(57)【要約】【課題】燃料電池の触媒が被毒しているか否かを的確に判断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】燃料電池システム１は、触媒を担持したアノードを有するダイレクトメタノール型の燃料電池２を備え、燃料電池２のアノードで生じる気体を受け入れ、当該気体から水蒸気を分離する分離タンク６１と、分離タンク６１から燃料電池システム１の外部に水蒸気が分離された気体を導く配管Ｆ８と、配管Ｆ８に設けられ、当該配管Ｆ８内のＣＯ濃度を検出する系内ＣＯ濃度センサ６３１と、を備える。【選択図】  図１
2017059465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を担持したアノードを有するダイレクトメタノール型の燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記アノードで生じる気体を受け入れ、当該気体から水蒸気を分離する分離手段と、
前記分離手段から前記燃料電池システムの外部に前記水蒸気が分離された気体を導く第１の流路と、
前記第１の流路に設けられ、当該第１の流路内のＣＯ濃度を検出する第１の検出手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の電流値、電圧値、及び電力値の少なくとも１つを検出する第２の検出手段と、
前記第２の検出手段の検出結果が第１の閾値以下の場合に、前記第１の検出手段の検出結果と第２の閾値とを比較する比較手段と、をさらに備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の検出手段の検出結果が前記第２の閾値以上の場合に、前記燃料電池システムを停止させる停止手段をさらに備える燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の検出手段の検出結果が前記第２の閾値以上の場合に、前記燃料電池システムの異常を報知する報知手段をさらに備える燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの外部のＣＯ濃度を検出する第３の検出手段と、
前記第１の検出手段の検出結果を取得して、前記第３の検出手段の検出結果に基づいて前記第１の検出手段の検出結果を補正して補正値とし、その補正値を前記比較手段に出力する補正手段と、をさらに備え、
前記比較手段は、前記第１の検出手段の検出結果に代えて、前記補正値を前記第２の閾値と比較する燃料電池システム。  
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードで生じる気体を前記分離手段に導く第２の流路をさらに備え、
前記分離手段は、水を収容した槽を有し、
前記第２の流路の一端は、前記槽の水の中に開口し、
前記第１の流路の一端は、前記槽の水の外に開口し、
前記第１の流路の他端は、前記燃料電池システムの外部に開口している燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイレクトメタノール型の燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池において、発電に伴う反応中間生成物として生じた一酸化炭素が、電極触媒の白金と強く吸着して触媒被毒を生じることが知られている（たとえば、特許文献１（段落［０００２］〜［０００７］）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２３９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
直接メタノール型燃料電池の出力は、種々の運転条件により変化するが、上述のように燃料電池の触媒に被毒が生じた場合、燃料電池の出力が著しく低下することは周知である。一般に、燃料電池の触媒が被毒した場合、これを交換して燃料電池システムの使用を継続することは難しい。そのため、燃料電池の出力低下が、燃料電池の触媒被毒の影響によるものなのか、他の構成の劣化によるものなのかを的確に判断する必要がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の触媒が被毒しているか否かを的確に判断することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る燃料電池システムは、触媒を担持したアノードを有するダイレクトメタノール型の燃料電池を備え、前記アノードで生じる気体を受け入れ、当該気体から水蒸気を分離する分離手段と、前記分離手段から前記燃料電池システムの外部に前記水蒸気が分離された気体を導く第１の流路と、前記第１の流路に設けられ、当該第１の流路内のＣＯ濃度を検出する第１の検出手段と、を備える燃料電池システムである。
【０００７】
