JP3871792B2

JP3871792B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP3871792B2
Application number: JP35807297A
Authority: JP
Inventors: 秀人久保; 良雄木村; 信雄藤田; 博史青木; 宏之三井
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11185792A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリフォ−マ、水素吸蔵合金内蔵タンクおよび燃料電池のセットを含む燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実開平６−８２７５６号公報は、炭化水素またはメタノ−ルから水素含有ガス（以下、反応ガスともいう）を発生する改質器（リフォ−マ）、燃料電池（セル）を用いる燃料電池装置において、リフォ−マと燃料電池との間に水素吸蔵合金内蔵タンク（ＭＨタンク）を付加し、燃料電池の発生電力を用いる電気回路の状態に基づいてＭＨタンクの授受熱量を制御し、これによりリフォ−マの水素産生レ−トと燃料電池の水素消費レ−トとのアンバランスを一時的（ＭＨタンクの容量分だけ）補償することを提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のＭＨタンク付き燃料電池装置では、以下の問題点があった。
第一に、ＭＨタンクの水素の吸蔵、放出は、リフォ−マの水素産生レ−トと燃料電池の水素消費レ−トとの差に無関係に、燃料電池の電気回路の状況に応じて行われるので、たとえばリフォ−マの水素産生レ−トの状況にかかわらずＭＨタンクの水素の吸蔵、放出制御を行うので燃料電池への水素ガス供給が不適切となる可能性が生じた。たとえば、リフォ−マの水素産生レ−トが最大状態となっている場合にＭＨタンクから水素ガスを放出したとしても燃料電池の最大水素消費能力をオ−バ−してしまい無駄が生じる。
【０００４】
また、なんらかの原因でリフォ−マの水素産生レ−トが変動してしまった場合でも、それが燃料電池の電気回路の状況に反映するには時間がかかるので燃料電池の発電に過不足が生じた。
また、上記電気回路における状態変化はその電気負荷、たとえばモータなどのオンオフなどにより頻繁かつ急激に変化するが、ＭＨタンクの水素ガスの吸蔵，放出の切り替えは実際はバルブなどで温熱供給と冷熱供給とを切り替えたとしても、ＭＨタンクの水素吸蔵合金の温度変化がそれほど容易に変化するものではなく、その結果、電気回路の電力状況変化へのＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作の追従遅れにより、電気負荷が増大したにもかかわらずＭＨタンクは水素吸蔵状態となっていたり、電気負荷が減少したにもかかわらずＭＨタンクは水素放出状態となっていたりする場合が生じる。
【０００５】
更に、電気負荷の変化に応じてＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作を頻繁に切り替えるということは、現実には少し暖まりかけた水素吸蔵合金をすぐに冷やしたり、やっと冷えかけた水素吸蔵合金をまた暖めることになったりすることになって、熱経済上、無駄が多かった。すなわち、原理的にＭＨタンクは水素吸蔵、放出動作を高速に切り替えたり、変化させたりしにくいので、このような緩慢なＭＨタンクの水素の吸蔵、放出の切り替え動作を電気負荷の運転状況により高速かつ頻繁に変化する電気回路の状況変化で制御するのは熱経済の観点などから問題があった。
【０００６】
次に、上述した従来のＭＨタンク付き燃料電池装置では、ＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作は、単にＭＨタンクの授受熱量を制御する（切り替える）のみで行うので、動作が遅かった。
