JP4704733B2

JP4704733B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4704733B2
Application number: JP2004314859A
Authority: JP
Inventors: 博之遠藤; 信一芝原; 真壮井上; 慶太西村
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Japan Research Institute Ltd
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Japan Research Institute Ltd
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP2006127919A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。特に本発明は、改質器で製造した水素を消費して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池を用いた分散型電源においては、燃料改質型の燃料電池システムが知られている。燃料改質型の燃料電池システムは、灯油、都市ガス、プロパンガス等を改質して水素を生成する改質器を備え、改質器が生成する水素を燃料電池に供給する（例えば、特許文献１参照。）。改質器の改質効率は、定格に近い出力領域ほど高い（例えば、非特許文献１参照。）。従って、改質器で水素を効率よく製造するには、改質器を一定以上の出力で運転させることが望ましい。
特開２００１−１８５１８２号公報「家庭用燃料電池向け燃料処理器の開発」、東京ガス株式会社広報部発表データ、２００３年１月３０日、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｋｙｏ−ｇａｓ．ｃｏ．ｊｐ／Ｐｒｅｓｓ／２００３０１３０．ｈｔｍｌ＞

しかしながら、電力の消費量は一日の中で大きく変動する。従って、改質器を一定以上の出力で連続運転させると、電力需要が低い時間帯において余剰水素が発生してしまう。この余剰水素を一時的に貯蔵するために水素貯蔵手段を設けることが考えられるが、余剰水素をもれなく貯蔵するだけの容量をもつ水素貯蔵手段を準備することは困難であるという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、電力を供給する燃料電池システムであって、水素を消費して発電する燃料電池と、予め定められる基準値以上の出力で動作し、燃料電池で消費される水素を製造する改質器と、冷却されることにより水素を吸蔵し、加熱されることにより水素を放出する水素吸蔵装置と、改質器が製造した水素を燃料電池に供給し、燃料電池で消費されない余剰水素を水素吸蔵装置に供給する水素供給制御部と、燃料電池及び水素吸蔵装置の直近に配され、燃料電池から吸収した熱で水素吸蔵装置を加熱する温水用配管と、燃料電池及び水素吸蔵装置の直近に配され、燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で水素吸蔵装置を冷却する冷水用配管と、水素吸蔵装置が放出する水素を外部に供給する外部供給手段とを備える燃料電池システムが提供される。これにより、改質器による水素の製造効率が高まると共に、余剰水素を無駄にすることなく外部に供給できる。同時に、燃料電池の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵装置を機能させるので省エネルギー性に優れている。

外部供給手段は、水素吸蔵装置が放出する水素を着脱可能な高圧ボンベに充填するボンベ充填手段を有してもよい。これにより、空のボンベに交換することにより、水素の貯蔵量を容易に増やすことができる。

外部供給手段は、水素吸蔵装置が吸蔵した水素を車両の高圧タンクに供給する高圧供給手段を有してもよい。これにより、貯蔵した水素を車両の高圧タンクに直接供給することができる。

改質器から燃料電池に水素を供給する配管の途中に接続され、改質器が製造した水素を圧縮して貯蔵する高圧タンクをさらに有してもよい。これにより、燃料電池の水素消費量が急増する場合でも、高圧タンクから確実に水素を供給することができる。

水素吸蔵装置は水素吸蔵合金であり、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出してもよい。これにより、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる未利用の水素を有効に利用することができる。

水素吸蔵装置は、冷水用配管の直近に配され、当該冷水用配管に冷却されて水素を吸蔵する第１の水素吸蔵ユニットと、温水用配管の直近に配され、当該温水用配管に加熱されて水素を放出する第２の水素吸蔵ユニットとを有してもよい。これにより、水素吸蔵装置は、水素の吸蔵と放出を同時に並行して行うことができる。

