(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池に、原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにおける燃料ガスの燃焼量及びオフガスの燃焼量を制御するように構成した燃料電池において、
前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、
記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転起動方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムの運転起動方法において、
ガスバーナのオフガスへの燃料切替時にオフガスで前記改質装置のガスバーナの燃焼をさせると同時に、ガスバーナの燃料ガス量を安定出力状態になった前記改質装置の温度を乱さないように維持する最小の燃料量に設定するようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転起動方法。
【請求項３】
水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池を備え、該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにはオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、かつ、前記ガスバーナにおけるオフガスの燃焼の開始前に前記燃料供給制御手段により原燃料量をその時の燃料電池電流に対応した流量に調整する制御装置を有し、
前記制御装置は、前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、前記記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴とする燃料電池システムの運転起動装置。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムの運転起動装置において、
該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する原燃料供給制御手段及び改質反応の熱源用のガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナには原燃料ガスによる燃焼量を制御する燃焼制御弁及びオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、さらに、前記改質装置のガスバーナの燃焼をオフガスによる定常燃焼へ切替える毎に原燃料供給制御手段の開度の調整設定をして燃焼制御弁を閉止する制御装置を有していることを特徴とする燃料電池システムの運転起動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、改質器を用いて得られた水素を使用して発電をする燃料電池の起動方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素を燃料ガスとして使用する固体高分子型燃料電池（以下燃料電池という）は、酸やアルカリによる腐食の心配がなく寿命が長い上に、化石燃料改質ガスにより燃料ガスを得るものは応用範囲も広くコージェネシステムなどでも用いられつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
改質装置に連結された燃料電池は、水素ボンベや水素吸蔵合金を使って水素（燃料ガス）の供給を受けるものと比較して、燃料電池の起動に時間がかかるという問題がある。
【０００４】
改質装置は、例えば、脱硫器、改質器、ＣＯ（一酸化炭素）変成器、ＣＯ除去器等から構成され、天然ガスや都市ガス等の原燃料ガスを水蒸気と混合させて行なう改質化学反応によって、比較的簡便に燃料電池の燃料ガスである水素を得られるという利点があるものの、原燃料ガスと水蒸気とから水素ガスを得る改質化学反応は、吸熱反応であるために熱源を要し、改質器の温度が安定しなければ、改質機能が不安定になり、定常的な水素の調達が難しく、燃料電池に供給される水素の量が安定しなければ、燃料電池の温度や発電能力も安定せず、燃料電池全体としてのエネルギ効率を高く保つことが困難であるという問題がある。
【０００５】
また、燃料電池の使用期間中に、燃料電池が経時変化することは避け難く、燃料電池の性能等の変化に対応した原燃料の供給が実現できなければ、燃料電池システム全体としての高いエネルギ効率は保てないものである。
【０００６】
この発明は、従来技術の問題点を解決するもので、その目的は、固体高分子型燃料電池において、改質反応の熱源として使用されているガスバーナの燃料を燃料ガスから燃料電池のオフガスに切替えるときに、改質器の温度をできるだけ乱さないようにして燃料ガスからオフガスに切替えることができるようにした燃料電池の運転起動装置を提供することである。
