JP2008053039A - 燃料電池発電システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電システムの起動時において、商用電源側の電力エネルギーの損失を抑えるようにした燃料電池発電システムの起動方法を提供する。
【解決手段】補機電源１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１１、リレー１２、主電源スイッチ１３が順に直列に接続され、この主電源スイッチ１３はパワーコンディショナ９における連系リレー９ｃとＥＬＢとの間に接続される。補機用コンバータ１４は、燃料電池８の下流側と、補機電源１０の上流側との間を連結するように接続される。燃料電池発電システムの起動時において、燃料電池８による発電の初期段階でセルブロック電圧が予め設定した電圧値を超え、且つトータル電圧が規定電圧を超えた時に、補機用コンバータ１４を起動する。この補機用コンバータを介して燃料電池８から補機電源１へ給電し、商用電源側から補記電源１への給電を遮断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池発電システムの起動方法に係り、特に起動時における商用電源側の電力エネルギーの損失を減少させるようにした燃料電池発電システムの起動方法に関する。

燃料電池発電システムは、原燃料が例えば天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ等の炭化水素系燃料である場合には、当該炭化水素系燃料を燃料改質装置によって水素主体の改質ガスに改質し、この改質ガスを燃料電池の燃料極に供給すると共に、外部から取り込んだ空気を酸化剤ガスとして燃料電池の空気極に供給し、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより発電を行うものである。

前記燃料改質装置は、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水素主体の改質ガスに改質する改質器と、この改質器から出される改質ガス中に含まれるＣＯをＣＯ_２に変成してＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器から出される変成改質ガスを選択酸化してＣＯ濃度を更に低減（１０ｐｐｍ以下）するＣＯ除去器とを備えているのが一般的である。

燃料電池発電システムの起動時においては、前記燃料改質装置の改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器の各反応器内に収納されている触媒層の温度が低いため、生成された改質ガスの組成は安定しておらず、この改質ガスを燃料電池に供給することはできない。このため、例えば特許文献１では、改質ガスの組成が安定するまでの間は、生成された不安定な組成の改質ガスをＰＧバーナと称するガスバーナに導入して燃焼することが行われている。そして、改質ガスの組成が安定した後に、バルブを切り替えて改質ガスを燃料電池に供給するのである。

又、改質ガスの供給によって発電を開始した燃料電池は、直ちに安定した定常運転状態になるわけではない。燃料電池の温度が低いうちは発電出力が低い。このため、発電開始後に電気負荷を掛け始め、燃料電池を損傷しない範囲内で最大負荷を掛けることにより電流を増大させ、燃料電池を反応熱による自己加熱によって適正な温度まで昇温させ、なるべく短時間のうちに定常運転に移行させるようにしている。
特開２００１−２９１５２５

従来の燃料電池発電システムにおいては、電磁弁やポンプ等の補機類を作動させる補機電源が設けられ、この補機電源には起動時において商用電源側からの配線によって電力が供給される。この配線経路の途中にはＡＣ／ＤＣ変換器が設けられ、このＡＣ／ＤＣ変換器により直流（２４Ｖ）に変換された電力が補機電源に供給され、燃料電池の定常運転後には、商用電源側からの給電は停止されると共に燃料電池で発電された直流電力の一部が補記電源に供給されるように切り替えられる。

上記商用電源側から補機電源への給電は、燃料電池発電システムの起動時から燃料電池の定常運転に移行する迄続行しなければならない。このため、起動時において商用電源側の電力エネルギーの損失が生じるという問題があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、燃料電池発電システムの起動時において商用電源側の電力エネルギーの損失を抑えるようにした燃料電池発電システムの起動方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、燃料改質装置を備えた燃料電池発電システムの起動方法であって、起動時に前記燃料改質装置で改質した改質ガスを燃料電池に供給し、当該燃料電池の初期段階での発電によるトータル電圧が規定電圧を超えた時に、燃料電池に接続された補機用コンバータを介して補機電源に通電すると共に、この補機電源に接続されているＡＣ／ＤＣ変換器を介して商用電源側から補機電源への給電を遮断することを特徴とする。

