(57)【要約】【課題】改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池の運転変動に対する応答性が良好な燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を得る。【解決手段】燃料電池システム１０は、供給された原料から水素含有ガスを生成するための改質装置１４と、改質装置１４で生成された水素含有ガスを消費して発電を行う燃料電池１２と、改質装置１４と燃料電池１２とを連通する改質ガス供給ライン３０に設けられ水素含有ガスの温度を燃料電池１２の作動温度に調整するための熱交換器３２と、改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２と燃料電池１２との間から分岐した水素貯蔵用分岐ライン５０と、水素貯蔵用分岐ライン５０に設けられ水素含有ガス中の水素を分離するための分離装置５２と、水素貯蔵用分岐ライン５０における分離装置５２の下流に設けられ水素を吸蔵するための水素吸蔵装置５４とを備える。【選択図】図１
2007165130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原料から水素含有ガスを生成するための改質装置と、
前記改質装置で生成された水素含有ガスを消費して発電を行う燃料電池と、  
前記改質装置と燃料電池とを連通する水素含有ガス供給路から分岐した分岐流路と、
前記分岐流路に設けられ、前記水素含有ガス中の水素を分離するための分離装置と、
前記分岐流路における前記分離装置の下流に設けられ、水素を吸蔵するための水素吸蔵装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素吸蔵装置と前記燃料電池の水素入口とを連通する水素補助流路をさらに備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分岐流路を開閉する第１弁と、
前記水素補助流路を開閉する第２弁と、
前記改質装置の水素生成量が前記燃料電池の水素消費量よりも大きい場合には、前記第１弁を開放して前記第２弁を閉止すると共に前記水素吸蔵装置を水素吸蔵状態となるように制御し、前記改質装置の水素生成量が前記燃料電池の水素消費量よりも小さい場合には、前記第２弁を開放して前記第１弁を閉止すると共に前記水素吸蔵装置を水素放出状態となるように制御する制御装置と、
をさらに備えた請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
供給された原料から水素含有ガスを生成するための改質装置と、
前記改質装置で生成された水素含有ガスを消費して発電を行う燃料電池と、
前記改質装置と燃料電池とを連通する水素含有ガス供給路から分岐した分岐流路と、
前記分岐流路に設けられ、前記水素含有ガス中の水素を分離するための分離装置と、
前記分岐流路における前記分離装置の下流に設けられ、水素を吸蔵するための水素吸蔵装置と、
前記水素吸蔵装置と前記燃料電池の水素入口と連通する水素補助流路と、
を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記改質装置の水素生成量と前記燃料電池の水素消費量との差が所定範囲以内である場合に、前記分岐流路及び水素補助流路を遮断し、
前記改質装置の水素生成量が前記所定範囲を超えて前記燃料電池の水素消費量を上回った場合に、前記改質装置で生成された前記水素含有ガスから前記水素分離装置によって水素を分離すると共に該水素を前記水素吸蔵装置に吸蔵させ、
前記改質装置の水素生成量が前記所定範囲を超えて前記燃料電池の水素消費量を下回った場合に、水素を吸蔵している前記水素吸蔵装置から前記燃料電池に水素を供給させる燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料を改質して得た水素含有ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
改質部において炭化水素系燃料から水素を含有する改質ガスを生成し、燃料電池において改質部からの改質ガスを消費して発電を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８９２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、例えば燃料電池の発電量低下時や停止時には改質ガスすなわち水素生成量が一時的に過剰になり、また例えば燃料電池の発電量増加時や始動時には水素生成量が一時的に不足することが懸念される。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池の運転変動に対する応答性が良好な燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、
