JP2000133294A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムを小型・軽量で且つ高効率
にする。 【解決手段】 燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電す
る燃料電池スタック２を備える燃料電池システムにおい
て、少なくとも二つの空気供給手段を備え、第一空気供
給手段（３）で前記燃料電池スタック２に空気を供給
し、第二空気供給手段（３、４０）の空気で開閉制御す
る空気制御開閉手段（ＥＶ１〜ＥＶ６）をガス通路開閉
手段として用いることを特徴とする燃料電池システム。

Description

【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
関する。

【０００２】

【従来の技術】大気の汚染をできる限り減らすために自
動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つ
として電気自動車が使用されているが、充電設備や走行
距離などの問題で普及に至っていない。

【０００３】燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分
解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな
発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用し
た自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると
見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質
型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有
望である。

【０００４】前記固体高分子電解質型燃料電池システム
は、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高
分子電解質を挟んだ構造をしている多数のセルが積層さ
れている燃料電池スタック、前記燃料極側に燃料ガスを
供給する燃料ガス供給手段、前記酸化剤極側に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤ガス供給手段及び各種ガス配管と、
それらを制御する制御装置から構成されている。

【０００５】前記燃料ガス供給手段として水素ボンベや
水素吸蔵合金タンクを用いた燃料電池システムもある
が、自動車等車載用では一般的に炭化水素系燃料を燃料
ガスに改質する改質器が用いられている。炭化水素系燃
料は、水素よりエネルギー密度が大きいため単位体積あ
たりの運転時間が長い利点がある。この利点は、自動車
等車載用では走行距離が長い利点となる。また、炭化水
素系燃料は、現在のガソリン貯蔵設備またはガス貯蔵設
備を、そのまま利用することができるので、燃料補給シ
ステムの構築が容易である。

【０００６】前記改質器は、炭化水素系燃料と水を蒸発
させてガス化し、改質触媒（例えば、Ｐｄ触媒とＣｕ−
Ｚｎ触媒等）に接触させて水素を主成分とする燃料ガス
を製造する装置である。炭化水素系燃料としては、メタ
ノール、エタノール、ガソリン等の液体燃料や天然ガ
ス、ＬＰＧ等の気体燃料が考えられる。一般的には、コ
スト、取り扱い性及び改質特性の良さのためメタノール
が用いられる。

【０００７】上記で製造された燃料ガスには、約０．５
〜１％の一酸化炭素が含まれており、そのまま燃料電池
スタックに供給すると燃料極の電極触媒を被毒し、前記
燃料電池スタックの電池性能を低下させる。前記電極触
媒の被毒を防止するため、前記改質器内にＣＯ低減部を
設け空気を供給して燃料ガス中の一酸化炭素を酸化して
二酸化炭素に変換して除去し、一酸化炭素濃度が１０ｐ
ｐｍ以下になった燃料ガスを前記燃料電池スタックに供
給する。

【０００８】前記燃料電池スタックは、前記燃料極側に
供給された燃料ガスと前記酸化剤極側に供給された酸化
剤ガスを使用して電気化学反応により発電する。

【０００９】前記燃料電池スタックの発電を制御するた
め、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの通流を制御する
必要があり、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの管路上
にガスの通流を制御する開閉手段が設けられている。

【００１０】従来技術として、特開平８−７８０３７号
公報には、前記開閉手段として電磁バルブを使用した燃
料電池システムが開示されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術は、大流量を流す燃料電池システムにおいては、前記
電磁バルブは大型化し、その消費電力も大きくなる問題
があった。また、前記電磁バルブは圧力損失も大きい問
題もある。燃料電池システムの高出力化にともない、更
に燃料ガス及び酸化剤ガスの大流量化が指向されている
ので、前記電磁バルブの問題が大きくなる。

