(57)【要約】【課題】  副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供する【解決手段】水素発生システムＨＧＳであって、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容された容器（タンク）２１と、容器２１内の圧力を調整する圧力調整手段（調圧弁）２３と、容器２１内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した量に基づいて圧力調整手段２３を制御する制御手段（水素発生制御装置ＨＧＣ・圧力計２６）とを備える。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料が収容された温度可変な容器と、
前記容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて前記圧力調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする水素発生システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記容器内の圧力と前記副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するデータ格納部と、前記容器内の圧力を計測する圧力計測部と、前記第１のデータと計測の結果とに基づき前記制御を行う制御部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記容器内の副生成ガスの濃度を計測する濃度計測部と、前記計測の結果に基づき前記制御を行う制御部とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水素発生システム。
【請求項４】
前記第１のデータは、前記容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の水素発生システム。
【請求項５】
前記容器から外部へ水素ガスを供給する水素供給路を備え、前記制御手段は、前記水素供給路から外部へ供給される水素ガスの量を制御条件として前記制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項６】
前記制御手段は、水素ガスの発生量を推定して制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項７】
前記水素供給路には、圧力計及び水素の流量を調整するバルブが設置され、前記圧力計は、前記バルブより前記水素貯蔵材料側であり、かつ温度による外乱の少ない位置に設置されていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の水素発生システム。
【請求項８】
前記濃度計測部は、前記容器内の濃度を代表し得る位置に設置されていることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記容器内の圧力を含む複数の変量に関して前記制御を行うことを特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１０】
前記第１のデータは、前記容器内の圧力と、ガス発生開始圧力が副生成ガスの中で一番低い副生成ガスの発生量との関係を示す第３のデータを含み、前記制御部は前記第３のデータを制御条件として前記制御を行うことを特徴とする請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１１】
発生ガス流量を一定にするために、前記容器内の温度を調整することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１２】
前記副生成ガスの発生を抑制するために、前記圧力とガス発生プロファイルと水素発生速度の値から前記副生成ガスの発生速度を推定し、その推定結果に基づき前記容器内の圧力の調整を実施することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１３】
前記水素貯蔵材料が、アルカリ金属、アルカリ土類金属元素の中から選ばれる金属、窒素及び水素からなる材料を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１４】
前記水素貯蔵材料が、アルカリ金属、アルカリ土類金属元素の中から選ばれる金属、ホウ素及び水素からなる材料を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１５】
前記水素貯蔵材料が、窒素、ホウ素及び水素を主成分とする化合物を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の水素発生システム。
【請求項１６】
請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に係る水素発生システムを用いたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１６に係る燃料電池システムを用いることを特徴とする燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素発生システム、燃料電池システム及び燃料電池自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池車両に搭載するための固体高分子型燃料電池の開発競争が活発に繰り広げられている。このような燃料電池車両の実用化のために、軽量で水素吸蔵密度が高く、繰返し耐性の高い水素水素貯蔵材料を用いた効率的な水素吸蔵、発生法の開発が望まれている。
【０００３】
そこで、金属水素化物と金属アミド化合物とを含む水素貯蔵材料を反応容器に充填して用いることが検討されている（特許文献１参照）。金属水素化物と金属アミド化合物との混合物は、水素貯蔵材料として非常に高い性能を有しており、温度を上昇させるにつれて水素発生速度が向上する。
【特許文献１】特開２００６−７０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、容器を加熱し、水素発生と共に容器内の圧力が上昇するにつれて、水素の発生反応よりも副生成物であるアンモニアの発生反応が有利となり、必要な量の水素を得ることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る水素発生システムは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料が収容された温度可変な容器と、この容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて圧力調整手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムは、本発明に係る水素発生システムを用いたことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池自動車は、本発明に係る燃料電池システムを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。
【０００９】
本発明によれば、システム総重量、総体積が低減した燃料電池システムを提供することができる。
【００１０】
本発明によれば、軽量で効率のよい燃料電池自動車を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の実施の形態に係る水素発生システム、燃料電池システム及び燃料電池自動車を添付図面に基づいて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は、本発明の実施の形態に係る水素発生システム、燃料電池システム及び燃料電池自動車を模式的に示したものであり、各寸法の比率等は実際とは異なっている。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。具体的な寸法等は、以下の説明を参酌して判断されるべきものである。
【００１２】
＜第１実施形態＞
