JP2003151599A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起動時に、システム内で必要な水分量を十分
確保することができると共に、各構成要素の温度をそれ
ぞれの目標温度までできるだけ早く上昇させることが可
能な燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 エアポンプ１３４は、改質部１０２にお
いて、ガソリンを完全酸化させるのに十分な空気量がカ
ソードオフガスとして得られるように、その駆動が制御
される。改質部１０２では、供給されたガソリンは完全
酸化されて、水とＣＯ₂になる。この結果、完全酸化に
よる発熱によって改質部１０２の温度は上昇すると共
に、完全酸化によって水蒸気が生成される。各要素１０
４〜１１２は、改質部１０２からのガスが流通すること
により、それらの温度は上昇する。改質部１０２からの
ガスの温度は燃料電池１１４のアノード１１６において
数十℃になり、ガス中の水蒸気は急速に凝縮して水とな
って、燃料電池１１４内の電解質膜に吸収されて、電解
質膜を加湿する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素系燃料の
供給を受けて、水素を含む改質ガスを生成する改質部
と、改質ガスと酸化ガスの供給を受けて、電力を発生す
る燃料電池と、を備えた燃料電池システムに関し、特
に、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガ
スを改質部に供給する構成の燃料電池システムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池を発電装置として用いる場合、
水素を燃料電池のアノードに供給する必要がある。水素
の供給には、原料として用意されたガソリンやメタノー
ルや天然ガスなどの炭化水素系燃料から改質反応により
取り出された水素を利用していた。改質反応としては、
種々の改質反応、例えば、水蒸気改質反応、部分酸化反
応がある。一例として、ガソリンの一成分であるイソオ
クタン（Ｃ₈Ｈ₁₈）について、その改質反応を以下に示
した。

【０００３】 Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｈ₂Ｏ → １７Ｈ₂＋８ＣＯ …（１） Ｃ₈Ｈ₁₈＋４Ｏ₂ → ９Ｈ₂＋８ＣＯ …（２）

【０００４】上式（１）で表わされる反応は水蒸気改質
反応であり、上式（２）で表わされる反応は部分酸化反
応である。これら反応は、いずれか一方を採用すること
もできるが、双方を同時に１つの改質部内で起こすこと
もできる。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化
反応は発熱反応であることから、上記のように水蒸気改
質反応と部分酸化反応とを１つの改質部内で起こすこと
で、改質部での熱量の収支を釣り合わせることができ
る。これら反応は、上式（１），（２）で表わされるよ
うに、水蒸気改質反応は水を供給することで、部分酸化
反応は酸素を供給することで促進される。

【０００５】従来より、上記改質部での水と酸素の供給
を効率的に行なう技術として、例えば、特開２０００−
１９５５３４号公報に示すように、燃料電池の運転時に
カソードら排出されるカソードオフガスを改質部に供給
して循環させる技術が提案されている。この技術によれ
ば、燃料電池の運転により、カソードで生成される水蒸
気や未反応の酸素をカソードオフガスとして改質部に供
給して再利用を図ることで、蒸発器や、水タンクや、外
側から改質部へ酸素を供給するための導管などを不要と
することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな蒸発器など保有しない燃料電池システムにおいて
は、起動時において、蒸発器を利用した蒸気生成ができ
ないため、システム内で必要な水分量を確保することが
できないという問題があった。

【０００７】すなわち、燃料電池においては、発電を行
うため、電解質膜を適度に湿潤させる必要があり、ま
た、改質部においては、水蒸気改質反応を起こさせるた
めに、カソードオフガスに適度な水分を添加する必要が
あるが、蒸発器を保有しないため、起動時に、そのよう
な水分を供給するための手段がなかった。

【０００８】また、起動時において、蒸発器を利用して
システム内の温度上昇を図ることができないため、改質
部や燃料電池などの各構成要素の温度を、それぞれの目
標温度まで上昇させるのに多大な時間を要し、燃料電池
の発電開始が遅くなるという問題もあった。

【０００９】従って、本発明の目的は、上記した従来技
術の問題点を解決し、起動時に、システム内で必要な水
分量を十分確保することができると共に、各構成要素の
温度をそれぞれの目標温度までできるだけ早く上昇させ
ること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およびその作用・効果】上
記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明
の第１の燃料電池システムは、炭化水素系燃料の供給を
受け、水蒸気改質反応及び部分酸化反応のうち、少なく
とも一方の反応を利用して、水素を含む改質ガスを生成
する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受ける
と共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受け
て、電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池のカソー
ドから排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給
するカソードオフガス流路と、を備え、起動時に、前記
改質部において、前記炭化水素系燃料を前記カソードオ
フガスに含まれる酸素によってほぼ完全酸化させ、得ら
れたガスを前記アノードに供給することを要旨とする。

【００１１】このように、第１の燃料電池システムで
は、起動時に、改質部において、炭化水素系燃料をカソ
ードオフガスに含まれる酸素によってほぼ完全酸化させ
ることにより、後述するごとく、水蒸気が生成されると
共に、熱が生じる。

【００１２】従って、第１の燃料電池システムによれ
ば、燃料電池のアノードに供給されるガスは、完全酸化
により生成された水蒸気を含んだガスとなるため、燃料
電池内の電解質膜を加湿することができ、延いては、カ
ソードから排出されるカソードオフガスの水蒸気濃度を
上昇させることができ、システム内で必要な水分量を十
分確保することができる。

【００１３】また、完全酸化により生じる熱によって、
改質部の温度を上昇させる他、改質部の後段に位置する
種々の構成要素や燃料電池の各温度を、それぞれの目標
温度までできる限り早く上昇させることができるので、
燃料電池の発電開始までの時間を短縮することができ
る。

【００１４】本発明の第２の燃料電池システムは、炭化
水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分酸化
反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水素を
含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質
ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む第１
の酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池
と、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオ
フガスを前記改質部に供給するカソードオフガス流路
と、を備え、起動時に、前記改質部において、前記炭化
水素系燃料を前記カソードオフガスに含まれる酸素によ
って部分酸化させ、得られた前記改質ガスを前記アノー
ドに供給すると共に、前記改質部から前記アノードに至
る流路中に酸素を含む第２の酸化ガスを供給して、前記
改質ガスに含まれる水素を前記第２の酸化ガスに含まれ
る酸素によって酸化させることを要旨とする。

【００１５】このように、第２の燃料電池システムで
は、起動時に、改質部において、炭化水素系燃料をカソ
ードオフガスに含まれる酸素によって部分酸化させるこ
とにより、改質ガスが生成されると共に、熱が生じる。
また、改質部からアノードに至る流路中に酸化ガスを供
給して、生成した改質ガスに含まれる水素を酸化ガスに
含まれる酸素によって酸化させることにより、後述する
ように、水蒸気が生成されると共に、熱が生じる。

【００１６】従って、第２の燃料電池システムによれ
ば、燃料電池のアノードに供給される改質ガスは、水素
酸化により生成された水蒸気を含んだガスとなるため、
燃料電池内の電解質膜を加湿することができ、延いて
は、カソードから排出されるカソードオフガスの水蒸気
濃度を上昇させることができ、システム内で必要な水分
量を十分確保することができる。

【００１７】また、改質部において、部分酸化により生
じる熱によって、改質部の温度を上昇させる他、改質部
の後段に位置する種々の構成要素や燃料電池の各温度を
上昇させ、さらには、水素酸化により生じる熱によって
も、種々の構成要素や燃料電池の各温度をさらに上昇さ
せることができる。従って、システム内の各構成要素の
温度を、それぞれの目標温度までできる限り早く上昇さ
せることができるので、燃料電池の発電開始までの時間
を短縮することができる。

【００１８】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
改質部から前記アノードに至る流路中には、前記改質ガ
スに含まれる一酸化炭素をシフト反応により除去するシ
フト部、および前記一酸化炭素を酸化反応により除去す
る一酸化炭素浄化部のうち、少なくとも一方が配置され
ると共に、前記水素の酸化は、前記シフト部、一酸化炭
素浄化部および燃料電池のうち、少なくとも１つの内部
において生じることが好ましい。

【００１９】シフト部、一酸化炭素浄化部および燃料電
池は、それぞれ、その内部に触媒を備えているため、水
素酸化を行う際に、その触媒によって反応が促進される
からである。

【００２０】本発明の第３の燃料電池システムは、炭化
水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分酸化
反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水素を
含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガスが流れ
るフィード部と、パージガスが流れるパージ部と、前記
フィード部とパージ部との間に配置される水素分離膜
と、を有し、前記フィード部を流れる前記改質ガスから
前記水素分離膜によって水素を分離して、前記パージ部
を流れる前記パージガスに混合し、燃料ガスを得る水素
分離部と、アノードに前記燃料ガスの供給を受けると共
に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電
力を発生する燃料電池と、前記燃料電池のカソードから
排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給するカ
ソードオフガス流路と、を備え、起動時に、前記改質部
において、前記炭化水素系燃料を前記カソードオフガス
に含まれる酸素によってほぼ完全酸化させ、得られたガ
スを前記水素分離膜を通過させることなく前記アノード
に供給することを要旨とする。

【００２１】このように、第３の燃料電池システムで
は、第１の燃料電池システムの場合と同様に、起動時
に、改質部において、炭化水素系燃料をカソードオフガ
スに含まれる酸素によってほぼ完全酸化させることによ
り、水蒸気が生成されると共に、熱が生じる。

【００２２】従って、第３の燃料電池システムによれ
ば、燃料電池のアノードに供給されるガスは、完全酸化
により生成された水蒸気を含んだガスとなるため、燃料
電池内の電解質膜を加湿することができ、延いては、カ
ソードから排出されるカソードオフガスの水蒸気濃度を
上昇させることができ、システム内で必要な水分量を十
分確保することができる。

【００２３】また、完全酸化により生じる熱によって、
改質部の温度を上昇させる他、改質部の後段に位置する
水素分離部や燃料電池の各温度を、それぞれの目標温度
までできる限り早く上昇させることができるので、燃料
電池の発電開始までの時間を短縮することができる。

【００２４】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上になった
場合に、前記改質部において、前記完全酸化の反応を停
止させて、前記水蒸気改質反応及び部分酸化反応のう
ち、少なくとも一方の反応を開始させ、その後、前記パ
ージ部に前記パージガスとして酸素を含む第３の酸化ガ
スを流すと共に、前記改質部で生成されて前記フィード
部を流れる前記改質ガスから前記水素分離膜によって水
素を分離し、前記パージ部において、分離した前記水素
を前記第３の酸化ガスに含まれる酸素によって酸化さ
せ、得られたガスを前記アノードに供給することが好ま
しい。

【００２５】このように、改質部における改質ガス生成
開始後は、パージ部における水素酸化によって水蒸気を
生成し、その水蒸気を含んだガスをアノードに供給する
ことにより、燃料電池内の電解質膜をさらに加湿するこ
とができる。また、水素酸化によって生じる熱によっ
て、水素分離部および燃料電池の各温度を、適正な温度
までさらに上昇させることができる。

【００２６】また、酸化ガスであったパージガスは、パ
ージ部の水素酸化による酸素の消費によって、例えば、
不活性な窒素ガスへと変化するため、パージガスとし
て、特別に窒素ガスを供給するための窒素ガスボンベな
どを用意する必要がない。

