JP2000251914A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムにおいて、従来と比べてシ
ステム構成が簡素で、且つ起動を迅速に行うことのでき
るものを提供する。 【解決手段】 水蒸気改質器１０と、ＣＯ変成器２０
と、ＣＯ除去器３０と、燃料電池本体４０とから構成さ
れている。燃料電池４０には、これに空気を供給するた
めの空気供給ダクト５０が連結され、ＣＯ変成器２０及
びＣＯ除去器３０は、この空気供給ダクト５０を流通す
る空気と熱交換できるように設置されている。起動時に
は、空気ファン５１で取り込んだ空気をバーナ５２で加
熱して送り込み、通常運転時には、空気ファン５１で取
り込んだ空気をそのまま送り込む。燃料電池４０には水
循環経路６０が接続されており、起動時には熱交換器６
３で加温された水が燃料電池４０に流れる。

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
に関し、特に、固体高分子型の燃料電池システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムにおいては、一般的に
比較的容易かつ安価に入手することができる天然ガス，
ナフサ等の軽質炭化水素やメタノール等のアルコール類
の燃料を改質することによって水素リッチな改質ガスを
生成し、この改質ガスを燃料電池の燃料極側に送り込む
と共に、燃料電池の空気極側にはファンで空気を送り込
み、電気化学的に反応させることによって発電するよう
になっている。

【０００３】燃料を改質する装置としては、特開平５−
３０３９７０号公報に記載されているように、水蒸気改
質器の改質用触媒をバーナで高温に保ちながら、燃料と
スチームとを流通させることによって水蒸気改質するも
のが多く用いられているが、高温で水蒸気改質した改質
ガスには、燃料電池のアノード触媒劣化の原因となる一
酸化炭素も多く含まれるので、改質装置に付設したＣＯ
変成器でＣＯ変成反応することにより一酸化炭素の濃度
を低減している。

【０００４】また燃料を改質する装置として、特願平８
−２５９７７５号公報に記載されているように、燃料ガ
スを空気と混合して部分酸化触媒層を通過させて部分酸
化してから、水蒸気改質やＣＯ変成反応を行うものも開
発されている。このように燃料を部分酸化するタイプで
は、バーナを用いなくても部分酸化触媒層をその運転温
度に維持することができる。

【０００５】燃料電池は、電解質膜の一方の側にカソー
ドが配され他方の側にアノードが配されたセルが、リブ
及びガスチャネルが形成されたセパレータ部材で挟持さ
れたものを基本構造とし、実用化されている燃料電池の
多くは、このような基本構造を多数積層させた構成とな
っている。燃料電池には、電解質の種類によっていろい
ろなタイプのものがあるが、その中で固体高分子膜を用
いた固体高分子型の燃料電池は、低温運転で比較的高い
性能を得ることができるという優れた点があり、固体高
分子型燃料電池システムの開発も進められている。

【０００６】ただし、固体高分子型燃料電池システムの
場合、運転時に固体高分子膜のイオン導電性を確保する
ためにこれを湿潤させる機構が必要である。また、ＣＯ
変成器において改質ガス中の一酸化炭素は１００ｐｐｍ
程度の濃度に低減できるが、固体高分子型のように比較
的低温で運転する燃料電池の場合、アノード極の触媒劣
化を防止するために、供給する改質ガス中の一酸化炭素
濃度を更に低レベルにすることが必要であるため、ＣＯ
除去器を付設した燃料電池システムも開発されている。
例えば、特開平８−１０６９１３号公報には、改質装置
で生成した改質ガスに対して、ＣＯ除去器で空気を混合
し選択酸化触媒層を通過させることによって一酸化炭素
を１００ｐｐｍ程度以下の低レベルの濃度に落としてか
ら、燃料電池の燃料極側に供給する固体高分子型の燃料
電池システムが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
燃料電池システムにおいて、その起動時においては、燃
料電池、水蒸気改質器あるいは部分酸化反応器、ＣＯ変
成器、ＣＯ除去器における各触媒層を所定の運転温度ま
で昇温させ、定常運転時には、これらをその運転温度に
維持する必要がある。

【０００８】従来の燃料電池システムにおいて、燃料電
池の一般的な温度調整方法としては、特開平７−２２０
５３号公報に開示されているように、起動時には熱媒体
を燃料電池に流通させて昇温させ、定常運転時には発電
に伴って発生する熱を奪うために、冷却水を燃料電池に
流通させて冷却する方法が知られている。また、ＣＯ変
成器の起動時おける昇温方法としては、ＣＯ変成器に取
り付けたバーナで昇温したり、上記特開平５−３０３９
７０号公報に示されているようにＣＯ変成器に取り付け
た電気ヒータで加熱するといった方法が知られており、
ＣＯ除去器においても同様に、起動時における昇温方法
として、ＣＯ除去器に取り付けたバーナ等で加熱する方
法が知られている。

【０００９】このような燃料電池システムは、起動時の
昇温や運転温度の制御をうまく行うことを考慮して設計
されているものとは思われるが、更に、起動を迅速に行
うことやシステム構成を簡素にすることが望まれる。本
発明は、このような課題に鑑み、燃料電池システムにお
いて、従来と比べてシステム構成が簡素で、且つ起動を
迅速に行うことのできるものを提供することを目的とし
てなされたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、燃料を改質すると共にＣＯ変成器及びＣ
Ｏ除去器の少なくとも一方を経由して水素リッチな改質
ガスを生成し、生成した改質ガスを燃料電池のアノード
側に取り込むと共に、空気を空気流通路から燃料電池の
カソード側に取り込んで発電する燃料電池システムにお
いては、空気流通路に、流通する空気を加熱することの
できる加熱手段を設けると共に、ＣＯ変成器及びＣＯ除
去器の少なくとも一方を、流通する空気と熱交換するこ
とが可能な状態で、加熱手段から熱の供給を受ける位置
に設けることとした。

【００１１】また、燃料を部分酸化改質器で部分酸化し
て改質した後、水素リッチな改質ガスを生成し、生成し
た改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと共に、
空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取り込ん
で発電する燃料電池システムにおいては、空気流通路
に、流通する空気を加熱することのできる加熱手段を設
け、部分酸化改質器、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少な
くとも一つを、空気流通路を流通する空気と熱交換する
ことが可能な状態で、加熱手段から熱の供給を受ける位
置に設けることとした。

【００１２】ここで、加熱手段というのは、対象物を加
熱できるものであって、具体的には、バーナ、電熱ヒー
タ、触媒燃焼器などである。また、「加熱手段から熱の
供給を受ける位置」というのは、間接的もしくは直接的
に加熱手段で発した熱を受けることのできるような位置
であって、具体的には、空気流通路において加熱手段よ
りも下流側の位置、あるいは、加熱手段と熱交換できる
ようにこれと隣接する位置である。

【００１３】上記のようなシステム構成によれば、起動
時において、空気流通路を流通する空気は加熱手段で加
熱されて燃料電池のカソード側に供給されるので、燃料
電池の各セルやセパレータ部材がこの空気で直接的に加
熱され、燃料電池を迅速に且つエネルギ効率よく昇温す
ることができる。またそれと共に、起動時においては、
上記のように設置されたＣＯ変成器、ＣＯ除去器、部分
酸化改質器は、加熱手段から熱を受けて昇温することが
できる。

