JPH08180894A

JPH08180894A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JPH08180894A
Application number: JP6336588A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nonobe; 康宏野々部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-12
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JP3593730B2

Abstract

(57)【要約】【目的】電極触媒の被毒を有効に防止しながら、燃料
ガスの燃料成分を有効に利用することができる燃料電池
装置を提供する。【構成】燃料ガスの生成が行われる改質反応部１０
と、この改質反応部１０で生成された燃料ガスの供給に
より発電を行う燃料電池部１１とを備える燃料電池装置
において、燃料ガスに酸化ガスを供給する酸化ガス供給
手段１４，１５，１６と、燃料電池部１１の運転状態を
検出する検出手段１３と、この検出手段１３からの信号
に基づいて酸化ガス供給手段１４，１５，１６の動作を
制御するコントローラ１７とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、発電を燃料電池によ
り行う装置に関し、特に、改質反応で得られた燃料ガス
を利用して発電を行う燃料電池装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】騒音の低減や排気ガスの浄化等における
低公害化を図る車両として電気自動車の開発が進められ
ている。そのエネルギ源として蓄電池を用いる形式と、
燃料電池を用いる形式とが試みられている。この燃料電
池をエネルギ源として用いる場合、熱量が大きくかつ燃
焼によって生じる排気ガスがクリーンな水素ガスを燃料
とすることが望ましい。しかしながら、水素ガスをたと
えボンベ等に貯蔵して車両に搭載することは困難であ
る。そこで最近では、炭化水素例えばメタノールを原料
とし、これの水蒸気改質反応を行うメタノール改質装置
を車両に搭載して、水素ガスを得ることが提案されてい
る。

【０００３】メタノール改質装置で行われる水蒸気改質
反応は、２００〜３００℃においてＣu −Ｚn 系やＣu
−Ｃr 系等の触媒部分にメタノールと水との混合ガスを
通して、水素と二酸化炭素を得る反応であり、これは下
記の式に示されるように段階的に進行する。ＣＨ₃ＯＨ＝２Ｈ₂＋ＣＯ−９０ kJ/mol ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝Ｈ₂＋ＣＯ₂＋４０ kJ/mol したがって、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＝３Ｈ₂＋ＣＯ₂−５０ kJ/mol このメタノール改質装置は車両に搭載されるという制限
上、ここでの改質率を１００％にすることが困難であ
る。そのため、特に上記二段階目の反応、すなわち一酸
化炭素の酸化反応が完全に行われず、燃料ガス中に微量
の一酸化炭素が排出される。この一酸化炭素は、白金な
どからなる燃料電池の電極触媒に吸着しこれを被毒する
ため、この電極触媒の活性を低下させ、ひいては燃料電
池の発電出力を著しく低下させる。

【０００４】このようなメタノール改質装置により得ら
れる燃料ガスを利用する燃料電池の電極触媒の一酸化炭
素による被毒を防止する技術として、従来、特開平５−
２０１７０２号公報に記載された燃料電池系が知られて
いる。これを図５を参照して簡単に説明すると、Ｈ₂：
ＣＯ供給装置（メタノール改質装置）１と燃料電池２と
の間に、一酸化炭素を除去する反応器手段３が設けられ
ている。この反応器手段３は、ロジウム（Ｒh ）やルテ
ニウム（Ｒu ）からなる触媒上で、水素ガスと一酸化炭
素ガスとを含む燃料ガスと酸素ガスを含む酸化ガスとを
適量混合するよう構成され、酸化ガスによって酸化され
る水素ガスの量を減少させながら一酸化炭素を酸化して
除去するようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記説明した従来の反
応器手段３は、燃料ガス中の一酸化炭素を除去するため
に、Ｈ₂：ＣＯ供給装置１で生成される水素ガスすなわ
ち燃料成分を常に酸化（燃焼）させて消耗させてしま
う。言い換えると、燃料電池２で発電に使用することが
できる水素ガスの量や燃料電池２から排出される未使用
の水素ガスの回収量、すなわち、この発電システム全体
で有効に利用することができる水素ガスの量が減少する
ことになる。言い換えると、改質反応により生成された
水素ガスの利用率が低下し、この発電システム全体の効
率が低下するという不都合がある。

