(57)【要約】【課題】燃料電池システム起動時に速やかに起動する燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池スタック７の酸素極に空気を供給する空気圧縮器６と、一酸化炭素を供給する一酸化炭素蓄積容器１６と、燃料電池システム起動時に空気圧縮器６と一酸化炭素蓄積容器１６からそれぞれ空気と一酸化炭素を燃料電池スタック７の酸素極に供給し、一酸化炭素の酸化反応熱によって燃料電池スタックを暖機する手段と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に水素が供給され、酸素極に空気が供給される燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記酸素極に空気を供給する空気供給手段と
前記酸素極に供給する一酸化炭素を蓄える一酸化炭素蓄積手段と、
燃料電池システム起動時に前記空気供給手段からの空気とともに前記一酸化炭素蓄積手段から一酸化炭素を前記酸素極に供給し、一酸化炭素の酸化反応熱により前記燃料電池スタックを暖機する手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
原料を水素と一酸化炭素を含んだ改質ガスに改質する改質反応器と、
前記改質反応器の下流に位置し、前記改質ガスから前記燃料電池スタックの前記燃料極に供給する水素を分離する水素分離精製器と、
前記水素分離精製器で水素と分離された前記改質ガス中に含まれる一酸化炭素の一部を回収する一酸化炭素回収器と、を備え、
前記一酸化炭素回収器によって回収する一酸化炭素を前記一酸化炭素蓄積手段に蓄積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】
前記一酸化炭素蓄積手段の下流に一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素濃度センサを備え、
検出した一酸化濃度に基づき、一酸化炭素を酸化するための前記空気供給手段から供給する空気量を調整す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４】
前記水素分離精製器で水素が分離された残りの改質ガス中の前記原料の残原料濃度を検出する検出手段を備え、
前記残原料濃度が所定濃度よりも下がった場合に、前記一酸化炭素回収器によって一酸化炭素を回収することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの起動時には、酸素極と燃料極に同時に空気と水素を供給開始することを特徴とする請求項１から４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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子型燃料電池システムに関するものであり、特に氷点下起動時に速やかに起動できる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、起動時に燃料電池を暖機するために燃料電池の空気極に水素を供給し酸素と反応させ、その反応熱を燃料電池の暖機に使用するものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１８９１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、燃料電池の空気極において水素と酸素との反応により空気極に水が生成され、触媒表面が水または氷で覆われ、酸素が触媒と接しないために燃料電池の反応が阻害されるために燃料電池で発電を行うことができない、または燃料電池の出力が小さくなるといった問題点がある。
【０００４】
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、燃料電池を暖機する際に燃料電池の酸素極での水生成を抑え、起動を速やかに行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、燃料電池システムにおいて、酸素極に空気を供給する空気供給手段と、酸素極に一酸化炭素を供給する一酸化炭素供給手段と、燃料電池システムの起動時に空気供給手段からの空気に加えて、一酸化炭素供給手段からも一酸化炭素を供給し、空気と一酸化炭素との酸化反応による反応熱により燃料電池スタックを暖機する手段と、備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料電池システムの起動時に燃料電池の酸素極に一酸化炭素と空気を供給し、一酸化炭素の酸化反応熱によって燃料電池スタックを暖機するので、水を生成することなく、氷点下起動時においても燃料電池スタックを速やかに、かつ効率良く起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の構成を図１を用いて説明する。
【０００８】
本発明の第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック７で発電を行うための原料であるメタノールを貯留するメタノールタンク１と、同じく水を貯留する水タンク２と、メタノールと水を加熱し蒸発させる蒸発器３と、蒸発器３で蒸発したメタノールと水を、水素を含む改質ガスに改質する水蒸気改質反応器４と、水蒸気改質反応器４の下流に設けられ、水蒸気改質反応器４で改質された改質ガス中の水素を選択的に分離する水素分離精製器５と、水素分離精製器５によって水素リッチになった改質ガスと空気圧縮機６によって供給される空気とによって発電を行う燃料電池スタック７と、水素分離精製器５によって水素と分離された改質ガス中に含まれる一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着器１４と、燃料電池スタック７の酸素極へ一酸化炭素を供給する一酸化炭素蓄積手段である一酸化炭素蓄積容器１６と、一酸化炭素蓄積容器１６の下流に設けられ、一酸化炭素の濃度を測定する一酸化炭素センサ２０と、蒸発器３に熱を供給する燃焼器８とからなる。