【００１２】本発明は上記課題を解決したもので、小型
・軽量で、消費電力が小さく、圧力損失も少なく、耐熱
性が高い開閉手段を使用した小型・軽量で且つ高効率の
燃料電池システムを提供する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、燃料ガスと
酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池スタックを備え
る燃料電池システムにおいて、少なくとも二つの空気供
給手段を備え、第一空気供給手段で前記燃料電池スタッ
クに空気を供給し、第二空気供給手段の空気で開閉制御
する空気制御開閉手段をガス管路の開閉手段として用い
ることを特徴とする燃料電池システムである。

【００１４】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１５】即ち、小型で、消費電力が小さく、圧力損
失も少ない空気制御開閉手段をガス管路の開閉手段とし
て用いているので、小型・軽量で高効率の燃料電池シス
テムができる効果を有する。また、前記空気制御開閉手
段は配線がないため、耐熱性が高く、温度が高い燃料電
池スタックなどの近くにも配置することが可能であるの
で、小型の燃料電池システムができる効果を有する。

【００１６】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記第一空気供給手段が、前
記燃料電池スタックで利用されなかった未利用燃料ガス
を燃焼する燃焼手段を備え、該燃焼手段の排ガスにより
回転するタービンを動力とする空気供給手段であること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。

【００１７】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１８】即ち、未利用燃料ガスの燃焼エネルギー
を、燃料電池システムに必要な空気を供給する空気供給
手段の動力として利用できるので、高効率な燃料電池シ
ステムができる効果を有する。

【００１９】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、前記第一空気供給手段が、前
記タービン及びモータを動力とする空気供給手段である
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムであ
る。

【００２０】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２１】即ち、前記タービンに排ガスを送る燃焼手
段の燃焼が開始していない燃料電池システムの始動時に
モータの動力で空気を供給することができ、定常運転時
には燃料電池スタックから排出される未利用燃料ガスの
燃焼エネルギーを利用して空気を供給することができる
ので、始動時と定常運転時で別の空気供給手段を設ける
必要がなく、燃料電池システムを小型化できる効果を有
する。

【００２２】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、炭化水素系燃料を改質して前
記燃料ガスを製造する改質器を備え、前記第一空気供給
手段により前記燃料電池スタック及び前記改質器に空気
を供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池シ
ステムである。

【００２３】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２４】即ち、炭化水素系燃料は水素よりエネルギ
ー密度が大きいので、単位燃料体積あたりの運転時間が
長い効果を有し、自動車等車載用に利用した場合、単位
燃料体積あたりの走行距離が長い効果を有する。また、
炭化水素系燃料は、水素に比較して貯蔵性・取り扱い性
が良く、燃料補給システムの構築が容易である。

【００２５】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、前記第一空気供給手段と前記
第二空気供給手段が共通の一つの空気供給手段であり、
該空気供給手段の空気を貯蔵する空気貯蔵手段及び該空
気貯蔵手段の圧力を検知する圧力検知手段を備え、前記
空気供給手段と前記空気貯蔵手段の間に空気加圧手段を
備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池シ
ステムである。

【００２６】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２７】即ち、前記空気貯蔵手段により、前記共通
の空気供給手段が起動する前に開く必要のある空気制御
開閉手段を開くことができるので、前記第一空気供給手
段と前記第二空気供給手段を共通の一つの空気供給手段
にでき、小型で軽量な燃料電池システムができる効果を
有する。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。

【００２９】図１は、本発明の第１実施例の固体高分子
電解質型燃料電池システム図である。本第１実施例の構
成を説明する。

【００３０】前記固体高分子電解質型燃料電池システム
は、改質器１、燃料電池スタック２、燃焼手段であるバ
ーナ３及びターボアシストコンプレッサ４から構成され
ている。また前記固体高分子電解質型燃料電池システム
には、空気制御開閉手段であるエアオペレートバルブＥ
Ｖ１〜 ＥＶ６、空気貯蔵手段であるエアタンク５、空
気加圧手段であるエアポンプ６、圧力検知手段である圧
力計７、レギュレータ８及び空気制御開閉手段の制御用
空気を供給する制御用空気管路３１〜３６などが備えら
れている。