【００２７】本発明の第４の燃料電池システムは、炭化
水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分酸化
反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水素を
含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガスが流れ
るフィード部と、パージガスが流れるパージ部と、前記
フィード部とパージ部との間に配置される水素分離膜
と、を有し、前記フィード部を流れる前記改質ガスから
前記水素分離膜によって水素を分離して、前記パージ部
を流れる前記パージガスに混合し、燃料ガスを得る水素
分離部と、アノードに前記燃料ガスの供給を受けると共
に、カソードに酸素を含む第１の酸化ガスの供給を受け
て、電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池のカソー
ドから排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給
するカソードオフガス流路と、を備え、起動時に、前記
改質部において、前記炭化水素系燃料を前記カソードオ
フガスに含まれる酸素によって部分酸化させ、得られた
前記改質ガスを前記水素分離膜を通過させることなく前
記アノードに供給すると共に、前記改質部から前記アノ
ードに至る流路中に酸素を含む第２の酸化ガスを供給し
て、前記改質ガスに含まれる水素を前記第２の酸化ガス
に含まれる酸素によって酸化させることを要旨とする。

【００２８】このように、第４の燃料電池システムで
は、第２の燃料電池システムと同様に、起動時に、改質
部において、炭化水素系燃料をカソードオフガスに含ま
れる酸素によって部分酸化させることにより、改質ガス
が生成されると共に、熱が生じる。また、改質部からア
ノードに至る流路中に酸化ガスを供給して、生成した改
質ガスに含まれる水素を酸化ガスに含まれる酸素によっ
て酸化させることにより、水蒸気が生成されると共に、
熱が生じる。

【００２９】従って、第４の燃料電池システムによれ
ば、燃料電池のアノードに供給される改質ガスは、水素
酸化により生成された水蒸気を含んだガスとなるため、
燃料電池内の電解質膜を加湿することができ、延いて
は、カソードから排出されるカソードオフガスの水蒸気
濃度を上昇させることができ、システム内で必要な水分
量を十分確保することができる。

【００３０】また、改質部において、部分酸化により生
じる熱によって、改質部の温度を上昇させる他、改質部
の後段に位置する水素分離部や燃料電池の各温度を上昇
させ、さらには、水素酸化により生じる熱によっても、
水素分離部や燃料電池の各温度をさらに上昇させること
ができる。従って、システム内の各構成要素の温度を、
それぞれの目標温度までできる限り早く上昇させること
ができるので、燃料電池の発電開始までの時間を短縮す
ることができる。

【００３１】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
フィード部は、シフト触媒を備え、前記改質ガスに含ま
れる一酸化炭素をシフト反応により除去し得ると共に、
前記水素の酸化は、前記フィード部の内部において生じ
ることもできる。

【００３２】このようにフィード部が、その内部にシフ
ト触媒を備えることにより、水素酸化を行う際に、その
触媒によって反応を促進させることもできる。

【００３３】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上になった
場合に、前記改質部において、部分酸化反応のみ起きる
状態から、部分酸化反応と水蒸気改質反応が共に起きる
状態へと移行させ、その後、前記パージ部に前記パージ
ガスとして酸素を含む第３の酸化ガスを流すと共に、前
記改質部において生成され前記フィード部を流れる前記
改質ガスから前記水素分離膜によって水素を分離し、前
記パージ部において、分離した前記水素を前記第３の酸
化ガスに含まれる酸素によって酸化させ、得られたガス
を前記アノードに供給することが好ましい。

【００３４】このように、水素分離膜によって水素分離
を開始した後は、パージ部における水素酸化によって水
蒸気を生成し、その水蒸気を含んだガスをアノードに供
給することにより、燃料電池内の電解質膜をさらに加湿
することができる。また、水素酸化によって生じる熱に
よって、水素分離部および燃料電池の各温度を、適正な
温度までさらに上昇させることができる。また、パージ
部の水素酸化による酸素の消費によって、パージガス
は、例えば、不活性な窒素ガスへと変化するため、窒素
ガスボンベなどを用意する必要がない。

【００３５】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上になった
場合に、前記改質部において、前記完全酸化の反応を停
止させて、前記水蒸気改質反応及び部分酸化反応のう
ち、少なくとも一方の反応を開始させることが好まし
い。

【００３６】このように、切り換えることにより、燃料
が無駄に消費されるのを防止することができる。

【００３７】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
改質部において、前記水蒸気改質反応及び部分酸化反応
のうち、少なくとも一方の反応を開始させた後、前記改
質部から前記アノードに至る流路中に酸素を含む第２の
酸化ガスを供給して、前記改質部から得られた前記改質
ガスに含まれる水素を前記第２の酸化ガスに含まれる酸
素によって酸化させることが好ましい。

【００３８】このように、改質部における改質ガス生成
開始後においても、燃料電池のアノードに供給される改
質ガスは、水素酸化により生成された水蒸気を含んだガ
スとなるため、燃料電池内の電解質膜を加湿することが
でき、カソードオフガスの水蒸気濃度を上昇させること
ができ、システム内で必要な水分量を確保することがで
きる。また、水素酸化により生じる熱によって、改質部
の後段に位置する種々の構成要素や燃料電池の各温度を
さらに上昇させることができる。従って、システム内の
各構成要素の温度を、それぞれの目標温度までできる限
り早く上昇させることができるので、燃料電池の発電開
始までの時間を短縮することができる。本発明の燃料電
池システムにおいて、前記カソードオフガス中の水蒸気
濃度が所定値以上になった場合に、前記改質部におい
て、部分酸化反応のみ起きる状態から、部分酸化反応と
水蒸気改質反応が共に起きる状態へと移行させることが
好ましい。

【００３９】このように、切り換えることにより、燃料
を有効に利用して、改質ガスの生成を行うことができ
る。

【００４０】本発明の燃料電池システムにおいて、前記
改質ガスに含まれる一酸化炭素を前記第２の酸化ガスに
含まれる酸素によって酸化させることが好ましい。

【００４１】このように、一酸化炭素を酸化させ、除去
することにより、アノードに供給される改質ガス中の一
酸化炭素濃度を減少させることができるため、燃料電池
における一酸化炭素被毒を抑えることができる。

【００４２】また、一酸化炭素酸化による発熱によっ
て、改質部の後段に位置する各構成要素および燃料電池
の各温度さらに上昇させることができる。従って、シス
テム内の各構成要素の温度を、それぞれの目標温度まで
できる限り早く上昇させることができるので、燃料電池
の発電開始までの時間をさらに短縮することができる。

【００４３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、実
施例に基づき以下の順序で説明する。 Ａ．第１の実施例： Ａ−１．第１の実施例の構成： Ａ−２．第１の実施例における起動時の動作： Ｂ．第２の実施例： Ｂ−１．第２の実施例の構成： Ｂ−２．第２の実施例における起動時の動作： Ｃ．第３の実施例： Ｃ−１．第３の実施例の構成： Ｃ−２．第３の実施例における起動時の動作： Ｄ．第４の実施例： Ｄ−１．第４の実施例の構成： Ｄ−２．第４の実施例における起動時の動作： Ｅ．変形例： Ｅ−１．変形例１： Ｅ−２．変形例２： Ｅ−３．変形例３： Ｅ−４．変形例４： Ｅ−５．変形例５： Ｅ−６．変形例６：

【００４４】Ａ．第１の実施例： Ａ−１．第１の実施例の構成：図１は本発明の第１の実
施例として燃料電池システム１００の全体構成を示すブ
ロック図である。

【００４５】本実施例の燃料電池システム１００は、主
として、炭化水素系燃料を改質して、水素リッチな改質
ガスを生成する改質部１０２と、生成された改質ガスか
ら一酸化炭素（ＣＯ）を除去するための高温シフト部１
０６、低温シフト部１１０およびＣＯ浄化部１１２と、
これらを経た改質ガスを燃料ガスとして利用し、エアポ
ンプ１３４によって取り込まれた空気を酸化ガスとして
利用して、電力を発生する燃料電池１１４と、を備えて
いる。

【００４６】これら構成要素のうち、燃料電池１１４
は、発電を行なう際に水（水蒸気）を生成する種類のも
のであればよく、具体的には、固体高分子型燃料電池、
リン酸型燃料電池などである。本実施例では、比較的小
型で発電効率に優れる固体高分子膜型の燃料電池を適用
した。燃料電池１１４は、電解質膜（図示せず）、アノ
ード１１６、カソード１１８、およびセパレータ（図示
せず）とから構成されるセル（図示せず）を複数積層し
て構成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂などの固
体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換
膜である。アノード１１６およびカソード１１８は、共
に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されて
いる。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過と
した緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により
形成されている。アノード１１６およびカソード１１８
との間に燃料ガス（改質ガス）および酸化ガスの流路を
形成する。

【００４７】燃料電池１１４のアノード１１６では、燃
料ガスが送り込まれると、この燃料ガス中の水素から水
素イオンを生成し（Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^-）、カソード
１１８は、酸化ガスが送り込まれると、この酸化ガス中
の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１１４内では
電力が発生する。また、これと同時にカソード１１８に
おいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成
される（（１／２）Ｏ ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ）。この
水のほとんどは、燃料電池１１４内で発生する熱を吸収
して水蒸気として生成される。

【００４８】燃料電池１１４のカソード１１８と改質部
１０２との間には、カソードオフガス流路が設けられて
いる。従って、カソード１１８において上記の如く生成
された水蒸気と、カソード１１８において反応に用いら
れなかった酸素は、カソードガスとして、改質部１０２
に供給される。

【００４９】改質部１０２には、その他、燃料として、
イソオクタン（Ｃ₈Ｈ₁₈）を一成分とするガソリンが供
給される。燃料には、天然ガスなどの他の炭化水素燃料
やアルコールなどの含酸素燃料など、種々の炭化水素系
燃料を用いることもできる。また、その他、エーテル，
アルデヒドなどを燃料として用いることもできる。

【００５０】改質部１０２は、その内部に、改質反応を
促進する改質用触媒（図示せず）を備えている。ガソリ
ンや天然ガスを原料とする場合には、例えばニッケル触
媒やロジウム貴金属を改質用触媒として用いることがで
き、メタノールを原料として用いる場合には、ＣｕＯ−
ＺｎＯ系触媒、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒などが有効であるこ
とが知られている。改質部１０２では、上記の如く、カ
ソードオフガスとして水蒸気および酸素の供給を受ける
と共に、燃料としてガソリンの供給を受けて、先に式
（１），（２）で示した水蒸気改質反応と部分酸化反応
とが併せて起こり、改質用触媒がそれらの反応を促進し
て、ガソリンから水素リッチな改質ガスが生成される。

【００５１】シフト部は、反応温度の違いによって、高
温シフト部１０６と低温シフト部１１０とに分かれてお
り、それぞれ、改質部１０２で生成された改質ガス中の
ＣＯを水と反応させてＣＯ₂に変成させる。これらシフ
ト部１０６，１１０の変成反応は、具体的には、ＣＯ＋
Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂で示される反応である。なお、これ
らシフト部１０６，１１０における変成反応に必要な水
も、カソードオフガスに含まれる水蒸気によって賄われ
る。

【００５２】ＣＯ浄化部１１２は、シフト部１０６，１
１０において除去されなかったＣＯを酸化しＣＯ₂に変
成させる。このＣＯ浄化部１１２の変成反応（ＣＯ＋
（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂）には酸素が必要である。その酸
素は、エアポンプ１３０によって取り込まれた空気によ
って賄われる。

【００５３】ＴＧＣ（テールガスコンバスタ）１４４
は、燃料電池１１４のアノード１１６から排出されたア
ノードオフガスの供給を受けて、その中に含まれるＣＯ
を燃焼させて除去すると共に、残存している水素を酸化
させて、水に変成させる。こうして、ＣＯおよび水素の
除去されたアノードオフガスは、後述する加湿ユニット
１３６を介して大気中に放出される。

