(57)【要約】【課題】触媒層内の局所的な温度上昇を抑制する。【解決手段】燃料電池は、アノードオフガスを外部に排出するアノードオフガス排出配管と、アノードオフガスに残留する燃料を酸化する酸化触媒を担体に担持した触媒層２２０と、を備えている。触媒層２２０は、触媒層２２０内の燃料の拡散を促進するガス拡散構造を有する。【選択図】        図３
2004355965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化性ガスの反応によって電力を発生し、使用済みの燃料ガスと酸化性ガスであるアノードオフガスとカソードオフガスを排出する燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、前記アノードオフガスを外部に排出するアノードオフガス排出配管と、
前記アノードオフガス排出配管に接続され、前記アノードオフガスに残留する燃料を酸化する酸化触媒を担体に担持した触媒層と、を備え、
前記触媒層は、前記触媒層内の前記燃料の拡散を促進するガス拡散構造を有する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられ、前記触媒層内のガスの主流方向と異なる方向の流路を有する構造である、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記担体は、前記触媒層内のガスの主流方向に形成された複数の主流路を有し、
前記ガス拡散構造は、隣接する前記主流路間を連通する連通孔を有する構造である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記担体は、コア部材に連通孔を有するメタルハニカムである、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられたランダムな流路である、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記ランダムな流路を有する担体は、多孔質体である、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記多孔質体は、発泡金属で形成されている、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７記載の燃料電池システムであって、
前記触媒層は、上流側の第１領域と下流側の第２領域の２つの領域を有し、
前記第１と第２の領域は、互いに分離させて同一の燃料濃度のガスをそれぞれ供給したと仮定した場合に、前記第１領域が前記第２領域よりも容積あたりの酸化反応量が少なくなる構成を有しており、
前記第１領域と、前記第２領域との少なくとも一方が、前記ガス拡散構造を有する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記第１領域は、前記第２領域より容積あたりの熱容量が大きいか、
前記第１領域は、前記第２領域より容積あたりの表面積が小さいか、の少なくとも一方の構成を有する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８または９記載の燃料電池システムであって、
前記第１領域は、前記第２領域より担体内の熱伝導が良い、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項８ないし１０記載の燃料電池システムであって、
前記第１領域の長さが前記第２領域より短い、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１１記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを、前記アノードオフガス排出配管の前記触媒層の上流側の流路に導くカソードオフガス排出配管を備える、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】