【００３１】前記改質器１は、燃料であるメタノールと
水を改質して水素を主成分とする燃料ガスに変換する装
置で、燃焼部１０１、蒸発部１０２、改質部１０３及び
ＣＯ低減部１０４から構成されている。本第１実施例で
は炭化水素系燃料としてメタノールを使用しているが、
特にこれに限定されない。前記改質器１の燃焼部１０１
は、メタノールを貯蔵しているメタノールタンク１１と
メタノールポンプＰ１を介して連結し、エアコンプレッ
サ１３と空気管路１４を介して連結している。前記改質
器１の蒸発部１０２は、前記メタノールタンク１１とメ
タノールポンプＰ２を介して連結し、水を貯蔵している
水タンク１２と水ポンプＰ３を介して連結している。

【００３２】また前記改質器１は、燃料ガス管路１５を
介してエアオペレートバルブＥＶ１と連結している。前
記エアオペレートバルブＥＶ１は、燃料ガス管路１６を
介して燃料電池スタック２の燃料ガス供給口２０１と連
結している。

【００３３】前記ターボアシストコンプレッサ４は、タ
ービン４１、モータ４２、コンプレッサ４３から構成さ
れ、前記タービン４１と前記モータ４２を動力とし前記
コンプレッサ４３で酸化剤ガスである空気を圧縮して供
給する空気供給手段である。前記コンプレッサ４３は、
空気管路３７を介してエアオペレートバルブＥＶ２と連
結している。

【００３４】前記コンプレッサ４３はまた、空気管路３
７から分岐している空気管路２９を介してエアオペレー
トバルブＥＶ５と連結している。同じく前記コンプレッ
サ４３は空気管路３７から分岐している空気管路２９と
該空気管路２９から分岐している空気管路３０を介して
エアオペレートバルブＥＶ６と連結している。

【００３５】前記エアオペレートバルブＥＶ２は、空気
管路１７を介して燃料電池スタック２の酸化剤ガス供給
口２０２と連結している。前記エアオペレートバルブＥ
Ｖ５は、空気管路４７を介して前記改質部１０３と連結
している。前記エアオペレートバルブＥＶ６は、空気管
路４８を介して前記ＣＯ低減部１０４と連結している。

【００３６】前記燃料電池スタック２の未利用燃料ガス
排出口２０３は、未利用燃料ガス管路１８を介してエア
オペレートバルブＥＶ３と連結している。前記エアオペ
レートバルブＥＶ３は、未利用燃料ガス管路２０を介し
てバーナ３の未利用燃料ガス供給口３０１と連結してい
る。

【００３７】前記燃料電池スタック２の未利用空気排出
口２０４は、未利用空気管路１９を介してエアオペレー
トバルブＥＶ４と連結している。前記エアオペレートバ
ルブＥＶ４は、未利用空気管路２１を介してバーナ３の
未利用空気供給口３０２と連結している。

【００３８】バーナ３は、未利用燃料ガスを燃焼する燃
焼手段である。前記バーナ３の排ガス排出口３０３は、
排ガス管路４９を介してターボアシストコンプレッサ４
のタービン４１と連結している。

【００３９】エアタンク５は空気管路２３を介してエア
ポンプ６と連結し、空気管路２４を介してシャットバル
ブＳＶ２と連結している。前記エアタンクには、エアタ
ンク内に貯蔵されている空気の圧力を検知する圧力計７
が備えられている。

【００４０】前記シャットバルブＳＶ２は、空気管路２
５を介してレギュレータ８と連結している。前記レギュ
レータ８は、空気管路２７を介してエアオペレート制御
用ユニット電磁弁９と連結している。前記エアオペレー
ト制御用ユニット電磁弁９は、信号線３８を介して電磁
弁制御部１０と連結している。

【００４１】前記エアオペレート制御用ユニット電磁弁
９は、前記電磁弁制御部１０の命令によりエアオペレー
トバルブＥＶ１〜６に供給する制御用空気の開閉を制御
する電磁弁を集合させたユニットである。前記電磁弁
は、ＯＮ時には弁が開き空気をエアオペレートバルブに
供給し、ＯＦＦ時には弁が閉じると同時にエアオペレー
トバルブの空気を排出する機能を持っている。