【００５４】加湿ユニット１３６は、ＴＧＣ１４４から
のアノードオフガスとエアポンプ１３４からの酸化ガス
としての空気の供給をそれぞれ受け、アノードオフガス
から酸化ガスに水蒸気の受け渡しを行わせ、酸化ガスの
加湿を行っている。なお、余分な水分は水回収ユニット
１４６に回収される。

【００５５】外部冷却器１３８は、燃料電池１１４の外
部に取り付けられており、１１４の冷却を行っている。

【００５６】熱交換器１０４，１２２は、改質部１０２
からの改質ガスで得た熱を、熱交換器１０８，１２０
は、高温シフト部１０６で得た熱を、熱交換器１２４は
ＴＧＣ１４４で得た熱を、それぞれ、カソードオフガス
に伝達するように熱交換を行っている。また、熱交換器
１４０は、外部冷却器１３８から得た熱を、熱交換器１
４２はＣＯ浄化部１１２で得た熱を、それぞれ、アノー
ドオフガスに伝達するように熱交換を行っている。

【００５７】Ａ−２．第１の実施例における起動時の動
作：以上説明したように、燃料電池１１４の運転時にカ
ソード１１８から排出されるカソードオフガスを改質部
１０２に供給して循環させる構成では、改質部１０２で
生じる水蒸気改質反応に用いられる水は、供給するカソ
ードオフガスによって賄われるため、蒸発器や水タンク
などは必要としない。

【００５８】しかしながら、起動時においては、蒸発器
を利用した蒸気生成ができないため、このままでは、シ
ステム内において必要な水分量を確保することができな
い。

【００５９】そこで、本実施例においては、起動時に、
改質部１０２において、供給された燃料を完全酸化させ
ることによって、水蒸気を生成するようにしている。

【００６０】すなわち、システムの起動が開始される
と、まず、エアポンプ１３４によって空気が取り込ま
れ、酸化ガスとして加湿ユニット１３６を介して燃料電
池１１４のカソード１１８に供給される。燃料電池１１
４では、まだ、発電が開始されていないので、供給され
た酸化ガスは、カソード１１８を素通りし、酸素を多量
に含んだまま、カソードオフガスとして熱交換器１２
０，１２２，１２４を介して改質部１０２に供給され
る。また、改質部１０２には、燃料としてガソリンも供
給される。

【００６１】このとき、エアポンプ１３４は、改質部１
０２において、ガソリンを完全酸化させるのに十分な空
気量がカソードオフガスとして得られるように、その駆
動が制御される。

【００６２】これにより、改質部１０２では、触媒燃焼
（改質用触媒による燃焼）や気相燃焼（燃料と酸化ガス
との混合による燃焼）によって、供給されたガソリンは
完全酸化されて、式（３）に示すように、水と二酸化炭
素（ＣＯ₂）になる。

【００６３】 Ｃ₈Ｈ₁₈＋（２５／２）Ｏ₂ → ８ＣＯ₂＋９Ｈ₂Ｏ …（３）

【００６４】この結果、完全酸化による発熱によって改
質部１０２の温度は上昇すると共に、完全酸化によって
水蒸気が生成される。

【００６５】なお、完全酸化による反応温度は、供給さ
れる空気量を理論空燃費の約４倍となるように、エアポ
ンプ１３４の駆動を制御することによって、約８００℃
以下に調整することが好ましい。

【００６６】改質部１０２において、完全酸化によって
得られたガス（水蒸気＋ＣＯ₂）は、熱交換器１０４，
高温シフト部１０６，熱交換器１０８，低温シフト部１
１０，ＣＯ浄化部１１２を介して、燃料電池１１４のア
ノード１１６に供給される。

【００６７】これらの各要素１０４〜１１２は、起動
時、低温状態にあるため、改質部１０２からのガスが流
通することにより、それらの温度は徐々に上昇するが、
反対に、改質部１０２からのガスの温度は、各要素１０
４〜１１２を介する毎に低下する。しかも、カソードオ
フガスも低温状態であるため、このカソードオフガスが
通過する熱交換器１２２，１２０によって、改質部１０
２からのガスは、熱交換器１０４，１０８において、さ
らに温度が低下する。

【００６８】このため、熱交換器１０４，１０８のそれ
ぞれの後段にある高温シフト部１０６，低温シフト部１
１０では、内部にある触媒の熱劣化を抑制することがで
きる。

【００６９】また、改質部１０２からのガスは、水蒸気
分圧が低いので、高温シフト部１０６，低温シフト部１
１０およびＣＯ浄化部１１２では、水蒸気による結露が
生じない。

【００７０】さらにまた、改質部１０２からのガスの温
度は、最終的に、燃料電池１１４のアノード１１６にお
いて、数十℃になる。そのため、ガス中の水蒸気は急速
に凝縮して水となり、燃料電池１１４内の電解質膜に吸
収されて、電解質膜を加湿する。

【００７１】なお、燃料電池１１４では、改質部１０２
からのガスの供給により、その温度は時間経過と共に徐
々に上昇するものの、燃料電池１１４自体、熱容量が大
きく、しかも、燃料電池１１４の外部に取り付けられた
外部冷却器１３８の働きによって、燃料電池１１４の温
度が異常に急上昇することはない。

【００７２】燃料電池１１４のアノード１１６に供給さ
れたガスは、電解質膜を湿潤させた後、そのままアノー
ドオフガスとして排出され、熱交換器１４２を介して、
ＴＧＣ１４４に供給される。このとき、ＴＧＣ１４４に
供給されるアノードオフガスは、水蒸気とＣＯ₂である
ため、ＴＧＣ１４４は何ら機能せず、アノードオフガス
はＴＧＣ１４４を素通りして、そのまま加湿ユニット１
３６に供給される。

【００７３】加湿ユニット１３６では、アノードオフガ
スに残留している水蒸気を、エアポンプ１３４からの酸
化ガスに添加することにより、燃料電池１１４のカソー
ド１１８に供給される酸化ガスを加湿する。

【００７４】こうして、時間経過と共に、燃料電池１１
４のアノード１１６において、改質部１０２からのガス
に含まれる水蒸気の凝縮によって、電解質膜中の水分量
が増加すると共に、改質部１０２からのガスより得られ
る熱によって、燃料電池１１４の温度が上昇する。これ
により、電解質膜での水分の蒸発が進み、その水蒸気は
カソード１１８側に流れて、カソード１１８から排出さ
れるカソードオフガス中の水蒸気濃度を徐々に増加させ
る。

【００７５】また、加湿ユニット１３６において、時間
経過と共に、アノードオフガスから酸化ガスに添加され
る水蒸気の量も増加し、カソード１１８に供給される酸
化ガス中の水蒸気濃度が増加するため、これによって
も、カソードオフガス中の水蒸気濃度をさらに増加させ
ることになる。

【００７６】なお、起動開始直後は、燃料電池１１４は
低温状態にあるため、改質部１０２で生成された水蒸気
の大部分は、燃料電池１１４の内部で凝縮されるが、燃
料電池１１４の温度が徐々に上昇すると、燃料電池１１
４のアノード１１６から排出されるアノードオフガス中
の水蒸気濃度も上昇するため、加湿ユニット１３６にお
いて、アノードオフガスから酸化ガスに添加される水蒸
気の量も増加し、カソード１１８に供給される酸化ガス
中の水蒸気濃度が増加する。従って、これによっても、
カソードオフガス中の水蒸気濃度をさらに増加させるこ
とになる。また、アノードオフガス中の水蒸気濃度の上
昇により、加湿ユニット１３６において、回収される水
の量の増加も望むことができる。

【００７７】その後、カソードオフガス中の水蒸気濃度
をセンサ１４８によって検出する。そして、検出の結
果、その水蒸気濃度が予め設定された所定の濃度になっ
たら、エアポンプ１３４の駆動を制御して、改質部１０
２にカソードオフガスとして供給される空気量を、それ
までのレベル（ガソリンを完全酸化させるのに十分なレ
ベル）から通常の運転時のレベルまでステップ的に減少
させる。これにより、改質部１０２では、完全酸化反応
が停止し、それに代えて、上述した水蒸気改質反応と部
分酸化反応が起こり、ガソリンから水素リッチな改質ガ
スの生成が開始される。

【００７８】その後、高温シフト部１０６および低温シ
フト部１１０では、各温度が上昇し、それぞれが適切な
温度になると、上述したシフト部の変成反応（ＣＯ＋Ｈ
₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂）が開始される。また、ＣＯ浄化部１
１２では、温度が上昇して適正な温度になると、エアポ
ンプ１３０から酸化ガスが供給されて、上述したＣＯ浄
化部の変成反応（ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂）が開始
される。そして、エアポンプ１３０によるＣＯ浄化部１
１２への酸化ガスの吹き込み量は、最終的に燃料電池１
１４のアノード１１６に供給される改質ガス（燃料ガ
ス）中のＣＯ濃度が、許容濃度（例えば、５ｐｐｍ）以
下になるように調整される。

【００７９】こうして、アノード１１６に供給される改
質ガス（燃料ガス）中のＣＯ濃度が、許容濃度以下にな
ったら、燃料電池１１４は発電を開始する。

【００８０】その後、燃料電池１１４のカソード１１８
における酸素消費を補うために、エアポンプ１３４によ
るカソード１１８への酸化ガスの供給量を調整する。こ
うして、カソード１１８への酸化ガスの供給量が安定す
ると共に、燃料電池システム１００内の各部の温度が安
定したら、起動時の動作を完了する。

【００８１】なお、以上の起動制御は、図示せざる制御
部によって、全て実行されている。このことは、後述す
る他の実施例においても同様である。

【００８２】本実施例の燃料電池システム１００によれ
ば、起動時に、改質部１０２において、供給されたガソ
リンを完全酸化させて水蒸気を生成し、その水蒸気を含
んだガスを燃料電池１１４のアノード１１６に供給する
ことにより、燃料電池１１４内の電解質膜を加湿するこ
とができ、延いては、カソード１１８から排出されるカ
ソードオフガスの水蒸気濃度を上昇させることができ、
システム内で必要な水分量を十分確保することができ
る。

【００８３】また、完全酸化により生じる熱によって、
改質部１０２の温度を上昇させる他、改質部１０２の後
段に位置する高温シフト部１０６，低温シフト部１１
０，ＣＯ浄化部１１２および燃料電池１１４の各温度
を、それぞれの目標温度までできる限り早く上昇させる
ことができるので、燃料電池の発電開始までの時間を短
縮することができる。

【００８４】Ｂ．第２の実施例： Ｂ−１．第２の実施例の構成：図２は本発明の第２の実
施例として燃料電池システム２００の全体構成を示すブ
ロック図である。図２において、図１と同じ構成要素に
ついては同じ符号が付されている。

【００８５】本実施例の燃料電池システム２００では、
図１に示した構成に、新たに、高温シフト部１０６の流
入部に、取り込んだ空気を酸化ガスとして供給するため
のエアポンプ１２６と、低温シフト部１１０の流入部
に、同じく取り込んだ空気を酸化ガスとして供給するた
めのエアポンプ１２８と、がそれぞれ設けられている。

