(57)【要約】【課題】エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムとこの燃料電池システムの制御方法及びこれを搭載した燃料電池自動車を提供すること。【解決手段】燃料電池１０と，熱媒流路４を介して燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，水素を供給可能な水素タンク３とを有する。そして，燃料電池１０の温度が所定の設定温度Ｔｏよりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給して燃料電池１０の暖機を行う。暖機を行うに当たっては，燃料電池１０の温度Ｔｆｃと設定温度Ｔｏとの偏差ΔＴ及び燃料電池１０の熱容量に基づいて算出される暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給する印加圧Ｐを設定している。【選択図】　図１
2004022364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と，
熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池と接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，
上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクとを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度Ｔｆｃが所定の設定温度Ｔｏよりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を設定温度Ｔｏまで上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
かつ，該暖機作業において上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給するに当たっては，上記燃料電池の温度Ｔｆｃと設定温度Ｔｏとの偏差ΔＴ及び上記燃料電池の熱容量に基づいて算出される熱量であって暖機作業に必要な暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，水素供給する際の絶対圧力である印加圧Ｐを設定するよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する上記印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰと，水素吸蔵合金が発生する反応熱出力Ｑｍｈとの関係を表す反応式に基づいて，この反応熱出力Ｑｍｈを上記暖機熱出力Ｑと等しくする上記供給圧ΔＰを算出し，該供給圧ΔＰを保持するように上記印加圧Ｐを設定しながら上記暖機作業を行うよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１において，上記暖機熱出力Ｑに応じて設定した上記印加圧Ｐを一定として上記暖機作業を行うよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１において，上記燃料電池の温度Ｔｆｃを随時計測しながら実施して，計測された温度Ｔｆｃと上記目標暖機時間から経過した時間を差し引いた残り暖機時間Ｔｒとを基にして，上記暖機熱出力Ｑをその都度計算すると共に，上記反応式に基づいて，上記反応熱出力Ｑｍｈを上記暖機熱出力Ｑと等しくする上記供給圧ΔＰを算出し，該供給圧ΔＰを保持するように上記印加圧Ｐを設定しながら上記暖機作業を行うよう構成してあることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３において，上記印加圧Ｐは，０．８ＭＰａ〜３．０ＭＰａの範囲であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムを有し，該燃料電池システムから供給される電力により駆動モータを運転するように構成されていることを特徴とする燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，例えば燃料電池自動車などに搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば燃料電池自動車に搭載されている燃料電池は，燃料極に水素，酸化剤極に酸素を供給し，電解質層を介した電気化学反応　Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ　により発電するシステムである。
燃料電池から生成する水は通常未反応ガスと共に外部へ捨てられるが，燃料電池停止時などにはガス流通路に生成水が残ったままとなる場合がある。寒冷地などに燃料電池自動車を適用した場合，外気温が水の凝固点である０℃以下になると，ガス流通路に残った水が凍結しガス流通路を塞いでしまう。そのため，燃料ガスが流れなくなって，燃料電池が起動できないという問題が生じる。
【０００３】
特に上記燃料電池が固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である場合には，電解質膜又はその表面に存在する水分が低温時に凍結することがあり，発電が不能或いは発電効率が低下する場合がある。また，凍結していなくても，ＰＥＦＣ本体の温度を定常運転温度まで暖める必要がある場合がある。
そのため，従来においては，低温から立ち上げるときに，電気エネルギー又は燃焼エネルギーなどによって燃料電池本体を加熱する機能を設けた燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の燃料電池システムにおいては次の問題がある。
