(57)【要約】【課題】負荷が間欠的に発生するような携帯機器に対しても、発生させた水素を廃棄等することなく、効率的に使用できる水素燃料電池システムを提供すること。【解決手段】水素発生源から化学反応によって水素を発生する水素発生器２と、水素発生器２で発生した水素を一時貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４に貯蔵された水素を使って電力を発電する水素燃料電池６と、を有する水素燃料電池システム１において、コントローラ７が、負荷１００からの電力要求情報と、水素タンク４内部の水素圧力情報とに基づいて当該水素燃料電池システム１全体の動作を制御することで、水素発生器２で発生する水素をいったん水素タンク４に貯蔵するようにし、負荷１００が要求する電力に応じて水素タンク４から水素を放出させて水素燃料電池６でその都度発電するようにしたので、発生させた水素を廃棄等することなく、効率的に使用することができる。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生源から化学反応によって水素を発生する水素発生器と、
前記水素発生器で発生した水素を一時貯蔵する水素貯蔵器と、
前記水素貯蔵器に貯蔵された水素を使って電力を発電する水素燃料電池と、
を有する水素燃料電池システムであって、
前記水素燃料電池システムに接続されている負荷からの電力要求情報と、前記水素貯蔵器内部の水素圧力情報とに基づいて、当該水素燃料電池システム全体の動作を制御する制御手段を具備することを特徴とする水素燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素貯蔵器は水素吸蔵合金を内部に有していることを特徴とする請求項１に記載の水素燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素貯蔵器は、
前記水素発生器で発生した水素を吸蔵する際には前記水素貯蔵器の内部圧力が高くなるように制御され、
前記水素貯蔵器内部の水素を放出する際には前記水素貯蔵器の内部圧力が低くなるように制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の水素燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素発生源は、アンモニア・ボレイン、または水及び水と反応して水素を発生する金属を主材料とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の水素燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記電力要求情報及び前記水素圧力情報に加え負荷の電流増加率に基づいて当該水素燃料電池システム全体の動作を制御することを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載の水素燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記負荷の電流増加率が既定値より大きいときには、前記水素貯蔵器内部の水素を放出している間も、前記水素発生器から水素を発生させることを特徴とする請求項５に記載の水素燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含む燃料から水素を発生させる水素発生器と発生させた水素を使って発電して電力を供給する水素燃料電池とを有する水素燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やＰＤＡ、デジタルカメラ等の携帯用情報機器は主にリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池が電源として用いられてきている。近年、これらの機器の高機能化・多機能化・高速化や長時間駆動の要求に伴い、小型燃料電池が新たな電源として期待されており、一部では試作・試用も始まっている。
【０００３】
燃料電池は従来の二次電池とは異なり充電作業が不要で、燃料を補充または燃料カートリッジを交換するだけで瞬時に機器を長時間稼動させることが可能な状態にすることができる。これらの燃料電池のうち、水素を燃料とする水素燃料電池は、メタノールを燃料とするＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）に比べて、その特性上、パワー密度を高くすることが可能であるため、従来の二次電池に準じてある程度のピーク負荷にも対応できる燃料電池として、携帯機器等への応用が検討されている。水素供給の方法として、特許文献１には化学反応によって水素を発生させる水素発生器を小型化することによって直接水素を供給することが提案されている。この方法によれば、水素は小分けにした固体燃料から、負荷の携帯機器が電力を必要とする際に必要に応じて発生するので、連続的に水素を供給して発電させることが可能となる。
【０００４】
一方、デジタルカメラのように連続的ではなく間欠的に使用され、かつ、その間欠的に使用される時間が短い機器に対して上記に述べた水素発生器を用いて水素燃料電池に水素を供給して駆動する場合がある。この場合、１回の間欠使用時間が数秒と非常に短いため、それに必要な水素を発生させるためには固体燃料を微小な量に分割しなければならない。そのため、分割した固体燃料の数が膨大になり、それぞれの分割した固体燃料に対応した制御回路を多数設けなければならず、効率が悪くなり、結果として水素発生器が大きくなって携帯機器には不向きになってしまう。また、１回の間欠使用に対応する固体燃料の量は極めて微小な量となるが、実質問題としてそのような極めて微小な量の固体燃料から安定的に水素を発生させることは難しい。
