JP2003100331A

JP2003100331A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003100331A
Application number: JP2001292475A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Osada; 和浩長田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】三方弁を開閉した際に生じていたCO濃度の変
化がほとんどなくなり、燃料電池が早く発電開始でき
る。【解決手段】水素を主成分とする燃料ガスに炭化水素
系燃料を改質する改質器１と、前記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と、前記燃料
ガスの供給先を前記燃料電池スタック以外に切り替える
切替手段と、前記燃料電池スタック以外に供給された前
記燃料ガスを燃焼させる燃焼部１０１とを、を備える燃
料電池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池ス
タックとを連結する燃料ガス管路１５に配設された第１
二方弁Ｖ１と、前記改質器と前記燃焼部とを連結する燃
料ガス管路１２に配設された第２二方弁Ｖ２と、前記燃
料電池スタックと前記燃料スタックの排気側と連結する
未利用燃料ガス管路１９、２０に配設された第３二方弁
Ｖ３１、Ｖ３２と、を設けた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、該燃料電池スタックに水素
を主成分とする燃料ガスを製造して供給する改質器、酸
化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段及びガス配管
と、それらを制御する制御装置から構成されている。

【０００５】前記燃料極側には前記燃料ガスが、前記酸
化剤極側には前記酸化剤ガスが送られ、電気化学反応に
より発電する。

【０００６】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、Ｌ
ＰＧ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、天然ガス又はメ
タノールが用いられる。

【０００７】前記改質触媒により製造される燃料ガスは
一酸化炭素を０．５〜１％含んでおり、そのまま燃料電
池スタックに供給すると前記燃料極の電極触媒を被毒
し、燃料電池の発電性能を著しく低下させる。

【０００８】前記改質器内部にはＣＯ除去部が設けら
れ、ＣＯ除去触媒により前記燃料ガスから一酸化炭素を
除去して燃料電池スタックに供給する。

【０００９】しかし、起動時には前記改質器の温度が十
分上昇していないため、前記ＣＯ除去部を通過した後で
も燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高くなっている。この
燃料ガスを燃料電池スタックに供給すると前記燃料極の
電極触媒を被毒し、燃料電池の発電性能を著しく低下さ
せる。

【００１０】一方、燃料電池システムの停止時にも改質
器への空気の供給が遮断されるので、燃料ガス中の一酸
化炭素濃度が高くなる。この時、水と天然ガス又はメタ
ノールの供給は停止され、改質器の加熱も停止されてい
るが、まだ温度が十分高いので、残留している水とメタ
ノールが蒸発して内部のガス圧力が高くなり、燃料ガス
は燃料電池スタックに供給され電極を被毒する。

【００１１】前記被毒を防止するために遮断弁により改
質器と燃料電池スタックを連結する管路を遮断すると前
記改質器の内圧が上昇してしまう問題があり、且つ改質
器が冷えたときに燃料ガス中の水蒸気が凝縮して改質触
媒やＣＯ除去触媒に付着して触媒性能を低下させる問題
がある。また、切替弁により改質器に残留している燃料
ガスを大気中に放出すれば、大気を汚染してしまう問題
がある。

【００１２】従来技術として、特開平８−２９３３１２
号公報には、燃料電池システムの起動時の一酸化炭素濃
度が高い燃料ガス及び停止時に改質器に残留している燃
料ガスを燃料電池スタックに送らず、改質器中の炭化水
素系燃料と水を蒸発させる蒸発部に送って燃焼させる燃
料電池システムが開示されている。

【００１３】しかしながら、従来技術は、起動時には改
質するために蒸発させる炭化水素系燃料と水の量と、前
記蒸発部で燃焼させる燃焼量とのバランスを取ることが
困難になり、燃料電池システムの起動時の制御性が悪く
なる問題がある。従来技術はまた、停止時には前記蒸発
部で燃焼しているのでクールダウンが遅くなる上、改質
器が空だき状態になる不具合が発生する。

【００１４】特開平８−２９３３１２号公報の課題を解
決した技術として、特開２０００−１２３８４６号公報
がある。この技術は、燃料電池スタックの電極触媒の一
酸化炭素被毒を防止し、起動時の制御性を容易にし、且
つ改質器のクールダウンを無理なく早く行うことができ
る燃料電池システムである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】特開２０００−１２３
８４６号公報は、発電を開始する直前、改質器と燃料電
池スタックの間に三方弁を配している。しかしながら、
システム起動時には燃料電池スタックの内部の圧力が低
圧になっており、システムを発電するために、三方弁を
切り替え、燃料ガスをスタックに供給した瞬間、改質器
内部の圧力のバランスが崩れる。それゆえ、例え、切り
替え前にＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下のスタックへの許容
範囲に濃度になっていても、１００ｐｐｍ以上（スタッ
ク許容限界）になる。そのため、ＣＯ濃度の許容限界を
大幅に越えてしまい、スタックを被毒する可能性があっ
た。

