(57)【要約】【課題】燃料改質装置の始動特性を良好なものに改善する。【解決手段】本発明の燃料改質装置は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部（５０）と、原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部（６０）と、燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部（７０）とを備える。改質部（６０）とＣＯ低減部（７０）は、それぞれ触媒を収容する収容器（６１，７１）の底部（６１ａ，７１ａ）が水平面に対して傾斜しており、収容器内（６１，７１）に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔（６４，７４）が底部（６１ａ，７１ａ）に開口している。システム停止時に改質部（６０）又はＣＯ低減部（７０）内に残留する原燃料ガスが装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものにできる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、
前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部と、
前記改質部と前記ＣＯ低減部の少なくとも何れか一方の装置内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を回収するための回収機構を備える、燃料改質装置。
【請求項２】
原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、
前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部と、を備え、
前記改質部は、改質触媒を収容する収容器の底部が水平面に対して傾斜しており、前記収容器内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記底部に開口されている、燃料改質装置。
【請求項３】
原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、
前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部と、を備え、
前記改質部は、原燃料ガスが上下方向に蛇行しながら水平移動するようにガス流路が構成されたラビリンス構造を備えており、装置内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記ラビリンス構造の底部に開口されている、燃料改質装置。
【請求項４】
前記ドレン孔から排液される原燃料又は凝縮水を貯留するためのドレンタンクと、
前記ドレン孔から前記ドレンタンクに連通する排液路の流路上に配設され、前記排液路を流れる前記原燃料又は凝縮水の流量を調整するドレンバルブと、
前記ドレンタンクに貯留する前記原燃料又は凝縮水を前記蒸発部に還流させるためのポンプをさらに備える、請求項２又は請求項３に記載の燃料改質装置。
【請求項５】
システムの起動が開始されてから前記改質部の暖機が完了するまでの間、前記改質部から前記ドレンタンクへ排液される前記原燃料又は凝縮水の流量を調整する前記ドレンバルブの開閉期間比率を、改質触媒温度に対応して可変制御する制御部をさらに備える、請求項４に記載の燃料改質装置。
【請求項６】
原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、
前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部と、を備え
前記ＣＯ低減部は、ＣＯ選択酸化触媒を収容する収容器の底部が水平面に対して傾斜しており、前記収容器内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記底部に開口されている、燃料改質装置。
【請求項７】
原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、
前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、
前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部と、を備え、
前記ＣＯ低減部は、燃料ガスが上下方向に蛇行しながら水平移動するようにガス流路が構成されたラビリンス構造を備えており、装置内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記ラビリンス構造の底部に開口されている、燃料改質装置。
【請求項８】
前記ドレン孔から排液される原燃料又は凝縮水を貯留するためのドレンタンクと、
前記ドレン孔から前記ドレンタンクに連通する排液路の流路上に配設され、前記排液路を流れる前記原燃料又は凝縮水の流量を調整するドレンバルブと、
前記ドレンタンクに貯留する前記原燃料又は凝縮水を前記蒸発部に還流させるためのポンプをさらに備える、請求項６又は請求項７に記載の燃料改質装置。
【請求項９】
