(57)【要約】【課題】複数の燃料カートリッジを有し、燃料カートリッジへの水素充填がユーザにより実行される燃料電池システムにおけるユーザの利便性の向上を図る。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０１ａ〜１０１ｄと、複数の燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂと、各燃料カートリッジから燃料電池１０１ａ〜１０１ｄへの燃料の供給を制御する燃料制御部５０２と、ユーザが燃料カートリッジの取り外しを指示する指示部４００ａ，４００ｂとを備える。各燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂは、燃料電池１０１ａ〜１０１ｄに対して互いに独立に水素を供給可能である。燃料制御部５０２は、燃料電池１０１ａ〜１０１ｄの運転中に任意の燃料カートリッジの取り外し指示がなされた場合、取り外しの対象となる燃料カートリッジから、それ以外の燃料カートリッジよりも優先的に水素を放出させた後に燃料カートリッジの取り外しを許容する。【選択図】図５
2015035253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜の一方の面に設けられたカソード、及び前記電解質膜の他方の面に設けられたアノードで構成される膜電極接合体を１つ以上有する燃料電池と、
着脱可能に設けられ、燃料である水素を貯蔵するための水素吸蔵合金を収容する複数の燃料カートリッジと、
各燃料カートリッジから前記燃料電池への燃料の供給を制御する燃料制御部と、
ユーザが各燃料カートリッジの取り外しを指示する指示部と、
を備え、
各燃料カートリッジは、前記燃料電池に対して互いに独立に水素を供給可能であり、
前記燃料制御部は、燃料電池の運転中に任意の燃料カートリッジの取り外し指示がなされた場合、取り外しの対象となる燃料カートリッジから、それ以外の燃料カートリッジよりも優先的に水素を放出させた後に、取り外しの対象となる燃料カートリッジの取り外しを許容することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
各燃料カートリッジに接続される複数の分岐部、及び前記複数の分岐部が集合して前記燃料電池と接続される合流部を有する第１燃料流路と、
前記合流部に設けられる第１流量調節部と、
各燃料カートリッジと前記燃料電池とを接続する複数の第２燃料流路と、
各第２燃料流路に設けられる複数の第２流量調節部と、を備え、
前記燃料制御部は、
前記取り外し指示がなされていないとき、各燃料カートリッジにおいて前記第２燃料流路より前記第１燃料流路に優先的に水素が流れるように前記第１流量調節部及び前記第２流量調節部を制御し、
前記取り外し指示がなされたとき、前記第１燃料流路の水素流量が取り外し指示がなされていないときよりも小さくなり、取り外しの対象となる燃料カートリッジに接続される第２燃料流路の水素流量が取り外し指示がなされていないときよりも大きくなるように前記第１流量調節部及び前記第２流量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３】
前記第１流量調節部は第１減圧弁を有し、前記第２流量調節部は第２減圧弁を有し、
前記燃料制御部は、
前記取り外し指示がなされていないとき、前記第１減圧弁の２次側の圧力が各第２減圧弁の２次側の圧力よりも高くなるように前記第１減圧弁及び前記第２減圧弁を制御し、
前記取り外し指示がなされたとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジに接続される第２燃料流路に設けられた前記第２減圧弁の２次側の圧力が前記第１減圧弁の２次側の圧力よりも高くなるように前記第１減圧弁及び前記第２減圧弁を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
それぞれ独立にオンオフを切り替え可能な複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池のオンオフを切り替える切替制御部と、を備え、
各燃料カートリッジは、前記複数の燃料電池に対して互いに独立に水素を供給可能であり、
各燃料電池は、いずれかの燃料カートリッジと熱交換可能に配置されており、
前記切替制御部は、前記取り外し指示がなされたとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ以外の燃料カートリッジと熱交換する燃料電池の少なくとも１つをオフにする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
それぞれ独立にオンオフを切り替え可能な複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池のオンオフを切り替える切替制御部と、を備え、
各燃料電池は、いずれかの燃料カートリッジと熱交換可能に配置されており、
前記切替制御部は、前記取り外し指示がなされたとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジと熱交換する燃料電池の少なくとも１つをオフにする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記切替制御部は、取り外しの対象となる燃料カートリッジが所定の第１温度未満であるとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ以外の燃料カートリッジと熱交換する燃料電池の少なくとも１つをオフにする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記切替制御部は、取り外しの対象となる燃料カートリッジが所定の第２温度以上であるとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジと熱交換する燃料電池の少なくとも１つをオフにする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記切替制御部は、燃料電池システムにかかる電力負荷が燃料電池システムの最大発電量を下回る場合に、オフの対象となる燃料電池をオフにする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
取り外しの対象となる燃料カートリッジの取り外しを、燃料カートリッジが所定の第３温度以上である場合に禁止し、前記第３温度未満である場合に許容する取り外し規制部を備える請求項１乃至８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する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素とから電気エネルギー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ーや運動エネルギー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、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を備えるため、２１世紀を担うエネルギー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、また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】
また、従来、水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金を用いて、燃料としての水素を燃料電池に供給する装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された水素貯蔵供給装置は、水素吸蔵合金が収容された水素貯蔵タンクを複数備え、水素を供給するタンクを順次切り替えて、燃料電池に連続的に水素を供給している。また、水素貯蔵タンク内の水素残量を表示して水素の充填を喚起している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２９５９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
