(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、
改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部を熱交換により温度制御するための冷媒を搬送する冷媒搬送ラインとを備え、
前記冷媒搬送ラインの前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段を配設した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記ＣＯ低減部には、前記冷媒が通過する複数のチューブを、前記複数のチューブ間に配設されたフィンと、前記フィン間に充填あるいは担持された触媒を配設した
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記加熱手段が、付加された燃焼装置によって構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２において、
前記加熱手段が、前記蒸発部の廃熱を利用して冷媒を加熱する加熱装置によって構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３において、
前記加熱手段が、前記燃焼装置の熱を利用して冷媒を加熱する熱交換器によって構成されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３において、
前記燃焼装置が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、熱交換器によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に制御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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段を配設して、ＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にする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において、水素源として改質装置を用いることが多い。この改質装置のＣＯ低減部では通常、ＣＯを含む水素リッチの改質ガスに酸素（空気）を付加して二酸化炭素ＣＯ2 に変換している。
【０００３】
その反応の際のガスの温度制御が重要で、移動体の改質装置を考えた場合、装置自体を小型化するために一酸化炭素除去装置（特開平８−１００１８４）の様に、図８に示されるように熱交換器Ｈを組み合わせ、冷媒Ｃを用いて冷却しながらＣＯ酸化反応させている例があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の一酸化炭素除去装置におけるＣＯ酸化反応に用いる触媒はＰｔ等の貴金属触媒を使うのが一般的で、その活性温度は１００〜１５０℃といわれている。燃料電池ＦＣへはＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下の改質ガスを送る必要が有り、そのためには上記活性温度を保持しなければならない。
【０００５】
冷媒を持つＣＯ低減器は、従来、立ち上げ時に冷媒を１００℃以上にＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間がかかり、燃料電池発電開始までに数十分オーダーの時間が必要であるという問題があった。
【０００６】
上記従来の一酸化炭素除去装置では、時間短縮の手段として低温触媒を使う例が出ているが、第２反応部ＳにおいてＰｔ触媒を活性温度に昇温する時間がかかるとともに、また第１反応部Ｆにおいて１００℃以下で反応するため、改質後およびＣＯ低減時に生成した水が凝縮し、燃料電池ＦＣの入口で再度加湿する必要があり、加湿器が必要になるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明者は、水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に配設された加熱手段により冷媒を加熱するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという目的を達成する本発明に到達した。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１に記載の第１発明）の燃料電池システムは、
水素源として改質装置を用いる燃料電池システムにおいて、
改質原料を蒸発、昇温する蒸発部と、その原料を水素に変換する改質部と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減するＣＯ低減部とから構成される前記改質装置の前記ＣＯ低減部を熱交換により温度制御するための冷媒を搬送する冷媒搬送ラインとを備え、
前記冷媒搬送ラインの前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段を配設した
ものである。
本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明において、
前記ＣＯ低減部には、前記冷媒が通過する複数のチューブを、前記複数のチューブ間に配設されたフィンと、前記フィン間に充填あるいは担持された触媒を配設した
ものである。
【０００９】
本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明または第２発明において、
前記加熱手段が、付加された燃焼装置によって構成されている
ものである。
【００１０】
本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃料電池システムは、
前記第１発明または第２発明において、
前記加熱手段が、前記蒸発部の廃熱を利用して冷媒を加熱する加熱装置によって構成されている
