JP2005310783A - 燃料処理装置，燃料電池システム及び燃料電池システムの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの起動時間を短縮し，燃料電池システム内の負荷を分散する。
【解決手段】 燃料電池システムに，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１０と，スタックに連結設置されて燃料より水素を発生させ，この水素をスタックに供給する燃料処理装置３０と，燃料を燃料処理装置に供給する燃料供給ユニット５０と，空気をスタックと燃料処理装置に各々供給する空気供給ユニット７０とを設け，上記燃料処理装置に，電気エネルギーによる燃料の電解反応によって水素と共に副生成物を発生させる第１改質装置２０と，熱エネルギーによる燃料の改質反応によって水素を発生させる第２改質装置４０とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は，燃料処理装置，燃料電池システム及び燃料電池システムの駆動方法に関する。

公知のように，燃料電池（Fuel Cell）は，メタノール，エタノール，天然ガスのような炭化水素系の燃料に含まれている水素と，別途に供給される酸素との化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。

このような燃料電池において，最近開発されている高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell：ＰＥＭＦＣ，以下，便宜上ＰＥＭＦＣという）は，他の燃料電池に比べて出力特性が優れており，作動温度が低いと同時に，速い始動及び応答特性を有し，自動車のような移動用電源はもちろん，住宅，公共建物のような分散用電源及び電子機器用のような小型電源など，その応用範囲が広いという長所を有する。

このようなＰＥＭＦＣは，基本的に燃料電池システムを構成するために，スタック（stack），改質装置（reformer），燃料タンク，及び燃料ポンプなどを備える。スタックは，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる燃料電池の本体を形成し，燃料ポンプは，燃料タンクに保存された燃料を改質装置に供給する。そして，改質装置は燃料を改質して水素を発生させ，この水素をスタックに供給する。

上記のように構成される燃料電池システムにおいて，改質装置は，熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて燃料から水素を発生させる。そのために改質装置は，熱エネルギーを発生させる熱源部と，この熱エネルギーを利用した改質反応を通じて水素を生成する改質反応部とを備えている。ここで，熱源部は，酸化触媒による燃料と酸素の酸化反応を通じて熱エネルギーを発生させる構造を有する。

ところが，このような燃料電池システムにおいて，改質装置は，燃料と酸素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させ，この熱エネルギーを利用した燃料の改質反応によって水素を発生させるため，初期起動時，酸化反応及び改質反応を起こす起動時間が長くなる。したがって，燃料電池システムの負荷が改質装置に集中し，燃料電池システム全体の性能が低下するという問題点がある。

このため，燃料電池システムの初期起動時，速い起動とシステムの負荷を分散させるための各種の努力が進められてきたが，これに関連した従来技術としては，特許文献１に開示された改質装置を例に挙げることができる。

このような従来の改質装置は，電気エネルギーによる電解反応によって，燃料を水素と副生成物，例えば，一酸化炭素，二酸化炭素などのような副産物に変化させる構造を有する。

米国特許第６,２９９,７４４号明細書

しかし，上記文献に開示された改質装置は，燃料電池システムの初期起動と負荷の分散には有利である反面，副生成物を別途に除去やリサイクルすることなくそのまま放出するため，燃料電池システムの性能及び信頼性の面で不利である短所を有する。

一方，従来の燃料電池システムにおいて，スタックは，電気生成時に反応して残った水素を排出するが，このような未反応水素をリサイクルできずにそのまま放出するため，燃料電池システム全体の熱効率が低下する問題点がある。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，燃料電池システムの起動時間を短縮させ，燃料電池システムの負荷を分散させることができる燃料処理装置，これを含む燃料電池システム及びその駆動方法を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックに連結設置されて燃料より水素を発生させ，この水素をスタックに供給するためのものであって，電気エネルギーによる燃料の電解反応によって水素を発生させる第１改質装置と，熱エネルギーによる燃料の改質反応によって水素を発生させる第２改質装置とを備える燃料電池システム用燃料処理装置が提供される。

