JP2012012255A - Ｃｏ除去システム、及び、ｃｏ除去方法 - Google Patents

Ｃｏ除去システム、及び、ｃｏ除去方法 Download PDF

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渡邊　　悟
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Abstract

【課題】燃料極の劣化を抑制することができ、より安定して発電を行うことができるＣＯ除去システムを提供することにある。
【解決手段】空気供給手段と、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する計測手段と、計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、ＣＯ除去触媒の反応環境を制御する制御手段と、を有し、計測手段は、ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、発光部から入射され、燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、発光部から出力したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、燃料供給路を流れる燃料ガスのＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることで、上記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の燃料極に供給する燃料のＣＯ除去システム、及び、ＣＯ除去方法に関する。
近年、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は低公害であり、さらに熱効率が高いため自動車用電源や分散電源等の幅広い分野での動力源としての適用が期待されている。この燃料電池システムは、炭化水素系燃料（都市ガス、メタン、プロパン、灯油、ジメチルエーテル等）を改質器によって改質することによりＨ2を製造する。しかし改質器によって改質される改質ガス中には、Ｈ2のほかにＣＯおよびＣＯ2をも含んでおり、ＣＯによって燃料電池の電極触媒は被毒される。そのため、ＣＯ変成装置ではＣＯ変成触媒によりＣＯシフト反応が行われ、ＣＯ除去装置ではＣＯ除去触媒によりＣＯの酸化反応が行われることにより、得られるガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）の濃度を低減する方法がとられている（特許文献１参照）。また、特許文献１に記載の装置では、ＣＯ測定部で燃料改質装置（ＣＯ除去装置）の下流でのＣＯ濃度を計測することが記載されている。
特開２００７−３０２５３３号公報
ここで、ＣＯ濃度を計測する計測方法としては、濃度が一定と仮定し、流量からＣＯ濃度を算出する方法がある。しかしながら、この方法では、燃料ガス中のＣＯ濃度の変化に対応することができない。
また、ＣＯ濃度を計測する計測方法としては、赤外分光法により濃度を計測する方法がある。しかしながら、これらの計測方法では、計測前に、計測対象のガスに含まれる水分や粉塵を除去するための前処理装置が必要になる。そのため、ＣＯ濃度の計測に時間がかかり、算出された値に基づいて制御を行っても、制御に時間遅れが生じてしまい、この時間遅れ分の性能劣化がおきてしまう。
このように、いずれの方法でも、高い応答性で、高い精度の計測が困難であり、ＣＯ濃度の低減に限界があるという問題が生じる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスから一酸化炭素をより効率よく、かつ高い確率で低減することができ、燃料極の劣化を抑制することができるＣＯ除去システム、及び、ＣＯ除去方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路に設けられたＣＯ除去システムであって、前記燃料供給路に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記空気供給手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料ガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させ、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する計測手段と、前記計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、前記ＣＯ除去触媒の反応環境を制御する制御手段と、を有し、前記計測手段は、前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とする。
ＣＯ除去システムをこのような構成とすることにより、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスから一酸化炭素をより効率よく、かつ高い確率で低減することができ、燃料極の劣化を抑制することができる。
ここで、前記制御手段は、前記側計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記ＣＯ除去触媒に供給される空気量を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で、より確実に、ＣＯを除去することができる。
また、前記燃料ガスの流れ方向において、前記計測手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料供給路に空気を供給する下流側空気供給手段を、さらに有し、前記制御手段は、前記計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記下流側空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記燃料極に供給される空気量を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で除去できなかったＣＯが燃料極に残留することを抑制できる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路に設けられたＣＯ除去システムであって、前記燃料供給路に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記空気供給手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料ガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させ、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する計測手段と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記計測手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料供給路に空気を供給する下流側空気供給手段と、前記ＣＯ濃度に基づいて、前記下流側空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記燃料極に供給される空気量を制御する制御手段と、を有し、前記計測手段は、前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とする。
ＣＯ除去システムをこのような構成とすることにより、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスから一酸化炭素をより効率よく、かつ高い確率で低減することができ、燃料極の劣化を抑制することができる。また、ＣＯ除去システムをこのような構成とすることにより、リアルタイム制御、つまり応答性の高い制御を行うことができる。これにより、安定して発電を行うことができ、安定して所定の性能で電力を出力することができる。
ここで、前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の上流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過する前の燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する上流側計測手段を、さらに有し、前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度にも基づいて、前記ＣＯ除去触媒の反応環境を制御し、前記上流側計測手段は、前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒でより確実にＣＯを除去することができる。