【００１４】一方、定常運転時においては、上記加熱手
段を作動させずに、空気流通路を流通する空気でこのＣ
Ｏ変成器やＣＯ除去器、もしくは部分酸化改質器を冷却
すると共に、燃料電池を空冷することができる。従っ
て、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、部分酸化改質器には、上
記加熱手段と別個に起動用のバーナやヒータを設ける必
要がないので、それだけ従来の燃料電池システムと比べ
て構成が簡素となる。

【００１５】ここで、燃料電池が固体高分子型である場
合、加熱手段として、空気流通路を流通する空気に燃料
を混合して燃焼させる燃焼装置（具体的にはバーナや触
媒燃焼装置）を用いれば、起動時において、燃焼に伴っ
て発生する水分も燃料電池のカソード側に供給され、固
体高分子膜が加湿されるので、燃料電池を早く運転に適
した状態にすることができる。

【００１６】また、空気流通路に、流通する空気を加湿
する加湿手段を設けることによっても同様に固体高分子
膜を加湿する効果を奏する。また、加熱手段として触媒
燃焼器を用い、その燃焼触媒層を、上記のＣＯ変成器、
ＣＯ除去器及び部分酸化改質器の少なくとも一つと熱交
換可能な状態で、空気流通路に介在させて設けると、起
動時には触媒燃焼によって燃焼触媒層は高温となり、定
常運転中も、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器あるいは部分酸化
改質器との熱交換によって燃焼触媒層は高温となる。従
って、起動時にも運転時にも、空気流通路を流通する空
気は、この高温の燃焼触媒層を通過することになるの
で、燃料電池のカソード触媒にとって有害な不純物（特
に有機物）が空気中に含まれていたとしても、燃焼触媒
層を通過するときに除去される。これは、燃料電池のセ
ル電圧の低下を抑え、電池の長寿命化にも寄与する。

【００１７】また更に、空気流通路に、これを流通する
空気と、燃料電池に供給される伝熱媒体との間で熱交換
を行う熱交換器を設けるようにすれば、起動時における
燃料電池の加熱並びに定常運転時における燃料電池の冷
却が、この熱媒体を介しても行われるので、起動時にお
ける燃料電池の昇温並びに運転時における温度調整をよ
り効率よく行うことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕 （燃料電池システムの全体構成）図１は、本実施の形態
にかかる燃料電池システムの構成図であり、図２は、こ
の燃料電池システムの斜視図である。

【００１９】この燃料電池システムは、燃料を水蒸気改
質することによって水素リッチな改質ガスに変換する水
蒸気改質器１０と、水蒸気改質器１０で生成された改質
ガスに含まれる一酸化炭素を水蒸気で変成することによ
り一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ変成器２０と、ＣＯ
変成器２０で処理された改質ガス中の一酸化炭素を選択
的に酸化することにより一酸化炭素を除去するＣＯ除去
器３０と、ＣＯ除去器３０で処理された改質ガスと空気
とを用いて発電する燃料電池本体４０とから構成されて
いる。

【００２０】そして、燃料電池４０には、これに空気を
供給するための空気供給ダクト５０が連結され、空気フ
ァン５１で取り込んだ空気をバーナ５２で加熱して送り
込めるようになっている。また、上記ＣＯ変成器２０及
びＣＯ除去器３０は、バーナ５２の下流側において、こ
の空気供給ダクト５０を流通する空気と熱交換できるよ
うに設置されている。

【００２１】また、燃料電池４０には水循環経路６０が
接続されており、運転時には水循環経路６０に水を流通
させて燃料電池４０を加熱または冷却しながら運転でき
るようになっている。 （各部の詳細な説明）水蒸気改質器１０は、内部に水蒸
気改質用の触媒が充填された改質触媒槽１１と、これを
加熱するバーナ１２と、バーナ１２に空気を供給するフ
ァン１６とから成り、定常運転時には改質触媒槽１１を
バーナ１２で高温に加熱しながら、これに燃料供給源１
３からの燃料と水蒸気供給源（ボイラ等）１４から送ら
れる水蒸気（１００℃〜３００℃程度）を供給して、燃
料を水蒸気改質することによって、水素リッチな改質ガ
スを生成する。

【００２２】燃料供給源１３は、天然ガス（ＬＰＧ），
ナフサ等の軽質炭化水素やメタノール等のアルコール類
を、燃料として供給するものである。燃料としてここで
はＬＰＧを用い、改質触媒槽１１の水蒸気改質用触媒と
して、ここでは粒状の貴金属触媒を用いる。運転中、改
質用触媒の温度は、５００〜８００℃程度に維持する必
要があるので、バーナ１２で加熱する。バーナ１２は、
バーナ用燃料源１５からの燃料の他に、燃料電池４０の
アノードガスチャネル４３から排出される未反応ガスを
用いて燃焼するようになっている。

【００２３】なお、水蒸気改質器１０では、水素と共に
一酸化炭素も副生されるので、生成された高温（５００
〜８００℃）の改質ガス中には一酸化炭素がかなり含有
されている。この改質ガスの成分は、例えば、水素が約
６０ｖｏｌ％，一酸化炭素が約１０ｖｏｌ％，水蒸気が
約２０ｖｏｌ％が含まれ、この他に二酸化炭素，メタン
等が含まれる。

【００２４】ＣＯ変成器２０は、筒形のガス流通反応管
２１の中にＣＯ変成用の触媒が充填されたものである。
ＣＯ変成用触媒の具体例としては、タブレット状の銅−
亜鉛系触媒を挙げることが出来る。定常運転時には、触
媒層を１８０℃〜２５０℃程度の温度範囲に保ちながら
水蒸気改質器１０からの改質ガスを流通させることによ
って、改質ガスに含まれている一酸化炭素を下記反応式
のように水蒸気を用いて二酸化炭素に変成する。

【００２５】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋Ｈ₂…（化１） これによって、改質ガス中の一酸化炭素濃度は１ｖｏｌ
％（１０，０００ｐｐｍ）程度まで低減させることがで
きる。ここでの改質ガスの成分は、例えば、水素が約７
０ｖｏｌ％，一酸化炭素が１ｖｏｌ％含まれ、この他に
二酸化炭素，メタン等も含まれる。

【００２６】ＣＯ除去器３０は、筒形のガス流通反応管
３１の中にＣＯ選択酸化触媒が充填されたものである。
ＣＯ選択酸化触媒としては、一般的に、ハニカム状、タ
ブレット状あるいは球状に成型されたアルミナ多孔体
に、白金，パラジウム，ロジウム，ルテニウム等の貴金
属を担持させた触媒が用いられる（ここでは、ルテニウ
ムを担持させた粒状触媒を用いる）。

【００２７】定常運転時には、選択酸化触媒層を１００
〜２００℃程度の温度範囲に保ちながら、ＣＯ変成器２
０から送り出される改質ガスに空気を少量（１〜３ｖｏ
ｌ％）添加して当該触媒層を流通させることによって、
一酸化炭素を選択的に酸化する。これによって、一酸化
炭素の濃度は１０〜１００ｐｐｍ程度の低レベルまで低
減することができる。ここでの改質ガスの成分は、例え
ば、水素が約７５ｖｏｌ％，一酸化炭素が１０〜１００
ｐｐｍ含まれ，この他に二酸化炭素，メタン等が含まれ
る。

