(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発部と、
前記蒸発部で生成された燃料ガスを改質して水素を含んだ改質ガスを生成する燃料改質部と、
前記燃料改質部で生成された改質ガスと空気供給装置から供給される酸素を含むガスとを反応させて発電する燃料電池部と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記蒸発部と前記燃料改質部とを結ぶ配管の内壁に吸湿性薬剤を塗布することで、前記燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料が前記燃料改質部に流入するのを防止するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記吸湿性薬剤は前記凝縮燃料を吸着するときに発熱する特性を有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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は自動車等の移動体に搭載される燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平11-92102号には、メタノールや水などを蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発部と、蒸発部で生成された燃料ガスを改質して水素リッチなガスを生成する燃料改質部と、燃料改質部で生成された水素リッチなガスと別途空気供給装置から供給される酸素を含むガスとを反応させて発電する燃料電池部により構成される移動体用燃料電池システムが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
上記構成の燃料電池システムにおいては、システム起動直後は、蒸発部と燃料改質部を結ぶ配管がほぼ常温となっているため、蒸発部で生成された燃料ガスが配管において冷却されて凝縮し、液相となった燃料（凝縮燃料）が燃料改質部に流入して燃料改質部の触媒に付着する可能性がある。
【０００４】
凝縮燃料が触媒に付着すると、触媒を昇温するためにはこの付着した凝縮燃料も昇温させる必要があり、多くの熱量が必要となる。また、触媒表面に吸着された凝縮燃料によって触媒反応の開始も遅れてしまう。このように、凝縮した燃料は、触媒の昇温、反応開始を妨げ、燃料改質部の暖機が長時間化する原因になり、ひいては燃料電池システムの暖機時間が長くなる原因にもなる。
【０００５】
本発明は、上記技術的課題を鑑みなされたもので、蒸発部で生成された燃料ガスが配管部によって冷却されて凝縮され、液相となって燃料改質部に流入し燃料改質部の触媒に付着するのを防止し、燃料改質部及び燃料電池システムの暖機時間の遅延を防ぐことを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料を蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発部と、前記蒸発部で生成された燃料ガスを改質して水素を含んだ改質ガスを生成する燃料改質部と、前記燃料改質部で生成された改質ガスと空気供給装置から供給される酸素を含むガスとを反応させて発電する燃料電池部とを備えた燃料電池システムにおいて、前記蒸発部と前記燃料改質部とを結ぶ配管の内壁に吸湿性薬剤を塗布することで、前記燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料が前記燃料改質部に流入するのを防止するように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記吸湿性薬剤は前記凝縮燃料を吸着するときに発熱する特性を有することを特徴とするものである。
【００１２】
【００１３】
【作用及び効果】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、蒸発部で生成された燃料ガスが空気とともに燃料改質部に供給され、水素ガスが生成されるが、システム起動直後は燃料ガスの供給経路（蒸発部と燃料改質部を結ぶ配管）がほぼ常温となっているため燃料ガスの一部が凝縮される。
【００１４】
この燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料（以下、「凝縮燃料」という。）が燃料改質部に流入し燃料改質部の触媒に付着すると、燃料改質部の触媒の昇温が遅れ触媒反応の開始が遅れる原因となるが、蒸発部と燃料改質部とを結ぶ配管の内壁に吸湿性薬剤を塗布し、燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料が燃料改質部に流入するのを防止するようにしたことにより、凝縮燃料が燃料改質部に流入する前に取り除かれ、気相の燃料のみを燃料改質部に供給することができる。
【００１５】
これにより、凝縮燃料が燃料改質部に流入して触媒に付着するのを防止でき、凝縮燃料が触媒に付着することによる燃料改質部および燃料電池システムの暖機時間の遅延を防止できる。
【００１６】
【００１７】
