(57)【要約】【課題】燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、水素吸蔵合金を収容するための第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０を有し、第１収容部１１０および第２収容部１２０が最外側に、第３収容部１３０が第１収容部１１０と第２収容部１２０の間で両者と熱的に接するようにそれぞれ配置された燃料収容ユニット１００と、一方が第１収容部１１０と、他方が第２収容部１２０とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池３００と、第３収容部１３０からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な放出調節弁５３８と、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときは抑制状態となり、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上のときは開放状態となるように放出調節弁５３８を制御するための制御部と、を備える。【選択図】図６
2012009412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、
前記２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、
前記２つの収容部のうち他方の収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な放出調節部と、
前記他方の収容部内の温度が所定温度未満のときは前記抑制状態となり、前記他方の収容部内の温度が所定温度以上のときは前記開放状態となるように、前記他方の収容部内の温度を検知するための温度検知装置から得られた情報に応じて前記放出調節部を制御するための制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料収容部は、第１〜第３収容部を少なくとも有し、
前記第１〜第３収容部は、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置され、
一方が前記第１収容部と、他方が前記第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池を備え、
前記放出調節部は、前記第３収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能であり、
前記制御部は、第３収容部内の温度が所定温度未満のときは前記抑制状態となり、第３収容部内の温度が所定温度以上のときは前記開放状態となるように、第３収容部内の温度を検知するための温度検知装置から得られた情報に応じて前記放出調節部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第３収容部から前記第１収容部および前記第２収容部の少なくとも一方へ水素を供給するための分配流路と、
前記第３収容部から前記燃料電池へ水素を供給するための本流路と前記分配流路とを切り替えるための流路切替部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池の運転停止後に、前記本流路から前記分配流路に切り替わるように前記流路切替部を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、第１〜第３収容部の内圧が均等化された後に、前記分配流路から、前記燃料電池への水素流通が遮断された状態の前記本流路に切り替わるように前記流路切替部を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第３収容部は、前記第１収容部および前記第２収容部よりも容積が大きい請求項２乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、前記２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記２つの収容部のうち他方の収容部内の温度が所定温度未満のときは前記他方の収容部からの水素放出を抑制し、前記他方の収容部内の温度が所定温度以上のときは前記他方の収容部からの水素放出の抑制を解除することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための第１〜第３収容部を少なくとも有し、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置された燃料収容部と、一方が前記第１収容部と、他方が前記第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
第３収容部内の温度が所定温度未満のときは前記第３収容部からの水素放出を抑制し、第３収容部内の温度が所定温度以上のときは前記第３収容部からの水素放出の抑制を解除することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記燃料電池の運転停止後に、前記第３収容部から前記第１収容部および前記第２収容部の少なくとも一方へ水素を供給する請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
第１〜第３収容部の内圧が均等化された後に、前記第３収容部から前記第１収容部および前記第２収容部の少なくとも一方への水素供給を停止する請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池システムの主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池システムは燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
従来、燃料ガスとしての水素を燃料電池本体とは別に収容する容器と、これを搭載した燃料電池システムが知られている（特許文献１〜３参照）。水素を収容する容器は、例えば、水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金を備える。そして、当該容器は、水素吸蔵合金によって水素を吸蔵することで容器内に水素を収容し、また水素吸蔵合金から水素を放出することで燃料電池に水素を供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１１５７３１号公報
【特許文献２】特開２００７−３０９４５６号公報
【特許文献３】特開２００７−２６６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水素吸蔵合金は、水素吸蔵時に発熱し、水素放出時に吸熱する。そのため、容器から燃料電池に安定的に水素を供給するためには、水素放出に必要な熱を水素吸蔵合金に効率よく供給できることが望ましい。一方、燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで対向するアノード触媒層およびカソード触媒層を備え、アノード側に水素を、カソード側に空気をそれぞれ流通させて電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発電する。この電気化学反応は発熱反応である。したがって、燃料電池における電気化学反応で発生した熱を水素吸蔵合金の水素放出に必要な熱として利用できれば、水素吸蔵合金への熱供給効率が向上し、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。これに対し、従来の燃料電池システムには、燃料電池への水素供給の安定化を図る上で改善の余地があった。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、２つの収容部のうち他方の収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な放出調節部と、他方の収容部内の温度が所定温度未満のときは抑制状態となり、他方の収容部内の温度が所定温度以上のときは開放状態となるように、他方の収容部内の温度を検知するための温度検知装置から得られた情報に応じて放出調節部を制御するための制御部と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この態様によれば、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【０００９】