［２］上記発明において、前記燃料電池の電流値、電圧値、及び電力値の少なくとも１つを検出する第２の検出手段と、前記第２の検出手段の検出結果が第１の閾値よりも小さい場合に、前記第１の検出手段の検出結果と第２の閾値とを比較する比較手段と、をさらに備えてもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記第１の検出手段の検出結果が前記第２の閾値よりも大きい場合に、前記燃料電池システムを停止させる停止手段をさらに備えてもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記第１の検出手段の検出結果が前記第２の閾値よりも大きい場合に、前記燃料電池システムの異常を報知する報知手段をさらに備えてもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記燃料電池システムの外部のＣＯ濃度を検出する第３の検出手段と、前記第１の検出手段の検出結果を取得して、前記第３の検出手段の検出結果に基づいて前記第１の検出手段の検出結果を補正して補正値とし、その補正値を前記比較手段に出力する補正手段と、をさらに備え、前記比較手段は、前記第１の検出手段の検出結果に代えて、前記補正値を前記第２の閾値と比較してもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、  前記燃料電池のアノードで生じる気体を前記分離手段へ導く第２の流路をさらに備え、前記分離手段は、水を収容した槽を有し、前記第２の流路の一端は、前記槽の水の中に開口し、前記第１の流路の一端は、前記槽の水の外に開口し、前記第１の流路の他端は、前記燃料電池システムの外部に開口していてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池のアノードで生成される生成物に含まれる気体から水蒸気を分離する分離手段と、当該分離手段から燃料電池システムの外部に気体を排出する第１の流路内のＣＯ濃度を検出する第１の検出手段と、を備える。本発明によれば、水蒸気を分離して検出可能な状態となった気体の一酸化炭素の濃度に基づいて、燃料電池の触媒が被毒しているか否かを従来よりも的確に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施の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２は、本発明の一実施の形態に係る分離タンクと排気部との位置関係を説明する概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る制御装置を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係る制御装置におけるデータ処理手順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】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【００１６】
本実施形態における燃料電池システム１は、メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール型の燃料電池を備える燃料電池システムであり、図１に示すように、燃料電池２と、燃料供給装置３と、空気供給装置４と、メタノール補充装置５と、水循環装置６と、凝縮器７と、出力測定部８と、制御装置９と、スピーカ１０（図３参照）と、系外ＣＯ濃度センサ１１と、筐体１２と、を備える。以下、図１を参照して、それぞれの構成について説明する。本実施形態における燃料電池システム１が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当する。
【００１７】
燃料電池２は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１と、膜電極接合体２１を挟む板状のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３を備える。膜電極接合体２１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜２１１と、略矩形のアノード触媒層２１２と、カソード触媒層２１３を含み、さらに、略矩形のアノードガス拡散層２１４とカソードガス拡散層２１５を含んでいる。アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層２１４がアノードを構成し、カソード触媒層２１３とカソードガス拡散層２１５がカソードを構成する。これらアノード及びカソードが、燃料電池２の一対の電極となる。
【００１８】
なお、図１に示す燃料電池２は、一対のセパレータ２２，２３に挟持された膜電極接合体２１を１つのみ有する燃料電池として構成されているが、特に上述に限定されない。たとえば、一対のセパレータ２２，２３と、これらに挟持された膜電極接合体２１とから構成されたセルを複数積層してスタック状とし、当該セル同士を直接又は／及び並列に接続して、燃料電池２を構成してもよい。本実施形態における「燃料電池２」が本発明における「燃料電池」の一例に相当する。
【００１９】
高分子電解質膜２１１としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質型燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（たとえば、米国Ｄｕｐｏｎｔ社製のｎａｆｉｏｎ（商品名、登録商標）、旭化成（株）社製のＡｃｉｌｅｘ（商品名、登録商標）、ジャパンゴアテックス（株）社製のＧＳＩＩ（商品名、登録商標）など）を使用することができる。
【００２０】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３は電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン導電性を有する高分子電解質とで構成されている。