即ち，燃料電池本体を電気エネルギーを利用して加熱するためには，専用の大容量のバッテリーが必要であり，また燃焼エネルギーを利用して加熱するためには，専用の燃焼設備が必要である。そのため，燃料電池システムの大型化を来してしまう。更には，発電に寄与しない電気エネルギー又は燃焼エネルギーの消費によるエネルギー損失が大きく，燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムとこの燃料電池システムの制御方法及びこれを搭載した燃料電池自動車を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
第１の発明は，燃料電池と，
熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池と接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，
上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクとを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度Ｔｆｃが所定の設定温度Ｔｏよりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を設定温度Ｔｏまで上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
かつ，該暖機作業において上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給するに当たっては，上記燃料電池の温度Ｔｆｃと設定温度Ｔｏとの偏差ΔＴ及び上記燃料電池の熱容量に基づいて算出される熱量であって暖機作業に必要な暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，水素供給する際の絶対圧力である印加圧Ｐを設定するよう構成してあることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【０００７】
上記第１の発明の燃料電池システムは，上記水素タンクから水素を供給されると共に，上記熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池と接続された上記水素吸蔵合金タンクを有している。そして，上記第１の発明は，この水素吸蔵合金タンクに内蔵された水素吸蔵合金が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機作業を実現可能にしたものである。
【０００８】
そして，上記燃料電池システムは，上記暖機作業を実施するに当たっては，上記偏差ΔＴ及び上記燃料電池の熱容量に基づいて算出される暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給する上記印加圧Ｐを設定している。
【０００９】
ここで，上記暖機熱量は，理想的には燃料電池の熱容量に上記偏差ΔＴを乗じた量となる。しかし，実際の暖機作業においては，自由放熱等の熱ロスが生じる。そこで，上記暖機熱量は，燃料電池の熱容量及び偏差ΔＴに基づき，熱ロス分を加味して算出するのが良い。
【００１０】
そして，このように算出した暖機熱出力Ｑに応じて上記印加圧Ｐを設定すれば，上記暖機作業の熱負荷に応じた適切に印加圧Ｐを設定することができる。そうすると，暖機作業の熱負荷が大きい場合であっても，水素吸蔵合金に急速に水素を吸蔵させ，大きな熱量を発熱させて，速やかに上記燃料電池を昇温することができる。
このように，上記第１の発明によれば，エネルギー損失を抑制しながら，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１１】
第２の発明は，上記第１の発明に基づく燃料電池システムを有し，該燃料電池システムから供給される電力により駆動モータを運転するように構成されていることを特徴とする燃料電池自動車にある（請求項６）。
上記第２の発明の燃料電池自動車は，駆動モータを有しており，上記第１の発明の燃料電池システムにより発電された電力により，上記駆動モータを回転させ，その回転力を路面に伝えて走行する。
【００１２】
そのため，上記第２の発明による燃料電池自動車は，コールドスタート時には，上記水素吸蔵合金の水素吸蔵時に発生する熱量を利用して，効率良く，上記燃料電池の暖機作業を実施することができる。
このように，上記第２の発明によれば，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池自動車を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記各発明の上記燃料電池システムは，上記暖機作業において，まず上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給し，内蔵された水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ発熱させる。そして，この発生した熱を上記熱交換媒体に伝達し，さらに熱交換媒体から燃料電池に伝達することで燃料電池の温度を高める。このように，上記燃料電池システムでは，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，上記水素タンクから供給される水素を利用して上記暖機作業を行うことができる。またこの暖機作業において上記水素吸蔵合金タンク内に吸蔵された水素は，上記再生作業により，上記燃料電池の燃料として活用することができる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ，上記暖機作業を実施することができる。
