JP5077614B2

JP5077614B2 - 電源システム及び電源システムの制御方法

Info

Publication number: JP5077614B2
Application number: JP2005031269A
Authority: JP
Inventors: 義裕河村; 直嗣小椋; 啓之竹山
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2025-02-08
Also published as: JP2006221822A

Description

本発明は、燃料改質型の燃料電池を備えた電源システム及び電源システムの制御方法に関する。

近年、環境問題やエネルギー問題への関心の高まりに伴い、次世代の主流となる発電システムとして、環境負荷が極めて小さく、かつエネルギー変換効率が極めて高い燃料電池を備える電源システムの実用化、及び普及に向けた研究開発が盛んに行われている。図７は、燃料改質型の燃料電池を備えた電源システムの一構成例を示すブロック図である。この図に示す燃料電池システムは、制御部１００、燃料タンク１０１、蒸発器１０２、改質器１０３、ＣＯ除去器１０４、発電セル１０５、ポンプＰ１〜Ｐ３、流量計Ｆ１〜Ｆ５およびバルブＶ１〜Ｖ５を備える。

蒸発器１０２は、ポンプＰ１にて燃料タンク１０１から供給される発電用燃料（メタノール）を気化して改質器１０３に送出する。蒸発器１０２に注入される発電用燃料の流量は、バルブＶ１にて調節され、流量計Ｆ１で計測される。蒸発器１０２には、温度センサＴＳが設けられており、当該温度センサＴＳの温度計測値Ｔは制御部１００に供給される。改質器１０３は、蒸発器１０２から供給される気化燃料から水素を含有する改質ガスを発生する。改質器１０３には、温度センサＴＳが設けられており、当該温度センサＴＳの温度計測値Ｔは制御部１００に供給される。

ＣＯ除去器１０４は、空気ポンプＰ３で導入される空気と改質器１０７が発生する改質ガスとを混合し、選択酸化反応に基づき改質ガスから一酸化炭素ＣＯを除去して発電セル１０５に供給する。ＣＯ除去器１０４に通気される空気流量は、バルブＶ４にて調節され、流量計Ｆ４で計測される。ＣＯ除去器１０４には、温度センサＴＳが設けられており、当該温度センサＴＳの温度計測値Ｔは制御部１００に供給される。

発電セル１０５は、電解質膜ＭＥＡの一方の面に形成された燃料極と他方の面に形成された空気極とを備え、ＣＯ除去器１０４から燃料極に供給される改質ガスに含有される水素と、空気ポンプＰ３により空気極に導入される空気の酸素との電気化学反応にて電力を発生する。発電セル１０５の空気極側に導入される空気流量は、バルブＶ５にて調節され、流量計Ｆ５で計測される。

燃焼器１０６は、ポンプＰ２にて燃料タンク１０１から注入される燃料および発電セル１０５から排出されるオフガス（水素を含有する未反応の改質ガス）を、空気ポンプＰ３にて導入される空気と混合して触媒燃焼させ、その燃焼熱で改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）を所定温度に維持する。燃焼器１０６に導入される空気流量は、バルブＶ３にて調節され、流量計Ｆ３で計測される。

制御部１００は、水素生成量や発電セル１０５の燃料極を劣化させる一酸化炭素の濃度を管理する為、上述した各部流量計Ｆ１〜Ｆ５の出力ＦＯや、蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４の各温度計測値Ｔに基づき、改質器１０３への燃料供給量、改質ユニット各部の温度、さらには一酸化炭素を酸化反応で除去するＣＯ除去器１０４に供給する酸化剤（空気）の供給量を制御する。また、熱源に触媒燃焼反応を利用している為、制御部１００は燃焼器１０６に供給する燃料および酸化剤（空気）の供給量を制御して改質温度を維持するようになっている。なお、こうした燃料電池を備える電源システムについては、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００４−３１２８０号公報

改質型の燃料電池を備える電源システムにおいては、上述の図７に図示した電源システムのように、改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度を直接的に検知する構成を備えない場合がある。このような場合には、各部流量計Ｆ１〜Ｆ５の出力ＦＯや、蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４の各温度計測値Ｔに基づいて、改質器１０３への燃料供給量、改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）の温度、さらには一酸化炭素を酸化反応で除去するＣＯ除去器１０４に供給する酸化剤（空気）の供給量を厳密に監視制御するように構成されている。

ところが、何等かの要因で改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度が５０ｐｐｍ程度まで上昇し、そのような改質ガスが発電セル１０５に供給されてしまった場合には、発電セル１０５が被毒されてしまい、これにより発電性能の劣化を招く。発電セルが被毒した場合には、通常は発電セル１０５に空気を充填して酸化反応により発電セルから一酸化炭素を除去して性能を回復させる処理を行うことが必要になるが、この性能回復にはある程度の時間が必要になり、安定した発電動作が阻害される。

