(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料を改質して水素に富む改質ガスを作製する改質器と、上記改質ガス中の水素が導入される燃料極と酸素が導入される酸素極を対としたセルを複数有する燃料電池本体とを備える燃料電池システムであって、
上記セルのうち少なくとも一つのセルの電圧がＣＯ濃度に応じて低下するセルであり、
該セルがこのセルの電圧を検知する電圧検知装置を備え、
上記電圧検知装置により検知された電圧値が、上記改質ガス中のＣＯ濃度の増加による上記燃料電池システムの破損を未然に防ぐために上記原燃料の供給の遮断が必要な電圧値以下に低下した際に、上記遮断を行う原燃料遮断手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記電圧検知装置により検知された電圧値が所定以下に低下した際に、上記燃料電池本体の負荷回路を遮断する遮断回路を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに関し、具体的には、燃料極と酸素極を対としたセルを複数有する燃料電池本体を備える燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池としては、リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池が知られている。これら燃料電池は、燃料電池本体の燃料極に還元剤として水素に富んだガスを供給し、酸素極に酸化剤として空気中の酸素を導入し、この一対の電極間で電気化学反応に基づく発電を行うものである。上記水素に富んだガスは、改質器で原燃料と水成分を反応して作製される。この改質ガスは、原燃料に天然ガス、ブタン、プロパン、ナフサ等の化石燃料を用い水蒸気改質したもの、原燃料にメタノール等のアルコール類を用い水蒸気改質したものが利用されており、上記改質ガスはガス中にＣＯが数％含まれている。燃料電池の電極として用いられる白金触媒は、このＣＯによって被毒され易いため、上記改質ガス中のＣＯ濃度を低減する必要がある。
【０００３】
そこで、運転を１９０℃程度で行なうリン酸型燃料電池では、化石燃料を原燃料とする場合、改質器の後段に炭素変成器を連結し、改質ガス中のＣＯを酸化しＣＯ2 に変換し、ＣＯ濃度を１％程度に低減したり、メタノールを原燃料とする場合、運転温度や水蒸気と燃料の比を調整することでＣＯ濃度を１％程度に低減することが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、８０℃程度の低温で運転する固体高分子電解質型燃料電池では、白金触媒の被毒を防ぐために、上記ＣＯの濃度を数十ｐｐｍ以下と大幅に低減する必要があり、各種燃料電池システムが提案されている（例えば、特開平９−１９９１５４号等）。これらの方法は、定常運転の際は、改質ガス中のＣＯ濃度は、数十ｐｐｍ以下に維持することができるが、起動時等の急激な負荷変動が生じた際に、十分対処できない場合があり、上記ＣＯの濃度が高いと、発電能力が低下し、燃料電池システムを破損する恐れがある。
【０００５】
このために、改質ガス中のＣＯ濃度を検知し、ＣＯの濃度が所定以下となった際に、燃料電池システムに方策をとる必要がある。ＣＯ濃度検知装置として、半導体方式、電解型の電気方式、及び、赤外等の光学方式の検知装置が汎用されているが、上記半導体方式、及び、電気方式の検知装置は、数百ｐｐｍレベルのＣＯを検知することが難しく、上記光学方式の検知装置は、装置が極端に大型になり実用的に不向きである。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、急激な負荷変動が生じた際においても、容易に改質ガス中のＣＯの濃度を検知することができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００７】
さらに、本発明の他の目的とするところは、改質ガス中のＣＯ濃度が高くなっても、装置が破損を未然に防ぐことのできる燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、
