CN114631208A - 燃料电池系统及其启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够稳定地进行启动的燃料电池系统及其启动方法。燃料电池系统(310)具备：SOFC(313)；涡轮增压器(411)；氧化性气体供给管路(331)；控制阀(451)；氧化性气体吹气管路(444)；启动用空气管路(454)，通过鼓风机(452)向氧化性气体供给管路(331)供给启动用空气；及控制装置(20)，当进行涡轮增压器(411)的启动时，在将控制阀(451)设为关闭且将吹气阀(445)设为打开而通过鼓风机(452)向氧化性气体供给管路(331)供给启动用空气的状态下，逐渐减少吹气阀(445)的开度，并且在开始减少了吹气阀(445)的开度的时刻之后，逐渐增加控制阀(451)的开度，之后停止启动用空气的供给。

Description

燃料电池系统及其启动方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统及其启动方法。
背景技术
通过使燃料气体与氧化性气体进行化学反应来发电的燃料电池具有优异的发电效率及环境友好性等特性。其中，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：以下称为“SOFC”)作为电解质使用氧化锆陶瓷等陶瓷，将氢、民用燃气、天然气、石油、甲醇及对含碳原料通过气化设备制造出的气化气等气体等作为燃料气体来供给，并且使它们在约700℃～1000℃的高温气氛下反应而进行发电。(例如，专利文献1、专利文献2)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-6004号公报
专利文献2：日本专利第6591112号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
SOFC作为电解质使用氧化锆陶瓷等陶瓷，在约700℃～1000℃的高温气氛下反应而进行高效发电。在组合了SOFC与涡轮增压器的系统中，涡轮增压器例如与微型燃气涡轮不同无法单独启动。因此，从外部供给启动用气体。因此，在启动时，需要在启动用气体与通过涡轮增压器的压缩机压缩的气体之间进行切换。然而，当进行切换时，根据压力状态，气体可能会逆流。因此，要求在启动用气体与通过涡轮增压器压缩的气体之间适当地进行切换并且稳定地启动的启动方法。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够稳定地进行启动的燃料电池系统及其启动方法。
用于解决技术课题的手段
本发明的第1方式为燃料电池系统，其具备：燃料电池，具有空气极及燃料极；涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；控制阀，设置于所述氧化性气体供给管路；吹气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的上游侧连接，并且通过吹气阀将氧化性气体排出到系统外；启动用空气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的下游侧连接，并通过鼓风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气；及控制装置，当进行启动时，在将所述控制阀设为关闭且将所述吹气阀设为打开而通过所述鼓风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气的状态下，逐渐减少所述吹气阀的开度，并且在开始减少了所述吹气阀的开度的时刻之后，逐渐增加所述控制阀的开度，之后停止启动用空气的供给。
