JPS6276162A - 燃料電池発電システムの起動法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池発電システムの起動法にかかわり、特
に、最小限のユーティリティで作動させるに好適な起動
法に関するものである。

〔発明の背景〕

燃料電池発電システムは、高効率、低公害のエネルギー
源として注目されているものである。

最初に、燃料電池発電システムの全体の構成について説
明する。第２図にその基本フローを示す。

図において、改質器反応部１に供給された原料（メタン
等）および水蒸気は、改質器燃焼部２がら熱を与えられ
ることにより、水素リッチな改質カストなる。この改質
ガスは、シフトコンバータ３、気水分離器４を通り、ア
ノード３５に入る。一方、コンプレッサ６を通過した空
気は、カソード３７に入り、アノード３５内の水素と反
応して、電力を発生する。アノード３５で未使用の水素
は、カソード３７で未使用の酸素を含む空気によって、
改質器燃焼部２で燃焼し、改質器反応部】に熱を与える
とともに、燃焼排ガスのエネルギーをエクスパンダ（膨
張タービン）７で回収し、コンプレッサ６の動力とする
。

このように、高効率の燃料電池であるが、起動の手順は
複雑であり、かつ、多くのユーティリティを外部から供
給する必要がある。この起動について１次に説明する。

第３図に、燃料電池の起動時のフローを示す。

起動は、通常、システムと電池とを切り離して行う。燃
料電池は２０００℃前後で作動するため、起動は、まず
ヒータ４３（またはボイラ）によってスチームドラム１
６を昇温し、この温水を冷却水ポンプ１４を用いて電池
冷却器２３に循環させることによって開始する。システ
ムの起動は下記の要領で行う。

（イ）ブロワ４４を起動し、次に補助燃焼器４１を作動
し、エクスパンダ７、コンプレッサ６を起動し、改質器
燃焼部２に空気を供給し、次に燃料を供給して、改質器
燃焼部２を作動させる。

（ロ）改質器反応部１に窒素Ｎ２を供給し、このＮ２を
シフトコンバータ３、気水分離器４の順に供給し、Ｎ２
が改質器燃焼部２から受は取った熱で各部を昇温する。

このＮ２は、Ｎ２循環コンプレッサ１２（リサイクルポ
ンプ）を用いて。

改質器反応部１ヘリサイクルする。

（ハ）システムおよび電池の双方の起動が完了した時点
で、フローを第２図のように変更し、発電を開始する。

上記のように、本システムは、各部に動力用、熱源用と
して、多大なユーティリティ電力を必要とする。−例と
して、現在稼動中の４０ｋＷ級オンサイトシステムの場
合、起動時に２０ｋ　Ｗ近くの電力を必要とする。従っ
て、電力系統の範囲内ならともかくとして、離島等のよ
うにユーティリティ電力が得られない場合には、本シス
テムだけでは使用不可能で、別に燃料電池発電規模の５
０％程度の容量の補助発電機（ディーゼル発電機など）
が必要となる。

起動用の動力源として、内燃機関の使用が考えられるが
、内燃機関の動力変換効率は３０％と低いため、燃料消
費量が増加し、起動停止が頻繁になるほど１発電効率４
０％以上の燃料電池のメリットは小さくなる。

一方、改質器燃焼部２に燃焼触媒を用いた触媒燃焼式改
質器は、燃焼の安定性、低公害性など様々な特長を有す
るが、起動は複雑である。第４図に燃焼触媒の起動法を
示す。燃焼触媒を起動するためには、燃焼触媒５０にお
ける各燃料の着火温度まで空気を予熱する必要があり、
このため、電気ヒータ４７による空気予熱器４６（第４
図（Ａ））、またはヒータ４９と着火温度の低い水素を
用いた補助燃焼器４８（同図（Ｂ））を必要とするが、
これらは一定の寸法が必要なため、小型のシステムはど
補器の寸法が相対的に大きくなり、小型化の妨げとなる
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、燃
料電池の起動時のユーティリティを最小限に抑え、触媒
燃焼式改質器の効果的な起動を達成できる燃料電池発電
システムの起動法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、燃料電池発電システム内に１台または複数台
の内燃機関を設け、該内燃機関の動力をコンプレッサ、
ポンプ等の駆動用に、該内燃機関で加温された冷却水を
スチームドラムの昇温用に、該内燃機関からの燃焼ガス
顕熱を改質器の燃焼触媒層および燃焼用空気の予熱用に
、それぞれ振り分は使用して起動を行うもので、それぞ
れを有効にコントロールすることによって、最小限のユ
ーティリティで起動を行えるように図ったものである。

〔発明の実施例〕

本発明による起動法を実施した燃料電池起動システムを
第１図に示す。

本システムにおいては、コンプレッサ６の起動用として
、エンジン８がクラッチ９を介して取り付けてあり、ま
た、改質系のＮ２循環コンプレッサ１２、および電池冷
却用の冷却水ボンプエ４の駆動用として、それぞれエン
ジン１３．１５を用いている。

