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【発明の名称】 燃料電池発電システム及びその運転方法
【発明者】 【氏名】藤川 圭司
【住所又は居所】広島市西区観音新町四丁目６番２２号 三菱重工業株式会社広島研究所内
【氏名】大本 節男
【住所又は居所】広島市西区観音新町四丁目６番２２号 三菱重工業株式会社広島研究所内
【氏名】近藤 正實
【住所又は居所】広島市西区観音新町四丁目６番２２号 三菱重工業株式会社広島研究所内
【氏名】梶谷 寛士
【住所又は居所】広島市西区観音新町四丁目６番２２号 三菱重工業株式会社広島製作所内
【課題】燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い燃料電池発電システム及びその運転方法を提供する。

【解決手段】燃料電池１１の燃料極１１−１に水素を含有する燃料ガス１２を供給すると共に、燃料電池１１の空気極１１−２に空気１３を供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガス１２を燃焼する燃焼部２１と、前記燃焼部２１からの高温排ガス２２で加湿用水４０を高温蒸気４３とする第１熱交換器４２と、第１熱交換器４２からの高温排ガス２２で燃料電池１１の冷却部１１−３を冷却する冷媒２３を熱交換する第２熱交換器４４と、燃料電池１１の冷却部１１−３の入口側冷媒温度Ｔ１を計測する入口側温度計測器２５とを具備する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、燃料電池の空気極に空気を供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガスを燃焼する燃焼部と、
前記燃焼部からの高温排ガスで加湿用水を高温蒸気とする第１熱交換器と、
第１熱交換器からの高温排ガスで燃料電池の冷却部を冷却する冷媒を熱交換する第２熱交換器と、
燃料電池の冷却部の入口側冷媒温度を計測する入口側温度計測器とを具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記冷媒の冷却ラインに放熱部を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１において、
冷却部の出口側温度を計測する温度計測器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項２において、
前記冷却ラインが放熱部の熱交換媒体のラインとは独立していることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項２において、
前記放熱部の代わりに、熱交換媒体を熱交換する第３熱交換器を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
前記燃焼部出口に温度検知器と、燃焼用空気として供給する空気極からの排出空気量を調整する流量制御手段とを有することを特徴する燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
前記燃焼部と前記第１熱交換器とを一体化した複合燃焼器又は、前記燃焼部と前記第１熱交換器及び第２熱交換器とを一体化した複合燃焼器を用いることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
水素を含む燃料ガスを燃料として電気出力を得る固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池の運転方法であって、
燃料電池にて電気出力を発生させる前に、常温の可燃ガスを燃焼させることができる燃焼部にて前記水素含有ガスを燃焼させ、前記燃焼部の下流に設けた第１熱交換器にて前記排ガスの熱を利用して前記燃料電池の燃料極の加湿に必要な高温蒸気を生成し、前記蒸気を燃料電池燃料極入口に設けた燃料ガスのガス予熱混合器に供給して燃料ガス中の湿度を調節することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記燃焼部の下流設けた第１の熱交換器の下流に、前記第１熱交換器を通過した高温排ガスから熱回収するための第２熱交換器を設け、該第２熱交換器へ燃料電池の冷却加熱を行なわせる冷媒を流通させ、前記燃料電池の循環冷媒を速やかに昇温し、燃料電池本体を加熱することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１０】
請求項８又は９において、