図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態に係る水素発生システム、燃料電池システム及び燃料電池自動車の説明を行う。図１は、本発明の第１実施形態に係る水素発生システムＨＧＳ（H2 Generation System）を備える車両の燃料電池システムＦＣＳ(Fuel Cell System)の系統図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池自動車５０の側面図である。図３はＨＧＳの要部ブロック図である。図４はガス発生特性線図である。図５はＨＧＳの制御フローＰ１である。
【００１３】
燃料電池システムＦＣＳは、図２に示す燃料電池自動車５０に搭載される。図２において、燃料電池自動車５０は、後述する水素発生装置２０を後部に設置搭載している。水素発生システムＨＧＳは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容されたタンク（容器）２１と、タンク２１内の温度を調整する加熱・冷却装置２２と、タンク２１内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した量に基づいて加熱・冷却装置２２を制御する制御手段とを備える。この制御手段は、水素発生制御装置ＨＧＣとタンク２１内の圧力を測定する圧力計２６（圧力計測部）とを備え、水素発生制御装置ＨＧＣは、タンク２１内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するメモリ（データ格納部）２９と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行うＣＰＵ（制御部）２８とを備える。以下、より詳細に説明する。
【００１４】
燃料電池システムＦＣＳは、車両に搭載された燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１にユーティリティ（加湿燃料、加湿酸化剤、冷媒）を供給し、内部の各単セルへ分配するユーティリティ供給系ＵＳＳ(Utility Supply System)と、各単セルに残存するユーティリティを反応生成物とともに収集し、燃料電池スタック１から排出するユーティリティ排出系ＵＤＳ(Utility Discharge System)と、これら燃料電池スタック１、ユーティリティ供給系ＵＳＳ、及びユーティリティ排出系ＵＤＳを、車両制御装置ＶＣ(Vehicular Controller)と連繋して統御する燃料電池制御装置ＦＣＣ(Fuel Cell Controller)とを備える。
【００１５】
ユーティリティ供給系ＵＳＳは、燃料電池スタック１の燃料導入口１ａへ加湿燃料（より詳細には、加湿された水素ガス）を供給する燃料供給系２と、燃料電池スタック１の酸化剤導入口１ｂへ加湿酸化剤（より詳細には、必要に応じ加湿された空気）を供給する酸化剤供給系３と、燃料電池スタック１の冷媒導入口１ｃへ冷媒（より詳細には、純水）を供給する冷媒供給系４とを有する。
【００１６】
燃料供給系２は、水素発生システムＨＧＳと、この水素発生システムＨＧＳに吸入側で接続された水素ポンプＨＰ(Hydrogen Pump)と、この水素ポンプＨＰの下流側に介設された減圧弁２ａ、流調弁２ｂ、及び加湿器（不図示）とを含む。
【００１７】
酸化剤供給系３は、車外の空気を吸入・圧縮する空気圧縮機ＡＣ（Air Compressor）と、この空気圧縮機ＡＣの下流側に介設された不図示の減圧弁、流調弁、及び加湿器とを含む。
【００１８】
冷媒供給系４は、温度制御可能な冷媒貯留槽（不図示）と、この冷媒貯留槽に吸入側で接続された冷媒ポンプＣＰ(Coolant Pump)と、この冷媒ポンプＣＰの下流側に介設された不図示の減圧弁及び流調弁とを含む。
【００１９】
ユーティリティ排出系ＵＤＳは、燃料電池スタック１の燃料、酸化剤及び冷媒排出口にそれぞれ接続された燃料、酸化剤及び冷媒排出ラインを含み、その内、冷媒排出ラインは冷媒貯留槽に接続され、冷媒供給系４と協働して冷媒循環系を構成する。
【００２０】
燃料電池制御装置ＦＣＣは、水素発生システムＨＧＳ及び車両の動作状態に応じた制御信号Ｃ１〜Ｃ５を出力して、水素ポンプＨＰ、減圧弁２ａ、及び流調弁２ｂを含む燃料供給系２と、空気圧縮機ＡＣを含む酸化剤供給系３と、冷媒ポンプＣＰを含む冷媒供給系４とを適宜制御する。
【００２１】
水素発生システムＨＧＳは、本実施の形態では水素供給源としての水素発生装置２０と、この水素発生装置２０と水素ポンプＨＰとの間に介設され、水素を適宜捕集・放出して水素供給量を安定化する蓄圧器としての水素リザーバ４０と、燃料電池制御装置ＦＣＣと連繋して水素発生システムＨＧＳを統御する水素発生制御装置ＨＧＣ (Hydrogen Generation Controller)とを備えるが、リザーバ４０は必ずしも必要とはしない。
【００２２】
水素発生装置２０は、円筒状水素タンク２１と、このタンク２１を、その分離可能な槽頂部（図中右端部）２１ａ及び槽底部（図中左端部）２１ｃ間の側壁部２１ｂの全周からタンク２１を加熱・冷却する加熱・冷却装置２２と、上記槽頂部２１ａに連通する水素供給管路２１ｄと水素リザーバ４０の連結管路４１との間に介設された調圧弁２３及び流調弁２４とを備える。タンク２１には、水素を吸蔵（つまり、結合貯留）若しくは解離生成する好ましくは多孔質の後述する水素貯蔵材料３０が内蔵されている。なお、水素リザーバ４０の連結管路４１は、その下流側、即ち、水素リザーバ４０と水素ポンプＨＰとの間にも、調圧弁４２及び流調弁４３が介設されている。
【００２３】
加熱・冷却装置２２は、タンク２１に巻回された加熱用配線２２ａを介してタンク２１を加熱するヒータとしての抵抗加熱式若しくは誘導加熱式の電気ヒータ２２ｂと、電気ヒータ２２ｂと同様にタンク２１に巻回された冷媒管路２２ｃを介してタンク２１を冷却するクーラとしての冷却装置２２ｄとで構成される。なお、電気ヒータ２２ｂと冷却装置２２ｄとは同時に稼働させない。
【００２４】
水素貯蔵材料３０は、好ましくは多数の成形素片を組合せた集合体として構成される。各素片及び集合体の形状は任意に設定でき、棒状の基材を平行に配置にしても良いが、本実施例では、半径の異なる薄手の扇形素片を同心円状に組合せ、これを積み重ねて入れ子式の（より詳細には、所定の間隙で離間する同軸筒状の）集合体３１、３２を形成する。最も内側の筒状集合体３１の中心部に軸方向の通孔３１ａを設け、最も外側の筒状集合体３２は、その内側の筒状集合体３１より大径の入れ子穴３２ａを形成する共に、タンク２１の側壁部２１ｂの内径より小径の外径を与えて、所定の間隙を設け、水素ガスの拡散・導通路を必要に応じ確保する。
【００２５】
水素貯蔵材料３０が熱伝導性の高い水素吸蔵金属から成る場合は、成形素片同士を接合して各集合体３１、３２をリジッド且つ一体に構成しても良い。しかし、その場合も含め、好ましくは、各集合体３１、３２或いはその構成素片と、タンク２１との間に、熱伝導率の高い金属からなる格子状若しくはハニカム状の保持枠又はマトリックス状の保持網（不図示）を介装して接触させ、これにより水素貯蔵材料３０全体の位置決め保持及び均一な温度制御を達成する。
【００２６】
水素貯蔵材料３０の重量をその成形素片の平均密度で除した値、つまり、水素貯蔵材料３０の実体積（以下、Ｖ３０で表す。）は、タンク２１の容積（以下、Ｖ２１で表す。）より小さく（即ち、Ｖ３０／Ｖ２１＜１）、その間の差（Ｖ２１−Ｖ３０）に相当する容積Ｖ（＝Ｖ２１−Ｖ３０）、或いは、更に保持枠又は保持網を備える場合、その体積（以下、Ｖｍで表す。）も引いた値に相当する容積Ｖ（＝Ｖ２１−Ｖ３０−Ｖｍ）の水素ガス雰囲気が、水素発生装置２０の作動時のタンク２１内壁と水素貯蔵材料３０を構成する各成形素片の界面との間に充満する。
【００２７】
この水素ガス雰囲気は、その温度が、水素貯蔵材料３０自身の伝熱効果（或いは、保持枠又は保持網により増大した伝熱効果）により、ほぼ均一に調温される。また、水素ガス雰囲気の圧力Ｐが、成形素片の界面近傍での平均ガス圧に相当する値に、水素ガスの拡散律速を越える有意な時間内に、ほぼ均一に調圧される。従って、水素ガスの濃度Ｃも、同様に有意な時間内に、ほぼ均一化する。
【００２８】
タンク２１の側壁部２１ｂには、温度センサＳ１が気密に挿通されている。温度センサＳ１は、熱電対により構成された温度計２５であり、筒状集合体３１に挿入された感温部２５ａで、水素貯蔵材料３０の平均温度（又はそれを代表する温度）Ｔを検出する。タンク２１の槽頂部２１ａには、圧力センサＳ２及び発生ガス濃度センサＳ３が気密に挿通されている。圧力センサＳ２はガス圧力計２６からなり、水素ガス雰囲気の圧力Ｐを検出する。発生ガス濃度センサＳ３は常温以上で作動可能な不純物濃度計を含む発生ガス濃度計２７からなり、発生ガス中の水素の濃度Ｃ及び不純ガス（副生成ガス）の濃度Ｃｉを検出する。
【００２９】
