JP2007207435A - 燃料電池の起動方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定して起動させることができる燃料電池の起動方法及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】改質器とバーナと燃料電池とを備え、燃焼用燃料および燃焼エアをバーナに供給して着火するステップＳ４と、燃焼用燃料および燃焼エアをバーナに供給しつつ、改質器から送出される生成ガスの少なくとも一部をバーナに導くステップＳ５〜Ｓ１２とを有する燃料電池の起動方法及び燃料電池システムである。ステップＳ５〜Ｓ１２は、着火前のバーナの温度が１００℃以下である場合のステップＳ８〜Ｓ１２と、着火前のバーナの温度が１００℃より高い場合は、ステップＳ８〜Ｓ１２よりも空気比が小さくなるように燃焼用燃料および燃焼エアの供給をするステップＳ７、Ｓ９〜Ｓ１２とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の起動方法及びこの起動方法を採用した燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給された水素を含む燃料ガスおよび酸化剤ガスの化学反応により発電するものである。燃料ガスは改質触媒を用いて改質用燃料を改質することにより得ることができるが、この燃焼ガスを安定的に得るためには改質触媒の温度を高温に保つ必要がある。そのため、燃料電池の起動運転時においては燃焼器に燃焼用燃料および燃焼エアを供給して改質器を加熱し、燃料電池が発電を行う定常運転時においては燃料電池から排出されるアノードオフガス（燃料極にて未使用な水素を含んだ改質ガス）および燃焼エアを供給して改質器を加熱している。ここで、燃料電池をできるだけ早期に定常運転させるためには、燃料電池の起動運転時間を短縮するとともに安定して起動させる必要がある。

従来、燃料電池の起動方法及び燃料電池システムとして特許文献１および特許文献２に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された燃料電池の起動方法及び燃料電池システムは、第１工程において燃焼用燃料および燃焼エアを燃焼器に供給して着火し、第２工程において燃焼器に供給する燃焼用燃料を徐々に減少させるとともに、改質器に供給する改質用燃料を徐々に増加させ、改質器から送出される生成ガスを燃焼器に導くものである。この燃料電池の起動方法及び燃料電池システムによれば、改質器から送出される生成ガスを燃焼用燃料として使用できるため、燃料電池の起動運転時間を短縮することができる。

また、特許文献２に記載された燃料電池の起動方法及び燃料電池システムは、第１工程において燃焼用燃料および燃焼エアを燃焼器に供給して着火し、第２工程において改質器の改質触媒温度が上昇するのに伴い改質水の供給を所定量まで増加させるものである。この燃料電池の起動方法及び燃料電池システムによれば、改質触媒に温度むらが生じ難く、燃料ガスの品質が安定し易いため、燃料電池の起動運転時間を短縮することができる。
特開２００１−３５４４０１号公報（第３頁〜第４頁、図１） 特開２００４−１４６０８９号公報（第６頁〜第８頁、図３〜図４）

しかし、上記従来の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムでは、燃料電池を起動させる前の状態が考慮されていないため、安定して起動させることができない場合が起こり得る。すなわち、これらの燃料電池の起動方法及び燃料電池システムでは、燃料電池を停止した直後に再起動させる場合（ホットスタート）には、改質器が高温になっていることから改質水を投入した直後に水蒸気が多量に発生し、この水蒸気が燃焼器に戻って燃焼器の火が消える原因となり得る。また、これらの燃料電池の起動方法及び燃料電池システムでは、燃料電池の通常の起動（コールドスタート）であっても停止直後の再起動（ホットスタート）であっても同じシーケンスを採用しているため、燃焼を維持するための許容空気比の範囲が狭く、ロバスト性の低い燃料電池の起動方法及び燃料電池システムとなっている。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、安定して起動させることができる燃料電池の起動方法及び燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る燃料電池の起動方法の特徴は、改質用燃料および改質水から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池とを備え、前記燃焼器に燃焼用燃料および燃焼エアを供給して着火する第１工程と、前記燃焼器に前記燃焼用燃料および前記燃焼エアを継続して供給するとともに、前記改質器に前記改質水を供給する第２工程とを有し、前記第２工程で前記改質器から導出されたガスが前記燃焼器に導入される燃料電池の起動方法において、前記第２工程は、着火前の前記燃焼器の温度が所定温度以下である場合のコールドスタートルーチンと、着火前の前記燃焼器の温度が所定温度より高い場合は、前記コールドスタートルーチンよりも空気比が小さくなるように前記燃焼用燃料および前記燃焼エアの供給をするホットスタートルーチンと、を有することである。

