JP3861738B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば特開平５−３０３９７０号公報がある。これは、改質器と一酸化炭素変成器と燃料電池を備え、改質器に付属するバーナーの発生する燃焼ガスで改質器と一酸化炭素変成器を加熱することで、改質ガスを発生する温度まで各反応器を暖機するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術では、改質器に付属するバーナーの発生する燃焼ガスは、改質器と一酸化炭素変成器を加熱した後に大気中に放出されるため、バーナーの排出ガス中のＴＨＣやＣＯ等が、特に着火直後のバーナーが燃焼が安定していない状態では、大量に排出され、燃料電池車の走行全体での排気を悪化させることになる。これは、例えバーナーを触媒燃焼を行うタイプを採用しても、触媒が活性な温度に暖まるまでやはりＴＨＣやＣＯ等が燃焼ガス中に多量に含まれる。
【０００４】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、起動直後でも浄化された排気を排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質器より供給される水素リッチな改質ガスにより発電する燃料電池システムにおいて、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から排出された燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に戻る流路を備え、前記燃焼器は、その内部を２つの領域に分割してその領域ごとに分けて燃焼するように構成し、起動時には、前記燃焼器の一方の領域で燃焼を開始し、この燃焼熱により前記燃焼器の他方の領域を加熱するとともに燃焼ガスを前記改質器に排出し、前記改質器を通過した燃焼ガスが所定温度以上に昇温した前記燃焼器の前記他方の領域に流入した後、大気に排出するようにした。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃焼器から排出された燃焼ガスは起動後所定時間の間、前記流路を通じて前記燃焼器に循環し、所定時間経過後は、循環せず、大気に放出される。
【０００７】
第３の発明は、第２の発明において、前記所定時間は、前記燃焼器が暖機を終えるまでの間に排出した燃焼ガスが前記燃焼器に戻るまでの時間である。
【０００８】
第４の発明は、第１の発明において、前記改質器から前記燃焼器に燃焼ガスを供給する流路の途中にアキュムレータと、前記改質器内の圧力を検出する圧力検出手段とを設け、この圧力検出手段の検出値が所定圧力に達したときに前記燃焼器の暖機が終えたと判断し、前記改質器を循環した燃焼ガスを前記燃焼器を通して大気に排出し、所定圧力未満のときには前記燃焼器からの燃焼ガスを前記アキュムレータに貯める。
【０００９】
第５の発明は、第２の発明において、前記改質器が生成した改質ガスにより発電する燃料電池と、前記改質器を通過した燃焼ガスが前記燃料電池をバイパスする流路と、燃焼ガスの流れ方向を前記燃料電池と前記バイパス流路とで切り換える切換弁とを備え、この切換弁は、圧力検出値が前記燃料電池の耐圧力以下に低下した時に、燃焼ガスが前記燃料電池を流れるように切り換える。
【００１１】
第６の発明は、改質器より供給される水素リッチな改質ガスにより発電する燃料電池システムにおいて、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から排出された燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に戻る流路と、前記改質器を通過した燃焼ガスの流れを前記燃焼器の一方の領域と他方の領域とに切り換える切換弁を備え、前記燃焼器は、２つの領域に分割して構成され、システム起動時には前記燃焼器の一方の領域で燃料を燃焼し、前記切換弁は他方の領域に燃焼ガスを供給するように開かれ、燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に循環する前に、前記切換弁は一方の領域に前記改質器を通過した燃焼ガスが流入するように切り換えられるとともに前記燃焼器の他方の領域に燃料を投入して、燃焼ガスを生成する。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明によれば、燃料器の起動直後に発生するＴＨＣやＣＯを多量に含んだ燃焼ガスが、改質器を循環する間に燃焼器内の触媒が活性状態になった燃焼器に再度供給されるため、ＴＨＣやＣＯを再度処理することができ、清浄度の高い排気として排出できる。
前記燃焼器は、その内部を２つの領域に分割してその領域ごとに分けて燃焼するように構成し、起動時には、前記燃焼器の一方の領域で燃焼を開始し、この燃焼熱により前記燃焼器の他方の領域を加熱するとともに燃焼ガスを前記改質器に排出し、前記改質器を通過した燃焼ガスが所定温度以上に昇温した前記燃焼器の前記他方の領域に流入するので、切換弁を用いることなく、清浄度の高い排気を大気に排出できる。
【００１３】
第２の発明によれば、前記燃焼器から排出された燃焼ガスは起動後所定時間の間、前記流路を通じて前記燃焼器に循環し、所定時間経過後は、循環せず、大気に放出されるため、所定時間後は、燃焼器全体を用いて大量の燃焼ガスを発生することができ、改質器の暖機時間を短くできる。
【００１４】
第３の発明によれば、所定時間は、燃焼器が暖機を終えるまでの間に排出した燃焼ガスが燃焼器に戻るまでの時間であるため、例えば再起動時に十分燃焼器が暖まっていた場合には、この所定時間は短時間になり、早急に燃焼器全体を用いて大量の燃焼ガスを発生することができ、改質器の暖機時間を短くできる。
【００１５】
第４の発明によれば、改質器から燃焼器に燃焼ガスを供給する流路の途中にアキュムレータと、改質器内の圧力を検出する圧力検出手段とを設け、この圧力検出手段の検出値が所定圧力に達っしたときに燃焼器の暖機が終えたと判断し、改質器を循環した燃焼ガスを燃焼器を通して大気に排出し、所定圧力未満のときには燃焼器からの燃焼ガスをアキュムレータに貯めるので、改質器から燃焼器に清浄度の低い燃焼ガスが滞留している場合においても、燃焼器が処理可能な温度に達してから、これらのガスが供給されるので、大気へは清浄度の高い排気が放出される。
【００１６】
