(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
供給流を受領し得るよう構成されているとともに、受領した供給流から少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含有した生産水素流を生成し得るよう構成された、少なくとも１つの燃料処理器と；
前記生産水素流を受領し得るようにかつ前記生産水素流の少なくとも一部を選択的に貯蔵し得るように構成された水素貯蔵システムであるとともに、前記生産水素流の少なくとも一部を貯蔵して圧縮ガス流を生成し得るよう構成された電気化学的圧縮機と、その圧縮ガス流を受領し得るようかつ選択的に貯蔵し得るよう構成された少なくとも１つの水素貯蔵デバイスと、を備えた水素貯蔵システムと；
複数の燃料電池を含有するとともに、前記少なくとも１つの燃料処理器からおよび前記水素貯蔵システムから水素ガス含有流を受領して、電流を生成し得るよう構成された少なくとも１つの燃料電池スタックと；
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵システムが、さらに、前記生産水素流の少なくとも一部を貯蔵して圧縮ガス流を生成し得るよう構成された機械的圧縮機を備え、
この場合、前記電気化学的圧縮機は、前記生産水素流の少なくとも一部を受領して受領したものを前記機械的圧縮機に対して供給する第１部分と前記機械的圧縮機に対しては供給しない第２部分とに分別することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵システムが、圧縮ガスタンクの形態とされた少なくとも１つの水素貯蔵デバイスを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理器と、前記燃料電池スタックと、前記水素貯蔵システムとが、共通のハウジング内において互いに一体化されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記少なくとも１つの燃料電池スタックから少なくとも一部の電流を抽出し得るよう構成された少なくとも１つのエネルギー消費デバイスを具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理器と、前記燃料電池スタックと、前記少なくとも１つのエネルギー消費デバイスとが、共通のハウジング内において少なくとも部分的に一体化されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵システムが、前記機械的圧縮機の動作時には前記生産水素流の少なくとも一部を前記水素貯蔵システム内の水素貯蔵デバイスに対して選択的に供給し得るよう構成された少なくとも１つの圧力制御デバイスを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理器が、前記供給流を原料として水素ガス含有流を生成するための水素生産領域を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素ガス含有流が、水素ガスと他のガス成分とを含有し、
前記燃料処理器が、分離領域を備え、
この分離領域が、前記水素ガス含有流を、少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含有した水素リッチ流と、少なくとも実質的に他のガス成分を含有した少なくとも１つの副生成物流と、に分離し、
さらに、前記生産水素流が、前記水素リッチ流から形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記分離領域が、少なくとも１つの水素透過性メンブランを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、
前記分離領域が、少なくとも１つの水素選択性金属製メンブランを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの水素選択性金属製メンブランが、パラジウムおよびパラジウム合金の少なくとも一方を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記分離領域が、圧力スイング吸収プロセスを使用して、前記水素ガス含有流を、水素リッチ流と、前記少なくとも１つの副生成物流と、に分離し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項９記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理器が、さらに、精製領域を備え、
この精製領域が、前記水素リッチ流をさらに精製することにより、前記生産水素流を生成することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給流が、炭素含有供給原料を含有し、
前記燃料電池システムが、スチーム改質器の形態とされた少なくとも１つの燃焼処理器を具備し、
前記スチーム改質器が、前記供給流を、水素ガスと他の成分ガスとを含有した混合ガス流へと、変換するための、少なくとも１つの改質触媒ベッドを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給流が、炭素含有供給原料を含有し、
前記燃料電池システムが、前記供給原料を受領するとともに、この供給原料から、熱分解を経て前記生産水素流が生成される水素ガス含有流を生成し得るよう構成された少なくとも１つの燃料処理器を具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給流が、水と、炭素含有供給原料と、を含有し、
前記燃料電池システムが、前記供給原料を受領するとともに、この供給原料から、前記炭素含有供給原料の触媒的部分酸化を経て前記生産水素流が生成される水素ガス含有流を生成し得るよう構成された少なくとも１つの燃料処理器を具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給流が、水を含有し、
前記燃料電池システムが、前記供給原料を受領するとともに、この供給原料から、電気分解を経て前記生産水素流が生成される水素ガス含有流を生成し得るよう構成された少なくとも１つの燃料処理器を具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記水素貯蔵システムの動作を制御し得るよう構成された、コンピュータ化されたコントローラを具備していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
燃料電池システムであって、
供給流を受領し得るよう構成されているとともに、受領した供給流から少なくとも実質的に純粋な水素ガスを含有した生産水素流を生成し得るよう構成された、少なくとも１つの燃料処理器と；
前記生産水素流を受領し得るようにかつ前記生産水素流の少なくとも一部を選択的に貯蔵し得るように構成された少なくとも１つの水素貯蔵デバイスを備えた、水素貯蔵システムと；
複数の燃料電池を含有するとともに、前記少なくとも１つの燃料処理器からおよび前記水素貯蔵システムから水素ガス含有流を受領して、電流を生成し得るよう構成された少なくとも１つの燃料電池スタックと；
前記水素貯蔵システムに対しての前記生産水素流の供給と、前記水素貯蔵システムからの前記水素ガス含有流の流れと、を制御し得るよう構成されたコントローラと；
を具備し、
前記水素貯蔵システムが、前記生産水素流の少なくとも一部を貯蔵して圧縮ガス流を生成し得るよう構成された電気化学的圧縮機を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項２０載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、前記水素貯蔵システムに対しての前記生産水素流の前記供給と、前記水素貯蔵システムからの前記水素ガス含有流の前記流れと、の双方を制御し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、前記燃料電池システムの１つまたは複数の動作パラメータを観測し得るよう構成されているとともに、この観測結果に応答して、前記水素貯蔵システムに対しての前記生産水素流の供給と、前記水素貯蔵システムからの前記水素ガス含有流の流れと、を制御し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２３】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記燃料電池スタックに対して印加された負荷を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記燃料電池スタックに対して供給される前記水素ガス含有流の圧力を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２５】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記燃料処理器からの前記生産水素流の流速を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２６】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記生産水素流の圧力を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２７】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料処理器が、複数の動作状態を備え得るものとされ、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記燃料処理器の動作状態を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２８】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記水素ガス含有流の圧力を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２９】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記水素貯蔵システムによって貯蔵されている水素量を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３０】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、さらに、観測した前記動作パラメータに応答して、前記燃料処理器と前記燃料電池スタックとの少なくとも一方の動作を制御し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３１】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、センサアセンブリを備え、