エンジン冷却装置１１を通過した冷却水は、すべてスチ
ームドラム１６および電池冷却器２３を循環し、燃料電
池５の昇温用熱源の一部となる。

各エンジンの燃焼排ガスは、断熱配管１０を通り、コン
プレッサ１８で改質器燃焼部圧力へ昇圧された後、コン
プレッサ６からの空気と混合されて、改質器燃焼部２へ
供給される。

次に、本発明で使用する内燃機関について説明する。内
燃機関の構造を第５図に示す。図において、吸気弁５１
を経て供給された混合ガスは、シリンダ５３とピストン
５２の間の空間で圧縮、点火、膨張を行い、排気弁５６
から排出され、動力は回転軸５７を通して外部に伝達さ
れる。

排気弁５６を通過する燃焼排ガスの温度は５００〜１０
００℃である。

ここで、内燃機関の熱勘定の一例を第１表に示す。

第１表 第１表によると、燃料のエネルギーは、動力、冷却水、
燃焼ガスに、大体１／３ずっ振り分けられる。従って、
すべてのエネルギーを有効に回収すれば、ユーティリテ
ィ用のエネルギーを大幅に減少することができる。

また、第６図に、内燃機関の燃焼排ガス量特性を示す。

例えば、５０〜１００ｋＷ級のオンサイト形の燃料電池
で、改質器の起動に必要な空気量は１００〜２００ＩＩ
＋３／ｈであるため、排気量２０００ｃｃの内燃機（例
えば乗用車用エンジン）では、高々３０００ｒρ盾で必
要な容積の燃焼ガス（温風）を得ることができる。

内燃機の燃焼ガスには、はとんど酸素が含まれていない
が、触媒燃焼式は低酸素の空気でも燃焼が可能なため、
必要量のフレッレユ空気を外部から取り入れ、混合して
使用すればよい。なお、燃焼ガスは、温度が５００℃以
上あるため、多少空気を混合しても、燃焼触媒の着火温
度を維持することができる。

次に、第１図により、本システムの起動方法を説明する
。

（イ）エンジン８を起動し、クラッチ９をつないでコン
プレッサ６を起動し、また、エンジン１５によって、冷
却水ポンプ１４を起動する。

エンジンの燃焼排ガスは常圧のため、エンジン１９によ
りコンプレッサ１８を起動し、各エンジンの燃焼排ガス
を断熱配管１０で集めて、コンプレッサ６の出口圧まで
加圧し、コンプレッサ６からの空気と混合して、改質器
燃焼部２へ供給する。

エンジン冷却装置１１を流れる冷却水は、スチームドラ
ム１６に導かれ、電池冷却水を昇温する。

（ロ）改質器燃焼部２に燃料を供給して、昇温する。

（ハ）改質器反応部１にＮ２を供給し、同時にエンジン
１３で循環コンプレッサ１２を起動し、Ｎ２を改質器反
応部１、シフトコンバータ３、気水分離器４を通って循
環させる。

（ニ）内燃機がオーバーヒートせずに運転できる温度は
１００℃前後であるが、これに対し、燃料電池冷却水の
常用運転温度は２００℃前後のため。

冷却水が１００℃になった時点で、温度コントローラ２
１によってヒータ１７に切り換え、冷却水は放熱器２５
によって温度調節する。

（ホ）改質器燃焼部２からエクスパンダ７へ供給される
燃焼ガスのエネルギーが、エクスパンダ７を駆動するに
十分になった時点で、クラッチ９をはなし、エンジン８
を停止する。

（へ）熱交換器２０での熱交換によって触媒層の着火が
可能になった時点で、エンジン１９を停止し、内燃機燃
焼ガスを放出する。この場合、改質器燃焼部２の出口温
度を検出し、検出信号を入力する温度コントローラ２２
によって三方コック２４を切り換え、その後にエンジン
１９を停止する。

（ト）全システムが立ち上がった時点で、運転状態には
いる。

次に、本発明による起動法で用いる燃焼触媒起動システ
ムの例について説明する。第７図に燃焼触媒起動装置を
示す。本システムは、エンジン６５、ガス冷却器６４．
コンプレッサ（ブロア）６６、および触媒燃焼器６７に
より構成される。

排気弁６３から排出された燃焼ガスは、ガス冷却器６４
で温度調節され、希釈空気と混合された後、コンプレッ
サ（ブロア）６６で昇圧される。昇圧されたガスは燃料
を混合し、触媒燃焼器６７で燃焼する。燃焼ガスと空気
量のコントロールは、流量調節器６８を用いて、エンジ
ンのスロットル６１と空気調節弁７０を作動させて行う
。また、コンプレッサ（ブロア）６６の出口に温度調節
器６９を設け、冷却水調節弁７１を制御する。

