(57)【要約】【課題】  触媒燃焼器での十分な酸化反応の実現と、触媒温度を活性領域に維持することのできる燃料電池システムの提供。【解決手段】  酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池１と、該燃料電池１の排気系に設けられた触媒燃焼器１０とを含み、触媒燃焼器１０にカソードオフガスと燃料電池１から排出されたアノードオフガスを流入させて処理する燃料電池システムであって、制御部２５は、アノードオフガス中の水素濃度とカソードオフガス中の酸素濃度を推定し、これら推定された水素濃度および酸素濃度に基づいて、触媒燃焼機１０に流入するアノードオフガス及びカソードオフガスの少なくともいずれか一方のガス流量を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の排気系に設けられた触媒燃焼器とを含み、該触媒燃焼器に酸化ガス含有ガスと前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを流入させて処理する燃料電池システムであって、
前記アノードオフガス中の燃料ガス濃度を推定する第１推定手段と、
前記酸化ガス含有ガス中の酸化ガス濃度を推定する第２推定手段と、
これら推定された燃料ガス濃度および酸化ガス濃度に基づいて、前記触媒燃焼機に流入するアノードオフガス及び酸化ガス含有ガスの少なくともいずれか一方のガス流量を制御する流量制御手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記触媒による燃料ガスの酸化反応を最大化させるように、前記ガス流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記触媒を加熱する加熱手段を更に備える請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の排気系に設けられた触媒燃焼器とを含み、該触媒燃焼器に酸化ガス含有ガスと前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを流入させて処理する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を調整する温調手段を備え、該温調手段によって前記触媒が加熱される燃料電池システム。
【請求項５】
前記温調手段は、前記燃料電池に冷媒を通して該燃料電池を冷却する冷媒系であり、前記燃料電池の冷却に供した冷媒を熱媒にして前記触媒を加熱する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化ガス含有ガスとして、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが用いられる請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化ガス含有ガスとして、外気または他のシステムから供給される二次空気が用いられる請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の排気系に触媒燃焼器を備えた燃料電池システムに関し、特に、触媒燃焼器での十分な酸化反応の実現と、触媒温度を活性領域に維持するのに有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料ガス（例えば、水素）と酸化ガス（例えば、空気）の供給を受けて電力を発生する。燃料電池で消費されずに余った燃料ガスを含むガスはアノードオフガスとして燃料電池の外部に排出される。また、燃料電池で消費されずに余った酸化ガスを含むガスはカソードオフガスとして燃料電池の外部に排出される。アノードオフガスには燃料ガスが残留しているため、これを燃料電池に還流させることによって、燃費の改善を図ることが可能となる。
【０００３】
アノードオフガスを燃料電池に還流させる燃料電池システムでは、燃料電池のアノード極側にカソード極側から透過してきた窒素（Ｎ2）が蓄積して電気化学反応を阻害して燃料電池セルの出力を低下させる。また、燃料ガスの加湿水や電気化学反応によって生成した水が燃料電池内に滞留して電気化学反応を阻害して燃料電池セルの出力を低下させることもある。このため、アノードオフガス還流系にパージ弁を設け、アノードオフガスを間欠的に外部に放出（パージ）して燃料電池の出力の低下を防止している。
【０００４】
アノードオフガスを外部に放出する際には、アノードオフガスを希釈して該オフガス中の燃料ガス濃度を十分に低くする、あるいはアノードガスを触媒燃焼器に流入させて該オフガス中の燃料ガスを燃焼させてから放出するようにしている。アノードオフガス中の燃料ガスを処理する技術として、例えば特許文献１には、触媒熱容量及び燃料ガス流量を制御しながら、アノードオフガスとカソードオフガスを燃焼させる技術が開示されている。
【０００５】
