JP2009087684A - 燃料電池システム並びに燃料電池システムの動作方法及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム全体の運転を止めるまでの時間を短縮できるようにする。
【解決手段】燃料電池システム１の制御部９９は、開閉バルブ１１、開閉バルブ１２及び開閉バルブ７１を開くとともに開閉バルブ１３及び開閉バルブ７２を閉じ、流量制御バルブ１５〜１７を開いた状態で燃料供給ポンプ８及び空気ポンプ９を動作させる。次に、制御部９９は、燃料供給ポンプ８を停止する。次に、制御部９９は、開閉バルブ１２及び開閉バルブ７１を閉じ、開閉バルブ１３及び開閉バルブ７２を開く。気化器３に空気が送られると、気化器３内の残留物が送り出されて、側流路２６を通って触媒燃焼器７に送り込まれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御装置並びに燃料電池システムの動作方法及び制御方法に関し、特に、液体燃料を気化器及び改質器を経て水素に改質して燃料電池に供給する燃料電池システム並びにその動作方法及び制御方法に関する。

携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。上記のような電子機器の電源として、アルカリ乾電池、マンガン乾電池といった一次電池又はニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池が用いられている。ところが、一次電池及び二次電池は、エネルギーの利用効率の観点から検証すると、必ずしもエネルギーの有効利用が図られているとは言えない。そのため、今日では、一次電池及び二次電池を燃料電池に代替すべく、燃料電池を電子機器に応用するための研究・開発が行われている。燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により発電するものである。

ところが、水素は常温で気体であるために貯蔵・取扱いに問題がある。そこで、メタノール等の液体燃料を貯蔵し、貯留された液体燃料から水素を生成するようにしたものがある。この場合、貯蔵した液体燃料から水素を生成すべく、燃料電池の上流に一酸化炭素除去器、改質器及び気化器が設けられている（例えば、特許文献１参照）。液体燃料は気化器で気化され、気化した燃料が改質器によって水素に改質され、改質器で生成された微量な一酸化炭素が一酸化炭素除去器で除去される。こうして、気化器、改質器及び一酸化炭素除去器を経て得られた水素が燃料電池に送られ、燃料電池で発電が起こる。
特開２００３−２２９１５７号公報

ところで、燃料電池での発電を停止するためには、まず気化器への燃料供給を停止する必要がある。しかし、気化器には燃料が残留しているため、燃料供給を停止したものとしても、気化器内の燃料が引き続き気化し、気化した燃料が継続して改質器に流れて水素が生成され、燃料電池で発電が起こる。このように気化器への燃料供給を停止した後であっても、改質器や燃料電池等の運転状態が継続するため、燃料電池システム全体の運転を止めるまでに時間を要する。
そこで、本発明は、燃料電池システム全体の運転を止めるまでの時間を短縮できるようにすることを課題とする。

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、
燃料電池を有する燃料電池システムにおける動作方法であって、
前記燃料電池システムは、液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成す気化器と、前記気化器の下流側に設けられて前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の下流側から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給されて、電気化学反応によって発電する発電状態にされる燃料電池と、を備え、
前記燃料電池を前記発電状態から停止させるステップは、
前記気化器への前記液体燃料の供給を停止するステップと、
前記気化器への前記液体燃料の供給を停止した後に、前記気化器の上流から前記気化器に空気を供給して、前記気化器内及び前記改質器内に残留する前記燃料ガスを前記改質器の下流側へ送り出すステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの動作方法が提供される。

請求項２に係る発明によれば、
前記燃料電池を停止させるステップは、前記気化器の下流側へ送り出した前記燃料ガスを触媒燃焼器で燃焼させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの動作方法が提供される。

請求項３に係る発明によれば、
前記燃料電池システムは、更に、前記改質ガスと空気が供給され、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて除去し、該一酸化炭素を除去した前記改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素除去器を備え、
空気を前記気化器の上流から供給するステップは、前記一酸化炭素除去器に供給されていた空気を前記気化器の上流側から送り込むようにするステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの動作方法が提供される。

請求項４に係る発明によれば、
液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成する気化器と、
前記気化器の下流側に設けられ、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する発電状態とされる燃料電池と、
前記液体燃料を前記気化器に供給する燃料供給器と、
前記燃料電池を前記発電状態から停止させる際に、前記燃料供給器の燃料供給動作を停止させる燃料供給停止手段と、前記燃料供給停止手段による前記液体燃料の供給停止後に前記気化器の上流側から前記気化器に空気を送り込んで、前記気化器内及び前記改質器内に残留する前記燃料ガスを前記改質器の下流側へ送り出す燃料強制送出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

