JP5008279B2

JP5008279B2 - 燃料電池発電システムとその起動方法及び起動プログラム

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Publication number: JP5008279B2
Application number: JP2005202276A
Authority: JP
Inventors: 洋知沢; 泰司小上
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: JP2007018987A

Description

本発明は、単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給して電気化学反応により発電を行う燃料電池システムとその起動方法および起動プログラムに関するものである。

燃料電池発電システムは、水素等の燃料と空気等の酸化剤を燃料電池本体に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池発電システムは、比較的小型であるにもかかわらず、高効率で、環境性に優れるという特徴を持つ。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。

このような燃料電池本体は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、なかでも、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池は、低温動作性や高出力密度等の特徴から、一般家庭用を視野に入れた小型コージェネレーションシステムや電気自動車用の動力源としての用途に適しており、今後、市場規模が急激に拡大することが予想されている。

この固体高分子形燃料電池発電システムは、一般家庭用の小型コージェネレーションシステムを例にとると、都市ガスやＬＰＧ等に代表される炭化水素系燃料から水素含有ガスを製造する改質装置、改質装置で製造された水素含有ガスと大気中の空気を燃料極および酸化剤極にそれぞれ供給して起電力を発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックで発生した電気エネルギーを外部負荷に供給する電気制御装置、および発電に伴う発熱を回収する熱利用系等から構成されている。

このように、燃料電池発電システムの運転には燃料の投入が前提となるため、燃料投入量に対する発電量で定義される発電効率が高いほど、燃料使用量の削減が実現でき、ユーザメリットが高くなる。したがって、発電効率が燃料電池発電システムの性能を示す指標となっている。

この燃料電池発電システムにおいて、実際に発電機能を担っている燃料電池スタックには、運転に伴う様々な要因により経時的に電圧が低下し、結果として発電効率が低下するという問題がある。すなわち、燃料電池スタックの経時的な電圧低下を抑制することが、発電効率の高い燃料電池発電システムを提供する上で、最も重要なポイントとなっている。

このような燃料電池発電システムは、ユーザの電力需要に応じて定期的に起動停止して運用するのが一般的であるが、反応ガスの供給停止を伴う停止保管時には、燃料電池の燃料極と酸化剤極に外部から空気が混入する。このように酸化剤極が、空気が混入したような高電位に保持されると、触媒の劣化が生じるため、例えば、特許文献１に記載されているように、酸化剤極を還元雰囲気にした状態で停止保管する方法が採用されている。

また、停止保管状態から起動操作を行う際においても、酸化剤極に酸素が存在する状態で無負荷状態に保持すると、触媒の劣化が生じる。したがって、例えば、特許文献２に記載されているように、外部負荷に接続する前に可変抵抗器に接続することで、酸化剤極を高電位に保持させることなく発電移行させる方法が提案されている。

このように、特許文献１や特許文献２に記載されている上記の起動方法や停止保管方法においては、酸化剤極が高電位に保持されることを防止することで、シンタリングによる触媒劣化が大幅に改善できるという利点がある。
特開２００２−９３４４８号公報特開平５−２５１１０１号公報

しかしながら、本発明者等が燃料電池の劣化要因を解明すべく検討を重ねたところ、上述したような従来の燃料電池発電システムの起動方法や停止保管方法には、依然として以下のような解決すべき課題が残されていることが分かった。

従来の燃料電池発電システムにおいては、システムの起動時に酸化剤を供給することにより、酸化剤極では酸化剤濃度に応じて電位分布が発生し、酸化剤極入口で高く、出口で低くなる。ここで、酸化剤極の電位上昇速度が高いほど、あるいは電位上昇幅が大きいほど、セル平面内、特に酸化剤極入口、出口間の酸化剤極電位の勾配が大きくなり、微小な酸化剤極の腐食が生じることが明らかになった。