このセンサアセンブリが、前記燃料電池システムの１つまたは複数の動作パラメータを観測し得るよう構成された少なくとも１つのセンサを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３２】
請求項３１記載の燃料電池システムにおいて、
前記センサアセンブリが、通信リンクを介して前記コントローラに対して通信可能とされた少なくとも１つのセンサを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３３】
請求項３２記載の燃料電池システムにおいて、
前記通信リンクが、有線式の通信リンクを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３４】
請求項３２記載の燃料電池システムにおいて、
前記通信リンクが、無線式の通信リンクを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３５】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、コンピュータ化されたコントローラとされていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３６】
請求項２２記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、コンピュータ化されたコントローラとされていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３７】
請求項３６記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、少なくとも１つの記憶したしきい値を有したメモリデバイスを備え、
前記コントローラが、さらに、観測した少なくとも１つの動作パラメータと少なくとも１つの記憶したしきい値とを比較するとともに、この比較結果に少なくとも部分的に応答して、前記水素貯蔵システムに対しての前記生産水素流の供給と、前記水素貯蔵システムからの前記水素ガス含有流の流れと、を制御し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３８】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、ディスプレイ付きの使用者インターフェースを備え、
前記コントローラが、前記ディスプレイ上に情報を表示し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３９】
請求項３８記載の燃料電池システムにおいて、
前記情報が、測定した動作パラメータを含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４０】
請求項３８記載の燃料電池システムにおいて、
前記情報が、以前に測定した動作パラメータを含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４１】
請求項３８記載の燃料電池システムにおいて、
前記情報が、前記コントローラのメモリデバイス内に記憶された１つまたは複数のしきい値を含有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４２】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、少なくとも１つの使用者入力デバイスを有した使用者インターフェースを備え、
前記使用者入力デバイスが、使用者からの入力を受領し得るよう構成され、
前記コントローラが、前記使用者入力に対して少なくとも部分的に応答して、前記水素貯蔵システムに対しての水素ガス含有流の供給または前記水素貯蔵システムからの水素ガス含有流の抽出を制御し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４３】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵システムが、前記少なくとも１つの水素貯蔵デバイスに対して前記生産水素流を供給する前にその生産水素流の中の少なくとも一部を受領して受領した水素流を圧縮し得るよう構成された機械的圧縮機を備え、
この場合、前記電気化学的圧縮機は、前記生産水素流の少なくとも一部を受領して受領したものを前記機械的圧縮機に対して供給する第１部分と前記機械的圧縮機に対しては供給しない第２部分とに分別することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４４】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵システムが、さらに、前記生産水素流の少なくとも一部を貯蔵して圧縮ガス流を生成し得るよう構成された機械的圧縮機を備え、
この場合、前記電気化学的圧縮機は、前記生産水素流の少なくとも一部を受領して受領したものを前記機械的圧縮機に対して供給する第１部分と前記機械的圧縮機に対しては供給しない第２部分とに分別することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４５】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの水素貯蔵デバイスが、圧縮ガスタンクを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４６】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの水素貯蔵デバイスが、水素化物ベッドを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４７】
請求項４６記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素貯蔵システムが、さらに、前記水素化物ベッドの加熱を制御し得るよう構成された加熱アセンブリを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４８】
請求項４７記載の燃料電池システムにおいて、
前記コントローラが、さらに、前記加熱アセンブリを制御し得るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４９】
請求項２０記載の燃料電池システムにおいて、
前記少なくとも１つの水素貯蔵デバイスが、活性化されたカーボンベッドを有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５０】
請求項４９記載の燃料電池システムにおいて、
前記活性化されたカーボンベッドが、複数のカーボンナノチューブを含有してい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、広義には、水素ガスを生成し得るよう構成された燃焼処理器を備えた燃料処理システムに関するものであり、また、燃料処理器と燃料電池スタックとを備えてなる燃料電池システムに関するものであり、より詳細には、燃料電池スタックまたは他の水素消費デバイスに対して水素ガスを供給するための、改良された方法およびシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料処理システムは、例えば炭素含有供給原料といったような一般的な燃料から水素ガスまたは水素リッチガスを生成するための燃料処理器を備えており、燃料電池システムは、燃料処理器と、水素ガスから電流を生成し得るよう構成された燃料電池スタックと、を備えている。燃料処理器によって生成された水素ガスまたは水素リッチガスが、燃料電池スタックのアノード領域に対して供給され、エアが、燃料電池スタックのカソード領域に対して供給され、これにより、電流が生成される。典型的な燃料電池スタックは、典型的な負荷要求の増加に対して、例えば１〜１０ミリ秒といったようにして、迅速に反応することができるけれども、典型的な燃料処理器は、多くの場合、要求された負荷増大に適合し得るよう立ち上がるためには、数分間あるいはそれ以上という時間を必要とする。負荷要求の増加に関し、燃料処理器が必要とする時間が比較的長いことのために、燃料処理器を組み込んだ燃料電池システムにおいては、通常は、過渡応答特性が劣っている。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、燃料処理器から迅速に水素ガスを供給するための、改良された方法および装置に関するものである。いくつかの実施形態においては、燃料電池ストックに対して水素ガスを供給するために、適用される。本発明による燃料電池システムは、生産水素流を生成し得るよう構成された１つまたは複数の燃料処理器と；その生産水素流から電流を生成し得るよう構成された１つまたは複数の燃料電池スタックと；を具備している。この燃料電池システムは、さらに、生産水素流を受領し得るように構成されているとともに、例えば、負荷需要が増大した場合や、燃料電池スタックや他の水素消費デバイスによって要求されている水素ガス量を燃料処理器では生産し得ない場合に、貯蔵した水素ガスを燃料電池スタックに対して供給し得るよう構成された水素貯蔵デバイスを具備している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
