JP2005190967A - 燃料電池システムの起動方法および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスや酸化剤ガスを加温するための加温装置を追加することなく、燃料電池に水蒸気飽和またはそれに近い状態にある燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給しながら起動する燃料電池システムの起動方法およびそのための燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスが加湿される温度を代表し、回収水の燃焼ガス熱交換工程から酸化剤ガス加湿工程に至る間の温度である第１の温度Ｔ１が、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化剤ガスの温度を代表し、冷却水の冷却水冷却工程から発電工程に至る間の温度である第２の温度Ｔ２より所定温度差以上に高くなければ、発電電流の増大量を減少する発電電流増大量減少工程と、第１の温度が第２の温度より所定温度差以上に低くなければ、発電電流の増大量を増加する発電電流増大量増加工程を備える燃料電池システムの起動方法、また、その起動方法を制御する制御装置を備えた燃料電池システム。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの効率のよい起動方法および効率よく起動される燃料電池システムに関する。

従来、純水素又は水素に富むガスを燃料ガスとする燃料電池システムを起動する際に、燃料電池を始動すると発熱反応により燃料電池の温度が上昇し、燃料ガスを電気化学的反応させるための酸化剤ガスおよび燃料ガスの加温が燃料電池の温度上昇に追いつかず、その結果、燃料電池に導入する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、水蒸気飽和ではなく、乾燥した状態となっていた。乾燥した燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いると、燃料電池の固体高分子膜は電気抵抗が上昇して発電効率の低下を招き、また、固体高分子膜が損傷を受け易く寿命を低下させる原因ともなっていた。そのため、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加温するための加温装置を備え、燃料電池に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスを加温し、加温した状態で水蒸気を供給して、燃料電池内における燃料ガスおよび酸化剤ガスが水蒸気飽和またはそれに近い状態を維持するようにするシステムもある。

しかし、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加温する装置を備えると、燃料電池システムの構成が複雑化し、システム全体の大きさが大きくなると共に、費用も高くなってしまうという問題がある。
そこで本発明は、燃料ガスや酸化剤ガスを加温するための加温装置を追加することなく、燃料電池に水蒸気飽和またはそれに近い状態にある燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給しながら起動する燃料電池システムの起動方法および燃料電池に水蒸気飽和またはそれに近い状態にある燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給しながら起動するための燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図２に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池システムの起動方法であって、冷却水で冷却しつつ燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する発電工程と、発電工程により排出される燃料ガスのオフガスを導入して燃焼を行う燃焼工程と、発生した水を回収した回収水を循環して酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿工程と、燃焼工程により排出された燃焼ガスと、循環する回収水との熱交換を行う燃焼ガス熱交換工程と、回収水を導入して燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿工程と、導入した回収水と循環する回収水との熱交換を行う回収水熱交換工程と、冷却水を冷却する冷却水冷却工程と、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水との熱交換を行う燃料ガス熱交換工程と、回収水を酸化剤ガス加湿工程、燃焼ガス熱交換工程、回収水熱交換工程、酸化剤ガス加湿工程と循環する回収水循環工程と、冷却水を発電工程、冷却水冷却工程、燃料ガス熱交換工程、発電工程と循環する冷却水循環工程と、燃料ガスの供給量を増大する燃料ガス供給量増大工程ＳＴ１２と、発電工程で発電される発電電流を増大する発電電流増大工程ＳＴ１０と、循環する回収水の燃焼ガス熱交換工程から酸化剤ガス加湿工程に至る間の温度若しくは燃料ガスの燃料ガス加湿工程から燃料ガス熱交換工程に至る間の温度若しくは前記酸化剤ガスの酸化剤ガス加湿工程から燃料ガス熱交換工程に至る間の温度である第１の温度Ｔ１が冷却水の冷却水冷却工程から発電工程に至る間の温度である第２の温度Ｔ２より所定温度差以上に高くなければ（ＳＴ５）、発電電流増大工程ＳＴ１０における発電電流の増大量ｄｃを減少する発電電流増大量減少工程ＳＴ６と、第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より所定温度差Ａ以上に低くなければ（ＳＴ７）、発電電流増大工程ＳＴ１０における発電電流の増大量ｄｃを増加する発電電流増大量増加工程ＳＴ８とを備える。

このように構成すると、燃料ガスを増大し、燃料電池での発電電流を増大しながら行う燃料電池システムの起動方法において、燃料ガスおよび酸化剤ガスが加湿される温度を代表する第１の温度が、燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池に供給される温度を代表する第２の温度より高くなるように、燃料電池での発電電流値が調整されるので、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加温装置を備えていなくても、燃料ガスおよび酸化剤ガスが水蒸気飽和またはそれに近い状態で燃料電池に供給される燃料電池システムの起動方法となる。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図２に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法において、第２の温度Ｔ２が所定の温度Ｃ以上になった後（ＳＴ１３）に、冷却水冷却工程ＳＴ１４を開始する。

このように構成すると、燃料電池システムを起動して燃料電池等が温まるまでは、燃料電池で発生した熱を回収した冷却水を冷却しないので、所定の温度まで立ち上がるのが速くなり、また、冷却水の温度が所定の温度以上に上昇することは防止されるので、燃料電池は冷却水で冷却され適切な温度に保持される。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、例えば図２に示すように、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの起動方法において、第２の温度Ｔ２が所定の温度Ｃ以上になると、発電電流増大量減少工程ＳＴ１５、ＳＴ１６における所定温度差Ｂを異なった値とする。

このように構成すると、起動開始時においては同一温度である第１の温度と第２の温度について、起動開始直後は第２の温度が第１の温度よりも高くならないような制御を行い、起動がある程度開始された後は第２の温度が第１の温度よりも若干低くなる制御を行うことにより、温度が上昇し、温度による蒸気圧の変動が大きくなってからは第１の温度が第２の温度よりも若干高くなるように制御された起動を行うことができる。

また、前記の目的を達成するために請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池３０と、燃料電池３０から排出される燃料ガス４ａのオフガス２１ａを導入して燃焼を行う燃焼装置１５０と、発生した水を回収した回収水４２ａの貯液部７１を有し、回収水４２ａを循環して酸化剤ガス６１ａを加湿する酸化剤ガス加湿装置７０と、燃焼装置１５０から排出された燃焼ガス６３ａと、循環する回収水４２ａとの熱交換を行う燃焼ガス熱交換器８３と、回収した回収水４２ａを導入して燃料ガス４ａを加湿し、導入した回収水１４９ａと循環する回収水４２ａとの熱交換を行う熱交換部１４１を有する燃料ガス加湿装置１４０と、燃料電池３０を冷却した冷却水２４ａを冷却する冷却水冷却器１１０と、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａと冷却水２４ａとの熱交換を行う燃料ガス熱交換器１１４と、貯液部７１から燃焼ガス熱交換器８３、燃料ガス加湿装置１４０の熱交換部１４１、貯液部７１に至る循環する回収水４２ａの回収水循環流路と、燃料電池３０から、冷却水冷却器１１０、燃料ガス熱交換器１１４、燃料電池３０に至る冷却水２４ａの冷却水循環流路と、燃焼ガス熱交換器８３から貯液部７１に至る回収水循環流路１３８上若しくは燃料ガス加湿装置１４０で加湿された燃料ガス４ａの燃料ガス熱交換器１１４に至る流路上若しくは酸化剤ガス加湿装置７０で加湿された酸化剤ガス６１ａの燃料ガス熱交換器１１４に至る流路上に設置された第１の温度検知器１６１と、冷却水冷却器１１０から燃料電池３０に至る冷却水循環流路上に設置された第２の温度検知器１６２と、第１の温度検知器１６１で検知された温度と第２の温度検知器１６２で検知された温度との温度差と比較される１または２以上の温度差を記憶する記憶部と、起動時に、燃料ガス供給量を漸増させ、第１の温度検知器１６１で検知された温度が第２の温度検知器１６２で検知された温度より記憶した温度差の内の所定の温度差以上に高くなければ増大量を減少して発電電流値を増大し、第１の温度検知器１６１で検知された温度が第２の温度検知器１６２で検知された温度より記憶した温度差の内の所定の温度差以上に低くなければ増大量を増加して発電電流値を増大する制御部とを有する制御装置１２２を備える。