水素発生制御装置ＨＧＣは、温度センサＳ１と、圧力センサＳ２及び発生ガス濃度センサＳ３により検出された水素貯蔵材料３０の温度Ｔ［℃］と、水素ガス雰囲気の圧力Ｐ［ＭＰａ］及び発生ガス中の水素の濃度Ｃ［％］及び不純ガスの濃度Ｃｉ［％］とをサンプリングし、必要に応じ補正して、燃料電池制御装置ＦＣＣからのコマンドに応じて処理し、制御信号Ｃ６〜Ｃ８を出力して、加熱・冷却装置２２と、水素リザーバ４０の上流側の調圧弁２３及び流調弁２４とを制御することにより、水素発生装置２０の水素発生量を制御する。更に、制御信号Ｃ９〜Ｃ１０を出力して、水素リザーバ４０の下流側の調圧弁４２及び流調弁４３とを制御することによっても、水素発生システムＨＧＳの水素供給量を制御することができる。なお、図３に示すように、水素発生制御装置ＨＧＣは、加熱・冷却装置２２から所要のデータＤを受け取り、ヒータ２２のオン・オフ指令を含む制御信号Ｃ６を加熱・冷却装置２２に与える。
【００３０】
加熱・冷却装置制御信号Ｃ６は、ヒータ制御信号Ｃ６１とクーラ制御信号Ｃ６２とを含む。加熱・冷却装置制御信号Ｃ６により加熱・冷却装置２２を制御し、それにより水素貯蔵材料３０の温度Ｔが上がると、その界面及び内部から水素が解離・拡散して、タンク２１内へ放出され、逆に、水素貯蔵材料３０の温度Ｔが下がると、タンク２１内の水素が、水素貯蔵材料３０の界面から内部へ拡散・吸蔵され、結合される。
【００３１】
次に、図３〜図５を参照して第１実施形態に係る水素発生システムＨＧＳの動作について説明する。図３にＨＧＳの要部ブロック図を、図４にガス発生特性線図を、図５にＨＧＳの制御フローＰ１を示す。
【００３２】
図３に示すように、水素発生制御装置ＨＧＣは、中央演算部（ＣＰＵ）２８と、このＣＰＵ２８の周辺機器としてのメモリ２９とを含み、ＣＰＵ２８は図５に示す制御フローＰ１に関与する演算を行い、メモリ２９にはそれらの演算に必要なプログラム及びデータが格納される。その格納データには、図４に示すガス発生特性線図のうち、副生成ガスの発生特性曲線のデータが含まれる。
【００３３】
図４では、水素貯蔵材料３０としてＭｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合のガス発生特性線図を示している。Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合、次に示す式（１）の反応により水素が発生する。式（１）に示す反応式で記述できる材料は大量の水素を放出することのできる優れた水素貯蔵材料の一つである。
【００３４】
３Ｍｇ（ＮＨ２）２＋１２ＬｉＨ⇔Ｍｇ３Ｎ２＋４Ｌｉ３Ｎ＋１２Ｈ２・・・式（１）
ガスの発生は圧力Ｐ１（不純ガス発生開始圧力とする）までは式（１）に示す水素の発生が支配的である。しかし、タンク２１内の圧力がＰ１より高くなるにつれて、副生成ガスである不純ガス（ここではアンモニアガス）の発生量が多くなり、更には式（２）に示す反応により、不純ガスとしてのアンモニアの発生が支配的となる。
【００３５】
Ｍｇ（ＮＨ２）２→ＭｇＮＨ＋ＮＨ３・・・式（２）
ＨＧＣは、表１に示す制御マップに従い、調圧弁（バルブ）２３及び加熱・冷却装置２２へ制御信号を出す。
【表１】
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【００３６】
図５に第１実施形態に係る水素発生システムの制御フローＰ１を示す。制御フローＰ１は、まずステップＳ０で表１に示す制御マップを読み出し、ステップＳ１に進む。
【００３７】
ステップＳ１では、ヒータ・オン指令を加熱・冷却装置２２に出す。所定時間が過ぎると、次のステップＳ２に進む。
ステップＳ２では、タンク２１内部の圧力Ｐを圧力計２６によって測定し、圧力条件Ｐ＜Ｐ１（不純ガス発生開始圧力）か否かを判断する。Ｐ＜Ｐ１の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ３に進む。Ｐ＜Ｐ１ではない場合（ＮＯ）、つまり、Ｐ１≦Ｐのときには次のステップＳ５に進む。
ステップＳ３では、制御方式＜閉じる２＞を選択し、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、バルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ５では、制御方式＜開く１＞を選択し、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、バルブ開指令を調圧弁２３に出力する。
【００３８】
つまり、第１実施形態では、圧力計２６の値に基づきバルブの開閉の判断を行い、不純ガスの発生を抑制する。ステップＳ１では、タンク２１を加熱・冷却装置２２で加熱し、タンク２１内部に貯蔵した水素貯蔵材料３０から水素を発生させる。次に、ステップＳ２においてタンク２１内の圧力ＰがＰ＜Ｐ１の場合には、水素流量が充分で不純ガスも発生していないため、水素流量が必要量より多い場合には、ステップＳ４においてバルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
【００３９】
一方、タンク２１内の圧力ＰがＰ１≦Ｐの場合には、不純ガス発生開始圧力以上となっており、加圧につれて不純ガスの発生速度が増加するため、タンク２１の圧力を下げるため、ステップＳ６においてバルブ開指令を調圧弁２３に出力する。
【００４０】
このように、本発明の第１実施形態では、副生成ガスの発生を抑制するために、タンク２１内の圧力とガス発生プロファイルと水素発生速度の値から副生成ガスの発生速度を推定し、その推定結果に基づき容器内の圧力の調整を実施する。圧力とガス発生プロファイルが既知であれば、水素発生速度とその際の圧力の値から副生成ガス量を推定することができる。これにより、副生成ガスを発生することなく水素を発生することができる。この場合、副生成ガス濃度計を設置することなく、ガス濃度計を設置した場合と同様に安定して水素を放出することができる。
【００４１】
本発明の第１実施形態に係る水素発生システムは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容された温度可変な容器と、容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて圧力調整手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するデータ格納部と、容器内の圧力を計測する圧力計測部と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行う制御部とを備えるため、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。つまり、副生成ガスの発生量と容器内の圧力との関係が分かっている場合には、圧力を測定することにより発生ガスに含まれる副生成ガス濃度を計算することができる。このため、容器内の圧力をパラメータとしてバルブの開閉の制御を決定することができ、発生ガス中に含まれる副生成ガスの濃度を低減することができる。
【００４２】
なお、容器内の温度を調整してガス流量を調整する方法も考えられるが、加熱部分を小さくしたとしても加熱を行うためのタイムラグが発生するため、圧力を補正する方が有利である。また、予め発生する副生成ガス発生の圧力プロファイルを取得するために、少量のサンプルを用いた実験等を用いて実施する必要がある。水素供給量のみから判断する従来の方法では、副生成ガスが発生している圧力域での運転を防止することができなかったが、本発明の第１実施形態による制御を実施することにより、副生成ガスが発生する圧力域で水素発生システムを作動させることがなくなり、発生するガス中に含まれる副生成ガスを１０分の１程度まで低減することができる。
【００４３】
容器から外部へ水素ガスを供給する水素供給路を備え、水素供給路には、圧力計及び水素の流量を調整するバルブが設置されている。この圧力計はバルブより水素貯蔵材料側であり、かつ温度による外乱の少ない位置に設置されていることが好ましい。配管内に圧力損失が存在するため、水素供給路において燃料電池側に圧力計を設置した場合、容器内の圧力と異なった圧力を測定する可能性がある。また、耐熱性を持つ圧力計は高価格なため、室温部分に設置できる圧力計を使用することが望ましい。なお、圧力損失の値が正確に測定できるシステムであれば、圧力計の設置位置は反応容器から離れていても構わない。
【００４４】
