(57)【要約】【課題】  本発明では、電気式ヒータやクーラなどを設けることなく、除湿器またはタンクを加熱または冷却することができる構造とすることで、電気エネルギの消費を少なくすることができる水素回収装置を提供することを目的とする。【解決手段】  水素回収装置６は、燃料電池スタック４からパージされてくる水素ガスが通流するパージ水素配管１１と、パージ水素配管１１を通流する水素ガスに含まれる水分を分離させる除湿手段６１と、除湿手段６１の下流側に設けられ、かつ除湿された水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金６２ａが内蔵された回収用タンク６２と、除湿手段６１の上流にある熱交換部６１ａを冷却し、かつ回収用タンク６２を加熱するＭＨ式熱交換装置６３とを備えている。ＭＨ式熱交換装置６３には、水素ガスを吸蔵することで発熱し、かつ水素ガスを放出することで吸熱する水素吸蔵合金６３ａが設けられている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード側からパージされてくる水素ガスが通流するパージ流路と、
前記パージ流路を通流する前記水素ガスに含まれる水分を分離させる除湿手段と、
前記除湿手段の下流側に設けられ、かつ除湿された前記水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金が内蔵された回収用タンクと、を備えた水素回収装置であって、
少なくとも水素吸蔵合金を備え、該水素吸蔵合金が水素を放出した際の吸熱反応によって前記除湿手段よりも上流側のパージ流路を冷却し、かつ該水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の発熱反応によって前記回収用タンクを加熱する冷暖手段を備えたことを特徴とする水素回収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素回収装置であって、
前記除湿手段は、
前記冷暖手段によって冷却されて液化した水分を貯蔵するキャッチタンクを備えていることを特徴とする水素回収装置。
【請求項３】
燃料電池のアノード側からパージされてくる水素ガスが通流するパージ流路と、
前記パージ流路からその内部に通流してくる前記水素ガスを冷却するための熱交換部と、
前記熱交換部で冷却されて液化した水分の下流側への流出を防止する除湿手段と、
前記除湿手段の下流側に設けられ、かつ除湿された前記水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金が内蔵された回収部と、
少なくとも水素吸蔵合金を有し、該水素吸蔵合金が水素を吸蔵または放出した際の発熱反応または吸熱反応を利用した冷暖部が、前記熱交換部および前記回収部と熱交換可能に設けられていることを特徴とする水素回収装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水素回収装置であって、
前記回収部、前記冷暖部、前記熱交換部は平板状に形成され、前記冷暖部は前記回収部を挟み込み、かつ前記熱交換部に挟み込まれるようにして配設されることを特徴とする水素回収装置。
【請求項５】
請求項３に記載の水素回収装置であって、
前記回収部、前記冷暖部、前記熱交換部は筒状に形成され、
前記冷暖部は前記回収部を覆うように設けられ、かつ、前記熱交換部は前記冷暖部を覆うように設けられていることを特徴とする水素回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池からパージされる水素を回収するための水素回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池が注目されている。この燃料電池では、カソード側に酸素を含んだ空気を供給するとともにアノード側に水素を供給することで、これらの水素と酸素を反応させて電気を発生させている。また、このような燃料電池では、燃費の改善のため、水素を循環して利用している。
【０００３】
ところで、前記のような燃料電池においては、アノード側が水素を循環利用していることに加えてカソード側とは薄い電解膜だけで隔てられていることから、アノード側に電気化学反応によって生成された水や、空気中の二酸化炭素、窒素などの不純物が蓄積することがある。そして、これらの不純物が蓄積されると発電性能を下げる原因となるため、定期的に水素循環流路から水素を排出することで、その水素によって不純物を外部へパージ（排出）する必要がある。ただし、このように水素を不純物とともにパージするだけでは燃料である水素が無駄になるため、従来、燃料電池からパージされる水素を回収して、再利用させる水素回収装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
