JP4611513B2 - 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】
この発明は、固体高分子型燃料電池システムにおいて燃料電池から排出されるオフガスのエネルギ回収技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムには、メタノールやメタンなどのアルコール系燃料や炭化水素系燃料を改質反応器によって水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給し発電を行うものがある（特開平５−２９０８６５号公報、特開平７−１９２７４２号公報、特開平７−２４０２２３号公報等）。
【０００３】
また、固体高分子型の燃料電池を用いた燃料電池システムには、メタノールやガソリンなどのアルコール系や炭化水素系の原燃料を蒸発器で加熱して燃料蒸気とし、この燃料蒸気を改質反応器で水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を反応ガスとして燃料電池のアノード電極側あるいはカソード電極側に供給して発電を行い、燃料電池から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを触媒燃焼器に導いてアノードオフガスに残存する水素を燃焼させ、生成された燃焼ガスの熱を前記蒸発器の熱源として用いて前記原燃料を蒸発させるようにしたものがある。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池では発電に際して適度な湿度が必要であり、そのため、この燃料電池システムでは前記反応ガスを加湿して燃料電池に供給している。加えて、燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により発電する際に水が生じ、この水分はカソード電極側に多く生成される。そのため、カソードオフガスはかなり湿度の高い状態で燃料電池から排出されることとなる。
従来、この燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスをそのまま触媒燃焼器に導入して燃焼させ、生成した燃焼ガスは、蒸発器で原燃料と熱交換した後、そのまま大気へ排気していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池の作動温度は８０゜Ｃ前後であり、この温度はほぼカソードオフガスの露点温度であるため、前述の如く燃料電池から排出されたオフガスをそのまま触媒燃焼器に導入すると、燃料電池から触媒燃焼器にオフガスを導くオフガス配管の途中で放熱等によりオフガスが冷却される結果、オフガス中の水分が凝結して水が生成され、この水がオフガスとともに触媒燃焼器に導入される場合がある。このようになると、水の気化潜熱に触媒燃焼器での生成熱量の一部が消費され、その結果、原燃料を蒸発させるのに必要な熱量を蒸発器に供給することができないという問題が生じる。
【０００６】
また、本出願人は、前記固体高分子型燃料電池システムにおける始動暖機の向上を図って、次のような技術を開発し、既に特許出願をしている（出願公開前）。これは、蒸発器の暖機促進を図ったものであり、前記触媒燃焼器にオフガスを供給するオフガス管とは並列的に、電気ヒータ触媒（以下、ＥＨＣと略す）および第１燃料噴射ノズルを備えた始動触媒暖機装置と、前記触媒燃焼器に燃料を直接噴射する第２燃料噴射ノズルを、触媒燃焼器の上流部に接続して構成されている。
【０００７】
そして、燃料電池システムの始動時には、まず、始動触媒暖機装置におけるＥＨＣの電気ヒータに通電して加熱するとともに第１燃料噴射ノズルから原燃料（例えば、メタノール）を噴射し、この原燃料をＥＨＣで気化、燃焼させて、その燃焼ガスを触媒燃焼器に供給して触媒燃焼器を加熱する。これにより触媒燃焼器の触媒が低温活性温度以上に加熱されたら、次に、第２燃料噴射ノズルから原燃料を触媒燃焼器の触媒表面に直接噴射するとともに、オフガス管を介して燃焼用の空気を触媒燃焼器に供給し、第２燃料噴射ノズルから噴射された原燃料を触媒燃焼器において完全燃焼させ、その燃焼ガスを蒸発器に供給して蒸発器を暖機する。これにより、蒸発器の早期暖機が可能になり、改質器に燃料蒸気を早期に供給可能になって、ひいては、燃料電池システムの早期暖機を促進することができる。
【０００８】
しかしながら、この燃料電池システムにおいて更なる暖機促進を図るため第２燃料噴射ノズルからの原燃料の噴射量を増加した場合、例えばメタノールのような原燃料は燃焼までに気化、昇温の過程が必要なため、燃焼状態に達するまでの時間が長く、未燃のまま触媒燃焼器から排出されてしまう場合がある。また、原燃料の気化が不十分なため触媒燃焼器の直上流部分に溜まった後、これが触媒燃焼器に流入してホットスポット（熱むら）が生じる場合もある。このような理由から、第２燃料噴射ノズルからの原燃料噴射量を多くすることによる更なる暖機促進は困難であった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、蒸発器等の加熱手段に供給する熱量の低下を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。
また、この発明の別の目的は、前記加熱手段の早期暖機が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスを供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池（例えば、後述する各実施の形態における燃料電池スタック１０）と、該燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器（例えば、後述する各実施の形態における触媒燃焼器２５）と、前記燃焼ガスの熱を用いて前記反応ガスの原燃料を加熱し蒸発させる蒸発器である第１加熱手段（例えば、後述する各実施の形態における蒸発器２１）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述する各実施の形態における燃料電池システム１）において、前記燃焼器の上流に、前記第１加熱手段から排出された燃焼ガスから熱を奪い前記オフガスに熱を与える第２加熱手段（例えば、後述する各実施の形態におけるオフガス加熱器２４）を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように構成することにより、燃料電池から排出されたオフガス中の水分が燃焼器に到達するまでの間に放熱等により冷却され凝結して凝縮水が生じたとしても、この凝縮水を第２加熱手段において燃焼オフガスの廃熱で加熱することにより気化させることができ、燃焼器に凝縮水のまま流入することがなくなる。また、燃焼オフガスの廃熱をオフガスに回収することができる。
【００１３】
さらに、燃料電池が要求する必要量の原燃料を蒸発させるのに必要な熱量を蒸発器に供給することが可能になる。また、原燃料の消費量を削減することが可能になる。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、システム始動時に前記第２加熱手段の上流から前記燃焼器の燃焼用空気を供給する暖機用空気供給手段（例えば、後述する第２または第３の実施の形態におけるスーパーチャージャ２３と空気バイパス管４２と制御弁４３）と、システム始動時に暖機用燃料を前記燃焼器に供給する暖機用燃料供給手段（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における第２燃料噴射ノズル５３）と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
