JP3996834B2 - 燃料電池式発電システムとその起動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系ガスと水とから高濃度の水素ガスを生成し、これを燃料として発電を行う燃料電池式発電システムに関するものである。特に、燃料電池式発電システムの起動時に改質器へ炭化水素系ガスと水を供給し始める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料となる水素ガスと空気中の酸素を化学反応させて電気を取り出す。燃料電池が燃料とする水素ガスは、改質触媒を利用して炭化水素系ガスと水を化学反応させて改質することで得られる。改質反応を安定的に得るためには、改質触媒の種類によって多少の変動はあるものの、改質触媒の温度を約６００℃から８００℃前後の高温に保つ必要がある。改質反応は吸熱反応であるので、改質触媒を昇温して高温に保持するために燃焼器が設けられており、燃焼器で発生した燃焼熱によって改質器が昇温されて高温に保持される。
【０００３】
改質触媒の温度が約６００℃から８００℃前後の適温に達するまでの間に改質されて生成された水素ガスは、副生成物である一酸化炭素や二酸化炭素を多く含む。一酸化炭素は燃料電池の電極を劣化させるために、燃料電池に供給されないようにする必要がある。通常は、改質されて生成された高濃度水素ガスから一酸化炭素を除去する装置を用い、その除去装置で一酸化炭素が除去された水素ガスを燃料電池に供給するが、生成された水素ガスに含まれる一酸化炭素が多すぎると一酸化炭素を除去しきれない。そこで、一定量以上の一酸化炭素を含む水素ガスは燃料電池に供給しないで、燃焼器に供給して燃料として使用されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、改質触媒の温度が適温で安定するまでの間に生成されたガスは、一酸化炭素等の副生成物を多く含むだけでなく、副生成物の含有量や組成が不安定であったり、また、一時的に大量のガスが供給されたりするために、たとえ燃焼器に供給しても、最適な燃焼条件を維持することが困難であった。組成や供給量が不安定な高濃度水素ガスを燃焼器に供給して燃料として使用した場合には、酸素不足に起因して不完全燃焼を引き起こしやすく、最悪の場合には燃焼器が失火する可能性も有していた。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、改質器から生成される高濃度水素ガスが、改質の開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成されることを可能とし、これによって、改質器で生成した高濃度水素ガスを生成の初期段階から燃料電池に供給して発電を行うことが可能な、燃料電池式発電システムとその起動方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
請求項１の発明は、炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、水供給装置とガス供給装置の運転を制御する材料供給制御装置とから構成されている。
材料供給制御装置は、燃焼器によって改質器が昇温されているときに、改質器の昇温に追従して水供給装置の水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持する。また改質器が所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる。
必要水量は、ガス供給装置が供給する炭化水素ガスと水供給装置が供給する水が改質器で化学反応して安定した組成の高濃度水素ガスを発電に必要な量だけ発生する水量である。所定温度は、水供給装置が改質器に必要水量の水を供給するとともにガス供給装置が改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度である。
【０００６】
本発明のシステムでは、改質触媒の温度が適温にまで昇温した時に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。このために、改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。
また改質器に水を供給しながら改質器を昇温していくために、改質触媒に温度むらが生じにくく、炭化水素系ガスの供給開始直後から安定した高濃度水素ガスを得ることができる。しかも水供給装置の運転開始時には少量の水を供給し始めるために加熱開始直後で十分に加熱されていない改質器の中で水（少量の水が加熱されるので水蒸気となっている）が結露して水蒸気通路を閉塞させることがない。改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以後は必要水量に維持するために、改質器の中で水が結露しない範囲内で水量を増大させることができ、必要な水量を供給している状態で改質器を適温に昇温させることができる。必要な水量が供給された状態で適温に昇温された改質器に炭化水素系ガスが供給され始めることから、改質の開始直後から副生成物の少ない水素ガスが得られる。
この場合、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができる。
【０００７】
供給水量を徐々に増大させるのに代えて、燃焼器によって改質器が昇温されているときに、改質器が所定温度未満であるうちは少量の水を供給し、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。前記所定温度は、水供給装置が改質器に供給する水の供給量を増大させるとともにガス供給装置が改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度である。
この場合にも、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができ、温度むらのない改質器に炭化水素系ガスを供給し始めることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、燃料電池式発電システムの起動方法であり、以下の工程を備えている。即ち、改質器と、燃焼器と、燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムを起動させる際に、前記燃焼器を点火して改質器を昇温させる工程と、燃焼器によって改質器を昇温させているときに、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持するという規則にしたがって改質器に水を供給する工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを備えている。
【００１３】
本起動方法によれば、改質触媒の温度が適温にまで昇温した時に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。これによると、改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。
また改質器に水を供給しながら改質器を昇温していくために、改質触媒に温度むらが生じにくく、炭化水素系ガスの供給開始直後から安定した高濃度水素ガスを得ることができる。しかも水供給装置の運転開始時には少量の水を供給し始めるために加熱開始直後で十分に加熱されていない改質器の中で水（少量の水が加熱されるので水蒸気となっている）が結露して水蒸気通路を閉塞させることがない。改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以後は必要水量に維持するために、改質器の中で水が結露しない範囲内で水量を増大させることができ、必要な水量を供給している状態で改質器を適温に昇温させることができる。必要な水量が供給された状態で適温に昇温された改質器に炭化水素系ガスが供給され始めることから、改質の開始直後から副生成物の少ない水素ガスが得られる。
本起動方法によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができる。
【００１４】
