(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
水素吸着体又は水素吸蔵体を収容し、前記燃料流路に供給される水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵体と、
前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池冷却システムと、
車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、
前記燃料電池冷却システム及び冷凍サイクル式冷却システムは、それぞれ、冷媒が流通する管路を備え、
前記燃料電池冷却システムの管路及び冷凍サイクル式冷却システムの管路は、それぞれ、前記水素ガス貯蔵体内を通過する管路及び通過しない管路を備え、
前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記水素ガス貯蔵体に収容された水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池冷却システムは、冷媒を循環させる循環ポンプ、冷媒を冷却する放熱器、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記燃料電池スタックを冷却した冷媒が選択的に流入可能な第１加熱管路を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能な第２加熱管路を備える請求項１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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、燃料電池システムにおいては、寒冷時等に暖機を行うために、加熱手段で燃料電池を加熱することができる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−１００６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、寒冷時等に燃料電池自体を加熱するので、燃料電池の運転を良好にすることはできても、燃料ガス貯蔵手段については何ら対策が施されていないので、燃料電池に十分な燃料ガスを供給することができなくなってしまう。特に、燃料ガス貯蔵手段が水素吸着体や水素吸蔵体を使用したものである場合、該水素吸着体や水素吸蔵体が水素を放出する能力が低温で低下してしまうので、寒冷時等には、燃料電池に十分な燃料ガスを供給することができなくなってしまう。
【０００６】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容する水素ガス貯蔵体を廃熱を利用して加熱することによって、燃料電池スタックの発電量に対応する量の水素ガスを安定的に燃料電池スタックに供給することができるとともに、補機類の消費する電力量を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容し、前記燃料流路に供給される水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵体と、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池冷却システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、前記燃料電池冷却システム及び冷凍サイクル式冷却システムは、それぞれ、冷媒が流通する管路を備え、前記燃料電池冷却システムの管路及び冷凍サイクル式冷却システムの管路は、それぞれ、前記水素ガス貯蔵体内を通過する管路及び通過しない管路を備え、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記水素ガス貯蔵体に収容された水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。
【０００８】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池冷却システムは、冷媒を循環させる循環ポンプ、冷媒を冷却する放熱器、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記燃料電池スタックを冷却した冷媒が選択的に流入可能な第１加熱管路を備える。
【０００９】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能な第２加熱管路を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容し、前記燃料流路に供給される水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵体と、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池冷却システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、前記燃料電池冷却システム及び冷凍サイクル式冷却システムは、それぞれ、冷媒が流通する管路を備え、前記燃料電池冷却システムの管路及び冷凍サイクル式冷却システムの管路は、それぞれ、前記水素ガス貯蔵体内を通過する管路及び通過しない管路を備え、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記水素ガス貯蔵体に収容された水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。
【００１１】
この場合、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、加熱手段を配設するためのコスト及び加熱手段に供給するエネルギーを削減することができる。そのため、燃料電池システムのコストを低減することができ、消費電力量も低減することができる。
【００１２】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池冷却システムは、冷媒を循環させる循環ポンプ、冷媒を冷却する放熱器、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記燃料電池スタックを冷却した冷媒が選択的に流入可能な第１加熱管路を備える。
【００１３】
この場合、冷媒が第１加熱管路を流通することによって冷却されるので、放熱器の冷却能力を大きくする必要がない。そのため、放熱器を小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、燃料電池システム全体を小型軽量化することができる。さらに、放熱器の冷却ファンを作動させる必要性も低減されるので、該冷却ファンを駆動するモータの消費電力量を低減することができる。
【００１４】
