(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の化学反応を利用して発電した電力を負荷に供給可能な燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素を改質反応により生成させる改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池が供給する電力を充電する電気バッファと、
前記改質装置が供給する水素を収容する水素バッファとを備え、
前記燃料電池の発電量に相当する水素量を前記改質装置及び前記水素バッファから放出される水素量で賄い、前記負荷の必要電力を前記燃料電池の発電量及び前記電気バッファから放出される電力で賄い、
前記水素バッファは、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する複数のタンクからなり、前記タンクの温度を制御して前記水素吸蔵合金における水素の吸蔵、放出を制御する温調手段が設けられ、少なくとも１つの前記タンクが水素を放出可能な状態に、他の少なくとも１つの前記タンクが水素を吸蔵可能な状態になるように、制御装置で前記各タンクが温度制御され、
前記改質装置からの水素供給による前記燃料電池の発電量で前記必要電力が賄えない場合は、前記電気バッファに蓄積される電気エネルギを前記負荷に供給するのと同時に、前記改質装置で生成される水素に加えて前記水素バッファから前記燃料電池に水素を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記負荷の消費する必要電力の増加時に、前記水素バッファからの水素の放出よりも前記電気バッファからの電力の放出を優先的に行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記電気バッファに蓄積されている電気エネルギの残量に応じて、前記水素バッファから水素を放出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記水素バッファに収容されている水素の残量に応じて前記改質装置から水素を放出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
改質装置による改質反応で得られる水素と、酸素の化学反応を利用して燃料電池で発電した電力を負荷に供給し、前記負荷が消費する必要電力と、前記燃料電池が供給する電力の過不足分に相当する電力を電気バッファに充放電させ、前記燃料電池の必要水素量と、前記改質装置が供給する水素量との過不足分に相当する水素を水素吸蔵合金を収容した複数のタンクからなって温調手段が設けられる水素バッファに吸放出させる燃料電池発電システムの運転方法であって、
少なくとも１つの前記タンクが水素を放出可能な状態に、他の少なくとも１つの前記タンクが水素を吸蔵可能な状態になるように、前記各タンクを温度制御し、
前記必要電力が増加した時には、前記電気バッファから前記負荷に供給する電力を増大させるのと同時に、前記改質装置で生成される水素に加えて前記水素バッファから前記燃料電池に水素を供給することで前記燃料電池が発電する電力を増大させ、前記必要電力を賄うことを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
【請求項６】
前記水素バッファからの供給される水素量を増加させた後に、前記改質装置からの水素供給量を増加させ、前記燃料電池が発電する電力を増大させて前記必要電力を賄うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を利用して発電する燃料電池発電システム、及び、その運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、対環境性の観点から燃料電池で発電した電気を動力源とする自動車の開発が行われている。このような自動車に搭載される燃料電池発電システムは、小型、かつ、軽量で、エネルギの利用効率が高いことが好ましい。このような観点から見た場合の従来技術としては、特開２０００−６７８９８号公報があげられる。
【０００３】
特開２０００−６７８９８号公報に記載されている燃料電池システムは、燃料電池で消費されずに排出された水素又は改質器からの改質水素を水素貯蔵手段の水素吸蔵合金に吸蔵させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素貯蔵手段は、燃料電池における電気化学反応を経て電流を取り出すまでにタイムラグがあった。このような燃料電池システムは、要求出力の増加に追従して、供給電力を速やかに増加させることができないので、過渡期の応答性が充分ではなかった。
