JP5358966B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、改質器、選択酸化反応器及び燃料電池を有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a reformer, a selective oxidation reactor, and a fuel cell.
近年では、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として、水素の電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池が携帯電子機器などに応用され始めている。このような燃料電池に用いられる水素は、例えば小型の化学反応装置によってメタノール及び水から生成されることがある。小型の化学反応装置は、改質器、選択酸化反応器等を有するものである。気化した燃料と水が改質器によって水素ガスに改質され、改質器で生成された副生成物である一酸化炭素が選択酸化反応器によってほぼ除去された後、一酸化炭素除去後の水素ガスが燃料電池のアノードに送出される。 In recent years, as a clean power source with high energy conversion efficiency, fuel cells that generate electrical energy by electrochemical reaction of hydrogen have begun to be applied to portable electronic devices and the like. Hydrogen used in such a fuel cell may be generated from methanol and water by a small chemical reactor, for example. A small chemical reaction apparatus has a reformer, a selective oxidation reactor, and the like. The vaporized fuel and water are reformed into hydrogen gas by the reformer, and carbon monoxide, which is a by-product generated in the reformer, is almost removed by the selective oxidation reactor. Hydrogen gas is delivered to the anode of the fuel cell.
改質器及び選択酸化反応器は、触媒を用いて反応を起こさせるものである。改質器は、例えば、メタノール燃料と水を反応させて水素と二酸化炭素を得る水蒸気改質反応のために使用される触媒として、Cu/ZnOなどがある。水蒸気改質反応によって生成された水素と二酸化炭素の一部は、逐次的に進行する水性逆シフト反応によって、一酸化炭素を生じる。一酸化炭素は燃料電池のアノードを被毒してしまうので、選択酸化反応器で一酸化炭素を選択酸化する。選択酸化反応器に用いられる触媒は、Ptを始めとする貴金属触媒が広く用いられている。特にPtは、比較的低温で一酸化炭素を吸着してその酸化を促進させるとともに併発する水素の酸化反応が比較的抑制されることから、改質ガス中の一酸化炭素を、燃料電池の触媒を著しく被毒しない程度の低濃度にするための触媒の活性成分として主に用いられている。 The reformer and the selective oxidation reactor cause a reaction using a catalyst. Examples of the reformer include Cu / ZnO as a catalyst used for a steam reforming reaction in which methanol fuel and water are reacted to obtain hydrogen and carbon dioxide. Part of the hydrogen and carbon dioxide produced by the steam reforming reaction produces carbon monoxide by an aqueous reverse shift reaction that proceeds sequentially. Since carbon monoxide poisons the anode of the fuel cell, the carbon monoxide is selectively oxidized in the selective oxidation reactor. As the catalyst used in the selective oxidation reactor, noble metal catalysts such as Pt are widely used. In particular, Pt adsorbs carbon monoxide at a relatively low temperature and promotes its oxidation, and the accompanying oxidation reaction of hydrogen is relatively suppressed. Therefore, carbon monoxide in the reformed gas is converted into a catalyst for a fuel cell. Is mainly used as an active component of a catalyst for reducing the concentration to such a level that it is not significantly poisoned.
選択酸化反応器における反応の成績を決定する要素として、反応温度、入り口の一酸化炭素濃度とそれに対する酸素の量、触媒の活性と反応選択性、および接触時間などがある。選択酸化反応は、これらの反応決定因子に非常に敏感な反応であり、しかも、後段の燃料電池へ導入されるガス中の一酸化炭素濃度の許容量が低濃度であることから、高い転化率が要求される。上記した反応決定因子から少しでも逸脱することによって、例えば一酸化炭素の酸化が進まずに水素の酸化のみを引き起こして結果的に一酸化炭素を除去しきれない結果を引き起こすことがある。 Factors that determine the performance of the reaction in the selective oxidation reactor include the reaction temperature, the concentration of carbon monoxide at the inlet and the amount of oxygen relative thereto, the activity and selectivity of the catalyst, and the contact time. The selective oxidation reaction is very sensitive to these reaction determinants, and since the allowable amount of carbon monoxide in the gas introduced into the subsequent fuel cell is low, the conversion rate is high. Is required. Deviations from the reaction determinants described above may cause, for example, the result that the oxidation of carbon monoxide does not proceed and only the oxidation of hydrogen is caused, and as a result, the carbon monoxide cannot be completely removed.
ここで、触媒との接触時間について考える。接触時間が長い反応器の場合、選択酸化反応器内でいったん十分に一酸化炭素が低濃度化されたものの、逐次的に発生する水性逆シフト反応によって二酸化炭素と大過剰の水素から一酸化炭素と水が生成され続けてしまい、選択酸化反応器から導出されたガス中の一酸化炭素を充分に除去できない。逆に、接触時間が短い反応器の場合、一酸化炭素を十分低濃度化するまでの反応時間を確保することができず、一酸化炭素が十分に除去されない。そこで、接触時間を適切に保つ必要があるが、改質器から選択酸化反応器に送出されるガスの単位時間あたりの流量が揺らぐ等の要因によって、接触時間が変化するとともに、選択酸化反応器内のガス流速が変化し、触媒表面の温度が変化してしまうことによって、反応に最適な接触時間が変化してしまう。このような状態に鑑み、選択酸化反応を段階的に起こすように、特許文献1に記載の技術では、酸化剤導入部を分割し、多段で選択酸化反応を発生させている。
ところが、特許文献1に記載の技術では、酸化剤導入部を分割した数だけ用意しなければならず、さらにその流量を制御する手段も必要となる。そのため、かかる技術を比較的大型の燃料電池システムには用いることができるが、コンパクト化が望まれる電子機器用の燃料電池システムには必ずしも適していない。
そこで、本発明の課題は、比較的シンプルな構造で、選択酸化反応器における一酸化炭素の除去を安定して行えるようにすることである。
However, in the technique described in
Accordingly, an object of the present invention is to enable stable removal of carbon monoxide in a selective oxidation reactor with a relatively simple structure.
以上の課題を解決するために、請求項1に係る発明によれば、
燃料と水を水素に改質する改質器と、
前記改質器による生成物を取り込むインレットポートと、このインレットポートに通じた流路と、その流路に設けられた触媒と、前記インレットポートまでの距離の異なる位置で前記流路に通じる複数のアウトレットポートとを有する選択酸化反応器と、
アノード、カソード及びこれらの間に設けられた電解質膜を有する燃料電池と、
前記複数のアウトレットポートの何れかを選択して前記アノードに通じさせる選択器と、
前記選択器を制御するコントローラと、
前記アノードの温度を検出する温度検出器と、
を備え
前記コントローラが前記温度検出器による検出温度に基づき前記選択器を制御することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
In order to solve the above problems, according to the invention according to
A reformer that reforms fuel and water into hydrogen;
An inlet port for taking in a product from the reformer, a flow path leading to the inlet port, a catalyst provided in the flow path, and a plurality of paths leading to the flow path at different positions to the inlet port A selective oxidation reactor having an outlet port;
A fuel cell having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane provided therebetween;
A selector that selects any of the plurality of outlet ports and communicates with the anode;
A controller for controlling the selector;
A temperature detector for detecting the temperature of the anode;
With
Fuel cell system the controller is characterized that you control the selector based on the temperature detected by the temperature detector is provided.
