JP2002216808A - 燃料電池用燃料ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池用燃料ガス生成装置の暖機時間を短
縮する。 【解決手段】 原燃料を改質して燃料ガスを生成する改
質反応器１０と、改質反応器１０により生成された燃料
ガスを燃料電池スタック２１に供給する燃料ガス供給路
３４，３６，３７と、燃料ガス供給路３４を流れるガス
と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器２０と、改質反
応器１０と熱交換器２０に冷却水を循環させる冷却水管
３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂと、
燃料ガス供給路３４に燃焼ガスを供給する冷却水用始動
燃焼器２５と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置１
を暖機するときに、冷却水の温度が所定温度以下のとき
には冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスを燃料ガス供給
管３４に供給して冷却水の予備加熱を実行し、冷却水の
温度が前記所定温度を越えているときには燃焼ガスを燃
料ガス供給管３４に供給せず冷却水の予備加熱を実行し
ない

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、炭化水素系燃料
を水素リッチガスに改質して燃料電池用燃料ガスを生成
する燃料電池用燃料ガス生成装置に関し、特に、始動性
に優れた燃料電池用燃料ガス生成装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】メタノールやガソリンなどの炭化水素系
燃料をオートサーマル改質器を備えた燃料ガス生成装置
によって水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガス
と酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給し発電
を行う燃料電池システムは従来から知られている（特開
２０００−３０２４０８号公報等）。

【０００３】従来の燃料電池システムは、図６に示すよ
うに、蒸発器７０と、改質反応器７１と、熱交換器７２
と、燃料電池スタック７３を備えている。蒸発器７０
は、メタノール等の原燃料と水とを混合してなる液体原
燃料（以下、改質燃料という）を蒸気化させるとともに
改質空気を加熱してこれらを改質反応器７１に供給す
る。改質反応器７１は、蒸発器７０で生成した燃料蒸気
と改質空気とを反応させて水素リッチな改質ガスを生成
するオートサーマル式の改質器７４と、改質器７４で生
成された改質ガスの温度を下げる熱交換器７５と、熱交
換器７５で温度低下させた改質ガスにＣＯ除去空気を加
えて改質ガス中の一酸化炭素を除去し燃料ガスを生成す
るＣＯ除去器７６と、を備え、ＣＯ除去器７６にはＣＯ
除去触媒を冷却するための冷却水回路が設けられてい
る。熱交換器７２は、改質反応器７１によって生成され
た燃料ガスを燃料電池スタック７３に供給可能な温度ま
で冷却する。なお、熱交換器７２，７５とＣＯ除去器７
６の冷却水回路にはラジエターポンプ７８を介して冷却
水が循環するようになっている。

【０００４】燃料電池スタック７３は、熱交換器７２に
よって温度調節されてアノード電極に供給される燃料ガ
スと、スーパーチャージャ７７からカソード電極に供給
される空気（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電
を行う。燃料ガスと空気は発電に供された後、蒸発器７
０に内蔵の触媒燃焼器に導かれ、この触媒燃焼器で燃焼
させられ、その燃焼熱で、蒸発器７０に供給される改質
燃料と改質空気を加熱した後、排気される。

【０００５】この燃料電池システムでは、始動後に燃料
ガス組成が安定し、且つ、燃料ガス温度が燃料電池スタ
ック７３に供給可能な温度に安定するまで、システム全
体を暖機する必要がある。そのために、蒸発器７０の上
流には蒸発器用始動燃焼器８０が設けられている。ま
た、システムの暖機完了まで燃料電池スタック７３をバ
イパスしてガスを蒸発器７０に流せるように、熱交換器
７２と燃料電池スタック７３との間に三方切替弁７９が
設けられている。

【０００６】従来の燃料電池システムの暖機方法を図７
に示すフローチャートを参照して説明すると、始動スタ
ートにより三方切替弁７９をバイパス側に接続し燃料ガ
スが燃料電池スタック７３に流入しないようにし（ステ
ップＳ２０１）、ラジエターポンプ７８を起動して冷却
水を循環させ（ステップＳ２０２）、蒸発器用始動燃焼
器８０に原燃料を供給して起動し（ステップＳ２０
３）、始動用改質空気を蒸発器７０に供給する（ステッ
プＳ２０４）。これにより、蒸発器用始動燃焼器８０の
燃焼ガスで始動用改質空気を加熱し、加熱された始動用
改質空気を改質反応器７１→熱交換器７２→三方切替弁
７９→蒸発器７０に流通させて、改質器７１の改質触媒
を暖機する。

