(57)【要約】【課題】燃料電池スタックから排出される未使用分の水素を再度燃料電池スタックへ循環するための消費エネルギを抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を第一水素貯蔵器１２に貯蔵する。第一水素貯蔵器１２の貯蔵量を圧力センサ１３及び温度センサ１４の検出値の基づいて検出し、貯蔵量が第一所定値に達したら、水素移送ポンプ１５で第一水素貯蔵器１２から第二水素貯蔵器１７へ移送する。第二水素貯蔵器１７に移送した水素は、シャットオフ弁１６を介して燃料電池スタック５へ供給する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を供給する空気供給手段と、
水素を供給する水素供給手段と、
供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、
該発電手段から排出される未使用分の水素を貯蔵する第一水素貯蔵手段と、
第一水素貯蔵手段から移送された水素を貯蔵する第二水素貯蔵手段と、
第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素を、第二水素貯蔵手段へ移送する水素移送手段と、
第二水素貯蔵手段から前記発電手段へ供給される水素の流量を制御する水素流量制御手段と、
第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出する第一水素貯蔵量検出手段と、
第二水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出する第二水素貯蔵量検出手段と、を有し、
前記水素移送手段は、第一水素貯蔵量検出手段の検出結果が第一所定値に達した場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の第二水素貯蔵手段への移送を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
空気を供給する空気供給手段と、
水素を供給する水素供給手段と、
供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、
該発電手段から排出される未使用分の水素を貯蔵する第一水素貯蔵手段と、
第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素を、前記発電手段へ移送する水素移送手段と、
第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出する第一水素貯蔵量検出手段と、を有し、
前記水素移送手段は、第一水素貯蔵量検出手段の検出結果が第一所定値に達した場合、前記発電手段における発電量がアイドル運転に相当する流量で、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の前記発電手段への移送を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
第一水素貯蔵量検出手段又は第二水素貯蔵量検出手段は、各々、第一水素貯蔵手段又は第二水素貯蔵手段における圧力を検出し、予め求めた圧力と水素貯蔵量との関係に基づいて、前記水素貯蔵量を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
第一水素貯蔵手段又は第二水素貯蔵手段は、水素貯蔵量に応じて変位する可動部材を有する構成であり、第一水素貯蔵量検出手段又は第二水素貯蔵量検出手段は、各々における前記可動部材の変位を検出し、予め求めた前記可動部材の変位と水素貯蔵量との関係に基づいて、前記水素貯蔵量を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
第一水素貯蔵量検出手段は、
前記発電手段における発電量を検出し、該発電量に基づいて前記発電手段で消費した水素量を検出する消費水素量検出手段と、
前記発電手段へ供給された水素量を検出する供給水素量検出手段と、
第一水素貯蔵手段から移送される水素量を検出する移送水素量検出手段と、
を有し、
前記消費水素量検出手段の検出結果と前記供給水素量検出手段の検出結果と前記移送水素量検出手段の検出結果とに基づき、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素移送手段は、前記発電手段における発電量を検出する発電量検出手段を有し、
該発電量検出手段の検出結果が大きいほど、第一所定値を小さく設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素移送手段は、第一水素貯蔵手段における水素温度を検出する水素温度検出手段を有し、
該水素温度検出手段の検出結果が高いほど、第一所定値を小さく設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素移送手段は、第一水素貯蔵手段における水素湿度を検出する水素湿度検出手段を有し、
該水素湿度検出手段の検出結果が高いほど、第一所定値を小さく設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水素移送手段は、第一水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第一水素貯蔵手段における最小水素貯蔵量以下となった場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水素移送手段は、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を開始後、所定時間経過すると、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水素移送手段は、第二水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第二水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量以上となった場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水素移送手段は、予め定めた一定の流量で第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記水素流量制御手段は、第二水素貯蔵手段と前記発電手段との間の流路を開閉する構成を有し、第二水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第二水素貯蔵手段の最小水素貯蔵量以上かつ前記発電手段で発電する場合、前記流路を開、その他の場合は前記流路を閉とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記水素流量制御手段は、前記流路が開の場合、前記発電手段の発電量に基づいて、前記流路の開度を変更することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記水素流量制御手段は、第二水素貯蔵手段と前記発電手段との間の流路において、第二水素貯蔵手段から前記発電手段への流れのみを許容する逆止弁、又は、前記流路の開度を設定する固定絞り、の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
第一水素貯蔵手段から移送された水素が前記発電手段に送られている場合において、前記発電手段における発電量が所定発電量以下の場合、前記水素供給手段から前記発電手段への水素の供給を中止することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
第一水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量は、前記発電手段から排出される未使用水素の最大流量と該最大流量の最長継続時間との積によって決まる量以上に設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
第一水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量は、前記水素移送ポンプ作動時間の間に前記発電手段から排出される未使用水素流量の平均値と、前記水素移送ポンプ作動時間との積によって決まる値以上に設定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気と水素とを基に発電する燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタックから排出される未使用分の水素を再度燃料電池スタックへ供給する水素循環機能を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックから排出される未使用分の水素を再度燃料電池スタックへ供給する従来の燃料電池システムとしては、例えば、特開平９−２１３３５３号公報（以下、第１従来技術）がある。
【０００３】
この第１従来技術では、燃料電池（本発明における燃料電池スタックに相当）の燃料極から排出される排出ガス（本発明における未使用分の水素に相当）をエゼクタポンプを用いて再循環させ、新たに供給される燃料（本発明における水素に相当）と混合して燃料電池の燃料極に供給して発電する技術が開示されている。
【０００４】
また、特開平７−２４０２２０号公報（以下、第２従来技術）では、燃料電池本体（本発明における燃料電池スタックに相当）から排出された残存水素（本発明における未使用分の水素に相当）を、循環ポンプを利用して燃料電池本体の水素供給ラインに戻す技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ここで第１従来技術に示されるようなエゼクタポンプを用いた燃料循環システムは、エゼクタポンプに新たに燃料を供給すると、供給される燃料の流量（以下供給流量）に応じた流量の排出ガスがエゼクタポンプに吸い上げられ、再循環し燃料電池に供給されるものであり、特に複雑な制御やエネルギを必要とせず、排出ガスの再循環が可能となる。
【０００６】
しかしながら、供給流量の変化幅によっては、エゼクタポンプ固有の特性により、再循環される排出ガス流量が低下するという問題点がある。すなわち、エゼクタポンプは、供給流量がある定格値となった時、再循環される排出ガス流量を確保するよう設計すると、供給流量が該定格値から離れるにつれて、再循環される排出ガス流量が低下する特性を持つ。
【０００７】
