(57)【要約】【課題】  制御性良くアノード側電極触媒の損傷を防ぎつつＣＯ被毒を解消することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料ガスとして水素ガスリッチな改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池２０を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード側電極触媒がＣＯ被毒しているか否かを判定する被毒判定部５０ａと、外部からエアを吸引して該エアと燃料オフガスとの混合気を昇圧する昇圧ポンプＨ５０と、被毒判定部５０ａによってアノード側電極触媒のＣＯ被毒が判定された場合に、アノード側電極触媒へのエア供給量を燃料電池２０の状態に基づいてフィードバック制御するエア供給制御部５０ｂとを備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスとして水素ガスリッチな改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池のアノード側電極触媒に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記アノード側電極触媒の被毒が判定された場合に、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給量を前記燃料電池の状態に基づいて制御する酸化ガス供給制御手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノード側電極触媒の被毒判定は、前記燃料電池の運転時間に基づいてなされる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池から排気された燃料オフガスを前記燃料電池に再供給するオフガス循環系を備え、
前記酸化ガス供給制御手段は、前記アノード側電極触媒の被毒が判定された場合に、前記オフガス循環系への燃料ガス供給を停止した状態で前記オフガス循環系に酸化ガスを供給すると共に、該オフガス循環系内のガスを循環させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化ガス供給制御手段は、前記アノード側電極触媒の温度又は該温度と一定の相関を有する温度の変化に基づいて、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給を停止する、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化ガス供給制御手段は、前記燃料電池から排気された燃料オフガス中の酸素濃度に基づいて、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給を停止する、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化ガス供給制御手段は、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給を供給開始から所定時間経過後に停止する、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスとして水素ガスリッチな改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に、アノード側電極触媒のＣＯ（一酸化炭素）被毒を解消する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。例えば固体高分子電解質型燃料電池の膜・電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面側に配置されたアノード側電極触媒および他面側に配置されたカソード側電極触媒と、各触媒の表面に形成された拡散層とを備えて構成されている。
【０００３】
燃料ガス供給源として、メタンやメタノール等の原燃料を改質して水素ガスリッチな改質ガスを生成する改質器を用いる場合には、燃料ガスとして燃料電池に供給される改質ガスに微量のＣＯ（一酸化炭素）が含まれているため、運転時間の経過に伴い、アノード側電極触媒が被毒する。ＣＯによる被毒が発生すると、触媒能が低下し、燃料電池の出力が低下するという問題が生じるため、特許文献１には、運転中にアノードガスに空気を混入することで、ＣＯ被毒を解消する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、アノードガスへの空気供給量を空気供給前の燃料電池の状態に応じて制御しているため、制御性が悪い。すなわち、空気供給量を正確に制御しないと、急激に空気がアノードに供給される結果、局部電池現象が生じたり、局部的に高温となり、アノード側電極触媒が損傷してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、制御性良くアノード側電極触媒の損傷を防ぎつつＣＯ被毒を解消することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料ガスとして水素ガスリッチな改質ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のアノード側電極触媒に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記アノード側電極触媒の被毒が判定された場合に、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給量を前記燃料電池の状態に基づいて制御する酸化ガス供給制御手段と、を備える。
【０００７】
このような構成によれば、燃料電池の状態（例えば、アノード側電極触媒の温度、アノード側電極出口の酸素濃度、ＩＶ特性等）に基づいて、アノード側電極触媒への酸化ガス（例えば、外気）の供給量が制御（例えば、フィードバック制御）されるため、急激な酸化反応や局部電池現象の発生を抑制することが可能となり、アノード側電極触媒の損傷を防ぎつつ、ＣＯ被毒の解消を行うことができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、前記アノード側電極触媒の被毒判定は、前記燃料電池の運転時間に基づいて行ってもよい。
【０００９】
アノード側電極触媒に被毒物質であるＣＯが蓄積して発電動作に支障をきたすまでの燃料電池の運転時間は、燃料ガスの純度や当該触媒の耐被毒性により異なるが、燃料電池の運転時間とＣＯ被毒の有無との相関関係を予めマップ等に関連付けておくことにより、運転時間に基づくＣＯ被毒の判定が可能となる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいては、前記燃料電池から排気された燃料オフガスを前記燃料電池に再供給するオフガス循環系を備え、前記酸化ガス供給制御手段は、前記アノード側電極触媒の被毒が判定された場合に、前記オフガス循環系への燃料ガス供給を停止した状態で前記オフガス循環系に酸化ガスを供給すると共に、該オフガス循環系内のガスを循環させてもよい。
