JP5183083B2 - 燃料電池の改質装置 - Google Patents

Description

この発明は燃料電池の改質装置に関し、より具体的には燃料を燃焼させて改質触媒を加熱する加熱部を備える燃料電池の改質装置に関する。

従来より、燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど）と水蒸気を改質触媒で反応させ、燃料電池に供給されるべきアノードガスに改質する燃料電池の改質装置が種々提案されている。上記した改質触媒での反応（水蒸気改質反応）は吸熱反応であるため、改質触媒は外部から連続的に加熱される必要がある。

そこで、例えば特許文献１記載の技術のように、燃焼用の空気に前記燃料を混合させて予混合ガスを生成し、それを燃焼バーナで燃焼させて改質触媒を加熱する加熱部を備えるような構成が提案されている。尚、燃料電池において発電動作が行われると、加熱部には、前記した燃料に代えて、燃料電池で使用されずに排出されるアノードオフガスが燃焼用の燃料として直接供給される。
特開２００３−１４８７０９号公報（段落００１４，００２２，００２３、図２など）

ところで、前記した予混合ガスは、空気ポンプによって圧送される燃焼用の空気に燃料を混合させることで生成される。この予混合ガスを生成する際、燃料ポンプなどで燃料を圧送して空気に混合させることが考えられるが、装置全体の構成が複雑化すると共に、燃料ポンプの分だけ消費電力が増加するという不都合が生じる。

上記した不都合は、空気ポンプによって圧送される燃焼用の空気をノズルから噴出させ、その噴流の吸引・搬送力によって燃料を吸引して空気に燃料を混合させて排出するようにしたエゼクタを、空気流路と燃料流路の接続部に配置すれば、解消される。

しかしながら、燃料電池において発電動作が行われると、前述した如く、加熱部にはアノードオフガスが燃焼用の燃料として直接供給される一方、加熱部への前記燃料の供給が停止される。このとき、エゼクタには空気ポンプから圧送される空気のみが流通させられるため、エゼクタの流路抵抗によって圧力損失が生じ、結果として空気ポンプの負荷が増大し、その分だけ消費電力も増加するという不具合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、加熱部で燃焼される予混合ガスを、装置全体の構成を複雑化させることなく、生成すると共に、空気ポンプの負荷を軽減させ、消費電力も低減させるようにした燃料電池の改質装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１にあっては、燃料を燃焼させて改質触媒を加熱する加熱部と、空気ポンプによって圧送されて前記加熱部に供給される空気を流通させる空気流路と、前記空気流路に接続されると共に、前記燃料を流通させる燃料流路と、前記加熱された改質触媒で前記燃料と水蒸気を燃料電池に供給されるべきアノードガスに改質する改質部とを備えた燃料電池の改質装置において、前記空気流路と前記燃料流路の接続部に配置され、前記加熱部に供給される空気に前記燃料を混合させて排出するエゼクタと、前記燃料流路に配置され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが前記加熱部に燃焼用の燃料として供給されたとき、前記加熱部への前記燃料の供給を遮断する遮断弁と、前記加熱部への前記燃料の供給が遮断された後、前記エゼクタの流路抵抗を減少させる流路抵抗減少手段とを備え、前記流路抵抗減少手段は、前記エゼクタにおける前記空気の流量面積を調整自在な流量面積調整手段を備えると共に、前記加熱部への前記燃料の供給が遮断された後、前記空気の流量面積を増加させ、よって前記エゼクタの流路抵抗を減少させるように構成した。

請求項１に係る燃料電池の改質装置にあっては、空気ポンプによって圧送されて加熱部に供給される空気を流通させる空気流路と燃料を流通させる燃料流路の接続部に配置され、空気に燃料を混合させて排出するエゼクタ（詳しくは、空気に燃料を混合させて予混合ガスを生成し、加熱部へ向けて排出するエゼクタ）を備えるように構成したので、加熱部で燃焼される予混合ガスを、燃料を圧送する燃料ポンプなどを必要とすることなく、即ち、装置全体の構成を複雑化させることなく、生成することができる。