すなわち、システムの起動時、あるいは停止保管時に、酸化剤極の高電位保持状態を避けたとしても、酸化剤極電位の勾配が発生する起動操作を繰り返すと、酸化剤極を構成する触媒やガス拡散層、セパレータに使用されている材料の微小な腐食が徐々に進行することになる。したがって、燃料電池発電システムを長期運転すると、電極材料の腐食に伴い、触媒の活性低下やガス拡散性の低下が徐々に進行し、燃料電池スタックの性能が低下するという問題があることが分かった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、起動時に発生するセル面内の酸化剤極の電位勾配を是正することによって、長期運転で問題になる燃料電池酸化剤極の微小な劣化を抑制することができる燃料電池発電システムとその起動方法及び起動プログラムを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムの起動方法において、前記燃料電池発電システムの発電開始過程で、前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始する操作と、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極から燃料極へ外部回路を経由して負荷電流相当の直流電流を流す直流電流通電操作と、前記直流電流通電操作の開始時点以降に、前記酸化剤極に酸化剤を供給する操作を行うと共に負荷運転に切り替え、発電移行前後で連続的に通電操作を実施することを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、酸化剤極に空気が供給される際には、直ちに酸素還元反応が生じるので、酸化剤濃度の高い酸化剤極入口付近の電位上昇を抑えることができる。その結果、酸化剤極の電位変化量、電位変化速度が抑制され、セル平面内の酸化剤極の電位勾配が是正されるので、これらに由来する微小な酸化剤極の腐食を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムの起動方法において、前記燃料電池発電システムの発電開始過程で、前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始する操作と、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極が前記燃料極よりも高電位となるように発電移行後の電圧を超えない直流電圧を印加するための直流電圧発生手段を接続する分極操作と、前記分極操作の開始時点以降に、前記酸化剤極に酸化剤を供給する操作を行うことを特徴とする。

上記のような構成を有する請求項２に記載の発明によれば、燃料極に燃料を供給した後、酸化剤極に空気を供給する前に、酸化剤極が前記燃料極よりも高電位となるように直流電圧を印加する分極操作を実施することにより、酸化剤極に空気が供給される際には、予め酸化剤極電位が均等に上昇しているため、酸化剤入口付近における酸化剤極電位上昇に伴う電位勾配を抑えることができる。その結果、酸化剤極の電位変化量、電位変化速度が抑制されるので、セル平面内の酸化剤極の電位勾配が是正される。

また、請求項３及び請求項４に記載した燃料電池発電システムの起動プログラム、および請求項５及び請求項６に記載した燃料電池発電システムは、上記の起動方法の発明をコンピュータプログラムおよびシステムの観点から把握したものである。

本発明によれば、起動時に発生するセル平面内の酸化剤極の電位勾配を是正することによって、長期運転で問題になる燃料電池酸化剤極の微小な劣化を抑制することができる燃料電池発電システムとその起動方法及び起動プログラムを提供することができる。

以下には、本発明を適用した実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る燃料電池発電システムを示す構成図である。なお、図中において、ブロック間を接続する実線はガス配管の結線図、破線は電気配線の結線図をそれぞれ示している。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料電池スタック１、改質装置２、電気制御装置３、から構成されている。なお、燃料電池スタック１は、実際には、電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成されているが、図中では、簡略化の観点から、燃料電池スタック１が、燃料極１ａと酸化剤極１ｂから構成されているように示している。

燃料電池スタック１の燃料極１ａには、改質装置２により都市ガス（１３Ａ）を水蒸気改質して得た改質ガスが、燃料供給ライン１１を通じて供給され、燃料排出ライン１２を通じて排出されるように構成されている。また、酸化剤極１ｂには空気ブロワ４からの空気が、酸化剤供給ライン１３を通じて供給され、酸化剤排出ライン１４を通じて排出されるように構成されている。そして、燃料電池スタック１で得られた電気エネルギーは、電気制御装置３により外部負荷である交流系統電源５へ供給されるように構成されている。