供給水量を徐々に増大させるのに代えて、前記燃焼器によって前記改質器を昇温させているときに、改質器が所定温度未満であるうちは少量の水を供給し、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この場合にも、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができ、温度むらのない改質器に炭化水素系ガスを供給し始めることができる。
【００１５】
改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に改質器に水を供給し始め、改質器の温度が一旦下降して再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この起動方法によれば、改質器を所定温度に昇温させてから後に水と炭化水素系ガスを供給し始める工程が設けられているので、改質開始直後から品質の安定した高濃度水素ガスが生成される。この起動方法によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることが極力抑制される。
【００１６】
改質器に水が供給され始めた時の改質器の温度低下が小さい場合には、改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に水と炭化水素系ガスを同時に供給し始めることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に説明する実施例の主要な特徴を次に列記する。
（形態１）燃料電池式発電システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素を発生させる改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、水供給装置と、ガス供給装置と、材料供給制御装置から構成されている。
（形態２）形態１の燃焼器は、改質器に供給する炭化水素系ガスと同じ種類のガスを燃焼させて改質器を加熱する。
（形態３）弁制御装置は、弁の開閉量を計算して指令する演算部と、温度センサの出力を受け取って演算部が読みとり可能な温度データに変換して転送する入力部と、制御部から構成される。
（形態４）弁制御装置は、弁の開閉量を計算して指令する演算部と、タイマーが測定する時間を受け取って演算部が読みとり可能な時間データに変換して転送する入力部と、制御部から構成される。
【００１８】
【実施例】
以下に、本発明の燃料電池式発電システムの実施例を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（第一実施例）
図１は、本発明の第一実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。本実施例の燃料電池式発電システムは、炭化水素系ガスと水とから高濃度の水素ガスを発生させる改質器２と、改質器２に水を供給する水供給装置４と、改質器２に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置６と、改質器２を加熱する燃焼器８と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池１０とから構成されている。これらは互いに接続されており、発電を行うために必要な液体や気体の輸送が可能となっている。また、本実施例の燃料電池式発電システムには、水供給装置４とガス供給装置６の運転を制御する材料供給制御装置２５が設けられている。
【００１９】
料供給制御装置２５は、改質器２に設けられた温度センサ１８と、ガス供給装置６に設けられた流量調整弁１４と、水供給装置４に設けられた流量調整弁１２と、流量調整弁１２と１４を制御する弁制御装置１６から構成されている。
温度センサ１８は、化学反応を促進する改質触媒の温度を直接測定してもよいし、実験により改質器２内部の温度分布と改質触媒の温度の相関関係が確認されているので、改質器２内部の雰囲気温度を測定してもよい。
以後、改質触媒の温度を直接測定した場合も、改質器２内部の雰囲気温度を測定した場合も、同じく、改質器２の温度と略称する。
【００２０】
弁制御装置１６は、流量調整弁１２と１４の開閉量を算出して流量調整弁１２と１４の開閉を指令するプログラムが常駐している演算部２２と、温度センサ１８の出力を受け取って演算部２２のプログラムが読みとり可能な温度データに変換して転送する入力部２０と、制御部２４から構成される。
【００２１】
改質器２の内部では、改質触媒（図示されない）を用いた化学反応により、炭化水素系ガスと水とから水素ガスが生成する。本反応を安定して行うために、本実施例の改質器２の場合は、約７００℃以上の高温に維持する必要がある。改質器２を７００℃に維持するために、燃料にガスを使用して燃焼熱で改質器を加熱する燃焼器８が用いられる。燃焼器８の燃焼用ガスには、改質用の炭化水素系ガスを用いることができる。
本実施例の改質器２は、７００℃に達するまでの間に改質すると、一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（CO２）等の副生成物を多く含む水素ガスを生成する。また、７００℃よりも高温となった場合には、改質触媒の劣化が進むため、好ましくない。
【００２２】
改質器２から生成される水素ガスが、改質開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成されるように燃料電池式発電システムを起動する制御手順を図３に示す。以下、図３に基づいて詳細に説明する。
発電の要求があると、燃料電池式発電システムが起動される。最初に、改質器２を昇温するために燃焼器８が点火され（ステップＳ２）、燃焼熱によって改質器２が昇温し始める。燃焼開始と前後して材料供給制御装置２５の制御によって水供給装置４の流量調整弁１２がほぼ半分開かれ、小流量の水が供給され始める（ステップ４）。燃焼開始に先立って水の供給が開始されてもよいし、燃焼開始後に水の供給が開始されてもよいが、同時に開始させることが好ましい。改質器２に水のみが供給された状態で改質器２が加熱される。改質器２の昇温中は、昇温の程度に追従して流量調整弁１２が大きく開けられ、水の供給量が徐々に増やされる（ステップＳ６）。
【００２３】
材料供給制御装置２５の温度センサ１８は、改質器２内の温度を継続して測定し、測定結果を出力している。入力部２０は、温度センサ１８の出力を受け取って演算部２２のプログラムが読みとり可能な温度データに変換し、演算部２２に転送する。演算部２２のプログラムは、改質器２が約７００℃に達したか否かを判定し続ける。約７００℃に達しない間は、徐々に水量を増大させながら、昇温を続ける（ステップＳ６）。
水を供給しながら改質器を昇温していくと、改質触媒に温度むらがない状態で昇温され、改質触媒の劣化を防止できる。また安定した改質反応が得られ、副生成物が少ない状態で高濃度水素を得ることができる。
演算部２２によって改質器２が約７００℃に達したことが確認されると（ステップＳ８）、演算部２２のプログラムは制御部２４に対して、炭化水素系ガスの供給装置６の流量調整弁１４を開くように指示する（ステップＳ１４）。
制御部２４の制御によって流量調整弁１４が開放され、ガス供給装置６の運転が開始されて改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める（ステップＳ１４）。流量調整弁１４が開けられることによってガス供給装置６の運転が実質的に開始され、改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める。
【００２４】
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器２の温度が一旦は低下するが、改質器２の温度が７００℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器２に温度は短時間で適温に戻り、それ以降は適温で保持される。この結果、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める（ステップ１６）。生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて発電が開始される（ステップ１８）。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁１４を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
【００２５】