【０００７】そして、蒸発器７０から排出される排気の
温度が所定温度（以下、これを蒸発器暖機終了温度Ｔvs
tという）よりも高くなり、且つ、改質触媒の温度が所
定温度（以下、これを改質器暖機終了温度Ｔrfstとい
う）よりも高くなったら（ステップＳ２０５で肯定判
定）、蒸発器７０に所定流量で改質燃料の供給を開始し
（ステップＳ２０６）、図８に示す改質空気量マップを
参照して改質燃料量に対応する改質空気量を算出し、そ
の空気量で蒸発器７０に改質空気の供給を開始し（ステ
ップＳ２０７）、さらに、図９に示すＣＯ除去空気量マ
ップを参照して前記改質燃料量に対応するＣＯ除去空気
量を算出し、その空気量でＣＯ除去器７６にＣＯ除去空
気を供給する（ステップＳ２０８）。これにより、蒸発
器７０に供給された改質燃料は燃料蒸気となって改質空
気とともに改質反応器７１に供給され、改質反応器７１
で改質ガスが生成され、この改質ガスが改質反応器７１
→熱交換器７２→三方切替弁７９→蒸発器７０に流通
し、改質ガスは蒸発器７０に内蔵の触媒燃焼器で燃焼し
て、改質燃料を蒸発させるための熱源となる。そして、
改質ガスが蒸発器７０に供給されるようになったら、蒸
発器用始動燃焼器８０への原燃料の供給をストップする
（ステップＳ２０９）。

【０００８】このようにしてシステムの暖機を行ってい
る間に、改質器７４の改質触媒やＣＯ除去器７６のＣＯ
除去触媒における反応熱によって、熱交換器７２，７５
およびＣＯ除去器７６とラジエターポンプ７８との間を
循環する冷却水の暖機が行われることとなる。そして、
改質ガス組成が燃料電池スタック７３へ供給可能なガス
組成に安定し（ステップＳ２１０で肯定判定）、冷却水
温度が所定温度（以下、これを冷却水暖機終了温度Ｔcs
tという）より高くなったら（ステップＳ２１１で肯定
判定）、燃料電池システムは暖機完了であるので、三方
切替弁７９を燃料電池スタック７３側に接続して（ステ
ップＳ２１２）、改質ガスを燃料ガスとして燃料電池ス
タック７３に供給し、燃料電池スタック７３は発電可能
となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の燃料電池システムにおける暖機方法では、改質器７
４の改質触媒やＣＯ除去器７６のＣＯ除去触媒における
反応熱によって冷却水を暖機しているため、冷却水の暖
機に長時間を要した。また、ＣＯ除去器７６はこれに供
給される冷却水の温度が所定温度に達しないと性能を十
分に発揮できないため、改質ガス組成が燃料電池スタッ
ク７３へ供給可能な所定のガス組成に安定するまでの時
間も長くなる。その結果、この冷却水の暖機時間が燃料
電池システム全体の暖機時間を大きく左右することとな
り、システム全体の暖機に長時間を要するという問題が
生じた。

【００１０】そこで、この発明は、効率よく且つ迅速に
冷却水を暖機することができ、燃料電池システム全体の
早期暖機を達成することができる燃料電池用燃料ガス生
成装置を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、原燃料を改質して燃料
電池用燃料ガスを生成する改質反応器（例えば、後述す
る実施の形態における改質反応器１０）と、前記改質反
応器により生成された燃料ガスを燃料電池（例えば、後
述する実施の形態における燃料電池スタック２１）に供
給可能にする燃料ガス供給路（例えば、後述する実施の
形態における燃料ガス供給管３４，３６，３７）と、前
記燃料ガス供給路に設けられ該燃料ガス供給路を流れる
ガスと熱媒体（例えば、後述する実施の形態における冷
却水）との間で熱交換を行う熱交換器（例えば、後述す
る実施の形態における熱交換器２０）と、前記改質反応
器および前記熱交換器に前記熱媒体を循環させる熱媒体
循環路（例えば、後述する実施の形態における冷却水管
３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ，４
６ａ，４６ｂ）と、を備えた燃料電池用燃料ガス生成装
置（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス生成
装置１）において、前記燃料ガス供給路における前記熱
交換器の上流に燃焼ガスを供給可能にする燃焼器（例え
ば、後述する実施の形態における冷却水用始動燃焼器２
５）を備えることを特徴とする。

【００１２】このように構成することにより、燃焼器の
燃焼ガスを熱交換器に直接流して熱交換器の能力を最大
限利用して熱媒体を迅速に加熱することが可能となり、
さらに、この加熱された熱媒体が改質反応器にも循環す
るので改質反応器も迅速に暖機することが可能となる。
また、燃焼ガスは改質反応器の下流であって熱交換器の
上流に供給されることから、改質反応器には燃焼ガスが
流れないので、改質反応器内の触媒に対する過熱防止が
可能となる。また、燃焼ガスがガス流路を流れることに
より、ガス流路も暖機される。

【００１３】請求項２に記載した発明は、請求項１に記
載の発明において、前記熱媒体循環路の一部が、前記燃
焼器と熱交換可能な熱交換路（例えば、後述する実施の
形態におけるジャケット２５ｃ）を構成することを特徴
とする。このように構成することにより、燃焼器から放
熱される熱を熱媒体循環路を流れる熱媒体に回収するこ
とができ、エネルギの有効利用を図ることが可能とな
る。

