(57)【要約】【課題】  アノードオフガス燃焼器の燃焼触媒の活性が低下することを防止し、アノードオフガス中に含まれる水素を十分に燃焼させる。【解決手段】  アノードオフガス用の燃焼器１０に、燃焼触媒１２の温度を上昇させる加熱手段として燃焼器内熱交換器３７を設ける。燃焼器内熱交換器３７には、コンプレッサ２で圧縮して高温となったカソード供給用の空気を通し、燃焼器内熱交換器を通過した空気をアフタークーラ８へ供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのカソードへ供給する酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサと、
前記燃料電池スタックのアノードから断続的に排出されるアノードオフガスと前記燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼触媒が設置される触媒燃焼器とを有する燃料電池システムにおいて、
前記触媒燃焼器の触媒温度を上昇させる加熱手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段が触媒燃焼器に設けられた熱交換器であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記コンプレッサから吐出される酸化剤ガスを前記熱交換器に流通させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記コンプレッサから吐出される酸化剤ガスを降温させるアフタークーラの冷却液を前記熱交換器に流通させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記コンプレッサから吐出される酸化剤ガスを降温させるアフタークーラの冷却液と、燃料電池スタックの冷却液とを運転条件により切り替えて前記熱交換器に流通させることを特徴とする請求項２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、燃料電池システムに係り、特にアノード及びカソードから排出されるオフガスを燃焼させる燃焼器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池によく用いられるパーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜は、十分に加湿されないと、水素イオン伝導性を十分に発揮しないという特性がある。このため、アノード系、カソード系にそれぞれ水透過型中空糸膜を用いた加湿器を備え、アノードオフガスからアノード供給ガスへ、カソードオフガスからカソード供給ガスへ水分を移動させて加湿する燃料電池システム（例えば、特許文献１）が知られている。
【０００４】
この従来技術によれば、カソードガスをカソードオフガスと湿度交換を行い燃料電池に供給し、カソードオフガスを燃焼器に送る。一方アノードガスはアノードオフガスと湿度交換を行い燃料電池に供給し、アノードオフガスを再びアノードガスに送るか必要に応じて燃焼器に送り、燃焼器でアノードオフガスを燃焼させて水蒸気として排出している。
【特許文献１】特開２００２−２１６８１５号公報（第４頁、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料電池のアノード側から断続的に排出されるアノードオフガスと、加湿装置から継続的に排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼器において燃焼させる時、カソードオフガスの温度が燃焼器の触媒活性温度より低い場合、アノードオフガスを排出しない期間に、燃焼器がカソードオフガスによって冷却されて燃焼触媒の活性が低下し、アノードオフガス中に含まれる水素を十分に燃焼させることができない可能性があった。
【０００６】
特にアノードオフガス供給開始時において、触媒温度が触媒活性温度より高くないと、アノードオフガス中に含まれる水素を十分に燃焼させることができない可能性があり、また氷点下での燃料電池の起動の場合には、カソードオフガスが燃焼器へのカソードオフガス配管および燃焼器で冷却されて、カソードオフガスに内包されている水分の凝縮が起こり、燃焼器の着火特性の低下を生じさせる可能性があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料電池スタックのカソードへ供給する酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサと、前記燃料電池スタックのアノードから断続的に排出されるアノードオフガスと前記燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼触媒が設置される触媒燃焼器とを有