(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
起電燃料となる水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器にて生成された水素含有ガスに含まれた一酸化炭素を許容範囲まで低減する一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器の下流に設けられた触媒燃焼器とを有する燃料電池システムにおいて、
システムの起動時には、最初に改質燃料と酸化剤とを前記改質器へ供給し、部分酸化反応による昇温を開始するとともに、酸化剤と前記一酸化炭素除去器からの前記水素含有ガスとを前記触媒燃焼器へ供給し、前記改質器の昇温と同時に前記触媒燃焼器の昇温を開始することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記システムの起動時における前記改質器へ供給する酸化剤の割合は、前記システムの定常作動時における前記改質器へ供給する酸化剤の割合よりも多い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】
前記改質器へ供給すべき改質燃料を加熱する第１のヒータと、前記改質器へ供給すべき酸化剤を加熱する第２のヒータとの少なくとも何れか一方を有し、これら第１のヒータおよび／または第２のヒータにより気化されたガスを最初に改質器へ供給して昇温を開始することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質器の入口に触媒が担持された第３のヒータを設け、当該第３のヒータが昇温したのち、改質燃料および酸化剤を供給することを特徴とする請求項１〜３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記触媒燃焼器からの燃焼ガスが供給され、改質燃料及び水を蒸発させて前記改質器へ供給する蒸発器を有し、前記蒸発器が所定温度に昇温したら、システム起動時の最初に前記改質器へ供給していた改質燃料を前記蒸発器へ供給するとともに前記改質器への酸化剤の供給を一時的に停止することを特徴とする請求項１〜４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に起動時間を短縮できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちの陰極（燃料極）側に水素リッチガスを供給するとともに、他方の陽極（酸化剤極）側に空気などの酸素含有ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（たとえば特開平８−１０６９１４号公報参照）。
【０００３】
【化１】
陰極反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
陽極反応：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
起電燃料となる水素リッチガスを生成する装置として、メタノールを水蒸気改質して水素を多量に含む燃料ガスとする改質器が用いられ、酸素を含有する酸化剤ガスを生成する装置として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が用いられる。そして、圧縮機からの圧縮空気をアフタークーラ等で冷却したのち燃料電池の陽極へ供給する一方で、燃料タンクから改質器へメタノールガスを送り、当該改質器にて改質された水素リッチガスを燃料電池の陰極へ供給する。
【０００４】
こうした燃料電池システムは、二次電池による電気自動車に比べ、走行可能距離や燃料のインフラストラクチャの整備条件等の点で有利であることから、車両用駆動電源への採用が検討されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池システムを車両用駆動電源に採用するには、起動時間の短縮が解決すべき課題の一つであり、特に水素リッチガスを如何に早く生成できるかが問題となっている。
【０００６】
たとえば、特開平１１−８６８９３号公報に開示された燃料電池システムは改質装置の起動時間の短縮を目的としたもので、システムの始動時においては、燃料ポンプで送られた改質燃料をバーナーを用いて燃焼させ、改質燃料を気化させる蒸発器を加熱した後、排気ガスで改質加熱部を昇温させることが提案されている。このとき、昇温を早くさせるために、バーナーへの燃料供給を過剰にすることや、排気ガスで改質部を加熱する加熱部にノズルを介して直接燃料を噴霧し、加熱部ケース表面に触媒をコートし、ケース表面で燃焼させ、発生した熱で改質部を外部から加熱昇温することも提案されている。
【０００７】
