JP3068705B2 - 燃料電池発電装置およびその運転起動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料電池発電装置お
よびこれを外部負荷に接続する前後の運転起動方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の燃料電池発電装置のシス
テム概要を示す図である。同図において、１は水素リッ
チな改質ガスを生成する燃料改質器、２は燃料改質器１
で生成された改質ガスを燃料とする燃料電池、３は燃料
電池２の直流出力を交流に変換する直交変換器（ＤＣ／
ＡＣ変換器）、４は外部負荷、５は負荷４への給電回路
に挿入された開閉器である。

【０００３】ここで、改質器１は燃焼バーナ１ａを装備
の燃焼炉１ｂ内に改質原料の気化器１ｃおよび改質触媒
を充填した改質反応管１ｄを内蔵してなり、気化器１ｃ
に原料ポンプ６を介して改質原料タンク７が接続されて
いる。また、燃料電池２は、周知のように単位セルを多
数積層したセルスタックとして構成されたもので、図で
はこの燃料電池を燃料電極２ａ、空気電極２ｂ、電解質
層２ｃ、燃料ガス室２ｄ、反応空気室２ｅで模式的に表
わしている。上述した改質器１の改質反応管１ｄの出口
と燃料電池２の燃料ガス室２ｄの入口との間には、燃料
ガス供給ライン８が、また燃料電池２の燃料ガス室２ｄ
の出口と改質器１の燃焼バーナ１ａとの間にはオフガス
供給ライン９が接続配管されている。

【０００４】次に動作について説明する。都市ガスやメ
タノール等の改質原料に水蒸気を混入して改質器１に供
給すると、改質原料は改質触媒との触媒反応で水素リッ
チなガスに改質され、燃料ガス供給ライン８を通じて燃
料電池２の燃料ガス室２ｄに供給される。一方、燃料電
池２の反応空気室２ｅには反応空気が供給され、起電反
応により燃料電池２が発電する。燃料電池２で起電反応
に関与しなかった残余の燃料（オフガス）は改質器１の
燃焼バーナ１ａにオフガス供給ライン９を介して還流す
る。この燃焼バーナ１ａで燃焼して得た熱で改質反応を
継続させる。燃料電池２で起電反応によって出力される
直流出力は直交変換器３で交流に変換され、開閉器５を
介して外部負荷４に給電される。

【０００５】ところで、改質器１では改質原料の供給時
点から多少遅れて改質ガス生成が開始し、徐々にその生
成量が増すようになるが、改質ガス生成量が安定した量
に達するまでにはある程度の時間を要する。また、燃料
電池２への燃料供給開始直後は全体の燃料供給量が少な
くてセルスタックの各単位セルに充分供給できないた
め、燃料電池２は燃料供給開始時点から多少遅れて起電
反応により端子電圧が上昇するようになる。この場合
に、外部負荷４を接続しない状態、つまり開回路の状態
では燃料電池２の開回路電圧は燃料供給量の増加と共に
上昇し、ピーク電圧まで一旦上昇した後に、電池内部で
のガス分布の変化、電解質濃度の変化、漏洩電流等によ
りやや降下した電圧に平衡するような開回路電圧特性を
示す。一方、燃料電池２は発電開始後に開回路のまま電
圧の高い状態で長時間放置すると電極触媒としての白金
触媒の溶出、シンタリングが進んで触媒性能が劣化する
ことが知られている。

【０００６】そこで従来、燃料電池２の開回路電圧を検
出し、この開回路電圧のピーク値到達を検出した後に外
部負荷４を燃料電池２に接続して給電を行うことが提案
されている（特開昭６４−６５５号公報参照）。図６
は、その運転起動方法を示すタイムチャートである。時
点ｔ1で改質原料を改質器１に供給開始すると、多少の
遅れ時点ｔ2より改質器１で改質ガスの生成が始まり、
時間経過とともに生成量が増加し、時点ｔ3にて燃料電
池２で発電を開始する。電圧が上昇し、ピーク値ｅ1に
達した後、このピーク値よりも多少降下した電圧ｅ2を
検出した時点ｔ4で外部負荷４への給電を行う。図５に
おいて、１０は電圧計、１１は制御器である。電圧計１
０で燃料電池２の開回路電圧を計測し、その計測値を制
御器１１に入力している。制御器１１では開回路電圧の
計測値の変化が監視され、上述したように電圧ｅ2を検
出した時点ｔ4で開閉器５に投入指令が与えらえる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池発電装
置は以上のように構成されているので、次のような問題
があった。即ち開放電圧まで外部負荷４を接続すること
ができず、直交変換器３の耐電圧を高くとることが必要
となり、直交変換器３の直流入力回路機器に必要以上の
性能を要求する必要があった。また、燃料電池２につい
ても、発電開始時に一度は開放電圧にさらさなければな
らず、劣化を早めることになる。