本発明による燃料電池システムが、図１において、全体的に符号（１０）によって示されている。このシステム（１０）は、少なくとも１つの燃料処理器（１２）と、少なくとも１つの燃料電池スタック（２２）と、水素貯蔵システム（５８）と、を具備している。燃料処理器（１２）は、供給原料を含有した原料流（１６）から、水素ガスを含有した生産水素流（１４）を製造し得るよう構成されている。燃料電池スタック（２２）は、受領した生産水素流（１４）の一部から、電流を生成し得るよう構成されている。図示の実施形態においては、単一の燃料処理器（１２）と単一の燃料電池スタック（２２）とが示されているだけではあるけれども、複数の燃料処理器や複数の燃料電池スタックを使用し得ることは、理解されるであろう。また、これら燃料処理器や燃料電池スタックが概略的に図示されているに過ぎず、燃料電池システムは、例えば供給ポンプやエア供給システムや熱交換器等といったような特に図示していない付加的な部材を備えることができることは、理解されるであろう。
【０００５】
燃料処理器（１２）からの生産水素流は、燃料電池スタック（２２）と水素貯蔵システム（５８）との一方または双方に対して、選択的に供給される。ここで、水素貯蔵システム（５８）は、燃料電池スタック（２２）に対して、貯蔵した水素ガスを供給することができるようになっている。よって、この燃料電池システムは、ハイブリッド型の燃料電池システムと称すことができる。水素貯蔵システム（５８）は、受領した水素ガスを選択的に貯蔵システム得るよう構成されている。貯蔵した水素は、その後、選択的に取り出すことができて、電流を生成するために燃料電池スタックに対して供給することも、また、燃焼燃料として使用するために燃料処理器に対して供給することも、また、他の水素消費デバイスに対しても供給することも、できる。
【０００６】
図１に示すように、生産水素流（１４）は、適切なバルブアセンブリによってまたは流通コントローラによって、特に、燃料電池スタック（２２）に対して供給される生産水素流（５４）および水素貯蔵システム（５８）に対して供給される水素分流（５６）という、２つの流れへと、分割される。図１においては、貯蔵された水素流（６４）と生産水素流（５４）とは、燃料電池スタック（２２）に対して互いに個別的に供給される。これに代えて、貯蔵された水素流（６４）と生産水素流（５４）とは、例えば図２に示すように、水素流（６６）を形成するように組み合わせることもできる。
【０００７】
燃料処理器（１２）は、任意の適切な機構を使用することによって、水素を生成する。適切な機構の例としては、スチーム改質や自熱改質があり、このような場合には、改質用触媒を使用することによって、炭素含有供給原料と水とを含有した供給流から、水素ガスを生成する。水素ガスを生成するための他の適切な機構には、炭素含有供給原料の熱分解や触媒的部分酸化があり、このような場合には、原料流は、水を含有していない。水素ガスを生成するためのさらに他の適切な機構には、供給原料を水とする電気分解がある。
【０００８】
例示の目的のために、以下に説明においては、炭素含有供給原料（１８）と水（２０）とを含有した原料流（１６）を受領し得るよう構成された流通改質器としての燃料処理器（１２）について説明する。しかしながら、本発明の範囲内においては、燃料処理器（１２）は、上述したような他の形態のものとすることができる。
【０００９】
適切な炭素含有供給原料の例としては、少なくとも１つの炭化水素やアルコールがある。適切な炭化水素の例には、メタンや、プロパンや、天然ガスや、ディーゼルや、灯油や、ガソリン、等がある。適切なアルコールの例には、メタノールや、エタノールや、例えばエチレングリコールやプロピレングリコールといったような多価アルコール、がある。
【００１０】
供給流（１６）は、任意の適切な機構を介して、燃料処理器（１２）に対して供給することができる。図１には単一の供給流（１６）しか図示されていないけれども、複数の供給流（１６）を使用することができること、および、それら供給流が互いに同じ成分または互いに異なる成分を含有し得ることは、理解されるであろう。炭素含有供給原料（１８）が水に対して混和性である場合には、供給原料は、典型的には、例えば図１に示すようにして、供給流（１６）の水成分と一緒に供給される。炭素含有供給原料が水に対して混和性でない場合にはあるいはごくわずかの混和性しか有していない場合には、それら成分は、典型的には、例えば図２に示すようにして、互いに個別の供給流として、処理器（１２）に対して供給される。
【００１１】
燃料電池スタック（２２）は、少なくとも１つの典型的には複数の、燃料電池（２４）を備えている。各燃料電池（２４）は、受領した生産水素流（１４）の一部から、電流を生成し得るよう構成されている。この電流は、関連するエネルギー消費デバイス（２５）のエネルギー要求を満たすために使用することができる、あるいは、負荷に対して適用することができる。デバイス（２５）の例としては、限定するものではないけれども、電気自動車や、レクリエーショナルビークルや、ボートや、ツールや、照明や、電気器具や、家電や、信号や、通信設備、等がある。デバイス（２５）が、図１においては概略的に図示されていること、および、燃料処理システムから電流を受領し得る１つまたは複数のデバイスまたはデバイス集合体を意味していることは、理解されるであろう。燃料電池スタックは、典型的には、流体供給コンジット（図示せず）や流体抽出コンジット（図示せず）を備えているような共通の端部プレート（２３）どうしの間にわたって互いに連結された複数の燃料電池を備えている。適切な燃料電池の例には、プロトン交換膜（proton
exchange membrane,ＰＥＭ）燃料電池や、アルカリ型燃料電池、がある。燃料電池スタック（２２）は、生産水素流（１４）のすべての受領することができる。これに代えてあるいは付加的に、いくらかのまたはすべての生産水素流（１４）は、適切なコンジットを介して、他の水素消費プロセスに対して供給することができ、また、燃料として燃焼させて加熱に利用することができ、また、例えば水素貯蔵デバイス（５８）といったように後工程利用のために貯蔵することができる。
【００１２】
燃料処理器（１２）は、水素ガスを生成する任意の適切なデバイスである。好ましくは、燃料処理器（１２）は、実質的に純粋な水素ガスを生成するように構成され、より好ましくは、、燃料処理器は、純粋な水素ガスを生成するように構成される。本発明の目的においては、実質的に純粋な水素ガスは、９０％以上という純度のものであり、好ましくは９５％以上という純度のものであり、より好ましくは９９％以上という純度のものであり、さらに好ましくは９９．５％以上という純度のものである。適切な燃料処理器は、米国特許第５，９９７，５９４号明細書、米国特許第５，８６１，１３７号明細書、“Fuel
Processing System” と題して１９９９年４月１３日付けで出願された現在係属中の米国特許出願第０９／２９１，４４７号明細書、および、“Fuel Processor”と題して２０００年３月１３日付けで出願された米国特許予備出願シリアル番号第６０／１８８，９９３号明細書、に記載されている。これら文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。
【００１３】
適切な燃料処理器（１２）の例は、スチーム改質器である。スチーム改質器の例は、図３に示されており、全体的に符号（３０）によって示されている。スチーム改質器（３０）は、スチーム改質触媒（３４）を含有しているような、改質領域すなわち水素生成領域（３２）を備えている。これに代えて、改質器（３０）は、自熱改質触媒を含有した自熱改質器とすることができる。改質領域（３２）においては、改質流（３６）が、原料流（１６）を形成する水および炭素含有供給原料から、形成される。改質流は、典型的には、水素ガスと不純物とを含有している。したがって、分離領域すなわち精製領域（３８）へと搬送される。分離領域すなわち精製領域（３８）においては、水素ガスが精製される。分離領域（３８）においては、任意の適切な圧力駆動式の分離プロセスを使用することによって、水素含有流が、全体的に符号（４０）で示すような１つまたは複数の副生成物流と、水素リッチ流（４２）と、に分離される。図３においては、水素リッチ流（４２）は、生成された生産水素流（１４）として示されている。
【００１４】
分離領域（３８）において使用するための適切な構造の例は、１つまたは複数の水素透過性金属メンブラン（４６）を含有したメンブランモジュール（４４）である。複数の水素選択性金属メンブランから形成された適切なメンブランの例は、“Fuel Processing