第１のデータは、容器内の圧力と、ガス発生開始圧力が副生成ガスの中で一番低い副生成ガスの発生量との関係を示す第３のデータを含み、制御部は第３のデータを制御条件として制御を行うことが好ましい。２種類以上の副生成ガスが発生する材料系を水素貯蔵材料として使用した場合、発生する圧力の最下限値はガス種によって異なる。このため、より低圧側で発生するガス種の濃度を測定する必要がある。この場合、適切な副生成ガスの濃度を基に判断することによって、発生する水素の純度を向上させることができる。
【００４５】
発生ガス流量を一定にするために、容器内の温度を調整することが好ましい。容器の水素貯蔵材料の反応率（水素放出反応前は１、反応が完了後は０）によって、最適な水素放出速度が得られる温度は一定ではない。このため、温度を調整することにより、より最適な制御を行うことができる。例えば、窒素−ホウ素−水素を主成分とする水素貯蔵材料は、水素発生時に２種類以上の副生成ガスを発生する。この場合は、より低圧側で発生するガス種の発生状況を測定する必要がある。そして、適切な副生成ガスの濃度を基に判断することによって、発生する水素の純度を向上させることができる。
【００４６】
水素貯蔵材料として、本実施の形態ではアルカリ金属、アルカリ土類金属元素の中から選ばれる金属、窒素及び水素からなる材料を主成分とするＭｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた。Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料として、金属イオンの主成分がＬｉイオンであり、ＬｉイオンをＭｇ、Ｃａ、Ｎａ等のアルカリ金属、もしくはアルカリ土類金属で一部又は全体を置換した材料が水素貯蔵材料として有効な性能を示す。この水素貯蔵材料は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＷのような遷移金属種を添加したり、炭素系材料、シリカ又はアルミナ等の無機材料を添加することによって水素貯蔵性能を向上させることができる。これらの材料は副反応により水素以外のガス種を発生する材料であるため、本実施の形態に係る水素発生システムによる制御を行うことにより、水素放出反応に有利な条件下で加熱を行うことができ、副生成ガスの発生濃度を低下させることができる。
【００４７】
その他、水素貯蔵材料として、例えば式（３）で示す反応により水素を発生する材料、つまり、アルカリ金属、アルカリ土類金属元素の中から選ばれる金属、ホウ素及び水素からなる材料を主成分とする材料を用いてもよい。
【００４８】
ＬｉＢＨ４→ＬｉＨ＋Ｂ＋３／２Ｈ２・・・式（３）
式（３）に示す反応式で記述できる材料は、Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料と同様に大量の水素を放出することのできる優れた水素貯蔵材料の一つである。式（４）及び式（５）に示すように、ＬｉＢＨ４に、金属水素化物、金属アミド化物又は水素化炭素を添加することによって、さらに優れた水素放出材料とすることができる。
【００４９】
ＬｉＢＨ４＋２ＬｉＮＨ２→Ｌｉ３ＢＮ２＋４Ｈ２・・・式（４）
２ＬｉＢＨ４＋ＭｇＨ２→２ＬｉＨ＋ＭｇＢ２＋４Ｈ２・・・式（５）
また、水素貯蔵材料として、式（６）に示すように、窒素、ホウ素及び水素を主成分とする化合物を含んでいてもよい。
【００５０】
ＮＨ３ＢＨ３→ＮＨＢＨ＋２Ｈ２・・・式（６）
式（６）に示す反応式で記述できる材料は、上記した材料と同様に大量の水素を放出することのできる優れた水素貯蔵材料の一つである。しかし、上記の反応と異なり、式（６）に示す反応は発熱反応であるため、加熱時にオーバシュートを起こしやすい。このため、上記の材料を使用した場合とは異なるパラメータを設定する必要がある。
【００５１】
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る水素発生システムを用いたことにより、水素以外の副生成ガスの発生量が低減し、副生成ガス除去のためのフィルタ重量が減少するため、システムがコンパクトになる。つまり、副生成ガスが発生した場合には、炭素系材料もしくはセラミック製材料からなるフィルタを燃料供給系２側に設置することにより供給水素の純度を向上させることが必要となり、副生成ガスの量が多い場合には搭載しなくてはならないフィルタの重量が増す。このため、圧力の制御を行い副生成ガスの発生量を抑制することは、システム重量の軽減することにつながる。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、システム総重量、総体積が低減した燃料電池システムを提供することができる。
【００５２】
また、本発明の第１実施形態に係る燃料電池自動車は、燃料電池システムがコンパクトになるため、重量の軽い燃料電池自動車を構成することができる。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車５０を示しており、図１に示す水素発生装置２０を後部に設置搭載した図である。このとき、エンジンルームやトランクルーム内部、あるいはシート下のフロア部等の車室内部の他に、ルーフ上部等の車室外に水素発生装置２０を設置することも可能である。
【００５３】
本発明の第１実施形態に係る燃料電池自動車では、システム総重量、総体積が低減した燃料電池システムを搭載しているため車両重量が低減し、軽量で燃費の改善が図れ、効率のよい燃料電池自動車を提供することができる。また、燃料電池システムの総体積の低減により、車室をより広く活用できる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
次に、図６〜図７を参照して本発明の第２実施形態に係る水素発生システムについて説明する。燃料電池システム及び燃料電池自動車については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。図６にガス発生特性線図を、図７にＨＧＳの制御フローＰ２を示す。この第２実施形態の水素発生システムでは、予め作成した図６に示す水素発生特性曲線及び不純ガス特性曲線から作成した制御マップを読み出し、タンク２１の加圧の判断を行う点が第１実施形態と相違する。他の構成は第１実施形態とほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
【００５５】
水素発生システムＨＧＳは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料が収容された温度可変なタンク（容器）２１と、タンク２１内の圧力を調整する調圧弁（圧力調整手段）２３と、タンク２１内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて調圧弁２３を制御する制御手段とを備える。この制御手段は、水素発生制御装置ＨＧＣとタンク２１内の圧力を測定する圧力計２６（圧力計測部）とを備え、水素発生制御装置ＨＧＣは、タンク２１内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するメモリ（データ格納部）２９と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行うＣＰＵ（制御部）２８とを備える。第１のデータは、タンク２１内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含む。以下、より詳細に説明する。
【００５６】
図３に示したように、水素発生制御装置ＨＧＣは、中央演算部（ＣＰＵ）２８と、このＣＰＵ２８の周辺機器としてのメモリ２９とを含み、第２実施形態ではＣＰＵ２８は図７に示す制御フローＰ２に関与する演算を行い、メモリ２９にはそれらの演算に必要なプログラム及びデータが格納される。その格納データには、図６に示すガス発生特性線図が含まれる。
【００５７】
図６では、水素貯蔵材料３０としてＭｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合のガス発生特性線図を示している。Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合、次に示す式（７）の反応により水素が発生する。
【００５８】
Ｍｇ（ＮＨ２）２＋２ＬｉＨ→ＭｇＬｉ２（ＮＨ）２＋２Ｈ２・・・式（７）
タンク２１内の圧力がＰ１（Ｈ２ガス適量圧力とする）未満の場合には、副生成ガスである不純ガスが発生しない。タンク２１内の圧力がＰ２（不純ガス発生開始圧力とする）以上になると式（８）に示す反応により不純ガスであるアンモニアが発生する。
【００５９】
Ｍｇ（ＮＨ２）２→ＭｇＮＨ＋ＮＨ３・・・式（８）