また、触媒層で空気の予熱が不足するなどして着火が不
十分な場合の対策として、次に示すチョークコントロー
ルがある。すなわち、内燃機関の空気過剰率（酸素供給
量と酸素要求量の比）λは通常１．１であるが、始動時
や高負荷時にはスロットル６１を絞り、混合気を濃くシ
て着火を良くし、目的を達成する。このときのλは０．
９程度であるので、未燃の燃料が燃焼ガス中に含まれる
ことになる。そこで、内燃機関の燃料を触媒燃焼器の燃
料よりも着火しやすいものにする。例えば、灯油を用い
る燃焼器に対して、ガソリン機関を用いる。

これによって、触媒燃焼器での着火温度が引き下げられ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、次の効果が得ら
れる。

（イ）燃料電池起動時のユーティリティ、特に電源を最
小にすることができる。しかも、設置する内燃機関の燃
料は、炭化水素（ガソリン、ＬＰＧ、Ｌ、ＮＧ）、水素
、メタノールであり、燃料電池の原料と同一のものが使
用できる。

（ロ）内燃機関の動力のほか、冷却水、排気ガスすべて
を利用するため、起動時のエネルギー効率が向上する。

（ハ）内燃機関は、コンプレッサの動力源のほか、温水
発生器、燃焼ガス発生器がコンパクトにまとまったもの
となるので、従来のコンプレッサやヒータとの組み合わ
せより、小型の装置にすることができる。

また、コントロールも、点火プラグの電気系統と、スロ
ットルコントロールのみでよく、燃料電池や触媒燃焼器
に組み込んでも、制御はあまり複雑にならない。特に、
小型の装置はど、この効果は顕著である。

（ニ）触媒燃焼器の着火用として、法規の規制の厳しい
水素を使用しなくても、着火ができる。

（ホ）内燃機に、触媒燃焼器の燃料より着火温度の低い
燃料を使用し、スロットルコントロールによって意図的
に排ガス中に未燃分を出すことにより、触媒燃焼器での
着火温度を引き下げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池発電システムの起動法の
一実施例を示す構成図、第２図は燃料電池発電システム
の基本的な全体構成を示す構成図。 第３図は燃料電池発電システムの従来の起動時フローを
説明するための構成図、第４図は触媒燃焼式改質器の燃
焼触媒起動法の説明図、第５図は本発明で用いる内燃機
関の説明図、第６図は該内燃機関の燃焼排ガス量の一例
を示す特性図、第７図は本発明による起動法で用いる燃
焼触媒起動装置の一例を示す構成図である。 符号の説明 １・・・改質器反応部　　　２・・・改質器燃焼部３・
・・シフトコンバータ　４・・・気水分離器５−・・・
燃料電池　　　　　６・・コンプレッサ７・・・エクス
パンダ　　　９・・・クラッチ１０・・・断熱配管　　
　　　１１・・・エンジン冷却装置１２・・・Ｎ２循環
コンプレッサ　１４・・・冷却水ポンプ１６・・・スチ
ームドラム　　１７・・・ヒータ１８・・・コンプレッ
サ　　　２０・・・熱交換器２１．２２・・・温度コン
トローラ　２３・・電池冷却器２４・・・三方コック　
　　　２５・・・放熱器８．１３．１５．１９・・・エ
ンジン 代理人弁理士　　中　村　純之助 １Ｆ２　図 １’３図 １Ｆ５　図 オ６図 回転数（ｒ、Ｐ、Ｔｎ） ｔ７図 ６１　　　スローＩトル ７０　　　路気相玲午 ７１　　騰軒利峰井

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）触媒燃焼式の改質器と、起動時に動力を必要とす
   るコンプレッサ、ポンプ等の被駆動体および加温を必要
   とする燃料電池とを有する燃料電池発電システムを起動
   する方法において、システム内に１台または複数台の内
   燃機関を設置し、該内燃機関の動力を前記被駆動体の全
   部または一部の駆動源として使用し、該内燃機関冷却用
   の加温された冷却水の熱を前記燃料電池の加温用に使用
   するとともに、該内燃機関からの燃焼ガス顕熱を前記改
   質器の燃焼触媒層および燃焼用空気の予熱用に使用して
   起動を行うことを特徴とする燃料電池発電システムの起
   動法。
2. （２）特許請求の範囲第１項に記載の燃料電池発電シス
   テムの起動法において、内燃機関の燃料として、改質器
   の触媒燃焼器用の燃料よりも燃焼性の良いものを使用し
   、燃焼触媒層での着火が不十分な場合に、該内燃機関で
   の混合比を調節して、排ガス中の未燃分を増加させるこ
   とを特徴とする燃料電池発電システムの起動法。