(57)【要約】【課題】  酸素供給装置の酸素容器内のガス圧が高く、酸素容器へのガス充填コストが嵩むのみならず、作業時の安全性に問題がある。【解決手段】  水素供給源として、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金容器５を用いると共に、酸素供給源として、酸素を吸着する酸素吸着材料２３を収容する酸素貯蔵容器４ｂを用い、かつ、水素吸蔵合金容器５を加熱する水素加熱手段１１ａ及び酸素貯蔵容器４ｂを加熱する酸素加熱手段１１ｂを備えさせ、水素加熱手段１１ａによつて水素吸蔵合金容器５を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵される水素を放出させた後の余剰排熱を酸素加熱手段１１ｂに導いて酸素貯蔵容器４ｂを加熱することにより、酸素吸着材料２３からの酸素の脱離を促すと共に酸素ガスを昇圧させ、これらの水素及び酸素を燃料電池１に供給する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（１）を備え、水素供給源からの水素及び酸素供給源からの酸素を燃料として燃料電池（１）を稼働する燃料電池稼働方法において、
水素供給源として、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金容器（５）を用いると共に、
酸素供給源として、酸素を吸着する酸素吸着材料（２３）を収容する酸素貯蔵容器（４ｂ）を用い、かつ、
水素吸蔵合金容器（５）を加熱する水素加熱手段（１１ａ）及び酸素貯蔵容器（４ｂ）を加熱する酸素加熱手段（１１ｂ）を備えさせ、
水素加熱手段（１１ａ）によつて水素吸蔵合金容器（５）を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵される水素を放出させた後の余剰排熱を酸素加熱手段（１１ｂ）に導いて酸素貯蔵容器（４ｂ）を加熱することにより、酸素吸着材料（２３）からの酸素の脱離を促すと共に酸素ガスを昇圧させ、これらの水素及び酸素を燃料電池（１）に供給することを特徴とする燃料電池稼働方法。
【請求項２】
前記水素加熱手段（１１ａ）及び酸素加熱手段（１１ｂ）に供給される熱媒体が、前記燃料電池（１）から発生する排熱によつて昇温されていることを特徴とする請求項１の燃料電池稼働方法。
【請求項３】
前記水素吸蔵合金容器（５）及び酸素貯蔵容器（４ｂ）の内の一方のみの加熱が可能になるように、水素加熱手段（１１ａ）又は酸素加熱手段（１１ｂ）に切換え可能なバイパス通路（３５，４０、４０，３６）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２の燃料電池稼働方法。
【請求項４】
前記酸素吸着材料（２３）が、炭素系材料であることを特徴とする請求項１，２又は３の燃料電池稼働方法。
【請求項５】
燃料電池（１）を備え、水素供給源からの水素及び酸素供給源からの酸素を燃料として燃料電池（１）を稼働する燃料電池稼働装置において、
水素供給源として、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金容器（５）を用いると共に、
酸素供給源として、酸素を吸着する酸素吸着材料（２３）を収容する酸素貯蔵容器（４ｂ）を用い、かつ、
水素吸蔵合金容器（５）を加熱する水素加熱手段（１１ａ）及び酸素貯蔵容器（４ｂ）を加熱する酸素加熱手段（１１ｂ）を備えさせ、
