(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時間の短縮化と燃料電池への水素供給の安定化の両立を図る技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、水素吸蔵合金を収容する２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、他方の収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な放出調節部と、燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ＞を検知するための第１温度検知部と、他方の収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ＞を検知するための第２温度検知部と、温度Ｔ＜ＦＣ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは開放状態となり、温度Ｔ＜ＦＣ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、温度Ｔ＜ＭＨ＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに抑制状態となり、温度Ｔ＜ＭＨ＞が温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに開放状態となるように放出調節部を制御する制御部と、を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、
前記２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、
前記２つの収容部のうち他方の収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な放出調節部と、
前記燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ＞を検知するための第１温度検知部と、
前記他方の収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ＞を検知するための第２温度検知部と、
前記温度Ｔ＜ＦＣ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは前記開放状態となり、前記温度Ｔ＜ＦＣ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、前記温度Ｔ＜ＭＨ＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに前記抑制状態となり、前記温度Ｔ＜ＭＨ＞が前記温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに前記開放状態となるように、前記第１温度検知部および前記第２温度検知部から得た温度に応じて前記放出調節部を制御するための制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに前記温度Ｔ＜ＦＣ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合に、異常対応制御を実施する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに前記温度Ｔ＜ＦＣ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合に、前記抑制状態となるように前記放出調節部を制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに前記温度Ｔ＜ＦＣ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞を上回る場合に、前記燃料電池の発電出力を低減させ、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記温度Ｔ＜ＦＣ＞および前記温度Ｔ＜ＭＨ＞にかかわらず、前記燃料収容部の水素収容量が所定量未満である場合に、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料収容部は、第１〜第３収容部を少なくとも有し、
前記第１〜第３収容部は、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置され、
一方が前記第１収容部と、他方が前記第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池を備え、
前記第２温度検知部は、前記第３収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞を検知し、
前記放出調節部は、前記第３収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能であり、
前記制御部は、前記一対の燃料電池のうち温度が高い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは前記開放状態となり、前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、前記温度Ｔ＜ＭＨ３＞が前記温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに前記抑制状態となり、前記温度Ｔ＜ＭＨ３＞が前記温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満で、かつ前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差が所定のしきい値Ｔ１を上回る場合、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満で、かつ前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差が所定のしきい値Ｔ１を上回る場合、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合に、異常対応制御を実施する請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合に、前記抑制状態となるように前記放出調節部を制御する請求項６乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ−Ｈ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下で、かつ前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差が所定のしきい値Ｔ２を上回る場合、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ−Ｈ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合、前記燃料電池の発電出力を低減させ、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項１０または１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御部は、前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞、温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞および前記温度Ｔ＜ＭＨ３＞にかかわらず、前記燃料収容部の水素収容量が所定量未満である場合に、前記開放状態となるように前記放出調節部を制御する請求項６乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、前記２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは他方の収容部から水素を放出し、前記温度Ｔ＜ＦＣ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、前記他方の収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに前記他方の収容部からの水素放出を抑制し、前記温度Ｔ＜ＭＨ＞が前記温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに前記他方の収容部から水素を放出することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための第１〜第３収容部を少なくとも有し、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置された燃料収容部と、一方が前記第１収容部と、他方が前記第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記一対の燃料電池のうち温度が高い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは前記第３収容部から水素を放出し、前記温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が前記温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、前記第３収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに前記第３収容部からの水素放出を抑制し、前記温度Ｔ＜ＭＨ３＞が前記温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに前記第３収容部から水素を放出することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池システムの主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池システムは燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
従来、燃料ガスとしての水素を燃料電池本体とは別に収容する容器と、これを搭載した燃料電池システムが知られている（特許文献１〜３参照）。水素を収容する容器は、例えば、水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金を備える。そして、当該容器は、水素吸蔵合金によって水素を吸蔵することで容器内に水素を収容し、また水素吸蔵合金から水素を放出することで燃料電池に水素を供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１１５７３１号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９４５６号公報
