(57)【要約】【課題】燃焼効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池３と、燃料電池３からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合部４と、燃焼触媒を用いて、混合部４において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器７と、を備える。燃焼器７自体を、連続的に変位可能に構成する。ここでは、燃焼器７自体を回転可能に構成する。【選択図】      図２
2005005099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合器と、
燃焼触媒を用いて、前記混合器において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器とを備え、
前記燃焼器自体を前記燃焼器内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼器自体を、三次元方向の少なくともいずれかの方向に振動可能に構成する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼器自体を混合ガス流通方向の軸心周りに回転可能に構成する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器に混合ガスを供給する直前に、前記燃焼器の変位を大きくする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼器における酸化反応の有無を検出する酸化反応検出手段を備え、
酸化反応が検出された場合に、前記燃焼器を停止させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止して、所定時間経過後に、一時的に前記燃焼器を変位させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼器の温度を検出する温度検出手段を備え、
発電を停止、または燃料ガスの供給を停止した後、前記燃焼器の温度が所定温度まで低下した場合に、一時的に前記燃焼器を変位させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃焼器内を、混合ガスが上下方向に流通するように構成する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃焼器内を、混合ガスが下方から上方に向かって流通するように構成し、
システムに対して固定された固定部と、システムに対して変位可能に構成された少なくとも前記燃焼器を含む可動部との接続部のうち、下側に配置された接続部近傍に、前記燃焼器で生成された水を溜める生成水除去部を備える請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃焼器の回転駆動源となるモータと、
前記燃焼器の外側に配置した第１ギアと、
前記第１ギアと噛み合い、前記モータの回転駆動力を伝達する第２ギアとを備えた請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃焼器の周囲に固定した水かきと、
前記水かきを含めた前記燃焼器の外周に沿って、冷媒を流通する冷媒流路とを備えた請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
モータのロータ部分に前記燃焼器を組み込むことにより、前記燃焼器を回転可能に構成した請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃焼器の入口または出口にフィンを備え、
前記燃焼器に流れ込む混合ガス、または前記燃焼器から流れ出す燃焼排ガスの力で、前記燃焼器を回転可能に構成する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃焼器の入口または出口にフィンを備え、
前記フィンを、前記燃焼器と同期して回転させる請求項１０から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料電池システムが作動している間、前記燃焼器を連続的に変位させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、触媒燃焼器を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池より排出された水素を含む燃料排ガスを、触媒燃焼器により燃焼処理するものが知られている。
【０００３】