【０００６】そこで、反応器手段３から得られる燃焼ガ
スに酸化ガスを導入しないように構成するとともに、電
極触媒を構成する白金などに、一酸化炭素の吸着を防止
するような成分を添加するということも考えられるが、
このようにすると、電極触媒の製造工程が複雑になると
いう問題が生じる。

【０００７】この発明は上記の事情を背景としてなされ
たもので、電極触媒の活性の低下を有効に防止しなが
ら、改質反応により生成される燃料ガスの燃料成分を有
効に利用することができる燃料電池装置を提供すること
を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載された発明は、改質反応により生
成された燃料ガスを電気化学的に酸化させて発電を行う
燃料電池を備えた燃料電池装置において、酸素ガスを含
有する酸化ガスを前記燃料ガスに対して選択的に供給す
る酸化ガス供給手段と、前記燃料電池の発電出力の低下
を検出する発電出力低下検出手段と、この発電出力低下
検出手段からの信号に基づいて前記酸化ガス供給手段に
よる酸化ガスの供給を制御する酸化ガス供給制御手段と
を備えていることを特徴とするものである。

【０００９】また、請求項２に記載された発明は、改質
反応により生成された燃料ガスの燃料成分を電気化学的
に酸化させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池装置
において、酸素ガスを含有する酸化ガスを前記燃料ガス
に供給する酸化ガス供給手段と、この酸化ガス供給手段
による酸化ガスの供給により酸化された燃料ガスの燃料
成分の量を検出する酸化燃料成分量検出手段と、この酸
化燃料成分量検出手段からの信号に基づいて前記酸化ガ
ス供給手段による酸化ガスの供給量を制御する酸化ガス
供給制御手段とを備えていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【作用】まず、請求項１に記載の発明の作用について説
明する。燃料電池装置が定常状態で運転されている場
合、改質反応により得られる燃料ガスの中に、電極触媒
を被毒する成分が僅かに含まれている。この燃料ガスに
含まれる電極触媒に有害な成分が燃料電極に付着して蓄
積し続けると、電極触媒の被毒が進行してその活性が低
下するため、この燃料電極上で燃料ガス中の燃料成分の
電気化学反応が良好に生じず、燃料電池の発電出力が低
下する。そこで、この請求項１に記載の発明によれば、
燃料電池の発電出力の低下すなわち燃料電極における被
毒の進行状態に応じて、燃料電池の電気化学反応が生じ
る部位すなわち燃料電極に酸素を含有する酸化ガスが供
給される。

【００１１】つまり、燃料電極において被毒が進行して
必要十分な発電出力が得られなくなった場合に、酸化ガ
スが燃料電極に導入され、燃料電極に付着してその活性
を低下させている成分を酸化して除去する。言い換える
と、必要十分な発電出力を得るために必要な燃料電極の
活性を維持するよう酸化ガスが燃料ガスに適宜供給され
るので、酸化ガスによる燃料ガス中の燃料成分の酸化
（燃焼）量、すなわち発電に寄与しないで消費（酸化）
される燃料成分の量が最小限に抑えられる。

【００１２】つぎに、請求項２に記載の発明の作用につ
いて説明する。燃料電池装置が定常状態で運転されてい
る場合であっても、改質反応により生成される燃料ガス
の性状、具体的には燃料ガスの量およびこの燃料ガスに
含まれる燃料成分の量と電極触媒に被毒をもたらす成分
の量との比率が僅かに変動している。そこで、この請求
項２に記載の発明によれば、酸化ガスの供給により酸化
された燃料成分の量に応じて、燃料ガスへの酸化ガスの
供給量が制御される。

