JPH09306531A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質器における水素発生能力増大のタイムラ
グを解消するには、極めて大きな緩衝用タンクが必要で
あった。 【解決手段】 燃料電池本体３０の側で必要とする水素
の不足状況に応じて、ＥＣＵ２０は、開閉バルブ５３を
開弁して緩衝用タンク５０内の水素を使用したり、三方
バルブ４３を切り替え昇圧器６１を作動して未反応水素
を還流させたり、昇圧器６２，６３を作動して導入圧力
を上昇させる。必要な水素量の増加が一時的な場合に
は、緩衝用タンク５０内の水素と配管内の水素を利用す
ることにより、小さな緩衝用タンク５０であっても一時
的な負荷の急増に対して、実用的な発電量を得られるよ
うにすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、特に、急激な負荷変動に対応するために緩衝用
タンクを備えた燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、改質器等の燃料ガス製造手段を用
い、改質器にて燃料ガスとしての水素を発生させ、この
水素を用いて燃料電池により発電を行なう燃料電池シス
テムが知られている。こうした燃料電池システムでは、
改質器による水素の発生能力にはタイムラグがあり、燃
料電池の負荷が要求する電力量の急増に対して、十分に
対応することができない。例えばこの燃料電池システム
を利用した電気自動の場合、車輌が急な上り坂にさしか
かったりアクセルが急に踏み込まれると、負荷であるモ
ータが必要とする電力、即ち燃料電池に対する要求電力
は急増し、燃料電池での燃料ガスである水素の消費量も
急増する。他方、改質器での水素の改質反応を高めるに
は、少なくとも数十秒の時間を必要とするため、燃料電
池での水素の消費に対してその供給が追いつかないとい
う状態が現出する。

【０００３】かかる問題を解決するために、水素の配管
路に緩衝用タンクを設けたもの（例えば特開昭５８−１
６６６７４号）や、水素の配管路に水素吸蔵合金充填し
た緩衝用タンクを設けたもの（例えば実開平６−８２７
５６号）が知られている。これらは、水素を予め緩衝用
タンクに充填しておき、負荷が急増して燃料電池におけ
る水素の消費量が急増した場合、タンクに蓄積しておい
た水素を出力させることによって負荷の変動に対応しよ
うとするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の燃料電池システムでは、緩衝用タンクの大きさ
が極めて大きくなってしまうという問題があった。この
点を電気自動車を例にとって説明する。電気自動車が上
り坂にさしかかるなどして負荷が増大した場合、改質器
を制御して水素の発生能力を増大させようとしても、要
求される量の水素を発生できるようになるまでには数十
秒のタイムラグが存在するから、緩衝用タンクに必要と
される貯留能力は、このタイムラグを解消できる程度の
貯留量ということになる。実験により、現状での通常能
力の改質器におけるタイムラグは３０秒程度であること
が分かっている。他方、３０ｋＷ級の燃料電池で最大能
力を発電させようとすると、４００リットル／分の水素
が必要となる。従って、この改質器と燃料電池とを組み
合わせた燃料電池システムの場合、３０秒間のタイムラ
グを解消するのに、２００リットルの貯留能力を有する
水素タンクを車載しなければならない。例え、貯留能力
の高い水素吸蔵合金を利用したタンクを用いても、これ
だけの貯留能力を有する緩衝用タンクを搭載することは
極めて困難であった。

【０００５】また、水素吸蔵合金の場合、水素の吸蔵お
よび放出には放熱もしくは吸熱の反応を伴うから、負荷
の急増に応答して水素を放出させるには多量の熱量を加
えることが必要となる。したがって、水素吸蔵合金を利
用した緩衝用タンクを用いる場合には、かかる熱量を供
給するための機構や熱量の供給を制御する手段を設けな
ければならないという問題も指摘されていた。

【０００６】本発明は、上述した燃料電池システムの問
題を解決するものであり、負荷の急増に対応可能な小型
で構成が容易な燃料電池システムを提供することを目的
としてなされた。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】か
かる目的を達成する本発明の第１の燃料電池システム
は、燃料電池を備え、この燃料電池を用いて電力を外部
に供給する燃料電池システムであって、前記燃料電池用
の燃料ガスを生成する燃料ガス製造手段と、この燃料ガ
ス製造手段から前記燃料電池に至るガス供給用通路およ
びこの燃料電池からの排気通路を含む配管路と、この配
管路の該供給用通路に介在され、前記燃料ガスを貯留可
能な緩衝用タンクと、前記燃料電池に対する外部からの
電力要求の一時的な増加を検出する要求量検出手段と、
該要求量検出手段により電力要求の一時的な増加が検出
されたとき、前記配管路内および前記緩衝用タンクの燃
料ガスを利用して、前記燃料電池に供給するガス量を一
時的に増加させる反応ガス量増加手段とを備えたことを
要旨とする。

