JP2004146209A

JP2004146209A - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP2004146209A
Application number: JP2002310137A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sha; 謝　剛
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】放電負荷の抵抗値を被毒部の回復に適する値に適切に設定することができ、触媒被毒を抑えると共に、触媒回復モードにおいて主負荷の運転が放電負荷の影響を受けることを抑えることができる燃料電池発電システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池発電システムは、燃料及び酸化剤により発電を行う燃料電池と、燃料電池１に燃料を供給する燃料流路２と、燃料電池１に酸化剤を供給する酸化剤流路３と、燃料電池１からの給電により作動する主負荷４とを具備する。燃料電池１と主負荷４とを電気的に接続して燃料電池１からの給電により主負荷４を作動させる通常運転モードと、燃料電池１と放電負荷８とを電気的に接続する触媒回復モードとに切替可能とされている。触媒回復モードのとき、放電負荷８は主負荷４に対して電気的に非接続である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料極における電極触媒の被毒劣化を抑えるのに有利な燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電システムは、図６に示すように、燃料及び酸化剤により発電を行う燃料電池１００と、燃料電池１００に燃料を供給する燃料流路２００と、燃料電池１００に酸化剤ガス（一般的には空気）を供給する酸化剤流路３００と、燃料電池１００からの給電により作動する主負荷４００とを備えている。
【０００３】
この燃料電池発電システムによれば、燃料及び酸化剤が燃料電池１００に供給されるため、燃料電池１００において発電反応が生成する。そして燃料電池１００からの給電により主負荷４００が作動する。燃料電池１００の発電反応を起こさせるためには、白金等の電極触媒が燃料極及び酸化剤極には不可欠である。
【０００４】
しかしながら特許文献１に開示するように、上記した燃料電池発電システムの運転に伴い、燃料電池１００の燃料極における白金などの電極触媒が、燃料に含まれている被毒成分（一般的には一酸化炭素）によって被毒し（一般的にはＣＯ被毒）することがある。この場合、白金などの電極触媒が劣化し、発電反応が妨げられるおそれがあり、燃料電池１００の耐久性の向上、長寿命化には限界がある。
【０００５】
そこで、特許文献２には、燃料電池１００の燃料極への燃料供給を一時的に停止させたり、あるいは、燃料ガス以外のガスを燃料極に供給することにより、燃料極において瞬間的な燃料欠乏状態を積極的に作りだし、これにより燃料極の電位を上昇させる技術が開示されている。燃料極の電位が上昇すると、燃料極の電極触媒における被毒部が酸化してその毒が除去される旨が、特許文献２に記載されている。
【０００６】
更に、特許文献２によれば、図６に示すように、主負荷４００に対して電気的に並列に接続した放電負荷８００を切替スイッチ７００と共に設ける技術が開示されている。この技術によれば、電極触媒を回復させる触媒回復モードによれば、燃料電池１００により電力を生成し続けながら、切替スイッチ７００をオンにして放電負荷８００に通電することにより、燃料極への燃料供給よりも燃料電池１００の燃料極内の燃料を速く消費させ、燃料極において燃料欠乏状態を積極的に作りだし、これにより燃料極における電極触媒を被毒状態から回復させ、燃料極における電極触媒の能力を復帰させることにしている。この技術によれば、燃料極における電極触媒の被毒を解消または低減できるため、燃料電池１００の耐久性を向上させることができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２９３３１２号公報
【特許文献２】特表２００２−５００４２１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した図６に示す技術によれば、放電負荷８００が主負荷４００に対して並列に接続されている。このため、電極触媒の被毒を解消する触媒回復モードを実行すべく、スイッチ７００をオンにしたときには、放電負荷８００及び主負荷４００の双方に電流が流れる。この場合、次の▲１▼▲２▼▲３▼のような不具合が生じる。
