JPH0935734A - 燃料電池始動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 固体高分子型の燃料電池始動装置の提供。始
動に水素を必要とせず、装置の大型化の問題をなくする
と共に、始動時の電力消費を小さくして、バッテリの小
容量化を達成できる燃料電池始動装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池を自立運転状態に保持する駆動
触媒バーナ８に空気を供給する通路２２を分岐して迂回
路２３を設け、この迂回路２３に、駆動触媒バーナ８の
燃料であるメタノールを供給するメタノール供給ライン
２５、メタノール供給ライン２５で供給されたメタノー
ルを着火させるグロープラグ２４、グロープラグ２４で
着火したメタノールを完全燃焼させる着火触媒バーナ２
７とからなる着火装置３０を設け、着火装置３０で発生
させた燃焼ガスで、駆動触媒バーナ８の入口温度をメタ
ノール着火温度まで上昇させて燃料電池を起動できるよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池を使用した発電システムの始動装置、特にメタノー
ルを用いた駆動触媒バーナを着火させて、燃料電池の始
動を行うようにした燃料電池始動装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】低温で作動し、燃料電池本体の起動時間
が非常に短い、固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料
電池という。）の特性を利用して、近年、車載用の内燃
機関に代えて作動するモータの電源として利用し、この
モータにより車両等を駆動することが考えられている。
この場合、重要なことは、商用電源を使用しないことは
当然のこととして、車載用であることから、バッテリ容
量に限界があるため、可能な限り起動時間を短縮し、起
動時の消費電力を低減させる必要がある。

【０００３】このような、車両等を駆動する車載用とし
ての開発が進められている燃料電池の発電システムの系
統図を図３に示す。

【０００４】図において、１は固体高分子型燃料電池の
燃料電池本体、２はターボチャージャ、２ａはターボチ
ャージャ２のタービン、２ｂは同様にターボチャージャ
２に付設されたコンプレッサ、３は原料ガスＦを燃料電
池本体１の発電に使用される水素に改質する燃料改質
器、４は始動用触媒バーナ、５は流量調整弁、６は水素
タンク、小型水素ボンベ、あるいは水素吸蔵合金等から
なる水素供給装置、８は駆動触媒バーナ、９はメタノー
ルタンク、１０はポンプ、１２はオイルタンク、１３は
潤滑油冷却器、１４は潤滑油ポンプ、１５はオイルフィ
ルタ、１６は空気圧縮機、１７は直流モータ、１８はバ
ッテリ、１９はエアーフィルタ、２０はエアーフィル
タ、２１は自動開閉弁（バタフライ弁）である。

【０００５】このように構成された発電システムでは、
ターボチャージャ２におけるカートリッジの潤滑油圧
を、ポンプ１４への印加電圧制御によりコントロールし
た後、バッテリ１８からの供給電力により直流モータ１
７を起動させ、空気圧縮機１６を作動させ、エアーフィ
ルタ１９を通して、コンプレッサ２ｂを経由して始動用
触媒バーナ４に空気Ａを供給する。

【０００６】同時に、水素を水素供給装置６から流量調
整弁５を通して、始動用触媒バーナ４に送り、空気中の
酸素と反応させ燃焼を開始させる。この始動用触媒バー
ナ４からの燃焼ガスの供給により、駆動触媒バーナ８の
入口温度が上昇し、メタノール着火温度（約１２０℃）
になった時、ポンプ１０によりメタノールタンク９から
駆動触媒バーナ８にメタノールを供給し、着火用触媒バ
ーナ４を経由して供給された空気Ａと混合して燃焼を開
始させる。

【０００７】この駆動触媒バーナ８のメタノール燃焼に
よる燃焼ガスの温度上昇とともに、駆動触媒バーナ８か
ら燃焼ガスが供給されるターボチャージャ２のタービン
２ａに於ける回収（駆動）量が増加し、空気圧縮機１６
からの圧縮空気のコンプレッサ２ｂを通過するときの空
気力によって、低速回転しているターボチャージャ２
は、相乗的に回転数が上昇する。ターボチャージャ２が
規定回転数に達したところで、直流モータ１７へのバッ
テリ１８からの供給電力を切ることにより、空気圧縮機
１６を停止させると、ターボチャージャ２の規定回転数
で駆動されているコンプレッサ２ｂの吸引力によって、
自動開閉弁２１が瞬時に開き、エアーフィルタ２０を通
して、空気Ａがコンプレッサ２ｂに供給されるようにな
り、ターボチャージャ２は、自立運転を開始する。

