(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であるとともに、
前記燃料電池の出力の低下を検知する出力低下検知手段と、
前記触媒が被毒状態にあることを検知する被毒状態検知手段と、
前記出力低下検知手段で前記燃料電池の出力の低下が検知されたときに、
前記被毒状態検知手段により前記触媒が被毒状態にあることが検知されなかった場合、燃料電池の理想運転温度に前記燃料電池の温度を制御し、
前記被毒状態検知手段により前記触媒が被毒状態にあることが検知された場合、前記燃料電池の温度を高温側に制御するとともに、該温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持する制御手段と
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池での前記反応ガスの利用の程度をガス利用率として算出するガス利用率算出手段と、
該ガス利用率算出手段で算出したガス利用率が所定値以上となる高利用時に、前記制御手段の動作を禁止する禁止手段と
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段で検出したインピーダンスが所定の範囲外にあるときに、前記制御手段の動作を禁止する禁止手段と
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池の発電装置であって、
前記被毒状態検知手段は、
前記反応ガス中の一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素濃度検出手段と、
前記検出された一酸化炭素の濃度から前記触媒が被毒状態にあることを検知する手段と
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池の発電装置であって、
前記一酸化炭素濃度検出手段は、
電解質膜と、
触媒を担持しつつ前記電解質膜を挟持する２つの電極と、
該２つの電極のうちの一方の電極に前記反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、
前記２つの電極のうちの他方の電極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
所定の負荷が接続された状態で前記２つの電極間の電位差を検出する電位差検出手段と、
該電位差検出手段により検出された電位差に基づいて前記反応ガス中の一酸化炭素の濃度を演算する一酸化炭素濃度演算手段と
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項６】
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池の出力の低下を検知する出力低下検知手段と、
前記触媒が被毒状態にあることを検知する被毒状態検知手段と、
該被毒状態検知手段により前記触媒が被毒状態にあることが検知され、かつ、前記出力低下検知手段により前記燃料電池の出力の低下が検知されたとき、前記燃料電池の温度を高温側に制御する温度制御手段と、
該温度制御手段による温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持するガス圧制御手段と
を備え、さらに、
メタノールを改質して水素を含有する上記反応ガスとしての水素リッチガスを生成する改質器と、
前記反応ガス中のメタノールの濃度を検出するメタノール濃度検出手段と、
該メタノール濃度検出手段で検出されるメタノールの濃度が所定値以上であり、かつ、前記出力低下検知手段で前記燃料電池の出力の低下が検知されたとき、前記改質器の運転を制御することにより、前記反応ガス中のメタノールの濃度を低減させる改質器運転制御手段と
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池の発電装置であって、
前記被毒状態検知手段は、
電解質膜と、
触媒を担持しつつ前記電解質膜を挟持する２つの電極と、
該２つの電極のうちの一方の電極に前記反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、
前記２つの電極のうちの他方の電極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記２つの電極間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記２つの電極間に所定の負荷が接続された状態と、該負荷が切り離された状態とを切り換える負荷切換手段と、
該負荷切換手段により前記２つの電極間に前記所定の負荷が接続された状態のとき、前記電位差検出手段により検出された電位差に基づいて前記反応ガス中の一酸化炭素の濃度を演算する一酸化炭素濃度演算手段と
を備え、
前記メタノール濃度検出手段は、
前記負荷切換手段により前記２つの電極間から前記所定の負荷が切り離された状態のとき、前記電位差検出手段により検出された電位差に基づいて前記反応ガス中のメタノールの濃度を演算するメタノール演算手段
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に密着して設けられ、前記反応ガスの供給を受ける前記電極としての第１の電極と、
前記電解質膜の他方の面に密着して設けられ、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける第２の電極と
を有し、
前記第２の電極に供給される前記酸化ガスの圧力を制御することにより、該酸化ガスの圧力と第１の電極に供給される前記反応ガスの圧力との大小関係を所定の関係に保持する酸化ガス圧制御手段
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池の発電装置であって、
前記酸化ガス圧制御手段は、
前記第１の電極に供給される前記反応ガスの圧力と前記第２の電極に供給される前記酸化ガスの圧力の偏差を所定値以下の範囲内に保持する手段
を備える燃料電池の発電装置。
【請求項１０】
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電方法であって、
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であるとともに、
（ａ）前記燃料電池の出力の低下を検知する工程と、
（ｂ）前記触媒が被毒状態にあることを検知する工程と、
（ｃ）前記工程（ａ）で前記燃料電池の出力の低下が検知されたときに、
前記工程（ｂ）により前記触媒が被毒状態にあることが検知されなかった場合、燃料電池の理想運転温度に前記燃料電池の温度を制御し、
前記工程（ｂ）により前記触媒が被毒状態にあることが検知された場合、前記燃料電池の温度を高温側に制御するとともに、該温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持する工程と
を備える燃料電池の発電方法。
【請求項１１】
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電方法であって、
（ａ）燃料電池の温度を理想運転温度より高温側に制御する工程と、
（ｂ）該工程（ａ）による温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持する工程と
を備え、
前記工程（ａ）は、
（ａ−１）前記燃料電池の出力の低下を検知する工程と、
（ａ−２）前記触媒が被毒状態にあることを検知する工程と、
（ａ−３）前記工程（ａ−１）により前記触媒が被毒状態にあることが検知され、かつ、前記（ａ−２）により燃料電池の出力の低下が検知されたとき、前記燃料電池の温度を高温側に制御する工程と
を備え、
さらに、
前記工程（ｂ）の実行後、前記工程（ａ−１）により前記燃料電池の出力の低下が認められなくなったとき、前記工程（ａ−３）を実行する前の燃料電池の温度の温度に前記燃料電池の温度を、前記工程（ｂ）で反応ガスの圧力を制御する前の圧力に前記反応ガスの圧力をそれぞれ徐々に復帰する工程
を備える燃料電池の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電装置とその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素または水素を含有する燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。
【０００３】
こうした燃料電池の電気エネルギの出力は、ガス圧力、電池温度、ガス利用率などの種々の駆動条件により変化することが知られている。そこで、これらの駆動条件を適切に制御することで燃料電池の出力を高めていた。この種の燃料電池の発電装置のひとつとして、特開平５−２８３０９１号公報に記載の装置が知られている。この装置によれば、燃料電池の動作温度を理想運転温度（燃料電池が固体高分子型のものである場合、約８０［℃］）に制御することにより、電池出力を高めていた。
【０００４】
ところが、燃料電池の電極の触媒が一酸化炭素により被毒を受けたときには、燃料電池を理想運転温度に制御したとしても、燃料電池から必ずしも高出力を得ることができなかった。そこで、本願出願人は、特開平８−１３８７１０号公報に記載の燃料電池の発電装置を提案した。この装置によれば、燃料電池の動作温度を理想運転温度よりも高温側の所定温度に制御することにより、電極触媒の被毒状態時における燃料電池の出力を高めることができた。
【０００５】
電極触媒の被毒状態時に燃料電池の温度を理想運転温度より高温側に制御すると、燃料電池の出力が上昇するのは、次のような理由による。燃料電池の電極触媒の白金表面に対する一酸化炭素の吸着−脱離の平衡関係は、燃料電池の温度が高いほど一酸化炭素がより脱離する方向へ移行することから、燃料電池の温度が高いほど一酸化炭素の吸着量が少なくなる。この影響の度合いは、燃料電池の温度が理想運転温度より高くなってくると、その温度上昇に伴う電池出力の低下を打ち消すほどであり、このために、触媒の被毒状態時には、燃料電池の温度が理想運転温度より高くなると、電池出力が上昇する現象が生じた。
【０００６】
したがって、前述したように、電極触媒の被毒状態時に電池出力の低下が検知されたとき、燃料電池の温度を理想運転温度より高温側の所定温度に制御することにより、電池出力の上昇を図ることができた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の技術では、電極触媒の被毒状態時であっても燃料電池の温度が高くなり過ぎると、電池出力は必ずしも高いものとはならなかった。固体高分子型燃料電池の場合、理想運転温度は約８０[℃]であることから、上記従来の技術では、それより高温側の９０［℃］ないし９５［℃］で運転されるが、それより高温側に制御された場合、ガス中の反応物質、アノード電極側では水素、カソード電極側では酸素が各々の電極の反応の界面、実際には触媒の表面上に充分に供給できなくなり、この結果、燃料電池は安定して高い出力で運転できないといった問題が発生した。
【０００８】
この発明の燃料電池の発電装置は、電極の触媒が被毒状態に陥ったときにも、適切な制御を行なうことで、高出力を得ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題を解決するためになされたこの発明の燃料電池の発電装置（以下、第１発明の燃料電池の発電装置と呼ぶ）は、
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であるとともに、
前記燃料電池の出力の低下を検知する出力低下検知手段と、
前記触媒が被毒状態にあることを検知する被毒状態検知手段と、
前記出力低下検知手段で前記燃料電池の出力の低下が検知されたときに、
前記被毒状態検知手段により前記触媒が被毒状態にあることが検知されなかった場合、燃料電池の理想運転温度に前記燃料電池の温度を制御し、
前記被毒状態検知手段により前記触媒が被毒状態にあることが検知された場合、前記燃料電池の温度を高温側に制御するとともに、該温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持する制御手段と
を備えることを、要旨としている。
【００１０】
この第１発明の燃料電池の発電装置によれば、被毒状態検知手段により触媒が被毒状態にあることが検知され、かつ、出力低下検知手段で燃料電池の出力の低下が検知されたとき、燃料電池の温度が高温側に制御されるとともに、電極に供給される反応ガスの圧力が制御される。この反応ガスの圧力制御は、前記燃料電池の温度が高温側に制御されても、前記反応ガス中の水蒸気分圧が予め定められた所定の範囲の値を保つよう反応ガスの圧力を制御する。
【００１１】
燃料電池の電極触媒に対する一酸化炭素の吸着-脱離の平衡関係は、燃料電池の温度が高いほど一酸化炭素はより脱離する方向へ移行することから、燃料電池の温度が高いほど一酸化炭素の吸着量が少なくなる。一方、燃料電池の温度が高くなり過ぎると、ガス中の水蒸気分圧が高くなり、相対的にガス分率が低下し、反応ガス中の反応物質が各々の電極の反応の界面、実際には触媒の表面上に充分に供給できなくなる。これに対して、この第１発明では、燃料電池の温度を高温側に制御しつつ、反応ガス中の水蒸気分圧を所定の範囲の値に保っていることから、反応ガス中の反応物質が電極に供給できなるのを防ぎつつ燃料電池の電極触媒に対する一酸化炭素の吸着量を減らすことができる。
【００１２】
したがって、触媒の被毒状態時に電池出力の低下が検知されたときに、電池出力を確実に高めることができるといった優れた効果を奏する。
【００１３】
上記第１発明の燃料電池の発電装置において、
前記燃料電池での前記反応ガスの利用の程度をガス利用率として算出するガス利用率算出手段と、