上記燃料処理装置において，第１改質装置は，水素を排出させる第１排出部と，水素と共に発生する副生成物を排出させる第２排出部とを備えてもよい。

上記燃料処理装置において，第２改質装置は，熱エネルギーを発生させる熱源部と，熱エネルギーを吸収して反応に水素を発生させる改質反応部とを備えてもよい。この場合，熱源部は，第２排出部に連結され，第２排出部を通して排出される副生成物の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造からなることができる。

上記燃料処理装置において，熱源部は，スタックに連結され，スタックから排出される未反応水素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造であってもよい。

上記燃料処理装置において，熱源部は，燃料を保存する燃料タンクに連結され，燃料タンクから提供される燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造であってもよい。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと，スタックに連結設置されて燃料より水素を発生させ，この水素をスタックに供給する燃料処理装置と，燃料を燃料処理装置に供給する燃料供給ユニットと，空気をスタックと燃料処理装置に各々供給する空気供給ユニットとを備え，燃料処理装置は，電気エネルギーによる燃料の電解反応によって水素と共に副生成物を発生させる第１改質装置と，熱エネルギーによる燃料の改質反応によって水素を発生させる第２改質装置とを備える燃料電池システムが提供される。

上記燃料電池システムにおいて，第１改質装置は，水素を排出させる第１排出部と，副生成物を排出させる第２排出部とを含んでもよい。

上記燃料電池システムにおいて，第２改質装置は，熱エネルギーを発生させる熱源部と，熱エネルギーを吸収して反応によって水素を発生させる改質反応部とを備えてもよい。この場合，第２排出部と熱源部は第１連結部によって連結設置されてもよい。したがって，熱源部は，第１連結部を通して提供される副生成物の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造からなることができる。

上記燃料電池システムにおいて，スタックは，電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と，電気発生部で反応して残った水素を排出させる未反応水素排出部とを備えてもよい。この場合，未反応水素排出部と熱源部は第２連結部によって連結設置されてもよい。したがって，熱源部は，第２連結部を通して提供される未反応水素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造からなることができる。

上記燃料電池システムにおいて，熱源部は，燃料供給ユニットによって提供される燃料の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる構造であってもよい。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと，電気エネルギーによる燃料の電解反応によって水素を発生させる第１改質装置と，熱エネルギーによる燃料の改質反応によって水素を発生させる第２改質装置とを含む燃料電池システムの駆動方法が提供される。本駆動方法は，（ａ）燃料電池システムの初期起動時，第１，第２改質装置を駆動する段階と，（ｂ）第１改質装置が水素を発生させ，この水素をスタックに供給する段階と，（ｃ）第２改質装置が水素を発生させ，この水素をスタックに供給する段階とを含む。

上記駆動方法において，（ｃ）段階で第１改質装置の駆動を停止するようにしてもよい。

以上説明したように本発明によれば，電気エネルギー及び熱エネルギーを利用して燃料から水素を発生させる複合構造の燃料処理装置を備えるので，燃料電池システムの初期起動時間を短縮させ，熱エネルギーを利用する改質装置に集中的に作用する負荷を分散させることができる。したがって，燃料電池システム全体の性能をさらに向上させることができる。

また，本発明によれば，第１改質装置から排出される副生成物と，スタックから排出される未反応水素を第２改質装置の熱源でリサイクルすることができるので，燃料の消耗量を減らすことができ，燃料電池システム全体の熱効率を向上させることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は，本発明の第１実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。

図１に示すように，本実施形態による燃料電池システム１００は，燃料を改質して水素を発生させ，この水素を酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式で構成される。

このような燃料電池システム１００に使用される燃料は，メタノール，エタノール又は天然ガスなどのように水素を含有した液体又は気体の燃料を含むことができる。しかし，本実施形態で説明する以下の燃料は，便宜上液体の燃料とする。

そして，燃料電池システム１００は，水素と反応する酸素として，別途の保存手段に保存された純粋な酸素を用いることもできるし，酸素を含有している空気をそのまま用いることもできる。しかし，以下では，後者を例として説明する。

