JP2008097869A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素貯蔵タンクに水素を充填する際に行う水素貯蔵タンクの冷却を効率よく行うことができる燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】燃料電池システム１は、熱媒が熱媒バッファタンク１４を経由せずに燃料電池３と水素貯蔵タンク２との間を循環する第１の熱媒経路としての第１経路及び第２経路を備えている。また、燃料電池システム１は、熱媒が燃料電池３を経由せずに水素貯蔵タンク２と熱媒バッファタンク１４との間で循環する第２の熱媒経路としての第３経路を備えている。そして、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁１２によって燃料電池３を経由せずに熱媒バッファタンク１４と水素貯蔵タンク２との間を循環する第３経路に切り換えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

水素吸蔵合金を用いて水素ガスを貯蔵し、燃料電池を運転する際には貯蔵した水素ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、システム構成を簡素化した燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金を備える水素貯蔵タンクと、燃料電池と、ラジエータとが冷媒流路によって連通されており、水素吸蔵合金としては、平衡水素圧となる時の水素吸蔵合金の温度が燃料電池の定常運転時の温度よりも高くなるものを用いている。そして、この燃料電池システムでは、水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させる際には、冷却ファンを駆動し、燃料電池を通った冷媒を用いて水素吸蔵合金から発生する熱を吸収させている。したがって、この燃料電池システムでは、冷媒流路を流れる冷媒によって燃料電池の冷却と水素貯蔵タンクの冷却の両方を行うことができるため、余分な流路を設ける必要が無く燃料電池システムの構成を簡素化することができる。

また、過冷却材が混入された冷媒を燃料電池に流して燃料電池の冷却を行う潜熱蓄熱装置が提案されている（特許文献２参照。）。特許文献２に記載の潜熱蓄熱装置では、過冷却状態が解除されて凝固した過冷却材を含む冷媒を燃料電池に流し込み、過冷却材によって燃料電池から融解潜熱相当の熱量を吸熱することで効率よく冷却を行っている。また、潜熱蓄熱装置は、水素吸蔵体が充填接着された熱交換器を収納した燃料タンクを備え、水素吸蔵体が水素を放出する際には過冷却材が凝固する際に発生する凝固熱を水素吸蔵体に与えることで、熱交換器の加熱効率を上昇させている。
特開２００４−２８１２４３号公報 特開２００４−１５０３３６号公報

ところが、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池を経由した後の冷媒が水素貯蔵タンクに流れるため、水素貯蔵タンクには燃料電池を通過した際に温められた冷媒や、燃料電池内に存在していた冷媒が流れ込む。したがって、この燃料電池システムでは、水素貯蔵タンクにまで流れてきた時における冷媒の水温は、ラジエータを通過した直後の冷媒の水温よりも高くなっているため、水素を充填する際に冷媒によって水素貯蔵タンクの冷却を行おうとしても、冷却が不十分となり水素の充填時間が長くなる。

特許文献２に記載の潜熱蓄熱装置では、水素吸蔵時には、送風機を稼動させた状態で、冷媒を過冷却状態が解除されない程度の流速でラジエータに循環させることで冷却している。したがって、制御が難しい。

本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素貯蔵タンクに水素を充填する際に行う水素貯蔵タンクの冷却を効率よく行うことができる燃料電池システムを提供する。

請求項１に記載の発明は、水素吸蔵材を内蔵した水素貯蔵タンクから燃料電池へ水素を供給し、前記水素吸蔵材からの水素放出時における水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒を使用する燃料電池システムであって、外気の流通可能な位置に設けられ、熱媒を貯留可能で外気と熱交換可能な熱媒バッファタンクと、熱媒が前記熱媒バッファタンクを経由せずに前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第１の熱媒経路と、熱媒が前記燃料電池を経由せずに前記熱媒バッファタンクと前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第２の熱媒経路と、前記水素吸蔵材の水素放出時には、熱媒が前記第１の熱媒経路を循環する状態に切り換え、前記水素吸蔵材の水素吸蔵時には、熱媒が前記第２の熱媒経路を循環する状態に切り換える切り換え弁とを備えることを要旨とする。