原燃料を改質して水素に富む改質ガスを作製する改質器と、上記改質ガス中の水素が導入される燃料極と酸素が導入される酸素極を対としたセルを複数有する燃料電池本体とを備える燃料電池システムであって、
上記セルのうち少なくとも一つのセルの電圧がＣＯ濃度に応じて低下するセルであり、  該セルがこのセルの電圧を検知する電圧検知装置を備え、
上記電圧検知装置により検知された電圧値が、上記改質ガス中のＣＯ濃度の増加による上記燃料電池システムの破損を未然に防ぐために上記原燃料の供給の遮断が必要な電圧値以下に低下した際に、上記遮断を行う原燃料遮断手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に係る燃料電池システムは、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、上記電圧検知装置により検知された電圧値が所定以下に低下した際に、上記燃料電池本体の負荷回路を遮断する遮断回路を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明に関連する発明の燃料電池システムの実施の形態の一例を示すものである。本発明の燃料電池システムは、改質器１と、複数のセル３を有する燃料電池本体２を備える。上記改質器１は、原燃料と水成分を水蒸気改質反応し、水素に富んだ改質ガスを作製する。上記原燃料としては、ブタン、プロパン、ナフサ等の化石燃料、メタノール等のアルコール類が挙げられるが、一般に市販されていて入手が容易な家庭用カセットコンロ等に用いられる小型ガスボンベのブタンを使用するのが好ましい。上記セル３は、固体高分子電解質膜を有し、この固体高分子電解質膜の一方に燃料極を、他方に酸素極を備え、上記燃料極に還元剤として上記水素に富んだ改質ガスを供給し、上記酸素極に酸化剤として空気中の酸素を導入し、この一対の電極間で電気化学反応に基づく発電が行われる。上記燃料電池本体２は、これらセル３を複数有するものである。
【００１６】
本発明においては、上記セル３のうち少なくとも一つのセル３ａに、このセル３ａの電圧を検知する電圧検知装置４を備える。セル３の電位は、図６に示す如く、ＣＯ濃度に応じて電圧が低下する。例えば、ＣＯ濃度が５０ｐｐｍの状態から急激に１００ｐｐｍに高まった場合、セル３の電位は、１分間（符号ａｂ間）で０．６Ｖ（符号ｃ）から０．５５Ｖ（符号ｄ）に低下する。したがって、この電圧の低下の度合いを検知すれば、上記改質ガス中のＣＯ濃度を検知することが可能である。本発明は、上記セル３ａは電圧検知装置４を備えているので、容易に改質ガス中のＣＯの濃度を検知することができるため、急激な負荷の変動に対応することができる。
【００１７】
次に、本発明に関連する発明の燃料電池システムについて説明する。図２は本発明に関連する発明の燃料電池システムの実施の形態の一例を示すものである。
上記燃料電池システムと異なる点についてのみ説明する。本発明においては、図２に示す如く、上記燃料電池本体２と分離して、セル３ｂが設置され、このセル３ｂに、セル３ｂの電圧を検知する電圧検知装置４を備える。上記セル３ｂの電圧を検知するためであれば、燃料電池本体２のセル３のような大きさを必要としない。したがって、電圧検知装置４を備える小さなセル３ｂを分離して設置することで、燃料電池システムの小型化を図ることができる。上記と同様に、本発明は、上記セル３ｂは電圧検知装置４を備えているので、容易に改質ガス中のＣＯの濃度を検知することができる。その結果、急激な負荷の変動に対応することができる。
【００１８】
上記急激な負荷の変動に際し、警告ブザー、警告ランプ等により報知することで、手動で対応してもよいし、自動で対応してもよい。次に、自動で対応する一例を説明する。
図３は本発明の実施の形態の一例を示すものである。図３に示す如く、本発明は、上記セル３ａの電圧検知装置４の信号を受ける判定手段５を備えると共に、この判定手段５からの信号に基づいて、原燃料の供給路６に、原燃料の供給を遮断する原燃料遮断手段７、及び、上記燃料電池本体２の負荷回路８に、この負荷回路８を遮断する遮断回路９を備える。
【００１９】