つまり、以上の内容を換言すると、改質型の燃料電池を備える電源システムにおいて、改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度を直接的に検知しない構成の場合、発電セルの被毒を未然に防ぐことができないという問題がある。また、各部の流量や温度をモニタするセンサや、燃料／空気の供給量を制御する多くのバルブを必要とする為、システムの小型化や低コスト化を阻む要因になっているという問題もある。

そこで本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、発電セルの被毒を抑制することができ、しかもシステムの小型化や低コスト化を図ることができる燃料電池を備える電源システムおよび該電源システムの制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、発電用燃料を改質反応にて改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、前記発電用ガスが供給されて電力を発電する第１の発電手段と、前記化学反応部と前記第１の発電手段との間に設けられ、前記発電用ガスが供給されて電力を発電する第２の発電手段と、燃焼器と、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路と、前記発電用ガスを前記燃焼器に迂回させる迂回路と、前記発電用ガス中の前記有害成分の濃度にしたがって前記第２の発電手段による発電電力が規定値から低下した場合に、前記発電用ガスの供給を前記燃料供給路から前記迂回路へ切り替える制御手段と、を具備することを特徴とする。

上記請求項１に従属する請求項２に記載の発明では、前記有害成分は一酸化炭素であり、前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下を検知することにより、前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知することを特徴とする。

上記請求項１又は２に従属する請求項３に記載の発明では、前記第１の発電手段および第２の発電手段は、少なくとも、電解質膜の一方の面に形成された燃料極と他方の面に形成された空気極とを備え、前記燃料極に前記発電用ガスが供給されることを特徴とする。

上記請求項３に従属する請求項４に記載の発明では、前記第２の発電手段は前記第１の発電手段より小さい寸法に形成されていることを特徴とする。

上記請求項３又は４に従属する請求項５に記載の発明では、前記有害成分は一酸化炭素であり、前記第１の発電出力手段および第２の発電手段は、各々、前記電解質膜の一方の面に形成された第１の燃料極および第２の燃料極を備え、前記第２の燃料極は、前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度に対して、前記第１の燃料極より発電性能の低下が大きい触媒を備えることを特徴とする。

上記請求項５に従属する請求項６に記載の発明では、前記第２の燃料極は、Ｐｔ／Ｃ触媒を備えることを特徴とする。

上記請求項６に従属する請求項７に記載の発明では、前記第２の燃料極における触媒は、前記第１の燃料極における触媒に対しＰｔ担持量が少ないことを特徴とする。

上記請求項５乃至７の何れか一項に従属する請求項８に記載の発明では、前記電源システムは、前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇によって前記第２の燃料極が被毒した場合に、前記第２の発電手段に空気を供給する空気供給手段を具備することを特徴とする。

上記請求項１乃至８の何れか一項に従属する請求項９に記載の発明では、前記制御手段は、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路に設けられた第１の切替え弁と、前記第１の発電手段からのオフガスを排出する排出路に設けられた第２の切替え弁と、前記第１の切替え弁と前記第２の切替え弁の間に設けられた迂回路と、を備え、前記迂回路と前記排出路とは前記第２の切替え弁を介して接続され、前記燃焼器は前記排出路と接続されており、前記制御手段は、前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知されない場合には、前記第１の切替え弁を前記燃料供給路側に、前記第２の切替え弁を前記排出路側にそれぞれ経路設定し、一方、前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知された場合には、前記第１の切替え弁を前記迂回路側に経路設定して前記第１の発電手段への前記発電用ガスの供給を遮断することを特徴とする。

上記請求項１乃至９の何れか一項に従属する請求項１０に記載の発明では、前記電源システムは、前記第２の発電手段が複数並列に配置され、何れか一つの前記第２の発電手段に前記発電用ガスが供給され、当該第２の発電手段により前記発電用ガスに応じた発電電力の規定値からの低下が検知された場合、他の第２の発電手段に前記発電用ガスが供給されるように切り替える切替手段を具備することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明では、発電用燃料を改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、前記発電用ガスにより電力を発電する第１の発電手段及び第２の発電手段と、を有する電源システムの制御方法において、前記化学反応部と前記第１の発電手段との間に設けられた前記第２の発電手段に前記発電用ガスが供給されて、前記第２の発電手段が電力を発電するステップと、前記第２の発電手段に供給された発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて前記発電用ガス中の前記有害成分の濃度にしたがって前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路から、前記発電用ガスを燃焼器に迂回させる迂回路へ切り替えるステップと、を具備することを特徴とする。

上記請求項１１に従属する請求項１２に記載の発明では、前記有害成分は一酸化炭素であり、発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップは、前記発電電力の規定値からの低下を検知することにより前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知することを特徴とする。

上記請求項１１の何れか一項に従属する請求項１３に記載の発明は、前記電源システムの制御方法は、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて前記発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記発電用ガス中の有害成分を低下させるように前記化学反応部における反応を制御するステップを具備することを特徴とする。

