(57)【要約】【課題】  たとえばＣＯ酸化器におけるメタネーション反応を容易な構成でかつ即座に検出することのできる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】  触媒を用いて炭化水素系燃料に改質反応を起こさせる改質器３と、改質器３における触媒を加熱するためのバーナ４と、改質器３によって生成された反応ガス中のＣＯ成分を除去するためのＣＯ酸化器６と、ＣＯ酸化器６によってＣＯ成分が除去された反応ガスによって発電する燃料電池７と、燃料電池７から放出される未反応ガスをバーナ４に供給する配管１８と、未反応ガスがバーナ４に供給されることにより生じる火炎を検知するための電極とバーナ４との間に流れる電流を検出し、検出された電流が予め定める閾値を越えた場合、異常であると判別する制御部８とを備える。【選択図】  図１
2005116377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を用いて炭化水素系燃料に改質反応を起こさせる改質手段と、
前記改質手段における触媒を加熱するための加熱手段と、
前記改質手段によって生成された反応ガス中の特定成分を除去するための成分除去手段と、
前記成分除去手段によって特定成分が除去された反応ガスによって発電する燃料電池と、
前記燃料電池から放出される未反応ガスを前記加熱手段に供給する供給手段と、
前記供給手段によって未反応ガスが前記加熱手段に供給されることにより生じる火炎を検知するための電極と前記加熱手段との間に流れる電流を検出するための火炎電流検出手段と、
前記火炎電流検出手段によって検出された電流が予め定める閾値を越えた場合、異常であると判別する異常判別手段と、
を備えることを特徴とする、燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記火炎電流検出手段は、
前記加熱手段によって放出される火炎を検知する機能をも兼ねている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記異常判別手段によって異常であると判別された場合、発電に関する所定の動作を停止させる動作停止手段を備える、請求項１または２に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電する燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば固体高分子型の燃料電池における発電システムが種々提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２６０３８７号公報
【０００３】
上記燃料電池発電システムでは、都市ガス（天然ガス）やＬＰガスなどの炭化水素系燃料を脱硫した後、水蒸気と混合させ、７００℃程度に加熱された触媒を充填した改質器に導入し、水素（以下、適宜「Ｈ2」と記す）や炭酸ガス（ＣＯ2）を含む改質ガスを生成する。炭化水素系燃料がたとえばメタンの場合の改質器における反応式を以下に示す。
【０００４】
【化１】
2005116377.tif 000003
【０００５】
上記改質ガスには、Ｈ2やＣＯ2のほか、未反応のメタンや未反応の水蒸気とともに、一酸化炭素（以下、適宜「ＣＯ」と記す）が含まれている。改質ガスは、通常、燃料電池に供給されるが、ＣＯ濃度の高いＨ2を含む改質ガスが燃料電池に供給されると、燃料電池内に設けられた電極が被毒を起こし、燃料電池の性質を著しく低下させるため、ＣＯ変成器およびＣＯ酸化器によってＣＯ分を除去する必要がある。
【０００６】