【００１３】例えば、燃料ガスに供給する酸化ガスの最
低量を設定しておき、酸化された燃料成分の量の変動に
あわせて、供給する酸化ガスの量を調節、もしくは発電
出力が低下した場合に燃料ガスに酸化ガスを供給し、酸
化された燃料成分の量の変動にあわせて、その供給量を
調節することにより、燃料ガスに含まれる電極触媒に有
害な成分による被毒の進行を抑制することができる酸化
ガスの供給量を正確に設定することができる。言い換え
ると、必要以上の酸化ガスを燃料ガスに供給することが
なく、発電出力の低下すなわち燃料電極における被毒の
進行が防止される。したがって、酸化ガスの供給による
燃料ガス中の燃料成分の酸化（燃焼）量が低減される。

【００１４】つまり、この発明によれば、燃料電池の運
転状態に応じて、燃料ガスへの酸化ガスの供給が制御さ
れるので、電極触媒の被毒による発電出力の低下が有効
に防止されるとともに、燃料ガスの燃料成分が有効に利
用される。

【００１５】

【実施例】まず、請求項１に記載された発明を図１に示
した第１実施例に基づいて詳細に説明する。この第１実
施例は、図５に示した従来の燃料電池装置と同様、メタ
ノールと水とからなる改質原料を燃料成分すなわち水素
ガスを含有する燃料ガスに改質する改質反応部１０と、
燃料ガスが供給されて発電を行う燃料電池部１１とを備
え、これらの間に燃料ガス流路１２が配設されている。

【００１６】そして、この第１実施例の燃料電池部１１
には、この燃料電池部１１から出力される電圧Ｖと電圧
Ｉとを計測して発電出力Ｐを検出する発電出力検出手段
１３が設けられている。また、燃料ガス流路１２には、
酸化ガスとしての空気を導入する手段として、電磁弁等
からなる自動弁１４が配設された空気流路１５が酸化ガ
ス供給源１６となる外部に連通するよう接続されてい
る。この自動弁１４は、コントローラ（ＥＣＵ）１７を
介して、発電出力検出手段１３からの電気信号に基づい
て開閉するよう構成されている。

【００１７】このコントローラ１７の制御内容を図２な
いし図３を参照しながら説明する。ここで、図２はこの
燃料電池装置が定格で運転されている場合の発電（出
力）状態、具体的には燃料電池部１１の出力電圧Ｖ−出
力電流Ｉ曲線を示している。定格で運転されている燃料
電池装置の発電出力Ｐ、すなわち定格で運転されている
改質反応部１０および燃料電池部１１による発電出力Ｐ
はそれぞれの運転状態が微妙に変動するため、通常図２
に示すように最高出力曲線Ｐ_maxと最低出力曲線Ｐ_min
との間（図２に示す斜線部分）で変動している。

【００１８】ところで、燃料ガスに含まれる一酸化炭素
が、燃料電池部１１の燃料電極に付着して蓄積された場
合、電極触媒が被毒され、燃料電池部１１の発電出力Ｐ
が大幅に低下する。このとき、自動弁１４が開いて、燃
料ガスに空気が導入されるよう構成されている。この自
動弁１４により導入される空気の量は、燃料ガス流路１
２を流通する燃料ガスの流量に対し約０．１〜３．０％
の間で適宜設定されている。

【００１９】以下、図３に示すフローチャートに基づい
て自動弁１４の開閉動作を簡単に説明する。この燃料電
池装置の定格運転時の燃料電池部１１の発電出力Ｐが計
測され、適宜設定された下限出力、例えば定格運転時に
おける最低出力曲線Ｐ_minより下回るか否か、すなわち
計測された出力電流Ｉ₁のとき計測された出力電圧Ｖが
最低出力曲線Ｐ_min上のＶ₁の下側にあるか否かが判断
される（ステップ１）。その判断結果が“ノー”の場合
はステップ１に戻り、判断結果が“イエス”の場合、自
動弁１４が開いて燃料ガスに空気が導入される（ステッ
プ２）。そして、再び燃料電池部１１の発電出力Ｐが計
測され、計測された出力電流Ｉ₁のとき計測された出力
電圧Ｖが最低出力曲線Ｐ_min上のＶ₁以上であるか否か
が判断される（ステップ３）。その判断結果が“ノー”
の場合は継続して燃料ガスに空気が導入され、判断結果
が“イエス”の場合、自動弁１４が閉じられる（ステッ
プ４）。