上記請求項１０乃至１４の何れか一項に従属する請求項１４に記載の発明では、前記化学反応部における反応を制御するステップは、前記化学反応部の温度を制御するステップと、前記化学反応部に供給する前記発電用燃料の量および空気量を制御するステップとを具備することを特徴とする。

上記請求項１１乃至１４の何れか一項に従属する請求項１５に記載の発明は、前記電源システムの制御方法は、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて前記発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記発電電力の変化を検知する能力を回復させるステップを具備することを特徴とする。

請求項１６に記載の発明では、発電用燃料を改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、前記発電用ガスにより電力を発電する第１の発電手段及び第２の発電手段と、を有する電源システムの制御方法において、
前記化学反応部と前記第１の発電手段との間に設けられた前記第２の発電手段に、前記発電用ガスが供給されて、前記第２の発電手段が電力を発電するステップと、
前記第２の発電手段に供給された発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、
前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて、前記発電用ガス中の前記有害成分の濃度にしたがって前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路から、前記発電用ガスを燃焼器に迂回させる迂回路へ切り替えるステップと、
前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて、前記発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記化学反応部の温度が適正であれば、当該化学反応部において前記有害成分の除去に用いる空気の供給量を増量するステップと、
前記化学反応部における空気の供給量を増量するステップにて、前記化学反応部に供給する空気量を増量させた後に、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、
前記化学反応部に供給する空気量を増量させた後に、発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて、前記発電電力の規定値からの低下を検知した場合、前記化学反応部における空気の供給量を増量するステップにおいて増量した空気の供給量を元に戻す一方、前記化学反応部に供給する前記発電用燃料の量を減量するステップと、
前記化学反応部に供給する前記発電用燃料の量を減量するステップにて前記化学反応部に供給する前記発電用燃料を減量させた後に、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、を具備することを特徴とする。

上記請求項１６に従属する請求項１７に記載の発明は、前記有害成分は一酸化炭素であり、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップは、前記発電電力の規定値からの低下を検知することにより前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、発電用燃料を改質反応改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、該発電用ガスが供給されて電力発生する第１の発電手段と、発電用ガスが供給されて電力を発電する第２の発電手段を備え、第２の発電手段による発電電力の変化に基づいて第１の発電手段への発電用ガスの供給を制御するので、改質ガス中の有害成分を検知するセンサを備えることなく、第１の発電手段への発電用ガスの供給を制御して燃料電池（第１の発電手段）の被毒を抑制することができるとともに、システムの小型化や低コスト化を図ることができる。

請求項１２に記載の発明によれば、第２の発電手段が複数並列に配置され、何れか一つの第２の発電手段に発電用ガスが供給されて、当該第２の発電手段により発電用ガスに応じた発電電力の規定値からの低下が検知された場合、他の第２の発電手段に発電用ガスが供給されるように切り替えて、発電電力が低下した第２の発電手段を回復させながら、第１の発電手段による発電動作を維持することができる。

請求項１６に記載の発明によれば、化学反応部から発電部に供給される発電用ガス中の有害成分の変化を発電用ガスに応じた発電電力の変化に基づいて検知し、有害成分の濃度の上昇が検知されると、発電手段への発電用ガスの供給を遮断する為、燃料電池（発電手段）の被毒を抑制することができる。
さらに、発電用ガス中の有害成分の濃度の上昇を検知した場合に、化学反応部の温度が適正であれば、当該化学反応部の一酸化炭素除去に用いる空気の供給量を増量する。そして、化学反応部に供給する空気量を増量させた後に、化学反応部から発電部に供給される発電用ガス中の有害成分の濃度の異常の有無を検知し、一酸化炭素濃度の異常を検知すると、増量した空気の供給量を元に戻す一方、化学反応部に供給する燃料の量を減量する。続いて、化学反応部に供給する燃料を減量させた後に、化学反応部から発電部に供給される発電用ガス中の有害成分の濃度の異常の有無を検知する。したがって、化学反応部への燃料供給量を計測する流量計や空気供給量を計測する流量計の一部を省略することが出来、これにより、システムの小型化や低コスト化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
Ａ．第１実施形態
（１）構成
図１は本発明に係る電源システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。図２は第１実施形態においてバイパス路側に経路設定した状態を示す図である。なお、図７に図示した従来例と共通する構成要素には同一の番号を付し、その説明については省略する。
図１に図示する電源システムが図７に図示した従来例と相違する点は、ＣＯ除去器１０４（化学反応部）と発電セル１０５（第１の発電手段）との間に、ダミー発電セル２００（第２の発電手段）および切替えバルブ２０１（第１の切替え弁），２０２（第２の切替え弁）、切替えバルブ２０１，２０２の間に接続されたパイパス路（迂回路）３００を設けると共に、空気ポンプＰ３から送出される空気をダミー発電セル２００に導入するためのバルブＶ６、流量計Ｆ６を備える構成とし、さらにダミー発電セル２００の出力電圧に応じて、制御部１００（制御手段）が後述のシステム制御を実行することにある。以下、本実施形態の、図７に図示した従来例と相違する部分の構成について説明する。