具体的に、この水素回収装置は、燃料電池からパージされてくる水素ガス中に含まれる水分を除去するための除湿器と、この除湿器を介して送られてくる水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金を備えたタンクと、これらの除湿器およびタンクを加熱するための電気式ヒータと、これらの除湿器およびタンクを冷却するための冷却水クーラとを主に備えている。そして、この水素回収装置では、水素を回収する際に除湿器の上流側のパージ流路およびタンクを冷却水クーラで冷却することで、除湿器内の吸湿材に水素ガス中に含まれる水分を吸着させた後、この除湿された水素ガスをタンク内の水素吸蔵合金に吸蔵させている。また、水素ガスを燃料電池へ戻す際には、除湿器およびタンクを電気式ヒータで加熱することで、タンク内の水素吸蔵合金から水素ガスが発生し、かつ除湿器内の吸湿材から水蒸気が放出して、加湿された水素ガスが燃料電池に供給されるようになっている。これにより、この水素回収装置は、燃料電池からパージされる水素を回収して再利用できる構造となっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−８６８８号公報（段落００１３〜００１５，００１８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のような水素回収装置では、除湿器およびタンクをそれぞれ加熱・冷却するために電気式ヒータ・冷却水クーラ（冷却水をポンプで循環させる構造）などの電気を利用した機器が必要となるので、その分多くの電気エネルギを消費してしまう問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、電気式ヒータや冷却水クーラなどの電気を利用した機器を特に設けることなく、除湿器またはタンクを加熱または冷却することができる構造とすることで、電気エネルギの消費を少なくすることができる水素回収装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料電池のアノード側からパージされてくる水素ガスが通流するパージ流路と、前記パージ流路を通流する前記水素ガスに含まれる水分を分離させる除湿手段と、前記除湿手段の下流側に設けられ、かつ除湿された前記水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金が内蔵された回収用タンクと、を備えた水素回収装置であって、少なくとも水素吸蔵合金を備え、該水素吸蔵合金が水素を放出した際の吸熱反応によって前記除湿手段よりも上流側のパージ流路を冷却し、かつ該水素吸蔵合金が水素を吸蔵した際の発熱反応によって前記回収用タンクを加熱する冷暖手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、「除湿手段」としては、従来のような吸湿材を備えた除湿装置や、後記するドレンキャッチを有する構造などが含まれる。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池からパージされる水素ガスを回収用タンク内に回収する際に、冷暖手段の水素吸蔵合金に予め吸蔵させておいた水素を放出させることで、この水素吸蔵合金がその放出に伴い吸熱し、除湿手段の上流側のパージ流路が冷却される。これにより、パージ流路内を通ってくる水素ガスは、その水分がパージ流路で液化されて除湿手段で除湿された後、回収用タンク内の水素吸蔵合金に吸蔵される。
【００１１】
また、回収用タンク内の水素吸蔵合金に吸蔵した水素を放出させて燃料電池へ戻す際には、冷暖手段の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることで、この水素吸蔵合金がその吸蔵に伴い発熱し、回収用タンク内の水素吸蔵合金が加熱される。これにより、回収用タンク内の水素吸蔵合金から水素ガスが放出され、この水素ガスが例えば燃料電池の水素供給側へと繋がる流路を介して燃料電池に戻される。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水素回収装置であって、前記除湿手段は、前記冷暖手段によって冷却されて液化した水分を貯蔵するキャッチタンクを備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池からパージされてくる水素ガスは、冷暖手段で冷却されたパージ流路で冷却される。このように水素ガスが冷却されると、その中に含まれる水分が液化し、この液化した水分がキャッチタンクに受け止められる。これにより、水素ガス中に含まれる水分が回収用タンク内に入り込むことが防止されることとなる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、燃料電池のアノード側からパージされてくる水素ガスが通流するパージ流路と、前記パージ流路からその内部に通流してくる前記水素ガスを冷却するための熱交換部と、前記熱交換部で冷却されて液化した水分の下流側への流出を防止する除湿手段と、前記除湿手段の下流側に設けられ、かつ除湿された前記水素ガスを吸蔵するための水素吸蔵合金が内蔵された回収部と、少なくとも水素吸蔵合金を有し、該水素吸蔵合金が水素を吸蔵または放出した際の発熱反応または吸熱反応を利用した冷暖部が、前記熱交換部および前記回収部と熱交換可能に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池からパージされる水素ガスを回収部内に回収する際には、冷暖部の水素吸蔵合金に予め吸蔵させておいた水素を放出させることで、この水素吸蔵合金がその放出に伴い吸熱する。これにより、冷暖部が、この冷暖部と熱交換可能に設けられた熱交換部や回収部内の水素吸蔵合金を冷却することとなるので、パージ流路内を通ってくる水素ガスが、冷却された熱交換部および除湿手段によって除湿された後、回収部内の冷却された水素吸蔵合金に吸蔵されることとなる。