図４の（Ａ）は、この実施例によるときの水量変化を示し、供給開始時には少量を供給し始める。昇温中に徐々に水量が増やされるが、このときの傾斜は、所定温度にまで昇温されたときに、ちょうど発電量に必要な水素量が得られるだけの水量に一致することが好ましい。
水を加熱するのに少々の燃料が無駄に使われることになるけれども、点線に示すように、より早く増大させてもよい。この場合、必要水量に達したら、それ以降には必要水量に維持する。
図４（Ｂ）に示すように、水の供給開始時から必要水量を供給するようにしてもよい。この場合、図３のステップＳ６の処理を省略することができる。
図４の（Ａ）に示した水量の増加関係は、改質器２の温度に追従させることが好ましい。改質器２の温度は、加熱開始時からの時間に密接に関係するために、時間に追従して流量調整弁１２に開度を徐々に開けてもよい。
【００２６】
（第二実施例）
図５に示すように、改質器２の昇温中は水の供給量を少量に保ち、改質器２が適温にまで昇温した段階で、必要水量にまで増大させてもよい。この場合の処理手順が図６に示され、燃焼開始と前後して水供給装置４の流量調整弁１２がほぼ半分開かれる（ステップＳ４ａ）。改質器２が適温に昇温されるまでその状態が維持される。改質器２が適温にまで昇温されると（ステップＳ８）、流量調整弁１２がさらに開かれ、発電に必要な水量にまで増大される（ステップＳ１０）。
水量の増大に伴って、改質器２の温度は一時的に低下するが、引き続き燃焼器８から燃焼熱が供給されて改質器２は昇温し、再び約７００℃前後まで昇温する（ステップ１２）。演算部２２のプログラムは、温度データの監視を継続しつつ、予め発電要求量に対応した炭酸水素系ガスの必要量を算出し、ガス供給装置６に設けられた流量調整弁１４の開放量を演算しておく。改質器２が約７００℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部２２のプログラムは、制御部２４に対して、流量調整弁１４の開放量を指令する。弁制御部２４の制御によって流量調整弁１４が指定量開放されて、ガス供給装置６の運転が実質的に開始され、改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める（ステップ１４）。
【００２７】
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器２の温度が一旦は低下するが、改質器２の温度が７００℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器２に温度は短時間で適温に保持されるようになり、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める（ステップ１６）。生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて、発電が開始される（ステップ１８）。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁１４を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
この実施例でも、図６のステップＳ８とＳ１２で、加熱開始後の経過時間に基づいて、水量の増大タイミングや炭化水素系ガスの供給開始タイミングをコントロールしてもよい。
【００２８】
（第三実施例）
図７の処理手順は第三実施例を示し、この場合には、改質器２の昇温中は、水を供給しない（ステップＳ２のみが存在し、図３のステップＳ４と図５のステップＳ４ａが存在しない）。改質器２が適温にまで昇温されたときに（ステップＳ８ａがイエスとなったときに）、弁１２が開いて水が供給され始める（ステップＳ１０ａ）。水の供給開始に伴って、改質器２の温度は一時的に低下するが、引き続き燃焼器８から燃焼熱が供給されて改質器２は昇温し、再び約７００℃前後まで昇温する（ステップ１２ａ）。演算部２２のプログラムは、温度データの監視を継続しつつ、予め発電要求量に対応した炭酸水素系ガスの必要量を算出し、ガス供給装置６に設けられた流量調整弁１４の開放量を演算しておく。改質器２が約７００℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部２２のプログラムは、制御部２４に対して、流量調整弁１４の開放量を指令する。弁制御部２４の制御によって流量調整弁１４が指定量開放されて、ガス供給装置６の運転が実質的に開始され、改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める（ステップ１４）。
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器２の温度が一旦は低下するが、改質器２の温度が７００℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器２に温度は短時間で適温に保持されるようになり、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める（ステップ１６）。生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて、発電が開始される（ステップ１８）。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁１４を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
【００２９】
（第四実施例）
本実施例に係わる燃料電池式発電システムの主要な構成は図１と同じであり、同一内容についての重複説明を割愛する。以下、本実施例における燃料電池式発電システムの起動方法について、図８の起動フローを参照して詳細に説明する。
本実施例では、水供給装置４から高温の水蒸気が供給される。そのために、改質器２に水が供給され始めた際の改質触媒の温度変化は小さく、生成される高濃度の水素ガスの組成に大きく影響することはない。
本実施例においても、発電の要求に基づいて燃焼器８が点火され（ステップＳ２）、燃焼熱によって改質器２の昇温が開始するが、この段階ではまだ、材料供給制御装置２５の制御によって水供給装置４とガス供給装置６の運転は開始されていない。改質器２は約７００℃前後まで昇温する（ステップＳ１０ｂ）。
演算部２２に常駐するプログラムは、温度センサ１８によって測定されて入力部２０によって変換された改質器２の温度データを常時監視すると共に、予め、発電の要求量に対応する高濃度の水素ガスの発生に要する水と炭化水素系ガスの必要量を算出し、流量調整弁１２、１４の各々の開放量を演算する。
改質器２が約７００℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部２２のプログラムは、制御部２４に対して、流量調整弁１２と１４の各々の開放量を指令する（ステップＳ１４ａ）。制御部２４の制御によって流量調整弁１２と１４が指定量開放され、水供給装置４およびガス供給装置６の運転が開始され、改質器２に必要量の水と炭化水素系ガスが供給され始める（ステップＳ１４ａ）。改質の開始直後から安定的な化学反応が得られ、高濃度の水素ガスが生成され（ステップＳ１６）、生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて、発電が開始される（ステップＳ１８）。
【００３０】
（第五実施例）
図２は、本発明の第五実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。図１と同様の構成のものについては、同一符号を付与して、その説明を省略する。本実施例における燃料電池式発電システムの起動フローの一例を図９に示す。以下、図２の燃料電池式発電システムの構成と、図９の起動フローを参照して詳細に説明する。
本実施例における材料供給制御装置３５は、タイマー２６と、流量調整弁１２と１４と、タイマーが測定する経過時間に基いて２つの流量調整弁を制御する弁制御装置２８から構成されている。
本実施例におけるタイマー２６は、燃焼器８に接続されていて燃焼器８が点火された時刻を検出することが可能であり、燃焼器８が点火されてからの経過時間を測定して、測定結果を出力する。
本実施例の弁制御装置２８は、流量調整弁１２と１４の開閉量を算出して指令するプログラムが常駐している演算部３２と、タイマー２６の出力を受け取って演算部３２のプログラムが読みとり可能な時間データに変換して演算部３２に転送する入力部３０と、制御部３４から構成される。
