(57)【要約】【課題】効率の良い水供給が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質部１とＰＲＯＸ反応器２と燃料電池６と凝縮器１７と膜加湿器３を備える。ＰＲＯＸ反応器２で発生する熱を冷却水によって回収し、膜加湿器３において冷却水中の水分で改質部１，ＰＲＯＸ反応器２へ供給する空気を加湿する。また、燃料電池６から排出される排気ガス中の水分を回収し、冷却水タンク１３の冷却水を希釈する。【選択図】        図１
2004349212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質システムと、
酸化ガスと前記燃料ガスを供給することにより発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて
前記改質システムに備えられ、前記燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部と、
前記一酸化炭素選択酸化部で発生した反応熱を、水および不凍材を含む冷却水により回収する熱交換機構と、
前記冷却水を貯留する冷却水タンクと、
前記冷却水中から不凍材と水分を分離し、前記水分により改質に使用する空気を加湿する加湿器と、を備えることを特徴とする移動体用燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の排ガス中の水分を回収する水回収装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項３】
前記水回収装置は、冷却水を循環して前記排気ガスの水分を凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部により凝縮した水を回収し、貯留する水タンクと、を備え、
回収した水の少なくとも一部を前記改質システムでの改質に用いることを特徴とする請求項２に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿器は水透過型膜加湿器であり、前記水タンクの水量に応じて前記加湿器における空気の加湿量を制御することを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿器における加湿量が前記一酸化炭素選択酸化部の上流から供給される空気量に応じて制御されることを特徴とする請求項４に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却水タンクの冷却水中の不凍材濃度を検出する手段を設け、前記冷却水中の不凍材濃度が高くなると前記水タンクから前記冷却水タンクに水を供給し、前記冷却水タンクの冷却水を希釈することを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項７】
前記水回収装置は、水と相溶する液体を前記燃料電池の排気ガス中に噴射する噴射弁と、
前記噴射弁からの噴射により前記排気ガス中の水分を回収する水回収部と、
前記水と相溶する液体と前記水回収部により回収した水を貯留する貯留タンクと、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項８】
前記水と相溶する液体が不凍材を含む冷却水であることを特徴とする請求項７に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項９】
前記水回収装置は、不凍材を含む冷却水により気体を冷却し、凝縮させる凝縮部と、
凝縮された液体を前記冷却水中に溶解させる溶解機構と、を備え、
凝縮機内の前記冷却水により気体を冷却し凝縮させる凝縮面が、前記冷却水に接する多孔板ないしは選択透過膜であることを特徴とする請求項２に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水回収装置の冷却水中の不凍材濃度を推定または検出する手段を設け、前記冷却水中の不凍材濃度に基づいて前記水回収装置における前記排気ガス中の水分の回収を制御することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の移動体用燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水回収装置の冷却水中の不凍材濃度を推定または検出する手段と、
