(57)【要約】【課題】選択酸化触媒に供給される酸素含有ガス量を簡素な構成で制御することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】選択酸化触媒３１の温度が高い場合、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が多く水素がメタンに変わるメタネーション反応が起き、燃料電池の燃料不足が発生して電圧低下を引き起こすと考えられる。よって制御部１０は、選択酸化触媒３１の温度が第１の基準温度よりも高い場合、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が少なくなるようにブロア３３を制御する。選択酸化触媒３１の温度が低い場合、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が少なく改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇して燃料電池の電圧低下を引き起こすと考えられる。よって制御部１０は、選択酸化触媒３１の温度が第２の基準温度よりも低い場合、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が多くなるようにブロア３３を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成された前記改質ガスの一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化触媒と、
前記選択酸化触媒に前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
前記選択酸化触媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度が第１の基準温度よりも高い場合に、前記選択酸化触媒に供給される前記酸素含有ガスが少なくなるように前記酸素含有ガス供給手段を制御すると共に、前記温度検出手段によって検出された温度が、前記第１の基準温度よりも低い温度である第２の基準温度よりも低い場合に、前記選択酸化触媒に供給される前記酸素含有ガスが多くなるように前記酸素含有ガス供給手段を制御する酸素含有ガス制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度検出手段は、選択酸化触媒における複数箇所の温度を検出し、
前記酸素含有ガス制御手段は、前記検出された複数の温度から統計処理値を算出し、算出された前記統計処理値に基づいて、前記酸素含有ガス供給手段を制御す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】
前記温度検出手段は、少なくとも、前記選択酸化触媒における前記改質ガスの導入部の温度と、前記選択酸化触媒における前記改質ガスの導出部の温度とを検出する、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとしては、バーナを用いて灯油や液化石油ガス、天然ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質ガスに含まれる一酸化炭素と空気とを反応させ選択的に酸化して二酸化炭素に転換することにより、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させる選択酸化触媒（ＣＯ除去器）と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８７８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の燃料電池システムでは、例えば、選択酸化触媒に空気（酸素含有ガス）を供給するための空気ラインに、空気を供給するためのブロアと、ブロアから導出された空気の流量を計測する空気流量計と、が設けられ、空気流量計による測定値に基づいてブロアをフィードバック制御することにより、ブロアから導出される空気の量を制御することが行われている。ここで、選択酸化触媒に供給される空気の量が少ないと、改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇し、固体高分子形燃料電池の電圧低下を引き起こす原因となる。一方、選択酸化触媒に供給される空気の量が多いと、選択酸化触媒において水素がメタンに変化するメタネーション反応が生じ、固体高分子形燃料電池の燃料不足が発生し、電圧低下を引き起こす原因となる。
【０００５】
