(57)【要約】【課題】大容量のバッテリを要することなく、燃料電池の温度を所望の温度にすることができ、エネルギを効率よく利用することができるようにする。【解決手段】高圧水素タンク１００から水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを供給し、水素吸蔵合金タンク３００にその水素ガスを吸蔵させる。水素ガスの吸蔵によって、水素吸蔵合金タンク３００は熱を発生するので、その発生した熱を、水素吸蔵合金タンク３００と燃料電池２００との間で循環する冷却水によって、燃料電池２００に伝達する。これにより、燃料電池２００の温度を上げることができる。冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇになる前の供給停止温度Ｔｔａｇに達したタイミングで、水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止するため、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇに達するまで、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを供給し続けるような場合に比較して、水素吸蔵合金タンク３００に対する水素ガスの供給量を少なくすることができる。【選択図】　　　　図１
2004014213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを供給する水素タンクと、前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクに前記水素ガスを供給して、該水素ガスを前記水素吸蔵合金タンクに吸蔵させることにより、該水素吸蔵合金タンクで熱を発生させ、発生したその熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させて、該燃料電池の温度を上昇させ、その後、前記燃料電池の温度が目標温度になる前の所定のタイミングで、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクへの前記水素ガスの供給を停止すると共に、
前記所定のタイミングは、前記水素ガスの供給停止後に、前記水素吸蔵合金タンクの顕熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させることにより、前記燃料電池の温度を前記目標温度以上に上げることが可能なタイミングに設定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】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定のタイミングは、前記燃料電池の温度が、予め設定された、前記目標温度よりも低い供給停止温度に達したタイミングで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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定のタイミングは、前記水素吸蔵合金タンクに供給された前記水素ガスの積算量が、予め設定された量に達したタイミングであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
水素ガスを供給する水素タンクと、前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１の水素ガス流路中に設けられ、前記水素ガスを減圧するための少なくとも２つのレギュレータと、
をさらに備え、
前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させることにより、該水素吸蔵合金タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させ、放出した該水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用すると共に、
前記水素吸蔵合金タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給するための第２の水素ガス流路は、前記第１の水素ガス流路に、前記燃料電池と、前記第１の水素ガス流路中において前記燃料電池に最も近い側のレギュレータと、の間で合流することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の水素ガス流路と前記第２の水素ガス流路との合流点は、前記燃料電池の前記水素ガスの供給口の近傍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４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２の水素ガス流路中に、前記水素吸蔵合金タンク側の圧力が前記燃料電池側の圧力より高くなったときのみ前記水素ガスを前記水素吸蔵合金タンク側から前記燃料電池側に一方向に流す逆止弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
水素ガスを供給する水素タンクと、前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を熱交換媒体流路を介して前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記熱交換部は、前記熱交換媒体を強制的に冷却することが可能なラジエータを備えると共に、
前記熱交換媒体流路は、前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクをつなぐ第１の熱交換媒体流路及び前記燃料電池と前記ラジエータをつなぐ第２の熱交換媒体流路のみから成ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のうちの任意の１つに記載の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを供給する水素タンクと、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の温度を所望の温度にすることが可能な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高圧水素タンクと、燃料電池と、を備えた燃料電池システムを搭載した車両を、例えば、寒冷地において冬場に使用する場合、周囲温度が極めて低い（例えば、０℃未満）ため、燃料電池システムの起動前には、燃料電池内が凍り付いている（例えば、電解質膜などが凍り付いている）恐れがあり、そのままでは、燃料電池を作動させることができない。従って、燃料電池システムの起動時には、燃料電池の温度を常温（例えば、０℃以上）まで上げて、燃料電池内を解凍させた上で、燃料電池を作動させる必要がある。
【０００３】
そのため、従来においては、このような場合に、電気ヒータまたは燃焼ヒータを用いて、燃料電池本体または燃料電池内を循環する冷却水を加熱する方法が採られていた。
【０００４】
また、従来においては、燃料電池が作動した後においても、燃料電池の温度が適正な温度までなかなか上がらない場合には、上記したのと同様の方法が採られていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、電気ヒータを用いる方法では、電気ヒータに電力を供給するために、車両に、大容量のバッテリを搭載する必要があるという問題があった。
【０００６】
また、燃焼ヒータを用いる方法では、燃料電池に供給すべき燃料である水素ガスを燃焼ヒータに供給して燃焼させるため、その分の燃料（すなわち、水素ガス）は単に燃焼に利用されるだけであり、燃料電池における電力発生には何ら利用されないことになる。従って、その分の燃料が持つエネルギは、電力発生の観点から見て、損失になってしまうという問題があった。なお、電気ヒータを用いる場合においても、燃料電池によって発生した電力をバッテリに蓄えた上で、その蓄えた電力を電気ヒータに供給して、電気ヒータを加熱させる場合には、同様の問題が発生する。
【０００７】
