JPH0992316A - 燃料電池発電装置の昇温方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】運転開始時の昇温時間を短縮することが可能な
燃料電池発電装置の昇温方法を提供する。 【解決手段】燃料電池発電装置１は、従来例に対して、
燃料ガス用の遮断弁２１と、第１のバイパス路２２と、
第１のバイパス路２２に介挿された第１の遮断弁２３
と、第２のバイパス路２４と、第２のバイパス路２４に
介挿された第２の遮断弁２５とを追加して備えた燃料供
給系統２を用いるようにしている。第１のバイパス路２
２は、精製化原燃料ガス用の予熱器７３と改質ガス冷却
器７５との間の改質ガス７ｂの通流路と、遮断弁２１と
原燃料用の予熱器７１との間の燃料ガス７ａの通流路と
を接続する。第２のバイパス路２４は、ＣＯ変成器７６
と遮断弁２１との間の燃料ガス７ａの通流路と、原燃料
予熱器７１と燃料ガス予熱器７７との間の燃料ガス７ａ
の通流路とを接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、炭化水素系の原燃料
より得られた水素リッチな燃料ガスおよび酸化剤ガスと
を反応ガスとして用いて電気化学的に発電を行う燃料電
池発電装置の起動時の昇温方法に係わり、その昇温に要
する時間が短縮されるように改良された昇温方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素と酸素とを利用して直
流電力を発生する発電装置の一つであり、すでによく知
られているとおり、他の発電装置と比較して、電気エネ
ルギーへの変換効率が高く，しかも，炭酸ガスや窒素酸
化物等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、いわ
ゆるクリーン・エネルギー源として期待されている。そ
うして、燃料電池としては、使用される電解質の種類に
より、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融炭酸塩型，
固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られている。こ
の燃料電池を中核とする燃料電池発電装置には、燃料電
池が必要とする水素を多く含む燃料ガスを供給する装置
として、天然ガスやナフサ等の炭化水素系の原燃料か
ら、水蒸気を添加したうえで水素含有量の高い改質ガス
に改質する燃料改質器などを主要な機器として構成され
た燃料供給系統が付随されていることが一般である。こ
の燃料供給系統を構成している各種の装置には、触媒を
用いている装置が多いこともあり、燃料電池発電装置の
運転開始に当たっては、燃料供給系統に用いられている
後記する各種触媒にとって必要な温度にまで昇温させる
必要があるものである。

【０００３】以下に、りん酸型燃料電池発電装置を例に
とり、燃料電池発電装置の従来例の構成とその昇温方法
について図６を用いて説明する。ここで図６は、従来例
の燃料電池発電装置の主要部を示すその構成図であり、
従来例の燃料電池発電装置の起動時の説明に必要な機器
類を主体に示している。図６において、９は、燃料電池
８と、燃料供給系統７と、酸化剤供給系統６と、不活性
ガスである窒素ガス５ａを循環させる循環用装置である
ブロア５とを備えた燃料電池発電装置である。燃料電池
８は、燃料電極８１と酸化剤電極８２とを備えており、
燃料供給系統７から燃料電極８１に供給された燃料ガス
７ａと、酸化剤供給系統６から酸化剤電極８２に供給さ
れた酸化剤ガスである空気６ａとを、化学反応させるこ
とで直流電力を発生する。酸化剤供給系統６は、空気６
ａを燃料電池８に供給するために、図示しないブロア，
コンプレッサーなどを備えている。

【０００４】燃料供給系統７は、原燃料用の予熱器７
１、脱硫器７２、精製化原燃料ガス用の予熱器７３、改
質器７４、改質ガス冷却器７５、ＣＯ変成器７６、燃料
ガス用の予熱器７７、燃料ガス凝縮器７８、燃料ガス気
水分離器７９を主要機器として備えている。予熱器７１
は、燃料ガス７ａを加熱源として用いて、天然ガスやナ
フサ等の炭化水素系の燃料である原燃料９１の脱硫器７
２の入口部における温度を、燃料電池８の発電運転時に
ほぼ一定値に保持するために設置されている。なおその
温度値は、脱硫触媒層７２１に充填されている脱硫触媒
の種類によって異なる値となるが、例えば、３９０
〔℃〕程度である。原燃料９１の加熱度合いを調整する
ために、予熱器７１の原燃料９１に関する上流側に三方
調整弁７１１が設置されている。この三方調整弁７１１
は、脱硫器７２の原燃料９１の入口部に設置された原燃
料９１用の温度検出器７２３の温度出力を基にした，図
示しない制御装置または調整器などが出力した信号によ
ってその弁開度を制御される。脱硫器７２は、原燃料９
１中の硫黄分を除去する脱硫触媒層７２１を有して、硫
黄分が除去された精製化原燃料ガス９１ａを得るための
装置であり、脱硫触媒層７２１用の温度検出器７２２を
有している。

【０００５】予熱器７３は、改質ガス７ｂを加熱源とし
て、水蒸気９２が添加された精製化原燃料ガス９１ａを
加熱するための装置である。精製化原燃料ガス９１ａの
加熱度合いを調整するために、精製化原燃料ガス９１ａ
の通流路に関して予熱器７３と並列に、二方調整弁７３
１が設置されている。この二方調整弁７３１は、改質器
７４の精製化原燃料ガス９１ａの入口部に設置された図
示しない温度検出器の温度出力を基にして，三方調整弁
７１１と同様に制御装置または調整器などが出力した信
号によってその弁開度を制御される。改質器７４は、水
蒸気９２が添加された精製化原燃料ガス９１ａを水素リ
ッチな改質ガス７ｂに改質する図示を省略した改質触媒
が収納された改質管７４１と、改質管７４１，したがっ
て改質触媒を加熱するための高温のガスを生成するバー
ナ７４２とを有している。改質管７４１に収納された改
質触媒によって行われる改質反応は、周知のごとく吸熱
反応であるので、この吸熱量を補うために改質管７４１
は加熱される必要があり、このために設置されているの
がバーナ７４２である。

