JP2004253258A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】移動体において、主に始動時、及び車両等の加速時、ならびに登坂走行等に必要となる高負荷時に必要水素量を安定して供給し、円滑な運転を可能とする燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンク１０１と、水素吸蔵タンク１０１から放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンク１０２と、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２とを連通するように接続するタンク連結配管１０４と、タンク連結配管１０４の中間に位置する三方管１０５から分岐した水素供給配管１０８と、水素供給配管１０８に接続されて、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２の双方又は一方から可変的に水素が負極側に供給される燃料電池スタック１０３と、水素吸蔵タンク１０１に設けられた水素充填部１１０とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンク１０１と、水素吸蔵タンク１０１から放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンク１０２と、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２とを連通するように接続するタンク連結配管１０４と、タンク連結配管１０４の中間に位置する三方管１０５から分岐した水素供給配管１０８と、水素供給配管１０８に接続されて、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２の双方又は一方から可変的に水素が負極側に供給される燃料電池スタック１０３と、水素吸蔵タンク１０１に設けられた水素充填部１１０とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や輸送用機器などの移動体に用いられる、水素を利用する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、深刻化する地球環境問題を解決するために、クリーンなエネルギー源として水素を利用して電気化学的にエネルギーを取り出す燃料電池が注目を浴びている。水素供給源としては、水素を高圧で圧縮充填した水素高圧タンクや水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵タンクが一般的である。しかし、これら水素高圧タンクや水素貯蔵タンクをそれぞれ単独で用いる場合には以下のような問題点がある。
【０００３】
すなわち、水素高圧タンクを単独で用いる場合では、長時間の運転、又は航続走行距離を確保するために、超高圧（２５〜７０ＭＰａ）での水素充填が必要となる。このように、一般に用いられているボンベより高い圧力を要求されるため、専用の耐圧設計が必要となりコスト高となる。また、水素高圧タンクを単独で用いる場合、単位容積あたりの水素貯蔵量も０．０２５〜０．０４５ｇ／ｃｃと小さいため、タンク容積が大きくなったり、タンクの形状が複雑になると共に、制御が非常に複雑となる問題がある。
【０００４】
一方、水素吸蔵タンクを単独で用いる場合は、始動時の応答性、急速負荷時の応答性に問題がある。水素貯蔵タンクに充填された水素吸蔵合金は、水素放出にに対して３０〜４０ｋＪ／ｍｏｌＨ２の吸熱反応を示す。水素吸蔵合金を充填したタンクの圧力と温度の関係は、例えば図１４に示すように、タンクの温度の上昇に伴ってタンク圧力が上昇する。従って、燃料電池の始動時のタンクからの水素放出に伴って吸熱反応が起こってタンクの温度が上昇しないと、水素圧力が上昇しないという問題点がある。また、燃料電池に急速に負荷がかかったときのように、急激にタンクから水素を取り出そうとすると、吸熱反応により水素吸蔵タンクの温度が低下し、それに伴って水素圧力が低下するため、十分な水素供給が不可能となるという問題がある。このような応答性を改善するために、水素吸蔵材料を備えた複数の吸蔵タンクと、水素吸蔵材料を備えた複数の放出タンクとを備え、吸蔵タンクで水素を吸蔵する一方で、放出タンクでは吸蔵タンクから放出された水素を各タンクで交互に吸収し、水素吸収に伴うタンク内の発熱を利用して当接する隣のタンクの加熱を行い、水素の吸蔵と放出とをスイングさせるという技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２９１５２４号公報（第１頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各タンクでの水素の吸蔵、放出をスイング運転する方法においては、スイングさせる２つのタンクの吸蔵・放出の均衡がくずれた場合、十分な水素供給が不可能となる場合も考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、自動車及び輸送用機器などの移動体において、主に始動時、及び車両等の加速時、ならびに登坂走行等に必要となる高負荷時に必要水素量を安定して供給し、円滑な運転を可能とする燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、燃料電池システムであって、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続されて、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクの双方又は一方から可変的に水素が負極側に供給される燃料電池スタックと、前記水素吸蔵タンク、前記水素高圧バッファタンク、及び前記タンク連結配管の少なくとも１箇所に設けられた水素充填部と、を備えることを要旨とする。
【０００９】
第１の特徴に係る発明では、水素吸蔵タンクが水素放出量が少ない状態において水素が備蓄された水素高圧バッファタンクのみ、又は水素吸蔵タンクと共に燃料電池スタックへタンク連結配管及び水素供給配管を介して水素供給を行うことが可能である。また、水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタックの水素需要量よりも大きくなった場合は、連結配管を介して水素高圧バッファタンクへ水素を供給して水素高圧バッファタンクへ水素を備蓄させることが可能となる。さらに、システムへ水素を導入するための水素充填部は、水素吸蔵タンク、水素高圧バッファタンク、及びタンク連結配管の少なくとも１箇所に設けることにより、水素吸蔵タンクと水素高圧バッファタンクとの双方に水素充填が可能となる。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給することを要旨とする。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックと、前記タンク連結配管における前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に設けられた、前記分岐部側から前記水素吸蔵タンク側へ水素が流れることを防止する逆流防止弁と、前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間に設けられた開閉制御部と、前記水素供給配管の中間部に設けられた供給量制御部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記開閉制御部を開いて前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方で、前記燃料電池スタックに水素を供給すると共に、前記供給量制御部で水素供給量を制御して必要水素量を前記燃料電池スタックへ供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給・備蓄させ、前記水素高圧バッファタンクに所定量の水素が貯蔵された状態で前記開閉制御部を閉じることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第４の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックと、前記タンク連結配管の前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に設けられた第１流通制御部と、前記タンク連結配管の前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間の位置に設けられた第２流通制御部と、前記第１流通制御部の前記水素吸蔵タンク側の前記タンク連結配管と、前記第２流通制御部の前記水素高圧バッファタンク側の前記タンク連結配管とを連通させるバイパス配管と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記第１流通制御部で前記タンク連結配管を閉又は流量を減少するように制御し、前記第２流通制御部で流量を大きくするように制御して、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記第１流量制御部の流量を大きくし、且つ前記第２流量制御部を閉じて、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記バイパス配管を介して前記水素高圧バッファタンクに供給・備蓄させることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第５の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックとを備え、前記水素吸蔵タンク内に熱交換器が設置されると共に、該熱交換器に前記燃料電池スタックで発生した蒸気及び熱水からなる生成水を導く排水管が接続され、前記熱交換器に流通させる生成水の流量を制御する水量制御部を備えるている燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給し、前記水量制御部は、前記水素吸蔵タンク内の温度が、前記水素吸蔵材料が水素を放出する適正温度となるように熱交換器内を流通する生成水の水量制御を行うことを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
第１の特徴に係る発明によれば、水素吸蔵タンクと高圧水素バッファタンクとを用いることにより、例えば、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階のいずれにおいても、燃料電池スタック側での水素需流量を安定して供給することが可能となるため、円滑な燃料電池の運転ができるようになる。また、水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタックの水素需要量よりも大きくなった場合は、タンク連結配管を介して水素高圧バッファタンクへ水素を供給して水素高圧バッファタンクへ水素を備蓄させることが可能であるため、次に水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタック側の水素需要量を下回るときに、再度、水素高圧バッファタンクから水素を補うことができる。さらに、この第１の特徴に係る発明によれば、水素高圧バッファタンクは、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階などの場合に用いるため、すなわち、水素吸蔵タンクが燃料電池スタック側の水素需要量に追いつくまでの間に用いるため、大容量のタンクである必要がなく、システム全体が大型化することを抑制することができる。また、この発明によれば、水素充填部は、水素吸蔵タンク、水素高圧バッファタンク、及びタンク連結配管のいずれか１箇所に設けることでシステム全体に水素を供給することも可能となる。
【００１５】
第２の特徴に係る発明によれば、水素吸蔵タンクと高圧水素バッファタンクとを用いることにより、例えば、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階のいずれにおいても、燃料電池スタック側での必要水素流量を安定して供給することが可能となるため、円滑な燃料電池の運転ができるようになる。また、水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタックの水素需要量よりも大きくなった場合は、連結配管を介して水素高圧バッファタンクへ水素を供給して水素高圧バッファタンクへ水素を備蓄させることが可能であるため、次に水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタック側の水素需要量を下回るときに水素高圧バッファタンクから水素を補うことができる。さらに、この第２の特徴に係る制御方法によれば、水素高圧バッファタンクは、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階などの場合に用いるため、すなわち、水素吸蔵タンクが燃料電池スタック側の水素需要量に追いつくまでの間に用いるため、大容量のタンクである必要がなく、システム全体が大型化することを抑制することができる。