【０００８】この時点では、すでに空気圧縮機１６から
の空気Ａの供給に代って、ターボチャージャ２のコンプ
レッサ２ｂは、燃料電池本体１へ圧縮空気を供給してお
り、またタービン２ａからの排気ガスは、燃料改質器３
に連続的に供給されており、原料ガスの改質に必要な熱
源になり、燃料改質器３で原料ガスを改質した水素が燃
料電池本体１に供給されると同時に、図示しない反応ガ
ス用加湿器を通すことによって燃料電池本体１の加湿用
熱源にもなっており、燃料電池本体１の始動運転が開始
されている状態になっている。

【０００９】このように、従来の燃料電池の発電システ
ムでは、燃料電池本体１の始動時、まず始動用触媒バー
ナ４で水素が常温で触媒燃焼を開始し、その燃焼ガスで
メタノールを燃料とする駆動触媒バーナ８を始動させ、
さらに駆動触媒バーナ８の燃焼ガスでターボチャージャ
２の回転数を上昇させ、このターボチャージャ２の作動
により、空気と水素の供給が行われた燃料電池本体１
は、始動運転を行うようにしているため、始動用触媒バ
ーナ４から駆動触媒バーナ８に供給される燃焼ガスがク
リーンであり、これ等のバーナ４，８を直列に配置して
作動させるようにしても、何等支障が生じない特徴があ
る反面、水素タンク、あるいは小型水素ボンベからなる
水素供給装置６を用いた発電システムでは、水素貯蔵容
量が少量であり、燃料電池の頻繁な始動を必要とする車
載用としては、大型の水素タンク又は水素ボンベを必要
とし、システムが大型化する不具合があった。

【００１０】また、水素吸蔵合金を用いたシステムでは
水素貯蔵容量が前述の水素供給装置より増大し、上記不
具合は若干解消されるものの、吸蔵水素の放出過程の際
に、ヒータ等による熱供給が必要になるため、起動用バ
ッテリの大容量化や、水素貯蔵の面から前述と同様に、
システムが大型化するという不具合が生じていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の燃料
電池の上述した不具合を解消するため、燃料電池の始動
のために、貯蔵容量に制約があり、また、吸蔵合金から
の放出の過程において消費電力を多く必要とする水素を
必要とすることなく、メタノールの発火で始動でき、ま
た少い消費電力で起動でき、システムの大型化や起動用
バッテリの大容量化を必要とせず、システム全体を小型
化できるとともに、車両等を駆動する車載用として必要
な起動時間を短くできる燃料電池始動装置を提供するこ
とを課題とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の燃料
電池始動装置は次の手段とした。ターボチャージャのコ
ンプレッサから吐出された空気が、全量供給される燃料
電池本体から排出される空気を駆動触媒バーナに供給す
る空気通路を分岐して設けた迂回路内に、（１）駆動触
媒バーナにメタノールを供給するメタノールタンクか
ら、グロープラグの着火部である先端部に、メタノール
を供給するメタノール供給ライン、（２）メタノール供
給ラインで供給されたメタノールを着火（炎燃焼）させ
るグロープラグ、（３）グロープラグの発火部直後に設
けられ、グロープラグで発火したメタノールの燃焼ガス
を完全燃焼させる着火触媒バーナ、からなり、駆動触媒
バーナに流入する空気の入口温度を、駆動触媒バーナに
メタノールタンクから供給されるメタノールの着火温度
に加熱する着火装置を設けた。

【００１３】本発明の燃焼電池始動装置は、上述の手段
により、メタノール供給ラインでメタノールタンクから
通電式セラミック製のグロープラグの着火部である先端
部に供給したメタノールをグロープラグで発火（炎燃
焼）させ、その直後に設置した着火触媒バーナで完全燃
焼させ、この燃焼ガスにより、これらの着火装置が配設
された迂回路を分岐して設けられ、さらに駆動触媒バー
ナの入口前でこの迂回路と合流して、燃料電池本体から
駆動触媒バーナに空気を供給する空気通路を通って、駆
動触媒バーナに供給される空気の駆動触媒バーナの入口
温度は、メタノールタンクから駆動触媒バーナに供給さ
れるメタノールの着火温度にまで加熱され、駆動触媒バ
ーナを始動させ、さらに駆動触媒バーナの燃焼ガスでタ
ーボチャージャを始動させて燃料電池を起動することが
できる。

【００１４】これにより、本発明の燃料電池始動装置で
は、発火までの所要時間は十数秒程度であり車載用とし
て充分使用でき、従来の水素吸蔵合金を用いた発電シス
テムでの水素の放出過程の際に、ヒータ等による熱供給
をしている所要時間より非常に短く、消費電力も少ない
ため、起動行程での消費電力を大幅に減少させることが
できる。

