JP2003157878A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質
装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池（1
0）とを備え、水素極に燃料ガスを供給するとともに酸
素極に酸素含有ガスを供給して発電を行うように構成さ
れた燃料電池システムにおいて、燃料電池（10）の電池
電極におけるＣＯ被毒を解消し、能力の低下を防止す
る。 【解決手段】 燃料電池（10）の酸素極側で生成される
水蒸気量を、電極のＣＯ被毒を検出したときに増やして
水素極側に供給し、シフト反応を促進してＣＯ被毒を解
消する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原料ガスを改質し
て燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池に供給し
て発電を行う燃料電池システムに関し、特に、燃料電池
のＣＯ被毒対策に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料電池に注目が集まっている。
この燃料電池は、燃料の酸化により生じる化学的エネル
ギを、直接電気エネルギに変換するものである。燃料電
池の燃料としては、一般に水素が広く用いられている。
燃料としての水素は、改質装置においてメタンやメタノ
ール等の原燃料を改質することによって得る場合が多
い。一般に、改質装置では、原燃料とＨ₂Ｏが反応する
水蒸気改質反応や、一酸化炭素（ＣＯ）とＨ₂Ｏが反応
するシフト反応によって水素（Ｈ₂）が製造される。そ
して、この水素を主成分とする燃料ガスが、改質装置か
ら燃料電池へ送られる。

【０００３】ここで、改質後の燃料ガスにＣＯが含まれ
ていると、燃料電池の電極触媒にＣＯが吸着し、電池性
能が低下する。これに対して、例えば特開平８−３１４
４２号公報には、燃料ガス中の空気量を増加させること
により該ガスのＣＯ濃度を低下させ、被毒の程度が小さ
い場合に被毒を解消するか、その進行を抑制する技術が
記載されている。

【０００４】また、例えば特開２０００−２５１９１４
号公報には、空気流通路に加熱手段を設けるようにした
燃料電池システムが記載されている。このように加熱手
段を設けて温度を上昇させると、ある程度までは燃料電
池触媒からＣＯを脱着させて、発電効率を回復させるこ
とが可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このうち、燃料ガス中
の空気量を増加させる構成については、空気の増加量を
制御するのが難しいうえに、空気量を過度に増やしてし
まうと、添加した空気に含まれる酸素が燃料ガス中の水
素と反応してしまい、燃料電池での発電に使用できる水
素量が低下し、発電効率が低下するおそれがある。

【０００６】また、燃料電池の温度を上昇させる構成に
ついては、その温度上昇に要する時間が長くなるために
運転効率が低下しやすく、しかもＣＯを十分に脱着する
ことが困難であり、燃料電池の電解質膜の乾燥やクリー
ピング等の劣化を招くおそれがある。

【０００７】本発明は、このような問題点に鑑みて創案
されたものであり、その目的とするところは、燃料電池
の電池電極におけるＣＯ被毒を解消し、能力の低下を防
止できるようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、酸素極（空気
極）側で生成される水蒸気量を、電極のＣＯ被毒を検出
したときに増やして水素極（燃料極）側に多く供給し、
シフト反応（一酸化炭素と水蒸気が２酸化炭素と水素に
変化する反応）を促進してＣＯ被毒を解消するようにし
たものである。

【０００９】具体的に、本発明が講じた第１の解決手段
は、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質装置
（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池（10）と
を備え、燃料電池（10）の水素極に燃料ガスを供給する
とともに酸素極に酸素含有ガスを供給して発電を行うよ
うに構成された燃料電池システムを前提としている。

【００１０】そして、この燃料電池システムは、電池電
極のＣＯ被毒を検出するＣＯ被毒検出手段（81）と、電
池電極のＣＯ被毒を検出したときに燃料電池（10）の出
力電流を増大する電流調整手段（82）とを有し、ＣＯ被
毒の検出時に燃料電池（10）の出力電流を増大させて酸
素極側の発生水蒸気量を増やして水素極側に供給するこ
とにより、シフト反応を促進するように構成されている
ことを特徴としている。

【００１１】この第１の解決手段では、燃料電池（10）
の水素極に燃料ガスを供給するとともに酸素極に酸素含
有ガスを供給して発電が行われる際に、ＣＯ被毒検出手
段（81）により、電池電極のＣＯ被毒が検出される。そ
して、ＣＯ被毒が検出されると、電流調整手段（82）に
より、燃料電池（10）の出力電流が増大するように制御
される。燃料電池（10）の出力電流が増大すると、酸素
極側で発生する水蒸気量が増え、この水蒸気が水素極側
に供給される。水素極側において水蒸気量が増えると、
一酸化炭素と水蒸気が二酸化炭素と水素に変化するシフ
ト反応が促進される。つまり、シフト反応によって一酸
化炭素量が少なくなり、電極触媒におけるＣＯ被毒が抑
制または緩和される。

【００１２】また、本発明が講じた第２の解決手段は、
上記第１の解決手段において、ＣＯ被毒による発電電圧
の降下パターンを予め記憶した第１記憶手段（83）と、
発電時における電池電圧を測定してその経時変化を記憶
する第２記憶手段（84）とを備え、ＣＯ被毒検出手段
（81）が、両記憶手段（83，84）の記憶内容を比較する
ことによりＣＯ被毒を検出するように構成されているこ
とを特徴としている。これは、電圧の降下パターンには
種々の原因があるのに対して、そのうちでＣＯ被毒によ
る電圧降下パターンを予め設定しておくことにより、運
転時の電圧変化がそのパターンに近いときにはＣＯ被毒
が発生していると考えられることに着目したものであ
る。