また、前記電気制御装置３には、図２に示すように、燃料電池スタック１の直流電力を交流に変換する機能、および系統交流電源５からの交流電力を直流電力に変換する機能を有するインバーター３１と、このインバーター３１を制御する制御装置３２とが内蔵されている。なお、図２において、実線矢印は制御の流れを示している。

上記のように構成された電気制御装置３は、燃料電池発電時に、燃料電池の起電力から電気エネルギーを取り出すための燃料電池負荷電流を制御する負荷運転モードの他に、燃料電池スタック非発電時において、系統交流電源５を電源として酸化剤極１ｂからこの電気制御装置３を含む外部回路を経由して燃料極１ａへ直流電流を流すことができる電流源モードを有している。また、改質装置２から燃料極１ａへ供給する改質ガス量は、システム制御装置１００による指令によって、直流電流の大きさに応じて決定する機能を持たせた。

また、図１に示すように、燃料電池スタック１に対して改質ガスおよび空気の供給・排出を行う各ライン１１〜１４には、燃料電池スタック１を密封するためのバルブ１５〜１８がそれぞれ設けられている。すなわち、燃料極１ａの入口には、燃料供給ライン１１を閉止する燃料極入口バルブ１５が設けられ、燃料極１ａの出口には、燃料排出ライン１２を閉止する燃料極出口バルブ１６が設けられている。同様に、酸化剤極１ｂの入口には、酸化剤供給ライン１３を閉止する酸化剤極入口バルブ１７が設けられ、酸化剤極１ｂの出口には、酸化剤排出ライン１４を閉止する酸化剤極出口バルブ１８が設けられている。

さらに、以上のような燃料電池発電システムの各部は、システム制御装置１００からの制御指令により制御されるように構成されている。すなわち、電気制御装置３のモード切替や起動・停止は、システム制御装置１００からの制御指令により行われる。同様に、改質装置２、空気ブロワ４、および４つのバルブ１５〜１８についても、システム制御装置１００からの制御指令により制御されて起動・停止または開閉するようになっている。図中の一点鎖線は、システム制御装置１００と各部との間でやり取りされる制御指令などの信号を示している。なお、このようなシステム制御装置１００は、具体的には、本発明によるシステム起動用に特化したプログラムを記憶させたマイコンにより実現される。

（１−１−１）発電起動操作手順
図３は、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法における発電起動操作手順を示すフローチャートである。この図３に示すように、燃料電池発電システムの停止中に起動指令がなされた場合には、酸化剤極１ｂへの空気の供給を停止した状態で（Ｓ３０１）、改質装置２から燃料極１ａへの改質ガスの供給を開始した後（Ｓ３０２）、電気制御装置３を電流源モードとし（Ｓ３０３）、酸化剤極１ｂから燃料極１ａへ外部回路を介して負荷電流相当の直流電流を流す。

そして、燃料極１ａを基準とした単電池電圧（燃料電池スタック１の平均セル電圧）が、予め設定された負荷運転開始電圧Ｖｏ（ここでは、Ｖｏ＝−０．１Ｖとする）に到達した後、予め設定された保持時間Ｔｈ１（ここでは、１０秒間とする）を経過した時点（Ｓ３０４のＹＥＳ）で、電気制御装置３を負荷運転モードに切り替える（Ｓ３０５）。

Ｓ３０５において電気制御装置３を電流源モードから負荷運転モードに切り替えると共に、酸化剤極に空気を供給して（Ｓ３０６）、負荷電流密度がＩｒとなるまで負荷電流を増加させ（Ｓ３０７、Ｓ３０８）、起動操作を完了する。この発電起動操作の結果、燃料電池発電システムは、通常の発電状態となる。

