JP4500032B2

JP4500032B2 - 燃料電池システムの起動方法

Info

Publication number: JP4500032B2
Application number: JP2003347002A
Authority: JP
Inventors: 順一横山; 晃松岡; 裕記大河原; 孝一桑葉
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2023-10-06
Also published as: JP2005116257A

Description

この発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの起動方法に関する。

一般に、燃料電池は自己発熱により自己暖機が可能である。しかしながら、低温起動時には、燃料電池の内部で生成水が凝縮する現象（フラッディング）が起きるおそれがある。このフラッディングが起きると、凝縮水がガス流路を閉塞して水素や酸素等が電解質に十分に供給されなくなる。この結果、燃料電池に発電不良や性能低下が生じ、燃料電池が発電不能となったり、損傷を受けたりするおそれがある。特に、定置式の燃料電池システムでは、発電効率向上（補機効率向上）のために、低圧システムに設計することがある。この低圧システムでは、ガス圧により生成水を排出する等のフラッディング対策が困難となる。また、ガス圧が低いことから、水蒸気として燃料電池から持ち去られる水分量が少なく、車両用等の高圧システムに比べてフラッディングが起こりやすい。このため、低温起動時には、燃料電池を暖機してから発電させる必要があった。

ここで、低温起動時に燃料電池を暖機するのに、加熱用の電気ヒータを設けることが考えられる。しかし、電気ヒータにより加熱する構成では、電気ヒータ駆動時のエネルギーロスが大きく、起動時間が長引く傾向があった。

そこで、下記の特許文献１には、電気ヒータの代わりに、改質器を通過した可燃性ガス（オフガス）を燃焼させ、その燃焼熱と熱交換することで燃料電池冷却水を昇温させるオフガス燃焼器及びそれに関連した配管等を備え、低温起動時には、オフガス燃焼器で昇温された燃料電池冷却水で燃料電池の昇温を行う燃料電池発電装置が記載されている。この装置によれば、低温起動時に燃料電池を昇温させて暖機できることから、フラッディング対策に有効である。

特開２００３−１０９６３５号公報（第３頁，図１）特開平８−３１５８４３号公報特開平８−２９３３１２号公報

ところが、上記の特許文献１に記載の装置では、オフガス燃焼器及びそれに関連した配管等を設ける必要があり、その分だけシステム構成の部品点数やコストが増え、システムが大型化するという問題があった。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、オフガス燃焼器等の特別な機器を設けることなく、低温起動時にフラッディングを防止することを可能とした燃料電池システムの起動方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを起動させる起動方法であって、
前記燃料電池の内部で生成水に凝縮のおそれがある低温起動時に、前記燃料電池が自己発熱により暖機されるまで、前記燃料電池の発電電力が増加するにつれてエアストイキが減少するように従来の標準流量より過大な流量の酸化ガスを前記燃料電池へ供給することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料電池の内部で生成水に凝縮のおそれがある低温起動時に、燃料電池が自己発熱により暖機されるまで、燃料電池の発電電力が増加するにつれてエアストイキが減少するように従来の標準流量より過大な流量の酸化ガスが燃料電池へ供給される。従って、燃料電池が暖機されるまでの間で、燃料電池の内部における生成水の多くが酸化ガスの過大な流れにより燃料電池の外へ持ち去られる。

請求項１に記載の発明によれば、オフガス燃焼器等の特別な機器を設けることなく、低温起動時にフラッディングを防止することができ、延いては、燃料電池システムを簡易化・小型化することができ、同システムの製造コストを低減させることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の「燃料電池システムの起動方法」を具体化した第１実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１に、燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成図を示す。燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池（ＦＣ）１を含む燃料電池システム２と、燃料電池１の廃熱を給湯に利用するための貯湯槽３とを備える。燃料電池システム２は、燃料電池１の他に、改質器４、燃焼器５、改質ガス凝縮器６、アノード凝縮器７、カソード凝縮器８、ＦＣ熱交換器９及び燃焼排気ガス熱交換器１０を基本構成として備える。