また、前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度にも基づいて、前記空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記ＣＯ除去触媒に供給される空気量を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で高い確率でＣＯを除去することができる。
また、前記ＣＯ除去触媒の温度を調整する温度調整手段をさらに有し、前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で高い確率でＣＯを除去することができる。
また、前記ＣＯ除去触媒の温度を調整する温度調整手段をさらに有し、前記制御手段は、前記計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で高い確率でＣＯを除去することができる。
また、前記制御手段は、前記計測手段で計測したＣＯ濃度にも基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で高い確率でＣＯを除去することができる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路に設けられたＣＯ除去システムであって、前記燃料供給路に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記空気供給手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料ガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させ、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の上流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過する前の燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する上流側計測手段と、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、前記ＣＯ除去触媒の反応環境を制御する制御手段と、を有し、前記上流側計測手段は、前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とする。
ＣＯ除去システムをこのような構成とすることにより、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスから一酸化炭素をより効率よく、かつ高い確率で低減することができ、燃料極の劣化を抑制することができる。また、ＣＯ除去システムをこのような構成とすることにより、リアルタイム制御、つまり応答性の高い制御を行うことができる。これにより、安定して発電を行うことができ、安定して所定の性能で電力を出力することができる。
ここで、前記制御手段は、前記ＣＯ濃度に基づいて、前記空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記ＣＯ除去触媒に供給される空気量を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で、より確実に、ＣＯを除去することができる。
前記ＣＯ除去触媒の温度を調整する温度調整手段をさらに有し、前記制御手段は、前記ＣＯ濃度に基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することが好ましい。これにより、ＣＯ除去触媒で高い確率でＣＯを除去することができる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、配管を流れる燃料ガスのＣＯを除去するＣＯ除去方法であって、前記配管を流れる燃料ガスに対して、燃料ガスの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力させ、燃料ガスが流れる管路内を通過した前記レーザ光を受光し、出力したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測値として計測する濃度計測ステップと、前記濃度計測ステップで計測したＣＯ濃度に基づいて、配管に供給する酸素の量、及び、空気とＣＯとを反応させ除去するＣＯ除去触媒の温度の少なくとも一方を制御する制御ステップとを有することを特徴とする。
ＣＯ除去方法をこのような構成とすることにより、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスから一酸化炭素をより効率よく、かつ高い確率で低減することができ、燃料極の劣化を抑制することができる。また、ＣＯ除去方法をこのような構成とすることにより、リアルタイム制御、つまり応答性の高い制御を行うことができる。これにより、安定して発電を行うことができ、安定して所定の性能で電力を出力することができる。
本発明にかかるＣＯ除去システム、及び、ＣＯ除去方法は、燃料ガスから一酸化炭素をより効率よく、かつ高い確率で低減することができ、燃料極の劣化を抑制することができるという効果を奏する。また、安定して発電を行うことができ、安定して所定の性能で電力を出力することができるという効果を奏する。
図１は、ＣＯ除去システムを有する発電システムの概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示すＣＯ除去システムの概略構成を示すブロック図である。 図３は、図２に示すＣＯ測定部の概略構成を示すブロック図である。 図４は、ＣＯ除去システムの動作の一例を示すフロー図である。 図５は、ＣＯ除去システムの動作の一例を示すフロー図である。 図６は、ＣＯ除去触媒の特性の一例を示すグラフである。 図７は、ＣＯ除去システムの動作の一例を示すフロー図である。 図８は、ＣＯ除去システムの他の例の概略構成を示すブロック図である。 図９は、ＣＯ除去システムの他の例の概略構成を示すブロック図である。 図１０は、ＣＯ除去システムを有する発電システムの他の例の概略構成を示すブロック図である。
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
以下に、本発明にかかるＣＯ除去システム、及び、ＣＯの除去方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、下記の実施形態では、より適切に用いることができるため、ＣＯ除去システムを、発電システム、より具体的には、ＰＥＦＣ型燃料電池システムに用いる場合として説明するが、本発明はこれに限定されない。
まず、図１を用いて、本発明のＣＯ除去システムを用いた発電システムについて、説明する。図１は、ＣＯ除去システムを有する発電システムの概略構成を示すブロック図である。
図１に示すように、発電システム（ＰＥＦＣ型燃料電池の発電システム）１０は、原燃料供給部１２と、脱硫部１４と、燃料改質システム１６と、空気供給部２４と、バルブ２５と、燃料電池２６と、冷媒供給部２８と、放熱部３０と、制御部３２とを有する。また、燃料改質システム１６は、燃料改質部１７と、水蒸気供給部１８と、ＣＯ変成部２０と、ＣＯ除去システム２２とを有する。また、発電システム１０は、各部を配管で接続している。
原燃料供給部１２は、発電システム１０の発電に用いられる原燃料、つまり、改質される前の燃料を貯留し、供給する機構である。なお、原燃料としては、都市ガス、ＬＰＧガス又は灯油等を用いることができる。原燃料供給部１２は、燃料の一部を脱流部１４に供給し、一部を燃料改質システム１６の燃料改質部１７に供給する。
脱硫部１４は、原燃料供給部１２から供給された原燃料から、硫化物を除去する装置である。脱硫部１４は、硫化物を除去した原燃料を燃料改質システム１６に供給する。
燃料改質システム１６は、脱硫部１４から供給された原燃料を、燃料電池２６に供給できるガスに改質するシステムであり、上述したように、燃料改質部１７と、水蒸気供給部１８と、ＣＯ変成部２０と、ＣＯ除去システム２２とを有する。
燃料改質部１７は、燃料改質触媒部４４と、改質器バーナ４５と、を有する。また、水蒸気供給部１８は、燃料改質部１７に水蒸気を供給する。燃料改質触媒部４４は、脱硫部１４を通過した原燃料と、水蒸気供給部１８から供給された水蒸気とを混合して改質触媒を通過させ、原燃料と水蒸気とから、水素を生成する改質触媒を有する。ここで、改質触媒としては、例えばＲｕ／Ａｌ2Ｏ3等を例示することができるが、これに限定されるものではない。改質器バーナ４５は、原燃料供給部１２から供給された原燃料を燃焼させて、燃料改質触媒部４４を加熱する。