このように構成することにより、暖機用空気供給手段から供給された燃焼用空気を第２加熱手段により加熱することができ、この加熱空気を介して、システム始動時に暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料を加熱し、気化、昇温を促進することができ、暖機用燃料の燃焼を促進することができる。また、暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料が未燃のまま第１加熱手段に供給されることがなくなる。
【００１６】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃焼器は触媒燃焼器（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における触媒燃焼器２５）であり、システム始動時に前記触媒燃焼器を暖機する始動触媒暖機手段（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における始動触媒暖機装置５０）を備え、前記暖機用燃料供給手段は前記触媒燃焼器の触媒に燃料を直接噴射せしめる燃料噴射ノズル（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における第２燃料噴射ノズル５３）を備えることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することにより、始動触媒暖機手段は燃料電池システム始動後すぐに触媒燃焼器を活性させることができる。また、暖機用燃料は燃料噴射ノズルから噴霧状に噴射されるので、暖機用燃料の気化、昇温をさらに促進することが可能になる。
【００１８】
請求項４に記載した発明は、請求項３に記載の発明において、前記触媒燃焼器は、触媒を収容する触媒室（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における触媒室２５ａ）と該触媒室の上流に連設された加熱室（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における加熱室２５ｂ）とを備え、前記加熱室に前記第２加熱手段が直結されるとともに、前記加熱室に臨んで前記始動触媒暖機手段と前記暖機用燃料供給手段の燃料噴射ノズルが設置されていることを特徴とする。
【００１９】
このように構成することにより、第２加熱手段と触媒燃焼器とを接近して配置することが可能になり、その結果、暖機運転時には暖機用燃料の気化、昇温を促進することができ、発電運転時には、気化させたオフガス中の水を再凝縮させることなく触媒燃焼器に供給することが可能になる。
【００２０】
請求項５に記載した発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記始動触媒暖機手段は、電気ヒータ触媒（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における電気ヒータ触媒５１）と、該電気ヒータ触媒に燃料を噴射する触媒暖機用燃料噴射ノズル（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における第１燃料噴射ノズル５２）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、簡単な構成ながら、触媒燃焼器の始動時暖機を確実に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの態様である。
【００２２】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は改質反応器付き燃料電池システム１の概略構成図であり、燃料電池システム１は、燃料電池スタック（固体高分子型燃料電池）１０、蒸発器（第１加熱手段）２１、改質器２２、スーパーチャージャ２３、オフガス加熱器（第２加熱手段）２４、触媒燃焼器（燃焼器）２５を主要構成とする。
【００２３】
燃料電池スタック１０は固体高分子型の燃料電池であり、アノード電極１１側に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極１２側に供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する。この実施の形態において燃料ガスと空気は燃料電池に供給される反応ガスを構成する。
【００２４】
燃料電池スタック１０のアノード電極１１側に供給される燃料ガスは、原燃料を蒸発器２１で燃料蒸気にし、更に改質器２２によって水素リッチな燃料ガスに改質したものが用いられる。
すなわち、蒸発器２１には、例えばアルコール系および炭化水素系燃料（メタノールやガソリン等）と水とを所定の割合で混合してなる改質用の原燃料と改質用の空気とが供給されるようになっていて、蒸発器２１内において、改質用原燃料および改質用空気は、触媒燃焼器２５から供給される高温の燃焼ガスと非接触で熱交換することにより加熱され、改質用燃料は蒸発して燃料蒸気となり、加熱された加熱空気と混合した状態で、蒸発器２１から燃料供給管３１を介して改質器２２に供給される。
【００２５】
改質器２２はオートサーマル式の改質器であり、燃料蒸気と改質用空気とを反応させて水素リッチな燃料ガスに改質する。改質された燃料ガスは燃料ガス供給管３２を介して燃料電池スタック１０のアノード電極１１側に供給される。
一方、燃料電池スタック１０のカソード電極１２側に供給される空気は、スーパーチャージャ２３から空気供給管３３を介し、図示しない加湿器により加湿されて供給される。
【００２６】
燃料電池スタック１０のカソード電極１２側に供給された空気は発電に供された後、カソードオフガスとしてオフガス管３４を介してオフガス加熱器２４に供給され、また、アノード電極１１側に供給された燃料ガスは発電に供された後、アノードオフガスとしてオフガス管３５およびオフガス管３４を介してオフガス加熱器２４に供給される。
【００２７】
アノードオフガスとカソードオフガス（以下、特に区別する必要のない場合はオフガスと総称する）はオフガス加熱器２４において加熱された後、オフガス管３６を介して触媒燃焼器２５に導入される。
触媒燃焼器２５は、アノードオフガスに残存する水素とカソードオフガスに残存する酸素とを反応（燃焼）させるものであり、この反応により高温となった燃焼オフガスは、改質用原燃料および改質用空気を加熱する熱源として、オフガス管３７を介し蒸発器２１に供給される。
【００２８】
蒸発器２１において改質用原燃料および改質用空気と熱交換することにより冷却された燃焼オフガスは、燃料電池スタック１０から排出されたオフガスを加熱する熱源として、オフガス管３８を介しオフガス加熱器２４に供給され、その後、排気ガスとして大気に放出される。
【００２９】
また、燃料ガス供給管３２の途中には、三方切替弁４０が設けられており、三方切替弁４０はバイパス管４１を介してオフガス管３５に接続されている。三方切替弁４０は、この三方切替弁４０よりも上流側の燃料ガス供給管３２ａを、下流側の燃料ガス供給管３２ｂとバイパス管４１のいずれか一方と選択的に接続可能にする切替弁であり、改質器２２の暖機が完了するまでは改質器２２から送出されるガスをバイパス管４１に流すことにより燃料電池スタック１０を迂回して流し、改質器２２の暖機完了後は改質器２２から送出されるガスを燃料電池スタック１０に流すように、切り替え制御される。
【００３０】
次に、この燃料電池システム１の作用について説明する。
燃料電池スタック１０が発電を行う発電運転時において、触媒燃焼器２５から蒸発器２１に導入された燃焼オフガスは、蒸発器２１で改質用原燃料および改質用空気と熱交換することにより２００〜３００゜Ｃに冷やされて蒸発器２１から排出され、オフガス管３８を介してオフガス加熱器２４に熱源として供給される。
【００３１】
一方、固体高分子型の燃料電池である燃料電池スタック１０が発電中に排出するオフガス、特にカソードオフガスの湿度は非常に高いこと、および、燃料電池スタック１０の作動温度が８０゜前後であり、ほぼカソードオフガスの露点温度であることは前述したとおりである。そして、このオフガスは、６０〜９０゜Ｃの温度でオフガス加熱器２４に導入される。
