(57)【要約】【課題】  燃料電池および蓄電手段を備える車両システムにおいて、電力の消費を抑制しながら、低温環境における蓄電手段の早期暖機を実現する。【解決手段】  燃料電池１と２次電池２を備える車両システムに、２次電池２に接して配置した反応管５１内に吸着剤５３を充填した暖機装置５を設ける。制御装置６は、氷点下始動時、温度センサ２１の検出結果に基づいて、燃料電池１の水蒸気を含む排気を反応管５１内に供給し、吸着剤５３の発熱により２次電池２を暖機する。システム停止時には、冷却系４の廃熱を含む冷却水を、反応管５１に接して配置した分岐配管７に導入し、吸着剤５３を再生する。【選択図】        図１
2009054404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃料電池および蓄電手段を備えている車両システムにおいて、
前記蓄電手段の温度を検出する温度検出手段と、
前記蓄電手段に接触して熱を伝え得るように配置され、内部に特定の物質との反応により発熱し、前記特定の物質を放出することにより再生可能な発熱剤が充填された発熱手段と、
前記発熱手段内に前記特定の物質を含むガスを供給または封入し得るガス供給手段と、
前記蓄電手段の検出温度に基づいて前記ガス供給手段から前記発熱手段に前記特定の物質を含むガスを供給する暖機制御手段と、
前記発熱手段の発熱剤を再生する再生制御手段と、
を有する蓄熱手段の暖機装置を設けたことを特徴とする車両システム。
【請求項２】
前記特定の物質を含むガスが、前記燃料電池から排出される水蒸気を含んだ排出ガスであり、前記発熱剤が水分を吸着して発熱する吸着剤である請求項１に記載の車両システム。
【請求項３】
前記特定の物質を含むガスが、前記燃料電池の水素燃料ガスであり、前記発熱剤が加圧下で水素を吸収して発熱する水素吸蔵体である請求項１に記載の車両システム。
【請求項４】
前記暖機装置が、燃料電池冷却系もしくは駆動手段冷却系の排出流路の少なくとも１つから分岐され廃熱を含む冷却媒体が流通する冷却媒体流路を、前記発熱手段の前記発熱剤に熱を伝え得るように配置した発熱剤の加熱再生手段を有し、
前記再生制御手段は、システムの停止時に前記加熱再生手段を作動させる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の車両システム。
【請求項５】
前記発熱手段が、前記蓄電手段に接して配置されるチューブ状配管を有し、該チューブ状配管の内部空間に前記発熱剤が充填される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両システム。
【請求項６】
前記発熱手段が、前記蓄電手段に接する伝熱面を有する偏平管を有し、該偏平管の内部空間に前記発熱剤が充填される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両システム。
【請求項７】
前記発熱手段が、前記蓄電手段を被う断熱ケースを有し、該断熱ケースと前記蓄電手段との隙間に形成される空間に、前記発熱剤が充填される請求項１ないし４のいずれか１項に記載の車両システム。
【請求項８】
前記蓄電手段が少なくとも２つ以上に分割されており、その中の少なくとも１つに前記暖機装置が備えられる請求項１ないし７のいずれか１項に記載の車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と蓄電手段を備える車両システムにおいて、低温環境下における蓄電手段の早期暖機を実現して効率低下を抑制する暖機装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により電気エネルギを発生する。燃料電池を動力源とする車両システムには、燃料電池で発生した電力を蓄え、必要に応じてシステムに供給するための蓄電手段が設けられる。一般に蓄電池（以下、２次電池と称する）は、低温において抵抗が増加し、放電容量が低下する性質を持つため、２次電池を利用している電気自動車、ハイブリッド自動車等と同様に、燃料電池自動車においても寒冷期において極端に効率が低くなる問題がある。このため、２次電池を暖機する、もしくは保温する手段が必要となっている。
【０００３】
従来より、燃料電池自動車では、２次電池の電力を使用した加熱手段が用いられている。例えば、特許文献１には、２次電池自身を電源として、その電力で２次電池を加熱する第１の電気ヒータと、燃料電池を加熱する第２の電気ヒータを備える装置が開示されている。この装置は、まず第１の電気ヒータで２次電池を暖機してから、第２の電気ヒータを駆動することで暖機時間を短縮している。また、特許文献２には、燃料電池の空気供給系に備えたエアコンプレッサからの高温エアを用いて、暖機する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３１１２１８号公報
【特許文献２】特開２００１−２５７０１１号公報
【０００４】