第５の発明によれば、前記改質器が生成した改質ガスにより発電する燃料電池と、前記改質器を通過した燃焼ガスが燃料電池をバイパスする流路と、燃焼ガスの流れ方向を燃料電池とバイパス流路とで切り換える切換弁とを備え、この切換弁は、圧力検出値が燃料電池の耐圧力以下に低下した時に、燃焼ガスが燃料電池を流れるように切り換えるので、燃焼ガスの高い圧力が燃料電池に加わらないことで、燃料電池に高分子膜を用いた場合においても、膜に過大な燃料極と空気極の差圧が加わらないため、膜を薄くできる。
【００１８】
第６の発明によれば、燃焼器は、２つの領域に分割して構成され、改質器を通過した燃焼ガスが、燃焼器のそれぞれの領域に供給するための２つの流路と、この２つの流路への燃焼ガスの供給を制御する切換弁とを備え、システム起動時には燃焼器の一方の領域で燃料を燃焼し、切換弁は他方の領域に燃焼ガスを供給するように開かれ、燃焼ガスが改質器を通過して燃焼器に循環する前に、切換弁は一方の領域に改質器を通過した燃焼ガスが流入するように切り換えられるとともに燃焼器の他方の領域に燃料を投入して、燃焼ガスを生成するので、起動の途中で改質器に途切れ無しで燃焼ガスを供給することができ、改質器の暖機時間を短くできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム構成を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムは、燃焼器１と、燃料電池スタック２と、改質器３と、燃料タンク５と、空気供給装置としてのブロア７とを有する。
【００２０】
システム起動時に燃焼器１は、ブロア７から流量制御弁１１を介して所定流量にて供給される空気と、燃料タンク５からポンプ３０の作動により燃料噴射弁３１によって供給される燃料とから燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは流路４０を通じて改質器３に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器３が暖機する。
【００２１】
改質器３の暖機が終了すると、改質器３には、ブロア７から流量制御弁１０を介して所定流量供給される空気と、燃焼器１で燃焼ガスの熱によって気化した燃料が供給されて、暖機が終了した改質器３内に収装された改質触媒の作用により、水素リッチの改質ガスが生成され、改質ガスは流路４１を通じて燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２にはブロア７から所定流量の空気が供給されており、改質ガスと空気とにより電気化学反応が生じ、発電する。この発電により、たとえばモータが駆動される。
【００２２】
なお、本発明の燃焼器１はシステム起動時には燃焼ガスを生成し、改質器３を暖機する、いわゆる起動用燃焼器としての機能と通常運転時（例えば、改質器３の暖機終了後の運転）に燃料電池２からの排ガスの熱を利用して改質原料や水を気化し、気化原料や水蒸気を改質器３に供給する燃焼器１としての機能を兼ね備える。
【００２３】
次に燃料電池システム起動時の作用について詳しく説明する。
【００２４】
燃料タンク５からの燃料（例えば、炭化水素系燃料）と、ブロア７から供給される空気が、燃焼器１に供給される。燃料と空気は燃焼器１で燃焼し、高温の燃焼ガスとして排出される。しかしながら、このとき排出される燃焼ガスは燃焼器の暖機が終了していないため、ＴＨＣやＣＯを大量に含んでおり、大気中に放出することはできない。そのため燃焼器１に接続され、大気に開放された排気管４４から分岐した流路４０を通じて改質器３に供給される。改質器３に供給される燃焼ガスの流れを制御するために排気管４４に開閉弁２０が設置され、燃焼ガスを改質器３の暖機に用いるために燃焼ガスを改質器３に導入する時には開閉弁２０は閉じられる。
【００２５】
高温の燃焼ガスが供給されることで改質器３は昇温する。改質器３の触媒と熱交換し、低温となった燃焼ガスは、流路４１を通じて燃料電池スタック２を介して燃焼器１に再び導入される。燃料電池スタック２と燃焼器１を連通する流路４２の途中から分岐して大気に開放される排気管４３が設置されるが、排気管４３には、開閉弁２１が設置され、開閉弁２１を閉じることで燃焼ガスの大気中への放出を防止する。
【００２６】
排気管４３は、システム起動開始時に燃料電池スタック２内、改質器３内及びその流路内の残留した空気あるいは不活性ガスが燃焼ガスに置換されるときに大気中に放出されるための流路であり、起動時に開閉弁２１を開き、残留空気あるいは不活性ガスを排気管４３から大気中に放出し、残留空気あるいは不活性ガスが燃焼ガスに置換され、排気管４３から燃焼ガスが放出される前に開閉弁２１は閉じられる。
【００２７】
起動直後の燃焼ガスが改質器３に供給されて再び燃焼器に戻るまでの間に燃焼器１は、その内部に収装された燃焼触媒の温度を燃焼器１内の自己発熱により所定温度（例えば、燃焼器１の燃焼触媒の活性温度）までに上昇させて、燃焼器１の暖機を終了させる。
【００２８】
したがって、再び燃焼器１に導入された燃焼ガスは、燃焼器の所定温度に達した触媒の作用により目標洗浄度に達するまで燃焼、浄化された上で排気管４４から大気中に放出される。その後、開閉弁２０を閉じ、再び改質器３に洗浄度の高い燃焼ガスが供給され、改質器３の昇温に寄与する。改質器３を昇温した燃焼ガスは、燃料電池スタック２を通過して、流路４２から排気管４３を通じて大気に放出される。前述したようにこのときに燃焼ガスは、燃焼器１の触媒の作用によりＴＨＣ、ＣＯが充分に浄化された状態であり、大気に放出できるガスとなっている。排気管４３から燃焼ガスが放出されるときに開閉弁２１が開かれていることは言うまでもない。
【００２９】
なお、流量制御弁１０、１１、開閉弁２０、２１、燃料噴射弁３１、３２、ブロア７、ポンプ３０はコントローラ５０によってその運転を制御される。さらにコントローラ５０には、図示しない温度センサによって改質器３内の温度が入力される。
【００３０】
図２は燃料電池システム起動時にコントローラ５０が実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【００３１】
まずステップ１０で、開閉弁２０を閉じて燃焼ガスが大気に放出されないようにした上で、ステップ１１でブロア７により燃焼器１に空気を供給する。ステップ１２で、燃料タンク５から燃料を燃料噴射弁３１によって燃焼器１内に噴射、着火し、燃料を燃焼する。続くステップ１３で、燃料の燃焼により生じた燃焼ガスは開閉弁２０が閉じられているため、流路４０を通じて改質器３に導入される。したがって、改質器３は高温の燃焼ガスの導入により、加熱、暖機される。
【００３２】