水素加熱手段（１１ａ）によつて水素吸蔵合金容器（５）を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵される水素を放出させた後の余剰排熱を酸素加熱手段（１１ｂ）に導いて酸素貯蔵容器（４ｂ）を加熱することにより、酸素吸着材料（２３）からの酸素の脱離を促すと共に酸素ガスを昇圧させ、これらの水素及び酸素を燃料電池（１）に供給することを特徴とする燃料電池稼働装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池稼働方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池稼働装置として、特許文献１に記載されるものが知られている。
【０００３】
これは、燃料電池から発生する熱エネルギーを冷却媒体を循環させて吸収する冷却システムを備える燃料電池稼働装置において、冷却システムを閉じた回路にて構成し、冷却システムに設ける熱交換器によつて燃料電池から発生する熱エネルギーを回収すると共に、冷却媒体の温度又は圧力に応じて熱交換器の熱交換量を調節する制御手段を設けるものである。
【０００４】
また、燃料電池で消費する水素を水素吸蔵合金容器内の水素吸蔵合金に吸蔵させておくものも知られている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
これは、燃料電池を冷却することにより加熱された冷却水を熱交換器に導入し、空気と熱交換する。熱交換して降温した冷却水は、燃料電池の冷却水回路に戻し、熱交換して昇温した空気は、水素吸蔵合金容器を加熱する。
【０００６】
更に、燃料電池で消費する酸素を酸素容器に高圧で貯蔵する圧縮型貯蔵法も知られている。これは、酸素の希薄又は存在しない環境で使用される燃料電池で採用される。例えば、水中、排ガスが充満したトンネル内などである。
【０００７】
これらを単純に組み合わせて構成される燃料電池を図３に示す。燃料電池１には、第１圧力制御弁２及び第１開閉弁６を順次に介して酸素供給装置４ａが接続され、また、第２圧力制御弁３及び第２開閉弁７を順次に介して水素吸蔵合金容器５が接続されている。酸素供給装置４ａは、圧縮型であり酸素容器内に酸素ガスを高圧で貯蔵している。
【０００８】
また、水素吸蔵合金容器５には、水素加熱手段１１ａが設けられる。この水素加熱手段１１ａには、燃料電池１を冷却後の排熱が、温度調整弁１３及び熱交換器８を備える閉じた回路１２によつて接続され、熱交換器８で熱交換する熱媒体が水素加熱手段１１ａに導かれ、水素吸蔵合金容器５ひいては内蔵する水素吸蔵合金を加熱する。各弁２，３，６，７，１３は、制御部１０によりその開閉動作が制御される。
【０００９】
この燃料電池稼働装置において、各弁２，３，６，７，１３を開くことにより、熱交換器８で熱交換する熱媒体によつて水素吸蔵合金容器５が加熱されて圧力が上昇し、燃料電池１内に水素が供給されると共に酸素供給装置４ａからの酸素が供給され、燃料電池１の運転が行われる。
【特許文献１】特開平５−２９０１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２５２００８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
酸素供給装置４ａの酸素容器内のガス圧が高く、酸素容器へのガス充填コストが嵩むのみならず、作業時、及び保管時の安全性に問題がある。特に、燃料電池１の運転時間を長期化する場合、酸素貯蔵量の増大化が必要となる。すなわち、ガス圧のより高圧化及び／又は貯蔵容器の大形化が必要になり、コンパクトな酸素容器の開発・製造コスト及び安全確保の問題が顕著になる。
【００１１】
また、酸素供給装置４ａの酸素容器内のガス圧は、燃料電池１への供給に必要な所定ガス圧よりも高くなければならず、酸素ガスの消費に伴つて圧力が所定値よりも低下すると燃料電池１への酸素供給が不可能になり、未利用の酸素が酸素容器内に多量に残留してしまう。従つて、所定ガス圧よりも高い分の酸素ガスだけが燃料として利用可能であり、未利用の酸素が多量に生ずる。
