(57)【要約】【課題】短時間で起動することができる燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】炭化水素系燃料ｈを導入し、水素を主成分とする改質ガスｇに改質する改質部２１と、改質ガスを導入し、改質ガス中の一酸化炭素ガスを変成する変成部２２とを有する燃料処理装置２と、一酸化炭素ガスが変成された改質ガスｇを導入して発電する燃料電池スタック３と、変成部の温度を検出する温度検出部４０と、燃料電池スタック発電開始時に、検出された変成部の温度下における、燃料処理装置が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量を演算し、導入可能流量の炭化水素系燃料が導入された場合に燃料電池スタックが発電可能な発電量を演算し、燃料電池スタックに可能発電量以下の範囲での発電を行わせる制御部４とを備える燃料電池発電システム１とする。【選択図】  図１
2004288387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料を導入し、水素を主成分とする改質ガスに改質する改質部と、前記改質ガスを導入し、前記改質ガス中の一酸化炭素ガスを変成する変成部とを有する燃料処理装置と；
前記一酸化炭素ガスが変成された改質ガスを導入して発電する燃料電池スタックと；
前記変成部の温度を検出する温度検出部と；
前記燃料電池スタックの発電開始時に、前記検出された変成部の温度下における、前記燃料処理装置が適正に導入可能な炭化水素系燃料の流量を演算し、前記導入可能流量の炭化水素系燃料が導入された場合に前記燃料電池スタックが発電可能な発電量を演算し、前記燃料電池スタックに前記可能発電量以下の範囲での発電を行わせる制御部とを備えた；
燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に変成部の温度が所定の値に達してから発電を開始するように制御を行う燃料電池発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムは、ＣＯ変成触媒温度が最低運転温度に達するまで、改質ガスを燃料処理装置のバーナー部で燃焼させるいわゆるホットホールド状態で待機し、ＣＯ変成触媒温度が当該温度に到達してから燃料処理装置から燃料電池スタックへの改質ガスの供給を開始し、燃料電池スタックが発電を開始するのが通常であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ホットホールド状態では、発電を開始していないので、燃料電池スタックからの電力出力が全く得られないだけでなく、ＣＯ変成触媒温度等が低いので燃料処理装置が生成する改質ガス流量が少なく、変成部を改質部からの熱で温める熱媒体が少なく、変成部の昇温も遅く、その結果、起動時間が長くなっていた。
【０００４】
そこで、本発明は、短時間で起動することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システム１は、例えば図１、図２に示すように、炭化水素系燃料ｈを導入し、水素を主成分とする改質ガスｇに改質する改質部２１と、改質ガスｇを導入し、改質ガスｇ中の一酸化炭素ガスを変成する変成部２２とを有する燃料処理装置２と；前記一酸化炭素ガスが変成された改質ガスｇを導入して発電する燃料電池スタック３と；前記変成部２２の温度Ｔを検出する温度検出部４０と；燃料電池スタック３の発電開始時に、前記検出された変成部２２の温度Ｔ下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを演算し、前記導入可能流量の炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発電可能な発電量Ｗを演算し、燃料電池スタック３に前記可能発電量Ｗ以下の範囲での発電を行わせる制御部４とを備える。
【０００６】
このように構成すると、燃料処理装置２と、燃料電池スタック３と、温度検出部４０と、制御部４とを備えるので、燃料電池スタック３の発電開始時に、温度検出部４０によって変成部２２の温度Ｔを検出し、検出された変成部２２の温度Ｔ下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを制御部４によって演算し、導入可能な流量Ｑの炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発電可能な発電量Ｗを演算し、燃料処理装置２によって導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを導入し、改質部２１で可能な流量の改質ガスｇを生成し、変成部２２で改質ガスｇの変成反応を行ない改質ガスｇ中の一酸化炭素ガスを除去し、制御部４によって燃料電池スタック３に可能発電量Ｗ以下の範囲での発電を行わせることができる。よって、変成部２２の温度Ｔに適した流量Ｑの炭化水素系燃料ｈを燃料処理装置２に導入し、変成部２２の温度Ｔに適した発電量Ｗ以下の範囲での発電を燃料電池スタック３に行わせ、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下するのを回避することができ、燃料電池発電システム１を燃料電池スタック３にＣＯ被毒による負担をかけずに短時間で起動することができる。また、改質部２１が可能な流量の改質ガスｇを生成するので、変成部２２を加熱する熱媒体の流量を最大限可能な流量とすることができ、変成部２２の昇温を速めることができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。なお、可能なとは、可能な最大のを意味し、例えば導入可能なとは、導入可能な最大のを意味する。