該ガス利用率算出手段で算出したガス利用率が所定値以上となる高利用時に、前記制御手段の動作を禁止する禁止手段と
を備えた構成としてもよい。
【００１４】
この構成によれば、ガス利用率算出手段で算出したガス利用率が所定値以上となる高利用時に、制御手段の動作を、禁止手段により禁止する。ガス利用率の高利用時には、触媒被毒による出力低下と誤認する恐れのある電池出力の低下がみられるが、これに対して、この燃料電池の発電装置によれば、ガス利用率の高利用時に制御手段の動作を禁止していることから、触媒被毒による出力低下を誤検出して誤った制御を行なうようなことがない。
【００１５】
したがって、触媒被毒に起因する電池出力の回復をより高精度で的確に行なうことができる。
【００１６】
また、上記第１発明の燃料電池の発電装置において、
前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段で検出したインピーダンスが所定の範囲外にあるときに、前記制御手段の動作を禁止する禁止手段と
を備えた構成としてもよい。
【００１７】
この構成によれば、インピーダンス検出手段で検出したインピーダンスが所定の範囲外にあるときに、制御手段の動作を、禁止手段により禁止する。インピーダンスが所定の範囲外にあるときには、電解質膜が濡れすぎ、または乾きすぎであることから、触媒被毒による出力低下と誤認する恐れのある電池出力の低下がみられるが、これに対して、この燃料電池の発電装置によれば、インピーダンスが所定の範囲外にあるときに制御手段の動作を禁止していることから、触媒被毒による出力低下を誤検出して誤った制御を行なうようなことがない。
【００１８】
したがって、触媒被毒に起因する電池出力の回復をより高精度で的確に行なうことができる。
【００１９】
さらに、第１発明の燃料電池の発電装置において、
前記被毒状態検知手段は、
前記反応ガス中の一酸化炭素の濃度を検出する一酸化炭素濃度検出手段と、
前記検出された一酸化炭素の濃度から前記触媒が被毒状態にあることを検知する手段と
を備える構成としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、一酸化炭素濃度検出手段の検出結果から触媒が被毒状態にあることを検知することができる。
【００２１】
上記構成の燃料電池の発電装置において、
前記一酸化炭素濃度検出手段は、
電解質膜と、
触媒を担持しつつ前記電解質膜を挟持する２つの電極と、
該２つの電極のうちの一方の電極に前記反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、
前記２つの電極のうちの他方の電極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
所定の負荷が接続された状態で前記２つの電極間の電位差を検出する電位差検出手段と、
該電位差検出手段により検出された電位差に基づいて前記反応ガス中の一酸化炭素の濃度を演算する一酸化炭素濃度演算手段と
を備える構成としてもよい。
【００２２】
この構成によれば、２つの電極の内の一方の電極に反応ガスが反応ガス供給通路により導かれ、他方の電極に酸化ガスが酸化ガス供給通路により導かれると、電解質膜を介して２つの電極間に電位差が生じる。２つの電極間に所定の負荷が接続された状態となっていることから、反応ガス中に一酸化炭素が存在するとこの電極間の電位差を小さくする。このため、この電位差を検出することで、反応ガス中の一酸化炭素の濃度が演算可能となる。したがって、簡単な構成で、一酸化炭素濃度を検出することができる。
【００２３】
第２発明の燃料電池の発電装置は、
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電装置であって、
前記燃料電池の出力の低下を検知する出力低下検知手段と、
前記触媒が被毒状態にあることを検知する被毒状態検知手段と、
該被毒状態検知手段により前記触媒が被毒状態にあることが検知され、かつ、前記出力低下検知手段により前記燃料電池の出力の低下が検知されたとき、前記燃料電池の温度を高温側に制御する温度制御手段と、
該温度制御手段による温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持するガス圧制御手段と
を備え、さらに、
メタノールを改質して水素を含有する上記反応ガスとしての水素リッチガスを生成する改質器と、
前記反応ガス中のメタノールの濃度を検出するメタノール濃度検出手段と、
該メタノール濃度検出手段で検出されるメタノールの濃度が所定値以上であり、かつ、前記出力低下検知手段で前記燃料電池の出力の低下が検知されたとき、前記改質器の運転を制御することにより、前記反応ガス中のメタノールの濃度を低減させる改質器運転制御手段と
を備えることを、要旨としている。
【００２４】
この構成によれば、改質器により生成される反応ガス中のメタノール濃度が所定値以上のときに、燃料電池の出力の低下が検知されると、改質器の運転を制御することにより、その反応ガス中のメタノールの濃度が低減される。したがって、反応ガス中のメタノール濃度が高濃度となったことに起因して燃料電池の出力の低下が発生した場合に、燃料電池の出力を高めることができる。また、触媒の被毒に起因して燃料電池の出力の低下が発生した場合にも、第１発明と同様にして、燃料電池の出力を高めることができる。即ち、燃料電池出力の低下が、触媒の被毒によるものか、反応ガス中のメタノールが高濃度となったことによるものかを判断して、その原因に応じた対処を施すことで、燃料電池の出力を確実に高めることができる。
【００２５】
上記第２発明の燃料電池の発電装置において、
前記被毒状態検知手段は、
電解質膜と、
触媒を担持しつつ前記電解質膜を挟持する２つの電極と、
該２つの電極のうちの一方の電極に前記反応ガスを供給する反応ガス供給通路と、
前記２つの電極のうちの他方の電極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記２つの電極間の電位差を検出する電位差検出手段と、
前記２つの電極間に所定の負荷が接続された状態と、該負荷が切り離された状態とを切り換える負荷切換手段と、
該負荷切換手段により前記２つの電極間に前記所定の負荷が接続された状態のとき、前記電位差検出手段により検出された電位差に基づいて前記反応ガス中の一酸化炭素の濃度を演算する一酸化炭素濃度演算手段と
を備え、
前記メタノール濃度検出手段は、
前記負荷切換手段により前記２つの電極間から前記所定の負荷が切り離された状態のとき、前記電位差検出手段により検出された電位差に基づいて前記反応ガス中のメタノールの濃度を演算するメタノール演算手段
を備える構成とすることもできる。
【００２６】
この構成によれば、２つの電極の内の一方の電極に反応ガスが反応ガス供給通路により導かれ、他方の電極に酸化ガスが酸化ガス供給通路により導かれると、電解質膜を介して２つの電極間に電位差が生じる。このとき、負荷切換手段により、２つの電極間に所定の負荷が接続された状態になっていると、反応ガス中に一酸化炭素が存在するとこの電極間の電位差を小さくするので、この電位差を検出することで、反応ガス中の一酸化炭素の濃度が演算可能となる。一方、負荷切換手段により、２つの電極間の負荷が切り離された状態になっていると、反応ガス中にメタノールが存在するとこの電極間の電位差を小さくするので、この電位差を検出することで、反応ガス中のメタノールの濃度が演算可能となる。したがって、この構成によれば、一酸化炭素の濃度を検出する構成に負荷切換手段とメタノール演算手段とを加えるだけで、一酸化炭素に加えてメタノールの検出することができる。このため、簡単な構成で、被毒状態検知手段とメタノール濃度検出手段の双方を実現することができるといった効果を奏する。
【００２７】
上記第１発明の燃料電池の発電装置において、
前記燃料電池は、
電解質膜と、
該電解質膜の一方の面に密着して設けられ、前記反応ガスの供給を受ける前記電極としての第１の電極と、
前記電解質膜の他方の面に密着して設けられ、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける第２の電極と
を有し、
前記第２の電極に供給される前記酸化ガスの圧力を制御することにより、該酸化ガスの圧力と第１の電極に供給される前記反応ガスの圧力との大小関係を所定の関係に保持する酸化ガス圧制御手段
を備える構成とすることもできる。
【００２８】
この構成によれば、制御手段により反応ガスの圧力が変化しても、酸化ガス圧制御手段により、反応ガスの圧力と酸化ガスの圧力との大小関係が所定の関係に保持される。このため、この燃料電池の発電装置によれば、常に反応ガスと酸化ガスとを所望の圧力関係で運転することができることから、運転状態の安定性に優れている。
【００２９】
この構成の燃料電池の発電装置において、
前記酸化ガス圧制御手段は、
前記第１の電極に供給される前記反応ガスの圧力と前記第２の電極に供給される前記酸化ガスの圧力の偏差を所定値以下の範囲内に保持する手段
を備える構成とすることもできる。
【００３０】
この構成によれば、反応ガスと酸化ガスとの圧力差を所定値以下の範囲内に保持することができる。反応ガスと酸化ガスの圧力差が大きいと、電解質膜に加わる圧力が大きくなり、電解質膜を破損してしまう恐れがあるが、圧力差を所定値以下の範囲内に保持することで、電解質膜の破損を防止することができる。
【００３１】
第３発明の燃料電池の発電方法は、
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電方法であって、
前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であるとともに、
（ａ）前記燃料電池の出力の低下を検知する工程と、
（ｂ）前記触媒が被毒状態にあることを検知する工程と、
（ｃ）前記工程（ａ）で前記燃料電池の出力の低下が検知されたときに、
前記工程（ｂ）により前記触媒が被毒状態にあることが検知されなかった場合、燃料電池の理想運転温度に前記燃料電池の温度を制御し、
前記工程（ｂ）により前記触媒が被毒状態にあることが検知された場合、前記燃料電池の温度を高温側に制御するとともに、該温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持する工程と
を備えることを、要旨としている。
【００３２】
この第３発明の燃料電池の発電方法によれば、工程（ｃ）により、燃料電池の温度が理想運転温度より高温側に制御されるとともに、電極に供給される反応ガスの圧力が制御される。この反応ガスの圧力制御は、前記燃料電池の温度が高温側に制御されても、前記反応ガス中の水蒸気分圧が予め定められた所定の範囲の値を保つよう反応ガスの圧力を制御する。
【００３３】
このため、燃料電池の温度が高くなり過ぎて、反応ガス中の水蒸気分圧が高くなり、触媒の表面に反応ガスが供給できなくなるところを、反応ガス中の水蒸気分圧を所定の範囲の値に保つことで、反応ガス中の反応物質が電極に供給できなるのを防ぐことができる。
【００３４】
したがって、燃料電池を理想運転温度より高温側に制御したときもに、燃料電池は高出力を得ることができるといった優れた効果を奏する。
【００３７】
第４発明の燃料電池の発電方法において、
触媒を担持した電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池の発電方法であって、
（ａ）燃料電池の温度を理想運転温度より高温側に制御する工程と、
（ｂ）該工程（ａ）による温度の制御に伴って、前記電極に供給される前記反応ガスの圧力を制御することにより、前記反応ガス中の水蒸気分圧を予め定められた所定範囲の値に保持する工程と
を備え、
前記工程（ａ）は、
（ａ−１）前記燃料電池の出力の低下を検知する工程と、
（ａ−２）前記触媒が被毒状態にあることを検知する工程と、
（ａ−３）前記工程（ａ−１）により前記触媒が被毒状態にあることが検知され、かつ、前記（ａ−２）により燃料電池の出力の低下が検知されたとき、前記燃料電池の温度を高温側に制御する工程と
を備え、
さらに、
前記工程（ｂ）の実行後、前記工程（ａ−１）により前記燃料電池の出力の低下が認められなくなったとき、前記工程（ａ−３）を実行する前の燃料電池の温度の温度に前記燃料電池の温度を、前記工程（ｂ）で反応ガスの圧力を制御する前の圧力に前記反応ガスの圧力をそれぞれ徐々に復帰する工程
を備える構成とすることもできる。
【００３８】
この構成によれば、触媒の被毒により電池出力の低下が検知され、電池出力の回復を図ったときに、その後、制御した燃料電池温度および反応ガスの圧力を、回復の制御を行なう前の値に徐々に戻す。このため、最終的に出力電圧の低下前の燃料電池温度および燃料ガス圧力で、所望の出力電圧が出るよう運転することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００４０】
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池発電システム１の概略構成図である。図１に示すように、この燃料電池発電システム１は、電気を発生する固体高分子型の燃料電池スタック１０と、メタノールタンク１２に貯留されたメタノールと水タンク１４に貯留された水とから水素リッチガスを製造する改質器１６と、改質器１６で製造された水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池スタック１０に送る燃料ガス供給通路１７と、燃料電池スタック１０から排出されたガスを外部に送る燃料ガス排出通路１８と、その燃料ガス排出通路１８の開度を調整する背圧調整弁１９とを備える。
【００４１】
また、この燃料電池発電システム１は、燃料電池スタック１０に内蔵される冷却プレート２０に冷却水を循環させる循環通路２２と、この循環通路２２に設けられる冷却水ポンプ２４およびラジエータ２６を備える。