水素吸蔵装置は、冷水用配管の直近に配された第１の水素吸蔵ユニットと温水用配管の直近に配された第２の水素吸蔵ユニットとを交換することにより、第１及び第２の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替えるユニット交換部を更に有してもよい。これにより、最小限の配管構成で、水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させるか放出させるかを切り替えることができる。

ユニット交換部は、第２の水素吸蔵ユニットからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、第１の水素吸蔵ユニットと第２の水素吸蔵ユニットとを交換してもよい。これにより、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を放出させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、高純度水素を安定的に放出して外部供給手段に供給できる。

ユニット交換部は、第１の水素吸蔵ユニットの重量増分が予め定められた基準に達した場合に、第１の水素吸蔵ユニットと第２の水素吸蔵ユニットとを交換してもよい。これにより、水素の吸蔵量が限界に近づいた水素吸蔵ユニットに水素を放出させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、オフガスに含まれる未利用の水素を安定的に吸蔵できる。

水素吸蔵装置は、冷水用配管から分岐し二つの水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る冷水用分岐配管と、温水用配管から分岐し二つの水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る温水用分岐配管と、冷水用配管から供給される冷水を第１及び第２の水素吸蔵ユニットのいずれの直近に供給するかを切り替えると共に、温水用配管から供給される温水を第１及び第２の水素吸蔵ユニットのいずれの直近に供給するかを切り替えることにより、第１及び第２の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える水供給切替部とを有してもよい。これにより、水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを、水素吸蔵ユニットを移動させることなく容易に切り替えることができる。

水供給切替部は、第２の水素吸蔵ユニットからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、第２の水素吸蔵ユニットの直近を通る冷水用分岐配管に対して冷水を供給すると共に、第１の水素吸蔵ユニットの直近を通る温水用分岐配管に対して温水を供給してもよい。これにより、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を放出させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、高純度水素を安定的に放出して外部供給手段に供給できる。

水供給切替部は、第１の水素吸蔵ユニットの重量増分が予め定められた基準に達した場合に、第１の水素吸蔵ユニットの直近を通る温水用分岐配管に対して温水を供給すると共に、第２の水素吸蔵ユニットの直近を通る冷水用分岐配管に対して冷水を供給してもよい。これにより、水素の吸蔵量が限界に近づいた水素吸蔵ユニットに水素を放出させ、他方の水素吸蔵ユニットに水素を吸蔵させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。従って、オフガスに含まれる未利用の水素を安定的に吸蔵できる。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、燃料電池システム１００の構成の一例を示す。燃料電池システム１００は、集中型改質器１０、改質水素供給管１２、燃料電池２０、高圧タンク３０、水素吸蔵装置７０、水素供給制御部６０、温水用配管５４、冷水用配管５２、貯湯槽５６、及び外部供給手段９０を備える。集中型改質器１０は、灯油、都市ガス、プロパンガス等を改質して水素を製造する。改質水素供給管１２は、集中型改質器１０が製造した水素を燃料電池２０に供給する。燃料電池２０は、集中型改質器１０が生成した水素により発電し、家庭やオフィスなどの電力負荷に供給する。燃料電池２０は、例えば固体高分子形燃料電池２０（ＰＥＦＣ）である。燃料電池システム１００は、燃料電池２０と負荷の間に二次バッテリ３２を更に有する。二次バッテリ３２は、燃料電池２０の出力が負荷変動に追従できない場合に、不足する電力を供給する。

集中型改質器１０は、予め定められる基準値以上の出力で動作し、燃料電池２０で消費される水素を製造する。水素供給制御部６０は、集中型改質器１０が製造した水素を改質水素供給管１２を介して燃料電池２０に供給する。また、燃料電池２０で消費されない余剰水素を高圧タンク３０に供給する。高圧タンク３０は、改質水素供給管１２の途中に接続され、集中型改質器１０が製造した水素を圧縮して貯蔵する。水素供給制御部６０は、燃料電池２０の単位時間あたりの水素需要が、単位時間あたりの集中型改質器１０の水素製造能力を超える場合に、高圧タンク３０に貯蔵されている水素を改質水素供給管１２に放出する。これにより、燃料電池２０の水素消費量が急増する場合でも、高圧タンク３０から確実に水素を供給することができる。

