(57)【要約】【課題】水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、大型の冷却装置を用いることなく燃料電池の冷却を可能にすること。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、水素ガスを貯蔵するための水素タンク１６と、水素貯蔵材料が内封された反応器１８と、燃料電池１２の冷却装置２０と、燃料電池１２と水素タンク１６とを接続するための第１水素ガスライン３０と、反応器１８と第１水素ガスライン３０とを接続するための第２水素ガスライン４０と、燃料電池１２と冷却装置２０と反応器１８とを直列に接続するための第１熱交換ライン５０と、反応器１８を流れる冷媒の流量を制御するための第２熱交換ライン６０とを備えている。反応器１８は、第１圧力領域（Ｐ1）又は第２圧力領域（Ｐ2）のいずれか一方にに切り替えて接続される。燃料電池１２を冷却する冷媒の全部又は一部は、反応器１８を流れる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた燃料電池システム。
（１）前記燃料電池システムは、
水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
前記燃料電池に供給するための前記水素ガスを放出し、又は、前記水素タンクから供給される前記水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器と、
前記燃料電池との間で冷媒を循環させることによって、前記燃料電池と熱交換を行うための冷却装置と、
前記燃料電池の燃料流路と前記水素タンクとを接続するための第１水素ガスラインと、
前記反応器の水素流路と前記第１水素ガスラインとを接続するための第２水素ガスラインと、
前記燃料電池の冷媒流路（Ａ）と前記冷却装置の冷媒流路（Ｂ）と前記反応器の冷媒流路（Ｃ）とを直列に接続するための第１熱交換ラインと、
前記反応器の冷媒流路（Ｃ）を流れる前記冷媒の流量を制御するための第２熱交換ラインと
を備えている。
（２）前記第１水素ガスラインは、前記燃料電池から前記水素タンクに向かって前記水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、前記第１水素ガスラインをｎ個（ｎ≧２）の圧力領域（第ｋ圧力領域の圧力：Ｐk＜第（ｋ＋１）圧力領域の圧力：Ｐk+1）に分割するための第ｋ減圧手段（１≦ｋ≦ｎ−１）を備えている。
（３）前記第２水素ガスラインは、前記反応器の前記水素流路を前記第１圧力領域若しくは前記第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第１水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。
（４）前記第１熱交換ラインは、前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）から排出された前記冷媒を、そのまま前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）に戻すためのバイパス熱交換ラインを備えている。
（５）前記第２熱交換ラインは、前記冷媒が前記燃料電池−前記冷却装置間、又は前記燃料電池−前記バイパス熱交換ライン間を循環する時に、前記冷媒の全部又は一部を前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に流すための流量調節手段を備えている。
【請求項２】
前記第１水素ガスラインは、前記第１水素ガスラインを３個の前記圧力領域（Ｐ1＜Ｐ2＜Ｐ3）に分割するための第１減圧手段及び第２減圧手段を備え、
前記第２水素ガスラインは、前記反応器を前記第１圧力領域（圧力：Ｐ1）若しくは前記第２圧力領域（圧力：Ｐ2）のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第１水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２熱交換ラインは、前記反応器の前記冷媒流路（Ｃ）の入口側及び出口側を繋ぐ第２バイパス水管を備え、
前記流量調節手段は、前記第２バイパス水管に設けられている
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記Ｐ1は、０．１ＭＰａ以上０．３ＭＰａ以下である請求項１から３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応器の前記水素流路に接続される前記第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）の圧力Ｐkは、０．３ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下である請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水貯蔵材料は、前記燃料電池の最大排熱温度における平衡水素圧力が前記Ｐ1より大きいものからなる請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素貯蔵材料は、前記燃料電池の最大排熱温度における平衡水素圧力が前記反応器の前記水素流路に接続される前記第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）の圧力Ｐk未満であるものからなる請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記反応器の前記冷媒流路（Ｃ）の内面には、前記冷媒と前記冷媒流路（Ｃ）との間の熱交換を促進するための伝熱フィン（Ａ）が設けられている請求項１から７までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記反応器の前記水素貯蔵材料の充填部には、前記冷媒流路（Ｃ）と前記水素貯蔵材料との間の熱交換を促進するための伝熱フィン（Ｂ）が設けられている請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水素貯蔵材料は、熱伝導助剤を含む請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、水素貯蔵材料が内封された反応器の双方を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料ガスに用いた燃料電池システムにおいて、水素源には、水素ガスタンク、液体水素タンク、水素貯蔵材料を充填したタンクなどが用いられる。これらの内、水素貯蔵材料を充填したタンクは単位体積あたりの水素貯蔵密度が高いので、システムを小型化することができる。そのため、これを用いた燃料電池システムは、特に移動体用のエネルギー源として好適である。
燃料電池には適切な作動温度域があるため、高い発電効率を得るためには、燃料電池の温度を適切な温度範囲に維持する必要がある。また、水素貯蔵材料は、水素ガスの吸蔵時には発熱を伴い、水素ガスの放出時には吸熱を伴うため、適時に水素を吸蔵／放出させるためには、水素貯蔵材料の熱管理が必要となる。
【０００３】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、燃料電池システムの始動時において、
（ａ）駆動モータの車両駆動出力軸を固定した状態で駆動モータに電力を供給し、駆動モータにより消費された電力を熱として放出させ、この熱を用いて燃料電池の冷却水温度を上昇させると同時に、
（ｂ）発電可能な電力より低い電力出力で燃料電池スタックを発電させ、燃料電池スタック自身を発熱させることで、燃料電池スタックを内部から暖機する
燃料電池システムが開示されている。
同文献には、このような方法により、エネルギーロスを大きくすることなく燃料電池スタックの暖機を促進できる点が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、１つのラジエタファンを用いて燃料電池の冷却液と他の放熱手段とを同時に冷却する場合において、燃料電池の冷却液を所定の比率でラジエタ方向とラジエタバイパス方向に分流する冷却系制御装置が開示されている。
同文献には、ラジエタファンを用いて、主として他の放熱手段を冷却する時には、燃料電池の冷却液をラジエタバイパス方向により多く流すことにより、燃料電池の冷却液の温度が過度に低下することを抑制できる点が記載されている。
【０００５】
また、特許文献３には、燃料電池とラジエタとの間で冷却液を循環させ、ラジエタをファンで冷却する場合において、
（ａ）ファンの回転数に制限回転数を設け、
（ｂ）燃料電池の使用環境に応じて制限回転数を変更可能とし、かつ、
（ｃ）燃料電池の使用環境が変化し、制限回転数の変更が必要となった時には、使用環境の変化よりも遅れて制限回転数を変更する
燃料電池の冷却制御装置が開示されている。
同文献には、このような方法により、冷却性能と音振性能の双方の要求を両立することができる点が記載されている。
【０００６】
さらに、非特許文献１には、水素タンクと燃料電池の間に水素吸蔵合金を内封した２つの反応器を設置し、水素吸蔵合金の水素吸蔵／放出に伴う発熱／吸熱を空調に用いるシステムが提案されている。
【０００７】
燃料電池の温度管理は、一般にラジエタを用いて行われている。燃料電池とラジエタとの間で冷却液を循環させる場合において、燃料電池の排熱温度が相対的に低い時には、ラジエタの熱交換部と外界温度との温度差ΔＴが小さくなる。この場合、燃料電池からの排熱処理を効率良く行うためには、大型のラジエタが必要となる。しかし、大型のラジエタを用いると、燃料電池システムの形状自由度が低下する。
【０００８】
一方、非特許文献１には、水素吸蔵合金の水素吸蔵／放出に伴う発熱／吸熱を空調に用いるシステムが開示されている。しかし、例えば、空調が冷却を必要としている時には、空調の熱を用いて水素吸蔵合金から水素を放出させることはできるが、水素吸蔵時の発熱を空調で利用することはできない。一方、空調が加熱を必要としている時には、水素吸蔵時の発熱を空調で利用することはできるが、水素吸蔵合金から水素を放出させる際には、他に熱源が必要となる。そのため、水素吸蔵合金と空調とを単に熱的に接続しただけのシステムでは、熱の有効利用が不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２４７１６４号公報
【特許文献２】特開２００４−２５９４７２号公報
