JP4992239B2 - 発電システム - Google Patents

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Description

本発明は改質反応を利用して発電する発電システムに関する。
近年、高効率でクリーンな電源として燃料電池が注目され、電気自動車や電化住宅などへの実用化が進められてきている。更に、小型化、高機能化が進められている携帯電話やノート型パソコンなどの携帯型電子機器に対し、燃料電池を電源として搭載するための研究、開発が進められている。燃料電池は水素と酸素を燃料として電気エネルギーを生成して発電するものであるが、一般消費者が気体の水素を取り扱うのは困難であることから、より安全性を高めるために、アルコール類やガソリン等の液体燃料と水とを気化したものを燃料ガスとして用い、触媒が設けられて比較的高温に設定された改質器を備え、当該改質器において改質反応させて水素を生成し、当該水素を燃料電池に導入するという改質型燃料電池がある。
ところで、上記のように、改質器を備え、液体燃料と水とを気化した燃料ガスを改質する場合には、改質器の触媒の活性が経時的に劣化するという問題を有しているため、特許文献1に記載の発明では、触媒の活性が劣化した場合に、いったん当該触媒による改質動作を停止させてその触媒に空気を供給し、当該触媒の活性を再生させている。
特開平11−79702号公報
しかしながら、特許文献1に記載の手法は、触媒の活性を再生する際にいったん当該触媒による改質動作を停止させなければならない。すなわち、触媒の活性の再生を行う際には改質動作が停止し、燃料電池への水素の供給が停止して発電動作が一時的に停止してしまう。したがって、連続的な電力の供給を必要とする携帯電子機器には不向きであり、このような手法を用いた発電システムを携帯電子機器の電源としてそのまま適用することはできない。
本発明の目的は、改質器を備える発電システムにおいて、改質器の改質触媒の活性の再生を行いながらも、負荷に対して連続的な電力の供給を可能とする発電システムを提供することである。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明に係る発電システムは、
燃料ガスが供給され、改質触媒で前記燃料ガスを改質して改質ガスを生成する、3台以上の複数の改質器と、
前記複数の改質器への前記燃料ガスおよび空気の供給経路を切り替える切替手段と、
前記改質ガスを利用して発電電力を発生し、該発電電力に基づいて負荷を駆動する燃料電池と、
少なくとも、前記燃料電池の発電電力を検出する検出手段と、前記切替手段により前記複数の改質器のうちの少なくとも1つの前記改質器に前記燃料ガスを供給して前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給し、前記検出手段による検出結果に基づいて前記複数の改質器における改質ガスの生成に係わる特性の劣化の有無を検出する特性劣化検出手段と、該特性劣化検出手段により特性の劣化が検出されたとき、前記切替手段により当該改質器の前記改質触媒を再生する再生処理を行うとともに他の前記改質器に前記燃料ガスを供給するように制御する手段と、を有する制御部と、
を備え
前記制御部は、前記切替手段により前記複数の改質器のうちの何れかの少なくとも2台以上を一群の改質器として、該一群の改質器に前記燃料ガスを供給し、前記特性劣化検出手段により、前記検出手段による検出結果に基づいて当該一群の改質器の何れかに前記改質ガスの生成に係わる特性の劣化が生じていることを検出したとき、前記一群の改質器とする2台以上の前記改質器の組み合わせを変えたときの前記検出手段による検出結果に基づいて前記特性が劣化した改質器を特定し、該特定された改質器に対して前記再生処理を行うとともに、当該特定された改質器を除く他の一群の前記改質器に前記燃料ガスを供給するように制御することを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、前記再生処理において、前記切替手段により前記改質器に空気を所定時間だけ供給するように制御することを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、
請求項2に記載の発電システムにおいて、
前記所定時間は、前記改質器における前記改質触媒の活性が空気の供給によって再生され、当該再生が完了するのに要する時間であることを特徴とする。
請求項に記載の発明は、
請求項1〜のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
更に、前記燃料電池の発電電力に基づいて前記負荷を駆動するための出力電圧を生成する電圧変換手段を備え、
前記検出手段は、前記電圧変換手段を介して前記燃料電池の発電電力を検出することを特徴とする。
請求項に記載の発明に係る発電システムは、
請求項1に記載の発電システムにおいて、
記燃料電池の発電電力に基づく電荷量を保持する電力保持手段と、
前記燃料電池の発電電力及び前記電力保持手段に保持された電荷量に基づいて前記負荷を駆動するための出力電圧を生成する電圧変換手段と
備えることを特徴とする。
請求項に記載の発明は、
請求項に記載の発電システムにおいて、
前記検出手段は、前記電圧変換手段を介して前記燃料電池の発電電力を検出することを特徴とする。
本発明の発電システムによれば、3台以上の複数の改質器を有し、2台以上の1群の改質器により改質ガスを生成して燃料電池に供給している状態で、燃料電池の発電電力の検出により当該一群の改質器何れかに特性の劣化が生じていることが検出されたとき、一群の改質器とする改質器の組み合わせを変えたときの燃料電池の発電電力の検出結果に基づいて、特性が劣化した改質器を特定し、当該特定された改質器の改質触媒の再生処理を行うとともに、当該特定された改質器を除く他の一群の改質器に燃料ガスを供給して改質ガスを生成するように切り替えることにより、特定の改質器の改質触媒の再生を行いながら、他の改質器からの改質ガスによって燃料電池の発電が継続されるから、負荷に対して連続的に電力を供給することができる。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。