【００１６】
また、回収部内の水素吸蔵合金に吸蔵した水素を放出させて燃料電池へ戻す際には、冷暖部の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることで、この水素吸蔵合金がその吸蔵に伴い発熱する。これにより、冷暖部が、この冷暖部と熱交換可能に設けられた回収部内の水素吸蔵合金を加熱することとなるので、回収部内の水素吸蔵合金から水素ガスが放出されることとなる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水素回収装置であって、前記回収部、前記冷暖部、前記熱交換部は平板状に形成され、前記冷暖部は前記回収部を挟み込み、かつ前記熱交換部に挟み込まれるようにして配設されることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、回収部が冷暖部に挟み込まれるので、回収部と冷暖部との伝熱面積が増加し、その分回収部が迅速に加熱または冷却されることとなる。また、冷暖部が熱交換部に挟み込まれるので、冷暖部と熱交換部との伝熱面積が増加し、その分熱交換部が迅速に冷却されることとなる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の水素回収装置であって、前記回収部、前記冷暖部、前記熱交換部は筒状に形成され、前記冷暖部は前記回収部を覆うように設けられ、かつ、前記熱交換部は前記冷暖部を覆うように設けられていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、回収部が冷暖部に覆われるので、回収部と冷暖部との伝熱面積が増加し、その分回収部が迅速に加熱または冷却されることとなる。また、冷暖部が熱交換部に覆われるので、冷暖部と熱交換部との伝熱面積が増加し、その分熱交換部が迅速に冷却されることとなる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１に記載の発明によれば、水素ガスの吸蔵・放出により発熱・吸熱する水素吸蔵合金を備えた冷暖手段を電気式ヒータや冷却水クーラの代わりに用いるので、その分電気エネルギの消費を少なくすることができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、液化した水分を貯蔵するキャッチタンクといった簡単な構成で除湿することができるので、その分コストを下げることができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、水素ガスの吸蔵・放出により発熱・吸熱する水素吸蔵合金を備えた冷暖部を電気式ヒータや冷却水クーラの代わりに用いるので、その分電気エネルギの消費を少なくすることができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明によれば、回収部が冷暖部に挟み込まれるので、回収部と冷暖部との伝熱面積が増加し、その分回収部を迅速に加熱または冷却することができる。また、冷暖部が熱交換部に挟み込まれるので、冷暖部と熱交換部との伝熱面積が増加し、その分熱交換部を迅速に冷却することができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明によれば、回収部が冷暖部に覆われるので、回収部と冷暖部との伝熱面積が増加し、その分回収部を迅速に加熱または冷却することができる。また、冷暖部が熱交換部に覆われるので、冷暖部と熱交換部との伝熱面積が増加し、その分熱交換部を迅速に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
〔第１の実施形態〕
次に、本発明に係る第１の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る水素回収装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図であり、図２は水素回収装置を有する燃料電池システムを示す説明図である。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池自動車１には、その略中央部の床下に、燃料電池システムボックス２が配設されている。この燃料電池システムボックス２の内部には、燃料電池システム、すなわち温調器３、燃料電池スタック４、加湿器５、水素回収装置６などが適所に配設されている。なお、燃料電池システムは、前記機器３〜６の他に燃料電池スタック４へ冷却水を供給するためのラジエータ（図示せず）や、図２に示す高圧水素容器７および燃料電池スタック４へ空気を供給するコンプレッサ８なども備えている。
【００２８】