【００３２】
その結果、オフガス加熱器２４において、オフガスは２００〜３００゜Ｃの燃焼オフガスと熱交換することによって１５０〜２５０゜Ｃまで加熱される。したがって、オフガスが燃料電池スタック１０からオフガス加熱器２４に流れてくる間にオフガス中の水分が凝結し凝縮水が生じたとしても、この凝縮水をオフガス加熱器２４において完全に気化させることができる。その結果、触媒燃焼器２５に凝縮水が流入するのを阻止することができる。
【００３３】
したがって、水の気化潜熱に起因して触媒燃焼器２５での生成熱量の一部が消費されることが起こらず、原燃料の蒸発に必要な熱量を触媒燃焼器２５で発生させて蒸発器２１に供給することが可能になる。
また、従来は蒸発器２１から排出される燃焼オフガスをただ排気していたが、この燃料電池システム１では、燃焼オフガスの廃熱をオフガスに回収し、その回収熱を触媒燃焼器２５による燃焼熱に上乗せして蒸発器２１に供給することができるので、エネルギー回収率が大きくなり、省エネルギーが促進される。
【００３４】
例えば、オフガス加熱器２４を設けないときと同じ温度レベルの熱と熱量を蒸発器２１に供給する場合で比較すると、オフガス加熱器２４を設けた場合には、触媒燃焼器２５へのアノードオフガスの供給量を３０〜４０％削減することができる。つまり、燃料を削減することができるのである。
【００３５】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を図２の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の燃料電池システム１が第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
触媒燃焼器２５は、触媒を収容する触媒室２５ａと、触媒室２５ａの上流側に設けられた加熱室２５ｂを有しており、この加熱室２５ｂにオフガス管３６の下流端が接続されている。
【００３６】
また、加熱室２５ｂには、電気ヒータ触媒（以下、ＥＨＣと略す）５１とこのＥＨＣ５１に原燃料および空気を噴射する第１燃料噴射ノズル（触媒暖機用燃料噴射ノズル）５２を備えた始動触媒暖機装置（始動触媒暖機手段）５０と、触媒燃焼器２５の触媒室２５ａに直に原燃料を噴射する第２燃料噴射ノズル（暖機用燃料供給手段）５３が、この加熱室２５ｂに向けて（臨んで）連結されている。
始動触媒暖機装置５０と第２燃料噴射ノズル５３はそれぞれオフガス管３６に対して並列的に配置されている。第１燃料噴射ノズル５２および第２燃料噴射ノズル５３には、蒸発器２１に供給される原燃料と同じ原燃料が供給可能になっている。
【００３７】
また、この第２の実施の形態の燃料電池システム１では、空気供給管３３とオフガス管３４とが空気バイパス管４２によって接続されており、空気バイパス管４２の途中には制御弁４３が設けられている。なお、この実施の形態において、スーパーチャージャ２３と空気バイパス管４２と制御弁４３は、システム始動時にオフガス加熱器２４（第２加熱手段）の上流から触媒燃焼器２５の燃焼用空気を供給する暖機用空気供給手段、を構成する。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
次に、この第２の実施の形態の燃料電池システム１の作用について説明する。
燃料電池システム１は図示しない燃料電池制御用コントロールユニット（以下、ＦＣＥＣＵと略す）によって次のように自動運転される。
まず、ＦＣＥＣＵは、燃料電池システム１の運転開始信号により、ＥＨＣ５１の電気ヒータに通電してＥＨＣ５１の触媒を加熱するとともに、第１燃料噴射ノズル５２から原燃料および空気を噴射し、この原燃料をＥＨＣ５１で気化し、触媒燃焼させて、その燃焼ガスを加熱室２５ｂを介して触媒室２５ａに供給し触媒燃焼器２５の触媒を加熱し、触媒を暖機する。したがって、この第２の実施の形態の燃料電池システム１では、オフガス加熱器２４の暖機完了を待つことなく、触媒燃焼器２５の暖機が行われることになる。なお、この時点では、三方切替弁４０は燃料ガス供給管３２ａとバイパス管４１とを連通し、燃料ガス供給管３２ｂを遮断する。また、蒸発器２１に原燃料および改質用空気を供給しない。
【００３９】
このようにして触媒燃焼器２５を暖機し、触媒燃焼器２５の触媒が低温活性温度に達したならば、第１燃料噴射ノズル５２からの原燃料の噴射を停止し、第２燃料噴射ノズル５３から原燃料を噴射して、加熱室２５ｂを通して触媒室２５ａの触媒の表面に燃料を直接吹き付けるとともに、制御弁４３を開くことによりオフガス管３４、オフガス加熱器２４、オフガス管３６を介して燃焼用空気を触媒燃焼器２５に供給する。また、これと同時に、蒸発器２１に改質用空気を供給する。この時点では、まだ、蒸発器２１に改質用原燃料を供給しない。また、三方切替弁２２は従前のままにし、改質器２２から送出されるガスをバイパス管４１に流れるようにする。
【００４０】
これにより、第２燃料噴射ノズル５３から触媒燃焼器２５に噴射された原燃料は、スーパーチャージャ２３から供給された燃焼用空気とともに触媒燃焼器２５において完全燃焼し、生成された高温の燃焼ガスは、蒸発器２１およびオフガス管３８を通ってオフガス加熱器２４に供給され、オフガス加熱器２４を暖機する。オフガス加熱器２４の暖機の進行に伴って、前記燃焼ガスとスーパーチャージャ２３から供給される常温の燃焼用空気との間での熱交換が進行し、燃焼用空気が加熱される。加熱された燃焼用空気は触媒燃焼器２５の加熱室２５ｂに供給され、ここで、第２燃料噴射ノズル５３から噴射される原燃料を加熱する。
【００４１】
このようにスーパーチャージャ２３から供給される燃焼用空気が加熱されると、オフガス加熱器２４において燃焼ガスから回収した熱量が触媒燃焼器２５における原燃料の発熱量に上乗せされて蒸発器２１に供給されることになるので、蒸発器２１の暖機時間が短縮される。
【００４２】
また、このように第２燃料噴射ノズル５３から噴射される原燃料が加熱されると、第２燃料噴射ノズル５３から噴射された原燃料の気化、昇温が促進されるので、第２燃料噴射ノズル５３からの原燃料の噴射量を増加した場合においても、触媒燃焼器２５の触媒の直上流に液状の原燃料が溜まらなくなり、また、第２燃料噴射ノズル５３から噴射された原燃料が燃焼状態に到達するまでの時間が短縮され、触媒燃焼器２５から未燃の原燃料が排出されなくなり、触媒燃焼器２５において完全燃焼が可能になる。また、原燃料が気化促進されることにより、触媒室２５ａにおける原燃料の分散がよくなり、触媒燃焼器２５の触媒にホットスポットが生じ難くなる。
【００４３】
また、上述のようにして蒸発器２１の暖機が行われているときにも、蒸発器２１においては、触媒燃焼器２５から排出される燃焼ガスにより改質用空気が加熱される。そして、加熱された改質用空気は改質器２２、燃料ガス供給管３２ａ、バイパス管４１、オフガス管３５を通ってオフガス管３４に導入され、ここで、スーパーチャージャ２３から供給される燃焼用空気と合流する。一方、改質用空気を加熱した燃焼ガスは蒸発器２１からオフガス管３８を介してオフガス加熱器２４に導入され、その後、排気される。
【００４４】
そして、蒸発器２１から排出される改質用空気が所定温度に達すると、蒸発器２１への改質用原燃料の供給が開始され、蒸発器２１の暖機運転が続行される。
そして、蒸発器２１から送出される改質用原燃料の蒸気温度が改質器２２への供給可能温度に達すると、第２燃料噴射ノズル５３からの原燃料の噴射を停止して蒸発器２１の暖機を終了し、続いて改質器２２の暖機運転に移行する。改質器２２の暖機が終了すると、三方切替弁４０がバイパス管４１を遮断し燃料ガス供給管３２ａ，３２ｂを連通し、制御弁４３を閉じる。これにより、燃料電池スタック１０のアノード電極１１側に改質器２２によって改質された燃料ガスが供給され、カソード電極１２側に空気が供給されるようになり、燃料電池スタック１０は発電可能になる。
【００４５】