システムの起動が開始されてから前記ＣＯ低減部の暖機が完了するまでの間、前記ＣＯ低減部から前記ドレンタンクへ排液される前記原燃料又は凝縮水の流量を調整する前記ドレンバルブの開閉期間比率を、ＣＯ選択酸化触媒温度に対応して可変制御する制御部をさらに備える、請求項８に記載の燃料改質装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のうち何れか１項に記載の燃料改質装置と、前記燃料改質装置から燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムを車両駆動の発電源として備える、燃料電池自動車。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は原燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置に関し、特に、システム起動の応答性を高めるための改良技術に関する。
【従来の技術】
燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池自動車においては、液体燃料であるメタノール又は炭化水素系の原燃料（改質原料）をタンクに貯蔵し、これを車上で水素リッチな燃料ガスに改質する方式が知られている。液体燃料であれば、車上の搭載性及び可搬性に優れている上に、エネルギー密度の点においても、水素ガスを貯蔵する方式よりも優れている。液体の原燃料から燃料ガスを生成するには、所定の熱量を投入してこれを気化した上で改質する必要がある。燃料ガスに未反応メタノールが含まれていると、燃料改質装置の一酸化炭素（ＣＯ）低減部において、メタノールの改質反応が生じ、ＣＯ濃度が上昇する上に、燃料電池の出力電圧が低下する。かかる問題を解決するため、特開平７−２９６８２７号公報（特許文献１）、特開平９−１０６８２６号公報（特許文献２）には、燃料ガスに残存する未反応メタノールを除去する技術が提案されている。また、燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための原燃料の未反応成分を回収する技術として、特開平１１−２２８１０３号公報（特許文献３）には、未反応のジメチルエーテルを回収する技術が開示されている。
【特許文献１】
特開平７−２９６８２７号公報
【特許文献２】
特開平９−１０６８２６号公報
【特許文献３】
特開平１１−２２８１０３号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、水蒸気改質を行う燃料改質装置では、システム停止時に装置内に残留する未反応の原燃料ガスは液化して装置内部に凝集する。未反応の原燃料ガスが改質部の改質触媒やＣＯ低減部のＣＯ選択酸化触媒の活性面上で結露し、次回のシステム起動まで残留すると、改質部やＣＯ低減部における触媒反応を妨げるため、コールド起動時におけるシステムの早期立ち上げが困難となる。さらに、コールド起動時には、蒸発部から供給された蒸気が改質部で凝縮する割合も増加するため、迅速に凝縮液を除去する必要がある。特に、燃料電池を車両の駆動電源として用いる場合、車両始動時の暖機期間の短縮、及び低温環境下での良好な始動性が問題となる。
そこで、本発明は燃料改質装置の始動特性を良好なものとする改良技術を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料改質装置は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部と、前記改質部と前記ＣＯ低減部の少なくとも何れか一方の装置内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を回収するための回収機構を備える。
かかる構成により、システム停止時に改質部又はＣＯ低減部内に残留する原燃料ガスや蒸発部から供給された水蒸気が装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものにできる。
本発明の燃料改質装置は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部とを備え、前記改質部は、改質触媒を収容する収容器の底部が水平面に対して傾斜しており、前記収容器内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記底部に開口されている。
改質部の底部を水平面に対して傾斜させることにより、システム停止時に改質部に残留する原燃料ガスや蒸発部から供給された水蒸気が装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものにできる。
本発明の燃料改質装置は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部とを備え、前記改質部は、原燃料ガスが上下方向に蛇行しながら水平移動するようにガス流路が構成されたラビリンス構造を備えており、装置内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記ラビリンス構造の底部に開口されている。
