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1. (JP2006090523) 水素貯蔵タンクの使用方法及び燃料電池システム
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Description

Title of Invention 水素貯蔵タンクの使用方法及び燃料電池システム 20100616 F17C 11/00 H01M 8/04 特開2004−014213(JP,A) 特開2001−313052(JP,A) 特開2004−281243(JP,A) 特開2003−086213(JP,A) 2006090523 20060406 20060623 岩崎 晋

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003   0004   0005   0006  

Disclosure of Invention

Technical Problem

0007   0008   0009   0010   0011  

Technical Solution

0012   0013   0014   0015   0016  

Advantageous Effects

0017  

Best Mode for Carrying out the Invention

0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053  

Brief Description of Drawings

0054   0055  

Claims

1   2   3   4  

Drawings

1   2   3    

Description

水素貯蔵タンクの使用方法及び燃料電池システム

20100616 F17C 11/00 H01M 8/04 patcit 1 : 特開2004−014213(JP,A)
patcit 2 : 特開2001−313052(JP,A)
patcit 3 : 特開2004−281243(JP,A)
patcit 4 : 特開2003−086213(JP,A)
2006090523 20060406 20060623 岩崎 晋

Technical Field

[0001]
本発明は、水素貯蔵タンクの使用方法及び 燃料電池システムに係り、詳しく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、水素吸蔵材の加熱に燃料電池の冷却水を使用する燃料電池システム 及び、その燃料電池システムに好適な水素貯蔵タンクの使用方 法に関する。

Background Art

[0002]
水素エネルギーは太陽熱エネルギーと並んでクリーンエネルギーとして注目されている。水素の貯蔵、輸送の方法として、ある温度、圧力の条件のもとで水素を吸蔵して水素化物になり、必要時に別の温度、圧力の条件のもとで水素を放出する「水素吸蔵合金」といわれる金属の利用が着目されている。そして、水素の供給を水素吸蔵合金を使用して行う水素エンジンや燃料電池自動車、あるいは水素吸蔵合金が水素を吸蔵・放出するときの発熱・吸熱を利用するヒートポンプ等の研究が行われている。
[0003]
水素吸蔵合金を水素貯蔵タンクに利用する場合、通常水素吸蔵合金粉末を水素ガスの導入口及び放出口を備えたタンクに充填した状態で使用される。水素吸蔵合金は水素の吸蔵・放出時に大きな膨張・収縮を生じるため、当初に粒径の大きな水素吸蔵合金を用いても吸蔵・放出を繰り返すと、最終的に微粉化する。また、粉末状の水素吸蔵合金が水素貯蔵タンク中で水素吸蔵時に膨張すると、この粉末は流動性を有さず移動し難いため、局所的にタンクに大きな圧力がかかりタンクの寿命が短くなる。タンクにこのような圧力が掛かるのを防止するため、通常は水素貯蔵タンクの内容積に対して、体積で40〜60%は空隙部としなければならなかった。これまで、当業者には、この空隙部は水素貯蔵のためには無駄な空間として認識されており、水素貯蔵タンク内の水素貯蔵密度を高くできない1つの原因とされていた。なお、本明細書中でいう水素吸蔵合金の体積は、嵩密度に基づく体積ではなく、真密度に基づく体積である。
[0004]
このような問題を解消するため、水素吸蔵合金を保持する水素貯蔵タンクにおいて、前記タンク内に存在する空隙部に、前記水素貯蔵タンクが置かれた温度における前記水素吸蔵合金の有する水素ガスのプラトー平衡圧を超える圧力の水素ガスが充填されていることを特徴とする水素貯蔵タンクが提案されている(特許文献1参照。)。そして、水素貯蔵タンクに充填される水素の圧力が25〜50MPaが好ましいとされている。
[0005]
ところで、水素吸蔵合金が水素を吸蔵するのは発熱反応であり、水素を放出するのは吸熱反応であるため、水素吸蔵合金に吸蔵された水素を円滑に放出させるには水素吸蔵合金を加熱する必要がある。
[0006]
また、燃料電池にはいくつかの種類があるが、自動車に使用するには小型で高出力であることが要求され、固体高分子型燃料電池が好適に使用される。固体高分子型燃料電池は、所定の温度(例えば、80℃付近)で効率よく発電が行われる。燃料電池は発熱反応のため、燃料電池の温度が前記所定の温度より上昇するのを抑制するため、冷却する必要がある。そのため、燃料電池には冷却液(熱媒体)が循環する冷却回路が設けられ、熱媒体が燃料電池内を通過する際に熱媒体が熱を奪って燃料電池を冷却し、熱媒体が放熱器(ラジエータ)を通過する際に熱媒体の熱を外気に放熱して熱媒体を冷却している。そこで、燃料電池で使用された熱媒体を水素吸蔵合金の加熱用に使用すれば、燃料電池と水素吸蔵合金とにそれぞれ独立して熱媒体の駆動系を設ける必要がなくなり、システムを小型化できる。例えば、燃料電池の運転時に水素吸蔵合金から水素を放出させるために水素吸蔵合金を所定温度に加熱するのに、燃料電池を冷却後の温度の高くなった熱媒体の供給量を調整することで、所望の水素放出量に制御できる。
patcit 1 : 特開2004−108570号公報(明細書の段落[0008]、[0011]、[0015])