燃料電池スタック１０が発電可能な状態になった後は、この第２の実施の形態の燃料電池システム１においても、前述した第１の実施の形態の燃料電池システム１と同様の作用・効果が奏される。
このように、この第２の実施の形態の燃料電池システム１では、第１の実施の形態の燃料電池システム１の作用・効果に加えて、蒸発器２１の早期暖機が可能になり、その結果、改質器２２に燃料蒸気を早期に供給可能になって改質器２２の暖機を促進することができ、ひいては、燃料電池システム１の早期暖機を促進することが可能になる。
【００４６】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの第３の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。なお、第３の実施の形態は第２の実施の形態における燃料電池システム１の変形例と言うことができ、また、より具体的な構成例と言うことができる。
【００４７】
図３は、第３の実施の形態の燃料電池システム１におけるオフガス加熱器２４と触媒燃焼器２５の加熱室２５ｂの周囲の断面図である。
オフガス加熱器２４は積層型の熱交換器であり、蒸発器２１から排出された燃焼オフガスが流通する多数の通路２４ａが互いに隙間を開けて積層されており、これら通路２４ａの間を燃料電池スタック１０から排出された燃焼オフガスが流通するようになっている。
【００４８】
このオフガス加熱器２４に触媒燃焼器２５の加熱室２５ｂが直結されており、したがって、この第３の実施の形態の場合には、第２の実施の形態におけるオフガス管３６がない。
そして、加熱室２５ｂの外周の一側に、始動触媒暖機装置５０の始動用燃焼ガス室５４が連設されており、加熱室２５ｂと始動用燃焼ガス室５４は連通孔５４ａによって連通している。すなわち、始動触媒暖機装置５０の始動用燃焼ガス室５４は加熱室２５ｂに臨んで設けられている。そして、始動用燃焼ガス室５４にＥＨＣ室５５が連設されており、ＥＨＣ室５５にはＥＨＣ５１が収納されている。さらに、ＥＨＣ室５５の上端部には第１燃料噴射ノズル５２が設置されている。
【００４９】
第１燃料噴射ノズル５２から噴射された原燃料および空気はＥＨＣ室５５のＥＨＣ５１に噴射され、ＥＨＣ５１において触媒燃焼し、その燃焼ガスがＥＨＣ室５５から始動用燃焼ガス室５４に流出し、さらに連通孔５４ａを介して加熱室２５ｂに流出し、触媒室２５ａに導入されるようになっている。
また、加熱室２５ｂの外周の他の一側に、第２燃料噴射ノズル５３が、触媒燃焼器２５の触媒室２５ａの触媒に燃料を直接噴射可能なように設置されている。
すなわち、第２燃料噴射ノズル５３は加熱室２５ｂに臨んで設けられている。
【００５０】
この第３の実施の形態においては、加熱室２５ｂのガス流れ方向の長さを可能な限り最小寸法に設定することにより、オフガス加熱器２４と触媒燃焼器２５の触媒室２５ａを極めて接近させて配置することができ、オフガス加熱器２４で加熱した燃焼用空気もしくはオフガスの熱量を低下させずに触媒燃焼器２５に供給することが可能になる。
【００５１】
したがって、燃料電池システム１の暖機運転時には、第２燃料噴射ノズル５３から噴射された燃料の気化、昇温をさらに促進することができ、暖機時間をさらに短縮することができる。
また、燃料電池システム１の発電運転時には、オフガス加熱器２４でオフガス中の水を気化した後、この気化した水分を再凝縮させることなく、ガス状のまま触媒燃焼器２５に供給することができる。
なお、その他の構成については第２の実施の形態のものと同じである。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、オフガス中の水分が燃焼器に到達するまでに冷却され凝結して凝縮水が生じたとしても、この凝縮水を第２加熱手段において加熱し気化させることができ、その結果、燃焼器に凝縮水のまま流入することがなくなるので、水の気化潜熱に燃焼器での生成熱量の一部が消費されるのを防止することができ、第１加熱手段（すなわち蒸発器）に必要な熱量を供給することができるという優れた効果が奏される。
【００５３】
また、燃焼オフガスの廃熱をオフガスに回収して、その回収熱量を燃焼器での発熱量に上乗せして第１加熱手段（すなわち蒸発器）に供給することができるので、省エネルギを促進することができるという効果もある。
【００５４】
したがって、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池に要求される必要量の原燃料を蒸発させるのに必要な熱量を蒸発器に供給することが可能になるとともに、原燃料の消費量を削減することができるという優れた効果が奏される。
【００５５】
請求項２に記載した発明によれば、システム始動時に暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料の気化、昇温を促進することができ、暖機用燃料の燃焼を促進することができるので、第１加熱手段（すなわち蒸発器）の早期暖機を図ることができるという効果がある。また、暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料が未燃のまま第１加熱手段（すなわち蒸発器）に供給されることがなくなるので、暖機用燃料の無駄使いを防止することができる。
【００５６】
特に、第１加熱手段が前記反応ガスの原燃料を蒸発させる蒸発器であるので、蒸発器の早期暖機が可能になるとともに、燃料電池システム全体の早期暖機が可能になるという効果がある。
【００５７】
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池システム始動後すぐに触媒燃焼器を活性させることができ、しかも、暖機用燃料の気化、昇温をさらに促進することが可能になるので、暖機時間のさらなる短縮が可能になるという効果がある。
【００５８】
請求項４に記載した発明によれば、暖機運転時には暖機用燃料の気化、昇温を促進することができるので、暖機時間のさらなる短縮が可能になり、また、発電運転時には、気化させたオフガス中の水を再凝縮させることなく触媒燃焼器に供給することが可能になるので、触媒燃焼器への凝縮水の流入を確実に阻止することができるという効果がある。
【００５９】
請求項５に記載した発明によれば、簡単な構成ながら、触媒燃焼器の始動時暖機を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池システムの第１実施の形態における概略構成図である。
【図２】 この発明に係る燃料電池システムの第２実施の形態における概略構成図である。
【図３】 この発明に係る燃料電池システムの第３実施の形態における要部断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（固体高分子型燃料電池）
２１ 蒸発器（第１加熱手段）
２３ スーパーチャージャ（暖機用空気供給手段）
２４ オフガス加熱器（第２加熱手段）
２５ 触媒燃焼器（燃焼器）
２５ａ 触媒室
２５ｂ 加熱室
４２ 空気バイパス管（暖機用空気供給手段）
４３ 制御弁（暖機用空気供給手段）
５０ 始動触媒暖機装置（始動触媒暖機手段）
５１ 電気ヒータ触媒（始動触媒暖機手段）
５２ 第１燃料噴射ノズル（触媒暖機用燃料噴射ノズル）
５３ 第２燃料噴射ノズル（暖機用燃料供給手段）
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子型燃料電池システムにおいて燃料電池から排出されるオフガスのエネルギ回収技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムには、メタノールやメタンなどのアルコール系燃料や炭化水素系燃料を改質反応器によって水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給し発電を行うものがある（特開平５−２９０８６５号公報、特開平７−１９２７４２号公報、特開平７−２４０２２３号公報等）。
【０００３】