【特許文献３】特開２００６−２２８６２９号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Int. J. Hydrogen Energy 36(2011)3215-3221
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、大型の冷却装置を用いることなく燃料電池の温度を適切な温度に維持することを可能にすることにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、他の熱源や冷却源を用いることなく、水素の吸蔵／放出を可逆的に行うことを可能にすることにある。
【００１２】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池からの排熱を蓄熱し、燃料電池の暖機や空調に用いることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記燃料電池システムは、
水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
前記燃料電池に供給するための前記水素ガスを放出し、又は、前記水素タンクから供給される前記水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器と、
前記燃料電池との間で冷媒を循環させることによって、前記燃料電池と熱交換を行うための冷却装置と、
前記燃料電池の燃料流路と前記水素タンクとを接続するための第１水素ガスラインと、
前記反応器の水素流路と前記第１水素ガスラインとを接続するための第２水素ガスラインと、
前記燃料電池の冷媒流路（Ａ）と前記冷却装置の冷媒流路（Ｂ）と前記反応器の冷媒流路（Ｃ）とを直列に接続するための第１熱交換ラインと、
前記反応器の冷媒流路（Ｃ）を流れる前記冷媒の流量を制御するための第２熱交換ラインと
を備えている。
（２）前記第１水素ガスラインは、前記燃料電池から前記水素タンクに向かって前記水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、前記第１水素ガスラインをｎ個（ｎ≧２）の圧力領域（第ｋ圧力領域の圧力：Ｐk＜第（ｋ＋１）圧力領域の圧力：Ｐk+1）に分割するための第ｋ減圧手段（１≦ｋ≦ｎ−１）を備えている。
（３）前記第２水素ガスラインは、前記反応器の前記水素流路を前記第１圧力領域若しくは前記第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第１水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。
（４）前記第１熱交換ラインは、前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）から排出された前記冷媒を、そのまま前記燃料電池の前記冷媒流路（Ａ）に戻すためのバイパス熱交換ラインを備えている。
（５）前記第２熱交換ラインは、前記冷媒が前記燃料電池−前記冷却装置間、又は前記燃料電池−前記バイパス熱交換ライン間を循環する時に、前記冷媒の全部又は一部を前記反応器の冷媒流路（Ｃ）に流すための流量調節手段を備えている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、水素貯蔵材料を内封した反応器の双方を備えている。そのため、始動時に水素タンクから反応器に水素を供給すると、水素貯蔵材料が水素ガスを吸蔵し、発熱する。この時、熱交換ラインを燃料電池−バイパス熱交換ライン間の循環冷却に切り替えると同時に、冷媒の全部又は一部を反応器に流すと、冷媒が冷却装置に熱を奪われることがなく、かつ、冷媒には水素吸蔵に伴う反応熱が加算される。その結果、外部熱源を用いることなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。燃料電池が所定の温度まで上昇した後、水素ガスラインを水素タンクから燃料電池への供給に切り替え、かつ、熱交換ラインを燃料電池−冷却装置間の循環冷却に切り替える。
【００１５】
一方、燃料電池が定常運転状態に入った後、燃料電池の温度が過度に上昇した時には、熱交換ラインを燃料電池−冷却装置間の循環冷却に維持したまま、冷媒の全部又は一部を反応器に流す。また、これと同時に、水素ガスラインを反応器から燃料電池への供給ラインに切り替える。その結果、水素貯蔵材料が冷媒の熱を吸収し、水素ガスを放出する。また、水素放出反応（吸熱反応）により、冷媒が冷却される。その結果、小型の冷却装置を用いた場合であっても、燃料電池を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】反応器の一例である。
【図３】暖機運転を行う場合の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。
【図４】定常運転時における水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。
【図５】反応器を用いて燃料電池の冷却を行う場合の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１．  燃料電池システム］
