(57)【要約】【課題】システムの定格出力において高い送電端効率を実現できる二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの起動法を提供すること。【解決手段】天然ガス１を水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガス９を生成する改質器２と、改質ガス９を燃料として発電を行い排熱を改質器２に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタック３と、セルスタック３の燃料極排出ガス１０がＣＯシフトコンバータ２０とＣＯ選択酸化器２１とを経由してできる排出ガス２９を燃料として発電を行う固体高分子形燃料電池セルスタック２３とを有する燃料電池発電システムの起動法において、セルスタック３に供給する空気３６の供給量、天然ガス１の供給量及びＣＯシフトコンバータ２０に供給する燃料極排出ガス１７の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項２】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項３】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素の電気化学的な酸化反応によって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項４】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項５】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項６】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素と変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項７】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する水素リッチな改質ガスの供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記水素リッチな改質ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項８】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する水素リッチな改質ガスの供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記水素リッチな改質ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【請求項９】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する水素リッチな改質ガスの供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記水素リッチな改質ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムの起動法、特に二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの起動法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムが下記非特許文献１に例示されている。図５は、そのようなシステムの構成図である。図５において、１は燃料である天然ガス、２は燃料である天然ガス１の水蒸気改質反応を行わせる改質器、３は第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック（以下、ＳＯＦＣスタックと略す）、４はＳＯＦＣスタック３の燃料極、５はＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質、６はＳＯＦＣスタック３の空気極、７は燃焼器、８はリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス、９は水素リッチな改質ガス、１０はＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１１はリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１２はＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス、１３は燃焼排出ガス、１４は燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、１５はリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１の供給量を制御する流量制御弁、１７はＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、２０はＣＯシフトコンバータ、２１はＣＯ選択酸化器、２２は凝縮器、２３は第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック（以下、ＰＥＦＣスタックと略す）、２４はＰＥＦＣスタック２３の空気極、２５はＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質、２６はＰＥＦＣスタック２３の燃料極、２７は燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、２８はＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、２９は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、３０はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気、３１は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去したＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、３２はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気、３３はＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス、３４はＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス、３６はＳＯＦＣスタック３の発電用空気、３７は脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁、３８は脱硫器、３９は脱硫された天然ガス、４０はＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁、４１はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、４２はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量を制御する流量制御弁、４４は一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、４５は脱硫器リサイクルガス、４６は凝縮水である。８２は空気供給用ブロア、８３はシステムに供給する空気、８５は起動用ヒーターである。
【０００３】
なお、上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。
【０００４】
図５において、ＳＯＦＣスタック３が一組のＳＯＦＣスタックの燃料極４、ＳＯＦＣスタックの固体酸化物電解質５、及びＳＯＦＣスタック３の空気極６からなるＳＯＦＣ単セルによって構成されているように示されているが、実際には、ＳＯＰＣスタック３は複数のＳＯＦＣ単セルから構成されている。
【０００５】
また、図５において、ＰＥＦＣスタック２３も一組のＰＥＦＣスタックの燃料極２４、ＰＥＦＣスタックの固体高分子電解質２５、及びＰＥＦＣスタックの空気極２６からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、ＰＥＦＣスタック２３は複数の単セルから構成されている。
【０００６】
以下、図５を用いて、この従来の燃料電池発電システムの作用について説明する。燃料である天然ガス１を脱硫器３８に供給する。燃料である天然ガス１の供給量は、予め設定されたＳＯＦＣスタック３の発電電流及びＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１４の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流及びＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に設定する。
【０００７】