さらに、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量が増加しても、燃料電池スタックを冷却することによって生じた廃熱が増加するので、新たな熱源を必要とすることがなく、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量の変動が広範囲に亘（わた）っても、燃料電池冷却システムの廃熱で対応することができる。
【００１５】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能な第２加熱管路を備える。
【００１６】
この場合、冷媒が第２加熱管路を流通することによって冷却されるので、コンデンサの冷却能力を大きくする必要がない。そのため、コンデンサを小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、冷凍サイクル式冷却システム全体を小型軽量化することができる。さらに、コンデンサの冷却ファンを作動させる必要性も低減されるので、冷却ファンを駆動するモータの消費電力量を低減することができる。
【００１７】
さらに、冷凍サイクル式冷却システムの負荷が増加して要求電力量が増加すると、水素ガス貯蔵体内を加熱するための熱量が増加し、その結果、水素ガス貯蔵体から放出されて燃料電池スタックに供給される水素の量が増加して燃料電池スタックの出力が自動的に増加し、必要な電力量が自動的に冷凍サイクル式冷却システムに供給される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００２０】
図において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
【００２１】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００２２】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００２３】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、図示されない複数のセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスと空気とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配設されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
【００２４】
そして、単位セルは、固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。
【００２５】
前記単位セルにおいては、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
【００２６】
また、１２は、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置である水素ガス貯蔵体である。該水素ガス貯蔵体１２は、密閉容器中に収容された活性炭等のように水素を吸着する水素吸着体、又は、水素吸蔵合金のように水素を吸蔵する水素吸蔵体を備え、前記水素吸着体に吸着された水素又は水素吸蔵体に吸蔵された水素を放出することによって、水素ガスを燃料電池スタック１１に供給する。また、水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 及び圧力Ｐ1 は、貯蔵体内温度検出器１３及び貯蔵体内圧力検出器１４によって測定される。なお、水素吸着体又は水素吸蔵体は、温度が高いほど多くの水素を放出するので、水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 を制御することによって水素ガス貯蔵体１２から燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量を制御することができる。
【００２７】
そして、２０は燃料電池スタック１１を冷却するための燃料電池冷却システムであり、一般的な車両用内燃機関等の冷却システムと同様に、循環する冷媒によって燃料電池スタック１１を冷却するシステムである。ここで、２１は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路２３に配設された放熱器としてのラジエータであり、冷媒と外気とを熱交換させることによって、冷媒の熱を外気中に放熱して冷媒を冷却する。また、前記ラジエータ２１は、図示されないモータによって駆動される冷却ファン２２を備え、冷媒の温度が高くなった場合等には、必要に応じて冷却ファン２２を作動させることによって、冷媒を冷却する能力を高めることができる。なお、前記冷媒は、水、油等の液体であるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。
【００２８】
また、前記冷媒管路２３には冷媒を循環させるための循環ポンプ２８が配設されている。該循環ポンプ２８は図示されないモータによって駆動される。なお、冷媒は、図において矢印で示される方向に循環するものとして説明する。
【００２９】
さらに、前記冷媒管路２３における燃料電池スタック１１と循環ポンプ２８との間には、前記冷媒管路２３の一部をバイパスするように第１加熱管路２４が接続されている。該第１加熱管路２４は、少なくとも一部が水素ガス貯蔵体１２内を通過するように配設され、燃料電池スタック１１から流出した冷媒を選択的に流通させて水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を必要に応じて加熱することができるようになっている。なお、前記第１加熱管路２４における水素ガス貯蔵体１２の入口側及び出口側、並びに、冷媒管路２３における第１加熱管路２４によってバイパスされた部分には、第１流量調整弁２５、第２流量調整弁２６及び第３流量調整弁２７が各々配設されている。そして、前記第１流量調整弁２５、第２流量調整弁２６及び第３流量調整弁２７を操作することによって、第１加熱管路２４を流通する冷媒の量を調整することができる。
【００３０】
また、前記冷媒管路２３には、燃料電池スタック１１から流出した直後の冷媒温度Ｔ2 を測定する第１冷媒温度検出器３１、ラジエータ２１に流入する直前の冷媒温度Ｔ3 を測定する第２冷媒温度検出器３２、及び、燃料電池スタック１１に流入する直前の冷媒温度Ｔ4 を測定する第３冷媒温度検出器３３が配設されている。
【００３１】
そして、４０は車両に搭載された図示されない冷凍庫内を冷却するために配設された蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用した冷凍サイクル式冷却システムである。ここで、該冷凍サイクル式冷却システム４０は、一般的な冷蔵庫、冷凍庫、家庭用空調機、車両用空調機等に利用される冷凍サイクルと同様のシステムであり、例えば、車両の室内を冷却するための車両用空調機として配設されたシステムであってもよいが、本実施の形態においては、車両に搭載された冷凍庫内を冷却するためのシステムであるものとして説明する。