図１に、本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。図１において、燃料電池システム１０は、
水素ガスを燃料とする燃料電池１２と、
水素ガスを貯蔵するための水素タンク１６と、
燃料電池１２に供給するための水素ガスを放出し、又は、水素タンク１６から供給される水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器１８と、
燃料電池１２との間で冷媒を循環させることによって、燃料電池１２と熱交換を行うための冷却装置２０と、
燃料電池１２の燃料流路と水素タンク１６とを接続するための第１水素ガスライン３０と、
反応器１８の水素流路と第１水素ガスライン３０とを接続するための第２水素ガスライン４０と、
燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）と冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）と反応器１８の冷媒流路（Ｃ）とを直列に接続するための第１熱交換ライン５０と、
反応器１８の冷媒流路（Ｃ）を流れる冷媒の流量を制御するための第２熱交換ライン６０と
を備えている。
【００１８】
［１．１．  燃料電池］
本発明において、燃料電池１２は水素を燃料とするものであれば良く、燃料電池１２の種類は特に限定されない。特に、固体高分子型燃料電池は、最大排熱温度（Ｔmax）が他の燃料電池に比べて低く、外界温度との温度差ΔＴが相対的に小さい。そのため、効率よく冷却するためには、相対的に大型の冷却装置２０が必要となる。これに対し、固体高分子型燃料電池に対して本発明を適用すると、冷却装置２０を小型化することができる。
【００１９】
燃料電池１２の内部には、燃料を流すための燃料流路、酸化剤ガスを流すための酸化剤流路、及び冷媒を流すための冷媒流路（Ａ）（いずれも、図示せず）が設けられている。燃料電池１２の酸化剤流路には、大気を空気極に供給するためのエアコンプレッサ１４が接続されている。
【００２０】
［１．２．  水素タンク］
水素タンク１６は、水素ガスを貯蔵するためのものである。本発明において、水素タンク１６の構造、容量等は、特に限定されない。水素タンク１６中の水素ガスは、燃料電池１２に供給される場合と、反応器１８に供給される場合とがある。この点は、後述する。
【００２１】
［１．３．  反応器］
反応器１８は、水素貯蔵材料を内封するためのものである。反応器１８は、水素貯蔵材料の収容スペースと、冷媒を流すための冷媒流路（Ｃ）と、水素を流すための水素流路と（いずれも図示せず）を備えている。反応器１８の構造は、水素の吸蔵／放出、及び冷媒との熱交換が可能な限りにおいて、特に限定されない。反応器１８及び水素貯蔵材料の詳細については、後述する。
【００２２】
［１．４．  冷却装置］
冷却装置２０は、燃料電池１２からの排熱を外界に放出するためのものである。本発明において、冷却装置２０は、燃料電池１２の温度に応じて、冷媒の循環経路を切り替え可能な第１熱交換ライン５０及び第２熱交換ライン６０を介して、燃料電池１２及び反応器１８に接続されている。そのため、単に燃料電池１２と冷却装置２０との間で冷媒を循環させる場合に比べて、冷却装置２０を小型化することができる。
冷媒の組成は、特に限定されない。
【００２３】
［１．５．  第１水素ガスライン］
第１水素ガスライン３０は、燃料電池１２の燃料流路と水素タンク１６とを接続するためのものである。第１水素ガスライン３０は、燃料電池１２から水素タンク１６に向かって水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、第１水素ガスライン３０をｎ個（ｎ≧２）の圧力領域（第ｋ圧力領域の圧力：Ｐk＜第（ｋ＋１）圧力領域の圧力：Ｐk+1）に分割するための合計（ｎ−１）個の第ｋ減圧手段（１≦ｋ≦ｎ−１）を備えている。第１水素ガスラインの構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
【００２４】
［１．５．１．  分割数（ｎ）］
第１水素ガスライン３０の分割数（ｎ）は、２以上であれば良い。図１に示す例において、第１水素ガスライン３０は、第１主ガス管３２と、第１減圧手段３４ａと、第２減圧手段３４ｂとを備えている。すなわち、第１水素ガスライン３０は、燃料電池１２から水素タンク１６に向かって、第１圧力領域３２ａ（圧力：Ｐ1）、第２圧力領域３２ｂ（圧力：Ｐ2＞Ｐ1）、及び第３圧力領域３２ｃ（圧力：Ｐ3＞Ｐ2）の合計３個の圧力領域に分割されている。
【００２５】
第１主ガス管３２は、燃料電池１２の燃料流路（図示せず）と水素タンク１６とを連結するためのものである。第１減圧手段３４ａは、圧力をＰ2からＰ1に減圧すると同時に、水素タンク１６から燃料電池１２への水素ガスの供給及び停止を行うためのものである。減圧機能及び開閉機能を備えた減圧手段としては、例えば、インジェクタなどがある。
第２減圧手段３４ｂは、圧力をＰ3からＰ2に減圧するためのものである。第２減圧手段３４ｂは、減圧機能を備えているものであれば良く、開閉機能は必ずしも必要ではない。減圧機能のみを備えた減圧手段としては、例えば、減圧弁などがある。
【００２６】
［１．５．２．  圧力領域の圧力］