演算部３２には、燃焼部８の点火時から改質器２が約７００℃前後まで昇温するまでに要する時間時間Ｔ１と、改質器２に水供給装置４から水が供給されはじめて改質器２の温度が一時的に低下してから、燃焼熱が供給されて再び約７００℃前後まで昇温するまでに要する時間Ｔ２が記憶されている。これらの時間はあらかじめ実験によって求められている。
【００３１】
本実施例では、発電の要求に基づいて燃焼器８が点火されると（ステップＳ２）、タイマー２６が時間の計測を開始する（ステップＳ２０）。ここではまだ、材料供給制御装置３５の制御によって、水供給装置４とガス供給装置６の運転は開始されていない。演算部３２のプログラムは、タイマー２６が計測して入力部３０が転送する点火開始時からの経過時間データを参照し、予め記憶している時間Ｔ１と比較して監視する（ステップＳ８ｂ）。一方、演算部３２のプログラムは、発電要求量に必要な水の供給量を予め算出する。燃焼器８の点火から時間Ｔ１が経過すると、演算部３２は、制御部３４に流量調整弁１２の開放量を指令する。制御部３４の制御によって流量調整弁１２が開放されて、水供給装置４の運転が開始され、必要量の水が供給され始める（ステップＳ１０ｂ）。
【００３２】
水の供給と同時に、演算部３２のプログラムは、点火時からの経過時間から時間Ｔ１を減じることで、水の供給開始開始後の経過時間データを求め（ステップＳ２２）、これを時間Ｔ２と比較して監視する（ステップＳ１２ｂ）。演算部３２のプログラムは、前記時間データを監視する一方で、発電要求量に対応する炭化水素系ガスの供給量を予め算出する。演算部３２のプログラムは、前記時間データから、改質触媒が水の供給を受けてから再び約７００℃前後まで昇温するまでに要する時間Ｔ２が経過したことを確認すると（ステップＳ１２ｂ）、制御部３４に流量調整弁１４の開放量を指令する。制御部３４の制御によって流量調整弁１４が開放され、ガス供給装置６の運転が開始されて炭化水素系ガスが供給され始める（ステップＳ１４）。改質触媒の温度は、既に７００℃に到達しているため、直後から安定した化学反応が得られて高濃度の水素ガスが生成され始める（ステップＳ１６）。生成された水素ガスは、燃料電池１０に供給されて発電が開始される（ステップＳ１８）。
【００３３】
（第六実施例）
本実施例に係わる燃料電池式発電システムの主要な構成は、図２と同じであり、重複説明を割愛する。
本実施例における弁制御装置２８の演算部３０には、燃焼部８の点火時から改質器２の改質触媒が約７００℃前後まで昇温する時間Ｔ１が記憶されている。時間Ｔ１は実験によってあらかじめ測定されている。また、本実施例においては、改質器２に水が供給されはじめた際の温度変化が小さく、生成される高濃度の水素ガスの組成に大きくは影響しない。
本実施例における燃料電池式発電システムの起動フローの一例を、図１０に示す。以下、図２の燃料電池式発電システムの構成と、図１０の起動フローを参照して詳細に説明する。
【００３４】
本実施例では、発電の要求に基づいて燃焼器８が点火されると（ステップＳ２）、タイマー２６が時間の計測を開始する（ステップＳ２０ｃ）。演算部３２のプログラムは、タイマー２６によって測定されて入力部３０によって転送される時間を、予め記憶している時間Ｔ１と比較し監視する（ステップＳ８ｃ）。一方、演算部３２のプログラムは、発電要求量に対応する水と炭化水素系ガスの供給量を予め算出する。燃焼部８の点火から時間Ｔ１が経過すると同時に、演算部３２は、制御部３４に流量調整弁１２、１４の開放量を指令する。制御部３４は流量調整弁１２及び１４を指定量開放し、水供給装置４とガス供給装置６の運転が同時に開始されて、改質器２に水と原料ガスが供給され始める（ステップＳ１４ｃ）。直後から、水素ガスが生成され（ステップＳ１６）、生成された水素ガスが燃料電池２に供給されて、発電が開始される（ステップＳ１８）。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例の燃料電池式発電システムでは、燃焼器と改質器が個別の装置で配管がおこなわれているが同一の装置の中に、改質器と燃焼器が組み込まれていてもよい。また、実施例では、水と炭化水素系ガスの流量を調整する流量調整弁の弁制御装置は、入力部と演算部と制御部から構成されるが、演算部に記憶されるプログラムの仕様によっては、入力部および制御部を省略して、改質器内の温度や燃焼開始からの時間を演算部が直接検出し、又、流量調整弁に対して演算部が直接指令を出すことも可能である。その他、実施例の図中に示した供給路の配管や構成は、装置の構成によって自由に変更が可能である。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本願発明の燃料電池式発電システムと起動方法によると、炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器を、所定温度まで昇温してからガスを供給する。これにより、改質器から生成される高濃度水素ガスは改質の開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成される。生成した高濃度水素ガスを、生成の最初から燃料電池に供給することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１から４の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図２】 実施例５から６の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図３】 実施例１の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図４】 実施例１の水量の変化を示す図。
【図５】 実施例２の水量の変化を示す図。
【図６】 実施例２の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図７】 実施例３の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図８】 実施例４の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図９】 実施例５の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図１０】 実施例６の起動方法の概要を示すフローチャート。
【符号の説明】
２：改質器
４：水供給装置
６：ガス供給装置
８：燃焼器
１０：燃料電池
１２：流量調整弁
１４：流量調整弁
１６：弁制御装置
１８：温度センサ
２０：入力部
２２：演算部
２４：制御部
２６：タイマー
２５，３５：材料供給制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素系ガスと水とから高濃度の水素ガスを生成し、これを燃料として発電を行う燃料電池式発電システムに関するものである。特に、燃料電池式発電システムの起動時に改質器へ炭化水素系ガスと水を供給し始める技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料となる水素ガスと空気中の酸素を化学反応させて電気を取り出す。燃料電池が燃料とする水素ガスは、改質触媒を利用して炭化水素系ガスと水を化学反応させて改質することで得られる。改質反応を安定的に得るためには、改質触媒の種類によって多少の変動はあるものの、改質触媒の温度を約６００℃から８００℃前後の高温に保つ必要がある。改質反応は吸熱反応であるので、改質触媒を昇温して高温に保持するために燃焼器が設けられており、燃焼器で発生した燃焼熱によって改質器が昇温されて高温に保持される。
【０００３】
