JPH09161832A - 燃料電池発電装置とその運転方法及び運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、改質装置を外部に取り出すこ
となく、簡単に改質触媒上に析出したカーボンの除去に
よる再生が可能な燃料電池発電装置とその運転方法及び
運転制御方法を提供することを目的とする。 【解決手段】本発明は、リン酸型燃料電池本体２１を発
電停止状態にしたままで、気水分離器ヒータ２８による
気水分離器２７からの水蒸気を、起動用バーナ６２で所
定の温度まで昇温した改質装置８に供給し、水蒸気とカ
ーボンを反応させることにより改質触媒上に析出したカ
ーボンの除去を行い、バーナ燃焼排ガスと未反応水蒸気
を大気中に放出することによって、改質触媒の再生を行
うものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質装置の改質触
媒上に析出したカーボンの除去を行い改質触媒の再生が
可能な燃料電池発電装置とその運転方法及び運転制御方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２に燃料電池発電装置の従来例とし
て、都市ガスを燃料とした燃料電池発電装置の構成を示
す。本装置の主な構成要素は、脱硫装置７、エジェクタ
５３、改質装置８、シフトコンバータ１１、リン酸型燃
料電池本体２１、変換装置２４、凝縮器３８、補給水ポ
ンプ４３、気水分離器２７、空気ブロア１５、蒸発器３
３、排熱利用システム３５、制御装置５１、センサ５，
２２，２３，４１，４２，４９，５５、流量制御弁３
０，４５，４６，５２，５４、及び遮断弁６，１０であ
る。以下に図２を用いて、この従来の燃料電池発電装置
について説明する。

【０００３】制御装置５１の制御部３２から制御信号ａ
を送信することによって遮断弁６を開け、脱硫装置７に
都市ガス４を供給し、脱硫装置７で改質装置８及びリン
酸型燃料電池本体２１の燃料極１８の触媒の劣化原因と
なる都市ガス４中の腐臭剤に含まれる硫黄分を除去す
る。都市ガス供給量は、流量制御弁５２の開度を燃料電
池出力５０に合わせて制御装置５１の制御部３２からの
制御信号ｌで調節することにより制御する。遮断弁１０
は、制御装置５１の制御部３２から送信された制御信号
ｃにより、燃料電池発電装置の起動時のみ開き起動用バ
ーナ６２に改質装置８の昇温のために都市ガスを供給し
燃焼させる。それ以外は、遮断弁１０は閉じておく。都
市ガス供給量は、流量センサ５で監視し、都市ガス供給
量の検出信号Ａを制御装置５１の比較演算器４７に送信
する。都市ガス供給量は、電圧センサ２２と電流センサ
２３で検出した燃料電池出力５０を検出信号Ｅ及び検出
信号Ｄとして制御装置５１の比較演算器４７に送信し、
また、温度センサ４１で検出した改質装置温度を検出信
号Ｂとして制御装置５１の比較演算器４７に送信し、予
め制御装置５１の制御部３２に設定記憶された燃料電池
出力５０及び改質装置温度と流量制御弁５２の開度（す
なわち、都市ガス供給量）の関係に基づいて、制御装置
５１の制御部３２から流量制御弁５２に制御信号ｌを送
信し、流量制御弁５２の開度を調節することによって、
都市ガス供給量を燃料電池出力５０に見合った値に設定
する。脱硫装置７で硫黄分が除去された都市ガス４は、
エジェクタ５３で気水分離器２７から供給された改質用
水蒸気３１と混合され、改質触媒が充填された改質装置
８の改質部４８に供給される。エジェクタ５３への改質
用水蒸気供給量は、予め制御装置５１の制御部３２に設
定された流量制御弁５２の開度（すなわち、都市ガス供
給量）とエジェクタ５３の開度の関係に基づいて、制御
装置５１の制御部３２から制御信号ｍを送信しエジェク
タ５３の開度を調節することによって、予め設定記憶さ
れた所定のスチームカーボン比となるように設定する。
改質装置８では、燃料ガスである都市ガス４の水蒸気改
質が行われ、水素リッチな改質ガスがつくられる。都市
ガスの主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、次式で
表される。

【０００４】（メタンの水蒸気改質反応） ＣＨ₄ ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂ （１） この水素リッチな改質ガスには、リン酸型燃料電池本体
２１の燃料極１８の触媒の劣化原因となる一酸化炭素が
含まれているので、改質ガスは触媒をシフト触媒を充填
したシフトコンバータ１１に送られ、次式に示すシフト
反応により改質ガス中の一酸化炭素が二酸化炭素に変換
される。