本発明の請求項２は、請求項１の燃料電池発電システムの起動方法において、前記燃料電池のスタックにおける複数のセルを単位とするセルブロック電圧が予め設定した電圧値を超え、且つ前記トータル電圧が規定電圧を超えた時に前記補機用コンバータを起動することを特徴とする。

本発明の請求項３は、請求項１又は請求項２の燃料電池発電システムの起動方法において、前記燃料電池のトータル電圧が規定電圧より大きい所定電圧を超えた時に、燃料電池に接続されているパワーコンディショナのＤＣ／ＤＣコンバータ及び系統連系インバータを起動することを特徴とする。

上記請求項１の発明によれば、燃料電池発電システムの起動時に、燃料改質装置で改質した改質ガスを燃料電池に供給して発電させ、この燃料電池の初期段階での発電によるトータル電圧が規定電圧を超えた時に、補機用コンバータを作動させて燃料電池側から補機電源に通電すると共に、ＡＣ／ＤＣ変換器を介して商用電源側から補機電源への給電を遮断する。これにより、起動時において燃料電池の比較的早い発電段階で補機電源へ給電して補機電源に対する商用電力の供給を遮断することができ、起動時での商用電源側の電力エネルギーの損失を抑えることができる。

請求項２の発明によれば、燃料電池のセルブロック電圧が予め設定した電圧値を超え、且つ前記トータル電圧が規定電圧を超えた時に前記補機用コンバータを起動するので、燃料電池の初期の発電状態を的確に判断してから補機電源への給電を行うことができる。

請求項３の発明によれば、燃料電池のトータル電圧が規定電圧より大きい所定電圧を超えた時に、燃料電池に接続されているパワーコンディショナのＤＣ／ＤＣコンバータ及び系統連系インバータを起動するので、燃料電池の発電状態がほぼ安定した後に系統への給電に切り替えることができる。

次に、本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法を示す実施形態に付いて、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の起動方法を適用する燃料電池発電システムを示す概略構成図であり、改質器１と、ＣＯ変成器２と、ＣＯ除去器３とを備え、改質器１の底部には加熱用のバーナ４が配設されている。５は脱硫器であり、この脱硫器５で炭化水素系の原燃料を脱硫した後に前記改質器１に導入する。バーナ４は、起動時においては脱硫後の原燃料の一部が供給されて燃焼し、定常運転後は燃料電池８の燃料極から排出されるオフガスが供給されて燃焼する。又、バーナ４には、空気ポンプＡＰ１を介して外部から取り込んだ空気が燃焼用として供給される。

６は水蒸気発生器であり、水タンク７に収納されている水の一部を水ポンプＷＰ１によって供給し、この水と前記バーナ４の燃焼によって生じる高熱の燃焼排ガスとの間で熱交換させることにより水蒸気を発生させ、この水蒸気を原燃料に混入する。これにより、前記脱硫器５で脱硫された原燃料は水蒸気が混入した状態で前記改質器１に導入される。

改質器１で水蒸気改質された水素主体の改質ガスは、第１の熱交換器Ｈ１を通って適温に冷却された後にＣＯ変成器２に導入され、このＣＯ変成器２で変成されることにより改質ガス中のＣＯ濃度が減少される。第１の熱交換器Ｈ１と、前記水タンク７との間には水循環経路が設けられ、水ポンプＷＰ２によって水タンク７内の水の一部を循環させて第１の熱交換器Ｈ１で改質ガスと熱交換させる。

ＣＯ変成器２で変成された改質ガスは、第２の熱交換器Ｈ２を通って適温に冷却された後に、空気ポンプＡＰ２を介して外部から取り込んだ空気と混合してＣＯ除去器３に導入され、このＣＯ除去器３で選択酸化されることにより改質ガス中のＣＯ濃度がほぼ１０ｐｐｍ以下に減少される。第２の熱交換器Ｈ２と、前記水タンク７との間にも水循環経路が設けられ、水ポンプＷＰ３によって水タンク７内の水の一部を循環させて第２の熱交換器Ｈ２で熱交換させる。