【特許文献３】特開２００７−２６６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素吸蔵合金は、水素吸蔵時に発熱し、水素放出時に吸熱する。そのため、容器から燃料電池に安定的に水素を供給するためには、水素放出に必要な熱を水素吸蔵合金に効率よく供給できることが望ましい。一方、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで対向するアノード触媒層およびカソード触媒層を備え、アノード側に水素を、カソード側に空気をそれぞれ流通させて電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発する。この電気化学反応は発熱反応である。したがって、燃料電池における電気化学反応で発生した熱を水素吸蔵合金の水素放出に必要な熱として利用できれば、水素吸蔵合金への熱供給効率が向上し、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【０００６】
また一方で、燃料電池システムには、安定した電力供給が可能となるまでの時間、すなわち起動時間を短縮したいという要求がある。ここで、燃料電池の上述した電気化学反応には至適温度範囲がある。そのため、例えば燃料電池システムの環境温度が低温である場合など、燃料電池の温度が至適温度範囲から外れる場合には、燃料電池システムの起動時に燃料電池の発電反応を低負荷状態で実施して、燃料電池の温度を至適温度範囲にまで上昇させる必要がある。したがって、燃料電池システムの起動時間を短くするためには、燃料電池の温度をより早く上述の至適温度範囲まで上昇させることが求められる。
【０００７】
これに対し、従来の燃料電池システムには、燃料電池システムの起動時間を短縮したいという要求と燃料電池への水素供給の安定化との両立を図る上で改善の余地があった。
【０００８】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムの起動時間の短縮化と燃料電池への水素供給の安定化の両立を図ることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、２つの収容部のうち他方の収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な放出調節部と、燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ＞を検知するための第１温度検知部と、他方の収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ＞を検知するための第２温度検知部と、温度Ｔ＜ＦＣ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは開放状態となり、温度Ｔ＜ＦＣ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、温度Ｔ＜ＭＨ＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに抑制状態となり、温度Ｔ＜ＭＨ＞が温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに開放状態となるように、第１温度検知部および第２温度検知部から得た温度に応じて放出調節部を制御するための制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この態様によれば、燃料電池システムの起動時間の短縮化と燃料電池への水素供給の安定化との両立を図ることができる。
【００１１】
上記態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合に、異常対応制御を実施してもよい。
【００１２】
上記いずれかの態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合に、抑制状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００１３】
また、上記態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞を上回る場合に、燃料電池の発電出力を低減させ、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００１４】
また、上記いずれかの態様において、制御部は、温度Ｔ＜ＦＣ＞および温度Ｔ＜ＭＨ＞にかかわらず、燃料収容部の水素収容量が所定量未満である場合に、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００１５】
また、上記態様において、燃料収容部は、第１〜第３収容部を少なくとも有し、第１〜第３収容部は、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置され、一方が第１収容部と、他方が第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池を備え、第２温度検知部は、第３収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞を検知し、放出調節部は、第３収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能であり、制御部は、一対の燃料電池のうち温度が高い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは開放状態となり、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに抑制状態となり、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００１６】
また、上記態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満で、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差が所定のしきい値Ｔ１を上回る場合、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００１７】
また、上記いずれかの態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ（ＦＣ−Ｌ）が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満で、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差が所定のしきい値Ｔ１を上回る場合、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００１８】
また、上記いずれかの態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合に、異常対応制御を実施してもよい。
【００１９】
また、上記いずれかの態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合に、抑制状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００２０】
また、上記態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ−Ｈ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下で、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差が所定のしきい値Ｔ２を上回る場合、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００２１】
また、上記いずれかの態様において、制御部は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ−Ｈ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合、燃料電池の発電出力を低減させ、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００２２】
また、上記いずれかの態様において、制御部は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞、温度が低い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞および温度Ｔ＜ＭＨ３＞にかかわらず、燃料収容部の水素収容量が所定量未満である場合に、開放状態となるように放出調節部を制御してもよい。
【００２３】
本発明の他の態様は、燃料電池システムの制御方法である。当該燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは他方の収容部から水素を放出し、温度Ｔ＜ＦＣ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、他方の収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに他方の収容部からの水素放出を抑制し、温度Ｔ＜ＭＨ＞が温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに他方の収容部から水素を放出することを特徴とする。
【００２４】
本発明のさらに他の態様もまた、燃料電池システムの制御方法である。当該燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための第１〜第３収容部を少なくとも有し、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置された燃料収容部と、一方が第１収容部と、他方が第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、一対の燃料電池のうち温度が高い方の燃料電池の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が所定の温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは第３収容部から水素を放出し、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、第３収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が所定の温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに第３収容部からの水素放出を抑制し、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに第３収容部から水素を放出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時間の短縮化と燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの外観を示す概略斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、制御部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図である。図２（Ｂ）は、水素充填口カバーを取り外した状態の燃料電池システムにおける水素充填口近傍の概略斜視図である。