ダミー発電セル２００は、構造的には発電セル１０５と同様の構成を有し、電解質膜ＭＥＡの一方の面に形成された燃料極（アノード）と他方の面に形成された空気極（カソード）とを備え、ＣＯ除去器１０４から燃料極に供給される改質ガスに含有される水素と、空気ポンプＰ３からバルブＶ６および流量計Ｆ６を介して空気極に導入される空気の酸素との電気化学反応にて電力を発生する。
ここで、通常、発電セル１０５の燃料極には、比較的高い一酸化炭素（有害成分）の濃度（例えば２０〜５０ｐｐｍ）でもある程度の発電性能を維持できる耐ＣＯ被毒性に富んだ触媒（例えばＰｔ−Ｒｕ／Ｃ等）が用いられる。しかし、ダミー発電セル２００の燃料極には、意図的に低い一酸化炭素濃度（例えば１０ｐｐｍ程度）でも発電性能の低下を招く触媒が用いられて、低性能の発電セルとされ、例えば耐ＣＯ被毒性に乏しいＰｔ／Ｃ触媒、あるいはＰｔ担持量を減らしてＣＯ被毒性を低下させた触媒が用いられる。つまり、被毒しやすい低性能のダミー発電セル２００を、一酸化炭素濃度を検知するセンサとして用い、これを発電セル１０５の前段に設けている。

ダミー発電セル２００の出力電圧は、一酸化炭素濃度を検知するセンサ信号として制御部１００に供給される。制御部１００は、ダミー発電セル２００の出力電圧に基づきＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇の有無を判断する。切替えバルブ２０１は、ダミー発電セル２００から排出される改質ガス（オフガス）を発電セル１０５に供給する燃料供給路に設けられる。切替えバルブ２０２は、発電セル１０５から排出されるオフガスを燃焼器１０６に供給する排出路に設けられる。また、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２はバイパス路３００で接続される。

切替えバルブ２０１は、制御部１００が発生するバルブ駆動信号ＶＤに応じて、燃料供給路側またはバイパス路３００側のいずれかに経路切り替えされる。一方、切替えバルブ２０２は、制御部１００が発生するバルブ駆動信号ＶＤに応じて、排出路側またはバイパス路３００側のいずれかに経路切り替えされる。

すなわち、制御部１００は、ＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が規定値以下で上昇せず、ダミー発電セル２００の出力電圧が低下しない正常動作中においては、図１に図示する通り、切替えバルブ２０１を燃料供給路側に、切替えバルブ２０２を排出路側にそれぞれ経路設定する。一方、改質ガス中の一酸化炭素濃度が規定値より上昇してダミー発電セル２００の出力電圧が低下する異常動作時においては、図２に図示する通り、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２の双方をそれぞれバイパス路３００側にそれぞれ経路設定して、発電セル１０５への改質ガス供給を遮断する。これにより、発電セル１０５の被毒を抑制するようになっている。

また、ＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇し、これにて当該ダミー発電セル２００が被毒して出力電圧が低下した場合、制御部１００は上述したように、その改質ガスが発電セル１０５に供給されないように迂回して燃焼器１０６に供給すると同時に、被毒したダミー発電セル２００の発電性能を復旧させるべく、バルブＶ６を開放してダミー発電セル２００に空気を供給して酸化反応を促進させる。

（２）動作
次に、上記構成による電源システムにおける制御部１００の動作を、図３を参照して説明する。図３は制御部１００が実行するシステム制御処理の動作を示すフローチャートである。
まず、システムが起動されと、制御部１００は、図３に示すステップＳＡ１に処理を進め、ダミー発電セル２００の出力電圧をモニターし、このダミー発電セル２００の出力電圧に基づき、ＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇の有無を判断する。

ここで、ダミー発電セル２００の出力電圧が所定の規定値から低下せず、改質ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知しなければ（正常動作時）、上記ステップＳＡ１の判断結果は「ＮＯ」となり、ステップＳＡ２に進み、図１に図示したように、切替えバルブ２０１を燃料供給路側に、切替えバルブ２０２を排出路側にそれぞれ経路設定して上記ステップＳＡ１に処理を戻す。

一方、ダミー発電セル２００の出力電圧が所定の規定値から低下して改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇を検知すると（異常動作時）、上記ステップＳＡ１の判断結果は「ＹＥＳ」になり、ステップＳＡ３に進む。ステップＳＡ３では、図２に図示したように、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２の双方をバイパス路３００側にそれぞれ経路設定して、発電セル１０５への改質ガス供給を遮断する。これにより、発電セル１０５の発電セルの被毒を抑制することができる。