前記冷却水タンク内の冷却水と前記貯留タンク内の冷却水とを互いに交換させる冷却水交換機構と、を備え、
前記冷却水中の不凍材濃度に基づいて前記冷却水タンク内の冷却水と前記貯留タンク内の冷却水との冷却水交換量を制御することを特徴とする請求項８から１０のいずれか一つに記載の移動体用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は原料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質部と燃料ガスと酸化ガスにより発電する燃料電池とからなる燃料電池システムに関するものであり、特に氷点下時の運転に対応した燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池システムの水供給部は、氷点下起動時には燃料電池システムの水分離部を用いて不凍性冷却材から水を分離し、分離された水を燃料ガス供給部に供給し、通常運転時には不凍性冷却材からの水の分離を停止して、燃料電池内の電気化学反応で生成された水を燃料ガス供給部に供給するものが、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
実開２００２−５６８６６
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、上記の発明では、燃料電池スタックのＬＬＣの濾過により液体水を抽出しているが、水を分離する際にエネルギーを必要とし、水を蒸発させるためのエネルギーも必要となる。さらに、氷点下起動時には濾過部や加湿器などを暖機する必要があり、その暖機にもエネルギーが必要となり起動エネルギーが増大するといった問題点がある。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、改質などに必要な水を効率良く得ることができ、特に氷点下起動時に暖機エネルギーを削減でき、効率的な起動および継続した運転が行える燃料電池システムを得ることを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明では、燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質システムと、酸化ガスと前記燃料ガスを供給することにより発電する燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部を設ける。また、一酸化炭素選択酸化部で発生した反応熱を、冷却水により回収する熱交換機構と、冷却水を貯留する冷却水タンクと、冷却水により改質に使用する空気を加湿する加湿器と、を備える。
【０００７】
【作用及び効果】
本発明によると、一酸化炭素選択酸化部の一酸化除去の際に生じる熱を冷却水との熱交換によって回収し、暖められた冷却水によって改質に使用する空気を加湿するので排熱を有効利用でき、効率的な起動ができる。また、氷点下起動時に液水凍結防止のための暖機エネルギーを削減できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。
【０００９】
１は改質部、２はＰＲＯＸ反応器、３は膜加湿器、４と５はブロア、６は燃料電池、７は凝縮器、８はバーナー、１１と１２はラジエータ、１３と１４は冷却水タンク、１５は水タンク、１６は原料タンクである。
【００１０】
改質部１では、ポンプ２５によって原料タンク１６から供給される炭化水素系の原料と、ポンプ２４により水タンク１５から供給される水と、ブロア４により外部から取り入れ膜加湿器３によって加湿された空気と、により原料改質を行い改質ガスを生成する。なお、この際水タンク１５から供給される水は、図示しない蒸発器によって水蒸気となって改質部１へ供給される。
【００１１】