さらにまた、その他の方法として、燃料電池全体を断熱材等でくるんで、燃料電池を保温する方法も考えられるが、かかる方法では、燃料電池の運転終了後、或る程度の時間は燃料電池の温度を適正な温度に保つことができるが、長時間経過すると、何れは周囲温度まで低下してしまうため、この場合においても、起動時には、燃料電池の温度を適正な温度まで上げる必要がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、大容量のバッテリを要することなく、燃料電池の温度を所望の温度にすることができ、しかも、エネルギを効率よく利用することができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、水素ガスを供給する水素タンクと、前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクに前記水素ガスを供給して、該水素ガスを前記水素吸蔵合金タンクに吸蔵させることにより、該水素吸蔵合金タンクで熱を発生させ、発生したその熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させて、該燃料電池の温度を上昇させ、その後、前記燃料電池の温度が目標温度になる前の所定のタイミングで、前記水素タンクから前記水素吸蔵合金タンクへの前記水素ガスの供給を停止すると共に、
前記所定のタイミングは、前記水素ガスの供給停止後に、前記水素吸蔵合金タンクの顕熱を前記熱交換媒体によって前記燃料電池に伝達させることにより、前記燃料電池の温度を前記目標温度以上に上げることが可能なタイミングに設定されていることを要旨とする。
【００１０】
このように、第１の燃料電池システムでは、水素タンクから水素吸蔵合金タンクに水素ガスを供給して、その水素ガスを水素吸蔵タンクに吸蔵させる。水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵すると、発熱反応を生じるため、水素吸蔵合金タンクは熱を発生する。この発生した熱を熱交換部の循環する熱交換媒体によって燃料電池に伝達させることにより、燃料電池の温度を上昇させる。
【００１１】
従って、第１の燃料電池システムによれば、例えば、冬場のように周囲温度が極めて低く、燃料電池システムの起動前に、燃料電池内が凍り付いている場合でも、起動時に、燃料電池の温度を常温まで上げて、燃料電池内を解凍させた上で、燃料電池を作動させることができる。このとき、水素吸蔵タンクに水素ガスを吸蔵させる際に発生する熱を利用して、燃料電池の温度を上昇させているので、従来において用いられていた電気ヒータや燃焼ヒータが不要となると共に、大容量のバッテリも必要としない。
【００１２】
また、水素吸蔵合金タンクへの水素ガスの供給を停止する際、燃料電池の温度が目標温度になる前の上記タイミングで停止するため、燃料電池の温度が目標温度に達するまで、水素吸蔵合金タンクに水素ガスを供給し続けるような場合に比較して、水素吸蔵合金タンクに対する水素ガスの供給量を少なくすることができる。
【００１３】
第１の燃料電池システムにおいて、前記所定のタイミングは、前記燃料電池の温度が、予め設定された、前記目標温度よりも低い供給停止温度に達したタイミングであってもよく、前記水素吸蔵合金タンクに供給された前記水素ガスの積算量が、予め設定された量に達したタイミングであってもよい。
【００１４】
このようなタイミングを利用することにより、燃料電池の温度が目標温度になる前に、適正なタイミングで、水素吸蔵合金タンクへの水素ガスの供給を停止させることができる。
【００１５】
本発明の第２の燃料電池システムは、水素ガスを供給する水素タンクと、前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
前記水素タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給するための第１の水素ガス流路中に設けられ、前記水素ガスを減圧するための少なくとも２つのレギュレータと、
をさらに備え、
前記燃料電池の発生する熱を前記熱交換媒体によって前記水素吸蔵合金タンクに伝達させることにより、該水素吸蔵合金タンクに吸蔵されている前記水素ガスを放出させ、放出した該水素ガスを前記燃料電池に供給して、前記電力の発生に利用すると共に、
前記水素吸蔵合金タンクから前記燃料電池に前記水素ガスを供給するための第２の水素ガス流路は、前記第１の水素ガス流路に、前記燃料電池と、前記第１の水素ガス流路中において前記燃料電池に最も近い側のレギュレータと、の間で合流することを要旨とする。
【００１６】
従って、第２の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金タンクから放出された水素ガスは、レギュレータを通ることなく、燃料電池に供給される。水素吸蔵合金タンクの圧力が低い圧力であっても、水素吸蔵合金タンクから燃料電池に水素ガスを供給することができる。このため、水素吸蔵合金タンクにおける水素ガスの可能吸蔵量を増大させることができ、水素吸蔵合金タンクからの発熱の総量を大きくすることができる。
【００１７】
第２の燃料電池システムにおいて、前記第１の水素ガス流路と前記第２の水素ガス流路との合流点は、前記燃料電池の前記水素ガスの供給口の近傍であることが好ましい。
【００１８】
このような構成にすることにより、水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池に至る流路長も短くなり、流路長に起因した圧力損失を抑えることができる。
【００１９】
第２の燃料電池システムにおいて、前記第２の水素ガス流路中に、前記水素吸蔵合金タンク側の圧力が前記燃料電池側の圧力より高くなったときのみ前記水素ガスを前記水素吸蔵合金タンク側から前記燃料電池側に一方向に流す逆止弁を備えることが好ましい。
【００２０】
このような逆止弁を備えることにより、水素吸蔵合金タンク側の圧力が燃料電池側の圧力より高くなれば、水素吸蔵合金タンクから燃料電池への水素ガスの供給が自動的に開始され、低くなれば、その水素ガスの供給が自動的に停止されるため、制御部などによるバルブ制御を不要とすることができる。
【００２１】
本発明の第３の燃料電池システムは、水素ガスを供給する水素タンクと、前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備えた燃料電池システムであって、
水素吸蔵合金を有し、前記水素タンクから前記水素ガスの供給を受けて該水素ガスを前記水素吸蔵合金で吸蔵したり、該水素吸蔵合金の吸蔵した前記水素ガスを放出して前記燃料電池に供給したりすることが可能な水素吸蔵合金タンクと、
熱交換媒体を熱交換媒体流路を介して前記燃料電池および前記水素吸蔵合金タンクに循環させて、少なくとも前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとの間で熱交換を行わせることが可能な熱交換部と、
をさらに備え、
前記熱交換部は、前記熱交換媒体を強制的に冷却することが可能なラジエータを備えると共に、
前記熱交換媒体流路は、前記燃料電池と前記水素吸蔵合金タンクとをつなぐ第１の熱交換媒体流路及び前記燃料電池と前記ラジエータをつなぐ第２の熱交換媒体流路のみから成ることを要旨とする。
【００２２】
このように、熱交換媒体流路を、燃料電池と水素吸蔵合金タンクをつなぐ第１の熱交換媒体流路と、燃料電池とラジエータをつなぐ第２の熱交換媒体流路と、で構成することにより、第１の熱交換媒体流路を、ラジエータをバイパスするためのバイパス流路として用いることができるので、別途、バイパス流路を必要としない。
【００２３】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの態様に限ることなく、そのようなシステムを搭載した車両としての態様で実現することも可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例の構成：
Ｂ．昇温動作および通常動作：
Ｃ．再生動作：
Ｄ．冷却動作：
Ｅ．変形例：
【００２５】
Ａ．実施例の構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【００２６】
本実施例の燃料電池システムは、自動車などの車両に搭載されるものであって、主として、水素ガスを供給する高圧水素タンク１００と、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池２００と、水素ガスを吸蔵したり、吸蔵した水素ガスを放出したりする水素吸蔵合金タンク３００と、を備えている。
【００２７】
このうち、高圧水素タンク１００は、内部に高圧の水素ガスを充填しており、根本に取り付けられたシャットバルブ１０を開くと、およそ２０〜３５ＭＰａの圧力を有する水素ガスが放出される。
【００２８】
燃料電池２００は、水素を含んだ水素ガスの供給と、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空気）の供給と、を受けて、水素極と酸素極において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させている。
