JP2008010369A - 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】ＰＧバーナを設けず、発電までの起動時間を短縮して省エネを図り、触媒の劣化の抑制、触媒の寿命の向上を図れる燃料電池システムの起動方法および燃料電池システムの提供。
【解決手段】起動時に燃焼手段２７で所定量の燃料を燃焼して、改質器２０を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、加熱手段５０、５１を動作させて、ＣＯ低減手段３４を低減反応が行える第二の所定の温度に昇温し、ＣＯ低減手段３４が第二の所定の温度になった後に、水供給手段２４により水を改質器２０に供給し、水を供給してから所定時間が経過した後に、燃料供給手段２２により燃料を改質器２０に供給して改質ガスを発生させ、ＣＯ低減手段３４により改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して燃料電池２８に供給し、燃料電池２８から排出される未反応ガスを燃焼手段２７に供給して燃焼させる燃料電池システムＧＳの起動方法により課題を解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの起動方法および燃料電池システムに関するものである。

近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料を原燃料として水素に改質する改質器（ＲＦ）と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成するＣＯ変成器（ＳＨ）と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（ＲＭ）と、一酸化炭素を除去した水素によって発電する燃料電池と、起動時や停止時に各反応器が安定するまで水素を燃焼するプロセスガスバーナとを備え、発電開始後は燃料電池から排出される未反応水素ガスを燃焼して前記改質器の改質反応に必要な熱量を供給する改質器用バーナを備えた小型電源としての燃料電池システムが提案されている。

図１１は、従来の燃料電池システムのフローを示す系統図である（例えば、特許文献１参照）。
従来の燃料電池システムＧＳは、燃料を改質して改質ガスを発生させる改質器（ＲＦ）２０と、改質器２０に燃料を供給するための閉止弁１、閉止弁２、脱硫器２１を連結した燃料供給手段２２と、改質器２０に水を供給するための閉止弁４、気化器２３を連結した水供給手段２４と、燃料供給手段２２の閉止弁１と閉止弁２の間のラインから分岐して閉止弁３、調節弁２５を経て第一の燃料を燃焼装置（バーナ）２７へ供給して燃焼させ改質器２０に熱を供給する第一の燃料供給ライン２６と、燃料電池本体２８での未反応ガスを第二の燃料として燃焼装置２７へ供給して燃焼させ改質器２０に熱を供給する第二の燃料供給ライン２９と、燃焼装置２７での燃焼時の火炎の有無を検知できる炎検知装置３０と、燃焼装置２７で燃料に点火するための点火装置３１と、改質器２０で改質された改質ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を低減するためのＣＯ変成器（ＳＨ）３２およびＣＯ除去器（ＲＭ）３３から成るＣＯ低減手段３４とを備えている。

３８は燃焼手段２７に燃焼用空気を送る燃焼用空気ラインであり、３９は燃料電池本体２８の空気極へ空気を供給する電気化学反応用空気ラインである。
改質ガス供給ライン３５を経て燃料電池本体２８の燃料極へ供給された改質ガスと電気化学反応用空気ライン３９を経て燃料電池本体２８の空気極へ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。

また、従来の燃料電池システムＧＳには、燃料電池本体２８への改質ガス供給ライン３５のＣＯ除去器（ＲＭ）３３と閉止弁５の間のラインから分岐したライン３６の閉止弁６を経て安定した規定値に達していない改質ガスを供給して燃焼させるプロセスガスバーナ（ＰＧバーナ）３７が備えられている。
従来の燃料電池システムＧＳの起動時には、改質器２０、ＣＯ変成器３２、ＣＯ除去器３３を経た改質ガスの組成が燃料電池本体２８の運転に適した安定した規定値に達していないので、それが安定するまでは、このガスを燃料電池本体２８に供給することができない。そこで、各反応器が安定するまでは、ガス組成が規定値に達していないガスをこのＰＧバーナ３７に導いて燃焼させる。
４０はＰＧバーナ３７に燃焼用空気を送る燃焼用空気ラインである。
ＰＧバーナ３７には燃焼時の火炎の有無を検知できる炎検知装置４１と、ＰＧバーナ３７で燃焼させる改質ガスに点火するための点火装置４２が備えられている。

図１２（イ）は、従来の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）２０、ＣＯ変成器（ＳＨ）３２、ＣＯ除去器（ＲＭ）３３の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は閉止弁１〜６の開閉、点火装置３１、４２および炎検知装置３０、４１のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。
図１３は、従来の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。