Disclosure of Invention

Technical Problem

[0007]
水素貯蔵タンクへの水素充填時には、水素充填時間を短くするため水素吸蔵合金の冷却を行うが、従来は充填温度が比較的低い状態で、即ち燃料電池を冷却後の熱媒体の温度より低い温度で充填が行われていた。水素吸蔵合金の特性として、平衡圧(解離圧)をPとし、温度(ケルビン温度)をTとすると、Pの自然対数関数であるlnPと1/Tとの間にはTの広い範囲に渡って直線関係が成り立つことが知られており、一般に平衡圧は温度が高いほど大きい。
[0008]
例えば、組成式Ti 1.2Cr 1.2Mn 0.8で表される水素吸蔵合金は、10℃での解離圧約2MPaであり、この圧力以上の6MPaで充填しても、燃料電池の冷却後の熱媒体の温度80℃での解離圧は約12MPaである。そのため、この水素吸蔵合金を使用した水素貯蔵タンクを用いて、燃料電池に水素を供給する燃料電池システムでは、燃料電池の冷却に使用した熱媒体を使用して水素吸蔵合金を加熱する構成にすると、水素の満充填やそれに近い状態で、熱媒体の循環系の異常時に水素貯蔵タンクの内圧が充填圧力の約2倍となる虞がある。前記異常には、熱媒体の循環経路に設けられたバルブの異常、水素吸蔵合金の加熱放出の判断に用いるセンサの異常、制御装置の暴走、ポンプ駆動モータの停止不能等が考えられる。
[0009]
例えば、充填圧力は充填スタンドで管理して充填するため、タンクの許容値を超えることはないが、満充填の状態で故障等により、水素貯蔵タンクに燃料電池冷却後の熱媒体を流し続けると、水素吸蔵合金に吸蔵されていた水素のほとんどが放出されることになる。水素貯蔵タンクの内容積の50%を水素吸蔵合金が占有し、残りの50%に6MPaの水素を充填したとき、水素吸蔵合金に空間分と同量の水素が吸蔵されていると仮定すると、80℃の熱媒体を流し続けると水素吸蔵合金が吸蔵した水素はほぼ100%放出されることになる。そして、空間に充填時(6MPa)の水素量の2倍の水素が存在することになり、水素貯蔵タンクの内圧は12MPaになる。
[0010]
従って、従来技術では、水素貯蔵タンクを設計する際、許容圧力の設定は、単純に充填圧に係数を掛けるだけだと、その係数として大きな安全率を見込んだ値を使用する必要があり、水素貯蔵タンクに必要以上に耐圧性が要求されるとともに結果として水素貯蔵タンクの軽量化に支障を来すという問題がある。
[0011]
本発明の第1の目的は、燃料電池を冷却後の熱媒体が水素吸蔵合金を加熱し続けても、水素貯蔵タンク内の圧力が水素充填時の水素貯蔵タンクの内圧を超えることがなく、水素貯蔵タンクを設計する際、許容圧力の設定が容易になる水素貯蔵タンクの使用方法を提供することにある。また、第2の目的は、前記水素貯蔵タンクの使用方法を実施するのに適した 燃料電池システムを提供することにある。