【０００７】
なお、燃料電池スタック３の発電開始時とは、発電を開始したその時を意味する場合だけでなく、発電を開始した後時間遅れを持たせて前述の演算、発電を行わせる場合をも意味するものとする。また、制御部４は、燃料電池スタック３の発電開始時に前述の制御をすることに加えて、発電開始後に検出された変成部２２の温度Ｔ下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを演算し、導入可能流量の炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発電可能な発電量Ｗを演算し、燃料電池スタック３に可能発電量Ｗ以下の範囲での発電を行わせるものであってもよい。発電開始後とは、発電を開始してから時間遅れを超える時間が経過したときをいう。また、演算とは、関数を用いて演算する場合と、経験的な測定データから演算する場合を含む。
【０００８】
請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、例えば図１に示すように、制御部４が、目標発電量Ｗ０を入力可能なように構成され、前記目標発電量Ｗ０を発電した場合に燃料電池スタック３に流れるスタック電流Ｉを演算し、前記演算したスタック電流Ｉを発生させるために燃料処理装置２に必要な炭化水素系燃料ｈの必要流量を演算し、前記必要流量を燃料処理装置２が導入した場合の変成部２２の目標温度Ｔ０を演算し、前記目標温度Ｔ０に変成部２２が到達してから、スタック電流Ｉおよび炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを増加させるようにしてもよい。
【０００９】
このように構成すると、制御部４を備えるので、目標発電量Ｗ０を制御部４に入力し、変成部２２が目標改質ガス流量（燃料電池スタック３が目標発電量Ｗ０を発電することができるスタック電流Ｉを発生させることができる改質ガス流量）を処理することができる温度に到達してから、制御部４が、スタック電流Ｉおよび炭化水素系燃料ｈの流量を増加させ、目標発電量Ｗ０を発電することができるスタック電流Ｉとして目標発電量Ｗ０を発電し、目標発電量Ｗ０を発電することができる流量の改質ガスｇを生成することができる炭化水素系燃料ｈの流量Ｑとすることができる。よって、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下することを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。
【００１０】
なお、燃料電池発電システム１は、目標発電量Ｗ０を制御部４に入力する入力部５６を備えるようにしてもよい。入力部５６は、目標発電量Ｗ０を入力した後に、新たな目標発電量Ｗ０を制御部４に入力して、目標発電量Ｗ０を更新するようにしてもよい。また、入力部５６は、制御部４に入力される目標発電量Ｗ０の値を徐々に増加させて更新するようにしてもよい。典型的には、入力部５６に起動前に目標発電量Ｗ０を記憶させておく。
【００１１】
上記目的を達成するために、例えば図１に示すように、炭化水素系燃料ｈを導入し、水素を主成分とする改質ガスｇに改質する改質部２１と、改質ガスｇ導入し、改質ガスｇ中の一酸化炭素ガスを変成する変成部２２とを有する燃料処理装置２と；前記一酸化炭酸ガスが変成された改質ガスｇを導入して発電する燃料電池スタック３と；前記変成部の温度を検出する温度検出部４０と；目標発電量Ｗ０を入力可能なように構成され、燃料電池スタック３の燃料処理装置２への接続時に検出された変成部２２の温度下における、燃料処理装置２が適正に導入可能な炭化水素系燃料ｈの流量を演算し、前記導入可能流量の前記炭化水素系燃料ｈが導入された場合に燃料電池スタック３が発生可能なスタック電流Ｉを演算し、システムの運転点を前記導入可能流量および発生可能スタック電流Ｉを有する点まで移行させ、前記目標発電量Ｗ０を発電した場合に燃料電池スタック３に流れるスタック電流Ｉを演算し、前記演算したスタック電流Ｉを発生させるために燃料処理装置２に必要な前記炭化水素系燃料ｈの流量を演算し、前記必要流量を燃料処理装置２が導入した場合の変成部２２の目標温度Ｔ０を演算し、前記目標温度Ｔ０に変成部２２が到達したことを確認し、スタック電流Ｉおよび炭化水素系燃料ｈの流量Ｑを増加させる制御部４を備える燃料電池発電システム１としてもよい。
【００１２】