このように構成すると、燃料ガスを増大し、燃料電池での発電電流を増大しながら起動する燃料電池システムにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスが加湿される温度を代表する第１の温度検知器で検知された温度が、燃料ガスおよび酸化剤ガスが燃料電池に供給される温度を代表する第２の温度検知器で検知された温度より高くなるように、燃料電池での発電電流値を調整する制御装置により制御されるので、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加温装置を備えていなくても、燃料ガスおよび酸化剤ガスが水蒸気飽和またはそれに近い状態で燃料電池に供給される燃料電池システムとなる。

また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、冷却水冷却器は、冷却水２４ａと排熱を回収する排熱温水４３ａとの冷却水熱交換器１１０であり、排熱温水４３ａを貯留する貯湯装置１２０とを備える。

このように構成すると、冷却水に回収した燃料電池で発電したときに発生した熱は、貯湯装置の排熱温水中に蓄えられ、熱源として利用することが可能となり、燃料電池システムとしてのエネルギ効率が高くなる。

また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池３０から冷却水冷却器１１０に至る冷却水循環流路上に設置された第３の温度検知器１６３を備え、記憶部において、排熱温水４３ａと冷却水２４ａとを熱交換して排熱を貯湯装置１２０に回収し始める所定の第１の冷却水燃料電池入口温度と、発電電流値の増大量ｄｃを増減するための第１の温度検知器１６１で検知された温度と第２の温度検知器１６２で検知された温度との温度差と比較する所定の温度差の値を変更するときの所定の第２の冷却水燃料電池入口温度と、冷却水２４ａの循環流量を調整し始める所定の冷却水燃料電池出口温度とを記憶し、制御部において、第２の温度検知器１６２で検知された温度が第１の冷却水燃料電池入口温度以上になると、冷却水冷却器１１０で冷却水２４ａを冷却し始め、あるいは、排熱温水４３ａと冷却水２４ａとを熱交換して排熱を貯湯装置１２０に回収し始め、第２の温度検知器１６２で検知された温度が第２の冷却水燃料電池入口温度以上になると、発電電流値の増大量を増減するための第１の温度検知器１６１で検知された温度と第２の温度検知器１６２で検知された温度との温度差と比較する所定の温度差の値を変更し、第３の温度検知器１６３で検知された温度が、所定出口温度以上になると、冷却水２４ａの循環流量を調整し始める。

このように構成すると、燃料電池システムを起動して燃料電池等が温まるまでは、燃料電池で発生した熱を回収した冷却水を冷却しないので、所定の温度まで立ち上がるのが速くなる。また、起動開始時においては同一温度である第１の温度検知器で検知された温度と第２の温度検知器で検知された温度について起動開始時は第２の温度検知器で検知された温度が第１の温度検知器で検知された温度よりも高くならないような制御を行い、起動がある程度開始された後は第２の温度検知器で検知された温度が第１の温度検知器で検知された温度よりも若干低くなる制御を行うことにより、温度が上昇し、温度による蒸気圧の変動が大きくなってからは第１の温度検知器で検知された温度が第２の温度検知器で検知された温度よりも若干高くなるように制御された起動を行うことができる。また、起動がある程度進み、燃料電池や回収水あるいは燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度がある程度上がってきた後は、冷却水の流量を制御して、燃料電池の温度を適正に維持する制御を行う燃料電池システムとなる。

本発明によれば、燃料ガスや酸化剤ガスを加温するための加温装置を追加することなく、燃料電池に水蒸気飽和またはそれに近い状態にある燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給しながら起動する燃料電池システムの起動方法および燃料電池に水蒸気飽和またはそれに近い状態にある燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給しながら起動するための燃料電池システムが提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図１中、「ａ」を添えた符号及び「４２Ａ」、「４２Ｂ」、「４２Ｃ」は物を表し、これらの符号で示されるときに線は物の流れを、これらの符号を添えていない符号で示されるときに線は配管を表す。また、破線は、電気信号を表す。

図１は、本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１の模式的ブロック図である。ここで、燃料電池コージェネレーションシステムとは、燃料電池システムで発生した熱を蓄熱し、外部に熱源として供給する手段を備えた燃料電池システムをいう。燃料電池コージェネレーションシステム１は、燃料電池３０と、酸化剤ガス加湿装置としての気液接触塔７０と、燃料ガス加湿装置１４０と、燃焼装置としての触媒燃焼装置１５０と、燃焼ガス熱交換器８３と、燃料ガス熱交換器１１４と、冷却水熱交換器１１０と、貯湯装置としての貯湯タンク１２０と、制御部１２２と、気液分離器４５、５５、８９と、ブロワ８４と、ポンプ８２、１０８、１２５と、水処理装置９３と、排熱温水の流路切替手段としての三方電磁弁１２７とを備える。

燃料電池コージェネレーションシステム１には、系外から純水素あるいは水素に富むガスが燃料電池３０の燃料ガス４ａとして供給される。系外から燃料ガス４ａを搬送する配管（不図示）は、燃料ガス加湿装置１４０に接続される。燃料ガス加湿装置１４０は、後述する回収水４２ａの一部をバブラ保持液１４９ａとして貯留するバブラ容器１４８と、燃料ガス４ａを導入する燃料ガス導入ノズル１４２と、燃料ガス４ａを加湿する水であるバブラ保持液１４９ａ中に燃料ガス４ａを細かい泡状にして吐出する燃料ガス分散器１４３と、回収水４２ａの一部をバブラ保持液１４９ａとして導入するための回収水補給ノズル１４６と、バブラ保持液１４９ａと循環する（バブラ保持液１４９ａとして用いられない）回収水４２ａとの熱交換をする熱交換部であるジャケット１４１とを備える。

バブラ容器１４８は、燃料ガス４ａを加湿するための水であるバブラ保持液１４９ａを貯留する円筒状の容器である。形状は円筒状でなくてもよいが、円筒状であると強度的に弱い部分がなく均等となるので、バブラ容器１４８の製造が容易となる。バブラ容器１４８内の底面に広がって燃料ガス分散器１４３が配置される。燃料ガス分散器１４３は、燃料ガス４ａをバブラ保持液１４９ａ中に細かな気泡として吐出するための部材で、細かな小穴（不図示）を多数有し、その中に燃料ガス４ａの流路（不図示）が形成された板若しくは管若しくは多孔質金属焼結体又はそれらの組み合わせなどで構成される。燃料ガス分散器１４３がバブラ容器１４８内の底面に広がっているので、バブラ保持液１４９ａと燃料ガス４ａとの接触面積が増大し、効率が高くなる。燃料ガス分散器１４３は、その燃料ガス４ａの流路の入口が燃料ガス導入ノズル１４２と連接し、系外から燃料ガス４ａを導入する。バブラ容器１４８の上面には燃料ガス出口ノズル１４７が設けられ、燃料ガス熱交換器１１４と接続される。なお、２つの機器等が「接続される」とは、配管を介して接続される場合を含む。

燃料ガス加湿装置１４０は、上記に説明するバブラ加湿方式でなくてもよく、気液接触塔を用いた接触塔加湿方式あるいは加湿膜を用いた膜加湿法でもよい。ただし、燃料ガス４ａは流量が比較的少なく、すなわち加湿負荷が小さいので、バブラ加湿方式で充分に加湿され、装置も簡単となる。

回収水補給ノズル１４６には、後述の回収水４２ａの循環流路中の配管１３８から分岐した配管１３９が接続する。配管１３９には、仕切弁である回収水補給バルブ１３６が配置される。回収水補給バルブ１３６は、ソレノイド、モータなどのアクチュエータで動作するように構成され、制御部１２２からアクチュエータの起動・停止を指示する電気信号ｉ５用ケーブルが接続される。

