JP3564742B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、燃料電池を発電する装置に関し、特に、燃料電池本体の触媒の一酸化炭素被毒を防止する燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素の反応ガス（燃料ガス）を接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。
【０００３】
この燃料電池に供給する燃料ガスは、一般に改質器により生成される。改質器により行なわれるメタノールの水蒸気改質は、次のような化学反応により成り立っている。
【０００４】
ＣＨ３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ２−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ （吸熱反応）…（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ （発熱反応）…（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２−１１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ（吸熱反応）…（３）
【０００５】
式（１）の反応で生ずる一酸化炭素（ＣＯ）は、燃料極側の電極触媒である白金または白金を含む合金に吸着して、白金の触媒としての機能を停止させる、いわゆる触媒の被毒状態を発生させる。このため、この種の燃料電池の発電装置では、改質器からのガス中の一酸化炭素を許容できる構成とする必要があり、これが大きな課題となっている。
【０００６】
この課題を解決する燃料電池発電装置として、燃料電池の燃料ガス供給通路の入口付近に一酸化炭素の濃度を検出するセンサを設けて、そのセンサにより検出した一酸化炭素濃度が高いときに、燃料電池本体の温度を上げるように構成したものが提案されている（特開昭６３−２３２２７２号公報）。温度が高い程、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度が高くなることから、センサにより一酸化炭素濃度が高いと検出されたときには、燃料電池本体の温度を上げて、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度を高めて被毒対策を図る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の装置では、前記センサの検出値の増大と触媒の被毒状態の発生時期とが必ずしも同じタイミングで立ち上がる訳ではないことから、充分な被毒対策を図ることができなかった。
【０００８】
前記センサの検出値の増大と被毒状態の発生時期とがタイミング的にずれるのは次のような理由である。一般に、電極に対向して設けられたガス溝中の燃料ガスは、電極での反応に伴い、燃料ガス中の水素が消費されるために、ガス溝の出口付近ほど相対的に一酸化炭素濃度（水素ガスに対する一酸化炭素の比率と捕らえる）が上昇する。このため、ガス溝の入口付近の一酸化炭素濃度を検出しても、実際に被毒の影響を与える電極表面全般にわたる一酸化炭素濃度の増大を検出できるものではないことから、触媒が被毒状態になるか否かを前記センサの検出値から高精度で判断することができない。例えば、前記センサで一酸化炭素濃度が高いと検出されたときには、センサが設けられた入口部分から離れた出口側では既に以前から一酸化炭素濃度が高くなっている恐れがあり、その検出時には既に触媒が被毒状態に陥り、被毒対策に遅れが生じることもあった。
【０００９】
また、前記センサ自身の性能が低いことも問題である。一酸化炭素濃度センサは一般的に定電位電解式のものが用いられるが、これは、その測定原理の都合上、水素の影響を受けるために、燃料ガスのように水素に対する一酸化炭素の比率が少ない場合、その一酸化炭素の濃度を高精度に測定することが難しい。このため、センサの検出値そのものに誤差を含み、このセンサの検出値からでは触媒の被毒状態の発生を正確に把握することができなかった。特に、低濃度の一酸化炭素でも触媒被毒を受け易い固体高分子型の燃料電池だとその影響は大であった。この結果、触媒の被毒状態の検出が遅れ、被毒対策に遅れが生じることがあった。
【００１０】
この発明の燃料電池発電装置は、こうした問題に鑑みてなされたもので、燃料電池の触媒の被毒を、遅れが生じることなしに、しかも確実に解消可能とすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成すべく、前記課題を解決するための手段として、以下に示す構成をとった。
【００１２】
即ち、本発明の請求項１の燃料電池発電装置は、
触媒を担持した電極の面方向に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池発電装置であって、
前記電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差を検出する反応状態差検出手段と、
該検出された反応状態の差に基づいて前記触媒の被毒状態を推定する推定手段と、
該推定された触媒の被毒状態に応じて被毒対策を実行する被毒対策手段と
を備えたことを、要旨としている。
【００１３】
前記構成の燃料電池発電装置において、
さらに、
前記電極での前記反応ガスの利用の程度を算出するガス利用度算出手段
を備えるとともに、
前記推定手段は、
前記ガス利用度算出手段により算出された反応ガスの利用の程度が反応ガスの不足を示すものであるとき、前記被毒状態の推定を禁止する禁止手段
を備えた構成としてもよい（請求項２）。
【００１４】
前記反応状態差検出手段は、前記電極の反応ガスの流入側と流出側との温度差を検出する温度差検出手段を備えた構成としてもよいし（請求項３）、あるいは、前記電極の反応ガスの流入側と流出側との電気的な出力の差を検出する電気出力差検出手段を備えた構成としてもよい（請求項４）。
【００１５】
また、前記被毒対策手段は、前記電極の面方向における反応ガス流れ方向を被毒状態の大から小の方向となるように制御するガス流れ制御手段を備えた構成としてもよい（請求項５）。この構成において、前記被毒対策手段は、さらに、前記電極と対になる他方の電極に供給する酸化ガスの流れ方向を、前記反応ガスの流れ方向と一致させる酸化ガス流れ方向制御手段を備えた構成としてもよい（請求項６）。
【００１６】
さらに、こうした構成の燃料電池発電装置において、
前記電極の面方向に沿って設けられ、前記反応ガスの流れ方向と平行または対向する方向に切り換え可能に冷却媒体を流す冷却通路を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、
前記冷却通路中の冷却媒体の流れ方向を被毒状態が小から大の方向となるように制御する冷却媒体流れ方向制御手段
を備えた構成としてもよい（請求項７）。
【００１７】
この構成の燃料電池発電装置において、
前記冷却通路に供給する冷却媒体の温度を可変する温度制御手段と、
前記冷却通路への冷却媒体の流量を可変する流量制御手段と
を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、さらに、
前記温度制御手段および流量制御手段を動作させ、前記冷却媒体の温度を低下しつつ流量を低下することにより、前記冷却媒体の吸収可能な熱量を一定に保つように制御する冷却熱量制御手段
を備えた構成としてもよい（請求項８）。
【００１８】
請求項１ないし４のいずれか記載の構成において、
さらに、
原燃料を改質して前記反応ガスを生成する改質手段
を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、
前記推定手段により推定された前記触媒の被毒状態に応じて強制的に前記反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させる改質抑制手段
を備えた構成としてもよい（請求項９）。
【００１９】
この構成において、前記被毒対策手段は、さらに、
前記電極の面方向での反応ガスの流れ方向を反転するガス流れ方向反転手段と、
前記推定手段により推定される触媒の被毒状態の程度に応じて、前記ガス流れ方向反転手段と前記改質抑制手段とを選択的に実行させる選択実行手段と
を備えた構成としてもよい（請求項１０）。
【００２０】
【作用】
請求項１記載の燃料電池発電装置によれば、電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける化学反応の反応状態の差を、反応状態差検出手段により検出し、その検出された反応状態の差に基づいて、推定手段により触媒の被毒状態が推定される。前記反応状態の差は、触媒の被毒状態の発生と充分な対応があることから、推定手段による推定は高精度に行なうことが可能である。そして、推定手段により推定された触媒の被毒状態に応じて、被毒対策手段により被毒対策が実行される。従って、被毒対策を遅れなしに正確に行なうことが可能である。
【００２１】
請求項２記載の燃料電池発電装置によれば、ガス利用度算出手段により算出された反応ガスの利用の程度が反応ガスの不足を示すものであるとき、禁止手段により、推定手段による被毒状態の推定を禁止する。一般に、電極における化学反応の反応状態の差は触媒の被毒状態に応じて変化するが、これは、電極の面方向に充分に反応ガスが供給されている場合であり、急負荷が掛かり反応ガスに不足が生じるような場合には、触媒が被毒状態になくても前記反応状態が悪化する。このため、反応ガスに不足が生じるような場合には、触媒の被毒状態を誤って推定してしまう。この燃料電池発電装置のように反応ガスの不足がみられたときに、被毒状態の推定を禁止することにより、反応ガスの不足時における誤った推定をとり止めることが可能となる。
【００２２】
請求項３記載の燃料電池発電装置において、温度差検出手段により検出される、電極の反応ガスの流入側と流出側との温度差は、電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差によるものであることから、前記温度差を検出することで前記推定手段による前記触媒の被毒状態の推定が可能となる。
【００２３】
請求項４記載の燃料電池発電装置において、電気出力差検出手段により検出される、電極の反応ガスの流入側と流出側との電気的な出力の差は、電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差によるものであることから、前記電気的な出力の差を検出することで前記推定手段による前記触媒の被毒状態の推定が可能となる。
【００２４】
請求項５記載の燃料電池発電装置によれば、推定手段により推定された触媒の被毒状態に応じて、電極の面方向における反応ガス流れ方向が、ガス流れ制御手段により被毒状態の大から小の方向となるように制御される。このため、反応ガスの流出側が流入側と比べてより被毒している場合に、その部位を反応ガスの流れにおいて流入側となるように切り換えて、被毒状態を小とすることができる。従って、それ以上の被毒を防止することが可能となり、それとともに、その被毒が解消され易くなる。
【００２５】
請求項６記載の燃料電池発電装置について説明する。他方の電極に供給する酸化ガスは、そのガス入口ほど酸素濃度が高く、ガス出口に近づくほど酸素濃度が低くなる。このことは、酸化ガスのガス入口ほど電気化学反応を進行させるのに有利であることを意味する。請求項６記載の燃料電池発電装置によれば、反応ガスの流れ方向の反転に同期して、酸化ガスの流れ方向も同一方向に切り替えられることから、被毒の始まった部分を酸素濃度が高い酸化ガスにさらすことができる。このため、触媒被毒の始まった方から速やかに触媒被毒が解消される。
【００２６】
請求項７記載の燃料電池発電装置について説明する。冷却通路を流れる冷却媒体は、冷却通路の入口付近ほど低い温度で、燃料電池の電極反応の発熱を奪う形で温度は上昇し、冷却通路の出口付近で最も高い温度となる。請求項７記載の燃料電池発電装置によれば、冷却通路中の冷却媒体の流れ方向が被毒状態が小から大の方向となるように制御されることから、被毒状態が大きい部分に高い温度の冷却媒体を近づけることができる。このため、温度が高い程、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度が高くなることから、被毒対策を図ることが可能となる。
【００２７】
請求項８記載の燃料電池発電装置によれば、冷却熱量制御手段により、温度制御手段および流量制御手段を動作させ、前記冷却媒体の温度を低下しつつ流量を低下することにより、冷却媒体の吸収可能な熱量を一定に保つように制御する。このため、冷却通路の入口側の冷却媒体の温度と出口側の冷却媒体の温度との温度差が大きくなる。従って、燃料電池本体の電極の温度の上昇した領域に、より低い温度の冷却媒体が、また電極の温度の低下した領域に、より高い温度の冷却媒体が流れることになる。これにより、燃料電池本体の電極面内の温度差をより積極的に解消することができ、触媒で被毒した電極をより短時間で正常な状態に戻すことが可能になる。また、冷却通路による冷却熱量を一定に保っていることから、負荷に対する出力変動を最小限に食い止め、安定的な電気エネルギの供給が可能になる。
【００２８】
請求項９記載の燃料電池発電装置によれば、推定手段により推定された触媒の被毒状態に応じて改質抑制手段により、例えばＣＯ酸化反応器に供給する空気量を増加させる等して、強制的に反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させる。このため、反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させることができ、被毒の程度の小さいわずかな被毒であれば、その被毒の解消または進行を抑制することが可能となる。
【００２９】
請求項１０記載の燃料電池発電装置によれば、ガス流れ方向反転手段による反応ガスの流れの反転と、改質抑制手段による反応ガスの改質の効率の低下とが、選択実行手段により選択的に実行される。このため、被毒の程度が小さい場合には、改質抑制手段による被毒対策ができ、被毒の程度が大きい場合には、ガス流れ方向反転手段による被毒対策が可能となる。
【００３０】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池発電システム１の概略構成図である。図１に示すように、この燃料電池発電システム１は、電気を発生する固体高分子型の燃料電池本体１０と、メタノールタンク１２に貯留されたメタノールと水タンク１４に貯留された水とから水素リッチガスを製造する改質器１６と、改質器１６で製造された水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池本体１０に送る燃料ガス供給通路１８と、燃料電池本体１０から排出されたガスを外部に送るガス排出通路２０を備える。さらに、この燃料電池発電システム１は、マイクロコンピュータを有する電気的な制御系２２を備える。
【００３２】
燃料電池本体１０の構成について次に説明する。燃料電池本体１０は、前述したように固体高分子型の燃料電池であり、そのセル構造として、図２の構造図および図３の分解斜視図に示す構造を備える。即ち、図２および図３に示すように、燃料電池本体１０は、電解質膜３１と、この電解質膜３１を両側から挟んで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３２およびカソード３３と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３２およびカソード３３とで燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成するセパレータ３４，３５と、セパレータ３４，３５の外側に配置されアノード３２およびカソード３３の集電極となる集電板３６，３７とにより構成されている。
【００３３】
電解質膜３１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３２およびカソード３３は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、この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クロスの隙間に練り込まれている。
【００３４】
セパレータ３４，３５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３２側のセパレータ３４には、複数のリブが形成されており、このリブとアノード３２の表面とで燃料ガスの流路溝３４ｐを形成する。一方、カソード３３側のセパレータ３５にも、複数のリブが形成されており、このリブとカソード３３の表面とで酸化ガスの流路溝３５ｐを形成する。集電板３６は、銅（Ｃｕ）により形成されている。
【００３５】
以上説明したのが燃料電池本体１０の単一セルの構成であるが、実際には、セパレータ３４，アノード３２，電解質膜３１，カソード３３，セパレータ３５をこの順に複数組積層して、その外側に集電板３６，３７を配置することにより、燃料電池本体１０は構成されている。
【００３６】
図１に戻り、燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０について次に説明する。両通路１８，２０はまとめて次のような管路から構成される。即ち、両通路１８，２０は、改質器１６に連結された一本の管路４０と、その管路４０を２本に分岐する第１および第２の分岐路４１，４２と、両分岐路４１，４２を一つに集める集合路４３と、第１の分岐路４１の途中から分岐して、燃料電池本体１０の一方側の燃料ガス給排口（第１の燃料ガス給排口）１０ａに接続される第１の接続路４４と、第２の分岐路４２の途中から分岐して、燃料電池本体１０の他方側の燃料ガス給排口（第２の燃料ガス給排口）１０ｂに接続される第２の接続路４５とから構成される。なお、第１の燃料ガス給排口１０ａは、図示しないマニホールドに接続されており、このマニホールドを介して燃料電池本体１０の燃料ガス側の複数の流路溝３４ｐに分岐接続されている。また、同様に、第２の燃料ガス給排口１０ｂは、図示しない他のマニホールドに接続されており、このマニホールドを介して燃料電池本体１０の複数の流路溝３４ｐに分岐接続されている。
【００３７】
第１分岐路４１における分岐点４４ａより上流側（改質器１６側）には、第１の電磁式の開閉バルブ（以下、電磁バルブと呼ぶ）５１が設けられ、その分岐点４４ａより下流側には、第２の電磁バルブ５２が設けられている。一方、第２分岐路４２上における分岐点４５ａより上流側（改質器１６側）には、第３の電磁バルブ５３が設けられ、その分岐点４５ａより下流側には、第４の電磁バルブ５４が設けられている。
【００３８】
こうした構成の燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０によれば、図４の（ａ）に示すように、第１電磁バルブ５１と第４電磁バルブ５４とをそれぞれ開状態とし、第２電磁バルブ５２と第３電磁バルブ５３とをそれぞれ閉状態とすることで、改質器１６から供給された燃料ガスは、図中、１点鎖線に示すように、管路４０から第１分岐路４１の第１電磁バルブ５１を通り、分岐点４４ａを経て第１の燃料ガス給排口１０ａに導かれる。燃料電池本体１０へ導入された燃料ガスは、図中、上から下へ進みつつ、アノード３２での電気化学反応により消費される。一般には、計算上求められる必要水素量より多くの水素を流すので、反応で消費されなかった水素と、水素リッチガスに含まれながら電気化学反応には関係しない二酸化炭素とがあわせて残ガスとして、燃料電池本体１０の第２の燃料ガス給排口１０ｂから排出される。残ガスは分岐点４５ａをへて第４の電磁バルブ５４を通り、集合路４３から外部に排出される。このときの燃料ガスの流れ方向を順方向と呼ぶことにし、燃料電池本体１０の初期運転時には、この状態に保たれる。
【００３９】
一方、図４の（ｂ）に示すように、第２電磁バルブ５２と第３電磁バルブ５３とをそれぞれ開状態とし、第１電磁バルブ５１と第４電磁バルブ５４とをそれぞれ閉状態とすることで、改質器１６から供給された燃料ガスは、図中、１点鎖線に示すように、管路４０から第２分岐路４２の第３電磁バルブ５３を通り、分岐点４５ａを経て第２の燃料ガス給排口１０ｂに導かれる。燃料電池本体１０へ導入された燃料ガスは、図１中、下から上へ進みつつ、電極での電気化学反応により消費され、その残ガスは燃料電池本体１０の第１の燃料ガス給排口１０ａから排出される。残ガスは分岐点４４ａをへて第２の電磁バルブ５２を通り、集合路４３から外部に排出される。このときの燃料ガスの流れ方向を逆方向と呼ぶことにする。
【００４０】