仮に、供給流量が最大流量の時を定格値としてエゼクタポンプを設計すると、一般的には供給流量が最大流量の１０％以下の低負荷運転時は十分な再循環される排出ガス流量が得られない。逆に、供給流量が最大流量の１０％以下で再循環される排出ガス流量を確保するよう設計すると、供給流量が最大流量付近の高負荷運転時では十分な再循環される排出ガス流量が得られない。
【０００８】
このようなエゼクタポンプの問題点を解決する一方策として、第２従来技術のように、外部から駆動される循環ポンプを用いる方法が考えられる。すなわち、循環ポンプの流量は例えば循環ポンプの回転数を制御することにより任意に調整が可能であり、エゼクタポンプのような供給流量、すなわち運転状況の影響を直接受けることは無い。
【０００９】
しかしながら、残存水素を安定して循環させるためには、循環ポンプの流量を、残存水素量の変化に合わせて調整する必要があり、循環ポンプの応答遅れや制御精度の劣化を考慮した複雑な制御系を組むことによる、信頼性の低下が生じる恐れがある。
【００１０】
また、燃料電池で発電中は常時循環ポンプを作動させる必要があり、循環ポンプの耐久性が低下するという問題点も生じる。
【００１１】
さらに、循環ポンプのようなポンプでは一般に、ある流量での効率が最大である場合、その他の流量での効率は該最大値以下となるため、循環ポンプの流量を調整すると、常に最大効率点での運転は不可能となり、消費するエネルギが増加する恐れもある。
【００１２】
すなわち、従来の技術では、燃料電池スタックから排出される未使用分の水素を再度燃料電池スタックへ供給する際、循環される未使用分の水素流量の低下、あるいは、信頼性・耐久性の低下、消費エネルギが増加するといった問題点があった。
【００１３】
本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、燃料電池スタックから排出される未使用分の水素を再度燃料電池スタックへ供給する際、運転状況に関わらず循環される未使用分の水素流量を確保するとともに、信頼性・耐久性が向上し消費エネルギの増加を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、空気を供給する空気供給手段と、水素を供給する水素供給手段と、供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、該発電手段から排出される未使用分の水素を貯蔵する第一水素貯蔵手段と、第一水素貯蔵手段から移送された水素を貯蔵する第二水素貯蔵手段と、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素を、第二水素貯蔵手段へ移送する水素移送手段と、第二水素貯蔵手段から前記発電手段へ供給される水素の流量を制御する水素流量制御手段と、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出する第一水素貯蔵量検出手段と、第二水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出する第二水素貯蔵量検出手段と、を有し、前記水素移送手段は、第一水素貯蔵量検出手段の検出結果が第一所定値に達した場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の第二水素貯蔵手段への移送を開始することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１５】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、空気を供給する空気供給手段と、水素を供給する水素供給手段と、供給された空気と水素とを基に発電する発電手段と、該発電手段から排出される未使用分の水素を貯蔵する第一水素貯蔵手段と、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素を、前記発電手段へ移送する水素移送手段と、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出する第一水素貯蔵量検出手段と、を有し、前記水素移送手段は、第一水素貯蔵量検出手段の検出結果が第一所定値に達した場合、前記発電手段における発電量がアイドル運転に相当する流量で、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の前記発電手段への移送を開始することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１６】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、第一水素貯蔵量検出手段又は第二水素貯蔵量検出手段は、各々、第一水素貯蔵手段又は第二水素貯蔵手段における圧力を検出し、予め求めた圧力と水素貯蔵量との関係に基づいて、前記水素貯蔵量を検出することを要旨とする。
【００１７】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、第一水素貯蔵手段又は第二水素貯蔵手段は、水素貯蔵量に応じて変位する可動部材を有する構成であり、第一水素貯蔵量検出手段又は第二水素貯蔵量検出手段は、各々における前記可動部材の変位を検出し、予め求めた前記可動部材の変位と水素貯蔵量との関係に基づいて、前記水素貯蔵量を検出することを要旨とする。
【００１８】
請求項５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、第一水素貯蔵量検出手段は、前記発電手段における発電量を検出し、該発電量に基づいて前記発電手段で消費した水素量を検出する消費水素量検出手段と、前記発電手段へ供給された水素量を検出する供給水素量検出手段と、第一水素貯蔵手段から移送される水素量を検出する移送水素量検出手段と、を有し、前記消費水素量検出手段の検出結果と前記供給水素量検出手段の検出結果と前記移送水素量検出手段の検出結果とに基づき、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を検出することを要旨とする。
【００１９】
請求項６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、前記発電手段における発電量を検出する発電量検出手段を有し、該発電量検出手段の検出結果が大きいほど、第一所定値を小さく設定することを要旨とする。
【００２０】
請求項７記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、第一水素貯蔵手段における水素温度を検出する水素温度検出手段を有し、該水素温度検出手段の検出結果が高いほど、第一所定値を小さく設定することを要旨とする。
【００２１】
請求項８記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、第一水素貯蔵手段における水素湿度を検出する水素湿度検出手段を有し、該水素湿度検出手段の検出結果が高いほど、第一所定値を小さく設定することを要旨とする。
【００２２】
請求項９記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、第一水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第一水素貯蔵手段における最小水素貯蔵量以下となった場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止することを要旨とする。
【００２３】
請求項１０記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を開始後、所定時間経過すると、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止することを要旨とする。
【００２４】
請求項１１記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、第二水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第二水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量以上となった場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止することを要旨とする。
【００２５】
請求項１２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素移送手段は、予め定めた一定の流量で第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を行うことを要旨とする。
【００２６】
請求項１３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素流量制御手段は、第二水素貯蔵手段と前記発電手段との間の流路を開閉する構成を有し、第二水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第二水素貯蔵手段の最小水素貯蔵量以上かつ前記発電手段で発電する場合、前記流路を開、その他の場合は前記流路を閉とすることを要旨とする。
【００２７】
請求項１４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１３記載の燃料電池システムにおいて、前記水素流量制御手段は、前記流路が開の場合、前記発電手段の発電量に基づいて、前記流路の開度を変更することを要旨とする。
【００２８】
請求項１５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素流量制御手段は、第二水素貯蔵手段と前記発電手段との間の流路において、第二水素貯蔵手段から前記発電手段への流れのみを許容する逆止弁、又は、前記流路の開度を設定する固定絞り、の少なくとも一つであることを要旨とする。
【００２９】
請求項１６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、第一水素貯蔵手段から移送された水素が前記発電手段に送られている場合において、前記発電手段における発電量が所定発電量以下の場合、前記水素供給手段から前記発電手段への水素の供給を中止することを要旨とする。
【００３０】
請求項１７記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、第一水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量は、前記発電手段から排出される未使用水素の最大流量と該最大流量の最長継続時間との積によって決まる量以上に設定することを要旨とする。
【００３１】