複数の燃料カートリッジから燃料電池に水素を供給するとともに、水素残量が減った燃料カートリッジに対してユーザによる水素充填が行われる燃料電池システムでは、ユーザの利便性を向上すべく、燃料カートリッジへの水素充填の頻度、もしくは燃料カートリッジの交換頻度を極力減らしたいという要望がある。一方で、燃料電池システムが使用される状況では、燃料カートリッジの水素残量が０になる前にユーザが水素充填作業や交換作業を実行することは頻繁に起こり得る。燃料カートリッジ内の水素を使い切る前に水素充填作業や交換作業が実施され、さらにそれが度重なると、結果的に燃料カートリッジへの水素充填や交換作業の頻度が高くなってしまう。
【０００６】
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、複数の燃料カートリッジを有し、燃料カートリッジへの水素充填がユーザにより実行される燃料電池システムにおけるユーザの利便性の向上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】
【０００７】
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、電解質膜、電解質膜の一方の面に設けられたカソード、及び電解質膜の他方の面に設けられたアノードで構成される膜電極接合体を１つ以上有する燃料電池と、着脱可能に設けられ、燃料である水素を貯蔵するための水素吸蔵合金を収容する複数の燃料カートリッジと、各燃料カートリッジから燃料電池への燃料の供給を制御する燃料制御部と、ユーザが各燃料カートリッジの取り外しを指示する指示部とを備える。各燃料カートリッジは、燃料電池に対して互いに独立に水素を供給可能である。燃料制御部は、燃料電池の運転中に任意の燃料カートリッジの取り外し指示がなされた場合、取り外しの対象となる燃料カートリッジから、それ以外の燃料カートリッジよりも優先的に水素を放出させた後に、取り外しの対象となる燃料カートリッジの取り外しを許容する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の燃料カートリッジを有し、燃料カートリッジへの水素充填がユーザにより実行される燃料電池システムにおけるユーザの利便性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（Ａ）は、実施形態１乃至実施形態３に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、実施形態１乃至実施形態３に係る燃料電池システムの筐体側壁をスライドさせた状態を示す斜視図である。
【図２】実施形態１に係る燃料電池システムを分解した状態を示す斜視図である。
【図３】図３（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の破線で囲まれた領域Ｂの拡大図である。
【図４】実施形態１に係る燃料電池システムの回路構成を示す図である。
【図５】実施形態１に係る燃料電池システムの模式図である。
【図６】第１減圧弁及び第２減圧弁の概略断面図である。
【図７】燃料カートリッジの表面温度が２０℃、４０℃、６０℃であるときの燃料カートリッジ中の水素残量と水素放出圧力との関係を示す図である。
【図８】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９】図９（Ａ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの燃料カートリッジを模式的に示す側面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。図９（Ｃ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの燃料カートリッジ挿入補強部を模式的に示す側面図である。図９（Ｄ）は、図９（Ｃ）のＣ−Ｃ線に沿った概略断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、棒体が棒体収容部から突出した状態を示す概略断面図であり、図１０（Ｂ）は、棒体が棒体収容部に収容された状態を示す概略断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、実施形態３に係る燃料電池システムの燃料カートリッジを模式的に示す平面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿った概略断面図である。図１１（Ｃ）は、実施形態３に係る燃料電池システムの燃料カートリッジ挿入補強部を模式的に示す平面図である。図１１（Ｄ）は、図１１（Ｃ）のＥ−Ｅ線に沿った概略断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）は、取り外し規制部が開口内に進入した状態を示す概略断面図であり、図１２（Ｂ）は、取り外し規制部が開口内から退出した状態を示す概略断面図である。
【図１３】変形例に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。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。
【００１１】
（実施形態１）
図１（Ａ）は、実施形態１に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池システムの筐体側壁をスライドさせた状態を示す斜視図である。図２は、実施形態１に係る燃料電池システムを分解した状態を示す斜視図である。
【００１２】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、例えばモバイル用途のシステムであって、筐体２と、燃料電池モジュール１００と、複数の燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂ（以下では適宜、燃料カートリッジ２００ａ及び燃料カートリッジ２００ｂをまとめて燃料カートリッジ２００という）と、圧力調整部３００と、指示部４００と、制御部（制御回路）５００と、二次電池６００とを主な構成として備える。
【００１３】
筐体２は、略直方体状であり、対向する２つの側壁２ａ１と底部２ａ２とが一体的に形成された略Ｕ字状の本体部２ａと、本体部２ａとは別体で設けられた２つの側壁２ｂと、開口２ｃ１を有する枠状の蓋部２ｃとを有する。２つの側壁２ｂは、互いに対向しかつ２つの側壁２ａ１と略直交するように配置され、本体部２ａに対して底部２ａ２の主表面と略直交する方向にスライド可能に連結される。また、各側壁２ｂには貫通孔２ｂ１が設けられている。蓋部２ｃは、底部２ａ２と対向するように配置され、側壁２ａ１の端部に嵌め合わされる。
【００１４】
燃料電池モジュール１００は、平面配列された複数の燃料電池１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ（以下では適宜、燃料電池１０１ａ〜１０１ｄをまとめて燃料電池１０１という）と、燃料電池１０１の一方の主表面側に配置された燃料分配プレート１１２と、燃料電池１０１の他方の主表面側に配置された空気拡散層１１４と、空気拡散層１１４の燃料電池１０１とは反対の主表面側に配置されたカソード保護層１１６とを有する。本実施形態の燃料電池モジュール１００は、４つの燃料電池１０１ａ〜１０１ｄを有するが、その数は限定されない。これらの燃料電池１０１は、燃料分配プレート１１２の主表面上に２行２列に並べられ、さらにその上に空気拡散層１１４とカソード保護層１１６とがこの順で積層される。カソード保護層１１６は、複数の開口１１６ａを有し、蓋部２ｃの開口２ｃ１から外部に露出して燃料電池システム１の筐体の一部を構成する。
【００１５】
燃料分配プレート１１２の燃料電池１０１とは反対の主表面側には、燃料カートリッジ２００と、圧力調整部３００と、指示部４００とが配置される。本実施形態の燃料電池システム１は、２つの燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂを有するが、その数は限定されない。燃料カートリッジ２００は、扁平な直方体形状であり、側面に水素放出充填口２０２を有する。各燃料カートリッジ２００は、一方の主表面が燃料分配プレート１１２と対向し、水素放出充填口２０２が圧力調整部３００側を向くように配置される。また、燃料カートリッジ２００は、水素放出充填口２０２が設けられた側面と対向する側面が、側壁２ｂ側を向くように配置される。
【００１６】
