JP4734856B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
せて空焼きする概念やその手段の記載が無い。そのため、COセンサが、空気浮遊有機化合物で覆われてしまって正しくガス漏洩を検知できるかが不安であり、もしもリフレッシュを実施する場合、リフレッシュ動作装置が複雑でその操作が煩雑となる課題が有った。以下、詳細に説明する。
とで、表面に付着した油煙などを高温で焼き切って除去してセンサの感度維持がはかれ、所謂ねむ現象と言う検出ミスを防止する利点が生じる。また、アノード極やカソード極を、炭化水素系燃料ガスを用いて流路滞留ガスを置換パージしているので、これら材料や通路に付着した水や空気などの不純物を効率よく除去し、各々の電極の活性を高める利点も生じる。
極の活性を高める利点も生じる。また、パージした炭化水素系燃料ガスは、燃焼部で燃焼させているため、ガス安全性が向上した燃料電池システムが得られる。
焼部に供給して燃焼させ、その燃焼熱で前記燃料改質部を加熱するよう制御する。浄化触媒を通過した水素系ガスを燃焼部に供給しているため、一酸化炭素が低減された水素系ガスが燃焼部に排出される。このため、燃焼部は一酸化炭素を生成することなく燃焼し、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。また、この燃焼段階では一酸化炭素が発生しない様に安定燃焼できるため、可燃性ガスセンサは、この安定燃料とその前段初期の一酸化炭素発生燃焼におけるセンサ出力の大小関係で、センサの自己診断が確実にできる。
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する予備水素パージ手段の後に、燃料改質部に水供給手段から水だけを供給して発生する水蒸気によりその流路滞留ガスをパージする予備水蒸気パージ手段を作動させ、さらにその後に、運転停止アノードパージ手段を作動させるよう制御する。水蒸気によりその流路滞留ガスをパージする予備水蒸気パージ手段を設けたので、通常より水分を多く含む燃焼排ガスが得られる。そのため、燃焼排ガス中の過剰水分により、可燃性ガスセンサに付着する油煙などの有機物が柔らかくなる効果が生じる。そして、次に続く運転停止時に行なわれる運転停止アノードパージ手段などによる空焼き実施で、可燃性ガスセンサは一層簡単に定期的リフレッシュができる。また、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や炭化水素系燃料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。
く正常に発電開始が行なわれ、ガス安全性がさらに向上する。
(実施の形態1)
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、燃焼部18からの燃焼排ガス流路19に配置して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、可燃性ガスセンサ20を動作させその検出信号を判定処理するガス検出判断回路21を、少なくとも有している。
焼部18に導入され燃焼する。最後に、燃焼流路切替弁28および水素流路切替弁27を作動させて流路IVのガス流れを形成し、炭化水素系燃料ガスをアノード極15に封入して、運転開始アノードパージ手段23の作動が終了する。
替弁27を閉めて流路IVのガス流れを形成し、少量の炭化水素系燃料ガスが、流路IIから燃料改質部14さらに流路IVのガス流れを経由して燃焼部18に流入して燃焼する流れとなる。これらのガス流れに伴い、炭化水素系燃料ガスが燃料改質部14において水素系ガスに改質される反応が時間とともに徐々に低下し、水素系ガスの量が少なくなる。燃料改質部14の温度が低下して水素系ガスへの転換がなくなるとともに発電が停止した後に、運転停止アノードパージ手段24が前述の作動し、やがて燃料電池システムは運転を停止する。
今度は、カソード極16の置換パージ手段について説明する。このカソード極16の置換パージ手段は、図2に記載した様に、運転開始カソードパージ手段29もしくは運転停止カソードパージ手段30である。図2(a)は本発明の構成図、図2(b)は運転開始カソード手段29の制御フローチャート、図2(c)は運転停止カソードパージ手段30の制御フローチャートである。