[第1の実施形態]
図1は本発明に係る第1の実施形態における発電システム1の概略構成を示すブロック図である。
図1に示す通り、発電システム1は、燃料と水を貯留した燃料タンク2と、燃料タンク2から供給された燃料と水から水素を生成する反応装置3と、反応装置3で生成された水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池4と、を備えている。
燃料タンク2内に貯留された燃料は、メタノール、エタノール等のアルコール類やガソリンといった組成に水素を含む炭化水素系の化合物が適用可能である。燃料と水は液体状態で別々に燃料タンク2に貯蔵されてもよいし、混合された状態で燃料タンク2に貯蔵されてもよい。本実施形態では、燃料としてメタノールを用いている。
反応装置3は、燃料タンク2から供給された燃料と水を気化させて燃料ガス(気化された燃料と水蒸気の混合気)を生成する気化器5と、化学反応式(1)に示すように気化器5から供給された燃料ガスを改質して改質ガスを生成する2台の第1,第2の改質器6,7と、第1,第2の改質器6,7を加熱して化学反応式(1)反応を良好に行うのに必要な温度に設定する触媒燃焼器8と、化学反応式(1)についで逐次的に起こる化学反応式(2)によって微量に副生される一酸化炭素COを、化学反応式(3)に示すように酸化させて除去するCO除去器9と、を備えている。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 … (1)
+CO→HO+CO… (2)
2CO+O2→2CO2 … (3)
図2は本実施形態における第1,第2の改質器6,7と触媒燃焼器8との概略構成の一例を示す断面図である。図3は第1の改質器6の構成を示す図面である。図4は触媒燃焼器8の構成を示す図面である。
図2に示す通り、第1の改質器6、触媒燃焼器8及び第2の改質器7がこの順に積み重ねられており、第1の改質器6と第2の改質器7との間に触媒燃焼器8が介在している。
図2,図3(b)に示す通り、第1の改質器6は、例えばシリコン,アルミニウム,ガラス等の材料で構成された2枚の基板10,11を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。図3(c)に示す通り、一方の基板10(他方の基板11との接合面)には例えば葛折り状の溝12が形成されている。溝12は一端部12aから他端部12bにかけて同様の幅を有しながら延在しており、図3(b)に示す通り、断面視したときの形状が例えば弓形状を呈している。当該溝12は、基板10に対しフォトリソグラフィー,エッチング等を適宜施すことによって形成される。
溝12の内壁には改質触媒(図示略)が担持されており、溝12を流通する燃料ガスを上記化学反応式(1)に従い当該改質触媒により改質して改質ガスを生成することができるようになっている。改質触媒は1種以上の金属種又は金属酸化物を含む物質であり、当該改質触媒としては例えばPd−Zn合金、Pd−ZnO、Cu−ZnO等が適用可能である。
図3(a)に示す通り、他方の基板11には2つの貫通孔13,14が形成されている。一方の貫通孔13は溝12の一端部12a(図3(c)参照)に対応する位置に形成されており、他方の貫通孔14は溝12の他端部12b(図3(c)参照)に対応する位置に形成されている。
なお、ここでは、上記の通り図3を参照しながら第1の改質器6についてのみその構成を説明したが、第2の改質器7も当該第1の改質器6と同様の構成を有している。
図2,図4(b)に示す通り、触媒燃焼器8は、例えばシリコン,アルミニウム,ガラス等の材料で構成された2枚の基板20,21を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。図4(c)に示す通り、一方の基板20(他方の基板21との接合面)には葛折り状の溝22が形成されている。溝22は一端部22aから他端部22bにかけて同様の幅を有しながら延在しており、図4(b)に示す通り、断面視したときの形状が弓形状を呈している。当該溝22は、基板20に対しフォトリソグラフィー,エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。
溝22の内壁には燃焼触媒(図示略)が担持されており、溝22を流通する燃焼用の気体燃料及び空気(酸素)を燃焼源として当該燃焼触媒により燃焼させて、触媒燃焼による熱を発生することができるようになっている(溝22を流通する燃焼用の気体燃料は、例えば燃料電池4から排出される未反応の水素を含むオフガスである。)。当該燃焼触媒としては例えばPt系触媒が適用可能である。
図4(a)に示す通り、他方の基板21には2つの貫通孔23,24が形成されている。一方の貫通孔23は溝22の一端部22a(図4(c)参照)に対応する位置に形成されており、他方の貫通孔24は溝22の他端部22b(図4(c)参照)に対応する位置に形成されている。
更に、他方の基板21(一方の基板20との接合面)には例えば電気ヒータ25が設けられている。電気ヒータ25は葛折り状を呈しており、各基板20,21を互いに接合した状態において溝22の凹部に合致するようになっている。電気ヒータ25は電力を与えられると発熱し、例えば第1,第2の改質器6,7の起動時において改質器6,7を所定の温度に加熱するとともに、電気的特性(例えば、抵抗値)が温度に依存する電熱材から構成されて、当該電気ヒータ25の電気的特性を測定することにより温度を測定できるようになっている。
なお、上記においては、電気ヒータ25は、基板21の基板20との接合部に設けられて溝22の凹部に合致するようにされているとしたが、これに限るものではなく、基板20または基板21の他の面に設けられて、第1,第2の改質器6,7を加熱するものであってもよい。
また、例えば、電気ヒータ25と同様の電気ヒータが触媒燃焼器8の他に気化器5とCO除去器9とにも設けられて、起動時等に気化器5とCO除去器9とを加熱するようになっている。
以上の反応装置3は、気化器5、第1,第2の改質器6,7、燃焼器8及びCO除去器9(電気ヒータ25を含む。)が断熱性の真空断熱容器30の内部に真空状態で配されており、電気ヒータ25の発熱に伴う熱損失を抑えられるような構造を有している。