【０００６】予熱器７３の改質ガス７ｂに関する出口部
には、この部位の改質ガス７ｂの温度を検出する改質ガ
ス７ｂ用の温度検出器７３２が設置されている。改質ガ
ス冷却器７５は、冷却用媒体９３を用いて、ＣＯ変成器
７６の入口部の改質ガス７ｂの温度をほぼ一定値に保持
するために設置されている。なおその温度値は、ＣＯ変
成器７６に用いられている図示しない変成触媒によって
異なる値となるが、例えば、３６０〔℃〕程度である。
冷却用媒体９３としては、その温度・流量が適切である
ならば、燃料電池発電装置９が持つ適宜の流体を使用す
ることができる。改質ガス冷却器７５による改質ガス７
ｂの冷却度合いを調整するために、冷却水９３に関する
上流側に三方調整弁７５１が設置されている。この三方
調整弁７５１は、ＣＯ変成器７６の改質ガス７ｂの入口
部に設置された図示しない温度検出器の温度出力を基に
して，三方調整弁７１１と同様に制御装置または調整器
など出力した信号によってその弁開度を制御される。

【０００７】ＣＯ変成器７６は、一酸化炭素（ＣＯ）を
二酸化炭素に変成する変成触媒層を有して、改質ガス７
ｂに含まれるＣＯを除去して燃料ガス７ａを得るための
装置である。ＣＯ変成器７６の燃料ガス７ａの出口部に
は、この部位の燃料ガス７ａの温度を検出する燃料ガス
７ａ用の温度検出器７６１が設置されている。予熱器７
７は、予熱器７７に流入する燃料ガス７ａを加熱源とし
て、燃料ガス気水分離器７９を通過した燃料ガス７ａを
加熱するための装置である。前記のごとく精製化原燃料
ガス９１ａを改質ガス７ｂに改質するために水蒸気９２
が添加されるが、このために燃料ガス７ａ中には水蒸気
が過剰に存在している。この過剰な水蒸気を除去するた
めの装置が燃料ガス凝縮器７８であり、冷却水９４によ
って燃料ガス７ａを冷却することで、過剰な水蒸気を凝
縮させて液化する。燃料ガス気水分離器７９は、凝縮水
を含む燃料ガス７ａから凝縮水を除去するための装置で
ある。凝縮水を除去された燃料ガス７ａは予熱器７７で
加熱された後、遮断弁８３を介して燃料電池８に供給さ
れる。

【０００８】燃料電池発電装置９の起動時に行われる必
要のある燃料供給系統７の昇温操作においては、燃料供
給系統７は、原燃料９１，水蒸気９２の供給経路のそれ
ぞれに設置された遮断弁７１２，７３３と、遮断弁８３
とを閉弁することで、他の機器類から切り離された状態
にされる。この状態において、燃料供給系統７とブロア
５を主体とする不活性ガス循環系統には、図示しない窒
素ガス供給源から窒素ガス５ａが供給され、この窒素ガ
ス５ａはその供給管路を封止されることで燃料供給系統
７と不活性ガス循環系統内に封入される。ブロア５とし
ては、燃料電池発電装置９の製造原価を低減するため
に、低温仕様のものが採用されるのが一般である。不活
性ガス循環系統は、この事例の場合には、遮断弁７１２
と三方調整弁７１１との中間点と，燃料ガス気水分離器
７９との間を接続し，ブロア５を介挿した循環路５１
と、窒素ガス５ａに関してブロア５の下流部と，水蒸気
９２の合流点と予熱器７３との中間点との間を接続する
循環分岐路５２とを備えている。この事例の燃料供給系
統７では、精製化原燃料ガス９１ａの通流路に関する水
蒸気９２の合流点の上流側と下流側とで，燃料電池発電
装置９の発電運転時の流体流量が異なり、下流側の方が
多量であるので、上流側の配管の口径や機器類の容積を
下流側よりも小さく設定されている。循環分岐路５２を
備えた理由はこのことに対応するためである。水蒸気９
２の合流点の上流側の配管の口径や機器類の容積を、下
流側と同様の口径や容積とした事例も知られており、こ
の場合には循環分岐路５２の設置を省いた事例も知られ
ている。

【０００９】燃料供給系統７と不活性ガス供給系統とに
封入された窒素ガス５ａは、ブロア５によって燃料供給
系統７と不活性ガス供給系統内を循環する。その際に窒
素ガス５ａは、燃料電池発電装置９の発電運転時におけ
る、原燃料９１，精製化原燃料ガス９１ａ，改質ガス７
ｂおよび燃料ガス７ａが通流する順序にほぼ従って、燃
料供給系統７内を通流する。そうして、窒素ガス５ａ
は、改質器７４が有している改質管７４１内を通流する
際に、バーナ７４２により生成された高温のガスによっ
て加熱されて高温化される。この高温となった窒素ガス
５ａが燃料供給系統７の主要部を循環することによっ
て、燃料供給系統７を構成する機器，配管類は順次昇温
していくこととなる。すなわち、高温の窒素ガス５ａは
改質器７４から流出し、予熱器７３と改質ガス冷却器７
５とを順次通流した後、ＣＯ変成器７６に導入され、Ｃ
Ｏ変成器７６を構成している図示しない金属製の容器と
この容器内に充填されている変成触媒を加熱する。な
お、改質ガス冷却器７５に用いられる冷却用媒体９３
は、昇温操作の初期においては、改質ガス冷却器７５に
通流する窒素ガス５ａの温度が低いため、三方調整弁７
５１によって全量が改質ガス冷却器７５をバイパスされ
る。ＣＯ変成器７６から流出した窒素ガス５ａは、その
後に予熱器７１に導入され、予熱器７１の原燃料９１の
通流路内を通流するまだ低温の窒素ガス５ａを加熱す
る。