【０００９】
水蒸気改質反応器４は蒸発器３によって蒸発したメタノールと水とを水蒸気改質反応によって水素を含む改質ガスを生成する。
【００１０】
水素分離精製器５は多孔質アルミナ基体管外表面上にパラジウム−銀合金からなる水素分離膜を設けており、水蒸気改質反応器４で生成された改質ガスを水素分離膜に通すことにより、一次側から二次側へと選択的に水素が透過する水素分離体からなる。水素を分離し、一酸化炭素、二酸化炭素、水（水蒸気）、未反応メタノールを含んだ改質ガスは一次側出口５ａより排出され、また分離されたごく微量の一酸化炭素を含む水素リッチな改質ガスは二次側出口５ｂから排出される。
【００１１】
燃料電池スタック７は、酸素極に空気を供給する空気供給手段である空気圧縮機６によって酸素を含んだ空気がクーラ９によって反応に適した温度に調整された後にバルブ２２を介して空気極へ供給され、水素分離精製器５によって水素リッチになった改質ガスが、クーラ１０によって反応に適した温度に調整された後にバルブ２３を介して燃料極へ供給され、発電を行う。
【００１２】
一酸化炭素吸着器１４は、水素分離精製器５の一次側出口５ａから排出され、除湿機１１によって水分を吸収された改質ガス中の一酸化炭素を吸着剤によって吸着、すなわち一酸化炭素を回収する一酸化炭素回収器である。吸着剤としては、ハロゲン化銅、ジアミン化合物、ピリジンまたはその誘導体及び活性炭、シリカアルミナ、シリカゲルなどを用いる。
【００１３】
燃焼器８は水素分離精製器５の一次側出口５ａから排出された改質ガスや、燃料電池スタック７からコンデンサ２６を介して供給される排水素、またはクーラ１０から燃料電池７の燃料極へ供給される水素の一部をバルブ２７によって調整し、燃料電池スタック７からの排空気によって燃焼させる。その燃焼熱は蒸発器３でのメタノールと水を蒸発させるために使用される。
【００１４】
蒸発器３においてメタノールタンク１から供給されるメタノールと、水タンク２から供給される水とが、燃焼器８からの熱によりそれぞれ蒸気となり、蒸気となったメタノールと水は水蒸気改質反応器４において水素リッチな改質ガスに改質される。
【００１５】
改質ガスは水素分離精製器５において水素とその他の物質を含んだガスに分離され、水素は二次側出口５ｂよりクーラ１０を通り燃料電池スタック７での発電に適した温度に調節された後、バルブ２３を介して燃料電池スタック７の燃料極に供給される。また、クーラ１０を通った水素は、バルブ２７によってその一部が燃焼器８に供給され、燃焼される。空気圧縮機６によって圧縮された空気はクーラ９によって燃料電池スタック７の反応に適した温度に調節された後、バルブ２２を介して燃料電池スタック７の燃料極に供給される。
【００１６】
水素分離精製器５によって分離され、一次側出口５ａから排出され水素を分離した改質ガスの一部は、除湿器１１で水分を吸収された後にバルブ１２を経て一酸化炭素吸着器１４に導入され、一酸化炭素吸着器１４内に設けられた一酸化炭素吸着剤に一酸化炭素が吸着される。燃料電池システムの運転時に或る所定の一酸化炭素が一酸化炭素吸着剤に吸着するとバルブ１２、１３を閉じて一酸化炭素吸着器１４と燃料電池システムとを遮断し、バルブ２５を開いて外部と接続し、吸引ポンプ１５を動作させることによって吸着剤に吸着した一酸化炭素を吸引し、一酸化炭素蓄積容器１６へ一酸化炭素を送り、一酸化炭素蓄積容器１６において一酸化炭素を蓄える。この時バルブ２１は閉じてあり、一酸化炭素蓄積容器１６内の圧力は高くなる。その後バルブ１２、１３を開き、一酸化炭素を吸着された残りの改質ガスは燃焼器８へ送られ燃焼される。
【００１７】
次回の起動時、特に氷点下起動時にはバルブ２１を開き、一酸化炭素蓄積容器１６内に蓄えられた一酸化炭素を空気圧縮機６から供給される空気に混入させ、空気中の酸素により一酸化炭素を燃料電池７内で酸化反応させる。このときに発生する熱を用いて燃料電池スタック７を暖機する。このとき、一酸化炭素の濃度をバルブ２１の上流に設けた一酸化炭素濃度センサ２０によって測定し、予めコントローラ２４に記憶された一酸化炭素濃度と空気圧縮機６から供給する空気量と燃料電池スタック７との関係数式あるいはマップなどにより、燃料電池スタック７の空気極の一酸化炭素被毒を抑え、所定の出力電圧（例えば、０．４Ｖ）以上を得ることができ、更に燃料電池スタック７を暖機するように、空気圧縮機６から供給する空気量を調整する。
【００１８】
燃料電池スタック７の上流流路にそれぞれシャットオフ弁２２、２３を設け、このシャットオフ弁２２、２３を同時に開くことにより、燃料電池スタック７の燃料極、酸素極に同時に水素と空気を供給する。燃料電池スタック７の燃料極、酸素極に同時に水素と空気を供給しない場合では、水素を燃料極に供給した後に空気を酸素極に供給すると、水素が燃料極から酸素極へ移動する水素のクロスオーバーが起き、反応時に水を生成する。また、空気を酸素極に供給した後に水素を燃料極に供給すると、水素の欠乏による燃料極の劣化が起こる。そこでシャットオフ弁２２、２３を設け、シャットオフ弁２２、２３を同時に開くことで酸素極における水の生成や燃料極の劣化を抑えることができる。
【００１９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２０】