例えば、燃料排ガスと酸化剤排ガスと、を触媒燃焼器により燃焼して生成した燃焼排ガスを、カソードに供給する空気ラインに供給したり、燃焼排ガスを、タービン圧縮機に供給して圧縮空気を生成するものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００４】
燃焼触媒器としては、燃料と空気とを均一に混合して燃焼触媒に供給するものが知られている。例えば、空気を供給する空気供給路と、空気供給路内に可燃性ガスの燃料を供給する燃料供給管を備える。また、空気供給管を通じて供給される空気と燃料を旋回状あるいは螺旋状の流れで運動させることによって混合する混合室と、混合室の下流に配置されこの燃料と空気の混合ガスを酸化反応させて燃焼させる燃焼触媒とを備える。燃焼触媒より上流位置に、混合ガスの流れを一旦狭めた後に拡散させて混合ガスを燃焼触媒に導入する再混合手段を設ける。これにより、混合ガスの流れが狭められる際や拡散される際に混合ガスを再混合して、混合ガスを十分に均一に混合した状態で燃焼触媒に供給している（例えば、特許文献２、参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２７３７０１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７４６０５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
上述した燃料電池システムに用いられる燃焼触媒器においては、燃料電池から排出される燃料排ガス中の水素の濃度分布に加えて、酸化剤ガスを混合するため、混合器における混合を十分に行う必要がある。燃焼器に供給される混合ガスが不均一であると、水素濃度が高い部分で反応温度が高くなり、ＮＯｘが生成される可能性がある。さらに反応温度が高くなると触媒が劣化して酸化性能が低下する。一方、水素濃度が低い部分では安定した燃焼反応が得られにくく、水素が未処理で排出される可能性がある。
【０００７】
また、燃焼反応に伴って生成された水が触媒に付着することにより、燃焼効率を低下させる可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の問題を鑑みて、触媒燃焼器における反応効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合器と、燃焼触媒を用いて、前記混合器において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器と、を備える。前記燃焼器自体を前記燃焼器内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成する。
【００１０】
【作用及び効果】
燃焼器自体を燃焼器内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成することで、供給される際に混合ガスが燃焼器内に分配され易くすることができ、局所的に水素が高濃度となるのを抑制することができる。その結果、触媒燃焼器における反応効率の低下を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。
【００１２】
アノードに燃料ガスとして水素ガスを、カソードに酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池３を備える。燃料電池３のアノードに水素ガスを供給するアノード供給系として、水素を高圧状態で貯留する水素タンク１、水素タンク１から供給される水素ガスの圧力を所定圧力に調整する水素調圧弁２を備える。また、燃料電池３のカソードに空気を供給するカソード供給系として、流量を調整した空気を供給するコンプレッサ５を備える。また、燃料電池３のカソード下流側に、カソードの圧力を調整するための空気調圧弁６を備える。ここでは、後述する経路１７に空気調圧弁６を備える。
【００１３】
また、燃料電池３の排出系として、アノードから排出された燃料排ガスを流通する経路１６、カソードから排出された酸化剤排ガスを流通する経路１７を備える。また、経路１６を通って供給される燃料排ガスと、経路１７を通って供給される酸化剤排ガスを混合する混合部４を備える。さらに、混合部４で生成された燃料排ガスと酸化剤排ガスの混合ガスを流通する経路１８と、経路１８を通って供給された混合ガスを燃焼処理する燃焼器７を備える。燃焼器７としては、燃焼触媒を備えた燃焼器を用いる。
【００１４】
ここで、燃料電池３から排出された燃料排ガス中の水素濃度は、不均一である可能性がある。また、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを混合するので、混合ガス自体が不均一である可能性がある。混合ガス中の水素が不均一であると、濃度が高い部分では反応温度が高くなり、ＮＯｘが生成され、さらに触媒が劣化する可能性がある。また、濃度が低い部分では、反応が不安定となり未処理の水素が排出される可能性がある。また、燃焼触媒の温度が不均一であるため、酸化反応の有無を検出するのが困難であるという問題がある。加えて、混合ガス中に含まれた水分や、燃焼反応に伴って生成された水が、触媒に付着して反応効率が低下する可能性がある。