System”と題して１９９９年４月１３日付けで出願された現在係属中の米国特許出願第０９／２９１，４４７号明細書に記載されている。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。この文献においては、全体的に平面状の複数のメンブランを互いに組み立てることによって、メンブランモジュールが形成される。このメンブランモジュールは、不純物ガス流を挿通させるための流通チャネルを有している。純粋化されたガス流は、メンブランから収集され、副生成物流が、メンブランから除去される。例えばフレキシブルなグラファイト製ガスケットといったようなガスケットを使用することにより、供給用透過性流通チャネルの周囲におけるシールを得ることができる。また、上記文献においては、チューブ状の水素選択性メンブランを使用することもできる。他の適切なメンブランおよびメンブランモジュールは、“Hydrogen-   PermeableMetal Membrane and Method for Producing the Same” と題して２０００年７月１９日付けで出願された米国特許予備出願シリアル番号第０９／６１８，８６６号明細書に記載されている。この文献の記載内容は、参考のため、ここに組み込まれる。また、他の適切な燃料処理器は、他に例示した特許文献に記載されている。
【００１５】
薄くかつ平面状の水素透過性メンブランは、好ましくは、パラジウム合金から形成され、より詳細には、３５ｗｔ％〜４５ｗｔ％でもって銅を含有しているパラジウムから形成されている。水素選択性メンブランとも称されるようなこのようなメンブランは、典型的には、約０．０２５４ｍｍ（約０．００１インチ）という厚さの薄い箔から形成される。しかしながら、本発明の範囲内においては、メンブランを、上述した水素選択性金属や合金以外の、水素透過性や水素選択性を有したセラミクスやカーボン化合物から形成することもできる。メンブランは、上記の例よりも、厚いものともまた薄いものともすることができる。例えば、メンブランは、水素フラックスの増加に相応して、より薄く形成することができる。水素透過性メンブランは、例えば上記に例示した文献に記載されたような共通透過性チャネルの周囲に対をなして配置するといったように、任意の適切な構成で配置することができる。水素透過性メンブランは、上記に例示した文献に記載されたような例えばチューブ状構成といったような他の構成とすることもできる。
【００１６】
分離領域（３８）において使用可能な適切な圧力分離プロセスの他の例は、圧力スイング吸着（pressure swing adsorption,ＰＳＡ）である。圧力スイング吸着（ＰＳＡ）プロセスにおいては、ガス状不純物が、水素ガスを含有した流れから除去される。ＰＳＡは、適切な温度条件および圧力条件においては、ある種のガスが他のガスよりも強力に吸着性材料上に吸着されるという原理をベースとしている。典型的には、流れ（３６）から吸着され除去されるのは、不純物である。水素精製におけるＰＳＡ使用の利点は、吸着性材料上への一般的不純物ガス（例えば、ＣＯ、ＣＯ２ 、ＣＨ４ 等の炭化水素、および、Ｎ２ ）の吸着が比較的大きいことによる。水素は、非常にわずかしか吸着されない。そのため、不純物が吸着性ベッド上に保持されるものの、水素は、吸着性ベッドを通過する。例えばＮＨ３やＨ２ＳやＨ２Ｏ といったような不純物ガスは、吸着性材料上に非常に強力に吸着する。そのため、他の不純物と一緒に、流れ（３６）から除去される。吸着性材料が再生され、それら不純物が流れ（３６）内に存在している場合には、分離領域（３８）は、好ましくは、吸着性材料に対して流れ（３６）を供給する前にそれら不純物を除去し得るように構成された適切なデバイスを備えている。それは、それら不純物を脱離させることの方が困難であるからである。
【００１７】
不純物ガスの吸着は、高圧において起こる。圧力が減少したときには、不純物が吸着性材料から脱離し、そのため、吸着性材料の再生が起こる。典型的には、ＰＳＡは、周期的なプロセスであり、連続的な動作（バッチ動作と対照的なものとしての連続動作）のためには、少なくとも２つのベッドを必要とする。吸着ベッド内において使用可能な適切な吸着性材料の例としては、活性化されたカーボンやゼオライトがある。特に５オングストロームのゼオライトがある。吸着性材料は、通常はペレットの形態とされ、円筒形圧力容器内に配置され、従来的なパッケージングベッド構成が使用される。しかしながら、他の適切な吸着剤の組成や形態や構成を使用することもできることは、理解されるであろう。
【００１８】
改質器（３０）は、必ずしもというわけではないが、例えば図４に示すように仕上げ領域（４８）を備えることができる。仕上げ領域（４８）は、分離領域（３８）から水素リッチ流（４２）を受領し、その流れ内から選択された化合物を除去することによりすなわち選択された化合物の濃度をさらに低減することにより、その流れをさらに精製する。例えば、流れ（４２）が、例えば燃料電池スタック（２２）といったような燃料電池スタックにおいて使用することを意図したものである場合、例えば一酸化炭素や二酸化炭素といったような、燃料電池スタックを損傷させかねない化合物を、水素リッチ流から除去することができる。領域（４８）は、流れ（４２）内から、選択された化合物を除去するためのあるいは選択された化合物の濃度を低減するための任意の適切な構造を備えている。例えば、ＰＥＭ燃料電池スタックや、流れが所定濃度以上の一酸化炭素や二酸化炭素を含有していれば損傷を受けるような他のデバイスといったようなものに対して生産流を使用するような場合には、少なくとも１つのメタン生成触媒ベッド（５０）を備えることが望ましい。メタン生成触媒ベッド（５０）は、一酸化炭素や二酸化炭素を、メタンと水とに変換する。変換されたメタンと水との双方は、ＰＥＭ燃料電池スタックに対して損傷を与えるものではない。研磨領域（４８）は、さらに、例えば他の改質触媒ベッドといったような、すべての未反応の供給原料を水素ガスへと変換し得るような他の水素生成デバイス（５２）を備えることができる。そのような実施形態においては、一酸化炭素や二酸化炭素をメタン生成触媒ベッドの下流側へと再導入することがないよう、第２改質触媒ベッドをメタン生成触媒ベッドよりも上流側に配置することが好ましい。
【００１９】
図３および図４においては、改質器（３０）は、上記各構成要素を収容しているシェル（３１）を備えている。ハウジングと称することもできるこのシェル（３１）は、例えば改質器（３０）といったような燃料処理器を、ユニットとして移動させることを可能とする。シェル（３１）は、また、外側カバーとして機能することによって、燃料処理器内の各構成要素を損傷から保護するとともに、燃料処理器に対する加熱要求を低減する。それは、燃料処理器の各構成要素を、ユニットとして加熱することができるからであり、１つの構成要素によって生成された熱を、他の構成要素の加熱のために使用することができるからである。シェル（３１）は、必須ではないけれども、例えば中実絶縁材料や空気層キャビティといったような絶縁材料（３３）からなる内部層を備えることができる。しかしながら、本発明の範囲内においては、改質器を、ハウジングや外部シェルを設けることなく形成することもできる。あるいは、１つまたは複数の構成要素を、シェルを超えて突出させたり、シェルの外部に配置したり、することができる。例えば、図３に概略的に示すように研磨領域（４８）を、外部シェル（３１）の外部に配置することも、また、改質領域（３２）の一部を、シェルを超えて突出させることも、できる。燃料処理器の他の構成例に関しては、上述した様々な文献に記載されている。
【００２０】
再度図１および図２を参照すると、水素貯蔵システム（５８）が、少なくとも１つの水素貯蔵デバイス（６０）を備えていることがわかる。水素貯蔵デバイス（６０）は、受領した生産水素流（１４）の一部を貯蔵することができるとともに、その後、燃料電池スタック（２２）に対する送出のために、あるいは、燃料流としての使用のために燃料処理器（１２）に対して、あるいは、他の水素消費デバイスに対して、貯蔵した水素ガスを選択的に放出し得るよう構成されている。したがって、デバイス（６０）は、燃料電池スタック（２２）のための燃料流として使用するための水素ガス流を供給することができ、燃料処理器（１２）の代わりとして使用することができるあるいは燃料処理器（１２）に対する追加として使用することができる。水素貯蔵デバイスは、燃料処理器からの水素ガスによって、再充填することができる。このことは、再充填のために貯蔵デバイスを取り外したりあるいは交換したりするといった必要性を不要とする。この点は、燃料処理器の水素流のための単なるバックアップとして使用されるものでありかつ燃料処理器によっては再充填し得ないような圧縮ガスシリンダの場合に、そのような取外しや交換が必要であることとは、明確に相違するものである。システム（５８）は、すべての実施形態においてというわけではないものの、水素圧縮機（６２）を備えることができる。水素圧縮機（６２）は、水素貯蔵デバイスに対する供給前に流れ（５６）を圧縮し得るような任意の適切なデバイスとされる。そのようなシステムの構成例は、図５に示されている。
【００２１】
適切な水素貯蔵デバイス（６０）の一例は、圧縮ガスシリンダである。他の適切な水素貯蔵デバイスには、金属水素化物ベッドや、例えばカーボンナノチューブを含有したベッドといったような活性化されたカーボンベッド、がある。金属水素化物ベッドは、水素圧縮機を必要としない水素貯蔵デバイスの一例である。金属水素化物ベッドは、比較的低圧かつ低温で水素ガスを吸収し、温度および圧力が増大されたときにはそのガスを脱離する。本発明の範囲内においては、システム（５８）を、複数の水素貯蔵デバイス（６０）を備えたものとすることができる。例えば、水素貯蔵システムは、複数の圧縮ガスシリンダや、複数の金属水素化物ベッドや、複数のカーボンベッドや、これらの組合せ、を備えることができる。
【００２２】