【００４２】
さらに、燃料電池の運転状態を検出するセンサ群として、燃料ガス排出通路１８の途中に設けられ、燃料ガス中のＣＯ濃度を検出する一酸化炭素センサ３０と、燃料電池スタック１０から出力される電気信号の電圧値を検出する電圧計３２と、燃料電池スタック１０の電池セルの温度を検出する熱電対からなる温度センサ３４と、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ３６とを備えている。さらに、燃料電池発電システム１は、これらセンサ群に電気的に接続され、各種の制御処理を実行する電子制御ユニット３８を備える。
【００４３】
燃料電池スタック１０の構成について次に説明する。燃料電池スタック１０は、前述したように固体高分子型の燃料電池であり、その単一セル構造として、図２に示す構造を備える。即ち、図２に示すように、そのセルは、電解質膜４１と、この電解質膜４１を両側から挟んでサンドイッチ構造４０とするガス拡散電極としてのアノード４２およびカソード４３と、このサンドイッチ構造４０を両側から挟みつつアノード４２およびカソード４３とで燃料ガスおよび酸素含有ガスの流路を形成するセパレータ４４，４５と、セパレータ４４，４５の外側に配置されアノード４２およびカソード４３の集電極となる集電板４６，４７とにより構成されている。
【００４４】
電解質膜４１は、高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気電導性を示す。アノード４２およびカソード４３は、カーボンペーパ、カーボンシートあるいはカーボンクロスにより形成されており、このカーボンペーパ、カーボンシート、カーボンクロスには、触媒としての白金を担持したカーボン粉がその隙間に練り込まれている。
【００４５】
セパレータ４４，４５は、ち密質のカーボンプレートにより形成されている。また、アノード４２側のセパレータ４４には、複数のリブが形成されており、このリブとアノード４２の表面とで燃料ガスの流路溝４４ｐを形成する。一方、カソード４３側のセパレータ４５にも、複数のリブが形成されており、このリブとカソード４３の表面とで酸素含有ガスの流路溝４５ｐを形成する。集電板４６，４７は、銅（Ｃｕ）により形成されている。
【００４６】
以上説明したのが燃料電池スタック１０の単一セルの構成であり、こうしたセルを複数積層したものが燃料電池スタック１０である。図３は、燃料電池スタック１０の全体構造を示す構造図である。
【００４７】
燃料電池スタック１０は、複数のスタックユニットＵ１〜Ｕｎ（ｎは２以上の整数で、例えば、１００である。）の集合であり、図３には１つのスタックユニットＵ１が明示されている。スタックユニットＵ１は、図２で示した電解質膜４１、アノード４２およびカソード４３からなるサンドイッチ構造４０をセパレータ５０（あるいは、図２で示した４４，４５）で挟んで複数（この実施例では３個）積層したものである。このセパレータ５０は、図２で示した単セルのセパレータ４４，４５と同じ材料からなり、アノード４２と接する側面に燃料ガス流路溝４４ｐを形成し、カソード４３と接する側面に酸素含有ガス流路溝４５ｐを形成する。なお、スタックユニットＵ１中、最も右側に位置するサンドイッチ構造の外側には、燃料ガス流路溝４４ｐだけを形成するセパレータ４４（図２と同じもの）が配置され、最も左側に位置するサンドイッチ構造４０Ｌの外側には、酸素含有ガス流路溝４５ｐだけを形成するセパレータ４５（図２と同じもの）が配置されている。
【００４８】
上記スタックユニットＵ１以外の他のスタックユニットＵ２〜ＵｎもスタックユニットＵ１と同じ構成であり、これらｎ個のスタックユニットＵ１〜Ｕｎは、先に図１で説明した冷却プレート２０を間に挟んで直列に接続されている。また、これらの外側にも冷却プレート２０が配置され、さらに外側には、前述した集電板４６，４７が配置されている。また、これら全体は両側から絶縁板５４，５５を介してエンドプレート５６，５７により挟み込まれており、これら全体は、締め付けボルト５８により締め付けられている。
【００４９】
冷却プレート２０は、内部に流路を備えており、冷却水が流通する構成となっており、各冷却プレート２０に接続される流路の集合部付近のＡ点と、各冷却プレート２０に接続される他方側の流路の集合部付近のＢ点とが、循環通路２２（図１参照）に接続されることで、冷却水系統が構成される。
【００５０】
また、燃料電池スタック１０の各セルの燃料ガス流路溝４４ｐの入口は、マニホルド（図中、２点鎖線の集合で示した）と接続されており、このマニホルドを介して、各セルの燃料ガス流路溝４４ｐと燃料ガス供給通路１７とが接続されている。一方、燃料電池スタック１０の各セルの燃料ガス流路溝４４ｐの出口は、マニホルド（図中、２点鎖線の集合で示した）に接続されており、このマニホルドを介して、各セルの燃料ガス流路溝４４ｐと燃料ガス排出通路１８とが接続されている。
【００５１】
スタックユニットＵ１の所定のセルにおける燃料ガス流路溝４４ｐに続く流路に、前述した圧力センサ３６が設けられており、また、この所定のセルに、前述した温度センサ３４が並設されている。
【００５２】
一酸化炭素センサ３０の構成について次に説明する。図４は、その一酸化炭素センサ３０の縦断面図である。図４に示すように、この一酸化炭素センサ３０は、電解質膜６０と、この電解質膜６０を両側から挟んでサンドイッチ構造とする２枚の電極６２，６４と、このサンドイッチ構造を両側から挟むことにより、サンドイッチ構造の撓みを防ぐ２枚のメッシュ状の金属板６６，６８と、このサンドイッチ構造および金属板６６，６８を保持する２個のホルダ７０，７２と、両ホルダ７０，７２を電気的に絶縁状態で連結する絶縁性部材７４とを備える。
【００５３】
電解質膜６０は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン導電性の膜体である。電極６２，６４は、カーボンペーパ、カーボンシートあるいはカーボンクロスなどからなる電極基材に触媒としての白金を担持したカーボン粉がその隙間に練り込まれている。こうした電解質膜６０と電極６２，６４は具体的には次のような方法で接合されている。
【００５４】
(1) 電極基材（カーボンクロスまたはカーボンペーパ）の表面に、予めカーボン粉の表面に白金を担持して製作した触媒粉を塗布し、電解質膜４１とこの電極基材をホットプレスで一体化するもの。
(2) 電極基材の表面に、予めカーボン粉の表面に白金を担持して製作した触媒粉を塗布し、電解質膜６０とこの電極基材を、プロトン導電性固体高分子溶液で接着して一体化するもの。
(3) 予めカーボン粉の表面に白金を担持して製作した触媒粉を、適当な有機溶剤に分散させてペースト化し、電解質膜６０の表面にスクリーン印刷法等の手法で塗布する。その後、電極基材とホットプレスで一体化するもの。
【００５５】
白金触媒を担持したカーボン粉は次のような方法で作成されている。塩化白金酸水溶液とチオ硫酸ナトリウムを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶液を得る。この水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水を滴下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させる。次に担体となるカーボンブラック（例えばＶｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２（米国のＣＡＢＯＴ社の商標）やデンカブラック（電気化学工業株式会社の商標））を添加しながら、攪拌し、カーボンブラックの表面にコロイド状の白金粒子を付着させる。次に溶液を吸引ろ過または加圧ろ過して白金粒子が付着したカーボンブラックを分離し、脱イオン水で繰り返し洗浄した後、室温で完全に乾燥させる。次に、凝集したカーボンブラックを粉砕器で粉砕した後、水素還元雰囲気中で、２５０℃〜３５０℃で２時間程度加熱することにより、カーボンブラック上の白金を還元するとともに、残留していた塩素を完全に除去して、白金触媒を完成させる。
【００５６】
なお、前述した燃料電池スタック１０の電解質膜４１に用いられる白金触媒も、前記方法と同様にして形成されている。
【００５７】
金属板６６、６８は、メッシュ状のもので、ガスの電極６２，６４への到達を妨げない構造となっている。その材料としては、電気伝導性に優れ、錆にくく、水素脆性を生じないものが望ましく、具体的にはチタンやステンレスが用いられている。また、メッシュ状の銅板の表面を金、白金、チタン等の金属で被覆（例えば鍍金）した物でもよい。さらに、前述の要求性能を満たすものであれば、多孔質のカーボン板や、発泡ニッケルの表面を金、白金、チタン等の金属で被覆（例えば鍍金）した物、あるいは、エンジニアリングプラスチックの表面を金、白金、チタン等の金属で被覆（例えば鍍金）し、電気導電性を確保した物であってもよい。
【００５８】
ホルダ７０，７２は、円柱の内部にフランジ７０ａ，７２ａを持つ形状で、そのフランジ７０ａ，７２ａで電解質膜６０，電極６２，６４および金属板６６，６８を挟持する。その材料としては、電気伝導性に優れ、錆にくく、水素脆性を生じないものが望ましく、具体的にはチタンやステンレスが用いられる。また銅板の表面を金、白金、チタン等の金属で被覆（例えば鍍金）した物でもよい。さらに、前述の要求性能を満たすものであれば、緻密質のカーボン板や、エンジニアリングプラスチックの表面を金、白金、チタン等の金属で被覆（例えば鍍金）し、電気導電性を確保した物であってもかまわない。
【００５９】
なお、ホルダ７２の電解質膜６０側には、Ｏリング７６が設けられており、一方の電極側の雰囲気が他方の電極側に漏れるのを防止している。ここで、Ｏリング７６に換えて、電解質膜６０の端部をホルダ７２に接着剤で直接張り付けたり、熱圧着で張り付けたりして、シール性を確保する構成としてもよい。
【００６０】
ホルダ７０，７２の外周には、ネジ７０ｂ，７２ｂが切られており、これらネジ７０ｂ，７２ｂと絶縁性部材７４の内側に切られた２つのネジ６４ａ，６４ｂとを互いに螺合することで、両ホルダ７０，７２は、その間の電極５２，電解質膜６０および電極６４を挟持した状態で連結される。なお、絶縁性部材７４の材料としては、例えばテフロンが用いられている。
【００６１】
また、この一酸化炭素センサ３０は、一方側のホルダ７０にネジ合いにて連結されるガス流入通路７８を備えている。このガス流入通路７８は、被検出ガスを電極６２に導く通路であり、絶縁性の材料から形成されている。なお、他方側のホルダ７２には、特別なガス通路は接続されておらず、電極６４は大気に開放された状態となっている。
【００６２】
さらに、この一酸化炭素センサ３０は、両ホルダ７０，７２に設けられた検出端子７０Ｔ，７２Ｔに電気的に接続される電気回路８０を備えている。この電気回路８０は、電圧計８２と負荷電流調整用の抵抗器８４とから構成されており、両者を並列して上記検出端子７０Ｔ，７２Ｔの間に接続したものである。なお、燃料ガスが供給される電極６２側のホルダ７０の検出端子７０Ｔはマイナス極、大気に連通する電極６４側のホルダ７２の検出端子７２Ｔはプラス極となるように電圧計８２が接続されている。また、電圧計８２の信号は外部の制御系統に出力される。
【００６３】
こうして構成された一酸化炭素センサ３０は、燃料ガス供給通路１７の分岐口１７ａにネジ合いにて連結されており、図示しない燃料電池本体に供給する燃料ガス中のＣＯ濃度の検出に用いられている。
【００６４】
この一酸化炭素センサ３０により水素リッチガスである被検出ガスに含まれる一酸化炭素が検出される様子について説明する。一酸化炭素センサ３０の電極６２に被検出ガスが供給されると、電極６２には水素が、電極６４には大気中の酸素が供給されることになるから、各電極６２，６４の電解質膜６０側の表面で次式（１）および（２）で示す反応が行なわれる。
【００６５】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ    …（２）
【００６６】
この反応は、水素と酸素とを燃料として発電する燃料電池における反応であるから、両電極６２，６４間には、起電力が生じる。この実施例では、両電極６２，６４間に抵抗器８４が接続されていることから、電極６２、６４間に所定負荷を接続して所定の電流を流した際の電極６２、６４間の電位差が、電圧計８２により検出されることになる。この電位差は、被検出ガス中に含まる一酸化炭素の濃度が高くなるにつれて小さくなる。この現象は次の理由による。
【００６７】
電極６２には触媒としての白金を担持したカーボン粉が練り込まれているから、電極６２では前述した式（１）の反応を行なうが、被検出ガス中に一酸化炭素が存在すると、一酸化炭素が触媒に吸着して触媒の被毒状態を発生させる。この被毒状態の程度は、被検出ガス中の一酸化炭素濃度が高い場合には大きく、一酸化炭素濃度が低い場合には小さい。このため、電極６２および電極６４で式（１）および（２）の反応を連続的に行ない、検出端子７０Ｔと検出端子７２Ｔとの電位差を測定すれば、被検出ガス中の一酸化炭素の濃度が電位差に反映され、一酸化炭素を検出することができる。従って、検出端子７０Ｔと検出端子７２Ｔとの間を抵抗器８４で接続することで、電極６２および電極６４で式（１）および（２）の反応が連続的に行なわれるようにして、その上で、検出端子７０Ｔと検出端子７２Ｔとの電位差を測定している。
【００６８】
こうしたことから、既知の一酸化炭素濃度ガスを使って、一酸化炭素濃度とその時の電圧計８２の測定値との関係を予め調べておくことにより、被検出ガスの一酸化炭素濃度を測定することが可能となる。具体的には、電子制御ユニットのＲＯＭに、被検出ガス中の一酸化炭素濃度と電圧計８２により検出される電位差との関係を示したマップＡ、例えば図５に示すグラフを予め格納しておき、このマップＡを参照して電子制御ユニットの論理演算処理により一酸化炭素濃度を求めるようにすればよい。なお、この一酸化炭素濃度測定の際の検出感度は水素の影響を受けることがないことから、燃料電池に供給される燃料ガスのように多量の水素を含んだ被検知ガスにおいても、その中の一酸化炭素濃度を高精度で測定することができる。