このように構成すると、燃料電池発電システム１は、制御部４によって、接続時に検出された変成部２２の温度に適した炭化水素系燃料ｈの流量の導入のもと、検出された変成部２２の温度下において発電可能な発電量Ｗ０を発電するように制御され、入力された目標発電量Ｗ０を発電するのに適した温度に変成部２２が到達したことを確認した後、スタック電流Ｉを増加させて、目標発電量Ｗ０を発電し、同時に、入力された目標発電量Ｗ０を発電するの適した変成部２２の温度に適した流量の炭化水素系燃料ｈを導入することができる。よって、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下することを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で燃料電池スタック３にＣＯ被毒による負担をかけずに起動することができる。
【００１３】
なお、接続時とは、接続したその時を意味する場合だけでなく、接続した後時間遅れを持たせて前述の温度検出、演算、発電を行わせる場合をも意味するものとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１の構成を示すブロック図である。燃料電池発電システム１は、燃料処理装置２と、固体高分子電解質型燃料電池である燃料電池スタック３と、制御部４と、燃料供給ライン１１と、改質ガス搬送ライン１６と、オフガス搬送ライン１７と、切替ライン６７とを含んで構成される。燃料供給ライン１１は、流体昇圧装置としてのブロワ３１と流量調節装置としての調節弁３２と流量計測装置としての流量計４７とを備える。
【００１６】
燃料処理装置２は、改質部２１と、変成部２２と、選択酸化部２３と、水蒸気発生部２４と、バーナー部２５とを備える。
改質部２１には、燃料供給ライン１１が接続され、燃料供給ライン１１は、改質部２１に炭化水素系燃料ｈ（以後単に燃料ｈという）を供給する。改質部２１では、供給された燃料ｈを改質し水素を主成分（例えば、水素の成分がモル％で約７０〜７５％）とする改質ガスｇにする改質反応が行われる。変成部２２では、改質ガスｇのＣＯ変成反応が行われる。選択酸化部２３には、選択酸化用空気供給ライン（不図示）が接続され、選択酸化用空気供給ラインは、選択酸化部２３に選択酸化用空気（不図示）を供給する。選択酸化部２３では、改質ガスｇ中に残存する一酸化炭素ガスの選択的酸化が行われる。
【００１７】
水蒸気発生部２４には、プロセス水供給ライン（不図示）が接続され、プロセス水供給ラインは、水蒸気発生部２４にプロセス水（図１に不図示）を供給する。水蒸気発生部２４は、供給されたプロセス水によって、変成反応が行われる変成部２２を冷却し、変成部２２は、変成部２２の熱により水蒸気発生部２４中のプロセス水を蒸発させ改質用蒸気ｓを発生させる。
【００１８】
バーナー部２５には、燃焼用ガス供給ライン（不図示）と燃焼用空気供給ライン（不図示）が接続され、バーナー部２５にそれぞれ燃焼用ガス（不図示）と燃焼用空気（不図示）とを供給する。バーナー部２５は燃焼用ガスを燃焼用空気で燃焼させ改質反応、変成反応に必要な熱を供給する。
燃料ｈは、典型的には、都市ガス（エタン、メタン、プロパン、ブタン等を主成分とする１３Ａ）である。なお、燃料ｈは気体だけでなく液体であってもよく、液体の場合はブロワ３１の代わりにポンプ（不図示）が使用される。
【００１９】
改質用蒸気供給ライン１５は、水蒸気発生部２４で燃料供給装置２に接続され、さらに調節弁３２および流量計４７の下流側で燃料供給ライン１１に接続され、水蒸気発生部２４と燃料供給ライン１１を繋ぎ、水蒸気発生部２４で発生した改質用蒸気ｓを、燃料供給ライン１１を介して改質部２１に搬送する。
【００２０】
制御部４は、流量制御信号ｉ１を調節弁３２に送る。調節弁３２は、制御部４から流量制御信号ｉ１を受け、燃料ｈの改質部２１への供給量を調節する。
【００２１】
ブロワ３１は、不図示のモータにより駆動され、燃料ｈを昇圧し、定常状態で回転数はほぼ一定である。これらを例えば蒸気タービン（不図示）により駆動し、回転数制御により流量Ｑが制御されるようにしてもよいし、回転数制御が可能なモータ（不図示）により駆動し、流量Ｑが制御されるようにしてもよい。回転数制御を行う場合、調節弁３２は設置しなくてもよい。
【００２２】
改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３には、改質部２１、変成部２２、選択酸化部の２３の温度を検出する温度検出部としての温度検出器３９、４０、４１がそれぞれ設置されている。温度検出器３９、４０、４１によって検出された温度は、温度信号ｉ２としてそれぞれ制御部４に送られる。流量計４７は、改質部２１に供給される燃料ｈの流量Ｑを計測し、計測された流量Ｑは流量信号ｉ５として制御部４に送られる。
【００２３】
改質ガス搬送ライン１６は、燃料処理装置２の選択酸化部２３と燃料電池スタック３を繋ぎ、選択酸化部２３から燃料電池スタック３に改質ガスｇを搬送する。改質ガス搬送ライン１６には、三方切替弁６８が設置されている。三方切替弁６８には、制御部４より三方切替弁６８を切り替えるための切替信号ｉ６が送られる。オフガス搬送ライン１７は、燃料電池スタック３とバーナー部２５とを繋ぎ、後述のオフガスｆを燃料電池スタック３からバーナー部２５へ搬送する。三方切替弁６８には、切替ライン６７の一端が接続され、切替ライン６７の他端は、オフガス搬送ライン１７に接続されている。
【００２４】