水素供給制御部６０は、さらに高圧タンク３０の容量を超える余剰水素を水素吸蔵装置７０に吸蔵させる。水素吸蔵装置７０は、例えば水素吸蔵合金を含む。従って、集中型改質器１０で製造され、高圧タンク３０の容量を超える余剰水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出して外部供給手段９０に供給する。水素貯蔵合金は、例えば、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｖ系合金よりなる。水素吸蔵合金は、水素を選択的に吸着するので、水素の純度を高めることができる。冷水用配管５２は、水素吸蔵装置７０及び燃料電池２０の直近に配され、燃料電池２０に供給する冷却水（水道水等）の少なくとも一部で水素吸蔵装置７０を冷却する。温水用配管５４は、燃料電池２０及び水素吸蔵装置７０の直近に配され、燃料電池２０から吸収した熱で水素吸蔵装置７０を加熱する。温水用配管５４は、さらに水素吸蔵装置７０を経由して貯湯槽５６に配管される。貯湯槽５６は、水素吸蔵装置７０を加熱した後の温水を貯める。このような構成によれば、燃料電池システム１００は、集中型改質器１０による水素の製造効率が高まると共に、余剰水素を無駄にすることなく外部に供給できる。同時に、燃料電池２０の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵装置７０を機能させるので省エネルギー性に優れている。

外部供給手段９０は、水素吸蔵装置７０が放出する高純度水素を高純度水素用配管６４を介して取り込み、加圧蓄積する。外部供給手段９０は、加圧蓄積した高純度水素を高圧で高圧水素輸送車２００に供給する高圧供給口６８を有する。これにより、貯蔵した水素を高圧水素輸送車２００に直接供給することができる。

燃料電池システム１００は更に第１オフガス用配管６２及び第２オフガス用配管６６を備える。第１オフガス用配管６２は、燃料電池２０から排出されるオフガスを水素吸蔵装置７０に供給する。集中型改質器１０が製造する水素の濃度が８０％程度である場合、燃料電池２０は、１０％〜２０％程度の水素と一酸化炭素を含むオフガスを排出する。水素吸蔵装置７０は、燃料電池２０から排出されるオフガスに含まれる水素を選択的に吸蔵する。これにより、燃料電池２０から排出されるオフガスに含まれる水素を有効に再利用することができる。水素吸蔵装置７０で吸蔵されなかった一酸化炭素などのオフガスは第２オフガス用配管６６を介して集中型改質器１０に送られ、集中型改質器１０の加熱用の燃料と共に燃焼される。

なお、他の実施例として、水素吸蔵装置７０を集中型改質器１０と燃料電池２０の間に設けてもよい。これにより、集中型改質器１０で製造された水素ガスを高純度化して燃料電池２０に供給することができる。高純度水素を供給することにより、燃料電池２０は発電効率が向上し、さらにオフガスの発生が抑えられる。この場合も、燃料電池２０の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵装置７０を機能させることにより、省エネルギー性に優れた燃料電池システム１００が実現される。

図２は、水素吸蔵装置７０の構成の第１の例を示す。水素吸蔵装置７０は、複数の水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂを有する。水素吸蔵ユニット７２ａは冷水用配管５２の直近に配され、改質水素供給管１２、第１オフガス用配管６２、及び第２オフガス用配管６６が接続されている。改質水素供給管１２は、高圧タンク３０の容量を超える余剰水素を水素吸蔵ユニット７２ａに供給する。第１オフガス用配管６２は、燃料電池２０から排出されるオフガスを水素吸蔵ユニット７２ａに供給する。冷水用配管５２は、水道水などの冷水を水素吸蔵ユニット７２ａの直近を経由して燃料電池２０に供給する。第２オフガス用配管６６は、水素吸蔵装置７０で吸蔵されなかった一酸化炭素などのオフガスを集中型改質器１０に送る。水素吸蔵ユニット７２ａは、冷水用配管５２に冷却されて改質水素供給管１２及び第１オフガス用配管６２から供給されるガスから水素を選択的に吸蔵する。