また、燃料電池自動車以外の電動自動車においては、温めた空気や冷却水を利用して暖機を行うシステムが知られている。例えば、特許文献３には、電気自動車のバッテリフレーム前方にダクトを取り付けて、走行外気または加熱空気を導入する調温装置が、特許文献４には、システムを冷却するための循環水を加熱してバッテリの保温に用いる装置が開示されている。特許文献５には、車室内の空調に使用された暖房空気または冷却空気を用いて、電池を暖機または冷却する装置が、特許文献６、７には、エアコンユニットからの温風または冷風を直接導入して、暖機または冷却する装置が提案されている。
【特許文献３】特開平７−１９７３号公報
【特許文献４】特開平８−２２８４５号公報
【特許文献５】特開平１０−２５２４６７号公報
【特許文献６】特開平７−７３９０６号公報
【特許文献７】特開２００６−１６８６８１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、特許文献１のように、２次電池自体を電源として電気ヒータで加熱する場合、低温で性能が低下している状態では利用可能な電力が限られており、暖機手段としては適していない。また、特許文献２のように、エアコンプレッサの高温エアを用いる場合は、熱媒体としての空気の熱容量が小さいことから、２次電池を暖機するために大量の空気供給もしくは大きな温度差（ΔＴ）が必要となり、効率が悪い。加熱空気を用いる特許文献３や特許文献５〜７のように暖房空気を用いる場合も同様であり、かつ対流熱伝達が主体の伝熱形態のため、２次電池側にフィンを設けるなどの工夫が必要となる。
【０００６】
また、特許文献３、４のように、導入した空気や冷却系の循環水を用いて暖機する場合は、予め熱媒体である空気や循環水を加熱するためのヒータが必要となる。特に、循環水を用いる場合には、十分な温度が得られるのに時間を費やし、早期暖機は難しい。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池および蓄電手段を備える車両システムにおいて、電力の消費を抑制しながら、低温環境における蓄電手段の早期暖機を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、少なくとも燃料電池および蓄電手段を備えている車両システムに、蓄熱手段の暖機装置を設けている。暖機装置は、
蓄電手段の温度を検出する温度検出手段と、
蓄電手段に接触して熱を伝え得るように配置された発熱手段内に、特定の物質との反応により発熱し、特定の物質を放出することにより再生可能な発熱剤が充填された発熱手段と、
発熱手段内に特定の物質を含むガスを供給または封入し得るガス供給手段と、
蓄電手段の検出温度に基づいてガス供給手段から発熱手段に特定の物質を含むガスを供給する暖機制御手段と、
発熱手段の発熱剤を再生する再生制御手段とを有している。
【０００９】
本発明は、瞬時に発熱する反応熱を利用して暖機を行う。暖機制御手段は、蓄熱手段の温度が低い時には、ガス供給手段を作動させて発熱手段内の発熱剤と特定の物質とを反応させ、発生する熱によって発熱手段に接触位置する蓄電手段を速やかに暖機する。暖機終了後、再生制御手段が、反応後の発熱剤から特定の物質を放出させると、発熱剤は容易に再生するので、繰り返し使用することができる。
【００１０】
本発明によれば、瞬時に発熱する反応熱を利用しているので、従来装置のように熱媒体である空気や循環水を予め加熱する必要がない。しかも、発熱手段を蓄電手段に接触させて熱伝導を主体とした伝熱形態としているので、暖機に要する時間を大幅に短縮することができる。また、空気や循環水を加熱するためのヒータが不要であり、蓄電手段の電力消費を抑制しながら、効率よく２次電池を加熱して早期暖機を実現することができる。
【００１１】
請求項２の発明では、特定の物質を含むガスが、燃料電池から排出される水蒸気を含んだ排出ガスであり、発熱剤が水分を吸着して発熱する吸着剤である。
【００１２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電し、水を生成する。この生成水を含む排出ガスを暖機装置に導入すると、発熱剤である吸着剤に水分が吸着されて熱を発生する。また、加熱等により水分が離脱することで容易に再生する。既存の装置である燃料電池からの排出ガスを利用した簡易な構成で、効率よく暖機を行うことができる。
【００１３】
請求項３の発明では、特定の物質を含むガスが、燃料電池の水素燃料ガスであり、発熱剤が加圧下で水素を吸収して発熱する水素吸蔵体である。
【００１４】
燃料電池の燃料となる水素を暖機装置に導入すると、発熱剤である水素吸蔵体に水素が吸収されて熱を発生する。また、減圧や加熱等により水素が放出されて容易に再生する。既存の装置である燃料電池の水素供給系を利用した簡易な構成で、効率よく暖機を行うことができる。
【００１５】
