JP3700603B2 - 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、特に起動用燃焼器を備えた燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
起動用燃焼器を備えた燃料電池システムとして、例えば特開２０００−６３１０４号公報に記載のものがある。これは、起動用燃焼機構がインジェクタ４８とグロープラグ４９とを備え、改質器２６が起動して改質用燃料ガスが改質触媒層に供給された時点でインジェクタ４８からの燃料噴射を停止することで始動用燃焼機構の運転を中止するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、始動用燃焼機構を停止するときにはインジェクタからの燃料噴射のみを停止する構成となっており、起動用燃焼機構を燃料リッチの空燃比で運転した場合には、完全に停止するまでの間に空燃比がリッチ側からリーン側へと変化していき、その途中で理論空燃比となる時期が発生し、このときに発生する高温燃焼ガスによって改質器の改質触媒が失活する可能性があるという問題がある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決する燃料電池システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料と水とを原燃料とする原燃料蒸気から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒と、起動時に燃料と酸化剤との混合気を燃焼させた燃焼ガスを改質触媒に導入する起動用燃焼器と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックとを備える燃料電池システムにおいて、前記起動用燃焼器停止時における起動用燃焼器内の混合気の空燃比が、起動用燃焼器運転時の空燃比と理論空燃比との差をさらに大きくした空燃比となるように起動用燃焼器に対する燃料と空気の供給を停止するコントロールユニットを備える。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記コントロールユニットは、前記起動用燃焼器がリッチ空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される空気、燃料の停止は空気、燃料の順に停止するように制御する。
【０００７】
第３の発明は、第２に記載の発明において、前記コントロールユニットは、空気供給停止後に起動用燃焼器停止時の空燃比が可燃限界空燃比よりリッチ空燃比となる量の燃料を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するように制御する。
【０００８】
第４の発明は、第２の発明において、前記コントロールユニットは、空気供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる燃料量を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するように制御する。
【０００９】
第５の発明は、第２から４のいずれか一つの発明において、前記起動用燃焼器の停止後に起動用燃焼器内に残留した燃料を気化させるガスを導入する。
【００１０】
第６の発明は、第５の発明において、前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒を備え、前記起動用燃焼器から排出される残留気化燃料は燃焼触媒に供給される。
【００１１】
第７の発明は、第５の発明において、前記ガスは改質ガスである。
【００１２】
第８の発明では、第５の発明において、前記ガスは空気である。
【００１３】
第９の発明は、第５の発明において、前記ガスはアノード排ガスまたはカソード排ガスの少なくとも一方である。
【００１４】
第１０の発明は、第１の発明において、前記起動用燃焼器がリーン空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される燃料、空気の停止は燃料、空気の順に停止される。
【００１５】
第１１の発明は、第１０の発明において、燃料供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる量の空気を供給した後に空気の供給を停止する。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料電池システムにおいて、起動用燃焼器停止時における起動用燃焼器内の混合気の空燃比は、コントロールユニットが起動用燃焼器運転時の空燃比と理論空燃比との差が大きくなるように、つまり、運転時の空燃比がリッチ空燃比のときにはよりリッチ側に、リーン空燃比のときにはよりリーン側になるように起動用燃焼器に供給される燃料と空気とを制御するので、起動用燃焼器内の燃焼温度を運転時の燃焼温度以上にすることなく停止することができ、下流に位置する改質触媒に高温の燃焼ガスが導入されることがなく、改質触媒の失活を防止できる。
【００１７】
第２の発明では、起動用燃焼器がリッチ空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される空気、燃料の停止は空気、燃料の順で停止されるので、確実に燃料リッチな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止し、かつ起動用燃焼器内の温度を低下させて停止できる。
【００１８】
第３の発明では、空気供給停止後に起動用燃焼器停止時の空燃比が可燃限界空燃比よりリッチ空燃比となる量の燃料を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するので、確実に燃料リッチな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止できる。
【００１９】
第４の発明では、起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる燃料量を空気供給停止後に起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するので、確実に燃料リッチな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止できるとともに、起動用燃焼器内に空気等の酸化ガスが流入する場合にも確実に着火を防止できる。
