(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器と、
この改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
前記改質反応器に空気を供給する空気供給器と、
燃料電池に水素を供給する水素供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質反応器に収装された改質触媒の酸化状態を検出する手段と、
この酸化状態検出手段の検出結果に基づき、改質反応器の改質触媒の改質性能を回復するように水素供給装置から水素を改質反応器に供給するとともに、前記空気供給器から空気を前記改質反応器に供給するように制御し、供給された空気と水素の酸化反応により前記改質反応器の温度を活性温度まで上昇させるコントローラを備え、
前記酸化状態検出手段は、燃料電池システムが停止してから起動するまでの経過時間を測定し、
前記コントローラは、この経過時間から改質触媒の酸化の程度を推定して、この推定結果に基づき水素供給装置から改質反応器への水素供給量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質反応器内の温度を検出する温度センサを備え、
前記コントローラは、改質反応器内の温度を温度センサによって検出し、この改質反応器内の温度が第１の温度以下に低下したときに改質反応器への水素の供給を停止するよう制御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】
前記コントローラは、改質反応器内の温度が第２の温度に昇温するまで改質反応器内に空気を供給するよう制御す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
改質ガスを生成する改質反応器と気体燃料（例えば、水素）を充填したボンベを備えた燃料電池システムとして、例えば特開平１１−３２９４７２号公報に記載のものがある。この燃料電池システムにおいては、図４に示すように燃料電池に改質器からの改質ガスとアキュムレートタンクからの水素が供給される構成を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、改質反応器停止後の改質反応器中に残留したガス中の水分が凝縮した凝縮水が触媒の活性面に付着することによる改質反応器起動後の改質反応の効率低下や、長期間放置されることで改質反応器の触媒が酸化するという問題がある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決する燃料電池システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水素リッチな改質ガスを生成する改質反応器と、この改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記改質反応器に空気を供給する空気供給器と、燃料電池に水素を供給する水素供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記改質反応器に収装された改質触媒の酸化状態を検出する手段と、この酸化状態検出手段の検出結果に基づき、改質反応器の改質触媒の改質性能を回復するように水素供給装置から水素を改質反応器に供給するとともに、前記空気供給器から空気を前記改質反応器に供給するように制御し、供給された空気と水素の酸化反応により前記改質反応器の温度を活性温度まで上昇させるコントローラを備え、前記酸化状態検出手段は、燃料電池システムが停止してから起動するまでの経過時間を測定し、前記コントローラは、この経過時間から改質触媒の酸化の程度を推定して、この推定結果に基づき水素供給装置から改質反応器への水素供給量を制御する。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記改質反応器内の温度を検出する温度センサを備え、前記コントローラは、改質反応器内の温度を温度センサによって検出し、この改質反応器内の温度が第１の温度以下に低下したときに改質反応器への水素の供給を停止するよう制御する。