改質器４は、化石燃料である天然ガスを水素リッチな燃料ガス（改質ガス）に改質する。改質器４には、燃料ライン１１Ａ，１１Ｂを通じて天然ガスと水蒸気との混合気が供給される。燃料ライン１１Ｂには、第１のポンプ１２、脱硫器１３、第１の開閉弁１４及び混合器１５が設けられる。天然ガスと水蒸気は、混合器１５により混合される。この混合気を改質器４にて、水蒸気改質反応及びシフト反応することにより、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）が生成される。混合器１５には、第１のポンプ１２により圧送され、脱硫器１３にて脱硫される天然ガスが、第１の開閉弁１４を介して供給される。混合器１５には、第１の水タンク１６に貯えられた水が、水ライン１７を通じて水蒸気として供給される。水ライン１７には、第２のポンプ１８、純水器１９及び第２の開閉弁２０が設けられる。第１の水タンク１６から第２のポンプ１８により圧送される水は、純水器１９で不純物が取り除かれた後、改質器４の発熱により加熱されて蒸発し、水蒸気となって混合器１５に供給される。第１の水タンク１６には、水道ライン２１を通じて水道水が補給される。水道ライン２１には、第３の開閉弁２２が設けられる。

改質器４に設けられる燃焼器５は、改質器４における上記水蒸気改質反応及びシフト反応に必要な熱を供給するために改質器４を加熱する。燃焼器５には、燃料ライン１１Ａを通じ燃焼用ガスとして天然ガスが供給されると共に、燃焼エアライン２３を通じて燃焼エアが供給される。燃焼器５には、点火用のイグナイタ２４が設けられる。燃料ライン１１Ａには、第４の開閉弁２５、第５の開閉弁２６、第３のポンプ２７及び第６の開閉弁２８が設けられる。燃焼器５には、第３のポンプ２７により圧送される天然ガスが、第６の開閉弁２８を介して供給される。燃焼エアライン２３には、第４のポンプ２９、第７の開閉弁３０及び第８の開閉弁３１が設けられる。燃焼器５には、第４のポンプ２９により圧送される燃焼エアが第７及び第８の開閉弁３０，３１を介してその一部あるいは全部（開閉弁３１により切り替え）を改質器４の冷却に使用した後供給される。燃焼器５には、アノードライン３２を通じて、アノード凝縮器７を通過したアノードオフガスが供給される。ここでは、アノードオフガス中の未反応の水素を燃焼器５にて燃焼させるようになっている。

燃料電池１は、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する。燃料電池１により発電され、出力される直流電力は、インバータ４４にて交流電力に変換され、補機４５等へ供給される。

図２に燃料電池１を構成する単セル１００を部分断面図により示す。この実施形態で、燃料電池１は、単セル１００を複数積層してなる固体高分子型として構成される。単セル１００は、電解質膜１０１と、この膜１０１を挟持するアノード１０２及びカソード１０３と、アノード１０２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路１０４を有するセパレータ１０５と、カソード１０３に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路１０６を有するセパレータ１０７とから構成される。セパレータ１０５，１０７は、隣り合う単セル１００との隔壁をなす。アノード１０２は、触媒電極１０２ａ及びガス拡散電極１０２ｂから構成される。カソード１０３は、同じく、触媒電極１０３ａ及びガス拡散電極１０３ｂから構成される。各単セル１００のアノード１０２には、燃料ガスが供給され、各単セル１００のカソード１０３には、ＦＣエア（酸化ガス）が供給される。これにより、各単セル１００では、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。

改質ガス凝縮器６は、燃料電池１に供給される燃料ガスを冷却して凝縮するためのものであり、本発明の冷却手段に相当する。

アノード凝縮器７は、燃料電池１から排出されるアノードオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮する。この凝縮器７は、アノードライン３２を流れるアノードオフガスの凝縮潜熱を奪うことによって熱を回収し、水分を凝縮させて同ガスを低湿度化する。この凝縮器７にて集められた水分は、第２の水タンク３３に回収され、更に第１の水タンク１６に回収される。

改質器４から燃料電池１までのアノードライン３２には、上記した改質ガス凝縮器６の他に、第９の開閉弁３４が設けられる。燃料電池１から燃焼器５までのアノードライン３２には、第１０の開閉弁３５と上記アノード凝縮器７が設けられる。また、アノードライン３２において、改質ガス凝縮器６の上流側と、燃料電池１の下流側との間には、燃料電池１を迂回するＦＣ迂回通路３６が設けられる。この迂回通路３６には、第１１の開閉弁３７が設けられる。