脱硫器３８では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器２の改質触媒、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６の電極触媒、及びＳＯＦＣスタック３の燃料極４の電極触媒の劣化の原因となる燃料である天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫することにより吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ２０から排出される一酸化炭素濃度を１％以下に低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス４４の一部を、脱硫器リサイクルガス４５として脱硫器３８にリサイクルする。脱硫器リサイクルガス４５の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁３７の開度（すなわち脱硫器リサイクルガス４５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３７の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。硫化水素と酸化亜鉛とから硫化亜鉛が生成する反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ２０での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ２０から脱硫器３８に供給することによってまかなう。
【０００８】
脱硫器３８で脱硫された天然ガス３９は、ＳＯＦＣスタック３で生成した水蒸気を含むリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と混合し、リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８として改質器２に供給する。リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１の供給量は、予め設定された流量制御弁１４の開度（すなわち、燃料である天然ガス１の供給量）と流量制御弁１５の開度（すなわち、リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１５の開度を制御することによって、燃料である天然ガス１の供給量に見合った値に制御する。
【０００９】
改質器２では、充填された改質触媒の働きにより燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガスが作られる。天然ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は（１）式で表される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ＋３Ｈ２                    （１）
（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、外部から改質器２に必要な反応熱を供給し、改質器２の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器２の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行うＳＯＦＣスタック３の排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器２に供給する。改質器２でつくられた水素リッチな改質ガス９は、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する。
【００１０】
ＳＯＦＣスタック３の空気極６には、空気供給用ブロア８２を用いて取り込んだシステムに供給する空気８３の一部をＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６として供給する。ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量は、ＳＯＦＣスタックの発電電流量と流量制御弁４０の開度（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４０の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流量に見合った値に設定する。
【００１１】
ＳＯＦＣスタック３の空気極６では、金属酸化物系電極触媒の働きで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６中の酸素が（２）式に示す空気極反応により電子と反応して酸素イオンに変わる。
１/２Ｏ２＋２ｅ− → Ｏ２−                        （２）
ＳＯＦＣスタック３の空気極６で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質５の内部を移動し、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に到達する。ＳＯＦＣスタック３の燃料極４では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、ＳＯＦＣスタック３の空気極６からＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質５の内部を移動してきた酸素イオンが、（３）式および（４）式に示す反応によりＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給された水素リッチな改質ガス９中の水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
Ｈ２＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ−                    （３）
ＣＯ＋Ｏ２− → →ＣＯ２＋２ｅ−                  （４）
ＳＯＦＣスタック３の燃料極４で生成した電子は、外部回路を移動し、ＳＯＦＣスタック３の空気極６に到達する。ＳＯＦＣスタックの空気極６に到達した電子は、（２）式に示した反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーをＳＯＦＣスタック３の発電出力として取り出すことができる。
【００１２】
（２）式と（３）式、（２）式と（４）式を、それぞれまとめると、ＳＯＦＣスタック３の電池反応は（５）式に示す水素の酸化反応と、（６）式に示す一酸化炭素の酸化反応として表すことができる。
Ｈ２＋１/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                          （５）
ＣＯ＋１/２Ｏ２ → ＣＯ２                          （６）
ＳＯＦＣスタック３の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。ＳＯＦＣスタック３の排熱は、前述したように改質器２での燃料である天然ガス１中の炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用する。
【００１３】
ＳＯＦＣスタック３の燃料極４で電池反応により生成した水蒸気を含むＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０の一部は、前述したように、改質器２での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１として脱硫された天然ガス３９と混合して改質器２に供給する。また、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０の残りの一部は、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７として、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する。ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量は、予め設定されたＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁１９の開度（すなわちＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１９の開度を制御することによって、ＰＥＦＣスタックの発電電流に見合った値に設定する。そして、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０の残りは、燃焼器７に供給する燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２７として燃焼器７に供給する。
【００１４】
ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７には、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６の電極触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれているので、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ２０に供給し、シフト触媒の働きにより（７）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０中の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋Ｈ２                      （７）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器３８に供給し、前述した吸熱反応である、硫化水素と酸化亜鉛との反応の反応熱として利用する。