この発明は、燃料電池の排出ガス中の燃料を酸化処理する技術に関し、特に、触媒層により燃料を酸化処理する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池のアノード側の排ガス（アノードオフガス）には、燃料電池反応をしていない燃料が残留しているのでアノードオフガス中の燃料を酸化する処理が行われていた。燃料の酸化処理技術としては、例えば、本出願人により、燃料を酸化触媒により酸化させる技術が開示されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。この技術では、燃料が低濃度であってもアノードオフガス中の燃料を酸化処理することが可能となる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３１３０５９号広報
【特許文献２】
特開２００２−２８９２３７号広報
【特許文献３】
特開平１１−２３３１２９号広報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アノードオフガスと酸化性ガスの混合が不十分なとき、触媒層中に燃料濃度が高い領域と、燃料濃度が低い領域とが発生する。燃料濃度が高い領域では、酸化反応の反応量が多くなり、反応熱が局所的に蓄積する。蓄積した反応熱により触媒層の温度が上昇すると、反応の活性度が高まり更に反応量が増加するため、触媒層は過昇温の状態となる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、触媒層内の局所的な温度上昇を抑制する技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化性ガスの反応によって電力を発生し、使用済みの燃料ガスと酸化性ガスであるアノードオフガスとカソードオフガスを排出する燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記アノードオフガスを外部に排出するアノードオフガス排出配管と、前記アノードオフガス排出配管に接続され、前記アノードオフガスに残留する燃料を酸化する酸化触媒を担体に担持した触媒層と、を備え、前記触媒層は、前記触媒層内の前記燃料の拡散を促進するガス拡散構造を有することを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池では、触媒層内の燃料濃度が高い領域で酸化反応による反応熱が多く発生すると、局所的に温度上昇と圧力上昇とが生じる。触媒層内のガス拡散構造は、この圧力上昇に応じて、燃料濃度の高いガスと反応熱を燃料濃度のより低い領域に拡散させる。従って、触媒層内の温度を均一化することができる。
【０００８】
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられ、前記触媒層内のガスの主流方向と異なる方向の流路を有する構造であるものとしてもよい。
【０００９】
この構成によれば、主流方向と異なる方向の流路を介して速やかにガスが拡散するため、燃料濃度の偏りが大きい場合にも触媒層内の燃料濃度と温度を均一化できる。
【００１０】
前記担体は、前記触媒層内のガスの主流方向に形成された複数の主流路を有し、前記ガス拡散構造は、隣接する前記主流路間を連通する連通孔を有する構造であるものとしてもよい。
【００１１】
担体の主流路間に連通孔を設けることにより、より容易にガスを拡散させることができる。
【００１２】
なお、前記担体は、コア部材に連通孔を有するメタルハニカムとしてもよい。
【００１３】
この構成では、担体の機械的強度が高いので、衝撃などを受けても壊れにくくすることができる。
【００１４】
前記ガス拡散構造は、前記担体に設けられたランダムな流路であるものとしてもよい。
【００１５】
担体にランダムな流路を設けることにより、より容易にガスを拡散させることができる。
【００１６】
なお、前記ランダムな流路を有する担体は、多孔質体としてもよい。
【００１７】
この構成によれば、容積あたりの表面積を大きくすることができる。従って、触媒層全体をより小さくすることができる。
【００１８】
前記多孔質体は、発泡金属で形成されているものとしてもよい。
【００１９】
この構成によっても、担体の機械的強度が高くできるので、衝撃などを受けても壊れにくくすることができる。
【００２０】
