(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され電気を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される排出ガスを燃焼させて得られる燃焼熱によって液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスとする蒸発器と、
前記蒸発器から供給される原燃料ガスを改質反応させて、前記燃料ガスとする改質器と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記蒸発器に前記液体原燃料を供給した後に、前記改質器における改質反応に用いられる空気を、前記蒸発器に導入する第１空気導入手段と、
前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前に、前記蒸発器に空気を導入する第２空気導入手段と、
前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前に、燃焼ガスを前記蒸発器に供給することで、前記蒸発器を昇温させる始動用燃焼バーナと、
を備え、
前記第１空気導入手段および第２空気導入手段から導入された空気を前記蒸発器から前記改質器に供給するように構成され、
前記第２空気導入手段は、前記第１空気導入手段よりも、多量の空気を前記蒸発器に導入するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前であって、前記第２空気導入手段から空気の導入を開始した後、
前記蒸発器の温度に基づく蒸発器温度信号および前記改質器における改質触媒の温度に基づく改質触媒温度信号のうちの少なくとも一つが所定値を超えたときに、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する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】
前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前であって、前記第２空気導入手段から空気の導入を開始した後、
前記蒸発器の温度に基づく蒸発器温度信号および前記改質器における改質触媒の温度に基づく改質触媒温度信号のうちの少なくとも一つが所定値を超えたときに、前記第２空気導入手段からの空気の導入を停止し、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給するとともに、前記第１空気導入手段からの空気の導入を開始することを特徴とする請求項１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、メタノールなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを取り出す改質型の燃料電池システムに係り、特に、電気自動車の電源として用いて好適な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンに代えて走行用モータを搭載する各種の電気自動車が開発されており、この種の電気自動車の一つとして、燃料電池システムを走行用モータの電源として搭載する自動車（以下「燃料電池電気自動車」という）の開発が急速に進められている。このような燃料電池システムの一つとして、従来、いわゆる改質型の燃料電池システムが知られている。
【０００３】
このような燃料電池電気自動車に用いられる改質型の燃料電池システムの例を図７を参照して説明する。図７に示す燃料電池システム５０は、燃料電池５１を備えており、アノード側に水素リッチな燃料ガスが供給され、カソード側に酸化剤である空気が供給されて電気を発生するものである。また、燃料電池システム５０は、たとえば水・メタノール混合液などの液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスとする蒸発器５２を備えている。この蒸発器５２には、水・メタノール混合液貯蔵タンクＴがポンプＰを介して接続されており、ポンプＰを作動させることによって水・メタノール混合液からなる液体原燃料が蒸発器５２に供給される。蒸発器５２によって液体原燃料を蒸発させて得られた原燃料ガスは改質器５３に供給される。改質器５３では原燃料ガスを触媒反応によって、オートサーマル反応などの改質反応をさせ、水素リッチな燃料ガスを生成する。改質器５３によって生成された燃料ガスは、ＣＯ除去器５４に供給され、改質反応の際の副産物である燃料電池５１に有害な一酸化炭素を除去している。ＣＯ除去器５４によって一酸化炭素を除去された燃料ガスは、燃料電池５１のアノード側に供給される。燃料電池システム５０は、空気圧縮機５５を備えており、この空気圧縮機５５によって、燃料電池５１のカソード側に酸化剤としての空気を供給している。空気圧縮機５５は、改質器５３における改質反応に必要な改質エアとしての空気を改質器５３に供給している。
【０００４】