【００１５】
そこで、燃焼器７を連続的に変位可能に構成する。ここでは、供給される混合ガスに対して燃焼器７を変位可能に構成することにより、混合ガスを分配して供給する。これにより、燃焼器７内で局所的に水素濃度が高くなるのを防ぎ、反応温度を均一化する。また、燃焼器７を連続的に変位可能に構成することにより、燃焼触媒に付着した水の少なくとも一部を除去可能とする。なお、燃焼器７を変位可能にするための構成は後述する。
【００１６】
燃焼器７で生成された燃焼排ガスは、燃焼器７の下流に配置された経路１９、経路２０を介して外部に排出される。または、カソードに供給される空気の温度調整や、不活性ガスとして用いても良い。
【００１７】
さらに、燃料電池３と燃焼器７の温度を調整する冷却系を備える。冷却系に冷却水を循環させることにより、燃料電池３及び燃焼器７の冷却を行う。冷却系としては、冷却水を循環させる冷却水ポンプ１０を備える。また、冷却水の温度を調整するラジエータ９を備える。さらに、冷却水をラジエータ９に循環させるか否かを選択する三方弁８を備える。ここでは、燃焼器７から排出された冷却水を、三方弁８により、燃料電池３に循環させる経路１２と、ラジエータ９に循環させる経路１３とに分岐する。冷却水は、燃料電池３またはラジエータ９の一方において熱交換を行ってから再び合流し、経路１４を通って燃焼器７に循環する。
【００１８】
このような燃料電池システムを制御するコントローラ１１を備える。燃料電池３の温度、要求負荷等に基づいて、水素調圧弁２、コンプレッサ５、空気調圧弁６、三方弁８、冷却ポンプ１０への指令値を計算し、それぞれのアクチュエータを制御する。
【００１９】
次に、このような燃料電池システムにおける排出系、特に混合部４と燃焼器７およびその周辺の概略構成を、図２を用いて説明する。
【００２０】
ここでは、燃焼器７を、供給される混合ガスに対して、流路断面内で回転可能に構成する。このとき、燃焼器７の略中心軸を回転軸とする。例えば、燃焼器７を略円筒形状に構成し、混合ガスの流通方向に沿った中心軸が、回転の中心軸となるように構成とする。
【００２１】
経路１７を流通する酸化剤排ガス内の流れに、Ｌ字形状の端部を有する経路１６から燃料排ガスを混入することにより混合部４を構成する。混合部４と経路１８とを、経路１８側が変位可能に接続する。ここでは、経路１７と経路１８とを、経路１８側が回転可能に接続し、この接続部分を摺動部１５ａとする。経路１８に同期して燃焼器７および経路１９を回転可能に構成する。経路１９と経路２０とを、経路１９側が回転可能に接続し、この接続部分を摺動部１５ｂとする。つまり、混合部４から供給される混合ガスに対して、経路１８、燃焼器７、経路１９を回転可能に構成する。なお、摺動部１５を、シール構造とすることにより、接続部分からのガス漏れを防ぐ。
【００２２】
また、燃焼器７を、ケース２６と触媒部２５により構成する。燃焼部２５に混合ガスを流通させることにより燃焼処理を行う。また、燃焼部２５の外周側に、燃焼部２５で生成された水の除去部である生成水除去部２７を備える。ここでは、生成水除去部２７を、燃焼部２５とケース２６との間に隙間を設けることにより構成する。なお、ケース２６の形状は図２に限らず、例えば後述するような回転駆動手段の構成に応じて設計すればよい。
【００２３】
燃焼器７を回転させることにより、混合ガス中の水素を触媒部２５に対して分配して供給することができる。ここでは、燃焼器７を流路断面内で回転させるので、混合ガスを流路断面に分配して供給することができる。また、触媒部２５で燃焼に伴って生成された水は、燃焼器７の回転に伴う遠心力により外側に移動する。これにより、生成水を触媒部２５から生成水除去部２７に移動させることができる。
【００２４】
なお、ここには図示しないが、燃焼器７の冷却を行う燃焼器冷却系を備える。例えば、ケース２６のさらに外側に、システムに対して固定された冷却水経路を備え、経路１４を通って供給される冷却水を流通させることにより、触媒部２５の温度調整を行う。
【００２５】
次に、上述した燃焼器７の回転を行うための回転駆動手段の構成について説明する。以下、四つの構成例を示すが、この限りではない。
【００２６】
回転駆動手段の構成例（第１の例）を図３に示す。
【００２７】
燃焼器７の外周に沿ってギア２１を固定する。また、モータ２３と、モータ２３に接続するギア２２を備える。ギア２１、２２は互いに噛み合うように設置し、モータ２３の回転を伝える。
【００２８】
ここでは、モータ２３の動力により燃焼器７を回転させる。よって、適時、燃焼器７を回転させることができる。また、燃焼器７に適切な回転数に設定することができる。
【００２９】
その他の回転駆動手段の構成例（第２の例）を図４に示す。