【００２８】この空気は、本実施の形態では、図１に示
すように、ポンプ２２から送り込まれるようになってい
るが、ガスバーナの空気取入れ口に一般的に用いられて
るような空気を吸引するエゼクタ機構を、ポンプ２２の
代わりに設けてもよい。燃料電池４０は、電解質膜にア
ノードとカソードとが配されてなるセル４１が、図２の
ようにセパレータ板４２を介して多数枚積層されたもの
であって、セパレータ板４２のアノードと対向する面に
はアノードガスチャネル４３、カソードと対向する面に
はカソードガスチャネル４４が形成されている。燃料電
池４０には、運転時に冷却水を流通させる水チャネル４
５が形成された冷却プレート４６も介挿されている。こ
こでは、セル４１数が５枚積層されるごとに冷却プレー
ト４６が１枚づつ介挿されている。

【００２９】なお、本実施形態では、燃料電池４０のタ
イプは固体高分子型であって、電解質膜として固体高分
子膜が用いられているものとする。図２ではアノードガ
スチャネル４３は見えないが、燃料電池４０内でアノー
ドガスチャネル４３が縦方向に走り、カソードガスチャ
ネル４４が横方向に走っている。

【００３０】定常運転時には、ＣＯ除去器３０で処理さ
れた改質ガスは、燃料電池４０内のマニホールドを経由
してアノードガスチャネル４３に送り込まれると共に、
空気ファン５１で取り込まれる外気が空気供給ダクト５
０を経由してカソードガスチャネル４４に送り込まれ、
燃料電池４０は、送り込まれた改質ガスと空気を各セル
で用いて発電を行う。

【００３１】ＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３０は、空
気供給ダクト５０の内部に収納でされており、空気供給
ダクト５０の入口には、上記空気ファン５１，バーナ５
２が順に設けられ、空気供給ダクト５０の出口は、カソ
ードガスチャネル４４の入口が臨んでいる燃料電池４０
の側面に接続されている。バーナ５２は、バーナ用燃料
源１５から送り込まれる燃料を、空気ファン５１で取り
込んだ空気中に噴出させてこれを燃焼し、高温の燃焼ガ
スを生成するものである。そして、バーナ５２で生成さ
れた高温の燃焼ガスは、空気ファン５１で取り込んだ空
気と混合されて空気供給ダクト５０を流通する。

【００３２】図１では、便宜上ＣＯ変成器２０とＣＯ除
去器３０を縦に並べて記載しているが、本実施形態で
は、図２に示すようにＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３
０は共に円筒形であって、２本が立てられた状態で横に
並べられており、空気供給ダクト５０の入口は下方にあ
って、空気供給ダクト５０内を流通する空気は、ＣＯ変
成器２０及びＣＯ除去器３０の側面に沿って上方に流れ
るようになっている。

【００３３】このような空気供給ダクト５０内部の構成
により、バーナ５２作動時には、空気ファン５１で取り
込まれた空気は、バーナ５２の燃焼ガスと混合されて高
温に加熱され、熱交換によりＣＯ変成器２０及びＣＯ除
去器３０を加熱した後、カソードガスチャネル４４に送
り込まれる。この空気によって、燃料電池４０も加熱さ
れる。一方、バーナ５２の非作動時には、空気ファン５
１で取り込まれた空気は冷たいので、ＣＯ変成器２０及
びＣＯ除去器３０が熱い場合にはこれを冷却した後、カ
ソードガスチャネル４４に送り込まれる。

【００３４】水循環経路６０は、水チャネル４５に通ず
るよう、燃料電池４０に接続されており、水ポンプ６
１、水タンク６２、熱交換器６３が挿設されている。こ
の熱交換器６３は、上記空気供給ダクト５０の入口にお
いて、バーナ５２の上（直下流側）に設けられている。
そして、水タンク６２内の水は水ポンプ６１で送出さ
れ、空気供給ダクト５０内の空気と熱交換しながら熱交
換器６３を通過した後、燃料電池４０と熱交換しながら
水チャネル４５を通過し、水タンク６２に戻るようにな
っている。

【００３５】従って、この水循環経路６０において、バ
ーナ５２作動時には、水ポンプ６１からの水は、熱交換
器６３で加熱されてから水チャネル４５に送り込まれ
る。一方、バーナ５２非作動時には、熱交換器６３を冷
たい外気が通過するので、水ポンプ６１からの水が熱い
場合には熱交換器６３で冷却されて水チャネル４５に送
り込まれる。

【００３６】（運転動作の説明） 起動時：起動時においては、まず、空気ファン１６及び
バーナ１２を作動させて改質触媒槽１１を加熱する。そ
れと共に、空気ファン５１及びバーナ５２を作動させ
て、空気供給ダクト５０内にバーナ５２の燃焼ガスを含
む高温の空気を送り込み、ＣＯ変成器２０、ＣＯ除去器
３０、燃料電池４０を加熱する。

【００３７】このとき、水ポンプ６１も作動させれば、
熱交換器６３で加熱された水が水チャネル４５に流れる
ので、燃料電池４０をより強く加熱することができる。
改質触媒槽１１，ＣＯ変成器２０，ＣＯ除去器３０が所
定の運転温度まで昇温されれば、燃料供給源１３から燃
料を、水蒸気供給源１４からスチームを、改質触媒槽１
１に送り込み、ポンプ２２から空気を送り込む。これに
よって、水蒸気改質器１０、ＣＯ変成器２０，ＣＯ除去
器３０における各反応が行われて、水素リッチで低ＣＯ
濃度の改質ガスが生成され、燃料電池４０のアノードガ
スチャネル４３に送り込まれる。

【００３８】燃料電池４０は、カソードガスチャネル４
４に送り込まれる空気と、アノードガスチャネル４３に
送り込まれる改質ガスとを用いて発電を開始する。そし
て、燃料電池４０が所定の運転温度（７０〜８０℃）に
なれば、定常運転に入り、燃料電池４０から外部への電
力供給を開始する。 定常運転時：定常運転時には、燃料供給源１３からの燃
料、水蒸気供給源１４からのスチーム、ポンプ２２及び
空気ファン５１からの空気供給を継続することにより、
水蒸気改質器１０、ＣＯ変成器２０，ＣＯ除去器３０、
燃料電池４０における各反応を継続させる。

【００３９】水蒸気改質器の運転中には、スチームカー
ボン比（Ｓ／Ｃ比）が２．５〜３．５程度となるように
水蒸気供給量を調整するのが一般的であるが、燃料電池
４０に加湿機構がない場合には、燃料電池４０の固体高
分子膜を湿潤させるために、水蒸気供給源１４からの水
蒸気を過剰量供給するのが好ましい。バーナ１２は、改
質触媒槽１１を高温に維持するために アノードガスチ
ャネル４３から排出される未反応ガスを用いて燃焼を継
続させる。但し、必要に応じてバーナ用燃料源１５の燃
料も用いる。

【００４０】一方、バーナ５２は作動させず、空気ファ
ン５１により空気供給ダクト５０内に外気を送り込み、
ＣＯ変成器２０、ＣＯ除去器３０、燃料電池４０を冷却
することによって、これらを所定の運転温度に維持す
る。ここで、カソードガスチャネル４４に供給される空
気は、ＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３０と熱交換され
ることにより加温されてから供給される。