図１に戻り、制御系２２について次に説明する。制御系２２は、燃料電池本体１０の状態を検出するセンサとして、流路溝３４ｐに設けられ、アノード３２の電極面の温度を検出する第１および第２の温度センサ６１，６３と、両温度センサ６１，６３に接続される電子制御ユニット７０とを備える。第１および第２の温度センサ６１，６３は、熱電対式のもので、複数ある流路溝３４ｐの内の所定の１本の両端にそれぞれ配設されている。なお、第１の温度センサ６１が設けられるのが図１中、上部側にあたり、第２の温度センサ６３が設けられるのが図１中、下部側にあたる。
【００４１】
電子制御ユニット７０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ＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２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ＲＯＭ７４、同じくＣＰＵ７２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ＲＡＭ７６、温度センサ６１，６３からの出力信号を入力する入力処理回路７８、ＣＰＵ７２での演算結果に応じて第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４に開閉信号を出力する出力処理回路７９等を備える。
【００４２】
こうした構成の電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２によって、第１および第２の温度センサ６１，６３からの出力信号から、第１および第２の温度センサ６１，６３が設けられている流路溝３４ｐの両端付近の温度差が求められ、この温度差に応じて第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４が開閉制御され、燃料電池本体１０の燃料ガス側の流路溝３４ｐへ供給される燃料ガスの流れ方向が切り換えられる。
【００４３】
この燃料ガスの流れ方向を切り換える燃料ガス制御処理ルーチンについて、図５のフローチャートに沿って詳しく次に説明する。この燃料ガス制御処理ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、第１の温度センサ６１で検出された第１の電極温度Ｔ１と第２の温度センサ６３で検出された第２の電極温度Ｔ２とをそれぞれ読み込む処理を行なう（ステップＳ１１０）。次いで、第１の電極温度Ｔ１から第２の電極温度Ｔ２を差し引いた温度差ＴＳを求め（ステップＳ１２０）、この温度差ＴＳが予め定められた所定の温度差ＴＡ（＞０）より大きいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ１３０）。
【００４４】
ステップＳ１３０で肯定判別、即ち、温度差ＴＳが所定温度差ＴＡより大きいと判別されると、ＣＰＵ７２は次の処理を行なう。第１の電磁バルブ５１と第４の電磁バルブ５４とにバルブを閉状態に制御する制御信号を送り、第２の電磁バルブ５２と第３の電磁バルブ５３とにバルブを開状態に制御する制御信号を送ることにより、前者の一群の電磁バルブ５１，５４を閉状態に、後者の一群の電磁バルブ５２，５３を開状態に制御する（ステップＳ１４０）。この結果、図４の（ｂ）に示すように、燃料ガスは、燃料電池本体１０中を逆方向に進む。
【００４５】
ステップＳ１３０で肯定判別される状態とは、第１の温度センサ６１で検出された第１の電極温度Ｔ１が、第２の温度センサ６３で検出された第２の電極温度Ｔ２より所定温度ＴＡ以上大きい状態であり、この温度差が生じるのは次のような理由による。これは、アノード３２の電極表面が受ける被毒の程度が、電極表面の位置により異なることに起因する。被毒の程度の高い部分ほど電気出力が低下して、被毒の程度が低い部分に電流が集中することから、被毒の程度の高い部分ほど温度が低下し、被毒の程度が高い部分ほど温度が上昇する。
【００４６】
燃料ガスの流路溝３４ｐにおいては、発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、出口側に進むにつれて一酸化炭素濃度が高くなることから、出口側ほど電極表面の被毒の程度は高くなり、出口側ほど温度が低下する。即ち、図４の（ａ）に示すように、燃料ガスが順方向に流れているときには、第１の燃料ガス給排口１０ａ側に設けられた第１の温度センサ６１で検出される第１の電極温度Ｔ１が高くなり、第２の燃料ガス給排口１０ｂ側に設けられた第２の温度センサ６３で検出される第２の電極温度Ｔ２が低くなり、ステップＳ１３０で肯定判別されることになる。
【００４７】
こうした状況下で、ステップＳ１４０の処理が実行されると、図４の（ｂ）に示すように、燃料ガスは第２の燃料ガス給排口１０ｂ側から第１の燃料ガス給排口１０ａ側に向かう逆方向に進むことになる。このようにガスの流れが逆転するので、これまで、一酸化炭素により被毒を受けていた第２の燃料ガス給排口１０ｂの付近には、相対的に一酸化炭素濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。白金触媒の一酸化炭素による被毒は、一酸化炭素の濃度に強く依存するので、一酸化炭素の濃度が低くなれば、被毒が解消される方向になり、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近の電気化学反応が活発になり、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近の温度が上昇し、正常な温度に戻ることになる。また、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近での電流集中も解消されるので、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近の温度が低下し、正常な温度に戻ることになる。即ち、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近に設置された第２の温度センサ６３により検知される第２の電極温度Ｔ２と、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近に設置された第１の温度センサ６１により検知される第１の電極温度Ｔ１との温度差ＴＳはしだいに解消される。
【００４８】
なお、温度差ＴＳが何℃で触媒被毒が発生したと判断するか、即ち、ステップＳ１３０で用いる所定温度差ＴＡが何℃になるかは、個々の燃料電池本体１０により異なる。たとえ触媒被毒が発生しない、まったく正常な運転状態でも、次のような条件下では温度差ＴＳが発生しやすい。燃料電池本体１０の電極面積が大きい場合、燃料電池本体１０の冷却水の入口温度と、燃料電池本体１０の運転温度との間の温度差が大きい場合等である。一般には、燃料電池本体１０に一酸化炭素をまったく含まないガスを流し、そのときの第１および第２の電極温度Ｔ１，Ｔ２を検知し、次に、濃度のわかっている一酸化炭素を含んだ燃料ガスを流し、その時のＴ１，Ｔ２を検知し、各々の場合におけるＴ１，Ｔ２の温度差のデータをとり、正常時に対して温度差が何℃増えたら触媒被毒したと決めればよい。本実施例では、正常時のＴ１とＴ２の温度差ＴＳに対して３〜５［℃］程度温度差が大きくなれば、触媒被毒が発生したとする。
【００４９】
図５のフローチャートに説明を戻す。ステップＳ１３０で否定判別、即ち、温度差ＴＳが所定温度差ＴＡより大きいと判別されると、ステップＳ１５０に進み、その温度差ＴＳが前記所定温度差ＴＡの正負を反転した−ＴＡより小さいか否かを判別する。この判別は、第１の電極温度Ｔ１から第２の電極温度Ｔ２を引いた温度差ＴＳの正負反転値である第２の電極温度Ｔ２から第１の電極温度Ｔ１を引いた温度差−ＴＳが、所定温度差ＴＡより大きいか否かを判別するものと同じである。
【００５０】
ステップＳ１５０で肯定判別、即ち、第２の電極温度Ｔ２から第１の電極温度Ｔ１を差し引いた値が所定温度差ＴＡより大きいと判別されると、次の処理を行なう。第１の電磁バルブ５１と第４の電磁バルブ５４とにバルブを開状態に制御する制御信号を送り、第２の電磁バルブ５２と第３の電磁バルブ５３とにバルブを閉状態に制御する制御信号を送ることにより、前者の一群の電磁バルブ５１，５４を開状態に、後者の一群の電磁バルブ５２，５３を閉状態に制御する（ステップＳ１６０）。この結果、図４の（ａ）に示すように、燃料ガスは燃料電池本体１０を順方向に進む。
【００５１】
ステップＳ１５０で肯定判別される状態とは、第２の温度センサ６３で検出された第２の電極温度Ｔ２が、第１の温度センサ６１で検出された第１の電極温度Ｔ１より所定温度ＴＡ以上大きい状態であり、これは、次のような状況下で起こりうる。即ち、ステップＳ１３０およびＳ１４０で、第１の電極温度Ｔ１が第２の電極温度Ｔ２より所定温度差ＴＡ以上大きい状態で、燃料ガスの流れ方向が切り換えられた後、触媒被毒が解消し、燃料電池本体１０が正常な運転を続け、この状態で、再び触媒被毒が発生した場合に起こる。図４の（ｂ）に示すように燃料ガスが逆方向に流れているときには、第１の燃料ガス給排口１０ａ側に近いほど一酸化炭素濃度が高くなり触媒被毒が発生し易いことから、第１の燃料ガス給排口１０ａ側に設けられた第１の温度センサ６１で検出される第１の電極温度Ｔ１が、第２の燃料ガス給排口１０ｂ側に設けられた第２の温度センサ６３で検出される第２の電極温度Ｔ２より低くなる。この結果、ステップＳ１５０で肯定判別されることになる。
【００５２】
こうした状況下で、ステップＳ１６０の処理が実行されると、図４の（ａ）に示すように、燃料ガスは第１の燃料ガス給排口１０ａ側から第２の燃料ガス給排口１０ｂ側に向かう方向に流れが切り換えられる。このようにガスの流れが逆方向から順方向に逆転するので、これまで、一酸化炭素により被毒を受けていた第１の燃料ガス給排口１０ａの付近には、相対的に一酸化炭素濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。この結果、被毒が解消される方向になり、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近の電気化学反応が活発になり、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近の温度が上昇し、正常な温度に戻ることになる。また、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近での電流集中も解消されるので、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近の温度が低下し、正常な温度に戻ることになる。即ち、第１の電極温度Ｔ１と第２の電極温度Ｔ２との温度差ＴＳはしだいに解消される。
【００５３】
ステップＳ１４０またはＳ１６０の処理により、温度差ＴＳの解消がなされると、続いて、所定の時間だけ遅延する処理を行なう（ステップＳ１７０）。ここで、所定の時間とは、ステップＳ１４０またはＳ１６０の実行により温度差ＴＳが完全に解消するに充分な時間である。なお、この遅延時間は、個々の燃料電池本体１０の構造、例えば、対象となる燃料電池本体の配管の長さ、配管径、開閉バルブの取付け位置、ガス流速、ガス圧力等により異なる。そのため、予め対象となる燃料電池毎の被毒解消に必要な時間を測定しておくことが必要となり、その上で遅延時間はその被毒解消時間の１．２〜１．５倍程度に設定することが望ましい。ステップＳ１７０の実行後、「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。一方、ステップＳ１５０で否定判定されたときにも、そのまま「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。
【００５４】
以上詳述したこの第１実施例の燃料電池発電システム１では、第１および第２の温度センサ６１，６３により燃料ガスの流路溝３４ｐの両端の温度が検出され、アノード３２の触媒に被毒状態に陥った部分があるか否かが両者の温度差ＴＳから判定される。アノード３２の電極表面上の温度差は、触媒の被毒状態の発生と密接な対応関係があることから、触媒の被毒状態を高精度に判定することができるといった効果を奏する。
【００５５】
また、この燃料電池発電システム１では、触媒の被毒状態があることが判定されると、第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４を開閉制御することにより、アノード３２に沿って設けられた燃料ガスの流路溝３４ｐにおける燃料ガスの流れ方向が反転される。このため、流路溝３４における電極表面上においてより被毒している反応ガスの流出側が、反応ガスの流入側に切り換えられ、この結果、被毒していた部分を一酸化炭素濃度が相対的に低い反応ガスにさらすことができる。従って、それ以上の被毒を防止することができ、それとともに、その被毒が解消され易くなると言った効果を奏する。両効果から、燃料電池本体１０の触媒の被毒を、遅れが生じることなしに、しかも確実に解消することができるといった効果を招来する。
【００５６】
前記第１実施例において、第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４の配設位置は、実際は次のようになっている。第１電磁バルブ５１および第２電磁バルブ５２は、分岐点４４ａに出来る限り近い位置に、第３電磁バルブ５３および第４電磁バルブ５４は、分岐点４５ａに出来る限り近い位置にそれぞれ配設されている。これは、分岐点４４ａ，４５ａと各電磁バルブ５１〜５４との間に残留するガスが出来る限り少ない方が、ガスの流れを反転させる際に、燃料電池本体１０に流れ込む残留ガスが少なくて済むためであり、こうして、残留ガスの影響を出来る限り少なくすることができる。
【００５７】
なお、前記第１実施例においては、前述したように４つの電磁バルブ５１〜５４を設けていたが、さらに第５ないし第８の４つの電磁バルブを設けるように構成してもよい。即ち、図６に示すように、第１分岐路４１上の管路４０に近い側と集合路４３に近い側とに第５電磁バルブ５５および第６電磁バルブ５６を設け、第２分岐路４２上の管路４０に近い側と集合路４３に近い側とに、第７電磁バルブ５７および第８電磁バルブ５６を設ける。そして、第１電磁バルブ５１と第５電磁バルブ５５、第２電磁バルブ５２と第６電磁バルブ５６、第３電磁バルブ５３と第７電磁バルブ５７、第４電磁バルブ５４と第８電磁バルブ５８をそれぞれ一組として同時に開閉制御する。こうした構成により、第１分岐路４１の経路と第２分岐路４２の経路における残留ガスをほぼなくすことができ、より確実に残留ガスによる悪影響をなくすことができる。
【００５８】
また、第１実施例のように４つの電磁バルブ５１〜５４を設けるのではなく、これに換えて、第１分岐路４１の分岐点４４ａと第２分岐路４２の分岐点４５ａの２カ所に電磁式の３方向切換バルブ（３ポート切換バルブ）を設け、これを操作することにより、ガス流路を切り換えるように構成してもよい。
【００５９】
さらに、前記第１実施例を次のように変形してもよい。第１実施例では、第１および第２の温度センサ６１，６３により検出された電極温度Ｔ１，Ｔ２から触媒の反応状態を知るように構成されていたが、これに換えて、アノード３２の電極面の電位を検出する電位計により触媒の反応状態を知る構成としてもよい。詳しくは、第１実施例における第１の温度センサ６１の配設位置に第１の電位計を設け、第２の温度センサ６３の配設位置に第２の電位計を設ける。そして、両電位計で検出した電位Ｅ１，Ｅ２の差を求めて、この電位差に応じて触媒の被毒状態の判別を行なう。アノード３２の電極面の電位差は、電極の燃料ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差によるものであることから、前記構成により、第１実施例と同様に触媒の被毒状態を高精度に判定することができる。
【００６０】
次に、本発明の第２実施例について説明する。図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池発電システム２００の概略構成図である。図７に示すように、この燃料電池発電システム２００は、第１実施例のそれと比較して、次の構成が相違する。この燃料電池発電システム２００は、第１の接続路４４および第２の接続路４５にそれぞれ設けられ、燃料電池本体１０への燃料ガスの吸入量を検出する第１および第２の流量センサ２０１，２０３と、燃料電池本体１０に接続され、その出力電流値を検出する電流計２０５とを備えている。これら第１および第２の流量センサ２０１，２０３と電流計２０５は、電子制御ユニット７０と電気的に接続されており、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により、アノード３２での燃料ガスの利用の程度が求められ、その程度に応じて第１実施例の燃料ガス制御処理を実行するか禁止するかが定められる。
【００６１】
こうした電子制御ユニット７０により実行される燃料ガス制御処理について、図８のフローチャートに沿って詳しく説明する。この燃料ガス制御処理ルーチンは、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、電流計２０５から燃料電池本体１０の出力電流Ｉを読み込み（ステップＳ２１０）、その出力電流Ｉから理論上必要とされる燃料電池本体１０の燃料ガス流量ＭＡを算出する（ステップＳ２２０）。次いで、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れ方向は、図４の（ａ）で説明した順方向か、それとも、図４の（ｂ）で説明した逆方向であるかを判別する処理を行なう（ステップＳ２３０）。
【００６２】
ステップＳ２３０で燃料ガスの流れ方向が順方向にあると判別されたときには、第１の燃料ガス給排口１０ａから燃料電池本体１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢを第１の流量センサ２０１から読み込む処理を行なう（ステップＳ２４０）。一方、ステップＳ２３０で燃料ガスの流れ方向が逆方向にあると判別されたときには、第２の燃料ガス給排口１０ｂから燃料電池本体１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢを第２の流量センサ２０３から読み込む処理を行なう（ステップＳ２５０）。ステップＳ２４０またはＳ２５０の実行後、次いで、ステップＳ２４０またはＳ２５０で読み込んだ燃料ガスの実際の流入量ＭＢが、ステップＳ２２０で算出された燃料ガスの必要量ＭＡを下回っているか否かを判別する（ステップＳ２６０）。
【００６３】
ステップＳ２６０で実際の流入量ＭＢが必要量ＭＡを下回っていると判別された場合には、燃料ガスが不足したと言うことであることから、燃料電池本体１０の燃料ガス流入量を増加する処理を行なう（ステップＳ２７０）。この燃料ガス流入量増加処理は、改質器１６やメタノールタンク１２および水タンク１４を制御することにより実行される周知のもので、詳しい説明については省略するものとする。ステップＳ２７０の実行後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００６４】
一方、ステップＳ２６０で実際の流入量ＭＢが必要量ＭＡ以上であると判別された場合には、燃料ガスが充分であることから作用の欄で説明したように触媒の被毒状態を誤判定することがないため、第１実施例と同じステップＳ１１０からステップＳ１７０までの処理を実行する。その後、この処理を一旦終了する。
【００６５】
以上詳述したこの第２実施例の燃料電池発電システム２００では、燃料電池本体１０への燃料ガスの実際の流入量ＭＢが必要量ＭＡを下回り不足している場合に、温度センサ６１，６３からの被毒状態の推定を行なわず、しかも、被毒対策も行なわない。一般に、アノード３２における化学反応の反応状態の差は触媒の被毒状態に応じて変化するが、これは、アノード３２の面方向に充分に燃料ガスが供給されている場合であり、急負荷が掛かり燃料ガスに不足が生じるような場合には、触媒が被毒状態になくても反応状態が悪化する。このため、燃料ガスに不足が生じるような場合には、触媒の被毒状態を誤って推定してしまう。この実施例のように、燃料ガスが不足するときは被毒状態の推定等を行なわないことにより、燃料ガスの不足時における誤った推定をとり止めることができる。従って、被毒状態の推定の精度を高めることができ、触媒の被毒対策を高精度に行なうことができるといった効果を奏する。
【００６６】
この第２実施例では、燃料ガスの流路溝３４ｐの両端の接続路４４，４５に設けられた２つの流量センサ２０１，２０３を選択的に用いて、燃料電池本体１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢを検出していたが、これに換えて、改質器１６のすぐ下流の管路４０にひとつの流量センサを設けて、この流量センサの検出結果から燃料電池本体１０に流入する燃料ガス流入量ＭＢを算出する構成としてもよい。また、管路４０に流量を制御するマスフローコントローラを備えている場合には、このマスフローコントローラへの制御信号から前記燃料ガス流入量ＭＢを求めるようにしてもよい。さらには、改質器１６へ供給されるメタノールと水との供給量と改質器内部に充填された改質触媒の温度から水素発生量、実際の燃料ガス流入量ＭＢを求める構成としてもよい。