燃料電池１には、ＦＣエアライン３８を通じてＦＣエア（酸化ガス）が供給される。このエアライン３８には、第５のポンプ３９が設けられる。この燃料電池１より下流のカソードライン４０には、上記したカソード凝縮器８が設けられる。ＦＣエアライン３８及びカソードライン４０には、燃料電池１に供給される酸化ガスを加湿するための本発明の加湿手段としての加湿器４１が設けられる。ＦＣエアライン３８には、加湿器４１を迂回する加湿器迂回通路４２が設けられる。これらＦＣエアライン３８と加湿器迂回通路４２には、一対をなす第１２Ａの開閉弁４３Ａ及び第１２Ｂの開閉弁４３Ｂが設けられる。これらの開閉弁４３Ａ，４３Ｂにより、酸化ガスが加湿器４１か加湿器迂回通路４２かのどちらかを通るように切り替えることができる。また、両方の開閉弁４３Ａ，４３Ｂを開くことにより、加湿量をコントロールすることもできる。ここで、一対の開閉弁４３Ａ，４３Ｂの代わりに三方比例弁を用いてもよい。第５のポンプ３９により圧送されるＦＣエアは、加湿器４１にて加湿され、燃料電池１を通過した後、カソード凝縮器８を介して外部へ排出される。

カソード凝縮器８は、燃料電池１から排出されるカソードオフガスを凝縮する。この凝縮器８は、カソードライン４０を流れるカソードオフガスの凝縮潜熱を奪うことにより熱を回収し、水分を凝縮させて同ガスを低湿度化する。この凝縮器８にて集められた水分は、第１の水タンク１６に回収される。また、燃料電池１に供給されるＦＣエア中の余分な水分は、第１の水タンク１６に回収される。

ＦＣ熱交換器９は、燃料電池１と湯循環通路５１との間に設けられる。ＦＣ熱交換器９は、間接的に燃料電池１との間で熱交換を行う。燃焼排気ガス熱交換器１０は、燃焼器５からの燃焼排気ガスの熱回収をすると共に排ガス温度を低下させるために熱交換を行う。燃料電池１とＦＣ熱交換器９との間には、燃料電池１に冷却水を流すための本発明の冷却水通路としての冷却水循環通路４６が設けられる。この冷却水循環通路４６には、第６のポンプ４７が設けられる。このポンプ４７には、第３の水タンク４８より水が補給される。この水としては、純水や不凍液（ＬＬＣ）などが使用される。燃料電池１の入口側の冷却水循環通路４６には、入口側水温センサ４９が設けられる。燃料電池１の出口側の冷却水循環通路４６には、出口側水温センサ５０が設けられる。

貯湯槽３に対して設けられた湯循環通路５１は、貯湯槽３に貯えられた湯を巡回させるためのものである。この湯循環通路５１には、その上流側から順に、アノード凝縮器７、改質ガス凝縮器６、カソード凝縮器８、燃焼排ガス熱交換器１０及びＦＣ熱交換器９が直列に設けられる。順序は変更可能である。各機器７，６，８，１０，９は、湯循環通路５１に設けられることにより、同通路５１との間で熱交換可能に設けられる。貯湯槽３とアノード凝縮器７との間の湯循環湯通路５１には、その上流側から順に、第１３の開閉弁５２、第７のポンプ５３、第１の三方比例弁５４及びラジエータ５５が設けられる。湯循環通路５１には、ラジエータ５５を迂回するラジエータ迂回通路５６が設けられる。第１の三方比例弁５４は、ラジエータ５５の上流側にて、湯の流れをラジエータ５５又はラジエータ迂回通路５６へ切り替えると共に、その流量を可変とする。

湯循環通路５１には、改質ガス凝縮器６を迂回する凝縮器迂回通路５７が設けられる。改質ガス凝縮器６の上流側には、第２の三方比例弁５８が設けられる。この三方比例弁５８は、改質ガス凝縮器６の上流側にて、湯の流れを同凝縮器６又は凝縮器迂回通路５７へ切り替えると共に、その流量を可変とする。