【００１３】この第２の解決手段においては、予め設定
されたＣＯ被毒による発電電圧の降下パターンと、運転
時に測定した電池電圧の変化とが比較される。したがっ
て、両者のパターンがほぼ一致したときには、ＣＯ被毒
が生じていると判断することができる。

【００１４】また、本発明が講じた第３の解決手段は、
上記第１の解決手段において、定常運転時における時間
の経過に伴う発電電圧の降下パターンを予め記憶した第
１記憶手段（83）と、発電時における電池電圧を測定し
てその経時変化を記憶する第２記憶手段（84）とを備
え、ＣＯ被毒検出手段（81）が、両記憶手段（83，84）
の記憶内容を比較することによりＣＯ被毒を検出するよ
うに構成されていることを特徴としている。

【００１５】この第３の解決手段においては、定常運転
時における時間あたりの電圧降下が第１記憶手段（83）
で記憶されている。つまり、一定濃度のＣＯ含有ガス
（燃料ガス）で定常的に発電したときの電圧特性が第１
記憶手段（83）に記憶されている。また、第２解決手段
では、実際の発電時における電池電圧の経時変化が記憶
される。そして、予め記憶された定常運転時の電圧降下
特性と実際の運転時の電圧降下特性とを比較することに
より、その比較結果からＣＯ被毒が生じているかどうか
を判断することができる。

【００１６】また、本発明が講じた第４の解決手段は、
上記第２または第３の解決手段において、ＣＯ被毒検出
手段（81）が、第１，第２記憶手段（83，84）の記憶内
容を比較することにより、ＣＯ被毒の程度を示すＣＯ被
覆率を推定するように構成されていることを特徴として
いる。

【００１７】この第４の解決手段においては、第１記憶
手段（83）における電圧降下パターンと第２記憶手段
（84）における電圧の経時変化とを比較し、電圧降下量
や電圧降下速度の違いなどからＣＯ被毒の度合いが推定
される。

【００１８】また、本発明が講じた第５の解決手段は、
上記第４の解決手段において、電流調整手段（82）が、
ＣＯ被毒検出手段（81）により求められたＣＯ被覆率に
対応して、燃料電池（10）の出力電流を増大させるよう
に構成されていることを特徴としている。

【００１９】この第５の解決手段においては、求められ
たＣＯ被覆率に対応して燃料電池（10）の出力電流が増
大するので、過度に電流が増加することを防止しつつ、
シフト反応を適度に促進してＣＯ被毒が解消される。

【００２０】

【発明の効果】上記第１の解決手段によれば、電池電極
のＣＯ被毒を検出したときに燃料電池（10）の出力電流
を増大させることにより、酸素極側で発生する水蒸気量
を増やして電解質膜中を拡散移動させることで水素極側
に供給し、シフト反応を促進することができるので、電
極触媒におけるＣＯ被毒が抑制または緩和される。ま
た、従来の被毒対策として燃料ガス中の空気量を増加さ
せる方法ではＣＯを解離させるための理論量に対し、空
気量を過度に増やす必要があり、その場合に余剰分が燃
料である水素を酸化させるので発電効率が低下するおそ
れがあったのに対し、そのような問題は生じない。さら
に、燃料電池（10）の温度を上昇させる方法と比較する
とＣＯ被毒の解消を十分に行うことができるので、発電
効率を高めることが可能となる。更に、特別な機器類を
設けずに、発電中の操作の一環として制御を行えるた
め、制御が必要以上に複雑になることもない。

【００２１】また、上記第２の解決手段によれば、予め
設定されたＣＯ被毒による発電電圧の降下パターンと、
運転時に測定した電池電圧の変化とを比較して、両者の
パターンがほぼ一致したときにＣＯ被毒が生じていると
判断することができるので、ＣＯ被毒をほぼ正確に検出
することができる。

【００２２】また、上記第３の解決手段によれば、予め
記憶された定常運転時の電圧低下と実際の運転時の電圧
低下とを比較するようにしているので、その比較結果か
らＣＯ被毒が生じているかどうかを判断することができ
る。

【００２３】また、上記第４の解決手段によれば、第１
記憶手段（83）における電圧降下パターンと第２記憶手
段（84）における電圧の経時変化とを比較し、電圧降下
量や電圧降下速度の違いなどからＣＯ被毒の度合いを推
定できるため、その被毒の程度に応じた被毒解消制御を
行うことが可能となる。

【００２４】上記第５の解決手段によれば、ＣＯ被毒検
出手段（81）により求められたＣＯ被覆率に対応して燃
料電池（10）の出力電流を増大させるようにしているの
で、過度に電流が増加することを防止しつつ、シフト反
応を適度に促進してＣＯ被毒を解消することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施形態１を図
面に基づいて詳細に説明する。

【００２６】図１に示すように、本実施形態１に係る燃
料電池システムは、燃料電池（10）と改質装置（30）を
備えている。また、この燃料電池システムは、水循環路
（65）を備えており、いわゆるコジェネレーションシス
テムを構成している。

