(57)【要約】【課題】液体水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給装置の制御を簡略化する。【解決手段】液体水素タンク３から燃料電池２に水素を供給する水素供給流路１１に、水素吸蔵合金を収納した温度調整器４を設け、冷却回路１４を循環して燃料電池２を冷却する冷却水と温度調整器４の水素吸蔵合金とを熱伝達可能にする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給流路に、水素吸蔵合金を収納した温度調整器を設け、冷却回路を循環して前記燃料電池を冷却する冷媒と前記温度調整器の水素吸蔵合金とを熱伝達可能にしたことを特徴とする燃料電池の水素供給装置。
【請求項２】
前記温度調整器によって温度調整された水素が流通し、該水素と前記液体水素タンクに貯蔵された液体水素との間で熱交換を行わせる加熱流路を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給装置。
【請求項３】
起動時に前記液体水素タンクの水素を前記温度調整器の水素吸蔵合金に吸蔵させ、この吸蔵時の水素吸蔵合金の発熱で、前記冷却回路を流通している冷媒を加熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給装置。
【請求項４】
停止時は前記加熱流路を遮断することを特徴とする請求項２に記載の水素供給装置。
【請求項５】
停止時は前記液体水素タンク内の圧力が所定圧力以下のときに前記温度調整器への水素供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給装置。
【請求項６】
停止時は前記温度調整器の水素吸蔵合金の温度が所定温度以上のときに前記燃料電池への水素供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体水素タンクから燃料電池に水素を供給する水素供給装置としては、液体水素タンク内に蒸発器を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この水素供給装置では、燃料電池への水素供給量が増大したときには多くの水素を蒸発させるために蒸発器への供給熱量（例えば、電気ヒータ等により発生させる熱量）を増大制御し、燃料電池への水素供給量が減少したときには水素の蒸発量を低減するために蒸発器への供給熱量を減少制御する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３０６９２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の水素供給装置は、燃料電池への水素供給量の増減に応じて蒸発器への供給熱量を制御する必要があり、制御を複雑化していた。
具体的には、燃料電池の出力増大要求があって水素の蒸発量を増大させる場合、供給熱量の増大に時間がかかるため、実際に水素供給量が増大するまでに応答遅れが生じる。
さらに、蒸発器への供給熱量を減少させて水素の蒸発量を低減させる場合、蒸発器の熱容量によって水素が必要以上に蒸発してしまうので、蒸発器の制御が複雑化した。
そこで、この発明は、制御が簡単にでき且つ応答性に優れた燃料電池の水素供給装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、液体水素タンク（例えば、後述する実施の形態における液体水素タンク３）から燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）に水素を供給する水素供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素供給流路１１）に、水素吸蔵合金（例えば、後述する実施の形態における水素吸蔵合金４４）を収納した温度調整器（例えば、後述する実施の形態における温度調整器４）を設け、冷却回路（例えば、後述する実施の形態における冷却回路１４）を循環して前記燃料電池を冷却する冷媒（例えば、後述する実施の形態における冷却水）と前記温度調整器の水素吸蔵合金とを熱伝達可能にしたことを特徴とする燃料電池の水素供給装置（例えば、後述する実施の形態における水素供給装置１）である。