【０００５】
この問題を解決するためには、分割した個々の固体燃料の量はある一定量以上とする必要があり、結果として１回の間欠使用の複数回分とならざるを得ない。この場合、水素発生器の容器は１個の固体燃料から発生する水素量を内部に長時間保持できるように構成する必要があるが、水素を気体のまま水素発生器内部に長時間保存すると水素に不純物が混入する可能性があるため、結果として発生させた水素はある一定時間以上使用されない場合には外部に廃棄せざるを得なくなり、電源システムとしての全体効率が落ちてしまう。また、特許文献２には、鉄やマグネシウム等の金属と水を反応させることによって水から水素を発生させる水素発生装置が開示されている。このような水素発生手段においても、微小な量の水素発生を制御するのは極めて困難であり、間欠的に使用する機器にはこのような水素発生器を適用することは難しい。
【０００６】
このような問題点に対応するために、特許文献３には発生させた水素の一部を水素バッファに蓄えておき、負荷の増大が予測され、水素発生器で発生可能な水素量以上に水素が必要な場合に水素バッファからの水素でアシストするシステムが開示されている。このシステムによって不足電力を水素バッファで適宜補ったり、余剰水素を水素バッファに充填させたりすることでエネルギーを有効に利用できる。
【特許文献１】国際公開第０２／１８２６７号パンフレット
【特許文献２】特開２００４−１４９３９４号公報
【特許文献３】特開２００２−３２９５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献３の水素燃料電池システムは自動車用に考案されたもので、現在の負荷の状態から近未来の負荷状態の変化を予測することが容易であるため、有効なシステムである。しかしながら、携帯機器においては、負荷が近未来にどのように変化するかを現在の負荷状態を基に予測することは極めて困難である。例えば、デジタルカメラでは、現在はスタンバイモードで待機中であっても、いつ撮影されるかは予測がつかない。また、その際に電力負荷の大きいストロボを使用するか否か等についても予測することは困難である。従って、上記システムでは、携帯機器の間欠的な電力要求に応じた電力供給を行うことが不可能となる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、デジタルカメラのように負荷が間欠的に発生するような携帯機器に対しても、発生した水素を廃棄等することなく効率的に使用できる水素燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明水素燃料電池システムの一態様によれば、
水素発生源から化学反応によって水素を発生する水素発生器と、
前記水素発生器で発生した水素を一時貯蔵する水素貯蔵器と、
前記水素貯蔵器に貯蔵された水素を使って電力を発電する水素燃料電池と、
を有する水素燃料電池システムであって、
前記水素燃料電池システムに接続されている負荷からの電力要求情報と、前記水素貯蔵器内部の水素圧力情報とに基づいて、当該燃料電池システム全体の動作を制御する制御手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水素発生器から発生する水素をいったん水素貯蔵器に貯蔵するようにし、駆動する負荷の動作に応じて水素貯蔵器から水素を放出させて水素燃料電池でその都度発電するようにしたので、負荷が間欠的に発生する携帯機器に対しても、発生させた水素を廃棄等することなく、効率的に使用することができる水素燃料電池システム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、本発明の第１の実施形態について図１Ａ乃至図４を参照して説明する。
【００１２】
図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る水素燃料電池システム１のブロック構成図である。
【００１３】
水素燃料電池システム１は水素を発生する水素発生器２を有する。水素発生器２からの水素出力は、ストップバルブ３を介して水素貯蔵器である水素タンク４に接続されている。ストップバルブ３は、後述するコントローラ７からの指令により電気的に開閉が制御される。また、水素タンク４の水素出力は、ストップバルブ５を介して水素燃料電池６に接続されて、ストップバルブ５もストップバルブ３と同様にコントローラ７によって電気的にその開閉が制御される。
【００１４】
水素発生器２は、コントローラ７によって水素発生が制御されるもので、後述するように図２Ｂに示す圧力センサ１７を備え、コントローラ７は該圧力センサ１７が検出した水素発生器２内の圧力から水素発生が完了したか否かをチェックすることができるようになっている。また、水素タンク４にも特に図示はしないが圧力センサが設けられており、それによってコントローラ７は水素タンク４内の圧力をチェックすることができる。
【００１５】
水素燃料電池６はデッドエンド型で、流入した水素が内部に留まるタイプのもので、水素タンク４からの水素によって発電し、その出力がＤＣ−ＤＣコンバータ８に入力され、最適な電圧に変換されて水素燃料電池システム１に接続している負荷１００に供給されている。つまり、水素燃料電池６が必要な電力を発電して負荷１００に供給することで、負荷１００が駆動される。同時に、水素燃料電池６で発電した電力は２次電池１０を充電する。２次電池１０は水素燃料電池システム１全体の動作を制御するコントローラ７の電源となっている。