このため、ブロアから導出された空気の流量を正確に測定し、測定結果に基づいてブロアを制御する必要があるが、ブロアから導出される空気は脈動することがあり、空気流量計の計測値が不安定になる恐れがある。そこで、ブロアと選択酸化触媒との間の空気ライン上において、空気流量計の吸入側又は吐出側にキャピラリ（絞り）と、空気を一時的に溜めるバッファタンクと、を設け、キャピラリとバッファタンクとによってブロアから導出された空気の脈動を低減することが行われる場合がある。しかしながら、このような場合、前述のようにキャピラリやバッファタンクが必要となることから、所望の量の空気を選択酸化触媒に供給するための構成が複雑化し、装置の大型化やコストアップを招くといった問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、選択酸化触媒に供給される酸素含有ガス量を簡素な構成で制御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】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成された改質ガスの一酸化炭素濃度を酸素含有ガスを用いて低下させる選択酸化触媒と、選択酸化触媒に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、選択酸化触媒の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出された温度が第１の基準温度よりも高い場合に、選択酸化触媒に供給される酸素含有ガスが少なくなるように酸素含有ガス供給手段を制御すると共に、温度検出手段によって検出された温度が、第１の基準温度よりも低い温度である第２の基準温度よりも低い場合に、選択酸化触媒に供給される酸素含有ガスが多くなるように酸素含有ガス供給手段を制御する酸素含有ガス制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この発明では、選択酸化触媒の温度によって選択酸化触媒に供給する酸素含有ガスの量を好適に制御することができるため、選択酸化触媒に供給される酸素含有ガスの流量を計測するガス流量計や、ガス流量計の計測値を安定化させるためのキャピラリやバッファタンク等が不要となり、選択酸化触媒に供給される酸素含有ガス量を簡素な構成で制御することができる。
【０００９】
また、温度検出手段は、選択酸化触媒における複数箇所の温度を検出し、酸素含有ガス制御手段は、検出された複数の温度の統計処理値に基づいて、酸素含有ガス供給手段を制御する、ことが好適である。これにより、選択酸化触媒におけるより正確な温度に基づいて、選択酸化触媒に供給する酸素含有ガスの量を制御することができる。
【００１０】
さらに、温度検出手段は、少なくとも、選択酸化触媒における改質ガスの導入部の温度と、選択酸化触媒における改質ガスの導出部の温度とを検出する、ことが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、選択酸化触媒に供給される酸素含有ガス量を簡素な構成で制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳの構成を示すブロック図である。
【図３】図１の燃料電池システムの制御部が行う制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図１の燃料電池システムの制御部が行う変形例における制御処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、ＦＰＳ３（燃料処理システム）及び燃料電池４を備え、これらが筐体５に収容されている。この燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、ここでは、原燃料として、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられている。
【００１５】
脱硫器２は、外部から導入（流入）された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施して硫黄分を除去し、この硫黄分を除去した原燃料をＦＰＳ３へ供給する。ＦＰＳ３は、原燃料及び改質水から改質ガスを生成し、この生成した改質ガスを燃料電池４へ供給する。また、ＦＰＳ３は、燃料電池４で使用されなかったオフガス（燃料電池４では水素のみが消費されるために反応に使用されない残ガス）を利用し、改質ガスを生成する。
【００１６】