【００１６】また、システムが異常を検出し緊急停止し
た場合、三方弁を使用していると、弁の開閉方向によっ
ては、燃料ガスを燃料電池スタックに供給している状態
で停止する場合があり、改質器および燃料電池スタック
に空気が大気から流れ込み、この空気によって改質器内
部の触媒の活性が失われる。

【００１７】また、三方弁はシール性が二方弁に比べて
悪い。これは、図５（a）に示すように、二方弁はポー
ト孔端部と弁との直角方向によるシールであるのに対
し、三方弁は図５（ｂ）に示すように、ポ−ト内壁面と
弁との摺動によるシールであるため、システムで発電し
ている時間が短いと、徐々にスタックや改質器に大気が
流れ込み、触媒活性が失活する可能性がある。

【００１８】また、特開２０００−１２３８４６号公報
は、燃料電池スタック出口に逆止弁を使用しているた
め、逆止弁を開くためには、燃料ガスまたは空気を送る
ポンプ（例えばコンプレッサ）により逆止弁を開かせる
には、バネの付勢力に対して十分なる圧力を必要とす
る。

【００１９】このとき、弁が開かないと三方弁が切り替
わっても、スタックに燃料ガスが送り込まれず、発電す
ることができない。また、スタックの内部圧力が逆止弁
を押し上げるまで高くならないと、発電を開始すること
ができないので、発電開始のタイミングが遅れる。ま
た、ポンプの吐出圧力を高める必要から、ポンプ自体の
消費電力が大きくなり、システム発電効率が著しく低下
する。

【００２０】さらに、燃料電池スタックと改質器の間に
ある三方弁は燃料ガスのガス温度が高温のため、シール
性が悪く、ガス漏れを起こす場合が多い。特に燃料ガス
が水素を含有するガスであることから、漏れに対しては
慎重に扱う必要性がある。

【００２１】本発明は、上記課題を解決したもので、三
方弁を開閉した際に生じていたCO濃度の変化がほとんど
なくなり、燃料電池が早く発電開始できる。また、ポン
プの圧力を低減でき、システムの系全体の圧力が低減で
きる。さらに、ポンプの圧力を低減でき、ポンプの消費
電力を低減できる燃料システムを提供する。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るためになされた請求項１の発明は、水素を主成分とす
る燃料ガスに炭化水素系燃料を改質する改質器と、前記
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
ックと、前記燃料ガスの供給先を前記燃料電池スタック
以外に切り替える切替手段と、前記燃料電池スタック以
外に供給された前記燃料ガスを燃焼させる燃焼部とを、
を備える燃料電池システムにおいて、前記改質器と前記
燃料電池スタックとを連結する燃料ガス管路に配設され
た第１二方弁と、前記改質器と前記燃焼部とを連結する
燃料ガス管路に配設された第２二方弁と、前記燃料電池
スタックと前記燃料スタックの排気側と連結する未利用
燃料ガス管路に配設された第３二方弁と、を設けたこと
を特徴とする燃料電池システムである。

【００２３】請求項１の発明により、三方弁を開閉した
際に生じていたCO濃度の変化がほとんどなくなり、燃料
電池が早く発電開始できる。

【００２４】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項２の発明は、水素を主成分とする燃料ガスに炭化
水素系燃料を改質する改質器と、前記燃料ガスと酸化剤
ガスを利用して発電する燃料電池スタックと、前記燃料
ガスの供給先を前記燃料電池スタック以外に切り替える
切替手段と、前記燃料電池スタック以外に供給された前
記燃料ガスを燃焼させる燃焼手段とを、を備える燃料電
池システムにおいて、前記改質器と前記燃料電池スタッ
クとを連結する燃料ガス管路に配設された第１二方弁
と、前記改質器と前記燃焼手段とを連結する燃料ガス管
路に配設された第２二方弁と、前記燃料電池スタックと
前記燃焼手段と連結する未利用燃料ガス管路に配設され
た第３二方弁と、を設けたことを特徴とする燃料電池シ
ステムである。