貯蔵デバイス（６０）が、圧縮ガスシリンダを使用している場合には、水素貯蔵システム（５８）は、機械的ガス圧縮機（６８）の形態とされた水素圧縮機（６２）を備えることができる。そのような機械的ガス圧縮機（６８）は、ガスを機械的に受領するとともに、受領したガスの容積を内部で圧縮する。例えば水素ガスといったような選択された化合物を流れ（５６）から選択的に取り出し得るような電気化学的圧縮機とは異なり、機械的圧縮機は、流れの全体を圧縮する。処理器（１２）が、純粋なあるいは実質的に純粋な水素ガスからなる生産水素流を生産し得るよう構成されている場合には、機械的圧縮機を使用することができる。生産水素流の純度が低い場合には、電気化学的圧縮機を使用することによって、生産水素流の中から特に水素といったような選択的化合物を取り出す必要がある、すなわち、圧縮を行う前に、生産水素流の一部をさらに精製する必要がある。
【００２３】
より詳細には、水素と一酸化炭素と二酸化炭素とを含有した不純物流を、特に鉄やクロムやニッケルといったような触媒の存在下において、加圧することにより、メタンと水とが形成されてしまう。水は、凝集することによって、機械的圧縮機の潤滑剤を腐食させたり除去したりし、また、金属水素化物と反応することによって水素化物ベッドの活性度合いを低下させる。メタンの形成は、水素ガスの損失を意味する。
【００２４】
圧縮ガスシリンダの利点は、例えば燃料電池スタック（２２）に対する負荷の増加に応答してといったようにして、内部に貯蔵された水素ガスを、急速に放出することができることである。例えば、圧縮ガスシリンダは、数分の１秒以内で、負荷増大に対して応答することができる。これに対し、水素ガスの脱離のために温度および圧力を増大させる必要があるような水素化物ベッドの場合には、より長い時間が必要であり、そのため、システムの応答時間を遅いものとする。同様に、水素化物ベッドを迅速に加熱・冷却するための制御構造やエネルギー要求は、圧縮ガスシリンダから水素ガスを取り出すのに必要な制御構造やエネルギー要求と比較すれば、かなり大きい。それでもなお、圧縮ガスシリンダ、水素化物ベッド、および、水素ガスを貯蔵するための他の適切な構造は、すべて、本発明の範囲内である。
【００２５】
水素貯蔵デバイスと燃料電池スタックとに対しての、生産水素流（１４）の分配比率は、すべてを燃料電池スタックへと向かう流れに対して分配することと、すべてを水素貯蔵デバイスへと向かう流れに対して分配することと、の間において選択することができる。流れ（１４）の分配比率は、任意の適切な機構によって、制御するすなわち選択することができる。そのような機構は、手動制御バルブアセンブリとすることも、燃料電池システムに関連するセンサからの入力に応答して分配比率を変化させるようなバルブアセンブリとすることも、できる。そのような入力は、機械的入力の形態とすることも、また、任意の適切な有線機構または無線機構を介して伝送し得るような制御信号の形態とすることも、できる。
【００２６】
図５においては、供給流（１６）は、供給流搬送システム（７０）によって燃料処理器（１２）へと搬送されるものとして、図示されている。搬送機構（７０）は、供給流を燃料処理器（１２）に対して搬送するための、任意の適切な機構またはデバイスである。例えば、図示の実施形態においては、搬送システムは、流れ（１６）をなす各成分を供給源から搬送し得るような１つまたは複数のポンプ（７２）を備えるものとして図示されている。これに加えてあるいはこれに代えて、システム（７０）は、加圧供給源からの成分流を制御し得るよう構成されたバルブアセンブリを備えることができる。必須ではないものの、燃料電池システム（１０）において使用し得る他の構成要素が、図示されている。
【００２７】
図５においては、燃料電池スタックが例示されている。スタック（２２）（および、スタック内に収容されている個々の燃料電池（２４））は、アノード領域（７６）と、カソード領域（７８）と、これら領域どうしを隔離するとともに水素イオンを挿通させ得る電解質メンブランすなわちバリア（８１）と、を備えている。アノード領域（７６）は、アノード電極（７７）を備え、カソード領域（７８）は、カソード電極（７９）を備えている。燃料電池スタックのアノード領域（７６）は、水素流（６６）を受領する。燃料電池スタック（２２）のカソード領域（７８）は、エア流（８０）を受領するとともに、部分的にまたは実質的に酸素が枯渇したカソードエア排気流（８２）を排出する。水素ガスから遊離した電子は、バリア（８１）を挿通することができず、その代わりに、外部回路（８６）を通過しなければならない。これにより、電流が生成され、この電流が、１つまたは複数のデバイス（２５）に対して印加された電気的負荷を満たすことができる、あるいは、燃料電池システムの動作に関しての電源をなすことができる。
【００２８】
アノード領域（７６）は、周期的にパージされ、水素ガスを含有し得るようなパージ流（８４）が、排出される。これに代えて、水素ガスは、燃料電池スタックのアノード領域から連続的に通風することができ、再循環させることができる。燃料電池スタック（２２）によって電流が生成されることにより、例えばデバイス（２５）からの負荷といったような、負荷を満たすことができる。さらに、図５には、搬送アセンブリ（８８，９０）が示されている。搬送アセンブリ（８８）は、エア流（９２）を、例えば燃焼排気流（９４）を排出している例えば燃焼領域に対してといったようにして、燃料処理器（１２）に対して、供給し得るよう構成されている。搬送アセンブリ（９０）は、エア流（８０）を、例えばカソード領域（７８）に対してといったようにして、燃料電池スタック（２２）に対して、供給し得るよう構成されている。エア搬送アセンブリ（８８，９０）は、図５においては概略的に図示されており、任意の適切な形態とすることができる。
【００２９】
燃焼用の燃料流（９５）が、図５において概略的に示されている。燃料流（９５）を、任意の適切な燃焼用燃料から形成し得ることは、理解されるであろう。燃料流（９５）は、燃料処理器（１２）からの副生成物流（４０）と、供給流（１６）と、これらの分流と、炭素含有供給原料（１８）を含有した流れと、水素貯蔵システム（５８）からの貯蔵された水素ガスと、生産水素流（１４，５４，５６，６４）からの通風ガスと、例えばプロパンやガソリンや灯油やディーゼル油や天然ガス等といったような、、システム（１０）からの供給流（１６）とは個別の燃料流または副生成物流と、の中の１種または数種とすることができる。これに代えて、流れ（９５）は、例えばバーナーや燃焼触媒といったような燃焼加熱デバイスではなく例えば抵抗ヒーターといったような、あるいは、スパークプラグやグロープラグやパイロットライト等といったような、電気加熱デバイスに対しての電流を表すものとすることができる。
【００３０】
図６においては、必須ではないもののシステム（１０）が備えることができることを例示するために、様々な流通制御デバイスが示されている。例えば、燃料電池スタックの上流側においては、通風アセンブリ（９６）が示されている。通風アセンブリ（９６）は、燃料電池スタック（２２）に対して連通させることなく、燃料処理器（１２）から生産流を排出し得るよう構成されている。通風アセンブリは、例えば、生産流が汚染された場合や、動作パラメータが許容可能パラメータ（例えば、圧力上昇）を超えた場合や、燃料電池スタックが動作しない場合や、流れ（５４）内に存在する付加的水素ガスを燃料電池スタックが安全に受領できない場合や、システム内の水素ガスが過度となった場合、に起動される。通風アセンブリ（９６）は、外部環境へと、あるいは、他の貯蔵デバイスへと、あるいは、水素消費デバイスへと、あるいは、バーナーへと、あるいは、燃料電池スタック（２２）以外の他の場所へと、水素ガスを排出することができる。他の通風アセンブリ（９８）が、流れ（８４）に連通したものとして示されている。通風アセンブリ（９６，９８）は、典型的には、例えばソレノイドバルブや他の適切な流通制御デバイスといったような少なくとも１つのバルブを備えている。通風アセンブリ（９６，９８）は、例えば流れ（５４）といったような対応流体部分やアノード領域（７６）といったようなシステム（１０）内の対応箇所の圧力や他の動作パラメータがしきい値または所定範囲を超えた場合には自動的に起動され得るように、構成されている。図６においては、通風アセンブリ（９６）は、流れ（５４）を通風することができる。この配置状況が、適切な位置の例示に過ぎないこと、および、システム（１０）が、例えば流れ（６６）の通風のための場所といったようなシステム内の様々な場所に通風アセンブリを備え得ること、および、システムが、複数の通風アセンブリを備え得ることは、理解されるであろう。
【００３１】
逆止バルブ（１００，１０２）が、燃料処理器（１２）および通風アセンブリ（９６）のそれぞれ下流側において、示されている。これら逆止バルブは、流体コンジットを通しての所望方向だけにおける流体流通を確保する。特に、燃料処理器（１２）から下流側への流体流通、および、通風アセンブリ（９６）を通してのシステム外部への流体流通、だけを確保する。絞りバルブ（１０４）は、カソードエア流（８０）に対して、所望程度の背圧をもたらす。バルブアセンブリ（１０６，１０８）は、水素貯蔵システム（５８）のそれぞれ上流側および下流側に位置しており、水素貯蔵デバイスに対しての水素ガスの流通を可能とする。
【００３２】
また、図６に示すように、圧力レギュレータ（１１０，１１２）は、流れ（６４，６４）内の水素ガスの圧力を制御し得るよう構成されており、貯蔵デバイス（６０）に対して連通している圧力スイッチまたは圧力トランスデューサ（１１４）と関連し得るよう構成されている。これに代えて、流れ（５４，６４）に関連した一対のレギュレータを設けることに代えてあるいは加えて、流れ（６６）上に単一のレギュレータだけを設けることもできる。例えば圧力レギュレータといったような任意の適切な圧力制御デバイスを使用することができる。この圧力レギュレータは、下流側圧力を自動的に低減し得るように構成することができる。あるいは、詳細に後述するように、圧力制御レギュレータとすることができる。
