JP2008243675A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を加熱および冷却するための機器を必要としない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】炭化水素系の燃料を供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、前記燃料供給手段、水供給手段および酸素供給手段に接続され、燃料と酸素を燃焼反応させる触媒を収容した燃焼容器と、前記燃焼容器に接続され、燃料と水を反応させて水素含有ガスに変換する改質器と、前記燃焼容器と熱移動可能に配置され、酸素含有ガスと、前記改質器から供給される水素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御して、前記燃焼容器に供給される燃料、水および酸素含有ガスの流量を調節する制御部とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、パーソナルコンピューターや携帯電話などの電子機器の小型化は目覚しいものがある。これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は燃料と酸化剤を供給するのみで発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型電子機器の電源として極めて有効である。このような燃料電池に関しては、メタノールをアノードに直接供給することによって発電する直接型メタノール燃料電池や、有機燃料を改質器により水素ガスに改質してその水素ガスを固体高分子型燃料電池のアノードに供給することによって発電する燃料改質型燃料電池などが提案されている。
改質型燃料電池においては、アルコール類やジメチルエーテルを改質して得られる気体（改質ガス）は、水素のほかに副生物として二酸化炭素や約１％の一酸化炭素を含んでいる。一酸化炭素（ＣＯ）は、燃料電池スタックのアノード触媒を劣化させ、発電性能を低下させる原因となる。このため、改質器から燃料電池セルへ水素を含む気体を供給するときに、ＣＯシフト器を用いて一酸化炭素を二酸化炭素に変換したり、ＣＯ選択酸化器やＣＯメタン化器を用いて一酸化炭素を二酸化炭素やメタンに変換したりすることによって、一酸化炭素の濃度を低減する燃料電池システムも開発されている。
ここで、燃料電池は、温度が低い起動時や冷機状態においては電解質膜上の触媒の活性が低いため発電能力も低い。一方、発電時に燃料電池が高温であれば、触媒活性が高いうえにＣＯ耐性も高いため、発電性能を保てることが知られている。なお、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜に代表される高分子電解質膜を用いた、いわゆる中温型燃料電池はＣＯ耐性が非常に高いため、約１％程度の一酸化炭素が含まれる改質ガスをそのまま燃料電池に導入して発電することも可能である。ただし、ＣＯ耐性が高いのは燃料電池温度が高い場合に限られる。しかも、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜は、凝縮水が生じるとリン酸が溶出するという問題があるため、運転時に水が凝縮しない温度まで加温する必要がある。
従来、起動時や冷機状態に燃料電池を加熱する燃料電池システムが提案されている。たとえば、特許文献１は、燃料電池の冷却水を供給する流路に加熱手段を設けて、始動時の暖機を行う燃料電池システムを開示している。また、特許文献２は、燃料電池内部に冷却水流路および触媒燃焼流路を設け、加温と冷却を行うようにした燃料電池システムを開示している。
特開平７−９４２０２号公報 特開２００４−２８１０７４号公報
特許文献１のシステムは、循環水をヒーターによって加熱して燃料電池を暖機するので、ヒーター駆動のためのバッテリーやそれに伴う電気回路が必要となるという問題が生じる。ヒーターの代わりに燃焼によって加温を行なう構成ではバッテリーやそれに伴う電気回路は不要であるが、循環水流路にはデッドボリュームが存在するため、燃料電池の暖機時にデッドボリューム内の循環水全体を加熱するためエネルギーロスが大きくなる。また、循環水による燃料電池の暖機や冷却を行なうために、循環ポンプ、ラジエーター、ヒーターなど多くの装置を複雑に制御する必要があり、小型化や簡略化を妨げる要因になる。
特許文献２のシステムも同様に循環水流路を用いるため、特許文献１と同様の装置が必要になるという問題がある。冷却水循環流路と燃焼流路とを一体化すれば、燃料電池スタックの温度状況に応じて、燃料電池を冷却する場合には循環水を流して冷却し、燃料電池を加熱する場合には流路内の触媒によって燃焼反応させることは可能である。しかし、２つの流路を切り替える必要が生じるため、バルブやバルブを駆動させるための回路が必要となり、システムが複雑になる。
