑み、本発明者らは鋭意研究を行い、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発熱し、この際に発生する熱が燃料電池を始めとする水素消費機器の暖機に使用できること。しかも、何度も繰り返して使用できることに着目し、本発明を完成するに至った。
すなわち、前記課題を解決した請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスとして供給する水素を貯蔵する水素タンクと、水素吸蔵合金を収納して、前記水素タンクから供給される水素を吸蔵すると共に、前記吸蔵した水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する水素吸蔵合金収納タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給配管と、前記水素ガス供給配管から分岐して、前記水素タンクに貯蔵された水素を前記水素吸蔵合金収納タンクへと供給して吸蔵させ、前記水素吸蔵合金収納タンクに吸蔵された水素を燃料ガスとして前記燃料電池へと供給する分岐配管と、前記水素吸蔵合金収納タンクが前記水素タンクから水素を供給されて前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発生する熱を前記水素吸蔵合金タンクから熱媒体を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機する暖機手段とを、備え、前記水素の圧力は、前記水素タンク内≫前記水素吸蔵合金収納タンク内＞前記燃料電池内であることを特徴とする。
水素吸蔵合金（metallic alloys for hydrogen storage）は、水素（水素ガス）を吸い込み（吸蔵し）、また吸蔵した水素を必要に応じて取り出すことのできる合金であり、水素を吸蔵する際に発熱し、水素を放出する際に吸熱する。本発明では、この水素吸蔵時の発熱で燃料電池を暖機する。なお、暖機とは、燃料電池（燃料電池システム）を起動する際に燃料電池（燃料電池システム）を暖めることであるが、本発明では、運転中（発電中）の燃料電池（燃料電池システム）に熱を供給して加熱することを含んで意味する。
【００１５】
そして、請求項２に記載の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスとして供給する水素を貯蔵する水素タンクと、水素吸蔵合金を収納して、前記水素タンクから供給される水素を吸蔵すると共に、前記吸蔵した水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する水素吸蔵合金収納タンクと、前記水素タンクと前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給配管と、前記燃料ガス供給配管に備えられ、前記水素タンクからの水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池へと導く定常位置、及び、前記水素タンクからの水素を前記水素吸蔵合金収納タンクへと導く暖機位置を備える三方弁と、前記三方弁が前記暖機位置にされた際に、前記水素吸蔵合金収納タンクに前記水素タンクから水素を供給されて前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発生する熱を前記水素吸蔵合金タンクから熱媒体を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機する暖機手段とを備ええ、前記水素の圧力は、前記水素タンク内≫前記水素吸蔵合金収納タンク内＞前記燃料電池内であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
≪原理≫
まず、本発明により燃料電池を暖機する原理を説明する。
図１は、暖機原理を説明する模式図である。図２は、一例としてのＭＨタンクの内部温度−圧力（内圧）特性図である。図３は、ＭＨタンクに印加される水素の圧力によりＭＨタンクの内部温度が変化する様子をプロットしたタイムチャートである。なお、図２の摂氏温度の表示は、１０００／Ｔ（Ｋ）による温度表示（アーレニウスプロットによる温度表示）を解り易くするための目安的なものである。
【００１７】
図１の符号１は燃料電池（水素消費機器）であり、暖機の対象となる。符号２は水素を高圧（例えば約２５ＭＰａ）で貯蔵する高圧水素タンクであり、耐圧気密構造を有する。符号３は水素吸蔵合金を内蔵するＭＨタンクであり、耐圧気密構造を有する。このＭＨタンク３は高圧水素タンク２から水素の供給を受ける。なお、ＭＨタンク３は、暖機前の内圧が約０．１ＭＰａ（常圧）であり、水素を吸蔵可能な状態にある。
【００１８】
燃料電池１の起動時、高圧水素タンク２からＭＨタンク３に水素を供給する。すると、ＭＨタンク３の内圧が上昇する。同時に、ＭＨタンク３が内蔵する水素吸蔵合金が水素を吸蔵して熱が発生し、ＭＨタンク３の内部温度が上昇する。この際のＭＨタンク３の内圧と内部温度の関係は、図２の内部温度−圧力特性図にしたがう。例えば（図３参照）、ＭＨタンク３の内圧が１ＭＰａになると、ＭＨタンク３の内部温度は８０℃前後になる。また、内圧が３ＭＰａになると、内部温度は１０５℃前後になる。
【００１９】
発生した熱は、ＭＨタンク３から燃料電池１に適当な伝熱手段により伝達され、燃料電池１が暖機される。燃料電池１への熱の伝達は、伝導、輻射及び／又は対流による態様で行うことができる。また、直接加熱でも間接加熱でも熱を伝達することができる。
【００２０】
なお、ＭＨタンク３の内部温度は、図３に示すように圧力を印加すると急激に上昇して最高温度を記録し、その後の温度上昇はなく温度を維持する（温度を維持している間も水素を連続的に吸蔵している）。また、水素吸蔵合金は、ボリューム全体（マス全体）として発熱する。このことより、ＭＨタンク３を、いわば水素吸蔵熱式ヒータ（ＭＨヒータ）と考えれば、このＭＨヒータは、燃焼式ヒータや電気式ヒータと異なり、加熱時のオーバーシュートがない。しかも、極めて短時間に最高温度に到達する。したがって、ＭＨヒータは、取り扱いが極めて容易であると共に迅速な暖機を行うことができる。また、図２及び図３から容易に解るように、印加する圧力により、温度を制御することができる。したがって、この点からも取り扱いが極めて容易である。なお、発生する熱量は、ＭＨタンク３が内蔵する水素吸蔵合金の種類及び量に比例する。
【００２１】
ちなみに、図２は、ＢＣＣ（Body Centered Cubic）系の水素吸蔵合金の温度−圧力特性を示すものでもある。ＢＣＣ系の水素吸蔵合金の場合、ＭＨタンク３の内圧が３ＭＰａになると水素吸蔵合金１００ｇ当り約２．４ｇ（約１．２ｍｏｌ）の水素を吸蔵する。また、発熱量は約１５ｋＪ／ｇ水素、つまりＢＣＣ系の水素吸蔵合金が１ｇの水素を吸蔵すると１５ｋＪの熱が発生する。水素吸蔵合金としては、例えば以下のものを使用することができる。
ＡＢ2型合金（ラーベス相合金）； ＴｉＣｒ2、（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）2・・
ＡＢ5型合金； ＬａＮｉ5、ＭｎＮｉ5・・
ＢＣＣ系合金； Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｍｎ・・
その他； Ｍｇ系合金
【００２２】