【００２９】
即ち、水素極に水素ガスが、酸素極に酸化ガスがそれぞれ供給されると、水素極側では式（１）の反応が、酸素極側では式（２）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（３）の反応が行なわれる。
【００３０】
Ｈ２→　２Ｈ＋＋２ｅ−…（１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→　Ｈ２Ｏ　　　　　　…（２）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→　Ｈ２Ｏ　　　　　　　　　　…（３）
【００３１】
このような燃料電池２００を車両の動力源として用いる場合、燃料電池２００から発生された電力によって電動機（図示せず）を駆動し、その発生トルクを車軸（図示せず）に伝達して、車両の推進力を得る。
【００３２】
また、燃料電池２００は、複数の単セルが積層されたスタック構造となっており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極（図示せず）である水素極及び酸素極と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極と酸素極との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された水素ガスが、酸素極との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。
【００３３】
水素吸蔵合金タンク３００は、内部に水素吸蔵合金（図示せず）を有しており、内部の温度が低温になればなるほど、内部の圧力が下がるため、水素吸蔵合金は水素ガスを吸蔵しやすくなり、内部の温度が高温になればなるほど、内部の圧力が上がるため、水素吸蔵合金は吸蔵した水素ガスを放出しやすくなる。水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵する際、発熱反応を生じ、熱を発生する。逆に、吸蔵した水素ガスを放出する際には、吸熱反応を生じ、熱を吸収する。従って、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを吸蔵させる際には、後述する熱交換システムによって、水素吸蔵合金タンク３００の内部を冷却し、水素吸蔵合金タンク３００から吸蔵した水素ガスを放出させる際には、その熱交換システムによって、水素吸蔵合金タンク３００の内部を加熱する。
【００３４】
その他、本実施例の燃料電池システムは、図１に示すように、システム内で水素ガスを流通させるための水素ガス流路と、同じくシステム内で酸化ガスを流通させるための酸化ガス流路６４と、冷却水を循環させることにより、燃料電池２００や水素吸蔵合金タンク３００の温度を制御する熱交換システムと、制御部４００と、を備えている。
【００３５】
このうち、水素ガス流路は、高圧水素タンク１００の放出口から分岐点５２，合流点５３を介して燃料電池２００の供給口に至る本流流路５０と、分岐点５２と水素吸蔵合金タンク３００の供給口とをつなぐ支流供給流路５４と、水素吸蔵合金タンク３００の放出口と合流点５３とをつなぐ支流放出流路５６と、を備えている。
【００３６】
本流流路５０には、高圧水素タンク１００の放出口と分岐点５２との間に、シャットバルブ１０と、レギュレータ１２と、が配置されており、分岐点５２と合流点５３との間には、レギュレータ１４と、シャットバルブ１６と、が配置されている。なお、合流点５３は、燃料電池２００の供給口の近傍に設けられている。また、支流供給流路５４には、シャットバルブ１８と、流量センサ２０と、が配置されており、支流放出流路５６には、シャットバルブ１９と、圧力センサ２１と、が配置されている。このうち、流量センサ２０は、水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈを検出するセンサである。また、圧力センサ２１は、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈを検出するセンサである。
【００３７】
一方、熱交換システムは、ウォータポンプ２２と、ラジエータ５００と、冷却水流路と、で構成されている。このうち、冷却水流路は、燃料電池２００とラジエータ５００とをつなぐ本流流路５８と、本流流路５８から分岐し水素吸蔵合金タンク３００に至る支流流路６０と、を備えており、その他の流路は備えていない。これら冷却水流路には、不凍の処理を施した冷却水が流れている。
【００３８】
本流流路５８には、前述したウォータポンプ２２の他、水温センサ２６と、切り換えバルブ２４と、が配置されている。このうち、水温センサ２６は、燃料電池２００から放出される冷却水の温度Ｔｗを検出するセンサである。燃料電池２００から放出された直後の冷却水の温度は、燃料電池２００の温度とほとんど差がないため、この水温センサ２６によって検出される冷却水の温度Ｔｗを、燃料電池２００の温度と見なすことができる。また、切り換えバルブ２４は、経路Ａを経路Ｂにつなぐ第１のモード（すなわち、冷却水を支流流路６０に流すモード）と、経路Ａを経路Ｃにつなぐ第２のモード（すなわち、冷却水をラジエータ５００に流すモード）と、経路Ａを経路Ｂ，Ｃ両方につなぐ第３のモード（すなわち、冷却水を支流流路６０とラジエータ５００の両方に流すモード）を有している。なお、少なくとも、第３のモードでは、バルブの開度を変化させることにより、支流流路６０側に流す冷却水の流量とラジエータ５００側に流す冷却水の流量をそれぞれ調整することができる。
【００３９】
また、制御部４００は、流量センサ２０、圧力センサ２１および水温センサ２６からの検出結果を入力すると共に、各バルブ１０，１２，１４，１６，１８，１９，２４と、ウォータポンプ２２と、をそれぞれ制御する。図１では、図面を見やすくするために、制御線等は省略されている。
【００４０】
なお、本実施例において、高圧水素タンク１００は、本発明における水素タンクに、燃料電池２００は、本発明における燃料電池に、水素吸蔵合金タンク３００は、本発明における水素吸蔵合金タンクに、熱交換システムは、本発明における熱交換部に、冷却水は、本発明における熱交換媒体に、レギュレータ１２，１４は、本発明におけるレギュレータに、本流流路５０は、本発明における第１の水素ガス流路に、支流放出流路５６は、本発明における第２の水素ガス流路に、それぞれ相当している。
【００４１】
Ｂ．昇温動作及び通常動作：
それでは、本実施例の燃料電池システムにおける起動時の動作について、図２を用いて説明する。図２は図１の燃料電池システムにおける起動時の動作手順を示すフローチャートである。
【００４２】
燃料電池システムの起動前、水素ガス流路の全てのシャットバルブ１０，１６，１８，１９は閉じている。また、冷却水流路のうち、切り換えバルブ２４は第１のモードとなっている他、ウォータポンプ２２も停止している。また、水素吸蔵合金タンク３００は、水素ガスを吸蔵していない空の状態となっている。
【００４３】
そこで、燃料電池システムが起動されると、制御部４００は、まず、水素ガス流路のうち、本流流路５０のシャットバルブ１０を開くと共に、冷却水流路のウォータポンプ２２を駆動する（ステップＳ１０２）。シャットバルブ１０が開くと、高圧水素タンク１００からは水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、本流流路５０に至る。また、ウォータポンプ２２が駆動されると、冷却水が流れ始める。
【００４４】
次に、制御部４００は、水温センサ２６からの検出結果を入力し、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇより低いか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、暖機目標温度Ｔｔａｇとしては、例えば、氷が溶ける温度である、およそ０℃が設定されている。
【００４５】
判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇより低い場合には、燃料電池２００の温度が低くて、燃料電池２００内が凍り付いている恐れがあるので、昇温動作を開始する。
【００４６】
すなわち、制御部４００は、水素ガス流路のうち、本流流路５０のシャットバルブ１６と支流放出流路５６のシャットバルブ１９をそれぞれ閉じて、支流供給流路５４のシャットバルブ１８を開く。そして、さらに、後述する吸蔵フラグを立てる（ステップＳ１０６）。
【００４７】
