(57)【要約】【課題】継続的な運転によって酸化触媒層の活性が低下しても反応効率が低下しないように改善された燃料電池システムを提供する。【解決手段】改質反応を通じて燃料ガスを発生させる改質器と、改質された燃焼ガスが流入する流入口及び浄化された燃焼ガスが排出される排出口を持つ反応器本体と、反応器本体の内部に充填される酸化触媒層とを備え、改質器で発生した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減する一酸化炭素浄化器と、一酸化炭素浄化器にから燃料ガスが供給され、化学反応によって電気エネルギーを発生させる電気発生部と、材料から触媒粒子を生成し、該触媒粒子を酸化触媒層に供給する触媒供給装置とを備える。【選択図】図１
2008124005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質反応を通じて燃料ガスを発生させる改質器と、
改質された燃焼ガスが流入する流入口、及び浄化された燃焼ガスが排出される排出口を持つ反応器本体と、前記反応器本体の内部に充填される酸化触媒層とを備え、前記改質器で発生した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器と、
前記一酸化炭素浄化器から燃料ガスが供給され、化学反応によって電気エネルギーを発生させる電気発生部と、
材料から触媒粒子を生成し、該触媒粒子を前記酸化触媒層に供給する触媒供給装置と、
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記触媒供給装置は、材料を加熱して触媒粒子を発生させる触媒粒子発生装置を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記触媒供給装置は、前記触媒粒子発生装置で生成された触媒粒子を前記酸化触媒層に流動させる流動発生源をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流動発生源は、ガスが高圧で充填されているガスタンクを備えることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流動発生源は、送風ファンを備えることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記触媒粒子発生装置は、触媒粒子が排出されるように一側に触媒排出口が形成された発生装置本体と、前記発生装置本体の内部に設置され、材料が安置される加熱体と、前記加熱体に安置された材料を加熱する加熱要素と、を備え、
前記触媒供給装置は、前記触媒排出口から排出される触媒粒子を前記一酸化炭素浄化器に導く触媒供給管を備えることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記触媒供給管は、前記改質器と前記一酸化炭素浄化器の流入口とを連結する連結管に連通することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記連結管は、一端が前記触媒供給管と連通し、他端が前記流入口に連通する第１流路部と、一端が前記第１流路部に連通し、他端が前記改質器に連通する第２流路部とを備え、
前記第１流路部が前記触媒供給管または第２流路部のいずれかに選択的に連通するように流路を切り換える流路切換装置をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記一酸化炭素浄化器の排出口と前記電気発生部とを連結する連結管から分岐する分岐管と、前記一酸化炭素浄化器の排出口から排出される燃料ガスが前記分岐管または前記電気発生部のいずれかに流れるように流路を切り換える流路切換装置とをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記触媒粒子発生装置は、前記一酸化炭素浄化器から分離可能に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記酸化触媒層を通過した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を測定するガスセンサーをさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
改質器と、該改質器で発生した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器とを有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記一酸化炭素浄化器から排出される燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を測定する段階と、
測定された濃度が基準値以上であると、触媒粒子発生装置で発生する触媒粒子を前記一酸化炭素浄化器に供給する段階と、