請求項2に係る発明によれば、
前記コントローラは、前記温度検出器による検出温度が所定の閾値に達するごとに、前記複数のアウトレットポートのうち選択するアウトレットポートを選択中のアウトレットポートの次に前記インレットポートから遠いアウトレットポートに切り替えることを前記選択器に行わせることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システムが提供される。
According to the invention of
The controller switches an outlet port to be selected from the plurality of outlet ports to an outlet port far from the inlet port next to the selected outlet port each time the temperature detected by the temperature detector reaches a predetermined threshold value. The fuel cell system according to
本発明によれば、アウトレットポートが選択器によって切り替わることによって、水素、一酸化炭素等が選択酸化反応器の流路を流れる距離は切り替わる。そのため、反応環境が変化しても、それに合わせたアウトレットポートを選択することができ、一酸化炭素を十分に除去しつつ、水性逆シフト反応による一酸化炭素の生成を抑えることができる。従って、選択酸化反応器における一酸化炭素の除去を安定して行えられる。
また、酸化剤導入部を分割数分用意するのではなく、選択酸化反応器と燃料電池との間に選択器を設けるので、燃料電池システム自体の複雑化・大型化しない。
According to the present invention, when the outlet port is switched by the selector, the distance that hydrogen, carbon monoxide, and the like flow through the flow path of the selective oxidation reactor is switched. Therefore, even if the reaction environment changes, an outlet port corresponding to the reaction environment can be selected, and the production of carbon monoxide by the aqueous reverse shift reaction can be suppressed while sufficiently removing carbon monoxide. Therefore, removal of carbon monoxide in the selective oxidation reactor can be performed stably.
Further, since the selectors are provided between the selective oxidation reactor and the fuel cell, instead of preparing the oxidant introduction portions for the number of divisions, the fuel cell system itself is not complicated or enlarged.
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の実施形態における燃料電池システム1の構成を示したブロック図である。この燃料電池システム1はノート型パーソナルコンピュータ、PDA、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった電子機器に搭載されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
燃料電池システム1は、液体燃料が封入された燃料容器2を収納する収納部と、燃料容器2内の液体燃料を吸引するポンプ3と、液体燃料から反応を引き起こす反応部と、燃料電池20と、エアポンプ25、27と、コントローラ30等と、を備える。燃料電池システム1のうち燃料電池20が発電し、燃料電池20によって生成された電気がDC/DCコンバータを介して電子機器本体の各部に供給されて、電子機器本体が動作する。燃料電池20は、アノード22と、カソード23と、アノード22とカソード23の間に挟まれた電解質膜21とを有する。
The
燃料電池20の電解質膜21は固体高分子電解質膜である。アノード22及びカソード23には各種の触媒が担持されている。アノード22には水素ガス等が送られ、更に外部の空気がカソード23に送られる。アノード22に供給された水素が、電解質膜21を介して、カソード23に供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、アノード22とカソード23との間で電力が生じる。具体的には、アノード22では次式(1)のような反応が起き、アノード22で生成された水素イオンが電解質膜21を透過し、カソード23では次式(2)のような反応が起こる。
H2→2H++2e- …(1)
2H++1/2O2+2e-→H2O …(2)
The
H 2 → 2H + + 2e − (1)
2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O (2)
燃料電池20には温度センサ24が設けられ、燃料電池20の温度(特に、アノード22の温度)が温度センサ24により検出されて電気信号に変換される。温度センサ24により検出された温度はコントローラ30に出力される。
The
燃料電池20のアノード22に外部の空気を供給するために、この燃料電池システム1はエアポンプ25を有する。一方、燃料電池20のアノード22に供給する水素は、液体燃料から生成されたものである。
In order to supply external air to the
燃料容器2には、液体燃料(例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルの何れか)と水が混合した状態又は別々に貯留されている。図1に示された構成要素のうち燃料容器2が燃料電池システム1に対して着脱可能とされ、他の構成要素は燃料電池システム1に内蔵され、燃料容器2が燃料電池システム1に装着されると燃料容器2とポンプ3が接続される。
The
反応部は、大気圧よりも減圧された雰囲気の内部空間を形成した断熱パッケージ29と、気化器4と、気化器4を加熱するヒータ5と、改質器6と、改質器6を加熱するヒータ7と、選択酸化反応器8と、選択酸化反応器8を加熱するヒータ9と、選択酸化反応器8の流路を切り替える流路切替選択器10と、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8の少なくとも何れかを加熱する触媒燃焼器26と、水素燃焼器28と、を備える。気化器4、ヒータ25、改質器6、ヒータ7、選択酸化反応器8、ヒータ9及び触媒燃焼器26は、断熱パッケージ29内に収容されている。水素燃焼器28は断熱パッケージ29の外に配置されているが、断熱パッケージ29内に収容されていてもよい。また、選択器10は、断熱パッケージ29内に収容されてもよいが、気密性や耐高温性の観点から断熱パッケージ29の外に配置されていることがより好ましい。
The reaction unit heats the
ポンプ3は、燃料と水の混合液を燃料容器2から気化器4へ送液するものである。ポンプ3は電気駆動式ポンプであり、コントローラ30によって制御される。なお、ポンプ3と気化器4との間にコントローラ30に制御されるバルブを介在させてもよい。
The pump 3 sends a mixed liquid of fuel and water from the
気化器4は、燃料と水の混合液を気化させるものである。気化器4に設けられているヒータ5は、その電気抵抗値が温度に依存する電熱材(例えばAu)からなる。そのため、ヒータ5は電気抵抗値から温度を読み取る温度センサとしても機能し、気化器4の温度がヒータ5によって電気信号に変換される。ポンプ3から気化器4に送られた混合液はヒータ5の熱により気化され、気化器4で気化した混合気は改質器6へ送出される。
The
改質器6は、気化器4で気化した水と燃料から水素ガス等を触媒反応により生成し、更に微量ながら一酸化炭素ガスを生成する。改質器6の内部には流路が形成され、その流路の壁面に改質触媒(例えば、Cu/ZnO系触媒又はPd/ZnO系触媒)が担持されている。気化器4から改質器6に送られた混合気は、改質器6の流路を流れ、改質触媒により反応を起こす。燃料がメタノールの場合には、次式(3)に示す化学反応が改質器6で起こり、引き続き式(4)に示す水性逆シフト反応が改質器6で起こる。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 …(3)