【０００９】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記コントローラは、改質反応器内の温度が第２の温度に昇温するまで改質反応器内に空気を供給するよう制御する。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明では、改質反応器に収装された改質触媒内の酸化が酸化状態検出手段によって検出され、酸化によって改質触媒の改質反応の効率が低下するときに改質触媒内に水素を供給することにより、改質触媒を還元または乾燥させることが可能となり、改質触媒の改質性能を回復することができる。
また、空気と水素を供給して酸化反応を生じさせることで、改質触媒の温度を短時間で上昇させることができる。
また、改質触媒の酸化の程度を燃料電池システムの停止から起動までの経過時間から推定することで、改質反応器内に供給する水素の供給量を制御するようにしたので、改質触媒の性能の回復ができると共に水素の無駄な供給を防止して効率向上を可能とすることができる。
【００１５】
第２の発明は、第１の効果に加えて、改質反応器内の温度（第１の温度）に基づき、改質触媒の酸化状態の回復状態を判断し、改質反応器内の温度が第１の温度以下に低下したときに改質反応器に供給する水素を停止するように制御したので、改質触媒の性能の回復を精度よく把握することができ、したがって、改質反応器に供給する水素量を最小限に抑制し、効率を向上することができる。また改質触媒の酸化の程度に応じて水素量を供給することができ、無駄な水素の供給を抑制できる。
【００１６】
第３の発明は、改質反応器内の温度が第２の温度になるまでは水素と共に空気を改質反応器内に供給し、その後水素のみを供給して、還元反応を生じるようにしたので、改質触媒が酸化反応を生じて改質触媒の温度が短時間で上昇し、その後還元反応を行うことで起動時間を短縮することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を燃料電池車両に適用した場合の燃料電池システムの構成を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１実施形態の構成を説明する図である。燃料電池１には燃料極と空気極とが設けられて、それぞれの極には水素リッチの改質ガスと空気とが供給され、発電が行われる。
【００２１】
空気は空気供給装置２から空気極に供給され、一方、燃料極に供給される改質ガスは改質反応器３で生成される。このため改質反応器３には燃料タンク４の燃料と水タンク５の水とが蒸発器６において気化された気化燃料と水蒸気が供給される。さらに、改質反応器３には、必要に応じて空気供給器２から空気が供給される。
【００２２】
燃料と水蒸気と空気が供給された改質反応器３では、水蒸気改質反応と部分酸化反応が生じて水素リッチの改質ガスが生成され、この改質ガスはその下流に設けられた一酸化炭素（以下、ＣＯと示す）除去器７で所定のＣＯ濃度に調整されて制御弁１３を介して燃料電池１の燃料極に供給される。
【００２３】
燃料電池１での発電後に空気極から排出される排空気は、燃焼器８に供給され、同様に燃料極から排出される余剰の排水素は燃焼器８に供給され、燃焼器８で排水素と排空気が燃焼される。この燃焼ガスが蒸発器６に供給され、燃焼ガスの熱量によってタンク４、５から供給される燃料と水が気化される。燃焼ガスは燃料と水の気化に用いられた後に、外部に排出される。
【００２４】
燃料電池１と燃焼器８との途中には排水素が流れる流路と排空気が流れる流路とのそれぞれに水分を凝縮するコンデンサ９、１０が設置されている。さらに、各コンデンサ９、１０と燃焼器８の間に圧力制御弁１１、１２が設置される。コンデンサ９、１０で凝縮した水は水タンク５に貯蔵される。
【００２５】
なおコンデンサ９、１０は燃料電池システムの効率向上のために設置されるものであり、コンデンサを用いなくともシステムは機能するものである。
【００２６】
さらに本システムには高圧水素ボンベ（水素供給装置）１４が設置されており、高圧水素ボンベ１４から供給される水素は流量制御弁１５で流量を制御される。流量制御弁１５を通過した水素は三方弁１６に導入され、三方弁１６の切換えによって流路２１を通って改質反応器３に、または流路２２を介してＣＯ除去装置７と流量制御弁１３との間の流路２３に水素が供給される。さらに高圧水素ボンベ１４からの水素が供給される流路２３の水素流入箇所位置より下流にこの流路２３と燃焼器８を接続する流路２４が設けられ、その途中に流量制御弁１９が配置される。