請求項２に係る燃料電池の起動方法の特徴は、請求項１において、前記コールドスタートルーチンで、前記燃焼用燃料の供給を前記第１工程より減少させるとともに前記燃焼エアの供給を前記第１工程より増加させることである。

請求項３に係る燃料電池の起動方法の特徴は、請求項１または２において、前記第２工程で前記改質器に前記改質用燃料を供給することなく前記改質水を供給することである。

請求項４に係る燃料電池の起動方法の特徴は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記ホットスタートルーチンにおける前記燃焼用燃料の供給は一定量に維持されることである。

請求項５に係る燃料電池システムの特徴は、改質用燃料および改質水から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、前記燃焼器に燃焼用燃料および燃焼エアを供給して着火する第１工程と、前記燃焼器に前記燃焼用燃料および前記燃焼エアを継続して供給するとともに、前記改質器に前記改質水を供給する第２工程とを有し、前記第２工程で前記改質器から導出されたガスを前記燃焼器に導入させる制御手段を備える燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記第２工程で、着火前の前記燃焼器の温度が所定温度以下である場合のコールドスタートルーチンと、着火前の前記燃焼器の温度が所定温度より高い場合は、前記コールドスタートルーチンよりも空気比が小さくなるように前記燃焼用燃料および前記燃焼エアの供給をするホットスタートルーチンと、を実施することである。

請求項６に係る燃料電池システムの特徴は、請求項５において、前記コールドスタートルーチンで、前記燃焼用燃料の供給を前記第１工程より減少させるとともに前記燃焼エアの供給を前記第１工程より増加させることである。

請求項７に係る燃料電池システムの特徴は、請求項５または６において、前記第２工程で前記改質器に前記改質用燃料を供給することなく前記改質水を供給することである。

請求項８に係る燃料電池システムの特徴は、請求項５〜７のいずれか一項において、前記ホットスタートルーチンにおける前記燃焼用燃料の供給は一定量に維持されることである。

請求項１に係る燃料電池の起動方法においては、第１工程において燃焼用燃料および燃焼エアを燃焼器に供給して着火した後、第２工程において着火前の燃焼器の温度により燃焼用燃料および燃焼エアの供給の比率を変えている。すなわち、着火前の燃焼器の温度が所定温度より高い場合、ホットスタートルーチンにおいてコールドスタートルーチンよりも空気比が小さくなるように燃焼用燃料および燃焼エアの供給をしている。これにより、燃料電池を停止した直後に再起動させる場合には、ホットスタートルーチンにおいて十分な燃焼用燃料が供給されているため、改質水が水蒸気となって改質器から送出され燃焼器に戻っても燃焼器の火が消えにくい。また、コールドスタートルーチンとホットスタートルーチンとにおいて異なるシーケンスを採用しているため、燃焼を維持するための許容空気比の範囲を広くすることができる。したがって、この燃料電池の起動方法によれば、燃料電池を安定して起動することができる。

請求項２に係る燃料電池の起動方法においては、着火前の燃焼器の温度が所定温度以下である場合、コールドスタートルーチンにおいて燃焼用燃料の供給を減少させるとともに燃焼エアの供給を増加させるため、燃焼用燃料が燃焼するために十分な燃焼エアが供給され、燃焼排ガス中のＣＯやＮＯｘを低減することができる。

請求項３に係る燃料電池の起動方法においては、第２工程で改質器に改質用燃料を供給することなく改質水を供給しているため、改質器内の触媒にカーボンが付着するのを防止することができる。