【００３０】
ＳＲモータ３０のロータ３１に燃焼器７を固定する。ここでは、燃焼器７の外周にロータ３１を固定する。ここではロータ３１を周方向に四つに分割し、９０度毎に配置する。さらにその外側に回転空隙を介して、周方向に六つに分割したステータ３２を６０度毎に配置する。
【００３１】
ここではＳＲモータ３０の駆動により燃焼器７の回転を調整する。よって、適時燃焼器７を回転させることができる。また、燃焼器７を適切な回転数に設定することができる。
【００３２】
その他の回転駆動手段の構成例（第３の例）を図５に示す。
【００３３】
燃焼器７の外周に水かき（水流ガイド）３４を固定する。ここでは、略円筒形状の燃焼器７の外周に、半径方向外側に向かって伸びる水かき３４を、周方向に均等に固定する。また、燃焼器７が回転するように水かき３４近傍に冷却水を供給する冷却水経路３５を備える。図１に示した経路１４を流れる冷却水を冷却水経路３５に供給し、周方向に隣り合う水かき（水流ガイド）３４間に供給する。これにより、冷却水の圧力により水かき３４に周方向の圧力がかかり、燃焼器７を伴って回転する。冷却水経路３５を流通する冷却水流量を調整することにより、燃焼器７の回転数を制御することができる。つまり、冷却ポンプ１０の負荷を調整することにより、燃焼器７の回転数を制御することができる。このとき、冷却水により燃焼器７の冷却も行われるので、前述した燃焼器冷却系を兼ねることができる。
【００３４】
なお、水かき（水流ガイド）３４を、半径の延長方向に伸びる形状としたがこの限りではない。例えば、水かき３４を半径に対してある角度を持って形成してもよい。また、尖端を略Ｌ字形状等にしてもよい。水かき３４の大きさは、要求される回転数等に応じて設計することが好ましい。
【００３５】
このように構成した場合には、燃焼器７は冷却水の流通に伴って回転する。冷却系の構造により回転駆動手段を構成するので、回転駆動手段を含めて燃焼器７をコンパクトに構成することができる。また、冷却と回転を、同じ冷却水の流れにより行うことができるので、回転に伴って消費される電力を抑制することができる。
【００３６】
次に、その他の回転駆動手段の構成例（第４の例）を図６に示す。
【００３７】
燃焼器７の出口近傍にフィン３６を備える。ここで、フィン３６を、略円筒形状の燃焼器７の軸周りに放射状に取り付け、燃焼器７の出口断面に対してフィン３６の平面部分が一定の角度を持つように固定する。フィン３６に、燃焼器７から排出される燃焼ガスが衝突することにより回転力が生じ、燃焼器７を回転させることができる。なお、ここでは、燃焼器７の出口部分にフィン３６を設けたが、入口部分に設けても同様の効果を得ることができる。
【００３８】
このように構成した場合には、混合ガスを燃焼器７に供給した場合に、燃焼器７が回転する。ここでは、燃料電池３運転中には常に混合ガスが燃焼器７に供給されるため、常に燃焼器７が回転している。供給されるガスにより回転動力を得ているので、回転を行うことにより消費される電力を抑制することができる。
【００３９】
上述した四つの例のいずれかの回転駆動手段を備えた燃焼器７を備え、燃焼器７に混合ガスが供給されている間は、燃焼器７を連続的に変位させる。ここでは、燃料電池３のアノードからの燃料排ガスが常に燃焼器７に供給される構成のため、水素ガス供給中には、常に燃焼器７を回転させる。
【００４０】
燃料電池システム運転中には、常に回転させる。例えば、第１、２の例で示した回転駆動手段を備えた燃焼器７を用いた場合には、システムの起動信号を検知したら燃焼器７の回転を開始し、停止信号を検知して水素供給を停止後、燃焼器７の回転を停止する。常時、燃焼器７を回転させることにより、常に混合ガスを均一に供給できるとともに、触媒部２５に水分が付着するのを避けることができる。
【００４１】
なお、第１〜３の例に示した回転駆動手段のいずれかを備えた燃焼器７に対して、フィン３６を備えても良い。フィン３６を備えることで、混合ガスを燃焼器７に取り込む、または燃焼器７から燃焼排ガスを排出するのをスムーズに行うことができる。
【００４２】
また、変位方向は回転方向に限らず、３次元方向の少なくともいずれかの方向に変位可能であればよい。例えば、燃焼器７内のガス流路断面に平行に変位可能に構成すると、供給される混合ガスをガス流路断面内で移動方向について分配することができる。また、軸方向に移動させることで、混合部４下流側の距離を変化させることができる。これにより、燃料排ガスの拡散の程度を変更できるので、燃焼器７の入口近傍の混合ガスの水素濃度分布を変更することができる。なお、３次元方向の少なくともいずれかに移動する場合にも、移動の方向に応じて触媒部２５の外側に水が除去されるように構成するのが好ましい。
