(57)【要約】      （修正有）【課題】安全性に優れていて、システムの連続運用が可能な、効率性を高められた燃料電池システムの提供。【解決手段】水素を燃料として発電をする燃料電池３と、水素吸蔵合金が収容され、前記水素吸蔵合金によって前記燃料電池３に水素を供給する水素貯蔵容器９と、補助電源となる二次電池３１と、当該システムを制御する制御装置１４と、排熱を発生する部材が伝熱可能に配置されて機外空間に連なる排熱通路１０と、を有し、排熱通路１０に、前記燃料電池３に導入される空気温度の上昇を図るべく前記燃料電池３に供給される空気の導入経路２１が配置されており、好適には、燃料電池３に対し機外から外気を導入して送風する冷却ファン１２が設けられ、冷却ファン１２によって送られた送風の少なくとも一部が水素貯蔵容器９に接触するように通風路が設けられ、送風の一部が前記排熱通路に導入されるように構成されている。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を燃料として発電をする燃料電池と、
水素吸蔵合金が収容され、前記水素吸蔵合金によって前記燃料電池に水素を供給する水素貯蔵容器と、
補助電源となる二次電池と、
当該システムを制御する制御装置と、
排熱を発生する部材の排熱を集熱する集熱手段と、
前記集熱手段によって集熱された前記排熱が機外空間に排気される排熱通路と、を有し、
前記排熱通路に、集熱された前記排熱が伝熱して前記燃料電池に導入される空気温度が上昇するように、前記燃料電池に供給される空気の導入経路が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
排熱を発生する前記部材が、少なくとも前記燃料電池および前記制御装置の一方または両方を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池に前記水素貯蔵容器が直接または熱伝達部材を介して接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の上方側に前記水素貯蔵容器が設置され、前記燃料電池の下方側に前記排熱通路が位置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の下方側に前記制御装置が位置して一部が前記排熱通路に露出していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池に対し機外から外気を導入して送風する冷却ファンが設けられており、前記冷却ファンによって送られた送風の少なくとも一部が前記水素貯蔵容器に接触するように通風路が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記送風の一部が前記排熱通路に導入されるように構成されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の周囲に、前記送風が、少なくとも前記通風路に移動可能な送風空間が設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記集熱部材として、前記燃料電池側の排熱を前記排熱通路側に送出する送風ファンを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排熱通路に、前記導入経路に送風が当たる第２の送風ファンが配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記集熱部材として、排熱を発生する前記部材に取り付けられ、熱の放散部分が前記排熱通路に位置するヒートシンクを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記空気の導入経路が、空気ポンプ、空気移送管、加湿器のいずれか１以上であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記二次電池が、前記排熱経路を隔てて前記燃料電池とは反対の側に位置する隔壁の裏面側に配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池の空気入口温度と空気出口温度の差が、定常時で１０℃以下とされることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
待機時に商用電源によって前記水素貯蔵容器を加熱する加熱部を備えることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
待機時に商用電源によって前記水素貯蔵容器を冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