湯循環通路５１には、ＦＣ熱交換器９を迂回する熱交換器迂回通路５９が設けられる。ＦＣ熱交換器９の上流側には、第３の三方比例弁６０が設けられる。この三方比例弁６０は、ＦＣ熱交換器９の上流側にて、湯の流れを同熱交換器９又は熱交換器迂回通路５９へ切り替えると共に、その流量を可変とする。

湯循環通路５１には、貯湯槽３を迂回する貯湯槽迂回通路６１が設けられる。この迂回通路６１には、第１４の開閉弁６２が設けられる。貯湯槽３には、水道ライン６３を通じて水道水が補給される。

この実施形態で、上記した第１〜第１４の開閉弁１４，２０，２２，２５，２６，２８，３０，３１，３４，３５，３７，４３，５２，６２、第１〜第３の三方比例弁５４，５８，６０及び第１〜第７のポンプ１２，１８，２７，２９，３９，４７，５３は、それぞれ電動式の機器である。

この他、燃料電池システム２は、コントローラ７０を備える。コントローラ７０は、第１〜第１４の開閉弁１４，２０，２２，２５，２６，２８，３０，３１，３４，３５，３７，４３，５２，６２、第１〜第３の三方比例弁５４，５８，６０及び第１〜第７のポンプ１２，１８，２７，２９，３９，４７，５３を駆動制御する。コントローラ７０は、所定の制御プログラムを格納し、その制御プログラムに基づき燃料電池システム２の起動制御を実行する。

図３に、上記した燃料電池システム２の主要構成を概略的に示す。コントローラ７０には、ＦＣエア用の第５のポンプ３９と、冷却水用の第６のポンプ４７と、貯湯槽３の湯を循環させるための第７のポンプ５３がそれぞれ接続される。また、コントローラ７０には、入口側水温センサ４９及び出口側水温センサ５０がそれぞれ接続される。コントローラ７０は、燃料電池システム２の低温始動時に、各水温センサ４９，５０の検出値等に基づき、各ポンプ３９，４７，５３を制御する。

この実施形態で、コントローラ７０は、燃料電池システム２の低温起動時に次のような制御方法を実行する。コントローラ７０は、燃料電池システム２の低温起動時に、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、従来の標準流量より過大な流量の酸化ガスを燃料電池１へ供給するようにしている。すなわち、図４において、発電開始時刻ｔ１に燃料電池１が発電を開始すると、燃料電池１の発電電力は、図４（ａ）に示すように、所定電力Ｐ１まで増大する。この過程で、冷却水循環通路４６を流れる冷却水（ＦＣ冷却水）も、燃料電池１の発電による自己発熱により暖められ、そのＦＣ冷却水温度が上昇する。この実施形態では、ＦＣ冷却水温度が所定温度Ｔ１に上昇するまでＦＣエア流量を、以下のように制御する。

すなわち、従来では、図４（ｂ），（ｃ）に破線で示すように、発電開始時刻ｔ１からＦＣエアストイキが一定となるように、発電電力に対してＦＣエア流量を増大させていた。これに対し、この実施形態では、図４（ｂ），（ｃ）に実線で示すように、ＦＣエア流量を、従来のＦＣエア流量より過大な一定流量となるように（発電電力に対しエアストイキが変動するように）、燃料電池１の発電開始時刻ｔ１から時刻ｔ２まで制御する。コントローラ７０は、燃料電池１の発電開始時刻ｔ１と同時にこの制御を開始するために第５のポンプ３９の吐出量を制御し、各水温センサ４９，５０の検出値が所定温度Ｔ１となる時刻ｔ２にて、この制御を終了する。その後、コントローラ７０は、最適運転条件となるようＦＣエア流量を所定流量にするために第５のポンプ３９を制御する。

このように、燃料電池システム２の低温起動時に、ＦＣエア流量を従来の標準流量よりも過大にすることにより、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、標準流量より過大な流量の酸化ガスが燃料電池１へ供給される。従って、燃料電池１が暖機されるまでの間で、燃料電池１の内部における生成水の多くが酸化ガスの過大な流れにより燃料電池１の外部へ持ち去られる。このため、従来とは異なり、アノードオフガスを燃焼させ、ＦＣ冷却水を暖めるためのオフガス燃焼器等の特別な機器を設けることなく、低温起動時における燃料電池１のフラッディングを防止することができる。これにより、燃料電池システム２を簡易化・小型化することができ、同システム２の製造コストを低減することができる。また、上記のように燃料電池システム２に係る部品点数を削減できることから、システムとしての信頼性向上と安全性を図ることができる。