【００４３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４４】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池３と、燃料電池３からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合部４と、燃焼触媒を用いて、混合部４において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器７と、を備える。燃焼器７自体を、燃焼器７内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成する。燃焼器７を変位させることで、供給される混合ガスが、燃焼器７内に分配して供給され易くすることができる。さらに、燃焼器７を変位可能にすることで、燃焼器７内の水分を触媒部２５から除去し易くすることができる。これにより、燃焼器７における燃焼効率の低下を抑制することができる。
【００４５】
ここでは、燃焼器７自体を供給される混合ガスに対して連続的に変位可能に構成することにより、混合ガス中の水素を燃焼触媒に対して分布して供給する。不均一な混合ガスが供給された場合にも、水素濃度の高いガスが特定の箇所に供給され続けるのを避けることができる。その結果、反応温度を均一化して触媒の劣化を防ぐことができる。また、反応温度を均一化することにより酸化反応の有無を検出し易くすることができる。
【００４６】
また、燃焼器７自体を変位可能に構成することにより、燃焼触媒近傍の水分の少なくとも一部を除去可能に構成する。その結果、燃焼触媒に水が付着することによる効率低下を抑制することができる。
【００４７】
例えば、燃焼器７自体を、三次元方向の少なくともいずれかの方向に振動可能に構成する。燃焼器７の位置を前後、左右、上下方向にずらすことで、混合ガスの水素濃度の濃い部分が燃焼器７に入る部分をずらすことができるので、一部分の燃焼触媒が劣化するのを防ぐことができる。
【００４８】
または、燃焼器７自体を混合ガス流通方向の軸心周りに回転可能に構成する。これにより、燃焼器７に供給される混合ガスが不均一であっても、内部では均一化が進み、酸化反応の均一化が進む。そのため、一部分の触媒劣化を防ぐことができ、且つ、反応温度が均一化するため、燃焼器７の温度制御が容易になる。さらに回転させることで、遠心力が発生し、遠心力で触媒表面に付着した生成水や凝縮水を外側に移動させることができ、反応を生じ易くすることができる。
【００４９】
燃焼器７の回転駆動源となるモータ２３と、燃焼器７の外側に配置した第１ギア２１と、第１ギア２１と噛み合い、モータ２３の回転駆動力を伝達する第２ギア２２と、を備える。このように構成することで、モータ２３を駆動して、燃焼器７の回転速度を極めて細かく変動させることができる。
【００５０】
または、燃焼器７の周囲に固定した水かき（水流ガイド）３４と、水かき３４を含めた燃焼器７の外周に沿って冷媒を流通する冷却水経路３５と、を備える。これにより、冷却水が流れる力を利用して燃焼器７を回転させることにより、冷却と回転とを同一の構成で行うことができ、燃焼器７をコンパクト化することができる。
【００５１】
または、モータ３０のロータ３１部分に燃焼器７を組み込むことにより、燃焼器７を回転可能に構成する。このように構成することで、モータ２３を駆動して、燃焼器７の回転速度を極めて細かく変動させることができる。また、燃焼器７と回転機構（モータ３０）を一体化して小型化することができる
または、燃焼器７の入口または出口にフィン３６を備え、燃焼器７に流れ込む混合ガス、または、燃焼器７から流れ出す燃焼排ガスの力で燃焼器７を回転可能に構成する。フィン３６を配することで、流れ込んでくる混合ガスの力、または燃焼器７により排出されるガスの力によって燃焼器７が回転するので、回転駆動手段を小型化することができる。
【００５２】
なお、第１〜３の回転駆動手段において、燃焼７の入口または出口にフィン３６を備え、フィン３６を、燃焼器７と同期して回転させる。これにより、燃焼器７に混合ガスを押し込む、または吸い出す効果が得られ、圧損が小さくなる。
【００５３】
ここでは、燃料電池システムが作動している間、燃焼器７を連続的に変位させる。その結果、常に混合ガスの均一化を促すため、燃焼反応が安定する。また、一部で水素濃度が低くなることで反応が停止してしまう、逆に、濃度が濃くなることで反応熱が大きくなり触媒が劣化するのを抑制することができる。また常時生成水を外側へ移動させることができ、生成水が触媒に付着して燃焼反応を妨げるのを防ぐことができる。
【００５４】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図７に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００５５】
燃料電池３のアノード側に、循環流路５０を備える。アノードから排出された燃料排ガスを、循環流路５０を通って再度燃料電池３に供給する。また、循環流路５０を循環する燃料ガスを、パージ弁５１を介して混合部４に選択的に供給可能に構成する。ここでは循環流路５０に接続された経路１６にパージ弁５１を備え、パージ弁５１を開とすることで、アノード内の燃料ガスをパージ可能とする。