【００１４】請求項３に記載した発明は、請求項１また
は請求項２に記載の発明において、前記熱媒体の温度が
所定温度以下のときに前記燃焼器が運転されることを特
徴とする。このように構成することにより、熱媒体の温
度が所定温度以下のときだけ燃焼器が運転されるので、
燃料の浪費を防止することができるとともに、冷却水の
過熱を防止することが可能となる。

【００１５】請求項４に記載した発明は、請求項１から
請求項３のいずれかに記載の発明において、前記熱交換
器の下流における前記燃料ガス供給路に、前記燃料電池
をバイパスしてガスを流通させるバイパス通路（例え
ば、後述する実施の形態におけるバイパス管４３）が接
続されていることを特徴とする。このように構成するこ
とにより、ガス組成の不安定なガスはバイパス通路に流
し、燃料電池には流れないようにすることが可能とな
る。

【００１６】請求項５に記載した発明は、請求項２から
請求項４のいずれかに記載の発明において、前記熱媒体
の温度が前記所定温度よりも大きいときに前記熱媒体の
前記熱交換路への流通を阻止する流通阻止手段（例え
ば、後述する実施の形態における冷却水バルブ４７）を
備えることを特徴とする。このように構成することによ
り、熱媒体の温度が前記所定温度よりも大きいときには
流通阻止手段によって熱媒体の熱交換路への流通を阻止
することでき、その結果、熱媒体循環路を循環する熱媒
体量を減少させることが可能となる。なお、流通阻止手
段は、熱媒体が熱交換器に流通するのを遮断するバルブ
で構成してもよいし、あるいは、熱媒体が熱交換器をバ
イパスして流れるようにするバイパス通路で構成しても
よい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る燃料電池用
燃料ガス生成装置の一実施の形態を図１から図５の図面
を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態
は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池用燃料ガス生
成装置の態様である。

【００１８】図１は燃料電池用燃料ガス生成装置（以
下、燃料ガス生成装置と略す）１の概略構成図であり、
燃料ガス生成装置１は、改質反応器１０、熱交換器２
０、燃料電池スタック（燃料電池）２１、蒸発器２２、
蒸発器用始動燃焼器２３、スーパーチャージャ２４，冷
却水用始動燃焼器２５、ラジエターポンプ２６を主要構
成としており、改質反応器１０は、改質器１１、熱交換
器１２、ＣＯ除去器１３を備えている。

【００１９】燃料電池スタック２１は固体高分子型の燃
料電池であり、アノード電極に供給される燃料ガス中の
水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガスとしての
空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。燃料
電池スタック２１のアノード電極に供給される燃料ガス
は、液体原燃料を蒸発器２２で燃料蒸気にし、更に改質
反応器１０によって水素リッチな燃料ガスに改質したも
のが用いられる。

【００２０】すなわち、蒸発器２２には、炭化水素系燃
料（例えば、メタノール）と水とを所定の割合で混合し
てなる改質用の液体原燃料（以下、改質燃料という）と
改質用の空気（以下、改質空気という）とが供給される
ようになっていて、蒸発器２２内において改質燃料およ
び改質空気は加熱され、改質燃料は蒸気化されて燃料蒸
気となり、加熱された改質空気と混合した状態で、蒸発
器２２から燃料供給管３１を介して改質反応器１０の改
質器１１に供給される。

【００２１】改質反応器１０の改質器１１は、内部に改
質触媒を備えたオートサーマル式の改質器であり、蒸発
器２２で生成した燃料蒸気を改質空気によって部分酸化
させた原燃料ガスから水素リッチな改質ガスを生成す
る。改質器１１で生成された改質ガスは熱交換器１２に
よって冷却された後、ＣＯ除去器１３に供給される。Ｃ
Ｏ除去器１３は内部にＣＯ除去触媒を備えるとともに、
ＣＯ除去用の空気（以下、ＣＯ除去空気という）が供給
可能になっていて、ＣＯ除去器１３内において改質ガス
中のＣＯは酸化されてＣＯ₂になり、すなわち、改質ガ
ス中のＣＯが除去されて燃料ガスが生成される。また、
熱交換器１２には、ラジエターポンプ２６と冷却水管３
２ａ，３２ｂによって、燃料ガスを冷却するための冷却
水が循環可能になっており、ＣＯ除去器１３には、ラジ
エターポンプ２６と冷却水管３３ａ，３３ｂによって、
前記ＣＯ除去触媒を冷却するための冷却水が循環可能に
なっている。

【００２２】改質反応器１０により改質された燃料ガス
は、燃料ガス供給管３４を介して熱交換器２０に供給さ
れる。熱交換器２０には、ラジエターポンプ２６と冷却
水管３５ａ，３５ｂによって、燃料ガスを燃料電池スタ
ック２１に供給可能な所定温度まで冷却するための冷却
水が循環可能になっている。熱交換器２０によって冷却
された燃料ガスは、燃料ガス供給管３６，３７および三
方切替弁３８を介して燃料電池スタック２１のアノード
電極に供給される。燃料電池スタック２１のカソード電
極には、スーパーチャージャ２４から空気供給管３８を
介して酸化剤ガスとして空気が供給可能になっている。