【００８６】Ｂ−２．第２の実施例における起動時の動
作：本実施例においては、起動時に、改質部１０２にお
いて、供給された燃料を完全酸化ではなく、部分酸化さ
せることによって、改質ガスを生成し、その改質ガス中
の水素を、後段の高温シフト部１０６，低温シフト部１
１０，ＣＯ浄化部１１２などにおいて、酸化させること
によって、水蒸気を生成するようにしている。

【００８７】すなわち、システムの起動が開始される
と、まず、エアポンプ１３４によって空気が取り込ま
れ、酸化ガスとして加湿ユニット１３６を介して燃料電
池１１４のカソード１１８に供給される。供給された酸
化ガスは、カソード１１８を素通りし、カソードオフガ
スとして熱交換器１２０，１２２，１２４を介して改質
部１０２に供給される。また、改質部１０２は、燃料と
してガソリンも供給される。

【００８８】このとき、エアポンプ１３４は、改質部１
０２において、ガソリンを部分酸化させるのに十分な空
気量がカソードオフガスとして得られるように、その駆
動が制御される。具体的には、改質部１０２において、
著しい煤が生じない酸素／炭素比（すなわち、Ｏ／Ｃ比
が１．０以上）となるように、制御される。

【００８９】これにより、改質部１０２では、供給され
たガソリンを部分酸化されて、式（２）に示したよう
に、水素とＣＯを含む改質ガスが生成される。また、部
分酸化による発熱によって、改質部１０２の温度は上昇
する。

【００９０】生成された改質ガスは、熱交換器１０４，
高温シフト部１０６，熱交換器１０８，低温シフト部１
１０，ＣＯ浄化部１１２を介して、燃料電池１１４のア
ノード１１６に供給される。

【００９１】これらの各要素１０４〜１１２は、起動
時、低温状態にあるため、改質部１０２からの改質ガス
が流通することにより、それらの温度は徐々に上昇する
が、反対に、改質ガスの温度は、各要素１０４〜１１２
を介する毎に低下する。しかも、カソードオフガスも低
温状態であるため、熱交換器１２０，１２２，１０４，
１０８によって、改質ガスはさらに温度が低下する。こ
のため、高温シフト部１０６，低温シフト部１１０で
は、内部にある触媒の熱劣化を抑制することができる。

【００９２】また、本実施例においては、起動時に、エ
アポンプ１２６により高温シフト部１０６の流入部にお
いて、エアポンプ１２８により低温シフト部１１０の流
入部において、エアポンプ１３０によりＣＯ浄化部１１
２において、それぞれ、改質ガスに酸化ガスを吹き込
む。

【００９３】これにより、高温シフト部１０６，低温シ
フト部１１０およびＣＯ浄化部１１２では、改質ガスに
含まれる水素を、式（４）に示すように酸化して、水蒸
気を生成する。

【００９４】 Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（４）

【００９５】また、改質ガスに含まれるＣＯを、式
（５）に示すように酸化させることにより、除去する。

【００９６】 ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂ …（５）

【００９７】特に、ＣＯ浄化部１１２では、エアポンプ
１３０による酸化ガスの吹き込み量を、通常の運転時に
よりも、多くして、最終的に燃料電池１１４のアノード
１１６に供給される改質ガス（燃料ガス）中のＣＯ濃度
が、ゼロとなるようにしている。

【００９８】さらにまた、このような水素酸化，ＣＯ酸
化による発熱によって、高温シフト部１０６，低温シフ
ト部１１０およびＣＯ浄化部１１２の各温度は、それぞ
れ上昇する。当初、これら各部の温度が水蒸気が結露す
るような低い温度であったとしても、このように、各部
の温度が上昇することにより、生成された水蒸気の結露
を防止することができる。

【００９９】こうして、高温シフト部１０６，低温シフ
ト部１１０およびＣＯ浄化部１１２を経た改質ガスの温
度は、最終的に、燃料電池１１４のアノード１１６にお
いて、数十℃になる。そのため、改質ガスに含まれる水
蒸気は凝縮して水となり、燃料電池１１４内の電解質膜
に吸収されて、電解質膜を加湿する。

【０１００】なお、燃料電池１１４のアノード１１６に
供給される改質ガスは、上述したように、ＣＯが十分に
除去されているので、アノード１１６にある触媒にＣＯ
が吸着されてしまう、いわゆるＣＯ被毒の発生を抑える
ことができる。

【０１０１】また、燃料電池１１４では、改質ガスの供
給により、その温度は時間経過と共に徐々に上昇するも
のの、燃料電池１１４自体、熱容量が大きく、しかも、
燃料電池１１４の外部に取り付けられた外部冷却器１３
８の働きによって、燃料電池１１４の温度が異常に急上
昇することはない。なお、起動開始直後は、燃料電池１
１４の温度は低いため、上記したＣＯ浄化部１１２での
水素酸化，ＣＯ酸化による発熱により、熱交換器１４
０，外部冷却器１３８を介して、燃料電池１１４を加熱
し、燃料電池１１４の温度上昇を促進させることができ
る。

【０１０２】燃料電池１１４のアノード１１６に供給さ
れた改質ガスは、電解質膜を湿潤させた後、そのままア
ノードオフガスとして排出され、熱交換器１４２を介し
て、ＴＧＣ１４４に供給される。このとき、ＴＧＣ１４
４に供給されるアノードオフガスは、上述した水素酸
化，ＣＯ酸化によって、水蒸気とＣＯ₂となっているた
め、ＴＧＣ１４４は何ら機能せず、アノードオフガスは
ＴＧＣ１４４を素通りして、そのまま加湿ユニット１３
６に供給される。

【０１０３】加湿ユニット１３６では、アノードオフガ
スに残留している水蒸気を、エアポンプ１３４からの酸
化ガスに添加することにより、燃料電池１１４のカソー
ド１１８に供給される酸化ガスを加湿する。

【０１０４】こうして、時間経過と共に、燃料電池１１
４のアノード１１６において、改質ガスに含まれる水蒸
気の凝縮によって、電解質膜中の水分量が増加すると共
に、改質ガスより得られる熱によって、燃料電池１１４
の温度が上昇する。これにより、電解質膜での水分の蒸
発が進み、その水蒸気はカソード１１８側に流れて、カ
ソードオフガス中の水蒸気濃度を徐々に増加させる。

【０１０５】なお、燃料電池１１４の温度が徐々に上昇
すると、燃料電池１１４のアノード１１６から排出され
るアノードオフガス中の水蒸気濃度も上昇するため、加
湿ユニット１３６において、アノードオフガスから酸化
ガスに添加される水蒸気の量も増加し、カソード１１８
に供給される酸化ガス中の水蒸気濃度が増加する。従っ
て、これによっても、カソードオフガス中の水蒸気濃度
をさらに増加させることになる。また、アノードオフガ
ス中の水蒸気濃度の上昇により、加湿ユニット１３６に
おいて、回収される水の量の増加も望むことができる。

【０１０６】その後、カソードオフガス中の水蒸気濃度
を、センサ１４８によって検出する。そして、検出の結
果、その水蒸気濃度が予め設定された所定の濃度になっ
たら、エアポンプ１３４の駆動を制御して、改質部１０
２にカソードオフガスとして供給される空気量を、それ
までのレベル（ガソリンを部分酸化させるのに十分なレ
ベル）から通常の運転時のレベルまでステップ的に減少
させる。これにより、改質部１０２では、部分酸化反応
のみ起きる状態から、部分酸化反応と水蒸気改質反応が
共に起きる状態へと移行する。

【０１０７】さらにその後、高温シフト部１０６および
低温シフト部１１０の各温度が上昇するのに伴って、エ
アポンプ１２６および１２８の駆動を制御し、高温シフ
ト部１０６の流入部および低温シフト部１１０の流入部
への酸化ガスの吹き込み量を徐々に低減させる。そし
て、高温シフト部１０６および低温シフト部１１０の各
温度が、それぞれ、シフト部の変成反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ
→Ｈ₂＋ＣＯ₂）を起こさせるのに適切な温度になった
ら、エアポンプ１２６および１２８の駆動を停止させ、
酸化ガスの吹き込みを停止する。これにより、高温シフ
ト部１０６および低温シフト部１１０では、水素酸化，
ＣＯ酸化の各反応が停止し、それに代わって、上記変成
反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂）が開始される。

【０１０８】また、ＣＯ浄化部１１２の温度が上昇する
のに伴って、エアポンプ１３０の駆動を制御して、ＣＯ
浄化部１１２に対する酸化ガスの吹き込み量を減少させ
る。これにより、ＣＯ浄化部１１２では、水素酸化，Ｃ
Ｏ酸化の各反応が起きる状態から、ＣＯ浄化部の変成反
応（ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂→ＣＯ₂）が起きる状態へと徐
々に移行する。そして、エアポンプ１３０によるＣＯ浄
化部１１２への酸化ガスの吹き込み量は、最終的に燃料
電池１１４のアノード１１６に供給される改質ガス（燃
料ガス）中のＣＯ濃度が、許容濃度（例えば、５ｐｐ
ｍ）以下になるように、調整される。

【０１０９】こうして、アノード１１６に供給される改
質ガス（燃料ガス）中のＣＯ濃度が、許容濃度以下にな
ったら、燃料電池１１４は発電を開始する。

【０１１０】その後、燃料電池１１４のカソード１１８
における酸素消費を補うために、エアポンプ１３４によ
るカソード１１８への酸化ガスの供給量を調整する。こ
うして、カソード１１８への酸化ガスの供給量が安定す
ると共に、燃料電池システム１００内の各部の温度が安
定したら、起動時の動作を完了する。

【０１１１】本実施例の燃料電池システム２００によれ
ば、起動時に、改質部１０２において、供給されたガソ
リンを部分酸化させて改質ガスを生成し、高温シフト部
１０６，低温シフト部１１０およびＣＯ浄化部１１２に
おいて、その改質ガス中の水素を酸化させて、水蒸気を
生成し、その水蒸気を含んだ改質ガスを燃料電池１１４
のアノード１１６に供給することにより、燃料電池１１
４内の電解質膜を加湿することができ、延いては、カソ
ード１１８から排出されるカソードオフガスの水蒸気濃
度を上昇させることができ、システム内で必要な水分量
を十分確保することができる。

【０１１２】また、改質部１０２において、部分酸化に
より生じる熱によって、改質部１０２の温度を上昇させ
る他、高温シフト部１０６，低温シフト部１１０および
ＣＯ浄化部１１２において、水素酸化，ＣＯ酸化により
生じる熱によって、高温シフト部１０６，低温シフト部
１１０およびＣＯ浄化部１１２の各温度を上昇させ、そ
れにより、燃料電池１１４の温度を、適正な温度まで徐
々に上昇させることができる。従って、システム内の各
構成要素の温度を、それぞれの目標温度までできる限り
早く上昇させることができるので、燃料電池の発電開始
までの時間を短縮することができる。

【０１１３】Ｃ．第３の実施例： Ｃ−１．第３の実施例の構成：図３および図４は本発明
の第３の実施例として燃料電池システム３００の全体構
成を示すブロック図である。これら図のうち、図３は起
動開始時の接続状態を示しており、図４は水素生成開始
後の接続状態を示している。これら図において、図１と
同じ構成要素については同じ符号が付されている。

【０１１４】本実施例の燃料電池システム３００では、
図１における高温シフト部１０６，低温シフト部１１０
およびＣＯ浄化部１１２の代わりに、図３および図４に
示すように、改質部１０２で生成された改質ガスから水
素を分離するための水素分離ユニット１５０が設けられ
ている。