このように構成することにより、液体水素タンクから供給される水素を温度調整器の水素吸蔵合金に吸蔵させることができるとともに、燃料電池の廃熱で水素吸蔵合金を加熱して水素吸蔵合金に吸蔵されている水素を放出することができる。そして、定常運転時には、水素吸蔵合金に水素が吸蔵されないように、換言すると水素吸蔵合金の水素を総て放出できるように冷媒温度を制御することにより、燃料電池への供給水素の温度および圧力をほぼ一定にすることができる。また、燃料電池で消費される水素量が増加する過渡時には、液体水素タンクから温度調整器に供給される水素が増大するため、水素吸蔵合金が冷却されるが、水素吸蔵合金の温度が低下すると水素吸蔵合金は水素吸蔵可能な状態になって再び水素を吸蔵して発熱し、水素の温度が低下するのを防止する。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記温度調整器によって温度調整された水素が流通し、該水素と前記液体水素タンクに貯蔵された液体水素との間で熱交換を行わせる加熱流路（例えば、後述する実施の形態における加熱流路１６）を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、温度調整器で温調された水素によって液体水素タンク内の液体水素を加熱することができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、起動時に前記液体水素タンクの水素を前記温度調整器の水素吸蔵合金に吸蔵させ、この吸蔵時の水素吸蔵合金の発熱で、前記冷却回路を流通している冷媒を加熱することを特徴とする。
このように構成することにより、起動時に水素吸蔵合金が水素を吸蔵したときに生じる熱を、冷媒を介して燃料電池に伝達することができる。
【０００８】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の発明において、停止時は前記加熱流路を遮断することを特徴とする。
このように構成することにより、停止時には液体水素の気化促進を停止することができる。
【０００９】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の発明において、停止時は前記液体水素タンク内の圧力が所定圧力以下のときに前記温度調整器への水素供給を停止することを特徴とする。
このように構成することにより、液体水素タンク内の液体水素の気化が所定まで低減した後に、液体水素タンクから温度調整器の水素吸蔵合金に新たな水素を供給させないようにすることができる。
【００１０】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の発明において、停止時は前記温度調整器の水素吸蔵合金の温度が所定温度以上のときに前記燃料電池への水素供給を停止することを特徴とする。
このように構成することにより、水素吸蔵合金内に吸蔵された水素をほぼ放出させた状態で停止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の水素供給装置の一実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態では、水素供給装置を燃料電池自動車に搭載した態様で説明する。
図１に燃料電池の水素供給装置１の概略構成を示す。燃料電池２は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１２】
液体水素タンク３には液体水素が貯蔵されており、液体水素タンク３から排出された水素は、温度調整器４を備えた水素供給流路１１を介して燃料電池２のアノードに供給される。
水素供給流路１１において液体水素タンク３と温度調整器４との間には、液体水素タンク３の出口における水素圧力を検出するタンク出口水素圧センサ５と、タンク出口弁Ｖ１が設けられている。
また、水素供給流路１１において温度調整器４と燃料電池２との間には、温調出口弁Ｖ２が設けられている。
なお、空気はコンプレッサ６によって燃料電池２のカソードに供給される。
【００１３】