請求項４に係る燃料電池の起動方法においては、ホットスタートルーチンにおける燃焼用燃料の供給が一定量に維持されるため、燃焼器の火が消えないための十分な燃焼用燃料が供給される。

請求項５に係る燃料電池システムにおいては、第１工程において燃焼用燃料および燃焼エアを燃焼器に供給して着火した後、第２工程において着火前の燃焼器の温度により燃焼用燃料および燃焼エアの供給の比率を変えている。すなわち、着火前の燃焼器の温度が所定温度より高い場合、ホットスタートルーチンにおいてコールドスタートルーチンよりも空気比が小さくなるように燃焼用燃料および燃焼エアの供給をしている。これにより、燃料電池を停止した直後に再起動させる場合には、ホットスタートルーチンにおいて十分な燃焼用燃料が供給されているため、改質水が水蒸気となって改質器から送出され燃焼器に戻っても燃焼器の火が消えにくい。また、コールドスタートルーチンとホットスタートルーチンとにおいて異なるシーケンスを採用しているため、燃焼を維持するための許容空気比の範囲を広くすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池を安定して起動することができる。

請求項６に係る燃料電池システムにおいては、着火前の燃焼器の温度が所定温度以下である場合、コールドスタートルーチンにおいて燃焼用燃料の供給を減少させるとともに燃焼エアの供給を増加させるため、燃焼用燃料が燃焼するために十分な燃焼エアが供給され、燃焼排ガス中のＣＯやＮＯｘを低減することができる。

請求項７に係る燃料電池システムにおいては、第２工程で改質器に改質用燃料を供給することなく改質水を供給しているため、改質器内の触媒にカーボンが付着するのを防止することができる。

請求項８に係る燃料電池システムにおいては、ホットスタートルーチンにおける燃焼用燃料の供給が一定量に維持されるため、燃焼器の火が消えないための十分な燃焼用燃料が供給される。

本発明に係る燃料電池の起動方法及び燃料電池システムを具体化した実施形態を図面に基づいて以下に説明する。この燃料電池の起動方法及び燃料電池システムでは、図１に示す燃料電池システムを用いている。この燃料電池システムは、改質用燃料および改質水から水素を含む燃料ガスとしての改質ガスを生成する改質器１０と、改質器１０を加熱する燃焼器としてのバーナ２０と、改質ガスと酸化剤ガスとしての空気とによって発電する燃料電池３０と、燃料電池システムを制御する制御装置１とを備えている。

改質器１０は改質部１１、蒸発部１２、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という。）１３、および一酸化炭素選択酸化部（以下、ＣＯ選択酸化部という）１４から構成されている。

改質部１１は、外部から供給された燃料と水蒸気との混合ガスから改質ガスを生成して導出するものである。燃料としては天然ガス、ＬＰＧ、灯油、ガソリン、メタノールなどがあり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。改質部１１内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、燃料供給管４１から導入された改質用燃料と水蒸気供給管５２から導入された水蒸気との混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）はＣＯシフト部１３に導出されるようになっている。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。また、改質部１１には、バーナ２０から噴出す燃焼ガスが直接当たる内壁の内側に温度センサ１１ａが配設されている。この温度センサ１１ａによりバーナ２０の燃焼温度すなわち改質部１１の内壁温度Ｔを検出することができる。温度センサ１１ａの検出結果は、制御装置１に出力されるようになっている。

改質部１１には燃料供給源Ｓf（例えば都市ガス管）に接続された燃料供給管４１が接続されており、燃料供給源Ｓｆから改質用燃料が供給されている。燃料供給管４１には、上流から順番に第１燃料バルブ４２、改質用燃料ポンプ４３、脱硫器４４および第２燃料バルブ４５が設けられている。第１および第２燃料バルブ４２、４５は制御装置１の指令によって燃料供給管４１を開閉するものである。改質用燃料ポンプ４３は燃料供給源Ｓｆから供給される改質用燃料を吸い込み改質部１１に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じて改質用燃料供給量を調整するものである。脱硫器４４は改質用燃料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。これにより、改質用燃料は硫黄分が除去されて改質部１１に供給される。