待機時に商用電源によって前記燃料電池を冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記制御装置は、前記燃料電池の稼働を停止するとともに前記二次電池による外部への電力供給を可能にして、前記水素貯蔵容器の取り替えを可能にする交換モードを有することを特徴とする請求項１〜１７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】
この発明は、非常用発電機やポータブル電源などとしての使用が可能な燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非常用の発電機としては旧来からエンジン発電機が広く知られているが、１）商用電源が切れた後、すぐに発電できない、２）７０ｄＢ以上の騒音が発生し、夜間の使用ができない、３）排出ガス中にＣＯ２やＮＯｘが含まれており、環境問題を誘発するなどの問題があり、前記問題を解決するものとして水素と燃料電池を用いた装置の開発が進められている。例えば、特許文献１、２では、水素供給手段として高圧水素ボンベを用いた燃料電池システムが提案されている。
また、特許文献３では、水素吸蔵合金に貯蔵した水素を供給することで燃料電池への燃料供給を可能にした装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１７１８４２号公報
【特許文献２】特開２００７−８７１６４号公報
【特許文献３】特開平０５−１９０１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池のシステムでは、以下の問題がある。
（１）高圧ガスボンベ方式では、ボンベ中のガスが切れると発電できない。ボンベを交換する構造となっていても、交換時に電源が停止する。また、高圧ガスのため、安全上設置する場合は所定の保安距離が必要となり、使用場所が限定されるなどの問題点を有している。
（２）水素吸蔵合金方式では、連続的な運用が難しく、また効率的な運用が十分になされていない。
また、燃料電池の運転において、出力・容量の小さい燃料電池では、カソード側にヒータやバブラーなどといった大掛かりな補機を設置することができないため、カソード側は空気ポンプと加湿器と燃料電池、若しくは空気ポンプと燃料電池だけといった簡素な構成となっている。そのため、燃料電池の出力が大きくなると、燃料電池の温度のみ上がってしまい、燃料電池の空気入口温度と空気出口温度に差が発生し、その結果、カソード側が乾燥状態となり、セル抵抗の増大や触媒活性の低下を招き、セル電圧が低下するという問題がある。
【０００５】
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、連続的な運用が容易であり、かつ高い安全性において効率的に動作させることができる燃料電池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】
【０００６】
すなわち、本願発明の燃料電池システムのうち、第１の本発明は、水素を燃料として発電をする燃料電池と、
水素吸蔵合金が収容され、前記水素吸蔵合金によって前記燃料電池に水素を供給する水素貯蔵容器と、
補助電源となる二次電池と、
当該システムを制御する制御装置と、
排熱を発生する部材の排熱を集熱する集熱手段と、
前記集熱手段によって集熱された前記排熱が機外空間に排気される排熱通路と、を有し、
前記排熱通路に、集熱された前記排熱が伝熱して前記燃料電池に導入される空気温度が上昇するように、前記燃料電池に供給される空気の導入経路が配置されていることを特徴とする。
【０００７】
第２の本発明の燃料電池システムは、前記第１の本発明において、排熱を発生する前記部材が、少なくとも前記燃料電池および前記制御装置の一方または両方を含むことを特徴とする。
【０００８】
第３の本発明の燃料電池システムは、前記第１または第２の本発明において、前記燃料電池に前記水素貯蔵容器が直接または熱伝達部材を介して接続されていることを特徴とする。
【０００９】
第４の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の上方側に前記水素貯蔵容器が設置され、前記燃料電池の下方側に前記排熱通路が位置していることを特徴とする。
【００１０】
第５の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の下方側に前記制御装置が位置して一部が前記排熱通路に露出していることを特徴とする。
【００１１】