上記態様において、燃料収容部は、第１〜第３収容部を少なくとも有し、第１〜第３収容部は、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置され、一方が第１収容部と、他方が第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池を備え、放出調節部は、第３収容部からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能であり、制御部は、第３収容部内の温度が所定温度未満のときは抑制状態となり、第３収容部内の温度が所定温度以上のときは開放状態となるように、第３収容部内の温度を検知するための温度検知装置から得られた情報に応じて放出調節部を制御してもよい。
【００１０】
上記態様において、第３収容部から第１収容部および第２収容部の少なくとも一方へ水素を供給するための分配流路と、第３収容部から燃料電池へ水素を供給するための本流路と分配流路とを切り替えるための流路切替部とを備え、制御部は、燃料電池の運転停止後に、本流路から分配流路に切り替わるように流路切替部を制御してもよい。また、制御部は、第１〜第３収容部の内圧が均等化された後に、分配流路から、燃料電池への水素流通が遮断された状態の本流路に切り替わるように流路切替部を制御してもよい。
【００１１】
また、上記態様において、第３収容部は、第１収容部および第２収容部よりも容積が大きくてもよい。
【００１２】
本発明の他の態様は、燃料電池システムの制御方法である。当該燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための２つの収容部を少なくとも有し、当該２つの収容部が互いに熱的に接するように配置された燃料収容部と、２つの収容部のうち一方の収容部と熱的に接するように配置された燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、２つの収容部のうち他方の収容部内の温度が所定温度未満のときは他方の収容部からの水素放出を抑制し、他方の収容部内の温度が所定温度以上のときは他方の収容部からの水素放出の抑制を解除することを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに他の態様もまた、燃料電池システムの制御方法である。当該燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための第１〜第３収容部を少なくとも有し、第１収容部および第２収容部が最外側に、第３収容部が第１収容部と第２収容部の間で第１収容部および第２収容部と熱的に接するようにそれぞれ配置された燃料収容部と、一方が第１収容部と、他方が第２収容部とそれぞれ熱的に接するように配置された一対の燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、第３収容部内の温度が所定温度未満のときは第３収容部からの水素放出を抑制し、第３収容部内の温度が所定温度以上のときは第３収容部からの水素放出の抑制を解除することを特徴とする。
【００１４】
上記態様において、燃料電池の運転停止後に、第３収容部から第１収容部および第２収容部の少なくとも一方へ水素を供給してもよい。また、第１〜第３収容部の内圧が均等化された後に、第３収容部から第１収容部および第２収容部の少なくとも一方への水素供給を停止してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの外観を示す概略斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、制御部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図であり、図２（Ｂ）は、水素充填口カバーを取り外した状態の燃料電池システムにおける水素充填口近傍の概略斜視図である。
【図３】制御部および配管部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。
【図６】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。
【図７】実施形態１に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。
【図８】制御部および配管部カバーを取り外した状態の実施形態２に係る燃料電池システムの概略斜視図である。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。
【図１０】実施形態２に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。
【図１１】図１１は、実施形態３に係る燃料電池システムの概略構造を示す水平断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態３に係る燃料電池システムの概略構造を示す鉛直断面図である。
【図１３】図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、実施形態３に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。
【図１４】変形例に係る燃料電池システムの構成を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１８】
（実施形態１）
図１〜図３を参照しながら実施形態１に係る燃料電池システムの主要構成を説明する。図１は、実施形態１に係る燃料電池システムの外観を示す概略斜視図である。図２（Ａ）は、制御部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図であり、図２（Ｂ）は、水素充填口カバーを取り外した状態の燃料電池システムにおける水素充填口近傍の概略斜視図である。なお、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に図示された矢印ａで示す方向から燃料電池システムを見た図である。図３は、制御部および配管部カバーを取り外した状態の燃料電池システムの概略斜視図である。
【００１９】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料収容ユニット１００（燃料収容部）と、レギュレータ部２００と、一対の燃料電池３００と、操作表示部４００と、配管部５００と、制御部６００と、を主な構成として備える。燃料収容ユニット１００は、扁平な直方体形状であり、略板状の一対の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００を挟むようにして配置されている。一対の燃料電池３００は、一方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の対向する２つの主表面の一方と接し、他方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の他方の主表面と接するように配置されている。
【００２０】
燃料収容ユニット１００の上面には、一端に操作表示部４００が設けられている。また、操作表示部４００に隣接して、後述する第１〜第３収容部の水素充填口１１２，１２２，１３２が設けられている。水素充填口１１２，１２２，１３２は、着脱可能な水素充填口カバー３で覆うことができる。また、燃料収容ユニット１００の上面の他端には、レギュレータ部２００が設けられている。さらに、燃料収容ユニット１００の上面には、第１〜第３収容部の水素放出口（図示せず）とレギュレータ部２００とをつなぐ配管部５００が設けられている。配管部５００は、着脱可能な配管部カバー４で覆うことができる。配管部５００を覆った状態の配管部カバー４の上面には制御部６００が配置されている。制御部６００は、着脱可能な制御部カバー２で覆うことができる。制御部カバー２は、制御部６００と、配管部５００を覆う配管部カバー４とを覆うように構成されている。
【００２１】
続いて、各部の構成を詳細に説明する。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。なお、図４および図５では、燃料電池システム１の外部筐体の図示を省略している。
【００２２】
図４および図５に示すように、燃料収容ユニット１００は、一対の燃料電池３００に供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金を収容するための第１収容部１１０、第２収容部１２０、および第３収容部１３０を有する。第１収容部１１０および第２収容部１２０は、燃料収容ユニット１００の最外側に配置されている。第３収容部１３０は、第１収容部１１０と第２収容部１２０の間で第１収容部１１０および第２収容部１２０と熱的に接するように配置されている。