また、バブラ容器１４８には、バブラ保持液１４９ａの液面を検知するレベルセンサ１４４が備えられる。レベルセンサ１４４からは、液面高さの電気信号ｉ４を伝達する信号ケーブルが制御部１２２に配線される。

バブラ容器１４８の周囲にはジャケット１４１が形成される。ジャケット１４１には、燃料ガス熱交換器８３で加熱された回収水４２ａが流れ、バブラ保持液１４９ａを加熱する。すなわち、ジャケット１４１がバブラ保持液１４９ａと回収水４２ａとの熱交換部となる。バブラ保持液１４９ａと回収水４２ａとの熱交換部をジャケットとすることで、製作が容易となり、且つ回収水４２ａの圧力損失の増大も防げる。しかし、バブラ保持液１４９ａと回収水４２ａとの熱交換部はジャケットでなく、回収水４２ａが流れる配管をバブラ容器１４８内に挿入してもよい。このように構成すると、熱交換効率が向上する。バブラ保持液１４９ａは循環する回収水４２ａと熱交換され、循環する回収水４２ａとほぼ同じ温度になる。

燃料電池３０は、例えば積層型の固体高分子型燃料電池を使用することができ、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する。燃料極３２には、燃料ガス加湿装置１４０で加湿され燃料ガス熱交換器１１４を経て供給される燃料ガス４ａを導入するノズル（不図示）と、燃料ガス４ａのオフガスであるアノードオフガス２１ａを排出するノズル（不図示）が配置される。空気極３３には、気液接触塔７０から燃料ガス熱交換器１１４を経て送出される酸化剤ガス６１ａを導入するノズル（不図示）と、酸化剤ガス６１ａのオフガスであるカソードオフガス２２ａを排出するノズル（不図示）が配置される。冷却水流路３１には、ポンプ１０８から圧送されて燃料ガス熱交換器１１４を経て供給される冷却水としてのスタック冷却水２４ａを導入するノズル（不図示）と、スタック冷却水２４ａを流出するノズル（不図示）が配置される。

燃料電池３０は、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は、発熱反応であり、冷却するためにスタック冷却水２４ａが導入されている。ここで発生した熱が主に排熱となり、スタック冷却水２４ａあるいは排出されるガス（アノードオフガス２１ａ、カソードオフガス２２ａ）により燃料電池３０から搬出される。また、固体高分子型燃料電池を用いる場合には、プロトン交換膜（不図示）の電気伝導度を高く維持するために、燃料極３２に供給する燃料ガス４ａと空気極３３に供給する酸化剤ガス６１ａを所定の露点まで加湿する必要がある。使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、要求される燃料ガス４ａの露点は５０〜８０℃の範囲であるのが一般的であり、要求される酸化剤ガス６１ａの露点は５０〜８０℃の範囲であるのが一般的である。

燃料電池３０の燃料極３２から排出されたアノードオフガス２１ａを搬送するアノードオフガス配管３６は触媒燃焼装置１５０に接続し、空気極３３から排出されたカソードオフガス２２ａを搬送するカソードオフガス配管３７も、触媒燃焼装置１５０に接続する。

燃料電池３０の冷却水流路３１には、スタック冷却水２４ａが流れ、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱を吸収して、燃料電池３０を冷却する。冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水２４ａが流れる流路には、冷却水熱交換器１１０とポンプ１０８と燃料ガス熱交換器１１４とが、この順序で配置され、冷却水２４ａの流路は、これらの機器を経由して冷却水流路３１に戻る循環経路とされる。なお、ポンプ１０８は、スタック冷却水２４ａを圧送して循環させるもので、冷却水熱交換器１１０と燃料ガス熱交換器１１４との間でなくても、循環するスタック冷却水２４ａの経路上に配置されればよい。

アノードオフガス配管３６とカソードオフガス配管３７とが接続する触媒燃焼装置１５０は、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとを触媒燃焼させる装置である。すなわち、アノードオフガス２１ａ中に残留する水素を支燃剤としてのカソードオフガス２２ａ中に残留する酸素を用いて触媒の下で燃焼させるものである。触媒としては、触媒活性が高く使用量が少なくて済む点から、貴金属系燃焼触媒、特にプラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）又はプラチナ−パラジウム（Ｐｔ−Ｐｄ）２元系燃焼触媒が好適に用いられるが、銅等の卑金属系燃焼触媒を用いてもよい。また、触媒の形状は、粒状、ペレット状、モノリス又はハニカム状のいずれでもよい。触媒燃焼装置１５０には、アノードオフガス２１ａとカソードオフガス２２ａとの触媒燃焼により発生した燃焼ガス６３ａを排出するノズルが設けられ、燃焼ガス熱交換器８３に接続される。なお、支燃剤ガスは、カソードオフガス２２ａを用いるが、外気を導入して支燃剤ガスとして用いてもよい。また、水素濃度が低くなることがあるので触媒燃焼をさせることが好適であるが、通常の燃焼としてもよい。

燃焼ガス熱交換器８３は、燃焼ガス６３ａである気体と回収水４２ａである液体との熱交換をするので、プレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、燃焼ガス６３ａの流路にフィンを備えた多管式熱交換器が用いられる。

燃焼ガス熱交換器８３の燃焼ガス６３ａの出口からは、気液分離器８９を経て系外へ至る配管３８が接続され、気液分離器８９で水分が回収される。気液分離器８９で燃焼ガス６３ａから水分が回収された残りの排ガス６４ａは、配管３８により系外１０２へ放出される。

冷却水熱交換器１１０は、貯湯タンク１２０に貯えられる排熱温水４３ａと、スタック冷却水２４ａとを熱交換する熱交換器であり、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器１１０により、排熱温水４３ａは加熱され、冷却水２４ａは冷却される。すなわち、排熱温水４３ａによりスタック冷却水２４ａ中の排熱を回収する。冷却水熱交換器１１０の排熱温水４３ａの出口ノズル（不図示）は、貯湯タンク１２０に接続され、排熱温水４３ａが排熱を回収した後に貯湯タンク１２０に貯留されることにより、排熱は貯湯タンク１２０に回収熱として貯えられる。

燃料ガス熱交換器１１４は、スタック冷却水２４ａと、気液接触塔７０から送出される酸化剤ガス６１ａとを熱交換し、更にスタック冷却水２４ａと、燃料ガス加湿装置１４０から送出される燃料ガス４ａとを熱交換する３流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、気体である酸化剤ガス６１ａと燃料ガス４ａとの流路にフィンを設けた管を備える多管式熱交換器とする。あるいは、３重管型熱交換器も好適に用いられる。

燃料ガス熱交換器１１４の燃料ガス４ａの出口ノズル（不図示）は、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２に接続される。燃料ガス熱交換器１１４の酸化剤ガス６１ａの出口ノズル（不図示）は、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。燃料ガス熱交換器１１４のスタック冷却水２４ａの出口ノズル（不図示）は、燃料電池３０の冷却水流路３１に接続される。

気液分離器４５は、燃料ガス４ａ中の水分を分離する装置で、分離された回収水４２Ａを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。気液分離器５５は、酸化剤ガス６１ａ中の水分を分離する装置で、分離された回収水４２Ｂを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。また、気液分離器８９は、燃焼ガス６３ａ中の水分を分離する装置で、分離された回収水４２Ｃを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。

気液接触塔７０は、その下部に、気液分離器４５、５５、８９から送出された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃが入る回収水入口７３と、導入された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを回収水４２ａとして貯留する貯液部７１と、ポンプ８２によって回収水４２ａが外に向けて吸引される回収水吸引口７４と、所定の水位レベルを超える回収水４２ａが溢れ出て流れ込む溢流管７５と、回収水４２ａが溢流管７５に溢れて流れ込む溢流口７６とを有し、酸化剤ガス６１ａが入り込む酸化剤ガス入口７２を溢流口７６の上方に有する。所定の水位レベルとは、溢流口７６が設定された水位レベルである。回収水４２ａは溢流管７５から気液接触塔７０の系外に流れ出る。また、貯液部７１の周囲には、熱交換部として、排熱温水４３ａが流れるジャケット１３０が設けられる。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス６１ａとして用いる。