請求項４の発明では、暖機装置に、燃料電池冷却系もしくは駆動手段冷却系の排出流路の少なくとも１つから分岐され廃熱を含む冷却媒体が流通する冷却媒体流路を、発熱手段の発熱剤に熱を伝え得るように配置した発熱剤の加熱再生手段を設ける。再生制御手段は、システムの停止時に加熱再生手段を作動させて、発熱剤を再生する。
【００１６】
吸着剤等の発熱剤は、例えば加熱により再生することができる。具体的には、システム冷却系からの排出路を分岐して発熱手段に接触させ、熱交換後の冷却媒体に含まれる廃熱を利用して発熱剤を加熱し、吸着した水分等を放出させる。これを再生制御手段がシステムが停止する度に実行することで、次回の暖機に備え、かつ、始動時に冷却系の廃熱も活用して蓄電手段を暖機することで、暖機時間を短縮できる。
【００１７】
請求項５の発明では、発熱手段が、蓄電手段の表面に接して配置されるチューブ状配管を有し、該チューブ状配管の内部空間に発熱剤が充填される。
【００１８】
具体的には、チューブ状配管を用いて発熱手段が容易に形成でき、その内部に発熱剤を充填してガス供給手段に連結すれば、容易に特定の物質を導入できる。
【００１９】
請求項６の発明では、発熱手段が、蓄電手段の表面に接する伝熱面を有する偏平管を有し、該偏平管の内部空間に発熱剤を充填した構成とする。
【００２０】
具体的には、偏平管を用いても発熱手段が容易に形成でき、その内部に発熱剤を充填してガス供給手段に連結すれば、容易に特定の物質を導入できる。また、伝熱面が蓄電手段に密接するので、効率よい加熱ができる。
【００２１】
請求項７の発明では、発熱手段が、蓄電手段を被う断熱ケースを有し、該断熱ケースと蓄電手段との隙間に形成される空間に発熱剤が充填される。
【００２２】
具体的には、断熱ケースを用いて蓄電手段を被い、蓄電手段との隙間を発熱手段として発熱剤を充填してもよく、ガス供給手段に連結すれば、容易に特定の物質を導入できる。また、断熱ケースにより外部への放熱が抑制されるので、発生した熱を効率よく利用できる。
【００２３】
請求項８の発明では、蓄電手段が少なくとも２つ以上に分割されており、その中の少なくとも１つに暖機装置が備えられる。
【００２４】
具体的には、蓄電手段を複数に分割して個々に作動を制御することができる。この時、暖機装置は蓄電手段の少なくとも１つに設けてあればよく、他に先立って暖機を行うことで、より早期に効率よい暖機が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の車両システムを燃料電池自動車に適用した例について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態であり、図１（ａ）は車両システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）〜（ｄ）は、その要部である。図１（ａ）において、車両システムは、燃料電池１と蓄電手段としての２次電池２を動力源として備え、駆動系３に電力を供給している。燃料電池１は、冷却水が循環する冷却系４を備え、２次電池２は、低温時に２次電池２を暖機するための暖機装置５を備えている。
【００２６】
燃料電池１には、エアコンプレッサ１２を有する空気供給路１１と、水素タンク１４を有する水素供給路１３が接続される。燃料電池１は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので、多数のセルを積層して電気的に直列接続した固体高分子電解質膜型の燃料電池スタックが好適に用いられる。基本単位構造となるセルは、通常公知の構成で、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly ）と呼ばれる膜電極接合体を、空気側セパレータおよび水素側セパレータの間に挟んだ構成を有している。ＭＥＡは、ナフィオンに代表される高分子電解質膜の両面に触媒層が形成され、さらにガス拡散層で両面を挟んで一体化されている。
【００２７】
空気供給路１１は、燃料電池セルのカソード電極にエアコンプレッサ１２で加圧された空気を供給する。水素供給路１３には開閉弁１５と調圧弁１６が設けられ、水素タンク１４に貯蔵される高圧水素を所定の圧力に調圧して、燃料電池セルのアノード電極に供給する。この時、両電極において下記式で表される電気化学反応が起こる。
アノード電極（水素極）  Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（１）
カソード電極（空気極）  ２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 + ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ・・・（２）
この時、発電反応により発生する熱で燃料電池１の温度が上昇し、カソード電極側からは、生成水（水蒸気）を含む高温の排気が、空気排出路１７に排出される。
【００２８】