【００４１】このとき、水ポンプ６１も作動させれば、
熱交換器６３で冷却された水が水チャネル４５に流れる
ので、燃料電池４０をより強く冷却することができる。 （本実施の形態の燃料電池システムの効果について）起
動時において、空気供給ダクト５０には、バーナ５２で
加熱された高温の空気が燃料電池４０のカソードガスチ
ャネル４４に供給されるので、燃料電池内に温水を流通
させて加熱する方法と比べて、燃料電池４０のセル４１
やセパレータ板４２をより直接的に加熱することがで
き、燃料電池４０を迅速に且つエネルギ効率よく昇温す
ることができる。

【００４２】また、起動時にカソードガスチャネル４４
に供給される空気には、バーナ５２の燃焼に伴って発生
する水蒸気も含まれ、これによって固体高分子膜の加湿
もなされるので、この点も、燃料電池の迅速な起動を行
うのに寄与する。起動時においては、空気ファン５１と
バーナ５２によって空気供給ダクト５０に送り込まれる
高温の空気によってＣＯ変成器２０とＣＯ除去器３０と
燃料電池４０とが加熱され、定常運転時においては、空
気ファン５１によって空気供給ダクト５０に送り込まれ
る外気によって、ＣＯ変成器２０とＣＯ除去器３０と燃
料電池４０とが冷却されるようになっているので、ＣＯ
変成器２０，ＣＯ除去器３０，燃料電池４０に個別に起
動用バーナやファンを設けなくてもよい点で、装置構成
が簡素である。

【００４３】定常運転時において、冷たい外気をそのま
まカソードガスチャネル４４に供給すると、カソードガ
スチャネル４４入口側の温度が低く出口側の温度が高く
なる傾向があるが、本実施形態では上記のように加温さ
れた空気がカソードガスチャネル４４に供給されるの
で、燃料電池４０内部の温度分布は比較的均一となる。
熱交換器６３を含む水循環経路６０が設けられているの
で、これを作動することによって、起動時においては燃
料電池４０のより迅速な昇温、定常運転時には燃料電池
４０の冷却をより強力に行うことができる。

【００４４】（本実施形態の変形例について）本実施の
形態については、以下のように様々な変形例が考えられ
る。 ＊上記のように空気供給ダクト５０内に熱交換器６３を
設けることは、必ずしも必要ということではなく、熱交
換器６３を省いて簡略化したシステム構成とすることも
可能である。

【００４５】＊水チャネルを省き、アノードガスチャネ
ルに水循環経路６０からの水を供給するようにしてもよ
い。この場合、冷却と同時に電解質膜の加湿を行うこと
もできる。 ＊本実施の形態では、図２に示すように、ＣＯ変成器２
０並びにＣＯ除去器３０は、共に円筒状であって立てた
状態て配置されているが、これらの形状や空気供給ダク
ト５０内での配置の仕方は限定されず、例えば、角筒状
であってもよいし、横に寝かせて配置してもよい。

【００４６】＊本実施の形態では、ＣＯ変成器２０並び
にＣＯ除去器３０の全体が空気供給ダクト５０の中に収
納されているが、部分的に空気供給ダクト５０の中に収
納し残りの部分を空気供給ダクト５０の外に出してもよ
い。図３は本実施形態の一変形例にかかる燃料電池シス
テムを示す概略図である。本図の例では、ＣＯ変成器２
０及びＣＯ除去器３０は横に寝かせて配置されており、
且つその一部は空気供給ダクト５０の中にあり、残りは
空気供給ダクト５０の外にはみ出ている。

【００４７】この場合、空気供給ダクト５０の中に入っ
ている部分の割合を大きく設定するほど、ＣＯ変成器２
０並びにＣＯ除去器３０と空気供給ダクト５０を流通す
る空気との熱交換量が大きくなり、起動時においては強
く加熱され定常運転時においては強く冷却されることに
なる。従って、この割合を調整することによって、起動
時におけるＣＯ変成器２０並びにＣＯ除去器３０の温度
上昇速度と運転時におけるＣＯ変成器２０並びにＣＯ除
去器３０の維持温度を調整することも可能である。

【００４８】また、図３の燃料電池システムにおいて
は、空気ファン５１の他に、更に、ＣＯ変成器２０並び
にＣＯ除去器３０の空気供給ダクト５０の外に出ている
部分を強制的に冷却する空気ファン５４が設けられてい
る。従って、この空気ファン５４を、必要に応じて作動
することによって、ＣＯ変成器２０並びにＣＯ除去器３
０を更に細かく温度調整することもできる。

【００４９】＊図３に示すように、空気供給ダクト５０
を流通する空気を加湿するためのスプレーノズル５５を
設けてもよい。この場合、起動時や定常運転時にこのス
プレーノズル５５を作動させると、空気供給ダクト５０
を流通する空気が加湿されてカソードガスチャネル４４
に供給されるので、これによって固体高分子膜を保湿す
ることができる。

【００５０】空気を加湿するスプレーノズル５５を設け
る位置としては、図３のようにバーナ５２の上部に設け
るのが好ましい。それは、スプレーノズル５５から噴霧
される水が、起動時には、バーナ５２で直接的に加熱さ
れて水蒸気となり、定常運転時には空気ファン５１で送
り込まれる空気によって運ばれて、ＣＯ変成器２０やＣ
Ｏ除去器３０によって暖められるときに水蒸気となるか
らである。

【００５１】なお、スプレーノズル５５のように空気供
給ダクト５０を流通する空気を加湿する加湿手段を設け
る場合、言うまでもなく、加熱手段としてバーナ５２の
代わりに電熱ヒータまたは触媒燃焼器を用いたとして
も、空気を加湿して固体高分子膜を保湿することはでき
る。空気供給ダクト５０を流通する空気を加湿する加湿
手段としてスプレーノズル５５以外に、例えば、超音波
振動子等を空気供給ダクト５０内に設置して水を霧状に
噴霧してもよい。

【００５２】＊本実施の形態では、空気供給ダクト５０
に、ＣＯ変成器２０とＣＯ除去器３０との両方を設ける
例を示したが、ＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３０のど
ちらか一方だけを持つ燃料電池システムの場合には、空
気供給ダクト５０にその一方だけを設けてもよく、同様
の効果を奏する。例えば、燃料としてメタノールを用い
た場合には、ＣＯ変成器２０を不要とできるので、ＣＯ
除去器のみを空気供給ダクトに設けるとよい。

【００５３】また、ＣＯ変成器２０とＣＯ除去器３０と
の両方を持つ燃料電池システムの場合でも、空気供給ダ
クト５０には上記のどちらか一方だけを設け、他方は空
気供給ダクト５０の外に設けてもよい。ただし、その場
合、空気供給ダクト５０の外に設けたＣＯ変成器２０ま
たはＣＯ除去器３０については、これを加熱及び冷却す
る手段が別個に必要と考えられる。