改質部の内部構造をラビリンス構造とすることで、システム停止時に改質部内に残留する原燃料ガスや蒸発部から供給された水蒸気が装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものにできる。
好ましくは、前記ドレン孔から排液される原燃料又は凝縮水を貯留するためのドレンタンクと、前記ドレン孔から前記ドレンタンクに連通する排液路の流路上に配設され、前記排液路を流れる前記原燃料又は凝縮水の流量を調整するドレンバルブと、前記ドレンタンクに貯留する前記原燃料又は凝縮水を前記蒸発部に還流させるためのポンプをさらに備える。
かかる構成により、ドレンタンクに貯留される原燃料は蒸発部に還流することができ、原燃料の再利用が可能となる。
好ましくは、システムの起動が開始されてから前記改質部の暖機が完了するまでの間、前記改質部から前記ドレンタンクへ排液される前記原燃料又は凝縮水の流量を調整する前記ドレンバルブの開閉期間比率を、改質触媒温度に対応して可変制御する制御部をさらに備える。
改質触媒温度に対応してドレンバルブの開閉期間比率を制御することで、改質部の温度に対応した排液制御が可能となる。
本発明の燃料改質装置は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部とを備え、前記ＣＯ低減部は、ＣＯ選択酸化触媒を収容する収容器の底部が水平面に対して傾斜しており、前記収容器内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記底部に開口されている。
ＣＯ低減部の底部を水平面に対して傾斜させることにより、システム停止時にＣＯ低減部内に残留する原燃料ガスや蒸発部から供給された水蒸気が装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものにできる。
本発明の燃料改質装置は、原燃料を蒸気化して原燃料ガスを生成する蒸発部と、前記原燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガスに含有されるＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部とを備え、前記ＣＯ低減部は、燃料ガスが上下方向に蛇行しながら水平移動するようにガス流路が構成されたラビリンス構造を備えており、装置内に残留する液化した原燃料又は凝縮水を排液するためのドレン孔が前記ラビリンス構造の底部に開口されている。
ＣＯ低減分の内部構造をラビリンス構造とすることで、システム停止時にＣＯ低減部内に残留する原燃料ガスや蒸発部から供給された水蒸気が装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものにできる。
好ましくは、前記ドレン孔から排液される原燃料又は凝縮水を貯留するためのドレンタンクと、前記ドレン孔から前記ドレンタンクに連通する排液路の流路上に配設され、前記排液路を流れる前記原燃料又は凝縮水の流量を調整するドレンバルブと、前記ドレンタンクに貯留する前記原燃料又は凝縮水を前記蒸発部に還流させるためのポンプをさらに備える。
かかる構成により、ドレンタンクに貯留される原燃料は蒸発部に還流することができ、原燃料の再利用が可能となる。
好ましくは、システムの起動が開始されてから前記ＣＯ低減部の暖機が完了するまでの間、前記ＣＯ低減部から前記ドレンタンクへ排液される前記原燃料又は凝縮水の流量を調整する前記ドレンバルブの開閉期間比率を、ＣＯ選択酸化触媒温度に対応して可変制御する制御部をさらに備える。
ＣＯ選択酸化触媒温度に対応してドレンバルブの開閉期間比率を制御することで、改質部の温度に対応した排液制御が可能となる。
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料改質装置と、前記燃料改質装置から燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える。本発明の燃料電池システムは、システム起動時に装置内に残留する原燃料と凝縮水を排液できるため、システム起動時の始動性が良好である。
本発明の燃料電池自動車は、本発明の燃料電池システムを車両駆動の発電源として備える。本発明の燃料電池自動車は、システム起動時に装置内に残留する原燃料と凝縮水を排液できるため、車両発進時の起動性を高めることができる。
【発明の実施の形態】
［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車（ＦＣＥＶ）１０の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車１０は、主に、オンボード発電機として機能する燃料電池システム２０と、補助電力源として機能する二次電池３０と、電力変換制御を行うパワーコントロールユニット４０と、パワーコントロールユニット４０を介して燃料電池システム２０又は二次電池３０から供給される電力で駆動輪４５，４６を駆動するモータ４４とを備えて構成されている。燃料電池自動車１０は前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪４７，４８が配置されている。