更に、タンク２１内の圧力がＰ２より高くなるにつれて不純ガスの発生量が多くなるが、タンク２１内の圧力がＰ３（不純ガス急増圧力とする）までは式（７）に示す水素の発生が支配的である。タンク２１内の圧力がＰ３より高い温度では、式（８）に示す反応により、不純ガスとしてのアンモニアの発生が支配的となる。
【００６０】
ＨＧＣは、表２に示す制御マップに従い、調圧弁２３及び加熱・冷却装置２２へ制御信号を出す。
【表２】
2008162858.tif 000004
【００６１】
図７に第２実施形態に係る水素発生システムの制御フローＰ２を示す。制御フローＰ２は、まずステップＳ１０で表２に示す制御マップを読み出し、ステップＳ１１に進む。
【００６２】
ステップＳ１１では、ヒータ・オン指令を加熱・冷却装置２２に出す。所定時間が過ぎると、次のステップＳ１２に進む。
【００６３】
ステップＳ１２では、タンク２１内部の圧力Ｐを圧力計２６によって測定し、Ｐ＜Ｐ２（不純ガス発生開始圧力）か否かを判断する。Ｐ＜Ｐ２の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１３に進む。Ｐ＜Ｐ２ではない場合（ＮＯ）、つまり、Ｐ２≦Ｐのときには次のステップＳ１８に進む。
【００６４】
ステップＳ１３では、タンク２１内部の圧力Ｐを圧力計２６によって測定し、Ｐ＜Ｐ１（Ｈ２ガス適量圧力）か否かを判断する。Ｐ＜Ｐ１の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１４に進む。Ｐ＜Ｐ１ではない場合（ＮＯ）、つまり、Ｐ１≦Ｐのときには次のステップＳ１６に進む。
【００６５】
ステップＳ１４では、制御方式＜閉じる４＞を選択し、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、バルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ１６では、制御方式＜保持３＞を選択し、ステップＳ１７に進む。
ステップＳ１７では、操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
【００６６】
ステップＳ１８では、タンク２１内部の圧力Ｐを圧力計２６によって測定し、Ｐ＜Ｐ３（不純ガス急増圧力）か否かを判断する。Ｐ＜Ｐ３の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ１９に進む。Ｐ＜Ｐ３ではない場合（ＮＯ）、つまりＰ３≦Ｐのときは次のステップＳ２１に進む。
【００６７】
ステップＳ１９では、制御方式＜保持２＞を選択し、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、バルブ開（小）指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ２１では、制御方式＜開く１＞を選択し、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ２２では、バルブ開（大）指令を調圧弁２３に出力する。
【００６８】
つまり、第２実施形態では、圧力計２６の値に基づきバルブの開閉の判断を行い、不純ガスの発生を抑制する。ステップＳ１１では、タンク２１を加熱・冷却装置２２で加熱し、タンク２１内部に貯蔵した水素貯蔵材料３０から水素を発生させる。タンク２１内の圧力ＰがＰ＜Ｐ１の場合には、不純ガスも発生していないため、水素流量が必要量より多い場合は、ステップＳ１４においてバルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
【００６９】
タンク２１内の圧力ＰがＰ１≦Ｐ＜Ｐ２の場合には、加圧につれて水素流量が増加し、不純ガス発生開始圧力以下であり、かつＨ２ガス適量圧力となっているため、タンク２１内の圧力を保持するため、ステップＳ１７において操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
【００７０】
タンク２１内の圧力ＰがＰ２≦Ｐ＜Ｐ３の場合には、不純ガスが微量発生する状態であるため、タンク２１内の圧力を少し下げるため、ステップＳ２０においてバルブ開（小）指令を調圧弁２３に出力し、調圧弁２３を少し開く。
【００７１】
Ｐ３≦Ｐの場合には、不純ガス急増圧力以上であり、不純ガスが大量に発生する圧力状態であるためこれを抑制するため、ステップＳ２２においてバルブ開指令を調圧弁２３に出力する。
【００７２】
本発明の第２実施形態に係る水素発生システムは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容された温度可変な容器と、容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて圧力調整手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するデータ格納部と、容器内の圧力を計測する圧力計測部と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行う制御部とを備え、第１のデータは、容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含むため、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。つまり、水素ガスの発生量及び副生成ガスの発生量と容器内の圧力との関係が分かっている場合には、圧力を測定することにより発生ガスに含まれる副生成ガス濃度を計算することができる。このため、容器内の圧力をパラメータとしてバルブの開閉の制御を決定することができ、発生ガス中に含まれる副生成ガスの濃度を低減することができる。また、水素供給量の過不足を圧力調整手段を制御する制御手段の判断に使用することによって、必要な水素供給量を得ながら、かつ副生成ガス濃度が低い圧力下での水素発生システムの使用を可能にする。
【００７３】
なお、第１実施形態と同様に、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータ及び容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを取得するために、予め少量のサンプルを用いた実験等により、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係及び容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を得る実験を実施する必要がある。
【００７４】
水素供給量のみから判断する従来の方法では、副生成ガスが発生している圧力域での運転を防止することができなかったが、本発明の第２実施形態による制御を実施することにより、副生成ガスが発生する圧力域で水素発生システムを作動させることがなくなり、発生するガス中に含まれる副生成ガスを１０分の１程度まで低減することができる。
【００７５】
＜第３実施形態＞
次に、図８及び図９を参照して本発明の第３実施形態に係る水素発生システムについて説明する。燃料電池システム及び燃料電池自動車については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。図８にＨＧＳの要部ブロック図を、図９にＨＧＳの制御フローＰ３を示す。この第３実施形態の水素発生システムでは、予め作成した図６に示す水素発生特性曲線及び不純ガス特性曲線から作成した制御マップを読み出し、タンク２１の加圧の判断を行う点及び水素供給量によってタンク２１の加圧の判断を行う点が第１実施形態と相違する。他の構成は第１実施形態とほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
【００７６】
水素発生システムＨＧＳは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料が収容された温度可変なタンク（容器）２１と、タンク２１内の圧力を調整する調圧弁（圧力調整手段）２３と、タンク２１内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて調圧弁２３を制御する制御手段とを備える。この制御手段は、水素発生制御装置ＨＧＣとタンク２１内の圧力を測定する圧力計２６（圧力計測部）とを備え、水素発生制御装置ＨＧＣは、タンク２１内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するメモリ（データ格納部）２９と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行うＣＰＵ（制御部）２８とを備える。第１のデータは、タンク２１内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含む。また、タンク２１から外部へ水素ガスを供給する燃料供給系（水素供給路）２を備え、制御手段は、燃料供給系２から外部へ供給される水素ガスの量を制御条件として制御を行う。以下、より詳細に説明する。
