JP2008135268A - 燃料電池装置の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】着火判定を誤ることなく、短時間に判定できる燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】燃料ガス及び酸素含有ガスとを供給して発電する燃料電池４ａと、燃焼用燃料ガスに着火する着火ヒータ７と、燃焼領域Ｆの温度を検知する温度センサ８とを備えた燃料電池装置の起動方法であって、燃焼用燃料ガスへのヒータ７による着火動作を行った後、所定の着火判定時間ｔ_０以内に、着火前の燃焼領域Ｆの温度Ｔ_０℃から所定温度Ｔ_１℃以上温度が上昇した場合に着火したと判定し、着火判定時間ｔ_０以内に着火と判定できなければ未着火と判定し、起動処理を継続することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃焼用燃料ガスに着火する着火手段と、燃焼用燃料ガスの燃焼領域の温度を検知する温度センサとを備えた燃料電池装置の起動方法に関する。

従来、燃料電池装置では、改質器を昇温するため燃料ガスを燃焼させており、着火時の燃焼状態を光センサ（Ｃｄｓ）を用いた火炎の検知、あるいは熱電対などの温度センサによる温度検知で確認している。温度センサを用いたものとしては、例えば特許文献１のように、固体高分子形燃料電池で用いられる改質装置では、燃焼用燃料ガス供給後、点火トランスなどの着火手段で着火動作を行い、温度センサで燃焼領域の温度を検知し、検知温度が所定の絶対温度である着火判定温度以上となると着火したと判定している。

また、固体電解質形燃料電池でも、ヒータを用いて着火動作を行い、着火する起動方法が知られており、この場合でも、温度センサの絶対温度で着火可否を判定している（例えば特許文献２参照）。
特開２００４−１１６９３４号公報 特開２００６−８６０１６号公報

このような燃料電池装置において、温度センサで燃焼領域の温度を検知し、絶対温度で着火判定を行った場合には、誤って判定されたり、判定に時間がかかるという問題があった。

即ち、運転停止後短時間で再起動する場合など、燃焼領域の温度が室温まで冷却されていない状態では、着火動作前の段階で温度センサの温度が既に着火判定温度を超えている場合がある。

例えば、着火判定温度を１００℃で設計しており、再起動時の燃焼領域の温度が２００℃ある場合は、着火していなくても着火していると誤判断してしまう。

また、例えば燃焼用燃料ガスに都市ガスを使う場合は、着火判定温度を、主成分のメタンの自然発火温度である５３６℃以上である６００℃とすると、逆に燃焼領域の温度が例えば１００℃程度まで冷却されている場合では、正常に着火しても温度センサが６００℃以上に昇温されるまでは時間を要するため、判定時間を長くする必要が生じ、未着火時の燃焼用燃料ガスの遮断を素早く行えず、未燃焼ガスの外部への排出が長時間に及ぶという課題があった。

特に、固体酸化物型燃料電池ではその動作温度が高く６００〜１０００℃で動作するため、燃料電池に供給された燃料ガスのうち、発電反応に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼したり、バーナで加熱して、動作温度まで温度を上昇させるため、誤って判定され易く、また判定に時間がかかり易いという課題があった。

本発明は、着火判定を誤ることなく、短時間に判定できる燃料電池装置の起動方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置の起動方法は、燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃焼用燃料ガスに着火する着火手段と、前記燃焼用燃料ガスの燃焼領域の温度を検知する温度センサとを備えた燃料電池装置の起動方法であって、前記燃焼用燃料ガスへの前記着火手段による着火動作を行った後、所定の着火判定時間ｔ_０以内に、着火前の前記燃焼領域の温度Ｔ_０℃から所定温度Ｔ_１℃以上に温度が上昇した場合に着火したと判定し、前記着火判定時間ｔ_０以内に着火と判定できなければ未着火と判定して、着火又は未着火の前記判定に応じて処理を進めることを特徴とする。

このような燃料電池装置の起動方法では、着火判定を、燃焼領域の絶対温度ではなく、着火動作前後の温度上昇Ｔ_１℃で判定するため、燃料電池装置が室温の状態から起動させる場合だけでなく、起動前の燃焼領域温度が、定常運転時の燃焼領域の温度よりＴ_１℃以上低い温度であれば、室温まで冷却されていない状態（燃料電池装置が室温よりも高温である状態）で起動しても確実に未着火を検出でき、着火判定を短時間に判定できる。

