(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気化させた原燃料ガスであるアンモニアガスを改質することによって燃料ガスを発生する改質手段と、
前記燃料ガスに含まれる残留アンモニアガスを除去し、前記残留アンモニアガスが除去された後の前記燃料ガスを燃料電池に供給する除去器と、
前記燃料電池の燃料オフガスの燃焼熱で前記改質手段に供給される前記アンモニアガスを加熱する加熱手段と、
前記アンモニアガスの少なくとも一部を前記改質手段の前段で貯留する第１バッファータンクと、
前記燃料オフガスの少なくとも一部を前記加熱手段の前段で貯留する第２バッファータンクと、
前記燃料電池に対する要求負荷が増大する際に、前記第１バッファータンクおよび前記第２バッファータンクの出口を開に制御する制御手段と、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
このような燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、負荷への供給電力が不足しないように燃料電池の発電量が制御されている。燃料電池の発電に用いる燃料ガスは、気化させた液体燃料を改質することによって得ることができる（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、負荷の要求電力が増大した場合に、応答性よく燃料電池の発電量を増大させることは困難であった。例えば、負荷の要求電力が増大したときに原燃料の改質に必要な熱が不足することがある。この場合、燃料ガスを応答性よく増大させることが困難になることから、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることは困難であった。
【０００６】
本発明は、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、気化させた原燃料ガスであるアンモニアガスを改質することによって燃料ガスを発生する改質手段と、前記燃料ガスに含まれる残留アンモニアガスを除去し、前記残留アンモニアガスが除去された後の前記燃料ガスを燃料電池に供給する除去器と、前記燃料電池の燃料オフガスの燃焼熱で前記改質手段に供給される前記アンモニアガスを加熱する加熱手段と、前記アンモニアガスの少なくとも一部を前記改質手段の前段で貯留する第１バッファータンクと、前記燃料オフガスの少なくとも一部を前記加熱手段の前段で貯留する第２バッファータンクと、前記燃料電池に対する要求負荷が増大する際に、前記第１バッファータンクおよび前記第２バッファータンクの出口を開に制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に対する要求負荷が増大する際に、第１バッファータンクから改質手段へのガス供給を開始し、かつ第２バッファータンクから加熱手段へのガス供給を開始することができる。それにより、原燃料ガスであるアンモニアガスの改質に必要な熱を確保しつつ改質手段の燃料ガス発生量を素早く増大させることができる。その結果、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の発電量を応答性よく増大させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は、燃料電池システムの通常運転時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。図２（ｂ）〜（ｄ）は、バッファータンク近傍の図であり、図２（ｂ）は時間ｔ０〜ｔ１に対応し、図２（ｃ）は時間ｔ１〜ｔ２に対応し、図２（ｄ）は時間ｔ２〜ｔ３に対応している。
【図３】制御装置がバッファータンクからのガス供給を開始および停止する処理のフローチャートの一例を示す図である。
【図４】制御装置がバッファータンクへのガス貯留を開始および停止する処理のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、実施例１に係る燃料電池システム５の構成を示す模式図である。本実施例において、燃料電池システム５は、車両に搭載されて用いられる。車両は特に限定されず、例えば、内燃機関を有する車両、走行用モータを有する電気駆動式車両、内燃機関および走行用モータの両方を有する車両等を用いることができる。
【００１３】
燃料電池システム５は、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電する。このような燃料電池であれば、燃料電池１０の種類は特に限定されない。本実施例においては、一例として、燃料電池１０は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池である。燃料電池１０の発電で生じた電力は、走行用モータ、補機類（エアコン装置、照明類、メータ等）等、稼動時に電力を消費する装置（以下、負荷と称する）のために利用される。