第１圧力領域３２ａは、燃料電池１２の燃料流路に直接、接続される。第１圧力領域３２ａの圧力Ｐ1が低すぎると、燃料電池１２に向かって水素を流すことができない。従って、Ｐ1は、０．１ＭＰａ以上が好ましい。Ｐ1は、好ましくは、０．１１ＭＰａ以上、さらに好ましくは、０．１３ＭＰａ以上である。
一方、Ｐ1が高くなりすぎると、燃料電池１２が破損するおそれがある。従って、Ｐ1は、０．３ＭＰａ以下が好ましい。Ｐ1は、好ましくは、０．２８ＭＰａ以下、さらに好ましくは、０．２５ＭＰａ以下である。
【００２７】
第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）のいずれか１つ（図１に示す例では、第２圧力領域３２ｂ）は、後述する第２水素ガスライン４０を介して、反応器１８の水素流路に接続される。反応器１８に接続される第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）の圧力Ｐkが低すぎると、水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることが困難となる。従って、Ｐkは、０．３ＭＰａ以上が好ましい。Ｐkは、好ましくは、０．６ＭＰａ以上、さらに好ましくは、０．９ＭＰａ以上である。
一方、Ｐkが高くなりすぎると、反応器１８が破損するおそれがある。従って、Ｐkは、２．０ＭＰａ以下が好ましい。Ｐkは、好ましくは、１．７ＭＰａ以下、さらに好ましくは、１．５ＭＰａ以下である。
【００２８】
第１水素ガスライン３０が３個以上の圧力領域に分割されている場合において、Ｐ1、及びＰk以外の圧力Ｐj（ｊ≠１、ｋ）は、Ｐj＜Ｐj+1の条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。
【００２９】
［１．６．  第２水素ガスライン］
第２水素ガスライン４０は、反応器１８の水素流路と第１水素ガスライン３０とを接続するためのものである。第２水素ガスライン４０は、水素吸蔵時には水素タンク１６から反応器１８に水素ガスを供給し、水素放出時には反応器１８から燃料電池１２の燃料流路に水素ガスを供給するために用いられる。そのため、第２水素ガスライン４０は、反応器１８の水素流路を第１圧力領域３２ａ若しくは第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）３２ｋのいずれか一方に切り替えて接続し、又は、第１水素ガスライン３０との接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。水素ガス切替手段の構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて，特に限定されない。
【００３０】
図１に示す例において、第２水素ガスライン４０は、第２主ガス管４２と、第１分岐管４４ａと、第２分岐管４４ｂと、第１開閉バルブ４６ａと、第２開閉バルブ４６ｂとを備えている。第２主ガス管４２の一端は、反応器１８の水素流路に接続され、他端は、第１分岐管４４ａの一端及び第２分岐管４４ｂの一端に接続されている。
【００３１】
第１分岐管４４ａの他端は、第１主ガス管３２の第２圧力領域３２ｂに接続されている。また、第１分岐管４４ａには、第１開閉バルブ４６ａが設けられている。
第２分岐管４４ｂの他端は、第１主ガス管３２の第１圧力領域３２ａに接続されている。また、第２分岐管４４ｂには、第２開閉バルブ４６ｂが設けられている。
図１に示す例において、第１分岐管４４ａ、第２分岐管４４ｂ、第１開閉バルブ４６ａ、及び第２開閉バルブ４６ｂが、反応器１８を第１圧力領域３２ａ若しくは第２圧力領域３２ｂのいずれか一方に切り替えて接続し、又は、第１水素ガスライン３０との接続を遮断するための水素ガス切替手段を構成する。
【００３２】
［１．７．  第１熱交換ライン］
第１熱交換ライン５０は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）と冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）と反応器１８の冷媒流路（Ｃ）とを直列に接続し、燃料電池１２と冷却装置２０と反応器１８との間で冷媒を循環させるためものである。さらに、本発明においては、エネルギー効率を高めるために、第１熱交換ライン５０は、バイパス熱交換ラインを備えている。バイパス熱交換ラインは、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）から排出された冷媒を、そのまま燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）に戻すためのものである。すなわち、冷媒は、燃料電池１２（及び、反応器１８）と冷却装置２０の間を循環する場合と、燃料電池１２（及び、反応器１８）とバイパス熱交換ラインとの間を循環する場合とがある。第１熱交換ラインの構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
【００３３】
図１に示す例において、第１熱交換ライン５０は、第１主水管５２ａと、第２主水管５２ｂと、冷媒ポンプ５４と、第１バイパス水管５６と、三方弁５８と、第３開閉バルブ５９とを備えている。第１主水管５２ａの一端は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の出口に接続され、他端は、冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）の入口に接続されている。第２主水管５２ｂの一端は、冷却装置２０の冷媒流路（Ｂ）の出口に接続され、他端は、燃料電池１２の冷媒流路（Ａ）の入口に接続されている。