燃料電池４は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。ここでの燃料電池４は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。燃料電池４の各電池セルでは、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。燃料電池４で発生した電力は、コンバータ６及びインバータ７を介して、家庭に供給される。コンバータ６は、直流の電力を変圧し、インバータ７は、変圧された電力を直流から交流に変換する。
【００１７】
図２は、ＦＰＳの構成を示すブロック図である。図２に示すように、ＦＰＳ３は、改質器３０、選択酸化触媒３１及び制御部１０を含んで構成されている。改質器３０は、原燃料供給ラインＬ１から導入された原燃料、及び改質水供給ラインＬ５から導入された改質水を水蒸気改質することにより改質ガスを生成し、この生成した改質ガスを改質ガス供給ラインＬ２を通じて選択酸化触媒３１に供給する。
【００１８】
選択酸化触媒３１は、改質ガス供給ラインＬ２から導入された改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるものであり、改質ガスに含まれる一酸化炭素と空気供給ラインＬ３から導入される空気（酸素含有ガス）とを反応させ選択的に酸化して二酸化炭素に転換する。そして、選択酸化触媒３１は、一酸化炭素濃度を低下させた改質ガスを改質ガス供給ラインＬ４を通じて後段の燃料電池４（図１参照）へ供給する。
【００１９】
この選択酸化触媒３１における改質ガスの導出部には、選択酸化触媒３１の温度を検出する温度センサ１１（温度検出手段）が設けられている。ここで、改質ガスの導出部とは、選択酸化触媒３１における改質ガスの導出口及び導出口の近傍の部分を含むものとする。
【００２０】
空気供給ラインＬ３には、該空気供給ラインＬ３を通じて選択酸化触媒３１に空気を導入するためのブロア３３（酸素含有ガス供給手段）と、空気供給ラインＬ３において空気を遮断又は流通可能とする電磁弁３２とが設けられている。
【００２１】
制御部１０は、電磁弁３２による空気の遮断又は流通を切り替える制御を行う。具体的には、制御部１０は、ブロア３３を作動させて選択酸化触媒３１に空気を導入する場合、空気供給ラインＬ３にて空気が流通可能となるよう電磁弁３２を開とすると共に、選択酸化触媒３１に空気を供給しない場合、空気供給ラインＬ３にて空気の流通が遮断されるよう電磁弁３２を閉とする。
【００２２】
また、この制御部１０には、燃料電池４の負荷（発電電力）、及び温度センサ１１で検出された選択酸化触媒３１の温度が入力される。そして、制御部１０は、これらの入力に基づいてブロア３３の出力を制御するための制御定数を設定し、設定された制御定数に基づいてブロア３３を制御し、該ブロア３３から導出される空気の量を制御する。
【００２３】
具体的には、制御部１０は、燃料電池４の負荷と選択酸化触媒３１の温度とに係る関数やマップ等に基づき制御定数を求め、この制御定数によってブロア３３を制御し、ブロア３３から選択酸化触媒３１に供給される空気量を増減させる。
【００２４】
次に、制御部１０の処理について説明する。図３は、制御部が行う制御処理の流れを示すフローチャートである。なお、図３に例示する処理は、燃料電池４の負荷に基づき設定された制御定数によってブロア３３が制御され、燃料電池４の負荷に応じた量の空気がブロア３３から導出されている状態で開始されるものとする。
【００２５】
ステップＳ１０１において制御部１０は、温度センサ１１によって選択酸化触媒３１の温度Ｘを検出する。ステップＳ１０２において制御部１０は、ステップＳ１０１で検出した温度Ｘが任意で定められる下限温度（以下、第２の基準温度ｂという。）未満であるかどうか（Ｘ＜ｂ）、第２の基準温度ｂ以上且つ任意で定められる上限温度（以下、第１の基準温度ａという。）以下であるかどうか（ｂ≦Ｘ≦ａ）、又は第１の基準温度ａよりも高いかどうか（ａ＜Ｘ）を判断する。ここで、第２の基準温度ｂは第１の基準温度ａよりも低い温度となっている。
【００２６】
この第１の基準温度ａは、例えば、選択酸化触媒３１でのメタネーション反応によって燃料電池４の電圧低下が生じないような基準温度、又は当該温度に対して下方に若干の余裕を持たせた温度であってもよい。また、第２の基準温度ｂは、例えば、選択酸化触媒３１への空気の供給量不足によって残存ＣＯが増加することによる燃料電池４の電圧低下が生じないような基準温度、又は当該温度に対して上方に若干の余裕を持たせた温度であってもよい。
【００２７】
温度Ｘが第２の基準温度ｂ未満（ステップＳ１０２：Ｘ＜ｂ）である場合には、ステップＳ１０３の処理へ進み、温度Ｘが第２の基準温度ｂ以上且つ第１の基準温度ａ以下（ステップＳ１０２：ｂ≦Ｘ≦ａ）である場合には、ステップＳ１０４の処理へ進む。また、温度Ｘが第１の基準温度ａよりも高い（ステップＳ１０２：ａ＜Ｘ）場合には、ステップＳ１０５の処理へ進む。