更に具体的に説明すれば、通常のバランス（水素消費レ−ト＝水素産生レ−ト）状態においてＭＨタンクの水素分圧は平衡圧力点にある。水素不足が生じ、ＭＨタンクの水素分圧が低下すると、この低下した水素分圧の平衡圧力点に一致するまで水素吸蔵合金から水素が放出されるが、この時、水素吸蔵合金が自己冷却するので、その水素放出能力は急速に低下してしまう。このため外部熱源から水素吸蔵合金の加熱とその昇温が行われるが、これは、熱媒流体の加熱とその昇温を経た後でなされる。
【０００７】
しかし、熱媒流体およびその配管、ＭＨタンクの熱容量および熱損失が無視できない大きさであるので、水素吸蔵合金を最終的に十分に高温として、その水素吸蔵量が大幅に減少するレベルまで上記水素分圧の平衡圧力点を低下させるには長い時間が必要となる。これは水素過剰の場合にも同じである。
特に、水素不足状態から水素過剰状態に一気に変化する場合には、外部熱交換器、熱媒流体およびその配管、並びにＭＨタンクを高温状態から低温状態へシフトする必要があり、上記した平衡圧力点からのシフトよりも更に長い時間が必要となる。
【０００８】
すなわち、熱媒流体の温度変化のみによりＭＨタンクの水素分圧の平衡圧力点をシフトさせる上記従来のＭＨタンク付き燃料電池装置は、水素補償のレスポンスが遅いという問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ＭＨタンクの加熱冷却における熱経済の無駄が少なく、更にＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作のレスポンスも向上可能なＭＨタンク付きの燃料電池装置を提供することをその解決すべき課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の燃料電池装置では、リフォ−マと燃料電池との間に配設された水素吸蔵合金内蔵タンク（ＭＨタンク）は、圧縮手段及び調圧手段の採用により、少なくとも燃料電池の燃料極の作動圧より格段に高圧（リフォ−マの水素産生レ−トと燃料電池の水素消費レ−トとが一致する均衡状態で少なくとも１ｋｇ／平方ｃｍＧ以上）で使用され、更に、ＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作を制御するための熱量授受はリフォーマの水素産生レ−トと燃料電池の水素消費レ−トとの差に関連する状態量に基づいてなされる。
【００１０】
なおここでいう圧縮手段とは、請求項３で記載するようにリフォ−マへ原燃料を供給するポンプ、又は、請求項４で記載するようにリフォ−マから産生される水素含有ガスを圧縮する圧縮機を意味する。
このようにすれば以下の作用効果を奏することができる。
まず、本構成では、圧縮手段及び調圧手段の採用により燃料電池の作動圧力より格段に高圧で用いられるので、ＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作のレスポンス遅れを改善することができる。
【００１１】
更に詳しく説明すれば、いま燃料電池の水素消費レ−トが急に増大してその作動圧力が急低下したとする。すると、調圧手段が開いてＭＨタンクから燃料電池への水素含有ガス放出レ−トが増大し、ＭＨタンクの圧力が低下する。すると、この圧力低下に応じて、ＭＨタンクの水素吸蔵合金は水素ガスを放出する。この時点ではまだＭＨタンクの水素吸蔵合金と外部熱源との間の熱量授受レ−トの変更は行われないので、この時に水素ガス放出に必要な潜熱は、主に水素吸蔵合金、熱媒流体などの熱容量すなわちその温度低下（顕熱）で賄われる。すなわち、水素吸蔵合金はその熱容量が許す温度低下が上記圧力低下とバランスするまで水素ガスを放出することができ、レスポンスよく燃料電池の水素消費レ−ト増加に対応することができる。もちろん、この圧力低下の限界はＭＨタンク圧力が燃料電池の作動圧力にほぼ一致する場合である。上述したレスポンス向上効果は同様に燃料電池の水素消費レ−トが急に減少してその作動圧力が急増した場合にも生じることは当然である。