【０００５】（シフト反応） ＣＯ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ （２） シフトコンバータ１１により、改質ガス中の一酸化炭素
濃度は、１％以下まで低減される。シフトコンバータ１
１で一酸化炭素濃度が下げられた水素リッチな改質ガス
は、リン酸型燃料電池本体２１の燃料極１８に供給され
るとともに、その一部は脱硫装置７にリサイクルされ、
リサイクルガス中の水素が脱硫反応に使用される。リサ
イクルガスの供給量は、予め制御装置５１の制御部３２
に設定記憶された流量制御弁５２の開度（すなわち、都
市ガス供給量）と流量制御弁５４の開度（すなわち、リ
サイクルガス供給量）の関係に基づき、制御装置５１の
制御部３２から制御信号ｂを流量制御弁５４に送信し流
量制御弁５４の開度を調節することによって予め制御装
置５１の制御部３２に設定記憶された所定の供給量に設
定される。

【０００６】一方、リン酸型燃料電池本体２１の酸化剤
極２０には、空気ブロア１５を用いて取り込んだ外気１
７を発電用空気１６として供給する。発電用空気１６の
供給量は、電圧センサ２２と電流センサ２３で検出した
燃料電池出力５０を検出信号Ｅ及び検出信号Ｄとして制
御装置５１の比較演算器４７に送信し、予め制御装置５
１の制御部３２に設定記憶された燃料電池出力５０と空
気ブロア１５の回転数及び流量制御弁４６の開度（すな
わち、発電用空気供給量）の関係に基づいて、制御装置
５１の制御部３２から制御信号ｄを空気ブロア１５に送
信することによって空気ブロア１５の回転数を調節し、
また、制御装置５１の制御部３２から制御信号ｈを流量
制御弁４６に送信することによって流量制御弁４６の開
度を調節し、燃料電池出力５０に見合った値に設定され
る。リン酸型燃料電池本体２１の燃料極１８では、次式
に示す反応により、改質ガス中の水素が水素イオンと電
子に変わる。

【０００７】 Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- （３） 水素イオンは電解質１９の内部を拡散し酸化剤極２０に
到達する。一方、電子は外部回路を流れ、燃料電池出力
５０として取り出すことができる。酸化剤極２０では、
次式に示す反応により、燃料極１８から電解質１９の中
を拡散してきた水素イオン、燃料極１８から外部回路を
通じて移動してきた電子、及び空気中の酸素が反応し、
水が生成する。

【０００８】 ２Ｈ⁺ ＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^- →Ｈ₂ Ｏ （４） （３）式と（４）式をまとめると、リン酸型燃料電池本
体２１での全電池反応は、次式に示すように水素と酸素
から水ができる単純な反応として表すことができる。

【０００９】 Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ （５） 発電によって得られた燃料電池出力５０は、変換装置２
４で電圧変換あるいは直流−交流変換が行われた後に、
負荷２５に供給される。燃料極１８では、改質ガス中の
水素がすべて（４）式に示した電極反応で消費されるわ
けではなく、全体の８０％程度の水素が使われるだけで
ある。残りの約２０％の水素が未反応水素として、燃料
極排ガス１３の中に含まれている。これは、燃料極１８
で改質ガス中の水素をすべて電極反応で消費しようとす
ると、ガスの出口付近で局所的に水素が不足し、水素の
変わりに燃料極基板のカーボンが反応することによって
リン酸型燃料電池本体２１が劣化することを防ぐためで
ある。未反応水素を含む燃料極排ガス１３は改質装置バ
ーナ９に供給され、バーナ燃料として使用される。
（１）式に示した都市ガスの主成分であるメタンの水蒸
気改質反応は、吸熱反応であるので外部から熱を改質装
置８の改質部４８に与える必要がある。このため、改質
装置バーナ９で燃料極排ガス１３中の水素を燃焼用空気
１２とともに燃焼させることにより、改質装置８の改質
部４８の触媒充填層温度を最大７００℃程度まで昇温す
る。燃焼用空気１２の供給量は、流量制御弁４５の開度
を一定にすることによって一定値に設定してもよいし、
また、温度センサ４１で検出した改質装置温度の検出信
号Ｂを制御装置５１の比較演算器４７に送信し、予め制
御装置５１の制御部３２に設定記憶された改質装置温度
と空気ブロア１５の回転数及び流量制御弁４５の開度
（すなわち、燃焼用空気供給量）の関係に基づいて、制
御装置５１の制御部３２から制御信号ｄと制御信号ｇを
空気ブロア１５と流量制御弁４５に送信することによっ
て、空気ブロア１５の回転数と流量制御弁４５の開度を
調節し設定してもよい。