【００１５】
ＣＯシフトコンバータ２０で作られた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス４４の一部は、前述したように脱硫器リサイクルガス４５として脱硫器３８に供給し、残りは、ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低下させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２８として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器２１に供給する。また、空気供給用ブロア８２を用いて取り込んだシステムに供給する空気８３の一部を、ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０として、ＣＯ選択酸化器２１に供給する。ＣＯ選択酸化器２１では、ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低下させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２８に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である（８）式に示すＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低下させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２８中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
ＣＯ＋１/２Ｏ２ → ＣＯ２                    （８）
ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量は、予め設定された流量制御弁１９の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量）と流量制御弁４２の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４２の開度を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量に見合った値に設定する。
【００１６】
ＣＯ選択酸化器で作られた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２９に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２２で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水４６として回収する。凝縮器２２で未反応水蒸気ガスを凝縮させることによって一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去したＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス３１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給する。一方、空気供給用ブロア８２を用いて取り込んだシステムに供給する空気８３の一部を、ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２として、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に供給する。ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量は、予め設定されたＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁４１の開度（すなわち、ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４１の開度を制御することによって、ＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に制御する。ＰＥＦＣスタック２３の発電温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【００１７】
ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６では、白金系電極触媒の働きで、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去したＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス３１中に含まれる水素の約８０％が、（９）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−                            （９）
ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成されるＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質２５の内部を移動し、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に到達する。一方、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で生成した電子は、外部回路を移動し、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを直流電力として取り出すことができる。ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４では、白金系電極触媒の働きで、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６からＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質２５の内部をＰＥＦＣスタック２３の空気極２４まで移動してきた水素イオン、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６から外部回路をＰＥＦＣスタック２３の空気極２４まで移動してきた電子、及びＰＥＦＣスタック２３の空気極２４に供給されたＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２中の酸素が、（１０）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
２Ｈ＋＋１/２Ｏ２＋２ｅ− → Ｈ２Ｏ                （１０）
（９）式と（１０）式をまとめると、ＰＥＦＣスタック２３の電池反応は、（１１）式に示す水素の酸化反応として表すことができる。
Ｈ２＋１/２Ｏ２ → Ｈ２Ｏ                          （１１）
ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２は、ＰＥＦＣスタック２３の空気極２４で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、ＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス３３として排出する。一方、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去したＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス３１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４として排出する。ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４は、燃焼器７に供給する。
【００１８】
燃焼器７では、燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２７中の未反応水素、未反応一酸化炭素、及び未反応燃料とＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４中の未反応水素及び未反応燃料をＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２中の未反応酸素と燃焼させて、燃焼排出ガス１３を生成する。なお、図５には示されていないが、燃焼排出ガス１３は、燃料である天然ガス１とＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の昇温に利用する。
【００１９】