【００１６】
第３の特徴に係る発明によれば、燃料電池スタックから要求される負荷変動に応じた必要水素量を水素吸蔵タンク単独では供給不可能な場合（低温時、燃料電池システム始動時、及び急激な高負荷時、連続高負荷時初期段階の場合）、又は、燃料電池からの廃熱を利用した水素発生に応答遅れが生じる場合において、高圧水素バッファタンクからの供給で水素供給不足を補う制御により、スムーズな運転を行うことが可能となる。また、低温時、燃料電池システム始動時において水素吸蔵タンクの圧力が水素バッファタンクの圧力より低くなるが、水素バッファタンクから水素吸蔵タンクへの水素移動、逆流を防止するため、水素吸蔵タンクの出口の下流側に逆流防止弁が設けることで解決することが可能となり、システム全体の構成を簡単にすることができる。
【００１７】
第４の特徴に係る発明によれば、水素吸蔵タンクと分岐部との間のタンク連結配管に設けられた第１流通制御部と、高圧水素バッファタンクと分岐部との間のタンク連結配管に設けられた第２の流通制御部とを備えたことにより、タンク連結配管の通過水素の流量制御を正確に行うことができる。
【００１８】
第５の特徴に係る発明によれば、燃料電池スタックの廃熱を利用しながら水素吸蔵タンクからの水素発生を促進させることができるほか、燃料電池スタックの廃熱を促進することになるため、例えばこの燃料電池システムを自動車などの移動体に適用した場合にラジエータを小型化することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
［燃料電池システム］
図１は本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、水素吸蔵タンク１０１と、水素高圧バッファタンク１０２と、燃料電池スタック１０３と、水素吸蔵タンク１０１及び水素高圧バッファタンク１０２とを連結するタンク連結配管１０４と、タンク連結配管１０４の中間部に介在される分岐部としての三方管１０５と、この三方管１０５の分岐口１０５Ａと燃料電池スタック１０３の正極１０７とを接続する水素供給配管１０８と、水素吸蔵タンク１０１内に配置された熱交換器１０９と、を備えて大略構成されている。
【００２１】
先ず、水素吸蔵タンク１０１の構成を説明する。本実施の形態では、燃料電池システム１００全体に水素を導入するための水素充填部１１０が、水素吸蔵タンク１０１に設けられている。この水素吸蔵タンク１０１内には、水素吸蔵材料が充填されると共に、図１に示すように熱交換器１０９が配置されている。この熱交換器１０９には、配水管である生成水供給配管１１１を介して、燃料電池スタック１０３の正極１１２側から排出される蒸気及び熱水でなる生成水が供給されるようになっている。なお、燃料電池スタック１０３は、上記した負極１０７と正極１１２とで固体電解質部１１３を挟持した構成となっている。
【００２２】
ここで、水素吸蔵タンク１０１内に充填される水素吸蔵材料としては、使用温度範囲における水素解離平衡圧が０．１１〜１４ＭＰａの範囲であることことが望ましい。０．１１ＭＰａ未満では、水素を取り出すことが困難となり、また、１４ＭＰａを超えるとタンクの耐圧設計が厳しくなり、結果としてタンクの重量も重くなり、コスト的にも不利となる。
【００２３】
次に、タンク連結配管１０４の構成について説明する。タンク連結配管１０４は、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２とを連結するように接続されている。タンク連結配管１０４の中間部には、上記した三方管１０５が配置されている。この三方管１０５は、両端の分岐口１０５Ｂ、１０５Ｃでタンク連結配管１０４に接続されて、タンク連結配管１０４と一体となっている。この三方管１０５の他の一つの分岐口１０５Ａには、水素供給配管１０８が接続されている。
【００２４】
このタンク連結配管１０４における水素吸蔵タンク１０１の直ぐ下流側には、水素吸蔵タンク１０１からの水素の放出圧力を検出する一次圧指示計１１４が設けられている。この一次圧指示計１１４の下流側には、バイパス用三方管１１５が接続されている。この吸蔵タンク側のバイパス用三方管１１５の両端の分岐口１１５Ｂ、１１５Ｃはタンク連結配管１０４に接続され、他の一つの分岐口１１５Ａには、バイパス配管１１６の一方の端部が接続されている。そして、タンク連結配管１０４におけるバイパス用三方管１１５の下流側には、分岐部である三方管１０５に至るまでに、第１流通制御部としての、開閉弁付きの吸蔵タンク側レギュレータ１１７、二次圧指示計１１８、逆流防止弁１１９が、順次配置されている。なお、逆流防止弁１１９は、三方管１０５から水素吸蔵タンク１０１へ向けて水素が逆流することを防止している。
【００２５】
また、タンク連結配管１０４における分岐部としての三方管１０５と水素高圧バッファタンク１０２との間には、水素高圧バッファタンク１０２から三方管１０５へ向けて、順次、一次圧指示計１２０、水素高圧バッファタンク１０２側のバイパス用三方管１２１、第２流通制御部としての、開閉弁付きの高圧タンク側レギュレータ１２２、二次圧指示計１２３が設けられている。なお、三方管１２１の両端の分岐口１２１Ｂ、１２１Ｃは、タンク連結配管１０４に接続されている。また、三方管１２１の他の一つの分岐口１２１Ａには、上述したバイパス配管１１６の他方の端部が接続されている。なお、このバイパス配管１１６の中間部には、水素高圧バッファタンク１０２側から水素吸蔵タンク１０１側へ水素が流れることを防止する逆流防止弁１２４が設けられている。また、水素供給配管１０８の中間部には、供給量制御部としてのガス流量コントローラ１２５が設けられている。
【００２６】
次に、熱交換器１０９への生成水供給系統の構成を説明する。上述した生成水供給配管１１１の中間部には、送液ポンプ１２６が設けられている。また、生成水供給配管１１１の送液ポンプ１２６の下流側は、弁機能付きの三方管１２７の分岐口１２７Ａ、１２７Ｃとを介して熱交換器１０９の冷媒入口側に接続されている。この三方管１２７は、配流制御を行う弁機能、及び水量制御を行う機能を備えた水量制御部としてのレギュレータ１３０を備えている。熱交換器１０９の冷媒出口側には、排水配管１２８が接続されている。そして、排水配管１２８の中間部には、三方管１２９が設けられている。この三方管１２９の両端の分岐口１２９Ｂ、１２９Ｃには、排水配管１２８が接続され、他の一つの分岐口１２９Ａは、熱交換器１０９を経た生成水を排出するようになっている。三方管１２９の分岐口１２９Ｂに接続された排水配管１２８は、上述したレギュレータ１３０を備える三方管１２７の分岐口１２７Ｂに接続されている。なお、生成水供給配管１１１により熱交換器１０９へ供給される生成水は、燃料電池スタック１０３で生成された生成水の一部でもよいし全部でもよい。
【００２７】
次に、このような構成の燃料電池システム１００の作用・動作について説明する。
【００２８】
本実施の形態に係る燃料電池システム１００においては、水素貯蔵系の水素充填は、図示しない配管を用いて水素充填部１１０から水素吸蔵タンク１０１へ行う。水素充填の際は、吸蔵タンク側レギュレータ１１７と高圧タンク側レギュレータ１２２の開閉弁を共に閉じておく。このため、水素吸蔵タンク１０１に充填されると共に、水素吸蔵タンク１０１に連通するタンク連結配管１０４、バイパス用三方管１１５、バイパス配管１１６、三方管１２１、タンク連結配管１０４を介して水素高圧バッファタンク１０２へ水素の充填が行われる。そして、水素高圧バッファタンク１０２近傍の一次圧指示計１２０が所望の圧力となり、且つ水素吸蔵タンク１０１からの水素の放出圧力を検出する一次圧指示計１１４が所望の圧力を示す状態で、水素充填部１１０から水素を充填することを停止する。なお、この状態では、水素充填部１１０に設けられた、図示しない逆流防止弁により、水素吸蔵タンク１０１から水素がタンク外部に放出されないようになっている。
【００２９】
次に、例えば、低温時、燃料電池システム１００の始動時においては、水素吸蔵タンク１０１では、タンクが冷えているため、タンク内の水素吸蔵材料に吸蔵された水素は放出されにくく、圧力が低下して状態となっている。このため、水素吸蔵タンク１０１のみでは、燃料電池スタック１０３の負荷に対応する流量の水素を賄うことはできないため、高圧タンク側レギュレータ１２２の開閉弁を開いて、水素高圧バッファタンク１０２側から水素を供給する。このとき、水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力は、水素吸蔵タンク１０１側の水素圧力よりも高いが、逆流防止弁１１９及び１２４を備えているため、タンク連結配管１０４及びバイパス配管１１６を介して水素が水素吸蔵タンク１０１へ流れることはない。なお、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が低いときには、上述したようにレギュレータ１２２の開閉弁を開くだけでよいが、水素吸蔵タンク１０１側に位置するレギュレータ１１７の開閉弁を閉じておく。
【００３０】
その後、燃料電池スタック１０３の作動に伴って、正極１１２側に生成された生成水（蒸気及び熱水）の量及び温度が増加する。このとき、生成水供給配管１１１に設けられた三方管１２９が生成水が熱交換器１０９へ流れるように、配流制御を行う弁機能、及び流量制御を行う機能を備えたレギュレータ１３０を制御しておく。
【００３１】
そして、水素吸蔵タンク１０１内の水素吸蔵材料が熱交換器１０９で温められて、水素の放出量が大きくなり、水素圧力が高くなる。その後、一次圧指示計１１４が所望の水素放出圧力を検出したときに、レギュレータ１１７の開閉弁を開く。すると、水素吸蔵タンク１０１から放出された水素は、三方管１０５を介して燃料電池スタック１０３に流れる。このとき、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２を閉じる。なお、水素供給配管１０８に流す水素流量は、ガス流量コントローラ１２５で、燃料電池スタック１０３の負荷に対応する水素需要量となるように制御される。
【００３２】
その後、燃料電池システム１００の暖機後の定常運転時及び負荷低下などの場合には、水素吸蔵タンク１０１から水素圧力が充分に高くなり、且つ水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力よりも高くなると、水素供給は移管１０８に供給する水素流量以外に余裕が生じ、水素高圧バッファタンク１０２側へ水素を備蓄することが可能となる。なお、水素吸蔵タンク１０１から水素高圧バッファタンク１０２への水素の備蓄は、バイパス配管１１６を介して水素の送出が行われる。
【００３３】
また、この燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０３の正極１１２側から排出された生成水（蒸気及び熱水）は生成水供給配管１１１を経由して、送液ポンプ１２６により三方管１２７に送り込まれる。水素の供給を促進するときは三方管１２７を水素吸蔵タンク側に開放し、生成水を水素吸蔵タンク１０１の昇温に用いる。水素吸蔵タンク１０１内で熱交換器１０９を通過して冷却された生成水は、三方管１２９を経由し、分岐口１２９Ａより排出される。一方、水素吸蔵タンク１０１が充分に温まって、水素供給を促進する必要がない場合は、三方管１２７から熱交換器１０９へ生成水を流す必要がないため、三方管１２７を経て熱交換器１０９へ生成水が流れないように弁機能を有するレギュレータ１３０を制御して、生成水を三方管１２９側に流し、三方管１２９の分岐口１２９Ａより生成水を排出させる。
【００３４】
以上、本実施の形態の燃料電池システム１００について説明したが、この燃料電池システム１００では、水素吸蔵タンク１０１が水素放出量が少ない状態において水素が備蓄された水素高圧バッファタンク１０２のみ、又は水素吸蔵タンク１０１との併用で、燃料電池スタック１０３へタンク連結配管１０４及び水素供給配管１０８を介して水素供給を行うことが可能である。
【００３５】
また、本実施の形態において、水素吸蔵タンク１０１の水素放出量が燃料電池スタック１０３の水素需要量よりも大きくなった場合は、バイパスは移管１１６を介して水素高圧バッファタンク１０２へ水素を供給して水素高圧バッファタンク１０２へ水素を備蓄させることが可能となる。
【００３６】
さらに、本実施の形態において、システムへ水素を導入するための水素充填部１１０は、水素吸蔵タンク１０１に設けたが、水素高圧バッファタンク１０２、及びタンク連結配管１０４の少なくとも１箇所に設けることにより、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２との双方に水素充填が可能となる。