【００２０】
第５の発明では、起動用燃焼器の停止後に起動用燃焼器内に残留した燃料を気化させるガスを導入するので、起動用燃焼器の温度を速やかに低下させることができるとともに起動用燃焼気内に燃料を残留させることがなく、次回の起動時に残留燃料による着火性、運転性の悪化を抑制できる。
【００２１】
第６の発明では、燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒を備え、起動用燃焼器から排出される残留気化燃料は燃焼触媒に供給されるので、燃料を有効利用でき、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００２２】
第７の発明では、ガスは改質ガスであるので、酸素のほとんど含まない改質ガスも導入して燃料を気化することにより燃料に着火することなく燃料を掃気することができる。
【００２３】
第８の発明では、ガスは空気であるので、新たな配管等の追加を抑制でき、燃料電池システムのコスト上昇を抑制できる。
【００２４】
第９の発明では、ガスはアノード排ガスまたはカソード排ガスの少なくとも一方であるので、比較的多量に燃料を追加供給する場合でも比較的長時間に渡って起動用燃焼器内を掃気できるため起動用燃焼器内に燃料が残留することがなく、次回の起動時に残留燃料による着火性、運転性の悪化を抑制できる。
【００２５】
第１０の発明では、起動用燃焼器がリーン空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される燃料、空気の停止は燃料、空気の順に停止されるので、確実に燃料リーンな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止し、かつ起動用燃焼器内の温度を低下させて停止できる
第１１の発明では、燃料供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる量の空気を供給した後に空気の供給を停止するので、燃料リーンな状態を保ちつつ燃焼温度の上昇を伴わずに確実に燃焼を停止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの構成を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施形態の構成を説明する図である。本燃料電池システムは、カソード極１ａとアノード極１ｂを備えた燃料電池スタック１と、カソード極１ａに酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ２と、アノード極１ｂに供給される改質ガスの生成および改質ガスの一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）を除去する改質触媒部３およびＣＯ除去部４と、改質触媒部３に気化原燃料を供給する蒸発器５と、蒸発器５に原燃料としてのメタノールと水を供給するメタノールタンク６と水タンク７と、原燃料を気化するための燃焼ガスを生成して、蒸発器５に導入する燃焼触媒部９と、燃焼触媒部９にアノード排ガス、カソード排ガス、あるいは改質ガスと空気を供給する混合器８を備える。さらにメタノールと空気をメタノールリッチ状態で燃焼させる起動用燃焼器１０と、この燃焼ガスを改質触媒部３での改質反応に必要な成分に調整する予混合器１１とを備える。
【００２８】
コンプレッサ２から供給される空気はカソード極１ａに供給されるとともにその一部が混合器８、起動用燃焼器１０および予混合器１１に供給されるように構成されており、それぞれの供給経路には流量制御弁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設置される。
【００２９】
またメタノールタンク６から供給されるメタノールはポンプ１３によって蒸発器５に流量制御弁１４を介して供給されるとともに、その一部は起動用燃焼器１０に備えられた燃料用インジェクタ１５および予混合器１１に備えられた燃料用インジェクタ１６に供給される。
【００３０】
水タンク７の水はポンプ１７によって蒸発器５に供給され、その供給経路の途中に流量制御弁１８を備える。
【００３１】
燃料電池スタック１から排出されるカソード排ガスとアノード排ガスは混合器８に導入されて、燃焼触媒部９で燃焼される。これら排ガスが混合器８に導入される経路の途中にはそれぞれ流量制御弁１９、２０が設置される。
【００３２】
さらには起動用燃焼器１０から排出される燃焼ガスの温度を検出する温度センサ２１、予混合器１１から排出される気化原燃料の温度を検出する温度センサ２２、蒸発器５内の温度を検出する温度センサ２３および蒸発器５から排出される気化原燃料の温度と圧力を検出する温度センサ２４と圧力センサ２５が備えられる。さらに改質触媒部３から排出された改質ガスの濃度を検出する濃度センサ２６が設けられて、その下流には改質ガスの流れを制御する制御弁２７が設置されて、改質ガスのガス組成（例えば、ＣＯ濃度）に基づき燃料電池スタック１または混合器８へ改質ガスを供給する。
【００３３】
なおこれら各種センサ、制御弁、インジェクタ、ポンプ類はコントロールユニット５０によって制御される。
【００３４】
燃料電池システム起動時においては、流量制御弁１２ｃが開き、コンプレッサ２からの空気が起動用燃焼器１０に供給される。またメタノールタンク６からのメタノールがインジェクタ１５から起動用燃焼器１０内に噴射され、コンプレッサ２からの空気と燃料リッチ状態で混合し、グロープラグ２８によって着火され、燃焼ガスを生成する。
【００３５】
この燃焼ガスは起動用燃焼器１０の下流に位置する予混合器１１に導入され、コンプレッサ２から供給された空気とメタノールタンク６から供給されたメタノールとが燃焼ガスと混合し、この混合によって燃焼ガスの温度が改質触媒部３の耐熱温度以下になるように調整され、同時に改質触媒部３での改質ガス生成に用いられるガス組成に調整されて改質触媒部３に導入される。
【００３６】
改質触媒部３では燃焼ガスが改質触媒によって部分酸化反応を生じ、改質ガスを生成する一方、この反応熱によって改質触媒部３が昇温する。
【００３７】
改質ガスはＣＯ除去部４に供給されて、所定のＣＯ濃度までＣＯが除去される。しかしながら起動時等ＣＯ濃度の低減が十分でないときには、改質ガスは燃料電池スタック１に供給されず、混合器８に導入される。
【００３８】
混合器８では改質ガスとコンプレッサ２からの空気とが混合して、この混合ガスが燃焼触媒部９に供給されて燃焼し、この燃焼熱がメタノールタンク６と水タンク７から供給されたメタノールと水を気化する。なおこのメタノールと水の蒸発器５への供給は温度センサ２３によって検出される蒸発器５の温度が所定温度以上に達したときに開始される。
