(57)【要約】      （修正有）【課題】水素放出性能の低下を抑制することが可能な水素貯蔵手段、及び、当該水素貯蔵手段を備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素貯蔵容器１と水素貯蔵容器から延設された水素流路２とを備え、水素流路は、水素流入口７へと通ずる第１水素流通部３と水素貯蔵容器へと通ずる第２水素流通部４と水素放出口９へと通ずる第３水素流通部５とを備え、第１水素流通部、第２水素流通部、及び、第３水素流通部は一の分岐点６で接続され、第２水素流通部に、不純物流入阻止手段８、及び、温度制御手段４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆが備えられる、水素貯蔵手段１０とし、該水素貯蔵手段と、水素放出口を介して接続され水素貯蔵手段から取り出された水素が供給される燃料電池とを備える、燃料電池システムとする。【選択図】図１
2009236260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素貯蔵容器と、前記水素貯蔵容器から延設された水素流路と、を備え、
前記水素流路に、不純物流入抑制手段、及び、温度制御手段が備えられることを特徴とする、水素貯蔵手段。
【請求項２】
前記水素流路は、水素流入口へと通ずる第１水素流通部と、前記水素貯蔵容器へと通ずる第２水素流通部と、水素放出口へと通ずる第３水素流通部と、を備え、
前記第１水素流通部、前記第２水素流通部、及び、前記第３水素流通部は、一の分岐点で接続され、
前記第２水素流通部に、前記不純物流入抑制手段、及び、前記温度制御手段が備えられることを特徴とする、請求項１に記載の水素貯蔵手段。
【請求項３】
前記不純物流入抑制手段に、レギュレータバルブが備えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水素貯蔵手段。
【請求項４】
前記不純物流入抑制手段に、レギュレータバルブ及び不純物除去手段が備えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水素貯蔵手段。
【請求項５】
前記レギュレータバルブの温度が、前記水素流路の最高温度となるように、前記温度制御手段によって温度が制御されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の水素貯蔵手段。
【請求項６】
前記水素貯蔵容器から遠ざかるにつれて温度が低下するように、前記温度制御手段によって前記水素流路の温度が制御されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項７】
前記水素貯蔵容器に、水素吸蔵合金が収容されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の水素貯蔵手段と、前記水素貯蔵手段から取り出された水素が供給される燃料電池と、を備えることを特徴とする、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、貯蔵した水素を外部機器へ供給することが可能な水素貯蔵手段、及び、当該水素貯蔵手段を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化対策技術として研究が進められている燃料電池は、活物質（水素や空気等）の電気化学反応の過程で生じた電気エネルギーを外部へ取り出す装置であり、有害ガス等を発生させないクリーンなエネルギー源として知られている。燃料電池を搭載した自動車（以下「燃料電池車」という。）において、反応物として水素を用いる場合、使用される水素を貯蔵する手段が必要とされ、水素の貯蔵形態としては、気体の水素を直接充填する形態や液体水素を用いる形態のほか、水素吸蔵合金を用いる形態等が提案されている。これらの中でも、液体水素よりも多量の水素を貯蔵でき、安全性に優れる等の観点から、水素吸蔵合金を用いる形態が注目されている。
【０００３】
水素吸蔵合金は、温度や圧力を制御することにより水素を吸蔵・放出し得る合金である。純水素からなる気体が水素吸蔵合金へと供給される場合、水素吸蔵合金に吸蔵される物質は水素のみであるため、水素吸蔵合金に備わっている水素吸蔵・放出性能を最大限に発揮することができる。しかし、実際に水素吸蔵合金へ水素を吸蔵させる際に用いられる気体には、微量の不純物が含有されている。代表的な不純物としては水や一酸化炭素等が知られており、これらの不純物が水素吸蔵合金を収容した水素貯蔵タンクへ供給されると、水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出性能（以下「水素放出性能」という。）が低下する。それゆえ、水素放出性能の低下を抑制するには、不純物が水素貯蔵タンクへ流入し難い形態とする必要がある。
【０００４】
水素貯蔵手段及びこれに関連する技術として、例えば、特許文献１には、水素吸蔵合金及び水素吸蔵合金の上に配置される被毒性ガス吸着剤を容器内に収容し、水素吸蔵合金を加熱・冷却装置によって冷却した状態で、水素を含有する原料ガスを原料ガス供給ラインによって供給し、原料ガスを被毒性ガス吸着剤を通した後に水素吸蔵合金に導き、被毒性ガスを被毒性ガス吸着剤に吸着させつつ水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させ、その後、被毒性ガス吸着剤から放出される被毒性ガスをパージガスラインから外部に流出させ、続いて加熱・冷却装置によって水素吸蔵合金を加熱した状態で、水素吸蔵合金から放出される精製水素ガスを精製水素ガス放出ラインから放出させる、水素回収精製方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、水素中の不純物を吸着させるフィルタ部を備える水素貯蔵装置に関する技術が、特許文献３には、燃料ガス供給装置及び燃料電池システムに関する技術が、特許文献４には、燃料貯蔵タンクシステムに関する技術が、それぞれ開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−９２６０５号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２８０１号公報