改質器３の暖機に使用された燃焼ガスは、通常運転時に改質ガスが流通する流路４１を通じて燃料電池スタック２を通過して流路４２に流入する。このときステップ１４に示すように、この改質器３を加熱した燃焼ガスが排気管４３から大気中に放出しないように、起動開始後、所定時間経過後に開閉弁２１が閉じられる。つまり、起動時にはシステム内、例えば燃料電池スタック２内や改質器３内さらに流路内には空気や不活性ガスが充填された状態となっており、これら残留ガスがまず排気管４３から大気中に燃料ガスに置換されることで放出される。そして不活性ガスが燃焼ガスに置換されたときには、燃焼ガスが排気管４３から大気中に放出される前に開閉弁２１が閉じられる。
【００３３】
続くステップ１５で開閉弁２０を開き、流路４２に流入した燃焼ガスは、再び燃焼器１に導入される。開閉弁２０と２１の開閉のタイミングは、燃焼ガスの流量と改質器３及び燃料電池スタック２の内容積により定まり、例えば、燃焼器１の着火から燃焼ガスが流路４２に流入するまでの時間を実験等により予め算出しておき、この時間に基づき開閉弁２０、２１の開閉を切り換える。
【００３４】
次にステップ１６で、循環してきた燃焼ガスが燃焼器１に供され、燃焼ガスは活性温度に達した燃焼触媒の作用によってＴＨＣやＣＯ等の有害物質が除去され、清浄度の高い燃焼ガスとなる。この洗浄度の高い燃焼ガスが、排気管４４から大気中の放出される。
【００３５】
ここで燃焼器１の燃焼触媒は、起動時の最初に生成された燃焼ガスが改質器３に供給されて燃焼器１に戻るまでの間に、燃焼触媒の燃焼熱によって昇温し、暖機を終えている。
【００３６】
ステップ１７で、起動から所定時間が経過したら開閉弁２１を開き、開閉弁２０を閉じる。したがって、洗浄度の高い燃焼ガスが改質器３及び燃料電池スタック２に供給された後、燃料電池スタック２から排出された燃焼ガスは排気管４３から大気中に放出される。ここで所定時間とは、例えば、燃焼器１が起動してから暖機時に排出した燃焼ガスが、燃焼器１に戻ってくるまでの時間や改質器３が暖機を終了するまでの時間である。
【００３７】
続くステップ１８で、改質器３の改質触媒が所定の活性温度に達した時に、燃焼器１への燃料の供給を停止し、システムの起動制御を終了し、通常運転へ移行する。
【００３８】
次に効果につき説明する。システム起動時に燃焼器１の排出する燃焼ガスは、燃焼器内の触媒が十分な性能を発揮する温度に達するまでの数秒間、ＴＨＣやＣＯ等を多量に排出する。ＴＨＣやＣＯ等を多量に含有した燃焼ガスが燃焼器１から排出され改質器３を経由して再び燃焼器１に循環するまでの間に、燃焼器１に収装された燃焼触媒が暖機を終えるように制御される。したがって、この循環してきた燃焼ガスを再度暖機を終えた後の燃焼器１に供給することにより、触媒の作用により燃焼ガス中に残留していたＴＨＣやＣＯが除去され、清浄度の高い燃焼ガスとして大気に排出される。これにより、燃料電池システムの起動中の排気を清浄できる
次に本発明の第２実施形態の構成について説明する。図３は、第２実施形態の構成を示すブロック図である。第１実施形態と同様の構成の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００３９】
まず、燃焼器１を２つのエリアＡとＢの部分に分ける構成とする。。この２つのエリアは互いにガスが混入しないように仕切られ、且つ燃焼担体は一体で製作することでＡの反応熱がもう一方のエリアＢに伝熱するように構成される。
【００４０】
起動時には先ず、燃料がエリアＡに供給されて燃焼を開始し、この燃焼ガスを流路４０を通じて、改質器３に供給され、改質器３を暖機する。燃焼ガスは続いて燃料電池スタック２に供給され、流路４２から燃焼器１のＢエリアに供給される。
【００４１】
このＢエリアは、エリアＡの燃焼反応熱の伝達により触媒温度が上昇する。エリアＡの燃焼ガスが循環してエリアＢに到達するまでに、エリアＢに収装された触媒の温度が燃焼ガス中のＴＨＣやＣＯを処理可能な活性温度となっているように、噴射弁３１から供給される燃料流量とブロア７から供給される空気流量が調整されるとともに、燃焼ガスがエリアＢに到達する時間が調整される。
【００４２】
次に第２実施形態の効果について説明する。
【００４３】
システム起動時にエリアＡから排出される燃焼ガスがシステム内を循環し、燃焼ガスが燃焼器１のエリアＢに到達するまでには、燃焼ガス中のＴＨＣやＣＯが処理可能な活性温度にエリアＢの触媒が達っしているので、燃焼初期の清浄度の低いガスに含有されたＴＨＣ、ＣＯ等はエリアＢの触媒によって除去され、清浄度の高い排気として排気管４４から大気に放出できる。
【００４４】
さらに燃焼ガスの流路を切り換えるための切換弁が不要なため、システムの構成を簡略にできる。
【００４５】
エリアＡとエリアＢは１つの触媒担体であるため、エリアＡの反応熱のエリアＢへの伝熱を効率よく行うことができる。
【００４６】
次に図４は、第３実施形態の構成を示すブロック図である。第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００４７】
流路４１から分岐して燃料電池スタック２をバイパスする流路４９を備え、流路４１と流路４９の分岐点に燃焼ガスの流れを切り換える三方弁２４を備える。また、燃料電池スタック２から流路４９と流路４２との分岐点までの間に開閉弁２３を備える。この開閉弁２３は燃焼器１から燃料電池スタック２に向かって逆流しないようにする逆止弁で代用することもできる。
【００４８】
この流路４９と流路４２との分岐点の下流には、アキュムレータ５０、開閉弁２２が備えられる。このアキュムレータ５０は、燃焼器１より燃料電池スタック２をバイパスする流路４９を含めた開閉弁２２までの容量、言い換えると、起動時から燃焼器２のエリアＢの燃焼触媒が活性温度に達するまでに燃焼器２で発生した燃焼ガスを蓄積できる容量を備えている。エリアＢの触媒温度は燃焼器１から開閉弁２２までの流路の途中に備えられた、流路内の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）５１の検出値によって判断される。圧力センサ５１の判定圧はブロア７の最大吐出圧力以下に設定される。ブロア７が供給可能な空気量を供給し、燃焼器１で燃焼することにより、エリアＡの燃焼熱がエリアＢに伝わり、エリアＢの触媒がＴＨＣやＣＯを処理するのに十分な温度まで昇温される。この圧力センサ５１で計測した圧力値が、エリアＢの触媒を活性温度まで暖機するのに必要な空気供給量に相当する圧力に達した時、開閉弁２２が開放され、燃焼ガスがエリアＢに供給される。エリアＢで燃焼ガス中のＴＨＣ等の有害物質が除去され、浄化度の高い排ガスとして大気中の放出される。
【００４９】