温度調整器４は、後で詳述するように、燃料電池２の発電によって発生した熱を熱源とし、水素吸蔵合金の特性を利用して、液体水素タンク３から供給された水素を所定温度に調整して燃料電池２に供給する。
図２に示すように、温度調整器４は、ＭＨ収納室４１およびＭＨ収納室４１の周りのウォータジャケット４２を有するハウジング４３と、ＭＨ収納室４１に収納された水素吸蔵合金４４とを備えて構成されており、ＭＨ収納室４１の入口４１ａと出口４１ｂに水素供給流路１１が接続されている。ハウジング４３と水素吸蔵合金４４は伝熱フィン４５を介して接続され熱伝達可能にされており、これにより、ウォータジャケット４２を流通する冷却水（冷媒）と水素吸蔵合金４４との間で熱伝達が可能にされている。また、ＭＨ収納室４１の入口４１ａと出口４１ｂにはフィルタ４６が設けられている。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池２の冷却水通路２ａと温度調整器４のウォータジャケット４２は、冷却水ポンプ７を備えた第１冷却水流路１２と、ラジエター８を備えた第２冷却水流路１３によって接続されており、冷却水通路２ａ、ウォータジャケット４２、第１冷却水流路１２、第２冷却水流路１３は、冷却水を燃料電池２と温度調整器４との間で循環する冷却回路１４を構成する。冷却水は、燃料電池２の冷却水通路２ａから第１冷却水流路１２を流通して温度調整器４のウォータジャケット４２に供給され、温度調整器４のウォータジャケット４２から第２冷却水流路１３を流通して燃料電池２の冷却水通路２ａに戻る。燃料電池２が発電しているときには、冷却水は燃料電池２の発電に伴い発生する熱を奪って燃料電池２を冷却し、温度上昇した冷却水は温度調整器４において熱を奪われて冷却され、さらにラジエター７において冷却される。
第１冷却水流路１２における冷却水ポンプ７の上流には、燃料電池２から流出した冷却水の温度を検出する冷却水温センサ９が設けられ、温度調整器４には、水素吸蔵合金４４の温度を検出するＭＨ温センサ１０が設けられている。
【００１５】
また、水素供給流路１１において温調出口弁Ｖ２の上流側と下流側は、開閉弁Ｖ３を備えた加熱流路１６を介して接続されており、加熱流路１６はその一部が液体水素タンク３の内部を通っている。開閉弁Ｖ３を開くと、温度調整器４で温度調整された水素が加熱流路１６に流通可能になる。加熱流路１６は、加熱流路１６を流通する水素と前記液体水素タンクに貯蔵された液体水素との間で熱交換を行い、液体水素を加熱して液体水素の気化を促進するためのものである。この水素供給装置１では、液体水素の気化促進のための熱源は加熱流路１６を流通する水素だけであり、他の熱源が必要ないので、水素供給装置１の構成を簡略化することができる。
【００１６】
次に、この水素供給装置１の作用について説明する。
初めに、図３のフローチャートを参照して水素供給装置１の起動制御を説明する。なお、この起動制御は図示しない電子制御装置により実行され、起動前は総ての弁Ｖ１〜Ｖ３は閉じているものとする。
まず、起動指令により、タンク出口弁Ｖ１を開き、冷却水ポンプ７を運転して、予熱処理を行う（ステップＳ１０１）。この時点では、温調出口弁Ｖ２および開閉弁Ｖ３が閉じているので、燃料電池２に水素は供給されず、加熱流路１６に水素は流れない。タンク出口弁Ｖ１を開くことにより、液体水素タンク３から温度調整器４に水素が供給され、温度調整器４の水素吸蔵合金４４が水素を吸蔵して発熱する。一方、冷却水ポンプ７の運転により冷却水が冷却回路１４を循環する。このとき、水素吸蔵合金４４の水素吸蔵による発熱は温度調整器４に供給される水素と冷却水を加熱する。そして、水素吸蔵合金４４は水素と冷却水に熱を奪われて温度低下すると、さらなる水素の吸蔵が可能になる。
これにより、水素および冷却水を迅速に昇温することが可能になり、ひいては燃料電池２を始動前に暖機することが可能になるので、水素供給装置１および燃料電池２の低温始動性が向上する。
【００１７】
そして、冷却水温センサ９で検出した燃料電池２出口の冷却水温度が０°Ｃを越えたか否かを判定し（ステップＳ１０２）、燃料電池２出口の冷却水温度が０゜Ｃを越えるまでは、前記予熱処理を続ける。これは、燃料電池２出口の冷却水温度が０°Ｃを越える前に燃料電池２に水素を供給し発電すると、発電に伴って生じる生成水が凍結する虞があるので、これを防止するためである。