【００６７】
また、第２実施例では、燃料電池本体１０に流入する燃料ガス流入量ＭＢが必要量ＭＡを下回っている場合、被毒状態の推定を禁止する構成であったが、これに換えて、前記必要量ＭＡと燃料ガス流入量ＭＢとの偏差△Ｍを求めて、被毒状態の判断基準、具体的には、ステップＳ１３０，Ｓ１５０で用いる判断値ＴＡを偏差△Ｍに応じて変える構成としてもよい。この構成により、被毒状態の推定をより高精度に行なうことができる。
【００６８】
次に、本発明の第３実施例について説明する。図９は、本発明の第３実施例としての燃料電池発電システム３００の概略構成図である。図９に示すように、この燃料電池発電システム３００は、第１実施例とほぼ同じハードウェアの構成を備える。相違する点は、改質器１６を構成する改質部３０１、シフト反応部３０２および部分酸化反応部３０３と電子制御ユニット７０とを接続することにより、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により、改質部３０１、シフト反応部３０２および部分酸化反応部３０３を制御して、燃料ガスである水素リッチガスの質を変更可能とした点にある。
【００６９】
以下、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により実行される燃料ガス制御処理について、図１０のフローチャートに沿って詳しく説明する。この燃料ガス制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、第１実施例の燃料ガス制御処理のステップＳ１１０およびＳ１２０と同様に、第１および第２の温度センサ６１，６３から第１の電極温度Ｔ１と第２の温度センサ６３を読み込み、それらの温度差ＴＳを求める（ステップＳ３１０，Ｓ３２０）。
【００７０】
続いて、ステップＳ３２０で算出された温度差ＴＳの絶対値が予め定められた第２の所定値ＴＢ（＞０）より大きく、且つ第１の所定値ＴＡより小さいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ３２２）。ここで、第１の所定値ＴＡは、第１実施例のステップＳ１３０で用いた所定値ＴＡと同じ値であり、触媒被毒が発生した状態を判別するための値である。第２の所定値ＴＢは、第１の所定値ＴＡよりも小さい値で、触媒被毒が起こり始めている状態、即ち、触媒被毒の前段階または軽い触媒被毒の状態を判別するための値である。具体的には、第１の所定値ＴＡは、第１実施例で説明したように３〜５［℃］であり、第２の所定値ＴＢは、２〜３［℃］である。
【００７１】
ステップＳ３２２で肯定判別されると、ＣＰＵ７２の処理はステップＳ３２４に進む。ここでは、ＣＰＵ７２は、改質器１６の部分酸化反応部３０３に制御信号を送って、部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量を増量する処理を行なう。部分酸化反応部３０３は、１００℃〜２００℃の温度で運転されており、改質ガスに吹き込む空気の量を増量すれば、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にする反応が促進される。
【００７２】
即ち、温度差ＴＳの絶対値がＴＢより大きく、ＴＡより小さいと判別され、燃料電池本体１０のアノード側電極で触媒被毒が起こり始めている状態であると判断されたならば、改質器１６の部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量を増大させることにより、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にする反応を促進させることになる。これにより、部分酸化反応部３０３から生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度は低下する。このため、一酸化炭素濃度の低い改質ガスが、燃料ガスとして燃料電池本体１０に流れ込むので、触媒被毒が起こり始めていた状態が改善される。
【００７３】
一方、ステップＳ３２２で否定判別、即ち、温度差ＴＳの絶対値が、ＴＢ以下またはＴＡ以上であると判別されると、ステップＳ３３０に進む。このステップＳ３３０からステップＳ３７０までの処理は、第１実施例のステップＳ１４０〜Ｓ１７０と同じ処理である。即ち、温度差ＴＳが第１の所定値ＴＡより大きいと判別された場合には、図４の（ｂ）に示すように、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを逆方向に切り換え（ステップＳ３３０，Ｓ３４０）、一方、温度差ＴＳが所定値ＴＡの負の値より小さいと判別された場合には、図４の（ａ）に示すように、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを順方向に切り換える（ステップＳ３５０，３６０）とともに、その後、遅延処理を行なう（ステップＳ３７０）。なお、ステップＳ３２２，Ｓ３３０，Ｓ３５０の各ステップの全てで否定判別されたとき、即ち、温度差ＴＳが−ＴＢからＴＢまでの間に該当するときには、触媒の被毒はないものとして、何の処理も行なわず、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００７４】
なお、ステップＳ３２４で触媒被毒の起こり始めの状態の改善がなされた後には、ステップＳ３７０に進み、その改善の完全を期するために遅延処理が実行される。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００７５】
以上詳述したこの第３実施例の燃料電池発電システム１では、アノード３２の触媒被毒の程度が僅かなものであれば、改質器１６の部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量が増大される。これによれば、改質器１６の改質の効率を一時的に落とすことになるが、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池本体１０に送り込むことができ、僅かな触媒被毒ならその状態を改善させることができるといった効果を奏する。なお、この実施例では、被毒の程度が大きい場合には、第１実施例と同様にガスの流れ方向を反転することにより、被毒の解消が図られることから、被毒の程度に応じて段階的な被毒の解消を図ることができるといった効果も奏する。
【００７６】
なお、部分酸化反応部３０３において改質ガス中に吹き込む空気の量を増やすと、次式で示す酸化反応が促進される。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
２Ｈ２ ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
こうした酸化反応の結果、改質ガス中に含まれる水素の分圧が相対的に低下することになるが、これは、燃料電池本体１０の出力電圧をたとえ僅かながらではあるが、低下させる方向へ作用する。このため、第３実施例では、特に詳しく説明しなかったが、第１の電極温度Ｔ１と第２の電極温度Ｔ２の温度差がＴＢ以下に復帰したならば、空気の吹き込み量を定常状態の吹き込み量に戻すように構成することが望ましい。
【００７７】
また、第３実施例では、部分酸化反応部３０３での空気吹き込み量の制御により、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させていたが、これに換えて、改質部３０１の反応温度を制御したり、シフト反応部３０２の反応温度を制御する構成によっても、同様に、改質反応効率の若干の低下は伴うが改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させることができる。
【００７８】
なお、前述したように改質器１６の改質の効率を落とすのに換えて、次のような構成によって触媒被毒状態の改善を図るようにしてもよい。即ち、燃料電池本体１０に供給する燃料ガスの供給圧を一時的に増加させるようする。この構成により、一時的にガス圧を理想状態より増加させることができ、燃料電池としての効率は一時的に低下するが、触媒の耐ＣＯ被毒特性を高めることができる。この結果、僅かな触媒被毒ならその状態を改善し、あるいは進行を抑制できる。
【００７９】
次に、本発明の第４実施例について説明する。図１１は、この第４実施例としての燃料電池発電システムの燃料電池本体１０周辺の概略構成図である。図１１に示すように、この燃料電池発電システム４００は、第１実施例とほぼ同じハードウェアの構成を備える。相違する点は、第１の分岐路４１の分岐点４４ａにさらに接続される管路４０１と、第２の分岐路４２の分岐点４５ａに接続される管路４０３とを備え、各管路４０１，４０３に電磁バルブ４５５，４５６を設けた点にある。
【００８０】
管路４０１はパージガスの注入路であり、管路４０３はパージガスの排出路である。パージガスは、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスである。図示しない第１実施例と同じ電子制御ユニット７０は、第１の分岐路４１上の電磁バルブ５１，５２と第２の分岐路４２上の電磁バルブ５３、５４とを全て閉状態とした上で、両電磁バルブ４５５，４５６を開状態に制御することにより、燃料電池本体１０内に燃料ガスに換えてパージガスを充填させる。この結果、燃料電池本体１０は停止するとともに、内部の水素ガスが排気されて安全状態に保たれる。
【００８１】
次に、前述したパージガスを充填させるパージ処理を含めた燃料ガス制御処理について、図１２のフローチャートに沿って詳しく説明する。この燃料ガス制御処理は、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、第１実施例の燃料ガス制御処理のステップＳ１１０およびＳ１２０と同様に、第１および第２の温度センサ６１，６３から第１の電極温度Ｔ１と第２の温度センサ６３を読み込み、それらの温度差ＴＳを求める（ステップＳ４１０，Ｓ４２０）。
【００８２】
続いて、ステップＳ４１０で算出された温度差ＴＳの絶対値が予め定められた第３の所定値ＴＣ（＞０）より大きいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ４２２）。ここで、第３の所定値ＴＣは、触媒被毒の程度が高く、燃料電池本体１０が発電を継続させるのが困難である状態を判別するための値である。具体的には、第３の所定値ＴＣは、５〜１０［℃］といった大きな値である。
【００８３】
ステップＳ４２２で肯定判別されると、ＣＰＵ７２はステップＳ４２４に進む。ここでは、ＣＰＵ７２は、図示しない負荷への電気供給を、燃料電池本体１０と並列に接続された図示しない２次電池（例えば鉛蓄電池）に切り替えるとともに、当該負荷を安全に停止させる処理を行なう。続いて、パージ処理を行なって、燃料電池本体１０を安全に停止させる（ステップＳ４２６）。このパージ処理は、前述したように、第１の分岐路４１上の電磁バルブ５１，５２と第２の分岐路４２上の電磁バルブ５３、５４とを全て閉状態とし、その後、パージ用の管路４０１に設けられた電磁バルブ４５５と管路４０３に設けられた電磁バルブ４５６とを開状態に制御するもので、こうした制御により、燃料電池本体１０内に燃料ガスに換えてパージガスが充填される。この結果、燃料電池本体１０は停止するとともに、燃料電池本体内部の水素ガスが不活性ガスに置換されて、燃料電池本体は安全状態に保たれる。その後、「ストップ」に抜けてこの処理を終了する。
【００８４】
一方、ステップＳ４２２で否定判別、即ち、温度差ＴＳの絶対値が、ＴＣ以下であると判別されると、ステップＳ４３０に進む。このステップＳ４３０からステップＳ４７０までの処理は、第１実施例のステップＳ１４０〜Ｓ１７０と同じ処理である。即ち、温度差ＴＳが第１の所定値ＴＡより大きいと判別された場合には、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを逆方向に切り換え（ステップＳ４３０，Ｓ４４０）、一方、温度差ＴＳが所定値ＴＡの負の値より小さいと判別された場合には、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを順方向に切り換え（ステップＳ４５０，４６０）、その後、遅延処理を行なう（ステップＳ３７０）。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００８５】
以上詳述したこの第４実施例の燃料電池発電システム４００では、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れ方向を逆転させた後もなお、アノード３２の電極面内の温度差ＴＳが拡大し続け、温度差ＴＳが予め決められた第３の所定値ＴＣを越えた時には、触媒が完全に被毒され、もはやこれ以上、燃料電池本体１０の発電を継続させるのが困難であると判断して、燃料電池本体１０内に燃料ガスに換えてパージガスを充填させることにより、燃料電池本体１０を安全に停止させる。これにより、触媒被毒により、燃料電池本体１０が緊急停止して、燃料電池本体１０および周辺機器あるいは燃料電池本体１０に接続された負荷にダメージが加わるのを防止することができる。
【００８６】
次に、本発明の第５実施例について説明する。図１３は、本発明の第５実施例としての燃料電池発電システム５００の概略構成図である。図１３に示すように、この燃料電池発電システム５００は、第１実施例と同じ構成の燃料ガス系統Ａを備え、さらに、その燃料ガス系統Ａと似かよった構成の酸化ガス系統Ｂを備える。燃料電池発電システム５００は、燃料ガス系統Ａとして、第１実施例と同じ燃料電池本体１０，改質器１６，燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０を備えるとともに、酸化ガス系統Ｂとして、酸化ガス（実際は空気）を貯えたタンク５１６と、タンク５１６からの酸化ガスを燃料電池本体１０のカソード側の流路溝３５ｐに供給する酸化ガス供給通路５１８と、その流路溝３５ｐに供給された酸化ガスの残余分を排出するガス排出通路５２０とを備える。
【００８７】
酸化ガス供給通路５１８およびガス排出通路５２０は、燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０と同様に、２本の分岐路５４１，５４２に分岐されており、分岐路５１０，５４２には第５ないし第８の電磁バルブ５５１〜５５４が設けられている。これら第５ないし第８の電磁バルブ５５１〜５５４は、制御系５２２の電子制御ユニット５７０により開閉制御されることにより、カソード３３側の流路溝３５ｐ（図２および図３）に流される酸化ガスの流れ方向を反転する。なお、この酸化ガスの流れは、第１実施例の図２および図３に示したように燃料ガス側の流路溝３４ｐと酸化ガス側の流路溝３５ｐとが平行に配設されていることから、燃料ガスの流れ方向と当然平行なものとなる。
【００８８】
制御系５２２の電子制御ユニット５７０は、燃料ガス系統Ａの第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４の開閉に同期させて、酸化ガス系統Ｂの第５ないし第８の電磁バルブ５５１〜５５４も開閉制御しており、こうして、燃料ガスの流れ方向の切り換えに同期させて、酸化ガスの流れ方向も燃料ガスの流れ方向と同一方向に切り換える。詳しくは、第１実施例で説明した図５に示す燃料ガス制御処理ルーチンにおいて、ステップＳ１４０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の閉制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の開制御とともに、第５および第８電磁バルブ５５１，５５４を閉状態に、第６および第７電磁バルブ５５２，５５３の開状態に制御し、また、ステップＳ１６０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の開制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の閉制御とともに、第５および第８電磁バルブ５５１，５５４を開状態に、第６および第７電磁バルブ５５２，５５３の閉状態に制御する。
【００８９】
こうした構成により、この燃料電池発電システム５００では、アノード３２の触媒に被毒状態があると判定されると、アノード３２側の流路溝３４ｐにおける燃料ガスの流れ方向を反転させることにより、被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い燃料ガスにさらすことができる。さらに、燃料ガスの流れ方向の反転に同期して、酸化ガスの流れ方向も同一方向に切り替えられることから、被毒の始まった部分を酸素濃度の高い酸化ガスにもさらすことができる。このため、触媒被毒の始まった部分をより一層速やかに解消することができ、従って、燃料電池本体１０の触媒の被毒を遅れが生じることなしにより一層素早く解消することができるといった効果を奏する。
【００９０】
次に、本発明の第６実施例について説明する。図１４は、本発明の第６実施例としての燃料電池発電システム６００の概略構成図である。図１４に示すように、この燃料電池発電システム６００は、第１実施例と同じ構成の燃料ガス系統Ａを備え、さらに冷却水系統Ｃを備える。冷却水系統Ｃは、燃料電池本体１０に配設される冷却水の通路溝６０１と、その通路溝６０１に冷却水を循環させる循環通路６０３とを備える。通路溝６０１は、燃料電池本体１０に設けられた複数のセル毎に配設された冷却板６１０に形成されるもので、燃料ガスの流路溝３４ｐと平行に位置する。なお、燃料ガス側の流路溝３４ｐを形成するセパレータ３４と前記冷却板６１０とは、上下に重ねられ同一垂線上に位置するが、この関係を図中２点鎖線で示した。
【００９１】
循環通路６０３は、その経路中に、冷却水ポンプ６４６，ラジエタ６４７，絞りバルブ６４９を備え、冷却ポンプ６４６の吐出量や、ラジエタ６４７に対向するラジエタファン６４８の回転速度を制御することにより、循環量およびその冷却水温が制御される。循環通路６０３は、冷却板６１０付近で２本の分岐路６４１，６４２に分岐し、各分岐路６４１，６４２から接続路６４４，６４５を介して冷却板６１０の通路溝６０１の両端に接続される。分岐路６４１および６４２には、第５ないし第８の電磁バルブ６５１〜６５４が設けられており、これら第５ないし第８の電磁バルブ６５１〜６５４は、制御系６２２の電子制御ユニット６７０により開閉制御されることにより、通路溝６０１に流される冷却水の流れ方向を反転する。なお、この冷却水の流れは、燃料ガスの流路溝３４ｐと平行に配設されていることから、燃料ガスの流れ方向と平行なものとなる。
【００９２】
制御系６２２の電子制御ユニット６７０は、燃料ガス系統Ａの第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４の開閉に同期させて、冷却水系統Ｃの第５ないし第８の電磁バルブ６５１〜６５４も開閉制御しており、こうして、燃料ガスの流れ方向の切り換えに同期させて、冷却水の流れ方向を燃料ガスの流れ方向と反転する方向に制御する。詳しくは、第１実施例で説明した図５に示す燃料ガス制御処理ルーチンにおいて、ステップＳ１４０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の閉制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の開制御とともに、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を開状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を閉状態に制御する。また、ステップＳ１６０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の開制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の閉制御とともに、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を閉状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を開状態に制御する。
【００９３】
こうした構成により、この燃料電池発電システム５００では、アノード３２の触媒に被毒状態があると判定されると、アノード３２側の流路溝３４ｐにおける燃料ガスの流れ方向を反転させることにより、被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い燃料ガスにさらすことができる。さらに、燃料ガスの流れ方向の反転に同期して、冷却水の流れ方向をその燃料ガスの流れ方向に反転する方向、即ち、触媒の被毒状態が小から大となる方向に切り替えられることから、被毒の大きい部分を相対的に温度の高い流出側の冷却水により温めることができる。従って、温度が高い程、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度が高くなることから、被毒をより速やかに解消することができるといった効果を奏する。
