JP4305619B2

JP4305619B2 - 燃料改質システム及びこれを含む燃料電池システム

Info

Publication number: JP4305619B2
Application number: JP2002360799A
Authority: JP
Inventors: 弘鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004189555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原燃料を水素リッチな燃料ガスに変換するための燃料改質システム、詳細には、改質器に複数のポンプでエアーを供給する燃料改質システムにおいて、エアー供給制御の自由度が大きく、安定したエアー供給を効率良く行うことのできる燃料改質システム及びこれを含む燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、原燃料を水素リッチな燃料ガスに変換する改質器を含むとともに、該改質器に燃焼用等のためのエアーを供給する複数のエアー供給路を備える燃料改質システムや燃料電池システムが、これを使用した自動車や住宅等の種々の分野において広く利用されている。
【０００３】
例えば、特開平１１−３２９４７０号公報には、圧縮機（エアーポンプ）の駆動力を適正化してシステム効率を高めた燃料電池システムの提供を目的として、燃料電池と、燃焼器を有し前記燃料電池に燃料ガスを供給する改質器と、少なくとも前記燃料電池に空気を供給する第１の圧縮機とを備え、前記改質器の燃焼器へ直接空気を供給する第２の圧縮機を備えた燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。そして、該公報には、改質器の燃焼器に、第１の圧縮機及び第２の圧縮機からの空気が燃焼用空気として供給されること、即ち改質器への吸気供給経路が２つあるものが開示されている。
しかし、この燃料電池システムでは、改質器へのエアー供給路が単に２つあるだけで、それらの空気量に応じた使い分けをしておらず、効率的なエアー供給はできない。
また、特開平１１−２８８７３１号公報には、使用頻度の高い低負荷域を含めた全体の領域で燃料電池システムの効率を向上できる車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置の提供を目的として、燃料電池へ空気を供給する、容量の異なる大小複数の圧縮機（エアーポンプ）と、上記燃料電池に要求される出力に対応して、上記複数の圧縮機を切替えて上記燃料電池へ空気を送るように制御する制御手段と、を備えた車両用燃料電池システムの圧縮機制御装置が開示されている（特許文献２）。
しかし、かかる装置に用いられる複数の圧縮機は、燃料電池に空気を供給するものであり、改質器への供給には適していない。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３２９４７０号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−２８８７３１号公報
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、改質器に複数のポンプでエアーを供給する燃料改質システムにおいて、安定したエアー供給を効率良く行うことのできる燃料改質システム及びこれを含む燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原燃料を燃焼熱で蒸発させて原燃料ガスにする燃焼蒸発部、該燃焼蒸発部から前記原燃料ガスの供給を受け、該原燃料ガスの改質反応を進行させて水素リッチな改質ガスを生成する改質部、及び該改質部から前記改質ガスの供給を受けて該改質ガスに含有される所定量の一酸化炭素を酸化、低減させて燃料ガスを得るＣＯ低減部を含む改質器と、
前記改質器における前記燃焼蒸発部、前記改質部及び前記ＣＯ低減部の夫々にエアー流路を介して接続され、該各部にエアーを供給する第１のエアーポンプと、前記第１のエアーポンプよりも高いエアー供給能力を有し、且つ前記燃焼蒸発部にエアー流路を介して接続され、該燃焼蒸発部にエアーを供給する第２のエアーポンプと、を備え、
前記第１のエアーポンプから前記燃焼蒸発部に接続される前記エアー流路は、流量調整弁を備えるとともに、該流量調整弁よりも下流側で、前記第２のエアーポンプから前記燃焼蒸発部に接続される前記エアー流路と合流して一の混合流路を下流末端に形成してなり、
要求燃料ガス量が低い時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を、前記流量調整弁を用いて前記第１のエアーポンプにより行い、要求燃料ガス量が高い時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を前記第２のエアーポンプにより行うように制御することを特徴とする燃料改質システムを提供することにより、前記目的を達成したものである。
即ち、本発明の燃料改質システムによれば、かかる構成を有するものであるため、ポンプ制御以外に各ポンプによる分配量によってもエアー供給量を制御できるというエアー供給制御の自由度が大きく、複数のポンプで改質器に、効率良く且つ安定してエアーを供給することができる。
【０００８】