【００１４】
なお，上記水素吸蔵合金タンクに内蔵する水素吸蔵合金としては，例えば，ＭｍＮｉ５（Ｍｍはミッシュメタル）に代表される希土類系合金，ＴｉＦｅに代表されるチタン系合金，Ｍｇ２Ｎｉに代表されるマグネシウム系合金等の様々な水素吸蔵合金を適用することができる。
【００１５】
そして，上記各発明における上記燃料電池としては，例えば固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用することができる。このＰＥＦＣは，電解質膜又はその表面に存在する水分が凍結することがある。また，水分が溶解する温度以外にも，効率良く運転しうる定常運転温度が設定されている。そのため，ＰＥＦＣは，その暖機作業を実施することが非常に有効である。
なお，上記燃料電池としては，上記ＰＥＦＣ型以外の形式のものを適用することも勿論可能である。
【００１６】
上記第１の発明においては，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する上記印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰと，水素吸蔵合金が発生する反応熱出力Ｑｍｈとの関係を表す反応式に基づいて，この反応熱出力Ｑｍｈを上記暖機熱出力Ｑと等しくする上記供給圧ΔＰを算出し，該供給圧ΔＰを保持するように上記印加圧Ｐを設定しながら上記暖機作業を行うよう構成してあることが好ましい（請求項２）。
【００１７】
上記反応式とは，別途実験により得られた水素吸蔵合金の反応速度に関する実験式であり，数１及び数２によって表される。この数１は，上記供給圧ΔＰ，水素吸蔵量Ｃ及び平衡水素圧Ｐｅと，単位時間当たりの水素吸蔵量を表す反応速度Ｖとの関係を表現する実験式である。また，数２は，水素吸蔵合金から生じる反応熱出力Ｑｍｈは，上記反応速度Ｖと，水素吸蔵合金の特性値である反応熱ΔＨとの積により計算可能であることを表している。
【００１８】
【数１】
2004022364.tif 000003
【００１９】
【数２】
2004022364.tif 000004
【００２０】
そして，上記暖機熱出力Ｑを，上記反応式の反応熱出力Ｑｍｈとして代入すれば，水素吸蔵量Ｃ及び平衡水素圧力Ｐｅに応じた上記供給圧ΔＰを求めることができる。
なお，上記水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅは，水素吸蔵合金の合金温度に基づいて推定することができる。例えば，制御用ＥＣＵ内のＲＯＭに，水素吸蔵合金の合金温度と平衡水素圧Ｐｅとの関係式を保存しておけば，測定した合金温度を上記関係式に代入して平衡水素圧Ｐｅを算出することができる。また，合金温度に対する平衡水素圧Ｐｅの値を１次元マップデータとして保存しておけば，測定した合金温度に基づいて１次元マップデータを参照して平衡水素圧Ｐｅを求めることもできる。
【００２１】
また，水素吸蔵量Ｃは，水素吸蔵量の変化に応じて生じる水素吸蔵合金の体積変化から推定可能である。特に，水素吸蔵合金タンク内に粉末からなる水素吸蔵合金を充填した場合には，特開２０００−９７９３１号報において開示されるように，水素吸蔵に伴って水素吸蔵合金粉末の体積変化を生じると隣接する水素吸蔵粉末同士の接触面積、接触状態が変化し、その接触面における電気抵抗が変化する。
【００２２】
すなわち，水素吸蔵合金粉末が充填された水素吸蔵合金タンク内における電気抵抗値は水素吸蔵量Ｃに応じて変化する。そこで，例えば，水素吸蔵合金タンク内に配設された一対の電極間に生じる電気抵抗値と，水素吸蔵量との関係を，あらかじめ実験的に求めておけば，上記一対の電極間の電気抵抗値を計測することにより水素吸蔵量Ｃを計測することができる。
【００２３】
そして，上記平衡水素圧Ｐｅに対する相対圧力が上記供給圧ΔＰである上記印加圧Ｐのもと水素供給すると，上記暖機作業中において，水素吸蔵合金から上記暖機熱出力Ｑと略一致する熱量を継続的に発生させていくことができる。
そしてさらに，この暖機熱出力Ｑを，上記燃料電池へ受け渡して略一定のスピードで昇温することができる。そのため，上記燃料電池の温度を，効率良く短時間に上記設定温度Ｔｏに到達させることができる。
【００２４】
また，上記暖機熱出力Ｑに応じて設定した上記印加圧Ｐを一定として上記暖機作業を行うよう構成してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記暖機作業を開始した直後において，比較的大きな熱量を発生させることができる。また，燃料電池の温度Ｔｆｃが上記設定温度Ｔｏに近づいていくにつれ，水素吸蔵合金が生じる熱量を徐々に小さくしていくことができる。そのため，上記燃料電池の暖機作業を，その立ち上がりを良くしながら設定温度Ｔｏに到達したときにオーバーシュートを生じないよう実施することができる。
【００２５】
また，上記燃料電池の温度Ｔｆｃを随時計測しながら実施して，計測された温度Ｔｆｃと上記目標暖機時間から経過した時間を差し引いた残り暖機時間Ｔｒとを基にして，上記暖機熱出力Ｑをその都度計算すると共に，上記反応式に基づいて，上記反応熱出力Ｑｍｈを上記暖機熱出力Ｑと等しくする上記供給圧ΔＰを算出し，該供給圧ΔＰを保持するように上記印加圧Ｐを設定しながら上記暖機作業を行うよう構成してあることが好ましい（請求項４）。
【００２６】
この場合には，上記暖機作業中において，上記燃料電池の温度Ｔｆｃをフィードバックして，適切に供給圧ΔＰを設定することにより，上記水素吸蔵合金からさらに適切に熱出力を発生させることができる。そのため，上記水素吸蔵合金で生じる熱出力を，きめ細かく制御して，さらに効率良く短時間に上記燃料電池を暖機することができる。