また、燃料電池システム５０を搭載する燃料電池自動車が停止していた後、この燃料電池電気自動車を始動させる際には、蒸発器５２や改質器５３などは通常冷えている。このため、蒸発器５２や改質器５３が所定の性能を発揮するためには、これらを暖めるためのある程度の熱が必要であった。そこで、従来の燃料電池システム５０では、蒸発器５２に用いる始動用燃焼バーナ５６および改質器５３に用いる始動用燃焼バーナ５７を設けている。そして、これらの始動用燃焼バーナ５６，５７によって蒸発器５２の触媒層や改質器５３の改質触媒をそれぞれ所定の温度に昇温させてから、液体原燃料を供給したり、改質エアを供給したりするようにしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の燃料電池システム５０においては、改質器５３に対して直接改質エアを導入していたため、改質器５３内に改質エアが均一に導入されないことがある。改質エアが均一に導入されない場合には、改質器５３内で改質エアの密度差が生じ、原燃料ガスと改質エアの混合が悪くなり、改質器５３内に設けられている改質触媒の面内温度にムラが生じる恐れがあった。具体的には改質エアが濃い部分では改質触媒の温度が高くなり、改質エアが薄い部分では改質触媒の温度が低くなる。これは、改質エアが濃い部分では、発熱反応である（１）式に示す酸化反応が促進され、この際の発熱により改質触媒の温度が上昇するためである。
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2…（１）
一方、改質エアが薄い部分では、吸熱反応である（２）式に示す水蒸気改質反応が促進され、この際の吸熱により、改質触媒の温度が低下するためである。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2…（２）
ここで、図８に燃料ガス中の一酸化炭素濃度と改質触媒の温度の関係を示すが、改質触媒の温度が低いと、いわゆる原燃料ガスの吹き抜けを意味するＴＨＣ（トータルハイドロカーボン）の量が多く、燃料ガス中のＣＯ濃度が低くなってしまう。一方、改質触媒の温度が上昇するに伴ってＴＨＣは減少して、ＣＯ濃度は増加する傾向にある。したがって、改質触媒の面内温度にムラが生じると、温度の低い所では原燃料ガスが改質器５３内を吹き抜けて、未改質ガスが多くなり、一方、温度の高い所では一酸化炭素濃度が高くなってしまうという問題があった。未改質ガスが多くなると、必要な水素の量が得られず、燃料電池５１における発電に支障をきたすことが考えられる。また、燃料ガス中のＣＯ濃度が高いと、燃料電池５１がＣＯ被毒するおそれがあるなどの問題があった。
【０００６】
この問題に対して、改質触媒の温度分布を均一化するように、図７に仮想線で示す原燃料ガスと改質エアとの混合装置５８などを別途設けることが考えられる。しかし、このような混合装置５８を設けると、燃料電池システム５０が大型化してしまい、あるいはシステム全体の圧力損失が大きくなって、システムの効率が悪化してしまうという問題があった。
【０００７】
他方、前記従来の燃料電池システム５０を始動させる際には、蒸発器５２を暖機するための始動用燃焼バーナ５６および改質器５３の改質触媒を暖めるための始動用燃焼バーナ５７の２つの始動用燃焼バーナを用いていた。しかし、このように、数多くの始動用のバーナを設けることはやはりシステムおよび装置の大型化につながり、車両に搭載する燃料電池システムとして不向きとなるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、燃料電池システム全体として大型化させることなく、改質器における燃料ガスと改質エアを適切に混合できるようにするとともに、始動時に蒸発器や改質器を迅速に作動できるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明の請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され電気を発生する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排出ガスを燃焼させて得られる燃焼熱によって液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスとする蒸発器と、前記蒸発器から供給される原燃料ガスを改質反応させて、前記燃料ガスとする改質器と、を備える燃料電池システムにおいて、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給した後に、前記改質器における改質反応に用いられる空気を、前記蒸発器に導入する第１空気導入手段と、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前に、前記蒸発器に空気を導入する第２空気導入手段と、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前に、燃焼ガスを前記蒸発器に供給することで、前記蒸発器を昇温させる始動用燃焼バーナと、を備え、前記第１空気導入手段および第２空気導入手段から導入された空気を前記蒸発器から前記改質器に供給するように構成され、前記第２空気導入手段は、前記第１空気導入手段よりも、多量の空気を前記蒸発器に導入するように構成されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