燃料改質部１７は、以上のような構成であり、改質器バーナ４５により、燃料改質触媒部４４を加熱し、脱硫部１４を通過した原燃料と、水蒸気供給部１８から供給された水蒸気とを混合した混合ガスが流通する雰囲気を、例えば７００〜８００℃の温度とし、原燃料と水蒸気との間で、水蒸気改質反応（例えば都市ガス又はＬＰＧ（プロパン主成分）を用いる場合にはＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 又は Ｃ3Ｈ8＋３Ｈ2Ｏ→３ＣＯ＋７Ｈ2）を起こさせることで、原燃料を改質する。燃料改質部１７は、改質し、水素と一酸化炭素を含む燃料ガスをＣＯ変成部２０に送る。
ＣＯ変成部２０は、燃料改質部１７から送られる燃料ガスに含まれる一酸化炭素を変成する機構である。ＣＯ変成部２０としては、一酸化炭素を二酸化炭素にするシフト反応を発生させる機構であり、例えば、燃料ガスを約２００〜４５０℃に加熱してシフト反応を発生させる。ＣＯ変成部２０で、一酸化炭素を変成させた燃料ガス（改質ガス）は、ＣＯ除去システム２２に供給される。
ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ変成部２０から供給された燃料ガスに含まれる一酸化炭素を除去する、つまり、ＣＯ変成部２０で、二酸化炭素に変成できなかった一酸化炭素を除去する機構である。ＣＯ除去システム２２は、一酸化炭素を除去した燃料ガスを、燃料電池２６に供給する。なお、ＣＯ除去システム２２については、後ほど説明する。
空気供給部２４は、燃料電池２６の空気極４８と、ＣＯ除去システム２２に空気を供給する機構である。空気供給部２４は、ポンプ等で構成されている。また、バルブ２５は、空気供給部２４と空気極４８との間に配置されており、空気供給部２４から、空気極４８に供給する空気の量を調整する。
燃料電池２６は、燃料ガスが供給される燃料極４６と、空気が供給される空気極４８と、冷媒が供給されて作動時の電気化学反応に伴う発生熱を除去する冷却部５０とを有する。燃料電池２６は、燃料改質システム１６を通過し、燃料極４６に供給された燃料ガスと、空気供給部２４から空気極４８に供給された空気とにより発電し、直流電力を得ている。また、燃料極４６と空気極４８とは、冷却部５０により冷却され、反応温度が調整されている。また、燃料電池２６は、燃料極４６で反応させた燃料ガスを改質器バーナ４５に供給し、燃料極４６を通過した後も残存する燃料成分（ＣＨ４、Ｈ２）を改質器バーナ４５で燃焼させる。
冷媒供給部２８は、冷却部５０に冷媒を供給する供給機構であり、冷却部５０に、例えば水又は空気等を供給する。また、放熱部３０は、冷却部５０を通過し、燃料電池２６で発生した熱を吸熱した冷媒に含まれる熱を放熱させる放熱機構である。なお、放熱部３０は、取得した熱を、他の機構の熱源、例えば、ＣＯ変成部２０の加熱に用いるようにしてもよい。
制御部３２は、発電システム１０の各部の動作を制御し、燃料電池２６の起動、発電、停止及び警報・保護を全自動で行うようにしている。また、制御部３２は、燃料改質システム１６の制御部、ＣＯ除去システム２２の制御部として、各部の制御を行う。
発電システム１０の制御部３２は、燃料電池発電の起動時の際には、改質器バーナ４５に原燃料供給部１２から原燃料を供給して燃料改質触媒部４４を昇温させて、水蒸気改質に適した所定の温度条件とした後、原燃料供給部１２から脱硫部１４を通過した原燃料を燃料改質システム１６に供給して改質ガスとする。その後、発電システム１０は、ＣＯ変成部２０及びＣＯ除去システム２２により、得られた改質ガスからＣＯを除去して燃料ガスとし、燃料極４６に供給することで、発電を開始させる。なお、制御部３２は、空気供給部２４から空気極４８に空気を供給する。また、燃料極４６からの排出ガスを、改質器バーナ４５に送り、排出ガスに含まれる未反応ガスを燃焼させる。これにより、原燃料を有効に活用することができ、原燃料の消費量に対する発電の効率を高くすることができる。
次に、図２を用いて、ＣＯ除去システム２２について説明する。ここで、図２は、図１に示すＣＯ除去システムの概略構成を示すブロック図である。図２に示すＣＯ除去システム２２は、ＣＯ除去触媒６２と、ＣＯ測定部６４と、第１空気供給部６６と、第２空気供給部（下流側空気供給部）６８と、温度調整部７０とを有する。また、制御部３２の一部機能もＣＯ除去システム２２を構成し、ＣＯ除去システム２２の各部の動作を制御する。なお、ＣＯ除去触媒６２と、ＣＯ測定部６４と、第１空気供給部６６と、第２空気供給部６８は、配管（燃料供給路）６０に接続されている。ＣＯ除去システム２２の各部は、ガスの流れ方向において、上流から、第１空気供給部６６、ＣＯ除去触媒６２、ＣＯ測定部６４、第２空気供給部６８の順で配置されている。また、配管６０の第２空気供給部６８の下流側には、燃料電池２６の燃料極４６が接続されている。
ＣＯ除去触媒６２は、通過する燃料ガス（改質ガス）から、燃料ガスに含まれるＣＯを除去する触媒であり、具体的には、ＣＯを他の物質に変成する触媒である。ＣＯ除去触媒６２としては、少なくとも一種類以上の銅系触媒又は貴金属系触媒の何れかを混合して組み合わせてなる触媒等を例示することができる。具体的には、例えば直径が２０μｍの銅系触媒と、酸化物の担体に例えばＰｔ等の貴金属を担持させた直径が２０μｍの貴金属系触媒とを粉末状態で機械的に混合させることにより、銅系触媒と貴金属系触媒との間の触媒間距離を適度に保つ構成とした触媒を用いることができる。
また、銅系触媒とは、金属銅又は酸化銅からなる活性成分と、前記活性成分を担持してなり、酸化アルミニウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化鉛、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化チタン、酸化鉄、酸化バナジウム、酸化コバルト、酸化クロム、メタルシリケートの少なくとも一種以上の酸化物からなる担体とからなる触媒を言う。また、前記銅系触媒としては、前記金属銅又は前記酸化銅を活性成分とするペロブスカイト型複合酸化物としても良い。
銅系触媒としてペロブスカイト型複合酸化物を用いることにより、銅がペロブスカイト結晶構造体中に取り込まれ、一酸化炭素（ＣＯ）の除去中においても還元されることがなく、安定して一酸化炭素（ＣＯ）の除去を行うことができる。また、ペロブスカイト結晶構造体中に活性種を安定担持しているため、触媒の寿命を長寿命とすることができる。
また、貴金属とは、金、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウムの何れか一種又はこれらの混合物をいう。また、前記貴金属系触媒を担持する担体としては、例えばアルミナ、ジルコニア、シリカ等の耐熱性の担体が好ましい。さらに、例えばアルミナ−シリカ、アルミナ−ジルコニア等の複合酸化物としてもよい。
ＣＯ測定部６４は、燃料ガスの流れ方向において、ＣＯ除去触媒６２の下流側に配置されており、ＣＯ除去触媒６２を通過した燃料ガスに含まれるＣＯの濃度を計測する。以下、図３を用いて、ＣＯ測定部６４について説明する。ここで、図３は、図２に示すＣＯ測定部の概略構成を示すブロック図である。ＣＯ測定部６４は、図３に示すように、計測ユニット１０２と、計測手段本体１０４とを有する。計測ユニット１０２は、配管６０のＣＯ除去触媒６２の配置位置よりも下流側に設けられており、配管６０を流れ、ＣＯ除去触媒を通過した燃料ガスのＣＯの濃度を計測する。なお、計測ユニット１０２は、測定光であるレーザ光を配管６０内に入射させ、配管６０を通過したレーザ光を受光することで、ガス濃度を計測する。
計測ユニット１０２は、入射管１１２と、出射管１１４と、窓１１６、１１８と、光ファイバ１２０と、入光部１２２と、受光部１２４と、を有する。
入射管１１２は、管状部材であり、一方の端部が配管６０に連結されている。また、配管６０は、入射管１１２との連結部が、入射管１１２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管１１２は、配管６０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管１１２の他方の端部には、窓１１６が設けられており、窓１１６により封止されている。なお、窓１１６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管１１２は、窓１１６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。
入射管１１２は、図３に示すように、窓１１６側の端部の開口（つまり、窓１１６により塞がれている開口）の面積と、配管６０側の端部の開口（つまり、配管６０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管１１２の形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。
