JP4734833B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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る利点も生じる。
O発生時期におけるセンサ出力の大小でセンサの自己診断が一層確実にできる利点が有る。
ド極の内部に水素系ガスを封入した後、燃料改質部に水供給手段から水だけを供給して水蒸気を発生させ、前記燃料改質部の温度が所定温度以下になるまで、発生水蒸気によりその流路滞留ガスをパージするよう制御する。燃料改質部およびその流路に滞留してガスを水蒸気でパージしているので、これら流路に不必要に滞留する水素系や炭化水素系の可燃性ガスの量を低減でき、ガス安全性がさらに向上した燃料電池システムが得られる。
図1および図2は、本発明の第1の実施の形態の構成図である。まず、構成について説明する。燃料電池システムは、炭化水素系燃料ガスを供給する燃料供給手段11と、水を供給する水供給手段12と、酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段13と、燃料供給手段11から供給される炭化水素系燃料ガスと水供給手段12から供給させる水を用いて水素系ガスを生成する燃料改質部14と、水素リッチ系ガスのアノード極15への供給と酸素含有気体のカソード極16への供給により発電する燃料電池17と、燃料供給手段11から供給される炭化水素系燃料ガスおよび燃料改質部14で生成する水素系ガスを燃焼させる燃焼部18と、可燃性ガス検出判断センサユニット22を、少なくとも有する。また、可燃性ガス検出判断センサユニット22は、炭化水素系燃料ガスおよび水素系ガスおよび一酸化炭素の少なくともいずれかを検知する可燃性ガスセンサ20と、そのガス検出判断回路21からなる。
は、運転開始アノードパージ手段23もしくは運転停止アノードパージ手段24である。図1(a)は本発明の構成図であり、図1(b)は運転開始アノードパージ手段23の制御フローチャート、図1(c)は運転停止アノードパージ手段24の制御フローチャートである。このアノード極15の置換パージ構成は、可燃性ガスセンサ20を、排出された炭化水素系燃料ガスを燃焼させる燃焼部18の燃焼排ガス流路に配置して、水素ガスや一酸化炭素ガスを検知する様にしている。
と、カソード極16と酸素含有気体供給手段13の間に配置した空気流路切替弁31と、カソード極16の後流に配置した空気排出弁32で構成される。まず、燃料流路切替弁IIである30が開き、次に空気流路切替弁31が開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に流入する。その後、空気排出弁32が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極16に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、空気排出弁32を閉じ、さらに空気流路切替弁31の切替で、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に封入される。
実施の形態2は、運転開始操作時にアノード極15を置換パージする実施形態1において、可燃性ガスセンサ20をその燃焼排ガス中に配置した燃焼部18に、炭化水素系燃料ガスを供給して燃焼させて燃料改質部14を昇温させるともに、燃料改質部14の内部と燃料電池17のアノード極15に炭化水素系燃料ガスを流通して燃焼部18に排出して燃焼させて、その流路滞留ガスをパージする様にしている。
実施の形態3は、運転開始操作時に燃料改質部14およびアノード極15を置換パージする実施形態2において、燃料改質部14の炭化水素系燃料ガスによるパージが、燃料改
質部14の温度が所定温度に到達した後に行われる様にしている。
実施の形態4は、運転開始操作時に燃料改質部14およびアノード極15を置換パージする実施形態3において、燃料改質部14のパージ完了後に、燃料改質部14に水供給手段12から水を供給し、燃料供給手段11から継続して供給させる炭化水素系燃料ガスとで水素系ガスを生成する反応を行わせる様にしている。
実施の形態5は、運転開始操作時に燃料改質部14およびアノード極15を置換パージする実施形態4において、燃料改質部14とアノード極15の間に、水素系ガスに含有する一酸化炭素を酸化して低減する浄化触媒33を少なくとも1個配置し、燃料改質部14および浄化触媒33の温度が各々の所定温度に到達してから、浄化触媒を通過した水素系ガスをアノード極15に供給するとともに、その未使用水素系ガスを燃焼部18に供給して燃焼させる様にした。図4(a)はその構成図、図4(b)はその制御フローチャート
である。図4(b)の3)は、図3(b)の3)から続く制御フローチャートであり、生成した水素ガスが、流路IVを経由して燃焼部18で燃焼する部分3)からプログラムが始まる。燃料改質部14が所定温度IIに到達し、浄化触媒33が所定温度IIIに到達すると、水素流路切替弁26が流路IIIを開いて、アノード極15に水素系ガスを流入し、さらに、燃焼流路切替弁27が流路IIIを開いて、流路IIIを経由して未使用水素系ガスを燃焼部18で燃焼させる。こうして、燃料電池17は発電が始まる。