請求項５に係る発明によれば、
前記改質器の下流側と前記燃料電池との間に設けられ、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池又は前記燃料電池の下流側に切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項６に係る発明によれば、
前記切替部は、前記燃料電池が前記発電状態とされている際に、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池にするように切り換えられ、前記燃料電池を前記発電状態から停止させる際に、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池の下流側にするように切り替えられることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項７に係る発明によれば、
前記燃料電池の下流側に設けられ、前記燃料強制送出手段によって送り出された前記燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器を更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項８に係る発明によれば、
液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成する気化器と、
前記気化器の下流に設けられ、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する発電状態とされる燃料電池と、
前記液体燃料を前記気化器に供給する燃料供給器と、
空気を前記燃料電池に供給する第１の空気供給器と、
前記気化器の上流側から前記気化器に空気を送り込む第２の空気供給器と、
前記燃料供給器、前記第１の空気供給器及び前記第２の空気供給器を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料供給器の燃料供給動作及び前記第１の空気供給器の空気供給動作を行わせる発電動作ステップを実行して、前記燃料電池を前記発電状態とし、
前記燃料供給器の燃料供給動作を停止する燃料供給停止ステップと、前記燃料供給停止ステップの実行後に、前記第２の空気供給器の空気供給動作を行わせる燃料強制送出ステップを実行して、前記気化器内及び前記改質器内に残留する前記燃料ガスを前記改質器の下流側へ送り出し、前記燃料電池を前記発電状態から停止させることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

請求項９に係る発明によれば、
前記改質器と前記燃料電池との間に設けられ、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池又は前記燃料電池の下流に切り替える切替部を更に備え、
前記制御部は、前記発電動作ステップにおいては、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池にするように前記切替部を切り替え、前記燃料強制送出ステップにおいては、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池の下流側にするように前記切替部を切り替えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１０に係る発明によれば、
前記燃料電池の下流側に設けられ、前記燃料強制送出ステップによって前記改質器の下流側へ送り出された前記燃料ガスを燃焼する触媒燃焼器を更に備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１１に係る発明によれば、
前記改質器の下流に設けられ、前記改質ガスと空気が供給され、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて除去し、該一酸化炭素を除去した前記改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素除去器と、
前記一酸化炭素除去器に空気を供給する第３の空気供給器と、を備え、
前記制御部は、前記発電動作ステップにおいて、前記第３の空気供給器の空気供給動作を行わせ、前記燃料強制送出ステップにおいて、前記第３の空気供給器の空気供給動作を停止させることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１２に係る発明によれば、
液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成する気化器と、
前記気化器の下流に設けられ、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する発電状態とされる燃料電池と、
前記液体燃料を前記気化器に供給する燃料供給器と、
空気を前記燃料電池に供給する第１の空気供給器と、
前記気化器の上流側から前記気化器に空気を送り込む第２の空気供給器と、を備える燃料電池システムを制御する方法であって、
前記燃料電池を前記発電状態とする祭に、前記燃料供給器の燃料供給動作及び前記第１の空気供給器の空気供給動作を行わせる発電動作ステップを実行し、
前記燃料電池を前記発電状態から停止させる祭に、前記燃料供給器の燃料供給動作を停止する燃料供給停止ステップと、前記燃料供給停止ステップの実行後に、前記第２の空気供給器の空気供給動作を行わせる燃料強制送出ステップと、を実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法が提供される。

請求項１３に係る発明によれば、
前記燃料電池システムは、前記改質器の下流側と前記燃料電池との間に設けられ、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池又は前記燃料電池の下流側に切り替える切替部を更に備え、
前記発電動作ステップにおいては、前記切替部を、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池にするように切り換え、前記燃料強制送出ステップにおいて、前記切替部を、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池の下流側にするように切り替えることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法が提供される。

請求項１４に係る発明によれば、
前記燃料電池システムは、前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器ガスと空気が供給され、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて除去し、該一酸化炭素を除去した前記改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器に空気を供給する第３の空気供給器と、を更に備え、
前記発電動作ステップにおいては、前記第３の空気供給器の空気供給動作を行わせ、前記燃料強制送出ステップにおいては、前記第３の空気供給器の空気供給動作を停止させることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の燃料電池システムの制御方法が提供される。

本発明によれば、気化器への液体燃料の供給が停止した後、気化器の上流から気化器に空気を供給することで気化器内の燃料を気化器から送り出しているので、気化器の下流側の改質器や燃料電池の運転が短時間で止まる。そのため、燃料電池システム全体の運転を止めるまでの時間を短縮することができる。

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。

図１は、燃料電池システム１のブロック図である。この燃料電池システム１は、燃料カートリッジ２、気化器３、改質器４、一酸化炭素除去器５、燃料電池６、触媒燃焼器７、燃料供給ポンプ８、空気ポンプ９、開閉バルブ１１〜１３、流量制御バルブ１５〜１７、流量センサ１８〜２０、ヒータ兼温度センサ２１〜２２、ヒータ兼温度センサ３０、開閉バルブ７１，７２及び制御部９９等を備える。

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。燃料電池システム１の構成要素のうち燃料カートリッジ２が電子機器本体に対して着脱可能とされ、他の構成要素は電子機器本体に内蔵されている。燃料カートリッジ２が電子機器本体に装着されると、燃料カートリッジ２と燃料供給ポンプ８が接続される。