ＰＲＯＸ反応器２では改質部１で生成された改質ガス中の一酸化炭素の除去を行い、水素リッチな燃料ガスを燃料電池６に供給する。また、ＰＲＯＸ反応器２では一酸化炭素除去の際に熱を発生するが、ＰＲＯＸ反応器２中には冷却用の流路５１が設けてあり、ポンプ２１により冷却水タンク１３から流路５１に冷却材を含んだ冷却水を循環し、反応熱と熱交換を行いＰＲＯＸ反応器２が一酸化炭素除去に適した温度になるようにしている。ＰＲＯＸ反応器２で熱交換を行い、暖められた冷却水はバルブ３２において流路５２と流路５３とに分岐し、流路５２を通る冷却水はラジエータ１１において熱を放熱する。流路５３を通る冷却水は膜加湿器３において水透過膜などを使用し、冷却水中の不凍材と水分を分離し、水分のみによってブロア４から供給された空気を加湿した後、冷却水中の不凍材濃度が高くなった冷却水は流路５４を通りバルブ３１において、流路５２の冷却水と合流し、冷却水タンク１３へ戻る。冷却水タンク１３内の冷却水は膜加湿器３において空気を加湿するために消費される水分量であって、改質部１での改質量に応じた水分消費量と共に不凍材濃度が高くなるが、その場合はポンプ２３を起動し、水タンク１５から水を供給することにより不凍材濃度が高くなった冷却水を希釈する。
【００１２】
燃料電池６ではＰＲＯＸ反応器２から供給された燃料ガスとブロア５から供給された空気（酸素）との反応によって発電を行い、モータなどの電気的負荷に電気を供給する。燃料電池６の燃料極における未反応の水素を含んだ排気ガスは流路４０を通り凝縮器７に送られる。一方、燃料電池６の酸素極において生成された水と未反応の酸素を含んだ排気ガスは流路４１を通り凝縮器７に送られる。
【００１３】
凝縮器７には冷却水流路５６が設けてあり、流路４０、４１から凝縮器７に供給される排気ガスはそれぞれ異なる経路において冷却水流路５６で熱交換を行い、排気ガス中の水分を凝縮し、凝縮水を生成する。この凝縮水は流路４５を通り水タンク１５に貯水される。水分を凝縮させた後、流路４０から供給された排気ガスは流路４２を通り、また流路４１から供給された排気ガスは流路４３を通りバーナー８へ送られる。
【００１４】
冷却水流路５６を循環する不凍材を含んだ冷却水はポンプ２２により冷却水タンク１４から供給される。それぞれの排気ガスとの熱交換によって加熱された冷却水はラジエータ１２によりその熱を放熱し、冷却された冷却水は冷却水タンク１４へ戻る。
【００１５】
バーナー８では凝縮器７によって水分が十分に少なくなった未反応のガスを燃焼し、その排気ガスを大気に放出する。
【００１６】
改質部１、ＰＲＯＸ反応器２、燃料電池６、各ポンプなどは全て、コントローラ１８によって状況を判断し、制御されている。
【００１７】
次に図２のフローチャートを用い、第１実施形態のコントローラ１８が実行する制御動作について説明する。
【００１８】
システムを起動させる時には、まずステップＳ１１において水回収系と改質部１の温度を測定する。この温度測定を図３のフローチャートを用いて説明する。
【００１９】
ステップＳ３１において水タンク１５や配管内の温度Ｔｗと、改質部１の温度Ｔｒと、ＰＲＯＸ反応器２の温度Ｔｐを図示しない温度センサによって測定する。そして回収した水が氷結しない程度、ここでは０℃とし、温度ＴｗがＴｗ≧０℃、かつ改質部１温度ＴｒとＰＲＯＸ反応器２温度Ｔｐがそれぞれ反応に適した所定の温度Ｔ１、Ｔ２と比較してＴｒ≧Ｔ１、かつＴｐ≧Ｔ２である場合は、Ｓ１２へ進み燃料電池６の出力要求を算出する。温度ＴｗがＴｗ＜０℃、もしくは改質部１温度ＴｒとＰＲＯＸ反応器２温度Ｔｐが所定の温度Ｔ１、Ｔ２と比較してＴｒ＜Ｔ１、もしくはＴｐ＜Ｔ２である場合は、ステップＳ３２において図示しないヒーターやバーナーを用いて、所定の温度に達していない箇所の暖機を行う。その後ステップＳ３３で再度温度の比較を行い、Ｔｗ≧０℃、かつＴｒ≧Ｔ１、かつＴｐ≧Ｔ２となるまで暖機を行い、その後ステップＳ３４ヘ進みヒーターやバーナーによる暖機を終了し、ステップＳ１２へ進み燃料電池６の出力要求を検知する。
【００２０】
ステップＳ１２では燃料電池６に要求されている出力を検知し、その後ステップＳ１３では、ステップＳ１２で検知された出力を燃料電池６で発生するために必要な燃料（水素）量を検出し、その燃料を得るための原料と、その原料を改質するために必要な空気、水量を決定する。そしてステップＳ１４ヘ進み改質部１において改質運転を開始する。そしてステップＳ１５へ進む。
【００２１】
ステップＳ１５における水タンク１５の水量検知を図４を用いて説明する。
【００２２】
ステップＳ４１では水タンク１５の水量Ｖｗを或る閾値Ａと比較する。このときＶｗ＜Ａの場合は、改質部１において改質に必要な水量を水タンク１５から供給することができないと判断し、ステップＳ４２へ進む。
【００２３】