請求項１に係る発明においては、改質器における改質反応に用いられる空気を蒸発器に導入するようにしている。このため、改質反応に用いられる空気は、蒸発器および蒸発器から改質器に連通する配管の中で燃料ガスと混合するので、燃料ガスと改質エアとが充分均一に混合されることになる。その結果、改質触媒の面内温度にムラがなくなるため、改質器内における燃料ガスの未改質やＣＯ濃度の上昇を防止することができる。また、改質エアを燃料ガスと充分に混合するために、混合装置などを設ける必要がないので、燃料電池システム全体を大型化させることもない。さらに、蒸発器内に液体原燃料を供給する前には、第２空気導入手段を介して空気を導入しておくことができる。この蒸発器内に導入された空気は、始動用燃焼バーナによって昇温させられた蒸発器の熱を奪うため、蒸発器を素早く暖機することができる。また、蒸発器の暖機に利用された空気は、暖まったままの状態で改質器に供給される。その結果、暖まった空気によって改質触媒の温度を上昇させることができるので、改質触媒の温度を上昇させるための始動用のバーナを設ける必要がないため、燃料電池システム全体としての小型化を促進することができる。
【００１２】
いま、蒸発器に空気を導入するにあたり、燃料電池システムの始動時以外の通常運転時と始動時とを比較すると、始動時の方が多量に空気を必要とする。この理由は、始動時に暖機を迅速に行うには熱媒体となる空気を多く必要とするからである。これに対して、通常運転時には、必要とされる空気の量（改質に供される空気量）が少なくて済む一方、燃料電池システムの運転状況に応じて空気の量を微調整することが要求される。したがって、通常運転時に空気を導入する空気導入手段を用いて始動時用の空気を大量に導入するのは空気導入手段の構成から考えて困難を伴うことが考えられる。そこで、請求項１に係る発明では、空気を導入するための第２空気導入手段を別途設けている。そして、蒸発器に液体原燃料を供給する前には、第１空気導入手段よりも多量の空気を前記蒸発器に導入する第２空気導入手段から空気を導入することにより、必要な多量の空気を蒸発器に好適に導入することができる。
【００１４】
請求項１に係る発明では、蒸発器に液体原燃料を供給する前には第２空気導入手段から空気を蒸発器に導入し、蒸発器に液体原燃料を供給した後には第１空気導入手段から空気を導入することができる。したがって、第１空気導入手段および第２空気導入手段の構造を簡易にできるとともに、それぞれの制御が容易となる。
【００１５】
請求項２に係る発明は、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前であって、前記第２空気導入手段から空気の導入を開始した後、前記蒸発器の温度に基づく蒸発器温度信号および前記改質器における改質触媒の温度に基づく改質触媒温度信号のうちの少なくとも一つが、所定値を超えたときに、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１６】
請求項３に係る発明は、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給する前であって、前記第２空気導入手段から空気の導入を開始した後、前記蒸発器の温度に基づく蒸発器温度信号および前記改質器における改質触媒の温度に基づく改質触媒温度信号のうちの少なくとも一つが所定値を超えたときに、前記第２空気導入手段からの空気の導入を停止し、前記蒸発器に前記液体原燃料を供給するとともに、前記第１空気導入手段からの空気の導入を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１７】
請求項２および請求項３に係る発明においては、蒸発器の温度に基づく蒸発器温度信号および改質触媒の温度に基づく改質触媒温度信号のうちの少なくとも一つが所定値を超えたときに液体原燃料の供給を開始している。このため、燃料電池システムにおける燃料改質を行うことができる状態が整った後に、液体原燃料を蒸発器に供給して、確実に燃料ガスの生成を開始することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、具体的に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムを示す構成図である。
図１に示すように、本発明に係る燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池電気自動車に搭載されているものであり、燃料電池１、蒸発器２、改質器３、ＣＯ除去器４、空気圧縮機５、および始動用燃焼バーナ６を備えている。
【００１９】
燃料電池１は、発電単位である多数のセルが積層された構造を有しており、これらのセルによって、燃料ガスが供給されるアノード側と、酸化剤ガスである酸素を含む空気が供給されるカソード側とに分かれている。そして、アノード側に供給された燃料ガスと、カソード側に供給された酸化剤ガスによって各セルで電気を発生する。
【００２０】