【００７７】
図８に示したように、水素発生制御装置ＨＧＣは、中央演算部（ＣＰＵ）２８と、このＣＰＵ２８の周辺機器としてのメモリ２９とを含み、第２実施形態ではＣＰＵ２８は図９に示す制御フローＰ３に関与する演算を行い、メモリ２９にはそれらの演算に必要なプログラム及びデータが格納される。その格納データには、図６に示すガス発生特性線図が含まれる。
【００７８】
燃料電池制御装置ＦＣＣは、水素発生システムＨＧＳ及び車両の動作状態に応じた制御信号Ｃ１〜Ｃ３を出力して、水素ポンプＨＰ、減圧弁２ａ、及び流調弁２ｂを含む燃料供給系２を適宜制御する。
【００７９】
第３実施形態においても、第１実施形態と同様に水素貯蔵材料３０としてＭｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いる。Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合、上記式（１）の反応により水素が発生する。
【００８０】
ＨＧＣは、表３に示す制御マップに従い、調圧弁２３及び加熱・冷却装置２２へ制御信号を出す。
【表３】
2008162858.tif 000005
【００８１】
図９に第３実施形態に係る水素発生システムの制御フローＰ３を示す。制御フローＰ３は、まずステップＳ３０で表３に示す制御マップを読み出し、ステップＳ３１に進む。
【００８２】
ステップＳ３１では、ヒータ・オン指令を加熱・冷却装置２２に出す。所定時間が過ぎると、次のステップＳ３２に進む。
【００８３】
ステップＳ３２では、タンク２１内部の圧力Ｐを圧力計２６によって測定し、Ｐ＜Ｐ２（不純ガス発生開始圧力）か否かを判断する。Ｐ＜Ｐ２の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ３３に進む。Ｐ＜Ｐ２ではない場合（ＮＯ）、つまり、Ｐ２≦Ｐのときには次のステップＳ３８に進む。
【００８４】
ステップＳ３３では、水素の供給量が充分か否かを判断する。水素が充分な場合にはステップＳ３４に進む。水素が不足している場合にはステップＳ３６に進む。
ステップＳ３４では、制御方式＜閉じる４＞を選択し、ステップＳ３５に進む。
ステップＳ３５では、バルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ３６では、制御方式＜保持３＞を選択し、ステップＳ３７に進む。
ステップＳ３７では、操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
【００８５】
ステップＳ３８では、タンク２１内部の圧力Ｐを圧力計２６によって測定し、Ｐ＜Ｐ３（不純ガス急増圧力）か否かを判断する。Ｐ＜Ｐ３の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ３９に進む。Ｐ＜Ｐ３ではない場合（ＮＯ）、つまりＰ３≦Ｐのときは次のステップＳ４１に進む。
【００８６】
ステップＳ３９では、制御方式＜保持２＞を選択し、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、バルブ開（小）指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ４１では、制御方式＜開く１＞を選択し、ステップＳ４２に進む。
ステップＳ４２では、バルブ開（大）指令を調圧弁２３に出力する。
【００８７】
つまり、第３実施形態では、圧力計２６の値及び検出した水素供給量に基づきバルブの開閉の判断を行い、不純ガスの発生を抑制する。
【００８８】
ステップＳ３１では、タンク２１を加熱・冷却装置２２で加熱し、タンク２１内部に貯蔵した水素貯蔵材料３０から水素を発生させる。タンク２１内の圧力ＰがＰ＜Ｐ２であり、かつ水素の供給量が充分な場合には、ステップＳ３４においてバルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
【００８９】
タンク２１内の圧力ＰがＰ＜Ｐ２であり、かつ水素の供給量が不足している場合には、バルブをそのまま保持し、水素を発生させるために、ステップＳ３６において操作無し指令を出力する。
【００９０】
タンク２１内の圧力ＰがＰ２≦Ｐ＜Ｐ３の場合には、不純ガスが微量発生する状態であるため、バルブを微小解放し、得られている水素流量をキープするため、ステップＳ４０においてバルブ開（小）指令を調圧弁２３に出力し、調圧弁２３を少し開く。
【００９１】
Ｐ３≦Ｐの場合には、不純ガス急増圧力以上であり、不純ガスが大量に発生する圧力状態であるため、これを抑制するため、ステップＳ４２においてバルブ開指令を調圧弁２３に出力する。
【００９２】
本発明の第３実施形態に係る水素発生システムは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容された温度可変な容器と、容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて圧力調整手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するデータ格納部と、容器内の圧力を計測する圧力計測部と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行う制御部とを備え、第１のデータは、容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含むため、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。つまり、水素ガスの発生量及び副生成ガスの発生量と容器内の圧力との関係が分かっている場合には、圧力を測定することにより発生ガスに含まれる副生成ガス濃度を計算することができる。このため、容器内の圧力をパラメータとしてバルブの開閉の制御を決定することができ、発生ガス中に含まれる副生成ガスの濃度を低減することができる。また、水素供給量を測定することにより、より副生成ガス濃度の低い圧力域で安定した水素を供給することができる。
【００９３】
なお、第１実施形態と同様に、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータ及び容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを取得するために、予め少量のサンプルを用いた実験等により、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係及び容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を得る実験を実施する必要がある。
【００９４】
水素供給量のみから判断する従来の方法では、副生成ガスが発生している圧力域での運転を防止することができなかったが、本発明の第３実施形態による制御を実施することにより、副生成ガスが発生する圧力域で水素発生システムを作動させることがなくなり、発生するガス中に含まれる副生成ガスを１０分の１程度まで低減することができる。
【００９５】
＜第４実施形態＞
次に、図１０〜図１２を参照して本発明の第４実施形態に係る水素発生システムについて説明する。燃料電池システム及び燃料電池自動車については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。図１０に第４実施形態に係る水素発生システムＨＧＳの要部ブロック図を、図１１にガス発生特性線図を、図１２にＨＧＳの制御フローＰ４を示す。この第４実施形態の水素発生システムを第１実施形態のものと比較すると、圧力計２６による測定結果によらず、発生ガス濃度計２７による測定結果に基づき、タンク２１の加圧の判断を行う点が相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
【００９６】