【００１２】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、酸素供給装置を酸素貯蔵容器に酸素吸着能に優れる材料を充填するものに置換し、この吸着材料に酸素ガスを吸着させることにより、圧縮型貯蔵法に比して酸素貯蔵容器の低圧化と高容量化を実現するものである。そして、酸素貯蔵容器を必要に応じて加熱することにより、従来に比して長期にわたり安定かつ無駄のない酸素ガスの供給を可能とし、その結果として、燃料電池の長時間の運転を可能とする、水素吸蔵合金と酸素吸着材料を用いた燃料電池稼働方法及びその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の構成は、次の通りである。
請求項１の発明は、燃料電池１を備え、水素供給源からの水素及び酸素供給源からの酸素を燃料として燃料電池１を稼働する燃料電池稼働方法において、水素供給源として、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金容器５を用いると共に、酸素供給源として、酸素を吸着する酸素吸着材料２３を収容する酸素貯蔵容器４ｂを用い、かつ、水素吸蔵合金容器５を加熱する水素加熱手段１１ａ及び酸素貯蔵容器４ｂを加熱する酸素加熱手段１１ｂを備えさせ、水素加熱手段１１ａによつて水素吸蔵合金容器５を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵される水素を放出させた後の余剰排熱を酸素加熱手段１１ｂに導いて酸素貯蔵容器４ｂを加熱することにより、酸素吸着材料２３からの酸素の脱離を促すと共に酸素ガスを昇圧させ、これらの水素及び酸素を燃料電池１に供給することを特徴とする燃料電池稼働方法である。
請求項２の発明は、前記水素加熱手段１１ａ及び酸素加熱手段１１ｂに供給される熱媒体が、前記燃料電池１から発生する排熱によつて昇温されていることを特徴とする請求項１の燃料電池稼働方法である。
請求項３の発明は、前記水素吸蔵合金容器５及び酸素貯蔵容器４ｂの内の一方のみの加熱が可能になるように、水素加熱手段１１ａ又は酸素加熱手段１１ｂに切換え可能なバイパス通路３５，４０、４０，３６が設けられていることを特徴とする請求項１又は２の燃料電池稼働方法である。
請求項４の発明は、前記酸素吸着材料２３が、炭素系材料であることを特徴とする請求項１，２又は３の燃料電池稼働方法である。
請求項５の発明は、燃料電池１を備え、水素供給源からの水素及び酸素供給源からの酸素を燃料として燃料電池１を稼働する燃料電池稼働装置において、水素供給源として、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金容器５を用いると共に、酸素供給源として、酸素を吸着する酸素吸着材料２３を収容する酸素貯蔵容器４ｂを用い、かつ、水素吸蔵合金容器５を加熱する水素加熱手段１１ａ及び酸素貯蔵容器４ｂを加熱する酸素加熱手段１１ｂを備えさせ、水素加熱手段１１ａによつて水素吸蔵合金容器５を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵される水素を放出させた後の余剰排熱を酸素加熱手段１１ｂに導いて酸素貯蔵容器４ｂを加熱することにより、酸素吸着材料２３からの酸素の脱離を促すと共に酸素ガスを昇圧させ、これらの水素及び酸素を燃料電池１に供給することを特徴とする燃料電池稼働装置である。
【発明の効果】
【００１４】