気液接触塔７０は、その上部に、酸化剤ガス６１ａが燃料電池３０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１から戻った回収水４２ａが注入される回収水注入口７８と、回収水注入口７８に注入された回収水４２ａを細かい水滴として気液接触塔７０内に撒き散らす水分散器７９とを有する。また、上部に配置する水分散器７９と酸化剤ガス出口７７との間に、デミスタ９１が設けられる。デミスタ９１により、上昇する酸化剤ガス６１ａに随伴したミストが除去される。

気液接触塔７０は、その上部と下部の間に、注入された回収水４２ａと酸化剤ガス６１ａとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とを有する。

回収水吸引口７４の先は、ポンプ８２、水処理装置９３、燃焼ガス熱交換器８３及び燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１を経て、気液接触塔７０上部の水分散器７９に接続される。このように、貯液部７１から回収水吸引口７４、ポンプ８２、水処理装置９３、燃焼ガス熱交換器８３、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１、回収水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を経て貯液部７１に回収水４２ａを循環する循環経路が構成される。

気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７に、酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に圧送するブロワ８４が接続される。ブロワ８４により気液接触塔７０内の酸化剤ガス６１ａが吸引される。酸化剤ガス入口７２から吸引された酸化剤ガス６１ａと、回収水注入口７８から注入された回収水４２ａは、充填部８０にて向流接触する。

ブロワ８４の出口は、燃料ガス熱交換器１１４、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。ブロワ８４にて酸化剤ガス６１ａを昇圧して、燃料電池３０の空気極３３に供給する。

ブロワ８４による昇圧の結果、酸化剤ガス６１ａの露点が上昇する。例えば、ブロワ８４による酸化剤ガス６１ａの圧力上昇を１２ｋＰａとして、酸化剤ガス出口７７における酸化剤ガス６１ａの露点が５０℃の場合は、酸化剤ガス６１ａの露点が約２℃上昇し約５２℃になる。よって、酸化剤ガス６１ａの達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガス６１ａのブロワ８４を気液接触塔７０の下流側に配置することにより、気液接触塔７０の加湿負荷を軽減し、気液接触塔７０をコンパクト化することができる。また、ブロワ８４を酸化剤ガス入口７２側に配置した場合と違って、気液接触塔７０内はブロワ８４により加圧されることがない。

また、気液接触塔７０内の貯液部７１は、酸化剤ガス入口７２にて大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器４５、５５、８９とのレベル差によって気液分離器４５、５５、８９から回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを貯液部７１へ導入することができる。したがって、回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。さらに、余剰の回収水４２ａは、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部７１内に配置する溢流管７５の底部排出口から燃料電池コージェネレーションシステム１の系外へ排出することができる利点もある。

水処理装置９３は、気液接触塔７０の回収水吸引口７４に接続する回収水４２ａの循環経路中のポンプ８２の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム９４を有している。この水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施の形態において、酸化剤ガス６１ａ中に含まれる酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物ＳＯ_２は、ＳＯ_２ ＋ ＯＨ⁻ → ＨＳＯ_３ ⁻ の反応式のように、充填部８０にて接触する回収水４２ａの中の水酸化イオンＯＨ⁻と反応してイオン化し、回収水４２ａに吸収されている。そして、吸収された回収水４２ａ中のＨＳＯ_３ ⁻は、ＨＳＯ_３ ⁻ ＋ Ｒ−ＯＨ⁻ → Ｒ−ＨＳＯ_３ ⁻ ＋ ＯＨ⁻ の反応式のように、イオン交換樹脂充填カラム９４にて陰イオン交換樹脂の水酸化イオンＯＨ⁻とイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム９４内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、水酸化イオンＯＨ⁻が回収水４２ａに供給される。また、イオン交換樹脂充填カラム９４の下流側にフィルタ９５を設置することで、イオン交換樹脂が回収水４２ａに混入することを防止する。更に、酸化剤ガス６１ａに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム９４の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。

本実施の形態では、回収水４２ａが循環する循環経路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置９３を備えることによって、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する回収水４２ａに水酸化イオンＯＨ⁻を常に供給する。すなわち、循環する回収水４２ａが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス６１ａに含有されるＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。但し、水処理装置９３は、備えられていなくてもよい。

貯湯タンク１２０は、排熱温水４３ａを貯留するタンクである。貯湯タンク１２０には、排熱温水４３ａを供給又は循環させることにより系外の熱需要に熱を供給する装置（不図示）が接続されている。例えば、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａが系外に循環し、排熱を供給した後に、貯湯タンク１２０に戻される。すなわち、排熱温水４３ａに回収された排熱が、熱源として有効利用される。

貯湯タンク１２０には、上記の系外への循環経路の他に、燃料電池コージェネレーションシステム１内に、排熱を回収するための排熱温水４３ａの循環経路が接続されている。この循環経路として、貯湯タンク１２０に第１の配管１２８が接続される。第１の配管１２８には、ポンプ１２５が設置され、排熱温水４３ａを吸引し、圧送する。第１の配管１２８には、第１の分岐部であり、かつ、流路切替手段である三方電磁弁１２７が配置されている。三方電磁弁１２７の一方は、更に第１の配管１２８を経て、気液接触塔７０のジャケット１３０に接続している。三方電磁弁１２７の他の一方は、バイパス配管１３１に接続している。

気液接触塔７０のジャケット１３０は、排熱温水４３ａと貯液部７１に貯留する回収水４２ａとの熱交換を行う熱交換部である。燃料ガス熱交換器８３で加熱され、貯液部７１に貯留される回収水４２ａの熱を、ジャケット１３０を流れる排熱温水４３ａにより回収する。熱交換部がジャケットで構成されるので、排熱温水４３ａの圧力損失も少なくなり、気液接触塔７０の構造も単純になるが、熱交換部をジャケットとしないで、例えば、貯液部７１に貯留される回収水４２ａ中に排熱温水４２ａの配管を敷設する構成としてもよい。

ジャケット１３０の出口ノズル（不図示）には、第２の配管１２９が接続している。第２の配管１２９は冷却水熱交換器１１０に接続している。ジャケット１３０と冷却水熱交換器１１０との間の第２の配管１２９上に、分岐管１３７が配置されている。分岐管１３７は、第１の配管１２８上の三方電磁弁１２７と接続するバイパス配管１３１と冷却水熱交換器１１０とに接続される。第２の配管１２９が、更に、冷却水熱交換器１１０と貯湯タンク１２０とを接続することにより、循環経路を構成する。

この循環経路を流れることにより、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａは、ジャケット１３０で回収水４２ａと、冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａと熱交換をして、排熱を回収し、貯湯タンク１２０に戻り、排熱を貯湯タンク１２０に蓄える。

貯湯タンク１２０の下部には、第４の温度検知器１２４が設置され、第４の温度検知器１２４から制御部１２２に電気信号を伝達する信号ケーブルが接続される。貯湯タンク１２０内で、排熱温水４３ａは温度による成層をなして貯留されており、すなわち、高温の排熱温水４３ａは貯湯タンク１２０の上部に、低温の排熱温水４３ａは貯湯タンク１２０の下部に貯留する。そこで、系外に熱源として供給される排熱温水４３ａは上部の排熱温水４３ａを、排熱回収のためにジャケット１３０及び冷却水熱交換器１１０を循環する排熱温水４３ａは下部の排熱温水４３ａを用いる。第４の温度検知器１２４は、ジャケット１３０及び冷却水熱交換器１１０を循環する排熱温水４３ａの温度を計測するために貯湯タンク１２０の下部に設置される。あるいは、貯湯タンク１２０から排熱回収に循環する配管１２８の貯湯タンク１２０と三方電磁弁１２７との間に配置してもよい。第４の温度検知器１２４で検知された温度は、電気信号ｉ１として、制御部１２２に伝送される。

