JPS62268066A - 燃料電池の起動方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は燃料電池を起動させる方法に関し、特に高温条
件下で作動する溶融炭酸塩並びに固体電解質型燃料電池
の発電プラントに使用されるものである。

〔従来の技術〕

燃料電池による発電プラントでは、一般にその起動条件
にまで温度上昇させるための加熱手段が含まれている。

このために従来法用されている方法につき、第２図を参
照して説明する。

第２図は従来の燃料電池による発電プラントのフローチ
ャートである。同図において、１は燃料改′Ｒ装置２へ
の原料の供給管で、必要に応じて水蒸気を既に含むか、
場合によっては石炭ガス化装置並びにガス正常化装置系
で置換えられることもある。３は圧力スイング型吸着塔
（ＰＳＡ）４への配管で、この例では窒素および炭酸ガ
スをこのＰＳＡ４で除去した上で、配管５を介して燃料
電池６へ供給している。燃料電池６は、例えば従来知ら
れている固体電ｗＩ質型燃料電池の場合、通常は８５０
℃で作動を開始し、１０００℃で使用される。

また、溶融炭酸塩型燃料電池の場合には５００°Ｃ〜５
５０℃以上で起動される。この例において燃料電池６は
管型で、その外表面に燃１’ＥｌｌＩ（アノード）があ
り、管の内面側に空気橿（カソード）が配置されている
。より詳細に説明すれば、燃料電池を構成するセル管１
１の内列に、空気を供給するセラミック製の空気導入管
１２が配置されている。

そして、複数局のセル管１１を直列または並５１］に祖
合せ、夫々のアノード、カソードから負極および正（本
を電路２８を介して取出すと共に、これを・直流／交流
変換器（インバータ）２９で交流に変換したものを電力
負荷３０に使用する。

また通常の場合、燃料電池６のセル管１１内では供給５
の約７０％〜９０％の燃料および２５％〜５０％の空気
が消費される。即ち、燃ｎ７！１池モジュール６の内部
Ａ（セル管１１の出口）付近において、燃料と空気とが
混合されて燃焼する。その後、一部は空気導入管１２を
加熱し、更に配管１３から配管１８を通って突気余熱器
１７で空気加熱管２１を加熱する。残りは配管１９で他
の熱回収系へ送られる。この空気余熱器１７は、場合に
よっては例えばボイラヤガスタービン等の他の熱回収系
の後に設けられることもある。１６は空気導入用ブロワ
−で、配管２０によりい空気加熱管２１と連結され、配
管２２．２３を通じて燃料電池の空気導入管１２に連絡
している。

ところで、既述のように溶融炭酸塩型燃料電池では５０
０℃〜５５０℃以上、固体電解貢型燃ｒ４電池では８５
０℃〜９００℃まで加熱しなければ電池の作動温度に到
達しない。そこで、従来の燃料電池発電プラントでは、
加熱した不活性ガスを循環して起動条件まで温度を上昇
させた後、燃料および空気系に切替えて起ｖＪ″Ａ程に
入る方法が採用されているａ第２図における４１．４２
はこのために設けた不活性ガスの供給循環ラインであり
、４３は不活性ガスを加熱するためのガス余熱器である
。

なお、不活性ガスとして最も一般的に用いられるのは、
窒素ガスである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の方法による燃料電池発電プラントの起動方法
では、既述したところから明らかなように、これを実施
するために不活性ガスの加熱炉または熱交換器を別途必
要とする。また、燃料中に水蒸気を随伴させる必要があ
る場合には、別個にボイラやその供給配管を設けなけれ
ばならず、設備費用が嵩む問題がある。

しかも、燃料電池起動のための昇温速度は一般に厳密に
ｉｌｌ　！ＯＬなければならないのに対し、熱交換器を
介しての制御では温度変化が遅いため制＋３０性が劣る
問題がある。

上記事情に鑑み、本発明は特別な付加設備を必要とする
ことなく、燃料電池本体を穫めて厳密なプログラムに従
って制御しつつ所要の起ＩＮａ度まで昇温することがで
きる方法を技術的課題とするものである。

〔問題点を解決するための手段） 本発明による燃料電池の起動方法は、燃料電池／Ｘ供給
される燃料の一部を燃焼させて、発生する熱と生成ガス
とを残りの前記燃料と共に再循環させ、航記燃料Ｎ池の
起動条件温度まで昇温することを特徴とするものである
。