【００９４】
次に、本発明の第７実施例について説明する。図１５は、本発明の第７実施例としての燃料電池発電システム７００の概略構成図である。図１５に示すように、この燃料電池発電システム７００は、第６実施例とほぼ同じハードウェアの構成を備え、相違する点は、２つの温度センサ７０１，７０３を加えた点にある。２つの温度センサ７０１，７０３は、冷却板６１０へ接続される接続路６４４，６４５に設けられ、通路溝６０１へ流れ込む冷却水の温度と流れ出る冷却水の温度とをそれぞれ算出するもので、制御系７２２の電子制御ユニット７７０と電気的に接続されている。電子制御ユニット７７０は、前述した第１および第２の温度センサ６１，６３の検出信号に加えて両温度センサ（第３および第４の温度センサ）７０１，７０３の検出信号を取り込んで、これらに基づいて、第６実施例のように冷却水の流れ方向を切り換えるとともにその冷却水の温度および流量を制御する。
【００９５】
電子制御ユニット７７０で実行されるこうした制御処理について、図１６および図１７のフローチャートに沿って詳しく説明する。この制御処理は、電子制御ユニット７７０のＣＰＵ７７２により所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７７２は、処理が開始されると、図１６に示すように、第１実施例の燃料ガス制御処理のステップＳ１１０ないしＳ１６０と同じステップＳ７１０ないしＳ７６０を実行する。なお、ステップＳ７４０の実行後には、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を開状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を閉状態に制御する処理を行ない（ステップＳ７４５）、また、ステップＳ７６０の実行後には、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を閉状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を開状態に制御する処理を行なう（ステップＳ７６５）。なお、こうしたステップＳ７１０からＳ７６５までの処理は、前述した第６実施例に相当する。
【００９６】
その後、処理は、図１７に示すように、ステップＳ７７０に進み、第３および第４の温度センサ７０１，７０３から、通路溝６０１へ流れ込む冷却水の温度Ｔ３と流れ出る冷却水の温度Ｔ４とをそれぞれ読み込む処理を行なう。続いて、冷却水温度Ｔ３から冷却水温度Ｔ４を差し引いた値の絶対値を温度差ＴＳＷとして算出し（ステップＳ７８０）、この温度差ＴＳＷが予め定められた所定の温度差ＴＥ（＞０）より大きいか否かを判別する（ステップＳ７９０）。
【００９７】
ステップＳ７９０で否定判別、即ち、温度差ＴＳＷが所定温度差ＴＥ以下であると判別されると、ＣＰＵ７２は次の処理を行なう。まず、ラジエタファン６４８の回転速度を大きくして、ラジエタ６４７での熱放散量を大きくすることにより、循環通路６０３を流れる冷却水の温度を所定温度だけ低下する処理を行なう（ステップＳ７９２）。次いで、冷却ポンプ６４６の吐出量を小さくして循環量を所定量だけ低下する処理を行なう（ステップＳ７９４）。ステップＳ７９２における冷却水の低下温度とステップＳ７９４における循環量の低下量とは、冷却される熱量が可変しないように一定の関係を有している。単に冷却媒体の温度だけを下げると燃料電池本体が過冷却状態となる恐れがあるため、冷却媒体の流量を抑制する必要がある。即ち、冷却水の温度の低下に合わせて、冷却水の流量を小さくすることにより、冷却される熱量が変化しないようになされている。こうした処理により、冷却される熱量は一定に保った状態で、冷却水の流入側と流出側との間の温度差が所定温度差ＴＥとなるように増大される。
【００９８】
一方、ステップＳ７９０で肯定判別、即ち、温度差ＴＳＷが所定温度差ＴＥより大きいと判別された場合には、所定の時間だけ遅延する処理を行なう（ステップＳ７９６）。ステップＳ７９４またはＳ７９６の実行後、「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。
【００９９】
こうした構成により、この燃料電池発電システム７００では、アノード３２の触媒に被毒状態があると判定された場合に、燃料ガスの流れ方向を反転させることにより、被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い燃料ガスにさらすことができるとともに、冷却水の流れ方向をその燃料ガスの流れ方向に反転する方向、即ち、触媒の被毒状態が小から大となる方向に切り替えらことにより、被毒の大きい部分を相対的に温度の高い流出側の冷却水により温めることができる。
【０１００】
さらに、この燃料電池発電システム７００では、ステップＳ７７０ないしＳ７９６の処理により、冷却される熱量を一定に保った状態で、冷却水の流入側と流出側との間の温度差を所定温度差ＴＥとなるように増大することができる。このため、触媒の被毒状態の大きい部分により温度の高い冷却水が、また、触媒の被毒状態の小さい部分により温度の低い冷却水が流されることになり、これにより、電極面内の温度バランスをより積極的に解消して、触媒で被毒した電極をより短時間で正常な状態に戻すことができるといった効果を奏する。また、冷却板６１０により冷却される熱量を一定に保っていることから、付加に対する出力変動を最小限に食い止めて、燃料電池本体１０を一定の運転温度で安定して運転させることができるといった効果も奏する。
【０１０１】
なお、前述した第６および第７実施例では、触媒が被毒状態にあると判別されたときに、燃料ガスの流れ方向を逆転させるとともに、冷却水の流れ方向を触媒の被毒状態が小から大となる方向に切り換えていたが、これに換えて、燃料ガスの流れ方向だけを前述したように切り換える構成としてもよい。この構成によれば、触媒の被毒を完全に解消とまではいかないものの、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度を高くすることで、これ以上の被毒を防止することができる。
【０１０２】
また、前述した第６および第７実施例では、燃料電池本体１０の冷却媒体として、水、つまり冷却水を用いていたが、これに換えて、エチレングリコールやシリコーンオイルのような有機系の液体を用いる構成としてもよく、また、空気や不活性ガスのような気体を用いる構成としてもよい。
【０１０３】
次に、本発明の第８実施例について説明する。前述してきた各実施例では、触媒が被毒状態にあると判別されたときに、燃料ガスの流れ方向を逆転していたが、この第８実施例では、この燃料ガスの切り換えとともに、負荷への電気供給源を固体高分子型燃料電池から、燃料電池本体１０と電気的に並列に接続された２次電池に切り替える構成とした。
【０１０４】
負荷への電気供給源の切り換えの具体的な手順としては、先ず２次電池を燃料電池本体１０と並列に接続して、２次電池と燃料電池本体１０の両方から負荷に電気が供給できるようにした上で、燃料電池本体１０と負荷の間を切り放し、燃料電池本体１０に負荷電流が流れない状態にする。次に、第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４を開閉して、燃料電池本体１０への燃料ガスの流れ方向を切り替える。電磁バルブ５１〜５４を切り替えてから、実際に流れ方向が逆転し、かつ安定したガスの流れが生じるまで一定に時間がかかる。この時間は各々の燃料電池本体１０の配管長さ、配管径、開閉バルブの取り付け位置、ガスの流速やガス圧力により異なってくるので、予め、各々の燃料電池本体１０ごとに最適な時間を測定して決めておくことが望ましい。その時間が経過したら、燃料ガスの流れも安定しているから、再び、燃料電池本体１０と負荷の間を接続して、２次電池と燃料電池本体１０の両方から負荷に電気が供給できるようにした上で、改めて、２次電池と負荷の間を切り放し、負荷に対しては燃料電池本体１０からのみ電気が供給されるようにする。
【０１０５】
こうした構成により、燃料電池本体１０の負荷電流を軽減させて、燃料ガスの流れ方向の切り替え時の一時的な出力電圧の低下を抑えることができるといった効果を奏する。
【０１０６】
次に、本発明の第９実施例について説明する。この第９実施例は、前述した第３実施例を変形したものである。第３実施例では、触媒被毒の程度が僅かなものであれば、改質器１６の部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量を増大していた（図１０のステップ３２４）が、これに換えて、この第９実施例では、触媒被毒の程度が僅かなときに、燃料ガス系統のガス圧力を上昇させるように構成した。具体的には、燃料電池本体１０の燃料ガス排出口以降に一般的に設置された圧力調整弁を制御することにより、そのガス圧力を上昇させている。
【０１０７】
従って、燃料電池本体１０のアノード側電極の白金触媒は、そのガス圧力が高いほど電極反応で発生する電位、即ち、当該燃料電池本体１０の出力電圧が高くなることから、燃料ガスのガス圧力を高めることにより、触媒の一酸化炭素による被毒をそれ以上進行しないようにすることができる。こうした構成により第３実施例と同様な効果を奏することができる。
【０１０８】
前述してきた実施例と別の態様について、以下説明する。
前述した実施例では、アノード３２の触媒として白金を使用していたが、これに換えて、第１成分である白金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバルト、バナジウム、パラジウム、インジウム等の中の１種類または２種類以上の成分との合金から成る合金触媒が使用した構成としてもよい。この構成によっても、前述した実施例と同様の効果を奏する。
【０１０９】
また、前述した実施例では、反応状態差検出手段として、電極面内に設置された２個の温度センサ６１，６３で測定された温度の温度差を取り込む構成としていたが、これに換えて、３個以上の個数の温度センサを用いて両温度と特定の部位の温度とを併せて検出する構成としてもよい。燃料ガスの流路溝３４ｐの形状によっては、特定の部位で触媒被毒が発生しやすく（たとえば、ガスのよどみが発生しやすい部位）なる傾向があるが、このような燃料電池本体１０においては、こうした部位の温度も併せて測定することにより、より正確に、一酸化炭素による触媒被毒の発生の有無を検知することができる。
【０１１０】
さらに、前述した実施例では、燃料ガスや酸化ガスや冷却水は、マニホールドとよばれる分配器を介して、各燃料電池セルに分配されている。各燃料電池セルの性能にバラツキがなく、マニホールドがガスや冷却水を均一に分配する機能を有していれば、一酸化炭素による白金触媒の被毒は、全ての燃料電池セルにおいて同時に発生し、同時に解消されるはずであるが、現実には、マニホールド内でのガスの流れ方の不均一さ等が原因となって、特定の燃料電池セルで触媒被毒が発生しやすい傾向がある。従って、前述した実施例に示した２個の温度センサ６１，６３は、こうした触媒被毒の発生しやすい燃料電池セルに設置することが望ましい。またそのようにすることにより、たとえ多数枚の燃料電池セルから成る燃料電池スタックにおいても、熱電対の設置個数を最小限（２個）にすることができ、当該燃料電池発電システムの制御を容易に実現することができ、また燃料電池本体発電システムの製造コストを低減することが可能になる。
【０１１１】
前述した実施例では、反応状態差検出手段として、電極面内に設置された２個の温度センサ６１，６３で測定された温度の温度差を取り込む構成としていたが、これは、燃料電池本体１０の運転条件しだいでは、燃料電池セルの電解質膜／電極接合体が部分的に濡れすぎや乾きすぎの状態になり、電極のアノード側ガス出口付近またはカソード側ガス出口付近で、電気化学的な反応が出来なくなり、当該部分の温度が低下して、誤まった温度を検出してしまうことがある。一般には、燃料電池発電システムがこうした状態になるのを防ぐために、当該燃料電池本体１０の燃料電池セル抵抗（インピーダンス）を常に計測しながら、電解質膜／電極接合体が最適の濡れ状態に保たれるように、常に燃料ガスおよび酸化ガス中の水蒸気量、即ち加湿量を調節している。前述した実施例では、燃料電池本体１０がこうしたインピーダンスの調節をしていることを前提にしている。
【０１１２】
このため、インピーダンスの調節をしていない燃料電池本体１０に対して、前述した実施例を適用するためには、インピーダンスを計測する為のインピーダンス計を設置し、この値から、その時点におけるインピーダンスを算出し、電極面内に設置された２個の温度センサ６１，６３で測定された温度の温度差が、インピーダンスの変化、即ち、電解質膜／電極接合体の濡れすぎや乾きすぎのために発生したのか、燃料ガス中の一酸化炭素によって白金触媒が被毒したために発生したのか、いずれであるかを判断しなければならない。
【０１１３】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【０１１４】
【発明の効果】
請求項１記載の燃料電池発電装置によれば、反応状態差検出手段および推定手段により触媒の被毒状態を高精度に推定することができることから、燃料電池本体の触媒の被毒を、遅れが生じることなしに、しかも確実に解消することができるといった効果がある。
【０１１５】
請求項２記載の燃料電池発電装置によれば、電極で反応ガスが不足した場合にも触媒の被毒状態を誤って推定してしまうことがないことから、より触媒の被毒状態を高精度に推定することができ、この結果、触媒の被毒の解消をより確実なものとすることができる。
【０１１６】
請求項３および４記載の燃料電池発電装置によれば、検出が容易な温度差や電気的な出力の差から触媒の被毒状態を推定することができることから、構成を容易なものとすることができるといった効果がある。
【０１１７】
請求項５記載の燃料電池発電装置によれば、電極の面方向での反応ガスの流れ方向を反転することにより、被毒している部分を反応ガスの流れの流入側に位置させることができ、この結果、その被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い反応ガスにさらすことができることから、触媒の被毒を確実に防止することができるといった効果がある。
【０１１８】
請求項６記載の燃料電池発電装置によれば、反応ガスの流れ方向の反転に同期して、酸化ガスの流れ方向も切り換えることにより、触媒の始まった部分を酸素濃度の高い酸化ガスにさらすことができることから、より速やかに触媒の被毒を解消することができるといった効果がある。
【０１１９】
請求項７記載の燃料電池発電装置によれば、高い温度側の冷却媒体を被毒状態が大きい部分に近づけることができることから、被毒を解消することができるといった効果がある。
【０１２０】
請求項８記載の燃料電池発電装置によれば、被毒状態が大きい部分により温度の高い冷却媒体を流すことができることから、被毒をより積極的に解消することができるといった効果がある。また、この冷却媒体の温度上昇に際して、冷却通路全体の冷却熱量を一定に保っていることから、負荷に対する出力変動を最小限に食い止め、安定的な電気エネルギの供給がなされるといった効果もある。
【０１２１】
請求項９記載の燃料電池発電装置によれば、改質手段による改質の効率を落とすことにより、被毒の程度の小さいわずかな被毒であれば、その被毒の解消または進行を抑制することができるといった効果がある。
【０１２２】
請求項１０記載の燃料電池発電装置によれば、被毒の程度が小さい場合には、改質抑制手段による被毒対策ができ、被毒の程度が大きい場合には、ガス流れ方向反転手段による被毒対策が可能となることから、被毒の程度に応じて段階的な被毒の解消を図ることができるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池発電システム１の概略構成図である。
【図２】燃料電池本体１０のセル構造を示す構造図である。
【図３】そのセル構造の分解斜視図である。
【図４】第１ないし第４電磁バルブ５１〜５４を開閉制御することにより、どのように燃料ガスの流れ方向が反転されるかを示す説明図である。
【図５】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第１実施例の別態様を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施例としての燃料電池発電システム２００の概略構成図である。
【図８】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施例としての燃料電池発電システム３００の概略構成図である。
【図１０】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第４実施例としての燃料電池発電システムの燃料電池本体１０周辺の概略構成図である。
【図１２】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第５実施例としての燃料電池発電システム５００の概略構成図である。
【図１４】本発明の第６実施例としての燃料電池発電システム６００の概略構成図である。
【図１５】本発明の第７実施例としての燃料電池発電システム７００の概略構成図である。
【図１６】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される制御処理ルーチンの前半部分を示すフローチャートである。
【図１７】その制御処理ルーチンの後半部分を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池発電システム
１０…燃料電池本体
１０ａ…第１の燃料ガス給排口
１０ｂ…第２の燃料ガス給排口
１２…メタノールタンク
１４…水タンク
１６…改質器
１８…燃料ガス供給通路
２０…ガス排出通路
２２…制御系
３１…電解質膜
３２…アノード
３３…カソード
３４…セパレータ
３４ｐ…流路溝
３５…セパレータ
３５ｐ…流路溝
３６，３７…集電板
４０…管路
４１…第１分岐路
４２…第２分岐路
４３…集合路
４４…第１接続路
４４ａ…分岐点
４５…第２接続路
４５ａ…分岐点
５１…第１電磁バルブ
５２…第２電磁バルブ
５３…第３電磁バルブ
５４…第４電磁バルブ
６１…第１温度センサ
６３…第２温度センサ
７０…電子制御ユニット
７２…ＣＰＵ
７４…ＲＯＭ
７６…ＲＡＭ
７８…入力処理回路
７９…出力処理回路
２００…燃料電池発電システム
２０１…第１流量センサ
２０３…第２流量センサ
２０５…電流計
３００…燃料電池発電システム
３０１…改質部
３０２…シフト反応部
３０３…部分酸化反応部
４００…燃料電池発電システム
４０１…管路
４０３…管路
４５５…電磁バルブ
４５６…電磁バルブ
５００…燃料電池発電システム
５１０，５４２…分岐路
５１６…タンク
５１８…酸化ガス供給通路
５２０…ガス排出通路
５２２…制御系
５４１，５４２…分岐路
５５１〜５５４…電磁バルブ
５７０…電子制御ユニット
６００…燃料電池発電システム
６０１…通路溝
６０３…循環通路
６１０…冷却板
６２２…制御系
６４１，６４２…分岐路
６４４，６４５…接続路
６４６…冷却ポンプ
６４７…ラジエタ
６４８…ラジエタファン
６５１〜６５４…電磁バルブ
６７０…電子制御ユニット
７００…燃料電池発電システム
７０１，７０３…温度センサ
７２２…制御系
７７０…電子制御ユニット
７７２…ＣＰＵ
【産業上の利用分野】
この発明は、燃料電池を発電する装置に関し、特に、燃料電池本体の触媒の一酸化炭素被毒を防止する燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料の有しているエネルギを直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素の反応ガス（燃料ガス）を接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すようにしている。
【０００３】
この燃料電池に供給する燃料ガスは、一般に改質器により生成される。改質器により行なわれるメタノールの水蒸気改質は、次のような化学反応により成り立っている。
【０００４】
ＣＨ３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ２−２１．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ （吸熱反応）…（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２＋９．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ （発熱反応）…（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２−１１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌ（吸熱反応）…（３）
