JP3870455B2 - 一酸化炭素濃度低減装置およびその方法並びに燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一酸化炭素濃度低減装置およびその方法並びに燃料電池発電装置に関し、詳しくは、水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減装置およびその方法と、その一酸化炭素濃度低減装置を備える燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質の両側に燃料極と酸化極とを配し、燃料極と酸化極とにそれぞれ水素と酸素とを供給することによって起電力を得る燃料電池発電装置において、発電効率を高め、大気環境汚染を防止するために、燃料極にはできるだけ水素リッチなガスを供給することが望まれる。
【０００３】
そこで、メタノール等の炭化水素あるいはアルコール類を主成分とする原燃料ガスを改質触媒の作用により改質して水素リッチガスを作る改質器を燃料電池に前置きして設けることが行なわれているが、いかに改質器の能力を高めても、改質ガス中に若干量の一酸化炭素ガスが混入されることが避けられない。燃料極に供給される改質ガス中に一酸化炭素が含まれると、燃料極に触媒として用いられるＰｔ（白金）を被毒させ、発電性能を低下あるいは不安定にしてしまう。
【０００４】
これを防止する技術として、改質ガス中の一酸化炭素を触媒の下で選択的に酸化することで、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるものが知られている。
【０００５】
さらには、特開平７−１８５３０３号公報に記載されているように、前記触媒を備える触媒層に冷却層を並設して、触媒が活性温度より高温側に移行するのを防止する技術が提案されている。この技術によれば、触媒を活性温度域に保持し、燃料電池の電極触媒を被毒させないレベルにまで一酸化炭素濃度を低減させることが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の技術で、冷却層に送られる冷媒は、改質原料である液体メタノールと水との混合液体であることから、冷媒の一部が冷却層内で気化してしまうことがあった。冷媒が気化すると、冷却層内の圧力が高くなり、流れが悪くなり、冷媒は一定の流量で流れることができず脈動する。このため、冷媒層に温度むらが生じ、触媒層全体を均一に冷却することができず、この結果、触媒層に収納される全ての触媒を活性温度に維持することができなかった。
【０００７】
この発明の一酸化炭素濃度低減装置およびその方法は、冷媒層に収納される全ての触媒を活性温度に維持することを可能とすることにより、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することを目的とする。また、この発明の燃料電池発電装置は、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して、発電効率を高めることを目的とする。
【０００８】
【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一酸化炭素濃度低減装置は、
水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減装置であって、
前記水素リッチガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記水素リッチガス中の水素に優先して該水素リッチガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と
を備えることを要旨とする。
【０００９】
この発明の一酸化炭素濃度低減装置（以下、基本構成の一酸化炭素濃度低減装置と呼ぶ）は、酸化ガス導入手段が、一酸化炭素を含有する水素リッチガスへ酸化ガスを導入し、酸化反応部が、導入された酸化ガス中の酸素により、触媒上で、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する。さらに、水供給手段が、酸化反応部の有する触媒に水を供給する。酸化反応部での酸化反応は、発熱反応であることから、水供給手段から送られてきた水は、酸化反応部内で気化される。このため、酸化反応部内の触媒は、その気化熱によって直接冷却される。
【００１０】
したがって、この基本構成の一酸化炭素濃度低減装置では、酸化反応部内の触媒を直接冷却することができることから、冷却の効率が高く、酸化反応部内の全ての触媒について活性温度に維持することが可能となる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００１１】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、前記水供給手段は、複数の水供給管路を備えた構成としてもよい。
【００１２】
この構成によれば、水が吹き付けられる面積を増大することができることから、酸化反応部全体を均一に冷却して、温度のバラツキの発生を防止することができる。この結果、酸化反応部内の全ての触媒について、活性温度に維持することがより一層容易となる。
【００１３】
この複数の水供給管路を備えた構成において、さらに、前記触媒を複数組の集合体として構成し、該集合体を前記水路リッチガスの流れ方向に沿って配設し、前記複数の水供給管路を、前記複数組の集合体に向かってそれぞれ水を供給する位置に配設する構成とすることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、水が吹き付けられる面積を、水供給手段の数だけ倍増することができ、温度のバラツキの発生をより一層防止することができる。
【００１５】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記酸化反応部の温度を検出する温度検出手段と、
前記水供給手段の水の供給量を制御することにより、前記温度検出手段で検出される温度を予め定められた所定範囲内に制御する制御手段と
を備える構成とすることができる。
【００１６】
この構成によれば、水供給手段の水の供給量が制御されることで、温度検出手段により検出される酸化反応部の温度が予め定められた所定範囲内に制御される。このため、酸化反応部を所望の温度、ここでは、酸化反応部内の触媒の活性温度に確実に制御することができ、この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００１７】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記酸化ガス導入手段による酸化ガスの導入量を、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じた量に制御する酸化ガス導入量制御手段と、
該制御された酸化ガスの導入量に従って前記水供給手段の水の供給量を制御する水供給量制御手段と
を備える構成としてもよい。
【００１８】
この構成によれば、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が高くなると、酸化ガス導入量制御手段により、酸化ガスの導入量が多くなって、酸化反応の程度が高められる。こうして、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が低減される。このとき、酸化反応の程度が高められた分だけ酸化反応による発熱も多くなるが、水供給量制御手段により、酸化ガスの導入量に従って水の供給量を制御することにより、酸化反応に伴う発熱の量に応じて酸化反応部の冷却の強さを定めることができる。このため、酸化反応部を所望の温度に制御することができ、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００１９】
上記構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記水供給量制御手段は、
前記水供給手段の水の供給量を、前記酸化ガスの導入量に対して所定の比率となる量に定める水供給量算出手段
を備える構成としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、水供給量算出手段により算出された水の供給量だけ水の供給がなされることから、酸化ガス導入手段からの酸化ガスの導入量と水供給手段からの水の供給量との比率が一定となる。このため、酸化反応に伴う発熱の量に比例して酸化反応部の冷却の強さを定めることができる。
【００２１】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記酸化反応部における酸化反応の程度を検出する酸化反応検出手段と、
該検出された酸化反応の程度に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える構成とすることができる。
【００２２】
この構成によれば、酸化反応部における酸化反応の程度を、酸化反応検出手段により検出して、その酸化反応の程度に応じて水供給手段の水の供給量を、制御手段により制御する。酸化反応部での酸化反応は、発熱反応であることから、酸化反応の程度が高くなると、酸化反応部の温度は高くなる。一方、水供給手段の水の供給量を可変することで、酸化反応部の冷却の強さが変わる。このため、酸化反応の程度に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の冷却の強さの調整が可能となる。
【００２３】
したがって、この構成の一酸化炭素濃度低減装置では、酸化反応部を所望の温度、ここでは、酸化反応部内の触媒の活性温度に制御することができる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００２４】
上記構成において、酸化反応検出手段は、前記酸化反応部の温度により前記酸化反応の程度を検出する温度検出手段を備える構成とすることもできる。
【００２５】
酸化反応部における酸化反応は、発熱反応であることから、酸化反応部の温度を検出することにより酸化反応の程度を知ることができる。したがって、温度検出手段により検出された酸化反応部の温度に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の温度制御が可能となる。
【００２６】
上記構成において、酸化反応検出手段は、前記水素リッチガスの流量により前記酸化反応の程度を検出する水素リッチガス流量検出手段を備える構成とすることもできる。
【００２７】
酸化反応部における酸化反応の程度は、酸化反応部に供給される水素リッチガス中の一酸化炭素ガス量により左右される。その一酸化炭素ガス量は、水素リッチガスの全体量に比例して変化することから、水素リッチガスの流量を検出することにより酸化反応の程度を知ることができる。したがって、水素リッチガス流量検出手段により検出された水素リッチガスの流量に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の温度制御が可能となる。
【００２８】
あるいは、上記構成において、前記酸化反応検出手段は、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度により前記酸化反応の程度を検出する構成としてもよい。
【００２９】
酸化反応部における酸化反応の程度は、酸化反応部に供給される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度により変化することから、一酸化炭素濃度検出手段により検出された水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の温度制御が可能となる。
【００３０】
この発明の燃料電池発電装置（以下、基本構成の燃料電池発電装置と呼ぶ）は、
炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記改質ガス中の水素に優先して該改質ガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と、
前記酸化反応部から前記改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る燃料電池と
を備えることを要旨とする。
【００３１】
この構成によれば、改質反応器が、炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する。酸化ガス導入手段が、改質ガスへ酸化ガスを導入し、酸化反応部が、導入された酸化ガス中の酸素により、触媒上で、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する。さらに、水供給手段が、酸化反応部の有する触媒に水を供給することで、前記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置と同一の作用により、改質ガスは一酸化炭素濃度の低減されたものとなる。燃料電池は、この一酸化炭素濃度の低減された改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る。
【００３２】
このため、メタノールを含有する改質ガス中の一酸化炭素濃度を顕著に低減することができ、この改質ガスの供給を受ける燃料電池においては、一酸化炭素による被毒の影響を低減することができる。したがって、燃料電池は、一酸化炭素被毒に起因する出力低下を防止することができる。
【００３３】
上記基本構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の有する電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段と、
該検出した含水率に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える構成とすることができる。
【００３４】
燃料電池では、運転条件によって電解質膜の含水率が変化するが、電解質膜が乾きすぎや濡れすぎの状態となると、燃料電池は出力低下を起こす。この構成によれば、含水率検出手段により電解質膜の含水率を検出し、その含水率に応じて、制御手段により水の供給量を制御していることから、電解質膜の含水率に応じて燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気量を制御することができる。
【００３５】
このため、燃料電池の電解質膜の含水率を一定の範囲に維持することができる。したがって、燃料電池が乾きすぎや濡れすぎの状態となることを防止することができ、燃料電池は安定した高出力を維持することができる。
【００３６】
上記構成の燃料電池発電装置において、前記含水率検出手段は、前記燃料電池の電極間の電気抵抗またはインピーダンスにより前記電解質膜の含水率を検出するインピーダンス検出手段を備える構成とすることができる。
【００３７】
この構成によれば、燃料電池の電極間の電気抵抗またはインピーダンスを検出することにより、燃料電池の電解質膜の含水率を検出することができる。この検出した電気抵抗またはインピーダンスに応じて水供給手段の水の供給量を制御する。
【００３８】
上記基本構成の燃料電池発電装置において、
前記改質反応器からの改質ガスが前記燃料電池に流入したときの前記改質ガスの飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
前記燃料電池において改質ガス中の水分が過飽和とならないよう、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える構成としてもよい。
【００３９】
この構成によれば、制御手段により、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御することにより、改質ガスが過飽和状態で燃料電池に流入することを防止することが可能である。したがって、改質ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内のガス流路を閉塞してしまう現象を防止することができる。
【００４０】
また、前記基本構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池に供給される前記改質ガスの圧力を調節する改質ガス圧調節手段と、
前記改質反応器からの改質ガスが前記燃料電池に流入したときの前記改質ガスの飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
前記燃料電池において改質ガス中の水分が過飽和とならないよう、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記改質ガス圧調節手段を制御する制御手段と
を備える構成とすることもできる。
【００４１】
この構成によれば、制御手段により、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて改質ガス圧調節手段を制御することにより、改質ガスの圧力を変えて改質ガスの飽和水蒸気量を積極的に変えることができる。このため、改質ガスが過飽和状態で燃料電池に流入することを防止することが可能である。したがって、改質ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内のガス流路を閉塞してしまう現象を防止することができる。
【００４２】
上記構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の有する酸素極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガスの圧力を調節する酸化ガス圧調節手段と、
前記改質ガス圧調節手段および酸化ガス圧調節手段を制御することにより、前記改質ガスと酸化ガスの圧力差を所定値以内の大きさに保つ制御手段と
を備える構成とすることが好ましい。
【００４３】
この構成の燃料電池発電装置によれば、制御手段により改質ガス圧調節手段および酸化ガス圧調節手段を制御することにより、前記改質ガスと酸化ガスの圧力差が所定値以内の大きさに保たれる。
【００４４】
燃料電池の有する電解質膜は、極めて薄いものであることから、改質ガスと酸化ガスの圧力差が大きくなると、破損するといったことがあるが、この構成によれば、改質ガスと酸化ガスの圧力差が所定値以内の大きさに保たれることから、電解質膜の破損を防止することができる。
【００４５】
基本構成の燃料電池発電装置において、
前記酸化反応部の運転の停止に先立って、前記水供給手段を稼働させて前記触媒に水を供給する停止時制御手段
を備える構成とすることもできる。
【００４６】
この構成によれば、酸化反応部の運転の停止に先立って、水供給手段により触媒に水が供給されることから、酸化反応部の運転の停止時に、酸化反応部の温度を速やかに下げることができる。この結果、水素リッチガスの発生を速やかに停止することができる。
【００４７】
この構成において、
前記停止時制御手段は、
前記燃料電池の運転状態から停止状態への切り替え時を検出する停止時検出手段と、
該停止状態への切り替え時に、前記水供給手段を稼働させて前記触媒に水を供給する制御手段と
を備える構成とすることもできる。
【００４８】
このため、燃料電池の運転状態から停止状態への切り替え時には、水供給手段が稼働して触媒に水が供給される。したがって、燃料電池の停止状態への切り替え時には、酸化反応部の温度を速やかに下げることができる。この結果、水素リッチガスの発生を速やかに停止することができる。
【００４９】
また、基本構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池から電気化学反応に伴って発生する水分を凝縮して水を回収する水回収手段と、
該水回収手段により回収された水を前記水供給手段で利用する水利用手段と
を備える構成としてもよい。
【００５０】
燃料電池は、一般に、発電に伴い酸素極で水蒸気または水滴を発生することから、上記構成の燃料電池発電装置では、水回収手段により、その水分を凝縮して水を回収し、その水を、水供給手段で利用する。このため、水供給手段において水を貯える水槽が小型ですみ、また、水の貯留量も少なくてすむ。また、燃料電池からみれば、酸素極側の残ガスをそのまま排出すると、大気に放出された残ガスが白煙を上げることになるが、水分を利用することでそうした現象を防止することができる。
【００５１】
さらに、基本構成の燃料電池発電装置であって、
前記燃料電池からの排ガスを利用して、前記水供給手段からの水を加圧して酸化反応部に送る水加圧手段
を備える構成とすることもできる。
【００５２】
水供給手段により酸化反応部へ水を吹き込むためには、水を加圧する必要があるが、そのための動力に、燃料電池で発電した電気を用いると、燃料電池発電装置全体のエネルギ効率が低下してしまう。これに対して、この構成によれば、排ガスを利用して水の加圧を行なうことから、燃料電池発電装置のエネルギ効率を低下させることなく、酸化反応部への水の供給を行なうことができる。
【００５３】
この発明の一酸化炭素濃度低減方法は、
水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減方法であって、
（ａ）前記水素リッチガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する工程と、
（ｂ）該導入された酸化ガス中の酸素を、触媒を用いて前記水素リッチガス中の水素に優先して該水素リッチガス中の一酸化炭素に結合させる工程と、
（ｃ）前記触媒に水を供給する工程と
を備えることを要旨とする。
【００５４】
この発明の一酸化炭素濃度低減方法（以下、基本構成の一酸化炭素濃度低減方法と呼ぶ）は、工程（ａ）が、一酸化炭素を含有する水素リッチガスへ酸化ガスを導入し、工程（ｂ）が、導入された酸化ガス中の酸素により、触媒上で、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する。さらに、工程（ｃ）が、前記触媒に水を供給する。触媒での酸化反応は、発熱反応であることから、工程（ｃ）から送られてきた水は、触媒上もしくはその付近で気化される。このため、工程（ｃ）で用いる触媒は、その気化熱によって直接冷却される。
【００５５】
したがって、この基本構成の一酸化炭素濃度低減方法では、触媒を直接冷却することができることから、冷却の効率が高く、工程（ｃ）で使用する触媒について活性温度に維持することが可能となる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００５６】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減方法において、
（ｄ）前記触媒の温度を検出する工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）による水の供給量を制御することにより、前記工程（ｄ）で検出される温度を予め定められた所定範囲内に制御する工程と
を備える構成とすることができる。
【００５７】
この構成によれば、工程（ｃ）による水の供給量が制御されることで、工程（ｄ）により検出される触媒の温度が予め定められた所定範囲内に制御される。このため、触媒を所望の温度、ここでは、触媒の活性温度に確実に制御することができ、この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００５８】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減方法において、
（ｆ）前記工程（ａ）による酸化ガスの導入量を、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じた量に制御する工程と、
（ｇ）該制御された酸化ガスの導入量に従って前記工程（ｃ）による水の供給量を制御する工程と
を備える構成としてもよい。
【００５９】
この構成によれば、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が高くなると、工程（ｆ）により、酸化ガスの導入量が多くなって、酸化反応の程度が高められる。こうして、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が低減される。このとき、酸化反応の程度が高められた分だけ酸化反応による発熱も多くなるが、工程（ｃ）により、酸化ガスの導入量に従って水の供給量を制御することにより、酸化反応に伴う発熱の量に応じて触媒の冷却の強さを定めることができる。このため、触媒を所望の温度に制御することができ、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００６０】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減方法において、
（ｈ）前記触媒による酸化反応の程度を検出する工程と、
（ｉ）該検出された酸化反応の程度に応じて前記工程（ｃ）による水の供給量を制御する工程と
を備える構成とすることができる。
【００６１】
この構成によれば、触媒による酸化反応の程度を、工程（ｈ）により検出して、その酸化反応の程度に応じて工程（ｃ）による水の供給量を、工程（ｉ）により制御する。工程（ｂ）による触媒上での酸化反応は、発熱反応であることから、酸化反応の程度が高くなると、触媒の温度は高くなる。一方、工程（ｃ）による水の供給量を可変することで、触媒の冷却の強さが変わる。このため、酸化反応の程度に応じて工程（ｃ）での水の供給量を制御することで、触媒の程度に応じた触媒の冷却の強さの調整が可能となる。
【００６２】
したがって、この構成の一酸化炭素濃度低減方法では、触媒を所望の温度、ここでは、触媒の活性温度に制御することができる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例の一酸化炭素濃度低減装置を備える燃料電池発電システム１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、燃料電池発電システム１０は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク１２と、水を貯蔵する水タンク１４と、メタノールタンク１２から供給されるメタノールと水タンク１４から供給される水とから水素を含有する燃料ガスを生成する燃料改質装置３０と、燃料改質装置３０により生成される燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である燃料電池スタック２０とから構成される。
【００６４】
燃料電池スタック２０は、前述したように固体高分子型の燃料電池であり、その単一セル構造を図２に示した。図示するように、セルは、電解質膜２１と、この電解質膜２１を両側から挟持してサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード２２およびカソード２３と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード２２およびカソード２３とで燃料ガスおよび酸化ガスの流路２４ｐ，２５ｐを形成するセパレータ２４，２５と、セパレータ２４，２５の外側に配置されアノード２２およびカソード２３の集電極となる集電板２６，２７とにより構成されている。
【００６５】