三方切替弁６８は、通常運転時はａ１側（燃料電池スタック３へ向かうライン）が開となり、選択酸化部２３を出た改質ガスｇは燃料処理装置２から改質ガス搬送ライン１６を通り燃料電池スタック３側に流れる。起動運転が始まる直前に三方切替弁６８のｂ１側（切替ライン６７へ向かい、燃料電池スタック３をバイパスするライン）への切り替えが行われ、切替後は、選択酸化部２３を出た改質ガスｇは、改質ガス搬送ライン１６から切替ライン６７を通り、オフガス搬送ライン１７に達し、バーナー部２５へ送られる。オフガス搬送ライン１７の切替ライン６７との合流部の上流側には逆止弁６９が設置され、オフガス搬送ライン１７に流れ込んだ改質ガスｇが燃料電池スタック３へ逆流しないようになっている。発電開始直前に三方切替弁６８のａ１側への切替が行われる。
【００２５】
燃料電池スタック３は、固定高分子膜（不図示）とセパレータ（不図示）とが交互に重ねられた多重構造である。燃料電池スタック３には、スタック用空気供給ライン（不図示）が接続され、燃料電池スタック３にスタック用空気（不図示）を供給する。燃料電池スタック３は、供給された改質ガスｇと酸化剤ガスとしてのスタック用空気とを電気化学的に反応させて発電を行うと共に、オフガスｆ（未利用改質ガス）を発生する。ここでオフガスｆは、燃料電池スタック３において、水素が発電に利用された後の余剰改質ガスであり、改質ガスｇに含まれる水素のうち、例えば８０パーセント（モルパーセント）が発電に使用された場合、残り２０パーセント（モルパーセント）相当量の水素を含むいわゆる水素リッチガスである。
【００２６】
燃料電池スタック３は、負荷５（何らかの電気機器、例えばＤＣ／ＤＣコンバータおよびインバータで系統と連係し、一般家庭に電力を供給する。）に電気的に接続されている。燃料電池スタック３は、スタック電圧Ｖを検出するスタック電圧検出器４５と、スタック電流Ｉを検出するスタック電流検出器４６とを有する。スタック電圧検出器４５によって検出されたスタック電圧Ｖは、電圧信号ｉ３として制御部４に送られる。スタック電流検出器４６によって検出されたスタック電流Ｉは、電流信号ｉ４として制御部４に送られる。制御部４は、電圧信号ｉ３と電流信号ｉ４から燃料電池スタック３の発電量を計算する。発電量を計算するとは典型的には電流値と電圧値を計算することをいう。
【００２７】
制御部４は、改質部２１の適正温度範囲（適正上限温度と適正下限温度の間の範囲）（例えば、６５０〜７５０℃）を記憶する適正温度記憶部５５を有する。適正温度記憶部５５に、改質部２１に充填された改質触媒（不図示）の改質反応、変成部２２に充填されたＣＯ変成触媒（不図示）の変成反応に適した適正温度範囲を運転開始前にそれぞれ記憶させておく。制御部４は、目標発電量を外部から入力する入力部５６を有する。
【００２８】
次に、燃料電池発電システム１の作用を説明する。バーナー部２５には、起動時、助燃時に燃焼用ガス（不図示）が燃焼用ガス供給ライン（不図示）から供給される。通常運転時にはバーナー部２５には、オフガス搬送ライン１７を介して燃料電池スタック３からオフガスｆが供給される。
【００２９】
バーナー部２５で発生する燃焼熱は、起動時には改質部２１を加熱し改質触媒（不図示）の温度を早い上昇率で上昇させる。改質部２１で生成された改質ガスｇは改質部２１によって加熱され、加熱された改質ガスｇは、変成部２２に送られて変成部２２を加熱し、変成部２２の温度を徐々に上昇させる。バーナー部２５で発生する燃焼熱は、通常運転時には改質部２１での改質反応熱に利用され、改質部２１に充填された改質触媒（不図示）、変成部２２に充填されたＣＯ変成触媒（不図示）を反応に適した所定の温度に維持するために利用される。
【００３０】
燃料ｈは、ブロワ３１により搬送され燃料供給ライン１１を介して改質部２１に供給される。燃料供給ライン１１に設置された調節弁３２は、制御部４からの流量制御信号ｉ１を受け、流量制御信号ｉ１に対応する流量Ｑの燃料ｈを流すよう所定の開度に制御される。燃料ｈの流量Ｑは流量計４７により計測され、計測された流量Ｑは、流量信号ｉ５として制御部４に送られる。
【００３１】
プロセス水（図１に不図示）は、プロセス水供給ライン（不図示）を介して水蒸気発生部２４に供給される。水蒸気発生部２４に供給されたプロセス水は、水蒸気発生部２４で蒸発し改質用蒸気ｓとして、改質用蒸気供給ライン１５から燃料供給ライン１１を介して改質部２１に供給され、改質用水蒸気ｓとして利用される。すなわち、改質部２１では、燃料ｈが例えばメタンの場合は、改質触媒によりＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２  で表せる水蒸気改質反応が行われ、改質ガスｇとなる。
【００３２】
改質ガスｇは、前述のように改質部２１から変成部２２に送られ、変成部２２で、ＣＯ変成触媒によりＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  で表せる変成反応が行われる。さらに、改質ガスｇは、変成部２２から選択酸化部２３に送られる。選択酸化用空気（不図示）は、選択酸化用空気供給ライン（不図示）から選択酸化部２３に供給される。改質ガスｇ中に残留するＣＯガスは、選択酸化部２３で選択酸化用空気により選択的に酸化され、ＣＯ＋（１／２）Ｏ２→ＣＯ２  で表される反応が行われる。ＣＯガスが除去された改質ガスｇは、改質ガス搬送ライン１６を通って燃料電池スタック３に向けて供給される。