図２に示すように、燃料電池スタック４は、高圧水素容器７に貯留された燃料となる水素ガスと、コンプレッサ８から供給される空気との電気化学反応により発電を行うものである。そして、燃料電池スタック４のアノード側には、その入口４ａに高圧水素容器７から燃料電池スタック４へ水素ガスを導くための水素供給配管９が接続され、その出口４ｂに水素ガスを再度燃料電池スタック４に戻すための循環用配管１０が接続されている。
【００２９】
水素供給配管９には、高圧水素容器７側から順に一次レギュレータＲ１、二次レギュレータＲ２および加湿器５が設けられている。一次レギュレータＲ１および二次レギュレータＲ２は、上流側から供給されてくる水素ガスの圧力を減圧させるための減圧弁である。そのため、高圧水素容器７から燃料電池スタック４までの圧力関係は、高圧水素容器７から一次レギュレータＲ１までが最も高く、その次に一次レギュレータＲ１から二次レギュレータＲ２までが高く、二次レギュレータＲ２から燃料電池スタック４までが最も低いといった関係になっている。なお、以下の説明においては、便宜上、高圧水素容器７と一次レギュレータＲ１の間のラインを高圧ライン９ａ、一次レギュレータＲ１と二次レギュレータＲ２の間のラインを中圧ライン９ｂ、二次レギュレータＲ２と燃料電池スタック４の間のラインを低圧ライン９ｃと呼ぶこととする。
【００３０】
循環用配管１０は、燃料電池スタック４から排出される未使用の水素ガスを再度燃料電池スタック４に戻すべく、燃料電池スタック４の出口４ｂと低圧ライン９ｃ（加湿器５の下流側）とに接続されている。なお、この循環用配管１０には、図示は省略するが、水素ガスを循環させるためのエゼクタまたはポンプが適宜設けられている。また、この循環用配管１０には、その内部に溜まっている水素ガス中の不純物や燃料電池スタック４内で生成される水を含んだ水素ガスを水素回収装置６へ排出するためのパージ水素配管（パージ流路）１１が接続されている。なお、この循環用配管１０内の水素ガスは、パージ水素配管１１の適所に設けられたパージ弁１２が図示せぬ制御装置により適宜開閉されることで、燃料電池スタック４のアノード側から水素回収装置６へ間欠的にパージ（排出）されるようになっている。
【００３１】
水素回収装置６は、前記したパージ水素配管１１の他に、熱交換部６１ａ、除湿手段６１、回収用タンク６２およびＭＨ式熱交換装置（冷暖手段）６３を主に備えている。熱交換部６１ａは、ＭＨ式熱交換装置６３で冷却されるパージ水素配管１１の一部（除湿手段６１よりも上流側のパージ水素配管１１の一部）として形成される部分であり、ＭＨ式熱交換装置６３との接触面が大きくなるような形状に形成されている。ここで、接触面を大きくする方法としては、例えば熱交換部６１ａを略直方体の容器状に形成する方法や、パージ水素配管１１自体をＭＨ式熱交換装置６３上にてジグザグに屈曲させる（複数回屈曲させる）方法などを用いることができる。除湿手段６１は、パージ水素配管１１を通流する水素ガスに含まれる水分を分離させるものであり、主にドレンキャッチ（キャッチタンク）６１ｂを備えている。
【００３２】
ドレンキャッチ６１ｂは、熱交換部６１ａで冷却されて液化した水分を下流側の回収用タンク６２へ流出させないように、その上方に配設された熱交換部６１ａからパージ水素配管１１を介して流れ落ちてくる水を受け止める容器状に形成されている。そして、このドレンキャッチ６１ｂには、その底壁に溜まった水を外部に排出するための排水口Ｅ１が形成され、その側壁に水素ガスを排出するための排気口Ｅ２が形成されている。なお、この排気口Ｅ２は、ドレンキャッチ６１ｂの底壁よりも所定距離だけ高くなった位置に形成されており、これにより、ドレンキャッチ６１ｂの底に溜まった水が排気口Ｅ２に流れ込まないようになっている。また、排水口Ｅ１には、ドレンキャッチ６１ｂ内と外部とに連通する排水管Ｐが設けられ、この排水管Ｐには、自動または手動で開閉されることで、適宜外部に水を排出させるドレンバルブＤＢが設けられている。
【００３３】
回収用タンク６２は、水素ガスの吸蔵・放出が可能な粉末状の水素吸蔵合金６２ａを収容するためのタンクであり、前記した除湿手段６１の下流側に設けられることによって、その内部に除湿された水素ガスが供給されるようになっている。また、この回収用タンク６２には、その内部の水素吸蔵合金６２ａで回収した水素ガスを低圧ライン９ｃの加湿器５の上流側に戻すための戻し用配管６４が設けられている。さらに、この戻し用配管６４には、回収用タンク６２から低圧ライン９ｃへの水素ガスの供給・停止を切り替えるための戻し用バルブ６４ａが設けられている。
【００３４】
水素吸蔵合金６２ａは、所定の温度（第一温度）まで冷却されることで周囲の水素ガスを吸蔵することが可能となり、また、前記第一温度よりも高い所定の温度（第二温度）まで加熱されることで吸蔵していた水素を水素ガスとして放出することが可能となる性質（第一の性質）を有している。また、この水素吸蔵合金６２ａは、同じ温度条件下においては、その周囲の圧力が所定の圧力（放出圧）以下となると水素ガスを周囲に放出し、その周囲の圧力が前記放出圧よりも高い所定の圧力（吸蔵圧）以上になると周囲の水素ガスを吸蔵する性質（第二の性質）を有している。
【００３５】