【００１４】
燃料電池システム５は、燃料電池１０を運転させるための構成として、貯留タンク２０、蒸発器／熱交換器２１（以下、蒸発器２１と称する）、熱交換器２２、改質器２３、電熱ヒーター２４、混合器２５、燃焼器２６、バッファータンク３０ａ，３０ｂ、除去器４０、液体用ポンプ５０、気体用ポンプ５５ａ〜５５ｃ、流路６０ａ〜６０ｎ、開閉弁７０ａ〜７０ｊ、３方弁７１ａ〜７１ｇ、逆止弁７２ａ〜７２ｆ、要求電力検出計８０および制御装置９０を備えている。
【００１５】
貯留タンク２０には、液体用ポンプ５０および気体用ポンプ５５ａが接続されている。液体用ポンプ５０および蒸発器２１は、流路６０ａによって連通されている。流路６０ａには、上流側から順に開閉弁７０ａおよび逆止弁７２ａが配置されている。また、気体用ポンプ５５ａおよび混合器２５は、流路６０ｂによって連通されている。流路６０ｂには、上流側から順に開閉弁７０ｂおよび逆止弁７２ｂが配置されている。
【００１６】
蒸発器２１、熱交換器２２および改質器２３は、流路６０ｃによって連通されている。流路６０ｃの蒸発器２１と熱交換器２２との間には、開閉弁７０ｃおよび逆止弁７２ｃが上流側から順に配置されている。流路６０ｃの蒸発器２１と熱交換器２２との間には、バッファータンク３０ａが流路６０ｄを介して接続されている。流路６０ｄの上流端は流路６０ｃの蒸発器２１と開閉弁７０ｃとの間に接続され、下流端は開閉弁７０ｃと逆止弁７２ｃとの間に接続されている。流路６０ｄのバッファータンク３０ａの前後には、それぞれ開閉弁７０ｄおよび開閉弁７０ｅが配置されている。
【００１７】
改質器２３、除去器４０および燃料電池１０の燃料ガス入口は、流路６０ｅによって連通されている。流路６０ｅの改質器２３と除去器４０との間の部分は、蒸発器２１内を挿通している。流路６０ｅの除去器４０の前後には、それぞれ開閉弁７０ｆおよび開閉弁７０ｇが配置されている。燃料電池１０の酸化剤ガス入口には、気体用ポンプ５５ｂが流路６０ｆを介して接続されている。
【００１８】
燃料電池１０の発電に供されなかった燃料ガス（以下、燃料オフガスと称する）用の出口と混合器２５とは、流路６０ｇによって連通されている。流路６０ｇには、気体用ポンプ５５ｃが配置されている。流路６０ｇの燃料電池１０と気体用ポンプ５５ｃとの間には、上流側から順に３方弁７１ａおよび逆止弁７２ｄが配置されている。３方弁７１ａの３つの接続口のうち一つは、外気へ開放されている。流路６０ｇの気体用ポンプ５５ｃと混合器２５との間には、バッファータンク３０ｂが流路６０ｈを介して接続されている。流路６０ｈのバッファータンク３０ｂの前後には、それぞれ開閉弁７０ｈおよび開閉弁７０ｉが配置されている。
【００１９】
燃料電池１０の発電に供されなかった酸化剤ガス（以下、酸化剤オフガスと称する）用の出口と混合器２５とは、流路６０ｉによって連通されている。流路６０ｉの流路途中には、電熱ヒーター２４が配置されている。流路６０ｉの電熱ヒーター２４より上流には、上流側から順に３方弁７１ｂ、逆止弁７２ｅおよび開閉弁７０ｊが接続されている。３方弁７１ｂの３つの接続口のうち一つは、外気へ開放されている。
【００２０】
混合器２５および燃焼器２６は、流路６０ｊによって連通されている。燃焼器２６のガス排出口には流路６０ｋが接続されている。流路６０ｋの下流側は、熱交換器２２内を挿通している。
【００２１】
なお、本実施例において、気体用ポンプ５５ａおよび混合器２５を連通する流路６０ｂと蒸発器２１および熱交換器２２を連通する流路６０ｃとは、流路６０ｌによって接続されている。流路６０ｌの上流端は流路６０ｂの逆止弁７２ｂと混合器２５との間に接続され、下流端は流路６０ｃの逆止弁７２ｃと熱交換器２２との間に接続されている。流路６０ｌの流路６０ｌへの接続点には３方弁７１ｃが配置され、流路６０ｌの流路６０ｃへの接続点には３方弁７１ｄが配置されている。
【００２２】
流路６０ｃの熱交換器２２と改質器２３との間の部分と熱交換器２２内を挿通した後の流路６０ｋとは、流路６０ｍによって接続されている。流路６０ｍの流路６０ｋへの接続点には３方弁７１ｅが配置され、流路６０ｍの流路６０ｃへの接続点には３方弁７１ｆが配置されている。３方弁７１ｅの３つの接続口のうち一つは、外気へ開放されている。
【００２３】
気体用ポンプ５５ｂおよび燃料電池１０を連通する流路６０ｆと燃料電池１０および混合器２５を連通する流路６０ｉとは、流路６０ｎによって接続されている。流路６０ｎの下流端は、流路６０ｉの逆止弁７２ｅと開閉弁７０ｊとの間に接続している。流路６０ｎの流路６０ｆへの接続点には３方弁７１ｇが配置されている。流路６０ｎには逆止弁７２ｆが配置されている。