【００２３】
本実施形態では、燃料収容ユニット１００は、容器部１０１と蓋部１０２を有する。容器部１０１は、配管部５００等が載置された燃料収容ユニット１００の上面から当該上面に対向する底面に向かって延びる、燃料収容ユニット１００の主表面に略平行な仕切り壁１０３および仕切り壁１０４によって内部が３つの部屋に区画されている。そして、外側の２部屋が第１収容部１１０、第２収容部１２０を構成し、中央の部屋が第３収容部１３０を構成している。各収容部は、仕切り壁１０３，１０４によって互いに気密に保持されている。また、第３収容部１３０は、第１収容部１１０および第２収容部１２０よりも容積が大きい。
【００２４】
仕切り壁１０３，１０４には、第３収容部１３０内の温度を検知するための温度センサ６１０ａ，６１０ｂ（温度検知装置）が設けられている。温度センサ６１０ａ，６１０ｂとしては、例えば熱電対を用いることができる。本実施形態では、温度センサ６１０ａにより仕切り壁１０３の壁面温度Ｔ１を、温度センサ６１０ｂにより仕切り壁１０４の壁面温度Ｔ２をそれぞれ検知するように設けられている。温度センサ６１０ａ，６１０ｂの検出値は制御部６００に送信され、制御部６００は壁面温度Ｔ１，Ｔ２から第３収容部１３０内の温度を推定することができる。なお、第３収容部１３０内の温度を検知するための構成は特にこれに限定されず、温度センサ６１０ａ，６１０ｂを第３収容部１３０の中心に設けるなどして、第３収容部１３０内の水素吸蔵合金の温度を直接測る構成であってもよい。また、本実施形態では２つの温度センサを設けているが、その個数は特に限定されず、要求される温度検知精度と温度センサの性能等に応じて適宜変更可能である。
【００２５】
蓋部１０２は、容器部１０１の開口を覆うようにして設けられ、燃料収容ユニット１００の上面を構成している。レギュレータ部２００、操作表示部４００、および配管部５００は、蓋部１０２上に載置されている。蓋部１０２には、各収容部に対応する位置に水素充填口１１２，１２２，１３２（図２（Ｂ）参照）と水素放出口（図示せず）が設けられている。
【００２６】
第１収容部１１０には、燃料収容ユニット１００の上面から底面に向かって延びる、燃料収容ユニット１００の主表面に略垂直な仕切り壁１１４が複数設けられている。第１収容部１１０は、複数の仕切り壁１１４によって内部が複数の小室１１６に区画されている。各小室１１６には、水素吸蔵合金（図示せず）が収容される。仕切り壁１１４には所定位置に貫通孔（図示せず）が設けられている。そのため、各小室１１６は、仕切り壁１１４の貫通孔を介して互いに連通している。同様に、第２収容部１２０および第３収容部１３０も、複数の仕切り壁１２４，１３４によって内部が複数の小室１２６，１３６に区画されており、各小室１２６，１３６に水素吸蔵合金が収容される。仕切り壁１２４，１２６には貫通孔（図示せず）が設けられており、これにより各小室１２６，１３６は互いに連通している。
【００２７】
蓋部１０２に設けられた水素充填口１１２，１２２，１３２は、それぞれ一端が第１収容部１１０、第２収容部１２０、第３収容部１３０と連通している。水素充填機（図示せず）の充填ホースを水素充填口１１２，１２２，１３２に接続することにより、各収容部内に水素を注入することができる。第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０内に注入された水素は、仕切り壁１１４，１２４，１３４の貫通孔を通って各小室１１６，１２６，１３６に到達し、各小室１１６，１２６，１３６に収容された水素吸蔵合金によって吸蔵される。また、蓋部１０２に設けられた各収容部の水素放出口（図示せず）は、それぞれ他端が配管部５００と連通している。各小室１１６，１２６，１３６に収容された水素吸蔵合金から放出された水素は、各収容部において仕切り壁１１４，１２４，１３４の貫通孔を通って小室間を移動して水素放出口に到達し、水素放出口を通って各収容部から配管部５００に送り出される。
【００２８】
水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、たとえば、希土類系のＭｍＮｉ4.32Ｍｎ0.18Ａｌ0.1Ｆｅ0.1Ｃｏ0.3（Ｍｍはミッシュメタル）である。なお、水素吸蔵合金は、希土類系の合金に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系合金、Ｔｉ−Ｆｅ系合金、Ｔｉ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ｚｒ−Ｍｎ系合金等であってもよい。具体的には、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ５合金、Ｍｇ２Ｎｉ合金、Ｔｉ１＋ｘＣｒ２−ｙＭｎｙ（ｘ＝０．１〜０．３、ｙ＝０〜１．０）合金などを挙げることができる。水素吸蔵合金は、上述した水素吸蔵合金の粉末にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）デイスパージョンなどの結着剤を混合し、プレス機で圧縮成形した圧縮成形体（ペレット）とすることができる。必要に応じて、圧縮成形後に焼結処理がなされていてもよい。
【００２９】
図３に示すように、燃料収容ユニット１００から送り出された水素は、配管部５００を通ってレギュレータ部２００に送られる。配管部５００は、互いに略平行に延びる配管５１２，５２２，５３２と、集合管５４０とを有する。配管５１２は、第１収容部１１０から送り出された水素の流路を構成し、配管５２２は、第２収容部１２０から送り出された水素の流路を構成し、配管５３２は、第３収容部１３０から送り出された水素の流路を構成している。配管５１２，５２２の途中には継手５１４，５２４がそれぞれ設けられている。配管５１２，５２２は、そのレギュレータ部２００に近い側が継手５１４，５２４を介して配管５３２に向けて延びている。配管５３２のレギュレータ部２００に近い側の端部には、継手５３４が設けられている。継手５３４には、配管５１２，５２４、および集合管５４０の一端が連結されている。集合管５４０の他端はレギュレータ部２００に連結されている。したがって、第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０から送り出された水素は、それぞれ配管５１２，５２２，５３２内を流れ、継手５３４において合流して集合管５４０を通ってレギュレータ部２００に送られる。
【００３０】
配管５１２の途中には逆止弁５１６が、配管５２２の途中には逆止弁５２６が、配管５３２の途中には逆止弁５３６がそれぞれ設けられている。逆止弁５１６，５２６，５３６によって、燃料電池３００側から燃料収容ユニット１００への水素の逆流が防止される。また、配管５３２の途中には、逆止弁５３６よりも第３収容部１３０に近い側に放出調節弁５３８（放出調節部）が設けられている。放出調節弁５３８は、第３収容部１３０からの水素放出を抑制する抑制状態と、当該抑制状態が解除された開放状態とを切り替え可能な部材である。放出調節弁５３８としては、例えば絞り弁や開閉弁を用いることができる。放出調節弁５３８が絞り弁である場合、絞り弁を絞った状態を抑制状態とし、抑制状態よりも絞り量が少ない状態を開放状態とすることができる。また、この場合、抑制状態における水素放出量は、ゼロにしてもよいし、燃料電池３００への水素供給量を少しでも増やすべく少量放出させるようにしてもよい。放出調節弁５３８が開閉弁である場合、開閉弁が閉じた状態を抑制状態とし、開いた状態を開放状態とすることができる。
【００３１】
レギュレータ部２００は、水素供給路およびレギュレータ（ともに図示せず）を主な構成として備える。水素供給路は、一端が配管部５００の集合管５４０と連通し、他端が一対の燃料電池３００と連通している。水素供給路の途中にレギュレータが設けられている。レギュレータにより、外部ボンベから水素吸蔵合金に水素が補充される際や、水素吸蔵合金から水素が放出される際に、一対の燃料電池３００に供給される水素の圧力が低減される。これにより、燃料電池３００のアノード触媒層が保護される。
【００３２】
図４および図５に示すように、一対の燃料電池３００は、一方が第１収容部１１０と、他方が第２収容部１２０とそれぞれ熱的に接するように配置されている。本実施形態では、一方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の第１収容部１１０側の主表面と接し、他方の燃料電池３００が燃料収容ユニット１００の第２収容部１２０側の主表面と接している。一対の燃料電池３００は、ともにアノード側の側面が燃料収容ユニット１００と接するように配置されている。