【００１０】これにより加熱された窒素ガス５ａは、予
熱器７１の原燃料９１の通流路内を通流して脱硫器７２
に導入され、脱硫器７２を構成している図示しない金属
製の容器，脱硫触媒層７２１に充填されている脱硫触媒
を加熱する。脱硫器７２から流出した窒素ガス５ａの全
量は、全開状態に設定されている二方調整弁７３１中を
通流し、予熱器７３に対してはバイパスされる。これ
は、改質器７４から流出した直後のまだ高温の窒素ガス
５ａの持つ熱量が、加熱脱硫器７２から流出して低温と
なった窒素ガス５ａによって奪われるのを回避するため
である。予熱器７１の燃料ガス７ａの通流路から流出し
たまだ高温の窒素ガス５ａは、燃料ガス凝縮器７８を通
流する際に冷却されて低温状態となり、この低温の窒素
ガス５ａがブロア５に還流されることになるのである。
なお、ブロア５を含む窒素ガス５ａの循環路５１，循環
分岐路５２は、燃料電池発電装置９の昇温が完了する
と、燃料供給系統７との接続部に設置された図示しない
遮断弁を閉弁することで、燃料供給系統７から切り離さ
れることになる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る燃料電池発電装置、例えば、燃料電池発電装置９は、
前述した昇温方法によってその運転開始に当たり、改質
器７４で生成される高温のガスを利用して燃料供給系統
７の昇温を行うことができている。しかし、この昇温方
法には次記する問題点が見出されている。すなわち、改
質器７４で加熱された窒素ガス５ａが持つ熱量は、ＣＯ
変成器７６と脱硫器７２に対して熱的にシリースに与え
られているために、先ずＣＯ変成器７６が加熱され、そ
の次に脱硫器７２が加熱される順序になっている。した
がって、燃料供給系統７の昇温完了までの時間は、脱硫
器７２の昇温に要する時間によって決められている。

【００１２】また、燃料電池発電装置９の運転が停止さ
れてから短い時間（例えば、１〜３日程度．）の後に運
転を再開する場合には、ＣＯ変成器７６と脱硫器７２
は、発電運転時の温度よりも低下してはいるが、まだ高
温状態を保っている。しかし、熱容量の小さい予熱器７
１などの熱交換器や配管類の温度はすでに常温レベルに
まで低下している。この状態で窒素ガス５ａを循環させ
ると、改質器７４で加熱された窒素ガス５ａが持つ熱量
は、先ずこれら熱交換器，配管類の昇温に消費されてし
まうので、ＣＯ変成器７６，脱硫器７２には高温の窒素
ガス５ａが導入されないことになる。このために、運転
再開時の場合には、ＣＯ変成器７６，脱硫器７２の温度
は、時間の経過に対していったん低下し、その後に徐々
に上昇を始めることになる。すなわち、脱硫器７２の温
度上昇の遅れが一層助長されることになるのである。

【００１３】図７はこのような事例の場合の昇温状態を
示している。ここで図７は、図６に示した燃料電池発電
装置の運転再開時における脱硫触媒層の昇温経過を示す
グラフである。図７を参照すると、燃料電池発電装置９
の昇温操作は時刻ｔ₀ で開始され、昇温操作の開始後、
脱硫器７２の脱硫触媒層７２１の温度は、前記の理由に
よりいったん低下している。その後、改質器７４の昇
温、ＣＯ変成器７６の昇温により、ＣＯ変成器７６の燃
料ガス７ａに関する出口部における窒素ガス５ａの温度
が上昇するのに伴って、脱硫触媒層７２１の温度はよう
やく上昇に転じている。したがって、燃料電池発電装置
９における昇温の完了時刻は、時刻ｔ₉ まで要すること
になり、長い昇温時間を要しているのである。

【００１４】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、運転開始時の昇温
時間を短縮することが可能な燃料電池発電装置の昇温方
法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）炭化水素系の原燃料を基にして生成された水素リッ
チな燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、酸化剤ガ
スを供給する酸化剤供給系統と、前記の燃料ガスおよび
酸化剤ガスを反応ガスとして用いて電気化学的に発電を
行う燃料電池と、燃料電池発電装置の起動時に熱媒とし
て用いる不活性ガスを燃料ガス供給系統に循環させる循
環用装置とを備え、燃料ガス供給系統は、原燃料中の硫
黄分を除去して精製化原燃料ガスを得る脱硫器と、精製
化原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質触
媒が収納された改質管と，改質管を加熱するための高温
のガスを生成するバーナとを持つ改質器と、改質ガスに
含まれるＣＯを除去して燃料ガスを得るＣＯ変成器と、
燃料ガスを加熱源として原燃料を加熱する原燃料用の予
熱器とを有してなる燃料電池発電装置の、前記のバーナ
で生成される高温のガスによって改質管内で加熱された
不活性ガスを用いて行うその起動時の昇温方法であっ
て、改質管内において加熱された不活性ガスを、燃料電
池発電装置の起動開始時においては、異なる通流路によ
ってＣＯ変成器と原燃料用の予熱器とに通流させ、起動
の途中から、ＣＯ変成器を経由して原燃料用の予熱器に
通流させてなる昇温方法とすること、により達成され
る。