【００５６】
運転時にアノードに窒素が移動して溜まることにより、燃料電池３における反応効率が低下する。これを防ぐために、適時アノードをパージすることにより、アノードにおける水素ガス濃度を回復させて効率を維持する。
【００５７】
また、燃焼器７内の酸化反応を検出する酸化反応検出手段を備える。ここでは、酸化反応検出手段として、触媒部２５に水素濃度センサ２８を備える。
【００５８】
次に、このような構成の燃料電池システムにおける燃焼器７の回転の制御方法について説明する。なお、ここで用いる燃焼器７としては、例えば第１、第２の例で示した回転駆動手段を備えた燃焼器を用いる。
【００５９】
混合ガスを供給する直前に燃焼器７の回転数を上げる。ここでは、パージ５１が閉の場合には燃焼器７の回転を停止する。アノードのパージを要求する信号を検知したら、または、アノードのパージが要求されることが予測されたら、燃焼器７の回転を開始する。第１の回転駆動手段を用いた場合にはモータ２３を、第２の回転駆動手段を用いた場合にはＳＲモータ３０を駆動することにより、燃焼器７の回転を行う。このように、燃焼器７に混合ガスが供給される直前に燃焼器７の回転を開始する。
【００６０】
なお、パージ５１が閉の場合には燃焼器７の回転数を抑制し、混合ガスが供給される直前に回転数を上げても良い。この場合には、第１〜４の例で示したいずれの回転駆動手段を用いた場合にも適用することができる。例えば、第３の例で示した回転駆動手段を用いた場合には、燃料電池３を循環する冷却水温度を、燃料電池３の運転温度に設定しておく。アノードのパージを要求する信号を検知したら、または、アノードのパージが予測される際に、冷却ポンプ１０の負荷を増大することにより冷却水流量が増大する。これにより、冷却水経路３５に流れ込む冷却水流量を増大することができるので、燃焼器７の回転数を増大することができる。
【００６１】
また、第４の例で示した回転駆動手段を用いた場合には、通常時には酸化剤排ガスにより燃焼器７が回転する。アノ−ドのパージを要求する信号、または、アノードのパージが予測された際には、燃料電池３に供給される酸化剤ガス流量を増大する。なお、この場合には、空気調圧弁６によりカソードの圧力を一定に保つ必要がある。
【００６２】
または、第４の例で示した回転駆動手段において、燃焼器７に用いる酸化剤として空気を用いても良い。この場合には、例えば、図示しないコンプレッサ等を備えることにより、燃焼器７に供給するガス流量を変化させることができ、ひいては燃焼器７の回転数を制御することができる。このような構成とした場合には、上述したように、通常時には停止または低速の回転を行い、パージが行われる直前に回転数を上げることができる。
【００６３】
このように、混合ガスを供給する直前に燃焼器７の回転数を上げることにより、混合ガスが供給される前に触媒部２５の触媒表面の水を除去できるので、燃焼器７に供給された混合ガスの燃焼を速やかに開始することができる。また、通常時には回転を停止し、混合ガスを供給する直前に燃焼器７の回転数を上げることにより、回転に伴う電力消費を抑制することができる。または、通常時には回転数を抑制し、混合ガスを供給する直前に燃焼器７の回転数を上げることにより、回転に伴う電力消費を低減できるとともに、反応性よく燃焼器７の回転を制御することができる。
【００６４】
また、回転開始後、燃焼器７内において酸化反応が検知されたら、回転を停止する。
【００６５】
ここでは、水素濃度センサ２８により、燃焼器７内で酸化反応が生じているか否かを判断する。燃焼器７に不均一な混合ガスが入ってきても、一旦燃焼器７内で化学反応が均一に起これば、安定して反応が進む。そこで、燃焼器７内部で化学反応が起こったことを確認した後に回転を止めることにより、燃焼器７を回転させるためのエネルギを節約することができる。
【００６６】
なお、パージにより混合ガスが供給される時間が長い場合など、酸化反応により触媒部２５が局所的に高温となる可能性がある場合には、混合ガス供給中には燃焼器７を回転させることが好ましい。この場合には、パージ弁５１を閉としたら、または、パージ弁５１を閉としてから所定時間経過したら、回転を停止または抑制する。
【００６７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００６８】
燃焼器７に混合ガスを供給する直前に、燃焼器７の変位を大きくする。ここでは、燃焼器７に混合ガスを供給する直前に回転速度を上げる。これにより、触媒表面の水を外側に移動させることができる。よって、触媒に付着した水の少なくとも一部を除去して、燃焼触媒と混合ガスとの接触面積を確保することができるので、速やかに酸化反応を開始することができる。
【００６９】