【００２３】燃料電池スタック２１のアノード電極に供
給された燃料ガスは発電に供された後、燃料オフガスと
してアノードオフガスバルブ３９、燃料オフガス管４０
を介して蒸発器２２に供給され、また、カソード電極に
供給された空気は発電に供された後、空気オフガスとし
てカソードオフガスバルブ４１、空気オフガス管４２を
介して蒸発器２２に供給される。なお、通常運転時はア
ノードオフガスバルブ３９とカソードオフガスバルブ４
１はそれぞれアノード電極に供給される燃料ガスの圧
力、カソード電極に供給される酸化剤ガスの圧力を制御
する。また、三方切替弁３８は燃料電池スタック２１を
迂回するバイパス管４３によって燃料オフガス管４０に
接続されており、三方切替弁３８は、燃料ガス供給管３
６を、燃料ガス供給管３７とバイパス管４３のいずれか
一方と選択的に接続可能にする。三方切替弁３８が燃料
ガス供給管３６と燃料ガス供給管３７とを接続したとき
に熱交換器３６を通過した燃料ガスは燃料電池スタック
２１に供給され、三方切替弁３８が燃料ガス供給管３６
とバイパス管４３とを接続したときに熱交換器３６を通
過した燃料ガスは燃料電池スタック２１を迂回しバイパ
ス管４３を流れることになる。

【００２４】燃料電池スタック２１から排出された前記
燃料オフガスと前記空気オフガスは蒸発器２２に内蔵さ
れた触媒燃焼器に導かれ、この触媒燃焼器で燃焼させら
れ、その燃焼熱で、蒸発器２２に供給される改質燃料と
改質空気を加熱する。なお、蒸発器２２において加熱源
とされた燃料オフガスと空気オフガスの燃焼ガスは、排
気管４４を介して大気に排気される。

【００２５】蒸発器用始動燃焼器２３は蒸発器２２に付
設されており、蒸発器用始動燃焼器２３には原燃料と空
気が供給可能になっている。蒸発器用始動燃焼器２３は
始動時に限って燃焼され、その燃焼ガスが蒸発器２２に
導入され、蒸発器２２に供給される始動用改質空気を加
熱する。

【００２６】冷却水用始動燃焼器２５は改質反応器１０
と熱交換器２０の間に配置されている。図２は冷却水用
始動燃焼器２５を一部破断して示す概略斜視図である。
冷却水用始動燃焼器２５は内部に燃焼室（図示せず）を
有し、この燃焼室に原燃料と空気が供給可能になってい
て、この燃焼室に供給された原燃料をグロープラグ２５
ａで着火して燃焼し、その燃焼ガスがガス出口２５ｂか
ら排出されるようになっている。この冷却水用始動燃焼
器２５は暖機時に所定条件が満たされたときにだけ運転
されるようになっていて、ガス出口２５ｂから排出され
る燃焼ガスは、図１に示すようにガス供給管４５を通
り、改質反応器１０と熱交換器２０とを接続する燃料ガ
ス供給管３４に導入される。

【００２７】また、冷却水用始動燃焼器２５の前記燃焼
室の周囲には冷却水ジャケット（熱交換路）２５ｃが形
成されており、このジャケット２５ｃには、ラジエター
ポンプ２６と冷却水管４６ａ，４６ｂによって冷却水が
循環可能になっていて、冷却水管４６ａには冷却水バル
ブ４７が設けられている。冷却水用始動燃焼器２５の運
転時にジャケット２５ｃに冷却水を流すと、冷却水用始
動燃焼器２５から放熱される熱がジャケット２５ｃ内を
流れる冷却水に回収されて、冷却水が加熱される。

【００２８】この実施の形態においては、１台のラジエ
ターポンプ２６によって、熱交換器１２とＣＯ除去器１
３と熱交換器２０と冷却水用始動燃焼器２５のジャケッ
ト２５ｃに、冷却水を循環させており、これらと冷却水
管３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ，
４６ａ，４６ｂは熱媒体循環路を構成し、熱媒体循環路
の一部であるジャケット２５ｃと熱交換器２０におい
て、冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスと冷却水が熱交
換をすることになる。

【００２９】次に、この燃料ガス生成装置１の作用につ
いて説明する。この燃料ガス生成装置１では、早期暖機
を図るために、システム起動時に冷却水の温度が冷却水
暖機終了温度Ｔcst以下のときには、冷却水用始動燃焼
器２５を運転してその燃焼ガスを熱交換器２０に流通さ
せるとともに、冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２
５ｃに冷却水を流通させることによって、冷却水を予備
加熱して迅速に昇温するようにしている。ただし、暖機
は例えば起動時に系内温度が低いときに行われるもので
あり、再起動時など系内が十分に暖まっているときには
行われない。