【００３９】
蒸発器５で気化した原燃料は改質触媒部３に供給されて改質触媒によって改質反応を生じて改質ガスを生成する。
【００４０】
蒸発器５から改質触媒部３に供給される気化原燃料の温度と圧力を温度センサ２４と圧力センサ２５によって検出し、この温度あるいは圧力が所定の基準値以上となった時点で、蒸発器５の暖機が終了したと判断し、起動用燃焼器１０への空気とメタノールの供給を停止するとともに、予混合器１１へのメタノールの供給を停止し、ＣＯ除去部４から排出される改質ガスのＣＯ濃度が所定濃度よりも低いことが確認された時点で通常運転に移行する。
【００４１】
燃料電池システムの通常運転時は、ＣＯ除去部４から排出される改質ガスのＣＯ濃度が所定濃度より低く、改質ガスは燃料電池スタック１のアノード極１ｂに供給される。一方、流量制御弁１２ａが開きコンプレッサ２から空気がカソード極に供給され燃料電池スタック１は発電する。
【００４２】
燃料電池スタック１から排出される排ガス（アノード排ガスとカソード排ガス）は混合器８に導入され、燃焼器触媒部９で燃焼し、この燃焼ガスの熱によって蒸発器５で原燃料を気化し、気化原燃料が改質触媒部３に供給され、改質ガスを生成し、ＣＯ除去部４がＣＯ低濃度の改質ガスに調整することで燃料電池システムの通常運転が行われる。
【００４３】
ところで、蒸発器５の暖機が終了したときには、起動用燃焼器１０への燃料と空気の供給を停止するが、このとき、停止過程において、空燃比が理論空燃比となって、燃焼ガスの温度が基準値以上となることのないようにコントロールユニット５０では以下のような制御が行われる。
【００４４】
燃料電池システム起動時の起動燃焼器１０へのメタノールと空気の供給を停止する際のコントロールユニット５０の制御内容について図２を参照して説明する。まず起動時燃焼器１０への空気供給停止直前の空気供給量と燃料供給量から空燃比を求め、時間ｔ１で空気の供給停止と同時にメタノールの供給量を増加させる。メタノールの増加量は空燃比が燃焼限界空燃比よりもリッチな空燃比となるまでメタノール量を増量する。時間ｔ２で空燃比が燃焼限界空燃比よりリッチに達したときにメタノールの供給を停止する。可燃限界を超えたことで燃焼に必要な空気が不足した状態となり燃焼は停止していき、しかも空気の供給を先に停止しているので、空燃比はリーン側に変化することがない。
【００４５】
このような制御とすることで、起動用燃焼器１０内の燃焼温度を運転時の燃焼温度、すなわちリッチ空燃比での燃焼温度以上になることなく停止することができ、空燃比が理論空燃比となって燃焼ガスの温度が上昇して下流の改質触媒部３の失活を防止することができる。
【００４６】
なお本発明は起動時に限定されるものではなく、例えば、通常運転時に改質触媒部３が急激な負荷の変化を伴う場合に起動用燃焼器１０にメタノールを供給して燃焼し、改質触媒部３に供給して負荷の変化に対応させるために起動用燃焼器１０を運転し、その停止の際の制御に採用することができる。
【００４７】
図３に示すものは起動用燃焼器１０の停止時のコントロールユニット５０の制御の異なった実施形態を示すもので、具体的には停止時の目標値を空燃比からガス温度にしたものである。
【００４８】
まず起動時燃焼器１０への空気供給停止直前の起動時燃焼器１０内のガス温度を求め、時間ｔ１で空気の供給を停止するとともに、メタノールの供給量を増加する。空燃比のリッチ化により燃焼温度が低下していき、時間ｔ２でガス温度が自着火温度以下になるとメタノールの供給が停止される。
【００４９】
このように起動用燃焼器１０の停止時にガス温度を自着火温度以下に制御することで必要最小限のメタノール供給量で確実に起動用燃焼器１０を停止し、改質触媒部３の損傷を防止するとともに、起動用燃焼器１０内に空気等の酸化ガスが流入した場合にも確実に着火を抑制することができる。
【００５０】
図４に示した燃料電池システムは、本発明の第３実施形態を示すもので、起動用燃焼器１０へのメタノール供給を停止した後に起動用燃焼器１０内に残留するメタノールを、改質ガスの一部を起動用燃焼器１０内に導入することで、気化・掃気し、このガスを燃焼触媒部９に供給するようにしたものである。
【００５１】
本実施形態の構成を説明すると、ＣＯ除去部４とその下流の制御弁２７との間に改質ガスを起動用燃焼器１０に導入する経路３０が設けられ、その経路の途中に流量制御弁２９が設置される。さらに起動用燃焼器１０と予混合器１１とを連通する経路から分岐して混合器８と連通する経路３１を設け、その分岐点に制御弁３２が設置される。ここで説明した以外の構成については図１に示した構成と同様である。なお、図示しないが制御弁２９と３２はコントロールユニット５０によって制御されるものである。
【００５２】
作用について説明すると、起動用燃焼器１０運転時には改質ガスは燃料電池スタック１に供給されず、燃焼触媒部９に供給されている。前述のように蒸発器５から排出される気化原燃料の温度もしくは圧力から蒸発器５の暖機が終了したと判断でき、起動用燃焼器１０を停止する際には、例えば図２に示したような制御によって、メタノールリッチの空燃比の状態で停止する。停止後に流量制御弁２９を開くと、ＣＯ除去部４から排出された改質ガスの一部は経路３０から起動用燃焼器１０に導入する。この改質ガスの導入により起動用燃焼器１０内に残留したメタノールが気化・掃気されて燃焼触媒部９に送られて燃焼される。
【００５３】
したがって、起動用燃焼器１０の温度を速やかに低下させるとともに、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。また、酸素をほとんど含まない改質ガスを用いて長時間に渡り残留メタノールを気化・掃気するので、残留メタノールが着火することなく、気化・掃気し、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率向上を図ることができる。
【００５４】
図５に示した燃料電池システムは、第４の実施形態を示しており、その構成は第３の実施形態に対して起動用燃焼器１０に供給する改質ガスを空気に変更したものである。
【００５５】
つまり、起動用燃焼器１０に対する空気とメタノールの供給を停止し、完全に燃焼が停止した後に流量制御弁１２ｃを開いてコンプレッサ２からの常温の空気を起動用燃焼器１０に導入するものである。
【００５６】