本発明の方法は、従来の燃料電池発電プラントにおける
燃料供給系の一部（例えば燃料電池本体内空間の一部）
に触媒燃焼器を設けるだけで実施することができる。

〔作用〕

本発明の方法では燃料を燃焼させて発生した熱で燃料Ｔ
ｉ池を昇温させるため、空気の供給量を調部するだけで
へ〇熱はを厳密に制御し、（〜めて綿密な昇温プログラ
ムに従って実施することができる。

また、燃料燃焼により水および次間ガスが生成するため
、これら生成ガスの作用で不活性ガスのみを使用する場
合よりも燃焼顕熱が有効に利用される上、不活性ガスは
不要である。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明による起動方法を実施するために構成
された燃料電池発電プラントの一例を示すフローチャー
トである。

同図において、１は燃料供給管、２は燃料改質装置、４
はＰＳＡ型ガス吸着等、６は燃料電池本体、１１はセル
管、１２は空気導入管１２．２８はセル管から負極およ
び正極を取出すための電路、２つは直流変換器（インバ
ータ）、３０は電力負荷３０．１７は空気余熱器、２１
は空気加熱管、１６は空気導入用ブロワ−である。これ
らの構成および作用は第２図の発電プラントと同じであ
る。

他方、この発電プラントでは第１図における不活性ガス
の供給循環ライン４１，４２、ガス余熱器４３が設けら
れていない。その代りに、この場合には次の構成が採用
されている。

まず、燃料電池６に燃料を供給する連絡用の配管５の先
端で、燃料電池６の本体の一部に触媒燃焼器７を設けて
いる。該触媒燃焼器７の内部には、触媒を含浸したアル
ミナ系セラミックの粒状体または多孔質体が充填されて
いる。前記含浸させる触媒としては、バナジウム（Ｖ）
、サマリウム（Ｓｍ）、ランタン（Ｌａ）等の化合物が
用いられ、また白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい
。

これら触媒の活性化温度は路次の通りである。

Ｖ系：５００℃ Ｓｍ系；４００℃ Ｌａ系；４５０℃ Ｐｔ：３４０〜３５０℃ 触媒の活性化温度が上記の通りかなり高温であるため、
図示のように電気ヒータ８，８′で触媒面を余熱して燃
焼を補助してやる必要がある。そして、触媒活性化温度
以上になってから電気ヒータ８．８′を切るようにする
。この意味からは、活性化温度の低い白金等の貴金属触
媒を用いるのが好ましい。

上記の触媒燃焼器７での燃焼に必要な空気は、燃料電池
６に空気を導入するための配管２２を分岐した配管２４
を通り、制御弁１０、配管９を通って触媒燃焼器７内に
送られる。制御弁１０は、燃ｒ４電池本体６に設けた温
度計Ｔおよび水蒸気濃度計Ｓの何れかと連結され、検知
した温度または水蒸気伍に応じて空気供給伍を調節でき
るようになっている。

触媒燃焼器７で燃焼された後の未燃焼燃料を含むガスは
、燃料ｆｆｉ池本体６を出た後に配管１３の途中から再
循環ブロワ１４および配管１５．１５′を通り、更に配
管５を通って殆ど全量が再循環できるようになっている
。また、配管１５から分岐した配管２５を通してこの再
循環ガスの一部をＰＳＡ型ガス吸着塔４に導入すること
により、再循環ガス中に含まれるＣＯ２（または必要に
より水蒸気）を除去できるようになっている。なお、こ
こで分離除去されたＣＯ２や水蒸気は、配管２６を介し
て系外に排除される。

次に、本発明による起動方法を、上記第１図の燃料電池
発電プラントに適用した一実施例について説明する。

セル管１１またはセル管群を収納した燃料電池モジュー
ルは６は、通常１００℃／時以下のできるだけゆっくり
、しかも温度ムラの少ない状態で昇温しなければならな
い。そのために次の手順で実施した。

まず、配管１３に設けた弁Ｖｌ　、配管２３に設けた弁
Ｖ２．配管２５に設けた弁Ｖ３が同れも閉じていること
を確認した上で、ＰＳＡ型ガス吸着等４から配管５を通
して燃料電池モジュール６へ燃料ガスを供給する。同時
に再循環ブロワ１４を駆動し、配管１３，１５．１５’
　を通る燃料循環系を作り出す。燃料ガスとしては水素
および一酸化炭素の混合物を用いることができる。

次いで、電気ヒータ８，８′に通電して触媒表面が５０
０℃以上になるように加熱し、制岨弁１０な僅かに開き
ながら空気供給ブロワ１６を駆動し、配管２０、空気加
熱管２１（冷態状態）、配管２２．２４を通して配管９
から徐々に空気を供給する。触媒表面では、こうして供
給された空気中の酸素が完全に消費されるようにして燃
焼が生じ、それに応じた反応熱が生成する。未′！！！
焼燃料を含むガスは、この生成熱でセル管（またはセル
管群）１１を加熱しながら再循環される。また、燃料の
消費に見合った量の新しい燃料が、ＰＳＡ塔４から配管
５に補充供給される。こうして触媒燃焼器７では連続的
に燃焼が起り、セル管１１は連続的に昇温される。