燃料カートリッジ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）と水が混合した状態又は別々に貯留されている。

燃料供給ポンプ８は、燃料カートリッジ２内の液体燃料と水を吸引して、液体燃料と水の混合液を気化器３に送液するものである。燃料供給ポンプ８は電気駆動式ポンプであり、燃料供給ポンプ８の駆動速度は電動により増減することができ、これにより燃料供給ポンプ８の供給流量は増減することができる。燃料供給ポンプ８の供給流量の制御は、制御部９９によって行われる。

燃料供給ポンプ８から気化器３までの経路には、開閉バルブ１１が設けられている。

開閉バルブ１１の下流に気化器３が設けられ、気化器３の下流に改質器４が設けられ、改質器４の下流に一酸化炭素除去器５が設けられ、一酸化炭素除去器５の下流に燃料電池６の燃料極が設けられ、燃料電池６の燃料極の下流に触媒燃焼器７が設けられている。触媒燃焼器７の下流は排気口を通じて外部に開放している。

一酸化炭素除去器５から燃料電池６のアノードまでの経路には開閉バルブ１２が設けられている。その開閉バルブ１２と一酸化炭素除去器５との間において、側流路２６が一酸化炭素除去器５と燃料電池６のアノードとの間の経路から分岐し、その側流路２６が燃料電池６のアノードと触媒燃焼器７との間の経路に接続している。側流路２６には、開閉バルブ１３が設けられている。

ここで、開閉バルブ１２が開き、開閉バルブ１３が閉じると、改質器４及び一酸化炭素除去器５からの送り先が燃料電池６のアノードになる。一方、開閉バルブ１２が閉じ、開閉バルブ１３が開くと、改質器４及び一酸化炭素除去器５からの送り先が燃料電池６のアノードの下流になる。そのため、開閉バルブ１２，１３の組み合わせが、切替部である。

空気ポンプ９は、外部の空気を燃料電池６のカソード、一酸化炭素除去器５及び触媒燃焼器７に供給するものである。空気ポンプ９から燃料電池６のカソードまでの空気供給路２４には、流量制御バルブ１６及び流量センサ１９が設けられている。流量制御バルブ１５は、空気ポンプ９から流れてきた空気の流量を制御する。空気ポンプ９が動作している状態で流量制御バルブ１６が全閉すると、燃料電池６のカソードへの空気供給が止まり、空気ポンプ９が動作している状態で流量制御バルブ１６が開いていると、燃料電池６のカソードへの空気供給が行われる。そのため、空気ポンプ９及び流量制御バルブ１６の組み合わせが、第１の空気供給器である。

空気ポンプ９と一酸化炭素除去器５との間の空気供給路２３は、改質器４と一酸化炭素除去器５との間に経路に接続している。この空気供給路２３には、流量制御バルブ１５、開閉バルブ７１及び流量センサ１８が設けられている。流量制御バルブ１５は、空気ポンプ９から流れてきた空気の流量を制御する。流量制御バルブ１５が開閉バルブ７１よりも空気ポンプ９寄りに設けられている。流量制御バルブ１５と開閉バルブ７１との間において、側流路２９が空気供給路２３から分岐している。側流路２９は、開閉バルブ１１と気化器３との間の経路に接続している。側流路２９には、開閉バルブ７２が設けられている。

空気ポンプ９が動作している状態で流量制御バルブ１５及び開閉バルブ７２が開いていると、気化器３の上流から気化器３への空気供給が行われ、流量制御バルブ１５が全閉したり開閉バルブ７２が閉じたりすると、気化器３への空気供給が止まる。そのため、空気ポンプ９、流量制御バルブ１６及び開閉バルブ７２の組み合わせが、第２の空気供給器である。一方、空気ポンプ９が動作している状態で流量制御バルブ１５及び開閉バルブ７１が開いていると、一酸化炭素除去器５への空気供給が行われ、流量制御バルブ１５が全閉したり開閉バルブ７１が閉じたりすると、一酸化炭素除去器５への空気供給が止まる。そのため、空気ポンプ９、流量制御バルブ１６及び開閉バルブ７１の組み合わせが、第３の空気供給器である。

空気ポンプ９から触媒燃焼器７までの空気供給路２５には、流量制御バルブ１７及び流量センサ２０が設けられている。流量制御バルブ１７は、空気ポンプ９から流れてきた空気の流量を制御する。

開閉バルブ１１〜１３，７１，７２は電気駆動式バルブであり、開閉バルブ１１〜１３，７１，７２の開閉動作は制御部９９によって行われる。流量制御バルブ１５〜１７は電気駆動式バルブであり、流量制御バルブ１５〜１７の流量制御動作は制御部９９によって行われる。流量センサ１８〜２０は、それぞれの空気供給路２３〜２５に流れる空気の流量を電気信号に変換し、その流量を表した電気信号を制御部９９に出力する。なお、開閉バルブ１１〜１３，７１，７２の代わりに、流量制御可能な電気駆動式流量制御バルブを開閉バルブとして用いてもよい。