したがって、起動用燃焼器１０の温度を速やかに低下させるとともに、残留メタノールが空気によって気化・掃気され、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。また燃料電池システムの構成は図１に示した構成に起動用燃焼器１０と予混合器１１との途中と混合器８を連通する経路３１と制御弁３２を起動用燃焼器１０から排出される燃焼ガスの流れを切り換えるために追加するのみで構成されるので、第３の実施形態に対して簡素な構成で起動用燃焼器１０内の残留メタノールを掃気できる。さらに残留メタノールは掃気後、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率低下を防止することができる。
【００５７】
図６に示す第５の実施形態は、第４の実施形態において起動用燃焼器１０に供給された空気に代えて、燃料電池スタック１のアノード極１ｂから排出されるアノード排ガスの一部を起動用燃焼器１０に導入するようにしたものである。
【００５８】
その構成について説明すると、アノード極１ｂと、その下流に設置された流量制御弁２０とを連通する経路３３から分岐する経路３４は起動用燃焼器１０に接続される。経路３４にはコントロールユニット５０に制御される流量制御弁３５が設置されて、アノード排ガスを起動用燃焼器１０に導入するときに開弁する。
【００５９】
したがってアノード排ガスによって長時間に渡って起動用燃焼器１０内の残留メタノールを掃気できるので、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。さらに残留メタノールは掃気後、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率低下を防止することができる。
【００６０】
図７に示す第６の実施形態は、第５の実施形態において起動用燃焼器１０に供給されたアノード排ガスに代えて、燃料電池スタック１のカソード極１ａから排出されるカソード排ガスの一部を起動用燃焼器１０に導入するようにしたものである。
【００６１】
その構成について説明すると、カソード極１ａと、その下流に設置された流量制御弁１９とを連通する経路３６をから分岐する経路３７は起動用燃焼器１０に接続される。経路３７にはコントロールユニット５０に制御される流量制御弁３８が設置されて、カソード排ガスを起動用燃焼器１０に導入するときに開弁する。
【００６２】
したがってカソード排ガスによって長時間に渡って起動用燃焼器１０内の残留メタノールを掃気できるので、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。さらに残留メタノールは掃気後、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率低下を防止することができる。
【００６３】
図８は第７の実施形態を示す起動用燃焼器の停止時の制御内容を示すものである。これまでの説明では起動用燃焼器１０はメタノールリッチの混合気を燃焼させることを前提としてきたが、この実施形態では空燃比がリーンの混合気で起動用燃焼器１０を運転していたときの停止について説明するものである。その考え方は第１実施形態と同様で、起動用燃焼器１０を停止するときに理論空燃比の状態を避けて、運転時のリーン混合気の状態を維持したまま停止するものである。
【００６４】
まず起動時燃焼器１０への空気供給停止直前の空気供給量と燃料供給量から空燃比を求め、時間ｔ１でメタノールの供給を停止する（空気の供給量は変化しない）。これにより混合気はさらにリーン化していき、時間ｔ２でガス温度が自着火温度以下になると空気は供給を停止される。このように起動用燃焼器１０の停止時にリーン化を進め、ガス温度を自着火温度以下に制御することで、燃焼温度の上昇を伴わず起動用燃焼器１０の温度を低下させ、確実に燃焼を停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図２】同じく起動用燃焼器停止時の制御内容を説明するタイミングチャート図である。
【図３】第２実施形態の起動用燃焼器停止時の制御内容を説明するタイミングチャート図である。
【図４】第３実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図５】第４実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図６】第５実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図７】第６実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図８】第７実施形態の起動用燃焼器停止時の制御内容を説明するタイミングチャート図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ コンプレッサ
３ 改質触媒部
４ ＣＯ除去部
５ 蒸発器
８ 混合器
９ 燃焼触媒部
１０ 起動用燃焼器
１１ 予混合器
５０ コントロールユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、特に起動用燃焼器を備えた燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
起動用燃焼器を備えた燃料電池システムとして、例えば特開２０００−６３１０４号公報に記載のものがある。これは、起動用燃焼機構がインジェクタ４８とグロープラグ４９とを備え、改質器２６が起動して改質用燃料ガスが改質触媒層に供給された時点でインジェクタ４８からの燃料噴射を停止することで始動用燃焼機構の運転を中止するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、始動用燃焼機構を停止するときにはインジェクタからの燃料噴射のみを停止する構成となっており、起動用燃焼機構を燃料リッチの空燃比で運転した場合には、完全に停止するまでの間に空燃比がリッチ側からリーン側へと変化していき、その途中で理論空燃比となる時期が発生し、このときに発生する高温燃焼ガスによって改質器の改質触媒が失活する可能性があるという問題がある。