【００４２】前記エアオペレート制御用ユニット電磁弁
９は、制御用空気管路３１を介してエアオペレートバル
ブＥＶ１と連結し、制御用空気管路３２を介してエアオ
ペレートバルブＥＶ２と連結し、制御用空気管路３３を
介してエアオペレートバルブＥＶ３と連結している。更
に前記エアオペレート制御用ユニット電磁弁９は、制御
用空気管路３４を介してエアオペレートバルブＥＶ４と
連結し、制御用空気管路３５を介してエアオペレートバ
ルブＥＶ５と連結し、制御用空気管路３６を介してエア
オペレートバルブＥＶ６と連結している。

【００４３】前記レギュレータ８は、前記空気管路２７
から分岐している空気管路２６を介してシャットバルブ
ＳＶ１と連結している。前記シャットバルブＳＶ１は、
空気管路２８を介して空気管路３７と連結している。前
記エアポンプ６は、空気管路２２、２８を介して空気管
路３７と連結している。

【００４４】前記エアオペレートバルブＥＶ１〜 ＥＶ
６は、空気の圧力で弁を開閉する空気制御開閉手段であ
る。図２は、本発明の第１実施例に用いたエアオペレー
トバルブの断面図である。

【００４５】前記エアオペレートバルブは、バルブ本体
５０、弁体５１、スプリング５５、上蓋部５７、下蓋部
５８から構成されている。前記バルブ本体５０には、ガ
ス入口部５３、ガス出口部５４が設けられている。前記
上蓋部５７には、制御用空気供給口５２が設けられてい
る。５６は、前記エアオペレートバルブを閉じたとき
に、前記バルブ本体５０と前記弁体５１が接触してガス
の通過を遮断してシールするシール部である。前記スプ
リング５５は下蓋部５８で保持され、弁体５１を保持し
ている。

【００４６】制御用空気が前記制御用空気供給口５２に
供給されていないとき、前記弁体５１は前記スプリング
５５により上方に押し上げられ前記シール部５６で前記
バルブ本体５０と前記弁体５１が接触している。前記シ
ール部５６によりガスの通過が遮断され、エアオペレー
トバルブは閉状態になる。制御用空気が前記制御用空気
供給口５２に供給されると前記弁体が下方に押し下げら
れ、前記シール部５６が開かれてエアオペレートバルブ
は開状態になる。

【００４７】燃料電池システムは大量のガスを使用する
必要があるが、エアオペレートバルブは、大流量を流す
場合にも小型であり、空気で制御しているので消費電力
が少なく、圧力損失が小さい。また、エアオペレートバ
ルブは、配線がないので耐熱性が高く、温度が高い改質
器１や燃料電池スタック２の近くに配置することができ
る。

【００４８】エアオペレートバルブに制御用空気を供給
するために電磁弁を使用しているが、制御用空気の流量
は非常に小さいので前記電磁弁は小型で消費電力が小さ
い。また、前記電磁弁は、温度の高い場所から離して配
置できるので、耐熱性が高い必要はない。なお、空気制
御開閉手段は前記エアオペレートバルブの構造に限定さ
れず、空気で開閉制御する構造であればよい。また、エ
アオペレートバルブを使用する管路は実施例以外にも考
えられる。

【００４９】図３は、本発明の第１実施例の固体高分子
電解質型燃料電池システムの起動時のフローチャート図
である。図１、３を使用して本第１実施例の動作及び作
用について説明する。

【００５０】燃料電池システムが停止しているときは、
シャットバルブＳＶ１、 ＳＶ２及びエアオペレートバ
ルブＥＶ１〜 ＥＶ６は閉じられている。燃料電池シス
テムが起動されると、ステップＳ１０１でシャットバル
ブＳＶ２が開き、エアタンク５内の貯蔵されている空気
をレギュレータ８で約１ｋｇ／ｃｍ^２のゲージ圧に減圧
してエアオペレート制御用ユニット電磁弁９に供給す
る。