また、燃料供給管４１の第２燃料バルブ４５と改質部１１との間には蒸発部１２に接続された水蒸気供給管５２が接続され、蒸発部１２から供給された水蒸気が改質用燃料に混合されて改質部１１に供給されている。蒸発部１２には改質水供給源Ｓｗに接続された給水管５１が接続されている。給水管５１には、上流から順番に水ポンプ５３および水バルブ５４が設けられている。水ポンプ５３は改質水供給源Ｓｗから供給される改質水を吸い込み蒸発部１２に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じて改質水供給量を調整するものである。水バルブ５４は制御装置１の指令によって給水管５１を開閉するものである。

蒸発部１２は、改質水を加熱して沸騰させて水蒸気を生成して改質部１１に供給するものである。この蒸発部１２には、給水管５１および水蒸気供給管５２がそれぞれ接続されており、給水管５１から導入された水が蒸発部１２内を流通し加熱されて水蒸気となって水蒸気供給管５２に導出するようになっている。

ＣＯシフト部１３は、改質部１１から供給された改質ガス中の一酸化炭素を低減するもの、すなわち一酸化炭素低減部である。ＣＯシフト部１３には触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系の触媒）が充填されており、改質部１１から導出された改質ガスは触媒を通ってＣＯ選択酸化部１４に導出される。このとき、導入した改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気が触媒により反応して水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。この一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

ＣＯ選択酸化部１４は、ＣＯシフト部１３から供給された改質ガス中の一酸化炭素をさらに低減して燃料電池３０に供給するもの、すなわち一酸化炭素低減部である。このＣＯ選択酸化部１４の内部には触媒（例えば、ＲｕまたはＰｔ系の触媒）が充填されている。また、ＣＯ選択酸化部１４には改質ガス供給管７１が接続され、ＣＯシフト部１３から供給された改質ガスがＣＯ選択酸化部１４内を流通し改質ガス供給管７１から導出するようになっている。

また、ＣＯ選択酸化部１４に供給される改質ガスには、酸化用空気が混合されるようになっている。すなわち、ＣＯ選択酸化部１４には、空気供給源Ｓａに接続された酸化用空気供給管６１が接続されており、空気供給源Ｓａ（例えば大気）から酸化用空気が供給されている。酸化用空気供給管６１には、上流から順番にフィルタ６２、空気ポンプ６３および空気バルブ６４が設けられている。フィルタ６２は空気を濾過するものである。空気ポンプ６３は空気供給源Ｓａから供給される空気を吸い込みＣＯ選択酸化部１４に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じて空気供給量を調整するものである。空気バルブ６４は制御装置１の指令によって酸化用空気供給管６１を開閉するものである。これにより、酸化用空気がＣＯシフト部１３からの改質ガスに混合されてＣＯ選択酸化部１４に供給される。

したがって、ＣＯ選択酸化部１４内に導入された改質ガス中の一酸化炭素は、酸化用空気中の酸素と反応して二酸化炭素になる。この反応は発熱反応であり、触媒によって促進される。これにより、改質ガスは酸化反応によって一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出され、燃料電池３０の燃料極３１に供給されるようになっている。

バーナ２０は、可燃性ガス（燃焼用燃料、改質ガスおよびアノードオフガス）が供給され、その可燃性ガスを燃焼させることにより改質部１１を加熱するものであり、燃焼排ガスは排気管８１を通って排気される。このバーナ２０には、改質用燃料ポンプ４３の上流にて燃料供給管４１から分岐した燃焼用燃料供給管４７が接続されており、燃焼用燃料が供給されるようになっている。燃焼用燃料供給管４７には燃焼用燃料ポンプ４８が設けられている。燃焼用燃料ポンプ４８は、ダイヤフラム式のポンプであり、燃料供給源Ｓｆから供給される燃焼用燃料を吸い込みバーナ２０に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じて燃焼用燃料供給量を調整するものである。

