JP2004103358A

JP2004103358A - 燃料電池用水素供給システム

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Publication number: JP2004103358A
Application number: JP2002262681A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Sakano; 坂野　雅章; Akifumi Otaka; 大高　彰文; Hidehiko Takase; 高瀬　英彦
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】液体燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成し燃料電池に供給する燃料電池用水素供給システムの始動時間を短縮する。
【解決手段】燃焼器２付き蒸発器３と、改質器４と、シフター６と、第１ＣＯ除去器９と、第２ＣＯ除去器１１と、燃焼器２の始動用の第１始動バーナ１３と、改質器４の始動用の第２始動バーナ１４と、シフター６から排出される燃料ガスを加熱する第３始動バーナ１５とを備え、ガソリン等の炭化水素を含む液体燃料を水素リッチなガスに改質して燃料電池５０のアノードに燃料ガスとして供給する。
【選択図】　　図１

Description

【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に燃料ガスとして供給する燃料電池用水素供給システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池への燃料ガスの供給方法として、ガソリンやメタノールなどの炭化水素を含む原燃料を水素リッチな燃料ガス（以下、水素リッチガスと略す）に改質し、この水素リッチガスを燃料電池の燃料ガスとして供給する場合がある。
例えば、原燃料であるガソリンを水素リッチガスに改質して燃料電池に供給する水素供給システムでは、蒸発器で生成した水蒸気と原燃料であるガソリンとを混合させて改質器に供給し、改質器においてガソリンを改質反応させて水素リッチガスに改質する。この水素リッチガス中には、副反応により発生した一酸化炭素（ＣＯ）が含まれており、燃料電池に供給される改質ガス中のＣＯ濃度が高いと、燃料電池のアノードがＣＯ被毒され、燃料電池は出力低下を招く虞がある。そのため、この水素供給システムでは、改質器の下流に、シフター、ＣＯ除去器を順に設け、前記シフターで水素リッチガス中のＣＯを水と反応させて二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素に変え、さらに残留するＣＯを前記ＣＯ除去器で酸化させてＣＯ_２に変えることにより、水素リッチガス中のＣＯ濃度を低減させている。そして、ＣＯが除去された水素リッチガスを熱交換器で所定温度に調整した後、燃料電池のアノードに燃料ガスとして供給している。
【０００３】
この水素供給システムでは、システムの始動後に燃料ガス（すなわち水素リッチガス）のガス組成が安定し、且つ、燃料ガス温度が燃料電池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り、暖機が完了するまでは、水素供給システムで生成されたガスは燃料電池のアノードに供給せず、蒸発器における燃焼器に燃料として戻している。
【０００４】
ところで、前記蒸発器における燃焼器と改質器は一般に触媒反応を利用しているので、始動時に前記燃焼器と改質器の触媒を活性温度まで迅速に昇温させることが水素供給システムの暖機時間を短縮する上でも重要である。そのため、蒸発器における燃焼器に始動バーナを設けたり、改質器に始動バーナを設けたり、あるいはこれら両方に始動バーナを設けている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
そして、水素供給システムの始動に際しては、始めにこれら始動バーナを作動し、次の条件を全て満たした時に始動完了と判断している。
（１）蒸発器の温度が高温蒸気の発生に必要な所定温度に達すること。
（２）改質器の温度が改質反応の開始に必要な所定温度に達すること。
（３）水素供給システムの全ての要素が露点以上になったこと。
このようにして始動完了が判断されると、始動バーナを停止して、システムの暖機を開始すべく、蒸発器に水を供給するとともに改質器に改質用燃料を供給する。
【０００５】