【特許文献３】特開２００７−６６８６７号公報
【特許文献４】特開２００７−４０４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている技術によれば、被毒性ガス吸着剤によって、被毒性ガスの一部を吸着することが可能になると考えられる。しかし、吸着剤を配置するのみでは、不純物の除去効果が小さく、水素放出性能の低下を十分に抑制できないという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術によれば、フィルタ部によって不純物の一部を吸着することが可能になると考えられるが、フィルタ部を配置するのみでは、不純物の除去効果が小さく、水素放出性能の低下を十分に抑制できないという問題があった。かかる問題は、特許文献１及び／又は特許文献２に開示された技術と、特許文献３及び／又は特許文献４に開示された技術とを組合せたとしても、解決が困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、水素放出性能の低下を抑制することが可能な水素貯蔵手段、及び、当該水素貯蔵手段を備えた燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、水素貯蔵容器と、該水素貯蔵容器から延設された水素流路と、を備え、該水素流路に、不純物流入抑制手段、及び、温度制御手段が備えられることを特徴とする、水素貯蔵手段である。
【００１０】
ここに、「水素貯蔵容器」は、水素を貯蔵可能であり、かつ、貯蔵した水素を取り出すことが可能な容器であれば、その形態は特に限定されない。本発明で使用可能な水素貯蔵容器の具体例としては、水素吸蔵合金に代表される水素貯蔵材料及び水素ガスを収容可能な耐圧容器等を挙げることができる。さらに、「水素流路」は、水素貯蔵容器に水素を充填する際の水素の入口として機能する水素流入口と、水素貯蔵容器から取り出された水素を外部へ放出する際の水素の出口として機能する水素放出口とを備え、且つ、水素貯蔵容器への水素充填、及び、水素貯蔵容器からの水素の取り出しが可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。さらに、「不純物流入抑制手段」は、水素流路から水素貯蔵容器へと流入する不純物の移動を抑制し得る手段であれば、その形態は特に限定されるものではない。本発明で使用可能な不純物流入抑制手段の具体例としては、レギュレータバルブのほか、不純物を吸着し得る吸着体及び／又は不純物と反応する反応物を収容した容器等を挙げることができる。さらに、「温度制御手段」は、水素流路へ熱を供給するか、又は、水素流路から熱を奪うことによって、水素流路の温度を制御し得る手段であれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の手段を用いることができる。
【００１１】
上記第１の本発明において、水素流路は、水素流入口へと通ずる第１水素流通部と、水素貯蔵容器へと通ずる第２水素流通部と、水素放出口へと通ずる第３水素流通部と、を備え、第１水素流通部、第２水素流通部、及び、第３水素流通部は、一の分岐点で接続され、第２水素流通部に、不純物流入抑制手段、及び、温度制御手段が備えられることが好ましい。
【００１２】
ここに、「水素流入口」は、水素貯蔵容器へ水素を充填する際に、当該充填される水素が水素流路へ流入する際の入口として機能する、水素流路の開口部を意味し、「第１水素流通部」は、水素流入口と分岐点とによって挟まれた水素流路の一部を意味する。さらに、「第２水素流通部」は、分岐点と水素貯蔵容器とによって挟まれた水素流路の一部であり、当該第２水素流通部には、水素流入口及び分岐点を経て水素貯蔵容器へと充填される水素と、水素貯蔵容器から取り出され水素放出口から外部機器へと供給される水素と、が流通し得る。さらに、「水素放出口」は、本発明の水素貯蔵手段から外部機器へ水素を供給する際に、水素流路から外部機器へと水素が放出される際の出口として機能する、水素流路の開口部を意味し、「第３水素流通部」は、分岐点と水素放出口とによって挟まれた水素流路の一部を意味する。さらに、「第１水素流通部、第２水素流通部、及び、第３水素流通部は、一の分岐点で接続され」とは、第１水素流通部の水素流入口から流入した水素が、分岐点を経て第２水素流通部へと流入し、かつ、水素貯蔵手段から取り出され第２水素流通部を流通した水素が、分岐点を経て第３水素流通部へと流入する形態で、これらが一箇所（一の分岐点）で接続されることを意味する。
【００１３】
上記第１の本発明において、不純物流入抑制手段に、レギュレータバルブが備えられることが好ましい。
【００１４】
また、上記第１の本発明において、不純物流入抑制手段に、レギュレータバルブ及び不純物除去手段が備えられることが好ましい。
【００１５】