【００１２】
次に、本構成では、水素消費レ−トと水素産生レ−トとの差に関するデ−タに応じてＭＨタンクの授受熱量を変化させるので、言い換えれば、実際のリフォ−マ及び燃料電池の両方の運転状況の差を補償するようにＭＨタンクを運転するので、ＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作と、リフォ−マ及び燃料電池の両方の運転状況の実際の差との間のミスマッチングが生じないという効果を奏する。
【００１３】
すなわち、比較的緩慢に変化するＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作は、電力変化よりも緩慢に変化するリフォ−マ及び燃料電池の両方の運転状況の実際の差に応じて変化するのでミスマッチングが生じにくく、かつリフォ−マの水素産生レ−トがなんらかの不具合の発生などの理由で変化してもそれにレスポンスよく対応するので従来の単に電力変化だけでＭＨタンクの水素吸蔵、放出動作を変更する場合に比較して一層ミスマッチングを減らせ、熱経済の無駄や燃料電池における水素ガスの余剰が生じにくく、効率がよい。
【００１４】
請求項２記載の構成によれば、請求項１記載の燃料電池装置において更に、水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力に基づいて上記制御を実行するので、制御を簡素な構成で確実に実施することができる。
請求項３記載の構成によれば、請求項１又は２記載の燃料電池装置において、圧縮手段をリフォーマへ原燃料を供給する液ポンプとする。このようにすれば、圧縮手段を簡単に構成でき、圧縮に必要な動力を減らすことができる。
【００１５】
請求項４記載の構成によれば請求項１又は２記載の燃料電池装置において更に、圧縮手段をリフォ−マとＭＨタンクとの間の圧縮機とする。このようにすればＭＨタンクを燃料電池より十分に高圧下で使用するにもかかわらず、リフォ−マを低圧運転できるので、リフォ−マの耐圧低下によりその軽量化を図ることができる。
【００１６】
請求項５記載の構成によれば請求項３又は４記載の燃料電池装置において更に、水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より高い場合に圧縮手段を減速し、低い場合に加速する。
このようにすれば、燃料電池の水素消費レ−トの変化に応じて燃料電池への水素供給レ−トを一時的にでも高速追従させることができる。
【００１７】
請求項６記載の構成によれば、請求項２乃至５のいずれか記載の燃料電池装置において更に、水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より高い場合にリフォ−マの水素産生レ−トを低減させ、低い場合に増大させる。
このようにすれば、緩慢ではあるが、水素産生レ−トと水素消費レ−トとの差を低減して効率を向上することができる。
【００１８】
請求項７記載の構成によれば請求項１乃至６のいずれか記載の燃料電池装置において更に、リフォーマで生成された水素含有ガスを直接燃料電池へ供給するバイパス経路を設け、特定の条件、たとえば水素産生レ−トと水素消費レ−トとが一致する場合にバイパス回路を通じてリフォ−マからの水素含有ガスを供給する。このようにすればＭＨタンクを上記一致状態で切り離すことができ、それによる熱ロスなどを防止することができ、かつ、ＭＨタンクを好ましい圧力状態に制御（たとえば、燃料電池の水素消費レ−トが小さい場合にはＭＨタンクの水素吸蔵量を大きい状態としたり、燃料電池の水素消費レ−トが大きい場合にはＭＨタンクの水素吸蔵量を小さくしたりする制御）することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
リフォ−マの原料としては、水素含有ガスを発生可能なものであればよく、たとえばメタノ−ルが好適である。リフォ−マの水素産生レ−トを変更するには、その燃焼器の発生熱量を制御させて実施されるが、この時、リフォ−マへの原料（たとえばメタノ−ルや水）の供給圧も制御することもできる。