本流流路５０のシャットバルブ１６を閉じて、支流供給流路５４のシャットバルブ１８が開くと、高圧水素タンク１００から放出され、本流流路５０に至った水素ガスは、矢印ｈ１で示すように、分岐点５２から支流供給流路５４を通って、水素吸蔵合金タンク３００に供給される。
【００４８】
なお、本流流路５０の途中には、１次減圧用のレギュレータ１２が設けられており、高圧水素タンク１００から放出された高圧（すなわち、およそ２０〜３５ＭＰａ）の水素ガスは、このレギュレータ１２を通ることによって、およそ１ＭＰａ以下減圧されて、水素吸蔵合金タンク３００に供給される。
【００４９】
一方、水素吸蔵合金タンク３００は、前述したとおり、水素ガスを吸蔵していない空の状態であり、また、冷却水の温度が暖機目標温度Ｔｔａｇより低いということで、周囲温度も低く、水素吸蔵合金タンク３００の温度も低い状態となっているため、水素吸蔵合金タンク３００の内部の圧力は非常に低くなっている。
【００５０】
従って、水素吸蔵合金タンク３００におよそ１ＭＰａ以下の水素ガスが供給されると、水素吸蔵合金タンク３００の内部の圧力は非常に低いため、その供給された水素ガスは、水素吸蔵合金タンク３００内の水素吸蔵合金によって速やかに吸蔵される。こうして、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵すると、上述したとおり、発熱反応を生じて、熱を発生する。
【００５１】
一方、熱交換システムにおいて、切り換えバルブ２４は、起動時、第１のモードとなっているので、冷却水は、矢印ｗ１の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，支流流路６０，水素吸蔵合金タンク３００，支流流路６０，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路で循環する。
【００５２】
従って、水素吸蔵合金タンク３００で発生した熱は、循環される冷却水によって水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池２００に伝達されるため、燃料電池２００は加熱されて、温度を上げることになる。
【００５３】
以上のようにして、本実施例の燃料電池システムにおいては、起動時に、高圧水素タンク１００から放出された水素ガスを水素吸蔵合金タンク３００に供給して吸蔵させることにより、水素吸蔵合金タンク３００で熱を発生させ、その発生した熱を熱交換システムによって燃料電池２００に伝達することにより、燃料電池２００の温度を上げることができる。
【００５４】
また、水素吸蔵合金タンク３００で発生した熱を循環する冷却水によって燃料電池２００に伝達して、燃料電池２００を暖める場合、冷却水自体の温度が低いと、水素吸蔵合金タンク３００で発生した熱によって冷却水自体も加熱する必要がある。しかし、本実施例の燃料電池システムによれば、熱交換システムにおいて、切り換えバルブ２４を第１のモードにしているため、冷却水は、矢印ｗ１に示すような経路でのみ循環し、ラジエータ５００に流れることはない。従って、冷却水は最小の経路で循環することになるので、循環する冷却水の量も最小となり、そのため、冷却水を加熱するための熱量も少なくて済み、短時間で冷却水自体の温度を上げることができる。よって、より少ないエネルギで燃料電池２００の温度をより早く上昇させることが可能となる。
【００５５】
なお、ステップＳ１０６では、このようにして、高圧水素タンク１００から水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが供給され、水素吸蔵合金タンク３００に吸蔵されるため、前述した如く、制御部４００は、水素吸蔵合金タンク３００が水素ガスを吸蔵したことを示す吸蔵フラグを立てるのである。
【００５６】
次に、制御部４００は、流量センサ２０からの検出結果を入力し、予め設定されているマップを用いて、検出された流量Ｒｈに対応する低減温度αを決定し、暖機目標温度Ｔｔａｇとその低減温度αとの差として、供給停止温度Ｔｔａｇ−αを求める（ステップＳ１０８）。ここで、供給停止温度Ｔｔａｇ−αとは、高圧水素タンク１００から水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止させるタイミングを決定する温度である。なお、水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈと、低減温度αと、の関係については、後ほど説明する。
【００５７】
続いて、制御部４００は、再び水温センサ２６からの検出結果を入力し、冷却水の温度Ｔｗが供給停止温度Ｔｔａｇ−α以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが供給停止温度Ｔｔａｇ−αに達していなければ、上記判定を繰り返して、供給停止温度Ｔｔａｇ−αに達するまで待機する。
【００５８】
反対に、冷却水の温度Ｔｗが供給停止温度Ｔｔａｇ−αに達していれば、制御部４００は、水素ガス流路のうち、支流供給流路５４のシャットバルブ１８を閉じる（ステップＳ１１２）。
【００５９】
支流供給流路５４のシャットバルブ１８が閉じると、高圧水素タンク１００から支流供給流路５４を通って水素吸蔵合金タンク３００に供給されていた水素ガスは、供給が停止される。水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給が停止されると、水素吸蔵合金タンク３００内での水素吸蔵合金による水素ガスの吸蔵も停止するため、吸蔵による発熱反応も生じなくなる。しかしながら、熱交換システムにおける切り換えバルブ２４は依然第１のモードのままであり、冷却水は燃料電池２００と水素吸蔵合金タンク３００との間で循環している。また、水素吸蔵合金タンク３００も、それを構成している水素吸蔵合金や容器の熱容量が非常に大きい。そのため、水素吸蔵合金タンク３００において、吸蔵による発熱反応が生じなくなっても、水素吸蔵合金タンク３００が保持していた熱を放出し、その放出された熱（顕熱）が、循環する冷却水を介して水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池２００に伝達されて、燃料電池２００が引き続き加熱されるため、燃料電池２００の温度をさらに上げることができる。
【００６０】
図３は水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止させる前後における冷却水の温度変化を示す説明図である。図３において、横軸は水素吸蔵合金タンク３００に対する水素ガスの供給開始時からの時間を示し、縦軸は冷却水の温度を示している。なお、冷却水の温度としては、実線が燃料電池２００から放出される冷却水の温度（燃料電池放出口冷却水温度）Ｔｗであり、破線が水素吸蔵合金タンク３００から放出される冷却水の温度（水素吸蔵合金タンク放出口冷却水温度）Ｔｗ’である。また、太線が本実施例の場合であり、細線が後述する比較例の場合である。
【００６１】
例えば、ステップＳ１０８で求められた供給停止温度Ｔｔａｇ−αが図３に示す如くであるとすると、燃料電池２００から放出される冷却水の温度Ｔｗが、その供給停止温度Ｔｔａｇ−αになった時刻ｔ１において、水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給は停止される。すると、水素吸蔵合金タンク３００における発熱反応は生じなくなるため、水素吸蔵合金タンク放出口冷却水温度Ｔｗ’は徐々に下降し始めるが、水素吸蔵合金タンク３００の顕熱は、循環される冷却水によって水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池２００に伝達されるため、燃料電池２００はさらに加熱されて、燃料電池放出口冷却水温度Ｔｗは引き続き上昇することになる。
【００６２】
次に、制御部４００は、水温センサ２６からの検出結果をさらに入力し、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１４）。判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇに達していなければ、上記判定を繰り返して、暖機目標温度Ｔｔａｇに達するまで待機する。
【００６３】
一方、判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇに達していれば、燃料電池２００の温度も十分高く、効率的な運転が可能なため、通常動作を開始する。
【００６４】