燃料電池システム２０は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料と水をそれぞれ別途貯蔵するタンク２１と、タンク２１から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する燃料改質装置２２と、燃料改質装置２２から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池２３と、燃料電池システム２０全体を制御する制御部２４と、システム内にエアを導入するエアポンプなどの補機類２５を備えて構成されている。補機類２５には、後述するエアポンプ５３、ポンプ８４〜８６、ドレンバルブ８１，８２などが含まれる。
制御部２４は後述するシステムコントローラ４３と通信を行うことで、補機類２５の駆動制御を行い、燃料電池２３に供給される燃料ガス及び酸化ガスの供給量を調整し、燃料電池２３での発電量がシステムコントローラ４３の要求する電力を満たすようにシステム制御する。燃料電池システム２０のエア流路には、エアクリーナ８８、及びエアポンプ８７が配設されており、エアクリーナ８８で濾過された発電用エア（酸化ガス）はエアポンプ８７で加圧され、燃料電池２３の酸素極に供給される。
燃料電池２３は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
パワーコントロールユニット４０は、燃料電池２３又は二次電池３０から供給される直流電圧を補機類２５の動作電圧に降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、直流電流を交流電流に変換してモータ４４に供給するインバータ４２と、アクセル開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ４４への供給電力量を演算するシステムコントローラ４３を備えて構成されている。インバータ４２は、パワースイッチ素子を主要回路素子として構成されており、直流電流を三相交流に変換する。三相交流の振幅及び周波数はシステムコントローラ４３によって制御される。システムコントローラ４３アクセルペダルポジションセンサ４９に接続しており、同センサ４９からの出力信号によりアクセル開度を検出する。システムコントローラ４３は、さらに、図示しない車速センサなどに接続し、車両の走行状況を検出することができる。
二次電池３０は燃料電池システム２０の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車１０の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池３０の容量は、燃料電池自動車１０の走行条件、走行性能（最高速度、走行距離など）、車重などに応じて適宜設定できる。モータ４４としては三相同期モータが好適である。
図２は燃料電池２３の構成単位である単セル９０の分解斜視図である。単セル９０は、電解質膜９１と、アノード極９２と、カソード極９３と、セパレータ９４，９５から構成されている。アノード極９２及びカソード極９３は電解質膜９１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ９４，９５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極９２及びカソード極９３との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ９４の両面には断面凹状のリブ９４ａ，９４ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ９４ａはアノード極９２に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、燃料ガス流路を形成する。リブ９４ｂは隣接する単セル間で酸化ガス流路を形成する。セパレータ９５の両面には断面凹状のリブ９５ａ，９５ｂが互いに直交する向きに形成されている。リブ９５ａはカソード極９３に当接することでその溝状の開口部を閉塞し、酸化ガス流路を形成する。リブ９５ｂは隣接する単セル間で燃料ガス流路を形成する。但し、リブ９４ｂ，９５ｂは必ずしも必須ではなく、適宜省略することも可能である。
アノード極９２は多孔質支持層９２ａと水素極触媒層９２ｂから構成されており、カソード極９３は多孔質支持層９３ａと酸素極触媒層９３ｂから構成されている。多孔質支持層９２ａ，９３ａはともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。水素極触媒層９２ｂ及び酸素極触媒層９３ｂは、触媒としての白金、又は白金と他の金属からなる合金が電解質膜９１の表面に塗布されたものである。より具体的には、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜９１上にスクリーン印刷したものである。電解質膜９１は固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。本実施形態では、膜厚２０〜７０μｍのナフィオン膜を使用した。電解質膜９１、アノード極９２、及びカソード極９３によって膜・電極接合体（ＭＥＡ）が形成される。