【００２５】請求項２の発明により、三方弁を開閉した
際に生じていたCO濃度の変化がほとんどなくなり、燃料
電池が早く発電開始できる。

【００２６】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項３の発明は、前記改質器からの燃料ガスのＣＯ濃
度が所定濃度以上のときは、前記第１二方弁Ｖ１と前記
第３二方弁Ｖ３を閉じ、前記第２二方弁Ｖ２を開いて前
記燃焼手段で燃料ガスを燃焼し、燃料ガスのＣＯ濃度が
所定濃度以下のときは、前記第３二方弁Ｖ３を開き、次
に前記第１二方弁を開き、その後前記第２二方弁を閉じ
るように制御された制御手段を設けたことを特徴とする
請求項１記載の燃料電池システムである。

【００２７】請求項３の発明は、請求項１、請求項２の
技術的手段をより具体化した構成であり、この制御によ
り、三方弁を開閉した際に生じていたCO濃度の変化がほ
とんどなくなり、燃料電池が早く発電開始できる。

【００２８】上記技術的課題を解決するためになされた
請求項４の発明は、前記第３二方弁は電気駆動弁である
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。

【００２９】請求項４の発明は、ポンプの圧力を低減で
き、システムの系全体の圧力が低減できる。さらに、ポ
ンプの圧力を低減でき、ポンプの消費電力を低減でき、
システムの発電効率を大幅に向上させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】（実施例１）以下、本発明の実施
例１について、燃料ガスとして天然ガスを用いた場合に
ついて図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施
例の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。

【００３１】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、エアーポンプＣ１、水
タンク５、一酸化炭素濃度検出手段であるＣＯ濃度計７
などが備えられている。

【００３２】改質器１は、燃料である水と天然ガスを改
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除
去部１０４から構成されている。

【００３３】改質器１の燃焼部１０１は、天然ガスポン
プＰ３を介して連結し、エアーポンプＣ１と空気管路１
３を介して連結している。改質器１の蒸発部１０２は、
水を貯蔵している水タンク５と水ポンプＰ１を介して連
結し、天然ガスポンプＰ２を介して連結している。

【００３４】また改質器１は、燃料ガス管路１４を介し
て第１二方弁Ｖ１に連結している。燃料ガス管路１４に
は、改質器１から排出される燃料ガス中の一酸化炭素濃
度を検出するＣＯ濃度計７が備えられている。第１二方
弁Ｖ１は、燃料ガス管路１５を介して燃料電池スタック
２の燃料ガス供給口２１と連結している。

【００３５】第２二方弁Ｖ２は、燃料ガス管路１２を介
して燃焼部１０１と連結している。これは、水素やメタ
ンの可燃ガスを含んだ燃料ガスを燃焼部１０１に戻すこ
とによって、効率良く燃料ガスを利用するためである。

【００３６】エアーポンプ４は、空気管路１７を介して
燃料電池スタック２の空気供給口２２と連結している。

【００３７】燃料電池スタック２の未利用燃料ガス排出
口２３は、未利用燃料ガス管路１９を介して第３二方弁
Ｖ３１と連結している。第３二方弁Ｖ３１は、未利用燃
料ガス管路２５を介して排気側へ排気される。燃料電池
スタック２の未利用燃料ガス排出口２４は、未利用燃料
ガス管路２０を介して第３二方弁Ｖ３２と連結してい
る。第３二方弁Ｖ３２は、未利用燃料ガス管路２６を介
して排気側へ排気される。

【００３８】またエアーポンプＣ１からの空気管路１６
ｂ、１６ｄには第５二方弁Ｖ５が配設されている。

【００３９】以下、実施例１の動作及び作用について説
明する。

【００４０】燃料電池システムが起動されると、天然ガ
ス供給口６から天然ガスポンプＰ３により天然ガスが改
質器１の燃焼部１０１に供給される。エアーコンプレッ
サＣ１も起動される。

【００４１】燃焼部１０１に供給された天然ガスは、前
記エアーコンプレッサＣ１から供給された空気を助燃剤
として燃焼し、蒸発器１０２と改質部１０３を加熱す
る。

【００４２】水タンク５から水ポンプＰ１により水が、
改質器１の蒸発部１０２に供給され、気化される。また
天然ガス元管６から天然ガスポンプＰ２により供給され
た天然ガスと蒸発部１０２で気化された蒸気は改質部１
０３に送られる。