【００２０】上記のように構成された第１実施例の燃料
電池装置の動作につき説明する。この燃料電池装置が定
格で運転されている場合、改質反応部１０では改質原料
がほぼ所定の改質率で燃料ガスに改質され、この改質さ
れた燃料ガスは燃料ガス流路１２を介して燃料電池部１
１に導入され、燃料電池部１１からほぼ所定の発電出力
Ｐ（Ｐ_min≦Ｐ≦Ｐ_max）が得られている。

【００２１】ここで、この燃料電池部１１に導入される
燃料ガスには微量の未反応生成物、具体的には一酸化炭
素が含まれているので、白金等からなる燃料電池部１１
の燃料電極上に一酸化炭素が吸着して蓄積される。その
ため、電極触媒の被毒が進行して燃料電池の発電出力Ｐ
が低下する。この低下した発電出力Ｐが最低出力Ｐ_min
を下回ると（Ｐ＜Ｐ_min）、コントローラ１７により自
動弁１４が開かれ、燃料ガス流路１２を流通する燃料ガ
スに空気が空気流路１５を介して導入される。そのた
め、燃料電池部１１の燃料電極上に付着している一酸化
炭素は酸化されて消滅し、電極触媒の被毒による発電出
力Ｐの低下が是正される。そして、発電出力Ｐが最低出
力Ｐ_minを上回る（Ｐ≧Ｐ_min）ようになると、コント
ローラ１７により自動弁１４が閉じらて、燃料ガスへの
空気の導入が停止される。

【００２２】つまり、この第１実施例の燃料電池装置に
よれば、定格運転時における最低発電出力すなわち所定
の発電出力を維持するよう、燃料電極に空気を適宜供給
している。言い換えると、所定の発電出力を得ることが
できるならば、電極触媒の被毒による発電出力の低下を
許容し、燃料ガスに空気を供給しないので、供給される
空気による燃料成分すなわち水素ガスの酸化燃焼量がほ
ぼ最小に抑えられる。つまり、改質反応で得られた水素
ガスを無駄に酸化（燃焼）させることがなく、燃料電池
部１１に導入することができ、燃料電池部１１から排出
される発電に未利用の水素ガスは、再び燃料電池部１１
に導入もしくは改質反応部１０の加熱することができ、
この燃料電池装置における水素ガスの利用率が向上して
いる。

【００２３】なお、この第１実施例では、測定が容易な
燃料電池の発電出力により燃料電極における被毒の進行
状態を推定しているが、燃料電池に導入される水素ガス
量と燃料電池から排出される水素ガス量から電気化学反
応した水素ガス量を算出して燃料電極における被毒の進
行状態を推測するよう構成することもできる。この場
合、上記説明した第１実施例の燃料電池装置とほぼ同様
な作用・効果を得ることができる。

【００２４】つぎに、請求項２に記載された発明を図４
に示した第２実施例に基づいて詳細に説明する。この第
２実施例は、図１に示した第１実施例の燃料電池装置と
同様、改質反応部１０と燃料ガス流路１２と燃料電池部
１１とを備え、燃料電池部１１で利用された燃料ガスを
排出する排気流路１８が設けられている。そして、燃料
ガス流路１２には、自動弁１４が配設された空気流路１
５が酸化ガス供給源１６となる外部に連通するよう接続
され、図示しない発電出力検出手段が燃料電池部１１に
設けられている。

【００２５】そして、この第２実施例の燃料ガス流路１
２と排気流路１８のそれぞれには、流量計とＨ₂濃度計
等から構成される水素ガス流量検出手段１９ａ，１９ｂ
が配設され、燃料電池部で使用された水素ガスの量を検
出するようになっている。そして、この水素ガス流量検
出手段１９ａ，１９ｂと前記発電出力検出手段とはコン
トローラ１７を介して自動弁１４に接続されており、こ
れら検出手段からの電気信号に基づいてその開度が調節
されるよう構成されている。