【００１６】
また、コントローラ７は、負荷１００から電力要求情報を受けて、当該水素燃料電池システム１全体の動作を開始させ、当該水素燃料電池システム１にエラーが生じた時には、その負荷１００にエラー報告をするよう構成されている。
【００１７】
ここで、負荷１００としては、例えばデジタルカメラ等の機器が挙げられる。この場合、図１Ｂに示すように、負荷１００は電源回路１０２と当該デジタルカメラの制御部であるマイコン１０３とを含み、上記電力要求情報及びエラー報告は、コントローラ７とマイコン１０３との間で通信される。
【００１８】
水素発生器２は、水素発生源として、図２Ａに示す形状の燃料ペレット１１を複数個、内部に格納しており、それぞれの燃料ペレット１１を発火させることにより、１個の燃料ペレット１１に含まれる水素を発生させることができる。燃料ペレット１１は水素発生化合物であるアンモニア・ボレイン（ＮＨ３ＢＨ３）１２と、該アンモニア・ボレイン１２を加熱するためのヒート・ミックス１３とを、それぞれ適当な圧力をかけることによって所定の形状、ここでは円筒状の形状に固め、それらアンモニア・ボレイン１２とヒート・ミックス１３に更に圧力をかけて一体物となるように形成することで構成した固体燃料である。アンモニア・ボレイン１２に加える圧力としては、実験的に５０ＭＰａ〜２５０ＭＰａの値が好ましいことが求められている。
【００１９】
ここで、アンモニア・ボレイン１２とヒート・ミックス１３について説明する。
【００２０】
アンモニア・ボレイン１２は、質量比で約２０％の水素を含み、常温では固体で爆発性が無く安定な水素源であり、熱分解によって水素を発生する。同じ体積であれば、液体水素の２倍の質量の水素を含んでいる。アンモニア・ボレイン１２は通常は粉状であるが、必要に応じて圧力を加えることによって硬いペレット状、棒状、円錐状等にプレスすることができる物質である。
【００２１】
このアンモニア・ボレイン１２は、温度を上昇させることにより３段階に熱分解して水素を発生する。熱せられると約１００℃で溶けて液体になり、その後に１分子の水素を発生させる。その際の反応式は、下記（１）式の通りであり、これが第１段階の水素発生反応である。
【００２２】
ＮＨ３ＢＨ３  →  ＮＨ２ＢＨ２  ＋  Ｈ２                            …（１）  
この反応は発熱反応であり、この反応熱によってアンモニア・ボレイン１２自身の温度が上昇して、第２段階の水素発生反応に進む。即ち、上記第１段階の水素発生反応で生成されるＮＨ２ＢＨ２は、更に温度が上昇して約１５０℃で１分子の水素を発生する。その際の反応式は、下記（２）式の通りであり、これが第２段階の水素発生反応である。
【００２３】
ＮＨ２ＢＨ２  →  ＮＨＢＨ  ＋  Ｈ２                                …（２）  
この反応も発熱反応であり、理論的にはＮＨＢＨが第３段階の熱分解を行うことができる温度まで、ＮＨＢＨの温度を上げるだけの熱を発生する。温度が約４８０℃を越えると、残ったＮＨＢＨは最後の１分子の水素を発生させる。その際の反応式は、下記（３）式の通りであり、これが第３段階の水素発生反応である。
【００２４】
ＮＨＢＨ  →  ＢＮ  ＋  Ｈ２                                      …（３）  
理論的には、この第３段階の水素発生反応も、熱分解が完全に行われるための十分な熱を発生させる。
【００２５】
このように、アンモニア・ボレイン１２は、加熱することにより、その１分子から３分子の水素を発生する。
【００２６】
一方、上記ヒート・ミックス１３は、リチウム・アルミニウム水素化合物（ＬｉＡｌＨ４）と塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）の混合物である。これは、外部からヒータ等で少量の熱を与えられると自ら発熱する熱源となり、上記アンモニア・ボレイン１２を加熱する。また、単に熱源としてだけではなく、下記（４）式のように若干の水素を発生する。
【００２７】
ＬｉＡｌＨ４  ＋  ＮＨ４Ｃｌ  →  ＬｉＣｌ  ＋  ＡｌＮ  ＋  ４Ｈ２  …（４）  
なお、上記ヒート・ミックス１３としては、このようなＬｉＡｌＨ４とＮＨ４Ｃｌの混合物に限らず、外部から少量の熱を与えられた際に上記アンモニア・ボレイン１２が熱分解を開始するために必要な熱を自ら発熱する特性を有するものであれば、どのようなものであっても良い。
【００２８】
このようなアンモニア・ボレイン１２とヒート・ミックス１３でなる燃料ペレット１１は、携帯情報機器用に使用することを考慮すると、直径３ｍｍから１０ｍｍ、全体の高さが３ｍｍから１０ｍｍ程度の大きさが適当である。本発明者の実験によれば、直径５．２ｍｍ、高さ３．４ｍｍ程度のサイズのペレットにおいて、高効率で水素を発生させることができた。このペレットでは、アンモニア・ボレイン１２とヒート・ミックス１３の比率は、質量比で４：１から５：１程度に設定することで最も収率の高い水素発生が行われることが実験的に確かめられている。
【００２９】
水素発生器２には複数の燃料ペレット１１が格納されている。図２Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る水素発生器２の構成を示す図である。
【００３０】