【００２４】
貯留タンク２０は、液体状態の原燃料を貯留するためのタンクである。本実施例においては、液体状態の原燃料として、アンモニア（ＮＨ３）が用いられる。蒸発器２１は、流路６０ａから蒸発器２１内に流入したアンモニアと流路６０ｅ内のガスとの間で熱交換させることによって、アンモニアを蒸発させてアンモニアガスを生成するための部材である。熱交換器２２は、流路６０ｃから熱交換器２２内に流入したアンモニアガスと流路６０ｋ内のガスとの間で熱交換させることによって、アンモニアガスを加熱するための部材である。
【００２５】
改質器２３は、改質器２３内に流入したアンモニアガスに下記式（１）の改質反応を生じさせて、燃料ガスを発生させるための部材である。改質器２３は、式（１）の反応を促進するための触媒を有している。
ＮＨ３→１／２Ｎ２+３／２Ｈ２−４６．１９ｋＪ／ｍｏｌ・・・（１）
【００２６】
電熱ヒーター２４は、制御装置９０によって制御されて、流路６０ｉ内のガスを加熱するための装置である。本実施例において、電熱ヒーター２４用の電力は、二次電池が供給する。混合器２５は、混合器２５に接続している複数の流路から混合器２５内に流入したガスを混合させるための部材である。燃焼器２６は、流路６０ｊから燃焼器２６内に流入したガスを燃焼させるための部材である。燃焼器２６は、燃焼を促進するための触媒を有している。
【００２７】
バッファータンク３０ａは、アンモニアガスを一時的に貯留するためのタンクである。バッファータンク３０ｂは燃料オフガスを一時的に貯留するためのタンクである。除去器４０は、流路６０ｅ内のアンモニアガス（残留アンモニアガス）を除去するための装置である。それにより、残留アンモニアガスによって燃料電池１０が損傷することが抑制されている。
【００２８】
液体用ポンプ５０および気体用ポンプ５５ａ〜５５ｃは、制御装置９０に制御されて稼動、停止等を行う。開閉弁７０ａ〜７０ｊは、制御装置９０に制御されて、それぞれの開閉弁に接続されている流路を開閉する。３方弁７１ａ〜７１ｇは、制御装置９０に制御されて、それぞれの３方弁に接続されている流路の開口率を調整する。逆止弁７２ａ〜７２ｆは、逆止弁が接続された流路内の流体が逆流することを抑制している。
【００２９】
要求電力検出計８０は、燃料電池１０に対する発電要求量を検出するための計器である。要求電力検出計８０には、車速計、アクセルポジションセンサ等、負荷の状態を検出するセンサ類の検出結果が伝えられる。要求電力検出計８０は、これらのセンサ類からの検出結果に基づいて、燃料電池１０が発電しなければならない電力量を検出し、検出結果を制御装置９０に伝える。
【００３０】
制御装置９０は、演算部としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）９１、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）９２、揮発記憶部としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）９３等を備えるマイクロコンピュータである。制御装置９０は、負荷への供給電力が不足しないような燃料電池１０の発電量が得られるように、液体用ポンプ５０、気体用ポンプ５５ａ〜５５ｃ、電熱ヒーター２４、開閉弁７０ａ〜７０ｊ、３方弁７１ａ〜７１ｇを制御する。
【００３１】
続いて、燃料電池システム５の動作の一例について説明する。本実施例において、燃料電池システム５は通常運転を行う前に暖機運転を行う。まず、燃料電池システム５の暖機運転時の動作の一例について説明する。暖機運転時において、制御装置９０は、気体用ポンプ５５ａ、気体用ポンプ５５ｂおよび電熱ヒーター２４を作動させる。また、制御装置９０は、気体用ポンプ５５ａから圧送されたアンモニアガスが流路６０ｂを通過して混合器２５に流入するように、開閉弁７０ｂを開に制御する。このとき、制御装置９０は、流路６０ｌが閉になるように３方弁７１ｃを制御しておく。また、制御装置９０は、気体用ポンプ５５ｂから圧送された酸化剤ガス（エア中の酸素）が流路６０ｎ，６０ｉを通過して混合器２５に流入するように３方弁７１ｇおよび開閉弁７０ｊを制御する。このとき、流路６０ｉを通過する酸化剤ガスは電熱ヒーター２４によって加熱されてから混合器２５に流入する。
【００３２】
混合器２５に流入したアンモニアおよび酸化剤ガスは、混合器２５内で混合された後、流路６０ｊを通過して燃焼器２６に流入し、燃焼器２６内において燃焼器２６の触媒によって活性化されて下記式（２）の反応を生じる。式（２）の反応は発熱反応であるため、燃焼器２６で発生したガス（窒素および水素）の温度は、反応前のアンモニアガスおよび酸素よりも高温になる。
【００３３】