燃料電池６において発電が行われる時には、空気ポンプ９及び燃料供給ポンプ８が制御部９９によって駆動され、開閉バルブ１１〜１２，７１及び流量制御バルブ１５〜１７が開いた状態であり、開閉バルブ１３，７２が閉じた状態である。

気化器３には、燃料と水の混合液が燃料供給ポンプ８によって送り込まれる。気化器３は、燃料供給ポンプ８により送液される混合液を気化させるものである。気化器３にはヒータ兼温度センサ３０が設けられ、気化器３がヒータ兼温度センサ３０によって加熱される。更に、気化器３は、触媒燃焼器７によっても加熱される。そのため、触媒燃焼器７における燃焼熱やヒータ兼温度センサ３０の電熱が気化器３の気化潜熱に用いられる。熱エネルギーの利用効率を高めるために、気化器３、改質器４、一酸化炭素除去器５、触媒燃焼器７及びヒータ兼温度センサ２１，２２，３０がユニット化され、更にそのユニットが断熱パッケージ２８に収容されている。断熱パッケージ２８の内側の空間は真空圧とされている。

ヒータ兼温度センサ３０は、温度に依存して抵抗値が変化する特性を有する。そのため、ヒータ兼温度センサ３０は、気化器３の温度を検出して、その検出温度を電気信号に変換する温度センサとしての機能と、気化器３を加熱するヒータとしての機能とを併せ持つ。ヒータ兼温度センサ３０には制御部９９によって電力が供給され、これによりヒータ兼温度センサ３０が発熱する。一方、ヒータ兼温度センサ３０による検出温度は、制御部９９に出力される。

気化器３で気化した燃料と水は改質器４に送り込まれる。改質器４は、気化器３から送られてきた燃料を触媒（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒）によって主に水素を含む改質ガスに改質するものである。具体的には、改質器４では、気化した燃料と水から水素ガス等が触媒反応により生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が改質器４で起こる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）

改質器４における改質反応は吸熱反応であり、その改質反応に適した温度は室温よりも高く、約２８０℃である。改質器４にはヒータ兼温度センサ２１が設けられ、改質器４がヒータ兼温度センサ２１によって加熱される。更に、改質器４は、触媒燃焼器７によっても加熱される。そのため、触媒燃焼器７における燃焼熱やヒータ兼温度センサ２１の電熱が改質器４の改質反応に用いられる。

ヒータ兼温度センサ２１には制御部９９によって電力が供給され、ヒータ兼温度センサ２１が発熱して改質器４等を加熱し、ヒータ兼温度センサ２１がヒータとして機能する。また、ヒータ兼温度センサ２１は、温度に依存して抵抗値が変化する特性を有する。そのため、ヒータ兼温度センサ２１は温度センサとしても機能し、改質器４の温度がヒータ兼温度センサ２１によって電気信号に変換され、その電気信号が制御部９９に出力される。

改質器４で生成された改質ガスは一酸化炭素除去器５へ送出される。改質器４で生成された改質ガスには一酸化炭素、二酸化炭素等も混合されており、それらの生成物も一酸化炭素除去器５に送出される。空気ポンプ９及び流量制御バルブ１５によって空気供給路２３を流れる空気が改質器４と一酸化炭素除去器５との間で水素ガス等と混合され、その混合気が一酸化炭素除去器５に送り込まれる。

一酸化炭素除去器５は、改質器４から送られてきた改質ガス中の一酸化炭素を触媒（例えば、白金）によって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（次式（３）参照）。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

一酸化炭素除去器５には、ヒータ兼温度センサ２２が設けられている。ヒータ兼温度センサ２２は、一酸化炭素除去器５の温度を検出して、その検出温度を電気信号に変換する温度センサとしての機能と、一酸化炭素除去器５を加熱するヒータとしての機能とを併せ持つ。ヒータ兼温度センサ２２には制御部９９によって電力が供給され、これによりヒータ兼温度センサ２２が発熱する。一方、ヒータ兼温度センサ２２による検出温度は、制御部９９に出力される。

一酸化炭素除去器５を経たガスは燃料電池６のアノードに送り込まれる。一方、空気ポンプ９及び流量制御バルブ１６によって空気供給路２４を流れる空気は、燃料電池６のカソードに送り込まれる。

燃料電池６は、電解質膜と、その電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、その電解質膜の他方の面に設けられたカソードと、を備える。アノードに送り込まれたガス中の水素と、カソードに送り込まれた空気中の酸素が電解質膜を介して電気化学反応する。これにより、起電力が発生する。なお、燃料電池の電解質膜が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、アノードでは次式（４）のような反応が起き、アノードで生成された水素イオンが電解質膜を透過し、酸素極では次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
２Ｈ⁺＋１／２ Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