供給された原料から水素含有ガスを生成するための改質装置と、前記改質装置で生成された水素含有ガスを消費して発電を行う燃料電池と、前記改質装置と燃料電池とを連通する水素含有ガス供給路から分岐した分岐流路と、前記分岐流路に設けられ、前記水素含有ガス中の水素を分離するための分離装置と、前記分岐流路における前記分離装置の下流に設けられ、水素を吸蔵するための水素吸蔵装置と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の燃料電池システムでは、改質装置で原料を改質して生成された水素含有ガスが供給された燃料電池は、この水素含有ガス中の主に水素を消費して発電を行う。
【０００７】
ここで、本燃料電池システムは、水素含有ガス供給路から分岐流路が分岐し、この分岐流路に分離装置、水素吸蔵装置が配設されているため、水素含有ガス中の水素を分離装置で選択的に分離し、この分離した水素を水素吸蔵装置に吸蔵することができる。これにより、例えば燃料電池の水素消費量が減少した場合などの所定の場合に、燃料電池の発電量に対して過剰に生成された水素を廃棄することなく水素吸蔵装置に貯蔵することが可能になり、燃料電池に過剰量の水素が供給されることを防止することが可能になる。
【０００８】
このように、請求項１記載の燃料電池システムでは、改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池の運転変動に対する応答性が良好である。なお、分離装置は、水素選択性が高い金属分離膜（例えばパラジウム等）を備えることが望ましく、水素吸蔵装置は、水素吸蔵合金を含むことが望ましい。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素吸蔵装置と前記燃料電池の水素入口とを連通する水素補助流路をさらに備えた。
【００１０】
請求項２記載の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金と燃料電池の水素入口（水素含有ガス供給路を含む）とを連通する水素補助流路を利用して、水素吸蔵装置に吸蔵した水素を燃料電池に供給することが可能になる。これにより、例えば燃料電池の水素消費量が増加した場合などの所定の場合に、改質装置からの水素含有ガスに加えて水素吸蔵装置から水素を補助的に燃料電池に供給することが可能になり、燃料電池への水素供給量の不足を補うことが可能になる。
【００１１】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記分岐流路を開閉する第１弁と、前記水素補助流路を開閉する第２弁と、前記改質装置の水素生成量が前記燃料電池の水素消費量よりも大きい場合には、前記第１弁を開放して前記第２弁を閉止すると共に前記水素吸蔵装置を水素吸蔵状態となるように制御し、前記改質装置の水素生成量が前記燃料電池の水素消費量よりも小さい場合には、前記第２弁を開放して前記第１弁を閉止すると共に前記水素吸蔵装置を水素放出状態となるように制御する制御装置と、をさらに備えた。
【００１２】
請求項３記載の燃料電池システムでは、制御装置は、例えば燃料電池の定常運転状態等の水素消費量が所定範囲内である場合には、第１弁及び第２弁を共に閉止しており、改質装置で生成された水素含有ガスが燃料電池に供給される。すなわち、水素吸蔵装置が改質装置、燃料電池から切り離される。
【００１３】
そして、制御装置は、例えば燃料電池が停止したり発電量が低下したりして水素生成量が水素消費量に対し過剰になった場合には、第２弁を閉止したまま第１弁を開放し、かつ水素吸蔵装置を水素吸蔵状態にする。これにより、改質装置が生成した水素含有ガス中の水素（の少なくとも一部）が分離装置によって分離されて水素吸蔵装置に導入され、該水素吸蔵装置に吸蔵される。これにより、燃料電池による消費量に対する過剰水素が該燃料電池に供給されずに水素吸蔵装置にて貯蔵される。
【００１４】
一方、制御装置は、例えば燃料電池が起動したり発電量が増加したりして水素生成量に対し水素消費量（水素要求量）が不足した場合には、第１弁を閉止したまま第２弁を開放し、かつ水素吸蔵装置を水素放出状態にする。これにより、燃料電池には、改質装置が生成した水素含有ガスに加えて、水素吸蔵装置からの水素が供給され、上記場合に燃料電池に供給される水素が一時的不足することが防止又は抑制される。
【００１５】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムの制御方法は、供給された原料から水素含有ガスを生成するための改質装置と、前記改質装置で生成された水素含有ガスを消費して発電を行う燃料電池と、前記改質装置と燃料電池とを連通する水素含有ガス供給路から分岐した分岐流路と、前記分岐流路に設けられ、前記水素含有ガス中の水素を分離するための分離装置と、前記分岐流路における前記分離装置の下流に設けられ、水素を吸蔵するための水素吸蔵装置と、前記水素吸蔵装置と前記燃料電池の水素入口と連通する水素補助流路と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記改質装置の水素生成量と前記燃料電池の水素消費量との差が所定範囲以内である場合に、前記分岐流路及び水素補助流路を遮断し、前記改質装置の水素生成量が前記所定範囲を超えて前記燃料電池の水素消費量を上回った場合に、前記改質装置で生成された前記水素含有ガスから前記水素分離装置によって水素を分離すると共に該水素を前記水素吸蔵装置に吸蔵させ、前記改質装置の水素生成量が前記所定範囲を超えて前記燃料電池の水素消費量を下回った場合に、水素を吸蔵している前記水素吸蔵装置から前記燃料電池に水素を供給させる。
