JPH0992311A - 燃料電池及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の大型化、コスト高を伴わず、燃焼
触媒寿命が長く、効率的な触媒燃焼が行える触媒燃焼器
を備えた燃料電池及びその制御方法を提供する。 【解決手段】 空気整流板７１は、平面板７２に均一に
複数個の円形の貫通孔７３を形成して構成され、乱れた
空気の流れを層流化する。一方、水素供給ノズル８１
は、層流化された空気の流れに対して交差する方向に未
反応水素を噴出させる。温度センサー９２は、燃焼触媒
層９１内に挿入され、その空気入口側の温度を検知す
る。そして、その際の検知信号を制御器へ伝え、制御器
は、燃焼触媒層９１の温度が一定となるように触媒用空
気供給ファン６２の送風量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は触媒燃焼器を備えた
燃料電池に関し、特に、触媒燃焼器の制御方法の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、外部から取り入れた空気と
燃料供給源から供給された燃料ガス（水素リッチガス）
とを燃料電池本体内で電気化学反応させることにより発
電している。その際、燃料電池本体からは、前記電気化
学反応に供されなかった未反応の燃料ガスがいくらか排
出される。そのため、燃料電池システムにおいては、装
置内部に未反応の燃料ガスを燃焼するための燃焼器が設
けられているものが多く、これによって前記未反応の燃
料ガスが燃料電池外部へそのまま排出されないようにな
っている。特に、小型の燃料電池やポータブル燃料電池
の場合は、装置の小型化と燃焼温度の低減化を図るため
に、触媒燃焼器を用いることが考えられる。

【０００３】ここで、前記触媒燃焼器は、燃焼触媒層
と、これに空気を送り込むファンを備え、ファンからの
空気に未反応の燃料ガスを混合して燃焼触媒層内を通過
させることによって、触媒燃焼をするようになってい
る。燃料電池本体からの未反応の燃料ガスは、電気化学
反応の効率変動（燃料電池本体内温度、空気流量、外部
出力値等の変化に起因）に伴って流量が変わるものであ
るが、従来、燃焼のための空気を送るファンは、未反応
の燃料ガスの流量が最大となった場合でも燃焼に不足し
ないだけの送風量に固定されていたり、あるいは、燃料
電池本体に導入される燃料ガスの流量を流量計により計
測し、その流量に応じてほぼ一定の空気燃料比（空燃
比）となるような送風量に制御されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
触媒燃焼器の場合には、燃焼触媒層の温度が過度に高く
（約１６０℃以上）なって該燃焼触媒層の高温劣化が著
しくなり燃焼触媒層の寿命が短くなるという問題や、あ
るいは逆に、過度に低く（約１００℃以下）なって触媒
燃焼反応が十分になされないまま未燃焼の燃料ガスが外
部に排出されるという問題があった。

【０００５】したがって、このような問題を解消して、
燃焼触媒層の寿命と未反応の燃料ガスの燃焼効率との両
方を満足させようとすることが望ましい。ここで、前記
流量計によって計測した結果に基づいてファンの送風量
を制御することにより、燃焼触媒層の温度をある程度制
御することも可能とは考えられるが、その場合には、制
御のための演算処理が複雑となると共に、迅速性等があ
まり期待できない。また、装置内部に流量計を設置する
ことは、装置の大型化、コスト高にもつながるという点
で好ましくない。

【０００６】そこで、本発明においては、燃料電池の大
型化、コスト高を伴うことなく、しかも、燃焼触媒層の
寿命が長く、効率よく未反応の燃料ガスの触媒燃焼を行
うことが可能な触媒燃焼器を備えた燃料電池及びその制
御方法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】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明においては、外部から取り入れ
た空気と燃料供給源から供給された燃料ガスとを用いて
発電を行う燃料電池本体と、空気供給ファンから燃焼触
媒層に送り込まれた空気に前記燃料電池本体から排出さ
れる未反応の燃料ガスを混合して触媒燃焼させる触媒燃
焼器と、を備えた燃料電池において、触媒燃焼器に設置
され、燃焼触媒層の温度を検知する温度センサーと、前
記温度センサーで検知した温度が所定の温度に保たれる
ように空気供給ファンの送風量を制御するファン制御部
と、を備えていることを特徴としている。