前記第２の熱交換器と燃料電池を連絡する前記冷媒の冷却ラインの途中に、熱交換媒体を流通する第３熱交換器を設け、熱交換媒体の流量を変化させ、燃料電池へ流入する循環冷媒の温度を所定の温度に制御することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０のいずれか一つにおいて、
前記燃料電池の燃料極へ前記水素を含有する燃料ガスを供給するための管路に、流路を切替える切替え弁を設け、前記燃料電池にて電気出力を発生させる前は、切替弁を前記燃焼部へ供給する管路側に切替え、前記水素を含有する燃料ガスを前記燃焼部で燃焼させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１２】
請求項１０において、
前記燃料電池の冷却ラインの燃料電池入口部付近又は出口部付近の少なくとも一方に温度計測器を設け、前記温度計測器の指示値が目標温度となるように、前記第３の熱交換器に流す冷水の流量を変化させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１３】
請求項８乃至１２のいずれか一つにおいて、
前記燃料電池循環水ラインの燃料電池入口部付近又は出口部付近の少なくとも一方に設けた温度計測器の指示値が目標温度に到達した後、前記燃料電池本体の燃料極へ前記水素を含有する燃料ガスを供給するための管路に、前記燃料電池の燃料極側に燃料ガスの流路を切替え、前記燃料ガスを燃料電池に供給した後、燃料極からの排出される燃料ガスを燃焼部にて燃焼させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求項１３において、
制御装置により燃料電池の健全度を確認した後、電気負荷と接続し、取出し電流値を所定の値まで引き上げ、定常発電状態に到達させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
請求項８乃至１４のいずれか一つにおいて、
前記燃焼部出口に温度検知器を設けると共に、燃焼用空気として供給する空気極からの排出空気量を調整する流量制御手段とを設け、前期温度検知器の指示値が目標温度となるように前記流量制御手段にて前記燃焼部に供給する空気量を変化させることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い燃料電池発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以後、ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と呼ぶ。）は、電解質に固体高分子のイオン交換膜を使用するものであり、流体となる燃料ガスである水素（又は水素含有ガス）及び酸化ガスである酸素（又は酸素含有ガス）を、それぞれ燃料極（アノード）、空気極（カソード）に供給して、固体高分子のイオン交換膜中を水素イオンが移動することで、電気化学（電池）反応を起して発電をするものである。通常は、ＰＥＦＣに水素及び酸素を供給するため、様々な工夫を行っている。
【０００３】
このような燃料電池を有する燃料電池発電システムは、家庭等における分散電源などとして注目されている。また、燃料ガスとして水素以外の都市ガスやＬＰＧを用いる場合には、燃料改質器を用いて例えば水蒸気改質方法により水素リッチな改質された燃料ガスに変えて、燃料電池に供給するようにしている。そして、燃料電池では、前記改質された燃料ガスと酸化ガスである空気とを電気化学的に反応させて発電するようにしている。
【０００４】
このような燃料電池においては、その発電初期の起動方法として以下のような提案がある。
例えば熱輸送媒体循環回路を有する燃料電池において、循環回路内に循環水を加熱する手段と冷却する手段と循環する手段とを有する燃料電池発電システムの提案がある。さらに、循環回路中に冷却手段の短絡(バイパス）回路とバイパス流量調整手段を有する提案がある。さらに熱交換した熱交換媒体の熱を蓄熱するための手段を有する提案がある（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００―１１３９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の提案では、循環水回路上に電気ヒータやラジエータといった外部電力をエネルギー源とすることを想定したものであり、現状の運転操作の課題であるエネルギー損失の低減を達成できるものではなく、逆にエネルギー消費量が増大する、という課題がある。