【０００８】さらに、改質原料の投入量については考慮
されていないが、実際に外部負荷４を接続させる場合に
は必要なガス流量を確保する必要がある。燃料電池２の
開放電圧に対しては、ある一定量のガス量が電池内部に
供給されれば、ガス流量に関係なく一定の開放電圧が生
じる。そのため、外部負荷４に見合う量より少なく改質
原料を投入する場合には、燃料電池２の燃料不足、改質
器１の燃焼バーナ１ａの失火を生じる。

【０００９】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、燃料電池に接続される直交変換
器等に必要以上の性能を要求する必要がなく、しかも燃
料電池を開放電圧にさらすことがない燃料電池発電装置
を提供することを目的とする。また、燃料電池の燃料不
足や燃料改質器の燃焼バーナの失火等を生じることがな
い燃料電池発電装置の運転起動方法を提供することを目
的とする。さらに、燃料改質器に的確に改質原料を投入
できる燃料電池発電装置の運転起動方法を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項第１項の発明に係
る燃料電池発電装置は、燃料改質器と、この燃料改質器
で生成した水素リッチな改質ガスを燃料とする燃料電池
と、この燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する
直交変換器と、外部負荷と上記直交変換器との間に開閉
器を介して設けられ、上記燃料電池に上記外部負荷を接
続するまでの時間で上記燃料電池の電力を消費する電力
消費手段とを備えるものである。

【００１１】請求項第２項の発明に係る燃料電池発電装
置の運転起動方法は、燃料改質器と、この燃料改質器で
生成した水素リッチな改質ガスを燃料とする燃料電池
と、この燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する
直交変換器と、外部負荷と上記直交変換器との間に開閉
器を介して設けられ、上記燃料電池に上記外部負荷を接
続するまでの時間で上記燃料電池の電力を消費する電力
消費手段とを備え、上記改質ガスまたは空気の上記燃料
電池への供給に連動して、上記電力消費手段に印加され
る電圧を徐々に増加し、上記燃料電池の電圧が所定の設
定値まで到達した段階で上記直交変換器から上記電力消
費手段への給電電圧が定格電圧となった後、上記燃料電
池に上記外部負荷を接続するものである。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【作用】請求項第１項の発明においては、燃料電池が外
部負荷に接続される前に電力消費手段が燃料電池の負荷
となり、負荷の投入が開放電圧前に行われる。そのた
め、燃料電池の劣化を抑制でき、また燃料電池に接続さ
れる直交変換器等の耐圧を下げることができる。

【００１５】請求項第２項の発明においては、電力消費
手段に印加される電圧が改質ガスまたは空気の一方の流
量増加に応じて徐々に増加される。そのため、燃料電池
に高負荷が急に接続されるものでなく、燃料電池の燃料
不足や改質器の燃焼バーナの失火を防止できる。

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の一実施例による燃料電池発
電装置のシステム概要を示す図である。図１において、
図５と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明
は省略する。同図において、直交変換器３の出力側には
電力消費手段としての抵抗器２１を接続する。また、直
交変換器３には電圧計１０の計測値を供給する。燃料電
池２と直交変換器３の間に電流計１２を接続し、燃料電
池２の電池電流を計測する。そして、電流計１２で計測
される計測値をコントローラ２４に供給する。

【００１９】２２は改質原料としての都市ガスの流量制
御装置であり、２２ａおよび２２ｂはそれぞれ都市ガス
の供給経路に配した流量計および調節弁である。また、
２３は改質原料であるスチームの流量制御装置であり、
２３ａおよび２３ｂはスチームの供給経路に配した流量
計および調節弁である。流量制御装置２２，２３の動作
をコントローラ２４によって制御する。また、開閉器５
の開閉動作もコントローラ２４によって制御する。本例
は以上のように構成し、その他は図５の例と同様に構成
する。

【００２０】次に動作について説明する。燃料発電装置
としての基本的動作は上述した図５の例と同様であるの
で省略する。以下、図２のタイムチャートを使用して運
転起動方法について説明する。改質器１の昇温が完了
し、改質反応が可能な温度（一般に７００〜８００゜
Ｃ）になった時点ｔ1で、流量制御装置２２，２３によ
って改質原料である都市ガスおよびスチームが改質器１
に導入される（図２Ａ）。