また、本発明は、前記第１のエアーポンプによる前記燃焼蒸発部、前記改質部及び前記ＣＯ低減部への全エアー供給量が、該第１のエアーポンプのエアー供給能力の範囲内の時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を、前記流量調整弁を用いて前記第１のエアーポンプにより行い、該第１のエアーポンプのエアー供給能力を超えた時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を前記第２のエアーポンプにより行う、前記燃料改質システムを提供するものである。この構成を有する燃料改質システムによれば、複数のポンプで改質器に、より効率良く且つより安定してエアーの供給を行うことが可能である。
また、本発明は、前記燃料改質システムと、該燃料改質システムで得られた前記燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を備えることを特徴とする燃料電池システムを提供するものである。本発明の燃料電池システムは、かかる構成からなるため、エネルギー効率を高めることができ、特に燃料電池自動車等への搭載に有用である。
また、本発明は、前記燃料電池の低出力時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を、前記流量調整弁を用いて前記第１のエアーポンプにより行い、前記燃料電池の高出力時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を前記第２のエアーポンプにより行う、前記燃料電池システムを提供するものである。この構成からなる燃料電池システムによれば、安定してエネルギー効率を更に高めることができる。また、本発明は、車載用である、前記燃料電池システムを提供するものである。この構成からなる燃料電池システムによれば、高エネルギー効率の燃料電池自動車を提供できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料改質システム及び燃料電池システムを、それらの好ましい実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。
先ず、本発明の燃料改質システムについて詳述する。図１は、本発明の燃料改質システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。図１に示すように、本実施形態の燃料改質システム１０は、原燃料としてのメタノールを燃焼熱で蒸発させて原燃料ガスにする燃焼蒸発部１１、燃焼蒸発部１１から原燃料ガスの供給を受け、原燃料ガスの改質反応を進行させて水素リッチな改質ガスを生成する改質部１２、及び改質部１２から改質ガスの供給を受けて改質ガスに含有される所定量の一酸化炭素を酸化、低減させて燃料ガスを得るＣＯ低減部１３を含む改質器１と、改質器１における燃焼蒸発部１１、改質部１２及びＣＯ低減部１３の夫々にエアー流路を介して接続されこれら各部にエアーを供給する低・中流量用の第１のエアーポンプ１４と、第１のエアーポンプ１４よりも高いエアー供給能力を有し、且つ燃焼蒸発部１１にエアー流路を介して接続され、燃焼蒸発部１１にエアーを供給する大・中流量用の第２のエアーポンプ１５と、を備え、第１のエアーポンプ１４から燃焼蒸発部１１に接続されるエアー流路は、流量調整弁１６ａを備えるとともに、流量調整弁１６ａよりも下流側で、第２のエアーポンプ１５から燃焼蒸発部１１に接続されるエアー流路と混合部１７を介して合流して一の混合流路１７ａを下流末端に形成してなる構成を主として有している。
第１のエアーポンプ１４から改質器１に接続されるエアー流路は、一の流路から分岐され枝路となって改質器１の各部に並列に接続されている。改質部１２に接続される枝路には流量調整弁１６ｂ，１６ｃが、またＣＯ低減部１３に接続される枝路には流量調整弁１６ｄ，１６ｅが、それぞれ流量調整弁１６ａ（混合部１７を介して燃焼蒸発部１１に接続される枝路に設けられたもの）と並列になるように配設されている。また、第１のエアーポンプ１４から配されるエアー流路には、その一の流路内において、改質器１の各部へのエアー供給量を調整するためのチャンバータンク１８が設けられており、第２のエアーポンプ１５と混合部１７との間には、第２のエアーポンプ１５によって燃焼蒸発部１１にエアー供給が超過されないように逆止弁１７ｂが設けられている。
さらに、第１及び第２のエアーポンプ１４，１５の各上流には、導入されるエアーを濾過するためのエアーフィルター１９ａ，１９ｂがそれぞれ設けられている。尚、図１中の流路における矢印（→）は、エアーやガスの流れ方向を示す。
そして、燃料改質システム１０は、要求燃料ガス量が低い時には、燃焼蒸発部１１へのエアーの供給を、第１の流量調整弁１６ａを用いて第１のエアーポンプ１４により行い、一方、要求燃料ガス量が高い時には、燃焼蒸発部１１へのエアーの供給を第２のエアーポンプ１５により行うように制御する。
より好適な態様としては、第１のエアーポンプ１４による燃焼蒸発部１１、改質部１２及びＣＯ低減部１３への全エアー供給量が、第１のエアーポンプ１４のエアー供給能力の範囲内の時には、燃焼蒸発部１１へのエアーの供給を、流量調整弁１６ａを用いて第１のエアーポンプ１４により行い、第１のエアーポンプ１４のエアー供給能力を超えた時には、燃焼蒸発部１１へのエアーの供給を第２のエアーポンプ１５により行う。