を含むことを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
前記一酸化炭素浄化器に触媒粒子を供給する段階は、
測定された濃度が基準値以上であると、前記改質器と一酸化炭素浄化器との間に設けられる流路を閉じ、前記触媒粒子発生装置と前記一酸化炭素浄化器との間に設けられる流路を開くように流路切換装置を制御する段階を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記一酸化炭素浄化器に触媒粒子を供給する段階は、
流動発生源を制御して気体流動を発生させる段階と、
前記触媒粒子発生装置に電源を印加して材料を加熱することによって触媒粒子を発生させる段階と、
を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記測定された一酸化炭素の濃度が基準値以上であると、新しい触媒粒子が前記触媒供給装置を通して前記酸化触媒層に供給されることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
改質器及び一酸化炭素浄化器を有する燃料電池システムの制御方法であって、
燃焼ガスを電気発生部に供給し、電気を発生させる段階と、
前記一酸化炭素浄化器から排出された一酸化炭素の濃度を測定する段階と、
前記測定された一酸化炭素の濃度が基準値以上か否かを判断する段階と、
前記測定された一酸化炭素の濃度が基準値以上と判断された場合は、電気の発生を中断し、前記改質器と一酸化炭素浄化器との間に設けられる流路を閉じ、前記触媒粒子発生装置と前記一酸化炭素浄化器との間に設けられる流路を開くように流路切換を制御する段階と、
前記触媒粒子発生装置から発生した触媒粒子を一酸化炭素浄化器に一定時間供給し、一定時間経過後に電気を発生させる段階と、
を含むことを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、反応効率の低下した一酸化炭素浄化器に新しい触媒粒子を供給できる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとが反応する際に生じる化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。このような燃料電池は、近来、エネルギー源の枯渇と環境問題の台頭に伴って無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装備、医療機器、軍事用装備などの分野に幅広く用いられてきている。
【０００３】
従来の燃料電池は、スタック（Ｓｔａｃｋ）、燃料処理装置、燃料タンクなどを備えてなる。なかでも燃料処理装置は、燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器と、水素ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器、例えば、公知のＰＲＯＸ（Ｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ＣＯ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）反応器とで構成される。
【０００４】
一酸化炭素浄化器は、内部空間を持つ反応器本体と、反応器本体の内部に充填される酸化触媒層とを備えて構成される。各酸化触媒は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）またはシリカ（ＳｉＯ２）などからなるペレット状の担体が白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）のような触媒物質を担持する構造を有し、これらの酸化触媒が層を成して酸化触媒層を形成する。
【０００５】
したがって、改質器から発生した水素ガスが反応器本体の内部に供給されると、酸化触媒層を通りながら水素ガス中の一酸化炭素との選択的酸化反応によって二酸化炭素に変化し、よって一酸化炭素の濃度が低減する。
【０００６】
このような一酸化炭素浄化器では経時的に酸化触媒層が被毒されて活性が低下するため、一酸化炭素浄化器の反応効率が低下してしまう。そこで、酸化触媒層を十分に厚くし、上流側に位置している触媒の活性が落ちたとしても、下流側に位置している触媒が一酸化炭素の酸化反応を促進するようにしてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような従来の一酸化炭素浄化器では、酸化触媒の寿命を考慮して触媒層を厚くしたため、浄化器の体積増加が避けられず、よって燃料電池システムを小型化できないという問題点があった。
【０００８】
また、触媒層の厚さを余分に厚くすることから初期製造費が増加するだけでなく、水素ガスが厚い触媒層を通過する際に圧力損失が多く生じ、燃料電池システムの運転エネルギーを増加させるという問題点があった。