本発明の目的は、燃料電池を加熱するためにヒーター駆動のためのバッテリーおよびそれに伴う電気回路などを必要とせず、燃料電池を冷却するために循環水を循環させる循環ポンプやラジエーターを必要としない燃料電池システムを提供することにある。
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、炭化水素系の燃料を供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、前記燃料供給手段、水供給手段および酸素供給手段に接続され、燃料と酸素を燃焼反応させる触媒を収容した燃焼容器と、前記燃焼容器に接続され、燃料と水を反応させて水素含有ガスに変換する改質器と、前記燃焼容器と熱移動可能に配置され、酸素含有ガスと、前記改質器から供給される水素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御して、前記燃焼容器に供給される燃料、水および酸素含有ガスの流量を調節する制御部とを有することを特徴とする。
本発明によれば、燃焼容器での燃焼により燃料電池を加熱し、燃焼容器での気化により燃料電池を冷却することができるので、従来技術で必要であった燃料電池の加熱・冷却のための機器を省略することができ、小型化が可能な燃料電池システムを提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システムの概略を説明する。
燃料電池２０は、高分子電解質膜２１ａと、高分子電解質膜２１ａの一方の面に形成された燃料極（アノード極）２１ｂと、高分子電解質膜２１ａの他方の面に形成された酸化剤極２１ｃ（カソード極）とを備えている。燃料電池２０は酸素含有ガスと水素含有ガスとの発熱を伴う電気化学的な反応によって発電する。
炭素と水素を含有する有機化合物からなる燃料は燃料容器１に収容されている。燃料は燃料容器１から燃料供給手段である流量調節器２を通して燃焼容器３に供給される。水は水容器８に収容されている。水は水容器８から水供給手段である流量調節器９を介して燃焼容器３に供給される。酸素含有ガス（空気）は酸素供給手段（送気ファン）４０を通して燃焼容器３に供給される。燃焼容器３には燃料と酸素を燃焼反応させる触媒が収容されている。燃焼容器３に隣接して燃料電池２０が熱移動可能に配置されている。
燃焼容器３を経由して改質器４に供給された燃料と水は水素含有ガスに変換される。改質器４で生成した水素含有ガスは、ＣＯシフト器５へ送られてＣＯが低減され、さらにＣＯ除去器６へ送られてＣＯが除去される。ＣＯが低減された水素含有ガスが燃料電池２０の燃料極２１ｂに導入され、一方で酸素含有ガスである空気が酸素供給手段（送気ファン）４１によって燃料電池２０の酸化剤極２１ｃに導入されて発電が行われる。燃料極２１ｂからの未反応水素ガスを含む排ガスは、酸素供給手段（送気ファン）４２からの空気とともに燃焼器７へ送られ、燃焼器７での燃焼反応によって改質器４が加熱される。燃料電池２０には温度検出器２５が設けられている。温度検出器２５は燃料電池２０の温度に応じて、燃料の流量調節器２、水の流量調節器９、および酸素供給手段（送気ファン）４０を制御する制御部として機能する。
以下、第１の実施形態の燃料電池システムの詳細について説明する。
燃料容器１および水容器８としては、たとえば圧力容器を用いることができる。また、燃料容器１や水容器８を樹脂などの透明な材質で形成すれば、内容量を目視により確認できるため好ましい。
燃料容器１には、炭素と水素を含有する有機化合物からなる燃料として、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、ブタン、液化天然ガス（ＬＮＧ）、メタノールなどが収容されている。たとえば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）は、飽和蒸気圧が大気圧より高圧であり、常温で約６気圧の圧力を有する。燃料容器１には、燃料ガスの流量を調節する制御可能な流量調節器２が接続されている。加圧された燃料ガスは、流量調節器２を制御することにより、燃料容器１から所定の流量で流出し、配管により燃焼容器３へと供給される。水容器８には水が収容されている。水容器８には、水の流量を調節する制御可能な流量調節器９が備えられている。水は、流量調節器９を制御することにより、水容器８から所定の流量で流出し、配管により燃焼容器３へと供給される。酸素含有ガス（空気）は、酸素供給手段（送気ファン）４０を制御することにより、所定の流量で燃焼容器３へと供給される。