蒸発器２は、蒸発器本体１１、触媒燃焼器１２、原燃料噴射装置１３、および空気導入装置１４を備えている。原燃料噴射装置１３には、水・メタノール混合液などの液体原燃料が貯蔵されている水・メタノ−ル混合液貯蔵タンク（以下「タンク」という）Ｔが接続されている。このタンクＴからポンプＰを介して原燃料噴射装置１３に対して液体原燃料が供給される。原燃料噴射装置１３に供給された液体原燃料は、蒸発器本体１１に噴射されて供給される。このとき、蒸発器本体１１に供給される液体原燃料の流量は、原燃料噴射装置１３の噴射量によって調整される。また、蒸発器本体１１の下部には、触媒燃焼器１２が配設されている。この触媒燃焼器１２には、燃料電池１より排出される排出ガスであるオフガスが導入されて触媒燃焼器１２でオフガスが燃やされて熱が生成される。そして、触媒燃焼器１２で生成された熱によって、蒸発器本体１１内の液体原燃料が蒸発する。
【００２１】
この蒸発器２は、たとえば図２に示す構造を有するものである。
図２に示すように、蒸発器本体１１の内部には、液体原燃料を蒸発させて原燃料ガスとする蒸発室１１Ａが形成されている。蒸発室１１Ａには、液体原燃料を蒸発させるための高温熱媒体である燃焼ガスがその内側に通流するＵ字状の熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…が多数配設されている。その一方、蒸発室１１Ａには、蒸発室１１Ａの上部に設けられた原燃料噴射装置１３によって液体原燃料が噴射される。そして、熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…の内側を通流する燃焼ガスが、液体原燃料に熱を与えることによって液体原燃料が蒸発する。
【００２２】
また、蒸発器本体１１の下方には、触媒燃焼器１２が配設されている。触媒燃焼器１２には、加熱されて燃焼ガスとなるオフガスが流入する入口流路１２Ａが形成されており、入口流路１２Ａの下流側には触媒層１２Ｂが設けられている。触媒層１２Ｂには、触媒の金属成分を担持する図示しないハニカム形状の担体が設けられており、触媒反応によってオフガスを燃焼させて燃焼ガスとする。
【００２３】
触媒層１２Ｂの下流側には、出口流路１２Ｃが隔壁１２Ｄによって形成されており、この出口流路１２Ｃを燃焼ガスが通過する。この隔壁１２Ｄによって形成された出口流路１２Ｃを介して、触媒層１２Ｂと蒸発器本体１１における熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…とが連通している。
【００２４】
熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…の下流側には、熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…を通じて液体原燃料を蒸発させた後の燃焼ガスが通流する燃焼ガス流路１１Ｃが形成されている。燃焼ガス流路１１Ｃは、蒸発室１１Ａの周囲を囲むようにして配設され、図示しない過熱部に連通している。この過熱部は、蒸発器本体１１の下流側に設けられ、蒸発室１１Ａで蒸発した原燃料ガスを、燃焼ガス流路１１Ｃを経由した燃焼ガスにより過熱するように形成されている。
【００２５】
また、蒸発器本体１１における蒸発室１１Ａの上方には、原燃料噴射装置１３および空気導入装置１４が設けられている。
原燃料噴射装置１３は、複数、たとえば３本の原燃料噴射部１３Ａを備えており（図２では１つのみ図示）、これらの原燃料噴射部１３Ａから液体原燃料が蒸発器本体１１内に噴射される。これらの原燃料噴射部１３Ａはたとえばインジェクタによって構成されている。このインジェクタに設けられた図示しないソレノイドコイルに電流を流すことにより、インジェクタのバルブが開いてノズルから液体原燃料を噴射するようになっている。そして、図１に示す制御装置ＣＵからの液体原燃料噴射信号に基づいて、ソレノイドコイルに電流が供給されまたは供給が停止され、バルブが開閉するようになっている。
【００２６】
さらに、空気導入装置１４は、原燃料噴射装置１３における複数の原燃料噴射部１３Ａに相当する数、たとえば３本の本発明の第１空気導入手段である空気導入ポート１４Ａ（図２では１つのみ図示）を備えている。この空気導入ポート１４Ａには、空気圧縮機５から改質エアとしての空気が供給され、蒸発器本体１１の蒸発室１１Ａに導入される。蒸発室１１Ａに導入された改質エアとしての空気は、液体原燃料が蒸発して得られた原燃料ガスとともに充分に混合されて改質器３に供給される。この改質エアが改質器３内で原燃料ガスの改質触媒と接触して原燃料ガスの改質反応が促進される。
【００２７】
また、この空気導入ポート１４Ａは、原燃料噴射装置１３における複数の原燃料噴射部１３Ａにそれぞれ隣接するようにして配設されている。空気導入ポート１４Ａから導入される空気は、一定方向を向いて蒸発器本体１１の蒸発室１１Ａ内に導入される。この空気は、気流を発生させ、この気流によって原燃料噴射部１３Ａから噴射される液体原燃料を微粒化させながら分散させる効果を奏する。さらに、空気導入ポート１４Ａは、発生させた気流によって液体原燃料の噴射方向を設定できるようになっている。
【００２８】