従来の燃料電池システムＧＳの起動時、点火装置３１を動作させ、閉止弁１、３を開けると、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスが燃料供給手段２２の閉止弁１を経て第一の燃料供給ライン２６の閉止弁３、調節弁２５を経て燃焼装置（バーナ）２７へ供給され、燃焼用空気ライン３８を経て空気が供給されて燃焼する。その燃焼熱により改質器２０は加熱されて温度が上昇する。
炎検知装置３０を動作し、炎が検知されたら点火装置３１を停止させる。そして、改質器２０の温度が改質反応を行える第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に達したら、閉止弁４を開けて水を供給し気化器２３で蒸発させて水蒸気を改質器２０へ供給する。そして水蒸気が改質器２０内へ均一に供給されるように、第一の遅れ時間を持たせてから、燃料供給手段２２の閉止弁２を開けて、燃料ガスを閉止弁１、２を経て脱硫器２１へ供給し、ここで燃料ガスから硫黄成分が除去されて改質器２０へ供給する。

改質器２０における化学反応は吸熱反応であるので、燃焼用空気ライン３８を経て空気を供給して、第一の燃料供給ライン２６からの燃料ガスを燃焼して加熱しながら化学反応を継続させる。
そして改質器２０で燃料ガスが改質されて水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。

この改質器２０を経た改質ガスは、ＣＯ低減手段３４のＣＯ変成器３２に供給され、ここでは改質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３２を経た改質ガスは、ＣＯ低減手段３４のＣＯ除去器３３に供給され、ここではＣＯ変成器３２を経た改質ガス中の未変成の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ（容量）以下に低減される。
ＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３から成るＣＯ低減手段３４で行われる化学反応は発熱反応であるので、発熱反応の熱によりＣＯ変成器３２、ＣＯ除去器３３の温度が上昇する。

しかし、起動時はＣＯ低減手段３４で処理された改質ガスの組成が燃料電池本体２８の運転に適した安定した規定値に達していないので、それが安定するまでは、この改質ガスを燃料電池本体２８に供給することができない。

そこで、各反応器が安定するまでは、閉止弁５を閉めガス組成が規定値に達していない改質ガスをライン３６の閉止弁６を経てＰＧバーナ３７に導いて、燃焼用空気ライン４０を経て空気を導入し、点火装置４２を動作させこの改質ガスをＰＧバーナ３７て燃焼させる。炎検知装置４１を動作し、炎が検知されたら点火装置４２を停止させる。

そしてＣＯ変成器３２、ＣＯ除去器３３の温度が上昇して、ＣＯ変成器３２で改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に充分に変成される第二の所定の温度（Ｔｓｈ）（約１５０℃以上）になり、ＣＯ除去器３３でＣＯ変成器３２を経た改質ガス中の未変成の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ（容量）以下に低減される第二の所定の温度（Ｔｒｍ）（約１００℃以上）になったら、ライン３６の閉止弁６を閉め、改質ガス供給ライン３５の閉止弁５を開けてこの改質ガスを燃料電池本体２８の燃料極へ供給し、電気化学反応用空気ライン３９から空気を燃料電池本体２８の空気極へ供給し、電気化学反応によって発電を行う。炎検知装置４１は停止する。

燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）は、第二の燃料ガスとして第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給して、点火装置３１を動作して点火して燃焼し、その燃焼熱により改質器２０を加熱しながら化学反応を継続させる。
そして第一の燃料供給ライン２６の閉止弁３を閉じて第一の燃料供給ライン２６から燃焼装置２７への第一の燃料ガスの供給を停止する。
炎検知装置３０は動作し続け、炎が検知されたら点火装置３１を停止させる。
特開２００５−１７４７４５

以上のような従来の燃料電池システムＧＳは、ＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３で行われる発熱反応の熱により、これらの反応器の温度を上昇させる構成であるので、これらの反応器が、改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に充分に変成でき、変成されたガス中の未変成の一酸化炭素を充分に低減できる第二の所定の温度に達するまでに長時間を要し、その間、ガス組成が規定値に達していない改質ガスはＰＧバーナ３７て燃焼させる必要があり、発電までの起動時間が例えば約７０分と長くなる問題があった。
また、その間に第一の燃料ガスの消費が大きくなり不経済となる問題やＰＧバーナ３７を備える必要があるためシステムが複雑化する問題もあった。