【００３３】
燃料電池スタック３は、改質ガスｇと、スタック用空気供給ライン（不図示）から燃料電池スタック３に供給されるスタック用空気（不図示）とを電気化学的に反応させ、発電が行われ、負荷５に電力が供給される。
【００３４】
次に、図２を参照し、適宜図１を参照して本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による起動方法を説明する。図２中、起動前の準備運転を含んでいる。
【００３５】
まず、起動前に制御部４の入力部５６に目標発電量Ｗ０を入力する（ステップＳ１）。入力部５６に目標発電量Ｗ０が入力されると、制御部４は、当該目標発電量Ｗ０を基に演算を行い、目標発電量Ｗ０を発電した場合に燃料電池スタック３に流れる電流値である目標スタック電流値Ｉ０を求める（ステップＳ２）。ここで、Ｉ０＝Ｆ１（Ｗ０）と表すことができる。三方切替弁６８は、制御部４からの切替信号ｉ６によりポジションがｂ１側に切り替えられる（ステップＳ３）。この場合、三方切替弁６８は、改質ガス搬送ライン１６を通る流体が、切替ライン６７を通るようにし、当該流体は、オフガス搬送ライン１７を通り、燃料電池スタック３をバイパスして、バーナー部２５に供給される。
【００３６】
燃料ｈの改質部２１への供給、および燃焼用空気（図１に不図示）のバーナー部２５への供給を開始し、燃料ｈの流量をＱ１ とし（ステップＳ４）、燃焼用空気の燃料をｑ１とし（ステップＳ５）、燃焼空気比が１．２となるようにする。改質部２１に供給された燃料ｈは、変成部２２、選択酸化部２３、改質ガス搬送ライン１６、切替ライン６７、オフガス搬送ライン１７を経て、バーナー部２５へ送られ、バーナー部２５で燃焼される。改質部２１は、バーナー部２５の近傍に位置しているので、燃料ｈの燃焼により改質部２１が加熱され、改質部２１の温度が上昇する。変成部２２の温度、選択酸化部２３の温度は、燃料処理装置２内部のバーナー部２５から燃焼熱が伝達することにより徐々に上昇する。また、改質部２１を通った燃料ｈは、改質部２１によって加熱される。加熱された燃料ｈは、変成部２２、選択酸化部２３を通る際に、変成部２２、選択酸化部２３を加熱する。この加熱によっても、変成部２２、選択酸化部２３の温度は徐々に上昇する。流量Ｑ１、ｑ１は、これらの温度上昇に適するように、前もって決められる。
【００３７】
温度検出器３９により、改質部２１の温度を検出する（ステップＳ６）。改質部２１の温度が、炭化水素系燃料ｈが炭化を起こさない上限値ＴＵ１（４００℃）に到達したか否かが判断され（ステップＳ７）、上限値ＴＵ１に到達していない場合（ステップＳ７がＮＯの場合）、ステップＳ６に戻り、改質部２１の温度が上限値ＴＵ１に到達するまでステップＳ６が繰り返される。上限値ＴＵ１に到達した場合（ステップＳ７がＹＥＳの場合）、水蒸気発生部２４にプロセス水（図１に不図示）の供給が開始され（ステップＳ８）、選択酸化部２３に選択酸化用空気（図１に不図示）の供給が開始される（ステップＳ９）。
【００３８】
燃料処理装置２各部（改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３）の温度を検出する（ステップＳ１０Ａ）。改質部２１の温度は温度検出器３９により、変成部２２の温度は温度検出器４０により、選択酸化部２３の温度は温度検出器４１により検出する。燃料処理装置２各部の温度が、すべて下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に到達したか否かが判断される（ステップＳ１０Ｂ）。改質部２１の下限値ＴＬ１が６００℃、変成部２２の下限値ＴＬ２が２５０℃、選択酸化部２３の下限値ＴＬ３が１１０℃である。それぞれ改質反応、変成反応、選択酸化反応が適切に行われ、燃料電池スタック３に送ることができる改質ガスｇを製造することができる下限値ＴＬ１〜ＴＬ３である。燃料処理装置２各部温度がすべて下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に到達した場合（ステップＳ１０ＢがＹＥＳの場合）、三方切替弁６８のポジションがａ１側に切り替えられ（ステップＳ１０Ｃ）、改質部２１で生成された改質ガスｇは、燃料電池スタック３へ送られ、燃料電池スタック３で発電が開始される。燃料処理装置２各部温度の少なくとも一つが下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に達していない場合（ステップＳ１０ＢがＮＯの場合）、ステップＳ１０Ａに戻り、燃料処理装置２各部の温度が全て下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に到達するまでステップＳ１０Ａが繰り返される。改質部２１の温度の上限値ＴＵ１、燃料処理装置２各部の下限値ＴＬ１〜ＴＬ３は、適正温度記憶部５５に記憶されている。
【００３９】