また、ＣＯ除去器は触媒反応を利用しているため、ＣＯ除去器をその触媒反応に適した温度に調整することがＣＯ除去反応を促進する上で極めて重要であり、従来は、ＣＯ除去器の上流に熱交換器を設けてＣＯ除去器に流入するガスの温度を調整することでＣＯ除去器の温度調整を行うのが一般的であった。
しかし、近時においては、ＣＯ除去器自体に熱交換部を備えたＣＯ除去器が考えられている。この熱交換部付きＣＯ除去器では、燃料電池のカソードから排出されるガス（以下、カソードオフガスという）を冷媒としてＣＯ除去器の熱交換部に導入し、この熱交換部を流通したカソードオフガスを、燃料電池のアノードから排出されるガス（以下、アノードオフガスという）とともに蒸発器における燃焼器に供給し、アノードオフガス中の水素の酸化剤として利用する。このように、熱交換部を備えたＣＯ除去器を用いると、ＣＯ除去器の温度制御が極めて精度良く行うことができる。また、カソードオフガスをＣＯ除去器の熱交換部に冷媒として流通させるとともに酸化剤として燃焼器に供給しているので、ＣＯ除去器を流通する水素リッチガスの排熱を水や燃料の気化に利用することができ、システムにおける熱効率が向上するというメリットがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２２１６０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５５９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、蒸発器における燃焼器と改質器の両方に始動バーナを設けた場合であっても、ＣＯ除去器の下流に配置された熱交換器の温度が露点以上になるまでには相当な時間が必要で、始動時間が長くなり、ひいては暖機時間が長くなるという問題があった。
【０００８】
一方、熱交換部付きのＣＯ除去器を用いた前記システムの場合、始動完了により改質用燃料と水を供給して暖機を開始すると、ＣＯ除去器の温度が低下する場合がある。この温度低下の原因は、次のように推察される。
ＣＯ除去器の冷却には燃料電池のカソードオフガスが用いられるが、ＣＯ除去器で熱エネルギを得たカソードオフガスは蒸発器における燃焼器でアノードオフガスの酸化剤として使用され、蒸発器の熱源となる。発電時は、燃料電池で水素が消費されるためアノードオフガスの水素濃度は低いが、暖機時は発電されていないためアノードオフガスの水素濃度が高くなる。一方、前記燃焼器の温度は、暖機時も発電時も或る一定の温度になるようにカソードオフガスの流量で制御されるため、燃料投入量に対する暖機時のカソードオフガス流量は、発電時のそれよりも多くなり、その結果、ＣＯ除去器が過冷却される。
【０００９】
このように始動完了から暖機開始に移行した時にＣＯ除去器の温度が低下し、その温度が触媒の活性温度を下回った場合にはＣＯ除去性能が低下して水素リッチガスのＣＯ濃度が高くなってしまうので、水素リッチガスのガス組成が安定するまでに余分に時間がかかるようになり、結果的に、暖機時間が長くなってしまう。
そこで、この発明は、始動時間および暖機時間を短縮することができる燃料電池用水素供給システムを提供するものである。
【００１０】
【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に係る発明は、水あるいは炭化水素を含む液体燃料（例えば、後述する実施の形態におけるガソリン）を気化する蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器３）と、気化燃料を改質して水素を含む燃料ガスに変換する改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器４）と、該改質器の下流に設けられ該改質器から供給された前記燃料ガスに含まれる一酸化炭素と水から水素を生成するシフター（例えば、後述する実施の形態におけるシフター６）と、該シフターの下流に設けられ燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化除去するＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態における第１ＣＯ除去器９、第２ＣＯ除去器１１）と、前記蒸発器と前記改質器の少なくともいずれか一方を加熱する第１の加熱手段（例えば、後述する実施の形態における第１始動バーナ１３、第２始動バーナ１４）と、を備え、生成された水素リッチな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５０