本発明の第１の目的は、燃料電池システムにＰＧバーナを設けることなく、改質器を改質反応を行える温度に急速に上昇させるとともに、ＣＯ変成器およびＣＯ除去器から成るＣＯ低減手段を加熱して温度を急速に上昇させて、発電までの起動時間を短縮し、そして改質器の加熱に用いる燃料ガスの消費を少なくし、触媒の劣化の抑制、触媒の寿命の向上を図れる燃料電池システムの起動方法であって、それにより省エネルギーを達成するとともに、システムの部品構成を簡素化でき、システムの小型化や低価格化などを可能にできる燃料電池システムの起動方法を提供することであり、
本発明の第２の目的は、そのような起動方法を制御して行うことができる燃料電池システムを提供することである。

前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池システムの起動方法は、燃料を改質して改質ガスを発生させる改質器と、前記改質器に前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減手段と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料を燃焼させて前記改質器に熱を供給する燃焼手段と、前記ＣＯ低減手段を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃焼手段で所定量の前記燃料を燃焼して、前記改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、前記加熱手段を動作させて、前記ＣＯ低減手段を低減反応が行える第二の所定の温度に昇温し、
前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記水供給手段により前記水を前記改質器に供給し、
前記水を供給してから所定時間が経過した後に、前記燃料供給手段により前記燃料を前記改質器に供給して前記改質ガスを発生させ、前記ＣＯ低減手段により前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出される未反応ガスを前記燃焼手段に供給して燃焼させる
ことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の燃料電池システムの起動方法は、請求項１記載の燃料電池システムの起動方法において、前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記燃料の前記燃焼手段への供給を停止するとともに、前記未反応ガスの点火動作を開始することを特徴とする。

本発明の請求項３記載の燃料電池システムの起動方法は、請求項１記載の燃料電池システムの起動方法において、前記燃料電池システムは、火炎温度の時間あたりの温度変化率を測定して火炎の有無を検知する炎検知手段をさらに備え、
前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記未反応ガスの点火動作を開始し、
前記炎検知手段により火炎が有ることを検知した後に、前記燃料の前記燃焼手段への供給を停止することを特徴とする。

本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、燃料を改質して改質ガスを発生させる改質器と、前記改質器に前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減手段と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料を燃焼させて前記改質器に熱を供給する燃焼手段と、前記ＣＯ低減手段を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼手段で所定量の前記燃料を燃焼して、前記改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、前記加熱手段を動作させて、前記ＣＯ低減手段を低減反応が行える第二の所定の温度に昇温し、
前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記水供給手段により前記水を前記改質器に供給し、
前記水を供給してから所定時間が経過した後に、前記燃料供給手段により前記燃料を前記改質器に供給して前記改質ガスを発生させ、前記ＣＯ低減手段により前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出される未反応ガスを前記燃焼手段に供給して燃焼させる制御を行う制御手段を備えることを特徴とする。

本発明の請求項１記載の燃料電池システムの起動方法は、燃料を改質して改質ガスを発生させる改質器と、前記改質器に前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減手段と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料を燃焼させて前記改質器に熱を供給する燃焼手段と、前記ＣＯ低減手段を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃焼手段で所定量の前記燃料を燃焼して、前記改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、前記加熱手段を動作させて、前記ＣＯ低減手段を低減反応が行える第二の所定の温度に昇温し、
前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記水供給手段により前記水を前記改質器に供給し、
前記水を供給してから所定時間が経過した後に、前記燃料供給手段により前記燃料を前記改質器に供給して前記改質ガスを発生させ、前記ＣＯ低減手段により前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出される未反応ガスを前記燃焼手段に供給して燃焼させることを特徴とするものであり、
前記燃焼手段で所定量の前記燃料を燃焼して、前記改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、前記加熱手段を動作させて、低減反応が行える第二の所定の温度に急速に昇温するので、第二の所定の温度に達するまでの時間を短縮でき、そして発電までの起動時間を大幅に短縮できるので、前記燃料の消費を少なくでき、省エネ効果が大きく、触媒の劣化の抑制、触媒の寿命の向上を図ることができるとともに、ＰＧバーナを設ける必要がなくなるので、システムの部品構成を簡素化でき、システムの小型化や低価格化が可能となるという顕著な効果を奏する。