燃料電池１の電気出力は、駆動系３のパワーコントローラ（ＰＣＵ）３１に送られる。ＰＣＵ３１は、燃料電池１から駆動負荷３２への電力供給を制御するとともに、２次電池２の充放電を制御する。駆動負荷３２は、自動車駆動用のモータや各種補機類であり、余剰の電力は２次電池２に充電される。駆動系３は、ＰＣＵ３１および駆動負荷３２を冷却するための冷却系３３を備え、ラジエータ３４を経由してポンプ３５で冷却水等の冷却媒体を循環させている。
【００２９】
２次電池２としては、公知のニッケル水素電池やリチウム電池等を使用することができる。２次電池２は、ＰＣＵ３１を介して駆動負荷３２へ接続され、回生されたエネルギを貯蔵するとともに、急加速時のように大きな電力が必要な場合には、燃料電池１とともに駆動負荷３２へ電力を供給する。
【００３０】
冷却系４は、ラジエータ４１と燃料電池１の間を冷却媒体である冷却水が循環する冷却水循環路４２と、冷却水を循環させるためのウォータポンプ４３を備えている。冷却水循環路４２の供給側流路４２１は、燃料電池１内において各セル間に形成される多数の流路に分岐し、発電反応によって熱を発生する燃料電池１を冷却して最適な温度範囲（例えば８０℃程度）に維持する。燃料電池１から排出側流路４２２へ排出される、発電反応の廃熱を含む冷却水は、ラジエータ４１にて熱交換することにより冷却される。
【００３１】
次に、本発明の特徴部分である２次電池２の暖機装置５について説明する。
２次電池２の充電・放電特性は温度と相関があり、氷点下から温度が徐々に上昇すると、充電・放電し得る電流と、その電流が内部抵抗を流れる際のジュール熱が指数関数的に増すことが知られている。このため、始動時に常温以上であれば、充放電する量を制御することで、自己のジュール熱による加熱が可能となる。ところが氷点下（特に−１０℃以下）では、充放電し得る電流が僅かなため、自己熱加熱ができない問題がある。
【００３２】
そこで、本発明は、氷点下での始動暖機を容易にするために暖機装置５を設ける。暖機装置５は、２次電池２に接触して配置される発熱手段としての反応管５１と、２次電池２の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ５２を有している。図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、反応管５１は、２次電池２の伝熱面となる表面において、一端縁側から他端縁側へヘアピン状に屈曲させて配置した金属管で、その内部に一連の流路を形成している。反応管５１の内部には、図１（ｄ）に示すように、発熱剤としての吸着剤５３が充填されている。
【００３３】
発熱剤には、特定の物質と容易に反応して発熱し、特定の物質を容易に放出して次回の始動時に備える再生利用可能な物質が好適に用いられる。本実施形態では、このような物質として、加湿すると特定の物質である水分を吸着して発熱し、熱を加えると水分を脱離して再生可能なシリカゲル等の吸着剤（乾燥剤）５３を用い、繰り返し使用する。シリカゲル以外の吸着剤５３の例としては、活性炭、ゼオライト、アルミナ、酸化鉄等が挙げられる。
【００３４】
反応管５１の一端は、三方弁構造の導入弁５４を介して燃料電池１の空気排出路１７に接続されており、反応管５１の他端は、導出弁５５を介して図示しない排気管または外気に直接連通している。ガス供給手段となる導入弁５４および導出弁５５の開閉は、暖機制御手段である制御装置６によって制御される。制御装置６は、始動時に温度センサ５２の検出結果から、２次電池２の暖機が必要と判断すると、導入弁５４および導出弁５５を開く。これにより、空気排出路１７から反応管５１内に、特定の物質を含むガスである水蒸気を含む高温の排気が導入され、吸着剤５３が水分を吸着して発熱する。
【００３５】
暖機装置は、また、暖機後の吸着剤５３を再生するための加熱再生手段を備えている。加熱再生手段は、冷却系４の冷却媒体流路である排出側流路４２２から分岐した温水分岐配管７を有する。分岐配管７は、２次電池２の伝熱面となる表面において、一端縁側から他端縁側へヘアピン状に屈曲させて配した金属管で、内部に一連の流路を形成している。分岐配管７は、直線部で反応管５１と接するように配置され、熱伝達可能となっている。分岐配管７の一端は、排出側流路４２２に設けた三方弁構造の冷却水バルブ７１に接続され、他端は、導出弁７２を介して冷却水バルブ７１より下流（ラジエータ４１側）の排出側流路４２２に接続されている。冷却水バルブ７１および導出バルブ７２は、再生制御手段である制御装置６によって制御される。
【００３６】
制御装置６は、吸着剤５３の再生が必要であると、システム停止時に冷却水バルブ７１を分岐配管７側へ切換え、導出バルブ７２を開く。分岐配管７に設けたポンプ７３を作動させて、排出側流路４２２から発電反応の廃熱を含む温水を分岐配管７に導入すると、反応管５１内の吸着剤５３が温水の熱によって加熱再生される。また、次回の始動時に、冷却系の廃熱も活用して２次電池２を暖機することで、暖機時間を短縮できる。
【００３７】