また、燃料流路に配置され、燃料電池から排出されるアノードオフガスが加熱部に燃焼用の燃料として供給されたとき、加熱部への燃料の供給を遮断する遮断弁を備え、加熱部への燃料の供給が遮断された後、エゼクタの流路抵抗を減少させるように構成、即ち、加熱部への燃料の供給が遮断弁によって遮断され、空気ポンプから圧送される空気のみがエゼクタに流通させられるとき、エゼクタの流路抵抗を減少させるように構成したので、空気がエゼクタを通過することによって生じる圧力損失を減少させることができ、結果として空気ポンプの負荷を軽減できると共に、空気ポンプの消費電力も低減させることができる。

また、エゼクタにおける空気の流量面積を調整自在とすると共に、加熱部への燃料の供給が遮断された後、空気の流量面積を増加させ、よってエゼクタの流路抵抗を減少させるように構成したので、空気がエゼクタを通過することによって生じる圧力損失を確実に減少させることができ、結果として空気ポンプの負荷を効果的に軽減できると共に、空気ポンプの消費電力もより一層低減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装置の最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の改質装置を燃料電池も含めて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、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１４と、燃料電池１０から排出されたカソードガス（以下「カソードオフガス」という）を排気する排気系１６と、燃料電池１０で使用されずに排出されたアノードガス（未反応ガス。以下「アノードオフガス」という）を後述する改質装置に還流させる還流系２０が接続される。

カソードガス供給系１２は、その一端が大気（空気）に開放される一方、他端が燃料電池１０のカソード極の入口（図示せず）に接続され、カソードガスを流通させるカソードガス流路２２と、カソードガス流路２２に配置されて空気の粉塵を除去するエアフィルタ（エアクリーナ）２４と、エアフィルタ２４の下流側に配置され、エアフィルタ２４を通過した空気を燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２６と、カソードガスポンプ２６の下流側に配置され、カソードガスを加湿する加湿器２８から構成される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体（あるいは流体）の流れ方向における上流、下流を意味する。

アノードガス供給系１４は、燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガスなど）と水蒸気を、燃料電池１０のアノード極に供給されるべき水素を含有したアノードガスに改質する改質装置３０と、改質装置３０を燃料電池１０のアノード極の入口（図示せず）に接続すると共に、アノードガスを流通させるアノードガス流路３２を備える。この改質装置３０については、後に詳説する。

排気系１６は、その一端が燃料電池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、カソードオフガスを流通させるカソードオフガス流路３４からなる。カソードオフガス流路３４の途中には、図示の如く、前記した加湿器２８が配置される。

還流系２０は、燃料電池１０のアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出口（図示せず）を改質装置３０に接続すると共に、アノードオフガスを流通させるアノードオフガス流路３６からなる。

また、燃料電池１０は、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子３８を備えると共に、出力端子３８には電力制御系４０が接続される。電力制御系４０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）４２と、直流電流を所定の周波数の交流電流に変換するインバータ４４と、インバータ４４を電気負荷（交流電源機器）４６に接続する電力線５０と、電力線５０に接続される電流センサ５２などから構成される。電流センサ５２は、電力線５０を流れる交流電力の電流に応じた信号を出力し、ＥＣＵ４２に送出する。ＥＣＵ４２は、検出値に基づき、改質装置３０など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、上記した各構成要素の他に、燃料電池１０を冷却する冷却系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、図示および説明を省略する。

次いで、燃料電池の改質装置３０について説明する。

図１に示すように、改質装置３０は、燃料あるいはアノードオフガスを燃焼させて改質触媒（図示せず）を加熱する加熱部（具体的には、燃焼バーナ。燃焼部）５４ａと、加熱された改質触媒で燃料と水蒸気を燃料電池１０に供給されるべきアノードガスに改質する改質部５４ｂなどからなる改質器５４を備える。改質部５４ｂの改質触媒の付近には、改質触媒の温度に応じた信号をＥＣＵ４２へ出力する改質触媒温度センサ５４ｂ１が設けられる。

改質装置３０はさらに、改質器５４の加熱部５４ａに供給される空気を流通させる第１の空気流路（空気流路）５６ａと、改質器５４の改質部５４ｂなどに供給される燃料を流通させる第１の燃料流路６０ａと、改質部５４ｂに供給されて改質に使用される水（以下「改質用水」という）を流通させる改質用水流路６２を有する。