このようにして改質された改質ガスは、起動時においては改質器１、ＣＯ変成器２、ＣＯ除去器３の反応器内にそれぞれ収納されている触媒が未だ反応温度まで昇温していないため、改質ガスの組成は安定していない。このため、従来では前記のようにＣＯ除去器３から排出される不安定な改質ガスをＰＧバーナに導いて燃焼していたが、本発明ではＰＧバーナが設けられていない。本発明では、ＣＯ除去器３にヒータ３ａが配設されており、このヒータ３ａで改質ガスを加熱することによりほぼ安定したガス組成に変えて燃料電池８の燃料極に供給する。又、ＣＯ変成器２にもヒータ２ａが配設されている。

前記水タンク７には、空気ポンプＡＰ３を介して外部から取り込んだ空気が水中に導入され、バブリングにより加湿された後に燃料電池８の空気極に供給される。又、水タンク７と燃料電池８の冷却部との間には水循環経路が設けられ、定常運転時には水ポンプＷＰ４によって水タンク７内の水の一部を循環させて燃料電池８を冷却する。この場合、燃料電池８が固体高分子形燃料電池である場合には、定常運転時に適正温度（約８０℃）を保持するように冷却する。

図２は、本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の実施形態における電源回路を示す概略構成図であり、前記燃料電池８にパワーコンディショナ９が接続され、このパワーコンディショナ９は図示しない分電盤（例えば、住宅用分電盤）に接続されている。尚、分電盤は図示しない電力量メータを介して商用電源と接続している。

上記パワーコンディショナ９は、燃料電池８に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ９ａと、このＤＣ／ＤＣコンバータ９ａに接続された系統連系インバータ９ｂを備え、燃料電池８で発電した直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ９ａで昇圧し、系統連系インバータ９ｂにより交流電力に変換し、連系リレー９ｃ及びＥＬＢ（開閉器）を介して分電盤に送電できるようにしてある。そして、分電盤から家庭内の各負荷へ給電される。

１０は補機電源であり、ＡＣ／ＤＣ変換器１１、リレー１２、主電源スイッチ１３が順に直列に接続され、この主電源スイッチ１３は前記パワーコンディショナ９における連系リレー９ｃと前記ＥＬＢとの間に接続されている。これにより、燃料電池発電システムの起動時に、主電源スイッチ１３を投入すると分電盤側から商用電力が流れると共に、前記リレー１２を介してＡＣ／ＤＣ変換器１１に通電され、このＡＣ／ＤＣ変換器１１により直流電力（２４V）に変換されて補機電源１０に給電される。この補機電源１０には、複数の補機類例えば前記空気ポンプＡＰ１〜ＡＰ３、水ポンプＷＰ１〜ＷＰ３、電磁弁等が接続されており、補機電源１０からの給電によってそれぞれ作動させることができる。

１４は補機用コンバータであり、図２のように燃料電池８の下流側と、補機電源１０の上流側との間を連結するように接続されている。そして、燃料電池発電システムの起動時において、燃料電池８による初期段階での発電でトータル電圧が規定電圧以上になった時に、補機用コンバータ１４を介して燃料電池８側から補機電源１０に通電すると共に、前記リレー１２を開き、ＡＣ／ＤＣ変換器１１を介して商用電源側から補機電源１０への給電を遮断することを特徴としている。

１５は余剰電力処理器であり、燃料電池８の定常運転時に燃料電池８からの一部の電力が余剰電力として流れ込み、この余剰電力処理器１５に接続されているＤＣヒータに通電する。ＤＣヒータは図１に示されていないが、例えば貯湯タンク（図略）に送り込む水を加熱するヒータ又は水タンク７内に設けられるヒータ（図略）等である。

次に、本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法について説明する。図３ないし図５は、燃料電池発電システムの起動時におけるフローチャートを示す概略図であり、図３に示すスタートでシステムのメインスイッチを投入すると、図示しない制御装置から運転指令信号が出力され（ステップＳ１）、改質器の昇温開始、燃料電池の昇温開始、ヒータ制御開始、改質系圧力制御開始、給水、排水制御開始等が行われる（ステップＳ２）。これらの開始動作はそれぞれ制御装置の指令信号により行われ、各機器へは前記商用電源側から給電される。