例えば、燃料改質システム１０を自動車等への車載改質型燃料電池システムに適用する場合、燃料電池（ＦＣ）高出力時には、改質器１の燃焼蒸発部１１に供給すべきエアー（燃焼用エアー）流量は３０００ＮＬ／ｍｉｎ以上の大流量が必要となるが、アイドル運転時のようなＦＣ低出力時には、改質ガス（燃料ガス）も少量（数百リットル／ｍｉｎ以下）となるため改質器１の燃焼蒸発部１１に供給すべき燃焼用エアー流量も低流量で制御する必要がある。そして、このＦＣ低出力時には、低・中流量用の第１のエアーポンプ１４により、改質部１２及びＣＯ低減部１３に供給するエアー流量を低減させる。この際、第１のエアーポンプ１４は、流量調整弁１６ａ〜１６ｅの流量合計に応じてエアー供給量を変化させる。これに伴って、第１のエアーポンプ１４の供給能力が余る。この余った供給能力に基づきエアーを流量調整弁１６ａと混合部１７を介して燃焼蒸発部１１に供給するとともに、大・中流量用の第２のエアーポンプ１５からはエアーを供給しない。一方、ＦＣ高出力時には、流量調整弁１６ａを閉じて、燃焼蒸発部１１へのエアー供給を第２のエアーポンプ１５により行うように切替える。
図３は、第１のエアーポンプ１４及び第２のエアーポンプ１５それぞれの要求燃料ガス量（ＦＣ出力）に対する改質器１へのエアー流量の関係をエアー供給量（面積）とともに示す各グラフである。図３（ａ）に示すように、ＦＣ出力がアップし、第１のエアーポンプ１４により燃焼蒸発部１１、改質部１２、及びＣＯ低減部１３に供給するエアー量が増加した場合は、第１のエアーポンプ１４のエアー供給能力を超えた時点（図３（ａ）のＡ点）で、第２のエアーポンプ１５に切替えて燃焼蒸発部１１にエアー供給し（図３（ｂ）のＡ点より高出力側）、第１のエアーポンプにより燃焼蒸発部１１に供給していたエアーをカットする（図３（ａ）参照）。尚、図３（ａ）の燃焼蒸発部１１へのエアー供給量（斜線部分）は、図３（ｂ）の斜線部分に相当する。
これにより、低流量の制御が困難で低効率な大・中流量用の第２のエアーポンプ１５による低流量の制御を要することなく、低・中流量用の第１のエアーポンプ１４及び大・中流量用の第２のエアーポンプ１５の二つのエアーポンプを各ポンプの適応範囲に応じて用いることができ、改質器１の各部に安定してエアー供給することが可能となる。
尚、図４は、大・中流量用のエアーポンプ（エアーコンプレッサー）を用いた場合のモータ回転とモータ効率との関係を示すグラフである。図４に示すように、大・中流量用のエアーポンプを用いた場合、中・高エアー供給側（中・高流量（回転）時）ではモータを効率良くなるようにセッティングするため、低エアー供給側（低流量（回転）時）では、モータの効率が急激に悪化し、またモータのイナーシャーも大きいためモータの低速回転が困難である。従って、大・中流量用のエアーポンプによる低流量のエアー供給は、既述の通り困難である。
以上本発明の燃料改質システムをその好ましい実施形態に基づき詳述したが、本明細書において特に詳述しない点については、燃料電池システム等において通常使用される燃料改質システムの構成が適宜適用される。
次に、本発明の燃料電池システムについて詳述する。図２は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。本実施形態の燃料電池システム３０は、前述した燃料改質システム１０と、該燃料改質システム１０によって得られた燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池４０と、を少なくとも含んでなる構成を有している。
具体的には、図２に示すように、燃料電池システム３０は、原燃料としてのメタノールを貯留するメタノールタンク２１、水を貯留する水タンク２２、供給されたメタノールを水とともに気化させる燃焼蒸発部１１と改質反応を行う改質部１２とＣＯ濃度を低下させるＣＯ低減部１３とからなる改質器１、改質器１の各部にエアーを供給する低・中流量用の第１のエアーポンプ１４と、燃焼蒸発部１１にエアーを供給する大・中流量用の第２のエアーポンプ１５と、第１のエアーポンプ１４からのエアー流路に設けられたチャンバータンク１８及び流量調整弁１６ａ〜１６ｅ、第２のエアーポンプ１５からのエアー流路に設けられた逆止弁１７ｂ、両ポンプ１４，１５からのエアー流路からエアーが合流する混合部１７、両ポンプ１４，１５からの共通のエアー流路である一の混合流路１７ａ、構成電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０、圧縮空気を蓄えるエアタンク３１、圧縮空気を補助的に供給するコンプレッサ３２、コンピュータにより構成される制御部６を主な構成要素とする。尚、図２において、図１と対応する部分には同一符号を付し、係る部分の詳述は省略する。
燃料電池システム３０においては、制御部６は、第１のエアーポンプ１４、第２のエアーポンプ１５、流量調整弁１６ａ〜１６ｅに少なくとも接続されており、また、燃料電池４０に供給される燃料ガスの所定の流路には、図示しない流量センサが設けられている。そして、制御部６は、燃料電池４０が低出力時（要求燃料ガス量が少ない時）には、流量センサにより検出された信号（流量小）に基づいて、燃焼蒸発部１１へのエアーの供給を、流量調整弁１６ａを用いて第１のエアーポンプ１４により行うようにし、また、燃料電池４０が高出力時（要求燃料ガス量が多い時）には、流量センサにより検出された信号（流量大）に基づいて、燃焼蒸発部１１へのエアーの供給を第２のエアーポンプ１５により行うように制御する。この際、制御部６は、燃料電池４０の出力の高低に応じて上記制御を適切に行うように、流量調整弁１６ｂ〜ｅ及び逆止弁１７ｂ（制御部６と接続）を使用する。