ステップＳ４２では、ステップＳ１３において燃料電池６への要求出力によりＰＲＯＸ反応器２で一酸化炭素除去を行うために必要な空気量が決まっているので、図５に示すＰＲＯＸ反応器２へ供給する空気量と膜加湿器３における空気加湿量との関係から、膜加湿器３での現在の空気加湿量を算出する。その後ステップＳ４３へ進み、ステップＳ１３において決められた燃料を改質するために必要な水量と膜加湿器３において現在得ている水量（加湿量）を比較し、その不足量を算出し、ステップＳ４４へ進む。
【００２４】
ステップＳ４４ではステップＳ４３で算出された加湿の不足量を補うためにブロア４からＰＲＯＸ反応器２へ供給する空気を追加する。ＰＲＯＸ反応器２では一酸化炭素除去と同時に改質部１で改質された水素の一部が酸素（空気）と反応を行っている。この反応は発熱反応であり、ＰＲＯＸ反応器２へ供給する空気を増加させることにより、この反応を活性化させる。水素と酸素の反応によって発生した熱は冷却水タンク１３からＰＲＯＸ反応器２へ供給される冷却水と熱交換を行い、より多くの熱量を得た冷却水は膜加熱器３によってブロア４から供給された空気を十分に加湿する。ここで、冷却水タンク１３からＰＲＯＸ反応器２へ供給される冷却水の量と、バルブ３２によって膜加湿器３に供給される冷却水の割合は、加湿の不足量を素早く補うように制御される。そして、ステップＳ４５へ進む。
【００２５】
ステップＳ４５では、ステップＳ４４においてＰＲＯＸ反応器２で水素と酸素を反応させたので、ステップＳ１３で決定した燃料電池で必要な水素量に対して、実際に燃料電池６に供給する水素量が減少してしまう。その減少した水素量を燃料電池６の要求出力に合わせて補正するために原料、空気量、水量の流量補正を行う。その後ステップＳ４１において再度水タンク１５の水量を比較する。
【００２６】
ステップＳ４１において水タンク１５の水量ＶＷがＶＷ≧Ａである場合、水タンク１５から改質に必要な水を供給できると判断し、ステップＳ４６へ進む。
【００２７】
ステップＳ１３において燃料電池６への要求出力によりとＰＲＯＸ反応器２で一酸化炭素除去を行うために必要な空気量が決まるので、ステップＳ４６では、図５に示すＰＲＯＸ反応器２へ供給する空気量と膜加湿器３における空気加湿量との関係から、膜加湿器３の空気加湿量を算出し、ステップＳ４７へ進む。
【００２８】
ステップＳ４７では、水タンク１５からの水供給量と膜加湿器３による空気の加湿量との合計をステップＳ１３で決めた水量に対して比較し、燃料に対する水の過剰加湿量を算出する。その後、ステップＳ４８へ進む。
【００２９】
ステップＳ４８において、ステップＳ４７で算出した過剰加湿量に基づき、バルブ３を調整し、膜加湿器３へ供給する冷却水の量を減少させ、膜加湿器３での加湿量を減少させることにより、改質部１へ供給される水量を調整する。
【００３０】
第１実施形態では燃料に対する水の比（Ｓ／Ｃ）を一定としているが、運転状態に応じてＳ／Ｃを変化させる運転を行っても良い。この場合はステップＳ１３において基本とする水量を運転状態に応じて複数設定する。これによりステップＳ４７で水タンク１５からの水供給量と膜加湿器３による空気の加湿量の合計をステップＳ１３で決めた水量に対して比較し、算出する加湿量が必ずしも過剰になるとは限らない。このとき加湿量が過剰のときは上記ステップに従い進むが、加湿量が不足するときはステップＳ４４へ進む。
【００３１】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００３２】
ＰＲＯＸ反応器２において発生した熱を冷却水によって回収し、暖められた冷却水を用いて膜加湿器３において空気を加湿するので、改質部１やＰＲＯＸ反応器２で必要な水分を蒸発させる蒸発装置の使用を限定でき、また蒸発させるためのエネルギーを削減できるので、熱効率が良い。
【００３３】
また、燃料電池６の排気ガスから水を回収し、その水が溜まり改質部１へ供給できる状態、つまり水バランスが成立する状態になるには長い時間がかかるが、改質部１、ＰＲＯＸ反応器２へ供給する空気を、ＰＲＯＸ反応器２を冷却するための冷却水中の水分を膜加湿器３によって加湿するので、水バランスが成立する前に燃料電池６を起動し出力を得ることができる。
【００３４】
燃料電池６で必要な燃料に対する水量の比（Ｓ／Ｃ）は燃料電池システムの状態や燃料の種類などにより設定値が異なるが、改質部１へ供給する水量を調整できるので異なる設定値にも対応することができる。
【００３５】
次に本発明の第２実形態について図６を用いて説明する。
【００３６】
第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。