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑み、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高い燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、燃料電池の燃料極に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、燃料電池の空気極に空気を供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガスを燃焼する燃焼部と、前記燃焼部からの高温排ガスで加湿用水を高温蒸気とする第１熱交換器と、第１熱交換器からの高温排ガスで燃料電池の冷却部を冷却する冷媒を熱交換する第２熱交換器と、燃料電池の冷却部の入口側冷媒温度を計測する入口側温度計測器とを具備することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷媒の冷却ラインに放熱部を有することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、冷却部の出口側温度を計測する温度計測器を有することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１１】
第４の発明は、第２の発明において、前記冷却ラインが放熱部の熱交換媒体のラインとは独立していることを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１２】
第５の発明は、第２の発明において、前記放熱部の代わりに、熱交換媒体を熱交換する第３熱交換器を有することを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１３】
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記燃焼部出口に温度検知器と、燃焼用空気として供給する空気極からの排出空気量を調整する流量制御手段とを有することを特徴する燃料電池発電システムにある。
【００１４】
第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記燃焼部と前記第１熱交換器とを一体化した複合燃焼器又は、前記燃焼部と前記第１熱交換器及び第２熱交換器とを一体化した複合燃焼器を用いることを特徴とする燃料電池発電システムにある。
【００１５】
第８の発明は、水素を含む燃料ガスを燃料として電気出力を得る固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池の運転方法であって、燃料電池にて電気出力を発生させる前に、常温の可燃ガスを燃焼させることができる燃焼部にて前記水素含有ガスを燃焼させ、前記燃焼部の下流に設けた第１熱交換器にて前記排ガスの熱を利用して前記燃料電池の燃料極の加湿に必要な高温蒸気を生成し、前記蒸気を燃料電池燃料極入口に設けた燃料ガスのガス予熱混合器に供給して燃料ガス中の湿度を調節することを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００１６】
第９の発明は、第８の発明において、前記燃焼部の下流設けた第１の熱交換器の下流に、前記第１熱交換器を通過した高温排ガスから熱回収するための第２熱交換器を設け、該第２熱交換器へ燃料電池の冷却加熱を行なわせる冷媒を流通させ、前記燃料電池の循環冷媒を速やかに昇温し、燃料電池本体を加熱することを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００１７】
第１０の発明は、第８又は９の発明において、前記第２の熱交換器と燃料電池を連絡する前記冷媒の冷却ラインの途中に、熱交換媒体を流通する第３熱交換器を設け、熱交換媒体の流量を変化させ、燃料電池へ流入する循環冷媒の温度を所定の温度に制御することを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００１８】
第１１の発明は、第８乃至１０のいずれか一つの発明において、前記燃料電池の燃料極へ前記水素を含有する燃料ガスを供給するための管路に、流路を切替える切替え弁を設け、前記燃料電池にて電気出力を発生させる前は、切替弁を前記燃焼部へ供給する管路側に切替え、前記水素を含有する燃料ガスを前記燃焼部で燃焼させることを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００１９】