Technical Solution

[0012]
前記第1の目的を達成するため、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の水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒体を使用する燃料電池システムにおける水素貯蔵タンクの使用方法である。そして、前記水素貯蔵タンクへの水素ガスの充填を前記燃料電池の定常運転時に達する前記熱媒体の最高温度以上の温度で、かつ前記水素吸蔵材の平衡圧以上の圧力で行い、前記水素吸蔵材からの水素の放出は前記充填完了時の水素吸蔵材の温度より低い温度で 、かつ前記水素吸蔵材の平衡圧未満の圧力で行う。ここで、「燃料電池の定常運転時」とは、燃料電池の暖機運転を終了して、燃料電池の内部温度が充分に昇温した状態を指す。
[0013]
この発明では、水素貯蔵タンクへの水素の充填が、水素放出時に水素吸蔵材を加熱するのに使用する熱媒体の最高温度以上の温度で、かつ当該温度における前記水素吸蔵材の平衡圧以上の圧力で行われ、水素吸蔵材からの水素の放出は前記充填時の温度より低い温度で 、かつ前記水素吸蔵材の平衡圧未満の圧力で行われる。従って、水素吸蔵材の加熱が不要にも拘わらず、熱媒体の循環系に異常が発生して、燃料電池を冷却後の熱媒体により水素吸蔵材が加熱され続けても、水素貯蔵タンク内の圧力は、水素充填時の水素貯蔵タンクの内圧を超えることはない。そのため、水素貯蔵タンクを設計する際、許容圧力の設定が容易になる。
[0014]
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、前記水素貯蔵タンクへの水素ガスの充填に伴う水素吸蔵材の発熱による昇温で水素吸蔵材の到達する最高温度が前記燃料電池の定常運転時に達する前記熱媒体の最高温度以上の温度である。従って、この発明では、水素吸蔵合金の発熱や充填する水素ガスの発熱や冷却装置による温度変化が伴っても、水素貯蔵タンクを設計する際、許容圧力の設定が容易になる。
[0015]
前記第2の目的を達成するため、請求項3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の水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒体を使用する燃料電池システムであって、前記水素貯蔵タンクには前記熱媒体の流路が設けられている。そして、前記流路に燃料電池を冷却後の熱媒体を流す状態で使用した際の熱媒体の最高温度において、当該温度における前記水素吸蔵材の平衡圧以上の圧力で 前記水素貯蔵タンクに水素が充填され この発明では、水素貯蔵タンクの水素を燃料電池に供給しない状態で燃料電池を冷却後の熱媒体が供給され続けても、水素貯蔵タンクの内圧は充填時の圧力を超えない。従って、水素貯蔵タンクを設計する際、許容圧力の設定が容易になる。
[0016]
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記水素吸蔵材は、前記充填の際の温度における前記水素吸蔵材の平衡圧が充填時の水素の圧力にほぼ等しい水素吸蔵合金である。水素吸蔵合金は、平衡圧(解離圧)をPとし、温度(ケルビン温度)をTとすると、lnPと1/Tとの間には直線関係がある。従って、前記充填の際の温度(例えば、80℃)における平衡圧が充填時の圧力にほぼ等しいと、例えば、−10〜−30℃程度の低温においても水素貯蔵タンクの内圧が0.5MPa程度になり、加圧せずに水素を燃料電池に供給できる。

Advantageous Effects

[0017]
本発明によれば、燃料電池を冷却後の熱媒体が水素吸蔵合金を加熱し続けても、水素貯蔵タンク内の圧力が水素充填時の水素貯蔵タンクの内圧を超えることがなく、水素貯蔵タンクを設計する際、許容圧力の設定が容易になる。