また、この実施形態で、コントローラ７０は、図４における発電開始時刻ｔ１から、燃料電池１の発電電力が所定電力Ｐ１に達するまで、第１１の開閉弁３７を開き、第９及び第１０の開閉弁３４，３５を閉じることにより、図５に示すように、改質器４からの燃料ガス（改質ガス）の全部を、燃料電池１へは流さずに、ＦＣ迂回通路３６に流した後、アノード凝縮器７を介して燃焼器５へ流すようにしている。更に、燃料電池１の発電電力が所定電力Ｐ１に達した後は、コントローラ７０は、第１１の開閉弁３７を閉じ、第９及び第１０の開閉弁９，１０を開くことにより、図６に示すように、改質器４からの燃料ガス（改質ガス）の全部を、燃料電池１に流した後、アノード凝縮器７を介して燃焼器５へ流すようにしている。

従って、燃料電池システム２の低温起動時には、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、改質器４からの燃料ガスの全部が燃焼器５へ流される。従って、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、燃料ガスが燃焼器５での燃焼に供され、有効利用される。そして、燃料ガスが燃焼器５で燃焼される分だけ、改質器４に供給される燃焼用天然ガスを少なくできる。このため、燃料電池システム２の起動エネルギーを低減することができる。更に、燃料ガスを燃焼するためにオフガス燃焼器等の特別な機器やそれに関連した配管部品等を設ける必要がない。この意味でも、燃料電池システム２を簡易化・小型化することができ、同システム２の製造コストを低減させることができる。また、燃料電池システム２に係る部品点数を削減できることから、システムとしての信頼性向上と安全性を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の「燃料電池システムの起動方法」を具体化した第２実施形態を図面を参照して詳細に説明する。ここでは、図３の概略構成図及び図７，８のタイムチャートを参照して説明する。

従来は、図３に示す燃料電池システムにおいて、図７に示すように、起動時刻ｔ１から、各水温センサ４９，５０により検出される入口側水温Ｔin及び出口側水温Ｔoutが所定温度に達する時刻ｔ２までの間で、冷却水循環通路４６を流れるＦＣ冷却水流量を所定の一定流量としていた。これにより、出口側水温Ｔoutと入口側水温Ｔinとの水温差ΔＴが発電開始時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間で、徐々に増加していた。

これに対し、この実施形態では、低温起動時には、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、ＦＣ冷却水流量を従来の標準流量より減少させて冷却水循環通路４６に流すようにしている。すなわち、図８に示すように、コントローラ７０は、発電開始時刻ｔ１から、従来のＦＣ冷却水流量より少ない流量で、燃料電池１の発電電力に対してＦＣ冷却水流量を徐々に増大させるために第６のポンプ４７を制御する。これにより、図８（ａ），（ｂ）に示すように、上記水温差ΔＴを、従来より増大させている。ＦＣエア（酸化ガス）の流れとＦＣ冷却水の流れが同一方向に近い場合、燃料電池１の内部では、ＦＣエアの温度がＦＣ冷却水の温度に支配されるため、上記水温差ΔＴは、燃料電池１に対するＦＣエアの入口側温度と出口側温度との差に近づく。このため、ＦＣエアの出口側温度を上げることにより、燃料電池１の出口のＦＣエアの飽和水蒸気量が上昇し、持ち去り水量が増大し、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時における燃料電池１のフラッディングを防止することができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の「燃料電池システムの起動方法」を具体化した第３実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、図３の概略構成図及び図７，９のタイムチャートを参照して説明する。