本发明的第2方式为燃料电池系统的启动方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池，具有空气极及燃料极；涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；控制阀，设置于所述氧化性气体供给管路；吹气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的上游侧连接，并且通过吹气阀将氧化性气体排出到系统外；及启动用空气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的下游侧连接，并通过鼓风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气，所述启动方法中，当进行启动时，在将所述控制阀设为关闭且将所述吹气阀设为打开而通过所述鼓风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气的状态下，逐渐减少所述吹气阀的开度，并且在开始减少了所述吹气阀的开度的时刻之后，逐渐增加所述控制阀的开度，之后停止启动用空气的供给。
发明效果
根据本发明，发挥能够更稳定地进行启动这一效果。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的电池组的例子的图。
图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的SOFC模块的例子的图。
图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的SOFC盒的例子的图。
图4是表示本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构的图。
图5是表示本发明的第1实施方式所涉及的控制装置的硬件结构的一例的图。
图6是表示本发明的第1实施方式所涉及的交叉控制的例子的图。
图7是表示本发明的第1实施方式所涉及的进行启动前的系统清洗时的燃料电池系统的状态的图。
图8是表示本发明的第1实施方式所涉及的进行启动用加热器的点火时的燃料电池系统的状态的图。
图9是表示本发明的第1实施方式所涉及的进行催化剂燃烧器的点火时的燃料电池系统的状态的图。
图10是表示本发明的第1实施方式所涉及的进行涡轮增压器的自立时的燃料电池系统的状态的图。
图11是表示本发明的第1实施方式所涉及的涡轮增压器自立之后的升温处理的一例的图。
图12是表示本发明的第1实施方式所涉及的启动时的状态过渡的一例的图。
图13是表示本发明的第1实施方式所涉及的自立控制的步骤的一例的流程图。
图14是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池系统的涡轮增压器周围的概略结构的图。
图15是表示本发明的第2实施方式所涉及的启动时的状态过渡的一例的图。
图16是表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池系统的涡轮增压器周围的概略结构的图。
图17是表示本发明的第3实施方式所涉及的启动时的状态过渡的一例的图。
图18是表示本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池系统的涡轮增压器周围的概略结构的图。
图19是表示本发明的第4实施方式所涉及的启动时的状态过渡的一例的图。
具体实施方式
〔第1实施方式〕
以下，参考附图对本发明所涉及的燃料电池系统及其启动方法的第1实施方式进行说明。
以下，为了便于说明，以纸面为基准使用“上”及“下”的表现进行说明的各构成要件的位置关系表示各铅垂上方侧、铅垂下方侧，铅垂方向并不是严格的铅垂方向，包含误差。在本实施方式中，只要在上下方向及水平方向上获得相同的效果，则纸面上的上下方向并不一定限定于铅垂上下方向，例如可以与垂直于铅垂方向的水平方向对应。
以下，作为固体氧化物燃料电池(SOFC)的电池组以圆筒形(筒状)为例子进行说明，但无需一定要限定于此，例如也可以是平板形的电池组。基体上形成燃料电池单元，但也可以不是基体而是电极(燃料极109或空气极113)形成为较厚并兼作基体。