第６の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記燃料電池に対し機外から外気を導入して送風する冷却ファンが設けられており、前記冷却ファンによって送られた送風の少なくとも一部が前記水素貯蔵容器に接触するように通風路が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
第７の本発明の燃料電池システムは、前記第６の本発明において、前記送風の一部が前記排熱通路に導入されるように構成されていることを特徴とする。
【００１３】
第８の本発明の燃料電池システムは、前記第６または第７の本発明において、前記燃料電池の周囲に、前記送風が、少なくとも前記通風路に移動可能な送風空間が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
第９の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第８の本発明のいずれかにおいて、前記集熱部材として、前記燃料電池側の排熱を前記排熱通路側に送出する送風ファンを有することを特徴とする。
【００１５】
第１０の本発明の燃料電池システムは、前記第９の本発明において、前記排熱通路に、前記導入経路に送風が当たる第２の送風ファンが配置されていることを特徴とする。
【００１６】
第１１の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１０の本発明のいずれかにおいて、前記集熱部材として、排熱を発生する前記部材に取り付けられ、熱の放散部分が前記排熱通路に位置するヒートシンクを有することを特徴とする。
【００１７】
第１２の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１１の本発明のいずれかにおいて、前記空気の導入経路が、空気ポンプ、空気移送管、加湿器のいずれか１以上であることを特徴とする。
【００１８】
第１３の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１２の本発明のいずれかにおいて、前記二次電池が、前記排熱経路を隔てて前記燃料電池とは反対の側に位置する隔壁の裏面側に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
第１４の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１３の本発明のいずれかにおいて、前記燃料電池の空気入口温度と空気出口温度の差が、定常時で１０℃以下とされることを特徴とする。
【００２０】
第１５の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１４の本発明のいずれかにおいて、待機時に商用電源によって前記水素貯蔵容器を加熱する加熱部を備えることを特徴とする。
【００２１】
第１６の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１５の本発明のいずれかにおいて、待機時に商用電源によって前記水素貯蔵容器を冷却する冷却部を備えることを特徴とする。
【００２２】
第１７の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１６の本発明のいずれかにおいて、待機時に商用電源によって前記燃料電池を冷却する冷却部を備えることを特徴とする。
【００２３】
第１８の本発明の燃料電池システムは、前記第１〜第１７の本発明のいずれかにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池の稼働を停止するとともに前記二次電池による外部への電力供給を可能にして、前記水素貯蔵容器の取り替えを可能にする交換モードを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
すなわち、本願発明によれば、燃料電池の空気入口温度と空気出口温度の差が小さくなるように内部の機器を配置することで燃料電池の効率的な運転を可能にすることができる。
さらに、他の形態によれば、燃料電池の冷却に外部からの強制空冷に加えて、水素貯蔵容器の吸熱反応を利用できるようにすれば、燃料電池の安定的、効率的な運転を可能にすることができる。
さらに、他の形態によれば、待機時の筐体内温度により、水素貯蔵容器を冷却できる構成とすれば、水素貯蔵容器の内圧が上昇しなくなり安全性を高める効果がある。
また、さらに、他の形態によれば、停電時などに直ちに起動して連続的な運用が可能であり、効率的で安全性に優れた動作が得られる。特に、水素供給手段として水素貯蔵容器、水素貯蔵容器交換時における電力供給用の二次電池として商用電源が接続できるような構成としたので、水素貯蔵容器を交換することで連続的に運用できる。低温時の水素貯蔵容器保温対策として待機時に商用電源で水素貯蔵容器を加熱できるようにすれば、環境温度が低温の場合においても水素貯蔵容器から効率的に水素を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態におけるシステム筺体内の平面を示す図である。