さらに、第１熱交換ライン５０には、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）が直列に接続されている。「直列に接続されている」とは、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）の一端及び他端が、ともに第１主水管５２ａ又は第２主水管５２ｂのいずれか一方に接続されていることをいう。図１に示す例では、第２主水管５２ｂに反応器１８の冷媒流路（Ｃ）が直列に接続されている。
【００３４】
第１主水管５２ａの中間部分と第２主水管５２ｂの中間部分は、第１バイパス水管５６で連結されている。第１主水管５２ａと第１バイパス水管５６の結合点には、冷媒の流れの方向を冷却装置２０側又は第１バイパス水管５６側のいずれか一方に切り替えるための三方弁５８が設けられている。
さらに、第２主水管５２ｂには、冷媒を一方向に循環させるための冷媒ポンプ５４と、冷媒の全部又は一部を反応器１８に流すための第３開閉バルブ５９（流量調節手段）と、反応器１８とが設けられている。冷媒ポンプ５４は、第１バイパス水管５６と第２主水管５２ｂとの結合点と、燃料電池１２との間（すなわち、第１バイパス水管５６よりも燃料電池１２側にある第２主水管５２ｂ）に設けられている。また、第３開閉バルブ５９は、冷媒ポンプ５４と反応器１８との間に設けられている。
図１に示す例において、第１バイパス水管５６及び三方弁５８がバイパス熱交換ラインを構成する。
【００３５】
［１．８．  第２熱交換ライン］
第２熱交換ライン６０は、冷媒が燃料電池１２−冷却装置２０間、又は燃料電池１２−バイパス熱交換ライン間を循環する時に、冷媒の全部又は一部を反応器１８の冷媒流路（Ｃ）に流すための流量調節手段である。第２熱交換ラインの構成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
【００３６】
図１に示す例において、第２熱交換ライン６０は、第２バイパス水管６２と、第４開閉バルブ６４（流量調節手段）とを備えている。第２バイパス水管６２の一端は、冷媒ポンプ５４と第３開閉バルブ５９との間にある第２主水管５２ｂに接続され、他端は、反応器１８と燃料電池１２との間にある第２主水管５２ｂに接続されている。さらに、第２バイパス水管６２には、第４開閉バルブ６４が設けられている。
【００３７】
図１に示す例において、第３開閉バルブ５９及び第４開閉バルブ６４が流量調節手段を構成する。例えば、第３開閉バルブ５９を開とし、第４開閉バルブ６４を閉とすると、冷媒の全部を反応器１８に流すことができる。あるいは、第３開閉バルブ５９を閉とし、第４開閉バルブ６４を開とすると、冷媒の全部を第２バイパス水管６２に流すことができる。さらに、第３開閉バルブ５９及び第４開閉バルブ６４が流量調節機能を備えている場合において、バルブの開度を調節すると、冷媒を反応器１８と第２バイパス水管６２に分配することができる。
なお、第２熱交換ラインは、第１主水管５２ａ側に設けても良い。
【００３８】
［２．  反応器］
［２．１．  反応器の構造］
図２に、反応器１８の一例を示す。図２において、反応器１８は、筐体１８ａと、筐体１８ａの外周及び内部に設けられた冷媒流路（Ｃ）１８ｂとを備えている。冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、内部が空洞になっており、内部に冷媒を流せるようになっている。筐体１８ａの上面には、冷媒の入口１８ｃと冷媒の出口１８ｄが設けられている。各冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、それぞれ冷媒の入口１８ｃ及び冷媒の出口１８ｄと連結している。そのため、冷媒の入口１８ｃから供給された冷媒は、冷却流路（Ｃ）１８ｂを通って、冷媒の出口１８ｄから排出される。
【００３９】
また、冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、筐体１８ａの外壁及び隔壁を兼ねている。各冷媒流路（Ｃ）１８ｂの間にある空間は、水素ガスを流すための水素流路１８ｅであり、空間内には水素貯蔵材料２２が充填されている。水素貯蔵材料２２の詳細については、後述する。
【００４０】
冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、その内部を流れる冷媒と、水素貯蔵材料２２との間で熱交換を行うためのものである。そのため、冷媒流路（Ｃ）１８ｂは、冷媒−水素貯蔵材料２２との間の熱交換を促進するための伝熱フィンを備えていても良い。
例えば、冷媒流路（Ｃ）１８ｂの内面には、冷媒と冷媒流路（Ｃ）１８ｂとの間の熱交換を促進させるための伝熱フィン（Ａ）（図示せず）が設けられていても良い。
あるいは、冷媒流路（Ｃ）１８ｂの外面（すなわち、水素貯蔵材料２２の充填部）には、冷媒流路（Ｃ）１８ｂと水素貯蔵材料２２との間の熱交換を促進するための伝熱フィン（Ｂ）（図示せず）が設けられていても良い。