しかしながら、この燃料電池システムでは、最初にバーナーを起動昇温し、このバーナーからの燃焼ガスで蒸発器を昇温したのち、改質部を燃焼ガスで加熱するといった起動手順を採用しているため、すなわちバーナーと蒸発器が昇温したのち改質部を昇温するので、改質部が昇温するまでの時間だけ起動時間が長くかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、起動時間をより短縮化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】
【課題を解決するための手段】
（１）  上記目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、起電燃料となる水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器にて生成された水素含有ガスに含まれた一酸化炭素を許容範囲まで低減する一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器の下流に設けられた触媒燃焼器とを有する燃料電池システムにおいて、システムの起動時には、最初に改質燃料と酸化剤とを前記改質器へ供給し、部分酸化反応による昇温を開始するとともに、酸化剤と前記一酸化炭素除去器からの前記水素含有ガスとを前記触媒燃焼器へ供給し、前記改質器の昇温と同時に前記触媒燃焼器の昇温を開始することを特徴とする。
【００１０】
この請求項１記載の発明では、起動時の最初に改質器に改質燃料と酸化剤とを供給する。改質器の改質触媒は、触媒温度が常温であっても改質燃料と酸化剤とを供給すると、発熱反応である部分酸化反応を開始する（下記化学反応式参照）。これにより改質器は自己加熱され、昇温が開始される。なおこのとき、請求項２記載の発明のように、供給する酸化剤の割合を定常作動時の燃料に対する割合よりも多く供給することで、発熱量をより高めることができる。
【００１１】
【化２】
0003921910.tif 000002
このとき発生する改質ガスには、多くの水素、一酸化炭素、未反応の改質燃料（例えばメタノール）等の可燃ガスが含まれている。この可燃ガスは、改質器自体を昇温させるとともに、下流側に配置された一酸化炭素除去器を加熱し、さらに燃焼器へ流入する。この燃焼器は燃焼触媒を有するので、触媒温度が常温であっても可燃ガスである改質ガスを燃焼させることができ、これにより改質器の起動と同時に燃焼器の起動を開始することができる。
【００１２】
このような起動手順により、改質器と燃焼器の燃焼による昇温を同時に開始することが可能となり、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００１３】
（２）上記発明の燃料電池システムは、触媒燃焼器を有し、システムの起動時には改質燃料と酸化剤とを前記燃焼器へ供給し、前記改質器の昇温と同時に燃焼器の昇温を開始することを特徴とする。
【００１４】
この請求項１記載の発明では、排水素等の燃焼器に改質燃料と酸化剤とを供給して燃焼を開始するので、上記改質器で発生した改質ガスの熱エネルギーに燃焼による熱エネルギーが加算される。これにより、燃焼器の昇温がより一層早くなるばかりでなく、燃焼器の下流に設けられる蒸発器等をも早く昇温することができるので、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００１５】
（３）上記発明においては特に限定されないが、請求項３記載の燃料電池システムは、前記改質器へ供給すべき改質燃料を加熱する第１のヒータと、前記改質器へ供給すべき酸化剤を加熱する第２のヒータとの少なくとも何れか一方を有し、これら第１のヒータおよび／または第２のヒータにより気化されたガスを最初に改質器へ供給して昇温を開始することを特徴とする。
【００１６】
この請求項３記載の発明では、改質器に供給すべき改質燃料と酸化剤とを加熱するヒータを有するので、起動時において改質器の触媒温度が常温であっても、改質燃料および／または酸化剤の温度を高めることにより、上述した発熱反応である部分酸化反応の反応速度をより早くすることができる。また、改質燃料および／または酸化剤の気化熱をヒータから供給でき、改質器で生じる部分酸化反応の熱が気化熱として奪われることがないので、改質器の昇温時間がさらに短縮され、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００１７】
（４）上記発明においては特に限定されないが、請求項４記載の燃料電池システムは、前記改質器の入口に触媒が担持された第３のヒータを設け、当該第３のヒータが昇温したのち、改質燃料および酸化剤を供給することを特徴とする。
【００１８】
この請求項４記載の発明では、改質触媒を担持した第３のヒータを改質器の先頭部分に設けているので、この第３のヒータに通電すればヒータ部分に担持された触媒の温度がごく短時間で昇温する。これにより、上述した発熱反応である部分酸化反応速度を著しく早くすることができ、改質器の昇温時間がさらに短縮され、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００１９】