水素発生システムＨＧＳは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容されたタンク（容器）２１と、タンク２１内の圧力を調整する調圧弁（圧力調整手段）２３と、タンク２１内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて調圧弁２３を制御する制御手段とを備える。この制御手段は、水素発生制御装置ＨＧＣとタンク２１内の副生成ガスの濃度を計測する発生ガス濃度計（濃度計測部）２７とを備え、水素発生制御装置ＨＧＣは計測の結果に基づき制御を行うＣＰＵ（制御部）２８を備える。以下、より詳細に説明する。
【００９７】
図１０に示すように、水素発生制御装置ＨＧＣは、中央演算部（ＣＰＵ）２８と、このＣＰＵ２８の周辺機器としてのメモリ２９とを含み、ＣＰＵ２８は図１２に示す制御フローＰ４に関与する演算を行い、メモリ２９にはそれらの演算に必要なプログラム及びデータが格納される。
【００９８】
第４実施形態においても、第１実施形態と同様に水素貯蔵材料３０としてＭｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いる。Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合、上記式（１）の反応により水素が発生する。水素及び不純ガスであるアンモニアと圧力とは、図１１に示すような関係を示す。
【００９９】
ＨＧＣは、表４に示す制御マップに従い、調圧弁２３及び加熱・冷却装置２２へ制御信号を出す。
【表４】
2008162858.tif 000006
【０１００】
図１２に第４実施形態に係る水素発生システムの制御フローＰ４を示す。以下に示す発生ガス濃度計の値は、Volume％（体積％）の値である。体積制御フローＰ４は、まずステップＳ５０で表４に示す制御マップを読み出し、ステップＳ５１に進む。
【０１０１】
ステップＳ５１では、ヒータ・オン指令を加熱・冷却装置２２に出す。所定時間が過ぎると、次のステップＳ５２に進む。
【０１０２】
ステップＳ５２では、タンク２１内部の副生成ガスである不純ガスの濃度を発生ガス濃度計２７によって測定し、不純ガスが検出されるか否かを判断する。不純ガスが検出されない場合（ＮＯ）にはステップＳ５３に進む。不純ガスが検出された場合（ＹＥＳ）の場合には次のステップＳ５５に進む。
【０１０３】
ステップＳ５３では、制御方式＜閉じる３＞を選択し、ステップＳ５４に進む。
ステップＳ５４では、バルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
【０１０４】
ステップＳ５５では、タンク２１内部の不純ガスの濃度を発生ガス濃度計２７によって測定し、不純ガス濃度Ｃｉ＜１％か否かを判断する。Ｃｉ＜１％の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ５６に進む。Ｃｉ＜１％ではない場合（ＮＯ）、つまり１％≦Ｃｉのときは次のステップＳ５８に進む。
【０１０５】
ステップＳ５６では、制御方式＜保持２＞を選択し、ステップＳ５７に進む。
ステップＳ５７では、操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ５８では、制御方式＜開く１＞を選択し、ステップＳ５９に進む。
ステップＳ５９では、バルブ開指令を調圧弁２３に出力する。
【０１０６】
つまり、第４実施形態では、発生ガス濃度計２７で検出した不純ガスの濃度に基づきバルブの開閉の判断を行い、不純ガスの発生を抑制する。ステップＳ５１では、タンク２１を加熱・冷却装置２２で加熱し、タンク２１内部に貯蔵した水素貯蔵材料３０から水素を発生させる。次に、ステップＳ５２において不純ガスが検出されない場合（ＮＯ）には、バルブを絞り、水素放出速度を低下させるため、ステップＳ５４においてバルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
【０１０７】
一方、ステップＳ５２において、不純ガスが検出され、その濃度がＣｉ＜１％の場合には、水素が放出されて容器内の圧力は下がる方向にあるため、バルブの開度はそのまま保持するため、ステップＳ５７において操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
【０１０８】
ステップＳ５２において、１％≦Ｃｉの場合には、不純ガスが大量に発生しているため、容器内圧を低下させるため、ステップＳ５９においてバルブ開指令を調圧弁２３に出力する。なお、ステップＳ５２における濃度の値は、装置の要求値により変動する。
【０１０９】
本発明の第４実施形態に係る水素発生システムは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容された温度可変な容器と、容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて圧力調整手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、容器内の副生成ガスの濃度を計測する濃度計測部と、計測の結果に基づき制御を行う制御部とを備えるため、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。つまり、副生成ガスの濃度を測定することにより、直接的に容器の圧力調整手段を制御することができる。
【０１１０】
濃度計測部の設置場所としては、容器内の濃度を代表し得る位置に設置されていること、つまり、水素貯蔵材料を充填した容器の内部、もしくは水素貯蔵材料を充填した容器から燃料電池までの経路のいずれかにあればよいが、望ましくは、容器内部、あるいは容器から燃料電池までの経路中である場合には容器に近い場所にある方が好ましい。この場合には、副生成ガスが発生したら直ちに容器内の圧力調整をすることができる。
【０１１１】
ガス濃度は、％レベル〜ｐｐｍレベルのレンジで測定する必要があるため、電気伝導度測定、超音波による密度測定又はイオン化検出法等による分析装置を使用することが望ましい。
【０１１２】
水素供給量のみから判断する従来の方法では、副生成ガスが発生している圧力域での水素発生システムの運転を防止することができなかったが、本発明の第４実施形態により、副生成ガスが発生する圧力域でシステムを作動させることがなくなり、発生水素が含有する副生成ガスの濃度を従来の１０分の１程度まで低減することが可能となる。
【０１１３】
＜第５実施形態＞
次に、図１３及び図１４を参照して本発明の第５実施形態に係る水素発生システムについて説明する。燃料電池システム及び燃料電池自動車については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。図１３にＨＧＳの要部ブロック図を、図１４にＨＧＳの制御フローＰ５を示す。この第５実施形態の水素発生システムでは、圧力計２６による測定結果及び発生ガス濃度計２７によって検出した水素供給量及び不純ガス濃度によってタンク２１の加圧の判断を行う点が第１実施形態と相違する。他の構成は第１実施形態とほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。
【０１１４】
水素発生システムＨＧＳは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料が収容された温度可変なタンク（容器）２１と、タンク２１内の圧力を調整する調圧弁（圧力調整手段）２３と、タンク２１内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて調圧弁２３を制御する制御手段とを備える。この制御手段は、水素発生制御装置ＨＧＣとタンク２１内の圧力を測定する圧力計２６（圧力計測部）とを備え、水素発生制御装置ＨＧＣは、タンク２１内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するメモリ（データ格納部）２９と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行うＣＰＵ（制御部）２８とを備える。第１のデータは、タンク２１内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含む。また、タンク２１から外部へ水素ガスを供給する燃料供給系（水素供給路）２を備え、制御手段は、燃料供給系２から外部へ供給される水素ガスの量を制御条件として制御を行う。以下、より詳細に説明する。
【０１１５】