前記触媒層は、上流側の第１領域と下流側の第２領域の２つの領域を有し、前記第１と第２の領域は、互いに分離させて同一の燃料濃度のガスをそれぞれ供給したと仮定した場合に、前記第１領域が前記第２領域よりも容積あたりの酸化反応量が少なくなる構成を有しており、前記第１領域と、前記第２領域との少なくとも一方が、前記ガス拡散構造を有する、燃料電池システム。
【００２１】
この構成によれば、燃料濃度の高く、かつ、燃料濃度の偏りが大きいガスが流入した場合にも、前記第１領域で過昇温を起こすことなく燃料濃度を低減できるので、触媒層の過昇温を抑制することができる。また、濃度の低い燃料も容易に酸化できるので、触媒層全体を小型化できる。
【００２２】
また、前記第１領域は、前記第２領域より容積あたりの熱容量が大きいか、前記第１領域は、前記第２領域より容積あたりの表面積が小さいか、の少なくとも一方の構成を有するものとしてもよい。
【００２３】
容積あたりの熱容量が大きい場合、温度上昇が抑制され酸化反応の活性が抑えられるので、酸化反応量を低減することができる。また、容積あたりの表面積が小さい場合、触媒との接触面積が小さくなり、触媒反応である酸化反応量が低減できる。
【００２４】
さらに、前記第１領域は、前記第２領域より担体内の熱伝導が良いものとしてもよい。
【００２５】
この構成によれば、燃料濃度の高い領域で発生する大量の反応熱を、熱伝導により燃料濃度の低い領域に分散することができる。これにより、燃料濃度が高く、かつ、偏りがある場合であっても、触媒層の過昇温を抑制できる。
【００２６】
なお、前記第１領域の長さが前記第２領域より短いものとしてもよい。
【００２７】
この構成により、触媒層全体をより小さくすることができる。
【００２８】
さらに上述の燃料電池システムは、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを、前記アノードオフガス排出配管の前記触媒層の上流側の流路に導くカソードオフガス排出配管を備えるものとしてもよい。
【００２９】
酸化性ガスはカソード室から供給されるので、酸化性ガス供給のための動力負担が軽減され、システム効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガス拡散構造を有する触媒層、触媒層の製造方法、その触媒層を備える燃料電池システム、およびその燃料電池システムを備える車両・移動体や発電システム、等の形態で実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例１：
Ｂ．実施例２：
Ｃ．実施例３：
Ｄ．実施例４：
Ｅ．実施例５：
Ｆ．変形例：
【００３２】
Ａ．実施例１：
図１は、本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）の車輪駆動機構は、モータ２０と、減速機４０とを備えている。モータ２０は、回転軸１３を介して減速機４０に結合されている。減速機４０は、出力軸１５と、ディファレンシャルギア１６と、車軸１７とを介して車輪に結合されている。このように、モータ２０の回転は車輪１８に伝達され、また、車輪１８の回転はモータ２０に伝達される。
【００３３】
モータ２０は、ロータ２２とステータ２４を備えている。ロータ２２には、複数個の永久磁石が設けられている。ステータ２４は複数のコイルを有し、各コイルに適当な位相の交流電流が流されることにより、ロータ２２部分に回転磁界が生じる。この回転磁界と、ロータ２２に設けられた永久磁石の磁界の相互作用により、ロータ２２が回転する。また、ロータ２２に外力が加わったときは、永久磁石の磁界により、ステータ２４に設けられたコイルに電流が生じ、モータ２０は発電機として作用する。
【００３４】
本実施例の車両は直流電源として、バッテリ５０と、燃料電池システム６０とを備えている。バッテリ５０に接続されている双方向コンバータ５１は、バッテリ側の電圧を調整してバッテリ５０の充放電を制御する。双方向コンバータ５１と、燃料電池システム６０と、インバータ８０とは互いに接続され、直流電流の授受が相互に行われる。
【００３５】
インバータ８０は、双方向コンバータ５１もしくは燃料電池システム６０から供給される直流電流を、トランジスタのオン・オフにより交流電流に変換する。
インバータ８０から供給される交流電流がモータ２０に伝えられることにより、回転磁界が誘起されモータ２０が回転する。また、車両の減速時には、モータ２０からの電力がインバータ８０と、双方向コンバータ５１とを介してバッテリ５０に供給され、エネルギーの回生が行われる。