すなわち、図３において、時刻ｔ１以降、水素吸蔵合金タンク放出口冷却水温度Ｔｗ’は下降し、燃料電池放出口冷却水温度Ｔｗは上昇して、循環する冷却水の温度は次第に均一化されてゆき、ついには、暖機目標温度Ｔｔａｇにおいて、水素吸蔵合金タンク放出口冷却水温度Ｔｗ’と燃料電池放出口冷却水温度Ｔｗとが一致して、温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇに達する。すると、制御部４００は、通常動作を開始するために、水素ガス流路のうち、本流流路５０のシャットバルブ１６を開く（ステップＳ１１６）。
【００６５】
このように、支流供給流路５４のシャットバルブ１８が閉じた状態で、本流流路５０のシャットバルブ１６が開くと、高圧水素タンク１００から放出され、本流流路５０に至った水素ガスは、矢印ｈ２で示すように、そのまま本流流路５０を通って、燃料電池２００に供給される。
【００６６】
なお、本流流路５０の途中には、前述した１次減圧用のレギュレータ１２の他に、２次減圧用のレギュレータ１４が設けられており、本流流路５０をそのまま通る水素ガスは、１次減圧用のレギュレータ１２でおよそ１ＭＰａ以下に減圧された後、さらに、２次減圧用のレギュレータ１４を通ることによって、最終的に、燃料電池への供給圧力まで減圧されて、燃料電池２００に供給される。こうして、高圧水素タンク１００から放出された高圧の水素ガスを２段階で減圧することによって、高圧の水素ガスが直接、燃料電池２００に供給されないよう、燃料電池２００を保護している。
【００６７】
また、燃料電池２００には、別に、酸化ガス流路６４を介して酸化ガスが供給される。
【００６８】
こうして、燃料電池２００に水素ガスと酸化ガスが供給されると、前述したとおり、燃料電池２００は、水素極と酸素極において電気化学反応を起こし、電力を発生させる。なお、このとき起きる電気化学反応は、発熱反応であるため、これによって、燃料電池２００の温度は上昇する。
【００６９】
ところで、前述したステップＳ１０４における判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇ以上の場合には、起動開始時において既に燃料電池２００の温度も十分高く、効率的な運転が可能なため、昇温動作を開始することなく、通常動作を開始する。
【００７０】
具体的には、制御部４００は、水素ガス流路のうち、支流供給流路５４のシャットバルブ１８と支流放出流路５６のシャットバルブ１９をそれぞれ閉じて、本流流路５０のシャットバルブ１６と開く（ステップＳ１１８）。
【００７１】
支流供給流路５４のシャットバルブ１８が閉じて、本流流路５０のシャットバルブ１６が開くと、前述したのと同様に、高圧水素タンク１００から放出され、本流流路５０に至った水素ガスは、矢印ｈ２で示すように、そのまま本流流路５０を通って、燃料電池２００に供給される。
【００７２】
また、燃料電池２００には、別に、酸化ガス流路６４を介して酸化ガスが供給されている。
【００７３】
このように、燃料電池２００に水素ガスと酸化ガスが供給されると、燃料電池２００は、水素極と酸素極において電気化学反応を起こし、電力を発生させる。この電気化学反応は、前述したとおり、発熱反応であるため、燃料電池２００の温度は上昇する。
【００７４】
一方、熱交換システムにおいて、切り換えバルブ２４は、第１のモードのままとなっており、冷却水は、矢印ｗ１の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，支流流路６０，水素吸蔵合金タンク３００，支流流路６０，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路で循環する。冷却水の温度Ｔｗが定常温度よりまだ低い場合に、ラジエータ５００側に冷却水を回すと、冷却水の温度Ｔｗが上がっていかないからである。
【００７５】
ステップＳ１１８の処理を行う場合、昇温動作は行っていないので、水素吸蔵合金タンク３００は、水素ガスを吸蔵していない空の状態のままである。このため、水素吸蔵合金タンク３００に或る程度温かい冷却水を流しても、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しないので、水素吸蔵合金タンク３００の内部の圧力が高くなることはない。従って、このように、支流流路６０および水素吸蔵合金タンク３００から成る流路を、ラジエータ５００をバイパスするための、いわゆるバイパス流路として用いることができる。
【００７６】
以上によって、図２に示した一連の起動時の動作を終了する。
【００７７】
こうして通常動作に移行した後、制御部４００は、水温センサ２６を介して冷却水の温度Ｔｗを監視しながら、燃料電池２００の温度上昇に伴い、冷却水の温度Ｔｗが定常温度まで上昇したら、切り換えバルブ２４を第１のモードから第２のモードに切り換える。これにより、冷却水は、矢印ｗ２の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，ラジエータ５００，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路で循環する。この結果、燃料電池２００によって昇温された冷却水は、ラジエータ５００において冷却されるため、冷却水の温度Ｔｗ、延いては燃料電池２００の温度を定常温度に保つことができる。
【００７８】
以上のように、本実施例においては、燃料電池２００から放出される冷却水の温度Ｔｗが、暖機目標温度Ｔｔａｇではなく、それよりも低減温度αだけ低い、供給停止温度Ｔｔａｇ−αに達したら、水素吸蔵合金タンク３００に対する水素ガスの供給を停止するようにしている。そのため、図３に細線で示した比較例の如く、冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇに達するまで、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを供給し続けるような場合に比較して、水素吸蔵合金タンク３００に対する水素ガスの供給量を少なくすることができる。
【００７９】
すなわち、図３において、比較例（細線）では、水素ガス供給開始時から冷却水の温度Ｔｗが暖機目標温度Ｔｔａｇに達する時刻ｔ２までの間、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが供給されることになるが、本実施例（太線）では、水素ガス供給開始時から、時刻ｔ２よりも早い時刻ｔ１までの間しか、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが供給されないため、単位時間当たりの水素ガスの供給量、すなわち、流量が同じであれば、本実施例では、時間ｔ２−ｔ１の間に供給される分の水素ガスの供給量を、比較例よりも少なくすることができる。
【００８０】
よって、このように、本実施例では、水素ガスの供給量が少なくて済む分、水素吸蔵合金タンク３００における水素吸蔵合金の量も少なくてよいため、水素吸蔵合金タンク３００の重量低減や小型化を図ることができ、車両への搭載性に優れたものとなる。
【００８１】
次に、水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈと、低減温度αと、の関係について説明する。図４は水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈをパラメータとして、水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止させる前後における冷却水の温度変化をそれぞれ示した説明図である。図４において、横軸は水素吸蔵合金タンク３００に対する水素ガスの供給開始時からの時間を示し、縦軸は冷却水の温度を示している。なお、冷却水の温度としては、図３の場合と同様に、実線が燃料電池２００から放出される冷却水の温度（燃料電池放出口冷却水温度）Ｔｗであり、破線が水素吸蔵合金タンク３００から放出される冷却水の温度（水素吸蔵合金タンク放出口冷却水温度）Ｔｗ’である。また、水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈは、Ｒｈ１，Ｒｈ２，Ｒｈ３の順に小さくなっている（Ｒｈ１＞Ｒｈ２＞Ｒｈ３）。
【００８２】
一般に、水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈが大きくなるほど、水素吸蔵合金タンク３００での発熱量は大きくなるため、図４に示すように、水素吸蔵合金タンク放出口冷却水温度Ｔｗ’は、流量Ｒｈが大きいほど、時間に対する変化量が大きくなっている。また、そのため、燃料電池放出口冷却水温度Ｔｗの方も、同様に、時間に対する変化量が大きくなっている。
【００８３】