このような燃料電池システム１００は，スタック１０と，燃料処理装置３０と，燃料供給ユニット５０と，空気供給ユニット７０とを含んで構成される。スタック１０は，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる。燃料処理装置３０は，燃料を改質して水素を発生させ，この水素をスタック１０に供給する。燃料供給ユニット５０は，燃料を燃料処理装置３０に供給する。空気供給ユニット７０は，空気をスタック１０と燃料処理装置３０に各々供給する。

スタック１０は図２に示したように，水素と酸素の電気化学的な反応を利用して電気エネルギーを発生させる電気発生部１１を備える。この電気発生部１１は，膜−電極アセンブリ（Membrane-Electrode Assembly：ＭＥＡ）１２を中心におき，その両面にセパレータ（当業界では‘二極式プレート’ともいう）１６を配置して構成される最小単位の燃料電池として構成される。本実施形態では，電気発生部１１を複数備え，これらを連続的に配置することによって，電気発生部１１の集合体構造によるスタック１０を形成することができる。

ここで，膜−電極アセンブリ１２は，一面にアノード電極，他の一面にカソード電極，及びアノード電極とカソード電極との間に電解質膜が形成される。アノード電極は，水素を電子と水素イオンに分離させ，電解質膜は水素イオンをカソード電極に移動させ，カソード電極は，アノード電極から受けた電子，水素イオン，及び空気中に含まれている酸素を反応させて水を生成する機能を果たす。

そして，セパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２に水素と酸素を分散供給する機能を有する。また，セパレータ１６は，膜−電極アセンブリ１２のアノード電極とカソード電極を直列に接続させる伝導体の機能もする。

このような電気発生部１１の集合体構造からなるスタック１０の最外郭には，複数の電気発生部１１を密着させる加圧プレート１３を設置することもできる。しかし，本例には限定されず，本実施形態によるスタック１０は，加圧プレート１３を排除し，電気発生部１１の最外郭に位置するセパレータ１６自体が加圧プレート１３の役割に代わるように構成することもできる。

さらに，加圧プレート１３には，水素を電気発生部１１に供給するための水素注入部１３ａと，空気を電気発生部１１に供給するための空気注入部１３ｂと，電気発生部１１で反応して残った水素を排出させるための未反応水素排出部１３ｃと，電気発生部１１で反応して残った空気と共に，水素と酸素の結合反応によって生成される水を排出させるための水排出部１３ｄが形成されている。

本実施例において，燃料処理装置３０は，電気エネルギーを利用して燃料から水素を発生させる第１改質装置２０と，熱エネルギーを利用して燃料より水素を発生させる第２改質装置４０とを備える。このような第１改質装置２０，第２改質装置４０の構成は，図３及び図４を参照して後述する。

燃料供給ユニット５０は，燃料処理装置３０の第１改質装置２０，第２改質装置４０に燃料を供給するためのものであって，燃料を保存する燃料タンク５１と，燃料タンク５１から燃料を排出させるための燃料ポンプ５３とを含む。燃料ポンプ５３は公知の構造で構わない。

空気供給ユニット７０は，所定のポンピング力で空気を吸入し，この空気をスタック１０の電気発生部１１及び燃料処理装置３０の第２改質装置４０に各々供給する少なくとも一つの空気ポンプ７１を備える。本実施形態において，空気供給ユニット７０は，図１に示すように単一の空気ポンプ７１を通して電気発生部１１と第２改質装置４０に空気を供給する構造を有するが，これに限定されるわけではなく，電気発生部１１及び第２改質装置４０に各々連結設置される一対の空気ポンプを備えることもできる。また，空気供給ユニット７０は，上記のような空気ポンプ７１を備えることに限定されず，通常の構造のファン（fan）を備えることもできる。

図３は，図１に示した第１改質装置の構造を概略的に示した断面構成図である。

図３に示すように，本実施形態による第１改質装置２０は，電気エネルギーによる燃料の電解反応によって水素を発生させる構造を有する。第１改質装置２０の構造としては，米国特許第６,２９９,７４４号明細書に開示された構造を適用することができる。