【０００５】
式（１）の反応で生ずる一酸化炭素（ＣＯ）は、燃料極側の電極触媒である白金または白金を含む合金に吸着して、白金の触媒としての機能を停止させる、いわゆる触媒の被毒状態を発生させる。このため、この種の燃料電池の発電装置では、改質器からのガス中の一酸化炭素を許容できる構成とする必要があり、これが大きな課題となっている。
【０００６】
この課題を解決する燃料電池発電装置として、燃料電池の燃料ガス供給通路の入口付近に一酸化炭素の濃度を検出するセンサを設けて、そのセンサにより検出した一酸化炭素濃度が高いときに、燃料電池本体の温度を上げるように構成したものが提案されている（特開昭６３−２３２２７２号公報）。温度が高い程、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度が高くなることから、センサにより一酸化炭素濃度が高いと検出されたときには、燃料電池本体の温度を上げて、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度を高めて被毒対策を図る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の装置では、前記センサの検出値の増大と触媒の被毒状態の発生時期とが必ずしも同じタイミングで立ち上がる訳ではないことから、充分な被毒対策を図ることができなかった。
【０００８】
前記センサの検出値の増大と被毒状態の発生時期とがタイミング的にずれるのは次のような理由である。一般に、電極に対向して設けられたガス溝中の燃料ガスは、電極での反応に伴い、燃料ガス中の水素が消費されるために、ガス溝の出口付近ほど相対的に一酸化炭素濃度（水素ガスに対する一酸化炭素の比率と捕らえる）が上昇する。このため、ガス溝の入口付近の一酸化炭素濃度を検出しても、実際に被毒の影響を与える電極表面全般にわたる一酸化炭素濃度の増大を検出できるものではないことから、触媒が被毒状態になるか否かを前記センサの検出値から高精度で判断することができない。例えば、前記センサで一酸化炭素濃度が高いと検出されたときには、センサが設けられた入口部分から離れた出口側では既に以前から一酸化炭素濃度が高くなっている恐れがあり、その検出時には既に触媒が被毒状態に陥り、被毒対策に遅れが生じることもあった。
【０００９】
また、前記センサ自身の性能が低いことも問題である。一酸化炭素濃度センサは一般的に定電位電解式のものが用いられるが、これは、その測定原理の都合上、水素の影響を受けるために、燃料ガスのように水素に対する一酸化炭素の比率が少ない場合、その一酸化炭素の濃度を高精度に測定することが難しい。このため、センサの検出値そのものに誤差を含み、このセンサの検出値からでは触媒の被毒状態の発生を正確に把握することができなかった。特に、低濃度の一酸化炭素でも触媒被毒を受け易い固体高分子型の燃料電池だとその影響は大であった。この結果、触媒の被毒状態の検出が遅れ、被毒対策に遅れが生じることがあった。
【００１０】
この発明の燃料電池発電装置は、こうした問題に鑑みてなされたもので、燃料電池の触媒の被毒を、遅れが生じることなしに、しかも確実に解消可能とすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成すべく、前記課題を解決するための手段として、以下に示す構成をとった。
【００１２】
即ち、本発明の請求項１の燃料電池発電装置は、
触媒を担持した電極の面方向に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池発電装置であって、
前記電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差を検出する反応状態差検出手段と、
該検出された反応状態の差に基づいて前記触媒の被毒状態を推定する推定手段と、
該推定された触媒の被毒状態に応じて被毒対策を実行する被毒対策手段と
を備えたことを、要旨としている。
【００１３】
前記構成の燃料電池発電装置において、
さらに、
前記電極での前記反応ガスの利用の程度を算出するガス利用度算出手段
を備えるとともに、
前記推定手段は、
前記ガス利用度算出手段により算出された反応ガスの利用の程度が反応ガスの不足を示すものであるとき、前記被毒状態の推定を禁止する禁止手段
を備えた構成としてもよい（請求項２）。
【００１４】
前記反応状態差検出手段は、前記電極の反応ガスの流入側と流出側との温度差を検出する温度差検出手段を備えた構成としてもよいし（請求項３）、あるいは、前記電極の反応ガスの流入側と流出側との電気的な出力の差を検出する電気出力差検出手段を備えた構成としてもよい（請求項４）。
【００１５】
また、前記被毒対策手段は、前記電極の面方向における反応ガス流れ方向を被毒状態の大から小の方向となるように制御するガス流れ制御手段を備えた構成としてもよい（請求項５）。この構成において、前記被毒対策手段は、さらに、前記電極と対になる他方の電極に供給する酸化ガスの流れ方向を、前記反応ガスの流れ方向と一致させる酸化ガス流れ方向制御手段を備えた構成としてもよい（請求項６）。
【００１６】
さらに、こうした構成の燃料電池発電装置において、
前記電極の面方向に沿って設けられ、前記反応ガスの流れ方向と平行または対向する方向に切り換え可能に冷却媒体を流す冷却通路を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、
前記冷却通路中の冷却媒体の流れ方向を被毒状態が小から大の方向となるように制御する冷却媒体流れ方向制御手段
を備えた構成としてもよい（請求項７）。
【００１７】
この構成の燃料電池発電装置において、
前記冷却通路に供給する冷却媒体の温度を可変する温度制御手段と、
前記冷却通路への冷却媒体の流量を可変する流量制御手段と
を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、さらに、
前記温度制御手段および流量制御手段を動作させ、前記冷却媒体の温度を低下しつつ流量を低下することにより、前記冷却媒体の吸収可能な熱量を一定に保つように制御する冷却熱量制御手段
を備えた構成としてもよい（請求項８）。
【００１８】
請求項１ないし４のいずれか記載の構成において、
さらに、
原燃料を改質して前記反応ガスを生成する改質手段
を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、
前記推定手段により推定された前記触媒の被毒状態に応じて強制的に前記反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させる改質抑制手段
を備えた構成としてもよい（請求項９）。
【００１９】
この構成において、前記被毒対策手段は、さらに、
前記電極の面方向での反応ガスの流れ方向を反転するガス流れ方向反転手段と、
前記推定手段により推定される触媒の被毒状態の程度に応じて、前記ガス流れ方向反転手段と前記改質抑制手段とを選択的に実行させる選択実行手段と
を備えた構成としてもよい（請求項１０）。
【００２０】
【作用】
請求項１記載の燃料電池発電装置によれば、電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける化学反応の反応状態の差を、反応状態差検出手段により検出し、その検出された反応状態の差に基づいて、推定手段により触媒の被毒状態が推定される。前記反応状態の差は、触媒の被毒状態の発生と充分な対応があることから、推定手段による推定は高精度に行なうことが可能である。そして、推定手段により推定された触媒の被毒状態に応じて、被毒対策手段により被毒対策が実行される。従って、被毒対策を遅れなしに正確に行なうことが可能である。
【００２１】
請求項２記載の燃料電池発電装置によれば、ガス利用度算出手段により算出された反応ガスの利用の程度が反応ガスの不足を示すものであるとき、禁止手段により、推定手段による被毒状態の推定を禁止する。一般に、電極における化学反応の反応状態の差は触媒の被毒状態に応じて変化するが、これは、電極の面方向に充分に反応ガスが供給されている場合であり、急負荷が掛かり反応ガスに不足が生じるような場合には、触媒が被毒状態になくても前記反応状態が悪化する。このため、反応ガスに不足が生じるような場合には、触媒の被毒状態を誤って推定してしまう。この燃料電池発電装置のように反応ガスの不足がみられたときに、被毒状態の推定を禁止することにより、反応ガスの不足時における誤った推定をとり止めることが可能となる。
【００２２】
請求項３記載の燃料電池発電装置において、温度差検出手段により検出される、電極の反応ガスの流入側と流出側との温度差は、電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差によるものであることから、前記温度差を検出することで前記推定手段による前記触媒の被毒状態の推定が可能となる。
【００２３】
請求項４記載の燃料電池発電装置において、電気出力差検出手段により検出される、電極の反応ガスの流入側と流出側との電気的な出力の差は、電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差によるものであることから、前記電気的な出力の差を検出することで前記推定手段による前記触媒の被毒状態の推定が可能となる。
【００２４】
請求項５記載の燃料電池発電装置によれば、推定手段により推定された触媒の被毒状態に応じて、電極の面方向における反応ガス流れ方向が、ガス流れ制御手段により被毒状態の大から小の方向となるように制御される。このため、反応ガスの流出側が流入側と比べてより被毒している場合に、その部位を反応ガスの流れにおいて流入側となるように切り換えて、被毒状態を小とすることができる。従って、それ以上の被毒を防止することが可能となり、それとともに、その被毒が解消され易くなる。
【００２５】
請求項６記載の燃料電池発電装置について説明する。他方の電極に供給する酸化ガスは、そのガス入口ほど酸素濃度が高く、ガス出口に近づくほど酸素濃度が低くなる。このことは、酸化ガスのガス入口ほど電気化学反応を進行させるのに有利であることを意味する。請求項６記載の燃料電池発電装置によれば、反応ガスの流れ方向の反転に同期して、酸化ガスの流れ方向も同一方向に切り替えられることから、被毒の始まった部分を酸素濃度が高い酸化ガスにさらすことができる。このため、触媒被毒の始まった方から速やかに触媒被毒が解消される。
【００２６】
請求項７記載の燃料電池発電装置について説明する。冷却通路を流れる冷却媒体は、冷却通路の入口付近ほど低い温度で、燃料電池の電極反応の発熱を奪う形で温度は上昇し、冷却通路の出口付近で最も高い温度となる。請求項７記載の燃料電池発電装置によれば、冷却通路中の冷却媒体の流れ方向が被毒状態が小から大の方向となるように制御されることから、被毒状態が大きい部分に高い温度の冷却媒体を近づけることができる。このため、温度が高い程、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度が高くなることから、被毒対策を図ることが可能となる。
【００２７】
請求項８記載の燃料電池発電装置によれば、冷却熱量制御手段により、温度制御手段および流量制御手段を動作させ、前記冷却媒体の温度を低下しつつ流量を低下することにより、冷却媒体の吸収可能な熱量を一定に保つように制御する。このため、冷却通路の入口側の冷却媒体の温度と出口側の冷却媒体の温度との温度差が大きくなる。従って、燃料電池本体の電極の温度の上昇した領域に、より低い温度の冷却媒体が、また電極の温度の低下した領域に、より高い温度の冷却媒体が流れることになる。これにより、燃料電池本体の電極面内の温度差をより積極的に解消することができ、触媒で被毒した電極をより短時間で正常な状態に戻すことが可能になる。また、冷却通路による冷却熱量を一定に保っていることから、負荷に対する出力変動を最小限に食い止め、安定的な電気エネルギの供給が可能になる。
【００２８】
請求項９記載の燃料電池発電装置によれば、推定手段により推定された触媒の被毒状態に応じて改質抑制手段により、例えばＣＯ酸化反応器に供給する空気量を増加させる等して、強制的に反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させる。このため、反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させることができ、被毒の程度の小さいわずかな被毒であれば、その被毒の解消または進行を抑制することが可能となる。
【００２９】
請求項１０記載の燃料電池発電装置によれば、ガス流れ方向反転手段による反応ガスの流れの反転と、改質抑制手段による反応ガスの改質の効率の低下とが、選択実行手段により選択的に実行される。このため、被毒の程度が小さい場合には、改質抑制手段による被毒対策ができ、被毒の程度が大きい場合には、ガス流れ方向反転手段による被毒対策が可能となる。
【００３０】
【実施例】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池発電システム１の概略構成図である。図１に示すように、この燃料電池発電システム１は、電気を発生する固体高分子型の燃料電池本体１０と、メタノールタンク１２に貯留されたメタノールと水タンク１４に貯留された水とから水素リッチガスを製造する改質器１６と、改質器１６で製造された水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池本体１０に送る燃料ガス供給通路１８と、燃料電池本体１０から排出されたガスを外部に送るガス排出通路２０を備える。さらに、この燃料電池発電システム１は、マイクロコンピュータを有する電気的な制御系２２を備える。
【００３２】
燃料電池本体１０の構成について次に説明する。燃料電池本体１０は、前述したように固体高分子型の燃料電池であり、そのセル構造として、図２の構造図および図３の分解斜視図に示す構造を備える。即ち、図２および図３に示すように、燃料電池本体１０は、電解質膜３１と、この電解質膜３１を両側から挟んで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３２およびカソード３３と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３２およびカソード３３とで燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成するセパレータ３４，３５と、セパレータ３４，３５の外側に配置されアノード３２およびカソード３３の集電極となる集電板３６，３７とにより構成されている。
【００３３】
電解質膜３１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３２およびカソード３３は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、この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クロスの隙間に練り込まれている。
【００３４】
セパレータ３４，３５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３２側のセパレータ３４には、複数のリブが形成されており、このリブとアノード３２の表面とで燃料ガスの流路溝３４ｐを形成する。一方、カソード３３側のセパレータ３５にも、複数のリブが形成されており、このリブとカソード３３の表面とで酸化ガスの流路溝３５ｐを形成する。集電板３６は、銅（Ｃｕ）により形成されている。
【００３５】
以上説明したのが燃料電池本体１０の単一セルの構成であるが、実際には、セパレータ３４，アノード３２，電解質膜３１，カソード３３，セパレータ３５をこの順に複数組積層して、その外側に集電板３６，３７を配置することにより、燃料電池本体１０は構成されている。
【００３６】
図１に戻り、燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０について次に説明する。両通路１８，２０はまとめて次のような管路から構成される。即ち、両通路１８，２０は、改質器１６に連結された一本の管路４０と、その管路４０を２本に分岐する第１および第２の分岐路４１，４２と、両分岐路４１，４２を一つに集める集合路４３と、第１の分岐路４１の途中から分岐して、燃料電池本体１０の一方側の燃料ガス給排口（第１の燃料ガス給排口）１０ａに接続される第１の接続路４４と、第２の分岐路４２の途中から分岐して、燃料電池本体１０の他方側の燃料ガス給排口（第２の燃料ガス給排口）１０ｂに接続される第２の接続路４５とから構成される。なお、第１の燃料ガス給排口１０ａは、図示しないマニホールドに接続されており、このマニホールドを介して燃料電池本体１０の燃料ガス側の複数の流路溝３４ｐに分岐接続されている。また、同様に、第２の燃料ガス給排口１０ｂは、図示しない他のマニホールドに接続されており、このマニホールドを介して燃料電池本体１０の複数の流路溝３４ｐに分岐接続されている。
【００３７】
第１分岐路４１における分岐点４４ａより上流側（改質器１６側）には、第１の電磁式の開閉バルブ（以下、電磁バルブと呼ぶ）５１が設けられ、その分岐点４４ａより下流側には、第２の電磁バルブ５２が設けられている。一方、第２分岐路４２上における分岐点４５ａより上流側（改質器１６側）には、第３の電磁バルブ５３が設けられ、その分岐点４５ａより下流側には、第４の電磁バルブ５４が設けられている。
【００３８】
こうした構成の燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０によれば、図４の（ａ）に示すように、第１電磁バルブ５１と第４電磁バルブ５４とをそれぞれ開状態とし、第２電磁バルブ５２と第３電磁バルブ５３とをそれぞれ閉状態とすることで、改質器１６から供給された燃料ガスは、図中、１点鎖線に示すように、管路４０から第１分岐路４１の第１電磁バルブ５１を通り、分岐点４４ａを経て第１の燃料ガス給排口１０ａに導かれる。燃料電池本体１０へ導入された燃料ガスは、図中、上から下へ進みつつ、アノード３２での電気化学反応により消費される。一般には、計算上求められる必要水素量より多くの水素を流すので、反応で消費されなかった水素と、水素リッチガスに含まれながら電気化学反応には関係しない二酸化炭素とがあわせて残ガスとして、燃料電池本体１０の第２の燃料ガス給排口１０ｂから排出される。残ガスは分岐点４５ａをへて第４の電磁バルブ５４を通り、集合路４３から外部に排出される。このときの燃料ガスの流れ方向を順方向と呼ぶことにし、燃料電池本体１０の初期運転時には、この状態に保たれる。
【００３９】
一方、図４の（ｂ）に示すように、第２電磁バルブ５２と第３電磁バルブ５３とをそれぞれ開状態とし、第１電磁バルブ５１と第４電磁バルブ５４とをそれぞれ閉状態とすることで、改質器１６から供給された燃料ガスは、図中、１点鎖線に示すように、管路４０から第２分岐路４２の第３電磁バルブ５３を通り、分岐点４５ａを経て第２の燃料ガス給排口１０ｂに導かれる。燃料電池本体１０へ導入された燃料ガスは、図１中、下から上へ進みつつ、電極での電気化学反応により消費され、その残ガスは燃料電池本体１０の第１の燃料ガス給排口１０ａから排出される。残ガスは分岐点４４ａをへて第２の電磁バルブ５２を通り、集合路４３から外部に排出される。このときの燃料ガスの流れ方向を逆方向と呼ぶことにする。
【００４０】
図１に戻り、制御系２２について次に説明する。制御系２２は、燃料電池本体１０の状態を検出するセンサとして、流路溝３４ｐに設けられ、アノード３２の電極面の温度を検出する第１および第２の温度センサ６１，６３と、両温度センサ６１，６３に接続される電子制御ユニット７０とを備える。第１および第２の温度センサ６１，６３は、熱電対式のもので、複数ある流路溝３４ｐの内の所定の１本の両端にそれぞれ配設されている。なお、第１の温度センサ６１が設けられるのが図１中、上部側にあたり、第２の温度センサ６３が設けられるのが図１中、下部側にあたる。
【００４１】
電子制御ユニット７０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ＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２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ＲＯＭ７４、同じくＣＰＵ７２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ＲＡＭ７６、温度センサ６１，６３からの出力信号を入力する入力処理回路７８、ＣＰＵ７２での演算結果に応じて第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４に開閉信号を出力する出力処理回路７９等を備える。
【００４２】