さらにバーナ２０には空気ポンプ６３の上流にて酸化用空気供給管６１から分岐した燃焼エア供給管６５が接続されており、燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスを燃焼させるための燃焼エアが供給されるようになっている。燃焼エア供給管６５には燃焼エアポンプ６６が設けられており、燃焼エアポンプ６６は空気供給源Ｓａから供給される燃焼エアを吸い込みバーナ２０に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じて燃焼エア供給量を調整するものである。バーナ２０が制御装置１の指令によって着火されると、バーナ２０に供給された燃焼用燃料、改質ガスまたはアノードオフガスは燃焼されて高温の燃焼ガスが発生する。

燃料電池３０は燃料極３１および酸化剤極３２を有するセルが多数積層されている。燃料電池３０の燃料極３１の導入口には改質ガス供給管７１を介してＣＯ選択酸化部１４が接続されており、燃料極３１に改質ガスが供給されるようになっている。燃料極３１の導出口にはオフガス供給管７２を介してバーナ２０が接続されており、燃料電池３０から排出されるアノードオフガスをバーナ２０に供給するようになっている。バイパス管７３は燃料電池３０をバイパスして改質ガス供給管７１およびオフガス供給管７２を直結するものである。改質ガス供給管７１にはバイパス管７３との分岐点と燃料電池３０との間に第１改質ガスバルブ７４が設けられている。オフガス供給管７２にはバイパス管７３との合流点と燃料電池３０との間にオフガスバルブ７５が設けられている。バイパス管７３には第２改質ガスバルブ７６が設けられている。第１および第２改質ガスバルブ７４、７６およびオフガスバルブ７５はそれぞれの管を開閉するものであり、制御装置１により制御されている。

また、燃料電池３０の酸化剤極３２の導入口には、空気ポンプ６６の上流にて燃焼エア供給管６５から分岐したカソード用空気供給管６７の先端が接続されており、酸化剤極３２内に酸化剤ガスであるカソード用空気が供給されるようになっている。カソード用空気供給管６７には上流から順にカソード用空気ポンプ６８およびカソード用空気バルブ６９が設けられている。カソード用空気ポンプ６８は空気供給源Ｓａから供給されるカソード用空気を吸い込み燃料電池３０の酸化剤極３２に吐出するものであり、制御装置１の指令に応じてカソード用空気供給量を調整するものである。カソード用空気バルブ６９は制御装置１の指令によってカソード用空気供給管６７を開閉するものである。さらに、燃料電池３０の酸化剤極３２の導出口には、他端が外部に開放されている排気管８２の一端が接続されている。

制御装置１には、温度センサ１１ａ、各ポンプ４３、４８、５３、６３、６６、６８、各バルブ４２、４５、５４、６４、６９、７４、７５、７６、およびバーナ２０が電気的に接続されている。制御装置１により燃料電池システムが制御される。

上記の構成の燃料電池システムの作動について図２〜図４を参照して説明する。図２は起動運転プログラムのフローチャートである。また、図３は起動運転がホットスタートである場合の改質部１１の内壁温度Ｔと燃焼用燃料、燃焼エア、および改質水の供給量を示すタイムチャートである。さらに、図４は起動運転がコールドスタートである場合の改質部１１の内壁温度Ｔと燃焼用燃料、燃焼エア、および改質水の供給量を示すタイムチャートである。制御装置１は、図３および図４に示す時刻ｔ０にて図示しない起動スイッチがオンされると、図２に示す起動運転プログラムの実行を開始する。

ステップＳ１においては、温度センサ１１ａから入力した着火前の改質部１１の内壁温度Ｔすなわちバーナ２０の温度が１００℃より大きいか否かをチェックする。改質部１１の内壁温度Ｔが１００℃より大きい場合（ＹＥＳ）、燃料電池システムを停止した直後の再起動すなわちホットスタートであると判断して、ステップＳ２に進む。また、改質部１１の内壁温度Ｔが１００℃以下である場合（ＮＯ）、通常の燃料電池システムの起動すなわちコールドスタートである判断して、ステップＳ３に進む。