【０００９】
しかも、従来の一酸化炭素浄化器では、空間上の制約から触媒層の厚さを十分に厚くすることができない場合には、寿命の尽きた一酸化炭素浄化器そのものを周期的に交換しなければならず、燃料電池システムのメンテナンスコストが上昇するという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、継続的な運転によって一酸化炭素浄化器中に充填された酸化触媒層の活性が低下しても反応効率が低下しないように改善された燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、充分の寿命を確保しながらも小型化ができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、改質反応を通じて燃料ガスを発生させる改質器と、改質された燃焼ガスが流入する流入口、及び浄化された燃焼ガスが排出される排出口を持つ反応器本体と、前記反応器本体の内部に充填される酸化触媒層とを備え、前記改質器で発生した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器と、前記一酸化炭素浄化器から燃料ガスが供給され、化学反応によって電気エネルギーを発生させる電気発生部と、材料から触媒粒子を生成し、該触媒粒子を前記酸化触媒層に供給する触媒供給装置と、を備える構成とした。
【００１３】
前記触媒供給装置は、材料を加熱して触媒粒子を発生させる触媒粒子発生装置を備えてなることができる。さらに、前記触媒供給装置は、前記触媒粒子発生装置で生成された触媒粒子を前記酸化触媒層に流動させる流動発生源を備えてなることができる。
【００１４】
前記流動発生源は、ガスが高圧で充填されているガスタンクまたは送風ファンから構成されることができる。
【００１５】
前記触媒粒子発生装置は、触媒粒子が排出されるように一側に触媒排出口が形成された発生装置本体と、前記発生装置本体の内部に設置され、材料が安置される加熱体と、前記加熱体に安置された材料を加熱する加熱要素と、を備え、前記触媒供給装置は、前記触媒排出口から排出される触媒粒子を前記一酸化炭素浄化器に導く触媒供給管を備えることができる。
【００１６】
前記触媒供給管は、前記改質器と前記一酸化炭素浄化器の流入口とを連結する連結管に連通することができる。
【００１７】
前記連結管は、一端が前記触媒供給管と連通し、他端が前記流入口に連通する第１流路部と、一端が前記第１流路部に連通し、他端が前記改質器に連通する第２流路部とを備え、上記  燃料電池システムは、前記第１流路部が前記触媒供給管または第２流路部のいずれかに選択的に連通するように流路を切り換える流路切換装置をさらに備えることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、前記一酸化炭素浄化器の排出口と前記電気発生部とを連結する連結管から分岐する分岐管と、前記一酸化炭素浄化器の排出口から排出される燃料ガスが前記分岐管または前記電気発生部のいずれかに流れるように流路を切り換える流路切換装置とをさらに備えることができる。
【００１９】
前記触媒粒子発生装置は、前記一酸化炭素浄化器から分離可能に設置されることができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムは、前記酸化触媒層を通過した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を測定するガスセンサーをさらに備えることができる。
【００２１】
また、本発明による燃料電池システムの制御方法は、改質器と、該改質器で発生した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器とを有する燃料電池システムの制御方法であって、前記一酸化炭素浄化器から排出される燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を測定する段階と、測定された濃度が基準値以上であると、触媒粒子発生装置で発生する触媒粒子を前記一酸化炭素浄化器に供給する段階と、を含む構成とした。
【００２２】
前記一酸化炭素浄化器に触媒粒子を供給する段階は、測定された濃度が基準値以上であると、前記改質器と一酸化炭素浄化器との間に設けられる流路を閉じ、前記触媒粒子発生装置と前記一酸化炭素浄化器との間に設けられる流路を開くように流路切換装置を制御する段階を含むことができる。
【００２３】
また、前記一酸化炭素浄化器に触媒粒子を供給する段階は、流動発生源を制御して気体流動を発生させる段階と、前記触媒粒子発生装置に電源を印加して材料を加熱することによって触媒粒子を発生させる段階と、を含むことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の一実施例によれば、一酸化炭素浄化器の酸化触媒層に新しい触媒粒子を供給できるため、一酸化炭素浄化器及び燃料電池システム全体の性能を向上させることが可能になる。