具体的には、内部温度が約１７０℃〜２５０℃に保持されたＣＯ変成器に改質器からの改質ガスを供給し、ＣＯ濃度を約１％以下にする。さらに、内部温度が約１００℃〜２００℃に保持されたＣＯ酸化器に改質ガスを供給することにより、ＣＯ濃度を約１０ｐｐｍ以下にする。ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下にされた改質ガスは、Ｈ2を含んだまま燃料電池に供給され、これにより、燃料電池は、所望の直流電圧を外部に出力することができる。そして、燃料電池では、発電に用いられなかった不反応ガスが放出されるが、通常、この不反応ガスは、改質器を加熱するバーナに供給される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ＣＯ酸化器では、冷却器（熱交換器）などが用いられ、内部が適正な温度となるように制御されている。また、ＣＯ酸化器では、ＣＯ濃度を低下させるために微小量の空気が混合される。しかしながら、この空気量が過剰になると、水素が酸化してしまい、燃料電池に供給される水素が減少してしまうといった問題点がある。
【０００８】
また、生成熱によりＣＯ酸化器の温度が上昇するとともに、都市ガスの主成分であったメタンガスを生成する、いわゆるメタネーション反応が起こる（たとえば特開２００１−１９９７０５号公報参照）。この場合の反応式を以下に示す。
【０００９】
【化２】
2005116377.tif 000004
【００１０】
そこで、このメタネーション反応の発生を検出するために、改質器のバーナにおいてメタンガスの濃度を検知する濃度検出センサを設け、その濃度検出センサの出力に基づいてメタネーション反応の発生を検出することが考えられる。しかしながら、このような濃度検出センサは、比較的高価であるため、システム全体が高コストになるといった問題点があった。また、ＣＯ酸化器における温度上昇をＣＯ酸化器に取り付けた温度センサによって検出することも考えられるが、検出時間に長時間を有し、実用的ではない。
【００１１】
本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、ＣＯ酸化器におけるメタネーション反応を容易な構成でかつ即座に検出することのできる燃料電池発電システムを提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１３】
本願発明によって提供される燃料電池発電システムによれば、触媒を用いて炭化水素系燃料に改質反応を起こさせる改質手段と、前記改質手段における触媒を加熱するための加熱手段と、前記改質手段によって生成された反応ガス中の特定成分を除去するための成分除去手段と、前記成分除去手段によって特定成分が除去された反応ガスによって発電する燃料電池と、前記燃料電池から放出される未反応ガスを前記加熱手段に供給する供給手段と、前記供給手段によって未反応ガスが前記加熱手段に供給されることにより生じる火炎を検知するための電極と前記加熱手段との間に流れる電流を検出するための火炎電流検出手段と、前記火炎電流検出手段によって検出された電流が予め定める閾値を越えた場合、異常であると判別する異常判別手段と、を備えることを特徴としている。
【００１４】
本願発明の好ましい実施の形態によれば、前記火炎電流検出手段は、前記加熱手段によって放出される火炎を検知する機能をも兼ねていてもよい。
【００１５】
本願発明の他の好ましい実施の形態によれば、前記異常判別手段によって異常であると判別された場合、発電に関する所定の動作を停止させる動作停止手段を備えていてもよい。
【００１６】
上記構成によれば、炭化水素系燃料は、加熱手段によって加熱された改質手段によって改質反応を起こし、成分除去手段（たとえばＣＯ酸化器）によって反応ガス（改質ガス）中の特定成分（たとえばＣＯ成分）が除去され、反応ガスが燃料電池に供給されることにより、燃料電池が発電する。燃料電池では発電することにより未反応ガスが放出されるが、その未反応ガスは、加熱手段に供給され、改質手段の触媒の加熱に供される。本発明では、未反応ガスが加熱手段に供給されることにより生じる火炎を検知するための電極と加熱手段との間に流れる電流を検出し、検出された電流が予め定める閾値を越えた場合、異常であると判別する。すなわち、成分除去手段によって温度が上昇すると、たとえばメタンガスが発生するといったメタネーション反応が生じるが、上記火炎を検知するための電極と加熱手段との間に流れる電流は、メタンガスの濃度に比例して大となる特性がある。上記方法では、電流が大となるのは、ＣＯ酸化器においてメタネーション反応が生じたことによりメタンガスの濃度が増していると想定でき、これにより、異常を判別することができる。