第１の空気流路５６ａには、空気の粉塵を除去するエアフィルタ６４と、エアフィルタ６４の下流側に配置されてエアフィルタ６４を通過した空気を、燃焼に用いられる空気（以下「燃焼空気」という）として加熱部５４ａに圧送する燃焼空気ポンプ（空気ポンプ）６６と、燃焼空気ポンプ６６の下流側に配置されるエゼクタ７０が設けられる。

第１の空気流路５６ａの燃焼空気ポンプ６６とエゼクタ７０の間には分岐弁（３方電磁弁）７２が取り付けられると共に、分岐弁７２を介してエゼクタ７０をバイパスするバイパス路７４が接続される。換言すれば、第１の空気流路５６ａには、第１の空気流路５６ａから分岐弁７２を介して分岐されてエゼクタ７０をバイパスして前記第１の空気流路５６ａに合流されるバイパス路７４が接続される。これにより、燃焼空気ポンプ６６から排出された燃焼空気は、分岐弁７２の動作に応じてエゼクタ７０とバイパス路７２のいずれかを流通させられた後、加熱部５４ａに供給されることとなる。尚、バイパス路７４は、空気がその内部を通過するときに発生する圧力損失が比較的少なくなるように設定される。

第１の空気流路５６ａのエアフィルタ６４には、改質器５４の改質部５４ｂに供給される空気（以下「改質空気」という）を流通させる第２の空気流路５６ｂが接続される。第２の空気流路５６ｂには、エアフィルタ６４を通過した空気を改質部５４ｂに圧送する改質空気ポンプ７６と、改質空気ポンプ７６の下流側に配置されて第２の空気流路５６ｂを開閉する第１の開閉弁（電磁弁）８０が設置される。

第１の燃料流路６０ａには、第１の燃料流路６０ａを開閉する第２の開閉弁（電磁弁）８２と、第２の開閉弁８２の下流側に配置されて燃料（都市ガス）の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器８４と、脱硫器８４の下流側に配置され、脱硫器８４を通過した燃料を改質部５４ｂに圧送する燃料ポンプ８６と、燃料ポンプ８６の下流側に配置されて第１の燃料流路６０ａを開閉する第３の開閉弁（電磁弁）９０が設けられる。

また、第１の燃料流路６０ａにおいて、燃料を改質器５４の加熱部５４ａに燃焼用の燃料として流通させる第２の燃料流路（燃料流路）６０ｂが、脱硫器８４と燃料ポンプ８６の間から分岐される。第２の燃料流路６０ｂには、第２の燃料流路６０ｂを開閉（遮断）する第４の開閉弁（電磁弁。遮断弁）９２が配置されると共に、その下流側の端部は前記した第１の空気流路５６ａ、正確には、エゼクタ７０に接続される。即ち、エゼクタ７０は、第１の空気流路５６ａと第２の燃料流路６０ｂの接続部に配置される。

エゼクタ７０においては、燃焼空気ポンプ６６から圧送されて第１の空気流路５６ａと分岐弁７２を介して供給される燃焼空気が駆動流体、第２の燃料流路６０ｂを介して供給される燃料が２次気体となるように、第１の空気流路５６ａおよび第２の燃料流路６０ｂが取り付けられる。それにより、エゼクタ７０は、燃焼空気が通過することによって生じる吸引・搬送力によって燃料を吸引して排出することができる。別言すれば、エゼクタ７０は燃焼空気に燃料を混合させて予混合ガスを生成し、それを加熱部５４ａに向けて排出する。

改質用水流路６２には、改質用水を改質部５４ｂに圧送する送水ポンプ９４と、送水ポンプ９４の下流側に配置されて改質用水流路６２を開閉する第５の開閉弁（電磁弁）９６が設置される。

上記した第１から第５の開閉弁８０，８２，９０，９２，９６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。換言すれば、第１から第５の開閉弁８０，８２，９０，９２，９６は、いずれもノーマル・クローズ型の電磁弁（非通電時に閉弁し、通電時（励磁されるとき）に開弁する電磁弁）である。

尚、改質装置３０の改質器５４の加熱部５４ａには、図示の如く、加熱部５４ａで発生する燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路１００が接続される。

次いで、上記の如く構成された燃料電池１０および燃料電池の改質装置３０を前提に、ＥＣＵ４２などで実行される、改質装置３０の改質動作の制御について、図１，２を参照して説明する。

図２は、改質装置３０の改質動作の制御を示すフロー・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、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスが加熱部５４ａに供給されているか否か判断する。

