JP2008303099A

JP2008303099A - 燃料電池の改質器

Info

Publication number: JP2008303099A
Application number: JP2007150528A
Authority: JP
Inventors: Hisafumi Kotani; 尚史小谷; Haruo Nakamura; 晴男中村; Keiji Tsukamoto; 啓司塚本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-06
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-12-18

Abstract

【課題】一酸化炭素除去触媒を反応可能な温度まで速やかに昇温させ、始動性を向上させるようにした燃料電池の改質器を提供する。
【解決手段】改質用燃料を改質触媒９０で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガスを生成する改質部７６と、改質部で生成される改質ガスを一酸化炭素除去触媒９６で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池１０に供給する一酸化炭素除去部７８と、加熱用燃料（暖気用燃料）を燃焼させて改質触媒と一酸化炭素除去触媒を加熱する第１の加熱部８０とを備えた燃料電池の改質器３０において、一酸化炭素除去部７８の内部に、一酸化炭素除去触媒を加熱する電気ヒータ１５０を配置すると共に、加熱用燃料が第１の加熱部８０に供給されるとき、電気ヒータ１５０への通電を開始する。
【選択図】図２

Description

この発明は燃料電池の改質器に関し、より具体的には、触媒を反応可能な温度まで速やかに昇温させ、始動性を向上させるようにした燃料電池の改質器に関する。

従来より、改質用燃料を改質触媒で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガスを生成し、生成された改質ガスを一酸化炭素除去触媒で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池に供給する燃料電池の改質器が種々提案されている。上記した改質触媒や一酸化炭素除去触媒は、その温度が所定値まで上昇したときに反応が開始されるため、改質器の始動時においては各触媒を速やかに昇温させることが望ましい。

そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、改質触媒が充填される改質部や一酸化炭素除去触媒が充填される一酸化炭素除去部に、加熱用燃料を燃焼触媒で反応させて発熱する触媒バーナ装置（または燃焼バーナ）を配置し、各触媒を外側から加熱して昇温させるように構成している。
特開平１１−２９２５０３号公報

しかしながら、一酸化炭素除去部は一般に複雑な構造であり、熱容量が比較的大きいため、一酸化炭素除去触媒の温度は上昇し難い。従って、特許文献１記載の技術のように、触媒バーナ装置などで外側から加熱するのみでは、一酸化炭素除去触媒の温度を所定値まで上昇させるのに時間を要してしまい、改質器の始動性の向上という点で改善の余地を残していた。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、一酸化炭素除去触媒を反応可能な温度まで速やかに昇温させ、始動性を向上させるようにした燃料電池の改質器を提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、改質用燃料を改質触媒で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成される改質ガスを一酸化炭素除去触媒で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池に供給する一酸化炭素除去部と、加熱用燃料を燃焼させて前記改質触媒と前記一酸化炭素除去触媒の少なくともいずれかを加熱する加熱部とを備えた燃料電池の改質器において、前記一酸化炭素除去部の内部に、前記一酸化炭素除去触媒を加熱する電気ヒータを配置すると共に、前記加熱用燃料が前記加熱部に供給されるとき、前記電気ヒータへの通電を開始するように構成した。

請求項２にあっては、前記一酸化炭素除去部の内部に、前記電気ヒータを支持する支持部を配置するように構成した。

請求項３にあっては、前記支持部は複数枚の平板からなると共に、前記平板は熱伝導性を有する素材から製作されるように構成した。

請求項４にあっては、前記加熱部は、前記加熱用燃料を燃焼触媒で燃焼させる触媒燃焼器と、前記加熱用燃料を火花点火で燃焼させる燃焼バーナの少なくともいずれかを備えるように構成した。

請求項１に係る燃料電池の改質器にあっては、改質部で生成される改質ガスを一酸化炭素除去触媒で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池に供給する一酸化炭素除去部の内部に、一酸化炭素除去触媒を加熱する電気ヒータを配置すると共に、加熱用燃料が改質触媒や一酸化炭素除去触媒を加熱する加熱部に供給されるとき、換言すれば、始動時に、電気ヒータへの通電を開始するように構成したので、一酸化炭素除去部が複雑な構造であっても、一酸化炭素除去触媒を、加熱部からだけではなく、電気ヒータによってその内側からも加熱することができる。それにより、一酸化炭素除去触媒の温度を所定値、正確には、反応可能な温度まで速やかに昇温させて暖気することができ、よって改質器の始動性を向上させることができる。