また、空気導入装置１４は、本発明の第２空気導入手段である始動用空気導入ポート１４Ｂを備えている。空気導入装置１４における空気導入ポート１４Ａおよび始動用空気導入ポート１４Ｂは、いずれも図１に示す空気圧縮機５に接続されている。また、図１に示すように、空気導入装置１４における空気導入ポート１４Ａと空気圧縮機５の間における管路８Ａには、第１制御弁７Ａが介設されているとともに、始動用空気導入ポート１４Ｂと空気圧縮機５の間における管路８Ｂには、第２制御弁７Ｂが介設されている。これらの第１制御弁７Ａおよび第２制御弁７Ｂは、いずれも制御装置ＣＵに接続されており、制御されている。さらに、始動用空気導入ポート１４Ｂは、空気導入ポート１４Ａよりも大径とされている。このため、始動用空気導入ポート１４Ｂからは、第１空気導入ポート１４Ａよりも多量の空気を導入することができるようになっている。
【００２９】
改質器３は、複数の改質触媒を備えており、蒸発器２によって液体原燃料が蒸発して得られた原燃料ガスを改質触媒に接触させ、改質反応によって水素を多く含む燃料ガスにするものである。改質器３における改質反応の際に用いられる改質エアは、蒸発器２から原燃料ガスとともに供給される。改質器３によって改質反応させて得られた燃料ガスは、ＣＯ除去器４に供給される。
【００３０】
ＣＯ除去器４では、選択酸化触媒によって改質器３から送られてくる燃料ガス中の一酸化炭素をＣＯ除去エアに含まれる酸素と反応させて一酸化炭素を二酸化炭素に選択酸化することにより除去する。ＣＯ除去器４によって有害物質が除去された燃料ガスは、ＣＯ除去器４から排出されて、燃料電池１のアノード側に供給される。
【００３１】
また、空気圧縮機５は、酸化剤ガスである空気、すなわち外気を吸入するとともに、吸入した外気を燃料電池１におけるカソード側に供給している。さらに、空気圧縮機５は、蒸発器２に設けられた空気導入装置１４に改質エアとしての空気を供給している。加えて、ＣＯ除去器４に対しては、燃料電池１に対して有毒な一酸化炭素を除去するためのＣＯ除去エアとしての空気を供給している。
【００３２】
さらに、燃料電池１からは、排出ガスであるオフガスが排出される。オフガスは、燃料電池１におけるアノード側およびカソード側のそれぞれから排出されるものであり、アノード側からは、反応に利用されなかった燃料ガスがアノード側オフガスとして排出される。また、燃料電池１におけるカソード側からは、反応に利用されなかった空気がカソード側オフガスとして排出される。燃料電池１におけるアノード側の排出口から排出されたアノード側オフガスおよびカソード側の排出口から排出されたカソード側オフガスは、いずれも蒸発器２における触媒燃焼器１２に供給される。触媒燃焼器１２では、アノード側オフガスを燃料とし、カソード側オフガスを酸化剤としてアノード側オフガスを燃やして熱を得ている。
【００３３】
始動用燃焼バーナ６は、燃料電池システムＦＣＳの始動時であって、燃料電池１からいまだオフガスが生成されないときなどに使用される。始動用燃焼バーナ６からは、蒸発器２における触媒燃焼器１２に対してメタノール燃料などを供給する。そして、触媒燃焼器１２における触媒層１２Ｂ（図２）で燃料を触媒燃焼させて、触媒層１２Ｂを短時間で昇温させるようにしている。
【００３４】
さらに、蒸発器２から排出される原燃料ガスおよび改質エアが混合してなるガス（以下「混合ガス」という）が通流する管路８Ｃには第１温度計Ｔ１が配設されている。この第１温度計Ｔ１では、燃料電池システムＦＣＳの始動時に、蒸発器２から排出される空気の温度を測定する。蒸発器２から排出される空気は、蒸発器２の温度に対応して増減するので、蒸発器２から排出される空気の温度を蒸発器２の温度として推定することができる。そして、第１温度計Ｔ１で測定された混合ガスの温度に基づく、換言すれば蒸発器２の温度に基づく蒸発器温度信号が第１温度計から制御装置ＣＵに出力される。
【００３５】
また、改質器３における改質触媒には熱電対またはサーミスタなどからなる第２温度計Ｔ２が取り付けられており、改質触媒の温度を測定している。この第２温度計Ｔ２で測定された改質触媒に基づく改質触媒温度信号が第２温度計Ｔ２から制御装置ＣＵに出力されている。
【００３６】
制御装置ＣＵは、ＥＣＵなどを備えており、各種の演算処理を行う。この制御装置ＣＵには、第１温度計からの蒸発器の温度に基づく蒸発器温度信号および第２温度計からの改質触媒の温度に基づく改質触媒温度信号が出力される。制御装置ＣＵでは、これらの温度信号や燃料電池１に対する要求出力などに基づいて、液体原燃料の噴射量や蒸発器２に対する空気の導入量などを算出する。そして、これらの算出値に基づく各種の信号が、原燃料噴射装置１３における原燃料噴射部１３Ａ、空気導入装置１４における空気導入ポート１４Ａ、さらには制御弁７Ａ，７Ｂなどに出力される。
【００３７】