図２（ａ）〜（ｄ）は、暖機装置５の他の例を示す本発明の第２実施形態であり、反応管５１に充填する発熱剤の種類とガス供給手段の構成を変更している。発熱剤は、特定の物質との反応により発熱し、特定の物質を放出することにより再生可能な物質であればよく、図２（ｄ）に示すように、本実施形態では、加圧状態で特定の物質である水素ガスを吸収して発熱し、加熱ないし減圧により水素ガスを放出して再生可能なＬａＮｉ５等の水素吸蔵体５６を、発熱剤として用いる。水素吸蔵体５６としては、ＬａＮｉ５以外の種々の水素吸蔵合金の他、同様の特性を有するカーボンナノチューブ等を用いることもできる。
【００３８】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、反応管５１の一端を、水素タンク１４に至る水素流路から導入弁８２を介して分岐する分岐路８１に接続し、他端を導出弁８３を介して水素還流路８４に接続してガス供給手段を構成する。導入弁８２は、水素流路を燃料電池１または反応管５１側に切換える三方弁であり、水素還流路８４は、導入弁８２下流の水素供給路１３に接続される。導入弁８２および導出弁８３の開閉は、暖機制御手段である制御装置６によって制御される。その他の暖機装置５構成および車両システムの基本構成は、上記第１の実施形態と同様である。
【００３９】
制御装置６は、始動時に温度センサ５２の検出結果から、２次電池２の暖機が必要と判断すると、導入弁８２および導出弁８３を開く。これにより、空気排出路１８から反応管５１内に、特定の物質を含むガスである高圧の水素燃料ガスが導入され、水素吸蔵体５６が水素を吸収して発熱する。システム停止時には、反応管５１の導出弁８３を開き、反応管５１内を減圧させることで、水素吸蔵体５６から水素を放出させる。減圧により、反応管５１から放出される水素は、導出弁８３から水素還流路８４を経て、燃料電池１に供給され、発電に消費される。加えて、分岐配管７の冷却水バルブ７１を切換えて、導出バルブ７２を開きポンプ７３を作動させる。排出側流路４２２から発電反応の廃熱を含む温水が分岐配管７に導入すると、反応管５１内の水素吸蔵体５６が温水の熱によって加熱再生される。
【００４０】
図３（ａ）〜（ｃ）は、暖機装置５の他の例を示す本発明の第３実施形態であり、発熱剤が充填される発熱手段の形状を変更している。本実施形態では、第１実施形態の反応管５１に代えて、２次電池２の一表面に密接して配置した偏平管５７内に発熱剤となる吸着剤５３または水素吸蔵体５６を充填する。偏平管５７は内部をガス流路５８として水蒸気を含む排気または水素が導入されるようにし、大面積の一端面（図３（ｂ）、（ｃ）の上部表面）を伝熱面５７１とし、伝熱面５７１側の内表面に、ガス流路方向に延びる多数のフィン５７２を形成して発熱剤からの熱を効率よく伝熱可能としている。また、伝熱面５７１と反対側の壁面内に、温水分岐配管７に接続され、多数のフィン５７２とほぼ平行に位置する、多数の温水流路７４を一体に形成している。
【００４１】
このように、偏平管５７を用いると、発熱剤を充填する空間が大きくなって発熱量を増大させることができ、伝熱面５７１も大きくなるので、２次電池２を効率よく加熱して早期に暖機することができる。さらに、再生時には、多数の温水流路７４に同時に温水が流入するので、反応後の発熱剤を効率よく加熱して容易に再生することができる。また、温水分岐配管７に接続される多数の温水流路７４を、偏平管５７と一体に設けるので、製作が容易である。
【００４２】
ここで、発熱剤（吸着剤５３、水素吸蔵体５６）の発熱・再生のメカニズムについて説明する。
吸着剤５３を使う吸着現象は、ファンデルワールス力、静電引力、水素結合など、吸着剤と吸着質（水蒸気）の間の相互エネルギ作用により界面で単分子の吸着が生じ、その上に、吸着質同士の相互作用により、多層に吸着していく。その際の反応熱（吸着熱）は、界面では、前述の相互エネルギ作用により比較的大きな熱を発生するが、その殆どを占める多層吸着の反応熱は、吸着質の凝縮熱（気化熱）に近いと考えられており、全吸着熱≒吸着水凝縮熱と見なすことができるとされている。
【００４３】
吸着量は、吸着剤表面と雰囲気の吸着質濃度差（水蒸気圧力差）との間に、図４、５の関係があり、横軸のＰ／ＰO （雰囲気水蒸気分圧／吸着剤温度における飽和水蒸気分圧）は、吸着質が水の場合に相対湿度を示す。図示されるように、高湿な程吸着量は大きく１００％ＲＨで最大吸着し得る吸着量を示し、低湿になると吸着量は少なくなる傾向がある。図４の機構で発熱し、加湿により吸着量が増加すると、その際の吸着水分量（図中に矢印で示す）に応じた凝縮熱が発生する。また、図５の機構で脱離再生し、加熱によって吸着剤温度に対応する飽和水蒸気圧が上昇、すなわち相対湿度が低下して、吸着量が減少する。
【００４４】
発熱剤が水素吸蔵体５６である時に、加圧下で、反応質（水素）が吸蔵される現象も、ほぼ同様の説明に基づく。水素の圧力を上げることで、反応質圧力Ｐが上昇して、水素吸蔵合金が水素を固溶または水素と化合して内部に取り込み、減圧することで水素が放出されて再生する。同様に加熱することでも水素が放出されて再生する。その際に、発熱（吸収時）、吸熱（放出時）する特性を有しており、これを利用して再生可能な発熱剤とすることができる。例えば、水素吸蔵合金の一種のＬａＮｉ５は常温１０気圧程度で、大気圧での吸蔵量の約２０倍程の量を吸蔵できるとされ、その発熱量は１０〜３０ｋＪ／ｍｏｌである。