【００２８】
ステップＳ１０３において制御部１０は、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が多くなるようにブロア３３の制御定数を補正して、補正後の制御定数に基づいてブロア３３を制御し、ステップＳ１０１の処理に戻る。ステップ１０４において、制御部１０は、選択参加触媒３１に供給される空気の量を維持すべく、ブロア３３の出力を維持し、ステップＳ１０１の処理に戻る。ステップＳ１０５において制御部１０は、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が少なくなるようにブロア３３の制御定数を補正して、補正後の制御定数に基づいてブロア３３を制御し、ステップＳ１０１の処理に戻る。
【００２９】
一般的に、選択酸化触媒３１の温度が高い場合には、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が多く、水素がメタンに変わるメタネーション反応が起き、燃料電池４の燃料不足が発生して電圧低下を引き起こすと考えられる。これを防止するために制御部１０は、上述したように、選択酸化触媒３１の温度が第１の基準温度よりも高い場合、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が少なくなるようにブロア３３を制御する。
【００３０】
一方、選択酸化触媒３１の温度が低い場合には、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が少なく、改質ガス中の一酸化炭素濃度が上昇して燃料電池４の電圧低下を引き起こすと考えられる。これを防止するために制御部１０は、上述したように、選択酸化触媒３１の温度が第２の基準温度よりも低い場合、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が多くなるようにブロア３３を制御する。
【００３１】
即ち、本実施形態においては、ブロア３３から導出された空気量を計測する空気流量計を用いてブロア３３を制御するのでなく、選択酸化触媒３１の温度を監視しつつ該温度によるオープンループ制御によってブロア３３を制御し、選択酸化触媒３１に供給する空気の量を好適に制御している。よって、空気流量計が不要となり、更に、空気流量計の計測値を安定化させるためのキャピラリやバッファタンク等が不要となるため、選択酸化触媒３１に供給される空気の量を簡素な構成（簡略化した構成）で制御することができる。その結果、燃料電池システム１の小型化やコストダウンを図ることが可能となる。
【００３２】
なお、本実施形態では、従来は選択酸化触媒３１の異常な発熱を監視するためのアラーム監視点（温度）として用いていた温度センサ１１を、アラーム監視点としてだけでなくブロア３３を制御するための制御点としても用いることができるといえる。
【００３３】
（変形例）
次に、制御部１０が行う制御処理の変形例について説明する。なお、本変形例は、温度センサ１１の構成、及び制御部１０によって行われる制御処理の内容が上記実施形態と異なるものであり、他の構成は実施形態と同じである。温度センサ１１は、選択酸化触媒３１における改質ガスの導入部の温度Ｘ１及び導出部の温度Ｘ２を検出可能なものである。以下において、実施形態と異なる制御部１０の制御処理の内容についてのみ説明する。図４は、制御部が行う変形例における制御処理の流れを示すフローチャートである。なお、図４に例示する処理は、燃料電池４の負荷に基づき設定された制御定数によってブロア３３が制御され、燃料電池４の負荷に応じた量の空気がブロア３３から導出されている状態で開始されるものとする。
【００３４】
ステップＳ２０１において制御部１０は、温度センサ１１によって選択酸化触媒３１の２箇所の温度Ｘ１及びＸ２を検出する。ステップＳ２０２において制御部１０は、温度Ｘ１及びＸ２の統計処理（例えば平均化処理）を行い、統計処理値としての温度Ｘｓを算出する。ステップＳ２０３において制御部１０は、ステップＳ２０２で算出した温度Ｘｓが第２の基準温度ｂ未満であるかどうか（Ｘｓ＜ｂ）、第２の基準温度ｂ以上且つ任意で定められる第１の基準温度ａ以下であるかどうか（ｂ≦Ｘｓ≦ａ）、又は第１の基準温度ａよりも高いかどうか（ａ＜Ｘｓ）を判断する。ここで、第２の基準温度ｂは第１の基準温度ａよりも低い温度となっている。
【００３５】