燃料電池4は、触媒微粒子を担持した燃料極と、触媒微粒子を担持した空気極と、燃料極と空気極との間に介在されたフィルム状の固体高分子電解質膜と、を備えている。燃料電池4の燃料極には、CO除去器9から生成物の混合気が供給され、燃料電池4の空気極には、外部から空気が供給される。燃料極においては、電気化学反応式(4)に示すように、混合気中の水素が燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは固体高分子電解質膜を通じて酸素極に伝導し、電子は燃料極により電気エネルギー(発電電力)として取り出される。酸素極においては、電気化学反応式(5)に示すように、酸素極に移動した電子と、空気中の酸素と、固体高分子電解質膜を通過した水素イオンとが反応して水が生成される。
2→2H++2e- … (4)
2H++1/2O2+2e-→H2O … (5)
図1に示す通り、発電システム1は上記燃料タンク2、反応装置3及び燃料電池4の他に、燃料タンク2内の燃料を気化器5に導入する燃料ポンプ30と、外気から当該発電システム1中に空気を導入する空気ポンプ40とを、備えている。
燃料ポンプ30には第1のバルブ31が接続され、第1のバルブ31には第1の流量計31aが接続されている。第1のバルブ31は燃料ポンプ30と気化器5との間に設けられており、その開閉動作で、燃料ポンプ30から気化器5への燃料の流通を遮断又は許容するようになっている。第1の流量計31aは第1のバルブ31と気化器5との間に設けられており、第1のバルブ31を通過した燃料の流量を測定するようになっている。
空気ポンプ40には第2〜第5のバルブ42〜45が接続されている。第2のバルブ42は空気ポンプ40とCO除去器9との間に設けられており、その開閉動作で、空気ポンプ40からCO除去器9への空気の流通を遮断又は許容するようになっている。第2のバルブ42には第2の流量計42aが接続されている。第2の流量計42aは第2のバルブ42とCO除去器9との間に設けられており、第2のバルブ42を通過した空気の流量を測定するようになっている。
第3のバルブ43は空気ポンプ40と触媒燃焼器8との間に設けられており、その開閉動作で、空気ポンプ40から触媒燃焼器8への空気の流通を遮断又は許容するようになっている。第3のバルブ43には第3の流量計43aが接続されている。第3の流量計43aは第3のバルブ43と触媒燃焼器8との間に設けられており、第3のバルブ43を通過した空気の流量を測定するようになっている。
第4のバルブ44は空気ポンプ40と燃料電池4との間に設けられており、その開閉動作で、空気ポンプ40から燃料電池4への空気の流通を遮断又は許容するようになっている。第4のバルブ44には第4の流量計44aが接続されている。第4の流量計44aは第4のバルブ44と燃料電池4との間に設けられており、第4のバルブ44を通過した空気の流量を測定するようになっている。
第5のバルブ45は空気ポンプ40と第6のバルブ46(切替手段:後述)との間に設けられており、その開閉動作で、空気ポンプ40から第6のバルブ46への空気の流通を遮断又は許容するようになっている。第5のバルブ45には第5の流量計45aが接続されている。第5の流量計45aは第5のバルブ45と第6のバルブ46との間に設けられており、第5のバルブ45を通過した空気の流量を測定するようになっている。
第5の流量計45aには第6のバルブ46が接続されている。第6のバルブ46は第5の流量計45aと第1,第2の改質器6,7との間に設けられており、その開閉動作(切替動作)で、第5の流量計45aを通過してきた空気と気化器5から供給されてきた燃料ガスとを第1,第2の改質器6,7のいずれに流通させるかを切り替えるようになっている。
第1,第2の改質器6,7には第7のバルブ47(切替手段)が接続されている。第7のバルブ47は外気とCO除去器9とに通じており、その開閉動作(切替動作)で、第1,第2の改質器6,7で生成された改質ガスと第1,第2の改質器6,7で改質触媒を再生させた空気とを外気又はCO除去器9のいずれに流通させるかを切り替えるようになっている。
上記燃料ポンプ30と空気ポンプ40はドライバ30a,40aを介して制御部50と電気的に接続されている。制御部50は、例えば汎用のCPU(Central Processing Unit),RAM(Random Access Memory),ROM(Read Only Memory)等から構成されているもので、燃料ポンプ30と空気ポンプ40とに制御信号を送信し、燃料ポンプ30と空気ポンプ40との各ポンピング動作(作動力の調整を含む。)を制御するようになっている。
制御部50には上記第1〜第7のバルブ31,42〜47と第1〜第7の流量計31a,42a〜47aも電気的に接続されている。制御部50は、第1〜第7の流量計31a,42a〜47aの測定結果を受けて燃料及び空気の流量を認識することができるとともに、第1〜第5のバルブ31,42〜45の開閉動作(開き量の調整を含む。)と第6,第7のバルブ46,47の切替動作とを制御することができるようになっている。
更に制御部50にはドライバ5a,8a,9aを介して気化器5、触媒燃焼器8及びCO除去器9のそれぞれの電気ヒータ25が電気的に接続されている。制御部50は、電気ヒータ25の発熱とその停止とを制御するとともに、電気ヒータ25の電気的特性を計測することによって、気化器5、触媒燃焼器8及びCO除去器9の各反応器の温度を検出することができるようになっている。
燃料電池4にはDC/DCコンバータ(電圧変換手段)60が接続されており、DC/DCコンバータ60には外部電源(図示略)から電力の供給を受けて作動可能な外部電子機器(負荷)70が接続されている。DC/DCコンバータ60はある電圧が供給されてそれとは異なる電圧に変換して出力するする装置であり、燃料電池4から発電電力を受けて外部電子機器70を駆動するための出力電圧を生成し、外部電子機器70に供給するようになっている。DC/DCコンバータ60は制御部50と接続されている。制御部50は燃料電池4からDC/DCコンバータ60に入力される入力電力を検出(モニタリング:検出手段)することができるようになっている。