この制御部６は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、流量センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵでの演算結果に応じて既述した第１のエアーポンプ１４及び第２のエアーポンプ１５、流量調整弁１６ａ〜１６ｅ、逆止弁１７ａや、各種ポンプ等に駆動信号を出力する入出力ポート等を備える（図２参照）。
本実施形態においては原燃料としてメタノールを用いているが、本発明に使用可能な原燃料としては、改質に必要なＨ原子を分子内に少なくとも有する限り特に制限を受けず、例えば、無置換の炭化水素（Ｃ_nＨ_m；n,mは整数）の他、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボニル基（−ＣＯ−）等の置換基や酸素原子（Ｏ）等のヘテロ原子を含有する炭化水素等を用いることができる。そのような原燃料の具体例としては、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₅）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）、エタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ₃ＯＣＨ₃）、アセトン（ＣＨ₃Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ₃）等が挙げられる。
これらの原燃料の中でも、メタノールは比較的低い温度で改質反応を行うことができるため、燃料改質システムの運転及び停止を繰り返す必要のある用途に用いる場合には好ましい。また、メタノールは所定体積の他の原燃料に比して改質反応で生じる改質ガス（燃料ガス）から得られるエネルギ量が多い原燃料である。従って、燃料改質システムを車両に搭載し、この燃料改質システムによって車両駆動用電源である燃料電池に燃料ガスを供給する場合のように、移動を伴う用途に燃料改質システムを用いる場合には有利である。
また、原燃料としてのメタノールは、水とともに改質器１に供給される。
改質器１における燃焼蒸発部１１は、メタノールタンク及び水タンクからメタノールと水との供給を受け、これらメタノールと水とを気化させる。この燃焼蒸発部１１で気化されたメタノール及び水は、改質部１２に導かれそこで水蒸気改質反応が進行する。
メタノールと水とが混合される割合は、下記（１）式〜（３）式に示す水蒸気改質反応が充分に進行可能となる量であって、生成された改質ガス中に、燃料電池に供給する燃料ガスとして充分量の水蒸気が含まれるようになる量として定められる。
ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ₂− ９０．０（kJ/mol）…（１）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂＋４０．５（kJ/mol）…（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂− ４９．５（kJ/mol）…（３）
燃焼蒸発部１１は、メタノールの改質反応（吸熱反応）を行う際に必要な熱量を発生し、該燃焼蒸発部１１内でのメタノールの気化及び改質部１２でのメタノールの改質反応のために熱量を付与するものである。この燃焼蒸発部１１は、原燃料であるメタノール及び水の流路となる被加熱流体流路と、該原燃料との間で熱交換を行い、これを気化するための燃焼ガスの流路となる加熱流体流路とをそれぞれ備えている（図示せず）。そして、燃焼蒸発部１１では、加熱流体流路の燃焼ガスによる燃焼熱によって、被加熱流体流路のメタノールと水とを沸騰、気化（蒸発）させる。燃焼蒸発部１１における加熱流体流路の管内部には、電気触媒加熱ヒータ（ＥＨＣ）が配設されており、加熱環境下での触媒作用によって燃焼用流体を燃焼させて燃焼ガスを発生する。燃焼ガスを発生させるための燃焼用流体は、エアタンク３１から流量調整弁１６ａ〜１６ｅの調整を介して第１のエアーポンプ１４及び第２のエアーポンプ１５によって供給される空気、燃料電池４０で使用されなかった水素オフガス及びメタノールタンク２１から供給されるメタノールが使用される。また、燃料電池４０から供給される後述の酸化排ガスも、これらと併せて燃焼ガスに使用される。
改質器１における改質部１２では、燃焼蒸発部１１にて気化されたメタノールと水とからなる原燃料ガスが供給されて、水蒸気改質反応（前記式（１）〜（３）の反応）が進行して水素リッチな改質ガスが生成される。改質部１２は、燃焼蒸発部１１で発生した高温の気化ガスを供給される他に、内部を加熱する手段として図示しない電気式のヒータを備えており、改質器１が定常状態となったときには、このヒータによって改質部１２内部を水蒸気改質反応に適した温度に維持することも可能となっている。改質部１２には、改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットが充填されており、十分に昇温されたメタノール及び水の気化ガスの供給を受けて水蒸気改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスが生成される。