【００２７】上記燃料電池（10）は、固体高分子電解質
型に構成されている。この燃料電池（10）では、フッ素
系の高分子フィルムからなる電解質膜の両面に触媒粒子
を分散させて電極を形成することで、単電池が構成され
ている。電解質膜表面の電極は、一方が水素極（アノー
ド）となり、他方が酸素極（カソード）となる。上記燃
料電池（10）は、バイポーラ板を介して単電池が積層さ
れたスタック（集合電池）を構成している。尚、上述し
た燃料電池（10）の構造については、図１において図示
を省略する。

【００２８】上記燃料電池（10）では、バイポーラ板と
電解質膜の酸素極とによって酸素極側ガス通路（11）が
形成され、バイポーラ板と電解質膜の水素極とによって
水素極側ガス通路（12）が形成されている。酸素極側ガ
ス通路（11）には、その入口側に空気供給管（20）が接
続され、その出口側に酸素極排気管（24）が接続されて
いる。一方、水素極側ガス通路（12）には、その入口側
に改質装置（30）及び水素供給管（25）が配管接続さ
れ、その出口側に水素極排気管（28）が接続されてい
る。

【００２９】また、燃料電池（10）には、冷却水回路
（60）が接続されている。この冷却水回路（60）は、冷
却水が充填された閉回路であって、冷却水ポンプ（61）
と第１熱交換器（71）とが接続されている。冷却水回路
（60）で冷却水を循環させることによって、燃料電池
（10）が所定の作動温度に保たれる。

【００３０】上記空気供給管（20）は、その始端が屋外
に開口し、その終端が燃料電池（10）の酸素極側ガス通
路（11）に接続されている。空気供給管（20）には、そ
の始端から終端に向かって順に、ブロア（23）と、ガス
加熱器（52）と、第１加湿器（40）とが設けられてい
る。

【００３１】また、空気供給管（20）には、分岐管（2
1）が設けられている。分岐管（21）は、その始端がブ
ロア（23）とガス加熱器（52）の間に接続されている。

【００３２】上記第１加湿器（40）は、水蒸気透過膜
（41）を備えている。水蒸気透過膜（41）は、水蒸気が
透過可能な膜であって、例えばポリビニルアルコール膜
等の親水性の膜により構成されている。尚、この水蒸気
透過膜（41）としては、スルホン酸基を持つポリマー
膜、例えばパーフルオロスルホン酸ポリマー膜を用いて
もよい。

【００３３】上記第１加湿器（40）には、第１被加湿側
通路（42）と第１排ガス通路（43）とが区画形成されて
いる。第１被加湿側通路（42）と第１排ガス通路（43）
は、上記水蒸気透過膜（41）によって仕切られている。
第１被加湿側通路（42）には、空気供給管（20）が接続
されており、酸化剤ガス（酸素含有ガス）としての空気
が導入される。第１排ガス通路（43）には、酸素極排気
管（24）が接続されており、燃料電池（10）の酸素極側
ガス通路（11）から電池排ガスとして排出された酸素極
排ガスが導入される。

【００３４】上記改質装置（30）は、原料ガスとして供
給された天然ガスから水素主体の燃料ガスを製造するよ
うに構成されている。この改質装置（30）には、ガスの
流れに沿って順に、脱硫器（31）と、ガス加熱器（52）
と、第２加湿器（45）と、本体部（32）とが設けられて
いる。また、改質装置（30）における脱硫器（31）とガ
ス加熱器（52）の間には、空気供給管（20）の分岐管
（21）が接続されている。

【００３５】上記脱硫器（31）は、原料ガスとして供給
された天然ガスから、硫黄分を吸着除去するように構成
されている。

【００３６】上記第２加湿器（45）は、水蒸気透過膜
（46）を備えている。この水蒸気透過膜（46）は、水蒸
気が透過可能な膜であって、例えばポリビニルアルコー
ル膜や、アルグン酸膜等の親水性の膜により構成されて
いる。尚、この水蒸気透過膜（46）としては、スルホン
酸基を持つポリマー膜、例えばパーフルオロスルホン酸
ポリマー膜を用いてもよい。

【００３７】上記第２加湿器（45）は、原料ガス加湿部
を構成している。この第２加湿器（45）には、第２被加
湿側通路（47）と第２排ガス通路（48）とが区画形成さ
れている。第２被加湿側通路（47）と第２排ガス通路
（48）は、上記水蒸気透過膜（46）によって仕切られて
いる。第２被加湿側通路（47）は、改質装置（30）にお
けるガス加熱器（52）と本体部（32）の間に設けられ、
原料ガスが導入される。第２排ガス通路（48）には、水
素極排気管（28）が接続されており、燃料電池（10）の
水素極側ガス通路（12）から電池排ガスとして排出され
た水素極排ガスが導入される。

【００３８】上記本体部（32）には、ガスの流れに沿っ
て順に、改質器（33）と、変成器（34）と、ＣＯ除去器
（35）とが設けられている。上記改質器（33）は、部分
酸化反応に対して活性を呈する触媒と、水蒸気改質反応
に対して活性を呈する触媒とを備えている。改質器（3
3）では、部分酸化反応及び水蒸気改質反応によって、
メタン（ＣＨ₄）を主成分とする天然ガス（即ち、原料
ガス）から水素を生成させる。その際、改質器（33）
は、発熱反応である部分酸化反応の反応熱を、吸熱反応
である水蒸気改質反応の反応熱として利用する。

【００３９】上記変成器（34）は、シフト反応（一酸化
炭素変成反応）に活性を呈する触媒を備えている。変成
器（34）では、シフト反応によって、ガス中の一酸化炭
素が削減されると同時に水素が増加する。