Best Mode for Carrying out the Invention

[0018]
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一実施形態を図1及び図2に従って説明する。図1は、燃料電池システムの概略構成図、図2は水素吸蔵合金の平衡圧(解離圧)の対数と、温度(℃)及び温度(ケルビン温度)の逆数との関係を示すグラフである。
[0019]
燃料電池システム10は、水素貯蔵タンク11、燃料電池12、コンプレッサ13及びラジエータ14を備えている。水素貯蔵タンク11、燃料電池12及びラジエータ14は熱媒流路15を介して連結されている。
[0020]
燃料電池12は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素貯蔵タンク11から供給される水素と、コンプレッサ13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。定常運転時に燃料電池12を冷却可能にするため、前記熱媒流路15の一部が熱交換部15aとして燃料電池12内に配置されている。
[0021]
水素貯蔵タンク11は、タンク16と、水素吸蔵材としての水素吸蔵合金MHを内部に収容した水素吸蔵用ユニット17と、タンク16内で水素吸蔵用ユニット17を支持する支持体18とを備えている。また、水素貯蔵タンク11内には、水素吸蔵合金MHとの間で熱交換を行う熱媒体の流路として、前記熱媒流路15の一部が熱交換部15bとして配置されている。この実施形態では熱媒体としてLLC(ロングライフクーラント)が使用されている。熱交換部15b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19が設けられている。水素吸蔵合金MHとしては公知のものを使用できるが、−30℃の低温でも平衡圧(解離圧)が大気圧より大きいものがこのましい。この実施形態ではTiCrMn系で、組成式Ti 1.2Cr 1.2Mn 0.8で表される水素吸蔵合金が使用されている。
[0022]
水素貯蔵タンク11は、燃料電池12の水素供給ポート(図示せず)に管路20を介して連結され、燃料電池12に水素を供給する。水素貯蔵タンク11は、例えば、約35MPaの高圧で水素を貯蔵し、図示しないバルブで圧力を減圧して燃料電池12に一定の圧力(例えば、0.3MPa程度)で供給する。
[0023]
コンプレッサ13は、燃料電池12の酸素供給ポート(図示せず)に管路21を介して連結され、燃料電池12に圧縮空気を供給する。コンプレッサ13は図示しないエアクリーナでゴミ等が除去された空気を圧縮して管路21に吐出するようになっている。
[0024]
ラジエータ14は、モータ22により回転されるファン23を備え、ラジエータ14からの放熱が効率よく行われるようになっている。
熱媒流路15の熱交換部15aの出口と、熱交換部15bの入口とを連結する部分15cの中間部にはポンプ24が設けられている。ポンプ24は、熱媒体を燃料電池12側から水素貯蔵タンク11側へ送るように設けられている。燃料電池12とラジエータ14との間の熱媒流路15と、部分15cのポンプ24より熱交換部15a側とがバイパス流路15dによって連結されている。部分15cとバイパス流路15dとの連結部には電磁三方弁25が設けられている。
[0025]
水素貯蔵タンク11とラジエータ14との間の熱媒流路15と、部分15cのポンプ24より熱交換部15b側とがバイパス流路15eによって連結されている。部分15cとバイパス流路15eとの連結部には電磁三方弁26が設けられている。
[0026]
前記コンプレッサ13、モータ22、ポンプ24、電磁三方弁25,26は、制御装置27からの指令によって運転あるいは切換え制御されるようになっている。ポンプ24は制御装置27からの指令信号に基づいて駆動、停止及び流量変更が可能になっている。制御装置27には、燃料電池12の温度を検出する温度センサ(図示せず)の検出信号と、水素貯蔵タンク11内の圧力を検出する圧力センサ(図示せず)の検出信号とが入力される。
[0027]
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
燃料電池12は、環境温度が燃料電池12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27は環境温度を計測する温度センサ(図示せず)の検出信号に基づいて、環境温度が前記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。
[0028]