首先，参考图1作为本实施方式所涉及的一例对使用基体管的圆筒形电池组进行说明。当不使用基体管时，例如可以较厚地形成燃料极109而兼作基体管，并不限定于基体管的使用。本实施方式中的基体管以使用了圆筒形状的例子来进行说明，但基体管只要是筒状即可，截面并不一定限定于圆形，例如可以是椭圆形状。也可以是垂直压扁了圆筒的周侧面的扁平圆筒(Flat tubular)等的电池组。在此，图1表示本实施方式所涉及的电池组的一方式。作为一例，电池组101具备圆筒形状的基体管103、在基体管103的外周面形成有多个的燃料电池单元105及形成于相邻的燃料电池单元105之间的内互连器107。燃料电池单元105层叠燃料极109、固体电解质膜111及空气极113而形成。电池组101具备经由内互连器107与形成于基体管103的外周面的多个燃料电池单元105中形成于在基体管103的轴向上最边端的一端的燃料电池单元105的空气极113电连接的引线膜115，且具备与形成于最边端的另一端的燃料电池单元105的燃料极109电连接的引线膜115。
基体管103由多孔材料制成，例如以CaO稳定化ZrO2(CSZ)、CSZ与氧化镍(NiO)的混合物(CSZ+NiO)或Y2O3稳定化ZrO2(YSZ)或MgAl2O4等为主成分。该基体管103支承燃料电池单元105、内互连器107及引线膜115，并且经由基体管103的细孔将供给至基体管103的内周面的燃料气体扩散到形成于基体管103外周面的燃料极109。
燃料极109由Ni与氧化锆系电解质材料的复合材料的氧化物构成，例如使用Ni/YSZ。燃料极109的厚度为50μm～250μm，燃料极109可以用浆料进行网版印刷来形成。在该情况下，燃料极109中，燃料极109的成分即Ni对燃料气体具有催化作用。该催化作用使经由基体管103供给的燃料气体例如甲烷(CH4)与水蒸汽的混合气体反应并使其改性为氢(H2)及一氧化碳(CO)。燃料极109在固体电解质膜111的界面附近使通过改性获得的氢(H2)及一氧化碳(CO)和经由固体电解质膜111供给的氧离子(O2-)进行电化学反应而生成水(H2O)及二氧化碳(CO2)。此时，燃料电池单元105通过从氧离子排放的电子进行发电。
作为供给至固体氧化物燃料电池的燃料极109并且能够利用的燃料气体，除了氢(H2)及一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等烃系气体、民用燃气、天然气以外，还可举出对石油、甲醇及煤炭等含碳原料通过气化设备制造出的气化气等。
固体电解质膜111主要使用具备使气体不易通过的气密性及在高温下高氧离子导电性的YSZ。该固体电解质膜111使在空气极113中生成的氧离子(O2-)移动至燃料极109。位于燃料极109的表面上的固体电解质膜111的膜厚为10μm～100μm，固体电解质膜111可以用浆料进行网版印刷来形成。
空气极113例如由LaSrMnO3系氧化物或LaCoO3系氧化物构成，空气极113使用网版印刷或点胶机来涂布浆料。该空气极113在与固体电解质膜111的界面附近使被供给的空气等氧化性气体中的氧解离而生成氧离子(O2-)。
空气极113也能够设为双层结构。在该情况下，固体电解质膜111侧的空气极层(空气极中间层)显示出高离子导电性，且由催化活性优异的材料构成。空气极中间层上的空气极层(空气极导电层)可以由以Sr及Ca参杂LaMnO3来表示的钙钛矿型氧化物构成。由此，能够进一步提高发电性能。
氧化性气体为包含约15％～30％的氧的气体，代表性地优选为空气，但除空气以外还能够使用燃烧废气与空气的混合气体、氧与空气的混合气体等。
内互连器107由SrTiO3系等以M1-xLxTiO3(M表示碱土类金属元素，L表示镧系元素)来表示的导电性钙钛矿型氧化物构成，并且用浆料进行网版印刷。内互连器107为致密的膜，以免燃料气体与氧化性气体混合。内互连器107具备在氧化气氛及还原气氛这两种气氛下稳定的耐久性及导电性。该内互连器107在相邻的燃料电池单元105中，电连接一侧的燃料电池单元105的空气极113与另一侧的燃料电池单元105的燃料极109，并且串联连接相邻的燃料电池单元105彼此。
引线膜115需要具备电子传导性及与构成电池组101的其他材料的热膨胀系数接近，因此由Ni/YSZ等Ni与氧化锆系电解质材料的复合材料、SrTiO3系等M1-xLxTiO3(M表示碱土类金属元素，L表示镧系元素)构成。该引线膜115将在通过内互连器107串联连接的多个燃料电池单元105中发电的直流功率导出至电池组101的端部附近。
在大气中对形成有燃料极109、固体电解质膜111及内互连器107的浆料膜的基体管103进行共烧结。烧结温度具体设为1350℃～1450℃。