H2+CO2→H2O+CO …(4)
The
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (3)
H 2 + CO 2 → H 2 O + CO (4)
改質器6には、改質器6を加熱するヒータ7が設けられている。また、触媒燃焼器26は、燃料電池20のアノード22より送られてきた水素を燃焼させて、主に改質器6を加熱するものである。ヒータ7は、ヒータ5と同様に温度センサを兼ねた電熱材である。つまり、ヒータ7は電気により改質器6を加熱するとともに、改質器6の温度を検出して電気信号に変換するものである。式(3)の改質器6における改質反応である水蒸気改質反応は吸熱反応であり、触媒燃焼器26の燃焼熱やヒータ7の熱が改質器6の改質反応に用いられる。
The
改質器6で生成された水素ガス等は選択酸化反応器8に送出され、更に外部の空気がエアポンプ27によって選択酸化反応器8に送られる。このエアポンプ27は、電気駆動式エアポンプであり、コントローラ30によって制御される。
選択酸化反応器8は、次式(5)のように一酸化炭素を触媒により優先的に酸化させることで、一酸化炭素を選択的に除去する。
2CO+O2→2CO2 …(5)
Hydrogen gas or the like generated by the
The
2CO + O 2 → 2CO 2 (5)
選択酸化反応器8にはヒータ9が設けられ、ヒータ9によって選択酸化反応器8が加熱される。ヒータ9は、ヒータ5と同様に温度センサを兼ねたものである。なお、選択酸化反応器8においても、水素と酸素の存在下で式(4)の水性逆シフト反応を引き起こす場合がある。
The
気化器4、改質器6、触媒燃焼器26及び選択酸化反応器8は断熱パッケージ29内に収容されている。断熱パッケージ29内が真空状態(好ましくは、圧力10Pa以下、更に好ましくは1Pa以下に減圧された状態)となっており、断熱パッケージ29内の熱が外部に放散し難くなっている。また、断熱パッケージ29はガラス製又は金属製であり、断熱パッケージ29の内面には、赤外線反射膜(例えば、Au、Ag、Al)が成膜されている。
The
また、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8の適温はそれぞれ異なるので、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8及び触媒燃焼器26等の設置位置・材質等が設計されることによって、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8が適温に保たれやすくなっている。定常状態では、選択酸化反応器8が約120℃に保たれ、改質器6が選択酸化反応器8よりも高温(約300〜350℃)に保たれ、且つ、気化器4が選択酸化反応器8と同程度の温度(約100〜130℃)に保たれる。
Further, since the proper temperatures of the
図2は、選択酸化反応器8の縦断面及び選択器10を示した図であり、図3は、選択酸化反応器8の横断面図である。ここで、図2に示された選択酸化反応器8の断面は、図3に示されたII−IIに沿った面の矢視断面図であり、図3は、図2に示されたIII−IIIに沿った面の矢視断面図である。
FIG. 2 is a view showing a longitudinal section of the
図2、図3に示すように、二枚の基板41,42が接合され、この接合体が選択酸化反応器8の本体となっている。基板41,42の接合体には、葛折り状の流路43と、流路43に通じた複数のポート44〜49が形成されている。具体的には、基板42の接合面に溝が凹設され、その接合面に基板41が接合されることでその溝が基板41によって蓋をされて、その溝が流路43となっている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the two
流路43は一端部から他端部にかけて分岐せずに一本となっている。ポート44〜49が基板41の接合面からその反対面まで貫通している孔である。ポート44は流路43の一端部に通じ、ポート49が流路43の他端部に通じている。ポート45〜48は、流路43の一端部と他端部の間において流路43に通じている。ポート44を基準としてポート45〜49までの流路43に沿った距離は、ポート49、ポート48、ポート47、ポート46、ポート45の順に長い。流路43の壁面には、選択酸化触媒(例えば、白金)50が担持されている。選択酸化触媒50の担持方法としては、例えば、基板42に形成された溝43に対応する部分が開口したドライフィルムからなるフォトレジストを貼り付けてから選択酸化触媒50となる触媒粒子を分散媒中に分散させてなる触媒分散液をディスペンサで塗布後にフォトレジストを剥離する、或いは、基板42に形成された溝43に直接インクジェットノズルにより触媒分散液を塗布する方法がある。ヒータ9は選択酸化反応器8の本体の外面に設けられている。選択酸化触媒50は、他の貴金属であってもよい。
The
ポート44がインレットポートであり、ポート45〜49がアウトレットポートである。つまり、図1に示すように、選択酸化反応器8のポート44が改質器6及びエアポンプ27に接続されており、改質器6から選択酸化反応器8に送られた水素ガス及び一酸化炭素ガス等が空気と混合して選択酸化反応器8のポート44を通って流路43に流れ込む。水素ガス、一酸化炭素ガス及び空気等が流路43を流れると、一酸化炭素が選択酸化触媒50により優先的に酸化される。そして、一酸化炭素が除去された混合気は、流路43から選択器10により選択されたポート45〜49の何れかを通って流出する。
選択酸化反応器8のアウトレットポート45〜49と燃料電池20のアノード22との間には選択器10が設けられている。選択器10は流路43の有効長さを切り替える流路切替器である。つまり、選択器10が選択酸化反応器8のアウトレットポート45〜49の中から何れかを選択することによって、流路43の有効長さがインレットポート44からその選択したアウトレットポートまでの流路43に沿った長さに決まる。有効長さとは、反応に寄与している長さであって、反応物が実質的に流動する長さをいう。選択器10としては、複数の電磁駆動式開閉バルブ又は電磁駆動式方向切替バルブを用いることができる。選択器10は電磁駆動式のものであり、選択器10がコントローラ30によって制御されることによって、選択器10が切替動作を行う。具体的には、選択器10はバルブ51〜55を有しており、アウトレットポート45〜49にはそれぞれ配管61〜65の一端が接続されており、配管61〜65の他端にはそれぞれバルブ51〜55の入力端が設けられ、バルブ51〜55の出力端は集合管66の入力端と接続され、集合管66の出力端は、燃料電池20のアノード22に接続されている。コントローラ30がバルブ51〜55の何れか1つのみを開くことによって、その選択されたバルブに通じたアウトレットポートの選択がなされる。
A
選択酸化反応器8において一酸化炭素が除去された混合気は、アウトレットポート45〜49のうち選択器10によって選択されたアウトレットポートからアノード22に送られる。上述したように、電解質膜21を通じた電気化学反応により発電が起こり、アノード22において水素が消費され、エアポンプ23によって送られる空気中の酸素がカソード23において消費される。アノード22において反応しなかった水素は他の生成物とともに触媒燃焼器26に送られ、触媒燃焼器26において水素が燃焼する。触媒燃焼器26でも燃焼しなかった水素が他の生成物とともに水素燃焼器28に送られる。一方、外部の空気がエアポンプ27によって水素燃料器28に送られ、水素燃焼器28において水素が燃焼する。そして、各種の生成物が水素燃焼器28から外部に排出される。この水素燃焼器28は断熱パッケージ29の外に配置されている。
The air-fuel mixture from which carbon monoxide has been removed in the
コントローラ30は、エアポンプ25,27を制御して、エアポンプ25,27の作動・停止をするものである。また、コントローラ30は、ポンプ3を制御し、ポンプ3の供給量を増減したり、ポンプ3の作動・停止をしたりする。また、コントローラ30は、ヒータ5,7,9の加熱温度を調整する。ここで、コントローラ30は、ヒータ5,7,9やポンプ3の出力を調整するに際して、ヒータ5,7,9による検出温度に基づきヒータ5,7,9やポンプ3の出力を設定する。コントローラ30がヒータ5,7,9やポンプ3の出力を調整することによって、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8が所定の適温に維持される。これにより、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8等が定常状態になり、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8で効率よく気化又は反応が起こる。
The