その他、燃料電池システムにおける触媒燃焼器に関する技術としては、アノードオフガスの非パージ時に、燃焼器に少量の燃料ガスを供給して触媒活性を維持する技術（例えば、特許文献２参照）や、燃焼器の上流に、カソードオフガスを加熱する手段を設けた技術（例えば、特許文献３参照）が知られている。
【特許文献１】特開２００３−１４２１３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２４１１８３号公報
【特許文献３】特開２００４−２３４８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カソードオフガス中の酸化ガスは燃料電池で消費されて変化し、アノードオフガス中には燃料ガスの他にカソード極側からの窒素や水分が混入する。したがって、触媒燃焼器に流入するカソードオフガス中の酸化ガス濃度およびアノードオフガス中の燃料ガス濃度は、燃料電池の運転状態に応じて変化する。また、カソードオフガスは水分を含有するため、この水分によって触媒が冷やされて活性領域から外れてしまうと、燃焼（酸化）反応が妨げられてしまう。よって、特許文献１に開示の技術では、触媒反応器での酸化反応が不十分となることがある。
【０００７】
また、アノードオフガスの非パージ時には、触媒燃焼器での燃焼反応も停止するため、外気により触媒燃焼器内の残留ガスが冷却されて水分が結露する。このため、非パージ時における触媒燃焼器の保温が不十分となって、パージ時における触媒燃焼器での燃焼反応が妨げられてしまう。運転停止時についても同様で、触媒燃焼器内の残留ガスに含まれる水分が結露することにより、起動後における触媒燃焼器の燃焼反応が妨げられてしまう。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、アノードオフガスに含まれる燃料ガスを十分に酸化することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。また、触媒燃焼器の触媒温度を活性領域に維持することのできる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】
本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の排気系に設けられた触媒燃焼器とを含み、該触媒燃焼器に酸化ガス含有ガスと前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを流入させて処理する燃料電池システムであって、前記アノードオフガス中の燃料ガス濃度を推定する第１推定手段と、前記酸化ガス含有ガス中の酸化ガス濃度を推定する第２推定手段と、これら推定された燃料ガス濃度および酸化ガス濃度に基づいて、前記触媒燃焼機に流入するアノードオフガス及び酸化ガス含有ガスの少なくともいずれか一方のガス流量を制御する流量制御手段と、を備える。
【００１０】
このような構成によれば、触媒燃焼器に流入する酸化ガス含有ガス中の酸化ガスとアノードオフガス中の燃料ガスとの割合、つまり、触媒燃焼器への流入ガスの空燃比を適切に制御することが可能となる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいては、前記触媒による燃料ガスの酸化反応を最大化あるいは最適化させるように、前記ガス流量を制御してもよい。
【００１２】
例えば空燃比が低い状態、つまり、酸化ガスに対して燃料ガスが過多な状態では、過剰燃焼によって触媒温度が異常昇温するので、耐久性や耐熱性が問題になる他、ＮＯＸが発生する。これとは逆に、空燃比が高い状態、つまり、酸化ガスに対して燃料ガスが過少な状態では、燃焼反応が不十分となる。以上に対し、本発明の上記構成によれば、触媒温度を最適反応領域に維持することが可能となる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいては、前記触媒を加熱する加熱手段を更に備えてもよい。
【００１４】
この構成によれば、アノードオフガスが触媒燃焼器に流入されない間（例えば、非パージ時）に起こり得る、触媒燃焼器内の結露を抑制することが可能となる。加熱量は、触媒による燃料ガスの酸化反応が最大となる（酸化反応を行うのに最適な）活性温度、又は結露を抑制できる温度に制御する。
【００１５】
本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池の排気系に設けられた触媒燃焼器とを含み、該触媒燃焼器に酸化ガス含有ガスと前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを流入させて処理する燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度を調整する温調手段を備え、該温調手段によって前記触媒が加熱される。
【００１６】