【００２６】ここで、コントローラ１７の制御内容の一
例を説明する。水素ガス流量検出手段１９ａにより検出
される燃料電池部１１へ導入された水素ガスの量を
Ｍ_in、水素ガス流量検出手段１９ｂにより検出される燃
料電池部１１から排出された水素ガスの量をＭ_out、発
電出力検出手段の検出値に基づいて算出される発電に利
用された水素ガスの量をＭ_powとすると、空気の供給に
より酸化された水素ガスの量Ｍ_oxyは次の式により求め
られる。Ｍ_oxy＝Ｍ_in−Ｍ_pow−Ｍ_out この水素ガスの量Ｍ_oxyから、自動弁１４の開度が調節
されるようになっている。具体的には、燃料ガス流路に
供給する空気の最低量を設定、すなわち自動弁１４は常
に開いており、酸化された水素ガスの量Ｍ_oxyが増大し
た場合、自動弁１４の開度が小さくされ、酸化された水
素ガスの量Ｍ_oxyが減少した場合、自動弁１４の開度が
大きくされる。この自動弁１４の開度は、燃料ガス流路
１２を流通する燃料ガスの流量に対し約０．１〜３．０
％の間で空気を供給するよう調整される。

【００２７】上記のように構成された第２実施例の燃料
電池装置の動作につき説明する。この燃料電池装置が定
格で運転されている場合、改質反応部１０で得られた燃
料ガスに、自動弁１４および空気流路１５を介して空気
を供給し、一酸化炭素が除去された燃料ガスを燃料ガス
流路１２を介して燃料電池部１１に導入して、発電を行
っている。このとき、改質反応により生成される燃料ガ
スの量およびこの燃料ガスに含まれる水素ガスの量と一
酸化炭素ガス等の量は僅かに変動している。そこで、自
動弁１４の開度が調節され、酸化（燃焼）する水素ガス
の量Ｍ_oxyの変動に合わせて、流量が変動する一酸化炭
素ガスをほぼ完全に除去することができる程度の空気量
が、自動弁１４を介して燃料ガス流路１２に常時供給さ
れる。

【００２８】すなわち、この第２実施例の燃料電池装置
によれば、電極触媒の被毒をほぼ確実に防止し得る空気
の供給量が設定され、この設定に基づいて空気が供給さ
れている。つまり、必要以上に空気を燃料ガスに供給す
ることがなくなっているため、空気の供給による燃料ガ
ス中の水素ガスの余剰燃焼（酸化）量が減少する。

【００２９】判り易くするため、従来の燃料電池装置に
おける一酸化炭素の低減技術、反応器手段３と比較す
る。従来の反応器手段３では、燃料電池２に導入される
一酸化炭素ガスを完全に酸化・除去するために、Ｈ₂：
ＣＯ供給装置１から供給され得る一酸化炭素ガスの最大
量を除去するように構成されているから、一酸化炭素ガ
スの量が減少した場合であっても、空気の供給量が変化
することがなく、空気により酸化される燃料ガス中の水
素ガスの量が増大してしまう。これに対し、この第２実
施例の燃料電池装置によれば、燃料電池部１１に導入さ
れる燃料ガス中の一酸化炭素ガスの量が減少すなわち水
素ガスの量が増大すると、空気により酸化される水素ガ
スの量が増大し、これに応じて空気の供給量も減少し、
空気の供給による水素ガスの余剰燃焼量が減少する。な
お、燃料ガス流路１２を流通する一酸化炭素ガスの流量
に応じて、自動弁１４の開度を調整するように構成して
も、水素ガスの余剰燃焼量は減少するが、燃料ガスに供
給すべき空気の量の設定が困難になるため、この第２実
施例ほど適確に減少させることができない。

【００３０】また、この第２実施例におけるコントロー
ラ１７による別の制御内容につき説明する。例えば、図
２に示した最高出力曲線Ｐ_maxと最低出力曲線Ｐ_minと
の間に出力曲線Ｐ₀（Ｐ_min≦Ｐ₀≦Ｐ_max）を設定す
るとともに、空気の供給により酸化される水素ガスの量
における許容値Ｍ₀を設定する。そして、燃料電池部１
１の発電出力Ｐが出力曲線Ｐ₀を上回っている場合（Ｐ
≧Ｐ₀）、自動弁１４を閉じて燃料ガスに空気を供給し
ないようにするとともに、燃料電池部１１の発電出力Ｐ
が出力曲線Ｐ₀を下回った場合（Ｐ＜Ｐ₀）に、所定の
開度で自動弁１４を開いて燃料ガスに所定量の空気を供
給するよう構成する。