燃料電池１０１と燃料カートリッジ２００とは、燃料分配プレート１１２を挟んで近接するため、互いに熱交換可能である。本実施形態では、一方の側壁２ｂに近い側で当該側壁２ｂと平行に並ぶ２つの燃料電池１０１ａ，１０１ｂが、当該側壁２ｂ側に配置された燃料カートリッジ２００ａと熱交換可能であり、他方の側壁２ｂに近い側で当該側壁２ｂと平行に並ぶ２つの燃料電池１０１ｃ，１０１ｄが、当該側壁２ｂ側に配置された燃料カートリッジ２００ｂと熱交換可能である。
【００１７】
また、燃料分配プレート１１２の燃料電池１０１とは反対の主表面側には、筒状の燃料カートリッジ挿入補強部４が設けられる。外部から差し込まれる燃料カートリッジ２００は、燃料カートリッジ挿入補強部４内に挿通され、圧力調整部３００に接続される。燃料カートリッジ挿入補強部４によって、筐体２の強度が補強される。
【００１８】
圧力調整部３００は、装着された２つの燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂによって挟まれるように配置される。圧力調整部３００は、燃料カートリッジ２００の水素放出充填口２０２が接続されるカートリッジ接続部３０２（図３（Ａ）参照）と、燃料カートリッジ２００と燃料電池モジュール１００とをつなぐ燃料流路３０４（図３（Ａ）、図５参照）と、当該燃料流路における水素の流通を調整するための弁機構（図５参照）とを有する。圧力調整部３００の内部構造については後に詳細に説明する。
【００１９】
燃料カートリッジ２００は、筐体２に対して、より具体的には圧力調整部３００に対して着脱可能に設けられる。後述するように指示部４００を操作し、側壁２ｂをスライドさせることで、燃料カートリッジ２００の抜き差しが可能となる。外部から燃料カートリッジ２００が差し込まれると、水素放出充填口２０２がカートリッジ接続部３０２に接続され、燃料カートリッジ２００の内部と圧力調整部３００の燃料流路とが連通される。
【００２０】
指示部４００は、燃料カートリッジ２００ごとに設けられており、ユーザが押し込み操作するスイッチ４０２を備える。スイッチ４０２は、側壁２ｂに設けられた貫通孔２ｂ１に挿通されており、外部から押し込み操作可能である。スイッチ４０２が押し込まれると、指示部４００は、燃料カートリッジ２００の取り外しを指示する信号を制御部５００に送信する。ユーザは、取り外したい燃料カートリッジ２００に対応するスイッチ４０２を押し込むことで、当該燃料カートリッジ２００の取り外しを指示することができる。
【００２１】
スイッチ４０２は、押し込み操作がなされる前の状態で貫通孔２ｂ１内に延在する。そのため、側壁２ｂのスライドが妨げられる。スイッチ４０２が押し込まれると、スイッチ４０２と側壁２ｂとの係合が解除され、側壁２ｂを下方、すなわち蓋部２ｃから離間する方向にスライドさせることができる。側壁２ｂのスライドによって、燃料カートリッジ２００が露出し、燃料カートリッジ２００の取り出しが可能となる。
【００２２】
本実施形態の指示部４００には、取り外し対象の燃料カートリッジ２００からの後述する優先水素排出処理が終了するまで当該燃料カートリッジ２００の取り外しを禁止し、優先水素排出処理の終了後に取り外しを許容する取り外し規制部９００が設けられる。本実施形態の取り外し規制部９００は、青色及び赤色に発光可能なＬＥＤを有し、燃料カートリッジ２００の取り外しが許容される状態でＬＥＤを青色に発光させ、取り外しが禁止される状態でＬＥＤを赤色に発光させる。これにより、燃料カートリッジ２００の取り出しの禁止と許容とを切り替える。
【００２３】
なお、後述する取り外し対象でない燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１のオフ制御、もしくは後述する取り外し対象である燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１のオフ制御を実施する場合、取り外し規制部９００は、これらの制御が実行された後に燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する。また、取り外し規制部９００は、燃料カートリッジ２００が所定の第３温度以上である場合に燃料カートリッジ２００の取り外しを禁止し、所定の第３温度未満である場合に燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する。これにより、燃料電池システム１の安全性をより高めることができる。前記「所定の第３温度」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できる。
【００２４】
燃料カートリッジ２００の下方、すなわち燃料カートリッジ２００の燃料分配プレート１１２と反対の主表面側には、断熱性を有する保持板６が配置される。したがって、燃料カートリッジ２００、圧力調整部３００、指示部４００、及び燃料カートリッジ挿入補強部４は、燃料分配プレート１１２と保持板６とで挟まれた領域に配置される。保持板６の下方には、制御部５００及び二次電池６００が配置される。保持板６により、燃料カートリッジ２００から制御部５００及び二次電池６００への伝熱が抑制される。
【００２５】
制御部５００は、圧力調整部３００の弁機構を制御して、燃料カートリッジ２００から燃料電池１０１への水素の供給を制御する。また、制御部５００は、各燃料電池１０１ａ〜１０１ｄのオンオフ切替を制御する。さらに、制御部５００は、取り外し規制部９００を制御する。制御部５００により実行される制御については後に詳細に説明する。二次電池６００は、燃料電池システム１にかかる電力負荷が急激に増大した場合や、燃料電池１０１から電力を供給できない場合の補助電源として機能する。なお、燃料電池システム１は、二次電池６００を備えていなくてもよい。
【００２６】
次に、燃料電池１０１及び燃料カートリッジ２００の内部構造について詳細に説明する。図３（Ａ）は、図１のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の破線で囲まれた領域Ｂの拡大図である。燃料電池１０１は、膜電極接合体（セル）１０４を主な構成として有する。膜電極接合体１０４は、単数でも複数でもよい。膜電極接合体１０４が複数の場合、各膜電極接合体１０４は、平面状に複数配設され、インターコネクタ、集電体、配線などの電気接続部材（図示せず）により直列に接続された構造や、積層されたスタック構造等をとることができる。
【００２７】
膜電極接合体１０４は、電解質膜１０６、電解質膜１０６の一方の面に設けられたカソード１０８、及び電解質膜１０６の他方の面に設けられたアノード１１０で構成される。すなわち、一対のカソード１０８とアノード１１０との間に電解質膜１０６が挟持されてセルが構成される。セルは、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２８】
電解質膜１０６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、カソード１０８とアノード１１０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１０６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、ホスホン酸基又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（デュポン社製：登録商標）１１２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１０６の厚さは、たとえば１０〜２００μｍである。
【００２９】
カソード１０８及びアノード１１０は、それぞれイオン交換樹脂及び触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。カソード１０８及びアノード１１０が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜１０６を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜１０６と同様の高分子材料から形成されてよい。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、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。なお、カソード１０８およびアノード１１０の厚さは、それぞれ、たとえば１０〜４０μｍである。
【００３０】
膜電極接合体１０４のカソード１０８側には、空気拡散層１１４及びカソード保護層１１６がこの順に積層される。酸化剤としての空気は、外部から開口１１６ａを介して筐体２内に供給され、空気拡散層１１４で膜電極接合体１０４の面方向に拡散されて、カソード１０８に供給される。