【００２５】
なお、本発明によれば、寿命を考慮して酸化触媒層を余分に厚くしなくても充分の寿命が確保できるため、一酸化炭素浄化器及び燃料電池システム全体を小型化できる他、システムの初期製造費用、運転費用及びメンテナンスコストを節減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施例について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図面中、同一の構成要素には可能な限り同一符号を付する。
【００２７】
図１は、本発明の第１実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明の第１実施例による燃料電池システムは、熱エネルギーによる改質触媒反応を通じてメタノールやエタノールのような燃料から燃料ガス（以下、‘水素ガス’という。）を発生させる改質器１０と、改質反応に必要な熱エネルギーを供給する熱源１１と、改質された水素ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させる一酸化炭素浄化器２０と、酸素と一酸化炭素浄化器２０から供給される水素ガスとの電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる電気発生部３１と、燃料を改質器１０に供給する燃料供給装置４０と、一酸化炭素浄化器２０と電気発生部３１に空気を供給する空気供給装置５０と、を備えて構成される。
【００２８】
改質器１０は、熱源による改質触媒反応、例えば、水蒸気改質または部分酸化のような触媒反応を通じて燃料から水素ガスを発生させる。改質器１０に連結されて熱を供給する熱源１１は、メタノール、エタノールなどのような液状の燃料またはメタンガス、プロパンガスのようなガス状の燃料を空気と一緒に燃焼させ、設定された温度範囲の熱エネルギーを発生させるバーナー（図示せず）で構成される。
【００２９】
一酸化炭素浄化器２０は、改質された水素ガス中の一酸化炭素と空気中の酸素との選択的酸化（ＰＲＯＸ）反応を通じて一酸化炭素の濃度を低減させる構造を持つ。
【００３０】
電気発生部３１は、電気を生成する最小単位の燃料電池で、このような電気発生部３１が複数個備えられてスタック３０を形成する。電気発生部３１は、膜−電極アセンブリー（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜−電極アセンブリーの両側に配置されるセパレーターとを備えて構成される。膜−電極アセンブリーは、反応気体の酸化／還元反応がおきる活性領域を持ちながら一面にアノード電極、他面にカソード電極を備え、かつ、両電極間に電解質膜を備える。アノードでは酸化反応が起きて水素分子が水素イオンと電子に変換され、この時、水素イオンは電解質膜を経てカソードに伝達される。一方、カソードでは還元反応が起きて酸素分子が酸素イオンに変換され、酸素イオンはアノードから伝達された水素イオンと反応して水分子に変換される。このような電気発生部３１の構成は、高分子電解質型燃料電池において公知の事項であり、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
燃料供給装置４０は、燃料を貯蔵する燃料タンク４１と、燃料タンク４１に貯蔵された燃料を排出させる燃料ポンプ４２と、燃料タンク４１と改質器１０とを連結する燃料供給管４３と、を備えて構成される。また、空気供給装置５０は、所定の圧力で空気を吸入し、スタック３０の電気発生部３１及び一酸化炭素浄化器２０にそれぞれ供給する空気ポンプ５１を備えて構成される。
【００３２】
図２は、本発明の一実施例による燃料電池システムで一酸化炭素浄化器の構成を示す断面図である。
【００３３】
図１及び図２に示すように、一酸化炭素浄化器２０は、内部に所定の空間を持つ反応器本体２１と、反応器本体２１の内部空間に充填されて、一酸化炭素と空気との選択的酸化反応を促進する酸化触媒層２２とを備える。
【００３４】
反応器本体２１は、一側に、改質器１０から発生する水素ガスと空気ポンプ５１から供給される空気が反応器本体２１の内部に流入する流入口２１ａが形成され、他側には、酸化触媒層２２を通過しながら一酸化炭素の濃度が低減した水素ガスが排出される排出口２１ｂが形成される。反応器本体２１の流入口２１ａと改質器１０は第１連結管６０を介して連結され、反応器本体２１の排出口２１ｂと電気発生部３１は第２連結管７０を介して連結される。
【００３５】
本発明の一実施例による燃料電池システムは、酸化触媒層２２を通過しながら浄化された水素ガス中の一酸化炭素の濃度を測定するようにガスセンサー８０を備える。浄化過程にもかかわらず、ガスセンサー８０で測定される一酸化炭素の濃度が基準値以上と検出された場合には、後述する触媒供給装置１００を通して酸化触媒層２２に新しい触媒粒子を供給する。図２では、例えば、ガスセンサー８０を第２連結管７０の内部に取り付けているが、該ガスセンサー８０の位置は適宜変更可能である。