次いで、異常動作時において、一酸化炭素濃度を下げて正常値に戻す処理を行う。すなわち、ステップＳＡ４では、改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）の温度が正常範囲に収まっているか否かを判断する。蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４の温度の内、いずれかが正常範囲を逸脱している場合には、判断結果が「ＮＯ」となり、ステップＳＡ５に進む。ステップＳＡ５では、燃焼器１０６に供給する燃料および空気の量を調節する。
すなわち、改質ユニット各部のいずれかの温度が正常範囲以上となっていた場合には燃焼器１０６に供給する燃料および空気を減少又はカットするようにバルブＶ２及びバルブＶ３を調整し、一方、正常範囲以下の場合には燃焼器１０６に供給する燃料および空気を増量させるようにバルブＶ２及びバルブＶ３を調整する。そして、この後、上述のステップＳＡ１に処理を戻す。

これに対し、改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）の温度が正常範囲に収まっていれば、上記ステップＳＡ４の判断結果は「ＹＥＳ」になり、ステップＳＡ６に進む。ステップＳＡ６では、ＣＯ除去器１０４に供給される空気量が正常であるか否かを判断する。ＣＯ除去器１０４に供給される空気量が正常でなければ、判断結果は「ＮＯ」になり、ステップＳＡ７に進み、ＣＯ除去器１０４に供給する空気量が適正となるようにバルブＶ４を調整した後、前述のステップＳＡ１に処理を戻す。一方、ＣＯ除去器１０４に供給される空気量が正常であると、判断結果が「ＹＥＳ」になり、ステップＳＡ８に進む。

ステップＳＡ８では、蒸発器１０２に供給される燃料流量が正常であるか否かを判断する。蒸発器１０２に供給される燃料流量が正常でなければ、判断結果は「ＮＯ」になり、ステップＳＡ９に進み、蒸発器１０２に供給する燃料流量が適正となるようにバルブＶ１を調整した後、前述のステップＳＡ１に処理を戻す。
一方、蒸発器１０２に供給する燃料流量が正常であれば、判断結果が「ＹＥＳ」となり、ステップＳＡ１０に進む。ステップＳＡ１０では、各部の温度や空気供給量、燃料供給量に異常が無いにも関わらずＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇したことから、電源システムの何れかの部分の故障あるいはシステムエラーと見做して、システム全体を停止させるシステムシャットダウンを行うと同時にアラームを発生して本処理を終える。

このように、第１実施形態では、ＣＯ除去器１０４と発電セル１０５との間に、被毒しやすい低性能のダミー発電セル２００を設けてＣＯ除去器１０４が発生する改質ガス中の一酸化炭素濃度を検知するセンサとして用い、当該ダミー発電セル２００の出力電圧の低下で改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度の上昇を検知した場合、図２に図示したように、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２の双方をバイパス路３００側にそれぞれ経路設定して、発電セル１０５への改質ガス供給を遮断するので、発電セル１０５の発電セルの被毒を抑制することが可能になっている。

Ｂ．変形例
上述した第１実施形態において、ダミー発電セル２００が被毒した場合には、前述したように、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２の双方をバイパス路３００側にそれぞれ経路設定（図２参照）して、発電セル１０５への改質ガス供給を遮断する一方、ダミー発電セル２００の発電性能を回復させる。ダミー発電セル２００を復旧させるには、バルブＶ６を開放して空気ポンプＰ３から送出される空気をダミー発電セル２００に充填させ、触媒上に付着した一酸化炭素を除去する回復処理を行う。この回復処理にはある程度の時間を必要とし、その間、発電セル１０５には改質ガスが供給されないままになるので、安定した発電動作が阻害される虞も生じる。

そこで、以下では、被毒したダミー発電セル２００を回復させながらも発電動作を維持し得る変形例について説明する。図４は、第１実施形態の変形例による電源システムの要部構成を示すブロック図である。この図に示す変形例が図１及び図２に図示した第１実施形態と相違する点は、ＣＯ除去器１０４と発電セル１０５との間に、並列に配置されたダミー発電セル２００−１〜２００−３と、ＣＯ除去器１０４から送出される改質ガスを、ダミー発電セル２００−１〜２００−３のいずれかに供給する切替えバルブ２０３と、これらダミー発電セル２００−１〜２００−３から排出されるオフガスのいずれかを選択して次段へ出力する切替えバルブ２０４と、ダミー発電セル２００−１〜２００−３の各出力電圧に応じて切替えバルブ２０３，２０４の経路を切り替える制御部１００とを有することにある。

上記構成において、例えばダミー発電セル２００−１が改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇を検知して被毒した場合には、前述した第１実施形態におけるステップＳＡ７（図３参照）と同様、ＣＯ除去器１０４に供給する空気量を調整して改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度を低下させながら、切替えバルブ２０３，２０４の各経路をそれぞれダミー発電セル２００−２側に切り替える。これにより、ダミー発電セル２００−２を一酸化炭素濃度検知センサとして用い、その間に被毒したダミー発電セル２００−１の発電性能を回復させる。