請求項１８記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、第一水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量は、前記水素移送ポンプ作動時間の間に前記発電手段から排出される未使用水素流量の平均値と、前記水素移送ポンプ作動時間との積によって決まる値以上に設定することを要旨とする。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明にあっては、発電手段の運転状況、すなわち水素供給手段から供給される水素の流量に関わらず、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００３３】
また、水素移送手段は常時作動させる必要が無くなり、かつ未使用分の水素量に逐次応じた制御も不要で単純な制御で良いため、水素移送手段の信頼性や耐久性が向上する。
【００３４】
さらに、未使用分の水素を再度発電手段へ供給する際、その流量を水素流量制御手段で制御することが可能なため、発電手段の運転状況に応じて未使用分の水素の発電手段への供給流量を調整することができ、発電手段の発電量の制御性が向上する。
【００３５】
請求項２記載の発明にあっては、発電手段の運転状況、すなわち水素供給手段から供給される水素の流量に関わらず、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。また、水素移送手段は常時作動させる必要が無くなり、かつ未使用分の水素量に逐次応じた制御も不要で単純な制御で良いため、水素移送手段の信頼性や耐久性が向上する。
【００３６】
また、発電手段における発電量はアイドル運転時が最小、すなわち、発電手段に供給されるべき水素の流量は、アイドル運転に相当する流量が最小となるため、未使用分の水素は、水素移送手段により発電手段で要する最小流量で供給されることとなる。従って、水素移送手段により発電手段に供給される水素が発電手段で過剰となることは無く、発電手段の運転状況に関わらず、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の発電手段への移送が可能となる。
【００３７】
さらに、水素移送手段により水素を移送する際の流量は、アイドル運転に相当する最小の流量で良いため、水素移送手段による消費エネルギを小さくできる。
【００３８】
請求項３記載の発明にあっては、簡単に検出可能な圧力を用いることにより、確実に第一又は第二水素貯蔵手段の水素貯蔵量を検出することが可能となる。
【００３９】
請求項４記載の発明にあっては、水素貯蔵量に応じて変位する部材の変位を検出することにより、精度良く水素貯蔵量を検出することが可能となる。
【００４０】
請求項５記載の発明にあっては、発電手段への供給水素量と消費水素量との差である未使用分の水素量と移送水素量との差を積算することにより、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量を確実に検出することが可能となる。
【００４１】
請求項６記載の発明にあっては、発電手段における発電量が大きいほど、第一所定値を小さく設定するようにしたので、発電手段における発電量が大きい、すなわち発電手段に供給される水素の流量が大きい場合、発電手段から排出される未使用分の水素量も大きくなり、第一水素貯蔵手段の水素貯蔵量の増加も早くなるため、より早めに第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を開始し、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し発電手段から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００４２】
請求項７記載の発明にあっては、第一水素貯蔵手段における水素温度が高いほど、第一所定値を小さく設定するようにしたため、水素温度が高く、水素の体積が大きくなり、第一水素貯蔵手段の水素貯蔵量の増加も早くなる場合、第一所定値を小さく設定することにより、水素移送手段は、より早めに第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を開始し、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し発電手段から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００４３】
さらに、水素が水蒸気を含む場合、水素温度が高いほど、水素に含まれる水蒸気分圧が高くなり、該水蒸気分、第一水素貯蔵手段における貯蔵量の増加も早くなるため、やはり、第一所定値を小さく設定することにより、同上の作用効果が得られる。
【００４４】
請求項８記載の発明にあっては、第一水素貯蔵手段における水素湿度が高いほど、第一所定値を小さく設定するようにしたので、水素が水蒸気を含む場合においても、水素移送手段は、より早めに第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を開始し、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し発電手段から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００４５】
請求項９記載の発明にあっては、水素移送手段は、第一水素貯蔵手段における最小水素貯蔵量以下となった場合、水素の移送を停止するようにしたので、適切なタイミングで水素移送手段の停止制御を行うことが可能となる。
【００４６】
請求項１０記載の発明にあっては、水素移送手段は、水素の移送を開始後、所定時間経過すると水素の移送を停止するようにしたので、水素移送手段の制御を簡単化することが可能となる。
【００４７】
請求項１１記載の発明にあっては、水素移送手段は、第二水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第二水素貯蔵手段の最大水素貯蔵量以上となった場合、第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を停止するようにしたため、第二水素貯蔵手段の水素貯蔵量が最大水素貯蔵量となり、これ以上水素を貯蔵することが不可能となった場合、水素移送手段が水素の移送を停止することとなり、適切なタイミングで水素移送手段の制御を行うことが可能となる。
【００４８】
請求項１２記載の発明にあっては、水素移送手段は、予め定めた一定の流量で第一水素貯蔵手段に貯蔵された水素の移送を行うようにしたので、水素移送手段の効率を該一定の流量で最大となるよう設定することにより、水素移送手段による消費エネルギを小さくできる。
【００４９】
請求項１３記載の発明にあっては、水素流量制御手段は、第二水素貯蔵手段と発電手段との間の流路を開閉する構成を有し、第二水素貯蔵量検出手段の検出結果が、第二水素貯蔵手段の最小水素貯蔵量以上かつ発電手段で発電する場合、該流路を開、その他の場合は該流路を閉とする構成としたため、第二水素貯蔵手段に水素が貯蔵され発電手段に供給可能な状態になっており、かつ、発電手段で発電し、すなわち水素を発電手段へ供給することが必要な場合にのみ、第二水素貯蔵手段から発電手段へ水素が供給され、発電手段から排出される未使用分の水素を、適切なタイミングで発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００５０】
請求項１４記載の発明にあっては、請求項１３において、水素流量制御手段は、流路が開の場合、流路の開度を可変とする構成をさらに有し、発電手段の発電量に基づいて、流路の開度を変更する、具体的には、発電手段の発電量が大きく、発電手段で要する水素の流量が大きいほど、該開度を大きくする構成としたため、第二水素貯蔵手段から発電手段へ供給される水素の流量を発電手段の発電量に応じて増やし、第二水素貯蔵手段に貯蔵された水素を速やかに消費することにより、次回の第一水素貯蔵手段から移送される水素を貯蔵することが可能となり、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００５１】
請求項１５記載の発明にあっては、水素流量制御手段は、第二水素貯蔵手段と発電手段との間に流路において、第二水素貯蔵手段から該発電手段への流れのみを許容する逆止弁、又は、該流路の開度を設定する固定絞り、の少なくとも一つである構成としたため、第二水素貯蔵手段に水素が貯蔵され、第二水素貯蔵手段の内圧が上昇し、発電手段の内圧より高くなると、第二水素貯蔵手段から発電手段へ水素が供給され、特別な制御を行うことなく、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００５２】
ここで、さらに逆止弁により、水素供給手段から供給される水素が第二水素貯蔵手段に入ることを防止し、第一水素貯蔵手段から移送される水素を確実に貯蔵することが可能となり、また、固定絞りにより、第二水素貯蔵手段から発電手段へ供給される水素の流量を設定し、発電手段における発電量の制御性を向上することが可能となる。
【００５３】
請求項１６記載の発明にあっては、第一水素貯蔵手段から移送された水素が発電手段に送られている場合において、発電手段における発電量が所定発電量以下、すなわち、発電手段における発電量が、発電手段から排出される未使用分の水素を発電手段へ再度供給する際の流量で賄える発電量以下の場合、水素供給手段から発電手段への水素の供給を中止する構成としたため、発電手段に過剰な水素が供給されることが無く、適切な流量が確実に供給され、発電手段における発電量の制御性を向上することが可能となる。また、発電手段から排出される未使用分の水素を速やかに消費することにより、次回の第一水素貯蔵手段又は第二水素貯蔵手段における水素を貯蔵することが可能となり、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００５４】
請求項１７および１８記載の発明にあっては、第一水素貯蔵手段における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し発電手段から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、発電手段から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
第１実施形態は、請求項１及び３乃至１３及び１６及び１７に記載の発明に対応する燃料電池システムであり、燃料電池車両等の負荷変動が大きい用途に好適な燃料電池システムである。
【００５６】