（５）上記発明においては特に限定されないが、請求項５記載の燃料電池システムは、前記触媒燃焼器からの燃焼ガスが供給され、改質燃料及び水を蒸発させて前記改質器へ供給する蒸発器を有し、前記蒸発器が所定温度に昇温したら、システム起動時の最初に前記改質器へ供給していた改質燃料を前記蒸発器へ供給するとともに前記改質器への酸化剤の供給を一時的に停止することを特徴とする。
【００２１】
蒸発器の昇温確認後、それまで改質器に供給していた改質燃料を蒸発器に供給すると同時に、供給していた改質器への酸化剤の供給を停止することで、改質燃料の供給を停止しているときに酸化剤によって改質器の触媒が酸化され、触媒活性が低下するのを防止することができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、部分酸化反応の自己発熱により改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００２３】
これに加えて、燃焼器の昇温がより一層早くなるばかりでなく、燃焼器の下流に設けられる蒸発器等をも早く昇温することができるので、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００２４】
また、請求項３記載の発明によれば、起動時において改質器の触媒温度が常温であっても、改質燃料および／または酸化剤の温度を高めることにより、上述した発熱反応である部分酸化反応の反応速度をより早くすることができる。また、改質燃料および／または酸化剤の気化熱をヒータから供給でき、改質器で生じる部分酸化反応の熱が気化熱として奪われることがないので、改質器の昇温時間がさらに短縮され、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００２５】
さらに請求項４記載の発明によれば、発熱反応である部分酸化反応速度を著しく早くすることができ、改質器の昇温時間がさらに短縮され、改質システム全体を短時間で昇温および起動することができ、その結果、燃料電池システムの起動時間の短縮化を図ることができる。
【００２６】
また、請求項５記載の発明によれば、改質燃料の供給を停止しているときに酸化剤によって改質器の触媒が酸化され、触媒活性が低下するのを防止することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１は本発明の燃料電池システムの要部を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１は、図外の燃料電池スタックの陰極（燃料極）側へ供給すべき水素リッチガスを生成するための改質器１１と、同じく燃料電池スタックの陽極（酸化剤）側へ供給すべき空気を生成するためのコンプレッサ１２とを有する。
【００２８】
改質器１１は、メタノールなどの炭化水素と空気などの酸化剤と水蒸気とを触媒の存在下において反応させ、水素リッチガスを得るものであり、改質燃料であるメタノールは燃料タンク１３からポンプ１４により改質器１１へ供給される。なお図示はしないが、メタノール液は噴射ノズルにより微粒化された状態で改質触媒へ供給される。一方、酸化剤である空気はコンプレッサ１２から改質器１１へ供給され、水蒸気は、水が収容されたタンク１６から蒸発器１９にて気化されたのち改質器１１へ供給される。なお、符号１５はメタノールの供給量を調節するための流量調節弁、符号１８は水蒸気の供給量を調節するための流量調節弁、符号３２は空気の供給量を調節するための流量調節弁である。
【００２９】
改質器１１の下流側には、燃料電池スタックの被毒防止のため、改質器１１で生成された改質ガス中に含まれた一酸化炭素を許容範囲まで低減する一酸化炭素除去器２０が設けられており、コンプレッサ１２からの空気を供給し、触媒の存在下において改質ガスに含まれた一酸化炭素を選択的に酸化することで二酸化炭素に変える。符号２３は一酸化炭素除去器２０に供給される空気の供給量を調節するための流量調節弁である。
【００３０】
一酸化炭素除去器２０の下流側の配管には三方弁２１が設けられ、起動時における改質ガスの供給先と定常運転時における改質ガスの供給先とを切り替える。詳細は後述するが、起動時においては一酸化炭素除去器２０からの改質ガスを燃焼器２２へ供給し、定常運転時においては一酸化炭素除去器２０からの改質ガスを燃料電池スタックの陰極へ供給する。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタックで余剰となった水素リッチガスなどを燃焼し、これにより得られる熱エネルギーを蒸発器１９や改質器１１で利用するための燃焼器２２を有し、既述したように三方弁２１の切り替えによって一酸化炭素除去器２０から改質ガスが供給されるとともに、コンプレッサ１２から酸化剤としての空気が供給される。これにより高温の燃焼ガスが発生し、この発生した燃焼ガスを下流側に設けられた蒸発器１９へ供給することで蒸発器１９を昇温させたのち系外へ排気する。符号２４は燃焼器２２に供給される空気の供給量を調節するための流量調節弁である。