一方、水素吸蔵ユニット７２ｂは、温水用配管５４の直近に配され、高純度水素用配管６４が接続される。温水用配管５４は、燃料電池２０から吸収した熱により８０度程度の温度に熱せられた温水を供給する。水素吸蔵ユニット７２ｂは、温水用配管５４によって加熱されて高純度水素を放出する。水素吸蔵ユニット７２ｂを加熱した後の温水は、温水用配管５４を経由して貯湯槽５６に送られる。高純度水素用配管６４は、水素吸蔵ユニット７２ｂが放出する高純度水素を外部供給手段９０に供給する。このようにして、水素吸蔵装置７０は、水素の吸蔵と放出を同時に並行して行うことができる。

燃料電池システム１００は更に、ユニット交換部８０を備える。ユニット交換部８０は、水素吸蔵ユニット７２ａと水素吸蔵ユニット７２ｂとを交換することにより、水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える。これにより、最小限の配管構成で、水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂに水素を吸蔵させるか放出させるかを切り替えることができる。また、水素吸蔵装置７０は3つ以上の水素吸蔵ユニットを有してもよい。例えば、水素を容量一杯まで吸蔵した水素吸蔵ユニットや、大部分の水素を放出しきった水素吸蔵ユニットを予備の水素吸蔵ユニットとして有してもよい。

図３は、水素吸蔵装置７０の構成の第２の例を示す。本実施例の水素吸蔵装置７０は、図２の実施例に示したユニット交換部８０に代えて、冷水用分岐配管５３、温水用分岐配管５５、及び水供給切替部８２を有する。冷水用分岐配管５３は、冷水用配管５２から分岐し二つの水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのそれぞれの直近を通って燃料電池２０まで配管されている。温水用分岐配管５５は、温水用配管５４から分岐し二つの水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのそれぞれの直近を通って貯湯槽５６まで配管されている。水供給切替部８２は、冷水用配管５２から供給される冷水を水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのいずれの直近に供給するかを切り替える。さらに水供給切替部８２は、温水用配管５４から供給される温水を水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのいずれの直近に供給するかを切り替えることにより、水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える。これにより、水素吸蔵ユニット７２のそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを、水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂを移動させることなく容易に切り替えることができる。

図４は、集中型改質器１０における、出力と効率との関係の一例を示す。横軸は集中型改質器１０における定格に対する出力の割合であり、縦軸は改質効率である。一般に、集中型改質器１０の効率は、集中型改質器１０の出力に依存する。したがって、効率の下限となる基準効率を定めると、集中型改質器１０の効率を基準効率以上とするための、集中型改質器１０の出力の下限が定まる。本実施例の集中型改質器１０は、例えば６０％以上の出力で連続的に運転する。集中型改質器１０は、時間あたりの最大の水素生成量が、燃料電池２０が消費する時間あたりの最大の水素消費量の合計量よりも小さい。従って、定格に近い出力領域で集中型改質器１０を駆動し、高い効率で水素を製造することができる。

図５は、燃料電池２０による単位時間あたりの水素の消費量の合計と、集中型改質器１０による水素の生成量の変動の例を示す。横軸は時刻であり、縦軸は燃料電池２０による単位時間あたりの水素消費量である。複数の燃料電池２０による単位時間あたりの水素の消費量は、住戸又はオフィスでの電力使用量に応じて変動する。一方、水素供給制御部６０は、集中型改質器１０が生成する時間あたりの水素の量を定格の約６０％から１００％の間で制御する。水素供給制御部６０は、集中型改質器１０の出力を、定格の６０％から１００％の間で燃料電池２０による水素消費の変化に追従させる。これにより、余剰水素の発生を抑制することができる。