【００４０】上記ＣＯ除去器（35）は、ＣＯ選択酸化反
応に活性を呈する触媒を備えている。ＣＯ除去器（35）
では、ＣＯ選択酸化反応によって、ガス中のＣＯが更に
削減される。そして、ＣＯ除去器（35）から出た水素主
体のガスが、燃料ガスとして燃料電池（10）の水素極側
ガス通路（12）へ供給される。

【００４１】上記改質装置（30）には、燃焼器（51）が
設けられている。この改質装置（30）では、燃焼部であ
る燃焼器（51）と、熱交換部であるガス加熱器（52）と
が加熱手段（50）を構成している。

【００４２】上記燃焼器（51）には、酸素極排気管（2
4）の終端と、水素極排気管（28）の終端とが接続され
ている。この燃焼器（51）は、酸素極排ガス中に残存す
る酸素（Ｏ₂）を利用して、水素極排ガス中に残存する
水素（Ｈ₂）を燃焼させるように構成されている。ま
た、燃焼器（51）には、燃焼ガス管（26）の始端が接続
されている。燃焼ガス管（26）は、その終端が屋外に開
口すると共に、その途中にガス加熱器（52）が設けられ
ている。水素極排ガスの燃焼によって生成した高温の燃
焼ガスは、この燃焼ガス管（26）を流れて屋外へ排出さ
れる。

【００４３】酸素極排気管（24）には、熱回収部（27）
が設けられていて、改質装置（30）の本体部（32）から
排熱を回収するようにしている。この熱回収部（27）
は、本体部（32）の改質器（33）、変成器（34）、及び
ＣＯ除去器（35）の近傍に形成されたガスの通路であっ
て、酸素極排気管（24）における第１加湿器（40）と燃
焼器（51）の間に設けられている。

【００４４】上記ガス加熱器（52）には、空気流路（5
3）と、原料ガス流路（54）と、燃焼ガス流路（55）と
が区画形成されている。ガス加熱器（52）は、その空気
流路（53）が空気供給管（20）に接続され、その原料ガ
ス流路（54）が改質装置（30）における脱硫器（31）と
第２加湿器（45）の間に接続され、その燃焼ガス流路
（55）が燃焼ガス管（26）に接続されている。このガス
加熱器（52）は、燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスと空気
流路（53）の空気とを熱交換させて酸化剤ガスとしての
空気を加熱すると同時に、燃焼ガス流路（55）の燃焼ガ
スと原料ガス流路（54）の原料ガスとを熱交換させて原
料ガスを加熱するように構成されている。

【００４５】上記水循環路（65）は、熱媒水が充填され
た閉回路である。この水循環路（65）には、熱媒水の循
環方向において、循環ポンプ（66）と、第１熱交換器
（71）と、第２熱交換器（74）と、貯湯タンク（67）と
が順に設けられている。水循環路（65）を循環する熱媒
水は、第１熱交換器（71）及び第２熱交換器（74）で加
熱され、温水となって貯湯タンク（67）に蓄えられる。
そして、貯湯タンク（67）の温水は、必要に応じて給湯
に供される。

【００４６】上記第１熱交換器（71）には、冷却水流路
（72）と水流路（73）とが区画形成されている。第１熱
交換器（71）は、その冷却水流路（72）が冷却水回路
（60）に接続され、その水流路（73）が水循環路（65）
に接続されている。この第１熱交換器（71）は、冷却水
流路（72）の冷却水と水流路（73）の熱媒水とを熱交換
させるように構成されている。

【００４７】上記第２熱交換器（74）には、燃焼ガス流
路（75）と水流路（76）とが区画形成されている。第２
熱交換器（74）は、その燃焼ガス流路（75）が燃焼ガス
管（26）に接続され、その水流路（76）が水循環路（6
5）に接続されている。この第２熱交換器（74）は、燃
焼ガス流路（75）の燃焼ガスと水流路（76）の熱媒水と
を熱交換させるように構成されている。

【００４８】この実施形態１の特徴として、この燃料電
池システムには、電池電極のＣＯ被毒を検出するＣＯ被
毒検出手段（81）と、電池電極のＣＯ被毒を検出したと
きに燃料電池（10）の電流を増大するように制御する電
流調整手段（82）とが設けられている。そして、電極の
ＣＯ被毒時に燃料電池（10）の出力電流を増加して酸素
極側で生成する水蒸気量を増やすようにしている。この
ように酸素極側で水蒸気の生成量が増えると、該水蒸気
は電解質膜を透過して水素極側に供給される。このた
め、ＣＯのシフト反応が促進され、ＣＯが電極から脱着
する作用が生じる。

【００４９】また、本実施形態１の燃料電池システム
は、ＣＯ被毒を検出するために、ＣＯ被毒による発電電
圧の降下パターンを予め記憶した第１記憶手段（83）
と、実際の発電時における電池電圧を測定してその経時
変化を記憶する第２記憶手段（84）とを備えている。そ
して、ＣＯ被毒検出手段（81）は、両記憶手段（83，8
4）の記憶内容を入力して比較することにより、ＣＯ被
毒を検出するように構成されている。