次に第３実施形態の効果について説明する。システム起動の際に、改質器３内や改質ガス流路４１内に未燃燃料やＣＯが残留している場合においても、これを燃焼器１のエリアＢで処理してから大気に放出するため、起動の際の排気の清浄度を高く保てる。燃焼ガスにより流路４１内の圧力が高まっている間は、三方弁２４を流路４１と流路４９が流通するように切り換え、流路４２内の圧力が燃料電池スタック２の許容耐圧力以下の時に燃焼ガスを燃料電池スタック２内に供給するように三方弁２４を切り換えることで、燃料電池スタック２をバイパスする流路４９側のみに圧力が加わるので、燃焼ガスの高い圧力が燃料電池スタック２に加わらず、燃料電池スタック２に高分子膜を用いた場合においても、高分子膜に過大な燃料極と空気極の差圧が加わらないため、膜を薄くできる。
【００５０】
圧力センサ５１による圧力値で燃焼器１のエリアＢの触媒温度を判定し、開閉弁２２を開放するタイミングを決めるので、燃焼器１へのガスの流れが無く、燃焼ガス温度で燃焼器１内の触媒温度が推定できない場合においても、予定の燃料量の燃焼を行うことができ、エリアＢの加熱を確実に行うことができる。
【００５１】
第４の実施形態は、その構成は第３実施形態に類似するが、改質器３の内圧を検出する手段を設け、この改質器３の圧力に応じて改質器の触媒温度を判定し、燃焼ガスを制御するものである。
【００５２】
具体的には、改質器３内の圧力が所定圧力未満の場合には、燃焼ガスを大気に放出しないよう流量を制御して燃焼器に供給し、燃焼ガスはアキュムレータに蓄積する。改質器３内の圧力が所定圧力に達した場合には、燃焼器１の触媒温度が活性温度に達した状態と判定し、改質器３から供給される燃焼ガスを十分に浄化することができ、清浄度の高い排気を大気中へと放出できる。この場合には、触媒の処理能力に応じて燃焼ガスの流量を増加することが可能である。
【００５３】
次に本発明の第５実施形態の構成について説明する。図５は、第５実施形態の構成を示すブロック図である。第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５４】
まず、燃料電池スタック２下流の流路４２に三方弁２５を備え、三方弁２５を切換えることで燃焼ガスをエリアＡに空気を供給する流路１２に導入するようにする。またブロア７からの空気が流路１２を介してエリアＡと流路１３を介してエリアＢに供給され、両方のエリアそれぞれに燃料を噴射する燃料噴射弁３１と３３を備える。
【００５５】
さらに、エリアＡと改質器３を連通する流路４０から分岐して燃焼ガスを大気中に放出する排気管４７が設けられ、この流路途中に開閉弁２０が設置される。
【００５６】
また、燃焼器１のエリアＢから排出される燃焼ガスを流路４０に導入するために流路４５が設けられ、その途中に逆止弁４６が設置され流路４０への燃焼ガスの流れを防止する。さらに流路４５から分岐して燃焼ガスを大気中に放出するための排気管４８が設置され、その途中に開閉弁２６が設けられる。
【００５７】
このように構成されてシステム起動時は、開閉弁２０を閉じ、開閉弁２６は開き、三方弁２５をエリアＢ側に燃焼ガスが流通するように切り換えた上で、先ずエリアＡで燃料噴射弁３１から燃料が供給されて燃焼を開始する。したがって、システム内に残留した不活性ガス等は、燃焼ガスと置換し、排気管４８から大気中に放出される。この燃焼ガスが燃焼器１から排出されて三方弁２５に到達する前に、三方弁２５をエリアＡ側に燃焼ガスが流通するように切り換え、開閉弁２０を開き、開閉弁２６を閉じ、燃焼ガスが再度触媒の活性温度に達したエリアＡに流入させる。同時に、エリアＢで燃料噴射弁３３から燃料が供給されて燃焼を開始し、この燃焼ガスで改質器３を暖機する。ここでエリアＢの触媒容積は、エリアＡの触媒容積より大きく設定する。
【００５８】
次に第５実施形態の効果を説明する。システム起動時改質器３に、燃焼器１のエリアＡとエリアＢから継続的に燃焼ガスが供給されるので、改質器３の暖機時間が短くできる。短時間のみ用いるエリアＡに比べてエリアＢを大きくすることで、長時間用いる燃焼触媒の容量を大きくし、比較的大量の燃焼ガスを発生可能として、改質器３の暖機時間を短くすることができる。
【００５９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成説明図
【図２】本発明の第１実施形態の起動フロー説明図
【図３】本発明の第２実施形態の構成説明図
【図４】本発明の第３実施形態の構成説明図
【図５】本発明の第５実施形態の構成説明図
【符号の説明】
１ 燃焼器
２ 燃料電池スタック
３ 改質器
７ 空気供給装置（ブロア）
１０、１１ 流量調整弁
２０、２１、２２、２３、２６ 開閉弁
２４、２５ ３方切換弁
３１、３２、３３ 噴射弁
４０、４１、４２、４５、４６ 燃焼ガス流路
４３、４４、４７、４８ 排気管
４９ バイパス流路
５０ アキュムレータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば特開平５−３０３９７０号公報がある。これは、改質器と一酸化炭素変成器と燃料電池を備え、改質器に付属するバーナーの発生する燃焼ガスで改質器と一酸化炭素変成器を加熱することで、改質ガスを発生する温度まで各反応器を暖機するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術では、改質器に付属するバーナーの発生する燃焼ガスは、改質器と一酸化炭素変成器を加熱した後に大気中に放出されるため、バーナーの排出ガス中のＴＨＣやＣＯ等が、特に着火直後のバーナーが燃焼が安定していない状態では、大量に排出され、燃料電池車の走行全体での排気を悪化させることになる。これは、例えバーナーを触媒燃焼を行うタイプを採用しても、触媒が活性な温度に暖まるまでやはりＴＨＣやＣＯ等が燃焼ガス中に多量に含まれる。
【０００４】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、起動直後でも浄化された排気を排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、改質器より供給される水素リッチな改質ガスにより発電する燃料電池システムにおいて、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から排出された燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に戻る流路を備え、前記燃焼器は、その内部を２つの領域に分割してその領域ごとに分けて燃焼するように構成し、起動時には、前記燃焼器の一方の領域で燃焼を開始し、この燃焼熱により前記燃焼器の他方の領域を加熱するとともに燃焼ガスを前記改質器に排出し、前記改質器を通過した燃焼ガスが所定温度以上に昇温した前記燃焼器の前記他方の領域に流入した後、大気に排出するようにした。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃焼器から排出された燃焼ガスは起動後所定時間の間、前記流路を通じて前記燃焼器に循環し、所定時間経過後は、循環せず、大気に放出される。