第１２の発明は、第１０の発明において、前記燃料電池の冷却ラインの燃料電池入口部付近又は出口部付近の少なくとも一方に温度計測器を設け、前記温度計測器の指示値が目標温度となるように、前記第３の熱交換器に流す冷水の流量を変化させることを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００２０】
第１３の発明は、第８乃至１２のいずれか一つの発明において、前記燃料電池循環水ラインの燃料電池入口部付近又は出口部付近の少なくとも一方に設けた温度計測器の指示値が目標温度に到達した後、前記燃料電池本体の燃料極へ前記水素を含有する燃料ガスを供給するための管路に、前記燃料電池の燃料極側に燃料ガスの流路を切替え、前記燃料ガスを燃料電池に供給した後、燃料極からの排出される燃料ガスを燃焼部にて燃焼させることを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００２１】
第１４の発明は、第１３の発明において、制御装置により燃料電池の健全度を確認した後、電気負荷と接続し、取出し電流値を所定の値まで引き上げ、定常発電状態に到達させることを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【００２２】
第１５の発明は、第８乃至１４のいずれか一つの発明において、前記燃焼部出口に温度検知器を設けると共に、燃焼用空気として供給する空気極からの排出空気量を調整する流量制御手段とを設け、前期温度検知器の指示値が目標温度となるように前記流量制御手段にて前記燃焼部に供給する空気量を変化させることを特徴とする燃料電池の運転方法にある。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、起動時の燃料電池の昇温および燃料極加湿用蒸発の生成を行なえるため、起動エネルギーの低減による高効率システムの実現とシステムのコンパクト化が達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態及び実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態及び実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００２５】
［実施形態］
本発明による実施形態に係る燃料電池の発電システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態１に係る燃料電池の発電システムを示す概念図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池の発電システムは、燃料電池１１の燃料極１１−１に水素を含有する燃料ガス１２を供給すると共に、燃料電池１１の空気極１１−２に空気１３を供給して発電する燃料電池発電システムにおいて、前記燃料ガス１２を燃焼する燃焼部２１と、前記燃焼部２１からの高温排ガス２２で加湿用水４０を高温蒸気４３とする第１熱交換器４２と、第１熱交換器４２からの高温排ガス２２で燃料電池１１の冷却部１１−３を冷却する冷媒２３を熱交換する第２熱交換器４４と、燃料電池１１の冷却部１１−３の入口側冷媒温度Ｔ１を計測する入口側の度計測器２５−１とを具備するものである。
【００２６】
上記構成のシステムにおいて、燃料電池にて電気出力を発生させる際に、常温の燃料ガス１２を燃焼させる燃焼部２１にて前記燃料ガス１２を燃焼させ、前記燃焼部２１の下流に設けた第１熱交換器４２にて前記高温排ガス２２の熱を利用して前記燃料電池の燃料極１１−１の加湿に必要な高温蒸気４３を生成し、前記高温蒸気４３を燃料電池燃料極入口側に設けた燃料ガス１２のガス予熱混合器であるドレイン分離機能付熱交換器５１に供給して燃料ガス１２中の湿度を調節するようにしている。
【００２７】
また、第１熱交換器４２で熱交換した高温排ガス２２を第１熱交換器４２の下流に設けた第２熱交換器４４に流通させ、該第２熱交換器４４に燃料電池の冷却加熱を行なわせる燃料電池の循環冷媒２３を流通させ、前記高温排ガス２２から熱回収することで、前記燃料電池１１の冷媒２３を速やかに昇温させることができ、燃料電池１１の加熱に寄与することとなる。
【００２８】
これにより、発電初期におけるエネルギーを有効活用することができる。
前記入口側冷媒温度Ｔ１を計測するのは、燃料電池の健全性を維持するためであり、所定の設定温度に達した場合には、制御装置（ＣＰＵ）にて制御し、熱交換媒体（例えば水又は空気）２７の供給量を増大させて、所定温度に維持するようにしている。
【００２９】