【００３７】
［燃料電池システムの制御装置］
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの制御装置の一例を図２を用いて説明する。
【００３８】
図２に示すように、この燃料電池システムの制御装置は、上述した燃料電池システム１００にコントローラ１４０を備えている。このコントローラ１４０は、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５と、生成水を流す三方管１２７のレギュレータ１３０をそれぞれ制御する機能を有している。このコントローラ１４０は、例えば図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に、燃料電池システム１００を起動して燃料電池スタック１０３に水素を供給する処理手順を記述した水素供給プログラムを格納し、この水素供給プログラムをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などにより実行することで、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５と、生成水を流す三方管１２７のレギュレータ１３０をそれぞれ制御する機能を有する。このコントローラ１４０は、例えば図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に、燃料電池システム１００を起動して燃料電池スタック１０３に水素を供給する処理手順を記述した水素供給プログラムを格納し、この水素供給プログラムをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などにより実行することで、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５と、生成水を流す三方管１２７のレギュレータ１３０をそれぞれ制御する機能を有する。
【００３９】
図２に示すように、コントローラ１４０は、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦを検出するＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２からＯＮ／ＯＦＦ検出信号が入力されるようになっている。また、燃料電池システム１００が起動された場合に、コントローラ１４０には、燃料電池負荷検出部１４１から、燃料電池スタック１０３に要求される負荷量を示す負荷値信号が入力されるようになっている。さらに、コントローラ１４０には、水素吸蔵タンク１０１側の一次圧指示計１１４及び二次圧指示計１１８、ならびに、水素高圧バッファタンク１０２側の一次圧指示計１２０及び二次圧指示計１２３から、水素圧力を示す圧力データ信号が入力されるようになっている。
【００４０】
そして、これらＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２、燃料電池負荷検出部１４１、水素吸蔵タンク１０１側の一次圧指示計１１４、二次圧指示計１１８、水素高圧バッファタンク１０２側の一次圧指示計１２０、二次圧指示計１２３から入力される信号に基づいて、ＲＯＭに格納された水素供給プログラムに沿って演算処理がなされ、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５、三方管１２７のレギュレータ１３０へ、各制御信号を出力するようになっている。
【００４１】
［燃料電池システムの制御方法］
以下に、上述した制御装置を用いた燃料電池システムの制御方法の具体的な実施例を説明する。
【００４２】
先ず、燃料電池システム１００における始動時の制御方法について図５に示すフローチャートを参照して説明する。なお、本実施の形態は、燃料電池の定常出力を６ｋＷと仮定して、燃料電池スタック１０３が要求する必要水素流量を６７．２Ｌ／分で検討した実施例である。また、水素高圧バッファタンク１０２の内容積を１０Ｌ、水素高圧バッファタンク１０２の初期圧力を５ＭＰａとした。さらに、水素吸蔵タンク１０１は、満充填時の水素吸蔵量を１ｍ３としたものを用い、初期状態を満充填、初期水素吸蔵タンク温度を２０℃とした。また、水素吸蔵材料としては、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ系ＢＣＣ合金を用いた。この水素吸蔵材料を用いた場合の水素吸蔵タンク温度２０℃における圧力は、約０．２ＭＰａ、また８０℃における圧力は５．０ＭＰａであった。また、レギュレータ１１７、１２２の二次側圧力、すなわち三方管１０５側の圧力を夫々０．９ＭＰａとした。ガス流量コントローラ１２５内に設置されたバルブを開とした後の流量観測点Ａ、Ｂの流量を図３に示す。また、水素吸蔵タンク１０１及び水素高圧バッファタンク１０２のそれぞれの一次圧力変化を図４に示す。
【００４３】
先ず、イグニッションスイッチの読み取りを行い（ステップＳ１）、図２に示すイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２からコントローラ１４０へスイッチＯＮを検出した検出信号が出力されると（ステップＳ２）、コントローラ１４０は、ガス流量コントローラ１２５のバルブが開放させる制御信号を出力すると同時にレギュレータ１１７、１２２を開放させる制御信号を出力する（ステップＳ３）。
【００４４】
なお、バルブ開直後は、主に圧力の高い水素高圧バッファタンク１０２側から水素を供給するように、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２のみを開放するようにする。すると、水素高圧バッファタンク１０２から放出された水素は、順次、水素高圧バッファタンク１０２側のタンク連結配管１０４、三方管１０５、水素供給配管１０８、ガス流量コントローラ１２５、水素供給配管１０８を介して、燃料電池スタック１０３の負極１０７側へ供給される。なお、同時に、別途酸素も燃料電池スタック１０３へ供給されるようになっている。
【００４５】
そして、燃料電池が始動し、燃料電池スタック１０３で生成された生成水（蒸気及び熱水）が生成水供給配管１１１を経由して、送液ポンプ１２６により三方管１２７に送り込まれる。このとき、コントローラ１４０は、三方管１２７のレギュレータ１３０を制御して、生成水を水素吸蔵タンク側に導き、生成水を水素吸蔵タンク１０１の昇温に用いる。水素吸蔵タンク１０１内の熱交換器１０９に生成水が回り始めると、約１００秒後から徐々に水素吸蔵タンク１０１内の水素圧力が上昇し始める。そして、２５０秒後には水素吸蔵タンク１０１内の水素圧力も０．９ＭＰａを超えるため、水素吸蔵タンク１０１からも水素が供給されるようになり、水素高圧バッファタンク１０２からの流量は徐々に少なくなる。 ここで、水素吸蔵タンク１０１側の一次圧指示計１１４で圧力の読み取りを行う（ステップＳ４）。コントローラ１４０側では、一次圧指示計１１４からの圧力データ信号により、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が例えば５ＭＰａ以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ５）。ここで、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が５ＭＰａ以上である場合、コントローラ１４０は水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２を閉じる制御信号を出力する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ６の後は後述するステップＳ７の処理を行う。
【００４６】
上記ステップＳ５において、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が５ＭＰａより低い場合は、レギュレータ１２２を開放したままで、再度、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２で読み取りを行い（ステップＳ７）、検出信号によりイグニッションスイッチがＯＮであるか否かの判定を行う（ステップＳ８）。ここで、イグニッションスイッチがＯＮである場合は、上記ステップＳ４に戻る。一方、イグニッションスイッチがＯＦＦである場合は、レギュレータ１１７を閉じる（ステップＳ）と共に、三方管１２７のレギュレータ１３０から三方管１２９へ生成水が流れるように制御して、コントローラ１４０の制御を終了する。
【００４７】
以上、本実施の形態に係る制御方法の概略を説明したが、この制御に伴う燃料電池システム１００の作用・動作を説明する。
【００４８】
上記したステップＳ２でイグニッションスイッチがＯＮと判定された後、約４００秒経過すると水素吸蔵タンク１０１の温度上昇に伴う圧力上昇と、水素高圧バッファタンク１０２の水素消費による圧力低下により一次圧指示計１１４、１２０で検出される圧力が同じになる。一次圧のバランスが一緒になると水素高圧バッファタンク１０２から水素の供給は事実上０となる。さらに、４５０秒を過ぎると、更なる温度上昇により水素吸蔵タンク１０２の一次圧力も上昇し、それに伴って水素吸蔵タンク１０１から放出された水素はタンク連結配管１０４を経由する燃料電池スタック１０３へ供給配分されると共に、バイパス配管１１６を経由し水素高圧バッファタンク１０２に配分・充填され、水素高圧バッファタンク１０２の圧力回復が始まる。
【００４９】
さらに、７００秒後には、水素吸蔵タンク１０１からの水素流量が最大となり、また水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も最大となる。
【００５０】
次に、８００秒を過ぎると、水素高圧バッファタンク１０２内の圧力も上昇することから、水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も徐々に低下する。
【００５１】
そして、１２５０秒後には、水素吸蔵タンク１０１の一次圧力は５ＭＰａに到達し、それに伴って水素高圧バッファタンク１０２内の圧力も５ＭＰａを回復する。水素高圧バッファタンク１０２の圧力が５ＭＰａに回復した後は、次回の始動時等に備えるためレギュレータ１２２内に設けられたバルブを閉とする。
【００５２】
また、水素吸蔵タンク１０１が８０℃以上となる温度上昇を避けるため、必要に応じて三方管１２７内の弁機能を有するレギュレータ１３０を切り替え、熱交換器１０９を経由せずに生成水を三方管１２９の分岐口１２９Ａから排出させる。
【００５３】
このような制御方法とすることにより、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２を並列して用いることにより、始動直後から安定した水素供給が可能となる。また、始動により水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力は一旦低下するが、水素吸蔵タンク１０１の温度上昇により、系の水素圧力が戻ることにより再び圧力が回復し、次回の始動時に備えることが可能となる。
【００５４】
以上、燃料電池システム１００における始動時の制御方法について説明したが、次に、この燃料電池システム１００において、急激な負荷がかかった場合の制御方法について説明する。
【００５５】
この制御方法においても条件としては、燃料電池が６ｋＷの定常出力を続けていて安定した状態から３０秒後から６０秒までの３０秒間３０ｋＷの急激な出力を取り出し、６０秒後には再び６ｋＷの定常出力に戻り、運転を継続する場合について説明する。３０ｋＷの出力に必要な水素量を３３６Ｌ ／分とした。また、水素高圧バッファタンクの圧力は５ＭＰａに回復している条件とした。ここで、流量観測点Ａ、Ｂ、Ｃの流量変化を図６に示す。また、夫々のタンクの一次圧力変化を図７に示す。
【００５６】
図６に示すように、３０秒後に燃料電池スタック１０３の要求水素流量が６７．２Ｌ／分から３３６Ｌ／分に引き上げられるのに伴い、水素吸蔵タンク１０１の圧力と水素高圧バッファタンク１０２の圧力は低下する。その低下の割合は水素吸蔵タンク１０１の方が大きくなっている。これは急激に水素を取り出すことにより吸熱反応が起こりタンク温度が低下するためである。水素吸蔵タンク１０１の圧力低下により、水素吸蔵タンク１０１からの水素供給は一時的（３５秒後から４５秒後）に少なくなり、水素高圧バッファタンク１０２が補って３３６Ｌ／分を維持する。
【００５７】
５０秒後になると、急速負荷に伴う燃料電池スタック１０３からの廃熱により水素吸蔵タンク１０１の温度が上昇を始めるため、再び水素吸蔵タンク１０１からも水素が供給されるようになる。６０秒後には６７．３Ｌ／分に戻すが、遅れて発生する燃料電池スタック１０３からの廃熱により水素吸蔵タンク１０１の温度が上昇し、それに伴って水素吸蔵タンク１０１、水素高圧バッファタンク１０２の圧力が回復し始める。