【００１８】
燃料電池２出口の冷却水温度が０°Ｃを越えたときには、温調出口弁Ｖ２と開閉弁Ｖ３を開く（ステップＳ１０３）。温調出口弁Ｖ２を開くことにより温度調整器４の水素が燃料電池２に供給されて燃料電池２での発電が可能になる。また、開閉弁Ｖ３を開くことにより温度調整器４の水素が加熱流路１６を流通するので、加熱流路１６を流れる水素で液体水素タンク３内の液体水素を加熱することができ、液体水素の気化が促進する。以上で、起動制御を終了する。
【００１９】
そして、起動後、定常運転に入った時には、温度調整器４の水素吸蔵合金４４に水素が吸蔵されないように、換言すると水素吸蔵合金４４の水素を総て放出できるように水素吸蔵合金４４の温度を制御することにより、燃料電池２への供給水素の温度および圧力をほぼ一定にする。
詳述すると、水素吸蔵合金４４は水素吸蔵合金の種類に応じて固有の解離圧特性を有しており、例えば、水素吸蔵合金の温度がＴ１（例えば、４０゜Ｃ）で放出圧Ｐ１（例えば、０．３ＭＰａ）の解離圧特性を有する水素吸蔵合金４４を用いた場合には、水素吸蔵合金４４の温度がＴ１以上になると放出圧はＰ１以上となり、燃料電池２に連なる水素供給流路１１内の圧力がＰ１よりも十分に小さければ、水素吸蔵合金４４に吸蔵された水素は総て放出されて空の状態となる。したがって、燃料電池２出口の冷却水温度をＴ１以上の所定温度（例えば、５０゜Ｃ）になるように制御して水素吸蔵合金温度４４の温度をＴ１以上に保持すると、水素吸蔵合金４４を水素が吸蔵されていない空の状態にすることができ、これによって燃料電池２への供給水素の温度をＴ１以上のほぼ一定温度に保持することができ、燃料電池２への供給水素の圧力をＰ１以上のほぼ一定圧力に保持することができる。
また、液体水素タンク３から放出される水素を燃料電池２の冷却水によって昇温するので、水素の温度を燃料電池２の発電温度に近づけることができる。
【００２０】
また、例えば車両の加速時など燃料電池２で消費される水素量が増加したときには、液体水素タンク３から温度調整器４に供給される水素が増大するため、温度調整器４の水素吸蔵合金４４が冷却されるが、水素吸蔵合金４４の温度がＴ１以下になると水素吸蔵合金４４は水素を吸蔵し始め、この水素吸蔵によって水素吸蔵合金４４は発熱し、水素を加熱して水素の温度が低下するのを防止する。
したがって、過渡応答時に燃料電池２に供給される水素の温度変動幅を小さくすることができ、水素供給装置１の過渡応答性が向上し、ひいては燃料電池２の過渡時における発電性能を向上させることができ、燃料電池２の過渡応答性が向上する。
【００２１】
次に、図４のフローチャートを参照して水素供給装置１の停止制御を説明する。
まず、停止指令により、加熱流路１６の開閉弁Ｖ３を閉じ（ステップＳ２０１）、温度調整器４から流出する水素を加熱流路１６に流れないようにする。これにより、液体水素タンク３内の液体水素の加熱を停止して、液体水素の気化促進を停止し、余分な水素発生を抑制する。
次に、タンク出口水素圧センサ５で検出した液体水素タンク３出口における水素圧力が所定圧力以下か否かを判定し（ステップＳ２０２）、所定圧力以下になるまではステップＳ２０１の状態を維持し、液体水素の気化が低減するのを待つ。
【００２２】
液体水素タンク３出口における水素圧力が所定圧力以下になった場合には、液体水素の気化が所定まで低減されたので、タンク出口弁Ｖ１を閉じ（ステップＳ２０３）、液体水素タンク３から温度調整器４への水素供給を停止する。
液体水素タンク３から温度調整器４への水素供給を停止しても、温調出口弁Ｖ２は開いているので、温度調整器４内の水素が燃料電池２に供給され、発電は行われる。この間、冷却水ポンプ７も運転されているので、燃料電池２の冷却水が温度調整器４を循環することにより、温度調整器４の水素吸蔵合金４４が加熱され、水素を放出する。
【００２３】
次に、ＭＨ温センサ１０で検出した水素吸蔵合金４４の温度が所定温度以上か否かを判定し（ステップＳ２０４）、所定温度以上になるまではステップＳ２０３の状態を維持し、発電を続行する。ここで、所定温度は、水素吸蔵合金４４内の水素が総て放出される温度Ｔ１より若干大きく設定する。このように設定すると、水素吸蔵合金４４の温度が所定温度以上になると、水素吸蔵合金４４は水素が吸蔵されていない状態になる。