電解質膜２１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２２およびカソード２３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。
【００６６】
セパレータ２４，２５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２２側のセパレータ２４には、複数のリブが形成されており、このリブとアノード２２の表面とで燃料ガスの流路溝２４ｐを形成する。一方、カソード２３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２３の表面とで酸素含有ガスの流路溝２５ｐを形成する。集電板２６，２７は、銅（Ｃｕ）により形成されている。
【００６７】
図２では、説明のため燃料電池スタック２０の単一セルの構成を示したが、実際には、セパレータ２４，アノード２２，電解質膜２１，カソード２３，セパレータ２５をこの順に複数組積層し、その外側に集電板２６，２７を配置することにより、燃料電池スタック２０は構成されている。また、図１ではアノード側ガスの供給系統のみを記載し、カソード側ガスの供給系統，アノード側ガスおよびカソード側ガスの排出系統の記載は省略してある。
【００６８】
燃料改質装置３０は、メタノールと水との供給を受けて水素リッチガス（改質ガス）を生成する改質反応器３２と、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して改質ガスを一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス（燃料ガス）にするＣＯ選択酸化反応器３４と、改質反応器３２で生成された改質ガスをＣＯ選択酸化反応器３４に供給する連絡管３６と、連絡管３６に接続された導入管３７を介して連絡管３６に酸素を含有する酸化ガス（例えば空気）を導入するブロワ３８と、連絡管３６の導入管３７の接続部より下流側に差し込まれて連絡管３６内に水を吹き込む水導入管４０と、燃料改質装置３０の各部の運転を制御する電子制御ユニット９０とを備える。
【００６９】
改質反応器３２は、メタノールタンク１２からのメタノールと水タンク１４からの水との供給を受けて、次式（１）および式（２）（全体としては、次式（３））に示すように、水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する。
【００７０】
ＣＨ3ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ2−２１．７kcal／mol …（１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2＋９．８kcal／mol …（２）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2−１１．９kcal／mol …（３）
【００７１】
式（１）および式（２）に示す反応を実際上完全に行なうことが困難なことから、改質反応器３２により生成される改質ガスには、副生成物としての一酸化炭素と未反応のメタノールとが若干混在することになる。改質ガス中の一酸化炭素濃度は、改質反応器３２に充填される触媒の種類，改質反応器３２の運転温度，改質反応器３２への単位触媒体積当たりのメタノールおよび水の供給流量等によって定まる。なお、図示は省略してあるが、改質反応器３２は電子制御ユニット９０と電気的に接続されており、この電子制御ユニット９０により改質反応器３２へのメタノールおよび水の供給量制御がなされている。
【００７２】
図３は、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部とそれに連結される連絡管３６を破断して示す説明図である。図示するように、ＣＯ選択酸化反応器３４には、改質反応器３２で生成された改質ガスとブロワ３８から導入管３７を介して送られきた酸化ガスとが連絡管３６により供給される。ＣＯ選択酸化反応器３４には、酸化アルミニウムからなる担体の表面に白金を担持したＣＯ選択酸化触媒５０が充填されている。このＣＯ選択酸化触媒５０は、改質ガス中の一酸化炭素を水素に優先して結合させることで、改質ガス中の一酸化炭素を酸化するよう作用して、改質ガスを一酸化炭素濃度の低い燃料ガスとする。
【００７３】
さらに、図３に示すように、連絡管３６には水導入管４０が差し込まれており、ＣＯ選択酸化反応器３４は、水導入管４０から連絡管３６を介して水の供給を受ける。ＣＯ選択酸化反応器３４での酸化反応は、発熱反応であることから高温となる。上記水導入管４０から連絡管３６を介して送られてきた水は、上記高温となったＣＯ選択酸化反応器３４内で気化される。この結果、ＣＯ選択酸化反応器３４は、その気化熱によって冷却される。また、ＣＯ選択酸化反応器３４内には、ＣＯ選択酸化触媒５０に接触するようにして温度センサ５２が設けられている。温度センサ５２は、熱電対により構成されており、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度を検出する。なお、温度センサ５２は、電子制御ユニット９０に電気的に接続されている。
【００７４】
一方、水導入管４０の途中には、図１に示すように、電動バルブ４２が配設されている。この電動バルブ４２は電子制御ユニット９０に電気的に接続されている。電子制御ユニット９０は、電動バルブ４２を開閉制御することにより、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給を開始または停止することができる。
【００７５】
上記ＣＯ選択酸化反応器３４に充填されるＣＯ選択酸化触媒５０は、酸化アルミニウムからなる担体の表面に白金を担持したものであるが、このＣＯ選択酸化触媒５０の性能について説明する。図４はモデルガスによりＣＯ選択酸化触媒５０の性能を示すグラフである。
【００７６】
モデルガスとしては、予め、ＣＯ2＝２５％，ＣＯ＝０．１％，Ｈ2 が残り分である組成のボンベガスを用意し、そのガスにバブラーにて絶対湿度が約２０％となるよう水蒸気を付加したものを用いた。また、触媒へは、モデルガスに酸素と一酸化炭素のモル比［Ｏ2 ］／［ＣＯ］が値３となるよう酸化ガスを混合させたものを、ドライガスベースで１時間当たり触媒体積の約５０００倍の量のガスを流した。
【００７７】
図４に示すように、ＣＯ選択酸化触媒５０を用いた場合、触媒反応後の改質ガス中の一酸化炭素濃度は、反応温度が１００℃ないし１４０℃で、検知限界以下（数ｐｐｍ以下）となる。
【００７８】
こうしたことから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度を１００℃ないし１４０℃の範囲（以下、最適温度範囲と呼ぶ）に調節することにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を極めて低い値にすることが可能となることがわかる。この実施例では、電子制御ユニット９０は、上述したように温度センサ５２の検出結果に応じて電動バルブ４２の開度を開始または停止することで、ＣＯ選択酸化反応器３４を上記最適温度範囲に制御する。
【００７９】
電子制御ユニット９０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ＣＰＵ９２と、ＣＰＵ９２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ＲＯＭ９４と、同じくＣＰＵ９２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ＲＡＭ９６と、温度センサ５２からの検出信号や図示しない各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵ９２での演算結果に応じてブロワ３８および電動バルブ等に駆動信号を出力する入出力ポート９８等を備える。
【００８０】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム１０の電子制御ユニット９０により実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について、図５に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに基づき説明する。本ルーチンは、燃料改質装置３０の運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００８１】
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ９２は、温度センサ５２により検出されるＣＯ選択酸化反応器３４内の温度Ｔを入出力ポート９８を介して読み込む（ステップＳ１００）。次いで、この温度Ｔが、下限値Ｔ１より小さいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この下限値Ｔ１は、前述したＣＯ選択酸化反応器３４の最適温度範囲の下限値に相当し、この実施例では１００℃であり、予めＲＯＭ９４に格納されている。ステップＳ１１０で、温度Ｔが下限値Ｔ１を下回ったと判定されると、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２の開度Ｖを閉状態に制御する（ステップＳ１２０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給が停止されることから、その水の供給による冷却作用がなくなってＣＯ選択酸化反応器３４内部の温度は上昇する。
【００８２】
一方、ステップＳ１１０で、否定判定、即ち、温度Ｔが下限値Ｔ１以上であると判定されると、さらに、その温度Ｔが、上限値Ｔ２より大きいか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この上限値Ｔ２は、前述したＣＯ選択酸化反応器３４の最適温度範囲の上限値に相当し、この実施例では１４０℃であり、予めＲＯＭ９４に格納されている。ステップＳ１３０で、温度Ｔが上限値Ｔ２を上回ったと判定されると、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２を開状態（全開状態あるいは所定の開度だけ開いた状態）に制御する（ステップＳ１４０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に水の供給が開始されることから、その水による気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４内部の温度は下降する。
【００８３】
ステップＳ１２０の実行後、ステップＳ１４０の実行後、またはステップＳ１３０で否定判定された後、処理を一旦終了する。
【００８４】
即ち、このＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、温度センサ５２により検出されたＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度に応じて電動バルブ４２を開閉制御することで、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度Ｔが高くなりすぎたとき、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給による冷却を行ない、一方、その温度Ｔが低くなりすぎたときには、その水の供給による冷却を停止する。この結果、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度は、前述したＣＯ選択酸化反応器３４の最適温度範囲Ｔ１からＴ２までの範囲に調節される。なお、この実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４へ水を供給してから実際に温度が変化するまでの時間的な遅れを考慮していないが、好ましくは、上記Ｔ１を所定値αだけ加算した値とし、上記Ｔ２を所定値βだけ減算した値とすることで、時間的な遅れを考慮する構成としてもよい。
【００８５】
以上説明してきたように、本実施例の燃料電池発電システム１０によれば、ＣＯ選択酸化反応器３４に水導入管４０から水が供給されることから、その水の気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４を冷却することができる。この冷却は、ＣＯ選択酸化反応器３４内に収納されるＣＯ選択酸化触媒５０を直接冷却するものであることから、冷却の効率が高く、酸化反応部内に充填されている全ての触媒を活性温度に維持することができる。したがって、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００８６】
また、燃料電池スタック２０に送られる燃料ガスはもともと加湿が必要であることから、冷却のためにＣＯ選択酸化反応器３４に供給した水の分だけ、燃料ガスへの加湿のための水の供給量を減らすことができるといった効果も奏する。さらに、ＣＯ選択酸化反応器３４に水を供給するだけで冷却が可能となり、冷却のための特別なエネルギの供給が不要であるといった効果も奏する。従来技術の場合、ＣＯ選択酸化反応器３４の熱を受け取った冷却媒体はラジエタに通す等して、冷却媒体の冷却のためのエネルギが必要であったが、この燃料電池発電システム１０によれば、そうしたエネルギが不要である。
【００８７】
特に、この実施例の燃料電池発電システム１０によれば、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度を温度センサ５２により検出して、その温度センサの検出結果に応じて水導入管４０からの水の供給を開始または停止する構成を備えることから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度を、酸化反応部の温度をＣＯ選択酸化触媒５０の活性温度域に確実に調整することができる。このため、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００８８】
この第１実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給を、水導入管４０により連絡管３６から行なっていたが、これに替えて、図６に示すように、水導入管４０Ａを、ＣＯ選択酸化反応器３４に差し込んだ状態に配設して、水導入管４０Ａから水をＣＯ選択酸化反応器３４に直接散布する構成としてもよい。
【００８９】
なお、この変形例では、水導入管４０Ａの先端に、図７に示すように、広角に水を噴霧する水噴射弁８０を用いた構成とすることが好ましい。こうした水噴射弁の一つに、液体の旋回を利用したいわゆる渦巻噴射弁がある。渦巻噴射弁は、「機械工学基礎講座、燃焼工学・基礎と応用、小林清志著 理工学社発行」の１９２頁ないし２０１頁等に記載されている周知のもので、噴射圧が低くても微粒化がよいこと、噴霧角や流量は広範囲に自由に設計できることなどの特徴をもつ。この渦巻噴射弁を用いることで、水の粒径１５μｍ、噴霧角度１５０度の噴射を行ない、広範囲のＣＯ選択酸化触媒５０に直接水を散布することができる。このため、広範囲のＣＯ選択酸化触媒５０を素早く冷却することで、酸化反応部全体をより均一に冷却することができる。
【００９０】
この図７に示した変形例では、水導入管４０Ａを１個設けていたが、これに替えて、複数個設ける構成としてもよい。図８は、水導入管を２個設けた場合のＣＯ選択酸化反応器３４の内部を示す説明図である。図示するように、ＣＯ選択酸化触媒５０は、ＣＯ選択酸化反応器３４の改質ガスの流れ方向に沿って２組の集合体８１，８２に分かれて貯溜されており、各集合体８１，８２に向かうように、水導入管４０Ａａ，４０Ａｂがそれぞれ配設されている。なお、各水導入管４０Ａａ，４０Ａｂには、渦巻式の水噴射弁８０ａ，８０ｂがそれぞれ設けられている。
【００９１】
この構成によれば、図７の変形例に比べて水が吹き付けられる面積を２倍とすることができ、より広い範囲のＣＯ選択酸化触媒５０にわたって直接水を供給することができる。したがって、酸化反応部全体をより一層均一に冷却することができ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００９２】
図７に示した変形例と図８に示した変形例とについて、一酸化炭素濃度がどの程度低減されるかを比較してみた。モデルガスとして、一酸化炭素濃度が０．６％の水素リッチガスを用いた。また、ＣＯ選択酸化触媒へは、モデルガスに酸素と一酸化炭素のモル比［Ｏ2 ］／［ＣＯ］が値３となるよう酸化ガスを混合させたものを導入し、さらに、水を流量１．３６mol/min で供給した。
【００９３】
図７に示した水導入管路を１つ備えた構成の場合には、ＣＯ選択酸化反応器から出力される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は３０ppm であった。これに対して、図８に示した水導入管路を２つ備えた構成の場合には、ＣＯ選択酸化反応器から出力される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は１０ppm であった。この結果からも、水導入管路を複数備えた構成は、水導入管路を１つ備えた構成に比べて、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度をより一層低減することができることがわかる。
【００９４】
さらに、これまで説明してきた第１実施例およびその変形例では、ＣＯ選択酸化反応器３４への酸化ガスの供給と水の供給とを別の管路を用いて行なっていたが、これに換えて、図９に示すように、ＣＯ選択酸化反応器３４に差し込んだ状態に配設された導入管８４に酸化ガスと水との両方を供給する構成としてもよい。この構成によれば、供給した酸化ガスにより水が噴霧される構成とすることで、水を供給する構造を簡易化することができる。
【００９５】
また、これまで説明してきた第１実施例およびその変形例（図９の変形例は除く）では、水導入管が酸化ガスの導入管より下流側に位置していたが、これに換えて、水導入管を酸化ガスの導入管より上流側に位置する構成としてもよい。
【００９６】
前述した第１実施例では、ＣＯ選択酸化触媒５０は、酸化アルミニウムの担体の上に白金を担持したものであったが、これに換えて、担体として、酸化珪素、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化銅、酸化鉄、酸化チタニウム、酸化コバルト、イットリア部分安定化ジルコニアなどを用いる構成としてもよく、また、担体に担持するものとして、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属触媒あるいは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅなどの非貴金属系の触媒を用いる構成としてもよい。
【００９７】
また、前述した第１実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度Ｔに応じて水導入管４０からの水の供給を開始または停止するよう構成されていたが、これに換えて、温度Ｔに応じて水導入管４０からの水の供給量を制御する構成としてもよい。即ち、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度Ｔが高くなりすぎたときには、電動バルブ４２の開度を所定量だけ開き側に制御し、温度Ｔが低くなりすぎたときには、電動バルブ４２の開度を所定量だけ閉じ側に制御する。あるいは、水の供給を間欠的に行なうようにして、その水を供給する間隔を制御することにより、水の供給量を制御する。
【００９８】
次に、本発明の第２の実施例である燃料電池発電システム２１０について説明する。図１０は、第２実施例の燃料電池発電システム２１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム２１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０と比較して、ＣＯ選択酸化反応器３４に温度センサ５２を備えていないこと、ＣＯ選択酸化反応器３４と燃料電池スタック２０とを連結する流路の途中に燃料ガス中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素センサ２１２を備えていることが相違し、その他のハードウェア構成については第１実施例と同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００９９】
一酸化炭素センサ２１２の構成について次に説明する。図１１は、その一酸化炭素センサ２１２の縦断面図である。図１１に示すように、この一酸化炭素センサ２１２は、電解質膜２２０と、この電解質膜２２０を両側から挟んでサンドイッチ構造とする２枚の電極２２２，２２４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２２６，２２８と、このサンドイッチ構造および金属板２２６，２２８を保持する２個のホルダ２３０，２３２と、両ホルダ２３０，２３２を電気的に絶縁状態で連結する絶縁性部材２３４とを備える。
【０１００】
電解質膜２２０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２２２，２２４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。
【０１０１】
金属板２２６、２２８は、メッシュ状のもので、ガスの電極２２２，２２４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。
【０１０２】
ホルダ２３０，２３２は、円柱の内部にフランジ２３０ａ，２３２ａを持つ形状で、そのフランジ２３０ａ，２３２ａで電解質膜２２０，電極２２２，２２４および金属板２２６，２２８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。ホルダ２３２の電解質膜２２０側には、Ｏリング２３６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。
【０１０３】
ホルダ２３０，２３２の外周には、ネジ２３０ｂ，２３２ｂが切られており、これらネジ２３０ｂ，２３２ｂと絶縁性部材２３４の内側に切られた２つのネジ２３４ａ，２３４ｂとを互いに螺合することで、両ホルダ２３０，２３２は、その間の電極２２２，電解質膜２２０および電極２２４を挟持した状態で連結される。なお、絶縁性部材２３４の材料としては、例えばテフロンが用いられている。
【０１０４】
また、この一酸化炭素センサ２１２は、一方側のホルダ２３０にネジ合いにて連結されるガス流入通路２３８を備えている。このガス流入通路２３８は、被検出ガスを電極２２２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２３２には、特別なガス通路は接続されておらず、電極２２４は大気に開放された状態となっている。
【０１０５】
さらに、この一酸化炭素センサ２１２は、両ホルダ２３０，２３２に設けられた検出端子２３０Ｔ，２３２Ｔに電気的に接続される電気回路２４０を備えている。この電気回路２４０は、電圧計２４２と負荷電流調整用の抵抗器２４４とから構成されており、両者を並列して上記検出端子２３０Ｔ，２３２Ｔ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２２２側のホルダ２３０の検出端子２３０Ｔはマイナス極、大気に連通する電極２２４側のホルダ２３２の検出端子２３２Ｔ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２４２の信号は外部の制御系統、即ち、電子制御ユニット９０Ａに出力される。
【０１０６】
こうして構成された一酸化炭素センサ２１２は、ＣＯ選択酸化反応器３４と燃料電池スタック２０とを連結する流路にネジ合いにて連結されており、燃料電池スタック２０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。
【０１０７】
この一酸化炭素センサ２１２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２１２の電極２２２に被検出ガスが供給されると、電極２２２には水素が、電極２２４には大気中の酸素が供給されることになるから、各電極２２２，２２４の電解質膜２２０側の表面で次式（４）および（５）で示す反応が行なわれる。
【０１０８】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（４）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（５）
【０１０９】
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２２２，２２４間には、起電力が生じる。この実施例では、両電極２２２，２２４間に抵抗器２４４が接続されていることから、電極２２２、２２４間に所定負荷を接続して所定の電流を流した際の電極２２２、２２４間の電位差が、電圧計２４２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。
【０１１０】
電極２２２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２２２では前述した式（４）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２２２および電極２２４で式（４）および（５）の反応を連続的に行ない、検出端子２３０Ｔと検出端子２３２Ｔ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２３０Ｔと検出端子２３２Ｔとの間を抵抗器２４４で接続することで、電極２２２および電極２２４で式（４）および（５）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２３０Ｔと検出端子２３２Ｔとの電位差を測定している。
【０１１１】
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２４２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。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。
【０１１２】
次に、この燃料電池発電システム２１０の電子制御ユニット９０Ａにより実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について説明する。この一酸化炭素濃度の低減制御は、第１実施例のそれとは相違し、図１２に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ａの運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１１３】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＡのＣＰＵ９２Ａは、一酸化炭素センサ２１２により検出される燃料改質装置３０Ａの出口側における燃料ガス中の一酸化炭素の濃度Ｄを、入出力ポート９８Ａを介して読み込む（ステップＳ２５０）。次いで、この一酸化炭素濃度Ｄが、予め定められた所定値Ｄ０より大きか否かを判定する（ステップＳ２６０）。所定値Ｄ０は、燃料電池スタック２０が許容できる一酸化炭素濃度の上限であり、ここで、一酸化炭素濃度Ｄが所定値Ｄ０以下であると判定されると、特別な処理は不要であるとして、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１１４】