更に、DC/DCコンバータ60には2次電池(電力保持手段)61が接続されている。2次電池61は、例えば燃料電池4で得た余剰の電気エネルギー(外部電子機器70の作動に必要な電力を上回る電気エネルギー)を蓄え、燃料電池4での電気エネルギーの生成が停止している場合に、燃料電池4の代替として外部電子機器70に電力を供給するものである。また、発電システム1では、制御部50が、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力とは別に、2次電池61からDC/DCコンバータ60に入力される入力電力(2次電池61の蓄電量)もモニタリングすることができるようになっている。
なお、発電システム1では、DC/DCコンバータ60から出力された電力の一部が、燃料ポンプ30、空気ポンプ40、第1〜第7のバルブ31,42〜47、第1〜第5の流量計31a,42a〜47a、ドライバ5a,8a,9a,30a,40a、電気ヒータ25、制御部50等の駆動電力として使用されるようになっている。
上記構成を具備する発電システム1は、例えば、デスクトップ型パーソナルコンピュータ、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistant)、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、家庭用電気機器その他の電子機器(外部電子機器70)内に備え付けられるものであり、外部電子機器70を作動させるための電源として用いられる。
続いて、発電システム1の動作・作用について説明する。
発電システム1が正常に作動している状態においては、第1〜第4のバルブ31,42〜44が開いており、第5のバルブ45が閉じており、第6のバルブ46が、例えば第1の改質器6には燃料ガスを供給させて第2の改質器7には燃料ガスを供給せず、第7のバルブ47が第1の改質器6からCO除去器9に通じさせて、2台の第1,第2の改質器6,7の内の第1の改質器6のみを動作状態としている。また、気化器5、触媒燃焼器8及びCO除去器9の電気ヒータ25が発熱しており、燃料ポンプ30と空気ポンプ40とがともに作動している。
この状態において、燃料タンク2の燃料及び水が第1のバルブ31を通じて気化器5に供給され、気化器5がその燃料及び水を加熱して気化させて燃料ガス(気化された燃料と水蒸気の混合気)を生成する。当該燃料ガスは第6のバルブ46を通じて第1の改質器6に供給される。
第1の改質器6に供給された燃料ガスは、貫通孔13を流入口として溝12の内部に流入して一端部12aから他端部12bへと流通し、その流通中に改質触媒の作用を受けて改質され「改質ガス」が生成される。
当該改質ガスはその後貫通孔14を流出口として第7のバルブ47に流出し、第7のバルブ47を通じてCO除去器9に供給される。CO除去器9は改質ガスの供給と第2のバルブ42を通じた空気の供給とを受けて、改質ガス中の一酸化炭素と空気とから上記化学反応式(3)に従い二酸化炭素を生成して改質ガス中の一酸化炭素を除去する。
燃料電池4はCO除去器9から改質ガスによる水素の供給と第4のバルブ44を通じた空気の供給とを受けて、これら水素と空気とを利用しながら上記化学反応式(4),(5)に従い電気エネルギーを生成するとともに、副生成物として水を生成する。当該電気エネルギーは電力としてDC/DCコンバータ60を介して外部電子機器70に供給され、当該水は発電システム1の外部に排水または回収される。燃料電池4において供給された改質ガス中の水素の一部が消費され、残りの未反応の水素はオフガスとして触媒燃焼器8に供給される。触媒燃焼器8はそのオフガスによる水素の供給と第3のバルブ43を通じた空気の供給とを受けてこれら水素と酸素とを燃焼触媒により燃焼させて発熱し、第1,第2の改質器6,7を加熱する。触媒燃焼器8で生成された生成物(水蒸気)は発電システム1の外部に排気される。
ここで、本第1の実施形態では、上記のような一連の動作が実行されている状態において、制御部50が第1の改質器6の改質触媒の活性が劣化した場合に、第2の改質器7を動作状態に切り替えて発電システム1の動作を継続させたうえで、第1の改質器6の改質触媒を再生する「再生処理」を実行する。
図5は本実施形態における制御部50が実行する再生処理の各処理を経時的に示すフローチャートである。
当該再生処理では、制御部50は、始めに、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力をモニタリングしてその入力電力値を取得し(ステップS1)、当該入力電力値が通常時より低下して一定の閾値未満となっているか否かを判断する(ステップS2:特性劣化検出手段)。
制御部50は、その判断の結果、当該入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、第1の改質器6の改質触媒の活性が劣化したものと判定する。そして、制御部50は、第6のバルブ46に制御信号を送信して、燃料ガスが第2の改質器7に供給され、かつ、空気が第1の改質器6に供給されるように、第6のバルブ46を切り替える(ステップS3)。これにより、燃料ガスが第2の改質器7に供給されて、当該第2の改質器7で改質ガスが生成されて、第2の改質器7が動作状態とされ、第1の改質器6には燃料ガスが供給されなくなる。
ステップS3の処理を終えたら、制御部50は、第7のバルブ47に制御信号を送信して、第2の改質器7がCO除去器9に通じかつ第1の改質器6が外気に通じるように、第7のバルブ47を切り替える(ステップS4)。
ステップS4の処理を終えたら、制御部50は、第5のバルブ45に制御信号を送信して、第5のバルブ45が空気の流通を許容するように、第5のバルブ45を開ける(ステップS5)。これにより、空気が第5,第6のバルブ45,46を通じて第1の改質器6に供給され、当該第1の改質器6で改質触媒が酸化されて再生される再生処理が行われる。改質触媒を再生した空気はその後第7のバルブ47を通じて外気に排気される。