【０００７】
又、この発明の他の目的は、小型燃料電池システムの燃料ガス（水素）の供給に改質器を用いた場合に、起動時に十分なる水素ガス量を確保して燃料電池システムの発電効率を向上するようにした燃料電池システムの起動方法及びその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１の燃料電池システムの運転起動方法は、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池に、原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにおける燃料ガスの燃焼量及びオフガスの燃焼量を制御するように構成した燃料電池において、
前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、
記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２の燃料電池システムの運転起動方法は、請求項１記載の燃料電池システムの運転起動方法において、ガスバーナのオフガスへの燃料切替時にオフガスで前記改質装置のガスバーナの燃焼をさせると同時に、ガスバーナの燃料ガス量を安定出力状態になった前記改質装置の温度を乱さないように維持する最小の燃料量に設定するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
さらに、請求項３の燃料電池システムの運転起動装置は、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池を備え、該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにはオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、かつ、前記ガスバーナにおけるオフガスの燃焼の開始前に前記燃料供給制御手段により原燃料量をその時の燃料電池電流に対応した流量に調整する制御装置を有し、前記制御装置は、前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、前記記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたことを特徴としている。
【００１１】
さらにまた、請求項４の燃料電池システムの運転起動装置は、請求項３記載の燃料電池システムの運転起動装置において、該燃料電池には原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する原燃料供給制御手段及び改質反応の熱源用のガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナには原燃料ガスによる燃焼量を制御する燃焼制御弁及びオフガスによる燃焼量を制御するオフガス制御弁を設け、さらに、前記改質装置のガスバーナの燃焼をオフガスによる定常燃焼へ切替える毎に原燃料供給制御手段の開度の調整設定をして燃焼制御弁を閉止する制御装置を有していることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は燃料電池システムの基本構成を示し、符号３は改質器、６は、例えば、固体高分子型燃料電池等、１００℃以下で動作する低温動作型の燃料電池、１２は改質装置加熱用のバーナである。
【００１４】
燃料電池６は燃料極６ａ、空気極６ｋ及び冷却部６ｃを有している。燃料極６ａは管路６４を介して改質器３に接続され、改質器３から高濃度の水素ガス（改質ガス）を燃料電池６の燃料ガスとして導入し、燃料電池６で発電に使用する。燃料極６ａで反応しなかった余剰水素はオフガスとして制御弁９２を経て管路１５に排出される。
【００１５】
一方、空気極６ｋは、管路１６を介して水タンク２１、空気ポンプ１１に接続され、酸化剤としての反応空気を導入して燃料電池６の発電に使用し、反応後の空気は、管路２７を経て大気中に排出する。
【００１６】
冷却部６ｃには、燃料電池６が作動温度に維持されるように、冷却水等の冷却媒体が循環されている。
【００１７】
改質器３では、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃料ガスが燃料管１、燃料供給制御手段４１経由、昇圧ポンプ１０で昇圧されて水蒸気源２０からの水蒸気と共に改質器３に供給される。
【００１８】
改質器３に供給された原燃料ガス及び水蒸気は、ここで化学反応をし、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、さらに、後述するＣＯ変成器やＣＯ除去器を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素濃度の高いガス（改質ガス）として、燃料電池の燃料極６ａに供給される。