請求項２に係る燃料電池の改質器にあっては、一酸化炭素除去部の内部に、電気ヒータを支持する支持部を配置するように構成したので、上記した効果に加え、一酸化炭素除去部の内部において電気ヒータを安定して配置させることができる。

請求項３に係る燃料電池の改質器にあっては、支持部は複数枚の平板からなるように構成したので、請求項２で述べた効果に加え、一酸化炭素除去部の内部において電気ヒータをより一層安定して配置させることができる。また、平板が熱伝導性を有する素材から製作されるように構成、即ち、電気ヒータで発生する熱が平板全体に伝達し易くなるように構成したので、平板に接する一酸化炭素除去触媒を全体的に効率良く昇温させることができる。それにより、一酸化炭素除去触媒の温度を所定値（反応可能な温度）までより速やかに昇温させて暖気することができ、改質器の始動性を一層向上させることができる。

請求項４に係る燃料電池の改質器にあっては、加熱部は、加熱用燃料を燃焼触媒で燃焼させる触媒燃焼器と、加熱用燃料を火花点火で燃焼させる燃焼バーナの少なくともいずれかを備えるように構成したので、上記した効果に加え、改質触媒や一酸化炭素除去触媒の温度を所定値までより一層速やかに昇温させて暖気することができ、よって改質器の始動性をより一層向上させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の改質器の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る燃料電池の改質器を全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０は燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池からなる。

燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２と、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスを外部に排気する排気系１４と、アノード極にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１６と、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスなどを燃料電池１０や後述する改質器に供給する（還流させる）アノードオフガス供給系１８と、燃料電池１０で発生する電力を制御する電力制御系２０が接続される。

カソードガス供給系１２は、燃料電池１０のカソードガス供給口（図示せず）に接続されてカソードガスを供給するカソードガス供給路２２を備える。カソードガス供給路２２には、大気（空気）の粉塵を除去するエアクリーナ２４と、エアクリーナ２４の下流側において空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２６が設置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。

排気系１４は、一端が燃料電池１０のカソードオフガス排出口（図示せず）に接続される一方、他端が大気に開放されるカソードオフガス排出路２８からなる。カソードオフガス排出路２８には、図示しないマフラーなどが接続される。

アノードガス供給系１６は、燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を改質してアノードガスを生成する改質器３０と、改質器３０と燃料電池１０（具体的には、燃料電池１０のアノードガス供給口（図示せず））を接続して生成されたアノードガスを燃料電池１０に供給するアノードガス供給路３２を有する。この改質器３０の構成については、後に詳説する。

改質器３０には、燃料の供給源（図示せず）の都市ガスを暖気用燃料（加熱用燃料。後述）として供給する暖気用燃料供給路３４ａと、暖気用燃料供給路３４ａの途中から分岐されて都市ガスを改質用の燃料（以下「改質用燃料」という）として供給する改質用燃料供給路３４ｂと、図示しない水源の水を改質用の水（以下「改質用水」という）として供給する改質用水供給路３６が接続される。

暖気用燃料供給路３４ａ（正確には、暖気用燃料供給路３４ａであって改質用燃料供給路３４ｂとの分岐点３４ｃよりも上流側）には、燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器４０が配置されると共に、分岐点３４ｃよりも下流側には、暖気用燃料供給路３４ａを開閉する第１の開閉弁４２ａが介挿される。

一方、改質用燃料供給路３４ｂには、改質用燃料供給路３４ｂを開閉する第２の開閉弁４２ｂが介挿される。第１、第２の開閉弁４２ａ，４２ｂはいずれも電磁弁からなり、燃料電池１０の非運転時に燃料などが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１０の運転終了時に全て閉弁されているものとする。改質用水供給路３６には、改質用水を改質器３０に圧送する送水ポンプ４４が配置される。

改質器３０にはさらに、暖気用燃料を燃焼させるための空気（以下「暖気用空気」という）を供給する暖気用空気供給路４６と、燃焼によって発生する燃焼排ガスを外部に排出（排気）させる燃焼排ガス排出路４８が接続される。暖気用空気供給路４６には、空気の粉塵を除去するエアクリーナ５０と、エアクリーナ５０の下流側において空気を吸引して暖気用空気として改質器３０に圧送する暖気用空気ポンプ５２が設けられる。