【００１６】
請求項４記載の燃料電池システムの制御方法では、例えば燃料電池の定常運転中等、改質装置の水素生成量と燃料電池の水素消費量との差が所定範囲内である場合には、分岐流路及び水素補助流路を遮断することで水素の流通について水素吸蔵装置を改質装置（水素供給源）及び燃料電池（水素消費部）から切り離す。したがって、改質装置が生成した水素含有ガスが燃料電池に供給される。
【００１７】
また、本燃料電池システムの制御方法では、例えば燃料電池の発電停止又は発電量低下によって改質装置の水素生成量が所定範囲を超えて燃料電池の水素消費量を上回った場合、すなわち水素が過剰になった場合には、分岐流路に配設された分離装置によって水素含有ガスから水素を分離させ、この水素を水素吸蔵装置に吸蔵させる。これにより、改質装置が生成した水素含有ガス中の水素の少なくとも一部が分離装置を通過して水素吸蔵装置に導入され、該水素吸蔵装置に吸蔵させる。これにより、燃料電池による消費量に対する過剰水素（の少なくとも一部）は、該燃料電池に供給されずに水素吸蔵装置にて貯蔵される。
【００１８】
さらに、本燃料電池システムの制御方法では、例えば燃料電池の発電開始（起動）又は発電量増加によって改質装置の水素生成量が所定範囲を超えて燃料電池の水素消費量（水素要求量）を下回った場合、すなわち水素が不足した場合には、水素吸蔵装置から水素を放出させ、この水素を水素補助流路から燃料電池に供給させる。これにより、燃料電池には、改質装置が生成した水素含有ガスに加えて、水素吸蔵装置からの水素が供給され、上記場合に燃料電池に供給される水素が一時的不足することが防止又は抑制される。
【００１９】
このように、請求項４記載の燃料電池システムの制御方法では、改質ガスを生成する改質装置を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転変動による水素の一時的な過不足が水素吸蔵装置によって吸収され、該燃料電池の運転変動に対する応答性が良好になる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明に係る燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法は、改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池の運転変動に対する応答性が良好になるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０について、図１に基づいて説明する。図１には、燃料電池システム１０のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１０は、水素を消費して発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための改質装置（改質器）１４とを主要構成要素として構成されている。
【００２２】
燃料電池１２は、アノード電極（燃料極）１６とカソード電極（空気極）１８との間に、図示しない電解質を挟んで構成されており、主にアノード電極に供給される水素とカソード電極１８に供給される酸素とを電気化学反応させて発電を行う構成とされている。燃料電池１２としては、種々の形式のものを採用することができるが、この実施形態では、中温域（３００℃〜６００℃程度）で運転されると共に、発電に伴ってカソード電極１８で水が生成されるプロトン伝導型の電解質を有する燃料電池（例えば、固体高分子型や水素分離膜型の燃料電池）が採用されている。
【００２３】
改質装置１４は、燃料電池１２のアノード電極１６に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部としての反応器２０と、反応器２０が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部２２とを主要構成要素として構成されている。反応器２０は、図示しない改質触媒を内蔵しており、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気）を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。
【００２４】
反応器２０における改質反応には、以下の式（１）乃至（４）で表されるように、水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（ＣｘＨｙ）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ２）、水（Ｈ２Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。
【００２５】
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ      →  ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２      …  （１）
