(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動性を改良する。【解決手段】本発明は、改質ガスと酸化剤ガスとを用いて電気化学反応により発電する燃料電池３と、この燃料電池に改質ガスを供給する改質器１と、燃料電池と改質器を暖機する起動用燃焼器４と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記起動用燃焼器４は、外壁を二重壁構造のジャケット４ａで形成し、このジャケット４ａ内に水を貯留することを特徴とする。【選択図】    図１
2004227896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質ガスと酸化剤ガスとを用いて電気化学反応により発電する燃料電池と、
この燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、
燃料電池と改質器を暖機する起動用燃焼器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記起動用燃焼器は、外壁を二重壁構造のジャケットで形成し、このジャケット内に水を貯留することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ジャケット内に水を供給する水タンクを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記起動用燃焼器は、前記燃料電池と改質器のいずれか一方より下方に設置されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記起動用燃焼器は、水タンク、および水タンクとジャケットを結ぶ流路より下方に設置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ジャケット内の水を前記水タンクに導入する手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ジャケット内の温度を検出するセンサを備え、
燃料電池システム起動時に検出された温度が水の凝固点温度より高い時には、前記水導入手段を作動してジャケット内の水を前記水タンクに導入した後に前記起動用燃焼器を起動することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ジャケット内の温度を検出するセンサを備え、
燃料電池システム起動時に検出された温度の凝固点温度以下の時には、前記起動用燃焼器を起動し、ジャケット内の温度が所定温度に達した後にジャケット内の水を前記水タンクに導入することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ジャケット内の水の凍結状態を推定する手段を備え、
燃料電池システム起動時のジャケット内の水が凍結すると推定される場合には、燃料電池システム内の水をジャケット内に貯留することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システム起動時の前記ジャケット内の水が凍結しないと推定される場合には、ジャケット内の水を前記水タンクに導入することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ジャケット内に貯留する水は、前記改質器と前記燃料電池で生成された凝縮水、改質器の改質反応に使用される水、あるいは燃料電池の温度調整に用いられる水であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【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するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタノールやガソリン等の炭化水素系燃料と水と空気等の酸化剤等を混合し、改質反応によって生成された水素リッチの改質ガスを燃料ガスとして燃料極に供給し、一方、酸素を含む空気を空気極に供給し、各極に供給された水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。
【０００３】
改質ガスを生成する改質反応には、水蒸気改質反応と部分酸化反応とがあり、水蒸気改質反応は次式によって表すことができる。
【０００４】
【数１】
2004227896.tif 000003
ここで（１）式の反応式は、吸熱反応であり、反応を維持するためには熱を供給する必要がある。
【０００５】
一方、部分酸化反応は、炭化水素系燃料と空気の量を調整することで次式によって表される反応である。
【０００６】
【数２】
2004227896.tif 000004
この反応は発熱反応であり、改質反応場への燃料ガスと空気の供給量を調整することで、反応を維持することが可能である。
【０００７】
また、前記した水蒸気改質反応と部分酸化反応とを同一の反応場で行い、吸熱と発熱とのバランスを保つことで、改質反応を持続するオートサーマル反応とすることができる。
【０００８】
したがって、燃料改質反応を効率よく行わせるためには、燃料や空気の他に、水が必要である。
【０００９】
また、固体高分子型燃料電池では、高分子電解質膜を適当な湿潤状態に維持する必要があり、このための水分が空気または改質ガス中に含有されている。また発電により発熱した燃料電池を冷却するための冷却水が必要となる。