ここで、発電初期においては、燃料ガス１２は管路Ｌ３と管路Ｌ４とを切替える切替弁Ｖ１により、管路Ｌ４側に切替え、燃焼部２１で全て燃焼するようにしている。そして、冷媒２３を高温排ガス２２で加熱し、燃料電池１１の温度が所定の作動となった際に、切替弁Ｖ１を切替え、管路Ｌ３側に燃料ガス１２を供給することで、燃料極１１−１に燃料を供給して発電に供するようにしている。この際、ドレイン分離機能付熱交換器５１にて高温蒸気４３により燃料ガス１２が調湿される。
【００３０】
更に、前記燃焼部の下流に配した第２熱交換器４４と燃料電池本体をつなぐ冷媒２３の冷却ラインＬ１の途中に、冷媒２３を通水する第３熱交換器４５を配し、熱交換媒体２７の流量を変化させることにより、燃料電池へ流入する冷媒２３の温度を所定の温度に制御することができる。なお、単なる空気等による放熱部とするようにしてもよい。
【００３１】
また、前記冷却ラインＬ１は閉鎖ラインとすることが好ましい。これは、燃料電池で用いる冷媒である水はイオン濃度が低いものを用いており、閉鎖ラインとしない場合には、外部から供給する水のイオンを除去するために膨大な設備を必要として発電コストが割高となるのを防止している。なお、前記冷却ラインＬ１は必要に応じて、運転中あるいは停止中に、図示しない水処理装置を介して外部から水道水を補給する操作を行なうようにしてもよい。
【００３２】
なお、本実施形態では、第３熱交換器４５は、熱交換媒体２７を積極的に熱交換するため第３熱交換器４５で熱交換された熱交換媒体２７はポンプ３３−２を介して循環され、貯湯槽３２において蓄熱するようにしている。なお、この循環ラインＬ１２は燃料電池１１の冷却部１１−３の冷却ラインＬ１とは独立な循環ラインとしている。これは、前記貯湯槽３２は、常温の水道水を供給しており、燃料電池で生成したお湯を出湯する目的で使用するためであり、通常、図示しない給水ラインと排水ラインとを更に、具備しており、それらにより外部とのやり取りを行うようにしている。
【実施例１】
【００３３】
以下、本発明の発電方法にかかる好適な実施例について図２乃至３を参照しつつ説明する。
図２は常温で起動させる場合であり、図３は発電に際して燃料ガスを加湿する概略図である。本実施例かかる燃料電池発電システムは、図１に示す実施形態のシステムを基本構造とする燃料電池の発電システムであり、同一構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
【００３４】
ここで、図２に示すように、燃料ガス１２を供給する燃料供給ラインＬ１０の切替弁Ｖ１の上流側にはガス予熱混合器であるドレイン分離機能付熱交換器５１を設けており、冷却ラインＬ１に介装した切替弁Ｖ３を管路Ｌ５切替えることでドレイン分離機能付熱交換器５１を経由して冷却部１１−３に冷媒２３を供給するようにしている。また、切替弁Ｖ３の切替えで管路Ｌ６に流路を切替えるバイパスラインも有している。なお、本実施例では冷媒２３として冷却水を用いている。
【００３５】
先ず、燃料電池を常温で起動させる工程（工程Ａ）について、図２を参照しつつ工程Ａ―１）〜工程Ａ―６）の説明を行う。
Ａ―１）燃料供給ラインＬ１０から供給された燃料ガス１２は、ドレイン分離機能付熱交換器５１を通過した後、切替弁Ｖ１の切替により、管路Ｌ３に流通し、燃料電池１１の燃料極１１−１に送られる。また、図示しない空気ブロアから加湿装置４１を経由で燃料電池の空気極１１−２に空気１３が供給される。
Ａ―２）これにより、燃料ガス１２の供給量に応じて取得可能な負荷の範囲内で、任意の電気負荷を瞬時に接続し、発電を開始する。
Ａ―３）発電状態では燃料電池１１の燃料極１１−１に供給された燃料ガス１２中の水素のうち７０％〜９９％を消費し、残りは未反応のまま管路Ｌ７から排出される。この未反応水素を含む燃料ガス１２ａは図示しないドレイン分離器にて凝縮水を除去後に、燃焼部２１にて燃焼処理される。ここで燃焼用の空気１３は、空気極１１−２にて酸素を消費された空気に含まれる凝縮水を、図示しないドレイン分離器にて除去後に切替弁Ｖ５経由で燃焼部２１に供給される。
Ａ―４）燃焼部２１を出た高温排ガス２２は、加湿用水４０を蒸発する第１熱交換器４２及び第２熱交換器４４にて抜熱され、排出ラインＬ２より系外に排気される。
Ａ―５）前記工程Ａ−１）と同時に、ポンプ３３−１を作動させ、燃料電池１１の冷媒２３を冷却ラインＬ１にて循環させる。ポンプ３３−１を出た冷媒２３は、切替弁Ｖ３の切替えにより、管路Ｌ５に流通し、ドレイン分離機能付熱交換器５１を経由で燃料電池１１の冷却部１１−３を通過する際に発電時に発生する熱を回収する。その後、冷媒２３は切替弁Ｖ２にて第２熱交換器４４に送られ、高温排ガス２２により加熱される。この循環により、燃料電池１１は徐々に昇温される。