このような構成によれば、燃料電池の冷却または暖機と、触媒燃焼器の触媒加熱とを一つの温調手段にて行うことが可能となる。
【００１７】
この燃料電池システムにおいて、前記温調手段は、前記燃料電池に冷媒を通して該燃料電池を冷却する冷媒系であり、前記燃料電池の冷却に供した冷媒を熱媒にして前記触媒を加熱する構成でもよい。
【００１８】
このような構成において、燃料電池を冷却する冷媒は、燃料電池の温度、すなわち燃料電池内のアノードガスの温度と略同じとなる。冷媒は燃料電池から流出し、触媒燃焼器の触媒と熱交換される。これにより、触媒は燃料電池温度まで加熱されるため、結露が防止される。また、燃料電池の排熱を利用して加熱するため、燃費は悪化しない。さらに、常に安定した温度を得ることができる。
【００１９】
上記燃料電池システムにおいては、前記酸化ガス含有ガスとして、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが用いられてもよい。
【００２０】
このような構成によれば、カソードオフガス中の酸化ガスを触媒燃焼器に流入させて、燃料ガスの処理（酸化反応）に用いることができる。
【００２１】
上記燃料電池システムにおいては、前記酸化ガス含有ガスとして、外気または他のシステムから供給される二次空気が用いられてもよい。
【００２２】
このような構成によれば、外気中または他のシステムから供給される二次空気中の酸化ガスを触媒燃焼器に流入させて、燃料ガスの処理（酸化反応）に用いることができる。外気や他システムからの二次空気は、燃料電池から排出されるカソードオフガスよりも酸化ガス濃度が推定し易い上に、含まれる水分も少ないため、燃料ガス濃度および酸化ガス濃度に基づくガス流量制御の簡素化が可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、触媒燃焼器に流入する酸化ガス含有ガス中の酸化ガスとアノードオフガス中の燃料ガスとの空燃比を適切に制御できるようになる結果、燃料ガスを十分に酸化すること、および触媒温度を活性領域に維持することが可能になる。
【００２４】
本発明によれば、触媒燃焼器の触媒を燃料電池の排熱を利用して加熱することで、触媒燃焼器内の結露を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示した図である。同図の燃料電池システムにおいては、燃料電池１にアノードガスとして高圧水素タンク２より水素ガス（燃料ガス）が供給され、カソードガスとして空気（酸化ガス）がエアコンプレッサ３により供給される。
【００２６】
燃料電池１において、アノードガスとカソードガスが発電に用いられた後、燃料電池１からは、アノードオフガス及びカソードオフガスが、アノード排気ライン（排気系）５及びカソード排気ライン（排気系）６に排出される。
【００２７】
アノード排気ライン５及びカソード排気ライン６は、いずれも触媒燃焼器１０に接続されており、後に詳述するように、アノードオフガス及びカソードオフガスが触媒燃焼器１０にて混合し、アノードオフガス中の水素ガス（燃料ガス）とカソードオフガス中の酸素（酸化ガス）との触媒燃焼（酸化反応）処理が行われた後、当該燃料電池システムの外に排出される。
【００２８】
アノード排気ライン５には、アノード排気電磁弁（流量制御手段）１１が介装され、カソード排気ライン６には、カソード排気電磁弁（流量制御手段）１２が介装されている。カソード排気ライン６には、カソード排気電磁弁１２の上流側から分岐するカソード排気バイパスライン１３が設けられ、該カソード排気バイパスライン１３には、圧損調整器１５が介装されている。
【００２９】
アノード排気ライン５には、ポンプ１７が介装され、さらにポンプ１７とアノード排気電磁弁１１との間には、燃料電池１のアノードガス供給側にアノードオフガスを戻す循環路１８が分岐している。アノード排気電磁弁１１が閉じている状態では、アノードオフガスが循環路１８を経ることで燃料電池１を循環するアノード循環ライン１８Ａが形成される。
【００３０】
触媒燃焼器１０は、入口側からガス混合部２０，点火部（ＥＨＣ）２１，および反応部２２を備えている。ガス混合部２０は、供給されたアノードオフガスとカソードオフガスとを混合する領域である。点火部２１は、電気ヒータ（加熱手段）付触媒を備えて構成されている。反応部２２は、燃焼触媒を備えて構成されており、白金系等の既知の燃焼触媒を用いてアノードオフガス中の水素ガスを燃焼させる。
【００３１】
さらに、上記の各構成は制御部（ＥＣＵ）２５により制御される。制御部２５には、例えば流量センサ等で検出されたアノードガス供給量と、例えばエアフローメータ等で検出されたカソードガス供給量と、例えば電流センサで検出された燃料電池１の発電量を示す負荷電流値等が入力される。なお、図１には、これらアノードガス供給量とカソードガス供給量とを一纏めにしてガス供給量と記載している。
【００３２】