【００４３】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
応で改質されＣＯ除去部１０４に送られる。

【００４４】ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２前記燃料ガスは一酸化炭素を０．５〜１％含んでおり、
ＣＯ除去部１０４のＣＯ除去触媒（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から第５
二方弁Ｖ５を介して送られた空気で酸化してＣＯ２に変
え、一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にして燃料電池ス
タック２に送られる。

【００４５】起動直後においては改質部１０３の温度が
十分上昇していないため、前記改質器１から排出される
燃料ガスの一酸化炭素濃度は所定濃度（例えば、１０ｐ
ｐｍ）以下になっていない。

【００４６】改質器１に燃料ガスである天然ガスを送
り、改質部１０３、ＣＯ除去部１０４が十分に加熱さ
れ、燃料電池スタックに供給してもよいガスのＣＯ濃度
（１０ｐｐｍ以下）になったことを確認する。

【００４７】図２は、本発明の第１二方弁Ｖ１、第２二
方弁Ｖ２、第３二方弁Ｖ３の開閉制御のフローチャート
である。このフローチャートと図１の燃料電池システム
を参考にして説明する。なお、図４（ａ）は、実施例１
の第１二方弁Ｖ１、第２二方弁Ｖ２、第３二方弁Ｖ３、
第５二方弁Ｖ５からなる各二方弁と上記フローチャート
で制御される制御手段Ｃとの関係を表したブロック概略
図である。

【００４８】図２のＰ１に示すように、燃料電池システ
ムが開始される前は第１二方弁Ｖ１、第２二方弁Ｖ２、
第３二方弁Ｖ３全て閉じた状態となっている。

【００４９】Ｐ２に示すように、燃料電池システムが作
動し燃料が供給される。次にＰ３に示すように、燃料シ
ステムの開始時のように燃料ガスのＣＯ濃度が高い１０
ｐｐｍ以上のときは、排気している。それゆえ、燃料電
池スタック２の燃料ガス供給口２１と未利用燃料ガス排
出口２３の２つの第１二方弁Ｖ１と第３二方弁Ｖ３は閉
じ、燃焼部１０１側に配置された第２二方弁Ｖ２は開い
ている。

【００５０】Ｐ４に示すように、燃料ガスの準備が整っ
たＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下の場合、Ｐ５に示すように、
まず燃料電池スタック２未利用燃料ガス排出口側の第３
二方弁Ｖ３を開き、燃料電池スタック２内部の圧力を燃
料ガスの供給圧力に近い状態（約１０秒）にまでにす
る。Ｐ４において、燃料ガスのＣＯ濃度が高い１０ｐｐ
ｍ以上のときは、Ｐ３に戻る。

【００５１】次に、Ｐ６に示すように、燃料電池スタッ
ク２に燃料ガス供給口２１側の第１二方弁Ｖ１を開き、
発電を開始する。

【００５２】この状態だと、改質された燃料ガスが、燃
料電池スタック２と排気と両方に流れてしまうため、Ｐ
７に示すように、燃焼部に燃料ガスを供給する側の第２
二方弁Ｖ２を燃料電池スタック２入口側である燃料ガス
供給口２１側の第１二方弁Ｖ１を開いてから５秒後に閉
じる。

【００５３】この様に上記二方弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を操
作することで、従来の三方弁を開閉した際に生じていた
ＣＯ濃度の変化がほとんどなくなり、燃料電池が早く発
電開始できるようになる。

【００５４】また、従来、燃料である天然ガスを供給し
ているポンプの圧力が、本発明では、逆止弁から電気駆
動弁（電磁弁等）からなる二方弁に変更することによ
り、ポンプの圧力が低減でき、システムの系全体の圧力
が低減できる。それゆえ、ポンプの圧力を１５０ＫＰａ
から３０ＫＰａにまで低減でき、ポンプの消費電力が６
５Ｗから１７Ｗにまで低減できる。

【００５５】なお、燃焼部１０１への燃料ガス供給に関
する作動は、第２二方弁Ｖ２を燃焼部１０１側に切り替
えて、前記燃料ガスを燃料ガス管路１２を介して前記燃
焼部１０１に供給する。

【００５６】前記燃料電池スタック２では、送られた燃
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８５％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管路１９、２５、４５を介して燃
焼部１０１の燃料ガス供給口３２に送られる。

【００５７】一方、前記燃料電池スタック２には、過剰
の空気を送っているので未利用空気が未利用空気排出口
２４から排出される。前記未利用空気は、未利用空気管
路２０、２６を介して排気される。