気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8が定常状態で動作していると、通常、燃料電池20も定常状態で動作する。しかし、何かしらの原因で選択酸化反応器8において化学平衡状態が崩れ、選択酸化反応器8で一酸化炭素が十分に酸化しないことがある。そこで、選択酸化反応器8の酸化能力を調整できるようになっている。具体的には、選択器10によって切替動作が行われることで、選択酸化反応器8の酸化能力が調整される。つまり、インレットポート44を基準としてアウトレットポート45〜49までの流路43に沿った距離は、アウトレットポート49、アウトレットポート48、アウトレットポート47、アウトレットポート46、アウトレットポート45の順に長いので、選択酸化反応器8の酸化能力は、アウトレットポート49、アウトレットポート48、アウトレットポート47、アウトレットポート46、アウトレットポート45の順に高い。
When the
選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に選択酸化反応しているか否かは、燃料電池20のアノード22の温度により判断される。即ち、アノード22に供給される改質ガス中の酸素の濃度が高いと、アノード22において改質ガス中の水素の燃焼が起こりやすく、水素の燃焼熱によってアノード22の温度が上昇してしまう。また、選択酸化反応器8から燃料電池20に送られる改質ガス中の酸素の濃度は、選択酸化反応器8で一酸化炭素が十分に選択酸化反応している場合よりも選択反応器8で十分に選択酸化反応していない場合のほうが高い。それ故、選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に選択酸化反応している場合には、エアポンプ27によって供給された空気中の多くの酸素は消費される。そのため、アノード22に供給される酸素の濃度が低いので、水素の燃焼反応の進行が抑制されてアノード22の温度上昇が起こりにくい。一方、選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に選択酸化反応していない場合には、エアポンプ27によって供給された空気中の多くの酸素が消費されているわけではない。そのため、アノード22に供給される酸素の濃度が高いので、水素の燃焼反応の進行が相対的に増大しアノード22の温度上昇が起こりやすい。選択反応器8において一酸化炭素が十分に選択酸化反応しているか否かを検出するべく、燃料電池20のアノード22に温度センサ24が設けられ、アノード22の温度が温度センサ24により検出される。
Whether or not carbon monoxide is sufficiently selectively oxidized in the
温度センサ24によって検出された温度はコントローラ30に出力される。コントローラ30は、温度センサ24による燃料電池20のアノード22の検出温度に基づき選択器10を制御する。具体的には、コントローラ30は温度センサ24による検出温度を所定の閾値(この閾値は、燃料電池20が定常状態で動作しているときのアノード22の定常温度に相当する。)と比較する。そして、コントローラ30は、比較の結果、温度センサ24による検出温度が所定の閾値に達したと判断したら、選択器10の切替をする。より具体的には、コントローラ30が選択器10の切替をすると、選択器10は、アウトレットポート45〜49の中から選択するアウトレットポートを、選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44から遠いアウトレットポートに切り替える。
The temperature detected by the temperature sensor 24 is output to the
次に、図4を用いて、燃料電池システム1の動作及びコントローラ30の制御動作について説明する。
まず、コントローラ30が選択器10を制御し、選択器10によってインレットポート44に最も近いアウトレットポート45が選択される(ステップS1)。つまり、コントローラ30がバルブ51のみ開き、バルブ52〜55を閉じる。これにより、インレットポート44からアウトレットポート45に至る流路43では一酸化炭素の選択酸化が行われるが、アウトレットポート45からアウトレットポート49に至る流路43では一酸化炭素の選択酸化が行われないため選択酸化反応器8の酸化能力が最も低い状態になる。
Next, the operation of the
First, the
そして、コントローラ30によってヒータ5,7,9に電力が供給され、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8がそれぞれの適温範囲に加熱される。次に、コントローラ30がポンプ3及びエアポンプ25,27を駆動する。そうすると、燃料器2内の液体燃料及び水が気化器4に送られ、外部の空気が選択酸化反応器8、触媒燃焼器26、水素燃焼器28及びカソード23に送られる。そのため、混合液が気化器4で気化され、気化器4で気化した燃料と水の混合気が改質器6で水素等に改質され、改質器6で生成された微量な一酸化炭素が選択酸化反応器8で酸化され、アノード22に供給された水素とカソード23に供給された酸素との電気化学反応により電気が発生し、アノード22において反応しなかった水素が触媒燃焼器26で燃焼され、触媒燃焼器26において反応しなかった水素が水素燃焼器28で燃焼される。触媒燃焼器26で水素が燃焼されることで、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8がそれぞれ所望の温度に加熱される。なお、選択酸化反応器8から生成物が排出されるアウトレットポートは、選択器10によって選択されたアウトレットポートである。
Then, electric power is supplied to the
燃料電池20が発電している間、コントローラ30はヒータ5,7,9による検出温度に基づきヒータ5,7,9やポンプ3の出力を制御する。これにより気化器4、改質器6、選択酸化反応器8等が定常状態で動作する。
While the
また、コントローラ30は、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8の定常運転を行っている間に、温度センサ24による検出温度を監視し、温度センサ24による検出温度を所定の閾値と比較する(ステップS2)。
定常状態(正常状態)における選択酸化反応器8から排出された改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度範囲は、エアポンプ27で供給された空気中の酸素の量、燃料容器2から供給された燃料と水の混合液の量、改質器6での転化率(温度に依存)に基づく一酸化炭素の生成量等にしたがって予め設定されており、一酸化炭素が長時間接しても燃料電池20の触媒が被毒されない程度の低濃度になるように設定されている。換言すれば定常状態において、選択酸化による酸素の消費量が多いため、選択酸化反応器8から排出される酸素濃度が低く、水素の燃焼反応が十分に起こらないため、温度センサ24による検出温度は上記閾値未満となる。
一方、何らかの理由、例えば選択酸化反応器8内での改質ガスの流れの速度が一時的に高くなることによって十分選択酸化が行われないために、長時間接することによって燃料電池20の触媒が被毒される程度の濃度の一酸化炭素が選択酸化反応器8から排出されれば、予め定常状態で十分消費する程度に設定していた酸素が消費されずに残ったことになり、相対的に高濃度の酸素によって燃料電池20内で水素を燃焼し、温度センサ24による検出温度は上記閾値以上となる。
このように、通常は、選択酸化反応器8を含むシステム全体が定常動作すれば、選択酸化反応器8からアノード22に送られるガス中の酸素の濃度が相対的に低くなる。そのため、温度センサ24による検出温度が所定の閾値に達することはなく、コントローラ30が温度センサ24による検出温度の監視を継続する(ステップS2:No)。
The
The concentration range of carbon monoxide contained in the reformed gas discharged from the
On the other hand, since the selective oxidation is not sufficiently performed due to a temporary increase in the flow rate of the reformed gas in the
As described above, normally, if the entire system including the