【００１７】
上記構成では、火炎を検知するための電極と加熱手段との間に流れる電流を検出するための火炎電流検出手段は、燃料電池発電システムでは通常備えられている火炎の状態を検知するための火炎検知センサで代用することができるため、上記の構成を低コストで容易に実現することができる。また、たとえばメタンガスの濃度は、ＣＯ酸化器に取り付けた温度センサなどによっても検出可能であるが、上記火炎電流検出手段による方法では、温度センサなどによる方法に比べて即座に異常を検出することができるといった利点がある。
【００１８】
本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本願発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本願発明に係る燃料電池発電システムの構成図である。この燃料電池発電システムは、燃料電池を用いて発電を行うシステムであり、都市ガス（天然ガス）、ＬＰガスなどの炭化水素系燃料ガスが供給されることに基づいて、水素（以下、適宜「Ｈ2」と記す）を生成し、それを燃料電池に供給して燃料電池において所望の電力を取得することができるものである。なお、この燃料電池発電システムに供給される燃料として灯油、石油などのガス以外の液体の燃料が供給されても同様の機能が実現可能であるが、以下の説明では、便宜上、燃料ガスを用いる。
【００２１】
この燃料電池発電システムは、燃料ガス中の硫黄成分を除去するための脱硫器１と、燃料用ガスと水蒸気とを混合するためのエジェクタ２と、混合ガスに水蒸気によって改質反応を起こさせ水素が豊富な状態（以下、「水素リッチ」という）の改質ガスを生成する改質器３と、改質器３を加熱するためのバーナ４と、改質ガス中の一酸化炭素（以下、適宜「ＣＯ」と記す）を水蒸気により二酸化炭素（以下、適宜「ＣＯ2」と記す）に酸化して除去するＣＯ変成器５と、改質ガス中のＣＯを酸化してさらにＣＯを除去するＣＯ酸化器６と、ＣＯ酸化器６からの改質ガスを取り入れて発電を行う固体高分子型の燃料電池７と、この燃料電池発電システムの制御動作を司る制御部８とによって概略構成されている。
【００２２】
脱硫器１は、燃料ガスが供給される配管１１に接続されており、脱硫用の触媒が充填された触媒担持体を内部に備えている。配管１１は、脱硫器１の上流側で分岐された分岐管１２が接続されており、分岐管１２は、改質器３のバーナ４に接続されている。これにより、燃料ガスは、脱硫器１に供給されるとともに、バーナ４に供給されバーナ４の加熱に寄与する。脱硫器１は、配管１３を介してエジェクタ２に接続されている。
【００２３】
エジェクタ２は、配管１３の途中に設けられ、脱硫器１で硫黄成分が除去された燃料ガスと水蒸気とを混合させるものである。混合された燃料ガスは、配管１３を介して改質器３に供給される。
【００２４】
改質器３は、水蒸気改質用の触媒（たとえばニッケル系触媒）が充填された触媒担持体を有している。改質器３には、それを加熱するためのバーナ４と、バーナ４から放出される火炎を検出するための火炎検出センサ２１と、改質器３内部の温度を検出するための温度センサ２２とが設けられている。
【００２５】
火炎検出センサ２１は、火炎の有無を検出するためのものであり、図示しない電極を備えている。より詳細には、火炎検出センサ２１は、バーナ４からガスが放出されているのにもかかわらず、火炎が放出されていないといった不都合な状態を検出するために設けられているものである。本実施形態では、後述するように、この火炎検出センサ２１を利用して、火炎が生じることに基づく、バーナ４と、火炎検出センサ２１の電極との間に流れる電流を制御部８によって検知するようにしている。
【００２６】
改質器３は、エジェクタ２で水蒸気と混合された燃料ガスに水蒸気によって改質反応を起こさせＣＯを含む水素リッチな改質ガスを生成する。改質器３は、配管１４を介してＣＯ変成器５に接続され、改質器３において生成されたＨ2やＣＯなどを含む改質ガスがＣＯ酸化器６に送られる。
【００２７】