独立請求項１及び５によれば、酸素貯蔵容器４ｂに収容する酸素吸着材料に酸素を貯蔵するので、酸素貯蔵容器の限界圧力における貯蔵ガス量を著しく増大させることができ、酸素貯蔵容器の開発・製造及び酸素貯蔵容器へのガス充填のコストを低減させることができるのみならず、作業時の安全性が著しく向上するという著効を奏することができる。加えて、酸素を圧縮させて高圧で貯蔵する場合と比較して、酸素の貯蔵量に対する未利用の酸素量を著しく少なくすることができる。
【００１５】
請求項２によれば、燃料電池１から発生する排熱を有効活用し、燃料電池の稼働コストを低減させることができる。
【００１６】
請求項３によれば、燃料電池への水素と酸素の供給を適正かつ無駄なく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１，図２は、本発明に係る燃料電池稼働装置の１実施の形態を示す。図１中において符号１は燃料電池１であり、燃料電池１には、第１圧力調整弁２及び第１供給開閉弁６を順次に介して酸素供給源としての吸着式の酸素貯蔵容器４ｂが接続され、また、第２圧力調整弁３及び第２供給開閉弁７を順次に介して水素供給源としての水素吸蔵合金容器５が接続されている。
【００１８】
酸素貯蔵容器４ｂは、図３に示すように高圧容器内に酸素吸着能の高い吸着材料２３（炭素系酸素吸着材料）を充填して構成されている。この吸着材料は、構成資源が豊富で軽量な炭素系材料が望ましく、例えば活性炭、活性炭素繊維、ナノカーボン材料などが適しているが、勿論、他の吸着材料の使用も可能である。吸着材料２３の形態は、粉末状、繊維状、粒状、又はペレット状に成形されていてもよいが、単位体積当たりの吸着量が可及的に大きいものが好ましい。高圧容器の形状に関しても円筒状、球状、パイプ状など、特に問わない。このような吸着式の酸素貯蔵容器４ｂの使用により、従来例に比して、同じ限界圧力における貯蔵ガス量を著しく増大させることができ、低圧であつても同量ないしそれ以上のガス量の貯蔵が可能になる。
【００１９】
また、水素吸蔵合金容器５には、チューブ状の水素加熱手段１１ａが設けられ、酸素貯蔵容器４ｂには、チューブ状の酸素加熱手段１１ｂが設けられる。この水素加熱手段１１ａの入口には、燃料電池１の冷却水排出口が接続され、接続点２０までの回路３２及び流量制御弁１４を備える回路３７を介して燃料電池１からの熱媒体が水素加熱手段１１ａに導かれ、水素吸蔵合金容器５ひいては内蔵される水素吸蔵合金を加熱する。水素加熱手段１１ａの出口には、接続点２１までの回路３３及び流量制御弁１６を備える回路３８によつて酸素加熱手段１１ｂの入口が接続され、酸素加熱手段１１ｂの出口は、流量制御弁１８を備える接続点２２までの回路３９及び回路３４によつて燃料電池１の冷却水流入口に接続されている。酸素貯蔵容器４ｂの吸着材料２３は、吸着時及び脱離時にヒステリシスを有する場合が多く、酸素分子が脱離し難くなり、或いは脱離したガス圧力が上昇しない場合があるが、このような場合に酸素貯蔵容器４ｂを加熱することにより、酸素ガスの脱離を促すと共にガス圧を上昇させることができる。
【００２０】
かくして、各弁１４，１６，１８を開くことにより、燃料電池１を冷却後の排熱が回路３２，３７を介して水素加熱手段１１ａに導かれ、水素吸蔵合金容器５を加熱して水素吸蔵合金から水素を放出させると共に水素ガスを昇圧させた後、その余剰排熱が回路３３，３８を介して酸素加熱手段１１ｂに導かれ、酸素貯蔵容器４ｂを加熱し、酸素吸着材料２３からの酸素の脱離を促すと共に酸素ガスを昇圧させる。これにより、水素及び酸素を所定圧で燃料電池１に供給することができる。酸素加熱手段１１ｂを流出した熱媒体は、回路３９，３４を介して燃料電池１に還流し、循環しながら冷却に資する。水素加熱手段１１ａ及び酸素加熱手段１１ｂに供給される熱媒体は、前記燃料電池１から発生する排熱によつて昇温されているので、燃料電池１は、高温の熱媒体の供給手段を構成している。
【００２１】