【００５０】具体的には、第１記憶手段（83）は、ＣＯ
被毒による発電電圧の降下パターンとして、図２に示す
ような電圧降下パターンを記憶している。この図におい
て、Ｓで示した領域が、例えば改質器の温度変化等でＣ
Ｏ濃度が突然増加してＣＯ被毒が生じたときの電圧降下
パターンであり、実際の電池電圧がこのパターンとほぼ
一致するとＣＯ被毒と判断される。そして、発電時にお
ける電池電圧を測定してその経時変化を第２記憶手段
（84）に記憶しつつ、ＣＯ被毒検出手段（81）が両記憶
手段（83，84）の記憶内容を比較して電圧降下パターン
がほぼ一致すると、ＣＯ被毒状態であると判別する。

【００５１】さらに、ＣＯ被毒検出手段（81）は、第
１，第２記憶手段（83，84）の記憶内容を詳細に比較す
ることにより、ＣＯ被毒の程度を表すＣＯ被覆率を推定
するように構成されている。例えば、第１記憶手段（8
3）において、電圧降下パターンを予め数パターン記憶
しておくとＣＯ被覆率を推定できる。

【００５２】また、電流調整手段（82）は、ＣＯ被毒検
出手段（81）により求められたＣＯ被覆率に対応して、
燃料電池（10）の出力電流を増大させるように構成され
ている。つまり、過度に電流を増大させず、適度な電流
制御を行うようにしている。

【００５３】−運転動作− 上記燃料電池システムの運転動作を説明する。

【００５４】ブロア（23）を運転すると、空気供給管
（20）に空気が取り込まれる。この空気は、その一部が
分岐管（21）を通じて改質装置（30）へ送られ、残りが
酸化剤ガスとしてガス加熱器（52）の空気流路（53）へ
導入される。この酸化剤ガス（空気）は、空気流路（5
3）を流れる間に燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスから吸
熱する。

【００５５】ガス加熱器（52）において加熱された酸化
剤ガスは、続いて第１加湿器（40）の第１被加湿側通路
（42）へ流入する。一方、第１加湿器（40）の第１排ガ
ス通路（43）には、酸素極排ガスが導入されている。そ
して、第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガス（空気）に
は、水蒸気透過膜（41）を透過した酸素極排ガス中の水
蒸気が供給される。つまり、この第１加湿器（40）で
は、燃料電池（10）から排出された水蒸気が酸化剤ガス
（空気）に回収される。

【００５６】その際、第１被加湿側通路（42）へは、ガ
ス加熱器（52）で予め加熱された酸化剤ガス（空気）が
流入する。この第１加湿器（40）において、第１排ガス
通路（43）の酸素極排ガスが冷却されて水蒸気透過膜
（41）の表面で結露が生じることはない。また、放熱に
よって第１被加湿側通路（42）の酸化剤ガスの温度が露
点温度よりも低くなることはなく、第１被加湿側通路
（42）の側においても水蒸気透過膜（41）の表面で結露
が生じることはない。

【００５７】第１加湿器（40）において加湿された酸化
剤ガス（空気）は、燃料電池（10）の酸素極側ガス通路
（11）へ導入される。このように、酸素極側ガス通路
（11）へ導入される酸化剤ガス（空気）を第１加湿器
（40）で加湿しておくことで、燃料電池（10）における
電解質膜の乾燥を防止している。

【００５８】改質装置（30）へは、原料ガスとしてメタ
ンを主成分とする天然ガスが供給される。この原料ガス
は、先ず脱硫器（31）へ導入される。脱硫器（31）で
は、原料ガスに含まれる硫黄分が除去される。脱硫器
（31）から出た原料ガスは、分岐管（21）からの空気が
混入された後に、ガス加熱器（52）の原料ガス流路（5
4）へ導入される。この原料ガスは、原料ガス流路（5
4）を流れる間に燃焼ガス流路（55）の燃焼ガスから吸
熱する。

【００５９】ガス加熱器（52）において加熱された原料
ガスは、続いて第２加湿器（45）の第２被加湿側通路
（47）へ流入する。一方、第２加湿器（45）の第２排ガ
ス通路（48）には、水素極排ガスが導入されている。そ
して、第２被加湿側通路（47）の原料ガスには、水蒸気
透過膜（46）を透過した水素極排ガス中の水蒸気が供給
される。この第２加湿器（45）では、改質器（33）にお
ける水蒸気改質反応、及び変成器（34）におけるシフト
反応に必要な量の水蒸気が、原料ガスに対して付与され
る。

【００６０】その際、第２被加湿側通路（47）へは、ガ
ス加熱器（52）で予め加熱された原料ガスが流入する。
したがって、第２排ガス通路（48）の水素極排ガスが冷
却されて、水蒸気透過膜（46）の表面で結露が生じるこ
とはない。また、放熱によって第２被加湿側通路（47）
の原料ガスの温度が露点温度よりも低くなることはな
く、第２被加湿側通路（47）の側においても水蒸気透過
膜（46）の表面で結露が生じることはない。

【００６１】第２加湿器（45）で加湿された原料ガス
は、改質器（33）へ導入される。つまり、改質器（33）
に対しては、天然ガス、空気、及び水蒸気の混合物であ
る原料ガスが供給される。改質器（33）では、メタン
（ＣＨ₄）の部分酸化反応と水蒸気改質反応とが行わ
れ、水素（Ｈ₂）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成する。改
質器（33）における部分酸化反応及び水蒸気改質反応の
反応式は、次に示す通りである。

