(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおける熱効率を向上する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０００は、複数の発電体が積層された燃料電池１００と、水素吸蔵合金を有する複数のシリンダ型水素タンク２００とを備える。燃料電池１００と複数のシリンダ型水素タンク２００とはジャケット５００に収納されてシステム内に配置される。ジャケット５００には、燃料電池１００と各シリンダ型水素タンク２００との間に冷媒６００が封入されている。燃料電池１００の発電の際には、燃料電池１００からの熱がシリンダ型水素タンク２００に伝搬し、シリンダ型水素タンク２００の水素吸蔵合金の水素放出反応が促進される。【選択図】図１
2009123468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の発電体が積層された燃料電池と、
水素吸蔵合金を有する複数のシリンダ型水素タンクと、
を備え、
前記複数のシリンダ型水素タンクのそれぞれは、前記燃料電池の積層方向に沿った側面の外周に配置されている、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記複数のシリンダ型水素タンクは、前記燃料電池の積層方向に沿った側面に隣接して配置されているシリンダ型水素タンクを含む、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池と前記複数のシリンダ型水素タンクとを収容する収容体と、
前記収容体内において前記燃料電池と前記複数のシリンダ型水素タンクとの間に充填される伝熱媒体とを備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する。また、燃料電池は、発電反応によって発生する反応熱を排熱として多量に放出する。この反応熱を燃料電池システム内で利用することによってシステム全体の熱効率を向上するための種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−６３７１５号公報
【特許文献２】特開２００５−１８３０４３号公報
【０００４】
例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の反応熱によって熱せられた温水を用いて水素タンクを加熱する。これによって、水素タンク内の水素吸蔵合金の水素放出量を増大させて、燃料電池システムの発電効率を向上させている。
【０００５】
しかし、このような燃料電池システムでは、燃料電池と水素タンクとの間で熱を伝えるための熱交換器等を設ける必要があり、システムが大型化してしまう可能性がある。これまで、こうした問題に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池システムにおける熱効率を向上する技術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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池システムであって、複数の発電体が積層された燃料電池と、水素吸蔵合金を有する複数のシリンダ型水素タンクとを備え、前記複数のシリンダ型水素タンクのそれぞれは、前記燃料電池の積層方向に沿った側面の外周に配置されている、燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、燃料電池の発電の際に、燃料電池からの排熱がシリンダ型水素タンクに伝搬するため、シリンダ型水素タンク内の水素吸蔵合金の水素放出反応が促進される。従って、燃料電池システムの熱効率を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記複数のシリンダ型水素タンクは、前記燃料電池の積層方向に沿った側面に隣接して配置されているシリンダ型水素タンクを含む、燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、燃料電池とそれに接するシリンダ型水素タンクとの間で直接的な熱伝達が可能となる。従って、燃料電池システムの熱効率をさらに向上させることができる。
【００１０】
［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池と前記複数のシリンダ型水素タンクとを収容する収容体と、前記収容体内において前記燃料電池と前記複数のシリンダ型水素タンクとの間に充填される伝熱媒体とを備える、燃料電池システム。この燃料電池システムによれば、燃料電池と複数のシリンダ型水素タンクとが伝熱媒体を介して一体的に収容体内に配置されるため、燃料電池とシリンダ型水素タンクとの間の熱伝達効率を向上させることができる。従って、燃料電池システムの熱効率を向上させることができる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
A．実施例：
図１は、本発明の一実施例として燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、複数のシリンダ型水素タンク２００と、エアコンプレッサ３００と、冷媒供給部４００とを備えている。