【００３６】
図２に示すように、酸化触媒層２２は、酸化触媒が層をなして形成されるもので、酸化触媒は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）またはチタニア（ＴｉＯ２）などからなるペレット（ｐｅｌｌｅｔ）状の担体２２ａに、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）のような触媒物質２２ｂが担持された構造を持つ。
【００３７】
したがって、改質器１０と空気ポンプ５１から水素ガスと空気が反応器本体２１の内部に供給されると、上記のような触媒物質２２ｂによって酸化反応が促進され、水素ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変換されることによって一酸化炭素の濃度が低減する。ところが、運転時間の経過につれて触媒物質２２ｂが被毒されその活性が低下し、よって一酸化炭素浄化器２０の反応効率は低下してしまう。そこで、本発明の一実施例による燃料電池システムは、酸化触媒層２２に新しい触媒粒子を周期的に供給し、一酸化炭素浄化器２０の反応効率を回復させる触媒供給装置１００を備える。
【００３８】
図１に示すように、触媒供給装置１００は、触媒物質なる原料を加熱して微細な大きさの触媒粒子を生成する触媒粒子発生装置１１０と、生成された触媒粒子を一酸化炭素浄化器２０の酸化触媒層２２に流動させる流動発生源１２０と、触媒粒子発生装置１１０で生成された触媒粒子を一酸化炭素浄化器２０に導く触媒供給管１３０と、流動発生源１２０と触媒粒子発生装置１１０とを連結するパイプ１４０と、を備えて構成される。
【００３９】
本発明の一実施例によれば、触媒粒子を流動させる流動発生源１２０としては、ガス（例えば、窒素ガス）を高圧で充填しているガスタンク１２１を用いることができる。この場合、流動発生源１２０と触媒粒子発生装置１１０を連結するパイプ１４０には開閉弁１４１が介装される。開閉弁１４１が開くと、ガスの自体圧力によって気体流動が発生し、このような気体流動は、触媒粒子発生装置１１０で生成された触媒粒子を酸化触媒層２２へ移動させる。
【００４０】
図３は、本発明の一実施例による触媒粒子発生装置の構成を示す断面図であり、図４は、図３の加熱ユニットを示す斜視図である。
【００４１】
図３及び図４に示すように、触媒粒子発生装置１１０は、流動発生源１２０によって発生した気体の流動が通過できるように流路１１２が形成された発生装置本体１１１と、発生装置本体１１１の内部に配置される触媒材料Ｍを加熱して気化させる加熱ユニット１１３とを備えて構成される。触媒材料Ｍとしては、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）のような金属の塊が用いられることができる。
【００４２】
発生装置本体１１１の一側には、生成された触媒が触媒供給管１３０へ排出されるように触媒排出口１１１ａが形成される。
【００４３】
加熱ユニット１１３は、触媒材料Ｍに接した状態で触媒材料Ｍを直接加熱できるように構成される。これは、短時間で触媒材料Ｍが蒸発温度まで加熱されるようにして消費電力を低減し、かつ、加熱ユニット１１３と触媒材料Ｍとの間に空間を取らず、触媒粒子発生装置１１０を小型化するためである。
【００４４】
このような加熱ユニット１１３は、触媒材料Ｍの安置される板状の加熱体１１４と、加熱体１１４の内部に埋設され、電源供給時に発熱する加熱要素１１５と、加熱要素１１５に電源を供給する電源供給部１１６とを備えて構成される。図４では、加熱要素を、タングステンワイヤーからなる電熱線とした例が示されている。触媒材料Ｍと近接した位置において電熱線１１６はジグザグ状に折り曲げられて集中的に配置され、触媒材料Ｍを短時間で蒸発させる。
【００４５】
したがって、電源が供給され、電熱線１１６によって加熱体１１４が加熱されると、加熱体１１４に安置されている触媒材料Ｍが気化し、気化した材料はガスタンク１２１から一定圧力で排出される低い温度の気体流動と会って瞬間的に冷却されながら微細な大きさの触媒粒子Ｐを形成する。このようにして形成された微細な触媒粒子Ｐは、触媒供給管１３０を通して一酸化炭素浄化器２０の酸化触媒層２２に供給される。
【００４６】
図１に示すように、触媒供給管１３０は、改質器１０と一酸化炭素浄化器２０の流入口２１ａとを連結する第１連結管６０に連通する。
【００４７】
第１連結管６０は、一端が触媒供給管１３０と連通し、他端が一酸化炭素浄化器２０の流入口２１ａに連通する第１流路部６１と、一端が第１流路部６１に連通し、他端が改質器１０に連通する第２流路部６２とからなる。第１連結管６０と触媒供給管１３０とが接する地点には、第１流路部６１が触媒供給管１３０または第２流路部６２のいずれかに選択的に連通するように流路を切り換える第１流路切換装置９１が設置される。本発明の一実施例ではこのような流路切換装置９１を３方弁とするが、これに限定されず、必要に応じて様々なものが使用可能である。