なお、放出圧・吸蔵圧は、温度変化に応じて変化するものであり、温度が上がれば共に高くなり、下がれば共に低くなる特性となっている。そのため、前記した第一の性質をこの特性に基づいて言い換えると、温度を下げることによって吸蔵圧が下がるので水素吸蔵合金６２ａが水素ガスを吸蔵し易い状態となり、温度を上げることによって放出圧が上がるので水素吸蔵合金６２ａが水素ガスを放出し易い状態となる。
【００３６】
さらに、この水素吸蔵合金６２ａは、水素ガスを吸蔵する際に発熱し、かつ水素ガスを放出する際に吸熱する性質（第三の性質）をも有している。ちなみに、この回収用タンク６２においては、水素吸蔵合金６２ａの前記した三つの性質のうち専ら第一の性質が利用されている。なお、以下においては、便宜上、この回収用タンク６２に内蔵された水素吸蔵合金６２ａを「回収用合金６２ａ」と呼ぶこととする。
【００３７】
ＭＨ式熱交換装置６３は、その内部に前記した回収用合金６２ａとほぼ同様の水素吸蔵合金６３ａを収容した容器であり、熱交換部６１ａと回収用タンク６２との間にこれらと熱交換可能なように密接して配設されている。なお、このＭＨ式熱交換装置６３においては、水素吸蔵合金６３ａの前記した三つの性質のうち専ら第二，第三の性質が利用されている。なお、以下においては、便宜上、このＭＨ式熱交換装置６３に内蔵された水素吸蔵合金６３ａを「冷暖用合金６３ａ」と呼ぶこととする。また、この冷暖用合金６３ａや前記した回収用合金６２ａとしては、例えば以下のようなものを使用することができる。
ＡＢ2型合金（ラーベス相合金）；ＴｉＣｒ2、（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）2・・ＡＢ5型合金；ＬａＮｉ5、ＭｎＮｉ5・・ＢＣＣ系合金；Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｖ−Ｍｎ・・その他；Ｍｇ系合金
【００３８】
また、このＭＨ式熱交換装置６３には、冷暖用合金６３ａに水素ガスを吸蔵させる際に中圧ライン９ｂから所定圧の水素ガスを導いてくるための吸蔵用配管６５が接続されるとともに、冷暖用合金６３ａから水素ガスを放出させる際にこの放出させた水素ガスを低圧ライン９ｃの加湿器５の上流側に導くための放出用配管６６が接続されている。さらに、吸蔵用配管６５には、中圧ライン９ｂからＭＨ式熱交換装置６３への水素ガスの供給・停止を切り替えるための吸蔵用バルブ６５ａが設けられ、放出用配管６６には、ＭＨ式熱交換装置６３から低圧ライン９ｃへの水素ガスの供給・停止を切り替えるための放出用バルブ６６ａが設けられている。
【００３９】
そして、このように構成されたＭＨ式熱交換装置６３では、冷暖用合金６３ａに水素が吸蔵されていない場合、すなわちＭＨ式熱交換装置６３内が低圧状態である場合に、吸蔵用バルブ６５ａを開けると、中圧ラインからＭＨ式熱交換装置６３内に所定圧の水素ガスが供給される。なお、このとき、放出用バルブ６６ａは閉じた状態になっている。そして、このように所定圧の水素ガスがＭＨ式熱交換装置６３内に供給されると、所定圧の水素ガスによって冷暖用合金６３ａの周囲の圧力が高まり、その圧力が所定の吸蔵圧まで到達すると冷暖用合金６３ａが水素ガスの吸蔵を開始して発熱することとなる。さらに、この所定圧の水素ガスによってＭＨ式熱交換装置６３内が加圧されるので、その内部温度も上昇することとなる。以上により、このＭＨ式熱交換装置６３がヒータとして作用することとなる。
【００４０】
また、冷暖用合金６３ａに水素ガスが吸蔵されている場合、すなわち、ＭＨ式熱交換装置６３内が中圧状態である場合には、放出用バルブ６６ａを開けると、冷暖用合金６３ａの周囲にある中圧の水素ガス（未吸蔵の水素ガス）がＭＨ式熱交換装置６３から低圧ライン９ｃへ圧力差により排出される。なお、このとき、吸蔵用バルブ６５ａは閉じた状態となっている。そして、このようにＭＨ式熱交換装置６３内から水素ガスが排出されると、冷暖用合金６３ａの周囲の圧力が低くなっていき、その圧力が所定の放出圧まで到達すると冷暖用合金６３ａが水素ガスの放出を開始して吸熱することとなる。さらに、ＭＨ式熱交換装置６３内から水素ガスが排出されることでＭＨ式熱交換装置６３内が減圧されるので、その内部温度も下降することとなる。以上により、このＭＨ式熱交換装置６３がクーラとして作用することとなる。
【００４１】
次に、前記した水素回収装置６によって水素ガスを再利用する方法について図３および図４を参照して詳細に説明する。参照する図面において、図３は回収用タンクに水素ガスを回収する方法を示す説明図であり、図４は回収用タンクから水素ガスを燃料電池スタックへ戻す方法を示す説明図である。
【００４２】
最初に、回収用タンク６２内に水素ガスを回収する方法について説明する。なお、この方法においては、回収用合金６２ａは水素ガスを吸蔵していない状態であり、また冷暖用合金６３ａは既に水素ガスを吸蔵している状態（ＭＨ式熱交換装置６３内は中圧状態）となっている。また、全てのバルブ（パージ弁１２、ドレンバルブＤＢ、戻し用バルブ６４ａ、吸蔵用バルブ６５ａ、放出用バルブ６６ａ）は、閉じられた状態となっている。
【００４３】