【０００８】この燃料電池システムでは、要求量検出手
段により、燃料電池に対する外部からの電力要求の一時
的な増加が検出されると、反応ガス量増加手段が、配管
路内および緩衝用タンクの燃料ガスを利用して、燃料電
池に供給するガス量を一時的に増加させる。配管路内お
よび緩衝用タンクの燃料ガスの利用の形態としては、単
に緩衝用タンクの燃料ガスを供給するだけでなく、燃料
ガスの圧力を高めて、燃料電池における発電効率を一時
的に高めるといった利用も可能である。また、配管路内
の燃料ガスの利用としては、こうした圧力の上昇による
利用のみならず、排気通路に存在する未反応の燃料ガス
を還流して利用するといった対応も可能である。この結
果、要求電力量の一時的な増加に対して、燃料ガス製造
手段による燃料ガスの製造が追従しない場合でも、要求
電力量の増加に対応して、燃料電池に供給する燃料ガス
量を増加することができる。

【０００９】こうした燃料電池システムを、車輌の駆動
エネルギを供給するシステムとして用いた場合、要求量
検出手段を、車輌が走行する地形の情報を入力して電力
要求の一時的な増加を検出する手段とすることができ
る。車輌が走行する地形の情報を入力する構成として
は、車輌に設けた勾配センサなどから、上り坂などの情
報を入力するものや、運転者が「登坂」などのボタンを
押す構成なども採用可能である。

【００１０】また、こうした車輌の駆動エネルギを供給
する燃料電池システムにおいて、要求量検出手段に、車
輌の走行範囲の地形情報を予め記憶した地形情報記憶手
段と、少なくとも車輌の走行位置および走行方向を含む
走行情報を検出する走行情報検出手段と、該検出された
走行位置と走行方向とに基づいて、前記地形情報記憶手
段に記憶され地形情報を参照し、将来の電力要求の一時
的な変動を推定する推定手段とを備えることも可能であ
る。

【００１１】かかる燃料電池システムでは、車輌が近い
将来さしかかるであろう地形を推定して電力要求の一時
的な変動を推定することができる。最近の車輌では、Ｇ
ＰＳなどを利用したナビゲーションシステムを搭載して
いる場合があり、こうしたナビゲーションシステムを利
用して、将来の走行位置から、電力要求の一時的な変動
を推定し、燃料ガスの消費量の変動に備えることも可能
である。なお、地形情報には、単に勾配だけでなく、高
速道路などの情報も含めることができる。こうした場合
には、車輌が近い将来高速道路に進入することを予測
し、ランプから高速道路に進入し加速する際の要求電力
の一時的な増加を推定することも可能である。

【００１２】本発明の燃料電池システムにおいて、その
緩衝用タンクを、要求量検出手段により検出された要求
電力の一時的な増加に対応して燃料電池が必要とする燃
料ガス量の１／２以下を貯留するタンクとすることがで
きる。反応ガス量増加手段が、配管路内および緩衝用タ
ンクの燃料ガスを上述した種々の手法により利用すれ
ば、要求電力の一時的な増加に対応して燃料電池が必要
とする燃料ガス量の１／２ないし１／７程度まで緩衝用
タンクの貯留量を低減できる。

【００１３】更に本発明の燃料電池システムでは、緩衝
用タンク内の燃料ガスは、反応ガス増加手段により利用
されることがあるから、電力要求の一時的な増加が終了
した後の所定のタイミングで、反応ガス量増加手段が利
用したことにより失われた緩衝用タンク内の燃料ガス
を、燃料ガス製造手段により製造された燃料ガスにより
補充する補充手段を備えることも好適である。かかる燃
料ガスの補充は、燃料ガス製造手段による燃料ガスの製
造量を増加して行なっても良いし、燃料電池が必要とす
る燃料ガス量が低減することを検出し、燃料電池が必要
とする燃料ガスの量が低減しているタイミングを利用し
て行なっても良い。

【００１４】また、車輌の駆動エネルギを供給する燃料
電池システムにおいて、燃料電池に対する外部からの電
力要求の所定期間を越える増加を検出する要求量継続増
加検出手段と、この要求量継続増加検出手段により電力
要求の所定期間を越える増加が検出されたとき、燃料ガ
ス製造手段による燃料ガスの製造量を増加させる製造量
増加手段とを備えることも可能である。この場合には、
一時的な増加に対しては反応ガス量増加手段による対応
がなされ、継続的な増加に対しては、製造量増加手段に
よる対応がなされることになる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例
について説明する。図１は本発明の一実施例としての燃
料電池システムの概略構成を示すブロック図、図２は制
御入力としての地形情報を出力するナビゲーションシス
テムの概略構成を示すブロック図、図３は第１実施例に
おける制御内容を示すフローチャート、である。