アノードオフガス供給系１８は、燃料電池１０のアノードオフガス排出口（図示せず）とアノードガス供給路３２を接続してアノードオフガスをアノードガス供給路３２に供給する（還流させる）第１のアノードオフガス供給路５４と、第１のアノードオフガス供給路５４の途中に接続され、第１のアノードオフガス供給路５４のアノードオフガスを改質器３０に供給する第２のアノードオフガス供給路５６と、アノードガス供給路３２の途中に接続され、アノードガス供給路３２のアノードガスなどを改質器３０に還流させるアノードガス還流路６０を備える。

電力制御系２０は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）６２と、燃料電池１０で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）６４に出力するインバータ６６などからなり、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子７０に接続される。

ＥＣＵ６２には、燃料電池１０が電力を発生させる前にＥＣＵ６２や電気ヒータ（後述）などの動作電源として機能する蓄電装置（例えばバッテリなど）７２が接続される。ＥＣＵ６２は、後に説明する各種センサなどの信号が信号線７４などを介して入力されると共に、入力されたセンサの信号に基づき、カソードガスポンプ２６や第１、第２の開閉弁４２ａ，４２ｂなどの補機類の動作を制御するが、それについては後述する。

尚、燃料電池１０には、上記したカソードガス供給系１２などの構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系やカソードガスを加湿する加湿器なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、いずれも図示および説明を省略する。

次いでこの発明の特徴部である改質器３０について詳説する。

図２は、改質器３０の断面を模式的に示す模式断面図である。

図２に示すように、改質器３０は、改質用燃料と改質用水を改質触媒で反応させて水素と一酸化炭素を含有したアノードガス（改質ガス）を生成する改質部７６と、改質部７６で生成されるアノードガスを一酸化炭素除去触媒で反応させて一酸化炭素が除去されたアノードガスを生成して燃料電池１０に供給する一酸化炭素除去部７８と、暖気用燃料（加熱用燃料）を燃焼させて改質触媒と一酸化炭素除去触媒を加熱する第１の加熱部８０と、一酸化炭素除去部７８の一酸化炭素除去触媒を加熱する第２の加熱部８２を備える。これら改質部７６、一酸化炭素除去部７８および第１、第２の加熱部８０，８２は、外観視において略円筒状を呈するケース部８４に収容される。

以下、改質器３０を構成する各要素について説明すると、改質部７６は、前記した改質用燃料供給路３４ｂに接続されて改質用燃料が供給される改質用燃料管８６と、改質用水供給路３６に接続されて改質用水が供給される改質用水管８８と、複数種の触媒からなると共に、ポーラス状を呈する（多孔性の）改質触媒９０と、改質触媒９０が充填される改質反応器９２と、改質反応器９２に接続され、生成された水素と一酸化炭素を含有したアノードガスを流通させる第１のアノードガス管９４ａを備える。

一酸化炭素除去部７８は、一酸化炭素を反応によって除去する一酸化炭素除去触媒（以下、単に「ＣＯ除去触媒」ともいう）９６と、第１のアノードガス管９４ａに接続されると共に、ＣＯ除去触媒９６が充填される除去器９８と、除去器９８に接続され、生成された一酸化炭素が除去されたアノードガスを流通させる第２のアノードガス管９４ｂを有する。

改質触媒９０とＣＯ除去触媒９６の付近には、４個の温度センサが取り付けられる。具体的には、図２に示すように、改質触媒９０の上流側（換言すれば、改質反応器９２の上部付近）には第１の改質触媒温度センサ１００ａが配置されると共に、下流側（改質反応器９２の下部付近）には第２の改質触媒温度センサ１００ｂが配置される。また、ＣＯ除去触媒９６の上流側（別言すれば、除去器９８の下部付近）には第１のＣＯ除去触媒温度センサ１０２ａが設置され、その下流側、正確には除去器９８の略中央部付近には第２のＣＯ除去触媒温度センサ１０２ｂが設置される。

第１、第２の改質触媒温度センサ１００ａ，１００ｂと第１、第２のＣＯ除去触媒温度センサ１０２ａ，１０２ｂは、配置された部位の温度に応じた信号をＥＣＵ６２へ出力する。尚、この明細書において、上部、下部、あるいは上端や下端などの上下関係を示す記載は、全て重力方向における上下関係を表すものとする。