ここに、「不純物除去手段」は、少なくとも、水素流入口から流入した水素に含まれる不純物を除去し得る手段であれば、その形態は特に限定されるものではない。不純物除去手段の具体例としては、不純物を吸着し得る吸着体、不純物を無害な物質へ化学変化させる際の触媒として機能する物質、及び、不純物と反応する反応物、を有する群から選択される一以上の物質を収容した容器等、を挙げることができる。
【００１６】
また、レギュレータバルブが備えられる上記第１の本発明において、レギュレータバルブの温度が、水素流路の最高温度となるように、温度制御手段によって温度が制御されることが好ましい。
【００１７】
また、上記第１の本発明において、水素貯蔵容器から遠ざかるにつれて温度が低下するように、温度制御手段によって水素流路の温度が制御されることが好ましい。
【００１８】
また、上記第１の本発明において、水素貯蔵容器に、水素吸蔵合金が収容されていることが好ましい。
【００１９】
第２の本発明は、上記第１の本発明にかかる水素貯蔵手段と、該水素貯蔵手段から取り出された水素が供給される燃料電池と、を備えることを特徴とする、燃料電池システムである。
【００２０】
ここに、「燃料電池」は、水素貯蔵手段から供給された水素を燃料として用いる燃料電池であれば、その形態は特に限定されるものではない。第２の本発明で使用可能な燃料電池の具体例としては、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２１】
第１の本発明によれば、水素流路に不純物流入抑制手段及び温度制御手段が備えられる。温度制御手段で水素流路の温度を制御することにより、水素に含有される不純物を除去することが可能になるほか、水素流路に温度勾配を設けることで、不純物が水素貯蔵容器へ流入することを抑制できる。したがって、第１の本発明によれば、水素放出性能の低下を抑制することが可能な水素貯蔵手段を提供することができる。さらに、水素流路の温度を制御することにより、水素貯蔵容器に一旦流入した不純物を水素貯蔵容器から取り除くことも可能になる。それゆえ、第１の本発明によれば、水素放出性能の低下を抑制すること、及び、水素放出性能を回復させることが可能な、水素貯蔵手段を提供することができる。
【００２２】
第１の本発明において、水素流路に、第１水素流通部、第２水素流通部、及び、第３水素流通部が備えられ、第２水素流通部に不純物流入抑制手段及び温度制御手段が備えられることにより、水素放出性能の低下を抑制すること、及び、水素放出性能を回復させることが容易な、水素貯蔵手段を提供することができる。
【００２３】
第１の本発明において、不純物流入抑制手段に、レギュレータバルブが備えられる形態とすることにより、簡易な構成で水素貯蔵容器への不純物の流入を抑制することができる。
【００２４】
第１の本発明において、不純物流入抑制手段に、レギュレータバルブ及び不純物除去手段が備えられることにより、不純物流入抑制効果を向上させることができる。
【００２５】
第１の本発明において、レギュレータバルブの温度が、水素流路の最高温度となるように温度制御されることにより、水素貯蔵容器に一旦流入した不純物を水素貯蔵容器から取り除くことが容易になる。
【００２６】
第１の本発明において、水素貯蔵容器から遠ざかるにつれて温度が低下するように水素流路の温度が制御されることにより、水素に含有される不純物を、水素貯蔵容器側から遠ざかる方向へ拡散させることが可能になる。それゆえ、かかる構成とすることにより、特に、水素貯蔵容器の圧力が低下した場合であっても、水素貯蔵容器への不純物の流入を抑制することが可能な、水素貯蔵手段を提供することができる。
【００２７】
第１の本発明において、水素貯蔵容器に水素吸蔵合金が収容されることにより、水素吸蔵合金の水素放出性能の低下を抑制することが可能な、水素貯蔵手段を提供することができる。
【００２８】
第２の本発明によれば、水素放出性能の低下を抑制することが可能な水素貯蔵手段が備えられるので、水素貯蔵容器への水素充填、及び、水素貯蔵容器からの水素放出のサイクルを繰り返しても、燃料電池へと供給される水素量の低下を抑制することが可能な、燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
高圧型水素吸蔵合金タンクに用いる水素吸蔵合金は、初期の有効水素量が２．５質量％程度であったとしても、水素の吸蔵・放出を数十サイクルに亘って繰り返すと、有効水素量が１．５質量％〜２．０質量％程度にまで低下することが知られている。これは、高圧型水素吸蔵合金タンクを水素貯蔵容器として用いた場合、初期は５ｋｇの水素を放出していたタンクが、数十サイクル後には水素の放出量が３ｋｇ〜４ｋｇにまで低下することを意味する。水素の吸蔵・放出を繰り返すことによる、水素吸蔵合金の水素放出性能低下のメカニズムは未だ解明されていないが、水素に含有される水等の不純物による水素吸蔵合金の表面の汚染が、その一因であると指摘されている。それゆえ、水素放出性能の低下を抑制するには、水素貯蔵容器に流入する不純物の量を低減することが有効であると考えられる。
【００３０】
本発明は、かかる観点からなされたものであり、その第１の要旨は、長期間に亘って水素貯蔵容器への不純物流入を抑制することにより、水素放出性能の低下を抑制することが可能な、水素貯蔵手段を提供することにある。さらに、本発明の第２の要旨は、水素の吸蔵・放出を繰り返しても水素供給量の低下を抑制することが可能な、燃料電池システムを提供することにある。
【００３１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の水素貯蔵手段及び燃料電池システムについて説明する。なお、以下に示す形態はあくまでも例示であり、本発明は以下の形態に限定されるものではない。
【００３２】
１．水素貯蔵手段