図２は燃焼容器３の構造を示す斜視図である。燃焼容器３は、燃料電池２０の燃料極２１ｂの壁面に接して載置された容器本体５０と、容器本体５０内に嵌め込まれマイクロチャネル流路を形成するチャネル構造体５１と、蓋５２とを有する。蓋５２は容器本体５０を密閉するようにＴＩＧ溶接やレーザー溶接などを用いて溶接されている。容器本体５０には、燃料、水、空気の供給配管、および改質器４への配管が接続されている。
このように燃料電池２０（燃料極２１ｂ）の壁面に接して燃焼容器３の容器本体５０を設置することによって、燃料電池２０と燃焼容器３との間で互いに熱移動させることができる。燃焼容器３の形状や配置位置は、燃料電池２０との間で熱移動が行なわれるような構成であれば、特に限定されない。
図２のチャネル構造体５１の壁面は容器本体５０の底面に対して垂直なトレンチを有する平行流路を形成しているが、チャネル構造体５１の壁面の構造は任意であり、たとえばサーペンタイン流路などでもよい。チャネル構造体５１は直線的な流路を有する形状であれば、ワイヤ加工により作製することができる。チャネル構造体５１の壁面には燃焼触媒が設けられている。
燃焼触媒としては、燃料としてメタノールを用いる場合、白金−アルミナ系触媒（Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3）、パラジウム−アルミナ系触媒（Ｐｄ／Ａｌ2Ｏ3）などが挙げられる。これらの燃焼触媒は、（１）式に示すように、メタノールと酸素との燃焼により、水と二酸化炭素を生成する反応を促進する。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2 （１）。
燃焼容器３による燃料電池２０の温度制御について概略的に説明する。
上述したように、燃料電池において、高い触媒活性および高いＣＯ耐性を得るため、ならびに必要であれば凝縮水によるリン酸の溶出を防止するためには、燃料電池の温度がある程度高いことが要求される。そこで、起動時など、燃料電池２０の温度が所定範囲より低い場合には、燃焼容器３に燃料と空気のみを導入して燃焼反応させる。こうして、燃焼熱を燃焼容器３に隣接した燃料電池２０に伝え、燃料電池２０の温度を迅速に上昇させ、迅速な起動を可能にする。このように、本実施形態においては、燃料電池２０を加熱して起動するために電気ヒーターを利用しないので、電気ヒーターのための電気エネルギーやヒーター動作を制御する電気回路などが不要になる。
一方、定常発電時には燃料電池２０は発電に伴って発熱する。このとき、燃焼容器３へ燃料と水のみを供給し、燃料電池２０の発熱によって燃料および水を加熱して気化させ、一方で気化熱によって燃料電池２０を冷却して、燃料電池２０の温度を所定範囲に保つようにする。なお、燃料および水の気化熱を利用しても、燃料電池２０の温度が所定範囲を超える場合には冷却ファンなどの他の冷却装置により冷却する。
さらに、発電抑制時には、燃料電池２０の温度を微調整する。たとえば、燃料電池２０から外部へ取り出す出力が少ない場合、または燃料電池２０から外部へ全く出力を取り出さず燃料電池２０によって燃料電池システムを動作させるためのエネルギーのみをまかなう場合、発電を抑制するので燃料電池２０での発熱量が小さくなり、燃料電池２０の温度が下降する。そのまま動作を続けると、燃料電池２０の温度が所定範囲未満になり、燃料電池２０の出力を得るのが困難になることがある。このような場合には、燃料電池２０の温度が所定範囲内にあっても、燃焼容器３へ燃料と水と空気を供給して、燃料の一部を燃焼させ、燃料電池２０の温度を保つかまたは上昇させる。
このような制御を、以下のような変数を導入して説明する。
Ｑout：燃料電池２０から外部への自然対流による放熱量、
Ｑpower：燃料電池２０の発電による発熱量、
Ｑin：燃焼容器３内の熱量、
Ｑcomb：燃焼容器３での燃焼による熱量、
Ｑvap：燃焼容器３での燃料と水の気化による熱量
（ここで、Ｑin＝Ｑcomb＋Ｑvap）。
燃料電池２０を所定温度範囲に保つには、以下のように制御する。
燃料電池２０の温度下降時：Ｑout＜Ｑpower＋Ｑin、
燃料電池２０の温度上昇時：Ｑout＞Ｑpower＋Ｑin。
上記の条件を満たすには、燃焼容器３へ供給する燃料と水と空気のうち、空気の流量を調節することが考えられる。たとえば、空気の量を増加させると、燃焼による熱量Ｑcomb、したがってＱinを増加させることができる。逆に、空気の量を減少させると、燃焼による熱量Ｑcomb、したがってＱinを減少させることができる。このような制御により、燃料電池２０を常時運転状態にして燃料電池２０の温度を所定範囲に保つことが可能となり、燃料電池２０から外部への出力需要が生じた場合にも即座に対応することができる。