）に供給する燃料電池用水素供給システム（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用水素供給システム１）において、前記シフターの下流に設けられて該シフターから排出される燃料ガスを加熱する第２の加熱手段（例えば、後述する実施の形態における第３始動バーナ１５）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、ＣＯ除去器を含めて前記シフターの下流に配置された水素供給システムの各要素を早期に加熱することができ、したがって、水素供給システムの始動時間を短縮することができ、ひいては暖機時間を短縮することができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記ＣＯ除去器は熱交換部（例えば、後述する実施の形態における熱交換部８，１０）を備え、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを前記ＣＯ除去器の熱交換部に導入する熱交導入路（例えば、後述する実施の形態における流路３４，３５，３６）と、前記カソードオフガスを前記熱交換部を迂回して流通させるバイパス流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス流路３９）と、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、水素供給システムの暖機中はカソードオフガスの全量もしくは一部をバイパス流路に流通させることで、ＣＯ除去器の熱交換部を迂回させることが可能になり、その結果、始動完了により暖まったＣＯ除去器が暖機時に冷却されるのを防止することができ、暖機時間をさらに短縮することができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、水あるいは炭化水素を含む液体燃料（例えば、後述する実施の形態におけるガソリン）を気化する蒸発器（例えば、後述する実施の形態における蒸発器３）と、気化燃料を改質して水素を含む燃料ガスに変換する改質器（例えば、後述する実施の形態における改質器４）と、該改質器の下流に設けられ該改質器から供給された前記燃料ガスに含まれる一酸化炭素と水から水素を生成するシフター（例えば、後述する実施の形態におけるシフター６）と、該シフターの下流に設けられ燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化除去するＣＯ除去器（例えば、後述する実施の形態における第１ＣＯ除去器９、第２ＣＯ除去器１１）と、前記蒸発器と前記改質器の少なくともいずれか一方を加熱する第１の加熱手段（例えば、後述する実施の形態における第１始動バーナ１３、第２始動バーナ１４）と、を備え、生成された水素リッチな燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池用水素供給システム（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用水素供給システム１）において、前記ＣＯ除去器は熱交換部（例えば、後述する実施の形態における熱交換部８，１０）を備え、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを前記ＣＯ除去器の熱交換部に導入する熱交導入路（例えば、後述する実施の形態における流路３４，３５，３６）と、前記カソードオフガスを前記熱交換部を迂回して流通させるバイパス流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス流路３９）と、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、水素供給システムの暖機中はカソードオフガスの全量もしくは一部をバイパス流路に流通させることで、ＣＯ除去器の熱交換部を迂回させることが可能になり、その結果、始動完了により暖まったＣＯ除去器が暖機時に冷却されるのを防止することができ、暖機時間を短縮することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池用水素供給システムの実施の形態を図１から図７の図面を参照して説明する。なお、以下に記載する各実施の形態における水素供給システムは、燃料電池自動車に搭載の燃料電池に水素を供給する水素供給システムとしての態様である。