【００３１】
膜電極接合体１０４のアノード１１０側には、燃料分配プレート１１２が積層される。燃料分配プレート１１２には、圧力調整部３００の燃料流路３０４の出口が接続されている。燃料流路３０４の入口側には、カートリッジ接続部３０２が設けられている。
【００３２】
燃料カートリッジ２００は、内部に燃料である水素を貯蔵するための水素吸蔵合金２０４を収容する。水素吸蔵合金２０４は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、水素吸蔵時に発熱し、水素放出時に吸熱する。水素吸蔵合金２０４は、例えば希土類系の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２０４は、これに限定されず、例えばＬａ−Ｎｉ系等の他の希土類系の合金、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２０４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。
【００３３】
水素吸蔵合金２０４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。また、水素吸蔵合金２０４は、ペレット形状ではなく、水素吸蔵合金の粉末が燃料カートリッジ２００の内部に充填されたものであってもよい。水素吸蔵合金２０４の形状は、特に限定されない。
【００３４】
燃料カートリッジ２００の水素放出充填口２０２には、封止機構（図示せず）が設けられる。この封止機構は、燃料カートリッジ２００が筐体２に差し込まれ、燃料カートリッジ２００の水素放出充填口２０２と圧力調整部３００の燃料流路３０４とが接続された状態でのみ、水素流通の遮断を解除するように構成される。
【００３５】
水素吸蔵合金２０４から放出された水素は、水素放出充填口２０２を介して圧力調整部３００の燃料流路３０４に送出され、燃料流路３０４及び燃料分配プレート１１２を経て、アノード１１０に供給される。
【００３６】
燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂの外表面には、それぞれ温度センサ７００ａ，７００ｂが設けられる（以下では適宜、温度センサ７００ａ及び温度センサ７００ｂをまとめて温度センサ７００という）。温度センサ７００ａにより燃料カートリッジ２００ａの表面温度が測定され、温度センサ７００ｂにより燃料カートリッジ２００ｂの表面温度が測定される。温度センサ７００は、測定した燃料カートリッジ２００の温度情報を示す信号を制御部５００に送信する。
【００３７】
図４は、実施形態１に係る燃料電池システムの回路構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａ，８００ｂ、二次電池充電回路６０２等を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａの端子ｄは、外部負荷（図示せず）に接続される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａには、燃料電池１０１ａ〜１０１ｄが接続される。燃料電池１０１ａ〜１０１ｄとＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａとを接続する経路にはそれぞれ、第１スイッチ回路ＳＷ１〜第４スイッチ回路ＳＷ４が設けられる。
【００３８】
第１スイッチ回路ＳＷ１〜第４スイッチ回路ＳＷ４はそれぞれ、３つの接点ａ，ｂ，ｃを有する。燃料電池１０１ａは、第１スイッチ回路ＳＷ１の接点ｂに接続される。燃料電池１０１ｂは、第２スイッチ回路ＳＷ２の接点ｂに接続される。燃料電池１０１ｃは、第３スイッチ回路ＳＷ３の接点ｂに接続される。燃料電池１０１ｄは、第４スイッチ回路ＳＷ４の接点ｂに接続される。制御部５００は、各スイッチ回路の接点ａに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａは、各スイッチ回路の接点ｃに接続される。
【００３９】
第１スイッチ回路ＳＷ１の接点ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａとを接続する経路には、第１スイッチ回路ＳＷ１からＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに向かう方向を順方向とするダイオードＤ１が設けられる。第２スイッチ回路ＳＷ２の接点ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａとを接続する経路には、第２スイッチ回路ＳＷ２からＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに向かう方向を順方向とするダイオードＤ２が設けられる。第３スイッチ回路ＳＷ３の接点ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａとを接続する経路には、第３スイッチ回路ＳＷ３からＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに向かう方向を順方向とするダイオードＤ３が設けられる。第４スイッチ回路ＳＷ４の接点ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａとを接続する経路には、第４スイッチ回路ＳＷ４からＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに向かう方向を順方向とするダイオードＤ４が設けられる。
【００４０】
二次電池６００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ｂに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａとＤＣ／ＤＣコンバータ８００ｂとを接続する経路には、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ｂからＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに向かう方向を順方向とするダイオードＤ５が設けられる。また、二次電池６００は、二次電池充電回路６０２に接続される。二次電池充電回路６０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａに接続される。
【００４１】
制御部５００は、第１スイッチ回路ＳＷ１〜第４スイッチ回路ＳＷ４の切り替えによって複数の燃料電池１０１ａ〜１０１ｄのオンオフをそれぞれ独立に切り替え可能である。また、制御部５００は、温度センサ７００ａ，７００ｂに接続され、温度センサ７００ａ，７００ｂから信号を受信する。さらに、制御部５００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８００ａ，８００ｂによる直流電圧の変換を制御する。また、制御部５００は、二次電池充電回路６０２を制御して、例えば外部から供給される電力により二次電池６００を充電する。
【００４２】
続いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転制御について説明する。図５は、実施形態１に係る燃料電池システムの模式図である。圧力調整部３００の燃料流路３０４は、第１燃料流路３０６と、複数の第２燃料流路３０８ａ，３０８ｂ（以下では適宜、第２燃料流路３０８ａ及び第２燃料流路３０８ｂをまとめて第２燃料流路３０８という）とを有する。第１燃料流路３０６と第２燃料流路３０８とは、燃料電池１０１及び燃料カートリッジ２００に対して並列に接続される。
【００４３】
第１燃料流路３０６は、各燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂに接続される複数の分岐部３１０ａ，３１０ｂ（以下では適宜、分岐部３１０ａ及び分岐部３１０ｂをまとめて分岐部３１０という）と、複数の分岐部３１０ａ，３１０ｂが集合して燃料電池１０１と接続される合流部３１２とを有する。
【００４４】
分岐部３１０ａは、一端がカートリッジ接続部３０２を介して燃料カートリッジ２００ａに接続され、他端が合流部３１２の一端に接続される。分岐部３１０ｂは、一端がカートリッジ接続部３０２を介して燃料カートリッジ２００ｂに接続され、他端が合流部３１２の一端に接続される。合流部３１２の他端は、燃料分配プレート１１２を介して各燃料電池１０１ａ〜１０１ｄに接続される。各分岐部３１０ａ，３１０ｂには逆止弁３１４ａ，３１４ｂが設けられ、これにより合流部３１２側からカートリッジ接続部３０２側への水素の逆流が抑制される。