この構成によれば、水素吸蔵材の水素放出時には、燃料電池と水素貯蔵タンクとの間で熱媒を循環させ、この循環とは無関係な熱媒を熱媒バッファタンクに貯留する。そして、水素吸蔵材の水素吸蔵時には、水素吸蔵材の水素放出時に熱媒バッファタンクで冷却された熱媒を、燃料電池を通すことなく、熱媒バッファタンクと水素貯蔵タンクとの間で循環させる。したがって、水素吸蔵材の水素吸蔵時に、冷却された熱媒によって水素貯蔵タンクの冷却を行うことができるため、水素貯蔵タンクの冷却効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、車両に搭載されていることを要旨とする。
この構成によれば、車両の走行によって熱媒バッファタンクには走行風が当たるため、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒は、冷却される。したがって、水素貯蔵タンクの冷却効率を向上させることができる。また、水素吸蔵材の水素吸蔵時に温められた熱媒は、次の水素充填作業を行うまでには再び走行風により、熱媒バッファタンクで冷却することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記熱媒バッファタンクの外表面には、空冷フィンが設けられていることを要旨とする。
この構成によれば、熱媒バッファタンクに空冷フィンを設けることで熱媒バッファンタンクの放熱効果は高くなり、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒を冷却する際には、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒の熱を効率よく放熱することができ、熱媒の冷却を効率よく行うことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の発明において、前記第１の熱媒経路を構成する流路は、外気と熱媒との熱交換が可能に構成されたラジエータと、熱媒を移送するポンプと、熱媒が前記燃料電池を迂回するバイパス通路と、熱媒が前記バイパス通路を通過する状態と通過しない状態とに切り換える切り換え弁とを備え、前記熱媒バッファタンクは、前記水素貯蔵タンクと前記ポンプとの間の流路、前記ポンプと前記ラジエータとの間の流路、前記ラジエータと前記切り換え弁との間の流路、前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間の流路のうちのいずれか一つの流路に連結されていることを要旨とする。

この構成によれば、第２の熱媒経路は、第１の熱媒経路の配管をほとんど利用することができるとともに、熱媒バッファタンクの連結位置の自由度が高くなる。

本発明によれば、水素貯蔵タンクに水素を充填する際に行う水素貯蔵タンクの冷却を効率よく行うことができる。

（第１実施形態）
以下、本発明を燃料電池を駆動源とした電気自動車の燃料電池システムに具体化した第１実施形態を図１に従って説明する。

燃料電池システム１は、水素吸蔵材としての水素吸蔵合金ＭＨを収容する水素貯蔵タンク２と、固体高分子型の燃料電池３と、コンプレッサ４と、ラジエータ５とを備えている。そして、燃料電池システム１は、熱媒が流れる循環流路６を介して水素貯蔵タンク２、燃料電池３及びラジエータ５が連結されている。また、燃料電池システム１は、管路７を介して水素貯蔵タンク２から燃料電池３へ水素を供給するように構成されている。

水素貯蔵タンク２は、タンク２０と、水素吸蔵材としての水素吸蔵合金ＭＨを収容した水素吸蔵用ユニット２１と、タンク２０内で水素吸蔵用ユニット２１を支持する支持体２２とから構成されている。また、水素貯蔵タンク２内には、水素吸蔵合金ＭＨとの間で熱交換を行う熱媒の流路として、循環流路６の一部が熱交換部６ａとして配置されている。なお、熱媒としては、不凍液（ロングライフクーラント）が使用されている。そして、熱交換部６ａの周囲には、水素吸蔵合金ＭＨとの間の熱交換の効率を高めるための多数のフィン２３が設けられている。水素貯蔵タンク２は、例えば、約３５ＭＰａの高圧で水素を貯蔵し、図示しないバルブ圧で圧力を減圧して燃料電池３に一定の圧力（例えば、０．３ＭＰａ程度）で水素を供給する。

燃料電池３は、水素貯蔵タンク２から供給される水素と、コンプレッサ４から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。燃料電池３内には、定常運転時に燃料電池３を冷却可能にするため、循環流路６の一部が熱交換部６ｂとして配置されている。燃料電池３は、燃料電池３が備える図示しない酸素供給ポートが管路８を介してコンプレッサ４と連結されている。

ラジエータ５は、モータ３０により回転されるファン３１を備えるとともに、循環流路６の一部が内部に配置されている。ラジエータ５は、外気を通過可能にした構造であり、この通過する外気とラジエータ５を通る循環流路６内の熱媒との間で熱交換を行う。

循環流路６は、ポンプ９から送り出された熱媒が、熱媒バッファタンク１４及びラジエータ５を経由せずに水素貯蔵タンク２と燃料電池３との間を循環する第１経路と、熱媒バッファタンク１４を経由せずに水素貯蔵タンク２と燃料電池３とラジエータ５との間を循環する第２経路とを構成する。第１経路と第２経路とは、それぞれ熱媒バッファタンク１４を経由せずに水素貯蔵タンク２と燃料電池３との間を循環する第１の熱媒経路を構成する。