図３は燃料改質装置の要部を中心とするシステム構成図である。同図に示すように、燃料改質装置２２は、原燃料を気化させて原燃料ガスを生成する蒸発部５０と、原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質部６０と、燃料ガス中に含まれているＣＯ濃度を低減するＣＯ低減部７０とを備えて構成されている。車載スペースを有効に利用するために、燃料改質装置２２はコンパクトな構造とするのが好ましい。以下、各部の構成について詳述する。
蒸発部５０は加熱媒体としての燃焼ガスと被加熱媒体としての原燃料との間で熱交換を行い、原燃料を蒸気化する熱交換装置である。蒸発部５０は、主に、燃焼ガスなどの加熱流体が通過する加熱流体流路５１と、原燃料などの被加熱流体が通過する被加熱流体流路５２とを備えており、両者の間で熱交換可能に構成されている。被加熱流体流路５２には、上述したタンク２１から原燃料供給路１０１を介して原燃料１００が供給される。タンク２１は、メタノールを貯留するメタノールタンク２１ａと、水を貯留する水タンク２１ｂを含んで構成されており、メタノールタンク２１ａからメタノールポンプ８５を介して吸引されたメタノールと、水タンク２１ｂからウォータポンプ８６を介して吸引された水は所定比率で混合され、燃料ガスを生成するための原燃料１００として被加熱流体流路５２に供給される。水／メタノールのモル比は１．０〜５．０の範囲が好ましく、１．５〜３．０の範囲がより好ましい。
ここでは、原燃料１００としてメタノール水の混合溶液を例示するが、これに限られるものではなく、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ５）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＣＨ３ＯＣＨ３）、アセトン（ＣＨ３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ３）などを利用できる。
加熱流体流路５１の上流端に位置する燃料投入口には、メタノール、ガソリン、水素オフガスなどの燃焼燃料を燃焼エア中に噴霧して混合ガスを生成し、これを加熱流体流路５１に供給するためのインジェクタ５４が配設されている。インジェクタ５４の上流には燃焼エアを供給するためのエアポンプ５３が配設されており、車外から導入されたエアを加圧してインジェクタ５４に導入するよう構成されている。エアポンプ５３としては、燃料電池２３の定格出力近傍で必要とされるエア供給量において、最大効率となるような容量を備え、軽量かつ耐久性・耐熱性のある材料で構成されているものが望ましい。
加熱流体流路５１の燃焼筒内には、燃焼燃料と燃焼エアの混合ガスを触媒燃焼させる電気触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ）５５が配設されている。電気触媒加熱ヒータ５５は、触媒を担持したセラミックス体を電気ヒータで昇温可能に構成した触媒燃焼加熱機構であり、触媒の酸化反応熱を利用して上記混合ガスを燃焼し、高温の燃焼ガスを生成することができる。蒸発部５０に投入される熱量はインジェクタ５３から噴霧される燃料量と燃焼用エアポンプ５３の回転数によって制御される。
被加熱流体流路５２は、原燃料１００が下流から上流方向に移動する毎に次第に液位が高くなるように、略鉛直方向に立設する複数の管路５２ａを含んで構成されている。加熱流体流路５１は燃焼ガス流が水平方向に蛇行しながら次第に鉛直下方向に向かうように流路形成されており、加熱流体流路５１を通過する燃焼ガスは高温状態において、液位の高い原燃料１００との間で熱交換を行い、原燃料１００を沸騰、蒸気化させる。この熱交換により低温化した燃焼ガスは加熱流体流路５１内を下流方向に移動する過程において、次第に液位の低くなる原燃料１００との間でさらに熱交換を行い、原燃料１００を予熱した後、外部に放出される。蒸発部５０にて生成された原燃料ガスは改質部６０に供給される。
改質部６０は、触媒反応を利用して原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質装置である。改質部６０は、主に、原燃料ガスの改質反応を促進する改質触媒が充填された触媒層６２と、触媒層６２を内部に収容して触媒反応室を構成する収容器（触媒ケース）６１と、触媒層６２の温度を計測する温度センサ６３を備えて構成されている。また、改質部６０に導入される原燃料ガスの流路には、部分酸化改質用のエアを導入するための改質エア用遮断弁６５が配設されており、改質エア用遮断弁６５を開弁させることで改質部６０内にエアを導入し、部分酸化改質を行えるよう構成されている。
触媒層６２には改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ系触媒（銅−亜鉛系触媒）で形成されたペレットが充填されており、十分に昇温された原燃料ガスの供給を受けて改質反応を進行させ、水素リッチな燃料ガスを生成する。ここで、触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ系触媒で形成されたペレットとは、銅と酸化亜鉛とを用いて共沈法によって作成した触媒金属にアルミナなどのバインダを加えて、押し出し形成によって直径３ｍｍ〜７ｍｍ程度の粒子状に成形したものをいう。本実施形態では、約３ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの大きさに成形したペレットを用いた。このペレットは触媒層６２内に均一に充填されている。もとより、触媒層６２に充填される改質触媒は、上述のＣｕ−Ｚｎ系触媒の他に、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｃｒ系触媒（銅−亜鉛−クロム系触媒）、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系触媒（銅−亜鉛−アルミニウム系触媒）、Ｚｎ−Ｃｒ系触媒（亜鉛−クロム系触媒）などの改質触媒も好適である。