【００１０】未反応水素の燃焼反応により生成した水蒸
気を含む改質装置バーナ燃焼排ガス１４と（５）式に示
した電池反応により生成した水蒸気を含む酸化剤極排ガ
ス３７は、凝縮器３８に送られ、水蒸気が凝縮水４０と
して除去された後に、排ガス３９として大気中に放出さ
れる。凝縮水４０は、気水分離器２７に戻され、電池冷
却水２６、改質用水蒸気３１、排熱回収用水蒸気３４等
に利用される。

【００１１】（５）式に示した電池反応は発熱反応であ
るので、リン酸型燃料電池本体２１の温度は、発電によ
り時間とともに上昇する。リン酸型燃料電池本体２１の
温度上昇が起こると、電解質の水素イオン伝導率が上が
るために出力特性が一時的に向上するが、劣化が起こり
易くなり寿命低下が起こる。そこで、気水分離器２７か
ら電池冷却水２６を循環させてリン酸型燃料電池本体２
１の冷却を行う。リン酸型燃料電池本体温度は、寿命と
電池性能の両方を勘案して１９０℃前後に設定されるの
が一般的である。電池冷却水２６のリン酸型燃料電池本
体出口温度は温度センサ４２で検出し、検出信号Ｃを制
御装置５１の比較演算器４７に送信する。電池冷却水２
６の供給量は、温度センサ４２で検出した電池冷却水２
６のリン酸型燃料電池本体出口温度が予め設定記憶され
た所定範囲の値になるように、制御信号ｅを制御装置５
１の制御部３２から流量制御弁３０に送信し流量制御弁
３０の開度を調節することによって設定する。リン酸型
燃料電池本体２１を出た電池冷却水２６は、水と水蒸気
の混合物の形で気水分離器２７に戻される。気水分離器
圧力は圧力センサ４９で検出し、検出信号Ｇを制御装置
５１の比較演算器４７に送信する。また、気水分離器２
７内の水位は液面センサ５５で検出し、検出信号Ｆを制
御装置５１の比較演算器４７に送信する。起動時及び圧
力センサ４９が気水分離器２７の圧力が予め設定記憶さ
れた所定の圧力より低下したことを検出した場合には、
制御装置５１の制御部３２から制御信号ｋを気水分離器
ヒータ電源２９に送信し、気水分離器ヒータ２８に予め
設定記憶された所定の電力を、圧力センサ４９で気水分
離器２７の圧力が予め設定記憶された所定の圧力を越え
たことを検出するまで供給し、水蒸気を発生させる。ま
た、液面センサ５５で気水分離器２７内の水位が予め設
定記憶された所定の水位よりも低下したことを検出した
場合には、制御装置５１の制御部３２から補給水ポンプ
４３に制御信号ｆを送信し、液面センサ５５で気水分離
器２７内の水位が予め設定記憶された所定の値になった
ことを検出するまで補給水ポンプ４３を動作させて気水
分離器２７に補給水４４を供給する。リン酸型燃料電池
本体２１から気水分離器２７に供給された水蒸気あるい
は気水分離器２７で発生させた水蒸気のうち、改質用水
蒸気３１として使用する以外の水蒸気は、排熱回収用水
蒸気３４として蒸発器３３に供給され、排熱利用システ
ム３５の冷媒３６の蒸発に使われる。蒸発器３３で凝縮
した排熱回収用水蒸気３４の凝縮水５６は、気水分離器
２７に戻される。制御装置５１の制御モードは、都市ガ
ス４を燃料として発電を行う場合には定常発電モードを
選択し、燃料電池発電装置の起動及び停止を行う場合に
はそれぞれ起動モード及び停止モードを選択する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】次に従来の燃料電池発
電装置の問題点について説明する。従来の燃料電池発電