【００５１】次に、ステップＳ１０２で、電磁弁制御部
１０の命令によりエアオペレート制御用ユニット電磁弁
９のエアオペレートバルブＥＶ２、 ＥＶ４に制御用空
気を供給する電磁弁を開き、前記エアオペレートバルブ
ＥＶ２、 ＥＶ４を開く。

【００５２】ステップＳ１０３でモータ４２を起動して
ターボアシストコンプレッサ４を起動する。前記ターボ
アシストコンプレッサ４のコンプレッサ４３により空気
を圧縮し燃料電池スタック２の酸化剤ガス供給口２０２
に供給する。

【００５３】この時、メタノールタンク１１からメタノ
ールポンプＰ１によりメタノールを改質器１の燃焼部１
０１に供給する。同時にエアーコンプレッサ１３も起動
し前記燃焼部１０１に空気を供給する。 前記燃焼部１
０１に供給されたメタノールは、前記エアーコンプレッ
サ１３から供給された空気を助燃剤として燃焼し、蒸発
器１０２を加熱する。

【００５４】メタノールタンク１１からメタノールポン
プＰ２によりメタノールが、また水タンク１２から水ポ
ンプＰ３により水が、改質器１の蒸発部１０２に供給さ
れる。供給された水とメタノールは、前記改質器１の蒸
発部１０２で気化され改質部１０３に送られる。

【００５５】ステップ１０４で、電磁弁制御部１０の命
令によりエアオペレート制御用ユニット電磁弁９のエア
オペレートバルブＥＶ５、 ＥＶ６に制御用空気を供給
する電磁弁を開き、前記エアオペレートバルブＥＶ５、
ＥＶ６を開く。これにより、ターボアシストコンプレ
ッサ４のコンプレッサ４３から改質部１０３及びＣＯ低
減部１０４に空気を供給する。

【００５６】前記改質部１０３では、水とメタノールの
蒸気に前記コンプレッサ４３から供給した空気を混合
し、改質触媒（例えば、Ｐｄ触媒とＣｕ−Ｚｎ触媒等）
により水素を主成分とする燃料ガスに下記の反応で改質
してＣＯ低減部１０４に送る。

【００５７】 ＣＨ_３ＯＨ ＋０．１３Ｏ_２ ＋０．４７Ｎ_２ ＋０．７５Ｈ_２Ｏ → ２．７５Ｈ_２Ｏ ＋ＣＯ_２ ＋０．４７Ｎ_２ 前記燃料ガスは一酸化炭素を０．５〜１％含んでおり、
前記ＣＯ低減部１０４のＣＯ低減触媒（例えば、Ｐｔ触
媒等）により一酸化炭素を前記コンプレッサ４３から供
給した空気で酸化して二酸化炭素に変え、一酸化炭素濃
度を１０ｐｐｍ以下にして燃料ガスを燃料電池スタック
２に送る。

【００５８】ステップ１０５で、電磁弁制御部１０の命
令によりエアオペレート制御用ユニット電磁弁９のエア
オペレートバルブＥＶ１、 ＥＶ３に制御用空気を供給
する電磁弁を開き、前記エアオペレートバルブＥＶ１、
ＥＶ３を開く。これにより、一酸化炭素濃度１０ｐｐｍ
以下の燃料ガスが燃料電池スタック２の燃料ガス供給口
２０１に供給される。

【００５９】前記燃料電池スタック２では、供給された
燃料ガスと空気を用いて電気化学反応により発電する。
前記燃料電池スタック２では燃料ガス中の水素は１００
％利用されることはなく、およそ８０％の利用率であ
る。前記燃料電池スタック２で利用されなかった未利用
燃料ガスは、未利用燃料ガス排出口２０３から排出さ
れ、未利用燃料ガス管路１８、２０を介してバーナ３の
未利用燃料ガス供給口３０１に送られる。

【００６０】一方、前記燃料電池スタック２には、過剰
の空気を供給しているので未利用空気が未利用空気排出
口２０４から排出される。前記未利用空気は、未利用空
気管路１９、２１を介してバーナ３の未利用空気供給口
３０２に送られる。