【００３６】
制御ユニット７０は、シフトレバー７２と、アクセルペダル７４と、ブレーキペダル７６とから与えられた運転者からの指令に従って、車両各部を制御する。
制御ユニット７０は、インバータ８０に備えられたトランジスタのオン・オフ時間等を制御することにより、モータ２０の回転速度を制御する。
【００３７】
なお、制御ユニット７０による車両の制御は、制御ユニット７０に組み込まれたメモリに記録されたコンピュータプログラムを実行することにより実現される。このプログラムは、制御ユニット内のＲＯＭやハードディスクなどの種々の媒体によって提供される。
【００３８】
図２は、燃料電池システム６０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム６０は、燃料電池１００と、アノードオフガス処理装置２００とを有している。燃料電池１００は、カソード室１０２と、アノード室１０４と、カソード１０６と、アノード１０８と、電解質１１０とを備えている。アノード室１０４に導入された燃料ガスは、カソード室１０２に導入された酸化性ガスと燃料電池反応を起こす。燃料電池反応は、カソード１０６と、アノード１０８、および電解質１１０を介して行われる。燃料電池反応に伴い、電力がカソード１０６とアノード１０８から外部の負荷に送出される。
【００３９】
酸化性ガス供給ポンプ１２６は、外部の酸化性ガス供給源からカソード室１０２に酸化性ガスを供給する。燃料電池反応に使用された酸化性ガス（カソードオフガス）は、カソードオフガス排出配管１６０を通して外部に排出される。
【００４０】
燃料ガスは、外部の燃料ガス供給源から、燃料ガス供給バルブ１２０と燃料ガス供給配管１４２を通して、アノード室１０４に導入される。燃料ガスは、アノード室１０４内でその一部が反応する。燃料ガス循環ポンプ１２４は、燃料ガス循環配管１４４から燃料ガス供給配管を通して、未反応の燃料を含むガスをアノード室１０４に還流する。このように、未反応の燃料を含むガスを還流することにより、燃料の大部分を燃料電池反応に使用することができる。
【００４１】
燃料ガス循環配管１４４は、燃料電池１００と燃料ガス循環ポンプ１２４の間に分岐を有する。分岐した配管１４６は、アノードオフガス排出バルブ１２２に接続している。アノードオフガス排出バルブ１２２は、必要に応じて燃料排ガス（アノードオフガス）を外部に排出するための開閉弁である。
【００４２】
アノードオフガス排出バルブ１２２より排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス排出配管１４０を経て、アノードオフガス処理装置２００内部の予混合部２０２に導入される。予混合部２０２には、酸化性ガス供給ポンプ１２８により、外部の酸化性ガス供給源より酸化性ガスが供給される。予混合部２０２は、供給されたアノードオフガスと酸化性ガスを混合し、混合されたガス（混合ガス）を触媒層２２０に供給する。
【００４３】
触媒層２２０には、燃料を酸化するための酸化触媒が担持されている。この酸化触媒の作用により、触媒層２２０に流入した混合ガス中の燃料は、触媒層２２０を通過する間に混合ガス中の酸化性ガスと反応し酸化する。燃料が酸化した混合ガスは、排出ガスとして燃料電池システム６０の外部に放出される。なお、触媒層２２０に担持されている酸化触媒は、燃料の種類や燃料電池システムの運転条件などに応じて適宜選択され、例えば燃料が水素の場合には白金などが用いられる。
【００４４】
図３（ａ）は触媒層２２０の縦断面の模式図であり、図３（ｂ）は触媒層２２０の横断面の模式図である。触媒層２２０は、平板部材２３２と、波状部材２３４とを備えている。平板部材２３２と波状部材２３４は、ハニカム担体２３０を形成する。図３（ａ）に示すように、ハニカム担体２３０は左から右に向かう多数の主流路を有している。左側から触媒層２２０に流入する混合ガスは、全体としては右側へ向かう主流方向に沿って流れ、右側から排出ガスとして流出する。
平板部材２３２と波状部材２３４には、それぞれ多数の通気孔（連通孔）が形成されている。これらの部材２３２，２３４は通気性を有するため、ハニカム担体２３０内には主流方向と異なる方向の流路が存在し、混合ガスはこの流路を介して拡散する。
【００４５】