【００１６】本実施例の燃料電池システムは、燃料電池
の燃料ガスである水素を製造する改質器１０、水素と酸
素とから発電を行なう燃料電池本体３０、改質器１０と
燃料電池本体３０とを接続する配管路４０、配管路４０
に介装された緩衝用タンク５０、配管路４０に設けられ
たバルブ，昇圧器および改質器１０等を制御する電子制
御装置（以下、ＥＣＵと言う）２０から構成されてい
る。

【００１７】改質器１０は、燃料タンク１１から供給さ
れるメタノールなどの炭化水素化合物と、水タンク１２
から供給される水とを反応させて水素を発生させるもの
である。この改質器１０には、改質反応に必要な熱エネ
ルギを得るためのバーナが内蔵され、その燃料として燃
料タンク１１からメタノールを供給する燃焼燃料ライン
１３と、燃焼用の空気を大気から取り込む燃焼空気ライ
ン１４とを備えている。これらのメタノールや空気の供
給量は制御可能となっており、改質器１０は、後述する
ＥＣＵ２０から入力される制御信号に基づいて、改質反
応の温度などの諸条件を変化させ、水素の発生量を増減
することができる。

【００１８】この改質器１０が燃料ガス製造手段に該当
する。本実施例においては燃料ガス製造手段として、メ
タノールから水素を発生するものを一例として説明して
いるが、後述する燃料電池本体３０が必要とする燃料ガ
スを生成するものであれば良く、その原料及び生成物に
ついては周知の種々の構成が採用可能である。また、本
実施例では、内蔵したバーナにより燃料を燃焼させて、
改質器１０の改質反応が行なわれる部位の温度を所定の
温度としているが、加熱方法、反応方法などについても
適宜変更可能である。なお、本実施例においては、バー
ナへ燃料を供給するにあたって燃料電池本体３０から排
出される未反応水素を供給する未反応水素燃焼ライン１
５も備えられており、燃料電池本体３０の定常的に運転
される状態となれば、この未反応水素をバーナに供給し
て燃焼に供することも可能となっている。未反応水素の
利用については後で詳述する。

【００１９】燃料電池本体３０は、固体高分子電解質膜
を用いた公知の燃料電池であり、配管路４０を介して改
質器１０に連結されており、所定温度環境下で、同配管
路４０中に介在された加湿器３１にて加湿された水素を
含む改質ガスと水蒸気との混合ガスと、空気ライン３２
から供給される空気中の酸素とを使用して発電を行な
う。発電のための反応は公知のものを利用しており、一
対の電極３３，３４より外部に電力を供給する。燃料電
池本体３０での発電は基本的に供給される燃料ガスの量
によって制限されるため、供給する燃料ガスの量を適宜
制御して発電能力を制御することができる。また、上述
したように燃料電池本体３０は反応過程で残った未反応
水素を排出しており、配管路４０の一部を利用して改質
器１０における未反応水素燃焼ライン１５へと供給して
いる。なお、本実施例の燃料電池本体３０は発電容量が
３０ｋＷ級のものである。

【００２０】燃料電池としては、一般に水素を燃料ガス
とするものが多いが、改質器１０などから供給される燃
料ガスを利用して発電可能なものであれば良く、その原
料、反応については特に限定されるものではない。固体
高分子電解質膜を用いたものの他、アルカリ性電解質型
燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩（例えば溶融
炭酸塩）電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リ
ン酸型燃料電池など、種々の形式の燃料電池を用いるこ
とができる。

【００２１】改質器１０と燃料電池本体３０とを繋ぐ配
管路４０は、少なくとも改質器１０から前記加湿器３１
へ水素を供給する往路部４１と、燃料電池本体３０から
改質器１０の側へ未反応水素を戻す復路部４２とを備え
る。これらの往路部４１と復路部４２とは、ＥＣＵ２０
にて開閉を切り換え制御される三方バルブ４３を介して
連結されている。この三方バルブ４３は、通常は往路部
４１と復路部４２との間を閉じており、未反応ガスが復
路部４２から未反応水素燃焼ライン１５へと戻されるよ
うにしている。