【００２７】
また燃料電池１の空気極に空気を供給する空気供給器２は、その空気を改質反応器３とＣＯ除去装置７に供給する。それぞれの空気を供給する経路２５、２６には流量制御弁１７、１８が配置される。
【００２８】
ＣＯ除去装置７から排出される改質ガスは前述のように燃料電池１の燃料極に供給されると共に、燃焼器８に流路２３、２４を介して供給される。
【００２９】
なお改質反応器３にはその内部温度を検出する温度センサ２０が設けられている。
【００３０】
温度センサ２０の出力、改質反応器３の停止から起動までの経過時間や起動後の経過時間のデータ等が入力されて、この入力値に基づき高圧水素ボンベ１４からの水素の流れを制御するため、空気供給器２、流量制御弁１５、１７、三方弁１６等を制御するコントローラ６０が設けられている。
【００３１】
次に改質反応器３の起動方法を説明すると、改質反応器３の起動時に改質反応器３内に収装された改質触媒が酸化の影響がある場合には高圧水素ボンベ１４から水素を改質反応器５に供給する。
【００３２】
ここで改質反応器内の改質触媒は酸化の影響があるかどうかの判定について説明すると、燃料電池システムが停止してからの経過時間をタイマ（酸化状態検出手段）を用いて計測しておき、この計測時間が改質触媒の酸化状態であると判断される所定の時間以上経過しているとき改質触媒が酸化していると判断する。
【００３３】
ここで、改質反応器３の起動方法を図２のタイミングチャートを用いて詳しく説明する。まず時間ｔ１で流量制御弁１５の開度を調整した後に三方弁１６を切換え、改質反応器３内に水素を高圧水素ボンベ１４から供給し、次に、流量制御弁１７の開度を調整して空気供給器２からの空気を改質反応器３に供給する。したがって改質反応器３内では水素が空気を得て燃焼および触媒燃焼による酸化反応を生じ、改質反応器３内の温度が急激に上昇する。そして改質反応器３内の温度が所定温度（Ｔ１、第２の温度）に達したとき（時間ｔ２）、空気の改質反応器３への供給を停止する。このとき水素の供給は継続しており、改質反応器３内の温度は徐々に低下し、その後、時間ｔ３以後では、水素供給による還元反応による発熱によって改質反応器３内の温度は一定温度（Ｔ２）を保つ。そして還元反応により触媒中の酸素量が減少して還元反応による熱量が減少し改質反応器３内の温度が低下しはじめ（時間ｔ４）、改質反応器３の温度が所定温度（Ｔ３、第１の温度）まで低下したときに（時間ｔ５）改質反応器３の改質触媒の還元反応が終了したと判断し、高圧水素ボンベ１４からの水素の改質反応器３への供給を停止し、水素が燃料電池の燃料極へ供給されるように三方弁１６を切換える。
【００３４】
なお時間ｔ１からｔ５までの空気および水素の供給量を改質反応器３（すなわち燃料電池システム）の停止時から起動時までの経過時間から酸化の程度を判定して算出することができる。
【００３５】
このように燃料電池システムの停止中に改質触媒が改質反応器３内に混入した空気によって酸化されて、改質反応の効率が低下する場合には、改質反応器３内への水素の供給によって、酸化した改質触媒と水素の間で還元反応を生じさせて、改質触媒の改質性能を回復させることができる。
【００３６】
また、改質反応器３が停止中に改質触媒表面に残留ガスの凝縮水が付着し、この凝縮水が改質触媒表面から除去されて表面が乾燥するまで改質反応が抑制される場合があるが、改質反応器３の起動時に水素を酸化反応するので、改質触媒が触媒が昇温して改質触媒の表面を迅速に乾燥することができる。なお、降圧水素ボンベ１４中の水素も低湿度のものとすることで、改質触媒の還元反応温度が低くても、改質触媒の表面を乾燥することができる。
【００３７】
特に本実施形態の場合には、改質反応器３の起動時に改質反応器３内の温度が低く、水素を供給しても還元反応が促進しない場合に改質反応器３内に空気を空気供給器２から供給することで水素の酸化反応を生じさせて改質触媒の温度を上昇させ、その後空気の供給を停止し、水素による還元反応を生じさせ、改質触媒の改質性能を回復させることが可能である。
【００３８】