【００２１】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における担体である導電性炭素粒子については、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましい。このようなカーボン材料としては、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバ及びカーボンチューブなどを例示することができる。カーボンブラックとしては、たとえば、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック及びアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。
【００２２】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における電極触媒としては、白金又は白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛及びスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノードとカソードに同じ構成の電極触媒を用いても、異なる構成の電極触媒を用いてもよい。
【００２３】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３の外側に配置されるアノードガス拡散層２１４及びカソードガス拡散層２１５としては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャ構造を有するカーボン微粉末、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて製作された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＥＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、基材に撥水処理を施してもよい。さらに、電子導電性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード及びアノードにおいて同じ構成のガス拡散層を用いても異なる構成のガス拡散層を用いてもよい。
【００２４】
一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３は、膜電極接合体２１の外側に配置されて、膜電極接合体２１を機械的に固定するための部材である。アノードセパレータ２２のうちの膜電極接合体２１と接触する面には、アノードに燃料であるメタノールを供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に排出するためのアノード流路（不図示）が形成されている。同様に、カソードセパレータ２３のうちの膜電極接合体２１と接触する面には、カソードに酸化剤（空気）を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのカソード流路（不図示）が形成されている。
【００２５】
こうしたアノード流路及びカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路及びカソード流路は、たとえば、複数の直線上溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のＵターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。
【００２６】
本実施形態において、燃料供給装置３の燃料タンク３１には、燃料電池２の液体燃料が貯蓄されている。配管Ｆ１を介して上述したアノードセパレータ２２のアノード流路の入口２４１に当該燃料タンク３１からメタノールを含む液体燃料を供給する。一方、カソードセパレータ２３のカソード流路の入口２５１に配管Ｆ２を介して空気を供給する。これにより、アノードにおいては、
［数１］
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
という化学反応が生じ、カソードにおいては、
［数２］
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
という化学反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に起電力が生じることになる。
【００２７】
上記［数１］式について、さらに説明すると、メタノールを含む液体燃料から水素イオンを取得するに際して、中間生成物として一酸化炭素が副生される。燃料電池システム１においては、アノードの電極触媒を利用してこれを酸化させ、二酸化炭素に変えて排出する。Ｐｔ−Ｒｕ合金触媒を例にして具体的に説明すると、白金に吸着した一酸化炭素が、近傍に位置するルテニウムに吸着した水酸基により酸化して、二酸化炭素に変わる反応が生じる（Ｐｔ-ＣＯ＋ＯＨ→Ｐｔ-Ｈ＋ＣＯ２）。しかしながら、たとえば、液体燃料の供給量バランスが崩れたり、ルテニウムの性能が低下したりして上述の反応が滞ると、ついには白金表面が一酸化炭素により被覆され、触媒が被毒状態に陥ることがある。この場合、副生される一酸化炭素は、白金と結合することなく、未反応のままアノード流路の出口２４２から排出される。
【００２８】
アノードで生成した生成物（二酸化炭素。一酸化炭素が副生された場合、これを含む。）、反応に寄与しなかった未反応メタノール、及びアノードで生じた水蒸気は、アノード流路の出口２４２から配管Ｆ３を介して燃料タンク３１に戻される。同様に、カソードで生成した水と、膜電極接合体２１と透過（クロスオーバー現象）した未反応メタノールは、カソード流路の出口２５２から配管Ｆ４及び凝縮器７を介して水循環装置６の分離タンク６１へ戻される。因みに、凝縮器７は、カソードで生じた水蒸気を液化して分離タンク６１へ戻す機能を有する。
【００２９】