図３に示すように、まず、一次レギュレータＲ１および二次レギュレータＲ２によって、高圧水素容器７から燃料電池スタック４へ水素ガスを減圧させながら供給する。なお、この際、水素ガスは加湿器５を通ることによって加湿された状態で燃料電池スタック４に供給される。このように燃料電池スタック４に供給されてきた水素ガスは、コンプレッサ８から供給されてくる空気と反応し、発電に寄与することとなる。また、この発電に寄与せずに未反応のまま燃料電池スタック４から出て行く水素ガスは、循環用配管１０を介して再度、燃料電池スタック４に戻される。
【００４４】
そして、燃料電池スタック４の単セルの電圧やタイマなどにより循環用配管１０内に不純物が溜まってきたと図示せぬ制御装置が判断すると、この制御装置はパージ弁１２を所定時間だけ開放させるためのパージ信号をパージ弁１２に出力する前に、放出用バルブ６６ａを開放させるための放出信号を放出用バルブ６６ａに出力し、その後パージ信号を出力する。なお、本実施形態では、パージ信号を出力する前に放出信号を出力するようにしたが、本発明はこれに限定されず、パージ信号の出力とほぼ同時、またはパージ信号を出力した後に放出信号を出力するようにしてもよい。
【００４５】
放出用バルブ６６ａが前記制御装置により開放されると、図中の矢印Ａに示すように、中圧状態となっているＭＨ式熱交換装置６３内から低圧ライン９ｃへ冷暖用合金６３ａの周囲の水素ガスが流れ込むことにより、ＭＨ式熱交換装置６３内の圧力が下がっていく。そして、この圧力の低下に伴って冷暖用合金６３ａの内部に吸蔵されている水素ガスの放出が開始されると、冷暖用合金６３ａが周囲の熱を吸収していき、熱交換部６１ａおよび回収用タンク６２内の回収用合金６２ａが冷却されていく。ちなみに、このときＭＨ式熱交換装置６３から排出された水素ガスは、加湿器５を通って燃料電池スタック４に供給される。また、放出用バルブ６６ａは、冷暖用合金６３ａからの水素ガスの放出が終了したときに前記制御装置により閉じられる。
【００４６】
その後、パージ弁１２が前記制御装置により開放されると、図中の矢印Ｂに示すように、循環用配管１０内の水素ガスは熱交換部６１ａに向かってパージされ、この熱交換部６１ａにて冷却されることで水素ガス中に含まれる水分が液化する。なお、このように熱交換部６１ａを水素ガスが通過する際は、燃料電池スタック４において加温された水素ガスが、その熱を冷暖用合金６３ａに与えることになり、これにより冷暖用合金６３ａが加熱されて水素ガスの放出が促進されることとなる。そして、このように水素ガスの放出が促進されると、冷暖用合金６３ａの温度が下がるため、この冷暖用合金６３ａによる熱交換部６１ａおよび回収用合金６２ａの冷却が促進されることとなる。
【００４７】
また、熱交換部６１ａから出て行く水素ガスおよび水は、ドレンキャッチ６１ｂを通ることで分離（除湿）され、水素ガスのみが回収用タンク６２内へ供給されることとなる。そして、この回収用タンク６２内では、ＭＨ式熱交換装置６３で冷却されることでその吸蔵圧が下がった回収用合金６２ａによって水素ガスが吸蔵されて、水素ガスが回収されることとなる。なお、このように回収用合金６２ａが水素ガスを吸蔵する際は、回収用合金６２ａが発熱し、この熱により冷暖用合金６３ａが加熱されるので、冷暖用合金６３ａからの水素ガスの放出が促進される。そして、このように水素ガスの放出が促進されると、前記したように、冷暖用合金６３ａによる熱交換部６１ａおよび回収用合金６２ａの冷却が促進されることとなる。
【００４８】
続いて、回収用タンク６２で回収した水素ガスを燃料電池スタック４に戻す方法について説明する。なお、この方法においては、回収用合金６２ａは既に水素ガスを吸蔵している状態であり、また冷暖用合金６３ａは水素ガスを吸蔵していない状態（ＭＨ式熱交換装置６３内は低圧状態）となっている。また、全てのバルブ（パージ弁１２、ドレンバルブＤＢ、戻し用バルブ６４ａ、吸蔵用バルブ６５ａ、放出用バルブ６６ａ）は、閉じられた状態となっている。
【００４９】
図４に示すように、まず、吸蔵用バルブ６５ａを前記制御装置で開放することによって、中圧ライン９ｂから低圧状態であるＭＨ式熱交換装置６３内に所定圧の水素ガスが流れ込む（図中の矢印Ｃ）。これにより、ＭＨ式熱交換装置６３内の圧力が徐々に上がっていき、この圧力が冷暖用合金６３ａの吸蔵圧よりも高くなると、この冷暖用合金６３ａによる水素ガスの吸蔵が開始されることとなる。このように水素ガスの吸蔵が開始されると、これに伴い冷暖用合金６３ａが発熱し、回収用タンク６２内の回収用合金６２ａが加熱されることとなる。なお、吸蔵用バルブ６５ａは、冷暖用合金６３ａによる水素ガスの吸蔵が終了すると前記制御装置により閉じられる。
【００５０】
また、このように回収用合金６２ａが加熱されると、回収用合金６２ａによる水素ガスの放出が開始される。そして、このように水素ガスの放出が開始されたら、前記制御装置によって戻し用バルブ６４ａを開放させ、図中の矢印Ｄに示すように、回収用タンク６２内の水素ガスを低圧ライン９ｃおよび加湿器５を介して燃料電池スタック４に戻す。ちなみに、このように回収用合金６２ａが水素ガスを放出する際は、回収用合金６２ａが周囲の熱を吸熱するので、冷暖用合金６３ａが冷却されることとなる。そして、このように冷暖用合金６３ａが冷却されると、この冷暖用合金６３ａによる水素ガスの吸蔵が促進されるので、この吸蔵に伴う発熱量が増え、冷暖用合金６３ａによる回収用合金６３ａの加熱が促進されることとなる。