【００３３】
圧力トランスデューサ（１１６，１１８）は、バルブアセンブリ（１０６）の前後における水素圧力を測定する。圧縮機（６２）が駆動されたときには、初期的に、圧縮機のすぐ上流側における水素圧力が、減少することとなる。圧力トランスデューサ（１６６）は、この圧力減少を検出し、圧力トランスデューサ（１１６）によるこの圧力減少検出に応答しておよび圧力トランスデューサ（１１８）による水素圧力よりも低圧となることに応答して、バルブアセンブリ（１０６）を自動的に開放させるように、構成することができる。これにより、水素ガスが圧縮されて、水素貯蔵デバイス（６０）へと伝達される。圧力トランスデューサ（１１６，１１８）は、省略することができ、バルブアセンブリ（１０６）は、圧縮機（６２）の駆動時に開放するように構成することができる。
【００３４】
通風アセンブリ、圧力レギュレータ、逆止バルブ、絞りバルブ、および、他の流通制御手段が、数多くの可能な構成の中の一例として示されていること、および、これら制御手段の数やタイプや配置状況を、様々に変更できること、および、本発明の範囲内において、燃料電池システム（１０）を、それら制御手段のいくつかを省略してあるいはすべてさえをも省略して形成し得ることは、理解されるであろう。
【００３５】
本発明による燃料電池システムは、必須ではないものの、水素貯蔵システム（５８）の動作を制御するためのコントローラを具備している。図７は、コントローラ（１２０）を使用して水素貯蔵を行うような、ハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示している。特に明示はしていないものの、コントローラを備えたシステムは、図１〜図６に関連しつつ説明して図示した様々な素子や構成要素やサブ構成要素を備えることができる。
【００３６】
コントローラ（１２０）は、例えば水素貯蔵システムおよび／または燃料電池システムの圧力や温度や各成分の流速といったような選択された動作パラメータを観測し得るように構成されているとともに、それら観測値に応答して、水素貯蔵システム（５８）からの水素ガスの相対的流通を少なくとも部分的に変更し得るよう構成されている。例えば、システムの通常動作時には、燃料電池スタックに関してのデバイス（２５）からの電力負荷増大要求が、例えば電流センサや電力センサを使用することにより、コントローラによって検出される。コントローラは、この負荷要求情報を使用することにより、燃料電池スタックに対して燃料処理器だけによって十分な水素ガスを供給できるかどうかを決定する。負荷要求が、燃料電池スタックに対しての燃料処理器のその時点での水素ガス供給能力を超えているものである場合には、コントローラは、燃料電池スタックに対して、水素貯蔵システム（５８）から追加の水素ガスを供給する。他の例においては、コントローラは、燃料電池スタックのアノード側に流入する水素ガスの圧力を観測することができる。水素ガス圧力が所定値以下に減少したときには、コントローラは、水素貯蔵システムから、追加の水素ガスを供給することができる。コントローラ（１２０）は、付加的には、水素貯蔵システム（５８）に対しての水素ガス流通を制御することができる。
【００３７】
適切なコントローラ（１２０）の一例が、図７に概略的に示されている。図示のように、コントローラは、プロセッサ（１２２）と、選択された値すなわち選択された動作パラメータを測定または検出し得るものとされた１つまたは複数のセンサ（１２４）と、を備えている。適切なセンサ（１２４）を例示するならば、圧力センサ、流量センサ、温度センサ、電流計、および、流れの中の特定成分を測定し得るセンサ、がある。センサは、任意の適切な有線または無線通信リンク（１２６）を介して、プロセッサに対して連通している。この通信は、一方向的なものとも双方向的なものともすることができる。プロセッサは、さらに、１つまたは複数の制御デバイス（１２８）に対して連通している。制御デバイス（１２８）は、プロセッサから制御信号を受領するとともに、その制御信号に応答した動作を実行する。制御デバイス（１２８）を例示するならば、ポンプ、圧縮機、ヒータ、バーナー、通風手段、および、１つまたは複数のバルブを有したバルブアセンブリ、がある。プロセッサは、任意の適切な形態とすることができ、例えば、コンピュータデバイスや、コンピュータ上において実行されるソフトウェアや、コードや、埋設型プロセッサや、プログラム可能な論理コントローラや、機能的に等価なデバイス、を備えることができる。コントローラは、さらに、任意の適切なソフトウェアやハードウェアやファームウェアを備えることができる。例えば、コントローラは、メモリデバイス（１２９）を備えることができる。メモリデバイス（１２９）は、予め選択されたパラメータや、予めプログラムされたパラメータや、使用者が選択した動作パラメータ、を貯蔵する。メモリデバイスは、揮発性部分や、不揮発性部分や、これら双方、を有することができる。
【００３８】
プロセッサとセンサと制御デバイスとの間の通信の特定の形態を、任意の適切な形態とし得ることは、理解されるであろう。例えば、センサは、プロセッサに対して、連続的にまたは定期的に測定値を伝達することができる。プロセッサは、これら測定値と、貯蔵されているしきい値あるいは正常動作範囲と、を比較することにより、測定値が、プログラムされた値や貯蔵された値や通常動作範囲を超えているかどうかを決定する。超えている場合には、プロセッサは、１つまたは複数の制御デバイスに対して、命令信号を送出することができる。他の例においては、センサ自体が、動作パラメータを測定するとともに、その測定値と、貯蔵されているしきい値あるいは正常動作範囲と、を比較することができ、さらに、測定値が貯蔵値または範囲を超えている場合にのみ、プロセッサに対して信号を送出することができる。『超えている』という用語は、測定値が、予め選択された値や貯蔵された値やそれら値の範囲を、どちらかの向きに逸脱していることを意味している。これに代えて、この逸脱は、例えば５％や１０％や２５％等といったような、選択された許容範囲を有することができる。
【００３９】
コントローラ（１２０）は、さらに、使用者が観測を行ってコントローラの動作に干渉し得ることを可能とする使用者インターフェースを、備えることができる。使用者インターフェースの一例が、全体的に符号（１３０）によって、図８に示されている。図示のように、インターフェース（１３０）は、スクリーン（１３４）を有したディスプレイ領域（１３２）を備えている。ディスプレイ領域（１３２）は、スクリーン（１３４）や他の適切なディスプレイ機構といったような、使用者に対して情報を表示するための機構を有している。例えば、ディスプレイ領域（１３２）は、１つまたは複数のセンサ（１２４）によって測定された現在の値と、システムの現在の動作パラメータと、貯蔵されたしきい値およびしきい値範囲と、を表示することができる。また、以前の測定値を表示することもできる。また、燃料処理システムの動作や性能に関する他の情報を、領域（１３２）に表示することもできる。
【００４０】
使用者インターフェース（１３０）は、さらに、使用者入力デバイス（１３６）を備えることができる。使用者入力デバイス（１３６）を使用することによって、使用者は、コントローラに対して通信することができる。例えば、入力デバイス（１３６）は、使用者が、燃料電池システムの動作状態の変更や、１つまたは複数の貯蔵しきい値の変更や、あるいは、システムの動作パラメータ、に対する命令を入力することを可能とする、および／または、システムの以前のまたは現在の動作パラメータに関してのコントローラからの情報を要求することを可能とする。入力デバイス（１３６）は、使用者入力を受領可能な任意の適切なデバイスを備えることができる。そのようなデバイスには、回転ダイヤルや、スイッチや、押しボタンや、キーパッドや、キーボードや、マウスや、タッチスクリーン、等がある。また、図８には、使用者報知デバイス（１３８）が示されている。使用者報知デバイス（１３８）は、許容可能なしきい値レベルを超えた時にはまた燃料電池スタックが隔離された時には、使用者に対して警告を発する。デバイス（１３８）は、アラームや、ライトや、使用者に対して警告を発するための他の任意の適切な機構、を有することができる。
【００４１】
本発明の範囲内においては、燃料電池システムが、使用者インターフェースが付設されていないコントローラを備え得ること、および、使用者インターフェースが上述したすべての部材を備える必要がないことは、理解されるであろう。上述した各部材は、図８においては、集合的なものとして、概略的に図示されている。しかしながら、本発明の範囲内においては、それら部材を、互いに離散的なものとすることができる。例えば、使用者インターフェースは、個々のディスプレイ領域が上記各種の情報を表示し得るよう構成された複数のディスプレイ領域を備えることができる。同様に、単一の使用者入力デバイスを使用することができ、この入力デバイスは、使用者が複数の要求値を指示可能であるようなあるいは使用者が複数の入力スクリーンを切り替え得るような１つのディスプレイを有することができる。
【００４２】