なお、水素吸蔵合金は、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことができる。このため、水素吸蔵合金に吸蔵された水素を、燃料電池１（水素消費機器）の燃料として使用することもできる。あるいは、高圧水素タンク２に戻すようにすることもできる。水素吸蔵合金は、水素を放出すると再度の水素吸蔵が行えるようになる。もちろん、再度の水素吸蔵の際にも熱が発生する。
【００２３】
次に、本発明の燃料電池システムを燃料電池電気自動車（以下「車両」という）に適用した実施形態を説明する。
【００２４】
≪第１実施形態≫
第１実施形態は、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際に発生する熱で燃料電池を暖機しつつ、燃料電池に水素を供給して発電を行う。
図４は、第１実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。図５は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【００２５】
まず、車両を説明する。
図４に示す車両は、ＦＣボックスが乗員席の床下に搭載されている。このＦＣボックスの中には、燃料電池１０（図５参照）が収納されている。また、走行モータが車両の前部に搭載されている。また、高圧水素タンク２１及びＭＨタンク３１が車両の後輪の上方に横置きで搭載されている。なお、ＭＨタンク３１が発生した熱は図示しない燃料電池１０の１次冷却系配管内を流れる冷却水により燃料電池１０を暖機するようになっている。また、燃料電池１０は、高圧水素タンク２１及びＭＨタンク３１と図示しない水素供給管により接続されている。
【００２６】
また、燃料電池１０は、空気供給管により空気圧縮機と接続されている（図示外）。そして、燃料電池１０は、空気中の酸素と水素を電気化学的に反応させて発電する。発電した電力は走行モータに供給され、車両を走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解膜を挟んでアノード極及びカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータでさらに挟み込んだ単セルを、３００枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。なお、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
【００２７】
次に、図５を参照して、燃料電池システムＦ１を説明する。
第１実施形態の燃料電池システムＦ１は、燃料電池１０、水素供給系２０、暖機系３０、空気供給系４０、電力消費系５０及び制御装置６０を含んで構成される。
【００２８】
燃料電池１０は、前記説明したとおりＰＥＭ型の燃料電池であり、燃料ガスたる水素と酸化剤ガスたる空気が供給されて発電する。燃料電池１０が発電した電力は、ＶＣＵ（Voltage Control Unite）５１を介して取り出される。ＶＣＵ５１は、リミッタ機能を持った電力調整器であり、燃料電池１０から取り出す電流を制限する。ＶＣＵ５１を介して取り出された電流は、走行モータや補機等の負荷５２に供給される。なお、ＶＣＵ５１による取出し電流量は、図示しないスロットルペダルの踏込み量θthや補機消費電力等に基づいて設定される。
【００２９】
水素供給系２０は、燃料電池１０に燃料ガスたる水素を供給する役割を有する。このため、燃料電池１０の上流側の構成として、高圧水素タンク２１、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、２次レギュレータ２４、エジェクタ２５を有する。また、燃料電池１０の下流側の構成としてパージ弁２６を有する。それぞれの機器は、配管で接続され、高圧水素タンク２１からの水素は、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、２次レギュレータ２４、エジェクタ２５、燃料電池１０（アノード極）に供給されるようになっている。また、配管により、燃料電池１０（アノード極）から排出された未使用の水素は、エジェクタ２５に戻って循環使用されるようになっている。あるいは、排出された未使用の水素は、パージ弁２６により水素供給系２０の外部に排出されるようになっている。また、水素供給系２０は、後記する暖機系３０のＭＨタンク３１に水素を供給する役割を有する。このため、水素供給系２０は、暖機系３０に水素を供給するための分岐配管を有すると共に、ＭＨタンク３１の貯蔵圧（内圧）よりも高い圧力で高圧水素タンク２１に水素を貯蔵している。
【００３０】
高圧水素タンク２１は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の軽量タンクであり、耐圧性及び気密性が確保されている。この高圧水素タンク２１は、例えば内容積が約１００リットルあり、２５ＭＰａの最高圧力で水素が充填されている。本実施形態では、高圧水素タンク２１がいわば燃料タンクの役割も有する。
【００３１】
第１遮断弁２２は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。この第１遮断弁２２は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で高圧水素タンク２１から供給される水素の通流を遮断する。一方、開状態で高圧水素タンク２１からの水素を下流側に供給する。
【００３２】
１次レギュレータ２３は、高圧水素タンク２１から供給される水素の圧力を減圧すると同時に所定の圧力に調整する減圧弁である。２次レギュレータ２４は、１次レギュレータ２３で減圧された水素の圧力をさらに減圧すると同時に所定の圧力に調整する減圧弁である。この２次レギュレータ２４には、カソード極の入口の圧力がパイロット圧として入力されている（図５参照）。このため、２次レギュレータ２４は、アノード極とカソード極の極間差圧の変動が少なくなるように動作する。ちなみに、燃料電池１０のアノード極への水素の供給は、２次レギュレータ２４にカソード極の入口の圧力がパイロット圧として入力されている関係から、後記する空気圧縮機４１が起動して、カソード極の入口の圧力が上昇してからである。つまり、水素供給系２０により燃料電池１０に水素が供給されるのは、第１遮断弁２２がＯＮになり、かつ空気供給系４０の空気圧縮機４１が起動してからである。
【００３３】
エジェクタ２５は、２次レギュレータ２４からの水素を燃料電池１０のアノード極に供給する。また、アノード極に向かう水素の流れを利用して、燃料ガスとして使用された後の水素、つまり燃料電池１０のアノード極から排出された水素を吸引して循環させる水素循環ポンプである。なお、排出水素を循環使用することで、燃費を向上させることができる。
【００３４】
パージ弁２６は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。このパージ弁２６は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で燃料電池１０から排出された水素をエジェクタ２５に向かわせる。一方、開状態で燃料電池１０から排出された水素を系外に排出する。
【００３５】
水素供給系２０における燃料電池１０のアノード極の圧力（アノード極入口の圧力）は、圧力センサＰAにより検出され、検出信号が制御装置６０に送信されるようになっている。
【００３６】