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３１６．５６ｋＪ／ｍｏｌ・・・（２）
【００３４】
制御装置９０は、燃焼器２６で発生したガスが流路６０ｋ，６０ｍ，６０ｃを通過して改質器２３に流入するように、３方弁７１ｅ，７１ｆを制御する。また、制御装置９０は、改質器２３に流入したガスが流路６０ｅ内に滞留するように、開閉弁７０ｆを閉に制御しておく。この場合、蒸発器２１内の流路６０ｅに滞留しているガスによって、蒸発器２１は加熱される。次いで、制御装置９０は、気体用ポンプ５５ａおよび気体用ポンプ５５ｂを停止させる。以上の処理により暖機運転は終了する。なお、暖機運転時に必要な電力は、例えば二次電池によって供給される。二次電池は、通常運転時に燃料電池１０が発生した電力によって充電されてもよい。
【００３５】
続いて燃料電池システム５の通常運転時の動作の一例について説明する。制御装置９０は、暖機運転が完了した後に通常運転を開始する。通常運転時において、制御装置９０は、貯留タンク２０内の液体状態のアンモニアの供給を開始させる制御と、気体用ポンプ５５ｂからの酸化剤ガス供給を開始させる制御と、燃料電池１０のオフガスの混合器２５への供給を開始させる制御と、を行う。
【００３６】
貯留タンク２０内の液体状態のアンモニアの供給を開始させる制御において、制御装置９０は、液体用ポンプ５０の回転数を第１の回転数に制御する。制御装置９０は、貯留タンク２０内の液体状態のアンモニアが流路６０ａを通過して蒸発器２１に流入するように、開閉弁７０ａを開に制御する。蒸発器２１に流入したアンモニアは、加熱されてアンモニアガスになる。
【００３７】
また、制御装置９０は、蒸発器２１で発生したアンモニアガスが流路６０ｃを通過して熱交換器２２に流入するように、開閉弁７０ｃを開に制御する。熱交換器２２に流入したアンモニアガスは、流路６０ｋ内のガスと熱交換することによって加熱される。
【００３８】
制御装置９０は、熱交換器２２で加熱されたアンモニアガスが流路６０ｃを通過して改質器２３に流入するように３方弁７１ｆを制御する。改質器２３においては、式（１）の反応が生じて、燃料ガスが発生する。制御装置９０は、改質器２３で発生した燃料ガスが流路６０ｅを通過して燃料電池１０に流入するように、開閉弁７０ｆおよび開閉弁７０ｇを開に制御する。
【００３９】
気体用ポンプ５５ｂからの酸化剤ガス供給を開始させる制御において、制御装置９０は、気体用ポンプ５５ｂを作動させるとともに、気体用ポンプ５５ｂによって圧送された酸化剤ガスが流路６０ｆを通過して燃料電池１０に流入するように、３方弁７１ｇを制御して流路６０ｎを閉にし流路６０ｆを開にする。燃料電池１０においては、酸化剤ガスと燃料ガスとが反応する。それにより、発電が行われる。
【００４０】
燃料電池１０のオフガスの混合器２５への供給を開始させる制御において、制御装置９０は、燃料電池１０の酸化剤オフガスが流路６０ｉを通過して混合器２５に流入するように、３方弁７１ｂおよび開閉弁７０ｊを制御する。制御装置９０は、気体用ポンプ５５ｃを作動させるとともに、燃料電池１０の燃料オフガスが流路６０ｇを通過して混合器２５に流入するように３方弁７１ａを制御する。
【００４１】
混合器２５に流入した燃料オフガスは、混合器２５で酸化剤オフガスと混合された後に、流路６０ｊを通過して燃焼器２６に流入して燃焼器２６内で燃焼する。燃焼後のガスは、熱交換器２２において流路６０ｃ内のアンモニアガスを加熱した後、３方弁７１ｅから外部に排出される。以上のように、通常運転は行われる。
【００４２】
ここで、本実施例に係る燃料電池システム５は、燃料電池１０に対する発電要求量が増大した場合に対応するために、通常運転時においてバッファータンク３０ａ，３０ｂへのガス貯留およびガス供給およびバッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス貯留を行う。このバッファータンク３０ａ，３０ｂの動作を含めた通常運転時の動作の一例を、以下に説明する。
【００４３】
図２（ａ）は、燃料電池システム５の通常運転時の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。縦軸は、燃料電池１０に対する発電要求量（以下、燃料電池１０に対する要求負荷と称する）、車速、液体用ポンプ５０の回転数を示し、横軸は時間を示している。車速は、時間ｔ０からｔ１まで一定であり、時間ｔ１において減少を開始し、時間ｔ２において減少を終了して上昇を開始し、時間ｔ４において上昇を終了して一定になる。なお、図２（ａ）において、車両は平地を走行しているものとする。
【００４４】