【００５８】
そして、１５０秒後には再び５ＭＰａに回復し、次回の始動時、又は次回の高負荷時に備えることが可能となる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
［燃料電池システム］
図８は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム２００では、レギュレータ、配管、レギュレータ類の構成を上述した第１の実施の形態に比較して単純化したものである。このため、上記した第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００と同一部材には、同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
この燃料電池システム２００では、上記第１の実施の形態において、水素吸蔵タンク１０１側及び水素高圧バッファタンク１０２側に設けていたレギュレータを一切設けていない。それに代えて、水素供給配管１０８の中間に共通のレギュレータ２０１を設置した。また、上記第１の実施の形態で設けているバイパス配管１１６は廃止し、レギュレータ１２２の代わりに開閉機能のみ有するレギュレータ２０２を設置した。
【００６１】
本実施の形態においても、上記した第１の実施の形態と同様に、燃料電池の定常出力を６ｋＷと仮定して、燃料電池スタック１０３が要求する必要水素流量を６７．２Ｌ／分で検討した。
【００６２】
水素高圧バッファタンク１０２の内容積も上記第１の実施の形態と同様に１０Ｌ、水素高圧バッファタンク１０２の初期圧力を５ＭＰａとした。水素吸蔵タンク１０１も、満充填時の水素吸蔵量を１ｍ３としたものを用い、初期状態を満充填、初期水素吸蔵タンク温度を２０℃とした。また、本実施の形態における水素吸蔵材料としての合金の仕様も、上記第１の実施の形態と同等である。レギュレータ２０１の二次圧力は０．９ＭＰａとした。ガス流量コントローラ１２５内に設置されたバルブを開とした後の流量観測点Ａ、Ｂの流量を図９に示す。また、夫々のタンクの一次圧力変化を図１０に示す。
【００６３】
［燃料電池システムの制御方法］
次に、本実施の形態における燃料電池システム２００の始動時の制御方法について図１１に示すフローチャートを用いて説明する。
【００６４】
先ず、イグニッションスイッチの読み取りを行い（ステップＳ１０）、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦを判定する（ステップＳ１１）、スイッチＯＮの場合はレギュレータ２０２、レギュレータ２０１を開放させる（ステップＳ１２）。スイッチＯＦＦの場合は制御を終了する。
【００６５】
ステップＳ１２の処理を行った後、一次圧指示計１１４の読み取りを行う（ステップＳ１３）。その後、読み取られた圧力が５ＭＰａ以上か否かの判定を行う（ステップＳ１４）。この判定において、５ＭＰａ以上であれば、レギュレータ２０２を閉じる（ステップＳ１５）。また、この判定において、圧力が５ＭＰａより低い場合及びステップＳ１５の処理を行った後は、イグニッションスイッチの読み取りを行う（ステップＳ）。
【００６６】
そして、イグニッションスイッチがＯＮか否かの判定を行う（ステップＳ１７）。この結果、イグニッションスイッチがＯＮの場合は、上述したステップＳ１３に戻り、ＯＦＦの場合はレギュレータ２０１を閉じ（ステップＳ１８）、制御を終了する。
【００６７】
燃料電池システム２００の起動直後は、主に圧力の高い水素高圧バッファタンク１０２から水素が供給される。燃料電池が始動し、熱水が回り始める１００秒後から徐々に水素吸蔵タンク１０１の圧力が上昇はじめる。しかしながら、本実施の形態では上記した第１の実施の形態と異なり各タンクにレギュレータを備えているわけではないので、水素高圧バッファタンク１０２の圧力が水素吸蔵タンク１０１の圧力を上回っている場合は逆流防止弁１１９が作用して、水素高圧バッファタンク１０２からのみ水素が供給されることになる。３５０秒後になると水素高圧バッファタンク１０２の消費による圧力低下と水素吸蔵タンク１０１の温度上昇による圧力上昇により、タンク圧力の関係が逆転するため、これ以降水素吸蔵タンク１０１からのみ水素が供給されることになる。
【００６８】
そして、５００秒を過ぎると更なる温度上昇により水素吸蔵タンク１０１の一次圧力も上昇し、それに伴って水素吸蔵タンク１０１で放出された水素は、タンク連結配管１０４を経由して燃料電池スタック１０３へ供給配分されると共に、タンク連結配管１０４を経由し水素高圧バッファタンク１０２へ逆流して充填される。これによって、水素高圧バッファタンク１０２の圧力回復が始まる。
【００６９】
その後、８００秒後には、水素吸蔵タンク１０１からの水素流量が最大となり、また水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も最大となる。
【００７０】
さらに、９００秒を過ぎると水素高圧バッファタンク１０２の圧力も上昇することから、水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も徐々に低下する。
【００７１】
そして、１５００秒後には水素吸蔵タンク１０１の一次圧力は５ＭＰａに到達し、それに伴って水素高圧バッファタンク１０２の圧力も５ＭＰａを回復する。また、水素吸蔵タンク１０１の８０℃以上の温度上昇を避けるため、必要に応じて三方管１２７内の弁機能を有するレギュレータ１３０を切り替え、水素吸蔵タンク１０１内の熱交換器１０９を経由せずに熱水を排出させることも可能である。
【００７２】
本実施の形態において、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２を並列して用いることにより、始動直後から安定した水素供給が可能となる。また、始動により水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力は一旦低下するが、水素吸蔵タンク１０１の温度上昇により、系の水素圧力が戻ることにより再び圧力が回復し、次回の始動時に備えることが可能となる。水素吸蔵タンク１０１単独では、圧力上昇に時間を要するため始動時に安定して水素供給が不可能であることは明らかである。
【００７３】
ところで、本実施の形態では、上記した第１の実施の形態に比較して配管、及びレギュレータ類の設置を簡素化したが、現象としては以下の点が異なる。
【００７４】
即ち、第１の実施の形態に比べて始動時に水素高圧バッファタンク１０２から供給する水素の消費量が多くなる。また、水素高圧バッファタンク１０２の消費量増大に伴い、圧力回復にも時間がかかる。しかし、水素高圧バッファタンク１０２の容量を変更することにより、これらの点は対応可能なので、始動温度、レイアウト等の条件を考慮しながら設計することが可能である。
【００７５】
次に、本実施の形態において、急激な負荷がかかった場合について説明する。なお、流量観測点Ａ、Ｂ、Ｃの流量変化を図１２に示す。また、夫々のタンクの一次圧力変化を図１３に示す。
【００７６】
本実施の形態の挙動としては上記した第１の実施の形態における高負荷時の制御方法と似ているが、本実施の形態の燃料電池システム２００では、タンク連結配管１０４がレギュレータ２０２を１つしか持っていないため、水素高圧バッファタンク１０２の圧力が水素吸蔵タンク１０２の圧力を上回っているときは、水素高圧バッファタンク１０２からのみ供給されるため、水素高圧バッファタンク１０２の水素消費量が多くなっている点が異なる。水素供給配管１０５のレギュレータ２０１の設定を０．９ＭＰａとしているので、水素高圧バッファタンク１０２の消費増加に伴い０．９ＭＰａ以下となると供給不足が生じることとなる。このような場合は、水素高圧バッファタンク１０２の容量を増加させることにより、対策が可能である。
【００７７】
以上、第１及び第２の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御装置を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図４】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図５】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図７】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図９】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図１０】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図１３】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図１４】水素吸蔵合金を充填したタンクの圧力と温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ 燃料電池システム
１０１ 水素吸蔵タンク
１０２ 水素高圧バッファタンク
１０３ 燃料電池スタック
１０４ タンク連結配管
１０５ 三方管
１０７ 負極
１０８ 水素供給配管
１０９ 熱交換器
１１０ 水素充填部
１１１ 生成水供給配管（排水管）
１１２ 正極
１１４ 一次圧指示計
１１６ バイパス配管
１１７ レギュレータ（第１流通制御部）
１１８ 二次圧指示計
１１９ 逆流防止弁
１２０ 一次圧指示計
１２２ レギュレータ（第２流通制御部）
１２３ レギュレータ（水素高圧タンク側）
１２４ 逆流防止弁
１２５ ガス流量コントローラ（供給量制御部）
１２６ 送液ポンプ
１２７ 三方管
１２８ 排水配管
１２９ 三方管
１３０ レギュレータ（水量制御部）
１４０ コントローラ
１４１ 燃料電池負荷検出部
１４２ イグニッションスイッチＯＮ／ＯＦＦ検出部
２００ 燃料電池システム
２０１ レギュレータ
２０２ レギュレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や輸送用機器などの移動体に用いられる、水素を利用する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、深刻化する地球環境問題を解決するために、クリーンなエネルギー源として水素を利用して電気化学的にエネルギーを取り出す燃料電池が注目を浴びている。水素供給源としては、水素を高圧で圧縮充填した水素高圧タンクや水素吸蔵合金を用いた水素吸蔵タンクが一般的である。しかし、これら水素高圧タンクや水素貯蔵タンクをそれぞれ単独で用いる場合には以下のような問題点がある。
【０００３】
すなわち、水素高圧タンクを単独で用いる場合では、長時間の運転、又は航続走行距離を確保するために、超高圧（２５〜７０ＭＰａ）での水素充填が必要となる。このように、一般に用いられているボンベより高い圧力を要求されるため、専用の耐圧設計が必要となりコスト高となる。また、水素高圧タンクを単独で用いる場合、単位容積あたりの水素貯蔵量も０．０２５〜０．０４５ｇ／ｃｃと小さいため、タンク容積が大きくなったり、タンクの形状が複雑になると共に、制御が非常に複雑となる問題がある。
【０００４】
一方、水素吸蔵タンクを単独で用いる場合は、始動時の応答性、急速負荷時の応答性に問題がある。水素貯蔵タンクに充填された水素吸蔵合金は、水素放出にに対して３０〜４０ｋＪ／ｍｏｌＨ２の吸熱反応を示す。水素吸蔵合金を充填したタンクの圧力と温度の関係は、例えば図１４に示すように、タンクの温度の上昇に伴ってタンク圧力が上昇する。従って、燃料電池の始動時のタンクからの水素放出に伴って吸熱反応が起こってタンクの温度が上昇しないと、水素圧力が上昇しないという問題点がある。また、燃料電池に急速に負荷がかかったときのように、急激にタンクから水素を取り出そうとすると、吸熱反応により水素吸蔵タンクの温度が低下し、それに伴って水素圧力が低下するため、十分な水素供給が不可能となるという問題がある。このような応答性を改善するために、水素吸蔵材料を備えた複数の吸蔵タンクと、水素吸蔵材料を備えた複数の放出タンクとを備え、吸蔵タンクで水素を吸蔵する一方で、放出タンクでは吸蔵タンクから放出された水素を各タンクで交互に吸収し、水素吸収に伴うタンク内の発熱を利用して当接する隣のタンクの加熱を行い、水素の吸蔵と放出とをスイングさせるという技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２９１５２４号公報（第１頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各タンクでの水素の吸蔵、放出をスイング運転する方法においては、スイングさせる２つのタンクの吸蔵・放出の均衡がくずれた場合、十分な水素供給が不可能となる場合も考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、自動車及び輸送用機器などの移動体において、主に始動時、及び車両等の加速時、ならびに登坂走行等に必要となる高負荷時に必要水素量を安定して供給し、円滑な運転を可能とする燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、燃料電池システムであって、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続されて、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクの双方又は一方から可変的に水素が負極側に供給される燃料電池スタックと、前記水素吸蔵タンク、前記水素高圧バッファタンク、及び前記タンク連結配管の少なくとも１箇所に設けられた水素充填部と、を備えることを要旨とする。