暖機系３０は、ＭＨタンク３１で発生した熱を燃料電池１０に供給して燃料電池１０を暖機する役割を有する。このため、暖機系３０は、ＭＨタンク３１、第２遮断弁３２、第３遮断弁３３、絞り３４及び循環ポンプ３５を含んで構成される。なお、本実施形態の暖機系３０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１を利用する構成になっている。このため、発電により燃料電池１０が発生した熱も暖機系３０を介して系外に放出され、燃料電池１０が冷却（ある温度に保持）される。
【００３７】
暖機系３０は、水素が通流する部分と燃料電池１０の冷却水（熱媒体）が通流する部分を有する。水素が通流する部分は、ＭＨタンク３１、第２遮断弁３２、第３遮断弁３３、絞り３４及びこれらを接続する配管から構成される。一方、冷却水が通流する部分は、ＭＨタンク３１（後記するジャケット部分）、循環ポンプ３５、燃料電池１０、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の熱交換器ＨＥ及びサーモスタット弁ＴＶ等、並びにこれらを接続する配管（１次冷却系Ｃ１の配管）から構成される。なお、符号Ｃ２は２次冷却系である。
以下、暖機系３０を構成する主要な機器を説明する。
【００３８】
ＭＨタンク３１は、樹脂製（ＦＲＰ製）よりも耐熱性があり熱伝導率もよいアルミニウム合金を材質とした耐圧気密タンクであり、その内部には水素吸蔵合金が充填されている。このＭＨタンク３１は、例えば３から５ＭＰａの最高圧力で水素を吸蔵することができるようになっている。また、このＭＨタンク３１の外側は水冷ジャケットで覆われており、ジャケット内を燃料電池１０の冷却水が通流するようになっている。したがって、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱は、燃料電池１０の冷却水に伝達され、この冷却水が燃料電池１０を循環することにより燃料電池１０の暖機が行われる。ちなみに、水素吸蔵合金の充填量（ＭＨタンク３１の内容積に比例）は、暖機に要する熱量に基づいて設定される。
【００３９】
第２遮断弁３２は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。この第２遮断弁３２は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で、１次レギュレータ２３からＭＨタンク３１に向かう水素の流れを遮断する。一方、開状態で、ＭＨタンク３１に向かう水素の流れを許容する。この第２遮断弁３２は、通常は閉状態であるが、ＭＨタンク３１に水素を供給して熱を発生する際に開状態になる。
【００４０】
第３遮断弁３３は、電磁作動のＯＮ−ＯＦＦ弁である。この第３遮断弁３３は、制御装置６０からの信号に基づいて開閉し、閉状態で、ＭＨタンク３１から燃料電池１０（アノード極）に向かう水素の流れを遮断する。一方、開状態で、燃料電池１０に向かう水素の流れを許容する。この第３遮断弁３３は、暖機時及び通常時は閉状態であるが、ＭＨタンク３１に吸蔵された水素を放出して発電を行う際に開状態になる。
【００４１】
絞り３４は、ＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給される水素の圧力や流量が、燃料電池１０のアノード極の圧力に適合した圧力になるようにする減圧手段、あるいはアノード極に供給する流量に適合した流量になるようにする流量調整手段である。絞り３４を通流した水素は、水素供給系２０におけるエジェクタ２５と燃料電池１０のアノード極の間に供給されるようになっている（２次レギュレータ２４とエジェクタ２５の間に供給するようにしてもよい）。
【００４２】
循環ポンプ３５は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却水を循環させるポンプの役割を有する。この循環ポンプ３５により、冷却水は、ＭＨタンク３１（ジャケット部分）、循環ポンプ３５、サーモスタット弁ＴＶ（熱交換器ＨＥ）、燃料電池１０の順に循環する。なお、冷却水には、エチレングリコール等、冷却水の凍結点を下げる物質が添加されている。
【００４３】
暖機系３０における冷却水の水温及びＭＨタンク３１の圧力は、温度センサＴ及び圧力センサＰMにより検出される。そして、検出信号は、制御装置６０に送信される。
【００４４】
なお、暖機系３０は、ＭＨタンク３１で発生した熱を奪って燃料電池１０を暖機するほか、後記する放出モードでは、燃料電池１０で発生した熱をＭＨタンク３１に与えて水素吸蔵合金が吸蔵した水素の放出を促す役割を有する。水素吸蔵合金は、水素を放出すると吸熱して温度が下がり、水素の放出を行えなくなってしまうからである。なお、放出モードでは、冷却水がＭＨタンク３１により冷却されることになるので、燃料電池１０の冷却系Ｃ１，Ｃ２の負荷が低減される。つまり、水素放出モードでは、燃料電池１０の冷却性能（能力）が向上する。
【００４５】
空気供給系４０は、燃料電池１０に酸化剤ガスたる空気を供給する役割を有する。このため、空気圧縮機４１を有する。
空気圧縮機４１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置６０からの信号によりモータの回転速度が制御される。ちなみに、モータの回転速度を速くすると、燃料電池１０のカソード極に供給される空気の量が多くなる。なお、燃料電池１０に供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。また、燃料電池１０から排出されたオフガスは、加湿器を通流して燃料電池１０に供給される空気を加湿した後、系外に放出される。
【００４６】
電力消費系５０は、前記説明したとおりＶＣＵ５１及び負荷５２等から構成される。
【００４７】
制御装置６０は、スロットルペダルの踏込み量θthや補機消費電力等に基づいて燃料電池１０の目標発電量を設定する役割を有する。また、目標発電量に基づいて燃料電池１０に供給する空気の量（空気圧縮機４１のモータ回転速度）を設定する役割を有する。また、目標発電量（水素消費量に比例）及びＭＨタンク３１の内圧に基づいて、ＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給する水素の量を設定する役割を有する。なお、ＭＨタンク３１に吸蔵された水素の放出量（燃料電池１０への供給量）は、制御装置６０が第３遮断弁３３を制御することによりコントロールされる。また、制御装置６０は、燃料電池１０の発電状態に基づいて目標発電量に制限を加え、燃料電池１０からの取出し電流量を設定する役割を有する。ＶＣＵ５１はこの取出し電流量に基づいて燃料電池１０から電流を取り出す。また、制御装置６０は、起動時に燃料電池１０を暖機するか否かの判断を行う役割（暖機モードへの移行制御）、暖機を制御する役割（暖機モード制御）及び吸蔵した水素の放出を制御する役割（放出モード制御）等も有する。
【００４８】
次に、制御装置６０の暖機モードへの移行制御、暖機モード制御及び放出モード制御を、前記した燃料電池システムＦ１の動作と併せて説明する。
図６は、燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。図７は、暖機モードを制御するフローチャートである。図８は、吸蔵した水素を放出する放出モードを制御するフローチャートである。
【００４９】
暖機モードへの移行制御は次のように行われる（図６参照）。
