(57)【要約】【課題】車室内の暖機と燃料電池との暖機を効率良く行う。【解決手段】 水素を貯蔵する水素タンク１１０と、水素タンク１１０に貯蔵された水素を消費して発電する燃料電池スタック１３０と、水素タンク１１０に貯蔵された水素を吸蔵して発熱する水素吸蔵材を備える水素吸蔵材タンク１５０と、 燃料電池スタック１３０と水素吸蔵材タンク１５０とを熱交換可能に接続する熱供給経路を構成する弁Ｖｃ１〜Ｖｃ４及びファンＦ２と、水素タンク１１０に貯蔵した水素を水素吸蔵材に供給して発生させた熱の一部を車室内に供給し、残りを燃料電池スタック１３０へ供給するように前記熱供給経路を制御する制御部１７０とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を貯蔵する水素タンクと、
前記水素タンクに貯蔵された水素を消費して発電する燃料電池スタックと、
前記水素タンクに貯蔵された水素を吸蔵して発熱する水素吸蔵材を備える水素吸蔵材タンクと、
前記燃料電池スタックと前記水素吸蔵材タンクとを熱交換可能に接続する熱媒体流路と、を備える車両の暖機システムであって、
前記熱媒体流路は車室内との熱熱交換機を備え、前記水素タンクに貯蔵した水素を前記水素吸蔵材に供給して発生させた熱の一部を前記熱交換機を介して車室内に供給し、残りを前記燃料電池スタックへ供給するように前記熱媒体流路を制御する制御部と、を備える燃料電池を搭載した車両の暖機システム。
【請求項２】
前記制御部は、さらに前記燃料電池の熱を前記水素吸蔵材に供給して前記水素吸蔵材から水素の放出を行うように前記熱媒体流路を制御する、請求項１記載の燃料電池を搭載した車両の暖機システム。
【請求項３】
前記熱媒体流路は前記燃料電池スタックを冷却するラジエータを備え、前記燃料電池スタックの熱を前記水素吸蔵材へ供給するときは、該ラジエータの出力を低下させる、ことを特徴とする請求項２に記載の車両の暖機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の極低温からの自己発熱若しくは暖機用ヒータによる暖気時間の短縮／消費電力の軽減を目的とする暖機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冬期において乗員が乗車する前に予め車室内を暖房する技術としては、ヒータ等の熱源を搭載することが知られている。燃料電池を動力源とする車両では、燃料となる水素を貯蔵する水素タンクを備えていることから、水素を吸蔵して発熱する水素吸蔵材を利用した熱源を備えたものがある（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５?１８３０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術は水素吸蔵材が水素を吸蔵する際に発する熱を利用して燃料電池スタックを暖機するものである。燃料電池スタックの暖機と同様にして車両室内の暖機のための熱源として水素吸蔵材を利用することが考えられる。燃料電池スタックの暖機に加えて車室内の暖機を実現しようとする場合、両方の暖機を並列に行うには熱源に要求される発熱量が大きくなる。従って、水素吸蔵材を利用した発熱装置の容量、即ち水素吸蔵材タンク及び当該水素吸蔵材タンクへ水素を供給するラインの容量が大きくなる。
そこでこの発明は水素吸蔵材を利用した発熱装置の容量増大を抑制しつつ、車室と燃料電池スタックとをともに暖機できる車両の暖機システム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】
【０００５】
本発明に係る暖機システムは、水素を貯蔵する水素タンクと、前記水素タンクに貯蔵された水素を消費して発電する燃料電池スタックと、前記水素タンクに貯蔵された水素を吸蔵して発熱する水素吸蔵材を備える水素吸蔵材タンクと、 前記燃料電池と前記水素吸蔵材タンクとを熱交換可能に接続する熱媒体流路と、を備える車両の暖機システムであって、