【００１９】
上記構成において、改質器３における改質反応は吸熱反応であるので、バーナ１２で加熱することによって改質反応が維持される。
【００２０】
バーナ１２へは、燃焼制御弁４２を有する燃料管１３を介して燃料ガスが供給され、オフガス制御弁９２を有する管路１５を介してオフガスが供給される。バーナ１２では、送風機１４によって供給される燃焼空気によって、燃料ガスとオフガスの燃焼が行われる。
【００２１】
発電システムの起動時には、改質器３及び燃料電池６の温度は低く、オフガスの発生もないので、改質器３のバーナ１２は、燃焼制御弁４２を有する燃料管１３を経て供給される燃料ガスによって燃焼が行われる。このようにして改質器３が加熱され、改質装置で改質ガスが発生し、燃料電池６に送られて、燃料電池６における発電が始まると、燃料電池６の温度も次第に作動温度となる。
【００２２】
このようにして、改質器３及び燃料電池６の作動温度が安定し、燃料電池システムが定常運転に移行したときは、燃料電池の燃料極６ａからオフガスが安定して排出されるようになり、このオフガスを、管路１５経由バーナ１２に供給して、オフガス中の未反応水素ガスを燃焼させて改質器３の加熱に使用するように制御される。
【００２３】
燃料電池６の定常運転においては、燃料管１３からの燃料ガスの供給は断たれる。バーナ１２による改質器３の加熱は、オフガスの燃焼のみで継続されるように燃焼制御弁４２及びオフガス制御弁９２が作動する。
【００２４】
空気極６ｋへ供給される反応空気は、空気ポンプ１１によって水タンク２１内の水中に反応空気を泡立てつつ気相部５３に送出することによって加湿が行われる。空気はこのように燃料電池６における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後、管路１６を経て燃料電池の空気極６ｋに供給される。
【００２５】
燃料電池６では、燃料極６ａに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ１１によって空気極６ｋに供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる一方、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により燃料電池自体が反応熱を発生し、燃料電池６の作動に必要な温度が維持される。
【００２６】
燃料電池６の冷却部６ｃは、燃料電池６が定常運転状態に移行した後に、燃料電池６の反応熱等で過熱しないようにするために、燃料電池６の電極６ａ、６ｋに並置された冷却装置である。冷却部６ｃにポンプ４８で水タンク２１の水を冷却水として循環させ、この冷却水で、燃料電池６内の温度が発電に適した温度、例えば、７０℃〜８０℃の作動温度に保たれるように冷却制御し、これにより、燃料電池６の温度が反応熱で過度に上昇し過ぎて、燃料電池の構成材料の機能が低下したり、燃料電池の固体高分子膜を損傷させたりしないようにしている。
【００２７】
燃料電池システムでは、上述のようにして改質器３から燃料電池の燃料電極６ａに改質ガスが供給され、燃料電池６では、所定の化学反応と発電が継続される。
【００２８】
次に、この燃料電池システムに用いられる燃料電池の起動制御について説明をする。
【００２９】
図１中の９５は、燃料電池システムの制御装置であり、この制御装置９５は、改質器３の温度センサ４４及び燃料電池６の温度センサ４５によって、改質器３および燃料電池６の温度を監視しつつ、燃料電池システムの燃料やガスの流れ及び燃料電池６で発電された電力の供給制御等を行なう装置である。４９は、燃料電池６で発電された電気の電流量を検出する電流センサである。
【００３０】
制御装置９５による燃料ガスの制御は、原燃料ガスの燃料管１及び１３に設けられた燃料供給制御手段４１及び燃焼制御弁４２、改質ガスが流れる管路６４及び３５に設けられた開閉弁９１及び開閉弁３６、ならびに、オフガスが流れる管路３８及び１５に設けられた開閉弁３９及びオフガス制御弁９２の開閉制御によっておこなわれる。
【００３１】
燃料電池システムの起動時には、改質器３等を経た改質ガスの組成が安定していないので、組成が安定するまでは、改質ガスを燃料電池６に供給しない。制御装置９５は、改質器３等の各反応器の温度が安定するまでは、開閉弁９１を閉じ、開閉弁３６を開くことにより、不安定な組成状態にある改質ガスを、管路３５経由でＰＧバーナ３４に導いて、ここで燃焼させる。
【００３２】
このような改質器３の作動開始の後、改質器３を含む各反応器の温度や作動が安定した後に、制御装置９５は、開閉弁３６を閉じ、開閉弁９１を開くことにより、改質ガスを燃料電池６に導入し、燃料電池６における発電を開始する。
【００３３】