出射管１１４は、入射管１１２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が配管６０に連結され、出射管１１４の他方の端部には、窓１１８が設けられている。出射管１１４も、配管６０と空気が流通可能な状態で、窓１１８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管１１４は、中心軸が入射管１１２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管１１２と出射管１１４とは、配管６０の互いに対向する位置に配置されている。
また、出射管１１４も、窓１１８側の端部の開口（つまり、窓１１８により塞がれている開口）の面積と、配管６０側の端部の開口（つまり、配管６０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管１１４も形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。
次に、光ファイバ１２０は、計測手段本体１０４から出力されるレーザ光を入光部１２２に案内する。つまり、計測手段本体１０４から出力されたレーザ光を入光部１２２に入射させる。入光部１２２は、窓１１６に配置された光学系（ミラー、レンズ等）であり、光ファイバ１２０により案内されたレーザ光を窓１１６から入射管１１２の内部に入射させる。入射管１１２に入射したレーザ光は、入射管１１２から配管６０を通過して、出射管１１４に到達する。
受光部１２４は、配管６０の内部を通過し、窓１１８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。受光部１２４は、受光したレーザ光の強度を受光信号として、計測手段本体１０４に送る。
計測手段本体１０４は、発光部１２６と、光源ドライバ１２８と、算出部１３０とを有する。発光部１２６は、ＣＯ（一酸化炭素）が吸収する近赤外波長域のレーザ光（ＣＯの吸収波長を含むレーザ光）を発光させる発光素子である。発光素子としては、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）を用いることができる。発光部１２６は、発光させた光を光ファイバ１２０に入射させる。
光源ドライバ１２８は、発光部１２６の駆動を制御する機能を有し、発光部１２６に供給する電流、電圧を調整することで、発光部１２６から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。
算出部１３０は、受光部１２４で受光したレーザ光の強度の信号と、光源ドライバ１２８を駆動させている条件とに基づいて、測定対象の物質の濃度を算出する。具体的には、算出部１３０は、光源ドライバ１２８を駆動させている条件に基づいて、発光部１２６から出力され、配管６０に入射するレーザ光の強度を算出し、受光部１２４で受光したレーザ光の強度と比較し、配管６０を流れる燃料ガスに含まれる測定対象の物質（一酸化炭素）の濃度を算出する。
ＣＯ測定部６４は、以上のような構成であり、発光部１２６から出力された近赤外波長域のレーザ光は、光ファイバ１２０から所定経路、具体的には、入光部１２２、窓１１６、入射管１１２、配管６０、出射管１１４、窓１１８を通過して、受光部１２４に到達する。このとき、配管６０内の燃料ガス中に測定対象の物質（ＣＯ）が含まれていると、配管６０を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光は、燃料ガス中の測定対象の物質の濃度によって、受光部１２４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部１２４は、受光したレーザ光を受光信号に変換し、算出部１３０に出力する。また、光源ドライバ１２８は、発光部１２６から出力したレーザ光の強度を算出部１３０に出力する。算出部１３０は、発光部１２６から出力した光の強度と、受光信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測ユニット１０２内を流れる燃料ガスの測定対象の物質の濃度を算出する。このようにＣＯ測定部６４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用い、出力したレーザ光の強度と、受光部１２４で検出した受光信号とに基づいて配管６０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する燃料ガス中の測定対象の物質の濃度を、算出及び／または計測する。また、ＣＯ測定部６４は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出及び／または計測することができる。ＣＯ測定部６４は、計測したＣＯ濃度を制御部３２に送る。
図２に戻り、ＣＯ除去システム２２の説明を続ける。第１空気供給部６６は、空気供給部２４から供給された空気を配管６０に供給する機構である。第１空気供給部６６は、配管７２とバルブ７４とを有する。配管７２は、一方の端部が、空気供給部２４と接続され、他方の端部が配管６０と接続されている。また、配管７２の他方の端部は、燃料ガスの流れ方向において、ＣＯ除去触媒６２よりも上流側の部分の配管６０に接続されている。また、バルブ７４は、配管７２に設けられており、開度を調整することで、空気供給部２４から配管６０に供給される空気量を調整する。第１空気供給部６６は、以上の構成であり、バルブ７４の開度を調整することで、配管６０に供給する空気の量を調整し、ＣＯ除去触媒６２に供給される燃料ガスに混入する空気の量を調整する。
第２空気供給部６８も、空気供給部２４から供給された空気を配管６０に供給する機構である。第２空気供給部６８は、配管７６とバルブ７８とを有する。配管７６は、一方の端部が、空気供給部２４と接続され、他方の端部が配管６０と接続されている。また、配管７６の他方の端部は、燃料ガスの流れ方向において、ＣＯ測定部６４よりも下流側の部分の配管６０に接続されている。つまり、配管７６は、ＣＯ除去触媒６２よりも下流で、燃料極４６よりも上流側の配管６０に接続されている。また、バルブ７８は、配管７６に設けられており、開度を調整することで、空気供給部２４から配管６０に供給される空気量を調整する。第２空気供給部６８は、以上の構成であり、バルブ７８の開度を調整することで、配管６０に供給する空気の量を調整し、燃料極４６に供給される燃料ガスに混入する空気の量を調整する。
次に、温度調整部７０は、温度調整機構８０と、温度制御部８２とを有し、ＣＯ除去触媒６２の温度を調整する。温度調整機構８０は、ＣＯ除去触媒６２の周囲に配置された、加熱及び／または冷却機構であり、ＣＯ除去触媒６２を加熱、及び／または、冷却する。温度調整機構８０としては、種々の加熱機構、冷却機構を用いることができる。加熱機構としては、燃料を燃焼させてＣＯ除去触媒６２を加熱する機構や、ＣＯ除去触媒６２の周囲に水蒸気、溶媒等の加熱した媒体を通過させることで加熱する機構を用いることができる。また、冷却機構としては、水冷で冷却する機構や、空冷で冷却する機構を用いることができる。温度制御部８２は、温度調整機構８０による、ＣＯ除去触媒６２の加熱、冷却を制御する制御部である。温度制御部８２は、温度調整機構８０の動作を制御することで、ＣＯ除去触媒６２の温度を所定の状態とする。なお、温度調整部７０は、ＣＯ除去触媒６２の温度、または、ＣＯ除去触媒６２の雰囲気の温度を検出する温度検出部を設け、その温度検出部による検出結果に基づいて、制御を行うことが好ましい。
また、制御部３２は、ＣＯ測定部６４の計測結果に基づいて、第１空気供給部６６、第２空気供給部６８、温度調整部７０の少なくとも１つを制御し、燃料極４６に供給される燃料ガスに含まれるＣＯを除去、低減する。
次に、図４を用いて、ＣＯ除去システム２２の動作を説明する。ここで、図４は、ＣＯ除去システムの動作の一例を示すフロー図である。まず、図４を用いて、ＣＯ除去システムの動作の一例を説明する。ここで、図４は、ＣＯ測定部６４の計測結果に基づいて、第１空気供給部６６の動作を制御する場合の例である。
ＣＯ除去システム２２の制御部３２は、まず、ステップＳ１０としてＣＯ濃度を計測する。つまり、制御部３２は、ＣＯ測定部６４により燃料ガスに含まれるＣＯの濃度を計測する。なお、ＣＯ測定部６４によるＣＯ濃度の測定（計測）方法は、上述した方法で測定方法を用いることができる。
制御部３２は、ステップＳ１０でＣＯ濃度を計測したら、ステップＳ１２として、計測されたＣＯ濃度が上限目標値よりも大きいかを判定する。制御部３２は、ステップＳ１２で計測されたＣＯ濃度が上限目標値よりも大きい（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ１４に進み、現状設定されている空気供給量を一定量増加させる。つまり、第１空気供給部６６から配管６０に供給する空気の量を一定量多くする。その後、制御部３２は、ステップＳ２０に進む。