このように、複数のダミー発電セル２００を並列配置しておき、これらの内で一酸化炭素濃度検知センサとして機能しているダミー発電セル２００が被毒したら、被毒していない他のダミー発電セル２００を新たに一酸化炭素濃度検知センサとして用いるように切り替え、被毒したダミー発電セル２００の発電性能を回復させるようにすれば、被毒したダミー発電セル２００を回復させながらも発電動作を維持することが可能になる。

Ｃ．第２実施形態
（１）構成
図５は本発明に係る電源システムの第２実施形態の構成を示すブロック図である。この図に示す電源システムにおいて、図１に図示した第１実施形態と共通する構成要素には同一の番号を付し、その説明については省略する。図５に図示する電源システムが図１に図示した第１実施形態と相違する点は、蒸発器１０２への燃料供給量を計測する流量計Ｆ１と、ＣＯ除去器１０４への空気供給量を計測する流量計Ｆ４とを省略したことにある。

改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇を招く要因として、ＣＯ除去器１０４への空気供給量が不適切である場合や、改質器１０３への燃料供給過多によるメタノール反応率が低下した場合、が知られている。その為に、上述の第１実施形態では、流量計Ｆ４によりＣＯ除去器１０４への空気供給量を、流量計Ｆ１により蒸発器１０２への燃料供給量をそれぞれ監視するように構成されているが、第２実施形態では、これら流量計Ｆ１，Ｆ４を省略しながらも、ダミー発電セル２００の出力電圧に基づき改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇を防止するシステム制御を行う。以下、第２実施形態によるシステム制御処理について図６を参照して説明する。

（２）動作
図６は、第２実施形態におけるシステム制御処理の動作を示すフローチャートである。まず、システムが起動されると、制御部１００は、図６に示すステップＳＢ１に処理を進め、ダミー発電セル２００の出力電圧に基づき、ＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇の有無を判断する。

ここで、ダミー発電セル２００の出力電圧が所定の規定値から低下せず、改質ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知しなければ（正常動作時）、上記ステップＳＢ１の判断結果は「ＮＯ」となり、ステップＳＢ２に進み、図５に図示する通り、切替えバルブ２０１を燃料供給路側に、切替えバルブ２０２を排出路側にそれぞれ経路設定して再び上記ステップＳＢ１に処理を戻す。

一方、ダミー発電セル２００の出力電圧が所定の規定値から低下して改質ガス中の一酸化炭素濃度上昇を検知すると（異常動作時）、上記ステップＳＢ１の判断結果は「ＹＥＳ」になり、ステップＳＢ３に進む。ステップＳＢ３では、前述した第１実施形態と同様、図２に図示するように、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２の双方をバイパス路３００側にそれぞれ経路設定して、発電セル１０５への改質ガス供給を遮断する。これにより、発電セル１０５の発電セルの被毒を抑制することができる。

次いで、ステップＳＢ４では、改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）の温度が正常範囲に収まっているか否かを判断する。蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４の温度の内、いずれかが正常範囲を逸脱している場合には、判断結果が「ＮＯ」となり、ステップＳＢ５に進む。ステップＳＢ５では、燃焼器１０６に供給する燃料および空気の量を調節する。
すなわち、改質ユニット各部のいずれかの温度が正常範囲以上となっていた場合には燃焼器１０６に供給する燃料および空気を減少又はカットするようにバルブＶ２及びバルブＶ３を調整し、一方、正常範囲以下の場合には燃焼器１０６に供給する燃料および空気を増量させるようにバルブＶ２及びバルブＶ３を調整する。そして、この後、上述のステップＳＢ１に処理を戻す。

これに対し、改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）の温度が正常範囲に収まっていれば、上記ステップＳＢ４の判断結果は「ＹＥＳ」になり、ステップＳＢ６に進む。ステップＳＢ６では、ＣＯ除去器１０４への空気供給量を増加させるようバルブＶ４を調整する。つまり、改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇した時に、改質ユニット各部（蒸発器１０２、改質器１０３およびＣＯ除去器１０４）の温度が正常範囲に収まっている場合には、ＣＯ除去器１０４に供給する空気量が不足していると考えられることから、ＣＯ除去器１０４への空気供給量を増加させるようバルブＶ４を調整する。

続いて、ステップＳＢ７では、ダミー発電セル２００の出力電圧に基づき、ＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が正常であるか否かを判断する。ここで、一酸化炭素濃度が正常であれば、判断結果は「ＹＥＳ」になり、上記ステップＳＢ１に処理を戻す。
一方、一酸化炭素濃度が正常でないと、判断結果が「ＮＯ」となり、ステップＳＢ８に進み、ＣＯ除去器１０４への空気供給量を元に戻すようバルブＶ４を調整する。そして、ステップＳＢ９では、蒸発器１０２への燃料供給量を減らすようにバルブＶ１を調整する。