ところで、触媒層２２０に導入される混合ガスは、予混合部２０２において十分に均一化されることが望ましい。しかし、予混合部２０２は、逆火防止のため大きくすることができない。小さい予混合部ではガスの拡散が不十分となりがちであるので、アノードオフガスと酸化性ガスの混合は不十分となりやすい。
【００４６】
アノードオフガスと酸化性ガスの混合が不十分な場合、混合ガス中に燃料の濃度が高い部分と濃度の低い部分とが生じる。この不均一な混合ガスが触媒層２２０に流入すると、燃料濃度が高い領域（以下、「高濃度領域」ともいう）では酸化反応の反応量が多くなる。そのため、高濃度領域では局所的に、反応熱により温度が上昇し、同時に温度上昇により圧力が上昇する。
【００４７】
図３（ｃ）は、燃料濃度が不均一な混合ガス中が流入した場合における、触媒層２２０の主流方向に沿った平均温度の変化を示している。この図の比較例のグラフは、平板部材２３２と波状部材２３４に通気孔が設けられていない場合の例を示している。比較例では、一部の主流路のみで燃料濃度が高くなるため、触媒層２２０の上流部で温度が著しく上昇する。一方、触媒層２２０の下流部では、触媒層全域で燃料濃度が低くなり、酸化反応の活性が低下するため、温度がほとんど上昇しない。これに対し、本実施例では、触媒層２２０内における温度分布が比較例に比べて均一化されており、触媒層２２０全域で酸化反応の活性が良好に保たれている。
【００４８】
ところで、触媒の担体は容積あたりの表面積を大きくするため、流路壁が薄くされる場合が多い。薄い流路壁は熱抵抗が高いので、担体内部の熱伝導は良好でない。そのため、触媒層２２０中でガスが拡散しない比較例では、多量の反応熱が高濃度領域に蓄積する。反応熱の蓄積による昇温が更に酸化反応の活性を高めるため、燃料濃度が高い領域では酸化反応が過度に進行する可能性がある。この場合、触媒層２２０は局所的に過昇温の状態となり、触媒が劣化する。一方、本実施例では、局所的な圧力の上昇は高濃度の燃料と反応熱の拡散を促進する。従って、過度の酸化反応が起きず、触媒層２２０の過昇温は抑えられる。
【００４９】
また比較例の場合、燃料の濃度が低い領域（以下、「低濃度領域」ともいう）では、酸化反応の反応量が小さいため熱の発生が少ない。また高濃度領域等の他の部分から熱の供給もほとんどないため、低濃度領域の温度は十分に上昇しない。触媒層２２０の温度が上昇しない低濃度領域では、酸化反応の活性が低くなる。このように、比較例では、酸化反応の活性が低い領域が存在するため、燃料を十分に酸化させ所定の濃度まで減少させるためには、触媒層２２０の長さを主流方向に長くすることが必要となる。
【００５０】
本実施例では、主流方向と異なる方向の流路を介して高温・高濃度のガスが拡散するため、触媒層２２０全体にわたって燃料の濃度と温度とが均一となる。このように、混合ガス中の燃料濃度に偏りがあっても、触媒層２２０全体で酸化反応は良好に活性化される。従って、混合ガス中の燃料濃度に偏りがあっても酸化反応は十分に進行し、触媒層の主流方向の長さを短縮することができる。
【００５１】
さらに、主流路間に連通を有しない比較例では、局所的に圧力が上昇した領域で主流路が閉塞された状態となるため、触媒層２２０の圧力損失が増大する。これに対し本実施例では、主流方向と異なる方向の流路を通して圧力が解放されるので、流路が閉塞した状態とならない。従って、触媒層２２０の圧力損失は増大せず、排気抵抗を低減することができる。そして、排気抵抗の低減により、酸化性ガス供給ポンプ１２８等の動力負担が減り、システム効率が向上する。
【００５２】
なお、本実施例のハニカム担体２３０としては、ハニカムの流路壁が通気性を有するものであればよく、例えばパンチングメタルをコア部材としたメタルハニカムや、通気性のセラミックハニカムなどが利用できる。
【００５３】
本実施例では、平板部材２３２と波状部材２３４のいずれもが通気性を有するものとして説明したが、平板部材２３２と波状部材２３４のいずれか一方のみが通気性を有するものとしてもよい。また、平板部材２３２は平坦でなく曲面となっていてもよい。
【００５４】
Ｂ．実施例２：
図４は、本発明の第２の実施例における触媒層２４０の模式図である。本実施例では、第１実施例のハニカム担体２３０に換えて、多孔質体２５０からなる担体を使用している。多孔質体２５０としては、多数の連通した空孔を有するものであればよく、例えば発泡金属などが利用できる。