する燃料電池システムにおいて、前記触媒燃焼器の触媒温度を上昇させる加熱手段を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃焼器触媒温度を上昇させる加熱手段を備えることにより、冷たいカソードオフガスが供給されても燃焼触媒の温度を比較的高温に保ち触媒活性を保持することが可能となり、アノードオフガスが断続的に燃焼器へ供給された時にアノードオフガス中に含まれる水素を確実に燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施例において説明する燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼させる触媒燃焼器に、触媒温度を上昇させる加熱手段を備えたものであり、例えば燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施例の構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システムは、燃料ガスとして水素を供給する水素供給装置１と、酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ２と、アノード４及びカソード５を有する燃料電池スタック３と、アノードオフガス循環装置６と、コンプレッサで圧縮された空気を冷却するアフタークーラ８と、アクタークーラ８で冷却された空気にカソードオフガスの水分を加湿する加湿装置９と、アノード４から断続的に排出されるアノードオフガスとカソード５から排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器１０と、解凍用熱交換器１４と、アフタークーラを冷却する冷却水用の冷却水通路１５と、冷却水通路１５に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１６と、燃料電池スタック３を冷却する冷却水用の冷却水通路１７と、冷却水通路１７に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１８と、冷却水通路を切り換える三方弁１９と、排気配管２４と、アノードオフガス循環装置から燃焼器１０へアノードオフガスを排出するパージ弁３０とを備えている。
【００１１】
燃焼器１０は、加湿器９を経て除湿されたカソードオフガスと、パージ弁３０から排出されたアノードオフガスとを混合するミキサ１１と、ミキサ１１で混合された混合ガスを燃焼させる燃焼触媒１２と、燃焼触媒１２を加熱するための燃焼器内熱交換器３７とを備えている。
【００１２】
尚、本実施例では、アフタークーラ８を冷却する冷却系統（ＰＭ−冷却系）と、燃料電池スタック３を冷却する冷却系統（ＦＣ−冷却系）とを分離し、それぞれ図示しないラジエータを介して、それぞれの系統の冷却水の熱を系外に放熱するものとする。また本実施例では、燃料電池スタックが発電した直流電力を図示しない車両駆動用モータに供給する交流電力に変換するインバータ等のパワーモジュールを冷却する冷却系統をＰＭ−冷却系とし、アフタークーラの冷却系と共用している。
【００１３】
次に、上記構成の燃料電池システムの動作を説明する。  
水素供給装置１から水素をアノード４に、またコンプレッサ２から空気をカソード５にそれぞれ供給し、燃料電池スタック３内で水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する。その際アノード４からは消費されずに燃料電池スタック３から排出されるアノードオフガスが、またカソード５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。
【００１４】
コンプレッサ２の下流は、燃料電池スタック３の反応に必要な圧力まで加圧される。加圧された供給空気はアフタークーラ８によって、燃料電池スタック３の反応に必要な温度まで冷却される。
【００１５】
アノードオフガスは、通常運転時はアノードオフガス循環装置６により全量循環されて供給水素と混合されてアノードガスを形成して再度アノード４へと供給される。このアノードオフガスは、水素濃度等に応じて、コンマ数秒から数十秒に一度の割合で、パージ弁３０の動作により燃焼器１０にパージされ、排気配管２４から外部に排気される。
【００１６】
カソードオフガスは、燃料電池スタック３への供給空気を加湿する加湿装置９を経由して、燃焼器１０を経由して排気配管２４から外部に排気される。
【００１７】
燃焼器１０は、アノードオフガス循環装置６から断続的に供給されるアノードオフガスと、カソードオフガスとを混合して均一な混合ガスを形成するミキサ１１と、酸化触媒を担持して混合ガスを燃焼させる燃焼触媒１２と、燃焼器１０の外周及び内部に設けられた燃焼器内熱交換器３７で構成され、生成する燃焼ガスは、解凍用熱交換器１４を経由して排気配管２４から排気される。