改質ガスｇが燃料電池スタック３に供給されると同時に、改質ガスｇと電気化学的に反応するスタック用空気（図１に不図示）が、スタック用空気供給ライン（図１に不図示）から燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３で発電が開始されると、燃料電池スタック３からバーナー部２５へオフガスｆが供給される。三方切替弁６８のポジションがａ１側に切り替えられ、改質ガスｇが燃料電池スタック３に送られるときが、本発明の発電開始時であり、燃料電池スタック３の燃料処理装置２への接続時である。
【００４０】
水蒸気発生部２４に供給されたプロセス水（図１に不図示）は、変成部２２と選択酸化部２３によって加熱され蒸発し、改質蒸気ｓとして改質部２１へ送られる。改質部２１では燃料ｈの水蒸気改質反応により、改質ガスｇが生成する。改質部２１で生成した改質ガスｇは、変成部２２と選択酸化部２３を通り、変成部２２と選択酸化部２３を加熱し、改質ガス搬送ライン１６を経て燃料電池スタック３に送られ、発電が行なわれる。
【００４１】
温度検出器４０により、変成部２２の温度Ｔを検出する（ステップＳ１１）。検出された変成部２２の温度Ｔ２を基に、制御部４が演算を行い、変成部２２の温度Ｔ２において供給可能な、燃料ｈの流量Ｑ２を求め（ステップＳ１２）、流量Ｑ２を流した場合のスタック電流値Ｉ２を求める（ステップＳ１３）。ここで、Ｑ２＝Ｆ２（Ｔ２）、Ｉ２＝Ｆ３（Ｑ２）と表すことができる。燃料ｈの流量Ｑ２は、温度Ｔ２を有する変成部２２を備えた燃料処理装置２が適切に処理できる最大流量である。
【００４２】
制御部４は、スタック電流値Ｉ２から相当する発電量Ｗ２を演算し（ステップＳ１４）、演算した発電量Ｗ２の出力を許可し（ステップＳ１５）、燃料ｈの流量Ｑを、別途設定された増加速度（例えば、１Ｌ／ｍｉｎ／ｍｉｎ）で、演算された流量Ｑ２まで増加させ（ステップＳ１６）、燃焼用空気の流量をｑ２まで増加させ（ステップＳ１７）、スタック電流を、別途設定された増加速度（例えば、８Ａ／ｍｉｎ）で演算されたスタック電流値Ｉ２に向けて増加させる。ここで、Ｗ２＝Ｆ４（Ｉ２）と表せる。燃焼用空気の流量ｑ２は、燃焼空気比が１．２になるように決められる。スタック電流Ｉの増加速度は、改質ガスｇが行き渡るよう、燃料ｈの増加速度に比べ若干遅くなるように設定され、燃料ｈの増加速度は、燃料処理装置２各反応部が負荷の変動に対し十分に追随できる程度の速度に設定される。
【００４３】
次に、スタック電流値が演算されたＩ２に到達したか否かを判断し（ステップＳ１８）、スタック電流値がＩ２に到達していない場合（ステップＳ１８がＮＯの場合）、ステップＳ１８の前に戻り、ステップＳ１８を繰り返す。スタック電流値がＩ２に到達した場合（ステップＳ１８がＹＥＳの場合）、スタック電流値がＩ０に到達したか否かが判断される（ステップＳ１９）。スタック電流値がＩ０に到達していない場合（ステップＳ１９がＮＯの場合）、ステップＳ１１に戻り、温度検出器４０により変成部２２の温度Ｔを検出する。検出された変成部２２の温度Ｔ３を基に、制御部４が演算を行い、変成部２２の温度Ｔ３において供給可能な、燃料ｈの流量Ｑ３を求め（ステップＳ１２）、流量Ｑ３を流した場合のスタック電流値Ｉ３を求める（ステップＳ１３）。ここで、Ｑ３＝Ｆ２（Ｔ３）、Ｉ３＝Ｆ３（Ｑ３）で表される。燃料ｈの流量Ｑ３は、温度Ｔ３を有する変成部２２を備えた燃料処理装置２が適切に処理できる最大流量である。
【００４４】
制御部４は、スタック電流値Ｉ３から相当する発電量Ｗ３（Ｗ３＝Ｆ４（Ｉ３））を演算し（ステップＳ１４）、発電量Ｗ３の出力を許可し（ステップＳ１５）、前述のスタック電流Ｉの増加速度および、燃料ｈの増加速度で、スタック電流値を演算されたＩ３に向けて増加し、燃料ｈの流量を演算されたＱ３まで増加し（ステップＳ１６）、燃焼用空気の流量をｑ３まで増加する（ステップＳ１７）。流量ｑ３は、燃焼空気比が１．２になるように決められる。次に、スタック電流値が演算されたＩ３に到達したか否かを判断する（ステップＳ１８）。制御部４は、以上の制御を、スタック電流がＩ０に到達するまで繰り返す。スタック電流がＩ０に到達し、スタック電流がＩ０に到達した（ステップＳ１９がＹＥＳの場合）後、流量Ｑの増加を停止させ（ステップＳ２０）、通常運転に移行し、発電量Ｗ０、スタック電流Ｉ０の状態での運転が続行される（ステップＳ２１）。
【００４５】
以上、ステップＳ６において改質部２１の温度検出を行い、ステップＳ１１において変成部２２の温度検出を行ない、ステップＳ１０Ａにおいて、改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３の温度検出を行うよう説明したが、改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３の温度検出は運転中常に行い、改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３の温度を常に監視するようにしてもよい。
【００４６】
以上述べた本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による起動方法によれば、検出された変成部２２の温度Ｔに適した流量Ｑの燃料ｈを改質部２１に供給し、検出された変成部２２の温度Ｔに適した発電量Ｗの発電を燃料電池スタック３に行わせるので、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量Ｗが低下するのを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。また、改質部２１が最大可能な流量の改質ガスｇを生成するので、変成部２２を加熱する熱媒体の流量を最大限可能な流量とすることができ、変成部２２の昇温を速めることができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。