【０００９】
▲１▼上記した図６に示す技術によれば、通常運転モードから触媒回復モードに移行したとしても、主負荷４００の出力をできるだけ高く維持するためには、主負荷４００に流れる電流を確保する必要があり、放電負荷８００に流れる電流を小さくすべく、放電負荷８００の抵抵抗値を大きめに設定することになる。しかしながらこのように放電負荷８００の抵抗値が大きく設定されると、触媒回復モードに移行したとき放電負荷８００に流れる電流が制約され、電極触媒の被毒の解消速度は緩やかとなり、被毒解消効果は充分に得られない。
【００１０】
▲２▼逆に、電極触媒の被毒の解消効果を迅速に得るためには、放電負荷８００の抵抗値を小さめに設定することになる。しかしながら主負荷４００の抵抗値をＲ１とし、放電負荷８００の抵抗値をＲ２とすると、主負荷４００及び放電負荷８００を並列接続したときの合成抵抗値は、基本的には、（Ｒ１×Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）となり、Ｒ１，Ｒ２のいずれよりも小さくなる。例えば、相対表示で、主負荷４００の抵抗値Ｒ１を１００とし、放電負荷８００の抵抗値Ｒ２を１と仮定するとき、スイッチ７００をオフにして通常運転モードを実行するときには、燃料電池発電システムの負荷は相対表示で１００である。これに対してスイッチ７００をオンにして放電負荷８００及び主負荷４００の双方に電流が流す触媒回復モードに移行するときには、その合成抵抗は相対表示で１００／１０１≒０．９９となる。このように燃料電池発電システムの負荷は大きく変動する。この結果、主負荷４００の作動が放電負荷８００の抵抗値の影響を大きく受けてしまう。
【００１１】
▲３▼上記したように主負荷４００の作動が放電負荷８００の抵抗値の影響を大きく受けてしまうことを回避するため、放電負荷８００の抵抗値の選択の自由度が制約されてしまい、放電負荷８００の抵抗値を被毒部の回復に最も適する値に設定することができにくい。
【００１２】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、放電負荷の抵抗値を被毒部の回復に適する値に適切に設定することができ、触媒被毒を抑えると共に、触媒回復モードにおいて主負荷の運転が放電負荷の影響を受けることを抑えることができる燃料電池発電システムを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池発電システムは、燃料及び酸化剤により発電を行うと共に電極触媒を有する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤流路と、燃料電池からの給電により作動する主負荷とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
主負荷に対して分離して独立に設けられた放電負荷と、
燃料電池と主負荷とを電気的に接続して燃料電池からの給電により主負荷を作動させる通常運転モードと、燃料電池と放電負荷とを電気的に接続する触媒回復モードとに切替可能とされており、触媒回復モードのとき、放電負荷は主負荷に対して電気的に非接続であることを特徴とすることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、通常運転モードでは、燃料電池と主負荷とを電気的に接続して、燃料電池からの給電により主負荷を作動させる。放電負荷は、主負荷に対して分離して独立に設けられているため、主負荷が作動するとき、主負荷は、放電負荷の抵抗値の影響を直接的には受けずに作動する。
【００１５】
一方、触媒回復モードでは、燃料電池と放電負荷とを電気的に接続することにより放電負荷による放電を促進させ、これにより燃料電池の燃料極において燃料供給よりも燃料を速く消費させ、燃料電池の燃料極において燃料欠乏状態を積極的に作りだす。この結果、燃料電池の燃料極の電位を増加させ、燃料極における電極触媒の被毒を解消または低減させる。