（１−１−２）発電停止操作手順
図４は、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法における発電停止操作手順を示すフローチャートである。この図４に示すように、燃料電池発電システムの発電中に発電停止指令がなされた場合には、空気ブロワ４から酸化剤極１ｂへの空気の供給を停止し（Ｓ４０１）、酸化剤供給ライン１３に設けた酸化剤極入口バルブ１７を閉止して（Ｓ４０２）、電気制御装置３における負荷運転モードを継続する（Ｓ４０３）。この負荷運転モードの継続時間は、燃料極１ａを基準とした単電池電圧（燃料電池スタック１の平均セル電圧）が予め設定されたモード切替電圧Ｖｔに低下するまでの間（Ｓ４０４のＮＯ）である。ここでは、一例として、モード切替電圧Ｖｔ＝０．１Ｖであるとする。

次に、燃料極１ａを基準とした単電池電圧が０．１Ｖまで低下した時点（Ｓ４０４のＹＥＳ）で、電気制御装置３の運転モードを負荷運転モードから電流源モードに切り替えて、酸化剤極１ｂから電気制御装置３を含む外部回路を経由して燃料極１ａに直流電流を流す操作を実施する（Ｓ４０５）。この電流源モードの継続時間は、燃料極１ａを基準とした単電池電圧が、−１．２Ｖより高くかつ０Ｖ未満となるまで低下した後、予め設定された保持時間Ｔｈを経過するまでの間（Ｓ４０６のＮＯ）である。ここでは、一例として、保持時間Ｔｈ＝１２０秒間であるとする。

続いて、燃料極１ａを基準とした単電池電圧が、−１．２Ｖより高くかつ０Ｖ未満となるまで低下した後、１２０秒間経過した時点（Ｓ４０６のＹＥＳ）で、電気制御装置３を停止する（Ｓ４０７）。この後、酸化剤排出ライン１４に設けた酸化剤極出口バルブ１８を閉止し（Ｓ４０８）、改質装置２から燃料極１ａへの改質ガスの供給を停止する（Ｓ４０９）と共に、燃料供給ライン１１に設けた燃料極入口バルブ１５および燃料排出ライン１２に設けた燃料極出口バルブ１６をそれぞれ閉止する（Ｓ４１０）ことにより、燃料電池スタック１を密封して、発電停止操作を完了する。この発電停止操作の結果、燃料電池発電システムは、停止保管状態となる。

なお、このような燃料電池発電システムの停止保管状態において、再び燃料電池発電システムの起動指令がなされた場合には、上記（１−１−１）発電起動操作手順の項で説明したような処理がなされる。

（１−２）作用
図５は、以上のような本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法における起動動作を示すタイミングチャートであり、システム制御装置１００からシステム各部への制御指令のタイミング、および燃料電池スタック１の平均セル電圧の時間的な変化を示している。以下には、この図５を参照して、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法による作用について説明する。

図５に示すように、燃料電池スタックが停止状態にあるときには、酸化剤極１ｂは還元雰囲気にて封入されているので、酸化剤極１ｂの電位はゼロボルト近傍である。この状態で起動指令がなされた場合、燃料極１ａに水素リッチな改質ガスを供給した後（図中、Ａ点）、酸化剤極１ｂに空気を供給する（図中、Ｂ点）前に、電気制御装置３が電流源モードとされる結果、酸化剤極１ｂから燃料極１ａへ外部回路を介して負荷電流相当の直流電流を流す通電操作が実施される。

その結果、酸化剤極１ｂに空気が供給される際（図中、Ｂ点）には、直ちに酸素還元反応が生じるため、酸化剤濃度の高い酸化剤極入口付近の電位上昇は抑えられる。したがって、酸化剤極１ｂの電位変化量、電位変化速度が抑制され、セル平面内の酸化剤極１ｂの電位勾配が是正される。

また、図６は、燃料電池発電システムの起動直後の酸化剤極出口排ガス中に含まれるＣＯ₂濃度の変化を示したものである。ここで、排ガス中のＣＯ₂濃度は、酸化剤極１ｂにおけるカーボン材料の腐食の発生量を意味している。また、図中●で示した実施例１は、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法を適用したものであり、図中△で示した比較例１は、燃料電池発電システムの起動操作時において、酸化剤極に空気を供給する前に、酸化剤極から燃料極へ外部回路を介して直流電流を流す通電操作を行わない従来の起動方法を適用したものである。