ＣｎＨｍ＋ｎ／２Ｏ２  →  ｎＣＯ ＋  ｍ／２Ｈ２              …  （２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  ⇔  ＣＯ２＋Ｈ２                              …  （３）
ＣＯ＋３Ｈ２  ⇔  ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ                            …  （４）
この改質反応の主反応である式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ反応器２０は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池１２に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。加熱部２２は、この反応器２０における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。加熱部２２は、酸化触媒を内蔵して反応器２０に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
【００２６】
改質装置１４は、加熱部２２で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を隔壁部２４を介して反応器２０に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒（流体）を介して反応器２０を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、反応器２０に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。加熱部２２の燃焼排ガスは排ガス出口２２Ｂから排出されるようになっている。
【００２７】
そして、燃料電池システム１０は、反応器２０に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ２６を備えており、原料ポンプ２６の吐出部は原料供給ライン２８を介して反応器２０の原料入口２０Ａに接続されている。炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段によって、気相又は微粒化状態で反応器２０に供給されるようになっている。
【００２８】
また、反応器２０の改質ガス出口２０Ｂは、下流端がアノード電極１６の燃料入口１６Ａに接続された水素含有ガス供給路としての改質ガス供給ライン３０の上流端に接続されている。これにより、反応器２０で生成された改質ガスが燃料電池１２のアノード電極１６に供給されるようになっている。改質ガス供給ライン３０の中間部は、改質ガスを冷却するための熱交換器３２の高温ガス側流路とされている（熱交換器３２の高温ガス側流路が直列に配設されている）。
【００２９】
一方、アノード電極１６のオフガス出口１６Ｂには、アノードオフガスライン３４の上流端が接続されており、アノードオフガスライン３４の下流端は加熱部２２の燃料入口２２Ａに接続されている。これにより、アノードオフガスに含まれる可燃成分である未利用水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、メタン（ＣＨ４）が燃料ガスとして加熱部２２に供給される構成とされている。この加熱部２２の排ガス出口２２Ｂには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン３６が接続されている。
【００３０】
また、燃料電池システム１０は、カソード電極１８にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ３８を備えており、カソード用空気ポンプ３８の吐出部は、下流端がカソード電極１８の空気入口１８Ａに接続されたカソード用空気供給ライン４０の上流端が接続されている。
【００３１】
一方、カソード電極１８のオフガス出口１８Ｂには、水蒸気供給ライン４２の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン４２の下流端は、反応器２０の水蒸気入口２０Ｃ接続されている。これにより、カソード電極１８で生成された水蒸気を含むカソードオフガスが反応器２０における水蒸気改質反応に利用される構成である。また、水蒸気供給ライン４２は、その中間部が熱交換器３２の低温ガス側流路とされており、カソードオフガスによって該熱交換器３２の高温側ガス流路（改質ガス供給ライン３０）を流通する改質ガスを冷却（カソードオフガスを予熱）する構成とされている。
【００３２】
さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ４４を備えており、冷却用空気ポンプ４４の吐出部は、下流端が燃料電池１２の図示しない冷媒流路の入口１２Ａに接続された冷却用空気ライン４６の上流端に接続されている。
【００３３】