【００２７】
また，上記印加圧Ｐは，０．８ＭＰａ〜３．０ＭＰａの範囲であることが好ましい（請求項５）。
この場合には，水素吸蔵合金タンクに対して，０．８〜３．０ＭＰａの印加圧Ｐのもと水素供給することにより，短時間にかつ効率良く水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることができる。
【００２８】
一方，上記印加圧Ｐが０．８ＭＰａ未満であると，単位時間あたりに水素吸蔵合金から発生する熱出力が不足して，上記燃料電池を速やかに昇温することができないおそれがある。そのため，より好ましくは１．０ＭＰａ以上が良い。
また，上記印加圧Ｐが３．０ＭＰａを越える場合には，一時的に大きな熱出力が発生して上記水素吸蔵合金タンク等の過熱を生じるおそれがある。水素吸蔵合金タンク等の過熱を生じると，自由放熱による放熱量が増加し，熱交換の効率が悪化するおそれがある。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき，図１〜図３を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は，燃料電池自動車に搭載するものであって，図１に示すごとく，燃料電池１０と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路４を介して上記燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，燃料電池１０及び水素吸蔵合金タンク２に水素を供給可能な水素タンク３とを有している。
【００３０】
そして，本例の燃料電池システム１は，燃料電池１０による発電を開始するに際し，燃料電池１０の温度が所定の設定温度Ｔｏよりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給し，水素吸蔵合金タンク２において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達して燃料電池１０の温度を設定温度Ｔｏまで上昇させる暖機作業を行うよう構成してある。
【００３１】
さらに，該暖機作業において上記水素タンク３から上記水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給するに当たっては，上記燃料電池１０の温度Ｔｆｃと設定温度Ｔｏとの偏差ΔＴ及び上記燃料電池１０の熱容量に基づいて算出される暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，上記水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給する絶対圧力を表す印加圧Ｐを設定するよう構成してある。以下この内容について説明する。
【００３２】
本例の燃料電池システム１は，図１に示すごとく，水素の流路として，水素タンク３と燃料電池１０とを直接的に連結したメイン流路５３と，水素タンク３と水素吸蔵合金タンク２とを連結したバイパス流路５１とを有する。
上記メイン流路５３とバイパス流路５１とは，水素タンク３に接続された同一の上流流路５０から分岐して配設されている。
そして，上流流路５０，バイパス流路５１及びメイン流路５３には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ３がそれぞれ設けられている。
【００３３】
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３とには，それぞれ水素圧力を規制するタンクレギュレータＲ１と供給レギュレータＲ２が配設されている。外部から制御可能である上記タンクレギュレータＲ１は，その規制圧Ｐｒを任意に設定できるよう構成してある。
また，供給レギュレータＲ２は，メイン流路５３を介して燃料電池１０に供給する水素圧力を，上記規制圧Ｐｒよりも低いＦＣ供給圧Ｐｆｃ一定に規制するよう構成してある。
【００３４】
熱交換媒体を循環させる熱媒流路４は，図１に示すごとく，燃料電池１０内を循環する電池循環部４１と，水素吸蔵合金タンク２内を循環するＭＨ循環部４２と，上記燃料電池１０を冷却するための冷却用熱交換器４３を循環する部分とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，上記電池循環部４１と冷却用交換器４３とをループ状につないだメイン回路４０１に，上記ＭＨ循環部４２を含むループ状のサブ回路４０２が２つの分岐点４５１，４５２を介して並列に接続された構造となっている。
【００３５】
メイン回路４０１には，熱交換媒体を流動させるポンプ４０が配設されている。さらにメイン回路４０１には，バイパス路４７が設けられ，その一方の分岐点に三方弁Ｖ４が配設されている。一方，サブ回路４０２には開閉弁Ｖ２が配設されている。
【００３６】
また，水素吸蔵合金タンク２には，希土類系合金（ＭｍＮｉ５）よりなる粉末の水素吸蔵合金を充填してある。また，水素吸蔵合金の合金温度Ｔｍｈを計測する温度計測手段Ｔ１と，水素吸蔵合金の水素吸蔵量Ｃを測定する吸蔵量測定手段として，水素吸蔵合金タンク２内の電気抵抗値を計測するための一対の電極（図示略）を配設してある。この吸蔵量測定手段は，水素吸蔵合金が充填された水素吸蔵合金タンク２内に配設された上記一対の電極間の電気抵抗値を計測することにより，上記水素吸蔵量Ｃを測定しうるものである。
【００３７】
さらに，上記燃料電池システム１の制御を実施する制御ＥＣＵ（図示略）のＲＯＭ（記憶素子）には，合金温度Ｔｍｈに対する平衡水素圧Ｐｅの関係を示した１次元マップデータが格納してある。そして，上記制御ＥＣＵは，測定した合金温度Ｔｍｈに基づいて，上記１次元マップデータを参照して平衡水素圧Ｐｅを求めることができるよう構成してある。