本発明の請求項２記載の燃料電池システムの起動方法は、請求項１記載の燃料電池システムの起動方法において、前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記燃料の前記燃焼手段への供給を停止するとともに、前記未反応ガスの点火動作を開始することを特徴とするものであり、
前記燃料の消費を一層少なくでき、省エネ効果がさらに大きくなるというさらなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項３記載の燃料電池システムの起動方法は、請求項１記載の燃料電池システムの起動方法において、前記燃料電池システムは、火炎温度の時間あたりの温度変化率を測定して火炎の有無を検知する炎検知手段をさらに備え、
前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記未反応ガスの点火動作を開始し、
前記炎検知手段により火炎が有ることを検知した後に、前記燃料の前記燃焼手段への供給を停止することを特徴とするものであり、
失火したかどうかの判断を迅速かつ確実に検知ができ、炎検知手段により炎を検知した後に前記燃料の燃焼手段を停止するので火炎を無くさずに確実に前記未反応ガスに切り替えることができ、安全性および信頼性が高くなるとともに、前記燃料の消費を一層少なくでき、省エネ効果がさらに大きくなる顕著な効果を奏する。

本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムの作動を制御して行う制御手段を備えたので、システムの作動を精度よく確実に行うができ、安全性および信頼性が高いという顕著な効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の燃料電池システムのフローを示す系統図である。
図２（イ）は、本発明の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）２０、ＣＯ変成器（ＳＨ）３２、ＣＯ除去器（ＲＭ）３３の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は、閉止弁１〜６の開閉、点火装置３１および炎検知装置３０のオン／オフ動作および加熱装置５０、５１のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。
図３は、本発明の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。
図１〜３において前記図１１〜１３と同一符号の部分は同一機能をもつ部分である。

本発明の燃料電池システムＧＳには、従来の燃料電池システムＧＳに備えられていたプロセスガスバーナ（ＰＧバーナ）３７がなく、また、このＰＧバーナ３７に付属する燃焼用空気ライン４０、炎検知装置４１、点火装置４２もなく、そしてＣＯ変成器３２を加熱するための加熱装置５０とＣＯ除去器３３を加熱するための加熱装置５１が設けられている以外は図９に示した従来の燃料電池システムＧＳと同様になっている。

本発明の燃料電池システムＧＳの起動時、閉止弁２、４、５は閉めたまま、閉止弁６を開け、加熱装置５０、５１をそれぞれ動作させ、点火装置３１を動作させ、そして閉止弁１、３を開けて天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを第一の燃料として燃料供給手段２２の閉止弁１を経て第一の燃料供給ライン２６の閉止弁３、調節弁２５を経て燃焼装置（バーナ）２７へ供給し、燃焼用空気ライン３８から空気を燃焼装置（バーナ）２７へ供給して燃焼する。
その燃焼熱により改質器２０は加熱されて温度が上昇するとともに、加熱装置５０、５１によりＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３がそれぞれ加熱されて温度が上昇する。
炎検知装置３０を動作し、炎が検知されたら点火装置３１を停止する。開始当初は開けて大気に開放していた閉止弁６を閉め、改質ガス供給ライン３５の閉止弁５を開ける。

改質器２０の温度が改質反応を生じる第一の所定の温度（Ｔｒｆ）（約５００〜６００℃）に達したあと、第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に制御しながら、ＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３から成るＣＯ低減手段３４の温度の上昇を待ち、第二の所定の温度になったら、すなわち、ＣＯ変成器３２で改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に充分に変成される第二の所定の温度（Ｔｓｈ＝Ｔ₂＝約１５０℃以上）になり、ＣＯ除去器３３でＣＯ変成器３２を経たガス中の未変成の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ（容量）以下に低減される第二の所定の温度（Ｔｒｍ＝Ｔ₃ ＝約１００℃以上）になったら、閉止弁４を開けて水を供給し気化器２３で蒸発させて水蒸気を改質器２０へ供給する。
そして水蒸気が改質器２０内へ均一に供給されるように、第一の遅れ時間を持たせてから、燃料供給手段２２の閉止弁２を開けて燃料ガスを閉止弁１、２を経て脱硫器２１へ供給し、ここで燃料ガスから硫黄成分を除去して改質器２０へ供給する。

改質器２０における化学反応は吸熱反応であるので、燃焼用空気ライン３８を経て空気を供給して、第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスを燃焼して加熱しながら化学反応を継続させる。
そして改質器２０で燃料ガスが改質されて水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成され、そして、ＣＯ低減手段３４で充分ＣＯ低減された改質ガスを燃料電池本体２８の燃料極へ供給し、電気化学反応用空気ライン３９から空気を燃料電池本体２８の空気極へ供給し、電気化学反応によって発電を行う。

燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）は第２の燃料として第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給されて燃焼され、改質器２０を加熱しながら化学反応を継続させる。
炎検知装置３０で炎が検知されることを確認して閉止弁３を閉め第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスの供給を停止する。

ＣＯ変成器３２、ＣＯ除去器３３で行われる化学反応は発熱反応であるので、発熱反応の熱によりＣＯ変成器３２、ＣＯ除去器３３の温度は上昇し維持されるので、加熱装置５０、５１によるＣＯ変成器３２、ＣＯ除去器３３の加熱を停止する。

以上のように、本発明の燃料電池システムＧＳは、ＰＧバーナを設けることなく、起動シーケンスにより構成の簡略化を行った。
すなわち改質器２０に燃焼用空気ライン３８を経て空気を供給し、第一の燃料供給ライン２６から第一の燃料ガスを供給して燃焼して改質器２０を加熱するとともに、加熱装置５０、５１によりＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３から成るＣＯ低減手段３４を加熱して温度を急速に上昇させる。

そして、改質器２０の温度が改質反応を生じる第一の所定の温度（Ｔｒｆ）（約５００〜６００℃）に達したあと、第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に制御しながら、ＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３から成るＣＯ低減手段３４の温度の上昇を待ち、第二の所定の温度になったら、すなわち、ＣＯ変成器３２で改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に充分に変成される第二の所定の温度（Ｔｓｈ＝Ｔ₂ ＝約１５０℃以上）になり、ＣＯ除去器３３でＣＯ変成器３２を経たガス中の未変成の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ（容量）以下に低減される第二の所定の温度（Ｔｒｍ＝Ｔ₃ ＝約１００℃以上）になったら、水蒸気および硫黄成分を除去した燃料ガスの改質器２０への供給を開始して、そしてＣＯ低減手段３４で充分ＣＯ低減された改質ガスを燃料電池本体２８へ供給して発電するようにしたので、発電までの起動時間を大幅に短縮することができ、また、燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）を第２の燃料として第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給して燃焼し、炎検知装置３０で炎が検知されることを確認したら閉止弁３を閉め第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスの供給を停止するようにしたので、そのため第一の燃料ガスの消費を少なくすることができるとともに、触媒の劣化の抑制、触媒の寿命の向上を図ることができる。

従来の燃料電池システムＧＳは発電までの起動時間が約７０分と長かったが、本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法によれば、発電までの起動時間を約４０分と短縮することができ、起動時の燃焼装置２７への第一の燃料ガスの投入時間が短くなるので、第一の燃料ガスの消費量を削減できる。
本発明の燃料電池システムＧＳは、システムの作動を制御して行う図示しない制御手段を備えており、この制御手段によりシステムの作動を精度よく確実に行うができるので、安全性および信頼性が高くなる。

（第２の実施の形態）
図４（イ）は、図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第２の実施の形態における起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）２０、ＣＯ変成器（ＳＨ）３２、ＣＯ除去器（ＲＭ）３３の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は、閉止弁１〜６の開閉、点火装置３１および炎検知装置３０のオン／オフ動作および加熱装置５０、５１のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。
図５は、図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第２の実施の形態における起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。
図４〜５において、図１〜３および図１１〜１３と同一符号の部分は同一機能をもつ部分であるので、説明を省略する。

本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第２の実施の形態は、ＣＯ低減手段３４が第二の所定の温度になった時（Ｔｓｈ＝Ｔ₂ ＝約１５０℃以上、Ｔｒｍ＝Ｔ₃ ＝約１００℃以上）、閉止弁３を閉めて第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスの燃焼装置２７への供給を停止するとともに、燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）を第２の燃料として第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給して、点火装置３１を動作して点火して燃焼し、改質器２０を加熱しながら化学反応を継続させる以外は図１〜３に示した本発明の燃料電池システムＧＳおよび起動方法と同様になっている。
このように構成することにより、第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスの消費量を一層少なくでき、省エネ効果がさらに大きくなる。