一方、何かしらの原因により選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に酸化しないと、選択酸化反応器8からアノード22に送られるガス中の酸素の濃度が高くなる。そのため、アノード22の温度が上昇する。そして、温度センサ24による検出温度が所定の閾値に達したとコントローラ30が判断したら(ステップS2:Yes)、コントローラ30は選択器10によって現在選択されているアウトレットポートを確認する(ステップS3)。選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49でないことをコントローラ30が確認したら(ステップS3:No)、コントローラ30が選択器10を制御し、現在選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44から遠いアウトレットポートに切り替える(ステップS4)。具体的には、コントローラ30が、現在選択中のアウトレットポートのバルブを閉じ、次にインレットポート44から遠いアウトレットポートのバルブを開く。そうすると、選択酸化反応器8の酸化能力が高くなるので、選択酸化反応器8からアノード22に送出されるガス中の酸素の濃度がより低くなり、これによりアノード22の温度が低下して所定閾値未満になるかどうか確認する(ステップS2に戻る)。このように引き続きコントローラ30が温度センサ24による検出温度の監視を継続する。
On the other hand, if carbon monoxide is not sufficiently oxidized in the
以上のように、ステップS2において温度センサ24による検出温度が所定の閾値に達するごとに、選択器10により選択されるアウトレットポートがインレットポート44から遠いものに切り替わる(ステップS2:No、ステップS3:No、ステップS4)。ステップS3において選択器10により選択されているアウトレットポートが、改質ガスの通過する流路43の有効長さを最も長くするアウトレットポート49であるとコントローラ30が確認する(ステップS3:Yes)と、流路43の有効長さをそれ以上長くして選択酸化反応を促進させることができないためにコントローラ30がポンプ3及びエアポンプ26,27を停止するとともに、ヒータ5,7,9の電力供給を止める(ステップS5)。これにより、燃料電池システム1がシャットダウンする。あわせて、コントローラ30が異常信号を出力する。
As described above, every time the temperature detected by the temperature sensor 24 reaches the predetermined threshold value in step S2, the outlet port selected by the
本実施形態によれば、アウトレットポート45〜49の切替が選択器10によって行われることによって、選択酸化反応器8における実質的な流路43の有効長さが変更される。特に、アノード22の温度が所定閾値に達するごとに、選択酸化反応器8における実質的な流路43の有効長さが長くなる。そのため、一酸化炭素を十分に除去しつつ、水性逆シフト反応による一酸化炭素の生成を抑えることができる。従って、選択酸化反応器8における一酸化炭素の除去を安定して行えられる。
また、複数のアウトレットポート45〜49が選択酸化反応器8に設けられているだけであって、選択酸化能力を多段階にしても選択酸化反応器8を共用しているので大型化しない。また、選択酸化反応器8と燃料電池20との間に選択器10を設けるので、燃料電池システム1自体が複雑化・大型化しない。
According to this embodiment, the effective length of the
Further, the plurality of
なお、燃料電池20のアノード22の温度が閾値に達しなかったにもかかわらず、燃料電池20の性能が低下した場合、改質器6から選択酸化反応器8に送られるガス中の一酸化炭素濃度が一時的に上昇したり、選択酸化反応器8における選択酸化反応を阻害する物質(例えば、未反応メタノール)が改質器6から選択酸化反応器8に多量に導入されたりすることによって、アノード22に送られるガス中の一酸化炭素濃度が一時手に上昇したことが考えられる。このような場合では、一酸化炭素濃度が戻るにしたがって徐々に燃料電池20の性能は回復していくが、一酸化炭素濃度が高い状態が継続すると、燃料電池20の性能が著しく低下してしまう。そのため、選択器10の下流の経路を方向制御弁等によってアノード22から触媒燃焼器26に一旦切り替えて、燃料電池20のアノード22へのガス導入を回避すると同時に、エアポンプ25によってカソード23に加えてアノード22にも空気を導入するよう切替を行って、燃料電池20の性能劣化の抑制を図ったほうがよい。その後、一定時間経過したら、選択器10の下流の経路を方向制御弁等によって触媒燃焼器26からアノード22に切り替えるとともに、アノード22への空気導入を停止する。
If the temperature of the
〔第2の実施の形態〕
第2の実施形態においては、図5に示すように、アノード22に温度センサ24が設けられていないが、選択器10からアノード22までの経路の途中に酸素濃度センサ31が設けられている。この酸素濃度センサ31は、アノード22に送られるガス中の酸素の濃度を検出し、それを電気信号に変換してコントローラ30に出力する。なお、酸素濃度センサ31の代わりに、酸素を検出する酸素センサを設けてもよい。酸素センサは、アノード22に送られるガス中に酸素を検出した場合にコントローラ30に出力する信号をハイにし、アノード22に送られるガス中に酸素をしない場合にコントローラ30に出力する信号をローにするものである。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, as shown in FIG. 5, the temperature sensor 24 is not provided in the
次に、図6を用いて、第2実施形態における燃料電池システム1の動作及びコントローラ30の制御動作について説明する。
まず、コントローラ30が選択器10を制御し、選択器10によってインレットポート44に最も近いアウトレットポート45が選択される(ステップS11)。そして、コントローラ30によってヒータ5,7,9に電力が供給され、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8がそれぞれの適温範囲に加熱される。次に、コントローラ30がポンプ3及びエアポンプ25,27を駆動すると、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8及び燃料電池20が作動する。燃料電池20が発電している間、コントローラ30はヒータ5,7,9による検出温度に基づきヒータ5,7,9やポンプ3の出力を制御する。これにより気化器4、改質器6、選択酸化反応器8等が定常状態で動作する。
Next, the operation of the
First, the
また、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8が定常状態で動作している際に、コントローラ30は酸素濃度センサ31による検出濃度を監視し、酸素濃度センサ31による検出濃度を所定の閾値と比較する(ステップS12)。
定常状態(正常状態)における選択酸化反応器8から排出された改質ガスに含まれている一酸化炭素の濃度範囲は、エアポンプ27で供給された空気中の酸素の量、燃料容器2から供給された燃料と水の混合液の量、改質器6での転化率(温度に依存)に基づく一酸化炭素の生成量等にしたがって予め設定されており、酸素濃度センサ31において検知された酸素の濃度が、一酸化炭素が長時間接しても燃料電池20の触媒が被毒されない程度の低濃度であれば上記閾値未満となる。
一方、何らかの理由、例えば選択酸化反応器8内での改質ガスの流れの速度が一時的に高くなることによって十分選択酸化が行われないために、長時間接することによって燃料電池20の触媒が被毒される程度の濃度の一酸化炭素が選択酸化反応器8から排出されれば、予め定常状態で十分消費する程度に設定していた酸素が消費されずに残ったことになり、このとき酸素濃度センサ31が検知される酸素の高い濃度が上記閾値以上となる。
In addition, when the
The concentration range of carbon monoxide contained in the reformed gas discharged from the
On the other hand, since the selective oxidation is not sufficiently performed due to a temporary increase in the flow rate of the reformed gas in the
通常は、選択酸化反応器8が定常動作し、選択酸化反応器8からアノード22に送られるガス中の酸素の濃度が低いので、酸素濃度センサ31による検出濃度が所定の閾値に達することはない。酸素濃度センサ31による検出濃度が所定の閾値に達していなければ、コントローラ30が酸素濃度センサ31による検出濃度の監視を継続する(ステップS12:No)。
Normally, the