【００３３】
一対の燃料電池３００はともに同一の構造を有し、それぞれ平面配列された複数の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３１０と、インターコネクタ３２０と、集電部３３０と、アノード用ハウジング３４０と、カソード用ハウジング３５０と、を主な構成として備える。
【００３４】
各膜電極接合体３１０は、電解質膜３１２と、電解質膜３１２の一方の表面に設けられたアノード触媒層３１４と、電解質膜３１２の他方の表面に、アノード触媒層３１４と対向するように設けられたカソード触媒層３１６と、を有する。各膜電極接合体３１０は、各収容部の延在方向（燃料収容ユニット１００の上部から底部に延びる方向）と同じ方向に延びるように配置されている。
【００３５】
電解質膜３１２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層３１４とカソード触媒層３１６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜３１２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基またはカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（登録商標）膜（デュポン社製）などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜３１２の厚さは、たとえば約１０〜２００μｍである。
【００３６】
各膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４は、電解質膜３１２の一方の表面に互いに間隔をあけて設けられている。また、各膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６は、電解質膜３１２の他方の表面に互いに間隔を空けて設けられている。一対のアノード触媒層３１４とカソード触媒層３１６との間に電解質膜３１２が挟持されて膜電極接合体３１０（単セル）が構成されている。アノード触媒層３１４とカソード触媒層３１６とは、ショートを防ぐために隣接する単セル間で絶縁が維持されていれば、多様な配置構成を採用することができる。
【００３７】
アノード触媒層３１４には燃料ガスとして水素が供給される。カソード触媒層３１６には、酸化剤として空気が供給される。各膜電極接合体３１０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００３８】
アノード触媒層３１４およびカソード触媒層３１６は、イオン交換体ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。アノード触媒層３１４およびカソード触媒層３１６が有するイオン交換体は、触媒粒子と電解質膜３１２との間の密着性を向上させるために用いることができる。また、イオン交換体は、両者間においてプロトンを伝達する役割を持ってもよい。このイオン交換体は、電解質膜３１２と同様の高分子材料から形成することができる。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。アノード触媒層３１４およびカソード触媒層３１６の厚さは、それぞれ、たとえば約１０〜４０μｍである。
【００３９】
インターコネクタ３２０は、隣接する膜電極接合体３１０の間に設けられ、隣接する膜電極接合体３１０の一方のアノード触媒層３１４から他方のカソード触媒層３１６への電気経路の一部を構成している。インターコネクタ３２０は、導電体３２２と絶縁体３２４とを有する。導電体３２２は、隣接する膜電極接合体３１０の間において電解質膜３１２を貫通するように設けられている。導電体３２２と電解質膜３１２との間には、絶縁体３２４が設けられており、これにより両者間のショートを防ぐことができる。
【００４０】
集電部３３０は、複数のアノード集電体３３２と、複数のカソード集電体３３４とを有する。複数のアノード集電体３３２は、各アノード触媒層３１４の表面に設けられて、各アノード触媒層３１４と電気的に接続されている。複数のカソード集電体３３４は、各カソード触媒層３１６の表面に設けられて、各カソード触媒層３１６と電気的に接続されている。隣接する膜電極接合体３１０のうち、一方の膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４に接続されたアノード集電体３３２の端部は、隣接する膜電極接合体３１０の間に設けられたインターコネクタ３２０まで延び、このインターコネクタ３２０の導電体３２２の一端に電気的に接続されている。また、他方の膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６に接続されたカソード集電体３３４の端部は、同じインターコネクタ３２０まで延び、このインターコネクタ３２０の導電体３２２の他端に電気的に接続されている。平面配列された複数の膜電極接合体３１０は、アノード集電体３３２およびカソード集電体３３４と、インターコネクタ３２０の導電体３２２とにより直列に接続されている。アノード集電体３３２およびカソード集電体３３４としては、例えば金メッシュやカーボンペーパーやカーボンクロスなどを用いることができる。インターコネクタ３２０の幅は、たとえば、約３０〜３００μｍである。
【００４１】
アノード用ハウジング３４０は、膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４側に設けられた蓋部材である。アノード用ハウジング３４０とアノード触媒層３１４との間に、各膜電極接合体３１０に対応して、複数の末端水素流路３４２が形成されている。各末端水素流路３４２は、膜電極接合体３１０の延在方向と同じ方向に延びるように配置されている。また、アノード用ハウジング３４０には、水素流路３４４が設けられている。水素流路３４４は、末端水素流路３４２の延在方向と交わる方向に延びており、その一端がレギュレータ部２００の水素供給路と連通している。また、水素流路３４４には、各末端水素流路３４２の端部が連結されている。
【００４２】
燃料収容ユニット１００の第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０から放出された水素は、配管部５００、およびレギュレータ部２００を経て水素流路３４４に至り、水素流路３４４から分岐した各末端水素流路３４２を通って各膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４へ供給される。
【００４３】
カソード用ハウジング３５０は、膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６側に設けられた蓋部材である。カソード用ハウジング３５０には、各膜電極接合体３１０に対応して、外部から酸化剤としての空気を取り込むための複数の空気取入口３５２が設けられている。カソード用ハウジング３５０の外側には、空気取入口３５２を覆うようにしてメッシュ状のカソードフィルタ３５４が設けられている。カソードフィルタ３５４により外部から空気取入口３５２を介して取り込まれた空気に含まれる塵や埃を除去することができる。外部の空気は、カソードフィルタ３５４を介して空気取入口３５２から燃料電池３００内部に取り込まれ、各膜電極接合体３１０のカソード触媒層３１６へ供給される。
【００４４】
アノード用ハウジング３４０およびカソード用ハウジング３５０に用いられる材料としては、たとえばフェノール樹脂、ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、尿素樹脂、フッ素樹脂等の一般的なプラスティック樹脂が挙げられる。
【００４５】
操作表示部４００は、燃料収容ユニット１００内の温度、圧力、水素残量等の情報を表示することができる。燃料収容ユニット１００に設けられた温度センサ６１０ａ，６１０ｂ等の温度センサや、圧力センサ、水素残量計の検出値が制御部６００を介して、あるいは直接操作表示部４００に送信され、操作表示部４００において各検出値が表示される。また、操作表示部４００には各種操作スイッチが設けられている。これらの操作スイッチが操作されると、操作スイッチに応じた制御信号が操作表示部４００から制御部６００に送信される。また、操作表示部４００は、通信コネクタを有し、当該通信コネクタに接続した通信ケーブルを介して操作表示部４００と水素充填機とを接続することができる。そして、操作表示部４００は、燃料収容ユニット１００内部の温度、圧力、水素残量等の情報を水素充填機に送信することができる。
