(57)【要約】【課題】  車両搭載用燃料電池システムの小型化を図る。【解決手段】  水素を含有するガスを改質して改質ガスを生成する改質器１と、起動時に外部から供給された燃料と空気を燃焼し、この燃焼ガスを前記改質器に供給する起動用燃焼器７と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池スタック４と、前記燃料電池スタックから排出される水素を処理する排水素燃焼器５とを備えた燃料電池システムにおいて、前記排水素燃焼器と起動用燃焼器とを接続して前記排水素燃焼器から排出された燃焼ガスを前記起動用燃焼器に供給する再循環ライン６を備え、暖機時に、前記起動用燃焼器において、外部からの燃料と空気を用いてリーン燃焼した後に、空気の供給を停止するとともに、前記再循環ラインから燃焼ガスを循環させて燃焼し、燃焼により生じた燃焼ガスを前記改質器に供給する。【選択図】    図１
2005174702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含有するガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、
起動時に外部から供給された燃料と空気を燃焼し、この燃焼ガスを前記改質器に供給する起動用燃焼器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出される水素を処理する排水素燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記排水素燃焼器と起動用燃焼器とを接続して前記排水素燃焼器から排出された燃焼ガスを前記起動用燃焼器に供給する再循環ラインを備え、
暖機時に、前記起動用燃焼器において、外部からの燃料と空気を用いてリーン燃焼した後に、空気の供給を停止するとともに、前記再循環ラインから燃焼ガスを循環させて燃焼し、燃焼により生じた燃焼ガスを前記改質器に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記再循環ラインに前記燃焼ガスを循環させるためのブロワと、再循環する燃焼ガスを冷却して水分を除去する冷却器とを設置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】
前記改質器の下流に前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化器と、
前記一酸化炭素選択酸化器の出口温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記起動用燃焼器の外部からの空気の供給を停止して、前記再循環ラインからの燃焼ガス供給を開始する時期への切り換え時期は、前記一酸化炭素選択酸化器の出口温度が所定温度以上の時に切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記起動用燃焼器から排出される燃焼ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
前記起動用燃焼器からの燃焼ガスを前記改質器に供給する暖機運転から通常運転への切り換え時期は、前記検出した酸素濃度が所定濃度以下の時に切り換えることを特徴とする請求項１から３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、改質器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの起動時間を短縮するための起動方法として、起動用燃焼器にて生成される燃焼ガスの熱量を用いて改質装置の暖機を行う方法がある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−６３１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この方法で起動する場合、暖機時には起動用燃焼器をリーンな条件で燃焼を行うため、装置内は外気中の酸素濃度とほぼ同等の燃焼ガスで満たされる。この状態で暖機が終了後、通常運転に移行すると導入された燃料と反応器中の酸素とが空気過剰の状態で燃焼反応を行うため、改質器または燃料電池スタック触媒温度が耐熱温度以上に上昇し、触媒が劣化し、触媒性能が低下する恐れがある。