収容器６１は触媒反応に適した材質で構成されており、その内部に触媒層６２を収容して反応室内部の機密性を確保するとともに、装置本体の外殻を形成している。収容器６１は、略箱型を成しており、その底部６１ａが水平面に対して仰角θ１の傾斜角が設けられるように改質部６０全体がやや傾けられた状態で車両内の所定位置に搭載されている。また、収容器６１の最深部には液抜き用のドレン孔６４が開口しており、収容器６１内部に残留する液化した原燃料をドレン孔６４に連通する排液路１０２を介してドレンタンク８３に貯留するように構成されている。排液路１０２の流路上にはドレンバルブ８１が配設されており、排液路１０２に流れる原燃料の流量を微調整することができる。
ところで、システム停止時に収容器６１内部に残留する未反応の原燃料ガスは収容器６１の外気との間で熱交換を行いながら次第に凝縮し、液化する。特に、水蒸気改質反応が行われる収容器６１内部は運転終了後も湿度が高いため、運転終了後の時間経過とともに水蒸気成分が凝縮していき、凝縮水が溜まり始める。液化した水分を含む原燃料は触媒層６２に充填されている触媒ペレットや収容器６１の内壁表面に液滴となって付着するが、収容器６１が水平面に対してθ１の傾斜角で傾けられているため、液滴に作用する重力の傾斜方向の成分により、付着面上を滑動し、収容器６１の最深部に開口するドレン孔６４付近に凝集する。ドレン孔６４付近に凝集した液滴は表面張力により相互に吸引されながら液溜りを形成する。収容器６１の最深部に液溜りを形成する原燃料はドレンバルブ８１の開弁作動により、ドレンタンク８３に導かれる。ここで、上述のドレン孔６４、ドレンバルブ８１、及びドレンタンク８３は未反応原燃料回収機構として機能する。
ＣＯ低減部７０は、改質部６０から供給される燃料ガス中に含まれているＣＯ濃度を低減するＣＯ低減装置である。ＣＯ低減部７０は、主に、ＣＯの選択酸化触媒が充填された触媒層７２と、触媒層７２を内部に収容して触媒反応室を構成する収容器（触媒ケース）７１と、触媒層７２の温度を計測する温度センサ７３を備えて構成されている。また、ＣＯ低減部７０に導入される燃料ガスの流路には、ＣＯの選択酸化反応に要する酸素を含有する精製用エアを導入するための精製用エア遮断弁７５が配設されており、精製用エア遮断弁７５を開弁させることでＣＯ低減部７０内にエアを導入し、ＣＯの選択酸化を行えるよう構成されている。燃料電池２３における電池反応を良好に促進するには、燃料ガス中のＣＯ濃度は数ｐｐｍ程度以下が望ましい。精製された燃料ガスはガス放出孔７６から放出され、燃料電池２３に供給される。
触媒層７２には、ＣＯの選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、或いはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。収容器７２は触媒反応に適した材質で構成されており、その内部に触媒層７２を収容して反応室内部の機密性を確保するとともに、装置本体の外殻を形成している。収容器７２は、略箱型を成しており、その底部７１ａが水平面に対して仰角θ２の傾斜角が設けられるようにＣＯ低減部７０全体がやや傾けられた状態で車両内の所定位置に搭載されている。また、収容器７１の最深部には液抜き用のドレン孔７４が開口しており、収容器７１内部に残留する液化した原燃料をドレン孔７４に連通する排液路１０３を介してドレンタンク８３に貯留するように構成されている。排液路１０３の流路上にはドレンバルブ８２が配設されており、排液路１０３に流れる原燃料の流量を微調整することができる。
ＣＯ低減部７０は、上述の構成を備えることにより、改質部６０と同様にシステム停止時に残留した未反応原燃料を回収することができる。ここで、上述のドレン孔７４、ドレンバルブ８２、及びドレンタンク８３は未反応原燃料回収機構として機能する。ドレンタンク８３に回収された未反応原燃料は所定の液位に達した後、適宜、ポンプ８４に吸引され、原燃料供給路１０１に流入するように循環系統が構成されている。
制御部２４は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム及び各種データを記憶したＲＯＭ２６と、ＲＯＭ２６に書き込まれているプログラムを読み取って適宜これを実行するＣＰＵ２７と、ＣＰＵ２７のワークメモリとして機能するＲＡＭ２８と、上述した温度センサ６３，７３のセンサ出力信号を入力するとともに、上述したエアポンプ５３、インジェクタ５４、改質エア用遮断弁６５、精製用エア遮断弁７５、ドレンバルブ８１，８２、メタノールポンプ８５、ウォータポンプ８６の駆動制御を行うための信号を出力する入出力ポート２９を備えて構成されている。