また、循環流路６には、モータ９ａによって駆動されるポンプ９が設けられている。ポンプ９は、第１流路６ｃを介して熱交換部６ａの出口と連結されている。そして、ポンプ９は、その上流側に水素貯蔵タンク２が配置されるとともにその下流側に燃料電池３が配置されており、熱媒を水素貯蔵タンク２側から燃料電池３側へ送るように設けられている。モータ９ａは、燃料電池３の運転時には燃料電池３によって駆動され、燃料電池３が運転されていない時には、図示しないバッテリから電力が供給されるようになっている。

そして、ポンプ９とラジエータ５との間の第２流路６ｄと、ラジエータ５と熱交換部６ｂの入口との間の第３流路６ｅとは、第１バイパス流路６ｆによって連結され、第１バイパス流路６ｆと第３流路６ｅとの連結部には電磁三方弁１０が設けられている。また、熱交換部６ｂの出口と熱交換部６ａの入口とは第４流路６ｇによって連結され、第３流路６ｅと第４流路６ｇとは、第２バイパス流路６ｈによって連結されている。第２バイパス流路６ｈと第３流路６ｅとの連結部には電磁三方弁１１が設けられている。なお、第２バイパス流路６ｈと第３流路６ｅとの連結部は、第１バイパス流路６ｆと第３流路６ｅとの連結部より燃料電池３側に位置している。循環流路６は、熱交換部６ａ，６ｂ及び各流路６ｃ〜６ｇで構成されている。そして、循環流路６に設けられた電磁三方弁１０，１１は、熱媒が循環する循環経路を第１経路及び第２経路のうちのいずれかに切り換える切り換え弁を構成する。第１経路は、熱媒が、水素貯蔵タンク２から、第１流路６ｃ、第２流路６ｄ、第１バイパス流路６ｆ、第３流路６ｅ、燃料電池３、第４流路６ｇの順に流れる経路である。第２経路は、熱媒が水素貯蔵タンク２から、第１流路６ｃ、第２流路６ｄ、ラジエータ５、第３流路６ｅ、燃料電池３、第４流路６ｇの順に流れる経路である。

また、燃料電池システム１は、熱媒が燃料電池３を経由せずに水素貯蔵タンク２と熱媒バッファタンク１４との間で循環する第２の熱媒経路としての第３経路を備えている。この第３経路は、循環流路６の一部である第１流路６ｃ、第２流路６ｄと、循環流路６に連結されている熱媒流路１３と第４流路６ｇとから構成されている。そして、熱媒流路１３は、第２流路６ｄと熱媒バッファタンク１４の入口とを連結する第１熱媒流路１３ａと、熱媒バッファタンク１４の出口と第４流路６ｇとを連結する第２熱媒流路１３ｂとから構成されている。熱媒流路１３と第２流路６ｄとの連結部には、電磁三方弁１２が設けられている。そして、第２流路６ｄと第１熱媒流路１３ａとの連結部と、第２熱媒流路１３ｂと第４流路６ｇとの連結部の間の流路には、水素貯蔵タンク２及びポンプ９が配置されている。なお、電磁三方弁１２は、熱媒の循環経路を水素貯蔵タンク２、第１流路６ｃ、第２流路６ｄ、第１熱媒流路１３ａ、熱媒バッファタンク１４、第２熱媒流路１３ｂ、第４流路６ｇの順に熱媒が通る第３経路に切り換える切り換え弁を構成する。

熱媒バッファタンク１４は、第３経路を循環する熱媒の量より多くの量の熱媒を内部に貯留できるように構成されるとともに、外気の流通可能な位置に配置されている。そして、熱媒バッファタンク１４の外表面には、複数の空冷フィン１４ａが環状に設けられている。

コンプレッサ４、モータ３０、ポンプ９、電磁三方弁１０〜１２は、制御装置１５からの指令によって運転あるいは切り換え制御されるようになっている。制御装置１５は、指令信号をモータ９ａに出力してポンプ９を駆動及び停止するようになっている。

次に前記のように構成された燃料電池システム１の作用を説明する。
燃料電池３は、環境温度が燃料電池３の発電が可能な予め設定された温度（設定温度）以上の場合に通常運転が行われる。制御装置１５は、環境温度を計測する図示しない温度センサの検出信号に基づいて、環境温度が設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。なお、燃料電池３の暖機を行っている間、熱媒の循環経路は、電磁三方弁１０〜１２によって第１経路に切り換えられ、熱媒がラジエータ５及び熱媒バッファタンク１４を通らずに水素貯蔵タンク２と燃料電池３との間を循環する状態に保持されている。そして、通常運転時には、水素貯蔵タンク２から水素が燃料電池３のアノード電極側に供給される。また、コンプレッサ４が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池３のカソード電極側に供給される。