【図２】同じく、図１のＡ−Ａ線断面を示す図である。
【図３】同じく、図１のＢ−Ｂ線断面を示す図である。
【図４】同じく、図１のＣ−Ｃ線断面を示す図である。
【図５】同じく、図１のＤ−Ｄ線断面を示す図である。
【図６】同じく、図２のＥ−Ｅ線断面を示す図である。
【図７】同じく、配管経路を示す図である。
【図８】同じく、電気的な接続状態を示す図である。
【図９】ＡＢ５合金のＰＣＴ線図を示す。
【図１０】同じく、送風の流れを示す正面図である。
【図１１】同じく、送風の流れを示す側面図である。
【図１２】同じく、機器配置による燃料電池を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本願発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
４角筒型のシステム筺体１内の略中央高さ位置に横方向に沿って横プレート２Ａが配置され、横プレート２Ａの上方に燃料電池３が設置されている。燃料電池３は、例えば固体分子型の燃料電池によって構成される。また、燃料電池３の両側方には、縦プレート２Ｃ、２Ｃが設置されている。
また、燃料電池３の表裏側面側には、システム筺体１の側面に沿うように、燃料電池３全体を覆う領域に、複数の冷却ファン４（図では、横３列×縦３列の９個が表裏にそれぞれ設置）が配列されており、外気側から燃料電池３に向けて送風を行うことができる。冷却ファン４の外気側ではシステム筺体１が開口されており、外気側から冷却ファン４に向けて空気導入がなされる。冷却ファン４の開口側には防護網などを配置して安全性を高めるようにしてもよい。
【００２７】
燃料電池３の上方には、燃料電池３に直接接触している横プレート２Ｂが設置され、その上部に横プレート２Ｂに接触するように複数の水素貯蔵容器設置台５が長手方向に沿って設けられている。各水素貯蔵容器設置台５上に円筒形状の複数の水素貯蔵容器９（図では３台）を設置してクランプ６などにより固定することができる。水素貯蔵容器９は、クランプ６の取り外しによって着脱が可能であり、交換時作業も容易に行うことができる。各水素貯蔵容器９は、設置後、水素を外部に放出できるようにシステム筺体１内に配置された水素配管９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃにそれぞれ接続される。水素貯蔵容器９は、システム筺体１の前方側から前後方向での移動によって取り替え作業を行うことができる。
なお、横プレート２Ａ、２Ｂ、縦プレート２Ｃ、２Ｃによってダクト１Ａが構成されている。
【００２８】
また、燃料電池３上に設置された水素貯蔵容器９と接触する熱伝達部材５Ａが燃料電池３上に設けられており、熱伝達部材５Ａは、燃料電池３に接触している。熱伝達部材５Ａや水素貯蔵容器設置台５の材質を熱伝導性が良い材料に選定することで、燃料電池３の温度を伝熱によって水素貯蔵容器９に伝達して燃料電池３を吸熱により冷却するとともに水素貯蔵容器９を昇温させることができる。したがって、水素貯蔵容器設置台５は、熱伝達部材５Ａとともに熱伝達部材に相当する。
【００２９】
また、横プレート２Ｂ、各水素貯蔵容器９同士および各水素貯蔵容器設置台５同士は長手方向に沿ってそれぞれ互いに間隙を有して配置されており、これらの間隙は、下方の燃料電池３側から送られる送風が通過する通風路７として機能する。通風路７を通過した送風は、さらに水素貯蔵容器９に接触して熱伝達することができる。燃料電池３の周囲には、上記のように通風路７に至る空間３Ａなどを有している。
システム筺体１の上方には、開閉可能な蓋８が設けられており、蓋８の側面には水素貯蔵容器９を通過した送風が排気される排気口８Ａが設けられている。
【００３０】
なお、燃料電池３と水素貯蔵容器９とを直接（他部材介設を含む）伝熱させる構造とした場合、水素貯蔵容器の置かれている空間の空気流れが減少し、空気の熱伝達係数が小さくなりやすくなる。そのため、燃料電池３と水素貯蔵容器９を接触させつつ、燃料電池３で温められた空気を水素貯蔵容器９の置かれている空間にも伝わるように冷却ファン４と横プレート２Ａ、熱伝達部材５Ａ、水素貯蔵容器設置台５の開口部を上記空間３Ａなどで調整している。
【００３１】
また、燃料電池３の下方側には、システム筺体１の底面と距離を隔てるように横方向に沿った隔壁板３０が設けられており、燃料電池３と隔壁板３０との間に排熱通路１０が形成されている。
