JP3530283B2 - 燃料電池及びその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は触媒燃焼器を備えた
燃料電池に関し、特に、触媒燃焼器の制御方法の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、外部から取り入れた空気と
燃料供給源から供給された燃料ガス（水素リッチガス）
とを燃料電池本体内で電気化学反応させることにより発
電している。その際、燃料電池本体からは、前記電気化
学反応に供されなかった未反応の燃料ガスがいくらか排
出される。そのため、燃料電池システムにおいては、装
置内部に未反応の燃料ガスを燃焼するための燃焼器が設
けられているものが多く、これによって前記未反応の燃
料ガスが燃料電池外部へそのまま排出されないようにな
っている。特に、小型の燃料電池やポータブル燃料電池
の場合は、装置の小型化と燃焼温度の低減化を図るため
に、触媒燃焼器を用いることが考えられる。

【０００３】ここで、前記触媒燃焼器は、燃焼触媒層
と、これに空気を送り込むファンを備え、ファンからの
空気に未反応の燃料ガスを混合して燃焼触媒層内を通過
させることによって、触媒燃焼をするようになってい
る。

【０００４】燃料電池本体からの未反応の燃料ガスは、
電気化学反応の効率変動（燃料電池本体内温度、空気流
量、外部出力値等の変化に起因）に伴って流量が変わる
ものであるが、従来、燃焼のための空気を送るファン
は、未反応の燃料ガスの流量が最大となった場合でも燃
焼に不足しないだけの送風量に固定されていたり、ある
いは、燃料電池本体に導入される燃料ガスの流量を流量
計により計測し、その流量に応じてほぼ一定の空気燃料
比（空燃比）となるような送風量に制御されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】 ところで、このような
触媒燃焼器の場合には、燃焼触媒層の温度が過度に高く
（約１６０℃以上）なって該燃焼触媒層の高温劣化が著
しくなり燃焼触媒層の寿命が短くなるという問題や、あ
るいは逆に、過度に低く（約１００℃以下）なって触媒
燃焼反応が十分になされないまま未燃焼の燃料ガスが外
部に排出されるという問題があった。

【０００６】したがって、このような問題を解消して、
燃焼触媒層の寿命と未反応の燃料ガ スの燃焼効率との両
方を満足させようとすることが望ましい。

【０００７】ここで、前記流量計によって計測した結果
に基づいてファンの送風量を制御することにより、燃焼
触媒層の温度をある程度制御することも可能とは考えら
れるが、その場合には、制御のための演算処理が複雑と
なると共に、迅速性等があまり期待できない。また、装
置内部に流量計を設置することは、装置の大型化、コス
ト高にもつながるという点で好ましくない。

【０００８】そこで、本発明においては、燃料電池の大
型化、コスト高を伴うことなく、しかも、燃焼触媒層の
寿命が長く、効率よく未反応の燃料ガスの触媒燃焼を行
うことが可能な触媒燃焼器を備えた燃料電池及びその制
御方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】 上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明においては、外部から取り入れ
た空気と燃料供給源から供給された燃料ガスとを用いて
発電を行う燃料電池本体と、空気供給ファンから燃焼触
媒層に送り込まれた空気に前記燃料電池本体から排出さ
れる未反応の燃料ガスを混合して触媒燃焼させる触媒燃
焼器と、を備えた燃料電池において、触媒燃焼器に設置
され、燃焼触媒層の温度を検知する温度センサーと、前
記温度センサーで検知した温度が所定の温度に保たれる
ように空気供給ファンの送風量を制御するファン制御部
と、を備えていることを特徴としている。

【００１０】このような構成により、燃焼触媒層の温度
を所定の温度（約１４０℃前後）に保つことができるの
で、該燃焼触媒層の高温劣化が防止されると共に未反応
の燃料ガスの触媒燃焼を効率よくなし、触媒燃焼器から
排出される未燃焼水素を極めて少量（０．４ｖｏｌ％以
下）に抑えることができる。