【００４８】
第１流路切換装置９１が第１流路部６１と第２流路部６２とを連通させると、改質器１０で発生した燃焼ガスが一酸化炭素浄化器２０に供給されて浄化される。一方、第１流路切換装置９１が第１流路部６１と触媒供給管１３０を連通させると、触媒粒子発生装置１１０で発生した触媒粒子は、触媒供給管１３０、第１流路部６１及び流入口２１ａを通して一酸化炭素浄化器２０の内部に供給される。
【００４９】
なお、触媒粒子発生装置１１０は、一酸化炭素浄化器２０から分離可能に設置されることができる。このため、触媒供給管１３０には、触媒粒子発生装置１１０に連結された触媒供給管の第１部分１３１を第１連結管６０に連結された第２部分１３２に接続させるか、第１部分１３１を第２部分１３２から分離させるように連結フィッティング１３３が設置される。
【００５０】
このように触媒粒子発生装置１１０を分離可能に設置すると、触媒の補充が必要な時期にのみ、別のユニットとして構成された触媒粒子発生装置を連結して使用すれば良いので、触媒粒子発生装置による燃料電池システムの大型化が防止できる。
【００５１】
また、本発明の一実施例による燃料電池システムは、第２連結管７０から分岐する分岐管１５０を持つ。分岐管１５０は、酸化触媒層２２に触媒粒子を供給したのち一酸化炭素浄化器２０から排出されるガス（本実施例のように流動発生源を窒素タンクとする場合には、窒素ガスが一酸化炭素浄化器から排出される）を排気させる機能を担う。分岐管１５０には、排出されるガス中の触媒粒子やその他有害ガスをフィルタリングするフィルター１５１が設置される。
【００５２】
第２連結管７０は、第１連結管６０のように、一端が分岐管１５０と連通し、他端が一酸化炭素浄化器２０の排出口２１ｂに連通する第１流路部７１と、一端が第１流路部７１に連通し、他端が電気発生部３１に連通する第２流路部７２とを持つ。第２連結管７０と分岐管１５０とが接する地点には、第１流路部７１が分岐管１５０または第２流路部７２のいずれかに選択的に連通するように流路を切り換える第２流路切換装置９２が設置される。本発明の一実施例ではこのような流路切換装置９２を３方弁とするが、これに限定されず、必要に応じて様々なものが使用可能である。
【００５３】
第２流路切換装置９２が第１流路部７１と第２流路部７２とを連通させると、一酸化炭素浄化器２０で浄化された燃焼ガスが電気発生部３１に供給され、電気を発生させる。これに対し、第２流路切換装置９２が第１流路部７１と分岐管１５０とを連通させると、酸化触媒層２２に触媒粒子を供給したのち一酸化炭素浄化器２０から排出されるガスが第１流路部７１及び分岐管１５０を通して外部に排気される。
【００５４】
一方、上記の触媒粒子発生装置１１０、開閉弁１４１、第１流路切換装置９１、第２流路切換装置９２は、制御部２００に連結されてその動作が制御される。
【００５５】
図５は、本発明の第２実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。以下では、本実施例の特徴的な事項のみを説明し、同一の構成要素には同一の参照符号を付する。
【００５６】
図５に示すように、本実施例による燃料電池システムにおいては、流動発生源１２０として送風ファン１２２が用いられる。図１に示す第１の実施例では、ガスタンク１２１に貯蔵されるガスが触媒粒子を一酸化炭素浄化器２０に運搬する媒体として働いたが、本実施例では送風ファン１２２によって流動する空気が、触媒粒子発生装置１１０で発生した触媒粒子を一酸化炭素浄化器２０に移動させる。送風ファン１２２と触媒粒子発生装置１１０とを連結するパイプ１４０ａには、外部から流入する空気をフィルタリングするフィルター１４１ａが設置される。
【００５７】
以下、図１、図６及び図７を参照して、本発明の一実施例による燃料電池システムの動作及び制御方法について説明する。図６は、本発明の一実施例による燃料電池システムにおいて触媒供給動作を説明するための図であり、図７は、本発明の一実施例による燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【００５８】