ＣＯ変成器５は、ＣＯ変成用触媒（銅−亜鉛系触媒など）が充填された触媒担持体を有している。ＣＯ変成器５は、内部温度がたとえば２００℃〜３００℃に保持され、たとえば水蒸気を用いて改質ガス中のＣＯを酸化し、ＣＯの濃度を約１％以下になるまで低下させる。ＣＯ変成器５は、配管１５を介してＣＯ酸化器６に接続されている。
【００２８】
ＣＯ酸化器６は、ＣＯ変成器５によってＣＯ濃度が約１％以下になるまで低下された改質ガスに対して微量の空気を混在させ、その改質ガス中のＣＯ濃度を約１０ｐｐｍ以下になるまで低下させるものである。ＣＯ酸化器６は、その周囲に図示しない冷却器が備えられており、この冷却器により内部の温度がたとえば１００℃〜１５０℃に保持されている。ＣＯ酸化器６は、配管１６およびこの途中に設けられた三方弁２３を介して燃料電池７に接続されている。
【００２９】
配管１６は、三方弁２３を介して燃料電池７に接続されている。配管１６は、三方弁２３において分岐管１７に分岐され、分岐管１７は、バーナ４に接続されている。三方弁２３は、ＣＯ酸化器６からの改質ガスの送出方向を燃料電池７またはバーナ４に制御部８からの制御信号に基づいて切り換えるものである。たとえば、この燃料電池発電システムの起動直後は、ＣＯ酸化器６からの改質ガスがバーナ４に向かうように三方弁２３が切り換えられる。ＣＯ酸化器６からの改質ガスのＣＯ濃度がたとえば約１０ｐｐｍ以下になるまで反応が進むと、ＣＯ酸化器６からの改質ガスが燃料電池７に向かうように三方弁２３が切り換えられ、定常運転時では、改質ガスが燃料電池７に供給される状態が維持される。
【００３０】
燃料電池７は、ＣＯ酸化器６から送出される改質ガスに基づいて、所定の発電動作を行い、図示しない家電装置（冷蔵庫など）に電力を供給する。燃料電池７は、配管１８を介してバーナ４に接続されており、発電後に残った未反応ガスが配管１８を通じてバーナ４に送られる。そして、バーナ４において未反応ガスが加熱昇温に利用されるようになっている。
【００３１】
制御部８は、たとえば電子部品が搭載されたプリント基板によって構成され、図示しないマイクロコンピュータ、各種のデータを必要に応じて記憶するＲＡＭ、運転実行プログラムや各種のデータを記憶するＲＯＭなどによって構成されている。マイクロコンピュータは、本燃料電池システムの制御中枢となるものであり、ＲＯＭに記憶されている運転実行プログラムや各種センサにおける検出信号などに基づいて、バーナ４の燃焼動作、各種バルブの開閉などを制御する。
【００３２】
特に、制御部８は、火炎検出センサ２１の検出出力に基づいて燃料電池７からバーナ４に供給されるオフガスに所定量のメタンガスが含まれることを検出する。すなわち、制御部８は、火炎検出センサ２１によって火炎が生じることに基づく、バーナ４と、火炎検出センサ２１の電極との間に流れる電流を監視し、その電流量が予め定める閾値を超えた場合、本燃料電池発電システムの異常と検出する。
【００３３】
すなわち、ＣＯ酸化器６において温度が上昇してメタネーション反応が生じると、通常、Ｈ2とＣＯ2とが生成されるべきところ、メタンガスが生じ、そのメタンガスは、燃料電池７および配管１８を介してバーナ４に供給される。この場合、メタネーション反応が発生しているため、燃料電池発電システムの運転自体を停止させることが必要となる。
【００３４】
バーナ４と火炎検出センサ２１の電極との間に流れる電流は、このメタンガスの濃度が高いほど大となる特性があり、本実施形態では、その特性を利用して、バーナ４と、火炎検出センサ２１の電極との間に流れる電流を監視することにより、メタネーション反応が起きたと想定して異常を検出するようにしている。
【００３５】
次に、本燃料電池発電システムにおける作用を説明する。
【００３６】
まず、燃料ガスは、配管１１を介して脱硫器１に供給されることにより硫黄成分が除去され、配管１３を介してエジェクタ２に供給される。また、燃料ガスは、分岐管１２を介してバーナ４に供給され、改質器３の加熱に供される。エジェクタ２では、硫黄成分が除去された燃料ガスが水蒸気と混合され、改質器３に供給される。
【００３７】
改質器３では、エジェクタ２で水蒸気と混合された燃料ガスに水蒸気によって改質反応を起こさせ、水素リッチな改質ガス、たとえばＨ2とＣＯとを含むガスを生成する。生成された改質ガスは、配管１４を介してＣＯ変成器５に送られる。