【０００４】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決する燃料電池システムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料と水とを原燃料とする原燃料蒸気から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒と、起動時に燃料と酸化剤との混合気を燃焼させた燃焼ガスを改質触媒に導入する起動用燃焼器と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックとを備える燃料電池システムにおいて、前記起動用燃焼器停止時における起動用燃焼器内の混合気の空燃比が、起動用燃焼器運転時の空燃比と理論空燃比との差をさらに大きくした空燃比となるように起動用燃焼器に対する燃料と空気の供給を停止するコントロールユニットを備える。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記コントロールユニットは、前記起動用燃焼器がリッチ空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される空気、燃料の停止は空気、燃料の順に停止するように制御する。
【０００７】
第３の発明は、第２に記載の発明において、前記コントロールユニットは、空気供給停止後に起動用燃焼器停止時の空燃比が可燃限界空燃比よりリッチ空燃比となる量の燃料を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するように制御する。
【０００８】
第４の発明は、第２の発明において、前記コントロールユニットは、空気供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる燃料量を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するように制御する。
【０００９】
第５の発明は、第２から４のいずれか一つの発明において、前記起動用燃焼器の停止後に起動用燃焼器内に残留した燃料を気化させるガスを導入する。
【００１０】
第６の発明は、第５の発明において、前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒を備え、前記起動用燃焼器から排出される残留気化燃料は燃焼触媒に供給される。
【００１１】
第７の発明は、第５の発明において、前記ガスは改質ガスである。
【００１２】
第８の発明では、第５の発明において、前記ガスは空気である。
【００１３】
第９の発明は、第５の発明において、前記ガスはアノード排ガスまたはカソード排ガスの少なくとも一方である。
【００１４】
第１０の発明は、第１の発明において、前記起動用燃焼器がリーン空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される燃料、空気の停止は燃料、空気の順に停止される。
【００１５】
第１１の発明は、第１０の発明において、燃料供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる量の空気を供給した後に空気の供給を停止する。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料電池システムにおいて、起動用燃焼器停止時における起動用燃焼器内の混合気の空燃比は、コントロールユニットが起動用燃焼器運転時の空燃比と理論空燃比との差が大きくなるように、つまり、運転時の空燃比がリッチ空燃比のときにはよりリッチ側に、リーン空燃比のときにはよりリーン側になるように起動用燃焼器に供給される燃料と空気とを制御するので、起動用燃焼器内の燃焼温度を運転時の燃焼温度以上にすることなく停止することができ、下流に位置する改質触媒に高温の燃焼ガスが導入されることがなく、改質触媒の失活を防止できる。
【００１７】
第２の発明では、起動用燃焼器がリッチ空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される空気、燃料の停止は空気、燃料の順で停止されるので、確実に燃料リッチな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止し、かつ起動用燃焼器内の温度を低下させて停止できる。
【００１８】
第３の発明では、空気供給停止後に起動用燃焼器停止時の空燃比が可燃限界空燃比よりリッチ空燃比となる量の燃料を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するので、確実に燃料リッチな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止できる。
【００１９】
第４の発明では、起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる燃料量を空気供給停止後に起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するので、確実に燃料リッチな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止できるとともに、起動用燃焼器内に空気等の酸化ガスが流入する場合にも確実に着火を防止できる。
【００２０】
第５の発明では、起動用燃焼器の停止後に起動用燃焼器内に残留した燃料を気化させるガスを導入するので、起動用燃焼器の温度を速やかに低下させることができるとともに起動用燃焼気内に燃料を残留させることがなく、次回の起動時に残留燃料による着火性、運転性の悪化を抑制できる。
【００２１】
第６の発明では、燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒を備え、起動用燃焼器から排出される残留気化燃料は燃焼触媒に供給されるので、燃料を有効利用でき、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００２２】
第７の発明では、ガスは改質ガスであるので、酸素のほとんど含まない改質ガスも導入して燃料を気化することにより燃料に着火することなく燃料を掃気することができる。
【００２３】
第８の発明では、ガスは空気であるので、新たな配管等の追加を抑制でき、燃料電池システムのコスト上昇を抑制できる。
【００２４】
第９の発明では、ガスはアノード排ガスまたはカソード排ガスの少なくとも一方であるので、比較的多量に燃料を追加供給する場合でも比較的長時間に渡って起動用燃焼器内を掃気できるため起動用燃焼器内に燃料が残留することがなく、次回の起動時に残留燃料による着火性、運転性の悪化を抑制できる。
【００２５】
第１０の発明では、起動用燃焼器がリーン空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される燃料、空気の停止は燃料、空気の順に停止されるので、確実に燃料リーンな状態を維持したまま起動用燃焼器を停止し、かつ起動用燃焼器内の温度を低下させて停止できる