【００１１】その上、温度センサーは流量計と比べて小
型であり安価であるため、該触媒燃 焼器の小型化、コス
ト低下に寄与する。

【００１２】請求項２記載の発明においては、外部から
取り入れた空気と燃料供給源から供給された燃料ガスと
を用いて発電を行う燃料電池本体と、空気供給ファンか
ら燃焼触媒層に送り込まれた空気に前記燃料電池本体か
ら排出される未反応の燃料ガスを混合して触媒燃焼させ
る触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器に設置され、燃焼触媒
層の温度を検知する温度センサーと、を備えた燃料電池
の制御方法であって、前記温度センサーにより検知され
た前記燃焼触媒層の温度が所定の温度に保たれるように
前記空気供給ファンの送風量を制御することを特徴とし
ている。

【００１３】したがって、このような制御方法によれ
ば、請求項１と同様の効果が期待できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の一実施例を図面を
参照しながら具体的に説明する。なお、説明上、各図面
では紙面表側をポータブル燃料電池における前方向、右
側を右方向とする。

【００１５】本実施例におけるポータブル燃料電池は、
図１に示すように、筺体１、燃料電池本体２、水素吸蔵
合金タンク３、制御器４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び
触媒燃焼器６から構成されている。

【００１６】筺体１は、内部が垂直状隔壁１ａ、１ｂ及
び水平状隔壁１ｃによって４つの空間１０１、１０２、
１０３及び１０４に区画されており、中央下段部空間１
０１内には燃料電池本体２及び触媒燃焼器６が、左側部
空間１０２内には水素吸蔵合金タンク３が、中央上段部
空間１０３内には制御器４及びＤＣ／ＤＣコンバータ５
が、それぞれ設置されている。

【００１７】燃料電池本体２は、発電セルとセパレータ
とが交互に複数枚積層されてなる直 方体状の電池スタッ
ク２１と、その上面及び下面にそれぞれ配された水素供
給マニホールド２２及び水素排出マニホールド２３と、
右側面に配された空気供給マニホールド２４とから構成
されている。また、空気が排出される左側面は図示しな
いが開放されている。なお、前記空気供給マニホールド
２４の上端には空気供給ファン２５が設置されており、
空気の供給が強制的になされる。

【００１８】水素吸蔵合金タンク３は、一対の支柱３
１，３１間に複数本（図示例では５本）の水素吸蔵合金
タンク単体３ａを、水平に列設して構成されている。そ
して、支柱３１の一方の上端に設けられた水素送出カプ
ラー３２と前記水素供給マニホールド２２を図示しない
水素供給管で連結することにより、燃料電池本体２への
水素供給がなされるようになっている。なお、水素吸蔵
合金タンク３は前記左側部空間１０２内に脱着自在であ
って、その出し入れは、閉塞蓋１１を開閉し左側部空間
１０２の上部開口（図示せず）を通じてなされる。

【００１９】制御器４は、内部に制御回路を備えた箱体
であり、種々の制御を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ５
は、制御器４の上部に重ねて配置されており、燃料電池
本体２の発電電圧を一定の出力電圧（例えば１２Ｖ）に
変換、制御する。

【００２０】続いて、触媒燃焼器６について説明する。
触媒燃焼器６は、図２に示すように、燃焼部本体６１
と、燃焼部本体６１内に触媒燃焼用の空気を送り込む触
媒用空気供給ファン６２と、燃焼部本体６１内から排出
される空気を左側部空間１０２内へ導く空気排出ダクト
６３とから構成されている。

【００２１】燃焼部本体６１は、上下方向に空気が流通
できるように形成された角筒状の外装ケース６４と、外
装ケース６４の内部に下から順に配置された空気整流板
７１、水素供給ノズル８１及び燃焼触媒層９１から構成
されている。また、前記燃焼触媒層９１内には温度セン
サー９２が挿入されている。