【０００９】
第１の特徴に係る発明では、水素吸蔵タンクが水素放出量が少ない状態において水素が備蓄された水素高圧バッファタンクのみ、又は水素吸蔵タンクと共に燃料電池スタックへタンク連結配管及び水素供給配管を介して水素供給を行うことが可能である。また、水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタックの水素需要量よりも大きくなった場合は、連結配管を介して水素高圧バッファタンクへ水素を供給して水素高圧バッファタンクへ水素を備蓄させることが可能となる。さらに、システムへ水素を導入するための水素充填部は、水素吸蔵タンク、水素高圧バッファタンク、及びタンク連結配管の少なくとも１箇所に設けることにより、水素吸蔵タンクと水素高圧バッファタンクとの双方に水素充填が可能となる。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給することを要旨とする。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックと、前記タンク連結配管における前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に設けられた、前記分岐部側から前記水素吸蔵タンク側へ水素が流れることを防止する逆流防止弁と、前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間に設けられた開閉制御部と、前記水素供給配管の中間部に設けられた供給量制御部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記開閉制御部を開いて前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方で、前記燃料電池スタックに水素を供給すると共に、前記供給量制御部で水素供給量を制御して必要水素量を前記燃料電池スタックへ供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給・備蓄させ、前記水素高圧バッファタンクに所定量の水素が貯蔵された状態で前記開閉制御部を閉じることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第４の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックと、前記タンク連結配管の前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に設けられた第１流通制御部と、前記タンク連結配管の前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間の位置に設けられた第２流通制御部と、前記第１流通制御部の前記水素吸蔵タンク側の前記タンク連結配管と、前記第２流通制御部の前記水素高圧バッファタンク側の前記タンク連結配管とを連通させるバイパス配管と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記第１流通制御部で前記タンク連結配管を閉又は流量を減少するように制御し、前記第２流通制御部で流量を大きくするように制御して、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記第１流量制御部の流量を大きくし、且つ前記第２流量制御部を閉じて、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記バイパス配管を介して前記水素高圧バッファタンクに供給・備蓄させることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第５の特徴は、水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックとを備え、前記水素吸蔵タンク内に熱交換器が設置されると共に、該熱交換器に前記燃料電池スタックで発生した蒸気及び熱水からなる生成水を導く排水管が接続され、前記熱交換器に流通させる生成水の流量を制御する水量制御部を備えるている燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給し、前記水量制御部は、前記水素吸蔵タンク内の温度が、前記水素吸蔵材料が水素を放出する適正温度となるように熱交換器内を流通する生成水の水量制御を行うことを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
第１の特徴に係る発明によれば、水素吸蔵タンクと高圧水素バッファタンクとを用いることにより、例えば、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階のいずれにおいても、燃料電池スタック側での水素需流量を安定して供給することが可能となるため、円滑な燃料電池の運転ができるようになる。また、水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタックの水素需要量よりも大きくなった場合は、タンク連結配管を介して水素高圧バッファタンクへ水素を供給して水素高圧バッファタンクへ水素を備蓄させることが可能であるため、次に水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタック側の水素需要量を下回るときに、再度、水素高圧バッファタンクから水素を補うことができる。さらに、この第１の特徴に係る発明によれば、水素高圧バッファタンクは、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階などの場合に用いるため、すなわち、水素吸蔵タンクが燃料電池スタック側の水素需要量に追いつくまでの間に用いるため、大容量のタンクである必要がなく、システム全体が大型化することを抑制することができる。また、この発明によれば、水素充填部は、水素吸蔵タンク、水素高圧バッファタンク、及びタンク連結配管のいずれか１箇所に設けることでシステム全体に水素を供給することも可能となる。
【００１５】
第２の特徴に係る発明によれば、水素吸蔵タンクと高圧水素バッファタンクとを用いることにより、例えば、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階のいずれにおいても、燃料電池スタック側での必要水素流量を安定して供給することが可能となるため、円滑な燃料電池の運転ができるようになる。また、水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタックの水素需要量よりも大きくなった場合は、連結配管を介して水素高圧バッファタンクへ水素を供給して水素高圧バッファタンクへ水素を備蓄させることが可能であるため、次に水素吸蔵タンクの水素放出量が燃料電池スタック側の水素需要量を下回るときに水素高圧バッファタンクから水素を補うことができる。さらに、この第２の特徴に係る制御方法によれば、水素高圧バッファタンクは、低温時、システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時の初期段階などの場合に用いるため、すなわち、水素吸蔵タンクが燃料電池スタック側の水素需要量に追いつくまでの間に用いるため、大容量のタンクである必要がなく、システム全体が大型化することを抑制することができる。
【００１６】
第３の特徴に係る発明によれば、燃料電池スタックから要求される負荷変動に応じた必要水素量を水素吸蔵タンク単独では供給不可能な場合（低温時、燃料電池システム始動時、及び急激な高負荷時、連続高負荷時初期段階の場合）、又は、燃料電池からの廃熱を利用した水素発生に応答遅れが生じる場合において、高圧水素バッファタンクからの供給で水素供給不足を補う制御により、スムーズな運転を行うことが可能となる。また、低温時、燃料電池システム始動時において水素吸蔵タンクの圧力が水素バッファタンクの圧力より低くなるが、水素バッファタンクから水素吸蔵タンクへの水素移動、逆流を防止するため、水素吸蔵タンクの出口の下流側に逆流防止弁が設けることで解決することが可能となり、システム全体の構成を簡単にすることができる。
【００１７】
第４の特徴に係る発明によれば、水素吸蔵タンクと分岐部との間のタンク連結配管に設けられた第１流通制御部と、高圧水素バッファタンクと分岐部との間のタンク連結配管に設けられた第２の流通制御部とを備えたことにより、タンク連結配管の通過水素の流量制御を正確に行うことができる。
【００１８】
第５の特徴に係る発明によれば、燃料電池スタックの廃熱を利用しながら水素吸蔵タンクからの水素発生を促進させることができるほか、燃料電池スタックの廃熱を促進することになるため、例えばこの燃料電池システムを自動車などの移動体に適用した場合にラジエータを小型化することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
［燃料電池システム］
図１は本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、水素吸蔵タンク１０１と、水素高圧バッファタンク１０２と、燃料電池スタック１０３と、水素吸蔵タンク１０１及び水素高圧バッファタンク１０２とを連結するタンク連結配管１０４と、タンク連結配管１０４の中間部に介在される分岐部としての三方管１０５と、この三方管１０５の分岐口１０５Ａと燃料電池スタック１０３の正極１０７とを接続する水素供給配管１０８と、水素吸蔵タンク１０１内に配置された熱交換器１０９と、を備えて大略構成されている。
【００２１】
先ず、水素吸蔵タンク１０１の構成を説明する。本実施の形態では、燃料電池システム１００全体に水素を導入するための水素充填部１１０が、水素吸蔵タンク１０１に設けられている。この水素吸蔵タンク１０１内には、水素吸蔵材料が充填されると共に、図１に示すように熱交換器１０９が配置されている。この熱交換器１０９には、配水管である生成水供給配管１１１を介して、燃料電池スタック１０３の正極１１２側から排出される蒸気及び熱水でなる生成水が供給されるようになっている。なお、燃料電池スタック１０３は、上記した負極１０７と正極１１２とで固体電解質部１１３を挟持した構成となっている。
【００２２】
ここで、水素吸蔵タンク１０１内に充填される水素吸蔵材料としては、使用温度範囲における水素解離平衡圧が０．１１〜１４ＭＰａの範囲であることことが望ましい。０．１１ＭＰａ未満では、水素を取り出すことが困難となり、また、１４ＭＰａを超えるとタンクの耐圧設計が厳しくなり、結果としてタンクの重量も重くなり、コスト的にも不利となる。
【００２３】
次に、タンク連結配管１０４の構成について説明する。タンク連結配管１０４は、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２とを連結するように接続されている。タンク連結配管１０４の中間部には、上記した三方管１０５が配置されている。この三方管１０５は、両端の分岐口１０５Ｂ、１０５Ｃでタンク連結配管１０４に接続されて、タンク連結配管１０４と一体となっている。この三方管１０５の他の一つの分岐口１０５Ａには、水素供給配管１０８が接続されている。
【００２４】
このタンク連結配管１０４における水素吸蔵タンク１０１の直ぐ下流側には、水素吸蔵タンク１０１からの水素の放出圧力を検出する一次圧指示計１１４が設けられている。この一次圧指示計１１４の下流側には、バイパス用三方管１１５が接続されている。この吸蔵タンク側のバイパス用三方管１１５の両端の分岐口１１５Ｂ、１１５Ｃはタンク連結配管１０４に接続され、他の一つの分岐口１１５Ａには、バイパス配管１１６の一方の端部が接続されている。そして、タンク連結配管１０４におけるバイパス用三方管１１５の下流側には、分岐部である三方管１０５に至るまでに、第１流通制御部としての、開閉弁付きの吸蔵タンク側レギュレータ１１７、二次圧指示計１１８、逆流防止弁１１９が、順次配置されている。なお、逆流防止弁１１９は、三方管１０５から水素吸蔵タンク１０１へ向けて水素が逆流することを防止している。
【００２５】