（第３の実施の形態）
図６（イ）は、図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第３の実施の形態における起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）２０、ＣＯ変成器（ＳＨ）３２、ＣＯ除去器（ＲＭ）３３の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は、閉止弁１〜６の開閉、点火装置３１および炎検知装置３０のオン／オフ動作および加熱装置５０、５１のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。
図７は、図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第３の実施の形態における起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。
図６〜７において、図１〜５および図１１〜１３と同一符号の部分は同一機能をもつ部分であるので、説明を省略する。

本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第３の実施の形態は、ＣＯ低減手段３４が第二の所定の温度になった時、燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）を第２の燃料として第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給して、点火装置３１を動作して点火して燃焼し、炎検知装置３０で炎を検知した後に、閉止弁３を閉めて第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスの燃焼装置２７への供給を停止する以外は図１〜３に示した本発明の燃料電池システムＧＳおよび起動方法と同様になっている。
第一の燃料ガスの消費を一層少なくでき、省エネ効果がさらに大きくなるとともに、炎検知装置３０により炎を検知した後に第一の燃料を停止するので、確実に第二の燃料の燃焼に切り替えることができる。

（第４の実施の形態）
図８（イ）は、起動時の火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフであり、（ロ）は、起動時の閉止弁１、３の開閉、点火装置３１および炎検知装置３０のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。
図８において、図１〜７および図１１〜１３と同一符号の部分は同一機能をもつ部分であるので、説明を省略する。
炎検知装置３０に、火炎温度の時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）を測定する機能を具備させ、変化率（ΔＴ／Δｔ）（例えば、ΔＴ＝２００℃、Δｔ＝５ｓｅｃの場合、ΔＴ／Δｔ＝２００／５＝２０）により炎検知を行い、炎検知を検知してから点火装置３１の動作を停止するようにした以外は図１〜７に示した本発明の燃料電池システムＧＳおよび起動方法と同様になっている。

温度を閾値とした場合（例えば、閾値を４００℃とした場合）、失火した時に失火と判断するまでに時間を要し、燃料生ガスを放出することになり不安全となる。
温度を閾値とした場合の失火と判断するまでの時間を短縮するために、火炎温度を閾値との差を小さくすると失火の検出は早くなるが、燃料ガスや燃焼用空気の流量などの変動により火炎温度が変動し、失火と誤認してしまい検出ミスを起こす可能性がある。
それに対して時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）により炎検知を行うと、失火したかどうかの判断を迅速かつ確実に検知ができるので安全性および信頼性が高くなる。

（第５の実施の形態）
図９（イ）は、第一の燃料から第二の燃料への切り替え時における火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフであり、（ロ）は、起動時の閉止弁１〜６の開閉、点火装置３１および炎検知装置３０のオン／オフ動作と、加熱装置５０、５１のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。
図９において、図１〜８および図１１〜１３と同一符号の部分は同一機能をもつ部分であるので、説明を省略する。
起動時、開閉弁１、３を開けて図示しない第一の燃料供給ライン２６から第一の燃料ガスを図示しない燃焼装置２７に供給して、点火装置３１を作動して点火して燃焼して改質器２０を加熱する。炎検知装置３０を作動して炎を検知する。炎を検知したらし点火装置３１を停止する。起動時、加熱装置５０、５１により図示しないＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３から成るＣＯ低減手段３４を加熱して温度を急速に上昇させる。そして、図示しない改質ガス供給ライン３５の開閉弁５を開け、一方、開閉弁６を閉める。

そして、図示しない改質器２０の温度が改質反応を生じる第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に達したあと、第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に制御しながら、ＣＯ低減手段３４の温度の上昇を待ち、第二の所定の温度になったら、開閉弁４を開け水蒸気の改質器２０への供給を開始し、第一の遅れ時間後、開閉弁２を開けて硫黄成分を除去した燃料ガスを改質器２０へ供給して改質し、改質ガスをＣＯ低減手段３４により充分ＣＯ低減し、充分ＣＯ低減された改質ガスを燃料電池本体２８へ供給して発電する。そして開閉弁３を閉めて図示しない第一の燃料供給ライン２６からの第一の燃料ガスの供給を停止する。

図示しない燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）を第２の燃料として第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給して燃焼する。
第１の燃料から第２の燃料に切り替える際、点火装置３１を作動させ、炎検知装置３０を一旦短時間停止し、炎検知装置３０を再度作動させて、時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）により炎検知を行う。
温度を閾値とした場合、失火した時に失火と判断するまでに時間を要し、燃料生ガスを放出することになり不安全となる。
温度を閾値とした場合の失火と判断するまでの時間を短縮するために、火炎温度を閾値との差を小さくすると失火の検出は早くなるが、燃料ガスや燃焼用空気の流量などの変動により火炎温度が変動し、失火と誤認してしまい検出ミスを起こす可能性がある。
それに対して時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）により炎検知を行うと、失火したかどうかの判断を迅速かつ確実に検知ができるので安全性および信頼性が高くなる。