第１１の発明では、燃料供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる量の空気を供給した後に空気の供給を停止するので、燃料リーンな状態を保ちつつ燃焼温度の上昇を伴わずに確実に燃焼を停止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの構成を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施形態の構成を説明する図である。本燃料電池システムは、カソード極１ａとアノード極１ｂを備えた燃料電池スタック１と、カソード極１ａに酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ２と、アノード極１ｂに供給される改質ガスの生成および改質ガスの一酸化炭素（以下、ＣＯと示す。）を除去する改質触媒部３およびＣＯ除去部４と、改質触媒部３に気化原燃料を供給する蒸発器５と、蒸発器５に原燃料としてのメタノールと水を供給するメタノールタンク６と水タンク７と、原燃料を気化するための燃焼ガスを生成して、蒸発器５に導入する燃焼触媒部９と、燃焼触媒部９にアノード排ガス、カソード排ガス、あるいは改質ガスと空気を供給する混合器８を備える。さらにメタノールと空気をメタノールリッチ状態で燃焼させる起動用燃焼器１０と、この燃焼ガスを改質触媒部３での改質反応に必要な成分に調整する予混合器１１とを備える。
【００２８】
コンプレッサ２から供給される空気はカソード極１ａに供給されるとともにその一部が混合器８、起動用燃焼器１０および予混合器１１に供給されるように構成されており、それぞれの供給経路には流量制御弁１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設置される。
【００２９】
またメタノールタンク６から供給されるメタノールはポンプ１３によって蒸発器５に流量制御弁１４を介して供給されるとともに、その一部は起動用燃焼器１０に備えられた燃料用インジェクタ１５および予混合器１１に備えられた燃料用インジェクタ１６に供給される。
【００３０】
水タンク７の水はポンプ１７によって蒸発器５に供給され、その供給経路の途中に流量制御弁１８を備える。
【００３１】
燃料電池スタック１から排出されるカソード排ガスとアノード排ガスは混合器８に導入されて、燃焼触媒部９で燃焼される。これら排ガスが混合器８に導入される経路の途中にはそれぞれ流量制御弁１９、２０が設置される。
【００３２】
さらには起動用燃焼器１０から排出される燃焼ガスの温度を検出する温度センサ２１、予混合器１１から排出される気化原燃料の温度を検出する温度センサ２２、蒸発器５内の温度を検出する温度センサ２３および蒸発器５から排出される気化原燃料の温度と圧力を検出する温度センサ２４と圧力センサ２５が備えられる。さらに改質触媒部３から排出された改質ガスの濃度を検出する濃度センサ２６が設けられて、その下流には改質ガスの流れを制御する制御弁２７が設置されて、改質ガスのガス組成（例えば、ＣＯ濃度）に基づき燃料電池スタック１または混合器８へ改質ガスを供給する。
【００３３】
なおこれら各種センサ、制御弁、インジェクタ、ポンプ類はコントロールユニット５０によって制御される。
【００３４】
燃料電池システム起動時においては、流量制御弁１２ｃが開き、コンプレッサ２からの空気が起動用燃焼器１０に供給される。またメタノールタンク６からのメタノールがインジェクタ１５から起動用燃焼器１０内に噴射され、コンプレッサ２からの空気と燃料リッチ状態で混合し、グロープラグ２８によって着火され、燃焼ガスを生成する。
【００３５】
この燃焼ガスは起動用燃焼器１０の下流に位置する予混合器１１に導入され、コンプレッサ２から供給された空気とメタノールタンク６から供給されたメタノールとが燃焼ガスと混合し、この混合によって燃焼ガスの温度が改質触媒部３の耐熱温度以下になるように調整され、同時に改質触媒部３での改質ガス生成に用いられるガス組成に調整されて改質触媒部３に導入される。
【００３６】
改質触媒部３では燃焼ガスが改質触媒によって部分酸化反応を生じ、改質ガスを生成する一方、この反応熱によって改質触媒部３が昇温する。
【００３７】
改質ガスはＣＯ除去部４に供給されて、所定のＣＯ濃度までＣＯが除去される。しかしながら起動時等ＣＯ濃度の低減が十分でないときには、改質ガスは燃料電池スタック１に供給されず、混合器８に導入される。
【００３８】
混合器８では改質ガスとコンプレッサ２からの空気とが混合して、この混合ガスが燃焼触媒部９に供給されて燃焼し、この燃焼熱がメタノールタンク６と水タンク７から供給されたメタノールと水を気化する。なおこのメタノールと水の蒸発器５への供給は温度センサ２３によって検出される蒸発器５の温度が所定温度以上に達したときに開始される。
【００３９】
蒸発器５で気化した原燃料は改質触媒部３に供給されて改質触媒によって改質反応を生じて改質ガスを生成する。
【００４０】
蒸発器５から改質触媒部３に供給される気化原燃料の温度と圧力を温度センサ２４と圧力センサ２５によって検出し、この温度あるいは圧力が所定の基準値以上となった時点で、蒸発器５の暖機が終了したと判断し、起動用燃焼器１０への空気とメタノールの供給を停止するとともに、予混合器１１へのメタノールの供給を停止し、ＣＯ除去部４から排出される改質ガスのＣＯ濃度が所定濃度よりも低いことが確認された時点で通常運転に移行する。
【００４１】
燃料電池システムの通常運転時は、ＣＯ除去部４から排出される改質ガスのＣＯ濃度が所定濃度より低く、改質ガスは燃料電池スタック１のアノード極１ｂに供給される。一方、流量制御弁１２ａが開きコンプレッサ２から空気がカソード極に供給され燃料電池スタック１は発電する。
【００４２】
燃料電池スタック１から排出される排ガス（アノード排ガスとカソード排ガス）は混合器８に導入され、燃焼器触媒部９で燃焼し、この燃焼ガスの熱によって蒸発器５で原燃料を気化し、気化原燃料が改質触媒部３に供給され、改質ガスを生成し、ＣＯ除去部４がＣＯ低濃度の改質ガスに調整することで燃料電池システムの通常運転が行われる。
【００４３】
ところで、蒸発器５の暖機が終了したときには、起動用燃焼器１０への燃料と空気の供給を停止するが、このとき、停止過程において、空燃比が理論空燃比となって、燃焼ガスの温度が基準値以上となることのないようにコントロールユニット５０では以下のような制御が行われる。
【００４４】