【００３７】
第２実施形態では改質部１に供給する水（水蒸気）は膜加湿器３における空気加湿だけで行う。改質部１とＰＲＯＸ反応器２を通り、水素リッチな燃料ガスは燃料電池６によって電気化学反応を行い、その排気ガスは流路１４０を通り凝縮器１０７に送られる。また、酸化ガスとしての空気はブロア５より燃料電池６に供給され、電気化学反応を行いその排気ガスは流路１４１を通り凝縮器１０７に送られる。
【００３８】
ここで凝縮器１０７の構成について図７を用いて説明する。
【００３９】
凝縮器１０７は流路１４０と接続している水回収部１７０と、流路１４１と接続している水回収部１７１と、を設けている。水回収部１７０、１７１にはそれぞれインジェクタ１７４、１７５が設けてあり、冷却水タンク１１４からポンプ１８１によって循環する不凍材を含んだ冷却水をインジェクタ１７４、１７５によりそれぞれ水回収部１７０、１７１内で噴射する。噴射された冷却水は流路１４０、１４１から供給される排気ガス中の水分と相溶し、水分を含んだ冷却水はそれぞれ水回収部１７０，１７１内に貯水される。それぞれの水回収部１７０、１７１内において冷却され、乾燥した排気ガスは流路１４２、１４３を通りバーナー８に送られる。
【００４０】
凝縮器１０７によって回収された排気ガス中の水分を含んだ冷却水は配管１５６を通り冷却水タンク１１４へ回収される。このとき凝縮器１０７と冷却水タンク１１４の間にはラジエータ１１２が設けられており、ラジエータ１１２によって凝縮器１０７によって暖められた冷却水の熱を放熱する。
【００４１】
冷却水タンク１３と冷却水タンク１１４は配管１３６と配管１５５を介し接続しており、冷却水タンク１３内の不凍材濃度が高くなった場合は、ポンプ１２２とポンプ１２４を起動し、冷却水タンク１３と冷却水タンク１１４内の冷却水を入れ替えることにより、冷却水タンク１３内の冷却水を希釈し不凍材濃度を低くし、冷却水タンク１１４内の冷却水の不凍材濃度を高くする。
【００４２】
次に第２実施形態においてコントローラ１８が実行する制御動作を図８のフローチャートを用いて説明する。
【００４３】
まず、ステップＳ７０１において、凝縮器１０７の温度Ｔを検知する。この温度Ｔが０℃以下であった場合は、ステップＳ７０２へ進み、氷点下改質サブルーチンを行い、それ以外の場合はステップＳ７０３へ進み、通常改質サブルーチンを行う。
【００４４】
図９を用いて、氷点下改質サブルーチンを説明する。
【００４５】
ステップＳ８０１では燃料電池６の排気中の水分が凝縮器１０７内の水回収部１７０、１７１において、噴射弁１７４、１７５より噴射された冷却水と相溶し回収される。また、この時冷却水タンク１１４から凝縮器１０７に供給される冷却水によって燃料電池６の排熱を回収することにより冷却水や配管を暖める。その後、ステップＳ８０２へ進む。
【００４６】
燃料電池運転時は膜加湿器３においてブロア４から供給される空気を加湿するので、冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒが高くなる。ステップＳ８０２では、この濃度Ｃｒを或る閾値Ａと比較し、冷却材濃度Ｃｒが閾値Ａと等しくなるとステップＳ８０３へ進む。ステップＳ８０３では冷却水タンク１３内の冷却水と冷却水タンク１１４内の冷却水の一部を入れ替え、冷却水タンク１３内の冷却水を希釈する。そしてステップＳ８０４へ進む。
【００４７】
ステップＳ８０４では再度冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒを測定し、冷却材濃度Ｃｒを閾値Ａよりも小さい値である閾値Ｂと比較し、冷却材濃度Ｃｒが閾値Ｂと等しくなるまで冷却水タンク１３内の冷却水とタンク１１４内の冷却水との交換を行い。冷却材濃度Ｃｒと閾値Ｂが等しくなるとステップＳ８０５へ進む。
【００４８】
ステップＳ８０５では凝縮器１０７の温度を測定し、その温度ＴがＴ＜０℃の時はステップＳ８０２へ進み、上記ステップを繰り返す。また、Ｔ≧０℃の時はステップＳ８０６へ進み凝縮器１０７での水回収を終了し、通常改質サブルーチンへ移行する。
【００４９】
次に図１０を用いて通常改質サブルーチンを説明する。
【００５０】
ステップＳ９０１では冷却水タンク１３内の冷却水濃度Ｃｒと冷却水タンク１１４内の冷却水濃度Ｃｃを測定する。その後ステップＳ９０２へ進む。
【００５１】