この冷媒流路の出口１２Ｂは、支燃ガス供給ライン４８の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン４８は、加熱部２２における支燃ガス入口２２Ｃに接続されており、加熱部２２に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。これにより、加熱部２２では、アノードオフガスライン３４からのアノードオフガスと支燃ガス供給ライン４８からの冷却オフガスとを内蔵した酸化触媒に接触させて、触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
【００３４】
また、燃料電池システム１０は、改質ガス供給ライン３０における該熱交換器３２の下流側３０Ａにおいて、該改質ガス供給ライン３０から分岐した分岐流路としての水素貯蔵用分岐ライン５０を備えている。水素貯蔵用分岐ライン５０の中間部には、改質ガス中の水素を選択的に分離するための分離装置５２を備えている。分離装置５２は、例えばパラジウム等の金属分離膜５２Ａを内蔵しており、水素貯蔵用分岐ライン５０における金属分離膜５２Ａに対する下流側の圧力が上流側の圧力よりも低い場合に、これら上下流の圧力差に応じた量の水素を選択的に分離して下流側に移動させるようになっている。
【００３５】
なお、上記の通りパラジウム等から成る金属分離膜５２Ａは、４００℃以上で金属拡散による性能低下が生じるので、例えばガソリン等のように高温での改質が必要な改質原料を用いる場合には、熱交換器３２にて冷却された改質ガスから水素を分離するように、本実施形態の如く熱交換器３２の下流側に分離装置５２を配置する構成とすることが好ましい。
【００３６】
さらに、燃料電池システム１０は、水素吸蔵装置としての水素吸蔵タンク５４を備えており、水素吸蔵タンク５４の水素入口５４Ａには水素貯蔵用分岐ライン５０の下流端が接続されている。水素吸蔵タンク５４内には、図示しない水素吸蔵合金（ＭＨ）が充填されている。この水素吸蔵合金としては、常温（２０℃〜３０℃）での平衡圧力が大気圧程度であり、７０℃〜８０℃での平衡圧力が０．２ＭＰａ〜０．３ＭＰａ程度となるもの、例えば希土類（ＭｍＮｉ）系合金、又はＣａＮｉ系合金が用いられている。
【００３７】
一方、水素吸蔵タンク５４の水素出口５４Ｂには、下流端がアノード電極１６の補助水素入口１６Ｃに接続された水素補助流路としての水素補助ライン５６の上流端が接続されている。以上により、燃料電池システム１０では、分離装置５２の金属分離膜５２Ａによって分離された水素を水素吸蔵タンク５４に吸蔵することができ、水素吸蔵タンク５４に吸蔵した水素を燃料電池１２に供給することが可能な構成とされている。
【００３８】
そして、水素貯蔵用分岐ライン５０における分離装置５２の下流（水素吸蔵タンク５４側）には、第１弁としての開閉弁５８が配設されており、水素補助ライン５６には第２弁としての開閉弁６０が配設されている。開閉弁５８、６０は、後述するＭＨコントローラ８０によって開閉が制御される制御弁とされている。開閉弁５８、６０が共に閉止された状態では、水素吸蔵タンク５４は、水素の流れに関して燃料電池１２及び改質装置１４とは切り離されるようになっている。
【００３９】
また、燃料電池システム１０は、水素吸蔵タンク５４に内蔵した水素吸蔵合金を冷却して平衡圧力を低下させる（水素吸蔵状態にする）冷却手段６２と、水素吸蔵タンク５４に内蔵した水素吸蔵合金を加熱して平衡圧力を上昇させる（水素放出状態にする）加熱手段６４とを備えている。
【００４０】
冷却手段６２は、冷媒としての冷却水を水素吸蔵タンク５４に循環させるための冷媒循環ライン６５と、冷媒循環ライン６５上に配設された放熱手段としてのラジエータ６６と、水素吸蔵タンク５４と並列に設けられたバイパスライン６８と、冷媒循環ライン６５を開閉すると共にバイパスライン６８の開度を調整するためのバルブユニット７０と、冷媒循環ライン６５に冷却水を循環させるための図示しない駆動源（ポンプ等）を含んで構成されている。
【００４１】
冷却手段６２は、後述するＭＨコントローラ８０によって作動が制御され、冷媒循環ライン６５に配設された一対の開閉弁７０Ａを開放すると共に駆動源を作動することで冷媒循環ライン６５に冷却水を循環させ、バイパスライン６８上の調整弁７０Ｂの弁開度に応じて水素吸蔵タンク５４への冷却水の循環量を調整するようになっている。ラジエータ６６は、ファン６６Ａによって流動する大気との熱交換によって、水素吸蔵タンク５４の冷却に伴って加熱された冷却水を冷却する構成とされている。燃料電池システム１０を自動車に登載する構成では、ラジエータは走行風を利用して冷却水を冷却する構成とすることができる。
【００４２】
加熱手段６４は、熱媒としての加熱水を水素吸蔵タンク５４に循環させるための熱媒循環ライン７２と、熱媒循環ライン７２上に配設された集熱手段としての熱交換器７４と、水素吸蔵タンク５４と並列に設けられたバイパスライン７６と、熱媒循環ライン７２を開閉すると共にバイパスライン７６の開度を調整するためのバルブユニット７８と、熱媒循環ライン７２に加熱水を循環させるための図示しない駆動源（ポンプ等）を含んで構成されている。
【００４３】