燃焼容器３による燃料電池２０の温度制御について具体例を参照してより詳細に説明する。例として、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜を有する出力５０Ｗ程度の燃料電池２０をメタノール改質で運転する場合を示す。
燃料電池２０から外部への自然対流による放熱量Ｑoutを、燃料電池スタックのサイズや断熱材の表面温度から２４．６Ｗと見積もる。
５０Ｗの出力を得るために、メタノール２５０ｃｃ／ｍｉｎと水３１２．５ｃｃ／ｍｉｎを燃焼容器３へ供給して気化させる。このとき、気化による熱量Ｑvapは約−１９．３Ｗとなる。空気は燃焼容器３へ供給していないので、燃焼熱Ｑcombは０である。一方、５０Ｗ出力時の発電による発熱量Ｑpowerは約４４．８Ｗとなる。このとき、ＱoutとＱpower＋Ｑinとの関係は以下のようになる。
Ｑout（２４．６Ｗ）＜Ｑpower（４４．８Ｗ）＋Ｑin（−１９．３Ｗ）＝２５．５Ｗ。
このように燃料電池２０の放熱量Ｑoutより燃料電池２０の発熱量の方が０．９Ｗほど大きいがほぼ等しいといえるので、燃料電池２０の温度をほぼ所定範囲に保つことができる。ただし、燃料電池２０の温度が上昇して所定範囲を超えることもありうるので、これを考慮して冷却ファンなどの冷却システムを設けることが好ましい。
次に、上記と同じ燃料供給量で出力を３０Ｗに抑制する場合を想定する。燃料電池２０の放熱量Ｑoutは上記と同様に２４．６Ｗと見積もられる。３０Ｗ出力時には発電に伴う発熱量Ｑpowerは約１５．９Ｗとなる。気化による熱量Ｑvapは上記と同様に約−１９．３Ｗとなる。このとき、ＱoutとＱpower＋Ｑinとの関係は以下のようになる。
Ｑout（２４．６Ｗ）＞Ｑpower（１５．９Ｗ）＋Ｑin（−１９．３Ｗ）＝−３．４Ｗ。
このように燃料電池２０の放熱量Ｑoutより燃料電池２０の発熱量の方がかなり小さいため、燃料電池２０の温度は下降し続ける。
そこで、空気を供給して燃料の一部を燃焼させ、燃焼による熱量を利用して燃料電池２０の温度を上昇させる。たとえば、上記と同じ燃料供給量で、空気３５０ｃｃ／ｍｉｎを追加で供給し、出力を３０Ｗにする場合を想定する。燃料電池２０の放熱量Ｑoutは上記と同様に２４．６Ｗと見積もられる。この条件では、３０Ｗ出力時には発電に伴う発熱量Ｑpowerは約２０．４Ｗとなる（同じ３０Ｗ出力でも、水素利用率などの違いによって発電に伴う発熱量は異なる）。この条件では、気化による熱量Ｑvapは−２０．４Ｗとなる（同じ燃料流量であっても、空気が存在するため空気の加熱の為のエネルギーなどが消費され熱量は異なる）。燃焼容器３での燃焼による熱量Ｑcombは約２４．６Ｗとなる。このとき、ＱoutとＱpower＋Ｑin（＝Ｑcomb＋Ｑvap）との関係は以下のようになる。
Ｑout（２４．６Ｗ）＝Ｑpower（２０．４Ｗ）＋Ｑin（２４．６Ｗ−２０．４Ｗ）＝２４．６Ｗ
この場合、燃料電池２０の放熱量Ｑoutと燃料電池２０の発熱量が等しくなるため、燃料電池２０の温度は保たれる。
また、空気流量を少なくすると、Ｑcomb（したがってＱin）が減少して燃料電池２０の温度が下降する。一方、空気流量を多くすると、Ｑcomb（したがってＱin）が増加して燃料電池２０の温度が上昇する。
次に、燃料供給量を減少させて出力を２０Ｗに抑制する場合を想定する。たとえば２０Ｗの出力を得るために、燃焼容器３へメタノール１５０ｃｃ／ｍｉｎと水１８７．５ｃｃ／ｍｉｎを供給するとともに燃料の一部を燃焼させるように空気３００ｃｃ／ｍｉｎを供給する。この条件では、燃料と水の気化による熱量Ｑvapは約−１２．５Ｗとなり、燃料の燃焼熱Ｑcombは約２１．１Ｗとなる。一方、２０Ｗ出力時の発電による発熱量Ｑpowerは約１５．９Ｗとなる。このとき、ＱoutとＱpower＋Ｑin（＝Ｑcomb＋Ｑvap）との関係は以下のようになる。
Ｑout（２４．６Ｗ）＞Ｑpower（１５．９Ｗ）＋Ｑin（２１．１Ｗ−１２．５Ｗ）＝２４．５Ｗ。
このように燃料電池２０の放熱量Ｑoutより燃料電池２０の発熱量の方が０．１Ｗほど大きいがほぼ等しいといえるので、燃料電池２０の温度を所定範囲に保つことができる。
真空断熱容器３０内の改質器４について説明する。改質器４は配管により燃焼容器３に接続されている。燃焼容器３で気化された燃料および水は、配管を介して改質器４へ導入され、水素含有ガス（改質ガス）となる。改質器４の内部には気化した燃料が通過するサーペンタイン形状や平行流路形状の流路が設けられている。流路の壁面には燃料の改質反応を促進する改質触媒が設けられている。