以上の構成を有する燃料電池システムＦＣＳの作用について、図１および図２を参照して説明する。まず、燃料電池システムＦＣＳの始動時について説明する。燃料電池システムＦＣＳの始動時には、蒸発器２は冷えており、また改質器３における改質触媒の温度も低くなっている。このため、蒸発器２を暖機するとともに、改質器３における改質触媒を昇温させる必要がある。この蒸発器２の暖機等を行うために、まず始動用燃焼バーナ６でメタノール燃料などを燃焼させて高温ガスを発生させ、この高温ガスを蒸発器２の熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…内に送り込む。このとき、蒸発器２における蒸発器本体１１の蒸発室１１Ａ内には、空気圧縮機５から供給される空気が始動用空気導入ポート１４Ｂから比較的多量に導入される。蒸発器本体１１の蒸発室１１Ａ内に供給された空気は、熱媒体の役割を果たして、高温ガスにより熱せられた熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…から熱を奪い、蒸発器本体１１全体に行き渡らせるので、蒸発器２を早期に暖機することができる。ここで、蒸発器２に空気を導入した場合と導入しない場合の蒸発器２の温度変化を図３に示す。図３から判るように、蒸発器２内に空気を導入した際には、蒸発器２の温度が早期に上昇しているのに対して、蒸発器２に空気を導入しない際には、蒸発器の温度の上昇が遅くなっている。このように、蒸発器２に空気を導入することによって、蒸発器２を早期に暖機できる。
【００３８】
また、蒸発器２を早期に暖機するためには、ある程度の空気の量が必要となる。いま図４に始動用空気導入ポート１４Ｂから導入される空気の量（以下「始動空気量」という）と蒸発器２が始動可能となるまでの時間（以下「蒸発器始動時間」という）の関係を示す。図４から判るように、始動空気量が少ないと蒸発器始動時間は遅くなってしまう。また、始動空気量が増加するに応じて蒸発器始動時間が早くなる傾向にある。そのため、燃料電池システムＦＣＳの始動時には、多量の空気を導入するのである。
【００３９】
こうして、熱媒体として蒸発器２を早期に暖機した空気は、そのまま蒸発器排出空気となって蒸発器２から排出されて改質器３に送り出され、改質器３ではこの蒸発器排出空気によって改質触媒が昇温される。このため、改質器３の改質触媒を昇温させるための始動用燃焼バーナを用いることなく、改質器３の改質触媒を昇温させることができる。そして、蒸発器２の温度、あるいは改質器３の改質触媒の温度が所定の温度以上となったときに、燃料電池システムＦＣＳの暖機が完了したとして、液体原燃料を導入する。
【００４０】
また、燃料電池システムＦＣＳの始動時以外の通常運転時においては、タンクＴから蒸発器２における原燃料噴射装置１３に水・メタノール混合液などの液体原燃料が供給される。液体原燃料が噴射される際には、空気導入装置１４における空気導入ポート１４Ａによって蒸発器２における蒸発器本体１１の蒸発室１１Ａに空気が導入される。この空気導入ポート１４Ａから導入される空気の流量は、燃料電池１に対する要求負荷などに応じて変動する原燃料ガスの量に合わせて変動する。このときの変動量が小さい場合にも対応できるようにするために、空気導入ポート１４Ａから導入される空気の流量をあまり多量とすることができない。このため、本実施形態では、始動時に多量の空気を導入できるようにするために、始動用空気導入ポート１４Ｂを別途設けている。空気導入ポート１４Ａと始動用空気導入ポート１４Ｂとを分けて設けることにより、改質用エアに要求される微調整された流量を得る構造と、大流量の空気を導入する構造とを作り分けることになり、それぞれの構造を一つにまとめるものよりも簡易に出来る利点がある。
【００４１】
このように、空気導入ポート１４Ａから導入される空気は気流を発生する。また、原燃料噴射部１３Ａからは適宜の量の液体原燃料が噴射されている。このとき、原燃料噴射部１３Ａから噴射される液体原燃料は、空気導入ポート１４Ａから空気を導入する際に発生する気流によって微粒化し、蒸発器本体１１の蒸発室１１Ａ内に分散する。蒸発室１１Ａ内に分散した液体原燃料は、オフガスが通過する熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…の外面の全面に均等に吹き付けられ、効率よく蒸発されて原燃料ガスとなる。
【００４２】
蒸発室１１Ａ内で得られた原燃料ガスは、蒸発器２から改質器３に供給される。このとき、原燃料ガスに伴って蒸発器２に導入された改質エアも蒸発器２から改質器３に供給される。蒸発器２に導入された改質エアは、蒸発器２における蒸発室１１Ａ内から、改質器３に至るまでの配管内などで、原燃料ガスと混合される時間（距離）が長くなる。このため、改質エアは原燃料ガスと充分に混合されるので、改質器３に導入されるときには、改質エアと原燃料ガスは改質に好適な状態となっている。
【００４３】
ここで、本発明例として、改質エアを蒸発器２に導入した場合と、従来例として、蒸発器２と改質器３の間の配管に改質エアを導入した場合の改質器３における改質触媒の温度差を比較する。図５は、従来例と本発明例における改質触媒の表面温度の最大値と最小値との差（以下「面内温度差」という）を示すグラフである。図５から判るように、従来例における面内温度差は、本発明例の面内温度差のほぼ４倍程度に当たる。このように本発明例では、面内温度差を低く抑えることができる。したがって、改質器３における改質触媒の面内温度のムラの発生を防止することができるので、未改質ガスの発生（ＴＨＣの上昇）やＣＯ濃度の上昇などを抑止することができる。
【００４４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの始動時の動作手順について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。