【０１１５】この水素分離ユニット１５０は、燃料電池
１１４の運転時において改質ガスが流れるフィード部１
５２と、パージガスが流れるパージ部１５４と、フィー
ド部１５２とパージ部１５４との間に配置される水素分
離膜１５６と、を備えている。なお、このフィード部１
５２には、シフト触媒が内蔵されている。シフト触媒
は、図１における高温シフト部１０６，低温シフト部１
１０と同様の機能を奏するもので、改質ガス中のＣＯを
水と反応させてＣＯ₂に変成させる。水素分離膜１５６
は、パラジウムなどの水素選択透過性を有する金属で構
成された膜である。

【０１１６】水素分離膜１５６は、パラジウム金属単体
で構成することも可能であるが、本実施例では、セラミ
ック微粒子で構成された多孔質支持体の細孔中にパラジ
ウムの微粒子を担持させて形成された膜を用いた。な
お、担持する金属としては、水素を選択的に透過する性
質を有する種々の物質を適用でき、パラジウムと銀の合
金や、バナジウムの合金などを用いることができる。ま
た、セラミック微粒子としては、アルミナ、窒化珪素、
シリカ等を用いることができる。かかる水素分離膜１５
６は、予め形成された多孔質支持体にパラジウム微粒子
を溶かした溶剤を含浸させて焼成する含浸担持法や、多
孔質支持体を構成するセラミック微粒子とパラジウム微
粒子を混合したポリマーを焼成する方法などによって製
造することができる。

【０１１７】Ｃ−２．第３の実施例における起動時の動
作：本実施例においては、起動時に、第１の実施例と同
様に、改質部１０２において、供給された燃料を完全酸
化させることによって、水蒸気を生成するようにしてい
る。

【０１１８】すなわち、システムの起動が開始される
と、まず、図３において、エアポンプ１３４によって空
気が取り込まれ、酸化ガスとして加湿ユニット１３６を
介して燃料電池１１４のカソード１１８に供給される。
燃料電池１１４では、まだ、発電が開始されていないの
で、供給された酸化ガスは、カソード１１８を素通り
し、酸素を多量に含んだまま、カソードオフガスとして
熱交換器１２２を介して改質部１０２に供給される。ま
た、改質部１０２には、燃料としてガソリンも供給され
る。

【０１１９】このとき、エアポンプ１３４は、改質部１
０２において、ガソリンを完全酸化させるのに十分な空
気量がカソードオフガスとして得られるように、その駆
動が制御される。これにより、改質部１０２では、触媒
燃焼や気相燃焼によって、供給されたガソリンは式
（３）に示したように完全酸化されて、水蒸気とＣＯ₂
が生成されると共に、完全酸化による発熱によって改質
部１０２の温度が上昇する。

【０１２０】なお、本実施例においても、完全酸化によ
る反応温度は、供給される空気量を理論空燃費の約４倍
となるように、エアポンプ１３４の駆動を制御すること
によって、約８００℃以下に調整することが好ましい。

【０１２１】改質部１０２において、完全酸化によって
得られたガスは、熱交換器１０４を介して水素分離ユニ
ット１５０のフィード部１５２に供給される。改質部１
０２からのガスは、上記した如く水蒸気とＣＯ₂である
ため、水素分離膜１５６は何ら機能せず、そのガスはフ
ィード部１５２を素通りして、そのまま、燃料電池１１
４のアノード１１６に供給される。

【０１２２】熱交換器１０４，フィード部１５２は、起
動時、低温状態にあるため、改質部１０２からのガスが
流通することにより、それらの温度は徐々に上昇する
が、反対に、改質部１０２からのガスの温度は、熱交換
器１０４やフィード部１５２を介する毎に低下する。

【０１２３】また、改質部１０２からのガスは、水蒸気
分圧が低いので、フィード部１５２では、水蒸気による
結露が生じない。

【０１２４】さらにまた、改質部１０２からのガスの温
度は、熱交換器１０４やフィード部１５２で低下するこ
とにより、最終的に、燃料電池１１４のアノード１１６
において、数十℃になる。そのため、ガス中の水蒸気は
急速に凝縮して水となり、燃料電池１１４内の電解質膜
に吸収されて、電解質膜を加湿する。

【０１２５】なお、燃料電池１１４では、改質部１０２
からのガスの供給により、その温度は時間経過と共に徐
々に上昇するものの、燃料電池１１４自体、熱容量が大
きく、しかも、燃料電池１１４の外部に取り付けられた
外部冷却器１３８の働きによって、燃料電池１１４の温
度が異常に急上昇することはない。

【０１２６】燃料電池１１４のアノード１１６に供給さ
れたガスは、電解質膜を湿潤させた後、そのままアノー
ドオフガスとして排出され、ＴＧＣ１４４に供給され
る。このとき、ＴＧＣ１４４に供給されるアノードオフ
ガスは、水蒸気とＣＯ₂であるため、ＴＧＣ１４４は何
ら機能せず、アノードオフガスはＴＧＣ１４４を素通り
して、そのまま加湿ユニット１３６に供給される。

【０１２７】加湿ユニット１３６では、アノードオフガ
スに残留している水蒸気を、エアポンプ１３４からの酸
化ガスに添加することにより、燃料電池１１４のカソー
ド１１８に供給される酸化ガスを加湿する。

【０１２８】こうして、時間経過と共に、燃料電池１１
４のアノード１１６において、改質部１０２からのガス
に含まれる水蒸気の凝縮によって、電解質膜中の水分量
が増加すると共に、改質部１０２からのガスより得られ
る熱によって、燃料電池１１４の温度が上昇する。これ
により、電解質膜での水分の蒸発が進み、その水蒸気は
カソード１１８側に流れて、カソード１１８から排出さ
れるカソードオフガス中の水蒸気濃度を徐々に増加させ
る。

【０１２９】また、加湿ユニット１３６において、時間
経過と共に、アノードオフガスから酸化ガスに添加され
る水蒸気の量も増加し、カソード１１８に供給される酸
化ガス中の水蒸気濃度が増加するため、これによって
も、カソードオフガス中の水蒸気濃度をさらに増加させ
ることになる。

【０１３０】なお、起動開始直後は、燃料電池１１４は
低温状態にあるため、改質部１０２で生成された水蒸気
の大部分は、燃料電池１１４の内部で凝縮されるが、燃
料電池１１４の温度が徐々に上昇すると、燃料電池１１
４のアノード１１６から排出されるアノードオフガス中
の水蒸気濃度も上昇するため、加湿ユニット１３６にお
いて、アノードオフガスから酸化ガスに添加される水蒸
気の量も増加し、カソード１１８に供給される酸化ガス
中の水蒸気濃度が増加する。従って、これによっても、
カソードオフガス中の水蒸気濃度をさらに増加させるこ
とになる。また、アノードオフガス中の水蒸気濃度の上
昇により、加湿ユニット１３６において、回収される水
の量の増加も望むことができる。

【０１３１】その後、カソードオフガス中の水蒸気濃度
をセンサ１４８によって検出する。そして、検出の結
果、その水蒸気濃度が予め設定された所定の濃度になっ
たら、エアポンプ１３４の駆動を制御して、改質部１０
２にカソードオフガスとして供給される空気量を、それ
までのレベル（ガソリンを完全酸化させるのに十分なレ
ベル）から通常の運転時のレベルまでステップ的に減少
させる。これにより、改質部１０２では、完全酸化反応
が停止し、それに代えて、上述した水蒸気改質反応と部
分酸化反応が起こり、ガソリンから水素リッチな改質ガ
スの生成が開始される。

【０１３２】こうして、改質部１０２において、水素リ
ッチな改質ガスの生成が開始されると、各構成要素の接
続状態が図３から図４へと切り換わる。すなわち、燃料
電池１１４のアノード１１６の流入部に接続されていた
水素分離ユニット１５０のフィード部１５２の流出部
を、ＴＧＣ１４４の流入部に接続し、熱交換器１５８の
流入部に接続されていた熱交換器１６０の流出部を、ア
ノード１１６の流入部に接続し、ＴＧＣ１４４の流入部
に接続されていたアノード１１６の流出部を、熱交換器
１５８の流入部に接続する。

【０１３３】なお、このような接続の切り換えは、図示
せざる切り換えバルブなどを用いることによって容易に
実現することができる。

【０１３４】一方、改質部１０２からのガスの流通によ
る水素分離ユニット１５０におけるフィード部１５２の
温度上昇に伴い、水素分離膜１５６の温度が上昇し、水
素分離の機能を果たすのに適切な温度に近づいてきた
ら、パージポンプ１６２の駆動が開始される。起動開始
時には、パージ部１５４や、熱交換器１５８，１６０
や、それらを接続する配管内は、空気、すなわち、酸化
ガスによって満たされている。従って、パージポンプ１
６２の駆動が開始されると、その酸化ガスが、パージガ
スとして、パージ部１５４，熱交換器１６０，アノード
１１６，熱交換器１５８を循環することになる。

【０１３５】従って、改質部１０２で生成された改質ガ
スが、熱交換器１０４を介して水素分離ユニット１５０
のフィード部１５２に供給されると、フィード部１５２
を流れる改質ガスから水素分離膜１５６によって水素が
分離されてパージ部１５４に供給される。

【０１３６】なお、水素分離ユニット１５０では、フィ
ード部１５２の圧力がパージ部１５４の圧力より高くな
るように、水素分離ユニット１５０への改質ガス供給側
の圧力を、水素分離ユニット１５０からのパージガス循
環側の圧力よりも高くしてある。このため、フィード部
１５２とパージ部１５４との水素分圧差によって、水素
分離膜１５６において水素の透過が生じ、これにより、
改質ガスから水素が分離される。

【０１３７】こうして、水素が分離されてパージ部１５
４に供給されると、その水素は、水素分離膜１５６のパ
ージ部側の表面において、直ちに、パージ部１５４を流
れる酸化ガスによって酸化され、式（４）に示したよう
に、水蒸気が生成される。

【０１３８】これにより、パージガスとしての酸化ガス
は水蒸気を含み、燃料電池１１４のアノード１１６に送
られて、電解質膜をさらに加湿する。また、このような
パージ部１５４における水素酸化による発熱によって、
パージ部１５４の温度が上昇し、それに伴い、水素分離
膜１５６の温度も上昇し、適切な温度にさらに近づく。
また、パージガスが供給される燃料電池１１４の温度も
上昇する。

【０１３９】一方、フィード部１５２の温度が上昇する
と、適切な温度になると、フィード部１５２に内蔵され
たシフト触媒によって、上述したシフト部と同様の変成
反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂）が開始され、フィー
ド部１５２に供給された改質ガス中のＣＯが除去され
る。

【０１４０】さらに、フィード部１５２に供給された改
質ガスのうち、水素分離膜１５６によって分離されなか
った残りのガスは、フィード部１５２からＴＧＣ１４４
に供給され、ＴＧＣ１４４において、ガス中に残存して
いるＣＯを燃焼させて除去すると共に、残存している水
素を酸化させて、水に変成させる。こうして、ＣＯおよ
び水素の除去されたガスは、加湿ユニット１３６を介し
て大気中に放出される。

【０１４１】その後、上述したパージ部１５４における
水素酸化によって、循環しているパージガス中の酸素は
消費されて、徐々に減少する。そのため、パージガス
は、酸化ガス（空気）から不活性な窒素ガスへと徐々に
変化する。また、酸素の減少に伴い、水素酸化も徐々に
行われなくなるため、水素の消費が減り、循環している
ガス中の水素濃度は徐々に増加する。このため、循環し
ているガスはパージガスと水素とが混合した燃料ガスと
なる。そして、その燃料ガス中の水素濃度が所定の濃度
を超えた場合に、燃料電池１１４は発電を開始する。