装置では、改質装置８の改質部４８におけるスチームカ
ーボン比が小さい場合には、都市ガス等の燃料改質過程
で改質部４８に充填された改質触媒上にカーボンが析出
するという問題があった。改質触媒上にカーボンが析出
すると、体積膨張により改質触媒の微紛化も起こる。こ
の結果、析出カーボンと微紛化した触媒により改質装置
８の改質部４８における圧力損失が増加し、改質部４８
への所定量の燃料供給が困難となる。改質部４８への燃
料供給が困難になると、リン酸型燃料電池本体２１の発
電に必要な水素を改質装置８でつくることができなくな
り、リン酸型燃料電池本体２１の発電を維持することも
不可能となり、燃料電池発電装置が停止してしまう。そ
のため、改質装置８の改質部４８でカーボン析出が起こ
り改質装置８での圧力損失が増大した場合には、速やか
にカーボンを除去することが必要となる。カーボンの除
去方法としては、改質装置８を数百℃まで昇温し水蒸気
（触媒の酸化防止のため水素を添加するのが望ましい）
や水素を供給し、水蒸気または水素とカーボンとを反応
させてカーボンを除去する方法が一般的である。しか
し、従来の燃料電池発電装置では、燃料電池発電装置の
運転制御モードが起動・発電・停止モードしかなく触媒
再生モードがないので、改質装置８を取り出すことなし
に改質装置８の改質部４８に析出したカーボンの除去を
行うことはできず、図３に示すように、改質装置８を外
部に取り出して予め準備した電気ヒータ５７の内部に設
置し、改質装置８を電気ヒータ５７で所定の温度まで昇
温した後、外部の水蒸気供給設備５８または水素供給設
備５９から遮断弁６８，６９及び流量制御弁７０，７１
を介して水蒸気、水素、または水蒸気と水素の両方を供
給し、水蒸気または水素とカーボンを反応させることに
より改質装置８の改質部４８の触媒上に析出したカーボ
ンを除去することが必要であった。７２はベントであ
る。これは、カーボン除去を行う際には改質装置８を昇
温しなければならないので、改質装置８を燃料電池発電
装置から取り出さずにカーボン除去を行おうとすると、
燃料電池発電装置の発電状態での操作が必要となるが、
従来の燃料電池発電装置ではこれが以下の理由から困難
であるためである。すなわち、燃料電池発電装置で発電
を行いながら燃料とともに水蒸気を余分に供給して析出
カーボンを除去しようとすると、燃料電池発電装置の水
蒸気供給能力はエジェクタで制限されているので、エジ
ェクタ容量を大きくすることが必要となる。しかし、エ
ジェクタ容量を析出カーボンの除去のための多量の水蒸
気供給に合わせて大きくすると、通常の発電時の水蒸気
の制御性が悪くなるという問題が生じる。また、水蒸気
を多量に供給することにより燃料電池発電装置全体の熱
バランスがくずれ、制御が不安定になるという問題が生
じる。一方、水素ボンベを設置し、この水素ボンベから
過剰の水素を単独あるいは燃料とともに供給して燃料電
池発電装置で発電を行いながら析出カーボンを除去しよ
うとすると、多量の余剰水素を含む燃料極排ガス改質装
置バーナ９に供給され改質装置８の温度上昇が起こり、
燃料電池発電装置の制御が不能になり燃料電池発電装置
が停止するという問題が生じる。特に、水素だけを供給
して燃料電池発電装置の発電と析出カーボンの除去を行
おうとすると、改質装置８で吸熱反応である水蒸気改質
反応が全く起こらないので、改質装置８では急激な温度
上昇が起こる。