【００６１】前記バーナ３では、前記燃料電池スタック
２から送られた未利用燃料ガスと未利用空気で燃焼す
る。前記バーナ３の排ガスは排ガス排出口３０３から排
出され、排ガス管路４９を介してターボアシストコンプ
レッサ４のタービン４１に送られ、該タービン４１を回
転する。

【００６２】前記タービン４１の回転により前記コンプ
レッサが回転されるので、前記モータ４２の負荷が低減
され、電力が節約できる。補助電力が限られている自動
車等車載用の燃料電池システムでは、この効果は重要で
ある。更に、前記燃料電池システムの定常運転時には、
未利用燃料ガスの燃焼エネルギーが十分あるので、前記
モータを動かす必要がなくなり前記モータは停止され
る。

【００６３】ステップＳ１０６で、シャットバルブＳＶ
１を開き、直ちにステップ１０７で、シャットバルブＳ
Ｖ２を閉じる。これにより、エアオペレート制御用ユニ
ット電磁弁９に供給される空気は、エアタンク５の空気
からコンプレッサ４３により圧縮された空気に切り替え
られる。

【００６４】ステップＳ１０８で、エアポンプ６が起動
し、コンプレッサ４３により圧縮された空気を更に加圧
してエアタンク５に貯蔵する。エアタンク５内の空気圧
力は、圧力計７で検知されている。

【００６５】ステップＳ１０９で前記エアタンク５内の
空気圧力があらかじめ決められた設定圧力以上であるか
判断し、前記空気圧力が設定圧力より小さい間、ステッ
プＳ１０９を繰り返す。前記空気圧力が設定圧力以上で
あればステップＳ１１０に進む。

【００６６】ステップＳ１１０ではエアポンプ６を停止
する。前記エアタンク５には設定圧力の空気が貯蔵さ
れ、次の燃料電池システムの起動時に利用される。即
ち、前記エアポンプ６は、コンプレッサ４３から供給さ
れる空気を更に高圧に加圧して前記エアタンク５に空気
を貯蔵するもので、ここではエアオペレートバルブに使
用された空気を補充している。前記エアポンプ６により
高圧にできるので、前記エアタンク５を小型化すること
ができる。

【００６７】これで、燃料電池システムは定常運転状態
になる。本第１実施例は、エアタンク５に貯蔵した空気
により燃料電池システムに必要なガス管路の開閉手段の
開閉を制御しているので、小型・軽量で且つ高効率の燃
料電池システムになっている。

【００６８】図４は、本発明の第２実施例の固体高分子
電解質型燃料電池システム図である。まず、前記第２実
施例の構成について説明する。第１実施例と同じ部品に
は第１実施例と同じ符号を付け、説明は省略する。

【００６９】４０は、空気制御開閉手段に制御用空気を
供給する空気供給手段であるエアコンプレッサである。
この制御用空気の流量は非常に小さいので、前記エアコ
ンプレッサ４０は小型のものでよい。

【００７０】前記エアコンプレッサ４０は、空気管路３
９を介してシャットバルブＳＶ４と連結している。前記
シャットバルブＳＶ４は、空気管路４４を介してシャッ
トバルブＳＶ３と連結している。前記空気管路４４は中
間点４８で分岐し、該中間点４８は空気管路４５を介し
てエアオペレート制御用ユニット電磁弁９と連結してい
る。前記シャットバルブＳＶ３は、空気管路４６を介し
て空気管路３７と連結している。図５は、本発明の第２
実施例の固体高分子電解質型燃料電池システム起動時の
フローチャート図である。図４、５を使用して本第２実
施例の動作及び作用について説明する。

【００７１】燃料電池システムが停止しているときは、
シャットバルブＳＶ３、 ＳＶ４及びエアオペレートバ
ルブＥＶ１〜 ＥＶ６は閉じられている。燃料電池シス
テムが起動されると、ステップＳ２０１でシャットバル
ブＳＶ４が開き、続いてステップＳ２０２で、エアコン
プレッサ４０を起動し空気を圧縮してエアオペレート制
御用ユニット電磁弁９に供給する。