こうした構成の電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２によって、第１および第２の温度センサ６１，６３からの出力信号から、第１および第２の温度センサ６１，６３が設けられている流路溝３４ｐの両端付近の温度差が求められ、この温度差に応じて第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４が開閉制御され、燃料電池本体１０の燃料ガス側の流路溝３４ｐへ供給される燃料ガスの流れ方向が切り換えられる。
【００４３】
この燃料ガスの流れ方向を切り換える燃料ガス制御処理ルーチンについて、図５のフローチャートに沿って詳しく次に説明する。この燃料ガス制御処理ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、第１の温度センサ６１で検出された第１の電極温度Ｔ１と第２の温度センサ６３で検出された第２の電極温度Ｔ２とをそれぞれ読み込む処理を行なう（ステップＳ１１０）。次いで、第１の電極温度Ｔ１から第２の電極温度Ｔ２を差し引いた温度差ＴＳを求め（ステップＳ１２０）、この温度差ＴＳが予め定められた所定の温度差ＴＡ（＞０）より大きいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ１３０）。
【００４４】
ステップＳ１３０で肯定判別、即ち、温度差ＴＳが所定温度差ＴＡより大きいと判別されると、ＣＰＵ７２は次の処理を行なう。第１の電磁バルブ５１と第４の電磁バルブ５４とにバルブを閉状態に制御する制御信号を送り、第２の電磁バルブ５２と第３の電磁バルブ５３とにバルブを開状態に制御する制御信号を送ることにより、前者の一群の電磁バルブ５１，５４を閉状態に、後者の一群の電磁バルブ５２，５３を開状態に制御する（ステップＳ１４０）。この結果、図４の（ｂ）に示すように、燃料ガスは、燃料電池本体１０中を逆方向に進む。
【００４５】
ステップＳ１３０で肯定判別される状態とは、第１の温度センサ６１で検出された第１の電極温度Ｔ１が、第２の温度センサ６３で検出された第２の電極温度Ｔ２より所定温度ＴＡ以上大きい状態であり、この温度差が生じるのは次のような理由による。これは、アノード３２の電極表面が受ける被毒の程度が、電極表面の位置により異なることに起因する。被毒の程度の高い部分ほど電気出力が低下して、被毒の程度が低い部分に電流が集中することから、被毒の程度の高い部分ほど温度が低下し、被毒の程度が高い部分ほど温度が上昇する。
【００４６】
燃料ガスの流路溝３４ｐにおいては、発明が解決しようとする課題の欄で説明したように、出口側に進むにつれて一酸化炭素濃度が高くなることから、出口側ほど電極表面の被毒の程度は高くなり、出口側ほど温度が低下する。即ち、図４の（ａ）に示すように、燃料ガスが順方向に流れているときには、第１の燃料ガス給排口１０ａ側に設けられた第１の温度センサ６１で検出される第１の電極温度Ｔ１が高くなり、第２の燃料ガス給排口１０ｂ側に設けられた第２の温度センサ６３で検出される第２の電極温度Ｔ２が低くなり、ステップＳ１３０で肯定判別されることになる。
【００４７】
こうした状況下で、ステップＳ１４０の処理が実行されると、図４の（ｂ）に示すように、燃料ガスは第２の燃料ガス給排口１０ｂ側から第１の燃料ガス給排口１０ａ側に向かう逆方向に進むことになる。このようにガスの流れが逆転するので、これまで、一酸化炭素により被毒を受けていた第２の燃料ガス給排口１０ｂの付近には、相対的に一酸化炭素濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。白金触媒の一酸化炭素による被毒は、一酸化炭素の濃度に強く依存するので、一酸化炭素の濃度が低くなれば、被毒が解消される方向になり、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近の電気化学反応が活発になり、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近の温度が上昇し、正常な温度に戻ることになる。また、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近での電流集中も解消されるので、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近の温度が低下し、正常な温度に戻ることになる。即ち、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近に設置された第２の温度センサ６３により検知される第２の電極温度Ｔ２と、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近に設置された第１の温度センサ６１により検知される第１の電極温度Ｔ１との温度差ＴＳはしだいに解消される。
【００４８】
なお、温度差ＴＳが何℃で触媒被毒が発生したと判断するか、即ち、ステップＳ１３０で用いる所定温度差ＴＡが何℃になるかは、個々の燃料電池本体１０により異なる。たとえ触媒被毒が発生しない、まったく正常な運転状態でも、次のような条件下では温度差ＴＳが発生しやすい。燃料電池本体１０の電極面積が大きい場合、燃料電池本体１０の冷却水の入口温度と、燃料電池本体１０の運転温度との間の温度差が大きい場合等である。一般には、燃料電池本体１０に一酸化炭素をまったく含まないガスを流し、そのときの第１および第２の電極温度Ｔ１，Ｔ２を検知し、次に、濃度のわかっている一酸化炭素を含んだ燃料ガスを流し、その時のＴ１，Ｔ２を検知し、各々の場合におけるＴ１，Ｔ２の温度差のデータをとり、正常時に対して温度差が何℃増えたら触媒被毒したと決めればよい。本実施例では、正常時のＴ１とＴ２の温度差ＴＳに対して３〜５［℃］程度温度差が大きくなれば、触媒被毒が発生したとする。
【００４９】
図５のフローチャートに説明を戻す。ステップＳ１３０で否定判別、即ち、温度差ＴＳが所定温度差ＴＡより大きいと判別されると、ステップＳ１５０に進み、その温度差ＴＳが前記所定温度差ＴＡの正負を反転した−ＴＡより小さいか否かを判別する。この判別は、第１の電極温度Ｔ１から第２の電極温度Ｔ２を引いた温度差ＴＳの正負反転値である第２の電極温度Ｔ２から第１の電極温度Ｔ１を引いた温度差−ＴＳが、所定温度差ＴＡより大きいか否かを判別するものと同じである。
【００５０】
ステップＳ１５０で肯定判別、即ち、第２の電極温度Ｔ２から第１の電極温度Ｔ１を差し引いた値が所定温度差ＴＡより大きいと判別されると、次の処理を行なう。第１の電磁バルブ５１と第４の電磁バルブ５４とにバルブを開状態に制御する制御信号を送り、第２の電磁バルブ５２と第３の電磁バルブ５３とにバルブを閉状態に制御する制御信号を送ることにより、前者の一群の電磁バルブ５１，５４を開状態に、後者の一群の電磁バルブ５２，５３を閉状態に制御する（ステップＳ１６０）。この結果、図４の（ａ）に示すように、燃料ガスは燃料電池本体１０を順方向に進む。
【００５１】
ステップＳ１５０で肯定判別される状態とは、第２の温度センサ６３で検出された第２の電極温度Ｔ２が、第１の温度センサ６１で検出された第１の電極温度Ｔ１より所定温度ＴＡ以上大きい状態であり、これは、次のような状況下で起こりうる。即ち、ステップＳ１３０およびＳ１４０で、第１の電極温度Ｔ１が第２の電極温度Ｔ２より所定温度差ＴＡ以上大きい状態で、燃料ガスの流れ方向が切り換えられた後、触媒被毒が解消し、燃料電池本体１０が正常な運転を続け、この状態で、再び触媒被毒が発生した場合に起こる。図４の（ｂ）に示すように燃料ガスが逆方向に流れているときには、第１の燃料ガス給排口１０ａ側に近いほど一酸化炭素濃度が高くなり触媒被毒が発生し易いことから、第１の燃料ガス給排口１０ａ側に設けられた第１の温度センサ６１で検出される第１の電極温度Ｔ１が、第２の燃料ガス給排口１０ｂ側に設けられた第２の温度センサ６３で検出される第２の電極温度Ｔ２より低くなる。この結果、ステップＳ１５０で肯定判別されることになる。
【００５２】
こうした状況下で、ステップＳ１６０の処理が実行されると、図４の（ａ）に示すように、燃料ガスは第１の燃料ガス給排口１０ａ側から第２の燃料ガス給排口１０ｂ側に向かう方向に流れが切り換えられる。このようにガスの流れが逆方向から順方向に逆転するので、これまで、一酸化炭素により被毒を受けていた第１の燃料ガス給排口１０ａの付近には、相対的に一酸化炭素濃度の低い燃料ガスが供給されることになる。この結果、被毒が解消される方向になり、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近の電気化学反応が活発になり、第１の燃料ガス給排口１０ａ付近の温度が上昇し、正常な温度に戻ることになる。また、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近での電流集中も解消されるので、第２の燃料ガス給排口１０ｂ付近の温度が低下し、正常な温度に戻ることになる。即ち、第１の電極温度Ｔ１と第２の電極温度Ｔ２との温度差ＴＳはしだいに解消される。
【００５３】
ステップＳ１４０またはＳ１６０の処理により、温度差ＴＳの解消がなされると、続いて、所定の時間だけ遅延する処理を行なう（ステップＳ１７０）。ここで、所定の時間とは、ステップＳ１４０またはＳ１６０の実行により温度差ＴＳが完全に解消するに充分な時間である。なお、この遅延時間は、個々の燃料電池本体１０の構造、例えば、対象となる燃料電池本体の配管の長さ、配管径、開閉バルブの取付け位置、ガス流速、ガス圧力等により異なる。そのため、予め対象となる燃料電池毎の被毒解消に必要な時間を測定しておくことが必要となり、その上で遅延時間はその被毒解消時間の１．２〜１．５倍程度に設定することが望ましい。ステップＳ１７０の実行後、「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。一方、ステップＳ１５０で否定判定されたときにも、そのまま「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。
【００５４】
以上詳述したこの第１実施例の燃料電池発電システム１では、第１および第２の温度センサ６１，６３により燃料ガスの流路溝３４ｐの両端の温度が検出され、アノード３２の触媒に被毒状態に陥った部分があるか否かが両者の温度差ＴＳから判定される。アノード３２の電極表面上の温度差は、触媒の被毒状態の発生と密接な対応関係があることから、触媒の被毒状態を高精度に判定することができるといった効果を奏する。
【００５５】
また、この燃料電池発電システム１では、触媒の被毒状態があることが判定されると、第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４を開閉制御することにより、アノード３２に沿って設けられた燃料ガスの流路溝３４ｐにおける燃料ガスの流れ方向が反転される。このため、流路溝３４における電極表面上においてより被毒している反応ガスの流出側が、反応ガスの流入側に切り換えられ、この結果、被毒していた部分を一酸化炭素濃度が相対的に低い反応ガスにさらすことができる。従って、それ以上の被毒を防止することができ、それとともに、その被毒が解消され易くなると言った効果を奏する。両効果から、燃料電池本体１０の触媒の被毒を、遅れが生じることなしに、しかも確実に解消することができるといった効果を招来する。
【００５６】
前記第１実施例において、第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４の配設位置は、実際は次のようになっている。第１電磁バルブ５１および第２電磁バルブ５２は、分岐点４４ａに出来る限り近い位置に、第３電磁バルブ５３および第４電磁バルブ５４は、分岐点４５ａに出来る限り近い位置にそれぞれ配設されている。これは、分岐点４４ａ，４５ａと各電磁バルブ５１〜５４との間に残留するガスが出来る限り少ない方が、ガスの流れを反転させる際に、燃料電池本体１０に流れ込む残留ガスが少なくて済むためであり、こうして、残留ガスの影響を出来る限り少なくすることができる。
【００５７】
なお、前記第１実施例においては、前述したように４つの電磁バルブ５１〜５４を設けていたが、さらに第５ないし第８の４つの電磁バルブを設けるように構成してもよい。即ち、図６に示すように、第１分岐路４１上の管路４０に近い側と集合路４３に近い側とに第５電磁バルブ５５および第６電磁バルブ５６を設け、第２分岐路４２上の管路４０に近い側と集合路４３に近い側とに、第７電磁バルブ５７および第８電磁バルブ５６を設ける。そして、第１電磁バルブ５１と第５電磁バルブ５５、第２電磁バルブ５２と第６電磁バルブ５６、第３電磁バルブ５３と第７電磁バルブ５７、第４電磁バルブ５４と第８電磁バルブ５８をそれぞれ一組として同時に開閉制御する。こうした構成により、第１分岐路４１の経路と第２分岐路４２の経路における残留ガスをほぼなくすことができ、より確実に残留ガスによる悪影響をなくすことができる。
【００５８】
また、第１実施例のように４つの電磁バルブ５１〜５４を設けるのではなく、これに換えて、第１分岐路４１の分岐点４４ａと第２分岐路４２の分岐点４５ａの２カ所に電磁式の３方向切換バルブ（３ポート切換バルブ）を設け、これを操作することにより、ガス流路を切り換えるように構成してもよい。
【００５９】
さらに、前記第１実施例を次のように変形してもよい。第１実施例では、第１および第２の温度センサ６１，６３により検出された電極温度Ｔ１，Ｔ２から触媒の反応状態を知るように構成されていたが、これに換えて、アノード３２の電極面の電位を検出する電位計により触媒の反応状態を知る構成としてもよい。詳しくは、第１実施例における第１の温度センサ６１の配設位置に第１の電位計を設け、第２の温度センサ６３の配設位置に第２の電位計を設ける。そして、両電位計で検出した電位Ｅ１，Ｅ２の差を求めて、この電位差に応じて触媒の被毒状態の判別を行なう。アノード３２の電極面の電位差は、電極の燃料ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差によるものであることから、前記構成により、第１実施例と同様に触媒の被毒状態を高精度に判定することができる。
【００６０】
次に、本発明の第２実施例について説明する。図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池発電システム２００の概略構成図である。図７に示すように、この燃料電池発電システム２００は、第１実施例のそれと比較して、次の構成が相違する。この燃料電池発電システム２００は、第１の接続路４４および第２の接続路４５にそれぞれ設けられ、燃料電池本体１０への燃料ガスの吸入量を検出する第１および第２の流量センサ２０１，２０３と、燃料電池本体１０に接続され、その出力電流値を検出する電流計２０５とを備えている。これら第１および第２の流量センサ２０１，２０３と電流計２０５は、電子制御ユニット７０と電気的に接続されており、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により、アノード３２での燃料ガスの利用の程度が求められ、その程度に応じて第１実施例の燃料ガス制御処理を実行するか禁止するかが定められる。
【００６１】
こうした電子制御ユニット７０により実行される燃料ガス制御処理について、図８のフローチャートに沿って詳しく説明する。この燃料ガス制御処理ルーチンは、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、電流計２０５から燃料電池本体１０の出力電流Ｉを読み込み（ステップＳ２１０）、その出力電流Ｉから理論上必要とされる燃料電池本体１０の燃料ガス流量ＭＡを算出する（ステップＳ２２０）。次いで、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れ方向は、図４の（ａ）で説明した順方向か、それとも、図４の（ｂ）で説明した逆方向であるかを判別する処理を行なう（ステップＳ２３０）。
【００６２】
ステップＳ２３０で燃料ガスの流れ方向が順方向にあると判別されたときには、第１の燃料ガス給排口１０ａから燃料電池本体１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢを第１の流量センサ２０１から読み込む処理を行なう（ステップＳ２４０）。一方、ステップＳ２３０で燃料ガスの流れ方向が逆方向にあると判別されたときには、第２の燃料ガス給排口１０ｂから燃料電池本体１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢを第２の流量センサ２０３から読み込む処理を行なう（ステップＳ２５０）。ステップＳ２４０またはＳ２５０の実行後、次いで、ステップＳ２４０またはＳ２５０で読み込んだ燃料ガスの実際の流入量ＭＢが、ステップＳ２２０で算出された燃料ガスの必要量ＭＡを下回っているか否かを判別する（ステップＳ２６０）。
【００６３】
ステップＳ２６０で実際の流入量ＭＢが必要量ＭＡを下回っていると判別された場合には、燃料ガスが不足したと言うことであることから、燃料電池本体１０の燃料ガス流入量を増加する処理を行なう（ステップＳ２７０）。この燃料ガス流入量増加処理は、改質器１６やメタノールタンク１２および水タンク１４を制御することにより実行される周知のもので、詳しい説明については省略するものとする。ステップＳ２７０の実行後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００６４】
一方、ステップＳ２６０で実際の流入量ＭＢが必要量ＭＡ以上であると判別された場合には、燃料ガスが充分であることから作用の欄で説明したように触媒の被毒状態を誤判定することがないため、第１実施例と同じステップＳ１１０からステップＳ１７０までの処理を実行する。その後、この処理を一旦終了する。
【００６５】
以上詳述したこの第２実施例の燃料電池発電システム２００では、燃料電池本体１０への燃料ガスの実際の流入量ＭＢが必要量ＭＡを下回り不足している場合に、温度センサ６１，６３からの被毒状態の推定を行なわず、しかも、被毒対策も行なわない。一般に、アノード３２における化学反応の反応状態の差は触媒の被毒状態に応じて変化するが、これは、アノード３２の面方向に充分に燃料ガスが供給されている場合であり、急負荷が掛かり燃料ガスに不足が生じるような場合には、触媒が被毒状態になくても反応状態が悪化する。このため、燃料ガスに不足が生じるような場合には、触媒の被毒状態を誤って推定してしまう。この実施例のように、燃料ガスが不足するときは被毒状態の推定等を行なわないことにより、燃料ガスの不足時における誤った推定をとり止めることができる。従って、被毒状態の推定の精度を高めることができ、触媒の被毒対策を高精度に行なうことができるといった効果を奏する。
【００６６】
この第２実施例では、燃料ガスの流路溝３４ｐの両端の接続路４４，４５に設けられた２つの流量センサ２０１，２０３を選択的に用いて、燃料電池本体１０に実際に流入する燃料ガス流入量ＭＢを検出していたが、これに換えて、改質器１６のすぐ下流の管路４０にひとつの流量センサを設けて、この流量センサの検出結果から燃料電池本体１０に流入する燃料ガス流入量ＭＢを算出する構成としてもよい。また、管路４０に流量を制御するマスフローコントローラを備えている場合には、このマスフローコントローラへの制御信号から前記燃料ガス流入量ＭＢを求めるようにしてもよい。さらには、改質器１６へ供給されるメタノールと水との供給量と改質器内部に充填された改質触媒の温度から水素発生量、実際の燃料ガス流入量ＭＢを求める構成としてもよい。
【００６７】
また、第２実施例では、燃料電池本体１０に流入する燃料ガス流入量ＭＢが必要量ＭＡを下回っている場合、被毒状態の推定を禁止する構成であったが、これに換えて、前記必要量ＭＡと燃料ガス流入量ＭＢとの偏差△Ｍを求めて、被毒状態の判断基準、具体的には、ステップＳ１３０，Ｓ１５０で用いる判断値ＴＡを偏差△Ｍに応じて変える構成としてもよい。この構成により、被毒状態の推定をより高精度に行なうことができる。
【００６８】
次に、本発明の第３実施例について説明する。図９は、本発明の第３実施例としての燃料電池発電システム３００の概略構成図である。図９に示すように、この燃料電池発電システム３００は、第１実施例とほぼ同じハードウェアの構成を備える。相違する点は、改質器１６を構成する改質部３０１、シフト反応部３０２および部分酸化反応部３０３と電子制御ユニット７０とを接続することにより、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により、改質部３０１、シフト反応部３０２および部分酸化反応部３０３を制御して、燃料ガスである水素リッチガスの質を変更可能とした点にある。
【００６９】
以下、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により実行される燃料ガス制御処理について、図１０のフローチャートに沿って詳しく説明する。この燃料ガス制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、第１実施例の燃料ガス制御処理のステップＳ１１０およびＳ１２０と同様に、第１および第２の温度センサ６１，６３から第１の電極温度Ｔ１と第２の温度センサ６３を読み込み、それらの温度差ＴＳを求める（ステップＳ３１０，Ｓ３２０）。