【００２２】触媒用空気供給ファン６２は、前記外装ケ
ース６４の右側面の下端付近に設置 され、空気排出ダク
ト６３は、前記外装ケース６４の前面の上端に連結され
ている。そして、触媒用空気供給ファン６２から外装ケ
ース６４内に送り込まれた空気は、空気整流板７１で整
流された後、水素供給ノズル８１から噴出される未反応
水素と混合され、燃焼触媒層９１内を通過して空気排出
ダクト６３から排出されるようになっている。

【００２３】空気整流板７１は、例えばステンレス製の
平面板７２に均一に複数個の円形の貫通孔７３を形成し
て構成されている。そして、前記燃焼部本体６１の空気
入口側（即ち下方）において、その内部を横切って遮る
ように設定され、触媒用空気供給ファン６２からの空気
が貫通孔７３のみを流通するようになっている（黒塗り
矢印Ａ及びＢ）。また、その際、平面板７２の長手方向
両端部７４、７４を該燃焼部本体６１の内面に沿って屈
曲させ溶接等を行うことにより保持される。

【００２４】水素供給ノズル８１は、例えばステンレス
製の直管８２の水素流通方向に対して左右対称に等間隔
で複数個（本実施例においては全１２個。但し、うち６
個は図面の反対側に位置しており図示していない。）の
水素噴出口８３を形成して構成されており、一端には未
反応水素供給管２６が連結されている。そして、前記空
気整流板７１の上方において、その長手方向に沿って挿
入され、空気流通方向（黒塗り矢印Ｂ）と交差して未反
応水素が噴出される（白抜き矢印Ｃ）ようになってい
る。

【００２５】燃焼触媒層９１は、ハニカム状の保持体に
白金触媒が保持されて構成されている。そして、前記水
素供給ノズル８１の上方であって、燃焼部本体６１内の
ほぼ上下方向中間に位置するように設定される。

【００２６】温度センサー９２は、例えば温度サーミス
タを用いて構成されているおり、感温部９３が前記触媒
燃焼層９１内部の空気入口側付近に位置するように設定
される。なお、該温度センサー９２と前記制御器４とが
接続され、検知信号の伝達がなされるようになってい
る。

【００２７】上記構成の触媒燃焼器５は、図１に示すよ
うに、燃焼部本体６１が空気供給マニホールド２４と垂
直状隔壁１ｂとの間隙に位置するように設定される。そ
して、触媒用空気供給ファン６２の空気入口側端部が右
側部空間１０４内に位置されると共に、空気排出ダクト
６３が燃料電池本体２の正面側で水平に横架され、その
空気出口側端部が左側部空間１０２内に位置するように
なっている。

【００２８】燃料電池起動時及び運転時においては、触
媒用空気供給ファン５２の作動により空気取入口１２か
ら中央上段部空間１０３内に取り込まれた空気は、右側
部空間１０４内を下降し触媒燃焼器６内に供給される。
一方、水素は、電池スタック２１内を上から下へ流通す
る間に電気化学反応に供され、その際の未反応水素が、
水素排出マニホールド２３から未反応水素供給管２６を
通って触媒燃焼器６内に供給される。

【００２９】触媒燃焼器６内においては、空気整流板７
１によって全体に層流化された空気流（黒塗り矢印Ｂ）
に対して、該空気流と交差する方向に水素供給ノズル８
１から噴出された未反応水素（白抜き矢印Ｃ）が混合さ
れるので、空気と未反応水素との混合が均一的になされ
る。したがって、燃焼触媒層９１の流通方向横断面上の
各位置において均一的に触媒燃焼がなされる。

【００３０】触媒燃焼後の排ガスは、空気排出ダクト６
３を通って左側部空間１０２内へ排出される。そして、
燃料電池本体２からの排空気と共に空気排出口１３から
燃料電池外部へ排出される。

【００３１】続いて、制御器４による触媒用空気供給フ
ァン６２の制御方法について説明する。

【００３２】ポータブル燃料電池の通常の運転時におい
ては、温度センサー９２は、燃焼触媒層９１内の空気入
口側における検知温度を制御器４へ伝達する。そして、
制御 器４は、この検知温度とあらかじめ設定されている
基準温度（１４０℃）との差が小さくなるように触媒用
空気供給ファン６２の送風量を制御する。即ち、この温
度制御は、例えばＰＩＤ制御等の公知の制御方法を適用
して、比較的簡単な演算処理で行うことができる。