【００２０】
調圧手段としては、ノズルなどの単純な機構の他、出力圧力を一定に制御するレギュレ−タなどを用いることができる。
燃料電池には、固体高分子電解質型燃料電池が好適である。燃料電池のカソ−ドには空気を過剰に供給することが経済上、一般的であり、その圧縮動力の低減のために、燃料電池の運転圧力は比較的低いレベルに設定されるのが好ましい。
【００２１】
【実施例１】
車両に走行動力を供給するための本発明の燃料電池の一実施例を、その配置図である図１を参照して説明する。
（構成の説明）
１はリフォ−マ（改質器）であって、メタノ−ルタンク２に貯蔵されているメタノ−ルがポンプ３で加圧されて供給され、同様に水タンク４に貯蔵されている水がポンプ５で加圧されて供給される。ポンプ３、５の流量は、コントロ−ラ６により算出、決定される水素産生レ−トに応じてその回転数の変化により制御され、両ポンプ３、５の最大吐出圧は５ｋｇ／平方ｃｍＧ以上、好ましくは５．５ｋｇ／平方ｃｍＧ程度に設定されている。リフォ−マ１は燃焼器１１を内蔵し、この燃焼器１１で発生する熱により、原料であるメタノ−ルおよび水を気化させ、水素を主体とする水素含有ガスに改質する。産生された水素含有ガスは、リフォ−マ１の転化器１２にてＣＯ濃度を低減された後、ＭＨタンク（水素吸蔵合金内蔵タンク）７に送られる。
【００２２】
ＭＨタンク７は、熱交換器および水素吸蔵合金（図示せず）が収容された耐圧容器からなり、内部に水素含有ガスの流通経路を有する。ＭＨタンク７に流入した水素含有ガスは、水素吸蔵合金と水素を授受しながらレギュレ−タ８を通じて所定の基準圧力（ここでは１ｋｇ／平方ｃｍＧ）に調圧されて燃料電池９の燃料極に流入する。
【００２３】
燃料電池９は、燃料極に流入する水素含有ガスと、図示しないブロワにより空気極に流入する空気との反応により水を産生して発電するとともに水素ガスが残留する排ガスを排出する。また、燃料電池９は熱を発生するので、その冷却のために水が循環される。この実施例では、ＭＨタンク７の水素放出時には、後述する循環ポンプ１６の運転により燃料電池９とＭＨタンク７との間での温水を循環させ、燃料電池９の発生熱をＭＨタンク７に与えている。また、ＭＨタンク７の水素放出時以外では、図示しない循環ポンプの運転により燃料電池９の発生熱は外部のラジエ−タに排出される。また、燃料電池９の排ガスは図示しないバルブを通じてリフォ−マ１の燃焼器１１に送られてメタノ−ルとともに燃焼される。燃料電池９で発生した電力は図示しない電気回路を通じて負荷に給電される。なお、燃焼器１１の発生熱量はポンプ３、５によりリフォ−マ１に供給される原燃料を処理するのに必要十分であるように調節される。
【００２４】
１５はファン付きの外部熱交換器（ラジエ−タ）であって、この外部熱交換器１５で冷却された冷水は切り替えバルブ１７、循環ポンプ１６、熱交換器７１、外部熱交換器１５と循環して水素吸蔵合金を冷却する。また、水素吸蔵合金の加熱時には、上述したように循環ポンプ１６から送出された水は、熱交換器７１、燃料電池９、切り替えバルブ１８と循環して水素吸蔵合金を加熱する。
【００２５】
２０はＭＨタンク７の圧力を検出する圧力センサであり、この実施例では、このＭＨタンク７の圧力に基づいて各種制御を実行する。なお、リフォ−マ１の水素産生レ−トと燃料電池９の水素消費レ−トとの差に応じた状態量としては、ＭＨタンク７の圧力の他にＭＨタンク７を循環する水の温度などでもよい。
（基本動作の説明）
以下、この燃料電池装置の基本動作を説明する。
【００２６】
ポンプ３、５を駆動し、レギュレ−タ８の調圧により燃料電池９の内圧が１ｋｇ／平方ｃｍＧとなるように調整し、燃料電池９から排出される排ガスはリフォ−マ１の燃焼器１１でメタノ−ルとともに燃やされ、リフォ−マ１は改質反応により水素含有ガスを産生する。リフォ−マ１が立ち上がるまでのリフォ−マ起動初期において、リフォ−マ１の水素産生レ−トの不足を補償するためにＭＨタンク７になんらかの方法で発生させた温水を送って水素ガスを放出させることができ、燃料電池９の運転の停止後のリフォ−マ１の運転終了に際してリフォ−マ１から産生される水素含有ガス中の水素ガスをＭＨタンク７に吸蔵するためにＭＨタンク７をラジエ−タ１５で冷却することができる。