【図３】制御部および配管部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図６】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。
【図７】実施形態１に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。
【図８】実施形態２に係る燃料電池システムの概略構造を示す水平断面図である。
【図９】実施形態２に係る燃料電池システムの概略構造を示す鉛直断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。
【図１１】実施形態２に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。
【図１２】制御部および配管部カバーを取り外した状態の変形例１に係る燃料電池システムの概略斜視図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、変形例１に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。
【図１４】変形例２に係る燃料電池システムの構成を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２８】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る燃料電池システムの外観を示す概略斜視図である。図２（Ａ）は、制御部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図である。図２（Ｂ）は、水素充填口カバーを取り外した状態の燃料電池システムにおける水素充填口近傍の概略斜視図である。なお、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に図示された矢印ａで示す方向から燃料電池システムを見た図である。図３は、制御部および配管部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図である。
【００２９】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料収容ユニット１００（燃料収容部）と、レギュレータ部２００と、一対の燃料電池３００と、操作表示部４００と、配管部５００と、制御部６００と、を主な構成として備える。燃料収容ユニット１００は、扁平な直方体形状であり、略板状の一対の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００を挟むようにして配置されている。一対の燃料電池３００は、一方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の対向する２つの主表面の一方と接し、他方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の他方の主表面と接するように配置されている。
【００３０】
燃料収容ユニット１００の上面には、一端に操作表示部４００が設けられている。また、操作表示部４００に隣接して、後述する第１〜第３収容部の水素充填口１１２，１２２，１３２が設けられている。水素充填口１１２，１２２，１３２は、着脱可能な水素充填口カバー３で覆うことができる。また、燃料収容ユニット１００の上面の他端には、レギュレータ部２００が設けられている。
【００３１】
さらに、燃料収容ユニット１００の上面には、第１〜第３収容部の水素放出口（図示せず）とレギュレータ部２００とをつなぐ配管部５００が設けられている。配管部５００は、着脱可能な配管部カバー４で覆うことができる。配管部５００を覆った状態の配管部カバー４の上面には制御部６００が配置されている。制御部６００は、着脱可能な制御部カバー２で覆うことができる。制御部カバー２は、制御部６００と、配管部５００を覆う配管部カバー４とを覆うように構成されている。
【００３２】
続いて、各部の構成を詳細に説明する。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。なお、図４および図５では、燃料電池システム１の外部筐体の図示を省略している。
【００３３】
図４および図５に示すように、燃料収容ユニット１００は、一対の燃料電池３００に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための第１収容部１１０、第２収容部１２０、および第３収容部１３０を有する。第１収容部１１０および第２収容部１２０は、燃料収容ユニット１００の最外側に配置されている。第３収容部１３０は、第１収容部１１０と第２収容部１２０の間で第１収容部１１０および第２収容部１２０と熱的に接するように配置されている。
【００３４】
本実施形態では、燃料収容ユニット１００は、容器部１０１と蓋部１０２を有する。容器部１０１は、配管部５００等が載置された燃料収容ユニット１００の上面から当該上面に対向する底面にかけて延在する、燃料収容ユニット１００の主表面に略平行な仕切り壁１０３および仕切り壁１０４によって内部が３つの部屋に区画されている。そして、外側の２部屋が第１収容部１１０、第２収容部１２０を構成し、中央の部屋が第３収容部１３０を構成している。各収容部は、仕切り壁１０３，１０４によって互いに気密に保持されている。また、第３収容部１３０は、第１収容部１１０および第２収容部１２０よりも容積が大きい。
【００３５】
仕切り壁１０３，１０４には、第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞を検知するための温度センサ６１０ａ，６１０ｂ（第２温度検知部）が設けられている。温度センサ６１０ａ，６１０ｂとしては、例えば熱電対を用いることができる。本実施形態では、温度センサ６１０ａにより仕切り壁１０３の壁面温度を、温度センサ６１０ｂにより仕切り壁１０４の壁面温度をそれぞれ検知するように設けられている。温度センサ６１０ａ，６１０ｂの検出値は制御部６００に送信され、制御部６００は仕切り壁１０３，１０４の壁面温度から温度Ｔ＜ＭＨ３＞を推定することができる。なお、第３収容部１３０内の温度を検知するための構成は特にこれに限定されず、第３収容部１３０内の水素吸蔵合金の温度を直接測る構成であってもよい。また、温度センサの個数は特に限定されず、要求される温度検知精度と温度センサの性能等に応じて適宜変更可能である。
【００３６】
蓋部１０２は、容器部１０１の開口を覆うようにして設けられ、燃料収容ユニット１００の上面を構成している。レギュレータ部２００、操作表示部４００、および配管部５００は、蓋部１０２上に載置されている。蓋部１０２には、各収容部に対応する位置に水素充填口１１２，１２２，１３２（図２（Ｂ）参照）と水素放出口（図示せず）が設けられている。
【００３７】
第１収容部１１０には、燃料収容ユニット１００の上面から底面にかけて延在する、燃料収容ユニット１００の主表面に略垂直な仕切り壁１１４が複数設けられている。第１収容部１１０は、複数の仕切り壁１１４によって内部が複数の小室１１６に区画されている。各小室１１６には、水素吸蔵合金（図示せず）が収容される。仕切り壁１１４には、所定位置に貫通孔（図示せず）が設けられている。そのため、各小室１１６は、この貫通孔を介して互いに連通している。同様に、第２収容部１２０および第３収容部１３０も、複数の仕切り壁１２４，１３４によって内部が複数の小室１２６，１３６に区画されており、各小室１２６，１３６に水素吸蔵合金が収容される。仕切り壁１２４，１２６には貫通孔（図示せず）が設けられており、これにより各小室１２６，１３６は互いに連通している。
【００３８】
蓋部１０２に設けられた水素充填口１１２，１２２，１３２（図２（Ｂ）参照）は、それぞれ一端が第１収容部１１０、第２収容部１２０、第３収容部１３０と連通している。水素充填機（図示せず）の充填ホースを水素充填口１１２，１２２，１３２に接続することで、各収容部内に水素を注入することができる。第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０内に注入された水素は、仕切り壁１１４，１２４，１３４の貫通孔を通って各小室１１６，１２６，１３６に到達し、各小室１１６，１２６，１３６に収容された水素吸蔵合金によって吸蔵される。
【００３９】
また、蓋部１０２に設けられた各収容部の水素放出口（図示せず）は、それぞれ他端が配管部５００と連通している。各小室１１６，１２６，１３６に収容された水素吸蔵合金から放出された水素は、各収容部において仕切り壁１１４，１２４，１３４の貫通孔を通って小室間を移動して水素放出口に到達し、水素放出口を通って各収容部から配管部５００に送り出される。
【００４０】
水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、たとえば、希土類系のＭｍＮｉ4.32Ｍｎ0.18Ａｌ0.1Ｆｅ0.1Ｃｏ0.3（Ｍｍはミッシュメタル）である。なお、水素吸蔵合金は、希土類系の合金に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系合金、Ｔｉ−Ｆｅ系合金、Ｔｉ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ｚｒ−Ｍｎ系合金等であってもよい。具体的には、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ５合金、Ｍｇ２Ｎｉ合金、Ｔｉ１＋ｘＣｒ２−ｙＭｎｙ（ｘ＝０．１〜０．３、ｙ＝０〜１．０）合金などを挙げることができる。水素吸蔵合金は、上述した水素吸蔵合金の粉末にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）デイスパージョンなどの結着剤を混合し、プレス機で圧縮成形した圧縮成形体（ペレット）とすることができる。必要に応じて、圧縮成形後に焼結処理がなされていてもよい。
【００４１】
燃料収容ユニット１００から送り出された水素は、配管部５００を通ってレギュレータ部２００に送られる。図３に示すように、配管部５００は、互いに略平行に延びる配管５１２，５２２，５３２と、集合管５４０とを有する。配管５１２は、第１収容部１１０から送り出された水素の流路を構成し、配管５２２は、第２収容部１２０から送り出された水素の流路を構成し、配管５３２は、第３収容部１３０から送り出された水素の流路を構成している。
【００４２】
配管５１２，５２２の途中には継手５１４，５２４がそれぞれ設けられている。配管５１２，５２２は、そのレギュレータ部２００に近い側が継手５１４，５２４を介して配管５３２に向けて延びている。配管５３２のレギュレータ部２００に近い側の端部には、継手５３４が設けられている。継手５３４には、配管５１２，５２２、および集合管５４０の一端が連結されている。集合管５４０の他端はレギュレータ部２００に連結されている。したがって、第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０から送り出された水素は、それぞれ配管５１２，５２２，５３２内を流れ、継手５３４において合流して集合管５４０を通ってレギュレータ部２００に送られる。
【００４３】
配管５１２の途中には逆止弁５１６が、配管５２２の途中には逆止弁５２６が、配管５３２の途中には逆止弁５３６がそれぞれ設けられている。逆止弁５１６，５２６，５３６によって、燃料電池３００側から燃料収容ユニット１００への水素の逆流が防止される。また、配管５３２の途中には、逆止弁５３６よりも第３収容部１３０に近い側に放出調節弁５３８（放出調節部）が設けられている。