【００５８】以上、実施例１では、高温のガスの遮断機
能向上と制御性向上のため、燃料電池スタック２と改質
器１との間に第１二方弁Ｖ１と第２二方弁Ｖ２の２つに
分け、かつ燃料電池スタックの出口である未利用燃料ガ
ス排出口あるいは未利用空気排出口の逆止弁を電磁式の
第３二方弁Ｖ３１、Ｖ３２にする。

【００５９】また、発電開始時の従来技術における三方
弁開閉によるＣＯ濃度の急変をなくし、燃料電池スタッ
ク２のＣＯ被毒を抑えるため、発電開始前に燃料電池ス
タック２出口側の第３二方弁Ｖ３を開き、燃料電池スタ
ック２内部の圧力をガスの自己拡散によって、徐々に燃
料ガスの供給圧力に近い状態にまでし、次に燃料電池ス
タック２入口の第１二方弁Ｖ１を開き、その後もうひと
つの燃焼部１０１に供給している方の第２二方弁Ｖ２を
閉じるように制御にしたことにある。

【００６０】さらに、実施例１は、システム緊急停止時
にも、二方弁であるため、シール性がよく、燃料電池ス
タック２、改質器１に空気を入れないため、ガス遮断効
果の高い第１二方弁Ｖ１、第２二方弁Ｖ２、第３二方弁
Ｖ３で外気とを確実に遮断する。

【００６１】また、実施例１では、バルブ弁を逆止弁で
はなく、第３二方弁Ｖ３のように、電気駆動弁にするこ
とにより、逆止弁を開くために必要な圧力が不要とな
り、高い圧力で燃料ガスを供給しなくてもよくなり、低
消費電力の燃料電池システムとなり、発電効率を高くす
ることができる。

【００６２】なお実施例１では、炭化水素系燃料として
天然ガスを使用したが、メタノール、エタノール、ガソ
リン等の液体燃料、ＬＰＧ等の気体燃料を用いてもよ
い。そのメタノールについて次に実施２として説明す
る。

【００６３】（実施例２）以下、本発明の実施例につい
て、図面に基づいて説明する。図３は、本発明の実施例
２の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。実
施例２の構成を説明する。

【００６４】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２０４から構成され
ている。また固体高分子電解質型燃料電池システムに
は、水タンク２０５、メタノールタンク２０６、一酸化
炭素濃度検出手段であるＣＯ濃度計２０７、切替手段で
ある三方弁２０９などが備えられている。

【００６５】改質器１は、燃料である水とメタノールを
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Ｃ
Ｏ除去部１０４から構成されている。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６とメタノールポンプＰ３を介して連結し、エアー
コンプレッサＣ１と空気管路１３を介して連結してい
る。改質器１の蒸発部１０２は、水を貯蔵している水タ
ンク５と水ポンプＰ１を介して連結し、メタノールタン
ク６とメタノールポンプＰ２を介して連結している。

【００６６】また改質器１は、燃料ガス管路２１４を介
して第１二方弁Ｖ１に連結している。燃料ガス管路２１
４には、改質器１から排出される燃料ガス中の一酸化炭
素濃度を検出するＣＯ濃度計２０７が備えられている。
第１二方弁Ｖ１は、燃料ガス管路２１５を介して燃料電
池スタック２の燃料ガス供給口２２１と連結している。

【００６７】第２二方弁Ｖ２は、燃料ガス管路２１２を
介してバーナ３の空気供給口２３１と連結している。

【００６８】ターボアシストコンプレッサ２０４は、タ
ービン２４１、モータ２４２、コンプレッサ２４３から
構成されている。前記コンプレッサ２４３は、酸化剤ガ
スである空気を圧縮して供給する酸化剤ガス供給手段
で、空気管路２１６を介して三方弁９と連結している。
前記コンプレッサ２４３はまた、空気管路２１６から分
岐している空気管路２１６ａを介して第４二方弁Ｖ４
と、同じく空気管路２１６から分岐している空気管路２
１６ｂを介して第５二方弁Ｖ５と連結している。

【００６９】第４二方弁Ｖ４は空気管路２１６ｃを介し
て改質器１の改質部１０３と連結し、第５二方弁Ｖ５は
空気管路２１６ｄを介して改質器１のＣＯ除去部１０４
と連結している。

【００７０】三方弁９は、空気管路２１７を介して燃料
電池スタック２の空気供給口２２２と連結している。三
方弁２０９はまた、空気管路１８を介してバーナ３の空
気供給口２３４と連結している。