【００４６】
制御部６００は、燃料電池３００の運転開始／停止などを含む燃料電池システム１の各種の制御を実行する。制御部６００は、燃料電池３００から状態信号を受信することで燃料電池３００の運転状態を認識することができる。また、本実施形態では、制御部６００は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた第３収容部１３０内の温度情報に応じて放出調節弁５３８を制御する。
【００４７】
続いて、上述の構成を備えた燃料電池システム１の運転制御の一例を説明する。図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施形態１に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。図６（Ａ）は、放出調節弁５３８が抑制状態にあるときの水素の流れを示し、図６（Ｂ）は、放出調節弁５３８が開放状態にあるときの水素の流れを示している。
【００４８】
燃料電池システムでは、燃料電池における電気化学反応で発生した熱が燃料収容ユニットに伝わる。そして、この熱により燃料収容ユニット内が温められて、燃料収容ユニット内の水素吸蔵合金の水素放出が促進される。ここで、燃料電池の運転初期において、内部全体が冷えた状態にある燃料収容ユニットは、燃料電池に隣接した外側領域から温度が上昇し始める。燃料収容ユニット１００の中央領域は、外側領域からの伝熱によって外側領域よりも遅れて温度が上昇し始める。
【００４９】
燃料収容ユニット１００の外側領域は、燃料電池３００からの伝熱により短時間で温度が上昇し平衡圧を高く保つことができる。これに対し、燃料収容ユニット１００の中央領域は、外側領域に比べて熱供給量が少ないため温度上昇に時間がかかる。そのため、中央領域の温度が若干上昇して水素吸蔵合金の水素放出が開始されても、吸熱反応である水素放出によって中央領域の温度上昇が妨げられる。したがって、中央領域の平衡圧を十分な高さに保つことが困難となる。その結果、燃料収容ユニットの外側領域の水素放出量は多いが中央領域の水素放出量が少なくなり、燃料収容ユニット全体としての燃料電池への水素供給量を早期に安定化させることが困難であった。特に、燃料収容ユニットの水素収容量を増やすべく燃料収容ユニットを大型化した場合には、燃料電池に安定的に水素を供給できる状態になるまで長時間を要してしまう。
【００５０】
そこで、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料収容ユニット１００を一対の燃料電池３００で挟むとともに、燃料収容ユニット１００内部を外側領域に対応する第１収容部１１０および第２収容部１２０と、中央領域に対応する第３収容部１３０とに区画している。また、第３収容部１３０とレギュレータ部２００とをつなぐ流路に放出調節弁５３８を設けている。そして、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときは、図６（Ａ）に示すように第３収容部１３０からの水素放出を抑制し、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上となったら、図６（Ｂ）に示すように第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除する。
【００５１】
制御部６００は、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときは、放出調節弁５３８が抑制状態となり、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上のときは、放出調節弁５３８が開放状態となるように、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた情報に応じて放出調節弁５３８を制御する。これにより、第３収容部１３０内の温度が低いうちは第３収容部１３０からの水素放出が妨げられるため、水素吸蔵合金の水素放出が抑えられる。その結果、第３収容部１３０内の温度低下を防ぐことができ、第３収容部１３０内の温度が上昇する。第３収容部１３０内の温度が所定温度以上となれば、水素吸蔵合金の水素放出に必要な熱が十分にあるため、水素吸蔵合金の水素放出が進んでも平衡圧の低下は起こりにくい。したがって、第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除することができる。前記「所定温度」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
【００５２】
第３収容部１３０からの水素放出が抑制されている間は、第１収容部１１０および第２収容部１２０から放出された水素が燃料電池３００に供給される。そして、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上となり、第３収容部１３０からの水素放出が可能になると、第１収容部１１０および第２収容部１２０から放出された水素に加えて、第３収容部１３０から放出された水素が燃料電池３００に供給される。
【００５３】
本実施形態では、第３収容部１３０は、第１収容部１１０および第２収容部１２０よりも容積が大きい。そのため、第３収容部１３０の容積が第１収容部１１０および第２収容部１２０以下の場合と比べて、第１収容部１１０および第２収容部１２０をより短時間で昇温させることができる。したがって、第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素放出量をより短時間のうちに必要量まで増大させることができる。これにより、燃料電池システム１の立ち上げに要する時間を短くすることができる。
【００５４】
図７は、実施形態１に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。図７のフローチャートではステップを意味するＳ（Ｓｔｅｐの頭文字）と数字との組み合わせによって各部の処理手順を表示する。また、Ｓと数字との組み合わせによって表示した処理で何らかの判断処理が実行され、その判断結果が肯定的であった場合は、Ｙ（Ｙｅｓの頭文字）を付加して、例えば（Ｓ１０のＹ）と表示し、逆にその判断結果が否定的であった場合は、Ｎ（Ｎｏの頭文字）を付加して、例えば（Ｓ１０のＮ）と表示する。このフローは、燃料電池システム１の電源がオンとなった後、制御部６００が所定のタイミングで繰り返し実行する。
【００５５】
まず、制御部６００は、燃料電池３００の運転が開始されているか判断する（Ｓ１０１）。燃料電池３００の運転が開始されていない場合（Ｓ１０１のＮ）、制御部６００は本ルーチンを終了する。燃料電池３００の運転が開始されている場合（Ｓ１０１のＹ）、制御部６００は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた情報に基づいて、仕切り壁１０３の壁面温度Ｔ１が所定温度Ｔ以上であり、かつ仕切り壁１０４の壁面温度Ｔ２が所定温度Ｔ以上であるか判断する（Ｓ１０２）。
【００５６】
壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２が所定温度Ｔ以上であった場合（Ｓ１０２のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開いて開放状態とする（Ｓ１０３）。一方、壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２の少なくとも一方が所定温度Ｔ未満であった場合（Ｓ１０２のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を閉じて（絞って）抑制状態とする（Ｓ１０４）。その後、制御部６００は、燃料電池３００の運転が停止されたか判断する（Ｓ１０５）。
【００５７】