【００３２】
ここで、４１は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路４２に配設された圧縮機としてのコンプレッサであり、気相の冷媒を圧縮する。なお、冷凍サイクル式冷却システム４０の冷媒は、例えば、特定フロン類の代替品として開発が進められたフロン類似品である、いわゆる代替フロンであるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。
【００３３】
さらに、前記冷媒管路４２における冷媒の流通方向に関するコンプレッサ４１の下流側には、冷媒用凝縮器としてのコンデンサ４３が配設されている。そして、コンプレッサ４１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、前記コンデンサ４３内において冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。なお、前記コンプレッサ４１は、図示されないモータによって駆動される。また、前記コンデンサ４３は、図示されないモータによって駆動される冷却ファン４４を備え、冷媒の温度が高くなった場合等には、必要に応じて冷却ファン４４を作動させることによって、冷媒を冷却する能力を高めることができる。
【００３４】
そして、前記冷媒管路４２における冷媒の流通方向に関するコンデンサ４３の下流側には、膨張弁４５が配設されている。さらに、前記冷媒管路４２における冷媒の流通方向に関する膨張弁４５の下流側には、冷媒用蒸発器としてのエバポレータ４６が配設されている。なお、該エバポレータ４６は、図示されない冷凍庫内に配設されている。そして、飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁４５を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータ４６内に流入する。該エバポレータ４６において、前記冷媒は冷凍庫内の空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ４１に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。なお、冷媒は図において矢印で示される方向に循環するものとして説明する。
【００３５】
また、前記冷媒管路４２におけるコンプレッサ４１と膨張弁４５との間には、コンデンサ４３をバイパスするように第２加熱管路４７が接続されている。該第２加熱管路４７は、少なくとも一部が水素ガス貯蔵体１２内を通過するように配設され、コンプレッサ４１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒を選択的に流通させ、水素ガス貯蔵体１２内の部分において、冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、冷媒が液化する際に放出される熱によって、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱することができるようになっている。
【００３６】
なお、第２加熱管路４７における水素ガス貯蔵体１２の入口側及び出口側には、第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９が各々配設されている。そして、前記第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９を操作することによって、第２加熱管路４７を流通する冷媒の量を調整することができる。この場合、コンプレッサ４１から吐出されたすべての冷媒が第２加熱管路４７に流入するようにしてもよいし、一部の冷媒のみが第２加熱管路４７に流入するようにしてもよい。さらに、コンデンサ４３に流入する冷媒と第２加熱管路４７に流入する冷媒との割合を調整することができるようにしてもよい。
【００３７】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、貯蔵体内温度検出器１３、貯蔵体内圧力検出器１４、第１冷媒温度検出器３１、第２冷媒温度検出器３２及び第３冷媒温度検出器３３を含む各種のセンサから燃料電池スタック１１の燃料流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧、水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 及び圧力Ｐ1 、冷媒の温度等を検出して、前記冷却ファン２２、循環ポンプ２８、第１流量調整弁２５、第２流量調整弁２６、第３流量調整弁２７、コンプレッサ４１、冷却ファン４４、第４流量調整弁４８、第５流量調整弁４９等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【００３８】
そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、水素ガス貯蔵体１２から燃料電池スタック１１へ必要な量の水素ガスが供給されるように、燃料電池冷却システム２０の冷媒を第１加熱管路２４に流入させたり、冷凍サイクル式冷却システム４０の冷媒を第２加熱管路４７に流入させたりすることによって、水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するようになっている。
【００３９】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。
【００４０】
まず、冷凍サイクル式冷却システム４０を作動させない場合の動作について説明する。なお、冷凍サイクル式冷却システム４０を作動させない場合とは、例えば、車両に搭載された冷凍庫を使用しない場合である。そして、水素ガス貯蔵体１２から燃料電池スタック１１へ供給される水素ガスの必要量を確保するために、水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱して水素を放出させる必要がある。そこで、冷凍サイクル式冷却システム４０を作動させない場合には、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するのに必要な熱エネルギーのすべてを燃料電池冷却システム２０の廃熱で賄うようになっている。
【００４１】
まず、冷凍サイクル式冷却システム４０の冷媒が第２加熱管路４７内を流通しないようにするために、ＦＣコントロールＥＣＵは、第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９を閉じて第２加熱管路４７を遮断する。続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、第１流量調整弁２５及び第２流量調整弁２６を開けて、燃料電池冷却システム２０の冷媒が第１加熱管路２４を流通するようにする。また、第３流量調整弁２７を閉じ放しの状態とする。なお、該第３流量調整弁２７の開いている時間を調整することによって第１加熱管路２４を流通する冷媒の量を調整することができるので、第３流量調整弁２７を間欠的に閉じるようにすることもできる。