本実施例においては、予め、水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈ毎に、図４に示すような冷却水の温度特性を用意し、水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給停止後に、冷却水の温度が均一化した場合に、その温度（すなわち、Ｔｗ）が暖機目標温度Ｔｔａｇになるような、低減温度αを実験的に求めて、流量Ｒｈと低減温度αとの関係を表すマップを作成する。
【００８４】
そして、制御部４００は、そのマップを用いて、流量Ｒｈから低減温度αを決定し、供給停止温度Ｔｔａｇ−αを求めるようにしている。
【００８５】
Ｃ．再生動作：
次に、本実施例の燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金タンク３００に吸蔵された水素ガスを燃料電池２００で再利用するための再生動作について、図５を用いて説明する。図５は図１の燃料電池システムにおける再生動作の手順を示すフローチャートである。
【００８６】
前述したとおり、通常動作時では、水素ガス流路のうち、本流流路５０のシャットバルブ１０，１６は開いているが、支流供給流路５４のシャットバルブ１８と支流放出流路５６のシャットバルブ１９は閉じている。また、冷却水流路のうち、切り換えバルブ２４は第１または第２のモードとなっている。
【００８７】
このような通常動作時において、図５に示す再生動作が開始されると、制御部４００は、まず、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが吸蔵されていることを示す吸蔵フラグが立っているか否かを判定する（ステップＳ２０２）。判定の結果、吸蔵フラグが立っていなければ、水素吸蔵合金タンク３００には水素ガスが吸蔵されておらず、空の状態であるので、そのまま、図５に示す再生動作を終了する。
【００８８】
判定の結果、吸蔵フラグが立っていれば、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが吸蔵されているので、図５に示す再生動作を続行する。
【００８９】
次に、制御部４００は、水温センサ２６からの検出結果を入力し、冷却水の温度Ｔｗが再生開始温度Ｔｒｃ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。ここで、再生開始温度Ｔｒｃとしては、例えば、およそ５０〜８０℃が設定されている。
【００９０】
判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが再生開始温度Ｔｒｃより低い場合には、上記判定を繰り返して、再生開始温度Ｔｒｃに達するまで待機する。反対に、冷却水の温度Ｔｗが再生開始温度Ｔｒｃに達していれば、制御部４００は、冷却水流路のうち、切り換えバルブ２４を第１のモードにする（ステップＳ２０６）。
【００９１】
熱交換システムにおいて、切り換えバルブ２４が第１のモードとなると、冷却水は、矢印ｗ１の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，支流流路６０，水素吸蔵合金タンク３００，支流流路６０，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路で循環する。
【００９２】
このとき、冷却水の温度Ｔｗは再生開始温度Ｔｒｃを超えており、燃料電池２００において、電気化学反応により発生した熱は、循環される冷却水によって、燃料電池２００から水素吸蔵合金タンク３００に伝達されるため、水素吸蔵合金タンク３００は加熱されて、温度を上げることになる。この結果、水素吸蔵合金タンク３００の内部の圧力は高くなって、水素吸蔵合金は、吸蔵していた水素ガスを放出する。
【００９３】
そこで、制御部４００は、圧力センサ２１からの検出結果を入力し、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆ以上になっているか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ここで、基準圧力Ｐｒｅｆとしては、例えば、およそ０．８〜０．９ＭＰａが設定されている。
【００９４】
判定の結果、水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆより低い場合には、上記判定を繰り返して第１の基準圧力Ｐ１以上になるまで待機する。反対に、水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆ以上になっていれば、制御部４００は、水素ガス流路のうち、本流流路５０のシャットバルブ１０を閉じて、支流放出流路５６のシャットバルブ１９を開くと共に、冷却水流路のうち、切り換えバルブ２４を第３のモードにする（ステップＳ２１０）。
【００９５】
これにより、水素吸蔵合金タンク３００は、水素吸蔵合金に吸蔵していた水素ガスを放出し、放出された水素ガスは、矢印ｈ３に示すように、支流放出流路５６，合流点５３を通って、燃料電池２００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池２００において、電力発生のために利用される。
【００９６】
その後、制御部４００は、圧力センサ２１からの検出結果を入力し、それに基づいて、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈがほぼ基準圧力Ｐｒｅｆとなるように調整する（ステップＳ２１２）。調整の方法としては、燃料電池２００から水素吸蔵合金タンク３００に供給される冷却水の温度を調整することにより、水素吸蔵合金タンク３００の温度を制御して、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈを調整する。
【００９７】
なお、冷却水の温度を調整する方法としては、上述の如く、第３のモードとなった切り換えバルブ２４におけるバルブの開度を変化させることにより行う。すなわち、切り換えバルブ２４が第３のモードとなったことにより、冷却水は、矢印ｗ１の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，支流流路６０，水素吸蔵合金タンク３００，支流流路６０，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路と、矢印ｗ２の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，ラジエータ５００，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路の両者で循環する。そこで、切り換えバルブ２４において、バルブの開度を適度に変化させ、支流流路６０を回る冷却水の流量とラジエータ５００へ回る冷却水の流量とを調整することにより、水素吸蔵合金タンク３００に供給される冷却水の温度を調整する。
【００９８】
その後、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈが低下してきて、上記したような圧力調整を行っても、水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆを維持できない場合に（ステップＳ２１４）、制御部４００は、水素吸蔵合金タンク３００が吸蔵していた水素ガスを全て放出してしまい、空の状態になったものと判断する。
【００９９】
そして、制御部４００は、水素ガス流路のうち、支流放出流路５６のシャットバルブ１９を閉じて、本流流路５０のシャットバルブ１０を開くと共に、冷却水流路のうち、切り換えバルブ２４を第１のモードにする（ステップＳ２１２）。そして、水素吸蔵合金タンク３００が空になったことを示すために、吸蔵フラグを下ろす（ステップＳ２１６）。
【０１００】
以上によって、図５に示した一連の再生動作を終了し、通常動作に戻る。
【０１０１】
こうして、水素吸蔵合金タンク３００が空の状態になれば、前述したとおり、水素吸蔵合金タンク３００に温かい冷却水を流しても、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しないので、水素吸蔵合金タンク３００の内部の圧力が高くなることはなく、従って、支流流路６０および水素吸蔵合金タンク３００から成る流路を、バイパス流路として用いることができる。
【０１０２】
ここで、本実施例を、図８に示す比較例と比較する。図８は本実施例に対する比較例として燃料電池システムの構成を示す構成図である。図８において、図１と同一の構成要素については、同一の符号が付してある。
【０１０３】