【００１３】従って、従来の燃料電池発電装置では、改
質装置の析出カーボンの除去を行うために、改質装置の
燃料電池発電装置からの取り出し及び取り付け作業、水
素供給設備及び水蒸気供給設備、改質装置の昇温用電気
ヒータ、排ガス処理設備等の設備、及びこれらの装置の
設置スペースと作業スペースが必要となり、現状では析
出カーボンの除去作業を燃料電池発電装置の設置場所で
行うことは困難であった。

【００１４】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、改質装置の改質触媒上にカーボンが析出した場合
に、析出カーボンの除去を行うために改質装置を燃料電
池発電装置から取り出し、予め準備した電気ヒータの中
に改質装置を設置して所定の温度まで昇温した後、外部
の水素供給源または水蒸気供給源から水素または水蒸気
を改質装置に供給しなければならないという点を解決し
た、外部水蒸気供給源や改質装置昇温用電気ヒータを用
意することなしに、また、改質装置を燃料電池発電装置
から取り出すことなしに改質装置の昇温と水蒸気の供給
を行い、水蒸気とカーボンを反応させ触媒上に析出した
カーボンを除去することにより改質触媒の再生が可能な
燃料電池発電装置とその運転方法及び運転制御方法を提
供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池本体と、制御
系と、起動用バーナ配管、起動用バーナ、バーナ燃焼排
ガス配管、改質装置、シフトコンバータ、改質装置バー
ナを有する燃料改質系と、燃料供給系を有する燃料電池
発電装置において、改質装置出口ガスを前記シフトコン
バータと前記燃料電池本体と前記改質装置バーナをバイ
パスして前記バーナ燃焼排ガス配管に直接供給するバイ
パス配管と、前記改質装置出口ガスの流路を前記バイパ
ス配管に切り替えるバイパス配管切替弁と、前記起動用
バーナ配管の途中に前記起動用バーナへの燃料供給量を
前記制御系からの制御信号を受けて制御する起動用バー
ナ燃料供給量制御弁を設けたことを特徴とするものであ
る。

【００１６】また本発明の燃料電池発電装置の運転方法
は、燃料電池本体と、改質装置、改質装置バーナ、シフ
トコンバータ、エジェクタ、気水分離器、起動用バー
ナ、起動用バーナ配管、起動用バーナ燃料供給量制御
弁、バーナ燃焼排ガス配管、改質装置出口ガスを前記シ
フトコンバータと前記燃料電池本体と前記改質装置バー
ナをバイパスして直接前記バーナ燃焼排ガス配管に供給
するバイパス配管、及びバイパス配管切替弁を備えた燃
料改質系と、燃料供給系と、制御系を有する燃料電池発
電装置の運転方法において、前記燃料電池本体による発
電を行うことなしに、前記制御系で前記起動用バーナ燃
料供給量制御弁を制御し前記起動用バーナへの燃料供給
量を調節することによって前記起動用バーナで前記改質
装置を所定の温度まで昇温し保持するとともに、前記気
水分離器の電気ヒータを起動し前記エジェクタの開度を
前記制御系で制御することによって所定量の水蒸気を前
記改質装置に供給し、前記改質装置出口ガスを前記バイ
パス配管切替弁及び前記バイパス配管を経て前記バーナ
燃焼排ガス配管に供給することを特徴とするものであ
る。

【００１７】また上記燃料電池発電装置の運転方法にお
いて、前記燃料供給系を介して水素を水蒸気とともに前
記改質装置に供給することを特徴とするものである。ま
た本発明の燃料電池発電装置の運転制御方法は、燃料電
池本体と、改質装置を備えた燃料改質系と、燃料供給系
と、制御系を有する燃料電池発電装置を、前記制御系が
各種運転モードに従って集中して制御する燃料電池発電
装置の運転制御方法において、前記制御系が前記モード
中に、前記燃料改質系の前記燃料改質装置内の改質触媒
上に析出したカーボンを除去する触媒再生モードを有す
ることを特徴とするものである。