【００５４】〔実施の形態２〕図４は、本実施の形態に
かかる燃料電池システムの構成図である。図中、実施の
形態１と同じ構成要素には同一の番号を付し、その説明
を省略する。本実施の形態の燃料電池システムは、実施
の形態１の燃料電池システムと同様の構成であるが、水
蒸気改質器１０の代わりに、燃料供給源１３からの燃料
を部分酸化して改質する部分酸化改質器７０を備え、当
該部分酸化改質器７０も空気供給ダクト５０の中に収納
されている点が異なっている。

【００５５】部分酸化改質器７０は、内部に部分酸化改
質用の触媒が充填された触媒槽であって、通常、ＣＯ変
成器２０の１／１０程度の容積に設定される。この部分
酸化改質用の触媒としては、ハニカム状、タブレット状
或は球状に成型されたアルミナ多孔体に白金，パラジウ
ム，ルテニウム，ロジウム等の貴金属を担持させたもの
を挙げることができる。

【００５６】定常運転時には、部分酸化改質器７０に
は、燃料供給源１３からの燃料とポンプ２２からの空気
とが混合されて供給され、当該混合ガスは、触媒槽を通
過することによって、部分酸化反応されるが、更に酸化
によって発生した水によって燃料の水蒸気改質反応も生
じる。従って、部分酸化改質器７０では水素，一酸化炭
素，二酸化炭素，水蒸気などが混合された高温の改質ガ
スが生成される。そして、ＣＯ変成器２０では、これを
ＣＯ変成することによって水素リッチな改質ガスを生成
するようになっている。

【００５７】部分酸化改質器７０の運転温度は１５０℃
〜８００℃程度であって、起動時においてはこれを加熱
して昇温させる必要がある。一方、部分酸化及び完全燃
焼は発熱反応なので、定常運転時においては、これを冷
却しながら運転する必要があるが、本実施形態では、上
記のようにこの部分酸化改質器７０も空気供給ダクト５
０の中に設けられているため、このような起動時の加熱
及び定常運転時の冷却をなすことができるようになって
いる。

【００５８】本実施形態の燃料電池システムの運転動作
を以下に説明する。 起動時：起動時においては、まず、空気ファン５１及び
バーナ５２を作動させて、空気供給ダクト５０内にバー
ナ５２の燃焼ガスを含む高温の空気を送り込み、ＣＯ変
成器２０、ＣＯ除去器３０、部分酸化改質器７０、燃料
電池４０を加熱する。

【００５９】このとき、水ポンプ６１も作動させれば、
熱交換器６３で加熱された水が水チャネル４５に流れる
ので、燃料電池４０をより強く加熱することができる。
ＣＯ変成器２０，ＣＯ除去器３０、部分酸化改質器７０
が所定の運転温度まで昇温されれば、燃料供給源１３か
ら燃料を、ポンプ２２から空気を、改質触媒槽１１に送
り込む。これによって、部分酸化改質器７０、ＣＯ変成
器２０，ＣＯ除去器３０における各反応が行われて、水
素リッチで低ＣＯ濃度の改質ガスが生成され、燃料電池
４０のアノードガスチャネル４３に送り込まれる。

【００６０】燃料電池４０は、カソードガスチャネル４
４に送り込まれる空気と、アノードガスチャネル４３に
送り込まれる改質ガスとを用いて発電を開始する。そし
て、燃料電池４０が所定の運転温度になれば、定常運転
に入り、燃料電池４０から外部への電力供給を開始す
る。 定常運転時：定常運転時には、燃料供給源１３からの燃
料、ポンプ２２及び空気ファン５１からの空気供給を継
続することにより、部分酸化改質器７０、ＣＯ変成器２
０，ＣＯ除去器３０、燃料電池４０における各反応を継
続させ、バーナ５２は作動させない。

【００６１】ＣＯ変成器２０におけるＣＯ変成反応にお
いては、上記（化１）式に示されるように一酸化炭素１
ｍｏｌに対して水１ｍｏｌ必要なので、単純計算によれ
ば、部分酸化改質器７０において一酸化炭素１ｍｏｌに
対して水１ｍｏｌが生じるように、部分酸化改質器７０
ヘの燃料と空気の供給量を設定すればよいが、実際に
は、この単純計算の値よりも多めの空気を供給する方が
効率よく改質される。

【００６２】また、部分酸化改質器７０に燃料及び空気
の他に水蒸気も供給したり、ポンプ２２から部分酸化改
質器７０へ至る空気配管に加湿器を設けて、空気を加湿
してから供給したりすることも、改質効率を良くする上
で好ましい。部分酸化改質器７０は酸化反応に伴って発
熱するが、空気ファン５１で空気供給ダクト５０内に送
り込まれる外気によって冷却され、所定の運転温度に維
持される。また、ＣＯ変成器２０、ＣＯ除去器３０、燃
料電池４０についても、同様に冷却され、所定の運転温
度に維持される。

【００６３】カソードガスチャネル４４に供給される空
気が、熱交換により加温されてから供給される点や、水
ポンプ６１を作動させれば、燃料電池４０をより強く冷
却することができる点については実施の形態１と同様で
ある。 （本実施の形態の燃料電池システムの効果について）起
動時において、燃料電池４０の昇温を迅速に行うことが
できる点、起動時に、バーナ５２の燃焼に伴って発生す
る水蒸気によって固体高分子膜の加湿がなされる点、Ｃ
Ｏ変成器２０，ＣＯ除去器３０，燃料電池４０に個別に
起動用バーナやファンを設けなくてもよく構成が簡素で
ある点、定常運転時において、加温された空気がカソー
ドガスチャネル４４に供給されるので、燃料電池４０内
部の温度分布は比較的均一となる点、熱交換器６３を含
む水循環経路６０を作動することによって、起動時にお
いては燃料電池４０のより迅速な昇温、定常運転時には
燃料電池４０の冷却をより強力に行うことができる点に
ついては、実施の形態１と同様である。

【００６４】更に、本実施形態では、部分酸化改質器７
０についても、個別に起動用バーナやファンを設けなく
てもよい点で、より簡素な装置構成とすることができ
る。 （本実施の形態の変形例について） ＊熱交換器６３を必ずしも空気供給ダクト５０内に設け
る必要がない点、水チャネルを省きアノードガスチャネ
ルに水循環経路６０からの水を供給するようにしてもよ
い点、空気供給ダクト５０を流通する空気を加熱する手
段としてバーナ５２の代わりに触媒燃焼器を設けてもよ
い点、空気供給ダクト５０を流通する空気を加湿するた
めスプレーノズル等を設けてもよく、これによって固体
高分子膜を保湿することができる点、また、ＣＯ変成器
２０、ＣＯ除去器３０、部分酸化改質器７０の形状や空
気供給ダクト５０内での配置の仕方は特に限定されない
点については、実施の形態１と同様である。

【００６５】＊ＣＯ変成器２０、ＣＯ除去器３０、部分
酸化改質器７０を部分的に空気供給ダクト５０の中に収
納し残りの部分を空気供給ダクト５０の外に出してもよ
い点、空気供給ダクト５０の中に入っている部分の割合
を調整することによって、起動時におけるＣＯ変成器２
０、ＣＯ除去器３０、部分酸化改質器７０の温度上昇速
度と運転時におけるこれらの維持温度を調整できる点
も、実施の形態１と同様である。