また、固体高分子型の燃料電池を用いた燃料電池システムには、メタノールやガソリンなどのアルコール系や炭化水素系の原燃料を蒸発器で加熱して燃料蒸気とし、この燃料蒸気を改質反応器で水素リッチな燃料ガスに改質し、この燃料ガスと酸化剤ガス（例えば、空気）を反応ガスとして燃料電池のアノード電極側あるいはカソード電極側に供給して発電を行い、燃料電池から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを触媒燃焼器に導いてアノードオフガスに残存する水素を燃焼させ、生成された燃焼ガスの熱を前記蒸発器の熱源として用いて前記原燃料を蒸発させるようにしたものがある。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池では発電に際して適度な湿度が必要であり、そのため、この燃料電池システムでは前記反応ガスを加湿して燃料電池に供給している。加えて、燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により発電する際に水が生じ、この水分はカソード電極側に多く生成される。そのため、カソードオフガスはかなり湿度の高い状態で燃料電池から排出されることとなる。
従来、この燃料電池システムでは、燃料電池から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスをそのまま触媒燃焼器に導入して燃焼させ、生成した燃焼ガスは、蒸発器で原燃料と熱交換した後、そのまま大気へ排気していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型燃料電池の作動温度は８０゜Ｃ前後であり、この温度はほぼカソードオフガスの露点温度であるため、前述の如く燃料電池から排出されたオフガスをそのまま触媒燃焼器に導入すると、燃料電池から触媒燃焼器にオフガスを導くオフガス配管の途中で放熱等によりオフガスが冷却される結果、オフガス中の水分が凝結して水が生成され、この水がオフガスとともに触媒燃焼器に導入される場合がある。このようになると、水の気化潜熱に触媒燃焼器での生成熱量の一部が消費され、その結果、原燃料を蒸発させるのに必要な熱量を蒸発器に供給することができないという問題が生じる。
【０００６】
また、本出願人は、前記固体高分子型燃料電池システムにおける始動暖機の向上を図って、次のような技術を開発し、既に特許出願をしている（出願公開前）。これは、蒸発器の暖機促進を図ったものであり、前記触媒燃焼器にオフガスを供給するオフガス管とは並列的に、電気ヒータ触媒（以下、ＥＨＣと略す）および第１燃料噴射ノズルを備えた始動触媒暖機装置と、前記触媒燃焼器に燃料を直接噴射する第２燃料噴射ノズルを、触媒燃焼器の上流部に接続して構成されている。
【０００７】
そして、燃料電池システムの始動時には、まず、始動触媒暖機装置におけるＥＨＣの電気ヒータに通電して加熱するとともに第１燃料噴射ノズルから原燃料（例えば、メタノール）を噴射し、この原燃料をＥＨＣで気化、燃焼させて、その燃焼ガスを触媒燃焼器に供給して触媒燃焼器を加熱する。これにより触媒燃焼器の触媒が低温活性温度以上に加熱されたら、次に、第２燃料噴射ノズルから原燃料を触媒燃焼器の触媒表面に直接噴射するとともに、オフガス管を介して燃焼用の空気を触媒燃焼器に供給し、第２燃料噴射ノズルから噴射された原燃料を触媒燃焼器において完全燃焼させ、その燃焼ガスを蒸発器に供給して蒸発器を暖機する。これにより、蒸発器の早期暖機が可能になり、改質器に燃料蒸気を早期に供給可能になって、ひいては、燃料電池システムの早期暖機を促進することができる。
【０００８】
しかしながら、この燃料電池システムにおいて更なる暖機促進を図るため第２燃料噴射ノズルからの原燃料の噴射量を増加した場合、例えばメタノールのような原燃料は燃焼までに気化、昇温の過程が必要なため、燃焼状態に達するまでの時間が長く、未燃のまま触媒燃焼器から排出されてしまう場合がある。また、原燃料の気化が不十分なため触媒燃焼器の直上流部分に溜まった後、これが触媒燃焼器に流入してホットスポット（熱むら）が生じる場合もある。このような理由から、第２燃料噴射ノズルからの原燃料噴射量を多くすることによる更なる暖機促進は困難であった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、蒸発器等の加熱手段に供給する熱量の低下を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。
また、この発明の別の目的は、前記加熱手段の早期暖機が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスを供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池（例えば、後述する各実施の形態における燃料電池スタック１０）と、該燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器（例えば、後述する各実施の形態における触媒燃焼器２５）と、前記燃焼ガスの熱を用いて前記反応ガスの原燃料を加熱し蒸発させる蒸発器である第１加熱手段（例えば、後述する各実施の形態における蒸発器２１）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述する各実施の形態における燃料電池システム１）において、前記燃焼器の上流に、前記第１加熱手段から排出された燃焼ガスから熱を奪い前記オフガスに熱を与える第２加熱手段（例えば、後述する各実施の形態におけるオフガス加熱器２４）を備えることを特徴とする。
【００１１】
このように構成することにより、燃料電池から排出されたオフガス中の水分が燃焼器に到達するまでの間に放熱等により冷却され凝結して凝縮水が生じたとしても、この凝縮水を第２加熱手段において燃焼オフガスの廃熱で加熱することにより気化させることができ、燃焼器に凝縮水のまま流入することがなくなる。また、燃焼オフガスの廃熱をオフガスに回収することができる。
【００１３】
さらに、燃料電池が要求する必要量の原燃料を蒸発させるのに必要な熱量を蒸発器に供給することが可能になる。また、原燃料の消費量を削減することが可能になる。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、システム始動時に前記第２加熱手段の上流から前記燃焼器の燃焼用空気を供給する暖機用空気供給手段（例えば、後述する第２または第３の実施の形態におけるスーパーチャージャ２３と空気バイパス管４２と制御弁４３）と、システム始動時に暖機用燃料を前記燃焼器に供給する暖機用燃料供給手段（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における第２燃料噴射ノズル５３）と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
このように構成することにより、暖機用空気供給手段から供給された燃焼用空気を第２加熱手段により加熱することができ、この加熱空気を介して、システム始動時に暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料を加熱し、気化、昇温を促進することができ、暖機用燃料の燃焼を促進することができる。また、暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料が未燃のまま第１加熱手段に供給されることがなくなる。
【００１６】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、前記燃焼器は触媒燃焼器（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における触媒燃焼器２５）であり、システム始動時に前記触媒燃焼器を暖機する始動触媒暖機手段（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における始動触媒暖機装置５０）を備え、前記暖機用燃料供給手段は前記触媒燃焼器の触媒に燃料を直接噴射せしめる燃料噴射ノズル（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における第２燃料噴射ノズル５３）を備えることを特徴とする。