図４はシステム起動時の各部の状態遷移を示すタイムチャートである。同図において、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間はシステム停止状態にあり、装置各部は冷却された状態にある。改質部６０及びＣＯ低減部７０内に残留する前回の運転時に消費されなかった原燃料の未反応成分は液化して装置内部に液溜りを形成している。いま、時刻ｔ１でシステム起動信号が入力された場合を考える。同時刻において、システム起動信号が入力されると、制御部２４は時刻ｔ２までの期間Ｔの間、ドレンバルブ８１，８２を開弁制御し、ドレン孔６４，７４付近に貯留する原燃料をドレンタンク８３へ排出する。期間Ｔとしては、システムを早期に立ち上げるために必要以上に長期間とせず、かつ残留原燃料を十分に排出できる適度な期間とするのが望ましい。
残留原燃料を適度に排出した後、時刻ｔ２からエアポンプ５３を作動させて加熱流体流路５１へ燃焼エアを供給するとともに、インジェクタ５４を駆動して燃焼燃料を噴霧し、被加熱流体流路５２に残存する原燃料１００を気化するための熱量を投入する。すると、加熱流体流路５１の燃焼ガスと被加熱流体流路５２の原燃料１００との間で熱交換が行われ、原燃料１００が次第に気化し始める。原燃料ガスの蒸気流量が増加し始めると、改質部６０及びＣＯ低減部７０に高温蒸気が流入され始め、次第に暖機が行われる。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、システムが十分に暖機されていない。このため、改質部６０及びＣＯ低減部７０内部には、若干、原燃料の凝縮液が溜まる。そこで、温度センサ６３，７３が出力する触媒温度を基にドレンバルブ８１，８２の開弁期間をＰＷＭ制御する。
図５に、触媒温度とドレンバルブ８１の開閉期間比率（デューティ比）との対応関係を表すマップテーブルを示す。同図に示すように、改質触媒温度が低温のときは、デューティ比３０％のＰＷＭ信号でドレンバルブ８１を開弁制御し、触媒温度が高温になるに従いデューティ比を次第に小さくしていき、改質触媒温度が１５０℃以上の高温になると、システムが十分に暖機できるため、閉弁制御（デューティ比０％）をする。このようにドレンバルブ８１の開弁期間をＰＷＭ制御することにより、低温のときには長めに開弁期間を設定して凝縮液を排出するとともに、高温のときには短めに開弁期間を設定してドレン孔６４からの燃料ガス漏洩を最小限に抑えている。ドレンバルブ８２についてもドレンバルブ８１と同様に、開閉期間比率が触媒温度に対応して可変となるように制御される。
さて、ここで図４に戻り、システム暖機期間（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）における改質部６０の動作を説明する。原燃料ガスの流量が次第に高まると、制御部２４は改質エア用遮断弁６５を開弁し、収容器６１内に酸素を含有する改質用エアを導入する。すると、収容器６１内部では、触媒層６２による改質反応で部分酸化改質が行われる。部分酸化改質反応は、発熱反応であるため、外部から熱を与える必要がなく、良好な始動性が得られる。部分酸化改質反応に伴う発熱により改質触媒温度が昇温する。そして、時刻ｔ３になると、改質部６０の改質触媒温度は所定温度（メタノール改質では２５０℃前後）に達し、システムの暖機は完了する。同時刻において、制御部２４は暖機終了と判断し、ドレンバルブ８１を閉弁状態に維持する。ＣＯ低減部７０においても同様に、触媒層７２の温度が所定温度（例えば、１２０℃前後）になった時点でドレンバルブ８２を閉弁状態に維持する。時刻ｔ３以降においては、水蒸気改質と部分酸化改質が並行して進行する（併用改質）。改質エア用遮断弁６５からのエア導入量を微調整することで、発熱を伴う部分酸化改質と吸熱を伴う水蒸気改質をバランスよく進行できる。もとより、改質エア用遮断弁６５を遮断し、改質部６０に改質熱の供給を行うことで水蒸気改質のみを行うことも可能である。改質部６０への改質熱の供給は電気ヒータなどの加熱手段を利用する他、蒸発部５０における燃焼排ガスを利用することもできる。
このように、本実施形態によれば、システム停止時に改質部６０及びＣＯ低減部７０に残留する原燃料や凝縮水を回収するための手段を設けたため、次回のシステム起動時に原燃料及び凝縮水を排液することで、システムを早期に立ち上げることが可能となる。これにより、システムの良好な始動性を得ることができ、車両の発電源として好適である。特に、改質部６０及びＣＯ低減部７０の底部を水平面に対して傾斜させ、最深部付近に原燃料及び凝縮水を排出するためのドレン孔を開口したため、簡易な構成で原燃料及び凝縮水を回収することができる。また、燃料改質装置２２全体を車両内の搭載スペースに対して縦置きにする必要がなく、コンパクトに装置全体を車載することができる。
尚、原燃料及び凝縮水の回収機構として、上述の構成に加えて、例えば、排液路１０２、１０３の流路上にポンプなどの吸引手段を配設し、当該吸引手段で吸引した原燃料及び凝縮水をドレンタンク８３へ排液するように構成してもよい。後述する発明の実施形態２〜発明の実施形態４においても同様である。
［発明の実施形態２］