【０００８】このような構成により、燃焼触媒層の温度
を所定の温度（約１４０℃前後）に保つことができるの
で、該燃焼触媒層の高温劣化が防止されると共に未反応
の燃料ガスの触媒燃焼を効率よくなし、触媒燃焼器から
排出される未燃焼水素を極めて少量（０．４ｖｏｌ％以
下）に抑えることができる。その上、温度センサーは流
量計と比べて小型であり安価であるため、該触媒燃焼器
の小型化、コスト低下に寄与する。

【０００９】請求項２記載の発明においては、前記触媒
燃焼器は、空気供給ファンから燃焼触媒層に空気を送り
込む流通路内に、前記空気供給ファンから燃焼触媒層に
送り込まれる空気の流れを整える空気整流板と、該空気
整流板を通過した空気全体に対して均一的に未反応の燃
料ガスを噴出するノズルと、を備えていることを特徴と
している。

【００１０】ここで、前記空気整流板がない場合には、
空気供給ファンからの空気は流れが乱れている（流通方
向と直交する平面上の各位置において、その空気方向を
異にして流通する。）ため、そのまま未反応の燃料ガス
が混合されると不均一な混合となり、その結果、燃焼触
媒層内の流通方向と直交する平面内での温度のばらつき
が生じ、燃焼触媒層の部分的な高温劣化や未反応水素が
処理できない等の問題がおこる。

【００１１】ところが、請求項２記載の発明において
は、空気は、空気整流板により層流化され空気の方向が
均一となった後にノズルから噴出された未反応の燃料ガ
スと混合されるので、燃焼触媒層内には未反応の燃料ガ
スが均一的に混合された空気が流れる。したがって、燃
焼触媒層内では、空気流通方向と直交する平面内におい
て均一的に燃焼反応が起こるため、該平面内における温
度差が小さくなり、燃焼触媒層の部分的高温化による劣
化や未反応水素が処理できない等の問題を防止すること
ができる。

【００１２】その上、空気流通方向に対して上流側に空
気整流板が位置し、下流側にノズルが位置しているの
で、空気供給ファンが停止した場合でも、未反応の燃料
ガスは空気整流板に遮られ、空気供給ファンを通って空
気入口側から触媒燃焼器外部へ逆流出することがない。
請求項３記載の発明においては、前記ノズルは、前記流
通路内で、空気の流通方向と交差する方向に前記未反応
の燃料ガスを噴出することを特徴としている。

【００１３】したがって、ノズルから噴出された未反応
の燃料ガスは、層流化された空気に対して効率よく均一
的に混合される。請求項４記載の発明においては、前記
空気整流板は、前記流通路を遮るように配置された板状
の部材に、複数の貫通孔が該板状部材の全体にわたって
形成されてなることを特徴としている。

【００１４】したがって、このような構造により、空気
供給ファンによって供給された空気は、空気整流板に形
成された貫通孔のみを流通することにより、効果的に整
流されることができる。請求項５記載の発明において
は、外部から取り入れた空気と燃料供給源から供給され
た燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本体と、空気
供給ファンから燃焼触媒層に送り込まれた空気に前記燃
料電池本体から排出される未反応の燃料ガスを混合して
触媒燃焼させる触媒燃焼器と、を備えた燃料電池の制御
方法であって、前記燃焼触媒層の温度が所定の温度に保
たれるように前記空気供給ファンの送風量を制御するこ
とを特徴としている。

【００１５】したがって、このような制御方法によれ
ば、請求項１と同様の効果が期待できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を
参照しながら具体的に説明する。なお、説明上、各図面
では紙面表側をポータブル燃料電池における前方向、右
側を右方向とする。本実施例におけるポータブル燃料電
池は、図１に示すように、筺体１、燃料電池本体２、水
素吸蔵合金タンク３、制御器４、ＤＣ／ＤＣコンバータ
５及び触媒燃焼器６から構成されている。

【００１７】筺体１は、内部が垂直状隔壁１ａ、１ｂ及
び水平状隔壁１ｃによって４つの空間１０１、１０２、
１０３及び１０４に区画されており、中央下段部空間１
０１内には燃料電池本体２及び触媒燃焼器６が、左側部
空間１０２内には水素吸蔵合金タンク３が、中央上段部
空間１０３内には制御器４及びＤＣ／ＤＣコンバータ５
が、それぞれ設置されている。