燃料電池１０に対する要求負荷は、時間ｔ０からｔ１まで第１の値を保ち、時間ｔ１において減少を開始して、第２の値（＜第１の値）になる。要求負荷は、時間ｔ２において増大を開始して第３の値（＞第１の値および第２の値）になる。なお、時間ｔ３は、要求負荷の増大が終了してから所定時間経過した時間である。その後、要求負荷は、時間ｔ４において減少を開始して第４の値になる。すなわち、本実施例において、時間ｔ１は車速が減少を開始することによって燃料電池１０に対する要求負荷が減少したときであり、時間ｔ２は車速が上昇を開始することによって燃料電池１０に対する要求負荷が増大したときである。
【００４５】
制御装置９０は、液体用ポンプ５０の回転数を時間ｔ０からｔ３までの間、第１の回転数に制御する。制御装置９０は、時間ｔ３において、液体用ポンプ５０の回転数を上昇させる。制御装置９０は、時間ｔ４において液体用ポンプ５０の回転数を第２の回転数（＞第１の回転数）にする。
【００４６】
図２（ｂ）〜（ｄ）は、バッファータンク３０ａ，３０ｂ近傍の図であり、図２（ｂ）は時間ｔ０〜ｔ１に対応し、図２（ｃ）は時間ｔ１〜ｔ２に対応し、図２（ｄ）は時間ｔ２〜ｔ３に対応している。図１、図２（ａ）〜（ｄ）を参照して、通常発電時における制御装置９０による各種弁およびポンプの制御並びにこれらの制御に伴うガスの流れについて説明する。
【００４７】
まず、時間ｔ０〜ｔ１までの間、制御装置９０は、バッファータンク３０ａの前後にそれぞれ配置されている開閉弁７０ｄおよび開閉弁７０ｅを閉に制御しておく。また、時間ｔ０〜ｔ１までの間、制御装置９０は、バッファータンク３０ｂの前後にそれぞれ配置されている開閉弁７０ｈおよび開閉弁７０ｉを閉に制御しておく。すなわち、時間ｔ０〜ｔ１までの間、バッファータンク３０ａ，３０ｂへのガス貯留は行われず、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給も行われない。
【００４８】
制御装置９０は、時間ｔ０〜ｔ１までの間、バッファータンク３０ａ，３０ｂをこのように制御した状態で、前述した貯留タンク２０内の液体状態のアンモニアの供給を開始させる制御、気体用ポンプ５５ｂからの酸化剤ガス供給を開始させる制御および燃料電池１０のオフガスの混合器２５への供給を開始させる制御を行う。
【００４９】
時間ｔ１において制御装置９０は、開閉弁７０ｃを閉に制御する（図２（ｃ））。それにより、蒸発器２１を経由したアンモニアガスの熱交換器２２への供給は停止される。この場合、燃料電池１０の発電量は低下する。また、時間ｔ１において制御装置９０は、開閉弁７０ｅを閉に制御した状態で、開閉弁７０ｄを開に制御する。それにより、流路６０ｃのアンモニアガスは、流路６０ｄによってバイパスされてバッファータンク３０ａ内に貯留される。さらに、制御装置９０は、開閉弁７０ｉを閉に制御した状態で、開閉弁７０ｈを開に制御する。それにより、流路６０ｇの燃料オフガスは、流路６０ｈによってバイパスされてバッファータンク３０ｂに貯留される。
【００５０】
制御装置９０は、バッファータンク３０ａ，３０ｂへのガス貯留を停止するための条件（以下、貯留停止条件と称する）が満たされた場合、開閉弁７０ｄ，７０ｈを閉に制御する。貯留停止条件は、特に限定されない。例えば、車両の減速が終了したとき、バッファータンク３０ａ，３０ｂ内の圧力が所定圧力以上になったとき、バッファータンク３０ａ，３０ｂへのガス貯留が開始してから所定時間が経過したとき等、種々の条件を用いることができる。
【００５１】
時間ｔ２において制御装置９０は、開閉弁７０ｃを開に制御する（図２（ｄ））。それにより、蒸発器２１を経由したアンモニアガスの熱交換器２２への供給が開始される。その結果、燃料電池１０の発電量は増加する。さらに、制御装置９０は、時間ｔ２において、開閉弁７０ｄを閉に制御した状態で、開閉弁７０ｅを開に制御する。それにより、バッファータンク３０ａに貯留されていたアンモニアガスの熱交換器２２への供給が開始される。
【００５２】
また制御装置９０は、時間ｔ２において、開閉弁７０ｈを閉に制御した状態で、開閉弁７０ｉを開に制御する。それにより、バッファータンク３０ｂに貯留されていた燃料オフガスの供給が開始される。この場合、混合器２５に流入する燃料オフガスの流量が上昇する。
【００５３】
時間ｔ３において制御装置９０は、開閉弁７０ｅを閉に制御してバッファータンク３０ａからのアンモニアガス供給を停止させ、開閉弁７０ｉを閉に制御してバッファータンク３０ｂからの燃料オフガス供給を停止させる。
【００５４】
なお、前述したように、時間ｔ３において液体用ポンプ５０の回転数は増大している。このように、燃料電池システム５は、燃料電池１０に対する要求負荷が増大する際に、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給を開始し、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給を停止させたときに、液体用ポンプ５０の回転数を増大させている。