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、改質器用触媒および燃料電池スタックの性能低下することなく、素早く改質装置を起動できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、水素を含有するガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、起動時に外部から供給された燃料と空気を燃焼し、この燃焼ガスを前記改質器に供給する起動用燃焼器と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出される水素を処理する排水素燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、前記排水素燃焼器と起動用燃焼器とを接続して前記排水素燃焼器から排出された燃焼ガスを前記起動用燃焼器に供給する再循環ラインを備え、暖機時に前記起動用燃焼器は、外部からの燃料と空気を用いてリーン燃焼した後、空気の供給を前記再循環ラインからの燃焼ガスの供給に切り換えて燃焼し、燃焼により生じた燃焼ガスを前記改質器に供給する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては、起動状態から通常の改質運転状態に切り換える際の触媒層の急激な過昇温を抑制し、触媒性能の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システムは、改質器１で炭化水素等燃料と水と空気を用いて水素リッチの改質ガスを生成し、この開始すガスをシフト反応器２に送り、改質ガス中の一酸化炭素（以下、ＣＯと示す）と水とで水素と二酸化炭素を生成してＣＯ濃度を低減し、さらにＣＯ選択酸化器３で残留した一酸化炭素を酸素で酸化させて改質ガス中のＣＯ濃度を低減して燃料電池スタック４に供給する。燃料電池スタック４は、改質ガスと空気とを用いて電気化学反応により発電を行い、発電に供しなかった未反応水素を含む排水素を排出し、下流に配置された排水素燃焼器５が排水素を燃焼する。
【０００８】
燃料電池システム起動時に、改質器１に高温の燃焼ガスを供給する起動用燃焼器７が設置され、排水素燃焼器５から排出された燃焼ガスが、この起動時排水素燃焼器５に供給されるように再循環ライン６が形成される。起動用燃焼器７には、再循環ライン６からの燃焼ガスの他に、燃焼用空気と、燃料とが供給される。この再循環ライン６には排水素燃焼器５からの燃焼ガスに含まれる水分を除去し、冷却する冷却器８と、燃焼ガスを起動用燃焼器７に圧送する再循環ブロア９と、排水素燃焼器５から起動用燃焼器７への燃焼ガス量を制御する制御弁１０が設置されている。起動用燃焼器７の出口には、流出した燃焼ガス中の酸素濃度を検出するための濃度センサ１１が設置され、その検出結果はコントローラ１２に出力される。また改質ガスの温度を検出するための温度センサ１３がＣＯ選択酸化器３の出口に設置され、検出信号がコントローラ１２に出力される。
【０００９】
排水素燃焼器５には、排水素を燃焼するために空気が供給され、その空気量を制御する制御弁１４と、燃焼ガスを外部に排出する流量を制御するための制御弁１５が設置される。
【００１０】
なお、コントローラ１２は、燃料電池システムを統合制御するためのコントローラであり、通常運転時、起動時等のシステム制御を実施する。
【００１１】
燃料電池システムの通常運転時には、改質器１の改質触媒が活性温度に達しており、起動用燃焼器７から燃焼ガスを供給される必要はない。つまり、再循環ライン６に設置された制御弁１０は閉じられており、また再循環ブロワ９も停止されているため、再循環ライン６には燃焼ガスは流れていない。
【００１２】
次に本発明の特徴である燃料電池システム起動時の制御について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。この制御はコントローラ１２によって実施される。
【００１３】
まずステップＳ１、Ｓ２で、起動用燃焼器７に燃焼用空気と燃料を導入し、ステップＳ３で導入された燃料と空気とを着火、リーン燃焼する。続くステップＳ４で、起動用燃焼器７で発生した高温の燃焼ガスを改質器１、シフト反応器２、一酸化炭素選択酸化器３、燃料電池スタック４、排水素燃焼器５に供給する。燃焼ガスはこれらの構成を加熱して外部に排出される。ステップＳ５で、温度センサ１３を用いて改質ガス温度Ｔが読み込まれ、検出した温度Ｔが所定温度Ｔ１以上かどうかを判定する。所定温度Ｔ１以上であれば暖機がほぼ終了し、燃焼ガスの再循環を実施できると判断し、ステップ６に進み、所定温度Ｔ１に達していなければステップ１に戻り、起動用燃焼器７からの燃焼ガスの供給を継続する。
【００１４】
ステップＳ６では、燃料電池スタック１から排出された排水素を、排水素燃焼器５で燃焼して燃焼ガスを生成し、再循環ブロア９を運転して燃焼ガスを起動用燃焼器７に供給するとともに外部からの燃焼用空気の供給を停止する。燃焼ガスを再循環させることにより起動用燃焼器７から排出される燃焼ガス中の酸素濃度が低下する。
【００１５】
そして続くステップＳ７で、濃度センサ１１を用いて起動用燃焼器下流の燃焼ガス中の酸素濃度Ｄを検出し、検出した酸素濃度Ｄが所定濃度Ｄ１以下かどうかを判定する。所定濃度Ｄ１以下であればステップＳ８に進み、再循環ブロア９の運転を停止し、起動用燃焼器７への燃料供給も停止する。このようにして起動時の制御が終了して通常運転へと移行する。