即ち、後述するように、燃料電池１０において発電動作が開始されると、加熱部５４ａにはアノードオフガスが燃焼用の燃料として供給される。そのため、Ｓ１２にあっては、燃料電池１０の発電動作を検出（例えば、電流センサ５２の出力の有無などを検出）することで、アノードオフガスが加熱部５４ａに供給されているか否か判断する。

燃料電池１０においては未だ発電動作が開始されていないことから、Ｓ１２の判断は否定されてＳ１４に進み、第２の開閉弁８２と第４の開閉弁９２を共に開弁する。これにより、都市ガス供給源（図示せず）から供給される燃料は、第１の燃料流路６０ａ、第２の開閉弁８２を介して脱硫器８４に供給されて付臭剤が除去され、その後第２の燃料流路６０ｂ、第４の開閉弁９２を介してエゼクタ７０に供給される。

次いでＳ１６に進み、第１の空気流路５６ａの燃焼空気がエゼクタ７０を通過するように分岐弁７２を駆動させ、Ｓ１８に進んで燃焼空気ポンプ６６を駆動させる。これにより、燃焼空気ポンプ６６によって吸引され、エアフィルタ６４で粉塵が除去された燃焼空気は、第１の空気流路５６ａ、分岐弁７２を介してエゼクタ７０に供給される。

エゼクタ７０は、上記した如く、燃焼空気と燃料が供給されると、燃焼空気に燃料を混合させて予混合ガスを生成し、加熱部５４ａに向けて排出する。加熱部５４ａはエゼクタ７０から供給された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって改質部５４ｂの改質触媒を加熱する。尚、加熱部５４ａでの燃焼によって発生した燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路１００を介して大気中に排出（排気）される。

次いでＳ２０に進み、改質触媒温度センサ５４ｂ１の出力に基づいて、改質触媒が所定温度、具体的には改質可能な温度（例えば、７００［℃］程度）以上か否か判断する。Ｓ２０で否定されるときは上記判断を繰り返す一方、肯定されるとき、即ち、改質触媒が改質可能な温度まで加熱されるとき、Ｓ２２に進み、第１、第３、第５の開閉弁８０，９０，９６を開弁し、Ｓ２４に進んで改質空気ポンプ７６、燃料ポンプ８６および送水ポンプ９４を駆動させる。

これにより、改質部５４ｂには、改質空気、燃料および改質用水が供給され、改質動作が開始される。具体的には、改質部５４ｂにおいて、改質用水と改質空気が混合され、混合された改質用水と改質空気は加熱部５４ａなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。その水蒸気は燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒に供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された燃料と水蒸気からアノードガスが生成される。このようにして燃料電池の改質装置３０（正確には、改質装置３０の改質器５４の改質部５４ｂ）は、燃料と水蒸気を燃料電池１０に供給されるべきアノードガスに改質する。

改質装置３０で生成されたアノードガスは、アノードガス流路３２を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。また、燃料電池１０のカソード極には、図示しないプログラムにおいて駆動されたカソードガスポンプ２６によってカソードガスが供給される。

燃料電池１０においては、カソード極に供給されたカソードガスはアノード極に供給されたアノードガスと電気化学反応を生じる、即ち、発電動作が開始される。電気化学反応によって燃料電池１０が発生した電力（直流電流）は、出力端子３８から取り出され、その一部がＥＣＵ４２やカソードガスポンプ２６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４４、電力線５０を介して電気負荷４６に供給される。

燃料電池１０から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３４を介して加湿器２８に供給され、そこでカソードガス流路２２を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排出（排気）される。即ち、カソードオフガスは、発電によって生成された水分（生成水）を多く含むため、カソードガスを加湿するべく加湿器２８を通過させられた後、排気される。

燃料電池１０の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路３６を介して加熱部５４ａ（正確には、加熱部５４ａの燃焼バーナ）に、燃焼用の燃料として直接供給される。

燃料電池１０において発電動作が開始されてアノードオフガスが加熱部５４ａに供給されると、図２フロー・チャートのＳ１２での判断は肯定され、Ｓ２６に進み、第４の開閉弁９２を閉弁する。このように、燃料電池１０が発電動作中であるときは、アノードオフガスが燃焼用の燃料として加熱部５４ａに供給されるため、加熱部５４ｂへの燃料の供給は第４の開閉弁９２を閉弁することで遮断（停止）される。