一方、ステップＳ２６０で一酸化炭素濃度Ｄが所定値Ｄ０を上回ったと判定されると、以下の処理を行なう。まず、ＣＯ選択酸化反応器３４へ所定量Ｑａの酸化ガスを導入させるべく、ブロワ３８を所定駆動量Ｓで駆動制御する（ステップＳ２７０）。次いで、ステップＳ２７０により供給されることになった酸化ガス導入量Ｑａを所定値ｋで割って、その得られる商をＣＯ選択酸化反応器３４への目標水導入量Ｑｗとする（ステップＳ２８０）。その後、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御することにより、水導入管４０からＱｗの量の水をＣＯ選択酸化反応器３４に導入する（ステップＳ２９０）。なお、電動バルブ４２は、第１実施例では開閉制御されるだけであったが、この実施例では、その開度が制御されている。ステップＳ２９０の実行後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１１５】
即ち、上記ＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、一酸化炭素濃度Ｄが燃料電池スタック２０で許容できない高濃度となったとき、ＣＯ選択酸化反応器３４へ所定量Ｑａの酸化ガスが導入されるとともに、その酸化ガスの導入量Ｑａに応じた量Ｑｗの水がＣＯ選択酸化反応器３４へ導入される。この酸化ガス導入量Ｑａと水導入量Ｑｗとの関係を示したのが図１３に示すグラフである。この図１３に示すように、酸化ガス導入量Ｑａに対して一定の比率ｋとなる水導入量Ｑｗの水がＣＯ選択酸化反応器３４へ導入される。
【０１１６】
このため、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高濃度となったときに、ＣＯ選択酸化反応器３４へ酸化ガスが導入されることで、酸化反応による一酸化炭素濃度の低減がなされる。それとともに、酸化反応による発熱が生じるが、ＣＯ選択酸化反応器３４へ水が導入されることで、その水の気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４は冷却される。しかも、前述したように酸化ガスの導入量Ｑａと水の導入量Ｑｗとの比率を一定とすることにより、酸化反応に伴う発熱の量に応じてＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度を定めることができる。
【０１１７】
したがって、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度が所望の温度域、即ち、触媒の活性温度域から上回るのを防止することができる。この結果、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【０１１８】
また、この第２実施例では、水の導入量制御にあたって、酸化ガスの導入量Ｑａに対して常に一定の比率となるよう水の導入量Ｑｗを定めればよく、制御が容易であるといった効果も奏する。
【０１１９】
この第２実施例では、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったとき、所定量Ｑａの酸化ガスを導入する構成となっているが、この酸化ガスの導入量Ｑａは、検出した一酸化炭素濃度Ｄと所定値Ｄ０との偏差に応じて大きさを変える構成としてもよい。即ち、その偏差が大きいほど導入量Ｑａを大きくして、一酸化炭素濃度Ｄの所定値Ｄ０への復帰を素早くする。なお、酸化ガスの導入量Ｑａが可変する構成となっても、この実施例では、上述したように酸化ガスの導入量Ｑａに対して一定の比率となるよう水の導入量Ｑｗが定められていることから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度が所望の温度域を上回るのを防止することができる。
【０１２０】
また、この第２実施例では、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったときに、ＣＯ選択酸化反応器３４に所定量Ｑａの酸化ガスを導入することにより、一酸化炭素濃度を低減する構成としていたが、これに換えて、ＣＯ選択酸化反応器３４へは常時一定量の酸化ガスを導入するようにして、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったときに、酸化ガスの導入量を所定量だけ増量する構成としてもよい。このとき、増量後の酸化ガスの導入量と水の導入量とが一定の比率となるよう水の導入量の制御も行なう。なお、この第２実施例における、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったときに、ＣＯ選択酸化反応器３４に所定量Ｑａの酸化ガスを導入する構成については、一般的なものであり、第１実施例においてもそのまま採用される構成としてもよい。
【０１２１】
また、この第２実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４への酸化ガス導入量Ｑａを、一酸化炭素センサ２１２により得られる一酸化炭素濃度の情報に基づいて求めるよう構成されていたが、これに替えて、他のパラメータから酸化ガス導入量Ｑａを求める構成としてもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃料電池スタック２０の電池出力の情報が該当する。即ち、燃料電池スタック２０の電池出力が低下したら、その電池出力の低下は、燃料電池スタック２０のアノードの電極触媒のＣＯ被毒現象によるものだと判断して、電池出力が復帰するように、ＣＯ選択酸化反応器３４への酸化ガス導入量Ｑａを制御する。
【０１２２】
次に、本発明の第３の実施例である燃料電池発電システム３１０について説明する。図１４は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム３１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０と比較して、ＣＯ選択酸化反応器３４に温度センサ５２を備えていないこと、燃料改質装置３０Ｂの改質反応器３２から出力される改質ガスの流量を検出するガス流量計３１２を備えていることが相違し、その他のハードウェア構成については第１実施例と同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１２３】
ガス流量計３１２は、燃料改質装置３０Ｂの改質反応器３２とＣＯ選択酸化反応器３４とを連結する連絡管３６の途中、詳しくは、酸化ガスの導入管３７の連結部より上流側の途中に設けられており、改質反応器３２からの改質ガスの流量を検出する。なお、ガス流量計３１２は、電子制御ユニット９０Ｂの入出力ポート９８Ｂと電気的に接続されている。
【０１２４】
次に、この燃料電池発電システム３１０の電子制御ユニット９０Ｂにより実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について説明する。この一酸化炭素濃度の低減制御は、第１実施例のそれとは相違し、図１５に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｂの運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１２５】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＢのＣＰＵ９２Ｂは、ガス流量計３１２により検出される改質反応器３２の出口側における改質ガスの流量Ｑｈを、入出力ポート９８Ｂを介して読み込む（ステップＳ３５０）。次いで、この改質ガス流量Ｑｈに基づいて、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の目標導入量Ｑｗを算出する（ステップＳ３６０）。具体的には、電子制御ユニット９０ＢのＲＯＭ９４Ｂに予め格納された図１６の関係を表わすマップを用いて、そのマップに上記改質ガス流量Ｑｈを照らして、その改質ガス流量Ｑｈに対応する目標水導入量Ｑｗを求める。その後、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御することにより、水導入管４０からＱｗの量の水をＣＯ選択酸化反応器３４に導入する（ステップＳ３７０）。その後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１２６】
即ち、上記ＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、改質反応器３２の出口側における改質ガスの流量Ｑｈに応じて定まる量の水がＣＯ選択酸化反応器３４へ導入される。
【０１２７】
ＣＯ選択酸化反応器３４の発熱の程度は、ＣＯ選択酸化反応器３４に供給される改質ガス中の一酸化炭素ガスの量により左右される。改質反応器３２が少なくとも一定状態で運転されている場合には、改質ガス中の一酸化炭素の量は、改質ガスの全体量に比例して変化する。従って、改質ガスの流量Ｑｈが多いほど、ＣＯ選択酸化反応器３４の発熱も多くなるから、前述したように、改質ガスの流量Ｑｈに基づきＣＯ選択酸化反応器３４への水量を制御することにより、ＣＯ選択酸化反応器３４の発熱の程度に応じてＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度を調節することができる。このため、ＣＯ選択酸化反応器の運転温度が所定の範囲から逸脱するのを防ぐことができる。
【０１２８】
次に、本発明の第４の実施例である燃料電池発電システム４１０について説明する。図１７は、第４実施例の燃料電池発電システム４１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム４１０は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０と比較して、ガス流量計３１２に替えて、改質反応器３２から出力される改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素センサ４１２を備えていることが相違し、その他のハードウェア構成については第３実施例と同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１２９】
一酸化炭素センサ４１２は、第２実施例で用いた一酸化炭素センサ２１２と同じ構成のもので、燃料改質装置３０Ｃの改質反応器３２とＣＯ選択酸化反応器３４とを連結する連絡管３６の途中、詳しくは、酸化ガスの導入管３７の連結部より上流側の途中に設けられている。なお、一酸化炭素センサ４１２は、電子制御ユニット９０Ｃの入出力ポート９８Ｃと電気的に接続されている。
【０１３０】
次に、この燃料電池発電システム４１０の電子制御ユニット９０Ｃにより実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について説明する。この一酸化炭素濃度の低減制御は、図１８に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｃの運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１３１】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＣのＣＰＵ９２Ｃは、一酸化炭素センサ４１２により検出される改質反応器３２の出口側における改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１を、入出力ポート９８Ｃを介して読み込む（ステップＳ４５０）。次いで、この一酸化炭素濃度Ｄ１に基づいて、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の目標導入量Ｑｗを算出する（ステップＳ４６０）。具体的には、電子制御ユニット９０ＣのＲＯＭ９４Ｃに予め格納された図１９の関係を表わすマップを用いて、そのマップに上記一酸化炭素濃度Ｄ１を照らして、その一酸化炭素濃度Ｄ１に対応する目標水導入量Ｑｗを求める。その後、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御することにより、水導入管４０からＱｗの量の水をＣＯ選択酸化反応器３４に導入する（ステップＳ４７０）。その後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１３２】
また、この第４実施例の燃料電池発電システム４１０のＣＯ選択酸化反応器３４にあっては、第１実施例や第２実施例と同様に、一酸化炭素濃度に応じて酸化ガスの導入量を制御する処理が行なわれる。なお、第２実施例では、一酸化炭素センサ２１２が設けられたＣＯ選択酸化反応器３４の出口側の一酸化炭素濃度を利用していたが、これに替えて、この第４実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４の入口側に位置する一酸化炭素センサ４１２により検出された一酸化炭素濃度Ｄ１を利用している。
【０１３３】
以上詳述したように、上記ＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、改質反応器３２からの改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１に応じて水導入管４０からの水の導入量が制御される。さらに、その一酸化炭素濃度Ｄ１に応じて導入管３７からの酸化ガスの導入量も制御される。
【０１３４】
ＣＯ選択酸化反応器３４における酸化反応の程度は、ＣＯ選択酸化反応器３４に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１により変化する。このため、前述したように、改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１に応じてＣＯ選択酸化反応器３４への水の導入量を制御することにより、酸化反応の程度に応じたＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度の調節が可能となる。特に、この実施例では、一酸化炭素濃度Ｄ１に応じて酸化ガスの導入量も制御されていることから、酸化反応に必要な十分な量の酸化ガスがＣＯ選択酸化反応器３４に供給されることになるので、一酸化炭素濃度Ｄ１が高いときのＣＯ選択酸化反応器３４の発熱量が大きくなるが、上述したように、一酸化炭素濃度Ｄ１に応じてＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度が調節されることから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度を所定の範囲から逸脱するのを十分に防ぐことができる。
【０１３５】
次に、本発明の第５の実施例である燃料電池発電システム５１０について説明する。図２０は、第５実施例の燃料電池発電システム５１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム５１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０と比較して、ＣＯ選択酸化反応器３４に温度センサ５２を備えていないことと、燃料電池スタック２０のインピーダンスを検出するインピーダンス計５１２を備える点が相違し、その他のハードウェア構成については同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１３６】
インピーダンス計５１２は、燃料電池スタック２０の所定の電池セルのアノード２２とカソード２３との間に設けられている。インピーダンス計５１２は、両電極間に交流信号を印加し、定電圧印加の場合には電流値から、また定電流を流す場合には電圧値から交流抵抗値、即ちインピーダンスを検出する。ここで、一般に交流信号は１００Hz〜１０kHzの範囲が用いられる。なお、インピーダンス計５１２は、電子制御ユニット９０Ｄの入出力ポート９８Ｄと電気的に接続されている。
【０１３７】
次に、この燃料電池発電システム５１０の電子制御ユニット９０Ｄにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｄは、第１実施例と同一のＣＯ濃度の低減制御（図５を用いて説明したもの）を実行し、さらには、次のような燃料電池スタック２０の加湿制御を実行する。この加湿制御は、図２１に示す加湿制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｄの運転が開始され定常状態となった後に、ＣＯ濃度低減制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１３８】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＤのＣＰＵ９２Ｄは、インピーダンス計５１２により検出されるインピーダンスＺを、入出力ポート９８Ｄを介して読み込む（ステップＳ５５０）。次いで、このインピーダンスＺが、予め定められた所定値Ｚ０より大きか否かを判定する（ステップＳ５６０）。
【０１３９】
燃料電池スタック２０は、その運転条件により、電解質膜２１が部分的に濡れすぎや乾きすぎの状態になる。この状態はアノード２２とカソード２３間のインピーダンスＺから検知することができる。ステップＳ５６０で所定値Ｚ０を越えたと判別されたとき、燃料電池スタック２０の電解質膜２１は乾きすぎの状態にあると判定して、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２の開度Ｖを予め定めた所定量△Ｖだけ開き側に制御する（ステップＳ５７０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に供給される水が増量されることから、ＣＯ選択酸化反応器３４から出力される燃料ガスは水蒸気が増量されたものとなる。これによって、燃料電池スタック２０は加湿されてインピーダンスＺは下げられる。
【０１４０】
ステップＳ５７０の実行後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ５６０で、インピーダンスＺが所定値Ｚ０以下であると判別されたときにも、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１４１】
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５１０では、インピーダンス計５１２で検出された燃料電池の電極間のインピーダンスから、燃料電池の電解質膜２１が乾きすぎの状態にあるか否かを判定し、乾きすぎの状態にあると判定されたときには、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に供給される水を増量して、ＣＯ選択酸化反応器３４から燃料電池スタック２０に送られる燃料ガス中の水蒸気量を高めている。このため、燃料電池スタック２０の電解質膜２１の含水率を一定の範囲に維持することができる。したがって、燃料電池スタック２０の電解質膜２１が乾きすぎや濡れすぎの状態となることを防止することができ、燃料電池スタック２０は安定した高出力を維持することができる。
【０１４２】
この第５実施例では、インピーダンス計５１２は、燃料電池スタック２０のうちの所定の電池セルのアノード２２とカソード２３との間のインピーダンスを検出するものであったが、これに換えて、燃料電池スタック２０を構成する全ての電池セルに渡ってインピーダンスを測定して平均の値をとる構成としてもよいし、あるいは総和をとる構成としてもよい。さらには、燃料電池スタック２０の構造上の特徴から、例えばエンドプレートに近い電池セルは濡れすぎ、渇きすぎが起こりやすいことがわかっていれば、そうした特定のセルのみのインピーダンスを測定する構成としてもよい。
【０１４３】
また、インピーダンスを測定する構成に換えて、燃料電池スタック２０の所定のセルの電極間の直流抵抗を測定する構成としてもよい。燃料電池の場合、その動作中には、燃料電池自体が直流の起電力を発生させているために、燃料電池の直流抵抗を直接測定することはできない。しかしながら、燃料電池スタック２０に接続された負荷を数ミリ秒程度のごく僅かな時間だけ、切り放し、この間に直流抵抗を測定した後、再び、燃料電池スタック２０を負荷に接続することにより、直流抵抗を測定することも可能である。この直流抵抗から、燃料電池スタック２０の電解質膜２１の含水率を測定して、その測定結果に応じてＣＯ選択酸化反応器３４への水の導入量を制御する構成とすればよい。
【０１４４】
次に、本発明の第６の実施例である燃料電池発電システム６１０について説明する。図２２は、第６実施例の燃料電池発電システム６１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム６１０は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、燃料電池スタック２０へ供給される燃料ガスの流量Ｑを検出する流量センサ６１２と、その燃料ガスの圧力Ｐを検出する圧力センサ６１４とを備える。なお、第３実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１４５】
流量センサ６１２および圧力センサ６１４は、燃料改質装置３０Ｅと燃料電池スタック２０とを連結する流路の途中にそれぞれ設けられるもので、燃料電池スタック２０へ供給される燃料ガスについてのガス流量Ｑおよびガス圧力Ｐを検出する。なお、両センサ６１２，６１４は、電子制御ユニット９０Ｅの入出力ポート９８Ｅと電気的に接続されている。
【０１４６】
次に、この燃料電池発電システム６１０の電子制御ユニット９０Ｅにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｅは、第３実施例と同様のＣＯ濃度の低減制御を実行するとともに、ＣＯ選択酸化反応器３４への水導入量の最大値を求める処理を実行する。この最大値を求める処理は、図２３に示す最大水導入量算出ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｅの運転が開始され定常状態となった後に、ＣＯ濃度低減制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１４７】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＥのＣＰＵ９２Ｅは、流量センサ６１２により検出される燃料ガスのガス流量Ｑと圧力センサ６１４により検出されるガス圧力Ｐを、入出力ポート９８Ｅを介して読み込む（ステップＳ６３０）。次いで、その読み込んだガス圧力Ｐと燃料電池スタック２０の運転温度Ｔから、燃料ガスが燃料電池スタック２０に流入した際の水蒸気分圧Ａを求める（ステップＳ６４０）。燃料電池スタック２０の運転温度Ｔは、これまでに詳述して来なかったが一定の温度となるよう制御されており、固体高分子型の燃料電池にあっては、例えば、８０℃に制御されていることから、この８０℃をステップＳ６４０の算出では用いる。ステップＳ６４０では、ＲＯＭ９４Ｅに予め格納されたマップに照らし合わせることで、ガス圧力Ｐとガス温度Ｔから求める。次いで、この水蒸気分圧ＡにステップＳ６３０で読み込んだガス流量Ｑを掛けることにより、燃料ガスが燃料電池スタック２０に流入した際の飽和水蒸気量Ｂを求める（ステップＳ６５０）。
【０１４８】
続いて、ＣＰＵ９２Ｅは、別の制御ルーチンで行なっている改質反応器３２へのメタノールおよび水の供給量制御から、改質反応器３２で改質反応に供される炭化水素と水（水蒸気）の比率（以下、Ｓ／Ｃ比と呼ぶ）を求めて、このＳ／Ｃ比から単位体積当たりの水量Ｗを求める（ステップＳ６６０）。その後、この水量Ｗを、ステップＳ６４０で求めた水蒸気分圧Ａで割って湿度Ｈを求める（ステップＳ６７０）。続いて、ステップＳ６５０で求めた飽和水蒸気量Ｂから、ステップＳ６７０で求めた湿度ＨとステップＳ６３０により読み込んだガス流量Ｑとを乗算したものを引いて最大水導入量Ｗｍを求める（ステップＳ６８０）。その後、この算出ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１４９】
こうして求められた最大水導入量Ｗｍは、燃料改質装置３０Ｅから出て燃料電池スタック２０へ流入された燃料ガスにあって、その水分が、燃料ガスの圧力Ｐおよび燃料電池の運転温度Ｔで飽和する、すなわち、湿度が１００［％］となるための水の導入量である。
【０１５０】
一方、電子制御ユニット９０Ｅで実行されるＣＯ濃度の低減制御は、次のようになる。図２４は、電子制御ユニット９０Ｅで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、第３実施例と同様、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１５１】
このルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＥのＣＰＵ９２Ｅは、第３実施例のＣＯ濃度低減制御ルーチンのステップＳ３５０，Ｓ３６０と同じ処理を実行することで、改質ガスの流量Ｑｈに基づいて目標水導入量Ｑｗを算出する（ステップＳ６９０，Ｓ６９２）。次いで、目標水導入量Ｑｗが、前記最大水導入量算出ルーチンで求めた最大水導入量Ｗｍを越えるか否かを判定し（ステップＳ６９４）、越えると判定されたときに、その最大水導入量Ｗｍを目標水導入量Ｑｗの値に設定する（ステップＳ６９６）。一方、ステップＳ６９４で、目標水導入量Ｑｗが最大水導入量Ｗｍを越えないと判定されたときには、ステップＳ６９６の処理を実行せずに、目標水導入量ＱｗはステップＳ６９２で算出されたままの値とする。
【０１５２】
その後、第３実施例のＣＯ濃度低減制御ルーチンのステップＳ３７０と同様に、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御して（ステップＳ６９８）、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１５３】
即ち、このＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、ＣＯ選択酸化反応器３４への目標水導入量Ｑｗが、最大水導入量Ｗｍを越えない、即ち、燃料ガス中の水分が燃料ガスの圧力Ｐおよび燃料電池の運転温度Ｔで過飽和とならないよう制御される。
【０１５４】
したがって、この第６実施例の燃料電池発電システム６１０では、燃料改質装置３０Ｅから出力した燃料ガスが、過飽和状態で燃料電池スタック２０内に流入されることがない。このため、燃料ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池スタック２０内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内の燃料ガスの流路２４ｐを閉塞してしまう現象を防止することができる。この結果、燃料電池スタック２０を高い電池出力で安定して運転し続けることができる。
【０１５５】