第１の加熱部８０は、図１に示す暖気用燃料供給路３４ａに接続されて暖気用燃料が供給される暖気用燃料管１０４と、暖気用空気供給路４６に接続されて暖気用空気が供給される暖気用空気管１０６と、暖気用燃料管１０４と暖気用空気管１０６の接続部に配置され、暖気用空気に暖気用燃料を混合させて排出するエゼクタ１１０と、混合された暖気用空気と暖気用燃料が供給され、それを部分酸化させる部分酸化触媒１１２と、部分酸化触媒１１２が充填される部分酸化反応器１１４を有する。部分酸化触媒１１２は、例えば白金パラジウムアルミナ（Ｐｔ−Ｐｄ／Ａｌ_２Ｏ_３）を使用する。

部分酸化反応器１１４は、拡散リング（分配プレート）１１６を介して改質反応器９２の上流側に接続される。拡散リング１１６は円管１１６ａからなり、円管１１６ａには複数個の孔１１６ｂが穿設される。即ち、部分酸化反応器１１４と改質反応器９２は、拡散リング１１６の孔１１６ｂを介して連通される。

第１の加熱部８０はさらに、ケース部８４の上端８４ａの近傍に配置されると共に、暖気用燃料などを後述する燃焼触媒で燃焼させる触媒燃焼器１２０と、触媒燃焼器１２０の上方に配置されると共に、暖気用燃料などを火花点火で燃焼させる燃焼バーナ１２２と、触媒燃焼器１２０に接続される燃焼室１２４と、燃焼室１２４に接続され、燃焼室１２４での燃焼によって発生する燃焼排ガスなどを排出する燃焼排ガス管１２６を備える。

触媒燃焼器１２０は、燃焼バーナ１２２の下流側において暖気用燃料や燃焼バーナ１２２で燃焼させられた混合ガス（後述）などを反応によって燃焼させる燃焼触媒１３０を備える。燃焼触媒１３０は、燃焼室１２４の上部１２４ａ付近に配置され、例えば白金（Ｐｔ）系のものを使用する。さらに、触媒燃焼器１２０であって、燃焼バーナ１２２と燃焼触媒１３０の間には、排ガス処理触媒１３２が配置される。排ガス処理触媒１３２は、燃焼バーナ１２２での燃焼によって発生した燃焼排ガスに含まれる有害物質などを反応によって処理する。

燃焼バーナ１２２には、図１に示す第２のアノードオフガス供給路５６とアノードガス還流路６０が接続され、アノードオフガスやアノードガスなどが流入させられる流入口１３４が形成される。

燃焼室１２４は、図２に示すように、触媒燃焼器１２０の下方に位置させられる。燃焼室１２４は、その上部１２４ａがケース部８４の上端８４ａから突出する一方、下部１２４ｂがケース部８４の下端８４ｂ付近となるように配置され、下部１２４ｂは燃焼排ガス管１２６と連通される。燃焼排ガス管１２６は、燃焼室１２４の外壁１２４ｃに沿うようにして上方に延設された後、ケース部８４の上端８４ａ付近で屈曲し、下流側が燃焼排ガス排出路４８に接続される。

ここで、前述した改質部７６の改質用水管８８などについてさらに説明する。改質用水管８８は、燃焼室１２４と燃焼排ガス管１２６などを取り囲むようにして配置されたリング状の除去器９８の外周９８ａを、複数回周回するようにして配置され、その後燃焼排ガス管１２６の内部１２６ａに配置される。燃焼排ガス管１２６の内部１２６ａに配置された改質用水管８８は、燃焼室１２４の外壁１２４ｃに接触させられつつ、その周りを複数回周回するようにして配置される。

改質用水管８８には、接続部１４０を介して改質用燃料管８６が接続される。以下、改質用水の流れにおいて接続部１４０より下流側の改質用水管８８を「改質用燃料・水管」と呼び、符号１４２で示す。改質用燃料・水管１４２はさらに、燃焼室１２４の外壁１２４ｃを複数回周回するように配置された後、改質反応器９２に接続される。