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの構成を説明する全体システム図である。図１において、１はフィルタ、２はコンプレッサ、３は空気流量センサ、４は圧力センサ、５は燃料電池スタック、６は圧力制御弁、７は水素タンク、８はプレッシャレギュレータ、９は水素流量制御弁、１０は水素流量センサ、１１は圧力センサ、１２は第一水素貯蔵器、１３は圧力センサ、１４は温度センサ、１５は水素移送ポンプ、１６はシャットオフ弁、１７は第二水素貯蔵器、１８は圧力センサ、１９は発電量センサ、２０はコントロールユニット、である。
【００５７】
フィルタ１は、コンプレッサ２が吸い込む空気中の不純物を取り除く。コンプレッサ２は、フィルタ１を通して空気を吸い込み、圧縮して吐出し、燃料電池スタック５へ空気を供給する。
【００５８】
空気流量センサ３は、コンプレッサ２から供給される空気流量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、空気流量センサ３の検出値に基づいて、コンプレッサ２の回転数を制御し、燃料電池スタック５へ供給される空気流量を制御する。
【００５９】
圧力センサ４は、燃料電池スタック５に入る直前の空気の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、圧力センサ４の検出値に基づき、圧力制御弁６へ指令を送る。圧力制御弁６は、コントロールユニット２０からの指令に従い、燃料電池スタック５の空気流路の圧力を制御する。
【００６０】
燃料電池スタック５は、供給される空気と、水素流量制御弁９を通り供給される水素とを用いて発電する。
【００６１】
水素タンク７は、水素を貯蔵する。プレッシャレギュレータ８は、水素タンク７から供給される水素の圧力を一定の圧力に制御して出力する。水素流量制御弁９は、コントロールユニット２０の指令により制御され、燃料電池スタック５へ供給する水素の流量や圧力を制御する。水素流量センサ１０は、水素流量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。
【００６２】
圧力センサ１１は、燃料電池スタック５に入る直前の水素の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。また、コントロールユニット２０は、水素流量センサ１０及び圧力センサ１１の検出値に基づき、水素流量制御弁９を制御し、燃料電池スタック５へ供給される水素流量及び燃料電池スタック５の水素流路の圧力を制御する。
【００６３】
第一水素貯蔵器１２は、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を貯蔵する。
圧力センサ１３は、第一水素貯蔵器１２の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。
温度センサ１４は、第一水素貯蔵器１２の温度を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。
水素移送ポンプ１５は、コントロールユニット２０の指令により駆動／停止制御され、第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素を第二水素貯蔵器１７へ移送する。
【００６４】
シャットオフ弁１６は、コントロールユニット２０の指令により開閉制御され、第二水素貯蔵器１７と燃料電池スタック５との間の流路の開閉を行う。
第二水素貯蔵器１７は、水素移送ポンプ１５により第一水素貯蔵器から移送された水素を貯蔵する。
圧力センサ１８は、第二水素貯蔵器１７の圧力を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。
【００６５】
発電量センサ１９は、燃料電池スタック５における発電量を検出し、検出値をコントロールユニット２０に入力する。
コントロールユニット２０は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従い、各構成品へ指令を送り、本システムの制御を行う。
【００６６】
以上説明した構成において、フィルタ１とコンプレッサ２と空気流量センサ３とが空気供給手段に相当し、水素タンク７とプレッシャレギュレータ８と水素流量制御弁９と水素流量センサ１０と圧力センサ１１とが水素供給手段に相当し、燃料電池スタック５が発電手段に相当し、第一水素貯蔵器１２が第一水素貯蔵手段に相当し、第二水素貯蔵器１７が第二水素貯蔵手段に相当し、水素移送ポンプ１５が水素移送手段に相当し、シャットオフ弁１６が水素流量制御手段に相当する。
【００６７】
ここで、圧力センサ１３が検出する第一水素貯蔵器１２の圧力と第一水素貯蔵器１２の容積とが一定の関係を有するものであれば、圧力センサ１３が検出した圧力及び温度センサ１４が検出した温度に基づいて、周知の気体状態式により第一水素貯蔵器１２内部に貯蔵された水素量を算出することができる。この場合、圧力センサ１３及び温度センサ１４は、第一水素貯蔵手段である第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量を検出する第一水素貯蔵量検出手段となる。
【００６８】
また、第二水素貯蔵手段である第二水素貯蔵器１７として、第一水素貯蔵器１２と同様の構成を用いれば、第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量を検出する第二水素貯蔵量検出手段は、圧力センサ１８である。この場合、第二水素貯蔵器１７の温度を検出する専用の温度センサを追加してもよいし、多少の誤差を許容して第一水素貯蔵器１２の温度センサ１４の検出値を流用してもよい。
【００６９】
次に本発明の特徴である、燃料電池スタック５から排出される未使用水素を再度燃料電池スタック５へ供給する際の作用を説明する。
【００７０】
図２〜５は、第１実施形態の作用を示すフローチャートである。図２は水素移送ポンプ１５の作動開始制御、図３は水素移送ポンプ１５の作動停止制御、図４はシャットオフ弁１６の制御、図５は水素流量制御弁９の制御をそれぞれ示す。図２〜５のフローチャートは、コントロールユニット２０において、予め定められた一定の制御周期ごとに繰り返し実行される。制御周期は実験的に定められるが、例えば１〜１００ｍｓ程度の値である。
【００７１】
まず、水素移送ポンプ１５の作動開始制御について、図２のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ２１では、水素移送ポンプ１５が作動停止中か否かを判定し、作動停止中の場合、ステップＳ２２へ進み、作動停止中でない場合、本処理を終了する。
【００７２】
ステップＳ２２では、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量を検出する。　　　ステップＳ２３では、ステップＳ２２で検出した第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量が第一所定値以上か否か判断し、第一所定値以上の場合、ステップＳ２４へ進み、第一所定値未満の場合、ステップＳ２５へ進む。
この第一所定値は、第一水素貯蔵器の最大水素貯蔵量の例えば９０％というように、設計値として任意に決められる値である。
【００７３】
ステップＳ２４では、水素移送ポンプ１５を作動開始する。
ステップＳ２５では、水素移送ポンプ１５は作動停止のままとなる。以上のフローチャートにおいて、ステップＳ２２を除く各ステップが請求項１の水素移送手段に相当し、ステップＳ２２が第一水素貯蔵量検出手段に相当する。
【００７４】
図２のフローチャートにより、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を一旦第一水素貯蔵器１２に貯蔵し、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量が第一所定値まで達した場合に、水素移送ポンプ１５を作動開始することにより、燃料電池スタック５の運転状況、すなわち水素流量制御弁９から供給される水素の流量に関わらず、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に第二水素貯蔵器１７及びシャットオフ弁１６を介して燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。
【００７５】
また、水素移送ポンプ１５は常時作動させる必要が無くなり、かつ未使用分の水素量に逐次応じた制御も不要で単純な制御で良いため、水素移送ポンプ１５の信頼性や耐久性が向上する。
【００７６】
ここで、ステップＳ２２における水素貯蔵量の検出方法としては、例えば、図１の圧力センサ１３の検出値を基に、図６に示す第一水素貯蔵器における圧力と水素貯蔵量との関係に基づき、水素貯蔵量を検出する（請求項３の第一水素貯蔵量検出手段に相当）。
【００７７】
また、第一水素貯蔵器１２を、水素貯蔵量に応じて変位する部材を有する構成として、該部材の変位を検出し、予め求めた該部材の変位と水素貯蔵量との関係に基づき、水素貯蔵量を検出しても良く、この場合の第一水素貯蔵器１２の構成を図７に示す。
【００７８】
図７において、７１はハウジング、７２はピストン、７３はシール、７４は、ピストン７２を図中上方に付勢するコイルバネ、７５は水素入出ポート、７６は水素貯蔵部、７７はピストン７２の変位センサ、である。本構成において、燃料電池スタック５から排出される未使用水素は、水素入出ポート７５から、ハウジング７１とピストン７２とで囲まれた空間である水素貯蔵部７６に入り、ここで水素が貯蔵される。また、この際、ピストン７２の外周部とハウジング７１の内周部とを密閉するシール７３により、水素が第一水素貯蔵器の外部へ流出することを防止する。
【００７９】
水素貯蔵部７６に水素が貯蔵されると、その水素貯蔵量に応じてピストン７２が図７の下方向に押し下げられる。すなわち、ここではピストン７２が水素貯蔵量に応じて変位する部材となる。また、ピストン７２が下方に変位すると、同時にコイルバネ７４が押し縮められ、ピストン７２を図７の上方向に押す力を発生させ、水素貯蔵部７６における水素貯蔵量が減少した場合、ピストン７２を図７の上方向に移動させる。
【００８０】
ピストン７２の変位は、変位センサ７７により検出し、検出値をコントロールユニット２０へ入力する。変位センサ７７の検出値と水素貯蔵量の関係は、例えば図９に示すものとなるため、変位センサ７７の検出値に基づき、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量を検出することが可能となる（請求項４の第一水素貯蔵量検出手段に相当）。
【００８１】