【００５１】
なお、本実施形態では、回収用合金６２ａによる水素ガスの放出を開始した後に、戻し用バルブ６４ａを開放させたが、本発明はこれに限定されず、水素ガスの放出の開始とほぼ同時、または水素ガスの放出前に戻し用バルブ６４ａを開放させるようにしてもよい。
【００５２】
以上によれば、第１の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
水素ガスの吸蔵・放出により発熱・吸熱する冷暖用合金６３ａを備えたＭＨ式熱交換装置６３を従来の電気式ヒータや冷却水クーラの代わりに用いて回収用タンク６２を加熱・冷却するので、その分電気エネルギの消費を少なくすることができる。
【００５３】
熱交換部６１ａがＭＨ式熱交換装置６３で冷却されるので、従来のような冷却水クーラで除湿手段の上流側のパージ流路を冷却させる構造に比べ、電気エネルギの消費を少なくすることができる。
回収用タンク６２やＭＨ式熱交換装置６３から排出させる水素ガスを加湿器５の上流側に戻すので、戻した水素を加湿して燃料電池スタック４に供給することができる。
【００５４】
〔第２の実施形態〕
以下に、本発明に係る水素回収装置の第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の水素回収装置を変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。また、水素再利用方法についても第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。参照する図面において、図５は、第２の実施形態に係る水素回収装置を示す拡大斜視図である。
【００５５】
図５に示すように、水素回収装置２０は、第１の実施形態とは異なる構造の熱交換部２１、回収用タンク（回収部）２２、ＭＨ式熱交換装置（冷暖部）２３を主に備えている。熱交換部２１は、上流側で二股に分岐する分岐部２１ａと、この分岐部２１ａの二つの出口から排出された水素ガスを通流させる二つの通流部２１ｂと、これら二つの通流部２１ｂの出口から排出された水素ガスを合流させる合流部２１ｃと、を有している。通流部２１ｂは、配管状に形成された分岐部２１ａの断面積よりも大きな断面積を有する略直方体の容器状（平板状）に形成されるとともに、ＭＨ式熱交換装置２３（後記する二股容器２３ａ）を挟み込むようにして配設されている。
【００５６】
回収用タンク２２は、略直方体の容器状に形成される基部２２ａと、この基部２２ａの側面の略中央部から外側に突出するように平板状に形成される中空の突出部２２ｂとにより略Ｔ字状に形成されている。そして、その突出部２２ｂ内には、前記した回収用合金６２ａが設けられている。また、基部２２ａには、ドレンキャッチ６１ｂにて除湿した水素ガスを内部に取り込むための入口２２ｃと、回収用合金６２ａから放出した水素ガスを前記した戻し用配管６４を介して燃料電池スタック４（図２参照、図５では略称「ＦＣ」で示す）へ戻すための出口２２ｄが形成されている。
【００５７】
ＭＨ式熱交換装置２３は、二股形状の二股容器２３ａと、前記した冷暖用合金６３ａとを主に備えている。二股容器２３ａは、略直方体の容器状に形成される基部２３ｂと、この基部２３ｂの両端から外側に突出するように平板状に形成される中空の第一突出部２３ｃおよび第二突出部２３ｄとにより略コ字状に形成されている。また、これらの第一突出部２３ｃおよび第二突出部２３ｄ内には、冷暖用合金６３ａが設けられている。なお、二股容器２３ａの適所には、前記した吸蔵用配管６５を流れる水素ガスを内部に取り込むための入口２３ｅと、冷暖用合金６３ａから放出した水素ガスを前記した放出用配管６６を介して燃料電池スタック４（図２参照）へ戻すための出口２３ｆが形成されている。
【００５８】
そして、二股容器２３ａの内側、すなわち第一突出部２３ｃと第二突出部２３ｄとの間には、回収用タンク２２の突出部２２ｂが第一突出部２３ｃおよび第二突出部２３ｄに密接するように配設されている。さらに、二股容器２３ａの外側、すなわち第一突出部２３ｃの外側と第二突出部２３ｄの外側には、前記した二つの通流部２１ｂがそれぞれ第一突出部２３ｃおよび第二突出部２３ｄに密接するように配設されている。
【００５９】
以上、第２の実施形態に係る構造によれば、次のような効果を得ることができる。
二股容器２３ａに内蔵される冷暖用合金６３ａで両側から回収用タンク２２内の回収用合金６２ａを加熱・冷却するので、回収用タンク２２内の回収用合金６２ａを迅速に加熱・冷却することができる。
熱交換部２１を構成する二つの通流部２１ｂが二股容器２３ａを挟み込むことで伝熱面積が増加するので、通流部２１ｂを流れる水素ガスを迅速に冷却することができる。
【００６０】
〔第３の実施形態〕
以下に、本発明に係る水素回収装置の第３の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の水素回収装置を変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。また、水素再利用方法についても第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。参照する図面において、図６は第３の実施形態に係る水素回収装置を示す断面図であり、図７は図６のＸ−Ｘ線に沿った断面を示す断面図である。