また、タンク連結配管１０４における分岐部としての三方管１０５と水素高圧バッファタンク１０２との間には、水素高圧バッファタンク１０２から三方管１０５へ向けて、順次、一次圧指示計１２０、水素高圧バッファタンク１０２側のバイパス用三方管１２１、第２流通制御部としての、開閉弁付きの高圧タンク側レギュレータ１２２、二次圧指示計１２３が設けられている。なお、三方管１２１の両端の分岐口１２１Ｂ、１２１Ｃは、タンク連結配管１０４に接続されている。また、三方管１２１の他の一つの分岐口１２１Ａには、上述したバイパス配管１１６の他方の端部が接続されている。なお、このバイパス配管１１６の中間部には、水素高圧バッファタンク１０２側から水素吸蔵タンク１０１側へ水素が流れることを防止する逆流防止弁１２４が設けられている。また、水素供給配管１０８の中間部には、供給量制御部としてのガス流量コントローラ１２５が設けられている。
【００２６】
次に、熱交換器１０９への生成水供給系統の構成を説明する。上述した生成水供給配管１１１の中間部には、送液ポンプ１２６が設けられている。また、生成水供給配管１１１の送液ポンプ１２６の下流側は、弁機能付きの三方管１２７の分岐口１２７Ａ、１２７Ｃとを介して熱交換器１０９の冷媒入口側に接続されている。この三方管１２７は、配流制御を行う弁機能、及び水量制御を行う機能を備えた水量制御部としてのレギュレータ１３０を備えている。熱交換器１０９の冷媒出口側には、排水配管１２８が接続されている。そして、排水配管１２８の中間部には、三方管１２９が設けられている。この三方管１２９の両端の分岐口１２９Ｂ、１２９Ｃには、排水配管１２８が接続され、他の一つの分岐口１２９Ａは、熱交換器１０９を経た生成水を排出するようになっている。三方管１２９の分岐口１２９Ｂに接続された排水配管１２８は、上述したレギュレータ１３０を備える三方管１２７の分岐口１２７Ｂに接続されている。なお、生成水供給配管１１１により熱交換器１０９へ供給される生成水は、燃料電池スタック１０３で生成された生成水の一部でもよいし全部でもよい。
【００２７】
次に、このような構成の燃料電池システム１００の作用・動作について説明する。
【００２８】
本実施の形態に係る燃料電池システム１００においては、水素貯蔵系の水素充填は、図示しない配管を用いて水素充填部１１０から水素吸蔵タンク１０１へ行う。水素充填の際は、吸蔵タンク側レギュレータ１１７と高圧タンク側レギュレータ１２２の開閉弁を共に閉じておく。このため、水素吸蔵タンク１０１に充填されると共に、水素吸蔵タンク１０１に連通するタンク連結配管１０４、バイパス用三方管１１５、バイパス配管１１６、三方管１２１、タンク連結配管１０４を介して水素高圧バッファタンク１０２へ水素の充填が行われる。そして、水素高圧バッファタンク１０２近傍の一次圧指示計１２０が所望の圧力となり、且つ水素吸蔵タンク１０１からの水素の放出圧力を検出する一次圧指示計１１４が所望の圧力を示す状態で、水素充填部１１０から水素を充填することを停止する。なお、この状態では、水素充填部１１０に設けられた、図示しない逆流防止弁により、水素吸蔵タンク１０１から水素がタンク外部に放出されないようになっている。
【００２９】
次に、例えば、低温時、燃料電池システム１００の始動時においては、水素吸蔵タンク１０１では、タンクが冷えているため、タンク内の水素吸蔵材料に吸蔵された水素は放出されにくく、圧力が低下して状態となっている。このため、水素吸蔵タンク１０１のみでは、燃料電池スタック１０３の負荷に対応する流量の水素を賄うことはできないため、高圧タンク側レギュレータ１２２の開閉弁を開いて、水素高圧バッファタンク１０２側から水素を供給する。このとき、水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力は、水素吸蔵タンク１０１側の水素圧力よりも高いが、逆流防止弁１１９及び１２４を備えているため、タンク連結配管１０４及びバイパス配管１１６を介して水素が水素吸蔵タンク１０１へ流れることはない。なお、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が低いときには、上述したようにレギュレータ１２２の開閉弁を開くだけでよいが、水素吸蔵タンク１０１側に位置するレギュレータ１１７の開閉弁を閉じておく。
【００３０】
その後、燃料電池スタック１０３の作動に伴って、正極１１２側に生成された生成水（蒸気及び熱水）の量及び温度が増加する。このとき、生成水供給配管１１１に設けられた三方管１２９が生成水が熱交換器１０９へ流れるように、配流制御を行う弁機能、及び流量制御を行う機能を備えたレギュレータ１３０を制御しておく。
【００３１】
そして、水素吸蔵タンク１０１内の水素吸蔵材料が熱交換器１０９で温められて、水素の放出量が大きくなり、水素圧力が高くなる。その後、一次圧指示計１１４が所望の水素放出圧力を検出したときに、レギュレータ１１７の開閉弁を開く。すると、水素吸蔵タンク１０１から放出された水素は、三方管１０５を介して燃料電池スタック１０３に流れる。このとき、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２を閉じる。なお、水素供給配管１０８に流す水素流量は、ガス流量コントローラ１２５で、燃料電池スタック１０３の負荷に対応する水素需要量となるように制御される。
【００３２】
その後、燃料電池システム１００の暖機後の定常運転時及び負荷低下などの場合には、水素吸蔵タンク１０１から水素圧力が充分に高くなり、且つ水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力よりも高くなると、水素供給は移管１０８に供給する水素流量以外に余裕が生じ、水素高圧バッファタンク１０２側へ水素を備蓄することが可能となる。なお、水素吸蔵タンク１０１から水素高圧バッファタンク１０２への水素の備蓄は、バイパス配管１１６を介して水素の送出が行われる。
【００３３】
また、この燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０３の正極１１２側から排出された生成水（蒸気及び熱水）は生成水供給配管１１１を経由して、送液ポンプ１２６により三方管１２７に送り込まれる。水素の供給を促進するときは三方管１２７を水素吸蔵タンク側に開放し、生成水を水素吸蔵タンク１０１の昇温に用いる。水素吸蔵タンク１０１内で熱交換器１０９を通過して冷却された生成水は、三方管１２９を経由し、分岐口１２９Ａより排出される。一方、水素吸蔵タンク１０１が充分に温まって、水素供給を促進する必要がない場合は、三方管１２７から熱交換器１０９へ生成水を流す必要がないため、三方管１２７を経て熱交換器１０９へ生成水が流れないように弁機能を有するレギュレータ１３０を制御して、生成水を三方管１２９側に流し、三方管１２９の分岐口１２９Ａより生成水を排出させる。
【００３４】
以上、本実施の形態の燃料電池システム１００について説明したが、この燃料電池システム１００では、水素吸蔵タンク１０１が水素放出量が少ない状態において水素が備蓄された水素高圧バッファタンク１０２のみ、又は水素吸蔵タンク１０１との併用で、燃料電池スタック１０３へタンク連結配管１０４及び水素供給配管１０８を介して水素供給を行うことが可能である。
【００３５】
また、本実施の形態において、水素吸蔵タンク１０１の水素放出量が燃料電池スタック１０３の水素需要量よりも大きくなった場合は、バイパスは移管１１６を介して水素高圧バッファタンク１０２へ水素を供給して水素高圧バッファタンク１０２へ水素を備蓄させることが可能となる。
【００３６】
さらに、本実施の形態において、システムへ水素を導入するための水素充填部１１０は、水素吸蔵タンク１０１に設けたが、水素高圧バッファタンク１０２、及びタンク連結配管１０４の少なくとも１箇所に設けることにより、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２との双方に水素充填が可能となる。
【００３７】
［燃料電池システムの制御装置］
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの制御装置の一例を図２を用いて説明する。
【００３８】
図２に示すように、この燃料電池システムの制御装置は、上述した燃料電池システム１００にコントローラ１４０を備えている。このコントローラ１４０は、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５と、生成水を流す三方管１２７のレギュレータ１３０をそれぞれ制御する機能を有している。このコントローラ１４０は、例えば図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に、燃料電池システム１００を起動して燃料電池スタック１０３に水素を供給する処理手順を記述した水素供給プログラムを格納し、この水素供給プログラムをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などにより実行することで、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５と、生成水を流す三方管１２７のレギュレータ１３０をそれぞれ制御する機能を有する。このコントローラ１４０は、例えば図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に、燃料電池システム１００を起動して燃料電池スタック１０３に水素を供給する処理手順を記述した水素供給プログラムを格納し、この水素供給プログラムをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などにより実行することで、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５と、生成水を流す三方管１２７のレギュレータ１３０をそれぞれ制御する機能を有する。
【００３９】
図２に示すように、コントローラ１４０は、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦを検出するＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２からＯＮ／ＯＦＦ検出信号が入力されるようになっている。また、燃料電池システム１００が起動された場合に、コントローラ１４０には、燃料電池負荷検出部１４１から、燃料電池スタック１０３に要求される負荷量を示す負荷値信号が入力されるようになっている。さらに、コントローラ１４０には、水素吸蔵タンク１０１側の一次圧指示計１１４及び二次圧指示計１１８、ならびに、水素高圧バッファタンク１０２側の一次圧指示計１２０及び二次圧指示計１２３から、水素圧力を示す圧力データ信号が入力されるようになっている。
【００４０】
そして、これらＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２、燃料電池負荷検出部１４１、水素吸蔵タンク１０１側の一次圧指示計１１４、二次圧指示計１１８、水素高圧バッファタンク１０２側の一次圧指示計１２０、二次圧指示計１２３から入力される信号に基づいて、ＲＯＭに格納された水素供給プログラムに沿って演算処理がなされ、水素吸蔵タンク１０１側のレギュレータ１１７、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２、ガス流量コントローラ１２５、三方管１２７のレギュレータ１３０へ、各制御信号を出力するようになっている。
【００４１】
［燃料電池システムの制御方法］
以下に、上述した制御装置を用いた燃料電池システムの制御方法の具体的な実施例を説明する。
【００４２】
先ず、燃料電池システム１００における始動時の制御方法について図５に示すフローチャートを参照して説明する。なお、本実施の形態は、燃料電池の定常出力を６ｋＷと仮定して、燃料電池スタック１０３が要求する必要水素流量を６７．２Ｌ／分で検討した実施例である。また、水素高圧バッファタンク１０２の内容積を１０Ｌ、水素高圧バッファタンク１０２の初期圧力を５ＭＰａとした。さらに、水素吸蔵タンク１０１は、満充填時の水素吸蔵量を１ｍ３としたものを用い、初期状態を満充填、初期水素吸蔵タンク温度を２０℃とした。また、水素吸蔵材料としては、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ系ＢＣＣ合金を用いた。この水素吸蔵材料を用いた場合の水素吸蔵タンク温度２０℃における圧力は、約０．２ＭＰａ、また８０℃における圧力は５．０ＭＰａであった。また、レギュレータ１１７、１２２の二次側圧力、すなわち三方管１０５側の圧力を夫々０．９ＭＰａとした。ガス流量コントローラ１２５内に設置されたバルブを開とした後の流量観測点Ａ、Ｂの流量を図３に示す。また、水素吸蔵タンク１０１及び水素高圧バッファタンク１０２のそれぞれの一次圧力変化を図４に示す。
【００４３】