通常運転時には、水素貯蔵タンク11から水素が燃料電池12のアノード電極側に供給される。また、コンプレッサ13が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池12のカソード電極側に供給される。
[0029]
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12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、熱媒流路15内をラジエータ14で冷却された熱媒体が循環される。また、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12の冷却後の温まった熱媒体が水素吸蔵合金MHの加熱に使用される。
[0030]
制御装置27は、燃料電池12の運転時には、電磁三方弁25を熱媒体がバイパス流路15dを流れずに部分15cを流れる状態、即ちラジエータ14から排出された熱媒体が燃料電池12の熱交換部15aを流れる状態に保持する指令信号を出力する。また、制御装置27は、水素貯蔵タンク11内の圧力を検出する圧力センサの検出信号に基づいて、電磁三方弁26を熱媒体が水素貯蔵タンク11へ供給される状態と、水素貯蔵タンク11へ供給されずにバイパス流路15eからラジエータ14へ向かう流れとなる状態とに切り換える指令信号を出力する。
[0031]
水素貯蔵タンク11に水素ガスを充填(貯蔵)する際、即ち水素吸蔵合金MHに水素ガスを吸蔵させる場合は、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11を水素供給部としての水素カードル30の水素充填配管にカプラ(図示せず)を介して接続する。そして、水素カードル30と水素貯蔵タンク11の圧力差により、水素貯蔵タンク11に水素ガスを充填する。
[0032]
水素カードル30から水素貯蔵タンク11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は、熱媒流路15を流れる熱媒体が、燃料電池12及びバイパス流路15eを流れず、バイパス流路15d、部分15c、熱交換部15bを通って水素貯蔵タンク11とラジエータ14との間で循環する状態となるように、電磁三方弁25,26が切り換えられる。
[0033]
この実施形態では、水素ガスの充填は満充填時の温度が、水素貯蔵タンク11への水素ガスの充填を燃料電池12の定常運転時に達する熱媒体の最高温度以上の温度で、かつ水素吸蔵合金MHの平衡圧以上の圧力で行う。前記最高温度は80℃のため、満充填時の温度が80℃以上で充填が行われる。また、水素貯蔵タンク11には満充填状態において所定圧力(例えば、35MPa)に水素ガスが充填されるようになっている。水素吸蔵合金MHの平衡圧は、100℃以下では10MPa以下であり、充填は充填温度における水素吸蔵合金MHの平衡圧以上の圧力で行われる。
[0034]
水素吸蔵合金MHによる水素ガスの吸蔵を円滑に行わせるため、熱媒流路15にはラジエータ14で冷却された熱媒体が循環されて水素貯蔵タンク11内の水素吸蔵合金MHが冷却される。水素ガスの充填を短時間で行う場合、水素吸蔵合金MHから発生する熱により、水素貯蔵タンク11内の温度は、定常運転時の燃料電池12を冷却後の熱媒体の温度80℃以上に簡単に達する。そして、水素貯蔵タンク11の熱交換部15bに流れる熱媒体の単位時間当たりの量と、ファン23の風量を調整することにより、水素貯蔵タンク11内の温度が、燃料電池12の定常運転時に達する熱媒体の最高温度以上の所定の温度(例えば、100℃)に調整され、満充填になるまで水素ガスが充填される。水素貯蔵タンク11内の圧力が35MPaに到達した時点で充填が終了する。
[0035]
燃料電池12に水素ガスを供給する場合には、水素貯蔵タンク11は、水素貯蔵タンク11の空間内に存在する水素を図示しない減圧弁で一定の圧力に調整して燃料電池12に供給する。制御装置27は、水素貯蔵タンク11内の圧力が予め設定された第1の設定圧力以下になると熱媒体が水素貯蔵タンク11を加熱する状態、即ち熱媒体が熱交換部15bを流れる状態に電磁三方弁26を切り換える指令信号を出力する。また、水素貯蔵タンク11内の圧力が予め設定された第2の設定圧力以上になると、熱媒体が水素貯蔵タンク11内を流れない状態に電磁三方弁26を切り換える指令信号を出力する。
[0036]