【００５５】
なお、制御装置９０は、３方弁７１ａを制御することによって、混合器２５およびバッファータンク３０ｂへの燃料オフガス流入量を調整する。例えば制御装置９０は、混合器２５およびバッファータンク３０ｂへの燃料オフガス流入量を減少させたい場合には、３方弁７１ａを制御して、燃料オフガスの３方弁７１ａからの排気量を増大させる。この制御が行われる時期は特に限定されない。
【００５６】
また、制御装置９０は、３方弁７１ｂを制御することによって、混合器２５への酸化剤オフガスの流入量を調整する。それにより、制御装置９０は、例えば混合器２５の燃料オフガス濃度と酸化剤オフガス濃度との比率を所望の値（例えば１：１程度）に調整することができる。例えば、制御装置９０は、混合器２５の酸化剤オフガス濃度が高い場合には、３方弁７１ｂからの酸化剤オフガスの排気量が増大するように３方弁７１ｂを制御することによって、酸化剤オフガスの流入量を減少させる。この制御が行われる時期は特に限定されない。
【００５７】
続いて、燃料電池システム５の作用効果を、比較例に係る燃料電池システムを用いて説明する。比較例に係る燃料電池システムは、バッファータンク３０ａ，３０ｂを備えていない点において、燃料電池システム５と異なる。比較例に係る燃料電池システムは、車両が加速して燃料電池１０に対する要求負荷が増大した際、液体用ポンプ５０の回転数の増大のみによって対応する。この場合、改質に必要な熱が不足することが考えられる。例えば、アンモニア改質反応は吸熱反応であることから、改質器２３での改質反応に必要な熱が不足することが考えられる。あるいは、蒸発器２１における液体状態のアンモニアの気化に必要な熱が不足することも考えられる。したがって、比較例に係る燃料電池システムでは、燃料電池１０の発電量を応答性よく増大させることは困難である。
【００５８】
さらに、比較例に係る燃料電池システムにおいて改質に必要な熱が不足した場合、未改質のアンモニアガスが増大するおそれがある。この場合、除去器４０の容積を大型化する必要がある。この場合、比較例に係る燃料電池システムの車両への搭載が困難になるおそれがある。
【００５９】
これに対して、本実施例に係る燃料電池システム５によれば、燃料電池１０に対する要求負荷が増大した際に、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給を開始している。この場合、バッファータンク３０ａからのアンモニアガス供給によって改質器２３に供給されるガス量が増大するとともに、バッファータンク３０ｂからの燃料オフガス供給によって熱交換器２２におけるアンモニアガス加熱量を増大させることができる。それにより、改質に必要な熱を確保しつつ改質器２３の燃料ガス発生量を応答性よく増大させることができる。
【００６０】
また、未改質のアンモニアガス量の増大も抑制できることから、除去器４０を大型化させることなく燃料電池１０の発電量を応答性よく増大させることができる。それにより、燃料電池システム５の車両への搭載性を確保しつつ燃料電池１０の発電量を応答性よく増大させることができる。
【００６１】
なお、制御装置９０は、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給を停止させたときに液体用ポンプ５０の回転数を増大させている。すなわち、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給によって改質器２３における燃料ガス発生量が増大した状態で、液体用ポンプ５０の回転量を増大させている。それにより、液体用ポンプ５０の回転量を増大させたときに液体状態のアンモニアを蒸発器２１で気化させるのに必要な熱が不足することは抑制されている。
【００６２】
図３は、制御装置９０がバッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給を開始および停止する処理のフローチャートの一例を示す図である。制御装置９０は、図３のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。まず、制御装置９０は、燃料電池１０に対する要求負荷が増大したか否かを判する（ステップＳ１０）。制御装置９０は、要求電力検出計８０の検出結果に基づいて、燃料電池１０に対する要求負荷が増大したか否かを判定する。制御装置９０は、要求負荷が増大したと判定されるまでステップＳ１０を繰り返し実行する。
【００６３】
ステップＳ１０において燃料電池１０に対する要求負荷が増大したと判定された場合、制御装置９０は、バッファータンク３０ａからのガス供給が開始するように開閉弁７０ｅを開に制御し、バッファータンク３０ｂからのガス供給が開始するように開閉弁７０ｉを開に制御する（ステップＳ２０）。すなわち、本実施例において、制御装置９０は、燃料電池１０に対する要求負荷が増大する際に、バッファータンク３０ａ，３０ｂの出口を開に制御している。