【００３８】
また，燃料電池１０としては，固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用した。そして，この燃料電池１０には，図１に示すごとく，水素を供給する下流流路５４を接続してあると共に，空気を供給するための空気供給路５９を接続してある。そして，燃料電池１０は，供給された水素と，供給された空気に含まれる酸素とによって，電解質層を介した電気化学反応Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ　を進めて発電するよう構成されている。
【００３９】
また，上記水素吸蔵合金タンク２に保持する水素吸蔵合金としては，希土類系合金（ＭｍＮｉ５）を採用したものを用いた。上記水素タンク３としては，高圧水素を備蓄した高圧水素ボンベを採用した。
なお，上記燃料電池１０，水素吸蔵合金タンク２，水素タンク３を別の形式のものに変更することも可能である。
また，燃料電池１０内には，その温度Ｔｆｃを測定する温度測定手段（図示略）が配設されている。
【００４０】
次に，上記構成の燃料電池システム１の制御方法の一例を，図２を用いて説明する。図２は，上記暖機作業を実施する際の制御フローを示している。
また，図３には，参考として，水素吸蔵合金を再生する再生作業を実施する際の制御フローを示す。この再生作業を十分に実施することにより，次回，燃料電池１０をコールドスタートする際，十分な熱量を生じさせ，燃料電池１０を速やかに昇温することができる。すなわち，水素吸蔵合金の再生作業は，上記暖機作業を繰り返し行う上で不可欠の作業である。そこで，上記燃料電池システム１において，水素吸蔵合金タンク２内の水素吸蔵合金を再生する再生作業の手順についても説明する。
なお，これらの図中においては，理解を容易にするため開閉弁の開状態を○，閉状態を×として示した。以下，同様である。
【００４１】
また，本例では，上記燃料電池１０の上記設定温度Ｔｏとして第１設定温度Ｔｏ１と第２設定温度Ｔｏ２との２つの温度を設定した。第１設定温度Ｔｏ１としては，これを０℃に設定し，第２設定温度Ｔｏ２としては，燃料電池１０が効率的に運転しうる温度を設定している。なお，第２設定温度Ｔｏ２は，第１設定温度Ｔｏ１より高い温度である。
【００４２】
上記暖機作業を実施するに当たって，予め，燃料電池１０の温度Ｔｆｃ（以下適宜ＦＣ温度という）及び第２設定温度Ｔｏ２と，目標暖機時間Ｔｉとに基づいて，暖機熱出力Ｑを算出してある。具体的には，まず，燃料電池１０の熱容量に，第２設定温度Ｔｏ２とＦＣ温度Ｔｆｃとの偏差ΔＴを乗じて，さらに損失熱量を加算して上記暖機熱量を求めている。次いで，この暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉにより除して単位時間当たりの暖機熱出力Ｑを求めている。
そしてさらに，この暖機熱出力Ｑを，上記平衡水素圧Ｐｅ及び上記水素吸蔵量Ｃと共に，上記数１，数２に代入して，水素吸蔵合金に水素供給する相対圧力である供給圧ΔＰを算出してある。
【００４３】
そして，暖機作業においては，まず，図２に示すごとく，ステップＳ１０１においてＦＣ温度Ｔｆｃが第１設定温度Ｔｏ１以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１設定温度Ｔｏ１以下の場合には，ステップＳ１０２に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ３の開閉状態等を設定し，暖機作業を開始する。
【００４４】
即ち，ステップＳ１０２においては，開閉弁Ｖ０を開状態として水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１を開状態として水素吸蔵合金タンク２に水素を供給する。
そして，タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを，平衡水素圧Ｐｅに供給圧ΔＰを加えた値に制御する。そうすると，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する相対圧力が上記供給圧ΔＰである印加圧Ｐのもと，水素吸蔵合金タンク２に水素供給することができる。
【００４５】
このようにして，水素吸蔵合金タンクへ水素を供給して水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて発熱させる。そして，図１に示すごとく，ポンプ４０を運転すると共に，開閉弁Ｖ２を開状態としてサブ回路４０２に熱交換媒体を循環させる。
そうすると，上記電池循環部４１と上記ＭＨ循環部４２との間を，熱交換媒体が循環することとなる。そして，水素吸蔵合金において生じた熱は，燃料電池１０へ伝達されてＦＣ温度Ｔｆｃを上昇させる。
そして，図２に示すごとく，ＦＣ温度が第１設定温度Ｔｏ１を越えるまでは，上記ステップＳ１０２の状態を維持し，その後，ＦＣ温度が第１設定温度Ｔｏ１を越えた場合にステップＳ１０３へ移行する。
該ステップＳ１０３では，ＦＣ温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｏ２以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第２設定温度Ｔｏ２以下の場合には，ステップＳ１０４に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ３の開閉状態等を設定し，燃料電池１０を運転する。
【００４６】