水素貯蔵タンク11から燃料電池12への水素ガスの供給は、満充填時の温度より低い温度で行われる。従って、水素貯蔵タンク11内の空間に充填された水素の圧力が、当該温度における水素吸蔵合金MHの平衡圧未満になるまで、水素吸蔵合金MHから水素は放出されず、空間に充填された水素が燃料電池12へ供給される。例えば、水素貯蔵タンク11の温度に相当する外部環境の温度が30℃であれば、平衡圧は約3.5MPaである。そして、燃料電池12へ供給すべき水素の圧力がその平衡圧未満であれば、減圧弁を介して必要な圧力の水素ガスを燃料電池12へ供給できる。そして、その間は水素の吸蔵、放出が行われないため、水素吸蔵合金MHの加熱や冷却は不要なため、熱媒流路15内の熱媒体が熱交換部15bを通過しない状態に電磁三方弁25,26が切り換えられる。
[0037]
水素貯蔵タンク11内の圧力が平衡圧未満になると、水素吸蔵合金MHから水素の放出が起こる。そして、水素の放出は吸熱反応で、加熱を行わないと反応が円滑に進まないため、水素貯蔵タンク11の加熱が必要となる。制御装置27は、水素貯蔵タンク11内の圧力が、前記第1の設定圧力と第2の設定圧力との間となるように、熱媒体が水素貯蔵タンク11内を流れる状態と流れない状態とに電磁三方弁26を切り換える。
[0038]
制御装置27は、熱媒体による加熱を予め設定された所定時間継続しても第1の設定圧力に達しない状態になった時点で水素の充填が必要と判断する。そして、報知手段(例えばランプ等の表示部)を駆動させる。
[0039]
水素吸蔵合金MHは、平衡圧より低い圧力の状態で、必要な熱が供給されれば、吸蔵している水素を放出し続ける。そして、水素貯蔵タンク11には水素放出時に水素吸蔵合金MHを加熱するために熱媒体の流路である熱媒流路15の熱交換部15bが設けられている。従って、満充填又はそれに近い状態で、電磁三方弁25,26の故障等で、燃料電池12を冷却後の熱媒体が継続して水素貯蔵タンク11に流れる状態になると、発明が解決しようとする課題で述べたような問題が生じる。即ち、水素貯蔵タンク11内の圧力が満充填時の圧力の2倍以上になる場合が起こる。
[0040]
従って、従来技術では、水素貯蔵タンク11を設計する際、許容圧力の設定は、単純に充填圧に係数を掛けるだけだと、その係数として大きな安全率を見込んだ値を適用する必要があり、水素貯蔵タンク11に必要以上に耐圧性が要求されるとともに結果として水素貯蔵タンク11の軽量化に支障を来す。しかし、この実施形態では、電磁三方弁26の異常や制御装置27の異常等で、燃料電池12を冷却後の熱媒体が水素吸蔵合金MHを加熱し続けても、水素貯蔵タンク11内の圧力が水素充填時の水素貯蔵タンク11の内圧を超えることがない。
[0041]
この実施形態では以下の効果を有する。
(1)燃料電池12への水素の供給が水素吸蔵合金MHを内蔵した水素貯蔵タンク11から行われ、水素吸蔵合金MHの加熱に燃料電池12を冷却後の熱媒体が使用される。そして、水素貯蔵タンク11への水素の充填が、定常運転時の燃料電池12を冷却後の熱媒体の最高温度以上の温度で、かつ当該温度における水素吸蔵合金MHの平衡圧以上の圧力で行われ、水素の使用は前記充填時の温度より低い温度で行われる。従って、水素吸蔵合金MHの加熱が不要にも拘わらず、熱媒体の循環系に異常が発生して、燃料電池12を冷却後の熱媒体により水素吸蔵合金MHが加熱され続けても、水素貯蔵タンク11内の圧力は、水素充填時の水素貯蔵タンク11の内圧を超えることはない。そのため、水素貯蔵タンク11を設計する際、許容圧力の設定が容易になる。
[0042]
(2)水素吸蔵合金MHに水素ガスを充填する際の温度を外気温程度で行うと、水素吸蔵合金MHを冷却するための熱媒体の温度を外気温より低く冷却する必要があるため、例えば、ラジエータ14に外気を送風する構成では冷却できず、他の冷却手段が必要となる。しかし、水素ガスの充填温度が定常運転時の燃料電池12を冷却後の熱媒体の最高温度以上の温度のため、熱媒体の温度は外気温より高くても良く、熱冷媒の冷却を外気が送風されるラジエータ14で行うことができる。
[0043]
(3)水素貯蔵タンク11に収容されている水素吸蔵合金MHとして、TiCrMn系で、組成式Ti 1.2Cr 1.2Mn 0.8で表される水素吸蔵合金が使用されている。従って、その平衡圧が0℃においても1MPa以上のため、加熱せずに水素吸蔵合金から水素を放出できる温度範囲が広くなる。
[0044]
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 燃料電池システム10は、水素貯蔵タンク11の加熱に燃料電池12を冷却後の熱媒体を使用可能な構成であればよく、熱媒体が燃料電池12内の熱交換部15aを経て水素貯蔵タンク11の熱交換部15bに供給される状態と、熱交換部15aを経ずに熱交換部15bに供給される状態とに切り換え可能でなくてもよい。例えば、燃料電池12とラジエータ14との間の熱媒流路15と、部分15cとを連結するバイパス流路15dをなくして、図3に示すように、熱交換部15aより上流側にポンプ24を設ける。この場合、電磁三方弁26の切り換え制御により、熱交換部15aを通過した熱媒体を水素貯蔵タンク11の熱交換部15bに供給する状態と、直接ラジエータ14へ供給する状態とに切り換えられる。従って、燃料電池12の熱交換部15aを通った熱媒体のみが水素貯蔵タンク11の熱交換部15bに供給されるが、水素充填時には燃料電池12が運転されていない状態で行われるため、水素吸蔵合金MHの冷却には支障はない。この場合、電磁三方弁25を省略できるため、熱媒体の循環系の構成が簡単になる。