【００７０】
続いて、ステップＳ３２０で算出された温度差ＴＳの絶対値が予め定められた第２の所定値ＴＢ（＞０）より大きく、且つ第１の所定値ＴＡより小さいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ３２２）。ここで、第１の所定値ＴＡは、第１実施例のステップＳ１３０で用いた所定値ＴＡと同じ値であり、触媒被毒が発生した状態を判別するための値である。第２の所定値ＴＢは、第１の所定値ＴＡよりも小さい値で、触媒被毒が起こり始めている状態、即ち、触媒被毒の前段階または軽い触媒被毒の状態を判別するための値である。具体的には、第１の所定値ＴＡは、第１実施例で説明したように３〜５［℃］であり、第２の所定値ＴＢは、２〜３［℃］である。
【００７１】
ステップＳ３２２で肯定判別されると、ＣＰＵ７２の処理はステップＳ３２４に進む。ここでは、ＣＰＵ７２は、改質器１６の部分酸化反応部３０３に制御信号を送って、部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量を増量する処理を行なう。部分酸化反応部３０３は、１００℃〜２００℃の温度で運転されており、改質ガスに吹き込む空気の量を増量すれば、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にする反応が促進される。
【００７２】
即ち、温度差ＴＳの絶対値がＴＢより大きく、ＴＡより小さいと判別され、燃料電池本体１０のアノード側電極で触媒被毒が起こり始めている状態であると判断されたならば、改質器１６の部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量を増大させることにより、改質ガス中の一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にする反応を促進させることになる。これにより、部分酸化反応部３０３から生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度は低下する。このため、一酸化炭素濃度の低い改質ガスが、燃料ガスとして燃料電池本体１０に流れ込むので、触媒被毒が起こり始めていた状態が改善される。
【００７３】
一方、ステップＳ３２２で否定判別、即ち、温度差ＴＳの絶対値が、ＴＢ以下またはＴＡ以上であると判別されると、ステップＳ３３０に進む。このステップＳ３３０からステップＳ３７０までの処理は、第１実施例のステップＳ１４０〜Ｓ１７０と同じ処理である。即ち、温度差ＴＳが第１の所定値ＴＡより大きいと判別された場合には、図４の（ｂ）に示すように、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを逆方向に切り換え（ステップＳ３３０，Ｓ３４０）、一方、温度差ＴＳが所定値ＴＡの負の値より小さいと判別された場合には、図４の（ａ）に示すように、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを順方向に切り換える（ステップＳ３５０，３６０）とともに、その後、遅延処理を行なう（ステップＳ３７０）。なお、ステップＳ３２２，Ｓ３３０，Ｓ３５０の各ステップの全てで否定判別されたとき、即ち、温度差ＴＳが−ＴＢからＴＢまでの間に該当するときには、触媒の被毒はないものとして、何の処理も行なわず、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００７４】
なお、ステップＳ３２４で触媒被毒の起こり始めの状態の改善がなされた後には、ステップＳ３７０に進み、その改善の完全を期するために遅延処理が実行される。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００７５】
以上詳述したこの第３実施例の燃料電池発電システム１では、アノード３２の触媒被毒の程度が僅かなものであれば、改質器１６の部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量が増大される。これによれば、改質器１６の改質の効率を一時的に落とすことになるが、一酸化炭素濃度の低い燃料ガスを燃料電池本体１０に送り込むことができ、僅かな触媒被毒ならその状態を改善させることができるといった効果を奏する。なお、この実施例では、被毒の程度が大きい場合には、第１実施例と同様にガスの流れ方向を反転することにより、被毒の解消が図られることから、被毒の程度に応じて段階的な被毒の解消を図ることができるといった効果も奏する。
【００７６】
なお、部分酸化反応部３０３において改質ガス中に吹き込む空気の量を増やすと、次式で示す酸化反応が促進される。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
２Ｈ２ ＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
こうした酸化反応の結果、改質ガス中に含まれる水素の分圧が相対的に低下することになるが、これは、燃料電池本体１０の出力電圧をたとえ僅かながらではあるが、低下させる方向へ作用する。このため、第３実施例では、特に詳しく説明しなかったが、第１の電極温度Ｔ１と第２の電極温度Ｔ２の温度差がＴＢ以下に復帰したならば、空気の吹き込み量を定常状態の吹き込み量に戻すように構成することが望ましい。
【００７７】
また、第３実施例では、部分酸化反応部３０３での空気吹き込み量の制御により、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させていたが、これに換えて、改質部３０１の反応温度を制御したり、シフト反応部３０２の反応温度を制御する構成によっても、同様に、改質反応効率の若干の低下は伴うが改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させることができる。
【００７８】
なお、前述したように改質器１６の改質の効率を落とすのに換えて、次のような構成によって触媒被毒状態の改善を図るようにしてもよい。即ち、燃料電池本体１０に供給する燃料ガスの供給圧を一時的に増加させるようする。この構成により、一時的にガス圧を理想状態より増加させることができ、燃料電池としての効率は一時的に低下するが、触媒の耐ＣＯ被毒特性を高めることができる。この結果、僅かな触媒被毒ならその状態を改善し、あるいは進行を抑制できる。
【００７９】
次に、本発明の第４実施例について説明する。図１１は、この第４実施例としての燃料電池発電システムの燃料電池本体１０周辺の概略構成図である。図１１に示すように、この燃料電池発電システム４００は、第１実施例とほぼ同じハードウェアの構成を備える。相違する点は、第１の分岐路４１の分岐点４４ａにさらに接続される管路４０１と、第２の分岐路４２の分岐点４５ａに接続される管路４０３とを備え、各管路４０１，４０３に電磁バルブ４５５，４５６を設けた点にある。
【００８０】
管路４０１はパージガスの注入路であり、管路４０３はパージガスの排出路である。パージガスは、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスである。図示しない第１実施例と同じ電子制御ユニット７０は、第１の分岐路４１上の電磁バルブ５１，５２と第２の分岐路４２上の電磁バルブ５３、５４とを全て閉状態とした上で、両電磁バルブ４５５，４５６を開状態に制御することにより、燃料電池本体１０内に燃料ガスに換えてパージガスを充填させる。この結果、燃料電池本体１０は停止するとともに、内部の水素ガスが排気されて安全状態に保たれる。
【００８１】
次に、前述したパージガスを充填させるパージ処理を含めた燃料ガス制御処理について、図１２のフローチャートに沿って詳しく説明する。この燃料ガス制御処理は、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２により所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７２は、処理が開始されると、まず、第１実施例の燃料ガス制御処理のステップＳ１１０およびＳ１２０と同様に、第１および第２の温度センサ６１，６３から第１の電極温度Ｔ１と第２の温度センサ６３を読み込み、それらの温度差ＴＳを求める（ステップＳ４１０，Ｓ４２０）。
【００８２】
続いて、ステップＳ４１０で算出された温度差ＴＳの絶対値が予め定められた第３の所定値ＴＣ（＞０）より大きいか否かを判別する処理を行なう（ステップＳ４２２）。ここで、第３の所定値ＴＣは、触媒被毒の程度が高く、燃料電池本体１０が発電を継続させるのが困難である状態を判別するための値である。具体的には、第３の所定値ＴＣは、５〜１０［℃］といった大きな値である。
【００８３】
ステップＳ４２２で肯定判別されると、ＣＰＵ７２はステップＳ４２４に進む。ここでは、ＣＰＵ７２は、図示しない負荷への電気供給を、燃料電池本体１０と並列に接続された図示しない２次電池（例えば鉛蓄電池）に切り替えるとともに、当該負荷を安全に停止させる処理を行なう。続いて、パージ処理を行なって、燃料電池本体１０を安全に停止させる（ステップＳ４２６）。このパージ処理は、前述したように、第１の分岐路４１上の電磁バルブ５１，５２と第２の分岐路４２上の電磁バルブ５３、５４とを全て閉状態とし、その後、パージ用の管路４０１に設けられた電磁バルブ４５５と管路４０３に設けられた電磁バルブ４５６とを開状態に制御するもので、こうした制御により、燃料電池本体１０内に燃料ガスに換えてパージガスが充填される。この結果、燃料電池本体１０は停止するとともに、燃料電池本体内部の水素ガスが不活性ガスに置換されて、燃料電池本体は安全状態に保たれる。その後、「ストップ」に抜けてこの処理を終了する。
【００８４】
一方、ステップＳ４２２で否定判別、即ち、温度差ＴＳの絶対値が、ＴＣ以下であると判別されると、ステップＳ４３０に進む。このステップＳ４３０からステップＳ４７０までの処理は、第１実施例のステップＳ１４０〜Ｓ１７０と同じ処理である。即ち、温度差ＴＳが第１の所定値ＴＡより大きいと判別された場合には、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを逆方向に切り換え（ステップＳ４３０，Ｓ４４０）、一方、温度差ＴＳが所定値ＴＡの負の値より小さいと判別された場合には、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れを順方向に切り換え（ステップＳ４５０，４６０）、その後、遅延処理を行なう（ステップＳ３７０）。その後、「リターン」に抜けてこの処理を一旦終了する。
【００８５】
以上詳述したこの第４実施例の燃料電池発電システム４００では、燃料電池本体１０の燃料ガスの流れ方向を逆転させた後もなお、アノード３２の電極面内の温度差ＴＳが拡大し続け、温度差ＴＳが予め決められた第３の所定値ＴＣを越えた時には、触媒が完全に被毒され、もはやこれ以上、燃料電池本体１０の発電を継続させるのが困難であると判断して、燃料電池本体１０内に燃料ガスに換えてパージガスを充填させることにより、燃料電池本体１０を安全に停止させる。これにより、触媒被毒により、燃料電池本体１０が緊急停止して、燃料電池本体１０および周辺機器あるいは燃料電池本体１０に接続された負荷にダメージが加わるのを防止することができる。
【００８６】
次に、本発明の第５実施例について説明する。図１３は、本発明の第５実施例としての燃料電池発電システム５００の概略構成図である。図１３に示すように、この燃料電池発電システム５００は、第１実施例と同じ構成の燃料ガス系統Ａを備え、さらに、その燃料ガス系統Ａと似かよった構成の酸化ガス系統Ｂを備える。燃料電池発電システム５００は、燃料ガス系統Ａとして、第１実施例と同じ燃料電池本体１０，改質器１６，燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０を備えるとともに、酸化ガス系統Ｂとして、酸化ガス（実際は空気）を貯えたタンク５１６と、タンク５１６からの酸化ガスを燃料電池本体１０のカソード側の流路溝３５ｐに供給する酸化ガス供給通路５１８と、その流路溝３５ｐに供給された酸化ガスの残余分を排出するガス排出通路５２０とを備える。
【００８７】
酸化ガス供給通路５１８およびガス排出通路５２０は、燃料ガス供給通路１８およびガス排出通路２０と同様に、２本の分岐路５４１，５４２に分岐されており、分岐路５１０，５４２には第５ないし第８の電磁バルブ５５１〜５５４が設けられている。これら第５ないし第８の電磁バルブ５５１〜５５４は、制御系５２２の電子制御ユニット５７０により開閉制御されることにより、カソード３３側の流路溝３５ｐ（図２および図３）に流される酸化ガスの流れ方向を反転する。なお、この酸化ガスの流れは、第１実施例の図２および図３に示したように燃料ガス側の流路溝３４ｐと酸化ガス側の流路溝３５ｐとが平行に配設されていることから、燃料ガスの流れ方向と当然平行なものとなる。
【００８８】
制御系５２２の電子制御ユニット５７０は、燃料ガス系統Ａの第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４の開閉に同期させて、酸化ガス系統Ｂの第５ないし第８の電磁バルブ５５１〜５５４も開閉制御しており、こうして、燃料ガスの流れ方向の切り換えに同期させて、酸化ガスの流れ方向も燃料ガスの流れ方向と同一方向に切り換える。詳しくは、第１実施例で説明した図５に示す燃料ガス制御処理ルーチンにおいて、ステップＳ１４０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の閉制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の開制御とともに、第５および第８電磁バルブ５５１，５５４を閉状態に、第６および第７電磁バルブ５５２，５５３の開状態に制御し、また、ステップＳ１６０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の開制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の閉制御とともに、第５および第８電磁バルブ５５１，５５４を開状態に、第６および第７電磁バルブ５５２，５５３の閉状態に制御する。
【００８９】
こうした構成により、この燃料電池発電システム５００では、アノード３２の触媒に被毒状態があると判定されると、アノード３２側の流路溝３４ｐにおける燃料ガスの流れ方向を反転させることにより、被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い燃料ガスにさらすことができる。さらに、燃料ガスの流れ方向の反転に同期して、酸化ガスの流れ方向も同一方向に切り替えられることから、被毒の始まった部分を酸素濃度の高い酸化ガスにもさらすことができる。このため、触媒被毒の始まった部分をより一層速やかに解消することができ、従って、燃料電池本体１０の触媒の被毒を遅れが生じることなしにより一層素早く解消することができるといった効果を奏する。
【００９０】
次に、本発明の第６実施例について説明する。図１４は、本発明の第６実施例としての燃料電池発電システム６００の概略構成図である。図１４に示すように、この燃料電池発電システム６００は、第１実施例と同じ構成の燃料ガス系統Ａを備え、さらに冷却水系統Ｃを備える。冷却水系統Ｃは、燃料電池本体１０に配設される冷却水の通路溝６０１と、その通路溝６０１に冷却水を循環させる循環通路６０３とを備える。通路溝６０１は、燃料電池本体１０に設けられた複数のセル毎に配設された冷却板６１０に形成されるもので、燃料ガスの流路溝３４ｐと平行に位置する。なお、燃料ガス側の流路溝３４ｐを形成するセパレータ３４と前記冷却板６１０とは、上下に重ねられ同一垂線上に位置するが、この関係を図中２点鎖線で示した。
【００９１】
循環通路６０３は、その経路中に、冷却水ポンプ６４６，ラジエタ６４７，絞りバルブ６４９を備え、冷却ポンプ６４６の吐出量や、ラジエタ６４７に対向するラジエタファン６４８の回転速度を制御することにより、循環量およびその冷却水温が制御される。循環通路６０３は、冷却板６１０付近で２本の分岐路６４１，６４２に分岐し、各分岐路６４１，６４２から接続路６４４，６４５を介して冷却板６１０の通路溝６０１の両端に接続される。分岐路６４１および６４２には、第５ないし第８の電磁バルブ６５１〜６５４が設けられており、これら第５ないし第８の電磁バルブ６５１〜６５４は、制御系６２２の電子制御ユニット６７０により開閉制御されることにより、通路溝６０１に流される冷却水の流れ方向を反転する。なお、この冷却水の流れは、燃料ガスの流路溝３４ｐと平行に配設されていることから、燃料ガスの流れ方向と平行なものとなる。
【００９２】
制御系６２２の電子制御ユニット６７０は、燃料ガス系統Ａの第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４の開閉に同期させて、冷却水系統Ｃの第５ないし第８の電磁バルブ６５１〜６５４も開閉制御しており、こうして、燃料ガスの流れ方向の切り換えに同期させて、冷却水の流れ方向を燃料ガスの流れ方向と反転する方向に制御する。詳しくは、第１実施例で説明した図５に示す燃料ガス制御処理ルーチンにおいて、ステップＳ１４０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の閉制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の開制御とともに、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を開状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を閉状態に制御する。また、ステップＳ１６０で、第１および第４電磁バルブ５１，５４の開制御、第２および第３電磁バルブ５２，５３の閉制御とともに、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を閉状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を開状態に制御する。
【００９３】
こうした構成により、この燃料電池発電システム５００では、アノード３２の触媒に被毒状態があると判定されると、アノード３２側の流路溝３４ｐにおける燃料ガスの流れ方向を反転させることにより、被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い燃料ガスにさらすことができる。さらに、燃料ガスの流れ方向の反転に同期して、冷却水の流れ方向をその燃料ガスの流れ方向に反転する方向、即ち、触媒の被毒状態が小から大となる方向に切り替えられることから、被毒の大きい部分を相対的に温度の高い流出側の冷却水により温めることができる。従って、温度が高い程、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度が高くなることから、被毒をより速やかに解消することができるといった効果を奏する。
【００９４】
次に、本発明の第７実施例について説明する。図１５は、本発明の第７実施例としての燃料電池発電システム７００の概略構成図である。図１５に示すように、この燃料電池発電システム７００は、第６実施例とほぼ同じハードウェアの構成を備え、相違する点は、２つの温度センサ７０１，７０３を加えた点にある。２つの温度センサ７０１，７０３は、冷却板６１０へ接続される接続路６４４，６４５に設けられ、通路溝６０１へ流れ込む冷却水の温度と流れ出る冷却水の温度とをそれぞれ算出するもので、制御系７２２の電子制御ユニット７７０と電気的に接続されている。電子制御ユニット７７０は、前述した第１および第２の温度センサ６１，６３の検出信号に加えて両温度センサ（第３および第４の温度センサ）７０１，７０３の検出信号を取り込んで、これらに基づいて、第６実施例のように冷却水の流れ方向を切り換えるとともにその冷却水の温度および流量を制御する。
【００９５】
電子制御ユニット７７０で実行されるこうした制御処理について、図１６および図１７のフローチャートに沿って詳しく説明する。この制御処理は、電子制御ユニット７７０のＣＰＵ７７２により所定時間毎に繰り返し実行されるものである。ＣＰＵ７７２は、処理が開始されると、図１６に示すように、第１実施例の燃料ガス制御処理のステップＳ１１０ないしＳ１６０と同じステップＳ７１０ないしＳ７６０を実行する。なお、ステップＳ７４０の実行後には、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を開状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を閉状態に制御する処理を行ない（ステップＳ７４５）、また、ステップＳ７６０の実行後には、第５および第８電磁バルブ６５１，６５４を閉状態に、第６および第７電磁バルブ６５２，６５３を開状態に制御する処理を行なう（ステップＳ７６５）。なお、こうしたステップＳ７１０からＳ７６５までの処理は、前述した第６実施例に相当する。