なお、この第６実施例の燃料電池発電システム６１０は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０に最大水導入量Ｗｍの制限を加えた構成であるが、これに換えて、その他の実施例（第１、第２，第４および第５実施例）の燃料電池発電システムに最大水導入量Ｗｍの制限を加える構成としてもよい。即ち、第２，第４および第５実施例では、ＣＯ濃度低減制御ルーチンで求めた目標水導入量Ｑｗが最大水導入量Ｗｍを越えるときに、目標水導入量Ｑｗをその最大水導入量Ｗｍの値に設定する、上記ステップＳ６９４およびＳ６９６と同一の処理を施すよう構成する。他方、第１実施例では、ＣＯ濃度低減制御ルーチンのステップＳ１４０で制御する電動バルブ４２の開度を、その開度で実現される水の導入量が最大水導入量Ｗｍを越えないような値に設定するよう構成する。
【０１５６】
これら構成によれば、第６実施例と同様に、燃料改質装置から出力した燃料ガスが、過飽和状態で燃料電池スタック２０内に流入されることがない。この結果、燃料ガスの過飽和分の水蒸気の凍結によって燃料ガスの流路２４ｐを閉塞してしまう現象を防止することができる。
【０１５７】
次に、本発明の第７の実施例である燃料電池発電システム７１０について説明する。図２５は、第７実施例の燃料電池発電システム７１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム７１０は、第６実施例の燃料電池発電システム６１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、燃料電池スタック２０から燃料ガスを外部に送る燃料ガス排出通路７１２の開度を調整する背圧調整弁７１４を備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１５８】
背圧調整弁７１４は、電子制御ユニット９０Ｆの入出力ポート９８Ｆと電気的に接続されており、電子制御ユニット９０Ｆから制御信号を受けてその開度が調整される。
【０１５９】
次に、この燃料電池発電システム７１０の電子制御ユニット９０Ｆにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｆは、第６実施例と同一の最大水導入量算出ルーチン（図２３を用いて説明したもの）と第３実施例（第６実施例ではない）と同一のＣＯ濃度低減制御ルーチンを実行し、さらには、次のような燃料ガスの圧力を制御する処理を実行する。この燃料ガスの圧力を制御する処理は、図２６に示す燃料ガス圧制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｆの運転が開始され定常状態となった後に、最大導入量算出ルーチン、ＣＯ濃度低減制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１６０】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＦのＣＰＵ９２Ｆは、第６実施例で説明した最大水導入量算出ルーチンで求めた最大水導入量Ｗｍと、第３実施例で説明したＣＯ濃度低減制御ルーチンで求めた目標水導入量Ｑｗとを読み込む（ステップＳ７５０）。次いで、その目標水導入量Ｑｗがその最大水導入量Ｗｍを越えるか否かを判定し（ステップＳ７６０）、越えると判定されたときに、背圧調整弁７１４を微少な所定量△Ｖだけ閉方向に制御することにより、燃料ガス排出通路７１２のガス圧力Ｐを高める（ステップＳ７７０）。その後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１６１】
一方、ステップＳ７６０で、目標水導入量Ｑｗが最大水導入量Ｗｍを越えないと判定されたときには、ステップＳ７７０の処理を実行せずに、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１６２】
即ち、この背圧調整弁制御ルーチンによれば、ＣＯ選択酸化反応器３４への目標水導入量Ｑｗが、最大水導入量Ｗｍを越えるようなときには、背圧調整弁７１４を閉側に制御することにより、燃料ガス排出通路７１２のガス圧力Ｐを徐々に高める。燃料ガスの圧力Ｐが高くなると、燃料ガスの飽和水蒸気量が大きくなることから、ＣＯ濃度低減制御ルーチンで算出される目標水導入量Ｑｗを変更することなしに、燃料ガスが過飽和状態で燃料電池に流入することを防止することができる。
【０１６３】
したがって、この第７実施例の燃料電池発電システム７１０では、第６実施例と同様に、燃料ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池スタック２０内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内の燃料ガスの流路２４ｐを閉塞してしまう現象を防止することができる。この結果、燃料電池スタック２０を安定した高い電池出力で運転し続けることができる。特に、この実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４へは、ＣＯ濃度低減制御ルーチンで算出されたままの目標水導入量Ｑｗの水が供給されることから、必要とするだけより多くの水の導入が可能となるといった効果も奏する。
【０１６４】
なお、この第７実施例の燃料電池発電システム７１０は、第６実施例の燃料電池発電システム６１０と同様、第３実施例の燃料電池発電システム３１０に適用される構成であるが、これに換えて、第６実施例と同様、その他の実施例（第１、第２，第４および第５実施例）に適用する構成とすることもできる。
【０１６５】
次に、本発明の第８の実施例である燃料電池発電システム８１０について説明する。図２７は、第８実施例の燃料電池発電システム８１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム８１０は、第７実施例の燃料電池発電システム７１０の構成をそのまま備えた上で、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８１０は、燃料電池スタック２０から酸化ガスを外部に送る酸化ガス排出通路８１２の開度を調整する背圧調整弁８１４と、燃料ガス排出通路７１２の上流側に設けられ、燃料ガスの圧力を検出する第１圧力センサ８１６と、酸化ガス排出通路８１２の上流側に設けられ、酸化ガスの圧力を検出する第２圧力センサ８１８とを備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１６６】
背圧調整弁８１４は、電子制御ユニット９０Ｇの入出力ポート９８Ｇと電気的に接続されており、電子制御ユニット９０Ｇから制御信号を受けてその開度が調整される。第１圧力センサ８１６，第２圧力センサ８１８も、電子制御ユニット９０Ｇの入出力ポート９８Ｇと電気的に接続されており、検出された圧力値が電子制御ユニット９０Ｇに送られる。
【０１６７】
次に、この燃料電池発電システム８１０の電子制御ユニット９０Ｇにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｅは、第７実施例と同一の制御ルーチン（燃料ガス圧制御ルーチン，最大水導入量算出ルーチンおよびＣＯ濃度低減制御ルーチン）を実行し、さらには、次のような酸化ガスの圧力を制御する処理を実行する。この酸化ガスの圧力を制御する処理は、図２８に示す酸化ガス圧制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｇの運転が開始され定常状態となった後に、その他の制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１６８】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＧのＣＰＵ９２Ｇは、まず、第１および第２圧力センサ８１６，８１８により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸化ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ８５０）。
【０１６９】
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Ｓ８６０）。続いて、その圧力差△Ｐが値０より大きいか否か、所定値α（＞０）以下であるか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ８７０，Ｓ８８０）。所定値αは、使用する電解質膜の種類、特に、その厚さに強く依存し、例えば、０．２［ｋＰａ］である。ステップＳ８７０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、酸化ガス排出通路８１２の背圧調整弁８１４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Ｓ８９０）。この結果、圧力差△Ｐは値０より大きな値となる。
【０１７０】
ステップＳ８８０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、酸化ガス排出通路８１２の背圧調整弁８１４の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸化ガスの圧力Ｐｃを増大する（ステップＳ８９２）。この結果、圧力差△Ｐは所定値α以下の値となる。
【０１７１】
なお、ステップＳ８９０またはＳ８９２の実行後、または、ステップＳ８７０およびステップＳ８８０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。
【０１７２】
即ち、この酸化ガス圧制御処理によれば、酸化ガス排出通路８１２の背圧調整弁８１４の開度Ｖｃを調整することにより、燃料ガスの圧力Ｐａから酸化ガスの圧力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、第７実施例で説明した燃料ガス圧制御ルーチンで、燃料ガス排出通路７１２の背圧調整弁７１４の開度が閉じ側に制御されて、燃料ガスの圧力が高くなっても、燃料ガスの圧力Ｐａと酸化ガスの圧力Ｐｃの圧力差△Ｐが所定の範囲を超えることはない。
【０１７３】
したがって、この第８実施例の燃料電池発電システム８１０では、第７実施例と同様な効果を奏し、さらには、燃料ガスの圧力Ｐａと酸化ガスの圧力Ｐｃの圧力差△Ｐが所定の範囲を超えることがないことから、その圧力差△Ｐにより燃料電池スタック２０の電解質膜２１が破損するのを防止することができる。
【０１７４】
次に、本発明の第９の実施例である燃料電池発電システム９１０について説明する。図２９は、第９実施例の燃料電池発電システム９１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム９１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、燃料電池スタック２０の運転を制御する燃料電池運転用電子制御ユニット９２０を備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１７５】
燃料電池運転用電子制御ユニット９２０は、燃料改質装置３０Ｈの電子制御ユニット９０Ｈと同様に、ＣＰＵ９２２，ＲＯＭ９２４，ＲＡＭ９２６，入出力ポート９２８を備えており、燃料電池スタック２０の運転を制御する。なお、電子制御ユニット９０Ｈと燃料電池運転用電子制御ユニット９２０は、電気的に接続されており、燃料電池スタック２０の運転状態を電子制御ユニット９０Ｈ側で知ることができる。
【０１７６】
次に、燃料改質装置３０Ｈの電子制御ユニット９０Ｈにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｈは、第１実施例と同一のＣＯ濃度低減制御ルーチンを実行し、さらには、次のような燃料電池停止時の処理を実行する。この燃料電池停止時の処理は、図３０に示す停止時制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｈの運転が開始され定常状態となった後に、その他の制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１７７】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＨのＣＰＵ９２Ｈは、まず、燃料電池運転用電子制御ユニット９２０から停止信号が送られてきたか否かを判定する（ステップＳ９５０）。停止信号は、燃料電池スタック２０を運転状態から停止状態へ切り換えたときに燃料電池運転用電子制御ユニット９２０から送られてくるもので、ステップＳ９５０で停止信号が送られてきたことが判明すると、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２を全開状態に制御する（ステップＳ９６０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に多量の水が供給され、その水による気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４内部の温度は急下降する。
【０１７８】
したがって、この第９実施例では、燃料電池スタック２０の停止状態への切り替え時に、ＣＯ選択酸化反応器３４の温度を速やかに下げることができる。この結果、燃料ガスの発生を速やかに停止することができる。
【０１７９】
なお、上記停止信号は、燃料電池スタック２０の正常な停止時に発せられるものであってもよいし、緊急停止時に発せられるものであってもよいし、あるいは双方の時に発せられるものであってもよい。
【０１８０】
ここで、上記停止信号は、前述したように燃料電池スタック２０の停止時に発せられるものであるが、燃料電池スタック２０だけに限らず、燃料電池スタック２０を含む燃料電池発電システム全体の停止時に発せられるものであってもよい。また、燃料電池スタック２０の停止時を示す停止信号ではなく、燃料改質装置３０の停止を行なうに際し、その停止に先立って、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２を全開状態に制御する構成とすることもできる。
【０１８１】
次に、本発明の第１０の実施例である燃料電池発電システム１０１０について説明する。図３１は、第１０実施例の燃料電池発電システム１０１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム１０１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０の構成をそのまま備えた上で、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１０１０は、燃料電池スタック２０から酸化ガスを外部に送る酸化ガス排出通路１０２０に設けられる凝縮器１０３０と、凝縮器１０３０と水タンク１４とを結ぶ送水通路１０４０とを備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１８２】
凝縮器１０３０は、水蒸気を凝縮して水を生成するもので、発電に伴い燃料電池スタック２０のカソードで発生する水蒸気が水として回収される。凝縮器１０３０の出力側は、改質反応器３２およびＣＯ選択酸化反応器３４に水を供給する水タンク１４と送水通路１０４０を介して接続されており、凝縮器１０３０で生成された水が水タンク１４に送られる。このため、燃料改質装置３０側からみれば、熱分解反応に使用される水およびＣＯ選択酸化反応器３４に供給される水が燃料電池スタック２０の運転に伴って順次補給されることから、水を貯える水タンク１４が小型で済み、また、水の貯留量も少なくする。また、燃料電池スタック２０からみれば、カソード側残ガスをそのまま排出すると、大気に放出された残ガスが白煙を上げることになるが、そうした現象を防止することができる。
【０１８３】
なお、固体高分子型の燃料電池スタックにおいては、電解質膜を加湿するために通常、燃料ガスを加湿していること、また、この実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４に水導入管４０から水を供給していることから、燃料電池スタック２０のアノード側から排出されるガス中にも、多量の水蒸気または水滴が含まれている。このため、凝縮器１０３０を、酸化ガス排出通路１０２０に設ける構成に換えて、燃料電池スタック２０から燃料ガスを外部に送る燃料ガス排出通路１０５０に設ける構成としてもよい。また、酸化ガス排出通路１０２０と燃料ガス排出通路１０５０の双方に凝縮器を設ける構成とすることもできる。
【０１８４】
次に、本発明の第１１の実施例である燃料電池発電システム１１１０について説明する。図３２は、第１１実施例の燃料電池発電システム１１１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム１１１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、水導入管４０の途中に水加圧機構１１２０を備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１８５】
水加圧機構１１２０は、燃料電池スタック２０から酸化ガスを外部に送る酸化ガス排出通路１１１２の途中に設けられるタービンコンプレッサ１１２２と、水導入管４０の途中に設けられてタービンコンプレッサ１１２２と同軸上に連結されるタービン１１２４とを備える。こうした構成の水加圧機構１１２０によれば、燃料電池スタック２０からの排ガスの流れるエネルギを利用して、水導入管４０を流れる水が加圧される。水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４へ水を供給するためには、前述してきた実施例では省略してきたが、ポンプ等の加圧手段により水を加圧する必要があるが、そのための動力に、燃料電池スタック２０で発電した電気を用いると、燃料電池発電システム全体のエネルギ効率が低下してしまう。これに対して、この構成によれば、排ガスを利用して水の加圧を行なうことから、燃料電池発電システムのエネルギ効率を低下させることなく、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給を行なうことができる。
【０１８６】
なお、この実施例では、燃料電池スタック２０のアノード側から排出される酸化ガスにより、タービンコンプレッサ１１２２を回転させる構成としたが、これに替えて、燃料電池スタック２０のカソード側から排出される燃料ガスにより、タービンコンプレッサ１１２２を回転させる構成としてもよい。
【０１８７】
前述してきた各実施例では、固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）を前提に記述したが、同様にりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの他のタイプの燃料電池を用いた燃料電池発電システムにも適用することができる。
【０１８８】
また、前述してきた各実施例では、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。
【０１８９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例の一酸化炭素濃度低減装置を備える燃料電池発電システム１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタック２０のセル構造を示す構造図である。
【図３】ＣＯ選択酸化反応器３４の内部とそれに連結される連絡管３６を破断して示す説明図である。
【図４】モデルガスによりＣＯ選択酸化触媒５０の性能を示すグラフである。
【図５】燃料改質装置３０の電子制御ユニット９０で実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図７】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図８】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図９】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図１０】第２実施例の燃料電池発電システム２１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図１１】 一酸化炭素センサ２１２の縦断面図である。
【図１２】第２実施例の電子制御ユニット９０Ａで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】酸化ガス導入量Ｑａと水導入量Ｑｗとの関係を示すグラフである。
【図１４】第３実施例の燃料電池発電システム３１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図１５】第３実施例の電子制御ユニット９０Ｂで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】改質ガス流量Ｑｈと目標水導入量Ｑｗとの関係を示すグラフである。
【図１７】第４実施例の燃料電池発電システム４１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図１８】第４実施例の電子制御ユニット９０Ｃで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１９】 一酸化炭素濃度Ｄ１と目標水導入量Ｑｗとの関係を示すグラフである。
【図２０】第５実施例の燃料電池発電システム５１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２１】第５実施例の電子制御ユニット９０Ｄで実行される加湿制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】第６実施例の燃料電池発電システム６１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２３】第６実施例の電子制御ユニット９０Ｅで実行される最大水導入量算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図２４】電子制御ユニット９０Ｅで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２５】第７実施例の燃料電池発電システム７１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２６】第７実施例の電子制御ユニット９０Ｆで実行される燃料ガス圧制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２７】第８実施例の燃料電池発電システム８１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２８】第８実施例の電子制御ユニット９０Ｇで実行される酸化ガス圧制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２９】第９実施例の燃料電池発電システム９１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図３０】 第９実施例の電子制御ユニット９０Ｈで実行される停止時制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３１】第１０実施例の燃料電池発電システム１０１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図３２】第１１実施例の燃料電池発電システム１１１０の構成の概略を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池発電システム
１２…メタノールタンク
１４…水タンク
２０…燃料電池スタック
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４ｐ，２５ｐ…流路
２６，２７…集電板
３０…一酸化炭素センサ
３０…燃料改質装置
３０Ａ…燃料改質装置
３０Ｂ…燃料改質装置
３０Ｃ…燃料改質装置
３０Ｄ…燃料改質装置
３０Ｅ…燃料改質装置
３０Ｆ…燃料改質装置
３０Ｈ…燃料改質装置
３２…改質反応器
３４…ＣＯ選択酸化反応器
３６…連絡管
３７…導入管
３８…ブロワ
４０…水導入管
４１…電解質膜
４２…アノード
４２…電動バルブ
４３…カソード
５０…ＣＯ選択酸化触媒
５２…温度センサ
８０…水噴射弁
８２…電圧計
８４…導入管
９０…電子制御ユニット
９２…ＣＰＵ
９４…ＲＯＭ
９６…ＲＡＭ
１１０…燃料電池発電システム
１１２…一酸化炭素センサ
２１０…燃料電池発電システム
２１２…一酸化炭素センサ
２２０…電解質膜
２２２，２２４…電極
２２６，２２８…金属板
２３０，２３２…ホルダ
２３０Ｔ，２３２Ｔ…検出端子
２３０ａ，２３２ａ…フランジ
２３０ｂ，２３２ｂ…ネジ
２３４…絶縁性部材
２３４ａ，２３４ｂ…ネジ
２３６…Ｏリング
２３８…ガス流入通路
２４０…電気回路
２４２…電圧計
２４４…抵抗器
３１０…燃料電池発電システム
３１２…ガス流量計
４１０…燃料電池発電システム
４１２…一酸化炭素センサ
５１０…燃料電池発電システム
５１２…インピーダンス計
６１０…燃料電池発電システム
６１２…流量センサ
６１４…圧力センサ
７１０…燃料電池発電システム
７１２…燃料ガス排出通路
７１４…背圧調整弁
８１０…燃料電池発電システム
８１２…酸化ガス排出通路
８１４…背圧調整弁
８１６…第１圧力センサ
８１８…第２圧力センサ
９１０…燃料電池発電システム
９２０…燃料電池運転用電子制御ユニット
９２２…ＣＰＵ
９２４…ＲＯＭ
９２６…ＲＡＭ
９２８…入出力ポート
１０１０…燃料電池発電システム
１０２０…酸化ガス排出通路
１０３０…凝縮器
１０４０…送水通路
１０５０…燃料ガス排出通路
１１１０…燃料電池発電システム
１１１２…酸化ガス排出通路
１１２０…水加圧機構
１１２２…タービンコンプレッサ
１１２４…タービン
【発明の属する技術分野】
本発明は、一酸化炭素濃度低減装置およびその方法並びに燃料電池発電装置に関し、詳しくは、水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減装置およびその方法と、その一酸化炭素濃度低減装置を備える燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質の両側に燃料極と酸化極とを配し、燃料極と酸化極とにそれぞれ水素と酸素とを供給することによって起電力を得る燃料電池発電装置において、発電効率を高め、大気環境汚染を防止するために、燃料極にはできるだけ水素リッチなガスを供給することが望まれる。
【０００３】
そこで、メタノール等の炭化水素あるいはアルコール類を主成分とする原燃料ガスを改質触媒の作用により改質して水素リッチガスを作る改質器を燃料電池に前置きして設けることが行なわれているが、いかに改質器の能力を高めても、改質ガス中に若干量の一酸化炭素ガスが混入されることが避けられない。燃料極に供給される改質ガス中に一酸化炭素が含まれると、燃料極に触媒として用いられるＰｔ（白金）を被毒させ、発電性能を低下あるいは不安定にしてしまう。
【０００４】
これを防止する技術として、改質ガス中の一酸化炭素を触媒の下で選択的に酸化することで、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させるものが知られている。
【０００５】