【００１５】また、水素タンク、小型水素ボンベ及び水
素吸合金を用いたシステムに比べ、本発明の燃料電池始
動装置を構成する着火装置の、発電システム全体に占め
る容積の割合がわずかであるので、システム全体の小型
化を可能にできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池始動装置
の実施の一形態を図面にもとづき説明する。図１は、本
発明の燃料電池始動装置の実施の第１形態を具えた発電
システムの系統図、図２は図１に示す実施の第１形態の
詳細を示す図である。なお、本形態を示す図面におい
て、図３に示した符番と同一符番のものは、図３で説明
したものと同一、若しくは類似のものであり、説明は省
略する。

【００１７】図１において、２３は、燃料電池本体１か
ら排出され、駆動触媒バーナ８のメタノール燃焼に使用
される空気を供給するために設けられた、空気通路２２
の途中から分岐して設けられ駆動触媒バーナ８の入口の
手前で空気通路２２と再び１つにまとめられる迂回路、
３０は、この迂回路２３に設置された着火装置である。

【００１８】また、図２において、２４は、バッテリ１
８、若しくは別途設けられた図示しないバッテリから電
力を供給されて、先端部を高温加熱して、周辺に供給さ
れるメタノールの着火を行うセラミック製のグロープラ
グ、２５は、図１に示すメタノールタンク９内のメタノ
ールをポンプ２６でグロープラグ２４の先端部に供給す
るメタノール供給ライン、２７はグロープラグ２４の後
流側、すなわち空気通路２２から分岐して設けられた迂
回路２３が、再び空気通路２２に合流する手前に設置さ
れ、グロープラグ２４で着火した燃焼ガスを完全燃焼さ
せるための着火触媒バーナである。

【００１９】このように、本形態の燃料電池始動装置
は、図３に示す水素タンク６内の水素を流量調整弁５
で、燃料電池本体１から駆動触媒バーナ８に供給される
空気に混入して、常温で着火させる始動触媒バーナ４に
代えて、駆動触媒バーナ８で燃焼させるメタノールの一
部を供給するメタノール供給ライン２５、供給されたメ
タノールの着火を行うグロープラグ２４、およびグロー
プラグ２４によって着火し、燃焼するメタノールの燃焼
ガスを完全燃焼させる着火用触媒バーナとからなる着火
装置３０を設けた。

【００２０】本形態の燃料電池始動装置は、上述の構成
により、ターボチャージャ２におけるカートリッジへの
潤滑油圧を、オイルポンプ１４への印加電圧制御により
コントロールした後、直流モータ１７の電源を入れるこ
とにより、空気圧縮機１６を起動させ、エアーフィルタ
１９を通してコンプレッサ２ｂに空気を供給する。この
時ターボチャージャ２の自立運転後の空気供給ラインと
なるエアーフィルタ２０に取り付けた自動開閉弁（バタ
フライ弁）２１は、閉じられている。

【００２１】空気圧縮機１６の起動と同時に、着火装置
３０におけるセラミック製のグロープラグ２４に通電を
開始し、十数秒後に、この着火装置３０にメタノールタ
ンク９内のメタノールをポンプ２６を用いて、メタノー
ル供給ライン２５を経由してグロープラグ２４の周辺に
供給する。すると、加熱されたグロープラグ２４の先端
部周辺において、メタノールの火炎燃焼が発生し、その
後方に設置した点火用触媒バーナ２７が直接加熱され、
未燃焼のメタノールが、ここで燃焼を開始する。

【００２２】この点火用触媒バーナ２７からの高温燃焼
ガスの流入により、駆動触媒バーナ８が暖められ、駆動
触媒バーナ８入口温度をメタノール着火温度（約１２０
℃）まで昇温させる。そして、駆動触媒バーナ８の入口
温度が着火温度に達したら、触媒バーナ８に新たにメタ
ノールをポンプ１０を用いてメタノールタンク９から供
給し、全供給空気の燃焼を開始させる。

【００２３】また、着火装置３０は、触媒バーナ８での
燃焼温度が安定に上昇し始めたとみなせる時点、例え
ば、触媒バーナ８からの燃焼ガス温度が２００℃に到達
した時点、で電源が切れるとともに、ポンプ２６による
メタノール供給ライン２５から着火装置３０への、メタ
ノールの供給を止められ、燃焼が停止されるようになっ
ている。