図６から明らかなように、実施例１においては比較例１に比べて、起動直後の腐食に起因する酸化剤極排ガス中のＣＯ₂排出量が大幅に抑制されており、起動時におけるセル平面内の酸化剤極１ｂの電位勾配に由来する微小な酸化剤極の腐食が抑制されていることがわかる。

（１−３）効果
図７は、以上のような本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法による効果を示す図である。すなわち、図７は、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法を適用した実施例１（図中、○）と従来例１（図中、□）について、サイクル試験時の起動停止回数と酸化剤極の触媒有効表面積比との関係をそれぞれ示すグラフであり、具体的には、１２時間の発電と１２時間の停止保管を１サイクルとした起動停止サイクルを６００回実施した場合の燃料電池スタック１を構成する酸化剤極触媒の有効表面積の変化（初期値：１００％）を示したものである。

ここで、図７に示す従来例１は、燃料電池発電システムの起動操作時において、酸化剤極に空気を供給する前に、酸化剤極から燃料極へ外部回路を介して直流電流を流す通電操作を行わない従来の起動方法を適用したものである。

図７から明らかなように、従来例１では、起動停止回数が増えるに従って、酸化剤極の触媒劣化に伴う触媒有効表面積の低下が見られたのに対して、実施例１では、従来例１でみられるような酸化剤極の触媒劣化に伴う触媒有効表面積の低下が改善されている。

すなわち、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法によれば、酸化剤極に空気が供給される際には、直ちに酸素還元反応が生じるので、酸化剤濃度の高い酸化剤極入口付近の電位上昇を抑えることができる。したがって、酸化剤極の電位変化量、電位変化速度が抑制され、セル平面内の酸化剤極の電位勾配が是正されるので、これらに由来する微小な酸化剤極の腐食を抑制することができる。よって、酸化剤極の触媒有効表面積の低下や、ガス拡散性の低下を防止し、燃料電池スタックの電圧低下を防ぐことができる。

（２）第２実施形態
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、電気制御装置３の内部構成を以下のように変更したものである。なお、その他の構成は、上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

（２−１）構成
本実施形態の燃料電池発電システムにおいては、電気制御装置３は図８に示すように構成されている。すなわち、電気制御装置３には、燃料電池スタック１の直流電力を交流に変換する機能、および系統交流電源５からの交流電力を直流電力に変換する機能を有するインバーター３１と、このインバーター３１で変換された直流電力を所定の電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバーター３３と、前記インバーター３１及びＤＣ−ＤＣコンバーター３３を制御する制御装置３２とが内蔵されている。なお、図８において、実線矢印は制御の流れを示している。

上記のように構成された電気制御装置３は、燃料電池発電時に、燃料電池の起電力から電気エネルギーを取り出すための燃料電池負荷電流を制御する負荷運転モードの他に、燃料電池スタック非発電時において、系統交流電源５を電源として燃料電池スタック１に任意の直流電圧を印加して分極させる直流電圧発生モード（直流電圧源モード）を有している。

（２−１−１）発電起動操作手順
図９は、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法における発電起動操作手順を示すフローチャートである。この図９に示すように、燃料電池発電システムの停止中に起動指令がなされた場合には、酸化剤極１ｂへの空気の供給を停止した状態で（Ｓ９０１）、改質装置２から燃料極１ａへの改質ガスの供給を開始した後（Ｓ９０２）、電気制御装置３を直流電圧源モードとする（Ｓ９０３）。

そして、燃料極を基準とした単電池電圧が予め設定された負荷運転開始電圧Ｖｏ（ここでは、Ｖｏ＝０．５Ｖとする）となるように５ｍＶ／ｓｅｃの上昇レートで酸化剤極に直流電圧を印加すると共に、単電池電圧が０．５Ｖに到達した後、予め設定された保持時間Ｔｈ２（ここでは、１０秒間とする）を経過した時点（Ｓ９０４のＹＥＳ）で、電気制御装置３を負荷運転モードに切り替える（Ｓ９０５）。