前記熱媒体流路は車室内との熱交換機を備え、前記水素タンクに貯蔵した水素を前記水素吸蔵材に供給して発生させた熱の一部を前記熱交換機を介して車室内に供給し、残りを前記燃料電池スタックへ供給するように前記熱媒体流路を制御する制御部と、を備える。
【０００６】
上記構成によれば、車室の暖気と燃料電池スタックの暖機とがシリアルに行われるため、当該２つの暖機を並列に行う場合に比べて水素吸蔵材を利用した発熱装置が小型化される。
ここに、車室の暖機を燃料電池スタックの前に行うのは、暖機システムの効率向上のためである。
【０００７】
前記制御部は、さらに前記燃料電池スタックの熱媒体の熱を前記水素吸蔵材に供給して前記水素吸蔵材から水素の放出を行うように前記熱媒体流路を制御する。この構成によれば、 水素吸蔵材タンクから水素を放出させて水素吸蔵材を再生させることができるため、次回運転開始時の車室内の暖機を確実に行うことが可能となる。
また、前記熱媒体流路は前記燃料電池スタックを冷却するラジエータを備え、前記燃料電池スタックの熱を前記水素吸蔵材へ供給するときは、該ラジエータの出力を低下させる。この構成によれば、水素吸蔵材を再生するときは吸熱反応となるので、熱媒体から熱が奪われる。従って、水素吸蔵材を再生する際に熱媒体を水素吸蔵材タンクへ循環させ、その後その熱媒体をラジエータへ導入すれば、ラジエータにかかる負荷が低減する。特に、燃料電池を高負荷運転するときは燃料電池の発熱量が大きくなるので、これを確実に冷却しなければならない。そのため、一般的な燃料電池車両ではラジエータに大きな容量が要求されていた。
これに対し、水素吸蔵材タンクへ熱媒体を循環させると、水素吸蔵材の再生時の吸熱反応を利用して熱媒体が予備冷却され、もって、ラジエータに要求される負荷が低減し、その小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る暖機システムの構成を示す図。
【図２】暖機処理の流れを示す図。
【図３】水素吸蔵材から水素を放出させるための処理の流れを示す図。
【図４】他の実施の形態に係る暖機システムの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は本発明の実施の形態に係る暖機システムの構成を示す図である。暖機システム１００は、高圧水素を貯蔵する水素タンク１１０と、水素タンク１１０に貯蔵された水素を消費して発電する燃料電池スタック１３０と、水素タンク１１０に貯蔵された水素を吸蔵して発熱する水素吸蔵材を備える水素吸蔵材タンク１５０と、水素吸蔵材タンク１５０への水素供給、燃料電池スタック１３０への水素供給、水素吸蔵材から車室内への熱供給、水素吸蔵材から燃料電池スタック１３０への熱供給、燃料電池スタック１３０から水素吸蔵材への熱媒体供給などの制御を行う制御部１７０とを備える。
【００１０】
水素タンク１１０と水素吸蔵材タンク１５０とは水素流路を構成する水素タンクバルブ１１１及び水素バルブＶＨＳ２を介して接続されており、水素タンク１１０と燃料電池スタック１３０とは水素流路を構成する水素タンクバルブ１１１及び水素バルブＶＨＳ１を介して接続されている。水素吸蔵材タンク１５０と燃料電池スタック１３０とは熱媒体流路を構成する弁ＶＣ１からＶＣ４を介して熱交換可能に接続されている。
【００１１】
以下、図２を参照して制御部１７０の機能について説明する。制御部１７０は図２に示す暖機処理を行う。暖機処理において、運転手又は搭乗者による暖機要請信号の入力を検出すると（Ｓ２０１）、高圧水素ボンベ１１０の水素残量を確認し（Ｓ２０２）、必要量の水素が残っている場合は、水素吸蔵材タンク１５０の水素残量を確認し（Ｓ２０３）、水素吸蔵材タンク１５０への水素充填が可能か否かを判断する。
【００１２】