改質触媒の温度が約６００℃から８００℃前後の適温に達するまでの間に改質されて生成された水素ガスは、副生成物である一酸化炭素や二酸化炭素を多く含む。一酸化炭素は燃料電池の電極を劣化させるために、燃料電池に供給されないようにする必要がある。通常は、改質されて生成された高濃度水素ガスから一酸化炭素を除去する装置を用い、その除去装置で一酸化炭素が除去された水素ガスを燃料電池に供給するが、生成された水素ガスに含まれる一酸化炭素が多すぎると一酸化炭素を除去しきれない。そこで、一定量以上の一酸化炭素を含む水素ガスは燃料電池に供給しないで、燃焼器に供給して燃料として使用されてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、改質触媒の温度が適温で安定するまでの間に生成されたガスは、一酸化炭素等の副生成物を多く含むだけでなく、副生成物の含有量や組成が不安定であったり、また、一時的に大量のガスが供給されたりするために、たとえ燃焼器に供給しても、最適な燃焼条件を維持することが困難であった。組成や供給量が不安定な高濃度水素ガスを燃焼器に供給して燃料として使用した場合には、酸素不足に起因して不完全燃焼を引き起こしやすく、最悪の場合には燃焼器が失火する可能性も有していた。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、改質器から生成される高濃度水素ガスが、改質の開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成されることを可能とし、これによって、改質器で生成した高濃度水素ガスを生成の初期段階から燃料電池に供給して発電を行うことが可能な、燃料電池式発電システムとその起動方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用】
請求項１の発明は、炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、水供給装置とガス供給装置の運転を制御する材料供給制御装置とから構成されている。
材料供給制御装置は、燃焼器によって改質器が昇温されているときに、改質器の昇温に追従して水供給装置の水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持する。また改質器が所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる。
必要水量は、ガス供給装置が供給する炭化水素ガスと水供給装置が供給する水が改質器で化学反応して安定した組成の高濃度水素ガスを発電に必要な量だけ発生する水量である。所定温度は、水供給装置が改質器に必要水量の水を供給するとともにガス供給装置が改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度である。
【０００６】
本発明のシステムでは、改質触媒の温度が適温にまで昇温した時に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。このために、改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。
また改質器に水を供給しながら改質器を昇温していくために、改質触媒に温度むらが生じにくく、炭化水素系ガスの供給開始直後から安定した高濃度水素ガスを得ることができる。しかも水供給装置の運転開始時には少量の水を供給し始めるために加熱開始直後で十分に加熱されていない改質器の中で水（少量の水が加熱されるので水蒸気となっている）が結露して水蒸気通路を閉塞させることがない。改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以後は必要水量に維持するために、改質器の中で水が結露しない範囲内で水量を増大させることができ、必要な水量を供給している状態で改質器を適温に昇温させることができる。必要な水量が供給された状態で適温に昇温された改質器に炭化水素系ガスが供給され始めることから、改質の開始直後から副生成物の少ない水素ガスが得られる。
この場合、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができる。
【０００７】
供給水量を徐々に増大させるのに代えて、燃焼器によって改質器が昇温されているときに、改質器が所定温度未満であるうちは少量の水を供給し、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。前記所定温度は、水供給装置が改質器に供給する水の供給量を増大させるとともにガス供給装置が改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度である。
この場合にも、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができ、温度むらのない改質器に炭化水素系ガスを供給し始めることができる。
【００１２】
請求項４の発明は、燃料電池式発電システムの起動方法であり、以下の工程を備えている。即ち、改質器と、燃焼器と、燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムを起動させる際に、前記燃焼器を点火して改質器を昇温させる工程と、燃焼器によって改質器を昇温させているときに、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持するという規則にしたがって改質器に水を供給する工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを備えている。
【００１３】
本起動方法によれば、改質触媒の温度が適温にまで昇温した時に、高濃度水素ガスを生成するための炭化水素系ガスが供給され始める。これによると、改質の開始直後から、副生成物の少ない水素ガスが得られる。
また改質器に水を供給しながら改質器を昇温していくために、改質触媒に温度むらが生じにくく、炭化水素系ガスの供給開始直後から安定した高濃度水素ガスを得ることができる。しかも水供給装置の運転開始時には少量の水を供給し始めるために加熱開始直後で十分に加熱されていない改質器の中で水（少量の水が加熱されるので水蒸気となっている）が結露して水蒸気通路を閉塞させることがない。改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以後は必要水量に維持するために、改質器の中で水が結露しない範囲内で水量を増大させることができ、必要な水量を供給している状態で改質器を適温に昇温させることができる。必要な水量が供給された状態で適温に昇温された改質器に炭化水素系ガスが供給され始めることから、改質の開始直後から副生成物の少ない水素ガスが得られる。
本起動方法によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができる。
【００１４】
供給水量を徐々に増大させるのに代えて、前記燃焼器によって前記改質器を昇温させているときに、改質器が所定温度未満であるうちは少量の水を供給し、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この場合にも、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることを防止しながら、改質触媒に温度むらが生じにくい態様で改質器を昇温させることができ、温度むらのない改質器に炭化水素系ガスを供給し始めることができる。
【００１５】
改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に改質器に水を供給し始め、改質器の温度が一旦下降して再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させるようにしてもよい。
この起動方法によれば、改質器を所定温度に昇温させてから後に水と炭化水素系ガスを供給し始める工程が設けられているので、改質開始直後から品質の安定した高濃度水素ガスが生成される。この起動方法によれば、水の昇温に無駄に燃焼熱が使われることが極力抑制される。
【００１６】
改質器に水が供給され始めた時の改質器の温度低下が小さい場合には、改質器の昇温中には水も炭化水素系ガスも供給せず、改質器が所定温度に昇温した時に水と炭化水素系ガスを同時に供給し始めることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に説明する実施例の主要な特徴を次に列記する。
（形態１）燃料電池式発電システムは、燃料電池と、燃料電池に供給する水素を発生させる改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、水供給装置と、ガス供給装置と、材料供給制御装置から構成されている。
（形態２）形態１の燃焼器は、改質器に供給する炭化水素系ガスと同じ種類のガスを燃焼させて改質器を加熱する。
（形態３）弁制御装置は、弁の開閉量を計算して指令する演算部と、温度センサの出力を受け取って演算部が読みとり可能な温度データに変換して転送する入力部と、制御部から構成される。