ステップＳ１で車両（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ（IG.ON）されると、制御装置６０は、システムチェックを行う（Ｓ２）。システムチェックの結果、異常と判断すると（no）、異常処理モードへ移行する（Ｓ３）。異常がないと判断すると（yes）、温度センサＴにより検出される冷却水温が暖機モードを開始する所定温度である３０℃以下か否か、つまり「冷却水温≦３０℃」か否かを判断する（Ｓ４）。３０℃以下でない場合、即ち冷却水温が３０℃を超える場合は、定常発電モードへ移行する（Ｓ５）。定常発電モードでは、暖機モードに移行せず、普通どおりに発電を行う。燃料電池１０がＰＥＭ型の場合、冷却水温が３０℃を超えていれば、比較的問題なく起動することができるからである。一方、ステップＳ４で冷却水温が３０℃以下の場合は、暖機モードへ移行する（Ｓ６）。
【００５０】
暖機モードは次のように制御され実行される（図５及び図７参照）。
なお、第１実施形態の燃料電池システムＦ１は、ＭＨタンク３１への水素の供給と燃料電池１０への水素の供給を同時に行うことができる。したがって、第１実施形態での暖機モードは、ＭＨタンク３１に水素を供給しつつ燃料電池１０にも水素を供給して発電を行うこととする（暖機しつつ発電）。
【００５１】
第１実施形態の暖機モードでは、制御装置６０は、第１遮断弁２２と第２遮断弁３２を開いて開状態にし、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にする（Ｓ１１）。これにより高圧水素タンク２１から、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、第２遮断弁３２を介してＭＨタンク３１に水素（暖機用の水素）が供給される。すると、ＭＨタンク３１の内圧が高まり水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱する。発熱は急激に起こり、直ちにＭＨタンク３１の内部温度が上昇するが、前記したとおり温度がオーバーシュートすることはない（図３参照）。なお、この段階では、空気圧縮機４１が起動していないので、水素は２次レギュレータ２４のところで遮断され、燃料電池１０には供給されない。
【００５２】
次に、制御装置６０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却水循環ポンプを兼ねる暖機系３０の循環ポンプ３５を起動すると共に、空気圧縮機４１を起動する（Ｓ１２）。これにより、燃料電池１０には、ＭＨタンク３１で発生した熱が冷却水を介して供給される。また、燃料電池１０のカソード極に空気が供給される。なお、カソード極に空気が供給されるとカソード極の圧力が上昇する。すると、前記したとおりカソード極の圧力をパイロット圧とする２次レギュレータ２４から燃料電池１０のアノード極に水素が供給される（発電開始）。なお、このときにおける燃料電池１０の目標発電量は、例えば空気圧縮機４１のモータや循環ポンプ３５等の補機類を動かすのに必要となる電力に相当する量である。ちなみに、本実施形態では暖機に電気ヒータを用いていないので、電気ヒータの消費電力を目標発電量に反映する必要がない。この分、貴重な水素を消費することがなく、燃費が向上する。
【００５３】
続いて、「冷却水温＜ＭＨ加熱終了温度」か否かを判断する（Ｓ１３）。ここでのＭＨ加熱終了温度、つまりＭＨタンク３１への水素（暖機用の水素）の供給を終了する温度は３２℃であり、暖機モードを開始する所定温度の３０℃よりも２℃高く設定してある。このように、ＭＨタンク３１に水素を供給して暖機モードを開始する所定温度とＭＨタンク３１への水素の供給を終了するＭＨ加熱終了温度にヒステリシスが設けてあるのは、制御を安定なものとするためである。
【００５４】
ステップＳ１３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度以上の場合（no）は、第２遮断弁３２を閉じて閉状態にし（Ｓ１４）、高圧水素タンク２１からＭＨタンク３１への水素の供給を停止する。これは、放出モードを円滑に実行するという理由による。また、ＭＨタンク３１が発生した熱の予熱と燃料電池１０が発電に伴って発生する熱により暖機を円滑に行うことができるので、さらなる発熱は不要であるという理由による。
【００５５】
そして、「冷却水素温度＞暖機終了温度」か否かを判断し（Ｓ１５）、冷却水温が暖機終了温度を超えている場合（yes）は、放出モードへ移行する（Ｓ１６）。ここでの暖機終了温度は、ＰＥＭ型の燃料電池１０を通常通り運転できる７０℃である。なお、冷却水温が暖機終了温度以下の場合（no）は、冷却水温が暖機終了温度を超えるまで判断を継続する。つまり、暖機モードを継続する。このようにＭＨ加熱終了温度と暖機終了温度を別々に設定しているのは、ＭＨ加熱終了時点（本実施形態では３２℃）で放出モードに移行すると、放出モードにおける水素吸蔵合金の吸熱で燃料電池１０が冷却され、暖機が迅速に行われない事態が生じる得るからである。このため、いわば、放出モードに移行するための基準温度である暖機終了温度を、ＭＨ加熱終了温度とは別に設定している。
【００５６】
説明をステップＳ１３に戻す。ステップＳ１３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度未満の場合（yes）は、「ＭＨタンク３１の内圧＜１次レギュレータ２３のレギュレート圧」か否かを判断する（Ｓ１７）。ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧と同じか上回る場合（no）は、第２遮断弁３２を閉じて閉状態にする（Ｓ１８）。これは、水素吸蔵合金による水素の吸蔵が飽和状態に達したと判断できるからである。なお、第２遮断弁３２を閉状態にした後も、暖機を継続するため、ステップＳ２０へ移行する。
【００５７】
ステップＳ１７で、ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧に満たない場合（yes）は、まだ水素を吸蔵することができるので、第２遮断弁３２を開く（Ｓ１９）。ところで、ステップＳ１８で第２遮断弁３２が閉じた後、水素の吸蔵が進行してＭＨタンク３１の内圧が低下する場合がある。このような場合が生じても、つまり、ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧に満たないのに第２遮断弁３２が閉じている場合が生じても、ステップＳ１９で手当てされ、暖機モードが適切に実行される。
【００５８】
ステップＳ２０では、一定時間（例えば数秒）置いてその状態を維持する。この間も冷却水が循環して燃料電池１０を暖機している。このように時間を置くのは、制御を安定化させるという理由による。ステップＳ２０で一定時間置いた後はステップＳ１３に戻り、ＭＨタンク３１への水素の供給を終了するか否かを冷却水温で判断し、後の処理を継続して行う。
【００５９】
放出モードは次のように制御され実行される（図５及び図８参照）。