また、第５の温度検知器１２６が、燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１を出て、気液接触塔７０の水分散器７９に送られる回収水４２ａの温度を測定するために、配管１３８のジャケット１４１から気液接触塔７０に至る流路に設置される。なお、第５の温度検知器１２６は、回収水注入口７８に配置されてもよい。第５の温度検知器１２６から制御部１２２には電気信号を伝達する信号ケーブルが接続され、検知された温度が電気信号ｉ２として、制御部１２２に伝送される。更に、制御部１２２からは三方電磁弁１２７に信号ケーブルが接続され、三方電磁弁１２７の制御信号ｉ３が第１の配管１２８上の三方電磁弁１２７に送られ、三方弁の作動を制御する。すなわち、第４の温度検知器１２４で検知した温度が所定の温度以下であり、第５の温度検知器１２６で検知した温度が所定の温度以上であれば、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送り、第４の温度検出器１２４での温度が所定の温度より高い場合、あるいは、第５の温度検出器１２６での温度が所定の温度より低い場合には、排熱温水４３ａを気液接触塔７０のジャケット１３０に送らずにバイパス配管１３１へ送るように三方電磁弁１２７を制御する。この制御は制御装置１２２により行われ、制御装置１２２から電気信号ｉ３により三方電磁弁１２７に伝達される。これは、排熱温水４３ａが熱を充分に回収し、貯湯タンク１２０下部での温度までが高くなっている場合には、熱の回収は冷却水だけから行うようにし、また、回収水４２ａの温度が低下してきているときには回収水４２ａからの熱回収を控えるためである。

また、燃料ガス加湿装置１４０のレベルセンサ１４４からの信号ｉ４は、制御装置１２２に送られる。レベルセンサ１４４により検知されたバブラ保持液１４９ａの液面が低下したときには、信号ｉ５により回収水補給バルブ１３６が開き、配管１３８を循環している回取水４２ａの一部がバブラ保持液１４９ａとして導入される。

循環する回収水４２ａの燃焼ガス熱交換器８３から燃料ガス加湿装置１４０のジャケット１４１に至る配管１３８に、回収水の温度を検知する第１の温度検知器１６１が設置される。第１の温度検知器１６１は、循環する回収水４２ａの燃焼ガス熱交換器８３から気液接触塔７０の水分散器７９に至る配管（ジャケット１４１を含む）上であれば、どこへ設置してもよい。あるいは、バブラ保持液１４９ａの温度を検知するために燃料ガス加湿装置１４０に設置しても、燃料ガス加湿装置１４０から燃料ガス熱交換器１１４に至る燃料ガス４ａの配管上に設置しても、気液接触塔７０から燃料ガス熱交換器１１４に至る酸化剤ガス６１ａの配管上に設置してもよい。すなわち、第１の温度検知器１６１は、燃料ガス加湿装置１４０で水蒸気飽和またはそれに近い状態となった燃料ガス４ａおよび気液接触塔７０で水蒸気飽和またはそれに近い状態となった酸化剤ガス６１ａの温度を代表する第１の温度を検知する。第１の温度検知器１６１から制御装置１２２に信号ケーブルが接続され、検知した温度データｉ６を制御装置１２２に伝達する。

燃料ガス熱交換器１１４から燃料電池３０に至る冷却水２４ａの配管上に第２の温度検知器１６２が設置される。第２の温度検知器１６２は、冷却水熱交換器１１０から燃料電池３０に至る冷却水２４ａの配管上、あるいは、燃料ガス熱交換器１１４から燃料電池３０に至る燃料ガス４ａ若しくは酸化剤ガス６１ａの配管上に設置してもよい。すなわち、第２の温度検知器１６２は、燃料電池３０に供給される燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａの温度を代表する第２の温度を検知する。第２の温度検知器１６２から制御装置１２２に信号ケーブルが接続され、検知した温度データｉ７を制御装置１２２に伝達する。

燃料電池３０から冷却水熱交換器１１０に至る冷却水２４ａの配管上に第３の温度検知器１６３が設置される。第３の温度検知器１６３は、燃料電池３０の温度を代表する第３の温度を検知する。第３の温度検知器１６３から制御装置１２２に信号ケーブルが接続され、検知した温度データｉ８を制御装置１２２に伝達する。

燃料ガス加湿装置１４０に至る燃料ガス４ａの配管上に流量検知器１７１が設置される。流量検知器１７１は、燃料ガス加湿装置１４０から燃料電池３０に至る燃料ガス４ａの配管上であれば、どこに設置してもよい。また、ブロワ８４から燃料ガス熱交換器１１４に至る酸化剤ガス６１ａの配管上に流量検知器１７２が設置される。流量検知器１７２は、気液接触塔７０の入口配管から燃料電池３０に至る酸化剤ガス６１ａの配管上であれば、どこに設置してもよい。また、気液接触塔７０からポンプ８２に至る回収水４２ａの配管上に流量検知器１７３が設置される。流量検知器１７３は、循環する回収水４２ａの流路の配管上であれば、どこに設置してもよい。また、冷却水熱交換器１１０からポンプ１０８に至る冷却水２４ａの配管上に流量検知器１７４が設置される。流量検知器１７４は、循環する冷却水２４ａの流路の配管上であれば、どこに設置してもよい。また、ポンプ１２５から三方弁１２７に至る排熱温水４３ａの配管上に流量検知器１７５が設置される。流量検知器１７５は、分岐管１３７から貯湯タンク１２０あるいは貯湯タンク１２０から三方弁１２７に至る排熱温水４３ａの配管上であれば、どこに設置してもよい。各流量検知器１７１、１７２、１７３、１７４、１７５から信号ケーブルが制御装置１２２に接続され、流量の信号ｉ９、ｉ１０、ｉ１１、ｉ１２、ｉ１３が制御装置１２２に伝達される。

次に、図２のフロー図を参照して、燃料電池コージェネレーションシステム１の起動方法について説明する。なお、装置等の符号は、図１を参照するものとする。先ず、ポンプ８２およびポンプ１０８を起動して、回収水４２ａおよび冷却水２４ａを循環する（ステップＳＴ１）。なお、回収水４２ａは、運転停止時においても気液接触塔７０の貯液部７１に貯留されており、貯液部７１に貯留された回収水４２ａが循環される。回収水４２ａの循環流量は流量検知器１７３で検知され、電気信号ｉ１１として制御装置１２２に伝達されるが、基本的に回収水４２ａの循環流量は起動時には特に制御されない。冷却水２４ａの循環流量に関しては、後で説明する。

続いて、燃料ガス４ａの元バルブ（不図示）を開き、ブロワ８４を起動して、燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａの供給を開始する（ステップＳＴ２）。初期の供給量は、定格運転時に比べて少ない燃料ガス供給量Ｇ０、酸化剤ガス供給量Ｓ０とする。ここで、酸化剤ガス供給量Ｓは、燃料ガス供給量Ｇ中に含まれる可燃成分（水素以外の可燃成分も含む）に対する理論燃焼空気量のおよそ１．２倍あるいは燃料ガス量Ｇ中に含まれる水素に対する理論燃焼空気量のおよそ２．０倍の内多い方の量とし、酸化剤ガスの不足による燃焼効率の低下を防ぐようにするのが好適である。燃料ガス４ａの供給量Ｇは、流量検知器１７１で検知され、流量調節弁（不図示）で調節される。酸化剤ガス６１ａの供給量Ｓは、流量検知器１７２で検知され、ブロワの運転あるいは、流量調節弁（不図示）で調節される。

燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとが供給されることにより、燃料電池３０では、燃料極３２に供給された燃料ガス４ａと、空気極３３に供給された酸化剤ガス６１ａとの、電気化学的反応により電力を出力し、燃料極３２からアノードオフガス２１ａを、空気極３３からカソードオフガス２２ａを排出する。なお、燃料ガス４ａは水素を主成分としており、酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応で、水分を多く生じ、オフガスと共に排出される。また、この電気化学的反応は発熱反応であり、熱を発生する。ただし、この段階では発電電流を外部へ供給することはない。

また、燃料電池３０から排出されたアノードオフガス２１ａおよびカソードオフガス２２ａは触媒燃焼装置１５０へ送られ、そこで触媒燃焼を開始する。その結果、燃焼ガス６３ａが発生し、燃焼ガス熱交換器８３にて、燃焼ガス６３ａと回収水４２ａとの熱交換が始まり、回収水４２ａの温度が上昇し始める。すなわち、供給された燃料ガス４ａは、その一部が燃料電池３０で発電に用いられつつ熱を発生し、残りが触媒燃焼装置１５０で触媒燃焼して熱を発生する。

燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａが燃料電池３０に到達すると、開路電圧が上昇する。燃料電池３０での開路電圧が所定開路電圧ｍに達したならば（ステップＳＴ３）、発電電流の供給が開始される。この段階が、燃料電池コージェネレーションシステム１としての発電開始に該当する（ステップＳＴ４）。起動開始(ステップＳＴ１)から、発電開始（ステップＳＴ４）までは、数秒から数分程度の時間で行われる。発電を開始したときの発電電流値は小電流値とし、後述するように徐々に発電電流値を増大する。なお、発電電流値の調整は、外部負荷を適宜選択することにより行なわれる。

発電が開始される（ステップＳＴ４）と、第１の温度検知器１６１で検知された第１の温度Ｔ１と第２の温度検知器１６２で検知された第２の温度Ｔ２との比較を制御装置１２２で行う（ステップＳＴ５、ＳＴ７）。第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より高くない場合とは、燃料ガス加湿装置１４０および気液接触塔７０で水蒸気飽和またはそれに近い状態とされた燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａの温度が、燃料電池３０に供給される前の温度より低いということである。すなわち、燃料ガス加湿装置１４０および気液接触塔７０で水蒸気飽和またはそれに近い状態とされた燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａは、燃料ガス熱交換器１１４で冷却水２４ａにより加温され、その結果として温度が上がり、相対湿度が下がることになる。このような相対湿度が低い（乾いた）燃料ガス４ａと酸化剤ガス６１ａとが燃料電池３０に供給されると、燃料電池３０の固体高分子膜は電気抵抗が上昇して発電効率が低下し、また、固体高分子膜が損傷を受け寿命が短くなる恐れがある。

そこで、第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より高くない場合（ステップＳＴ５）には、燃料電池３０での発電電流を減らし、すなわち、燃料電池３０で消費される水素の量を減らし、触媒燃焼装置１５０での燃焼量を増やして燃焼ガス熱交換器８３にて燃焼ガス６３ａから回収水４２ａに伝熱される熱量を増やすことが有効である。なお、燃料電池コージェネレーションシステム１は起動中であるので、燃料電池３０での発電電流も増大させる必要があり、実際には、発電電流を減らすことはせずに、発電電流の増大量ｄｃを減少し（ステップＳＴ６）、発電電流の増大を遅らせる。また、第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より若干の温度差を持って高いほうが望ましいが、起動直後においては、第１の温度Ｔ１も第２の温度Ｔ２も常温に近く僅かな温度の違いによる蒸気圧の変化が小さく、加えて、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２に差をつけることが難しいこともあり、第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より高くないか否かで、発電電流の増大量ｄｃを減少するか否かを判定してもよい。

第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より所定の温度差Ａよりも高い場合（ステップＳＴ７）には、燃料ガス４ａ中の水素が燃料電池３０で充分に発電に用いられず、触媒燃焼装置１５０で燃焼される量が多すぎるということであり、結果として燃料電池コージェネレーションシステム１の効率が悪いということになる。そこで、燃料電池３０で発電される電流を増やすため、発電電流の増大量ｄｃを増加し（ステップＳＴ８）、発電電流の増大を加速する。

続いて、発電電流を増大するのであるが、供給している燃料ガス４ａ中の水素の利用率が所定の値となる電流値Ｆ以下であるか否かの確認を行う(ステップＳＴ９)。ここで、電流値Ｆは、例えば、供給されている燃料ガス４ａ中の水素の利用率が８５％乃至９５％となる電流値とする。水素の利用率が１００％となるまで発電電流を増大しないので、常に触媒燃焼装置１５０で燃焼する水素が残される。発電電流を増大量ｄｃだけ増大しても電流値Ｆ以下であることが確認された場合に、発電電流を増大量ｄｃだけ増大する（ステップＳＴ１０）。

次に、燃料ガス４ａの供給量Ｇが定格流量Ｅを超えなければ（ステップＳＴ１１）、燃料ガス供給量Ｇと酸化剤ガス供給量Ｓとを増加する（ステップＳＴ１２）。燃料ガス４ａの供給量は、ステップ的に増加してもよいし、定格流量Ｅに達するまで一定の割合で連続的に増加してもよい。なお、酸化剤ガス６１ａの供給量は、前記の通りに、燃料ガス４ａ中の可燃成分に対する理論燃焼空気量のおよそ１．２倍あるいは燃料ガスＧ中の水素に対する理論燃焼空気量のおよそ２．０倍の内多い方の量とするのが好適である。

ここで、第２の温度Ｔ２が所定温度Ｃ以上になっていなければ、発電電流値の増大に関する工程、すなわちステップＳＴ５から、上記の工程を繰り返す（ステップＳＴ１３）。一方、第２の温度Ｔ２が所定の温度Ｃ以上になると、排熱温水４３ａの循環を徐々に開始する（ステップＳＴ１４）。第２の温度Ｔ２が所定温度Ｃ以上であるとは、冷却水２４ａの温度が高くなってきたことであり、冷却水２４ａの冷却が必要となる。ここで、所定温度Ｃは、５０〜７０℃程度である。排熱温水４３ａの循環を開始すると、冷却水熱交換器１１０で冷却水２４ａと排熱温水４３ａとで熱交換され、冷却水２４ａは冷却され、排熱温水４３ａは加熱される。ただし、冷却水２４ａが燃料電池３０で回収する熱量は未だ充分に多くなってはいないので、冷却水２４ａの冷却も徐々に開始し、循環する排熱温水４３ａの量は徐々に増加させる。排熱温水４３ａの循環流量は、流量検知器１７５で検知され、電気信号ｉ１２として制御装置１２２へ伝達される。また、排熱温水４３ａの循環流量は、ポンプ１２５の運転あるいは流量調節弁（不図示）で調節される。なお、、起動運転においては回収水４２ａの温度も高くなっていないので、排熱温水４３ａは、気液接触塔７０のジャケット７１には送られず、三方弁１２７からバイパス配管１３１を通って冷却水熱交換器１１０へ送られる。

冷却水２４ａの冷却が開始された（ステップＳＴ１４）後も、前記と同様に、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との温度差により、発電電流値の増大量ｄｃを調整しながら（ステップＳＴ１５〜ＳＴ１８）、発電電流の増大を続ける（ステップＳＴ１０）。ここで、供給される燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａの温度も、冷却水２４ａの温度も常温に比べ高くなってきているので、僅かな温度差による蒸気圧の変化が大きくなってくる。そこで、第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２よりも所定温度Ｂ以上高くなければ（ステップＳＴ１５）、発電電流増大値ｄｃを減少させる（ステップＳＴ１６）。第１の温度Ｔ１は、回収水４２ａの温度であり、燃料ガス４ａを加湿するのに、また、酸化剤ガス６１ａを加湿するのに蒸発し、蒸発熱により温度が低下するので、その温度低下を見込んで、第１の温度Ｔ１を高めに設定するためである。所定温度Ｂは、２〜５℃とする。本実施の形態では、排熱温水４３ａの循環を開始する工程（ステップ１４）と、発電電流増大値ｄｃを減少させる（ステップＳＴ１６）ための判断において第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より所定温度Ｂ以上高くなければならないとする判断（ステップＳＴ１５）の開始とを、共に第２の温度Ｔ２が所定温度Ｃ以上となった場合としているが、それぞれを別の基準により行ってもよい。すなわち、第２の温度Ｔ２が所定温度Ｃ１以上となると排熱温水４３ａの循環を開始し（ステップＳＴ１４）、第２の温度Ｔ２が所定温度Ｃ２以上となると第１の温度Ｔ１が第２の温度Ｔ２より所定温度Ｂ以上高くなければ発電電流増大値ｄｃを減少させる（ステップＳＴ１６）こととしてもよい。