【００１８】
さらに、このような薬剤としてさらに吸着時に発熱する特性を有するものを用いれば、その熱を利用して燃料ガスをさらに昇温させることができるので、燃料改質部の暖機時間をより一層短縮することができる（第２の発明）。あるいは薬剤の発熱量を考慮し、蒸発部で燃料に与える燃料を調整すれば、凝縮燃料を発生させず、効率よく熱を利用することが可能となる。
【００１９】
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の参考例及び本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１の参考例を示す。燃料電池車両（ＦＣＶ）等の移動体に搭載される燃料電池システムは、図１に示されるように、蒸発部１と、燃料改質部２と、空気供給装置３と、燃料電池部４とを備える。各構成要素は配管により接続されており、さらに、燃料改質部２には化学反応により燃料改質を行うための触媒が担持されている。
【００２２】
蒸発部１は熱交換器５を有し、蒸発部１に供給される燃料と加熱ガスがそれぞれの流路を流れて熱交換を行う。燃料は加熱ガスから供給される熱によって蒸発し、燃料ガスとなって燃料改質部２に供給される。
【００２３】
燃料ガスは燃料改質部２において、空気供給装置３から供給される空気に含まれる酸素と反応し、水素リッチな改質ガスとなって燃料電池部４に供給される。さらに燃料電池部４において、改質ガス中の水素と、別途空気供給装置３から供給される空気中の酸素とを反応させて電力を取り出し、その電力を用いて移動体を動かす。なお、燃料電池部４から排出された排ガスは、完全燃焼等の処置を施した後にシステム外に放出される。
【００２４】
ところで、このような燃料電池システムを起動する場合、水素リッチなガスが燃料電池に供給できる状態となるまで蒸発部１及び燃料改質部２を暖機する必要がある。
【００２５】
そのため、起動直後は、まず蒸発部１に加熱ガスのみを供給して蒸発部１の暖機を行う。蒸発部１が暖機されたら燃料の供給を開始し、加熱ガスにより燃料を蒸発させて燃料ガスを生成する。そして、この燃料ガスを燃料改質部２に供給して、燃料ガスの熱を利用して燃料改質部２を暖機し、燃料改質部２から出てくる改質ガスが所定の水素濃度以上となったところで暖機完了と判断する。このように、燃料電池システムを起動してから、燃料電池システムを正常に運転させるまでには所定の暖機時間が必要である。
【００２６】
しかし、システム起動直後は、蒸発部１と燃料改質部２を結ぶ配管がほぼ常温であることから、蒸発部１で生成された燃料ガスの一部が蒸発部１と燃料改質部２を結ぶ配管部において冷却されて凝縮される。そして、この燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料（以下、「凝縮燃料」という。）が燃料改質部２に流入し、燃料改質部２の触媒に吸着すると、触媒の昇温が遅れたり、触媒反応の開始が遅れたりする原因となる。
【００２７】
そこで、本システムでは、図２に示すように、蒸発部１と燃料改質部２とを接続する配管１１の途中に気相と液相を分離する汽水分離器６を介装し、凝縮燃料が燃料電池部２に流入するのを防止する。燃料ガスの凝縮は配管１１の全域で起こることから汽水分離器６は好ましくは配管１１の最も燃料改質部２に近い位置、あるいは配管１１と燃料改質器２の間に介装される。
【００２８】
次に作用について説明する。
【００２９】
上述の通り、燃料電池システム起動時は、まず蒸発部１に加熱ガスのみが供給され、その熱を利用して蒸発部１の暖機が行われる。そして、蒸発部１が所定温度以上に暖機されたところで蒸発器１への燃料の供給が開始され、燃料ガスの生成が開始される。生成された燃料ガスは汽水分離器６を経て燃料改質部２に供給される。
【００３０】
このとき蒸発部１から燃料改質部２の間の配管１１及び汽水分離器６はまだ常温に近い温度であり、これらを通過する燃料ガスの一部は再び凝縮することになるが、配管１１の途中に介装された汽水分離器６によって凝縮燃料は除去され、気相部分のみが燃料改質部２に供給される。燃料改質部２では燃料改質が行われ、生成された水素リッチな改質ガスが燃料電池部４に供給される。
【００３１】
その後、燃料ガスの熱によって配管１１及び汽水分離器６が昇温すると、燃料ガスの配管内での凝縮がなくなるので、蒸発部１から出てくる燃料ガスと燃料改質器２に供給される燃料ガスはほぼ同じ量（他成分燃料の場合には同じ組成）のガスとなる。
【００３２】
このように、本発明の第１の参考例によれば、常に気相成分のみを燃料改質部２に供給することができるので、燃料改質部２に塗布された触媒を凝縮した燃料によって湿潤させることがなく、触媒の昇温を早めて暖機時間を短縮することができる。
【００３３】
また、汽水分離器６で回収された液相の燃料は、配管１２を介して燃料タンク１３に戻され、再び蒸発部１に供給されるので、燃料を再利用して効率よく用いることができる。なお、汽水分離器６で回収した燃料は汽水分離器６に順次供給される燃料ガスの熱を利用して蒸発させるようにしてもよい。
【００３４】
次に本発明の実施形態について説明する。
【００３５】
図３は本発明の実施形態を示したものである。第１の参考例と異なる部分のみ説明し、共通の部分には同一の引用符号を付して説明を省略する。