Ａ―６）燃料電池１１は、高分子膜の劣化を防止するために９０℃以下（好ましくは８０℃以下）で使用する必要がある。そのため、工程Ａ−５）の昇温工程にて燃料電池１１の温度が９０℃以上に上昇するのを防止するため、冷却ラインＬ１の燃料電池冷却部１１−１の入口部に設置した温度計測器２５−１が９０℃以下の所定の温度となるように、冷却ラインＬ１中に設置した第３交換器４５の流量を制御するようにしている。
【００３６】
次に、燃料電池を発電工程（工程Ｂ）について、図３を参照しつつ工程Ｂ―１）〜工程Ｂ―２）の説明を行う。
Ｂ―１）燃料供給ラインＬ１０から供給される燃料ガス１２は低加湿状態のため、燃料電池セルの乾燥による劣化を防止するためには充分に加湿されたガスを供給する必要がある。よって、燃焼部２１で燃焼開始する際に、第１熱交換器４２に加湿用水４０を供給し、高温蒸気４３を生成させ、ドレイン分離機能付熱交換器５１にて燃料ガス１２と高温蒸気４３とを混合させ、燃料ガス１２を積極的に加湿する。
Ｂ―２）このとき、加湿用の高温蒸気４３を安定して生成するために、燃焼部２１に供給される空気極１１−２からの排出空気量を切替制御弁Ｖ５にて制御して、燃焼部２１の出口の排ガス２２の温度を温度計測器２５−３で計測し、２００℃以上（好ましくは３００〜６００℃）の高温に維持するようにしている。
【００３７】
この結果、常温で燃料電池発電が瞬時に可能となると共に、燃料極に供給する燃料ガス１２の加湿を施すことができるので、エネルギー効率が良好なものとなる。
【実施例２】
【００３８】
次に、他の実施例として、昇温起動とする場合について説明する。
図４乃至図６にかかる燃料電池発電システムは、図１に示す実施形態のシステムを基本構造とする燃料電池の発電システムであり、同一構成部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
ここで、図４は、起動して燃料電池の昇温が完了するまでの概略図である。図５は昇温起動によるアノードの加湿用蒸気生成の概略図である。図６は昇温起動による発電開始から定常発電までの概略図である。
【００３９】
先ず、燃料電池の昇温起動の燃料電池の昇温までの工程（工程Ｃ）について、図４を参照しつつ工程Ｃ―１）〜工程Ｃ―４の説明を行う。
Ｃ―１）燃料供給ラインＬ１０から供給された燃料ガス１２は、ドレイン分離機能付熱交換器５１を通過し、切替弁Ｖ１にて燃料電池の燃料極１１−１をバイパスする管路Ｌ４側に送られ、燃焼部２１に供給される。また、空気１３は、加湿器４１を経由して燃料電池空気極１１−２に送られ、排出空気は切替弁Ｖ５により燃焼部２１に供給される。
なお、起動初期において、図示しない空気ブロアからの空気を燃料電池をバイパスさせて直接燃焼部２１に供給することにより、加湿器４１が十分機能するまでの燃料電池の高分子膜の乾燥による劣化を抑制することも出来る。
Ｃ―２）燃焼部２１は常温にて燃焼開始可能な燃焼器（例えば、例えば白金系モノリス触媒等の常温燃焼触媒反応器など）であり、高温となった高温排ガス２２は第１熱交換器４２及び第２熱交換器４４に通過させた後、外に排出する。
Ｃ―３）工程Ｃ−１）と同時に、ポンプ３３−１を作動させ、燃料電池１１の冷却ラインＬ１に冷媒２３を循環させる。ポンプ３３−１を出た冷媒２３は、Ｖ３にてドレイン分離機能付熱交換器５１をバイパスする管路Ｌ６側を通り、燃料電池１１の冷却部１１−３を経由後、切替弁Ｖ２にて第２熱交換器４４に送られ、第２熱交換器４４にて燃焼部２１の高温排ガス２２により加熱される。この循環により、燃料電池１１は徐々に昇温される。
Ｃ―４）燃料電池１１は、高分子膜の劣化を防止するために９０℃以下（好ましくは８０℃以下）で使用する必要がある。そのため、工程Ｃ−３）の昇温工程にて燃料電池１１の温度が９０℃以上に上昇するのを防止するため、冷却ラインＬ１の冷却部１１−３の入口部に設置した温度計測器２５−１が９０℃以下の所定の温度となるように、冷却ラインＬ１中に設置した第３熱交換器４５に流す熱交換媒体２７の流量を制御するようにしている。
【００４０】
次に、燃料電池の昇温起動においてアノードの加湿用蒸気の生成工程（工程Ｄ）について、図５を参照しつつ工程Ｄ−１）の説明を行う。
Ｄ―１）燃料電池１１の燃料ガス１２を加湿するための蒸気は、第１熱交換器４２に加湿用水４０を供給して高温蒸気４３を発生させている。得られた蒸気は、ドレイン分離機能付熱交換器５１にて燃料ガス１２と混合させ、燃料ガス１２を加湿加温する。
このとき、燃料電池１１の循環冷却ラインＬ１の切替弁Ｖ３をドレイン分離機能付熱交換器５１を経由する管路Ｌ５に切り替えておくことで、常時、ドレイン分離機能付熱交換器５１から排出される燃料ガス１２の露点温度を燃料電池の温度とほぼ同じ状態に保持することができる。