燃焼器７における酸化反応の有無を検出する酸化反応検出手段を備える。ここでは、水素濃度センサ２８を備える。酸化反応が検出されたら、燃焼器７を停止させる。不均一な混合ガスが入ってきても、一旦、燃焼器７内部で酸化反応が均一に起こってしまったら安定して反応が進む。そこで、燃焼器７内部で酸化反応が起こったことを確認したら、燃焼器７の回転を止める。これにより、未反応の水素を排出することを避けつつ、燃焼器７の回転により消費されるエネルギを抑制することができる。
【００７０】
なお、図７に示すような燃料電池システムにおいても、パージを行う間隔が短い場合などには、第１の実施形態と同様に常時燃焼器７の回転を維持するように制御してもよい。
【００７１】
次に、第３の実施形態について説明する。ここでは第１の実施形態に用いた燃料電池システムを用いて説明するが、第２の実施形態に用いた燃料電池システムに温度センサ２９を備えた場合ついても同様に制御することができる。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、第１〜４の例に示したいずれの回転駆動手段を備えた燃焼器７を用いてもよい。
【００７２】
燃焼器７の回転を、発電停止、または、水素ガスの供給停止と同時に停止する。所定時間経過後に、一時的に燃焼器７を回転させる。
【００７３】
発電停止または水素ガスの供給停止後、暫くすると、混合ガス内の水素が無くなり触媒反応が停止する。その後、触媒部２５内の温度が低くなると、燃焼部２５内の水分を含んだ混合ガスから凝縮水が生成される。これが触媒部２５の触媒表面に付着することにより、次に燃焼反応を開始する際に、反応速度が低下する。そこで、発電停止または水素ガスの供給が停止して、例えば凝縮水が生成される所定時間経過後に、一時的に燃焼器７を回転させる。これにより、触媒部２５内の凝縮水を遠心力により外側に移動させることができ、次回の燃焼反応を速やかに開始できる。
【００７４】
または、燃焼器７の回転を、発電停止、または、水素ガス供給停止と同時に停止して、燃焼器７内の温度が下がったら、一時的に燃焼器７を回転させてもよい。
【００７５】
ここでは、燃焼器７内の温度を検出する温度センサ２９を備える。燃焼器７内の温度が所定温度以下、例えば、水の凝縮温度以下となったら触媒部２５内で凝縮水が生成される。そこで、燃焼器７を回転させることにより、遠心力により凝縮水を外側、ここでは生成水除去部２７に移動させる。その結果、触媒部２５内に凝縮水が付着するのを避けることができ、次回の燃焼反応の開始を速やかに行うことができる。
【００７６】
なお、第１、２の例で示した回転駆動手段を用いる場合には、燃料電池システム停止後、適時にモータ２３またはＳＲモータ３０に電力を供給することにより、燃焼器７の回転を行う。第３の例に示した回転駆動手段を用いる場合には、燃料電池システム停止後、適時に冷却ポンプ１０の駆動を行うことにより冷却水を流通させて、燃焼器７を回転させる。さらに、第４の例に示した回転駆動手段を用いる場合には、燃料電池システム停止後、適時にコンプレッサ５を駆動することにより空気を流通させて、燃焼器７を回転させる。
【００７７】
なお、ここでは燃焼器７の回転としたが、この限りではない。燃焼器７を変位させることにより、燃焼器７内の凝縮水を除去できる構成であればよい。例えば、三方向に変位可能に構成してもよい。上述したように、発電または水素供給停止後に一時的に変位させることで、次回の燃焼反応の開始をスムーズに行うことができる。
【００７８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１および第２実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７９】
発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止して、所定時間経過後に、一時的に燃焼器７を変動させる。これにより、燃焼触媒に付着した水の少なくとも一部を除去することができ、次回燃焼器７に混合ガスを供給したときに、酸化反応を速やかに開始することができる。ここでは、発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止して、所定時間経過後に、一時的に燃焼器７を回転させる。これにより、遠心力により水分が燃焼部２５の外側に除去されるので、次回の酸化反応を速やかに開始することができる。
【００８０】
燃焼器７の温度を検出する温度センサ２９を備え、発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止した後、燃焼器７の温度が所定温度まで低下したら、一時的に燃焼器７を変位させる。これにより、燃焼触媒に付着した水の少なくとも一部を除去することができ、次回燃焼器７に混合ガスを供給したときに、酸化反応を速やかに開始することができる。このとき、触媒部２５に凝縮水が付着していると予測される場合のみに、燃焼器７を変動させることになるので、変位に伴う電力消費を抑制することができる。ここでは、所定温度まで低下したところで燃焼器７を一時的に回転させる。これにより、遠心力により、水分の少なくとも一部を除去することができる。