放出モードでは、制御装置６０は、燃料電池１０の目標発電量から水素消費量を演算し、この水素消費量に基づいてＭＨタンク３１から燃料電池１０に供給する水素の量、つまり水素放出量を演算する（Ｓ２１）。例えば、水素放出量が水素消費量の２０％になるように演算される。あるいは、アノード極の圧力変動を打ち消すように水素放出量が演算される。そして、水素放出量に基づいて第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動する信号を生成し、第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動する（Ｓ２２）。これにより、ＭＨタンク３１からの水素は、第３遮断弁３３及び絞り３４を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。なお、信号のパルス幅は、水素消費量（目標発電量）が多いほど幅が広くなり（デューティ比が大きくなり）、ＭＨタンク３１から供給される水素の量（水素放出量）が多くなる。ちなみに、このように、第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動するのは、燃料電池１０のアノード極を循環している水素の流れに与える影響を小さくするためである。なお、絞り３４も同じ観点から設けられており、燃料電池１０のアノード極を循環している水素の流れに与える影響を小さくする。
【００６０】
次に、「ＭＨタンク３１の内圧＞アノード極の圧力」か否かを判断する（Ｓ２３）。ＭＨタンク３１の内圧がアノード極の圧力以下の場合（no）は、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にし、ステップＳ２６へ移行する。水素の逆流を防止するためである。一方、ＭＨタンク３１の内圧がアノード極の圧力を超える場合（yes）は、「アノード極の圧力≦アノード極の目標圧力＋２０ｋＰａ」か否かを判断する（Ｓ２５）。
【００６１】
ステップＳ２５で、アノード極の圧力が目標圧力に対して２０ｋＰａ超の場合（no）は、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にし（Ｓ２４）、ステップＳ２６へ移行する。アノード極の圧力が高くなりすぎると、発電に対して最適なアノード極の圧力が維持できなくなるからである。一方、アノード極の圧力が目標に対して２０ｋＰａ以下の場合（yes）は問題がないので、第３遮断弁３３を閉状態にすることなくステップＳ２６へ移行する。
【００６２】
次に、「ＭＨタンク３１の内圧≧１００ｋＰａ（ゲージ圧）」か否かを判断する（Ｓ２６）。ＭＨタンク３１の内圧が１００ｋＰａ未満の場合（no）は、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にし（Ｓ２７）、放出モードの制御を終了する（ＥＮＤ）。このようにするのは、ＭＨタンク３１の内圧がゲージ圧で１００ｋＰａ未満になると、水素吸蔵合金が吸蔵した水素の放出がほぼ完了したと判断でき、次に暖機モードを実行する場合にも発熱量を確保することができるからである。
【００６３】
ステップＳ２６で、ＭＨタンク３１の内圧が１００ｋＰａ以上の場合（yes）は、ステップＳ２１に戻って放出モードを継続する。まだＭＨタンク３１には放出すべき水素が吸蔵されており、次回も発熱量を多くして良好な暖機を行うためには、水素を放出しておくことが好ましいからである。
【００６４】
なお、水素吸蔵合金が吸蔵した水素を放出する反応は吸熱反応であるので、水素吸蔵合金の温度（ＭＨタンク３１の内部温度）が下がる。すると、水素吸蔵合金から水素を放出することができなくなってしまう。しかし、本実施形態のように燃料電池１０の冷却水をＭＨタンク３１（ジャケット部分）に通流させることにより、水素吸蔵合金には燃料電池１０の発電に伴って発生する熱が供給される。したがって、ＭＨタンク３１から安定的に、かつ確実に水素を取り出すことができる。ちなみに、ＭＨタンク３１から残らず水素を放出させることにより、次回の暖機の際の発熱量が確保できる。
【００６５】
次に、図９のタイムチャートを参照して第１実施形態の燃料電池システムＦ１の動作を説明する（図５を適宜参照）。
図９は、燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【００６６】
最初は、第１遮断弁２２、第２遮断弁３２及び第３遮断弁３３は閉じて閉状態にある。また、循環ポンプ３５は停止（Off）している。燃料電池１０の冷却水温は暖機モードを開始する所定温度である３０℃以下である。また、ＭＨタンク３１の内圧はほぼ０ｋＰａ（ゲージ圧）である。もちろん、燃料電池１０は発電を行っていない（Off）。また、放出モードにおけるＭＨタンク３１からの水素の放出は、燃料電池１０の暖機に影響を与えないように、水素の放出量が制限される。
【００６７】
この状態から車両（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ（IG.ON）される。これにより図６に示す制御が実行され、システム異常がなくかつ冷却水温が３０℃以下の場合は暖機モードへ移行する（System Check Clear）。
【００６８】
すると、図７に示す暖機モード制御が実行され、第１遮断弁２２及び第２遮断弁３２が開いて開状態になる。同時に、循環ポンプ３５が起動（On）する。これにより、ＭＨタンク３１に水素が供給され、ＭＨタンク３１の内部温度が上昇する。また、ＭＨタンク３１の内圧が上昇する。また、冷却水温が上昇し、昇温した冷却水が暖機系３０（１次冷却系Ｃ１）を循環することにより、ＭＨタンク３１で発生した熱が燃料電池１０を暖機する。なお、図９のタイムチャートでは、この時点（System Check Clear時点）での発電は行わない。つまり、空気圧縮機４１は起動していない。
【００６９】
ちなみに、ＭＨタンク３１に水素が供給されると、ＭＨタンク３１の温度は直ぐに最高温度に達し、その後は、一定の温度を維持する。また、ＭＨタンク３１の内圧は、しばらくすると高い圧力で一定になる。この間も暖機は継続される。
【００７０】
この図９のタイムチャートでは、ＭＨ加熱終了前に燃料電池１０による発電を開始する（Stack発電開始）。このため、バッテリ等を利用して空気圧縮機４１等、必要な補機を起動する。すると、水素と酸素が燃料電池１０に供給される。そして、燃料電池１０の電圧〔解放電圧〕が上昇した時点で、ＶＣＵ５１を介して空気圧縮機４１等へ負荷電流を取り出す。
【００７１】
そして、冷却水温がＭＨ加熱終了温度である３２℃に達するとＭＨタンク３１への水素の供給を終了するため、第２遮断弁３２を閉じて閉状態にする。ちなみに、このタイムチャートでは、暖機の終了と共にＭＨタンク３１が吸蔵した水素を、内圧が０ｋＰａになるまで（放出できる限り）放出する（放出モード）。このため、第３遮断弁３３が開いて開状態になる。ところで、前記したとおり、燃料電池１０が定常発電モードの温度（例えば７０〜８０℃）になる前に放出モードを実行すると、燃料電池１０の暖機が円滑に行われない事態が生じ得る。しかし、前記したとおり、この図９のタイムチャートにおいては、放出モードでの水素の放出が暖機に影響を与えないように、水素の放出量が制限されている。したがって、冷却水温がＭＨ加熱終了温度になった時点で、つまり燃料電池１０が充分に暖機される以前に、放出モードを実行している。なお、放出モードにおける吸熱が燃料電池１０に供給（伝熱）されないようになっている場合も、冷却水温がＭＨ加熱終了温度になった時点で放出モードを実行できる。
【００７２】
このように、第１実施形態によれば、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱を利用して燃料電池１０を確実に暖機することができる。また、吸蔵した水素を放出し、燃料ガスとして発電に供することができる。また、水素を放出することにより、次回も暖機を行うことができるようになる。また、暖機しつつ発電を行うので燃料電池１０も自己発熱し、暖機が迅速に行われる。また、高圧水素タンク２１から水素をＭＨタンク３１に供給するので、高圧水素タンク２１に水素を充填すれば、暖機用の水素も充填される。この点、例えば暖機専用の水素タンクを設けるのと異なり、水素充填の煩いが解消される。