【００２１】改質器１の内部で改質原料は触媒反応によ
り水素を多量に含む改質ガスに改質される。しかし、改
質量は反応の安定および改質原料の導入前の不活性ガス
の影響により、時点ｔ2の時点より緩やかに増加する
（同図Ｂ）。この改質ガスは、時間差をもって時点ｔ3
で燃料電池２に到達し、燃料電池２の電圧が起電反応に
より上昇を始める（同図Ｃ）。改質ガス量の増加ととも
に、燃料電池２の電圧が上昇し、負荷に接続されていな
い場合には開放電圧ｅ2に到達してしまう（同図Ｃの破
線）。

【００２２】本例においては、燃料電池２の電圧上昇時
に所定電圧ｅ1（＜ｅ2）になるとき、電圧計１０からの
計測値に基づいて直交変換器３より抵抗器２１への給電
を開始する（同図Ｄ）。ここで、抵抗器２１への給電電
圧を０から時間 ｔをもって定格電圧Ｖまで上昇させ
る。抵抗器２１への給電電圧が定格電圧Ｖとなった後、
時点ｔ4でコントローラ２４より開閉器５に投入指令を
与えて外部負荷４を燃料電池２に接続する（同図Ｅ）。
なお、外部負荷４を燃料電池２に接続した後は、改質器
１への改質原料の投入量ｆ4をそれ以前の量ｆ2より増加
させる（同図Ａ）。

【００２３】図１の例によれば、直交変換器３の出力側
に抵抗器２１が接続され、燃料電池２の電圧が開放電圧
となる前に直交変換器３より抵抗器２１に給電される。
これにより、負荷の投入が開放電圧となる前に行われる
ため、燃料電池２が開放電圧にさらされることなくその
劣化を抑制でき、また燃料電池２に接続される直交変換
器３の耐圧を下げることができる。また、抵抗器２１へ
の給電電圧を急激に上昇させずに徐々に上昇させている
ので、燃料電池２での水素の消費量は徐々に増加する。
そのため、改質ガス中の水素や燃料電池２の内部でのガ
スの置換が改質原料の導入より短期間のために充分でな
くとも、ｔ₂時より電池電圧がｅ₁に達するまでの時間余
裕があることから燃料電池２で燃料不足になることはな
い。また、燃料電池２で消費されないガスは改質器１の
燃焼バーナ１ａに戻されて改質熱源となるが、燃料電池
２での水素消費量が改質ガスの生成速度に合わせて上昇
することから、燃焼バーナ１ａに燃料不足による失火が
生じることはない。

【００２４】実施例２．次に、図３のタイムチャートを
使用して、運転起動方法の他の例について説明する。改
質原料の初期投入量は、一般には最低負荷運転に必要な
出力に相当するガス量を想定して設定される。これは、
改質原料導入時は燃料電池２が発電していないため基準
値を設定できないからであり、燃料電池２が一定発電状
態になれば電池電流より必要水素量を決定でき、改質原
料の必要投入量を算出できる。図３に示す例において
は、改質原料の供給設定値を、燃料電池２が一定発電状
態になった時点ｔ5で、外部負荷４を燃料電池２に接続
する前に、初期投入量ｆ2から、電池電流フィードバッ
クによる流量ｆ3に切り換えるものである（図３Ａ）。

【００２５】この場合、コントローラ２４により電流計
１２からの計測値に基づいて燃料電池２での水素消費量
は一義的に決定される。また、燃料電池２での水素消費
率は燃料電池２の特性により一般に７５〜８０％であ
り、コントローラ２４では、この比率で割り算して投入
する改質原料の量を算出する。そして、コントローラ２
４は、この量を流量制御装置２２，２３に指令して、フ
ィードバック制御をする。

【００２６】フィードバック制御により、燃料電池２に
特性劣化（一般に経時的に電圧が低下することが知られ
ている）が生じても、過大な原料を投入することなく運
転を行うことができる。また、フィードバック制御に移
行した後の時点ｔ6で開閉器５を閉じて燃料電池２に外
部負荷４を接続することにより。外部負荷４の大小に関
係なく安定した運転が可能となる。つまり、燃料電池２
の燃料不足、改質器１の燃焼バーナ１ａの失火、燃焼バ
ーナ１ａへの過大な燃料の供給を防止できる。なお、そ
の他の運転起動動作は図２に示す例と同様であるため、
説明は省略する。図３Ｂ〜Ｅは、図２Ｂ〜Ｅに対応して
いる。

【００２７】実施例３．次に、図４のタイムチャートを
使用して、運転起動方法のさらに他の例について説明す
る。改質原料の初期投入量において、流量制御装置２
２，２３から燃料電池２までの配管や容器の容積が大き
い場合や、非常に容量の大きな容器がある場合の運転方
法では、一般に改質原料を導入するラインは不活性ガス
で置換されているため、原料を導入しても置換が充分に
行えない。このため、初期の改質原料を導入する際に、
必要な流量ｆ2に対して置換の不充分さを考慮した流量
ｆ1を設定する。そして、改質器１より出力される改質
ガスが充分となった後の時点ｔ4で流量ｆ2に設定する。