一方、何かしらの原因により選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に酸化しないと、選択酸化反応器8からアノード22に送られるガス中の酸素の濃度が相対的に高くなる。そして、酸素濃度センサ31による検出濃度が所定の閾値に達したとコントローラ30が判断したら(ステップS12:Yes)、コントローラ30は選択器10によって現在選択されているアウトレットポートを確認する(ステップS13)。選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49でないことをコントローラ30が確認したら(ステップS13:No)、コントローラ30が選択器10を制御し、現在選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44から遠いアウトレットポートに切り替える(ステップS14)。そうすると、選択酸化反応器8の酸化能力が高くなるので、選択酸化反応器8からアノード22に送出されるガス中の酸素の濃度がより低くなる。そして、コントローラ30の処理はステップS12に戻り、コントローラ30が酸素濃度センサ31による検出濃度の監視を継続する。
On the other hand, if carbon monoxide is not sufficiently oxidized in the
以上のように、酸素濃度センサ31による検出濃度が所定の閾値に達するごとに(酸素センサにあっては酸素センサにより酸素が検出されるごとに)、選択器10により選択されるアウトレットポートが次にインレットポート44から遠いものに切り替わる(ステップS12:Yes、ステップS13:No、ステップS14)。また酸素濃度センサ31による検出濃度が所定の閾値に達したときに、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠くて改質ガスの通過する流路43の有効長さを最も長くするアウトレットポート49であることをコントローラ30が確認する(ステップS13:Yes)と、流路43の有効長さをそれ以上長くして選択酸化反応を促進させ酸素濃度をより低下できないためにコントローラ30がポンプ3及びエアポンプ26,27を停止するとともに、ヒータ5,7,9の電力供給を止める(ステップS15)。あわせて、コントローラ30が異常信号を出力する。
As described above, every time the concentration detected by the
本実施形態によれば、アノード22に送られるガス中の酸素の濃度が所定閾値に達するごとに、選択酸化反応器8における流路43の有効長さが長くなる。そのため、一酸化炭素を十分に除去しつつ、水性逆シフト反応による一酸化炭素の生成を抑えることができる。従って、選択酸化反応器8における一酸化炭素の除去を安定して行えられる。
According to the present embodiment, every time the concentration of oxygen in the gas sent to the
〔第3の実施の形態〕
第3の実施形態においては、図7に示すように、アノード22に温度センサが設けられていないが、選択器10のアウトレットポート44〜49に温度センサ34〜39がそれぞれ設けられている。温度センサ34〜39はそれぞれアウトレットポート44〜49を通る生成物の温度を検出し、それを電気信号に変換してコントローラ30に出力する。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, as shown in FIG. 7, no temperature sensor is provided on the
次に、図8を用いて、燃料電池システム1の動作及びコントローラ30の制御動作について説明する。
まず、コントローラ30が選択器10を制御し、選択器10によってインレットポート44に最も近いアウトレットポート45が選択される(ステップS31)。そして、コントローラ30によってヒータ5,7,9に電力が供給され、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8がそれぞれの適温範囲に加熱される。次に、コントローラ30がポンプ3及びエアポンプ25,27を駆動すると、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8及び燃料電池20が作動する。燃料電池20が発電している間、コントローラ30はヒータ5,7,9による検出温度に基づきヒータ5,7,9やポンプ3の出力を制御する。これにより気化器4、改質器6、選択酸化反応器8等が定常状態で動作する。
Next, the operation of the
First, the
また、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8が定常状態で動作している際に、コントローラ30はインレットポート44に設けられた温度センサ34による検出温度と、選択中のアウトレットポートに設けられた温度センサによる検出温度を監視し、これらの検出温度の差が正常範囲内にあるか否か判定する(ステップS32、ステップS33)。即ち、コントローラ30は、これらの検出温度の差を正常範囲を超える上閾値及び下閾値と比較する(ステップS32、S33)。
When the
選択酸化反応器8において触媒に反応物が接触する時間が適切であると、一酸化炭素も十分に酸化されるあたりで選択酸化反応器8から改質ガスが排出されるので、選択酸化反応器8では水性逆シフト反応は問題がある程度に起こらない。このとき、発熱反応である選択酸化反応は比較的一酸化炭素が高濃度であるインレットポート44近傍で反応速度が高くなるため比較的高温となり、一酸化炭素の濃度の低い選択されたアウトレットポート近傍では、反応速度が低くなるため、比較的低温となる。したがって、このように定常状態(正常状態)におけるインレットポート44近傍の温度から、選択されたアウトレットポート近傍の温度を差し引いた正常範囲の温度範囲Aは正の値となる。
また選択酸化反応器8内の流路43において、何らかの理由、例えば選択酸化反応器8内での改質ガスの流れの速度が一時的に低くなることによって一酸化炭素が流路43内に滞留する時間が長くなると、流路43内の触媒に接触する確率が高く或いは触媒に接触する時間が長くなって、一酸化炭素が、選択されたアウトレットポート近傍に達するよりも十分手前で選択酸化されてしまう。このため、その後の流路43では、二酸化炭素の濃度が高くなり、改質ガス中の水素とともに水性逆シフト反応を引き起こしてしまい、改質ガス中の一酸化炭素の比率が再び高くなり、選択されたアウトレットポートから排出された改質ガス中の一酸化炭素の濃度が、長時間接することによって燃料電池20の触媒が被毒される程度の濃度に達してしまうことがある。このような場合、選択されたアウトレットポート近傍では、選択酸化反応の速度が十分低く且つ吸熱反応である水性逆シフト反応が進行するため冷却され相対的に低温になる。したがって、このときのインレットポート44近傍の温度から、選択されたアウトレットポート近傍の温度を差し引いた温度範囲Bは、上記温度範囲Aよりも高くなり、温度範囲Bの下限は上記上閾値となる。
そして選択酸化反応器8内の流路43において、何らかの理由、例えば選択酸化反応器8内での改質ガスの流れの速度が一時的に高くなることによって一酸化炭素が十分に酸化されず、このため長時間接することによって燃料電池20の触媒が被毒される程度の濃度の一酸化炭素が残存してしまうことが考慮される。この場合の選択酸化反応器8では、発熱反応である選択酸化反応が十分起きていないため、選択されたアウトレットポート近傍では、一酸化炭素の濃度が比較的高くなり、換言すれば定常状態よりも反応速度が高くなって相対的に高温となる。このときのインレットポート44近傍の温度から、選択されたアウトレットポート近傍の温度を差し引いた温度範囲Cは、上記温度範囲Aよりも低くなり、温度範囲Cの上限は上記下閾値となる。
つまり、定常状態では、インレットポート44近傍の温度と選択されたアウトレットポート近傍の温度差は正常温度範囲A内に収まり、温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度の差が下閾値より大きく、上閾値未満となるので、コントローラ30が温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度とを検知し、正常温度範囲A内であるかどうか監視を継続する(ステップS32、ステップS33)。
Since the reformed gas is discharged from the
Further, in the
Then, in the
That is, in the steady state, the temperature difference between the temperature near the