接着，在大气中烧结在共烧结后的基体管103上形成有空气极113的浆料膜的基体管103。烧结温度具体设为1100℃～1250℃。这里的烧结温度低于形成基体管103～内互连器107之后的共烧结温度。
接着，参考图2及图3对本实施方式所涉及的SOFC模块及SOFC盒进行说明。在此，图2表示本实施方式所涉及的SOFC模块的一方式。图3表示本实施方式所涉及的SOFC盒的一方式的剖视图。
如图2所示，SOFC模块(燃料电池模块)201例如具备多个SOFC盒(燃料电池盒)203及容纳这些多个SOFC盒203的压力容器205。在图2中例示了圆筒形的SOFC的电池组101，但无需一定限于此，例如可以是平板形的电池组。SOFC模块201具备燃料气体供给管207、多个燃料气体供给支管207a、燃料气体排出管209及多个燃料气体排出支管209a。SOFC模块201具备氧化性气体供给管(未图示)、氧化性气体供给支管(未图示)、氧化性气体排出管(未图示)及多个氧化性气体排出支管(未图示)。
燃料气体供给管207设置于压力容器205的外部，且与SOFC模块201的发电量对应地与供给规定气体组成及规定流量的燃料气体的燃料气体供给部连接并且与多个燃料气体供给支管207a连接。该燃料气体供给管207将从上述燃料气体供给部供给的规定流量的燃料气体分别引导至多个燃料气体供给支管207a。燃料气体供给支管207a与燃料气体供给管207连接，并且与多个SOFC盒203连接。该燃料气体供给支管207a将从燃料气体供给管207供给的燃料气体大致以均等的流量来引导至多个SOFC盒203，并且使多个SOFC盒203的发电性能大致均匀。
燃料气体排出支管209a与多个SOFC盒203连接，并且与燃料气体排出管209连接。该燃料气体排出支管209a将从SOFC盒203排出的废燃料气体引导至燃料气体排出管209。燃料气体排出管209与多个燃料气体排出支管209a连接，并且一部分配置于压力容器205的外部。该燃料气体排出管209将大致以均等的流量来从燃料气体排出支管209a导出的废燃料气体引导至压力容器205的外部。
压力容器205在内部压力为0.1MPa～约3MPa且内部的温度为大气温度～约550℃的条件下运用，因此利用具有耐力性及对氧化性气体中所包含的氧等氧化剂的耐腐蚀性的材质。例如优选为SUS304等不锈钢系材料。
在此，在本实施方式中，对集合多个SOFC盒203并容纳于压力容器205的方式进行说明，但并不限定于此，例如，也能够设为SOFC盒203未集合而容纳于压力容器205内的方式。
如图3所示，SOFC盒203具备多个电池组101、发电室215、燃料气体供给集管217、燃料气体排出集管219、氧化性气体(空气)供给集管221及氧化性气体排出集管223。SOFC盒203具备上部管板225a、下部管板225b、上部绝热体227a及下部绝热体227b。在本实施方式中，SOFC盒203以图3所示的方式配置有燃料气体供给集管217、燃料气体排出集管219、氧化性气体供给集管221及氧化性气体排出集管223，由此成为燃料气体及氧化性气体与电池组101的内侧及外侧对置地流动的结构，但并不一定要如此，例如，也可以与电池组101的内侧及外侧平行地流动或氧化性气体向与电池组101的长度方向正交的方向流动。
发电室215为形成于上部绝热体227a与下部绝热体227b之间的区域。该发电室215为配置有电池组101的燃料电池单元105的区域，是使燃料气体与氧化性气体电化学反应而进行发电的区域。该发电室215的电池组101长度方向的中央部附近的温度由温度测量部(温度传感器、热电偶等)监视，在SOFC模块201稳定运行时，成为约700℃～1000℃的高温气氛。
燃料气体供给集管217为被SOFC盒203的上部壳体229a及上部管板225a包围的区域，并且通过设置于上部壳体229a上部的燃料气体供给孔231a与燃料气体供给支管207a连通。多个电池组101通过密封部件237a与上部管板225a接合，燃料气体供给集管217将从燃料气体供给支管207a经由燃料气体供给孔231a供给的燃料气体大致以均匀的流量引导至多个电池组101的基体管103的内部，使多个电池组101的发电性能大致均匀。