燃料電池６のアノードとカソードとの間で生じた電力はＤＣ／ＤＣコンバータに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池６により生成された電気を適切な電圧に変換したのちに燃料電池システム１の各部に供給する機能の他に、燃料電池６により生成された電気を二次電池に充電する機能を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、制御部９９により制御される。

燃料電池６のアノードでは全ての水素が反応するのではなく、未反応の水素もある。燃料電池６のアノードで反応せずに残った水素ガス等が触媒燃焼器７に送出される。一方、空気ポンプ９及び流量制御バルブ１７によって空気供給路２５を流れる空気が燃料電池６のアノードと触媒燃焼器７との間で未反応水素ガス等と混合され、その混合気が触媒燃焼器７に送り込まれる。

触媒燃焼器７は、燃料電池６のアノードから送られてきたガス中の水素を触媒（例えば、白金）によって燃焼させる。なお、触媒燃焼器７は、水素の他、メタノール等の燃料や一酸化炭素も燃焼することができる。

制御部９９は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び内部メモリ（ＲＯＭ）等を有する制御装置である。制御部９９は、ＲＯＭに記録されたプログラムに従って燃料供給ポンプ８、空気ポンプ９、開閉バルブ１１〜１３、流量制御バルブ１５〜１７、開閉バルブ７１〜７２及びヒータ兼温度センサ２１〜２２の制御を行う。燃料供給ポンプ８、空気ポンプ９、開閉バルブ１１〜１３、流量制御バルブ１５〜１７、開閉バルブ７１〜７２及びヒータ兼温度センサ２１〜２２，３０の制御に際して、制御部９９はヒータ兼温度センサ２１〜２２，３０による検知温度、流量センサ１８〜２０による検知流量を用いる。以下に、制御部９９による制御とそれに伴う燃料電池システム１全体の動作について説明する。

まず、発電時の制御及び動作について説明する。発電時においては、制御部９９が発電動作ステップを実行する。即ち、制御部９９が開閉バルブ１１、開閉バルブ１２及び開閉バルブ７１を開くとともに開閉バルブ１３及び開閉バルブ７２を閉じ、その状態を維持する。更に、制御部９９が流量制御バルブ１５〜１７を開いた状態で燃料供給ポンプ８及び空気ポンプ９を動作させる。

これにより、水素ガス等が燃料電池６のアノードに連続的又は断続的に送られ、空気が燃料電池６のカソードに連続的又は断続的に送られ、燃料電池６において電力が取り出される。具体的には、燃料カートリッジ２内の燃料と水が気化器３に送られ、気化器３で気化した燃料と水が改質器４に送られ、改質器４で生成された水素ガス等が空気と混合されて一酸化炭素除去器５に送られ、一酸化炭素除去器５を経た水素ガス等が燃料電池６のアノードに送られ、空気が燃料電池６のカソードに送られる。燃料電池６のアノードから送出された水素ガス等は空気と混合されて触媒燃焼器７に送られ、触媒燃焼器７では水素ガスが燃焼され、触媒燃焼器７を経た排ガスが外部に排出される。

制御部９９は、発電動作ステップの実行時に、ヒータ兼温度センサ２１，２２，３０の検出温度をフィードバックしてヒータ兼温度センサ２１，２２，３０への供給電力を制御することで、気化器３、改質器４及び一酸化炭素除去器５の温度制御を行う。更に、制御部９９は、燃料供給ポンプ８を制御することで燃料と水の供給流量を制御する。更に、制御部９９は、流量センサ１８〜２０の検出流量をフィードバックして流量制御バルブ１５〜１７を制御することで、空気の供給流量を制御する。これにより、気化器３、改質器４、一酸化炭素除去器５、燃料電池６、触媒燃焼器７が安定して動作する。

次に、停止時のシーケンス制御及び動作について説明する。図２は、上記実施形態において燃料電池システム１の制御部９９が行う停止時のシーケンス制御の流れを示したフローチャートである。制御部９９は、停止時において、上述の発電動作ステップから、以下に説明するシーケンス制御に移行する。移行するタイミングは、制御部９９が電子機器本体の制御部から停止指令を受けた時、二次電池の充電が満たされてその旨の信号がＤＣ／ＤＣコンバータから制御部９９に入力された時等である。なお、制御部９９が上記発電動作ステップから以下のシーケンス制御に移行した時には、制御部９９が開閉バルブ１１〜１３，７１，７２の開閉状態を維持しているとともに、流量制御バルブ１５〜１７を引き続き開き、燃料供給ポンプ８及び空気ポンプ９を引き続き動作させている。

まず、制御部９９が開閉バルブ１３を開くとともに開閉バルブ１２を閉じる（ステップＳ１、ステップＳ２）。これにより、改質器４及び一酸化炭素除去器５からの送り先が燃料電池６のアノードからその下流に切り替わる。従って、生成された水素が燃料電池６のアノードには流れ込まず、側流路２６を経由して触媒燃焼器７に流れ込むようになる。