また、固体高分子型燃料電池は、８０℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池３の温度が８０℃程度の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、燃料電池３の通常運転時、第２経路内にラジエータ５で冷却された熱媒を循環させる。また、燃料電池３の運転時における水素吸蔵合金ＭＨからの水素の放出は、吸熱反応のため、反応を円滑に進めるためには水素吸蔵合金ＭＨを加熱する必要があり、燃料電池３の冷却後の温まった熱媒が水素吸蔵合金ＭＨの加熱に使用される。

制御装置１５は、燃料電池３の運転時に、モータ９ａに駆動指令信号を出力しポンプ９によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が熱媒流路１３を流れずに第２流路６ｄを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１２に対して出力する。制御装置１５は、熱媒が第１バイパス流路６ｆを流れずに、第２流路６ｄから第３流路６ｅに流れる状態、即ち、ラジエータ５を流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１０に対して出力する。また、制御装置１５は、熱媒が第２バイパス流路６ｈを流れずに、第３流路６ｅから熱交換部６ｂを経て第４流路６ｇに流れる状態、即ち、燃料電池３の熱交換部６ｂを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１１に対して出力する。したがって、燃料電池３の運転時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁１０，１１，１２によって第２経路に切り換えられ、熱媒が、熱媒バッファタンク１４を経由せずに、水素貯蔵タンク２と、ラジエータ５と、燃料電池３との間を循環する状態に保持される。

また、燃料電池３の運転時、車両の走行によって走行風が熱媒を貯留している熱媒バッファタンク１４に当たる。そして、外気としての走行風が熱媒バッファタンク１４に当たると、熱媒バッファタンク１４に貯留されている熱媒は、熱媒バッファタンク１４を介して熱を放熱するため、熱媒バッファタンク１４に貯留されている熱媒は冷却される。この時、空冷フィン１４ａによって熱媒バッファタンク１４の外気への放熱効果は高くなっているため、熱媒バッファタンク１４に貯留された熱媒の熱は効率よく放熱される。

制御装置１５が、水素貯蔵タンク２内の圧力が低下して水素貯蔵タンク２内の水素が不足していることを検出すると、水素貯蔵タンク２に水素ガスを充填（貯蔵）する水素ガスの充填を水素カードル１６が設置されている水素ステーションで行う。そして、電気自動車に搭載されている水素貯蔵タンク２の図示しないバルブを水素充填状態に切り換えて、水素貯蔵タンク２を水素カードル１６の水素充填配管に図示しないカプラを介して接続する。そして、水素カードル１６と水素貯蔵タンク２との圧力差により、水素貯蔵タンク２に水素ガスを充填する。

水素カードル１６から水素貯蔵タンク２内に供給された水素ガスは、水素吸蔵合金ＭＨと反応して水素化物となって水素吸蔵合金ＭＨに吸蔵される。水素の吸蔵反応は、発熱反応であるので、水素の吸蔵反応で発生した熱を除去しないと吸蔵反応が円滑に進行しない。そこで、水素ガスを充填する際、制御装置１５は、モータ９ａに駆動指令信号を出力しポンプ９によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が、ポンプ９を通過した後第２流路６ｄから分かれて熱媒流路１３へ流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁１２に対して出力する。したがって、水素貯蔵タンク２への水素ガスの充填時には、熱媒の循環経路は第３経路に切り換えられ、熱媒バッファタンク１４に貯留されていた熱媒が熱媒流路１３を流れるとともに燃料電池３を経由することなく水素貯蔵タンク２と熱媒バッファタンク１４との間を循環する状態に保持される。この時、燃料電池３内に存在していた熱媒が、水素貯蔵タンク２に流れ込むことはない。したがって、熱媒が燃料電池３を通過することによる熱媒の温度上昇が引き起こされることはなく、水素貯蔵タンク２を効率よく冷却することができる。なお、水素吸蔵合金ＭＨの発熱反応によって、第２の熱媒経路内を流れる熱媒温度が第１の熱媒経路内の熱媒温度より高くなったことが検知された場合は、制御装置１５によって電磁三方弁１０〜１２を切り換え、熱媒バッファタンク１４と熱交換部６ｂを経由せずにラジエータ５と水素貯蔵タンク２との間を循環する経路を形成する。そして、熱媒をラジエータ５でファン３１を用いて冷却させ、引き続き水素貯蔵タンク２の冷却を行う。ここで、第２の熱媒経路内の熱媒温度が第１の熱媒経路内の熱媒温度より高くなったか否かの判断は、例えば、第２流路６ｄ及び第２熱媒流路１３ｂにそれぞれの流路６ｄ，１３ｂを流れる熱媒の温度を検出する温度センサを設け、制御装置１５が各温度センサからの検出結果を比較することで判断する。