【００１４】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料電池用水素供給システムの第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は燃料電池用水素供給システム１の概略構成を示している。この実施の形態における水素供給システム１は、触媒燃焼器（以下、燃焼器と略す）２を備えた蒸発器３、改質器４、改質器４の下流の第１熱交換器５、シフター６、シフター６の下流の第２熱交換器７、熱交換部８を備えた第１ＣＯ除去器９、熱交換部１０を備えた第２ＣＯ除去器１１、第２ＣＯ除去器１１の下流の第３熱交換器１２を主要構成としており、液体燃料としてのガソリンを水素リッチガスに改質して燃料電池５０に供給する。なお、液体燃料はガソリンに限るものではなく、メタノール等の炭化水素を含む液体燃料を用いることも可能である。
燃料電池５０は固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、アノードに供給される燃料ガス中の水素と、カソード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。
【００１５】
初めに、燃料電池５０の発電状態におけるガスの流れを説明する。
蒸発器３の燃焼器２には、燃料電池５０のアノードから排出されるアノードオフガスとカソードから排出されるカソードオフガスが供給され、カソードオフガス中の酸素を酸化剤としてアノードオフガス中の水素を触媒燃焼させ、この燃焼により発生した熱で蒸発器３に供給される水を気化させて水蒸気にする。
蒸発器３で発生した水蒸気は、流路２１を通り、第１熱交換器５を経由して改質器４に供給される。また、第１熱交換器５よりも上流の流路２１には、燃料としてのガソリンと、改質用の空気とが供給され、これらは水蒸気と共に改質器４に供給される。なお、流路２１に供給されたガソリンは、流路２１内を流通する水蒸気の熱を受熱して瞬時に気化する。
【００１６】
改質器４は内部に改質触媒を備えており、この改質触媒の触媒作用により改質器４内において、［化１］に示されるような部分酸化と、［化２］に示されるような水蒸気改質が行われ、その結果、ガソリンは水素リッチな改質ガスに改質される。なお、この改質ガスには、副反応により生じたＣＯが数％程度含まれている。
【００１７】
【化１】

【００１８】
【化２】

【００１９】
改質器４から排出された改質ガスは、流路２２を介して第１熱交換器５に供給される。改質器４から排出された改質ガスは極めて高温であり、この高温のまま下流のシフター６に供給することができないので、第１熱交換器５において流路２１を流れるガスと非接触で熱交換することにより、シフター６に好適な温度まで改質ガスを冷却する。
【００２０】
第１熱交換器５で冷却された改質ガスは流路２３を介してシフター６に供給される。前述したように、改質器４から排出される改質ガスはＣＯ濃度が高く、これをそのまま燃料電池５０のアノードに供給するとアノードの触媒がＣＯ被毒して燃料電池５０に悪影響を及ぼす場合があるので、シフター６によりＣＯを除去する。シフター６は内部にシフト触媒を備えており、このシフト触媒の触媒作用によりシフター６の内部で［化３］に示されるようなシフト反応が行われ、改質ガス中の多くのＣＯがＣＯ_２に変成せしめられる。
【００２１】
【化３】

【００２２】
シフター６によって多くのＣＯを除去せしめられた改質ガスは流路２４を介して第２熱交換器７に供給され、下流の第１ＣＯ除去器９に好適な温度まで改質ガスは冷却される。第２熱交換器７から排出された改質ガスは流路２５を介して第１ＣＯ除去器９に供給される。第１ＣＯ除去器９は内部にＣＯを選択酸化するＣＯ除去触媒を備えており、このＣＯ除去触媒の触媒作用により［化４］に示されるような酸化反応が行われ、改質ガス中に微量に残留するＣＯがＣＯ_２に酸化せしめられる。なお、改質ガスは第１ＣＯ除去器９を流通する間に第１ＣＯ除去器９の熱交換部８を流通するカソードオフガスによって冷却される。
【００２３】
【化４】

【００２４】
第１ＣＯ除去器９から排出された改質ガスは、流路２６を介して第２ＣＯ除去器１１に供給される。第２ＣＯ除去器１１は第１ＣＯ除去器９と同一構成をなし、第１ＣＯ除去器９で除去しきれなかった改質ガス中のＣＯを酸化除去する。第２ＣＯ除去器１１においても、改質ガスは第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０を流通するカソードオフガスによって冷却される。
【００２５】