ステップＳ９０２では冷却水タンク１１４内の冷却水濃度Ｃｃと冷却水タンク１１４内の冷却水の通常設定値Ｙとを比較し、Ｃｃ≦Ｙの場合はステップＳ９０３へ進み、Ｃｃ＞Ｙの場合はステップＳ９０６へ進む。
【００５２】
燃料電池運転時は膜加湿器３において空気を加湿するので冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒが高くなる。ステップＳ９０３では、この濃度Ｃｒを閾値Ａと比較し、Ｃｒ≧ＡとなるとステップＳ９０４へ進む。ステップＳ９０４では冷却水タンク１３内の冷却水と冷却水タンク１１４内の冷却水の一部を入れ替え冷却水タンク１３内の冷却材を希釈し、冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒを低くする。その後ステップＳ９０５へ進む。
【００５３】
ステップＳ９０５では再度、冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒを測定し、冷却材濃度Ｃｒを、閾値Ａよりも小さい値である閾値Ｂと比較し、Ｃｒ＝Ｂとなるまで冷却水タンク１３内の冷却水とタンク１１４内の冷却水との交換し冷却水タンク１３内の冷却水を希釈する。Ｃｒ＝Ｂとなると交換を終了し、その後ステップＳ９０６において、凝縮器１０７で水回収を開始し、ステップＳ９０７へ進む。
【００５４】
ステップＳ９０７ではステップＳ９０６における水回収によって冷却水濃度が低くなった冷却水タンク１１４の冷却水濃度Ｃｃと冷却水タンク１１４の冷却水の通常設定値Ｙを比較し、Ｃｃ≦Ｙとなった場合はステップＳ９０８へ進み、凝縮器１０７での水回収を停止する。
【００５５】
次に燃料電池６の出力要求と冷却水タンク１３内の冷却水濃度Ｃｒと冷却水タンク１１４内の冷却水濃度Ｃｃとのタイムチャートを図１１を用いて説明する。なお、ここでは最初に氷点下改質を行い、その後定常改質を行う場合を想定する。
【００５６】
時間ｔ１において燃料電池６に出力要求Ｖｄがあると膜加湿器３において加湿を開始する。時間ｔ１では冷却水タンク１３内の冷却水濃度ＣｒはＢに近い濃度となっており、冷却水タンク１４内の冷却水濃度ＣｃはＹとなっている。氷点下改質を開始すると膜加湿器３によって空気を加湿するために、冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒが高くなり、タンク１１４には凝縮器１０７より回収した水が供給されるので冷却水タンク１１４内の冷却水濃度Ｃｃが低くなる。
【００５７】
冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒが時間ｔ２において閾値Ａとなると、冷却水タンク１３内の冷却水と冷却水タンク１１４内の冷却水とを交換し、冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒを低くする。時間ｔ３において冷却水タンク１３内の冷却材濃度Ｃｒが閾値Ｂとなると冷却水交換を終了する。また凝縮器１０７の温度ＴがＴ＞０℃となると凝縮器１０７での水回収を終了し通常改質に移行する。この後も膜加湿器３において空気を加湿しているので、冷却水タンク１３の冷却材濃度Ｃｒは高くなる。また、  冷却水タンク１１４では凝縮器１０７における水回収を行っていないので、冷却材濃度Ｃｃの変化はない。
【００５８】
時間ｔ４において、冷却水タンク１３内の冷却材濃度ＣｒがＡとなると、冷却水タンク１３内の冷却水と冷却水タンク１１４内の冷却水とを交換する。時間ｔ５において冷却水タンク１３内の冷却材濃度ＣｒがＢとなると冷却水交換を終了する。その後、凝縮器１０７から水回収を開始し、タンク１４内の冷却水の冷却材濃度Ｃｃを通常設定値Ｙを目標値として下げる。時間ｔ６においてタンク１４内の冷却水濃度Ｃｃが通常設定値Ｙまで下がると凝縮器１０７からの水回収を終了する。
【００５９】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００６０】
氷点下運転時には燃料電池６からの排気ガス中の水分を凝縮させる際に、水分が氷結し流路を塞いでしまう可能性があるが、排気ガス中の水分を不凍材を含む冷却水に相溶することで、水分の氷結を防ぐことができ、氷点下運転時にヒータなどによって暖気を行う必要がなく、効率の良い運転を行うことができる。
【００６１】
また、凝縮器１０７では水回収部１７０，１７１において冷却水をインジェクタ１７４，１７５によって噴射すので、排気ガス中の水分を効率良く回収できる。