【００６９】
図１に戻り、電子制御ユニット３８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行するＣＰＵ３８ａと、ＣＰＵ３８ａで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ３８ｂと、同じくＣＰＵ３８ａで各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ３８ｃと、一酸化炭素センサ３０，電圧計３２からの出力信号を入力する入力処理回路３８ｄと、ＣＰＵ３８ａでの演算結果に応じて背圧調整弁１９に制御信号を出力する出力処理回路３８ｅ等を備える。
【００７０】
なお、図１および図３ではガス系統についてはアノード側の燃料ガス系統のみを記載し、カソード側の酸素含有ガス系統の記載は省略してある。
【００７１】
以上のような構成の電子制御ユニット３８によれば、背圧調整弁１９の開度を調整することで、燃料電池スタック１０の流路溝４４ｐを流れる燃料ガスの流速を変化させて、燃料電池スタック１０の出力の制御を行なっている。
【００７２】
こうした電子制御ユニット３８によって実行される電池出力制御処理について、図６のフローチャートに沿って説明する。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、燃料電池スタック１０の起動後、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行される。図６に示すように、ＣＰＵ３８ａは、処理が開始されると、まず、電圧計３２により検出した燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅを読み込み（ステップＳ１００）、次いで、一酸化炭素センサ３０からの出力電圧を一酸化炭素濃度Ｄとして読み込む（ステップＳ１１０）。続いて、温度センサ３４により検出した燃料電池スタック１０の電池セルの温度（以下、燃料電池温度と呼ぶ）Ｔを読み込み（ステップＳ１２０）、圧力センサ３６により検出した燃料ガスの圧力Ｐを読み込む（ステップＳ１３０）。
【００７３】
続いて、ＣＰＵ３８ａは、ステップＳ１００で読み込んだ出力電圧Ｅから、前回この処理ルーチンを実行したときに読み込んだ出力電圧Ｅ′を引いた差分△Ｅを求め、その差分△Ｅが予め定めた所定電圧−Ｅ０（マイナスＥ０、但し、Ｅ０＞０）より小さいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ１４０）。この判別は、燃料電池の出力電圧Ｅが、所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したか否か判定するものである。ここで否定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下しなかったと判別されると、処理をそのまま「リターン」に進めて、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【００７４】
一方、ステップＳ１４０で、肯定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したと判別されると、続いて、ステップＳ１１０で読み込んだ一酸化炭素濃度Ｄが、予め定めた所定の濃度Ｄ０より大きいか否かを判定することにより、アノード４２の触媒は被毒状態であるか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ１５０）。
【００７５】
ステップＳ１５０で、触媒が被毒状態にあると判別されると、ＣＰＵ３８ａは、ステップＳ１２０で読み込んだ燃料電池温度Ｔに所定の微小温度△Ｔを加えて目標燃料電池温度ｔＴを算出する（ステップＳ１６０）。次いで、ＲＯＭ３８ｂに予め格納されるマップＢを用いて上記目標燃料電池温度ｔＴに対応する目標ガス圧力ｔＰを求める（ステップＳ１７０）。マップＢは、図７に示すように、燃料電池温度と燃料ガス圧力とから定まる曲線を表わすもので、この曲線は、燃料電池スタック１０が理想状態で運転されたときの燃料電池温度８０［℃］と、燃料ガスの圧力１．５気圧｛１５２ｋＰａ｝を基準として、この基準時の燃料ガスの水蒸気分圧を保った状態で、温度を変えたときの燃料電池温度と燃料ガスの圧力との関係を表わすものであり、予め実験により求められている。ステップＳ１７０では、マップＢに上記ステップＳ１６０で算出した目標燃料電池温度ｔＴを照らし合わせることで、その燃料電池温度ｔＴにおいて所定の水蒸気分圧を保持するための燃料ガスの目標ガス圧力ｔＰを求める。
【００７６】
その後、ＣＰＵ３８ａは、燃料電池温度をステップＳ１６０で算出した目標燃料電池温度ｔＴに高める処理を実行する（ステップＳ１８０）。具体的には、燃料電池温度が目標燃料電池温度ｔＴを上回ったら冷却水系統の冷却水ポンプ２４を駆動し、燃料電池温度が目標燃料電池温度ｔＴを下回ったら冷却水ポンプ２４を停止することにより、目標燃料電池温度ｔＴに燃料電池温度を制御する。次いで、アノード４２に供給される燃料ガスのガス圧力をステップＳ１７０で算出した目標ガス圧力ｔＰに高める処理を実行する（ステップＳ１９０）。具体的には、目標ガス圧力ｔＰとステップＳ１３０で算出した現在のガス圧力Ｐとの偏差を求め、この偏差に応じた開度だけ背圧調整弁１９を閉方向に制御することにより、燃料ガス排出通路１８のガス圧力Ｐを目標ガス圧力ｔＰに制御する。なお、ステップＳ１８０およびＳ１９０の処理は図示の都合上、別々のステップとして記載したが、実際には、両ステップは同時に行なわれるものである。
【００７７】
その後、ＣＰＵ３８ａは、処理を「リターン」に進めて、この制御ルーチンを一旦終了する。この電池出力制御処理は所定時間毎に繰り返し実行されることから、ステップＳ１８０およびＳ１９０の処理が繰り返し実行されることで、燃料電池温度と燃料ガスの圧力とが図７のグラフの曲線に沿って共に上昇することになる。
【００７８】
一方、ステップＳ１５０で、アノード４２の触媒の被毒状態が検知された場合には、ＣＰＵ３８ａは、処理をステップＳ１９２に進めて、燃料電池温度を理想運転温度である８０［℃］に制御する処理を行なう（ステップＳ１９２）。その後、処理を「リターン」に進めて、この制御ルーチンを一旦終了する。
【００７９】
なお、この制御ルーチンでは詳しく述べなかったが、ステップＳ１８０およびＳ１９０の処理の実行後に、出力電圧Ｅの低下が回復すると、前記上昇した燃料電池温度および燃料ガス圧力を徐々に元に戻す処理を行なっている。具体的には、ステップＳ１４０およびＳ１５０が共に肯定判定される状態に切り替わった直後の燃料電池温度Ｔおよび燃料ガス圧力Ｐを、制御前燃料電池温度Ｔ０、制御前燃料ガス圧力Ｐ０としてＲＡＭ３８ｃに退避しておき、その後、ステップＳ１４０で否定判定されたときに、上記制御前燃料電池温度Ｔ０および制御前燃料ガス圧力Ｐ０に向かって燃料電池温度および燃料ガス圧力を徐々に復帰する。
【００８０】
以上詳述したように、この第１実施例の燃料電池発電システム１によれば、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下し、かつ、アノード４２の触媒が被毒状態となったときに、燃料電池温度を高温側に徐々に制御する。このとき、燃料電池温度が高温側に制御されても、燃料ガス中の水蒸気分圧が一定の値を保つよう燃料ガスの圧力も高圧側に徐々に制御する。
【００８１】
したがって、燃料電池温度が高温側に制御されることで、燃料電池のアノード４２への一酸化炭素の吸着量を少なくすることができる。しかも、燃料電池温度が高温側へ制御されるにも拘わらず燃料ガス中の水蒸気分圧は一定に保たれることから、燃料ガス中の水素がアノード４２の触媒に供給できなくなるのを防ぐことができる。これらの結果、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下し、かつ、アノード４２の触媒が被毒状態となったときに、出力電圧Ｅを確実に回復することができる。
【００８２】
図８には、この第１実施例の燃料電池スタック１０の電池セルの電流−電圧特性を示した。これは、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を１００［p.p.m］ として、燃料電池温度を１００［℃］に制御（ガス圧力も燃料電池温度に応じて制御）したときの評価である。この図から明らかなように、図中実線で示した第１実施例の電池セルの特性は、一点鎖線で示した比較例の燃料電池の特性と比べて、測定範囲の全ての電流密度にわたって優れた結果を示す。ここで、比較例とは、燃料電池温度のみを高温側に制御して、この実施例のように燃料ガスの圧力の制御を行なわない従来例に相当するものである。したがって、この比較評価からも、触媒の被毒を受けたときに、この実施例によれば燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅを確実に回復することができることがわかる。
【００８３】
また、この第１実施例では、出力電圧Ｅの低下が回復すると、燃料電池温度および燃料ガス圧力を出力電圧Ｅの低下前の大きさに徐々に戻す処理を行なっていることから、最終的に出力電圧Ｅの低下前の燃料電池温度および燃料ガス圧力で、所望の出力電圧Ｅが出るよう運転することができる。
【００８４】
本発明の第２実施例について次に説明する。図９は、第２実施例としての燃料電池発電システム２０１の概略構成図である。図９に示すように、この燃料電池発電システム２０１は、第１実施例の燃料電池発電システム１のハードウェア構成をそのまま備えた上で（同一のパーツには第１実施例と同じ符号を付した）、さらに、次のようなハードウェア構成を備える。即ち、燃料電池発電システム２０１は、改質器１６と燃料電池スタック１０とを結ぶ燃料ガス供給通路１７に設けられ、燃料電池スタック１０への燃料ガスの吸入量を検出するガス流量計２３１と、燃料電池スタック１０に接続され、その出力電流値を検出する電流計２３３を備える。
【００８５】
ガス流量計２３１および電流計２３３は、電子制御ユニット３８の入力処理回路３８ｄと接続されている。電子制御ユニット３８によれば、これらセンサ２３１，２３３を始めとする各種センサからの検出信号に応じて背圧調整弁１９の開度を調整することで、燃料電池スタック１０の流路溝４４ｐを流れる燃料ガスの流速を変化させて、燃料電池スタック１０の出力の制御を行なっている。
【００８６】
こうした電子制御ユニット３８によって実行される電池出力制御処理について、図１０および図１１のフローチャートに沿って説明する。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行される。図１０に示すように、ＣＰＵ３８ａは、処理が開始されると、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１００ないしＳ１４０と同じステップＳ３００ないしＳ３４０の処理を実行する。
【００８７】
ステップＳ３４０で否定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したとは認められなかった場合には、「リターン」に抜けて、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ３４０で、肯定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したと判別されると、次のような処理を実行する。
【００８８】
ＣＰＵ３８ａは、まず、電流計２３３により検出した燃料電池スタック１０の出力電流Ｉを読み込み（ステップＳ３４１）、その出力電流Ｉから理論上必要とされる燃料電池スタック１０の燃料ガス流量ＭＡを算出する（ステップＳ３４２）。続いて、燃料ガス供給通路１７を介して燃料電池スタック１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢをガス流量計２３１から読み込む処理を行なう（ステップＳ３４３）。その後、ステップＳ３４３で読み込んだ実際の流量ＭＢをステップＳ３４２で算出した燃料ガスの必要量ＭＡで割算して、その答に１００を掛けることにより、燃料ガス利用率Ｒを算出する（ステップＳ３４４）。
【００８９】
続いて、処理は図１１に進み、ＣＰＵ３８ａは、その算出された燃料ガス利用率Ｒが１００［％］未満であるか否かを判定し（ステップＳ３４５）、ここで、１００［％］未満であると判定されると、燃料ガスが充分に供給された上で、燃料電池スタック１０は出力低下を起こしたものとして、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１５０ないしＳ１９２と同じステップＳ３５０ないしＳ３９２の処理を実行する。
【００９０】
一方、ステップＳ３４５で、否定判定、即ち燃料ガス利用率Ｒが１００［％］以上であると判定された場合、処理をステップＳ３９４に進めて、図示しない制御弁を調整して、改質器１６に供給される水とメタノールの量を増加させる。ステップＳ３９４の結果、不足している燃料ガスが補充され、燃料ガス利用率Ｒを低下させることができる。なお、このステップＳ３４６の処理に換えて、燃料電池スタック１０に接続された負荷を軽減し、燃料電池の出力電流を小さくすることにより、燃料ガス利用率Ｒを低下させる構成としてもよい。
【００９１】
ステップＳ３９０，Ｓ３９２またはＳ３９４の実行後、「リターン」に抜けて、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【００９２】