実施の形態6は、運転開始操作時にカソード極16を置換パージする実施形態1において、燃料改質部14の温度が所定温度に到達した後に、カソード極16に燃料供給手段11から炭化水素系燃料ガスを少量流入して外に排出しその流路滞留ガスを置換パージするものである。図5(a)はその構成図、図5(b)はその制御フローチャートである。初期操作は省略して記載しないが、燃料改質部14が所定温度Iに到達すると、燃料流路切替弁IIの30が開き、空気流路切替弁31が流路Vを開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に流入する。そして、空気排出弁32が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極16に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、空気流路切替弁31が流路VIを開いて、酸素含有気体供給手段17が作動して、燃料電池17が発電を開始する。
実施の形態7は、運転停止アノードパージ手段を用いて炭化水素系燃料ガスを少量流入する実施形態1の前段階において、運転停止操作初期に燃料電池17のアノード極15の内部に水素系ガスを封入するものである。
実施の形態8は、運転停止操作初期に燃料電池17のアノード極15の内部に水素系ガスを封入する実施形態7の後工程で、燃料改質部14に水供給手段12から水だけを供給して水蒸気を発生させ、燃料改質部14の温度が所定温度以下になるまで、発生水蒸気によりその流路滞留ガスをパージするものである。
実施の形態9は、燃料改質部の温度が所定温度以下になる実施の形態8の後工程に、燃料改質部14および燃料電池17のアノード極15に炭化水素系燃料ガスを封入するものである。
実施の形態10は、運転停止カソードパージ手段を用いて運転停止操作を行う際に、運転停止操作初期に燃料電池のカソード極の内部に炭化水素系燃料ガスを封入するものである。詳細は、図2(c)に記載した通りである。まず、燃料流路切替弁IIである30が開き、次に空気流路切替弁31が開いて、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に流入する。その後、空気排出弁32が開いて、炭化水素系燃料ガスを外に排出する。このことで、カソード極16に滞留したその流路滞留ガスが置換パージされる。その後、空気排出弁32を閉じ、さらに空気流路切替弁31の切替で、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に封入される。
して、警報などでこのことを瞬時に知らせることが出来る。また、炭化水素系燃料ガスの封入により、運転停止した後の長時間放置でも、燃料改質部14および燃料電池のカソード極16が空気酸化されることがなく、高い材料活性を長時間維持できる。
実施の形態11は、可燃性ガス検出判断センサユニットが判断を行う制御流れを検討したものである。図7(a)はその構成図、図7(b)はこれに用いる可燃性ガス検出判断センサユニットの特性図、図7(c)はその制御フローチャートである。
実施の形態12は、接触燃焼式ガスセンサについて閾値(B)を検討したものである。接触燃焼式ガスセンサは、白金線などの金属製抵抗線をアルミナなどの多孔質担体で外包した一組の抵抗素子でブリッジ回路を組み、白金触媒などの貴金属触媒を担持させた多孔質担体の方を検知素子とし、貴金属触媒が担持させていない他方を比較素子とした構成である。両方の抵抗素子は、電圧印加によりその用途に応じて200〜500℃といった所定動作温度に加熱されており、炭化水素系燃料ガスや水素ガスさらに一酸化炭素ガスと反応して温度上昇する。この温度上昇は、ブリッジ回路にすることでセンサ出力として活用されており、これがガス濃度に比例する性質が有る。この方式の可燃性ガスセンサ20のガス濃度とセンサ出力の関係を図8(a)に、初期ガス感度Sと長期間使用後ゼロ点変動
Vとの関係を図8(b)に示す。
実施の形態13は、半導体式ガスセンサについて閾値(B)を検討したものである。半導体式ガスセンサは、酸化錫を主成分とする感応膜の電気抵抗を白金などの貴金属の電極膜で検出するガスセンサであり、アルミナなどの基板の上にこれら膜を形成し、基板の裏面に配置した酸化ルテニウムなどのヒータ膜で400〜450℃に加熱している。この方式の可燃性ガスセンサ20のガス濃度とセンサ出力の関係を図9(a)に、初期ガス感度Sと長期間使用後ゼロ点変動Vとの関係を図9(b)に示す。
12 水供給手段
13 酸素含有気体供給手段
14 燃料改質部
15 アノード極
16 カソード極
17 燃料電池
18 燃焼部
19 パッケージ
20 可燃性ガスセンサ
21 ガス検出判断回路
22 可燃性ガス検出判断センサユニット
23 運転開始アノードパージ手段
24 運転停止アノードパージ手段
25 燃料流路切替弁I
26 水素流路切替弁
27 燃焼流路切替弁
28 運転開始カソードパージ手段
29 運転停止カソードパージ手段
30 燃料流路切替弁II
31 空気流路切替弁
32 空気排出弁
33 浄化触媒
Claims (13)
- 炭化水素系燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
水を供給する水供給手段と、