【００１０】
このような燃料電池システムを運転するために必要な水は、氷点下時に凍結し、氷点下時からの燃料電池起動時に、水分の解凍が必要となり、システムの起動性を著しく悪化させることになる。このような燃料電池システムの氷点下時からの起動性を向上させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１や特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−１４７８９２号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６４２３３号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料電池システム内の水を回収する水回収タンクやタンク内で凍結した水を解凍する加熱手段がシステムに追加されることになり、システムの大型化や複雑化を招くことになる。
【００１３】
また、特許文献２に記載の技術では、燃料電池システムの暖機に必要な熱を燃焼器によって加熱された不凍液から供給するので、起動時に氷を解凍する必要はなく、起動性は向上するが、暖機終了後に改質運転する際に改質器の反応場に供給される水の確保ができず、改質運転に移行できないという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明においては、上記課題を鑑みて、燃料電池システムとして性能を維持したまま、システムの大型化や複雑化を招くことなく、システムの氷点下時からの起動性を向上させる技術を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池と改質器を暖機する起動用燃焼器が、外壁を二重壁構造のジャケットで形成され、このジャケット内に水を貯留することを特徴とする。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、起動用燃焼器を二重壁構造のジャケットによって覆う形状として、このジャケット内の空間に水を貯留、排出するようにした。この構成により、ジャケット内の水が凍結している場合には起動用燃焼器の熱により解凍が促進され、燃料電池システムを大型化、複雑化することなく起動性を向上できる。また、ジャケット内の水が凍結していない場合には、ジャケット内の水を外部に移動してジャケット内を空にすることで、起動用燃焼器の熱を水の加熱に奪われることなく、効率よく燃料電池や改質器の暖機を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示すものである。図中、太い実線は燃料ガス、改質ガスまたは空気等の燃料流路を示し、細い実線は水流路を示し、破線は制御の信号線を示している。
【００１８】
まず、燃料流路で繋がれた構成について説明する。炭化水素系燃料から改質反応を用いて水素リッチの改質ガスを生成する改質器１には、空気供給機２（例えば、コンプレッサやブロア）から空気が供給され、さらに空気供給機２からの空気は、燃料電池３と起動用燃焼器４にも供給される。起動用燃焼器４に空気を供給する流路と、改質器１及び燃料電池３に空気を供給する流路との分岐には空気の供給先を制御する切換弁５が設置される。また燃料電池３には改質器１からの改質ガスが供給される。燃料電池３では改質ガスと空気を用いて電気化学反応が生じ、発電が行われる。
【００１９】
起動用燃焼器４には、燃料タンク６から燃料ガスが供給されて空気供給器２からの空気と混合し、燃焼され、高温の燃焼ガスが改質器１に導入される。なお、燃料タンク６の燃料ガスは改質器１にも導入される。
【００２０】
図中、７は水タンクを示し、水タンク７は、改質器１に水を供給するとともに、改質器１と燃料電池３に凝縮した水分が貯留される。また、改質器１と燃料電池３の凝縮水を水タンク７に導入するための流路８は、分岐して起動用燃焼器４に凝縮水を導入可能に構成される。この分岐には、切換弁９が設置され、凝縮水の供給先を制御する。なお、図示しないが水タンク７の水を燃料電池の冷却に用いるように構成してもよい。
【００２１】
ここで起動用燃焼器４の特徴的な構成を説明すると、起動用燃焼器４は、改質器１、燃料電池３または水タンク７の下側、好ましくは燃料電池システムを循環する水の流路の最も低い位置に設置され、これらで生成された凝縮水や水タンク、流路中の水が重力によって起動用燃焼器内に流入するような構成となっている。
【００２２】
起動用燃焼器４の外周壁は、二重壁構造からなるジャケット４ａで形成され、このジャケット４ａ内の二重壁間の空間４ｂは密閉されており、凝縮水がジャケット４ａの空間４ｂ内に流入する。また水タンク７からの水が流路１０を通じて起動用燃焼器４の燃焼ガス方向の下流側からジャケット４ａの空間４ｂに充填される。かつ上流側にはジャケット４ａの空間４ｂ内の水が水タンク７に排出されるための流路１１が水タンク７と接続されている。流路１１途中には、起動用燃焼器内の水を水タンク７に供給するためのポンプ（請求項の水導入手段）１２が設置される。水タンク７からジャケット４ａ内には重力により水が供給され、一方、ポンプを設置することでジャケット４ａ内の水はポンプ１２の作用により水タンク７に供給されるので、水を循環させることができる。
【００２３】