【００１７】
このように構成することにより、始動触媒暖機手段は燃料電池システム始動後すぐに触媒燃焼器を活性させることができる。また、暖機用燃料は燃料噴射ノズルから噴霧状に噴射されるので、暖機用燃料の気化、昇温をさらに促進することが可能になる。
【００１８】
請求項４に記載した発明は、請求項３に記載の発明において、前記触媒燃焼器は、触媒を収容する触媒室（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における触媒室２５ａ）と該触媒室の上流に連設された加熱室（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における加熱室２５ｂ）とを備え、前記加熱室に前記第２加熱手段が直結されるとともに、前記加熱室に臨んで前記始動触媒暖機手段と前記暖機用燃料供給手段の燃料噴射ノズルが設置されていることを特徴とする。
【００１９】
このように構成することにより、第２加熱手段と触媒燃焼器とを接近して配置することが可能になり、その結果、暖機運転時には暖機用燃料の気化、昇温を促進することができ、発電運転時には、気化させたオフガス中の水を再凝縮させることなく触媒燃焼器に供給することが可能になる。
【００２０】
請求項５に記載した発明は、請求項３または請求項４に記載の発明において、前記始動触媒暖機手段は、電気ヒータ触媒（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における電気ヒータ触媒５１）と、該電気ヒータ触媒に燃料を噴射する触媒暖機用燃料噴射ノズル（例えば、後述する第２または第３の実施の形態における第１燃料噴射ノズル５２）と、を備えることを特徴とする。
このように構成することにより、簡単な構成ながら、触媒燃焼器の始動時暖機を確実に行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムの態様である。
【００２２】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は改質反応器付き燃料電池システム１の概略構成図であり、燃料電池システム１は、燃料電池スタック（固体高分子型燃料電池）１０、蒸発器（第１加熱手段）２１、改質器２２、スーパーチャージャ２３、オフガス加熱器（第２加熱手段）２４、触媒燃焼器（燃焼器）２５を主要構成とする。
【００２３】
燃料電池スタック１０は固体高分子型の燃料電池であり、アノード電極１１側に供給される燃料ガス中の水素と、カソード電極１２側に供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素との電気化学反応により発電する。この実施の形態において燃料ガスと空気は燃料電池に供給される反応ガスを構成する。
【００２４】
燃料電池スタック１０のアノード電極１１側に供給される燃料ガスは、原燃料を蒸発器２１で燃料蒸気にし、更に改質器２２によって水素リッチな燃料ガスに改質したものが用いられる。
すなわち、蒸発器２１には、例えばアルコール系および炭化水素系燃料（メタノールやガソリン等）と水とを所定の割合で混合してなる改質用の原燃料と改質用の空気とが供給されるようになっていて、蒸発器２１内において、改質用原燃料および改質用空気は、触媒燃焼器２５から供給される高温の燃焼ガスと非接触で熱交換することにより加熱され、改質用燃料は蒸発して燃料蒸気となり、加熱された加熱空気と混合した状態で、蒸発器２１から燃料供給管３１を介して改質器２２に供給される。
【００２５】
改質器２２はオートサーマル式の改質器であり、燃料蒸気と改質用空気とを反応させて水素リッチな燃料ガスに改質する。改質された燃料ガスは燃料ガス供給管３２を介して燃料電池スタック１０のアノード電極１１側に供給される。
一方、燃料電池スタック１０のカソード電極１２側に供給される空気は、スーパーチャージャ２３から空気供給管３３を介し、図示しない加湿器により加湿されて供給される。
【００２６】
燃料電池スタック１０のカソード電極１２側に供給された空気は発電に供された後、カソードオフガスとしてオフガス管３４を介してオフガス加熱器２４に供給され、また、アノード電極１１側に供給された燃料ガスは発電に供された後、アノードオフガスとしてオフガス管３５およびオフガス管３４を介してオフガス加熱器２４に供給される。
【００２７】
アノードオフガスとカソードオフガス（以下、特に区別する必要のない場合はオフガスと総称する）はオフガス加熱器２４において加熱された後、オフガス管３６を介して触媒燃焼器２５に導入される。
触媒燃焼器２５は、アノードオフガスに残存する水素とカソードオフガスに残存する酸素とを反応（燃焼）させるものであり、この反応により高温となった燃焼オフガスは、改質用原燃料および改質用空気を加熱する熱源として、オフガス管３７を介し蒸発器２１に供給される。
【００２８】
蒸発器２１において改質用原燃料および改質用空気と熱交換することにより冷却された燃焼オフガスは、燃料電池スタック１０から排出されたオフガスを加熱する熱源として、オフガス管３８を介しオフガス加熱器２４に供給され、その後、排気ガスとして大気に放出される。
【００２９】
また、燃料ガス供給管３２の途中には、三方切替弁４０が設けられており、三方切替弁４０はバイパス管４１を介してオフガス管３５に接続されている。三方切替弁４０は、この三方切替弁４０よりも上流側の燃料ガス供給管３２ａを、下流側の燃料ガス供給管３２ｂとバイパス管４１のいずれか一方と選択的に接続可能にする切替弁であり、改質器２２の暖機が完了するまでは改質器２２から送出されるガスをバイパス管４１に流すことにより燃料電池スタック１０を迂回して流し、改質器２２の暖機完了後は改質器２２から送出されるガスを燃料電池スタック１０に流すように、切り替え制御される。
【００３０】
次に、この燃料電池システム１の作用について説明する。
燃料電池スタック１０が発電を行う発電運転時において、触媒燃焼器２５から蒸発器２１に導入された燃焼オフガスは、蒸発器２１で改質用原燃料および改質用空気と熱交換することにより２００〜３００゜Ｃに冷やされて蒸発器２１から排出され、オフガス管３８を介してオフガス加熱器２４に熱源として供給される。
【００３１】
一方、固体高分子型の燃料電池である燃料電池スタック１０が発電中に排出するオフガス、特にカソードオフガスの湿度は非常に高いこと、および、燃料電池スタック１０の作動温度が８０゜前後であり、ほぼカソードオフガスの露点温度であることは前述したとおりである。そして、このオフガスは、６０〜９０゜Ｃの温度でオフガス加熱器２４に導入される。
【００３２】
その結果、オフガス加熱器２４において、オフガスは２００〜３００゜Ｃの燃焼オフガスと熱交換することによって１５０〜２５０゜Ｃまで加熱される。したがって、オフガスが燃料電池スタック１０からオフガス加熱器２４に流れてくる間にオフガス中の水分が凝結し凝縮水が生じたとしても、この凝縮水をオフガス加熱器２４において完全に気化させることができる。その結果、触媒燃焼器２５に凝縮水が流入するのを阻止することができる。
【００３３】
したがって、水の気化潜熱に起因して触媒燃焼器２５での生成熱量の一部が消費されることが起こらず、原燃料の蒸発に必要な熱量を触媒燃焼器２５で発生させて蒸発器２１に供給することが可能になる。
また、従来は蒸発器２１から排出される燃焼オフガスをただ排気していたが、この燃料電池システム１では、燃焼オフガスの廃熱をオフガスに回収し、その回収熱を触媒燃焼器２５による燃焼熱に上乗せして蒸発器２１に供給することができるので、エネルギー回収率が大きくなり、省エネルギーが促進される。
【００３４】