酸素含有気体を供給する酸素含有気体供給手段と、
前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスと前記水供給手段から供給させる水を用いて水素系ガスを生成する燃料改質部と、
水素系ガスのアノード極への供給と酸素含有気体のカソード極への供給により発電する燃料電池と、
前記燃料供給手段から供給される炭化水素系燃料ガスおよび前記燃料改質部で生成する水素系ガスを燃焼させる燃焼部と、
炭化水素系燃料ガスおよび水素系ガスおよび一酸化炭素の少なくともいずれかを検知する可燃性ガスセンサとそのガス検出判断回路からなる可燃性ガス検出判断センサユニットとを、少なくとも有しており、
前記可燃性ガスセンサが所定動作温度まで加熱されてガス検出可能となっている運転開始操作時もしくは運転停止操作時に、前記燃料電池の前記アノード極もしくは前記カソード極に前記燃料供給手段から炭化水素系燃料ガスを少量流入して前記燃料電池外に排出しその流路滞留ガスを置換パージする運転開始アノードパージ手段、運転開始カソードパージ手段、運転停止アノードパージ手段、運転停止カソードパージ手段の少なくとも1個を作動させるよう制御する制御部を有し、
前記各パージ手段によって前記燃料電池外に排出された炭化水素系燃料ガスを検知する位置に前記可燃性ガスセンサを配置した燃料電池システム。 - 可燃性ガスセンサは燃焼部の燃焼排ガス中に配置され、
制御部は、運転開始アノードパージ手段を用いて運転開始操作を行う初期段階において、前記燃焼部に炭化水素系燃料ガスを供給して燃焼させて燃料改質部を昇温させるともに、前記燃料改質部の内部と燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを流通して前記燃焼部に排出して燃焼させて、その流路滞留ガスをパージするよう制御する請求項1記載の燃料電池システム。 - 制御部は、燃料改質部の温度が所定温度に到達した後に、前記燃料改質部の炭化水素系燃
料ガスによるパージが行われるよう制御する請求項2記載の燃料電池システム。 - 制御部は、燃料改質部のパージ完了後に、前記燃料改質部に水供給手段から水を供給し、燃料供給手段から継続して供給させる炭化水素系燃料ガスとで水素系ガスを生成する反応を行わせるよう制御する請求項3記載の燃料電池システム。
- 燃料改質部と燃料電池の間に、水素系ガスに含有する一酸化炭素を酸化して低減する浄化触媒をさらに有し、
制御部は、前記燃料改質部または前記浄化触媒の温度が各々の所定温度に到達してから、前記浄化触媒を通過した水素系ガスを前記燃料電池のアノード極に供給するとともに、その未使用水素系ガスを燃焼部に供給して燃焼させるよう制御する請求項4記載の燃料電池システム。 - 制御部は、運転開始カソードパージ手段を用いて運転開始操作を行う初期段階において、燃料改質部の温度が所定温度に到達した後に、カソード極に燃料供給手段から炭化水素系燃料ガスを少量流入して燃料電池外に排出しその流路滞留ガスを置換パージするよう制御する請求項1記載の燃料電池システム。
- 制御部は、運転停止アノードパージ手段を用いて炭化水素系燃料ガスを少量流入する前に、燃料電池のアノード極の内部に水素系ガスを予め封入するよう制御する請求項1記載の燃料電池システム。
- 制御部は、燃料電池のアノード極の内部に水素系ガスを封入した後、燃料改質部に水供給手段から水だけを供給して水蒸気を発生させ、前記燃料改質部の温度が所定温度以下になるまで、発生水蒸気によりその流路滞留ガスをパージするよう制御する請求項7記載の燃料電池システム。
- 制御部は、燃料改質部の温度が所定温度以下になったら、前記燃料改質部および燃料電池のアノード極に炭化水素系燃料ガスを封入して運転が停止するよう制御する請求項8記載の燃料電池システム。
- 制御部は、運転停止カソードパージ手段を用いて運転停止操作を行う際に、燃料電池のカソード極の内部に炭化水素系燃料ガスを流入しその後に封入して運転が停止するよう制御する請求項1記載の燃料電池システム。
- 可燃性ガス検出判断センサユニットのガス検出判断回路は、初期におけるガス濃度とセンサ出力の関係より、問題と設定したガス濃度に対応するセンサ出力値である閾値(A)と、長期間の使用におけるガス濃度とセンサ出力の関係より、ガス濃度ゼロ対応の下限センサ出力値(α)である閾値(B)とを、有し、
前記可燃性ガス検出判断センサユニットは、前記可燃性ガスセンサのセンサ出力値が、前記閾値(A)および前記閾値(B)の領域内に有る時は問題なしと判断し、前記閾値(A)もしくは前記閾値(B)の領域外に有る時は問題有りと判断し、
制御部は、前記可燃性ガス検出判断センサユニットが問題ありと判断した場合に、警報を発するよう制御する請求項1記載の燃料電池システム。 - 可燃性ガスセンサが接蝕燃焼式ガスセンサであり、問題有りの初期ガス感度をS、初期ゼロ点出力をEとすると、閾値(B)は、B=E−(0.50〜0.08)×Sである請求項11記載の燃料電池システム。
- 可燃性ガスセンサが半導体式ガスセンサであり、問題有りの初期ガス感度をS,初期ゼロ
点出力をEとすると、閾値(B)は、B=E−(0.28〜0.04)×Sである請求項11記載の燃料電池システム。
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