【００２８】改質原料の初期投入量をｆ1に設定するこ
とにより、改質原料の置換が早く行われると共に、改質
ガスの量も増加するので、燃料電池２の燃料不足を引き
起こすことなく発電できる。また、一般に改質開始時に
おいては、昇温用の燃焼バーナ１ａを消火していること
から、改質器１の温度は下がる傾向にあり、燃料電池２
のオフガス量が増加しても改質器１が異常な高温になる
ことはない。なお、その他の運転起動動作は図３に示す
例と同様であるため、説明は省略する。図４Ｂ〜Ｅは、
図３Ｂ〜Ｅに対応している。

【００２９】実施例４．上述実施例においては、外部負
荷４に給電するものに直交変換器３を用いたものを示し
たが、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けるものにも同様に適
用することができる。また、抵抗器２１として交流ヒー
タの他に、直流抵抗を使用することもできる。また、改
質原料として都市ガスを用いる例を示しているが、メタ
ノール等の高分子炭化水素を用いてもよい。

【００３０】

【発明の効果】請求項第１項記載の発明によれば、燃料
改質器と、この燃料改質器で生成した水素リッチな改質
ガスを燃料とする燃料電池と、この燃料電池からの直流
電力を交流電力に変換する直交変換器と、外部負荷と上
記直交変換器との間に開閉器を介して設けられ、上記燃
料電池に上記外部負荷を接続するまでの時間で上記燃料
電池の電力を消費する電力消費手段とを備えるので、燃
料電池が外部負荷に接続される前に電力消費手段が燃料
電池の負荷となり、負荷の投入が開放電圧前に行われる
ため、燃料電池の劣化を抑制でき、また燃料電池に接続
される直交変換器等の耐圧を下げることができる。

【００３１】請求項第２項記載の発明によれば、燃料改
質器と、この燃料改質器で生成した水素リッチな改質ガ
スを燃料とする燃料電池と、この燃料電池からの直流電
力を交流電力に変換する直交変換器と、外部負荷と上記
直交変換器との間に開閉器を介して設けられ、上記燃料
電池に上記外部負荷を接続するまでの時間で上記燃料電
池の電力を消費する電力消費手段とを備え、上記改質ガ
スまたは空気の上記燃料電池への供給に連動して、上記
電力消費手段に印加される電圧を徐々に増加し、上記燃
料電池の電圧が所定の設定値まで到達した段階で上記直
交変換器から上記電力消費手段への給電電圧が定格電圧
となった後、上記燃料電池に上記外部負荷を接続するの
で、燃料電池に高負荷が急に接続されることがなく、燃
料電池の燃料不足や改質器の燃焼バーナの失火を防止で
きる。

【００３２】

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による燃料電池発電装置の
システム概要を示す図である。

【図２】この発明の一実施例の運転起動方法を示すタイ
ムチャートである。

【図３】この発明の他の実施例の運転起動方法を示すタ
イムチャートである。

【図４】この発明のさらに他の実施例の運転起動方法を
示すタイムチャートである。

【図５】従来の燃料発電装置のシステム概要を示す図で
ある。

【図６】従来の燃料発電装置の運転起動方法を示すタイ
ムチャートである。

【符号の説明】

１ 燃料改質器 ２ 燃料電池 ３ 直交変換器 ４ 外部負荷 ５ 開閉器 ２１ 抵抗器 ２２，２３ 流量制御装置 ２４ コントローラ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料改質器と、 この燃料改質器で生成した水素リッチな改質ガスを燃料
   とする燃料電池と、 この燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する直交
   変換器と、 外部負荷と上記直交変換器との間に開閉器を介して設け
   られ、上記燃料電池 に上記外部負荷を接続するまでの時
   間で上記燃料電池の電力を消費する電力消費手段とを備
   えることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 燃料改質器と、この燃料改質器で生成し
   た水素リッチな改質ガスを燃料とする燃料電池と、この
   燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する直交変換
   器と、外部負荷と上記直交変換器との間に開閉器を介し
   て設けられ、上記燃料電池に上記外部負荷を接続するま
   での時間で上記燃料電池の電力を消費する電力消費手段
   とを備え、 上記改質ガスまたは空気の上記燃料電池への供給に連動
   して、上記電力消費手段に印加される電圧を徐々に増加
   し、上記燃料電池の電圧が所定の設定値まで到達した段
   階で上記直交変換器から上記電力消費手段への給電電圧
   が定格電圧となった後、上記燃料電池に上記外部負荷を
   接続するようにしたことを特徴とする燃料電池発電装置
   の運転起動方法。