また、改質器１におけるＣＯ低減部１３では、改質部１２にて生成した改質ガス（所定量の一酸化炭素（ＣＯ）を含有する水素リッチガス）が供給され、改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化が行なわれる。ＣＯ低減部１３には、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。また、ＣＯ低減部１３における一酸化炭素の選択酸化反応は、酸素を含有する酸化ガスによって進行し、この酸化ガスは、エアタンク３１から圧縮空気として供給される。このようにして、ＣＯ低減部１３において、改質ガスの一酸化炭素濃度が下げられる。ＣＯ低減部１３で上記のように一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、燃料電池システムに使用される場合には、後述する燃料電池に導かれ、アノード側における電池反応に供される。
尚、本実施形態における改質器１は前述の構成としているが、本発明に係る改質器としては特に制限を受けるものではない。例えば、燃焼蒸発部１１を燃焼用流体の燃焼のみを行う燃焼専用部と原燃料であるメタノールの蒸発部とを夫々別個独立にした改質器や、ＣＯ低減部を器外に設けて器内を燃焼蒸発部と改質部から構成した改質器であってもよい。
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル４８を複数積層したスタック構造を有している。図５は、燃料電池４０を構成する単セル４８の構成を例示する断面図である。単セル４８は、電解質膜４１と、アノード４２およびカソード４３と、セパレータ４４，４５とから構成されている。
アノード４２およびカソード４３は、電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ４４，４５は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード４２およびカソード４３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード４２とセパレータ４４との間には燃料ガス流路４４Ｐが形成されており、カソード４３とセパレータ４５との間には酸化ガス流路４５Ｐが形成されている。セパレータ４４，４５は、図５ではそれぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはその両面にリブが形成されており、片面はアノード４２との間で燃料ガス流路４４Ｐを形成し、他面は隣接する単セルが備えるカソード４３との間で酸化ガス流路４５Ｐを形成する。このように、セパレータ４４，４５は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。もとより、単セル４８を積層してスタック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置する２枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだけリブを形成することとしてもよい。
ここで、電解質膜４１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用した。電解質膜４１の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質膜４１上にスクリーン印刷するという方法をとった。あるいは、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、このシートを電解質膜４１上にプレスする構成も好適である。
アノード４２およびカソード４３は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実形態では、アノード４２およびカソード４３をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。
セパレータ４４，４５は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ４４，４５はその両面に、平行に配置された複数のリブを形成しており、既述したように、アノード４２の表面とで燃料ガス流路４４Ｐを形成し、隣接する単セルのカソード４３の表面とで酸化ガス流路４５Ｐを形成する。ここで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面ともに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
以上、燃料電池４０の基本構造である単セル４８の構成について説明した。実際に燃料電池４０として組み立てるときには、セパレータ４４、アノード４２、電解質膜４１、カソード４３、セパレータ４５の順序で構成される単セル４８を複数組積層し（本実施形態では１００組）、その両端に緻密質カーボンや銅板などにより形成される集電板４６，４７を配置することによって、スタック構造を構成する。