（形態４）弁制御装置は、弁の開閉量を計算して指令する演算部と、タイマーが測定する時間を受け取って演算部が読みとり可能な時間データに変換して転送する入力部と、制御部から構成される。
【００１８】
【実施例】
以下に、本発明の燃料電池式発電システムの実施例を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
（第一実施例）
図１は、本発明の第一実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。本実施例の燃料電池式発電システムは、炭化水素系ガスと水とから高濃度の水素ガスを発生させる改質器２と、改質器２に水を供給する水供給装置４と、改質器２に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置６と、改質器２を加熱する燃焼器８と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池１０とから構成されている。これらは互いに接続されており、発電を行うために必要な液体や気体の輸送が可能となっている。また、本実施例の燃料電池式発電システムには、水供給装置４とガス供給装置６の運転を制御する材料供給制御装置２５が設けられている。
【００１９】
料供給制御装置２５は、改質器２に設けられた温度センサ１８と、ガス供給装置６に設けられた流量調整弁１４と、水供給装置４に設けられた流量調整弁１２と、流量調整弁１２と１４を制御する弁制御装置１６から構成されている。
温度センサ１８は、化学反応を促進する改質触媒の温度を直接測定してもよいし、実験により改質器２内部の温度分布と改質触媒の温度の相関関係が確認されているので、改質器２内部の雰囲気温度を測定してもよい。
以後、改質触媒の温度を直接測定した場合も、改質器２内部の雰囲気温度を測定した場合も、同じく、改質器２の温度と略称する。
【００２０】
弁制御装置１６は、流量調整弁１２と１４の開閉量を算出して流量調整弁１２と１４の開閉を指令するプログラムが常駐している演算部２２と、温度センサ１８の出力を受け取って演算部２２のプログラムが読みとり可能な温度データに変換して転送する入力部２０と、制御部２４から構成される。
【００２１】
改質器２の内部では、改質触媒（図示されない）を用いた化学反応により、炭化水素系ガスと水とから水素ガスが生成する。本反応を安定して行うために、本実施例の改質器２の場合は、約７００℃以上の高温に維持する必要がある。改質器２を７００℃に維持するために、燃料にガスを使用して燃焼熱で改質器を加熱する燃焼器８が用いられる。燃焼器８の燃焼用ガスには、改質用の炭化水素系ガスを用いることができる。
本実施例の改質器２は、７００℃に達するまでの間に改質すると、一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（CO２）等の副生成物を多く含む水素ガスを生成する。また、７００℃よりも高温となった場合には、改質触媒の劣化が進むため、好ましくない。
【００２２】
改質器２から生成される水素ガスが、改質開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成されるように燃料電池式発電システムを起動する制御手順を図３に示す。以下、図３に基づいて詳細に説明する。
発電の要求があると、燃料電池式発電システムが起動される。最初に、改質器２を昇温するために燃焼器８が点火され（ステップＳ２）、燃焼熱によって改質器２が昇温し始める。燃焼開始と前後して材料供給制御装置２５の制御によって水供給装置４の流量調整弁１２がほぼ半分開かれ、小流量の水が供給され始める（ステップ４）。燃焼開始に先立って水の供給が開始されてもよいし、燃焼開始後に水の供給が開始されてもよいが、同時に開始させることが好ましい。改質器２に水のみが供給された状態で改質器２が加熱される。改質器２の昇温中は、昇温の程度に追従して流量調整弁１２が大きく開けられ、水の供給量が徐々に増やされる（ステップＳ６）。
【００２３】
材料供給制御装置２５の温度センサ１８は、改質器２内の温度を継続して測定し、測定結果を出力している。入力部２０は、温度センサ１８の出力を受け取って演算部２２のプログラムが読みとり可能な温度データに変換し、演算部２２に転送する。演算部２２のプログラムは、改質器２が約７００℃に達したか否かを判定し続ける。約７００℃に達しない間は、徐々に水量を増大させながら、昇温を続ける（ステップＳ６）。
水を供給しながら改質器を昇温していくと、改質触媒に温度むらがない状態で昇温され、改質触媒の劣化を防止できる。また安定した改質反応が得られ、副生成物が少ない状態で高濃度水素を得ることができる。
演算部２２によって改質器２が約７００℃に達したことが確認されると（ステップＳ８）、演算部２２のプログラムは制御部２４に対して、炭化水素系ガスの供給装置６の流量調整弁１４を開くように指示する（ステップＳ１４）。
制御部２４の制御によって流量調整弁１４が開放され、ガス供給装置６の運転が開始されて改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める（ステップＳ１４）。流量調整弁１４が開けられることによってガス供給装置６の運転が実質的に開始され、改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める。
【００２４】
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器２の温度が一旦は低下するが、改質器２の温度が７００℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器２に温度は短時間で適温に戻り、それ以降は適温で保持される。この結果、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める（ステップ１６）。生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて発電が開始される（ステップ１８）。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁１４を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
【００２５】
図４の（Ａ）は、この実施例によるときの水量変化を示し、供給開始時には少量を供給し始める。昇温中に徐々に水量が増やされるが、このときの傾斜は、所定温度にまで昇温されたときに、ちょうど発電量に必要な水素量が得られるだけの水量に一致することが好ましい。
水を加熱するのに少々の燃料が無駄に使われることになるけれども、点線に示すように、より早く増大させてもよい。この場合、必要水量に達したら、それ以降には必要水量に維持する。
図４（Ｂ）に示すように、水の供給開始時から必要水量を供給するようにしてもよい。この場合、図３のステップＳ６の処理を省略することができる。
図４の（Ａ）に示した水量の増加関係は、改質器２の温度に追従させることが好ましい。改質器２の温度は、加熱開始時からの時間に密接に関係するために、時間に追従して流量調整弁１２に開度を徐々に開けてもよい。
【００２６】
（第二実施例）
図５に示すように、改質器２の昇温中は水の供給量を少量に保ち、改質器２が適温にまで昇温した段階で、必要水量にまで増大させてもよい。この場合の処理手順が図６に示され、燃焼開始と前後して水供給装置４の流量調整弁１２がほぼ半分開かれる（ステップＳ４ａ）。改質器２が適温に昇温されるまでその状態が維持される。改質器２が適温にまで昇温されると（ステップＳ８）、流量調整弁１２がさらに開かれ、発電に必要な水量にまで増大される（ステップＳ１０）。
水量の増大に伴って、改質器２の温度は一時的に低下するが、引き続き燃焼器８から燃焼熱が供給されて改質器２は昇温し、再び約７００℃前後まで昇温する（ステップ１２）。演算部２２のプログラムは、温度データの監視を継続しつつ、予め発電要求量に対応した炭酸水素系ガスの必要量を算出し、ガス供給装置６に設けられた流量調整弁１４の開放量を演算しておく。改質器２が約７００℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部２２のプログラムは、制御部２４に対して、流量調整弁１４の開放量を指令する。弁制御部２４の制御によって流量調整弁１４が指定量開放されて、ガス供給装置６の運転が実質的に開始され、改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める（ステップ１４）。