【０００７】
第３の発明は、第２の発明において、前記所定時間は、前記燃焼器が暖機を終えるまでの間に排出した燃焼ガスが前記燃焼器に戻るまでの時間である。
【０００８】
第４の発明は、第１の発明において、前記改質器から前記燃焼器に燃焼ガスを供給する流路の途中にアキュムレータと、前記改質器内の圧力を検出する圧力検出手段とを設け、この圧力検出手段の検出値が所定圧力に達したときに前記燃焼器の暖機が終えたと判断し、前記改質器を循環した燃焼ガスを前記燃焼器を通して大気に排出し、所定圧力未満のときには前記燃焼器からの燃焼ガスを前記アキュムレータに貯める。
【０００９】
第５の発明は、第２の発明において、前記改質器が生成した改質ガスにより発電する燃料電池と、前記改質器を通過した燃焼ガスが前記燃料電池をバイパスする流路と、燃焼ガスの流れ方向を前記燃料電池と前記バイパス流路とで切り換える切換弁とを備え、この切換弁は、圧力検出値が前記燃料電池の耐圧力以下に低下した時に、燃焼ガスが前記燃料電池を流れるように切り換える。
【００１１】
第６の発明は、改質器より供給される水素リッチな改質ガスにより発電する燃料電池システムにおいて、燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、この燃焼器から排出された燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に戻る流路と、前記改質器を通過した燃焼ガスの流れを前記燃焼器の一方の領域と他方の領域とに切り換える切換弁を備え、前記燃焼器は、２つの領域に分割して構成され、システム起動時には前記燃焼器の一方の領域で燃料を燃焼し、前記切換弁は他方の領域に燃焼ガスを供給するように開かれ、燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に循環する前に、前記切換弁は一方の領域に前記改質器を通過した燃焼ガスが流入するように切り換えられるとともに前記燃焼器の他方の領域に燃料を投入して、燃焼ガスを生成する。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明によれば、燃料器の起動直後に発生するＴＨＣやＣＯを多量に含んだ燃焼ガスが、改質器を循環する間に燃焼器内の触媒が活性状態になった燃焼器に再度供給されるため、ＴＨＣやＣＯを再度処理することができ、清浄度の高い排気として排出できる。
前記燃焼器は、その内部を２つの領域に分割してその領域ごとに分けて燃焼するように構成し、起動時には、前記燃焼器の一方の領域で燃焼を開始し、この燃焼熱により前記燃焼器の他方の領域を加熱するとともに燃焼ガスを前記改質器に排出し、前記改質器を通過した燃焼ガスが所定温度以上に昇温した前記燃焼器の前記他方の領域に流入するので、切換弁を用いることなく、清浄度の高い排気を大気に排出できる。
【００１３】
第２の発明によれば、前記燃焼器から排出された燃焼ガスは起動後所定時間の間、前記流路を通じて前記燃焼器に循環し、所定時間経過後は、循環せず、大気に放出されるため、所定時間後は、燃焼器全体を用いて大量の燃焼ガスを発生することができ、改質器の暖機時間を短くできる。
【００１４】
第３の発明によれば、所定時間は、燃焼器が暖機を終えるまでの間に排出した燃焼ガスが燃焼器に戻るまでの時間であるため、例えば再起動時に十分燃焼器が暖まっていた場合には、この所定時間は短時間になり、早急に燃焼器全体を用いて大量の燃焼ガスを発生することができ、改質器の暖機時間を短くできる。
【００１５】
第４の発明によれば、改質器から燃焼器に燃焼ガスを供給する流路の途中にアキュムレータと、改質器内の圧力を検出する圧力検出手段とを設け、この圧力検出手段の検出値が所定圧力に達っしたときに燃焼器の暖機が終えたと判断し、改質器を循環した燃焼ガスを燃焼器を通して大気に排出し、所定圧力未満のときには燃焼器からの燃焼ガスをアキュムレータに貯めるので、改質器から燃焼器に清浄度の低い燃焼ガスが滞留している場合においても、燃焼器が処理可能な温度に達してから、これらのガスが供給されるので、大気へは清浄度の高い排気が放出される。
【００１６】
第５の発明によれば、前記改質器が生成した改質ガスにより発電する燃料電池と、前記改質器を通過した燃焼ガスが燃料電池をバイパスする流路と、燃焼ガスの流れ方向を燃料電池とバイパス流路とで切り換える切換弁とを備え、この切換弁は、圧力検出値が燃料電池の耐圧力以下に低下した時に、燃焼ガスが燃料電池を流れるように切り換えるので、燃焼ガスの高い圧力が燃料電池に加わらないことで、燃料電池に高分子膜を用いた場合においても、膜に過大な燃料極と空気極の差圧が加わらないため、膜を薄くできる。
【００１８】
第６の発明によれば、燃焼器は、２つの領域に分割して構成され、改質器を通過した燃焼ガスが、燃焼器のそれぞれの領域に供給するための２つの流路と、この２つの流路への燃焼ガスの供給を制御する切換弁とを備え、システム起動時には燃焼器の一方の領域で燃料を燃焼し、切換弁は他方の領域に燃焼ガスを供給するように開かれ、燃焼ガスが改質器を通過して燃焼器に循環する前に、切換弁は一方の領域に改質器を通過した燃焼ガスが流入するように切り換えられるとともに燃焼器の他方の領域に燃料を投入して、燃焼ガスを生成するので、起動の途中で改質器に途切れ無しで燃焼ガスを供給することができ、改質器の暖機時間を短くできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、第１実施形態の燃料電池システム構成を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムは、燃焼器１と、燃料電池スタック２と、改質器３と、燃料タンク５と、空気供給装置としてのブロア７とを有する。
【００２０】
システム起動時に燃焼器１は、ブロア７から流量制御弁１１を介して所定流量にて供給される空気と、燃料タンク５からポンプ３０の作動により燃料噴射弁３１によって供給される燃料とから燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは流路４０を通じて改質器３に供給され、燃焼ガスの熱によって改質器３が暖機する。
【００２１】