【００５５】
第１実施例と同様に、図４（ａ）において左側から触媒層２４０に流入する混合ガスは、全体としては右側へ向かう主流方向に沿って流れ、右側から排出ガスとして流出する。多孔質体２５０は、互いに連通した多数の空孔を有している。
この多数の空孔がランダムな流路を形成するため、多孔質体２５０内には主流方向と異なる流路が存在し、混合ガスはこの流路を介して拡散する。
【００５６】
この第２実施例の触媒層２４０によっても、前述した第１実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。また、多孔質体２５０はガスの拡散効果が高いので、ガスの均一化を図る点では第１実施例のハニカム担体２３０よりも好ましい。一方、第１実施例のハニカム担体２３０は、製造が容易であり、触媒層の大きさを比較的自由にできる点で第２実施例の多孔質体２５０よりも好ましい。
【００５７】
Ｃ．実施例３：
図５（ａ）は、第３実施例の触媒層２６０の断面を示している。触媒層２６０は、上流側と下流側の２つの同一材質からなる担体２７０，２８０を備えている。上流側の担体２７０の流路壁２７２は、下流側の担体２８０の流路壁２８２より厚くされている。また、上流側の担体２７０の流路壁２７２は連通孔を有さず、下流側の担体２８０の流路壁２８２は連通孔を有している。このため、担体２７０は担体２８０よりも、容積あたりの熱容量（以下、単に「熱容量」という）が大きく、容積あたりの表面積（以下、単に「比表面積」という）が小さい。
【００５８】
流路壁２７２は流路壁２８２より厚いので、流路壁２７２の断面積は、薄い流路壁２８２の断面積よりも大きい。また、同一材質の流路壁２７２と流路壁２８２とは熱伝導度が等しいので、断面積の大きい流路壁２７２の方が断面積の小さい流路壁２８２よりも、流路壁の断面と垂直な方向における熱伝導が良好である。このように、流路壁を通した担体内の熱伝導は、担体２７０の方が担体２８０よりも良好である。従って、以下に説明するように、この触媒層２６０は一時的に燃料濃度の高いガスが供給されたときに、過度に温度が上昇することを防止できる。
【００５９】
燃料電池１００のアノードオフガス排出配管１４０（図２）には、一時的に燃料濃度の高いガスが排出される場合がある。例えば、燃料電池１００の起動時にはアノード室１０４中の低純度ガスを掃気するため、また、燃料電池１００の停止時にはアノード室１０４中の燃料ガスの残圧除去とのため、燃料ガスが燃料電池１００から放出される。また、循環している燃料ガスは、一定の条件の下でアノードオフガスとして放出される。この燃料ガスもしくはアノードオフガスの放出時には、触媒層２６０に燃料濃度の高い混合ガスが一時的に流入する。
【００６０】
図５（ｂ）および図５（ｃ）は、このような燃料濃度の高い混合ガスが流入した場合における、触媒層２６０の主流方向に沿った平均温度と燃料濃度の変化の様子を示している。この図の比較例のグラフは、担体として連通孔のない単一のメタルハニカムを触媒層に用いた場合の例を示している。なお、比較例で用いた担体の熱容量は、本実施例の上流側の担体２７０より小さく、下流側の担体２８０より大きくされている。また、比較例の担体の比表面積は、本実施例の上流側の担体２７０より大きく、下流側の担体２８０より小さくされている。このため、仮に同一濃度の燃料ガスが流入した場合、比較例での酸化反応量は、本実施例の上流側よりも多く、また、下流側よりも少ない。
【００６１】
比較例では、燃料濃度が高い上流部では酸化反応量が多いため、多量の反応熱が発生する。この多量の発熱に対し触媒層の熱容量が十分でないため、上流部で触媒層の温度が急激に上昇する。そして、温度の上昇により酸化反応の活性が高くなり、燃料濃度は急速に低下する。また、触媒層下流部では、燃料濃度が低下し酸化反応量が少なくなるため、発熱量が少なくなる。この発熱量に対し触媒層の熱容量が大きいため、触媒層の温度は十分に上昇しない。そして、温度が十分に上昇しないため酸化反応の活性が低下し、短い触媒層では燃料の酸化処理を完全に行うことができない。
【００６２】
一方、本実施例では、上流部のハニカム担体２７０は、比較例の担体よりも、熱容量が大きく比表面積が小さくされている。そのため、燃料濃度が高い混合ガスが流入しても、担体２７０部分での反応量と温度上昇は低く抑えられる。従って、グラフに示すように、担体２７０の温度上昇は緩やかで、燃料濃度の低下も大きくない。