ステップS5の処理を終えたら、制御部50は、第5のバルブ45を開けてから所定時間(上述の再生処理が完了するに要する時間)が経過したか否かを判断し(ステップS6)、その判断の結果、所定時間が経過したと判断したら、第5のバルブ45に制御信号を送信して、第5のバルブ45を閉める(ステップS7)。これにより、第5のバルブ45で空気の流通が遮断され、第1の改質器6での改質触媒の再生が終了する。
上記ステップS1〜S7の一連の処理によって第1の改質器6の再生処理が行われるとともに、第2の改質器7が動作状態に切り替えられる。次いで、制御部50は、この状態で燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力をモニタリングし、その入力電力値を取得し(ステップS8)、当該入力電力値が通常時より低下して一定の閾値未満となっているか否かを判断する(ステップS9)。
以下のステップS10、S11の処理は、上記ステップS3,S4の処理に対し、第6,第7のバルブ46,47の切替向きを逆転させた点だけが異なるものである。すなわち、制御部50は、判断の結果、当該入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、第2の改質器7の改質触媒の活性が劣化したものと判定し、燃料ガスが第1の改質器6に供給され、かつ、空気が第2の改質器7に供給されるように、第6のバルブ46を切り替える(ステップS10)。次いで、制御部50は、第1の改質器6がCO除去器9に通じかつ第2の改質器7が外気に通じるように、第7のバルブ47を切り替え(ステップS11)、第5のバルブ45が空気の流通を許容するように、第5のバルブ45を開け(ステップS12)、第5のバルブ45を開けてから所定時間が経過したか否かを判断し(ステップS13)、所定時間が経過したと判断したら、第5のバルブ45を閉める(ステップS14)。これ以降は、制御部50がステップS1〜S14の一連の処理を繰り返し実行する。
以上の本第1の実施形態では、燃料電池4で生成される電力量が低下すると、第6,第7のバルブ46,47の切替動作で一方の改質器6,7には燃料ガスを、他方の改質器6,7には触媒再生用の空気(酸素)を供給するから、改質触媒を再生しながら改質ガスを生成し続けることができ、外部電子機器70に対し燃料電池4から連続的に電力を供給することができる。
なお、本発明は上記第1の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。
一の改良・設計変更事項として、例えば、反応装置3が第1,第2の改質器6,7と同様のn(n≧3)台の改質器を搭載し、制御部50が上記再生処理において第1の改質器6と第2の改質器7とを対象にして実行したのと同様に、それら改質器を対象とした再生処理(下記変形例1,2参照)を実行するようにしてもよい。
[変形例1]
制御部50が、n台の改質器のうちの1台(第iの改質器(1≦i≦n))を動作状態とし、第iの改質器の改質動作に起因する入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、第iの改質器の改質触媒の活性が劣化したと判定して第iの改質器に改質触媒の再生を所定時間おこなわせて、その間は第iの改質器に隣り合う第j(=i+1)の改質器に燃料ガスを供給させて第jの改質器を動作状態とする。このとき、第jの改質器の改質動作に起因する入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、第jの改質器の改質触媒の活性が劣化したと判定して、第jの改質器に改質触媒の再生を所定時間おこなわせて、その間は第jの改質器に隣り合う第k(=j+1)の改質器に燃料ガスを供給させるようにしてもよい(すなわち、改質触媒の再生をおこなわせる改質器と、燃料ガスを供給して動作状態とする改質器とを1台ずつ順に切り替える。)。
[変形例2]
制御部50が、n台の改質器のうち、2台以上の一群の改質器(第1〜第mの改質器,mは2≦m<nの任意の値)を動作状態とし、この一群の改質器に起因する入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、この一群の改質器の少なくとも何れかの改質触媒の活性が劣化したと判定して当該一群の改質器に改質触媒の再生を所定時間おこなわせて、その間は他群の改質器(第(m+1)〜第nの改質器)に燃料ガスを供給させて他群の改質器を動作状態とする。このとき、他群の改質器の改質動作に起因する入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、他群の改質器の少なくとも何れかの改質触媒の活性が劣化したと判定して、他群の改質器に改質触媒の再生を所定時間おこなわせて、その間は一群の改質器に燃料ガスを供給させるようにしてもよい(すなわち、改質触媒の再生をおこなわせる改質器と、燃料ガスを供給して動作状態とする改質器との少なくとも一方を2台以上とする。)。
例えば、反応装置が4台の改質器(第1〜第4の改質器)を搭載して制御部50がそのうちの2台の改質器に燃料ガスを供給させることを想定した場合、第1,第2の改質器の改質触媒の活性が劣化した場合に第1,第2の改質器の改質触媒の再生を所定時間おこなわせて、その間は第3,第4の改質器に燃料ガスを供給させて動作状態とし、第3,第4の改質器の改質触媒の活性が劣化した場合に第3,第4の改質器の改質触媒の再生を所定時間おこなわせて、その間は第1,第2の改質器に燃料ガスを供給させて動作状態とする。
しかしながら、上記変形例1,2のように、制御部50がn台すべての改質器に対し改質触媒の再生をおこなわせるのは時間的に無駄が多いため、下記の通り、改質触媒の活性が低下した改質器を特定してその改質器に対してのみ改質触媒の再生をおこなわせ、改質触媒の再生に係る全体的な時間を短縮するようにしてもよい。
例えば、制御部50が、一定の時間が経過するごとに燃料ガスを供給させる改質器を順次切り替え、切替前の燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力値と切替後の燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力値とを比較し、切替後の入力電力値が切替前の入力電力値より高いと判断したら、切替後に燃料ガスの供給を受けていない改質器の改質触媒の活性が劣化していると特定し、当該改質器に空気を所定時間供給させ、当該改質器の改質触媒の再生を所定時間おこなわせるようにする。