上記の開始段階において、図１に示す原燃料供給側の電磁弁Ｖが開き、原燃料が前記脱硫器５に供給されて脱硫された後に改質器１のバーナ４に供給され、前記空気ポンプＡＰ１からは燃焼用の空気が供給されてバーナ４の点火により燃焼される。この際、燃料ポンプＦＰはオフ状態に保持されている。そして、バーナ４の燃焼ガスによって改質器１の反応器内に収納されている改質触媒層が昇温を開始する。又、ＣＯ変成器２は前記ヒータ２ａにより、ＣＯ除去器３は前記ヒータ３ａによりそれぞれ反応器内に収納されている触媒層がそれぞれ昇温を開始する。これらヒータ２ａ、３ａや電磁弁Ｖ等の作動もそれぞれ制御装置の指令信号により行われ、且つ前記商用電源側からそれぞれ給電される。

ＣＯ変成器２の触媒層温度が１５０℃を超過するのを温度センサ（図略）が検出する（ステップＳ３）と、前記水タンク７から水蒸気発生器６へ給水する水ポンプＷＰ１がＯＮとなる。これにより、当該水ポンプＷＰ１が作動して水蒸気発生器６に少量の水を供給する。

この後、改質器１の触媒層温度が６２０℃を超過すると共に、ＣＯ変成器２の触媒層温度が１６０℃を超過し、且つ水蒸気発生器６が９５℃を超過するのを温度センサが検出する（ステップＳ５）と、燃料ポンプＦＰが作動して脱硫後の原燃料を改質器１に供給し、この原燃料の供給とほぼ同時に水蒸気発生器６から水蒸気が供給され、この水蒸気と原燃料との混合ガスが改質器１に供給されることにより原燃料ガスの改質が開始する（ステップＳ６）。

改質器１で水蒸気改質された改質ガスは、前記第１の熱交換器Ｈ１を経てＣＯ変成器２に導入され、このＣＯ変成器２により変成される。更に、前記空気ポンプＡＰが作動してＣＯ除去器３に空気が供給され、第２の熱交換器Ｈを経てＣＯ除去器３に導入された改質ガスを選択酸化する（ステップＳ７）。

ＣＯ除去器３で選択酸化された改質ガスは燃料電池８の燃料極に供給され、前記空気ポンプＡＰ３が作動して水タンク７に空気が供給されると共に、この水タンク７内でバブリングされて加湿された空気が酸化剤ガスとして燃料電池８の空気極に供給される（ステップＳ８）。

これにより、燃料電池８で発電が開始され、発電開始後に燃料電池８のスタックにおける複数セル(例えば３セル)毎にセルブロック電圧を測定し、且つ燃料電池８のトータル電圧を測定する。そして、セルブロック電圧が１．８Ｖを超え、且つトータル電圧が４３Ｖを超えるかどうかを判定する（ステップＳ９）。この場合、セルブロック電圧１．８Ｖは３セルブロック電圧であって、予め設定した電圧値であり、トータル電圧４３Ｖは規定電圧であって、補機コンバータ１４の最低作動電圧値である。

ステップＳ９でＹＥＳの場合は、前記補機コンバータ１４を起動し（ステップＳ１０）、ＮＯの場合はトータル電圧が４３Ｖを超えるまで待機する。この後、セルブロック電圧が１．８Ｖを超えた状態を維持するかどうかを見て（ステップＳ１１）、ＹＥＳの場合はトータル電圧が５２Ｖを超えるかどうかを判定し（ステップＳ１２）、ＮＯの場合は補機コンバータ１４を停止してステップＳ９に戻る。トータル電圧５２Ｖは所定電圧であって、単セル電圧を０．８Ｖ以下に保持するための電圧であり、規定電圧＜所定電圧の関係になっている。

ステップＳ１２でＹＥＳの場合は、前記補機電源１０へ通電しているＡＣ／ＤＣ変換器１１を停止し（ステップＳ１３）、ＮＯの場合は燃料電池８の発電に異状が発生していることが予想されるため非常停止する。ＡＣ／ＤＣ変換器１１の停止により、商用電源側からＡＣ／ＤＣ変換器１１への交流電力の供給が停止し、燃料電池８で発電した直流電力が補機用コンバータ１４によりＤＣ２４Ｖに変換されて補機電源１０に供給される。このため、起動時において比較的早期の段階で補機電源１０への商用電力の供給を遮断することができ、商用電力エネルギーの損失を抑えることが可能となる。尚、前記パワーコンディショナ９の連系リレー９ｃは開いているので、燃料電池８からパワーコンディショナ９側に直流電力は流れない。