改質ガスの導入によって、発電を開始した燃料電池６は直ちに定格安定出力状態になる訳ではない。制御装置９５は、燃料電池６の温度が低く、発電の出力も僅かな中は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７や系統連係インバータ１０８を制御して燃料電池６の発電能力に見合った負荷、即ち、取出す電流を徐々に増大しながら燃料電池自身の発熱で燃料電池の温度が上がるよう（負荷昇温）に制御しつつ、燃料電池６で発電に使用されなかった未反応ガスは、管路３８、開閉弁３９経由でＰＧバーナ３４に導いて燃焼させる。
【００３４】
燃料電池６の温度が負荷昇温によって上昇し、燃料電池６が作動温度（例えば、７０℃〜８０℃）近くで安定し、定格出力状態に達した後は、燃料極６ａから排出されるオフガスの組成も安定してくるので、制御装置９５は、オフガスの流れを管路３８から管路１５に切替えるように開閉弁３９を閉じ、オフガス制御弁９２を開き、オフガスの燃焼がＰＧバーナ３４から改質器のバーナ１２に切替わるように制御する。
【００３５】
この過程において、制御装置９５は、温度センサ４５によって燃料電池６の温度を監視しながら、そのときの燃料電池温度に応じて取出し電流値を増やす形で、燃料電池６に対する電気負荷を徐々に増大するような形で負荷昇温の制御をする。
【００３６】
このような電気負荷の印加は、例えば、制御装置９５が、上述のようにして弁９１、３９を開放して改質ガスを燃料極６ａに流し始め、その後に燃料電池のオープン電圧を確認したら直ちにオープン電圧からインバータ１０８を介した電力系統に連係させる形で行われる。
【００３７】
すなわち、燃料電池６へ改質ガスの供給を開始し、燃料電池による発電が開始されてそのオープン電圧が確認されたら、直ちにオープン電圧からインバータ１０８を介した電力系統への連係を行い、発電能力が小さい中から、燃料電池６に電気負荷をかけ始め、制御装置９５により燃料電池６を損傷しない範囲での最大負荷を与えるように、電流を増大させ、燃料電池６の自己反応熱によって、燃料電池の温度をできるだけ早く定格安定出力状態の温度に上げて、すみやかに固体高分子型燃料電池の運転を定常運転状態に移行させるものである。これにより燃料電池６を起動する際のエネルギ損失を極限まで少なくすることができる。
【００３８】
このようにして、燃料電池６が定格安定出力状態に達した後は、改質器３のバーナ１２では、管路１５経由で導入されるオフガス中の未反応ガスが燃焼されて改質器３の加熱が継続される。
【００３９】
このような形の負荷印加の方法と制御によれば、燃料電池６の昇温のための加熱ヒータ等の機器は必要でなくなり、また、加熱用のエネルギが別途に必要とされるような無駄もなく、燃料電池６を速やかに定常運転状態に移行できるものである。
【００４０】
燃料電池６の定常運転状態における管路の弁の開閉は、開閉弁９１、９２が開かれ、開閉弁３６、３９が閉じられた状態であり、燃料電池６で発電に使用されなかった未反応ガス（オフガス）は管路１５を経てバーナ１２に供給され、改質器３の加熱に使われる。また、燃料電池６は、冷却部６ｃによって燃料電池６の温度が作動温度（７０℃〜８０℃）の定格安定出力状態に保たれ連続して燃料電池固有の定格発電が行なえるようになる。
【００４１】
この状態では、改質ガスの大部は発電に使われ、得られた電力は上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０７経由でこの燃料電池システムに接続された電気機器などの負荷に供給される。
【００４２】
この時の燃料電池６から得られる電流量（電力）と管路１経由で燃料電池システムに供給される原燃料の量との関係は、例えば、図２に示すように、燃料電池電流値と改質用原燃料量（改質器３へ供給される原燃料量）とが略比例関係にある。
【００４３】
図２は燃料電池において、発電に使用される水素ガスの利用率を一定の割合（例えば、７０％程度）に規定し、残余はオフガスとして排出されるようにしたときの関係を示している。図２から、原燃料量を増やせば、発電電力（燃料電池電流値）も比例して増加できるようになっていることがわかる。
【００４４】
一方、燃料電池６が定格安定出力状態になった後は、燃料電池システムを構成する附属機器、例えば、ポンプや送風機、制御弁や開閉弁或いは、制御器等の電力は燃料電池６で発電された電力によってまかなわれる。
【００４５】
図３は、燃料電池システムの運転をその時の定格出力状態（例えば、交流出力Ｗｏが１ｋｗの出力状態）に維持するための電流量（以下運転維持電流値という）をＩ1としたとき、開閉弁９１を開いて燃料電池６に改質ガスを流し始めた後における、改質用原燃料量、改質器バーナ１２への燃料ガスの供給、開閉弁３９、オフガス制御弁９２の開閉制御に関する時間的な変化を示したタイムチャートである。
【００４６】