【００３１】このとき、水素ガス流量検出手段１９ａ，
１９ｂおよび発電出力検出手段により算出される空気に
より酸化された水素ガスの量Ｍ_oxyと許容酸化水素量Ｍ
₀とを比較して、実際に酸化された水素ガスの量Ｍ_oxy
が許容酸化水素量Ｍ₀より大きい場合（Ｍ_oxy＞
Ｍ₀）、自動弁１４の開度を絞り、燃料ガスへの空気の
供給量を減少させるよう構成することもできる。

【００３２】このような制御方法によれば、所定以上の
被毒の進行を防止し得る酸化ガスの供給量が正確に設定
されているで、燃料ガスに空気を過剰に供給することが
なく、供給される空気による燃料成分すなわち水素ガス
の酸化燃焼量がほぼ最小に抑えられる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の燃料電
池装置によると、燃料電池の運転状態、すなわち定常時
における燃料電池の運転状態の変動に応じて、燃料ガス
に酸化ガスを供給するよう構成されているので、電極触
媒の被毒を有効に防止しながら、燃料ガスの燃料成分を
無駄に消費（酸化）させることなく、発電に寄与させる
ことができる。

【００３４】具体的に請求項１に記載された発明による
と、電極触媒の被毒により十分な発電出力が得られなく
なった場合に、酸化ガスが燃料ガスに供給されるよう構
成されているので、酸化ガスによる燃料ガス中の燃料成
分の酸化（燃焼）量が最小になる。

【００３５】また、請求項２に記載された発明による
と、電極触媒の被毒をほぼ完全に防止し得る酸化ガスの
供給量、もしくは所定以上の被毒の進行を防止し得る酸
化ガスの供給量が正確に設定されるよう構成されている
ので、燃料ガスに酸化ガスを過剰に供給することがなく
なり、酸化ガスによる燃料ガス中の燃料成分の酸化（燃
焼）量が低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載された燃料電池装置の一実施例
を概略的に示す図である。

【図２】図１に示した実施例の発電出力の特性を示す線
図である。

【図３】図１に示した実施例の動作を説明するフローチ
ャートである。

【図４】請求項２に記載された燃料電池装置の一実施例
を概略的に示す図である。

【図５】従来の燃料電池装置の一例を示す概略図であ
る。

【符号の説明】

１０改質反応部１１燃料電池部１３発電出力検出手段１４自動弁（酸化ガス供給手段）１５空気流路（酸化ガス供給手段）１６酸化ガス供給源（酸化ガス供給手段）１７コントローラ（酸化ガス供給制御手段）１９ａ，１９ｂ水素ガス流量検出手段（酸化燃料成分
量検出手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】改質反応により生成された燃料ガスを電
気化学的に酸化させて発電を行う燃料電池を備えた燃料
電池装置において、酸素ガスを含有する酸化ガスを前記燃料ガスに対して選
択的に供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池の発
電出力の低下を検出する発電出力低下検出手段と、この
発電出力低下検出手段からの信号に基づいて前記酸化ガ
ス供給手段による酸化ガスの供給を制御する酸化ガス供
給制御手段とを備えていることを特徴とする燃料電池装
置。
【請求項２】改質反応により生成された燃料ガスの燃
料成分を電気化学的に酸化させて発電を行う燃料電池を
備えた燃料電池装置において、酸素ガスを含有する酸化ガスを前記燃料ガスに供給する
酸化ガス供給手段と、この酸化ガス供給手段による酸化
ガスの供給により酸化された燃料ガスの燃料成分の量を
検出する酸化燃料成分量検出手段と、この酸化燃料成分
量検出手段からの信号に基づいて前記酸化ガス供給手段
による酸化ガスの供給量を制御する酸化ガス供給制御手
段とを備えていることを特徴とする燃料電池装置。