水素吸蔵材タンク１５０への充填が可能な場合は、水素タンクバルブ１１１を開き（S２０４）、水素バルブＶＨＳ２を開き（Ｓ２０５）、弁ＶＣ１、ＶＣ２、ＶＣ３の図中Ｒ側を開き、弁ＶＣ４を閉じて（Ｓ２０６）、水素吸蔵材タンク１５０からの熱媒体が、車輌室内及び燃料電池スタック１３０を経由して水素吸蔵材タンク１５０に戻される経路を確保する。
【００１３】
その後、熱媒体ポンプＭ１をＯＮに設定し（Ｓ２０７）、熱媒体流路上に設けられている車室内空調ファンＦ２をＯＮに設定し（Ｓ２０８）、水素吸蔵材からの熱を車室内へ供給し続け（Ｓ２０９）、室内温度Ｔが予め設定した室内設定温度Ｔｓｅｔ以上に到達したことを確認すると、暖機正常終了表示を行い（Ｓ２１０）、水素バルブＶＨＳ２を閉じる（Ｓ２１１）。なお、ステップＳ２０１で高圧水素ボンベ１１０に必要量の水素が残っていなかった場合及びステップＳ２０２で水素吸蔵材タンク１５０への充填ができないと判断した場合も、暖機不可信号を発信し（Ｓ２１２）、暖機異常終了を表示し（Ｓ２１３）、バルブＶＨＳ２を閉じる。
【００１４】
その後、車室内空調ファンＦ２をＯＦＦに設定し（Ｓ２１４）、熱媒体ポンプＭ１をＯＦＦに設定し（Ｓ２１５）、 弁ＶＣ１、ＶＣ２、ＶＣ３の図中Ｒ側を閉じてＳ側を開き、弁ＶＣ４を閉じ（Ｓ２１６）、水素タンクバルブ１１１を閉じて（Ｓ２１７）、待機する（Ｓ２１８）。
【００１５】
上記動作によれば、水素吸蔵材タンク１５０と燃料電池スタック１３０とを直接接続し、水素吸蔵時の熱の一部を車室内へ供給し、残りを燃料電池スタック１３０に供給する熱供給経路を形成することができる。このため、燃料電池スタック１３０へ水素を供給することなく、水素吸蔵材タンク１１０にのみ水素を供給するだけで、車室内暖機の暖機と燃料電池スタックの暖機とを同時に行うことができる。よって、水素を効率良く利用して両方の暖機を行うことができる。
【００１６】
なお、水素吸蔵材タンク１１０に水素が残留した状態では、水素吸蔵材の機能が損なわれる。そこで、水素吸蔵材を再生するために、水素吸蔵材タンク１１０を加熱して水素吸蔵材から水素を放出させる必要がある。以下、図３を参照して水素吸蔵材から水素を放出させるための処理（以下、初期化処理）について説明する。図３は初期化処理の流れを示す図である。
【００１７】
初期化処理が開始されると（Ｓ３０１）、水素吸蔵材タンク１１０の水素残量データをシステムから読み込み（Ｓ３０２）、燃料電池スタック１３０の出力状態及び負荷状態を確認し（Ｓ３０３）、燃料電池スタック１３０の出力温度Ｔｃ１が正常であることを確認する（Ｓ３０４）。その後、弁Ｖｃ１を図中Ｒ側、弁Ｖｃ３を図中Ｓ側に設定し、弁Ｖｃ４を開けて（Ｓ３０５）、燃料電池スタック１３０→水素吸蔵材タンク１５０→ラジエータ１３３→燃料電池スタック１３３なる熱媒体流路を確保する。そして燃料電池スタック１３０の熱を水素吸蔵材タンク１５０へ供給し、水素吸蔵材から水素を放出可能とする。
このとき、熱媒体は車室内用のファンＦ２も通過するので、車室内の温度と熱媒体との温度差及び車室内に要求される温度を比較してファンＦ２を稼働し、車室内の温度制御をおこなうことができる。
【００１８】
このように、燃料電池スタック１３０からの熱媒体は水素吸蔵材タンク１１０及びファンＦ２で熱を奪われるので、ラジエータファンＦ１直前の温度Ｔｃ２は、熱媒体を水素吸蔵材タンク１１０へ循環させる前より低くなる。従って、ラジエータ１３３への入力温度Ｔｃ２、ラジエータ１３３からの出力温度Ｔｃ３を確認し（Ｓ３０６）、出力温度Ｔｃ３が許容内となるように、入力温度Ｔｃ１をモニタしながら熱媒体流路上に設けられているラジエータファンＦ１を駆動制御する（Ｓ３０７）。より具体的には、燃料電池スタック１３０からの熱媒体を水素吸蔵材タンク１１へ循環させているとき、ラジエータファンＦ１へ供給される熱媒体の温度が低くなるので、ラジエータファンＦ１の回転数を低下して、その冷却能力（出力）を下方に制御する。この点において、燃料電池システム全体として補機の消費電力削減となる。なお、ラジエータの出力を低下させる方法として、ファンの回転数を低下させる以外にも、ラジエータに熱媒体を供給しないように流路を切換えたり、ラジエータに供給される熱媒体を減少させても良い。