図１４は、図５に示す二種類の燃料電池スタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの、従来の燃料電池発電システムの起動法を表す制御フロー図である。図１４に示すように、従来の燃料電池発電システムの起動法では、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによってＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させながら、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させてＳＯＦＣスタック３の出力を増加させる。このとき、ＳＯＦＣスタック３の発電に伴う排熱によってＳＯＦＣスタック３の温度が過度に上昇するのを、空気による冷却によって防ぐために、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量は、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率が１０〜３０％と低い値で一定となるように調整する。ＳＯＦＣスタック３の出力が定格出力に到達した後に、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を増加させる（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を閉じることによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を減少させる）ことによって空気によるＳＯＦＣスタック３の冷却を抑え、水蒸気改質反応の反応熱として利用するＳＯＦＣスタック３の排熱を増加させる。同時に、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４とＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開き、燃料である天然ガス１とＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させることによって、ＰＥＦＣスタック２３の出力を定格出力まで増加させる。
【００２０】
【非特許文献１】論文「Ａ．  Ｌ．  Ｄｉｃｋｓ，  Ｒ．  Ｇ．  Ｆｅｌｌｏｅｓ，  Ｃ．  Ｍ．  Ｍｅｓｃａｌ，  ａｎｄ  Ｃ．  Ｓｅｙｍｏｕｒ：“Ａ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ＳＯＦＣ−ＰＥＭ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ，”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅ，  ８６，  ｐｐ．４４２〜４４８，  ２０００．」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
次に、従来の燃料電池発電システムの起動法の問題点について説明する。
【００２２】
図１４に示す従来の燃料電池発電システムの起動法の制御フローに従って、ＳＯＦＣスタック３の発電端直流出力を定格出力の１３０ｋＷとした後に、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を増加させながら（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を閉じることによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を減少させながら）、ＰＥＦＣスタック２３の発電端直流出力を０ｋＷから定格出力の７５ｋＷまで徐々に増加させた場合のシステムに供給する空気８３の供給量を図１５に示す。システムに供給する空気８３の供給量は、ＰＥＦＣスタック２３の出力の増加に対し単調に減少する。図１４に示す従来の燃料電池発電システムの起動法を用いて燃料電池発電システムを起動するためには、空気供給用ブロア８２の空気の供給量の設計値を、システムに供給する空気８３の供給量が最も多い場合、すなわちＰＥＦＣスタック２３の発電端直流出力が０ｋＷの場合の空気の供給量とする必要があった。空気供給用ブロア８２の効率は、空気供給量を設計値よりも低下させると、低下するので、ＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の発電端直流出力がそれぞれ定格出力となるシステムの定格出力においては、空気供給量低下のため空気供給用ブロア８２の効率が低下し、送電端効率が低下するという問題点があった。
【００２３】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、システムの定格出力において高い送電端効率を実現できる二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの起動法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明においては、請求項１に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００２５】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００２６】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素の電気化学的な酸化反応によって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００２７】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００２８】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００２９】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行い、前記発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記燃料極に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの前記燃料極排出ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素と変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排出ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００３０】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する水素リッチな改質ガスの供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記水素リッチな改質ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００３１】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する水素リッチな改質ガスの供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記水素リッチな改質ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【００３２】
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、前記水素リッチな改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガスを前記改質器に供給する第一の燃料電池セルスタックと、前記水素リッチな改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックを有する燃料電池発電システムの起動法において、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する空気の供給量、前記燃料の供給量、前記第一の燃料電池セルスタックに供給する水素リッチな改質ガスの供給量及び前記ＣＯシフトコンバータに供給する前記水素リッチな改質ガスの供給量を増加させることによって、前記第一の燃料電池セルスタックの出力及び前記第二の燃料電池セルスタックの出力を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動法を構成する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の実施によって、システムの定格出力において高い送電端効率を実現できる二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの起動法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１は、本発明の燃料電池発電システムの起動法の一実施形態を表す制御フロー図である。
【００３５】
（実施の形態１）
図５に示した燃料電池発電システムを例に、図１に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法の作用について説明する。
【００３６】
図５に示した燃料電池発電システムは、燃料である天然ガス１の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガス９を生成する改質器２と、水素リッチな改質ガス９中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学的に反応させることにより発電を行い、前記発電に伴って発生した排熱を改質器２に供給するとともに、前記発電に伴って生成した水蒸気を含む燃料極排出ガス１０を改質器２に供給する第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック（ＳＯＦＣスタック）３と、燃料極排出ガス１０中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素に変換するＣＯシフトコンバータ２０と、ＣＯシフトコンバータ２０の排出ガス中の一酸化炭素を酸素と反応させ二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器２１と、ＣＯ選択酸化器２１の排出ガス２９中の水素を酸素と電気化学的に反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック（ＰＥＦＣスタック）２３を有する。この燃料電池発電システムの起動法において、ＳＯＦＣスタック３に供給する空気の供給量、天然ガス１の供給量、及びＣＯシフトコンバータ２０に供給する燃料極排出ガス１０の供給量を増加させることによって、ＳＯＦＣセルスタック３の出力及びＰＥＦＣスタック２３の出力を増加させることを特徴とする。すなわち、