水素供給制御部６０は、集中型改質器１０を一日中連続運転させる。一般に、集中型改質器１０は、起動時に暖機運転させて集中型改質器１０を昇温させる必要がある。したがって、一旦集中型改質器１０を停止させると、起動時に暖機運転に要するエネルギーが無駄になる。また、集中型改質器１０の起動と停止を繰り返すと、集中型改質器１０の温度サイクルによって集中型改質器１０が劣化する。また、暖機運転には数十分の時間を要し、その期間には、集中型改質器１０は燃料電池２０に供給する水素を生成できない。

しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素供給制御部６０が、集中型改質器１０を連続運転させるので、集中型改質器１０の起動に要するエネルギーの消費を削減することができる。また、起動と停止を繰り返すことによる集中型改質器１０の劣化を抑えることができる。また、集中型改質器１０を継続的に運転させることで、燃料電池２０が水素を必要とするときに迅速に水素を供給できる。

時刻ｔ０から時刻ｔ１の時間帯および時刻ｔ４から時刻ｔ５の時間帯は、集中型改質器１０が生成する単位時間あたりの水素の量が、燃料電池２０が消費する単位時間あたりの水素の合計量を上回る。これらの時間帯では、水素供給制御部６０は、余剰水素を高圧タンク３０又は水素吸蔵装置７０に貯蔵する。

また、時刻ｔ２から時刻ｔ３の時間帯では、燃料電池２０が単位時間あたりに消費する水素の合計量が、集中型改質器１０が単位時間あたりに生成する水素の量を上回る。これらの時間帯では、水素供給制御部６０は、高圧タンク３０に貯蔵している水素を放出させ、燃料電池２０による水素需要に追従する。

図６は、燃料電池システム１００における水素の供給プロセスを示す。本実施例では、燃料電池２０による単位時間あたりの水素需要が集中型改質器１０による単位時間あたりの水素製造量と一致している場合における改質水素供給管１２の管内の圧力を基準圧力として測定しておく。改質水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力を超える場合、集中型改質器１０による水素製造量が燃料電池２０による水素需要を超えていることを示す。一方、改質水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力を下回る場合、集中型改質器１０による水素製造量が燃料電池２０による水素需要に対して不足していることを示す。

水素供給制御部６０は、改質水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力を超えているか否かを連続的に測定する（Ｓ１００）。管内の圧力が基準圧力を超える場合（Ｓ１００：Ｙｅｓ）、余剰水素の処理フロー（Ｓ１０２）に移行する。一方、管内の圧力が基準圧力未満である場合（Ｓ１００：Ｎｏ）、高圧タンク３０に水素を放出させ（Ｓ１０４）、燃料電池２０に供給する。以上で本フローは終了する。

図７は、図６における余剰水素の処理フロー（Ｓ１０２）の詳細を示す。まず、水素供給制御部６０は、集中型改質器１０の出力を、出力下限の一例である６０％まで低下させても余剰水素が発生するか否かを判断する（Ｓ２００）。集中型改質器１０の出力下限とは、集中型改質器１０の改質効率を所定の効率以上に維持するために必要な集中型改質器１０の出力である。余剰水素の発止の有無は、改質水素供給管１２の管内の圧力を基準圧力と比較することにより判断する。集中型改質器１０の出力を出力下限まで低下させることによって余剰水素の発生がなくなる場合（Ｓ２００：Ｎｏ）、改質水素供給管１２の管内の圧力が基準圧力になるまで集中型改質器１０の出力を低下させ、本フローを終了する。これにより、集中型改質器１０の改質効率を一定の基準以上に保つ範囲で余剰水素の発生を抑えることができる。一方、集中型改質器１０の出力を６０％まで低下させても余剰水素が発生する場合（Ｓ２００：Ｙｅｓ）、次に、高圧タンク３０の容量に一定の余裕があるか否かを判断する（Ｓ２０２）。一定の余裕とは、高圧タンク３０の最大貯蔵量の１０％程度の余裕などである。