第２ＣＯ除去器１１から排出される改質ガスはＣＯを殆ど含んでおらず、燃料電池５０に好適な燃料ガスとなる。この水素リッチな燃料ガスは、流路２７を介して第３熱交換器１２に供給され、燃料電池５０に供給可能な温度まで冷却された後、流路２８、切替弁２９、流路３０を介して燃料電池５０のアノードに供給される。
【００２６】
燃料電池５０のアノードに供給された燃料ガス中の水素の一部は発電のために消費され、消費されなかった未反応の水素はアノードオフガスとしてアノードから排出される。アノードから排出されたアノードオフガスは、流路３１を介して第３熱交換器１２に供給され、ここで第３熱交換器１２を流通する燃料ガスと非接触で熱交換を行う。これによって、燃料ガスは冷却され、アノードオフガスは加熱される。
第３熱交換器１２から排出されたアノードオフガスは、流路３２を介して第２熱交換器７に供給され、ここで第２熱交換器７を流通する改質ガスと非接触で熱交換を行う。これによって、改質ガスは冷却され、アノードオフガスは加熱される。第２熱交換器７から排出されたアノードオフガスは流路３３を介して蒸発器３の燃焼器２に、燃焼器用燃料ガスとして供給される。
【００２７】
一方、燃料電池５０のカソードに供給された空気中の酸素の一部は発電のための酸化剤として消費され、発電用の酸化剤として消費されなかった酸素を含む空気はカソードオフガスとしてカソードから排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは流路３４を介して第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０に供給され、ここで第２ＣＯ除去器１１を流通する改質ガスと非接触で熱交換を行う。これによって、改質ガスは冷却され、カソードオフガスは加熱される。第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０から排出されたカソードオフガスは流路３５を介して第１ＣＯ除去器９の熱交換部８に供給され、ここで第１ＣＯ除去器９を流通する改質ガスと非接触で熱交換を行う。これによって、改質ガスは冷却され、カソードオフガスは加熱される。
【００２８】
第１ＣＯ除去器９の熱交換部８から排出されたカソードオフガスは流路３６および流路３３を介して蒸発器３の燃焼器２に、燃焼用酸化剤として供給される。このように、燃料電池５０を発電運転させている時には、アノードオフガスを第２熱交換器７および第３熱交換器１２に流通させることによって改質ガスおよび燃料ガスを冷却するとともにアノードオフガスを加熱しており、カソードオフガスを第１ＣＯ除去器９の熱交換部８および第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０に流通させることによって改質ガスを冷却するとともにカソードオフガスを加熱し、加熱したアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼器２に供給することで、排熱の有効利用を図り、熱効率の向上を図っている。
【００２９】
また、この水素供給システム１では、切替弁２９と流路３１とを接続する流路３７を備えている。切替弁２９は、燃料電池５０の発電時には前述したようにガスを流すべく流路２８と流路３０を接続して流路３７を遮断し、システムの始動時および暖機時には燃料電池５０のアノードにガスが流れないように、流路２８と流路３７を接続して流路３０を遮断する。
【００３０】
さらに、この水素供給システム１では、システムの始動用として、蒸発器３の燃焼器２に第１始動バーナ１３を備え、改質器４に第２始動バーナ１４を備え、さらに、シフター６と第２熱交換器７とを接続する流路２４に第３始動バーナ１５を備えている。この実施の形態において、第１始動バーナ１３と第２始動バーナ１４は第１の加熱手段を構成し、第３始動バーナ１５は第２の加熱手段を構成する。
【００３１】
次に、この水素供給システム１の始動時および暖機時のガスの流れを説明する。
水素供給システム１の始動時には、蒸発器３への水の供給、流路２１へのガソリン（燃料）と改質用空気の供給、燃料電池５０への空気の供給は行わず、また、切替弁２９によって流路２８と流路３７を接続するように設定する。
そして、第１始動バーナ１３と第２始動バーナ１４と第３始動バーナ１５を始動して、これら始動バーナ１３〜１５で発生させた燃焼ガスを燃料電池５０を迂回して循環させることによって、水素供給システム全体を加熱する。
【００３２】