本発明の燃料電池発電システムの起動法では、図１に示したように、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３の出力及びＰＥＦＣスタック２３の出力を増加させる。
【００３７】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％に設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガス１を水蒸気改質することによって、吸熱反応によってＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％程度に設定することができる。
【００３８】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００３９】
なお、図５において、４はＳＯＦＣスタック３の燃料極、５はＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質、７は燃焼器、８はリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス、１１はリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１２はＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス、１３は燃焼器排出ガス、１５はリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１の供給量を制御する流量制御弁、２２は凝縮器、２４はＰＥＦＣスタック２３の空気極、２５はＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質、２６はＰＥＦＣスタック２３の燃料極、２７は燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、２８はＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、３０はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気、３１は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去したＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、３２はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気、３３はＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス、３４はＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス、３７は脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁、３８は脱硫器、３９は脱硫された天然ガス、４１はＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、４２はＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量を制御する流量制御弁、４４は一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、４５は脱硫器リサイクルガス、４６は凝縮水である。
【００４０】
（実施の形態２）
図６は本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効な他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図６において、図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図６において、４８は水素分離器、５０は一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた水素分離器用ＳＯＦＣスタック燃料極排出ガス、５１は水素、５２は水素分離器排出ガス、６７はパージ弁、６８はパージガス、６９は燃料極水素排出ガスである。本燃料電池発電システムでは、水素５１を第二の燃料電池セルスタックであるＰＥＦＣスタック２３に供給する。
【００４１】
図６に示した本燃料電池発電システムは、図５に示した燃料電池発電システムとは、ＣＯ選択酸化器２１と凝縮器２２の代わりに水素分離器４８を設けた点が異なる。
【００４２】
次に、図６に示した本燃料電池発電システムの作用について説明する。水素分離器用改質ガス５０は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器４８に供給し、水素５１を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用改質ガス５０の加圧を行う。水素５１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給する。水素分離器排出ガス５２は、燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２７及びＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２とともに、燃焼器７に供給する。水素分離器４８で分離した水素５１は、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６に供給し、ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２中の酸素と電気化学的に反応させることによってＰＥＦＣスタック２３の発電を行う。未反応水素からなるＰＥＦＣスタック２３の燃料極水素排出ガス６９は、ＰＥＦＣスタック２３の発電効率を向上させるために、全てＰＥＦＣスタック２３の燃料極２６にリサイクルする。しかし、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極水素排出ガス６９中には、水素以外の不純物が若干含まれているので、パージ弁６７を間欠的に開け、パージガス６８を放出する。
【００４３】
図６に示した本燃料電池発電システムにおいても、図１に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の出力を増加させる。
【００４４】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率をｌ０〜３０％に設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によってＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％程度に設定することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００４６】
（実施の形態３）
図７に示した本燃料電池発電システムは、図５に示した発電システムとは、ＣＯ選択酸化器２１と凝縮器２２が不要で、第二の燃料電池セルスタックとしてＰＥＦＣスタック２３の代わりに、りん酸形燃料電池スタック（ＰＡＦＣスタック）５６を用いる点が異なる。
【００４７】
次に、図７に示した本燃料電池発電システムの作用について説明する。ＣＯシフトコンバータ２０でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス４４の一部を、ＰＡＦＣスタック用改質ガス５５としてＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９に供給する。また、ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０をＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に供給する。ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０の供給量は、予め設定されたＰＡＦＣスタック５６の発電電流と流量制御弁６１の開度（すなわち、ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６１の開度を制御することによって、ＰＡＦＣスタック５６の発電電流に見合った値に設定する。ＰＡＦＣスタック５６の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【００４８】
ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９では、白金系電極触媒の働きで、ＰＡＦＣスタック用改質ガス５５に含まれる水素の約８０％が、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に（９）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００４９】
ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９で生成した水素イオンは、ＰＡＦＣスタック５６のりん酸電解質５８の内部を移動し、ＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に到達する。一方、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９で生成した電子は、外部回路を移動し、ＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを発電電力として取り出すことができる。ＰＡＦＣスタック５６の空気極５７では、白金系電極触媒の働きで、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９からＰＡＦＣスタック５６のりん酸電解質５８の内部をＰＡＦＣスタック５６の空気極５７まで移動してきた水素イオン、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９から外部回路をＰＡＦＣスタック５６の空気極５７まで移動してきた電子、及びＰＡＦＣスタック５６の空気極５７に供給されたＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０中の酸素が、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に（１０）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
【００５０】
（９）式と（１０）式をまとめると、ＰＡＦＣスタック５６の電池反応は、ＰＥＦＣスタック２３の場合と同様に（１１）式に示した水素の酸化反応として表すことができる。
【００５１】
ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０は、ＰＡＦＣスタック５６の空気極２４で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、ＰＡＦＣスタック５６の空気極排出ガス６２として排出する。一方、ＰＡＦＣスタック用改質ガス５５は、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極５９で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、ＰＡＦＣスタック５６の燃料極排出ガス６３として、燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２７及びＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２とともに、燃焼器７に供給する。
【００５２】
図２は、本発明の燃料電池発電システムの起動法の他の一実施形態を表す制御フロー図である。図７に示した本燃料電池システムにおいても、図２に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＡＦＣスタック５６の出力を増加させる。
【００５３】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％に設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によってＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％程度に設定することができる。
【００５４】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００５５】
（実施の形態４）
図８は本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図８において、図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについては、説明を省略する。
【００５６】
図８に示した本燃料電池発電システムは、図５に示した燃料電池発電システムとは、改質器２が不要な点が異なる。
【００５７】
次に、図８に示した本燃料電池発電システムの作用について説明する。脱硫器３８で脱硫された天然ガス３９は、リサイクルされたＳＯＦＣスタック３で電池反応により生成した水蒸気を含むリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と混合し、リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス８としてＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する。ＳＯＦＣスタック３の燃料極４では、燃料極触媒の働きにより燃料である天然ガス１に含まれる炭化水素（主にメタン）の水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素が生成する。ＳＯＦＣスタック３の燃料極４で生成した水素と一酸化炭素がその場で、（３）式及び（４）式に示した燃料極反応により消費され、ＳＯＦＣスタック３の発電が行われる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるが、ＳＯＦＣスタック３の発電に伴って発生した熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。
【００５８】
ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１０は、一部をリサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１としてＳＯＦＣスタック３の燃料極４にリサイクルし、残りの一部をＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７としてＣＯシフトコンバータ２０に供給し、さらに残りを燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス２７として、ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス３４及びＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス１２とともに、燃焼器７に供給する。
【００５９】
図８に示した本燃料電池発電システムにおいても、図１に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の出力を増加させる。
【００６０】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％に設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によってＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％程度に設定することができる。
【００６１】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００６２】
（実施の形態５）
図９は本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図９において、図６と同一のものは同一符号で表し、これらのものについては、説明を省略する。
【００６３】
図９に示した本燃料電池発電システムは、図６に示した燃料電池発電システムとは、改質器２が不要な点が異なる。
【００６４】
図９に示した本燃料電池発電システムにおいても、図１に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の出力を増加させる。
【００６５】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率をｌ０〜３０％に設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によってＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％程度に設定することができる。
【００６６】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出カの増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００６７】
（実施の形態６）
図１０は本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図１０において、図７と同一のものは同一符号で表し、これらのものについては、説明を省略する。
【００６８】
図１０に示した本燃料電池発電システムは、図７に示した燃料電池発電システムとは、改質器２が不要な点が異なる。
【００６９】
図１０に示した本燃料電池発電システムにおいても、図２に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４を開くことによって燃料である天然ガス１の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を制御する流量制御弁１９を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給するＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＡＦＣスタック５６の出力を増加させる。