高圧タンク３０の容量に余裕が有る場合（Ｓ２０２：Ｙｅｓ）、水素供給制御部６０は高圧タンク３０に余剰水素を貯蔵する（Ｓ２０３）。一方、高圧タンク３０の容量に余裕が無い場合（Ｓ２０２：Ｎｏ）、水素供給制御部６０は、水素吸蔵装置７０の水素吸蔵容量に余裕があるか否かを判断する（Ｓ２０４）。水素吸蔵装置７０の水素吸蔵量に余裕がある状態とは、例えば水素吸蔵装置７０による単位時間あたりの水素吸蔵量が一定の基準を上回っている状態である。水素吸蔵装置７０の水素吸蔵量に余裕が無い場合（Ｓ２０４：Ｎｏ）、水素供給制御部６０は、余剰水素を第２オフガス用配管６６を介して集中型改質器１０に送り、集中型改質器１０で燃焼させる（Ｓ２０５）。一方、水素吸蔵装置７０の水素吸蔵量に余裕がある場合（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、水素供給制御部６０は、水素吸蔵装置７０に余剰水素を吸収させる（Ｓ２０６）。次に、水素吸蔵装置７０は、水素の吸蔵と放出を切り替える動作（Ｓ２０８）に移行する。以上で本フローは終了する。

図８は、図７におけるステップ２０８の詳細なフローを示す。燃料電池システム１００は、温水用配管５４で加熱中の水素吸蔵ユニット７２ｂからの単位時間あたりの水素放出量が、予め定められた基準値以上であるか否かを判断する（Ｓ３００）。ステップ３００における基準値は、水素吸蔵装置７０の水素の貯蔵量が残り少ないこと示す基準値である。例えば水素吸蔵ユニット７２による単位時間あたりの水素放出量がピーク時の１０％から２０％程度低下する状態をステップ３００における基準値とする。水素放出量が基準値以上である場合（Ｓ３００：Ｙｅｓ）、次に冷水用配管５２で冷却中の水素吸蔵ユニット７２ａの重量増分が予め定められた基準値以下であるか否かを判断する（Ｓ３０２）。ステップ３０２における基準値は、水素吸蔵装置７０の水素の貯蔵量が限界に近いことを示す基準値である。上記重量増分が基準値以下である場合（Ｓ３０２：Ｙｅｓ）、本フローは終了する。例えば、水素吸蔵ユニット７２が水素を最大限吸蔵する状態における水素吸蔵ユニット７２の重量増分（以下、最大重量増分という）を予め実験又は理論計算に基づいて調査する。そして、冷却中の水素吸蔵ユニット７２の重量増分が最大重量増分の８０％から９０％に達する状態をステップ３０２における基準値とする。

一方、ステップ３００において、温水用配管５４で加熱中の水素吸蔵ユニット７２ｂからの単位時間あたりの水素放出量が、予め定められた基準値を下回った場合（Ｓ３００：Ｎｏ）、または、ステップ３０２において、冷水用配管５２で冷却中の水素吸蔵ユニット７２ａの重量増分が予め定められた基準値を超えている場合（Ｓ３０２：Ｎｏ）、水素吸蔵ユニット７２ａ、７２ｂのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える（Ｓ３０４）。

本フローによれば、水素の放出量が低下した水素吸蔵ユニット７２に水素を吸蔵させ、他方の水素吸蔵ユニット７２に水素を放出させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。これにより、高純度水素を安定的に放出して外部供給手段９０に供給できる。また、水素の吸蔵量が限界に近づいた水素吸蔵ユニット７２に水素を放出させ、他方の水素吸蔵ユニット７２に水素を吸蔵させるという切替動作を適切なタイミングで実行することができる。これにより、余剰水素を安定的に吸蔵できる。なお、複数の水素吸蔵ユニットのそれぞれによる水素の吸蔵と放出を切り替える手段は、図２と図３の実施例と同様なので説明を省略する。