【００４５】
従って、氷点下での始動時に必要な発熱量が得られるように、発熱剤の充填量や導入ガス流量、圧力等を適宜設定するのがよい。
発熱剤の充填量は、２次電池２の熱容量と、必要な昇温レベルに応じて決定される。図６は、熱容量をパラメータに昇温ΔＴと吸着剤（シリカゲル）重量の関係を概算した結果を示しており、熱容量が大きければ、暖機時に昇温しようとするレベルに対して必要となる吸着剤５３の重量は多くなる。例えば、−３０℃の状態から０℃まで昇温させると仮定して、４０ｋＪ／Ｋの２次電池２であれば、約３ｋｇ弱の吸着剤５３が必要となる。
【００４６】
水素吸蔵体５６の場合も同様に考えられ、図７は、熱容量をパラメータに昇温ΔＴと水素吸蔵合金（ＬａＮｉ５）重量の関係を概算した結果を示している。２次電池２の熱容量が大きければ、暖機時の昇温レベルに対して必要な水素吸蔵合金の重量は多くなる。例えば、−３０℃の状態から０℃まで昇温させると仮定して、４０ｋＪ／Ｋの２次電池２であれば、約３ｋｇ弱の吸着剤５３が必要と考えられる。
【００４７】
図８は、制御手段６による暖機装置５の制御動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、上記図１に示した第１実施形態の構成によるシステム始動時の暖機制御および停止時の再生制御について説明する。
図中、ユーザがイグニッションスイッチをオンしたことを検出すると（ＩＧ−ＯＮ）、燃料電池１を起動するシーケンス（図示しない）が開始されると同時に、ステップＳ１０１で、２次電池２の代表温度測定位置に設けられた温度センサ２１にて、２次電池代表温度を検出する。次いで、ステップＳ１０２で、充放電性能に基づき予め設定された「低温下限温度」を用い、検出された２次電池代表温度が「低温下限温度」以下であるかどうかを比較判定する。ここでは、一般的な値として、例えば０℃を低温下限温度と設定するものとする。
【００４８】
ステップＳ１０２が肯定判定されると、すなわち、２次電池代表温度が低温下限温度に到達していない場合は、ステップＳ１０３で暖機モードシーケンスを開始する。ステップＳ１０４では、暖機モード開始により、２次電池２に接して配設された反応管５１へ、燃料電池１から排出される水蒸気を含む排気ガスを取り込むために、三方弁構造の導入弁５４が開き、排気の一部ないし全部を反応管５１に導入する側へ切換わる。同時に、反応管５１から排気を排出する導出弁５５が開くことで、反応管５１の出口を開放する。
【００４９】
これにより、反応管５１が燃料電池１の空気排出路１７に連通し、燃料電池１から排出される液水を含む高湿の排気が導入される。反応管５１内の吸着剤５３へ水分が吸着されると、吸着熱を発生し、２次電池２が該吸着熱により加熱され昇温する。その間、ステップＳ１０１に戻って、２次電池代表温度を検出し続け、ステップＳ１０２にて、検出温度が低温下限温度を上回るまで、暖機モードを続ける。
【００５０】
ステップＳ１０２が否定判定され、２次電池代表温度が低温下限温度を超えたら、ステップＳ１０５へ進み、導入弁５４を閉じて、反応管５１内への排気導入を停止する。以後、ステップＳ１０６の通常運転モードで作動する。
【００５１】
ステップＳ１０７でイグニッションスイッチがオフされたかどうか（ＩＧ−ＯＦＦ）を検出し、検出するまでステップＳ１０６、１０７を繰り返す。ＩＧ−ＯＦＦを検出したら、ステップＳ１０８へ進んで、次回、起動に備える停止モードシーケンスを起動する。停止モードシーケンスにより、ステップＳ１０９で、冷却水バルブ７１を切換え、冷却水ポンプ４３もしくは温水による加熱再生ラインに設けられた専用ポンプ７３を作動させ、冷却系４の排出側流路４２２から温水を分岐配管７に導入する。これにより、分岐配管７に接する反応官５１内の吸着剤５３を加熱することで水分を脱離させる。脱離した水分は、反応管５１の導出弁５５を通って系外へ排出される。
【００５２】
ステップＳ１０９では、予め設定した所定の時間、温水による加熱を続けて吸着剤５３を再生する。もしくは２次電池２暖機ライン、例えば反応管５１入出口付近に設けた図示しない温度センサの温度変化率がほぼゼロないし所定の値に低下するまで、吸着剤を加熱し続ける。その後、ステップＳ１１０で、反応管５１の導出弁５５を閉じ、反応管５１を密閉して、終了する。
【００５３】
図９は、上記図２に示した第２実施形態の構成における、システム始動時の暖機および停止時の再生制御のフローチャートである。
図中、ステップＳ２０１〜２０３は、図８のステップＳ１０１〜１０３と同様であり、ユーザのＩＧ−ＯＮを検出すると、燃料電池１を起動するシーケンス開始と同時に、ステップＳ２０１で、２次電池２の代表温度を温度センサ２１にて検出する。次いで、ステップＳ２０２で、充放電性能に基づき予め設定された「低温下限温度」（ここでは、例えば０℃を低温下限温度と設定する）を用い、検出された２次電池代表温度が「低温下限温度」以下であるかどうかを比較判定する。ステップＳ２０２が肯定判定されず、２次電池代表温度が低温下限温度に到達していない場合は、ステップＳ２０３で暖機モードシーケンスを開始する。