さらには、特開平７−１８５３０３号公報に記載されているように、前記触媒を備える触媒層に冷却層を並設して、触媒が活性温度より高温側に移行するのを防止する技術が提案されている。この技術によれば、触媒を活性温度域に保持し、燃料電池の電極触媒を被毒させないレベルにまで一酸化炭素濃度を低減させることが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来の技術で、冷却層に送られる冷媒は、改質原料である液体メタノールと水との混合液体であることから、冷媒の一部が冷却層内で気化してしまうことがあった。冷媒が気化すると、冷却層内の圧力が高くなり、流れが悪くなり、冷媒は一定の流量で流れることができず脈動する。このため、冷媒層に温度むらが生じ、触媒層全体を均一に冷却することができず、この結果、触媒層に収納される全ての触媒を活性温度に維持することができなかった。
【０００７】
この発明の一酸化炭素濃度低減装置およびその方法は、冷媒層に収納される全ての触媒を活性温度に維持することを可能とすることにより、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することを目的とする。また、この発明の燃料電池発電装置は、燃料極に供給される燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減して、発電効率を高めることを目的とする。
【０００８】
【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一酸化炭素濃度低減装置は、
水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減装置であって、
前記水素リッチガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記水素リッチガス中の水素に優先して該水素リッチガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と
を備えることを要旨とする。
【０００９】
この発明の一酸化炭素濃度低減装置（以下、基本構成の一酸化炭素濃度低減装置と呼ぶ）は、酸化ガス導入手段が、一酸化炭素を含有する水素リッチガスへ酸化ガスを導入し、酸化反応部が、導入された酸化ガス中の酸素により、触媒上で、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する。さらに、水供給手段が、酸化反応部の有する触媒に水を供給する。酸化反応部での酸化反応は、発熱反応であることから、水供給手段から送られてきた水は、酸化反応部内で気化される。このため、酸化反応部内の触媒は、その気化熱によって直接冷却される。
【００１０】
したがって、この基本構成の一酸化炭素濃度低減装置では、酸化反応部内の触媒を直接冷却することができることから、冷却の効率が高く、酸化反応部内の全ての触媒について活性温度に維持することが可能となる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００１１】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、前記水供給手段は、複数の水供給管路を備えた構成としてもよい。
【００１２】
この構成によれば、水が吹き付けられる面積を増大することができることから、酸化反応部全体を均一に冷却して、温度のバラツキの発生を防止することができる。この結果、酸化反応部内の全ての触媒について、活性温度に維持することがより一層容易となる。
【００１３】
この複数の水供給管路を備えた構成において、さらに、前記触媒を複数組の集合体として構成し、該集合体を前記水路リッチガスの流れ方向に沿って配設し、前記複数の水供給管路を、前記複数組の集合体に向かってそれぞれ水を供給する位置に配設する構成とすることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、水が吹き付けられる面積を、水供給手段の数だけ倍増することができ、温度のバラツキの発生をより一層防止することができる。
【００１５】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記酸化反応部の温度を検出する温度検出手段と、
前記水供給手段の水の供給量を制御することにより、前記温度検出手段で検出される温度を予め定められた所定範囲内に制御する制御手段と
を備える構成とすることができる。
【００１６】
この構成によれば、水供給手段の水の供給量が制御されることで、温度検出手段により検出される酸化反応部の温度が予め定められた所定範囲内に制御される。このため、酸化反応部を所望の温度、ここでは、酸化反応部内の触媒の活性温度に確実に制御することができ、この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００１７】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記酸化ガス導入手段による酸化ガスの導入量を、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じた量に制御する酸化ガス導入量制御手段と、
該制御された酸化ガスの導入量に従って前記水供給手段の水の供給量を制御する水供給量制御手段と
を備える構成としてもよい。
【００１８】
この構成によれば、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が高くなると、酸化ガス導入量制御手段により、酸化ガスの導入量が多くなって、酸化反応の程度が高められる。こうして、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が低減される。このとき、酸化反応の程度が高められた分だけ酸化反応による発熱も多くなるが、水供給量制御手段により、酸化ガスの導入量に従って水の供給量を制御することにより、酸化反応に伴う発熱の量に応じて酸化反応部の冷却の強さを定めることができる。このため、酸化反応部を所望の温度に制御することができ、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００１９】
上記構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記水供給量制御手段は、
前記水供給手段の水の供給量を、前記酸化ガスの導入量に対して所定の比率となる量に定める水供給量算出手段
を備える構成としてもよい。
【００２０】
この構成によれば、水供給量算出手段により算出された水の供給量だけ水の供給がなされることから、酸化ガス導入手段からの酸化ガスの導入量と水供給手段からの水の供給量との比率が一定となる。このため、酸化反応に伴う発熱の量に比例して酸化反応部の冷却の強さを定めることができる。
【００２１】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置において、
前記酸化反応部における酸化反応の程度を検出する酸化反応検出手段と、
該検出された酸化反応の程度に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える構成とすることができる。
【００２２】
この構成によれば、酸化反応部における酸化反応の程度を、酸化反応検出手段により検出して、その酸化反応の程度に応じて水供給手段の水の供給量を、制御手段により制御する。酸化反応部での酸化反応は、発熱反応であることから、酸化反応の程度が高くなると、酸化反応部の温度は高くなる。一方、水供給手段の水の供給量を可変することで、酸化反応部の冷却の強さが変わる。このため、酸化反応の程度に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の冷却の強さの調整が可能となる。
【００２３】
したがって、この構成の一酸化炭素濃度低減装置では、酸化反応部を所望の温度、ここでは、酸化反応部内の触媒の活性温度に制御することができる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００２４】
上記構成において、酸化反応検出手段は、前記酸化反応部の温度により前記酸化反応の程度を検出する温度検出手段を備える構成とすることもできる。
【００２５】
酸化反応部における酸化反応は、発熱反応であることから、酸化反応部の温度を検出することにより酸化反応の程度を知ることができる。したがって、温度検出手段により検出された酸化反応部の温度に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の温度制御が可能となる。
【００２６】
上記構成において、酸化反応検出手段は、前記水素リッチガスの流量により前記酸化反応の程度を検出する水素リッチガス流量検出手段を備える構成とすることもできる。
【００２７】
酸化反応部における酸化反応の程度は、酸化反応部に供給される水素リッチガス中の一酸化炭素ガス量により左右される。その一酸化炭素ガス量は、水素リッチガスの全体量に比例して変化することから、水素リッチガスの流量を検出することにより酸化反応の程度を知ることができる。したがって、水素リッチガス流量検出手段により検出された水素リッチガスの流量に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の温度制御が可能となる。
【００２８】
あるいは、上記構成において、前記酸化反応検出手段は、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度により前記酸化反応の程度を検出する構成としてもよい。
【００２９】
酸化反応部における酸化反応の程度は、酸化反応部に供給される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度により変化することから、一酸化炭素濃度検出手段により検出された水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じて水供給手段の水の供給量を制御することで、酸化反応の程度に応じた酸化反応部の温度制御が可能となる。
【００３０】
この発明の燃料電池発電装置（以下、基本構成の燃料電池発電装置と呼ぶ）は、
炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記改質ガス中の水素に優先して該改質ガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と、
前記酸化反応部から前記改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る燃料電池と
を備えることを要旨とする。
【００３１】
この構成によれば、改質反応器が、炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する。酸化ガス導入手段が、改質ガスへ酸化ガスを導入し、酸化反応部が、導入された酸化ガス中の酸素により、触媒上で、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する。さらに、水供給手段が、酸化反応部の有する触媒に水を供給することで、前記基本構成の一酸化炭素濃度低減装置と同一の作用により、改質ガスは一酸化炭素濃度の低減されたものとなる。燃料電池は、この一酸化炭素濃度の低減された改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る。
【００３２】
このため、メタノールを含有する改質ガス中の一酸化炭素濃度を顕著に低減することができ、この改質ガスの供給を受ける燃料電池においては、一酸化炭素による被毒の影響を低減することができる。したがって、燃料電池は、一酸化炭素被毒に起因する出力低下を防止することができる。
【００３３】
上記基本構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の有する電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段と、
該検出した含水率に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える構成とすることができる。
【００３４】
燃料電池では、運転条件によって電解質膜の含水率が変化するが、電解質膜が乾きすぎや濡れすぎの状態となると、燃料電池は出力低下を起こす。この構成によれば、含水率検出手段により電解質膜の含水率を検出し、その含水率に応じて、制御手段により水の供給量を制御していることから、電解質膜の含水率に応じて燃料電池に供給される改質ガス中の水蒸気量を制御することができる。
【００３５】
このため、燃料電池の電解質膜の含水率を一定の範囲に維持することができる。したがって、燃料電池が乾きすぎや濡れすぎの状態となることを防止することができ、燃料電池は安定した高出力を維持することができる。
【００３６】
上記構成の燃料電池発電装置において、前記含水率検出手段は、前記燃料電池の電極間の電気抵抗またはインピーダンスにより前記電解質膜の含水率を検出するインピーダンス検出手段を備える構成とすることができる。
【００３７】
この構成によれば、燃料電池の電極間の電気抵抗またはインピーダンスを検出することにより、燃料電池の電解質膜の含水率を検出することができる。この検出した電気抵抗またはインピーダンスに応じて水供給手段の水の供給量を制御する。
【００３８】
上記基本構成の燃料電池発電装置において、
前記改質反応器からの改質ガスが前記燃料電池に流入したときの前記改質ガスの飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
前記燃料電池において改質ガス中の水分が過飽和とならないよう、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える構成としてもよい。
【００３９】
この構成によれば、制御手段により、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御することにより、改質ガスが過飽和状態で燃料電池に流入することを防止することが可能である。したがって、改質ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内のガス流路を閉塞してしまう現象を防止することができる。
【００４０】
また、前記基本構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池に供給される前記改質ガスの圧力を調節する改質ガス圧調節手段と、
前記改質反応器からの改質ガスが前記燃料電池に流入したときの前記改質ガスの飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
前記燃料電池において改質ガス中の水分が過飽和とならないよう、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記改質ガス圧調節手段を制御する制御手段と
を備える構成とすることもできる。
【００４１】
この構成によれば、制御手段により、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて改質ガス圧調節手段を制御することにより、改質ガスの圧力を変えて改質ガスの飽和水蒸気量を積極的に変えることができる。このため、改質ガスが過飽和状態で燃料電池に流入することを防止することが可能である。したがって、改質ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内のガス流路を閉塞してしまう現象を防止することができる。
【００４２】
上記構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池の有する酸素極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガスの圧力を調節する酸化ガス圧調節手段と、
前記改質ガス圧調節手段および酸化ガス圧調節手段を制御することにより、前記改質ガスと酸化ガスの圧力差を所定値以内の大きさに保つ制御手段と
を備える構成とすることが好ましい。
【００４３】
この構成の燃料電池発電装置によれば、制御手段により改質ガス圧調節手段および酸化ガス圧調節手段を制御することにより、前記改質ガスと酸化ガスの圧力差が所定値以内の大きさに保たれる。
【００４４】
燃料電池の有する電解質膜は、極めて薄いものであることから、改質ガスと酸化ガスの圧力差が大きくなると、破損するといったことがあるが、この構成によれば、改質ガスと酸化ガスの圧力差が所定値以内の大きさに保たれることから、電解質膜の破損を防止することができる。
【００４５】
基本構成の燃料電池発電装置において、
前記酸化反応部の運転の停止に先立って、前記水供給手段を稼働させて前記触媒に水を供給する停止時制御手段
を備える構成とすることもできる。
【００４６】
この構成によれば、酸化反応部の運転の停止に先立って、水供給手段により触媒に水が供給されることから、酸化反応部の運転の停止時に、酸化反応部の温度を速やかに下げることができる。この結果、水素リッチガスの発生を速やかに停止することができる。
【００４７】
この構成において、
前記停止時制御手段は、
前記燃料電池の運転状態から停止状態への切り替え時を検出する停止時検出手段と、
該停止状態への切り替え時に、前記水供給手段を稼働させて前記触媒に水を供給する制御手段と
を備える構成とすることもできる。
【００４８】
このため、燃料電池の運転状態から停止状態への切り替え時には、水供給手段が稼働して触媒に水が供給される。したがって、燃料電池の停止状態への切り替え時には、酸化反応部の温度を速やかに下げることができる。この結果、水素リッチガスの発生を速やかに停止することができる。
【００４９】
また、基本構成の燃料電池発電装置において、
前記燃料電池から電気化学反応に伴って発生する水分を凝縮して水を回収する水回収手段と、
該水回収手段により回収された水を前記水供給手段で利用する水利用手段と
を備える構成としてもよい。
【００５０】
燃料電池は、一般に、発電に伴い酸素極で水蒸気または水滴を発生することから、上記構成の燃料電池発電装置では、水回収手段により、その水分を凝縮して水を回収し、その水を、水供給手段で利用する。このため、水供給手段において水を貯える水槽が小型ですみ、また、水の貯留量も少なくてすむ。また、燃料電池からみれば、酸素極側の残ガスをそのまま排出すると、大気に放出された残ガスが白煙を上げることになるが、水分を利用することでそうした現象を防止することができる。
【００５１】
さらに、基本構成の燃料電池発電装置であって、
前記燃料電池からの排ガスを利用して、前記水供給手段からの水を加圧して酸化反応部に送る水加圧手段
を備える構成とすることもできる。
【００５２】
水供給手段により酸化反応部へ水を吹き込むためには、水を加圧する必要があるが、そのための動力に、燃料電池で発電した電気を用いると、燃料電池発電装置全体のエネルギ効率が低下してしまう。これに対して、この構成によれば、排ガスを利用して水の加圧を行なうことから、燃料電池発電装置のエネルギ効率を低下させることなく、酸化反応部への水の供給を行なうことができる。
【００５３】
この発明の一酸化炭素濃度低減方法は、
水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減方法であって、
（ａ）前記水素リッチガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する工程と、
（ｂ）該導入された酸化ガス中の酸素を、触媒を用いて前記水素リッチガス中の水素に優先して該水素リッチガス中の一酸化炭素に結合させる工程と、
（ｃ）前記触媒に水を供給する工程と
を備えることを要旨とする。
【００５４】
この発明の一酸化炭素濃度低減方法（以下、基本構成の一酸化炭素濃度低減方法と呼ぶ）は、工程（ａ）が、一酸化炭素を含有する水素リッチガスへ酸化ガスを導入し、工程（ｂ）が、導入された酸化ガス中の酸素により、触媒上で、水素リッチガス中の一酸化炭素を水素に優先して酸化する。さらに、工程（ｃ）が、前記触媒に水を供給する。触媒での酸化反応は、発熱反応であることから、工程（ｃ）から送られてきた水は、触媒上もしくはその付近で気化される。このため、工程（ｃ）で用いる触媒は、その気化熱によって直接冷却される。
【００５５】
したがって、この基本構成の一酸化炭素濃度低減方法では、触媒を直接冷却することができることから、冷却の効率が高く、工程（ｃ）で使用する触媒について活性温度に維持することが可能となる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００５６】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減方法において、
（ｄ）前記触媒の温度を検出する工程と、
（ｅ）前記工程（ｃ）による水の供給量を制御することにより、前記工程（ｄ）で検出される温度を予め定められた所定範囲内に制御する工程と
を備える構成とすることができる。
【００５７】
この構成によれば、工程（ｃ）による水の供給量が制御されることで、工程（ｄ）により検出される触媒の温度が予め定められた所定範囲内に制御される。このため、触媒を所望の温度、ここでは、触媒の活性温度に確実に制御することができ、この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００５８】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減方法において、
（ｆ）前記工程（ａ）による酸化ガスの導入量を、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じた量に制御する工程と、
（ｇ）該制御された酸化ガスの導入量に従って前記工程（ｃ）による水の供給量を制御する工程と
を備える構成としてもよい。
【００５９】
この構成によれば、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が高くなると、工程（ｆ）により、酸化ガスの導入量が多くなって、酸化反応の程度が高められる。こうして、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度が低減される。このとき、酸化反応の程度が高められた分だけ酸化反応による発熱も多くなるが、工程（ｃ）により、酸化ガスの導入量に従って水の供給量を制御することにより、酸化反応に伴う発熱の量に応じて触媒の冷却の強さを定めることができる。このため、触媒を所望の温度に制御することができ、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００６０】
上記基本構成の一酸化炭素濃度低減方法において、
（ｈ）前記触媒による酸化反応の程度を検出する工程と、
（ｉ）該検出された酸化反応の程度に応じて前記工程（ｃ）による水の供給量を制御する工程と
を備える構成とすることができる。
【００６１】
この構成によれば、触媒による酸化反応の程度を、工程（ｈ）により検出して、その酸化反応の程度に応じて工程（ｃ）による水の供給量を、工程（ｉ）により制御する。工程（ｂ）による触媒上での酸化反応は、発熱反応であることから、酸化反応の程度が高くなると、触媒の温度は高くなる。一方、工程（ｃ）による水の供給量を可変することで、触媒の冷却の強さが変わる。このため、酸化反応の程度に応じて工程（ｃ）での水の供給量を制御することで、触媒の程度に応じた触媒の冷却の強さの調整が可能となる。
【００６２】
したがって、この構成の一酸化炭素濃度低減方法では、触媒を所望の温度、ここでは、触媒の活性温度に制御することができる。この結果、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、本発明の好適な一実施例の一酸化炭素濃度低減装置を備える燃料電池発電システム１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、燃料電池発電システム１０は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク１２と、水を貯蔵する水タンク１４と、メタノールタンク１２から供給されるメタノールと水タンク１４から供給される水とから水素を含有する燃料ガスを生成する燃料改質装置３０と、燃料改質装置３０により生成される燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である燃料電池スタック２０とから構成される。
【００６４】
燃料電池スタック２０は、前述したように固体高分子型の燃料電池であり、その単一セル構造を図２に示した。図示するように、セルは、電解質膜２１と、この電解質膜２１を両側から挟持してサンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード２２およびカソード２３と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード２２およびカソード２３とで燃料ガスおよび酸化ガスの流路２４ｐ，２５ｐを形成するセパレータ２４，２５と、セパレータ２４，２５の外側に配置されアノード２２およびカソード２３の集電極となる集電板２６，２７とにより構成されている。
【００６５】
電解質膜２１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２２およびカソード２３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。
【００６６】
セパレータ２４，２５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２２側のセパレータ２４には、複数のリブが形成されており、このリブとアノード２２の表面とで燃料ガスの流路溝２４ｐを形成する。一方、カソード２３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２３の表面とで酸素含有ガスの流路溝２５ｐを形成する。集電板２６，２７は、銅（Ｃｕ）により形成されている。
【００６７】
図２では、説明のため燃料電池スタック２０の単一セルの構成を示したが、実際には、セパレータ２４，アノード２２，電解質膜２１，カソード２３，セパレータ２５をこの順に複数組積層し、その外側に集電板２６，２７を配置することにより、燃料電池スタック２０は構成されている。また、図１ではアノード側ガスの供給系統のみを記載し、カソード側ガスの供給系統，アノード側ガスおよびカソード側ガスの排出系統の記載は省略してある。
【００６８】
燃料改質装置３０は、メタノールと水との供給を受けて水素リッチガス（改質ガス）を生成する改質反応器３２と、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して改質ガスを一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス（燃料ガス）にするＣＯ選択酸化反応器３４と、改質反応器３２で生成された改質ガスをＣＯ選択酸化反応器３４に供給する連絡管３６と、連絡管３６に接続された導入管３７を介して連絡管３６に酸素を含有する酸化ガス（例えば空気）を導入するブロワ３８と、連絡管３６の導入管３７の接続部より下流側に差し込まれて連絡管３６内に水を吹き込む水導入管４０と、燃料改質装置３０の各部の運転を制御する電子制御ユニット９０とを備える。