ステップＳ２においては、ホットスタートフラグをＯＮ（１）にし、ホットスタートであることを記憶してステップＳ４に進む。ステップＳ３においては、ホットスタートフラグをＯＦＦ（０）にし、コールドスタートであることを記憶してステップＳ４に進む。

ステップＳ４においては、バーナ２０に着火する。具体的には、燃焼エアポンプ６６を駆動して、空気供給源Ｓａから燃焼エア供給管６５を通って燃焼エアをバーナ２０に供給する。また、燃焼用燃料ポンプ４８を駆動するとともに第１燃料バルブ４２を開いて、燃料供給源Ｓfから燃焼用燃料供給管４７を通って燃焼用燃料をバーナ２０に供給して着火する。また、第２改質ガスバルブ７６を開き、バイパス管７３を介して改質ガス供給管７１とオフガス供給管７２とを直結する。バーナ２０が着火されると、バーナ２０から噴出す燃焼ガスにより改質部１１の温度が上昇する。また、燃焼排ガスは排気管８１を通って排気される。そして、ステップＳ５においては、改質部１１の内壁温度Ｔが３００℃を超えるまで待ち、温度Ｔが３００℃を超えた場合、ステップＳ６に進む。ここで、ステップＳ４およびＳ５が第１工程である。この第１工程は、図３の時刻ｔ０〜ｔ１の間および図４の時刻ｔ０〜ｔ４の間である。

ステップＳ６においては、ホットスタートであるかコールドスタートであるかをチェックする。ホットスタートフラグがＯＮ（１）の場合（ＹＥＳ）、ホットスタートであると判断して、ステップＳ７に進む。また、ホットスタートフラグがＯＦＦ（０）の場合（ＮＯ）、コールドスタートである判断して、ステップＳ８に進む。

ステップＳ７においては、起動運転がホットスタートである場合の処理を行う。すなわち、図３の時刻ｔ１〜ｔ２の間で示すように、燃焼エアポンプ６６を制御して、空気供給源Ｓａから燃焼エア供給管６５を通ってバーナ２０に供給される燃焼エアの供給量を徐々に増加させる。また、燃料供給源Ｓfから燃焼用燃料供給管４７を通ってバーナ２０に供給される燃焼用燃料の供給量は一定に保っておく。これにより、バーナ２０の火が消えないための十分な燃焼用燃料が供給される。なお、図３において、ＧＴ１、ＧＦ１、ＧＡ１、ＧＷ１、ＧＲ１は各々改質部１１の内壁温度Ｔ、燃焼用燃料の供給量、燃焼エアの供給量、改質水の供給量、改質用燃料の供給量を示している。ステップＳ７の実行後、ステップＳ９に進む。