【００１８】このように本発明は、燃料電池発電装置の
運転モードに起動・発電・停止モードの他に改質触媒再
生モードを設け、燃料電池を発電停止状態にしたまま
で、電気ヒータによる気水分離器からの水蒸気を、起動
用バーナで所定の温度まで昇温した改質装置に供給し、
改質触媒上に析出したカーボンの除去を行い、バーナ燃
焼排ガスと未反応水蒸気を大気中に放出することによっ
て、改質触媒の再生を行うことを最も主要な特徴とす
る。従来の技術とは、改質装置を燃料電池発電装置から
取り出して、改質装置を電気ヒータの中に設置し電気ヒ
ータで改質装置を所定の温度まで昇温するとともに、外
部の水素供給設備または水蒸気供給設備から水素または
水蒸気を改質装置に供給して水素または水蒸気とカーボ
ンを反応させることにより改質触媒上に析出したカーボ
ンの除去を行う代わりに、改質装置を外部に取り出すこ
となく燃料電池発電装置に組み込んだままで起動用バー
ナを利用して所定の温度まで昇温し、燃料電池発電装置
の気水分離器ヒータで水蒸気をつくり改質装置に提供し
て水蒸気とカーボンを反応させることにより改質触媒上
に析出したカーボンの除去を行う点が異なる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
例を示す構成説明図である。図１中、図２と同一部分は
同一符号を付してその説明を省略する。図１を用いて本
発明の一実施形態例を説明する。この一実施形態例は、
図２に示した従来例とは、改質装置出口ガスをシフトコ
ンバータ１１、リン酸型燃料電池本体２１、改質装置バ
ーナ９をバイパスしてバーナ燃焼排ガス配管６０に直接
供給するバイパス配管２と、改質装置出口ガスの流路を
バイパス配管２に切り替えるバイパス配管切替弁１と、
起動用バーナ配管６１の途中に制御装置５１の制御部３
２から送信された制御信号ｏを受けて弁開度を調節する
ことによって起動用バーナ６２への燃料供給量を制御す
る起動用バーナ燃料供給量制御弁３を設けた点、リン酸
型燃料電池本体２１の発電を行うことなしに、制御装置
５１の制御部３２から制御信号ｏを送信し起動用バーナ
燃料供給量制御弁３の弁開度の調節を行い起動用バーナ
６２への燃料供給量を制御することによって起動用バー
ナ６２で改質装置８を所定の温度まで昇温し保持すると
ともに、気水分離器ヒータ２８を起動しエジェクタ５３
の開度を制御装置５１の制御部３２から制御信号ｍを送
信することによって所定量の水蒸気を触媒の酸化防止の
ための水素とともに供給し、水蒸気とカーボンを反応さ
せることにより改質装置８の改質部４８の触媒上に析出
したカーボンの除去を行い、改質装置出口ガスの流路を
バイパス配管切替弁１でバイパス配管２に切り替え、改
質装置出口ガスを直接バーナ燃焼排ガス配管６０に供給
する燃料発電装置の運転を行う点、及び制御装置５１の
運転モードとして改質装置８の改質部４８の改質触媒上
に析出したカーボンを除去する触媒再生モードを設けて
燃料電池発電装置の運転制御を行う点が異なる。尚、都
市ガス４の供給路に遮断弁６３を設け、窒素ボンベ６５
からの窒素供給路を遮断弁６４を介して流量制御弁５２
に接続すると共に、水素ボンベ６７からの水素供給路を
遮断弁６６を介して流量制御弁５２に接続する。

【００２０】次に本発明の一実施形態例の作用について
説明する。制御装置５１の運転モードとして触媒再生モ
ードを選択し、改質装置８の改質部４８の改質触媒上に
析出したカーボンの除去を行う。カーボンの除去にあた
っては、制御装置５１の制御部３２から制御信号ｃを遮
断弁１０に送信し遮断弁１０を開け、改質装置温度を温
度センサ４１で検出し検出信号Ｂを制御装置５１の比較
演算器４７に送信するとともに、この改質装置温度に対
応して予め制御装置５１の制御部３２に記憶された制御
関数に基づいて制御信号ｏを制御装置５１の制御部３２
から起動用バーナ燃料供給量制御弁３に送信し、起動用
バーナ燃料供給量制御弁３の弁開度を調節することによ
り起動用バーナ燃料供給量を制御することにより改質装
置温度を所定の温度まで昇温し保持する。この昇温過程
では、制御装置５１の制御部３２から遮断弁６に制御信
号ａを送信し遮断弁６を閉じ、また遮断弁６４を開ける
ことによって窒素ボンベ６５から窒素を改質装置８に供
給する。次に改質装置温度が所定の温度まで到達した
後、気水分離器ヒータ２８を起動し、予め制御装置５１
の制御部３２に記憶された水蒸気供給量に基づき制御装
置５１の制御部３２から制御信号ｍをエジェクタ５３に
送信しエジェクタ開度を調節することにより改質装置８
に所定量の水蒸気を供給する。水蒸気を供給する際に
は、改質装置８の改質部４８の改質触媒の酸化を防ぐた
めに水素をわずかに供給することが望ましい。そこで、
遮断弁６４を閉じ遮断弁６６を開けることによって、窒
素の代わりに水素ボンベ６７から水素を改質装置８に供
給する。水素供給量の制御は、予め制御装置５１の制御
部３２に記憶された所定の水素量と弁開度の関係に基づ
いた制御信号ｌを制御装置５１の制御部３２から流量制
御弁５２に送信し流量制御弁５２の弁開度を調節するこ
とにより行う。改質装置出口ガスの流路は、制御装置５
１の運転モードとして触媒再生モードを選択した時点
で、制御装置５１の制御部３２から制御信号ｐをバイパ
ス配管切替弁１に送信し改質装置出口ガスの流路をバイ
パス配管２に切り替え、改質装置出口ガスをシフトコン
バータ１１、リン酸型燃料電池本体２１、改質装置バー
ナ９をバイパスしてバーナ燃焼排ガス配管６０に直接供
給する。改質装置出口ガス中の水蒸気は大気中に放出さ
れるので、気水分離器２７には水位低下に応じて自動的
に外部から水を補給する。