【００５４】
ステップＳ２０４では、暖機モード開始により、２次電池２に接して配設された反応管５１へ、燃料電池１への反応ガス供給系から分岐路８１へ水素を取り込むために、三方弁構造の導入弁８２が開き、水素燃料の一部を反応管５１に導入する側へ切換わる。ここで、反応管５１出口側の導出弁８３は閉じた状態のため、水素タンク１４もしくは、水素タンク１４直下に設けられた図示しないレギュレータの圧力（燃料電池１内部の水素圧力より高圧）で反応管５１が加圧され、水素が反応管５１内の水素吸蔵体５６に吸収される。その際、水素吸蔵体５６の内部に侵入して固溶し、あるいは水素化反応するのに伴い、反応熱を発生し、２次電池２が加熱されて昇温する。
【００５５】
その間、ステップＳ２０１に戻って、２次電池代表温度を検出し続け、ステップＳ２０２にて、検出温度が低温下限温度を上回るまで、暖機モードを続ける。ステップＳ２０２が否定判定され、２次電池代表温度が低温下限温度を超えたら、ステップＳ２０５へ進み、導入弁８２を閉じて、反応管５１内への水素導入を停止する。以後、ステップＳ２０６の通常運転モードで作動する。
【００５６】
ステップＳ２０６〜２０８は、図８のステップＳ１０６〜１０８と同様であり、ＩＧ−ＯＦＦを検出したら、ステップＳ２０８へ進んで、次回、起動に備える停止モードシーケンスを起動する。ステップＳ２０９では、反応管５１の導出弁８３を開き、反応管５１内を減圧させることで、水素吸蔵体５６から水素を放出させる。減圧により、反応管５１から放出される水素は、導出弁８３から水素還流路８４を経て、燃料電池１に供給され、発電に消費される。同時に、冷却水バルブ７１を切換えて、冷却水ポンプ４３もしくは温水による加熱再生ラインに設けられた専用ポンプ７３を作動させ、冷却系４の排出側流路４２２から温水を分岐配管７に導入する。これにより、水素放出により温度が低下した水素吸蔵体５６を加熱することで、水素の放出を後押しする。
【００５７】
ステップＳ２０９では、予め設定した所定の時間、減圧および温水による加熱を続けて水素吸蔵体５６を再生する。もしくは反応管５１出口付近に設けた図示しない圧力センサを用いて、圧力が所定の値に減少するまで、減圧かつ加熱し続ける。その後、ステップＳ２１０で、反応管５１の導出弁５５を閉じ、反応管５１を密閉して、終了する。
【００５８】
図１０は本発明の第４実施形態であり、発熱手段の他の構成例を示す。本実施形態に示すように、発熱剤が充填される発熱手段を断熱ケース５９で構成することもできる。本実施形態では、２次電池２全体を断熱ケース５９で被うように配置し、上面に導入弁５４を、下面に導出弁５５を接続する。２次電池２と断熱ケース５９との隙間に形成される空間に、ここでは、発熱剤として吸着剤５３を充填している。温水分岐配管７は、断熱ケース５９内に収容する。その他の基本構成は、図１の第１実施形態と同様である。
【００５９】
このように、断熱ケース５９を用いても、発熱剤を充填する空間を大きくし、また発生した熱が外部へ放出されるのを抑制して、２次電池２を効率よく加熱し早期に暖機することができる。
【００６０】
図１１は本発明の第５実施形態であり、２次電池２を複数に分割して、個々に作動を制御するように構成することもできる。ここでは、２つの２次電池２１、２２に分割しており、その一方の２次電池２２にのみ暖機装置５が設けられる。暖機装置５の構成は、図１０の第４実施形態と同様であり、２次電池２２を被う断熱ケース５９を設けて、２次電池２２と断熱ケース５９との隙間に、発熱剤として吸着剤５３を充填している。
【００６１】
このように、２次電池２を複数に分割した場合、全てに暖機装置５を設ける必要はなく、少なくとも１つが暖機装置５を備えていればよい。分割した２次電池２２は、小型であるので、より早期に暖機が可能であり、暖気装置もコンパクトにできる。また、暖機装置５で２次電池２２を暖機する一方、他方の２次電池２１に例えば電気ヒータを内蔵しておき、温度上昇により十分な充放電性能となった２次電池２２のバッテリ電力を活用して、他方の２次電池２１の暖機を行うこともできる。
【００６２】
図１２は本発明の第６実施形態であり、発熱手段を断熱ケース５９で構成した図１０の第４実施形態の構成において、断熱ケース５９に充填する発熱剤を水素吸蔵体５６とする。水素吸蔵体５６へのガス供給手段の構成は、図２の第２実施形態と同様であり、水素流路からの分岐路８１を断熱ケース５９に接続して、水素吸蔵体５６に水素を吸収させることで発熱させる。
【００６３】