【００４５】
合流部３１２には逆止弁３１６が設けられ、これにより燃料電池１０１側から分岐部３１０側への水素の逆流が抑制される。また、合流部３１２には、分岐部３１０側の端部と逆止弁３１６との間に第１流量調節部３１８が設けられる。本実施形態の燃料電池システム１では、第１流量調節部３１８は、第１減圧弁３２０を有する。第１減圧弁３２０により第１流量調節部３１８内の水素の圧力が調整される。第１減圧弁３２０により燃料カートリッジ２００から供給される水素の圧力が低減されて、燃料電池１０１のアノード１１０が保護される。
【００４６】
第２燃料流路３０８ａは、一端が分岐部３１０ａにおけるカートリッジ接続部３０２と逆止弁３１４ａとの間に接続され、他端が合流部３１２における逆止弁３１６と燃料分配プレート１１２側の端部との間に接続される。したがって、燃料カートリッジ２００ａと燃料電池１０１とは、第１燃料流路３０６及び第２燃料流路３０８ａの２つの流路によって接続される。第２燃料流路３０８ａには逆止弁３２２ａが設けられ、これにより燃料電池１０１側から燃料カートリッジ２００ａ側への水素の逆流が抑制される。また、第２燃料流路３０８ａには、分岐部３１０ａ側の端部と逆止弁３２２ａとの間に第２流量調節部３２４ａが設けられる。本実施形態の燃料電池システム１では、第２流量調節部３２４ａは、第２減圧弁３２６ａを有する。第２減圧弁３２６ａにより第２燃料流路３０８ａ内の水素の圧力が調整される。
【００４７】
第２燃料流路３０８ｂは、一端が分岐部３１０ｂにおけるカートリッジ接続部３０２と逆止弁３１４ｂとの間に接続され、他端が合流部３１２における逆止弁３１６と燃料分配プレート１１２側の端部との間に接続される。したがって、燃料カートリッジ２００ｂと燃料電池１０１とは、第１燃料流路３０６及び第２燃料流路３０８ｂの２つの流路によって接続される。第２燃料流路３０８ｂには逆止弁３２２ｂが設けられ、これにより燃料電池１０１側から燃料カートリッジ２００ｂ側への水素の逆流が抑制される。また、第２燃料流路３０８ｂには、分岐部３１０ｂ側の端部と逆止弁３２２ｂとの間に第２流量調節部３２４ｂが設けられる。本実施形態の燃料電池システム１では、第２流量調節部３２４ｂは、第２減圧弁３２６ｂを有する。第２減圧弁３２６ｂにより第２燃料流路３０８ｂ内の水素の圧力が調整される。
【００４８】
以下では適宜、第２流量調節部３２４ａ及び第２流量調節部３２４ｂをまとめて第２流量調節部３２４といい、第２減圧弁３２６ａ及び第２減圧弁３２６ｂをまとめて第２減圧弁３２６という。ここで、図６を用いて第１減圧弁３２０及び第２減圧弁３２６の構造について説明する。図６は、第１減圧弁及び第２減圧弁の概略断面図である。なお、第１減圧弁３２０及び第２減圧弁３２６は同一の構造を有するため、以下では第１減圧弁３２０の構造について説明し、第２減圧弁３２６の説明は省略する。
【００４９】
第１減圧弁３２０は、弁棒３２０２と、ダイアフラム３２０４と、弁ばね３２０６と、調圧ばね３２０８と、調圧ばね調整ねじ３２１０と、外圧入力部３２１２と、弁棒収容部３２１４とを主な構成として有する。弁棒収容部３２１４は、合流部３１２の流路内に嵌め込まれている。また、弁棒収容部３２１４は、第１減圧弁３２０の１次側Ｓ１、すなわち水素流れの上流側に配置される１次側開口部３２１４ａと、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２、すなわち水素流れの下流側に配置される２次側開口部３２１４ｂとを有する。
【００５０】
弁棒３２０２は、フランジ部３２０２ａを有し、フランジ部３２０２ａを含む一端側が弁棒収容部３２１４内に収容され、他端側が２次側開口部３２１４ｂを介して弁棒収容部３２１４の外に配置される。弁棒収容部３２１４の内壁における２次側開口部３２１４ｂの周縁部にはパッキン３２１６が設けられる。弁棒３２０２の一端側には、弁ばね３２０６が設けられる。弁ばね３２０６は、弁棒収容部３２１４の内壁とフランジ部３２０２ａとの間に配置され、弁棒３２０２が弁棒収容部３２１４内から退出する方向（図６における上方向）に弁棒３２０２を付勢する。また、フランジ部３２０２ａの径は、２次側開口部３２１４ｂの開口径よりも大きく、弁棒３２０２が上方向に変位するとフランジ部３２０２ａがパッキン３２１６に当接するように設定される。
【００５１】
弁棒３２０２の他端は、ダイアフラム３２０４の一方の主表面に当接する。ダイアフラム３２０４の一方の主表面は、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２側の空間に接する。ダイアフラム３２０４の他方の主表面には調圧ばね３２０８が当接し、調圧ばね３２０８によりダイアフラム３２０４を介して、弁棒３２０２が弁棒収容部３２１４内に進入する方向（図６における下方向）に付勢される。調圧ばね３２０８のダイアフラム３２０４と反対側の端部には調圧ばね調整ねじ３２１０が配置され、調圧ばね調整ねじ３２１０により調圧ばね３２０８の反発力が調整される。また、調圧ばね３２０８のダイアフラム３２０４と反対側の端部には、外圧入力部３２１２が配置される。外圧入力部３２１２は、調圧ばね３２０８に力Ｆを入力して、調圧ばね３２０８を圧縮する。これにより、調圧ばね３２０８の反発力が増大される。後述する燃料制御部５０２は、外圧入力部３２１２を制御して力Ｆの大きさを調整する。
【００５２】
フランジ部３２０２ａとパッキン３２１６との間に隙間Ｄが形成される状態（図６に示す状態）では、合流部３１２を流れる水素は、第１減圧弁３２０の１次側Ｓ１から１次側開口部３２１４ａ、弁棒収容部３２１４、隙間Ｄ、及び２次側開口部３２１４ｂを経由して第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２に流れる。これにより、２次側Ｓ２側の圧力が大きくなり、当該圧力によりダイアフラム３２０４が調圧ばね３２０８を圧縮する方向に押し上げられる。また、ダイアフラム３２０４に連動して弁棒３２０２が押し上げられて、フランジ部３２０２ａがパッキン３２１６に接近して隙間Ｄが閉じられる。その結果、第１減圧弁３２０の１次側Ｓ１から２次側Ｓ２側への水素の移動が停止する。
【００５３】
燃料電池１０１により水素が消費されて第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の水素が減ると、２次側Ｓ２の圧力が小さくなり、調圧ばね３２０８の付勢力によりダイアフラム３２０４及び弁棒３２０２が押し下げられる。これによりフランジ部３２０２ａがパッキン３２１６から離間して隙間Ｄが徐々に大きくなる。その結果、第１減圧弁３２０の１次側Ｓ１から２次側Ｓ２側への水素の移動が起こる。以上の動作が繰り返されて、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の圧力が一定に保たれる。
【００５４】
また、外圧入力部３２１２の入力が燃料制御部５０２により増大されると、調圧ばね３２０８の反発力が増大する。これにより、隙間Ｄを閉じるために必要な第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の圧力が増大される。したがって、２次側Ｓ２の圧力を増大させることで、燃料カートリッジ２００からの水素放出を促進させることができる。
【００５５】
図５に示すように、各燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂは、燃料電池１０１に対して並列に接続される。したがって、各燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂは、燃料電池１０１に対して互いに独立に水素を供給可能である。そのため、燃料電池１０１の運転中に、任意の一部の燃料カートリッジ２００が燃料電池１０１に接続された状態で、残りの燃料カートリッジ２００を取り外し可能である。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料カートリッジ２００のホットスワップに対応している。
【００５６】
制御部５００は、各燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂから燃料電池１０１への燃料の供給を制御する燃料制御部５０２と、各燃料電池１０１ａ〜１０１ｄのオンオフを切り替える切替制御部５０４とを有する。なお、制御部５００は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現されるが、図５ではそれらの連携によって実現される機能ブロックとして描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００５７】