上記した触媒回復モードでは、燃料電池と主負荷とを電気的に非接続とすることができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、前述したように、放電負荷は主負荷に対して分離して独立に設けられているため、触媒回復モードのとき、放電負荷は主負荷に対して電気的に非接続であり、主負荷は放電負荷の抵抗値の影響を直接的に受けない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、好ましくは、触媒回復モードにおいて主負荷と電気的に接続され主負荷に給電して主負荷を作動させる第２電源が設けられている形態を採用できる。この場合、燃料電池の電極触媒を回復させる触媒回復モードにおいては、主負荷は、燃料電池ではなく第２電源に電気的に接続されるため、第２電源からの給電により作動することができる。第２電源としては、充電可能な電池及び充電可能なキャパシタのうちの少なくとも一つとすることができる。従って第２電源としては、充電可能な電池及びキャパシタのうちのいずれか一方、または、双方とすることができる。
【００１８】
本発明によれば、好ましくは、通常運転モードにおいて発電中の燃料電池からの給電により第２電源が充電される形態を採用できる。そして、触媒回復モードにおいては第２電源と主負荷とが電気的に接続されるため、通常運転モードで充電された第２電源の電気量は、触媒回復モードにおいて主負荷を作動させるのに使用される。
【００１９】
本発明によれば、好ましくは、燃料流路は、燃料電池の発電に適するように燃料を改質する改質器と、改質器と燃料電池との間に設けられた制御弁とを有する形態を採用できる。この場合、通常運転モードにおいて、制御弁は、改質された燃料を燃料電池に供給する。また、触媒回復モードにおいて、制御弁は、燃料電池に対する燃料の供給を停止または低減させると共に改質された燃料の少なくとも一部（一部または全部）を改質器に戻す。このように触媒回復モードのとき、燃料ガスを改質器に戻せば、燃料電池に供給されない燃料を改質器において有効利用できる。
【００２０】
本発明によれば、好ましくは、燃料流路は、燃料電池に対して燃料の供給及び停止を行う制御弁が燃料電池の燃料入口の上流に設けられている形態を採用できる。この場合、触媒回復モードにおいて、制御弁は、燃料電池に供給する燃料の供給を停止または低減させることが好ましい。本発明によれば、放電負荷は、抵抗値が固有の固定抵抗、または、抵抗値が可変な可変抵抗とすることができる。なお、燃料電池発電システムは車載用でも、定置用でも、ポータブル式でも良い。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の第１実施例について図１及び図２を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池発電システムは、燃料及び酸化剤により発電を行う高分子電解質形の燃料電池１と、燃料電池１に燃料を供給する燃料流路２と、燃料電池１に酸化剤ガス（一般的には空気）を供給する酸化剤流路３と、燃料電池１からの給電により作動する主負荷４とを備えている。燃料電池１は、プロトン伝導性をもつ高分子電解質膜１０を多孔質の燃料極（アノードともいう）１１及び多孔質の酸化剤極１２（カソードともいう）で挟持したＭＥＡをセパレータと共に厚み方向に積層することにより形成されたスタックで構成されている。
【００２２】
ここで、燃料極１１は、燃料を拡散させる多孔質のガス拡散層１１ａと、電極触媒を主要成分とする多孔質の触媒層１１ｂとを備えている。酸化剤極１２は、酸化剤ガスを拡散させる多孔質のガス拡散層１２ａと、電極触媒を主要成分とする多孔質の触媒層１２ｂとを備えている。電極触媒は発電反応に大きく寄与し、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、金、銀等の金属のうちの少なくとも１種を含むことができる。
【００２３】
主負荷４としては、本実施例に係る燃料電池発電システムにより作動させるためのものであり、駆動モータ等のアクチュエータ、インバータ等の機器、電気ヒータ等の発熱体、照明灯などを例示できる。
【００２４】
図１に示すように、酸化剤流路３は、酸化剤ガスを燃料電池１の酸化剤入口１５に向けて供給するファンなどの搬送部３０と、酸化剤ガスを加湿する加湿部３１とを有する。燃料電池１において発電に使用された酸化剤ガスのオフガスは、燃料電池１の酸化剤出口１７から排出される。
【００２５】
燃料流路２は、燃料源２９から供給される燃料を燃料電池１の発電に適するように改質する改質器２０と、改質器２０と燃料電池１との間に設けられた制御弁２４とを有する。改質器２０は、燃料源２９から供給されるガス状の燃料を燃料電池１の発電に適するように改質反応により改質する改質器本体２１と、改質反応に適するように改質器本体２１を加熱する燃焼器２２とを有する。