続いて、制御部９９が燃料供給停止ステップを実行する。即ち、制御部９９が燃料供給ポンプ８を停止し（ステップＳ３）、開閉バルブ１１を閉じる（ステップＳ４）。燃料供給ポンプ８が止まって気化器３に燃料と水が供給されなくなっても、気化器３に残留した燃料と水が引き続き気化し、気化した燃料と水が引き続き改質器４に送出される。そのため、改質器４、一酸化炭素除去器５において反応が引き続き行われる。なお、制御部９９は、燃料供給停止ステップを実行すると、燃料供給停止手段として機能する。

続いて、制御部９９が流量制御バルブ１６を全閉することで、燃料電池６のカソードへの空気供給が停止され、燃料電池６の運転が終了する（ステップＳ５）。

続いて、制御部９９が流量センサ２０の検出流量から流量制御バルブ１７をフィードバック制御し、空気供給路２５に流れる空気の流量を所定の設定値ＱＣ1に設定する。同様にして、制御部９９が流量センサ１８の検出流量から流量制御バルブ１５をフィードバック制御することによって、空気供給路２３に流れる空気の流量を所定の設定値ＱＬ1に設定する（ステップＳ６）。

続いて、制御部９９が燃料強制送出ステップを実行する。即ち、制御部９９が開閉バルブ７１を閉じ（ステップＳ７）、開閉バルブ７２を開く（ステップＳ８）。これにより、空気供給路２３を通る空気が一酸化炭素除去器５の上流側から気化器３の上流側に送られるようになり、一酸化炭素除去器５への空気供給が止まる。そのため、気化器３内の残留物が気化する前に空気によって強制的に下流側へ送り出される。また、上記ステップＳ１及びステップＳ２から引き続き、開閉バルブ１３が開き、開閉バルブ１４が閉じ、改質器４及び一酸化炭素除去器５からの送り先が燃料電池６のアノードの下流であるので、気化器３や改質器４から送り出された残留物が側流路２６を経由して触媒燃焼器７に送られる。この時において、空気ポンプ９、流量制御バルブ１５、開閉バルブ７２及び制御部９９の組み合わせが燃料強制送出手段として機能する。なお、気化器３から送り出された残留物中の液体燃料の一部は、改質器４を通過する時に水素に改質される。

一方、空気供給路２５を通る空気も触媒燃焼器７へ送られ、残留物と空気が混合される。そして、触媒燃焼器７内においては残留物中の液体燃料、水素、一酸化炭素が燃焼する。

気化器３や改質器４内の残留物が側流路２６を経由して触媒燃焼器７に送られているとき、制御部９９がヒータ兼温度センサ３０の検出温度をフィードバックしながらヒータ兼温度センサ３０の消費電力を制御し、気化器３を一定の温度Ｔvに維持する。制御部９９は、そのような等温制御を行っている時に、制御部９９がヒータ兼温度センサ３０の消費電力をゼロ［Ｗ］と比較する（ステップＳ９）。等温制御中にヒータ兼温度センサ３０の消費電力がゼロ［Ｗ］になるまで、制御部９９がそのような比較を繰り返す（ステップＳ９：Ｎｏ）。

ここで、等温制御中に、気化器３内に残留する液体燃料が全て送り出されると、気化器３における気化潜熱分の吸熱がなくなる。また、改質器４の温度制御が行われているため、改質器４の熱が気化器３に伝導する。そのため、気化器３の等温制御が行われても、気化器３の温度がＴvよりも高くなる。こうなると、等温制御を行う制御部９９がヒータ兼温度センサ３０の消費電力をゼロ［Ｗ］にする。このように気化器３内に残留する液体燃料の全てが送り出されると、ヒータ兼温度センサ３０の消費電力がゼロ［Ｗ］になるので、気化器３内の全ての液体燃料が送り出されたか否かはヒータ兼温度センサ３０の消費電力によって判断される。

ヒータ兼温度センサ３０の消費電力がゼロ［Ｗ］になると（ステップＳ９：Ｙｅｓ）、制御部９９が流量制御バルブ１５を全閉するとともに開閉バルブ７２を閉じる（ステップＳ１０、ステップＳ１１）。これにより、気化器３への空気供給が止まる。

続いて、制御部９９が空気ポンプ９を停止し（ステップＳ１２）、流量制御バルブ１７を全閉する（ステップＳ１３）。
続いて、制御部９９がヒータ兼温度センサ２１，２２の出力を停止し、ヒータ兼温度センサ２１，２２，３０による加熱が停止される（ステップＳ１４）。以上をもって制御部９９による停止時のシーケンス制御が終了する。

以上のように、本実施形態によれば、燃料強制送出ステップでは、つまり、ステップＳ７〜ステップＳ９（Ｙｅｓ）までは、空気供給路２３を流れる空気が気化器３の上流から気化器３に送られ、それによって気化器３や改質器４内の残留物が強制的に側流路２６を通って触媒燃焼器７に送り込まれる。そのため、改質器４や燃料電池６等の運転が早く止まる。従って、燃料供給ポンプ８が停止した時（ステップＳ３）から改質器４や燃料電池６等の運転が止まるまでに要する時間を短縮することができ、燃料電池システム１全体の運転停止までの時間を短縮することができる。