燃料制御部５０２は、燃料電池１０１の運転中に任意の燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされていないとき、各燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂにおいて第２燃料流路３０８より第１燃料流路３０６に優先的に水素が流れるように第１流量調節部３１８及び第２流量調節部３２４を制御する。すなわち、燃料電池システム１の通常運転時は、主に第１燃料流路３０６を介して燃料カートリッジ２００から燃料電池１０１へ水素が供給される。例えば、燃料カートリッジ２００の水素は、第１燃料流路３０６のみを介して燃料電池１０１に供給される。
【００５８】
また、燃料制御部５０２は、燃料電池１０１の運転中に、指示部４００により任意の燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされたとき、第１燃料流路３０６の水素流量が取り外し指示がなされていないときよりも小さくなり、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００に接続される第２燃料流路３０８の水素流量が取り外し指示がなされていないときよりも大きくなるように第１流量調節部３１８及び第２流量調節部３２４を制御する。他の燃料カートリッジ２００に接続される第２燃料流路３０８の水素流量は、取り外し指示がなされていないときの流量に維持されるか、当該流量よりも低減される。
【００５９】
すなわち、燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされた場合、第１燃料流路３０６を介した燃料カートリッジ２００から燃料電池１０１への水素供給が抑制されることで、取り外しの対象でない燃料カートリッジ２００から燃料電池１０１への水素の供給が抑制される。そして、取り外し対象の燃料カートリッジ２００の水素が、当該燃料カートリッジ２００と燃料電池１０１とを接続する第２燃料流路３０８を介して優先的に燃料電池１０１に供給される。例えば、燃料電池１０１には、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００の水素のみが第２燃料流路３０８を介して供給される。
【００６０】
そして、燃料制御部５０２は、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００から優先的に水素を放出させた後に、当該燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する。本実施形態では、燃料カートリッジ２００ａ，２００ｂのそれぞれに対応する指示部４００ａ，４００ｂに取り外し規制部９００ａ，９００ｂが設けられている。燃料制御部５０２は、取り外し対象の燃料カートリッジ２００からの優先水素排出処理の終了の後、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００に対応する取り外し規制部９００のＬＥＤを赤色から青色に切り替えることで、燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する。なお、前記「取り出し対象の燃料カートリッジ２００からの優先水素放出処理の終了」とは、例えば、燃料カートリッジ２００の取り出し指示がなされてから所定時間が経過するまでである。この所定時間は、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できる。
【００６１】
本実施形態では、上述のように第１流量調節部３１８が第１減圧弁３２０を有し、第２流量調節部３２４ａ，３２４ｂが第２減圧弁３２６ａ，３２６ｂを有する。そこで、燃料制御部５０２は、取り外し指示がなされていないとき、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の圧力が各第２減圧弁３２６の２次側Ｓ２の圧力よりも高くなるように第１減圧弁３２０及び第２減圧弁３２６を制御する。また、燃料制御部５０２は、取り外し指示がなされたとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００に接続される第２燃料流路３０８に設けられた第２減圧弁３２６の２次側Ｓ２の圧力が、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の圧力、及び取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００以外の燃料カートリッジ２００に接続される第２燃料流路３０８に設けられた第２減圧弁３２６の２次側Ｓ２の圧力よりも高くなるように第１減圧弁３２０及び第２減圧弁３２６を制御する。
【００６２】
このように、本実施形態の燃料電池システム１において、燃料制御部５０２は、燃料電池１０１の運転中に任意の燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされた場合、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００から、それ以外の燃料カートリッジ２００よりも優先的に水素を放出させた後に、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する。これにより、取り外し指示がなされたときに取り外し対象の燃料カートリッジ２００に水素が残存する場合であっても、当該燃料カートリッジ２００の水素残量を減らすことができる。そのため、燃料カートリッジ２００への水素充填や交換作業の頻度が高くなることを抑制することができる。
【００６３】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、上述のように燃料電池１０１ａ，１０１ｂが燃料カートリッジ２００ａと熱交換可能であり、燃料電池１０１ｃ，１０１ｄが燃料カートリッジ２００ｂと熱交換可能である。これにより、燃料電池１０１における電気化学反応で発生した熱で燃料カートリッジ２００を昇温させて、水素吸蔵合金２０４の水素放出を促進させることができる。また、同時に水素吸蔵合金２０４の水素放出時の吸熱反応により燃料電池１０１を放熱することができる。
【００６４】
水素吸蔵合金２０４の水素放出は吸熱反応であるため、燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する前に取り外し対象の燃料カートリッジ２００から優先的に水素を放出させることで、当該燃料カートリッジ２００の表面温度を低減することができる。これにより、燃料カートリッジ２００を取り外す際に、燃料カートリッジ２００の表面がより冷却された状態となるため、ユーザの作業性及び作業時の安全性を高めることができる。
【００６５】
また、切替制御部５０４は、燃料電池１０１の発電中に任意の燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされたとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の少なくとも１つをオフにする。例えば、燃料カートリッジ２００ａの取り外しが指示された場合、燃料カートリッジ２００ａと熱交換する燃料電池１０１ａ及び燃料電池１０１ｂの少なくとも一方をオフにする。これにより、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００をより冷却することができる。
【００６６】
切替制御部５０４は、燃料電池１０１の発電中に任意の燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされたとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００以外の燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の少なくとも１つをオフにしてもよい。例えば、燃料カートリッジ２００ａの取り外しが指示された場合、燃料カートリッジ２００ｂと熱交換する燃料電池１０１ｃ及び燃料電池１０１ｄの少なくとも一方をオフにする。燃料電池１０１の一部をオフにする場合、燃料電池システム１全体の発電量を維持するために、他の燃料電池１０１の発電量を増大させる必要がある。したがって、取り外しの対象でない燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１をオフにすると、取り外しの対象である燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の発電量が増大する。その結果、当該燃料電池１０１の発熱量が増大し、取り外しの対象である燃料カートリッジ２００がより加熱される。