【００２６】
制御弁２４は、改質器２０と燃料電池１の燃料入口１６とを繋ぐ流路２ｃに設けられている。制御弁２４は、改質器２０と燃料電池１の燃料入口１６とを連通させ、改質器２０で改質されたガス状の燃料を燃料電池１の燃料入口１６に供給する第１形態と、改質器２０で改質されたガス状の燃料を流路２ｅを介して改質器２０の燃焼器２２に戻す第２形態とに切替可能とされている。第２形態では、改質器２０と燃料電池１との間の流路２ｃを制御弁２４が閉鎖するため、改質器２０で改質された燃料を燃料電池１の燃料入口１６に供給せず、流路２ｅを介して改質器２０の燃焼器２２に戻し、燃焼器２２で燃焼させる。
【００２７】
更に図１に示すように、燃料流路２は、燃料源２９と改質器２０との間の流路２ａに設けられ流路２ａを開閉する第１開閉弁２５と、燃料源２９と改質器２０の燃焼器２２との間の流路２ｂに設けられ流路２ｂを開閉する第２開閉弁２７とをもつ。燃料電池１において発電に使用された燃料ガスのオフガスは、燃料電池１の燃料出口１８から排出される。
【００２８】
燃料電池１に対して電気的接続可能な放電抵抗である放電負荷８が設けられている。放電負荷８は、主負荷４に対して分離して独立に設けられている。放電負荷８は、主負荷４に並列的に接続されているものではない。放電負荷８の抵抗値が過剰に小さいと、燃料電池１と放電負荷８とが電気的に接続されているとき、放電負荷８に瞬間的に大電流がスパーク的に流れるため、燃料電池１に対してあまり好ましくない。また放電負荷８の抵抗値が過剰に大きいと、燃料電池１と放電負荷８とが電気的に接続されているとき、放電負荷８に流れる電流が過剰に小さくなり、燃料極１１において燃料欠乏状態を作りだすのに時間を要し、ひいては燃料極１１における電極触媒の回復に時間を要する。これらの事情を考慮して放電負荷８の抵抗値を設定する。
【００２９】
本実施例によれば、燃料電池１に対する補助電源として、第２電源５が燃料電池１と分離して独立に設けられている。第２電源５の出力電圧は、通常運転モードにおける燃料電池１の出力電圧と同程度または近似していることが好ましい。第２電源５は、触媒回復モード（図２参照）に切り替えられるとき、主負荷４に電気的に接続され、主負荷４に給電して主負荷４を作動させるものである。第２電源５としては、充電可能な二次電池、または、充電可能なキャパシタが用いられている。第２電源５は充電線５０及び充電スイッチ５１を経て燃料電池１に接続されている。
【００３０】
燃料電池１には、セル１枚当たりの出力電圧に関する物理量を検知するセンサ１９（電圧計）が設けられている。センサ１９は燃料極１１の被毒状況を検知する被毒検知手段として機能できる。この場合、セル１枚当たりの酸化剤極と燃料極との電位差であるセル電圧をセンサ１９によりセンシングすることにしても良い。また、セルに独立した第３の電極（参照極、例えば水素極）を設け、酸化剤極と燃料極との電位差であるセル電圧ではなく、燃料極の参照電極に対する電位をセンサ１９によりセンシングすることにしても良い。
【００３１】
セル電圧をセンサ１９によりセンシングする場合には、燃料極１１の被毒の進行につれ燃料極電位が上がり、酸化剤極電位が変わらなくしかもその絶対値がもともと燃料極電位よりも高いため、酸化剤極と燃料極との電位差であるセル電圧が下がり、被毒の進行を検知できる。これに対して、参照極（水素極）に対する燃料極をセンサ１９によりセンシングする場合には、燃料極被毒の進行につれて燃料極電位が上がり、参照極（水素極）電位が変わらなくしかもその絶対値がももとも燃料極電位よりも低いため、燃料極と参照極（水素極）の電位差である燃料極電位が上がるため、被毒の進行を検知できる。
【００３２】
このような本実施例によれば、制御装置により燃料電池１の各セルの出力電圧等の物理量は、センサ１９を介して通常運転モード及び触媒回復モードにおいて常時または所定の時間間隔で監視されている。
【００３３】
図１に示すように、切替部７７はスイッチ端子７０ａ〜７０ｈを有する。主負荷４にはスイッチ端子７０ａ，７０ｂが電気的に接続されている。燃料電池１にはスイッチ端子７０ｃ，７０ｄが電気的に接続されている。放電負荷８にはスイッチ端子７０ｅ，７０ｆが電気的に接続されている。第２電源５にはスイッチ端子７０ｇ，７０ｈが電気的に接続されている。
【００３４】