【００１６】そうして、起動開始時に、改質器において
加熱された不活性ガスは、互いに異なる通流路を介して
ＣＯ変成器と原燃料用の予熱器とに通流させることで、
ＣＯ変成器の昇温と、原燃料用の予熱器を介する脱硫器
の昇温とが互いに独立して行われることになる。これに
より、シリースに行われていた従来の昇温操作に対し
て、その昇温時間が短縮される。また、 ２）前記１項に記載の方法において、燃料電池発電装置
が備える燃料ガス供給系統は、改質ガスを加熱源として
精製化原燃料ガスを加熱する精製化原燃料ガス用の予熱
器と、原燃料用の予熱器によって加熱された原燃料の温
度を検出する原燃料用の温度検出器と、脱硫器が持つ脱
硫触媒層の温度を検出する脱硫触媒層用の温度検出器
と、精製化原燃料ガス用の予熱器を通過した直後の改質
ガスの温度を検出する改質ガス用の温度検出器と、ＣＯ
変成器の出口部における燃料ガスの温度を検出する燃料
ガス用の温度検出器と、ＣＯ変成器と原燃料用の予熱器
との間の燃料ガスの通流路に介挿される燃料ガス用の遮
断弁と、精製化原燃料ガス用の予熱器とＣＯ変成器との
間の改質ガスの通流路と，燃料ガス用の遮断弁と原燃料
用の予熱器との間の燃料ガスの通流路とを接続する第１
のバイパス路と、第１のバイパス路に介挿された第１の
遮断弁と、ＣＯ変成器と燃料ガス用の遮断弁との間の燃
料ガスの通流路と，原燃料用の予熱器と燃料電池との間
の燃料ガスの通流路とを接続する第２のバイパス路と、
第２のバイパス路に介挿された第２の遮断弁とを有し、
燃料ガス用の遮断弁は閉弁状態とし，第１および第２の
遮断弁は開弁状態として昇温を開始し、燃料ガス用の温
度検出器により得られる温度値が原燃料用の温度検出器
および脱硫触媒層用の温度検出器により得られる温度値
よりも高温となった時点で，燃料ガス用の遮断弁を開弁
状態に，第１および第２の遮断弁を閉弁状態に切り換え
て昇温を続行する昇温方法とすること、により達成され
る。

【００１７】そうして、起動開始時においては、燃料ガ
ス用の遮断弁を閉弁状態とし，第１および第２の遮断弁
を開弁状態とすることで、改質器で加熱された不活性ガ
スは改質器以降を、改質器→第１のバイパス路→原燃料
用の予熱器→不活性ガスの循環用装置の経路と、改質器
→ＣＯ変成器→第２のバイパス路→不活性ガスの循環用
装置の経路との、その主要部が改質器で加熱された不活
性ガスに関して互いに並列に配置された異なる経路で通
流されることになる。なお、改質器で加熱された不活性
ガスが原燃料用の予熱器を通流することで、原燃料用の
予熱器の原燃料の通流路内を通流するまだ低温の不活性
ガスを加熱する。これにより加熱された不活性ガスは、
原燃料の通流路内を通流して脱硫器に導入されて脱硫器
加熱するが、このことについては従来技術の場合と同様
である。

【００１８】燃料ガス用の温度検出器により得られる温
度値が、原燃料用の温度検出器および脱硫触媒層用の温
度検出器により得られる温度値よりも高温となること
は、ＣＯ変成器などを通流後の不活性ガスを原燃料用の
予熱器に通流させても、原燃料用の予熱器の原燃料の通
流路内を通流するまだ低温の不活性ガスの加熱に有効で
あることになるので、この時点で、改質器で加熱された
不活性ガスの全量を、その循環経路を従来技術の場合と
同様な経路に切り換えて燃料ガス供給系統内を通流させ
るのである。また、 ３）前記１項または２項に記載の方法において、燃料電
池発電装置が備える燃料ガス供給系統は、第１の遮断弁
に代えて，原燃料用の温度検出器により得られる温度値
が予め定められた目標値となるように弁開度を調整され
る調整弁を有し、燃料ガス用の遮断弁は閉弁状態とし，
第２の遮断弁は開弁状態とし，原燃料用の温度検出器に
より得られる温度値が前記の目標値となるように調整弁
の弁開度を制御することでその昇温を開始する昇温方法
とすること、により達成される。

【００１９】そうして、原燃料用の温度検出器が設置さ
れている部位に通流される不活性ガスの温度が低温であ
る場合には、調整弁，すなわち，第１のバイパス路を通
流する加熱された不活性ガスの流量は増大される。これ
により、前記の部位の不活性ガスの温度が低温であるほ
ど、加熱された不活性ガスにより原燃料用の予熱器に与
えられる加熱量が増大され、脱硫器の昇温時間を短縮す
ることが可能となる。さらにまた、 ４）前記１項から３項までのいずれかに記載の方法にお
いて、燃料電池発電装置は、原燃料用の予熱器よりも上
流側の原燃料の通流路と循環用装置との間の不活性ガス
の循環路に設置されて高温の流体を熱源として不活性ガ
スを加熱する不活性ガス用の予熱器を有し、第１の遮断
弁および燃料ガス用の遮断弁は閉弁状態とし，第２の遮
断弁は開弁状態として昇温を開始し、改質ガス用の温度
検出器により得られる温度値が原燃料用の温度検出器お
よび脱硫触媒層用の温度検出器により得られる温度値よ
りも高温となった時点においては、第１の遮断弁を閉弁
状態から開弁状態に切り換えて昇温を続行する昇温方法
とすること、により達成される。