Ｓ９０５において電気制御装置３を直流電圧源モードから負荷運転モードに切り替えると共に、酸化剤極に空気を供給して（Ｓ９０６）、負荷電流密度がＩｒとなるまで負荷電流を増加させ（Ｓ９０７、Ｓ９０８）、起動操作を完了する。この発電起動操作の結果、燃料電池発電システムは、通常の発電状態となる。

（２−２）作用・効果
図１０は、以上のような本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法における起動動作を示すタイミングチャートであり、システム制御装置１００からシステム各部への制御指令のタイミング、および燃料電池スタック１の平均セル電圧の時間的な変化を示している。以下には、この図１０を参照して、本実施形態の燃料電池発電システムの起動方法による作用について説明する。

図１０に示すように、燃料電池スタックが停止状態にあるときには、酸化剤極１ｂは還元雰囲気にて封入されているので、酸化剤極１ｂの電位はゼロボルト近傍である。この状態で起動指令がなされた場合、燃料極１ａに水素リッチな改質ガスを供給した後（図中、ａ点）、酸化剤極１ｂに空気を供給する（図中、ｂ点）前に、電気制御装置３が直流電圧源モードとされる結果、酸化剤極１ｂが正となるように直流電圧が印加され、分極操作が実施される。

その結果、酸化剤極１ｂに空気が供給される際（図中、ｂ点）には、予め酸化剤極電位が均等に上昇しているため、酸化剤入口付近における酸化剤極電位上昇に伴う電位勾配は抑えられる。さらに、酸化剤極電位の上昇速度も、印加する直流電圧の制御により任意に設定できる。

したがって、酸化剤極の電位変化量、電位変化速度が抑制されるので、セル平面内の酸化剤極の電位勾配が是正され、第１実施形態と同様に、これらに由来する微小な酸化剤極の腐食が抑制される。よって、本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態におけるセル平面内の酸化剤極の電位勾配是正操作である直流電圧源モード時の消費電力は、第１実施形態と比較して小さいという利点もある。

（３）他の実施形態
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。例えば、発電起動操作手順について示した保持時間は一例にすぎず、適宜変更可能である。

すなわち、本発明は、燃料電池発電システムの発電起動過程で、燃料極に水素リッチな改質ガスを供給した後、酸化剤極に空気を供給する前に、電気制御装置を電流源モードとすることにより、酸化剤極から燃料極へ外部回路を介して負荷電流相当の直流電流を流す限り、あるいは、電気制御装置を直流電圧源モードとすることにより、酸化剤極が正となるように直流電圧を印加して分極操作を実施する限り、具体的なシステム構成や発電起動操作手順は適宜変更可能であり、同様に優れた効果が得られるものである。

本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態を実現するための燃料電池発電システムの構成を示す図。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態における電気制御装置の構成を示す図。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態における発電起動操作手順を示すフローチャート。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態における発電停止操作手順を示すフローチャート。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態における発電起動動作を示すタイミングチャート。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態による効果を示す図であり、サイクル試験時の起動停止回数と酸化剤極の触媒有効表面積比との関係を示すグラフ。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第１実施形態による効果を示す図であり、サイクル試験後の燃料極触媒有効表面積の初期値に対する比を示すグラフ。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第２実施形態における電気制御装置の構成を示す図。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第２実施形態における発電起動操作手順を示すフローチャート。本発明に係る燃料電池発電システムの起動方法の第２実施形態における発電起動動作を示すタイミングチャート。

符号の説明

１…燃料電池スタック
１ａ…燃料極
１ｂ…酸化剤極
２…改質装置
３…電気制御装置
４…空気ブロワ
５…外部負荷
１１…燃料供給ライン
１２…燃料排出ライン
１３…酸化剤供給ライン
１４…酸化剤排出ライン
１５…燃料極入口バルブ
１６…燃料極出口バルブ
１７…酸化剤極入口バルブ
１８…酸化剤極出口バルブ
３１…インバーター
３２…制御装置
３３…ＤＣ−ＤＣコンバーター
１００…システム制御装置