【００４４】
放出調節弁５３８は、第３収容部１３０からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な部材である。放出調節弁５３８としては、例えば絞り弁や開閉弁を用いることができる。放出調節弁５３８が絞り弁である場合、絞り弁を絞った状態を抑制状態とし、抑制状態よりも絞り量が少ない状態を開放状態とすることができる。また、抑制状態では、水素放出量がゼロであってもよいし、開放状態での放出量よりも少ない量だけ水素が放出されてもよい。放出調節弁５３８が開閉弁である場合、開閉弁が閉じた状態を抑制状態とし、開いた状態を開放状態とする。
【００４５】
レギュレータ部２００は、水素供給路およびレギュレータ（ともに図示せず）を主な構成として備える。水素供給路は、一端が配管部５００の集合管５４０と連通し、他端が一対の燃料電池３００と連通している。水素供給路の途中にレギュレータが設けられている。レギュレータにより、外部ボンベから水素吸蔵合金に水素が補充される際や、水素吸蔵合金から放出された水素が燃料電池３００に供給される際に、燃料電池３００に到達する水素の圧力が低減される。これにより、燃料電池３００のアノード触媒層が保護される。
【００４６】
図４および図５に示すように、一対の燃料電池３００は、一方が第１収容部１１０と、他方が第２収容部１２０とそれぞれ熱的に接するように配置されている。本実施形態では、一方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の第１収容部１１０側の主表面と接し、他方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の第２収容部１２０側の主表面と接している。一対の燃料電池３００は、ともにアノード側の側面が燃料収容ユニット１００と接するように配置されている。なお、燃料電池３００と第１収容部１１０および第２収容部１２０とは、直に接していてもよいし、燃料電池３００の熱を第１収容部１１０および第２収容部１２０に伝達可能な状態で間接的に接していてもよい。
【００４７】
一対の燃料電池３００はともに同一の構造を有し、それぞれ平面配列された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３１０と、インターコネクタ３２０と、集電部３３０と、アノード用ハウジング３４０と、カソード用ハウジング３５０と、を主な構成として備える。
【００４８】
各膜電極接合体３１０は、電解質膜３１２と、電解質膜３１２の一方の表面に設けられたアノード触媒層３１４と、電解質膜３１２の他方の表面に、アノード触媒層３１４と対向するように設けられたカソード触媒層３１６とを有する。各膜電極接合体３１０は、各収容部の延在方向（燃料収容ユニット１００の上部から底部に延びる方向）と同じ方向に延在している。
【００４９】
電解質膜３１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層３１４とカソード触媒層３１６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜３１２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（登録商標）膜（デュポン社製）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜３１２の厚さは、たとえば約１０〜２００μｍである。
【００５０】
各膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４は、電解質膜３１２の一方の表面に互いに間隔をあけて設けられている。また、各膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６は、電解質膜３１２の他方の表面に互いに間隔を空けて設けられている。一対のアノード触媒層３１４とカソード触媒層３１６との間に電解質膜３１２が挟持されて膜電極接合体３１０（単セル）が構成されている。アノード触媒層３１４とカソード触媒層３１６とは、ショートを防ぐために隣接する単セル間で絶縁が維持されていれば、多様な配置構成を採用することができる。
【００５１】
アノード触媒層３１４には燃料ガスとして水素が供給される。カソード触媒層３１６には、酸化剤として空気が供給される。各膜電極接合体３１０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００５２】
アノード触媒層３１４およびカソード触媒層３１６は、イオン交換体ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。アノード触媒層３１４およびカソード触媒層３１６が有するイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜３１２との間の密着性を向上させるために用いることができる。また、イオン交換体は、両者間においてプロトンを伝達する役割を持ってもよい。このイオン交換体は、電解質膜３１２と同様の高分子材料から形成することができる。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。アノード触媒層３１４およびカソード触媒層３１６の厚さは、それぞれ、たとえば約１０〜４０μｍである。
【００５３】
インターコネクタ３２０は、隣接する膜電極接合体３１０の間に設けられ、隣接する膜電極接合体３１０の一方のアノード触媒層３１４から他方のカソード触媒層３１６への電気経路の一部を構成している。インターコネクタ３２０は、導電体３２２と絶縁体３２４とを有する。導電体３２２は、隣接する膜電極接合体３１０の間で電解質膜３１２を貫通するように設けられている。導電体３２２と電解質膜３１２との間には、絶縁体３２４が設けられている。
【００５４】
集電部３３０は、複数のアノード集電体３３２と、複数のカソード集電体３３４とを有する。複数のアノード集電体３３２は、各アノード触媒層３１４の表面に設けられて、各アノード触媒層３１４と電気的に接続されている。複数のカソード集電体３３４は、各カソード触媒層３１６の表面に設けられて、各カソード触媒層３１６と電気的に接続されている。隣接する膜電極接合体３１０のうち、一方の膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４に接続されたアノード集電体３３２の端部は、隣接する膜電極接合体３１０の間に設けられたインターコネクタ３２０まで延び、このインターコネクタ３２０の導電体３２２の一端に電気的に接続されている。また、他方の膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６に接続されたカソード集電体３３４の端部は、同じインターコネクタ３２０まで延び、このインターコネクタ３２０の導電体３２２の他端に電気的に接続されている。
【００５５】
平面配列された複数の膜電極接合体３１０は、アノード集電体３３２およびカソード集電体３３４と、インターコネクタ３２０の導電体３２２とにより直列に接続されている。アノード集電体３３２およびカソード集電体３３４としては、例えば金メッシュやカーボンペーパーやカーボンクロスなどを用いることができる。インターコネクタ３２０の幅は、たとえば、約３０〜３００μｍである。
【００５６】
アノード用ハウジング３４０は、膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４側に設けられた蓋部材である。アノード用ハウジング３４０とアノード触媒層３１４との間に、各膜電極接合体３１０に対応して、複数の末端水素流路３４２が形成されている。各末端水素流路３４２は、膜電極接合体３１０の延在方向と同じ方向に延在している。また、アノード用ハウジング３４０には、水素流路３４４が設けられている。水素流路３４４は、末端水素流路３４２の延在方向と交わる方向に延在し、その一端がレギュレータ部２００の水素供給路と連通している。また、水素流路３４４には、各末端水素流路３４２の端部が連結されている。
【００５７】
燃料収容ユニット１００の第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０から放出された水素は、配管部５００、およびレギュレータ部２００を経て水素流路３４４に至り、水素流路３４４から分岐した各末端水素流路３４２を通って各膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４へ供給される。
【００５８】
カソード用ハウジング３５０は、膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６側に設けられた蓋部材である。カソード用ハウジング３５０には、各膜電極接合体３１０に対応して、外部から酸化剤としての空気を取り込むための複数の空気取入口３５２が設けられている。カソード用ハウジング３５０の外側には、空気取入口３５２を覆うようにしてメッシュ状のカソードフィルタ３５４が設けられている。カソードフィルタ３５４により、外部から空気取入口３５２を介して取り込まれる空気に含まれる塵や埃を除去することができる。外部の空気は、カソードフィルタ３５４を通過して空気取入口３５２から燃料電池３００内部に取り込まれ、各膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６へ供給される。
【００５９】
アノード用ハウジング３４０およびカソード用ハウジング３５０に用いられる材料としては、たとえばフェノール樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、尿素樹脂、フッ素樹脂等の一般的なプラスティック樹脂が挙げられる。
【００６０】
一対の燃料電池３００には、それぞれ燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ＞を検知するための温度センサ６１２（第１温度検知部）が設けられている。温度センサ６１２としては、例えば熱電対を用いることができる。本実施形態では、温度センサ６１２は、温度Ｔ＜ＦＣ＞として膜電極接合体３１０の温度を検知する。温度センサ６１２の検出値は制御部６００に送信される。なお、温度センサの個数および設置位置は特に限定されず、要求される温度検知精度と温度センサの性能等に応じて適宜変更可能である。
【００６１】
操作表示部４００は、燃料収容ユニット１００内の温度、圧力、水素残量、燃料電池３００の温度等の情報を表示することができる。温度センサ６１０ａ，６１０ｂ，６１２や、圧力センサ、水素残量計の各検出値が制御部６００を介して、あるいは直接操作表示部４００に送信され、操作表示部４００において表示される。また、操作表示部４００には各種操作スイッチが設けられている。これらの操作スイッチが操作されると、操作スイッチに応じた制御信号が操作表示部４００から制御部６００に送信される。また、操作表示部４００は、通信コネクタを有し、当該通信コネクタに接続した通信ケーブルを介して操作表示部４００と水素充填機とを接続することができる。そして、操作表示部４００は、燃料収容ユニット１００内部の温度、圧力、水素残量等の情報を水素充填機に送信することができる。
【００６２】