【００７２】次に、ステップＳ２０３で、電磁弁制御部
１０の命令によりエアオペレート制御用ユニット電磁弁
９のエアオペレートバルブＥＶ２、 ＥＶ４に制御用空
気を供給する電磁弁を開き、前記エアオペレートバルブ
ＥＶ２、 ＥＶ４を開く。

【００７３】ステップＳ２０４でモータ４２を起動して
ターボアシストコンプレッサ４を起動する。前記ターボ
アシストコンプレッサ４のコンプレッサ４３により空気
が圧縮されて燃料電池スタック２の酸化剤ガス供給口２
０２に空気が供給される。

【００７４】この時、メタノールタンク１１からメタノ
ールポンプＰ１によりメタノールが改質器１の燃焼部１
０１に供給される。同時にエアーコンプレッサ１３も起
動される。前記燃焼部１０１に供給されたメタノール
は、前記エアーコンプレッサ１３から供給された空気を
助燃剤として燃焼し、蒸発器１０２を加熱する。

【００７５】メタノールタンク１１からメタノールポン
プＰ２によりメタノールが、また水タンク１２から水ポ
ンプＰ３により水が、改質器１の蒸発部１０２に供給さ
れる。供給された水とメタノールは、前記改質器１の蒸
発部１０２で気化され改質部１０３に送られる。

【００７６】ステップ２０５で、電磁弁制御部１０の命
令によりエアオペレート制御用ユニット電磁弁９のエア
オペレートバルブＥＶ５、 ＥＶ６に制御用空気を供給
する電磁弁を開き、前記エアオペレートバルブＥＶ５、
ＥＶ６を開く。これにより、ターボアシストコンプレ
ッサ４のコンプレッサ４３から改質部１０３及びＣＯ低
減部１０４に空気が供給される。

【００７７】前記改質部１０３では、水とメタノールの
蒸気に前記コンプレッサ４３から供給した空気を混合
し、改質触媒により水素を主成分とする燃料ガスに改質
してＣＯ低減部１０４に送る。前記ＣＯ低減部１０４で
は、ＣＯ低減触媒により一酸化炭素を前記コンプレッサ
４３から供給した空気で酸化して酸化炭素濃度に変え、
一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にして燃料ガスを燃料
電池スタック２に送る。

【００７８】ステップ２０６で、電磁弁制御部１０の命
令によりエアオペレート制御用ユニット電磁弁９のエア
オペレートバルブＥＶ１、 ＥＶ３に制御用空気を供給
する電磁弁を開き、前記エアオペレートバルブＥＶ１、
ＥＶ３を開く。これにより、一酸化炭素濃度１０ｐｐ
ｍ以下の燃料ガスが燃料電池スタック２の燃料ガス供給
口２０１に供給される。

【００７９】前記燃料電池スタック２では、供給された
燃料ガスと空気を用いて電気化学反応により発電する。
前記燃料電池スタック２で利用されなかった未利用燃料
ガスは、未利用燃料ガス排出口２０３から排出され、未
利用燃料ガス管路１８、２０を介してバーナ３の未利用
燃料ガス供給口３０１に送られる。

【００８０】一方、前記燃料電池スタック２には、過剰
の空気を供給しているので未利用空気が未利用空気排出
口２０４から排出される。前記未利用空気は、未利用空
気管路１９、２１を介してバーナ３の未利用空気供給口
３０２に送られる。

【００８１】前記バーナ３では、前記燃料電池スタック
２から送られた未利用燃料ガスと未利用空気で燃焼す
る。前記バーナ３の排ガスは排ガス排出口３０３から排
出され、排ガス管路４９を介してターボアシストコンプ
レッサ４のタービン４１に送られ、該タービン４１を回
転する。

【００８２】前記タービン４１の回転により前記コンプ
レッサが回転されるので、前記モータ４２の負荷が低減
され、電力が節約できる。更に、前記燃料電池システム
の定常運転時には、未利用燃料ガスの燃焼エネルギーが
十分あるので、前記モータを動かす必要がなくなり前記
モータは停止される。