【００７１】燃料電池スタック２の未利用燃料ガス排出
口２３は、未利用燃料ガス管路２１９を介して第３二方
弁Ｖ３１と連結している。第３二方弁Ｖ３１は、未利用
燃料ガス管路２２５を介してバーナ２０３の燃料ガス供
給口２３２と連結している。

【００７２】燃料電池スタック２の未利用空気排出口２
２４は、未利用空気管路２２０を介して第３二方弁Ｖ３
２と連結している。第３二方弁Ｖ３２は、未利用空気管
路２１５を介してバーナ３の空気供給口２３３と連結し
ている。

【００７３】バーナ３は、未利用燃料ガス及び一酸化炭
素濃度の高い燃料ガスを燃焼する燃焼手段である。バー
ナ２０３はまた、燃料電池システムを停止した時に改質
器１に残留している燃料ガスを燃焼する燃焼手段を兼ね
ている。前記バーナ２０３の排ガス排出口２３５は、排
ガス管路２２７を介してターボアシストコンプレッサ２
０４のタービン２４１と連結している。

【００７４】以下、実施例２の動作及び作用について説
明する。

【００７５】燃料電池システムが起動されると、メタノ
ールタンク２０６からメタノールポンプＰ３によりメタ
ノールが改質器１の燃焼部１０１に供給される。ターボ
アシストコンプレッサ２０４のモータ２４２も起動され
てコンプレッサ２４３が起動される。同時にエアーコン
プレッサＣ１も起動される。

【００７６】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Ｃ１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。

【００７７】水タンク２０５から水ポンプＰ１により水
が、またメタノールタンク２０６からメタノールポンプ
Ｐ２によりメタノールが改質器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、改質器１の蒸発
部１０２で気化され改質部１０３に送られる。

【００７８】改質部１０３では、水とメタノールの蒸気
はターボアシストコンプレッサ２０４のコンプレッサ２
４３から第４二方弁Ｖ４を介して送られた空気と混合さ
れ、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
されＣＯ除去部１０４に送られる。

【００７９】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、
ＣＯ除去部１０４のＣＯ除去触媒（例えば、Ｐｔ触媒
等）により一酸化炭素を前記コンプレッサ２４３から第
５二方弁Ｖ５を介して送られた空気で酸化してＣＯ２に
変え、一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にして燃料電池
スタック２に送られる。

【００８０】起動直後においては改質部１０３の温度が
十分上昇していないため、前記改質器１から排出される
燃料ガスの一酸化炭素濃度は所定濃度（例えば、１０ｐ
ｐｍ）以下になっていない。

【００８１】改質器１に燃料ガスであるメタノールを送
り、改質部１０３、ＣＯ除去部１０４が十分に加熱さ
れ、燃料電池スタックに供給してもよいガスのＣＯ濃度
（１０ｐｐｍ以下）になったことを確認する。

【００８２】図２は、本発明の実施例２の第１二方弁Ｖ
１、第２二方弁Ｖ２、第３二方弁Ｖ３の開閉制御のフロ
ーチャートであるが、基本的な作動は実施例１と同じで
ある。なお、図４（ｂ）は、実施例２の第１二方弁Ｖ
１、第２二方弁Ｖ２、第３二方弁Ｖ３、だ４二方弁Ｖ
４、第５二方弁Ｖ５と上記フローチャートで制御される
制御手段Ｃとの関係を表したブロック概略図である。

【００８３】図２のＰ１に示すように、燃料電池システ
ムが開始される前は第１二方弁Ｖ１、第２二方弁Ｖ２、
第３二方弁Ｖ３全て閉じた状態となっている。

【００８４】Ｐ２に示すように、燃料電池システムが作
動し燃料が供給される。次にＰ３に示すように、燃料シ
ステムの開始時のように燃料ガスのＣＯ濃度が高い１０
ｐｐｍ以上のときは、排気またはバーナで燃料ガスを燃
焼している。それゆえ、燃料電池スタック２の燃料ガス
供給口２１と未利用燃料ガス排出口２３の２つの第１二
方弁Ｖ１と第３二方弁Ｖ３は閉じ、排気側に配置された
第２二方弁Ｖ２は開いている。

【００８５】Ｐ４に示すように、燃料ガスの準備が整っ
たＣＯ濃度１０ｐｐｍ以下の場合、Ｐ５に示すように、
まず燃料電池スタック２未利用燃料ガス排出口側の第３
二方弁Ｖ３を開き、燃料電池スタック２内部の圧力を燃
料ガスの供給圧力に近い状態（約１０秒）にまでにす
る。Ｐ４において、燃料ガスのＣＯ濃度が高い１０ｐｐ
ｍ以上のときは、Ｐ３に戻る。