【００１３】
燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電を行う固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
【００１４】
図２は、燃料電池１００を示す概略斜視図である。燃料電池１００は、発電モジュールである単セル１０が複数個積層された、いわゆるスタック構造を有する。単セル１０は、膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持するセパレータ（図示せず）とを備えている。膜電極接合体は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子である電解質膜と、電解質膜の両面に設けられた電極とを備える発電体である。なお、本明細書では、燃料電池１００を積層方向に沿って見たときに、電解質膜と２つの電極層とが含まれる領域を「発電領域２０」と呼ぶ。
【００１５】
燃料電池１００には、反応ガス及び冷媒のための複数のマニホールド１０１〜１０６が、各単セル１０を積層方向に貫通する貫通孔として設けられている。具体的には、水素の供給用及び排出用のマニホールド１０１，１０２と、酸素の供給用及び排出用のマニホールド１０３，１０４と、冷媒の供給用及び排出用のマニホールド１０５，１０６とが設けられている。なお、各供給用のマニホールド１０１，１０３，１０５と各排出用のマニホールド１０２，１０４，１０６とは、発電領域２０を挟んで対抗する位置に設けられている。
【００１６】
図１の複数のシリンダ型水素タンク２００は、燃料電池１００に供給するための高圧水素ガスを貯蔵するための細径（例えばシリンダ径φ１０ｍｍ〜１００ｍｍ程度）のタンクである。各シリンダ型水素タンク２００のチューブ内には、水素を吸蔵・放出可能な水素吸蔵合金が収納されている（図示せず）。
【００１７】
水素吸蔵合金は、チューブ内の圧力の低下に伴って吸蔵した水素を放出し、圧力の上昇に伴って水素を吸蔵する。また、水素吸蔵合金は水素の放出に際して吸熱し、水素の吸蔵に際して放熱する。そこで、各シリンダ型水素タンク２００には、水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出を促進するために、チューブ内を加熱・冷却するための熱交換フィンや、冷媒が入出する冷媒用配管などが設けられている。
【００１８】
各シリンダ型水素タンク２００は、分岐配管２１０と接続されており、各分岐配管２１０は、連結配管２２０によって連結されている。また、連結配管２２０は、燃料電池１００の水素供給用マニホールド１０１と接続する水素供給用配管２３０に連結されている。
【００１９】
水素供給用配管２３０には、燃料電池１００側に水素遮断弁２３１と、シリンダ型水素タンク２００側に水素の圧力を調整するためのレギュレータ２３２とが設けられている。水素遮断弁２３１は、燃料電池１００のアノード側に水素を供給する際に開かれる。
【００２０】
連結配管２２０には、シリンダ型水素タンク２００に外部（水素スタンドなど）から水素を補給するための、水素補給用配管２４０が連結されている。水素補給用配管２４０には、水素遮断弁２４１が設けられている。水素遮断弁２４１は、シリンダ型水素タンク２００への水素補給時に開かれ、それ以外の時は閉じられている。
【００２１】
燃料電池１００で発電反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、燃料電池１００の水素排出用マニホールド１０２に接続する水素排出用配管２５０から排出される。なお、この水素排出用配管２５０が、水素供給用配管２３０に連結することによって、水素を燃料電池システム１０００内で循環させるものとしても良い。
【００２２】
エアコンプレッサ３００は、燃料電池１００のカソード側に高圧空気を供給するためのものである。エアコンプレッサ３００は、酸素供給用配管３１０を介して燃料電池１００の酸素供給用マニホールド１０３と接続されている。なお、燃料電池１００で反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスは、燃料電池１００の酸素排出用マニホールド１０４と接続する酸素排出用配管３２０から排出される。
【００２３】
冷媒供給部４００は、冷媒供給用配管４１０及び冷媒排出用配管４２０を介して燃料電池１００の冷媒供給用及び排出用マニホールド１０５，１０６と接続されている。これによって、冷媒供給部４００は、発電中の燃料電池１００の内部に冷媒を循環させて、燃料電池１００を冷却する。
【００２４】
ところで、燃料電池１００と複数のシリンダ型水素タンク２００とは、ジャケット５００に収納されて、互いに近接して一体的に配置される。これによって、運転継続中の燃料電池１００からの熱が各シリンダ型水素タンク２００へと伝搬し、各シリンダ型水素タンク２００内の水素吸蔵合金が加熱され、水素放出反応が促進される。従って、燃料電池１００への水素供給を効率よく行うことができ、発電効率を向上させることができる。
【００２５】
また、このように複数のシリンダ型水素タンク２００を用いる構成であれば、シリンダ型水素タンク２００の数が増加するほど、燃料電池１００の放熱に曝される伝熱面積を増大させることができる。さらに、各シリンダ型水素タンク２００は細径であるため、燃料電池１００から各シリンダ型水素タンク２００の内部にまで効率よく熱伝達させることができる。従って、燃料電池１００から水素吸蔵合金への熱伝達効率が向上し、より水素吸蔵合金の水素放出反応を促進させることが可能である。