【００６９】
改質反応器３２は、メタノールタンク１２からのメタノールと水タンク１４からの水との供給を受けて、次式（１）および式（２）（全体としては、次式（３））に示すように、水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する。
【００７０】
ＣＨ3ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ2−２１．７kcal／mol …（１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2＋９．８kcal／mol …（２）
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2−１１．９kcal／mol …（３）
【００７１】
式（１）および式（２）に示す反応を実際上完全に行なうことが困難なことから、改質反応器３２により生成される改質ガスには、副生成物としての一酸化炭素と未反応のメタノールとが若干混在することになる。改質ガス中の一酸化炭素濃度は、改質反応器３２に充填される触媒の種類，改質反応器３２の運転温度，改質反応器３２への単位触媒体積当たりのメタノールおよび水の供給流量等によって定まる。なお、図示は省略してあるが、改質反応器３２は電子制御ユニット９０と電気的に接続されており、この電子制御ユニット９０により改質反応器３２へのメタノールおよび水の供給量制御がなされている。
【００７２】
図３は、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部とそれに連結される連絡管３６を破断して示す説明図である。図示するように、ＣＯ選択酸化反応器３４には、改質反応器３２で生成された改質ガスとブロワ３８から導入管３７を介して送られきた酸化ガスとが連絡管３６により供給される。ＣＯ選択酸化反応器３４には、酸化アルミニウムからなる担体の表面に白金を担持したＣＯ選択酸化触媒５０が充填されている。このＣＯ選択酸化触媒５０は、改質ガス中の一酸化炭素を水素に優先して結合させることで、改質ガス中の一酸化炭素を酸化するよう作用して、改質ガスを一酸化炭素濃度の低い燃料ガスとする。
【００７３】
さらに、図３に示すように、連絡管３６には水導入管４０が差し込まれており、ＣＯ選択酸化反応器３４は、水導入管４０から連絡管３６を介して水の供給を受ける。ＣＯ選択酸化反応器３４での酸化反応は、発熱反応であることから高温となる。上記水導入管４０から連絡管３６を介して送られてきた水は、上記高温となったＣＯ選択酸化反応器３４内で気化される。この結果、ＣＯ選択酸化反応器３４は、その気化熱によって冷却される。また、ＣＯ選択酸化反応器３４内には、ＣＯ選択酸化触媒５０に接触するようにして温度センサ５２が設けられている。温度センサ５２は、熱電対により構成されており、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度を検出する。なお、温度センサ５２は、電子制御ユニット９０に電気的に接続されている。
【００７４】
一方、水導入管４０の途中には、図１に示すように、電動バルブ４２が配設されている。この電動バルブ４２は電子制御ユニット９０に電気的に接続されている。電子制御ユニット９０は、電動バルブ４２を開閉制御することにより、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給を開始または停止することができる。
【００７５】
上記ＣＯ選択酸化反応器３４に充填されるＣＯ選択酸化触媒５０は、酸化アルミニウムからなる担体の表面に白金を担持したものであるが、このＣＯ選択酸化触媒５０の性能について説明する。図４はモデルガスによりＣＯ選択酸化触媒５０の性能を示すグラフである。
【００７６】
モデルガスとしては、予め、ＣＯ2＝２５％，ＣＯ＝０．１％，Ｈ2 が残り分である組成のボンベガスを用意し、そのガスにバブラーにて絶対湿度が約２０％となるよう水蒸気を付加したものを用いた。また、触媒へは、モデルガスに酸素と一酸化炭素のモル比［Ｏ2 ］／［ＣＯ］が値３となるよう酸化ガスを混合させたものを、ドライガスベースで１時間当たり触媒体積の約５０００倍の量のガスを流した。
【００７７】
図４に示すように、ＣＯ選択酸化触媒５０を用いた場合、触媒反応後の改質ガス中の一酸化炭素濃度は、反応温度が１００℃ないし１４０℃で、検知限界以下（数ｐｐｍ以下）となる。
【００７８】
こうしたことから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度を１００℃ないし１４０℃の範囲（以下、最適温度範囲と呼ぶ）に調節することにより、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を極めて低い値にすることが可能となることがわかる。この実施例では、電子制御ユニット９０は、上述したように温度センサ５２の検出結果に応じて電動バルブ４２の開度を開始または停止することで、ＣＯ選択酸化反応器３４を上記最適温度範囲に制御する。
【００７９】
電子制御ユニット９０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ＣＰＵ９２と、ＣＰＵ９２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ＲＯＭ９４と、同じくＣＰＵ９２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ＲＡＭ９６と、温度センサ５２からの検出信号や図示しない各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵ９２での演算結果に応じてブロワ３８および電動バルブ等に駆動信号を出力する入出力ポート９８等を備える。
【００８０】
次に、こうして構成された燃料電池発電システム１０の電子制御ユニット９０により実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について、図５に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに基づき説明する。本ルーチンは、燃料改質装置３０の運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００８１】
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵ９２は、温度センサ５２により検出されるＣＯ選択酸化反応器３４内の温度Ｔを入出力ポート９８を介して読み込む（ステップＳ１００）。次いで、この温度Ｔが、下限値Ｔ１より小さいか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この下限値Ｔ１は、前述したＣＯ選択酸化反応器３４の最適温度範囲の下限値に相当し、この実施例では１００℃であり、予めＲＯＭ９４に格納されている。ステップＳ１１０で、温度Ｔが下限値Ｔ１を下回ったと判定されると、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２の開度Ｖを閉状態に制御する（ステップＳ１２０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給が停止されることから、その水の供給による冷却作用がなくなってＣＯ選択酸化反応器３４内部の温度は上昇する。
【００８２】
一方、ステップＳ１１０で、否定判定、即ち、温度Ｔが下限値Ｔ１以上であると判定されると、さらに、その温度Ｔが、上限値Ｔ２より大きいか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この上限値Ｔ２は、前述したＣＯ選択酸化反応器３４の最適温度範囲の上限値に相当し、この実施例では１４０℃であり、予めＲＯＭ９４に格納されている。ステップＳ１３０で、温度Ｔが上限値Ｔ２を上回ったと判定されると、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２を開状態（全開状態あるいは所定の開度だけ開いた状態）に制御する（ステップＳ１４０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に水の供給が開始されることから、その水による気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４内部の温度は下降する。
【００８３】
ステップＳ１２０の実行後、ステップＳ１４０の実行後、またはステップＳ１３０で否定判定された後、処理を一旦終了する。
【００８４】
即ち、このＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、温度センサ５２により検出されたＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度に応じて電動バルブ４２を開閉制御することで、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度Ｔが高くなりすぎたとき、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給による冷却を行ない、一方、その温度Ｔが低くなりすぎたときには、その水の供給による冷却を停止する。この結果、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度は、前述したＣＯ選択酸化反応器３４の最適温度範囲Ｔ１からＴ２までの範囲に調節される。なお、この実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４へ水を供給してから実際に温度が変化するまでの時間的な遅れを考慮していないが、好ましくは、上記Ｔ１を所定値αだけ加算した値とし、上記Ｔ２を所定値βだけ減算した値とすることで、時間的な遅れを考慮する構成としてもよい。
【００８５】
以上説明してきたように、本実施例の燃料電池発電システム１０によれば、ＣＯ選択酸化反応器３４に水導入管４０から水が供給されることから、その水の気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４を冷却することができる。この冷却は、ＣＯ選択酸化反応器３４内に収納されるＣＯ選択酸化触媒５０を直接冷却するものであることから、冷却の効率が高く、酸化反応部内に充填されている全ての触媒を活性温度に維持することができる。したがって、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００８６】
また、燃料電池スタック２０に送られる燃料ガスはもともと加湿が必要であることから、冷却のためにＣＯ選択酸化反応器３４に供給した水の分だけ、燃料ガスへの加湿のための水の供給量を減らすことができるといった効果も奏する。さらに、ＣＯ選択酸化反応器３４に水を供給するだけで冷却が可能となり、冷却のための特別なエネルギの供給が不要であるといった効果も奏する。従来技術の場合、ＣＯ選択酸化反応器３４の熱を受け取った冷却媒体はラジエタに通す等して、冷却媒体の冷却のためのエネルギが必要であったが、この燃料電池発電システム１０によれば、そうしたエネルギが不要である。
【００８７】
特に、この実施例の燃料電池発電システム１０によれば、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度を温度センサ５２により検出して、その温度センサの検出結果に応じて水導入管４０からの水の供給を開始または停止する構成を備えることから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度を、酸化反応部の温度をＣＯ選択酸化触媒５０の活性温度域に確実に調整することができる。このため、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【００８８】
この第１実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給を、水導入管４０により連絡管３６から行なっていたが、これに替えて、図６に示すように、水導入管４０Ａを、ＣＯ選択酸化反応器３４に差し込んだ状態に配設して、水導入管４０Ａから水をＣＯ選択酸化反応器３４に直接散布する構成としてもよい。
【００８９】
なお、この変形例では、水導入管４０Ａの先端に、図７に示すように、広角に水を噴霧する水噴射弁８０を用いた構成とすることが好ましい。こうした水噴射弁の一つに、液体の旋回を利用したいわゆる渦巻噴射弁がある。渦巻噴射弁は、「機械工学基礎講座、燃焼工学・基礎と応用、小林清志著 理工学社発行」の１９２頁ないし２０１頁等に記載されている周知のもので、噴射圧が低くても微粒化がよいこと、噴霧角や流量は広範囲に自由に設計できることなどの特徴をもつ。この渦巻噴射弁を用いることで、水の粒径１５μｍ、噴霧角度１５０度の噴射を行ない、広範囲のＣＯ選択酸化触媒５０に直接水を散布することができる。このため、広範囲のＣＯ選択酸化触媒５０を素早く冷却することで、酸化反応部全体をより均一に冷却することができる。
【００９０】
この図７に示した変形例では、水導入管４０Ａを１個設けていたが、これに替えて、複数個設ける構成としてもよい。図８は、水導入管を２個設けた場合のＣＯ選択酸化反応器３４の内部を示す説明図である。図示するように、ＣＯ選択酸化触媒５０は、ＣＯ選択酸化反応器３４の改質ガスの流れ方向に沿って２組の集合体８１，８２に分かれて貯溜されており、各集合体８１，８２に向かうように、水導入管４０Ａａ，４０Ａｂがそれぞれ配設されている。なお、各水導入管４０Ａａ，４０Ａｂには、渦巻式の水噴射弁８０ａ，８０ｂがそれぞれ設けられている。
【００９１】
この構成によれば、図７の変形例に比べて水が吹き付けられる面積を２倍とすることができ、より広い範囲のＣＯ選択酸化触媒５０にわたって直接水を供給することができる。したがって、酸化反応部全体をより一層均一に冷却することができ、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を十分に低減することができる。
【００９２】
図７に示した変形例と図８に示した変形例とについて、一酸化炭素濃度がどの程度低減されるかを比較してみた。モデルガスとして、一酸化炭素濃度が０．６％の水素リッチガスを用いた。また、ＣＯ選択酸化触媒へは、モデルガスに酸素と一酸化炭素のモル比［Ｏ2 ］／［ＣＯ］が値３となるよう酸化ガスを混合させたものを導入し、さらに、水を流量１．３６mol/min で供給した。
【００９３】
図７に示した水導入管路を１つ備えた構成の場合には、ＣＯ選択酸化反応器から出力される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は３０ppm であった。これに対して、図８に示した水導入管路を２つ備えた構成の場合には、ＣＯ選択酸化反応器から出力される水素リッチガス中の一酸化炭素濃度は１０ppm であった。この結果からも、水導入管路を複数備えた構成は、水導入管路を１つ備えた構成に比べて、水素リッチガス中の一酸化炭素濃度をより一層低減することができることがわかる。
【００９４】
さらに、これまで説明してきた第１実施例およびその変形例では、ＣＯ選択酸化反応器３４への酸化ガスの供給と水の供給とを別の管路を用いて行なっていたが、これに換えて、図９に示すように、ＣＯ選択酸化反応器３４に差し込んだ状態に配設された導入管８４に酸化ガスと水との両方を供給する構成としてもよい。この構成によれば、供給した酸化ガスにより水が噴霧される構成とすることで、水を供給する構造を簡易化することができる。
【００９５】
また、これまで説明してきた第１実施例およびその変形例（図９の変形例は除く）では、水導入管が酸化ガスの導入管より下流側に位置していたが、これに換えて、水導入管を酸化ガスの導入管より上流側に位置する構成としてもよい。
【００９６】
前述した第１実施例では、ＣＯ選択酸化触媒５０は、酸化アルミニウムの担体の上に白金を担持したものであったが、これに換えて、担体として、酸化珪素、酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化亜鉛、炭酸カルシウム、酸化銅、酸化鉄、酸化チタニウム、酸化コバルト、イットリア部分安定化ジルコニアなどを用いる構成としてもよく、また、担体に担持するものとして、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕなどの貴金属触媒あるいは、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅなどの非貴金属系の触媒を用いる構成としてもよい。
【００９７】
また、前述した第１実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度Ｔに応じて水導入管４０からの水の供給を開始または停止するよう構成されていたが、これに換えて、温度Ｔに応じて水導入管４０からの水の供給量を制御する構成としてもよい。即ち、ＣＯ選択酸化反応器３４の内部の温度Ｔが高くなりすぎたときには、電動バルブ４２の開度を所定量だけ開き側に制御し、温度Ｔが低くなりすぎたときには、電動バルブ４２の開度を所定量だけ閉じ側に制御する。あるいは、水の供給を間欠的に行なうようにして、その水を供給する間隔を制御することにより、水の供給量を制御する。
【００９８】
次に、本発明の第２の実施例である燃料電池発電システム２１０について説明する。図１０は、第２実施例の燃料電池発電システム２１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム２１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０と比較して、ＣＯ選択酸化反応器３４に温度センサ５２を備えていないこと、ＣＯ選択酸化反応器３４と燃料電池スタック２０とを連結する流路の途中に燃料ガス中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素センサ２１２を備えていることが相違し、その他のハードウェア構成については第１実施例と同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００９９】
一酸化炭素センサ２１２の構成について次に説明する。図１１は、その一酸化炭素センサ２１２の縦断面図である。図１１に示すように、この一酸化炭素センサ２１２は、電解質膜２２０と、この電解質膜２２０を両側から挟んでサンドイッチ構造とする２枚の電極２２２，２２４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２２６，２２８と、このサンドイッチ構造および金属板２２６，２２８を保持する２個のホルダ２３０，２３２と、両ホルダ２３０，２３２を電気的に絶縁状態で連結する絶縁性部材２３４とを備える。
【０１００】
電解質膜２２０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２２２，２２４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。
【０１０１】
金属板２２６、２２８は、メッシュ状のもので、ガスの電極２２２，２２４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。
【０１０２】
ホルダ２３０，２３２は、円柱の内部にフランジ２３０ａ，２３２ａを持つ形状で、そのフランジ２３０ａ，２３２ａで電解質膜２２０，電極２２２，２２４および金属板２２６，２２８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。ホルダ２３２の電解質膜２２０側には、Ｏリング２３６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。
【０１０３】
ホルダ２３０，２３２の外周には、ネジ２３０ｂ，２３２ｂが切られており、これらネジ２３０ｂ，２３２ｂと絶縁性部材２３４の内側に切られた２つのネジ２３４ａ，２３４ｂとを互いに螺合することで、両ホルダ２３０，２３２は、その間の電極２２２，電解質膜２２０および電極２２４を挟持した状態で連結される。なお、絶縁性部材２３４の材料としては、例えばテフロンが用いられている。
【０１０４】
また、この一酸化炭素センサ２１２は、一方側のホルダ２３０にネジ合いにて連結されるガス流入通路２３８を備えている。このガス流入通路２３８は、被検出ガスを電極２２２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２３２には、特別なガス通路は接続されておらず、電極２２４は大気に開放された状態となっている。
【０１０５】
さらに、この一酸化炭素センサ２１２は、両ホルダ２３０，２３２に設けられた検出端子２３０Ｔ，２３２Ｔに電気的に接続される電気回路２４０を備えている。この電気回路２４０は、電圧計２４２と負荷電流調整用の抵抗器２４４とから構成されており、両者を並列して上記検出端子２３０Ｔ，２３２Ｔ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２２２側のホルダ２３０の検出端子２３０Ｔはマイナス極、大気に連通する電極２２４側のホルダ２３２の検出端子２３２Ｔ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２４２の信号は外部の制御系統、即ち、電子制御ユニット９０Ａに出力される。
【０１０６】
こうして構成された一酸化炭素センサ２１２は、ＣＯ選択酸化反応器３４と燃料電池スタック２０とを連結する流路にネジ合いにて連結されており、燃料電池スタック２０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。
【０１０７】
この一酸化炭素センサ２１２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２１２の電極２２２に被検出ガスが供給されると、電極２２２には水素が、電極２２４には大気中の酸素が供給されることになるから、各電極２２２，２２４の電解質膜２２０側の表面で次式（４）および（５）で示す反応が行なわれる。
【０１０８】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（４）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（５）
【０１０９】
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２２２，２２４間には、起電力が生じる。この実施例では、両電極２２２，２２４間に抵抗器２４４が接続されていることから、電極２２２、２２４間に所定負荷を接続して所定の電流を流した際の電極２２２、２２４間の電位差が、電圧計２４２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。
【０１１０】
電極２２２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２２２では前述した式（４）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２２２および電極２２４で式（４）および（５）の反応を連続的に行ない、検出端子２３０Ｔと検出端子２３２Ｔ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２３０Ｔと検出端子２３２Ｔとの間を抵抗器２４４で接続することで、電極２２２および電極２２４で式（４）および（５）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２３０Ｔと検出端子２３２Ｔとの電位差を測定している。
【０１１１】
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２４２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。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。
【０１１２】
次に、この燃料電池発電システム２１０の電子制御ユニット９０Ａにより実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について説明する。この一酸化炭素濃度の低減制御は、第１実施例のそれとは相違し、図１２に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ａの運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１１３】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＡのＣＰＵ９２Ａは、一酸化炭素センサ２１２により検出される燃料改質装置３０Ａの出口側における燃料ガス中の一酸化炭素の濃度Ｄを、入出力ポート９８Ａを介して読み込む（ステップＳ２５０）。次いで、この一酸化炭素濃度Ｄが、予め定められた所定値Ｄ０より大きか否かを判定する（ステップＳ２６０）。所定値Ｄ０は、燃料電池スタック２０が許容できる一酸化炭素濃度の上限であり、ここで、一酸化炭素濃度Ｄが所定値Ｄ０以下であると判定されると、特別な処理は不要であるとして、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１１４】
一方、ステップＳ２６０で一酸化炭素濃度Ｄが所定値Ｄ０を上回ったと判定されると、以下の処理を行なう。まず、ＣＯ選択酸化反応器３４へ所定量Ｑａの酸化ガスを導入させるべく、ブロワ３８を所定駆動量Ｓで駆動制御する（ステップＳ２７０）。次いで、ステップＳ２７０により供給されることになった酸化ガス導入量Ｑａを所定値ｋで割って、その得られる商をＣＯ選択酸化反応器３４への目標水導入量Ｑｗとする（ステップＳ２８０）。その後、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御することにより、水導入管４０からＱｗの量の水をＣＯ選択酸化反応器３４に導入する（ステップＳ２９０）。なお、電動バルブ４２は、第１実施例では開閉制御されるだけであったが、この実施例では、その開度が制御されている。ステップＳ２９０の実行後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１１５】
即ち、上記ＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、一酸化炭素濃度Ｄが燃料電池スタック２０で許容できない高濃度となったとき、ＣＯ選択酸化反応器３４へ所定量Ｑａの酸化ガスが導入されるとともに、その酸化ガスの導入量Ｑａに応じた量Ｑｗの水がＣＯ選択酸化反応器３４へ導入される。この酸化ガス導入量Ｑａと水導入量Ｑｗとの関係を示したのが図１３に示すグラフである。この図１３に示すように、酸化ガス導入量Ｑａに対して一定の比率ｋとなる水導入量Ｑｗの水がＣＯ選択酸化反応器３４へ導入される。
【０１１６】
このため、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が高濃度となったときに、ＣＯ選択酸化反応器３４へ酸化ガスが導入されることで、酸化反応による一酸化炭素濃度の低減がなされる。それとともに、酸化反応による発熱が生じるが、ＣＯ選択酸化反応器３４へ水が導入されることで、その水の気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４は冷却される。しかも、前述したように酸化ガスの導入量Ｑａと水の導入量Ｑｗとの比率を一定とすることにより、酸化反応に伴う発熱の量に応じてＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度を定めることができる。