【００３３】図３は本実施例のポータブル燃料電池にお
ける外部出力変動に対するファン制御電圧印加率及び燃
焼触媒層９１の温度を示す図である。本実施例の制御方
法によれば、燃料電池の外部出力が急激に増大（０％か
ら１００％へ）、または、減少（１００％から０％へ）
した場合においても、燃焼触媒層９１の温度変化に迅速
に対応して直ちに触媒用空気供給ファン６２の送風量が
調節されるため、オーバーシュート等が起こることなく
燃焼触媒層９１の温度を適温（１４０℃）に保つことが
できる。

【００３４】また、図４は燃料電池起動時のファン制御
電圧印加率及び燃焼触媒層９１の温度を示す図である。
制御器４は、燃焼触媒層９１の温度が約１００℃になる
までの間（図４では起動後約１分間）、触媒用空気供給
ファン６２の送風量を極めて小さく（最大ファン制御電
圧の約８％）保つように制御する。したがって、燃焼触
媒層９１は速やかに昇温される。

【００３５】なお、上記実施例では、燃料ガスとして水
素吸蔵合金タンク３内に貯蔵された水素ガスを用いる例
を示したが、これに限ることはなく、また、ポータブル
燃料電池に限ることもない。

【００３６】

【発明の効果】 上述のように、請求項１及び２記載の発
明においては、燃焼触媒層の温度が所定の温度に保たれ
る。また、流量計と比べて温度センサーは小型であり安
価であるため、触媒燃焼器が大型化、複雑化等されるこ
とはなく、コスト高となることもない。その上、比較的
容易な演算処理で、迅速な温度制御を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る燃料電池の一部を切り欠いた斜
視図である。

【図２】本実施例に係る触媒燃焼器の一部を切り欠いた
斜視図である。

【図３】ポータブル燃料電池運転時における燃焼触媒層
の温度及びファン制御電圧印加率の変化を示す図であ
る。

【図４】ポータブル燃料電池起動時における燃焼触媒層
の温度及びファン制御電圧印加率の変化を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 筺体 ２ 燃料電池本体 ３ 水素吸蔵合金タンク ４ 制御器 ５ ＤＣ／ＤＣコンバータ ６ 触媒燃焼器 ６１ 燃焼部本体 ６２ 触媒用空気供給ファン ６３ 空気排出ダクト ７１ 空気整流板 ７２ 平面板 ７３ 貫通孔 ８１ 水素供給ノズル ９１ 燃焼触媒層 ９２ 温度センサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷲見 晋吾 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−275297（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−298651（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−158766（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06 B01D 53/94

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外部から取り入れた空気と燃料供給源から
   供給された燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本体
   と、空気供給ファンから燃焼触媒層に送り込まれた空気
   に前記燃料電池本体から排出される未反応の燃料ガスを
   混合して触媒燃焼させる触媒燃焼器と、を備えた燃料電
   池において、 前記触媒燃焼器に設置され、燃焼触媒層の温度を検知す
   る温度センサーと、 前記温度センサーで検知した温度が所定の温度に保たれ
   るように前記空気供給ファンの送風量を制御するファン
   制御部と、を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】外部から取り入れた空気と燃料供給源から
   供給された燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本体
   と、空気供給ファンから燃焼触媒層に送り込まれた空気
   に前記燃料電池本体から排出される未反応の燃料ガスを
   混合して触媒燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器
   に設置され、燃焼触媒層の温度を検知する温度センサー
   と、を備えた燃料電池の制御方法であって、 前記温度センサーにより検知された前記燃焼触媒層の温
   度が所定の温度に保たれるように前記空気供給ファンの
   送風量を制御することを特徴とする燃料電池の制御方
   法。