（制御動作の説明）
次に、リフォ−マ１、ＭＨタンク７及び燃料電池９の能力制御について説明する。これらの能力制御を無段階制御することは当然可能であるが、この実施例では説明及び制御動作を簡単とするために多段階制御を行うものとして説明する。
【００２７】
（リフォ−マ１の制御）
リフォ−マ１の水素産生レ−トは、制御を簡単とするために、相対数値で表示して、最大（１００％運転＝１）、中間（５０％運転＝０．５）、停止（０）の３段階に制御するものとし、この制御はポンプ３、５の回転数の調節すなわちリフォ−マ１への原燃料の供給量を上記３段階に調節することにより行い、それに応じてリフォ−マ１の燃焼器１１の発生熱量もメタノ−ル供給量の調節により上記３段階に変更する。ただ、この実施例では、ＭＨタンク７の圧力を高圧に維持するために、ポンプ３、５の吐出圧は少なくとも燃料電池９への水素含有ガスの送出圧力が１ｋｇ／平方ｃｍＧ以上、この実施例ではＭＨタンクの圧力が最大限５．５ｋｇ／平方ｃｍＧに達し得るように設定する。
【００２８】
（ＭＨタンク７の制御）
ＭＨタンク７の水素吸蔵、放出レ−トはＭＨタンクの授受熱量により調節できるので、この実施例では、循環ポンプ１６の回転数を全負荷運転、部分負荷運転、停止の三段階に変更して１００％吸蔵、５０％吸蔵、停止、５０％放出、１００％放出の５段階に調節するものとする。
【００２９】
結局、ＭＨタンク７の１００％吸蔵又は１００％放出における水素授受量がリフォ−マ１の最大に等しいと簡単のために仮定すると、リフォ−マ１及びＭＨタンク７の動作の組み合わせにより、ＭＨタンク７から燃料電池９へ供給される水素供給レ−トは相対値で表示すれば、２、１．５、１、０．５、０の５段階に調節できることがわかる。
【００３０】
（燃料電池９の制御）
燃料電池９の発電能力（発電可能な電力）は、燃料電池９の燃料極の平均水素分圧と、それに対応して調節される燃料電池９の空気極の平均酸素分圧とにより決定され、これら平均分圧はこれらの極に供給される水素及び酸素の供給レ−トと、これらの極内における水素及び酸素の減少レ−トとに関連し、前者はＭＨタンク７から燃料電池９への水素含有ガスの流入流量に関連し、後者は燃料電池９の実際の発電量（水生成量）に関連する。したがって、燃料電池９の発電能力の制御としては、発電状況に応じて燃料電池９への水素含有ガス及び空気の流入流量を能動的に調節する場合（能動モ−ド）と、電気負荷の消費電力すなわち燃料電池９の実際の発電量に応じて燃料電池９内の水素分圧及び酸素分圧が変化することにより燃料電池９へ流入する水素含有ガス及び空気の流入流量が受動的に調節される場合（受動モ−ド）との２つが存在する。更に具体的に説明する。
【００３１】
まず能動モ−ドついて更に詳しく説明する。
燃料電池９の実際の発電量すなわち電気負荷の電力消費が増大傾向となって燃料電池９への現在の水素及び酸素の供給レ−トにより規定される発電能力を上回る可能性が生じる場合には燃料電池９への水素及び酸素の供給レ−トを両方とも無段階又は段階的に増大させて燃料電池９の発電能力を増大させ、逆の場合には、燃料電池９への水素及び酸素の供給レ−トを両方とも無段階又は段階的に減少させて燃料電池９の発電能力を減少させる。この燃料電池９への水素及び酸素の供給レ−トの能動的な調節は、燃料電池９からリフォ−マ１の燃焼器１１へ排出する排ガスの流量を制御する弁を開くことにより行う。たとえば、燃料電池９の発電能力の増大時には、このバルブを開くと排ガス流量の増大により燃料電池９の燃料極の圧力が低下してレギュレ−タ８の出力圧が低下傾向となり、これを補償するためにレギュレ−タ８が開いて水素含有ガス流量を増大させて燃料電池９の燃料極の圧力が基準圧に保持される。同様に、燃料電池９の空気極に空気を送る不図示のブロワの空気流量も上記水素含有ガス流量の増大に応じて増大される。なお、ブロワの空気流量はあらかじめ大きく設定しておいて制御を簡素化してもよい。燃料電池９の発電能力の減少時には上記と逆の動作を行うが、その説明は省略する。