以下、制御部２５による触媒燃焼器１０へのガス流量制御について、図２のタイムチャートを用いて説明する。まず、図２（Ａ）のように、触媒燃焼器１０の点火部２１に通電して点火部温度を所定の温度（ガス温度）以上まで昇温させておく。これは、触媒燃焼器１０内を結露させることなく、速やかに点火させるためのものである。所定温度としては、触媒における水素ガスの酸化反応が最大となる温度、言い換えれば、酸化反応を行うのに最適な温度とし、通電のＯＮ−ＯＦＦを切り替えることにより所定温度に維持する制御を行う。
【００３３】
次いで、図２（Ｂ）に示したように、カソード排気電磁弁１２を開いてカソードガスを触媒燃焼器１０に導入する。導入開始から一定時間経過後に点火部２１の通電を終了する。その後、図２（Ｃ）に示したように、アノード排気電磁弁１１を開いてアノードオフガスを触媒燃焼器１０に導入して点火する。
【００３４】
この際に、アノード排気電磁弁１１とカソード排気電磁弁１２とを制御し、触媒燃焼器１０に導入されるアノードオフガス流量とカソードオフガス流量とを調整することで、常に適切な空燃比を保つ。制御部２５によるオフガス流量制御は、以下のステップで行われる。
＜アノードオフガス＞
（１）アノードガス供給量，負荷電流値，ポンプ１７の回転数や電流値等に基づいてアノード循環ライン１８Ａ中の不純物量を算出する。
（２）算出した不純物量に基づいて、アノード循環ライン１８Ａから排気すべきアノードオフガス流量(以下、必要排気量）及びアノードオフガス中の水素濃度を算出（推定）する。つまり、本実施形態の制御部２５は、アノードオフガス中の水素濃度を推定する第１推定手段としての機能を有する。
（３）必要排気量に基づいて、アノード排気電磁弁１１の弁開度を調整、または開頻度を決定する。これにより、触媒燃焼器１０に流入するアノードオフガス流量を制御する。
＜カソードオフガス＞
（１１）燃料電池１へのカソードガス供給量を例えばエアフローメータ，コンプレッサ３の回転数や電流値等で検出する。
（１２）燃料電池１の負荷電流値あるいは発電指令に基づいて、カソードガス中の酸素消費量を算出し、燃料電池１から排出されるカソードオフガス流量及びカソードオフガス中の酸素濃度を算出（推定）する。つまり、本実施形態の制御部２５は、カソードオフガス中に含まれる酸素濃度を推定する第２推定手段としての機能も有する。
（１３）上記（３）で求めた触媒燃焼器１０に流入するアノードオフガス流量及びその水素濃度、並びに燃焼触媒の目標到達温度から、適切な空燃比となるように、触媒燃焼器１０に導入が必要な酸素流量、すなわちカソードオフガス流量を算出し、カソード排気電磁弁１２の弁開度を調整、または開頻度を決定する。適切な空燃比とは、触媒燃焼器１０が備える反応部２２における水素ガスの酸化反応を行うのに最適な温度（すなわち、燃焼触媒の最適反応領域）となる空燃比である。
【００３５】
所定時間が経過した後、アノード排気電磁弁１１を閉じる。次いで、再び点火部２１に通電し、その後、カソード排気電磁弁１２を閉じる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、点火部２１に通電し、点火部温度を所定の温度（ガス温度）以上まで昇温させておくことで、パージ間欠運転時や駆動停止後の起動時においても、触媒燃焼器１０内を結露させることなく、又は結露を最小限にとどめて、速やかに点火させることができる。
【００３７】
さらに、点火部温度をガス温度より高めると、燃料電池生成水の影響が緩和され、反応部２２の能力（見かけ上の触媒活性）が向上し、体格を小さくすることができる。その効果は使用する触媒によって異なるが、水素ガスの酸化反応で水の生成が大きく寄与するため、特に１００℃以下の領域で顕著に表れ、１００℃の温度差で体格が１００倍程度異なる場合もある。アノードとカソードの排気温度は固体高分子型燃料電池の場合、おおむね１００℃以下であるので、僅かな昇温で大きな体格効果を得ることができる。
【００３８】
また、アノード排気電磁弁１１とカソード排気電磁弁１２とを制御してアノードオフガス流量とカソードオフガス流量を制御することで、触媒燃焼器１０に流入する各オフガスを適切な空燃比に保つことができる。これにより、反応部２２の温度を常に最大（最適）の酸化反応を得ることが可能な触媒の最適反応領域に保つことができる。上記のように目標温度を高く設定することにより体格を小さくすることができるから、空燃比を適切に保つことで、反応部２２の温度をガス温度以上の適切な状態に規定できるので、常に安定した水素ガスの燃焼処理が可能となる。
【００３９】
なお、上記においては、カソード排気ライン６に電磁弁としてカソード排気電磁弁１２を設け、該カソード排気電磁弁１２をバイパスするカソード排気バイパスライン１３に圧損調整器１５を設けたが、これらのうち少なくともいずれか一方が電磁弁であればよい。例えば圧損調整器１５のかわりに電磁弁を設け、該電磁弁を制御することで触媒燃焼器１０に導入されるカソードオフガス量を調整するようにしてもよい。
【００４０】