燃料電池３の下面側には排熱通路１０に露出するように、集熱手段であるヒートシンク１１が設けられており、ヒートシンク１１は、燃料電池３に直接接続されている。また、ヒートシンク１１の下面には、集熱手段である送風ファン１２が設けられており、送風ファン１２によって燃料電池３およびヒートシンク１１の排熱を吸引して下方側の排熱通路１０に送風する。
なお、この実施形態では、冷却ファン４による送風は、上方側に送られるように構成されているが、前記冷却ファン４で送られた送風の一部をヒートシンク１１間やヒートシンク１１の周囲を通って排熱通路１０の下方側に移動可能にすることも可能である。
【００３２】
隔壁板３０上の一側縁には、システム筺体１の一側面に沿うようにして制御装置１４が設置されている。制御装置１４には、ＣＰＵや各種制御回路などが含まれており、システム全体を制御するものである。本願発明としては制御装置の構成が上記に限定されるものではなく、システム全体を制御できるものであれば特に構成が限定されるものではない。
また、制御装置１４の表面側（筺体内部側）には、前記排熱通路１０に露出するように集熱手段であるヒートシンク１５が設けられており、ヒートシンク１５は制御装置１４に直接接続されている。また、ヒートシンク１５の筺体内部側には送風ファン１６が設けられており、送風ファン１６によって制御装置１４およびヒートシンク１５側に向けて排熱空間１０側から空気を吸引して制御装置１４およびヒートシンク１５側に吹き出すように構成されている。送風ファン１６によって制御装置１４よりは比較的低温な排熱空間１０の空気によって制御装置１４を冷却する。送風ファン１６は、本発明の第２の送風ファンに相当する。
【００３３】
また、制御装置１４の他方側の隔壁板３０上に空気ポンプ２０が設置されており、空気ポンプ２０の空気移送側には空気移送管２１が接続されている。空気移送管２１は上方に伸長して空気ポンプ２０の上方に配置した加湿器２２を介して燃料電池３の空気入口３Ａに接続されている。また、燃料電池３には、図７に示すように、空気放出管２３Ａが接続されている。空気放出管２３Ａは加湿器２２を介し、その後、下方に伸長する放出管２３を通してシステム筺体１の下面側に設けた排気口に接続されて大気放出される。
加湿器２２では、燃料電池３側から空気放出管２３Ａを通して排出される空気によって空気移送管２１を通る空気の加湿がなされる。この際に燃料電池３から排出される空気によって燃料電池３に導入される空気が僅かに加温されるが、昇温の程度は小さい。
【００３４】
なお、送風ファン１２で送られる排熱送風は主として加湿器２２およびその周囲の空気移送管２１を加熱している。また、送風ファン１６で送られた送風は、制御装置１４およびヒートシンク１５より排熱を受けて昇温し、制御装置１４の上方側および下方側から、空気ポンプ２０およびその周囲の空気移送管２１に送風されてこれらを加熱する。この排熱送風は、さらに送風ファン１６で吸引されて、空気ポンプ２０と制御装置１４との間の空間で循環する。送風ファン１６による送風は、導入経路に直接送風されるものの他、間接的に送風を受けるものであってもよい。
【００３５】
なお、送風ファン１２、送風ファン１６の送風側では、排熱通路１０を通る排熱が空気ポンプ２０、空気移送管２１、加湿器２２に接触して内部の空気を加熱した後、一部はシステム筺体１に設けられた図示しない排気口から外気に放出される。
空気ポンプ２０、空気移送管２１、加湿器２２は、本発明の空気の導入経路に相当する。なお、本発明としては排熱通路１０によって加熱される経路が上記に限定されるものではない。ただし、空気ポンプ２０や加湿器２２での加熱は燃料電池３に導入される空気を効果的に加熱することができる。
【００３６】
上記のように、本実施形態では、システム使用部品の中で最も熱を伝えたい部品が水素貯蔵容器８であるため、燃料電池３の上面の熱を水素貯蔵容器９、底面の熱を加湿器２２などの空気導入側に伝える構成としている。なお、燃料電池３の表裏からそれぞれ冷却ファン４で送風しているため、送風が滞留しにくく効果的に燃料電池３が冷却されるとともに、送風が上方に速やかに流れ、上方の効果的な加熱を行うことができる。また表裏のダクト１Ａを通して冷却ファン４の送風を効果的に使用でき、燃料電池３の上方への送風が円滑になされる。また、水素貯蔵容器９の配置については、水素漏れも考慮してシステム筐体１の上部に配置している。
【００３７】
また、隔壁３０の下方空間では、二次電池３１が配置され、さらに、インバータ３２が設置されている。隔壁３０の下方空間では、外部に開口する連通路が設けられている。隔壁３０の下方側に二次電池３１などを設置することで、昇温を避けたい装置類を排熱から遮断して配置することが可能になる。
【００３８】
次に、本実施形態の燃料電池システムの配管経路を図７に基づいて説明する。