図９は、余剰水素回収システム５００の構成の一例を示す。余剰水素回収システム５００は、複数の異なる集合住宅等（サービス提供サイト）に設けられる燃料電池システム１００ａ、１００ｂ、１００ｃに蓄えられる高純度水素をサービスステーションに回収するサービスを提供する。本図の例では、図１で説明した外部供給手段９０の例として定置型の貯層である高圧タンク９２を用いる。サービスステーションは、液体燃料貯蔵装置４００と水素貯蔵装置４５０とを備える。液体燃料貯蔵装置４００は、集中型改質器１０で使用される灯油などの液状燃料を備蓄する。水素貯蔵装置４５０は、燃料電池システム１００から回収する高純度水素を貯蔵する。高圧水素輸送車２００は、液体燃料貯蔵装置４００に備蓄される液状燃料を燃料電池システム１００まで輸送し、燃料電池システム１００に設けられた燃料貯蔵装置３００に供給する。燃料貯蔵装置３００は、貯蔵した液体燃料を集中型改質器１０に供給する。高圧水素輸送車２００は、燃料貯蔵装置３００に液体燃料を配達する場合に高圧タンク９２から高圧水素を吸引して回収する。

図１０は、余剰水素回収システム５００の構成の他の例を示す。本実施例の余剰水素回収システム５００は、外部供給手段９０の他の例として、水素を高圧で蓄積する着脱可能な水素カートリッジ９４を用いる。この場合、外部供給手段９０は、水素吸蔵装置７０が放出する水素を水素カートリッジ９４に充填するボンベ充填手段を有する。本実施例において、サービスステーションは図９の液体燃料貯蔵装置４００に代えてＬＰガスなどの気体燃料を貯蔵する気体燃料貯蔵装置４０２を有する。気体燃料貯蔵装置４０２に貯蔵される気体燃料は、燃料ボンベ３０２の形態でボンベ・カートリッジ輸送車２０２によって燃料電池システム１００に配達される。燃料ボンベ３０２は、集中型改質器１０に装填される。ボンベ・カートリッジ輸送車２０２は、燃料ボンベ３０２を配達した際に、高純度水素が充填された水素カートリッジ９４を回収する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、集中型改質器１０による水素の製造効率が高く、しかも余剰水素を無駄にすることなく外部に供給できる。さらに、燃料電池２０の冷却水と排熱を利用して水素吸蔵装置７０を機能させるので省エネルギー性に優れている。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

燃料電池システム１００の構成の一例を示すブロック図である。水素吸蔵装置７０の構成の第１の例を示す図である。水素吸蔵装置７０の構成の第２の例を示す図である。集中型改質器１０における、出力と効率との関係の一例を示す。燃料電池による単位時間あたりの水素の消費量の合計と、集中型改質器１０による水素の生成量の変動の例を示す。水素供給制御部６０が水素供給を制御するフローを示す。図６におけるステップ１０２の詳細を示すフロー図である。図７におけるステップ２０８の詳細を示すフロー図である。余剰水素回収システム５００の構成の一例を示す図である。余剰水素回収システム５００の構成の他の例を示す図である。

符号の説明

１０集中型改質器
１２改質水素供給管
２０燃料電池
３０高圧タンク
３２二次バッテリ
５２冷水用配管５２
５３冷水用分岐配管
５４温水用配管
５５温水用分岐配管
６０水素供給制御部
６２第１オフガス用配管
６４純度水素用配管
６６第２オフガス用配管
６８高圧供給口
７０水素吸蔵装置
７２水素吸蔵ユニット
８０ユニット交換部
８２水供給切替部
９０外部供給手段
９２高圧タンク
９４水素カートリッジ
１００燃料電池システム１００
２００高圧水素輸送車
２０２ボンベ・カートリッジ輸送車
３００燃料貯蔵装置
３０２燃料ボンベ
４００液体燃料貯蔵装置
４０２気体燃料貯蔵装置
４５０水素貯蔵装置
５００余剰水素回収システム