このような第１改質装置２０は，ハウジング２１と，電解質膜２４と，アノード電極２５と，カソード電極２６と，電源供給部２７とを含んで構成される。ハウジング２１は，所定の内部空間を形成する。電解質膜２４は，ハウジング２１の内部空間を互いに独立された空間に区画してアノードチャンバ２２とカソードチャンバ２３を形成する。アノード電極２５は，アノードチャンバ２２内の電解質膜２４に配置される。カソード電極２６は，カソードチャンバ２３内の電解質膜２４に配置される。電源供給部２７は，アノード電極２５とカソード電極２６に連結され，これらアノード電極２５とカソード電極２６に所定の電位差を有する電圧を印加する。

アノードチャンバ２２は，パイプラインによって燃料供給ユニット５０の燃料タンク５１に連結され，この燃料タンク５１から供給される燃料を収容する。カソードチャンバ２３は，電解質膜２４によってアノードチャンバ２２の内部空間と互いに独立された空き空間を形成している。アノード電極２５は，電気酸化のための触媒として電解質膜２４の一側面に形成される。カソード電極２６は，電気還元のための触媒として電解質膜２４の他の側面に形成される。そして，アノードチャンバ２２は，アノード電極２５の電気酸化作用によって生成される水素以外の副生成物，例えば，一酸化炭素，二酸化炭素などを排出させるための副生成物排出部２８を備えている。副生成物排出部２８は，第２排出部の一例である。カソードチャンバ２３は，カソード電極２６の電気還元作用によって生成される水素を排出させるための水素排出部２９を備えている。水素排出部２９は，第１排出部の一例である。この時，水素排出部２９は，パイプラインによって図２に示したスタック１０の水素注入部１３ａに連結できる。

図４は，図１に示した第２改質装置の構造を概略的に示した断面構成図である。

図４に示すように，本実施形態による第２改質装置４０は，熱エネルギーによる燃料の改質触媒反応，例えば，水蒸気改質，部分酸化又は自熱反応などの触媒反応を通じて水素を発生させる一般的な改質装置の構造を有する。

本実施形態によれば，第２改質装置４０は，燃料と空気の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる熱源部４１と，この熱源部４１で発生する熱を吸収して，上記反応によって燃料より水素を発生させる改質反応部４２とを備える。

熱源部４１は，燃料と空気の酸化反応によって発生する熱エネルギーを改質反応部４２に容易に伝達できる構造を有し，燃料と空気の酸化反応を促進させて，この燃料と空気を燃焼させるための触媒４３を備える。この時，熱源部４１は，パイプラインによって燃料供給ユニット５０の燃料タンク５１に連結設置され，空気供給ユニット７０の空気ポンプ７１に連結設置されることができる。

改質反応部４２は改質反応を促進させ，燃料より水素を発生させるための触媒４４を備える。この時，改質反応部４２は，パイプラインによって燃料供給ユニット５０の燃料タンク５１に連結設置され，図２に示したスタック１０の水素注入部１３ａに連結設置されることができる。

本実施形態によれば，第２改質装置４０に備えられる熱源部４１と改質反応部４２は，図４に示すように，例えば容器の形態で構成することができる。つまり，熱源部４１と改質反応部４２は，内部に各々の反応に必要な触媒４３，４４が形成された容器の形態とすることができる。しかし，本発明は，熱源部と改質反応部が上記のような容器の形態で構成されることには限定されない。代案として，各々の反応に必要な燃料の流れを可能にするチャンネル，及びこのチャンネルに形成される触媒層を有しながら互いに密着配置されるプレートの形態で構成することもできる。

上記のように構成された本発明の第１実施形態による燃料電池システムの駆動方法を詳細に説明する。

まず，燃料ポンプ５３を稼動させ，燃料タンク５１に保存された燃料を第１改質装置２０のアノードチャンバ２２に供給する。

次に，第１改質装置２０の電源供給部２７を通してアノード電極２５に（＋）電圧を印加し，カソード電極２６に（−）電圧を印加する。そうすると，アノード電極２５とカソード電極２６では所定の電位差による電解反応が同時に起こるようになる。つまり，アノードチャンバ２２では，アノード電極２５による電気酸化反応によって，燃料より一酸化炭素及び二酸化炭素のような副生成物と，水素イオン，及び電子が生成される。この時，副生成物は，アノードチャンバ２２の副生成物排出部２８を通して排出される。