[0045]
○ 燃料電池システム10は、水素貯蔵タンク11から供給される水素ガスを直接燃料電池12に供給する構成に限らず、水素貯蔵タンク11から供給される水素ガスをコンプレッサで所定の圧力に加圧して燃料電池12に供給する構成としてもよい。この場合、水素貯蔵タンク11内の水素ガスの圧力が大気圧程度になるまで、水素ガスを燃料電池12に円滑に供給することができ、同じ充填量であっても次の充填までの間隔を長くすることができる。
[0046]
○ 水素吸蔵合金MHは、充填の際の温度における平衡圧が充填時の圧力にほぼ等しい水素吸蔵合金としてもよい。この場合、充填の際の温度(例えば、80℃)における水素吸蔵合金MHの平衡圧が充填時の圧力よりずっと低い(例えば、1/10未満)場合に比較して、水素貯蔵タンク11に満充填された状態での水素貯蔵タンク11に貯蔵される水素量が多くなる。なぜならば、水素貯蔵タンク11に貯蔵される水素量は、水素吸蔵合金に吸蔵された量と空間に貯蔵された量の合計になる。そして、充填の際の温度における平衡圧が低い水素吸蔵合金MHに高い充填圧力をかけると温度が上昇する、高圧水素部分の充填量はおおむね温度に反比例するため高温になるほど減少してしまうからである。また、水素吸蔵合金の平衡圧(解離圧)をPとし、温度(ケルビン温度)をTとすると、lnPと1/Tとの間には直線関係がある。そして、前記充填の際の温度(例えば、80℃)における平衡圧が充填時の圧力にほぼ等しいと、例えば、0℃程度においても水素貯蔵タンクの内圧が0.5MPa以上になり、加圧せずに水素を燃料電池に供給できる温度範囲が広くなる。
[0047]
○ 水素吸蔵合金MHとして80℃の平衡圧が35MPa〜40MPaのものを使用してもよい。現在、水素吸蔵合金を使用しない高圧タンクに水素ガスを充填する水素ステーションとして、高圧タンクに35MPaで水素ガスを充填することが考えられ、一部実施されている。この場合、水素貯蔵タンクを自動車に搭載する燃料電池システムに使用した場合、満充填を80℃、35MPa以上で行うことができ、現在考えられている水素ステーションでの水素充填に容易に対応できる。
[0048]
○ 燃料電池12は固体高分子型の燃料電池に限らず、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10は、1つの燃料電池12と1つの水素貯蔵タンク11とが連結された構成に限らず、1つの燃料電池12に複数の水素貯蔵タンク11から水素を供給するシステムとしてもよい。
[0049]
○ 燃料電池システム10は車両用に限らない。例えば、車両以外の移動体用の燃料電池システムに適用したり、家庭用のコジェネレーションシステムに適用したりしてもよい。
[0050]
○ 水素貯蔵タンク11への水素ガスの充填は、必ずしも水素貯蔵タンク11への水素ガスの充填を燃料電池12の定常運転時に達する熱媒体の最高温度以上の温度で行う必要はない。問題としているのは最悪条件の場合であって、その状態とはタンクの残量が僅かであって水素吸蔵合金MHから水素を放出させるために最高温度の熱媒を流しつづけた直後に最高充填圧力で充填する場合に水素吸蔵合金MHの温度が最高温度となる。しかし、このような時の温度が熱媒体の最高温度以上になる充填条件が存在すれば万一最高温度の熱媒体が予期せぬ状態で流れても充填圧力を大きく超える非常事態には至らない。
[0051]
○ 家庭用のコジェネレーションシステムに適用する場合、水素貯蔵タンク11への水素の充填を家庭に設置された水素貯蔵タンク11に対して行うのではなく、現在のLPガスのように、ガス会社で充填した満充填された水素貯蔵タンクと使用済みの水素貯蔵タンクとを交換する構成としてもよい。
[0052]
○ 水素貯蔵タンク11は水素吸蔵合金以外の水素吸蔵材、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。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
[0053]
(1 )前記水素吸蔵材は、80℃の平衡圧が35〜40MPaである。
(2 )前記燃料電池は車両の駆動源に使用される。