制御部６００は、燃料電池システム１の運転開始／停止、燃料電池３００の発電出力の調節、運転モードの変更等を含む燃料電池システム１の各種の制御を実行する。制御部６００は、燃料収容ユニット１００側および燃料電池３００側から温度や水素残量等に関する状態信号を受信することで燃料収容ユニット１００および燃料電池３００の状態を認識することができる。また、制御部６００は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得た第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞および温度センサ６１２から得た燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ＞に応じて放出調節弁５３８を制御する。
【００６３】
続いて、上述の構成を備えた燃料電池システム１の運転制御の一例を説明する。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。図６（Ａ）は、放出調節弁５３８が抑制状態にあるときの水素の流れを示し、図６（Ｂ）は、放出調節弁５３８が開放状態にあるときの水素の流れを示している。
【００６４】
一般に燃料電池システムでは、燃料電池における電気化学反応で発生した熱が燃料収容ユニットに伝わる。そして、この熱により燃料収容ユニット内が温められて、燃料収容ユニット内の水素吸蔵合金の水素放出が促進される。ここで、燃料電池システム１の運転初期において、全体が冷えた状態にある燃料収容ユニットは、燃料電池に隣接した外側領域から温度が上昇し始める。燃料収容ユニットの中央領域は、外側領域からの伝熱によって外側領域よりも遅れて温度が上昇し始める。
【００６５】
燃料収容ユニットの外側領域は、燃料電池からの伝熱により短時間で温度が上昇し平衡圧を高く保つことができる。これに対し、燃料収容ユニットの中央領域は、外側領域に比べて熱供給量が少ないため温度上昇に時間がかかる。そのため、中央領域の温度が若干上昇して水素吸蔵合金の水素放出が開始されても、吸熱反応である水素放出によって中央領域の温度上昇が妨げられる。したがって、中央領域の平衡圧を十分な高さに保つことが困難となる。その結果、燃料収容ユニットの外側領域の水素放出量は多いが中央領域の水素放出量が少なくなり、燃料収容ユニット全体としての燃料電池への水素供給量を早期に安定化させることが困難であった。特に、燃料収容ユニットの水素収容量を増やすべく燃料収容ユニットを大型化した場合には、燃料電池に安定的に水素を供給できる状態になるまで長時間を要してしまう。
【００６６】
また一方で、燃料電池システムの起動時間を短くするために、燃料電池には、早急に発電反応に適した温度状態に到達することが求められる。
【００６７】
そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料収容ユニット１００を一対の燃料電池３００で挟むとともに、燃料収容ユニット１００内部を外側領域に対応する第１収容部１１０および第２収容部１２０と、中央領域に対応する第３収容部１３０とに区画している。また、第３収容部１３０とレギュレータ部２００とをつなぐ流路に放出調節弁５３８を設けている。
【００６８】
そして、制御部６００は、一対の燃料電池３００のうち温度が高い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が所定の下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは、放出調節弁５３８を開放状態として第３収容部１３０から水素を放出する。また、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が所定の下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに放出調節弁５３８を抑制状態として第３収容部１３０からの水素放出を抑制し、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに放出調節弁５３８を開放状態として第３収容部１３０から水素を放出する。
【００６９】
すなわち、制御部６００は、第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が低いうちは図６（Ａ）に示すように第３収容部１３０からの水素放出を抑制し、温度Ｔ＜ＭＨ３＞の低下を回避する。これにより、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が上昇していく。第３収容部１３０からの水素放出が抑制されている間は、第１収容部１１０および第２収容部１２０から放出された水素が燃料電池３００に供給される。
【００７０】
温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上になると、水素吸蔵合金の水素放出に必要な熱が十分に確保されるため、水素吸蔵合金の水素放出が進んでも平衡圧の低下は起こりにくい。そこで、制御部６００は、図６（Ｂ）に示すように第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除し、第１収容部１１０および第２収容部１２０に加えて第３収容部１３０からも水素を放出して、燃料電池３００に水素を供給する。
【００７１】
これにより、燃料収容ユニット１００内部が十分に温まっていない状態において、第３収容部１３０における平衡圧の低下を防ぐことができるため、燃料電池３００への水素供給の安定化を図ることができる。
【００７２】
また、温度が高い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも低いうちは、早急に一対の燃料電池３００の温度を発電反応の至適温度範囲まで上昇させる必要がある。そこで、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満の場合は第３収容部１３０の温度Ｔ＜ＭＨ３＞にかかわらず、図６（Ｂ）に示すように第１収容部１１０および第２収容部１２０に加えて第３収容部１３０からも水素を供給する。これにより、第１収容部１１０および第２収容部１２０の水素吸蔵合金から放出される水素量が減少するため、燃料電池３００と接する第１収容部１１０および第２収容部１２０の水素吸蔵合金の吸熱量も減少する。その結果、燃料電池３００の温度上昇が加速される。そして、制御部６００は、燃料電池３００の温度が低く出力を大きくすることができないため、低負荷状態で燃料電池３００の発電反応を実施する低温運転制御を行う。
【００７３】
これにより、発電反応の発熱によって燃料電池３００の温度上昇が促進されるため、第３収容部１３０からの水素放出を抑制した場合に比べて、燃料電池３００の温度が発電反応の至適温度になるまでの時間を短縮することができる。その結果、燃料電池システム１の起動時間を短縮することができる。
【００７４】
なお、本実施形態では、第３収容部１３０は、第１収容部１１０および第２収容部１２０よりも容積が大きい。そのため、第３収容部１３０の容積が第１収容部１１０および第２収容部１２０以下の場合と比べて、第１収容部１１０および第２収容部１２０をより短時間で昇温させることができる。したがって、第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素放出量をより短時間のうちに必要量まで増大させることができる。
【００７５】
制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満で、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差ΔＴ＜ＦＣ＞が所定のしきい値Ｔ１を上回る場合、放出調節弁５３８を開放状態として、低温運転制御を実施してもよい。同様に、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満で、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差ΔＴ＜ＦＣ＞が所定のしきい値Ｔ１を上回る場合、放出調節弁５３８を開放状態として、低温運転制御を実施してもよい。これらの場合には、温度が低い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞をより早く昇温させることができるため、燃料電池システム１の性能の向上を図ることができる。
【００７６】
また、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合に、異常対応制御を実施してもよい。第３収容部１３０の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞よりも低い低温状態にあるにもかかわらず、燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る高温状態にある場合には、燃料電池システム１に何らかの異常が発生していると考えられる。そこで、制御部６００は、異常対応制御を実施する。例えば、制御部６００は、異常対応制御として燃料電池３００の発電を停止する。さらに制御部６００は、燃料電池システム１の異常を報知するように、操作表示部４００に対して異常状態を示す信号を送信してもよい。
【００７７】
また、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞よりも高い所定の第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合に、放出調節弁５３８を抑制状態としてもよい。温度が高い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を越えた場合には、いわゆるドライアウトが発生して燃料電池３００の発電性能が低下するおそれがある。そこで、放出調節弁５３８を抑制状態として第３収容部１３０からの水素放出を抑制する。これにより、燃料電池３００近傍の第１収容部１１０および第２収容部１２０での水素放出が促進され、その結果、第１収容部１１０および第２収容部１２０による、燃料電池３００で発生した熱の吸収が促進される。したがって、燃料電池３００の温度上昇を抑えることができる。
【００７８】
また、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ−Ｈ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度が低い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下で、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差ΔＴ＜ＦＣ＞が所定のしきい値Ｔ２を上回る場合、放出調節弁５３８を開放状態としてもよい。温度が低い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下で、一対の燃料電池３００の温度差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ２を上回る程度に大きければ、温度が低い方の燃料電池３００には温度上昇の余地があると推測することができる。そこで、燃料電池３００の発電反応を優先して、第３収容部１３０からの水素供給を継続する。これにより、燃料電池システム１の発電性能の向上を図ることができる。
【００７９】