ものである。
【００１１】
本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃料電池システムは、
前記第３発明において、
前記加熱手段が、前記燃焼装置の熱を利用して冷媒を加熱する熱交換器によって構成されている
ものである。
【００１２】
本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃料電池システムは、
前記第３発明において、
前記燃焼装置が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、熱交換器によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に制御するように構成されている
ものである。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、
前記第６発明において、
始動時において、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるように構成されている
ものである。
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、
前記発明において、
前記ＣＯ低減部が最適反応温度範囲内に該当しない場合であって、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるように構成されている
ものである。
【００１５】
【発明の作用および効果】
上記構成より成る第１発明の燃料電池システムは、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減する前記改質装置の前記ＣＯ低減部を熱交換により温度制御するための冷媒を搬送する冷媒搬送ラインの前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に配設された前記加熱手段によって冷媒を加熱して、前記ＣＯ低減部に導入されるので、加熱された冷媒を使用した熱交換によって前記ＣＯ低減部を温度制御しているため、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始までの時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏するとともに、小型化および応答性向上を実現するという効果を奏する。
上記構成より成る第２発明の燃料電池システムは、前記第１発明において、
前記ＣＯ低減部には、前記冷媒が通過する複数のチューブを、前記複数のチューブ間に配設されたフィンと、前記フィン間に充填あるいは担持された触媒を配設したので、改質ガス中における改質の際に副生成される一酸化炭素を低減して、前記燃料電池に供給することを可能にするという効果を奏する。
【００１６】
上記構成より成る第３発明の燃料電池システムは、前記第１発明または第２発明において、前記加熱手段を構成する前記付加された燃焼装置によって、冷媒を加熱して前記ＣＯ低減部に導入されるので、始動時における昇温時間を任意かつ有効に短縮するという効果を奏する。
【００１７】
上記構成より成る第４発明の燃料電池システムは、前記第１発明または第２発明において、前記加熱手段を構成する前記加熱装置が、前記蒸発部の廃熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時の冷媒加熱用の特別の燃料および燃焼装置が不要であるという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第５発明の燃料電池システムは、前記第３発明において、前記加熱手段を構成する前記熱交換器が、前記燃焼装置の熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時における昇温時間を有効に短縮するという効果を奏する。
【００１９】
上記構成より成る第６発明の燃料電池システムは、前記第３発明において、前記燃焼装置が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、熱交換器によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に制御するので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００２０】
上記構成より成る本発明の燃料電池システムは、前記第６発明において、始動時において、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００２１】
上記構成より成る本発明の燃料電池システムは、前記発明において、前記ＣＯ低減部が最適反応温度範囲内に該当しない場合であって、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるので、ＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
本第１実施形態の燃料電池システムは、図１ないし図３に示されるように水素源として改質装置１を用いる燃料電池システムにおいて、蒸発部２と改質部３とＣＯ低減部４とから構成される前記改質装置１の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に冷媒を加熱する加熱手段６を配設したものである。
【００２４】
前記改質装置は、改質原料を蒸発、昇温する前記蒸発部２と、その原料を水素に変換する前記改質部３と、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減する前記ＣＯ低減部４とから構成される。
【００２５】
前記蒸発部２は、メタノールと水が収容されるタンク２１に連絡しているとともに、メタノールが収容される第２のタンク２２および空気を供給するエアポンプ２３に連絡している蒸発用バーナー５を備えている。
【００２６】