【００４１】
次に、燃料電池の昇温起動の燃料電池の発電開始から定常発電までの工程（工程Ｅ）について、図６を参照しつつ工程Ｅ―１）〜工程Ｅ―６）の説明を行う。
Ｅ―１）冷却ラインＬ１の燃料電池１１の冷却部１１−３の出口部に設置した温度計測器２５−２の指示値が目標温度に到達したら昇温完了と判断する。
Ｅ―２）燃料ガス１２の切替弁Ｖ１を燃料電池側（管路Ｌ３）に切替え、燃料ガス１２を燃料電池１１の燃料極１１−１に供給する。
Ｅ―３）また、燃焼部２１に供給する空気１３を、燃料電池１１の空気極１１−２をバイパスする経路で供給している場合には、燃料電池１１に供給するラインに切り替え、燃料電池１１の空気極１１−２及び切替弁Ｖ５経由で燃焼部２１に送るようにする。
Ｅ―４）ここで、燃料電池１１の電圧値により燃料電池の健全度を確認し、発電準備状態とする。電池の健全度は、燃料電池の電圧値が所定の電圧に達していることで確認することができる。
Ｅ―５）燃料電池１１が発電準備状態となったことを確認後、原料供給量に応じて取得可能な負荷の範囲内で、任意の電気負荷を瞬時に接続し、発電を開始する。
Ｅ―６）発電状態では燃料電池１１の燃料極１１−１に供給された燃料ガス１２中の水素のうち７０％〜９９％を消費し、残りは未反応ガスのまま管路Ｌ７から排出され、図示しないドレイン分離器にて凝縮水を除去後に、燃焼部２１に送られ、ここで燃焼処理される。このとき燃焼部２１への供給するガスの可燃性ガス濃度は発電開始とともに一気に低下し、燃焼部出口の排ガス温度（Ｔ３）が低下するため、加湿水蒸気を安定して生成するために燃焼部２１に供給される空気極１１−３からの排出空気の量を切替制御弁Ｖ５にて制御して、燃焼部２１出口の高温排ガス２２の温度を２００℃以上（好ましくは３００〜６００℃）の高温に維持するようにしている。
【００４２】
このように、本実施例によれば、簡略かつコンパクトな装置構成にて、固体高分子型燃料電池本体及び燃料となる水素を含有する燃料ガス１２を、燃料電池が速やかに安定出力が得られる湿潤状態へと移行させ、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくして、エネルギー有効利用率の高いものを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、水素含有ガスを燃料として発電する固体高分子型燃料電池を備えた発電システムに適用することで、固体高分子型燃料電池を速やかに安定出力状態が得られる温度へ移行させることができ、燃料電池を起動する際のエネルギー損失を少なくすることができると共に良好な湿潤状態を保持することができ、エネルギー有効利用率の高い発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態に係る燃料電池の発電システムを示す概念図である。
【図２】実施例１の常温で起動させる場合の概略図である。
【図３】実施例１の発電に際して燃料ガスを加湿する概略図である。
【図４】実施例２の起動から燃料電池の昇温が完了するまでの概略図である。
【図５】昇温起動によるアノードの加湿用蒸気生成の概略図である。
【図６】昇温起動による発電開始から定常発電までの概略図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１ 燃料電池
１１−１ 燃料極
１１−２ 空気極
１１−３ 冷却部
１２ 燃料ガス
１３ 空気
２１ 燃焼部
２２ 高温排ガス
４２ 第１熱交換器
４４ 第２熱交換器
４５ 第３熱交換器
２５−１、２５−２、２５−３ 温度計測器
Ｌ１ 冷却ライン
Ｌ２ 排出ライン
Ｌ１２ 循環ライン
Ｌ３〜Ｌ１１ 管路
３３−１、３３−２ ポンプ
【出願人】 【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【住所又は居所】東京都港区港南二丁目１６番５号
【出願日】 平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【代理人】 【識別番号】１０００８９１１８
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 宏明
【公開番号】 特開２００６−１７９３４５（Ｐ２００６−１７９３４５Ａ）
【公開日】 平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【出願番号】 特願２００４−３７２１５７（Ｐ２００４−３７２１５７）