Brief Description of Drawings

[0054]
[fig. 1] 一実施形態の燃料電池システムの概略構成図。
[fig. 2] 水素吸蔵合金の平衡圧と、温度の関係を示すグラフ。
[fig. 3] 別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

符号の説明

[0055]
MH…水素吸蔵材としての水素吸蔵合金、10…燃料電池システム、11…水素貯蔵タンク、12…燃料電池、15…流路としての熱媒流路。

Claims

[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の水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒体を使用する燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵タンクへの水素ガスの充填を前記燃料電池の定常運転時に達する前記熱媒体の最高温度以上の温度で、かつ前記水素吸蔵材の平衡圧以上の圧力で行い、前記水素吸蔵材からの水素の放出は前記充填完了時の水素吸蔵材の温度より低い温度で 、かつ前記水素吸蔵材の平衡圧未満の圧力で行うことを特徴とする水素貯蔵タンクの使用方法。
[2]
前記水素貯蔵タンクへの水素ガスの充填に伴う水素吸蔵材の発熱による昇温で水素吸蔵材の到達する最高温度が前記燃料電池の定常運転時に達する前記熱媒体の最高温度以上の温度である請求項1に記載の水素貯蔵タンクの使用方法。
[3]
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の水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒体を使用する燃料電池システムであって、
前記水素貯蔵タンクには前記熱媒体の流路が設けられ、前記流路に燃料電池を冷却後の熱媒体を流す状態で使用した際の熱媒体の最高温度において、当該温度における前記水素吸蔵材の平衡圧以上の圧力で 前記水素貯蔵タンクに水素が充填され る燃料電池システム
[4]
前記水素吸蔵材は、前記充填の際の温度における前記水素吸蔵材の平衡圧が充填時の水素の圧力にほぼ等しい水素吸蔵合金である請求項3に記載の 燃料電池システム

Drawings

[ Fig. 1]

[ Fig. 2]

[ Fig. 3]