また、本発明の燃料電池装置の起動方法は、未着火と判定した場合には前記燃焼用燃料ガスの供給を停止することを特徴とする。このような運転方法では、未燃焼ガスの外部への排出を抑制できる。

さらに、本発明の燃料電池装置の起動方法は、前記着火手段による着火動作を行った後、前記着火判定時間ｔ_０以内に、前記燃焼領域の温度が、前記燃焼用燃料ガスの自然発火温度以上の設定温度Ｔ_２℃以上になった場合は着火したと判定することを特徴とする。

このような燃料電池装置の起動方法では、燃料電池装置の運転停止後、即再起動を行う場合など、着火前の燃焼領域の温度と定常運転時の燃焼領域の温度との温度差がＴ_１℃よりも小さい場合もあり得るが、本発明では、燃焼用燃料ガスの自然発火温度Ｔ_２℃以上になった場合は着火したと判定するため、正確な判定を行うことができる。また、燃料電池装置の運転停止後、即再起動を行う場合など、着火前の燃焼領域の温度が高くなるほど、定常運転時の燃焼領域の温度との温度差が少なくなるため、Ｔ_１℃の温度上昇時間が長くなる傾向にあるが、本発明では、燃焼用燃料ガスの自然発火温度Ｔ_２℃以上になった場合は着火したと判定するため、着火前の燃焼領域温度がＴ_２−Ｔ_１℃から自然発火温度Ｔ_２℃までが、最も判定時間が長くなるため、このＴ_２−Ｔ_１℃からＴ_２℃まで温度上昇する時間を考慮して、着火判定時間を決めれば良く、むやみに着火判定時間を長くする必要が無くなり、これにより、着火失敗時の判定を素早く行え、未燃ガスの放出を少なくできる。

また、本発明の燃料電池装置の起動方法は、前記着火手段による着火動作を行う際は、前記燃焼領域への酸素含有ガス供給量を低く設定し、着火したと判定後に、酸素含有ガス供給量を増加させることを特徴とする。

着火動作時に酸素含有ガス供給量が多いと火炎を吹き消す恐れがある為、着火動作時は酸素含有ガス供給量を低く設定しておき、着火したと判定後、最適な空燃費まで酸素含有ガス供給量を増加することで、確実な着火を行うことができ、未着火時の未燃ガスの放出を抑制できる。

さらに、本発明の燃料電池装置の起動方法は、未着火と判定し、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、前記着火手段による着火動作を再度繰り返し、前記着火手段による着火動作を所定回数繰り返しても着火と判定できなかった場合に、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、前記着火手段による着火動作を停止することを特徴とする。

これは、設置後初回起動時あるいは長期間使用していない状態では、燃焼用燃料ガス配管に燃焼用燃料ガスが充填されていないため、燃焼用燃料ガスの供給を開始しても燃焼領域に放出されるにはある程度の時間を要する。しかしながら、一旦充填された後で再起動する場合などはすぐに燃焼領域に燃料ガスが放出されるため、むやみに判定時間を長くすることは未燃ガスの大量放出につながる。本発明では、着火動作を繰り返し、所定回数着火動作を繰り返しても着火と判定できなかった場合には着火動作を停止するため、未燃ガスの大量放出を防止できる。特に、各着火動作毎に未着火と判定した場合に、燃焼用燃料ガスの供給を停止すると、未燃ガスの放出をさらに抑制できる。

また、着火失敗は、天候（気温、湿度）による空気の含有水分量やモジュール内の水分吸着度合いの変化、着火ヒータ等の着火手段へのスケール付着等様々な要因があるが、所定回数繰り返すことで機器故障以外の外乱影響を緩和でき、すぐに機器停止となるのを避けられ、ユーザーの使い勝手の低下を防止できる。

また、本発明の燃料電池装置の起動方法は、未着火と判定し、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、前記着火手段による着火動作を再度行う際は、前記燃焼領域への酸素含有ガス供給量を減少させて前記着火動作を行うことを特徴とする。

このような燃料電池装置の起動方法では、未着火と判定した場合、前回の着火動作時よりも燃焼領域への酸素含有ガス供給量を減少させて着火動作を行うため、酸素含有ガスで火炎を吹き消している場合には、着火動作時に酸素含有ガス供給量を少なくすることにより、確実に着火できる。