【００３２】
次に受動モ−ドについて更に詳しく説明する。
燃料電池９の実際の発電量が増大すると、燃料電池９内の平均水素分圧及び平均酸素分圧が低下してその分だけ燃料電池９の圧力が低下するので、その分だけレギュレ−タ８の補償作用によりＭＨタンク７から燃料電池９への水素含有ガスの供給レ−トが増加する。なお、あらかじめ空気供給レ−トを多少過剰に設定しておけば、空気側の空気供給レ−トが水素含有ガスの供給レ−トと同じ割合で増加させなくてもよいので制御が簡単または不要となる。燃料電池９の発電量の減少時には上記と逆の動作を行うが、その説明は省略する。
【００３３】
なお、上記能動制御と受動制御とを一緒に行ってもよいが、場合によっては受動制御のみを行っても良い。燃料電池９の電気負荷は上記リフォ−マ１の水素産生レ−トの段階調節に合わせて１（１００％運転）、０．５（５０％運転）、停止の三段階に変化する負荷とすることが特に好ましいが、その他の任意に変化する電気負荷を用いることもできる。
【００３４】
また、この実施例のシステムに用いた場合に燃料電池９の最大水素消費レ−トは、リフォ−マ１の最大水素産生レ−トとＭＨタンク７の最大水素放出レ−トの合計に等しく、この実施例ではリフォ−マ１の最大水素産生レ−トの２倍に設定されている。これにより燃料電池９は本システムの運転条件下において最大でリフォ−マ１の水素産生レ−トに相当する発電能力の２倍の発電能力をもつように設計されている。
【００３５】
次に、マイコン内蔵のコントロ−ラ６によるリフォ−マ１及びＭＨタンク７の制御例について図２のフロ−チャ−トを参照して以下に説明する。
まず、予めリフォ−マ１及び燃料電池９を所定モ−ドで設定しておく。ただし、この初期時点では、燃料電池９の水素消費レ−トはリフォ−マ１の水素産生レ−トに一致するように設定しておくことが好ましい。
【００３６】
次に、圧力センサ２０からＭＨタンク７の圧力Ｐｍｈを検出する（Ｓ１００）。上述したように、ＭＨタンク７の圧力Ｐｍｈは上述した燃料電池９の能動的又は受動的な水素消費レ−トの変化により生じる。次に、Ｓ１０１に進み、検出した圧力Ｐｍｈに基づいてＭＨタンク７の制御を行う。
更に詳しく説明すると、圧力Ｐｍｈが３．０ｋｇ／平方ｃｍＧ未満の場合は、Ｓ１０２に進んでポンプ１６を能力１００％で駆動し、バルブ１７を閉じ、バルブ１８を開き、温熱を１００％供給してＭＨタンク７から１００％能力で水素を発生する。
【００３７】
圧力Ｐｍｈが３．０〜３．５ｋｇ／平方ｃｍＧの場合は、Ｓ１０３に進んでポンプ１６を能力５０％で駆動し、バルブ１７を閉じ、バルブ１８を開き、温熱を５０％供給してＭＨタンク７から５０％能力で水素を発生する。
圧力Ｐｍｈが４．５〜５．０ｋｇ／平方ｃｍＧの場合は、Ｓ１０４に進んでポンプ１６を能力５０％で駆動し、バルブ１７を開き、バルブ１８を閉じ、冷却水を５０％供給してＭＨタンク７で５０％能力で水素を吸収する。
【００３８】
圧力Ｐｍｈが５．０ｋｇ／平方ｃｍＧ以上の場合は、Ｓ１０５に進んでポンプ１６を能力１００％で駆動し、バルブ１７を開き、バルブ１８を閉じ、冷却水を１００％供給してＭＨタンク７により１００％能力で水素を吸収する。
Ｓ１０１にて、圧力Ｐｍｈが３．５〜４．５ｋｇ／平方ｃｍＧの範囲にある場合はリフォ−マ１の水素産生レ−トと燃料電池９の水素消費レ−トとがマッチングしているものとしてＳ１００へリタ−ンする。
【００３９】
次に、Ｓ１０２、Ｓ１０３では、リフォ−マ１の水素産生レ−トが燃料電池９の水素消費レ−トより小さいわけであるので、現在のリフォ−マ１の水素産生レ−トが５０％レ−トかどうかを調べ（Ｓ１０６）、そうであればその水素産生レ−トを１００％に変更して（Ｓ１０７）、Ｓ１００へリタ−ンする。Ｓ１０６にて現在のリフォ−マ１の水素産生レ−トが５０％でなければ、更に現在のリフォ−マ１の水素産生レ−トが０％（停止）かどうかを調べ（Ｓ１０８）、０％であれば５０％に増大して（Ｓ１０９）、０％であればただちに、Ｓ１００へリタ−ンする。