水素発生器２のケースは、その内部で水素が発生するため耐圧容器１４となっており、ステンレス等の十分強度のある部材で構成される。この水素発生器２の耐圧容器１４の一側面には、水素発生口１５が設けられている。この水素発生口１５の入口には水素以外の不純物を吸収するカーボン・フィルタ（図示しない）が内蔵されており、また上述したようにコントローラ７で制御されるストップバルブ３が外付けされる。
【００３１】
水素発生器２の耐圧容器１４の上面には、破裂板１６が設けられている。この破裂板１６は、当該破裂板１６にかかる圧力が既定の圧力以上になると破れるように構成されている市販の部品である。耐圧容器１４の内部圧力が何らかの異常動作によって最大耐圧を超える前に、この破裂板１６が破れることによって、水素発生器２が爆発等の危険な状態になるのを防止する安全装置である。なお、この破裂板１６は、安全弁ＰＲＶ（Pressure Relief Valve）のような機械的なバルブを使用しても良い。
【００３２】
また、水素発生器２の耐圧容器１４の上面には耐圧容器１４の内部の圧力を検知するダイヤフラム型の圧力センサ１７が設けられている。圧力センサ１７の出力は水素発生器２の動作を制御する水素発生コントローラ（図示しない）に接続線（図示しない）によって接続される。水素発生器２の水素発生コントローラは耐圧容器１４とは別体の電気基盤１８に搭載されている。
【００３３】
なお、上記水素発生口１５、破裂板１６、圧力センサ１７はそれぞれ水素発生器２の耐圧容器１４に取り付けられているが、それらは気密状態を保つため、Ｏリング等の漏れを防ぐ部材が併用されている。
【００３４】
水素発生器２の耐圧容器１４の内部には図２Ｂに示すように、単数またはスタック状に複数の板状部材１９が配置されている。板状部材１９の表面には燃料ペレット１１を初期加熱する複数の電気ヒータ２０が適当な間隔をおいて配置されている。電気ヒータ２０の上には燃料ペレット１１が配置されている。電気ヒータ２０は発熱体等で構成されており、電気ヒータ２０の配置間隔は、１個の燃料ペレット１１から発生する熱が隣の燃料ペレット１１に伝わらないだけの間隔である。各電気ヒータ２０には電気基盤１８からの電力が電気供給線（図示しない）を介して供給される。
【００３５】
ここで、板状部材１９上面に整列配置された電気ヒータ２０の上に燃料ペレット１１を配置した後に、燃料ペレット１１の隙間に泡状の断熱材（図示しない）を充填し、燃料ペレット１１を耐圧容器１４の内部で動かないように固定する。また、最初に断熱材を充填しておき、各電気ヒータ２０の位置に対応する位置を円筒状にくりぬき、そこに燃料ペレット１１を格納してもよい。
【００３６】
なお、図２Ｂに示す本実施形態では１枚の板状部材１９の上に１０個の燃料ペレット１１を配置し、それと同じものが２セット水素発生器内２にスタック状に配置されている。ここで、燃料ペレット１１の数やスタック状に配置される板状部材１９の数は任意に変更することが可能である。
【００３７】
次に、水素タンク４について説明する。
【００３８】
本実施形態の水素タンク４は内部にＬａＮｉ５やＴｉＣｒＶ等の水素吸蔵合金が詰められている。図３は本実施形態で使用している水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出特性を示す図である。この水素吸蔵合金は、株式会社日本製鋼所の下記のホームページに記載されているものである。  
http://www.jsw.co.jp/en/product/technology/msb/msb_01_01_e.htm
図３において、グラフの白丸は水素を吸蔵する場合の、黒丸は水素を放出する場合の、水素圧力と水素吸蔵量（質量％）の関係を示したものである。水素吸蔵の際はこの水素吸蔵合金は４０℃の環境では水素圧力をゼロから上げて行くと、最初はほとんど吸蔵しないが、水素圧力が７×１０−１ＭＰａ以上になると吸蔵が開始され、水素圧力が１ＭＰａでは水素吸蔵合金の約１．３質量％の水素を吸蔵する。逆に水素放出の際は同様に４０℃では、水素圧力が１ＭＰａ以上では放出されないが、水素圧力が１ＭＰａから下がると水素を放出し始め、６×１０−１ＭＰａまで下がると水素吸蔵合金の約０．２質量％の水素しか吸蔵できない状態となる。すなわち、１ＭＰａの圧力をかけて水素吸蔵合金の約１．３質量％の水素を吸蔵させることができ、その後圧力を６×１０−１ＭＰａに下げれば差分である水素吸蔵合金の約１．１質量％の水素を放出させることができる。
【００３９】
次に、本実施形態における水素燃料電池システムの動作について図４を参照して説明する。図４はコントローラ７の動作を示した図であり、コントローラ７は、負荷１００からの電力要求情報に応じて、このフローチャートの動作を開始する。
【００４０】
初期状態では水素発生器２、水素タンク４、水素燃料電池６の内部は真空であると仮定する。ステップＳ２１でストップバルブ３を開き、ストップバルブ５を閉じる。次にステップＳ２２で水素発生器２の水素発生コントローラに、燃料ペレット１１の１個分の水素発生を指示する水素発生指令を送る。水素発生器２はその水素発生指令に基づいて１個の燃料ペレット１１からの水素発生を開始すると、水素発生器２で１個の燃料ペレット１１から発生する水素が水素発生器２と水素タンク４の内部の空間に充満して水素発生器２と水素タンク４内部の圧力を徐々に上昇させて行く。アンモニア・ボレイン１２からの水素発生は、加熱を開始してから数秒から十数秒以内には始まり、遅くとも１分以内に水素発生が終了する。水素タンク４には前述した水素吸蔵・放出特性を持つ水素吸蔵合金が詰められているので、水素タンク４内の水素圧力が上昇すると、水素吸蔵合金は水素を徐々に吸蔵していく。図３では温度が０℃と４０℃の特性が示されているが、０℃と４０℃の間の温度、例えば３０℃では、特性は図３の０℃と４０℃のグラフの間の範囲に位置する特性となる。この特性は３０℃の場合に限らず、０℃と４０℃の間の温度では同様である。したがって、温度センサにより周囲温度を測定し、その温度から水素吸蔵合金の吸蔵・放出特性を推定し、その特性に合った制御を行う必要がある。