燃料气体排出集管219为被SOFC盒203的下部壳体229b及下部管板225b包围的区域，并且通过设置于下部壳体229b的燃料气体排出孔231b与未图示的燃料气体排出支管209a连通。多个电池组101通过密封部件237b与下部管板225b接合，燃料气体排出集管219汇集通过多个电池组101的基体管103的内部而供给至燃料气体排出集管219的废燃料气体并且经由燃料气体排出孔231b将其引导至燃料气体排出支管209a。
与SOFC模块201的发电量对应地将规定气体组成及规定流量的氧化性气体分支到氧化性气体供给支管并且向多个SOFC盒203供给。氧化性气体供给集管221为被SOFC盒203的下部壳体229b、下部管板225b及下部绝热体227b包围的区域，并且通过设置于下部壳体229b的侧面的氧化性气体供给孔233a与未图示的氧化性气体供给支管连通。该氧化性气体供给集管221将从未图示的氧化性气体供给支管经由氧化性气体供给孔233a供给的规定流量的氧化性气体经由后述的氧化性气体供给间隙235a引导至发电室215。
氧化性气体排出集管223为被SOFC盒203的上部壳体229a、上部管板225a及上部绝热体227a包围的区域，并且通过设置于上部壳体229a的侧面的氧化性气体排出孔233b与未图示的氧化性气体排出支管连通。该氧化性气体排出集管223将从发电室215经由后述的氧化性气体排出间隙235b供给至氧化性气体排出集管223的废氧化性气体经由氧化性气体排出孔233b引导至未图示的氧化性气体排出支管。
上部管板225a在上部壳体229a的顶板与上部绝热体227a之间，以使上部管板225a、上部壳体229a的顶板及上部绝热体227a大致成为平行的方式固定于上部壳体229a的侧板。并且，上部管板225a具有与设置于SOFC盒203的电池组101的根数对应的多个孔，在该孔中分别插入有电池组101。该上部管板225a经由密封部件237a及粘合部件中的任一者或两者气密地支承多个电池组101的一侧端部，并且隔离燃料气体供给集管217与氧化性气体排出集管223。
上部绝热体227a在上部壳体229a的下端部配置成上部绝热体227a、上部壳体229a的顶板及上部管板225a大致成为平行，且固定于上部壳体229a的侧板。在上部绝热体227a中与设置于SOFC盒203的电池组101的根数对应地设置有多个孔。该孔的直径设定为大于电池组101的外径。上部绝热体227a具备形成于该孔的内表面与插穿于上部绝热体227a的电池组101的外表面之间的氧化性气体排出间隙235b。
该上部绝热体227a分隔发电室215与氧化性气体排出集管223，并且抑制因上部管板225a周围的气氛高温化而强度降低及由氧化性气体中所包含的氧化剂引起的腐蚀的增加。上部管板225a等由因科镍合金等具有高温耐久性的金属材料制成，但防止因上部管板225a等暴露于发电室215内的高温而上部管板225a等内的温度差变大从而热变形。上部绝热体227a使通过发电室215而暴露于高温的废氧化性气体通过氧化性气体排出间隙235b而将其引导至氧化性气体排出集管223。
根据本实施方式，通过上述SOFC盒203的结构，燃料气体及氧化性气体与电池组101的内侧及外侧对置地流动。由此，废氧化性气体与通过基体管103的内部而供给至发电室215的燃料气体之间进行热交换，由金属材料制成的上部管板225a等冷却至不会压曲等变形的温度并供给至氧化性气体排出集管223。燃料气体通过与从发电室215排出的废氧化性气体的热交换而得到升温并供给至发电室215。其结果，能够将不使用加热器等而预热升温至适合发电的温度的燃料气体供给至发电室215。
下部管板225b在下部壳体229b的底板与下部绝热体227b之间，以使下部管板225b、下部壳体229b的底板及下部绝热体227b大致成为平行的方式固定于下部壳体229b的侧板。并且，下部管板225b具有与设置于SOFC盒203的电池组101的根数对应的多个孔，在该孔中分别插入有电池组101。该下部管板225b经由密封部件237b及粘合部件中的任一者或两者气密地支承多个电池组101的另一侧端部，并且隔离燃料气体排出集管219与氧化性气体供给集管221。