燃料ポンプ４２を稼動し、燃料タンク４１に貯蔵されている燃料を改質器１０に供給する。すると、改質器１０では熱源１１から熱が供給され、改質反応を通じて燃料から水素ガスが発生する。この時、改質反応が完全には行われず、よって副生成物として一酸化炭素を含む水素ガスが発生される。このように改質器１０で生成された水素ガスは、第１連結管６０を通して一酸化炭素浄化器２０に供給される。この時、制御部２００は、第１流路切換装置９１が触媒供給管１３０を閉じ、第１連結管６０の第１流路部６１と第２流路部６２とを連通させるように第１流路切換装置９１を制御することによって、改質器１０で発生した水素ガスが一酸化炭素浄化器２０の内部に供給される。一酸化炭素浄化器２０に供給された水素ガス中の一酸化炭素は、反応器本体２１内部の酸化触媒層２２を通過しながら、空気ポンプ５１より供給される空気中の酸素と選択的酸化反応をし、これにより、一酸化炭素の濃度が低減する。このような浄化過程を終えた水素ガスは、第２連結管７０を通して電気発生部３１に供給される。この時、制御部２００は、第２流路切換装置９２が分岐管１５０を閉じ、第２連結管７０の第１流路部７１と第２流路部７２とを連通させるように第２流路切換装置９２を制御することによって、一酸化炭素浄化器２０から排出される水素ガスが電気発生部３１に供給される。電気発生部３１に供給された水素ガスは、空気ポンプ５１から供給される空気（酸素）と共に酸化／還元反応に参入し、電気を発生させる（Ｓ３１０参照）。
【００５９】
一方、浄化過程を終えた水素ガスは、電気発生部３１に供給されながら第２連結管７０に設置されたガスセンサー８０を通過し、この時、ガスセンサー８０は、一酸化炭素浄化器２０で除去されなかった一酸化炭素の濃度（Ｃｍ）を測定し、その結果を制御部２００に提供する（Ｓ３２０参照）。
【００６０】
次いで、制御部２００は、測定された一酸化炭素の濃度（Ｃｍ）と基準値（Ｃｓ）とを比較する（Ｓ３３０参照）。比較の結果、測定された一酸化炭素の濃度が基準値以上と判断される場合には、制御部２００は、Ｓ３１０で説明したような電気発生動作を中断し、第１流路切換装置９１と第２流路切換装置９２を制御して流路を切り換える。すなわち、制御部２００は、第１連結管６０の第１流路部６１が触媒供給管１３０と連通すると同時に、第１連結管６０の第２流路部６２が閉じるように第１流路切換装置９１を制御する。また、制御部２００は、第２連結管７０の第１流路部７１が分岐管１５０と連通すると同時に、第２連結管７０の第２流路部７２が閉じるように第２流路切換装置９２を制御する（Ｓ３４０参照）。測定された一酸化炭素の濃度（Ｃｍ）が基準値よりも小さいと判断された場合は、Ｓ３２０に戻って測定過程を繰り返す。
【００６１】
この状態で、制御部２００は、ガスタンク１２１と触媒粒子発生装置１１０とを連結するパイプ１４０に介装された開閉弁１４１を開き、ガスタンク１２１から所定圧力のガスが排出される。この排出されたガスは触媒粒子発生装置１１０側に流動する（ただし、図５の実施例では、制御部２００が送風ファン１２２を動作させて空気の流動を発生させる）。また、制御部２００は、触媒粒子発生装置１１０に電源を印加して加熱体１１４を加熱し、加熱体１１４に安置している触媒材料Ｍを気化させる。気化した触媒材料Ｍは、流動するガスと会って瞬間的に冷却され、このような過程で微細な触媒粒子Ｐが生成される。生成された触媒粒子は、ガス流動に沿って触媒供給管１３０、第１連結管６０の第１流路部７１を経て一酸化炭素浄化器２０の酸化触媒層２２を通過し、この時、触媒粒子Ｐは酸化触媒層２２の担体２２ａに付着される。このように新しい触媒粒子が酸化触媒層２２に供給されると、酸化触媒層２２の機能が回復され、一酸化炭素浄化器２０の反応効率が改善される。酸化触媒層２２を通過したガス流動は、排出口２１ｂから反応器本体２１に排出され、第２連結管７０の第１流路部７１及び分岐管１５０を通して外部に排出される（Ｓ３５０参照）。
【００６２】
このような触媒供給過程が一定時間続いた後には、Ｓ３１０に戻り、上記の過程と同様にして電気を発生させる（Ｓ３６０参照）。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池システムにおいて一酸化炭素浄化器の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施例による触媒粒子発生装置の構成を示す断面図である。
【図４】図３における加熱ユニットを示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の一実施例による燃料電池システムにおいて触媒供給動作を示す図である。
【図７】本発明の一実施例による燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１０      改質器
２０      一酸化炭素浄化器
２２      酸化触媒層
３１      電気発生部
６０      第１連結管
７０      第２連結管
８０      ガスセンサー
９１      第１流路切換装置
９２      第２流路切換装置
１００    触媒供給装置
１１０    触媒粒子発生装置
１１３    加熱ユニット
１２０    流動発生源
１２１    ガスタンク
１２２    送風ファン
１３０    触媒供給管
１５０    分岐管
２００    制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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