次いでＳ２８に進み、燃焼空気がバイパス路７４を流通するように分岐弁７２を駆動させる。これにより、燃焼空気ポンプ６６によって吸引された燃焼空気は、第１の空気流路５６ａ、分岐弁７２およびバイパス路７４を介して加熱部５４ａに供給される。即ち、加熱部５４ａへの燃料の供給が遮断された後は、燃焼空気をバイパス路７４に流通させる、逆に言えば、エゼクタ７０を通過させないようにし、よってエゼクタ７０の流路抵抗を（回避）減少させる。

このように、第１実施例に係る燃料電池の改質装置３０にあっては、燃焼空気ポンプ６６によって圧送されて加熱部５４ａに供給される空気を流通させる第１の空気流路５６ａと燃料を流通させる第２の燃料流路６０ｂの接続部に配置され、燃焼空気に燃料を混合させて排出するエゼクタ７０（詳しくは、燃焼空気に燃料を混合させて予混合ガスを生成し、加熱部５４ａへ向けて排出するエゼクタ７０）を備えるように構成したので、加熱部５４ａで燃焼される予混合ガスを、燃料を圧送する燃料ポンプなどを必要とすることなく、即ち、装置全体の構成を複雑化させることなく、生成することができる。

また、第２の燃料流路６０ｂに配置され、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスが加熱部５４ａに燃焼用の燃料として供給されたとき（換言すれば、燃料電池１０において発電動作が行われたとき）、加熱部５４ａへの燃料の供給を遮断する第４の開閉弁（遮断弁）９２を備え、加熱部５４ａへの燃料の供給が遮断された後、エゼクタ７０の流路抵抗を減少させるように構成、即ち、加熱部５４ａへの燃料の供給が第４の開閉弁９２によって遮断され、燃焼空気ポンプ６６から圧送される空気のみがエゼクタ７０に流通させられるとき、エゼクタ７０の流路抵抗を減少させるように構成したので、燃焼空気がエゼクタ７０を通過することによって生じる圧力損失を減少させることができ、結果として燃焼空気ポンプ６６の負荷を軽減できると共に、その消費電力も低減させることができる。

具体的には、第１の空気流路５６ａに分岐弁７２を介して接続されてエゼクタ７０をバイパスするバイパス路７４を備えると共に、加熱部５４ａへの燃料の供給が第４の遮断弁９２によって遮断された後、燃料空気をバイパス路７４に流通させ、よってエゼクタ７０の流路抵抗を減少（回避）させるように構成したので、比較的簡素な構成でありながら、燃焼空気がエゼクタ７０を通過することによって生じる圧力損失を回避することができ、燃焼空気ポンプ６６の負荷を効果的に軽減できると共に、燃焼空気ポンプ６６の消費電力もより一層低減させることができる。

次いで、この発明の第２実施例に係る燃料電池の改質装置３０について説明する。

図３は、この発明の第２実施例に係る燃料電池の改質装置３０を燃料電池１０も含めて全体的に示す、図１と同様な概略図である。

以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、図３に示すように、第１実施例の分岐弁７２とバイパス路７４を除去する一方、前記したエゼクタ７０に代えて燃焼空気の流量を調整自在な可変流量エゼクタ７０ａを備えるように構成した。

図４は、図３に示す可変流量エゼクタ７０ａを拡大して示す拡大側断面図である。

図４に示す如く、可変流量エゼクタ７０ａは、予混合ガスを拡散させつつ排出するディフューザ７０ａ１と、燃焼空気に燃料を混合させる混合室７０ａ２と、混合室７０ａ２の内部に配置されるノズル７０ａ３と、ノズル７０ａ３に取り付けられるニードル弁７０ａ４と、ニードル弁７０ａ４に取り付けられる第１，第２ダイアフラム７０ａ５，７０ａ６などからなる。

ディフューザ７０ａ１は、比較的小径のスロート部７０ａ７と、スロート部７０ａ７から下流側（図４において右側）に向けて拡径するように形成される流路７０ａ８を備える。スロート部７０ａ７の上流側（図４において左側）には、前記した混合室７０ａ２が形成される。混合室７０ａ２には第２の燃料流路６０ｂが接続され、燃料が流入する。