さらに、本発明の燃料電池装置の起動方法は、前記着火手段がヒータであり、前記燃焼用燃料ガスの供給を開始する前に、予熱時間ｔ_１だけヒータに通電し、予熱することを特徴とする。このような燃料電池装置の起動方法では、燃焼用燃料ガスの供給を開始してからヒータに通電して着火する場合よりも着火時間を短縮でき、その分、未燃ガスの外部への放出を少なくできる。また、仮に、長期使用によるヒータ性能の低下、ヒータへのスケール付着などでヒータ表面温度が低下した場合に、ヒータの予熱時間を長くして十分にヒータを加熱し温度を上げた状態で着火動作を行うことで、着火性能の低下を防止できる。

また、本発明の燃料電池装置の起動方法は、未着火と判定し、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、再度前記着火手段による着火動作を行う際は、前記ヒータの予熱時間ｔ_１を前回の着火動作時よりも長くして着火動作を行うことを特徴とする。このような燃料電池装置の起動方法では、燃焼用燃料ガスの供給を開始してからヒータに通電して着火する場合よりも着火時間を短縮でき、その分、未燃ガスの外部への放出を少なくできるとともに、長期使用によるヒータ性能の低下、ヒータへのスケール付着などでヒータ表面温度が低下したことが原因で未着火となった場合に、ヒータの予熱時間を長くして十分にヒータを加熱し温度を上げた状態で着火動作を行うことで、着火信頼性を向上できる。

さらに、本発明の燃料電池装置の起動方法は、未着火と判定した場合、表示装置に異常表示を行うことを特徴とする。これにより、表示装置の異常表示から燃焼用燃料ガスに着火していないことを確認できる。

本発明の燃料電池装置の起動方法では、燃焼用燃料ガスへの着火判定を着火動作前からの温度上昇で判定するため、燃料電池装置の再起動時であっても、着火判定を確実（正確）に素早く行え、未着火の未燃ガスの放出を抑制できる。

以下、本発明の燃料電池装置の起動方法の一形態について説明する。図１は燃料電池装置の概要を示す概略構成図である。

燃料電池装置は、図１に示すように、収納容器１内に、改質器３及びセルスタック４が収容されて構成されている。セルスタック４は、複数の燃料電池セル（燃料電池）４ａをガスマニホールド４ｂに立設して構成されている。収納容器１の改質器３へは、ガスポンプ２により外部から都市ガス、プロパンガス等の原燃料ガスが供給され、改質器３にて改質された燃料ガスがセルスタック４の燃料電池セル４ａに供給される。また、収納容器１内には、空気（酸素含有ガス）が空気ブロワ５により空気導入管６を介して供給される。

即ち、燃料電池セル４ａは、内部に燃料ガスが流通するガス通路を有しており、燃料ガスは、マニホールド４ｂ内から燃料電池セル４ａのガス通路を流通して発電反応に用いられ、余剰の燃料ガスがガス通路を介して燃料電池セル４ａの上方（燃焼領域Ｆ）に放出される。一方、空気は空気ブロワ５により空気導入管６より収納容器１内に供給される。

そして、この形態では、燃料電池セル４ａの上方（燃焼領域Ｆ）に放出された余剰の燃料ガスが、燃焼用燃料ガスとされている。

つまり、この形態では、セルスタック４の上方に放出される余剰の燃料ガスが燃焼する燃焼領域Ｆ、言い換えれば、セルスタック４上方には、着火手段としてのヒータ７、燃料ガスの燃焼状態を計測する温度センサ８が設けられており、燃焼領域Ｆの上方には、改質器３が設けられ、改質器３は、セルスタック４から放出された燃料ガスの燃焼により加熱されるように構成されている。

温度センサ８としては、１０００℃以上の温度を計測でき応答性も速く安価であるＫ種熱電対を用いることができる。又、温度センサ８は、ヒータ７からの輻射熱をできるだけ検出しないように離して配置されている。従って、セルスタック４から吹き出した燃料ガスにヒータ７で着火し、燃料ガスを燃焼させて改質器３を昇温させ、原燃料ガスの改質を行う構造としている。燃焼した排ガスは排気管９より収納容器１外部に放出される。

以上のように構成された燃料電池装置の起動方法について、図２に基づいて説明する。燃料電池装置の起動が開始されると、先ず発電準備である起動処理を行う。

先ず、Ｓ１において着火ヒータ７の予熱時間ｔ_１を１分に設定する。Ｓ２で空気ブロワ５を起動し収納容器１内に空気を供給する。ここで、着火動作時は空気ブロワ５による供給量が多いと火炎を吹き消す恐れがある為、流量を少なく（例えば、４０Ｌ／ｍｉｎ）設定しておく。この空気ブロワ５による空気供給が、燃料電池セル４ａの上方の燃焼領域Ｆに達し、燃料電池セル４ａの火炎を吹き消すおそれがあるため、空気ブロワ５による空気供給量を減らすことで、燃焼領域Ｆへの空気供給量を減らすことができる。その後、Ｓ３でヒータ７に通電し、Ｓ４において設定した予熱時間ｔ_１だけ待機する。これにより、ヒータ７を予熱する。再起動時では、この待機時間に収納容器１内に残留している燃料ガスを、空気を収納容器１内に供給することにより排出する。