【００３２】
本実施形態の燃料電池システム１では、改質器１１の入口の温度を検出するための温度センサ２５、一酸化炭素除去器２０の入口の温度を検出するための温度センサ２６、燃焼器２２の入口の温度を検出するための温度センサ２７、燃焼器２２の出口の温度を検出するための温度センサ２８、蒸発器１９の出口の温度を検出するための温度センサ２９および改質器１１へ供給される水蒸気の到着確認を行うために当該改質器１１への供給管内の温度を検出するための温度センサ３０が設けられ、それぞれの温度センサからの検出信号はコントローラ３１へ送出される。
【００３３】
また、既述したコンプレッサ１２、ポンプ１４，１７、流量調節弁１５，１８，２３，２４，３２、および三方弁２１はコントローラ３１により制御される。
【００３４】
次に動作を説明する。
図２は本実施形態の燃料電池システムの起動手順を示すフローチャートであり、まず、ポンプ１４およびコンプレッサ１２を起動したのち、改質器１１へ改質燃料と空気とを流量調節弁１５，３２で調量しながら供給する。また、これと同時に燃焼器２２へ燃焼用空気を流量調節器２４で調量しながら供給する（Ｓ１０〜Ｓ４０）。
【００３５】
こうして改質燃料と空気とが供給された改質器１１において、改質触媒は常温状態であるものの、常温においても部分酸化反応が開始され、発熱しながら改質ガスを発生する。この発生した改質ガスと発熱エネルギーとにより改質触媒は加熱されて昇温し、一層の部分酸化反応が生じ、相乗的に昇温する。
【００３６】
なお、ステップ５０の着火確認は、改質器１１の入口に設けられた温度センサー２５による温度上昇で確認できる。
【００３７】
生成した改質ガスは、一酸化炭素除去器２０を昇温させながら燃焼器２２に流入する。なお、既述したように、燃料電池システム１の起動時には三方弁２１を燃焼器２２側に切り替えておき、一酸化炭素除去器２０から流出するガスの全てを燃焼器２２に導く。
【００３８】
燃焼器２２は、ステップ４０の操作により既に空気が供給されているので、内蔵された燃焼触媒が常温状態であっても、容易に着火して燃焼を開始する。そして、燃料器２２自体を昇温させながら高温の燃焼ガスを蒸発器１９に供給する。なお、ステップ６０の燃焼器２２の着火確認は、燃焼器２２の入口に設けられた温度センサー２７により確認することができる。燃焼器２２で生成した燃焼ガスは蒸発器１９を加熱したのち系外へ排気される。
【００３９】
こうして改質器１１燃焼器２２との着火を確認したのち、発熱量を増加させるため、ステップ７０にて改質器１１へ供給する改質燃料と空気とを増量させる。
【００４０】
次いで、ステップ８０にて一酸化炭素除去器２０の入口に設けられた温度センサー２６が所定温度以上に昇温したことを確認する。ここで、一酸化炭素除去器２０が所定温度以上に昇温していれば、当該一酸化炭素除去器２０へ空気を供給することにより酸化反応が可能になるため、この判断後、ステップ９０にて、流量調節弁２３で調量しながらコンプレッサ１２からの酸化用空気を一酸化炭素除去器２０へ供給する。
【００４１】
以上の操作により、改質器１１、一酸化炭素除去器２０および燃焼器２２の全てにおいて発熱反応が行われる。
【００４２】
さらに、発生する改質ガスの量は、ステップ７０の改質燃料の供給量の増加にともない増加するため、ステップ１００にて、燃焼器２２の燃焼ガス温度を温度センサー２８で計測し、コンプレッサ１２から供給される空気流量を調整し、所定の温度に制御する。
【００４３】
このような昇温を続けたのち、蒸発器１９の出口に設けられた温度センサー２９により排気ガス温度を計測し、その計測された温度が所定の温度に達すると、ステップ１１０にて蒸発器１９の昇温が完了したと判断する。
【００４４】
この蒸発器１９の昇温確認後、ステップ１２０にて、三方弁３３を切り替え、それまで改質器１１に供給していた改質燃料を蒸発器１９に供給する。また、ポンプ１７を起動して水を蒸発器１９に供給する。この供給と同時に、ステップ１３０にて流量調節弁３２を介して供給していた改質器１１への空気の供給を停止する。この空気の供給を一時的に停止するのは、改質燃料の供給を停止しているときに空気によって触媒が酸化され触媒活性が低下するからである。
【００４５】
なお、蒸発器１９で気化された改質燃料ガスは、配管を介して改質器１１へ供給されるが、ステップ１４０における改質燃料ガスの改質器１１への到着確認は、改質器１１の入口（配管の出口）に設けられた温度センサー３０の温度上昇により確認する。
【００４６】