本実施形態において、配管Ｆ１〜Ｆ８は、燃料電池システム１の大きさやレイアウトなどに応じて具体的構造を採用することができる。
【００３０】
燃料供給装置３は、燃料タンク３１と、ポンプ３２と、流量センサ３３と、液面レベルセンサ３４と、を有している。燃料タンク３１には、メタノールタンク５１（後述）から供給される高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液（以下、高濃度メタノールとも称する。）と、分離タンク６１（後述）から供給される水（僅かにメタノールを含む。）とが混合された液体燃料が貯蔵されている。
【００３１】
ポンプ３２は、配管Ｆ１を介して上述したアノードセパレータ２２のアノード流路の入口に、燃料タンク３１から液体燃料を供給する。配管Ｆ１におけるポンプ３２の吐出側（すなわち、ポンプ３２と燃料電池２との間）には、燃料タンク３１から燃料電池２へ供給される液体燃料の流量を測定する流量センサ３３が設けられている。流量センサ３３としては、たとえば、カルマン渦式流量センサを挙げることができる。なお、この流量センサ３３は、ポンプ３２の性能を監視するために用いられるものである。したがって、特に上述に限定されず、流量以外のパラメータに基づいて、ポンプ３２の性能を監視してもよい。たとえば、ポンプ３２の吐出圧を測定する圧力センサを用いてもよい。
【００３２】
液面レベルセンサ３４は、上限センサ３４Ｈと下限センサ３４Ｌから構成される。上限センサ３４Ｈが検出信号を出力するのであれば、燃料タンク３１内の液体燃料の液面レベルが上限値に達したことを示し、下限センサ３４Ｌが検出信号を出力するのであれば、燃料タンク３１内の液体燃料の液面レベルが下限値に達したことを示す。燃料タンク３１は、メタノール補充装置５からの高濃度メタノールや、水循環装置６からの水を受け取る一方、燃料電池２に向けてポンプ３２から貯蔵する液体燃料を供給している。このため、これら各種ポンプが劣化して性能に変動が生じた場合、燃料タンク３１の液体燃料の貯蔵量バランスが崩れ液面レベルが変位する。本実施形態では、液面レベルを監視することで、これらポンプの劣化を一括して監視している。
【００３３】
燃料電池２のアノード流路の出口２４２から排出される生成物、未反応の液体燃料、及び燃料電池２のアノードで生じた水蒸気は、配管Ｆ３を介して燃料タンク３１へ戻される。この際、気体である一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気は、液面に浮上するので、この燃料タンク３１により液体（つまり、液体燃料）と気体が概ね分離され、気体は配管Ｆ７を介して分離タンク６１に送られる。なお、燃料タンク３１から分離タンク６１への気体の移送は、これらタンクの内圧を制御して移送してもよいし、配管Ｆ７にブロワなどの移送系設備を設けて、強制的に移送してもよい。本実施形態における「配管Ｆ３」、「配管Ｆ７」、及び「燃料タンク３１」が本発明における「第２の流路」の一例に相当する。
【００３４】
空気供給装置４は、燃料電池２のカソードに酸化剤としての酸素を含む空気を送り込むための装置である。この空気供給装置４は、フィルタ４１と、ブロワ４２と、流量センサ４３と、を有している。フィルタ４１は、吸入する空気に含まれる塵埃等を除去するために設けられるものであり、ブロワ４２の吸入側に設けられる。ブロワ４２は、配管Ｆ２を介して上述したカソードセパレータ２３のカソード流路の入口２５１に、空気を供給する。配管Ｆ２におけるブロワ４２の吐出側（すなわち、ブロワ４２と燃料電池２との間）には、筐体１２の外部から吸入し燃料電池２へ供給される空気の流量を測定する流量センサ４３が設けられている。流量センサ４３としては、たとえば、差圧式流量センサを挙げることができる。なお、流量センサ４３に代えて、ブロワ４２の吐出圧を測定する圧力センサを設けてもよい。
【００３５】
メタノール補充装置５は、メタノールタンク５１と、ポンプ５２と、を有している。メタノールタンク５１には、上述の高濃度メタノールが追加燃料として貯蔵されている。高濃度メタノールは、ポンプ５２により、配管Ｆ５を介してメタノールタンク５１から燃料タンク３１に供給される。
【００３６】
水循環装置６は、分離タンク６１と、ポンプ６２と、排気部６３と、を有している。分離タンク６１には、燃料電池２のカソードで生成した水と、膜電極接合体２１を透過した未反応メタノールが、カソード流路の出口から配管Ｆ４及び凝縮器７を介して供給され、さらに、燃料電池２のアノードで生じた一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気を含む気体が、燃料タンク３１から配管Ｆ７を介して供給される。一方、分離タンク６１に貯蔵される水は、ポンプ６２により、配管Ｆ６を介して燃料タンク３１に向けて排出される。
【００３７】
図２に示すように、配管Ｆ７の一方の端部Ｆ７ａは、分離タンク６１に貯蔵される水の液面よりも低い位置まで引き延ばされ、水中に浸漬された状態となっている。燃料タンク３１から分離タンク６１に送られる気体は、水の中に開口する配管Ｆ７の端部Ｆ７ａから水中に向かって噴射される。分離タンク６１内では、一酸化炭素と二酸化炭素の気体が液面に浮上する一方、水蒸気が凝集して水となり、一酸化炭素と二酸化炭素から水蒸気が分離される。
【００３８】