予熱時間ｔ_１が経過すると、Ｓ５で温度センサ８の検知温度を着火前の温度Ｔ_０として記憶した後、Ｓ６でガスポンプ２を起動させ、収納容器１の改質器３内に原燃料ガスを供給し、改質された燃料ガスを燃料電池セル４ａに供給し、発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスが燃焼領域Ｆに放出され、この余剰の燃料ガスに着火を試みる。

そして、Ｓ７において着火判定時間ｔ_０（例えば１分）が経過したか確認する。経過していなければＳ８で温度センサ８の検知温度がＳ５で記憶したＴ_０℃よりＴ_１（例えば１００℃）℃上昇したか確認する。言い換えれば、温度センサ８の検知温度（絶対温度）が［Ｔ_０＋Ｔ_１］℃以上になったか確認する。［Ｔ_０＋Ｔ_１］℃以上の場合は、着火したと判定しＳ１０に進む。［Ｔ_０＋Ｔ_１］℃未満の場合は、Ｓ９において温度センサ８の検知温度がＴ_２℃以上か確認する。ここでＴ_２は燃料ガスの自然発火温度以上の所定温度とする。ここでは燃料ガスに都市ガスを使用し、その主成分であるメタンの自然発火温度が５３６℃の為、自然発火温度以上の設定温度Ｔ_２を６００℃と設定している。

温度センサ８の検知温度がＴ_２℃以上の場合は、自然発火するため着火したと判定し、Ｓ１０に進む。Ｔ_２℃未満の場合は、再度、Ｓ７から判定を繰り返す。従って、着火判定時間ｔ_０以内に、温度センサ８の検知温度が［Ｔ_０＋Ｔ_１］℃以上になるか、Ｔ_２℃以上になれば、着火したと判定しＳ１０に進み、Ｓ１０で空気ブロワ５による空気供給量を最適な空燃比となる流量（例えば６０Ｌ／ｍｉｎ）まで増加させ、定常運転へ移行する。

もし、着火判定時間ｔ_０以内に、温度センサ８の検知温度が［Ｔ_０＋Ｔ_１］℃以上にも、Ｔ_２℃以上にもならなければ、未着火と判断し、Ｓ１１で原燃料ガスのガスポンプ２を停止し、燃焼用燃料ガスである燃料ガスの燃焼領域Ｆへの供給を停止後、Ｓ１２で所定のリトライ回数（例えば３回）以内か確認する。リトライ回数以内であればＳ１３でヒータ７の予熱時間ｔ_１を３分に延ばした後、Ｓ２に戻り、再度着火動作を繰り返す。もし、所定のリトライ回数（３回）着火動作を繰り返しても未着火の場合は、Ｓ１２でＮｏ判定となり、Ｓ１４に進み、表示装置、例えばモニター画面に異常表示を行った後、Ｓ１５で着火動作を停止する。

以上のような燃料電池装置の起動方法では、Ｓ８で着火動作前後の温度上昇（温度差）Ｔ_１℃で判定するため、燃料電池装置の運転停止後、燃料電池装置が室温の状態まで冷えていない段階で起動を開始（再起動）しても確実にかつ迅速に未着火を検出でき、未燃ガスの放出を抑制できる。また、燃料電池装置の運転停止後、即再起動を行うなど収納容器１内の温度が６００℃を超えている場合は、Ｔ_１℃の温度上昇に時間がかかる、あるいは定常運転時の燃焼領域Ｆの温度が７００℃よりも低い場合にはＴ_１℃上昇しない場合もあるが、Ｓ９で温度センサ８の検知温度がＴ_２（６００）℃以上の場合は、自然発火温度以上であり着火したと自動的に判断する為、高温からの再起動にも対応ができる。

また、着火動作時はＳ２で空気ブロワ５による供給量を少なくして着火性を高め、着火後Ｓ１０にて空気ブロワ５による供給量を最適な空燃費となる流量まで増加した為、空気供給量が多すぎて火炎を吹き消すこと無く確実に着火できる。また、Ｓ７で未着火と判定した場合もＳ１２で所定のリトライ回数だけ自動的に着火動作を繰り返すようにした為、設置後初回起動時などでシステム内の燃料ガス配管に燃料ガスが充填されていない場合、また、天候、長期使用などの様々な外乱影響を緩和でき、すぐに機器停止となるのを避けられる。