【００２０】そうして、不活性ガス循環系統に使用され
る循環用装置が低温仕様のものである場合には、改質器
で加熱された不活性ガスは、循環用装置に戻る前に低温
仕様の循環用装置に支障を与えることがない温度にまで
低下させる必要があることを前述した。低温仕様の循環
用装置が採用された燃料電池発電装置では、不活性ガス
を改質器で加熱していても、循環用装置から燃料ガス供
給系統に供給される不活性ガスの温度は、常にほぼ一定
値を持つ低温であることになる。このことが、燃料電池
発電装置の昇温時間の短縮を阻害している場合にも有効
な昇温方法が、この４項に記載の方法である。すなわ
ち、循環用装置から燃料ガス供給系統に供給される不活
性ガスは、まず不活性ガス用の予熱器に導入されて高温
の流体によって加熱されることになるが、それ以降の燃
料ガス供給系統の通流経路は、前記の２項または３項の
場合と同様である。これによって、温度が上昇された不
活性ガスが不活性ガス用の予熱器以降の燃料ガス供給系
統に供給されるので、例えば、低温仕様の循環用装置が
採用された燃料電池発電装置であっても、昇温時間の短
縮が可能となるのである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明におい
て、図６に示した従来例の燃料電池発電装置と同一部分
には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後
の説明に用いる図中には、図６で付した符号について
は、代表的な符号のみを記した。

【００２２】実施例１；図１は、請求項１，２に対応す
るこの発明の一実施例による燃料電池発電装置の主要部
を示すその構成図であり、燃料電池発電装置の起動時の
説明に必要な機器類を主体に示している。図１におい
て、１は、図６に示した従来例による燃料電池発電装置
９に対して、燃料供給系統７に替えて燃料供給系統２を
用いるようにした燃料電池発電装置である。燃料供給系
統２は、従来例に燃料供給系統７に対して、燃料ガス用
の遮断弁２１と、第１のバイパス路２２と、第１のバイ
パス路２２に介挿された第１の遮断弁２３と、第２のバ
イパス路２４と、第２のバイパス路２４に介挿された第
２の遮断弁２５とを追加して備えている。第１のバイパ
ス路２２は、精製化原燃料ガス用の予熱器７３と改質ガ
ス冷却器７５との間の改質ガス７ｂの通流路と、遮断弁
２１と原燃料用の予熱器７１との間の燃料ガス７ａの通
流路とを接続する。第２のバイパス路２４は、ＣＯ変成
器７６と遮断弁２１との間の燃料ガス７ａの通流路と、
予熱器７１と燃料ガス用の予熱器７７との間の燃料ガス
７ａの通流路とを接続する。第１のバイパス路２２と第
２のバイパス路２４とに分配される窒素ガス５ａの配分
比率を調整するために、バイパス路２２またはバイパス
路２４に、いずれも図示しないオリフィス，絞り弁など
を設置してもよい。

【００２３】前記の構成を持つこの発明になる燃料電池
発電装置１の起動時に行われる燃料供給系統２の昇温操
作は、次記する点が、従来例の燃料電池発電装置９の場
合と異なっている。すなわち、燃料電池発電装置１にお
いては、先ず、遮断弁２１を閉弁された状態とし、か
つ、遮断弁２３，２５を開弁された状態として昇温操作
が開始される。そうして、温度検出器７６１により得ら
れる温度値が、温度検出器７２３および温度検出器７２
２により得られる温度値よりも高温となった時点で、遮
断弁２１を開弁された状態に、遮断弁２３，２５を閉弁
された状態にそれぞれ切り換えて、改質器７４で加熱さ
れた窒素ガス５ａの循環経路を従来例の燃料電池発電装
置９の場合と同等したうえで、昇温操作が続行される。

【００２４】燃料電池発電装置１の起動開始時において
は、前記の昇温操作することで、前述の課題を解決する
ための手段の項で説明したように、窒素ガス５ａの改質
器７４以降の経路は、改質器７４→第１のバイパス路２
２→予熱器７１→ブロア５の経路と、改質器７４→ＣＯ
変成器７６→第２のバイパス路２４→ブロア５の経路と
の、その主要部が改質器７４で加熱された窒素ガス５ａ
に関して互いに並列に配置された異なる経路で通流され
ることになる。したがって、予熱器７１を経由しての脱
硫器７２の加熱と、ＣＯ変成器７６の加熱とが同時に平
行して進行されることになる。また、ＣＯ変成器７６な
どを通流して温度が低下した窒素ガス５ａが、予熱器７
１に通流することがないので、このことからも脱硫器７
２の加熱が促進されることになる。したがって、燃料電
池発電装置１では、従来例の燃料電池発電装置９の場合
よりも、運転開始時における昇温時間が短縮されること
になるのである。

【００２５】燃料電池発電装置１において、運転の再開
を行なった場合の脱硫触媒層７２１の昇温状態に関し
て、図２を用いて説明する。ここで、図２は、図１に示
した燃料電池発電装置の運転再開時における脱硫触媒層
の昇温経過を示すグラフである。図２を参照すると、燃
料電池発電装置１の昇温操作は時刻ｔ₀ で開始され、昇
温操作の開始後、脱硫器７２の脱硫触媒層７２１の温度
は、バイパス路２２などの温度が常温レベルにまで低下
しているので、いったん低下はする。しかし、バイパス
路２２などは、その熱容量が小さいので、改質器７４で
加熱された窒素ガス５ａによって加熱されて、短時間の
後にその温度を回復する。このために、従来例の場合の
図７と比較すると、図２では脱硫触媒層７２１の温度の
低下度が小さく、かつ、短時間で上昇に転じている。そ
うして、時刻ｔ₁₁で遮断弁２１を開弁状態に，遮断弁２
３，２５を閉弁状態にそれぞれ切り換える操作が行われ
ている。時刻ｔ₁₁以降は従来例の場合と同様に、改質器
７４で加熱された窒素ガス５ａの全量が予熱器７１に導
入され、図７の場合のｔ₇ よりも短い経過時間の後に、
時刻ｔ₁₂において、燃料電池発電装置１の昇温を完了す
ることができている。