燃料電池３０での発電電流が増大し、第３の温度検知器１６３で検知された第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄ以上になると（ステップＳＴ１９）、冷却水２４ａの流量を調整（増加）する（ステップＳＴ２０）。冷却水２４ａの流量を増加することにより、燃料電池３０の過熱が防止される。冷却水２４ａの流量は、流量検知器１７４で検知され、電気信号ｉ１２として制御装置１２２へ伝達される。冷却水２４ａの流量調整は、ポンプ１０８の運転により調整してもよいし、流量調節弁（不図示）を設けて調整してもよい。第３の温度Ｔ３は、燃料電池３０の内部の温度を代表しており、所定温度Ｄは定格運転時の温度であり、燃料電池３０の温度は充分に上昇したことになる。なお、所定温度Ｄは６０〜８０℃程度である。

第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄ以上となっていなければ、発電電流値の増大（ステップＳＴ９、ＳＴ１０）および燃料ガス供給量Ｇおよび酸化剤ガス供給量Ｓの増大（ステップＳＴ１１、ＳＴ１２）の工程から繰り返す。

第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄ以上であり（ステップＳＴ１９）、かつ、燃料ガス供給量Ｇが定格流量Ｅ以上であれば（ステップＳＴ２１）、起動運転は完了したことになる。なお、発電電流値が定格電流値に達していないこともあるが、発電電流の増大は、通常運転でも行われている発電電流の調整と同様に行うことができる。

第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄ以上となっても（ステップＳＴ１９）、燃料ガス供給量Ｇが定格流量Ｅ以上となっていなければ、発電電流値の増大（ステップＳＴ９、ＳＴ１０）および燃料ガス供給量Ｇおよび酸化剤ガス供給量Ｓの増大（ステップＳＴ１１、ＳＴ１２）の工程から繰り返す。

以上説明した運転方法は、総て制御装置１２２にて制御される。すなわち制御装置では、電気信号ｉ６〜ｉ１２を受信して、記憶部（不図示）に記憶された所定開路電圧ｍ、所定温度差Ａ、Ｂ、所定温度Ｃ、Ｄ、定格流量Ｅを用い、また、燃料ガス供給量Ｇから算定される所定発電電流値Ｆを用いて、制御部（不図示）にて、上記の判断および制御を行う。制御装置１２２で起動方法が制御されるので、迅速、確実に、かつ、人為的エラーを排除して、起動方法を制御することができる。

図３および図４に、上記の起動方法により燃料電池コージェネレーションシステム１を起動したときの、温度上昇の模式的一例（図３）と流量増大の模式的一例（図４）を示す。なお、装置等の符号は、図１あるいは図２を参照するものとする。

図３は第１の温度Ｔ１、第２の温度Ｔ２、第３の温度Ｔ３の起動時からの温度上昇の関係を模式的に示している。起動時には、第１の温度Ｔ１、第２の温度Ｔ２、第３の温度Ｔ３は、いずれも常温となっている。起動すると、第１の温度Ｔ１が速く、続いて第３の温度Ｔ３が、そして第２の温度Ｔ２の順で、温度が上昇する。第１の温度Ｔ１は、触媒燃焼装置１５０の燃焼により温度上昇するので、立ち上りが速い。そして、冷却水２４ａの温度は、燃料電池３０における発電に伴い発生する熱により上昇するので、第３の温度Ｔ３が第２の温度Ｔ２より速く上昇する。排熱温水４２ａを循環するまでは、第２の温度Ｔ２と第３の温度Ｔ３とはほぼ同じ温度となるが、冷却水熱交換器１１０を通過するときに、冷却水熱交換器１１０中に残留する排熱温水４２ａにより熱を吸収される等で、第２の温度Ｔ２の方が僅かに低くなる。

第２の温度Ｔ２は、所定温度Ｃまで上昇すると、排熱温水４２ａとの熱交換により、それ以上には上昇しない。第２の温度Ｔ２が一定に保たれると、発電電流値の増大量が調整調整されることにより、第１の温度Ｔ１も一定に保たれる。すなわち、燃料ガス供給量Ｇが増大しても、触媒燃焼装置１５０での燃焼量が過大に増えないように、燃料電池３０での発電電流が増大される。

第３の温度Ｔ３は、燃料電池３０での発電電流の増大に伴い上昇を続けるが、所定温度Ｄまで上昇すると、冷却水２４ａの循環量が増大され、それ以上の温度上昇が防がれ、温度は定常状態となる。

図４は、燃料ガス４ａ、酸化剤ガス６１ａ、冷却水２４ａ、排熱温水４３ａおよび回収水４２ａの流量を模式的に示している。冷却水２４ａおよび回収水４２ａの循環を開始し、続いて燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａの供給を開始する。冷却水２４ａおよび回収水４２ａの循環量は、一定に保持する。燃料ガス４ａおよび酸化剤ガス６１ａは、開始時の流量から一定の割合で増量する。

第２の温度Ｔ２が所定温度Ｃまで上昇した時点で、排熱温水４３ａの循環が開始する。排熱温水４３ａについては、循環量を徐々に増加する。第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄまで上昇した時点で、冷却水２４ａの流量を増加し始める。

燃料ガス供給量Ｇが定格流量Ｅに達した時点で、起動運転は完了し、定格運転となる。燃料ガス供給量Ｇが増大しなくなるので、冷却水２４ａおよび排熱温水４３ａの流量も安定する。なお、図３および図４に示した温度上昇および流量増大の例では、第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄに到達する時刻が燃料ガス供給量Ｇが定格流量Ｅに到達する時刻より早くなっているが、燃料ガス供給量Ｇが定格流量Ｅに到達する時刻の方が第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄに到達する時刻より早くなる場合もある。いずれにせよ、第３の温度Ｔ３が所定温度Ｄに到達し、燃料ガス供給量Ｇが定格流量Ｅに到達して、起動運転の完了となる。

これまでの説明では、排熱温水４３ａを用いた燃料電池コージェネレーションシステム１により本発明を説明したが、排熱温水４３ａを用いなくても、本発明の実施は可能である。冷却水熱交換器１１０の冷媒として、排熱温水以外の流体を用いてもよいし、冷却水熱交換器をエアフィンクーラーとして空冷タイプとしてもよいし、あるいは、冷却塔により冷却水２４ａを冷却する構成としてもよい。この場合には、上記説明中、排熱温水４３ａの流量調整については、それぞれの冷却水冷却装置での冷却率を向上する手段をとることになる。

本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムを説明する模式的ブロック図である。 本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムの起動方法を説明するフロー図である。 本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムの起動時の温度上昇の時間的推移を説明する模式的時間−温度グラフである。 本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムの起動時の流量増大の時間的推移を説明する模式的時間−流量グラフである。