そして、蒸発器３の温度が高温蒸気の発生に必要な所定温度に達し、改質器４の温度が改質反応の開始に必要な所定温度に達し、水素供給システム１の全ての要素が露点以上になった時に始動完了と判断して、各始動バーナ１３〜１５を停止すると同時に、蒸発器３への水の供給、流路２１へのガソリンと改質用空気の供給、燃料電池５０への空気の供給を開始して暖機運転を開始する。なお、この暖機運転では、まだ燃料ガスの組成および温度が不安定であるので、燃料電池５０への燃料ガスの供給は行わず、切替弁２９による流路接続は前記始動時と同じである。
この暖機運転により、第３熱交換器１２から排出される燃料ガスの組成および温度が燃料電池５０のアノードに供給可能な所定範囲に収まった時に暖機完了と判断して、流路３７を遮断し流路２８と流路３０を接続するように切替弁２９を切り替えて、燃料電池５０のアノードへの燃料ガスの供給を開始する。
【００３３】
図２および図３は、第１の実施の形態における水素供給システム１の始動から発電に至るまでの各部における温度の時間的変化を実験的に求めた一例を示すものである。これらの図において、添付記号ａ〜ｋは次の部位における温度を示している。
ａ：第１始動バーナ１３
ｂ：燃焼器２
ｃ：蒸発器３
ｄ：第２始動バーナ１４および第３始動バーナ１５
ｅ：改質器４
ｆ：第１熱交換器５
ｇ：シフター６
ｈ：第２熱交換器７
ｉ：第１ＣＯ除去器９
ｊ：第２ＣＯ除去器１１
ｋ：第３熱交換器１２
【００３４】
この実験結果から、この水素供給システム１では、始動からｔ２とｔ３のほぼ中間の時間までに、蒸発器３の温度が高温蒸気の発生に必要な温度であるＴ４以上、改質器４の温度が改質反応の開始に必要な温度であるＴ６以上、全てのコンポーネントが露点以上の全ての条件が満たされて始動完了となった。また、時間ｔ５において、燃料ガスの組成および温度が燃料電池５０のアノードに供給可能な所定範囲に収まって暖機完了となった。
【００３５】
図４および図５は、第３始動バーナ１５を備えない比較例の水素供給システムにおいて始動から発電に至るまでの各部における温度の時間的変化を実験的に求めたものである。この比較例の水素供給システムは、前述した第１の実施の形態の水素供給システム１における第３始動バーナ１５を備えていないだけで、その他の構成については第１の実施の形態の水素供給システム１と全く同じであり、始動時、暖機時、発電時における水、ガソリン、改質用空気、発電用空気の供給の有無、および、切替弁２９によるガス流路切り替えも、第１の実施の形態の水素供給システム１の場合と同じとした。図４および図５における添付記号は、ｄが第２始動バーナの温度を示している点を除いて、第１の実施の形態におけるそれと全く同じである。
この比較例の実験結果から、第３始動バーナを備えない水素供給システムでは、始動完了までに時間ｔ４を要し、また、時間ｔ５を経過しても未だ暖機を完了することができなかった。
【００３６】
これら実験結果の比較から、第３始動バーナ１５を備えた第１の実施の形態における水素供給システム１では、第３始動バーナを備えない比較例の水素供給システムよりも、始動時間を半分近く短縮することができ、それに伴い暖機時間も短縮することができることが明らかになった。
なお、第３始動バーナ１５が増えたことで始動時における単位時間当たりの燃料消費量は増加するが、始動時間が大幅に短縮されるので、始動に必要な燃料の総量は比較例の場合よりも減少することになる。
【００３７】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る水素供給システム１の第２の実施の形態を図６の図面を参照して説明する。
前述した第１の実施の形態の水素供給システム１においては、始動完了して暖機運転に移行した場合に、カソードオフガスの全量を発電時と同じく第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０および第１ＣＯ除去器９の熱交換部８に流通させるようにしており、熱交換部８から排出されたカソードオフガスは燃焼器２に酸化剤として供給される。一方、暖機時には前述したように燃料電池５０において発電しておらず、燃料電池５０を迂回して流しているので、暖機中のため第２ＣＯ除去器１１から排出される燃料ガスの組成が不安定であるとは言え、アノードオフガスの流路（流路３７，３２，３３等）を通って燃焼器２に供給されるガスの水素濃度は、発電時のアノードオフガスの水素濃度よりも高くなる。ところで、燃焼器２では、暖機時も発電時も燃焼器２の温度が或る一定の温度になるようにカソードオフガスの流量を制御しているため、燃料投入量に対するカソードオフガス流量は発電時よりも暖機時の方が多くなる。その結果、第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０および第１ＣＯ除去器９の熱交換部８には発電時よりも大量のカソードオフガスが流れるようになり、第２ＣＯ除去器１１および第１ＣＯ除去器９が過冷却されてしまう。その結果、図３に示す実験結果に見られるように、始動から暖機に移行した直後に第１ＣＯ除去器９および第２ＣＯ除去器１１の温度が低下する。