前記改質部３は、前記蒸発部２と前記ＣＯ低減部４との間に配設され、エアポンプ２４を介して燃料電池１１に連絡している。
【００２７】
前記ＣＯ低減部４は、図２に示されるようなＰｔ等の貴金属触媒がフィン間に充填あるいは担持された熱交換器によって構成され、冷媒搬送ライン１０を介して冷媒ポンプ９に連通しているとともに、エアポンプ２４を介して燃料電池１１に連絡しており、前記冷媒ポンプ９から供給される冷媒をチューブ４１内を通過させ、隣り合うチューブ４１の間に積層配設されたフィン４２によって改質ガス中における改質の際に副生成される一酸化炭素を低減して、前記燃料電池１１に供給するように構成されている。
【００２８】
本ＣＯ低減部４は、冷却媒体として、油等の専用冷却媒体を利用するものである。すなわち図２は、本第１実施形態における前記ＣＯ低減部４の構造を示す。前記フィン４２はＰｔ等の貴金属触媒が充填あるいは担持されている触媒層を構成するものであって、当該前記フィン４２を挾持する冷媒通路としての薄肉のチューブ４１から構成されている。
【００２９】
前記加熱手段６は、図１および図２に示されるように前記ＣＯ低減部４と前記冷媒ポンプ９との間の冷媒搬送ライン１０の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に配設されている。
【００３０】
前記加熱手段６は、図１および図２に示されるようにイグナイタ６１を備えた燃焼装置６２と、該燃焼装置６２の熱を利用して冷媒を加熱する熱交換器６３とによって構成されている。
【００３１】
前記燃焼装置６２は、前記第２のタンク２２に収容されたメタノールを供給するメタノールポンプ２５に配管を介して連絡するとともに、空気を供給するエアポンプ２３に連絡している。
【００３２】
前記加熱手段６内を通過した冷媒搬送ライン１０は、ラジエター７を介してリザーバ７０に連通している。
【００３３】
コントローラ８は、隣り合うチューブ４１の間に積層配設されたフィン４２の温度すなわち改質ガスの反応温度を検出するＴ１温度センサ８１と、前記冷媒搬送ライン１０の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に配設され該ＣＯ低減部４に導入される冷媒の温度を検出するＴ２温度センサ８２と、エアポンプ２３から供給される空気量を検出する流量センサ８３とに接続され、検出信号が入力される。
【００３４】
前記コントローラ８は、入力された検出信号に基づき前記メタノールポンプ２５と、前記イグナイタ６１と、前記冷媒ポンプ９と前記エアポンプ２４にそれぞれ制御信号が出力されるように構成されている。
【００３５】
本コントローラ８の制御フローについて、図３および図４を用いて説明する。ステップ１０１において、始動時か定常時（通常運転時）かが判断され、始動時の場合はステップ１０２において、前記Ｔ２温度センサ８２によって検出された前記ＣＯ低減部４に導入される冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００３６】
冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当しない場合は、ステップ１０３において、前記メタノールポンプ２５のメタノール流量ＱＭと、前記エアポンプ２４の前記燃焼装置６２に供給されるバーナ空気量ＱＡおよび前記冷媒ポンプ９の冷媒流量ｑｔが演算され、制御信号が出力される。
【００３７】
ステップ１０４において、Ｔ１温度センサ８１によって検出された改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００３８】
改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当しない場合は、ステップ１０２に戻るが、該当する場合は制御が停止される。
【００３９】
上記構成より成る第１実施形態の燃料電池システムにおいては、起動時は改質原料であるメタノールおよび水を前記蒸発部１にて蒸発用バーナー５等の加熱により約２５０℃に加熱し、前記改質部３において水素リッチの改質ガスに改質変換される。
【００４０】
この２５０〜３００℃の改質ガスが、前記ＣＯ低減部４のＰｔ等の貴金属触媒に供給されるので、該Ｐｔ等の貴金属触媒によって一酸化炭素ＣＯを選択的に酸化するため、空気（酸素）を該ＣＯ低減部４に送出する。
【００４１】
始動時はＣＯ酸化触媒が、雰囲気温度から反応温度である１００〜１５０℃に早期に至らしめるよう、熱交換器６３によって冷媒を昇温する。すなわち冷媒加熱装置６は、上述したように熱交換器になっており、メタノール燃焼（バーナーあるいは触媒燃焼）の加熱により冷媒が昇温される。反応最適温度のＴ１に至らしめるため、冷媒温度のＴ２の制御をメタノール燃焼と前記冷媒ポンプ９の送出量により制御される。
【００４２】
上記作用を奏する第１実施形態の燃料電池システムは、改質の際に副生成される一酸化炭素を低減する前記改質装置３の前記ＣＯ低減部４の冷媒入口部に配設された前記加熱手段６によって冷媒を加熱して、前記ＣＯ低減部４に導入されるので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を従来の１／４〜１／５に短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００４３】
すなわち燃料電池システムを車両等の移動体や可搬型に適用する場合、立ち上げ時や負荷変動に追従できる応答性や小型化が要求される。
燃料源となる例えば１０ｐｐｍ以下の低ＣＯ濃度の水素リッチな改質ガスを生成する改質装置において、システム立ち上げ時に瞬時に燃料電池に送出できれば、起動から発電までの時間が短縮でき、利便性が向上する。
【００４４】
そのためには、改質装置の構成部品であるＣＯ低減部４の運転温度までの早期昇温が必要である。移動体用の燃料電池システムを考えた場合、小型化、応答性向上のために、前記改質装置１の前記ＣＯ低減部４は冷媒を冷却体として温度制御を行う熱交換型を用いるのが望ましい。
【００４５】