【００２４】その後、触媒バーナ８での燃焼ガスの温度
上昇とともに、この燃焼ガスが流入するタービン２ａで
のエネルギー回収（駆動）量が増加し回転数が増大し
て、それにより、コンプレッサ２ｂからの吐出空気量も
増加することによって、ターボチャージャ２の回転数が
相乗的に上昇する。ターボチャージャ２が規定回転数に
達したところで直流モータ１７の電源が切れ、空気圧縮
機１６は停止する。この時、すでに、タービン２ａの駆
動仕事がコンプレッサ２ｂの圧縮仕事と同等、もしくは
上回る状態なので、コンプレッサ２ｂは空気を吸い込も
うとし、自動開閉弁（バタフライ弁）２１が瞬時に開
き、空気はエアーフィルタ２０を通ってコンプレッサ２
ｂの入口側に供給され、ターボチャージャ２が自立運転
を開始する。

【００２５】この時点で、すでにターボチャージャ２の
コンプレッサ２ｂは、前述したように、燃料電池本体１
へ圧縮空気を供給し、またタービン２ｂからの排気ガス
を燃料改質器３に連続的に供給されており、改質用必要
熱源になっており、燃料改質器３では原料ガスＦを水素
に改質して、燃料電池本体１を供給しており、さらにタ
ービン２ｂからの排気ガスは、反応ガス用加湿器に供給
され、燃料電池本体１の加湿用熱源として使用される状
態になっており、燃料電池本体１の始動運転が開始され
ている状態になっている。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
始動装置によれば、特許請求の範囲に示す構成により、
次の効果が得られる。

【００２７】（１）固体高分子型燃料電池の始動に水素
を使用しないので、従来の水素タンク、小型水素ボンベ
又は水素吸蔵合金を用いた始動装置に比べ、始動装置の
発電システム全体に占める容積の割合を小さくでき、燃
料電池を車載用として好適な小型化できる駆動装置とす
ることができる。

【００２８】（２）従来の、比較的水素貯蔵効率が良
く、大型化を若干緩和できる水素吸蔵合金を用いた着火
装置では、水素の放出過程の際のヒータ等による熱供給
をしている所要時間を必要とし、短時間での始動が困難
であるのに対して、通電式セラミック製のグロープラグ
を用い、メタノールを発火（炎燃焼）させ、その直後に
設置した小型の着火用触媒バーナで完全燃焼させ、駆動
触媒バーナを起動させる、本発明の装置では、発火まで
の所要時間は、十数秒程度で済み、燃料電池を短時間で
の始動を必要とする車載用として好適な駆動装置とする
ことができる。

【００２９】（３）また、起動行程での消費電力を減少
させることができ、始動装置に必要とするバッテリ容量
を少なくすることができ、燃料電池を車載化、可搬式化
にきわめて有効な駆動装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池始動装置の実施の１形態を具
える発電システム系統図、

【図２】図１に示す発電システム系統図における着火装
置の詳細を示す模式図、

【図３】従来の燃料電池始動装置の１例を具える発電シ
ステム系統図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池本体 ２ ターボチャージャ ２ａ ターボチャージャのタービン ２ｂ ターボチャージャのコンプレッサ ３ 燃料改質器 ４ 始動用触媒バーナ ５ （水素）流量調整弁 ６ 水素供給装置 ８ 駆動触媒バーナ ９ メタノールタンク １０ （メタノール用）ポンプ １２ （潤滑）オイルタンク １３ 冷却器 １４ （潤滑）ポンプ １５ オイルフィルタ １６ 空気圧縮機 １７ 直流モータ １８ バッテリ １９，２０ エアフィルタ ２１ 自動開閉弁（バタフライ弁） ２２ 空気通路 ２３ 迂回路 ２４ グロープラグ ２５ メタノール供給ライン ２６ ポンプ ２７ 着火用触媒バーナ ３０ 着火装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボチャージャのタービン排気で原料
   ガスを改質する燃料改質器から供給される水素、および
   前記ターボチャージャのコンプレッサから供給される空
   気との電気化学的反応で発電を行う燃料電池本体、前記
   燃料電池本体から排出される空気に、メタノールタンク
   から供給されるメタノールを混入して、燃焼させた燃焼
   ガスで前記ターボチャージャを作動させて、自立運転状
   態にする駆動触媒バーナを設けた固体高分子型の燃料電
   池の始動を行うための燃料電池始動装置において、前記
   燃料電池本体から前記駆動触媒バーナに供給される空気
   の通路を分岐して設けた迂回路に配設されたグロープラ
   グと、前記メタノールタンクから前記グロープラグの先
   端部にメタノールを供給するメタノール供給ラインと、
   前記グロープラグの後流側に設置された着火触媒バーナ
   とからなり、前記駆動触媒バーナの入口温度をメタノー
   ル着火温度にする着火装置を設けたことを特徴とする燃
   料電池始動装置。