即ち，ステップＳ１０４においては，上記ステップＳ１０２において設定した開閉弁Ｖ０，開閉弁Ｖ１の状態を維持する。さらに，Ｓ１０２において実施したごとく，タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒの制御を継続する。そして，水素吸蔵合金タンク２への水素の供給を継続して，水素吸蔵合金をさらに発熱させる。
【００４７】
また，ポンプ４０及び開閉弁Ｖ２の設定についてもステップＳ１０２と同様として，上記電池循環部４１と上記ＭＨ循環部４２との間の熱交換媒体の循環を続ける。このようにして，上記燃料電池１０を昇温する暖機作業を継続する一方，ステップＳ１０４では，水素タンク３から燃料電池１０への水素供給を開始して燃料電池１０を運転する。
【００４８】
具体的には，開閉弁Ｖ３を開状態として，上記供給レギュレータＲ２により規制されたＦＣ供給圧Ｐｆｃのもと，燃料電池１０へ水素を供給する。これにより，タンクレギュレータＲ１により規制する印加圧Ｐのもと，水素吸蔵合金タンク２に水素を供給して水素吸蔵合金を発熱させながら，同時に，燃料電池１０には，上記印加圧Ｐより低いＦＣ供給圧Ｐｆｃのもと水素を供給して発電を行うことができる。
そして，ＦＣ温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｏ２を越えるまでは，上記ステップＳ１０４の状態を維持する。そして，ＦＣ温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｏ２を越えた場合には，ステップＳ１０５に移行して，暖機作業を終了して通常運転を実施する。
【００４９】
上記ステップＳ１０５においては，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態として保持する一方，開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２を閉状態とする。すなわち，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２に通じる水素の流路，及び電池循環部４１とＭＨ循環部４２との間の熱交換媒体の流路を遮断する。このようにして，燃料電池１０の通常運転を実施する。
【００５０】
次に，上記再生作業は，図３に示すごとく，燃料電池１０の通常運転が継続され，ＦＣ温度Ｔｆｃが十分に上昇してから実施する。
この再生作業においては，まず，ステップＳ２０１においてＦＣ温度Ｔｆｃが再生基準温度Ｔｓ以上か否かを判断する。ＦＣ温度Ｔｆｃが再生基準温度Ｔｓ以上の場合には，さらに，ステップＳ２０２に示す条件を判断する。
該ステップＳ２０２においては，水素吸蔵合金に貯蔵されている水素吸蔵量Ｃが規定量以上か否かを判断する。規定量以上であれば，ステップＳ２０３に示すごとく開閉弁Ｖ１，Ｖ２の開閉状態等を設定し，再生作業を実施する。
【００５１】
上記ステップＳ２０３においては，図１に示すごとく，開閉弁Ｖ２を開状態としたうえポンプ４０を運転することにより，上記電池循環部４１と上記ＭＨ循環部４２との間において熱交換媒体を循環させる。このようにして，燃料電池１０の排熱を水素吸蔵合金に伝達して昇温し，水素を放出させる。また，タンクレギュレータＲ１は，その規制圧Ｐｒを上記ＦＣ供給圧Ｐｆｃと同じ値に設定して，印加圧ＰをＰｆｃに規制する。さらに，開閉弁Ｖ１を開状態とすると，水素吸蔵合金タンク２内の圧力をＦＣ供給圧Ｐｆｃまで低くくして，水素吸蔵合金からの水素の放出を容易にする。
【００５２】
このようにして水素吸蔵合金から放出された水素は，水素吸蔵合金タンク２から流出し，バイパス流路５１を経て，上記メイン流路５３に合流して，燃料電池１０へ供給されることとなる。したがって，再生作業時においては，燃料電池１０は，水素吸蔵合金タンク２と水素タンク３とから，同時に水素を供給されて運転することとなる。
そして，図３に示すごとく，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上であって，かつ，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量以上である場合には，上記ステップＳ２０３の状態を維持し，再生作業を継続して行う。その後，ステップＳ２０２のごとく，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量を下回った場合には再生作業を終了する。また，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓを下回った場合には，再生作業を中断して上記通常運転状態へ復帰する。具体的には，ステップＳ２０４に示すごとく，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態とする。
【００５３】
このように，本例の燃料電池システム１は，水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際，発熱する特性を積極的に利用して，上記暖機作業を実現することができる。
即ち，上記暖機作業は，まず上記水素タンク３から上記水素吸蔵合金タンク２に水素を供給し，内蔵された水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ発熱させる。そして，発生した熱を，熱交換媒体を介して燃料電池に伝達することにより燃料電池１０の温度Ｔｆｃを上昇させる。このように，本例の燃料電池システム１では，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，水素タンク３から供給される水素を利用して暖機作業を行うことができる。
【００５４】