【００１１】
このような構成によれば、オフガス循環系を循環する燃料オフガスに酸化ガスを混入させながら、燃料電池のアノード側電極触媒に酸化ガスを徐々に供給することができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給制御手段は、前記アノード側電極触媒の温度又は該温度と一定の相関を有する温度の変化に基づいて、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給を停止してもよい。
【００１３】
ＣＯ被毒したアノード側電極触媒に酸化ガスが供給されると、酸化反応に伴う発熱によって、触媒温度が上昇する。その後、ＣＯ被毒が解消されると、酸化反応が停止するので、触媒温度の上昇は停止する。したがって、例えば触媒温度の上昇停止や低下等から、ＣＯ被毒の解消を判定することが可能となる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給制御手段は、前記燃料電池から排気された燃料オフガス中の酸素濃度に基づいて、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給を停止してもよい。
【００１５】
供給された酸化ガス中の酸素は、アノード側電極触媒のＣＯと酸化反応して徐々にＣＯ被毒を解消する。そして、ＣＯ被毒が十分に解消されれば、酸化ガス中の酸素はアノード側電極触媒で反応せずに燃料電池からそのまま排出される。したがって、燃料電池から排気される燃料オフガス中の酸素濃度から、ＣＯ被毒の解消を判定することが可能となる。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス供給制御手段は、前記酸化ガス供給手段による前記アノード側電極触媒へのガス供給を供給開始から所定時間経過後に停止してもよい。
【００１７】
ＣＯ被毒の解消に必要な酸化ガス量は、予め理論的にあるいは実験的に求めておくことができる。したがって、アノード側電極触媒への酸化ガス供給を所定時間継続することにより、ＣＯ被毒の解消に必要な量の酸化ガスを導入することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池の状態に応じてアノード側電極触媒に酸化ガスを供給するため、急激な酸化反応や局部電池現象の発生を抑制することが可能となり、被毒解消時の制御性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００２０】
図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。モータは、制御ユニット５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータが設けられる。
【００２１】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気の圧力を設定する調圧器として機能する。
【００２２】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御ユニット５０に送られる。制御ユニット５０は、コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２３】
燃料改質器３０は、メタンやメタノール等の原燃料を改質して水素リッチな改質ガスを生成するものである。燃料改質器３０で生成された燃料ガスとしての改質ガス（以下、燃料ガス）は、燃料ガス供給路７４を介して燃料電池２０の燃料供給口に供給される。
【００２４】
燃料ガス供給路７４には、燃料改質器３０からの燃料ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料改質器３０と燃料ガス供給路７４間を連通／遮断する遮断弁Ｈ９、燃料電池２０の燃料供給口と燃料ガス供給路７４間を連通／遮断する遮断弁Ｈ２１、及び燃料ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６の図示しない検出信号は、制御ユニット５０に供給される。
【００２５】
燃料電池２０で消費されなかった燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料ガス循環路７５に排出され、燃料ガス供給路７４の遮断弁Ｈ９の下流側に戻される。燃料ガス循環路７５には、燃料オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と燃料ガス循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を燃料ガス循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、燃料オフガスを昇圧する昇圧ポンプＨ５０、及び逆止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２６】
本実施形態においては、燃料ガス循環路７５と、該燃料ガス循環路７５に設けられた昇圧ポンプＨ５０や逆止弁Ｈ５２等の各装置と、燃料ガス供給路７４のうち燃料ガス循環路７５との合流部よりも下流側（燃料電池２０側）の部分と、該部分に設けられた遮断弁Ｈ２１と、燃料電池２０内の燃料ガス流路とにより、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを燃料電池２０に再供給するオフガス循環系が構成されている。
【００２７】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御ユニット５０に供給される。昇圧ポンプＨ５０は、制御ユニット５０によって動作が制御される。
【００２８】
昇圧ポンプＨ５０には、例えば外気や他のシステムからの二次空気を燃料ガス循環路７５に混入させることを可能とすべく、エア供給路７７が接続されている。このエア供給路７７には、燃料ガス循環路７５に混入させるエア流量を調整する調整弁Ｈ１０が設けられており、調整弁Ｈ１０が制御ユニット５０によって開度調整されることで、燃料ガス循環路７５を循環する燃料ガスへのエア供給量が制御される。
【００２９】
本実施形態においては、これら昇圧ポンプＨ５０と、エア供給路７７と、調整弁Ｈ１０とにより、燃料電池２０のアノード側電極触媒にエア（酸化ガス）を供給する酸化ガス供給手段が構成されている。
【００３０】
燃料オフガスは、燃料ガス供給路７４で燃料改質器３０からの燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆止弁Ｈ５２は、燃料ガス供給路７４の燃料ガスが燃料ガス循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ９，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御ユニット５０からの信号で駆動される。
【００３１】