【００６４】
次いで制御装置９０は、バッファータンク３０ａ，３０ｂからのガス供給を停止させるための条件（以下、ガス供給停止条件と称する）が満たされたか否かを判定する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０の具体的判断基準は、特に限定されない。本実施例において制御装置９０は、一例として、燃料電池１０に対する要求負荷の増大が終了した場合に、ガス供給停止条件が満たされたと判定する。より具体的には、制御装置９０は、燃料電池１０に対する要求負荷の増大が終了してから所定時間経過後（図２（ａ）の時間ｔ３）に、ガス供給停止条件が満たされたと判定する。所定時間は、例えば制御装置９０内の時間検出部（タイマ等）が検出する。制御装置９０は、ガス供給停止条件が満たされたと判定されるまでステップＳ３０を繰り返し実行する。
【００６５】
ステップＳ３０においてガス供給停止条件が満たされたと判定された場合、制御装置９０は、バッファータンク３０ａからのガス供給が停止するように開閉弁７０ｅを閉に制御し、バッファータンク３０ｂからのガス供給が停止するように開閉弁７０ｉを閉に制御する（ステップＳ４０）。次いで、制御装置９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６６】
図４は、制御装置９０がバッファータンク３０ａ，３０ｂへのガス貯留を開始および停止する処理のフローチャートの一例を示す図である。制御装置９０は、図４のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。まず、制御装置９０は、バッファータンク３０ａ，３０ｂへのガスの貯留を開始するための条件（以下、貯留開始条件と称する）が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１００）。
【００６７】
この貯留開始条件が満たされたと判定されるときは、燃料電池１０に対する要求負荷が増大していないときであれば、特に限定されない。本実施例において制御装置９０は、一例として、車両が減速を開始することによって燃料電池１０に対する要求負荷が減少した際（図２（ａ）の時間ｔ１）に、貯留開始条件が満たされたと判定する。この場合、制御装置９０は、車速計の検出結果に基づいて車両が減速を開始したと判定し、かつ要求電力検出計８０の検出結果に基づいて要求負荷が減少したと判定した場合に、貯留開始条件が満たされたと判定する。但し、これに限られず、例えば制御装置９０は、燃料電池１０に対する要求負荷の変動がないとき（例えば図２（ａ）の時間ｔ０〜ｔ１までの間等）に、貯留開始条件が満たされたと判定してもよい。制御装置９０は、貯留開始条件が満たされたと判定されるまで、ステップＳ１００を繰り返し実行する。
【００６８】
ステップＳ１００において貯留開始条件が満たされたと判定された場合、制御装置９０は、バッファータンク３０ａにアンモニアガスが貯留されるように開閉弁７０ｄを開に制御し、バッファータンク３０ｂに燃料オフガスが貯留されるように開閉弁７０ｈを開に制御する（ステップＳ１１０）。
【００６９】
次いで制御装置９０は、貯留停止条件が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１２０）。本実施例において、制御装置９０は、一例として、車両の減速が終了したときに貯留停止条件が満たされたと判定する。制御装置９０は、貯留停止条件が満たされたと判定されるまで、ステップＳ１２０を繰り返し実行する。
【００７０】
ステップＳ１２０において貯留停止条件が満たされたと判定された場合、制御装置９０は、開閉弁７０ｄを閉に制御することによってバッファータンク３０ａへの貯留を停止し、開閉弁７０ｈを閉に制御することによってバッファータンク３０ｂへの貯留を停止する（ステップＳ１３０）。次いで、制御装置９０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７１】
なお、制御装置９０は、図３のフローチャートと図４のフローチャートとを独立して実行する。但し、図３のフローチャートのステップＳ１０が肯定判定された場合には、制御装置９０は、図４のフローチャートの実行を終了して図３のフローチャートのステップＳ２０以下を優先的に行う。
【００７２】
（変形例１）
車両の加速が頻繁に繰り返されたとき等、燃料電池１０に対する要求負荷の増加が頻繁に繰り返された場合、バッファータンク３０ａ内のアンモニアガス貯留量が不足するおそれがある。この場合、燃料電池１０に対する要求負荷が増大した際に十分な量のアンモニアガスを改質器２３に供給することが困難になるおそれがある。そこで、制御装置９０は、燃料電池１０に対する要求負荷の増加が頻繁に繰り返された場合には、貯留タンク２０内のアンモニアガスをさらに改質器２３に流入させてもよい。