改質器３の暖機が終了すると、改質器３には、ブロア７から流量制御弁１０を介して所定流量供給される空気と、燃焼器１で燃焼ガスの熱によって気化した燃料が供給されて、暖機が終了した改質器３内に収装された改質触媒の作用により、水素リッチの改質ガスが生成され、改質ガスは流路４１を通じて燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２にはブロア７から所定流量の空気が供給されており、改質ガスと空気とにより電気化学反応が生じ、発電する。この発電により、たとえばモータが駆動される。
【００２２】
なお、本発明の燃焼器１はシステム起動時には燃焼ガスを生成し、改質器３を暖機する、いわゆる起動用燃焼器としての機能と通常運転時（例えば、改質器３の暖機終了後の運転）に燃料電池２からの排ガスの熱を利用して改質原料や水を気化し、気化原料や水蒸気を改質器３に供給する燃焼器１としての機能を兼ね備える。
【００２３】
次に燃料電池システム起動時の作用について詳しく説明する。
【００２４】
燃料タンク５からの燃料（例えば、炭化水素系燃料）と、ブロア７から供給される空気が、燃焼器１に供給される。燃料と空気は燃焼器１で燃焼し、高温の燃焼ガスとして排出される。しかしながら、このとき排出される燃焼ガスは燃焼器の暖機が終了していないため、ＴＨＣやＣＯを大量に含んでおり、大気中に放出することはできない。そのため燃焼器１に接続され、大気に開放された排気管４４から分岐した流路４０を通じて改質器３に供給される。改質器３に供給される燃焼ガスの流れを制御するために排気管４４に開閉弁２０が設置され、燃焼ガスを改質器３の暖機に用いるために燃焼ガスを改質器３に導入する時には開閉弁２０は閉じられる。
【００２５】
高温の燃焼ガスが供給されることで改質器３は昇温する。改質器３の触媒と熱交換し、低温となった燃焼ガスは、流路４１を通じて燃料電池スタック２を介して燃焼器１に再び導入される。燃料電池スタック２と燃焼器１を連通する流路４２の途中から分岐して大気に開放される排気管４３が設置されるが、排気管４３には、開閉弁２１が設置され、開閉弁２１を閉じることで燃焼ガスの大気中への放出を防止する。
【００２６】
排気管４３は、システム起動開始時に燃料電池スタック２内、改質器３内及びその流路内の残留した空気あるいは不活性ガスが燃焼ガスに置換されるときに大気中に放出されるための流路であり、起動時に開閉弁２１を開き、残留空気あるいは不活性ガスを排気管４３から大気中に放出し、残留空気あるいは不活性ガスが燃焼ガスに置換され、排気管４３から燃焼ガスが放出される前に開閉弁２１は閉じられる。
【００２７】
起動直後の燃焼ガスが改質器３に供給されて再び燃焼器に戻るまでの間に燃焼器１は、その内部に収装された燃焼触媒の温度を燃焼器１内の自己発熱により所定温度（例えば、燃焼器１の燃焼触媒の活性温度）までに上昇させて、燃焼器１の暖機を終了させる。
【００２８】
したがって、再び燃焼器１に導入された燃焼ガスは、燃焼器の所定温度に達した触媒の作用により目標洗浄度に達するまで燃焼、浄化された上で排気管４４から大気中に放出される。その後、開閉弁２０を閉じ、再び改質器３に洗浄度の高い燃焼ガスが供給され、改質器３の昇温に寄与する。改質器３を昇温した燃焼ガスは、燃料電池スタック２を通過して、流路４２から排気管４３を通じて大気に放出される。前述したようにこのときに燃焼ガスは、燃焼器１の触媒の作用によりＴＨＣ、ＣＯが充分に浄化された状態であり、大気に放出できるガスとなっている。排気管４３から燃焼ガスが放出されるときに開閉弁２１が開かれていることは言うまでもない。
【００２９】
なお、流量制御弁１０、１１、開閉弁２０、２１、燃料噴射弁３１、３２、ブロア７、ポンプ３０はコントローラ５０によってその運転を制御される。さらにコントローラ５０には、図示しない温度センサによって改質器３内の温度が入力される。
【００３０】
図２は燃料電池システム起動時にコントローラ５０が実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【００３１】
まずステップ１０で、開閉弁２０を閉じて燃焼ガスが大気に放出されないようにした上で、ステップ１１でブロア７により燃焼器１に空気を供給する。ステップ１２で、燃料タンク５から燃料を燃料噴射弁３１によって燃焼器１内に噴射、着火し、燃料を燃焼する。続くステップ１３で、燃料の燃焼により生じた燃焼ガスは開閉弁２０が閉じられているため、流路４０を通じて改質器３に導入される。したがって、改質器３は高温の燃焼ガスの導入により、加熱、暖機される。
【００３２】
改質器３の暖機に使用された燃焼ガスは、通常運転時に改質ガスが流通する流路４１を通じて燃料電池スタック２を通過して流路４２に流入する。このときステップ１４に示すように、この改質器３を加熱した燃焼ガスが排気管４３から大気中に放出しないように、起動開始後、所定時間経過後に開閉弁２１が閉じられる。つまり、起動時にはシステム内、例えば燃料電池スタック２内や改質器３内さらに流路内には空気や不活性ガスが充填された状態となっており、これら残留ガスがまず排気管４３から大気中に燃料ガスに置換されることで放出される。そして不活性ガスが燃焼ガスに置換されたときには、燃焼ガスが排気管４３から大気中に放出される前に開閉弁２１が閉じられる。
【００３３】
続くステップ１５で開閉弁２０を開き、流路４２に流入した燃焼ガスは、再び燃焼器１に導入される。開閉弁２０と２１の開閉のタイミングは、燃焼ガスの流量と改質器３及び燃料電池スタック２の内容積により定まり、例えば、燃焼器１の着火から燃焼ガスが流路４２に流入するまでの時間を実験等により予め算出しておき、この時間に基づき開閉弁２０、２１の開閉を切り換える。
【００３４】
次にステップ１６で、循環してきた燃焼ガスが燃焼器１に供され、燃焼ガスは活性温度に達した燃焼触媒の作用によってＴＨＣやＣＯ等の有害物質が除去され、清浄度の高い燃焼ガスとなる。この洗浄度の高い燃焼ガスが、排気管４４から大気中の放出される。
【００３５】
ここで燃焼器１の燃焼触媒は、起動時の最初に生成された燃焼ガスが改質器３に供給されて燃焼器１に戻るまでの間に、燃焼触媒の燃焼熱によって昇温し、暖機を終えている。
【００３６】
ステップ１７で、起動から所定時間が経過したら開閉弁２１を開き、開閉弁２０を閉じる。したがって、洗浄度の高い燃焼ガスが改質器３及び燃料電池スタック２に供給された後、燃料電池スタック２から排出された燃焼ガスは排気管４３から大気中に放出される。ここで所定時間とは、例えば、燃焼器１が起動してから暖機時に排出した燃焼ガスが、燃焼器１に戻ってくるまでの時間や改質器３が暖機を終了するまでの時間である。