【００８６】次に、Ｐ６に示すように、燃料電池スタッ
ク２に燃料ガス供給口２２１側の第１二方弁Ｖ１を開
き、発電を開始する。

【００８７】この状態だと、改質された燃料ガスが、燃
料電池スタック２と燃焼手段２０３への排気と両方に流
れてしまうため、Ｐ７に示すように、排気に燃料ガスを
供給する側の第２二方弁Ｖ２を燃料電池スタック２入口
側である燃料ガス供給口２２１側の第１二方弁Ｖ１を開
いてから５秒後に閉じる。

【００８８】実施例２は、この様に上記二方弁Ｖ１、Ｖ
２、Ｖ３を操作することで、従来の三方弁を開閉した際
に生じていたＣＯ濃度の変化がほとんどなくなり、燃料
電池が早く発電開始できるようになる。

【００８９】また、従来、燃料である天然ガスを供給し
ているポンプの圧力が、実施例２では、逆止弁から電気
駆動弁に変更することにより、ポンプの圧力が低減で
き、システムの系全体の圧力が低減できる。それゆえ、
ポンプの圧力を１５０ＫＰａからほとんど無圧の３０Ｋ
Ｐａにまで低減でき、ポンプの消費電力が６５Ｗから１
７Ｗにまで低減できる。

【００９０】なお、バーナ２０３への燃料ガス供給に関
する作動は次のようである。第２二方弁Ｖ２をバーナ２
０３側に切り替えて、前記燃料ガスを燃料ガス管路２１
２を介して前記バーナ２０３に供給する。この時、三方
弁２０９は前記バーナ２０３側に切り替えられているの
で、コンプレッサ２４３から空気が前記バーナ２０３に
送られる。

【００９１】バーナ２０３は、改質器１から送られた燃
料ガスをコンプレッサ２４３から送られた空気を助燃剤
にして燃焼する。前記バーナ２０３の排ガスはターボア
シストコンプレッサ２０４のタービン２４１に送られ、
該タービン２４１を回転する。

【００９２】前記タービン２４１の回転により前記コン
プレッサ２４３が回転されるので、前記モータ２４２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。

【００９３】前記燃料電池スタック２では、送られた燃
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管路２１９、２２５を介してバー
ナ２０３の燃料ガス供給口２３２に送られる。

【００９４】一方、前記燃料電池スタック２には、過剰
の空気を送っているので未利用空気が未利用空気排出口
２２４から排出される。前記未利用空気は、未利用空気
管路２２０、２２６を介してバーナ２０３の空気供給口
２３４に送られる。

【００９５】前記バーナ２０３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２０３の排ガスはターボアシストコン
プレッサ２０４のタービン２４１に送られ、該タービン
２４１を回転する。これで、燃料電池システムは定常運
転状態になる。

【００９６】前記タービン２４１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２４２の負荷が
低減され、電力が節約できる。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。

【００９７】実施例２では、未利用燃焼ガスの燃焼エネ
ルギーでタービンを回転させ、その動力を用いて燃料電
池システムに必要な空気を供給しているので効率的なシ
ステムになっている。前記タービンの動力を用いて発電
機を回転させて発電するシステムにすることもでき、空
気の供給と発電を同時に行うシステムにすることもでき
る。

【００９８】以上、実施例２では、高温のガスの遮断機
能向上と制御性向上のため、燃料電池スタック２と改質
器１との間に第１二方弁Ｖ１と第２二方弁Ｖ２の２つに
分け、かつ燃料電池スタックの出口である未利用燃料ガ
ス排出口あるいは未利用空気排出口の逆止弁を電磁式の
第３二方弁Ｖ３１、Ｖ３２にする。

【００９９】また、発電開始時の従来技術における三方
弁開閉によるＣＯ濃度の急変をなくし、燃料電池スタッ
ク２のＣＯ被毒を抑えるため、発電開始前に燃料電池ス
タック２出口側の第３二方弁Ｖ３を開き、燃料電池スタ
ック２内部の圧力をガスの自己拡散によって、徐々に燃
料ガスの供給圧力に近い状態にまでし、次に燃料電池ス
タック２入口の第１二方弁Ｖ１を開き、その後もうひと
つの排気している方の第２二方弁Ｖ２を閉じるように制
御にしたことにある。