Claims

電力を供給する燃料電池システムであって、
水素を消費して発電する燃料電池と、
予め定められる基準値以上の出力で動作し、前記燃料電池で消費される水素を製造する改質器と、
冷却されることにより水素を吸蔵し、加熱されることにより水素を放出する水素吸蔵装置と、
前記改質器が製造した水素を前記燃料電池に供給し、前記燃料電池で消費されない余剰水素を前記水素吸蔵装置に供給する水素供給制御部と、
前記燃料電池及び前記水素吸蔵装置の直近に配され、前記燃料電池から吸収した熱で前記水素吸蔵装置を加熱する温水用配管と、
前記燃料電池及び前記水素吸蔵装置の直近に配され、前記燃料電池に供給する冷却水の少なくとも一部で前記水素吸蔵装置を冷却する冷水用配管と、
前記水素吸蔵装置が放出する水素を外部に供給する外部供給手段と
を備える燃料電池システム。
前記外部供給手段は、前記水素吸蔵装置が放出する水素を着脱可能な高圧ボンベに充填するボンベ充填手段を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記外部供給手段は、前記水素吸蔵装置が吸蔵した水素を車両の高圧タンクに供給する高圧供給手段を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記改質器から前記燃料電池に水素を供給する配管の途中に接続され、前記改質器が製造した水素を圧縮して貯蔵する高圧タンクをさらに有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵装置は水素吸蔵合金であり、前記燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水素を吸蔵し、加熱されることにより高純度の水素を放出する請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵装置は、
前記冷水用配管の直近に配され、当該冷水用配管に冷却されて水素を吸蔵する第１の水素吸蔵ユニットと、
前記温水用配管の直近に配され、当該温水用配管に加熱されて水素を放出する第２の水素吸蔵ユニットとを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵装置は、
前記冷水用配管の直近に配された前記第１の水素吸蔵ユニットと前記温水用配管の直近に配された前記第２の水素吸蔵ユニットとを交換することにより、前記第１及び第２の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替えるユニット交換部
を更に有する、請求項６に記載の燃料電池システム。
前記ユニット交換部は、前記第２の水素吸蔵ユニットからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、前記第１の水素吸蔵ユニットと前記第２の水素吸蔵ユニットとを交換する、請求項７に記載の燃料電池システム。
前記ユニット交換部は、前記第１の水素吸蔵ユニットの重量増分が予め定められた基準に達した場合に、前記第１の水素吸蔵ユニットと前記第２の水素吸蔵ユニットとを交換する、請求項７に記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵装置は、
前記冷水用配管から分岐し前記第１及び第２の水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る冷水用分岐配管と、
前記温水用配管から分岐し前記第１及び第２の水素吸蔵ユニットのそれぞれの直近を通る温水用分岐配管と、
前記冷水用配管から供給される冷水を前記第１及び第２の水素吸蔵ユニットのいずれの直近に供給するかを切り替えると共に、前記温水用配管から供給される温水を前記第１及び第２の水素吸蔵ユニットのいずれの直近に供給するかを切り替えることにより、前記第１及び第２の水素吸蔵ユニットのそれぞれに水素を吸蔵させるか水素を放出させるかを切り替える水供給切替部と
を有する、請求項６に記載の燃料電池システム。
前記水供給切替部は、前記第２の水素吸蔵ユニットからの単位時間あたりの水素放出量が予め定められた基準を下回った場合に、前記第２の水素吸蔵ユニットの直近を通る前記冷水用分岐配管に対して冷水を供給すると共に、前記第１の水素吸蔵ユニットの直近を通る前記温水用分岐配管に対して温水を供給する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記水供給切替部は、前記第１の水素吸蔵ユニットの重量増分が予め定められた基準に達した場合に、前記第１の水素吸蔵ユニットの直近を通る前記温水用分岐配管に対して温水を供給すると共に、前記第２の水素吸蔵ユニットの直近を通る前記冷水用分岐配管に対して冷水を供給する、請求項１０に記載の燃料電池システム。