【００６２】 ＣＨ₄＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ＋２Ｈ₂ … 部分酸化反応 ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ₂ … 水蒸気改質反応 改質器（33）から流出した反応後のガスは、変成器（3
4）へ送られる。変成器（34）へ導入されるガスには、
改質器（33）で生成した水素と一酸化炭素が含まれてい
る。また、このガスには、第２加湿器（45）において供
給されたものの水蒸気改質反応に用いられなかった水蒸
気が残存している。変成器（34）では、シフト反応が行
われ、一酸化炭素が減少すると同時に水素が増加する。
シフト反応の反応式は、次の通りである。

【００６３】 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ … シフト反応 変成器（34）から出たガスは、ＣＯ除去器（35）へ導入
される。ここで、変成器（34）からＣＯ除去器（35）へ
送られるガスは、水素が主成分となっているものの、未
だに一酸化炭素を含んでいる。この一酸化炭素は、水素
極の触媒毒となる。そこで、ＣＯ除去器（35）は、ＣＯ
選択酸化反応によってガス中の一酸化炭素を更に削減す
る。ＣＯ選択酸化反応の反応式は、次の通りである。

【００６４】ＣＯ＋１/２Ｏ₂ → ＣＯ₂ … Ｃ
Ｏ選択酸化反応 そして、ＣＯ除去器（35）で一酸化炭素を削減されたガ
スは、燃料ガスとして燃料電池（10）の水素極側ガス通
路（12）へ供給される。

【００６５】上述のように、燃料電池（10）には、水素
極側ガス通路（12）へ燃料ガスが供給され、酸素極側ガ
ス通路（11）へ酸化剤ガス（空気）が供給される。燃料
電池（10）は、燃料ガス中の水素を燃料とし、酸化剤ガ
ス（空気）中の酸素を酸化剤として発電を行う。具体的
に、燃料電池（10）では、水素極及び酸素極の電極表面
において下記の電池反応が行われる。

【００６６】水素極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- 酸素極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ この電池反応により、燃料ガスに含まれる水素の燃焼反
応の化学エネルギが電気エネルギに変換される。

【００６７】燃料電池（10）の酸素極側ガス通路（11）
からは、電池排ガスとして酸素極排ガスが排出される。
この酸素極排ガスには、電池反応に使われなかった余剰
酸素が含まれている。また、酸素極排ガス中には、電池
反応によって生じたＨ₂Ｏが水蒸気の状態で存在してい
る。この酸素極排ガスは、酸素極排気管（24）を通じて
第１加湿器（40）の第１排ガス通路（43）へ導入され
る。上述のように、酸素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気
透過膜（41）を透過して第１被加湿側通路（42）の酸化
剤ガス（空気）へ供給される。第１加湿器（40）におい
て水蒸気を奪われた酸素極排ガスは、熱回収部（27）へ
送られる。熱回収部（27）では、改質器（33）、変成器
（34）、及びＣＯ除去器（35）から放出された排熱を、
酸素極排ガスが吸熱する。そして、酸素極排ガスは、熱
回収部（27）で吸熱した後に燃焼器（51）へ導入され
る。

【００６８】一方、燃料電池（10）の水素極側ガス通路
（12）からは、電池排ガスとして水素極排ガスが排出さ
れる。この水素極排ガスには、電池反応に使われなかっ
た水素が残存している。また、水素極排ガス中には、電
池反応によって生じたＨ₂Ｏが水蒸気の状態で存在して
いる。この水素極排ガスは、水素極排気管（28）を通じ
て第２加湿器（45）の第２排ガス通路（48）へ導入され
る。上述のように、水素極排ガス中の水蒸気は、水蒸気
透過膜（46）を透過して第２被加湿側通路（47）の原料
ガスへ供給される。第２加湿器（45）において水蒸気を
奪われた水素極排ガスは、燃焼器（51）へ送り込まれ
る。

【００６９】燃焼器（51）は、酸素極排ガス中の酸素を
利用して、水素極排ガス中の水素を燃焼させる。この水
素極排ガスの燃焼によって、高温の燃焼ガスが生成す
る。この燃焼ガスは、燃焼ガス管（26）を流れて第２熱
交換器（74）の燃焼ガス流路（75）へ導入される。第２
熱交換器（74）では、燃焼ガス流路（75）の燃焼ガスが
水流路（76）の熱媒水に対して放熱する。

【００７０】第２熱交換器（74）で放熱した燃焼ガス
は、続いてガス加熱器（52）の燃焼ガス流路（55）へ導
入される。ガス加熱器（52）では、燃焼ガス流路（55）
の燃焼ガスが、空気流路（53）の酸化剤ガス（空気）及
び原料ガス流路（54）の原料ガスに対して更に放熱す
る。その後、燃焼ガスは、燃焼ガス流路（55）から出て
屋外へ排気される。

【００７１】冷却水ポンプ（61）を運転すると、冷却水
回路（60）において冷却水が循環する。冷却水ポンプ
（61）から吐出された冷却水は、燃料電池（10）へ送ら
れて吸熱する。この冷却水の吸熱により、燃料電池（1
0）が所定の作動温度（例えば、８５℃程度）に保たれ
る。燃料電池（10）で吸熱した冷却水は、第１熱交換器
（71）の冷却水流路（72）へ導入される。この冷却水
は、冷却水流路（72）を流れる間に水流路（73）の熱媒
水に対して放熱する。第１熱交換器（71）において放熱
した冷却水は、冷却水ポンプ（61）に吸入される。そし
て、冷却水ポンプ（61）が放熱後の冷却水を再び燃料電
池（10）へ向けて送り出し、この循環が繰り返される。