ここで、燃料電池システムの運転をその時の定格出力状態に維持するための電流量（Ｉ1）とは、燃料電池６自身が発電した電力を燃料電池システムを構成する送風機やポンプ等の補機に供給し、かつ、燃料電池システムの出力を定格出力状態に継続するために必要とされている電流量を意味している。
【００４７】
図３において、原燃料の量は、制御装置９５によって、あらかじめ決められた量（Ｆｏ）が導入されている。この原燃料量Ｆｏは、前回に燃料電池６を起動した際に得られた燃料ガスの基準量（後述する原燃料ガスの基礎供給量Ｆ１）を基に、制御装置９５が演算して設定したガス量として改質器３に供給される。
【００４８】
領域Iは燃料電池システムを起動して改質器３の温度が上昇し、開閉弁９１が開かれて改質ガスが燃料電池の燃料極６ａに供給され始めた後の状態を示している。
【００４９】
改質ガスの供給を受けた燃料電池６では発電が開始され、燃料電池６から電力が得られているが、未だ安定した出力とはいえない。起電力はあるが電流は定格出力に十分でない。このため、制御弁９２は閉じられており、燃料極６ａから排出されるオフガスはすべて、開閉弁３９を介してＰＧバーナ３４で燃焼されることを示している。
【００５０】
改質器のバーナ１２も、燃焼制御弁４２、管路１３を経て流入する燃料ガスによって燃焼が続けられる。
【００５１】
制御装置９５は、温度センサ４４、４５によって改質器３及び燃料電池６の温度が定格安定出力状態の温度にほぼ達するまで、この状態を保つように開閉弁３９、９２その他ポンプ等の機器の制御をする。
【００５２】
領域IIは、改質器３及び燃料電池６の温度がほぼ作動温度に近づき、ＡＣ出力も例えば、１ｋｗの定格出力（Ｗｏ）を出している状態を示している。
【００５３】
この状態に達すると、現在の燃料電池電流値が、定格出力状態を維持するための維持電流値（Ｉ１）になる。燃料電池システムの運転開始の当初に、仮に設定されて改質器３に供給されていた原燃料ガス量（Ｆｏ）は、この現在の電流値（Ｉ１）に対応した原燃料量（Ｆ１）（図２参照）へと徐々に減少していく。
【００５４】
これに応じて、改質器３の温度を一定に保持するために、バーナ１２に供給されていた燃料量もFＢｏから徐々に減少してＦＢ１となる。
【００５５】
この時、オフガス制御弁９２は閉じられ、開閉弁３９が開かれた状態であり、燃焼制御弁４２、管路１３経由で改質器のバーナ１２に供給される燃料ガスは、改質器３の温度を一定に保ち、改質反応維持のための加熱用燃料として使われる。
【００５６】
制御装置９５は、温度センサ４４、４５によって、改質器３及び燃料電池６の温度が乱れないようにし、かつ、燃料電池による発電量が定格出力（Ｗｏ）に保たれており、その時の運転維持電流値（Ｉ１）を電流センサ４９によって監視しつつ、原燃料供給制御手段４１の開度を徐々に絞り、燃料電池システムに供給する原燃料の量を、上述した運転維持電流値（Ｉ１）に応じた原燃料量（Ｆ１）まで徐々に減らす。
【００５７】
或いはまた、燃料電池６が起動し、改質器３や燃料電池６が作動温度で安定した後に、制御装置９５が、オフガス制御弁９２を開き、改質器３の温度を乱さないようにバーナ１２の燃焼を維持しつつ、改質器のガスバーナ１２の燃料を燃料ガスからオフガス主体の燃焼に切り換えていく。
【００５８】
領域IIは、これらに伴い、改質器３への原燃料ガスの量がＦｏからＦ１へ次第に減じられ、改質器のバーナ１２へ供給される燃料ガス量もＦＢｏから次第に減じられてＦＢ１になっていく遷移状態にあることも示している。
【００５９】
燃料電池６による発電電流量と改質器３に供給する原燃料ガスの量との間には、例えば、図２にモデル的に示されているように密接な関係がある。このような関係を基に、制御装置９５は、制御弁４１の操作及び温度センサ４４、４５や電流センサ４９等からの入力データを基に、改質器３に供給される原燃料ガスが、燃料電池６において現在の燃料電池の発電電流値（運転維持電流値Ｉ１）を維持するのに必要な最小の供給量として原燃料ガスの基礎供給量（Ｆ１）を演算して求めることができる。この基礎供給量（Ｆ１）は、制御装置９５内で記憶され、次回の燃料電池システムの運転開始時に改質器３へ供給される原燃料ガス量（Ｆｏ）を演算するためのデータや電気負荷に応じた原燃料ガスを改質器３に供給するための基準量を得るためのデータとして利用される。
【００６０】
このように改質器のバーナ１２における燃焼を燃料ガスからオフガスの燃焼に切替える前に、改質器３に供給する原燃料ガスの基準量（基礎供給量Ｆ１）を定めるようにすることは、燃料電池６が設置される場所の温度や風の状態等の環境、或いは、燃料電池が運転される季節の違いや燃料電池の使用を開始した後の機器の経時的な変化によって燃料電池の電流が変化することに対応して、燃料電池システムの運転開始ごとに最適な供給の原燃料量（Ｆｏ）を演算し、決定するためのデータを得ることになる。このようにして得られた値に従った量の原燃料を燃料電池６の起動の際に改質器３に供給すれば、燃料電池６における使用エネルギの効率化と燃料電池システムの総合エネルギ効率の向上に役立つものである。