また、発電動作ステップでは、空気供給路２３、流量センサ１８及び流量制御バルブ１５が一酸化炭素除去器５への空気供給用に用いられ、燃料強制送出ステップでは、空気供給路２３、流量センサ１８及び流量制御バルブ１５が気化器３内の残留物を強制的に触媒燃焼器７に送り出すために用いられる。空気供給路２３、流量センサ１８及び流量制御バルブ１５がこれらの用途に共用されているので、燃料電池システム１の構成をシンプルにすることができる。

また、燃料強制送出ステップでは、気化器３や改質器４内の残留物が触媒燃焼器７に送り込まれて燃焼されるため、残留物を無害化することができる。更には、燃料供給ポンプ８等の仕様によって残留物を燃料カートリッジ２に戻せない場合でも、残留物を処理することができる。

また、発電動作ステップでは、触媒燃焼器７が気化器３、改質器４及び一酸化炭素除去器５の加熱用に用いられ、燃料強制送出ステップでは、触媒燃焼器７が残留物の燃焼用に用いられる。触媒燃焼器７がこれらの用途に共用されているので、燃料電池システム１の構成をシンプルにすることができる。

また、燃料強制送出ステップでは、残留物である液体の燃料が気化器３内から下流へ送り出され、その燃料が燃料電池６のアノードを経由せずに、側流路２６を経由して触媒燃焼器７に流れ込む。そのため、燃料電池６のアノードに担持された触媒が液体燃料により劣化することを防止することができる。

また、燃料強制送出ステップ後に燃料電池システム１が停止している状態では、気化器３内に液体燃料が残留していないので、燃料電池システム１の停止時に改質器４や一酸化炭素除去器５の触媒が液体燃料により劣化することも防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に対して種々の改良並びに設計の変更を行っても良い。
例えば、上記実施形態では、空気ポンプ９が流量制御バルブ１５〜１７に共用されているが、流量制御バルブ１５〜１７それぞれに対して別個に空気ポンプを接続してもよい。また、空気ポンプの代わりにブロワ、ファンを用いてもよい。

また、開閉バルブ７１，７２の代わりに１インレットポート・２アウトレットポートの方向切替バルブを用いてもよい。その方向切替バルブのインレットポートは、一酸化炭素除去器５のアウトレットに通じ、一方のアウトレットポートは燃料電池６の燃料極に通じ、他方のアウトレットポートは触媒燃焼器７のインレットに通じている。この方向切替バルブは、流体の送り先を触媒燃焼器７から燃料電池６の燃料極にその逆に切り替えるものである。

また、側流路２６は、一酸化炭素除去器５と開閉バルブ１２との間の経路から燃料電池６の燃料極と触媒燃焼器７との間に経路に通じているが、改質器４と一酸化炭素除去器５との間の経路から燃料電池６の燃料極と触媒燃焼器７との間に経路に通じてもよい。

図１は、本発明を適用した実施形態における燃料電池システムの構成を示したブロック図である。 図２は、上記実施形態において燃料電池システムの制御部が行う停止時のシーケンス制御の流れを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３ 気化器
４ 改質器
５ 一酸化炭素除去器
６ 燃料電池
７ 触媒燃焼器
８ 燃料供給ポンプ
９ 空気ポンプ
１１〜１３、７１、７２ 開閉バルブ
１５〜１７ 流量制御バルブ
２８ 断熱パッケージ
９９ 制御部

Claims (14)