【００６６】＊空気供給ダクト５０に、ＣＯ変成器２０
とＣＯ除去器３０と部分酸化改質器７０とを設ける例を
示したが、部分酸化改質器７０とＣＯ変成器２０或はＣ
Ｏ除去器３０のどちらか一方だけを持つ燃料電池システ
ムの場合には、空気供給ダクト５０に部分酸化改質器７
０及びＣＯ変成器２０又はＣＯ除去器３０の両方もしく
は一方を設けてよく、同様の効果を奏する。例えば、メ
タノールを燃料として用いる場合には、ＣＯ変成器２０
を不要とすることができる。

【００６７】＊部分酸化改質器７０とＣＯ変成器２０と
ＣＯ除去器３０とを持つ燃料電池システムの場合におい
て、空気供給ダクト５０にはこの３つの中の１つまたは
２つだけを設け、他は空気供給ダクト５０の外に設けて
もよい。 〔実施の形態３〕図５は、本実施の形態にかかる燃料電
池システムの構成図である。

【００６８】図中、実施の形態１と同じ構成要素には同
一の番号を付し、その説明を省略する。本実施の形態の
燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システム
と同様の構成であるが、空気供給ダクト５０を流通する
空気を加熱する手段としてバーナ５２の代わりに触媒燃
焼器５３を設けており、当該触媒燃焼器５３の設置場所
は、ＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３０に隣接する場所
であって直接的に熱交換できる位置である点が異なって
いる。また本実施の形態では、熱交換器６３の設置場所
が、空気供給ダクト５０の出口側となっている。

【００６９】図６は、本実施の形態にかかる燃料電池シ
ステムを示す斜視図であって、内部構造を示すために、
空気供給ダクト５０の手前側の板及び燃焼触媒は図に示
していない。図６に示すように、空気供給ダクト５０の
中には、空気の流通路を横切るように、１対の金網８１
・８２が、間隔を開けて設けられている。そして、この
金網８１・８２の間において、ＣＯ変成器２０及びＣＯ
除去器３０が並べて設けられているＣＯ変成器２０及び
ＣＯ除去器３０が占める以外の空間には、燃焼用触媒
（図６では不図示）が充填されている。

【００７０】これによって、空気供給ダクト５０の中に
はＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３０と直接熱交換可能
な状態で燃焼用触媒層が形成され、且つ空気供給ダクト
５０を流通する空気はすべて燃焼用触媒層を通過するこ
とになる。燃焼用触媒の具体例としては、白金，パラジ
ウム，ルテニウム，ロジウム等の貴金属をハニカム状，
ペレット状或は球状に成型されたアルミナ多孔体或はゼ
オライトに担持させたものや、これらの貴金属をステン
レス、チタン等の金属繊維に担持したものを挙げること
ができる。

【００７１】また、金網８１の上流側には、空気供給ダ
クト５０の中を流通する空気中に燃料源１５からの燃料
を噴射するノズル８３が設けられている。触媒燃焼器５
３は、上記の燃焼用触媒層及びノズル８３から構成さ
れ、ノズル８３から燃料が噴射されると、燃料が混合さ
れた空気は燃焼用触媒層を通過しながら触媒燃焼反応を
起こし発熱するようになっている。

【００７２】本実施の形態における燃料電池システムの
運転動作は、実施の形態１と同様であって、効果におい
ても、実施の形態１で説明したのと同様の効果を奏す
る。更に、本実施の形態に特有の効果として、以下のよ
うに、カソードガスチャネル４４に流れ込む空気を浄化
することにより、セル４１のカソードが不純物によって
被毒されるのを防止する効果もある。

【００７３】即ち、触媒燃焼器５３の燃焼用触媒層は、
起動時においては、触媒燃焼に伴う発熱によって高温に
保たれ、定常運転時においては、ＣＯ変成器２０及びＣ
Ｏ除去器３０との熱交換によって高温に保たれる。そし
て、上述したように、空気供給ダクト５０を流通する空
気はすべてこの燃焼触媒層を通過する。燃焼触媒層に
は、有機溶媒などが通過する時にそれを酸化して分解す
る作用がある（例えば、特開平７−９４２００号公報に
は、白金系触媒に不純物を燃焼分解作用があることが記
載されている。）が、完全に酸化できる温度は約１５０
℃以上であるので、仮に空気ファン５１で取り込まれる
空気中に有機溶剤などの不純物が混入していたとして
も、高温の燃焼触媒層を通過するときに完全に除去され
る。

【００７４】また、本実施の形態のように触媒燃焼器５
３を用いると、実施の形態１のようにバーナ５２を用い
る場合と比べて、燃焼ガス中に含まれる不純物（一酸化
炭素，Ｎｏｘ，ＳＯｘ或はメタノールなどの有機物）も
少なくなる。よって、セル４１のカソードが、これらの
不純物によって被毒されるのが抑えられることになる。

【００７５】なお、本実施形態では、触媒燃焼器５３
を、ＣＯ変成器２０及びＣＯ除去器３０と隣接させて設
けたが、空気ファン５１の直下流側（即ち、実施の形態
１におけるバーナ５２の位置）に設けても実施可能であ
って、同様の効果を奏する。ただし、定常運転時には、
触媒燃焼器５３が加熱されないため、その空気浄化作用
が劣ることになる。

【００７６】また、本実施の形態では、水蒸気改質器１
０を用いて燃料を水蒸気改質する例を示したが、水蒸気
改質器１０の代わりに実施の形態２のように部分酸化改
質器を空気供給ダクト５０内に設け、この部分酸化改質
器に隣接して触媒燃焼器５３を設けた燃料電池システム
の構成とすることもできる。 （その他の事項）上記実施の形態１〜３においては、固
体高分子型の燃料電池システムの例を示したが、本発明
は、りん酸型の燃料電池システムにも適用することがで
きる。但し、りん酸型の場合は、カソードチャネルに供
給する空気は乾燥している方がよいので、加熱手段とし
て、バーナ５２の代わりに電熱ヒータ等を用いるのが好
ましい。

【００７７】

【実施例】〔実施例１〕実施の形態１に基づいて、燃料
電池４０として反応面積１００ｃｍ²のセルを６０枚積
層させた固体高分子型燃料電池モジュールを用いて、燃
料電池システムを構成し、燃料供給源１３からＬＰＧを
供給しながらその運転を行った。

【００７８】運転条件として、起動時には、空気供給ダ
クト５０からカソードガスチャネル４４に供給される空
気温度を９０℃となるようにし、燃料電池４０への改質
ガス供給は、電池温度（中央部温度）が７０℃になった
ときに開始した。また、定常運転時には、燃料電池４０
に対する負荷電流を３０Ａとし、燃料電池４０における
反応空気利用率２０％、燃料利用率６０％、電池温度が
８０℃となるように制御しながら運転した。

【００７９】〔比較例１〕本比較例の燃料電池システム
は、図７に示すように、水蒸気改質器１１０、ＣＯ変成
器１２０、ＣＯ除去器１３０、燃料電池１４０とから構
成されている。水蒸気改質器１１０は、実施例１の水蒸
気改質器１０と同じものである。燃料電池１４０も、実
施例１の燃料電池４０と同じものであるが、カソードガ
スチャネル１４４にはファン１５１からダクト１５０を
通して空気がそのまま供給されるようになっている。