空気ポンプ２０に接続された空気移送管２１では、流量計２１Ａで流量調整がされて加湿器２２の被加湿側に導入され、加湿器２２を経た後、燃料電池３の空気入口３Ａに接続されている。加湿器２２を経た空気の温度は、例えば排出出口で温度計２１Ａ１で測定でき、加湿器２２に導入される排出ガス温度は、温度計２１Ａ２で測定することができ、加湿器に導入される空気の温度は、例えば温度計２３Ａ１で測定することができる。
燃料電池３の出口側には、空気放出管２３Ａと水素放出管２３Ｂとがそれぞれ接続されている。空気放出管２３Ａは、加湿器２２の加湿側に導入され、加湿器２２を経た後、空気出口弁２３Ａ１０を経て、配管２３に接続されている。水素放出管２３Ｂは、水素出口弁２３Ｂ１０を経て配管２３に接続されている。水素放出管２３Ｂでは、水素出口弁２３Ｂ１０を定期的に開けることにより、燃料電池３中の水分を排出する。
【００３９】
水素貯蔵容器９には水素配管９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃがそれぞれ接続されており、水素配管９０Ａ、水素配管９０Ｂ、水素配管９０Ｃが合流し、合流した水素配管９１では、水素の一部を安全弁９１Ｃを介してパージ可能になっている。水素配管９１の圧力が規定圧以上になると安全弁９１Ｃを通して水素を放出することができる。水素配管９１には、レギュレータ９１Ａ、水素入口弁９１Ｂが設けられており、レギュレータ９１によって水素の供給圧を調整することができる。水素配管９１は、水素入口弁９１Ｂの下流側で空気配管９３が合流可能になっており、それよりも下流側は水素配管９２になっている。
水素配管９２は、水素入口弁９２Ａを介して先端側が燃料電池３の水素入口３Ｃに接続されている。空気配管９３は、空気−水素中継弁９４を介して上記したように水素配管９２に合流可能になっており、通常時には空気−水素中継弁９４は閉じられる。空気配管９３は、システム停止時に、空気−水素中継弁９４を開け、空気配管９３、水素配管９２および燃料電池３内に空気を送って内部の水分を取り除くために使用される。
上記各弁は、制御装置１４によって制御可能になっている。
【００４０】
次に、本実施形態の燃料電池システムの電気的な接続状態を図８に基づいて説明する。
燃料電池システムでは、商用電源がＡＣ／ＤＣコンバータとスイッチＳＷの端子１に接続されている。待機時には、スイッチＳＷでは、端子１とシステムのＡＣ出力側の端子３とが接続されて、商用電源がシステム外に出力される。
また、待機時に、商用電源から電力供給されるＡＣ／ＤＣコンバータの出力はＤＣ／ＤＣコンバータに入力され、二次電池３１の充電に利用される。
【００４１】
なお、ＡＣ／ＤＣコンバータの出力は、水素貯蔵容器９を加熱するヒータに接続されており、待機時に、必要に応じて水素貯蔵容器９を加熱することができる。ヒータは、水素貯蔵容器を加熱する加熱部に相当する。ヒータの構成については特に限定されるものではない。
水素貯蔵容器の加温については例えば、次の要領で実施する。起動時に必要な水素貯蔵容器の温度（Ｔｉ）を設定しておき、水素貯蔵容器の温度がＴｉ以下になると、商用電源により水素貯蔵容器用のヒータを動作させ、水素貯蔵容器の温度がＴｉ以下にならないようにする。これにより雰囲気温度が低いような状態でも燃料電池システムを確実に起動させることができる。水素貯蔵容器の温度は適宜の温度計で測定し、その出力を二次電池で動作する制御装置１４に送信することで、制御装置１４の制御プログラムによって上記制御を実行することができる。
【００４２】
また、商用電源が停電などによって遮断された際や商用電源がない状態で起動する場合には、制御装置１４が動作し、水素貯蔵容器９から燃料電池３に水素が供給されるように弁操作をし、また、空気ポンプ２０を起動させて空気を燃料電池３に供給することで燃料電池３を動作させる。燃料電池３の発電電力は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに出力される。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力は、ＤＣ／ＡＣインバータに出力され、商用電源と同じ周波数のＡＣ出力を得て、スイッチＳＷの端子２に入力させる。この際には、スイッチＳＷでは、端子１と端子３との接続は解かれ、端子２と端子３とが接続されて燃料電池システムからＡＣ出力される。スイッチＳＷの操作は、例えば制御装置１４の制御によって行うことができる。上記ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータは、コンバータ・インバータ装置類３２としてシステムに収納することができる。ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＡＣインバータの動作は制御装置１４によって制御することができる。