【００１８】燃料電池本体２は、発電セルとセパレータ
とが交互に複数枚積層されてなる直方体状の電池スタッ
ク２１と、その上面及び下面にそれぞれ配された水素供
給マニホールド２２及び水素排出マニホールド２３と、
右側面に配された空気供給マニホールド２４とから構成
されている。また、空気が排出される左側面は図示しな
いが開放されている。

【００１９】なお、前記空気供給マニホールド２４の上
端には空気供給ファン２５が設置されており、空気の供
給が強制的になされる。水素吸蔵合金タンク３は、一対
の支柱３１，３１間に複数本（図示例では５本）の水素
吸蔵合金タンク単体３ａを、水平に列設して構成されて
いる。そして、支柱３１の一方の上端に設けられた水素
送出カプラー３２と前記水素供給マニホールド２２を図
示しない水素供給管で連結することにより、燃料電池本
体２への水素供給がなされるようになっている。なお、
水素吸蔵合金タンク３は前記左側部空間１０２内に脱着
自在であって、その出し入れは、閉塞蓋１１を開閉し左
側部空間１０２の上部開口（図示せず）を通じてなされ
る。

【００２０】制御器４は、内部に制御回路を備えた箱体
であり、種々の制御を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ５
は、制御器４の上部に重ねて配置されており、燃料電池
本体２の発電電圧を一定の出力電圧（例えば１２Ｖ）に
変換、制御する。続いて、触媒燃焼器６について説明す
る。触媒燃焼器６は、図２に示すように、燃焼部本体６
１と、燃焼部本体６１内に触媒燃焼用の空気を送り込む
触媒用空気供給ファン６２と、燃焼部本体６１内から排
出される空気を左側部空間１０２内へ導く空気排出ダク
ト６３とから構成されている。

【００２１】燃焼部本体６１は、上下方向に空気が流通
できるように形成された角筒状の外装ケース６４と、外
装ケース６４の内部に下から順に配置された空気整流板
７１、水素供給ノズル８１及び燃焼触媒層９１から構成
されている。また、前記燃焼触媒層９１内には温度セン
サー９２が挿入されている。触媒用空気供給ファン６２
は、前記外装ケース６４の右側面の下端付近に設置さ
れ、空気排出ダクト６３は、前記外装ケース６４の前面
の上端に連結されている。そして、触媒用空気供給ファ
ン６２から外装ケース６４内に送り込まれた空気は、空
気整流板７１で整流された後、水素供給ノズル８１から
噴出される未反応水素と混合され、燃焼触媒層９１内を
通過して空気排出ダクト６３から排出されるようになっ
ている。

【００２２】空気整流板７１は、例えばステンレス製の
平面板７２に均一に複数個の円形の貫通孔７３を形成し
て構成されている。そして、前記燃焼部本体６１の空気
入口側（即ち下方）において、その内部を横切って遮る
ように設定され、触媒用空気供給ファン６２からの空気
が貫通孔７３のみを流通するようになっている（黒塗り
矢印Ａ及びＢ）。また、その際、平面板７２の長手方向
両端部７４、７４を該燃焼部本体６１の内面に沿って屈
曲させ溶接等を行うことにより保持される。

【００２３】なお、前記貫通孔７３については、平面板
７２の面積に対する貫通孔７３の面積（以下、開口率と
称する。）が５％となり、かつ、平面板７２の単位面積
当たりに設けられる貫通孔７３の個数が４個／ｃｍ² と
なるように設定されている。水素供給ノズル８１は、例
えばステンレス製の直管８２の水素流通方向に対して左
右対称に等間隔で複数個（本実施例においては全１２
個。但し、うち６個は図面の反対側に位置しており図示
していない。）の水素噴出口８３を形成して構成されて
おり、一端には未反応水素供給管２６が連結されてい
る。そして、前記空気整流板７１の上方において、その
長手方向に沿って挿入され、空気流通方向（黒塗り矢印
Ｂ）と交差して未反応水素が噴出される（白抜き矢印
Ｃ）ようになっている。

【００２４】燃焼触媒層９１は、ハニカム状の保持体に
白金触媒が保持されて構成されている。そして、前記水
素供給ノズル８１の上方であって、燃焼部本体６１内の
ほぼ上下方向中間に位置するように設定される。温度セ
ンサー９２は、例えば温度サーミスタを用いて構成され
ているおり、感温部９３が前記触媒燃焼層９１内部の空
気入口側付近に位置するように設定される。なお、該温
度センサー９２と前記制御器４とが接続され、検知信号
の伝達がなされるようになっている。