また、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ−Ｈ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合、燃料電池３００の発電出力を低減させ、放出調節弁５３８を開放状態としてもよい。すなわち、一対の燃料電池３００の両方が第２上限温度を超えているため、ドライアウトによる燃料電池３００の発電性能低下を回避することを優先して、燃料電池３００の発電出力を下げる。これにより、燃料電池３００の発電反応による発熱が抑制される。また、燃料電池３００の発電出力を下げた後、一対の燃料電池３００の温度が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を超えた状態が所定時間継続する。この状態で、放出調節弁５３８を抑制状態のままとすると、第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素放出が続いて、第１収容部１１０および第２収容部１２０の水素残量が大きく減少し、場合によっては残量が０になってしまうおそれがある。そのため、第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素放出量を低減すべく、放出調節弁５３８を開放状態として、第３収容部１３０からも水素を放出させる。
【００８０】
なお、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞および温度Ｔ＜ＭＨ３＞にかかわらず、燃料収容ユニット１００の水素収容量が所定量未満である場合に、放出調節弁５３８を開放状態としてもよい。水素収容量が所定量未満である場合、燃料収容ユニット１００から燃料電池３００への水素供給が不十分となる。そのため、第３収容部１３０からも水素を供給して少しでも燃料電池３００への水素供給量を増大させる。これにより、水素収容量が少ない状態での燃料電池３００の発電反応の安定化を図ることができるため、燃料電池システム１の性能向上を図ることができる。
【００８１】
前記「下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞」、「第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞」、「第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞」、「下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞」、「しきい値Ｔ１」、「しきい値Ｔ２」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
【００８２】
なお、第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞と第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞とは、Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞＜Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞となるように設定することができる。第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞は、第３収容部１３０の温度が下限温度よりも低い状態で燃料電池システム１の異常と判断される燃料電池３００の温度を決めるしきい値である。一方、第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞は、第３収容部１３０の温度が下限温度よりも高い状態で燃料電池３００の異常と判断される燃料電池３００の温度を決めるしきい値である。通常、第３収容部１３０が低温であれば燃料電池３００も低温であり、第３収容部１３０が高温であれば燃料電池３００も高温となる。したがって、それぞれの状態で異常を判断するしきい値は、第３収容部１３０の温度が低い状態の方が、同温度が高い状態よりも低く設定することができる。
【００８３】
図７は、実施形態１に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。図７のフローチャートではステップを意味するＳ（Ｓｔｅｐの頭文字）と数字との組み合わせによって各部の処理手順を表示する。このフローは、燃料電池システム１の電源がオンとなった後、制御部６００が所定のタイミングで繰り返し実行する。
【００８４】
まず、制御部６００は、水素残量（水素収容量）が所定量以上であるか判断する（Ｓ１０１）。水素残量が所定量未満である場合（Ｓ１０１のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ１０２）、本ルーチンを終了する。水素残量が所定量以上である場合（Ｓ１０１のＹ）、制御部６００は、温度が高い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満であるか判断する（Ｓ１０３）。
【００８５】
温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満である場合（Ｓ１０３のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態とし（Ｓ１０４）、低温運転制御を開始して（Ｓ１０５）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上である場合（Ｓ１０３のＮ）、制御部６００は、第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満であるか判断する（Ｓ１０６）。
【００８６】
温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満である場合（Ｓ１０６のＹ）、制御部６００は、温度の高い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞以下であるか判断する（Ｓ１０７）。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞以下である場合（Ｓ１０７のＹ）、制御部６００は、温度が低い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満であり、かつ温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞と温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞との差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ１を上回るか判断する（Ｓ１０８）。
【００８７】
温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満であり、かつ差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ１を上回る場合（Ｓ１０８のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態とし（Ｓ１０４）、低温運転制御を開始して（Ｓ１０５）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上であるか、差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ１以下である場合（Ｓ１０８のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を抑制状態として（Ｓ１０９）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合（Ｓ１０７のＮ）、制御部６００は、異常対応制御を開始して（Ｓ１１０）、本ルーチンを終了する。
【００８８】
温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上である場合（Ｓ１０６のＮ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下であるか判断する（Ｓ１１１）。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下である場合（Ｓ１１１のＹ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満であり、かつ差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ１を上回るか判断する（Ｓ１１２）。
【００８９】
温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満であり、かつ差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ１を上回る場合（Ｓ１１２のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態とし（Ｓ１０４）、低温運転制御を開始して（Ｓ１０５）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上であるか、差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ１以下である場合（Ｓ１１２のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ１１３）、本ルーチンを終了する。
【００９０】
温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合（Ｓ１１１のＮ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下であり、かつ差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ２を上回るか判断する（Ｓ１１４）。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下であり、かつ差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ２を上回る場合（Ｓ１１４のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ１１３）、本ルーチンを終了する。
【００９１】
温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回るか、差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ２以下である場合（Ｓ１１４のＮ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回るか判断する（Ｓ１１５）。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下である場合（Ｓ１１５のＮ）、この場合は差ΔＴ＜ＦＣ＞がしきい値Ｔ２以下であり、制御部６００は、放出調節弁５３８を抑制状態として（Ｓ１１６）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ−Ｌ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合（Ｓ１１５のＹ）、制御部６００は、燃料電池３００の発電出力を低減させ、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ１１７）、本ルーチンを終了する。