本実施例と図８に示す比較例とを比較すると、本実施例では、上述の如く、支流流路６０および水素吸蔵合金タンク３００から成る流路をバイパス流路として利用することができるため、比較例が備えるようなバイパス流路６２は不要となる。また、比較例では、冷却水の流れを切り換えるために、冷却水をラジエータ５００に流すモード（すなわち、経路ａを経路ｂにつなぐモード）と、冷却水をバイパス流路６２に流すモード（すなわち、経路ａを経路ｃにつなぐモード）と、冷却水をラジエータ５００にもバイパス流路６２にも流さないモード（すなわち、経路ａを経路ｂ，ｃ何れにもつながないモード）と、を有するバイパスバルブ２５を備える他、水素吸蔵合金タンク３００へ流れる冷却水の流量を調整するために、調整バルブ２７を備えているが、本実施例では、これらのバルブ２５，２７の機能を、切り換えバルブ２４に持たしているため、バルブの数を削減することができる。
【０１０４】
よって、本実施例では、これらバイパス経路やバルブの削減により、燃料電池システムの全体の重量、専有スペース、コストを軽減することができる。
【０１０５】
また、比較例では、水素吸蔵合金タンク３００から放出された水素ガスは、図８において矢印ｈ４に示すように、支流流路５５，分岐点５２，本流流路５０を通って、燃料電池２００に供給される。このとき、分岐点５２と燃料電池２００の供給口との間には、レギュレータ１４が存在するため、水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池２００に水素ガスを供給するには、水素吸蔵合金タンク３００の圧力として、レギュレータ１４での圧力損失を上回るような十分な圧力Ｐｒｅｆ１が必要となる。これに対し、本実施例では、水素吸蔵合金タンク３００から放出された水素ガスは、図１において矢印ｈ３に示したように、支流放出流路５６，合流点５３を通って、燃料電池２００に供給される。従って、水素吸蔵合金タンク３００から放出口から燃料電池２００の供給口に至る流路中にはレギュレータが存在しないため、水素吸蔵合金タンク３００の圧力が、或る程度低い圧力Ｐｒｅｆ２（＜Ｐｒｅｆ１）であっても、水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池２００に水素ガスを供給することができる。しかも、合流点５３は、燃料電池２００の供給口の近傍に設けられているため、水素吸蔵合金タンク３００の放出口から燃料電池２００の供給口に至る流路長も短くなり、流路長に起因した圧力損失を抑えることができる。
【０１０６】
図６は水素吸蔵合金タンク３００における圧力と水素吸蔵量との関係を示す説明図である。図６において、縦軸は水素吸蔵合金タンク３００の内部の圧力であり、横軸は水素吸蔵合金タンク３００に吸蔵される水素ガスの量（水素吸蔵量）である。また、Ｐｔｌは水素吸蔵合金タンク３００の温度がＴｔｌの時の関係を示し、Ｐｔｈは水素吸蔵合金タンク３００の温度がＴｔｌよりも高いＴｔｈ（＞Ｔｔｌ）の時の関係を示している。
【０１０７】
図６において、水素吸蔵合金タンク３００の温度が低く、例えば、Ｔｔｌの場合、圧力と水素吸蔵量との関係はＰｔｌのごとくになる。従って、図８に示す比較例において、水素吸蔵合金タンク３００に吸蔵された水素ガスを放出して燃料電池２００に供給する場合、前述したとおり、水素吸蔵合金タンク３００の圧力がＰｒｅｆ１を下回ると、燃料電池２００への水素ガスの供給ができなくなるため、水素吸蔵合金タンク３００の圧力がＰｒｅｆ１に達した時点で、水素吸蔵合金タンク３００は空の状態になったと判断される。しかし、この時点での水素吸蔵量は、Ｎ１と未だ多い。従って、比較例では、空の状態から満杯の状態になるまでの間に、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを吸蔵することができる総量（可能吸蔵量）は、Ｋ１と少なくなってしまう。このため、この可能吸蔵量をＫ１からＫ２に増やそうとするには、水素吸蔵合金タンク３００の温度をＴｔｌからそれよりも高いＴｔｈに上げ、圧力と水素吸蔵量との関係がＰｔｈとなるようにする必要がある。すなわち、圧力と水素吸蔵量との関係がＰｔｈとなれば、水素吸蔵合金タンク３００の圧力がＰｒｅｆ１に達した時点で、水素吸蔵量はＮ１よりも少ないＮ２（＜Ｎ１）とすることができ、このＮ２で空の状態であると判断されることになるので、可能吸蔵量をＫ２に増すことができる。しかしながら、水素吸蔵合金タンク３００の温度をＴｔｌからＴｔｈに上げるために、余分な時間やエネルギがかかるという問題がある。
【０１０８】
これに対し、本実施例では、水素吸蔵合金タンク３００の圧力が、Ｐｒｅｆ１より低くなっても、圧力Ｐｒｅｆ２に達するまでは、燃料電池２００に水素ガスを供給することができる。従って、水素吸蔵合金タンク３００の温度がＴｔｌと低く、圧力と水素吸蔵量との関係がＰｔｌであったとしても、水素吸蔵合金タンク３００の圧力がＰｒｅｆ２に達した時点で、水素吸蔵量はＮ１よりも少ないＮ３（＜Ｎ３）とすることができ、このＮ３で空の状態になったと判断されることになる。従って、可能吸蔵量をＫ３とすることができ、比較例の場合よりも増やすことができる。
【０１０９】
このように可能吸蔵量が大きいと言うことは、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを吸蔵させ、熱を発生させる際の発熱の総量が大きいと言うことである。従って、本実施例では、比較例の場合よりも、水素吸蔵合金タンク３００からの発熱の総量を大きくすることができるため、その分、燃料電池２００の昇温を早めることができる。
【０１１０】
Ｄ．冷却動作：
ところで、通常動作では、前述したとおり、冷却水流路の切り換えバルブ２４が第２のモードになっていれば、燃料電池２００を循環する冷却水はラジエータ５００において冷却されるため、燃料電池２００の温度は定常温度に保たれているが、このような燃料電池システムを搭載した車両を、例えば、夏場に使用する場合、上記したようなラジエータ５００による冷却だけでは、燃料電池２００の温度を定常温度に保てない場合がある。
【０１１１】
そこで、次に、本実施例の燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金タンク３００を利用して燃料電池２００を冷却するための冷却動作について、図７を用いて説明する。図７は図１の燃料電池システムにおける冷却動作の手順を示すフローチャートである。
【０１１２】
なお、この冷却動作は、前述した再生動作の代わりに行うものである。また、この冷却動作は、基本的には、再生動作と同様であるので、異なる部分について詳細に説明する。
【０１１３】
通常動作時において、図７に示す冷却動作が開始されると、制御部４００は、まず、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが吸蔵されていることを示す吸蔵フラグが立っているか否かを判定する（ステップＳ３０２）。判定の結果、吸蔵フラグが立っていなければ、水素吸蔵合金タンク３００は空の状態であって、水素吸蔵合金タンク３００を利用した冷却は行えないので、図７に示す冷却動作を終了する。
【０１１４】
判定の結果、吸蔵フラグが立っていれば、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスが吸蔵されているので、図７に示す冷却動作を続行する。
【０１１５】
次に、制御部４００は、水温センサ２６からの検出結果を入力し、冷却水の温度Ｔｗが冷却基準温度Ｔｃｏ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０４）。ここで、冷却基準温度Ｔｃｏとしては、例えば、およそ８０℃以上が設定されている。
【０１１６】
判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが冷却基準温度Ｔｃｏより低い場合には、冷却水の温度Ｔｗが高くなって、その冷却基準温度Ｔｃｏ以上になるまで待機する。その後、冷却水の温度Ｔｗが冷却基準温度Ｔｃｏ以上になったら、燃料電池２００を冷却するために、制御部４００は、冷却水流路のうち、切り換えバルブ２４を第１のモードにする（ステップＳ３０６）。
【０１１７】
熱交換システムにおいて、切り換えバルブ２４が第１のモードとなると、冷却水は、矢印ｗ１の如く、燃料電池２００から出た後、本流流路５８，支流流路６０，水素吸蔵合金タンク３００，支流流路６０，本流流路５８を介して燃料電池２００に戻る経路で循環する。
【０１１８】
従って、燃料電池２００において、電気化学反応により発生した熱は、循環される冷却水によって奪い去られ、燃料電池２００から水素吸蔵合金タンク３００に伝達される。一方、水素吸蔵合金タンク３００は、伝達された熱によって加熱されて温度が上がり、内部の圧力も高くなって、水素吸蔵合金は、吸蔵していた水素ガスを放出する。