排気部６３は、流Ｆ８に設けられた第１のＣＯ濃度センサ６３１と、フィルタ６３２と、を有している。配管Ｆ８は、その一方の端部Ｆ８ａが分離タンク６１内の気体を収容する領域に開口しており、分離タンク６１内の気体を燃料電池システム１の外部に導く機能を有する。配管Ｆ８には、分離タンク６１から燃料電池システム１の外部に排出される気体に含まれる一酸化炭素の濃度を検出する系内ＣＯ濃度センサ６３１が設けられている。本実施形態では、燃料電池２で副生された一酸化炭素の濃度を正しく検出するため、系内ＣＯ濃度センサ６３１を、燃料電池２のアノードの生成物に含まれる気体中の水蒸気を分離する分離タンク６１の下流側に設けている。この系内ＣＯ濃度センサ６３１は、配管Ｆ８の外面に設けられるものであり、たとえば、フランジのカラーに取付用のボルトを挿通して、これを配管Ｆ８に設けられた取付座に締め付けて固定されている。系内ＣＯ濃度センサ６３１の検出部６３１ａは、配管Ｆ８に設けられた小孔Ｆ８ｂから、当該配管Ｆ８の内部に面している。この検出部６３１ａは、検出面が配管Ｆ８の延在方向に対して平行となる向きに取り付けられている。
【００３９】
系内ＣＯ濃度センサ６３１としては、可燃性ガスである一酸化炭素が加熱白金上の触媒と作用して燃焼することで変化する白金線の電気抵抗を利用した接触燃焼式の濃度検出センサや、半導体に一酸化炭素が吸着されたときに変化する電気抵抗を利用した半導体式の濃度検出センサを挙げることができる。配管Ｆ８内を流れる気体は、排気口Ｆ８ｃから燃料電池システム１の外部に排出される。この排気口Ｆ８ｃ近傍には、外部から塵埃等が配管Ｆ８内に浸入するのを防ぐフィルタ６３２が設けられている。
【００４０】
なお、本実施形態では、分離タンク６１において、燃料電池２のアノードの生成物に含まれる気体中の水蒸気を分離したが、この分離タンク６１は、燃料電池２のカソードで生成した水を受け、これを燃料タンク３１に向けて供給する水循環装置６の一部を構成するものである。したがって、水循環装置６とは別に、気体に含まれる水蒸気を分離する分離手段を独立して設けてもよい。この場合、系内ＣＯ濃度センサ６３１は、分離手段を介して燃料電池システムの外部に気体を導く流路に設けられる。
【００４１】
本実施形態における「分離タンク６１」が本発明における「分離手段」及び「槽」の一例に相当し、本実施形態における「配管Ｆ８」が本発明における「第１の流路」の一例に相当し、本実施形態における「系内ＣＯ濃度センサ６３１」が本発明における「第１の検出手段」の一例に相当する。
【００４２】
出力測定部８は、図１に示すように、燃料電池２が電力負荷１００に供給する電力値を測定する機能を有する。この出力測定部８は、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサ（不図示）と、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサ（不図示）と、を含んでおり、当該電流センサが検出した電流値［Ａ］と、電圧センサが検出した電圧値［Ｖ］とを掛けることにより、電力値［Ｗ］を測定する。なお、特に上述に限定されず、出力測定部８では、燃料電池２の電流値と電圧値を検出するだけで、これらが出力される制御装置９において、燃料電池２の電力値を算出してもよい。本実施形態における「出力測定部８」が本発明における「第２の検出手段」の一例に相当する。
【００４３】
上述した燃料電池システム１の各種構成部品は、筐体１２に収容され、空気供給装置のフィルタ４１の吸気口と排気部６３の排気口Ｆ８ｃは、当該燃料電池システム１の外部に臨んで配置されている。このフィルタ４１の吸気口近傍には、系外ＣＯ濃度センサ１１が設けられている。この系外ＣＯ濃度センサ１１は、燃料電池システム１の外部の一酸化炭素の濃度を検出するためのものである。なお、系外ＣＯ濃度センサ１１としては、上述の系内ＣＯ濃度センサ６３１と同様のものを用いることができる。本実施形態における「系外ＣＯ濃度センサ１１」が本発明における「第３の検出手段」の一例に相当する。
【００４４】
各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェースなどを含んで構成されるマイクロコンピュータからなる制御装置９に入力される。制御装置９は、センサ類からの信号に基づいて判定される燃料電池システム１の運転状態に応じて、ブロワや各種ポンプのＯＮ／ＯＦＦを制御したり、電力負荷１００に供給される燃料電池２の電力の供給／遮断を制御したりする。
【００４５】
本実施形態において、燃料電池システム１の故障の程度に応じた、燃料電池システム１の運転制御は、図３に示す制御ブロックと、図４に示す制御ルーチンによって実行される。以下に具体的な制御の構成を説明する。図３は本発明の一実施の形態に係る制御装置を示すブロック図、図４は本発明の一実施の形態に係る制御装置におけるデータ処理手順を示すフローチャートである。
【００４６】
本実施形態の制御装置９は、図３に示すように、重故障判定部９１と、軽故障判定部９２と、第１〜第３報知部９３，９４，９５と、停止部９６とを備える。なお、図３の最左列は、入力パラメータを示し、上述した燃料電池システム１の各種構成部品より検出されるものである。
【００４７】
この制御装置９では、燃料電池２が出力する電力値が低下したら、燃料電池システム１の異常として、重故障であるか、或いは、軽故障であるかの判定を行う。燃料電池システム１の重故障、軽故障の区分は、以下のとおりである。
【００４８】
すなわち、燃料電池２の触媒被毒に起因した燃料電池２の電力値の低下が生じた場合は、燃料電池システム１が重故障であると判定する。これは、燃料電池２に触媒被毒が生じると、部品を交換し使用を継続することは難しいため、燃料電池システム１自体が故障したものと同義とする。これに対し、たとえば、ブロワやポンプを含む流体の移送系の不良に起因して燃料電池２の電力値の低下が生じた場合は、燃料電池システム１が軽故障であると判定する。これは、重故障の場合と異なり、不良箇所の部品を交換すれば、比較的容易に燃料電池システム１の使用の継続が可能だからである。
【００４９】