燃料電池３００の運転が停止されていない場合（Ｓ１０５のＮ）、制御部６００は、ステップＳ１０２に戻って、壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２が所定温度Ｔ以上であるか判断する（Ｓ１０２）。燃料電池３００の運転が停止された場合（Ｓ１０５のＹ）、制御部６００は、次回の運転開始に備えて放出調節弁５３８を閉じて抑制状態とし（Ｓ１０６）、本ルーチンを終了する。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、第１〜第３収容部に区画された燃料収容ユニット１００と、燃料収容ユニット１００を挟む一対の燃料電池３００とを有する。また、燃料電池システム１は、第１収容部１１０および第２収容部１２０の間に配置された第３収容部１３０からの水素放出を調節するための放出調節弁５３８を有する。そして、制御部６００は、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときに第３収容部１３０からの水素放出を抑制し、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上のときは第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除している。そのため、燃料電池３００の運転初期などの燃料収容ユニット１００内部が十分に温まっていない状態において、第３収容部１３０における平衡圧の低下を防ぐことができる。これにより、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【００５９】
（実施形態２）
実施形態２に係る燃料電池システムは、燃料電池の運転停止後に第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ水素を供給する構成をさらに備えたものである。以下、本実施形態について説明する。なお、燃料電池システム１の配管部５００以外の構造は実施形態１と基本的に同一である。実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００６０】
図８は、制御部および配管部カバーを取り外した状態の実施形態２に係る燃料電池システムの概略斜視図である。本実施形態に係る燃料電池システム１において、配管部５００は、互いに平行に延びる配管５１２，５２２，５３２と、集合管５４０とを有する。配管５１２，５２２，５３２は、それぞれ第１収容部１１０、第２収容部１２０、第３収容部１３０から送り出された水素の流路を構成している。配管５１２，５２２の途中には継手５１４，５２４が設けられている。配管５１２，５２２は、継手５１４，５２４を介して配管５３２に向けて延びている。配管５３２の端部には継手５３４が設けられている。継手５３４には、配管５１２，５２２、および集合管５４０の一端が連結されている。配管５１２，５２２，５３２の途中には、それぞれ逆止弁５１６，５２６，５３６が設けられている。また、配管５３２の途中には、逆止弁５３６よりも第３収容部１３０に近い側に放出調節弁５３８が設けられている。
【００６１】
また、本実施形態の配管部５００は、バイパス管５１７，５２７と、流路切替弁５１８，５２８とを備える。バイパス管５１７は、配管５１２の逆止弁５１６を迂回する配管である。バイパス管５１７は、その一端が配管５１２の逆止弁５１６よりも集合管５４０に近い側に継手５１４を介して連結され、他端が配管５１２の逆止弁５１６よりも第１収容部１１０に近い側に流路切替弁５１８を介して連結されている。流路切替弁５１８は例えば三方弁からなり、配管５１２の途中に設けられて配管５１２とバイパス管５１７の他端とを接続している。流路切替弁５１８は、第１収容部１１０から逆止弁５１６を介してレギュレータ部２００に至る水素の流れと、第３収容部１３０からバイパス管５１７を介して第１収容部１１０に至る水素の流れとを切り替え可能に構成されている。
【００６２】
同様に、バイパス管５２７は、配管５２２の逆止弁５２６を迂回する配管である。バイパス管５２７は、その一端が配管５２２の逆止弁５２６よりも集合管５４０に近い側に継手５２４を介して連結され、他端が配管５２２の逆止弁５２６よりも第２収容部１２０に近い側に流路切替弁５２８を介して連結されている。流路切替弁５２８は例えば三方弁からなり、配管５２２の途中に設けられて配管５２２とバイパス管５２７の他端とを接続している。流路切替弁５２８は、第２収容部１２０から逆止弁５２６を介してレギュレータ部２００に至る水素の流れと、第３収容部１３０からバイパス管５２７を介して第２収容部１２０に至る水素の流れとを切り替え可能に構成されている。
【００６３】
燃料電池システム１は、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ水素を供給するための分配流路を備えている。本実施形態では、配管５３２と、バイパス管５１７，５２７とが分配流路の主要部を構成している。また、燃料電池システム１は、第３収容部１３０から燃料電池３００へ水素を供給するための本流路と分配流路とを切り替えるための流路切替部を備えている。本実施形態では、配管５３２と、集合管５４０と、が本流路の主要部を構成している。また、レギュレータ部２００と流路切替弁５１８，５２８とが流路切替部を構成している。
【００６４】
続いて、上述の構成を備えた燃料電池システム１の運転制御の一例を説明する。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、実施形態２に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。図９（Ａ）は、燃料電池３００の運転が開始され放出調節弁５３８が抑制状態にあるときの水素の流れを示している。図９（Ｂ）は、燃料電池３００の運転が開始され放出調節弁５３８が開放状態にあるときの水素の流れを示している。図９（Ｃ）は、燃料電池３００の運転が停止されたときの水素の流れを示している。
【００６５】
図９（Ａ）に示すように、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときは、制御部６００は放出調節弁５３８を抑制状態とし、第３収容部１３０からの水素放出を抑制する。また、図９（Ｂ）に示すように、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上のときは、制御部６００は放出調節弁５３８を開放状態とし、第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除する。これにより、燃料電池３００の運転初期などの燃料収容ユニット１００内部が十分に温まっていない状態において、第３収容部１３０における平衡圧の低下を防ぎ、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【００６６】
また、図９（Ｃ）に示すように、制御部６００は、燃料電池３００の運転停止後に、本流路から分配流路に切り替えるように流路切替部を制御する。このようにして、制御部６００は、燃料電池３００の運転停止後に、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ第３収容部１３０内の水素を供給する。具体的には、燃料電池３００の運転停止後、放出調節弁５３８を開放状態にしたまま、レギュレータ部２００の水素供給路を遮断し、流路切替弁５１８，５２８をバイパス管５１７，５２７と配管５１２，５２２とが連通する状態に切り替える。
【００６７】
燃料電池３００の運転停止後は、燃料電池３００から燃料収容ユニット１００への伝熱量が減少していくため、燃料収容ユニット１００は徐々に冷却される。このとき、外側に位置する第１収容部１１０および第２収容部１２０は、内側に位置する第３収容部１３０よりも先に温度が下がり始める。そのため、第３収容部１３０からの水素放出は、第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素放出よりも長く継続する。そこで、上述のように本流路から分配流路に水素流路を切り替えると、分配流路を介して第３収容部１３０内の水素を第１収容部１１０および第２収容部１２０に供給することができる。
【００６８】
第１収容部１１０および第２収容部１２０は、第３収容部１３０よりも容積が小さく、また燃料電池３００の運転開始直後から水素を放出する。そのため、第１収容部１１０および第２収容部の水素は、第３収容部１３０の水素よりも消費されやすく、第３収容部１３０には第１収容部１１０および第２収容部１２０よりも水素が残りやすい。したがって、上述した分配流路への流路切り替えにより第１収容部１１０および第２収容部１２０に第３収容部１３０内の水素を分配することで、各収容部における水素残量の均一化を図ることができる。その結果、次回の燃料電池３００の運転開始時における第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素供給不足を回避することができ、水素供給のさらなる安定化を図ることができる。
【００６９】