【００２２】この配管路４０における往路部４１には緩
衝用タンク５０が、並列に接続されている。緩衝用タン
ク５０は、約３０リットルの水素を貯留可能な容積を有
し、吸気側にはコンプレッサからなる昇圧器５１と開閉
バルブ５２とが接続され、排気側には開閉バルブ５３が
接続されている。この緩衝用タンク５０は前記改質器１
０から放出される水素量に、前記燃料電池本体３０へ供
給すべき水素量よりも余剰分があるときに一時的に蓄積
しておくものであり、その給排はＥＣＵ２０から、昇圧
器５１，開閉バルブ５２および開閉バルブ５３へ出力さ
れる制御信号により制御される。

【００２３】本実施例で用いた緩衝用タンク５０は水素
を貯留可能な通常のタンクであるが、水素の一時的な貯
留を可能とするものでその構成は問わない。例えば、タ
ンク内に水素吸蔵合金を充填しておき、温度差を与えて
水素の吸着、放出を行なうようにしても良い。いずれの
構成を採用した場合でも、本実施例にいう緩衝用タンク
５０は、燃料電池本体３０の負荷が大きくなったときに
必要な燃料ガスを十分にまかなうことができるほどの大
容量なものは想定していない。電気自動車の駆動用モー
タに電力を供給する本実施例の燃料電池本体３０では、
アクセルの踏み込みなどに伴い、その要求電力が急増す
る場合が考えられる。こうした要求電力の急増に対し
て、改質器１０の能力の向上が追いつくには、本実施例
では約３０秒が必要である。この３０秒間のタイムラグ
を解消するためには、約２００リットルの水素を貯留す
る容量が必要となるが、本実施例で採用した緩衝用タン
ク５０の場合は３０リットルほどの容量となっている。
水素吸蔵合金を用いた場合でも、同等の水素が吸蔵でき
る程度の容量のものを用いる。本来必要とされる水素量
よりも数分の１の容量の緩衝用タンク５０で足りる理由
については、ＥＣＵ２０による制御と共に後述する。

【００２４】上述した配管路４０の三方バルブ４３は通
常時は往路部４１と復路部４２との間を閉じていること
は既に説明したが、ＥＣＵ２０からの制御信号に基づい
て同往路部４１と復路部４２との間を開くとともに、復
路部４２と未反応水素燃焼ライン１５へとの間を閉じる
ことができる。このときに同往路部４１と復路部４２と
の間に直列に介在されている昇圧器６１を、ＥＣＵ２０
からの制御信号に基づいて駆動すれば、燃料電池本体３
０から排気されて配管路４０中に流されている未反応水
素を往路部４１に還流させることができる。未反応水素
の還流により、燃料電池本体３０へ供給される水素量を
一時的に増やして発電量を増加させることができる。

【００２５】すなわち、本実施例においては、かかる配
管路４０の構成と三方バルブ４３と昇圧器６１、および
これらを制御するＥＣＵ２０とによって還流手段を構成
する。本実施例においては還流経路をこのように設定し
ているが、燃料電池本体３０から排気される未反応水素
が再び燃料電池本体３０へ供給される構成をとるのであ
れば、バルブのタイプや配置などは適宜変更可能であ
る。また、後述するＥＣＵ２０における制御例について
も、実質的に未反応水素の還流を実現できれば良いこと
はいうまでもない。

【００２６】一方、配管路４０の往路部４１には、加湿
器３１の手前に昇圧器６２が介装されるとともに、燃料
電池本体３０に酸素を含んだ空気を送り込む空気ライン
３２にも昇圧器６３が介在されている。これらの昇圧器
６２，６３は、ＥＣＵ２０からの制御信号に基づいて、
その動作が制御されている。これらの昇圧器６２，６３
を駆動すると、燃料電池本体３０へ供給される水素の圧
力と空気の圧力とが上昇する。この導入圧力が高まる
と、燃料電池本体３０内における水素ならびに空気中に
含まれる酸素の利用率が増加し、発生する電力も増加す
る。

【００２７】従って、本実施例においては、これらの昇
圧器６２，６３とＥＣＵ２０とによって導入圧力増加手
段を構成している。導入圧力を増加させるにはこのよう
なコンプレッサなどからなる昇圧器６２，６３を使用す
る以外の各種方法が適用可能である。例えば、配管路４
０の往路部４１にシリンダ−ピストンタイプのポンプを
配設するとともに、アクセルワイヤに連結してピストン
を押し込み可能にしておく。このようにすれば、アクセ
ルを踏み込んだときに配管路４０内の圧力が高まり、同
じ効果が得られる。