また、制御部３２は、ステップＳ１２で、計測されたＣＯ濃度が上限目標値以下である（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ１６に進み、計測されたＣＯ濃度が下限目標値よりも小さいかを判定する。制御部３２は、ステップＳ１６で、計測されたＣＯ濃度が下限目標値よりも小さい（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ１８に進み、現状設定されている空気供給量を一定量低減させる。つまり、第１空気供給部６６から配管６０に供給する空気の量を一定量少なくする。その後、制御部３２は、ステップＳ２０に進む。また、制御部３２は、ステップＳ１６で、計測されたＣＯ濃度が下限目標値以上である（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ２０に進む。
制御部３２は、ステップＳ２０で、発電システム１０が停止しているか（つまり、燃料ガスの排出が停止しているか）を判定する。制御部３２は、ステップＳ２０で、燃料ガスの排出が停止していない（Ｎｏ）と判定したらステップＳ１０に進み、上述した処理を繰り返す。他方、制御部３２は、ステップＳ２０で、燃料ガスの排出が停止している（Ｙｅｓ）と判定したら処理を終了する。
ＣＯ除去システム２２は、このようにして、第１空気供給部６６から配管６０に供給する空気の量を制御する。なお、上記制御では、空気の供給量を一定量増加、低減させたが、これに限定されない。例えば、ＣＯ濃度が上限目標値以上の場合は、空気供給量を予め設定した基準値としてもよく、ＣＯ濃度が下限目標値以下の場合は、空気供給量を０にするようにしてもよい。また、空気供給量は、バルブの開閉回数で調整しても、バルブの開閉開度で調整してもよい。また、空気供給部２４から供給する空気の量で調整してもよい。また、ＣＯ濃度の上限目標値と下限目標値とは、異なる値としてもよいし、同じ値としてもよい。つまり、ステップＳ１２で使用される上限目標値とステップＳ１６で使用される下限目標値を異なる目標値としてもよい。ＣＯ濃度の上限目標値と下限目標値とを異なる値とすることで、空気供給量を変化させないＣＯ濃度の範囲を一定の濃度範囲とすることができる。
発電システム１０及びＣＯ除去システム２２は、以上のような構成であり、原燃料が改質されて生成された改質ガス（燃料ガス）を、ＣＯ変成部２０、ＣＯ除去システム２２でＣＯを除去した後、ＣＯが除去、低減された燃料ガスとして、燃料極４６に供給することができる。このように、燃料ガスからＣＯを除去、低減できることで、具体的には、燃料ガスに含まれるＣＯを１０ｐｐｍ以下とすることで、燃料極４６の性能劣化を抑制することができ、発電システム１０の寿命を長くすることができる。
さらに、ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ除去触媒６２を通過したＣＯ濃度を計測し、その結果に応じて第１空気供給部６６から配管６０に供給する空気の量を制御している。このように、ＣＯ除去触媒６２を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度に基づいて、空気の供給量を制御することで、空気と一酸化炭素の反応状態に即して空気の供給量を制御することができる。
また、ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ測定部６４により、ＣＯ濃度を検出することで、短時間で正確に、かつ連続的に燃料ガス中のＣＯ濃度を計測することができる。ＣＯ測定部６４として、測定対象の物質の吸収波長域の近赤外波長域のレーザ光を照射し、当該測定対象の物質により吸収される強度を検出する方式を用いることで、短時間で、かつ、高い精度で測定対象の物質の濃度を計測することが可能となる。これにより、短時間で濃度分布を算出することができ、高い応答性（例えば、リアルタイム制御）で制御を行うことができる。さらに、計測開始から計測結果の算出までの時間を短くすることができ、計測の時間遅れを短い時間にすることができ、より正確に空気の供給量の制御を行うことができる。つまりタイムラグをより小さくできるため、条件等が変化し、ＣＯ濃度、排出量が変化した場合も迅速に対応することが可能となる。これにより、ＣＯの除去をより好適に制御することができる。特に、変動の大きい運転の場合は、生成されるガスの濃度も変動するが、ＣＯ除去システム２２は、このように変動が大きい場合でも高い応答性で制御ができることで、安定して電力を発電することができ、一定の性能を維持することができる。
また、ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ測定部６４として、測定対象の物質の吸収波長域の近赤外波長域のレーザ光を照射し、当該測定対象の物質により吸収される強度を検出することで、短時間で、かつ、高い精度で測定対象の物質の濃度を計測することができる。さらに、近赤外波長域のレーザ光を用いる計測では、測定対象の物質以外の成分が混在した状態であっても、測定対象の物質の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象の変換物以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。また、前処理を行うことなく、計測が可能であるので、発電システム１０を流れる燃料ガスを直接計測することができる。
また、発電システム１０は、ＣＯ除去システム２２にＣＯ除去触媒６２として、少なくとも一種類以上の銅系触媒又は貴金属系触媒の何れかを混合して組み合わせてなる触媒等を用いるため、安価でしかも長期間に亙ってＣＯ除去ができるので、ＣＯが低減された燃料ガスを安定して得ることができ、長期間に亙って安定且つ信頼性の高い燃料電池システムを提供することができる。
なお、図４に示す例では、第１空気供給部６６から配管６０に供給する空気の量を制御したが、本発明はこれに限定されない。ＣＯ除去システム２２は、第１空気供給部６６から配管６０に供給する空気の量を制御することに代えて、第２空気供給部６８から配管６０に供給する空気の量を制御するようにしてもよい。なお、この場合も、ＣＯ濃度の計測結果に基づいた流量の制御は、図４に示すフロー図と同様の制御を行えばよい。
まず、ＣＯ除去システム２２は、第２空気供給部６８を用いて、ＣＯ除去触媒６２を通過した燃料ガスに空気を供給することで、燃料極４６でＣＯと空気とを反応させることができ、燃料ガスに含まれるＣＯを除去することができる。これにより、燃料極４６にＣＯが残留することを抑制することができ、燃料極４６の性能の低減を抑制することができる。
また、ＣＯ測定部６４を通過した燃料ガスに含まれるＣＯを好適に除去することができる。なお、上述したように、ＣＯ測定部６４は、ＣＯ濃度を短時間で計測できる。このため、ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ濃度を計測した燃料ガスが流れ、第２空気供給部６８に到達した時に、空気を供給することができる。これにより、必要十分な空気を好適に供給することができ、ＣＯを効率よく除去することができる。
さらに、ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ除去触媒６２を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度に応じて、第２空気供給部６８から供給する空気量を調整することで、必要十分な空気を燃料ガスに供給することができ、空気と燃料ガス中の水素とが反応することを抑制することができる。これにより、空気を供給することで、燃料ガス中の水素の低減量を少なくすることができ、発電の効率の低減を抑制することができる。つまり、発電システムの性能の低減を抑制しつつ、よく発電を行うことができる。
次に、図５を用いて、ＣＯ除去システム２２の動作の他の例を説明する。ここで、図５は、ＣＯ除去システムの動作の一例を示すフロー図である。なお、図５は、ＣＯ測定部６４の測定結果に基づいて、温度調整部７０の動作を制御する場合の動作を示すフロー図である。なお、ＣＯ除去システム２２の動作において、図４に示すフロー図と同様の動作については、同様のステップ番号を付して、詳細な説明は、省略する。
ＣＯ除去システム２２の制御部３２は、まず、ステップＳ１０としてＣＯ濃度を計測する。制御部３２は、ステップＳ１０でＣＯ濃度を計測したら、ステップＳ１２として、計測されたＣＯ濃度が上限目標値よりも大きいかを判定する。制御部３２は、ステップＳ１２で計測されたＣＯ濃度が上限目標値よりも大きい（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ３４に進み、ＣＯ除去触媒６２の温度を現状設定されている温度から一定温度上昇させる。つまり、温度調整部７０による加熱量を増加、または、温度調整部７０による冷却量を低減させる。その後、制御部３２は、ステップＳ２０に進む。