図１は、本発明の水素貯蔵手段の形態例を簡略化して示す概念図である。本発明の水素貯蔵手段１０は、水素吸蔵合金及び水素ガスを収容する水素貯蔵容器１と、当該水素貯蔵容器１から延設された水素流路２と、を備える。水素流路２は、第１水素流通部３、第２水素流通部４、及び、第３水素流通部５を備え、当該第１水素流通部３、第２水素流通部４、及び、第３水素流通部５は、分岐点６で接続されている。第１水素流通部３には、水素貯蔵容器１へと充填される水素の入口として機能する水素流入口７が備えられ、第１水素流通部３は、水素流入口７と分岐点６とを繋ぐ水素流路２の一部に相当する。さらに、分岐点６と水素貯蔵容器１とを繋ぐ第２水素流通部４には、不純物流入抑制手段８が備えられ、第２水素流通部４の水素貯蔵容器１側の先端は、水素貯蔵容器１の内側に位置している。第２水素流通部４に配設された不純物流入抑制手段８には、不純物を吸着する吸着体を備えた不純物除去手段８ｘ、及び、レギュレータバルブ８ｙが備えられる。また、第３水素流通部５には、水素貯蔵手段１０に接続される外部機器（例えば、燃料電池等）へと供給される水素の出口として機能する水素放出口９が備えられ、第３水素流通部５は、分岐点６と水素放出口９とを繋ぐ水素流路２の一部に相当する。上記構成に加え、さらに、水素流路２の一部を構成する第２水素流通部４には、水素貯蔵容器１の内側に位置する第２水素流路４の先端の温度を制御する温度制御手段４ａと、水素貯蔵容器１及びレギュレータバルブ８ｙによって挟まれた第２水素流通部４の一部の温度を制御する温度制御手段４ｂと、レギュレータバルブ８ｙの温度を制御する温度制御手段４ｃと、レギュレータバルブ８ｙ及び不純物除去手段８ｘによって挟まれた第２水素流通部４の一部の温度を制御する温度制御手段４ｄと、不純物除去手段８ｘの温度を制御する温度制御手段４ｅと、不純物除去手段８ｘ及び分岐点６によって挟まれた第２水素流通部４の一部の温度を制御する温度制御手段４ｆと、が備えられている。
【００３３】
以下、水素貯蔵容器１へ水素を充填する際、及び、水素貯蔵容器１から水素を取り出す際に、水素貯蔵容器１への不純物の流入を抑制する具体的な形態について、図１を参照しつつ説明する。以下の説明において、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、及び、４ｆ（以下「温度制御手段４ａ〜４ｆ」ということがある。）によって温度を制御される部位の温度を、それぞれ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、及び、Ｔ６と表記する。
【００３４】
１．１．水素充填時
水素貯蔵容器１へ水素を充填する際には、水素流入口７が開かれるとともに水素放出口９が閉じられる。水素流入口７から流入した水素ガスは、第１水素流通部３及び分岐点６を経て、第２水素流通部４へと流入する。第２水素流通部４へと流入した水素は、続いて、不純物除去手段８ｘへと達し、当該不純物除去手段８ｘに備えられる吸着体に、不純物（例えば、水や一酸化炭素等。以下同じ。）が吸着されることにより、水素ガスに含有される不純物の一部が除去される。不純物除去手段８ｘで不純物の一部が除去された水素ガスは、その後、レギュレータバルブ８ｙへ達し、当該レギュレータバルブ８ｙによって、更に、水素ガスに含有される不純物の一部が除去される。そして、不純物除去手段８ｘ及びレギュレータバルブ８ｙによって不純物を除去された水素ガスは、その後、水素貯蔵容器１へと流入する。当該水素貯蔵容器１に流入した水素ガスは、水素貯蔵容器１に収容された水素吸蔵合金に吸蔵され、さらに、水素吸蔵合金の周囲に高圧ガスの状態で収容されることにより、水素貯蔵容器１に水素が貯蔵される。水素貯蔵容器１への水素充填は、例えば、水素貯蔵容器１の圧力が所定値に上昇するまで行われ、水素貯蔵容器１の圧力が所定値に達すると、水素流入口７が閉じられ、水素充填が終了する。
【００３５】
水素貯蔵容器１へ水素が充填される間に、水素貯蔵手段１０では、水素貯蔵容器１へと流入する不純物の量を低減すべく、少なくとも、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、及び、４ｄが作動され、Ｔ１≧Ｔ２≧Ｔ３≧Ｔ４＞Ｔ５となるように、第２水素流通部４の温度が制御される。このようにして第２水素流通部４の温度が制御されると、第２水素流通部４の高温側（水素貯蔵容器１側）から低温側（分岐点６側）に向けて対流が発生し、水素ガスに含有される不純物は、水素貯蔵容器１へ流入し難くなる。当該対流による不純物の流入抑制は、特に、水素貯蔵容器１の圧力が上昇して第２水素流通部４を流通する水素ガスの流速が小さくなった時に効果を奏しやすいと考えられる。そして、水素貯蔵容器１への水素充填が終了すると、作動していた温度制御手段（例えば、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、及び、４ｄ）の動作が停止される。
【００３６】
このように、本発明の水素貯蔵手段１０によれば、第２水素流通部４に備えられた不純物流入抑制手段８（不純物除去手段８ｘ及びレギュレータバルブ８ｙ）によって、水素ガスに含有される不純物が除去され、さらに、温度制御手段４ａ〜４ｆによって第２水素流通部４の温度を制御することで、不純物が水素貯蔵容器１へ流入し難い状態とされる。すなわち、本発明によれば、水素貯蔵容器１へと流入する不純物の量が低減されるので、水素貯蔵容器１に収容された水素貯蔵合金の性能低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、水素放出性能の低下を抑制することが可能な、水素貯蔵手段１０を提供することができる。