なお、ＭＨタンク３１の温度は、水素貯蔵合金の温度−圧力特性（ＭＨタンク３１の内部温度−圧力特性図；図２参照）にしたがう。また、水素吸蔵合金の種類及び印加される水素の圧力が同じであれば熱の発生量は、水素吸蔵合金の量に比例する。よって、水素吸蔵合金の種類、ＭＨタンク３１に印加される水素の圧力及び水素吸蔵合金の量をパラメータとして、ＭＨタンク３１（いわば水素吸蔵熱式ヒータ（ＭＨヒータ））の特性を自由に設計することができる。一方、吸蔵した水素を放出する際は、その放出量や吸熱量を水素吸蔵合金の種類、圧力、温度をパラメータとして自由に放出量を制御することができる。
ところで、必要以上にＭＨタンク３１の内圧を高くしても水素の吸蔵量（貯蔵量）は余り増えない。その一方、耐圧性の関係からＭＨタンク３１の肉厚を厚くしなければならくなってしまう。すると、ＭＨタンク３１の内部で発生した熱が取り出しにくくなる。また、ＭＨタンクの重量も増えてしまう。また、吸蔵した水素を放出する場合についていえば、肉厚が厚くなるとＭＨタンク３１の内部に熱を供給しづらくなる。この点から、ＭＨタンク３１の内圧（貯蔵圧）が１から５ＭＰａ（１から３ＭＰａ）であれば、効率的に水素を吸蔵することができ、ＭＨタンク３１の肉厚も必要以上に厚くしないで済み、伝熱の点からも重量の点からも好ましい。
【００７３】
≪第２実施形態≫
次に、第２実施形態を説明する。
第２実施形態は、暖機を行ってから発電する実施形態である。ちなみに、第２実施形態は、極低温、例えば冷却水温が−２０℃以下の状態から暖機する実施形態である。なお、第１実施形態と共通する部分については、第１実施形態での符号と同一の符号を付してその説明を省略する。
図１０は、第２実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【００７４】
図１０に示すように、第２実施形態の燃料電池システムＦ２は、図５に示す第２遮断弁３２に相当する遮断弁を有しない。その代わりに、三方弁２７を有する。この三方弁２７は電磁作動の流路切換弁であり、制御装置６０からの信号に基づいて、定常位置と暖機位置に切り替わる。三方弁２７が定常位置にあるときは、高圧水素タンク２１からの水素は、２次レギュレータ２４の側に導かれる。一方、三方弁２７が暖機位置にあるときは、高圧水素タンク２１からの水素は、ＭＨタンク３１の側に導かれる。このため、ＭＨタンク３１に水素が供給されているとき、つまり燃料電池１０が暖機されているときは、燃料電池１０に２次レギュレータ２４を介して水素が供給されることはない。一方、２次レギュレータ２４を介して燃料電池１０に水素が供給されているときは、ＭＨタンク３１に水素が供給されることはない。
なお、制御装置６０は、起動時に燃料電池１０を暖機するか否かの判断を行う役割（暖機モードへの移行制御）、暖機を制御する役割（暖機モード制御）及び吸蔵した水素の放出を制御する役割（放出モード制御）等を有する。この点、第１実施形態と同じである。
【００７５】
次に、制御装置６０の暖機モード制御を、前記した燃料電池システムＦ２の動作と併せて説明する。なお、暖機モードへの移行制御及び放出モード制御は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
図１１は、暖機モードを制御するフローチャートである。
【００７６】
第２実施形態での暖機モードは次のように制御され実行される（図１０及び図１１参照）。
なお、第２実施形態の燃料電池システムＦ２は、三方弁２７を使用して水素の流路を切り替えていることから、ＭＨタンク３１への水素の供給と燃料電池１０への水素の供給を同時に行うことができない。したがって、第２実施形態での暖機モードは、ＭＨタンク３１への水素の供給を終了した後（ＭＨ加熱終了温度以上になった後）に三方弁２７の位置を切り替えて、発電を行うこととする。
【００７７】
第２実施形態の暖機モードでは、制御装置６０は、第１遮断弁２２を開いて開状態に、第３遮断弁３３を閉じて閉状態にする。また、三方弁２７を暖機位置にする（Ｓ３１）。これにより、高圧水素タンク２１から、第１遮断弁２２、１次レギュレータ２３、三方弁２７を介してＭＨタンク３１に水素が供給される。すると、ＭＨタンク３１の内圧が高まり水素吸蔵合金が水素を吸蔵して発熱する。発熱は急激に起こり、直ちにＭＨタンク３１の内部温度が上昇するが、前記したとおり温度がオーバーシュートすることはない（図３参照）。
【００７８】
また、制御装置６０は、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１の冷却水循環ポンプを兼ねる暖機系３０の循環ポンプ３５を起動する（Ｓ３２）。これにより、燃料電池１０には、ＭＨタンク３１で発生した熱が冷却水を介して供給される。
【００７９】
次に、「冷却水温＜ＭＨ加熱終了温度」か否かを判断する（Ｓ３３）。ここでのＭＨ加熱終了温度は３２℃であり、暖機のための水素の供給を開始する所定温度の３０℃よりも２℃高く設定してある。これは、第１実施形態と同様、制御を安定にするためである。
【００８０】
ステップＳ３３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度以上の場合（no）は、三方弁２７を定常位置にする（Ｓ３４）。すると流路が切り替わり、高圧水素タンク２１からＭＨタンク３１への水素の供給が停止され、逆に燃料電池１０への水素の供給が可能な状態になる。このようにＭＨタンク３１への水素の供給を停止するのは、放出モードを円滑に実行するという理由による。また、ＭＨタンク３１が発生した熱の予熱と次のステップＳ３５で開始される燃料電池１０の発電に伴って発生する熱により暖機を円滑に行うことができるので、さらなる発熱は不要であるという理由による。なお、後記するステップＳ３９との関係で、第１遮断弁２２が閉状態になっている場合があるので、ステップＳ３４は、第１遮断弁２２を開く動作を併せて行うものとする。
【００８１】
ステップＳ３５で空気圧縮機４１を起動する。すると、第１実施形態と同様に、燃料電池１０のカソード極には空気が、アノード極には水素が供給される（発電開始）。このときにおける目標発電量は、第１実施形態と同じである。これにより、ＭＨタンク３１が発生した熱の予熱と燃料電池１０が発電に伴って発生する熱により暖機が円滑に行われる。
【００８２】
そして、ステップＳ３６で「冷却水温＞暖機終了温度」か否かを判断し、冷却水温が暖機終了温度を超えている場合（yes）は、放出モードへ移行する（Ｓ３７）。ここでの暖機終了温度は、第１実施形態と同じ７０℃とする。なお、冷却水温が暖機終了温度以下の場合（no）は、冷却水温が暖機終了温度を超えるまで判断を継続する。つまり、暖機モードを継続する。これらの点は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００８３】
説明をステップＳ３３に戻す。ステップＳ３３で冷却水温がＭＨ加熱終了温度未満の場合（yes）は、「ＭＨタンク３１の内圧＜１次レギュレータ２３のレギュレート圧」か否かを判断する（Ｓ３８）。ＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧と同じかそれを上回る場合（no）は、第１遮断弁２２を閉じて閉状態にする（Ｓ３９）。これは、水素吸蔵合金による水素の吸蔵が飽和状態に達したと判断できるからである。なお、第１遮断弁２２を閉状態にした後も、暖機を継続するため、ステップＳ４１へ移行する。ちなみに、ステップＳ３９で、第１遮断弁２２はそのまま開状態にしておいて、三方弁２７を定常位置に切り替える構成としてもよい。