【００１６】
図３は、前述の制御内容を時系列で示したもので、図４に示す従来技術の制御内容と比較して以下、説明する。
【００１７】
まず従来技術を説明すると、起動用燃焼器が始動してからシステムが暖機を終えるまで（時刻ｔ１）の間は、起動用燃焼器１の排出する燃焼ガスの成分は一定であり、かつ起動用燃焼器１ではリーン燃焼が行われるため、時刻ｔ１での改質器１内には外部の空気と同じ濃度の酸素が存在する。この状態から、運転状態が通常状態へと移行し、燃料が供給されると、改質器１の触媒層でリーン燃焼時の空気の多いガスと、新たに流入した燃料との反応による過昇温が生じて、シンタリングにより触媒層が劣化し、改質効率が低下することになる。
【００１８】
一方、本発明の制御では、時刻ｔ１の手前の時刻ｔ０で排水素燃焼器５からの燃焼ガスの再循環を開始する。時刻ｔ０は、前述の改質ガス温度が所定温度Ｔ１以上となる時刻である。燃焼ガスを導入することにより、起動用燃焼器７から排出される燃焼ガス中の酸素濃度が低下していき、時刻ｔ１では燃焼ガス中の酸素濃度は、従来技術のような過昇温を生じることのない濃度まで低下している。したがって、システムが通常運転に移行して燃料が供給されても触媒層に過昇温が生じることがなく、触媒層の劣化を防止できるとともに、システムを迅速に通常運転に移行することができる。
【００１９】
これまで説明したように本発明では、水素を含有するガスを改質して改質ガスを生成する改質器と、起動時に外部から供給された燃料と空気を燃焼し、この燃焼ガスを改質器に供給する起動用燃焼器と、改質ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出される水素を処理する排水素燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、排水素燃焼器と起動用燃焼器とを接続して排水素燃焼器から排出された燃焼ガスを起動用燃焼器に供給する再循環ラインを備え、暖機時に起動用燃焼器は、外部からの燃料と空気を用いてリーン燃焼した後、空気を再循環ラインからの燃焼ガスに切り換えて燃焼し、燃焼により生じた燃焼ガスを改質器に供給するため、起動状態から通常の改質運転状態に切り換える際の触媒層の急激な過昇温を抑制し、触媒性能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
また、再循環ラインに燃焼ガスを循環させるためのブロワと、再循環する燃焼ガスを冷却して水分を除去する冷却器とを設置したため、燃焼ガスの再循環を円滑に行い、残留、生成した水分による触媒の性能低下を防止することができる。
【００２１】
さらに、改質器の下流に改質ガスの一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化器と、一酸化炭素選択酸化器の出口温度を検出する温度検出手段とを備え、起動用燃焼器の空気から再循環した燃焼ガスへの切り換え時期は、一酸化炭素選択酸化器の出口温度が所定温度以上の時に切り換えるため、起動状態から通常の改質運転状態に切り換える際の触媒の急激な温度上昇を抑え、触媒性能の低下を防ぐための改質器または燃料電池スタック内の酸素濃度の低減を速やかに行うことができる。
【００２２】
起動用燃焼器から排出される燃焼ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、検出した酸素濃度が所定濃度以下の時に、起動用燃焼器からの燃焼ガスを改質器に供給する暖機運転から通常運転に切り換えるため、触媒の急激な温度上昇を防ぎつつ、起動状態から通常運転への切り換えを速やかに行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は、改質器の劣化を防止し、システムの起動を迅速にすることができるため燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】本発明過渡時の制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の効果を説明するタイミングチャートである。
【図４】従来技術を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００２５】
１…改質器
２…シフト反応器
３…一酸化炭素選択酸化器
４…燃料電池スタック
５…排水素燃焼器
６…再循環ライン
７…起動用燃焼器
８…冷却器
９…ブロア
１０…制御弁
１１…濃度センサ
１２…コントローラ
１３…温度センサ
１４…制御弁
１５…制御弁
【図１】
2005174702.tif 000003
【図２】
2005174702.tif 000004
【図３】
2005174702.tif 000005
【図４】
2005174702.tif 000006