燃料電池システム起動時の起動燃焼器１０へのメタノールと空気の供給を停止する際のコントロールユニット５０の制御内容について図２を参照して説明する。まず起動時燃焼器１０への空気供給停止直前の空気供給量と燃料供給量から空燃比を求め、時間ｔ１で空気の供給停止と同時にメタノールの供給量を増加させる。メタノールの増加量は空燃比が燃焼限界空燃比よりもリッチな空燃比となるまでメタノール量を増量する。時間ｔ２で空燃比が燃焼限界空燃比よりリッチに達したときにメタノールの供給を停止する。可燃限界を超えたことで燃焼に必要な空気が不足した状態となり燃焼は停止していき、しかも空気の供給を先に停止しているので、空燃比はリーン側に変化することがない。
【００４５】
このような制御とすることで、起動用燃焼器１０内の燃焼温度を運転時の燃焼温度、すなわちリッチ空燃比での燃焼温度以上になることなく停止することができ、空燃比が理論空燃比となって燃焼ガスの温度が上昇して下流の改質触媒部３の失活を防止することができる。
【００４６】
なお本発明は起動時に限定されるものではなく、例えば、通常運転時に改質触媒部３が急激な負荷の変化を伴う場合に起動用燃焼器１０にメタノールを供給して燃焼し、改質触媒部３に供給して負荷の変化に対応させるために起動用燃焼器１０を運転し、その停止の際の制御に採用することができる。
【００４７】
図３に示すものは起動用燃焼器１０の停止時のコントロールユニット５０の制御の異なった実施形態を示すもので、具体的には停止時の目標値を空燃比からガス温度にしたものである。
【００４８】
まず起動時燃焼器１０への空気供給停止直前の起動時燃焼器１０内のガス温度を求め、時間ｔ１で空気の供給を停止するとともに、メタノールの供給量を増加する。空燃比のリッチ化により燃焼温度が低下していき、時間ｔ２でガス温度が自着火温度以下になるとメタノールの供給が停止される。
【００４９】
このように起動用燃焼器１０の停止時にガス温度を自着火温度以下に制御することで必要最小限のメタノール供給量で確実に起動用燃焼器１０を停止し、改質触媒部３の損傷を防止するとともに、起動用燃焼器１０内に空気等の酸化ガスが流入した場合にも確実に着火を抑制することができる。
【００５０】
図４に示した燃料電池システムは、本発明の第３実施形態を示すもので、起動用燃焼器１０へのメタノール供給を停止した後に起動用燃焼器１０内に残留するメタノールを、改質ガスの一部を起動用燃焼器１０内に導入することで、気化・掃気し、このガスを燃焼触媒部９に供給するようにしたものである。
【００５１】
本実施形態の構成を説明すると、ＣＯ除去部４とその下流の制御弁２７との間に改質ガスを起動用燃焼器１０に導入する経路３０が設けられ、その経路の途中に流量制御弁２９が設置される。さらに起動用燃焼器１０と予混合器１１とを連通する経路から分岐して混合器８と連通する経路３１を設け、その分岐点に制御弁３２が設置される。ここで説明した以外の構成については図１に示した構成と同様である。なお、図示しないが制御弁２９と３２はコントロールユニット５０によって制御されるものである。
【００５２】
作用について説明すると、起動用燃焼器１０運転時には改質ガスは燃料電池スタック１に供給されず、燃焼触媒部９に供給されている。前述のように蒸発器５から排出される気化原燃料の温度もしくは圧力から蒸発器５の暖機が終了したと判断でき、起動用燃焼器１０を停止する際には、例えば図２に示したような制御によって、メタノールリッチの空燃比の状態で停止する。停止後に流量制御弁２９を開くと、ＣＯ除去部４から排出された改質ガスの一部は経路３０から起動用燃焼器１０に導入する。この改質ガスの導入により起動用燃焼器１０内に残留したメタノールが気化・掃気されて燃焼触媒部９に送られて燃焼される。
【００５３】
したがって、起動用燃焼器１０の温度を速やかに低下させるとともに、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。また、酸素をほとんど含まない改質ガスを用いて長時間に渡り残留メタノールを気化・掃気するので、残留メタノールが着火することなく、気化・掃気し、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率向上を図ることができる。
【００５４】
図５に示した燃料電池システムは、第４の実施形態を示しており、その構成は第３の実施形態に対して起動用燃焼器１０に供給する改質ガスを空気に変更したものである。
【００５５】
つまり、起動用燃焼器１０に対する空気とメタノールの供給を停止し、完全に燃焼が停止した後に流量制御弁１２ｃを開いてコンプレッサ２からの常温の空気を起動用燃焼器１０に導入するものである。
【００５６】
したがって、起動用燃焼器１０の温度を速やかに低下させるとともに、残留メタノールが空気によって気化・掃気され、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。また燃料電池システムの構成は図１に示した構成に起動用燃焼器１０と予混合器１１との途中と混合器８を連通する経路３１と制御弁３２を起動用燃焼器１０から排出される燃焼ガスの流れを切り換えるために追加するのみで構成されるので、第３の実施形態に対して簡素な構成で起動用燃焼器１０内の残留メタノールを掃気できる。さらに残留メタノールは掃気後、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率低下を防止することができる。
【００５７】
図６に示す第５の実施形態は、第４の実施形態において起動用燃焼器１０に供給された空気に代えて、燃料電池スタック１のアノード極１ｂから排出されるアノード排ガスの一部を起動用燃焼器１０に導入するようにしたものである。
【００５８】
その構成について説明すると、アノード極１ｂと、その下流に設置された流量制御弁２０とを連通する経路３３から分岐する経路３４は起動用燃焼器１０に接続される。経路３４にはコントロールユニット５０に制御される流量制御弁３５が設置されて、アノード排ガスを起動用燃焼器１０に導入するときに開弁する。
【００５９】
したがってアノード排ガスによって長時間に渡って起動用燃焼器１０内の残留メタノールを掃気できるので、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。さらに残留メタノールは掃気後、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率低下を防止することができる。
【００６０】
図７に示す第６の実施形態は、第５の実施形態において起動用燃焼器１０に供給されたアノード排ガスに代えて、燃料電池スタック１のカソード極１ａから排出されるカソード排ガスの一部を起動用燃焼器１０に導入するようにしたものである。