【００３０】次に、この実施の形態における燃料ガス生
成装置１の暖機処理手順を図３のフローチャートを参照
して説明する。まず、燃料電池始動スイッチがＯＮされ
て始動スタートになると、燃料電池制御用コントロール
ユニット（以下、ＦＣＥＣＵと略す）は、アノードオフ
ガスバルブ３９、および、冷却水バルブ４７を閉じ、三
方切替弁３８を燃料ガス供給管３６とバイパス管４３と
を接続するように切り替える（ステップＳ１０１）。な
お、この実施の形態では、この時点でカソードオフガス
バルブ４１はカソード電極に空気を供給するために開い
ているものとするが、空気が燃料電池を通らないよう
に、図示しないバイパス通路に流すようにしてもよい。
このようにすると、始動時はアノード電極には何も供給
されないので、カソード電極側だけに圧力がかかるのを
防止することができ、極間差圧を保つことができる。

【００３１】次に、ステップＳ１０２に進み、ラジエタ
ーポンプ２６を起動して冷却水を熱交換器１２とＣＯ除
去器１３と熱交換器２０に循環させ、さらにステップＳ
１０３に進んで、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔcs
t（例えば、約６０゜Ｃ）を越えているか否か判定す
る。なお、冷却水温度の検出位置は、熱交換器２０の入
口側である燃料ガス供給管３５ａとするのが好ましい。

【００３２】ステップＳ１０３において肯定判定した場
合には、すなわち、冷却水温度が冷却水暖機終了温度Ｔ
cstを越えているときには、冷却水を予備加熱する必要
がないのでステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３
において否定判定した場合には、すなわち、冷却水温度
が冷却水暖機終了温度Ｔcst以下であるときには、冷却
水を予備加熱する必要があるのでステップＳ１１１に進
む。

【００３３】初めに、ステップＳ１０３で肯定判定した
場合の処理について説明する。この場合には、冷却水の
予備加熱を実行する必要がないので、ステップＳ１０４
において蒸発器用始動燃焼器２３に原燃料を供給して起
動スタートした後、ステップＳ１０５に進んで蒸発器２
２に始動用改質空気を供給する。これにより蒸発器用始
動燃焼器２３で原燃料が燃焼され、これにより生じた燃
焼ガスが蒸発器２２に供給され、始動用改質空気を加熱
する。そして、加熱された始動用改質空気（以下、加熱
空気という）は、改質反応器１０→燃料ガス供給管３４
→熱交換器２０→燃料ガス供給管３６→三方切替弁３８
→バイパス管４３→燃料オフガス管４０を通って蒸発器
２２導入され、この間に、加熱空気はこの経路内の各機
器の筐体や配管を加熱するだけでなく、改質器１１の改
質触媒やＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒を加熱する。

【００３４】なお、このときには冷却水バルブ４７が閉
じているので、冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２
５ｃには冷却水は循環していない。したがって、冷却水
の予備加熱を実行しないときには、冷却水の循環量を減
少させることができるので、ラジエターポンプ２６の動
力（例えば、モータの消費電力）を低減することができ
る。また、改質反応器１０の温度制御性が向上する。ま
た、冷却水用始動燃焼器２５は燃焼していないので、冷
却水用始動燃焼器２５内の温度は冷却水温度よりも低い
が、冷却水を冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５
ｃに通さないので、冷却水温度が低下するのを防止する
こともできる。

【００３５】そして、ステップＳ１０６において、改質
触媒温度が改質器暖機終了温度Ｔrfstよりも高く、且
つ、蒸発器２２から排出される排気の温度が蒸発器暖機
終了温度Ｔvstよりも高く、且つ、冷却水温度が冷却水
暖機終了温度Ｔcstよりも高いか否か判定する。ステッ
プＳ１０６において否定判定した場合には、加熱空気に
よる加熱処理を継続する。

【００３６】これに対して、ステップＳ１０６において
肯定判定した場合には、ステップＳ１０７に進んで、蒸
発器２２に改質燃料と改質空気を供給すると共に、ＣＯ
除去器１３にＣＯ除去空気を供給する。なお、この時の
改質燃料量、改質空気量、ＣＯ除去空気量の決定方法は
従来と同じであるので説明を省略する。これにより、蒸
発器２２に供給された改質燃料は加熱されて燃料蒸気と
なり、蒸発器２２において加熱された改質空気とともに
改質反応器１０に供給され、改質反応器１０において燃
料蒸気は改質されて改質ガスが生成され、この改質ガス
が改質反応器１０→燃料ガス供給管３４→熱交換器２０
→燃料ガス供給管３６→三方切替弁３８→バイパス管４
３→燃料オフガス管４０を通って蒸発器２２に導入さ
れ、蒸発器２２に内蔵の触媒燃焼器で燃焼されて、改質
燃料および改質空気を加熱するための熱源となる。

【００３７】このように、改質ガスが蒸発器２２に供給
されるようになったらステップＳ１０８に進んで、蒸発
器用始動燃焼器２３への燃料供給をストップして、加熱
空気による加熱処理を終了する。