具体的に、反応装置が3台の改質器(第1〜第3の改質器)を搭載して制御部50がそのうちの2台の改質器に燃料ガスを供給させることを想定した場合、制御部50が第1,第2の改質器に燃料ガスを供給させており、その状態で一定の時間が経過したら、燃料ガスの供給を受ける改質器を切り替えて第1,第3の改質器に燃料ガスを供給させる。
このとき、制御部50は、第1,第2の改質器の改質動作に起因する入力電力値(切替前の入力電力値A)と第1,第3の改質器の改質動作に起因する入力電力値(切替後の入力電力値B)とを比較し、切替後の入力電力値Bが切替前の入力電力値Aより高いと判断したら、改質触媒の活性が低下しているのは第2の改質器であると特定してその第2の改質器に空気を所定時間供給させ、第2の改質器の改質触媒の再生を所定時間おこなわせる。
他方、制御部50が切替後の入力電力値Bは切替前の入力電力値Aと同等であると判断したら、当該制御部50は、第1,第3の改質器に一定時間燃料ガスを供給し続け(第2の改質器の改質触媒は活性が低下していないとして当該期間中は第2の改質器には空気を供給しない。)、その状態で一定の時間が経過したら、燃料ガスの供給を受ける改質器を切り替えて第2,第3の改質器に燃料ガスを供給させる。
そして、制御部50は、上記と同様に、第1,第3の改質器の改質動作に起因する入力電力値(切替前の入力電力値B)と第2,第3の改質器の改質動作に起因する入力電力値(切替後の入力電力値C)とを比較し、切替後の入力電力値Cが切替前の入力電力値Bより高いと判断したら、改質触媒の活性が低下しているのは第1の改質器であると特定してその第1の改質器に空気を所定時間供給させ、第1の改質器の改質触媒の再生を所定時間おこなわせる。
このように、燃料ガスの供給を受ける改質器を一定の時間が経過するごとに切り替えて、切替前後の入力電力値の対比で改質触媒の再生をおこなわせるか否かを決定する構成とすれば、燃料電池4から安定的に電力を出力しながら改質触媒の再生に係る処理を効率的かつ短時間で実行することができる。
[第2の実施形態]
第2の実施形態に係る発電システム(100)は、第1の実施形態に係る発電システム1と下記の点で構成・作用・動作等が異なっており、それ以外は上記発電システム1と同様となっている。
図6は第2の実施形態における発電システム100の概略構成を示すブロック図である。ここで、上述した第1の実施形態と同等の構成については、同一の符号を付してその説明を簡略化または省略する。図6に示す通り、発電システム100は、反応装置3の内部に1つの改質器(第1の改質器6)のみを有しており、第2の改質器7(図1参照)を有していない。そのため、第6のバルブ46は気化器5で生成された燃料ガスや第5のバルブ45を通じた空気を第1の改質器6にのみ流通させるようになっており、第7のバルブ47は第1の改質器6で生成された改質ガスや第1の改質器6の改質触媒の再生に使用した空気の供給のみを受けるようになっている。
そして、この第2の実施形態においては、第1の改質器6の改質触媒の再生処理を行っている期間中は、燃料電池4に代えて、2次電池(電力保持手段)61からDC/DCコンバータ(電圧変換手段)60を介して外部電子機器(負荷)70に電力が供給されるようになっている。
図7は本実施形態における再生処理(以下「第2の再生処理」という。)の各処理を経時的に示すフローチャートであり、図8は本実施形態における当該第2の再生処理の一部の各処理を経時的に示すフローチャートである。
当該第2の再生処理に際する前提として、第1〜第4のバルブ31,42〜44が開いており、第5のバルブ45が閉じており、第6のバルブ46が第1の改質器6には燃料ガスを供給させるようになっており、第7のバルブ47が第1の改質器6からCO除去器9に通じさせるようになっており、気化器5、触媒燃焼器8及びCO除去器9の電気ヒータ25が発熱しており、燃料ポンプ30と空気ポンプ40とがともに作動しており、燃料電池4から外部電子機器70に電力が供給されているものとする。
当該第2の再生処理では、制御部50は、始めに、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力をモニタリングしてその入力電力値を取得し(ステップT1)、その入力電力値が通常時より低下して一定の閾値未満となっているか否かを判断する(ステップT2:特性劣化検出手段)。
制御部50は、その判断の結果、入力電力値が一定の閾値未満であると判断したら、第1の改質器6の改質触媒の活性が劣化したものと判定する。そして、制御部50は、2次電池61の蓄電量をモニタリングしてその蓄電量を取得し(ステップT3)、当該蓄電量が一定量以上であるか否かを判断する(ステップT4:電荷量検出手段)。
制御部50は、その判断の結果、当該蓄電量が一定量未満であると判断したら、2次電池61からDC/DCコンバータ60を介して外部電子機器70に電力を供給して駆動するように切り替えることができないため、2次電池61の蓄電量を十分な量とするための後続の各処理を実行する(図8参照)。
他方、制御部50は、当該蓄電量が一定量以上であると判断したら、2次電池61からDC/DCコンバータ60を介して外部電子機器70に電力を供給して駆動するように切り替えることができるとして、以下の処理を実行する。すなわち、制御部50は、燃料ポンプ30と第1のバルブ31とに制御信号を送信して、燃料ポンプ30の作動を停止させかつ第1のバルブ31を閉める(ステップT5)。これにより、燃料タンク2から気化器5への燃料の供給が遮断されて、気化器5で燃料ガスが生成されなくなる。
なお、以下のステップT5〜T16の期間中は、2次電池61からDC/DCコンバータ60を介して外部電子機器70に電力が供給される。
ステップT5の処理を終えたら、制御部50は、第6のバルブ46に制御信号を送信して、空気が第1の改質器6に供給されるように、第6のバルブ46を切り替える(ステップT6)。