【００３６】
この実施形態では、第１の参考例の汽水分離器６に代えて、蒸発部１と燃料改質部２とを接続する配管１１の内側に凝縮燃料を吸着する薬剤２１が塗布されている。燃料ガスの凝縮が配管１１の全域で起こることから、薬剤２１は好ましくは配管１１の全面に塗布され、全面に塗布されない場合は少なくとも最も燃料改質部２に近い位置（燃料改質部２の直前）に吸着に必要な量が塗布される。この様な構成により、燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料を薬剤２１で吸着し、それが燃料改質部に流入するのを防止することができる。
【００３７】
薬剤２１としては例えばシリカゲルが用いられる。シリカゲルには吸湿作用に加え、液相を吸着すると発熱するという特性があるので、液相の燃料の吸着時に発熱して燃料ガスを昇温させることができる。この昇温作用により、より高温のガスを燃料改質部２に供給することができ、燃料改質部２の暖機を早めることができる。また、吸着時の発熱及び蒸発部１から順次供給される燃料ガスの熱により吸着された燃料は蒸発、放出されるので、再生手段を設けることなく繰り返し使用することができる。
【００３８】
なお、ここでは薬剤２１としてシリカゲルを用いたが、吸湿性を有し、吸湿時に発熱する作用を有する他の薬品を用いてもよい。また、吸湿性を有する薬品であれば吸湿時に発熱反応を生じないものであってもよい。これは、自己発熱をしなくても、蒸発部１から順次送られてくる高温の燃料ガスによって吸着されている燃料を気化蒸発させることができるからである。よって、自己発熱しない薬品を用いた場合であっても、シリカゲルを用いた場合と同様に再生手段を有することなく薬品を乾燥させ繰り返し用いることができる。なお、他の薬品としてはゼオライト、活性炭等を用いることができる。
【００３９】
また、ここでは配管１１の内壁に薬剤を直接塗布しているが、ほかの担体表面にこの吸湿性を有する薬剤を塗布しておき、その担体を配管１１内に配置するようにしても良い。さらに、薬剤２１の塗布する位置は上記位置に限定されるものではなく、例えば、配管１１の全域にわたって塗布するようにしてもよく、あるいは、燃料改質部２の入り口に塗布するようにしても良い。
【００４０】
続いて本発明の第２の参考例について説明する。
【００４１】
図４は第２の参考例を示したものである。ここでも第２の参考例と異なる部分のみ説明し、共通の部分は同一の引用符号を付し説明を省略する。
【００４２】
この第２の参考例では、第１の参考例の汽水分離器６に代えて吸湿性材料３１が蒸発部１と燃料改質部２を結ぶ配管１１の途中に配置される。燃料ガスの凝縮が配管１１の全域で起こることから吸湿性材料３１は好ましくは配管１１の最も燃料改質部２に近い位置（燃料改質部２の直前）に配置される。
【００４３】
吸湿性材料３１としては例えばグラスウールなどの多孔質材料を用いることができる。多孔質材料は熱容量が小さいので多孔質部における燃料ガスの凝縮を最小限に抑えると同時に、燃料ガスの凝縮によって生じた液相の燃料を多孔質部に吸着することができる。
【００４４】
また、多孔質に吸着された液相の燃料は蒸発部１から順次供給される高温の燃料ガスによって蒸発させられるので、吸着された液相の燃料が燃料改質部２へ流入するのは確実に防止され、また、多孔質部に燃料が蓄積したままとなることもないので繰り返し使用することができる。
【００４５】
また、吸湿性材料の種類を変更あるいは吸湿性材料の量を調節することにより吸着可能な凝縮燃料量を容易に調節することができる。さらに、多孔質材の穴を利用して燃料を吸着するので上記薬剤を塗布する場合に比べ、より効率よく凝縮燃料を回収できる。
【００４６】
以上、本発明の参考例及び本発明の実施の形態について説明したが、上記参考例及び実施形態の構成は本発明を説明するためのものであり、本発明の技術的範囲を当該構成に限定するものではない。また、上記参考例及び実施形態では、蒸発部と燃料改質部との間の配管における凝縮燃料の除去方法について説明したが、その他の部分における液相の除去において上記除去方法を用いることも可能である。
【００４７】
また、燃料電池システムにおける液相の除去方法として説明したが、その他のシステムにおける液相の除去に適用することも可能である。さらに、燃料電池システムにおいても、メタノールに限らず、他の液体燃料（ガソリン等）を用いる場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例に係る移動体用燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の第１の参考例を示した図である。
【図３】本発明の実施形態を示した図である。
【図４】本発明の第２の参考例を示した図である。
【符号の説明】
１ 蒸発部
２ 燃料改質部
３ 空気供給装置
４ 燃料電池部
６ 汽水分離器
１１ 配管
２１ 吸湿性薬剤
３１ 吸湿性材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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