過渡期の応答性が充分でない燃料電池発電システムは、運転者がアクセルを操作してから、実際に自動車が加速又は減速するまでに要する時間が長く、運転者に多大な負担がかかる。また、過渡期の応答性を向上させるために、改質器等の処理量の増減を多くすると、燃料電池発電システムに負担をかけることになる。
従って、本発明は、燃料電池発電システムの発電効率を最適化して、水素及びエネルギの有効利用を図り、出力変化に対する応答性を高めるものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、水素と酸素の化学反応を利用して発電した電力を負荷に供給可能な燃料電池と、燃料電池に供給する水素を改質反応により生成させる改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池が供給する電力を充電する電気バッファと、改質装置が供給する水素を収容する水素バッファとを備え、燃料電池の発電量に相当する水素量を改質装置及び水素バッファから放出される水素量で賄い、負荷の必要電力を燃料電池の発電量及び電気バッファから放出される電力で賄い、水素バッファは、水素を吸蔵する水素吸蔵合金を収容する複数のタンクからなり、タンクの温度を制御して水素吸蔵合金における水素の吸蔵、放出を制御する温調手段が設けられ、少なくとも１つのタンクが水素を放出可能な状態に、他の少なくとも１つのタンクが水素を吸蔵可能な状態になるように、制御装置で各タンクが温度制御され、改質装置からの水素供給による燃料電池の発電量で必要電力が賄えない場合は、電気バッファに蓄積される電気エネルギを負荷に供給するのと同時に、改質装置で生成される水素に加えて水素バッファから燃料電池に水素を供給する燃料電池発電システムとした。
【０００６】
この燃料電池発電システムは、出力変化の過渡期等に改質器等よりなる改質装置から供給される水素だけでは必要電力を供給できない場合に、改質装置の水素供給量が増加するまでの間に、予め水素バッファに収容しておいた水素を燃料電池に供給し、及び／又は、予め電気バッファに蓄積させておいた電気エネルギを負荷に供給することで必要電力を賄うものである。一方、改質装置から供給される水素による発電量が多い場合には、余剰の電力を電気バッファに充填させたり、余剰の水素を水素バッファに収容させる。このようにして次回の出力変化に備えることで、エネルギを有効に利用するものである。
【０００７】
さらに、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、負荷の消費する必要電力の増加時に、水素バッファからの水素の放出よりも電気バッファからの電力の放出を優先的に行う構成にした。
この燃料電池発電システムは、必要電力の増加に対して最も応答性の高い電気バッファを優先的に活用することで、燃料電池電気自動車等の過渡応答性を向上させるものである。
【０００８】
そして、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、電気バッファに蓄積されている電気エネルギの残量に応じて、水素バッファから水素を放出する構成にした。
この燃料電池発電システムは、エネルギ密度の小さい電気バッファの残量に応じて、応答性は低いがエネルギ密度の高い水素バッファの水素供給量を増加させることで、電力を安定して供給させ、負荷の必要電力を賄うものである。
【０００９】
さらに、本発明の請求項４に係る発明は、本発明の請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、水素バッファに収容されている水素の残量に応じて改質装置から水素を放出する構成にした。
この燃料電池供給システムは、水素バッファによる燃料電池の発電量でも必要電力を賄いきれいない場合に、応答性は最も低いが安定性の高い改質装置の水素供給量を増加させることで必要電力を確実に供給し続けるものである。
【００１０】