【００６２】
冷却水タンク１３は加湿器３において空気を加湿するために冷却水タンク１１３内の冷却材濃度が高くなり、また、冷却水タンク１１４は凝縮器１０７において排気ガス中の水分を回収するために冷却水タンク１１４内の冷却材濃度が低くなるが、お互いの冷却水を交換することにより冷却材濃度を平準化することができ、簡単な構成で加湿と凍結防止を行うことができる。
【００６３】
改質部１へ水を供給するための水タンクを設ける必要がなく、システムを小型にすることができる。
【００６４】
次に本発明の第３実施形態について図１２を用いて説明する。
【００６５】
第２実施形態ではブロア４からの空気を、膜加湿器３で加湿する場合の熱をＰＲＯＸ反応器２で熱回収を行ったが、第３実施形態では、この熱を改質部１においても行うようにした。このため改質部１とＰＲＯＸ反応器２内を流路１５１が通っており、冷却水タンク１３から冷却水を流路１５１に流すことにより改質部１とＰＲＯＸ反応器２とで冷却水と熱交換を行う。
【００６６】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００６７】
第３実施形態によると、冷却水が得る熱量が増えるので膜加湿器３における空気の加湿量を増やすことができ、改質部１、ＰＲＯＸ反応器２において、多くの水素リッチな改質ガスを燃料電池６に供給することができる。
【００６８】
また、前記第２、第３実施形態で用いられる凝縮器１０７の異なった実施形態を図１３を用いて説明する。
【００６９】
燃料電池６において空気極から排出された排気ガスは管路１４１を通り、多孔板１９１、１９２に囲まれた空間に導入され、燃料電池６の燃料極から排出された排気ガスは管路１４０を通り、多孔板１９３と１９４に囲まれた空間に導入される。また、冷却水タンク１１４から供給され、排気ガスを冷却する冷却水は多孔板１９２、１９３の間の空間を通る。燃料電池６から排出された各排気ガスは、冷却水との熱交換により多孔板間の空間においてその水分が凝縮し、その凝縮水は多孔板１９２，１９３を通り冷却水と相溶し冷却水タンク１１４へ送られる。また、多孔板の代わりに選択透過膜を用いても良い。
【００７０】
これによると、凝縮器を簡単な構成にすることができ、部品点数を削減できる。また、冷却水が排気ガスと接することがないので、排気ガスに含まれる菌が冷却水中に入ることを防ぐことができ、冷却水の腐敗を防止できる。
【００７１】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の動作フローチャートである。
【図３】本発明の第１実施形態の水回収系、改質温度検知のフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態の水回収装置の水タンクの水量検知のフローチャートである。
【図５】ＰＲＯＸ反応器２に投入される空気量と膜加湿器３における空気加湿量の関係図である。
【図６】本発明の第２実施形態の構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態の凝縮器１０７の詳細図である。
【図８】本発明の第２実施形態の動作フローチャートである。
【図９】本発明の第２実施形態の氷点下改質サブルーチンである。
【図１０】本発明の第２実施形態の通常改質サブルーチンである。
【図１１】本発明の第２実施形態のタイムチャートである。
【図１２】本発明の第３実施形態の構成図である。
【図１３】本発明の第２、３実施形態で変更した凝縮器の構成図である。
【符号の説明】
１      改質部
２      ＰＲＯＸ反応器
３      膜加湿器
４      ブロア
５      ブロア
６      燃料電池
７      凝縮器
８      バーナー
１１    ラジエータ
１２    ラジエータ
１３    冷却水タンク
１４    冷却水タンク
１５    水タンク
１６    原料タンク
１８    コントローラ
１０７  凝縮器
１１４  冷却水タンク
１７０  水回収部
１７１  水回収部
１７４  インジェクタ
１７５  インジェクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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