【００４１】
ここでは説明のために、温度は４０℃と仮定する。水素圧力が０ＭＰａから約６×１０−１ＭＰａまで上昇すると、水素吸蔵合金が水素を吸蔵し始める。水素吸蔵量が水素吸蔵合金に対する質量比で約１．３％になるとそれ以降は水素圧力を上げてもほとんど水素を吸蔵しなくなり、水素吸蔵は終了する。
【００４２】
燃料ペレット１１は、直径５．２ｍｍ、高さ３．４ｍｍの大きさであるため、アンモニア・ボレイン１２の比重が約０．７で、水素発生の収率が１２質量％と仮定すると、燃料ペレット１１の体積は約０．０７２ｃｍ３、質量は０．０５ｇとなり、発生する水素は０．００６ｇで、標準状態（０℃、０．１０１３２５ＭＰａ（＝１気圧））では約１３６ｃｍ３となる。この水素を水素タンク４の水素吸蔵合金に吸蔵させない場合には、水素発生器２の最大耐圧との関係で内部圧力は最大でも１０気圧以下に制御する必要がある。そのためには水素発生器２と水素タンク４内のフリーな空間として、発生する水素の体積の１０分の１の１３．６ｃｍ３の空間を設けておく必要がある。水素を水素タンク４の水素吸蔵合金に吸蔵させる場合には、水素タンク４内の水素吸蔵合金は水素が発生して一定以上の圧力になればほぼ瞬時に水素を吸蔵するので、水素を吸蔵させない場合のように空間を設ける必要はない。
【００４３】
１個分の燃料ペレット１１から発生する水素は上述のように０．００６ｇであるため、この０．００６ｇの水素を吸蔵するために必要な水素吸蔵合金は、０．００６ｇ÷１．１％＝０．５５ｇとなる。この場合、水素吸蔵合金を格納する水素タンク４の体積は２〜３ｃｍ３以下にすることが可能であり、水素を吸蔵させない場合の１３．６ｃｍ３に比べてスペース的に有利となる。
【００４４】
また、発生した０．００６ｇの水素を水素燃料電池６に供給することにより、この水素からは理論的には約０．２Ｗｈのエネルギーが発生するが、実際は燃料電池の効率が５０〜６０％程度であるので、０．１〜０．１２Ｗｈのエネルギーが発生する。ここで、０．１Ｗｈのエネルギーは、例えば３．７Ｖ電源で０．５Ａ必要なデジタルカメラを約１９０秒間駆動することが可能な量のエネルギーである。
【００４５】
コントローラ７は、ステップＳ２３で水素発生器２から圧力センサ１７によって検出された水素発生器２内の圧力情報を入力し、ステップＳ２４で指定した燃料ペレット１１の１個分の水素発生が完了したか否かをチェックする。水素発生が完了していなければステップＳ２３に戻り、水素発生が完了するのを待つ。この時に水素発生器２で発生した水素は、前述したように水素タンク４内の水素吸蔵合金に吸蔵される。水素吸蔵合金の水素吸蔵速度は水素発生器２からの水素発生速度よりも速いので、発生した水素はほぼすべてが水素吸蔵合金に吸蔵される。水素タンク４内部の水素圧力は１ＭＰａを若干下回り、水素吸蔵合金が吸蔵した水素量に応じた平衡状態の圧力となっている。
【００４６】
次にステップＳ２５でストップバルブ３を閉め、ストップバルブ５を開く。これにより、水素発生器２と水素タンク４の接続が遮断され、代わりに水素タンク４と水素燃料電池６が接続される。水素燃料電池６内には水素を燃料電池のアノード極に流すための流路が空間として形成されている。水素燃料電池６の内部は初期状態において真空であるので、水素タンク４と接続すると水素タンク４と水素燃料電池６が接続された空間の水素圧力は接続前の平衡状態の圧力に比べて下がる。その結果水素タンク４内の水素吸蔵合金から水素放出が開始される。水素燃料電池６は放出された水素により発電を開始し、ＤＣ−ＤＣコンバータ８を介して負荷１００が必要とする電力を供給する。同時に２次電池１０への充電を行う。
【００４７】
ここで、負荷１００を３．７Ｖで０．５Ａの電力が駆動のために必要であるデジタルカメラと仮定する。デジタルカメラは連続的に電力が必要なことは稀で、通常は写真を撮影する前後のみに間欠的に電力が必要となり、それ以外はスタンバイモードで微小な電力しか必要でない場合がほとんどである。すなわち、負荷１００は間欠的に水素燃料電池６が発電する電力を使用する。前述したように、１個の燃料ペレット１１から発電できる電力は０．１Ｗｈであるため、このデジタルカメラを約１９０秒間駆動することが可能であり、１回の写真撮影では平均して２０秒必要と仮定すると、１個の燃料ペレット１１で約９回の撮影が可能となる。この９回の撮影の間には、水素燃料電池６が必要な電力を発電して負荷１００に供給する動作を繰り返す。水素燃料電池６が発電すると水素を消費するので水素タンク４内の水素圧力が下がり、その結果、水素タンク４内の水素吸蔵合金から水素が放出され、図３に示された放出の際の曲線（黒点）を左に向かって移動する。つまり、水素タンク４の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素が減って行く。
【００４８】
この動作を繰り返すと、水素タンク４内の水素圧力は徐々に低下し、やがてほとんどの水素が放出され、水素吸蔵合金内には水素が吸蔵されていない状態に近づく。水素タンク４には、内部圧力を測定する圧力センサが備えられており、コントローラ７はその圧力センサの値を読み込むことにより、水素がなくなったことを知る。そして次の燃料ペレット１１からの水素発生を水素発生器２に指示する。そのフローを図４のステップＳ２６からＳ３２に示す。
【００４９】