図１１に示すように、水素発生制御装置ＨＧＣは、中央演算部（ＣＰＵ）２８と、このＣＰＵ２８の周辺機器としてのメモリ２９とを含み、ＣＰＵ２８は図１４に示す制御フローＰ５に関与する演算を行い、メモリ２９にはそれらの演算に必要なプログラム及びデータが格納される。その格納データには、図６に示すガス発生特性線図が含まれる。
【０１１６】
燃料電池制御装置ＦＣＣは、水素発生システムＨＧＳ及び車両の動作状態に応じた制御信号Ｃ１〜Ｃ３を出力して、水素ポンプＨＰ、減圧弁２ａ、及び流調弁２ｂを含む燃料供給系２を適宜制御する。
【０１１７】
第５実施形態においても、第１実施形態と同様に水素貯蔵材料３０としてＭｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いる。Ｍｇ−Ｌｉ−Ｎ−Ｈ系水素貯蔵材料を用いた場合、上記式（１）の反応により水素が発生する。
【０１１８】
ＨＧＣは、表５に示す制御マップに従い、調圧弁２３及び加熱・冷却装置２２へ制御信号を出す。
【表５】
2008162858.tif 000007
【０１１９】
図１４に第５実施形態に係る水素発生システムの制御フローＰ５を示す。制御フローＰ５は、まずステップＳ６０で表５に示す制御マップを読み出し、ステップＳ６１に進む。
【０１２０】
ステップＳ６１では、ヒータ・オン指令を加熱・冷却装置２２に出す。所定時間が過ぎると、次のステップＳ６２に進む。
【０１２１】
ステップＳ６２では、タンク２１内部の副生成ガスである不純ガスの濃度を発生ガス濃度計２７によって測定し、不純ガスが検出されるか否かを判断する。不純ガスが検出されない場合（ＮＯ）にはステップＳ６３に進む。不純ガスが検出された場合（ＹＥＳ）の場合には次のステップＳ６８に進む。
【０１２２】
ステップＳ６３では、水素の供給量が充分か否かを判断する。水素が充分な場合にはステップＳ６４に進む。水素が不足している場合にはステップＳ６６に進む。
【０１２３】
ステップＳ６４では、制御方式＜閉じる４＞を選択し、ステップＳ６５に進む。
ステップＳ６５では、バルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ６６では、制御方式＜保持３＞を選択し、ステップＳ６７に進む。
ステップＳ６７では、操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
【０１２４】
ステップＳ６８では、タンク２１内部の不純ガスの濃度を発生ガス濃度計２７によって測定し、不純ガス濃度Ｃｉ＜１％か否かを判断する。Ｃｉ＜１％の場合（ＹＥＳ）にはステップＳ６９に進む。Ｃｉ＜１％ではない場合（ＮＯ）、つまり１％≦Ｃｉのときは次のステップＳ７１に進む。
【０１２５】
ステップＳ６９では、制御方式＜保持２＞を選択し、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、バルブ開（小）指令を調圧弁２３に出力する。
ステップＳ７１では、制御方式＜開く１＞を選択し、ステップＳ７２に進む。
ステップＳ７２では、バルブ開（大）指令を調圧弁２３に出力する。
【０１２６】
つまり、第５実施形態では、圧力計２６の値、検出した水素供給量、及び発生ガス濃度計２７で検出した不純ガスの濃度に基づきバルブの開閉の判断を行い、不純ガスの発生を抑制する。ステップＳ６１では、タンク２１を加熱・冷却装置２２で加熱し、タンク２１内部に貯蔵した水素貯蔵材料３０から水素を発生させる。次に、ステップＳ６２において不純ガスが検出されず（ＮＯ）、かつ水素の供給量が充分な場合には、バルブを絞り、水素放出速度を低下させるため、ステップＳ６５においてバルブ閉指令を調圧弁２３に出力する。
【０１２７】
ステップＳ６２において不純ガスが検出されず（ＮＯ）、かつ水素の供給量が不足している場合には、水素が放出されて容器内の圧力は下がる方向にあるため、バルブの開度はそのまま保持するため、ステップＳ６７において操作無し指令を調圧弁２３に出力する。
【０１２８】
ステップＳ６２において、不純ガスが検出され、その濃度がＣｉ＜１％の場合には、不純ガスが微量発生する状態であるため、バルブを微小解放し、得られている水素流量をキープするため、ステップ７０においてバルブ開（小）指令を調圧弁２３に出力し、調圧弁２３を少し開く。
【０１２９】
ステップＳ６８において、１％≦Ｃｉの場合には、不純ガスが大量に発生しているため、容器内圧を低下させるため、ステップＳ７２においてバルブ開（大）指令を調圧弁２３に出力する。なお、ステップＳ６８における濃度の値は、装置の要求値により変動する。
【０１３０】
本発明の第５実施形態に係る水素発生システムは、温度に依存した量の副生成ガスを発生する水素貯蔵材料３０が収容された温度可変な容器と、容器内の圧力を調整する圧力調整手段と、容器内での副生成ガスの発生量を推定し、推定した発生量に基づいて圧力調整手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、容器内の圧力と副生成ガスの発生量との関係を示す第１のデータを格納するデータ格納部と、容器内の圧力を計測する圧力計測部と、第１のデータと計測の結果とに基づき制御を行う制御部とを備え、第１のデータは、容器内の圧力と水素ガスの発生量との関係を示す第２のデータを含むため、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。つまり、水素ガスの発生量及び副生成ガスの発生量と容器内の圧力との関係が分かっている場合には、圧力を測定することにより発生ガスに含まれる副生成ガス濃度を計算することができる。このため、容器内の圧力をパラメータとしてバルブの開閉の制御を決定することができ、発生ガス中に含まれる副生成ガスの濃度を低減することができる。また、水素供給量を測定することにより、より副生成ガス濃度の低い圧力域で安定した水素を供給することができる。さらに、制御手段は、容器内の副生成ガスの濃度を計測する濃度計測部と、計測の結果に基づき制御を行う制御部とを備えるため、副生成ガスの発生量を抑え、必要な量の水素が得られる水素発生システムを提供することができる。つまり、副生成ガスの濃度を測定することにより、直接的に容器の圧力調整手段を制御することができる。
【０１３１】
水素供給量のみから判断する従来の方法では、副生成ガスが発生している圧力域での水素発生システムの運転を防止することができなかったが、本発明の第５実施形態により、副生成ガスが発生する圧力域でシステムを作動させることがなくなり、発生水素が含有する副生成ガスの濃度を従来の１０分の１程度まで低減することが可能となる。
【０１３２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記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】
【０１３３】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳの模式的系統図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池自動車の側面図である。
【図３】第１実施形態に係る水素発生システムの要部ブロック図である。
【図４】第１実施形態に係るガス発生特性線図である。
【図５】第１実施形態に係る水素発生システムの制御フローである。
【図６】第２実施形態に係るガス発生特性線図である。
【図７】第２実施形態に係る水素発生システムの制御フローである。
【図８】第３実施形態に係る水素発生システムの要部ブロック図である。
【図９】第３実施形態に係る水素発生システムの制御フローである。
【図１０】第４実施形態に係る水素発生システムの要部ブロック図である。
【図１１】第４実施形態に係るガス発生特性線図である。
【図１２】第４実施形態に係る水素発生システムの制御フローである。
【図１３】第５実施形態に係る水素発生システムの要部ブロック図である。
【図１４】第５実施形態に係る水素発生システムの制御フローである。
【符号の説明】
【０１３４】
ＦＣＣ  燃料電池制御装置
ＦＣＳ  燃料電池システム
ＨＧＣ  水素発生制御装置
ＨＧＳ  水素発生システム
１  燃料電池スタック
２  燃料供給系（水素供給路）
２０  水素発生装置
２１  タンク
２２  加熱・冷却装置（温度調整手段）
２３  調圧弁（圧力調整手段）
２５  温度計（温度計測部）
２６  圧力計
２７  発生ガス濃度計（濃度計測部）
２８  ＣＰＵ
２９  メモリ
３０  水素貯蔵材料
５０  燃料電池自動車
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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