【００１９】
その後、水素タンクバルブ１３１を閉じ（Ｓ３０８）、水素バルブＶＨＳ２を開いて
（Ｓ３０９）、水素吸蔵材タンク１１０の水素残量が空になるまで、燃料電池スタック１３０の熱媒体を水素吸蔵材タンク１１０に供給し続ける（Ｓ３１０）。水素吸蔵材タンク１１０の水素残量が空になった場合、水素吸蔵材タンク１１０の初期化完了表示を行い（Ｓ３１１）、水素吸蔵材タンク１１０の水素残量データをシステムへ書き込む（Ｓ３１２）。
【００２０】
なお、ステップＳ３０３で燃料電池スタック１３０の出力温度Ｔｃ１が異常である場合、ラジエータ１３３への入力温度Ｔｃ２、ラジエータ１３３からの出力温度Ｔｃ３が異常である場合も、ステップＳ３１２へジャンプし、水素吸蔵材タンク１１０の水素残量データをシステムへ書き込む。
即ち、システムに異常が生じたときは燃料電池スタック１３０から水素吸蔵材１５０への熱媒体の供給を止めて水素吸蔵材からの水素が放出を一時停止する。そして、そのときの水素吸蔵材タンクの水素残量データを保存することにより、再開時にその水素残量データを検証可能とする（図２のステップ２０３参照）。
【００２１】
その後、弁Ｖｃ１を図中Ｓ側へ設定し、弁Ｖｃ４を閉じ（Ｓ３１３）、水素バルブＶＨＳ２を閉じ（Ｓ３１４）、水素タンクバルブ１１１を開けて（Ｓ３１５）、水素タンク１１０からの水素を燃料電池スタック１３０に供給して燃料電池スタック１３０を発電させる。
【００２２】
上記動作によれば、水素吸蔵材タンク１５０から水素を放出させて水素吸蔵材を再生させることが可能となるため、次回運転開始時の車室内の暖機を確実に行うことが可能となる。
【００２３】
図４に他の例の暖機システム２００を示す。図４において図１と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図４の暖機システム２００では、制御部１７０に負荷予測部２１０が連結されている。この負荷予測部２１０としてカーナビゲーション装置を用いることができる。例えばカーナビゲーション装置が案内した経路において進行方向の道路に所定値以上の傾斜があり、連続した加速域が予測される場合、燃料電池スタック１３０に高負荷連続発電が要求されることとなる。従って、当該道路に差し掛かった時点で、弁ＶＣ１をＲ側に、弁ＶＣ３をＳ側に、弁ＶＣ４を開に、弁ＶＣ２をＳ側に切換え、燃料電池スタック１３０の熱媒体を水素吸蔵材タンク１５０側へ循環させる。熱媒体の熱を水素吸蔵材へ供給してこれから水素を放出させる。また、室内温度によってはファンＦ２をオンにして熱媒体の熱を車両室内へ供給する。これにより、ラジエータファンＦ１に到達する前に、熱媒体が予備冷却される。よって、ラジエータファンＦ１に要求される冷却能力が小さくてすむこととなる。
また、負荷予測部２１０による負荷予測が低付加運転である場合等においては、次に遭遇する高負荷運転時に備えて、水素を水素吸蔵材タンク１５０へ供給し、この水素吸蔵材タンク１５０を熱媒体の予備冷却手段として準備することができる。
【００２４】
この発明は、上記発明の実施の形態に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が結いに想到できる範囲で種々の変形形態もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００２５】
１００、２００  暖機システム
１１０  水素タンク
１３０  燃料電池スタック
１５０  水素吸蔵材タンク
１７０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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