改質反応器９２の外壁９２ａは、燃焼排ガス管１２６に接触させられつつ下方に向けて延設され、下端９２ｂにおいて第１のアノードガス管９４ａと連通される。第１のアノードガス管９４ａは、改質反応器９２の外壁９２ａに沿うようにして上方に延設され、除去器９８に接続される。除去器９８の下流側（上端部）に接続される第２のアノードガス管９４ｂはケース部８４の上端８４ａ付近に位置させられ、その下流側はアノードガス供給路３２に接続される。尚、ケース部８４の内部において、上記した燃焼室１２４や改質反応器９２などの構成要素以外の空間には、断熱材１４４が配置（充填）される。

次いで第２の加熱部８２について、図３などを参照して説明する。

図３は、図２に示す第２の加熱部８２の近傍を斜め上方から見た拡大部分透視図である。尚、図３において、第２の加熱部８２の説明に必要なもの以外は図示の簡略化のため省略、あるいは模式的に示した。

図２および図３に示すように、第２の加熱部８２は、一酸化炭素除去部７８の内部（具体的には、除去器９８の内部）に配置されてＣＯ除去触媒９６を加熱する電気ヒータ１５０と、一酸化炭素除去部７８の内部に配置されて電気ヒータ１５０を支持する支持部１５２を備える。

電気ヒータ１５０は、ニクロム線などの発熱線と、それを被覆する絶縁材および保護管などからなり、電流が発熱線に通電されたときに発熱する。電気ヒータ１５０は、ＣＯ除去触媒９６（図３で一部省略）近傍に位置させられ、リング状の除去器９８の内部を複数回周回させられる。

図４は、図２，３に示す支持部１５２を拡大して表す拡大斜視図である。

図３および図４に示す如く、支持部１５２は複数枚（具体的には４枚）の平板１５２ａからなり、平板１５２ａは側面視において大略長方形を呈する。また、各平板１５２ａは、図３に示すように、その長手方向が重力方向（換言すれば、除去器９８の長手方向）と略平行になるように配置されると共に、燃焼室１２４を中心として上面視において放射状になるように位置させられる。

平板１５２ａの長手方向の側面には、図４に良く示すように、電気ヒータ１５０が取り付けられるべき切り欠き部１５２ｂが複数箇所（例えば、５箇所）形成される。従って、電気ヒータ１５０は、平板１５２ａの切り欠き部１５２ｂに接触させられつつ取り付けられると共に、除去器９８の内部において安定して配置される。また、各平板１５２ａはステンレス材などの熱伝導性を有する素材から製作される。

次いで上記の如く構成された改質器３０を前提に、燃料電池１０の始動時にＥＣＵ６２で実行される、改質器３０の暖気および改質の動作の制御などについて、図５を参照して説明する。

図５は、ＥＣＵ６２の動作を示すフロー・チャートである。

先ずＳ１０において、燃料電池１０の始動指示がなされたか否か、具体的には、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされたか否か判断する。Ｓ１０で否定されるときは以降の処理をスキップする一方、肯定されるときはＳ１２に進み、第１の開閉弁４２ａを励磁して開弁し、Ｓ１４に進んで電気ヒータ１５０をオン、即ち、電気ヒータ１５０への通電を開始する。

Ｓ１２，Ｓ１４の処理について説明すると、第１の開閉弁４２ａが開弁されると、燃料の供給源の都市ガスは暖気用燃料供給路３４ａ、脱硫器４０を介して改質器３０の暖気用燃料管１０４に暖気用燃料として供給される。暖気用燃料管１０４に供給された暖気用燃料は、図２に矢印で示すように、エゼクタ１１０、部分酸化反応器１１４、拡散リング１１６、改質反応器９２、第１のアノードガス管９４ａ、除去器９８および第２のアノードガス管９４ｂを介してアノードガス供給路３２に流入させられる。

暖気用燃料はその後、アノードガス還流路６０を介して触媒燃焼器１２０の燃焼バーナ１２２の流入口１３４に供給される。暖気用燃料は燃焼バーナ１２２において図示しない点火電極によって点火（着火）して（火花点火で）燃焼させられ、比較的高温の燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは排ガス処理触媒１３２に供給され、燃焼排ガスに含まれる有害物質が反応によって処理された後、燃焼触媒１３０を通過して燃焼触媒１３０を昇温させつつ、燃焼室１２４の内部を通過して燃焼排ガス管１２６に流入させられる。