例えば、オフガス加熱器２４を設けないときと同じ温度レベルの熱と熱量を蒸発器２１に供給する場合で比較すると、オフガス加熱器２４を設けた場合には、触媒燃焼器２５へのアノードオフガスの供給量を３０〜４０％削減することができる。つまり、燃料を削減することができるのである。
【００３５】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を図２の図面を参照して説明する。第２の実施の形態の燃料電池システム１が第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
触媒燃焼器２５は、触媒を収容する触媒室２５ａと、触媒室２５ａの上流側に設けられた加熱室２５ｂを有しており、この加熱室２５ｂにオフガス管３６の下流端が接続されている。
【００３６】
また、加熱室２５ｂには、電気ヒータ触媒（以下、ＥＨＣと略す）５１とこのＥＨＣ５１に原燃料および空気を噴射する第１燃料噴射ノズル（触媒暖機用燃料噴射ノズル）５２を備えた始動触媒暖機装置（始動触媒暖機手段）５０と、触媒燃焼器２５の触媒室２５ａに直に原燃料を噴射する第２燃料噴射ノズル（暖機用燃料供給手段）５３が、この加熱室２５ｂに向けて（臨んで）連結されている。
始動触媒暖機装置５０と第２燃料噴射ノズル５３はそれぞれオフガス管３６に対して並列的に配置されている。第１燃料噴射ノズル５２および第２燃料噴射ノズル５３には、蒸発器２１に供給される原燃料と同じ原燃料が供給可能になっている。
【００３７】
また、この第２の実施の形態の燃料電池システム１では、空気供給管３３とオフガス管３４とが空気バイパス管４２によって接続されており、空気バイパス管４２の途中には制御弁４３が設けられている。なお、この実施の形態において、スーパーチャージャ２３と空気バイパス管４２と制御弁４３は、システム始動時にオフガス加熱器２４（第２加熱手段）の上流から触媒燃焼器２５の燃焼用空気を供給する暖機用空気供給手段、を構成する。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
次に、この第２の実施の形態の燃料電池システム１の作用について説明する。
燃料電池システム１は図示しない燃料電池制御用コントロールユニット（以下、ＦＣＥＣＵと略す）によって次のように自動運転される。
まず、ＦＣＥＣＵは、燃料電池システム１の運転開始信号により、ＥＨＣ５１の電気ヒータに通電してＥＨＣ５１の触媒を加熱するとともに、第１燃料噴射ノズル５２から原燃料および空気を噴射し、この原燃料をＥＨＣ５１で気化し、触媒燃焼させて、その燃焼ガスを加熱室２５ｂを介して触媒室２５ａに供給し触媒燃焼器２５の触媒を加熱し、触媒を暖機する。したがって、この第２の実施の形態の燃料電池システム１では、オフガス加熱器２４の暖機完了を待つことなく、触媒燃焼器２５の暖機が行われることになる。なお、この時点では、三方切替弁４０は燃料ガス供給管３２ａとバイパス管４１とを連通し、燃料ガス供給管３２ｂを遮断する。また、蒸発器２１に原燃料および改質用空気を供給しない。
【００３９】
このようにして触媒燃焼器２５を暖機し、触媒燃焼器２５の触媒が低温活性温度に達したならば、第１燃料噴射ノズル５２からの原燃料の噴射を停止し、第２燃料噴射ノズル５３から原燃料を噴射して、加熱室２５ｂを通して触媒室２５ａの触媒の表面に燃料を直接吹き付けるとともに、制御弁４３を開くことによりオフガス管３４、オフガス加熱器２４、オフガス管３６を介して燃焼用空気を触媒燃焼器２５に供給する。また、これと同時に、蒸発器２１に改質用空気を供給する。この時点では、まだ、蒸発器２１に改質用原燃料を供給しない。また、三方切替弁２２は従前のままにし、改質器２２から送出されるガスをバイパス管４１に流れるようにする。
【００４０】
これにより、第２燃料噴射ノズル５３から触媒燃焼器２５に噴射された原燃料は、スーパーチャージャ２３から供給された燃焼用空気とともに触媒燃焼器２５において完全燃焼し、生成された高温の燃焼ガスは、蒸発器２１およびオフガス管３８を通ってオフガス加熱器２４に供給され、オフガス加熱器２４を暖機する。オフガス加熱器２４の暖機の進行に伴って、前記燃焼ガスとスーパーチャージャ２３から供給される常温の燃焼用空気との間での熱交換が進行し、燃焼用空気が加熱される。加熱された燃焼用空気は触媒燃焼器２５の加熱室２５ｂに供給され、ここで、第２燃料噴射ノズル５３から噴射される原燃料を加熱する。
【００４１】
このようにスーパーチャージャ２３から供給される燃焼用空気が加熱されると、オフガス加熱器２４において燃焼ガスから回収した熱量が触媒燃焼器２５における原燃料の発熱量に上乗せされて蒸発器２１に供給されることになるので、蒸発器２１の暖機時間が短縮される。
【００４２】
また、このように第２燃料噴射ノズル５３から噴射される原燃料が加熱されると、第２燃料噴射ノズル５３から噴射された原燃料の気化、昇温が促進されるので、第２燃料噴射ノズル５３からの原燃料の噴射量を増加した場合においても、触媒燃焼器２５の触媒の直上流に液状の原燃料が溜まらなくなり、また、第２燃料噴射ノズル５３から噴射された原燃料が燃焼状態に到達するまでの時間が短縮され、触媒燃焼器２５から未燃の原燃料が排出されなくなり、触媒燃焼器２５において完全燃焼が可能になる。また、原燃料が気化促進されることにより、触媒室２５ａにおける原燃料の分散がよくなり、触媒燃焼器２５の触媒にホットスポットが生じ難くなる。
【００４３】
また、上述のようにして蒸発器２１の暖機が行われているときにも、蒸発器２１においては、触媒燃焼器２５から排出される燃焼ガスにより改質用空気が加熱される。そして、加熱された改質用空気は改質器２２、燃料ガス供給管３２ａ、バイパス管４１、オフガス管３５を通ってオフガス管３４に導入され、ここで、スーパーチャージャ２３から供給される燃焼用空気と合流する。一方、改質用空気を加熱した燃焼ガスは蒸発器２１からオフガス管３８を介してオフガス加熱器２４に導入され、その後、排気される。
【００４４】
そして、蒸発器２１から排出される改質用空気が所定温度に達すると、蒸発器２１への改質用原燃料の供給が開始され、蒸発器２１の暖機運転が続行される。
そして、蒸発器２１から送出される改質用原燃料の蒸気温度が改質器２２への供給可能温度に達すると、第２燃料噴射ノズル５３からの原燃料の噴射を停止して蒸発器２１の暖機を終了し、続いて改質器２２の暖機運転に移行する。改質器２２の暖機が終了すると、三方切替弁４０がバイパス管４１を遮断し燃料ガス供給管３２ａ，３２ｂを連通し、制御弁４３を閉じる。これにより、燃料電池スタック１０のアノード電極１１側に改質器２２によって改質された燃料ガスが供給され、カソード電極１２側に空気が供給されるようになり、燃料電池スタック１０は発電可能になる。
【００４５】
燃料電池スタック１０が発電可能な状態になった後は、この第２の実施の形態の燃料電池システム１においても、前述した第１の実施の形態の燃料電池システム１と同様の作用・効果が奏される。
このように、この第２の実施の形態の燃料電池システム１では、第１の実施の形態の燃料電池システム１の作用・効果に加えて、蒸発器２１の早期暖機が可能になり、その結果、改質器２２に燃料蒸気を早期に供給可能になって改質器２２の暖機を促進することができ、ひいては、燃料電池システム１の早期暖機を促進することが可能になる。
【００４６】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの第３の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。なお、第３の実施の形態は第２の実施の形態における燃料電池システム１の変形例と言うことができ、また、より具体的な構成例と言うことができる。
【００４７】
図３は、第３の実施の形態の燃料電池システム１におけるオフガス加熱器２４と触媒燃焼器２５の加熱室２５ｂの周囲の断面図である。
オフガス加熱器２４は積層型の熱交換器であり、蒸発器２１から排出された燃焼オフガスが流通する多数の通路２４ａが互いに隙間を開けて積層されており、これら通路２４ａの間を燃料電池スタック１０から排出された燃焼オフガスが流通するようになっている。