また、制御部３２は、ステップＳ１２で、計測されたＣＯ濃度が上限目標値以下である（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ１６に進み、計測されたＣＯ濃度が下限目標値よりも小さいかを判定する。制御部３２は、ステップＳ１６で、計測されたＣＯ濃度が下限目標値よりも小さい（Ｙｅｓ）と判定したら、ステップＳ３８に進み、ＣＯ除去触媒６２の温度を現状設定されている温度から一定温度低下させる。つまり、温度調整部７０による加熱量を低減、または、温度調整部７０による冷却量を増加させる。その後、制御部３２は、ステップＳ２０に進む。また、制御部３２は、ステップＳ１６で、計測されたＣＯ濃度が下限目標値以上である（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ２０に進む。
制御部３２は、ステップＳ２０で、発電システム１０が停止しているか（つまり、燃料ガスの排出が停止しているか）を判定する。制御部３２は、ステップＳ２０で、燃料ガスの排出が停止していない（Ｎｏ）と判定したらステップＳ１０に進み、上述した処理を繰り返す。他方、制御部３２は、ステップＳ２０で、燃料ガスの排出が停止している（Ｙｅｓ）と判定したら処理を終了する。
ＣＯ除去システム２２は、このようにして、温度調整部７０により、ＣＯ除去触媒６２の温度を制御する。なお、上記制御では、加熱量、冷却量を一定量増加、低減させたが、これに限定されない。例えば、ＣＯ濃度が上限目標値以上の場合は、冷却量を０としてもよく、ＣＯ濃度が下限目標値以下の場合は、加熱量を０にするようにしてもよい。
このように、ＣＯ除去システム２２は、ＣＯ除去触媒６２を通過したＣＯ濃度を計測し、その結果に応じて温度調整部７０の動作を制御し、ＣＯ除去触媒６２の温度を制御している。このように、ＣＯ除去触媒６２を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度に基づいて、ＣＯ除去触媒６２の温度を制御することで、空気と一酸化炭素の反応状態に即してＣＯ除去触媒の温度を制御することができる。
これにより、ＣＯ除去触媒６２の特性が使用により変化しても、その変化に応じて、反応環境を調整することができる。ここで、図６は、ＣＯ除去触媒の特性の一例を示すグラフである。なお、図６は、横軸を温度とし、縦軸をＣＯ転化率としている。ＣＯ除去触媒は、図６に示すように、ＣＯを他の物質（基本的にはＣＯ２）に効率よく変換することができる温度範囲が限られている。具体的には、図６に示す関係では、温度Ｔ１のときに転化率（除去率）が最も高くなり、温度Ｔ１以上で、かつ、転化率（除去率）η１以上となる温度範囲はΔＴとなる。また、この温度範囲は、使用により変化する。このため、本実施形態のように、ＣＯ濃度に基づいて温度を調整することにより、ＣＯ除去触媒６２を、効率よくＣＯを除去することができる温度とすることができる。これにより、ＣＯ除去システム２２は、温度を調整することでも好適にＣＯを除去することができる。
なお、図５に示すフロー図では、ＣＯ濃度の下限と上限に基づいて、ＣＯ除去触媒の温度の上昇と低下とを切り替えたが、濃度の変化に応じて、ＣＯ除去触媒の温度の上昇と低下とを切り替え、より効率よくＣＯを除去できる温度とするように制御するようにしてもよい。
次に、図７を用いて、ＣＯ除去システム２２の動作の他の例を説明する。ここで、図７は、ＣＯ除去システムの動作の一例を示すフロー図である。なお、図７は、ＣＯ測定部６４の測定結果に基づいて、複数の対象の動作を制御する場合の動作を示すフロー図である。
ＣＯ除去システム２２の制御部３２は、まず、ステップＳ４０としてＣＯ濃度を計測する。制御部３２は、ステップＳ４０でＣＯ濃度を計測したら、ステップＳ４２として、制御対象の各値を算出する。つまり、制御対象の制御値を算出する。なお、制御対象としては、第１空気供給部６６と、第２空気供給部６８と、温度調整部７０の少なくとも１つが対象となる。また、制御部３２は、制御値として、ＣＯ濃度をより低減させることができる制御値を算出する。
制御部３２は、ステップＳ４２で各値を算出したら、ステップＳ４４として、ステップＳ４２で算出した値に基づいて、制御対象を制御する。つまり、第１空気供給部６６及び／または第２空気供給部６８から供給する空気の量を増減させたり、温度調整部７０による加熱量、冷却量を増減させたりする。制御部３２は、ステップＳ４４で制御を行ったら、ステップＳ４６に進む。
制御部３２は、ステップＳ４６として、発電システム１０が停止しているか（つまり、燃料ガスの排出が停止しているか）を判定する。制御部３２は、ステップＳ４６で、燃料ガスの排出が停止していない（Ｎｏ）と判定したらステップＳ４０に進み、上述した処理を繰り返す。他方、制御部３２は、ステップＳ４６で、燃料ガスの排出が停止している（Ｙｅｓ）と判定したら処理を終了する。
ＣＯ除去システム２２は、このように、ＣＯ測定部６４の測定結果に基づいて、複数の制御対象を制御することで、より好適に制御を行うことができる。つまり、ＣＯ除去システム２２は、第１空気供給部６６、第２空気供給部６８、温度調整部７０を必要に応じて組み合わせて制御することで、ＣＯをより好適に除去することができる。
なお、ＣＯ除去システム２２は、第１空気供給部６６、第２空気供給部６８、温度調整部７０のいずれを制御するようにしてもよいが、燃料極４６に与える影響や、制御しやすさの観点から、第１空気供給部６６、第２空気供給部６８、温度調整部７０の順で制御することが好ましい。また、ＣＯ除去システム２２は、第１空気供給部６６と、温度調整部７０のいずれかを制御することで、ＣＯ除去触媒での反応環境を制御することができる。
次に、図８を用いて、ＣＯ除去システムの他の例を説明する。ここで、図８は、ＣＯ除去システムの他の例の概略構成を示すブロック図である。なお、図８に示すＣＯ除去システム１３１は、ＣＯ測定部１３２を設けた点を除いて、他の構成は、図２に示すＣＯ除去システム２２と同様の構成である。そこで、ＣＯ除去システム２２と同様の構成には、同様の符号を付して、その説明を省略し、以下、ＣＯ除去システム１３１に特有の点について説明する。
図８に示すＣＯ除去システム１３１は、ＣＯ除去触媒６２と、ＣＯ測定部６４と、第１空気供給部６６と、第２空気供給部６８と、温度調整部７０と、ＣＯ測定部（上流側ＣＯ測定部）１３２と、を有する。また、制御部１３４の一部機能もＣＯ除去システム１３１を構成し、ＣＯ除去システム１３１の各部の動作を制御する。なお、ＣＯ除去触媒６２と、ＣＯ測定部６４と、第１空気供給部６６と、第２空気供給部６８と、ＣＯ測定部１３２は、配管６０に接続されている。ＣＯ除去システムの各部は、ガスの流れ方向において、上流から、ＣＯ測定部１３２、第１空気供給部６６１３１、ＣＯ除去触媒６２、ＣＯ測定部６４、第２空気供給部６８の順で配置されている。また、配管６０の第２空気供給部６８の下流側には、燃料電池２６の燃料極４６が接続されている。
ＣＯ測定部１３２は、燃料ガスの流れ方向において、第１空気供給部６６よりも上流側部分の配管６０に配置されている。ＣＯ測定部１３２は、第１空気供給部６６に到達する前の燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する。なお、ＣＯ測定部１３２は、配置位置を除いて、装置構成、ＣＯ濃度の計測方法は、ＣＯ測定部６４と同様である。ＣＯ測定部１３２は、計測したＣＯ濃度を制御部１３４に送る。
制御部１３４は、ＣＯ測定部６４でのＣＯ濃度の測定結果に加え、ＣＯ測定部１３２でのＣＯ濃度の測定結果に基づいて、第１空気供給部６６、第２空気供給部６８、温度調整部７０のいずれかを制御する。なお、制御部１３４は、ＣＯ測定部１３２でのＣＯ濃度の測定結果に基づいて、第１空気供給部６６、温度調整部７０のいずれか、つまり、ＣＯ除去触媒での反応環境を制御する。
ＣＯ除去システム１３１は、このように、制御部１３４で、ＣＯ測定部１３２でのＣＯ濃度の測定結果に基づいて、第１空気供給部６６、温度調整部７０のいずれか、つまり、ＣＯ除去触媒での反応環境を制御することで、ＣＯ測定部１３２で測定した燃料ガスがＣＯ除去触媒６２を通過する際に、好適にＣＯを除去できる環境とすることができる。つまり、ＣＯ除去触媒６２を通過する前に、ＣＯ濃度を計測できるため、その濃度に応じて、反応環境を制御することができる。これにより、燃料ガスに含まれるＣＯをより好適に低減または除去することができる。
また、ＣＯ除去システム１３１は、さらに、ＣＯ測定部６４での測定結果も用いて、制御を行うことで、ＣＯ除去触媒６２での処理状態を算出することができ、より好適に反応環境を調整することができる。つまり、ＣＯ除去システム１３１は、空気の投入量、またＣＯ除去触媒６２の温度に対して、ＣＯの低減量を判定することができ、その結果に基づいて制御を行うことができる。また、ＣＯ除去システム１３１は、ＣＯ測定部６４での測定結果に基づいて第２空気供給部６８の動作を制御することで、ＣＯ除去触媒６２の通過後に残ったＣＯも好適に除去することができる。