燃料電池４０で起こる電気化学反応は、下記式に示す通りである。（４）式はアノードにおける反応、（５）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（６）式に示す反応が進行する。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（５）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（６）
燃料ガス中に一酸化炭素が含まれる場合には、この一酸化炭素が白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、アノードにおける反応（（４）式の反応）を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまう。そのため、燃料電池４０のような固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行なうためには、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を所定量以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必須となる。なお、このような固体高分子型燃料電池において、供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度としての許容濃度は通常は数ｐｐｍ程度以下である。本実施形態の燃料電池システム３０は、前述のＣＯ低減部１３から供給される一酸化炭素濃度が許容濃度の範囲内にあるため有用である。
また、燃料電池システム３０において、メタノールタンク２１から改質器１に原燃料であるメタノールを送り込むメタノール流路には図示しないポンプが別に設けられており、メタノール量を調節可能となっている。このポンプは、制御部６に接続されており、制御部６から出力される信号によって駆動され、改質器１に供給するメタノール流量を調節する。
水タンク２２から改質器１に水を送り込む給水路にも図示しないポンプが別に設けられており、改質器１に供給する水の量を調節可能となっている。このポンプは、メタノール量の調節のための上記ポンプと同じく制御部６に接続されており、制御部６から出力される信号によって駆動され、改質器１に供給する水量を調節する。
また、燃料電池４０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、エアタンク３１から空気供給路３３を介して圧縮空気として供給される。空気供給路３３には図示しない流量調整器が設けられており、エアタンク３１から燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調節可能となっている。酸化ガスは電池反応に供された後に酸化排ガスとなる。この際には、燃料電池４０の酸素極側において既述した（５）式の反応によって水が生じる。このため、酸化排ガス中の生成水を回収し、回収した水を再利用している。回収された生成水は、水回収路を介して水タンク２２に供給され、改質器１における燃焼蒸発部１１を経て改質部１２で行なわれるメタノールの水蒸気改質反応に供される。また、生成水を回収された酸化排ガスは、図示しない排ガス回収路を経由して燃焼蒸発部１１に供給される。燃料電池４０での電気化学反応に供された後に排出される酸化排ガスには酸素が残留しているため、燃焼蒸発部１１に供給された酸化排ガスは、燃焼蒸発部１１での燃焼反応に要する酸化ガスとして働く。
エアタンク３１は、図示しない圧縮機で加圧された空気が供給された圧縮空気を貯留するものである。エアタンク３１には、圧力センサ３４が設けられ、また該エアタンク３１内の空気量が不足するときこれを補うためのコンプレッサ３２が併設されている。圧力センサ３４は、制御部６に接続されている。制御部６は、この圧力センサ３４からの入力信号を基にエアタンク３１内の空気量を判断し、空気量が不足であると判断した場合にはコンプレッサ３２に対して駆動信号を出力し、エアタンク３１内に供給される圧縮空気量が充分量となるよう制御する。なお、図２には示さなかったが、燃料電池システム３０は、燃料電池４０とは別に所定の２次電池を備えている。この２次電池は、燃料電池システム３０の起動時において燃料電池４０から充分な電力の供給が得られない間に、既述したコンプレッサ３２や各種ポンプなどを駆動するための電源として利用される。
燃料電池システム３０におけるシステム始動時の動作及び運転状態が定常状態となるときの動作については、前述した燃料電池システム３０を実施し得る限り特に制限されず、通常公知の動作によって処理される。
以上既述した実施形態では、改質器１が有する改質部１２で進行する改質反応は、水蒸気改質反応を含むものとしたが、これに加えて部分酸化改質反応を含むこととしてもよい。酸化改質反応で生じる熱量を利用して水蒸気改質反応を行う場合には、ヒータで加熱しながら水蒸気改質反応を行う場合よりもさらにエネルギ効率が向上する。また、改質部１２においては、必ずしも水蒸気改質反応を行なう必要はなく、メタノールなどの液体原燃料を用いて酸化改質反応だけによって改質ガスを生成することとしてもよい。
また、既述した実施形態では、改質器１で原燃料を改質して得た燃料ガスを供給される燃料電池は、固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池を備える燃料電池システムとしてもよい。特に、燃料電池としてリン酸型燃料電池や固体電解質型燃料電池を用いる場合には、既述した実施形態の燃料電池システムの構成を準用することが可能である。