【００３８】次に、ステップＳ１０９に進んで、熱交換
器２０から流出する改質ガスの組成（例えば、ＴＨＣや
ＣＯ）が、燃料電池スタック２１に供給可能な許容濃度
範囲に安定して収まっているか否か判定する。ステップ
Ｓ１０９で否定判定した場合、すなわち改質ガス組成が
安定していないときには、システム全体としての暖機が
まだ不十分であるので、改質ガスをバイパス管４３に流
通させるバイパス運転を継続する。

【００３９】ステップＳ１０９で肯定判定した場合、す
なわち、改質ガス組成が安定しているときには、システ
ム全体としての暖機は完了であるので、ステップＳ１１
０に進み、アノードオフガスバルブ３９を開くととも
に、三方切替弁３８を燃料ガス供給管３６と燃料ガス供
給管３７とを接続するように切り替えて、改質ガスを燃
料ガスとして燃料電池スタック２１のアノード電極に供
給するとともに、空気をカソード電極に供給し、燃料電
池スタック２１を発電可能な状態にする。このように、
ガス組成が不安定で燃料電池スタック２１に供給するの
に適さない間は、改質ガスをバイパス管４３に流し、燃
料電池スタック２１に供給しないようにしているので、
燃料電池スタック２１が保護される。以上が冷却水の予
備加熱の実行を必要としない場合の処理である。

【００４０】次に、ステップＳ１０３において否定判定
して場合の処理について説明する。前述したように、こ
の場合には冷却水の予備加熱を実行する必要があるの
で、ステップＳ１１１に進んで冷却水バルブ４７を開
き、さらにステップＳ１１２に進んで冷却水用始動燃焼
器２５を起動スタートし原燃料を供給する。冷却水バル
ブ４７を開き、冷却水用始動燃焼器２５を起動すること
により、冷却水用始動燃焼器２５で原燃料が燃焼され、
その燃焼ガスが、ガス供給管４５および燃料ガス供給管
３４を介して熱交換器２０に直接供給される。その結
果、熱交換器２０の能力を最大限利用して前記燃焼ガス
と冷却水との間で熱交換を行うことができ、冷却水を迅
速に加熱することができる。

【００４１】また、これと同時に、冷却水が冷却水用始
動燃焼器２５のジャケット２５ｃを通過する間に、冷却
水用始動燃焼器２５から放熱される熱がジャケット２５
ｃを流れる冷却水に回収されて、冷却水は加熱される。
熱交換器２０において加熱された冷却水は冷却水管３５
ｂを通ってラジエターポンプ２６に戻り、ジャケット２
５ｃにおいて加熱された冷却水は冷却水管４６ｂを通っ
てラジエターポンプ２６に戻り、これら加熱された冷却
水は再びラジエターポンプ２６から各冷却水管３２ａ，
３３ａ，３５ａ，４６ａに送出されので、冷却水系全体
が加熱されることになる。なお、熱交換器２０において
冷却水と熱交換した後の燃焼ガスは、燃料ガス供給管３
６→三方切替弁３８→バイパス管４３→燃料オフガス管
４０→蒸発器２２→排気管４４を通って排気される。

【００４２】このようにして冷却水の予備加熱をスター
トした後、ステップＳ１１３に進んで蒸発器用始動燃焼
器２３に原燃料を供給して起動スタートし、ステップＳ
１１４に進んで蒸発器２２に始動用改質空気を供給す
る。これにより蒸発器用始動燃焼器２３で原燃料が燃焼
され、その燃焼ガスが蒸発器２２に供給され、始動用改
質空気を加熱する。そして、加熱された始動用改質空
気、すなわち加熱空気は、改質反応器１０→燃料ガス供
給管３４→熱交換器２０→燃料ガス供給管３６→三方切
替弁３８→バイパス管４３→燃料オフガス管４０を通っ
て蒸発器２２導入され、この間に、加熱空気はこの経路
内の各機器の筐体や配管を加熱するだけでなく、改質器
１１の改質触媒やＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒を加熱
するとともに、熱交換器１２，２０とＣＯ除去器１３と
冷却水用始動燃焼器２５のジャケット２５ｃを循環する
冷却水を加熱する。

【００４３】すなわち、この場合には、冷却水は、加熱
空気および燃焼ガスと熱交換することで加熱されると同
時に、冷却水用始動燃焼器２５から放熱される燃焼熱を
回収することでも加熱されることとなる。したがって、
冷却水の温度が冷却水暖機終了温度Ｔcstに達するまで
の所要時間が、冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスの熱
を利用しないときよりも、大幅に短縮される。

【００４４】そして、ステップＳ１１５に進み、改質触
媒温度が改質器暖機終了温度Ｔrfstよりも高く、且つ、
蒸発器２２から排出される排気の温度が蒸発器暖機終了
温度Ｔvstよりも高く、且つ、冷却水温度が冷却水暖機
終了温度Ｔcstよりも高いか否か判定する。ステップＳ
１１５において否定判定した場合には、冷却水用始動燃
焼器２５による冷却水の予備加熱処理、および、加熱空
気による加熱処理を継続する。