【００８０】また、水チャネル１４５に水を循環させる
水循環経路１６０には、熱交換機１６３が介挿され、熱
交換機１６３を通過する水を加熱・冷却するためにバー
ナ１６４及びファン１６５が設けられている。ＣＯ変成
器１２０及びＣＯ除去器１３０は、ＣＯ変成器２０及び
ＣＯ除去器３０と同様のものであるが、各々に起動用バ
ーナ１２１，１３１が付設されている。

【００８１】本比較例の燃料電池システムについては、
運転に際して、起動時には、バーナ１６４を用いて水循
環経路１６０を循環する水（５リットル／ｍｉｎ）を９０℃
まで加熱し、これを水チャネル１４５に送り込むことに
よって燃料電池１４０を加熱昇温を行うと共に、ＣＯ変
成器１２０及びＣＯ除去器１３０も、各々起動用バーナ
１２１，１３１を用いて加熱昇温を行ったが、それ以外
の運転条件は、実施例１とほぼ同様とした。

【００８２】〔実験１〕実施例１及び比較例１の運転時
における燃料電池の温度、並びに電池電圧を経時的に測
定した。各燃料電池４０，１４０の温度については、電
池中央部（カソードガスチャネル４４，１４４の中央
部）の温度並びに電池低温部（カソードガスチャネル４
４，１４４の入口側）の温度を測定した。

【００８３】図８は、実験１の結果を示すグラフであっ
て、実施例１の燃料電池４０の温度測定結果（○印は中
央部の温度、●印は低温部の温度）と電圧測定結果（◇
印）、並びに、比較例１の燃料電池１４０の温度測定結
果（△印は中央部の温度、▲印は低温部の温度）と電圧
測定結果（◆印）が経時的に示されている。図８から分
かるように、比較例１の燃料電池システムでは、起動時
間（起動開始から発電開始までの時間）が約３５分であ
るのに対して、実施例１の燃料電池システムでは、起動
時間が２０分とかなり短くなっている。

【００８４】また図８から、比較例１の燃料電池１４０
では、定常運転時における電池中央部の温度と低温部の
温度との差が大きく（１０〜１５℃程度）、実施例１の
燃料電池４０では、定常運転時における電池中央部の温
度と低温部の温度との差が小さい（４〜８℃程度）こと
がわかる。これは、比較例１では、燃料電池１４０のカ
ソードガスチャネル１４４に室温の空気が供給されるの
に対して、実施例１では、燃料電池４０のカソードガス
チャネル４４に、加温された空気が空気が供給されるた
めである。なお、実施例１の定常運転時に、空気供給ダ
クト５０の出口での温度を測定したところ、約６０〜８
０℃であった。

【００８５】また図８から、比較例１の燃料電池４０で
は定常運転時の電池電圧が約３７Ｖ（平均セル電圧０．
６２Ｖ）であるのに対して、実施例１の燃料電池４０で
は定常運転時の電池電圧は約４２Ｖ（平均セル電圧０．
７０Ｖ）と高い値が得られていることがわかる。このよ
うに比較例１と比べて実施例１の電池電圧が高いのは、
上記のように電池内部における温度差が小さいためと考
えられる。

【００８６】また、実施例１及び比較例１の燃料電池シ
ステムにおいて、発電開始時点における燃料電池の内部
抵抗を測定したところ、比較例１の燃料電池１４０は内
部抵抗が約１００ｍΩであるのに対して、実施例１の燃
料電池４０は内部抵抗が約８０ｍΩであった。 〔実施例２〕実施の形態３に基づいて、燃料電池４０と
して反応面積１００ｃｍ²のセルを６０枚積層させた固
体高分子型燃料電池モジュールを用いて、燃料電池シス
テムを構成した。

【００８７】〔比較例２〕上記比較例１の燃料電池シス
テムにおいて、カソードガスチャネル１４４に通ずるダ
クト１５０内に燃焼用触媒層を充填したものを構成し
た。 〔実験２〕上記の実施例１、実施例２及び比較例２の各
燃料電池システムを、燃料としてＬＰＧを用い、次のよ
うな運転条件で運転した。

【００８８】即ち、燃料電池への改質ガス供給は、電池
温度（中央部温度）が７０℃になったときに開始し、定
常運転時には、燃料電池に対する負荷電流を３０Ａと
し、燃料電池における反応空気利用率２０％、燃料利用
率６０％、電池温度が８０℃となるように制御しながら
運転した。そして、定常運転時において、空気供給ダク
トに取り込む空気に、不純物として以下のようにしてケ
ロシンを混入させた場合と不純物を混入させない場合と
について、各燃料電池の電池電圧を測定した。

【００８９】ケロシンを混入させる場合には、４０℃に
加熱したケロシンに空気を吹き付けて蒸発させることに
より、ケロシン蒸気を含む空気を生成し、これを空気供
給ダクトに取り込まれる空気に混合した。表１は、この
実験２の結果を示すものである。

【００９０】

【表１】

【００９１】表１より、不純物（ケロシン）を混入させ
ない場合は、実施例１、実施例２の発電電圧は同等であ
ることがわかる。比較例２の発電電圧が低いのは、電池
内部における温度差によるものと考えられる。また、不
純物を混入させた場合、実施例２では不純物を混入させ
ない場合と同等であるが、比較例２、実施例１では、不
純物を混入させない場合より発電電圧が低くなっている
ことがわかる。

【００９２】実施例１、比較例２において、空気中に不
純物を混入させたときに発電電圧が低くなっているの
は、不純物によりカソード性能が劣化するためと考えら
れる。比較例２の方が実施例１より発電電圧の低下が少
ないのは、比較例２では常温ではあるが燃焼用触媒層を
空気が通過するので、空気中の不純物がある程度除去さ
れるためと考えられる。

【００９３】実施例２において、空気中に不純物を混入
させた場合にも、混入させない場合と同等の発電電圧が
得られているのは、高温の燃焼用触媒層によって不純物
がほぼ全部除去されるためと考えられる。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、燃料を
改質すると共にＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少なくとも
一方を経由して水素リッチな改質ガスを生成し、生成し
た改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと共に、
空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取り込ん
で発電する燃料電池システムにおいては、空気流通路
に、流通する空気を加熱することのできる加熱手段を設
けると共に、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少なくとも一
方を、流通する空気と熱交換することが可能な状態で、
加熱手段から熱の供給を受ける位置に設けることによっ
て、或は、燃料を部分酸化改質器で部分酸化して改質し
た後、水素リッチな改質ガスを生成し、生成した改質ガ
スを燃料電池のアノード側に取り込むと共に、空気を空
気流通路から燃料電池のカソード側に取り込んで発電す
る燃料電池システムにおいて、空気流通路に、流通する
空気を加熱することのできる加熱手段を設け、部分酸化
改質器、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少なくとも一つ
を、空気流通路を流通する空気と熱交換することが可能
な状態で、加熱手段から熱の供給を受ける位置に設ける
ことによって、起動時において、空気流通路を流通する
空気を加熱する加熱手段で、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、
あるいは部分酸化改質器を加熱することにより昇温し、
定常運転時には、これらを、空気流通路を流通する空気
と熱交換することにより冷却しながら運転することがで
きる。