燃料電池１の通常の運転時には通常運転モードが実行される。通常運転モードでは、第２開閉弁２７が開放して燃料源２９の燃料が燃料流路２の改質器２０の燃焼器２２に供給され、燃焼器２２で燃焼されるため改質器本体２１が改質反応に適する高温領域に維持される。更に第１開閉弁２５が開放して燃料源２９の燃料が流路２ａを介して改質器２０の高温の改質器本体２１に供給され、燃料が燃料電池１の燃料極１１での使用に適するように改質器本体２１において改質される。
【００３５】
通常運転モードによれば、制御装置により制御弁２４は第１形態に設定されているため、上記したように改質器２０で改質されたガス状の燃料は、制御弁２４、流路２ｃを経て燃料電池１の燃料入口１６から燃料極１１に供給される。また通常運転モードでは、ファンなどの搬送部３０が駆動するため、酸化剤ガス（一般的には空気）が加湿部３１で加湿された後に、燃料電池１の酸化剤入口１５を経て酸化剤極１２に供給される。これにより燃料電池１において発電反応が生じ、発電が行われる。
【００３６】
上記した通常運転モードでは、図１に示すように切替部７７のうち主負荷４側のスイッチ端子７０ａ，７０ｂが、切替部７７のうち燃料電池１側のスイッチ端子７０ｄ，７０ｃに電気的に接続される。このため主負荷４は発電中の燃料電池１から給電され、主負荷４が作動する。主負荷４が例えば駆動モータであれば、駆動モータが回復駆動する。このような通常運転モードによれば、図１から理解できるように、放電負荷８と燃料電池１とは電気的に非接続されていると共に、放電負荷８と主負荷４とは電気的に非接続されており、且つ、放電負荷８と第２電源５とは電気的に非接続されている。
【００３７】
更に上記した通常運転モードによれば、充電スイッチ５１がオンとされ、燃料電池１からの給電により第２電源５は充電される。第２電源５の充電が終了すれば、充電スイッチ５１は適宜オフとされ、充電操作は終了する。
【００３８】
燃料電池１の運転に伴い、従来同様に、燃料に含まれている被毒成分（一般的には一酸化炭素）により、燃料電池１の燃料極１１における電極触媒の被毒が次第に進行する。電極触媒の被毒が次第に進行すると、燃料電池１のセルの出力電圧が低下し始める。そこで、電極触媒の被毒が進行したら、例えば、セル１枚当たりの出力電圧が第１所定値Ｖ１（例えば０．７２ボルトにできるが、これに限定されるものではない）よりも低下したら、被毒状況を回復させるべく、制御装置により切替部７７は通常運転モードから触媒回復モードに切り替えられる。
【００３９】
触媒回復モードによれば、制御装置により制御弁２４を第１形態から第２形態に切り替え、改質器２０で改質された燃料を改質器２０の燃焼器２２に戻し、燃焼器２２における燃焼に使用する。このように制御弁２４が第２形態に切り替えられると、燃料電池１への燃料の供給は停止される。このため触媒回復モードによれば、燃料電池１の燃料極１１における燃料欠乏状況を作りだしやすくなり、燃料極電位が上昇し（セル電圧は下がる）、電極触媒を被毒させた物質（一般的には一酸化炭素，ＣＯ）を酸化させ、燃料極１１を被毒状況から回復させるのに貢献できる。ここで燃料電池１の内部には燃料が残留しているため、残留ガスにより燃料電池１の発電反応がある程度進行する。
【００４０】
上記した触媒回復モードによれば、図２に示すように、切替部７７のうち燃料電池１側のスイッチ端子７０ｃ，７０ｄが切替部７７のうち放電負荷８側のスイッチ端子７０ｆ，７０ｅに電気的に接続される。これにより燃料電池１の内部に残留していた燃料を放電で消費させると共に、燃料電池１の燃料極１１において燃料消費を速く進め、燃料極１１において燃料欠乏状態を積極的に作りだす。これにより燃料極１１の電位を増加させ、燃料極１１における電極触媒の被毒部の酸化を進め、燃料極１１における被毒状況を解消または低減させる。このように燃料極１１における電極触媒の被毒状況を解消または低減させ得るため、燃料電池１の耐久性を向上させることができ、燃料電池１の長寿命化を図り得る。
【００４１】
電極触媒の回復に要する時間としては一般的には比較的短時間で済むため、触媒回復モードの時間は通常運転モードの時間よりもかなり短い。
【００４２】
上記した触媒回復モードによれば、図２に示すように、切替部７７のうち主負荷４側のスイッチ端子７０ａ，７０ｂが、切替部７７のうち第２電源５側のスイッチ端子７０ｈ，７０ｇに電気的に接続されるため、主負荷４は、停止することなく、第２電源５から給電されて作動を継続させることができる。なお上記した触媒回復モードによれば、充電スイッチ５１はオフとされ、燃料電池１から第２電源５への充電は停止されている。
【００４３】