【００６７】
図７は、燃料カートリッジの表面温度が２０℃、４０℃、６０℃であるときの燃料カートリッジ中の水素残量と水素放出圧力との関係を示す図である。図７から、燃料カートリッジ２００の表面温度が高いほど、高い水素放出圧力を維持することができることが分かる。特に、水素残量が１０％〜９５％の範囲にあるとき、燃料カートリッジ２００の表面温度が高いほど水素放出圧力が高い値で維持させる。そのため、取り外し対象の燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の発電量を増大させて当該燃料カートリッジ２００をより加熱することで、当該燃料カートリッジ２００の水素残量をより低減させることができる。
【００６８】
好ましくは、切替制御部５０４は、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００が所定の第１温度未満であるとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００以外の燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の少なくとも１つをオフにする。これにより、燃料カートリッジ２００の取り外し作業の頻度を低減させるとともに、燃料電池システム１による外部への電力供給をより安定させることができ、また、他の燃料電池１０１に負荷がかかる回数を低減させることができる。前記「所定の第１温度」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できる。
【００６９】
また、好ましくは、切替制御部５０４は、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００が所定の第２温度以上であるとき、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の少なくとも１つをオフにする。これにより、ユーザの作業性及び安全性を向上させるとともに、燃料電池システム１による外部への電力供給をより安定させることができ、また、他の燃料電池１０１に負荷がかかる回数を低減させることができる。前記「所定の第２温度」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できる。なお、所定の第１〜第３温度は、例えば第１温度、第２温度、第３温度の順に高い温度である。例えば、第１温度は３５℃、第２温度は４０℃、第３温度は４５℃である。また、例えば、第１温度は、２５〜４０℃の範囲で設定することができ、第２温度は４０〜５０℃の範囲で設定することができ、第３温度は、４０℃〜６０℃の範囲で設定することができる。
【００７０】
なお、切替制御部５０４は、燃料電池システム１にかかる電力負荷が燃料電池システム１の最大発電量を下回る場合に、オフの対象となる燃料電池１０１をオフにする。これにより、燃料電池システム１が外部電力負荷に対して供給する電力量が不足することをより確実に回避することができるため、燃料電池システム１の信頼性を高めることができる。
【００７１】
図８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８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、燃料制御部５０２及び切替制御部５０４を含む制御部５００が所定のタイミングで繰り返し実行する。
【００７２】
まず、制御部５００は、燃料電池１０１が運転中（発電中）であるか判断する（Ｓ１０１）。燃料電池１０１が運転中でない場合（Ｓ１０１のＮ）、制御部５００は、本ルーチンを終了する。燃料電池１０１が運転中である場合（Ｓ１０１のＹ）、制御部５００は、燃料カートリッジ２００の取り外し指示があるか判断する（Ｓ１０２）。燃料カートリッジ２００の取り外し指示がない場合（Ｓ１０２のＮ）、制御部５００は、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の圧力を各第２流量調節部３２４の２次側Ｓ２の圧力よりも高め（Ｓ１０３）、本ルーチンを終了する。
【００７３】
燃料カートリッジ２００の取り外し指示がある場合（Ｓ１０２のＹ）、制御部５００は、取り外し対象の燃料カートリッジ２００に接続される第２減圧弁３２６の２次側Ｓ２の圧力を、第１減圧弁３２０の２次側Ｓ２の圧力よりも高める（Ｓ１０４）。
【００７４】
続いて、制御部５００は、燃料電池システム１にかかる電力負荷が燃料電池システム１の最大発電量を下回るか判断する（Ｓ１０５）。当該電力負荷が燃料電池システム１の最大発電量を下回る場合（Ｓ１０５のＹ）、制御部５００は、取り外し対象の燃料カートリッジ２００の表面温度が第１温度未満であるか判断する（Ｓ１０６）。表面温度が第１温度未満である場合（Ｓ１０６のＹ）、制御部５００は、取り外し対象でない燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の少なくとも１つをオフにする（Ｓ１０７）。その後、制御部５００は、取り外し規制部９００を制御して燃料カートリッジ２００の取り外しを許容し（Ｓ１０８）、本ルーチンを終了する。
【００７５】
取り外し対象の燃料カートリッジ２００の表面温度が第１温度以上である場合（Ｓ１０６のＮ）、制御部５００は、当該表面温度が第２温度以上であるか判断する（Ｓ１０９）。表面温度が第２温度未満である場合（Ｓ１０９のＮ）、制御部５００は、取り外し規制部９００を制御して燃料カートリッジ２００の取り外しを許容し（Ｓ１０８）、本ルーチンを終了する。取り外し対象の燃料カートリッジ２００の表面温度が第２温度以上である場合（Ｓ１０９のＹ）、制御部５００は、取り外し対象の燃料カートリッジ２００と熱交換する燃料電池１０１の少なくとも１つをオフにする（Ｓ１１０）。
【００７６】
その後、制御部５００は、取り外し対象の燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度以上であるか判断する（Ｓ１１１）。また、燃料電池システム１にかかる電力負荷が燃料電池システム１の最大発電量以上である場合（Ｓ１０５のＮ）も同様に、制御部５００は、取り外し対象の燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度以上であるか判断する（Ｓ１１１）。当該燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度未満である場合（Ｓ１１１のＮ）、制御部５００は、取り外し規制部９００を制御して燃料カートリッジ２００の取り外しを許容し（Ｓ１０８）、本ルーチンを終了する。表面温度が第３温度以上である場合（Ｓ１１１のＹ）、制御部５００は、取り外し規制部９００を制御して燃料カートリッジ２００の取り外しを禁止し（Ｓ１１１２）、本ルーチンを終了する。
【００７７】
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は、着脱可能に設けられた複数の燃料カートリッジ２００を有する。そして、燃料制御部５０２は、燃料電池１０１の運転中に任意の燃料カートリッジ２００の取り外し指示がなされた場合、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００から、それ以外の燃料カートリッジ２００よりも優先的に水素を放出させた後に、取り外しの対象となる燃料カートリッジ２００の取り外しを許容する。これにより、取り外し対象となる燃料カートリッジ２００の水素残量を低減させることができる。そのため、燃料カートリッジ２００の取り外し作業の頻度を低減させることができ、ユーザの利便性の向上を図ることができる。
【００７８】
（実施形態２）