燃焼排ガスは、燃焼排ガス管１２６の内部１２６ａや壁面も昇温させつつ図２において上方へ流動する。このとき、改質反応器９２や除去器９８は、その外壁９２ａや内周９８ｂが燃焼排ガス管１２６に接触するようにして配置されるため、燃焼排ガス管１２６の熱が伝達されて加熱され、よって改質反応器９２の内部に充填された改質触媒９０や除去器９８のＣＯ除去触媒９６も加熱されて昇温させられる。燃焼排ガス管１２６の燃焼排ガスはその後、燃焼排ガス排出路４８を介して大気中に排出される。

また、電気ヒータ１５０への通電が開始されると、電気ヒータ１５０は発熱する。電気ヒータ１５０で発生する熱は、電気ヒータ１５０と接触する切り欠き部１５２ｂを介して平板１５２ａに伝達され、よって平板１５２ａは全体的に昇温させられる。従って、ＣＯ除去触媒９６は、電気ヒータ１５０や昇温させられた平板１５２ａによって全体的に効率良く昇温させられる。このように、暖気用燃料が第１の加熱部８０に供給されるとき、電気ヒータ１５０への通電を開始するようにした。

図５の説明に戻ると、次いでＳ１６に進み、第１および第２のＣＯ除去触媒温度センサ１０２ａ，１０２ｂの出力を読み込み、ＣＯ除去触媒９６の上流側、下流側の温度を検出する。次いでＳ１８に進み、検出されたＣＯ除去触媒９６の温度が共に所定値（例えば、約２００［℃］）を超えたか否か判断、別言すれば、ＣＯ除去触媒９６において一酸化炭素除去反応が開始可能な温度になったか否か判断する。Ｓ１８で否定されるときは、Ｓ１６，Ｓ１８の処理を再度実行してＣＯ除去触媒９６が昇温させられるのを待つ一方、肯定されるときはＳ２０に進み、電気ヒータ１５０をオフ、即ち、電気ヒータ１５０への通電を停止する。

次いでＳ２２に進み、第１および第２の改質触媒温度センサ１００ａ，１００ｂの出力を読み込み、改質触媒９０の上流側、下流側を検出する。次いでＳ２４に進み、検出された改質触媒９０の温度が共に所定値（例えば、約４００［℃］）を超えたか否か判断する。Ｓ２４で否定されるときは、Ｓ２２，Ｓ２４の処理を再度実行して改質触媒９０が昇温させられるのを待つ一方、肯定されるときはＳ２６に進み、暖気用空気ポンプ５２を駆動させる。

これにより、空気は暖気用空気ポンプ５２によって吸引され、暖気用空気供給路４６、エアクリーナ５０を介して暖気用空気管１０６に暖気用空気として供給される。暖気用空気は、図２に示すエゼクタ１１０において暖気用燃料管１０４を流れる暖気用燃料と混合される。混合された暖気用燃料と暖気用空気は、部分酸化反応器１１４に供給され、部分酸化触媒１１２で部分酸化反応が生じ、混合ガスが生成される。この反応は、具体的には下記の通りである。
ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２→ＣＯ＋２Ｈ_２

上記した部分酸化反応は発熱反応であるため、発生した混合ガスは比較的高温となる。高温の混合ガスは、拡散リング１１６の孔１１６ｂを通過することで拡散させられつつ改質触媒９０に直接供給される。混合ガスは、ポーラス状を呈した改質触媒９０の中を通過して改質触媒９０をさらに昇温させた後、第１のアノードガス管９４ａを介して除去器９８に流入させられ、ＣＯ除去触媒９６も昇温させる。尚、この混合ガスは一酸化炭素と水素と暖気用空気に含まれる窒素とからなる還元性ガスであるため、改質触媒９０およびＣＯ除去触媒９６を酸化させることがない。

混合ガスはその後、第２のアノードガス管９４ｂからアノードガス供給路３２に流入させられた後、アノードガス還流路６０を介して触媒燃焼器１２０の燃焼バーナ１２２の流入口１３４に供給される。混合ガスは燃焼バーナ１２２で燃焼させられた後、排ガス処理触媒１３２において有害物質が反応によって処理される。

有害物質が処理された混合ガスは、燃焼触媒１３０に向けて流通させられる。燃焼触媒１３０は、前述した燃焼排ガスによって燃焼反応が開始可能な温度まで昇温させられているため、混合ガスは燃焼触媒１３０で接触酸化して燃焼させられる。その後、混合ガスは燃焼室１２４、燃焼排ガス管１２６を昇温させつつ燃焼排ガス排出路４８に流れ、大気中に排出される。