【００１８】
燃料電池スタック３のカソード５から排出されるカソードオフガスは、加湿装置９を経由することにより、アフタークーラ８から排出された比較的低湿度の供給空気へ水分を渡して相対湿度を下げられた後に、加湿装置９の下流に位置する燃焼器１０へ供給される。
【００１９】
この際、燃焼器内熱交換器３７において、燃焼触媒１２の表面はコンプレッサ２から吐出される高温の圧縮空気との間で熱交換がおこなわれ、温度が上げられる。
【００２０】
従ってカソードオフガスも温度が上げられ、同時に相対湿度が下げられる。
【００２１】
このため、供給されるカソードオフガスの温度が低かったとしても燃焼触媒１２の温度は比較的高温に保もたれ、燃焼触媒１２の活性を保持することが可能となり、図示しないシステムコントローラからパージ指令が発信されてアノードオフガス循環装置６からアノードオフガスが燃焼器１０へ断続的に供給された時にアノードオフガス中に含まれる水素を速やかに燃焼させることができる。
【００２２】
また、コンプレッサ２から吐出される空気はアフタークーラ８へ供給する前の段階において燃焼器内熱交換器３７で冷却することが可能となり、アフタークーラ８の負荷を低減させて小型化できるとともに、コンプレッサ２がカソード供給空気を圧縮する際に消費するエネルギーから熱エネルギーを有効利用することができる。さらに電気ヒータ等の電気式加熱手段を使用しなくてもよいので燃費も向上することになる。
【実施例２】
【００２３】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施例の構成を示すシステム構成図である。図１に示した第１実施例との相違は、第１実施例が燃焼器内熱交換器３７にコンプレッサ２で圧縮して高温となった空気を供給していたのに対して、本実施例では、アフタークーラ８で圧縮空気と熱交換して温度が上昇した冷却水（ＰＭ−冷却系）を燃焼器内熱交換器３７に供給していることである。その他の構成及び作用は、第１実施例と同様である。
【００２４】
本実施例は、第１実施例と同様に、燃料電池スタック３のカソード５から排出されたカソードオフガスは、加湿装置９を経て、燃焼器１０に供給される。アノードオフガスも、その水素濃度等に応じて、コンマ数秒から数十秒に一度の割合で、燃焼器１０にパージされる。
【００２５】
コンプレッサ２によって加圧されて高温となった圧縮空気は、燃料電池スタック３の反応に必要な温度まアフタークーラ８によって冷却される。その際に使用されるＰＭ−冷却系の冷却水を燃焼器内熱交換器３７に流通させ、燃焼触媒１２に定常的に熱を与え保温すると共にカソードオフガスを加温する。
【００２６】
第１実施例と同様に、燃焼触媒１２の活性を保てると共に、コンプレッサ２の熱エネルギーを有効利用することができる。
【００２７】
さらに第１実施例ではコンプレッサ２で加圧された高温の供給空気とカソードオフガス、燃焼触媒１２の熱交換、すなわち気体−気体、気体−固体の熱交換によって、カソードオフガス、燃焼触媒１２を加温、保温していたが、本実施例ではＰＭ−冷却系の冷却水によるカソードオフガス及び燃焼触媒１２への熱供与であり、液−気、液−固間での熱交換となる。このため、熱交換の効率が上がり、燃焼器内熱交換器３７の容積を小さくすることで燃焼器を小型化して、車両搭載性を高めることができる。
【実施例３】
【００２８】
図３は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施例の構成を示すシステム構成図である。図２に示した第２実施例との相違は、第２実施例がアフタークーラ８を通過したＰＭ−冷却系の冷却水（以下、ＰＭ−冷却水）を燃焼器内熱交換器３７に供給していたのに対して、本実施例では、アフタークーラ８を通過したＰＭ−冷却水と、燃料電池スタック３を通過したＦＣ−冷却系の冷却水（以下、ＦＣ−冷却水）とを切り換えて、燃焼器内熱交換器３７に供給可能な構成とした。
【００２９】
図３において、本実施例の燃料電池システムは、燃料ガスとして水素を供給する水素供給装置１と、酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ２と、アノード４及びカソード５を有する燃料電池スタック３と、アノードオフガス循環装置６と、コンプレッサで圧縮された空気を冷却するアフタークーラ８と、アクタークーラ８で冷却された空気にカソードオフガスの水分を加湿する加湿装置９と、アノード４から断続的に排出されるアノードオフガスとカソード５から排出されるカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器１０と、アフタークーラを冷却するＰＭ−冷却水用の冷却水通路１５と、冷却水通路１５に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