さらに、ステップＳ２２における水素貯蔵量の検出方法としては、燃料電池スタック５における発電量を検出し、これに基づき燃料電池スタック５で消費した水素量Ｃ１を検出し、また、燃料電池スタック５へ供給された水素量Ｓ１を検出し、さらに、水素移送ポンプ１５により第一水素貯蔵器１２から第二水素貯蔵器１７へ移送される水素量Ｍ１を検出し、該水素量Ｃ１と水素量Ｓ１と水素量Ｍ１とに基づき、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量を検出すること可能である。
【００８２】
すなわち、まず、燃料電池スタック５における発電量と燃料電池スタック５で消費した水素量とは、例えば図１０の関係にあるため、図１の発電量センサ１９の検出値を基に、燃料電池スタック５で消費した水素量Ｃ１を検出する（請求項５の消費水素量検出手段に相当）。
【００８３】
次に、水素流量センサ１０に基づき燃料電池スタック５へ供給された水素量Ｓ１を検出する（請求項５の供給水素量検出手段に相当）。また、水素移送ポンプ作動時の移送流量を予め定めた一定の流量Ｑ０とすることにより、水素移送ポンプ１５の移送流量ＱＭは、水素ポンプ１５作動停止中はＱＭ＝０、水素移送ポンプ１５作動中はＱＭ＝Ｑ０となり、すなわち、水素移送ポンプ１５により第一水素貯蔵器１２から第二水素貯蔵器１７へ移送される水素量Ｍ１＝ＱＭとなる。
【００８４】
従って、燃料電池スタック５から排出され、第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素量は、燃料電池スタック５へ供給された水素量Ｓ１から燃料電池スタック５で消費した水素量Ｃ１を減じた値：Ｓ１−Ｃ１で得られる。一方、第一水素貯蔵器１２から出る水素量はＭ１そのものであるため、第一水素貯蔵器１２に残る水素貯蔵量はＳ１−Ｃ１−Ｍ１により得られる。この値を逐次積算することにより、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量を検出することが可能となる（請求項５の第一水素貯蔵量検出手段に相当）。
【００８５】
また、ステップＳ２３における第一所定値は、例えば、燃料電池スタック５における発電量を図１の発電量センサ１９（請求項６の発電量検出手段に相当）で検出し、該検出値を基に、図１１に示す発電量と第一所定値の関係に基づき設定する。
【００８６】
この場合、燃料電池スタック５における発電量が大きい、すなわち燃料電池スタック５に供給される水素の流量が大きい場合、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素量も大きくなり、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量の増加も早くなる。このため、第一所定値を小さく設定することにより、水素移送ポンプ１５は、より早めに第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を開始し、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し燃料電池スタック５から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる（請求項６の水素移送手段に相当）。
【００８７】
また、第一所定値は、第一水素貯蔵器１２における水素温度を図１に示す温度センサ１４（請求項７の水素温度検出手段に相当）で検出し、該検出値を基に、図１２に示す温度と第一所定値の関係に基づき設定しても良い。すなわち、水素温度が高く、水素の体積が大きくなり、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量の増加も早くなる場合、第一所定値を小さく設定することにより、水素移送ポンプ１５は、より早めに第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を開始し、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し燃料電池スタック５から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。
【００８８】
さらに、燃料電池スタック５から排出される水素が水蒸気を含む場合、水素温度が高いほど、水素に含まれる水蒸気分圧が高くなり、該水蒸気分、第一水素貯蔵器１２における貯蔵量の増加も早くなるため、やはり、第一所定値を小さく設定することにより、同上の作用効果が得られる（請求項７の水素移送手段に相当）。
【００８９】
また、図１に示す温度センサ１４の代わりに湿度センサ（請求項８の湿度検出手段に相当）を設け、第一所定値は、第一水素貯蔵器１２における水素湿度を検出し、該検出値を基に、図１３に示す湿度と第一所定値の関係に基づき設定しても良い。
【００９０】
前述の通り、水素が水蒸気を含む場合、水素湿度が高いほど、水素に含まれる水蒸気分圧が高くなり、該水蒸気分、第一水素貯蔵器１２における貯蔵量の増加も早くなるため、第一所定値を小さく設定することにより、水素移送ポンプ１５は、より早めに第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を開始し、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し燃料電池スタック５から排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることを防止し、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる（請求項８の水素移送手段に相当）。
【００９１】
なお、第一水素貯蔵器１２を、図８に示すように、水素貯蔵量に応じて変位する部材を有する構成とするとともに、該部材が第一所定値に相当する位置まで変位したか否かを検出する構成とすることにより、ステップＳ２３の条件が成立しているか否かを判断することも可能である。
【００９２】
図８において、８１はハウジング、８２はピストン、８３はシール、８４はコイルバネ、８５は水素入出ポート、８６は水素貯蔵部、８７はスイッチ、である。
【００９３】
本構成において、燃料電池スタック５から排出される未使用水素は、水素入出ポート８５から、ハウジング８１とピストン８２とで囲まれた空間である水素貯蔵部８６に入り、ここで水素が貯蔵される。また、この際、シール８３が水素が第一水素貯蔵器１２の外部へ流出することを防止する。水素貯蔵部８６に水素が貯蔵されると、その水素貯蔵量に応じてピストン８２が図８の下方向に押し下げられる。
【００９４】
すなわち、ここではピストン８２が水素貯蔵量に応じて変位する部材となる。また、ピストン８２が変位すると、同時にコイルバネ８４が押し縮められ、ピストン８２を図８の上方向に押す力を発生させ、水素貯蔵部８６における水素貯蔵量が減少した場合、ピストン８２を図８の上方向に移動させる。
【００９５】
ピストン８２が変位し、水素貯蔵量が第一所定値に相当する値となった時、ピストン８２に取付けられた突起部８８が、スイッチ８７と接触しスイッチ８７はＯＮとなる。また、水素貯蔵量が第一所定値に相当する値未満の時、ピストン８２に取付けられた突起部８８は、スイッチ８７と接触せず、スイッチ８７はＯＦＦとなる。スイッチ８７のＯＮ・ＯＦＦ信号は、コントロールユニット２０へ入力される。
【００９６】
従って、スイッチ８７のＯＮ・ＯＦＦ信号に基づき、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量が第一所定値以上か否か判断することが可能となる。以上の作用の場合、前述のように第一所定値を変えることは出来ないものの、高度なセンサ類を必要とせず、単純な機械的構成を取ることにより、信頼性を向上することが可能となる。
【００９７】
なお、第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸは次の（１）式で設定するものとする。
【００９８】
【数１】
Ｖ１ＭＡＸ＝Ｑ１ＭＡＸ×ΔＴ１ＭＡＸ×Ｃ　…（１）
ここで、
Ｑ１ＭＡＸ：燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の
流量の最大値
ΔＴ１ＭＡＸ：燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が最大値で流れる運転が連続して実施される際の、最長連続運転時間
Ｃ：マージン分を表す係数
すなわち、本願発明における燃料電池システムでは、その運転状況がある程度パターン化され、燃料電池スタック５の発電量が最大となる運転、つまり、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が最大となる運転が連続して実施される時間は前もって把握することができる。また、この場合、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量の増加が最も早くなる。
【００９９】
そこで、（１）式により、第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸを定めることにより、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が最大となる運転が連続して実施される最長時間の間に燃料電池スタック５から排出される水素の量（＝Ｑ１ＭＡＸ×ΔＴ１ＭＡＸ）を確実に余裕を持って第一水素貯蔵器１２に貯蔵可能となり、あらゆる運転状況において第一水素貯蔵器における水素貯蔵量が最大水素貯蔵量まで達し燃料電池スタックから排出された未使用分の水素が貯蔵不可能となることが防止できる（請求項１７）。
【０１００】
また、水素移送ポンプ１５の移送流量Ｑ０は、下記の（２）式により求める。
【０１０１】
【数２】
Ｑ０＝Ｖ１／ΔＴＭ＋Ｑ１　　　　　　…（２）
ここで、
Ｑ１：水素移送ポンプ１５作動中に、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量
Ｖ１：水素移送ポンプ１５が作動開始した時の第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量であり、第一所定値と同じ
ΔＴＭ：第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の、第二水素貯蔵器１７への移送に要する時間
また、ここでは、
【数３】
Ｖ１＝Ｖ１ＭＡＸ×０．９　　　　　　…（３）
と仮定する。
【０１０２】
（１），（２），（３）式より、移送流量Ｑ０は、（４）式となる。
【０１０３】
【数４】
Ｑ０＝（Ｑ１ＭＡＸ×ΔＴ１ＭＡＸ×Ｃ×０．９）／ΔＴＭ＋Ｑ１　…（４）