【００２６】実施例２；図３は、請求項１〜３に対応す
るこの発明の一実施例による燃料電池発電装置の主要部
を示すその構成図であり、燃料電池発電装置の起動時の
説明に必要な機器類を主体に示している。図３におい
て、図１に示した請求項１，２に対応するこの発明の一
実施例による燃料電池発電装置と同一部分には同じ符号
を付し、その説明を省略する。図３において、１Ａは、
図１に示したこの発明による燃料電池発電装置１に対し
て、燃料供給系統２に替えて燃料供給系統３を用いるよ
うにした燃料電池発電装置である。燃料供給系統３は、
燃料供給系統２に対して第１の遮断弁２３に替えて、温
度検出器７２３により得られる温度値が予め定められた
目標値となるように弁開度を調整される，調整弁３１を
用いるようにしている。なお、前記の予め定められた目
標値は、脱硫器７２の脱硫触媒層７２１に充填されてい
る脱硫触媒の種類によって異なる値となるが、例えば、
３９０〔℃〕程度である。したがって、温度検出器７２
３に対応する操作端は、燃料電池発電装置１Ａの場合に
は、昇温操作時には調整弁３１であり、発電運転時には
三方調整弁７１１である。制御の際の干渉の発生を避け
るためには、昇温操作時と発電運転時とに対応して、温
度検出器７２３に対応する操作端を切り換えるようにす
ることが好ましいことになる。

【００２７】前記の構成を持つ燃料電池発電装置１Ａの
起動時に行われる燃料供給系統３の昇温操作は、次記す
る点が、この発明になる燃料電池発電装置１の場合と異
なっている。すなわち、燃料電池発電装置１Ａにおいて
は、先ず、遮断弁２１を閉弁状態とし、かつ、遮断弁２
３を開弁状態として昇温操作が開始される。その際、全
体が常温状態での運転開始であるか、または、再開運転
であるかなどによって温度検出器７２３が設置されてい
る部位に通流する窒素ガス５ａの温度が異なるので、調
整弁３１の弁開度は異なることになる。しかしながら、
一般に低温であることが多い昇温操作の開始時には、調
整弁３１の弁開度は増大されることになるので、第１の
バイパス路２２に通流する改質器７４で加熱された窒素
ガス５ａの流量が、前述の実施例１の場合よりも増大さ
れる。これにより、脱硫器７２の昇温時間を、実施例１
の場合よりも短縮することが可能となるのである。

【００２８】なお、温度検出器７２３により得られる温
度値が予め定められた目標値に到達した場合には、調整
弁３１の弁開度が大幅に絞られるように設定すること
で、脱硫器７２とＣＯ変成器７６の昇温時間をほぼ同等
にすることも可能となる。そうして、温度検出器７６１
により得られる温度値が、温度検出器７２３および温度
検出器７２２により得られる温度値よりも高温となった
時点で、遮断弁２１を開弁された状態に、遮断弁２３を
閉弁された状態にそれぞれ切り換え、調整弁３１は全閉
状態とされて、改質器７４で加熱された窒素ガス５ａの
循環経路を従来例の燃料電池発電装置９の場合と同等に
したうえで、昇温操作が続行される。このことは、燃料
電池発電装置１の場合と同一である。

【００２９】実施例３；図４は、請求項１〜４に対応す
るこの発明の一実施例による燃料電池発電装置の主要部
を示すその構成図であり、燃料電池発電装置の起動時の
説明に必要な機器類を主体に示している。図４におい
て、図１に示した請求項１，２に対応するこの発明の一
実施例による燃料電池発電装置と同一部分には同じ符号
を付し、その説明を省略する。図４において、１Ｂは、
図１に示したこの発明による燃料電池発電装置１に対し
て、不活性ガス用の予熱器４を追加して備えるようにし
た燃料電池発電装置である。不活性ガス用の予熱器４
は、ブロア５から流出された低温の窒素ガス５ａを、高
温の流体９５を熱源として加熱する装置であり、原燃料
用の予熱器７１と遮断弁７１２の中間の原燃料９１の通
流路と、ブロア５との間の循環路５１に設置される。高
温の流体９５としては、その温度・流量が適切であるな
らば、燃料電池発電装置１Ｂが持つ適宜の流体を使用す
ることができる。そうして、燃料電池発電装置１Ｂの場
合には、燃料供給系統２は、第１の遮断弁２３は温度検
出器７３２の温度出力を基にした，図示しない制御装置
または調整器などが出力した信号によってその弁開度を
制御される。

【００３０】前記の構成を持つ燃料電池発電装置１Ｂの
起動時に行われる燃料供給系統２の昇温操作は、次記す
る点が、この発明になる燃料電池発電装置１の場合と異
なっている。すなわち、燃料電池発電装置１Ｂにおいて
は、燃料供給系統２は、先ず、遮断弁２１と遮断弁２３
を閉弁状態とし、かつ、遮断弁２５を開弁状態として昇
温操作が開始される。その際、燃料供給系統２には、前
記したように、予熱器４により加熱された窒素ガス５ａ
が導入されることになる。そうして、温度検出器７３２
により得られる温度値が、温度検出器７２３および温度
検出器７２２により得られる温度値よりも高温となった
時点で、遮断弁２３を開弁された状態に切り換え、改質
器７４で加熱された窒素ガス５ａの循環経路を、この発
明による燃料電池発電装置１における昇温操作の開始時
点の状態と同一にされて昇温操作が続行される。

【００３１】昇温開始時の昇温操作を前記のようにする
のは、燃料電池発電装置１Ｂでは燃料供給系統２に導入
される窒素ガス５ａが予熱器４により加熱されているの
で、料供給系統２に導入される窒素ガス５ａの温度は、
改質器７４で加熱された窒素ガス５ａが持つ，昇温開始
直後のまだ低温の燃料供給系統２の管路などを通流した
後の温度よりも高温である場合が、十分に有り得るため
である。このようにすることで、予熱器４で加熱された
高温の窒素ガス５ａは、高温状態を維持して脱硫器７２
に導入され、脱硫器７２を構成している金属製の容器，
脱硫触媒層７２１に充填されている脱硫触媒を急速に加
熱する。この場合の脱硫器７２の到達温度は、流体９５
が持つ温度に依存する。