【００４２】
続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、循環ポンプ２８を作動させて燃料電池冷却システム２０の冷媒を循環させる。そして、燃料電池スタック１１の運転を開始させると、該燃料電池スタック１１を冷却して加熱された冷媒が第１加熱管路２４を流通して、水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。これにより、水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 が上昇し、多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出される。
【００４３】
この場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、貯蔵体内温度検出器１３及び貯蔵体内圧力検出器１４によって測定される水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 及び圧力Ｐ1 を監視する。そして、前記温度Ｔ1 及び圧力Ｐ1 が水素吸着体又は水素吸蔵体の種類や、燃料電池システムの仕様によって設定された上限値を超えないように、第３流量調整弁２７の開いている時間を調整することによって、水素ガス貯蔵体１２への熱の流入量を調整する。また、ＦＣコントロールＥＣＵは、第２冷媒温度検出器３２によって測定されたラジエータ２１に流入する直前の冷媒温度Ｔ3 を監視する。そして、必要に応じて冷却ファン２２を作動させてラジエータ２１による冷媒の冷却能力を調整し、第３冷媒温度検出器３３によって測定される燃料電池スタック１１に流入する直前の冷媒温度Ｔ4 が冷媒の温度の上限値を超えないようにする。
【００４４】
このように、燃料電池スタック１１を冷却することによって生じた廃熱を利用して水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するため、電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、該加熱手段を配設するためのコスト及び加熱手段に供給するエネルギーを削減することができる。そのため、燃料電池システムのコストを低減することができ、消費電力量も低減することができる。特に、燃料電池スタック１１が１００〔℃〕以上の温度で運転を行う、いわゆる高温運転用固体高分子型燃料電池である場合には、十分な熱量の廃熱が生じるので、燃料電池冷却システム２０だけで水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱することができる。
【００４５】
また、冷媒が第１加熱管路２４を流通することによって冷却されるので、ラジエータ２１の冷却能力を大きくする必要がない。そのため、ラジエータ２１を小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、燃料電池システム全体を小型軽量化することができる。さらに、冷却ファン２２を作動させる必要性も低減されるので、該冷却ファン２２を駆動するモータの消費電力量を低減することができる。
【００４６】
さらに、水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量が増加しても、燃料電池スタック１１を冷却することによって生じた廃熱が増加するので、新たな熱源を必要とすることがない。これは、水素吸着体又は水素吸蔵体をより加熱すると、より多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出されて燃料電池スタック１１に供給されるので、該燃料電池スタック１１を冷却することによって生じた廃熱も増加するためである。したがって、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量の変動が広範囲に亘っても、燃料電池冷却システム２０の廃熱で対応することができる。
【００４７】
次に、冷凍サイクル式冷却システム４０を作動させる場合の動作について説明する。
【００４８】
図２は本発明の実施の形態における冷却システムの要求電力量と該要求電力量に対応する量の水素を放出させるために使用される熱量との関係を示す図である。
【００４９】
車両に搭載された冷凍庫を使用するために冷凍サイクル式冷却システム４０を作動させる場合には、水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するのに必要な熱エネルギーのすべてを冷凍サイクル式冷却システム４０の廃熱で賄うようになっている。なお、燃料電池システムは作動するので、燃料電池冷却システム２０が作動して、その冷媒によって燃料電池スタック１１を冷却しているものである。
【００５０】
まず、冷凍サイクル式冷却システム４０の冷媒が第２加熱管路４７内を流通するようにするために、ＦＣコントロールＥＣＵは、第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９を開けて第２加熱管路４７を連通させる。この場合、第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９を開け放しの状態とする。なお、前記第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９の開いている時間を調整することによって第２加熱管路４７を流通する冷媒の量を調整することができるので、前記第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９を間欠的に閉じるようにすることもできる。
【００５１】
続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、第１流量調整弁２５及び第２流量調整弁２６を閉じて、燃料電池冷却システム２０の冷媒が第１加熱管路２４を遮断する。また、第３流量調整弁２７を開けて、循環ポンプ２８を作動させて燃料電池冷却システム２０の冷媒を循環させる。そして、燃料電池スタック１１の運転を開始させると、該燃料電池スタック１１を冷却して加熱された冷媒が第１加熱管路２４を通過することなく冷媒管路２３を循環する。これにより、冷媒はラジエータ２１を通過することによって冷却される。この場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、第２冷媒温度検出器３２によって測定されたラジエータ２１に流入する直前の冷媒温度Ｔ3 を監視する。そして、必要に応じて冷却ファン２２を作動させてラジエータ２１による冷媒の冷却能力を調整し、第３冷媒温度検出器３３によって測定される燃料電池スタック１１に流入する直前の冷媒温度Ｔ4 が冷媒の温度の上限値を超えないようにする。