上記ＡＣ／ＤＣ変換器１１が停止した後、連系リレー９ｃを閉じると共に前記ＤＣ／ＤＣコンバータ９ａ及び系統連系インバータ９ｂを起動する（ステップＳ１４）。これにより、燃料電池８で発電した直流電力は、パワーコンディショナ９側にも流れてＤＣ／ＤＣコンバータ９ａで昇圧されると共に、系統連系インバータ９ｂにより交流に変換されて連系リレー９ｃ及びＥＬＢを介して前記分電盤側へ給電される（ステップＳ１５）。

系統への給電開始後、タイマー（図略）により計測して１分待機し（ステップＳ１６）、燃料電池８の発電出力が６．５Ａ程度までアップするのを検出する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７で、燃料電池８の発電出力が６．５Ａ程度までアップするのを検出した後、タイマーにより計測して５分待機し（ステップＳ１８）、負荷上昇を開始して燃料電池８が定格１７Ａまで出力アップするのを検出する（ステップＳ１９）。この場合、燃料電池８が固体高分子形であるため未だ温度が低く（５０〜６０℃程度）、十分な出力を得ることができない。負荷を掛けると燃料電池８が自己発熱により昇温し、温度が６７〜７０℃になると定格電流が得られるようになる。燃料電池８の発電による電気化学反応は発熱反応であり、発電に伴って温度は更に上昇する。定常運転時の電池温度は７０〜８０℃であるため、それ以上に電池温度が上昇しないように前記水ポンプＷＰ４を作動させて水タンク７から燃料電池８の冷却部に冷却水を供給し、これにより冷却して燃料電池８の適正運転温度を保持する。

燃料電池８が所定温度となり、前記燃料改質装置の各反応温度が規定温度になる等の予め設定された起動条件が成立し、燃料電池８の目標出力を確認（ステップＳ２０）したら起動完了とする。この後、燃料電池８は定常運転モードに移行する。

本発明に係る燃料改質装置の起動方法は、燃料電池発電システムに組み込んで使用する燃料改質装置に適用することが可能である。

本発明の起動方法を適用する燃料電池発電システムを示す概略構成図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の実施形態における電源回路を示す概略構成図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の実施形態における起動時のフローチャートの一部である。 図３におけるフローチャートの続き部分である。

符号の説明

１ 改質器
２ ＣＯ変成器
３ ＣＯ除去器
４ バーナ
５ 脱硫器
６ 水蒸気発生器
７ 水タンク
８ 燃料電池
９ パワーコンディショナ
９ａ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ｂ 系統連系インバータ
９ｃ 連系リレー
１０ 補機電源
１１ ＡＣ／ＤＣ変換器
１２ リレー
１３ 主電源スイッチ
１４ 補機用コンバータ

Claims (3)

1. 燃料改質装置を備えた燃料電池発電システムの起動方法であって、起動時に前記燃料改質装置で改質した改質ガスを燃料電池に供給し、当該燃料電池の初期段階での発電によるトータル電圧が規定電圧を超えた時に、燃料電池に接続された補機用コンバータを介して補機電源に通電すると共に、この補機電源に接続されているＡＣ／ＤＣ変換器を介して商用電源側から補機電源への給電を遮断することを特徴とする燃料電池発電システムの起動方法。
2. 前記燃料電池のスタックにおける複数のセルを単位とするセルブロック電圧が予め設定した電圧値を超え、且つ前記トータル電圧が規定電圧を超えた時に前記補機用コンバータを起動することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの起動方法。
3. 前記燃料電池のトータル電圧が規定電圧より大きい所定電圧を超えた時に、燃料電池に接続されているパワーコンディショナのＤＣ／ＤＣコンバータ及び系統連系インバータを起動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システムの起動方法。

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