なお、この制御処理では、燃料電池スタック１０のカソード４３側に供給する酸素含有ガスは常に１００［％］未満のガス利用率となるものと仮定していたが、実際は、酸素含有ガスの利用率も算出して、ステップＳ３４５の判定処理では、燃料ガス利用率Ｒと酸素含有ガスの利用率との双方についてガス利用率が１００［％］未満であるか否かを判別し、いずれか一方でも１００［％］以上となったら、その該当するガスについて直ちに補充する構成とするのが望ましい。
【００９３】
以上詳述したように、この第２実施例の燃料電池発電システム２０１によれば、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅの低下が見られたときに、アノード側のガス利用率が１００［％］未満となっているかを判別し、１００［％］未満のときに限って、触媒の被毒状態を判定して、その被毒状態に応じた電池出力の制御を行なっている。一方、ガス利用率が１００［％］以上の場合には、触媒状態に応じた制御を実行せずに、直ちに改質器１６に供給される水とメタノールの量を増加させて、燃料ガス利用率Ｒを低下させる構成としている。ガス利用率が１００％以上となったときには、一酸化炭素被毒による出力低下と誤認する恐れのある電池出力の低下がみられるが、これは、ガス利用率Ｒが高くなるほど、アノード側ガス入口での一酸化炭素濃度は同じでも、アノード側ガス出口での一酸化炭素濃度が高くなるためである。
【００９４】
これに対して、この燃料電池発電システム２０１では、触媒の被毒状態の判定とともに、ガス利用率Ｒも測定し、これを制御系統の判断材料の一つに加えることにより、触媒の被毒状態の判定を高精度なものとしている。したがって、触媒被毒に起因する電池出力の回復をより高い精度で的確に行なうことができる。また、ガス利用率Ｒが高いときには、触媒被毒に基づく燃料電池温度およびガス圧力の制御が誤って実行されることもないことから、制御精度の点でも優れている。
【００９５】
本発明の第３実施例について次に説明する。図１２は、第３実施例としての燃料電池発電システム３０１の概略構成図である。図１２に示すように、この燃料電池発電システム３０１は、第１実施例の燃料電池発電システム１のハードウェア構成をそのまま備えた上で（同一のパーツには第１実施例と同じ符号を付した）、さらに、次のようなハードウェア構成を備える。即ち、改質器１６と燃料電池スタック１０とを結ぶ燃料ガス供給通路１７に設けられ、燃料電池スタック１０への燃料ガスを加湿する加湿器３０３と、加湿器３０３をバイパスするバイパス通路３０５と、そのバイパス通路３０５に設けられ、その流量を制御するＭＦＣ（Mass  Flow Controller ）３０７とを備える。さらに、燃料電池スタック１０のインピーダンスを検出するインピーダンス計３３４を備える。
【００９６】
インピーダンス計３３４は、電子制御ユニット３８の入力処理回路３８ｄと接続されている。電子制御ユニット３８によれば、このインピーダンス計３３４を始めとする各種センサからの検出信号に応じて背圧調整弁１９の開度を調整することで、燃料電池スタック１０の流路溝４４ｐを流れる燃料ガスの流速を変化させると共に、ＭＦＣ３０７による制御流量を調整することにより、燃料電池スタック１０に供給される燃料ガスの湿度を変化させることにより、燃料電池スタック１０の出力の制御を行なっている。
【００９７】
こうした電子制御ユニット３８によって実行される電池出力制御処理について、図１３のフローチャートに沿って説明する。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行される。図１３に示すように、ＣＰＵ３８ａは、処理が開始されると、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１００ないしＳ１４０と同じステップＳ４００ないしＳ４４０の処理を実行する。
【００９８】
ステップＳ４４０で否定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したとは認められなかった場合には、「リターン」に抜けて、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ４４０で、肯定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したと判別されると、次のような処理を実行する。
【００９９】
ＣＰＵ３８ａは、まず、インピーダンス計３３４で検出されたインピーダンスＺを読み込む（ステップＳ４４２）。その後、図１４に移り、ＣＰＵ３８ａは、そのインピーダンスＺが予め定められた第１の所定インピーダンス値Ｚ１から第２の所定インピーダンス値Ｚ２（＞Ｚ１）までの範囲内に該当するか否かを判定する（ステップＳ４４４）。この判定処理は、電解質膜４１とアノード４２およびカソード４３との接合体が濡れすぎでも、乾きすぎでもない正常状態にあるか否かを判別するものである。
【０１００】
ステップＳ４４４で正常な状態であると判定されると、電解質膜４１とアノード４２およびカソード４３との接合体が濡れすぎでも乾きすぎでもない正常状態で、燃料電池スタック１０は出力低下を起こしたものとして、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１５０ないしＳ１９２と同じステップＳ４５０ないしＳ４９２の処理を実行する。
【０１０１】
一方、ステップＳ４４４で、否定判定、即ちインピーダンスＺがＺ１からＺ２の範囲内に該当しないと判定された場合、処理をステップＳ４９４に進める。ステップＳ４９４では、インピーダンスＺが第２の所定インピーダンスＺ２を上回る場合、ＭＦＣ３０７に流量を低下する制御信号を出力して、バイパス通路３０５の流量を減量する。この結果、燃料電池スタック１０に供給されるガスのうち加湿器３０３を流れる湿度の高いガス量の相対的割合が増加して、燃料電池スタック１０の乾きすぎが解消される。一方、インピーダンスＺが第１の所定インピーダンスＺ１を下回る場合、ＭＦＣ３０７に流量を増加する制御信号を出力して、バイパス通路３０５を流れる水素リッチガスの流量を増量する。この結果、燃料電池スタック１０に供給されるガスのうち加湿器３０３を流れるガス量の相対的割合が減少して、湿度の低いガス量が増加して、燃料電池スタック１０の濡れすぎが解消される。
【０１０２】
なお、ステップＳ４９４では、ＭＦＣ３０７を制御することにより燃料電池スタック１０の濡れすぎ、乾きすぎの解消を図っていたが、加湿器３０３そのものを制御する（例えば、加湿器温度を制御する）ことにより燃料電池スタック１０の濡れすぎ、乾きすぎの解消を図る構成としてもよい。
【０１０３】
ステップＳ４９０、Ｓ４９２またはＳ４９４の実行後、「リターン」に抜けて、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１０４】
以上詳述したように、この第３実施例の燃料電池発電システム３０１によれば、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅの低下が見られたときに、燃料電池スタック１０のインピーダンスＺが所定の範囲Ｚ１〜Ｚ２内に該当するか否かを判定し、該当する場合に限って、触媒の被毒状態を判定して、その被毒状態に応じた電池出力の制御を行なっている。即ち、インピーダンスＺが所定の範囲Ｚ１〜Ｚ２の外に該当する場合には、触媒状態に応じた制御を実行せずに、直ちにそのインピーダンスＺを所定の範囲Ｚ１〜Ｚ２の範囲内に戻すべく、電解質膜４１とアノード４２およびカソード４３との接合体の濡れすぎ、または乾きすぎを解消する。
【０１０５】
電解質膜４１とアノード４２およびカソード４３との接合体が濡れすぎ、乾きすぎとなったときには、一酸化炭素被毒による出力低下と誤認する恐れのある電池出力の低下がみられる。これに対して、この燃料電池発電システム３０１では、触媒の被毒状態の判定とともに、燃料電池スタック１０のインピーダンスを測定し、インピーダンスＺから判明する電解質膜および電極の接合体の濡れすぎ、乾きすぎの判定を制御系統の判断材料の一つに加えることにより、触媒の被毒状態の判定を高精度なものとした。したがって、触媒被毒に起因する電池出力の回復をより高い精度で的確に行なうことができる。また、インピーダンスＺがＺ１〜Ｚ２の範囲外にあるときには、触媒被毒に基づく燃料電池温度およびガス圧力の制御が誤って実行されないことから、制御精度の点でも優れている。
【０１０６】
なお、この第３実施例は、第１実施例の構成に、インピーダンスＺに基づく制御を加えたものと解することができるが、これに換えて、第２実施例の構成に、インピーダンスＺに基づく制御を加えた構成としてもよい。即ち、電池温度とガス圧力とに基づく電池出力制御を、ガス利用率が１００［％］以上となったとき、または、インピーダンスＺが所定の範囲Ｚ１〜Ｚ２外となったときに禁止する構成とする。具体的には、第２実施例における図１１のフローチャートにおいて、ステップＳ３４５の「ＹＥＳ」側の分岐先に第３実施例の図１４のステップＳ４４４のインピーダンスＺの判定の処理を追加する。このとき、ステップＳ４４４の「ＮＯ」側の分岐先には、図１１と同様ステップＳ４９４を設け、一方、ステップＳ４４４の「ＹＥＳ」側の分岐先を図１１のステップＳ３５０とする。この構成により、触媒被毒に起因する電池出力の回復をより一層、高い精度で的確に行なうことができる。
【０１０７】
本発明の第４実施例について次に説明する。図１５は、第４実施例としての燃料電池発電システム５０１の概略構成図である。図１５に示すように、この燃料電池発電システム５０１は、第１実施例の燃料電池発電システム１と比較して一酸化炭素センサ５３０の構成が相違し、その他のハードウェア構成は同一の構成を備える。なお、図中、同一のパーツには第１実施例と同じ符号を付した。
【０１０８】
この実施例の一酸化炭素センサ５３０について説明する。図１６は、一酸化炭素センサ５３０の縦断面を電子制御ユニット３８とともに示す説明図である。この一酸化炭素センサ５３０は、第１実施例と同じ燃料ガス中の一酸化炭素を検出する機能に加えて燃料ガス中のメタノールを検出する機能を有するもので、第１実施例の一酸化炭素センサ３０の構成と同一の構成に、機能切換機構５４０を備える。機能切換機構５４０は、リレー５４２と、リレー５４２の接点５４４とから構成されている。この機能切換機構５４０は、検出端子７０Ｔ，７２Ｔ間に電圧計８２と並列となるよう接続されており、リレー５４２の接点５４４と抵抗器８４は、直列に接続されている。
【０１０９】
リレー５４２がオフのときには、リレー５４２の接点５４４は開となり、出力端子７０Ｔ，７２Ｔ間から抵抗器５４６を切り離した状態となる。このとき、電圧計８２により検出される電位差は、電極６２，６４間の開放端子電圧ＯＣＶとなる。一方、リレー５４２がオンのときには、リレー５４２の接点５４４は閉となり、出力端子７０Ｔ，７２Ｔ間に抵抗器８４を接続する。このとき電圧計８２により検出される電位差は、抵抗器８４の両端子の電位差となる。なお、リレー５４２は、電子制御ユニット３８の出力処理回路３８ｅに接続されており、電子制御ユニット３８によって駆動制御される。
【０１１０】
この一酸化炭素センサ５３０の動作について次に説明する。電子制御ユニット３８は、リレー５４２をオンまたはオフする切換信号を出力処理回路３８ｅを介して一酸化炭素センサ５３０に出力しており、この信号を受けて一酸化炭素センサ５３０は次のように動作する。
【０１１１】
一酸化炭素センサ５３０は、リレー５４２がオン（接点５４４は閉）のときには、抵抗器８４が検出端子７０Ｔ，７２Ｔに接続され、電圧計８２により検出される電位差が抵抗器８４の両端子間の電位差となり、第１実施例の一酸化炭素センサ３０と同様にして被検出ガス中の一酸化炭素を検出することができる。一方、リレー５４２がオフ（接点５４４は開）のときには、水素リッチガスである燃料ガスに含まれるメタノールの濃度を検出することができる。このメタノールの濃度が検出される様子について次に説明する。
【０１１２】
一酸化炭素センサ５３０の電極６２に燃料ガスが供給されると、電極６２には水素が、電極６４には大気中の酸素が供給されることになるから、各電極６２，６４の電解質膜６０側の表面で前述した式（１）および（２）で示す反応が行なわれる。
【０１１３】
この反応は、水素と酸素とを燃料として発電する燃料電池における反応であるから、両電極６２，６４間には、起電力が生じる。両電極６２，６４間に何等負荷を接続しない状態での起電力は、開放端子電圧（Open Circuit Voltage）ＯＣＶや開放端電圧あるいは無負荷電圧等と呼ばれる。いま、被検出ガスにメタノールが混在すると、両電極６２，６４間に生じる開放端子電圧ＯＣＶは、被検出ガス中のメタノールの濃度が高くなるにつれて小さくなる。この現象は、被検出ガス中のメタノールが電解質膜６０を透過して電極６４の電解質膜６０側の表面で酸素と反応し、電極６４側の電位を下げることに起因すると考えられる。
【０１１４】
被検出ガス中のメタノールの濃度と両電極６２，６４間に生じる開放端子電圧ＯＣＶとの関係を例示するグラフを図１７に示す。図中、各メタノール濃度における開放端子電圧ＯＣＶを表わす４種類のハッチングされた棒は、グラフ中右下のボックス内に表示されるように、１．５気圧｛１５２ｋＰａ｝の被検出ガスに対して、１．０気圧｛１０１ｋＰａ｝，１．５気圧｛１５２ｋＰａ｝，２．０気圧（２０３ｋＰａ｝，２．５気圧｛２５３ｋＰａ｝の酸化ガスを電極６４側に作用させた状態のものである。図１７のグラフからわかるように、被検出ガスのメタノールの濃度が高くなるにつれて、４種類のどの状態でも開放端子電圧ＯＣＶは順次低下する。
【０１１５】