即ち、ステップＳ２６で水素タンク４内の圧力値を入力し、ステップＳ２７でその圧力値が０．６ＭＰａ（＝６×１０−１ＭＰａ）より小さいか否か、判断する。圧力値が６×１０−１ＭＰａ以上の場合にはステップＳ２６に戻り、圧力が６×１０−１ＭＰａより小さくなるまで待つ。圧力が６×１０−１ＭＰａより小さくなったら、次の水素発生が必要であるので、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、水素発生器２に残っている燃料ペレット１１の数を水素発生器２の水素発生コントローラに問い合わせ、ステップＳ２９で残り燃料ペレット１１があるか否かを調べる。燃料ペレット１１が残っていればステップＳ３１で残り燃料ペレット１１の数が５以下であるかをチェックし、５より大きければステップＳ２１に戻り、水素発生器２に燃料ペレット１１の１個分の水素発生を指示する。燃料ペレット１１の残りが５以下の場合には、ステップＳ３２で燃料ペレット残り数が少ない、という警告をコントローラ７の上位機器（例えばデジタルカメラではマイコン１０３）に報告した後にステップＳ２１に戻る。上記ステップＳ２９において、燃料ペレット１１が残っていないと判断した場合には、ステップＳ３０でコントローラ７の上位機器に燃料切れエラーを報告して終了する。
【００５０】
そこで、上記構成のものにあっては以下の効果を奏する。すなわち、水素発生器２で発生した水素はすべていったん水素タンク４内の水素吸蔵合金に貯蔵され、負荷１００からの電力要求情報に応じて水素を水素燃料電池６に供給するようにコントローラ７で制御されている。このため、間欠的に負荷１００が発生する携帯機器に対しても、発生した水素を廃棄することなく効率的に使用できる。また、水素タンク４の水素吸蔵合金は水素しか吸蔵しないので、不純物が混じることはない。水素燃料電池６は水素に不純物が混じっていると性能の劣化に直結するが、水素燃料電池６に供給される水素には不純物が混入していないため、有効に水素燃料電池の劣化を防止できる。
【００５１】
次に本発明の第２の実施形態について図５Ａ乃至図６を参照して説明する。ここで、本実施形態において第１の実施形態と同一の構成については同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。
【００５２】
図５Ａは本発明の第２の実施形態に係る水素燃料電池システム４０のブロック構成図である。本実施形態に係る水素燃料電池システム４０では、第１の実施形態に係る水素燃料電池システム１の構成に加え、負荷１００からコントローラ７に負荷１００を流れる電流値を入力するように構成されている。
【００５３】
具体的には、負荷１００がデジタルカメラであるとすると、図５Ｂに示すように、電源回路１０２からコントローラ７へ電流値が入力される。
【００５４】
図６は本実施形態におけるコントローラ７の動作を示した図であり、コントローラ７は、負荷１００からの電力要求情報に応じて、このフローチャートの動作を開始する。水素発生器２内で１個の燃料ペレット１１から水素を発生させるため、まず、ステップＳ４１でストップバルブ３を閉じて、発生した水素が水素タンク４に流れないようにする。ストップバルブ３を閉じたため、水素発生器２内には１個分の燃料ペレット１１から発生する水素がすべて内部に留まることとなる。このため、水素発生器２は内部水素圧力が高まっても問題ない耐圧容器１４で構成する。具体的には、図３において水素タンク４内の水素吸蔵合金の水素吸蔵を最も効率的に行える圧力である１ＭＰａ以上の耐圧がある耐圧容器１４で構成する。
【００５５】
次に、ステップＳ４２で水素発生器２の水素発生コントローラに燃料ペレット１１の１個分の水素発生を指示する。水素発生器２は、コントローラ７からのこの水素発生指令に応じて１個の燃料ペレット１１からの水素発生を開始する。そして、ステップＳ４３で水素発生器２内の圧力情報を入力し、ステップＳ４４で水素発生が終了したかをチェックする。終了していなければステップＳ４３に戻り、終了していればステップＳ４５に進む。
【００５６】
ステップＳ４５では、ストップバルブ５を閉じ、次にストップバルブ３を開いて水素タンク４内に水素発生器２内で発生した水素が流れ込むようにする。水素タンク４内は水素吸蔵合金が詰められているため、空間はほとんどない。そのため、ストップバルブ３を開くことによって水素発生器２と水素タンク４がつながっても内部水素圧力はほとんど低下しないので、水素タンク４内の水素吸蔵合金には１ＭＰａ以上の水素圧力が加えられ、水素吸蔵合金に水素が吸蔵される。この時の水素吸蔵速度は極めて速く、数秒以内で水素吸蔵が完了する。つまり、ステップＳ４６で数秒待てば水素タンク４内の水素吸蔵合金への水素吸蔵が完了する。
【００５７】
次にステップＳ４７でストップバルブ３を閉じた後、ストップバルブ５を開く。この動作により、水素タンク４は水素燃料電池６と接続されるが、水素燃料電池６内には水素流路用の空間が設けられているため、水素タンク４と水素燃料電池６が接続された空間の水素圧力は接続前の圧力に比べて下がる。この結果、水素タンク４内の水素吸蔵合金から水素が放出され始める。放出された水素を使って水素燃料電池６は発電してその電力をＤＣ−ＤＣコンバータ８を介して負荷１００に加える。
【００５８】