【００２６】
図３は、燃料電池１００と複数のシリンダ型水素タンク２００をジャケット５００に収容（収納）する工程を示す模式図である。ジャケット５００は、アルミニウム等で構成される中空の筐体である。なお、ジャケット５００としては、アルミ繊維をゴムなどの樹脂でコーティングし、可塑性を有する袋状部材として構成されるものとしても良く、燃料電池１００及び複数のシリンダ型水素タンク２００を収容可能な収容体であれば良い。ただし、当該収容体は、後述する冷媒６００の漏洩を抑制できる部材で構成されることが好ましい。
【００２７】
燃料電池１００は、ジャケット５００の中央に挿入・配置され、その側面の外周に各シリンダ型水素タンク２００が挿入・配置される。このとき、各シリンダ型水素タンク２００のうち内側（燃料電池１００側）に配置されるものは、燃料電池１００に隣接して配置されることが好ましい。また、各シリンダ型水素タンク２００同士も互いに接するように配置されることが好ましい。これによって、各シリンダ型水素タンク２００同士及び各シリンダ型水素タンク２００と燃料電池１００との間における直接的な熱伝達が可能となる。なお、ジャケット５００は、燃料電池１００及びシリンダ型水素タンク２００の収納後に密閉される。
【００２８】
図４は、ジャケット５００に収納された燃料電池１００及びシリンダ型水素タンク２００の、燃料電池１００の積層方向に直交する任意の切断面を示す概略断面図である。なお、図４では、燃料電池１００及び各シリンダ型水素タンク２００の内部構造の図示は省略されている。ジャケット５００の燃料電池１００と各シリンダ型水素タンク２００との間の空間には冷媒６００が封入される。なお、ジャケット５００内の冷媒は、図１の冷媒供給部４００から図示せざる配管によって供給されるものとしても良い。
【００２９】
本実施例の構成によれば、発電中の燃料電池１００からシリンダ型水素タンク２００へと効率よく熱を伝達させて、水素吸蔵合金の水素放出反応に供することができる。従って、燃料電池システム１０００の熱効率を向上させることができる。
【００３０】
また、この燃料電池システム１０００によれば、重量比率の高い燃料電池１００とシリンダ型水素タンク２００とを一体的に配置できるため、システムを小型化するとともに、重量配分を局所的に集中させることができる。従って、燃料電池システム１０００を車両などの移動体に搭載する場合に、その搭載場所に応じて当該移動体の重心を設定することが可能となる。なお、一般に移動体の重心は、運転時の安定性を考慮して、より重力方向下側であることが好ましい。そのため、燃料電池システム１０００を移動体に搭載する場合には、より重力方向下側の領域に配置することが好ましい。
【００３１】
B．変形例：
なお、この発明は上記の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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３２】
B1．変形例１：
上記実施例において、燃料電池１００とシリンダ型水素タンク２００とは、ジャケット５００に収納されていたが、ジャケット５００は省略されるものとしても良い。この場合には、燃料電池１００の外周に、各シリンダ型水素タンク２００を燃料電池１００と直接的に接するように配置するものとしても良い。
【００３３】
B2．変形例２：
上記実施例において、ジャケット５００内の燃料電池１００とシリンダ型水素タンク２００との間には冷媒が充填されていたが、冷媒に替えて他の伝熱媒体が配置されるものとしても良い。この場合には、伝熱媒体としては、熱伝達率の高い部材が配置されることが好ましい。
【００３４】
B3．変形例３：
上記実施例のシリンダ型水素タンク２００の外表面に、熱交換を促進するためのフィンが設けられるものとして良い。これによって、さらに、燃料電池１００の発電時の放熱をシリンダ型水素タンク２００へと効率よく熱伝達させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池を示す概略斜視図。
【図３】燃料電池とシリンダ型水素タンクのジャケットへの配置を説明するための模式図。
【図４】ジャケットに配置された燃料電池とシリンダ型水素タンクの概略断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１０…単セル
２０…発電領域
１００…燃料電池
１０００…燃料電池システム
１０１〜１０６…マニホールド
２００…シリンダ型水素タンク
２１０…分岐配管
２２０…連結配管
２３０…水素供給用配管
２３１…水素遮断弁
２３２…レギュレータ
２４０…水素補給用配管
２４１…水素遮断弁
２５０…水素排出用配管
３００…エアコンプレッサ
３１０…酸素供給用配管
３２０…酸素排出用配管
４００…冷媒供給部
４１０…冷媒供給用配管
４２０…冷媒排出用配管
５００…ジャケット
６００…冷媒
【図１】
2009123468.tif 000003
【図２】
2009123468.tif 000004
【図３】
2009123468.tif 000005
【図４】
2009123468.tif 000006