（第６の実施の形態）
図１０（イ）は、第一の燃料から第二の燃料への切り替え時における火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフであり、（ロ）は、起動時の閉止弁１〜６の開閉、点火装置３１および炎検知装置３０のオン／オフ動作と、加熱装置５０、５１のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ハ）は失火止した際の火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフである。
図１０において、図１〜９および図１１〜１３と同一符号の部分は同一機能をもつ部分であるので、説明を省略する。
起動時、開閉弁１、３を開けて図示しない第一の燃料供給ライン２６から第一の燃料ガスを図示しない燃焼装置２７に供給して、点火装置３１を作動して点火して燃焼して改質器２０を加熱する。炎検知装置３０を作動して炎を検知する。炎を検知したら点火装置３１を停止する。起動時、加熱装置５０、５１により図示しないＣＯ変成器３２およびＣＯ除去器３３から成るＣＯ低減手段３４を加熱して温度を急速に上昇させる。そして、図示しない改質ガス供給ライン３５の開閉弁５を開け、一方、開閉弁６を閉める。

そして、図示しない改質器２０の温度が改質反応を生じる第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に達したあと、第一の所定の温度（Ｔｒｆ）に制御しながら、ＣＯ低減手段３４の温度の上昇を待ち、第二の所定の温度になったら、開閉弁４を開け水蒸気の改質器２０への供給を開始し、第一の遅れ時間後、開閉弁２を開けて硫黄成分を除去した燃料ガスを改質器２０へ供給して改質し、改質ガスをＣＯ低減手段３４により充分ＣＯ低減し、充分ＣＯ低減された改質ガスを燃料電池本体２８へ供給して発電する。
そして開閉弁３を開けたまま図示しない燃料電池本体２８の燃料極から排出される未反応水素（オフガス）を第２の燃料として第２の燃料供給ライン２９を経て燃焼装置２７へ供給して燃焼する。そして時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）により炎検知を行う。

温度を閾値とした場合、失火した時に失火と判断するまでに時間を要し、燃料生ガスを放出することになり不安全となる。
温度を閾値とした場合の失火と判断するまでの時間を短縮するために、火炎温度を閾値との差を小さくすると失火の検出は早くなるが、燃料ガスや燃焼用空気の流量などの変動により火炎温度が変動し、失火と誤認してしまい検出ミスを起こす可能性がある。
それに対して時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）により炎検知を行うと、失火したかどうかの判断を迅速かつ確実に検知ができるので安全性および信頼性が高くなる。
万一失火した場合においても、図１０（ハ）に示したように、時間（Δｔ）による温度（ΔＴ）の変化率（ΔＴ／Δｔ）により炎検知を行うと、失火の判断を迅速かつ確実に検知ができる。

なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の燃料電池システムの起動方法によれば、燃焼手段で所定量の燃料を燃焼して、改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、加熱手段を動作させて、低減反応が行える第二の所定の温度に急速に昇温するので、第二の所定の温度に達するまでの時間を短縮でき、そして発電までの起動時間を大幅に短縮できるので、燃料の消費を少なくでき、省エネ効果が大きく、触媒の劣化の抑制、触媒の寿命の向上を図ることができるとともに、ＰＧバーナを設ける必要がなくなるので、システムの部品構成を簡素化でき、システムの小型化や低価格化が可能となるという顕著な効果を奏するものであり、本発明の燃料電池システムは前記燃料電池システムの作動を制御して行う制御手段を備えたので、システムの作動を精度よく確実に行うができ、安全性および信頼性が高いという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。