また、制御部６００は、第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０が平衡状態となり、内圧が均等化された後に、分配流路から、燃料電池３００への水素流通が遮断された状態の本流路に切り替わるように流路切替部を制御する。このようにして、制御部６００は、第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０の内圧が均等化された後に、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０への水素供給を停止する。具体的には、制御部６００は、図示しない圧力センサの検出値から第１〜第３収容部の内圧が均等化されたことを認識すると、流路切替弁５１８，５２８を、第１収容部１１０および第２収容部１２０から放出された水素が逆止弁５１６，５２６に向かう流路状態に切り替える。レギュレータ部２００の水素供給路は遮断したままとする。これにより、水素の流路は、分配流路から燃料電池３００への水素流通が遮断された状態の本流路に切り替えられる。また、制御部６００は、次回の燃料電池３００の運転開始に備えて放出調節弁５３８を抑制状態とする。なお、上述した内圧の均等化は、各収容部の内圧を等しくする場合だけでなく、各収容部の内圧の差を所定範囲内とする場合を含めてもよい。内圧の均等化の程度は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
【００７０】
図１０は、実施形態２に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。このフローは、燃料電池システム１の電源がオンとなった後、制御部６００が所定のタイミングで繰り返し実行する。
【００７１】
まず、制御部６００は、燃料電池３００の運転が開始されているか判断する（Ｓ２０１）。燃料電池３００の運転が開始されていない場合（Ｓ２０１のＮ）、制御部６００は本ルーチンを終了する。燃料電池３００の運転が開始されている場合（Ｓ２０１のＹ）、制御部６００は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた情報に基づいて、壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２が所定温度Ｔ以上であるか判断する（Ｓ２０２）。
【００７２】
壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２が所定温度Ｔ以上であった場合（Ｓ２０２のＹ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を開いて開放状態とする（Ｓ２０３）。一方、壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２の少なくとも一方が所定温度Ｔ未満であった場合（Ｓ２０２のＮ）、制御部６００は、放出調節弁５３８を閉じて（絞って）抑制状態とする（Ｓ２０４）。その後、制御部６００は、燃料電池３００の運転が停止されたか判断する（Ｓ２０５）。
【００７３】
燃料電池３００の運転が停止されていない場合（Ｓ２０５のＮ）、制御部６００は、ステップＳ２０２に戻って、壁面温度Ｔ１および壁面温度Ｔ２が所定温度Ｔ以上であるか判断する（Ｓ２０２）。燃料電池３００の運転が停止された場合（Ｓ２０５のＹ）、制御部６００は、分配流路に切り替える（Ｓ２０６）。その後、制御部６００は、各収容部の内圧が均等化したか判断する（Ｓ２０７）。内圧が均等化されていない場合（Ｓ２０７のＮ）、制御部６００は、ステップＳ２０７の判断を繰り返す。内圧が均等化された場合（Ｓ２０７のＹ）、制御部６００は、分配流路から本流路に切り替えるとともに、次回の運転開始に備えて放出調節弁５３８を閉じて抑制状態とし（Ｓ２０８）、本ルーチンを終了する。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、実施形態１に係る燃料電池システム１の構成に加えて、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０へ水素を供給するための分配流路と、第３収容部１３０から燃料電池３００へ水素を供給するための本流路と分配流路とを切り替えるための流路切替部とを備えている。そして、制御部６００は、燃料電池３００の運転停止後に本流路から分配流路に切り替えて、第３収容部１３０内の水素を第１収容部１１０および第２収容部１２０に供給している。そのため、次回の燃料電池３００の運転開始時における第１収容部１１０および第２収容部１２０からの水素供給不足を防ぐことができる。これにより、燃料電池３００への水素供給のさらなる安定化を図ることができる。
【００７５】
（実施形態３）
上述の実施形態１および２では、燃料収容ユニット１００が一対の燃料電池３００で挟まれた構造を有するが、燃料電池は１つであってもよい。以下、本実施形態について説明する。なお、実施形態１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。
【００７６】
図１１は、実施形態３に係る燃料電池システムの概略構造を示す水平断面図である。図１２は、実施形態３に係る燃料電池システムの概略構造を示す鉛直断面図である。図１１は、実施形態１の図４に対応する。図１２は、実施形態１の図５に対応し、図１１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。なお、図１１および図１２では、燃料電池システム１の外部筐体の図示を省略している。
【００７７】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、実施形態１に係る燃料電池システム１から、第２収容部１２０と、燃料収容ユニット１００の第２収容部１２０側の主表面と接する燃料電池３００と、第２収容部１２０から送り出された水素の流路を構成する配管５２２等とが取り除かれた構造を有する。
【００７８】
具体的には、図１１および図１２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１の燃料収容ユニット１００（燃料収容部）は、第１収容部１１０（一方の収容部）および第３収容部１３０（他方の収容部）を有する。第１収容部１１０および第３収容部１３０は、互いに熱的に接するように配置されている。本実施形態では、容器部１０１内が仕切り壁１０３によって２つの部屋に区画されており、一方の部屋が第１収容部１１０を構成し、他方の部屋が第３収容部１３０を構成している。第３収容部１３０は、第１収容部１１０よりも容積が大きい。
【００７９】
燃料電池３００は、燃料収容ユニット１００の第１収容部１１０側の主表面と接している。これにより燃料電池３００は、燃料収容ユニット１００に対して、第１収容部１１０と熱的に接するように配置されている。
【００８０】
燃料収容ユニット１００の第１収容部１１０および第３収容部１３０から放出された水素は、配管部５００（図３参照）、およびレギュレータ部２００（図３参照）を経て水素流路３４４に至り、水素流路３４４から分岐した各末端水素流路３４２を通って各膜電極接合体３１０のアノード触媒層３１４へ供給される。
【００８１】
第３収容部１３０から送り出された水素の流路を構成する配管５３２の途中には、放出調節弁５３８（図３参照）が設けられている。制御部６００（図２（Ａ）参照）は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた第３収容部１３０内の温度情報に応じて放出調節弁５３８を制御する。
【００８２】
続いて、上述の構成を備えた燃料電池システム１の運転制御の一例を説明する。図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、実施形態３に係る燃料電池システムの運転制御を説明するための概念図である。図１３（Ａ）は、放出調節弁５３８が抑制状態にあるときの水素の流れを示し、図１３（Ｂ）は、放出調節弁５３８が開放状態にあるときの水素の流れを示している。
【００８３】
図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料収容ユニット１００の一方の主表面に燃料電池３００が接するとともに、燃料収容ユニット１００内部を燃料電池３００に近い側の第１収容部１１０と、燃料電池３００から遠い側の第３収容部１３０とに区画されている。また、第３収容部１３０とレギュレータ部２００（図３参照）とをつなぐ流路に放出調節弁５３８（図３参照）を設けている。
【００８４】