重故障判定部９１は、出力比較部９１１と、補正部９１２と、ＣＯ濃度比較部９１３と、を有している。出力比較部９１１は、出力測定部８から出力される検出結果として、燃料電池２が電力負荷１００に供給する電力値に係る信号（以下、単に「電力値」と称する。）を受け取る。出力比較部９１１には、燃料電池２が電力負荷１００に供給する電力として異常な範囲の上限値（以下、「第１の閾値」とも称する。）が、予め保存されている。第１の閾値としては、燃料電池２の触媒被毒を適時に検出する観点から、燃料電池の定格出力値よりも１０％程度低下したときの値とすることが好ましい。出力比較部９１１は、この第１の閾値と、出力測定部８から出力された電力値とを比較して、所定の条件が成立したら、ＣＯ濃度比較部９１３に比較結果を出力する。
【００５０】
補正部９１２は、系内ＣＯ濃度センサ６３１が検出した検出結果として、一酸化炭素の濃度に係る信号（以下、単に「系内ＣＯ濃度」と称する。）と、系外ＣＯ濃度センサ１１が検出した検出結果として、一酸化炭素の濃度に係る信号（以下、単に「系外ＣＯ濃度」と称する。）とを受け取る。空気供給装置４から燃料電池２のカノードに供給される空気は、配管Ｆ４を介して分離タンク６１に戻される。このため、分離タンク６１の下流側で検出する系内ＣＯ濃度は、燃料電池システム１の外部に存在する一酸化炭素の影響を受けた値が出力される。したがって、この補正部９１２では、系内ＣＯ濃度を、系外ＣＯ濃度に基づいて補正する。系内ＣＯ濃度の補正は、所定の演算式を用いて行われる。具体的には、系内ＣＯ濃度の補正は、系内ＣＯ濃度から系外ＣＯ濃度を減じる減算処理をし、これらの相対値を得ることで行われる。補正された系内ＣＯ濃度（以下、「補正値」とも称する。）は、ＣＯ濃度比較部９１３に出力される。なお、本実施形態では、系内ＣＯ濃度を補正部９１２で補正する前に、系内ＣＯ濃度センサ６３１の種類に応じて、系内ＣＯ濃度に対し、温度等の補正を行ってもよい。この場合、系内ＣＯ濃度を補正部９１２のみで補正する場合と比べ、より正確な補正値を得ることが可能となる。本実施形態における「補正部９１２」が本発明における「補正手段」の一例に相当する。
【００５１】
ＣＯ濃度比較部９１３は、補正部９１２から出力された補正値を受け取る。ＣＯ濃度比較部９１３には、燃料電池２が副生する一酸化炭素の濃度として異常な範囲の下限値（以下、「第２の閾値」とも称する。）が、予め保存されている。第２の閾値としては、燃料電池システム１が正常な運転状態である場合において算出される補正値よりも１〜３ｐｐｍ高い値であることが好ましい。ＣＯ濃度比較部９１３は、この第２の閾値と、補正部９１２から出力された補正値とを比較して、所定の条件に基づいて、軽故障判定部９２か第１報知部９３の何れか一方に、比較結果を出力する。本実施形態における「ＣＯ濃度比較部９１３」が本発明における「比較手段」の一例に相当する。
【００５２】
軽故障判定部９２は、第１流量比較部９２１と、第２流量比較部９２２と、液面レベル監視部９２３と、を有している。第１流量比較部９２１は、流量センサ３３が検出したポンプ３２の吐出流量に係る信号（以下、単に「燃料流量」とも称する。）を受け取る。第１流量比較部９２１には、ポンプ３２が吐出する液体燃料の流量として異常な範囲の上限値（以下、「第３の閾値」とも称する。）が、予め保存されている。第１流量比較部９２１は、第３の閾値と、流量センサ３３で検出された燃料流量とを比較して、所定の条件に基づいて、第２流量比較部９２２か第２報知部９４のいずれか一方に、比較結果を出力する。
【００５３】
一方、第２流量比較部９２２は、流量センサ４３が検出したブロワ４２の吐出側の流量に係る信号（以下、単に「空気流量」とも称する。）を受け取る。第２流量比較部９２２には、ブロワ４２が吐出する空気の流量として異常な範囲の上限値（以下、「第４の閾値」とも称する。）が、予め保存されている。第２流量比較部９２２は、第４の閾値と、流量センサ４３で検出された空気流量とを比較して、所定の条件に基づいて、液面レベル監視部９２３か第２報知部９４のいずれか一方に、比較結果を出力する。
【００５４】
液面レベル監視部９２３は、液面レベルセンサ３４から、液面レベルに係る信号（以下、単に「液面レベル」とも称する。）を受け取る。液面レベル監視部９２３は、たとえば、第２流量比較部９２２から比較結果を受け取った後、所定時間が経過するまでの間に、液面レベルセンサ３４から検出信号が出力されたか否かに基づいて、第２報知部９４か第３報知部９５のいずれか一方に、結果を出力する。
【００５５】
第１〜第３報知部９３，９４，９５は、燃料電池システム１の各種センサを用いて判断された報知に係る信号を出力する。第１報知部９３は、重故障判定部９１において、燃料電池システム１が重故障であると判定された場合に、その旨を警告報知する信号を停止部９６とスピーカ１０に向けて出力する。スピーカ１０は、第１報知部９３から受け取った信号に基づき、燃料電池システム１が重故障である旨の警告報知を実行する。停止部９６は、受け取った信号に基づいて、燃料電池システム１の停止の信号を各種ポンプやブロワに出力し、これらの駆動を停止させる。また、燃料電池システム１の停止の信号を遮断回路（不図示）に出力して、電力負荷１００への電力の供給を遮断する。本実施形態における「第１報知部９３」が本発明における「報知手段」の一例に相当し、本実施形態における「停止部９６」が本発明における「停止手段」の一例に相当する。
【００５６】