ノズル７０ａ３は、燃焼空気が流通する流路７０ａ９がその内部に形成される。流路７０ａ９の上流側は第１ダイアフラム７０ａ５が取り付けられて閉塞される一方、下流側は噴口（開口部）７０ａ１０が穿設されて混合室７０ａ２に連通させられる。流路７０ａ９には第１の空気流路５６ａが接続され、燃焼空気が流入する。これにより、流路７０ａ９の燃焼空気がノズル７０ａ３の噴口７０ａ１０から噴射されるとき、第２の燃料流路６０ｂの燃料は燃焼空気の噴流の吸引・搬送力によって混合室７０ａ２に吸引される、即ち、混合室７０ａ２において燃焼空気に燃料が混合されて予混合ガスが生成され、その予混合ガスが流路７０ａ８を介して加熱部５４ａに向けて排出される。

流路７０ａ９内であってノズル７０ａ３と同軸上の位置には、ニードル弁７０ａ４が、ニードル弁保持部７０ａ１１によって保持されつつ噴口７０ａ１０に対して移動自在に収容される。ニードル弁７０ａ４の尖端には縮径部７０ａ１２が形成される。従って、ニードル弁７０ａ４が図面において右側へ移動し、縮径部７０ａ１２がノズルの噴口７０ａ１０に当接させられるとき、ニードル弁７０ａ４は噴口７０ａ１０を閉鎖する。

ニードル弁７０ａ４には、前述した如く、流路７０ａ９の上流側を閉塞する第１ダイアフラム７０ａ５と、第１ダイアフラム７０ａ５に所定距離だけ離間して配置される第２ダイアフラム７０ａ６が取り付けられる。第１ダイアフラム７０ａ５と第２ダイアフラム７０ａ６の間に形成される燃料導入室７０ａ１３には、混合室７０ａ２と同様、第２の燃料流路６０ｂが接続され、燃料が流入する（導入される）。また、第２ダイアフラム７０ａ６と可変流量エゼクタ７０ａの筐体の間に形成される予混合ガス導入室７０ａ１４には、ディフューザ７０ａ１から分岐される予混合ガス導入路７０ａ１５が接続され、予混合ガスが流入する（導入される）。これにより、第１ダイアフラム７０ａ５には、流路７０ａ９に流入した燃焼空気と燃料導入室７０ａ１３に流入した燃料の差圧が作用する一方、第２ダイアフラム７０ａ６には、予混合ガス導入室７０ａ１４に流入した予混合ガスと燃料導入室７０ａ１３に流入した燃料の差圧が作用する。

上記の如く構成された可変流量エゼクタ７０ａにあっては、第１、第２ダイアフラム７０ａ５，７０ａ６の移動（弾性変形）によってニードル弁７０ａ４が軸方向に移動させられ、縮径部７０ａ１２の外周面７０ａ１６と噴口７０ａ１０の内周面７０ａ１７との間隙の面積（噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積）、換言すれば、燃焼空気の流量が調整される。

従って、第１、第２ダイアフラム７０ａ５，７０ａ６（正確には、第１、第２ダイアフラム７０ａ５，７０ａ６の面積など）を適宜に設定することで、噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積を調整自在とすることができる。具体的には、第１、第２ダイアフラム７０ａ５，７０ａ６は、燃料が燃料導入室７０ａ１３に供給されるとき、図４に示す如く、弾性変形しない状態となるように設定される。この状態において、ニードル弁７０ａ４は、噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積が所定値となるように、より具体的には、噴口７０ａ１０から噴射される燃焼空気の流量が燃料を吸引可能な流量となるように位置させられる。

そのため、燃料が燃料導入室７０ａ１３に供給されないときは燃料導入室７０ａ１３が負圧になり、ニードル弁７０ａ４は、図４に想像線で示すように、左側に移動して噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積が増加する。このように、燃料が燃料導入室７０ａ１３に供給されるか否かによって、噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積は調整される。