【００６１】
図６および図７に示すように、水素回収装置３０は、第１の実施形態とは異なる構造の熱交換部３１、回収用タンク（回収部）３２、ＭＨ式熱交換装置（冷暖部）３３を主に備えている。熱交換部３１は、ＭＨ式熱交換装置３３（詳しくは、後記する収容容器３３Ａ）の外面全体に密接する中空の円筒状に形成されており、その適所にパージ水素配管１１内から水素ガスを内部に取り込むための入口３１ａと、ドレンキャッチ６１ｂへ水素ガスを排出するための出口３１ｂとが形成されている。
【００６２】
回収用タンク３２は、ＭＨ式熱交換装置３３内に複数配設することが可能な大きさで形成され、その内部に前記した回収用合金６２ａが設けられている。なお、本実施形態においては、回収用タンク３２を四つ設けることとするが（図７参照）、本発明はこれに限定されず、いくつであってもよい。また、四つの回収用タンク３２とドレンキャッチ６１ｂとの間には、これらに連通するように四つの分岐部ＳＰ１１（三つのみ図示）が形成された分岐配管ＳＰ１が設けられている。さらに、この分岐配管ＳＰ１と同様に分岐している分岐配管ＳＰ２が、四つの回収用タンク３２と前記した戻し用配管６４との間に設けられており、これにより各回収用合金６２ａから放出した水素ガスが燃料電池スタック４（図２参照）に戻されるようになっている。
【００６３】
ＭＨ式熱交換装置３３は、所定の間隔を設けて配設した四つの回収用タンク３２の全てを覆うことが可能な大きさに形成される収容容器３３Ａと、その収容容器３３Ａに内蔵される前記した冷暖用合金６３ａとを主に有している。収容容器３３Ａは、中空の円柱状に形成された容器であって、収容容器３３Ａの大部分を占める有底円筒状の容器部３３ａと、この容器部３３ａの開口を塞ぐための蓋部３３ｂとで構成されている。容器部３３ａには、その底部の適所に前記した吸蔵用配管６５を流れる水素ガスを内部に取り込むための入口３３ｃと、冷暖用合金６３ａから放出した水素ガスを前記した放出用配管６６を介して燃料電池スタック４（図２参照）へ戻すための出口３３ｄが形成されている。また、蓋部３３ｂには、その適所に四つの回収用タンク３２を取り付けるための四つの取付孔３３ｅ（二つのみ図示）が設けられている。
【００６４】
以上、第３の実施形態に係る構造によれば、次のような効果を得ることができる。
四つの回収用タンク３２を覆う収容容器３３Ａに内蔵される冷暖用合金６３ａで、四つの回収用タンク３２を外側全体から加熱・冷却するので、回収用タンク３２内の回収用合金６２ａを迅速に加熱・冷却することができる。
熱交換部３１が収容容器３３Ａの外面全体に密接することで伝熱面積が増加するので、熱交換部３１を迅速に冷却することができる。
【００６５】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第２の実施形態では、熱交換部２１を分岐部２１ａと、二つの通流部２１ｂと、合流部２１ｃとで構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、パージ水素配管１１をＭＨ式熱交換装置２３の外面上において複数回屈曲させることで、これを熱交換部４０としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る水素回収装置を備えた燃料電池自動車を示す平面図である。
【図２】水素回収装置を有する燃料電池システムを示す説明図である。
【図３】回収用タンクに水素ガスを回収する方法を示す説明図である。
【図４】回収用タンクから水素ガスを燃料電池スタックへ戻す方法を示す説明図である。
【図５】第２の実施形態に係る水素回収装置を示す拡大斜視図である。
【図６】第３の実施形態に係る水素回収装置を示す断面図である。
【図７】図６のＸ−Ｘ線に沿った断面を示す断面図である。
【図８】熱交換部の他の形態を示す拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００６７】
４      燃料電池スタック
６      水素回収装置
１１    パージ水素配管（パージ流路）
２０    水素回収装置
２１    熱交換部
２１ａ  分岐部
２１ｂ  通流部
２１ｃ  合流部
２２    回収用タンク（回収部）
２３    ＭＨ式熱交換装置（冷暖部）
２３ａ  二股容器
３０    水素回収装置
３１    熱交換部
３２    回収用タンク（回収部）
３３    ＭＨ式熱交換装置（冷暖部）
３３Ａ  収容容器
４０    熱交換部
６１    除湿手段
６１ａ  熱交換部
６１ｂ  ドレンキャッチ（キャッチタンク）
６２    回収用タンク
６２ａ  水素吸蔵合金（回収用合金）
６３    ＭＨ式熱交換装置（冷暖手段）
６３ａ  水素吸蔵合金（冷暖用合金）
【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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