【００４５】一方、ステップＳ１１５において肯定判定
した場合には、ステップＳ１１６に進んで、冷却水用始
動燃焼器２５をストップするとともに、冷却水バルブ４
７を閉じて、冷却水用始動燃焼器２５による冷却水の予
備加熱処理を終了する。

【００４６】そして、ステップＳ１１６からステップＳ
１０７に進む。ステップＳ１０７以降の処理について
は、前述した冷却水の予備加熱を実行しない場合と同じ
であるので簡単に説明する。ステップＳ１０７において
蒸発器２２に改質燃料と改質空気を供給すると共に、Ｃ
Ｏ除去器１３にＣＯ除去空気を供給する。これにより、
蒸発器２２で生成した燃料蒸気を改質空気とともに改質
反応器１０に供給し、改質反応器１０において燃料蒸気
を改質して改質ガスを生成し、この改質ガスを熱交換器
２０、バイパス管４３等を介して蒸発器２２に導入し、
蒸発器２２に内蔵の触媒燃焼器で燃焼して、改質燃料お
よび改質空気を加熱するための熱源とする。このよう
に、改質ガスが蒸発器２２に供給されるようになったら
ステップＳ１０８に進んで、蒸発器用始動燃焼器２３へ
の燃料供給をストップして、加熱空気による加熱処理を
終了する。なお、このように改質ガスを生成する前に、
ステップＳ１０７において冷却水用始動燃焼器２５をス
トップしているので、水素リッチな改質ガス中に冷却水
用始動燃焼器２５から酸素リッチな燃焼ガスが混入する
のを防止することができる。

【００４７】次に、ステップＳ１０９において、熱交換
器２０から流出する改質ガスの組成が、燃料電池スタッ
ク２１に供給可能な許容濃度範囲に安定して収まってい
るか否か判定し、ステップＳ１０９で否定判定した場合
には、システム全体としての暖機がまだ不十分であるの
で、改質ガスをバイパス管４３に流通させるバイパス運
転を継続し、燃料電池スタック２１を保護する。

【００４８】ステップＳ１０９で肯定判定した場合に
は、システム全体としての暖機は完了であるので、ステ
ップＳ１１０に進み、アノードオフガスバルブ３９を開
くとともに、三方切替弁３８を燃料ガス供給管３６と燃
料ガス供給管３７とを接続するように切り替えて、改質
ガスを燃料ガスとして燃料電池スタック２１のアノード
電極に供給するとともに、空気をカソード電極に供給
し、燃料電池スタック２１を発電可能な状態にする。以
上が冷却水の予備加熱の実行を必要とする場合の処理で
ある。

【００４９】このように、この実施の形態の燃料ガス生
成装置１では、始動時に冷却水温度が冷却水暖機終了温
度Ｔcst以下のときには冷却水用始動燃焼器２５を運転
して冷却水の予備加熱処理を実行するので、冷却水を迅
速に暖機することができ、しかも、加熱された冷却水が
改質反応器１０の熱交換器１２およびＣＯ除去器１３に
も循環するので、改質反応器１０をも迅速に暖機するこ
とができる。その結果、燃料ガス生成装置の暖機時間を
大幅に短縮して早期暖機が可能になり、始動性が向上す
る。

【００５０】図４は、燃料ガス生成装置を始動してから
暖機終了までの所要時間（すなわち、暖機時間）につい
て、この実施の形態における暖機方法と、冷却水の予備
加熱を行わない従来の暖機方法とを比較した図であり、
この実施の形態の暖機方法が従来よりも格段に暖機時間
が短縮されることを確認することができる。

【００５１】また、この実施の形態の燃料ガス生成装置
１の場合には、冷却水用始動燃焼器２５の燃焼ガスを改
質反応器１０の下流であって熱交換器２０の上流に位置
する燃料ガス供給管３４に導入しているので、燃焼ガス
が改質反応器１０に流れないので、改質器１１の改質触
媒やＣＯ除去器１３のＣＯ除去触媒が燃焼ガスの高熱に
晒されることがなく、したがって、これら触媒を過熱す
るのを防止することができ、熱劣化を防止することがで
きる。

【００５２】また、冷却水用始動燃焼器２５による冷却
水の予備加熱は、始動時の冷却水温度が冷却水暖機終了
温度Ｔcstを越えるときだけ実行され、冷却水暖機終了
温度Ｔcst以下のときには冷却水用始動燃焼器２５を運
転せず予備暖機を実行しないようにしているので、燃料
の浪費を防止することができ、燃費向上を図ることがで
きるとともに、冷却水の過熱を防止することができ、熱
交換器２０の性能を適正に維持することができる。