燃料がジメチルエーテルを含む場合、改質触媒として、Ｐｄ／ＺｎＯとγ−アルミナとの混合物、白金−アルミナ系触媒（Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3）などを用いることができる。このような改質触媒は、（２）式に示すジメチルエーテルの水蒸気改質反応を促進する。白金−アルミナ系触媒は、Ｐｔ担持量が０．２５ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であることが好ましい。
ＣＨ3ＯＣＨ3＋３Ｈ2Ｏ→６Ｈ2＋２ＣＯ2 （２）。
この場合、化学量論の観点からジメチルエーテルと水の流量比（モル比）を１：３にすることが望ましいように見える。しかし、実際の燃料電池システムでは、流量比が１：３に近いと一酸化炭素の生成量が増大してしまう。一方、水を余剰に用いても後述するシフト反応や発電に用いることができる。このため、ジメチルエーテルと水の流量比を１：３．５以上にすることが好ましい。ただし、水の流量が多すぎると、燃料を加熱・気化するために要するエネルギーが増大するため、両者の混合比は１：５．０以下が好ましく、１：４．０以下がより好ましい。
燃料としてメタノールを用いる場合、改質触媒として、Ｃｕ／ＺｎＯ／γ−アルミナ、Ｐｄ／ＺｎＯ、白金−アルミナ系触媒（Ｐｔ／Ａｌ2Ｏ3）などを用いることができる。このような改質触媒は、（３）式に示すメタノールの水蒸気改質反応を促進する。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 （３）。
この場合、化学量論の観点からメタノールと水の流量比（モル比）を１：１にすることが望ましいように見えるが、ジメチルエーテルの場合と同様な理由により、両者の混合比は１：５．０以下が好ましく、１：４．０以下がより好ましい。
改質器４の耐食性を向上させたい場合は、貴金属を用いることが効果的である。改質触媒の効率的な温度範囲は２００〜４００℃である。したがって、改質触媒の表面温度が２００〜４００℃となるように、改質器４を温度制御することが好ましい。
改質器４の構造について説明する。改質器４を構成する反応容器の少なくとも一部は、熱伝導率の高い材質で形成することが望ましい。これは、燃焼器７の内部で発生する燃焼熱を、改質器４の内部へ効率よく伝達するためである。熱伝導率の高い材質の例として、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、または銅合金が挙げられる。また、熱伝導度はアルミニウム、銅、アルミニウム合金、または銅合金より低いが、耐食性に優れたステンレス合金を用いることもできる。反応容器は、一般的な機械加工方法や成型方法を用いて形成することができる。機械加工方法としては、例えば放電加工、フライス加工などを用いることができる。成型方法としては、例えば鍛造加工や鋳造加工などを用いることができる。さらに、例えば鋳造加工により入口配管、出口配管が設けられていない反応容器を成型し、ドリル加工などの機械加工方法により貫通孔を設けた後に、管状部材を溶接するなど、機械加工方法と成型方法を組み合わせて用いることもできる。
なお、ここでは改質器４を例にとって説明したが、後述するＣＯシフト器５、ＣＯ除去器６、燃焼器７についても、触媒の種類や反応速度に応じて流路の幅や長さが異なるが、その他の構造については改質器４と同様であるので、構造についての説明は簡略化する。
改質器４にはＣＯシフト器５を設けることができる。このＣＯシフト器５について説明する。ＣＯシフト器５は供給路１０を介して改質器４に接続されている。改質器４からの改質ガスには、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、ＣＯシフト器５で一酸化炭素を二酸化炭素と水素へシフト反応させ、ＣＯ濃度を低減するとともに水素生成量の増加を図る。ＣＯシフト器５の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の壁面には改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するシフト触媒が設けられている。ＣＯシフト器５内部の改質ガスが通過する流路は、改質器３と同様に、サーペンタイン形状や平行流路形状になっている。流路の壁面に設けられるシフト触媒は、（４）式に示すシフト反応を促進する。
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2 （４）。
シフト触媒には、たとえばＰｔを含む貴金属が担持された固体塩基が用いられる。Ｐｔの代わりにＰｄ、Ｒｕのいずれかを用いてもよい。固体塩基には、たとえばＣｅ、Ｒｅが担持されたアルミナを用いられる。Ｃｅ、Ｒｅが担持されたアルミナの代わりに、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｌａのいずれかが担持されたアルミナを用いてもよい。シフト触媒のほかにＣｕ／ＺｎＯ系の公知の触媒を用いてもよい。ＣＯシフト器５の耐食性を向上させたい場合は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕを含む貴金属が担持された触媒を用いることが好ましい。シフト触媒の効率的な温度範囲は２００〜４００℃である。したがって、シフト触媒の表面温度が２００〜３００℃となるように、ＣＯシフト器５を温度制御することが好ましい。