次に，水素イオンが電解質膜２４を通してカソード電極２６に移動し，電子もまた導線を通してカソード電極２６に移動する。そうすると，カソードチャンバ２３では，カソード電極２６による電気還元反応によって水素イオンと電子を混ぜ合わせることにより，スタック１０の運転に必要な予め設定された量の水素を生成する。そして，水素は，カソードチャンバ２３の水素排出部２９を通して排出される。

次に，水素をスタック１０の水素注入部１３ａに供給し，空気ポンプ７１を稼動させて空気をスタック１０の空気注入部１３ｂに供給する。そうすると，水素と空気はセパレータ１６を通して膜−電極アセンブリ１２に供給される。したがって，スタック１０の電気発生部１１では，水素と，空気中に含まれている酸素の電気化学的な反応によって予め設定された容量の電気エネルギーが出力される。

一方，このような過程を経る間，第１改質装置２０と共に第２改質装置４０が同時に稼動される。つまり，燃料ポンプ５１の稼動によって燃料を第２改質装置４０の熱源部４１に供給し，空気ポンプ７１の稼動によって空気を熱源部４１に供給する。そうすると，熱源部４１は，燃料と，空気中に含まれている酸素の酸化反応によって予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させ，この熱エネルギーを改質反応部４２に提供する。

これと同時に，燃料ポンプ５１の稼動によって燃料を改質反応部４２に供給する。そうすると，改質反応部４２は，熱エネルギーによる燃料の改質触媒反応によってスタック１０の運転に必要な予め設定された量の水素を発生させる。

この時，第２改質装置４０は，第１改質装置２０と同時に稼動されても第１改質装置２０より遅く水素を発生させる。その理由として，第１改質装置２０は，電気エネルギーを利用して水素を発生させるために初期起動時間が短く，第２改質装置４０は，燃料と酸素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させ，この熱エネルギーを利用した改質反応によって水素を発生させるため，初期起動時間が第１改質装置２０より相対的に長いからである。

上記のように，第２改質装置４０を通じて予め設定された量の水素を発生させる時点で，第１改質装置２０に供給される燃料と電源を遮断する。そうすると，第１改質装置２０は稼動を止める。

次に，改質反応部４２から発生する水素をスタック１０の水素注入部１３ａに供給し，これと同時に，空気ポンプ７１の稼動によって空気をスタック１０の空気注入部１３ｂに供給する。そうすると，スタック１０の電気発生部１１では，上述の過程を経ながら予め設定された容量の電気エネルギーが出力されるようになる。

したがって，第２改質装置４０は，燃料電池システム１００の正常駆動時の第１改質装置２０の稼動が止まった状態で，熱エネルギーによる燃料の改質反応によって水素を発生させ，この水素をスタック１０に供給できるようになる。

これにより，本実施形態によれば，燃料電池システム１００の初期起動時に，熱エネルギーを利用する第２改質装置４０に水素を発生させることを全て任せるのではなく，電気エネルギーを利用する第１改質装置２０を通じて水素を発生させるので，燃料電池システムの初期起動がさらに迅速になる。

代案として，本実施形態による燃料電池システム１００は，燃料電池システムの正常駆動時，第１，第２改質装置２０，４０を同時に稼動させることもできる。したがって，第１，第２改質装置２０，４０がスタック１０の運転に必要な予め設定された量の水素を同時に発生させるので，第２改質装置４０に集中的にかかる負荷を分散できるようになる。

（第２実施形態）
図５は，本発明の第２実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。

図５に示すように，本実施形態による燃料電池システム２００は，第１実施形態の構造を基本としながら，第１改質装置２０の副生成物排出部２８を通して排出される副生成物の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第２改質装置４０Ａを形成したものである。

燃料電池システム２００は，第１改質装置２０の副生成物排出部２８と第２改質装置４０Ａの熱源部４１Ａとを連結する第１連結部６０を含む。第１連結部６０は，一端が副生成物排出部２８に連結され，他端が熱源部４１Ａに連結される第１パイプライン６１として備えられる。