第１実施形態では、次の効果を得ることができる。
（１）燃料電池システム１は、熱媒が熱媒バッファタンク１４を経由せずに燃料電池３と水素貯蔵タンク２との間を循環する第１の熱媒経路としての第１経路及び第２経路を備えている。また、燃料電池システム１は、熱媒が燃料電池３を経由せずに水素貯蔵タンク２と熱媒バッファタンク１４との間で循環する第２の熱媒経路を備えている。そして、水素吸蔵合金ＭＨの水素放出時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁１０〜１２によって第１の熱媒経路に切り換えられ、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁１１〜１２によって燃料電池３を経由せずに熱媒バッファタンク１４と水素貯蔵タンク２との間を循環する第２の熱媒経路に切り換えられる。したがって、水素吸蔵合金ＭＨの吸蔵時には、予め冷却された熱媒によって水素貯蔵タンク２を冷却することができるため、水素貯蔵タンク２の冷却を効率よく行うことができ、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時に温められた熱媒は、次の水素充填作業を行うまでには熱媒バッファタンク１４で冷却することができる。

（２）熱媒バッファタンク１４の外表面には、空冷フィン１４ａが設けられている。このため、熱媒バッファタンク１４に貯留されている熱媒の熱を効率よく放熱できるため、熱媒バッファタンク１４の冷却効果を高くできる。

（３）熱媒流路１３は、第２流路６ｄと、第４流路６ｇとを連結している。このため、熱媒の循環経路が、熱媒バッファタンク１４と水素貯蔵タンク２との間を循環する第３経路に切り換えられた時、熱媒バッファタンク１４から流れ出た熱媒は、燃料電池３だけでなく、ラジエータ５も通らない経路となっている。したがって、第１経路及び第２経路内の熱媒が、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時に、第３経路に流入する量は少なくなっている。

（４）熱媒の流れる経路は、電磁三方弁１２によって、第１の熱媒経路と、第２の熱媒経路とに切り換えられる。そして、電磁三方弁１２の上流側にポンプ９が設けられている。ポンプ９は、燃料電池３を通さずに、水素貯蔵タンク２と熱媒バッファタンク１４との間で熱媒を循環させる移送手段と、水素貯蔵タンク２と燃料電池３との間で熱媒を循環させる移送手段の両方を兼ねている。したがって、一つのポンプ９だけで、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時と水素吸蔵合金ＭＨの水素放出時のどちらの場合においても、熱媒を移送することができる。

（５）熱媒バッファタンク１４は、循環流路６を循環する熱媒の量より多くの量の熱媒を内部に貯留できるように構成されている。したがって、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時、水素貯蔵タンク２を通る熱媒を、極力、熱媒バッファタンク１４で冷却された熱媒にすることができ、より冷却効率を上げることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図２にしたがって説明する。この実施形態では、熱媒バッファタンク１４の循環流路６に対する連結位置が前記第１実施形態と異なっている。その他の構成は前記第１実施形態とほぼ同じであり、第１実施形態と同様の構成部分は同一符号を付して説明を省略又は簡略する。

図２に示すように、熱媒バッファタンク１４は、第１熱媒流路１３ａ及び第２熱媒流路１３ｂを介して第２流路６ｄに連結されており、第１熱媒流路１３ａは、第２熱媒流路１３ｂより上流側に配置されている。そして、第１熱媒流路１３ａと第２流路６ｄとの連結部には、電磁三方弁１７が設けられている。電磁三方弁１０，１１，１７は、熱媒が循環する経路を、熱媒が水素貯蔵タンク２、第１流路６ｃ、第２流路６ｄ、第１熱媒流路１３ａ、熱媒バッファタンク１４、第２熱媒流路１３ｂ、第２流路６ｄ、第１バイパス流路６ｆ、第３流路６ｅ、第２バイパス流路６ｈ、第４流路６ｇを通る第２の熱媒経路としての第４経路に切り換える切り換え弁を構成しており、熱媒は燃料電池３を通らないようになっている。

制御装置１５は、燃料電池３の運転時に、熱媒が熱媒流路１３を流れずに第２流路６ｄを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１７に対して出力し、電磁三方弁１０，１１，１７によって熱媒の循環経路を第２経路に切り換える。

水素ステーションにおいて水素ガスの充填を行う際は、制御装置１５は、熱媒が熱媒バッファタンク１４を流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１７に対して出力する。また、制御装置１５は、熱媒が第２流路６ｄから第１バイパス流路６ｆを流れた後、第３流路６ｅを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１０に対して出力する。制御装置１５は、熱媒が第３流路６ｅから燃料電池３を迂回するように第２バイパス流路６ｈを流れた後、第４流路６ｇを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁１１に対して出力する。すなわち、熱媒の循環経路は、電磁三方弁１０，１１，１７によって第４経路に切り換えられ、熱媒が燃料電池３及びラジエータ５を迂回して水素貯蔵タンク２と熱媒バッファタンク１４との間を循環する状態に保持される。