１６と、燃料電池スタック３を冷却するＦＣ−冷却水用の冷却水通路１７と、冷却水通路１７に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１８と、ＦＣ−冷却水の通路を燃焼器熱交換器３７或いはバイパス流路４０に切り換える三方弁１９と、排気配管２４と、アノードオフガス循環装置から燃焼器１０へアノードオフガスを排出するパージ弁３０と、アフタークーラ８を出たＰＭ−冷却水を燃焼器熱交換器３７或いはバイパス流路３８に供給する三方弁３４と、燃焼器熱交換器３７をでた例伽水を冷却水ポンプ１６に戻すか或いは燃料電池スタック３へ戻すかを切り換えることにより、ＰＭ−冷却水とＦＣ−冷却水とを切り換えて燃焼器熱交換器３７に流通させる三方弁３６と、バイパス流路３８，４０とを備えている。
【００３０】
燃焼器１０は、加湿器９を経て除湿されたカソードオフガスと、パージ弁３０から排出されたアノードオフガスとを混合するミキサ１１と、ミキサ１１で混合された混合ガスを燃焼させる燃焼触媒１２と、燃焼触媒１２を加熱するための燃焼器内熱交換器３７とを備えている。これは、第１実施例と同様である。
【００３１】
第１実施例、第２実施例とカソードガス、アノードガスの流路、諸条件等は同一であるため説明を省略した。ここでは燃焼器内熱交換器３７に流通する冷媒について説明する。
【００３２】
前述のとおり、ＰＭ−冷却系の冷却水は、コンプレッサ２によって加圧、昇温された供給空気を、燃料電池スタック３の反応に必要な温度まで冷却するためのアフタークーラ８に流通させる冷媒である。
【００３３】
ＦＣ−冷却水は、燃料電池スタック３の冷却、調温に使用される冷媒である。またＦＣ−冷却水は燃料電池スタック３等の凍結時の解凍にも使用される。
【００３４】
第１実施例、第２実施例では、燃料電池スタック３凍結時の解凍には、燃料燃焼器１０で水素ガスと空気を燃焼させ、解凍用熱交換器１４において、その高温燃焼排ガスとＦＣ−冷却水を熱交換させ、ＦＣ−冷却水を燃料電池スタック３に流通させることで燃料電池スタック３を解凍する。
【００３５】
本実施例では、ＰＭ−冷却水の冷却水通路１５上にＰＭ−冷却水の流路調整を行う三方弁３４とＰＭ−冷却水のバイパス流路３８を、ＦＣ−冷却水の冷却水通路１７上にＦＣ−冷却水の流路調整を行う三方弁１９とＦＣ−冷却水のバイパス流路４０、燃焼器内熱交換器３７の出口に三方弁３６を設け、燃焼器内熱交換器３７に冷媒としてＰＭ−冷却水とＦＣ−冷却水の両方を必要に応じて切り替えつつ、流通させることができるように構成している。
【００３６】
詳細な作動としては、次のようになる。
【００３７】
燃料電池システムの通常運転時は、第２実施例と同様に、ＰＭ−冷却水を燃焼器内熱交換器３７に流通させて、カソードオフガス及び燃焼触媒１２を加温する。この際、ＦＣ−冷却水は三方弁１９からバイパス流路４０に流れ、燃料電池スタック３等を冷却、調温する。この際、従来例等でも、通常運転時はＦＣ−冷却水が解凍用熱交換器１４に流通することはなく、ＦＣ−冷却水はＦＣ−冷却水バイパス流路を流れることになる。
【００３８】
凍結時の解凍の際には、ＦＣ−冷却水を燃焼器内熱交換器３７に流通させて、カソードオフガス及び燃焼触媒１２を加温する。この際、ＰＭ−冷却水は三方弁３４からバイパス流路３８に流れる。
【００３９】
このとき、燃料電池スタック３は凍結のため発電には至っておらず、燃焼器１０に供給される空気、水素は共に乾燥しているので、燃焼触媒１２は電気ヒータ等で比較的簡単に昇温され、活性化することができる。この場合は、大気が零下であると考えられるので、コンプレッサ２で加圧しても、供給空気は比較的低温のままであり、ＰＭ−冷却水も低温のまま保たれているのでＰＭ−冷却水は燃焼器内熱交換器３７に流通させないほうがよい。
【００４０】
このように、燃焼器内熱交換器３７にＰＭ−冷却水、ＦＣ−冷却水を必要に応じて切り替えつつ流通させることによって、燃焼器内熱交換器３７が解凍用熱交換器の役割を果たすことができる。よって、本実施例によれば、第１、第２実施例における解凍用熱交換器１４を燃料電池システムから省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…水素供給装置
２…コンプレッサ
３…燃料電池スタック
４…アノード
５…カソード
６…アノードオフガス循環装置
８…アフタークーラ
９…加湿装置
１０…燃焼器
１１…ミキサ
１２…燃焼触媒
１４…解凍用熱交換器
１５…冷却水通路
１６…冷却水ポンプ
１７…冷却水通路
１８…冷却水ポンプ
１９…三方弁
２４…排気配管
３０…パージ弁
３７…燃焼器内熱交換器
【図１】
2005044630.tif 000003
【図２】
2005044630.tif 000004
【図３】
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