【００７０】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％に設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によってＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％程度に設定することができる。
【００７１】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００７２】
（実施の形態７）
図１１は、本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図１１において、図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについては、説明を省略する。図１１において、１６はＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス、１８はＳＯＦＣスタックの燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を制御する流量制御弁、７０はＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を制御する流量制御弁、７１はＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス、７２は一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、７３はＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、７４は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス、７５は一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガスである。
【００７３】
図１１に示した本燃料電池発電システムは、図５に示した燃料電池発電システムとは、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７ではなく、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１をＣＯシフトコンバータに供給する点が異なる。
【００７４】
次に、図１１に示した本燃料電池発電システムの作用について説明する。改質器２でつくられた水素リッチな改質ガス９の一部は、ＣＯシフトコンバータ２０に供給し、残りはＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する。ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量は、予め設定されたＰＥＦＣスタック２３の発電電流と流量制御弁７０の開度（すなわちＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７０の開度を制御することによって、ＰＥＦＣスタック２３の発電電流に見合った値に設定する。一方、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量は、予め設定したＳＯＦＣスタック３の発電電流と流量制御弁１８の開度（すなわち、ＳＯＦＣスタック３の燃料極４へ供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１８の開度を制御することによって、ＳＯＦＣスタック３の発電電流に見合った値に設定する。
【００７５】
図３は、本発明の燃料電池発電システムの制御法のその他の一実施形態を表す制御フロー図である。図１１に示した本発明の燃料電池発電システムにおいても、図３に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４とＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を制御する流量制御弁１８を開くことによって燃料である天然ガス１とＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を制御する流量制御弁７０を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の出カを増加させる。
【００７６】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％と設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によりＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％に設定することができる。
【００７７】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００７８】
（実施の形態８）
図１２は、本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図１２において、図６及び図１１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについては、説明を省略する。
【００７９】
図１２に示した本燃料電池発電システムは、図６に示した燃料電池発電システムとは、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７ではなく、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１をＣＯシフトコンバータ２０に供給する点が異なる。
【００８０】
図１２に示した本燃料電池発電システムにおいても、図３に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４とＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を制御する流量制御弁１８を開くことによって燃料である天然ガス１とＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を制御する流量制御弁７０を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＥＦＣスタック２３の出力を増加させる。
【００８１】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％と設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを本蒸気改質することによって吸熱反応によりＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％に設定することができる。
【００８２】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００８３】
（実施の形態９）
図１３は、本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムを表すシステム構成図である。図１３において、図７及び図１１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについては、説明を省略する。
【００８４】
図１３に示した本燃料電池発電システムは、図７に示した燃料電池発電システムとは、ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１７ではなく、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１をＣＯシフトコンバータに供給する点が異なる。
【００８５】
図４は、本発明の燃料電池発電システムの制御法のその他の一実施形態を表す制御フロー図である。図１３に示した本燃料電池発電システムにおいても、図４に示した本発明の燃料電池発電システムの起動法を適用することができる。すなわち、最初に起動用ヒーター８５で加熱したＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６をＳＯＦＣスタック３の空気極６に供給することによって、ＳＯＦＣスタック３を昇温する。次いで、ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁４０を開くことによってＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を増加させるとともに、燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁１４とＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を制御する流量制御弁１８を開くことによって燃料である天然ガス１とＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を増加させる。また、ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を制御する流量制御弁７０を開くことによってＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量を増加させるとともに、ＳＯＦＣスタック３とＰＡＦＣスタック５６の出力を増加させる。
【００８６】