なくなるとともに発電が停止した後に、運転停止カソードパージ手段30は次の様に作動する。なお、この手段30の作動時は、燃焼部18は燃焼しており、可燃性ガスセンサ20は内蔵ヒータによってヒートアップされてガス検出可能状態と既になっている。そしてまず、空気流路切替弁31によって流路Vのガス流路が開き、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に流入する。流路Vを経由した炭化水素系燃料ガスは、その後に排出流路切替弁32が開くことで、カソード極16から燃焼部18に導入され燃焼する。最後に、空気流路切替弁31および排出流路切替弁32を閉めて、炭化水素系燃料ガスをカソード極16に封入し、運転停止カソードパージ手段28の作動が終了する。運転停止カソードパージ手段30の作動が終了すると、燃焼部18は燃焼を終了させ、燃料電池システムは運転を停止する。
5に供給する構成としても良い。また、アノード極15やカソード極16への炭化水素系燃料ガス供給のタイミングも、燃料改質部14の温度や水素系ガスの生成量に左右されるものではなく、発電開始前もしくは発電終了後なら、いつでも供給可能である。さらに、予め燃焼部18で燃焼させる炭化水素系燃料ガスは、流路Iや流路IIを経由させる必要はなく、必要に応じて任意にその流路を選定して良い。また、各種弁を多数使用しているが、これら弁は実施の形態1で使用した種類や数さらに配置場所に関わらず、必要に応じて任意に種類や数さらに配置場所を選定して良い。
実施の形態2は、発電開始前に、燃焼部18に予め炭化水素系燃料ガスを直接に供給して燃焼させて燃料改質部14を予備加熱しておいてから、運転開始カソードパージ手段23が作動して、炭化水素系燃料ガスを燃料改質部14の内部を経由して燃料電池のアノード極15に流入させ燃焼部で燃焼させるものである。
のさらなる供給により、燃焼部18は安定燃焼しつつも一時的に一酸化炭素が発生するが、可燃性ガスセンサ20はこのことで簡単に定期的リフレッシュができる。さらに加えて、燃料電池システムは、燃焼部が失火することなく正常に発電開始が行なわれ、ガス安全性がさらに向上する。
実施の形態3は、運転開始アノードパージ手段23の作動終了後に、炭化水素系燃料ガスを燃料改質部14の内部に流入させ、通過ガスを燃焼部18に導いて燃焼させた燃焼熱で燃料改質部14を加熱する構成としている。図3(b)の右上記載分は、この運転開始カソードパージ手段23の制御フローチャートである。
実施の形態4は、運転開始アノードパージ手段23の作動終了後に、水供給手段12から供給される理論量より過剰の水と、燃料供給手段11から供給させる炭化水素系燃料ガスとで燃料改質部14において水素系ガスを生成する反応を行なわせ、通過ガスを燃焼部18に導いて燃焼させた燃焼熱で燃料改質部14を加熱する構成としている。図3(b)の右上記載分は、この運転開始カソードパージ手段23の制御フローチャートであり、理論量より過剰の水を燃料改質部14に供給されて水素系ガスを生成する反応を行なわせること以外は、実施の形態3と同じである。
準備段階や発電段階で排出される燃焼排ガス中の過剰水分により、可燃性ガスセンサ20に付着する油煙などの有機物が柔らかくなる効果が生じる。そして、次回の運転開始時に行なわれる運転開始アノードパージ手段23などによる空焼き実施で、可燃性ガスセンサ20は一層簡単に定期的リフレッシュができる。さらに加えて、炭化水素系燃料ガスがその内部空間を流入している高温の燃料改質部14をその外側から燃焼部18が加熱しているので、その輻射熱の影響を受けて、燃焼排ガス温度が上昇する特性が得られる。そのため、燃焼排ガス中に配置された可燃性ガスセンサ20は、その表面温度を高く維持できこのことで、表面に付着した油煙などを高温で焼き切って除去してセンサの感度維持がはかれ、所謂ねむ現象と言う検出ミスを防止する利点が生じる。
実施の形態5は、燃料改質部14と燃料電池17のアノード極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を少なくともさらに1個配置した構成であり、運転開始アノードパージ手段23の作動終了後であり、燃料改質部14および浄化触媒33が安定して化学反応が行なえる温度に到達してから、浄化触媒33を通過した水素系ガスを燃料電池17のアノード極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、その燃焼熱で燃料改質部14を加熱するとしたものである。
実施の形態6は、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予備水素パージ手段の後に、運転停止アノードパージ手段24が作動するとしたものである。