【００４７】
次に、図３および図４を参照し、適宜図１を参照して本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による他の起動方法を説明する。図３中、縦軸は、燃料ｈの流量Ｑ、および変成部２２の温度Ｔ、スタック電流Ｉの電流値を表し、横軸は、時間の経過を表す。また、図３中、折れ線Ｒ１は、燃料ｈの流量Ｑの時間的変化、曲線Ｒ２は、変成部２２の温度Ｔの時間的変化、折れ線Ｒ３はスタック電流Ｉの電流値の時間的変化を表す。制御部４は、システム冷起時に以下の制御を行う。
【００４８】
起動前に、目標発電量Ｗ０を入力する（ステップＳ１）。目標スタック電流値Ｉ０（＝Ｆ１（Ｗ０））を演算し（ステップＳ２）、およびスタック電流値Ｉ０を基に目標燃料流量Ｑ０（＝Ｆ５（Ｉ０））を演算し（ステップＳ２Ａ）、目標燃料流量Ｑ０を基に目標変成部温度Ｔ０（＝Ｆ６（Ｑ０））を演算する（ステップＳ２Ｂ）。次に、三方切替弁６８のポジションをｂ１側に切り替える（ステップＳ３）。燃料ｈの目標流量Ｑ０は、燃料電池スタック３が目標発電量Ｗ０を発電するのに燃料処理装置２に供給する燃料ｈの流量であり、目標変成部温度Ｔ０とは、この場合の変成部２２の温度をいう。
【００４９】
時間ｔ０に、燃料ｈの供給を開始し（ステップＳ４）、および燃焼用空気の供給を開始する（ステップＳ５）。その後、改質部２１の温度を検出し（ステップＳ６）、改質部２１の温度が炭化水素系の燃料ｈが炭化析出しない上限値ＴＵ１（４００℃）に到達したか否かの判断が行なわれる（ステップＳ７）。改質部２１の温度が上限値ＴＵ１未満の場合（ステップＳ７がＮＯの場合）は、ステップＳ６に戻る。
【００５０】
時間ｔａ（例えば、時間ｔ０から３０秒経過）に、燃料ｈ、燃焼用空気の流量が、それぞれＱ１、ｑ１に到達する。改質部２１に供給された燃料ｈは、バーナー部２５へ送られ、バーナー部２５で燃焼する。改質部２１は、バーナー部２５の近傍に位置しているので燃料ｈの燃焼により改質部２１が加熱され、改質部２１の温度が急速に上昇する。変成部２２の温度は、燃料処理装置２内部の燃焼熱熱の伝達により、さらには改質部２１に加熱された燃料ｈによる加熱により徐々に上昇する。
【００５１】
改質部２１の温度を検出する（ステップＳ６）。改質部２１の温度が、上限値ＴＵ１（４００℃）に到達したか否かが判断され（ステップＳ７）、改質部２１の温度が上限値ＴＵ１に到達しない場合（ステップＳ７がＮＯの場合）、ステップＳ６に戻る。
【００５２】
時間ｔｂ（例えば、時間ｔａから１０分経過）に、改質部２１の温度が、上限値ＴＵ１（４００℃）に到達する（ステップＳ７がＹＥＳの場合）と、改質部２１にプロセス水（図１に不図示）が供給され（ステップＳ８）、選択酸化空気（図１に不図示）の供給が開始される（ステップＳ９）。燃料処理装置２各部（改質部２１、変成部２２、選択酸化部２３）の温度を検出する（ステップＳ１０Ａ）。燃料処理装置２各部の温度が、すべて下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に到達したか否かが判断される（ステップＳ１０Ｂ）。燃料処理装置２各部温度がすべて下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に到達した場合（ステップＳ１０ＢがＹＥＳの場合）、三方切替弁６９のポジションがａ１側に切り替わり（ステップＳ１０Ｃ）、改質部２１で燃料ｈの改質反応によって生成した改質ガスｇが、変成部２２と選択酸化部２３を通り、燃料電池スタック３へ送られ、燃料電池スタック３で発電が開始される。燃料処理装置２各部温度の少なくとも一つが下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に達していない場合（ステップＳ１０ＢがＮＯの場合）、ステップＳ１０Ａに戻り、燃料処理装置２各部の温度が全て下限値ＴＬ１〜ＴＬ３に到達するまでステップＳ１０Ａ、ステップＳ１０Ｂが繰り返される。
【００５３】
そして、変成部２２の温度Ｔが検出され（ステップＳ１１）、検出された温度Ｔ２に基づいて、制御部４が演算を行い、変成部２２の温度Ｔ２において供給可能な、燃料ｈの流量Ｑ２を求め（ステップＳ１２）、流量Ｑ２（＝Ｆ２（Ｔ２））を流した場合のスタック電流値Ｉ２（＝Ｆ３（Ｑ２））を求める（ステップＳ１３）。制御部４は、スタック電流値Ｉ２から相当する発電量Ｗ２（＝Ｆ４（Ｉ２））を演算し（ステップＳ１４）、発電量Ｗ２の出力を許可する（ステップＳ１５）。さらに、燃料ｈを、流量Ｑ２に向けて増加させ（ステップＳ１６）、燃焼用空気の流量をｑ２向けて増加させ（ステップＳ１７）燃焼空気比が１．２となるようにし、スタック電流を、電流値Ｉ２に向けて増加させる。
【００５４】