【００２８】上述した各種制御を行うＥＣＵ２０は、各
種演算処理を行う中央演算処理ユニットのＣＰＵ２１
と、プログラムや各種データなどを記憶する読み出し専
用メモリのＲＯＭ２２と、演算処理で利用するデータな
どを一時的に記憶するＲＡＭ２３と、外部機器との信号
のやりとりを実行するＩ／Ｏ２４などを備えており、図
３に示すフローチャートに対応したプログラムを実行し
ている。この意味で当該ＥＣＵ２０は燃料ガス量制御手
段を構成する。

【００２９】一方、このＥＣＵ２０には、データ入力手
段としての、アクセル開度センサ７１と、地形情報を出
力するためのナビゲーションシステム７２と、改質器１
０に内蔵されて発生した水素量をフィードバックするた
めの流量計１６が接続されている。

【００３０】アクセル開度センサ７１は、アクセルペダ
ル７５に連結されて同ペダルの踏み込み量を検出するポ
ジションセンサであり、ＥＣＵ２０に対してアクセルペ
ダル７５の踏み込み量に対応した信号を出力する。アク
セルペダルの踏み込み量は、概ね燃料電池本体３０に対
する要求電力に対応しており、この踏み込み量だけから
燃料電池本体３０の負荷を推定することもできる。

【００３１】本実施例では、更に、地形情報を入力する
ためのナビゲーションシステム７２も備えている。同ナ
ビゲーションシステム７２は、図２に示すように、ＧＰ
Ｓユニットと自立航法ユニットとマップとマップマッチ
ングユニットとを備えており、ＧＰＳユニットと自立航
法ユニットとによって位置情報を求めつつ、マップマッ
チングユニットにて予め記憶したマップの地図データと
照らし合わせて正確な位置を求める。そして、同地図デ
ータから走行中の道路およびこれから走行しようとして
いる道路の傾斜を求めるようにしている。

【００３２】本実施例においては、地形情報としてナビ
ゲーションシステム７２にて道路の傾斜情報を得ている
が、負荷に影響を及ぼすような地形データであればよ
い。従って、高速道路の入口のように大きな負荷がかか
る前提情報であっても同様に地形データとして処理可能
である。一方、傾斜として考えた場合、重力式の傾斜セ
ンサ７３で検出するようにしても良い。

【００３３】流量計１６は、改質器１０により供給され
る水素の流量を計測するものであり、可動羽根を有する
周知の気体用の流量計を用いることができる。なお、流
量計１６は、必ずしも水素の流量を直接計測する必要は
なく、発生する水素の量が判断できれば圧力計を用いる
ことも可能である。

【００３４】次に、ＥＣＵ２０の制御プログラムを参照
しつつ本実施例の燃料電池システムの動作を説明する。
ＥＣＵ２０は、燃料電池システムが使用状態になると、
図３に示す燃料電池制御処理を実行する。この処理が起
動されると、まず、ステップＳ１１０にて基礎データを
入力する。基礎データはアクセル開度センサ７１にて計
測されるアクセルペダルの踏み込み量や、ナビゲーショ
ンシステム７２から入力される地形情報としての傾斜量
である。

【００３５】基礎データを入力すると、ステップＳ１２
０にて必要な燃料ガス（水素）の量を算出する。本実施
例の場合、アクセルペダルの踏み込み量だけではなく、
その地形の情報をも含めて将来的な水素の必要量を算出
する。例えば、傾斜が上り坂を示している場合には、大
きな負荷が継続するものと計算できるし、同じアクセル
ペダルの踏み込み量でも、傾斜が下り坂を示している場
合には負荷もさほど大きくならないものと計算できる。
必要とされる発電量から水素量を正確に計算しても良い
し、例えば、必要な水素量を三段階とか四段階に大まか
に区分して求めても良い。

【００３６】このようにして水素の必要量を計算した
ら、その必要量に応じて、現在の燃料電池本体３０での
水素の使用量と、改質器１０で発生している水素の量と
を比較し、不足分や余剰分に応じて以下のような制御を
実行する。なお、改質器１０に対する水素の発生量の指
示としては、原料のメタノールなどの流量を指示しつ
つ、同時に供給するスチームの流量を指示する。また、
これと並行し、これらを原材料とする改質反応に必要な
改質器１０内の熱量を計算し、必要な加熱量を求めて、
燃焼燃料ライン１３と未反応水素燃焼ライン１５から供
給する燃料量（メタノールまたは未反応水素量）を指示
する。燃料電池本体３０における発電量は、基本的に改
質器１０などから供給される水素の量に応じて増大す
る。