1. 燃料電池を有する燃料電池システムにおける動作方法であって、
   前記燃料電池システムは、液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成す気化器と、前記気化器の下流側に設けられて前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器の下流側から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給されて、電気化学反応によって発電する発電状態にされる燃料電池と、を備え、
   前記燃料電池を前記発電状態から停止させるステップは、
   前記気化器への前記液体燃料の供給を停止するステップと、
   前記気化器への前記液体燃料の供給を停止した後に、前記気化器の上流から前記気化器に空気を供給して、前記気化器内及び前記改質器内に残留する前記燃料ガスを前記改質器の下流側へ送り出すステップと、
   を含むことを特徴とする燃料電池システムの動作方法。
2. 前記燃料電池を停止させるステップは、前記気化器の下流側へ送り出した前記燃料ガスを触媒燃焼器で燃焼させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの動作方法。
3. 前記燃料電池システムは、更に、前記改質ガスと空気が供給され、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて除去し、該一酸化炭素を除去した前記改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素除去器を備え、
   空気を前記気化器の上流から供給するステップは、前記一酸化炭素除去器に供給されていた空気を前記気化器の上流側から送り込むようにするステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの動作方法。
4. 液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成する気化器と、
   前記気化器の下流側に設けられ、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する発電状態とされる燃料電池と、
   前記液体燃料を前記気化器に供給する燃料供給器と、
   前記燃料電池を前記発電状態から停止させる際に、前記燃料供給器の燃料供給動作を停止させる燃料供給停止手段と、前記燃料供給停止手段による前記液体燃料の供給停止後に前記気化器の上流側から前記気化器に空気を送り込んで、前記気化器内及び前記改質器内に残留する前記燃料ガスを前記改質器の下流側へ送り出す燃料強制送出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記改質器の下流側と前記燃料電池との間に設けられ、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池又は前記燃料電池の下流側に切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記切替部は、前記燃料電池が前記発電状態とされている際に、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池にするように切り換えられ、前記燃料電池を前記発電状態から停止させる際に、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池の下流側にするように切り替えられることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の下流側に設けられ、前記燃料強制送出手段によって送り出された前記燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器を更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
8. 液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成する気化器と、
   前記気化器の下流に設けられ、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する発電状態とされる燃料電池と、
   前記液体燃料を前記気化器に供給する燃料供給器と、
   空気を前記燃料電池に供給する第１の空気供給器と、
   前記気化器の上流側から前記気化器に空気を送り込む第２の空気供給器と、
   前記燃料供給器、前記第１の空気供給器及び前記第２の空気供給器を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料供給器の燃料供給動作及び前記第１の空気供給器の空気供給動作を行わせる発電動作ステップを実行して、前記燃料電池を前記発電状態とし、
   前記燃料供給器の燃料供給動作を停止する燃料供給停止ステップと、前記燃料供給停止ステップの実行後に、前記第２の空気供給器の空気供給動作を行わせる燃料強制送出ステップを実行して、前記気化器内及び前記改質器内に残留する前記燃料ガスを前記改質器の下流側へ送り出し、前記燃料電池を前記発電状態から停止させることを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記改質器と前記燃料電池との間に設けられ、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池又は前記燃料電池の下流に切り替える切替部を更に備え、
   前記制御部は、前記発電動作ステップにおいては、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池にするように前記切替部を切り替え、前記燃料強制送出ステップにおいては、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池の下流側にするように前記切替部を切り替えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池の下流側に設けられ、前記燃料強制送出ステップによって前記改質器の下流側へ送り出された前記燃料ガスを燃焼する触媒燃焼器を更に備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
11. 前記改質器の下流に設けられ、前記改質ガスと空気が供給され、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて除去し、該一酸化炭素を除去した前記改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素除去器と、
    前記一酸化炭素除去器に空気を供給する第３の空気供給器と、を備え、
    前記制御部は、前記発電動作ステップにおいて、前記第３の空気供給器の空気供給動作を行わせ、前記燃料強制送出ステップにおいて、前記第３の空気供給器の空気供給動作を停止させることを特徴とする請求項８から１０の何れか一項に記載の燃料電池システム。
12. 液体燃料が上流側から供給されて該液体燃料を気化した燃料ガスを生成する気化器と、
    前記気化器の下流に設けられ、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスを改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器から前記改質ガスが供給されるとともに空気が供給され、前記改質ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する発電状態とされる燃料電池と、
    前記液体燃料を前記気化器に供給する燃料供給器と、
    空気を前記燃料電池に供給する第１の空気供給器と、
    前記気化器の上流側から前記気化器に空気を送り込む第２の空気供給器と、を備える燃料電池システムを制御する方法であって、
    前記燃料電池を前記発電状態とする祭に、前記燃料供給器の燃料供給動作及び前記第１の空気供給器の空気供給動作を行わせる発電動作ステップを実行し、
    前記燃料電池を前記発電状態から停止させる祭に、前記燃料供給器の燃料供給動作を停止する燃料供給停止ステップと、前記燃料供給停止ステップの実行後に、前記第２の空気供給器の空気供給動作を行わせる燃料強制送出ステップと、を実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
13. 前記燃料電池システムは、前記改質器の下流側と前記燃料電池との間に設けられ、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池又は前記燃料電池の下流側に切り替える切替部を更に備え、
    前記発電動作ステップにおいては、前記切替部を、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池にするように切り換え、前記燃料強制送出ステップにおいて、前記切替部を、前記改質器からの前記改質ガスの送り先を前記燃料電池の下流側にするように切り替えることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
14. 前記燃料電池システムは、前記改質器の下流側に設けられ、前記改質器ガスと空気が供給され、該改質ガスに含まれる一酸化炭素を酸化させて除去し、該一酸化炭素を除去した前記改質ガスを前記燃料電池に供給する一酸化炭素除去器と、前記一酸化炭素除去器に空気を供給する第３の空気供給器と、を更に備え、
    前記発電動作ステップにおいては、前記第３の空気供給器の空気供給動作を行わせ、前記燃料強制送出ステップにおいては、前記第３の空気供給器の空気供給動作を停止させることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の燃料電池システムの制御方法。

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