【０１１７】
したがって、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度が所望の温度域、即ち、触媒の活性温度域から上回るのを防止することができる。この結果、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を確実に低減することができる。
【０１１８】
また、この第２実施例では、水の導入量制御にあたって、酸化ガスの導入量Ｑａに対して常に一定の比率となるよう水の導入量Ｑｗを定めればよく、制御が容易であるといった効果も奏する。
【０１１９】
この第２実施例では、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったとき、所定量Ｑａの酸化ガスを導入する構成となっているが、この酸化ガスの導入量Ｑａは、検出した一酸化炭素濃度Ｄと所定値Ｄ０との偏差に応じて大きさを変える構成としてもよい。即ち、その偏差が大きいほど導入量Ｑａを大きくして、一酸化炭素濃度Ｄの所定値Ｄ０への復帰を素早くする。なお、酸化ガスの導入量Ｑａが可変する構成となっても、この実施例では、上述したように酸化ガスの導入量Ｑａに対して一定の比率となるよう水の導入量Ｑｗが定められていることから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度が所望の温度域を上回るのを防止することができる。
【０１２０】
また、この第２実施例では、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったときに、ＣＯ選択酸化反応器３４に所定量Ｑａの酸化ガスを導入することにより、一酸化炭素濃度を低減する構成としていたが、これに換えて、ＣＯ選択酸化反応器３４へは常時一定量の酸化ガスを導入するようにして、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったときに、酸化ガスの導入量を所定量だけ増量する構成としてもよい。このとき、増量後の酸化ガスの導入量と水の導入量とが一定の比率となるよう水の導入量の制御も行なう。なお、この第２実施例における、一酸化炭素濃度Ｄが高濃度となったときに、ＣＯ選択酸化反応器３４に所定量Ｑａの酸化ガスを導入する構成については、一般的なものであり、第１実施例においてもそのまま採用される構成としてもよい。
【０１２１】
また、この第２実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４への酸化ガス導入量Ｑａを、一酸化炭素センサ２１２により得られる一酸化炭素濃度の情報に基づいて求めるよう構成されていたが、これに替えて、他のパラメータから酸化ガス導入量Ｑａを求める構成としてもよい。他のパラメータとしては、例えば、燃料電池スタック２０の電池出力の情報が該当する。即ち、燃料電池スタック２０の電池出力が低下したら、その電池出力の低下は、燃料電池スタック２０のアノードの電極触媒のＣＯ被毒現象によるものだと判断して、電池出力が復帰するように、ＣＯ選択酸化反応器３４への酸化ガス導入量Ｑａを制御する。
【０１２２】
次に、本発明の第３の実施例である燃料電池発電システム３１０について説明する。図１４は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム３１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０と比較して、ＣＯ選択酸化反応器３４に温度センサ５２を備えていないこと、燃料改質装置３０Ｂの改質反応器３２から出力される改質ガスの流量を検出するガス流量計３１２を備えていることが相違し、その他のハードウェア構成については第１実施例と同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１２３】
ガス流量計３１２は、燃料改質装置３０Ｂの改質反応器３２とＣＯ選択酸化反応器３４とを連結する連絡管３６の途中、詳しくは、酸化ガスの導入管３７の連結部より上流側の途中に設けられており、改質反応器３２からの改質ガスの流量を検出する。なお、ガス流量計３１２は、電子制御ユニット９０Ｂの入出力ポート９８Ｂと電気的に接続されている。
【０１２４】
次に、この燃料電池発電システム３１０の電子制御ユニット９０Ｂにより実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について説明する。この一酸化炭素濃度の低減制御は、第１実施例のそれとは相違し、図１５に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｂの運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１２５】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＢのＣＰＵ９２Ｂは、ガス流量計３１２により検出される改質反応器３２の出口側における改質ガスの流量Ｑｈを、入出力ポート９８Ｂを介して読み込む（ステップＳ３５０）。次いで、この改質ガス流量Ｑｈに基づいて、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の目標導入量Ｑｗを算出する（ステップＳ３６０）。具体的には、電子制御ユニット９０ＢのＲＯＭ９４Ｂに予め格納された図１６の関係を表わすマップを用いて、そのマップに上記改質ガス流量Ｑｈを照らして、その改質ガス流量Ｑｈに対応する目標水導入量Ｑｗを求める。その後、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御することにより、水導入管４０からＱｗの量の水をＣＯ選択酸化反応器３４に導入する（ステップＳ３７０）。その後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１２６】
即ち、上記ＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、改質反応器３２の出口側における改質ガスの流量Ｑｈに応じて定まる量の水がＣＯ選択酸化反応器３４へ導入される。
【０１２７】
ＣＯ選択酸化反応器３４の発熱の程度は、ＣＯ選択酸化反応器３４に供給される改質ガス中の一酸化炭素ガスの量により左右される。改質反応器３２が少なくとも一定状態で運転されている場合には、改質ガス中の一酸化炭素の量は、改質ガスの全体量に比例して変化する。従って、改質ガスの流量Ｑｈが多いほど、ＣＯ選択酸化反応器３４の発熱も多くなるから、前述したように、改質ガスの流量Ｑｈに基づきＣＯ選択酸化反応器３４への水量を制御することにより、ＣＯ選択酸化反応器３４の発熱の程度に応じてＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度を調節することができる。このため、ＣＯ選択酸化反応器の運転温度が所定の範囲から逸脱するのを防ぐことができる。
【０１２８】
次に、本発明の第４の実施例である燃料電池発電システム４１０について説明する。図１７は、第４実施例の燃料電池発電システム４１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム４１０は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０と比較して、ガス流量計３１２に替えて、改質反応器３２から出力される改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素センサ４１２を備えていることが相違し、その他のハードウェア構成については第３実施例と同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１２９】
一酸化炭素センサ４１２は、第２実施例で用いた一酸化炭素センサ２１２と同じ構成のもので、燃料改質装置３０Ｃの改質反応器３２とＣＯ選択酸化反応器３４とを連結する連絡管３６の途中、詳しくは、酸化ガスの導入管３７の連結部より上流側の途中に設けられている。なお、一酸化炭素センサ４１２は、電子制御ユニット９０Ｃの入出力ポート９８Ｃと電気的に接続されている。
【０１３０】
次に、この燃料電池発電システム４１０の電子制御ユニット９０Ｃにより実行される燃料ガス中の一酸化炭素濃度の低減制御について説明する。この一酸化炭素濃度の低減制御は、図１８に示すＣＯ濃度低減制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｃの運転が開始され定常状態となった後に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１３１】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＣのＣＰＵ９２Ｃは、一酸化炭素センサ４１２により検出される改質反応器３２の出口側における改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１を、入出力ポート９８Ｃを介して読み込む（ステップＳ４５０）。次いで、この一酸化炭素濃度Ｄ１に基づいて、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の目標導入量Ｑｗを算出する（ステップＳ４６０）。具体的には、電子制御ユニット９０ＣのＲＯＭ９４Ｃに予め格納された図１９の関係を表わすマップを用いて、そのマップに上記一酸化炭素濃度Ｄ１を照らして、その一酸化炭素濃度Ｄ１に対応する目標水導入量Ｑｗを求める。その後、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御することにより、水導入管４０からＱｗの量の水をＣＯ選択酸化反応器３４に導入する（ステップＳ４７０）。その後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１３２】
また、この第４実施例の燃料電池発電システム４１０のＣＯ選択酸化反応器３４にあっては、第１実施例や第２実施例と同様に、一酸化炭素濃度に応じて酸化ガスの導入量を制御する処理が行なわれる。なお、第２実施例では、一酸化炭素センサ２１２が設けられたＣＯ選択酸化反応器３４の出口側の一酸化炭素濃度を利用していたが、これに替えて、この第４実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４の入口側に位置する一酸化炭素センサ４１２により検出された一酸化炭素濃度Ｄ１を利用している。
【０１３３】
以上詳述したように、上記ＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、改質反応器３２からの改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１に応じて水導入管４０からの水の導入量が制御される。さらに、その一酸化炭素濃度Ｄ１に応じて導入管３７からの酸化ガスの導入量も制御される。
【０１３４】
ＣＯ選択酸化反応器３４における酸化反応の程度は、ＣＯ選択酸化反応器３４に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１により変化する。このため、前述したように、改質ガス中の一酸化炭素濃度Ｄ１に応じてＣＯ選択酸化反応器３４への水の導入量を制御することにより、酸化反応の程度に応じたＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度の調節が可能となる。特に、この実施例では、一酸化炭素濃度Ｄ１に応じて酸化ガスの導入量も制御されていることから、酸化反応に必要な十分な量の酸化ガスがＣＯ選択酸化反応器３４に供給されることになるので、一酸化炭素濃度Ｄ１が高いときのＣＯ選択酸化反応器３４の発熱量が大きくなるが、上述したように、一酸化炭素濃度Ｄ１に応じてＣＯ選択酸化反応器３４の冷却の程度が調節されることから、ＣＯ選択酸化反応器３４の運転温度を所定の範囲から逸脱するのを十分に防ぐことができる。
【０１３５】
次に、本発明の第５の実施例である燃料電池発電システム５１０について説明する。図２０は、第５実施例の燃料電池発電システム５１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム５１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０と比較して、ＣＯ選択酸化反応器３４に温度センサ５２を備えていないことと、燃料電池スタック２０のインピーダンスを検出するインピーダンス計５１２を備える点が相違し、その他のハードウェア構成については同一である。なお、同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１３６】
インピーダンス計５１２は、燃料電池スタック２０の所定の電池セルのアノード２２とカソード２３との間に設けられている。インピーダンス計５１２は、両電極間に交流信号を印加し、定電圧印加の場合には電流値から、また定電流を流す場合には電圧値から交流抵抗値、即ちインピーダンスを検出する。ここで、一般に交流信号は１００Hz〜１０kHzの範囲が用いられる。なお、インピーダンス計５１２は、電子制御ユニット９０Ｄの入出力ポート９８Ｄと電気的に接続されている。
【０１３７】
次に、この燃料電池発電システム５１０の電子制御ユニット９０Ｄにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｄは、第１実施例と同一のＣＯ濃度の低減制御（図５を用いて説明したもの）を実行し、さらには、次のような燃料電池スタック２０の加湿制御を実行する。この加湿制御は、図２１に示す加湿制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｄの運転が開始され定常状態となった後に、ＣＯ濃度低減制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１３８】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＤのＣＰＵ９２Ｄは、インピーダンス計５１２により検出されるインピーダンスＺを、入出力ポート９８Ｄを介して読み込む（ステップＳ５５０）。次いで、このインピーダンスＺが、予め定められた所定値Ｚ０より大きか否かを判定する（ステップＳ５６０）。
【０１３９】
燃料電池スタック２０は、その運転条件により、電解質膜２１が部分的に濡れすぎや乾きすぎの状態になる。この状態はアノード２２とカソード２３間のインピーダンスＺから検知することができる。ステップＳ５６０で所定値Ｚ０を越えたと判別されたとき、燃料電池スタック２０の電解質膜２１は乾きすぎの状態にあると判定して、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２の開度Ｖを予め定めた所定量△Ｖだけ開き側に制御する（ステップＳ５７０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に供給される水が増量されることから、ＣＯ選択酸化反応器３４から出力される燃料ガスは水蒸気が増量されたものとなる。これによって、燃料電池スタック２０は加湿されてインピーダンスＺは下げられる。
【０１４０】
ステップＳ５７０の実行後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ５６０で、インピーダンスＺが所定値Ｚ０以下であると判別されたときにも、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１４１】
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５１０では、インピーダンス計５１２で検出された燃料電池の電極間のインピーダンスから、燃料電池の電解質膜２１が乾きすぎの状態にあるか否かを判定し、乾きすぎの状態にあると判定されたときには、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に供給される水を増量して、ＣＯ選択酸化反応器３４から燃料電池スタック２０に送られる燃料ガス中の水蒸気量を高めている。このため、燃料電池スタック２０の電解質膜２１の含水率を一定の範囲に維持することができる。したがって、燃料電池スタック２０の電解質膜２１が乾きすぎや濡れすぎの状態となることを防止することができ、燃料電池スタック２０は安定した高出力を維持することができる。
【０１４２】
この第５実施例では、インピーダンス計５１２は、燃料電池スタック２０のうちの所定の電池セルのアノード２２とカソード２３との間のインピーダンスを検出するものであったが、これに換えて、燃料電池スタック２０を構成する全ての電池セルに渡ってインピーダンスを測定して平均の値をとる構成としてもよいし、あるいは総和をとる構成としてもよい。さらには、燃料電池スタック２０の構造上の特徴から、例えばエンドプレートに近い電池セルは濡れすぎ、渇きすぎが起こりやすいことがわかっていれば、そうした特定のセルのみのインピーダンスを測定する構成としてもよい。
【０１４３】
また、インピーダンスを測定する構成に換えて、燃料電池スタック２０の所定のセルの電極間の直流抵抗を測定する構成としてもよい。燃料電池の場合、その動作中には、燃料電池自体が直流の起電力を発生させているために、燃料電池の直流抵抗を直接測定することはできない。しかしながら、燃料電池スタック２０に接続された負荷を数ミリ秒程度のごく僅かな時間だけ、切り放し、この間に直流抵抗を測定した後、再び、燃料電池スタック２０を負荷に接続することにより、直流抵抗を測定することも可能である。この直流抵抗から、燃料電池スタック２０の電解質膜２１の含水率を測定して、その測定結果に応じてＣＯ選択酸化反応器３４への水の導入量を制御する構成とすればよい。
【０１４４】
次に、本発明の第６の実施例である燃料電池発電システム６１０について説明する。図２２は、第６実施例の燃料電池発電システム６１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム６１０は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、燃料電池スタック２０へ供給される燃料ガスの流量Ｑを検出する流量センサ６１２と、その燃料ガスの圧力Ｐを検出する圧力センサ６１４とを備える。なお、第３実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１４５】
流量センサ６１２および圧力センサ６１４は、燃料改質装置３０Ｅと燃料電池スタック２０とを連結する流路の途中にそれぞれ設けられるもので、燃料電池スタック２０へ供給される燃料ガスについてのガス流量Ｑおよびガス圧力Ｐを検出する。なお、両センサ６１２，６１４は、電子制御ユニット９０Ｅの入出力ポート９８Ｅと電気的に接続されている。
【０１４６】
次に、この燃料電池発電システム６１０の電子制御ユニット９０Ｅにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｅは、第３実施例と同様のＣＯ濃度の低減制御を実行するとともに、ＣＯ選択酸化反応器３４への水導入量の最大値を求める処理を実行する。この最大値を求める処理は、図２３に示す最大水導入量算出ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｅの運転が開始され定常状態となった後に、ＣＯ濃度低減制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１４７】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＥのＣＰＵ９２Ｅは、流量センサ６１２により検出される燃料ガスのガス流量Ｑと圧力センサ６１４により検出されるガス圧力Ｐを、入出力ポート９８Ｅを介して読み込む（ステップＳ６３０）。次いで、その読み込んだガス圧力Ｐと燃料電池スタック２０の運転温度Ｔから、燃料ガスが燃料電池スタック２０に流入した際の水蒸気分圧Ａを求める（ステップＳ６４０）。燃料電池スタック２０の運転温度Ｔは、これまでに詳述して来なかったが一定の温度となるよう制御されており、固体高分子型の燃料電池にあっては、例えば、８０℃に制御されていることから、この８０℃をステップＳ６４０の算出では用いる。ステップＳ６４０では、ＲＯＭ９４Ｅに予め格納されたマップに照らし合わせることで、ガス圧力Ｐとガス温度Ｔから求める。次いで、この水蒸気分圧ＡにステップＳ６３０で読み込んだガス流量Ｑを掛けることにより、燃料ガスが燃料電池スタック２０に流入した際の飽和水蒸気量Ｂを求める（ステップＳ６５０）。
【０１４８】
続いて、ＣＰＵ９２Ｅは、別の制御ルーチンで行なっている改質反応器３２へのメタノールおよび水の供給量制御から、改質反応器３２で改質反応に供される炭化水素と水（水蒸気）の比率（以下、Ｓ／Ｃ比と呼ぶ）を求めて、このＳ／Ｃ比から単位体積当たりの水量Ｗを求める（ステップＳ６６０）。その後、この水量Ｗを、ステップＳ６４０で求めた水蒸気分圧Ａで割って湿度Ｈを求める（ステップＳ６７０）。続いて、ステップＳ６５０で求めた飽和水蒸気量Ｂから、ステップＳ６７０で求めた湿度ＨとステップＳ６３０により読み込んだガス流量Ｑとを乗算したものを引いて最大水導入量Ｗｍを求める（ステップＳ６８０）。その後、この算出ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１４９】
こうして求められた最大水導入量Ｗｍは、燃料改質装置３０Ｅから出て燃料電池スタック２０へ流入された燃料ガスにあって、その水分が、燃料ガスの圧力Ｐおよび燃料電池の運転温度Ｔで飽和する、すなわち、湿度が１００［％］となるための水の導入量である。
【０１５０】
一方、電子制御ユニット９０Ｅで実行されるＣＯ濃度の低減制御は、次のようになる。図２４は、電子制御ユニット９０Ｅで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、第３実施例と同様、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１５１】
このルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＥのＣＰＵ９２Ｅは、第３実施例のＣＯ濃度低減制御ルーチンのステップＳ３５０，Ｓ３６０と同じ処理を実行することで、改質ガスの流量Ｑｈに基づいて目標水導入量Ｑｗを算出する（ステップＳ６９０，Ｓ６９２）。次いで、目標水導入量Ｑｗが、前記最大水導入量算出ルーチンで求めた最大水導入量Ｗｍを越えるか否かを判定し（ステップＳ６９４）、越えると判定されたときに、その最大水導入量Ｗｍを目標水導入量Ｑｗの値に設定する（ステップＳ６９６）。一方、ステップＳ６９４で、目標水導入量Ｑｗが最大水導入量Ｗｍを越えないと判定されたときには、ステップＳ６９６の処理を実行せずに、目標水導入量ＱｗはステップＳ６９２で算出されたままの値とする。
【０１５２】
その後、第３実施例のＣＯ濃度低減制御ルーチンのステップＳ３７０と同様に、その求めた目標水導入量Ｑｗに基づいて電動バルブ４２の開度を制御して（ステップＳ６９８）、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１５３】
即ち、このＣＯ濃度低減制御ルーチンによれば、ＣＯ選択酸化反応器３４への目標水導入量Ｑｗが、最大水導入量Ｗｍを越えない、即ち、燃料ガス中の水分が燃料ガスの圧力Ｐおよび燃料電池の運転温度Ｔで過飽和とならないよう制御される。
【０１５４】
したがって、この第６実施例の燃料電池発電システム６１０では、燃料改質装置３０Ｅから出力した燃料ガスが、過飽和状態で燃料電池スタック２０内に流入されることがない。このため、燃料ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池スタック２０内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内の燃料ガスの流路２４ｐを閉塞してしまう現象を防止することができる。この結果、燃料電池スタック２０を高い電池出力で安定して運転し続けることができる。
【０１５５】
なお、この第６実施例の燃料電池発電システム６１０は、第３実施例の燃料電池発電システム３１０に最大水導入量Ｗｍの制限を加えた構成であるが、これに換えて、その他の実施例（第１、第２，第４および第５実施例）の燃料電池発電システムに最大水導入量Ｗｍの制限を加える構成としてもよい。即ち、第２，第４および第５実施例では、ＣＯ濃度低減制御ルーチンで求めた目標水導入量Ｑｗが最大水導入量Ｗｍを越えるときに、目標水導入量Ｑｗをその最大水導入量Ｗｍの値に設定する、上記ステップＳ６９４およびＳ６９６と同一の処理を施すよう構成する。他方、第１実施例では、ＣＯ濃度低減制御ルーチンのステップＳ１４０で制御する電動バルブ４２の開度を、その開度で実現される水の導入量が最大水導入量Ｗｍを越えないような値に設定するよう構成する。
【０１５６】
これら構成によれば、第６実施例と同様に、燃料改質装置から出力した燃料ガスが、過飽和状態で燃料電池スタック２０内に流入されることがない。この結果、燃料ガスの過飽和分の水蒸気の凍結によって燃料ガスの流路２４ｐを閉塞してしまう現象を防止することができる。
【０１５７】
次に、本発明の第７の実施例である燃料電池発電システム７１０について説明する。図２５は、第７実施例の燃料電池発電システム７１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム７１０は、第６実施例の燃料電池発電システム６１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、燃料電池スタック２０から燃料ガスを外部に送る燃料ガス排出通路７１２の開度を調整する背圧調整弁７１４を備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１５８】
背圧調整弁７１４は、電子制御ユニット９０Ｆの入出力ポート９８Ｆと電気的に接続されており、電子制御ユニット９０Ｆから制御信号を受けてその開度が調整される。
【０１５９】
次に、この燃料電池発電システム７１０の電子制御ユニット９０Ｆにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｆは、第６実施例と同一の最大水導入量算出ルーチン（図２３を用いて説明したもの）と第３実施例（第６実施例ではない）と同一のＣＯ濃度低減制御ルーチンを実行し、さらには、次のような燃料ガスの圧力を制御する処理を実行する。この燃料ガスの圧力を制御する処理は、図２６に示す燃料ガス圧制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｆの運転が開始され定常状態となった後に、最大導入量算出ルーチン、ＣＯ濃度低減制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１６０】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＦのＣＰＵ９２Ｆは、第６実施例で説明した最大水導入量算出ルーチンで求めた最大水導入量Ｗｍと、第３実施例で説明したＣＯ濃度低減制御ルーチンで求めた目標水導入量Ｑｗとを読み込む（ステップＳ７５０）。次いで、その目標水導入量Ｑｗがその最大水導入量Ｗｍを越えるか否かを判定し（ステップＳ７６０）、越えると判定されたときに、背圧調整弁７１４を微少な所定量△Ｖだけ閉方向に制御することにより、燃料ガス排出通路７１２のガス圧力Ｐを高める（ステップＳ７７０）。その後、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１６１】