【００４０】
次に、Ｓ１０４、Ｓ１０５では、リフォ−マ１の水素産生レ−トが燃料電池９の水素消費レ−トより大きいわけであるので、現在のリフォ−マ１の水素産生レ−トが１００％レ−トかどうかを調べ（Ｓ１１０）、そうであればその水素産生レ−トを５０％に変更して（Ｓ１１１）、Ｓ１００へリタ−ンする。Ｓ１１０にて現在のリフォ−マ１の水素産生レ−トが１００％でなければ、更に現在のリフォ−マ１の水素産生レ−トが５０％かどうかを調べ（Ｓ１１２）、５０％であれば０％に減らして（Ｓ１１３）、０％であればただちに、Ｓ１００へリタ−ンする。
【００４１】
なお、上記したリフォ−マ１の水素産生レ−トの変更指令から実際のその変更には時間がかかるので、Ｓ１００からＳ１０５に至る制御を実際には多数回繰り返し、Ｓ１０６からＳ１０９に至るリフォ−マ１の水素産生レ−トの増大制御、又は、Ｓ１１０からＳ１１３に至るリフォ−マ１の水素産生レ−トの減少制御は所定のより長い時間経過した場合に初めて一回だけ実行することが好ましい。
【００４２】
【実施例２】
実施例１の変形態様である実施例２の燃料電池装置を図３を参照して説明する。
この燃料電池装置は、図１の燃料電池装置において、リフォ−マ１の出口と燃料電池９の入口との間をバイパスするバイパス経路３０を設け、このバイパス経路にレギュレ−タ３１を設け、更にリフォ−マ１とＭＨタンク７との間に逆止弁３２を設け、更にリフォ−マ１の出口に圧力センサ３３を設けたものである。
【００４３】
この実施例では、リフォ−マ１の水素産生レ−トと燃料電池９の水素消費レ−トとが一致する運転状況を検出し、一致する場合にレギュレ−タ３１を開いてリフォ−マ１の水素含有ガスをＭＨタンク７を経由することなく燃料電池９に供給する。
このようにすれば、無用な圧力損失を減らすことができ、また、ＭＨタンク７の水素吸蔵状態を最適レベルに維持することが容易となる。なお、レギュレ−タ３１によりバイパスを開始すると、逆止弁３２の存在のために圧力センサ２０が水素産生レ−トと水素消費レ−トとの差に追従しなくなる可能性があるので、図２の制御は圧力センサ３３に基づいて行うことができる。または、この実施例では、圧力センサ２０は非常検出用とし、図２の制御は常に圧力センサ３３で行ってもよい。
【００４４】
【実施例３】
実施例１の変形態様である実施例３の燃料電池装置を図４を参照して説明する。
この燃料電池装置は、図１の燃料電池装置において、リフォ−マ１とＭＨタンク７との間に圧縮機３４を設けたものである。圧縮機３４は燃料電池９へ水素を供給する場合にはＭＨタンク７の圧力を増大させるために運転される。
【００４５】
このようにすれば、リフォ−マ１を実施例１よりも格段に低圧で作動させることができるので、その耐圧低下により小型軽量化を図ることができる。
なお、図５は実施例２及び３を組み合わせたものであって、両実施例の作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１の燃料電池装置のブロック図である。
【図２】図１の燃料電池装置のリフォ−マ１及びＭＨタンク７の制御を示すフロ−チャ−トである。
【図３】この発明の実施例２の燃料電池装置のブロック図である。
【図４】この発明の実施例３の燃料電池装置のブロック図である。
【図５】この発明の実施例４の燃料電池装置のブロック図である。
【符号の説明】
１はリフォ−マ、３はポンプ（圧縮手段）、５はポンプ（圧縮手段）、６はコントロ−ラ（制御手段）、７は水素吸蔵合金内蔵タンク（ＭＨタンク）、８はレギュレ−タ（調圧手段）、９は燃料電池、２０は圧力センサ（検出手段）。

Claims