【００２５】上記構成の触媒燃焼器５は、図１に示すよ
うに、燃焼部本体６１が空気供給マニホールド２４と垂
直状隔壁１ｂとの間隙に位置するように設定される。そ
して、触媒用空気供給ファン６２の空気入口側端部が右
側部空間１０４内に位置されると共に、空気排出ダクト
６３が燃料電池本体２の正面側で水平に横架され、その
空気出口側端部が左側部空間１０２内に位置するように
なっている。

【００２６】燃料電池起動時及び運転時においては、触
媒用空気供給ファン５２の作動により空気取入口１２か
ら中央上段部空間１０３内に取り込まれた空気は、右側
部空間１０４内を下降し触媒燃焼器６内に供給される。
一方、水素は、電池スタック２１内を上から下へ流通す
る間に電気化学反応に供され、その際の未反応水素が、
水素排出マニホールド２３から未反応水素供給管２６を
通って触媒燃焼器６内に供給される。

【００２７】触媒燃焼器６内においては、空気整流板７
１によって全体に層流化された空気流（黒塗り矢印Ｂ）
に対して、該空気流と交差する方向に水素供給ノズル８
１から噴出された未反応水素（白抜き矢印Ｃ）が混合さ
れるので、空気と未反応水素との混合が均一的になされ
る。したがって、燃焼触媒層９１の流通方向横断面上の
各位置において均一的に触媒燃焼がなされる。

【００２８】触媒燃焼後の排ガスは、空気排出ダクト６
３を通って左側部空間１０２内へ排出される。そして、
燃料電池本体２からの排空気と共に空気排出口１３から
燃料電池外部へ排出される。図３は空気整流板７１の開
口率と燃焼触媒層９１の空気入口側平面の水平温度差と
の関係を示す図である。これによれば、触媒燃焼器４内
に空気整流板７１を設けない（開口率１００％）場合に
は、空気と水素の混合均一性が悪く水平温度差は約１６
０℃であるのに対して、本実施例（開口率５％）の場合
には、わずか約１５℃であり、空気整流板７１の効果は
明らかである。

【００２９】続いて、制御器４による触媒用空気供給フ
ァン６２の制御方法について説明する。ポータブル燃料
電池の通常の運転時においては、温度センサー９２は、
燃焼触媒層９１内の空気入口側における検知温度を制御
器４へ伝達する。そして、制御器４は、この検知温度と
あらかじめ設定されている基準温度（１４０℃）との差
が小さくなるように触媒用空気供給ファン６２の送風量
を制御する。即ち、この温度制御は、例えばＰＩＤ制御
等の公知の制御方法を適用して、比較的簡単な演算処理
で行うことができる。

【００３０】図４は本実施例のポータブル燃料電池にお
ける外部出力変動に対するファン制御電圧印加率及び燃
焼触媒層９１の温度を示す図である。本実施例の制御方
法によれば、燃料電池の外部出力が急激に増大（０％か
ら１００％へ）、または、減少（１００％から０％へ）
した場合においても、燃焼触媒層９１の温度変化に迅速
に対応して直ちに触媒用空気供給ファン６２の送風量が
調節されるため、オーバーシュート等が起こることなく
燃焼触媒層９１の温度を適温（１４０℃）に保つことが
できる。

【００３１】また、図５は燃料電池起動時のファン制御
電圧印加率及び燃焼触媒層９１の温度を示す図である。
制御器４は、燃焼触媒層９１の温度が約１００℃になる
までの間（図５では起動後約１分間）、触媒用空気供給
ファン６２の送風量を極めて小さく（最大ファン制御電
圧の約８％）保つように制御する。したがって、燃焼触
媒層９１は速やかに昇温される。

【００３２】なお、空気整流板７１の開口率等について
は、本実施例の５％、かつ、４個／ｃｍ² に限られるこ
とはないが、図５から水平温度差の小さい（例えば５０
℃以下）ことがわかる開口率３〜７％の範囲内が、ま
た、平面板７２の単位面積当たりに設けられる貫通孔７
３の個数は４個／ｃｍ² 以上が望ましい。その上、本実
施例においては、水素供給ノズル８１には１２個の水素
噴出口８３が形成されているが、この数は１２個に限定
されるものではない。