また上記した触媒回復モードによれば、ファン等の搬送部３０の作動を継続し、燃料電池１への酸化剤ガス（一般的には空気）の供給はそのまま継続する。この場合、触媒回復モードに要する時間は比較的短時間であるため、触媒回復モードから通常運転モードに速やかに移行できる利点が得られる。
【００４４】
そして、触媒回復モードにおいて燃料極１１の被毒状況が低減または解消していると判定されたら、例えば、セル１枚当たりの出力電圧（セル電圧）が第２所定値Ｖ２（例えば０．２ボルトにできるが、これに限定されるものではない）よりも低下したら、被毒検知手段として機能できるセンサ１９からの検出信号に基づいて、制御装置により切替部７７は触媒回復モード（図２参照）から通常運転モード（図１参照）に切り替えられる。通常運転モードに切り替えられると、触媒回復モードにより電極触媒の被毒状況が解消または低減されているため、燃料電池１のセルの出力電圧は、ほぼ被毒前の値に回復する。
【００４５】
通常運転モードによれば、前述したように、図１に示すごとく、切替部７７のうち主負荷４側のスイッチ端子７０ａ，７０ｂが、切替部７７のうち燃料電池１側のスイッチ端子７０ｄ，７０ｃに電気的に接続される。このため主負荷４は燃料電池１から給電され、主負荷４が作動する。
【００４６】
上記した通常運転モードによれば、燃料電池１の各セルの出力電圧に関する物理量が制御装置により監視されている。つまり、被毒の進行状況が制御装置により監視されている。例えば、セル１枚当たりの出力電圧（セル電圧）が第１所定値Ｖ１よりも低下したら、センサ１９からの検出信号に基づいて、制御装置は、燃料に含まれている被毒成分（一般的には一酸化炭素）により燃料電池１の燃料極１１における電極触媒の被毒が再び進行したとみなす。よって、制御装置により切替部７７は通常運転モードから再び触媒回復モードに再び切り替えられ、前述同様に電極触媒の被毒状況を解消または低減させる。
【００４７】
上記したように通常運転モード→触媒回復モード→通常運転モード→触媒回復モード→通常運転モード→触媒回復モードのように複数回移行したとしても、主負荷４は燃料電池１または第２電源５から給電されるため、主負荷４の作動を継続することができる。
【００４８】
なお改質器２０の起動当初には、改質された燃料にはＣＯが含まれていることが多い。このため上記した触媒回復モードは改質器２０の起動当初に特に効果的である。
【００４９】
以上説明したように本実施例によれば、放電負荷８は主負荷４に対して分離して独立に設けられている。このため、燃料電池１の燃料極１１の電極触媒の被毒状況を解消または低減させる触媒回復モードのとき、放電負荷８は主負荷４に対して電気的に非接続であり、主負荷４は放電負荷８の抵抗値の影響を直接的に受けない。
【００５０】
即ち、図６に示す従来技術によれば、放電負荷８００が主負荷４００に対して並列に接続されているため、前述したように、通常運転モードから回転モードに移行するとき、並列接続されている放電負荷８００と主負荷４００との合成抵抗が大きく低下し、この結果、主負荷４００の作動は放電負荷８００の影響を直接的に受ける。これに対して本実施例によれば、主負荷４と放電負荷８とは分離されて互いに独立しており、通常運転モードにおいても触媒回復モードにおいても放電負荷８は主負荷４に対して電気的に非接続であり、主負荷４は放電負荷８の抵抗値の影響を直接的に受けない。従って次の（１）（２）のような効果が得られる。
【００５１】
（１）本実施例によれば、放電負荷８の抵抗値を主負荷４に対して独立して設定できるため、放電負荷８の抵抗値を被毒部の回復に最も適する値に設定することができる。このため触媒回復モードにおける回復を短時間に終了させるのに有利となる。
【００５２】
（２）本実施例によれば、放電負荷８の抵抗値を主負荷４に対して独立して設定することができるため、主負荷４の抵抗値をＲ１とし、放電負荷８の抵抗値をＲ２としたとき、通常運転モードにおいても、触媒回復モードにおいても、燃料電池発電システムの負荷は基本的にはＲ１相当である。従って、燃料電池発電システムが通常運転モードから触媒回復モードに移行するとき、または、触媒回復モードから通常運転モードに移行するとき、図６に示す従来技術とは異なり燃料電池発電システムにおける負荷の変動を抑えることができる。
【００５３】
更に本実施例によれば、燃料電池１とは別に第２電源５が設けられており、燃料電池発電システムが通常運転モードから触媒回復モードに移行するとき、第２電源５が主負荷４に給電して主負荷４を継続的に作動させることができる。このため燃料供給が停止または低減されるため燃料電池１の発電が制約される触媒回復モードにおいても、主負荷４を良好に作動させることができる。