供給される原料から水素含有ガスを産生するリフォーマと、供給される水素含有ガスにより発電する燃料電池と、水素吸蔵合金を内蔵して前記リフォーマと前記燃料電池のアノードとの間に介設される水素吸蔵合金内蔵タンクと、前記水素吸蔵合金内蔵タンクと熱量を授受する外部熱源とを備える燃料電池発電装置において、
前記水素吸蔵合金内蔵タンクの内部圧力を前記燃料電池の燃料極の作動圧より所定圧以上高く保持する圧縮手段と、
前記水素吸蔵合金内蔵タンクから前記燃料電池へ供給される水素含有ガスの圧力を前記作動圧に調圧する調圧手段と、
前記リフォーマの水素産生量と前記燃料電池の水素消費量との差に関連する状態量を検出する検出手段と、
前記状態量に基づいて前記水素吸蔵合金内蔵タンクと前記外部熱源との熱量授受を制御して前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力変化を抑圧する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１記載の燃料電池装置において、
前記制御手段は、前記状態量をなす前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より高い場合に前記水素吸蔵合金内蔵タンクへの冷熱供給を指令し、前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より低い場合に前記水素吸蔵合金内蔵タンクへの温熱供給を指令することを特徴とする燃料電池装置。
請求項１又は２記載の燃料電池装置において、
前記圧縮手段は、前記リフォーマへ原燃料を供給する液ポンプからなることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１又は２記載の燃料電池装置において、
前記圧縮手段は、前記リフォ−マと前記水素吸蔵合金内蔵タンクとの間に介設される圧縮機からなることを特徴とする燃料電池装置。
請求項３又は４記載の燃料電池装置において、
前記制御手段は、前記状態量をなす前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より高い場合に前記圧縮手段を減速し、前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より低い場合に前記圧縮手段を加速することを特徴とする燃料電池装置。
請求項２乃至５のいずれか記載の燃料電池装置において、
前記制御手段は、前記状態量をなす前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より高い場合に前記リフォ−マの水素産生レ−トを低減させ、前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力が所定圧より低い場合に前記水素産生レ−トを増加させることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１乃至６のいずれか記載の燃料電池装置において、
前記リフォーマで生成された水素含有ガスを直接燃料電池へ供給するバイパス経路と、
前記バイパス回路と前記水素吸蔵合金内蔵タンクへの供給経路とを切換える切換手段とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１記載の燃料電池装置において、
前記制御手段は、前記リフォーマが水素含有ガスを産生している期間に前記状態量に基づいて前記水素吸蔵合金内蔵タンクと前記外部熱源との熱量授受を制御して前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力変化を抑圧することを特徴とする燃料電池装置。
請求項１記載の燃料電池装置において、
前記調圧手段は、前記制御手段が前記状態量に基づいて前記水素吸蔵合金内蔵タンクと前記外部熱源との熱量授受を制御して前記水素吸蔵合金内蔵タンクの圧力変化を抑圧している期間に前記水素吸蔵合金内蔵タンクから前記燃料電池へ供給される水素含有ガスの圧力を前記作動圧に調圧することを特徴とする燃料電池装置。