【００８３】ステップＳ２０７で、シャットバルブＳＶ
３を開き、直ちにステップ２０８で、シャットバルブＳ
Ｖ４を閉じ、更にステップ２０９でエアコンプレッサ４
０を停止する。これにより、エアオペレート制御用ユニ
ット電磁弁９に供給される空気は、前記エアコンプレッ
サ４０により圧縮された空気からコンプレッサ４３によ
り圧縮された空気に切り替えられる。これで、燃料電池
システムは定常運転状態になる。

【００８４】本第２実施例は、小型のエアコンプレッサ
４０から供給される空気により燃料電池システムに必要
なガス管路の開閉手段の開閉を制御しているので、小型
・軽量で且つ高効率の燃料電池システムになっている。

【００８５】なお、本第１、第２実施例では、燃料電池
スタックに空気を供給する空気供給手段としてターボア
シストコンプレッサを使用しているが、特にこれに限定
されず一般的なコンプレッサを使用してもよい。前記タ
ーボアシストコンプレッサを使用することにより、燃料
電池スタックで利用されなかった未利用燃料ガスを利用
することができるので、燃料電池システムの効率を向上
することができる。

【００８６】

【発明の効果】以上のように、本発明は、燃料ガスと酸
化剤ガスを利用して発電する燃料電池スタックを備える
燃料電池システムにおいて、少なくとも二つの空気供給
手段を備え、第一空気供給手段で前記燃料電池スタック
に空気を供給し、第二空気供給手段の空気で開閉制御す
る空気制御開閉手段をガス通路開閉手段として用いるこ
とを特徴とする燃料電池システムであるので、小型・軽
量で、消費電力が小さく、圧力損失も少なく、耐熱性が
高い開閉手段を使用しているため、小型・軽量で且つ高
効率のシステムにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の固体高分子電解質型燃料
電池システム図

【図２】本発明の第１実施例の固体高分子電解質型燃料
電池システム起動時のフローチャート図

【図３】本発明の第１実施例に用いたエアオペレートバ
ルブの断面図

【図４】本発明の第２実施例の固体高分子電解質型燃料
電池システム図

【図５】本発明の第２実施例の固体高分子電解質型燃料
電池システム起動時のフローチャート図

【符号の説明】

１…改質器 ２…燃料電池スタック ３…バーナ（燃焼手段） ４…ターボアシストコンプレッサ（第一空気供給手段、
第二空気供給手段） ５…エアタンク（空気貯蔵手段） ６…エアポンプ（空気加圧手段） ７…圧力計（圧力検知手段） ４０…エアコンプレッサ（第二空気供給手段） ４１…タービン ４２…モータ ４３…コンプレッサ（空気供給手段） ＥＶ１〜 ＥＶ６…エアオペレートバルブ（空気制御開
閉手段）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電す
   る燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおい
   て、少なくとも二つの空気供給手段を備え、第一空気供
   給手段で前記燃料電池スタックに空気を供給し、第二空
   気供給手段の空気で開閉制御する空気制御開閉手段をガ
   ス通路開閉手段として用いることを特徴とする燃料電池
   システム。
2. 【請求項２】 前記第一空気供給手段が、前記燃料電池
   スタックで利用されなかった未利用燃料ガスを燃焼する
   燃焼手段を備え、該燃焼手段の排ガスにより回転するタ
   ービンを動力とする空気供給手段であることを特徴とす
   る請求項１記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記第一空気供給手段が、前記タービン
   及びモータを動力とする空気供給手段であることを特徴
   とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 炭化水素系燃料を改質して前記燃料ガス
   を製造する改質器を備え、前記第一空気供給手段により
   前記燃料電池スタック及び前記改質器に空気を供給する
   ことを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の燃料
   電池システム。
5. 【請求項５】 前記第一空気供給手段と前記第二空気供
   給手段が共通の一つの空気供給手段であり、該空気供給
   手段の空気を貯蔵する空気貯蔵手段及び該空気貯蔵手段
   の圧力を検知する圧力検知手段を備え、前記空気供給手
   段と前記空気貯蔵手段の間に空気加圧手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。