したがって，第１改質装置２０の副生成物排出部２８を通して排出される副生成物を，第１パイプライン６１を通して第２改質装置４０Ａの熱源部４１Ａに供給し，空気ポンプ７１の稼動によって空気を熱源部４１Ａに供給すれば，熱源部４１Ａでは，副生成物と酸素の酸化反応によって予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる。

本実施形態による燃料電池システム２００の残りの構成及び作用は第１実施形態とほぼ同様であるので，詳細な説明は省略する。

（第３実施形態）
図６は，本発明の第３実施例による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。

図６に示すように，本実施形態による燃料電池システム３００は，第１実施例の構造を基本としながら，スタック１０の未反応水素排出部１３ｃを通して排出される未反応水素の酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第２改質装置４０Ｂを形成したものである。

燃料電池システム３００は，スタック１０の未反応水素排出部１３ｃと第２改質装置４０Ｂの熱源部４１Ｂとを連結する第２連結部８０を含む。第２連結部８０は，一端が未反応水素排出部１３ｃに連結され，他端が熱源部４１Ｂに連結される第２パイプライン８１として備えられる。

したがって，スタック１０の未反応水素排出部１３ｃを通して排出される未反応水素を，第２パイプライン８１を通して第２改質装置４０Ｂの熱源部４１Ｂに供給し，空気ポンプ７１の稼動によって空気を熱源部４１Ｂに供給すれば，この熱源部４１Ｂでは，未反応水素と酸素の酸化反応によって，予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる。

本実施形態による燃料電池システム３００の残りの構成及び作用は第１実施形態とほぼ同様であるので，詳細な説明は省略する。

（第４実施形態）
図７は，本発明の第４実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。

図７に示すように，本実施形態による燃料電池システム４００は，第１実施形態と同一な構造を基本としながら，第１改質装置２０の副生成物排出部２８を通して排出される副生成物と，スタック１０の未反応水素排出部１３ｃを通して排出される未反応水素との酸化反応によって熱エネルギーを発生させる第２改質装置４０Ｃを形成したものである。

燃料電池システム４００は，第１改質装置２０の副生成物排出部２８と第２改質装置４０Ｃの熱源部４１Ｃとを連結する第１連結部６０，及びスタック１０の未反応水素排出部１３ｃと第２改質装置４０Ｃの熱源部４１Ｃとを連結する第２連結部８０を含む。第１連結部６０と第２連結部８０は，第２，第３実施形態の第１，第２連結部とほぼ同様の構成を有するので，詳細な説明は省略する。

したがって，第１改質装置２０の副生成物排出部２８を通して排出される副生成物を，第１連結部６０を通して第２改質装置４０Ｃの熱源部４１Ｃに供給する。そして，スタック１０の未反応水素排出部１３ｃを通して排出される未反応水素を，第２連結部８０を通して第２改質装置４０Ｃの熱源部４１Ｃに供給する。そうすると，熱源部４１Ｃでは，副生成物及び未反応水素と，空気ポンプ７１の駆動によって供給される空気中の酸素とが酸化反応を起こし，予め設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の第１実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。 同実施形態におけるスタックの構成を示した分解斜視図である。 同実施形態における第１改質装置の構造を概略的に示した断面構成図である。 同実施形態における第２改質装置の構造を概略的に示した断面構成図である。 本発明の第２実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の第３実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。 本発明の第４実施形態による燃料電池システムの構成を概略的に示したブロック図である。

符号の説明

１０ スタック
１１ 電気発生部
１２ 膜−電極アセンブリ
１３ 加圧プレート
１３ａ 水素注入部
１３ｂ 空気注入部
１３ｃ 未反応水素排出部
１３ｄ 水排出部
１６ セパレータ
２０ 第１改質装置
２１ ハウジング
２２ アノードチャンバ
２３ カソードチャンバ
２４ 電解質膜
２５ アノード電極
２６ カソード電極
２７ 電源供給部
２８ 副生成物排出部
２９ 水素排出部
３０ 燃料処理装置
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ 第２改質装置
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ 熱源部
４２ 改質反応部
４３，４４ 触媒
５０ 燃料供給ユニット
５１ 燃料タンク
５３ 燃料ポンプ
６０ 第１連結部
６１ 第１パイプライン
７０ 空気供給ユニット
７１ 空気ポンプ
８０ 第２連結部
８１ 第２パイプライン
１００，２００，３００，４００ 燃料電池システム