加熱手段６４は、後述するＭＨコントローラ８０によって作動が制御され、熱媒循環ライン７２に配設された一対の開閉弁７８Ａを開放すると共に駆動源を作動することで熱媒循環ライン７２に冷却水を循環させ、バイパスライン７６上の調整弁７８Ｂの弁開度に応じて水素吸蔵タンク５４への加熱水の循環量を調整するようになっている。熱交換器７４は、排気ガスライン３６から導入される加熱部２２の燃焼排ガスとの熱交換によって、水素吸蔵タンク５４の加熱に伴って冷却された加熱水を加熱する構成とされている。
【００４４】
そして、燃料電池システム１０は、制御装置としてのＭＨコントローラ８０を備えている。ＭＨコントローラ８０は、燃料電池システム１０の全体動作を制御する図示しないメインコントローラからの信号に基づいて、開閉弁５８、６０の開閉、冷却手段６２、加熱手段６４の作動を制御するようになっている。そして、ＭＨコントローラ８０は、水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金の温度に応じた信号を出力する温度センサ８２に電気的に接続されており、温度センサ８２の信号に基づいて冷却手段６２、加熱手段６４を制御するようになっている。
【００４５】
具体的には、ＭＨコントローラ８０は、メインコントローラからの信号に基づいて、燃料電池１２による発電量すなわち水素消費量（水素要求量である場合を含む、以下同じ）に対する改質装置１４の水素生成量（推定値や予測値である場合を含む、以下同じ）が設定範囲内であると判断した場合には、開閉弁５８、６０を共に閉止し、水素吸蔵タンク５４を燃料電池１２、改質装置１４から切り離すようになっている。
【００４６】
また、ＭＨコントローラ８０は、メインコントローラからの信号に基づいて、水素生成量が設定範囲を超えて水素消費量を上回ったと判断した場合には、図２に示される如く、開閉弁６０を閉止したまま開閉弁５８を開放し、かつ水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金の平衡圧力が大気圧程度まで低下するように冷却手段６２を作動させるようになっている。より具体的には、ＭＨコントローラ８０は、温度センサ８２の出力信号に基づいて、水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金の平衡圧力が改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２の下流側３０Ａの圧力（例えば、略０．３ＭＰａ）よりも低くなる一定温度になるように、冷媒循環ライン６５に冷却水を循環させると共に調整弁７０Ｂによって冷却水の循環量を調整するようになっている。
【００４７】
さらに、ＭＨコントローラ８０は、メインコントローラからの信号に基づいて、水素生成量が設定範囲を超えて水素消費量を下回ったと判断した場合には、図３に示される如く、開閉弁５８を閉止したまま開閉弁６０を開放し、かつ水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金の平衡圧力が燃料電池１２（アノード電極１６の入口）での動作圧力よりも大きくなるように加熱手段６４を作動させるようになっている。より具体的には、ＭＨコントローラ８０は、温度センサ８２の出力信号に基づいて、水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金の平衡圧力が改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２の下流側３０Ａの圧力に対し所定差圧（例えば、略０．０２ＭＰａ）だけ高くなる一定温度になるように、熱媒循環ライン７２に加熱水を循環させると共に調整弁７８Ｂによって加熱水の循環量を調整するようになっている。
【００４８】
なお、メインコントローラは、例えば改質ガス供給ライン３０に設けたガスセンサによって水素生成量を検知し、また例えば燃料電池１２の発電量から水素消費量を推定したり、改質ガス供給ライン３０及びアノードオフガスライン３４に設けた各ガスセンサの検出結果の差から水素消費量を算出したりするようになっている。
【００４９】
次に、実施形態の作用を説明する。先ず、メインコントローラによる定常運転の作用を説明し、次いで、水素吸蔵タンク５４への水素吸蔵、水素吸蔵タンク５４に吸蔵した水素の利用について説明する。
【００５０】
上記構成の燃料電池システム１０では、原料ポンプ２６、カソード用空気ポンプ３８の作動によって、原料供給ライン２８から改質装置１４の反応器２０に炭化水素原料、水蒸気（カソードオフガス）が導入される。反応器２０内では、水蒸気改質反応を含む式（1）〜式（４）で示す改質反応が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。
【００５１】
反応器２０で生成された改質ガスは、熱交換器３２でカソードオフガスとの熱交換によって冷却されて、燃料電池１２の運転温度に近い温度で燃料入口１６Ａからアノード電極１６に供給される。燃料電池１２では、アノード電極１６に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質を経由してカソード電極１８に移動して該カソード電極１８に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極１６から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。