第２報知部９４は、軽故障判定部９２において、燃料電池システム１が軽故障であると判定された場合に、その旨を警告報知する信号をスピーカ１０に向けて出力する。燃料電池システム１が軽故障である場合は、燃料電池システム１を即時停止する必要はないから、その旨の警告報知を実行するスピーカ１０に対してのみ第２報知部９４は信号を出力する。第３報知部９５は、重故障判定部９１及び軽故障判定部９２において、燃料電池システム１の重故障及び軽故障のいずれの判定もなされない場合に、その旨を警告報知する信号を停止部９６とスピーカ１０に向けて出力する。ここでは、燃料電池２の電力値の低下が生じているが、その原因が不明であるので、安全を期して、燃料電池システム１の停止を図るものである。第３報知部９５から信号を受け取ったスピーカ１０は、その旨の警告報知を実行し、第３報知部９５から信号を受け取った停止部９６は、燃料電池システム１の停止の信号を各種ポンプ及びブロワに出力したり、遮断回路に出力したりして、燃料電池システム１を停止させる。
【００５７】
次に、図４を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御手順を説明する。以下の処理は制御装置９内にインストールされた燃料電池システム１の制御プログラムによって実行される。本実施形態に係る燃料電池システム１の制御は、図４の記載する各種入力パラメータに基づいて、燃料電池システム１の故障の程度に応じて、燃料電池システム１を停止する判定を行うものであり、特に、系内ＣＯ濃度センサ６３１で検出されるＣＯ濃度に基づいて、燃料電池の出力低下が、燃料電池の触媒被毒の影響によるものかどうかを的確に判断し、燃料電池システム１の重故障、軽故障の判定を行うものである。
【００５８】
図４に示す制御ルーチンは、出力測定部８により測定される燃料電池２の電力値が正常な範囲内であって、燃料電池システム１の各構成の動作中に実行されるものである。まず、ステップＳＴ１にて、出力比較部９１１が、出力測定部８から出力された燃料電池２が電力負荷１００に供給する電力値を読み込んで、電力値と、予め保存した第１の閾値とを比較する。この電力値が第１の閾値以下になったら、ステップＳＴ２へ進む。電力値が第１の閾値よりも大きい場合、ステップＳＴ１を繰り返す。
【００５９】
ステップＳＴ２では、ＣＯ濃度比較部９１３が、補正部９１２から系内ＣＯ濃度を系外ＣＯ濃度で補正した値である補正値を読み込む。補正部９１２では、系内ＣＯ濃度センサ６３１と系外ＣＯ濃度センサ１１とから検出信号を受け取り、予め補正値が算出されている。ステップＳＴ３では、ＣＯ濃度比較部９１３により、補正値と、予め保存した第２の閾値とを比較する。この補正値が第２の閾値以上の場合は、ステップＳＴ５に進む。一方、補正値が第２の閾値よりも小さい場合は、ステップＳＴ４に進む。
【００６０】
既に説明したが、燃料電池では、液体燃料から水素イオンを取得するに際し、中間生成物として一酸化炭素が副生される。副生された一酸化炭素は、燃料電池のアノードの触媒と吸着し、触媒被毒を生じさせる。触媒被毒が生じると、上記［数１］式に示す化学反応が停滞するため、燃料電池の出力が著しく低下する。いったん燃料電池の触媒が被毒してしまうと、これを交換して燃料電池システムの使用を継続することは難しい。したがって、燃料電池の触媒被毒が生じた場合は、燃料電池システム自体が故障したのと同義として扱い、当該システムを停止させる。一方、燃料電池の触媒被毒以外の原因、たとえば、ブロワやポンプを含む流体の移送系の不良に起因して燃料電池の出力が低下した場合は、不良箇所の部品を交換すれば足りる。このように、燃料電池の出力低下が、触媒被毒の影響によるものなのか否かを的確に判断する必要がある。
【００６１】
ここで、燃料電池に触媒被毒が生じると、当該燃料電池で副生された一酸化炭素の排出量が増加する。これは、一酸化炭素により十分に被毒された触媒は、新たに副生される一酸化炭素と結合し難くなるため、一酸化炭素が未反応のままアノード流路の出口から排出されるためである。本発明は、上記点に着目して、一酸化炭素の排出量（すなわち、アノードで生成される気体に含まれる一酸化炭素の濃度）の増加と、燃料電池の触媒被毒の進行とが相関する関係から、触媒被毒の程度を把握しようとするものである。しかしながら、燃料電池のアノードで生じる気体には、一酸化炭素や二酸化炭素の他に水蒸気も含まれるため、このままの状態では一酸化炭素の濃度を的確に検出することは困難である。このため、本実施形態では、燃料電池２のアノードで生成される生成物に含まれる気体から水蒸気を分離する分離タンク６１と、当該分離タンク６１から燃料電池システム１の外部に気体を排出する配管Ｆ８内のＣＯ濃度を検出する系内ＣＯ濃度センサ６３１と、を備える。これにより、水蒸気を分離して検出可能な状態の気体の一酸化炭素の濃度に基づいて、燃料電池２の触媒が被毒しているか否かを従来よりも的確に判断することが可能となっている。
【００６２】
ステップＳＴ５では、第１報知部９３により、燃料電池システム１が重故障である旨の警告報知を実行する。ここでは、第１報知部９３が、スピーカ１０に燃料電池システム１が重故障である旨の信号を出力することで、スピーカ１０が音声により警告報知を実行する。また、あわせて第１報知部９３は、同様の信号を停止部９６に対して出力する。
【００６３】
ステップＳＴ６では、停止部９６が、第１報知部９３から受け取った信号に基づき、燃料電池システム１の停止の信号を出力する。具体的には、停止部９６は、各種ポンプやブロワに対して停止信号を出力し、各種ポンプやブロワは、停止部９６からの停止信号に従い、その駆動を停止する。また、停止部９６は、遮断回路に対して停止信号を出力し、遮断回路は、電力負荷１００への電力の供給を遮断する。
【００６４】