【００７３】
具体的には、制御装置９０は、要求電力検出計８０の検出結果に基づいて要求負荷の増加が所定期間内に所定回数以上あったと判定した場合、貯留タンク２０内のアンモニアガスを改質器２３に流入させるための開始条件が満たされたと判定する。この場合、制御装置９０は、気体用ポンプ５５ａを作動させるとともに、気体用ポンプ５５ａから圧送されたアンモニアガスが流路６０ｂ，６０ｌ，６０ｃを通過して熱交換器２２に流入するように、開閉弁７０ｂ、３方弁７１ｃ，７１ｄを制御する。
【００７４】
この場合、改質器２３には、液体用ポンプ５０から圧送されて蒸発器２１を経由したアンモニアガスおよびバッファータンク３０ａに貯留されたアンモニアガスに加えて、気体用ポンプ５５ａから圧送されたアンモニアガスも供給される。それにより、燃料電池１０に対する要求負荷の増加が頻繁に繰り返された場合に改質器２３へのアンモニアガス供給量が不足することを抑制することができる。
【００７５】
なお、本実施例において、燃料オフガスの燃焼熱は気化された原燃料ガスを加熱することに用いられているが、これに限られない。燃料オフガスの燃焼熱は、液体状態の原燃料を改質ガスにして燃料電池に供給するまでの一連の工程のうち、少なくともいずれかで用いられればよい。例えば、燃料オフガスの燃焼熱を熱交換器２２で用いる代わりに蒸発器２１で用いてもよく、熱交換器２２および蒸発器２１の両方で用いてもよい。
【００７６】
また、本実施例において、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスは燃焼器２６における燃焼に再利用されているが、これに限られない。燃焼器２６における燃料に利用できるガスであれば、燃焼器２６に供給されるガスは燃料オフガスおよび酸化剤オフガスでなくてもよい。この場合、バッファータンク３０ｂに貯留されるガスも、燃料オフガスでなくてよい。但し、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスが再利用される場合の方が、そうでない場合に比較して、燃料電池システム５の燃費を向上できる点で好ましい。
【００７７】
また、本実施例において、原燃料ガスとしてアンモニアガスを用いているが、これに限られない。改質反応によって水素を発生できるガスであれば、原燃料ガスはアンモニアガスに限られない。例えば、原燃料ガスとして、ヒドラジンガス（Ｎ２Ｈ４）、炭化水素ガス等を用いてもよい。
【００７８】
本実施例において、改質器２３は、原燃料ガスを改質することによって燃料ガスを発生して燃料電池１０に供給する改質手段としての機能を有している。混合器２５、燃焼器２６および熱交換器２２は、燃料オフガスの燃焼熱で原燃料ガスを加熱する加熱手段としての機能を有している。バッファータンク３０ａは、気化された原燃料ガスの少なくとも一部を改質手段の前段で貯留する第１バッファータンクとしての機能を有している。バッファータンク３０ｂは、燃料オフガスの少なくとも一部を加熱手段の前段で貯留する第２バッファータンクとしての機能を有している。制御装置９０は、燃料電池１０に対する要求負荷が増大する際に、第１バッファータンクおよび第２バッファータンクの出口を開に制御する制御手段としての機能を有している。
【００７９】
また、本実施例において、流路６０ｃおよび流路６０ｄは、気化された原燃料ガスを改質器２３に供給するための原燃料ガス供給手段としての機能を有している。流路６０ｃは、バッファータンク３０ａの出口が開に制御されていない場合に、気化された原燃料ガスを改質器２３に供給するための原燃料ガス供給手段としての機能も有している。流路６０ｇおよび流路６０ｈは、燃料オフガスを加熱手段に供給するための燃料オフガス供給手段としての機能を有している。流路６０ｇは、バッファータンク３０ｂの出口が開に制御されていない場合に、燃料オフガスを加熱手段に供給するための燃料オフガス供給手段としての機能も有している。
【符号の説明】
【００８０】
５  燃料電池システム
１０  燃料電池
２０  貯留タンク
２１  蒸発器／熱交換器
２２  熱交換器
２３  改質器
２４  電熱ヒーター
２５  混合器
２６  燃焼器
３０  バッファータンク
４０  除去器
５０  液体用ポンプ
５５  気体用ポンプ
６０  流路
７０  開閉弁
７１  ３方弁
７２  逆止弁
８０  要求電力検出計
９０  制御装置
【図１】
0005533399.tif 000002
【図２】
0005533399.tif 000003
【図３】
0005533399.tif 000004
【図４】
0005533399.tif 000005