また、未着火でリトライを行う際は、ヒータ７への予熱時間を長くしたため、ヒータへのスケール付着等でヒータ７の着火性能が低下した場合でもリトライ時の着火性能を向上できる。

尚、上記形態では、燃料電池セル４ａ内に供給され、発電反応に用いられなかった余剰の燃料ガスを、燃焼用燃料ガスとしたが、本発明では、例えば、収納容器内に、燃料電池セルを加熱するバーナを設け、このバーナから放出される都市ガス等を燃焼用燃料ガスとしても良い。この場合には、燃料電池セルに供給された余剰の燃料ガスを燃焼させる必要がないため、燃料電池セルに供給された燃料ガスのうち余剰の燃料ガスを回収し、再利用することができる。

また、上記形態では、収納容器１内に改質器を収納した形態について説明したが、本発明では、収納容器外に改質器を設け、この改質器にて改質された燃料ガスを燃料電池セルに供給するように構成しても良い。この場合、燃料電池セルが収容された収納容器と別に改質用収納容器を設け、この改質用収納容器内に改質器を収納し、この改質器を加熱するための燃焼用燃料ガスに着火するために、本発明を用いることもできる。

さらに、上記形態では、Ｓ７の着火判定時間ｔ_０内に温度センサ８の検知温度がＴ_２（６００℃）以上となった場合には、着火したと判定する場合について説明したが、例えば、Ｓ５の温度センサが検知する温度がＴ_２（６００℃）以上である場合には、着火したと判定しても良い。この場合には、判定作業を簡略化できる。

燃料電池の概略構成図である。 本発明の燃料電池の運転方法の動作フローチャートである。

符号の説明

１・・・収納容器
２・・・ガスポンプ
３・・・改質器
４・・・セルスタック
４ａ・・・燃料電池セル（燃料電池）
５・・・空気ブロワ
７・・・着火ヒータ（着火手段）
８・・・温度センサ
Ｆ・・・燃焼領域

Claims (9)

1. 燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃焼用燃料ガスに着火する着火手段と、前記燃焼用燃料ガスの燃焼領域の温度を検知する温度センサとを備えた燃料電池装置の起動方法であって、前記燃焼用燃料ガスへの前記着火手段による着火動作を行った後、所定の着火判定時間ｔ_０以内に、着火前の前記燃焼領域の温度Ｔ_０℃から所定温度Ｔ_１℃以上に温度が上昇した場合に着火したと判定し、前記着火判定時間ｔ_０以内に着火と判定できなければ未着火と判定して、着火又は未着火の前記判定に応じて処理を進めることを特徴とする燃料電池装置の起動方法。
2. 未着火と判定した場合には前記燃焼用燃料ガスの供給を停止することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置の起動方法。
3. 前記着火手段による着火動作を行った後、前記着火判定時間ｔ_０以内に、前記燃焼領域の温度が、前記燃焼用燃料ガスの自然発火温度以上の設定温度Ｔ_２℃以上になった場合は着火したと判定することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置の起動方法。
4. 前記着火手段による着火動作を行う際は、前記燃焼領域への酸素含有ガス供給量を低く設定し、着火したと判定後に、前記酸素含有ガス供給量を増加させることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池装置の起動方法。
5. 未着火と判定し、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、再度前記着火手段による着火動作を繰り返し、前記着火手段による着火動作を所定回数繰り返しても着火と判定できなかった場合に、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、前記着火手段による着火動作を停止することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池装置の起動方法。
6. 未着火と判定し、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、前記着火手段による着火動作を再度行う際は、前記燃焼領域への酸素含有ガス供給量を減少させて前記着火手段による着火動作を行うことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池装置の起動方法。
7. 前記着火手段がヒータであり、前記燃焼用燃料ガスの供給を開始する前に、予熱時間ｔ_１だけヒータに通電し、予熱することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池装置の起動方法。
8. 未着火と判定し、前記燃焼用燃料ガスの供給を停止した後、前記着火手段による着火動作を再度行う際は、前記ヒータの予熱時間ｔ_１を前回の着火動作時よりも長くして着火動作を行うことを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置の起動方法。
9. 未着火と判定した場合に、表示装置に異常表示を行うことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池装置の起動方法。

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