【００４１】
［２．２．  水素貯蔵材料の組成］
反応器１８には、水素貯蔵材料２２が内封されている。本発明において、水素貯蔵材料２２の組成は、水素ガスの吸蔵及び放出が可能な限りにおいて、特に限定されない。
後述するように、水素タンク１６から燃料電池１２に水素ガスを供給するための第１水素ガスライン３０は、減圧手段を用いて、圧力の異なる複数個の圧力領域に分割される。一方、燃料電池１２は、その種類に応じて、最大排熱温度（Ｔmax）が異なる。燃料電池１２の排熱のみを用いて水素を放出させるためには、水素貯蔵材料２２は、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔmax）における平衡水素圧力が所定の条件を満たしているのが好ましい。この点については、後述する。
【００４２】
水素貯蔵材料２２は、水素の吸蔵時に発熱し、水素の放出時に吸熱する。そのため、効率よく水素の吸蔵及び放出を行うためには、水素貯蔵材料２２は、熱伝導率が高いものが好ましい。しかし、水素貯蔵材料２２は、一般に、熱伝導率が低いものが多い。このような場合には、水素貯蔵材料２２に熱伝導助剤を添加するのが好ましい。熱伝導助剤としては、例えば、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、グラファイト、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などがある。
【００４３】
［２．３．  水素貯蔵材料の平衡圧力］
燃料電池１２の温度が過度に上昇した時は、第２水素ガスライン４０を介して、反応器１８から燃料電池１２に水素が供給される。燃料電池１２の排熱のみを用いて反応器１８から水素を放出させるためには、水素貯蔵材料は、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔmax）における平衡水素圧力がＰ1より大きいものが好ましい。
【００４４】
一方、燃料電池１２の始動時には、第２水素ガスライン４０を介して、水素タンク１６から反応器１８に水素が供給される。第１水素ガスライン３０と反応器１８の圧力差のみによって、水素貯蔵材料に水素ガスを吸蔵させるためには、水素貯蔵材料は、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔmax）における平衡水素圧力が、反応器１８に接続される第ｋ圧力領域（２≦ｋ≦ｎ）の圧力Ｐk未満であるものが好ましい。
【００４５】
［３．  燃料電池システムの運転方法］
以下に、冷媒の循環経路に対して直列に反応器１８が接続されている燃料電池システム１０の運転方法の具体例について説明する。なお、以下の説明では、反応器１８に内封される水素貯蔵材料には、以下の平衡特性を持つ水素吸蔵合金を用いた。
水素圧力０．１ＭＰａの平衡温度：  １０℃
水素圧力２．０ＭＰａの平衡温度：  ９０℃
【００４６】
水素タンク１６には、最大圧力（Ｐ3）が７０ＭＰａであるものを用いた。また、減圧弁（第２減圧手段３４ｂ）を用いて第２圧力領域３２ｂの圧力（Ｐ2）を２ＭＰａに減圧し、さらにインジェクタ（第１減圧手段３４ａ）を用いて第１圧力領域３２ａの圧力（Ｐ1）を０．１ＭＰａに減圧した。
さらに、燃料電池１２の最大排熱温度（Ｔmax）は、９０℃とした。また、冷却装置２０にはラジエタを用い、外気との熱交換により冷媒を冷却した。
【００４７】
［３．１．  暖機運転］
図３に、暖機運転を行う場合の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。まず、始動時には、第１減圧手段３４ａ、及び第２減圧手段３４ｂをともに開とし、エアコンプレッサ１４を作動させる。これにより、燃料電池１２の燃料極に水素ガスが供給され、空気極に空気が供給され、燃料電池１２による発電が開始される。
これと同時に、第１開閉バルブ４６ａを開とし、第２開閉バルブ４６ｂを閉とすると、反応器１８には、第２圧力領域３２ｂ（水素圧：２ＭＰａ）から水素ガスが供給される。反応器１８内では、水素貯蔵材料が水素を吸蔵し、発熱する（９０℃）。
【００４８】
さらに、三方弁５８を第１バイパス水管５６側に切り替え、第３開閉バルブ５９を開とし、第４開閉バルブ６４を閉とし、冷媒ポンプ５４を作動させる。これにより、冷媒が燃料電池１２−バイパス水管５６間を循環する。燃料電池１２から排出されたすべての冷媒は、反応器１８を流れ、温度が上昇する。温度が上昇した冷媒は、第２主水管５２ｂを経由して燃料電池１２に戻る。その結果、冷却装置２０による損失を生じさせることなく、燃料電池１２（５℃）の暖機を行うことができる。
【００４９】
例えば、燃料電池１２の始動と同時に冷却装置２０による循環冷却を開始すると、冷却装置２０による熱損失が大きい。そのため、始動時において、燃料電池１２の温度が低い場合には、暖機運転に長時間を要する。これに対し、燃料電池１２に加えて反応器１８にも水素を流し、冷媒の循環経路をバイパス熱交換ラインに切り替えると、冷却装置２０による損失を生じさせることなく、反応器１８からの反応熱によって燃料電池１２の温度を速やかに上昇させることができる。
【００５０】
［３．２．  定常運転］
図４に、定常運転時における水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。燃料電池１２の定常運転時には、通常、反応器１８からの発熱／吸熱を必要としない。