Claims

電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムの起動方法において、
前記燃料電池発電システムの発電開始過程で、
前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始する操作と、
前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極から燃料極へ外部回路を経由して負荷電流相当の直流電流を流す直流電流通電操作と、
前記直流電流通電操作の開始時点以降に、前記酸化剤極に酸化剤を供給する操作を行うと共に負荷運転に切り替え、発電移行前後で連続的に通電操作を実施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。
電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムの起動方法において、
前記燃料電池発電システムの発電開始過程で、
前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始する操作と、
前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極が前記燃料極よりも高電位となるように発電移行後の電圧を超えない直流電圧を印加するための直流電圧発生手段を接続する分極操作と、
前記分極操作の開始時点以降に、前記酸化剤極に酸化剤を供給する操作を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの起動方法。
電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムを起動するためのプログラムにおいて、
前記燃料電池発電システムの発電開始過程で、
前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始する操作と、
前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極から燃料極へ外部回路を経由して負荷電流相当の直流電流を流す直流電流通電操作と、
前記直流電流通電操作の開始時点以降に、前記酸化剤極に酸化剤を供給すると共に負荷運転に切り替え、発電移行前後で連続的に通電操作を実施する操作とをコンピュータに実現させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動プログラム。
電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムを起動するためのプログラムにおいて、
前記燃料電池発電システムの発電開始過程で、
前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始する操作と、前記燃料極に燃料を供給した状態で、前記酸化剤極が前記燃料極よりも高電位に保持されるように発電移行後の電圧を超えない直流電圧を印加するための直流電圧発生手段を接続する分極操作と、
前記分極操作の開始時点以降に、前記酸化剤極に酸化剤を供給する操作を、コンピュータに実現させることを特徴とする燃料電池発電システムの起動プログラム。
電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記電気制御装置は、前記燃料電池スタックで得られた電気エネルギーを外部負荷に供給する負荷運転モードと、燃料電池スタック非発電時において、系統交流電源を電源として前記酸化剤極から外部回路を経由して前記燃料極へ直流電流を流す電流源モードを有し、
前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始すると共に、前記電気制御装置を前記電流源モードとして、前記酸化剤極から外部回路を経由して燃料極に負荷電流相当の直流電流を流し、前記燃料極を基準とした単電池電圧が予め設定された負荷運転開始電圧に到達した後、予め設定された保持時間を経過した時点で、電気制御装置を負荷運転モードに切り替えるように構成され、
前記電気制御装置が前記負荷運転モードに切り替わった時点以降に、前記酸化剤極への酸化剤の供給を開始し、発電移行前後で連続的に通電操作を実施するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
電解質を挟んで配置した燃料極と酸化剤極とを有する単電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料および酸化剤をそれぞれ供給する燃料供給装置および酸化剤供給装置と、前記燃料電池スタックの負荷電流を制御する電気制御装置を備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記電気制御装置は、前記燃料電池スタックで得られた電気エネルギーを外部負荷に供給する負荷運転モードと、燃料電池スタック非発電時において、系統交流電源を電源として燃料電池スタックに任意の直流電圧を印加して分極させる直流電圧源モードを有し、
前記酸化剤極への空気の供給を停止した状態で、燃料極への燃料の供給を開始すると共に、前記電気制御装置を前記直流電圧源モードとして、前記酸化剤極に発電移行後の電圧を超えない直流電圧を印加し、前記燃料極を基準とした単電池電圧が予め設定された負荷運転開始電圧に到達した後、予め設定された保持時間を経過した時点で、電気制御装置を負荷運転モードに切り替えるように構成され、前記電気制御装置が前記負荷運転モードに切り替わった時点以降に、前記酸化剤極への酸化剤の供給を開始するように構成されていることを特徴とする燃料電池発電システム。