【００９５】これによって、起動時には、迅速に燃料電
池の昇温を行うことができ、且つ従来の燃料電池システ
ムと比べて簡素なシステム構成とすることもできる。ま
た、加熱手段として触媒燃焼器を用い、その燃焼触媒層
を、上記のＣＯ変成器、ＣＯ除去器あるいは部分酸化改
質器と熱交換可能な状態で、空気流通路に介在させて設
けると、燃料電池のカソード触媒にとって有害な不純物
が空気中に含まれていたとしても、燃焼触媒層を通過す
るときに除去されるので、燃料電池の長寿命化に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成
図である。

【図２】実施の形態１にかかる燃料電池システムの斜視
図である。

【図３】実施形態１の一変形例にかかる燃料電池システ
ムを示す概略図である。

【図４】実施の形態２にかかる燃料電池システムの構成
図である。

【図５】実施の形態３にかかる燃料電池システムの構成
図である。

【図６】実施の形態３にかかる燃料電池システムを示す
斜視図である。

【図７】比較例１にかかる燃料電池システムの構成図で
ある。

【図８】実験１の結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１０ 水蒸気改質器 １１ 改質触媒槽 １２ バーナ １３ 燃料供給源 １４ 水蒸気供給源 ２０ ＣＯ変成器 ３０ ＣＯ除去器 ４０ 燃料電池 ４１ セル ４２ セパレータ板 ４３ アノードガスチャネル ４４ カソードガスチャネル ４５ 水チャネル ４６ 冷却プレート ５０ 空気供給ダクト ５１ 空気ファン ５２ バーナ ５３ 触媒燃焼器 ５４ 空気ファン ５５ スプレーノズル ６０ 水循環経路 ６３ 熱交換器 ７０ 部分酸化改質器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 勝也 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 米津 育郎 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 5H027 AA06 BA01 BA17 KK41 MM13

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を改質すると共にＣＯ変成器及びＣ
   Ｏ除去器の少なくとも一方を経由して水素リッチな改質
   ガスを生成し、 生成した改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと
   共に、空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取
   り込んで発電する燃料電池システムにおいて、 前記空気流通路には、 流通する空気を加熱することのできる加熱手段が設けら
   れていると共に、 前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少なくとも一方が、 流通する空気と熱交換することが可能な状態で、前記加
   熱手段から熱の供給を受ける位置に設けられていること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 燃料を部分酸化改質器で部分酸化して改
   質した後、ＣＯ変成器を経由して水素リッチな改質ガス
   を生成し、 生成した改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと
   共に、空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取
   り込んで発電する燃料電池システムにおいて、前記空気
   流通路には、 流通する空気を加熱することのできる加熱手段が設けら
   れていると共に、 前記部分酸化改質器は、 前記空気流通路を流通する空気と熱交換することが可能
   な状態で、前記加熱手段から熱の供給を受ける位置に設
   けられていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 燃料を部分酸化改質器で部分酸化して改
   質した後、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を経由して水素リ
   ッチな改質ガスを生成し、 生成した改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと
   共に、空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取
   り込んで発電する燃料電池システムにおいて、 前記空気流通路には、 流通する空気を加熱することのできる加熱手段が設けら
   れていると共に、 前記部分酸化改質器、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少な
   くとも一つが、 前記空気流通路を流通する空気と熱交換することが可能
   な状態で、前記加熱手段から熱の供給を受ける位置に設
   けられていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記加熱手段は、 前記空気流通路を流通する空気に燃料を混合して燃焼さ
   せる燃焼器であることを特徴とする請求項１〜３のいず
   れかに記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記加熱手段は、 前記空気流通路に介在して設けられた燃焼触媒層を有す
   る触媒燃焼器であることを特徴とする請求項４記載の燃
   料電池発電システム。
6. 【請求項６】 前記燃焼触媒層は、 前記空気流通路に設けられている部分酸化改質器、ＣＯ
   変成器及びＣＯ除去器の少なくとも一つと熱交換可能な
   状態で、前記空気流通路に介在して設けられていること
   を特徴とする請求項５記載の燃料電池発電システム。
7. 【請求項７】 前記加熱手段は、 前記空気流通路に設けられている部分酸化改質器、ＣＯ
   変成器或はＣＯ除去器よりも上流側に設けられているこ
   とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電
   池システム。
8. 【請求項８】 前記燃料電池は、固体高分子型であっ
   て、 前記空気流通路には、 流通する空気を加湿する加湿手段が備えられていること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池
   システム。
9. 【請求項９】 前記燃料電池には、 伝熱媒体が供給されるようになっており、 前記空気流通路には、 これを流通する空気と、前記燃料電池に供給される伝熱
   媒体との間で熱交換を行う熱交換器が設けられているこ
   とを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電
   池システム。
10. 【請求項１０】 燃料を改質すると共にＣＯ変成器及び
    ＣＯ除去器の少なくとも一方を経由して水素リッチな改
    質ガスを生成し、 生成した改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと
    共に、空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取
    り込んで発電する燃料電池システムの運転方法であっ
    て、 起動時には、 前記空気流通路を流通する空気を加熱する加熱手段で、
    前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少なくとも一方を加熱
    することにより昇温し、 定常運転時には、 、前記ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少なくとも一方を、
    前記空気流通路を流通する空気と熱交換することにより
    冷却しながら運転することを特徴とする燃料電池システ
    ムの運転方法。
11. 【請求項１１】 燃料を部分酸化改質器で部分酸化して
    改質した後、ＣＯ変成器を経由して水素リッチな改質ガ
    スを生成し、 生成した改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと
    共に、空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取
    り込んで発電する燃料電池システムの運転方法であっ
    て、 起動時には、 前記空気流通路を流通する空気を加熱する加熱手段で、
    前記部分酸化改質器を加熱することにより昇温し、 定常運転時には、 前記部分酸化改質器を、前記空気流通路を流通する空気
    と熱交換することにより冷却しながら運転することを特
    徴とする燃料電池システムの運転方法。
12. 【請求項１２】 燃料を部分酸化改質器で部分酸化して
    改質した後、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器を経由して水素
    リッチな改質ガスを生成し、 生成した改質ガスを燃料電池のアノード側に取り込むと
    共に、空気を空気流通路から燃料電池のカソード側に取
    り込んで発電する燃料電池システムの運転方法であっ
    て、 起動時には、 前記空気流通路を流通する空気を加熱する加熱手段で、
    前記部分酸化改質器、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少な
    くとも一つを加熱することにより昇温し、 定常運転時には、 前記部分酸化改質器、ＣＯ変成器及びＣＯ除去器の少な
    くとも一つを、前記空気流通路を流通する空気と熱交換
    することにより冷却しながら運転することを特徴とする
    燃料電池システムの運転方法。
13. 【請求項１３】 起動時には、 前記空気流通路を流通する空気を、前記空気流通路に介
    在して設けられた燃焼触媒層を有する触媒燃焼器で加熱
    し、 定常運転時には、 前記空気流通路を流通する空気を、前記燃焼触媒層を通
    過させながら運転することを特徴とする請求項１０〜１
    ２のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
14. 【請求項１４】 固体高分子型燃料電池システムの運転
    方法であって、 前記空気流通路を流通する空気を加湿しながら運転する
    ことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに記載の
    燃料電池システムの運転方法。