【００５２】
この発電によって燃料電池１２では、アノード電極１６に供給された改質ガス中の水素、カソード電極１８に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量（負荷の電力消費量）に応じて消費され、カソード電極１８では水（水蒸気）が生成される。この水蒸気を含むガスは、カソードオフガスとしてカソード電極１８から水蒸気供給ライン４２に押し出され、熱交換器３２にて改質ガスを冷却した後に原料供給ライン２８を経由して反応器２０に導入される。
【００５３】
一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード電極１６から排出され、このアノードオフガスは、アノードオフガスライン３４を経由して、燃料電池１２を冷却した後の冷却オフガスと共に改質装置１４の加熱部２２に供給される。加熱部２２では、アノードオフガス中の可燃成分を燃料とし、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスとして、触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、隔壁部２４を介して反応器２０に供給される。この熱によって反応器２０では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度（改質ガス温）を改質反応に必要な温度に保つ。改質反応に必要な温度は、使用する改質原料によって異なるため、例えばガソリンのように高温で改質を行う（６５０℃以上）改質原料を用いる場合には、本実施形態のように熱交換器３２によって燃料電池１２の運転温度に近づける。
【００５４】
メインコントローラは、燃料電池１２の発電量に応じた量の水素が改質装置１４で生成され、かつ上記した運転が維持されるように、燃料電池システム１０全体を制御する。メインコントローラからの信号に基づいて、燃料電池１２の水素消費量と改質装置１４の水素生成量との差が設定範囲内である、すなわち燃料電池１２が定常範囲で運転されていると判断しているＭＨコントローラ８０は、開閉弁５８、開閉弁６０を閉止した状態に維持し、冷却手段６２、加熱手段６４を停止した状態に維持する。
【００５５】
そして、ＭＨコントローラ８０は、メインコントローラからの信号に基づいて、例えば燃料電池１２が発電を停止した場合又は燃料電池１２の発電量が低下した場合等に、改質装置１４の生成水素量が燃料電池１２の水素消費量に対し設定範囲を超えて大きくなった（水素が過剰になった）と判断すると、開閉弁６０を閉止したまま開閉弁５８を開放し、かつ冷却手段６２を作動する。
【００５６】
冷却手段６２の作動によって水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金が所定温度まで下がると、該水素吸蔵合金の平衡圧力が改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２の下流側３０Ａの圧力よりも低下する。すると、図２に示される如く、下流側３０Ａ内の改質ガスのうち、水素のみが分離装置５２の金属分離膜５２Ａを透過して分離され、水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金に吸着される。これにより、燃料電池１２による消費量に対し一時的に過剰になった水素が水素吸蔵タンク５４に貯蔵され、システム全体の水素バランスが維持される。
【００５７】
メインコントローラは、燃料電池１２の低下した発電量（０を含む）に応じて改質装置１４の生成水素（改質反応）を低減する。このメインコントローラからの信号に基づいて、燃料電池１２の水素消費量に対する改質装置１４の生成水素量が設定範囲内に復帰したと判断したＭＨコントローラ８０は、開閉弁５８を閉止すると共に冷却手段６２を停止する。
【００５８】
また、ＭＨコントローラ８０は、メインコントローラからの信号に基づいて、例えば燃料電池１２が発電の発電量が増加した場合又は停止していた燃料電池１２が起動した場合等に、改質装置１４の生成水素量が燃料電池１２の水素消費量に対し設定範囲を超えて小さくなった（水素が不足になった）と判断すると、開閉弁５８を閉止したまま開閉弁６０を開放し、かつ加熱手段６４を作動する。
【００５９】
加熱手段６４の作動によって水素吸蔵タンク５４内の水素吸蔵合金が別途所定温度まで上がると、該水素吸蔵合金の平衡圧力が改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２の下流側３０Ａの圧力よりも若干大きくなる。すると、図３に示される如く、水素吸蔵合金に吸蔵されていた水素が放出され、圧力差によってアノード電極１６の補助水素入口１６Ｃに供給される。これにより、燃料電池１２による消費量に対し一時的に不足していた水素が水素吸蔵タンク５４から補充され、システム全体の水素バランスが維持される。
【００６０】