制御部６００は、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときは、図１３（Ａ）に示すように、放出調節弁５３８を抑制状態として第３収容部１３０からの水素放出を抑制する。また、制御部６００は、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上のときは、図１３（Ｂ）に示すように、放出調節弁５３８を開放状態として第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除する。
【００８５】
これにより、第３収容部１３０内の温度が低いうちは第３収容部１３０からの水素放出が妨げられるため、水素吸蔵合金の水素放出が抑えられる。その結果、第３収容部１３０内の温度低下を防ぐことができ、第３収容部１３０内の温度が上昇する。第３収容部１３０内の温度が所定温度以上となれば、水素吸蔵合金の水素放出に必要な熱が十分にあるため、水素吸蔵合金の水素放出が進んでも平衡圧の低下は起こりにくい。したがって、第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除することができる。前記「所定温度」は、設計者による実験やシミュレーションに基づき適宜設定することが可能である。
【００８６】
第３収容部１３０からの水素放出が抑制されている間は、第１収容部１１０から放出された水素が燃料電池３００に供給される。そして、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上となり、第３収容部１３０からの水素放出が可能になると、第１収容部１１０から放出された水素に加えて、第３収容部１３０から放出された水素が燃料電池３００に供給される。なお、燃料電池システム１の制御フローは、実施形態１と同様であるため説明は省略する。
【００８７】
本実施形態では、第３収容部１３０は、第１収容部１１０よりも容積が大きい。そのため、第３収容部１３０の容積が第１収容部１１０以下の場合と比べて、第１収容部１１０をより短時間で昇温させることができる。したがって、第１収容部１１０からの水素放出量をより短時間のうちに必要量まで増大させることができる。
【００８８】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、互いに熱的に接する第１収容部１１０および第３収容部１３０を有する燃料収容ユニット１００と、第１収容部１１０と熱的に接する燃料電池３００とを有する。また、燃料電池システム１は、燃料電池３００から離れた第３収容部１３０からの水素放出を調節するための放出調節弁５３８を有する。そして、制御部６００は、第３収容部１３０内の温度が所定温度未満のときに第３収容部１３０からの水素放出を抑制し、第３収容部１３０内の温度が所定温度以上のときは第３収容部１３０からの水素放出の抑制を解除している。このような構成によっても、燃料電池への水素供給の安定化を図ることができる。
【００８９】
本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００９０】
図１４は、変形例に係る燃料電池システムの構成を説明するための概念図である。なお、図１４では、燃料電池３００と、第１〜第３収容部１１０，１２０，１３０のみを図示し、他の構成の図示を省略している。図１４に示すように、変形例に係る燃料電池システム１では、第１収容部１１０および第２収容部１２０が燃料電池３００の中心部と接し、周縁部と接しないように構成されている。
【００９１】
燃料電池３００の周縁部は、中心部に比べて熱が外部に逃げやすい。そのため、燃料電池３００は、周縁部よりも中心部の温度が上昇しやすい。そこで、第１収容部１１０および第２収容部１２０を燃料電池３００の中心部のみと接触させることで、第１収容部１１０および第２収容部１２０を効率よく加熱することができる。また、燃料収容ユニット１００の、燃料電池３００と接する領域を除く表面を断熱材ＨＩで被覆することで、第１収容部１１０あるいは第２収容部１２０から第３収容部１３０に対して、燃料電池３００の熱をより高効率に伝達させることができる。なお、断熱材ＨＩは設けなくてもよい。また、燃料電池３００の周縁部には、第３収容部１３０を接触させてもよい。本変形例は、実施形態３にも適用することができる。
【００９２】
上述の各実施形態において、制御部６００は、温度センサ６１０ａ，６１０ｂから得られた第３収容部１３０内の温度情報を用いて放出調節弁５３８を制御しているが、燃料電池３００の運転開始からの経過時間に応じて放出調節弁５３８を制御してもよい。燃料電池３００の運転開始からの経過時間と第３収容部１３０内の温度変化との関係を予め測定しておくことで、経過時間を用いて第３収容部１３０内の温度を推定することができる。この場合、経過時間を計測するためのタイマーが温度検知装置を構成する。
【００９３】
上述の実施形態１および２では、燃料収容ユニット１００内は３つの収容部に区画されているが、４つ以上の収容部に区画されていてもよい。この場合、第１収容部１１０および第２収容部１２０を除いた全ての収容部について、放出調節弁を設けてもよい。また、上述の実施形態３では、燃料収容ユニット１００内は２つの収容部に区画されているが、３つ以上の収容部に区画されていてもよい。この場合、第１収容部１１０を除いた全ての収容部について、放出調節弁を設けてもよい。
【００９４】
上述の実施形態２では、第３収容部１３０から第１収容部１１０および第２収容部１２０に水素を供給しているが、第１収容部１１０および第２収容部１２０のいずれか一方のみに水素を供給してもよい。また、分配流路は、配管５３２、バイパス管５１７，５２７を主要構成としているが、第３収容部１３０と第１収容部１１０および第２収容部１２０の少なくとも一方をつなぐ、配管５３２を含まない専用の流路を設け、これを分配流路としてもよい。
【００９５】
上述の実施形態２の構造は、実施形態３に適用することができる。すなわち、分配流路を設けて第３収容部１３０から第１収容部１１０に水素を供給することができる。また、分配流路として配管５３２を含まない専用の流路を設ける上述の変形例も、実施形態３に適用することができる。
【００９６】
上述の各実施形態では、各収容部と燃料電池３００とをつなぐ配管５１２，５２２，５３２には逆止弁５１６，５２６，５３６が設けられている。しかしながら、各収容部から送り出された水素は燃料電池３００で消費されるため、燃料電池３００側から燃料収容ユニット１００へ水素が逆流する可能性は低い。そのため、逆止弁５１６，５２６，５３６は設けられていなくてもよい。
【００９７】
なお、第１収容部１１０あるいは第２収容部１２０の温度が高く、第３収容部１３０の温度が低い場合、第１収容部１１０あるいは第２収容部１２０から送り出された水素は、レギュレータ部２００を介して燃料電池３００に供給されるとともに、第３収容部１３０に流入する可能性がある。そのため、配管５３２にのみ逆止弁５３６を設けてもよい。第１収容部１１０および第２収容部１２０に逆止弁５１６，５２６を設けないことで、上述の実施形態２において、バイパス管５１７，５２７および流路切替弁５１８，５２８を省略することができる。
【００９８】
この場合は、燃料電池３００の運転停止後、第３収容部１３０側から第１収容部１１０および／または第２収容部１２０に水素が供給されて、第１収容部１１０〜第３収容部１３０（実施形態３では第１収容部１１０および第３収容部１３０）における水素の平衡圧および吸蔵割合（全吸蔵量に対する吸蔵量）が略等しくなる。
【００９９】
上述の各実施形態において、第３収容部１３０は、燃料電池３００に熱的に接していてもよい。この場合、燃料電池３００から第３収容部１３０への伝熱量は、燃料電池３００から第１収容部１１０および第２収容部１２０（実施形態３では燃料電池３００から第１収容部１１０）への伝熱量に比べて小さい。
【符号の説明】
【０１００】
１  燃料電池システム、  １００  燃料収容ユニット、  １１０  第１収容部、  １２０  第２収容部、  １３０  第３収容部、  ３００  燃料電池、  ５００  配管部、  ５１２，５２２，５３２  配管、  ５１４，５２４，５３４  継手、  ５１６，５２６，５３６  逆止弁、  ５１７，５２７  バイパス管、  ５１８，５２８  流路切替弁、  ５３８  放出調節弁、  ６００  制御部、  ６１０ａ，６１０ｂ  温度センサ。
【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】
2012009412.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012009412.tif 000009
【図８】
2012009412.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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