第２実施形態では、第１実施形態の（１）、（２）、（４）、（５）の効果の他に以下の効果を得ることができる。
（６）第１の熱媒経路としての第１経路及び第２経路を構成する循環流路６は、ラジエータ５と、ポンプ９と、第２バイパス流路６ｈと、電磁三方弁１１とを備え、熱媒バッファタンク１４は、ポンプ９とラジエータ５との間の流路である第２流路６ｄに連結されている。したがって、第２流路６ｄの配管をほとんど利用することができるとともに、熱媒バッファタンク１４の連結位置の自由度が高くなる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態を図３にしたがって説明する。この実施形態では、主に、第３バイパス流路６ｉ、ポンプ４０、モータ４０ａ、電磁三方弁４１を新たに追加した点が前記第１実施形態と異なっている。その他の構成は前記第１実施形態とほぼ同じであり、第１実施形態と同様の構成部分は同一符号を付して説明を省略又は簡略する。

図３に示すように、第２流路６ｄと第４流路６ｇとは、第３バイパス流路６ｉによって連結されている。そして、循環流路６は、ポンプ４０から送り出された熱媒が、水素貯蔵タンク２、燃料電池３、熱媒バッファタンク１４を経由せずにラジエータ５を経由する第５経路を第３の熱媒経路として構成する。また、循環流路６は、熱媒が燃料電池３及び熱媒バッファタンク１４を経由せずに水素貯蔵タンク２とラジエータ５との間を循環する第４の熱媒経路としての第６経路を構成する。

第３バイパス流路６ｉには、モータ４０ａによって駆動されるポンプ４０が設けられている。ポンプ４０は、第５経路を循環する熱媒を第３バイパス流路６ｉからラジエータ５へ送るように構成されている。モータ４０ａは、図示しないバッテリから電力が供給されるようになっている。

第３バイパス流路６ｉは、電磁三方弁１２よりラジエータ５側の第２流路６ｄに連結されるとともに、第２バイパス流路６ｈと第４流路６ｇの連結部と、第４流路６ｇと第２熱媒流路１３ｂの連結部との間の第４流路６ｇに連結されている。また、第３バイパス流路６ｉと第４流路６ｇとの連結部には、電磁三方弁４１が設けられている。電磁三方弁４１は、ポンプ４０より上流側に位置するとともに、熱媒を第４流路６ｇから第３バイパス流路６ｉへ流れ込ませるか、第４流路６ｇから水素貯蔵タンク２へ流れ込ませるかを切り換えることができるように構成されている。

電磁三方弁４１は、熱媒が第２の熱媒経路としての第３経路と、第３の熱媒径路としての第５経路とでそれぞれ独立して循環する状態に切り換える切り換え弁を構成する。第５経路は、熱媒がポンプ４０から第３バイパス流路６ｉ、第２流路６ｄ、ラジエータ５、第３流路６ｅ、第２バイパス流路６ｈ、第４流路６ｇ、第３バイパス流路６ｉの順に流れる経路である。また、電磁三方弁１２，４１は、熱媒の循環経路を水素貯蔵タンク２から、第１流路６ｃ、第２流路６ｄ、ラジエータ５、第３流路６ｅ、第２バイパス流路６ｈ、第４流路６ｇの順に熱媒が流れる第６経路に切り換える切り換え弁を構成する。

ポンプ４０及び電磁三方弁４１は、制御装置１５からの指令によって運転あるいは切り換え制御されるようになっている。制御装置１５は、指令信号をモータ４０ａに出力してポンプ４０を駆動及び停止するようになっている。

また、第２熱媒流路１３ｂには、温度センサ４２が設けられており、温度センサ４２は、第２熱媒流路１３ｂを流れる熱媒の温度を検出するとともに、その検出結果を制御装置１５へ出力するように構成されている。