図５の説明に戻ると、次いでＳ２８に進み、第１および第２の改質触媒温度センサ１００ａ，１００ｂの出力を再度読み込み、改質触媒９０の上流側、下流側の温度を検出する。Ｓ３０に進み、検出された改質触媒９０の温度が共に所定値（例えば、約７００［℃］）を超えたか否か、別言すれば、改質触媒９０において改質反応が開始可能な温度になったか否か判断する。

Ｓ３０で否定されるときは、Ｓ２８とＳ３０の処理を再度実行して改質触媒９０の温度が改質反応可能な温度に達するまで待機する。Ｓ３０で肯定、即ち、改質器３０が改質反応可能な状態にあると判断されるときはＳ３２に進み、第１の開閉弁４２ａを非励磁にして閉弁する一方、第２の開閉弁４２ｂを励磁して開弁する。これにより、燃料は、暖気用燃料管１０４に供給されなくなると共に、改質用燃料供給路３４ｂを介して改質器３０の改質用燃料管８６に改質用燃料として供給される。次いでＳ３４に進み、暖気用空気ポンプ５２の駆動を停止させ、暖気用空気の暖気用空気管１０６への供給も停止する。

次いでＳ３６に進み、送水ポンプ４４を駆動させる。送水ポンプ４４が駆動されると、改質器３０において改質動作が開始される。具体的には、送水ポンプ４４で吸引された水供給源の改質用水が、改質用水供給路３６を介して改質用水管８８に流入させられる。改質用水管８８は、比較的高温となっている除去器９８の外周９８ａを周回するように配置されると共に、燃焼排ガスや混合ガスによって昇温された燃焼排ガス管１２６の内部１２６ａに配置されているため、それらによって加熱される。これにより、改質用水管８８の改質用水は蒸発して水蒸気となり、その水蒸気は、接続部１４０において改質用燃料供給路３４ｂを介して改質用燃料管８６に供給された改質用燃料と合流して混合される。

混合された改質用燃料と水蒸気は、改質用燃料・水管１４２を通過した後、改質反応器９２に流入される。改質反応器９２の改質触媒９０は、前述したように改質可能な温度まで昇温させられているため、水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気から水素と一酸化炭素を含有するアノードガスが生成される。

改質反応器９２のアノードガスは、第１のアノードガス管９４を介して除去器９８に供給される。除去器９８にあっては、改質反応器９２で生成されたアノードガスをＣＯ除去触媒９６で反応させて一酸化炭素が除去されたアノードガスが生成され、そのアノードガスは第２のアノードガス管９４ｂ、アノードガス供給路３２を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。

次いでＳ３８に進み、カソードガスポンプ２６を駆動させる。これにより、空気はカソードガスポンプ２６によって吸引されてカソードガス供給路２２、エアクリーナ２４を介して燃料電池１０のカソード極に供給される。

燃料電池１０においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１０で発生した電力は、出力端子７０から取り出され、その一部がＥＣＵ６２や送水ポンプ４４などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ６６を介して電気負荷６４に供給される。

燃料電池１０から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路２８を介して大気中に排気される。また、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（未反応ガス）は、第１のアノードオフガス供給路５４を介してアノードガス供給路３２に還流され、再び燃料電池１０に供給される。尚、アノードオフガスの内、燃料電池１０に供給されなかったアノードオフガスは、第２のアノードオフガス供給路５６を介して改質器３０の燃焼バーナ１２２に改質触媒９０やＣＯ除去触媒９６を加熱する燃料として供給される。

上記した如く、この発明の実施例にあっては、改質用燃料を改質触媒９０で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガス（アノードガス）を生成する改質部７６と、前記改質部で生成される改質ガスを一酸化炭素除去触媒９６で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池１０に供給する一酸化炭素除去部７８と、加熱用燃料（暖気用燃料）を燃焼させて前記改質触媒と前記一酸化炭素除去触媒の少なくともいずれかを加熱する加熱部（第１の加熱部８０）とを備えた燃料電池の改質器３０において、前記一酸化炭素除去部の内部に、前記一酸化炭素除去触媒を加熱する電気ヒータ１５０を配置すると共に、前記加熱用燃料が前記加熱部に供給されるとき、前記電気ヒータへの通電を開始する（ＥＣＵ６２。Ｓ１２，Ｓ１４）ように構成した。