下部绝热体227b在下部壳体229b的上端部配置成下部绝热体227b、下部壳体229b的底板及下部管板225b大致成为平行，并且固定于下部壳体229b的侧板。在下部绝热体227b中与设置于SOFC盒203的电池组101的根数对应地设置有多个孔。该孔的直径设定为大于电池组101的外径。下部绝热体227b具备形成于该孔的内表面与插穿于下部绝热体227b的电池组101的外表面之间的氧化性气体供给间隙235a。
该下部绝热体227b分隔发电室215与氧化性气体供给集管221，并且抑制因下部管板225b周围的气氛高温化而强度降低及由氧化性气体中所包含的氧化剂引起的腐蚀的增加。下部管板225b等由因科镍合金等具有高温耐久性的金属材料制成，并且防止因下部管板225b等暴露于高温而下部管板225b等内的温度差变大从而热变形。下部绝热体227b使供给至氧化性气体供给集管221的氧化性气体通过氧化性气体供给间隙235a并将其引导至发电室215。
根据本实施方式，通过上述SOFC盒203的结构，燃料气体及氧化性气体与电池组101的内侧及外侧对置地流动。由此，通过基体管103的内部而通过了发电室215的废燃料气体与供给至发电室215的氧化性气体之间进行热交换，并且冷却至由金属材料制成的下部管板225b等不会压曲等变形的温度并供给至燃料气体排出集管219。氧化性气体通过与废燃料气体的热交换得到升温，并供给至发电室215。其结果，能够将不使用加热器等而升温至发电所需的温度的氧化性气体供给至发电室215。
在发电室215中发电的直流功率通过设置于多个燃料电池单元105的由Ni/YSZ等制成的引线膜115导出至电池组101的端部附近之后，经由集电板(未图示)集电于SOFC盒203的集电棒(未图示)，并输出至各SOFC盒203的外部。通过所述集电棒导出至SOFC盒203的外部的直流功率以规定的串联数及并联数互相连接各SOFC盒203的发电功率并向SOFC模块201的外部导出，并且通过未图示的功率调节器等功率转换装置(逆变器等)转换为规定的交流功率而供给至电力供给目的地(例如，负载设备、电力系统)。
对本发明的一实施方式所涉及的燃料电池系统310的概略结构进行说明。
图4是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料电池系统310的概略结构的概略结构图。如图4所示，燃料电池系统310具备涡轮增压器411及SOFC313。SOFC313组合一个或多个未图示的SOFC模块而构成，以后简记为“SOFC”。该燃料电池系统310通过SOFC313进行发电。而且，燃料电池系统310通过控制装置20进行控制。
涡轮增压器411具备压缩机421及涡轮423，压缩机421与涡轮423通过旋转轴424连结成能够一体地旋转。通过后述的涡轮423旋转，压缩机421进行旋转驱动。本实施方式为将空气用作氧化性气体的例子，压缩机421压缩从空气输入管路325输入的空气A。
对构成涡轮增压器411的压缩机421输入空气A并进行压缩，将被压缩的空气A作为氧化性气体A2供给至SOFC的空气极113。在化学反应(用于在SOFC中发电)中使用之后的废氧化性气体A3经由废氧化性气体管路333输送至催化剂燃烧器(燃烧器)422，在化学反应(用于在SOFC中发电)中使用之后的废燃料气体L3由再循环鼓风机348升压，一部分经由燃料气体再循环管路349进行再循环而供给至燃料气体管路341，但另一部分经由废燃料气体管路343输送至催化剂燃烧器422。
如此，对催化剂燃烧器422供给废氧化性气体A3及废燃料气体L3的一部分而在未图示的催化剂燃烧部中使用燃烧催化剂即便是在较低温下也使其稳定地燃烧(参考后述)，以生成燃烧气体G。
催化剂燃烧器422将废燃料气体L3、废氧化性气体A3及根据需要混合燃料气体L1而在催化剂燃烧部中进行燃烧，以生成燃烧气体G。催化剂燃烧部中例如填充有以铂或钯为主成分的燃烧催化剂，并且在较低温度下且低氧浓度下能够进行稳定燃烧。燃烧气体G通过燃烧气体供给管路328供给至涡轮423。涡轮423通过燃烧气体G绝热膨胀而旋转驱动，燃烧气体G从燃烧废气管路329被排出。