運転時に原料改質で生成された改質ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素蓄積容器１６に蓄えておき、起動時、特に氷点下起動時に一酸化炭素蓄積容器１６から蓄えておいた一酸化炭素を燃料電池スタック７の空気極に供給し、空気圧縮機６によって供給される空気との酸化反応によって生じる熱を燃料電池スタック７の暖機に使用するので、燃料電池システムの起動を速やかに行うことができる。
【００２１】
一酸化炭素を酸化させることで凍結の原因となる水の生成を抑えることができる。また一酸化炭素吸着器１４に導入するガスは、除湿器１１によってガス中の水分を除去されるので燃料電池スタック７に供給する一酸化炭素は十分に乾燥しており、更に水の生成を抑えることができる。また、燃料電池スタック７の燃料極、酸素極のそれぞれ上流にバルブ２２、２３を設け、各バルブを同時に開くことで燃料ガスである水素と空気とを同時に燃料電池スタック７のそれぞれの極に供給するので、水素のクロスオーバーを防ぐことができ、酸素極における水生成を抑えることができ、また燃料極の劣化を抑えることができる。
【００２２】
一酸化炭素濃度センサ２０によって一酸化炭素の濃度を測定し、その濃度に応じて空気圧縮機６からの空気量を調節するので、酸素極が一酸化炭素で被毒することを防ぐことができ、燃料電池スタック７の電圧の低下を防ぐことができる。
【００２３】
次に本発明の第２実形態について図２を用いて説明する。
【００２４】
第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。
【００２５】
第２実施形態ではクーラ１０の直下流に一酸化炭素吸着器３０を設け、水素分離精製器５の一次側出口５ａ下流にメタノールセンサ３１を設ける。
【００２６】
一酸化炭素吸着器３０は水素分離精製器５において分離された水素リッチな改質ガス中に僅かに含まれる一酸化炭素を吸着除去し、水素濃度が更に高くなった改質ガスを燃料電池スタック７の燃料極に供給する。吸着された一酸化炭素は次回の起動時に吸引ポンプ１５を経由して、燃料電池スタック７の空気極に供給される。
【００２７】
水素分離精製器５の一次側出口５ａから排出される改質ガス中の未反応のメタノール濃度をメタノールセンサ３１によって測定し、メタノール濃度が所定の値で安定するとバルブ１２、１３を開き、一酸化炭素吸着器１４に水素分離精製器５の一次側出口５ａから排出された改質ガスを連続して流入させ、改質ガス中に含まれる一酸化炭素を吸着させる。
【００２８】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００２９】
一酸化炭素吸着器３０によって水素分離精製器５の二次側出口５ｂから排出され、燃料電池スタック７の燃料極に供給する改質ガス中の一酸化炭素を除去するので、燃料極の被毒を低減でき、効率の良く燃料電池スタック７を起動することができる。また、吸着された一酸化炭素を起動時、特に氷点下起動時に空気と反応させることによって、燃料電池スタック７を更に素早く暖機することができる。
【００３０】
メタノールセンサ３１によって水素分離精製器５の一次側出口５ａから排出される水素を分離した改質ガス中のメタノール濃度を測定し、メタノール濃度が安定した後に一酸化炭素吸着器１４へ改質ガスを導入し、一酸化炭素を吸着させるのでメタノール濃度の高い改質ガスが一酸化炭素吸着器１４に混入することが無く、起動時に水素を含むガスを燃料電池スタック７の酸素極に混入するのを防ぐことができる。
【００３１】
次に本発明の第３実形態について図３を用いて説明する。
【００３２】
第３実施形態については図１と異なる部分を説明する。
【００３３】
第３実施形態では、高圧水素ボンベ３３と、一酸化炭素ボンベ３２を設け、燃料改質を行わず純水素を燃料電池の燃料極へ供給する。
【００３４】
高圧水素ボンベ３３から燃料電池スタック７の燃料極に純水素が供給され、空気圧縮機６から空気が燃料電池スタック７に供給され、反応を行う。
【００３５】
起動時、特に氷点下起動時には一酸化炭素ボンベ３２から一酸化炭素が燃料電池スタック７の酸素極に供給され、空気圧縮機６から供給される空気によって酸化され発熱し、燃料電池スタック７を暖機する。
【００３６】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００３７】
起動時には一酸化炭素ボンベ３２より一酸化炭素を燃料電池スタック７に供給するので、素早く、安定した一酸化炭素を供給することができ、水を生成することなく、燃料電池の加熱、暖機を行うことができる。
【００３８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、燃料改質型の燃料電池システムに利用することができ、特に早急な始動性能が必要な、例えば燃料電池自動車などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【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２実施形態の構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態の構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
３    蒸発器
４    水蒸気改質反応器
５    水素分離精製器
６    空気圧縮機
７    燃料電池スタック
８    燃焼器
１１  除湿器
１４  一酸化炭素吸着器
１５  吸引ポンプ
１６  一酸化炭素蓄積容器
２０  一酸化炭素濃度センサ
３０  一酸化炭素吸着器
３１  メタノールセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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