また、回路３２，３７の接続点２０は、流量制御弁１５を備える回路３５及び流量制御弁１９を備える回路３６によつて回路３４，３９の接続点２２に接続され、燃料電池１からの熱媒体を水素加熱手段１１ａ及び酸素加熱手段１１ｂに通すことなく還流させて、燃料電池１に再度流入させて、冷却作用を行わせることができるようになつている。
【００２２】
更に、両回路３５，３６同士の接続点２４は、流量制御弁１７を備える回路４０により、回路３３，３８の接続点２１に接続されている。
【００２３】
この回路３５，４０は、水素吸蔵合金容器５を迂回して設けられ、酸素加熱手段１１ｂのみの加熱が可能になるバイパス通路を構成している。すなわち、回路３２，３５，４０，３８，３９，３４に切換え接続することにより、酸素貯蔵容器４ｂのみを加熱することができる。また、回路４０，３６は、酸素貯蔵容器４ｂを迂回して設けられ、水素加熱手段１１ａのみの加熱が可能になるバイパス通路を構成している。すなわち、回路３２，３７，３３，４０，３６，３４に切換え接続することにより、水素吸蔵合金容器５のみを加熱することができる。
【００２４】
実際には、各弁１４〜１９は、制御部１０によりその開閉動作が制御される。但し、弁１４，１５は１つの三方切換え弁にて構成し、弁１６，１７は１つの三方切換え弁にて構成し、弁１８，１９は１つの三方切換え弁にて構成することが可能である。また、第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３及び第１供給開閉弁６、第２供給開閉弁７は、予め記憶させたプログラムを有する制御部１０により、その開閉動作が制御される。
【００２５】
次に、作用について説明する。
この燃料電池稼働装置において、第１，第２供給開閉弁６，７を開いて燃料電池１を稼働させた状態で、各弁１４，１６，１８を開くことにより、燃料電池１で冷却に供して昇温された熱媒体が水素加熱手段１１ａ及び酸素加熱手段１１ｂに順次に供給される。先ず、燃料電池１で熱交換して昇温した熱媒体によつて水素吸蔵合金容器５が加熱されて水素吸蔵合金から水素が放出され、圧力が上昇し、燃料電池１の水素極に水素が供給される。次に、水素加熱手段１１ａを通流した後の熱媒体つまり余剰排熱によつて酸素供給装置４ａが加熱され、酸素供給装置４ａの酸素吸着材料２３から酸素が脱離され、圧力が上昇する。これにより、水素及び酸素を第１圧力調整弁２及び第１開閉弁６によつてそれぞれ圧力制御された燃料として、燃料電池１の運転が行われる。
【００２６】
すなわち、水素吸蔵合金容器５と酸素貯蔵容器４ｂからの燃料ガスの供給を受けて、燃料電池１が発電する際の発生熱は、冷却板を介して熱媒体に吸収され、その排熱が水素加熱手段１１ａ，酸素加熱手段１１ｂ，回路３２，３４等を流通して冷却されることにより除熱され、冷却された熱媒体が冷却板に通流することにより、燃料電池１の運転温度が保持される。燃料電池１に必要とされる水素及び酸素は、発電効率を上げるために比較的高圧で利用される場合があり、このような場合に特に、水素吸蔵合金容器５又は酸素貯蔵容器４ｂを加熱し、水素圧又は酸素圧を上昇させる必要性が生ずる。
【００２７】
水素吸蔵合金が水素を放出する際の吸熱量は、２４〜６５ＫＪ／ｍｏｌ・Ｈ２程度である。一方、酸素吸着能の高い炭素系材料の必要熱量は、６〜２２ＫＪ／ｍｏｌ・Ｏ２程度と水素吸蔵合金よりも小さく、多くの場合に半分以下であり、しかも酸素分子は吸着材料に物理吸着しているので、酸素ガスは水素ガスより容易に発生し易い。
【００２８】