この実施形態では、前記第２実施形態の制御方法とは、ＦＣ冷却水流量の制御方法が異なる。すなわち、この実施形態では、図９に示すように、コントローラ７０は、発電開始時刻ｔ１から、従来のＦＣ冷却水流量より少ない流量で、水温差ΔＴが所定値ΔＴ１になるようにＦＣ冷却水流量を増大させるために第６のポンプ４７を制御する。これにより、図９（ａ），（ｂ）に示すように、上記水温差ΔＴを従来よりも増大させている。ＦＣエア（酸化ガス）の流れとＦＣ冷却水の流れが同一方向に近い場合、燃料電池１の内部では、ＦＣエアの温度がＦＣ冷却水の温度に支配されるため、上記水温差ΔＴは、燃料電池１に対するＦＣエアの入口側温度と出口側温度との差に近づく。このため、ＦＣエアの出口側温度を上げることにより、燃料電池１の出口のＦＣエアの飽和水蒸気量が上昇し、持ち去り水量が増大し、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時における燃料電池１のフラッディングを防止することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の「燃料電池システムの起動方法」を具体化した第４実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、図３の概略構成図、図１０のマップ及び図１１のタイムチャートを参照して説明する。

この実施形態では、前記第２及び第３の実施形態の制御方法とは、ＦＣ冷却水流量の制御方法が異なる。すなわち、この実施形態で、コントローラ７０は、図１０に示すような入口側水温Ｔinと水温差ΔＴとの関係を予め定めた関数データ（マップ）を格納している。そして、コントローラ７０は、図１１に示すように、発電開始時刻ｔ１から、従来のＦＣ冷却水流量より少ない流量で、入口側水温Ｔinと水温差ΔＴとの関係が、図１０のマップの関係となるように、第６のポンプ４７を制御することによりＦＣ冷却水流量を増大させる。これにより、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、水温差ΔＴを従来よりも増大させる。ＦＣエア（酸化ガス）の流れとＦＣ冷却水の流れが同一方向に近い場合、燃料電池１の内部では、ＦＣエアの温度がＦＣ冷却水の温度に支配されるため、上記水温差ΔＴは、燃料電池１に対するＦＣエアの入口側温度と出口側温度との差に近づく。このため、ＦＣエアの出口側温度を上げることにより、燃料電池１の出口のＦＣエアの飽和水蒸気量が上昇し、持ち去り水量が増大し、燃料電池１の内部で生成水が凝縮し難くなる。この結果、低温起動時における燃料電池１のフラッディングを防止することができる。

［第５実施形態］
次に、本発明の「燃料電池システムの起動方法」を具体化した第５実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、図３の概略構成図及び図１２のタイムチャートを参照して説明する。

この実施形態では、低温起動時に、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、燃料電池１に供給される燃料ガスを改質ガス凝縮器６により冷却するようにしている。すなわち、図１２に示すように、コントローラ７０は、発電開始時刻ｔ１から、第７のポンプ５３の回転数を最大に制御することにより、湯循環通路５１における循環湯流量を大流量Ｑ１とし、改質ガス凝縮器６を通過する燃料ガス（改質ガス）を最大限に冷却している。コントローラ７０は、各水温センサ４９，５０により検出される各水温Ｔin,Ｔout（ＦＣ冷却水温度）が、所定温度に達する時刻ｔ２に、第７のポンプ５３に係る回転数の最大制御を停止する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、発電開始時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間で、燃料電池１の入口側における燃料ガスの温度（アノード入口温度）を低下させている。このアノード入口温度の低下に伴い、改質ガス凝縮器６にて燃料ガス中の水蒸気が凝縮して燃料ガス中の水分が減少し、燃料電池１に投入される水蒸気量が減少する。この結果、燃料電池１の内部で凝縮水を減少させることができ、低温起動時における燃料電池１のフラッディングを防止することができる。

コントローラ７０は、ＦＣ冷却水温度が所定温度に達する時刻ｔ２以降には、第７のポンプ５３により循環湯流量を調整することにより、図１２（ｃ）に示すように、アノード入口温度を所定温度Ｔ３に制御する。これにより、燃料電池１を最適湿潤条件で運転することができる。

［第６実施形態］
次に、本発明の「燃料電池システムの起動方法」を具体化した第６実施形態を図面を参照して詳細に説明する。この実施形態では、図１３の概略構成図及び図１４のタイムチャートを参照して説明する。