なお、改質触媒での還元反応は発熱反応であり、改質触媒の酸化度合が大きいほど還元反応が活発になり、改質反応器３の温度を上昇させるので、改質反応器３の温度がＴ２になるように高圧水素ボンベ１４からの水素供給量を流量制御弁１５で調整した後に水素を供給する。改質触媒の還元反応が進むと水素の供給をうを続けても還元反応による発熱量が減少し、改質反応器３の温度が低下してくる。この改質反応器３内の温度を温度検出センサ２０によって検出し、改質反応器３内の温度が所定温度（例えば、図２に示すところの温度Ｔ３）以下となったときに改質触媒の還元が終了し、改質触媒の触媒としての性能が回復したと判断できる。つまり改質反応器３に改質反応器３内の温度を検出する温度検出センサ２０を設置することで、改質触媒の還元反応の終了を改質反応器３内の温度から判定でき、改質反応器３に供給される水素量を的確に制御することができ、高圧水素ボンベ１４の容量を小型化でき、車両等への搭載性を向上できる。また改質触媒の還元の度合を正確に検出することで供給する水素量を最小限にでき、改質反応を開始までの時間を短縮することが可能となる。したがって燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【００４３】
図３に示した第２の実施形態は、第１の実施形態に加えて改質反応器３を加熱するための起動用燃焼器４０を設置したものである。起動用燃焼器４０には燃料タンク４から燃料が流路４２から供給され、また空気が空気供給器２から流路４１を介して供給される。流路４１には空気の流量を制御する制御弁４４が設置される。さらに高圧水素ボンベ１４から供給される水素は改質反応器３に直接供給されず、改質反応器３の上流に供給されて起動用燃焼器４０から流出した高温の燃焼ガスと混合されて改質反応器３に供給される。また空気供給器２の空気は燃焼器８に流路４６を介して供給され、その途中に流量制御弁４５が設けられる。他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００４４】
改質反応器３の起動時には、起動用燃焼器４０で燃料と空気とを燃焼して生じた燃焼ガスと高圧水素ボンベ１４からの水素とを混合した混合ガスを改質反応器３に供給すると共に、さらに改質反応器３に空気を供給して改質触媒の反応を促進させ、改質反応に適した活性温度まで改質反応器３の温度を上昇させる。
【００４５】
また改質ガスを燃料電池１に導く経路の途中にある流量制御弁１３を閉じてＣＯ除去器４と燃焼器８とを結ぶ流路２４の途中にある流量制御弁１９を開くことで、混合ガスは燃焼器８に直接供給されると共に、空気供給器２から空気が燃焼器８に供給されて、燃焼器８で燃焼反応が生じて、この燃焼熱によってその下流に配置した蒸発器６を加熱することができる。
【００４６】
したがって、起動用燃焼器４０から排出される燃焼ガス中のＣＯ濃度が改質反応器３の改質触媒、ＣＯ除去器７の触媒及び燃焼器８の触媒が被毒するほど高い場合にこの燃焼ガスに水素を混合することで混合ガスのＣＯ濃度を低減し、これらの触媒の被毒を防止しつつ、改質反応器３、ＣＯ除去器７及び燃焼器８の起動時間を短縮することができる。
【００４７】
さらに高圧水素ボンベから供給される水素の温度は低いため、起動用燃焼器から排出される燃焼ガスの温度が改質反応器の改質触媒の許容温度に達する高温となっても、水素を混合することで改質器上流側の改質触媒の温度を許容温度以下に低下させ、改質触媒の劣化を防止できる。
【００４８】
なお、本発明では、高圧水素ボンベ１４の水素を改質反応器３の上流から供給する際に改質反応器３に直接供給する構成としたが、高圧水素ボンベ１４の水素を燃料電池１に供給してから改質反応器３に供給する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図２】  同じくタイミングチャートである。
【図３】  本発明の第２実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図４】  従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  コンプレッサ
３  改質反応器
４  燃料タンク
５  水タンク
６  蒸発器
７  ＣＯ除去器
８  燃焼器
１４  高圧水素ボンベ
２０  温度センサ
【図１】
0004075330.tif 000002
【図２】
0004075330.tif 000003
【図３】
0004075330.tif 000004
【図４】
0004075330.tif 000005