ステップT6の処理を終えたら、制御部50は、第7のバルブ47に制御信号を送信して、第1の改質器6が外気に通じるように、第7のバルブ47を切り替える(ステップT7)。
ステップT7の処理を終えたら、制御部50は、第5のバルブ45に制御信号を送信して、第5のバルブ45が空気の流通を許容するように、第5のバルブ45を開ける(ステップT8)。これにより、空気が第5,第6のバルブ45,46を通じて第1の改質器6に供給され、当該第1の改質器6で改質触媒が再生される再生処理が行われる。改質触媒を再生した空気はその後第7のバルブ47を通じて外気に排気される。
ステップT8の処理を終えたら、制御部50は、2次電池61の蓄電量をモニタリングしてその蓄電量を取得しながら、改質触媒の再生に必要な時間が経過するまで又は2次電池61の蓄電量が一定の下限値を下回るまでステップT8の処理直後の状態を維持させる(ステップT9〜T12)。ステップT12の処理は2次電池61の蓄電量が一定の下限値を下回ったときのエラー処理である。すなわち、エラー処理が実行されるのは、改質触媒の再生に必要な時間が経過するまでの間に蓄電量が一定の下限値を下回り、2次電池61によるDC/DCコンバータ60を介した外部電子機器70の駆動が維持できない場合であり、当該エラー処理では、制御部50は例えば外部電子機器70の表示部(図示略)に対し2次電池61の蓄電量が低下した旨の表示を行わせ、第1の改質器6の改質触媒の再生処理を中断する。
制御部50は、2次電池61の蓄電量が十分のまま所定時間が経過したと判断するか又は2次電池61の蓄電量が一定の下限値を下回ったと判断したら、第5のバルブ45に制御信号を送信して、第5のバルブ45が空気の流通を遮断するように、第5のバルブ45を閉じる(ステップT13)。これにより、第5のバルブ45で空気の流通が遮断され、第1の改質器6での改質触媒の再生が終了または中断する。
なお、制御部50が上記ステップT5〜T13の処理を実行して第1の改質器6が改質触媒を再生している期間中は、燃料電池4に代えて、2次電池61からDC/DCコンバータ60を介して外部電子機器70に電力が供給される。
ステップT13の処理を終えたら、制御部50は、燃料ポンプ30と第1のバルブ31とに制御信号を送信して、燃料ポンプ30の作動を再開させかつ第1のバルブ31を開ける(ステップT14)。これにより、燃料タンク2から気化器5への燃料の供給が再開されて、気化器5で燃料ガスが生成される。
ステップT14の処理を終えたら、制御部50は、第6のバルブ46に制御信号を送信して、燃料ガスが第1の改質器6に供給されるように、第6のバルブ46を切り替える(ステップT15)。これにより、気化器5で生成された燃料ガスが第6のバルブ46を通じて第1の改質器6に供給される。
ステップT15の処理を終えたら、制御部50は、第7のバルブ47に制御信号を送信して、第1の改質器6がCO除去器9に通じるように、第7のバルブ47を切り替える(ステップT16)。これにより、第1の改質器6で生成された改質ガスがCO除去器9に供給され、2次電池61に代えて、燃料電池4からDC/DCコンバータ60を介して外部電子機器70に電力が供給される。
ここで、ステップT4の処理で、制御部50は、蓄電池61の蓄電量が一定量未満であると判断したら、図8に示す2次電池61の蓄電量を増加させて十分な量とするための処理を実行する。まず、制御部50は、変数Iを「0」に設定してその変数Iに「1」を加算し(ステップTA1,TA2)、その変数Iが「5」以下であるか否かを判断する(ステップTA3)。なお、変数「I」の値は任意に変更可能である。
制御部50は、その判断の結果、変数Iが5以下であると判断したら、燃料ポンプ30と第1のバルブ31とに制御信号を送信して、燃料ポンプ30の作動力を現段階の作動力より所定の1段階だけ大きくするとともに第1のバルブ31の開きを現段階の開き量より所定の1段階だけ大きくし(ステップTA4)、更に第2のバルブ42にも制御信号を送信して、第2のバルブ42の開きを現段階の開き量より所定の1段階だけ大きくする(ステップTA5)。これは、第1の改質器6の改質触媒の活性が劣化している状態であるため、燃料タンク2から気化器5への燃料の供給量と第2のバルブ42を通じたCO除去器9への空気の供給量とを増加させて、第1の改質器6への燃料ガスの供給量を増加させ、第1の改質器6により生成される水素の量を規定量またはそれ以上に増加させ、燃料電池4における電気エネルギーの生成量を規定量またはそれ以上に増加させるためである。
ステップTA5の処理を終えたら、制御部50は、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力をモニタリングしてその入力電力値を取得し(ステップTA6)、その入力電力値が規定値以上であるか否かを判断する(ステップTA7)。当該規定値は、例えば、上記ステップT2の処理で比較対象値とした「閾値」より大きい値である。
制御部50は、その判断の結果、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力値が規定値未満であると判断したら、上記ステップTA2〜TA7の各処理を繰り返し実行し、これは、例えば燃料ポンプ30の作動力を更にI段階だけ大きくし、第1のバルブ31の開きを更にI段階だけ大きくし、第2のバルブ42の開きを更にI段階だけ大きくする。他方、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力値が規定値以上であると判断したら、2次電池61の蓄電量をモニタリングしてその蓄電量を取得し(ステップTA8)、当該蓄電量が一定量以上であるか否かを判断する(ステップTA9)。
制御部50は、その判断の結果、当該蓄電量が一定量未満であると判断したら、上記ステップTA6の処理に戻り、他方、当該蓄電量が一定量以上であると判断したら、上記ステップT5以降の処理を実行する(図7参照)。