【００３８】
このように始動から暖機に移行した時に第１ＣＯ除去器９および第２ＣＯ除去器１１の温度が低下し、ＣＯ除去触媒の温度が活性温度を下回った場合には、ＣＯ除去性能が低下して改質ガスのＣＯ濃度が高くなってしまうので、改質ガスのＣＯ濃度が所定値以下になって組成が安定するまでに余分に時間がかかるようになり、結果的に、暖機時間が長くなってしまう。
【００３９】
そこで、この第２の実施の形態における水素供給システム１では、暖機時には、カソードオフガスの全量もしくは一部を第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０および第１ＣＯ除去器９の熱交換部８を迂回させて燃焼器２に供給することができるように、バイパス流路を設けている。
図６を参照して、第２の実施の形態の水素供給システム１が第１の実施の形態のものと相違する点について詳述すると、カソードオフガスの流路３４には切替弁３８が設けられ、カソードオフガスの流路３６と切替弁３８がバイパス流路３９によって接続されている。その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
この切替弁３８は、暖機時に開けることによりカソードオフガスの全量もしくは一部をバイパス流路３９に流通させることができ、燃料電池５０の発電時に閉じることにより、バイパス流路３９を閉塞して流路３４を連通させ、カソードオフガスの全量を第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０および第１ＣＯ除去器９の熱交換部８に流通させることができる。
なお、この第２の実施の形態において、流路３４，３５，３６は熱交導入路を構成する。
【００４１】
図７は、第２の実施の形態における水素供給システム１の始動から発電に至るまでの各部における温度の時間的変化を実験的に求めた一例を示すものである。なお、燃焼器２、蒸発器３および第１始動バーナ１の温度変化については第１の実施の形態の場合と殆ど変わりないので図示を省略する。また、始動時、暖機時、発電時における水、ガソリン、改質用空気、発電用空気の供給の有無、および、切替弁２９によるガス流路切り替えは、第１の実施の形態の水素供給システム１の場合と同じとした。さらに、図７における添付記号は第１の実施の形態におけるそれと全く同じである。
【００４２】
この実験結果から、第２の実施の形態の水素供給システム１によれば、始動完了から暖機運転に移行した後、第１ＣＯ除去器９では殆ど温度低下がないことが明らかであり、第２ＣＯ除去器１１の温度低下についても第１の実施の形態の水素供給システム１の場合に比べて大幅に改善されていることが明らかである。
したがって、水素供給システム１の暖機時にカソードオフガスの全量もしくは一部を第１ＣＯ除去器９の熱交換部８および第２ＣＯ除去器１１の熱交換部１０を迂回して流すようにした第２の実施の形態の水素供給システム１によれば、始動完了により暖まった第１ＣＯ除去器９および第２ＣＯ除去器１１が暖機時に冷却されるのを防止することができ、暖機時間をさらに短縮することができる。
【００４３】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、第３始動バーナ１５の設置位置はシフター６と第２熱交換器７とを接続する流路２４に限るものではなく、第１ＣＯ除去器９の直前の流路２５であってもよい。さらに、第１ＣＯ除去器９と第２ＣＯ除去器１１を接続する流路２６に、第３始動バーナ１５とは別にもう一つ始動バーナを設置してもよく、このようにするとさらに始動時間および暖機時間が短縮される。
また、前述した実施の形態では、蒸発器では水のみを気化し、燃料は蒸発器の下流の流路中で気化させるようにしているが、水および燃料の両方を蒸発器において同時に気化させるように構成してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、ＣＯ除去器を含めてシフターの下流に配置された水素供給システムの各要素を早期に加熱することができ、したがって、水素供給システムの始動時間を短縮することができ、ひいては暖機時間を短縮することができるという優れた効果が奏される。