ＣＯシフト器５の後段にＣＯ除去器６を設けることができる。ＣＯ除去器６について詳細に説明する。ＣＯ除去器６は供給路１１を介してＣＯシフト器５に接続されている。ＣＯシフト器５でシフト反応を受け、ＣＯ除去器６に送られた改質ガスには、未だ１％から２％程度の一酸化炭素が含まれている。上述したように、ＣＯは燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、燃料電池セル２０へ水素を含む気体を供給する前に、ＣＯ除去器６で一酸化炭素を濃度１００ｐｐｍ以下になるまで除去する。ＣＯ除去器６の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の壁面には例えば一酸化炭素のメタン化反応を促進するメタネーション触媒が設けられている。ＣＯ除去器６内部の改質ガスが通過する流路は、改質器４またはＣＯシフト器５と同様に、サーペンタイン形状や平行流路形状になっている。流路の壁面に設けられるメタネーション触媒は、（５）式に示すメタネーション反応を促進する。
ＣＯ＋３Ｈ2→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ （５）。
メタネーション触媒には、Ｒｕ／Ａｌ2Ｏ3、Ｒｕ／ゼオライト、またはＲｕ／Ａｌ2Ｏ3、Ｒｕ／ゼオライトを主成分とし、Ｍｇ、Ｃａ、Ｋ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｒｅから選ばれる少なくとも１種の元素が担持された触媒を用いることが好ましい。
断熱容器３０について説明する。断熱容器３０は、真空の中空部を囲む内壁と外壁により一つの面に開口部を有する偏平形状に形成されている。断熱容器３０の内部には上述した各部材が収納され、その開口部には断熱部材３１が設けられている。断熱部材３１は、例えば、ミネラルウール；セラミックファイバー；ケイ酸カルシウム；真空断熱材（例えば、セラミックファイバーあるいはケイ酸カルシウムの層の両面にＡｌ層を積層したもの）；発泡ウレタン；タイル；硬質ウレタンフォーム；無機質ファイバーで補強したセラッミクス粉末で、０．１μｍ以下の非閉鎖のセル構造物（例えば、日本マイクロサーム株式会社製の商品名マイクロサーム）などから形成される。特に、無機質ファイバーで補強したセラッミクス粉末で、０．１μｍ以下の非閉鎖のセル構造物を用いると、１５０℃の高温でも十分な耐熱性を得ることができる。なお、断熱容器３０は偏平形状に限らず、正方形状や円筒形状にしてもよい。
燃料電池２０について説明する。燃料電池２０は、高分子電解質膜２１ａと、高分子電解質膜２１ａの一方の面に形成された燃料極（アノード極）２１ｂと、高分子電解質膜２１ａの他方の面に形成された酸化剤極２１ｃ（カソード極）とを備えている。燃料電池２０の燃料極２１ｂは、断熱部材３１を貫通する改質ガス取り出し管１２を介してＣＯ除去器６に接続されている。燃料電池２０は、改質ガス中の水素と大気中の酸素とを反応させて発電を行う。燃料電池２０には、酸化剤極（カソード極）２１ｃへ空気を送る酸素供給手段（送気ファン）４１が接続されている。
高分子電解質膜２１ａとしては、たとえばスルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有するフルオロカーボン重合体、例えばＮａｆｉｏｎ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社の登録商標）などからなるプロトン導電性を有する膜が用いられる。他の高分子電解質膜２１ａとして、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール多孔質膜（ＰＢＩ）を用いることができる。燃料極２１ｂおよび酸化剤極２１ｃとしては、たとえばＰｔが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートが用いられる。多孔質シートに、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、その重合体で被覆された微粒子を含有させてもよい。
燃料極２１ｂに供給された水素は、下記（６）式に示すように反応する。
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ- （６）。