図９においては、コントローラ（１２０）は、生産水素流（１４）や水素流（５４）や分流（５６）や水素貯蔵デバイス（６０）や圧縮機（６２）や水素流（６４）や水素流（６６）に関する１つまたは複数の動作パラメータを測定し得るよう構成された複数のセンサ（１２４）と連通し得るものとして、示されている。システム（１０）は、これら通信ラインのすべてよりも少数のラインを備えることができ、また、燃料電池システム全体にわたって、より多数のラインを備えることもできる。各センサからの入力に応答して、コントローラは、例えばバルブアセンブリ（１０６）に対して命令信号を送出することにより、生産水素流（１４）が水素貯蔵システムに対して搬送される比率を制御することができ、また、例えばバルブアセンブリ（１０８）に対して制御信号を送出することにより、デバイス（６０）から送出される貯蔵水素ガス流の流速を制御することができ、また、これらの双方を行うことができる。水素貯蔵システム（５８）が圧縮機（６２）を備えている場合には、コントローラは、また、バルブアセンブリ（１０６）に対して制御信号を送出したときには、圧縮機に対して制御信号を送出することができる。同様に、貯蔵デバイス（６０）が水素化物ベッドを備えている場合には、コントローラは、また、バルブアセンブリ（１０８）に対して制御信号を送出したときには、加熱デバイスおよび／または圧力制御デバイスに対して制御信号を送出することができる。
【００４３】
例えば、水素貯蔵デバイスが、貯蔵された水素ガスによって完全に充填されていない場合には、生産水素流（１４）から水素貯蔵デバイスに対して追加的な水素ガスを搬送するように制御することができる。同様に、印加された負荷が、燃料処理器（１２）がその時点で供給しているよりも多量の水素ガスを要求した場合には、コントローラは、この負荷要求を満たすために、水素貯蔵デバイスから燃料電池スタックへと水素ガスを搬送するような制御を行うことができる。
【００４４】
コントローラは、例示した以外のシステム動作を制御することができる。さらに、コントローラは、限定するものではないが、図１０において概略的に例示しているような燃料電池スタックや燃料処理器や燃料搬送システムや負荷も含めた燃料処理システム内外の他の部材やシステムを制御することができる。例えば、コントローラは、供給流体搬送システム（７０）を制御することによって、供給流（１６）が燃料処理器（１２）に対して搬送される流速を制御し得るように構成することができる。この流速を増加させることにより、より多くの水素ガスを、生成することができる。逆に、この流速を減少させることにより、生産水素流（１４）を減少させることができる、あるいは、停止させることができる。引き続いてこの例について説明すると、コントローラが、燃料電池スタックに対して印加された負荷を満たすために追加の水素ガスが必要であることを検出したときには、および／または、水素貯蔵デバイスに対しての再充填が必要であることを検出したときには、コントローラは、搬送システム（７０）に対して、より多量の水素ガスを生成するような命令信号を、送出することができる。同様に、負荷が減少したときには、および／または、水素貯蔵デバイスが満タンであるあるいはほぼ満タンであるときには、コントローラは、供給流（１６）を流速を停止させることができる。あるいはより一般的には、水素ガスの生成量を減少させるよう、供給流（１６）を減少させることができる。他の例においては、コントローラは、負荷に応答させておよび／または貯蔵デバイス（６０）内における水素貯蔵量に応答して、燃料生成器を起動させることができ、また、燃料生成器の生産速度を制御することができる。さらに他の例においては、コントローラは、コントローラに関連したおよび／または貯蔵しきい値に関連したセンサによって決定されるように、印加された負荷がシステム（１０）の利用可能能力を超えたときには、デバイス（２５）からの負荷を制限することができる。
【００４５】
本発明の範囲内においては、図６に示す各流通制御デバイスが、制御デバイス（１２８）を制御することもできることは、理解されるであろう。圧力トランスデューサ（１１６，１１８）は、バルブアセンブリ（１０６）の両側における水素圧力を測定し、測定されたパラメータは、特に圧力読取値は、コントローラ（１２０）に対して送出される。圧縮機（６２）が駆動されたときには、圧力トランスデューサ（１１８）によって測定される水素圧力は、圧力トランスデューサ（１１６）によって測定される圧力よりも減少することとなる。この圧力減少は、水素貯蔵システム（５８）に対して水素分流（５６）を流すことを開始させることのトリガーとして機能することができる。例えば、コントローラ（１２０）が、圧力トランスデューサ（１１８）による圧力が圧力トランスデューサ（１１６）による圧力よりも低圧であることを検知したときには、バルブアセンブリ（１０６）を開放させる。同様に、適切なセンサアセンブリを使用することによって、コントローラが、燃料電池システムの何らかの部材が異常であることや、生産水素流が汚染されていることや、流れ内の水素ガスが過度であることや、あるいは、他の潜在的な異常状態の存在を検知したときには、通風アセンブリ（９６，９８）の一方または双方を駆動することができる。簡単化のために、本発明における各センサと各流通制御デバイスとの間の通信リンクの図示は、省略されており、これら部材とコントローラ（１２０）との間の相互関係も、省略されている。コントローラがこれらデバイスと通信することにより、燃料電池システムの一部または全部が、許容可能な所定パラメータでもって動作しているかどうかを決定することができることは、理解されるであろう。正常に動作していない場合には、コントローラは、燃料電池システム内の様々な制御デバイスに対して制御信号を送出することにより、異常なパラメータを、許容値へとあるいは許容範囲内へと戻すことができ、た低出力モードや待機モードや停止モードやこれらの複合モードといったようなその時点でのパラメータがシステムにダメージをもたらさないような動作モードへと、燃料電池システムを移行させることができる。
【００４６】
限定するものではないけれども、例示の目的のために、以下においては、図９，１０に図示した燃料電池システムの動作について説明する。供給流（１６）は、供給流搬送システム（７０）を介して、燃料処理器（１２）に対して供給される。上述したように、システム（７０）は、コントローラ（１２０）と連通することができる。例えば、供給流（１６）の流速を伝達して、供給流（１６）内の流速を制御され得ることができる。燃焼エア流（９２）は、燃料処理器に対して必要な熱の供給のための、燃料の燃焼を支持する。燃焼排気流（９４）は、燃料処理器から排気され、例えば空間加熱や水加熱といったような熱的コジェネレーション用途に使用することができる。燃料流（９５）を使用することにより、所望の動作温度にまで、燃料処理器を加熱することができる。所望動作温度は、例えば、コントローラ（１２０）の貯蔵パラメータによって制御される。燃料処理器からの生産水素流（１４）は、コントローラ（１２０）によって制御され得る逆止バルブ（１００）のところにおいて、２つの流れ（５４，５６）へと分割される。水素貯蔵システム（５８）は、コントローラ（１２０）によって制御され得る圧縮機（６２）と、１つまたは複数の水素貯蔵デバイス（６０）と、を備えている。水素貯蔵デバイス（６０）は、コントローラ（１２０）と連通し得る圧力トランスデューサ（１１４）を有している。図示のように、水素分流（５６）が、コントローラ（１２０）によって制御され得るバルブ（１０６）を介して、圧縮機（６２）内へと供給される。圧力トランスデューサ（１１６）は、逆止バルブ（１００）とバルブアセンブリ（１０６）との間における水素分流（５６）の圧力を観測する。圧力トランスデューサ（１１８）は、バルブアセンブリ（１０６）と圧縮機（６２）との間における水素分流（５６）の圧力を観測する。貯蔵された水素ガスは、水素流（６４）として、貯蔵システム（５８）から導出される。共にコントローラ（１２０）によって制御され得るバルブアセンブリ（１０８）と圧力レギュレータ（１１２）とは、流れ（６４）のそれぞれ流量および圧力を制御する。流れ（６４，５４）が組み合わされることによって、流れ（６６）が形成され、燃料電池スタック（２２）へと搬送される。流れ（６６）は、流れ（６４，５４）の一方または双方を任意の分配比率で含有
することができる。これに代えて、流れ（６３，５４）は、上述したように、互いに個別的に燃料電池スタック（２２）に対して搬送することができる。コントローラ（１２０）は、上述したシステムによって、燃料電池スタック（２２）に対して、水素流（５４，６４）の一方または双方を選択的に搬送することができる。
【００４７】
さらに、コントローラ（１２０）を使用することによって、貯蔵した水素流（５８）の適切な使用を制御することができる。停止状態からの起動として、コントローラ（１２０）を起動して、燃料電池スタック（２２）に対してのエアと水素との供給開始信号を送出することができる。これにより、印加された負荷を満たすための電流が生成される。水素流（６４）は、水素貯蔵システム（５８）から、燃料電池スタック（２２）のアノード領域（７６）に対して、供給される。エア流（９２）は、燃料電池スタック（２２）のカソード領域（７８）に対して供給される。燃料処理器（１２）が適切な量の水素ガスを生成できるようになるまでは、水素流（６４）は、水素貯蔵システム（５８）から抽出される。水素貯蔵システムから水素ガスを抽出する時間の長さは、使用されている特定の燃料処理器に依存する。本発明の範囲内においては、その時間は、１分以上とか、１０分以上とか、３０分以上とか、６０分以上とか、とされる。コントローラ（１２０）が適切なセンサまたはセンサアセンブリ（１２４）を使用することによって、燃料処理器（１２）が燃料電池スタック（２２）の要求を満たすに十分な量の水素ガスを生成するようになったことを検出したときには、コントローラは、水素流（５４）の流通を開始することができると共に、水素流（６４）の流通を停止することができる。
【００４８】
コントローラ（１２０）は、生産水素流（１４）の分流（５６）を水素貯蔵システム（５８）へと戻すように導くことができる。これにより、貯蔵水素を補充することができる。このことは、分流（５６）を直接的に水素貯蔵デバイス（６０）に対して導くことによって、あるいは、分流を圧縮機（６２）に対して導くことにより圧縮した水素ガスを水素貯蔵デバイスに対して導くことによって、実施される。水素貯蔵デバイス（６０）は、水素貯蔵デバイス内の水素レベルを観測するために、コントローラ（１２０）に対して連通した１つまたは複数のセンサを備えることができる。水素貯蔵デバイスが満タンとなった時点で、コントローラは、燃料処理器から水素貯蔵デバイスへの水素流通を停止する。圧縮機が使用されている場合には、コントローラは、圧縮機を停止させることもできる。