この第１の基準温度ａは、例えば、選択酸化触媒３１でのメタネーション反応によって燃料電池４の電圧低下が生じないような基準温度、又は当該温度に対して下方に若干の余裕を持たせた温度であってもよい。また、第２の基準温度ｂは、例えば、選択酸化触媒３１への空気の供給量不足によって残存ＣＯが増加することによる燃料電池４の電圧低下が生じないような基準温度、又は当該温度に対して上方に若干の余裕を持たせた温度であってもよい。
【００３６】
温度Ｘｓが第２の基準温度ｂ未満（ステップＳ２０３：Ｘｓ＜ｂ）である場合には、ステップＳ２０４の処理へ進み、温度Ｘｓが第２の基準温度ｂ以上且つ第１の基準温度ａ以下（ステップＳ２０３：ｂ≦Ｘｓ≦ａ）である場合には、ステップＳ２０５の処理へ進む。また、温度Ｘｓが第１の基準温度ａよりも高い（ステップＳ２０３：ａ＜Ｘｓ）場合には、ステップＳ２０６の処理へ進む。
【００３７】
ステップＳ２０４において制御部１０は、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が多くなるようにブロア３３の制御定数を補正して、補正後の制御定数に基づいてブロア３３を制御し、ステップＳ２０１の処理に戻る。ステップ２０５において、制御部１０は、選択参加触媒３１に供給される空気の量を維持すべく、ブロア３３の出力を維持し、ステップＳ２０１の処理に戻る。ステップＳ２０６において制御部１０は、選択酸化触媒３１に供給される空気の量が少なくなるようにブロア３３の制御定数を補正して、補正後の制御定数に基づいてブロア３３を制御し、ステップＳ２０１の処理に戻る。
【００３８】
以上のように本変形例においては、実施形態と同様に燃料電池システム１の小型化やコストダウンを図ることが可能となるとともに、選択酸化触媒３１の２箇所の温度から統計処理を行うことによって算出された温度Ｘｓを用いることで、選択酸化触媒３１におけるより正確な温度に基づいて、選択酸化触媒３１に供給する酸素含有ガスの量を制御することができる。
【００３９】
なお、変形例において、温度センサ１１によって選択酸化触媒３１における改質ガスの導入部及び導出部の２箇所の温度を検出するものとしたが、選択酸化触媒３１の他の部位の温度を検出することもできる。因みに、改質ガスの導入部とは、選択酸化触媒３１における改質ガスの導入口及び導入口の近傍の部分を含むものとする。また、２箇所に限らず、３箇所以上の温度を検出することもできる。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
【００４１】
また、改質器３０と選択酸化触媒３１との間の改質ガスの流路中に、改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気とを反応させて二酸化炭素を生成し、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるＣＯ変成器を備える場合には、ＣＯ変成器の温度を検出する温度センサを更に備えてもよい。この場合、制御部１０がＣＯ変成器の温度と選択酸化触媒３１の温度とに基づいてブロア３３の制御を行うことにより、選択酸化触媒３１に供給される空気をより精度良く制御することができる。
【００４２】
また、制御部１０は、温度センサ１１によって検出される温度が、第２の基準温度ｂ未満であるかどうか、第２の基準温度ｂ以上且つ第１の基準温度ａ以下であるかどうか、又は第１の基準温度ａよりも高いかどうかの３つの場合に場合分けしてブロア３３の制御を行うものとしたが、場合分けの数はこれに限定されない。例えば、より多くの場合分けを行ってブロア３３を制御することにより、より精度良く選択酸化触媒３１に供給される空気の量を制御することができる。
【００４３】
また、改質器３０は、水蒸気改質するものに限定されず、例えば、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよく、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであってもよい。
【００４４】
また、温度センサ（温度検出手段）により取得した温度の統計処理は、相加平均、相乗平均、調和平均、トリム平均、またはメディアン値の算出処理等であってもよい。選択酸化触媒温度のバラツキの傾向は、触媒の種類やリアクター形状等によって異なるため、実施の形態に応じた統計処理を選択することが好ましい。
【符号の説明】
【００４５】
１…燃料電池システム、４…燃料電池、１０…制御部（酸素含有ガス制御手段）、１１…温度センサ（温度検出手段）、３０…改質器、３１…選択酸化触媒、３３…ブロア（酸素含有ガス供給手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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