一酸化炭素センサ５３０では、こうした開放端子電圧ＯＣＶを電圧計８２により検出する。この検出信号は、入力処理回路３８ｄを介して電子制御ユニット３８に入力される。電子制御ユニット３８では、ＣＰＵ３８ａが、入力された開放端子電圧ＯＣＶに対して、予めＲＯＭ３８ｂに記憶している被検出ガス中のメタノール濃度と電圧計８２により検出される開放端子電圧ＯＣＶとの関係を示したマップ、例えば図１８に示すグラフを参照して対応するメタノール濃度を求める。したがって、この一酸化炭素センサ５３０によれば、水素リッチガスに含まれるメタノールの濃度を高精度で検出することができる。
【０１１６】
なお、この実施例で用いられる改質器１６は、第１実施例と同じものではあるが、実際は次のように構成されている。改質器１６は、メタノールが分解して一酸化炭素と水素となる反応とこの分解反応により生成した一酸化炭素と水とが反応して二酸化炭素と水素とが生成される反応とが行なわれる改質部１６ａと、改質部１６ａで反応せずに残っている一酸化炭素を更に水と反応させるシフト反応部１６ｂと、シフト反応部１６ｂでも反応せずに残っている一酸化炭素のみを選択的に酸化させる部分酸化反応部１６ｃとから構成されている。なお、各部１６ａ〜１６ｃは、電子制御ユニット３８と接続されており、電子制御ユニット３８のＣＰＵ３８ａによって改質器１６の改質部１６ａ，シフト反応部１６ｂおよび部分酸化反応部１６ｃが制御されて、燃料ガスである水素リッチガスの質が変更される。
【０１１７】
この第４実施例の電子制御ユニット３８によって実行される電池出力制御処理について次に説明する。この電池出力制御処理は、図１９のフローチャートに示すセンサ出力読込のルーチンと、図２０のフローチャートに示すメインルーチンとに従うＣＰＵ３８ａの処理により実現されている。センサ出力読込ルーチンは、所定時間（例えば、５０［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行される。図１９に示すように、ＣＰＵ３８ａは、処理が開始されると、まず、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１００，Ｓ１２０およびＳ１３０と同様に、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅと燃料電池温度Ｔと燃料ガス圧力Ｐとをそれぞれ読み込む処理を行なう（ステップＳ６００，Ｓ６１０，Ｓ６２０）。
【０１１８】
次いで、フラグＦが値０であるか否かを判定する処理を行なう（ステップＳ６３０）。このフラグＦは、後述するステップで値が切り換えられるもので、初期値として値０が設定されている。ステップＳ６３０で、フラグＦが値０であると判定されると、ＣＰＵ３８ａは、出力処理回路３８ｅを介してリレー５４２にオン切換信号を出力することにより、リレー５４２をオン（接点５４４は閉）に切り換える（ステップＳ６３１）。次いで、フラグＦを値１にセットすることにより、フラグＦの値を現在の状態から切り換える（ステップＳ６３２）。その後、一酸化炭素センサ５３０の電圧計８２により検出される電位差を読みとって、その電位差から一酸化炭素濃度Ｄ１を算出する（ステップＳ６３３）。即ち、ステップＳ６３３の時点では、リレー５４２はオンに切り換えられていることから、電圧計８２により検出される電位差が抵抗器８４の両端子間の電位差となり、一酸化炭素センサ５３０により被検出ガス中の一酸化炭素濃度を検出することができる。
【０１１９】
一方、ステップＳ６３０で、フラグＦが値０でない、即ち、値１であると判定されると、ＣＰＵ３８ａは、出力処理回路３８ｅを介してリレー５４２にオフ切換信号を出力することにより、リレー５４２をオフ（接点５４４は開）に切り換える（ステップＳ６３５）。次いで、フラグＦを値０にセットすることにより、フラグＦの値を現在の状態から切り換える（ステップＳ６３６）。その後、一酸化炭素センサ５３０の電圧計８２により検出される電位差を読みとって、その電位差からメタノール濃度Ｄ２を算出する（ステップＳ６３７）。即ち、ステップＳ６３７の時点では、リレー５４２はオフに切り換えられていることから、電圧計８２により検出される電位差が開放端子電圧ＯＣＶとなり、一酸化炭素センサ５３０により被検出ガス中のメタノール濃度を検出することができる。
【０１２０】
ステップＳ６３３またはＳ６３７の実行後、処理を「リターン」に進めて、このルーチンを一旦終了する。こうした構成のセンサ出力読込ルーチンによれば、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｅ，燃料電池温度Ｔ，燃料ガス圧力Ｐ，一酸化炭素濃度Ｄ１およびメタノール濃度Ｄ２がそれぞれ検出される。
【０１２１】
図２０に示すメインルーチンは、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行される。図２０に示すように、ＣＰＵ３８ａは、処理が開始されると、まず、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１４０と同様に、センサ出力読込ルーチンで読み込んだ燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したか否かを判定する処理を行なう（ステップＳ６４０）。ここで、否定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したとは認められなかった場合には、「リターン」に抜けて、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ６４０で、肯定判定、即ち、燃料電池の出力電圧Ｅが所定電圧Ｅ０以上の変化量で低下したと判別されると、次の処理を実行する。
【０１２２】
ＣＰＵ３８ａは、まず、センサ出力読込ルーチンで算出した最新のメタノール濃度Ｄ２が所定値（例えば１％）以上であるか否かを判定して、燃料ガスが高メタノール濃度の状態にあるか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ６４２）。ここで、高メタノール濃度の状態にあると判別されると、ステップＳ６４４に進み、改質部１６ａの温度を高めてメタノールの反応性を高める制御を行なう（ステップＳ６４４）。ここでは、出力処理回路３８ｅを介して改質部１６ａに制御信号を出力することにより行なうが、改質部１６ａにおけるメタノールの反応性が高くなると、燃料ガス中のメタノールを低減することができる。その後、処理を「リターン」に進めて、このルーチンを一旦終了する。
【０１２３】
一方、ステップＳ６４２で高メタノール濃度でないと判定されると、第１実施例の電池出力制御処理のステップＳ１５０ないしＳ１９２と同じステップＳ６５０ないしＳ６９２の処理を実行する。即ち、一酸化炭素濃度Ｄ１から触媒が被毒状態にあると判定されると、燃料電池温度とガス圧力との双方を制御して、燃料電池出力を高める処理を行ない、一方、触媒被毒状態にないと判定されたときには、燃料電池温度を理想運転温度に制御する処理を行なう。その後、処理を「リターン」に進めて、このルーチンを一旦終了する。
【０１２４】
以上詳述したように、この第４実施例の燃料電池発電システム５０１によれば、改質器１６により生成される反応ガス中のメタノール濃度が所定値以上のときに、燃料電池の出力電圧Ｅの低下が検知されると、改質器１６の改質部１６ａの運転温度を高温側に制御することにより、その燃料ガス中のメタノールの濃度が低減される。したがって、燃料ガス中のメタノール濃度が高濃度となったことに起因して燃料電池の出力電圧Ｅの低下が発生した場合に、燃料電池の出力電圧Ｅを高めることができる。また、触媒の被毒に起因して燃料電池の出力電圧Ｅの低下が発生した場合にも、第１実施例と同様にして、燃料電池の出力電圧Ｅを高めることができる。即ち、出力電圧Ｅの低下が、触媒の被毒によるものか、反応ガス中のメタノールが高濃度となったことによるものかを判断して、その原因に応じた対処を施すことで、燃料電池の出力を高めることができる。
【０１２５】
さらに、この第４実施例では、一酸化炭素センサ５３０によれば、第１実施例の一酸化炭素センサ３０の構成と同一の構成に機能切換機構５４０を設けるだけで、一酸化炭素とメタノールの両方を検出することができる。このため、簡単な構成で、被毒状態検知手段とメタノール濃度検出手段の双方を実現することができるといった効果を奏する。
【０１２６】
本発明の第５実施例について次に説明する。図２１は、第５実施例としての燃料電池発電システム７０１の概略構成図である。図２１に示すように、この燃料電池発電システム７０１は、第１実施例の燃料電池発電システム１のハードウェア構成をそのまま備えた上で（同一のパーツには第１実施例と同じ符号を付した）、さらに、次のようなハードウェア構成を備える。即ち、燃料電池発電システム７０１は、酸素含有ガスを精製する酸素含有ガス精製器７０３と、酸素含有ガス精製器７０３と燃料電池スタック１０とを結ぶ酸素含有ガス供給通路７０５と、燃料電池スタック１０から排出された酸素含有ガスを外部に送る酸素含有ガス排出通路７０７と、その酸素含有ガス排出通路７０７の開度を調整する背圧調整弁７０９とを備える。なお、こうした酸素含有ガス系統は、第１実施例では単に記載を省略したもので、第１実施例にも設けられているものである。さらに、第１実施例の燃料電池スタック１０と同一の構成を備える燃料電池スタック１０Ａには、さらに、酸素含有ガスの圧力を検出する圧力センサ７１１が設けられている。以下、この酸素含有ガスの圧力センサ７１１を第２圧力センサ７１１と呼び、第１実施例で説明した燃料ガス側の圧力センサ３６を第１圧力センサ３６と呼ぶ。
【０１２７】
第２圧力センサ７１１は、電子制御ユニット３８の入力処理回路３８ｄと接続されている。背圧調整弁７０９は、電子制御ユニット３８の出力処理回路３８ｅと接続されている。電子制御ユニット３８によれば、第２圧力センサ７１１を始めとする各種センサからの検出信号に応じて背圧調整弁７０９の開度を調整することで、燃料電池スタック１０Ａの流路溝４５ｐを流れる酸素含有ガスの流速を変化させる。
【０１２８】
この第５実施例の電子制御ユニット３８では、前述した第１実施例と同じ電池出力制御処理を実行し、その上で、さらに次の酸素含有ガス圧制御処理を実行する。図２２は、この酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行されるものである。図２２に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ３８ａは、まず、第１および第２圧力センサ３６，７１１により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ８００）。
【０１２９】
次いで、燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃとを比較して（ステップＳ８１０）、圧力Ｐａが圧力Ｐｃ以上であると判定された場合、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを増大する（ステップＳ８２０）。この結果、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは次第に大きくなり、燃料ガスの圧力Ｐａより大きくなる。その後、「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。
【０１３０】
一方、ステップＳ８１０で、酸素含有ガスの圧力Ｐｃが燃料ガスの圧力Ｐａより大きいと判定された場合には、ステップＳ８２０の処理を飛ばして、そのまま「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。
【０１３１】
即ち、この酸素含有ガス圧制御処理によれば、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度Ｖｃを調整することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃが燃料ガスの圧力Ｐａより常に大きくなるように制御される。この結果、燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの変化は、図２３に示す特性を示すことになる。即ち、図２３に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、燃料ガスの圧力Ｐａと等しくなる点Ａまでは一定の値に、その点Ａより高温側に制御されたときには、燃料ガスの圧力Ｐａを所定値αだけ上回った形で燃料ガスの圧力Ｐａに沿って上昇する。
【０１３２】
一般に、固体高分子型の燃料電池のアノード側の燃料ガス圧力Ｐａと、カソード側の酸素含有ガス圧力Ｐｃの間には、Ｐａ＞Ｐｃ，Ｐａ＝Ｐｃ，Ｐａ＜Ｐｃのいずれかの関係がある。燃料電池発電システムがいずれの圧力関係で運転されるかは、個々の燃料電池発電システムの構成や設計思想により異なってくる。
【０１３３】
▲１▼Ｐａ＞Ｐｃの場合
メタノール改質器を用いた場合、改質器の中で、液体のメタノールが気化するとともに膨張することから、アノード側は容易に圧力を上げることができる。一方、カソード側に、空気（大気）を用いた場合には、圧力を上げるためには大気を加圧しなければならず、大きな補機エネルギが必要となる。このため、燃料電池発電システムのエネルギ効率の向上を目的とする場合に、Ｐａ＞Ｐｃの圧力関係で運転される。
【０１３４】
▲２▼Ｐａ＝Ｐｃの場合
固体高分子型の燃料電池では、電解質膜としてフッ素系のイオン交換膜を使うが、このイオン交換膜は、厚さが５０［ミクロン］から２００［ミクロン］程度と薄く、強度も低い。これに対して、アノード側の燃料ガス圧力とカソード側の酸素含有ガス圧力の間の圧力差が大きいと、イオン交換膜に加わる圧力が大きくなることから、イオン交換膜が、ガス流路の溝のエッジに強く押しつけられて、上記理由と相俟って、そのイオン交換膜が破れてしまう恐れがある。こうしたことから、特に薄いイオン交換膜を使った燃料電池を運転する場合には、Ｐａ＝Ｐｃの圧力関係で運転される。
【０１３５】
▲３▼Ｐａ＜Ｐcの場合