時間ｔｃ（例えば、時間ｔｂから３分経過）には、増加した燃料ｈの流量がＱ２に達し、増加した燃焼用空気の流量がｑ２に達し、スタック電流が電流値Ｉ２に達する。その後、スタック電流は電流値Ｉ２に固定される。改質ガスｇは、変成部２２で変成反応により一酸化炭素が減少され、選択酸化部２３で一酸化炭素が選択的に除去される。改質ガスｇは、変成部２２、選択酸化部２３を通過する際に、変成部２２、選択酸化部２３を加熱し、変成部２２および選択酸化部２３の温度を上昇させる。
【００５５】
ステップＳ１７の後に、温度検出器４０により、変成部２２の温度Ｔを検出し（ステップＳ１１８）、変成部２２の温度がＴ０に到達したか否かの判断が行なわれ（ステップＳ１１９）、変成部２２の温度がＴ０未満の場合（ステップＳ１１９がＮＯの場合）、ステップＳ１１９の前に戻り、ステップＳ１１９が繰り返される。
【００５６】
時間ｔｄ（例えば、時間ｔｃから１０分経過）に、変成部２２の温度がＴ０に到達し（ステップＳ１１９がＹＥＳの場合）、燃料ｈの流量がＱ０に向けて増加され（ステップＳ１２０）、燃焼用空気の流量がｑ０に向けて増加される（ステップＳ１２１）。燃焼用空気の流量がｑ０は、燃焼空気比が１．２になるように決められる。
【００５７】
時間ｔｅ（例えば、時間ｔｄから５分経過）には、増加した燃料ｈの流量がＱ０に達し、増加した燃焼用空気の流量がｑ０に達する。このときスタック電流は、電流値Ｉ０に到達し、発電量Ｗ０の発電が行なわれる（ステップＳ１２２）。
【００５８】
以上改質部２１の温度検出は、ステップＳ６において行い、変成部２２の温度検出は、ステップＳ１１、Ｓ１１８において行なうよう説明したが、改質部２１と変成部２２の温度検出は運転中常に行い、改質部２１の温度と変成部２２の温度とを常に監視するようにしてもよい。
【００５９】
なお、以上説明した他の起動方法の説明で述べたステップＳ１からステップＳ１７まで（ステップＳ２Ａ、ステップＳ２Ｂを除く）は、前述の起動方法で述べたステップＳ１からステップＳ１７までと同じである。
【００６０】
以上述べた本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の制御部４による他の起動方法によれば、検出された変成部２２の温度Ｔに適した流量Ｑの燃料ｈを改質部２１に供給し、検出された変成部２２の温度Ｔに適した発電量Ｗの発電を燃料電池スタック３に行わせるので、変成部２２において、改質部２１で生成された改質ガスｇから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタック３に供給される改質ガスｇ中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック３の発電量が低下するのを回避することができ、燃料電池発電システム１を短時間で起動することができる。発電開始後の処理がシンプルであり、計算量が少ないため制御部４に与える付加が少ないほか、詳細なデータベースを作るほどデータの蓄積のないシステム１に対しても簡単に適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料処理装置と、燃料電池スタックと、温度検出部と、制御部とを備えるので、燃料電池スタックの発電開始時に、温度検出部によって変成部の温度を検出し、制御部によって、検出された変成部の温度下における、燃料処理装置が適正に導入可能な炭化水素系燃料の流量を演算し、導入可能な流量の炭化水素系燃料が導入された場合に燃料電池スタックが発電可能な発電量を演算し、導入可能な炭化水素系燃料の流量を燃料処理装置に導入し、改質部で可能な流量の改質ガスを生成し、変成部で改質ガスの変成反応を行わせて改質ガス中の一酸化炭素ガスを除去し、燃料電池スタックに可能発電量以下の範囲での発電を行わせることができる。よって、変成部の温度に適した流量の炭化水素系燃料を燃料処理装置に導入し、変成部の温度に適した発電量の発電を燃料電池スタックに行わせ、変成部において、改質部で生成された改質ガスから十分に一酸化炭素ガスを除去することができ、燃料電池スタックに供給される改質ガス中の一酸化炭素ガス濃度が増加し燃料電池スタック発電量が低下するのを回避することができ、燃料電池発電システムを短時間で起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の燃料電池発電システムの起動方法を説明するチャートである。
【図３】図１の燃料電池発電システムの他の起動方法における燃料の流量等の時間的変化を示すグラフである。
【図４】図１の燃料電池発電システムの他の起動方法を説明するチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池発電システム
２  燃料処理装置
３  燃料電池スタック
４  制御部
２１  改質部
２２  変成部
２３  選択酸化部
３９、４０、４１  温度検出部
５６  入力部
ｇ  改質ガス
ｈ  燃料（炭化水素系燃料）
Ｉ  スタック電流
Ｑ  流量
Ｔ  温度
Ｗ  発電量
【図１】
2004288387.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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