図１３に示すように、この実施形態では、一対をなす第１２Ａの開閉弁４３Ａ及び第１２Ｂの開閉弁４３Ｂが、ＦＣエアライン３８と加湿器迂回通路４２に設けられる。そして、低温起動時に、燃料電池１が自己発熱により暖機されるまで、燃料電池１に供給される酸化ガスにつき加湿器４１による加湿を停止するようにしている。すなわち、図１４に示すように、コントローラ７０は、発電開始時刻ｔ１には、一方の開閉弁４３Ａを閉じ、他方の開閉弁４３Ｂを開く。これにより、ＦＣエア（酸化ガス）を加湿器４１を迂回して加湿器迂回通路４２へ流し、燃料電池１に加湿されないＦＣエアを供給する。一方、コントローラ７０は、各水温センサ４９，５０により検出される各水温Ｔin,Ｔout（ＦＣ冷却水温度）が所定温度に達する時刻ｔ２には、一方の開閉弁４３Ａを開き、他方の開閉弁４３Ｂを閉じる。これにより、ＦＣエアを加湿器４１へ流し、燃料電池１へ加湿されたＦＣエアを供給する。従って、図１４（ｃ）に示すように、低温起動時には、燃料電池１の内部におけるカソード加湿量が低減する。この結果、燃料電池１の内部で凝縮水を減少させることができ、低温起動時における燃料電池１のフラッディングを防止することができる。また、所定温度に達した以降は、ＦＣエア（酸化ガス）の加湿量をコントロールするために一対の開閉弁３４Ａ，４３Ｂの両方を開く場合があってもよい。

尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。

（１）前記第１実施形態では、燃料電池システム２の低温起動時におけるＦＣエア流量を、暖機完了後の運転時における流量と同じ一定量に制御している。これに対し、燃料電池システム２の低温起動時に、ＦＣエア流量を、暖機完了後のＦＣエア流量よりも多くなるように増大させてもよい。これによれば、燃料電池１の内部から酸化ガスの流れにより外部へ持ち去られる生成水が増えることになり、より確実にフラッディングを防止することができる。

（２）前記第６実施形態では、一対の開閉弁４３Ａ，４３Ｂの開閉を切り替えることにより、ＦＣエアの流れを加湿器４１と加湿器迂回通路４２とへ切り替えるようにした。これに対し、ＦＣエアラインと加湿器迂回通路との分岐部分に三方弁を設け、その三方弁によりＦＣエアの流れを加湿器と加湿器迂回通路とへ切り替えるようにしてもよい。また、吸湿材を用いたハニカムロータ式の加湿器を用いた場合は、加湿器迂回通路４２及び開閉弁４３Ａ，４３Ｂを省略し、その代わりに、加湿器のロータ回転数をゼロにすることにより、ＦＣエアに対する加湿を停止するようにしてもよい。

（３）前記第１実施形態では、燃料電池システム２の発電開始時刻ｔ１からは、図５に示すように、改質器４からの燃料ガス（改質ガス）の全部を、燃料電池１に流さずに、ＦＣ迂回通路３６に流す。そして、燃料電池１の発電電力が所定電力Ｐ１に達した後は、図６に示すように、改質器４からの燃料ガス（改質ガス）の全部を、燃料電池１に流している。このような起動方法を、前記第２〜第６の実施形態において実施してもよい。

燃料電池コージェネレーションシステムを示す概略構成図。燃料電池の単セルを示す部分断面図。燃料電池システムの主要構成を示す概略図。ＦＣエア（酸化ガス）の制御方法等を示すタイムチャート。燃料電池システムの部分構成を示す概略図。燃料電池システムの部分構成を示す概略図。従来のＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。ＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。ＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。入口側水温と水温差との関係を示すマップ。ＦＣ冷却水流量の制御方法等を示すタイムチャート。アノード入口温度等の制御方法を示すタイムチャート。燃料電池システムの主要構成を示す概略図。カソード加湿量等の制御方法を示すタイムチャート。

符号の説明

１燃料電池
２燃料電池システム
３貯湯槽
４改質器
５燃焼器
６改質ガス凝縮器（冷却手段）
４１加湿器（加湿手段）
４６冷却水循環通路（冷却水通路）

Claims

水素リッチな燃料ガスと、酸化ガスとの供給を受け、それら燃料ガス及び酸化ガスを電気化学反応させることにより発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを起動させる起動方法であって、
前記燃料電池の内部で生成水に凝縮のおそれがある低温起動時に、前記燃料電池が自己発熱により暖機されるまで、前記燃料電池の発電電力が増加するにつれてエアストイキが減少するように従来の標準流量より過大な流量の酸化ガスを前記燃料電池へ供給することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。