そのため、燃料電池１２の温度が十分に上昇した時は、第１開閉バルブ４６ａ、及び第２開閉バルブ４６ｂを共に閉とし、反応器１８への水素ガスの供給を停止させる。また、三方弁５８を冷却装置２０側に切り替え、第３開閉バルブ５９を閉とし、第４開閉バルブ６４を開とする。これにより、冷媒は、燃料電池１２と冷却装置２０との間を循環し、反応器１８は動作を停止する。
【００５１】
［３．３．  燃料電池の冷却］
図５に、反応器を用いて燃料電池の冷却を行う場合の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。燃料電池１２が定常運転状態に移行した後、燃料電池１２の温度が過度に上昇した時は、三方弁５８を冷却装置２０側にしたまま、第３開閉バルブ５９を開とし、第４開閉バルブ６４を閉とする。また、これと同時に、第１減圧手段３４ａ、第２減圧手段３４ｂ、及び第１開閉バルブ４６ａをいずれも閉とし、第２開閉バルブ４６ｂを開とする。
【００５２】
冷媒ポンプ５４を作動させたまま、第３開閉バルブ５９を開とし、第４開閉バルブ６４を閉とすると、冷媒が反応器１８を流れる。一方、反応器１８に冷媒を流すと同時に、第２開閉バルブ４６ｂを開にすると、反応器１８から燃料電池に水素ガス（圧力：０．１ＭＰａ）が放出される。また、水素貯蔵材料の水素放出反応（吸熱反応）により、冷媒の温度が低下する（１０℃）。反応器１８で冷却された冷媒は、そのまま第２主水管５２ｂに流入する。すなわち、燃料電池１２（９０℃）は、冷却装置２０及び反応器１８のそれぞれで冷却された冷媒により冷却される。
なお、図５では、反応器１８のみから燃料電池１２に水素ガスが供給されているが、冷却時に、反応器１８及び水素タンク１８の双方から水素ガスを供給しても良い。
【００５３】
［４．  作用］
本発明に係る燃料電池システム１０は、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンク１６と、水素貯蔵材料を内封した反応器１８の双方を備えている。そのため、始動時に水素タンク１６から反応器１８に水素を供給すると、水素貯蔵材料が水素ガスを吸蔵し、発熱する。この時、熱交換ラインを燃料電池１２−バイパス熱交換ライン間の循環冷却に切り替えると同時に、冷媒の全部又は一部を反応器１８に流すと、冷媒が冷却装置２０に熱を奪われることがなく、かつ、冷媒には水素吸蔵に伴う反応熱が加算される。その結果、外部熱源を用いることなく、燃料電池１２の温度を速やかに上昇させることができる。燃料電池１２が所定の温度まで上昇した後、水素ガスラインを水素タンク１６から燃料電池１２への供給に切り替え、かつ、熱交換ラインを燃料電池１２−冷却装置２０間の循環冷却に切り替える。
【００５４】
一方、燃料電池１２が定常運転状態に入った後、燃料電池１２の温度が過度に上昇した時には、熱交換ラインを燃料電池１２−冷却装置２０間の循環冷却に維持したまま、冷媒の全部又は一部を反応器１８に流す。また、これと同時に、水素ガスラインを反応器１８から燃料電池１２への供給ラインに切り替える。その結果、水素貯蔵材料が冷媒の熱を吸収し、水素ガスを放出する。また、水素放出反応（吸熱反応）により、冷媒が冷却される。その結果、小型の冷却装置２０を用いた場合であっても、燃料電池１２を冷却することができる。また、反応器１８の冷媒流路（Ｃ）は、循環経路に対して直列に接続されているので、反応器１８への冷媒の供給／停止の制御だけでなく、反応器１８への冷媒流量の制御も容易化する。
【００５５】
さらに、本発明に係る燃料電池システム１０は、以下のような効果が得られる。
（１）燃料電池１２の排熱処理を小型の冷却装置２０で実現できるので、システムの形状自由度が向上する。
（２）燃料電池１２の排熱を反応器１８で蓄熱することで、燃料電池１２の暖機・冷却に加え、空調が可能になる。また、これによって、システムのエネルギー効率が向上する。
【００５６】
（３）第１水素ガスライン３０を３個以上の圧力領域に分割した時には、反応器１８を低圧領域及び中圧領域に接続することができる。そのため、反応器１８や水素ガスライン系に過度の耐圧が不要となる。また、これによって、反応器１８や水素ガスライン系の機器を小型・低コスト化できる。
（４）水素タンク１６から燃料電池１２までの差圧を利用して水素の吸蔵・放出を行い、かつ、冷却装置２０と燃料電池１２の熱交換ラインを利用して水素の吸蔵・放出に伴う反応熱の放出・吸収を行っているので、反応器１８を設置することに伴うバルブの追加を最小化することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る燃料電池システムは、定置型の発電システム、移動体のエネルギー源等に使用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池
１６  水素タンク
１８  反応器
２０  冷却装置
３０  第１水素ガスライン
４０  第２水素ガスライン
５０  第１熱交換ライン
６０  第２熱交換ライン
【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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