【００２１】次に都市ガスの代わりに窒素を使用する理
由について説明する。すなわち、本発明の一実施形態例
では、燃料電池発電装置を停止して改質装置温度が室温
に下がった後触媒再生を行うことを想定している。この
場合、昇温過程で水蒸気とともに都市ガスを改質装置８
に供給すると、可燃性ガスである未反応の都市ガスと昇
温過程で生成した改質ガスがそのまま外部に放出される
ので危険である。この際、未反応の都市ガスと改質ガス
を改質装置バーナ９で燃焼させようとすると、改質装置
温度によって未反応の都市ガス量と改質ガス量が変化す
るために、改質装置８の温度制御が複雑になる。また、
都市ガスを供給しながら昇温すると、改質装置８では吸
熱反応である改質反応が昇温過程で起こることが避けら
れない。このため、触媒再生過程で都市ガスの供給を停
止し水蒸気のみを提供するようになると改質反応が起こ
らなくなるので改質装置温度が上昇し改質触媒の劣化が
起こる恐れがある。一方、水蒸気のみを供給して改質装
置８の昇温を行おうとすると、低温では改質装置８で水
蒸気の凝縮が起こるとともに、改質触媒の酸化劣化も起
こる。なお、昇温過程で都市ガスのみを改質装置８に供
給すると激しくカーボン析出が起こる。燃料電池発電装
置の発電状態から引き続き触媒の再生を行う場合でも、
一旦燃料電池発電装置を停止するとともに窒素を改質装
置８に供給し改質装置温度を所定の温度に制御してから
水蒸気を改質装置８に供給して触媒再生を行わないと、
都市ガスの供給を停止し水蒸気のみを供給したときに、
吸熱反応が起こらなくなるので改質装置温度が急激に上
昇し触媒が劣化することになる。以上が都市ガスの代わ
りに窒素を供給する理由である。

【００２２】図４は本発明の一実施形態例における析出
カーボンの除去による改質触媒再生のフローチャートで
ある。すなわち、燃料電池発電装置の発電が停止してい
る状態において、改質装置８に窒素の供給を開始して
後、起動用バーナ６２で改質装置８を所定の温度まで昇
温する。改質装置８の温度が所定の温度に到達したら、
改質装置８の温度を所定の温度に制御する。その後、改
質装置８への窒素の供給を停止し、改質装置８への水蒸
気（微量水素を含む）の供給を開始する。所定の触媒再
生時間が経過した後、改質装置８への水蒸気（微量水素
を含む）の供給を停止し、改質装置８への窒素の供給を
開始する。その後、起動用バーナ６２を停止して改質装
置８の冷却を開始し、改質装置８が所定の温度に到達し
たら、改質装置８への窒素の供給を停止する。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、燃料
電池を発電停止状態にしたままで、電気ヒータによる気
水分離器からの水蒸気を、起動用バーナで所定の温度ま
で昇温した改質装置に供給し、水蒸気とカーボンを反応
させることにより改質触媒上に析出したカーボンの除去
を行い、バーナ燃焼排ガスと未反応水蒸気を大気中に放
出することによって、改質触媒の再生を行うことが可能
であるから、改質装置に万が一カーボン析出が起こって
も、改質装置を燃料電池発電装置から取り出して、予め
用意した電気ヒータの中に改質装置を設置し電気ヒータ
で改質装置を所定の温度まで昇温するとともに、外部の
水蒸気供給設備から水蒸気を改質装置に供給して水蒸気
をカーボンと反応させることによって改質触媒上に析出
したカーボンの除去を行うことなしに簡単に改質触媒の
カーボン除去による再生が可能であるという利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例を示す構成説明図であ
る。