【００３７】
本発明の水素貯蔵手段１０において、対流による不純物の流入抑制は、Ｔ１とＴ５との温度差が大きいほど、その効果が大きい。それゆえ、対流による不純物の流入抑制効果を奏しやすい形態とする観点からは、温度制御手段４ｅを作動させることにより、不純物除去手段８ｘを冷却することが好ましい。
【００３８】
また、本発明の水素貯蔵手段１０において、レギュレータバルブ８ｙによって、水素ガスに含有される水が水素貯蔵容器１へ流入することを阻止する場合には、Ｔ１≧Ｔ２≧Ｔ３≧Ｔ４＞１００℃とすることが好ましい。これに対し、水素充填時に、レギュレータバルブ８ｙによって、水素ガスに不純物として含有される一酸化炭素が水素貯蔵容器１へ流入することを阻止する場合には、例えば、Ｔ１≧Ｔ２≧Ｔ３≧Ｔ４＞２００℃とすることが好ましい。
【００３９】
１．２．水素放出時
水素貯蔵容器１から水素を取り出す（水素を放出させる）際には、水素流入口７が閉じられるとともに水素放出口９が開かれる。水素貯蔵容器１から放出された水素ガスは、第２水素流通部４及び分岐点６を経て、第３水素流通部５へと流入し、第３水素流通部５の水素放出口９から放出される。水素貯蔵容器１からの水素ガスの放出（以下「水素放出」という。）は、例えば、水素貯蔵容器１の圧力が所定値に低下するまで行われ、水素貯蔵容器１の圧力が所定値に達すると、水素放出口９が閉じられ、水素放出が終了する。
【００４０】
水素貯蔵容器１から放出される水素ガスの流速が大きい間は、第２水素流通部４に存在する不純物は当該水素ガスとともに、水素貯蔵容器１から分岐点６の方向へと移動するため、水素貯蔵容器１へ流入する不純物は極めて少ない。ところが、水素貯蔵容器１に貯蔵されている水素ガスの残量が少なくなる等の原因により、水素貯蔵容器１から放出される水素ガスの流速が小さくなると、第２水素流通部４に存在する不純物（例えば、不純物除去手段８ｘの吸着体に吸着させた不純物や、レギュレータバルブ８ｙによって水素貯蔵容器１への流入を阻止された不純物）が、水素貯蔵容器１へ向かって移動し、水素貯蔵容器１へ流入することがある。そこで、本発明の水素貯蔵手段１０では、水素放出時に水素貯蔵容器１の圧力が所定値以下（例えば、５ＭＰａ以下）に低下すると、例えば、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、及び、４ｅが作動され、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ６となるように、第２水素流通部４の温度が制御される。こうして第２水素流通部４の温度が制御されると、第２水素流通部４の高温側（水素貯蔵容器１側）から低温側（分岐点６側）に向けて対流が発生するため、水素貯蔵容器１へ流入しようとする不純物の移動が抑制される。したがって、温度制御手段４ａ〜４ｆが備えられる本発明の水素貯蔵手段１０によれば、水素放出時においても、水素貯蔵容器１への不純物の流入を阻止することが可能になり、その結果、水素放出性能の低下を抑制することが可能になる。
【００４１】
水素放出が継続されることにより、水素貯蔵容器１の圧力がさらに低下すると（例えば、１ＭＰａ以下になると）、水素貯蔵容器１へ不純物が流入する危険性が一層高まる。そこで、水素貯蔵手段１０では、かかる場合であっても水素貯蔵容器１へ不純物が流入することを防止すべく、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ６となるように制御されたＴ３を、更に２０℃〜５０℃程度上昇させることが好ましい。このようにＴ３を上昇させ、Ｔ３≧Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６とすることにより、レギュレータバルブ８ｙによって、水素貯蔵容器１へ流入しようとする不純物の移動を阻止することが可能になる。例えば、水素貯蔵容器１へ流入しようとする不純物が水である場合、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３＞Ｔ４＞Ｔ５＞Ｔ６とするのみでは、レギュレータバルブ８ｙのオリフィス部に水が凝集し、水素貯蔵容器１への水の流入を阻止することが困難になる虞がある。ところが、Ｔ３を上昇させてＴ３≧Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６とすることにより、レギュレータバルブ８ｙのオリフィス部における水の凝集を抑制することが可能になり、その結果、水素貯蔵容器１へ流入しようとする水の移動を、レギュレータバルブ８ｙによって阻止することが容易になる。
【００４２】
上述のように、本発明の水素貯蔵手段１０では、水素貯蔵容器１から水素ガスを放出させる際に、第２水素流通部４に存在する不純物を分岐点６側へ移動させる。ここで、不純物流入抑制手段８によって水素貯蔵容器１への流入を阻止された不純物が、水素貯蔵手段１０に接続される外部機器へ供給されても悪影響を及ぼさない物質である場合（例えば、外部機器が燃料電池であって、不純物が水である場合）には、分岐点６側へ移動させた不純物を、水素放出口９からそのまま放出させても良い。しかし、当該不純物が外部機器に悪影響を及ぼす物質である場合（例えば、外部機器が燃料電池であって、不純物が一酸化炭素や硫黄化合物である場合）には、分岐点６側へ移動させた不純物が、水素放出口９から放出されないように対策を施す必要がある。かかる観点から、本発明の水素貯蔵手段１０は、第３水素流通部５に、水素放出口９からの不純物の放出を防止する、不純物捕捉手段が備えられることが好ましい。
【００４３】