【００４８】
このオフガス加熱器２４に触媒燃焼器２５の加熱室２５ｂが直結されており、したがって、この第３の実施の形態の場合には、第２の実施の形態におけるオフガス管３６がない。
そして、加熱室２５ｂの外周の一側に、始動触媒暖機装置５０の始動用燃焼ガス室５４が連設されており、加熱室２５ｂと始動用燃焼ガス室５４は連通孔５４ａによって連通している。すなわち、始動触媒暖機装置５０の始動用燃焼ガス室５４は加熱室２５ｂに臨んで設けられている。そして、始動用燃焼ガス室５４にＥＨＣ室５５が連設されており、ＥＨＣ室５５にはＥＨＣ５１が収納されている。さらに、ＥＨＣ室５５の上端部には第１燃料噴射ノズル５２が設置されている。
【００４９】
第１燃料噴射ノズル５２から噴射された原燃料および空気はＥＨＣ室５５のＥＨＣ５１に噴射され、ＥＨＣ５１において触媒燃焼し、その燃焼ガスがＥＨＣ室５５から始動用燃焼ガス室５４に流出し、さらに連通孔５４ａを介して加熱室２５ｂに流出し、触媒室２５ａに導入されるようになっている。
また、加熱室２５ｂの外周の他の一側に、第２燃料噴射ノズル５３が、触媒燃焼器２５の触媒室２５ａの触媒に燃料を直接噴射可能なように設置されている。
すなわち、第２燃料噴射ノズル５３は加熱室２５ｂに臨んで設けられている。
【００５０】
この第３の実施の形態においては、加熱室２５ｂのガス流れ方向の長さを可能な限り最小寸法に設定することにより、オフガス加熱器２４と触媒燃焼器２５の触媒室２５ａを極めて接近させて配置することができ、オフガス加熱器２４で加熱した燃焼用空気もしくはオフガスの熱量を低下させずに触媒燃焼器２５に供給することが可能になる。
【００５１】
したがって、燃料電池システム１の暖機運転時には、第２燃料噴射ノズル５３から噴射された燃料の気化、昇温をさらに促進することができ、暖機時間をさらに短縮することができる。
また、燃料電池システム１の発電運転時には、オフガス加熱器２４でオフガス中の水を気化した後、この気化した水分を再凝縮させることなく、ガス状のまま触媒燃焼器２５に供給することができる。
なお、その他の構成については第２の実施の形態のものと同じである。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、オフガス中の水分が燃焼器に到達するまでに冷却され凝結して凝縮水が生じたとしても、この凝縮水を第２加熱手段において加熱し気化させることができ、その結果、燃焼器に凝縮水のまま流入することがなくなるので、水の気化潜熱に燃焼器での生成熱量の一部が消費されるのを防止することができ、第１加熱手段（すなわち蒸発器）に必要な熱量を供給することができるという優れた効果が奏される。
【００５３】
また、燃焼オフガスの廃熱をオフガスに回収して、その回収熱量を燃焼器での発熱量に上乗せして第１加熱手段（すなわち蒸発器）に供給することができるので、省エネルギを促進することができるという効果もある。
【００５４】
したがって、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池に要求される必要量の原燃料を蒸発させるのに必要な熱量を蒸発器に供給することが可能になるとともに、原燃料の消費量を削減することができるという優れた効果が奏される。
【００５５】
請求項２に記載した発明によれば、システム始動時に暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料の気化、昇温を促進することができ、暖機用燃料の燃焼を促進することができるので、第１加熱手段（すなわち蒸発器）の早期暖機を図ることができるという効果がある。また、暖機用燃料供給手段から供給される暖機用燃料が未燃のまま第１加熱手段（すなわち蒸発器）に供給されることがなくなるので、暖機用燃料の無駄使いを防止することができる。
【００５６】
特に、第１加熱手段が前記反応ガスの原燃料を蒸発させる蒸発器であるので、蒸発器の早期暖機が可能になるとともに、燃料電池システム全体の早期暖機が可能になるという効果がある。
【００５７】
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池システム始動後すぐに触媒燃焼器を活性させることができ、しかも、暖機用燃料の気化、昇温をさらに促進することが可能になるので、暖機時間のさらなる短縮が可能になるという効果がある。
【００５８】
請求項４に記載した発明によれば、暖機運転時には暖機用燃料の気化、昇温を促進することができるので、暖機時間のさらなる短縮が可能になり、また、発電運転時には、気化させたオフガス中の水を再凝縮させることなく触媒燃焼器に供給することが可能になるので、触媒燃焼器への凝縮水の流入を確実に阻止することができるという効果がある。
【００５９】
請求項５に記載した発明によれば、簡単な構成ながら、触媒燃焼器の始動時暖機を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る燃料電池システムの第１実施の形態における概略構成図である。
【図２】 この発明に係る燃料電池システムの第２実施の形態における概略構成図である。
【図３】 この発明に係る燃料電池システムの第３実施の形態における要部断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（固体高分子型燃料電池）
２１ 蒸発器（第１加熱手段）
２３ スーパーチャージャ（暖機用空気供給手段）
２４ オフガス加熱器（第２加熱手段）
２５ 触媒燃焼器（燃焼器）
２５ａ 触媒室
２５ｂ 加熱室
４２ 空気バイパス管（暖機用空気供給手段）
４３ 制御弁（暖機用空気供給手段）
５０ 始動触媒暖機装置（始動触媒暖機手段）
５１ 電気ヒータ触媒（始動触媒暖機手段）
５２ 第１燃料噴射ノズル（触媒暖機用燃料噴射ノズル）
５３ 第２燃料噴射ノズル（暖機用燃料供給手段）
Claims (5)
- 反応ガスを供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、
該燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器と、
前記燃焼ガスの熱を用いて前記反応ガスの原燃料を加熱し蒸発させる蒸発器である第１加熱手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼器の上流に、前記第１加熱手段から排出された燃焼ガスから熱を奪い前記オフガスに熱を与える第２加熱手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - システム始動時に前記第２加熱手段の上流から前記燃焼器の燃焼用空気を供給する暖機用空気供給手段と、
システム始動時に暖機用燃料を前記燃焼器に供給する暖機用燃料供給手段と、
を備え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。 - 前記燃焼器は触媒燃焼器であり、システム始動時に前記触媒燃焼器を暖機する始動触媒暖機手段を備え、前記暖機用燃料供給手段は前記触媒燃焼器の触媒に燃料を直接噴射せしめる燃料噴射ノズルを備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。
- 前記触媒燃焼器は、触媒を収容する触媒室と該触媒室の上流に連設された加熱室とを備え、前記加熱室に前記第２加熱手段が直結されるとともに、前記加熱室に臨んで前記始動触媒暖機手段と前記暖機用燃料供給手段の燃料噴射ノズルが設置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記始動触媒暖機手段は、電気ヒータ触媒と、該電気ヒータ触媒に燃料を噴射する触媒暖機用燃料噴射ノズルと、を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
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