先ず、イグニッションスイッチの読み取りを行い（ステップＳ１）、図２に示すイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２からコントローラ１４０へスイッチＯＮを検出した検出信号が出力されると（ステップＳ２）、コントローラ１４０は、ガス流量コントローラ１２５のバルブが開放させる制御信号を出力すると同時にレギュレータ１１７、１２２を開放させる制御信号を出力する（ステップＳ３）。
【００４４】
なお、バルブ開直後は、主に圧力の高い水素高圧バッファタンク１０２側から水素を供給するように、水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２のみを開放するようにする。すると、水素高圧バッファタンク１０２から放出された水素は、順次、水素高圧バッファタンク１０２側のタンク連結配管１０４、三方管１０５、水素供給配管１０８、ガス流量コントローラ１２５、水素供給配管１０８を介して、燃料電池スタック１０３の負極１０７側へ供給される。なお、同時に、別途酸素も燃料電池スタック１０３へ供給されるようになっている。
【００４５】
そして、燃料電池が始動し、燃料電池スタック１０３で生成された生成水（蒸気及び熱水）が生成水供給配管１１１を経由して、送液ポンプ１２６により三方管１２７に送り込まれる。このとき、コントローラ１４０は、三方管１２７のレギュレータ１３０を制御して、生成水を水素吸蔵タンク側に導き、生成水を水素吸蔵タンク１０１の昇温に用いる。水素吸蔵タンク１０１内の熱交換器１０９に生成水が回り始めると、約１００秒後から徐々に水素吸蔵タンク１０１内の水素圧力が上昇し始める。そして、２５０秒後には水素吸蔵タンク１０１内の水素圧力も０．９ＭＰａを超えるため、水素吸蔵タンク１０１からも水素が供給されるようになり、水素高圧バッファタンク１０２からの流量は徐々に少なくなる。 ここで、水素吸蔵タンク１０１側の一次圧指示計１１４で圧力の読み取りを行う（ステップＳ４）。コントローラ１４０側では、一次圧指示計１１４からの圧力データ信号により、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が例えば５ＭＰａ以上であるか否かの判定を行う（ステップＳ５）。ここで、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が５ＭＰａ以上である場合、コントローラ１４０は水素高圧バッファタンク１０２側のレギュレータ１２２を閉じる制御信号を出力する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ６の後は後述するステップＳ７の処理を行う。
【００４６】
上記ステップＳ５において、水素吸蔵タンク１０１の水素圧力が５ＭＰａより低い場合は、レギュレータ１２２を開放したままで、再度、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦ検出部１４２で読み取りを行い（ステップＳ７）、検出信号によりイグニッションスイッチがＯＮであるか否かの判定を行う（ステップＳ８）。ここで、イグニッションスイッチがＯＮである場合は、上記ステップＳ４に戻る。一方、イグニッションスイッチがＯＦＦである場合は、レギュレータ１１７を閉じる（ステップＳ）と共に、三方管１２７のレギュレータ１３０から三方管１２９へ生成水が流れるように制御して、コントローラ１４０の制御を終了する。
【００４７】
以上、本実施の形態に係る制御方法の概略を説明したが、この制御に伴う燃料電池システム１００の作用・動作を説明する。
【００４８】
上記したステップＳ２でイグニッションスイッチがＯＮと判定された後、約４００秒経過すると水素吸蔵タンク１０１の温度上昇に伴う圧力上昇と、水素高圧バッファタンク１０２の水素消費による圧力低下により一次圧指示計１１４、１２０で検出される圧力が同じになる。一次圧のバランスが一緒になると水素高圧バッファタンク１０２から水素の供給は事実上０となる。さらに、４５０秒を過ぎると、更なる温度上昇により水素吸蔵タンク１０２の一次圧力も上昇し、それに伴って水素吸蔵タンク１０１から放出された水素はタンク連結配管１０４を経由する燃料電池スタック１０３へ供給配分されると共に、バイパス配管１１６を経由し水素高圧バッファタンク１０２に配分・充填され、水素高圧バッファタンク１０２の圧力回復が始まる。
【００４９】
さらに、７００秒後には、水素吸蔵タンク１０１からの水素流量が最大となり、また水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も最大となる。
【００５０】
次に、８００秒を過ぎると、水素高圧バッファタンク１０２内の圧力も上昇することから、水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も徐々に低下する。
【００５１】
そして、１２５０秒後には、水素吸蔵タンク１０１の一次圧力は５ＭＰａに到達し、それに伴って水素高圧バッファタンク１０２内の圧力も５ＭＰａを回復する。水素高圧バッファタンク１０２の圧力が５ＭＰａに回復した後は、次回の始動時等に備えるためレギュレータ１２２内に設けられたバルブを閉とする。
【００５２】
また、水素吸蔵タンク１０１が８０℃以上となる温度上昇を避けるため、必要に応じて三方管１２７内の弁機能を有するレギュレータ１３０を切り替え、熱交換器１０９を経由せずに生成水を三方管１２９の分岐口１２９Ａから排出させる。
【００５３】
このような制御方法とすることにより、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２を並列して用いることにより、始動直後から安定した水素供給が可能となる。また、始動により水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力は一旦低下するが、水素吸蔵タンク１０１の温度上昇により、系の水素圧力が戻ることにより再び圧力が回復し、次回の始動時に備えることが可能となる。
【００５４】
以上、燃料電池システム１００における始動時の制御方法について説明したが、次に、この燃料電池システム１００において、急激な負荷がかかった場合の制御方法について説明する。
【００５５】
この制御方法においても条件としては、燃料電池が６ｋＷの定常出力を続けていて安定した状態から３０秒後から６０秒までの３０秒間３０ｋＷの急激な出力を取り出し、６０秒後には再び６ｋＷの定常出力に戻り、運転を継続する場合について説明する。３０ｋＷの出力に必要な水素量を３３６Ｌ ／分とした。また、水素高圧バッファタンクの圧力は５ＭＰａに回復している条件とした。ここで、流量観測点Ａ、Ｂ、Ｃの流量変化を図６に示す。また、夫々のタンクの一次圧力変化を図７に示す。
【００５６】
図６に示すように、３０秒後に燃料電池スタック１０３の要求水素流量が６７．２Ｌ／分から３３６Ｌ／分に引き上げられるのに伴い、水素吸蔵タンク１０１の圧力と水素高圧バッファタンク１０２の圧力は低下する。その低下の割合は水素吸蔵タンク１０１の方が大きくなっている。これは急激に水素を取り出すことにより吸熱反応が起こりタンク温度が低下するためである。水素吸蔵タンク１０１の圧力低下により、水素吸蔵タンク１０１からの水素供給は一時的（３５秒後から４５秒後）に少なくなり、水素高圧バッファタンク１０２が補って３３６Ｌ／分を維持する。
【００５７】
５０秒後になると、急速負荷に伴う燃料電池スタック１０３からの廃熱により水素吸蔵タンク１０１の温度が上昇を始めるため、再び水素吸蔵タンク１０１からも水素が供給されるようになる。６０秒後には６７．３Ｌ／分に戻すが、遅れて発生する燃料電池スタック１０３からの廃熱により水素吸蔵タンク１０１の温度が上昇し、それに伴って水素吸蔵タンク１０１、水素高圧バッファタンク１０２の圧力が回復し始める。
【００５８】
そして、１５０秒後には再び５ＭＰａに回復し、次回の始動時、又は次回の高負荷時に備えることが可能となる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
［燃料電池システム］
図８は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム２００では、レギュレータ、配管、レギュレータ類の構成を上述した第１の実施の形態に比較して単純化したものである。このため、上記した第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００と同一部材には、同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
この燃料電池システム２００では、上記第１の実施の形態において、水素吸蔵タンク１０１側及び水素高圧バッファタンク１０２側に設けていたレギュレータを一切設けていない。それに代えて、水素供給配管１０８の中間に共通のレギュレータ２０１を設置した。また、上記第１の実施の形態で設けているバイパス配管１１６は廃止し、レギュレータ１２２の代わりに開閉機能のみ有するレギュレータ２０２を設置した。
【００６１】
本実施の形態においても、上記した第１の実施の形態と同様に、燃料電池の定常出力を６ｋＷと仮定して、燃料電池スタック１０３が要求する必要水素流量を６７．２Ｌ／分で検討した。
【００６２】
水素高圧バッファタンク１０２の内容積も上記第１の実施の形態と同様に１０Ｌ、水素高圧バッファタンク１０２の初期圧力を５ＭＰａとした。水素吸蔵タンク１０１も、満充填時の水素吸蔵量を１ｍ３としたものを用い、初期状態を満充填、初期水素吸蔵タンク温度を２０℃とした。また、本実施の形態における水素吸蔵材料としての合金の仕様も、上記第１の実施の形態と同等である。レギュレータ２０１の二次圧力は０．９ＭＰａとした。ガス流量コントローラ１２５内に設置されたバルブを開とした後の流量観測点Ａ、Ｂの流量を図９に示す。また、夫々のタンクの一次圧力変化を図１０に示す。
【００６３】
［燃料電池システムの制御方法］
次に、本実施の形態における燃料電池システム２００の始動時の制御方法について図１１に示すフローチャートを用いて説明する。
【００６４】
先ず、イグニッションスイッチの読み取りを行い（ステップＳ１０）、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦを判定する（ステップＳ１１）、スイッチＯＮの場合はレギュレータ２０２、レギュレータ２０１を開放させる（ステップＳ１２）。スイッチＯＦＦの場合は制御を終了する。
【００６５】
ステップＳ１２の処理を行った後、一次圧指示計１１４の読み取りを行う（ステップＳ１３）。その後、読み取られた圧力が５ＭＰａ以上か否かの判定を行う（ステップＳ１４）。この判定において、５ＭＰａ以上であれば、レギュレータ２０２を閉じる（ステップＳ１５）。また、この判定において、圧力が５ＭＰａより低い場合及びステップＳ１５の処理を行った後は、イグニッションスイッチの読み取りを行う（ステップＳ）。
【００６６】
そして、イグニッションスイッチがＯＮか否かの判定を行う（ステップＳ１７）。この結果、イグニッションスイッチがＯＮの場合は、上述したステップＳ１３に戻り、ＯＦＦの場合はレギュレータ２０１を閉じ（ステップＳ１８）、制御を終了する。
【００６７】
燃料電池システム２００の起動直後は、主に圧力の高い水素高圧バッファタンク１０２から水素が供給される。燃料電池が始動し、熱水が回り始める１００秒後から徐々に水素吸蔵タンク１０１の圧力が上昇はじめる。しかしながら、本実施の形態では上記した第１の実施の形態と異なり各タンクにレギュレータを備えているわけではないので、水素高圧バッファタンク１０２の圧力が水素吸蔵タンク１０１の圧力を上回っている場合は逆流防止弁１１９が作用して、水素高圧バッファタンク１０２からのみ水素が供給されることになる。３５０秒後になると水素高圧バッファタンク１０２の消費による圧力低下と水素吸蔵タンク１０１の温度上昇による圧力上昇により、タンク圧力の関係が逆転するため、これ以降水素吸蔵タンク１０１からのみ水素が供給されることになる。
【００６８】
そして、５００秒を過ぎると更なる温度上昇により水素吸蔵タンク１０１の一次圧力も上昇し、それに伴って水素吸蔵タンク１０１で放出された水素は、タンク連結配管１０４を経由して燃料電池スタック１０３へ供給配分されると共に、タンク連結配管１０４を経由し水素高圧バッファタンク１０２へ逆流して充填される。これによって、水素高圧バッファタンク１０２の圧力回復が始まる。
【００６９】
その後、８００秒後には、水素吸蔵タンク１０１からの水素流量が最大となり、また水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も最大となる。
【００７０】
さらに、９００秒を過ぎると水素高圧バッファタンク１０２の圧力も上昇することから、水素高圧バッファタンク１０２への充填流量も徐々に低下する。
【００７１】
そして、１５００秒後には水素吸蔵タンク１０１の一次圧力は５ＭＰａに到達し、それに伴って水素高圧バッファタンク１０２の圧力も５ＭＰａを回復する。また、水素吸蔵タンク１０１の８０℃以上の温度上昇を避けるため、必要に応じて三方管１２７内の弁機能を有するレギュレータ１３０を切り替え、水素吸蔵タンク１０１内の熱交換器１０９を経由せずに熱水を排出させることも可能である。