【００８４】
ステップＳ３８でＭＨタンク３１の内圧が１次レギュレータ２３のレギュレート圧に満たない場合（yes）は、まだ水素を吸蔵することができるので、第１遮断弁２２を開く（Ｓ４０）。ところで、ステップＳ３９で第１遮断弁２２が閉じた後、水素の吸蔵が進行してＭＨタンク３１の内圧が低下する場合がある。このような場合が生じても、ステップＳ４０で手当てされ、第１実施形態と同様に暖機モードが適切に実行される。
【００８５】
ステップＳ４１では、一定時間（例えば数秒）置いてその状態を維持する。この間も冷却水が循環して燃料電池１０を暖機している。このように時間を置くのは、制御を安定化させるという理由による。ステップＳ４１で一定時間置いた後は、ステップＳ３３に戻り、ＭＨタンク３１への水素の供給を終了するか否かを冷却水温で判断する。
【００８６】
ところで、前記した第１実施形態の燃料電池システムＦ１では、ＭＨタンク３１に水素を供給（ＭＨタンク３１を発熱）しつつ燃料電池１０にも水素を供給して発電を行う実施形態であったが、この第２実施形態ではＭＨタンク３１に水素を供給している際に発電することはない。水素の流れを三方弁２７により切り替えているからである。
【００８７】
次に、図１２のタイムチャートを参照して第２実施形態の燃料電池システムＦ２の動作を説明する（図１０参照）。
図１２は、燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【００８８】
最初は、第１遮断弁２２は閉じて閉状態にある。また、三方弁２７は定常位置にある。また、循環ポンプ３５は停止（Off）している。燃料電池１０の冷却水温は暖機モードを開始する所定温度である３０℃以下である。また、ＭＨタンク３１の内圧はほぼ０ｋＰａ（ゲージ圧）である。もちろん、燃料電池１０は発電を行っていない（Off）。
【００８９】
この状態から車両（図４参照）のイグニッションスイッチがＯＮ（IG.ON）される。これにより暖機モードへの移行制御（図６参照）が実行され、システム異常がなくかつ冷却水温が３０℃以下の場合は暖機モードへ移行する（System Check Clear）。
【００９０】
すると、図１１に示す暖機モード制御が実行され、第１遮断弁２２が開いて開状態になる。同時に、循環ポンプ３５が起動（On）する。これにより、ＭＨタンク３１に水素が供給され、ＭＨタンク３１の内部温度が上昇する。また、ＭＨタンク３１の内圧が上昇する。また、冷却水温が上昇し、昇温した冷却水が暖機系３０（１次冷却系Ｃ１）を循環することにより、ＭＨタンク３１で発生した熱が燃料電池１０を暖機する。
【００９１】
ＭＨタンク３１の温度は直ぐに最高温度に達し、その後は、一定の温度を維持する。また、ＭＨタンク３１の内圧は、しばらくすると高い圧力で一定になる。この間も暖機は継続される。
【００９２】
そして、冷却水温がＭＨ加熱終了温度である３２℃に達するとＭＨタンク３１への水素の供給を終了する。このため、三方弁２７が定常位置に切り替わる。第２実施形態では、三方弁２７が定常位置に切り替わると空気圧縮機４１が起動し、燃料電池１０に空気が供給される。また、空気圧縮機４１が起動することによりカソード極の圧力が上昇し、第１実施形態と同様にアノード極に水素が供給され、燃料電池１０が発電を開始する。
【００９３】
なお、この図１２のタイムチャートでは、ＭＨタンク３１への水素供給の終了後しばらくしてからＭＨタンク３１が吸蔵した水素を放出する（放出モード）。このため、第３遮断弁３３が開いて開状態になる。放出モードでは、図８のフローチャートと同様の制御が実行される。本実施形態のように、燃料電池１０の１次冷却系Ｃ１が暖機系３０を兼ねるような場合の放出モードは、前記したとおり、放出モードにおける水素の放出量を制限して行うか、あるいは燃料電池１０の暖機が完全に終了し、定常発電モードになった後に行うのが好ましい。
【００９４】
このように、第２実施形態によれば、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱を利用して燃料電池１０を確実に暖機することができる。また、吸蔵した水素を放出し、燃料ガスとして発電することができる。また、水素を放出することにより、次回も暖機を行うことができるようになる。また、暖機用の水素充填の煩いも解消される。また、燃料電池１０が発電できないような極低温からでも確実に燃料電池１０を暖機することができる。この際に、必要な電力は、制御装置６０、弁類（２２，２７，３３）、及び循環ポンプ３５である。したがって、従来のように電気ヒータで暖機するのと異なり、車両が搭載するバッテリに過大な負担を強いることなく燃料電池１０の暖機を行うことができる。この点からも、バッテリの起電力が小さくなっている極低温からの暖機に適している。
【００９５】
≪第３実施形態≫
次に、第３実施形態を説明する（図５などを適宜参照）。
第３実施形態は、燃料電池１０が暖機開始温度を上限温度とした所定温度範囲にある場合は暖機しつつ前記燃料電池１０による発電を行い（暖機しつつ発電）、極低温の場合（所定温度範囲の下限温度を下回る場合）は、発電を行わずに暖機のみ行う実施形態である。このため、第３実施形態の燃料電池システムＦ３（図５参照）の制御装置６０は、燃料電池１０の冷却水温を基準として、冷却水温が−２０〜３０℃の所定温度範囲の場合は、ＭＨタンク３１及び燃料電池１０の双方に水素を供給して、暖機しつつ発電を行う。一方、冷却水温が−２０℃未満の場合（極低温の場合）は、ＭＨタンク３１にのみ水素を供給し、暖機のみを行う。
なお、第３実施形態の機器構成は、第１実施形態の機器構成と同じ構成を有するものとする。したがって、機器構成の説明を省略する。
【００９６】
この第３実施形態の燃料電池システムＦ３の動作を図１３のフローチャートを参照して説明する。
図１３は、燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。
なお、図１３のフローチャートのステップＳ１〜ステップＳ５は、第１実施形態の暖機モードへの移行を制御するフローチャートと同じであるので、その説明を省略する。
【００９７】
ステップＳ４で冷却水温が３０℃以下の場合は、ステップＳ７で「冷却水温＜−２０℃」か否かを判断する。冷却水温が−２０℃以上の場合（no）は極低温ではないので、燃料電池１０を起動する暖機モード（燃料電池起動あり）が実行される（Ｓ８）。つまり暖機しつつ発電が行われる。この暖機モードでは、図７に示す暖機モードが実行される。一方、ステップＳ７で冷却水温が−２０℃未満の場合（yes）は極低温であるので、燃料電池１０を起動しない暖機モード（燃料電池起動なし）が実行される（Ｓ９）。なお、ステップＳ９の暖機モードは、燃料電池１０の冷却水温が−２０℃以上になった時点で空気圧縮機４１が起動し、これを契機として燃料電池１０に空気及び水素が供給され、燃料電池１０が起動して発電するようにしてある。
【００９８】
このように、第３実施形態によれば、燃料電池１０が発電できないような極低温下でも、確実に燃料電池１０の暖機を行うことができる。
【００９９】
なお、本発明は前記した実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。