尚、可変流量エゼクタ７０ａの詳細は、本出願人が先に提案した特開２００２―２２７７９９号公報に記載されているので、これ以上の説明は省略する。

図５は図３に示す改質装置３０の改質動作の制御を部分的に示す、図２フロー・チャートの一部と同様なフロー・チャートである。

以下説明すると、第２実施例にあっては、Ｓ１２で否定されてＳ１４に進み、第２の開閉弁８２と第４の開閉弁９２を共に開弁し、可変流量エゼクタ７０ａの燃料導入室７０ａ１３と混合室７０ａ２に燃料を供給した後、Ｓ１６ａに進む。Ｓ１６ａでは、燃料導入室７０ａ１３への燃料の供給によって、可変流量エゼクタ７０ａ（正確には、可変流量エゼクタ７０ａのニードル弁７０ａ４）が、噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積が前記した所定値となるように、駆動される。

次いでＳ１８に進み、燃焼空気ポンプ６６を駆動させる。これにより、可変流量エゼクタ７０ａは、混合室７０ａ２において燃焼空気に燃料を混合させて予混合ガスを生成し、それをスロート部７０ａ７と流路７０ａ８（ディフューザ７０ａ１）を介して加熱部５４ａに向けて排出する。

一方、Ｓ１２の判断が肯定、即ち、燃料電池１０が発電動作中であってアノードオフガスが加熱部５４ａに供給されるとき、Ｓ２６に進み、第４の開閉弁９２を閉弁して可変流量エゼクタ７０ａの燃料導入室７０ａ１３と混合室７０ａ２への燃料の供給を遮断（停止）する。

次いでＳ２８ａに進み、燃料導入室７０ａ１３への燃料の供給が遮断されたことによって、可変流量エゼクタ７０ａは、第１、第２のダイアフラム７０ａ５，７０ａ６が弾性変形してニードル弁７０ａ４が左側に移動、即ち、噴口７０ａ１０における燃焼空気の流量面積が前記所定値に比して増加するように、駆動される。このように、第４の開閉弁９２を閉弁して加熱部５４ａへの燃料の供給が遮断された後、燃焼空気の流量面積を増加させ、よって可変流量エゼクタ７０ａの流路抵抗を減少させる。

このように、第２実施例に係る燃料電池の改質装置３０にあっては、エゼクタにおける空気の流量面積を調整自在とする、即ち、可変流量エゼクタ７０ａを備えると共に、加熱部５４ａへの燃料の供給が遮断された後、燃焼空気の流量面積を増加させ、よって可変流量エゼクタ７０ａの流路抵抗を減少させるように構成したので、燃焼空気が可変流量エゼクタ７０ａを通過することによって生じる圧力損失を確実に減少させることができ、結果として燃焼空気ポンプ６６の負荷を効果的に軽減できると共に、燃焼空気ポンプ６６の消費電力もより一層低減させることができる。

尚、残余の構成および効果は、第１実施例のそれと異ならない。

以上の如く、この発明の第１および第２実施例にあっては、燃料を燃焼させて改質触媒を加熱する加熱部５４ａと、空気ポンプ（燃焼空気ポンプ）６６によって圧送されて前記加熱部５４ａに供給される空気（燃焼空気）を流通させる空気流路（第１の空気流路）５６ａと、前記空気流路５６ａに接続されると共に、前記燃料を流通させる燃料流路（第２の燃料流路）６０ｂと、前記加熱された改質触媒で前記燃料と水蒸気を燃料電池１０に供給されるべきアノードガスに改質する改質部５４ｂとを備えた燃料電池の改質装置３０において、前記空気流路５６ａと前記燃料流路６０ｂの接続部に配置され、前記加熱部５４ｂに供給される空気に前記燃料を混合させて排出するエゼクタ７０，７０ａと、前記燃料流路６０ｂに配置され、前記燃料電池１０から排出されるアノードオフガスが前記加熱部５４ａに燃焼用の燃料として供給されたとき、前記加熱部５４ａへの前記燃料の供給を遮断する遮断弁（第４の開閉弁）９２（Ｓ２６）と、前記加熱部５４ａへの前記燃料の供給が遮断された後、前記エゼクタ７０，７０ａの流路抵抗を減少させる流路抵抗減少手段（分岐弁７２、バイパス路７４。可変流量エゼクタ７０ａのニードル弁７０ａ４など。Ｓ２８，Ｓ２８ａ）とを備えるように構成した。

また、第１実施例にあっては、前記流路抵抗減少手段は、前記空気流路５６ａに分岐弁７２を介して接続されて前記エゼクタ７０をバイパスするバイパス路７４を備えると共に、前記加熱部５４ａへの前記燃料の供給が遮断された後、前記空気を前記バイパス路７４に流通させ、よって前記エゼクタ７０の流路抵抗を減少させる（Ｓ２８）ように構成した。