また、本発明の請求項５に係る発明は、改質装置による改質反応で得られる水素と、酸素の化学反応を利用して燃料電池で発電した電力を負荷に供給し、負荷が消費する必要電力と、燃料電池が供給する電力の過不足分に相当する電力を電気バッファに充放電させ、燃料電池の必要水素量と、改質装置が供給する水素量との過不足分に相当する水素を水素吸蔵合金を収容した複数のタンクからなって温調手段が設けられる水素バッファに吸放出させる燃料電池発電システムの運転方法であって、少なくとも１つのタンクが水素を放出可能な状態に、他の少なくとも１つのタンクが水素を吸蔵可能な状態になるように、各タンクを温度制御し、必要電力が増加した時には、電気バッファから負荷に供給する電力を増大させるのと同時に、改質装置で生成される水素に加えて、水素バッファから燃料電池に水素を供給することで燃料電池が発電する電力を増大させ、必要電力を賄う燃料電池発電システムの運転方法とした。この燃料電池発電システムの運転方法によれば、必要電力が増加した際に、初期段階としては、最も応答性の高い電気バッファから負荷に電力を供給することで、過渡応答性を高める。次いで、エネルギ密度の高い水素バッファから供給される水素で発電量を増大させることで安定して電力供給を行うことが可能になる。
【００１１】
また、本発明の請求項６に係る発明は、請求項５に記載の燃料電池発電システムの運転方法において、水素バッファからの供給される水素量を増加させた後に、改質装置からの水素供給量を増加させ、燃料電池が発電する電力を増大させて必要電力を賄うこととした。
この燃料電池発電システムの運転方法によれば、電気バッファ及び水素バッファの利用によって必要電力増加の過渡期における電力供給の応答性を高めた後に、改質装置からの水素供給量を増加させることで安定した電力供給を可能にする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１の燃料電池発電システムの全体構成を示すブロック図に示すように、燃料電池発電システム１は、改質装置２で液体の原燃料を改質して得られる水素と、空気供給装置３から供給される空気に含まれる酸素を燃料電池４において電気化学反応させて、電気エネルギを取り出し、この電気エネルギをモータ等を含む電力供給ライン５に供給するものである。
【００１３】
燃料電池４は、パーフロロカーボンスルホン酸膜等からなる固体電解質膜をアノード極とカソード極で挟持したセルを多数配列させた構造（不図示）を有している。各セルのそれぞれのアノード極に供給された水素は、白金系触媒によりプロトン化（イオン化）し、固体電解質中を移動してカソード極側に到達し、酸素と反応して水を生成する。水素のプロトン化の際に発生する電子は、電流として取り出され、生成した水や未反応ガスは、オフガスとして排出される。
【００１４】
改質装置２は、水・メタノールの混合液からなる原燃料を貯蔵するタンク６を有し、原燃料を空気と混合しつつ蒸発させる燃料蒸発器７、蒸発した水・メタノール及び空気の混合気体を改質して水素を生成させる改質器８、改質時に発生する一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣＯ除去器９が、直列に配置されている。ＣＯ除去器９を通過した改質ガスに含まれる水素は、燃料電池４のアノード極に供給されるが、その一部を、燃料電池４よりも前段に位置する水素バッファＭＨＢ内の水素吸蔵合金に吸蔵させることも可能である。
本実施の形態において燃料蒸発器７は、燃料電池４のアノード極から排出されるアノードオフガスに含まれる未利用の水素を燃焼させる触媒燃焼器７ａを備え、触媒燃焼器７ａで発生させた熱を用いて原燃料を蒸発させている。さらに、改質装置２の触媒燃焼器７ａ、改質器８、ＣＯ除去器９のそれぞれには燃焼を促進させたり、反応を調整したりするための空気が導入可能な不図示の空気供給ラインを有している。
【００１５】
水素バッファＭＨＢは、常に水素を吸蔵・放出できるようにするために図示しない複数個のタンクからなり、その各々のタンクには水素吸蔵合金が収容されている。
また、水素バッファＭＨＢには各タンクの温度を制御するための温調手段１３が設けられており、各タンクの温度を上昇又は下降させることで、水素吸蔵合金における水素の吸蔵、放出を制御している。この温調手段１３としては、燃料電池４の冷却水、電気ヒータ、空冷手段、ラジエータの冷却水等を用いることができる。水素バッファＭＨＢが複数個のタンクを有することで、吸蔵可能な状態に温度調整されたタンクと、放出可能な状態に温度調整されたタンクを同時に容易することができるので、タンクの温度変化に伴うタイムラグを回避することができる。なお、各タンクは適宜吸蔵・放出状態が入れ替わるように温度制御され、少なくとも一つのタンクが放出可能な状態に、他の少なくとも一つのタンクが吸蔵可能な状態になるように制御装置１４で制御されている。
【００１６】
空気供給装置３は、大気から吸引した空気を所定圧力まで加圧する空気圧縮機１０、並びに、燃料電池４のカソード極から排出される水分を多く含むカソードオフガスを用いて加圧後の空気を加湿する加湿器１１が、配置されており、加湿器１１で加湿された空気は、燃料電池４のカソード極に供給される。