【００７２】循環ポンプ（66）を運転すると、水循環路
（65）において熱媒水が循環する。貯湯タンク（67）の
底部から流出した熱媒水は、循環ポンプ（66）によって
第１熱交換器（71）の水流路（73）へ送り込まれる。第
１熱交換器（71）において、熱媒水は、水流路（73）を
流れる間に冷却水流路（72）の冷却水から吸熱する。つ
まり、燃料電池（10）の排熱が、熱媒水に回収される。

【００７３】その後、熱媒水は、第２熱交換器（74）の
水流路（76）へ導入される。第２熱交換器（74）におい
て、熱媒水は、水流路（76）を流れる間に燃焼ガス流路
（75）の燃焼ガスから吸熱する。つまり、水素極排ガス
中に残存する水素の燃焼熱が、熱媒水に回収される。そ
して、第２熱交換器（74）から出た熱媒水は、貯湯タン
ク（67）へ送り返され、温水として貯留される。貯湯タ
ンク（67）に温水として蓄えられた熱媒水は、給湯に利
用される。

【００７４】以上の状態で運転を行っているときに、原
料ガスは、改質装置（30）側から、燃料電池（10）の水
素極側ガス通路（12）を通過し、更に第２加湿器（4
5）、燃焼機（51）及び加熱手段（50）を経て排気され
る。この状態での運転が続くと、燃料電池（10）の電極
の水素極側において、特に燃料ガスの入口側の触媒がＣ
Ｏ被毒し、発電性能が低下することがある。これは、変
成器（34）やＣＯ除去器（35）で燃料ガスからＣＯを除
去するようにはしているものの、ＣＯが燃料ガス中にあ
る程度は残存してしまうためである。

【００７５】そこで本実施形態１では、運転中にＣＯ被
毒検出手段(81)によりＣＯ被毒を検出し、電極のＣＯ被
毒を検出したときに、電流調整手段（82）により燃料電
池（10）の出力電流を増大するようにしている。

【００７６】ＣＯ被毒の検出は、具体的には以下のよう
にして行う。つまり、発電時における電池電圧を測定し
てその経時変化を第２記憶手段（84）に記憶しつつ、第
２記憶手段（84）の電圧降下パターンが、第１記憶手段
（83）に記憶されたＣＯ被毒による発電電圧の降下パタ
ーン（図２参照）とほぼ一致すると、ＣＯ被毒であると
判別する。そして、このときに電流調整手段（82）によ
り出力電流を増加させる。

【００７７】このように電池電極のＣＯ被毒時に出力電
流を増加させると、酸素極側で生成される水蒸気量が増
えるため、水蒸気が燃料電池（10）の電解質膜を透過し
て水素極側にそれまでよりも多量に供給されることにな
り、ＣＯのシフト反応が促進される。その結果、一酸化
炭素が二酸化炭素に変化し、ＣＯ被毒が解消または抑制
される。

【００７８】特に、本実施形態１では、ＣＯ被毒検出手
段（81）が第１，第２記憶手段（83，84）の記憶内容を
詳細に比較することによりＣＯ被覆率を推定し、このと
きに求められたＣＯ被覆率に対応して、電流調整手段
（82）により燃料電池（10）の出力電流が増大するよう
に制御される。その結果、燃料電池（10）の出力電流が
適度に増大し、シフト反応が最適レベルで促進される。

【００７９】−実施形態１の効果− 本実施形態１では、ＣＯ被毒検出手段（81）により電極
のＣＯ被毒を検出したときに、燃料電池（10）の出力電
流を適度に増やして酸素極側で生成する水蒸気量を増や
し、電解質膜を通して水素極側に水蒸気を供給してＣＯ
のシフト反応を促進するようにしているので、ＣＯ被毒
を解消または緩和することができる。このため、電池電
極の被毒による性能の低下を生じにくくすることができ
る。

【００８０】また、従来の被毒対策として燃料ガス中の
空気量を増加させる方法では、ＣＯを解離させるための
理論量に対し空気量を過度に増やす必要があり、その場
合に余剰分が燃料である水素を酸化させるので発電効率
が低下するおそれがあったのに対し、本実施形態１では
そのような問題は生じない。さらに、燃料電池（10）の
温度を上昇させる方法と比較するとＣＯ被毒の解消を十
分に行うことができるので、発電効率を高めることが可
能となる。更に、特別な機器類を設けずに、発電中の操
作の一環として行えるため、制御が必要以上に複雑にな
ることもない。

【００８１】また、予め設定されたＣＯ被毒による発電
電圧の降下パターンと、運転時に測定した電池電圧の変
化とを比較して、両者のパターンがほぼ一致したときに
ＣＯ被毒が生じていると判断するようにしているので、
ＣＯ被毒をほぼ正確に検出することができる。

【００８２】さらに、第１記憶手段（83）における電圧
降下パターンと第２記憶手段（84）における電圧の経時
変化とを細かく比較し、電圧降下量の違いなどからＣＯ
被毒の度合いを推定するようにしているので、その被毒
の程度に応じた解消制御を行うことが可能となる。

【００８３】また、ＣＯ被毒検出手段（81）により求め
られたＣＯ被覆率に対応して燃料電池（10）の出力電流
を増大させることにより、過度に電流が増加することを
防止しつつ、シフト反応を最適レベルで促進してＣＯ被
毒を解消することができる。