固体高分子型の燃料電池のイオン交換膜のプロトン導電性がイオン交換膜内部の含水率に依存するため、燃料電池の電池性能を高めるためには、少しでもイオン交換膜内部の含水率を高める必要がある。燃料電池の電気化学反応でカソード側に生成する水を、カソード側からアノード側に向けて押戻してやることによって、結果的にイオン交換膜内部に水が閉じこめられたような状態をつくることができる。こうした環境を作るべく、Ｐａ＜Ｐｃの圧力関係で運転される。
【０１３６】
上記▲１▼，▲２▼，▲３▼のどの条件で運転するかは、それぞれの燃料電池発電システムが何を重視するかによって違ってくるので、どれが優れていて、どれが劣っているとは決めつけることはできない。この第５実施例では、電解質膜の保湿性を高めることを目的として、前述した酸素含有ガス圧制御処理を実行することで、Ｐａ＜Ｐｃの圧力関係を保っている。
【０１３７】
以上詳述したように、この第５実施例の燃料電池発電システム７０１では、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料ガスの圧力Ｐｃが上昇側に制御されたときにも、酸素含有ガス圧制御処理により、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは燃料ガスの圧力Ｐａを常に上回るように制御される。このため、第１実施例と同様な電池出力の回復といった効果を奏しつつ、さらには、電解質膜４１の保湿性に優れているといった効果も奏する。
【０１３８】
なお、この第５実施例では、上記▲３▼のＰａ＜Ｐｃの圧力関係を保つように構成されているが、これに換えて、上記▲１▼のＰａ＞Ｐｃの圧力関係を保つ構成とすることもできる。この構成によれば、図２４に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、常に一定の値に制御され、燃料ガス圧力Ｐａの上昇に伴ってその値が変更されることはない。
【０１３９】
また、上記▲１▼のＰａ＝Ｐｃの圧力関係を保つ構成とすることもできる。この構成によれば、図２５に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、その燃料ガス圧力Ｐａの上昇に追随して上昇する。
【０１４０】
これら変形例は、電池出力制御処理により燃料ガス圧力Ｐｃを強制的に上昇したとしても、燃料ガスと酸化ガスとを常に所望の圧力関係で運転することができることから、運転状態の安定性に優れている。
【０１４１】
本発明の第６実施例について次に説明する。この第６実施例の燃料電池発電システムは、第５実施例の燃料電池発電システム７０１と比較して、電子制御ユニット３８のＣＰＵ３８ａで実行される酸素含有ガス圧制御処理が相違するだけで、その他のソフトウェア構成およびハードウェア構成は同一である。即ち、第１実施例の燃料電池発電システム１のハードウェア構成およびソフトウェア構成をそのまま実現した上で、次に示す酸素含有ガス圧制御処理を備えた構成となる。
【０１４２】
図２６は、この酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行されるものである。図２６に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ３８ａは、まず、第１および第２圧力センサ３６，７１１により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ９００）。
【０１４３】
次いで、燃料ガスの圧力Ｐａから酸素含有ガスの圧力Ｐｃを差し引いて、圧力差△Ｐを求める（ステップＳ９１０）。続いて、その圧力差△Ｐが値０より大きいか否か、所定値α（正の値で、例えば、１０［ｋＰａ］）以下であるか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ９２０，Ｓ９３０）。ステップＳ９２０で、否定判定、即ち、圧力差△Ｐが値０以下であると判定されると、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ開き側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを低減する（ステップＳ９４０）。この結果、圧力差△Ｐは値０より大きな値となる。
【０１４４】
ステップＳ９３０で、否定判定、即ち、圧力差△Ｐが所定値αより大きいと判定されたときには、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを増大する（ステップＳ９５０）。この結果、圧力差△Ｐは所定値α以下の値となる。
【０１４５】
なお、ステップＳ９４０またはＳ９５０の実行後、または、ステップＳ９２０およびステップＳ９３０でそれぞれ肯定判定、即ち、０＜△Ｐ≦αの関係を満たすと判定されたとき、処理を「リターン」に進めて、この処理を一旦終了する。
【０１４６】
即ち、この酸素含有ガス圧制御処理によれば、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度Ｖｃを調整することにより、燃料ガスの圧力Ｐａから酸素含有ガスの圧力Ｐｃを差し引いた圧力差△Ｐが、常に値０から所定値αの範囲に収まるよう制御される。この結果、燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの変化は、図２７に示す特性を示すことになる。即ち、図２７に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、燃料ガスの圧力Ｐａとの圧力差△Ｐが所定値α以上となるまでは一定の値に、それより高温側に制御されたときには、所定値αの圧力差△Ｐを保った状態で上昇する。
【０１４７】
以上詳述したように、この第６実施例の燃料電池発電システムでは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料ガスの圧力Ｐｃが上昇側に制御されたときにも、酸素含有ガス圧制御処理により、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは燃料ガスの圧力との圧力差△Ｐが所定値α以下となるよう運転される。このため、第１実施例と同様な電池出力の回復といった効果を奏しつつ、さらに、圧力差△Ｐにより電解質膜４１が破損するのを防止することができる。しかも、前述した▲１▼のＰａ＞Ｐｃの圧力関係を保っていることから、加圧のための大きな補機エネルギを不要としてエネルギ効率の向上を図ることもできる。
【０１４８】
本発明の第７実施例について次に説明する。この第７実施例の燃料電池発電システムは、第６実施例の燃料電池発電システム７０１と比較して、電子制御ユニット３８のＣＰＵ３８ａで実行される酸素含有ガス圧制御処理が相違するだけで、その他のソフトウェア構成およびハードウェア構成は同一である。
【０１４９】
図２８は、この酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行されるものである。図２８に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ３８ａは、まず、第１および第２圧力センサ３６，７１１により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ１０００）。
【０１５０】
次いで、酸素含有ガスの圧力Ｐｃから燃料ガスの圧力Ｐａを差し引いて、圧力差△Ｐを求める（ステップＳ１０１０）。続いて、その圧力差△Ｐが値０より大きいか否か、所定値α（正の値で、第６実施例と同じ値としてもよく、また相違する値としてもよい）以下であるか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ１０２０，Ｓ１０３０）。ステップＳ１０２０で、否定判定、即ち、圧力差△Ｐが値０以下であると判定されると、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを増大する（ステップＳ１０４０）。この結果、圧力差△Ｐは値０より大きな値となる。
【０１５１】
ステップＳ１０３０で、否定判定、即ち、圧力差△Ｐが所定値αより大きいと判定されたときには、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ開き側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを低減する（ステップＳ１０５０）。この結果、圧力差△Ｐは所定値α以下の値となる。
【０１５２】
なお、ステップＳ１０４０またはＳ１０５０の実行後、または、ステップＳ１０２０およびステップＳ１０３０でそれぞれ肯定判定、即ち、０＜△Ｐ≦αの関係を満たすと判定されたとき、処理を「リターン」に進めて、この処理を一旦終了する。
【０１５３】
即ち、この酸素含有ガス圧制御処理によれば、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度Ｖｃを調整することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃから燃料ガスの圧力Ｐａを差し引いた圧力差△Ｐが、常に値０から所定値αの範囲に収まるよう制御される。この結果、燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの変化は、図２９に示す特性を示すことになる。即ち、図２９に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、燃料ガスの圧力Ｐａとの圧力差△Ｐが所定値α以上となる点Ｂまでは一定の値に、その点Ｂより高温側に制御されたときには、燃料ガスの圧力Ｐａを所定量αだけ上回った形で燃料ガスの圧力Ｐａに沿って上昇する。
【０１５４】
以上詳述したように、この第７実施例の燃料電池発電システムでは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料ガスの圧力Ｐｃが上昇側に制御されたときにも、酸素含有ガス圧制御処理により、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは燃料ガスの圧力Ｐａを常に上回り、しかも燃料ガスの圧力Ｐａとの圧力差△Ｐが所定値α以下となるよう運転される。このため、第１実施例と同様な電池出力の回復といった効果を奏しつつ、さらには、圧力差△Ｐにより電解質膜４１が破損するのを防止することができる。しかも、前述した▲３▼のＰａ＜Ｐｃの圧力関係を保つことから、電解質膜４１の保湿性を高めることができる。
【０１５５】
本発明の第８実施例について次に説明する。この第８実施例の燃料電池発電システムは、第５実施例、第６実施例、または第７実施例の燃料電池発電システムと比較して、電子制御ユニット３８のＣＰＵ３８ａで実行される酸素含有ガス圧制御処理が相違するだけで、その他のソフトウェア構成およびハードウェア構成は同一である。即ち、第１実施例の燃料電池発電システム１のハードウェア構成およびソフトウェア構成をそのまま実現した上で、次に示す酸素含有ガス圧制御処理を備えた構成となる。
【０１５６】
図３０は、この酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行されるものである。図３０に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ３８ａは、まず、第１および第２圧力センサ３６，７１１により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ１１００）。
【０１５７】
次いで、燃料ガスの圧力Ｐａから酸素含有ガスの圧力Ｐｃを差し引いて、圧力差△Ｐを求める（ステップＳ１１１０）。続いて、その圧力差△Ｐを所定値β（正の値で、例えば、１０［ｋＰａ］）と比較する処理を行なう（ステップＳ１１２０）。ここで、圧力差△Ｐが所定値βより大きいと判定されると、ステップＳ１１３０に進み、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを増大する。この結果、圧力差△Ｐは低減側に制御され、所定値β以下の値となる。
【０１５８】
一方、ステップＳ１１２０で、圧力差△Ｐが所定値βより小さいと判定されると、ステップＳ１１４０に進み、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ開き側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを低減する。この結果、圧力差△Ｐは増大側に制御され、所定値β以上の値となる。また、ステップＳ１１２０で、圧力差△Ｐがβと等しいと判定されると、処理を「リターン」に進めて、この処理を一旦終了する。
【０１５９】
即ち、この酸素含有ガス圧制御処理によれば、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度Ｖｃを調整することにより、燃料ガスの圧力Ｐａから酸素含有ガスの圧力Ｐｃを差し引いた圧力差△Ｐが、常に所定値βに保持される。この結果、燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの変化は、図３１に示す特性を示すことになる。即ち、図３１に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、燃料ガスの圧力Ｐａとの圧力差△Ｐを所定値βに保って上昇する。
【０１６０】
したがって、この第８実施例の燃料電池発電システムでは、第１実施例と同様な電池出力の回復といった効果を奏しつつ、前述した▲１▼のＰａ＞Ｐｃの圧力関係を保つことから、加圧のための大きな補機エネルギを不要としてエネルギ効率の向上を図ることもできる。
【０１６１】