水素ステーションにおいて水素ガスの充填を行う際、制御装置１５は、モータ９ａに駆動指令信号を出力し、ポンプ９によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が、ポンプ９を通過した後、第２流路６ｄから分かれて熱媒流路１３へ流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁１２に対して出力する。同時に、制御装置１５は、モータ４０ａに駆動指令信号を出力し、ポンプ４０によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が、第４流路６ｇから分かれて第３バイパス流路６ｉへ流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁４１に対して出力する。したがって、水素貯蔵タンク２への水素ガスの充填時に、第５経路と第３経路とは、それぞれ独立しており、第３経路を循環する熱媒によって水素貯蔵タンク２を冷却しつつ、第５経路を循環する熱媒はラジエータ５によって冷却される。そして、電磁三方弁１０〜１２，４１によって熱媒の循環経路が第３経路に切り換えられると、第３経路を循環する熱媒は、水素吸蔵合金ＭＨから発生した熱を吸収することによって徐々に温度が上昇する。制御装置１５は、温度センサ４２によって、熱媒流路１３を流れる熱媒の温度が所定温度以上に達したことを検知すると、電磁三方弁１２，４１に指令信号を出力し、熱媒の循環経路を第６経路に切り換える。そして、熱媒の循環経路が第６経路に切り換えられると、第５経路を循環して冷却された熱媒が水素貯蔵タンク２に流れ込むため、水素ガスの充填時には、極力、温度の低い熱媒を水素貯蔵タンク２に流し込んで水素貯蔵タンク２を効率よく冷却することができる。

第３実施形態では、第１実施形態の（１）〜（５）の効果の他に以下の効果を得ることができる。
（７）循環流路６は、ラジエータ５を経由して熱媒が循環する第３の熱媒経路としての第５経路と第２の熱媒経路としての第３経路とをそれぞれ独立した経路として構成する。そして、制御装置１５は、電磁三方弁１２，４１によって熱媒の循環経路を第６経路に切り換えることで、ラジエータ５によって冷却された熱媒を水素貯蔵タンク２に流し込むようになっている。したがって、水素貯蔵タンク２の冷却を効率よく行うことができ、水素貯蔵タンク２に対する水素充填時間の短縮を図ることができる。

実施の形態は、前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 上記実施形態においては、燃料電池を駆動源とした電気自動車の燃料電池システムについて示したが、住宅やビル、工場など定置型の燃料電池システムに適用してもよい。

○ 熱媒バッファタンク１４は、熱媒を貯留可能で外気と熱交換可能な構造であれば、熱媒バッファタンク１４の構造についてはとくに限定されない。
○ 熱媒バッファタンク１４は、水素貯蔵タンク２を冷却できる程度の量の熱媒を貯留していればよく、熱媒バッファタンク１４が貯留する熱媒の量は、とくに限定されない。したがって、水素貯蔵タンク２が貯蔵する熱媒の量は、第３経路又は第４経路を循環する熱媒の量より少なくてもよい。

○ 熱媒バッファタンク１４は、外気と熱交換可能であればよく、空冷フィン１４ａを省略してもよい。
○ 第２実施形態において、水素吸蔵合金ＭＨの水素吸蔵時に、ファン３１を使用して、熱媒を冷却してもよい。この場合、ファン３１によって生成される冷却風によりラジエータ５を通る熱媒が冷却されるため、燃料電池システム１の水素貯蔵タンク２に対する冷却効率を向上させることができる。ただし、図示しないバッテリは、その分、電力を消費するようになる。

○ 第２実施形態において、熱媒バッファタンク１４を連結する循環流路６の位置を変更してもよい。熱媒流路１３は、第１流路６ｃ、第２流路６ｄ、第３流路６ｅのうちのラジエータ５と電磁三方弁１１との間の流路、第４流路６ｇのうちのいずれか一つの流路に連結されていればよい。

○ 第３実施形態において、熱媒の温度を計測する温度センサを設ける箇所を変更してもよい。例えば、温度センサを第３バイパス流路６ｉに設けてもよい。この場合、第３バイパス流路６ｉを流れる熱媒が所定温度まで低下したことが温度センサによって検知された時に、制御装置１５は、電磁三方弁１２，４１に指令信号を出力し、熱媒の循環経路を第４の熱媒経路としての第６経路に切り換える。このように構成しても、温度の低い熱媒を水素貯蔵タンク２に流し込むことができる。

○ 第３実施形態において、温度センサ４２を省略してもよい。この場合、まず、予め、熱媒の循環経路が第３経路に切り換えられてから、第３経路を循環する熱媒が所定温度に上昇するまでの時間を試験を行うことで推定し、この推定結果を制御装置１５に記憶させる。そして、制御装置１５は、水素ステーションにおいて水素ガスの充填を実際に行う時には、第３経路に切り換えてから予め記憶しておいた所定時間が経過したと判断すると、電磁三方弁１２，４１に指令信号を出力し、熱媒の循環経路を第６経路に切り換える。このように構成しても、温度の低い熱媒を水素貯蔵タンク２に流し込むことができる。