【００２４】
そして、水素吸蔵合金４４の温度が所定温度以上になったときに、温調出口弁Ｖ２を閉じ（ステップＳ２０５）、燃料電池２への水素供給を停止して発電を停止する。つまり、温度調整器４の水素吸蔵合金４４に吸蔵されていた水素が総て放出されるまで発電を続ける。これにより、次回の起動時のために水素吸蔵合金４４を水素吸蔵可能な状態に準備しておくことができる。
その後、冷却水ポンプ７を停止して（ステップＳ２０６）、停止制御を終了する。
【００２５】
なお、ステップＳ２０４の判定処理は、水素吸蔵合金４４の温度で判定する代わりに、温度調整器４出口の水素圧力が所定圧力以下か否かで判定し、判定結果が「ＹＥＳ」の場合にステップＳ２０５へ進むようにしてもよい。
【００２６】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、液体水素の気化促進用の熱源として温度調整器で温度調整された水素を用いたが、電気ヒータや燃料電池の発電によって加熱された冷却水等の別の熱源（加熱手段）を用いることも可能である。
また、前述した実施の形態における水素供給装置の停止制御では、初めに温度調整器によって温度調整された水素を液体水素タンクに供給するのを停止し（ステップＳ２０１）、その後液体水素タンクの圧力が所定圧力未満になった後に（ステップＳ２０２）、水素吸蔵合金の温度が所定温度以上になったときに停止するフローとなっているが、Ｓ２０１，２０２，２０４のステップはそれぞれこの順番で行う必要はなく、また、いずれかのステップを省くことも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池への供給水素の温度および圧力をほぼ一定にすることができるとともに、液体水素タンクから放出される水素を燃料電池冷却用の冷媒によって昇温するので水素の温度を燃料電池の発電温度に近づけることができ、過渡応答性も極めてよいという優れた効果が奏される。
請求項２に係る発明によれば、温度調整器で温調された水素によって液体水素タンク内の液体水素を加熱することができるので、液体水素の気化を促進させることができる。また、液体水素の気化促進のための新たな熱源が不要であり、装置構成を簡略化することができる。
【００２８】
請求項３に係る発明によれば、起動時に水素吸蔵合金が水素を吸蔵したときに生じる熱を、冷媒を介して燃料電池に伝達することができるので、燃料電池を始動前に暖機することができる。
【００２９】
請求項４に係る発明によれば、停止時に液体水素の気化促進を停止することができるので、余分な水素発生を抑制することができる。
請求項５に係る発明によれば、停止時に液体水素タンク内の液体水素の気化が所定まで低減した後に、液体水素タンクから温度調整器の水素吸蔵合金に新たな水素を供給させないようにすることができるので、次回の起動時のために水素吸蔵合金を水素吸蔵可能な状態に準備しておくことができる。
請求項６に係る発明によれば、停止時に水素吸蔵合金内に吸蔵された水素をほぼ放出させた状態で停止することができるので、次回の起動時のために水素吸蔵合金を水素吸蔵可能な状態に準備しておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池の水素供給装置における一実施の形態の概略構成図である。
【図２】前記実施の形態における温度調整器の断面図である。
【図３】前記実施の形態における水素供給装置の起動時のフローチャートである。
【図４】前記実施の形態における水素供給装置の停止時のフローチャートである。
【符号の説明】
１  水素供給装置
２  燃料電池
３  液体水素タンク
４  温度調整器
１１  水素供給流路
１４  冷却回路
１６  加熱流路
４４  水素吸蔵合金
【図１】
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【図２】
2004327227.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004327227.tif 000006