一方、ステップＳ７６０で、目標水導入量Ｑｗが最大水導入量Ｗｍを越えないと判定されたときには、ステップＳ７７０の処理を実行せずに、この制御ルーチンの処理を一旦終了する。
【０１６２】
即ち、この背圧調整弁制御ルーチンによれば、ＣＯ選択酸化反応器３４への目標水導入量Ｑｗが、最大水導入量Ｗｍを越えるようなときには、背圧調整弁７１４を閉側に制御することにより、燃料ガス排出通路７１２のガス圧力Ｐを徐々に高める。燃料ガスの圧力Ｐが高くなると、燃料ガスの飽和水蒸気量が大きくなることから、ＣＯ濃度低減制御ルーチンで算出される目標水導入量Ｑｗを変更することなしに、燃料ガスが過飽和状態で燃料電池に流入することを防止することができる。
【０１６３】
したがって、この第７実施例の燃料電池発電システム７１０では、第６実施例と同様に、燃料ガスの過飽和分の水蒸気が燃料電池スタック２０内で凝結して液体状態の水となって、燃料電池内の燃料ガスの流路２４ｐを閉塞してしまう現象を防止することができる。この結果、燃料電池スタック２０を安定した高い電池出力で運転し続けることができる。特に、この実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４へは、ＣＯ濃度低減制御ルーチンで算出されたままの目標水導入量Ｑｗの水が供給されることから、必要とするだけより多くの水の導入が可能となるといった効果も奏する。
【０１６４】
なお、この第７実施例の燃料電池発電システム７１０は、第６実施例の燃料電池発電システム６１０と同様、第３実施例の燃料電池発電システム３１０に適用される構成であるが、これに換えて、第６実施例と同様、その他の実施例（第１、第２，第４および第５実施例）に適用する構成とすることもできる。
【０１６５】
次に、本発明の第８の実施例である燃料電池発電システム８１０について説明する。図２７は、第８実施例の燃料電池発電システム８１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム８１０は、第７実施例の燃料電池発電システム７１０の構成をそのまま備えた上で、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８１０は、燃料電池スタック２０から酸化ガスを外部に送る酸化ガス排出通路８１２の開度を調整する背圧調整弁８１４と、燃料ガス排出通路７１２の上流側に設けられ、燃料ガスの圧力を検出する第１圧力センサ８１６と、酸化ガス排出通路８１２の上流側に設けられ、酸化ガスの圧力を検出する第２圧力センサ８１８とを備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１６６】
背圧調整弁８１４は、電子制御ユニット９０Ｇの入出力ポート９８Ｇと電気的に接続されており、電子制御ユニット９０Ｇから制御信号を受けてその開度が調整される。第１圧力センサ８１６，第２圧力センサ８１８も、電子制御ユニット９０Ｇの入出力ポート９８Ｇと電気的に接続されており、検出された圧力値が電子制御ユニット９０Ｇに送られる。
【０１６７】
次に、この燃料電池発電システム８１０の電子制御ユニット９０Ｇにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｅは、第７実施例と同一の制御ルーチン（燃料ガス圧制御ルーチン，最大水導入量算出ルーチンおよびＣＯ濃度低減制御ルーチン）を実行し、さらには、次のような酸化ガスの圧力を制御する処理を実行する。この酸化ガスの圧力を制御する処理は、図２８に示す酸化ガス圧制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｇの運転が開始され定常状態となった後に、その他の制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１６８】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＧのＣＰＵ９２Ｇは、まず、第１および第２圧力センサ８１６，８１８により検出した燃料ガスの圧力Ｐａと酸化ガスの圧力Ｐｃとを読み込む（ステップＳ８５０）。
【０１６９】
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Ｓ８６０）。続いて、その圧力差△Ｐが値０より大きいか否か、所定値α（＞０）以下であるか否かをそれぞれ判定する（ステップＳ８７０，Ｓ８８０）。所定値αは、使用する電解質膜の種類、特に、その厚さに強く依存し、例えば、０．２［ｋＰａ］である。ステップＳ８７０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、酸化ガス排出通路８１２の背圧調整弁８１４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Ｓ８９０）。この結果、圧力差△Ｐは値０より大きな値となる。
【０１７０】
ステップＳ８８０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、酸化ガス排出通路８１２の背圧調整弁８１４の開度を所定値Ｖ０だけ閉じ側に制御することにより、酸化ガスの圧力Ｐｃを増大する（ステップＳ８９２）。この結果、圧力差△Ｐは所定値α以下の値となる。
【０１７１】
なお、ステップＳ８９０またはＳ８９２の実行後、または、ステップＳ８７０およびステップＳ８８０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。
【０１７２】
即ち、この酸化ガス圧制御処理によれば、酸化ガス排出通路８１２の背圧調整弁８１４の開度Ｖｃを調整することにより、燃料ガスの圧力Ｐａから酸化ガスの圧力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、第７実施例で説明した燃料ガス圧制御ルーチンで、燃料ガス排出通路７１２の背圧調整弁７１４の開度が閉じ側に制御されて、燃料ガスの圧力が高くなっても、燃料ガスの圧力Ｐａと酸化ガスの圧力Ｐｃの圧力差△Ｐが所定の範囲を超えることはない。
【０１７３】
したがって、この第８実施例の燃料電池発電システム８１０では、第７実施例と同様な効果を奏し、さらには、燃料ガスの圧力Ｐａと酸化ガスの圧力Ｐｃの圧力差△Ｐが所定の範囲を超えることがないことから、その圧力差△Ｐにより燃料電池スタック２０の電解質膜２１が破損するのを防止することができる。
【０１７４】
次に、本発明の第９の実施例である燃料電池発電システム９１０について説明する。図２９は、第９実施例の燃料電池発電システム９１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム９１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、燃料電池スタック２０の運転を制御する燃料電池運転用電子制御ユニット９２０を備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１７５】
燃料電池運転用電子制御ユニット９２０は、燃料改質装置３０Ｈの電子制御ユニット９０Ｈと同様に、ＣＰＵ９２２，ＲＯＭ９２４，ＲＡＭ９２６，入出力ポート９２８を備えており、燃料電池スタック２０の運転を制御する。なお、電子制御ユニット９０Ｈと燃料電池運転用電子制御ユニット９２０は、電気的に接続されており、燃料電池スタック２０の運転状態を電子制御ユニット９０Ｈ側で知ることができる。
【０１７６】
次に、燃料改質装置３０Ｈの電子制御ユニット９０Ｈにより実行される制御処理について説明する。この電子制御ユニット９０Ｈは、第１実施例と同一のＣＯ濃度低減制御ルーチンを実行し、さらには、次のような燃料電池停止時の処理を実行する。この燃料電池停止時の処理は、図３０に示す停止時制御ルーチンに従うものである。本ルーチンは、燃料改質装置３０Ｈの運転が開始され定常状態となった後に、その他の制御ルーチンとは独立に、所定時間毎、例えば１００ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１７７】
本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット９０ＨのＣＰＵ９２Ｈは、まず、燃料電池運転用電子制御ユニット９２０から停止信号が送られてきたか否かを判定する（ステップＳ９５０）。停止信号は、燃料電池スタック２０を運転状態から停止状態へ切り換えたときに燃料電池運転用電子制御ユニット９２０から送られてくるもので、ステップＳ９５０で停止信号が送られてきたことが判明すると、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２を全開状態に制御する（ステップＳ９６０）。この結果、水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４に多量の水が供給され、その水による気化熱によってＣＯ選択酸化反応器３４内部の温度は急下降する。
【０１７８】
したがって、この第９実施例では、燃料電池スタック２０の停止状態への切り替え時に、ＣＯ選択酸化反応器３４の温度を速やかに下げることができる。この結果、燃料ガスの発生を速やかに停止することができる。
【０１７９】
なお、上記停止信号は、燃料電池スタック２０の正常な停止時に発せられるものであってもよいし、緊急停止時に発せられるものであってもよいし、あるいは双方の時に発せられるものであってもよい。
【０１８０】
ここで、上記停止信号は、前述したように燃料電池スタック２０の停止時に発せられるものであるが、燃料電池スタック２０だけに限らず、燃料電池スタック２０を含む燃料電池発電システム全体の停止時に発せられるものであってもよい。また、燃料電池スタック２０の停止時を示す停止信号ではなく、燃料改質装置３０の停止を行なうに際し、その停止に先立って、水導入管４０に設けられる電動バルブ４２を全開状態に制御する構成とすることもできる。
【０１８１】
次に、本発明の第１０の実施例である燃料電池発電システム１０１０について説明する。図３１は、第１０実施例の燃料電池発電システム１０１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム１０１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０の構成をそのまま備えた上で、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１０１０は、燃料電池スタック２０から酸化ガスを外部に送る酸化ガス排出通路１０２０に設けられる凝縮器１０３０と、凝縮器１０３０と水タンク１４とを結ぶ送水通路１０４０とを備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１８２】
凝縮器１０３０は、水蒸気を凝縮して水を生成するもので、発電に伴い燃料電池スタック２０のカソードで発生する水蒸気が水として回収される。凝縮器１０３０の出力側は、改質反応器３２およびＣＯ選択酸化反応器３４に水を供給する水タンク１４と送水通路１０４０を介して接続されており、凝縮器１０３０で生成された水が水タンク１４に送られる。このため、燃料改質装置３０側からみれば、熱分解反応に使用される水およびＣＯ選択酸化反応器３４に供給される水が燃料電池スタック２０の運転に伴って順次補給されることから、水を貯える水タンク１４が小型で済み、また、水の貯留量も少なくする。また、燃料電池スタック２０からみれば、カソード側残ガスをそのまま排出すると、大気に放出された残ガスが白煙を上げることになるが、そうした現象を防止することができる。
【０１８３】
なお、固体高分子型の燃料電池スタックにおいては、電解質膜を加湿するために通常、燃料ガスを加湿していること、また、この実施例では、ＣＯ選択酸化反応器３４に水導入管４０から水を供給していることから、燃料電池スタック２０のアノード側から排出されるガス中にも、多量の水蒸気または水滴が含まれている。このため、凝縮器１０３０を、酸化ガス排出通路１０２０に設ける構成に換えて、燃料電池スタック２０から燃料ガスを外部に送る燃料ガス排出通路１０５０に設ける構成としてもよい。また、酸化ガス排出通路１０２０と燃料ガス排出通路１０５０の双方に凝縮器を設ける構成とすることもできる。
【０１８４】
次に、本発明の第１１の実施例である燃料電池発電システム１１１０について説明する。図３２は、第１１実施例の燃料電池発電システム１１１０の構成の概略を示すブロック図である。図示するように、この燃料電池発電システム１１１０は、第１実施例の燃料電池発電システム１０の構成をそのまま備えた上で、さらに、水導入管４０の途中に水加圧機構１１２０を備える。なお、第１実施例と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１８５】
水加圧機構１１２０は、燃料電池スタック２０から酸化ガスを外部に送る酸化ガス排出通路１１１２の途中に設けられるタービンコンプレッサ１１２２と、水導入管４０の途中に設けられてタービンコンプレッサ１１２２と同軸上に連結されるタービン１１２４とを備える。こうした構成の水加圧機構１１２０によれば、燃料電池スタック２０からの排ガスの流れるエネルギを利用して、水導入管４０を流れる水が加圧される。水導入管４０からＣＯ選択酸化反応器３４へ水を供給するためには、前述してきた実施例では省略してきたが、ポンプ等の加圧手段により水を加圧する必要があるが、そのための動力に、燃料電池スタック２０で発電した電気を用いると、燃料電池発電システム全体のエネルギ効率が低下してしまう。これに対して、この構成によれば、排ガスを利用して水の加圧を行なうことから、燃料電池発電システムのエネルギ効率を低下させることなく、ＣＯ選択酸化反応器３４への水の供給を行なうことができる。
【０１８６】
なお、この実施例では、燃料電池スタック２０のアノード側から排出される酸化ガスにより、タービンコンプレッサ１１２２を回転させる構成としたが、これに替えて、燃料電池スタック２０のカソード側から排出される燃料ガスにより、タービンコンプレッサ１１２２を回転させる構成としてもよい。
【０１８７】
前述してきた各実施例では、固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ）を前提に記述したが、同様にりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの他のタイプの燃料電池を用いた燃料電池発電システムにも適用することができる。
【０１８８】
また、前述してきた各実施例では、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。
【０１８９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例の一酸化炭素濃度低減装置を備える燃料電池発電システム１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタック２０のセル構造を示す構造図である。
【図３】ＣＯ選択酸化反応器３４の内部とそれに連結される連絡管３６を破断して示す説明図である。
【図４】モデルガスによりＣＯ選択酸化触媒５０の性能を示すグラフである。
【図５】燃料改質装置３０の電子制御ユニット９０で実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図７】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図８】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図９】他の形態の水供給手段が配設されたＣＯ選択酸化反応器を破断して示す説明図である。
【図１０】第２実施例の燃料電池発電システム２１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図１１】 一酸化炭素センサ２１２の縦断面図である。
【図１２】第２実施例の電子制御ユニット９０Ａで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】酸化ガス導入量Ｑａと水導入量Ｑｗとの関係を示すグラフである。
【図１４】第３実施例の燃料電池発電システム３１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図１５】第３実施例の電子制御ユニット９０Ｂで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１６】改質ガス流量Ｑｈと目標水導入量Ｑｗとの関係を示すグラフである。
【図１７】第４実施例の燃料電池発電システム４１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図１８】第４実施例の電子制御ユニット９０Ｃで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１９】 一酸化炭素濃度Ｄ１と目標水導入量Ｑｗとの関係を示すグラフである。
【図２０】第５実施例の燃料電池発電システム５１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２１】第５実施例の電子制御ユニット９０Ｄで実行される加湿制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】第６実施例の燃料電池発電システム６１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２３】第６実施例の電子制御ユニット９０Ｅで実行される最大水導入量算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図２４】電子制御ユニット９０Ｅで実行されるＣＯ濃度低減制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２５】第７実施例の燃料電池発電システム７１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２６】第７実施例の電子制御ユニット９０Ｆで実行される燃料ガス圧制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２７】第８実施例の燃料電池発電システム８１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図２８】第８実施例の電子制御ユニット９０Ｇで実行される酸化ガス圧制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２９】第９実施例の燃料電池発電システム９１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図３０】 第９実施例の電子制御ユニット９０Ｈで実行される停止時制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３１】第１０実施例の燃料電池発電システム１０１０の構成の概略を示すブロック図である。
【図３２】第１１実施例の燃料電池発電システム１１１０の構成の概略を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池発電システム
１２…メタノールタンク
１４…水タンク
２０…燃料電池スタック
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
２４，２５…セパレータ
２４ｐ，２５ｐ…流路
２６，２７…集電板
３０…一酸化炭素センサ
３０…燃料改質装置
３０Ａ…燃料改質装置
３０Ｂ…燃料改質装置
３０Ｃ…燃料改質装置
３０Ｄ…燃料改質装置
３０Ｅ…燃料改質装置
３０Ｆ…燃料改質装置
３０Ｈ…燃料改質装置
３２…改質反応器
３４…ＣＯ選択酸化反応器
３６…連絡管
３７…導入管
３８…ブロワ
４０…水導入管
４１…電解質膜
４２…アノード
４２…電動バルブ
４３…カソード
５０…ＣＯ選択酸化触媒
５２…温度センサ
８０…水噴射弁
８２…電圧計
８４…導入管
９０…電子制御ユニット
９２…ＣＰＵ
９４…ＲＯＭ
９６…ＲＡＭ
１１０…燃料電池発電システム
１１２…一酸化炭素センサ
２１０…燃料電池発電システム
２１２…一酸化炭素センサ
２２０…電解質膜
２２２，２２４…電極
２２６，２２８…金属板
２３０，２３２…ホルダ
２３０Ｔ，２３２Ｔ…検出端子
２３０ａ，２３２ａ…フランジ
２３０ｂ，２３２ｂ…ネジ
２３４…絶縁性部材
２３４ａ，２３４ｂ…ネジ
２３６…Ｏリング
２３８…ガス流入通路
２４０…電気回路
２４２…電圧計
２４４…抵抗器
３１０…燃料電池発電システム
３１２…ガス流量計
４１０…燃料電池発電システム
４１２…一酸化炭素センサ
５１０…燃料電池発電システム
５１２…インピーダンス計
６１０…燃料電池発電システム
６１２…流量センサ
６１４…圧力センサ
７１０…燃料電池発電システム
７１２…燃料ガス排出通路
７１４…背圧調整弁
８１０…燃料電池発電システム
８１２…酸化ガス排出通路
８１４…背圧調整弁
８１６…第１圧力センサ
８１８…第２圧力センサ
９１０…燃料電池発電システム
９２０…燃料電池運転用電子制御ユニット
９２２…ＣＰＵ
９２４…ＲＯＭ
９２６…ＲＡＭ
９２８…入出力ポート
１０１０…燃料電池発電システム
１０２０…酸化ガス排出通路
１０３０…凝縮器
１０４０…送水通路
１０５０…燃料ガス排出通路
１１１０…燃料電池発電システム
１１１２…酸化ガス排出通路
１１２０…水加圧機構
１１２２…タービンコンプレッサ
１１２４…タービン
Claims (7)
- 水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減装置であって、
前記水素リッチガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記水素リッチガス中の水素に優先して該水素リッチガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と、
前記酸化ガス導入手段による酸化ガスの導入量を、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じた量に制御する酸化ガス導入量制御手段と、
該制御された酸化ガスの導入量に従って前記水供給手段の水の供給量を制御する水供給量制御手段と
を備え、
前記水供給量制御手段は、
前記水供給手段の水の供給量を、前記酸化ガスの導入量に対して所定の比率となる量に定める水供給量算出手段
を備える一酸化炭素濃度低減装置。 - 炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記改質ガス中の水素に優先して該改質ガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と、
前記酸化反応部から前記改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池の有する電解質膜の含水率を検出する含水率検出手段と、
該検出した含水率に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える燃料電池発電装置。 - 請求項２記載の燃料電池発電装置であって、
前記含水率検出手段は、
前記燃料電池の電極間の電気抵抗またはインピーダンスにより前記電解質膜の含水率を検出するインピーダンス検出手段
を備える燃料電池発電装置。 - 炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記改質ガス中の水素に優先して該改質ガス中の一酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と、
前記酸化反応部から前記改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る燃料電池と、
前記改質反応器からの改質ガスが前記燃料電池に流入したときの前記改質ガスの飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
前記燃料電池において改質ガス中の水分が過飽和とならないよう、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記水供給手段の水の供給量を制御する制御手段と
を備える燃料電池発電装置。 - 炭化水素を主成分とする原燃料から水素を含有する改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質ガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する酸化ガス導入手段と、
該導入された酸化ガス中の酸素を、前記改質ガス中の水素に優先して該改質ガス中の一 酸化炭素に結合させる触媒を有する酸化反応部と、
前記触媒に水を供給する水供給手段と、
前記酸化反応部から前記改質ガスの供給を受けて、その改質ガスの電気化学反応から起電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記改質ガスの圧力を調節する改質ガス圧調節手段と、
前記改質反応器からの改質ガスが前記燃料電池に流入したときの前記改質ガスの飽和水蒸気量を算出する飽和水蒸気量算出手段と、
前記燃料電池において改質ガス中の水分が過飽和とならないよう、前記飽和水蒸気量算出手段により算出された飽和水蒸気量に応じて前記改質ガス圧調節手段を制御する制御手段と
を備える燃料電池発電装置。 - 請求項５記載の燃料電池発電装置であって、
前記燃料電池の有する酸素極に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガスのガス圧力を調節する酸化ガス圧調節手段と、
前記改質ガス圧調節手段および酸化ガス圧調節手段を制御することにより、前記改質ガスと酸化ガスの圧力差を所定値以内の大きさに保つ制御手段と
を備える燃料電池発電装置。 - 水素と一酸化炭素とを含有し水素濃度に比して一酸化炭素濃度が低い水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素濃度低減方法であって、
（ａ）前記水素リッチガスに酸素を含有する酸化ガスを導入する工程と、
（ｂ）該導入された酸化ガス中の酸素を、触媒を用いて前記水素リッチガス中の水素に優先して該水素リッチガス中の一酸化炭素に結合させる工程と、
（ｃ）前記触媒に水を供給する工程と、
（ｆ）前記工程（ａ）による酸化ガスの導入量を、前記水素リッチガス中の一酸化炭素濃度に応じた量に制御する工程と、
（ｇ）該制御された酸化ガスの導入量に従って前記工程（ｃ）による水の供給量を制御する工程と
を備え、
前記工程（ｇ）は、
前記工程（ｃ）による水の供給量を、前記酸化ガスの導入量に対して所定の比率となる量に定める工程
を備える一酸化炭素濃度低減方法。
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