24が作動して燃料電池システムは運転を停止する。この制御フローを参考のために説明する。燃焼部18は、流路Iもしくは流路IVから供給される炭化水素系燃料ガスが燃焼した状態となっている。そして燃料改質部14の温度がさらに低下すると、運転停止アノードパージ手段24が作動して、水素流路切替弁27が開いてガス流路が流路IIIに切り替わり、炭化水素系燃料ガスが温度低下した燃料改質部14を経由してアノード極15に流入する。そして、燃焼流路切替弁28が開いて、アノード極15からの炭化水素系燃料ガスが燃焼部18に導入され燃焼する。最後に、燃焼流路切替弁28および水素流路切替弁27をその後に閉めて流路IVのガス流れを形成し、炭化水素系燃料ガスをアノード極15に封入して、運転停止アノードパージ手段24の作動が終了する。運転停止アノードパージ手段24の作動が終了すると、燃料流路切替弁25および燃料供給弁26を閉ざして炭化水素系燃料ガスの供給を停止して燃焼部18での燃焼を終了させ、燃料電池システムは運転を停止する。
実施の形態7は、燃料電池17のアノード極15の内部に水素系ガスを封入した後、燃料改質部14に水供給手段12から水だけを供給して発生する水蒸気によりその流路滞留ガスをパージする予備水蒸気パージ手段の後に、運転停止アノードパージ手段24が作動するものである。
実施の形態8は、運転停止アノードパージ手段24が、燃料改質部14および燃料電池のアノード極15に炭化水素系燃料ガスを封入した後に、システム運転が停止するものである。
実施の形態9は、実施の形態1と概略同じであるが、燃焼部18を燃焼させて燃料改質部14を予備加熱した後に、運転開始カソードパージ手段29が作動するものである。
図2(a)は、その構成図である。運転開始の操作ボタンが押されると、流路Iや流路IIIさらに流路IVを経由して炭化水素系燃料ガスや水素系ガスが流入して、燃焼部18は燃焼状態となる。一方、燃焼排ガス流路19に配置した可燃性ガスセンサ20は、内蔵ヒータによってヒートアップされてガス検出可能状態となっている。運転開始直後のこの様な状態において、例えば所定時間が経過するなど、燃料改質部14の予備加熱に関する予め記憶させておいた信号を受けると、運転開始カソードパージ手段29は次の様に作動する。まず、空気流路切替弁31によって流路Vのガス流路が開き、炭化水素系燃料ガスがカソード極16に流入する。流路Vを経由した炭化水素系燃料ガスは、その後に排出流路切替弁32が開くことで、カソード極16から燃焼部18に導入され燃焼する。最後に、空気流路切替弁31および排出流路切替弁32を閉めて炭化水素系燃料ガスをカソード極16に封入して、運転開始カソードパージ手段29の作動が終了する。運転開始カソードパージ手段29の作動が終了すると、その後は発電準備段階さらには発電段階に入る。
焼部が失火することなく正常に発電開始が行なわれ、ガス安全性がさらに向上する。
実施の形態10は、実施の形態1と概略同じであるが、運転停止カソードパージ手段30を終了後に、システム運転が停止するものであり、図2(a)は、その構成図である。発電停止の操作ボタンが押されて、実施の形態6に記載した様に燃料電池17のアノード極15の内部に水素系ガスを封入することや、実施の形態7に記載した様に燃料改質部14に水供給手段12から水だけを供給して発生する水蒸気によりその流路滞留ガスをパージする予備水蒸気パージを行なうことなどの後に、運転停止カソードパージ手段30が作動する。そして、空気流路切替弁31および排出流路切替弁32を閉めて、炭化水素系燃料ガスをカソード極16に封入する。最後に、燃料流路切替弁25を閉ざして炭化水素系燃料ガスの供給を停止して燃焼部18での燃焼も終了させ、運転停止カソードパージ手段30の作動が終了する。これで、燃料電池システムは運転を停止する。
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5(a)はその構成図、図5(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5(c)はその制御流れである。
実施形態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や酸化スズ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6(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6(b)に示す。
感度Sが24mv、初期ゼロ点出力Eが30mvのセンサの場合、閾値(B)は18.0〜28.1mvの任意値を選定すれば良いこととなる。例えば、実験結果においてその中心を占める比率(V/S)の−0.3を用いると、閾値(B)は23mvとなる。こうすると、極めて稀に起こる比率(V/S)の負側最大−0.50に対応するゼロ点負側最大変動Vは、32mV×0.5=12mVとなり、これに相当するゼロ点出力値(α):30−12=18mVが簡単に検出できる利点が有る。
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 燃焼排ガス流路
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
26 燃料供給弁
27 水素流路切替弁
28 燃焼流路切替弁