【００６１】
その構成について説明すると、カソード極１ａと、その下流に設置された流量制御弁１９とを連通する経路３６をから分岐する経路３７は起動用燃焼器１０に接続される。経路３７にはコントロールユニット５０に制御される流量制御弁３８が設置されて、カソード排ガスを起動用燃焼器１０に導入するときに開弁する。
【００６２】
したがってカソード排ガスによって長時間に渡って起動用燃焼器１０内の残留メタノールを掃気できるので、起動用燃焼器１０内に残留メタノールが存在せず、次回の起動用燃焼器１０の起動時に残留メタノールが存在することによる着火性、運転性の悪化を防止することができる。さらに残留メタノールは掃気後、燃焼触媒部９に導入されて燃焼し、その熱は原燃料の気化に用いられ、システムの効率低下を防止することができる。
【００６３】
図８は第７の実施形態を示す起動用燃焼器の停止時の制御内容を示すものである。これまでの説明では起動用燃焼器１０はメタノールリッチの混合気を燃焼させることを前提としてきたが、この実施形態では空燃比がリーンの混合気で起動用燃焼器１０を運転していたときの停止について説明するものである。その考え方は第１実施形態と同様で、起動用燃焼器１０を停止するときに理論空燃比の状態を避けて、運転時のリーン混合気の状態を維持したまま停止するものである。
【００６４】
まず起動時燃焼器１０への空気供給停止直前の空気供給量と燃料供給量から空燃比を求め、時間ｔ１でメタノールの供給を停止する（空気の供給量は変化しない）。これにより混合気はさらにリーン化していき、時間ｔ２でガス温度が自着火温度以下になると空気は供給を停止される。このように起動用燃焼器１０の停止時にリーン化を進め、ガス温度を自着火温度以下に制御することで、燃焼温度の上昇を伴わず起動用燃焼器１０の温度を低下させ、確実に燃焼を停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図２】同じく起動用燃焼器停止時の制御内容を説明するタイミングチャート図である。
【図３】第２実施形態の起動用燃焼器停止時の制御内容を説明するタイミングチャート図である。
【図４】第３実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図５】第４実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図６】第５実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図７】第６実施形態を説明する燃料電池システム概要図である。
【図８】第７実施形態の起動用燃焼器停止時の制御内容を説明するタイミングチャート図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ コンプレッサ
３ 改質触媒部
４ ＣＯ除去部
５ 蒸発器
８ 混合器
９ 燃焼触媒部
１０ 起動用燃焼器
１１ 予混合器
５０ コントロールユニット
Claims (11)
- 燃料と水とを原燃料とする原燃料蒸気から水素を含む改質ガスを生成する改質触媒と、起動時に燃料と酸化剤との混合気を燃焼させた燃焼ガスを改質触媒に導入する起動用燃焼器と、改質ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックとを備える燃料電池システムにおいて、
前記起動用燃焼器停止時における起動用燃焼器内の混合気の空燃比が、起動用燃焼器運転時の空燃比と理論空燃比との差をさらに大きくした空燃比となるように起動用燃焼器に対する燃料と空気の供給を停止するコントロールユニットを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記コントロールユニットは、前記起動用燃焼器がリッチ空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される空気、燃料の停止は空気、燃料の順に停止されるように制御す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。
- 前記コントロールユニットは、空気供給停止後に起動用燃焼器停止時の空燃比が可燃限界空燃比よりリッチ空燃比となる量の燃料を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するように制御す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。
- 前記コントロールユニットは、空気供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる燃料量を起動用燃焼器に供給した後に燃料の供給を停止するように制御す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。
- 前記起動用燃焼器の停止後に起動用燃焼器内に残留した燃料を気化させるガスを導入することを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼する燃焼触媒を備え、
前記起動用燃焼器から排出される残留気化燃料は燃焼触媒に供給されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。 - 前記ガスは改質ガスであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
- 前記ガスは空気であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
- 前記ガスはアノード排ガスまたはカソード排ガスの少なくとも一方であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
- 前記起動用燃焼器がリーン空燃比で運転されている場合、起動用燃焼器に供給される燃料、空気の停止は燃料、空気の順に停止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。
- 燃料供給停止後に前記起動用燃焼器内のガス温度が燃料の自着火温度以下となる量の空気を供給した後に空気の供給を停止することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
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