【００６３】
また、本実施例の下流部のハニカム担体２８０は、比較例の担体よりも、熱容量が小さく比表面積が大きくされている。この担体２８０は、熱容量が小さいため、燃料が低濃度で発熱量が小さい場合であっても、容易に温度が上昇し酸化反応の活性が高くなる。そのため、燃料濃度が低いガスが流入する下流部においても、担体２８０の温度は高くなり、触媒層２６０通過後の燃料濃度は十分に低減される。
【００６４】
このように、本実施例の触媒層２６０では、担体２７０の熱容量・比表面積と主流方向の長さとを適宜選択することにより、高濃度の燃料を下流側で過昇温が生じない程度にまで低減できる。なお、上流部の担体２７０の熱容量と比表面積は、下流部よりも短い上流部で所望の燃料濃度まで低減できるよう選択されることが、触媒の小型化の点で好ましい。
【００６５】
ところで、混合ガスの燃料濃度が不均一で、触媒層２６０内に高濃度領域が生じた場合、比較例の触媒層では局所的に過昇温となる可能性がある。これに対し、本実施例の上流側の担体２７０では、担体内部の熱伝導が比較例より良好なため、反応熱は担体全体に分散される。そのため、担体２７０の部分では、ガス拡散構造を備えていないが、局所的な過昇温が抑えられている。さらに、下流側の担体２８０では、流路壁２８２に連通孔が設けられ、主流方向と異なる流路を形成している。このように、担体２８０はガス拡散構造を備えているため、燃料濃度が不均一であっても局所的な過昇温は抑えられる。
【００６６】
なお、本実施例の他の構成や効果は、第１実施例のものとほぼ同じなので、ここではその説明を省略する。
【００６７】
本実施例では、連通孔がなく厚い流路壁２７２を有するメタルハニカム２７０を上流側に使用したが、上流側の担体としては、下流側の担体よりも、熱容量が大きいか、比表面積が小さいか、のいずれかであればよい。例えば本実施例のハニカム担体２７０に換えて、流路壁の厚いセラミックハニカムやピッチの大きいメタルハニカム等も使用できる。
【００６８】
本実施例では、連通孔を備え薄い流路壁２８２を有するメタルハニカム２８０を下流側に使用したが、例えば本実施例の担体２８０に換えて、流路壁の薄いセラミックハニカムやピッチの小さいメタルハニカム等も使用できる。
【００６９】
さらに、本実施例では、触媒層２６０の下流側の担体２８０のみがガス拡散構造を備えているが、燃料濃度の均一化のためには、上流側の担体か、下流側の担体か、の少なくとも一方がガス拡散構造を備えていればよい。
【００７０】
Ｄ．実施例４：
図６は、第４の実施例における触媒層２９０の断面模式図である。図５に示した第３実施例との違いは、下流側のハニカム担体２８０に換えて、多孔質体３００を使用している点である。本実施例では、多孔質体３００を用いることによって、上流側の担体２７０よりも、熱容量が小さく、また、比表面積が大きくされている。なお、多孔質体３００としては、多数の連通した空孔を有するものであればよく、例えば発泡金属などが利用できる。
【００７１】
第３実施例と同様に、燃料濃度の高い混合ガスの流入した上流部の担体２７０では、過昇温を起こすことなく燃料濃度が所望の濃度まで低減できる。燃料濃度の低いガスが流入する下流部においても、多孔質体３００の温度は高くなり、触媒層２９０通過後の燃料濃度は十分低減される。また、触媒層２９０に燃料濃度の偏ったガスが流入した場合、下流部の多孔質体３００では、互いに連通した空孔を介してガスが拡散し局所的な過昇温が抑えられる。
【００７２】
このように、第４実施例の触媒層２９０によっても、前述した第３実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。また、多孔質体３００はガスの拡散効果が高いので、ガスの均一化を図る点では第３実施例のハニカム担体２８０よりも好ましい。一方、第３実施例のハニカム担体２８０は、製造が容易であり、触媒層の大きさを比較的自由にできる点で第４実施例の多孔質体３００よりも好ましい。
【００７３】