これにより、一酸化炭素除去部７８が複雑な構造であっても、一酸化炭素除去触媒９６を、第１の加熱部８０からだけではなく、電気ヒータ１５０によってその内側からも加熱することができる。従って、一酸化炭素除去触媒９６の温度を所定値、正確には、反応可能な温度まで速やかに昇温させて暖気することができ、よって改質器３０の始動性を向上させることができる。

また、前記一酸化炭素除去部７８の内部に、前記電気ヒータ１５０を支持する支持部１５２を配置するように構成した。これにより、一酸化炭素除去部７８の内部において電気ヒータ１５０を安定して配置させることができる。

また、前記支持部１５２は複数枚の平板１５２ａからなると共に、前記平板１５２ａは熱伝導性を有する素材から製作されるように構成した。これにより、一酸化炭素除去部７８の内部において電気ヒータ１５０をより一層安定して配置させることができる。また、平板１５２ａが熱伝導性を有する素材から製作されることで、電気ヒータ１５０で発生する熱が平板１５２ａ全体に伝達し易くなるようにでき、平板１５２ａに接する一酸化炭素除去触媒９６を全体的に効率良く昇温させることができる。従って、一酸化炭素除去触媒９６の温度を所定値（反応可能な温度）までより速やかに昇温させて暖気することができ、改質器３０の始動性を一層向上させることができる。

また、前記加熱部（第１の加熱部８０）は、前記加熱用燃料を燃焼触媒１３０で燃焼させる触媒燃焼器１２０と、前記加熱用燃料を火花点火で燃焼させる燃焼バーナ１２２の少なくともいずれかを備えるように構成した。これにより、改質触媒９０や一酸化炭素除去触媒９６の温度を所定値までより一層速やかに昇温させて暖気することができ、よって改質器３０の始動性をより一層向上させることができる。

尚、上記において、部分酸化触媒１１２や燃焼触媒１３０などの材質、改質触媒９０や一酸化炭素除去触媒９６の反応可能な温度などを具体的に示したが、それら材質や数値は例示であって限定されるものではない。

また、燃料電池１０を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であってもよい。

また、改質用燃料や加熱用燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、それに限られるものではなく、ＬＰガスなどであっても良い。

この発明の実施例に係る燃料電池の改質器を全体的に示す概略図である。図１に示す改質器の断面を模式的に示す模式断面図である。図２に示す第２の加熱部の近傍を斜め上方から見た拡大部分透視図である。図２および図３に示す支持部を拡大して表す拡大斜視図である。図１に示す電子制御ユニット（ＥＣＵ）の動作を示すフロー・チャートである。

符号の説明

１０燃料電池、３０改質器、６２電子制御ユニット（ＥＣＵ）、７６改質部、７８一酸化炭素除去部、８０第１の加熱部（加熱部）、９０改質触媒、９６一酸化炭素除去触媒、１２０触媒燃焼器、１２２燃焼バーナ、１３０燃焼触媒、１５０電気ヒータ、１５２支持部、１５２ａ平板

Claims

改質用燃料を改質触媒で反応させて水素と一酸化炭素を含有した改質ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成される改質ガスを一酸化炭素除去触媒で反応させて一酸化炭素が除去された改質ガスを生成して燃料電池に供給する一酸化炭素除去部と、加熱用燃料を燃焼させて前記改質触媒と前記一酸化炭素除去触媒の少なくともいずれかを加熱する加熱部とを備えた燃料電池の改質器において、前記一酸化炭素除去部の内部に、前記一酸化炭素除去触媒を加熱する電気ヒータを配置すると共に、前記加熱用燃料が前記加熱部に供給されるとき、前記電気ヒータへの通電を開始することを特徴とする燃料電池の改質器。
前記一酸化炭素除去部の内部に、前記電気ヒータを支持する支持部を配置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の改質器。
前記支持部は複数枚の平板からなると共に、前記平板は熱伝導性を有する素材から製作されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池の改質器。
前記加熱部は、前記加熱用燃料を燃焼触媒で燃焼させる触媒燃焼器と、前記加熱用燃料を火花点火で燃焼させる燃焼バーナの少なくともいずれかを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池の改質器。