【００６１】
このような過程を経て、改質器３及び燃料電池６の温度が定格安定出力状態の温度にほぼ達すると、燃料電池６の発電能力は、燃料電池６の能力に応じた電力を発電するのに充分な機能を発揮できるような状態になっている。
【００６２】
領域IIIは、原燃料ガスの基礎供給量（Ｆ１）の特定ができた後の領域である。この領域では、制御装置９５は、開閉弁３９を閉じ、開閉弁９２を開いて燃料極６ａからのオフガスを改質器のバーナ１２で燃焼させるようにするとともに、領域IIで求められた原燃料ガスの基礎供給量（Ｆ１）を基に、原燃料供給制御手段４１の開度を設定する。制御装置９５は、この開度で決められた原燃料供給量に応じた燃料電池からのオフガスの燃焼で改質器３が安定した温度に維持されるようにバーナ１２へ供給する燃料ガスの量を図３のＦＢ２の値に制御する。
【００６３】
さらに、新たに外部負荷への電力供給が開始されたり、外部の負荷の量が増大するなどして燃料電池６の発電量を増加する必要があるときは、制御装置９５は、電流センサ４９によってこの変化を検知し、図２で説明したような形で、増大した負荷電力量に応じた改質ガスが燃料極６ａに供給されるように、原燃料ガスの供給量を演算して、原燃料供給制御手段４１の開度を広げ、改質用の原燃料量を増大するとともに、改質器３に供給する水蒸気源２０からの水蒸気量も増やす。これにより、燃料電池の燃料極６ａでは、外部の負荷の増大に応じた電力を発電することができる。
【００６４】
なお、図１には具体的には示していないが、バーナ１２及びＰＧバーナ３４に設けられている送風機１４および３７は、それぞれのバーナ１２及び３４に供給される燃料ガスの量に応じた量の空気をバーナに供給するものである。
【００６５】
また、図３では、開閉弁３９と開閉弁９２とを同時的に切替えるように示しているが、この開閉制御は同時でなくても良い。例えば、管路３８に設けた開閉弁３９、管路１３に設けた燃焼制御弁４２および管路１５に設けたオフガス制御弁９２をいずれも、開度が自在に変えられる弁とし、図３の領域IIの終了近くにおいては、改質器３の温度を乱さないようにしつつ、改質器のバーナ１２には、オフガス制御弁９２を経由したオフガスと燃焼制御弁４２を経由した原燃料ガスとを並行して供給して燃焼させ、制御装置９５が、改質器３に供給する原燃料ガスの基礎供給量（Ｆ１）を特定した後に、燃焼制御弁４２を閉止し、オフガスのみの燃焼に切替える。その後も、随時、管路３８、開閉弁３９経由で余分なオフガスをＰＧバーナ３４に導いて燃焼させて、改質器３の温度を安定させるようにしてもよい。
【００６６】
また、上述の実施の形態では燃料電池として、固体高分子型燃料電池を中心に説明をしたが、本発明が使用できる燃料電池は、改質装置を燃料電池の燃料ガス（水素）の供給源とする燃料電池であれば、他の燃料電池、例えば、ＰＡＦＣ（燐酸電解質型）やＡＦＣ（アルカリ水溶液電解質型）等の燃料電池にも使用できるものである。
【００６７】
図４は、このような燃料電池システムに、ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル等の固体高分子型燃料電池を用い、電力と温水とを外部に供給できるように組込んだ家庭用の小型総合エネルギシステムに使用された実施形態を示す図である。
なお、図４において、図１と同様な機器、部品については、同じ番号を付してその説明を省略する。
この実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、後述するように燃料電池６を用いた発電システムのほかに熱回収装置ＲＤを含んでいる。
【００６８】
この燃料電池発電システムの燃料電池６で発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７を経て、１８０Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１０８を経て、照明装置やテレビ等の電気機器に供給される一方、系統連系インバータ１０８を介して商用電源に接続されている。
【００６９】
熱回収装置ＲＤは、貯湯タンク５０、熱交換器３２、４６、ポンプ３３、４７、とを備えた水の循環路等で連結されている。
【００７０】
このような燃料電池６を用いた固体高分子型燃料電池システムでは、貯湯タンク５０に接続された水供給管６１を通じて、貯湯タンク５０内に市水が供給される。この貯湯タンク５０に供給された市水を、例えば、燃料電池６による発電の過程で発生する熱や、固体高分子型燃料電池システムで生じるガスを燃焼して加温する等、得られた熱エネルギや排熱を回収して水を加熱し、昇温された温水を貯湯タンク５０に蓄え、給湯管６２を経て、風呂や台所等に供給する等、燃料電池６に使用される燃料が持つエネルギの有効利用を図っている。
【００７１】