Claims (16)

1. 水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックに連結設置されて，燃料から前記水素を発生させて該水素を前記スタックに供給する，燃料電池システム用の燃料処理装置において：
   電気エネルギーによる前記燃料の電解反応によって前記水素を発生させる第１改質装置と；
   熱エネルギーによる前記燃料の改質反応によって前記水素を発生させる第２改質装置と；
   を備えることを特徴とする燃料処理装置。
2. 前記第１改質装置は，
   前記水素を排出させる第１排出部と；
   前記水素とともに発生する副生成物を排出させる第２排出部と；
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料処理装置。
3. 前記第２改質装置は，
   前記熱エネルギーを発生させる熱源部と；
   前記熱エネルギーを吸収して前記反応によって前記水素を発生させる改質反応部と；
   を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料処理装置。
4. 前記第２改質装置は，
   前記熱エネルギーを発生させる熱源部と；
   前記熱エネルギーを吸収して前記反応によって前記水素を発生させる改質反応部と；を備え，
   前記熱源部は前記第２排出部に連結され，前記第２排出部を通して排出される前記副生成物の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させることを特徴とする請求項２に記載の燃料処理装置。
5. 前記熱源部は前記スタックに連結され，前記スタックから排出される未反応水素の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料処理装置。
6. 前記熱源部は，前記燃料を保存する燃料タンクに連結され，前記燃料タンクから提供される前記燃料の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池システム用燃料処理装置。
7. 水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと；
   前記スタックに連結設置され，燃料から前記水素を発生させて該水素を前記スタックに供給する燃料処理装置と；
   前記燃料を前記燃料処理装置に供給する燃料供給ユニットと；
   空気を前記スタックと前記燃料処理装置に各々供給する空気供給ユニットと；を備え，
   前記燃料処理装置は，電気エネルギーによる前記燃料の電解反応によって前記水素とともに副生成物を発生させる第１改質装置と，熱エネルギーによる前記燃料の改質反応によって前記水素を発生させる第２改質装置とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記第１改質装置は，
   前記水素を排出させる第１排出部と；
   前記副生成物を排出させる第２排出部と；
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記第２改質装置は，
   前記熱エネルギーを発生させる熱源部と；
   前記熱エネルギーを吸収して前記反応によって前記水素を発生させる改質反応部と；
   を備えることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第２改質装置は，
    前記熱エネルギーを発生させる熱源部と；
    前記熱エネルギーを吸収して前記反応によって前記水素を発生させる改質反応部と；を含み，
    前記第２排出部と前記熱源部は第１連結部によって連結設置されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記熱源部は，前記第１連結部を通して提供される前記副生成物の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記スタックは，
    前記電気エネルギーを発生させる少なくとも一つの電気発生部と；
    前記電気発生部で反応して残った水素を排出させる未反応水素排出部と；を含み，
    前記未反応水素排出部と前記熱源部は第２連結部によって連結設置されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記熱源部は，前記第２連結部を通して提供される前記未反応水素の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記熱源部は，前記燃料供給ユニットによって提供される前記燃料の酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
15. 水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させるスタックと，電気エネルギーによる前記燃料の電解反応によって前記水素を発生させる第１改質装置と，熱エネルギーによる前記燃料の改質反応によって前記水素を発生させる第２改質装置とを備える燃料電池システムの駆動方法において：
    （ａ）前記燃料電池システムの初期起動時，前記第１改質装置および第２改質装置を駆動する段階と；
    （ｂ）前記第１改質装置が前記水素を発生させ，該水素を前記スタックに供給する段階と；
    （ｃ）前記第２改質装置が前記水素を発生させ，該水素を前記スタックに供給する段階と；
    を含むことを特徴とする燃料電池システムの駆動方法。
16. 前記（ｃ）段階で前記第１改質装置の駆動を停止することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システムの駆動方法。
    
    

Images