ステップＳ８においては、起動運転がコールドスタートである場合の処理を行う。すなわち、図４の時刻ｔ４〜ｔ５の間で示すように、燃焼エアポンプ６６を制御して、空気供給源Ｓａから燃焼エア供給管６５を通ってバーナ２０に供給される燃焼エアの供給量を徐々に増加させる。また、燃焼用燃料ポンプ４８を制御して、燃料供給源Ｓfから燃焼用燃料供給管４７を通ってバーナ２０に供給される燃焼用燃料の供給量を徐々に減少させる。これにより、燃焼用燃料を完全燃焼させて燃焼排ガス中のＣＯやＮＯｘを低減することができるとともに、改質部１１の内壁温度Ｔをなだらかに上昇させることができる。ここで、ソフトウェアタイマを使用することにより、燃焼エアの供給量を徐々に増加させたり、燃焼用燃料の供給量を徐々に減少させたりすることができる。なお、図４において、ＧＴ２、ＧＦ２、ＧＡ２、ＧＷ２、ＧＲ２は各々改質部１１の内壁温度Ｔ、燃焼用燃料の供給量、燃焼エアの供給量、改質水の供給量、改質用燃料の供給量を示している。ステップＳ８の実行後、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９においては、改質部１１の内壁温度Ｔが４００℃を超えるまで待ち、温度Ｔが４００℃を超えた場合、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０においては、図３（時刻ｔ２）および図４（時刻ｔ５）で示すように、水ポンプ５３を駆動するとともに水バルブ５４を開いて、改質水供給源Ｓｗから給水管５１を通って蒸発部１２に改質水をＶ１ｃｍ^３／分（本実施形態ではＶ１＝３）供給する。この改質水は、蒸発部１２において加熱され水蒸気とされて、水蒸気供給管５２を通って改質部１１に供給される。これにより、改質触媒に温度むらが生じ難く、燃料ガスの品質が安定し易くなる。また、改質部１１に改質用燃料を供給することなく改質水を供給しているため、改質触媒にカーボンが付着するのを防止することができる。ここで、ホットスタートルーチンでは投入された改質水は直ちに水蒸気化するため、改質水の投入と同時に改質用燃料を供給しても問題は生じない。そのため、ホットスタートルーチンではステップＳ１０において改質用燃料を投入してもよい。ステップＳ１０の実行後、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１においては、改質部１１の内壁温度Ｔが６００℃を超えるまで待ち、温度Ｔが６００℃を超えた場合、ステップＳ１２を実行する。ステップＳ１２においては、改質用燃料ポンプ４３を駆動するとともに第２燃料バルブ４５を開いて、燃料供給源Ｓfから燃料供給管４１を通って改質用燃料を改質部１１に供給する。また、水ポンプ５３を制御して改質水供給源Ｓｗから給水管５１を通って蒸発部１２に改質水をＶ２ｃｍ^３／分（本実施形態ではＶ２＝８）供給する。これにより、改質部１１において、改質用燃料と水蒸気との混合ガスが触媒によって反応する水蒸気改質反応が起こり、改質ガスが生成される。この改質ガスは、ＣＯシフト部１３、ＣＯ選択酸化部１４を通過することにより一酸化炭素が低減され、改質器１０から改質ガス供給管７１に導出される。さらに、図３（時刻ｔ３）および図４（時刻ｔ６）に示すように、ソフトウェアタイマを使用して燃焼用燃料ポンプ４８を徐々に停止して、燃料供給源Ｓfからバーナ２０への燃焼用燃料の供給を徐々に停止する。これにより、改質器１０から改質ガス供給管７１、バイパス管７３およびオフガス供給管７２を通ってバーナ２０に供給される改質ガスによりバーナ２０の燃焼が維持されることになる。ここで、ステップＳ６〜Ｓ１２までが第２工程である。また、ステップＳ７、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２がホットスタートルーチンであり、ステップＳ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２がコールドスタートルーチンである。

ステップＳ１２実行後、起動運転プログラムの実行を終了する。なお、起動運転プログラムの実行が終了すると、図示しない定常運転プログラムの実行が開始され、改質ガスが安定する所定時間が経過した後、第１改質バルブ７４、オフガスバルブ７５を開き、第２改質ガスバルブ７６を閉じる。また、カソード用空気ポンプ６８を駆動するとともにカソード用空気バルブ６９を開いて、空気供給源Ｓａからカソード用空気供給管６７を通ってカソード用空気を燃料電池３０の酸化剤極３２に供給する。これにより、燃料電池が発電を開始する定常運転になる。

本実施形態の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムにおいては、ステップＳ４において燃焼用燃料および燃焼エアをバーナ２０に供給して着火した後、ステップＳ７、Ｓ８において着火前の改質部１１の内壁温度Ｔにより燃焼用燃料および燃焼エアの供給の比率を変えている。具体的には、着火前の改質部１１の内壁温度Ｔが１００℃以下である場合、ステップＳ８において燃焼用燃料の供給を減少させるとともに燃焼エアの供給を増加させ、着火前の改質部１１の内壁温度Ｔが１００℃より高い場合、ステップＳ７において燃焼用燃料の供給が一定量に維持されている。すなわち、着火前の改質部１１の内壁温度Ｔが１００℃より高い場合は、１００℃以下である場合よりも空気比が小さくなるように燃焼用燃料および燃焼エアの供給をしている。ここで、空気比とは、燃料が完全燃焼するのに必要な空気の量に対する実際の空気の量をいう。これにより、燃料電池を停止した直後に再起動させる場合には、ステップＳ７において十分な燃焼用燃料が供給されているため、改質水が水蒸気となって改質ガス供給管７１、バイパス管７３、オフガス供給管７２を通ってバーナ２０に進入しても、バーナ２０の火が消え難い。また、ステップＳ７とステップＳ８とにおいて異なるシーケンスを採用しているため、燃焼を維持するための許容空気比の範囲を広くすることができる。したがって、この燃料電池の起動方法及び燃料電池システムによれば、燃料電池を安定して起動することができる。