【０１１９】
そこで、制御部４００は、圧力センサ２１からの検出結果を入力し、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆ以上になっているか否かを判定する（ステップＳ３０８）。
【０１２０】
判定の結果、水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆより低い場合には、基準圧力Ｐｒｅｆ以上になるまで待機する。その後、水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆ以上になったら、制御部４００は、水素ガス流路のうち、本流流路５０のシャットバルブ１０を閉じて、支流放出流路５６のシャットバルブ１９を開く（ステップＳ３１０）。
【０１２１】
これにより、水素吸蔵合金タンク３００は、水素吸蔵合金に吸蔵していた水素ガスを放出し、放出された水素ガスは、矢印ｈ３に示すように、支流放出流路５６，合流点５３を通って、燃料電池２００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池２００において、電力発生のために利用される。
【０１２２】
水素吸蔵合金は、水素ガスを放出する際に、吸熱反応を生じ、熱を吸収するため、水素吸蔵合金タンク３００を流れる冷却水は、水素吸蔵合金タンク３００により熱を奪われて、その温度は低下する。従って、燃料電池２００には、この温度低下した冷却水が戻されることになり、燃料電池２００の温度は下がる。
【０１２３】
続いて、制御部４００は、再び、水温センサ２６からの検出結果を入力し、冷却水の温度Ｔｗが冷却基準温度Ｔｃｏより低くなったか否かを判定する（ステップＳ３１２）。
【０１２４】
判定の結果、冷却水の温度Ｔｗが冷却基準温度Ｔｃｏより低くなっていない場合には、その冷却基準温度Ｔｃｏより低くなるまで、ステップＳ３１４，３１６の処理を繰り返す。
【０１２５】
なお、ステップＳ３１４，Ｓ３１６の処理は、図５に示したステップＳ２１２，Ｓ２１４の処理と同様であるので、説明は省略する。
【０１２６】
その後、冷却水の温度Ｔｗが冷却基準温度Ｔｃｏより低くなったら、制御部４００は、水素ガス流路のうち、支流放出流路５６のシャットバルブ１９を閉じて、本流流路５０のシャットバルブ１０を開く（ステップＳ３２０）。
【０１２７】
なお、ステップＳ３１２〜Ｓ３１６の処理を繰り返す間は、水素吸蔵合金タンク３００から放出される水素ガスの圧力Ｐｈが基準圧力Ｐｒｅｆを維持しており、水素吸蔵合金タンク３００は空の状態になっていないので、ステップＳ３２０において、支流放出流路５６のシャットバルブ１９が閉じても、水素吸蔵合金タンク３００には吸蔵された水素ガスがまだ残っている。
【０１２８】
従って、水素吸蔵合金タンク３００に吸蔵された水素ガスが残っている限り、水素吸蔵合金タンク３００を利用して燃料電池２００を冷却させることは可能であるので、ステップＳ３０４の処理に戻る。
【０１２９】
こうして、水素ガスを吸蔵している水素吸蔵合金タンク３００が空の状態になるまで、上記した処理が繰り返され、空の状態になったら、図５に示したステップＳ２１６と同様のステップＳ３１８の処理を実行する。
【０１３０】
以上によって、図７に示した一連の冷却動作を終了し、通常動作に戻る。
【０１３１】
本実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池２００の温度が高い場合には、水素ガスの吸蔵された水素吸蔵合金タンク３００を利用して、燃料電池２００を冷却することにより、燃料電池２００の温度を定常温度に保つことができる。
【０１３２】
Ｅ．変形例：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【０１３３】
上記した実施例においては、水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止させるタイミングとして、冷却水の温度Ｔｗが供給停止温度Ｔｔａｇ−αに達したタイミングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、水素吸蔵合金タンク３００へ供給される水素ガスの積算量を用いてこのタイミングを決定するようにしてもよい。供給された水素ガスの積算量は、水素吸蔵合金タンク３００の温度上昇と一定の関係があるため、予め、目標積算量を設定しておき、水素吸蔵合金タンク３００に供給された水素ガスの積算量を、流量センサ２０の検出結果などを基にして求め、その求めた積算量が、目標積算量に達したタイミングで、３００への水素ガスの供給を停止するようにする。なお、当然ながら、目標積算量は、水素ガスの供給停止後に、水素吸蔵合金タンク３００の顕熱を冷却水を介して燃料電池２００に伝達させることにより、燃料電池の温度（すなわち、冷却水の温度Ｔｗ）を暖機目標温度Ｔｔａｇになるような値を実験的に導く必要がある。
【０１３４】
上記した実施例においては、支流放出流路５６にシャットバルブ１９を設け、このシャットバルブ１９の開閉を制御部４００によって制御するようにしたが、このシャットバルブ１９に代えて、逆止弁を設けるようにしてもよい。すなわち、この逆止弁は、水素吸蔵合金タンク３００側の圧力が燃料電池２００側の圧力より高くなったときのみ水素ガスを水素吸蔵合金タンク３００側から燃料電池２００側へ一方向に流すように機能する。従って、逆止弁を設けることにより、水素吸蔵合金タンク３００側の圧力が燃料電池２００側の圧力より高くなれば、水素吸蔵合金タンク３００から燃料電池２００への水素ガスの供給が自動的に開始され、低くなれば、その水素ガスの供給が自動的に停止されるため、制御部４００によるバルブ制御を不要とすることができる。
【０１３５】
上記した実施例においては、支流放出流路５６を本流流路５０上に設けた合流点５３で合流させるようにしたが、燃料電池２００内で合流させるようにしてよい。
【０１３６】
上記した実施例においては、燃料電池システムの起動時に、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを吸蔵した場合、燃料電池２００の運転中に、再生動作によって、水素吸蔵合金タンク３００を空の状態にしてから、運転が終了するようにしている。しかしながら、水素吸蔵合金タンク３００に水素ガスを吸蔵した場合であっても、水素吸蔵合金タンク３００に、さらに水素ガスを吸蔵する余裕が十分ある場合には、水素吸蔵合金タンク３００を空の状態にすることなく、運転を終了するようにしても良い。この場合においても、再度、燃料電池システムを起動する際に、いつでも、上述した昇温動作を開始することができる。
【０１３７】
また、上記した実施例においては、通常動作に移行した後は、昇温動作に戻ることはなかったが、通常動作を行っている際でも、燃料電池２００の温度が低下するような場合には、昇温動作に戻るようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける起動時の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止させる前後における冷却水の温度変化を示す説明図である。
【図４】水素吸蔵合金タンク３００に供給される水素ガスの流量Ｒｈをパラメータとして、水素吸蔵合金タンク３００への水素ガスの供給を停止させる前後における冷却水の温度変化をそれぞれ示した説明図である。
【図５】図１の燃料電池システムにおける再生動作の手順を示すフローチャートである。
【図６】水素吸蔵合金タンク３００における圧力と水素吸蔵量との関係を示す説明図である。
【図７】図１の燃料電池システムにおける冷却動作の手順を示すフローチャートである。
【図８】本実施例に対する比較例として燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１０…シャットバルブ
１２…レギュレータ
１４…レギュレータ
１６…シャットバルブ
１８…シャットバルブ
１９…シャットバルブ
２０…流量センサ
２１…圧力センサ
２２…ウォータポンプ
２４…バルブ
２５…バイパスバルブ
２６…水温センサ
２７…調整バルブ
２８…水温センサ
５０…本流流路
５２…分岐点
５３…合流点
５４…支流供給流路
５５…支流流路
５６…支流放出流路
５８…本流流路
６０…支流流路
６２…バイパス流路
６４…酸化ガス流路
１００…高圧水素タンク
２００…燃料電池
３００…水素吸蔵合金タンク
４００…制御部
５００…ラジエータ
【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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