【００３７】
続くステップ１８で、改質器３の改質触媒が所定の活性温度に達した時に、燃焼器１への燃料の供給を停止し、システムの起動制御を終了し、通常運転へ移行する。
【００３８】
次に効果につき説明する。システム起動時に燃焼器１の排出する燃焼ガスは、燃焼器内の触媒が十分な性能を発揮する温度に達するまでの数秒間、ＴＨＣやＣＯ等を多量に排出する。ＴＨＣやＣＯ等を多量に含有した燃焼ガスが燃焼器１から排出され改質器３を経由して再び燃焼器１に循環するまでの間に、燃焼器１に収装された燃焼触媒が暖機を終えるように制御される。したがって、この循環してきた燃焼ガスを再度暖機を終えた後の燃焼器１に供給することにより、触媒の作用により燃焼ガス中に残留していたＴＨＣやＣＯが除去され、清浄度の高い燃焼ガスとして大気に排出される。これにより、燃料電池システムの起動中の排気を清浄できる
次に本発明の第２実施形態の構成について説明する。図３は、第２実施形態の構成を示すブロック図である。第１実施形態と同様の構成の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００３９】
まず、燃焼器１を２つのエリアＡとＢの部分に分ける構成とする。。この２つのエリアは互いにガスが混入しないように仕切られ、且つ燃焼担体は一体で製作することでＡの反応熱がもう一方のエリアＢに伝熱するように構成される。
【００４０】
起動時には先ず、燃料がエリアＡに供給されて燃焼を開始し、この燃焼ガスを流路４０を通じて、改質器３に供給され、改質器３を暖機する。燃焼ガスは続いて燃料電池スタック２に供給され、流路４２から燃焼器１のＢエリアに供給される。
【００４１】
このＢエリアは、エリアＡの燃焼反応熱の伝達により触媒温度が上昇する。エリアＡの燃焼ガスが循環してエリアＢに到達するまでに、エリアＢに収装された触媒の温度が燃焼ガス中のＴＨＣやＣＯを処理可能な活性温度となっているように、噴射弁３１から供給される燃料流量とブロア７から供給される空気流量が調整されるとともに、燃焼ガスがエリアＢに到達する時間が調整される。
【００４２】
次に第２実施形態の効果について説明する。
【００４３】
システム起動時にエリアＡから排出される燃焼ガスがシステム内を循環し、燃焼ガスが燃焼器１のエリアＢに到達するまでには、燃焼ガス中のＴＨＣやＣＯが処理可能な活性温度にエリアＢの触媒が達っしているので、燃焼初期の清浄度の低いガスに含有されたＴＨＣ、ＣＯ等はエリアＢの触媒によって除去され、清浄度の高い排気として排気管４４から大気に放出できる。
【００４４】
さらに燃焼ガスの流路を切り換えるための切換弁が不要なため、システムの構成を簡略にできる。
【００４５】
エリアＡとエリアＢは１つの触媒担体であるため、エリアＡの反応熱のエリアＢへの伝熱を効率よく行うことができる。
【００４６】
次に図４は、第３実施形態の構成を示すブロック図である。第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００４７】
流路４１から分岐して燃料電池スタック２をバイパスする流路４９を備え、流路４１と流路４９の分岐点に燃焼ガスの流れを切り換える三方弁２４を備える。また、燃料電池スタック２から流路４９と流路４２との分岐点までの間に開閉弁２３を備える。この開閉弁２３は燃焼器１から燃料電池スタック２に向かって逆流しないようにする逆止弁で代用することもできる。
【００４８】
この流路４９と流路４２との分岐点の下流には、アキュムレータ５０、開閉弁２２が備えられる。このアキュムレータ５０は、燃焼器１より燃料電池スタック２をバイパスする流路４９を含めた開閉弁２２までの容量、言い換えると、起動時から燃焼器２のエリアＢの燃焼触媒が活性温度に達するまでに燃焼器２で発生した燃焼ガスを蓄積できる容量を備えている。エリアＢの触媒温度は燃焼器１から開閉弁２２までの流路の途中に備えられた、流路内の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）５１の検出値によって判断される。圧力センサ５１の判定圧はブロア７の最大吐出圧力以下に設定される。ブロア７が供給可能な空気量を供給し、燃焼器１で燃焼することにより、エリアＡの燃焼熱がエリアＢに伝わり、エリアＢの触媒がＴＨＣやＣＯを処理するのに十分な温度まで昇温される。この圧力センサ５１で計測した圧力値が、エリアＢの触媒を活性温度まで暖機するのに必要な空気供給量に相当する圧力に達した時、開閉弁２２が開放され、燃焼ガスがエリアＢに供給される。エリアＢで燃焼ガス中のＴＨＣ等の有害物質が除去され、浄化度の高い排ガスとして大気中の放出される。
【００４９】
次に第３実施形態の効果について説明する。システム起動の際に、改質器３内や改質ガス流路４１内に未燃燃料やＣＯが残留している場合においても、これを燃焼器１のエリアＢで処理してから大気に放出するため、起動の際の排気の清浄度を高く保てる。燃焼ガスにより流路４１内の圧力が高まっている間は、三方弁２４を流路４１と流路４９が流通するように切り換え、流路４２内の圧力が燃料電池スタック２の許容耐圧力以下の時に燃焼ガスを燃料電池スタック２内に供給するように三方弁２４を切り換えることで、燃料電池スタック２をバイパスする流路４９側のみに圧力が加わるので、燃焼ガスの高い圧力が燃料電池スタック２に加わらず、燃料電池スタック２に高分子膜を用いた場合においても、高分子膜に過大な燃料極と空気極の差圧が加わらないため、膜を薄くできる。
【００５０】
圧力センサ５１による圧力値で燃焼器１のエリアＢの触媒温度を判定し、開閉弁２２を開放するタイミングを決めるので、燃焼器１へのガスの流れが無く、燃焼ガス温度で燃焼器１内の触媒温度が推定できない場合においても、予定の燃料量の燃焼を行うことができ、エリアＢの加熱を確実に行うことができる。
【００５１】
第４の実施形態は、その構成は第３実施形態に類似するが、改質器３の内圧を検出する手段を設け、この改質器３の圧力に応じて改質器の触媒温度を判定し、燃焼ガスを制御するものである。
【００５２】
具体的には、改質器３内の圧力が所定圧力未満の場合には、燃焼ガスを大気に放出しないよう流量を制御して燃焼器に供給し、燃焼ガスはアキュムレータに蓄積する。改質器３内の圧力が所定圧力に達した場合には、燃焼器１の触媒温度が活性温度に達した状態と判定し、改質器３から供給される燃焼ガスを十分に浄化することができ、清浄度の高い排気を大気中へと放出できる。この場合には、触媒の処理能力に応じて燃焼ガスの流量を増加することが可能である。
【００５３】