本発明の燃料電池システムのフローを示す系統図である。 （イ）は、本発明の燃料電池システムＧＳの第１の実施の形態における起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）、ＣＯ変成器（ＳＨ）、ＣＯ除去器（ＲＭ）の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は、閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作および加熱装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。 本発明の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。 （イ）は、図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第２の実施の形態における起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）、ＣＯ変成器（ＳＨ）、ＣＯ除去器（ＲＭ）の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は、閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作および加熱装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。 図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第２の実施の形態における起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。 （イ）は、図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第３の実施の形態における起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）、ＣＯ変成器（ＳＨ）、ＣＯ除去器（ＲＭ）の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は、閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作および加熱装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。 図１に示した本発明の燃料電池システムＧＳの起動方法の第３の実施の形態における起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。 （イ）は、起動時の火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフであり、（ロ）は、起動時の閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。 （イ）は、第一の燃料から第二の燃料への切り替え時における火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフであり、（ロ）は、起動時の閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作と、加熱装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。 （イ）は、第一の燃料から第二の燃料への切り替え時における火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフであり、（ロ）は、起動時の閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作と、加熱装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ハ）は失火止した際の火炎温度（縦軸）と時間の関係を示すグラフである。 従来の燃料電池システムのフローを示す系統図である。 （イ）は、従来の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでの改質器（ＲＦ）、ＣＯ変成器（ＳＨ）、ＣＯ除去器（ＲＭ）の器内温度（℃）（グラフ中にそれぞれＲＦ温度、ＳＨ温度、ＲＭ温度と記載されている）（左側の縦軸）および燃料電池本体の出力（ｗ）（右側の縦軸）と、時間（横軸）との関係を示すグラフであり、（ロ）は閉止弁の開閉、点火装置および炎検知装置のオン／オフ動作と、時間（横軸）との関係を示すグラフである。 従来の燃料電池システムＧＳの起動時から安定して発電するまでのフローチャートである。

符号の説明

１〜６ 閉止弁
２０ 改質器
２１ 脱硫器
２２ 燃料供給手段
２３ 気化器
２４ 水供給手段
２５ 調節弁
２６ 第一の燃料供給ライン
２７ 燃焼装置（バーナ）
２８ 燃料電池本体
２９ 第二の燃料供給ライン
３０、４１ 炎検知装置
３１、４２ 点火装置
３２ ＣＯ変成器（ＳＨ）
３３ ＣＯ除去器（ＲＭ）
３４ ＣＯ低減手段
３５ 改質ガス供給ライン
３６ ライン
３７ プロセスガスバーナ（ＰＧバーナ）
３８ 燃焼用空気ライン
３９ 電気化学反応用空気ライン
４０ 燃焼用空気ライン

Claims (4)

1. 燃料を改質して改質ガスを発生させる改質器と、前記改質器に前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減手段と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料を燃焼させて前記改質器に熱を供給する燃焼手段と、前記ＣＯ低減手段を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃焼手段で所定量の前記燃料を燃焼して、前記改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、前記加熱手段を動作させて、前記ＣＯ低減手段を低減反応が行える第二の所定の温度に昇温し、
   前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記水供給手段により前記水を前記改質器に供給し、
   前記水を供給してから所定時間が経過した後に、前記燃料供給手段により前記燃料を前記改質器に供給して前記改質ガスを発生させ、前記ＣＯ低減手段により前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出される未反応ガスを前記燃焼手段に供給して燃焼させる
   ことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
2. 前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記燃料の前記燃焼手段への供給を停止するとともに、前記未反応ガスの点火動作を開始することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
3. 前記燃料電池システムは、火炎温度の時間あたりの温度変化率を測定して火炎の有無を検知する炎検知手段をさらに備え、
   前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記未反応ガスの点火動作を開始し、
   前記炎検知手段により火炎が有ることを検知した後に、前記燃料の前記燃焼手段への供給を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
4. 燃料を改質して改質ガスを発生させる改質器と、前記改質器に前記燃料を供給する燃料供給手段と、前記改質器に水を供給する水供給手段と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ低減手段と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料を燃焼させて前記改質器に熱を供給する燃焼手段と、前記ＣＯ低減手段を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃焼手段で所定量の前記燃料を燃焼して、前記改質器を改質反応が行える第一の所定の温度に制御するとともに、前記加熱手段を動作させて、前記ＣＯ低減手段を低減反応が行える第二の所定の温度に昇温し、
   前記ＣＯ低減手段が第二の所定の温度になった後に、前記水供給手段により前記水を前記改質器に供給し、
   前記水を供給してから所定時間が経過した後に、前記燃料供給手段により前記燃料を前記改質器に供給して前記改質ガスを発生させ、前記ＣＯ低減手段により前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を低減して前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出される未反応ガスを前記燃焼手段に供給して燃焼させる制御を行う制御手段を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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