燃料電池システムの運転を制御するためのコントローラ１３が設けられ、コントローラ１３には、ジャケット４ａ内の水の温度を検出するセンサ１４の出力が入力されるとともに、燃料電池システムの要求負荷や運転条件が入力され、これら入力値に基づき空気供給器２、起動用燃焼器４の点火プラグ４ｃ、起動用燃焼器４内への燃料ガスの流量を制御する制御弁４ｄ、切換弁５、ポンプ１２を制御する。
【００２４】
なお、起動用燃焼器は燃料電池システム最下部に配置し、重力の作用により水分が起動燃焼器にジャケットに供給される実施例を説明してきたが、ポンプ等を用いて水分を起動用燃焼器に供給できるようにすることで、配置の制限を撤廃できることはいうまでもない。また、ジャケット４ａに貯留される水は、改質器での改質反応に必要な水や燃料電池の温度調整、あるいは燃料電池等で生成された凝縮水であるので、新たに余剰な水分を確保する必要がない。
【００２５】
このように構成されて次に作用を説明する。
【００２６】
燃料電池システムの通常運転時は、切換弁５は空気供給器２からの空気を改質器１と燃料電池３に供給するように制御され、燃料電池３に供給される空気は、燃料電池の空気極に供給され、一方、燃料極には改質器１にて生成された改質ガスが供給されて、電気化学反応を生じ発電する。改質器１には空気の他に燃料タンク６からの燃料ガスと、水タンク７からの水が供給され、燃料ガスと空気と水から改質反応を生じさせて水素リッチの改質ガスを生成し、燃料電池３に供給する。通常運転時に生成された凝縮水は、水タンク７内に供給されるように切換弁９がコントローラによって制御される。
【００２７】
また通常運転時から停止する場合には、改質器１と燃料電池３の内部に水分が残留しないよう、切換弁９を制御して水分をジャケット４ａの空間４ｂに排出する。このとき起動用燃焼器４は、改質器３と燃料電池４の下側に配置されているため、水分は重力によってジャケット４ａの空間４ｂ内に排出される。また、システムが運転を停止するときには、水タンク７の水もジャケット４ａの空間４ｂに供給され、水タンク７内にも水がない状態となる。つまり、起動用燃焼器４のジャケット４ａに形成された空間４ｂの容量は、燃料電池システムに必要な水量をすべて貯留できる容量であることが好ましい。
【００２８】
これにより、改質器１内と燃料電池３内の凝縮水と、水タンク７内の水によりジャケット４ａの空間４ｂは満たされることになる。このようにシステム停止時に、改質器１と燃料電池３の内部の水分、水流路の内の水分さらに水タンク７内の水分が起動用燃焼器のジャケット４ａの空間４ｂ内に流入して貯留されるため、システム停止中に外気温が水の凝固点以下に低下した場合にジャケット４ａの空間４ｂ内の水は凍結するが、システム起動時に起動用燃焼器４を起動させることで、燃焼ガスの熱によりジャケット４ａの空間４ｂ内の凍結した水分を短時間に解凍することができ、解凍用の熱交換器を設けることなく、燃料電池システムの起動性を改善することができる。
【００２９】
コントローラ１３には温度センサの信号が入力され、ジャケット４ａの空間４ｂ内の温度を検出するためにジャケット内の水温が検知される。システム起動時に検出された水温が水の凝固点より高ければ、水は凍結していないため、水をジャケット４ａの空間４ｂから水タンク７に戻し、ジャケット４ａ内を空にして起動用燃焼器４を稼動させる。このようにすることで起動用燃焼器４で発生する燃焼ガスの熱量がジャケット４ａの空間内の水と熱交換することがなく、効率よく改質器１や燃料電池３等の暖機に用いることができる。また起動用燃焼器４の外壁が二重壁構造となっているため、断熱性に優れているため、一層効率よく燃焼ガスの熱量を暖機に用いることができる。
【００３０】
これまで説明してきたコントローラ１３の制御内容を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００３１】
まずステップ１でジャケット４ａの空間４ｂ内に水が存在するかどうかを判定する。この判定は、システムの前回停止時の推定やシステム停止中の外気温に基づき判定する。水が存在すると判定された場合にはステップ２に進み、存在しない場合には、ステップ６に進む。
【００３２】
ステップ２で、温度（水温）センサ１４を用いてジャケット４ａの空間４ｂ内の水温を検出する。検出した水温が水の凝固点を越えていれば、ジャケット４ａの空間内の水は凍結していないと判定してステップ３に進み、凍結している場合にはステップ４に進む。
【００３３】
ステップ３では、ジャケット４ａの空間４ｂ内の水を水タンク７に供給する。続くステップ５でジャケット４ａ内に水がなくなったら、続くステップ６で、起動用燃焼器４を起動する。
【００３４】
このようにジャケット内の水の温度が凝固点以上の場合には、ジャケット４ａ内に水がない状態で、起動用燃焼器４を運転することで、燃焼器の燃焼熱をジャケット４ａ内の水の加熱に消費されることがなく、また起動用燃焼器４の外壁が二重壁構造を有するため断熱層となり、効率よく改質器１と燃料電池３の暖機に熱を用いることができる。続くステップ９で燃料電池３を起動させて制御を終了する。
【００３５】
ステップ２で、ジャケット４ａの空間４ｂ内の水が凍結していると判定された場合にはステップ４に進み、起動用燃焼器４を起動し、氷を解凍する。続くステップ７で、ジャケット４ａ内の水の温度を検出し、所定温度（例えば、８０℃）以上かどうかを判定する。所定温度以上であれば続くステップ８に進み、所定温度未満であれば、水温の検出を繰り返す。
【００３６】