図１３は本発明の第７実施形態であり、発熱手段を断熱ケース５９で構成した図１０の第４実施形態の構成において、発熱剤の加熱再生手段となる冷却水の分岐配管７を、燃料電池１の冷却系４に代えて、駆動系３の冷却系３３から分岐させる。分岐配管７は、導入側の端部が、冷却水バルブ７１を介して、冷却系３３のラジエータ３４の上流側に接続され、駆動系３の廃熱を含む冷却水が分岐配管７から断熱ケース５９内へ導入される。他端側の端部は、冷却水バルブ７１下流に接続される。
【００６４】
このように、燃料電池１の冷却系４に限らず、駆動系３の冷却系３３を利用して、加熱再生手段となる冷却水の分岐配管７を構成し、２次電池２１を加熱することもできる。
【００６５】
図１４は本発明の第８実施形態であり、発熱手段を断熱ケース５９で構成した図１０の第４実施形態の構成において、発熱剤の加熱再生手段となる冷却水の分岐配管７を、燃料電池１の冷却系４と、駆動系３の冷却系３３の両方から導入している。
【００６６】
このように、加熱再生手段となる分岐配管７を複数設け、燃料電池１の冷却系４と、駆動系３の冷却系３３の両方を利用することで、加熱再生を迅速に行うことができる。あるいは燃料電池１の冷却系４と、駆動系３の冷却系３３のうち、温度や熱量がより加熱再生に適している方を選択して活用することで、より効率よく加熱再生を行うことができる。
【００６７】
なお、第４〜８実施形態において、発熱手段を断熱ケース５９で構成せずに、第１〜３実施形態のように、チューブ状の反応管５１や偏平管５７内に発熱剤となる吸着剤５３または水素吸蔵体５６を充填した構成としてもよい。また、図１のシステム構成は概略図であり、通常公知の装置やセンサその他を追加したり、流路構成等を変更したりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、（ａ）は車両システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）〜（ｃ）は、（ａ）の要部拡大図、（ｄ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示し、（ａ）は車両システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）〜（ｃ）は、（ａ）の要部拡大図、（ｄ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示し、（ａ）は車両システムの全体構成を示す概略図、図１（ｂ）〜（ｃ）は、（ａ）の要部拡大図、（ｄ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】相対湿度と吸着量の関係を示す図で、吸着時の発熱メカニズムを説明するための図である。
【図５】相対湿度と吸着量の関係を示す図で、脱離再生のメカニズムを説明するための図である。
【図６】２次電池容量をパラメータとして昇温ΔＴと吸着剤重量との関係を示す図である。
【図７】２次電池容量をパラメータとして昇温ΔＴと水素吸蔵合金重量との関係を示す図である。
【図８】第１実施形態の構成における制御手段の暖機および加熱再生動作を示すフローチャートである。
【図９】第２実施形態の構成における制御手段の暖機および加熱再生動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第４実施形態を示す車両システムの全体構成を示す概略図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を示す車両システムの全体構成を示す概略図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示す車両システムの全体構成を示す概略図である。
【図１３】本発明の第７実施形態を示す車両システムの全体構成を示す概略図である。
【図１４】本発明の第８実施形態を示す車両システムの全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  燃料電池
１４  水素タンク
２  ２次電池（蓄電手段）
３  駆動系
３３  冷却系
４  冷却系
５  暖機装置
５１  反応管（発熱手段）
５２  温度センサ（温度検出手段）
５３  吸着剤（発熱剤）
５４  導入弁（ガス供給手段）
５５  導出弁（ガス供給手段）
５６  水素吸蔵体（発熱剤）
５７  偏平管（発熱手段）
５７  断熱ケース（発熱手段）
６  制御装置（暖機制御手段、再生制御手段）
７  分岐配管（加熱再生手段）
７１  冷却水バルブ（加熱再生手段）
８１  分岐路（ガス供給手段）
８２  導出弁（ガス供給手段）
８３  導入弁（ガス供給手段）
８４  水素還流路
【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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【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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