本発明の水素貯蔵手段１０において、第２水素流通部４の温度を制御する温度制御手段４ａ〜４ｆは、第２水素流通部４の温度を部位毎に制御し得る手段であれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の温度制御手段（加熱手段、又は、加熱及び冷却が可能な手段。以下同じ。）を用いることができる。
【００４４】
本発明の水素貯蔵手段１０において、Ｔ３≧Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６となるように第２水素流通部４の温度を制御する時期は、第２水素流通部４に存在する不純物が水素貯蔵容器１へ流入することを効果的に抑制し得る時期であれば、特に限定されるものではない。ただし、温度制御手段４ｃによって消費されるエネルギーを低減し得る構成とする等の観点からは、温度制御手段４ｃの作動時間を可能な限り短くすることが好ましく、例えば、水素貯蔵容器１の圧力が０．３ＭＰａ以下である間に限って、温度制御手段４ｃを作動させることが好ましい。通常は、水素貯蔵合金を収容した水素貯蔵容器１の圧力が０．３ＭＰａにまで低下する前に、当該水素貯蔵容器１へ水素を充填するため、水素貯蔵容器１の圧力が０．３ＭＰａ以下になることは稀であると考えられる。水素貯蔵容器１の圧力が０．３ＭＰａ以下となるのは、例えば、水素貯蔵容器１の製造時や、水素吸蔵合金の劣化等に起因する水素貯蔵容器１の交換時である。ここで、多くの水素貯蔵合金には、レアメタルが含有されているため、当該レアメタルの有効利用を図るべく、水素貯蔵合金は水素放出性能が低下すると、水素放出性能を再び向上させる処理（回復処理）が施され、その後、再利用される。水素貯蔵合金の回復処理を行う際に、水素貯蔵容器１を大気開放すると、水素貯蔵合金の表面等が空気や水等によって被毒される。水素貯蔵合金がこのように被毒されると、当該水素貯蔵合金が本来備えている水素放出性能を発揮し得る状態にまで回復させることは極めて困難であり、その処理には多大なエネルギーが必要とされる。それゆえ、エネルギーの消費を低減するためには、大気開放せずに水素貯蔵合金の回復処理を行うことが好ましい。ところで、本発明の水素貯蔵手段１０には、第２水素流通部４に温度制御手段４ａ〜４ｆが備えられる。水素貯蔵手段１０において、水素貯蔵容器１に収容された水素吸蔵合金の水素放出性能が低下した後に、第２水素流通部４の温度がＴ３≧Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６となるように制御すると、水素吸蔵合金に付着した不純物を脱離させることができ、その結果、水素吸蔵合金の水素放出性能を回復することが可能になる。これは、Ｔ３≧Ｔ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６とすることにより、加熱により水素吸蔵合金から脱離した不純物を、確実に分岐点６側へと移動させることが可能になることによると考えられる。すなわち、本発明の水素貯蔵手段１０によれば、第２水素流通部４の温度を制御することにより、大気開放することなく水素吸蔵合金の回復処理を行うことも可能になる。
【００４５】
２．燃料電池システム
図２は、本発明の燃料電池システムの形態例を簡略化して示す概念図である。図２では、本発明の燃料電池システムの特徴的部分のみを抽出して示し、従来の燃料電池システムと同様の構成を採る箇所の記載は適宜省略する。また、図２において、図１と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００４６】
図２に示すように、本発明の燃料電池システム２０は、水素貯蔵手段１０と、当該水素貯蔵手段１０から水素を供給される燃料電池１１と、を備え、水素貯蔵手段１０及び燃料電池１１は、水素貯蔵手段１０の水素放出口９を介して接続されている。燃料電池システム２０が自動車（以下「燃料電池車」という。）に搭載されると、例えば、当該燃料電池車の始動前に、水素貯蔵手段１０の水素流入口７を介して水素貯蔵容器１へ水素ガスが充填される。この際、水素貯蔵手段１０では、例えば、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、及び、４ｄが作動されることにより、第２水素流通部４の温度がＴ１≧Ｔ２≧Ｔ３≧Ｔ４＞Ｔ５となるように制御され、これによって、水素貯蔵容器１への不純物の流入が抑制される。そして、水素貯蔵容器１への水素充填終了後に、燃料電池車が始動されると、第３水素流通部５の水素放出口９を介して、水素貯蔵容器１から燃料電池１１へ水素ガスが供給され、燃料電池１１で電気エネルギーが作られる。水素貯蔵容器１に貯蔵された水素ガスの残存量が多い等により、水素貯蔵容器１から放出される水素ガスの流速が大きい間は、水素貯蔵容器１へと流入する不純物の量が少ないため、温度制御手段４ａ〜４ｆは必ずしも作動させる必要はない。ところが、水素貯蔵容器１に貯蔵された水素ガスの残存量が減る等の理由によって、水素貯蔵容器１から放出される水素ガスの流速が低下すると、当該水素貯蔵容器１へ不純物が流入する危険性が増大する。そこで、本発明の燃料電池システム２０は、かかる場合であっても、水素貯蔵容器１への不純物の流入を抑制すべく、温度制御手段４ａ〜４ｆの一以上を作動させる。このように、本発明の燃料電池システム２０には、本発明の水素貯蔵手段１０が備えられるので、水素貯蔵容器１へと流入する不純物の量を低減することができ、その結果、水素貯蔵容器１に収容された水素貯蔵合金の水素放出性能の低下を抑制することができる。このようにして水素貯蔵性能の低下が抑制されると、水素貯蔵容器１への水素充填、及び、水素貯蔵容器１からの水素放出を繰り返した場合であっても、水素吸蔵合金は長期間に亘って水素放出性能を維持することが可能になる。それゆえ、本発明によれば、航続距離を長期間に亘って向上することが可能な、燃料電池システム２０を提供することが可能になる。