【００５４】
また本実施例によれば、燃料電池発電システムが通常運転モードのとき、燃料電池１からの給電により第２電源５を充電する。この結果、触媒回復モードにおいて主負荷４を作動させるために第２電源５の電気量が消費されたとしても、燃料電池発電システムが触媒回復モードから通常運転モードに移行すれば、第２電源５は再び充電され、第２電源５における電気量の不足は是正される。従って、再び触媒回復モードに移行したとしても、主負荷４を良好に作動させることができる。
【００５５】
改質器２０の起動当初において改質された燃料はＣＯを多く含むため、起動直後の改質器２０で改質された燃料は、電極触媒の被毒をできるだけ避けるため、燃料電池１で使用しないことが一般的である。このため燃料電池発電システムの起動性の向上には限界がある。この点本実施例によれば、前述したように燃料電池１の電極触媒の被毒の問題に良好に対処できるため、改質器２０の起動当初から、改質器２０で改質された燃料を燃料電池１の燃料入口１６に供給することができ、燃料電池発電システムの起動性を改善することができる。
【００５６】
（２）第２実施例
図３は第２実施例を示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を奏する。ただし、放電負荷８Ｂは、抵抗値を可変にできる可変抵抗とされている。このため触媒回復モードにおける被毒部の回復時間を調整することができる。即ち、放電負荷８Ｂの抵抗値を減少させて単位時間当たり放電量を高めにし、触媒回復モードにおける被毒部の回復を迅速に行うことができる。あるいは、必要に応じて、放電負荷８Ｂの抵抗値を増加させて単位時間当たりの放電量を低めにし、触媒回復モードにおける被毒回復を緩やかに行うこともできる。
【００５７】
第２電源５の種類にもよるが、例えば、第２電源５の電気量に余裕があるときには、放電負荷８Ｂの抵抗値を増加させて単位時間当たりの放電量を低めにし、触媒回復モードにおける被毒回復を緩やかに行うこともできる。また、第２電源５の電気量に余裕があまりないときには、放電負荷８Ｂの抵抗値を減少させて単位時間当たりの放電量を高めにし、触媒回復モードにおける被毒回復を迅速に行うこともできる。
【００５８】
また本実施例では、触媒回復モードが実行されるときには、制御弁２４が第２形態に切り替えられ、改質器２０と燃料電池１との間の流路２ｃを制御弁２４が閉鎖するため、燃料は燃料電池１の燃料入口１６に供給されず、流路２ｅを介して改質器２０の燃焼器２２に戻され、燃焼器２２で燃焼される。このように燃料電池１で使用しない燃料を燃焼器２２で燃焼させて有効利用を図ることができる。
【００５９】
（試験例）
上記した実施例１に相当する試験を実施した。この場合に、燃料電池のセル枚数は１０枚であり、放電負荷として抵抗体（抵抗：０．５オーム）を用いた。燃料としては模疑ガス（水素：７６％、二酸化炭素：１９％、窒素：４％、メタン４％、ＣＯ：５００ｐｐｍ）を用いた。酸化剤ガスとしては空気を用いた。燃料及び酸化剤ガスのバブラー温度はそれぞれ７５℃とした。試験結果を図４に示す、図４の横軸は時間を示し、縦軸はセル電圧を示す。ＭＡは通常運転モードを示し、ＭＢは触媒回復モードを示す。触媒回復モードＭＢでは燃料電池が主負荷から切り離され、放電負荷に接続されているため、燃料極電位が上昇しセル電圧が低下している。また触媒回復モードＭＢでは、燃料の供給が停止されているため、更に燃料極電位が上昇しセル電圧が低下する。図４の特性線に示すように、通常運転モードＭＡにおいてセル電圧が所定値よりも低下すると、電極触媒の被毒とみなし、通常運転モードＭＡから触媒回復モードＭＢに移行させ、燃料電池の端子を放電負荷の端子に電気的に接続し、電極触媒の回復を行う。このため、運転時間が長時間経過したとしても、セル電圧を高く繰り返して復帰させることができる。同様に比較例に相当する試験も実施した。比較例では放電負荷は設けられていない。比較例に係る試験結果を図５に示す。図５の特性線に示すように、比較例においては、運転時間が長時間経過すると、セル電圧が次第に低下し、最終的にはセル電圧がかなり低下し、このままではセル電圧が復帰することはない。
【００６０】