図４において、燃料電池６への燃料ガス供給は、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原燃料が燃料管１を経て脱硫器２に供給され、ここで原燃料から硫黄成分が除去される。この脱硫器２を経た原燃料は、昇圧ポンプ１０で昇圧して改質器３に供給される。
【００７２】
改質器３の排気系３１には、熱交換器１７が接続され、この熱交換器１７に、水タンク２１の水が、ポンプ２２を介して供給されると、この熱交換器１７で水蒸気化するようになっている。すなわち、熱交換器１７は、改質器３に対しては、水蒸気源２０として機能し、この水蒸気は、脱硫器２、ポンプ１０を通った原燃料と混合して改質器３に供給される。
【００７３】
この改質器３に供給された原燃料は、ここで化学反応をし、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質ガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは燃料ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になる。ＣＯ除去器５を経て、一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下に低減された水素濃度の高いガス（改質ガス）が、固体高分子型の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。
【００７４】
このとき、ポンプ２２によって、水タンク２１から改質器３に供給される処理水の量を調節することによって改質ガスへの水蒸気の添加量が調整される。例えば、熱交換器１７を経て改質器３に供給される水蒸気の量と原燃料ガスの量との比（Ｓ／Ｃ比）を、従来のＳ／Ｃ比である２乃至３の値よりも高めの値、例えば、３乃至４のＳ／Ｃ比となるように設定すれば、改質器３を出た改質ガスに含まれる水分量を増大させることができる。
【００７５】
ＣＯ除去器５を出た燃料ガスを直接に燃料電池６に供給するようにしてもよいが、高温のままの燃料ガスが流入し、燃料電池６が高温になり過ぎて発電機能が低下したり、燃料電池の電極を損傷するおそれがあるときは、ＣＯ除去器５と燃料電池６との間の管路６４に熱交換器（図示せず）を設け、この熱交換器に水タンク２１の水を流す等して改質ガスと熱交換させ改質ガスの温度調節をする。
【００７６】
Ｓ／Ｃ比を高めにすると、改質ガスを加湿するための独立した加湿装置を特別に付設しないでも、燃料電池の燃料極６ａに供給される改質ガスに適度の水分を与えることができる。
【００７７】
発電システムの起動時には、上述のように、バーナ１２に、燃料ガスと燃焼空気が供給されて燃焼が行われ、起動後に、改質器３および燃料電池６の温度が安定したときには、燃料管１３からの燃料の供給が断たれ、代わりに管路１５を介して、燃料極６ａから排出されるオフガスが燃料として供給されてバーナ１２の燃焼が継続される。
【００７８】
ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、例えばＣＯ除去器５では、システム起動時のみバーナ（図示せず）を燃焼させて燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで上昇させる。
【００７９】
その後は、自らの発熱反応の熱により反応温度が維持される。外部からは、必要に応じてＣＯ変成器４及びＣＯ除去器５が反応温度以上に昇温しないように冷却制御が行われる。
【００８０】
燃料電池６では、燃料極６ａに供給された改質ガス中の水素と、空気ポンプ１１、水タンクの気相部５３を経て、空気極６ｋに供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる一方、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により燃料電池自体が反応熱を発生する。
燃料電池６の冷却部６ｃは、ポンプ４８で水タンク２１の水を冷却水として循環させ、この冷却水で、燃料電池６内の温度が、発電に適した温度、例えば、７０℃〜８０℃の温度に保たれるように冷却制御している。
【００８１】
改質器３とＣＯ変成器４との間、ＣＯ変成器４とＣＯ除去器５との間には、それぞれ熱交換器１８、１９が接続され、各熱交換器１８、１９には水タンク２１から、ポンプ２３、２４を介して水が循環され、改質器３、ＣＯ変成器４を経たガスがそれぞれ冷却される。
【００８２】
このようにして改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５及び燃料電池６では、所定の化学反応と発電が継続される。
【００８３】
改質器３および燃料電池６の温度が安定し、連続して定格発電が行われる（定格安定出力状態）ようになった後は、改質ガスの大部は発電に使われ、得られた電力は上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ１０７経由で電気機器などの負荷に供給される。