一般に市販の燃料電池車両において、燃料電池スタック５の発電量が最大となる運転は長く続くことが無く、従って、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が最大値で流れる運転が連続して実施される際の、最長連続運転時間ΔＴ１ＭＡＸは、例えば５ｓ程度とする。
【０１０４】
また、マージンＣは、例えば１．１とする。また、燃料電池スタック５の発電量が最大となる運転が続いた後は、しばらくの間、発電量は小さい運転が続き、従って、この時に燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量も、その最大値Ｑ１ＭＡＸより大幅に小さく、かつ、この時に水素移送ポンプ１５を作動させるとすると、水素移送ポンプ１５作動中に、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量Ｑ１は、例えば、ここでは、Ｑ１ＭＡＸ×０．１とする。また、第一水素貯蔵器１２に貯蔵される水素の、第二水素貯蔵器１７への移送に要する時間ΔＴＭは、例えば１０ｓとすると、（４）式は次の（５）式となる。
【０１０５】
【数５】
Ｑ０＝（Ｑ１ＭＡＸ×５×１．１×０．９）／１０＋Ｑ１ＭＡＸ×０．１≒　Ｑ１ＭＡＸ×０．６　　　　　　　　　　　　　　　　　…（５）
（５）式から、水素移送ポンプ１５の移送流量Ｑ０は、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量の最大値Ｑ１ＭＡＸの６割で良いこととなる。ここで従来例のように、水素移送ポンプのみで燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、燃料電池スタック５へ再度供給しようとすると、水素移送ポンプは燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量の最大値Ｑ１ＭＡＸの容量が必要となるが、本発明によると、水素移送ポンプ１５は、例えば従来例の容量の６割で済み、水素移送ポンプ自体も大幅に小型化することも可能である。
【０１０６】
さらに、従来例では、水素移送ポンプは燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量の変化、すなわち運転状況の変化に応じて、その移送流量を調整する必要があるため、常に、水素移送ポンプの最大効率点での運転は不可能であり、水素移送ポンプ作動時の消費エネルギが増加する恐れがある。これに対し、本発明では、水素移送ポンプ１５の移送流量はＱ０一定でよく、この流量での効率が最大となるよう設定することにより、水素移送ポンプ作動時の消費エネルギを小さくできる（請求項１２相当）。
【０１０７】
次に水素移送ポンプ１５の作動停止制御について図３のフローチャートを参照して説明する。
【０１０８】
ステップＳ３１では水素移送ポンプ１５が作動中か否かを判定し、作動中の場合、ステップＳ３２へ進み、作動中でない場合、本処理を終了する。
ステップＳ３２では、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量を検出する。
【０１０９】
ステップＳ３３では、ステップＳ３２で検出した第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量が最小水素貯蔵量以下か否か判断し、最小水素貯蔵量以下の場合、ステップＳ３４へ進み、最小水素貯蔵量を超える場合、ステップＳ３５へ進む。
ステップＳ３４では水素移送ポンプ１５を作動停止する。
【０１１０】
ステップＳ３５では、第二水素貯蔵器１７における水素貯蔵量を検出する。　　　ステップＳ３６では、ステップＳ３５で検出した第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量が最大水素貯蔵量以上か否か判断し、最大水素貯蔵量以上の場合、ステップＳ３４へ進み、最大水素貯蔵量未満の場合、ステップＳ３７へ進む。
【０１１１】
ステップＳ３７では水素移送ポンプ１５は作動のままとなる。以上のフローチャートにおいて、ステップＳ３１・Ｓ３３・Ｓ３４が請求項９の水素移送手段に相当し、ステップＳ３２が第一水素貯蔵量検出手段に相当し、ステップＳ３４・Ｓ３６・Ｓ３７が請求項１１の水素移送手段に相当し、ステップＳ３５が第二水素貯蔵量検出手段に相当する。
【０１１２】
なお、ステップＳ３２における第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量の検出方法は、前述の図２・ステップＳ２２と同様のため、説明は省略する。
【０１１３】
また、ステップＳ３５における第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量の検出方法は、図１の圧力センサ１８の検出値を基に図６に示す関係に基づき検出する方法（請求項３の第二水素貯蔵量検出手段に相当）や、図７に示すように、第二水素貯蔵器１７を水素貯蔵量に応じて変位する部材を有する構成として、水素貯蔵量を検出する方法（請求項４の第二水素貯蔵量検出手段に相当）であり、前述の第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量の検出方法と同様となるため、説明は省略する。
【０１１４】
図３のフローチャートにより、第一水素貯蔵器１２における水素をほぼ全量移送すると、水素移送ポンプ１５が作動停止し第一水素貯蔵器１２から第２水素貯蔵器１７への水素の移送が停止することとなり、適切なタイミングで水素移送ポンプ１５の制御を行うことが可能となる。
【０１１５】
加えて、第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量が最大水素貯蔵量となり、これ以上水素を貯蔵することが不可能となった場合、水素移送ポンプ１５が作動停止し第一水素貯蔵器１２から第二水素貯蔵器１７への水素の移送が停止することとなり、やはり適切なタイミングで水素移送ポンプ１５の制御を行うことが可能となる。
【０１１６】
また、図３のステップＳ３２〜Ｓ３４の代わりに、次に説明するように、水素移送ポンプ１５を作動開始し第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を開始し、第一所定値に基づき定めた所定時間経過後、水素移送ポンプ１５が作動停止し第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を停止するようにしても良い。すなわち、（２）式から、第一所定値Ｖ１で定まる水素貯蔵量を全量移送するために要する時間ΔＴＭは、
【数６】
ΔＴＭ＝Ｖ１／（Ｑ０−Ｑ１）　　　　…（６）
となり、（６）式で求められる時間ΔＴＭを上記所定時間とすることにより、第一水素貯蔵器１２における水素をほぼ全量移送すると、水素移送ポンプ１５が作動停止し第一水素貯蔵器１２から第二水素貯蔵器１７への水素の移送が停止することとなり、適切なタイミングで水素移送ポンプ１５の制御を行うことが可能となる（請求項１０の水素移送手段に相当）。
【０１１７】
また、第二水素貯蔵器１７の最大水素貯蔵量は、第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量と同等以上に設定する。これにより、第一水素貯蔵器１２から移送される水素を第二水素貯蔵器１７において確実に貯蔵することが可能となる。
【０１１８】
次にシャットオフ弁１６の制御について、図４のフローチャートを参照して説明する。
【０１１９】
ステップＳ４１では、第二水素貯蔵器１７における水素貯蔵量を検出する。　　　ステップＳ４２では、ステップＳ４１で検出した第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量が最小水素貯蔵量以上か否かを判断し、最小水素貯蔵量以上の場合、ステップＳ４３へ進み、最小水素貯蔵量未満の場合、ステップＳ４５へ進む。
【０１２０】
ステップＳ４３では、燃料電池スタック５で発電するか否かを判定し、発電する場合、ステップＳ４４へ進み、発電しない場合ステップＳ４５へ進む。
ステップＳ４４では、シャットオフ弁１６を開とする。
ステップＳ４５では、シャットオフ弁１６を閉とする。
【０１２１】
以上のフローチャートにおいて、ステップＳ４１は、第二水素貯蔵量検出手段に相当し、ステップＳ４２〜Ｓ４５が、請求項１３の水素流量制御手段に相当する。また、ステップＳ４１における第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量の検出方法は、前述の図３・ステップＳ３５と同様のため、説明は省略する。
【０１２２】
図４のフローチャートにより、第二水素貯蔵器１７に水素が貯蔵され燃料電池スタック５に供給可能な状態になっており、かつ、燃料電池スタック５で発電し、すなわち水素を燃料電池スタック５へ供給することが必要な場合にのみ、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素が供給され、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、適切なタイミングで燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。
【０１２３】
ここで、第１実施形態の変形例を説明する。変形例１として、図１におけるシャットオフ弁１６は、図１４に示すように、開度を可変とする可変弁２６としても良く、図１５に示すように、燃料電池スタック５の発電量が大きく、燃料電池スタック５で要する水素の流量が大きいほど、該開度を大きくする。これにより第二水素貯蔵器から燃料電池スタック５へ供給される水素の流量が燃料電池スタック５の発電量に応じて増え、第二水素貯蔵器１７に貯蔵された水素は速やかに消費され、このため、次回の第一水素貯蔵器１２から移送される水素を貯蔵することが可能となり、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に発電手段へ再度供給することが可能となる。
【０１２４】
さらに、変形例２として、図１におけるシャットオフ弁１６の代わりに、図１６に示す逆止弁３６、あるいは、変形例３として、図１７に示す固定絞り４６を用いても良い。
【０１２５】
これらの場合、第二水素貯蔵器１７に水素が貯蔵され、第二水素貯蔵器１７の内圧が上昇し、燃料電池スタック５の内圧より高くなると、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素が供給され、特別な制御を行うことなく、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。
【０１２６】