【００２７】
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器２の温度が一旦は低下するが、改質器２の温度が７００℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器２に温度は短時間で適温に保持されるようになり、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める（ステップ１６）。生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて、発電が開始される（ステップ１８）。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁１４を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
この実施例でも、図６のステップＳ８とＳ１２で、加熱開始後の経過時間に基づいて、水量の増大タイミングや炭化水素系ガスの供給開始タイミングをコントロールしてもよい。
【００２８】
（第三実施例）
図７の処理手順は第三実施例を示し、この場合には、改質器２の昇温中は、水を供給しない（ステップＳ２のみが存在し、図３のステップＳ４と図５のステップＳ４ａが存在しない）。改質器２が適温にまで昇温されたときに（ステップＳ８ａがイエスとなったときに）、弁１２が開いて水が供給され始める（ステップＳ１０ａ）。水の供給開始に伴って、改質器２の温度は一時的に低下するが、引き続き燃焼器８から燃焼熱が供給されて改質器２は昇温し、再び約７００℃前後まで昇温する（ステップ１２ａ）。演算部２２のプログラムは、温度データの監視を継続しつつ、予め発電要求量に対応した炭酸水素系ガスの必要量を算出し、ガス供給装置６に設けられた流量調整弁１４の開放量を演算しておく。改質器２が約７００℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部２２のプログラムは、制御部２４に対して、流量調整弁１４の開放量を指令する。弁制御部２４の制御によって流量調整弁１４が指定量開放されて、ガス供給装置６の運転が実質的に開始され、改質器２に炭化水素系ガスが供給され始める（ステップ１４）。
炭化水素系ガスの供給開始に伴って改質器２の温度が一旦は低下するが、改質器２の温度が７００℃に到達した状態で炭化水素系ガスの供給が開始されるために、改質器２に温度は短時間で適温に保持されるようになり、炭化水素系ガスを供給し始めた直後から高濃度の水素ガスが安定的に生成され始める（ステップ１６）。生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて、発電が開始される（ステップ１８）。
炭化水素系ガスの供給開始時に、流量装置弁１４を徐々に大きく開くようにしてもよい。この場合、炭化水素系ガスの供給開始時の一時的温度低下現象の発生を避けることができ、改質ガス成分はより速やかに安定する。
【００２９】
（第四実施例）
本実施例に係わる燃料電池式発電システムの主要な構成は図１と同じであり、同一内容についての重複説明を割愛する。以下、本実施例における燃料電池式発電システムの起動方法について、図８の起動フローを参照して詳細に説明する。
本実施例では、水供給装置４から高温の水蒸気が供給される。そのために、改質器２に水が供給され始めた際の改質触媒の温度変化は小さく、生成される高濃度の水素ガスの組成に大きく影響することはない。
本実施例においても、発電の要求に基づいて燃焼器８が点火され（ステップＳ２）、燃焼熱によって改質器２の昇温が開始するが、この段階ではまだ、材料供給制御装置２５の制御によって水供給装置４とガス供給装置６の運転は開始されていない。改質器２は約７００℃前後まで昇温する（ステップＳ１０ｂ）。
演算部２２に常駐するプログラムは、温度センサ１８によって測定されて入力部２０によって変換された改質器２の温度データを常時監視すると共に、予め、発電の要求量に対応する高濃度の水素ガスの発生に要する水と炭化水素系ガスの必要量を算出し、流量調整弁１２、１４の各々の開放量を演算する。
改質器２が約７００℃に達したことを温度データから認識すると同時に、演算部２２のプログラムは、制御部２４に対して、流量調整弁１２と１４の各々の開放量を指令する（ステップＳ１４ａ）。制御部２４の制御によって流量調整弁１２と１４が指定量開放され、水供給装置４およびガス供給装置６の運転が開始され、改質器２に必要量の水と炭化水素系ガスが供給され始める（ステップＳ１４ａ）。改質の開始直後から安定的な化学反応が得られ、高濃度の水素ガスが生成され（ステップＳ１６）、生成された水素ガスが燃料電池１０に供給されて、発電が開始される（ステップＳ１８）。
【００３０】
（第五実施例）
図２は、本発明の第五実施例に係わる、燃料電池式発電システムの構成を示している。図１と同様の構成のものについては、同一符号を付与して、その説明を省略する。本実施例における燃料電池式発電システムの起動フローの一例を図９に示す。以下、図２の燃料電池式発電システムの構成と、図９の起動フローを参照して詳細に説明する。
本実施例における材料供給制御装置３５は、タイマー２６と、流量調整弁１２と１４と、タイマーが測定する経過時間に基いて２つの流量調整弁を制御する弁制御装置２８から構成されている。
本実施例におけるタイマー２６は、燃焼器８に接続されていて燃焼器８が点火された時刻を検出することが可能であり、燃焼器８が点火されてからの経過時間を測定して、測定結果を出力する。
本実施例の弁制御装置２８は、流量調整弁１２と１４の開閉量を算出して指令するプログラムが常駐している演算部３２と、タイマー２６の出力を受け取って演算部３２のプログラムが読みとり可能な時間データに変換して演算部３２に転送する入力部３０と、制御部３４から構成される。
演算部３２には、燃焼部８の点火時から改質器２が約７００℃前後まで昇温するまでに要する時間時間Ｔ１と、改質器２に水供給装置４から水が供給されはじめて改質器２の温度が一時的に低下してから、燃焼熱が供給されて再び約７００℃前後まで昇温するまでに要する時間Ｔ２が記憶されている。これらの時間はあらかじめ実験によって求められている。
【００３１】
本実施例では、発電の要求に基づいて燃焼器８が点火されると（ステップＳ２）、タイマー２６が時間の計測を開始する（ステップＳ２０）。ここではまだ、材料供給制御装置３５の制御によって、水供給装置４とガス供給装置６の運転は開始されていない。演算部３２のプログラムは、タイマー２６が計測して入力部３０が転送する点火開始時からの経過時間データを参照し、予め記憶している時間Ｔ１と比較して監視する（ステップＳ８ｂ）。一方、演算部３２のプログラムは、発電要求量に必要な水の供給量を予め算出する。燃焼器８の点火から時間Ｔ１が経過すると、演算部３２は、制御部３４に流量調整弁１２の開放量を指令する。制御部３４の制御によって流量調整弁１２が開放されて、水供給装置４の運転が開始され、必要量の水が供給され始める（ステップＳ１０ｂ）。
【００３２】
水の供給と同時に、演算部３２のプログラムは、点火時からの経過時間から時間Ｔ１を減じることで、水の供給開始開始後の経過時間データを求め（ステップＳ２２）、これを時間Ｔ２と比較して監視する（ステップＳ１２ｂ）。演算部３２のプログラムは、前記時間データを監視する一方で、発電要求量に対応する炭化水素系ガスの供給量を予め算出する。演算部３２のプログラムは、前記時間データから、改質触媒が水の供給を受けてから再び約７００℃前後まで昇温するまでに要する時間Ｔ２が経過したことを確認すると（ステップＳ１２ｂ）、制御部３４に流量調整弁１４の開放量を指令する。制御部３４の制御によって流量調整弁１４が開放され、ガス供給装置６の運転が開始されて炭化水素系ガスが供給され始める（ステップＳ１４）。改質触媒の温度は、既に７００℃に到達しているため、直後から安定した化学反応が得られて高濃度の水素ガスが生成され始める（ステップＳ１６）。生成された水素ガスは、燃料電池１０に供給されて発電が開始される（ステップＳ１８）。
【００３３】
（第六実施例）
本実施例に係わる燃料電池式発電システムの主要な構成は、図２と同じであり、重複説明を割愛する。
本実施例における弁制御装置２８の演算部３０には、燃焼部８の点火時から改質器２の改質触媒が約７００℃前後まで昇温する時間Ｔ１が記憶されている。時間Ｔ１は実験によってあらかじめ測定されている。また、本実施例においては、改質器２に水が供給されはじめた際の温度変化が小さく、生成される高濃度の水素ガスの組成に大きくは影響しない。