従来の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の過度の温度上昇を空気による冷却で抑えるため、システムに供給する空気８３の供給量を大幅に増加させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を１０〜３０％と設定する必要があったが、本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、ＳＯＦＣスタック３の発電に必要な天然ガス量以上の天然ガスを水蒸気改質することによって吸熱反応によりＳＯＦＣスタック３を冷却できるので、システムに供給する空気８３の供給量を減少させ、ＳＯＦＣスタック３の酸素利用率を６０〜８０％に設定することができる。
【００８７】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いると、システムに供給する空気８３の供給量は、システム出力の増加に対して単調に増加するので、システムの定格出力でシステムに供給する空気８３の供給量は最大となる。従って、空気供給用ブロア８２の空気供給量の設計値を、システムの定格出力におけるシステムに供給する空気８３の供給量とすることができる。このため、本発明の燃料電池システムの起動法を用いると、システム定格出力での空気供給用ブロア８２の空気供給量が空気供給用ブロア８２の設計値となるため、従来の燃料電池発電システムの起動法を用いる場合と比べて、空気供給用ブロア８２の効率が向上し、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【００８８】
本発明の燃料電池発電システムの起動法を用いれば、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムにおいて、システムの定格出力において空気供給用ブロアの効率を最大とすることができ、システムの定格出力での送電端効率を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの起動法の一実施形態を表す制御フロー図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムの起動法の他の一実施形態を表す制御フロー図である。
【図３】本発明の燃料電池発電システムの起動法のその他の一実施形態を表す制御フロー図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムの起動法のその他の一実施形態を表す制御フロー図である。
【図５】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効な燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図６】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効な他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図７】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図８】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図９】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図１０】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図１１】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図１２】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図１３】本発明の燃料電池発電システムの起動法が有効なその他の燃料電池発電システムのシステム構成図である。
【図１４】従来の燃料電池システムの起動法を表す制御フロー図である。
【図１５】燃料電池発電システムのＰＥＦＣスタックの発電端直流出力とシステムに供給する空気の供給量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１…燃料である天然ガス、２…燃料である天然ガス１の水蒸気改質反応を行わせる改質器、３…ＳＯＦＣスタック、４…ＳＯＦＣスタック３の燃料極、５…ＳＯＦＣスタック３の固体酸化物電解質、６…ＳＯＦＣスタック３の空気極、７…燃焼器、８…リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス１１と脱硫された天然ガス３９の混合ガス、９…水素リッチな改質ガス、１０…ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１１…リサイクル用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１２…ＳＯＦＣスタック３の空気極排出ガス、１３…燃焼器排出ガス、１４…燃料である天然ガス１の供給量を制御する流量制御弁、１５…リサイクル用ＳＯＰＣスタック３の燃料極排出ガス１１の供給量を制御する流量制御弁、１６…ＳＯＦＣスタック３の燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス、１７…ＣＯシフトコンバータ用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、１８…ＳＯＦＣスタックの燃料極４に供給する水素リッチな改質ガス１６の供給量を制御する流量制御弁、１９…ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス１７の供給量を制御する流量制御弁、２０…ＣＯシフトコンバータ、２１…ＣＯ選択酸化器、２２…凝縮器、２３…ＰＥＦＣスタック、２４…ＰＥＦＣスタック２３の空気極、２５…ＰＥＦＣスタック２３の固体高分子電解質、２６…ＰＥＦＣスタック２３の燃料極、２７…燃焼器用ＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、２８…ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、２９…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、３０…ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気、３１…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去したＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、３２…ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気、３３…ＰＥＦＣスタック２３の空気極排出ガス、３４…ＰＥＦＣスタック２３の燃料極排出ガス、３６…ＳＯＦＣスタック３の発電用空気、３７…脱硫器リサイクルガスの供給量を制御する流量制御弁、３８…脱硫器、３９…脱硫された天然ガス、４０…ＳＯＦＣスタック３の発電用空気３６の供給量を制御する流量制御弁、４１…ＰＥＦＣスタック２３の発電用空気３２の供給量を制御する流量制御弁、４２…ＣＯ選択酸化器２１の酸化用空気３０の供給量を制御する流量制御弁、４４…一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させたＳＯＦＣスタック３の燃料極排出ガス、４５…脱硫器リサイクルガス、４６…凝縮水、４８…水素分離器、５０…一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた水素分離器用ＳＯＦＣスタック燃料極排出ガス、５１…水素、５２…水素分離器排出ガス、５５…ＰＡＦＣスタック用改質ガス、５６…第二の燃料電池セルスタックであるＰＡＦＣスタック、５７…ＰＡＦＣスタック５６の空気極、５８…ＰＡＦＣスタック５６のりん酸電解質、５９…ＰＡＦＣスタック５６の燃料極、６０…ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気、６１…ＰＡＦＣスタック５６の発電用空気６０の供給量を制御する流量制御弁、６２…ＰＡＦＣスタック５６の空気極排出ガス、６３…ＰＡＦＣスタック５６の燃料極排出ガス、６７…パージ弁、６８…パージガス、６９…燃料極水素排出ガス、７０…ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス７１の供給量制御する流量制御弁、７１…ＣＯシフトコンバータ２０に供給する水素リッチな改質ガス、７２…一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、７３…ＣＯ選択酸化器２１に供給する一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させた水素リッチな改質ガス、７４…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させた水素リッチな改質ガス、７５…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーまで低減させ水蒸気を除去した水素リッチな改質ガス、８２…空気供給用ブロア、８３…システムに供給する空気、８５…起動用ヒーター。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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