【００５２】
また、ＦＣコントロールＥＣＵは、コンプレッサ４１を作動させて冷凍サイクル式冷却システム４０の冷媒を循環させる。すると、コンプレッサ４１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、第２加熱管路４７に流入し、水素ガス貯蔵体１２内の部分において、冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、冷媒が液化する際に放出される熱によって、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。これにより、水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 が上昇し、多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出される。
【００５３】
この場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、貯蔵体内温度検出器１３及び貯蔵体内圧力検出器１４によって測定される水素ガス貯蔵体１２内の温度Ｔ1 及び圧力Ｐ1 を監視する。そして、前記温度Ｔ1 及び圧力Ｐ1 が水素吸着体又は水素吸蔵体の種類や、燃料電池システムの仕様によって設定された上限値を超えないように、第４流量調整弁４８及び第５流量調整弁４９の開いている時間を調整することによって、水素ガス貯蔵体１２への熱の流入量を調整する。
【００５４】
そして、第２加熱管路４７を通過することによって飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁４５を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータ４６内に流入する。該エバポレータ４６において、前記冷媒は冷凍庫内の空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ４１に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。
【００５５】
このように、冷凍庫内を冷却することによって生じた廃熱を利用して水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するため、電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、加熱手段を配設するためのコスト及び加熱手段に供給するエネルギーを削減することができる。そのため、燃料電池システムのコストを低減することができ、消費電力量も低減することができる。
【００５６】
また、冷凍サイクル式冷却システム４０の冷媒が第２加熱管路４７を流通することによって冷却されるので、コンデンサ４３の冷却能力を大きくする必要がない。そのため、コンデンサ４３を小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、冷凍サイクル式冷却システム４０全体を小型軽量化することができる。さらに、冷却ファン４４を作動させる必要性も低減されるので、該冷却ファン４４を駆動するモータの消費電力量を低減することができる。
【００５７】
さらに、冷凍サイクル式冷却システム４０の負荷が増加してその要求電力量が増加した場合、燃料電池スタック１１の出力が自動的に増加して、必要な電力量が自動的に冷凍サイクル式冷却システム４０に供給される。
【００５８】
例えば、冷凍庫内をより低温になるようにしたり、貯蔵物の出し入れが頻繁で冷凍庫内により多くの外気が流入したりする場合には、冷媒がエバポレータ４６において冷凍庫内の空気からより多くの熱を吸収する必要があるので、より多くの冷媒を循環させるためにコンプレッサ４１の負荷が増加する。そのため、前記コンプレッサ４１を駆動するために必要な電力量が増加し、その結果、冷凍サイクル式冷却システム４０全体の要求電力量が増加する。一方、より多くの冷媒を循環させると、第２加熱管路４７を通過する冷媒から放出される熱量が増加し、水素ガス貯蔵体１２内の水素吸着体又は水素吸蔵体がより加熱される。そのため、より多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出されて燃料電池スタック１１に供給されるので、燃料電池スタック１１の出力がより増加し、より多くの電力量が冷凍サイクル式冷却システム４０に供給される。
【００５９】
なお、本発明の発明者が行った実験の結果、冷凍サイクル式冷却システム４０の要求電力量と水素ガス貯蔵体１２から要求電力量に対応する量の水素を放出するために必要な熱量との間には、図２に示されるような関係があることが分かった。なお、図２においては、横軸に冷凍サイクル式冷却システム４０の要求電力量を採り、縦軸にはそれに対応する量の水素を放出するために使用される熱量を採ってある。この実験では、水素吸蔵合金等の水素吸蔵体が収容された水素ガス貯蔵体１２を使用した。このことから、冷凍サイクル式冷却システム４０の負荷が増加して要求電力量が増加すると、水素ガス貯蔵体１２内を加熱するための熱量が増加し、その結果、水素ガス貯蔵体１２から放出されて燃料電池スタック１１に供給される水素の量が増加して燃料電池スタック１１の出力が自動的に増加して、必要な電力量が自動的に冷凍サイクル式冷却システム４０に供給されることが分かる。
【００６０】
このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容する水素ガス貯蔵体１２の廃熱を利用して加熱するようになっている。そのため、燃料電池スタック１１の出力、すなわち、発電量に対応する量の水素ガスを安定的に燃料電池スタック１１に供給することができる。また、燃料電池スタック１１を加熱するための電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、電力消費量を低減することができる。さらに、冷却ファン２２及び４４等の補機類の消費する電力量を低減することができる。
【００６１】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における冷却システムの要求電力量と該要求電力量に対応する量の水素を放出させるために使用される熱量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１１    燃料電池スタック
１２    水素ガス貯蔵体
２０    燃料電池冷却システム
２１    ラジエータ
２４    第１加熱管路
２８    循環ポンプ
４０    冷凍サイクル式冷却システム
４１    コンプレッサ
４３    コンデンサ
４６    エバポレータ
４７    第２加熱管路
【図１】
0005138889.tif 000002
【図２】
0005138889.tif 000003