起動時は冷媒が雰囲気温であるため、前記熱交換器６３内にある冷媒が昇温されるのに時間がかかる。更に、熱交換器６３内の冷媒が昇温されても運転温度を一定に保つために、前記冷媒ポンプ９による冷媒の供給により冷媒が前記熱交換器６３内に入ると、運転温度より下がるので、その冷媒が順次昇温されるまで時間がかかる。
【００４６】
本第１実施形態においては、起動時に前記ＣＯ低減部の冷媒入口部に冷媒を加熱する前記加熱手段６を設けて、早期に前記改質装置１を、ひいては燃料電池システムを立ち上げることを実現するものである。
【００４７】
また第１実施形態の燃料電池システムは、前記加熱手段６を構成する前記付加された燃焼装置６２によって、冷媒を加熱して前記ＣＯ低減部４に導入されるので、始動時における昇温時間を任意かつ有効に短縮するという効果を奏する。
【００４８】
さらに第１実施形態の燃料電池システムは、前記加熱手段６を構成する前記熱交換器６３が、前記燃焼装置６２の熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時における昇温時間を有効に短縮するという効果を奏する。
【００４９】
また第１実施形態の燃料電池システムは、前記燃焼装置６２が、燃焼用の燃料および空気の量を制御することにより、前記熱交換器６３によって加熱される前記冷媒の温度を所定範囲内に速やかに制御するという効果を奏する。
【００５０】
さらに第１実施形態の燃料電池システムは、始動時において、前記ＣＯ低減部に供給される前記冷媒の温度が所定温度範囲内にない場合は、冷媒の温度が所定温度範囲内に該当するように燃焼用の燃料および空気の量が制御されるので、始動時におけるＣＯ酸化反応による発熱反応で昇温するまで時間を短縮して、燃料電池発電開始まで時間を短縮するとともに、燃料電池入口における加湿を不要にするという効果を奏する。
【００５１】
（第２実施形態）
本第２実施形態の燃料電池システムは、図５および図６に示されるように前記加熱手段６が、前記蒸発部２の廃熱を利用して冷媒を加熱する加熱装置６によって構成されている点が相違点であり、以下相違点を中心に説明する。
【００５２】
図５に示されるように燃料送出ライン３２を介して前記加熱装置６は、タンク２１に収容されたメタノールおよび水を供給する燃料送出ポンプ３１と前記蒸発部２とを連絡する配管２１１に連絡しており、該配管２１１の燃料送出ポンプ３１と前記蒸発部２との間に配置された切替バルブ３３に配管３４を介して連絡している。
【００５３】
すなわち、本第２実施形態においては、冷媒に第１実施形態のような専用媒体を持たずに、改質原料を冷媒として利用するものである。
起動時は前記第１実施形態に準じて制御される。前記第１実施形態と異なる点はＴ1 を制御するため冷媒送出量をリニア制御できる前記切替バルブ３３によって制御することである。
【００５４】
本第２実施形態における制御フローについて、図６および図７を用いて説明する。
ステップ２０１において、始動時か定常時（通常運転時）かが判断され、始動時の場合はステップ２０２において、前記Ｔ２温度センサ８２によって検出された前記ＣＯ低減部４に導入される冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００５５】
冷媒の温度が所定範囲内（β０〜βｔ）に該当しない場合は、ステップ２０３において、図７に示されるように前記メタノールポンプ２５のメタノール流量ＱＭと、前記エアポンプ２４の前記燃焼装置６２に供給されるバーナ空気量ＱＡおよび前記切替バルブ３３の開度γ（％）が演算され、制御信号が出力される。
【００５６】
すなわち前記メタノールポンプ２５のメタノール流量ＱＭと、前記エアポンプ２４の前記燃焼装置６２に供給されるバーナ空気量ＱＡおよび前記切替バルブ３３の開度γ（％）は、前記燃料送出ポンプ３１の流量によって決定される。
【００５７】
ステップ２０４において、Ｔ１温度センサ８１によって検出された改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当するかどうかが判断される。
【００５８】
改質ガスの反応温度が所定範囲内（α０〜αｔ）に該当しない場合は、ステップ２０２に戻るが、該当する場合は制御が停止される。
【００５９】
上記作用を奏する第２実施形態の燃料電池システムは、前記加熱手段を構成する前記加熱装置が、前記蒸発部２の廃熱を利用して冷媒を加熱するので、始動時の冷媒加熱用の冷媒および冷媒供給装置が不要であり、システムをシンプルにしてコストを低減するという効果を奏する。
【００６０】
また、第２実施形態の燃料電池システムの方が前記蒸発部２の前記蒸発バーナー５による加熱量が少なくて良いのでシステム効率が上がるという効果を奏する。
【００６１】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本第１実施形態の燃料電池システムにおける冷媒供給ラインおよびＣＯ低減部の熱交換器を示すブロック図である。
【図３】本第１実施形態の燃料電池システムにおける制御フローを示すチャート図である。
【図４】本第１実施形態の燃料電池システムの各部の信号波形を示すタイムチャート図である。
【図５】本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
【図６】本第２実施形態の燃料電池システムにおける制御フローを示すチャート図である。
【図７】本第２実施形態の燃料電池システムの各部の信号波形を示すタイムチャート図である。
【図８】従来の一酸化炭素除去装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  改質装置
２  蒸発部
３  改質部
４  ＣＯ低減部
６  加熱手段
【図１】
0003941240.tif 000002
【図２】
0003941240.tif 000003
【図３】
0003941240.tif 000004
【図４】
0003941240.tif 000005
【図５】
0003941240.tif 000006
【図６】
0003941240.tif 000007
【図７】
0003941240.tif 000008
【図８】
0003941240.tif 000009