【００３２】温度検出器７３２により得られる温度値
が、温度検出器７２３および温度検出器７２２により得
られる温度値よりも高温になったことは、改質器７４で
加熱された窒素ガス５ａを予熱器７１に導入すること
で、脱硫器７２に導入される窒素ガス５ａをより高温に
することができることを意味する。このために、この温
度条件においては、改質器７４で加熱された窒素ガス５
ａの一部を、第１のバイパス路２２を介して予熱器７１
に導入するのである。なお、温度検出器７６１により得
られる温度値が、温度検出器７２３および温度検出器７
２２により得られる温度値よりも高温となった時点で、
遮断弁２１を開弁された状態に、遮断弁２２，２３を閉
弁された状態にそれぞれ切り換え、改質器７４で加熱さ
れた窒素ガス５ａの循環経路を従来例の燃料電池発電装
置９の場合と同等にしたうえで、昇温操作が続行される
ことは、燃料電池発電装置１の場合と同一である。

【００３３】燃料電池発電装置１Ｂにおいて、運転の再
開を行なった場合の脱硫触媒層７２１の昇温状態に関し
て、図５を用いて説明する。ここで、図５は、図４に示
した燃料電池発電装置の運転再開時における脱硫触媒層
の昇温経過を示すグラフである。図５を参照すると、燃
料電池発電装置１Ｂの昇温操作は時刻ｔ₀ で開始され、
昇温操作の開始後、予熱器４で加熱された高温の窒素ガ
ス５ａが脱硫器７２に導入されるので、脱硫器７２の脱
硫触媒層７２１の温度は、従来例や実施例１の場合のよ
うにいったん低下する現象は現れない。むしろ、流体９
５の温度に対応した温度レベルにまで急速に上昇する。
そうして、時刻ｔ₃₁で遮断弁２２を、閉弁状態から開弁
状態に切り換える操作が行われて（この結果、遮断弁２
２，２４が共に開弁状態にあり、遮断弁２１は閉弁状態
にある。）、改質器７４で加熱された窒素ガス５ａの一
部を予熱器７１に導入して、脱硫触媒層７２１の昇温を
加速する。さらに、時刻ｔ₃₂で遮断弁２１を開弁状態
に，遮断弁２３，２５を閉弁状態にそれぞれ切り換える
操作が行われて、以降は実施例１や従来例の場合と同様
に、改質器７４で加熱された窒素ガス５ａの全量を予熱
器７１に導入し、図２の場合のｔ₁₂よりもさらに短い経
過時間の後に、時刻ｔ₃₃において、燃料電池発電装置１
Ｂの昇温を完了することができている。

【００３４】実施例３における今までの説明では、燃料
電池発電装置１Ｂは燃料供給系統２を備えるとしてきた
が、これに限定されるものではなく、例えば、燃料供給
系統３を備える場合であってもよいものである。実施例
１〜３における今までの説明では、燃料電池発電装置１
〜１Ｂが備える窒素ガス５ａの循環系統は循環分岐路５
２を備えるとしてきたが、これに限定されるものではな
く、従来の技術の項で述べたように燃料供給系統の構成
によっては、循環分岐路５２をかならずしも備える必要
は無く、その場合であってもこの発明による作用・効果
は有効に発揮されるものである。

【００３５】また、実施例１〜３における今までの説明
では、燃料電池発電装置１〜１Ｂが備える燃料供給系統
２〜４は１台のみのＣＯ変成器７６を備えるとしてきた
が、これに限定されるものではなく、例えば、燃料ガス
７ａ中のＣＯの濃度を一層低減させるために燃料供給系
統が備えるＣＯ変成器の台数は複数としてもよいもので
ある。この場合には、第１のバイパス路２２は、改質ガ
ス７ａに関して最も上流にあるＣＯ変成器の、改質ガス
７ａの入口部から分岐されることがよい。なお、ＣＯ変
成器を複数台数備える場合には、それぞれのＣＯ変成器
に充填される変成触媒の種類を異ならせることが、燃料
ガス７ａ中のＣＯの濃度を低減するうえで有効なもので
ある。その場合には、変成触媒の種類が異なることで、
それぞれのＣＯ変成器の最適動作温度も異なってくるこ
とが有り得るが、その場合であってもこの発明による作
用・効果は有効に発揮されるものである。

【００３６】

【発明の効果】この発明においては、前記の課題を解決
するための手段の項で述べた方法とすることにより、次
記する効果を奏する。 課題を解決するための手段の項の第１項，第２項によ
る方法とすることにより、ＣＯ変成器と、脱硫器との昇
温が互いに独立して行われることになり熱的にシリース
に行われていた従来の昇温操作に対して、その昇温時間
を短縮することが可能となる。また、 課題を解決するための手段の項の第１項〜第３項によ
る方法とすることにより、原燃料用の温度検出器が設置
されている部位に通流される不活性ガスの温度が低温で
ある場合には、第１のバイパス路を通流する加熱された
不活性ガスの流量が増大されることで、前記の項によ
る場合よりもさらに昇温時間を短縮することが可能とな
る。さらにまた、 課題を解決するための手段の項の第１項〜第４項によ
る方法とすることにより、燃料ガス供給系統に導入され
る不活性ガスは、不活性ガス用の予熱器によって加熱さ
れているので、窒素ガス循環系統に使用される循環用装
置が低温仕様のものである場合であっても、前記の
項，項による効果を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１，２に対応するこの発明の一実施例に
よる燃料電池発電装置の主要部を示すその構成図