また，本例の燃料電池システム１は，タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを，水素吸蔵合金タンク２に内蔵されている水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに上記供給圧ΔＰを加えた値に制御している。そして，この規制圧Ｐｒにより規制した印加圧Ｐのもと，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給して暖機作業を実施する。
【００５５】
そのため，水素平衡圧Ｐｅに対する印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰを略一定として，水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることとなる。それ故，水素の吸蔵は略一定の速度で進行して，水素吸蔵合金から略一定の熱出力を，継続的に発生させることができる。そして，燃料電池１０は，上記ＭＨ循環部４２と電池循環部４１との間を循環する熱交換媒体を介して，その熱出力を伝達されて略一定の割合で昇温することとなる。
【００５６】
また，暖機作業を通じて，上記供給圧ΔＰを略一定に制御するため，水素吸蔵合金において突発的に大きな熱出力が発生するようなことがない。そのため，水素吸蔵合金で発生した熱量が，上記ＭＨ循環部４２と電池循環部４１と熱交換媒体とによる熱伝達容量を超過して，水素吸蔵合金を含む上記水素吸蔵合金タンク２を過熱させるようなことがない。したがって，水素吸蔵合金タンク２からの自由放熱によるエネルギー損失を抑制することができる。
このように，上記第１の発明によれば，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００５７】
なお，本例の燃料電池システム１は，上記暖機作業を実施して水素を貯蔵した水素吸蔵合金を，通常運転状態にある燃料電池１０から発生する排熱を利用して再生する。そのため，本例によれば，水素吸蔵合金の再生についても，効率的に実施することができる。それ故，次回のコールドスタート時においても，水素吸蔵合金から十分な熱量を取り出し，速やかな暖機作業を実施することができる。また，本例の制御方法に替えて，上記各開閉弁Ｖ０〜Ｖ３及び三方弁Ｖ４の開閉切り替えタイミングや，供給レギュレータＲ２の規制圧などを変更することにより，さらにその他の制御方法に変更することもできる。
【００５８】
さらに，燃料電池システム１を制御する上記制御ＥＣＵのＲＯＭに，上記１次元マップデータに代えて合金温度Ｔｍｈと平衡水素圧Ｐｅとの近似関係式を格納してもよい。この場合には，該近似関係式を利用して上記平衡水素圧Ｐｅを求めることができる。
【００５９】
さらにまた，制御ＥＣＵのＲＯＭに，水素吸蔵合金の温度Ｔｍｈ及び水素吸蔵量Ｃに対する平衡水素圧Ｐｅの関係を表す２次元マップデータを格納しても良い。この場合には，上記制御ＥＣＵは，計測した合金温度Ｔｍｈと水素吸蔵量Ｃとに基づいて上記２次元マップデータを参照し，平衡水素圧Ｐｅを精度良く算出することができる。
なお，上記水素吸蔵合金の合金温度Ｔｍを計測においては，ＭＨ循環部４２を通過した直後の熱交換媒体の温度を計測して，この温度をもって合金温度Ｔｍｈとすることもできる。
【００６０】
（実施例２）
本例は，実施例１の構成を基礎として，印加圧Ｐの制御方法を変更した例である。
本例の燃料電池システム１においては，暖機作業を開始するに当たって，まず暖機熱出力Ｑを算出する。そして，上記暖機熱出力Ｑに応じて水素吸蔵合金タンク２へ水素供給する印加圧Ｐを設定する。
暖機作業を実施するに当たっては，その印加圧Ｐの設定を変更することなく燃料電池１０の暖機作業を実施した例である。
ここでは，暖機熱出力Ｑを，平衡水素圧Ｐｅ及び水素吸蔵量Ｃとともに，上記数１，数２に代入して上記供給圧ΔＰを算出している。そして，この供給圧ΔＰに基づいて，平衡水素圧Ｐｅとの相対圧力がΔＰとなるよう印加圧Ｐを設定している。
【００６１】
本例の燃料電池システム１によれば，暖機作業を開始した直後において，比較的大きな熱出力を発生させることができる。また，燃料電池の温度Ｔｆｃが上記設定温度Ｔｏに近づいていくにつれ，水素吸蔵合金が生じる熱出力は徐々に小さくしていくことができる。そのため，上記燃料電池の暖機作業において，立ち上がり特性と，上記第２設定温度に到達したときのオーバーシュートの抑制とを両立させることができる。
【００６２】
なお，その他の構成及び作用効果は，実施例１と同様である。
【００６３】
（実施例３）
本例は，実施例２の構成を基礎として，タンクレギュレータＲ１により規制する印加圧Ｐと，暖機作業に要する時間との関係に基づいてタンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを設定した例である。
そこで，まず，印加圧Ｐと暖機作業に要する時間との関係を明確にする実験を行った。
本例においては，水素吸蔵合金としてＡＢ５型合金であるＭｍＮｉ５−Ｂｘ系（Ｍｍ：Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ等からなるミッシュメタル，Ｂ：Ａｌ，Ｍｎ等）を採用した。この水素吸蔵合金は常用温度（通常１０〜５０℃）における水素吸蔵平衡水素圧は２．０ＭＰａ以下である。
【００６４】
また，上記水素吸蔵合金タンク２としては，フィン付きの扁平形状の熱媒配管を有した水素吸蔵熱交換器を，水素吸蔵合金粉末とともに角型筒形状の水素吸蔵交換機用ケースに収容して形成したものを用いた。
上記水素吸蔵熱交換器の熱媒配管中には，２０Ｌ／ｍｉｎの熱交換媒体を循環させ，水素吸蔵合金で生じた熱を吸熱して，熱容量５０（ｋＪ／Ｋ）である燃料電池１０の温度を−１５〜０℃まで昇温することにした。この実験結果を図４に示す。同図には，横軸には印加圧Ｐを，縦軸には暖機に要する時間を示している。