【００４７】
本発明の燃料電池システム２０において、第２水素流通部４の温度を制御する温度制御手段４ａ〜４ｆは、第２水素流通部４の温度を部位毎に制御し得る手段であれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の温度制御手段を用いることができる。ただし、温度制御手段４ａ〜４ｆによって消費されるエネルギーを低減することにより、エネルギー利用効率の高い燃料電池システム２０を提供可能とする等の観点からは、温度制御手段４ａ〜４ｆの少なくとも一以上が、燃料電池１１の廃熱を利用して第２水素流通部４を加熱し得る手段であることが好ましい。当該手段の具体例としては、燃料電池１１の廃水を第２水素流通部４の外周面へ供給することにより、第２水素流通部４の特定の部位を加熱し得る手段等を挙げることができる。この場合、燃料電池１１の廃水を供給された第２水素流通部４の部位は、６０〜８０℃程度の温度に制御されるものと考えられる。なお、上述のように、燃料電池システム２０が燃料電池車に搭載される場合には、温度制御手段４ａ〜４ｆの少なくとも一以上を、燃料電池車の減速時等における回生エネルギーを用いて第２水素流通部４を加熱し得る手段とすることも可能である。
【００４８】
また、本発明の燃料電池システム２０において、水素貯蔵容器１から燃料電池１１へ水素を供給する際には、第２水素流通部４に存在する不純物が、第３水素流通部５を経て燃料電池１１へ流入し得る。ここで、第２水素流通部４に存在する不純物が水である場合には、水素ガスとともに水を燃料電池１１へ供給することにより、加湿された水素ガスを燃料電池１１へ供給することが可能になるため、当該水は、必ずしも除去する必要はない。ところが、第２水素流通部４の不純物除去手段８ｘ及び／又はレギュレータバルブ８ｙに、一酸化炭素や硫黄化合物に代表される不純物が捕捉されていた場合、当該不純物が燃料電池１１へ供給されると、燃料電池１１の性能等に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、燃料電池システム２０では、第３水素流通部５に、燃料電池１１の性能等に悪影響を及ぼす不純物を捕捉する、不純物捕捉手段が備えられることが好ましい。
【００４９】
本発明において、水素貯蔵容器１に収容される水素貯蔵材料は、貯蔵した水素を放出し得る材料であれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の水素貯蔵材料を用いることができる。当該水素貯蔵材料として水素吸蔵合金を用いる場合、本発明で使用可能な水素吸蔵合金の具体例としては、ＡＢ型、ＡＢ２型、ＡＢ５型、及び、ＢＣＣ型等の水素吸蔵合金等をあげることができる。
【００５０】
また、本発明において、不純物除去手段８ｘに収容される吸着体は、水素ガスに含有される不純物（例えば、水、一酸化炭素、硫黄化合物等）を吸着し得る物質であれば、特に限定されるものではない。本発明において使用可能な吸着体の具体例としては、活性炭、有機金属構造体（ＭＯＦ）、ゼオライト、及び、カーボン系シリカ多孔体（ＦＳＭ等）を挙げることができる。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を参照しつつ、本発明についてさらに説明する。
【００５２】
１．不純物除去性能評価
吸着体として活性炭（ＧＡ、株式会社キャタラー製）を収容した不純物除去手段８ｘを備える本発明の水素貯蔵手段１０（以下「実施例にかかる水素貯蔵手段」ということがある。）を用いて、温度制御手段４ａ〜４ｆの一以上を作動させた状態で水素貯蔵容器１に水素を充填し、水素貯蔵容器１に充填された水素の露点を調べた。また、温度制御手段４ａ〜４ｆを備えないほかは水素貯蔵手段１０と同様の構成を採る水素貯蔵手段（以下「比較例にかかる水素貯蔵手段」ということがある。）の水素貯蔵容器に水素を充填し、水素貯蔵容器に充填された水素の露点を調べた。そして、実施例にかかる水素貯蔵手段における露点と、比較例にかかる水素貯蔵手段における露点とを比較することにより、不純物除去性能を評価した。
【００５３】
実施例にかかる水素貯蔵手段では、温度制御手段４ａ〜４ｆとして、フレキシブルのリボンヒーターを用いた。そして、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、及び、４ｄを作動させて、Ｔ１＝１２０℃、Ｔ２＝１２０℃、Ｔ３＝８０℃、及び、Ｔ４＝１２０℃に制御した第２水素流通部４を介して、水素貯蔵容器１へ水素を充填した。実施例にかかる水素貯蔵手段の水素貯蔵容器１に充填された水素ガスの露点、及び、比較例にかかる水素貯蔵手段の水素貯蔵容器に充填された水素ガスの露点を、表１に併せて示す。
【００５４】
【表１】
2009236260.tif 000003
【００５５】
表１より、実施例にかかる水素貯蔵手段で水素貯蔵容器１に充填された水素の露点は−７６℃以下であったのに対し、比較例にかかる水素貯蔵手段で水素貯蔵容器に充填された水素の露点は−６０℃〜−５０℃であった。ここで、「露点は−７６℃以下」とは、水素貯蔵容器１内の水分が１ｐｐｍ以下であったことを意味し、「露点は−６０℃〜−５０℃」とは、水素貯蔵容器内の水分が数十ｐｐｍであったことを意味する。すなわち、温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、及び、４ｄを作動させながら水素貯蔵容器１に水素を充填した方が、温度制御手段を作動させずに水素貯蔵容器に水素を充填するよりも、露点が低く、水素ガス中の水分量が少なかった。したがって、温度制御手段４ａ〜４ｆが備えられる水素貯蔵手段１０によれば、不純物の少ない水素ガスを水素貯蔵容器１へ充填することができた。なお、水分が１ｐｐｍ程度であれば、水素貯蔵合金の被毒はほとんど見られないことが知られており、数十ｐｐｍ程度の水分が含まれると水素貯蔵合金の被毒が見られ始めることが知られている。