本発明の第９実施例について次に説明する。この第９実施例の燃料電池発電システムは、第８実施例の燃料電池発電システムと比較して、電子制御ユニット３８のＣＰＵ３８ａで実行される酸素含有ガス圧制御処理が相違するだけで、その他のソフトウェア構成およびハードウェア構成は同一である。
【０１６２】
図３２は、この酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、詳しくは、ＣＰＵ３８ａにより実行され、所定時間（例えば、１００［ｍｓｅｃ］）毎に繰り返し実行されるものである。図３２に示すように、処理が開始されると、ＣＰＵ３８ａは、まず、第１および第２圧力センサ３６，７１１により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ１２００）。
【０１６３】
次いで、酸素含有ガスの圧力Ｐｃから燃料ガスの圧力Ｐａを差し引いて、圧力差△Ｐを求める（ステップＳ１１１０）。続いて、その圧力差△Ｐを所定値β（正の値で、第６実施例と同じ値としてもよく、また相違する値としてもよい）と比較する処理を行なう（ステップＳ１１２０）。ここで、圧力差△Ｐがβより大きいと判定されると、ステップＳ１１３０に進み、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ開き側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを低減する。この結果、圧力差△Ｐは低減側に制御され、所定値β以下の値となる。
【０１６４】
一方、ステップＳ１２２０で、圧力差△Ｐが所定値βより小さいと判定されると、ステップＳ１２４０に進み、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃを増大する。この結果、圧力差△Ｐは増大側に制御され、所定値β以上の値となる。また、ステップＳ１１２０で、圧力差△Ｐがβと等しいと判定されると、処理を「リターン」に進めて、この処理を一旦終了する。
【０１６５】
即ち、この酸素含有ガス圧制御処理によれば、酸素含有ガス排出通路７０７の背圧調整弁７０９の開度Ｖｃを調整することにより、酸素含有ガスの圧力Ｐｃから燃料ガスの圧力Ｐａを差し引いた圧力差△Ｐが、常に所定値βに保持される。この結果、燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの変化は、図３３に示す特性を示すことになる。即ち、図３３に示すように、燃料ガスの圧力Ｐａは、第１実施例と同じ電池出力制御処理により、燃料電池温度の上昇に応じて上昇側に制御されるのに対して、酸素含有ガスの圧力Ｐｃは、燃料ガスの圧力Ｐａに対して所定値βだけ上回って上昇する。
【０１６６】
したがって、この第９実施例の燃料電池発電システムでは、第１実施例と同様な電池出力の回復といった効果を奏しつつ、前述した▲３▼のＰａ＜Ｐｃの圧力関係を保つことから、カソード側に生成する水により電解質膜４１の保湿性を高めることができる。特に、この実施例の燃料電池発電システムでは、燃料ガスと酸素含有ガスの圧力差△Ｐが所定値βに保持されることから、電解質膜４１の含水率を一定にすることができる。
【０１６７】
前述した各実施例では、被毒状態検知手段として、一酸化炭素センサ３０により燃料ガス中のＣＯ濃度を検出し、そのＣＯ濃度が所定濃度以上となったときに、触媒は被毒状態にあると判別検知していたが、これに限るものではなく、一酸化炭素センサ３０として、他の構成のもの、例えば定電位電解式の一酸化炭素センサを用いた構成としてもよい。また、電極の燃料ガスの流入側と流出側との温度差を検出し、その温度差から触媒の被毒状態を推定することにより、触媒の被毒状態を検出する構成としてもよい。
【０１６８】
前述した各実施例では、燃料電池スタック１０Ａのアノード４２の触媒として、白金を使用する場合について述べたが、この他にもアノード側電極触媒として、第１成分である白金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバルト、バナジウム、パラジウム、インジウム等の中の１種類または２種類以上の成分との合金から成る合金触媒を使用する構成としてもよい。この場合にも、前述した各実施例と同様な効果を奏することができる。
【０１６９】
前述した各実施例では、水素リッチガスの供給源として、メタノール改質器を前提に記述したが、これに換えて、同様に水素を主成分とする改質ガスを生成する他の改質器と組み合わせた燃料電池発システムにも適用することができる。こうした他の改質器としては、改質の原料の違いから、メタノール、エタノールなどのアルコール類、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素類、ガソリン、軽油などの液体燃料を使うものが該当する。また改質反応の違いにより、水蒸気改質法、部分酸化改質法、及びそれらを組み合わせた改質法が該当する。
【０１７０】
前述した各実施例では、１つの固体高分子型の燃料電池スタックにより構成されていることを前提に記述したが、これに換えて、固体高分子型の燃料電池システムが２つ以上の複数の固体高分子型の燃料電池スタックにより構成してもよい。この構成の場合には、各々の固体高分子型の燃料電池スタックごとの動作状況（運転状況）は同一ではありえないので、当該システムにおいては、各実施例で述べた制御は各々の燃料電池スタックごとに行なうことが好ましい。
【０１７１】
前述した各実施例では、固体高分子型の燃料電池を前提に記述したが、同様に触媒が被毒を受けるりん酸型の燃料電池やダイレクトメタノール型の燃料電池等にも適用することが出来る。
【０１７２】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池発電システム１の概略構成図である。
【図２】燃料電池スタック１０のセル構造を示す構造図である。
【図３】燃料電池スタック１０の全体構造を示す構造図である。
【図４】一酸化炭素センサ３０の縦断面図である。
【図５】一酸化炭素センサ３０における被検出ガス中の一酸化炭素濃度と検出結果である電位差との関係の一例を示したグラフである。
【図６】電子制御ユニット３８のＣＰＵ３８ａにより実行される電池出力制御処理を示すフローチャートである。
【図７】燃料電池温度と燃料ガス圧力との関係を示すグラフである。
【図８】第１実施例の燃料電池スタック１０の電池セルの電流−電圧特性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施例としての燃料電池発電システム２０１の概略構成図である。
【図１０】この第２実施例のＣＰＵで実行される電池出力制御処理の前半部分を示すフローチャートである。
【図１１】上記電池出力制御処理の後半部分を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第３実施例としての燃料電池発電システム３０１の概略構成図である。
【図１３】この第３実施例のＣＰＵで実行される電池出力制御処理の前半部分を示すフローチャートである。
【図１４】上記電池出力制御処理の後半部分を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の第４実施例としての燃料電池発電システム５０１の概略構成図である。
【図１６】一酸化炭素センサ５３０の縦断面を電子制御ユニット３８とともに示す説明図である。
【図１７】一酸化炭素センサ５３０による被検出ガス中のメタノールの濃度と両電極６２，６４間に生じる開放端子電圧ＯＣＶとの関係を例示するグラフである。
【図１８】一酸化炭素センサ５３０による被検出ガス中のメタノール濃度と電圧計８２により検出される開放端子電圧ＯＣＶとの関係を例示するグラフである。
【図１９】この第４実施例のＣＰＵで実行されるセンサ出力読込ルーチンを示すフローチャートである。
【図２０】この第４実施例のＣＰＵで実行されるメインルーチンを示すフローチャートである。
【図２１】本発明の第５実施例としての燃料電池発電システム７０１の概略構成図である。
【図２２】この第５実施例のＣＰＵで実行される酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。
【図２３】この第５実施例において燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【図２４】Ｐａ＞Ｐｃの条件下で燃料電池温度に対するＰａとＰｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【図２５】Ｐａ＝Ｐｃの条件下で燃料電池温度に対するＰａとＰｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【図２６】本発明の第６実施例のＣＰＵで実行される酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。
【図２７】この第６実施例において燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【図２８】本発明の第７実施例のＣＰＵで実行される酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。
【図２９】この第７実施例において燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【図３０】本発明の第８実施例のＣＰＵで実行される酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。
【図３１】この第８実施例において燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【図３２】本発明の第９実施例のＣＰＵで実行される酸素含有ガス圧制御処理を示すフローチャートである。
【図３３】この第９実施例において燃料電池温度に対する燃料ガスの圧力Ｐａと酸素含有ガスの圧力Ｐｃの関係がどのように変化するかを示すグラフである。
【符号の説明】
１…燃料電池発電システム
１０…燃料電池スタック
１２…メタノールタンク
１４…水タンク
１６…改質器
１６ａ…改質部
１６ｂ…シフト反応部
１６ｃ…部分酸化反応部
１７…燃料ガス供給通路
１７ａ…分岐口
１８…燃料ガス排出通路
１９…背圧調整弁
２０…冷却プレート
２２…循環通路
２４…冷却水ポンプ
２６…ラジエータ
３０…一酸化炭素センサ
３２…電圧計
３４…温度センサ
３６…圧力センサ
３８…電子制御ユニット
３８ａ…ＣＰＵ
３８ｂ…ＲＯＭ
３８ｃ…ＲＡＭ
３８ｄ…入力処理回路
３８ｅ…出力処理回路
４０…サンドイッチ構造
４１…電解質膜
４２…アノード
４３…カソード
４４…セパレータ
４４ｐ…燃料ガス流路溝
４５…セパレータ
４５ｐ…酸素含有ガス流路溝
４６，４７…集電板
５０…セパレータ
５２…電極
５４，５５…絶縁板
５６，５７…エンドプレート
５８…ボルト
６０…電解質膜
６２，６４…電極
６４ａ，６４ｂ…ネジ
６６，６８…金属板
７０…ホルダ
７０Ｔ，７２Ｔ…検出端子
７０ａ，７２ａ…フランジ
７０ｂ，７２ｂ…ネジ
７２…ホルダ
７４…絶縁性部材
７６…Ｏリング
７８…ガス流入通路
８０…電気回路
８２…電圧計
８４…抵抗器
２０１…燃料電池発電システム
２３１…ガス流量計
２３３…電流計
３０１…燃料電池発電システム
３０３…加湿器
３０５…バイパス通路
３０７…ＭＦＣ
３３４…インピーダンス計
５０１…燃料電池発電システム
５３０…一酸化炭素センサ
５４０…機能切換機構
５４２…リレー
５４４…接点
５４６…抵抗器
７０１…燃料電池発電システム
７０３…酸素含有ガス精製器
７０５…酸素含有ガス供給通路
７０７…酸素含有ガス排出通路
７０９…背圧調整弁
７１１…圧力センサ
【図１】
0004000607.tif 000002
【図２】
0004000607.tif 000003
【図３】
0004000607.tif 000004
【図４】
0004000607.tif 000005
【図５】
0004000607.tif 000006
【図７】
0004000607.tif 000007
【図６】
0004000607.tif 000008
【図８】
0004000607.tif 000009
【図９】
0004000607.tif 000010
【図１０】
0004000607.tif 000011
【図１１】
0004000607.tif 000012
【図１２】
0004000607.tif 000013
【図１３】
0004000607.tif 000014
【図１４】
0004000607.tif 000015
【図１５】
0004000607.tif 000016
【図１６】
0004000607.tif 000017
【図１７】
0004000607.tif 000018
【図１８】
0004000607.tif 000019
【図１９】
0004000607.tif 000020
【図２０】
0004000607.tif 000021
【図２１】
0004000607.tif 000022
【図２２】
0004000607.tif 000023
【図２３】
0004000607.tif 000024
【図２４】
0004000607.tif 000025
【図２５】
0004000607.tif 000026
【図２６】
0004000607.tif 000027
【図２７】
0004000607.tif 000028
【図２９】
0004000607.tif 000029
【図２８】
0004000607.tif 000030
【図３０】
0004000607.tif 000031
【図３１】
0004000607.tif 000032
【図３３】
0004000607.tif 000033
【図３２】
0004000607.tif 000034