この状態において、コントローラ７はステップＳ４８で図５Ｂに示す電源回路１０２からの信号により負荷１００が消費している電流値を入力し、その値から負荷１００の電流の時間当たりの増加率を計算し、ステップＳ４９で増加率の値が予め定められた値より大きいかをチェックする。増加率の値が規定値より大きい場合にはステップＳ５２にジャンプする。増加率が規定値以下の場合には、ステップＳ５０で水素タンク４内の圧力値を入力し、ステップＳ５１でその圧力値が６×１０−１ＭＰａより小さいか否か、判断する。圧力値が６×１０−１ＭＰａ以上の場合にはステップＳ４８に戻り、圧力が６×１０−１ＭＰａより小さくなるまで待つ。圧力が６×１０−１ＭＰａより小さくなったら、次の水素発生が必要であるので、ステップＳ５２に進む。つまり、負荷１００の電流使用速度と水素タンク４内の水素量をチェックし、負荷１００の電流使用速度が規定の値より大きい場合か水素タンク４内の水素量が規定の値より小さい場合には、次の水素発生を起動するステップに進む。
【００５９】
ステップＳ５２では、水素発生器２の水素発生コントローラに、残っている燃料ペレット１１の数を問い合わせ、ステップＳ５３で残り燃料ペレット１１があるか否かを調べる。燃料ペレット１１が残っていればステップＳ５５で残り燃料ペレット１１の数が５以下であるかをチェックする。残り燃料ペレット１１の数が５より大きければステップＳ４１に戻り、水素発生器２に燃料ペレット１１の１個分の水素発生を指示する。このとき、ストップバルブ５は開けられたままであるので、水素タンク４から放出された水素による水素燃料電池６の発電動作を継続されている。燃料ペレット１１の残りが５以下の場合には、ステップＳ５６で燃料ペレット残り数が少ない、という警告をコントローラ７の上位機器に報告した後にステップＳ４１に戻る。上記ステップＳ５３において燃料ペレット１１が残っていないと判断した場合には、ステップＳ５４でコントローラ７の上位機器に燃料切れエラーを報告して終了する。
【００６０】
そこで、上記構成のものにあっては以下の効果を奏する。すなわち、水素発生器２で発生した水素はすべていったん水素タンク４内の水素吸蔵合金に貯蔵され、負荷１００の電力要求に応じて水素を水素燃料電池６に供給するようにコントローラ７で制御されている。このため、間欠的に負荷１００が発生する携帯機器に対しても、発生した水素を廃棄することなく効率的に使用できる。また、水素タンク４の水素吸蔵合金は水素しか吸蔵しないので、不純物が混じることはない。水素燃料電池６は水素に不純物が混じっていると性能の劣化に直結するが、水素燃料電池６に供給される水素には不純物が混入していないため、有効に水素燃料電池の劣化を防止できる。
【００６１】
さらに本実施形態では、水素タンク４から水素燃料電池６へ水素放出を行っている間でも、水素発生器２からの水素発生を動作させるようにコントローラ７で制御されているため、負荷１００が連続的な電力を要求しても対応することが可能となる。なおこの場合、数秒間にストップバルブ５が閉じられることとなるが、水素燃料電池６の発電には影響を与えない、もしくは若干の影響による発電電力の変動は２次電池１０に蓄積された電力で補償するようにすれば、負荷１００の駆動に影響を及ぼさない。
【００６２】
次に本発明の第３の実施形態について図７及び図８を参照して説明する。本実施形態の水素燃料電池システムの全体構成は水素発生器６１以外については第２の実施形態と同じである。ここで、本実施形態において第２の実施形態と同一の構成については同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。
【００６３】
第３の実施形態は、第１の実施形態で説明した水素発生器２を、鉄やマグネシウム等の水と反応して水素を発生させる金属に水を滴下することによって水素を発生させる種類の水素発生源を用いる水素発生器６１に置き換えたものである。ただし、鉄やマグネシウム等の金属に水を滴下する場合、水素発生は緩やかに行われるので、水素発生と発電を並行して行う第２の実施形態のような制御を行う方が好ましい。
【００６４】
本実施形態の水素燃料電池システム全体の構成は図１と同じである。図７は本実施形態の水素燃料電池システムの水素発生器６１のブロック図である。
【００６５】
水素発生器６１は水タンク６２、ポンプ６３、鉄やマグネシウム等を貯蔵する反応容器６４及び水素発生器６１全体の動作を制御する水素発生コントローラ６５を有する。水タンク６２は外部から水を入れることが可能で栓付きの水取入れ口（図示せず）を有している。液面センサによって現在水タンクに残っている水の量を測定し、水素発生コントローラ６５に伝える機能を有している。ポンプ６３は水素発生コントローラ６５からの指令により、反応容器６４内で鉄やマグネシウム等に水が滴下された場合に効率よく水素を発生させることが可能な最小量の水を水タンク６２から吸い上げ、反応容器６４内に滴下する機能を有する。反応容器６４は、内部にある鉄やマグネシウム等とポンプ６３によって滴下された水が反応した際に発生する水素を外部に漏らさないような密閉容器で、内部で発生する水素によって内部圧力が上昇した場合でも破壊しないような耐圧機能を有している。水素発生コントローラ６５は、水素燃料電池システム全体を制御するコントローラ７からの水素発生指令に基づいて、ポンプ６３に指令を出して水タンク６２内の水を反応容器６４内に滴下する。水素発生コントローラ６５は水タンク６２内の水の量、ポンプ６３の状態、反応容器６４の内部圧力を検出して、異常な状態がないかどうかをチェックする。
【００６６】
図８は本実施形態における水素発生器６１を使用した場合のコントローラ７の動作を示す図である。本実施形態におけるコントローラ７の動作は第２の実施形態におけるコントローラ７の動作とほぼ同じであるため、第２の実施形態と異なるステップについてのみ説明し、第２の実施形態と同一のステップは同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００６７】