【０１４２】また、発電が開始されると、熱交換器１５
８は、熱交換器１６０は、パージ部１５４から排出され
る燃料ガスの温度を燃料電池１１４の運転に適した温度
まで低下させるように、熱交換器１５８は、アノード１
１６から排出されるアノードオフガスの温度を水素分離
ユニット１５０に適した温度まで上昇させるように、両
者の間で熱交換を行なっている。

【０１４３】その後、燃料電池１１４のカソード１１８
における酸素消費を補うために、エアポンプ１３４によ
るカソード１１８への酸化ガスの供給量を調整する。こ
うして、カソード１１８への酸化ガスの供給量が安定す
ると共に、燃料電池システム１００内の各部の温度が安
定したら、起動時の動作を完了する。

【０１４４】本実施例の燃料電池システム３００によれ
ば、起動時に、改質部１０２において、供給されたガソ
リンを完全酸化させて水蒸気を生成し、その水蒸気を含
んだガスを燃料電池１１４のアノード１１６に供給する
ことにより、燃料電池１１４内の電解質膜を加湿するこ
とができ、延いては、カソード１１８から排出されるカ
ソードオフガスの水蒸気濃度を上昇させることができ、
システム内で必要な水分量を十分確保することができ
る。

【０１４５】また、完全酸化により生じる熱によって、
改質部１０２の温度を上昇させる他、水素分離ユニット
１５０および燃料電池１１４の各温度を、適正な温度ま
で徐々に上昇させることができる。

【０１４６】また、改質部１０２における改質ガス生成
開始後は、水素分離ユニット１５０のパージ部１５４に
おける水素酸化によって水蒸気を生成し、その水蒸気を
含んだパージガスを燃料電池１１４のアノード１１６に
供給することにより、燃料電池１１４内の電解質膜をさ
らに加湿することができる。また、水素酸化によって生
じる熱によって水素分離ユニット１５０および燃料電池
１１４の各温度を、適正な温度までさらに上昇させるこ
とができる。

【０１４７】従って、システム内の各構成要素の温度
を、それぞれの目標温度までできる限り早く上昇させる
ことができるので、燃料電池の発電開始までの時間を短
縮することができる。

【０１４８】さらにまた、起動開始時には酸化ガス（空
気）であったパージガスが、パージ部１５４の水素酸化
による酸素の消費によって、不活性な窒素ガスへと変化
するため、パージガスとして、特別に窒素ガスを供給す
るための窒素ガスボンベなどを用意する必要がない。

【０１４９】Ｄ．第４の実施例： Ｄ−１．第４の実施例の構成：図５および図６は本発明
の第４の実施例として燃料電池システム４００の全体構
成を示すブロック図である。これら図のうち、図５は起
動開始時の接続状態を示しており、図６は水素生成開始
後の接続状態を示している。これら図において、図３お
よび４と同じ構成要素については同じ符号が付されてい
る。

【０１５０】本実施例の燃料電池システム４００では、
図３および４に示した構成に、新たに、水素分離ユニッ
ト１５０におけるフィード部１５２の流入部に、取り込
んだ空気を酸化ガスとして供給するためのエアポンプ１
６４が設けられている。

【０１５１】Ｄ−２．第４の実施例における起動時の動
作：本実施例においては、起動時に、第２の実施例と同
様に、改質部１０２において、供給された燃料を完全酸
化ではなく、部分酸化させることによって、改質ガスを
生成し、その改質ガス中の水素を、後段の水素分離ユニ
ット１５０におけるフィード部１５２において、内蔵さ
れたシフト触媒を利用して酸化させることによって、水
蒸気を生成するようにしている。

【０１５２】すなわち、システムの起動が開始される
と、まず、図５において、エアポンプ１３４によって空
気が取り込まれ、酸化ガスとして加湿ユニット１３６を
介して燃料電池１１４のカソード１１８に供給される。
供給された酸化ガスは、カソード１１８を素通りし、カ
ソードオフガスとして熱交換器１２２を介して改質部１
０２に供給される。また、改質部１０２は、燃料として
ガソリンも供給される。

【０１５３】このとき、エアポンプ１３４は、改質部１
０２において、ガソリンを部分酸化させるのに十分な空
気量がカソードオフガスとして得られるように、その駆
動が制御される。具体的には、改質部１０２において、
著しい煤が生じない酸素／炭素比（すなわち、１．０以
上）となるように、制御される。

【０１５４】これにより、改質部１０２では、供給され
たガソリンを部分酸化されて、式（２）に示したよう
に、水素とＣＯを含む改質ガスが生成される。また、部
分酸化による発熱によって、改質部１０２の温度は上昇
する。

【０１５５】生成された改質ガスは、熱交換器１０４を
介して、水素分離ユニット１５０のフィード部１５２に
供給される。

【０１５６】熱交換器１０４，フィード部１５２は、起
動時、低温状態にあるため、改質部１０２からのガスが
流通することにより、それらの温度は徐々に上昇する
が、反対に、改質部１０２からのガスの温度は、熱交換
器１０４やフィード部１５２を介する毎に低下する。し
かも、カソードオフガスも低温状態であるため、熱交換
器１２２，１０４によって、改質ガスはさらに温度が低
下する。このため、フィード部１５２では、内蔵される
シフト触媒の熱劣化を抑制することができる。

【０１５７】また、本実施例においては、起動時に、エ
アポンプ１６４によりフィード部１５２の流入部におい
て、改質ガスに酸化ガスを吹き込む。

【０１５８】これにより、フィード部１５２では、改質
ガスに含まれる水素を、式（４）に示したように酸化し
て、水蒸気を生成する。

【０１５９】また、改質ガスに含まれるＣＯを、式
（５）に示したように酸化させることにより、除去す
る。

【０１６０】さらにまた、このような水素酸化，ＣＯ酸
化による発熱によって、フィード部１５２の温度は、さ
らに上昇する。当初、フィード部１５２の温度が水蒸気
が結露するような低い温度であったとしても、このよう
に、フィード部１５２の温度が上昇することにより、生
成された水蒸気の結露を防止することができる。

【０１６１】こうして、水素分離ユニット１５０におけ
るフィード部１５２の温度が上昇すると、それに伴い、
水素分離膜１５６の温度も上昇し始める。

【０１６２】一方、フィード部１５２において、水素酸
化，ＣＯ酸化により、水蒸気とＣＯ ₂になった改質ガス
は、そのまま、燃料電池１１４のアノード１１６に供給
される。このとき、改質ガスの温度は、温度低下によ
り、最終的に数十℃になって、アノード１１６に供給さ
れる。そのため、改質ガスに含まれる水蒸気は凝縮して
水となり、燃料電池１１４内の電解質膜に吸収されて、
電解質膜を加湿する。

【０１６３】なお、燃料電池１１４のアノード１１６に
供給される改質ガスは、上述したように、ＣＯが十分に
除去されているので、ＣＯ被毒の発生を抑えることがで
きる。

【０１６４】また、燃料電池１１４では、改質ガスの供
給により、その温度は時間経過と共に徐々に上昇するも
のの、燃料電池１１４自体、熱容量が大きく、しかも、
燃料電池１１４の外部に取り付けられた外部冷却器１３
８の働きによって、燃料電池１１４の温度が異常に急上
昇することはない。

【０１６５】燃料電池１１４のアノード１１６に供給さ
れた改質ガスは、電解質膜を湿潤させた後、そのままア
ノードオフガスとして排出され、ＴＧＣ１４４に供給さ
れる。このとき、ＴＧＣ１４４に供給されるアノードオ
フガスは、上述した水素酸化，ＣＯ酸化によって、水蒸
気とＣＯ₂となっているため、ＴＧＣ１４４は何ら機能
せず、アノードオフガスはＴＧＣ１４４を素通りして、
そのまま加湿ユニット１３６に供給される。

【０１６６】加湿ユニット１３６では、アノードオフガ
スに残留している水蒸気を、エアポンプ１３４からの酸
化ガスに添加することにより、燃料電池１１４のカソー
ド１１８に供給される酸化ガスを加湿する。

【０１６７】こうして、時間経過と共に、燃料電池１１
４のアノード１１６において、改質ガスに含まれる水蒸
気の凝縮によって、電解質膜中の水分量が増加すると共
に、改質ガスより得られる熱によって、燃料電池１１４
の温度が上昇する。これにより、電解質膜での水分の蒸
発が進み、その水蒸気はカソード１１８側に流れて、カ
ソードオフガス中の水蒸気濃度を徐々に増加させる。

【０１６８】なお、燃料電池１１４の温度が徐々に上昇
すると、燃料電池１１４のアノード１１６から排出され
るアノードオフガス中の水蒸気濃度も上昇するため、加
湿ユニット１３６において、アノードオフガスから酸化
ガスに添加される水蒸気の量も増加し、カソード１１８
に供給される酸化ガス中の水蒸気濃度が増加する。従っ
て、これによっても、カソードオフガス中の水蒸気濃度
をさらに増加させることになる。また、アノードオフガ
ス中の水蒸気濃度の上昇により、加湿ユニット１３６に
おいて、回収される水の量の増加も望むことができる。

【０１６９】その後、カソードオフガス中の水蒸気濃度
を、センサ１４８によって検出する。そして、検出の結
果、その水蒸気濃度が予め設定された所定の濃度になっ
たら、エアポンプ１３４の駆動を制御して、改質部１０
２にカソードオフガスとして供給される空気量を、それ
までのレベル（ガソリンを部分酸化させるのに十分なレ
ベル）から通常の運転時のレベルまでステップ的に減少
させる。これにより、改質部１０２では、部分酸化反応
のみ起きる状態から、部分酸化反応と水蒸気改質反応が
共に起きる状態へと移行する。

【０１７０】こうして、改質部１０２において、部分酸
化反応と水蒸気改質反応が共に起きる状態へと移行する
と、各構成要素の接続状態が、第３の実施例の場合と土
曜に、図５から図６へと切り換わる。すなわち、燃料電
池１１４のアノード１１６の流入部に接続されていた水
素分離ユニット１５０のフィード部１５２の流出部を、
ＴＧＣ１４４の流入部に接続し、熱交換器１５８の流入
部に接続されていた熱交換器１６０の流出部を、アノー
ド１１６の流入部に接続し、ＴＧＣ１４４の流入部に接
続されていたアノード１１６の流出部を、熱交換器１５
８の流入部に接続する。

【０１７１】なお、このような接続の切り換えは、図示
せざる切り換えバルブなどを用いることによって容易に
実現することができる。

【０１７２】また、エアポンプ１６４の駆動を制御し、
フィード部１５２の流入部への酸化ガスの吹き込み量を
徐々に低減させる。その後、フィード部１５２の温度
が、内蔵するシフト触媒によるシフト部の変成反応（Ｃ
Ｏ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂）を起こさせるのに適切な温度
になったら、エアポンプ１６４の駆動を停止させ、酸化
ガスの吹き込みを停止する。これにより、フィード部１
５２では、水素酸化，ＣＯ酸化の各反応が停止し、それ
に代わって、上記変成反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋Ｃ
Ｏ₂）が開始される。

【０１７３】一方、フィード部１５２の温度上昇に伴
い、水素分離膜１５６の温度が上昇し、水素分離の機能
を果たすのに適切な温度に近づいてきたら、パージポン
プ１６２の駆動が開始される。起動開始時には、パージ
ガス循環側の配管内は、空気（酸化ガス）によって満た
されている。従って、パージポンプ１６２の駆動が開始
されると、その酸化ガスが、パージガスとして、パージ
部１５４，熱交換器１６０，アノード１１６，熱交換器
１５８を循環することになる。