（その他）電極触媒が被毒するおそれがある燃料電池であれば、本発明の対象となり得る。センサ１９により通常運転モードと触媒回復モードとを切り替えることにしているが、これに限らず、通常運転モードを所定時間運転したら、触媒回復モードに切り替える時間制御としても良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る燃料電池発電システムによれば、放電負荷は主負荷に対して分離して独立に設けられているため、触媒回復モードのとき、放電負荷は主負荷に対して電気的に非接続であり、主負荷は放電負荷の抵抗値の影響を直接的に受けない。このため次の（１）（２）のような利点が得られる。
【００６２】
（１）放電負荷の抵抗値が主負荷に対して独立して設定されているため、放電負荷の抵抗値を被毒部の回復に適する値に設定できる。このため、触媒回復モードにおける触媒回復を短時間に終了させるのに有利となる。
【００６３】
（２）放電負荷の抵抗値が主負荷に対して独立して設定されているため、主負荷の抵抗値をＲ１とし、放電負荷の抵抗値をＲ２としたとき、通常運転モードにおいても触媒回復モードにおいても、燃料電池発電システムの負荷は基本的にはＲ１相当である。故に通常運転モードにおいても、触媒回復モードにおいても、燃料電池発電システムにおける負荷の変動を抑えることができる。
【００６４】
更に、主負荷に給電して主負荷を作動させる第２電源が設けられている場合には、燃料電池の発電が制約される触媒回復モードにおいても、主負荷を良好に作動させることができる。
【００６５】
また通常運転モードにおいて燃料電池からの給電により第２電源を充電する場合には、第２電源の電気容量が確保され、燃料電池の発電が制約される触媒回復モードにおいても主負荷を良好に作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係り、通常運転モードにおける燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】第１実施例に係り、触媒回復モードにおける燃料電池発電システムの構成図である。
【図３】第２実施例に係り、通常運転モードにおける燃料電池発電システムの構成図である。
【図４】実施例に相当する試験例に係る試験結果を示すグラフである。
【図５】比較例に係る試験結果を示すグラフである。
【図６】従来技術に係る要部の構成図である。
【符号の説明】
図中、１は燃料電池、２は燃料流路、３は酸化剤流路、４は主負荷、５は第２電源、７は切替部、８は放電負荷を示す。

Claims

燃料及び酸化剤により発電を行うと共に電極触媒を有する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤流路と、
前記燃料電池からの給電により作動する主負荷とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記主負荷に対して分離して独立に設けられた放電負荷と、
前記燃料電池と前記主負荷とを電気的に接続して前記燃料電池からの給電により前記主負荷を作動させる通常運転モードと、前記燃料電池と前記放電負荷とを電気的に接続する触媒回復モードとに切替可能とされており、
前記触媒回復モードのとき、前記放電負荷は前記主負荷に対して電気的に非接続であることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１において、前記触媒回復モードにおいて前記主負荷と電気的に接続され前記主負荷に給電して前記主負荷を作動させる第２電源が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項２において、前記通常運転モードにおいて第２電源は前記燃料電池からの給電により充電されることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記燃料流路は、前記燃料電池の発電に適するように燃料を改質する改質器と、前記改質器と前記燃料電池との間に設けられた制御弁とを有しており、
前記制御弁は、
前記通常運転モードにおいて改質された燃料を前記燃料電池に供給し、
前記触媒回復モードにおいて前記燃料電池に対する前記燃料の供給を停止または低減させると共に改質された燃料の少なくとも一部を改質器に戻すことを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項１〜請求項４のいずれかおいて、前記放電負荷は、抵抗値が固有の固定抵抗、または、抵抗値が可変な可変抵抗であることを特徴とする燃料電池発電システム。