例えば、燃料電池１０を冷却水で暖機したが、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際に発生する熱をＦＣボックス（図４参照）の中に導き、ＦＣボックスを暖機することにより燃料電池１０の暖機を行うようにしてもよい。また、ＭＨタンク３１を車両の後部に搭載する構成としたが、ＦＣボックス内に搭載する構成としてもよい。また、燃料ガス及び／又は空気を加温し、これを熱媒体として暖機する構成としてもよい。また、第１実施形態及び第２実施形態とも、第３遮断弁３３をＰＷＭ駆動すると共に絞り３４を設ける構成としたが、絞り３４を省く構成としてもよい。あるいは、絞り３４を設ける場合は、第３遮断弁３３を通常のＯＮ−ＯＦＦ弁とする構成としてもよい。なお、第３遮断弁３３と絞り３４の位置を入れ替えて、絞り３４を上流側に設ける構成としてもよい。また、暖機しつつ発電を行う所定温度範囲を−２０〜３０℃としたが、下限温度を例えば−３５℃に設定してもよいし、上限温度を２０℃に設定してもよい。
【０１００】
また、ＭＨタンク３１が放出する水素をエジェクタ２５の下流側に供給したが、上流側に供給するようにしてもよい。また、吸蔵した水素の放出は、暖機モードの終了と同時に行う必要はなく、車両を停止するまでの間に行えばよい。また、第２実施形態を三方弁２７で説明したが、流路切替手段たる三方弁２７に代えて、(1)１次レギュレータ２３から２次レギュレータ２４に向かう水素の流れを遮断する遮断弁と (2)１次レギュレータ２３からＭＨタンク３１に向かう水素の流れを遮断する遮断弁（第１実施形態の第２遮断弁３２に相当）を組み合わせた流路切替手段としてもよい。また、第２実施形態では、燃料電池１０による発電を、冷却水温が３２℃を超えた時点で開始したが、−２０℃を超えた時点で開始してもよい。この場合は、三方弁２７に代えて前記した遮断弁を用いた流路切換手段としておく。また、第３実施形態について、冷却水温がＭＨ加熱終了温度（３２℃）に達した時点で、発電を開始するようにしてもよい。また、ＰＥＭ型の燃料電池１０を例にして説明したが、ＰＥＭ型に限定されることはない。また、燃料電池電気自動車を例に説明したが、水素を燃料とする水素エンジン（水素消費機器）を搭載した水素自動車にも本発明を適用することができる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、水素吸蔵合金に燃料電池の燃料となる水素を吸蔵させる際に発生する熱を利用して燃料電池の暖機を行う。したがって、暖機のために特別のエネルギーを準備する必要がないし、構成も簡単である。しかも、水素吸蔵合金は、可逆的に水素の吸蔵／放出を繰り返すことができるので、何度でも暖機して燃料電池を低温起動することができる。さらに、発熱に際してオーバーシュートがないことから、暖機を容易に行うことができ、取り扱いも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による暖機原理を説明する模式図である。
【図２】 一例としてのＭＨタンクの内部温度−圧力特性図である。
【図３】 ＭＨタンクに印加される水素の圧力によりＭＨタンクの内部温度が変化する様子をプロットしたタイムチャートである。
【図４】 本発明に係る第１実施形態（及び第２実施形態）の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。
【図５】 本発明に係る第１実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図６】 第１実施形態での燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。
【図７】 第１実施形態での暖機モードを制御するフローチャートである。
【図８】 第１実施形態での吸蔵した水素を放出する放出モードを制御するフローチャートである。
【図９】 第１実施形態での燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【図１０】 本発明に係る第２実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図１１】 第２実施形態での暖機モードを制御するフローチャートである。
【図１２】 第２実施形態での燃料電池システムの起動時における制御タイムチャートである。
【図１３】 第３実施形態での燃料電池を暖機する暖機モードへの移行を制御するフローチャートである。
【符号の説明】
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３ … 燃料電池システム
１，１０ … 燃料電池
２ … 水素供給系、高圧水素タンク
２１ … 高圧水素タンク
３ … 暖機系、ＭＨタンク
３１ … ＭＨタンク
Ｃ１ … １次冷却系
Claims (2)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスとして供給する水素を貯蔵する水素タンクと、
水素吸蔵合金を収納して、前記水素タンクから供給される水素を吸蔵すると共に、前記吸蔵した水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する水素吸蔵合金収納タンクと、
前記水素タンクと前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給配管と、
前記水素ガス供給配管から分岐して、前記水素タンクに貯蔵された水素を前記水素吸蔵合金収納タンクへと供給して吸蔵させ、前記水素吸蔵合金収納タンクに吸蔵された水素を燃料ガスとして前記燃料電池へと供給する分岐配管と、
前記水素吸蔵合金収納タンクが前記水素タンクから水素を供給されて前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発生する熱を前記水素吸蔵合金タンクから熱媒体を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機する暖機手段とを、備え、
前記水素の圧力は、前記水素タンク内≫前記水素吸蔵合金収納タンク内＞前記燃料電池内であること
を特徴とする燃料電池システム。 - 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスとして供給する水素を貯蔵する水素タンクと、
水素吸蔵合金を収納して、前記水素タンクから供給される水素を吸蔵すると共に、前記吸蔵した水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する水素吸蔵合金収納タンクと、
前記水素タンクと前記燃料電池とを結ぶ燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に備えられ、前記水素タンクからの水素を前記燃料ガスとして前記燃料電池へと導く定常位置、及び、前記水素タンクからの水素を前記水素吸蔵合金収納タンクへと導く暖機位置を備える三方弁と、
前記三方弁が前記暖機位置にされた際に、前記水素吸蔵合金収納タンクに前記水素タンクから水素を供給されて前記水素吸蔵合金が水素を吸蔵することで発生する熱を前記水素吸蔵合金タンクから熱媒体を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機する暖機手段とを、備え、
前記水素の圧力は、前記水素タンク内≫前記水素吸蔵合金収納タンク内＞前記燃料電池内であること
を特徴とする燃料電池システム。
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