本実施形態では鉄やマグネシウム等に水を滴下して水素を発生させるため、上記第２の実施形態におけるステップＳ４２に代えて、ステップＳ７２でコントローラ７は水素発生器６１に規定量の水を水タンク６２から反応容器６４に滴下するように指示する。即ち、水素発生コントローラ６５はこの指示に対応してポンプ６３の動作を制御する。
【００６８】
また、負荷１００の電流使用速度が規定の値より大きい場合（ステップＳ４９）か水素タンク４内の水素量が規定の値より小さい場合（ステップＳ５１）には、本実施形態では、ステップＳ８２で、水素発生器６１の水素発生コントローラ６５に、残っている水の量を問い合わせ、ステップＳ８３で残りの水があるか否かを調べる。水が残っていればステップＳ８５で残りの水の量が規定量以下であるかをチェックする。残りの水の量が規定量より多ければステップＳ４１に戻り、ステップＳ７２で水素発生器６１に規定量の水の滴下を指示する。水素発生器６１に残っている水の量が規定量以下の場合には、ステップＳ８６で水の残りの量が少ない、という警告をコントローラ７の上位機器に報告した後にステップＳ４１に戻る。水素発生器６１に水が残っていない場合には、ステップＳ８４でコントローラ７の上位機器に水切れエラーを報告して終了する。
【００６９】
そこで、上記構成のものにあっては以下の効果を奏する。すなわち、水素発生器６１で発生した水素はすべていったん水素タンク４内の水素吸蔵合金に貯蔵され、負荷１００の電力要求に応じて水素を水素燃料電池６に供給するようにコントローラ７で制御されている。このため、間欠的に負荷１００が発生する携帯機器に対しても、発生した水素を廃棄することなく効率的に使用できる。また、水素タンク４の水素吸蔵合金は水素しか吸蔵しないので、不純物が混じることはない。水素燃料電池６は水素に不純物が混じっていると性能の劣化に直結するが、水素燃料電池６に供給される水素には不純物が混入していないため、有効に水素燃料電池の劣化を防止できる。
【００７０】
さらに本実施形態では、水素タンク４から水素燃料電池６へ水素放出を行っている間でも、水素発生器６１からの水素発生を動作させるようにコントローラ７で制御されているため、負荷１００が連続的な電力を要求しても対応することが可能となる。
【００７１】
以上本実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１Ａ】図１Ａは本発明の第１の実施形態に係る水素燃料電池システムのブロック構成図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは負荷の一例を示すブロック構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは第１の実施形態に係る水素発生器で使用する燃料ペレットの構成を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは第１の実施形態に係る水素発生器の構造を示す斜視図である。
【図３】図３は第１の実施形態に係る水素タンク内に詰められた水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出特性を示す特性図である。
【図４】図４は第１の実施形態に係る水素燃料電池システム全体を制御するコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の第２の実施形態に係る水素燃料電池システムのブロック構成図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは負荷の一例を示すブロック構成図である。
【図６】図６は第２の実施形態に係る水素燃料電池システム全体を制御するコントローラの動作を示すフローチャートである。
【図７】図７は本発明の第３の実施形態に係る水素発生器のブロック構成図である。
【図８】図８は第３の実施形態に係る水素燃料電池システム全体を制御するコントローラの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
１，４０…水素燃料電池システム、  ２，６１…水素発生器、  ３，５…ストップバルブ、  ４…水素タンク、  ６…燃料電池、  ７…コントローラ、  ８…ＤＣ−ＤＣコンバータ、  １０…２次電池、  １１…燃料ペレット、  １２…アンモニア・ボレイン、  １３…ヒート・ミックス、  １４…耐圧容器、  １５…水素発生口、  １６…破裂板、  １７…圧力センサ、  １８…電気基盤、  １９…板状部材、  ２０…電気ヒータ、  ６２…水タンク、  ６３…ポンプ、  ６４…反応容器、  ６５…水素発生コントローラ  １００…負荷。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2009295335.tif 000004
【図２Ａ】
2009295335.tif 000005
【図２Ｂ】
2009295335.tif 000006
【図３】
2009295335.tif 000007
【図４】
2009295335.tif 000008
【図５Ａ】
2009295335.tif 000009
【図５Ｂ】
2009295335.tif 000010
【図６】
2009295335.tif 000011
【図７】
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【図８】
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