酸化剤極２１ｃに供給された酸素は、下記（７）式に示すように反応する。
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （７）。
燃焼器７について説明する。燃焼器７は改質器４を加熱するために設けられている。燃焼器７は、断熱部材３１を貫通する取り入れ管１３を介して燃料電池２０の燃料極に接続されている。燃焼器７には、燃料電池２０の燃料極から排出される排出ガス（アノードオフガス）が供給される。燃料電池２０では水素と酸素が反応して水が生成するが、その排出ガスには未反応の残留水素が含まれている。燃焼器７はこの未反応の残留水素を大気中の酸素を用いて燃焼させ、発生する燃焼熱を利用して、改質器４、ＣＯシフト器５およびＣＯ除去器６を加熱する。改質器４、ＣＯシフト器５、ＣＯ除去器６および燃焼器７を真空断熱容器３０に収容しているのは、加熱の効率、温度の均一化および周囲の耐熱性の低い部品（電子回路など）の保護のためである。燃焼器７には、燃焼ガスを外部に放出するための排出管１４が接続され、断熱部材３１を貫通して外部に引き出されている。
燃焼器７の内部には、サーペンタイン形状や平行流路形状の流路が設けられている。流路の壁面には、例えばＰｔまたはＰｄ、もしくはＰｔおよびＰｄなどの貴金属が担持されたアルミナなどの燃焼触媒が設けられている。燃焼触媒に貴金属を用いるのは、燃料電池の停止時に、付帯設備なしに燃焼触媒の酸化、劣化を防止するためである。燃焼器７はヒーターを併用するものであってもよい。ヒーターとしては、例えば、アルミニウム板にセラミックヒーターを貼り付けたもの、アルミニウム板にロッドヒーターを埋め込んだものなどが挙げられる。
（第２の実施形態）
図３は第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第２の実施形態の燃料電池システムのうち、第１の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
燃料電池２０の起動時など燃料電池２０の温度が所定範囲より低い場合には、燃焼容器３へ燃料と空気のみを導入して燃焼反応させる。こうして燃焼熱を燃焼容器３に隣接した燃料電池２０に伝え、燃料電池２０の温度を迅速に上昇させ、迅速な起動を可能にする。定常発電時には、燃焼容器３へ燃料と水のみを供給し、燃料電池２０の発熱によって燃料および水を加熱して気化させる。ただし、気化に要するエネルギーが不足する場合には、燃焼容器３で燃料と水を予熱し、配管によって接続された気化器１５へ導入し、気化器１５において燃料と水を気化する。これによって、燃料や水の気化に用いるエネルギーを節約するとともに、燃料電池２０の冷却に用いることも可能となる。気化器１５において気化を行うには、燃焼器７の燃焼熱を利用してもよいし、別に設けたヒーターを用いてもよい。
（第３の実施形態）
図４は第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第３の実施形態の燃料電池システムのうち、第１の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜に代表される高分子電解質膜を用いたいわゆる中温型燃料電池は、燃料電池温度が高い運転条件で非常に高いＣＯ耐性が得られるため、約１％程度の一酸化炭素が含まれる改質ガスをそのまま燃料電池に導入して発電することも可能である。
このため、改質触媒の性能や燃料によっては、図４に示すように、ＣＯシフト器５やＣＯ除去器６を省略できる場合もある。このような燃料電池システムでは、燃料電池２０の運転温度が高いため、燃料電池２０の発電に伴う発熱を利用して燃料と水を確実に気化することができる。したがって、第１の実施形態の燃料電池システムと比較して小型化が可能であり、しかも燃料電池２０の起動時に燃焼容器３を燃料反応器として利用し、かつ燃料電池２０の定常運転時に燃焼容器３を気化器として利用することができるので、燃料電池システムとして非常に優れた構成になる。
なお、燃料電池の運転温度は、燃焼容器３内で燃料が副反応を起こさないように、あるいは副反応を起こさないような触媒を設定する。
（第４の実施形態）
図５は第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第４の実施形態の燃料電池システムのうち、第３の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
図５に示すように、燃料と水を共通の燃料容器１に収容してもよい。この場合、水容器８および流量調節器９を省略でき、小型化に適している。
なお、燃料および水の混合物と空気とを供給した場合に燃焼容器３内で室温から燃焼反応を起こすような触媒を用いるか、反応開始温度まで燃焼容器３を加熱するヒーターを設ける。