次に、図９を用いて、ＣＯ除去システムの他の例を説明する。ここで、図９は、ＣＯ除去システムの他の例の概略構成を示すブロック図である。なお、図９に示すＣＯ除去システム１５０は、ＣＯ測定部６４に代えて、ＣＯ測定部１３２を設けた点を除いて、他の構成は、図２に示すＣＯ除去システム２２と同様の構成である。そこで、ＣＯ除去システム２２と同様の構成には、同様の符号を付して、その説明を省略し、以下、ＣＯ除去システム１５０に特有の点について説明する。
図９に示すＣＯ除去システム１５０は、ＣＯ除去触媒６２と、第１空気供給部６６と、第２空気供給部６８と、温度調整部７０と、ＣＯ測定部（上流側ＣＯ測定部）１５２と、を有する。また、制御部１５４の一部機能もＣＯ除去システム１５０を構成し、ＣＯ除去システム１５０の各部の動作を制御する。なお、ＣＯ除去触媒６２と、第１空気供給部６６と、第２空気供給部６８と、ＣＯ測定部１３２は、配管６０に接続されている。ＣＯ除去システム１５０の各部は、ガスの流れ方向において、上流から、ＣＯ測定部１３２、第１空気供給部６６、ＣＯ除去触媒６２、第２空気供給部６８の順で配置されている。また、配管６０の第２空気供給部６８の下流側には、燃料電池２６の燃料極４６が接続されている。また、ＣＯ測定部１３２は、図８に示すＣＯ除去システム１３１のＣＯ測定部１３２と同様の構成である。
制御部１５４は、ＣＯ測定部１３２でのＣＯ濃度の測定結果に基づいて、第１空気供給部６６、温度調整部７０のいずれかを制御する。つまり、制御部１５４は、ＣＯ測定部１３２でのＣＯ濃度の測定結果に基づいて、ＣＯ除去触媒での反応環境を制御する。
ＣＯ除去システム１５０は、このように、制御部１５４で、ＣＯ測定部１３２でのＣＯ濃度の測定結果に基づいて、第１空気供給部６６、温度調整部７０のいずれか、つまり、ＣＯ除去触媒での反応環境を制御することで、ＣＯ測定部１３２で測定した燃料ガスがＣＯ除去触媒６２を通過する際に、好適にＣＯを除去できる環境とすることができる。つまり、ＣＯ除去触媒６２を通過する前に、ＣＯ濃度を計測できるため、その濃度に応じて、反応環境を制御することができる。これにより、燃料ガスに含まれるＣＯをより好適に低減または除去することができる。ＣＯ除去システム１５０のように、ＣＯ除去触媒６２の上流側のみにＣＯ測定部１３２を設けた構成とすることでも、ＣＯを好適に除去することができる。
次に、図１０を用いて、発電システムの他の例を説明する。図１０は、ＣＯ除去システムを有する発電システムの他の例の概略構成を示すブロック図である。発電システム２００は、原燃料供給部２０２と、燃料改質システム２０４、空気供給部２４と、バルブ２５と、燃料電池２６と、冷媒供給部２８と、放熱部３０と、制御部２０８とを有する。また、燃料改質システム２０４は、蒸発部２０５と、改質部２０６と、ＣＯ除去システム２２とを有する。ここで、ＣＯ除去システム２２と、空気供給部２４と、バルブ２５と、燃料電池２６と、冷媒供給部２８と、放熱部３０と、は、図１に示す発電システム１０の各部と同様の構成であるので、説明は省略する。
原燃料供給部２０２は、液体燃料、例えばメタノールを貯留した槽２２０と、槽２２０から液体燃料を吸引するポンプ２２４と、ポンプ２２４により槽２２０から吸引された液体燃料を流通させる配管２２６と、配管２２６に設けられたバルブ２２８と、配管２２６と蒸発部２０５とを接続する配管２３０と、水を貯留した槽２４０と、槽２４０から水を吸引するポンプ２４４と、ポンプ２４４により槽２４０から吸引された水を流通させ、配管２３０と接続された配管２４６と、配管２４６に設けられたバルブ２４８と、を有する。原燃料供給部２０２は、槽２２０に貯留された液体燃料と、槽２４０に貯留された水とを配管２３０で混合して、蒸発部２０５に供給する。
蒸発部２０５は、原燃料供給部２０２から供給された液体燃料及び水を加熱等することによりガス化する。改質部２０６は、液体燃料と水による水蒸気改質反応を行い、水素リッチガス（燃料ガス、改質ガス）を生成する。改質部２０６は、生成した燃料ガスをＣＯ除去システム２２に供給する。ＣＯ除去システム２２は、供給された燃料ガスからＣＯを除去した後、燃料ガスを燃料極４６に供給する。また、燃料極４６から排出されたガスは、蒸発部２０５に供給され、ガスに含まれる未反応の燃焼成分が燃焼され、蒸発部２０５の加熱源として用いられる。
発電システム２００のように、ＣＯ除去システム２２に供給する燃料ガスの生成方法が異なる場合も、ＣＯ除去システム２２を用いることで、ＣＯを好適に除去することができる。また。本実施形態では、ＣＯ変成部を設けていないが、ＣＯ除去システム２２により好適にＣＯを除去することができる。なお、発電システム２００の場合も、ＣＯ変成部を設けてもよい。また、上述した発電システム１０の場合も、ＣＯ変成部を設けない構成としてもよい。
ここで、本発明は上記実施形態にも限定されず、種々の形態とすることができる。例えば、各実施形態を組み合わせてもよい。例えば、第２空気供給部を設けない構成としてもよい。また、温度調整部を設けない構成としてもよい。また、第１空気供給部や、第２空気供給部、温度調整部を設けている場合も、制御対象とはせず、ＣＯ測定部の測定結果に係わらず、一定の状態に制御するようにしてもよい。
また、ＣＯ測定部の構成は、上記構成に限定されない。例えば、上記実施形態では、入射管と出射管を同軸上に設けたがこれには限定されない。例えば、配管内に光学ミラーを設け、入射管の窓から入射されたレーザ光を測定セル内の光学ミラーで多重反射させた後、出射管の窓に到達させるようにしてもよい。このようにレーザ光を多重反射させることで、配管内のより多くの領域を通過させることができる。これにより、配管内を流れる流通ガスの濃度の分布（流通ガスの流量や密度のばらつき、流通ガス内の濃度分布のばらつき）の影響を小さくすることができ、正確に濃度を検出することができる。
また、上記実施形態では、入射管と出射管を配管に直接設けたが、配管と同径の管に、入射管と出射管を設置し、その管を配管の一部にはめ込むようにしても良い。つまり、サンプリング配管の一部を切断し、その切断部に入射管と出射管を設置した管をはめ込むようにしてもよい。
また、配管を流れる燃料ガスを一部採取する分岐管を設け、分岐管に計測セルを接続し、その計測セルを流れる燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、第１空気供給部、第２空気供給部は、空気を供給したが、酸素のみを供給してもよい。また、第１空気供給部と、第２空気供給部とは、別系統の空気供給部としてもよい。
以上のように、本発明にかかるＣＯ除去システム、及び、ＣＯ除去方法は、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスに含まれるＣＯを除去するのに有用である。
１０ 発電システム
１２ 原燃料供給部
１４ 脱硫部
１６ 燃料改質システム
１７ 燃料改質部
１８ 水蒸気供給部
２０ ＣＯ変成部
２２ ＣＯ除去システム
２４ 空気供給部
２５ バルブ
２６ 燃料電池
２８ 冷媒供給部
３０ 放熱部
３２ 制御部
４４ 燃料改質触媒部
４５ 改質器バーナ
４６ 燃料極
４８ 空気極
５０ 冷却部
６０、７２、７６ 配管
６２ ＣＯ除去触媒
６４ ＣＯ測定部
６６ 第１空気供給部
６８ 第２空気供給部
７０ 温度調整部
７８ バルブ
８０ 温度調整機構
８２ 温度制御部
１０２ 計測ユニット
１０４ 計測手段本体
１１２ 入射管
１１４ 出射管
１１６、１１８ 窓
１２０ 光ファイバ
１２２ 入光部
１２４ 受光部
１２６ 発光部
１２８ 光源ドライバ
１３０ 算出部

Claims (13)

  1. 燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路に設けられたＣＯ除去システムであって、
    前記燃料供給路に空気を供給する空気供給手段と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記空気供給手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料ガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させ、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する計測手段と、
    前記計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、前記ＣＯ除去触媒の反応環境を制御する制御手段と、を有し、
    前記計測手段は、
    前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、