【００１７】
電力供給ライン５は、燃料電池４の電流取り出しポートに電気的に接続されたモータや、車内用エアコン、照明類、メータ等の補機類からなる負荷１２と、燃料電池４に対して負荷１２と並列に接続され、余剰電力を蓄電できる電気バッファＣＡＰＡとを有している。ここで、燃料電池４から取り出される電流値の制御や、電気バッファＣＡＰＡへの電力供給の切り換えは、図示しない制御回路で行われている。
【００１８】
本実施の形態において電気バッファＣＡＰＡは、電気二重層コンデンサであり、例えば１ｋＷｈの容量を有している。この電気バッファＣＡＰＡは、燃料電池４が発電した電力の一部や、自動車の制動時の回生エネルギを電気エネルギとして蓄えることができる。燃料電池発電システム１の起動時や、出力変化の過渡期において、この電気バッファＣＡＰＡから負荷１２に電力を供給することで、起動までの時間を短縮化する等して、燃料電池発電システム１の応答性を高めている。なお、電気バッファＣＡＰＡには、燃料電池４と電気二重層コンデンサの間の電力差を調整するための電気変換機を介設させることが望ましい。
【００１９】
本実施の形態の燃料電池発電システム１は、図２に示す制御装置１４により制御されている。制御装置１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭや所定の電気・電子回路を有しており、これらに所定のプログラムが展開されることで各種の処理が行われる。本実施の形態において制御装置１４は、後に説明する走行モードの選択結果、アクセルの開度、自動車の車速センサの値や、補機類の起動信号等を受けて、燃料蒸発器７で噴射する原燃料の量を制御する。制御装置１４における各処理は、後の処理フローにおいて詳細に説明する。
【００２０】
次に、本実施の形態における燃料電池発電システム１の運転処理について図３、図４、図５のフローチャートを用いて説明する。なお、図４及び図５は、図３の一部の処理を詳細に説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ１として、制御装置１４は、運転者が選択した走行モードのデータを取得し、ステップＳ２において、走行モードに合わせた発電量（ベース出力）を設定する。ここで、走行モードは、通常運転や、燃費を重視した運転（エコノミーモード）、燃費よりも加速性能等を重視した運転（スポーツモード）などに類別されている。また、ベース出力は、例えば、制御装置１４に予め用意されているマップを、各走行モードをアドレスとして検索することで得られる。
【００２１】
そして、ステップＳ３で、制御装置１４が、前ステップで設定したベース出力を発電するために必要な量の水素を改質装置２で生成させ、燃料電池４に供給させる。このステップＳ３をさらに詳細に説明すると以下のようになる。
まず、タンク６からベース出力分の水素量に相当する量の原燃料を供給し、燃料蒸発器７で蒸発させて気化燃料を形成させる。この気化燃料が改質器８で処理されて改質ガスとなり、改質ガス中の一酸化炭素をＣＯ除去器９で除去してから燃料電池４に供給される。なお、ステップＳ３の処理は、ＣＯ除去器９の後段の水素量、及び／又は、燃料電池４の発電量によりフィードバック制御を行うことが望ましい。
【００２２】
次に、制御装置１４は、運転者のアクセル操作によるアクセル開度を検知する（ステップＳ４）と共に、車速センサから車速の検知し（ステップＳ５）、制御装置１４に格納されているマップを検索して必要なモータ出力を決定する。さらに、決定したモータ出力に補機類やエアコンに消費される電力を加えて必要電力を得る（ステップＳ６）。
【００２３】
そして、ステップＳ７において、制御装置１４は、改質装置２が供給する水素量で必要電力を賄えると判断した場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ８に進み、改質装置２から供給される水素の電気化学反応だけで電力を供給する。一方、ベース出力に相当する水素供給量では、必要電力が賄えない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ９に進み、水素バッファＭＨＢ及び／又は電気バッファＣＡＰＡによりベース出力をアシストする。
【００２４】
ここで、ステップＳ８の改質装置２のみによる電力供給について、図４のフローチャートに従って説明する。
まず、制御装置１４は、ステップＳ２１において水素バッファＭＨＢ内に収容されている水素量（残量）を検知し、ステップＳ２２において電気バッファＣＡＰＡ内に蓄積されている電気エネルギ量（残量）を検知する。