【０１７４】従って、改質部１０２で生成された改質ガ
スが、熱交換器１０４を介して水素分離ユニット１５０
のフィード部１５２に供給されると、フィード部１５２
を流れる改質ガスから水素分離膜１５６によって水素が
分離されてパージ部１５４に供給される。

【０１７５】パージ部１５４に供給された水素は、水素
分離膜１５６のパージ部側の表面において、直ちに、パ
ージ部１５４を流れる酸化ガスによって酸化され、式
（４）に示したように、水蒸気が生成される。

【０１７６】これにより、パージガスとしての酸化ガス
は水蒸気を含み、燃料電池１１４のアノード１１６に送
られて、電解質膜をさらに加湿する。また、このような
パージ部１５４における水素酸化による発熱によって、
パージ部１５４の温度が上昇し、それに伴い、水素分離
膜１５６の温度も上昇し、適切な温度にさらに近づく。
また、パージガスが供給される燃料電池１１４の温度も
上昇する。

【０１７７】さらに、フィード部１５２に供給された改
質ガスのうち、水素分離膜１５６によって分離されなか
った残りのガスは、フィード部１５２からＴＧＣ１４４
に供給され、ＴＧＣ１４４において、ガス中に残存して
いるＣＯを燃焼させて除去すると共に、残存している水
素を酸化させて、水に変成させる。こうして、ＣＯおよ
び水素の除去されたガスは、加湿ユニット１３６を介し
て大気中に放出される。

【０１７８】その後、上述したパージ部１５４における
水素酸化によって、循環しているパージガス中の酸素は
消費されて、徐々に減少し、パージガスは、酸化ガス
（空気）から窒素ガスへと徐々に変化する。また、酸素
の減少に伴い、水素酸化も徐々に行われなくなるため、
水素の消費が減り、循環しているガス中の水素濃度は徐
々に増加し、循環しているガスはパージガスと水素とが
混合した燃料ガスとなる。そして、その燃料ガス中の水
素濃度が所定の濃度を超えた場合に、燃料電池１１４は
発電を開始する。

【０１７９】さらにその後、燃料電池１１４のカソード
１１８における酸素消費を補うために、エアポンプ１３
４によるカソード１１８への酸化ガスの供給量を調整す
る。こうして、カソード１１８への酸化ガスの供給量が
安定すると共に、燃料電池システム１００内の各部の温
度が安定したら、起動時の動作を完了する。

【０１８０】本実施例の燃料電池システム４００によれ
ば、起動時に、改質部１０２において、供給されたガソ
リンを完全酸化させて水蒸気を生成し、その水蒸気を含
んだガスを燃料電池１１４のアノード１１６に供給する
ことにより、燃料電池１１４内の電解質膜を加湿するこ
とができ、延いては、カソード１１８から排出されるカ
ソードオフガスの水蒸気濃度を上昇させることができ、
システム内で必要な水分量を十分確保することができ
る。

【０１８１】また、改質部１０２において、部分酸化に
より生じる熱によって、改質部１０２の温度を上昇させ
る他、水素分離ユニット１５０のフィード部１５２にお
いて、水素酸化，ＣＯ酸化により生じる熱によって、水
素分離ユニット１５０の温度を上昇させ、それにより、
燃料電池１１４の温度を、適正な温度まで徐々に上昇さ
せることができる。

【０１８２】また、水素分離ユニット１５０の水素分離
膜１５６において、水素分離を開始した後は、水素分離
ユニット１５０のパージ部１５４における水素酸化によ
って水蒸気を生成し、その水蒸気を含んだパージガスを
燃料電池１１４のアノード１１６に供給することによ
り、燃料電池１１４内の電解質膜をさらに加湿すること
ができる。また、水素酸化によって生じる熱によって水
素分離ユニット１５０および燃料電池１１４の各温度
を、適正な温度までさらに上昇させることができる。従
って、システム内の各構成要素の温度を、それぞれの目
標温度までできる限り早く上昇させることができるの
で、燃料電池の発電開始までの時間を短縮することがで
きる。

【０１８３】さらにまた、起動開始時には酸化ガス（空
気）であったパージガスが、パージ部１５４の水素酸化
による酸素の消費によって、不活性な窒素ガスへと変化
するため、パージガスとして、特別に窒素ガスを供給す
るための窒素ガスボンベなどを用意する必要がない。

【０１８４】Ｅ．変形例：なお、本発明は上記した実施
例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において種々の態様にて実施することが可能
である。

【０１８５】Ｅ−１．変形例１：上記した第１および第
３の実施例では、高温シフト部１０６の流入部や低温シ
フト部１１０の流入部に空気を酸化ガスとして供給する
ためのエアポンプ１２６，１２８を備えていなかった
が、第２および第４の実施例と同様に、これらエアポン
プ１２６，１２８を備えるようにしても良い。

【０１８６】このようにエアポンプ１２６，１２８を備
えた場合、改質部１０２において、完全酸化反応を停止
させ、水蒸気改質反応と部分酸化反応を生じさせた後
に、エアポンプ１２６により高温シフト部１０６の流入
部において、エアポンプ１２８により低温シフト部１１
０の流入部において、それぞれ、改質ガスに酸化ガスを
吹き込むことにより、改質ガスに含まれる水素を式
（４）に示したように酸化して水蒸気を生成したり、Ｃ
Ｏを式（５）に示すように酸化して除去したりすること
ができる。また、これらと併せて、ＣＯ浄化部１１２に
おいて、エアポンプ１３０による酸化ガスの吹き込み量
を多くして、最終的に燃料電池１１４のアノード１１６
に供給される改質ガス中のＣＯ濃度を５ｐｐｍ以下とな
るようにしても良い。

【０１８７】以上のようにして、水素酸化によって生成
された水蒸気により、燃料電池１１４内の電解質膜に対
する加湿をさらに促進させることができると共に、水素
酸化，ＣＯ酸化による発熱により、高温シフト部１０
６，低温シフト部１１０およびＣＯ浄化部１１２の各温
度を、それぞれさらに上昇させ、延いては、燃料電池１
１４の温度も上昇させることができる。

【０１８８】このような変形例１の動作を図７を用いて
簡単に説明する。図７は本発明の変形例１としての燃料
電池システムにおける主要部の濃度、量、温度及び状態
の時間変化を示すタイミングチャートである。

【０１８９】図７は、図１に示す燃料電池システム（第
１の実施例）においてエアポンプ１２６，１２８を備え
た場合の変形例に対応している。図７において、（ａ）
は、燃料電池１１４のカソードの流出部におけるカソー
ドオフガス中の酸素濃度を示し、（ｂ）は同じくカソー
ドオフガス中の水蒸気濃度を示し、（ｃ）は改質部１０
２に対する燃料の供給量を示し、（ｄ）は改質部１０２
の温度を示し、（ｅ）は熱交換器１０４の温度を示し、
（ｆ）は高温シフト部１０６の温度を示し、（ｇ）は熱
交換器１０８の温度を示し、（ｈ）は低温シフト部１１
０の温度を示し、（ｉ）はＣＯ浄化部１１２の温度を示
し、（ｊ）は燃料電池１１４の温度を示し、（ｋ）は１
１４の含水分量を示し、（ｌ）はＴＧＣ１４４の燃焼状
態を示す。また、三角印は主要な変化タイミングを示
す。

【０１９０】起動時において、図７（ａ）に示すよう
に、エアポンプ１３４により燃料電池１１４のカソード
に酸化ガスの供給が開始されると、燃料電池１１４はま
だ発電が開始されていないので、酸化ガスはそのまま燃
料電池１１４のカソードを素通りして、改質部１０２に
供給される。その後、図７（ｃ）に示すように、改質部
１０２に燃料（ガソリン）の供給が開始されると、改質
部１０２では、触媒燃焼や気相燃焼によって、供給され
た燃料は完全酸化されて、水とＣＯ₂が生成される。こ
れにより、改質部１０２の温度は図７（ｄ）に示すよう
に上昇を開始する。各要素１０４〜１１２は、起動時、
低温状態にあるため、改質部１０２からのガスが流通す
ることにより、それらの温度は図７（ｅ）〜（ｉ）に示
すように徐々に上昇するが、反対に、改質部１０２から
のガスの温度は、各要素１０４〜１１２を介する毎に低
下する。そのため、燃料電池１１４のアノード１１６に
供給された際、図７（ｊ），（ｋ）に示すように、ガス
中の水蒸気は急速に凝縮して水となり、燃料電池１１４
内の電解質膜に吸収されて、電解質膜を加湿する。な
お、カソードオフガスも低温状態であるため、このカソ
ードオフガスが通過する熱交換器１２２，１２０によっ
て、各要素１０４〜１１２の温度が異常に急上昇するこ
とを抑制している。

【０１９１】その後、図７（ｂ）に示すように、カソー
ドオフガス中の水蒸気濃度が所定の濃度になったら、エ
アポンプ１３４の駆動を制御して、改質部１０２にカソ
ードオフガスとして供給される空気量を、図７（ａ）に
示すように、ステップ的に減少させる。これにより、改
質部１０２では、完全酸化反応が停止し、それに代え
て、水蒸気改質反応と部分酸化反応が起こり、燃料から
改質ガスの生成が開始される。

【０１９２】さらにその後、図７（ｆ），（ｈ）に示す
ように、エアポンプ１２６により高温シフト部１０６の
流入部において、エアポンプ１２８により低温シフト部
１１０の流入部において、改質ガスに酸化ガスの吹き込
みを開始すると共に、図７（ｉ）に示すように、ＣＯ浄
化部１１２において、エアポンプ１３０による酸化ガス
の吹き込み量を増加する。これにより、各要素１０６，
１１０，１１２において、改質ガスに含まれる水素の酸
化が開始され、水蒸気が生成されると共に、酸化による
発熱により温度が上昇する。さらに、図７（ｌ）に示す
ように、ＴＧＣ１４４において、アノードオフガスの供
給を受けて、その中に含まれるＣＯの燃焼を開始する。
そうして、図７（ｉ），（ｊ）に示すように、アノード
１１６に供給される改質ガス中のＣＯ濃度が、５ｐｐｍ
以下になったら、燃料電池１１４は発電を開始する。

【０１９３】Ｅ−２．変形例２：上記した第１および第
２の実施例において、ＣＯ浄化部１１２と燃料電池１１
４のアノード１１６との間にＣＯ吸着部を配置し、ＣＯ
浄化部１１２等の温度がＣＯ浄化を行うための適正な温
度（目標温度）になるまでの間、ＣＯ浄化部１１２から
の改質ガスをこのＣＯ吸着部に供給し、その後、ＣＯ浄
化部１１２等の温度が目標温度になったら、このＣＯ吸
着部をバイパスさせるようにしても良い。このＣＯ吸着
部には、ＣＯ吸着物質（熱可逆的にＣＯ吸・脱を行う物
質）が配備されており、改質ガスが供給されると、その
改質ガスに含まれるＣＯがＣＯ吸着物質によって吸着さ
れる。従って、ＣＯ浄化部１１２等が十分機能しない期
間においても、ＣＯ濃度の低下した改質ガスを燃料電池
１１４のアノード１１６に供給することができる。