【００３３】さらに、上記実施例では、燃料ガスとして
水素吸蔵合金タンク３内に貯蔵された水素ガスを用いる
例を示したが、これに限ることはなく、また、ポータブ
ル燃料電池に限ることもない。

【００３４】

【発明の効果】上述のように、請求項１及び５記載の発
明においては、燃焼触媒層の温度が所定の温度に保たれ
る。また、流量計と比べて温度センサーは小型であり安
価であるため、触媒燃焼器が大型化、複雑化等されるこ
とはなく、コスト高となることもない。その上、比較的
容易な演算処理で、迅速な温度制御を行うことができ
る。

【００３５】請求項２、３及び４記載の発明において
は、触媒用空気供給ファンからの空気は、空気整流板で
整流され均一な空気流となって水素供給ノズルから噴出
された未反応水素と混合されるので、該空気と水素との
混合が効率よく均一になされる。その結果、触媒燃焼反
応が効率よくなされ、燃焼触媒層の劣化や燃料電池外部
への未燃焼水素の排出を防止することができる。

【００３６】また、燃焼触媒層の部分的な高温化による
劣化も防止でき、該燃焼触媒層の長寿命化を図ることが
できる。さらに、空気流通方向に対して上流側に空気整
流板が、下流側にノズルがそれぞれ位置しているので、
空気供給ファンが停止した場合でも未反応水素は前記空
気整流板に遮られ、空気供給ファンを通って空気入口側
から触媒燃焼器外部へ逆流出することがない。したがっ
て、燃料電池の安全性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る燃料電池の一部を切り欠いた斜
視図である。

【図２】本実施例に係る触媒燃焼器の一部を切り欠いた
斜視図である。

【図３】空気整流板の開口率と燃焼触媒層の空気入口側
平面の水平温度差との関係を示す図である。

【図４】ポータブル燃料電池運転時における燃焼触媒層
の温度及びファン制御電圧印加率の変化を示す図であ
る。

【図５】ポータブル燃料電池起動時における燃焼触媒層
の温度及びファン制御電圧印加率の変化を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 筺体 ２ 燃料電池本体 ３ 水素吸蔵合金タンク ４ 制御器 ５ ＤＣ／ＤＣコンバータ ６ 触媒燃焼器 ６１ 燃焼部本体 ６２ 触媒用空気供給ファン ６３ 空気排出ダクト ７１ 空気整流板 ７２ 平面板 ７３ 貫通孔 ８１ 水素供給ノズル ９１ 燃焼触媒層 ９２ 温度センサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷲見 晋吾 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部から取り入れた空気と燃料供給源か
   ら供給された燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本
   体と、空気供給ファンから燃焼触媒層に送り込まれた空
   気に前記燃料電池本体から排出される未反応の燃料ガス
   を混合して触媒燃焼させる触媒燃焼器と、を備えた燃料
   電池において、 前記触媒燃焼器に設置され、燃焼触媒層の温度を検知す
   る温度センサーと、 前記温度センサーで検知した温度が所定の温度に保たれ
   るように前記空気供給ファンの送風量を制御するファン
   制御部と、を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記触媒燃焼器は、 前記空気供給ファンから燃焼触媒層に空気を送り込む流
   通路内に、 前記空気供給ファンから燃焼触媒層に送り込まれる空気
   の流れを整える空気整流板と、 前記空気整流板を通過した空気全体に対して均一的に前
   記未反応の燃料ガスを噴出するノズルと、を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記ノズルは、 前記流通路内で、空気の流通方向と交差する方向に前記
   未反応の燃料ガスを噴出することを特徴とする請求項２
   記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記空気整流板は、 前記流通路を遮るように配置された板状の部材に、複数
   の貫通孔が該板状部材の全体にわたって形成されてなる
   ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
5. 【請求項５】 外部から取り入れた空気と燃料供給源か
   ら供給された燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本
   体と、空気供給ファンから燃焼触媒層に送り込まれた空
   気に前記燃料電池本体から排出される未反応の燃料ガス
   を混合して触媒燃焼させる触媒燃焼器と、を備えた燃料
   電池の制御方法であって、 前記燃焼触媒層の温度が所定の温度に保たれるように前
   記空気供給ファンの送風量を制御することを特徴とする
   燃料電池の制御方法。