メインコントローラは、燃料電池１２の発電増加量（起動を含む）に応じて改質装置１４の生成水素（改質反応）を増大する。このメインコントローラからの信号に基づいて、燃料電池１２の水素消費量に対する改質装置１４の生成水素量が設定範囲内に復帰したと判断したＭＨコントローラ８０は、開閉弁６０を閉止すると共に加熱手段６４を停止する。
【００６１】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質ガス供給ライン３０から分岐した水素貯蔵用分岐ライン５０に分離装置５２を配設し、該分離装置５２の下流に水素吸蔵タンク５４を配設したため、改質ガス中の過剰水素を分離装置５２にて分離し、水素吸蔵タンク５４に吸蔵することが実現された。しかも、水素吸蔵タンク５４とアノード電極１６の補助水素入口１６Ｃとを連通する水素補助ライン５６を設けたため、水素吸蔵タンク５４に吸蔵した水素を、水素が不足する場合に水素消費部である燃料電池１２に直接的に供給することが実現された。
【００６２】
例えば、図４に示す比較例に係る燃料電池システム１００（本発明の実施形態の構成要素と同じものには同じ符号を付している）では、水素貯蔵用分岐ライン５０、分離装置５２、水素吸蔵タンク５４、水素補助ライン５６、開閉弁５８、６０、冷却手段６２、加熱手段６４を備えないため、過剰水素はアノード電極１６を通過して加熱部２２で燃焼され、水素生成量を抑えている反応器２０に過大な熱を与えることになり、エネルギ効率の観点から改善の余地がある。また、燃料電池システム１００では、水素が不足した場合には、アノードオフガス中の水素が殆どなくなるので、加熱部２２での発熱量が低下し、反応器２０による迅速な水素生成量の向上には限界がある。
【００６３】
これに対して燃料電池システム１０では、燃料電池１２の運転変動に伴う水素消費量の変化に対する主系（燃料電池システム１００に対応する系）内の水素バランスの一時的な変動を、副系の分離装置５２、水素吸蔵タンク５４を利用して吸収することができる。これにより、改質ガスを生成する改質装置１４を備えた燃料電池システム１０において、燃料電池１２の運転変動に対する良好な応答性が得られる。また、水素生成量の低減中の反応器２０に対する加熱部２２からの過剰な熱供給が防止され、エネルギ効率が向上する。同様に、水素生成量増加中の反応器２０に対する加熱部２２からの供給熱量の低下が防止され、水素生成量の迅速な増加が可能になる。
【００６４】
そして、メインコントローラからの情報に基づいてＭＨコントローラ８０が開閉弁５８、６０、冷却手段６２、加熱手段６４を制御することで、水素が一時的に過剰になる場合に該過剰水素を水素吸蔵タンク５４に蓄えると共に、水素が一時的に不足する場合に該不足分を水素吸蔵タンク５４に蓄えた水素で補われ、上記の如く改質ガスを生成する改質装置１４を備えた燃料電池システム１０において、燃料電池１２の運転変動に対する良好な応答性が得られる構成が実現された。
【００６５】
また、燃料電池システム１０では、改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２の下流側３０Ａで水素貯蔵用分岐ライン５０が分岐するため、燃料電池１２及び改質装置１４の運転中において、水素吸蔵タンク５４への水素回収よりも熱交換器３２での熱交換が優先され、上記した主系の温度バランスが維持される。
【００６６】
なお、上記実施形態では、開閉弁５８、６０、冷却手段６２、加熱手段６４がＭＨコントローラ８０にて制御される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、ＭＨコントローラ８０の機能を有するメインコントローラにて制御するようにしても良い。
【００６７】
また、上記実施形態では、水素補助ライン５６の下流端がアノード電極１６の補助水素入口１６Ｃに接続された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、水素補助ライン５６の下流端を改質ガス供給ライン３０（熱交換器３２の上流又は下流）に接続しても良く、原料供給ライン２８又は反応器２０に接続しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの水素吸蔵タンクへの水素吸蔵状態を示すシステム構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの水素吸蔵タンクからの水素放出状態を示すシステム構成図である。
【図４】本発明の実施形態との比較例に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０    燃料電池システム
１２    燃料電池
１４    改質装置
３０    改質ガス供給ライン（水素含有ガス供給路）
５０    水素貯蔵用分岐ライン（分岐流路）
５２    分離装置
５４    水素吸蔵タンク（水素吸蔵装置）
５６    水素補助ライン（水素補助流路）
５８    開閉弁（第１弁）
６０    開閉弁（第２弁）
８０    ＭＨコントローラ（制御装置）
【図１】
2007165130.tif 000003
【図２】
2007165130.tif 000004
【図３】
2007165130.tif 000005
【図４】
2007165130.tif 000006