何かしらの原因により選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に反応する程度を越えると、選択酸化反応器8において触媒に反応物が接触する時間が長く、水性逆シフト反応によって、二酸化炭素と水素から、長時間接することによって燃料電池20の触媒が被毒される程度の濃度の一酸化炭素が生成する。そのため、インレットポート44近傍の温度と選択されたアウトレットポート近傍の温度の差は正常温度範囲Aの上限値を超える。そうすると、温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度の差が上閾値以上に達する。コントローラ30がその旨を判断したら(ステップS32:Yes)、コントローラ30は選択器10によって現在選択されているアウトレットポートを確認する(ステップS34)。ステップS32でYesであると、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44に最も近いアウトレットポート45でないことをコントローラ30が確認したら(ステップS34:No)、コントローラ30が選択器10を制御し、水性逆シフト反応の生成を抑えるとともに十分な選択酸化反応が起こす程度となるような改質ガスが通過する流路43の有効長さを短くするため、現在選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44に近いアウトレットポートに切り替える(ステップS35)。そうすると、選択酸化反応器8の酸化能力が低くなるので、水性逆シフト反応が起こりにくくなり温度が上がる。そして、コントローラ30の処理はステップS32に戻り、コントローラ30が温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度との監視を継続する(ステップS32、ステップS33)。なお、ステップS32でNoであったら、次のステップS33に移行する。
If the carbon monoxide exceeds the degree of sufficient reaction in the
一方、何かしらの原因により選択酸化反応器8において触媒に改質ガスが接触する時間が短くなり、選択酸化反応器8において一酸化炭素が十分に反応する程度を下回ると、一酸化炭素が十分に選択酸化反応されず、選択されたアウトレットポートから出るガスの一酸化炭素が十分低下できない。そのため、選択されたアウトレットポート近傍では選択酸化反応による発熱量が少ないので、インレットポート44近傍の温度と選択されたアウトレットポート近傍の温度の差は正常温度範囲Aの下限値未満、つまり下閾値以下になる。コントローラ30がその旨を判断したら(ステップS33:Yes)、コントローラ30は選択器10によって現在選択されているアウトレットポートを確認する(ステップS36)。選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49でないことをコントローラ30が確認したら(ステップS36:No)、コントローラ30が選択器10を制御し、より選択酸化反応を引き起こすように改質ガスが通過する流路43の有効長さを長くするため、現在選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44から遠いアウトレットポートに切り替える(ステップS37)。そうすると、選択酸化反応器8の酸化能力が高くなるので、一酸化炭素が十分に反応するようになる。そして、コントローラ30の処理はステップS32に戻り、コントローラ30が温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度との監視を継続する(ステップS32、ステップS33)。
On the other hand, if the time for which the reformed gas contacts the catalyst in the
以上のように、温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度の差が正常範囲外になるごとに、選択器10により選択されるアウトレットポートが切り替わる(ステップS32:Yes、ステップS34:No、ステップS35、ステップS33:Yes、ステップS36:No、ステップS37)。温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度の差が上閾値以上に達すると、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44に最も近いアウトレットポート45であることをコントローラ30が確認し、選択器10により選択されているアウトレットポートが、改質ガスが通過する流路43の有効長さを最も短くするアウトレットポート45である(ステップS34:Yes)と、流路43の有効長さをそれ以上短くして水性逆シフト反応を抑制することができないためにコントローラ30がポンプ3及びエアポンプ26,27を停止するとともに、ヒータ5,7,9の電力供給を止める(ステップS38)。あわせて、コントローラ30が異常信号を出力する。
As described above, every time the difference between the temperature detected by the
温度センサ34による検出温度と選択されたアウトレットポートの温度センサによる検出温度の差が下閾値以下に達すると、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49であることをコントローラ30が確認し、選択器10により選択されているアウトレットポートが、改質ガスの通過する流路43の有効長さを最も長くするアウトレットポート49である(ステップS36:Yes)と、流路43の有効長さをそれ以上長くして選択酸化反応を促進できないためにコントローラ30がポンプ3及びエアポンプ26,27を停止するとともに、ヒータ5,7,9の電力供給を止める(ステップS38)。あわせて、コントローラ30が異常信号を出力する。
When the difference between the temperature detected by the
本実施形態によれば、インレットポート44の温度と選択中のアウトレットポートの温度の差に応じて、アウトレットポート45〜99のうち選択するポートが設定されるから、一酸化炭素を十分に除去しつつ、水性逆シフト反応による一酸化炭素の生成を抑えることができる。従って、選択酸化反応器8における一酸化炭素の除去を安定して行えられる。
According to this embodiment, since the port to be selected from the
〔第4の実施の形態〕
第4の実施形態においては、図9に示すように、アノード22に温度センサが設けられていないが、選択器10からアノード22までの経路の途中に一酸化炭素濃度センサ32が設けられている。この一酸化炭素濃度センサ32は、アノード22に送られるガス中の一酸化炭素濃度を検出し、それを電気信号に変換してコントローラ30に出力する。一酸化炭素濃度センサ32には、例えば、選択酸化反応器8と燃料電池20との間に、被毒しやすい低性能の燃料電池を設けて選択酸化反応器8が発生する改質ガス中の一酸化炭素濃度を検知するセンサとして用いることもできる。
[Fourth Embodiment]
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, the temperature sensor is not provided in the
次に、図10を用いて、燃料電池システム1の動作及びコントローラ30の制御動作について説明する。
まず、コントローラ30が選択器10を制御し、選択器10によってインレットポート44に最も近いアウトレットポート45が選択される(ステップS41)。そして、コントローラ30によってヒータ5,7,9に電力が供給され、気化器4、改質器6及び選択酸化反応器8がそれぞれの適温範囲に加熱される。次に、コントローラ30がポンプ3及びエアポンプ25,27を駆動すると、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8及び燃料電池20が作動する。燃料電池20が発電している間、コントローラ30はヒータ5,7,9による検出温度に基づきヒータ5,7,9やポンプ3の出力を制御する。これにより気化器4、改質器6、選択酸化反応器8等が定常状態で動作する。
Next, the operation of the
First, the
また、気化器4、改質器6、選択酸化反応器8が定常状態で動作している際に、コントローラ30は一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度を監視し、その検出濃度が許容値(所定の閾値)を超えたか否かを判定する(ステップS42)。
In addition, when the
選択酸化反応器8において触媒に反応物が接触する時間が適切であると、水性逆シフト反応が起こらず、一酸化炭素も十分に酸化される。そのため、選択酸化反応器8から排出されるガス中の一酸化炭素濃度が非常に低い。従って、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値以下となるので、コントローラ30が一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度を引き続き監視する(ステップS42:No、ステップS42)。
If the time for which the reactants contact the catalyst in the