さらに、制御装置１４は、燃料電池４の発電量から負荷１２で消費される必要電力を差し引いた残りの電力（余剰電力）量を演算する（ステップＳ２３）。この余剰電力には、回生制動により得られる回生エネルギを電力換算したものも適宜加算される。
【００２５】
余剰電力を求めたら、ステップＳ２４からステップＳ２６において、図６（ａ）に示すように、改質装置２で生成させた水素の一部を水素バッファＭＨＢに収容させ、燃料電池４で発生させた電力の一部を電気バッファＣＡＰＡに蓄積させる。
まず、制御装置１４は、それぞれの残量に基づいて、水素バッファＭＨＢに収容できる水素の許容量、及び、電気バッファＣＡＰＡに蓄積できる電気エネルギの許容量を演算する（ステップＳ２４）。そして、この演算結果に基づいて、燃料電池４のアノード極に設けられた流量制御弁（不図示）を絞って水素供給量を減少させる等して、燃料電池４の発電量を調整する（ステップＳ２５）。
【００２６】
さらに、制御装置１４は、電力供給ライン５の図示しない回路を閉じて、燃料電池４と電気バッファＣＡＰＡを接続させる。すると、燃料電池４から取り出される電力のうち、負荷１２に消費される電力を除いた残りの電力が電気バッファＣＡＰＡに蓄積される。
一方、改質装置２から燃料電池４に供給される水素は、燃料電池４の発電量が調整されたことにより余る。この余った水素は、温調手段１３で水素バッファＭＨＢの冷却されたタンクの水素吸蔵合金に吸蔵させることで、水素バッファＭＨＢに収容される（ステップＳ２６）。
【００２７】
このとき、制御装置１４は、水素バッファＭＨＢ、電気バッファＣＡＰＡの各々の過充填によるオーバフローを防止するために、ステップＳ２７で各バッファＭＨＢ、ＣＡＰＡの残容量をチェックし、残容量が９５％に達した場合（Ｙｅｓ）のみ、原燃料の供給量を減らして改質装置２の出力を低下させ（ステップＳ２８）、図３のステップＳ１０に戻る。
【００２８】
次に、図３のステップＳ７において、必要電力を改質装置２からの水素供給による燃料電池４の発電量で賄えない場合（Ｎｏ）、つまり、図６（ｂ）に示すように改質装置２で生成させた水素に加えて水素バッファＭＨＢからアシスト水素を供給して燃料電池４における発電量を増加させたり、燃料電池４で発電した電力に電気バッファＣＡＰＡからのアシスト電力を加えて必要電力を賄う場合の処理について、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
図５に示すように、制御装置１４は、水素バッファＭＨＢに吸蔵された水素の残量の検知（ステップＳ３１）、及び、電気バッファＣＡＰＡに蓄電されている電気エネルギの残量の検知（ステップＳ３２）を行う。
【００３０】
さらに、ステップＳ３３で、制御装置１４は、現在の改質装置２による発電量と、必要電力との差である不足電力を演算し、ステップＳ３４で不足電力を電気バッファＣＡＰＡ及び／又は水素バッファＭＨＢの働きで賄えるか否かを判定する。この判定は、電気バッファＣＡＰＡ及び／又は水素バッファＭＨＢのバッファ残量に、運転モードごとに予め設定されている係数αを積算した値と、不足電力の大小を比較することにより行われる。
この係数αは、走行状態に応じて残量の余裕分を設定するための係数であり、例えば急加速が連続した場合に電気バッファＣＡＰＡの電気エネルギ及び水素バッファＭＨＢの吸蔵水素を使い果たすことを防止するためである。なお、係数αの値は、スポーツモード、通常モード、エコノミモードの順番に小さい値になる。
【００３１】
ステップＳ３４で、不足電力がα倍のバッファ残量よりも大きい場合（Ｙｅｓ）、つまり、バッファ残量だけでは不足電力を賄いきれないと判断した場合は、ステップＳ３５に進み、改質装置２の出力を増加させるために、原燃料の供給量を増加させてからステップＳ３６に進む。なお、水素バッファＭＨＢ、電気バッファＣＡＰＡによるアシストに先駆けて制御装置１４が改質装置２の出力増加命令を出すのは、改質装置２の応答性が低いために、水素供給量が増えて、実際に燃料電池４の発電量が増加するまでにタイムラグがあるからである。
一方、不足電力量がα倍のバッファ残量未満である場合（Ｎｏ）は、改質装置２の出力を変動させる必要はないので、直接、ステップＳ３６に進む。
【００３２】
ステップＳ３６では、制御装置１４は、電気バッファＣＡＰＡが放電する電気エネルギ量（アシスト量）と、水素バッファＭＨＢから放出する水素により増加させる燃料電池４の発電量（アシスト量）をそれぞれ演算する。このときの電気バッファＣＡＰＡのアシスト量と水素バッファＭＨＢのアシスト量の和は、不足電力に相当する。
【００３３】