次いで、ステップＳＢ１０では、ダミー発電セル２００の出力電圧に基づき、ＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が正常であるか否かを判断する。ここで、一酸化炭素濃度が正常であれば、判断結果は「ＹＥＳ」になり、上記ステップＳＢ１に処理を戻す。
一方、一酸化炭素濃度が正常でないと、判断結果が「ＮＯ」となり、ステップＳＢ１１に進み、蒸発器１０２への燃料供給量を元に戻すようバルブＶ１を調整する。そして、ステップＳＢ１２では、ＣＯ除去器１０４への空気供給量および蒸発器１０２への燃料供給量を調節してもＣＯ除去器１０４からダミー発電セル２００に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇したことから、電源システムの何れかの部分の故障あるいはシステムエラーと見做して、システム全体を停止させるシステムシャットダウンを行うと同時にアラームを発生して本処理を終える。

このように、第２実施形態は、前述の第１実施形態と同様に、ダミー発電セル２００の出力電圧の低下で改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度の上昇を検知した場合、切替えバルブ２０１および切替えバルブ２０２の双方をバイパス路３００側にそれぞれ経路設定して、発電セル１０５への改質ガス供給を遮断するので、発電セル１０５の発電セルの被毒を抑制することが可能になる。

加えて、ダミー発電セル２００の出力電圧から改質ガスに含まれる一酸化炭素濃度が正常であるかどうかを判定し、正常でない場合にはＣＯ除去器１０４への空気供給量を増やしたり、蒸発器１０２への燃料供給量を減らす処理を行って一酸化炭素濃度上昇を招く要因を除去するので、蒸発器１０２への燃料供給量を計測する流量計Ｆ１と、ＣＯ除去器１０４への空気供給量を計測する流量計Ｆ４とを省略することが出来、これにより、システムの小型化や低コスト化を図ることが可能になる。

なお、第２実施形態では、ＣＯ除去器１０４と発電セル１０５との間に１つのダミー発電セル２００を備えた一例について言及したが、これに限らず、前述した第１実施形態の変形例と同様、ＣＯ除去器１０４と発電セル１０５との間に複数のダミー発電セル２００を並列配置しておき、これらの内で一酸化炭素濃度検知センサとして機能しているダミー発電セル２００が被毒したら、被毒していない他のダミー発電セル２００を新たに一酸化炭素濃度検知センサとして用いるように切り替え、被毒したダミー発電セル２００の発電性能を回復させるようにすれば、被毒したダミー発電セル２００を回復させながらも発電動作を維持することが可能になる。

本発明に係る電源システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。第１実施形態においてバイパス路側に経路設定した状態を示す図である。第１実施形態によるシステム制御処理の動作を示すフローチャートである。第１実施形態の変形例の要部構成を示すブロック図である。本発明に係る電源システムの第２実施形態の構成を示すブロック図である。第２実施形態によるシステム制御処理の動作を示すフローチャートである。電源システムの従来の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１００制御部
１０１燃料タンク
１０２蒸発器
１０３改質器
１０４ＣＯ除去器
１０５発電セル
１０６燃焼器
Ｐ１〜Ｐ３ポンプ
Ｖ１〜Ｖ６バルブ
Ｆ１〜Ｆ６流量計