ここで、さらに逆止弁３６により、水素流量制御弁９から供給される水素が第二水素貯蔵器１７に入ることを防止し、第一水素貯蔵器１２から移送される水素を確実に貯蔵することが可能となり、また、固定絞り４６により、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ供給される水素の流量を設定し、燃料電池スタック５における発電量の制御性を向上することが可能となる。
【０１２７】
なお、図１６及び図１７では、逆止弁３６、固定絞り４６を各々個別に用いているが、両者を直列に接続し、同時に用いても良い。
【０１２８】
次に水素流量制御弁９の制御について図５のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ５１では、燃料電池スタック５で発電するか否かを判定し、発電する場合、ステップＳ５２へ進み、発電しない場合ステップＳ５４へ進む。
【０１２９】
ステップＳ５２では、シャットオフ弁１６が開いているか否か、すなわち、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素が供給されているか否かを判断し、シャットオフ弁１６が開の場合、ステップＳ５３へ進み、閉の場合、ステップＳ５５へ進む。
【０１３０】
ステップＳ５３では、目標とする発電量が所定発電量以下か否かを判断し、所定発電量以下の場合、ステップＳ５４へ進み、所定発電量を超える場合、ステップＳ５５へ進む。
ステップＳ５４では、水素流量制御弁９は閉、すなわち、水素流量制御弁９を介して燃料電池スタック５へ水素は供給しない。
ステップＳ５５では、水素流量制御弁９は開として、水素流量制御弁９を介して燃料電池スタック５へ水素を供給する。
【０１３１】
以上のフローチャートにおいて、ステップＳ５１〜Ｓ５５が、請求項１６に相当する。
【０１３２】
なお、ステップＳ５２では、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素が供給されているか否かをシャットオフ弁１６が開いているか否かにより判断したが、例えば、図１６や図１７のようにシャットオフ弁が無い構成の場合、例えば、第二水素貯蔵器１７の水素貯蔵量が最小水素貯蔵量以上か否かを判断し、最小水素貯蔵量以上の場合、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素が供給されると判断しても良い。
【０１３３】
また、ステップＳ５３における所定発電量は、燃料電池スタック５における発電量が、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を燃料電池スタック５へ再度供給する際の流量、ここでは第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ供給される水素の流量で賄える発電量に設定する。
【０１３４】
従って、本フローチャートによると、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素が供給されており、かつ、この時、燃料電池スタック５における目標とする発電量が、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を燃料電池スタック５へ再度供給する際の流量で賄える発電量以下の場合、水素流量制御弁９は閉として水素流量制御弁９を介して燃料電池スタック５へ水素は供給しないため、燃料電池スタック５に過剰な水素が供給されることが無く、適切な流量が確実に供給され、燃料電池スタック５における発電量の制御性を向上することが可能となる。
【０１３５】
また、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を速やかに消費することにより、次回の第一水素貯蔵器１２又は第二水素貯蔵器１７における水素を貯蔵することが可能となり、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。
【０１３６】
なお、燃料電池スタック５における目標とする発電量が、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を燃料電池スタック５へ再度供給する際の流量で賄える発電量を超える場合、第二水素貯蔵器１７から燃料電池スタック５へ水素を供給すると共に、水素流量制御弁９は開として、水素流量制御弁９を介して燃料電池スタック５へ水素を供給し、燃料電池スタック５で発電を行なう。
【０１３７】
以上述べた構成により、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を一旦、第一水素貯蔵器１２に貯蔵し、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量が第一所定値まで達したことを検出した場合、水素移送ポンプ１５が、第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の第二水素貯蔵器１７への移送を開始し、また、シャットオフ弁１６を介して第二水素貯蔵器１７に貯蔵された水素を燃料電池スタック５に供給する際の流量を制御することにより、燃料電池スタック５の運転状況、すなわち水素流量制御弁９を介して供給される水素の流量に関わらず、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に第二水素貯蔵器１７及びシャットオフ弁１６を介して燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。
【０１３８】
また、水素移送ポンプ１５は常時作動させる必要が無くなり、かつ未使用分の水素量に逐次応じた制御も不要で単純な制御で良いため、水素移送ポンプ１５の信頼性を耐久性が向上する。
【０１３９】
さらに、未使用分の水素を再度燃料電池スタックへ供給する際、その流量をシャットオフ弁１６で制御することが可能なため、燃料電池スタック５の運転状況に応じて未使用分の水素の燃料電池スタック５への供給流量を調整することができ、燃料電池スタック５の発電量の制御性が向上する。
【０１４０】
〔第２実施形態〕
第２実施形態は、請求項２，３，４，６，７，８，９，１０，１２，及び１６に記載の発明に対応する燃料電池システムであり、その構成は図１８に示すように、図１の構成からシャットオフ弁１６、第二水素貯蔵器１７、圧力センサ１８を省略した構成であり、図１と同一の番号を付してある構成要素の構成・作用は図１と同一となるため、説明を省略する。
【０１４１】
次に作用を説明する。
第２実施形態における作用のうち、水素移送ポンプ１５の作動開始制御については、水素移送ポンプ１５の移送流量が燃料電池スタック５における発電量がアイドル運転に相当する流量とすることを除いて、図２に示す、第１実施形態と同一の作用であり、また、請求項３，４の第一水素貯蔵量検出手段、請求項６，７，８，１２の水素移送手段に相当する構成・作用についても同様のため、説明を省略する。
【０１４２】
次に、第２実施形態における水素移送ポンプ１５の作動停止制御について、図１９のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１９１では水素移送ポンプ１５が作動中か否かを判定し、作動中の場合、ステップＳ１９２に進み、作動中でない場合、本処理を終了する。
【０１４３】
ステップＳ１９２では、第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量を検出する。ステップＳ１９３では、ステップＳ１９２で検出した第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量が最小水素貯蔵量以下か否か判断し、最小水素貯蔵量以下の場合、ステップＳ１９４へ進み、最小水素貯蔵量を超える場合、ステップＳ１９５へ進む。
【０１４４】
ステップＳ１９４では水素移送ポンプ１５を作動停止する。
ステップＳ１９５では水素移送ポンプ１５は作動のままとなる。
以上のフローチャートにおいて、ステップＳ１９１，Ｓ１９３，Ｓ１９４，Ｓ１９５が請求項９の水素移送手段に相当し、ステップＳ１９２が第一水素貯蔵量検出手段に相当する。なお、ステップＳ１９２における第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量の検出方法は、前述の第１実施形態と同様のため、説明は省略する。
【０１４５】
また、図１９のステップＳ１９２〜Ｓ１９４の代わりに、水素移送ポンプ１５を作動開始し第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を開始し、第一所定値に基づき定めた所定時間経過後、水素移送ポンプ１５が作動停止し第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送を停止するようにしても良く、その詳細については、第１実施形態と同様のため、説明を省略する（請求項１０の水素移送手段に相当）。
【０１４６】
以上の作用により、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を一旦第一水素貯蔵器１２に貯蔵し、第一水素貯蔵器１２の水素貯蔵量が第一所定値まで達した場合に、水素移送ポンプ１５を作動開始することにより、燃料電池スタック５の運転状況、すなわち水素流量制御弁９から供給される水素の流量に関わらず、燃料電池スタック５から排出される未使用分の水素を、確実に燃料電池スタック５へ再度供給することが可能となる。また、水素移送ポンプ１５は常時作動させる必要が無くなり、かつ未使用分の水素量に逐次応じた制御も不要で単純な制御で良いため、水素移送ポンプ１５の信頼性や耐久性が向上する。
【０１４７】
また、第一水素貯蔵器１２における水素をほぼ全量移送すると、水素移送ポンプ１５が作動停止し第一水素貯蔵器１２から燃料電池スタック５への水素の移送が停止することとなり、適切なタイミングで水素移送ポンプ１５の制御を行うことが可能となる。
【０１４８】
また、燃料電池スタック５における発電量はアイドル運転時が最小、すなわち、燃料電池スタック５に供給されるべき水素の流量は、アイドル運転に相当する流量が最小となるため、未使用分の水素は、水素移送ポンプ１５により燃料電池スタック５で要する最小流量で供給されることとなる。従って、水素移送ポンプ１５により燃料電池スタック５に供給される水素が燃料電池スタック５で過剰となることは無く、燃料電池スタック５の運転状況に関わらず、第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の燃料電池スタック５への移送が可能となる。
【０１４９】