上記ステップTA3の処理で、制御部50は、変数Iが最大値(例えば5)を上回ったと判断したら、燃料ポンプ30の作動力、第1のバルブ31の開き、第2のバルブ42の開きを最大限(例えばI=5)に大きくしても、第1の改質器6により生成される水素の量が規定量に達せず、第1の改質器6の改質触媒の活性の劣化の程度が高く、2次電池61の蓄電量を回復させることができず、外部電子機器70の駆動を維持することができないと判定する。この場合、制御部50は、例えば上記ステップT12と同様のエラー処理を実行して(ステップTA10)当該第2の再生処理を終了する。また、制御部50は、例えば外部電子機器70の駆動を停止させる処理を実行する。
以上の本第2の実施形態では、燃料電池4で生成される電力量が低下すると、第6,第7のバルブ46,47の切替動作で第1の改質器6に触媒再生用の空気(酸素)を供給して改質触媒を再生し、その間は2次電池61から外部電子機器70に電力を供給するから、改質触媒を再生しながら外部電子機器70に連続的に電力を供給することができる。
なお、本発明は上記第1,第2の実施形態(上記第1の実施形態中の変形例1,2を含む。)に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計変更をおこなってもよい。
一の改良・設計変更事項として、例えば、制御部50が、再生処理又は第2の再生処理において燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力値の低下の有無を判断する基準として(図5のステップS2,S9や図7のステップT2等参照)、燃料電池4からDC/DCコンバータ60への入力電力値に代えて又は加えて、気化器5、触媒燃焼器8及びCO除去器9の電気ヒータ25の温度変動値等を用いる構成としてもよい。
他の改良・設計変更事項として、外部電子機器70が外部電源から電力の供給を受けている間は、燃料電池4から外部電子機器70への電力の供給は不要であるから、この間は、制御部50が全改質器あるいは改質触媒の活性が劣化している特定の改質器に対し空気を供給するように第6,第7のバルブ46,47を制御して全改質器あるいは特定改質器の改質触媒再生処理を行うようにしてもよい。
本発明に係る第1の実施形態における発電システムの概略構成を示すブロック図である。 第1の実施形態における第1,第2の改質器と触媒燃焼器との概略構成を示す断面図である。 第1の改質器の(a)基板の平面図,(b)断面図,(c)基板の平面図である。 触媒燃焼器の(a)基板の平面図,(b)断面図,(c)基板の平面図である。 第1の実施形態における再生処理の各処理を経時的に示すフローチャートである。 第2の実施形態における発電システムの概略構成を示すブロック図である。 第2の実施形態における第2の再生処理の各処理を経時的に示すフローチャートである。 第2の実施形態における第2の再生処理の一部の各処理を経時的に示すフローチャートである。
符号の説明
1,100 発電システム
2 燃料タンク
3 反応装置
5 気化器
6,7 第1,第2の改質器
8 触媒燃焼器
9 CO除去器
4 燃料電池
50 制御部
60 DC/DCコンバータ
61 2次電池
70 外部電子機器

Claims (6)

  1. 燃料ガスが供給され、改質触媒で前記燃料ガスを改質して改質ガスを生成する、3台以上の複数の改質器と、
    前記複数の改質器への前記燃料ガスおよび空気の供給経路を切り替える切替手段と、
    前記改質ガスを利用して発電電力を発生し、該発電電力に基づいて負荷を駆動する燃料電池と、
    少なくとも、前記燃料電池の発電電力を検出する検出手段と、前記切替手段により前記複数の改質器のうちの少なくとも1つの前記改質器に前記燃料ガスを供給して前記改質ガスを生成して前記燃料電池に供給し、前記検出手段による検出結果に基づいて前記複数の改質器における改質ガスの生成に係わる特性の劣化の有無を検出する特性劣化検出手段と、該特性劣化検出手段により特性の劣化が検出されたとき、前記切替手段により当該改質器の前記改質触媒を再生する再生処理を行うとともに他の前記改質器に前記燃料ガスを供給するように制御する手段と、を有する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記切替手段により前記複数の改質器のうちの何れかの少なくとも2台以上を一群の改質器として、該一群の改質器に前記燃料ガスを供給し、前記特性劣化検出手段により、前記検出手段による検出結果に基づいて当該一群の改質器の何れかに前記改質ガスの生成に係わる特性の劣化が生じていることを検出したとき、前記一群の改質器とする2台以上の前記改質器の組み合わせを変えたときの前記検出手段による検出結果に基づいて前記特性が劣化した改質器を特定し、該特定された改質器に対して前記再生処理を行うとともに、当該特定された改質器を除く他の一群の前記改質器に前記燃料ガスを供給するように制御することを特徴とする発電システム。
  2. 請求項1に記載の発電システムにおいて、
    前記制御部は、前記再生処理において、前記切替手段により前記改質器に空気を所定時間だけ供給するように制御することを特徴とする発電システム。
  3. 請求項2に記載の発電システムにおいて、
    前記所定時間は、前記改質器における前記改質触媒の活性が空気の供給によって再生され、当該再生が完了するのに要する時間であることを特徴とする発電システム。
  4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
    更に、前記燃料電池の発電電力に基づいて前記負荷を駆動するための出力電圧を生成する電圧変換手段を備え、
    前記検出手段は、前記電圧変換手段を介して前記燃料電池の発電電力を検出することを特徴とする発電システム。
  5. 請求項1に記載の発電システムにおいて、
    記燃料電池の発電電力に基づく電荷量を保持する電力保持手段と、
    前記燃料電池の発電電力及び前記電力保持手段に保持された電荷量に基づいて前記負荷を駆動するための出力電圧を生成する電圧変換手段と
    備えることを特徴とする発電システム。
  6. 請求項に記載の発電システムにおいて、
    前記検出手段は、前記電圧変換手段を介して前記燃料電池の発電電力を検出することを特徴とする発電システム。
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