○ 第３実施形態において、熱媒が熱媒バッファタンク１４、水素貯蔵タンク２及び燃料電池３を経由せずにラジエータ５を経由する第３の熱媒経路としての第５経路を、第３経路とは独立させて設けることができるのであれば、第３バイパス流路６ｉを省略してもよい。例えば、第１バイパス流路６ｆにモータによって駆動するポンプを設け、ポンプは、熱媒を第１バイパス流路６ｆからラジエータ５へ送るように構成する。そして、制御装置１５は、第３経路に切り換えると同時に、熱媒が第３流路６ｅから分かれて第１バイパス流路６ｆに流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁１０に対して出力するように構成する。このように構成すれば、第３バイパス流路６ｉを省略しても、水素貯蔵タンク２への水素ガスの充填時に、熱媒は、第３経路とは独立してポンプ、第１バイパス流路６ｆ、ラジエータ５、第３流路６ｅ、第１バイパス流路６ｆを循環する。また、第１バイパス流路６ｆを利用して第５経路を設けることができるため、第５経路を設けることで配管が増加してしまうことを回避できる。

○ 熱媒として用いるのは、不凍液（ロングライフクーラント）に限らない。
○ 燃料電池３は固定高分子型の燃料電池に限らず、例えば、リン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等、燃料電池を冷却するのに熱媒体を使用する燃料電池であればよい。

○ 燃料電池システム１は、１つの燃料電池３と１つの水素貯蔵タンク２とが連結された構成に限らず、１つの燃料電池３に複数の水素貯蔵タンク２から水素を供給するシステムとしてもよい。

○ 水素貯蔵タンク２は水素吸蔵合金ＭＨ以外の水素吸蔵材、例えば、活性炭素繊維（activated carbon fiber）や単層カーボンナノチューブを収容した構成としてもよい。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

（１） 前記第１の熱媒経路を構成する流路には、前記水素吸蔵材の水素放出時及び前記水素吸蔵材の水素吸蔵時に熱媒を移送するポンプが設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

（２） 外気と熱媒との熱交換が可能に構成されたラジエータと、熱媒が前記熱媒バッファタンク、前記燃料電池、前記水素貯蔵タンクを経由せずに前記ラジエータを経由する第３の熱媒経路と、前記燃料電池、前記熱媒バッファタンクを経由せずに前記水素貯蔵タンクと前記ラジエータとの間を循環する第４の熱媒経路とを備え、前記切り換え弁は、前記水素吸蔵材の水素吸蔵時には、熱媒が前記第２の熱媒経路を循環するとともに前記第２の熱媒経路とは別に独立して前記第３の熱媒経路を循環する状態に切り換え、前記第２の熱媒経路又は前記第３の熱媒経路における熱媒の温度が所定温度に達した時には、熱媒が前記第４の熱媒経路を循環する状態に切り換える請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図。 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図。 第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図。

符号の説明

ＭＨ…水素吸蔵材としての水素吸蔵合金、１…燃料電池システム、２…水素貯蔵タンク、３…燃料電池、５…ラジエータ、６…循環流路、６ｃ…流路としての第１流路、６ｄ…流路としての第２流路、６ｅ…流路としての第３流路、６ｇ…流路としての第４流路、９…ポンプ、１１…切り換え弁としての電磁三方弁、１２…切り換え弁としての電磁三方弁、１３…熱媒流路、１４…熱媒バッファタンク、１４ａ…空冷フィン、１７…切り換え弁としての電磁三方弁、４１…切り換え弁としての電磁三方弁。

Claims (4)

1. 水素吸蔵材を内蔵した水素貯蔵タンクから燃料電池へ水素を供給し、前記水素吸蔵材からの水素放出時における水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒を使用する燃料電池システムであって、
   外気の流通可能な位置に設けられ、熱媒を貯留可能で外気と熱交換可能な熱媒バッファタンクと、
   熱媒が前記熱媒バッファタンクを経由せずに前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第１の熱媒経路と、
   熱媒が前記燃料電池を経由せずに前記熱媒バッファタンクと前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第２の熱媒経路と、
   前記水素吸蔵材の水素放出時には、熱媒が前記第１の熱媒経路を循環する状態に切り換え、前記水素吸蔵材の水素吸蔵時には、熱媒が前記第２の熱媒経路を循環する状態に切り換える切り換え弁と
   を備える燃料電池システム。
2. 車両に搭載されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記熱媒バッファタンクの外表面には、空冷フィンが設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１の熱媒経路を構成する流路は、外気と熱媒との熱交換が可能に構成されたラジエータと、熱媒を移送するポンプと、熱媒が前記燃料電池を迂回するバイパス通路と、熱媒が前記バイパス通路を通過する状態と通過しない状態とに切り換える切り換え弁とを備え、前記熱媒バッファタンクは、前記水素貯蔵タンクと前記ポンプとの間の流路、前記ポンプと前記ラジエータとの間の流路、前記ラジエータと前記切り換え弁との間の流路、前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間の流路のうちのいずれか一つの流路に連結されている請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。

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