29 運転開始カソードパージ手段
30 運転停止カソードパージ手段
31 空気流路切替弁
32 排出流路切替弁
33 浄化触媒
Claims (12)
- 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、
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、
前記燃料改質部で生成する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、
前記燃焼部からの燃焼排ガス流路に配置して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、
前記可燃性ガスセンサを動作させその検出信号を判定処理するガス検出判断回路を、
少なくとも有しており、
前記燃焼部が燃焼状態であ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発電開始前もしくは発電終了後に、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、前記燃焼部に供給している炭化水素系燃料ガスに前記各パージ手段から排出される炭化水素系燃料ガスを混合させて前記燃焼部に導いて燃焼させるよう制御する制御部を有した燃料電池システム。 - 制御部は、燃焼部に予め炭化水素系燃料ガスを直接に供給して燃焼させて燃料改質部を予備加熱しておいてから、運転開始アノードパージ手段が作動して、炭化水素系燃料ガスを前記燃料改質部の内部を経由して燃料電池のアノード極に流入させ前記燃焼部で燃焼させ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、運転開始アノードパージ手段の作動終了後に、炭化水素系燃料ガスを燃料改質部の内部に流入させ、通過ガスを燃焼部に導いて燃焼させた燃焼熱で前記燃料改質部を加
熱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、運転開始アノードパージ手段の作動終了後に、水供給手段から供給される理論量より過剰の水と、燃料供給手段から供給させる炭化水素系燃料ガスとで、燃料改質部において水素系ガスを生成する反応を行なわせ、通過ガスを燃焼部に導いて燃焼させた燃焼熱で前記燃料改質部を加熱するよう制御する請求項1記載の燃料電池システム。
- 燃料改質部と燃料電池のアノード極の間に、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、運転開始アノードパージ手段の作動終了後に、前記燃料改質部および前記浄化触媒を安定して化学反応が行なえる温度に到達させてから、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、その燃焼熱で前記燃料改質部を加熱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予め封入する予備水素パージ手段の後に、運転停止アノードパージ手段が作動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する予備水素パージ手段の後に、燃料改質部に水供給手段から水だけを供給して発生する水蒸気によりその流路滞留ガスをパージする予備水蒸気パージ手段を作動させ、さらにその後に、運転停止アノードパージ手段を作動させ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で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た後に、システム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。
- 制御部は、燃焼部を燃焼させて燃料改質部を予備加熱しておいてから、運転開始カソードパージ手段が作動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、運転停止カソードパージ手段の終了後に、システム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。
- 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、
前記ガス検出判断回路は、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、前記ガス検出判断回路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。
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