【００４９】
水素貯蔵システム（５８）は、燃料処理器の起動時にあるいは例えば燃料処理器が停止しているとかオフラインとなっているとか修理中であるとかあるいはメンテナンス中であるとか等といったように燃料処理器が水素ガスを生成し得ないような他の何らかの状況であるときに水素要求を満たすという用途に、限定されるものではない。水素貯蔵システムは、また、燃料処理器の正常動作時であっても、負荷増加時に使用することができる。負荷増加時には、すなわち、燃料電池スタックによる水素ガス要求が燃料処理器の最大出力を超えた時には、貯蔵された水素ガスを使用することによって、燃料処理器から燃料電池スタックに対しての水素ガス供給を、補助することができる。この場合、水素ガスは、燃料処理器と水素貯蔵システムとの双方から、燃料電池スタックに対して、供給することができる。このような事態が望ましい状況の一例は、燃料処理器が待機状態で動作している状況とか、あるいは、燃料処理器が最大出力未満で動作しておりその時点よりも多量の水素ガスを生成するような動作状態へと出力増加することが要望されている状況とか、である。他の例は、燃料処理器が最大動作状態で動作しているにしても、すなわち、燃料処理器が最大出力で水素ガスを生成しているにしても、それでも、燃料処理器の出力が、燃料電池スタック（２２）によって要求されている水素ガス量に満たないという状況である。
【００５０】
上述したように、燃料処理器（１２）は、シェルまたはハウジング内に収容することができる。同様に、燃料電池システム（１０）は、例えば図１１において符号（１４０）によって概略的に示しているようなハウジング内に収容することができる。図示の簡単化の目的のために、上述したような、多くのセンサ（１２４）や、多くの制御デバイス（１２８）や、多くの通信リンク（１２６）は、図１１においては、図示が省略されている。ハウジング（１４０）は、燃料処理器（１２）と燃料電池スタック（２２）と水素貯蔵システム（５８）とを収容しているとともに、少なくとも、供給流搬送システム（７０）と、燃料流供給手段（９５）と、コントローラ（１２０）のいくらかまたは全部と、に対して連通している。これに代えて、ハウジング（１４０）は、例えば図１１に示すように、供給流搬送システム（７０）と燃料流供給源（９５）とコントローラ（１２０）との中の１つまたは複数のものを収容することができる。いくつかの実施形態においては、ハウジングは、上述した各構成要素を完全に封入し得るよう、シールすることができる。シールされている場合には、上記各構成要素に対してアクセスするためには、例えばアクセスパネルを取り外すことによってといったようにして、ハウジングを少なくとも部分的に分解する必要がある。
【００５１】
そのような実施形態においては、コントローラが使用者インターフェース（１３０）を備えている場合には、使用者インターフェースの少なくとも一部は、ハウジングの外部からアクセスすることができる。いくつかの実施形態においては、他の使用者インターフェースを備えていること、あるいは、ハウジングの内部からしかアクセスできないような使用者インターフェースの一部を備えていること、が好ましい。例えば、外部からアクセス可能な使用者インターフェースは、例えば自宅所有者や自動車所有者やあるいは貯蔵パラメータとかしきい値とか動作パラメータとかに関する見識を有していないような使用者といったような使用者に対して、連通し得るよう構成することができる。しかしながら、内部アクセス可能な使用者インターフェースは、技術者でないと、パラメータの変更やパラメータの観測や他の動作条件の変更やサブルーチンの変更や制御論理等の変更などができないようになっている。
【００５２】
燃料電池システム（１０）は、例えばデバイス（２５）といったようなエネルギー消費デバイスと組み合わせることができ、一体型のオンボード式のエネルギー源を有したデバイスがもたらされる。例えば、そのようなデバイスのボディは、図１１において符号（１４２）によって概略的に図示されている。そのようなデバイスの例には、例えばレクレイエーショナルビークルといったような電気自動車や、オートモービルや、ボートや、他の航海線、等があり、また、例えば一般家庭やアパートや二世帯住居や共同住宅やオフィスや店舗等があり、さらに、例えば電気器具やライトやツールといったような器具があり、また、マイクロ波リレーステーションや、伝達アセンブリや、遠隔式信号通信設備、等がある。
【００５３】
最後に、本発明の範囲内においては、上述した燃料処理器および水素貯蔵システムは、燃料電池スタックとは個別的に（独立に）使用することができる。そのような実施形態においては、システムは、貯蔵水素を有したハイブリッド型燃料処理システムと称することができる。。また、システムは、純粋なあるいはほぼ純粋な水素を、例えば加熱用器具や調理用器具や他の器具といったような水素ガス消費デバイスに対して供給するために、使用することができる。上述したように、ハイブリッド型をなす燃料処理器および水素貯蔵システムは、より信頼性の高い水素ガスの供給をもたらし、いくつかの実施形態においては、従来では燃料処理器単独では満たし得なかったような負荷を満たすことができる。
【００５４】
［産業的応用可能性］
本発明は、水素ガスを生成して燃料電池スタックに対してあるいは他の水素消費デバイスに対して搬送しているような、すべての燃料処理システムや燃料電池システムに対して応用可能である。
【００５５】
上記説明は、本発明のいくつかの応用例を例示しているに過ぎないものである。本発明が、いくつかの好ましい形態によって例示されているけれども、上記において説明されまた図示されたいくつかの特定の実施形態は、可能な変形を限定するものではない。本発明の主題は、上述した様々な構成要素や特徴点や機能や特性に関してのすべての新規で非自明なコンビネーションおよびサブコンビネーションである。同様に、請求項において『１つの』部材や『第１の』部材や等価な部材を記載している場合には、そのような請求項においては、２つ以上の同等の部材を含有することができる。
【００５６】
特許請求の範囲においては、本発明によるいくつかの特徴点から導かれる新規かつ非自明なコンビネーションおよびサブコンビネーションが特に規定されている。本発明者らは、それら特徴点や機能や部材や特性に関する他のコンビネーションやサブコンビネーションを具現しており、補正請求項として主張することもできるし、また、本出願または関連出願において新規な請求項として主張することもできる。異なる発明に対してなされたかあるいは同一の発明に対してなされたかは別として、そのような補正請求項や新規請求項は、当初請求項とは異なるものであろうがあるいはより広義なものであろうがより狭義なものであろうがあるいは同等のものであろうが、本発明の開示範囲内のものであると見なすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明による、貯蔵水素を併用したハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図２】本発明による他のハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図３】図１および図２の燃料電池システムにおいて好適に使用される燃料処理器を概略的に示す図である。
【図４】図１および図２の燃料電池システムにおいて好適に使用される他の燃料処理器を概略的に示す図である。
【図５】本発明による、貯蔵水素を併用した他のハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図６】本発明による、貯蔵水素を併用したさらなるハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図７】本発明によるハイブリッド型システムにおいて好適に使用されるコントローラを概略的に示す図である。
【図８】本発明におけるコントローラにおいて好適に使用される使用者インターフェースを概略的に示す図である。
【図９】本発明による、貯蔵水素とコントローラとを使用したハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図１０】本発明による、貯蔵水素とコントローラとを使用した他のハイブリッド型燃料電池システムを概略的に示す図である。
【図１１】本発明による内蔵式燃料電池システムと、本発明による燃料電池システムを備えたエネルギー消費デバイスと、を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０  燃料電池システム
１２  燃料処理器
１４  生産水素流
１８  炭素含有供給原料
２０  水
２２  燃料電池スタック
２４  燃料電池
２５  エネルギー消費デバイス
３０  スチーム改質器
３８  分離領域
４０  副生成物流
４２  水素リッチ流
４６  水素透過性金属メンブラン
５４  生産水素流
５８  水素貯蔵システム
６０  水素貯蔵デバイス
６２  水素圧縮機
６４  貯蔵された水素流
６８  機械的ガス圧縮機
１２０  コントローラ
１２４  センサ
１２６  通信リンク
１２９  メモリデバイス
１３０  使用者インターフェース
１３２  ディスプレイ領域（ディスプレイ）
１３６  使用者入力デバイス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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