上記判定手段５は、電圧検知装置４の信号を受け、セル３ａの電圧値を検知し、この電圧値が所定以下に低下したか否かを判定する。セル３ａの電圧値が所定の電圧値より低下すれば、改質ガス中のＣＯ濃度が所定以上に含まれていることになるので、改質ガス中のＣＯ濃度が所定以上に達したか否かを判定することになる。この所定の電圧値としては、例えば、ＣＯ濃度５００ｐｐｍ以上となる電圧を設定しておくとよい。また、燃料電池の性能に応じて、１００〜１０００ｐｐｍの範囲で設定してもよい。
【００２０】
上記原燃料遮断手段７としては、遮断弁等が挙げられる。上記判定手段５と原燃料遮断手段７は電気回路１０で接続されており、セル３ａの電圧値が所定以下に低下したことを検知した際に、上記判定手段５から信号が送信され、原燃料の供給を遮断する。また、セル３ａの電圧値が所定以下に低下したことを検知した際に、上記負荷回路８に備えた遮断回路９へも、上記判定手段５から信号が送信され、上記遮断回路９が作動して負荷回路８を遮断する。
【００２１】
図４に示す燃料電池システムは、燃料電池本体２から分離した上記セル３ｂの電圧検知装置４の信号を受ける判定手段５を備えると共に、この判定手段５からの信号に基づいて、原燃料の供給路６に、原燃料の供給を遮断する原燃料遮断手段７、及び、上記燃料電池本体２の負荷回路８に、この負荷回路８を遮断する遮断回路９を備える。上記判定手段５、上記原燃料遮断手段７、及び、遮断回路９は、上述した燃料電池システムと同様の機能を有する。
【００２２】
図５は、本発明に関連する発明の実施の形態の一例を示すものである。図５に示す如く、本発明は、上記改質ガス中のＣＯを低減するＣＯ低減装置１１を、上記改質器と燃料電池本体の間に備える。上記ＣＯ低減装置１１としては、例えば、上記改質ガスに空気を混入させる手段が挙げられる。改質ガス中に数％程度の空気を混合して白金触媒と接触させ燃焼させれば、ＣＯが低減する。混合する空気量としては、空気のＣＯ濃度が１％程度であるから、５％程度混合させれば、ＣＯ濃度が下がり、過度的な場合でも１０％程度混合で充分である。上記ＣＯ低減装置１１は、改質ガスと、空気の混合比率を調整する機能を有することが望ましい。上記判定手段５とＣＯ低減装置１１は電気回路１２で接続されており、セル３ａの電圧値が所定以下に低下したことを検知した際に、上記判定手段５から信号が送信され、改質ガスに混合される空気の量を増加させる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、セルの電圧値が、改質ガス中のＣＯ濃度の増加による燃料電池システムの破損を未然に防ぐために原燃料の供給の遮断が必要な電圧値以下に低下した際に、原燃料の供給を遮断する原燃料遮断手段を備えるので、改質ガス中のＣＯ濃度が高くなっても、装置が破損を未然に防ぐことができる。
【００２６】
さらに、本発明の請求項２に係る燃料電池システムは、セルの電圧値が所定以下に低下した際に、燃料電池本体の負荷回路を遮断する手段遮断回路を備えるので、改質ガス中のＣＯ濃度が高くなっても、装置が破損を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に関連する発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図２】  本発明に関連する発明の実施の形態の他の一例を示す概略図である。
【図３】  本発明の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図４】  本発明に関連する発明の実施の形態の他の一例を示す概略図である。
【図５】  本発明に関連する発明の実施の形態の他の一例を示す概略図である。
【図６】  セルの電圧とＣＯ濃度を示す説明図である。
【符号の説明】
１      改質器
２      燃料電池本体
３，３ａ，３ｂ  セル
４      電圧検知装置
５      判定手段
【図１】
0004381508.tif 000002
【図２】
0004381508.tif 000003
【図３】
0004381508.tif 000004
【図４】
0004381508.tif 000005
【図５】
0004381508.tif 000006
【図６】
0004381508.tif 000007