ステップ８では、ジャケット４ａ内の水を水タンク７に供給してジャケット４ａ内での水の沸騰を防止し、システム内に水を循環させる。続くステップ９で燃料電池３を起動して制御を終える。
【００３７】
このようにジャケット内の水の温度が凝固点より低い場合には、起動用燃焼器４でジャケット４ｂ内の氷を解凍するので、急速に解凍でき、システムの起動性を改善できるとともに、水温が所定温度に達すると、ジャケット４ｂ内の水を水タンク７に移動させることで、ジャケット４ｂ内で水が沸騰することを防止できる。
【００３８】
図３に示す第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対して、外気温度を検出するセンサ１５と天気予報等から得られる気温予測情報を収集する装置１６を追加した構成を有するものであり、これらの情報はコントローラ１３に出力される。これらの情報に基づいてコントローラ１３は、燃料電池システム運転中には、外気温を随時検出し、外気温の降下パターンや上昇パターンを予測する。またコントローラ１３は、気温収集装置１６の収集した気温予測情報に基づきシステム停止時にシステム再始動時の外気温度またはジャケット内の水温を予測し、システム再始動時のジャケット内の水の凍結状態を推定する。予測した温度が水の凝固温度以下の場合には、システム内の水をジャケット４ａの空間４ｂ内に導くように制御する。一方、外気温が凝固点より高いと予測されるときには、切換弁９を水が水タンク７に導入されるように切り換える。
【００３９】
このように制御することで、凝固点より高い外気温からのシステム再始動時に、起動用燃焼器４起動前に水を循環させる必要がなく、より早く燃料電池システムを起動させることができる。
【００４０】
図４に示す第３の実施形態は、第２の実施形態に対して気温収集装置１６を削除した構成を有するもので、燃料電池システムの運転中のみならず停止中も外気温を検出する。この実施形態では、システム停止中は水は水タンク７内に貯留されており、外気温が凝固点に近づいてきた時に水を水タンク７からジャケット４ａに導入する。このような制御とすることで、水タンク７内で水が凍結することを防止し、システム起動時に確実にジャケット４ａ内の水の解凍を行うことができる。
【００４１】
したがって、本発明では、起動用燃焼器は、外壁を二重壁構造のジャケットで形成し、このジャケット内に水を貯留するため、システムに専用の水回収タンクや加熱器を設置することがなく、燃料電池システムの大型化や複雑化を防止し、また二重壁構造を有することで断熱性に優れ、起動用燃焼器の熱を効率よく解凍や暖機に使用して起動性を向上することができる。
【００４２】
また、起動用燃焼器は、燃料電池と改質器のいずれか一方より下方に設置されるため、これらで生成された凝縮水が重力によってジャケット内に導入され、ポンプ等の水導入手段を設置する必要がない。
【００４３】
起動用燃焼器は、水タンク、および水タンクとジャケットを結ぶ流路より下方に設置されるため、これらの内部に存在する水分が重力によってジャケット内に導入される。
【００４４】
ジャケット内の水を前記水タンクに導入する手段（ポンプ）を備えたので、ジャケット内の水と水タンク内の水とを相互に移動させることができる。
【００４５】
また、燃料電池システム起動時に検出されたジャケット内の水温が水の凝固点温度より高い時には、水導入手段を作動してジャケット内の水を水タンクに導入した後に前記起動用燃焼器を起動するため、起動用燃焼器の熱がジャケット内の水に奪われることがなく、効率よく改質器や燃料電池の暖機に用いることができる。
【００４６】
燃料電池システム起動時に検出されたジャケット内の水温が水の凝固点温度以下の時には、起動用燃焼器を起動し、ジャケット内の水温が所定温度に達した後にジャケット内の水を前記水タンクに導入するため、凍結した水を迅速に解凍することができるとともに、水がジャケット内で沸騰する前に水タンクに水を移動することができる。
【００４７】
燃料電池システム起動時にジャケット内の水が凍結していると推定される場合には、燃料電池システム内の水をジャケット内に貯留するため、システム起動時にジャケット内の凍結した水を起動用燃焼器の熱で速やかに解凍でき、システムの起動性を向上することができる。
【００４８】
燃料電池システム起動時にジャケット内の水が凍結していないと推定される場合には、ジャケット内の水を前記水タンクに導入するため、ジャケット内に水は存在せず、起動用燃焼器の熱が水に奪われることなく、効率よく改質器や燃料電池の暖機に用いることができる。
【００４９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】コントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図４】第３の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１  改質器
３  燃料電池
４  起動用燃焼器
４ａ  ジャケット
４ｂ  ジャケットの空間
５  切換弁
６  燃料タンク
７  水タンク
８  水流路
９  切換弁
１０  水流路
１１  水流路
１２  ポンプ
１３  コントローラ
１４  温度（水温）センサ
１５  温度センサ
１６  気温収集装置
２２  水回収装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004227896.tif 000007
【図４】
2004227896.tif 000008