【００４３】
なお、商用電源が遮断されている状態で、水素貯蔵容器９の取り替えなどによって燃料電池３の動作が困難な場合、二次電池３１からＤＣ出力をＤＣ／ＡＣインバータに出力し、ＤＣ／ＡＣインバータの出力をＡＣ出力として外部に供給することができる。
上記のように本実施形態では安全性の観点から水素供給手段として水素貯蔵容器を使用し、且つ二次電池を有することで、交換時も連続運用が可能になっている。さらには待機時に商用電源により事前に水素貯蔵容器を加熱しておくことで低温時の水素放出に関する問題点も解消される。
【００４４】
なお、図８では示していないが、待機時に水素貯蔵容器９の温度が高い場合に、水素貯蔵容器９の温度を冷却する制御を行うようにしてもよい。本実施形態では、燃料電池３が動作していない状態で冷却ファン４を動作させると、燃料電池３の冷却とともに水素貯蔵容器９の冷却を行うことができる。例えば、炎天下時などにおいては、システム筺体１内の温度が急激に上昇し、内蔵している水素貯蔵容器９の温度も上昇する。水素貯蔵合金は圧力と温度がＰＣＴ曲線で規定されており、温度が上がると圧力も上がり、それに応じて一次配管内の圧力も上昇する。
【００４５】
図９に日本の気候と高圧ガス保安法を鑑みたＡＢ５合金のＰＣＴ線図を示す。この実施形態では、ＡＢ５合金を好適に用いることができる。ＡＢ５合金で水素を満充填しているときに、水素貯蔵合金の温度が４０℃を超えると、容器内の圧力は１ＭＰａＧを超える。そのため、本実施形態では、例えばシステム筺体１内の温度が４０℃を超えると、冷却ファン４が動作し、水素貯蔵容器９の温度が上がらないようにすることができる。また、燃料電池３についても燃料電池３の発電時に高温になると、空気の飽和水蒸気圧が上がり、膜が乾燥状態となる可能性が高いため、冷却ファン４により冷却することで燃料電池３の過熱を防止することができる。
水素貯蔵容器９の温度は前記したように適宜の温度計で測定し、その出力を二次電池３１で動作する制御装置１４に送信することで、制御装置１４の制御プログラムによって上記制御を実行することができる。
【００４６】
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。
商用電源が遮断されたり、ポータブル電源として使用したりする場合、二次電池３１の電力によって制御装置１４が動作して弁動作がなされ、水素貯蔵容器９から燃料電池３の水素入口３Ｃに水素が供給される。また、空気ポンプ２０が動作し、空気を吸引して空気移送管２１で送るとともに、加湿器２２を介して空気を燃料電池３に供給する。冷却ファン４は、燃料電池３の温度が十分に高くなった後、動作させるのが望ましい。動作温度としては、４５℃以上が望ましく、この温度を超えた場合、またはそれよりも高い温度になった場合に冷却ファン４を動作させることができる。動作温度が所定の温度範囲よりも低くなった場合には、冷却ファン４を停止することができる。また、動作温度に応じて冷却ファン４の回転数や風量を調整するようにしてもよい。
燃料電池３の温度は、温度計などを用いて測定し、その結果を制御装置１４に送信することで冷却ファン４の動作を制御することができる。
【００４７】
燃料電池３の温度が上昇すると、冷却ファン４を動作させ、外気を導入して燃料電池３を冷却する。燃料電池３に向けて送られた送風は、燃料電池３との接触またはその周囲の通過によって昇温している。送風は、図１０に示すように、空間３Ａを通して上昇し通風路７を通過しつつ水素貯蔵容器９を加熱することで、燃料電池３を冷却するとともに燃料電池３から受ける熱によって水素貯蔵容器９から効果的に水素を放出して燃料電池３に供給することが可能になる。水素貯蔵容器９を加熱した送風は上昇して、排気口８Ａを通して燃料電池システム外に排気される。
【００４８】
なお、燃料電池３の冷却においては、空冷型の燃料電池では、冷却ファンにより強制的に冷却することが一般的であるが、燃料電池３の出力が大きくなると排熱も多くなり、それに応じて冷却ファンも増やす必要があり、冷却ファンが増えることで補機電力が増え、その結果、燃料電池が発電すべき電力も増加し、さらに排熱が多くなることになる。そこで、本実施形態では、水素貯蔵容器９の吸熱量が最大限となるように、燃料電池３と水素貯蔵容器９とを接触させることで燃料電池３の排熱が水素貯蔵容器９にも効率的に伝わるようにしている。
【００４９】
また、燃料電池３の下方側では、送風ファン１２によって、ヒートシンク１１の熱と燃料電池３の熱とを受けて加熱された空気が排熱通路１０内で下方側に送風される。また、制御装置１４では、動作によって排熱が発生し、その排熱がヒートシンク１５に伝達され、周囲の空気が送風ファン１６で吸引され、制御装置１４が冷却されるとともに排熱が前方に送られる。送風ファン１２と送風ファン１６との送風によって、図１１に示すように、温度が上昇した空気が、排熱通路１０を通って空気ポンプ２０、空気移送管２１、加湿器２２側に送られ、これらの内部で導入路で空気を効果的に加熱し、燃料電池３に導入される。