改質燃料ガスと水蒸気の到着を確認したら、ステップ１５０にてコンプレッサ１２から流量調節弁３２を介して改質器１１へ部分酸化反応用の空気を供給する。これにより改質器１１では、蒸発器１９からの改質燃料ガスおよび水蒸気とコンプレッサ１２からの空気とによって部分酸化反応が再開される。また、燃焼器２２は改質ガスの燃焼を継続するが、改質触媒や燃焼触媒、および各反応器の昇温が進んでいるので、各々の温度を温度センサ２５〜２９で検出し、所定の温度条件を保つように空気流量を制御する（ステップ１６０）。このようにして、燃料電池システム１の各要素部品の温度が所定の温度の達し、起動が終了する。
【００４７】
本実施形態によれば、改質燃料と空気とを改質器１１に最初に供給することにより、大きな熱容量を有し、昇温および起動に長時間を要する改質器１１と燃焼器２２とを同時に昇温することができる。このため、従来技術で述べたような、燃焼器と蒸発器とが昇温したのちに改質器の昇温を開始するといった構成に比べて、昇温時間を大幅に短縮することができる。
【００４８】
また、改質燃料は、改質触媒で部分酸化により可燃性ガスに改質されたのち燃焼器２２で燃焼するので、２つの触媒で燃焼すると同時に、燃焼器２２ではガス化された改質ガスを燃焼させることができ、有害な成分を含む排気ガスを排出することなく起動することができる。
【００４９】
第２実施形態
図３は本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示すブロック図であり、上述した第１実施形態に対して、燃焼器２２および改質器１１の着火特性の改善を図ったものである。
【００５０】
すなわち、ポンプ１４から流量調節弁１５を介して改質器１１に供給される改質燃料は、冷間時の着火特性を高めるために、ヒータにより加熱される蒸発器３４を有し、また、コンプレッサ１２から改質器１１へ供給される空気を同様に加熱するヒーター３５を有する。そして、気化された改質燃料と予熱された空気とのそれぞれを改質器１１に供給する。
【００５１】
さらに、改質器１１の改質触媒の先頭部分の触媒は、ヒータ３６の表面に担持されており、このヒータ３６を加熱することにより改質触媒の先頭部分の触媒温度を昇温させ、これにより着火性が向上する。
【００５２】
また、燃焼器２２へ供給される空気も同じくヒータ３７で予熱され、冷間時においても良好な着火特性を得ることができる。
【００５３】
これに加えて、タンク１３に収容された改質燃料の一部が、ポンプ３８を用いて燃焼器２２へ供給される。
【００５４】
次に動作を説明する。
図４は本実施形態の燃料電池システムの起動手順を示すフローチャートであり、上述した第１実施形態との相違点は以下の通りである。なお、同じ操作を行うステップには同じ符号を付している。
【００５５】
すなわち、コンプレッサ１２を起動したのち、ステップ２２〜２６にて蒸発器３４、ヒータ３５，３６，３７を起動する。これら蒸発器およびヒータの起動後、ヒータの昇温に要する時間を予め設定した基準通電時間の経過で、これらのヒータは昇温を終了したと判断し（ステップ２８）、改質器１１へ改質燃料の供給を開始する。
【００５６】
また、改質器１１内に設けられたヒータ３６は、ステップ５０による改質触媒の着火を確認したのち、予め設定された時間経過後に、電源をＯＦＦする（ステップ５２）。同様に、改質器１１と燃焼器２２への供給空気を加熱するヒーター３５，３７は、ステップ１１０による蒸発器２２の昇温を確認したのちＯＦＦする（ステップ１１２）。
【００５７】
本実施形態では、ポンプ３８によって改質燃料を燃焼器２２へ直接供給するので、改質器１１で生じた改質ガスの熱エネルギーに、改質燃料の燃焼による熱エネルギーが加算されるので、より多くの熱量を得ることができ、より早い起動を実現することができる。なお、ポンプ３８によって燃焼器２２へ直接供給する改質燃料は、蒸発器１９の昇温を確認したのち供給を停止する（ステップ１３０）。
【００５８】
また、改質燃料や水の気化、空気の予熱および触媒の予熱を行なうことができるので、冬季のような寒冷時においても、改質器１１、燃焼器２２の着火を確実に行なうことができるとともに、着火時の反応速度を向上できるため、排気性能の一層の向上および起動時間の短縮化を図ることができる。
【００５９】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムの起動手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示すブロック図である。
【図４】図３の燃料電池システムの起動手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
１１…改質器
１２…コンプレッサ
２０…一酸化炭素除去器
２２…燃焼器
３４…蒸発器（第１のヒータ）
３５…ヒータ（第２のヒータ）
３６…ヒータ（第３のヒータ）
【図１】
0003921910.tif 000003
【図２】
0003921910.tif 000004
【図３】
0003921910.tif 000005
【図４】
0003921910.tif 000006