当然ながら、セル管１１の昇温速用は前記反応熱の大き
さに依存し、反応熱の大きさは空気の供給伍に依存する
。従って、所定の昇温プログラムに沿った昇温を行なう
ために、前記配管９に設けた制御弁１０の開度を制御し
、空気供給毎を調節する。その際、燃料電池モジュール
６に設けた温度計Ｔで達成温度を検知し、該検知温度に
基づいて制御弁１０の開度をＩＩすることにより、昇温
プログラムに沿った確実な制御が可能である。なお、検
知温度が前記触媒の活性化；３麿以上になったら、触媒
表面での燃焼反応は外部からの加熱がなくとも進行する
から、電気ヒータ８，８′は切ってもよい。

上記の昇温操作により燃料電池の作動温度条件（１００
０℃）が達成されたら、弁Ｖ＋　、Ｖ２を開いて空気を
燃料電池内に導入し、発電を開始する。

この導入空気量は燃料電池の消費量よりも過剰であるた
め、図中Ａで示す電池出口近傍において、余剰空気によ
る残り燃料の燃焼が持続する。このため排ガス１易度は
１０００℃近くの高）Ｂを維持するから、該排ガスは空
気余熱器１７に通すことにより供給空気の余熱に用いる
。

燃料が水素ガスのみからなる場合、燃料電池を作動した
後は配管２４からの空気の供給を遮断する。しかし、燃
料が水素ガスと一酸化炭素ガスとの混合ガスである場合
には、燃料電池の作動後にＪ５いても、配管２４からの
空気供給を遮断することなく岨統して行なう。これによ
り触媒燃焼器では燃料ガス中に含まれる水素の部分燃焼
をａ続さぜ、燃料の余熱共に、入口で３〜４％の水蒸気
含有伍を維持するようにする。この場合、燃料電池６に
設けた水蒸気温度計Ｓで水蒸気層を検出し、その検出直
に基づいて制御弁１０の開度をＦＡｌｌｆ！することに
より水蒸気層をあり御する。

なお、メンフロール内を流れるガス流中の水や炭酸ガス
が過剰になったときには、弁Ｖ３を問いてガス流をＰＳ
Ａ塔に返送し、過剰に含まれる水や炭酸ガスをパージす
る。その量は戻りガスの２〜５％程度とし、これは弁ｖ
３の開度や図示しない流口設定器の作動等で行なう。

以上の説明から明らかなように、この実施例の方法では
燃料ガスの一部を接触燃焼させ、その際に発生する燃焼
熱で直接燃料電池を加熱することで所定の作動温度に昇
温している。従って、高温の不活性ガスを介して所定の
起動温度まで昇温する従来の方法に比較した場合、次の
ような種々の利点が得られる。

第一は、昇温効率がよいことである。これは昇温速度の
厳密な制御を可能とし、燃料電池を円滑に且つ短時間で
起動できることを意味する。その結果、短時間での立上
げができ、燃料電池モジュールの昇１も無理がないため
破損のおそれがないといった大きな効果が得られる。

第二は、不活性ガスのための供給ラインや余熱器か不要
なことである。また、必要な混入水蒸気耳 も水素の部分燃焼で達成できるから、ボイラ呑の設備を
別途用いる必要がない。従って、装置コストを節減でき
る効果が得られる。

第三１は、不活性ガスと燃料ガスとの切替え操作が不要
であるため、起動の工程が簡単になる。

（発明の効果〕 以上詳述したように、本発明の起動方法によれば、不活
性ガスを加熱媒体として用いる従来の方法のように特別
な付加ＸＱ　Ｂを必要とせずに、燃料電池本体８汚めて
１完なプログラムに従って制叩しつつ、円滑かつ短時間
で所要の起ｅ温度まで昇（温することができる等、顕著
な効果が１ｑられるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の起動方法を実施するために構成された
燃料電池発電プラントの一例を示すフローチャート、第
２図は燃料電池発電プラントにおける従来の起動方法を
説明するためのフローチャートである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池へ供給される燃料の一部を燃焼させて、発生す
   る熱と生成ガスとを残りの前記燃料と共に再循環させ、
   上記燃料電池の起動条件温度まで昇温することを特徴と
   する燃料電池の起動方法。