【００９２】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、一対の燃料電池３００のうち温度が高い方の燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が所定の下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは第３収容部１３０から水素が放出される。また、温度Ｔ＜ＦＣ−Ｈ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が所定の下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに第３収容部１３０からの水素放出が抑制され、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに第３収容部１３０から水素が放出される。
【００９３】
このように、燃料電池３００がある程度温度の高い状態では、第３収容部１３０内の温度に応じて第３収容部１３０からの水素放出を調節することで、第３収容部１３０における平衡圧を高めて燃料電池３００への水素供給の安定化を図ることができる。また、燃料電池３００の温度が低い状態では、第３収容部１３０からも水素を放出して燃料電池３００の発熱反応を促すことで、燃料電池３００の温度が発電反応の至適温度に到達するまでの時間を短縮することができる。したがって、燃料電池システム１の起動時間の短縮化と燃料電池３００への水素供給の安定化の両立を図ることができる。
【００９４】
（実施形態２）
上述の実施形態１では、燃料収容ユニット１００が一対の燃料電池３００で挟まれた構造を有するが、燃料電池は１つであってもよい。以下、本実施形態について説明する。なお、実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００９５】
図８は、実施形態２に係る燃料電池システムの概略構造を示す水平断面図である。図９は、実施形態２に係る燃料電池システムの概略構造を示す鉛直断面図である。図８は、実施形態１の図４に対応する。図９は、実施形態１の図５に対応し、図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図８および図９では、燃料電池システム１の外部筐体の図示を省略している。
【００９６】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、実施形態１に係る燃料電池システム１から、第２収容部１２０と、燃料収容ユニット１００の第２収容部１２０側の主表面と接する燃料電池３００と、第２収容部１２０から送り出された水素の流路を構成する配管５２２等とが取り除かれた構造を有する。
【００９７】
具体的には、図８および図９に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１の燃料収容ユニット１００は、第１収容部１１０（一方の収容部）および第３収容部１３０（他方の収容部）を有する。第１収容部１１０および第３収容部１３０は、互いに熱的に接するように配置されている。本実施形態では、容器部１０１内が仕切り壁１０３によって２つの部屋に区画されており、一方の部屋が第１収容部１１０を構成し、他方の部屋が第３収容部１３０を構成している。第３収容部１３０は、第１収容部１１０よりも容積が大きい。燃料電池３００は、第１収容部１１０側の主表面と接している。これにより燃料電池３００は、第１収容部１１０と熱的に接するように配置されている。
【００９８】
第３収容部１３０から送り出された水素の流路を構成する配管５３２の途中には、放出調節弁５３８（図３参照）が設けられている。制御部６００（図２（Ａ）参照）は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞（他方の収容部内の温度Ｔ＜ＭＨ＞）および温度センサ６１２から得られた燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ＞に応じて放出調節弁５３８を制御する。
【００９９】
続いて、上述の構成を備えた燃料電池システム１の運転制御の一例を説明する。図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。図１０（Ａ）は、放出調節弁５３８が抑制状態にあるときの水素の流れを示し、図１０（Ｂ）は、放出調節弁５３８が開放状態にあるときの水素の流れを示している。
【０１００】
制御部６００は、燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満のときは、放出調節弁５３８を開放状態として、図１０（Ｂ）に示すように第３収容部１３０から水素を放出する。また、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上のときは、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満のときに放出調節弁５３８を抑制状態として、図１０（Ａ）に示すように第３収容部１３０からの水素放出を抑制し、温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上のときに放出調節弁５３８を開放状態として、図１０（Ｂ）に示すように第３収容部１３０から水素を放出する。これにより、燃料電池３００への水素供給の安定化を図ることができるとともに、燃料電池システム１の起動時間の短縮化を図ることができる。
【０１０１】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１についても、実施形態１と同様に以下の制御が実施されてもよく、これらの制御により実施形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞＜Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合に、異常対応制御を実施してもよい。また、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞かつＴ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合に、放出調節弁５３８を抑制状態としてもよい。
【０１０２】
また、制御部６００は、Ｔ＜ＦＣ＞≧Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞、Ｔ＜ＭＨ３＞≧Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞、かつＴ＜ＦＣ＞＞Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞の条件下で、さらに温度Ｔ＜ＦＣ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞よりも高い所定の最大上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞を上回る場合に、燃料電池３００の発電出力を低減させ、放出調節弁５３８を開放状態としてもよい。すなわち、燃料電池３００が最大上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞を超えているため、ドライアウトによる燃料電池３００の発電性能低下を回避することを優先して、燃料電池３００の発電出力を下げ、第３収容部１３０から水素を放出させる。これにより、燃料電池３００の発電反応による発熱が抑制されて燃料電池３００が冷却される。また、第１収容部１１０および第２収容部１２０内の水素残量の減少を抑制できる。前記「最大上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
【０１０３】
また、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ＞および温度Ｔ＜ＭＨ３＞にかかわらず、燃料収容ユニット１００の水素収容量が所定量未満である場合に、放出調節弁５３８を開放状態としてもよい。
【０１０４】
図１１は、実施形態２に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。まず、制御部６００は、水素残量が所定量以上であるか判断する（Ｓ２０１）。水素残量が所定量未満である場合（Ｓ２０１のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ２０２）、本ルーチンを終了する。水素残量が所定量以上である場合（Ｓ２０１のＹ）、制御部６００は、燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満であるか判断する（Ｓ２０３）。
【０１０５】
温度Ｔ＜ＦＣ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞未満である場合（Ｓ２０３のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態とし（Ｓ２０４）、低温運転制御を開始して（Ｓ２０５）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ＞が下限温度Ｔ＜ｆｃ−ｌ＞以上である場合（Ｓ２０３のＮ）、制御部６００は、第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満であるか判断する（Ｓ２０６）。
【０１０６】
温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞未満である場合（Ｓ２０６のＹ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞以下であるか判断する（Ｓ２０７）。温度Ｔ＜ＦＣ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞以下である場合（Ｓ２０７のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を抑制状態として（Ｓ２０８）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ＞が第１上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ１＞を上回る場合（Ｓ２０７のＮ）、制御部６００は、異常対応制御を開始して（Ｓ２０９）、本ルーチンを終了する。
【０１０７】
温度Ｔ＜ＭＨ３＞が下限温度Ｔ＜ｍｈ−ｌ＞以上である場合（Ｓ２０６のＮ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下であるか判断する（Ｓ２１０）。温度Ｔ＜ＦＣ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞以下である場合（Ｓ２１０のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ２１１）、本ルーチンを終了する。