【００８１】
次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、燃焼器７およびその周辺の構成を図８に示す。
【００８２】
燃焼器７の軸方向が略垂直方向となるように配置する。言い換えれば、燃焼器７内を混合ガスが略垂直方向に流通するように配置する。ここでは、入口側を下方に、出口側を上方に配置する。また、ケース２６を経路１８まで伸ばす。これにより、ケース２６と触媒部２５との間にできる間隙である生成水除去部２７は、ケース２６と経路１８との間の間隙まで延長される。ここでは特に、生成水除去部２７が摺動部１５ａまで覆うように構成する。これにより、燃焼器７で生成された生成水・凝縮水は、経路１７と経路１８の接続部である摺動部１５ａ近傍に溜められる。このように固定部と、燃焼器７を含む可動部との混合ガス入口側の接続部、ここでは摺動部１５ａを水で覆うように構成する。この溜まった水により摺動部１５ａのシール性を確保することができ、燃焼器７に供給される水素を含んだ混合ガスが漏洩するのを防ぐことができる。
【００８３】
なお、本実施形態の燃焼器７の概略構成は、第１〜第３のいずれの実施形態に用いた燃料電池システムにも適用することができる。さらに、回転のみではなく、三方向の少なくともいずれかに変位可能な構成の燃料電池システムに適用してもよい。
【００８４】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１〜３の実施形態に示した効果のいずれとも異なるもののみを説明する。
【００８５】
燃焼器７内を、混合ガスが略垂直方向に流通するように構成する。温度低下による凝縮水、反応に伴う生成水が重力に従い下側に移動していくので、触媒部２５の触媒表面に付着する水を排除することができる。
【００８６】
また、燃焼器７内を、混合ガスが略下から上に向かって流通するように構成する。システムに対して固定された固定部と、システムに対して変位可能に構成された少なくとも燃焼器７を含む可動部と、の接続部のうち、下側に配置された接続部（摺動部１５ａ）近傍に、燃焼器７で生成された水を溜める生成水除去部２７を備える。これにより、摺動部１５ａを水で覆いシールすることができ、水素を含むガスが外部に漏れるのを防ぐことができる。
【００８７】
なお、上記実施の形態においては、燃焼器７における燃焼反応に酸化剤排ガスを用いているがこの限りではない。また、混合器４として、経路１７を流れる酸化剤排ガス中に経路１６を流れる燃料排ガスを混入する構成としたが、この限りではなく、酸化剤排ガスと燃料排ガスが混合される構成であればよい。
【００８８】
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる混合部および燃焼器周辺の構成図である。
【図３】第１の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例（第１の例）を示す図である。
【図４】第１の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例（第２の例）を示す図である。
【図５】第１の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例（第３の例）を示す図である。
【図６】第１の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例（第４の例）を示す図である。
【図７】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第４の実施形態に用いる混合部および燃焼器周辺の構成図である。
【符号の説明】
３    燃料電池
４    混合部
７    燃焼器（燃焼部）
１５  摺動部（接続部）
２１  第１ギア
２２  第２ギア
２３  モータ
２５  触媒部
２７  生成水除去部
２８  水素濃度センサ（酸化反応検出手段）
２９  温度センサ（温度検出手段）
３０  モータ
３１  ロータ
３４  水かき（水流ガイド）
３５  冷却水経路（冷媒流路）
３６  フィン
【図１】
2005005099.tif 000003
【図２】
2005005099.tif 000004
【図３】
2005005099.tif 000005
【図４】
2005005099.tif 000006
【図５】
2005005099.tif 000007
【図６】
2005005099.tif 000008
【図７】
2005005099.tif 000009
【図８】
2005005099.tif 000010