    前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、
    前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、
    前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とするＣＯ除去システム。
  2. 前記制御手段は、前記計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記ＣＯ除去触媒に供給される空気量を制御することを特徴とする請求項１に記載のＣＯ除去システム。
  3. 前記燃料ガスの流れ方向において、前記計測手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料供給路に空気を供給する下流側空気供給手段を、さらに有し、
    前記制御手段は、前記計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記下流側空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記燃料極に供給される空気量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のＣＯ除去システム。
  4. 燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路に設けられたＣＯ除去システムであって、
    前記燃料供給路に空気を供給する空気供給手段と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記空気供給手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料ガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させ、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過した燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する計測手段と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記計測手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料供給路に空気を供給する下流側空気供給手段と、
    前記計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記下流側空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記燃料極に供給される空気量を制御する制御手段と、を有し、
    前記計測手段は、
    前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、
    前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、
    前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、
    前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とするＣＯ除去システム。
  5. 前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の上流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過する前の燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する上流側計測手段を、さらに有し、
    前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度にも基づいて、前記ＣＯ除去触媒の反応環境を制御し、
    前記上流側計測手段は、
    前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、
    前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、
    前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、
    前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＣＯ除去システム。
  6. 前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度にも基づいて、前記空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記ＣＯ除去触媒に供給される空気量を制御することを特徴とする請求項５に記載のＣＯ除去システム。
  7. 前記ＣＯ除去触媒の温度を調整する温度調整手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することを特徴とする請求項６に記載のＣＯ除去システム。
  8. 前記制御手段は、前記計測手段で計測したＣＯ濃度にも基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することを特徴とする請求項７に記載のＣＯ除去システム。
  9. 前記ＣＯ除去触媒の温度を調整する温度調整手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のＣＯ除去システム。
  10. 燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路に設けられたＣＯ除去システムであって、
    前記燃料供給路に空気を供給する空気供給手段と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記空気供給手段の下流側の前記燃料供給路に配置され、前記燃料ガス中に含まれるＣＯと酸素とを反応させ、燃料ガス中に含まれるＣＯを除去するＣＯ除去触媒と、
    前記燃料ガスの流れ方向において、前記ＣＯ除去触媒の上流側の前記燃料供給路に配置され、前記ＣＯ除去触媒を通過する前の燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測する上流側計測手段と、
    前記上流側計測手段で計測したＣＯ濃度に基づいて、前記ＣＯ除去触媒の反応環境を制御する制御手段と、を有し、
    前記上流側計測手段は、
    前記ＣＯの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力する発光部と、
    前記燃料供給路にレーザ光を入射させる光学系と、
    前記発光部から入射され、前記燃料供給路を通過したレーザ光を受光する受光部と、
    前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料供給路を流れる前記燃料ガスの前記ＣＯ濃度を算出する算出部とを備えることを特徴とするＣＯ除去システム。
  11. 前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記空気供給手段が前記燃料供給路に供給する空気量を調整し、前記ＣＯ除去触媒に供給される空気量を制御することを特徴とする請求項１０に記載のＣＯ除去システム。
  12. 前記ＣＯ除去触媒の温度を調整する温度調整手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記上流側計測手段で計測した前記ＣＯ濃度に基づいて、前記温度調整手段を制御し、前記ＣＯ除去触媒の反応温度を制御することを特徴とする請求項１０または１１に記載のＣＯ除去システム。
  13. 配管を流れる燃料ガスのＣＯを除去するＣＯ除去方法であって、
    前記配管を流れる燃料ガスに対して、燃料ガスの吸収波長を含み、かつ、近赤外波長域のレーザ光を出力させ、燃料ガスが流れる管路内を通過した前記レーザ光を受光し、出力したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記燃料ガスに含まれるＣＯ濃度を計測値として計測する濃度計測ステップと、
    前記濃度計測ステップで計測したＣＯ濃度に基づいて、配管に供給する酸素の量、及び、空気とＣＯとを反応させ除去するＣＯ除去触媒の温度の少なくとも一方を制御する制御ステップとを有することを特徴とするＣＯ除去方法。
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