また、既述した実施形態では、改質器１へのエアーの輸送供給を、第１のエアーポンプ及び第２のエアーポンプの２つで行っているが、該改質器１へエアーを供給するためのポンプとして、更に、第３のエアーポンプ、第４のエアーポンプ、…等のように、複数のポンプを用いることもできる。この場合でも、各エアーポンプの供給能力に応じて、第１及び第２のエアーポンプ１４，１５と同様に使用することで、複数のポンプで改質器に効率良く且つ安定してエアーを供給することができる。
【００１０】
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態により何等限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜変更形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃料改質システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す主要ブロック図である。
【図３】図３は、本発明の燃料改質システムの一実施形態に使用する第１のエアーポンプ及び第２のエアーポンプそれぞれの要求燃料ガス量（ＦＣ出力）に対する改質器へのエアー流量の関係をエアー供給量（面積）とともに示す各グラフである。
【図４】図４は、大・中流量用のエアーポンプを用いた場合のモータ回転とモータ効率との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の燃料電池システムの一実施形態に用いられる燃料電池を構成する単セルの構成を例示する断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質システム、３０…燃料電池システム、１…改質器、１１…燃焼蒸発部、１２…改質部、１３…ＣＯ低減部、１４…第１のエアーポンプ、１５…第２のエアーポンプ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ…流量調整弁、１７…混合部、１７ａ…一の混合流路、１７ｂ…逆止弁、１８…チャンバータンク、１９ａ，１９ｂ…エアーフィルター、６…制御部、２１…メタノールタンク、２２…水タンク、３１…エアタンク、３２…コンプレッサ、３３…空気供給路、３４…圧力センサ、４０…燃料電池、４１…電解質膜、４２…アノード、４３…カソード、４４，４５…セパレータ、４４Ｐ…燃料ガス流路、４５Ｐ…酸化ガス流路、４６，４７…集電板、４８…単セル

Claims

原燃料を燃焼熱で蒸発させて原燃料ガスにする燃焼蒸発部、該燃焼蒸発部から前記原燃料ガスの供給を受け、該原燃料ガスの改質反応を進行させて水素リッチな改質ガスを生成する改質部、及び該改質部から前記改質ガスの供給を受けて該改質ガスに含有される所定量の一酸化炭素を酸化、低減させて燃料ガスを得るＣＯ低減部を含む改質器と、
前記改質器における前記燃焼蒸発部、前記改質部及び前記ＣＯ低減部の夫々にエアー流路を介して接続され、該各部にエアーを供給する第１のエアーポンプと、
前記第１のエアーポンプよりも高いエアー供給能力を有し、且つ前記燃焼蒸発部にエアー流路を介して接続され、該燃焼蒸発部にエアーを供給する第２のエアーポンプと、を備え、
前記第１のエアーポンプから前記燃焼蒸発部に接続される前記エアー流路は、流量調整弁を備えるとともに、該流量調整弁よりも下流側で、前記第２のエアーポンプから前記燃焼蒸発部に接続される前記エアー流路と合流して一の混合流路を下流末端に形成してなり、
要求燃料ガス量が低い時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を、前記流量調整弁を用いて前記第１のエアーポンプにより行い、要求燃料ガス量が高い時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を前記第２のエアーポンプにより行うように制御することを特徴とする燃料改質システム。
前記第１のエアーポンプによる前記燃焼蒸発部、前記改質部及び前記ＣＯ低減部への全エアー供給量が、該第１のエアーポンプのエアー供給能力の範囲内の時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を、前記流量調整弁を用いて前記第１のエアーポンプにより行い、該第１のエアーポンプのエアー供給能力を超えた時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を前記第２のエアーポンプにより行う、請求項１記載の燃料改質システム。
請求項１又は２記載の燃料改質システムと、該燃料改質システムで得られた前記燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の低出力時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を、前記流量調整弁を用いて前記第１のエアーポンプにより行い、前記燃料電池の高出力時には、前記燃焼蒸発部へのエアーの供給を前記第２のエアーポンプにより行う、請求項３記載の燃料電池システム。
車載用である、請求項３又は４記載の燃料電池システム。