さらに、水素移送ポンプ１５により水素を移送する際の流量は、アイドル運転に相当する最小の流量で良いため、水素移送ポンプ１５による消費エネルギを小さくできる。
【０１５０】
なお、本実施の形態の場合、水素移送ポンプ１５の移送流量Ｑ０’は、燃料電池スタック５における発電量がアイドル運転に相当する流量であり、第一水素貯蔵器１２に貯蔵された水素の移送に時間を要することから、水素移送ポンプ１５作動中に、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素分も余裕を持って貯蔵可能なように、第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸ’は次のように定める。
【０１５１】
【数７】
Ｖ１ＭＡＸ’＝Ｖ１’×Ｃ’　　　　　…（７）
Ｖ１’　　　＝Ｑ０’×ΔＴＭ’　　　…（８）
ここで、
Ｑ０’　：第２実施形態における水素移送ポンプ１５の移送流量
ΔＴＭ’：水素移送ポンプ１５作動時間
Ｖ１’　：水素移送ポンプ１５作動時間ΔＴＭ’の間に移送される水素の量
Ｃ’　　：マージン分を表す係数
また、ΔＴＭ’は、下記（９）式を満たす値とする。
【０１５２】
【数８】
2004031234.tif 000003
燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量Ｑ１’（ｔ）は、ある程度パターン化されたものとして時間の関数として事前に把握することができる。
【０１５３】
また、既に、第１実施形態でも述べたように、一般に、燃料電池スタック５の発電量が最大となる運転は長く続くことが無く、すなわち、燃料電池スタック５の発電時間に対し、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が最大値で流れる割合は小さく、一方発電量がアイドル運転程度で燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が極めて小さい値である割合は大きい。
【０１５４】
ここで、仮に（９）式に示される、ΔＴＭ’の時間幅において、燃料電池スタック５の発電量が最大、すなわち燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２に入る未使用水素の流量が最大値Ｑ１ＭＡＸとなる状態がΔＴ１ＭＡＸほど続き、これ以外の時間（ΔＴＭ’−ΔＴ１ＭＡＸ）は、アイドル運転状態で燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２に入る未使用水素の流量が最小値Ｑ１ＭＩＮであるとすると、Ｑ１’（ｔ）は次（１０）式で表されることとなる。
【０１５５】
【数９】
Ｑ１’（ｔ）＝Ｑ１ＭＡＸ　（０≦ｔ＜Ｔ１ＭＡＸ）　　　　　…（１０）
Ｑ１’（ｔ）＝Ｑ１ＭＩＮ　（ΔＴ１ＭＡＸ≦ｔ＜ΔＴＭ’）　…（１０）
なお、水素移送ポンプ１５の移送流量Ｑ０’＞Ｑ１ＭＩＮであるとする。
【０１５６】
すると、（９）式に示される燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量の平均値Ｑ１Ｍは、次（１１）式で表される。
【０１５７】
【数１０】
Ｑ１Ｍ＝（Ｑ１ＭＡＸ×ΔＴ１ＭＡＸ＋Ｑ１ＭＩＮ×（ΔＴＭ’−ΔＴ１ＭＡＸ））／ΔＴＭ’　　　…（１１）
ここで、燃料電池スタック５の発電時間に対し、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の流量が最大値で流れる割合は小さいことから、時間幅ΔＴＭ’を大きくとった場合、ΔＴ１ＭＡＸ／ΔＴＭ’は小さい値となり、時間幅ΔＴＭ’を大きくするほど、ΔＴ１ＭＡＸ／ΔＴＭ’は０に近づき、一方、（ΔＴＭ’−ΔＴ１ＭＡＸ））／ΔＴＭ’は、１に近づく。従って、該平均値Ｑ１Ｍは、時間幅ΔＴＭ’を大きくすることにより、小さい値となり、Ｑ１ＭＩＮに近づいていく。
【０１５８】
これより、ΔＴＭ’は、ある値以上において（９）式　Ｑ０’≧Ｑ１Ｍ　を満たすこととなり、該（９）式を満たすΔＴＭ’により、（８）式から、次の（１２）式が成立する。
【０１５９】
【数１１】
Ｖ１’＝Ｑ０’×ΔＴＭ’≧Ｑ１Ｍ×ΔＴＭ’　　　　　　　　…（１２）
Ｖ１’は、水素移送ポンプ１５作動時間ΔＴＭ’の間に移送される水素の量であり、一方、（１２）式の右辺Ｑ１Ｍ×ΔＴＭ’は、水素移送ポンプ１５作動時間ΔＴＭ’の間に、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の量である。従って、（１２）式は、水素移送ポンプ１５作動時間ΔＴＭ’の間に、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素の量は、水素移送ポンプ１５により確実に移送できることを表している。
【０１６０】
また、（７）式により、第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸ’を定めることにより、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素を確実に貯蔵することが可能となる。
【０１６１】
なお、（７），（８），（１１），（１２）式から、第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸ’は、次式（１３）を満たす。
【０１６２】
【数１２】
2004031234.tif 000004
ここで、本実施の形態における第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸ’を、（１）式で定義される第１実施形態における第一水素貯蔵器１２の最大水素貯蔵量Ｖ１ＭＡＸと比較した場合、仮に各々のマージン分Ｃ及びＣ’が等しいと仮定すると、（１３）式の右辺におけるＱ１ＭＡＸ×ΔＴ１ＭＡＸ×Ｃ’は、Ｖ１ＭＡＸに等しくなることから、Ｖ１ＭＡＸ’≧Ｖ１ＭＡＸが成立することとなる。
【０１６３】
また、水素移送ポンプ１５が作動開始する時の第一水素貯蔵器１２における水素貯蔵量、すなわち第一所定値については、水素移送ポンプ１５の作動時間ΔＴＭ’の間に移送される水素の量Ｖ１’と同等またはより小さく設定すると良い。これにより第一水素貯蔵器１２は少なくともマージンＣ’分を確実に余裕分とすることができ、燃料電池スタック５から第一水素貯蔵器１２へ入る未使用水素を確実に貯蔵することが可能となる。
【０１６４】
また、請求項１６に相当する水素流量制御弁９の制御については、第１実施形態の図５において、ステップＳ５２を水素移送ポンプ１５が作動しているか否か確認し、作動中であればＳ５３へ、非作動であればＳ５５へ進むよう入れ換えること、及びステップＳ５３における所定発電量を、燃料電池スタック５における発電量が、水素移送ポンプ１５の移送流量で賄える発電量に設定すること以外は、同一の作用効果であるため、説明を省略する。
【０１６５】
なお、以上説明した各実施形態において、燃料電池スタック５へ供給する水素は、水素タンク７に貯蔵されたものを用いたが、これに限らず、例えばメタノールやガソリン等の炭化水素系原燃料を改質器で改質して生成した水素を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の構成を示す全体システム図である。
【図２】第１実施形態のコントロールユニット内で行われる、水素移送ポンプ１５の作動開始制御を表すフローチャートである。
【図３】第１実施形態のコントロールユニット内で行われる、水素移送ポンプ１５の作動停止制御を表すフローチャートである。
【図４】第１実施形態のコントロールユニット内で行われる、シャットオフ弁１６の制御を表すフローチャートである。
【図５】第１実施形態のコントロールユニット内で行われる、水素流量制御弁９の制御を表すフローチャートである。
【図６】第１実施形態の第一水素貯蔵器又は第二水素貯蔵器における圧力と水素貯蔵量を表す図である。
【図７】第１実施形態の第一水素貯蔵器又は第二水素貯蔵器の構成を表す図である。
【図８】第１実施形態の第一水素貯蔵器又は第二水素貯蔵器の構成を表す図である。
【図９】第１実施形態の第一水素貯蔵器又は第二水素貯蔵器における変位と水素貯蔵量を表す図である。
【図１０】第１実施形態の燃料電池スタック５における発電量と消費水素量の関係を表す図である。
【図１１】第１実施形態の、第一所定値の設定方法を表す図である。
【図１２】第１実施形態の、第一所定値の設定方法を表す図である。
【図１３】第１実施形態の、第一所定値の設定方法を表す図である。
【図１４】第１実施形態の変形例１の構成を示す全体システム図である。
【図１５】第１実施形態の変形例１における燃料電池スタック５の発電量と、シャットオフ弁２６の開度の関係を表す図である。
【図１６】第１実施形態の変形例２の構成を示す全体システム図である。
【図１７】実施の形態１の変形例３の構成を示す全体システム図である。
【図１８】第２実施形態の構成を示す全体システム図である。
【図１９】第２実施形態のコントロールユニット内で行われる。水素移送ポンプ１５の作動停止制御を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１　フィルタ
２　コンプレッサ
３　空気流量センサ
４　圧力センサ
５　燃料電池スタック
６　圧力制御弁
７　水素タンク
８　プレッシャレギュレータ
９　水素流量制御弁
１０　水素流量センサ
１１　圧力センサ
１２　第一水素貯蔵器
１３　圧力センサ
１４　温度センサ
１５　水素移送ポンプ
１６　シャットオフ弁
１７　第二水素貯蔵器
１８　圧力センサ
１９　発電量センサ
２０　コントロールユニット
【図１】
2004031234.tif 000005
【図２】
2004031234.tif 000006
【図３】
2004031234.tif 000007
【図４】
2004031234.tif 000008
【図５】
2004031234.tif 000009
【図６】
2004031234.tif 000010
【図７】
2004031234.tif 000011
【図８】
2004031234.tif 000012
【図９】
2004031234.tif 000013
【図１０】
2004031234.tif 000014
【図１１】
2004031234.tif 000015
【図１２】
2004031234.tif 000016
【図１３】
2004031234.tif 000017
【図１４】
2004031234.tif 000018
【図１５】
2004031234.tif 000019
【図１６】
2004031234.tif 000020
【図１７】
2004031234.tif 000021
【図１８】
2004031234.tif 000022
【図１９】
2004031234.tif 000023