本実施例における燃料電池式発電システムの起動フローの一例を、図１０に示す。以下、図２の燃料電池式発電システムの構成と、図１０の起動フローを参照して詳細に説明する。
【００３４】
本実施例では、発電の要求に基づいて燃焼器８が点火されると（ステップＳ２）、タイマー２６が時間の計測を開始する（ステップＳ２０ｃ）。演算部３２のプログラムは、タイマー２６によって測定されて入力部３０によって転送される時間を、予め記憶している時間Ｔ１と比較し監視する（ステップＳ８ｃ）。一方、演算部３２のプログラムは、発電要求量に対応する水と炭化水素系ガスの供給量を予め算出する。燃焼部８の点火から時間Ｔ１が経過すると同時に、演算部３２は、制御部３４に流量調整弁１２、１４の開放量を指令する。制御部３４は流量調整弁１２及び１４を指定量開放し、水供給装置４とガス供給装置６の運転が同時に開始されて、改質器２に水と原料ガスが供給され始める（ステップＳ１４ｃ）。直後から、水素ガスが生成され（ステップＳ１６）、生成された水素ガスが燃料電池２に供給されて、発電が開始される（ステップＳ１８）。
【００３５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例の燃料電池式発電システムでは、燃焼器と改質器が個別の装置で配管がおこなわれているが同一の装置の中に、改質器と燃焼器が組み込まれていてもよい。また、実施例では、水と炭化水素系ガスの流量を調整する流量調整弁の弁制御装置は、入力部と演算部と制御部から構成されるが、演算部に記憶されるプログラムの仕様によっては、入力部および制御部を省略して、改質器内の温度や燃焼開始からの時間を演算部が直接検出し、又、流量調整弁に対して演算部が直接指令を出すことも可能である。その他、実施例の図中に示した供給路の配管や構成は、装置の構成によって自由に変更が可能である。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本願発明の燃料電池式発電システムと起動方法によると、炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器を、所定温度まで昇温してからガスを供給する。これにより、改質器から生成される高濃度水素ガスは改質の開始直後から副生成物の少ない安定した組成で生成される。生成した高濃度水素ガスを、生成の最初から燃料電池に供給することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１から４の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図２】 実施例５から６の燃料電池式発電システムの構成を模式的に示す図。
【図３】 実施例１の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図４】 実施例１の水量の変化を示す図。
【図５】 実施例２の水量の変化を示す図。
【図６】 実施例２の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図７】 実施例３の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図８】 実施例４の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図９】 実施例５の起動方法の概要を示すフローチャート。
【図１０】 実施例６の起動方法の概要を示すフローチャート。
【符号の説明】
２：改質器
４：水供給装置
６：ガス供給装置
８：燃焼器
１０：燃料電池
１２：流量調整弁
１４：流量調整弁
１６：弁制御装置
１８：温度センサ
２０：入力部
２２：演算部
２４：制御部
２６：タイマー
２５，３５：材料供給制御装置
Claims (6)
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃焼器によって改質器が昇温されているときに、改質器の昇温に追従して水供給装置の水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降はその水量に維持するとともに、改質器が所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる材料供給制御装置とを備えており、前記必要水量は、ガス供給装置が供給する炭化水素ガスと水供給装置が供給する水が改質器で化学反応して安定した組成の高濃度水素ガスを発電に必要な量だけ発生する水量であり、前記所定温度は、水供給装置が改質器に前記必要水量の水を供給するとともにガス供給装置が改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度であることを特徴とする燃料電池式発電システム。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器に炭化水素系ガスを供給するガス供給装置と、改質器に水を供給する水供給装置と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池と、燃焼器によって改質器が昇温されているときに、改質器が所定温度未満であるうちは水供給装置によって少量の水を供給し、改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させ、改質器が再び所定温度に昇温した時にガス供給装置の運転を開始させる材料供給制御装置とを備えており、前記所定温度は、水供給装置が改質器に供給する水の供給量を増大させるとともにガス供給装置が改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度であることを特徴とする燃料電池式発電システム。
- 材料供給装置は、燃焼器の運転開始と同時に水供給装置によって少量の水を供給し始めることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池式発電システム。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムの起動方法であって、前記燃焼器を点火して前記改質器を昇温させる工程と、前記燃焼器によって前記改質器を昇温させているときに、改質器の昇温に追従して水の供給量を増大させ、必要水量に達した以降は必要水量に維持するという規則にしたがって前記改質器に水を供給する工程と、前記改質器が所定温度に昇温した時に前記改質器に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを含み、前記必要水量は、改質器に供給する炭化水素ガスと水が化学反応して安定した組成の高濃度水素ガスを発電に必要な量だけ発生する水量であり、前記所定温度は、改質器に前記必要水量の水を供給するとともに炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度であることを特徴とする燃料電池式発電システムの起動方法。
- 炭化水素系ガスと水とから高濃度水素ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、改質器で生成された高濃度水素ガスに酸素を反応させて発電する燃料電池とを備えた燃料電池式発電システムの起動方法であって、前記燃焼器を点火して前記改質器を昇温させる工程と、前記燃焼器によって前記改質器を昇温させているときに、前記改質器が所定温度未満であるうちは少量の水を供給し、前記改質器が所定温度に昇温した時に水の供給量を増大させるという規則に従って前記改質器に水を供給する工程と、改質器が再び所定温度に昇温した時に炭化水素系ガスを供給し始める工程とを含み、前記所定温度は、改質器に供給する水の供給量を増大させるとともに改質器に炭化水素ガスを供給しているときに、安定した組成の高濃度水素ガスが得られる改質器の温度であることを特徴とする燃料電池式発電システムの起動方法。
- 水供給工程では、燃焼器の点火と同時に改質器に少量の水を供給し始めることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池式発電システムの起動方法。
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