そして、ステップＳ３７において、制御装置１４は、水素バッファＭＨＢからアシスト量に相当する水素を放出させる。
一方、ステップＳ３８において、電気バッファＣＡＰＡに蓄積されている電気エネルギがアシスト電力として、負荷１２に供給される。
【００３４】
なお、ステップＳ３７の水素バッファＭＨＢによるアシストと、ステップＳ３８の電気バッファＣＡＰＡによるアシストの順番はどちらが先でも良く、通常は同時に行われる。しかし、水素バッファＭＨＢによるアシストは、水素バッファＭＨＢから水素を放出し、燃料電池４による電気化学反応を経て、初めて行われるために、電気バッファＣＡＰＡによるアシストよりも時間遅れがある。
【００３５】
例えば、図７（ａ）に示すように、必要電力がステップ関数で表されるように増加した場合に、改質装置２による出力が、必要電力に追従するまでの間に、まず応答性の高い電気バッファＣＡＰＡによるアシストが優先的に行われる。この電気バッファＣＡＰＡによるアシストで、燃料電池発電システム１は、必要電力を速やかに供給することができるが、電気バッファＣＡＰＡはエネルギ密度が小さいため、短かい時間間隔Ｔ１しか、このアシスト量を維持することはできない。ここで、電気バッファＣＡＰＡと同時にアシストを開始した水素バッファＭＨＢから徐々に放出されてきた水素が燃料電池４で発電量の増加に少しずつ寄与し始め、時間領域Ｔ２においては、不足電力は水素バッファＭＨＢによるアシストに替わる。この間に、ステップＳ３５で供給量の増加命令を受け取った改質装置２から供給される水素量が徐々に増え始め、燃料電池４の発電量が増加し始める。そして、最終的には、改質装置２による発電のみとなる（不図示）。
【００３６】
そして、ステップＳ３７、Ｓ３８におけるアシストにより電気バッファＣＡＰＡ内に蓄積されている電気エネルギの残量や、水素バッファＭＨＢ内に充填されている水素量が、各容量の３０％未満になったら（ステップＳ３９でＹｅｓ）、さらに改質装置２の出力を増加させてから（ステップＳ４０）、図３のステップＳ１０に戻る。一方、ステップＳ３９でアシスト後においても、残量が各容量の３０％より多ければ（Ｎｏ）、直接、ステップＳ１０に進む。
【００３７】
次に、図４及び図５に続く処理として、図３のステップＳ１０からステップＳ１２において、図８に示すように、燃料電池４から排出され、燃料蒸発器７において原燃料を蒸発させるための燃料として利用されるアノードオフガスに含まれる未利用の水素の一部を水素バッファＭＨＢに回収する。
すなわち、ステップＳ１０で、燃料蒸発器７において原燃料を蒸発させる熱媒を形成するために必要なアノードオフガス（水素）の量を演算する。
そして、ステップＳ１１で、アノードオフガスに含まれる水素量から、熱媒の形成に必要な水素量を減じた未利用水素量を演算する。ここで、原燃料を多く蒸発させる場合は、その分だけ熱量が多く必要であるため、触媒燃焼器７ａでアノードオフガス中の水素を多く触媒燃焼させる必要がある。従って、未利用水素量は少なくなる。反対に、原燃料の蒸発量が少なくて済む場合は、熱量も少なくて済むので、触媒燃焼させる水素が少なくなり、水素バッファＭＨＢに回収する未利用水素量は多くなる。
【００３８】
未利用水素量を演算したら、制御装置１４は、図１に示すバルブＶ１を所定開度で開かせて、未利用水素量に相当するアノードオフガスを水素バッファＭＨＢに流入させる。バルブＶ１と水素バッファＭＨＢとの間には図示しない凝縮装置が設けられているので、水分が除去されたアノードオフガスが水素バッファＭＨＢに流入し、アノードオフガスに含まれる水素が水素吸蔵合金に吸蔵される（ステップＳ１２）。なお、水分を除去するのは、水素吸蔵合金の被毒を防止するためである。
ここで、アノードオフガスの未利用水素を水素バッファＭＨＢに充填すると共に、ステップＳ１３に進み、車速その他の検知結果から制御装置１４が、自動車の運転が終了したと判定した場合（Ｙｅｓ）はすべての処理を終了し、引き続き運転を続けると判定した場合（Ｎｏ）は、ステップＳ４に戻り、前記の処理を繰り返す。
【００３９】
なお、改質装置２の出力をアシストすることで水素バッファＭＨＢ、電気バッファＣＡＰＡの残量が減少した場合には、改質装置２の出力が必要電力よりも大きいときに、ステップＳ８（つまり、ステップＳ２１からステップＳ２８）で、水素バッファＭＨＢに水素を、電気バッファＣＡＰＡに電気エネルギをそれぞれ充填して、次の必要電力の増加に備える。
例えば、図７（ｂ）に示すように、改質装置２による出力が、必要電力量まで低下する間に発生する余剰電力の一部を電気バッファＣＡＰＡに蓄積（充填）させ、残りの余剰電力量に相当する余剰水素を水素バッファＭＨＢに収容（充填）させる。