また、第３実施例と第４実施例では、触媒層の上流側と下流側とで横断面の形状が異なる担体を用いているが、触媒層内の上流側と下流側の領域は、これ以外の種々の構成を採用することができる。一般には、仮に上流側と下流側の領域を切断して２つに分離し、それぞれに同一燃料濃度のガスを流入させたと仮定した場合に、上流側での酸化反応量が下流側よりも少ない構成とされていればよい。
例えば、上流側の担体に担持する触媒量を、下流側の担体に担持する触媒量より少なくすることによっても、上記実施例とほぼ同じ効果を得ることができる。
【００７４】
Ｅ．実施例５：
図７は、第５の実施例における燃料電池システム６０の構成を示す説明図である。図２に示した第１の実施例との違いは、外部より供給される酸化性ガスに換えて、カソードオフガスが予混合部２０２に導入される点にある。
【００７５】
カソード室１０２は、酸化性ガス供給ポンプ１２６により外部より供給される酸化性ガスによって加圧されている。加圧されたカソード室１０２から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出配管１６２を通して、触媒層２２０上流の予混合部２０２に導かれる。そのため、第１実施例で使用した酸化性ガス供給ポンプ１２７が不要となる。このように酸化性ガス供給ポンプ１２７の動力負担がなくなることで、燃料電池システム６０のシステム効率が向上する。
【００７６】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７７】
Ｆ．変形例：
上記実施例では、燃料電池システム６０を使用した電気自動車の例について説明したが、本発明は、車輪駆動用の原動機として、モータと内燃機関との２つの原動機を用いたハイブリッド自動車（ハイブリッド車両）にも適用することができる。また、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の移動体にも適用可能である。さらに、本発明は、可搬式発電装置や家庭用発電装置などのような、小型の燃料電池発電システムにも適用可能である。すなわち、本発明は、一般に、燃料電池と、アノードオフガス処理装置と、を備える電力供給システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】第１の実施例における燃料電池システム６０の構成を示す説明図。
【図３】第１の実施例における触媒層２２０の構成とその効果を示す説明図。
【図４】第２の実施例における触媒層２４０の模式図。
【図５】第３の実施例における触媒層２６０の構成とその効果を示す説明図。
【図６】第４の実施例における触媒層２９０の模式図。
【図７】第５の実施例における燃料電池システム６０の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１３…回転軸
１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギア
１７…車軸
１８…車輪
２０…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
４０…減速機
５０…バッテリ
５１…双方向コンバータ
６０…燃料電池システム
７０…制御ユニット
７２…シフトレバー
７４…アクセルペダル
７６…ブレーキペダル
８０…インバータ
１００…燃料電池
１０２…カソード室
１０４…アノード室
１０６…カソード
１０８…アノード
１１０…電解質
１２０…燃料ガス供給バルブ
１２２…アノードオフガス排出バルブ
１２４…燃料ガス循環ポンプ
１２６…酸化性ガス供給ポンプ
１２８…酸化性ガス供給ポンプ
１４０…アノードオフガス排出配管
１４２…燃料ガス供給配管
１４４…燃料ガス循環配管
１４６…分岐配管
１５０…酸化性ガス供給配管
１５２…酸化性ガス供給配管
１６０…カソードオフガス排出配管
１６２…カソードオフガス排出配管
２００…アノードオフガス処理装置
２０２…予混合部
２２０…触媒層
２３０…ハニカム担体
２３２…平板部材
２３４…波状部材
２４０…触媒層
２５０…多孔質体
２６０…触媒層
２７０…ハニカム担体
２７２…流路壁
２８０…ハニカム担体
２８２…流路壁
２９０…触媒層
３００…多孔質体
【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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