なお、本発明の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムを実施形態に即して説明したが、本発明はこれらに制限されるものではなく、本発明の技術的思想に反しない限り、適宜変更して適用できることはいうまでもない。

実施形態の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムに係り、燃料電池システムの概要図。 実施形態の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムに係り、起動運転プログラムのフローチャート。 実施形態の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムに係り、起動運転がホットスタートである場合のタイムチャート。 実施形態の燃料電池の起動方法及び燃料電池システムに係り、起動運転がコールドスタートである場合のタイムチャート。

符号の説明

１０…改質器、２０…燃焼器（バーナ）、３０…燃料電池、Ｓ４、Ｓ５…第１工程、Ｓ６〜Ｓ１２…第２工程、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２…ホットスタートルーチン、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１２…コールドスタートルーチン。

Claims (8)

1. 改質用燃料および改質水から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池とを備え、
   前記燃焼器に燃焼用燃料および燃焼エアを供給して着火する第１工程と、前記燃焼器に前記燃焼用燃料および前記燃焼エアを継続して供給するとともに、前記改質器に前記改質水を供給する第２工程とを有し、前記第２工程で前記改質器から導出されたガスが前記燃焼器に導入される燃料電池の起動方法において、
   前記第２工程は、着火前の前記燃焼器の温度が所定温度以下である場合のコールドスタートルーチンと、
   着火前の前記燃焼器の温度が所定温度より高い場合は、前記コールドスタートルーチンよりも空気比が小さくなるように前記燃焼用燃料および前記燃焼エアの供給をするホットスタートルーチンと、を有することを特徴とする燃料電池の起動方法。
2. 請求項１において、前記コールドスタートルーチンで、前記燃焼用燃料の供給を前記第１工程より減少させるとともに前記燃焼エアの供給を前記第１工程より増加させることを特徴とする燃料電池の起動方法。
3. 請求項１または２において、前記第２工程で前記改質器に前記改質用燃料を供給することなく前記改質水を供給することを特徴とする燃料電池の起動方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記ホットスタートルーチンにおける前記燃焼用燃料の供給は一定量に維持されることを特徴とする燃料電池の起動方法。
5. 改質用燃料および改質水から水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、該改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料ガスと酸化剤ガスとによって発電する燃料電池と、
   前記燃焼器に燃焼用燃料および燃焼エアを供給して着火する第１工程と、前記燃焼器に前記燃焼用燃料および前記燃焼エアを継続して供給するとともに、前記改質器に前記改質水を供給する第２工程とを有し、前記第２工程で前記改質器から導出されたガスを前記燃焼器に導入させる制御手段を備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記第２工程で、着火前の前記燃焼器の温度が所定温度以下である場合のコールドスタートルーチンと、
   着火前の前記燃焼器の温度が所定温度より高い場合は、前記コールドスタートルーチンよりも空気比が小さくなるように前記燃焼用燃料および前記燃焼エアの供給をするホットスタートルーチンと、を実施することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５において、前記コールドスタートルーチンで、前記燃焼用燃料の供給を前記第１工程より減少させるとともに前記燃焼エアの供給を前記第１工程より増加させることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項５または６において、前記第２工程で前記改質器に前記改質用燃料を供給することなく前記改質水を供給することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項５〜７のいずれか一項において、前記ホットスタートルーチンにおける前記燃焼用燃料の供給は一定量に維持されることを特徴とする燃料電池システム。

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