【００３７】必要な水素量を計算した後（ステップＳ１
２０）、ステップＳ１３０では現在発生している水素量
が十分であるか否かを判断する。改質器１０で発生して
いる水素量が必要な水素量に対して十分であれぱ、水素
量を増加する特別な指示を行なうことなく、ステップＳ
１４０にて改質器１０に対して必要な水素量を継続して
発生させるように指示を出す。これにより、ステップＳ
１１０にて入力した基礎データに基づく制御を終了す
る。

【００３８】これに対し、ステップＳ１４０で、水素量
が不足すると判断した場合は、まず、ステップＳ１５０
にて未反応水素の還流の指示を行なう。すなわち、三方
バルブ４３に制御信号を出力し、配管路４０における復
路部４２と未反応水素燃焼ライン１５との接続を遮断す
ると共に、同復路部４２を往路部４１に接続させ、か
つ、未反応水素が往路部４１を介して燃料電池本体３０
へ供給されるように昇圧器６１を作動させる。続くステ
ップＳ１６０で未反応水素の還流で不足分が足りるもの
であるか判断し、足りる状況であれば、ステップＳ１４
０にてこの不足分を補うことができる程度の水素を発生
させるべく改質器１０に能力の指示を与え、燃料制御処
理ルーチンを一旦終了する。

【００３９】未反応水素の還流だけで足りない場合に
は、緩衝用タンク５０に蓄積してある水素を放出すべく
緩衝用タンクを開く指示を与える（ステップＳ１７
０）。すなわち、開閉バルブ５３に対して弁を開くよう
に制御信号を出力する。これにより、緩衝用タンク５０
から水素が放出され始める。この後、不足分が緩衝用タ
ンク５０内の水素だけで足りるか否かを判断する。そし
て、足りるようであればステップＳ１４０にて、水素の
不足分を補うことができる程度の水素を発生させるよう
改質器１０に能力の指示を与える。

【００４０】上述したように、緩衝用タンク５０の容量
は３０リットル程度である。アクセルペダル７５が踏み
込まれ、電気自動車のモータに最大トルクの発生が要求
された状況では、燃料電池本体３０をその最大能力で運
転する必要が生じる。この場合、燃料電池本体３０では
４００リットル／分の水素を使用することになるが、改
質器１０の水素製造能力をこのレベルまで上昇させるに
は、本実施例では、約３０秒程度の時間を要する。この
結果、約２００リットルの水素が必要となる。したがっ
て、上述した未反応水素の還流や緩衝用タンク５０内の
水素の放出では、必要な発電を行なうための水素が不足
する状況が生じる。

【００４１】このような場合、ＥＣＵ２０は、昇圧器６
２と昇圧器６３とを駆動し、燃料電池本体３０への水素
と大気の導入圧力を上昇させる（ステップＳ１９０）。
その上で、改質器１０に対して水素発生量を所定量増や
すように指示する（ステップＳ２００）。なお、昇圧器
６１については未反応水素を還流させたステップＳ１５
０の時点で昇圧運転を開始している。

【００４２】その後、ＥＣＵ２０は、流量計１６からの
入力データに基づいて改質器１０での水素発生量をモニ
タし（ステップＳ２１０）、改質器１０の発生する水素
量が必要量となるまでその能力が上昇したかをチェック
し（ステップＳ２２０）、能力が必要量に達するまで、
ステップＳ２００に戻って、水素発生量の増加を繰り返
し指示する。改質器１０による水素の発生量が、必要量
となるまで上昇したときには改質器１０に対してそれ以
上は能力を上昇させないように指示して、改質能力を維
持する（ステップＳ２３０）。また、改質器１０から発
生する水素量が必要量に達した後は、昇圧器６２，６３
による昇圧を停止する（ステップＳ２４０）。

【００４３】以上説明したように、本実施例では、水素
の不足状況に応じて、適宜、緩衝用タンク５０内の水素
を使用したり、未反応水素を還流したり、導入圧力を上
昇することにより、小さな緩衝用タンク５０を搭載する
だけで、発電の要求が過渡的に上昇しても、実用的な発
電量を得ることができる。この結果、燃料電池システム
の形状を小型にでき、車載が容易になると言う利点が得
られる。

【００４４】次に本発明の第２実施例について説明す
る。第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例と同
一のハードウェア構成を有し、ＥＣＵ２０による制御の
み異なる。即ち、第２実施例の燃料電池システムは、図
４に示す燃料制御処理ルーチンを実行する。この処理ル
ーチンが起動されると、ＥＣＵ２０は、まずアクセル開
度センサ７１からのアクセル開度やナビゲーションシス
テム７２からの地形情報など、発電量の予測演算に必要
な基礎データを読み込む処理を行なう（ステップＳ３０
０）。次に、これらのデータに基づいて、燃料電池本体
３０が発電すべき発電量の予測値を演算する処理を行な
う（ステップＳ３１０）。