次に本発明の第５実施形態の構成について説明する。図５は、第５実施形態の構成を示すブロック図である。第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、異なる部分のみ説明する。
【００５４】
まず、燃料電池スタック２下流の流路４２に三方弁２５を備え、三方弁２５を切換えることで燃焼ガスをエリアＡに空気を供給する流路１２に導入するようにする。またブロア７からの空気が流路１２を介してエリアＡと流路１３を介してエリアＢに供給され、両方のエリアそれぞれに燃料を噴射する燃料噴射弁３１と３３を備える。
【００５５】
さらに、エリアＡと改質器３を連通する流路４０から分岐して燃焼ガスを大気中に放出する排気管４７が設けられ、この流路途中に開閉弁２０が設置される。
【００５６】
また、燃焼器１のエリアＢから排出される燃焼ガスを流路４０に導入するために流路４５が設けられ、その途中に逆止弁４６が設置され流路４０への燃焼ガスの流れを防止する。さらに流路４５から分岐して燃焼ガスを大気中に放出するための排気管４８が設置され、その途中に開閉弁２６が設けられる。
【００５７】
このように構成されてシステム起動時は、開閉弁２０を閉じ、開閉弁２６は開き、三方弁２５をエリアＢ側に燃焼ガスが流通するように切り換えた上で、先ずエリアＡで燃料噴射弁３１から燃料が供給されて燃焼を開始する。したがって、システム内に残留した不活性ガス等は、燃焼ガスと置換し、排気管４８から大気中に放出される。この燃焼ガスが燃焼器１から排出されて三方弁２５に到達する前に、三方弁２５をエリアＡ側に燃焼ガスが流通するように切り換え、開閉弁２０を開き、開閉弁２６を閉じ、燃焼ガスが再度触媒の活性温度に達したエリアＡに流入させる。同時に、エリアＢで燃料噴射弁３３から燃料が供給されて燃焼を開始し、この燃焼ガスで改質器３を暖機する。ここでエリアＢの触媒容積は、エリアＡの触媒容積より大きく設定する。
【００５８】
次に第５実施形態の効果を説明する。システム起動時改質器３に、燃焼器１のエリアＡとエリアＢから継続的に燃焼ガスが供給されるので、改質器３の暖機時間が短くできる。短時間のみ用いるエリアＡに比べてエリアＢを大きくすることで、長時間用いる燃焼触媒の容量を大きくし、比較的大量の燃焼ガスを発生可能として、改質器３の暖機時間を短くすることができる。
【００５９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成説明図
【図２】本発明の第１実施形態の起動フロー説明図
【図３】本発明の第２実施形態の構成説明図
【図４】本発明の第３実施形態の構成説明図
【図５】本発明の第５実施形態の構成説明図
【符号の説明】
１ 燃焼器
２ 燃料電池スタック
３ 改質器
７ 空気供給装置（ブロア）
１０、１１ 流量調整弁
２０、２１、２２、２３、２６ 開閉弁
２４、２５ ３方切換弁
３１、３２、３３ 噴射弁
４０、４１、４２、４５、４６ 燃焼ガス流路
４３、４４、４７、４８ 排気管
４９ バイパス流路
５０ アキュムレータ
Claims (6)
- 改質器より供給される水素リッチな改質ガスにより発電する燃料電池システムにおいて、
燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、
この燃焼器から排出された燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に戻る流路を備え、
前記燃焼器は、その内部を２つの領域に分割してその領域ごとに分けて燃焼するように構成し、
起動時には、前記燃焼器の一方の領域で燃焼を開始し、この燃焼熱により前記燃焼器の他方の領域を加熱するとともに燃焼ガスを前記改質器に排出し、前記改質器を通過した燃焼ガスが所定温度以上に昇温した前記燃焼器の前記他方の領域に流入した後、大気に排出するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃焼器から排出された燃焼ガスは起動後所定時間の間、前記流路を通じて前記燃焼器に循環し、所定時間経過後は、循環せず、大気に放出され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。
- 前記所定時間は、前記燃焼器が暖機を終えるまでの間に排出した燃焼ガスが前記燃焼器に戻るまでの時間であ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。
- 前記改質器から前記燃焼器に燃焼ガスを供給する流路の途中にアキュムレータと、
前記改質器内の圧力を検出する圧力検出手段とを設け、
この圧力検出手段の検出値が所定圧力に達したときに前記燃焼器の暖機が終えたと判断し、前記改質器を循環した燃焼ガスを前記燃焼器を通して大気に排出し、所定圧力未満のときには前記燃焼器からの燃焼ガスを前記アキュムレータに貯め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。 - 前記改質器が生成した改質ガスにより発電する燃料電池と、
前記改質器を通過した燃焼ガスが前記燃料電池をバイパスする流路と、
燃焼ガスの流れ方向を前記燃料電池と前記バイパス流路とで切り換える切換弁とを備え、
この切換弁は、圧力検出値が前記燃料電池の耐圧力以下に低下した時に、燃焼ガスが前記燃料電池を流れるように切り換え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。 - 改質器より供給される水素リッチな改質ガスにより発電する燃料電池システムにおいて、
燃料を燃焼して燃焼ガスを生成する燃焼器と、
この燃焼器から排出された燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に戻る流路と、
前記改質器を通過した燃焼ガスの流れを前記燃焼器の一方の領域と他方の領域とに切り換える切換弁を備え、
前記燃焼器は、２つの領域に分割して構成され、
システム起動時には前記燃焼器の一方の領域で燃料を燃焼し、前記切換弁は他方の領域に燃焼ガスを供給するように開かれ、燃焼ガスが前記改質器を通過して前記燃焼器に循環する前に、前記切換弁は一方の領域に前記改質器を通過した燃焼ガスが流入するように切り換えられるとともに前記燃焼器の他方の領域に燃料を投入して、燃焼ガスを生成することを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002123672A JP3861738B2 (ja) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
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