実施形態２に係る燃料電池システム１は、取り外し規制部９００を除き、実施形態１に係る燃料電池システム１の構成と共通する。以下、実施形態２に係る燃料電池システム１について実施形態１と異なる構成を中心に説明する。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。図９（Ａ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの燃料カートリッジを模式的に示す側面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。図９（Ｃ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの燃料カートリッジ挿入補強部を模式的に示す側面図である。図９（Ｄ）は、図９（Ｃ）のＣ−Ｃ線に沿った概略断面図である。
【００７９】
実施形態２に係る燃料電池システム１の燃料カートリッジ２００には、側壁の所定位置に凹部２０６が設けられる。また、燃料カートリッジ挿入補強部４の側壁には、開口４ａが設けられる。当該側壁の外側には、当該開口４ａを塞ぐように取り外し規制部９００が設けられる。凹部２０６と開口４ａとは、燃料カートリッジ挿入補強部４の側面と交わる方向から見て、燃料カートリッジ２００が燃料カートリッジ挿入補強部４に挿入された状態で重なり合うように互いの位置関係が定められる。
【００８０】
取り外し規制部９００は、筐体９０２と、筐体９０２に設けられた棒体収容部９０４と、棒体収容部９０４に収容される棒体９０６とを備える。本実施形態の取り外し規制部９００は、例えばアクチュエータ等で構成される、電気式ロック機構である。棒体９０６は、棒体収容部９０４から突出可能に棒体収容部９０４内に収容される。棒体９０６は、棒体収容部９０４から突出すると、開口４ａを介して凹部２０６に進入する。取り外し規制部９００は、制御部５００から制御信号を受信して、棒体９０６を変位させる。
【００８１】
図１０（Ａ）は、棒体が棒体収容部から突出した状態を示す概略断面図であり、図１０（Ｂ）は、棒体が棒体収容部に収容された状態を示す概略断面図である。図１０（Ａ）に示すように、取り外し規制部９００は、取り出し対象の燃料カートリッジ２００からの優先水素放出処理の終了、及び燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度未満であることの両方の条件が揃うまでの間、棒体９０６を棒体収容部９０４から突出させ、凹部２０６に進入させる。これにより、燃料カートリッジ２００の取り外しが禁止される。一方、上述した両方の条件が揃った場合、図１０（Ｂ）に示すように、取り外し規制部９００は、棒体９０６を棒体収容部９０４に収容する。これにより、燃料カートリッジ２００の取り外しが許容される。
【００８２】
以上説明した実施形態２に係る燃料電池システム１では、取り外し対象の燃料カートリッジ２００からの優先水素放出処理が終了し、当該燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度未満となるまで、取り外し規制部９００が物理的に燃料カートリッジ２００の取り外しを禁止する。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、実施形態１で得られる効果に加えて、取り外し対象の燃料カートリッジ２００からの優先水素放出処理をより確実に実施することができ、また、ユーザの安全性をさらに高めることができるという効果を得ることができる。
【００８３】
（実施形態３）
実施形態３に係る燃料電池システム１は、取り外し規制部９００を除き、実施形態１に係る燃料電池システム１の構成と共通する。以下、実施形態３に係る燃料電池システム１について実施形態１と異なる構成を中心に説明する。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。図１１（Ａ）は、実施形態３に係る燃料電池システムの燃料カートリッジを模式的に示す平面図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿った概略断面図である。図１１（Ｃ）は、実施形態３に係る燃料電池システムの燃料カートリッジ挿入補強部を模式的に示す平面図である。図１１（Ｄ）は、図１１（Ｃ）のＥ−Ｅ線に沿った概略断面図である。
【００８４】
実施形態３に係る燃料電池システム１の燃料カートリッジ２００には、一方の主表面に凹部２０８が設けられる。また、燃料カートリッジ挿入補強部４の一方の主表面には、開口４ｂが設けられる。また、燃料カートリッジ挿入補強部４の一方の主表面には、取り外し規制部９００が設けられる。凹部２０８と開口４ｂとは、燃料カートリッジ挿入補強部４の主表面と交わる方向から見て、燃料カートリッジ２００が燃料カートリッジ挿入補強部４に挿入された状態で重なり合うように互いの位置関係が定められる。
【００８５】
本実施形態の取り外し規制部９００は、熱膨張率の異なる２種類の金属板が積層されてなるバイメタルで構成される。取り外し規制部９００は平板状であり、取り外し規制部９００の一方の端部が燃料カートリッジ挿入補強部４の一方の主表面に接続され、他端側が開口４ｂの一部を覆うように配置される。取り外し規制部９００は、湾曲して他端側が開口４ｂ内を経て凹部２０８内に進入する状態と、平面状、すなわち断面視で直線状となって他端側が凹部２０８から退出する状態とを、燃料カートリッジ２００の温度変化により切り替え可能である。したがって、本実施形態では、取り外し規制部９００は、制御部５００による制御を受けることなく燃料カートリッジ２００の取り外しを禁止する状態と許容する状態とを切り替える。
【００８６】
図１２（Ａ）は、取り外し規制部が開口内に進入した状態を示す概略断面図であり、図１２（Ｂ）は、取り外し規制部が開口内から退出した状態を示す概略断面図である。図１２（Ａ）に示すように、取り外し規制部９００は、燃料カートリッジ２００の表面温度が例えば第３温度以上である場合、湾曲して凹部２０８内に進入する。これにより、燃料カートリッジ２００の取り外しが禁止される。一方、燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度未満になると、図１２（Ｂ）に示すように、取り外し規制部９００は、平面状となって凹部２０８から退出する。これにより、燃料カートリッジ２００の取り外しが許容される。
【００８７】
以上説明した実施形態３に係る燃料電池システム１では、取り外し対象の燃料カートリッジ２００の表面温度が第３温度未満となるまで、取り外し規制部９００が物理的に燃料カートリッジ２００の取り外しを禁止する。そのため、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、実施形態１で得られる効果に加えて、ユーザの安全性をさらに高めることができるという効果を得ることができる。また、本実施形態では、取り外し規制部９００は、バイメタルで構成されるため、燃料カートリッジ２００の取り外しの禁止と許容との切り替えに電力が必要とされない。そのため、燃料電池システム１の省電力化を図ることができる。
【００８８】
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。
【００８９】
図１３は、変形例に係る燃料電池システムの外観を示す斜視図である。本変形例に係る燃料電池システム１は、４つの燃料カートリッジ２００を備える。筐体２は、側壁２ａ１と略直交する方向に延在する４つの側壁２ｂを有する。すなわち、本実施形態の筐体２は、実施形態１の筐体２の側壁２ｂそれぞれが２つに分割された構造に相当する。４つの側壁２ｂはそれぞれ、いずれか１つの燃料カートリッジ２００の蓋部として機能し、互いに独立にスライド可能である。４つの燃料カートリッジ２００には、それぞれ指示部４００及び取り外し規制部９００が設けられる。
【符号の説明】
【００９０】
１  燃料電池システム、  １０１  燃料電池、１０４  膜電極接合体、  １０６  電解質膜、  １０８  カソード、  １１０  アノード、  ２００  燃料カートリッジ、２０４  水素吸蔵合金、  ３０４  燃料流路、  ３０６  第１燃料流路、  ３０８  第２燃料流路、  ３１０  分岐部、  ３１２  合流部、  ３１８  第１流量調節部、  ３２０  第１減圧弁、  ３２４  第２流量調節部、  ３２６  第２減圧弁、  ４００  指示部、  ５００  制御部、  ５０２  燃料制御部、  ５０４  切替制御部、  ９００  取り外し規制部、  Ｓ２  ２次側。
【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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