【００４５】こうした求めた予測値から、必要とされる
水素量が増加するか否かを判断し（ステップＳ３２
０）、必要な水素量が所定期間以上増加する判断した場
合には、改質器１０に対してその能力を上昇させるよう
指示を行なう（ステップＳ３３０）。他方、必要水素量
の増加が一時的なものであると判断された場合には、改
質器１０に対しては特に指示を行なわず、三方バルブ４
３の切り替えや昇圧器６１の作動による未反応水素の還
流や、開閉バルブ５３の開弁や昇圧器６２，６３の作動
による緩衝用タンク５０内水素の利用および燃料圧力の
上昇による発電効率の上昇などを行なう（ステップＳ３
４０）。なお、必要水素量の増加が所定期間に亘ると判
断した場合も、これらの未反応水素の還流等の処理は行
なわれる。

【００４６】必要となる水素量の増加があると判断され
た場合の処理は以上の通りであるが、増加がないと判断
された場合や上記の処理を行なった後は、必要となる水
素量の低減があるかを判断する（ステップＳ３６０）。
必要水素量が所定期間に亘って低減すると判断された場
合には、改質器１０に対してその能力を低下させるよう
指示を行ない（ステップＳ３７０）、その後、緩衝用タ
ンク５０への水素の充填処理を行なう（ステップＳ３８
０）。水素の充填処理は、必要水素量の低減が一時的な
ものである場合も行なわれる。実際の処理は、緩衝用タ
ンク５０の下流の開閉バルブ５３を閉弁し、緩衝用タン
ク５０の上流に設けられた開閉バルブ５２を開弁し、昇
圧器５１を作動して、高圧の水素を緩衝用タンク５０に
送り込むことにより行なわれる。以上の処理の後、「Ｅ
ＮＤ」に抜けて、本処理ルーチンを終了する。

【００４７】この実施例の燃料電池システムによれば、
アクセルペダル７５の踏み込み量や車輌が走行している
地形の情報から、今後必要とされる発電量に応じて必要
される水素量を予測し、その変化が一時的なものである
場合には、未反応水素の還流や小規模な緩衝用タンク５
０内の水素の利用、更には燃料電池本体３０の燃料圧力
の上昇などの対応により、必要な水素量を確保して発電
を行なうことができる。また、必要とされる水素量の増
加が所定期間、例えば３０秒以上に亘ると判断した場合
には、これらの処置と共に改質器１０の能力の上昇を指
示し、必要な電力の発電を継続することができる。更
に、必要な水素量が低減すると判断した場合には、余剰
の水素を緩衝用タンク５０に充填するから、水素の無駄
を生じることがない。

【００４８】以上、本発明のいくつかの実施例について
説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるも
のではなく、種々の態様で実施することができ、例えば
次の変形が可能である。上述した実施例では、未反応水
素を還流させる指示を与えてから未反応水素だけで足り
るか否かを判断したり、緩衝用タンク５０を開く指示を
与えてからそれで足りるか否かを判断しているが、水素
の不足分が未反応水素の還流や緩衝用タンク５０の開放
や導入圧力で足りるか否かを先に判断し、それぞれで足
りる場合と足りない場合とに分岐しておいて必要なだけ
の水素を燃料電池本体３０に供給するような制御を行な
うことができる。

【００４９】また、最初に、未反応水素を還流させ、次
に、緩衝用タンク５０を開き、最後に導入圧力を上昇す
るようにしているが、必要に応じて適宜その順番を変更
することも可能であり、上述した順番に限定されるもの
ではない。例えば、通常時は緩衝用タンク５０を開閉し
て水素の不足分を補っておき、それで足りない場合に未
反応水素を還流させたり、導入圧力を上昇させるように
してもよい。もとより、これらの総ての対応が必須では
なく、未反応水素の還流、小規模な緩衝用タンク５０内
の水素の利用、水素圧力の上昇の何れか一つのみ採用す
ることも何等差し支えない。

【００５０】さらに、地形情報から将来的な燃料ガスの
必要量を算出するようにしているが、必ずしも将来的な
燃料ガスの必要量まで計算する必要はなく、その時点で
の燃料ガスの必要量だけをアクセルペダルの踏み込み量
から計算するようにしても良い。また、燃料ガスの必要
量は、例えば燃料電池本体３０と駆動用モータとの間に
バッテリを設け、このバッテリへの充放電の電流の状態
から過負荷気味か余裕のある状態であるかを計算するよ
うにしても良い。地形情報については各種の変更が可能
であることは上述したとおりである。