【００９６】
その後、処理は、図１７に示すように、ステップＳ７７０に進み、第３および第４の温度センサ７０１，７０３から、通路溝６０１へ流れ込む冷却水の温度Ｔ３と流れ出る冷却水の温度Ｔ４とをそれぞれ読み込む処理を行なう。続いて、冷却水温度Ｔ３から冷却水温度Ｔ４を差し引いた値の絶対値を温度差ＴＳＷとして算出し（ステップＳ７８０）、この温度差ＴＳＷが予め定められた所定の温度差ＴＥ（＞０）より大きいか否かを判別する（ステップＳ７９０）。
【００９７】
ステップＳ７９０で否定判別、即ち、温度差ＴＳＷが所定温度差ＴＥ以下であると判別されると、ＣＰＵ７２は次の処理を行なう。まず、ラジエタファン６４８の回転速度を大きくして、ラジエタ６４７での熱放散量を大きくすることにより、循環通路６０３を流れる冷却水の温度を所定温度だけ低下する処理を行なう（ステップＳ７９２）。次いで、冷却ポンプ６４６の吐出量を小さくして循環量を所定量だけ低下する処理を行なう（ステップＳ７９４）。ステップＳ７９２における冷却水の低下温度とステップＳ７９４における循環量の低下量とは、冷却される熱量が可変しないように一定の関係を有している。単に冷却媒体の温度だけを下げると燃料電池本体が過冷却状態となる恐れがあるため、冷却媒体の流量を抑制する必要がある。即ち、冷却水の温度の低下に合わせて、冷却水の流量を小さくすることにより、冷却される熱量が変化しないようになされている。こうした処理により、冷却される熱量は一定に保った状態で、冷却水の流入側と流出側との間の温度差が所定温度差ＴＥとなるように増大される。
【００９８】
一方、ステップＳ７９０で肯定判別、即ち、温度差ＴＳＷが所定温度差ＴＥより大きいと判別された場合には、所定の時間だけ遅延する処理を行なう（ステップＳ７９６）。ステップＳ７９４またはＳ７９６の実行後、「リターン」に抜けて、この処理を一旦終了する。
【００９９】
こうした構成により、この燃料電池発電システム７００では、アノード３２の触媒に被毒状態があると判定された場合に、燃料ガスの流れ方向を反転させることにより、被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い燃料ガスにさらすことができるとともに、冷却水の流れ方向をその燃料ガスの流れ方向に反転する方向、即ち、触媒の被毒状態が小から大となる方向に切り替えらことにより、被毒の大きい部分を相対的に温度の高い流出側の冷却水により温めることができる。
【０１００】
さらに、この燃料電池発電システム７００では、ステップＳ７７０ないしＳ７９６の処理により、冷却される熱量を一定に保った状態で、冷却水の流入側と流出側との間の温度差を所定温度差ＴＥとなるように増大することができる。このため、触媒の被毒状態の大きい部分により温度の高い冷却水が、また、触媒の被毒状態の小さい部分により温度の低い冷却水が流されることになり、これにより、電極面内の温度バランスをより積極的に解消して、触媒で被毒した電極をより短時間で正常な状態に戻すことができるといった効果を奏する。また、冷却板６１０により冷却される熱量を一定に保っていることから、付加に対する出力変動を最小限に食い止めて、燃料電池本体１０を一定の運転温度で安定して運転させることができるといった効果も奏する。
【０１０１】
なお、前述した第６および第７実施例では、触媒が被毒状態にあると判別されたときに、燃料ガスの流れ方向を逆転させるとともに、冷却水の流れ方向を触媒の被毒状態が小から大となる方向に切り換えていたが、これに換えて、燃料ガスの流れ方向だけを前述したように切り換える構成としてもよい。この構成によれば、触媒の被毒を完全に解消とまではいかないものの、燃料電池の許容し得る一酸化炭素濃度を高くすることで、これ以上の被毒を防止することができる。
【０１０２】
また、前述した第６および第７実施例では、燃料電池本体１０の冷却媒体として、水、つまり冷却水を用いていたが、これに換えて、エチレングリコールやシリコーンオイルのような有機系の液体を用いる構成としてもよく、また、空気や不活性ガスのような気体を用いる構成としてもよい。
【０１０３】
次に、本発明の第８実施例について説明する。前述してきた各実施例では、触媒が被毒状態にあると判別されたときに、燃料ガスの流れ方向を逆転していたが、この第８実施例では、この燃料ガスの切り換えとともに、負荷への電気供給源を固体高分子型燃料電池から、燃料電池本体１０と電気的に並列に接続された２次電池に切り替える構成とした。
【０１０４】
負荷への電気供給源の切り換えの具体的な手順としては、先ず２次電池を燃料電池本体１０と並列に接続して、２次電池と燃料電池本体１０の両方から負荷に電気が供給できるようにした上で、燃料電池本体１０と負荷の間を切り放し、燃料電池本体１０に負荷電流が流れない状態にする。次に、第１ないし第４の電磁バルブ５１〜５４を開閉して、燃料電池本体１０への燃料ガスの流れ方向を切り替える。電磁バルブ５１〜５４を切り替えてから、実際に流れ方向が逆転し、かつ安定したガスの流れが生じるまで一定に時間がかかる。この時間は各々の燃料電池本体１０の配管長さ、配管径、開閉バルブの取り付け位置、ガスの流速やガス圧力により異なってくるので、予め、各々の燃料電池本体１０ごとに最適な時間を測定して決めておくことが望ましい。その時間が経過したら、燃料ガスの流れも安定しているから、再び、燃料電池本体１０と負荷の間を接続して、２次電池と燃料電池本体１０の両方から負荷に電気が供給できるようにした上で、改めて、２次電池と負荷の間を切り放し、負荷に対しては燃料電池本体１０からのみ電気が供給されるようにする。
【０１０５】
こうした構成により、燃料電池本体１０の負荷電流を軽減させて、燃料ガスの流れ方向の切り替え時の一時的な出力電圧の低下を抑えることができるといった効果を奏する。
【０１０６】
次に、本発明の第９実施例について説明する。この第９実施例は、前述した第３実施例を変形したものである。第３実施例では、触媒被毒の程度が僅かなものであれば、改質器１６の部分酸化反応部３０３へ吹き込む空気の流量を増大していた（図１０のステップ３２４）が、これに換えて、この第９実施例では、触媒被毒の程度が僅かなときに、燃料ガス系統のガス圧力を上昇させるように構成した。具体的には、燃料電池本体１０の燃料ガス排出口以降に一般的に設置された圧力調整弁を制御することにより、そのガス圧力を上昇させている。
【０１０７】
従って、燃料電池本体１０のアノード側電極の白金触媒は、そのガス圧力が高いほど電極反応で発生する電位、即ち、当該燃料電池本体１０の出力電圧が高くなることから、燃料ガスのガス圧力を高めることにより、触媒の一酸化炭素による被毒をそれ以上進行しないようにすることができる。こうした構成により第３実施例と同様な効果を奏することができる。
【０１０８】
前述してきた実施例と別の態様について、以下説明する。
前述した実施例では、アノード３２の触媒として白金を使用していたが、これに換えて、第１成分である白金と、第２成分であるルテニウム、ニッケル、コバルト、バナジウム、パラジウム、インジウム等の中の１種類または２種類以上の成分との合金から成る合金触媒が使用した構成としてもよい。この構成によっても、前述した実施例と同様の効果を奏する。
【０１０９】
また、前述した実施例では、反応状態差検出手段として、電極面内に設置された２個の温度センサ６１，６３で測定された温度の温度差を取り込む構成としていたが、これに換えて、３個以上の個数の温度センサを用いて両温度と特定の部位の温度とを併せて検出する構成としてもよい。燃料ガスの流路溝３４ｐの形状によっては、特定の部位で触媒被毒が発生しやすく（たとえば、ガスのよどみが発生しやすい部位）なる傾向があるが、このような燃料電池本体１０においては、こうした部位の温度も併せて測定することにより、より正確に、一酸化炭素による触媒被毒の発生の有無を検知することができる。
【０１１０】
さらに、前述した実施例では、燃料ガスや酸化ガスや冷却水は、マニホールドとよばれる分配器を介して、各燃料電池セルに分配されている。各燃料電池セルの性能にバラツキがなく、マニホールドがガスや冷却水を均一に分配する機能を有していれば、一酸化炭素による白金触媒の被毒は、全ての燃料電池セルにおいて同時に発生し、同時に解消されるはずであるが、現実には、マニホールド内でのガスの流れ方の不均一さ等が原因となって、特定の燃料電池セルで触媒被毒が発生しやすい傾向がある。従って、前述した実施例に示した２個の温度センサ６１，６３は、こうした触媒被毒の発生しやすい燃料電池セルに設置することが望ましい。またそのようにすることにより、たとえ多数枚の燃料電池セルから成る燃料電池スタックにおいても、熱電対の設置個数を最小限（２個）にすることができ、当該燃料電池発電システムの制御を容易に実現することができ、また燃料電池本体発電システムの製造コストを低減することが可能になる。
【０１１１】
前述した実施例では、反応状態差検出手段として、電極面内に設置された２個の温度センサ６１，６３で測定された温度の温度差を取り込む構成としていたが、これは、燃料電池本体１０の運転条件しだいでは、燃料電池セルの電解質膜／電極接合体が部分的に濡れすぎや乾きすぎの状態になり、電極のアノード側ガス出口付近またはカソード側ガス出口付近で、電気化学的な反応が出来なくなり、当該部分の温度が低下して、誤まった温度を検出してしまうことがある。一般には、燃料電池発電システムがこうした状態になるのを防ぐために、当該燃料電池本体１０の燃料電池セル抵抗（インピーダンス）を常に計測しながら、電解質膜／電極接合体が最適の濡れ状態に保たれるように、常に燃料ガスおよび酸化ガス中の水蒸気量、即ち加湿量を調節している。前述した実施例では、燃料電池本体１０がこうしたインピーダンスの調節をしていることを前提にしている。
【０１１２】
このため、インピーダンスの調節をしていない燃料電池本体１０に対して、前述した実施例を適用するためには、インピーダンスを計測する為のインピーダンス計を設置し、この値から、その時点におけるインピーダンスを算出し、電極面内に設置された２個の温度センサ６１，６３で測定された温度の温度差が、インピーダンスの変化、即ち、電解質膜／電極接合体の濡れすぎや乾きすぎのために発生したのか、燃料ガス中の一酸化炭素によって白金触媒が被毒したために発生したのか、いずれであるかを判断しなければならない。
【０１１３】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【０１１４】
【発明の効果】
請求項１記載の燃料電池発電装置によれば、反応状態差検出手段および推定手段により触媒の被毒状態を高精度に推定することができることから、燃料電池本体の触媒の被毒を、遅れが生じることなしに、しかも確実に解消することができるといった効果がある。
【０１１５】
請求項２記載の燃料電池発電装置によれば、電極で反応ガスが不足した場合にも触媒の被毒状態を誤って推定してしまうことがないことから、より触媒の被毒状態を高精度に推定することができ、この結果、触媒の被毒の解消をより確実なものとすることができる。
【０１１６】
請求項３および４記載の燃料電池発電装置によれば、検出が容易な温度差や電気的な出力の差から触媒の被毒状態を推定することができることから、構成を容易なものとすることができるといった効果がある。
【０１１７】
請求項５記載の燃料電池発電装置によれば、電極の面方向での反応ガスの流れ方向を反転することにより、被毒している部分を反応ガスの流れの流入側に位置させることができ、この結果、その被毒している部分を一酸化炭素濃度の低い反応ガスにさらすことができることから、触媒の被毒を確実に防止することができるといった効果がある。
【０１１８】
請求項６記載の燃料電池発電装置によれば、反応ガスの流れ方向の反転に同期して、酸化ガスの流れ方向も切り換えることにより、触媒の始まった部分を酸素濃度の高い酸化ガスにさらすことができることから、より速やかに触媒の被毒を解消することができるといった効果がある。
【０１１９】
請求項７記載の燃料電池発電装置によれば、高い温度側の冷却媒体を被毒状態が大きい部分に近づけることができることから、被毒を解消することができるといった効果がある。
【０１２０】
請求項８記載の燃料電池発電装置によれば、被毒状態が大きい部分により温度の高い冷却媒体を流すことができることから、被毒をより積極的に解消することができるといった効果がある。また、この冷却媒体の温度上昇に際して、冷却通路全体の冷却熱量を一定に保っていることから、負荷に対する出力変動を最小限に食い止め、安定的な電気エネルギの供給がなされるといった効果もある。
【０１２１】
請求項９記載の燃料電池発電装置によれば、改質手段による改質の効率を落とすことにより、被毒の程度の小さいわずかな被毒であれば、その被毒の解消または進行を抑制することができるといった効果がある。
【０１２２】
請求項１０記載の燃料電池発電装置によれば、被毒の程度が小さい場合には、改質抑制手段による被毒対策ができ、被毒の程度が大きい場合には、ガス流れ方向反転手段による被毒対策が可能となることから、被毒の程度に応じて段階的な被毒の解消を図ることができるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池発電システム１の概略構成図である。
【図２】燃料電池本体１０のセル構造を示す構造図である。
【図３】そのセル構造の分解斜視図である。
【図４】第１ないし第４電磁バルブ５１〜５４を開閉制御することにより、どのように燃料ガスの流れ方向が反転されるかを示す説明図である。
【図５】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】第１実施例の別態様を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施例としての燃料電池発電システム２００の概略構成図である。
【図８】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】本発明の第３実施例としての燃料電池発電システム３００の概略構成図である。
【図１０】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第４実施例としての燃料電池発電システムの燃料電池本体１０周辺の概略構成図である。
【図１２】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される燃料ガス制御処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第５実施例としての燃料電池発電システム５００の概略構成図である。
【図１４】本発明の第６実施例としての燃料電池発電システム６００の概略構成図である。
【図１５】本発明の第７実施例としての燃料電池発電システム７００の概略構成図である。
【図１６】電子制御ユニットのＣＰＵにより実行される制御処理ルーチンの前半部分を示すフローチャートである。
【図１７】その制御処理ルーチンの後半部分を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池発電システム
１０…燃料電池本体
１０ａ…第１の燃料ガス給排口
１０ｂ…第２の燃料ガス給排口
１２…メタノールタンク
１４…水タンク
１６…改質器
１８…燃料ガス供給通路
２０…ガス排出通路
２２…制御系
３１…電解質膜
３２…アノード
３３…カソード
３４…セパレータ
３４ｐ…流路溝
３５…セパレータ
３５ｐ…流路溝
３６，３７…集電板
４０…管路
４１…第１分岐路
４２…第２分岐路
４３…集合路
４４…第１接続路
４４ａ…分岐点
４５…第２接続路
４５ａ…分岐点
５１…第１電磁バルブ
５２…第２電磁バルブ
５３…第３電磁バルブ
５４…第４電磁バルブ
６１…第１温度センサ
６３…第２温度センサ
７０…電子制御ユニット
７２…ＣＰＵ
７４…ＲＯＭ
７６…ＲＡＭ
７８…入力処理回路
７９…出力処理回路
２００…燃料電池発電システム
２０１…第１流量センサ
２０３…第２流量センサ
２０５…電流計
３００…燃料電池発電システム
３０１…改質部
３０２…シフト反応部
３０３…部分酸化反応部
４００…燃料電池発電システム
４０１…管路
４０３…管路
４５５…電磁バルブ
４５６…電磁バルブ
５００…燃料電池発電システム
５１０，５４２…分岐路
５１６…タンク
５１８…酸化ガス供給通路
５２０…ガス排出通路
５２２…制御系
５４１，５４２…分岐路
５５１〜５５４…電磁バルブ
５７０…電子制御ユニット
６００…燃料電池発電システム
６０１…通路溝
６０３…循環通路
６１０…冷却板
６２２…制御系
６４１，６４２…分岐路
６４４，６４５…接続路
６４６…冷却ポンプ
６４７…ラジエタ
６４８…ラジエタファン
６５１〜６５４…電磁バルブ
６７０…電子制御ユニット
７００…燃料電池発電システム
７０１，７０３…温度センサ
７２２…制御系
７７０…電子制御ユニット
７７２…ＣＰＵ
Claims (10)
- 触媒を担持した電極の面方向に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池発電装置であって、
前記電極の反応ガスの流入側と流出側とにおける前記化学反応の反応状態の差を検出する反応状態差検出手段と、
該検出された反応状態の差に基づいて前記触媒の被毒状態を推定する推定手段と、
該推定された触媒の被毒状態に応じて被毒対策を実行する被毒対策手段と
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項１記載の燃料電池発電装置であって、
さらに、
前記電極での前記反応ガスの利用の程度を算出するガス利用度算出手段
を備えるとともに、
前記推定手段は、
前記ガス利用度算出手段により算出された反応ガスの利用の程度が反応ガスの不足を示すものであるとき、前記被毒状態の推定を禁止する禁止手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項１または２記載の燃料電池発電装置であって、
前記反応状態差検出手段は、
前記電極の反応ガスの流入側と流出側との温度差を検出する温度差検出手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項１または２記載の燃料電池発電装置であって、
前記反応状態差検出手段は、
前記電極の反応ガスの流入側と流出側との電気的な出力の差を検出する電気出力差検出手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池発電装置であって、
前記被毒対策手段は、
前記電極の面方向における反応ガス流れ方向を被毒状態の大から小の方向となるように制御するガス流れ制御手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項５記載の燃料電池発電装置であって、
前記被毒対策手段は、さらに、
前記電極と対になる他方の電極に供給する酸化ガスの流れ方向を、前記反応ガスの流れ方向と一致させる酸化ガス流れ方向制御手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池発電装置であって、
前記電極の面方向に沿って設けられ、前記反応ガスの流れ方向と平行または対向する方向に切り換え可能に冷却媒体を流す冷却通路を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、
前記冷却通路中の冷却媒体の流れ方向を被毒状態が小から大の方向となるように制御する冷却媒体流れ方向制御手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項７記載の燃料電池発電装置であって、
前記冷却通路に供給する冷却媒体の温度を可変する温度制御手段と、
前記冷却通路への冷却媒体の流量を可変する流量制御手段と
を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、さらに、
前記温度制御手段および流量制御手段を動作させ、前記冷却媒体の温度を低下しつつ流量を低下することにより、前記冷却媒体の吸収可能な熱量を一定に保つように制御する冷却熱量制御手段
を備えた燃料電池発電装置。 - 請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池発電装置であって、
さらに、
原燃料を改質して前記反応ガスを生成する改質手段
を備えるとともに、
前記被毒対策手段は、
前記推定手段により推定された前記触媒の被毒状態に応じて強制的に前記反応ガス中の一酸化炭素濃度を低下させる改質抑制手段
を備えた燃料発電装置。 - 請求項９記載の燃料電池発電装置であって、
前記被毒対策手段は、さらに、
前記電極の面方向での反応ガスの流れ方向を反転するガス流れ方向反転手段と、
前記推定手段により推定される触媒の被毒状態の程度に応じて、前記ガス流れ方向反転手段と前記改質抑制手段とを選択的に実行させる選択実行手段と
を備えた燃料電池発電装置。
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