燃料電池システムＦＣＳの始動が開始される（ＳＳ）と、始動用燃焼バーナ６から蒸発器２の触媒層１２Ｂにメタノール燃料などが供給される。これと同時に、制御装置ＣＵは、第１制御弁７Ａに閉信号を出力するとともに、第２制御弁７Ｂには開信号を出力する（Ｓ１）。したがって、空気圧縮機５からの空気は、空気導入ポート１４Ａには供給されず、始動用空気導入ポート１４Ｂに供給される。始動用空気導入ポート１４Ｂに供給された空気は、蒸発器本体１１における蒸発室１１Ａに導入される（Ｓ２）。このときには、原燃料噴射装置１３からは、まだ液体原燃料が噴射されていない。
【００４５】
蒸発室１１Ａには、始動用空気導入ポート１４Ｂから多量の空気が導入されている。このため、触媒燃焼器１２では蒸発器２全体を早期に暖機することができる。このように、蒸発器２に導入された空気は、熱媒体として蒸発器２の暖機に利用された後、蒸発器排出空気となって改質器３へと排出されて改質触媒を昇温させるための熱源として利用される。このとき、蒸発器２から排出されて改質器３に供給される際に通過する管路８Ｃ内における蒸発器排出空気の温度Ｔｖを第１温度計Ｔ１で測定している（Ｓ３）。第１温度計Ｔ１で測定された蒸発器排出空気の温度Ｔｖは、制御装置ＣＵに出力され蒸発器温度信号として扱われる。また、改質器３の改質触媒に設けられた第２温度計Ｔ２では、改質器３における改質触媒の温度Ｔｒを測定している（Ｓ４）。第２温度計Ｔ２で測定された改質触媒の温度Ｔｒは、改質触媒温度信号として制御装置ＣＵに出力される。
【００４６】
制御装置ＣＵでは、蒸発器排出空気の温度Ｔｖが所定のしきい値Ｔｖｓを超えているか否かを判断する（Ｓ５）。それと同時に、改質触媒の温度Ｔｒが所定のしきい値Ｔｒｓを超えているか否かを判断する（Ｓ５）。ここで、蒸発器排出空気の温度Ｔｖのしきい値Ｔｖｓおよび改質触媒の温度Ｔｒのしきい値Ｔｒｓは適宜設定することができる。たとえば、蒸発器排出空気の温度Ｔｖのしきい値Ｔｖｓは、蒸発器２内で液体原燃料を充分に蒸発させることができるようになった温度とすることができる。また、改質触媒の温度Ｔｒのしきい値Ｔｒｓは、改質反応が充分に行われるようになった温度とすることができる。
【００４７】
ステップＳ５の結果、蒸発器排出空気の温度Ｔｖがしきい値Ｔｖｓを超えておらず、しかも改質触媒の温度Ｔｒが所定のしきい値を超えていない場合には、ステップＳ３に戻る。そして、第１温度計Ｔ１で蒸発器排出空気の温度を測定するとともに、第２温度計Ｔ２で改質触媒の温度Ｔｒを測定する。一方、蒸発器排出空気の温度Ｔｖが所定のしきい値Ｔｖｓを超えているか、あるいは改質触媒の温度Ｔｒが所定のしきい値Ｔｒｓを超えていた場合には、改質反応を行う準備が整ったと判断して、制御装置ＣＵから原燃料噴射装置１３に対して噴射信号を出力する。
【００４８】
噴射信号を受けた原燃料噴射装置１３は、原燃料噴射部１３Ａから蒸発室１１Ａ内に向けて液体原燃料の噴射を開始する（Ｓ６）。制御装置ＣＵでは、原燃料噴射装置１３に対して噴射信号を出力すると同時に、第１制御弁７Ａに開信号を出力するとともに、第２制御弁７Ｂに閉信号を出力する。制御装置ＣＵより開信号を受けた第１制御弁７Ａは開き、制御装置ＣＵから閉信号を出力された第２制御弁７Ｂは閉じる（Ｓ７）。第１制御弁７Ａが開くことにより、空気導入ポート１４Ａから空気が蒸発器２の蒸発器本体１１における蒸発室１１Ａに空気が導入される。また、第２制御弁７Ｂが閉じることから、始動用空気導入ポート１４Ｂからの蒸発室１１Ａに対する空気の導入が中止される（Ｓ８）。空気を蒸発室１１Ａ内に導入する空気導入ポート１４Ａは、導入する空気の流量が多くなく、空気を導入することによって気流を発生させる。また、空気導入ポート１４Ａは、原燃料噴射部１３Ａに隣接して配設されており、空気を導入する気流によって原燃料噴射部１３Ａから噴射される液体原燃料を微粒化させながら分散する。微粒化し分散した液体原燃料は、蒸発室１１Ａ内に配設された熱媒チューブ１１Ｂ，１１Ｂ…に均等に接触するので、液体原燃料の蒸発が促進される。しかも、蒸発室１１Ａに噴射される液体原燃料の噴射量に応じて、導入される空気の量をきめこまかく調整することができる。
【００４９】
また、空気導入ポート１４Ａから導入された空気は、液体原燃料が蒸発してなる原燃料ガスとともに蒸発器２から改質器３に供給される。改質器３では、原燃料ガスを改質触媒に接触させて改質反応させることによって水素リッチな燃料ガスを生成する。この改質反応には、改質エアが必要とされるが、蒸発器２から原燃料ガスとともに供給される空気が改質器３において改質エアとして機能する。この改質器３に供給される改質エアは、蒸発器２から改質器３に供給される過程で原燃料ガスと充分に混合されている。このため、改質触媒の面内温度差が小さくなって、未改質ガスの発生やＣＯ濃度の上昇を抑制することができる。
【００５０】
このように、空気導入ポート１４Ａからの空気の導入が開始されるとともに、始動用空気導入ポート１４Ｂからの空気の導入が停止された後、ＣＯ除去器４に対するＣＯ除去エアの導入が開始される（Ｓ９）。こうして、燃料電池システムＦＣＳの始動が終了する（ＳＥ）。燃料電池システムＦＣＳの始動が終了したら、燃料電池システムＦＣＳの本格的な運転が開始される。燃料電池システムＦＣＳの本格的な運転が開始された後も、改質器３に対しては改質エアと原燃料ガスが混合した混合ガスが蒸発器２から供給される。このため、改質触媒の面内温度差を小さく抑えることができるので、未改質ガスの発生やＣＯ濃度の上昇は抑制される。