【００７２】
本実施の形態において、水素吸蔵タンク１０１と水素高圧バッファタンク１０２を並列して用いることにより、始動直後から安定した水素供給が可能となる。また、始動により水素高圧バッファタンク１０２の水素圧力は一旦低下するが、水素吸蔵タンク１０１の温度上昇により、系の水素圧力が戻ることにより再び圧力が回復し、次回の始動時に備えることが可能となる。水素吸蔵タンク１０１単独では、圧力上昇に時間を要するため始動時に安定して水素供給が不可能であることは明らかである。
【００７３】
ところで、本実施の形態では、上記した第１の実施の形態に比較して配管、及びレギュレータ類の設置を簡素化したが、現象としては以下の点が異なる。
【００７４】
即ち、第１の実施の形態に比べて始動時に水素高圧バッファタンク１０２から供給する水素の消費量が多くなる。また、水素高圧バッファタンク１０２の消費量増大に伴い、圧力回復にも時間がかかる。しかし、水素高圧バッファタンク１０２の容量を変更することにより、これらの点は対応可能なので、始動温度、レイアウト等の条件を考慮しながら設計することが可能である。
【００７５】
次に、本実施の形態において、急激な負荷がかかった場合について説明する。なお、流量観測点Ａ、Ｂ、Ｃの流量変化を図１２に示す。また、夫々のタンクの一次圧力変化を図１３に示す。
【００７６】
本実施の形態の挙動としては上記した第１の実施の形態における高負荷時の制御方法と似ているが、本実施の形態の燃料電池システム２００では、タンク連結配管１０４がレギュレータ２０２を１つしか持っていないため、水素高圧バッファタンク１０２の圧力が水素吸蔵タンク１０２の圧力を上回っているときは、水素高圧バッファタンク１０２からのみ供給されるため、水素高圧バッファタンク１０２の水素消費量が多くなっている点が異なる。水素供給配管１０５のレギュレータ２０１の設定を０．９ＭＰａとしているので、水素高圧バッファタンク１０２の消費増加に伴い０．９ＭＰａ以下となると供給不足が生じることとなる。このような場合は、水素高圧バッファタンク１０２の容量を増加させることにより、対策が可能である。
【００７７】
以上、第１及び第２の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御装置を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図４】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図５】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図７】第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図９】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図１０】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１２】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各ラインの水素流量の経時変化を示すグラフである。
【図１３】第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける各タンクの圧力の経時変化を示すグラフである。
【図１４】水素吸蔵合金を充填したタンクの圧力と温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００ 燃料電池システム
１０１ 水素吸蔵タンク
１０２ 水素高圧バッファタンク
１０３ 燃料電池スタック
１０４ タンク連結配管
１０５ 三方管
１０７ 負極
１０８ 水素供給配管
１０９ 熱交換器
１１０ 水素充填部
１１１ 生成水供給配管（排水管）
１１２ 正極
１１４ 一次圧指示計
１１６ バイパス配管
１１７ レギュレータ（第１流通制御部）
１１８ 二次圧指示計
１１９ 逆流防止弁
１２０ 一次圧指示計
１２２ レギュレータ（第２流通制御部）
１２３ レギュレータ（水素高圧タンク側）
１２４ 逆流防止弁
１２５ ガス流量コントローラ（供給量制御部）
１２６ 送液ポンプ
１２７ 三方管
１２８ 排水配管
１２９ 三方管
１３０ レギュレータ（水量制御部）
１４０ コントローラ
１４１ 燃料電池負荷検出部
１４２ イグニッションスイッチＯＮ／ＯＦＦ検出部
２００ 燃料電池システム
２０１ レギュレータ
２０２ レギュレータ
Claims (12)
- 水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、
前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、
前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、
前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、
前記水素供給配管に接続されて、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクの双方又は一方から可変的に水素が負極側に供給される燃料電池スタックと、
前記水素吸蔵タンク、前記水素高圧バッファタンク、及び前記タンク連結配管の少なくとも１箇所に設けられた水素充填部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記水素供給配管に供給量制御部が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１又は請求項２に記載された燃料電池システムであって、
前記タンク連結配管における前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に、前記分岐部側から前記水素吸蔵タンク側へ水素が流れることを防止する逆流防止弁が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された燃料電池システムであって、
前記タンク連結配管における、前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に、水素流量を制御する第１流通制御部が設けられ、
前記タンク連結配管における、前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間の位置に、水素流量を制御する第２流通制御部が設けられ、
前記第１流通制御部の前記水素吸蔵タンク側に位置する前記タンク連結配管と、前記第２流通制御部の前記水素高圧バッファタンク側に位置する前記タンク連結配管とを連通して、前記水素吸蔵タンク側から前記水素高圧バッファタンク側へ水素の送出を可能にするバイパス配管が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載された燃料電池システムであって、
前記水素吸蔵タンク内に熱交換器が設置されると共に、前記燃料電池スタックで発生した蒸気及び熱水からなる生成水を導く排水管が前記熱交換器に接続されることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記排水管から供給される生成水の前記熱交換器への供給量を制御する水量制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載された燃料電池システムであって、
前記水素吸蔵材料は、前記水素吸蔵タンクの使用温度範囲における水素解離平衡圧が、０．１１〜１４ＭＰａの範囲であることを特徴とする燃料電池システム。 - 水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックとを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックと、前記タンク連結配管における前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に設けられた、前記分岐部側から前記水素吸蔵タンク側へ水素が流れることを防止する逆流防止弁と、前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間に設けられた開閉制御部と、前記水素供給配管の中間部に設けられた供給量制御部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記開閉制御部を開いて前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方で、前記燃料電池スタックに水素を供給すると共に、前記供給量制御部で水素供給量を制御して必要水素量を前記燃料電池スタックへ供給し、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給・備蓄させ、前記水素高圧バッファタンクに所定量の水素が貯蔵された状態で前記開閉制御部を閉じることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックと、前記タンク連結配管の前記水素吸蔵タンクと前記分岐部との間の位置に設けられた第１流通制御部と、前記タンク連結配管の前記水素高圧バッファタンクと前記分岐部との間の位置に設けられた第２流通制御部と、前記第１流通制御部の前記水素吸蔵タンク側の前記タンク連結配管と、前記第２流通制御部の前記水素高圧バッファタンク側の前記タンク連結配管とを連通させるバイパス配管と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記第１流通制御部で前記タンク連結配管を閉又は流量を減少するように制御し、前記第２流通制御部で流量を大きくするように制御して、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記第１流量制御部の流量を大きくし、且つ前記第２流量制御部を閉じて、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記バイパス配管を介して前記水素高圧バッファタンクに供給・備蓄させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 水素を吸蔵し、且つ水素を放出することが可能な水素吸蔵材を充填した水素吸蔵タンクと、前記水素吸蔵タンクから放出された水素を備蓄可能な水素高圧バッファタンクと、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとを連通するように接続するタンク連結配管と、前記タンク連結配管の中間に位置する分岐部から分岐した水素供給配管と、前記水素供給配管に接続される燃料電池スタックとを備え、前記水素吸蔵タンク内に熱交換器が設置されると共に、該熱交換器に前記燃料電池スタックで発生した蒸気及び熱水からなる生成水を導く排水管が接続され、前記熱交換器に流通させる生成水の流量を制御する水量制御部を備えるている燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合に、前記水素高圧バッファタンクに備蓄された水素を放出して、前記水素吸蔵タンクと前記水素高圧バッファタンクとの双方、又は前記水素高圧バッファタンクのみで、前記燃料電池スタックに必要水素量を供給し、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合に、前記水素吸蔵タンクからのみ水素を放出させると共に、前記燃料電池スタックの水素需要量を越える余剰の水素を前記水素高圧バッファタンクに供給し、
前記水量制御部は、前記水素吸蔵タンク内の温度が、前記水素吸蔵材料が水素を放出する適正温度となるように熱交換器内を流通する生成水の水量制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 - 請求項８乃至請求項１１のいずれか一項に記載された燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を上回る場合は、低温時、燃料電池システム始動時、急激に高負荷をかけた時、連続高負荷時初期段階の時のいずれかであり、
前記燃料電池スタックから要求される、負荷に見合った水素需要量が、前記水素吸蔵タンクの水素放出量を下回り、且つ前記水素吸蔵タンクの圧力が前記水素高圧バッファタンクの圧力より高い場合は、燃料電池システムの暖気後の定常運転時、負荷低下時であることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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