（第５の実施形態）
図６は第５の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第５の実施形態の燃料電池システムのうち、第３の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
図６に示すように、燃料電池２０と燃焼容器３とを離して設置し、両者の間に熱交換器６０を設けている。熱交換器６０としては、伝熱性のよい銅やアルミニウムなどのパイプで形成されたヒートパイプや、伝熱性のよい材料で作製された部材などを用いることができる。この構成では、燃料電池２０と燃焼容器３の位置関係の自由度が増す。
また、図７に示すように、熱交換器６０内に熱媒体流路６１を形成し、熱媒体流路６１内でオイルや水などの熱媒体を循環させ、熱媒体の循環量をポンプ６２によって変化させることによって熱移動量を変化させてもよい。この構成では、燃料電池２０および燃焼容器３のそれぞれの熱収支をバランスさせて、両者を最適温度に保つことが容易になる。さらに、燃料電池２０、燃焼容器３および熱交換器６０の熱収支が正になる場合には、これらを冷却するように熱媒体流路６１にラジエーター６３を設置してもよい。なお、ラジエーター６３の代わりに燃料電池２０や燃焼容器３に冷却システムを設けてもよい。
第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 燃焼容器の構造を示す斜視図。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 第５の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 熱交換器の構成図。
符号の説明
１…燃料容器、２…流量調節器、３…燃焼容器、４…改質器、５…ＣＯシフト器、６…ＣＯ除去器、７…燃焼器、８…水容器、９…流量調節器、１０…供給路、１１…供給路、１２…改質ガス取り出し管、１３…取り入れ管、１５…気化器、２０…燃焼電池、２１ａ…高分子電解質膜、２１ｂ…燃料極、２２ｃ…酸化剤極、２５…温度検出器、３０…断熱容器、３１…断熱部材、４０、４１、４２…酸素供給手段（送気ファン）、５０…容器本体、５１…チャネル構造体、５２…蓋、６０…熱交換器、６１…熱媒体流路、６２…ポンプ、６３…ラジエーター。

Claims (6)

  1. 炭化水素系の燃料を供給する燃料供給手段と、
    水を供給する水供給手段と、
    酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、
    前記燃料供給手段、水供給手段および酸素供給手段に接続され、燃料と酸素を燃焼反応させる触媒を収容した燃焼容器と、
    前記燃焼容器に接続され、燃料と水を反応させて水素含有ガスに変換する改質器と、
    前記燃焼容器と熱移動可能に配置され、酸素含有ガスと、前記改質器から供給される水素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
    前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御して、前記燃焼容器に供給される燃料、水および酸素含有ガスの流量を調節する制御部と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、起動時に前記燃焼容器に前記燃料と酸素含有ガスのみを供給し、定常発電時に前記燃焼容器に前記燃料と水のみを供給し、発電抑制時に前記燃焼容器に前記燃料、水および酸素含有ガスを供給して前記燃焼容器での燃焼反応により燃料の一部を残存させるように、前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記燃料電池の温度が低下したときに前記燃焼容器への酸素含有ガスの供給量を増加させ、前記燃料電池の温度が上昇したときに前記燃焼容器への酸素含有ガスの供給量を減少させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池の温度を検知する温度検知器を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃焼容器は前記燃料および水を気化させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃焼容器はマイクロチャネル流路を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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