【００８４】
制御装置９５は、上述のように、燃料電池で発電される電力の制御や負荷昇温をする一方、固体高分子型燃料電池６の起動後に、改質器３の温度が安定して、一定の成分の改質ガスが得られるまでは、燃料電池６で生じる不安定なガス組成の改質ガスをガスバーナ（ＰＧバーナ３４）と、改質器３の加熱用のバーナ１２とで燃焼させて、これらのバーナにつながれている熱負荷、例えば、貯湯タンク５０などに熱エネルギを回収するように制御するものである。
【００８５】
改質器３等の反応器から所定の質の改質ガスが得られる状態になったら燃料電池の燃料極６ａに改質ガスを流してその排出ガスをガスバーナ（ＰＧバーナ３４）で燃焼させつつ、徐々に取出し電流を増大させるなどして、燃料電池を負荷昇温させ、燃料電池６がほぼ定格安定出力状態に達したら燃料極６ａからのオフガスの流れを改質装置の加熱バーナ１２側に切替えるような制御が制御装置９５によって行われる。
【００８６】
本発明の固体高分子型燃料電池の起動方法によれば、発電が開始される前のエネルギは、温水に替えて利用されるようにしつつ、速やかに固体高分子型燃料電池を定格安定出力状態に移行させ、かつ、この電力及び燃料電池で生じる熱や未利用の燃料ガスなどを熱として回収し、温水負荷に利用するので、燃料電池システム全体としてのエネルギの有効活用が図られる。
【００８７】
また、小型総合エネルギシステム等に本発明の燃料電池を搭載すれば燃料電池単独の発電効率ばかりでなく、供給される原燃料のエネルギの一層の有効活用に結びつかせることができ、発電と熱利用効果の大きいコージェネレーションシステムを提供することができものである。
【００８８】
【発明の効果】
本発明では、水素を燃料とし、空気中の酸素を酸化剤として使用する燃料電池に、原燃料ガスを水素に改質して燃料電池に供給する改質装置を連結し、かつ、該改質装置には原燃料ガスの供給量を制御する燃料供給制御手段及び改質反応の熱源としてのガスバーナを設けるとともに、該ガスバーナにおける燃料ガスの燃焼量及びオフガスの燃焼量を制御するように構成した燃料電池において、
前記ガスバーナにおける燃焼を燃料ガスの燃焼からオフガスの燃焼に切替えるに先だって、燃料電池電流に対応して改質装置に供給する原燃料ガスの基準量を設定して記憶し、
記憶した前記原燃料ガスの基準量に基づいて、次回の運転開始時に改質装置へ供給する前記原燃料ガス量を演算し、あるいは、前記原燃料ガスを電気負荷に応じて改質装置に供給するための前記原燃料ガス量の基準量を得るようにしたので、燃料電池が運転される季節の違いや燃料電池の使用を開始した後の機器の経時的な変化に応じるように原燃料ガスの基礎供給量をその時の燃料電池電流に対応して個々に設定して改質装置へ供給でき、可及的に燃料の無駄が少ない運転起動装置を提供することができる。これらの結果、燃料電池における使用エネルギの効率化と燃料電池システムの総合エネルギ効率の向上に役立つこととなる。
【００８９】
また、燃料電池や燃料電池を組込んだシステムの制御装置に個々に制御のパラメータを入力し直す作業等をしないでも、速やかに燃料電池の定格安定出力状態に移行させ、運転起動時にほぼ自動的に燃料電池に必要十分な原燃料量（基礎供給量）を演算し、その後に、燃料電池による発電を開始するので、少ない原燃料で省エネルギに貢献する燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による運転起動装置を有する燃料電池システムの基本構成を示す図である。
【図２】燃料電池による発電電流値と改質用原燃料量との関係を示す図である。
【図３】燃料電池に改質ガスを流し始めた後における、改質用原燃料量、改質装置バーナへの原燃料ガスの供給、開閉弁３９およびオフガス制御弁の開閉制御の関連を示すタイムチャートである。
【図４】固体高分子型燃料電池を用い、電力と温水とを外部に供給できるように組込んだ家庭用の小型総合エネルギシステムの実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料管
３  改質器
６  燃料電池
６ａ  燃料極
６ｋ  空気極
１２  改質器のバーナ
１３、１５、３５、３８  管路
２０  水蒸気源
３４  ＰＧバーナ
３６、３９、９１  開閉弁
４１  燃料供給制御手段
４２  燃焼制御弁
４４、４５  温度センサ
４９  電流センサ
９２  オフガス制御弁
９５  制御装置
１０７  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０８  系統連系インバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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