【００６５】
図４に示すグラフによれば，上記水素吸蔵合金により上記燃料電池１０を暖機するに当たって，水素の印加圧Ｐが０．８ＭＰａ未満であると上記暖機作業に要する時間が急激に長くなることがわかる。
一方，印加圧Ｐを３．０ＭＰａより大きくすれば，暖機作業に要する時間をさらに短縮することが可能である。しかし，その効果は顕著ではない。印加圧Ｐを３．０ＭＰａより大きくした場合には，一時に必要以上の大量の熱出力が発生し，水素吸蔵合金温度が急上昇して平衡水素圧Ｐｅが高くなるため，印加圧Ｐと平衡水素圧Ｐｅとの差が十分に確保できないためと推定している。
そこで，本例では，上記のごとく推定に基づいて，上記タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを２．５ＭＰａに設定している。
【００６６】
また，図５は，この実験条件において，横軸に平衡水素圧Ｐｅに対する印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰを，縦軸には熱交換媒体の暖機熱出力を示している。同図によれば，燃料電池１０の暖機に要する暖機熱量と目標暖機時間Ｔｉとから算出される暖機熱出力Ｑに基づいて，設定すべき供給圧ΔＰを求めることができる。
【００６７】
そして，この供給圧ΔＰのもと，暖機作業を実施すれば目標暖機時間Ｔｉ内に燃料電池１０の暖機を完了させることができる。
また，印加圧Ｐを一定とした場合にも，燃料電池１０の暖機熱量，印加圧Ｐ及び暖機作業に要する時間の関係を表す２次元マップデータを作製して，制御ＥＣＵのＲＯＭに格納しておけば，同様に燃料電池１０を暖機することができる。
【００６８】
このように，本例によれば，水素吸蔵合金に対して，適切な速度で水素を吸蔵させ，短時間で燃料電池１０の暖機作業を実施することができる。また，本例の水素吸蔵合金は，上記暖機作業において，適切な量の熱量を発生する。そのため，自由放熱されるエネルギーを少なくでき，上記燃料電池システム１全体のエネルギー効率を高く維持することができる。
なお，その他の構成及び作用効果については，実施例２と同様である。
また，水素吸蔵合金としては，常用温度における平衡水素圧Ｐｅと印加圧Ｐとの差圧が必要十分であればよい。本例の水素吸蔵合金のほか，ＡＢ５型合金と同等の平衡水素圧Ｐｅを持つ水素吸蔵合金，例えばＴｉＺｒＭｎ系などのＡＢ２型合金を適用することもできる。
【００６９】
（実施例４）
本例は，実施例１の構成を基にして，上記供給圧ΔＰの設定方法を変更した例である。
本例の燃料電池システム１は，上記燃料電池１０のＦＣ温度Ｔｆｃを一定の間隔でサンプリングしている。そして，その都度，水素吸蔵合金の水素吸蔵量Ｃ及び水素平衡圧Ｐｅを併せて算出している。
【００７０】
ここでは，ＦＣ温度Ｔｆｃをサンプリングするごとに，燃料電池１０の温度Ｔｆｃ（以下適宜ＦＣ温度という）と第２設定温度Ｔｏ２との偏差ΔＴ，及び目標暖機時間Ｔｉから経過時間を差し引いた残り暖機時間Ｔｒに基づいて，暖機熱出力Ｑを算出している。
具体的には，まず，燃料電池１０の熱容量に，第２設定温度Ｔｏ２とＦＣ温度Ｔｆｃとの偏差ΔＴを乗じ，さらに損失熱量を加算して暖機作業に必要となる暖機熱量を求めている。次いで，この暖機熱量を，残り暖機時間Ｔｒにより除して単位時間当たりの暖機熱出力Ｑを求めている。
【００７１】
そしてさらに，ＦＣ温度Ｔｆｃをサンプリングするごとに，この暖機熱出力Ｑを，上記平衡水素圧Ｐｅ及び上記水素吸蔵量Ｃと併せて上記数１，数２に代入している。そうすると，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰを随時更新して算出することができる。
そして，上記タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを，平衡水素圧Ｐｅに上記供給圧ΔＰを加算した値となるように制御する。このようにして，タンクレギュレータＲ１により規制され，その規制圧Ｐｒと略一致した印加圧Ｐのもと，水素吸蔵合金タンク２へ水素供給する。
【００７２】
このように本例の燃料電池システム１は，上記暖機作業中において，上記燃料電池の温度Ｔｆｃをフィードバックして，常に適切に供給圧ΔＰを更新している。そして，この供給圧ΔＰと平衡水素圧Ｐｅとに基づいて制御される印加圧Ｐのもと水素吸蔵合金タンク２に水素を供給すると，水素吸蔵合金から常に適切な熱出力を発生させることができる。そのため，上記水素吸蔵合金で生じる熱出力を，きめ細かく制御して，さらに効率良く短時間に上記燃料電池を暖機することができる。
なお，本例のその他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】実施例１における，暖機作業における制御フローを示す説明図。
【図３】実施例１における，再生作業における制御フローを示す説明図。
【図４】実施例３における，ＡＢ５よりなる水素吸蔵合金に対する印加圧と，燃料電池の暖機に要する時間との関係を示すシミュレーション結果。
【図５】実施例３における，ＡＢ５よりなる水素吸蔵合金に対する供給圧ΔＰと，燃料電池の暖機に要する時間との関係を示すシミュレーション結果。
【符号の説明】
１．．．燃料電池システム，１０．．．燃料電池，２．．．水素吸蔵合金タンク，３．．．水素タンク，４，６．．．熱媒経路，４０，６０．．．ポンプ，５１．．．バイパス流路，５３．．．メイン流路，７．．．水素用熱交換器，Ｖ１〜Ｖ３．．．開閉弁，Ｖ４．．．三方弁，
【図１】
2004022364.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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