【０１００】さらに、実施例２は、実施例１と同様、シ
ステム緊急停止時にも、二方弁であるため、シール性が
よく、燃料電池スタック２、改質器１に空気を入れない
ため、ガス遮断効果の高い第１二方弁Ｖ１、第２二方弁
Ｖ２、第３二方弁Ｖ３で外気とを確実に遮断する。

【０１０１】また、実施例２では、バルブ弁を逆止弁で
はなく、第３二方弁Ｖ３のように、電気駆動弁にするこ
とにより、逆止弁を開くために必要な圧力が不要とな
り、高い圧力で燃料ガスを供給しなくてもよくなり、低
消費電力の燃料電池システムとなり、発電効率を高くす
ることができる。

【０１０２】なお実施例２では、炭化水素系燃料として
メタノールを使用したが、エタノール、を用いてもよ
い。

【０１０３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、水素を
主成分とする燃料ガスに炭化水素系燃料を改質する改質
器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃
料電池スタックと、前記燃料ガスの供給先を前記燃料電
池スタック以外に切り替える切替手段と、前記燃料電池
スタック以外に供給された前記燃料ガスを燃焼させる燃
焼部とを、を備える燃料電池システムにおいて、前記改
質器と前記燃料電池スタックとを連結する燃料ガス管路
に配設された第１二方弁と、前記改質器と前記燃焼部と
を連結する燃料ガス管路に配設された第２二方弁と、前
記燃料電池スタックと前記燃料スタックの排気側と連結
する未利用燃料ガス管路に配設された第３二方弁と、を
設けたことを特徴とする燃料電池システムであるので、
三方弁を開閉した際に生じていたCO濃度の変化がほとん
どなくなり、燃料電池が早く発電開始できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の固体高分子電解質型燃料電
池システム図。

【図２】本発明の実施例１の第１〜第３二方弁の開閉を
制御するフローチャート図。

【図３】本発明の実施例２の固体高分子電解質型燃料電
池システム図。

【図４】各二方弁と制御手段との関係を表すブロック図
であり、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２を表す。

【図５】（ａ）は、二方弁の概略図、（ｂ）は三方弁の
概略図。

【符号の説明】

１・・・改質器２・・・燃料電池スタック１０１・・・燃焼部３０３・・・燃焼手段１２、２１２・・・燃料ガス管路１５、２１５・・・燃料ガス管路１９、２１９・・・未利用燃料ガス管路２０、２２０・・・未利用空気管路Ｖ１・・・第１二方弁Ｖ２・・・第２二方弁Ｖ３１（Ｖ３）・・・第３二方弁Ｖ３２（Ｖ３）・・・第３二方弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素を主成分とする燃料ガスに炭化水素
系燃料を改質する改質器と、前記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と、前記燃料ガス
の供給先を前記燃料電池スタック以外に切り替える切替
手段と、前記燃料電池スタック以外に供給された前記燃
料ガスを燃焼させる燃焼部とを、を備える燃料電池シス
テムにおいて、前記改質器と前記燃料電池スタックとを連結する燃料ガ
ス管路に配設された第１二方弁と、前記改質器と前記燃
焼部とを連結する燃料ガス管路に配設された第２二方弁
と、前記燃料電池スタックと前記燃料スタックの排気側
と連結する未利用燃料ガス管路に配設された第３二方弁
と、を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】水素を主成分とする燃料ガスに炭化水素
系燃料を改質する改質器と、前記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と、前記燃料ガス
の供給先を前記燃料電池スタック以外に切り替える切替
手段と、前記燃料電池スタック以外に供給された前記燃
料ガスを燃焼させる燃焼手段とを、を備える燃料電池シ
ステムにおいて、前記改質器と前記燃料電池スタックとを連結する燃料ガ
ス管路に配設された第１二方弁と、前記改質器と前記燃
焼手段とを連結する燃料ガス管路に配設された第２二方
弁と、前記燃料電池スタックと前記燃焼手段と連結する
未利用燃料ガス管路に配設された第３二方弁と、を設け
たことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】前記改質器からの燃料ガスのＣＯ濃度が
所定濃度以上のときは、前記第１二方弁Ｖ１と前記第３
二方弁Ｖ３を閉じ、前記第２二方弁Ｖ２を開いて前記燃
焼手段で燃料ガスを燃焼し、燃料ガスのＣＯ濃度が所定
濃度以下のときは、前記第３二方弁Ｖ３を開き、次に前
記第１二方弁を開き、その後前記第２二方弁を閉じるよ
うに制御された制御手段を設けたことを特徴とする請求
項１あるいは請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記第３二方弁は電気駆動弁であること
を特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の燃料電池
システム。