Claims

発電用燃料を改質反応にて改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、
前記発電用ガスが供給されて電力を発電する第１の発電手段と、
前記化学反応部と前記第１の発電手段との間に設けられ、前記発電用ガスが供給されて電力を発電する第２の発電手段と、
燃焼器と、
前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路と、
前記発電用ガスを前記燃焼器に迂回させる迂回路と、
前記発電用ガス中の前記有害成分の濃度にしたがって前記第２の発電手段による発電電力が規定値から低下した場合に、前記発電用ガスの供給を前記燃料供給路から前記迂回路へ切り替える制御手段と、
を具備することを特徴とする電源システム。
前記有害成分は一酸化炭素であり、前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下を検知することにより、前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
前記第１の発電手段および第２の発電手段は、少なくとも、電解質膜の一方の面に形成された燃料極と他方の面に形成された空気極とを備え、前記燃料極に前記発電用ガスが供給されることを特徴とする請求項１又は２記載の電源システム。
前記第２の発電手段は前記第１の発電手段より小さい寸法に形成されていることを特徴とする請求項３記載の電源システム。
前記有害成分は一酸化炭素であり、前記第１の発電手段および第２の発電手段は、各々、前記電解質膜の一方の面に形成された第１の燃料極および第２の燃料極を備え、前記第２の燃料極は、前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度に対して、前記第１の燃料極より発電性能の低下が大きい触媒を備えることを特徴とする請求項３又は４記載の電源システム。
前記第２の燃料極は、Ｐｔ／Ｃ触媒を備えることを特徴とする請求項５記載の電源システム。
前記第２の燃料極における触媒は、前記第１の燃料極における触媒に対しＰｔ担持量が少ないことを特徴とする請求項６記載の電源システム。
前記電源システムは、前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇によって前記第２の燃料極が被毒した場合に、前記第２の発電手段に空気を供給する空気供給手段を具備することを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載の電源システム。
前記制御手段は、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路に設けられた第１の切替え弁と、前記第１の発電手段からのオフガスを排出する排出路に設けられた第２の切替え弁と、前記第１の切替え弁と前記第２の切替え弁の間に設けられた迂回路と、を備え、
前記迂回路と前記排出路とは前記第２の切替え弁を介して接続され、前記燃焼器は前記排出路と接続されており、
前記制御手段は、前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知されない場合には、前記第１の切替え弁を前記燃料供給路側に、前記第２の切替え弁を前記排出路にそれぞれ経路設定し、一方、前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知された場合には、前記第１の切替え弁を前記迂回路側に経路設定して前記第１の発電手段への前記発電用ガスの供給を遮断することを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項記載の電源システム。
前記電源システムは、前記第２の発電手段が複数並列に配置され、何れか一つの前記第２の発電手段に前記発電用ガスが供給され、当該第２の発電手段により前記発電用ガスに応じた発電電力の規定値からの低下が検知された場合、他の前記第２の発電手段に前記発電用ガスが供給されるように切り替える切替手段を具備することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項記載の電源システム。
発電用燃料を改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、前記発電用ガスにより電力を発電する第１の発電手段及び第２の発電手段と、を有する電源システムの制御方法において、
前記化学反応部と前記第１の発電手段との間に設けられた前記第２の発電手段に前記発電用ガスが供給されて、前記第２の発電手段が電力を発電するステップと、
前記第２の発電手段に供給された発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、
前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて前記発電用ガス中の前記有害成分の濃度にしたがって前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路から、前記発電用ガスを燃焼器に迂回させる迂回路へ切り替えるステップと、
を具備することを特徴とする電源システムの制御方法。
前記有害成分は一酸化炭素であり、発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップは、前記発電電力の規定値からの低下を検知することにより前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知することを特徴とする請求項１１記載の電源システムの制御方法。
前記電源システムの制御方法は、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて前記発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記発電用ガス中の有害成分を低下させるように前記化学反応部における反応を制御するステップを具備することを特徴とする請求項１１に記載の電源システムの制御方法。
前記化学反応部における反応を制御するステップは、
前記化学反応部の温度を制御するステップと、
前記化学反応部に供給する前記発電用燃料の量および空気量を制御するステップと、
を具備することを特徴とする請求項１２又は１３記載の電源システムの制御方法。
前記電源システムの制御方法は、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて前記発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記発電電力の変化を検知する能力を回復させるステップを具備することを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一項に記載の電源システムの制御方法。
発電用燃料を改質して得た改質ガスから有害成分を除去して発電用ガスを発生する化学反応部と、前記発電用ガスにより電力を発電する第１の発電手段及び第２の発電手段と、を有する電源システムの制御方法において、
前記化学反応部と前記第１の発電手段との間に設けられた前記第２の発電手段に、前記発電用ガスが供給されて、前記第２の発電手段が電力を発電するステップと、
前記第２の発電手段に供給された発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、
前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて、前記発電用ガス中の前記有害成分の濃度にしたがって前記第２の発電手段による発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記第２の発電手段を介して前記発電用ガスを前記第１の発電手段に供給する燃料供給路から、前記発電用ガスを燃焼器に迂回させる迂回路へ切り替えるステップと、
前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて、前記発電電力の規定値からの低下が検知された場合に、前記化学反応部の温度が適正であれば、当該化学反応部において前記有害成分の除去に用いる空気の供給量を増量するステップと、
前記化学反応部における空気の供給量を増量するステップにて、前記化学反応部に供給する空気量を増量させた後に、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、
前記化学反応部に供給する空気量を増量させた後に、発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップにて、前記発電電力の規定値からの低下を検知した場合、前記化学反応部における空気の供給量を増量するステップにおいて増量した空気の供給量を元に戻す一方、前記化学反応部に供給する前記発電用燃料の量を減量するステップと、
前記化学反応部に供給する前記発電用燃料の量を減量するステップにて前記化学反応部に供給する前記発電用燃料を減量させた後に、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップと、
を具備することを特徴とする電源システムの制御方法。
前記有害成分は一酸化炭素であり、前記発電用ガスに応じた発電電力の変化を検知するステップは、前記発電電力の規定値からの低下を検知することにより前記発電用ガス中の一酸化炭素濃度の上昇を検知することを特徴とする請求項１６記載の電源システムの制御方法。