【００４０】
さらに、必要電力の増加、減少が、図９に示すように不規則に、かつ、連続して行われる場合には、アシストと充填を適宜、繰り返す。すなわち、実線で示す必要出力よりも、破線で示す改質装置２の出力が小さい場合（Ｐ１の時間帯）は、電気バッファＣＡＰＡ、水素バッファＭＨＢによるアシストを利用する。逆に、改質装置２による出力が必要出力よりも大きくなった場合（Ｐ２の時間帯）は、余剰電力、余剰水素を電気バッファＣＡＰＡ、水素バッファＭＨＢに充填する。また、改質装置２と必要電力の差が小さい場合は、時間帯Ｐ３に示すように電気バッファＣＡＰＡのみのアシストや、時間帯Ｐ４に示すように電気バッファＣＡＰＡのみによる充電が適宜選択して行われる。
【００４１】
このような燃料電池発電システム１は、水素バッファＭＨＢと電気バッファＣＡＰＡによるアシストと充填を適宜、制御することで、必要電力の増加に対して高い応答性を示すことができる。しかも、水素バッファＭＨＢと電気バッファＣＡＰＡのアシスト量を制御することで、改質装置２の処理量の変動を最小限に止めることができる。一方で、改質装置２の処理量を変化させる場合であっても急速に変化させなくても必要電力を供給させることができるので、改質装置２にかかる負担を軽減できる。
また、余剰電力の有効活用により燃料電池４を小型化でき、水素バッファＭＨＢの活用によりエネルギ密度の低い電気バッファＣＡＰＡや、燃料蒸発器７を小型化することができる。従って、燃料電池発電システム１を小型化できる。そして、燃料電池４から排出されるアノードオフガスに含まれる未利用水素を水素バッファＭＨＢに吸蔵させることで、水素の利用効率を向上させることができる。
【００４２】
なお、本発明は前記の実施の形態に限定されずに広く応用、変形させることができる。
例えば、水素バッファＭＨＢは、水素吸蔵合金に限らず水素を吸蔵、放出できるものであれば良い。また、電気バッファＣＡＰＡは、電気二重層コンデンサに限らず、電気を充放電できるものであれば良い。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の請求項１又は請求項６に係る発明によれば、不足電力を水素バッファ、電気バッファで適宜補ったり、余剰電力や余剰水素を水素バッファ、電気バッファに充填させたりすることでエネルギを有効に利用できる。従って、システムを軽量化、小型化でき、自動車の燃費も向上させることができる。
また、請求項２又は請求項５に係る発明によれば、応答性の高い電気バッファを優先的に活用することで、必要電力の変化に対する応答性を高めることができる。従って、運転者に負担がかからない。
さらに、請求項３に係る発明によれば、エネルギ密度の小さい電気バッファによるアシストと、応答性は低いがエネルギ密度の高い水素バッファによるアシストを組み合わせることで、電力を安定して供給することが可能になる。
そして、請求項４又は６に係る発明によれば、過渡期の必要電力の増加を電気バッファ、水素バッファで補った後に、改質装置の水素供給量を増加させることで、安定した電力供給を持続させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である
【図２】制御装置を説明する説明図である。
【図３】燃料電池発電システムの運転処理を示すフローチャートである。
【図４】図３の一部をさらに詳細に説明するフローチャートである。
【図５】図３の一部をさらに詳細に説明するフローチャートである。
【図６】（ａ）水素バッファ、電気バッファに充填する場合の概念図、（ｂ）水素バッファ、電気バッファがアシストする場合の概念図である。
【図７】（ａ）水素バッファ、電気バッファによるアシストで必要電力を供給する場合を説明する説明図、（ｂ）必要電力の減少時に、水素バッファ、電気バッファに充填する場合を説明する説明図である。
【図８】燃料電池から排出されるアノードオフガスに含まれる未利用の水素の一部を水素バッファに回収する場合の概念図である。
【図９】必要電力が連続的に変化する場合の燃料電池発電システムの運転状況を説明する説明図である。
【符号の説明】
１      燃料電池発電システム
２      改質装置
３      空気供給装置
４      燃料電池
５      電力供給ライン
１２    負荷
１３    温調手段
１４    制御装置
ＭＨＢ  水素バッファ
ＣＡＰＡ  電気バッファ
【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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