【００３８】
ＣＯ変成器５では、内部温度がたとえば２００℃〜３００℃に保持され、水蒸気を用いて改質ガス中のＣＯが酸化され、ＣＯの濃度を約１％以下になるまで低下させる。ＣＯ濃度が約１％以下になった改質ガスは、配管１５を介してＣＯ酸化器６に送られる。
【００３９】
ＣＯ酸化器６では、図示しない冷却器により内部の温度がたとえば１００℃〜１５０℃に保持され、ＣＯ変成器５によってＣＯ濃度が約１％以下になるまで低下された改質ガスは、微量の空気が混在され、その改質ガス中のＣＯ濃度を約１０ｐｐｍ以下になるまで低下させられる。ＣＯ濃度が約１０ｐｐｍ以下に低下した改質ガスは、配管１６および三方弁２３に向けて送出される。
【００４０】
制御部８は、燃料電池発電システムの起動直後、ＣＯ酸化器６からの改質ガスがバーナ４に向かうように三方弁２３を切り換える。これにより、改質ガスは、バーナ４に供給され、バーナ４による改質器３の加熱に寄与する。
【００４１】
次いで、制御部８は、ＣＯ酸化器６からの改質ガスのＣＯ濃度がたとえば約１０ｐｐｍ以下になるまで反応が進むと、ＣＯ酸化器６からの改質ガスが燃料電池７に向かうように三方弁２３を切り換える。これにより、改質ガスは、燃料電池７に供給され、以後、定常運転時ではこの状態が維持される。
【００４２】
ＣＯ酸化器６から送出され燃料電池７に供給された改質ガスは、燃料電池７における所定の発電動作に用いられる。燃料電池７は、図示しない家電装置（冷蔵庫など）に対して電力を供給する。ここで、燃料電池７において、発電後に残った未反応ガスは、配管１８を通じてバーナ４に送られる。そして、バーナ４において未反応ガスが加熱昇温に利用される。
【００４３】
このとき、ＣＯ酸化器６において温度が上昇すると、メタネーション反応を起こし、メタンガスが生成される。生成されたメタンガスは、配管１６、燃料電池７および配管１８を介してバーナ４に供給される。すなわち、この場合、メタンガスがオフガスとしてバーナ４に供給され、バーナ４からはメタンガスにより火炎が放出される。この場合、火炎が生じることに基づく、火炎検出センサ２１の電極とバーナ４との間に流れる電流が制御部８によって検出され、図２に示すように、検出された電流の値が予め定める閾値に達すると（点Ａ参照）、制御部８は、この燃料電池発電システム自体を停止させるように制御する。具体的には、燃焼ガスの脱硫器２への供給を遮断する。あるいは、バーナ４を消化させる。
【００４４】
このように、火炎検出センサ２１の電極とバーナ４との間に流れる電流を検出することにより、メタンガスの濃度の上昇を検出して、ＣＯ酸化器６のメタネーション反応といった異常状態を検出することができる。なお、ＣＯ酸化器６のメタネーション反応によるメタンガスの発生は、メタン濃度検出センサなどを用いて検出することは可能であるが、本実施形態では、従来から設けられている火炎検出センサ２１を用いることにより、特別なセンサを新たに設ける必要性がなく容易に実現できるため、コストの増加がほとんどなく安価にシステムを構築することができるといった利点がある。
【００４５】
また、ＣＯ酸化器６のメタネーション反応におけるメタンガスの発生を温度センサによって検出することも可能であるが、温度が上昇してそれを検出するのに、ある程度の時間が必要となるが、本実施形態では、バーナ４から放出される火炎に基づいて検出しているので、即座にその異常を検出することができる。
【００４６】
もちろん、この発明の範囲は上述した実施の形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明にかかる燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図２】火炎電流とメタンガスの濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  脱硫器
３  改質器
４  バーナ
５  ＣＯ変成器
６  ＣＯ酸化器
７  燃料電池
８  制御部
２１  火炎検出センサ
【図１】
2005116377.tif 000005
【図２】
2005116377.tif 000006