【０１０８】
温度Ｔ＜ＦＣ＞が第２上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ２＞を上回る場合（Ｓ２１０のＮ）、制御部６００は、温度Ｔ＜ＦＣ＞が最大上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞を上回るか判断する（Ｓ２１２）。温度Ｔ＜ＦＣ＞が最大上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞以下である場合（Ｓ２１２のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を抑制状態として（Ｓ２１３）、本ルーチンを終了する。温度Ｔ＜ＦＣ＞が最大上限温度Ｔ＜ｆｃ−ｈ３＞を上回る場合（Ｓ２１２のＹ）、制御部６００は、燃料電池３００の発電出力を低減させ、放出調節弁５３８を開放状態として（Ｓ２１４）、本ルーチンを終了する。
【０１０９】
以上説明した本実施形態に係る燃料電池システム１によっても、実施形態１と同様に、燃料電池システム１の起動時間の短縮化と燃料電池３００への水素供給の安定化の両立を図ることができる。
【０１１０】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【０１１１】
（変形例１）
変形例１に係る燃料電池システムは、燃料電池３００の発電停止後に第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ水素を供給する構成をさらに備えたものである。図１２は、制御部および配管部カバーを取り外した状態の変形例１に係る燃料電池システムの概略斜視図である。
【０１１２】
本変形例に係る燃料電池システム１において、配管部５００は、バイパス管５１７，５２７と、流路切替弁５１８，５２８とを備える。バイパス管５１７は、配管５１２の逆止弁５１６を迂回する配管である。バイパス管５１７は、その一端が配管５１２の逆止弁５１６よりも集合管５４０に近い側に継手５１４を介して連結され、他端が配管５１２の逆止弁５１６よりも第１収容部１１０に近い側に流路切替弁５１８を介して連結されている。流路切替弁５１８は例えば三方弁からなり、配管５１２とバイパス管５１７の他端とを接続している。流路切替弁５１８は、第１収容部１１０から逆止弁５１６を介してレギュレータ部２００に至る水素の流れと、第３収容部１３０からバイパス管５１７を介して第１収容部１１０に至る水素の流れとを切り替え可能に構成されている。
【０１１３】
同様に、バイパス管５２７は、配管５２２の逆止弁５２６を迂回する配管である。バイパス管５２７は、その一端が配管５２２に継手５２４を介して連結され、他端が配管５２２に流路切替弁５２８を介して連結されている。流路切替弁５２８は、配管５２２とバイパス管５２７の他端とを接続している。流路切替弁５２８は、第２収容部１２０から逆止弁５２６を介してレギュレータ部２００に至る水素の流れと、第３収容部１３０からバイパス管５２７を介して第２収容部１２０に至る水素の流れとを切り替え可能に構成されている。
【０１１４】
燃料電池システム１は、配管５３２と、バイパス管５１７，５２７とが主要部を構成する、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ水素を供給するための分配流路を備える。また、燃料電池システム１は、第３収容部１３０から燃料電池３００へ水素を供給するための本流路と、分配流路とを切り替えるための流路切替部を備える。流路切替部は、レギュレータ部２００と流路切替弁５１８，５２８とで構成されている。
【０１１５】
続いて、上述の構成を備えた燃料電池システム１の運転制御の一例を説明する。図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、変形例１に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。図１３（Ａ）は、燃料電池３００の発電中、放出調節弁５３８が抑制状態にあるときの水素の流れを示している。図１３（Ｂ）は、燃料電池３００の発電中、放出調節弁５３８が開放状態にあるときの水素の流れを示している。図１３（Ｃ）は、燃料電池３００の発電が停止されたときの水素の流れを示している。
【０１１６】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すように、制御部６００は、燃料電池３００の温度Ｔ＜ＦＣ＞および第３収容部１３０内の温度Ｔ＜ＭＨ３＞に応じて、第３収容部１３０からの水素の放出を切り替える。また、図１３（Ｃ）に示すように、制御部６００は、燃料電池３００の発電停止後に、本流路から分配流路に切り替えるように流路切替部を制御する。このようにして、制御部６００は、燃料電池３００の発電停止後に、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ水素を供給する。具体的には、燃料電池３００の発電停止後、放出調節弁５３８を開放状態にしたまま、レギュレータ部２００の水素供給路を遮断し、流路切替弁５１８，５２８をバイパス管５１７，５２７と配管５１２，５２２とが連通する状態に切り替える。
【０１１７】
燃料電池３００の発電停止後は、燃料電池３００から燃料収容ユニット１００への伝熱量が減少していくため、燃料収容ユニット１００は徐々に冷却される。このとき、外側に位置する第１収容部１１０および第２収容部１２０は、内側に位置する第３収容部１３０よりも先に温度が下がり始める。そのため、第３収容部１３０からの水素放出は、第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素放出よりも長く継続する。そこで、本流路から分配流路に水素流路を切り替えると、分配流路を介して第３収容部１３０内の水素を第１収容部１１０および第２収容部１２０に供給することができる。
【０１１８】
第１収容部１１０および第２収容部１２０は、燃料電池３００の運転開始直後から水素を放出する。そのため、第１収容部１１０および第２収容部１２０の水素は、第３収容部１３０の水素よりも消費されやすい。したがって、分配流路への流路切り替えにより第１収容部１１０および第２収容部１２０に第３収容部１３０内の水素を分配することで、各収容部における水素残量の均一化を図ることができる。その結果、次回の燃料電池システム１の運転開始時における第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素供給不足を回避することができ、水素供給のさらなる安定化を図ることができる。
【０１１９】
制御部６００は、第１収容部１１０〜第３収容部１３０が平衡状態となって内圧が均等化された後に、分配流路から、燃料電池３００への水素流通が遮断された状態の本流路に切り替える。なお、上述した内圧の均等化は、各収容部の内圧を等しくする場合だけでなく、各収容部の内圧の差を所定範囲内とする場合を含めてもよい。内圧の均等化の程度は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
【０１２０】
なお、本変形例１では、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０に水素を供給しているが、第１収容部１１０または第２収容部１２０のみに水素を供給してもよい。また、変形例１の構造は、実施形態２にも適用することができる。すなわち、分配流路を設けて第３収容部１３０から第１収容部１１０に水素を供給することができる。
【０１２１】
（変形例２）
図１４は、変形例２に係る燃料電池システムの構成を説明するための概念図である。なお、図１４では、燃料電池３００と、第１収容部１１０〜第３収容部１３０のみを図示し、他の構成の図示を省略している。図１４に示すように、変形例２に係る燃料電池システム１では、第１収容部１１０および第２収容部１２０が燃料電池３００の中心部と接し、周縁部と接しないように構成されている。
【０１２２】
燃料電池３００の周縁部は、中心部に比べて熱が外部に逃げやすい。そのため、燃料電池３００は、周縁部よりも中心部の温度が上昇しやすい。そこで、第１収容部１１０および第２収容部１２０を燃料電池３００の中心部のみと接触させることで、第１収容部１１０および第２収容部１２０を効率よく加熱することができる。また、燃料収容ユニット１００の、燃料電池３００と接する領域を除く表面を断熱材ＨＩで被覆することで、第１収容部１１０あるいは第２収容部１２０から第３収容部１３０に対して、燃料電池３００の熱をより高効率に伝達させることができる。なお、断熱材ＨＩは設けなくてもよい。また、燃料電池３００の周縁部には、第３収容部１３０を接触させてもよい。本変形例は、実施形態２にも適用することができる。
【０１２３】
（その他の変形例）
上述の実施形態１では、燃料収容ユニット１００内は３つの収容部に区画されているが、４つ以上の収容部に区画されていてもよい。この場合、第１収容部１１０および第２収容部１２０を除いた全ての収容部について、放出調節弁を設けてもよい。また、上述の実施形態２では、燃料収容ユニット１００内は２つの収容部に区画されているが、３つ以上の収容部に区画されていてもよい。この場合、第１収容部１１０を除いた全ての収容部について、放出調節弁を設けてもよい。
【０１２４】
上述の各実施形態では、各収容部と燃料電池３００とをつなぐ配管５１２，５２２，５３２には逆止弁５１６，５２６，５３６が設けられている。しかしながら、各収容部から送り出された水素は燃料電池３００で消費されるため、燃料電池３００側から燃料収容ユニット１００へ水素が逆流する可能性は低い。そのため、逆止弁５１６，５２６，５３６は設けられていなくてもよい。なお、第１収容部１１０あるいは第２収容部１２０の温度が高く、第３収容部１３０の温度が低い場合、第１収容部１１０あるいは第２収容部１２０から送り出された水素は、レギュレータ部２００を介して燃料電池３００に供給されるとともに、第３収容部１３０に流入する可能性がある。そのため、配管５３２にのみ逆止弁５３６を設けてもよい。
【０１２５】
この場合は、燃料電池３００の発電停止後、第３収容部１３０側から第１収容部１１０および／または第２収容部１２０に水素が供給されて、第１収容部１１０〜第３収容部１３０（実施形態２では第１収容部１１０および第３収容部１３０）における水素の平衡圧および吸蔵割合（全吸蔵量に対する吸蔵量）が略等しくなる。
【０１２６】
上述の各実施形態において、第３収容部１３０は、燃料電池３００に熱的に接していてもよい。この場合、燃料電池３００から第３収容部１３０への伝熱量は、燃料電池３００から第１収容部１１０および第２収容部１２０（実施形態２では燃料電池３００から第１収容部１１０）への伝熱量に比べて小さい。あるいは、燃料電池３００から第３収容部１３０への伝熱量は、第１収容部１１０および第２収容部１２０から第３収容部１３０（実施形態２では第１収容部１１０から第３収容部１３０）への伝熱量に比べて小さい。
【符号の説明】
【０１２７】
１  燃料電池システム、  １００  燃料収容ユニット、  １１０  第１収容部、  １２０  第２収容部、  １３０  第３収容部、  ３００  燃料電池、  ５３８  放出調節弁、  ６００  制御部、  ６１０ａ，６１０ｂ  温度センサ、  ６１２  温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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