【００５１】
次に、本発明の参考例について説明する。参考例においては、前記第１の実施形態と比較して、始動用空気導入ポート１４Ｂおよびこれに付随する管路８Ｂや第２制御弁７Ｂなどが設けられていない他は、前記第１の実施形態と同一である。
【００５２】
かかる参考例においては、前記第１の実施形態に係る燃料電池システムＦＣＳと比較して、燃料電池システムの始動時における動作手順が異なる。以下に、参考例に係る燃料電池システムの始動時の動作手順について、前記第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。参考例に係る燃料電池システムの始動が開始されると、始動用燃焼バーナからメタノール燃料などが触媒燃焼器１２に供給された後、前記第１の実施形態では始動用空気導入ポート１４Ｂから蒸発室１１Ａ内に空気を導入しているが、参考例では、空気導入ポート１４Ａから蒸発室１１Ａ内に空気を導入する。続いて、前記第１の実施形態と同様に、第１温度計Ｔ１によって蒸発器排出空気の温度Ｔｖを測定するとともに、第２温度計Ｔ２によって改質触媒の温度Ｔｒを測定する。そして、蒸発器排出空気の温度Ｔｖが所定のしきい値Ｔｖｓを超えるか、改質触媒の温度Ｔｒが所定のしきい値Ｔｒｓを超えたときに、一度、第１制御弁７Ａを閉めて、空気導入ポート１４Ａからの空気の導入を停止させる。続いて、原燃料噴射装置１３からの液体原燃料の噴射を開始するのと同時に、第１制御弁７Ａを開けて空気導入ポート１４Ａからの空気の導入を開始する。その後は、ＣＯ除去器４にＣＯ除去エアの導入を開始してから、燃料電池システムの始動を終了するとともに、燃料電池システムの本格的な運転が開始される。
【００５３】
参考例では、前記第１の実施形態と比較すると、始動用空気導入ポートを設ける必要がないことから、装置全体の小型化を図ることができる。
【００５５】
また、空気導入ポート１４Ａから導入される空気は気流を発生させるが、原燃料ガスを好適に微粒化させ分散化させるために、スワール流を発生させたり、曲折流、偏向流、片寄せ流を発生させる態様とすることなども好適である。
【００５６】
さらには、前記実施形態では、蒸発器の温度または改質触媒の温度が所定値（しきい値）を超えたときに、液体原燃料を噴射（供給）を開始しているが、蒸発器温度信号および改質触媒温度の両方が所定の温度以上となった後に液体原燃料の噴射（供給）を開始する態様とすることもできる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のうちの請求項１に係る発明によれば、燃料電池システム全体として大型化させることなく、改質器における燃料ガスと改質エアを適切に混合できるようにするとともに、蒸発器に液体原燃料を供給する前に、蒸発器や改質器を迅速に作動することが可能となる。
【００５８】
また、請求項１に係る発明によれば、蒸発器に液体原燃料を供給する前には、多量の空気を蒸発器に供給するとともに、蒸発器に液体原燃料を供給した後には、液体原燃料の噴射量に見合った量の空気を好適に蒸発器に導入することができる。
【００５９】
さらに、請求項１に係る発明によれば、蒸発器に液体原燃料を供給した後には、第１空気導入手段から改質エアを導入することにより、第１空気導入手段および第２空気導入手段の構造が簡易となるとともに、制御が容易となる。
【００６０】
請求項２および請求項３に係る発明によれば、燃料電池システムにおける燃料改質を行うことができる状態が整った後に、液体原燃料を蒸発器に供給して、確実に燃料ガスの生成を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】蒸発器の側断面図である。
【図３】蒸発器に空気を導入した場合と導入しない場合の蒸発器の温度変化を示すグラフである。
【図４】始動空気量と蒸発器始動時間の関係を示すグラフである。
【図５】従来例と本発明例における改質触媒の面内温度差を示すグラフである。
【図６】燃料電池システムの始動時の動作手順を示すフローチャートである。
【図７】従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【図８】燃料ガス中の一酸化炭素濃度と改質触媒の温度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 蒸発器
３ 改質器
４ ＣＯ除去器
５ 空気圧縮機
６ 始動用燃焼バーナ
１１ 蒸発器本体
１２ 触媒燃焼器
１３ 原燃料噴射装置
１３Ａ 原燃料噴射部
１４ 空気導入装置
１４Ａ 空気導入ポート（第１空気導入手段）
１４Ｂ 始動用空気導入ポート（第２空気導入手段）
ＦＣＳ 燃料電池システム
ＣＵ 制御装置
Ｔ１ 第１温度計
Ｔ２ 第２温度計
Ｔｖ 蒸発器排出空気の温度（蒸発器温度信号）
Ｔｒ 改質触媒の温度（改質触媒温度信号）
【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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