また、第２実施例にあっては、前記エゼクタにおける前記空気の流量面積を調整自在な流量面積調整手段（可変流量エゼクタ７０ａのニードル弁７０ａ４など）を備えると共に、前記加熱部５４ａへの前記燃料の供給が遮断された後、前記空気の流量面積を増加させ、よって前記エゼクタ７０ａの流路抵抗を減少させる（Ｓ２８ａ）ように構成した。

尚、上記において、第１の空気流路５６ａに分岐弁７２を介してバイパス路７４を接続するように構成したが、分岐弁７２に代え、第１の空気流路５６ａとバイパス路７４の分岐点とエゼクタ７０の間、およびバイパス路７４の途中にそれぞれ開閉弁（シャット弁）配置し、各開閉弁の動作を制御することで燃焼空気をエゼクタ７０あるいはバイパス路７４に流通させるように構成しても良い。

また、燃料電池１０の発電動作を検出することで、アノードオフガスが加熱部５４ａに供給されているか否か判断するように構成したが、それに限られるものではなく、例えばアノードオフガス流路３６にアノードオフガスを検出可能なセンサを配置し、そのセンサの出力に基づいて上記判断を行うように構成しても良い。

また、ニードル弁７０ａ４を軸方向に変位させて可変流量エゼクタ７０ａを通過する燃焼空気の流量面積を増減させるように構成したが、それに限られるものではなく、要は流量面積を調整自在な構成を備えたエゼクタであれば良い。

また、第１から第５の開閉弁８０，８２，９０，９２，９６と分岐弁７２を、いずれも通電時に開弁あるいは流路を切り替える電磁弁からなるように構成したが、消費電力低減の観点から、弁を開閉するときあるいは流路を切り替えるときのみ通電されて動作するような電磁弁であっても良い。

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良い。

また、燃料として都市ガスを使用するよう構成したが、ＬＰガスなどであっても良い。

また、改質触媒が改質可能な温度などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。

この発明の第１実施例に係る燃料電池の改質装置を燃料電池も含めて全体的に示す概略図である。 図１に示す改質装置の改質動作の制御を示すフロー・チャートである。 この発明の第２実施例に係る燃料電池の改質装置を燃料電池も含めて全体的に示す、図１と同様な概略図である。 図３に示す可変流量エゼクタを拡大して示す拡大側断面図である。 図３に示す改質装置の改質動作の制御を部分的に示す、図２フロー・チャートの一部と同様なフロー・チャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池、３０ 改質装置、５４ａ 加熱部、５４ｂ 改質部、５６ａ 第１の空気流路（空気流路）、６０ｂ 第２の燃料流路（燃料流路）、６６ 燃焼空気ポンプ（空気ポンプ）、７０ エゼクタ、７０ａ 可変流量エゼクタ、７０ａ４ ニードル弁、７２ 分岐弁、７４ バイパス路、９２ 第４の開閉弁（遮断弁）

Claims (1)

1. 燃料を燃焼させて改質触媒を加熱する加熱部と、空気ポンプによって圧送されて前記加熱部に供給される空気を流通させる空気流路と、前記空気流路に接続されると共に、前記燃料を流通させる燃料流路と、前記加熱された改質触媒で前記燃料と水蒸気を燃料電池に供給されるべきアノードガスに改質する改質部とを備えた燃料電池の改質装置において、前記空気流路と前記燃料流路の接続部に配置され、前記加熱部に供給される空気に前記燃料を混合させて排出するエゼクタと、前記燃料流路に配置され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが前記加熱部に燃焼用の燃料として供給されたとき、前記加熱部への前記燃料の供給を遮断する遮断弁と、前記加熱部への前記燃料の供給が遮断された後、前記エゼクタの流路抵抗を減少させる流路抵抗減少手段とを備え、前記流路抵抗減少手段は、前記エゼクタにおける前記空気の流量面積を調整自在な流量面積調整手段を備えると共に、前記加熱部への前記燃料の供給が遮断された後、前記空気の流量面積を増加させ、よって前記エゼクタの流路抵抗を減少させることを特徴とする燃料電池の改質装置。

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