【００４５】
請求項２に係る発明によれば、水素供給システムの暖機中はカソードオフガスの全量もしくは一部をバイパス流路に流通させることで、ＣＯ除去器の熱交換部を迂回させることが可能になり、その結果、始動完了により暖まったＣＯ除去器が暖機時に冷却されるのを防止することができるので、暖機時間をさらに短縮することができるという優れた効果が奏される。
【００４６】
請求項３に係る発明によれば、水素供給システムの暖機中はカソードオフガスの全量もしくは一部をバイパス流路に流通させることで、ＣＯ除去器の熱交換部を迂回させることが可能になり、その結果、始動完了により暖まったＣＯ除去器が暖機時に冷却されるのを防止することができるので、暖機時間を短縮することができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池用水素供給システムにおける第１の実施の形態の概略構成図である。
【図２】前記第１の実施の形態の水素供給システムにおける各部温度の時間的変化の一例を示す図（その１）である。
【図３】前記第１の実施の形態の水素供給システムにおける各部温度の時間的変化の一例を示す図（その２）である。
【図４】比較例の水素供給システムにおける各部温度の時間的変化の一例を示す図（その１）である。
【図５】比較例の水素供給システムにおける各部温度の時間的変化の一例を示す図（その２）である。
【図６】この発明に係る燃料電池用水素供給システムにおける第２の実施の形態の概略構成図である。
【図７】前記第２の実施の形態の水素供給システムにおける各部温度の時間的変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
１　燃料電池用水素供給システム
３　蒸発器
４　改質器
６　シフター
８　熱交換部
９　第１ＣＯ除去器（ＣＯ除去器）
１０　熱交換部
１１　第２ＣＯ除去器
１３　第１始動バーナ（第１の加熱手段）
１４　第２始動バーナ（第１の加熱手段）
１５　第３始動バーナ（第２の加熱手段）
３４，３５，３６　流路（熱交導入路）
３９　バイパス流路
５０　燃料電池

Claims

水あるいは炭化水素を含む液体燃料を気化する蒸発器と、気化燃料を改質して水素を含む燃料ガスに変換する改質器と、該改質器の下流に設けられ該改質器から供給された前記燃料ガスに含まれる一酸化炭素と水から水素を生成するシフターと、該シフターの下流に設けられ燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化除去するＣＯ除去器と、前記蒸発器と前記改質器の少なくともいずれか一方を加熱する第１の加熱手段と、を備え、生成された水素リッチな燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池用水素供給システムにおいて、
前記シフターの下流に設けられて該シフターから排出される燃料ガスを加熱する第２の加熱手段を備えることを特徴とする燃料電池用水素供給システム。
前記ＣＯ除去器は熱交換部を備え、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを前記ＣＯ除去器の熱交換部に導入する熱交導入路と、前記カソードオフガスを前記熱交換部を迂回して流通させるバイパス流路と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水素供給システム。
水あるいは炭化水素を含む液体燃料を気化する蒸発器と、気化燃料を改質して水素を含む燃料ガスに変換する改質器と、該改質器の下流に設けられ該改質器から供給された前記燃料ガスに含まれる一酸化炭素と水から水素を生成するシフターと、該シフターの下流に設けられ燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を酸化除去するＣＯ除去器と、前記蒸発器と前記改質器の少なくともいずれか一方を加熱する第１の加熱手段と、を備え、生成された水素リッチな燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池用水素供給システムにおいて、
前記ＣＯ除去器は熱交換部を備え、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを前記ＣＯ除去器の熱交換部に導入する熱交導入路と、前記カソードオフガスを前記熱交換部を迂回して流通させるバイパス流路と、を備えることを特徴とする燃料電池用水素供給システム。