符号の説明

１ 燃料電池コージェネレーションシステム
４ａ 燃料ガス
２１ａ アノードオフガス
２２ａ カソードオフガス
２４ａ 冷却水
３０ 燃料電池
３１ 冷却水流路
３２ 燃料極
３３ 空気極
３６ アノードオフガス配管
３７ カソードオフガス配管
３８ 燃焼ガス（排ガス）配管
４２ａ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ 回収水
４３ａ 排熱温水
４５、５５、８９ 気液分離器
６１ａ 酸化剤ガス
６３ａ 燃焼ガス
６４ａ 排ガス
７０ 気液接触塔(酸化剤ガス加湿装置)
７１ 貯液部
７２ 酸化剤ガス入口
７３ 回収水入口
７４ 回収水吸引口
７５ 溢流管
７６ 溢流口
７７ 酸化剤ガス出口
７８ 回収水注入口
７９ 水分散器
８０ 充填部
８１ 充填物支持板
８２、１０８、１２５ ポンプ
８３ 燃焼ガス熱交換器
８４ ブロワ
９１ デミスタ
９３ 水処理装置
９４ イオン交換樹脂充填カラム
９５ フィルタ
１１０ 冷却水熱交換器
１１４ 燃料ガス熱交換器
１２０ 貯湯タンク(貯湯装置)
１２２ 制御部
１２４ 第４の温度検知器
１２６ 第５の温度検知器
１２７ 三方電磁弁（第１の分岐部、流路切替手段）
１２８ 第１の配管
１２９ 第２の配管
１３０ 気液接触塔のジャケット（熱交換部）
１３１ バイパス配管
１３６ 回収水補給バルブ
１３７ 分岐管
１３８ 回収水循環配管
１３９ 回収水補給配管
１４０ 燃料ガス加湿装置
１４１ （燃料ガス加湿装置の）ジャケット(熱交換部）
１４２ 燃料ガス導入ノズル
１４３ 燃料ガス分散器
１４４ レベルセンサ
１４６ 回収水補給ノズル
１４７ 燃料ガス出口ノズル
１４８ バブラ容器
１４９ａバブラ保持液（燃料ガス加湿水）
１５０ 触媒燃焼装置
１６１〜１６３ 温度検知器
１７１〜１７５ 流量検知器
Ａ、Ｂ 所定温度差
Ｃ、Ｄ 所定温度
Ｅ （燃料ガス）定格流量
Ｆ 所定電流値
Ｇ 燃料ガス供給量
ｉ１〜ｉ１３ 電気信号
ｍ 所定開路電圧
Ｓ 酸化剤ガス供給量

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池システムの起動方法であって；
   冷却水で冷却しつつ燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する発電工程と；
   前記発電工程により排出される前記燃料ガスのオフガスを導入して燃焼を行う燃焼工程と；
   前記発生した水を回収した回収水を循環して前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿工程と；
   前記燃焼工程により排出された燃焼ガスと、前記循環する回収水との熱交換を行う燃焼ガス熱交換工程と；
   前記回収水を導入して前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿工程と；
   前記導入した回収水と前記循環する回収水との熱交換を行う回収水熱交換工程と；
   前記冷却水を冷却する冷却水冷却工程と；
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスと前記冷却水との熱交換を行う燃料ガス熱交換工程と；
   前記回収水を前記酸化剤ガス加湿工程、前記燃焼ガス熱交換工程、前記回収水熱交換工程、前記酸化剤ガス加湿工程と循環する回収水循環工程と；
   前記冷却水を前記発電工程、前記冷却水冷却工程、前記燃料ガス熱交換工程、前記発電工程と循環する冷却水循環工程と；
   前記燃料ガスの供給量を増大する燃料ガス供給量増大工程と；
   前記発電工程で発電される発電電流を増大する発電電流増大工程と；
   前記循環する回収水の前記燃焼ガス熱交換工程から前記酸化剤ガス加湿工程に至る間の温度若しくは前記燃料ガスの前記燃料ガス加湿工程から前記燃料ガス熱交換工程に至る間の温度若しくは前記酸化剤ガスの前記酸化剤ガス加湿工程から前記燃料ガス熱交換工程に至る間の温度である第１の温度が前記冷却水の前記冷却水冷却工程から前記発電工程に至る間の温度である第２の温度より所定温度差以上に高くなければ、前記発電電流増大工程における発電電流の増大量を減少する発電電流増大量減少工程と；
   前記第１の温度が前記第２の温度より所定温度差以上に低くなければ、前記発電電流増大工程における発電電流の増大量を増加する発電電流増大量増加工程とを備える；
   燃料電池システムの起動方法。
2. 前記第２の温度が所定の温度以上になった後に、前記冷却水冷却工程を開始する；
   請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
3. 前記第２の温度が所定の温度以上になると、発電電流増大量減少工程における前記所定温度差を異なった値とする；
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの起動方法。
4. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
   前記燃料電池から排出される前記燃料ガスのオフガスを導入して燃焼を行う燃焼装置と；
   前記発生した水を回収した回収水の貯液部を有し、前記回収水を循環して前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置と；
   前記燃焼装置から排出された燃焼ガスと、前記循環する回収水との熱交換を行う燃焼ガス熱交換器と；
   前記回収した回収水を導入して前記燃料ガスを加湿し、前記導入した回収水と前記循環する回収水との熱交換を行う熱交換部を有する燃料ガス加湿装置と；
   前記燃料電池を冷却した冷却水を冷却する冷却水冷却器と；
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスと前記冷却水との熱交換を行う燃料ガス熱交換器と；
   前記貯液部から前記燃焼ガス熱交換器、前記燃料ガス加湿装置の熱交換部、前記貯液部に至る前記循環する回収水の回収水循環流路と；
   前記燃料電池から、前記冷却水冷却器、前記燃料ガス熱交換器、前記燃料電池に至る前記冷却水の冷却水循環流路と；
   前記燃焼ガス熱交換器から前記貯液部に至る前記回収水循環流路上若しくは前記燃料ガス加湿装置で加湿された燃料ガスの前記燃料ガス熱交換器に至る流路上若しくは前記酸化剤ガス加湿装置で加湿された酸化剤ガスの前記燃料ガス熱交換器に至る流路上に設置された第１の温度検知器と；
   前記冷却水冷却器から前記燃料電池に至る前記冷却水循環流路上に設置された第２の温度検知器と；
   前記第１の温度検知器で検知された温度と前記第２の温度検知器で検知された温度との温度差と比較される１または２以上の温度差を記憶する記憶部と、
   起動時に、燃料ガス供給量を漸増させ、前記第１の温度検知器で検知された温度が前記第２の温度検知器で検知された温度より前記記憶した温度差の内の所定の温度差以上に高くなければ増大量を減少して発電電流値を増大し、前記第１の温度検知器で検知された温度が前記第２の温度検知器で検知された温度より前記記憶した温度差の内の所定の温度差以上に低くなければ増大量を増加して発電電流値を増大する制御部とを有する制御装置を備える；
   燃料電池システム。
5. 前記冷却水冷却器は、前記冷却水と排熱を回収する排熱温水との排熱温水熱交換器であり；
   前記排熱温水を貯留する貯湯装置とを備える；
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池から前記冷却水冷却器に至る前記冷却水循環流路上に設置された第３の温度検知器を備え；
   前記記憶部において、前記排熱温水と前記冷却水とを熱交換して排熱を貯湯装置に回収し始める所定の第１の冷却水燃料電池入口温度と、前記発電電流値の増大量を増減するための前記第１の温度検知器で検知された温度と前記第２の温度検知器で検知された温度との温度差と比較する所定の温度差の値を変更するときの所定の第２の冷却水燃料電池入口温度と、前記冷却水の循環流量を調整し始める所定の冷却水燃料電池出口温度とを記憶し、
   前記制御部において、前記第２の温度検知器で検知された温度が前記第１の冷却水燃料電池入口温度以上になると、前記冷却水冷却器で冷却水を冷却し始め、あるいは、前記排熱温水と前記冷却水とを熱交換して排熱を貯湯装置に回収し始め、前記第２の温度検知器で検知された温度が前記第２の冷却水燃料電池入口温度以上になると、前記発電電流値の増大量を増減するための前記第１の温度検知器で検知された温度と前記第２の温度検知器で検知された温度との温度差と比較する所定の温度差の値を変更し、前記第３の温度検知器で検知された温度が、前記所定出口温度以上になると、前記冷却水の循環流量を調整し始める；
   請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
   

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