何かしらの原因により選択酸化反応器8に定常状態のバランスが崩れると、選択酸化反応器8からアノード22に送られるガス中の一酸化炭素濃度が許容値を超える。そうすると、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が所定の許容値を超える。コントローラ30がその旨を判断したら(ステップS42:Yes)、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値以下となるまで(ステップS45:No、ステップS48:No)、コントローラ30は選択器10により選択されるアウトレットポートを順次切り替える(ステップS44、ステップS46)。
If the steady state balance is lost in the
具体的には、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値を超えたら(ステップS42:Yes)、コントローラ30は選択器10によって現在選択されているアウトレットポートを確認する(ステップS43)。選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49であることを確認したら(ステップS43:Yes)、選択酸化反応器8の流路が長すぎて水性逆シフト反応が著しく進み一酸化炭素の濃度が増大したとみなし、コントローラ30の処理がステップS46に移行し、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49でないことをコントローラ30が確認したら(ステップS43:No)、選択酸化反応器8の流路が短すぎて選択酸化反応が著しく進行せず一酸化炭素の濃度が減小しないとみなし、コントローラ30の処理がステップS44に移行する。ステップS44では、コントローラ30が選択器10を制御し、現在選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44から遠いアウトレットポートに切り替える(ステップS44)。そして、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値を超えたままであったら(ステップS45:Yes)、コントローラ30の処理がステップS43に戻り、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値以下になったら(ステップS45:No)、コントローラ30の処理がステップS42に戻る。一方、ステップS46では、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44から最も遠いアウトレットポート49であることを確認したら(ステップS43:Yes)、コントローラ30が選択器10を制御し、現在選択中のアウトレットポートの次にインレットポート44から近いアウトレットポートに切り替える(ステップS46)。そして、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値を超えたままであったら(ステップS48:Yes)、コントローラ30の処理がステップS46に戻り、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値以下になったら(ステップS48:No)、コントローラ30の処理がステップS42に戻る。ステップS46〜S48が繰り返されている際に、選択器10によって選択されているアウトレットポートがインレットポート44に最も近いアウトレットポート45であることを確認した場合(ステップS47:Yes)、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値を超えていれば(ステップS49:Yes)、コントローラ30がポンプ3及びエアポンプ26,27を停止するとともに、ヒータ5,7,9の電力供給を止める(ステップS50)。あわせて、コントローラ30が異常信号を出力する。一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値を超えていなければ(ステップS49:No)、選択酸化反応器8から排出された改質ガスに含まれている一酸化炭素が燃料電池20を被毒する恐れがなくなったと判断し、定常状態に戻ったとみなす程度の所定時間後にステップS42に戻る。
なお、図10では、改質ガスの流速が速すぎて最も流路43の長いルートになるアウトレットポート49に切り替えて排出してもなお、一酸化炭素の選択酸化が不十分で一酸化炭素の濃度が高すぎた場合(S42:Yes、S43:Yes)、一旦、現在選択中のアウトレットポート49の次にインレットポート44から近いアウトレットポート48に切り替える(ステップS46)が、順次インレットポート44から近いアウトレットポートに切替え(ステップS46、S47:No、S48:No)、最終的に最も流路43の短いルートになるアウトレットポート45に切り替えて、一酸化炭素濃度センサ32による検出濃度が許容値を超えていないことになるので(ステップS49:Yes)、結局、コントローラ30がポンプ3及びエアポンプ26,27を停止するとともに、ヒータ5,7,9の電力供給を止めることになる(ステップS50)ので、一酸化炭素によって燃料電池20の触媒が著しく被毒されることはない。
Specifically, when the concentration detected by the carbon
In FIG. 10, even if the flow rate of the reformed gas is too high and the exhaust gas is switched to the
本実施形態によれば、アノード22に送られる一酸化炭素濃度に応じて、アウトレットポート45〜99のうち選択するポートが設定されるから、一酸化炭素を十分に除去しつつ、水性逆シフト反応による一酸化炭素の生成を抑えることができる。従って、選択酸化反応器8における一酸化炭素の除去を安定して行えられる。
According to the present embodiment, the port to be selected from the
1 燃料電池システム
6 改質器
8 選択酸化反応器
10 選択器
20 燃料電池
21 電解質膜
22 アノード
23 カソード
24 温度センサ
30 コントローラ
31 酸素濃度センサ
32 一酸化炭素濃度センサ
34〜39 温度センサ
43 流路
44 インレットポート
45 アウトレットポート
50 触媒
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記改質器による生成物を取り込むインレットポートと、このインレットポートに通じた流路と、その流路に設けられた触媒と、前記インレットポートまでの距離の異なる位置で前記流路に通じる複数のアウトレットポートとを有する選択酸化反応器と、
アノード、カソード及びこれらの間に設けられた電解質膜を有する燃料電池と、
前記複数のアウトレットポートの何れかを選択して前記アノードに通じさせる選択器と、
前記選択器を制御するコントローラと、
前記アノードの温度を検出する温度検出器と、
を備え
前記コントローラが前記温度検出器による検出温度に基づき前記選択器を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A reformer that reforms fuel and water into hydrogen;
An inlet port for taking in a product from the reformer, a flow path leading to the inlet port, a catalyst provided in the flow path, and a plurality of paths leading to the flow path at different positions to the inlet port A selective oxidation reactor having an outlet port;
A fuel cell having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane provided therebetween;
A selector that selects any of the plurality of outlet ports and communicates with the anode;
A controller for controlling the selector;
A temperature detector for detecting the temperature of the anode;
With
Fuel cell system the controller is characterized that you control the selector based on the temperature detected by the temperature detector.
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