【００５０】
この実施形態では、最も熱の発生する燃料電池３については、上面に水素貯蔵容器９、下面に加湿器２２を設置しているので、次に熱の発生源である制御装置１４の熱を空気ポンプ２０に伝えるように配置している。燃料電池３に供給する空気ガスの温度が高いほど、空気加湿性能が増加し、燃料電池の性能が向上する。
また、燃料電池３に供給する空気は、加湿器２２を使用して加湿されているが、加湿器２２の温度が高いほど、空気の加湿量が増え、燃料電池３の性能が向上する。そのため、加湿器２２の置かれている空間に燃料電池３の熱が伝わるようにヒートシンク１１と送風ファン１２を設置している。
【００５１】
なお、排気通路１０に導入される送風量は、送風ファン１２、送風ファン１６による流量によって異なるため、これらを制御装置１４によって制御することで、空気ポンプ２０、空気移送管２１、加湿器２２側に送られる送風量や温度の調整を行うことができる。空気ポンプ２０や加湿器２２に燃料電池３の排熱や制御装置１４で発生する排熱が効率的に伝わることで効率を向上させることができる。定常時には制御内容によって、燃料電池３における空気出口温度と空気入口温度の差を、例えば１０℃以下にすることができ、燃料電池３の効率を図ることができる。なお、空気出口温度と空気入口温度の差は、同様の理由で５℃以下にするのが一層望ましい。
【００５２】
次に水素貯蔵合金を交換するステップ（交換モード）を以下に説明する。
水素貯蔵容器が１本の場合（ｃａｓｅ１）
（１）制御装置により計算された水素残量が例えば１０％を下回った時点で、交換スイッチを「交換時」に倒す。
（２）交換スイッチを「交換時」に倒すと、制御装置により、燃料電池の発電を一時停止し、発電一時停止に必要な処理が行われる。併せて、電力の供給を二次電池に切り替える。
（３）二次電池に切り替わった後、水素貯蔵容器を取り外し交換する。
（４）交換後は、交換スイッチを「通常時」に戻すと、水素残量が１００％に復帰し、燃料電池による発電に戻る。
【００５３】
水素貯蔵容器が複数本の場合（ｃａｓｅ２）
水素貯蔵容器が複数本の場合、上記の方法に加えて、以下の方法でも交換が可能である。
（１）制御装置により計算された水素残量が例えば１０％を下回った時点で、１本の水素貯蔵容器を交換する。その間の発電は残りの水素貯蔵容器で行う。
（２）水素貯蔵容器を交換後、残りの水素貯蔵容器の交換についても順番に実施していく。
（３）全ての水素貯蔵容器を交換後、残量リセットボタンを押し、水素貯蔵容器の残量を１００％に戻す。
なお、水素貯蔵容器を複数有する場合でも、ｃａｓｅ１の手順によって交換作業を行うことが可能である。
【００５４】
図１２に、機器配置によって得られる燃料電池の対比結果を示す。
上記実施形態と同様の燃料電池と水素貯蔵容器を備え、排熱を利用して空気の導入経路を加熱する構成を有しない比較装置（システム筺体が未設置）との対比を行った。なお、比較装置においても導入空気は加湿器を通して燃料電池に導入するものとし、４００Ｗ、燃料出口温度４５℃で試験を行った。
実施形態の装置では連続運転を行い、空気の入口温度と出口温度の差は、５℃になり、安定した出力が得られた．一方、比較装置では燃料電池への空気導入側の加熱がなされていないため、空気導入側と空気排出側の温度差が大きく（１０℃超）、燃料電池スタック内の水分バランスが悪くなり、燃料電池の電圧が低下傾向となった。また、比較装置においては、電圧低下を抑えるために、水分除去シーケンスを適時実施しているが、このシーケンスは燃料電池の寿命を低下させるため頻繁に実施することは望ましくない。
【符号の説明】
【００５５】
１    システム筺体
１Ａ  ダクト
３    燃料電池
３Ａ  空気入口側
３Ｂ  空気出口側
３Ｃ  水素入口側
４    冷却ファン
５    水素貯蔵容器設置台
５Ａ  熱伝達部材
６    ブラケット
７    通風路
８    排気口
９    水素貯蔵容器
１０    排熱経路
１１    ヒートシンク
１２    送風ファン
１４    制御装置
１５    ヒートシンク
１６    送風ファン
２０    空気ポンプ
２１    空気移送管
２２    加湿器
３０    隔壁
３１    二次電池
３２    インバータ
【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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