【０１９４】なお、ＣＯ吸着部の配設位置は、ＣＯ浄化
部１１２とアノード１１６との間に限るものではなく、
改質部１０２とアノード１１６との間であれば、どこで
も良い。また、このような接続の切り換えは、切り換え
バルブなどを用いることによって容易に実現することが
できる。

【０１９５】Ｅ−３．変形例３：上記した第１〜第４の
実施例において、エアポンプをさらに用意して、燃料電
池１１４のアノード１１６の流入部において、アノード
１１６に供給される改質ガスに酸化ガスを吹き込むよう
にしても良い。

【０１９６】このように構成することにより、アノード
１１６に供給される改質ガスのＣＯ濃度が許容濃度以上
であったとしても、燃料電池１１４の内部において、発
電と同時に、改質ガスに含まれるＣＯを式（５）に示し
たように酸化して除去することができるため、ＣＯ被毒
の発生を抑えることができる。また、ＣＯ酸化による発
熱により、燃料電池１１４の温度を上昇させることもで
きる。

【０１９７】Ｅ−４．変形例４：上記した第１〜第４の
実施例において、改質部１０２における改質触媒の近く
か、あるいは、改質部１０２における燃料と酸化ガスと
が混合される部分に、電気ヒータや点火プラグなどの着
火源を設けるようにしても良い。

【０１９８】このような着火源を設けることにより、改
質部１０２において、完全酸化や部分酸化をより起こし
やすくすることができる。

【０１９９】Ｅ−５．変形例５：上記した第１〜第４の
実施例において、例えば、熱交換器１２２，１２４とし
て加湿水供給型熱交換器を用い、水回収ユニット１４６
に回収された水を、その加湿水供給型熱交換器によっ
て、改質部１０２に供給されるカソードオフガスに付加
して、システム内を循環するガスに含まれる水分量を増
加させるようにしても良い。

【０２００】また、このような加湿水供給型熱交換器を
採用することによって、シフト反応に寄与する水蒸気濃
度を調整することができるので、改質ガスに含まれるＣ
Ｏの量をシフト反応により大幅に低減することができ
る。

【０２０１】Ｅ−６．変形例６：上記した第１および第
２の実施例において、改質ガス中のＣＯ濃度を検出する
ＣＯセンサを、高温シフト部１０６，低温シフト部１１
０またはＣＯ浄化部１１２などに配置して、起動制御中
に、５ｐｐｍ以上のＣＯ濃度を検出したら、ＣＯ浄化部
１１２からの改質ガスを燃料電池１１４のアノード１１
６に供給せずに、ＴＧＣ１４４の流入部に直接供給する
ようにして、燃料電池１１４をバイパスするようにして
も良い。または、高温シフト部１０６，低温シフト部１
１０の流入部や、ＣＯ浄化部１１２に吹き込む空気量を
一時的に増大させ、その部分でのＣＯ酸化を促進するよ
うにして良い。

【０２０２】以上のように構成することにより、燃料電
池１１４におけるＣＯ被毒の発生を抑えることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例として燃料電池システム
１００の全体構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施例として燃料電池システム
２００の全体構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の第３の実施例として燃料電池システム
３００の全体構成を示すブロック図である。

【図４】本発明の第３の実施例として燃料電池システム
３００の全体構成を示すブロック図である。

【図５】本発明の第４の実施例として燃料電池システム
４００の全体構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の第４の実施例として燃料電池システム
４００の全体構成を示すブロック図である。

【図７】本発明の変形例１としての燃料電池システムに
おける主要部の濃度、量、温度及び状態の時間変化を示
すタイミングチャートである。

【符号の説明】

１００…燃料電池システム １０２…改質部 １０４…熱交換器 １０６…高温シフト部 １０８…熱交換器 １１０…低温シフト部 １１２…ＣＯ浄化部 １１４…燃料電池 １１６…アノード １１８…カソード １２０，１２２，１２４…熱交換器 １２６，１２８，１３０，１３４…エアポンプ １３６…加湿ユニット １３８…外部冷却器 １４０，１４２…熱交換器 １４４…ＴＧＣ １４６…水回収ユニット １４８…センサ １５０…水素分離ユニット １５２…フィード部 １５４…パージ部 １５６…水素分離膜 １５８，１６０…熱交換器 １６２…パージポンプ １６４…エアポンプ ２００…燃料電池システム ３００…燃料電池システム ４００…燃料電池システム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０１Ｂ 3/48 Ｃ０１Ｂ 3/48 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ 8/10 8/10 (72)発明者 青山 智 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4G040 EA03 EA06 EA07 EB12 EB32 EB33 EB43 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA05 BA16 BA17 BA20 BC12 KK31 MM12 MM14

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池システムであって、 炭化水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分
   酸化反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水
   素を含む改質ガスを生成する改質部と、 アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソー
   ドに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生す
   る燃料電池と、 前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガ
   スを前記改質部に供給するカソードオフガス流路と、 を備え、 起動時に、前記改質部において、前記炭化水素系燃料を
   前記カソードオフガスに含まれる酸素によってほぼ完全
   酸化させ、得られたガスを前記アノードに供給すること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 燃料電池システムであって、 炭化水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分
   酸化反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水
   素を含む改質ガスを生成する改質部と、 アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソー
   ドに酸素を含む第１の酸化ガスの供給を受けて、電力を
   発生する燃料電池と、 前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガ
   スを前記改質部に供給するカソードオフガス流路と、 を備え、 起動時に、前記改質部において、前記炭化水素系燃料を
   前記カソードオフガスに含まれる酸素によって部分酸化
   させ、得られた前記改質ガスを前記アノードに供給する
   と共に、前記改質部から前記アノードに至る流路中に酸
   素を含む第２の酸化ガスを供給して、前記改質ガスに含
   まれる水素を前記第２の酸化ガスに含まれる酸素によっ
   て酸化させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の燃料電池システムにお
   いて、 前記改質部から前記アノードに至る流路中には、前記改
   質ガスに含まれる一酸化炭素をシフト反応により除去す
   るシフト部、および前記一酸化炭素を酸化反応により除
   去する一酸化炭素浄化部のうち、少なくとも一方が配置
   されると共に、 前記水素の酸化は、前記シフト部、一酸化炭素浄化部お
   よび燃料電池のうち、少なくとも１つの内部において生
   じることを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 燃料電池システムであって、 炭化水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分
   酸化反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水
   素を含む改質ガスを生成する改質部と、 前記改質ガスが流れるフィード部と、パージガスが流れ
   るパージ部と、前記フィード部とパージ部との間に配置
   される水素分離膜と、を有し、前記フィード部を流れる
   前記改質ガスから前記水素分離膜によって水素を分離し
   て、前記パージ部を流れる前記パージガスに混合し、燃
   料ガスを得る水素分離部と、 アノードに前記燃料ガスの供給を受けると共に、カソー
   ドに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生す
   る燃料電池と、 前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガ
   スを前記改質部に供給するカソードオフガス流路と、 を備え、 起動時に、前記改質部において、前記炭化水素系燃料を
   前記カソードオフガスに含まれる酸素によってほぼ完全
   酸化させ、得られたガスを前記水素分離膜を通過させる
   ことなく前記アノードに供給することを特徴とする燃料
   電池システム。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の燃料電池システムにお
   いて、 前記カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上にな
   った場合に、前記改質部において、前記完全酸化の反応
   を停止させて、前記水蒸気改質反応及び部分酸化反応の
   うち、少なくとも一方の反応を開始させ、 その後、前記パージ部に前記パージガスとして酸素を含
   む第３の酸化ガスを流すと共に、前記改質部で生成され
   て前記フィード部を流れる前記改質ガスから前記水素分
   離膜によって水素を分離し、前記パージ部において、分
   離した前記水素を前記第３の酸化ガスに含まれる酸素に
   よって酸化させ、得られたガスを前記アノードに供給す
   ることを特徴とする燃料電池システム。
6. 【請求項６】 燃料電池システムであって、 炭化水素系燃料の供給を受け、水蒸気改質反応及び部分
   酸化反応のうち、少なくとも一方の反応を利用して、水
   素を含む改質ガスを生成する改質部と、 前記改質ガスが流れるフィード部と、パージガスが流れ
   るパージ部と、前記フィード部とパージ部との間に配置
   される水素分離膜と、を有し、前記フィード部を流れる
   前記改質ガスから前記水素分離膜によって水素を分離し
   て、前記パージ部を流れる前記パージガスに混合し、燃
   料ガスを得る水素分離部と、 アノードに前記燃料ガスの供給を受けると共に、カソー
   ドに酸素を含む第１の酸化ガスの供給を受けて、電力を
   発生する燃料電池と、 前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガ
   スを前記改質部に供給するカソードオフガス流路と、 を備え、 起動時に、前記改質部において、前記炭化水素系燃料を
   前記カソードオフガスに含まれる酸素によって部分酸化
   させ、得られた前記改質ガスを前記水素分離膜を通過さ
   せることなく前記アノードに供給すると共に、前記改質
   部から前記アノードに至る流路中に酸素を含む第２の酸
   化ガスを供給して、前記改質ガスに含まれる水素を前記
   第２の酸化ガスに含まれる酸素によって酸化させること
   を特徴とする燃料電池システム。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の燃料電池システムにお
   いて、 前記フィード部は、シフト触媒を備え、前記改質ガスに
   含まれる一酸化炭素をシフト反応により除去し得ると共
   に、 前記水素の酸化は、前記フィード部の内部において生じ
   ることを特徴とする燃料電池システム。
8. 【請求項８】 請求項６に記載の燃料電池システムにお
   いて、 前記カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上にな
   った場合に、前記改質部において、部分酸化反応のみ起
   きる状態から、部分酸化反応と水蒸気改質反応が共に起
   きる状態へと移行させ、 その後、前記パージ部に前記パージガスとして酸素を含
   む第３の酸化ガスを流すと共に、前記改質部において生
   成され前記フィード部を流れる前記改質ガスから前記水
   素分離膜によって水素を分離し、前記パージ部におい
   て、分離した前記水素を前記第３の酸化ガスに含まれる
   酸素によって酸化させ、得られたガスを前記アノードに
   供給することを特徴とする燃料電池システム。
9. 【請求項９】 請求項１または請求項４に記載の燃料電
   池システムにおいて、 前記カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上にな
   った場合に、前記改質部において、前記完全酸化の反応
   を停止させて、前記水蒸気改質反応及び部分酸化反応の
   うち、少なくとも一方の反応を開始させることを特徴と
   する燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の燃料電池システムに
    おいて、 前記改質部において、前記水蒸気改質反応及び部分酸化
    反応のうち、少なくとも一方の反応を開始させた後、前
    記改質部から前記アノードに至る流路中に酸素を含む第
    ２の酸化ガスを供給して、前記改質部から得られた前記
    改質ガスに含まれる水素を前記第２の酸化ガスに含まれ
    る酸素によって酸化させることを特徴とする燃料電池シ
    ステム。
11. 【請求項１１】 請求項２または請求項６に記載の燃料
    電池システムにおいて、 前記カソードオフガス中の水蒸気濃度が所定値以上にな
    った場合に、前記改質部において、部分酸化反応のみ起
    きる状態から、部分酸化反応と水蒸気改質反応が共に起
    きる状態へと移行させることを特徴とする燃料電池シス
    テム。
12. 【請求項１２】 請求項２、請求項６または請求項１０
    に記載の燃料電池システムにおいて、 前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を前記第２の酸化ガ
    スに含まれる酸素によって酸化させることを特徴とする
    燃料電池システム。