従つて、水素吸蔵合金容器５の下流に酸素貯蔵容器４ｂを設置し、水素吸蔵合金容器５を加熱後の余剰排熱で吸着式の酸素貯蔵容器４ｂを加熱し、酸素吸着材料２３からの酸素の脱離を促すと共に、酸素貯蔵容器４ｂ内で酸素ガスを昇圧させ、酸素ガスを燃料電池１の酸素極へ供給する。容器加熱によつて酸素貯蔵容器４ｂと水素吸蔵合金容器５とから適正圧で放出・脱離された両燃料ガスは、燃料電池１への適切な供給圧になるように、圧力調整弁２，３によつて制御される。なお、流量制御弁１５，１９を適宜に開き、回路３２から供給される燃料電池１を冷却後の熱媒体の一部を回路３５，３６，３４に導き、水素吸蔵合金容器５及び酸素貯蔵容器４ｂの加熱量を調節することもできる。
【００２９】
また、流量制御弁１４を閉じて流量制御弁１５，１７を開き、水素吸蔵合金容器５を迂回して回路３５，４０（，３８，３９，３４）に熱媒体を通すことにより、酸素加熱手段１１ｂのみによる加熱が可能になる。また、流量制御弁１６，１８を閉じて流量制御弁１７，１９を開き、酸素貯蔵容器４ｂを迂回して回路４０，３６（，３４）に熱媒体を通すことにより、水素加熱手段１１ａのみによる加熱が可能になる。
【００３０】
更に、流量制御弁１４の流量を小さく制御し、かつ、流量制御弁１５，１７を開いて回路３５，４０にも熱媒体を通すことにより、水素吸蔵合金容器５に比して酸素加熱手段１１ｂによつて大きな熱量で加熱することが可能になる。また、流量制御弁１６の流量を小さく制御し、かつ、流量制御弁１７，１９を開いて回路４０，３６にも熱媒体を通すことにより、酸素貯蔵容器４ｂに比して水素加熱手段１１ａによつて大きな熱量で加熱することが可能になる。
【００３１】
勿論、流量制御弁１４，１７，１８を閉じて流量制御弁１５，１９を開き、水素吸蔵合金容器５及び酸素貯蔵容器４ｂの両者を迂回して回路３２，３５，３６，３４に熱媒体を通すことにより、水素加熱手段１１ａ及び酸素加熱手段１１ｂによる加熱を遮断して、熱媒体を燃料電池１に還流させることが可能になる。この回路３５，３６は、水素吸蔵合金容器５及び酸素貯蔵容器４ｂの両者を迂回するバイパス通路を構成している。
【００３２】
このような操作は、それぞれのガスの消費量並びに酸素貯蔵容器４ｂ及び水素吸蔵合金容器５内の残量次第でガス圧をそれぞれ個別に調整する必要を生ずることに対応するものである。これにより、酸素貯蔵容器４ｂ及び水素吸蔵合金容器５の内圧の異常上昇を抑制しながら、必要に応じた水素ガス及び酸素ガスを燃料電池１へ供給することができるようになる。流量制御弁１４〜１９の開度の調節つまり流量調節は、酸素貯蔵容器４ｂ及び水素吸蔵合金容器５に設けた圧力計（図示せず）の検出値を参照しながら、正確に行うことができる。
【００３３】
ところで、上記１実施の形態にあつては、燃料電池１の冷却に供した熱媒体を水素加熱手段１１ａ又は酸素加熱手段１１ｂに直接流通させたが、図３に示すように熱交換器８を介して昇温させた熱媒体を水素加熱手段１１ａ又は酸素加熱手段１１ｂに流通させても、同様の作用を得ることができる。燃料電池１の冷却に供した熱媒体以外の高温の熱媒体を水素加熱手段１１ａ又は酸素加熱手段１１ｂに流通させて、同様の作用を得ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の１実施の形態に係る燃料電池稼働装置を示す配置図。
【図２】同じく酸素貯蔵容器を示す一部断面図。
【図３】従来の燃料電池稼働装置を示す配置図。
【符号の説明】
【００３５】
１：燃料電池、２：第１圧力調整弁、３：第２圧力調整弁、６：第１開閉弁、７：第２開閉弁、４ｂ：酸素貯蔵容器、５：水素吸蔵合金容器、１１ａ：水素加熱手段、１１ｂ：酸素加熱手段、２３：酸素吸着材料、３２，３３，３４：回路、３５：回路（バイパス通路）、３６：回路（バイパス通路）、３７，３８，３９：回路、４０：回路（バイパス通路）。
【図１】
2006221993.tif 000003
【図２】
2006221993.tif 000004
【図３】
2006221993.tif 000005