【００５６】
２．水素吸蔵材料の耐久性評価
実施例にかかる水素貯蔵手段を用いて、温度制御手段４ａ〜４ｆの一以上を作動させた状態で、水素貯蔵容器１の圧力が３０ＭＰａになるまで水素ガスを充填し、その後、水素貯蔵容器１の圧力が０．１ＭＰａとなるまで水素を放出させる１サイクルを、室温下で４０サイクルに亘って繰り返すことにより、水素貯蔵容器１に収容された水素吸蔵合金（ＴｉＣｒＶＭｏ系ＢＣＣ型水素吸蔵合金）の水素放出性能を評価した（以下において当該条件による水素放出性能評価を「実施例１」という。）。なお、実施例にかかる水素貯蔵手段で水素を放出する際には、水素貯蔵容器１の圧力が５ＭＰａ以下である間に、上記温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、及び、４ｅを作動させ、Ｔ１＝８０℃、Ｔ２＝８０℃、Ｔ３＝８０℃、Ｔ４＝２５℃、及び、Ｔ５＝２５℃となるように、第２水素流通部４の温度を制御した。
一方、比較例にかかる水素貯蔵手段を用いて、水素貯蔵容器の圧力が３０ＭＰａになるまで水素ガスを充填し、その後、水素貯蔵容器の圧力が０．１ＭＰａとなるまで水素を放出させる１サイクルを、室温下で４０サイクルに亘って繰り返すことにより、比較例にかかる水素貯蔵手段の水素貯蔵容器に収容された水素吸蔵合金（ＴｉＣｒＶＭｏ系ＢＣＣ型水素吸蔵合金）の水素放出性能を評価した（以下において当該条件による水素放出性能評価を「比較例」という。）。実施例１の結果、及び、比較例の結果を、図３に併せて示す。図３の縦軸は、各サイクルにおける水素放出量を初期の水素放出量で除することにより算出される放出量比（以下において単に「放出量比」という。）、同横軸はサイクル数である。
【００５７】
図３より、実施例では、４０サイクル目の放出量比が０．８１であったのに対し、比較例では、４０サイクル目の放出量比が０．６８であった。すなわち、温度制御手段４ａ〜４ｆを用いて第２水素流通部４の温度を制御しながら水素充填・放出を繰り返す本発明の水素貯蔵手段１０によれば、水素吸蔵合金の水素放出性能の低下を抑制することが可能であった。
【００５８】
３．回復処理と水素吸蔵材料の耐久性との関係
上記実施例１と同条件で水素放出性能評価を行うことにより、水素貯蔵容器１に収容された水素吸蔵合金（ＴｉＣｒＶＭｏ系ＢＣＣ型水素吸蔵合金）の水素放出特性を評価した。
一方、実施例にかかる水素貯蔵手段を用いて、１０サイクルまでは温度制御手段４ａ〜４ｆを作動させず、１０サイクル終了後に温度制御手段４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、及び、４ｅを作動させて、Ｔ１＝１２０℃、Ｔ２＝１２０℃、Ｔ３＝１２０℃、Ｔ４＝１１０℃、及び、Ｔ５＝１００℃とする状態を回復処理時間中の１時間に亘って維持することにより、水素吸蔵合金の回復処理を行った。その後、１１サイクル目から４０サイクル目までは、上記実施例１と同様の条件で水素充填・放出サイクルを繰り返すことにより、水素貯蔵容器１に収容された水素吸蔵合金（ＴｉＣｒＶＭｏ系ＢＣＣ型水素吸蔵合金）の水素放出性能を評価した（以下、１１サイクル目から実施例１にかかる水素放出性能評価と同条件で行う水素放出性能評価を「実施例２」という。）。実施例１の結果、及び、実施例２の結果を、図４に併せて示す。図４の縦軸は放出量比、同横軸はサイクル数である。
【００５９】
図４より、実施例２では、比較例と同様の条件で水素充填・放出を繰り返した１０サイクル目までは、放出量比が著しく低下したが、水素吸蔵合金の回復処理により、放出量比が大きく向上した。そして、実施例１と同様の条件で水素充填・放出を繰り返した１１サイクル目以降は、実施例１と同様の放出量比挙動を示した。すなわち、本発明の水素貯蔵手段１０によれば、水素放出特性が低下した水素吸蔵合金の回復処理を、大気開放せずに行うことができ、回復処理後に温度制御手段を作動させて水素充填・放出サイクルを繰り返すことにより、水素放出特性低下を抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の水素貯蔵手段の形態例を簡略化して示す概念図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの形態例を簡略化して示す概念図である。
【図３】水素放出特性の結果を示す図である。
【図４】水素放出特性の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…水素貯蔵容器
２…水素流路
３…第１水素流通部
４…第２水素流通部
４ａ、４ｂ、４ｃ…温度制御手段
４ｄ、４ｅ、４ｆ…温度制御手段
５…第３水素流通部
６…分岐点
７…水素流入口
８…不純物流入抑制手段
８ｘ…不純物除去手段
８ｙ…レギュレータバルブ
９…水素放出口
１０…水素貯蔵手段
１１…燃料電池
２０…燃料電池システム
【図１】
2009236260.tif 000004
【図２】
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【図３】
2009236260.tif 000006
【図４】
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