次に、本発明の第２実施形態について、図６を参照して説明する。同図は燃料改質装置の主要部分を示す構成図であり、５０は蒸発部、１１０は改質部、１２０はＣＯ低減部である。説明の便宜上、上述した制御部２４、エアポンプ５３、改質エア用遮断弁６５、精製用エア遮断弁７５、タンク２１などは図示していない。図３と同一符号の部材は同一部を示すものとし、詳細な説明を省略する。改質部１１０は、図９に示すように、複数の反応室１１４ａ〜１１４ｄを形成する収容器１１１と、個々の反応室１１４ａ〜１１４ｄ内に納められて改質反応を促進するための触媒層１１２ａ〜１１２ｄと、反応室１１４ａ〜１１４ｄの底部１１１ａ，１１１ｂに開口するドレン孔１１３ａ，１１３ｂと、ドレン孔１１３ａ，１１３ｂに連通する排液路１０２（図６参照）の流路上に配設されたドレンバルブ８１ａ，８１ｂを備えて構成されている。
収容器１１１は触媒反応に適した材質で構成されており、その内部はラビリンス構造となっている。収容器１１１内に導入された原燃料ガスは個々の反応室１１４ａ〜１１４ｄ内を上下方向に蛇行しながら水平方向に移動し、触媒層１１２ａ〜１１２ｄと接触することで水素リッチな燃料ガスに改質される。改質部１１０の内部をラビリンス構造とすることで、小容量の反応室１１４ａ〜１１４ｄを複数形成することができ、システム停止時に残留する原燃料と凝縮化した水分は触媒層１１２ａ〜１１２ｄの表面上に留まりにくくなり、底部１１１ａ，１１１ｂ上に凝集させることができる。これにより、原燃料と凝縮水をドレンバルブ８１ａ，８１ｂを介して効率よく回収することができる。また、改質部１１０をラビリンス構造とすることで、車両への搭載性が向上する。
ＣＯ低減部１２０についても改質部１１０と同様の構成を具備している。ＣＯ低減部１２０は、図１０に示すように、複数の反応室１２４ａ〜１２４ｄを形成する収容器１２１と、個々の反応室１２４ａ〜１２４ｄ内に納められて改質反応を促進するための触媒層１２２ａ〜１２２ｄと、反応室１２４ａ〜１２４ｄの底部１２１ａ，１２１ｂに開口するドレン孔１２３ａ，１２３ｂと、ドレン孔１２３ａ，１２３ｂに連通する排液路１０３（図６参照）の流路上に配設されたドレンバルブ８２ａ，８２ｂを備えて構成されており、システム停止時に残留する原燃料と凝縮化した水分を効率よく回収することができる。
［発明の実施形態３］
次に、本発明の第３実施形態について、図７を参照して説明する。同図は燃料改質装置の主要部分を示す構成図であり、５０は蒸発部、１１０は改質部、７０はＣＯ低減部である。説明の便宜上、上述した制御部２４、エアポンプ５３、改質エア用遮断弁６５、精製用エア遮断弁７５、タンク２１などは図示していない。図３及び図６と同一符号の部材は同一部を示すものとし、詳細な説明を省略する。改質部１１０は、第２実施形態と同様に、装置内に残留する原燃料と凝縮水を回収するために好適なラビリンス構造を成している。ＣＯ低減部７０は、第１実施形態と同様に収容器７１が水平面に対してθ２の角度で傾斜しており、装置内に残留する原燃料と凝縮水を回収するために好適な構造を成している。
［発明の実施形態４］
次に、本発明の第４実施形態について、図８を参照して説明する。同図は燃料改質装置の主要部分を示す構成図であり、５０は蒸発部、６０は改質部、１２０はＣＯ低減部である。説明の便宜上、上述した制御部２４、エアポンプ５３、改質エア用遮断弁６５、精製用エア遮断弁７５、タンク２１などは図示していない。図３及び図６と同一符号の部材は同一部を示すものとし、詳細な説明を省略する。改質部６０は、第１実施形態と同様に、収容器６１が水平面に対してθ１の角度で傾斜しており、装置内に残留する原燃料と凝縮水を回収するために好適な構造を成している。ＣＯ低減部１２０は、第２実施形態と同様に、装置内に残留する原燃料と凝縮水を回収するために好適なラビリンス構造を成している。
【発明の効果】
本発明によれば、システム停止時に改質部又はＣＯ低減部内に残留する原燃料ガスや蒸発部から供給された水蒸気が装置内部で液化しても、次回のシステム起動時に排液できるため、システム起動時の始動性を良好なものに改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池自動車の主要構成図である。
【図２】燃料電池の構成単位である単セルの分解斜視図である。
【図３】第１実施形態の燃料改質装置の要部を中心とするシステム構成図である
【図４】システム起動時の各部の状態遷移を示すタイムチャートである。
【図５】触媒温度とドレンバルブの開閉期間比率の関係を表すマップテーブルである。
【図６】第２実施形態の燃料改質装置の要部を中心とするシステム構成図である。
【図７】第３実施形態の燃料改質装置の要部を中心とするシステム構成図である。
【図８】第４実施形態の燃料改質装置の要部を中心とするシステム構成図である。
【図９】ラビリンス構造を具備する改質部の構成図である。
【図１０】ラビリンス構造を具備するＣＯ低減部の構成図である。
【符号の説明】
２２…燃料改質装置
５０…蒸発部
６０…改質部
６１…触媒層
６２…収容器
７０…ＣＯ低減部
７１…収容器
７２…ＣＯ選択酸化触媒
８１，８２…ドレンバルブ
８３…ドレンタンク
１１０…改質部
１２０…ＣＯ低減部
【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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