【図２】図１に示した燃料電池発電装置の運転再開時に
おける脱硫触媒層の昇温経過を示すグラフ

【図３】請求項１〜３に対応するこの発明の一実施例に
よる燃料電池発電装置の主要部を示すその構成図

【図４】請求項１〜４に対応するこの発明の一実施例に
よる燃料電池発電装置の主要部を示すその構成図

【図５】図４に示した燃料電池発電装置の運転再開時に
おける脱硫触媒層の昇温経過を示すグラフ

【図６】従来例の燃料電池発電装置の主要部を示すその
構成図

【図７】図６に示した燃料電池発電装置の運転再開時に
おける脱硫触媒層の昇温経過を示すグラフ

【符号の説明】

１ 燃料電池発電装置 ２ 燃料供給系統 ２１ 遮断弁 ２２ バイパス路 ２３ 遮断弁 ２４ バイパス路 ２５ 遮断弁 ７ａ 燃料ガス ７ｂ 改質ガス ７１ 予熱器 ７３ 予熱器 ７５ 改質ガス冷却器 ７６ ＣＯ変成器 ７７ 予熱器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化水素系の原燃料を基にして生成された
   水素リッチな燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、
   酸化剤ガスを供給する酸化剤供給系統と、前記の燃料ガ
   スおよび酸化剤ガスを反応ガスとして用いて電気化学的
   に発電を行う燃料電池と、燃料電池発電装置の起動時に
   熱媒として用いる不活性ガスを燃料ガス供給系統に循環
   させる循環用装置とを備え、燃料ガス供給系統は、原燃
   料中の硫黄分を除去して精製化原燃料ガスを得る脱硫器
   と、精製化原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質す
   る改質触媒が収納された改質管と，改質管を加熱するた
   めの高温のガスを生成するバーナとを持つ改質器と、改
   質ガスに含まれるＣＯを除去して燃料ガスを得るＣＯ変
   成器と、燃料ガスを加熱源として原燃料を加熱する原燃
   料用の予熱器とを有してなる燃料電池発電装置の、前記
   のバーナで生成される高温のガスによって改質管内で加
   熱された不活性ガスを用いて行うその起動時の昇温方法
   であって、 改質管内において加熱された不活性ガスを、燃料電池発
   電装置の起動開始時においては、異なる通流路によって
   ＣＯ変成器と原燃料用の予熱器とに通流させ、起動の途
   中から、ＣＯ変成器を経由して原燃料用の予熱器に通流
   させてなることを特徴とする燃料電池発電装置の昇温方
   法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池発電装置の昇温
   方法において、 燃料電池発電装置が備える燃料ガス供給系統は、改質ガ
   スを加熱源として精製化原燃料ガスを加熱する精製化原
   燃料ガス用の予熱器と、原燃料用の予熱器によって加熱
   された原燃料の温度を検出する原燃料用の温度検出器
   と、脱硫器が持つ脱硫触媒層の温度を検出する脱硫触媒
   層用の温度検出器と、精製化原燃料ガス用の予熱器を通
   過した直後の改質ガスの温度を検出する改質ガス用の温
   度検出器と、ＣＯ変成器の出口部における燃料ガスの温
   度を検出する燃料ガス用の温度検出器と、ＣＯ変成器と
   原燃料用の予熱器との間の燃料ガスの通流路に介挿され
   る燃料ガス用の遮断弁と、精製化原燃料ガス用の予熱器
   とＣＯ変成器との間の改質ガスの通流路と，燃料ガス用
   の遮断弁と原燃料用の予熱器との間の燃料ガスの通流路
   とを接続する第１のバイパス路と、第１のバイパス路に
   介挿された第１の遮断弁と、ＣＯ変成器と燃料ガス用の
   遮断弁との間の燃料ガスの通流路と，原燃料用の予熱器
   と燃料電池との間の燃料ガスの通流路とを接続する第２
   のバイパス路と、第２のバイパス路に介挿された第２の
   遮断弁とを有し、燃料ガス用の遮断弁は閉弁状態とし，
   第１および第２の遮断弁は開弁状態として昇温を開始
   し、燃料ガス用の温度検出器により得られる温度値が原
   燃料用の温度検出器および脱硫触媒層用の温度検出器に
   より得られる温度値よりも高温となった時点で，燃料ガ
   ス用の遮断弁を開弁状態に，第１および第２の遮断弁を
   閉弁状態に切り換えて昇温を続行することを特徴とする
   燃料電池発電装置の昇温方法。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載の燃料電池発電装
   置の昇温方法において、 燃料電池発電装置が備える燃料ガス供給系統は、第１の
   遮断弁に代えて，原燃料用の温度検出器により得られる
   温度値が予め定められた目標値となるように弁開度を調
   整される調整弁を有し、燃料ガス用の遮断弁は閉弁状態
   とし，第２の遮断弁は開弁状態とし，原燃料用の温度検
   出器により得られる温度値が前記の目標値となるように
   調整弁の弁開度を制御することでその昇温を開始するこ
   とを特徴とする燃料電池発電装置の昇温方法。
4. 【請求項４】請求項１から３までのいずれかに記載の燃
   料電池発電装置の昇温方法において、 燃料電池発電装置は、原燃料用の予熱器よりも上流側の
   原燃料の通流路と循環用装置との間の不活性ガスの循環
   路に設置されて高温の流体を熱源として不活性ガスを加
   熱する不活性ガス用の予熱器を有し、第１の遮断弁およ
   び燃料ガス用の遮断弁は閉弁状態とし，第２の遮断弁は
   開弁状態として昇温を開始し、改質ガス用の温度検出器
   により得られる温度値が原燃料用の温度検出器および脱
   硫触媒層用の温度検出器により得られる温度値よりも高
   温となった時点においては、第１の遮断弁を閉弁状態か
   ら開弁状態に切り換えて昇温を続行することを特徴とす
   る燃料電池発電装置の昇温方法。