ステップＳＴ３において、補正値が第２の閾値未満である場合は、ステップＳＴ４に進む。ここからは、重故障判定部９１において、燃料電池システム１の重故障が判定されなかったから、軽故障判定部９２において、燃料電池システム１が軽故障であるか否かの判定を開始するものである。ステップＳＴ４では、第１流量比較部９２１が、流量センサ３３が検出する燃料流量を読み込む。ステップＳＴ７では、第１流量比較部９２１により、燃料流量と、第３の閾値とを比較する。この燃料流量が第３の閾値以下の場合は、ステップＳＴ１２に進む。一方、燃料流量が第３の閾値よりも大きい場合は、ステップＳＴ８に進む。
【００６５】
ステップＳＴ８では、第２流量比較部９２２が、流量センサ４３が検出する空気流量を読み込む。ステップＳＴ９では、第２流量比較部９２２により、空気流量と、第４の閾値とを比較する。この空気流量が第４の閾値以下の場合は、ステップＳＴ１３に進む。一方、空気流量が第４の閾値よりも大きい場合は、ステップＳＴ１０に進む。
【００６６】
ステップＳＴ１０では、液面レベル監視部９２３が、燃料タンク３１に設けられた液面レベルセンサ３４の検出信号を読み出した後、ステップＳＴ１１において、予め設定された液面レベルの基準範囲内であるか否かを判断する。燃料タンク３１の液面レベルが予め設定された液面レベルの基準範囲内である場合は、ステップＳＴ１５に進む。
【００６７】
ステップＳＴ１２、ＳＴ１３，及びＳＴ１４では、軽故障判定部９２が、燃料電池システム１の軽故障を判定した場合に、その旨を警告報知する。ステップＳＴ１２では、ステップＳＴ７において、燃料流量が第３の閾値以下の場合、ポンプ３２が劣化したとして、第２報知部９４が燃料電池システム１の軽故障を警告報知する信号を出力する。ステップＳＴ１３では、ステップＳＴ１０において、空気流量が第４の閾値以下の場合、ブロワ４２が劣化したとして、第２報知部９４が燃料電池システムの軽故障を警告報知する信号を出力する。ステップＳＴ１４では、燃料タンク３１の液面レベルが予め設定された液面レベルの基準範囲の上限値を超える場合は、液体燃料がオーバーフローするおそれがあるため、第３報知部９５がその旨を警告報知する信号を出力する。一方、燃料タンク３１の液面レベルが予め設定された液面レベルの基準範囲の下限値未満の場合は、液体燃料が枯渇する恐れがあるため、第３報知部９５がその旨を警告報知する信号を出力する。これらは、燃料タンク３１に接続される各種ポンプが劣化したことを意味する。ステップＳＴ１２，ＳＴ１３，及びＳＴ１４のいずれについても、スピーカ１０が音声により警告報知を実行する。
【００６８】
ステップＳＴ１５では、燃料電池２が出力する電力値の低下が生じているにも拘らず、重故障判定部９１及び軽故障判定部９２において、燃料電池システム１の重故障及び軽故障のいずれの判定もなされない場合に、その旨を警告報知する信号を出力した後、ステップＳＴ１６において、停止部９６が、燃料電池システム１の停止信号を出力する。
【００６９】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００７０】
たとえば、本実施形態では、警告報知を実行する手段としてスピーカ１０を用いたが、特にこれに限定されず、映像情報により警告報知を実行するディスプレイなどの表示装置を用いてもよい。
【００７１】
また、本実施形態では、ステップＳＴ３において、補正値が第２の閾値以上の場合に、第１報知部９３により警告報知する旨の信号を出力した後（ステップＳＴ５）、停止部９６により燃料電池システム１の停止信号を出力したが（ステップＳＴ６）、ステップＳＴ５を省略して、直ぐに停止部９６により燃料電池システム１の停止信号を出力してもよい。
【００７２】
また、本実施形態の制御装置９では、燃料電池２が出力する電力値が低下したら、燃料電池システム１が重故障であるか、或いは、軽故障であるかの判定を行ったが、特にこれに限定されず、燃料電池が出力する電流値や電圧値に基づいて、燃料電池システム１が重故障であるか、或いは、軽故障であるかの判定を行ってもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、系内ＣＯ濃度を系外ＣＯ濃度で補正した補正値をＣＯ濃度比較部９１３に出力しているが、これに限定されず、系内ＣＯ濃度をそのままＣＯ濃度比較部に出力してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１・・・燃料電池システム
２・・・燃料電池
２１・・・膜電極接合体
２１１・・・高分子電解質膜
２１２・・・アノード触媒層
２１３・・・カソード触媒層
２１４・・・アノードガス拡散層
２１５・・・カソードガス拡散層
２２・・・アノードセパレータ
２３・・・カソードセパレータ
３・・・燃料供給装置
３１・・・燃料タンク
３２・・・ポンプ
３３・・・流量センサ
３４Ｈ，３４Ｌ・・・液面レベルセンサ
４・・・空気供給装置
４１・・・フィルタ
４２・・・ブロワ
４３・・・流量センサ
５・・・メタノール補充装置
５１・・・メタノールタンク
５２・・・ポンプ
６・・・水循環装置
６１・・・分離タンク
６２・・・ポンプ
６３・・・排気部
６３１・・・系内ＣＯ濃度センサ
６３２・・・フィルタ
７・・・凝縮器
８・・・出力測定部
９・・・制御装置
９１・・・重故障判定部
９１１・・・出力比較部
９１２・・・補正部
９１３・・・ＣＯ濃度比較部
９２・・・軽故障判定部
９２１・・・第１流量比較部
９２２・・・第２流量比較部
９２３・・・液面レベル監視部
９３〜９５・・・第１〜第３報知部
９６・・・停止部
１０・・・スピーカ
１１・・・系外ＣＯ濃度センサ
１２・・・筐体
Ｆ１〜Ｆ８・・・流路
１００・・・電力負荷
【図１】
2017059465.tif 000003
【図２】
2017059465.tif 000004
【図３】
2017059465.tif 000005
【図４】
2017059465.tif 000006