【００５１】このように、燃料電池本体３０の側で必要
とする水素の不足状況に応じて、ＥＣＵ２０は、開閉バ
ルブ５２，５３と昇圧器５１を制御して緩衝用タンク５
０内の水素を使用したり、三方バルブ４３と昇圧器６１
を制御して未反応水素を還流させたり、昇圧器６２，６
３を制御して燃料電池本体３０の燃料ガスの圧力を上昇
させることにより、小さな緩衝用タンク５０であっても
過渡的な負荷急増を克服して実用的な発電量を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム
の概略構成を示すブロック図である。

【図２】制御入力としての地形情報を出力するナビゲー
ションシステムの概略構成を示すブロック図である。

【図３】第１実施例における制御内容を示すフローチャ
ートである。

【図４】第２実施例における制御内容に示すフローチャ
ートである。

【符号の説明】

１０…改質器 １６…流量計 ２０…ＥＣＵ ３０…燃料電池本体 ４０…配管路 ４１…往路部 ４２…復路部 ４３…三方バルブ ５０…緩衝用タンク ５１…昇圧器 ５２…開閉バルブ ５３…開閉バルブ ６１〜６３…昇圧器 ７１…アクセル開度センサ ７２…ナビゲーションシステム ７３…傾斜センサ ７５…アクセルペダル

フロントページの続き (72)発明者 遠畑 良和 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 小滝 正宏 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池を備え、この燃料電池を用いて
   電力を外部に供給する燃料電池システムであって、 燃料電池用の燃料ガスを生成する燃料ガス製造手段と、 この燃料ガス製造手段から前記燃料電池に至るガス供給
   用通路およびこの燃料電池からの排気通路を含む配管路
   と、 この配管路の該供給用通路に介在され、前記燃料ガスを
   貯留可能な緩衝用タンクと、 前記燃料電池に対する外部からの電力要求の一時的な増
   加を検出する要求量検出手段と、 該要求量検出手段により電力要求の一時的な増加が検出
   されたとき、前記配管路内および前記緩衝用タンクの燃
   料ガスを利用して、前記燃料電池に供給するガス量を一
   時的に増加させる反応ガス量増加手段とを備えた燃料電
   池システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の燃料電池システムであ
   って、 この燃料電池システムは、車輌の駆動エネルギを供給す
   るシステムであり、 前記要求量検出手段は、車輌が走行する地形の情報を入
   力して電力要求の一時的な増加を検出する手段である燃
   料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 この燃料電池システムは、車輌の駆動エネルギを供給す
   るシステムであり、前記要求量検出手段は、 車輌の走行範囲の地形情報を予め記憶した地形情報記憶
   手段と、 少なくとも車輌の走行位置および走行方向を含む走行情
   報を検出する走行情報検出手段と、 該検出された走行位置と走行方向とに基づいて、前記地
   形情報記憶手段に記憶され地形情報を参照し、将来の電
   力要求の一時的な変動を推定する推定手段とを備えた燃
   料電池システム。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３の何れかに記載の燃料
   電池システムであって、前記反応ガス量増加手段は、前
   記燃料電池からの排気通路に存在する未反応燃料ガスを
   再び当該燃料電池に供給させる還流手段を備えた燃料電
   池システム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４の何れかに記載の燃料
   電池システムにおいて、前記反応ガス量増加手段は、前
   記燃料電池へ供給する燃料ガスの圧力を増加させる導入
   圧力増加手段を備えた燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記緩衝用タンクは、前記要求量検出手段により検出さ
   れた要求電力の一時的な増加に対応して前記燃料電池が
   必要とする燃料ガス量の１／２以下を貯留するタンクで
   ある燃料電池システム。
7. 【請求項７】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記電力要求の一時的な増加が終了した後の所定のタイ
   ミングで、前記反応ガス量増加手段が利用したことによ
   り失われた前記緩衝用タンク内の燃料ガスを、前記燃料
   ガス製造手段により製造された燃料ガスにより補充する
   補充手段を備えた燃料電池システム。
8. 【請求項８】 請求項２または３記載の燃料電池システ
   ムであって、 前記燃料電池に対する外部からの電力要求の所定期間を
   越える増加を検出する要求量継続増加検出手段と、 該要求量継続増加検出手段により電力要求の所定期間を
   越える増加が検出されたとき、前記燃料ガス製造手段に
   よる燃料ガスの製造量を増加させる製造量増加手段とを
   備えた燃料電池システム。