また、空燃比の制御はアノード排気電磁弁１１とカソード排気電磁弁１２の少なくともいずれか一方を制御することにより可能である。
【００４１】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示した図である。以下、図１に示した燃料電池システムと同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
【００４２】
本実施形態においては、燃料電池１と反応部２２との間に冷却水（冷媒）が循環する冷却水ライン（冷媒系）３０が設けられており、燃料電池１の温度を調整する温調手段は、冷却水ライン３０と、該冷却水ライン３０に介装された冷却水ポンプ３１及び不図示のラジエータとを備えて構成されている。
【００４３】
冷却水ライン３０を流通する冷却水は、燃料電池１と熱交換（冷却）することによって昇温するので、燃料電池１から排出された冷却水は、熱媒として触媒燃焼器１０の反応部２２に供給される。反応部２２には熱交換器３２が設けられており、該熱交換器３２内に前記昇温した冷却水が流れることにより、冷却水と燃焼触媒との間で熱交換（加熱）が行われる。
【００４４】
その結果、冷却水の温度、つまり、燃料電池１の温度と、燃焼触媒とは同一温度となる。一方、燃料電池１から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスの温度は、燃料電池１の温度以上になることはない。よって、本実施形態の燃料電池システムでは、反応部２２の温度がそこに流入するアノードオフガス及びカソードオフガスの温度以上となるので、パージ間欠運転時や駆動停止後の起動時においても、触媒燃焼器１０内での結露による触媒反応低下を防ぐことができ、さらに安定した酸化反応を実現することができる。
【００４５】
＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示した図である。以下、図１に示した燃料電池システムと同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
【００４６】
本実施形態においては、図１に示したカソード排気ライン６に替えて、カソード排気ライン３６が設けられている。カソード排気ライン３６にはカソードオフガス流を動力源とするターボ送風機３７が設けられている。ターボ送風機３７は、カソードオフガスを動力源として、外気や他のシステムから供給される二次空気（以下、外気等）を取り込み、触媒燃焼器１０に対してカソードオフガスの替わりに外気等を導入する。
【００４７】
カソードオフガスは、燃料電池１内で酸素が消費されるため低酸素ガスであるうえ、燃料電池生成水を含む湿潤ガスであるが、本実施形態では、外気等を支燃ガスとして触媒燃焼器１０に導入する。この外気等はそれ自身に含まれる水分が少ないため、カソードオフガスに含まれる水分の触媒反応への影響が緩和され、触媒の反応率が高くなる。したがって、触媒の小型化が可能である。
【００４８】
また、外気等の酸素濃度はカソードオフガスと比べて高い。このため、同じ空燃比を得るために必要なガス量はカソードオフガスと比べて半分以下から１／３と少なくてよい。しかも、酸素濃度が高いほど反応温度が高くなるため、本実施形態のように、カソードオフガスの替わりに外気等を用いると、触媒反応の活性向上、安定反応が可能となり、触媒サイズの低減も可能となる。
【００４９】
さらに、外気等は、燃料電池１から排出されるカソードオフガスよりも酸素濃度が推定し易い上に、含まれる水分も少ないため、水素濃度および酸素濃度に基づく、触媒燃焼器１０へのガス流量制御の簡素化も可能となる。また、ターボ送風機３７はカソードオフガスを動力源としているため、新たな動力損失がない。なお、ターボ送風機３７の動力源には、エアコンプレッサ３の出口ガスを利用してもよいし、アノードガスやアノードオフガスを利用してもよい。
【００５０】
本実施形態の構成を図３に示した第２実施形態に係る冷却水ライン３０と組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】同燃料電池システムにおける触媒燃焼器の動作を示したタイムチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料電池、５…アノード排気ライン（排気系）、６…カソード排気ライン（排気系）、１０…触媒燃焼器、１１…アノード排気電磁弁（流量制御手段）、１２…カソード排気電磁弁（流量制御手段）、２０…ガス混合部、２１…点火部、２２…反応部、２５…制御部（第１推定手段、第２推定手段）、３０…冷却水ライン（冷媒系、温調手段）、３１…ポンプ（温調手段）、３２…熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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