【００５３】なお、図５は、冷却水の早期暖機にかかる
消費電力について、冷却水用始動燃焼器２５を用いた本
実施の形態の場合と、電気ヒータを用いて冷却水を加熱
した場合とを比較した図である。本実施の形態のように
冷却水用始動燃焼器２５を用いて冷却水を加熱する場合
にも、各デバイス（例えば、燃料供給装置、グロープラ
グ、空気供給のためのスーパーチャージャ２４）を動か
すための消費電力が必要になるが、その量は電気ヒータ
の消費電力よりも格段に少ないことが、この図から明ら
かである。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載し
た発明によれば、燃焼器の燃焼ガスを熱交換器に直接流
して熱交換器の能力を最大限利用して熱媒体を迅速に加
熱することが可能となり、さらに、この加熱された熱媒
体が改質反応器にも循環するので改質反応器も迅速に暖
機することが可能となるので、燃料電池用燃料ガス生成
装置の早期暖機が可能になり、その結果、始動性が向上
するという優れた効果が奏される。また、改質反応器に
燃焼ガスが流れず、改質反応器内の触媒に対する過熱防
止を図ることができるので、改質反応器を保護すること
ができるという効果もある。

【００５５】請求項２に記載した発明によれば、燃焼器
から放熱される熱を熱媒体循環路を流れる熱媒体に回収
することができ、エネルギの有効利用を図ることが可能
となるので、燃費が向上するとともに、燃料電池用燃料
ガス生成装置の暖機をさらに速めることができるという
効果がある。請求項３に記載した発明によれば、燃料の
浪費を防止することができるので燃費が向上するととも
に、冷却水の過熱を防止することができるので熱交換器
の性能を適正に維持することができるという効果があ
る。

【００５６】請求項４に記載した発明によれば、ガス組
成の不安定なガスはバイパス通路に流し、燃料電池には
流れないようにすることができるので、燃料電池を保護
することができるという効果がある。請求項５に記載し
た発明によれば、熱媒体循環路を循環する熱媒体量を減
少させることができるので、改質反応器の温度制御性が
向上し、熱媒体を循環させるのに必要な動力を低減する
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る燃料電池用燃料ガス生成装置
の一実施の形態における概略構成図である。

【図２】 前記実施の形態における燃料ガス生成装置に
使用される冷却水用始動燃焼器を一部破断して示す斜視
図である。

【図３】 前記実施の形態における燃焼ガス生成装置の
暖機処理を示すフローチャートである。

【図４】 燃料ガス生成装置を始動してから暖機終了ま
での暖機時間について、従来の暖機方法と本発明の暖機
方法とを比較した図である。

【図５】 冷却水の早期暖機にかかる消費電力につい
て、電気ヒータを用いた場合と本発明の冷却水用始動燃
焼器を用いた場合とを比較した図である。

【図６】 従来の燃料ガス生成装置の一例を示す概略構
成図である。

【図７】 従来の燃料ガス生成装置の暖機方法の一例を
示す暖機処理フローチャートである。

【図８】 改質空気量マップの一例である。

【図９】 ＣＯ除去空気量マップの一例である。

【符号の説明】

１ 燃料電池用燃料ガス生成装置 １０ 改質反応器 ２０ 熱交換器 ２１ 燃料電池スタック（燃料電池） ２５ 冷却水用始動燃焼器（燃焼器） ２５ｃ ジャケット（熱交換路） ３４，３６，３７ 燃料ガス供給管（燃料ガス供給路） ３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂ，４
６ａ，４６ｂ 冷却水管（熱媒体循環路） ４３ バイパス管（バイパス通路） ４７ 冷却水バルブ（流通阻止手段）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ (72)発明者 岡田 光 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EB03 EB12 EB43 EB44 EB46 4G140 EA02 EA03 EA06 EB03 EB12 EB43 EB44 EB46 5H027 AA06 BA01 BA06 BA08 BA17 KK48 MM12

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原燃料を改質して燃料電池用燃料ガスを
   生成する改質反応器と、 前記改質反応器により生成された燃料ガスを燃料電池に
   供給可能にする燃料ガス供給路と、 前記燃料ガス供給路に設けられ該燃料ガス供給路を流れ
   るガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、 前記改質反応器および前記熱交換器に前記熱媒体を循環
   させる熱媒体循環路と、 を備えた燃料電池用燃料ガス生成装置において、 前記燃料ガス供給路における前記熱交換器の上流に燃焼
   ガスを供給可能にする燃焼器を備えることを特徴とする
   燃料電池用燃料ガス生成装置。
2. 【請求項２】 前記熱媒体循環路の一部が、前記燃焼器
   と熱交換可能な熱交換路を構成することを特徴とする請
   求項１に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
3. 【請求項３】 前記熱媒体の温度が所定温度以下のとき
   に前記燃焼器が運転されることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２に記載の燃料電池用燃料ガス生成装置。
4. 【請求項４】 前記熱交換器の下流における前記燃料ガ
   ス供給路に、前記燃料電池をバイパスしてガスを流通さ
   せるバイパス通路が接続されていることを特徴とする請
   求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池用燃料
   ガス生成装置。
5. 【請求項５】 前記熱媒体の温度が前記所定温度よりも
   大きいときに前記熱媒体の前記熱交換路への流通を阻止
   する流通阻止手段を備えることを特徴とする請求項２か
   ら請求項４のいずれかに記載の燃料電池用燃料ガス生成
   装置。