【００８４】

【発明の実施の形態２】上記実施形態１では、発電時に
おける電池電圧を測定してその経時変化を第２記憶手段
（84）に記憶しつつ、第２記憶手段（84）の電圧降下パ
ターンが、第１記憶手段（83）に予め記憶されたＣＯ被
毒による発電電圧の降下パターン（図２）とほぼ一致す
ると、ＣＯ被毒であると判別し、このときに電流調整手
段（82）により出力電流を増加させるようにしている
が、第１記憶手段（83）には、図３のグラフに示すよう
に、定常運転時における時間の経過に伴う発電電圧の降
下パターンを予め記憶しておいてもよい。

【００８５】この場合、第１記憶手段（83）には、燃料
ガスのＣＯ濃度毎に、定常運転時における時間あたりの
電圧降下（ΔＶ／ΔＴ）、つまり、ＣＯ濃度が一定の燃
料ガスで定常的に発電したときの電圧特性が記憶されて
いる。そして、この第１記憶手段（83）に予め記憶され
た定常運転時の電圧低下と、第２解決手段（84）に記憶
される実際の発電時における電池電圧の経時変化（実際
の運転時の電圧低下）とを比較すると、その比較結果か
らＣＯ被毒が生じているかどうかを判断することができ
る。

【００８６】具体的には、ＣＯ被毒検出手段（81）で第
１，第２記憶手段（83，84）の記憶内容（電圧降下速
度）を詳細に比較することによりＣＯ被覆率を推定し、
このときに求められたＣＯ被覆率に対応して、電流調整
手段（82）により燃料電池（10）の出力電流が増大する
ように制御するとよい。

【００８７】ＣＯ被毒と判断されたときに出力電流を増
加させると、酸素極側で生成される水蒸気量が増加す
る。このため、水蒸気が燃料電池（10）の電解質膜を透
過して水素極側にそれまでよりも多量に供給されること
になり、ＣＯのシフト反応が促進されて一酸化炭素が二
酸化炭素に変化し、ＣＯ被毒が解消または抑制される。
この点は上記実施形態１と同様である。

【００８８】

【発明のその他の実施の形態】本発明は、上記実施形態
について、以下のような構成としてもよい。

【００８９】例えば、上記実施形態１では、ＣＯ被毒検
出手段（81）で第１，第２記憶手段（83，84）の記憶内
容を細かく比較することによりＣＯ被覆率を推定し、Ｃ
Ｏ被覆率に応じた電流調整を行うようにしているが、細
かい調整は行わずに、電圧降下パターンが概ね一致した
ときにのみ電流制御を行うようにしてもよい。この場合
でも、従来と比較すると簡単な制御でＣＯ被毒を解消で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成
図である。

【図２】実施形態1の第１記憶手段に予め記憶されてい
る、ＣＯ被毒による発電電圧の降下パターンを表すグラ
フである。

【図３】実施形態2の第１記憶手段に予め記憶されてい
る、定常運転時における時間の経過に伴う発電電圧の降
下パターンを表すグラフである。

【符号の説明】

（10） 燃料電池 （11） 酸素極側ガス通路 （12） 水素極側ガス通路 （20） 空気供給管 （24） 酸素極排気管 （25） 水素供給管 （28） 水素極排気管 （30） 改質装置 （81） ＣＯ被毒検出手段 （82） 電流調整手段 （83） 第１記憶手段 （84） 第２記憶手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 BA17 BA20 KK54 MM03 MM26

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガスを改質して燃料ガスを生成する
   改質装置（30）と、水素極と酸素極とを有する燃料電池
   （10）とを備え、燃料電池（10）の水素極に燃料ガスを
   供給するとともに酸素極に酸素含有ガスを供給して発電
   を行うように構成された燃料電池システムであって、 電池電極のＣＯ被毒を検出するＣＯ被毒検出手段（81）
   と、電池電極のＣＯ被毒を検出したときに燃料電池（1
   0）の出力電流を増大する電流調整手段（82）とを有
   し、ＣＯ被毒の検出時に燃料電池（10）の出力電流を増
   大させて酸素極側の発生水蒸気量を増やして水素極側に
   供給することにより、シフト反応を促進するように構成
   されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 ＣＯ被毒による発電電圧の降下パターン
   を予め記憶した第１記憶手段（83）と、発電時における
   電池電圧を測定してその経時変化を記憶する第２記憶手
   段（84）とを備え、ＣＯ被毒検出手段（81）は、両記憶
   手段（83，84）の記憶内容を比較することによりＣＯ被
   毒を検出するように構成されていることを特徴とする請
   求項１記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 定常運転時における時間の経過に伴う発
   電電圧の降下パターンを予め記憶した第１記憶手段（8
   3）と、発電時における電池電圧を測定してその経時変
   化を記憶する第２記憶手段（84）とを備え、ＣＯ被毒検
   出手段（81）は、両記憶手段（83，84）の記憶内容を比
   較することによりＣＯ被毒を検出するように構成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システ
   ム。
4. 【請求項４】 ＣＯ被毒検出手段（81）は、第１，第２
   記憶手段（83，84）の記憶内容を比較することにより、
   ＣＯ被覆率を推定するように構成されていることを特徴
   とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 電流調整手段（82）は、ＣＯ被毒検出手
   段（81）により求められたＣＯ被覆率に対応して、燃料
   電池（10）の出力電流を増大させるように構成されてい
   ることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。