【図２】従来の燃料電池発電装置を示す構成説明図であ
る。

【図３】従来の燃料電池発電装置における析出カーボン
の除去による改質触媒の再生方法を示す構成説明図であ
る。

【図４】本発明の一実施形態例における析出カーボンの
除去による改質触媒再生のフローチャートである。

【符号の説明】

１…バイパス配管切替弁、２…バイパス配管、３…起動
用バーナ燃料供給量制御弁、４…都市ガス、５…流量セ
ンサ、６…遮断弁、７…脱硫装置、８…改質装置、９…
改質装置バーナ、１０…遮断弁、１１…シフトコンバー
タ、１２…燃焼用空気、１３…燃料極排ガス、１４…バ
ーナ燃焼排ガス、１５…空気ブロア、１６…発電用空
気、１７…外気、１８…燃料極、１９…電解質、２０…
酸化剤極、２１…リン酸型燃料電池本体、２２…電圧セ
ンサ、２３…電流センサ、２４…変換装置、２５…負
荷、２６…電池冷却水、２７…気水分離器、２８…気水
分離器ヒータ、２９…気水分離器ヒータ電源、３０…流
量制御弁、３１…改質用水蒸気、３２…制御部、３３…
蒸発器、３４…排熱回収用水蒸気、３５…排熱利用シス
テム、３６…冷媒、３７…酸化剤極排ガス、３８…凝縮
器、３９…排ガス、４０…凝縮水、４１…温度センサ、
４２…温度センサ、４３…補給水ポンプ、４４…補給
水、４５…流量制御弁、４６…流量制御弁、４７…比較
演算器、４８…改質部、４９…圧力センサ、５０…燃料
電池出力、５１…制御装置、５２…流量制御弁、５３…
エジェクタ、５４…流量制御弁、５５…液面センサ、５
６…凝縮水、５７…電気ヒータ、５８…水蒸気供給設
備、５９…水素供給設備、６０…バーナ燃焼排ガス配
管、６１…起動用バーナ配管、６２…起動用バーナ、６
３…遮断弁、６４…遮断弁、６５…窒素ボンベ、６６…
遮断弁、６７…水素ボンベ、６８…遮断弁、６９…遮断
弁、７０…流量制御弁、７１…流量制御弁、７２…ベン
ト。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体と、制御系と、起動用バー
   ナ配管、起動用バーナ、バーナ燃焼排ガス配管、改質装
   置、シフトコンバータ、改質装置バーナを有する燃料改
   質系と、燃料供給系を有する燃料電池発電装置におい
   て、改質装置出口ガスを前記シフトコンバータと前記燃
   料電池本体と前記改質装置バーナをバイパスして前記バ
   ーナ燃焼排ガス配管に直接供給するバイパス配管と、前
   記改質装置出口ガスの流路を前記バイパス配管に切り替
   えるバイパス配管切替弁と、前記起動用バーナ配管の途
   中に前記起動用バーナへの燃料供給量を前記制御系から
   の制御信号を受けて制御する起動用バーナ燃料供給量制
   御弁を設けたことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 【請求項２】 燃料電池本体と、改質装置、改質装置バ
   ーナ、シフトコンバータ、エジェクタ、気水分離器、起
   動用バーナ、起動用バーナ配管、起動用バーナ燃料供給
   量制御弁、バーナ燃焼排ガス配管、改質装置出口ガスを
   前記シフトコンバータと前記燃料電池本体と前記改質装
   置バーナをバイパスして直接前記バーナ燃焼排ガス配管
   に供給するバイパス配管、及びバイパス配管切替弁を備
   えた燃料改質系と、燃料供給系と、制御系を有する燃料
   電池発電装置の運転方法において、前記燃料電池本体に
   よる発電を行うことなしに、前記制御系で前記起動用バ
   ーナ燃料供給量制御弁を制御し前記起動用バーナへの燃
   料供給量を調節することによって前記起動用バーナで前
   記改質装置を所定の温度まで昇温し保持するとともに、
   前記気水分離器の電気ヒータを起動し前記エジェクタの
   開度を前記制御系で制御することによって所定量の水蒸
   気を前記改質装置に供給し、前記改質装置出口ガスを前
   記バイパス配管切替弁及び前記バイパス配管を経て前記
   バーナ燃焼排ガス配管に供給することを特徴とする燃料
   電池発電装置の運転方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料電池発電装置の運転
   方法において、前記燃料供給系を介して水素を水蒸気と
   ともに前記改質装置に供給することを特徴とする燃料電
   池発電装置の運転方法。
4. 【請求項４】 燃料電池本体と、改質装置を備えた燃料
   改質系と、燃料供給系と、制御系を有する燃料電池発電
   装置を、前記制御系が各種運転モードに従って集中して
   制御する燃料電池発電装置の運転制御方法において、前
   記制御系が前記モード中に、前記燃料改質系の前記燃料
   改質装置内の改質触媒上に析出したカーボンを除去する
   触媒再生モードを有することを特徴とする燃料電池発電
   装置の運転制御方法。