燃料ガス循環路７５は、パージ弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続される。パージ弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御ユニット５０からの指令によって作動することにより、燃料オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、燃料オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の燃料ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００３２】
更に、燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられる。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００３３】
燃料電池２０は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）とその両面に配置されるセパレータとを備えてなる燃料電池セル（単位セル）を所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０の膜・電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面側に配置されたアノード側電極触媒および他面側に配置されたカソード側電極触媒と、各電極触媒の表面に形成されたガス拡散層とを備えてなる。
【００３４】
燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３５】
制御ユニット５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。制御ユニット５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００３６】
次に、制御ユニット５０によるアノード側電極触媒へのエア供給量の制御について説明する。図２に示したように、制御ユニット５０は、アノード側電極触媒のＣＯ被毒の有無を判定する被毒判定部５０ａと、被毒判定部５０ａによって被毒が判定された場合に、燃料電池２０の状態に基づいて、昇圧ポンプＨ５０及び調整弁Ｈ１０による燃料ガス循環路７５へのエア供給量をフィードバック制御するエア供給制御部（酸化ガス供給制御手段）５０ｂとを備える。
【００３７】
被毒判定部５０ａは、燃料電池２０の運転時間に基づいて被毒発生の有無を判定する。運転開始（前回の被毒解消運転）を基準として、予め決められた所定時間が経過した場合に、アノード側電極触媒が被毒していると判定する。すなわち、予め推定した燃料ガスの純度、アノード側電極触媒の耐被毒性に基づき、当該触媒に被毒物質であるＣＯが蓄積して発電動作に支障をきたすまでの時間が経過した場合に、アノード側電極触媒がＣＯ被毒したと判定する。
【００３８】
エア供給制御部５０ｂは、被毒判定部５０ａによって被毒が判定された場合に、燃料ガス循環路７５にエアを混入させる被毒解消運転を行う。詳細には、ＣＯ被毒が発生していると判定された場合に、まず、遮断弁Ｈ９を閉じる。これにより、燃料改質器３０からの燃料ガス供給は停止し、燃料ガス循環路７５は閉じた循環路となる。次いで、昇圧ポンプＨ５０を駆動させた状態で、エア供給路７７上の調整弁Ｈ１０を徐々に開き、燃料ガス循環路７５にエア（酸化ガス）を混入する。
【００３９】
エア供給制御部５０ｂは、例えば温度センサＴ３１により検出された燃料オフガス温度に基づいて、あるいは、アノード側電極触媒の近傍に温度センサが配設されている場合には該温度センサにより直接測定した、アノード側電極触媒の温度（以下、単に「触媒温度」という。）を監視し、該触媒温度が所定の触媒損傷温度以下に保たれるようにエア供給量をフィードバック制御する。
【００４０】
燃料電池２０にエアを導入すると、酸化反応によってアノード側電極触媒のＣＯ被毒が解消されると共に、該アノード側電極触媒の温度が上昇する。本実施形態においては、エア供給制御部５０ｂが触媒温度を監視しつつエア供給量を制御することで、エアが徐々に導入され、触媒温度の急激な上昇を抑えることができる。
【００４１】
ＣＯ被毒が解消されるにしたがって、エア供給量を増しても触媒温度が上昇しにくくなる。被毒判定部５０ａは、エアを混入しても触媒温度が上昇しなくなった場合に被毒解消が終了したと判定し、この判定結果に基づき、エア供給制御部５０ｂは、燃料ガス循環路７５に対するエア供給を停止し、遮断弁Ｈ９を開いて通常運転に切り替える。
【００４２】
このように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池２０の状態に応じてアノード側電極触媒のエア供給量をフィードバック制御するため、急激な酸化反応、局部電池現象の発生、及び局部的な高温化を抑制することができる。したがって、アノード側電極触媒の損傷を防ぎつつＣＯ被毒の解消を行えるようになり、ＣＯ被毒解消時の制御性を向上することができる。
【００４３】
なお、上記実施形態においては、ＣＯ被毒が解消したか否かを触媒温度によって判定しているが、例えば以下のように判定してもよい。
【００４４】
（１）アノード側電極触媒の出口の酸素濃度を計測し、所定濃度以上の酸素を検出した場合に、ＣＯ被毒が解消したと判定する。
燃料ガス循環路７５に供給されたエア中の酸素はアノード側電極触媒でＣＯを酸化するが、ＣＯ被毒が十分に解消されれば酸化反応は起こらず、酸素は燃料電池２０からそのまま吐出される。したがって、燃料電池２０の燃料オフガス出口に酸素濃度計（不図示）を設け、その出力をエア供給制御部５０ｂが監視することにより、エア供給を停止するタイミングを得る。
【００４５】
（２）エア供給を一定時間継続することによってＣＯ被毒が解消したと判定する。
ＣＯ被毒の解消に必要なエア導入量は、予め理論的あるいは実験的に求めておくことができるため、エア供給を所定時間継続することにより、一定量のエアを燃料ガス循環路７５内に導入する。かかる場合には、一定量のエアを導入したことをもって、ＣＯによる被毒が解消されたと判定することができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、昇圧ポンプＨ５０を介して燃料ガス循環路７５にエアを供給しているが、燃料ガス循環路７５へのエア供給に代えて、燃料ガス供給路７４に直接エアを供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】同燃料電池システムの制御ユニットについて示したブロック図である。
【符号の説明】
【００４８】
２０…燃料電池、３０…燃料改質器、５０…制御ユニット、５０ａ…被毒判定部、５０ｂ…エア供給制御部（酸化ガス供給制御手段）、７４…燃料ガス供給路、７５…燃料ガス循環路、７７…エア供給路（酸化ガス供給手段）、Ｈ１０…調整弁（酸化ガス供給手段）、Ｈ５０…昇圧ポンプ（酸化ガス供給手段）、Ｈ９…遮断弁、Ｔ３１…温度センサ
【図１】
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【図２】
2006310187.tif 000004