通过控制阀352控制流量而将燃料气体L1供给至催化剂燃烧器422。燃料气体L1为可燃气体，例如可使用气化了液化天然气(LNG)的气体或天然气、民用燃气、氢(H2)及一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)等烃气以及碳质原料(石油或煤炭等)的通过气化设备制造出的气体等。燃料气体表示发热量预先大致调整为恒定的燃料气体。
在催化剂燃烧器422中通过燃烧成为高温的燃烧气体G通过燃烧气体供给管路328输送至构成涡轮增压器411的涡轮423，并且旋转驱动涡轮423而产生旋转动力。通过该旋转动力来驱动压缩机421，由此压缩从空气输入管路325输入的空气A而产生压缩空气。通过涡轮增压器411能够产生压缩氧化性气体(空气)而进行送风的旋转设备的动力，因此能够减少所需动力而提高发电系统的发电效率。
热交换器(再生热交换器)430在从涡轮423排出的废气与从压缩机421供给的氧化性气体A2之间进行热交换。废气通过与氧化性气体A2的热交换被冷却之后，例如经由废热回收装置442通过烟囱(未图示)排放到外部。
SOFC313如下进行发电，即，作为还原剂被供给燃料气体L1，作为氧化剂被供给氧化性气体A2，并且使它们在规定的工作温度下进行反应。
SOFC313由未图示的SOFC模块构成，且容纳有设置于SOFC模块的压力容器内的多个电池组的集合体，在未图示的电池组中具备燃料极109、空气极113及固体电解质膜111。
SOFC313通过对空气极113供给氧化性气体A2并且对燃料极109供给燃料气体L1来进行发电，并通过未图示的功率调节器等功率转换装置(逆变器等)转换为规定的功率而供给至电力需要目的地。
在SOFC313中连接有向空气极113供给通过压缩机421压缩的氧化性气体A2的氧化性气体供给管路331。氧化性气体A2通过氧化性气体供给管路331供给至空气极113的未图示的氧化性气体导入部。在该氧化性气体供给管路331中设置有用于调整所供给的氧化性气体A2的流量的控制阀335。在热交换器430中，氧化性气体A2与从燃烧废气管路329排出的燃烧气体之间进行热交换而得到升温。而且，在氧化性气体供给管路331中设置有绕过热交换器430的传热部分的热交换器旁通管路332。在热交换器旁通管路332中设置有控制阀336，并且能够调整氧化性气体的旁通流量。通过控制控制阀335及控制阀336的开度，调整通过热交换器430的氧化性气体与绕过热交换器430的氧化性气体的流量比例，从而供给至SOFC313的氧化性气体A2的温度得到调整。供给至SOFC313的氧化性气体A2的温度维持使SOFC313的燃料气体与氧化性气体电化学反应而进行发电的温度，并且控制温度的上限，以免对构成SOFC313的未图示的SOFC模块内部的各构成设备的材料造成损伤。
在SOFC313中连接有经由催化剂燃烧器422向涡轮423供给在空气极113中使用后排出的废氧化性气体A3的废氧化性气体管路333。废氧化性气体管路333设置有排空气冷却器351。具体而言，在废氧化性气体管路333中，在比后述的节流装置441更靠上游侧的位置设置有排空气冷却器351，并且通过与在氧化性气体供给管路331中流动的氧化性气体A2的热交换来冷却废氧化性气体A3。
在废氧化性气体管路333中设置有压损部。在本实施方式中，作为压损部，设置有节流装置441。节流装置441对在废氧化性气体管路333中流通的废氧化性气体A3附加压损。作为压损部，并不限于节流装置441，例如可以设置文氏管等节流部，只要是能够对废氧化性气体A3附加压力损失的机构便可使用。作为压损部，例如也可以设置追加燃烧器。通过追加燃烧器使废氧化性气体产生压力损失，并且在需要超过催化剂燃烧器422中的燃烧容量的燃烧时，能够燃烧追加燃料量，因此能够对废氧化性气体供给充分的热量。在燃料电池系统310中，通过设置于废燃料气体管路343的调整阀347控制成空气极113侧与燃料极109侧的压力差成为规定的范围内，因此通过对与废燃料气体管路343合流的废氧化性气体管路333附加压力损失，能够确保稳定地控制设置于废燃料气体管路343的调整阀347所需的动作压差。
对废氧化性气体管路333未设置将废氧化性气体A3排放到大气(系统外)的通风系统及通风阀。例如，在组合SOFC和燃烧从空气极113排出的废氧化性气体A3及从燃料极109排出的废燃料气体L3的燃气涡轮(例如微型燃气涡轮)的发电系统的情况下，在启动时或停止时等，有时根据微型燃气涡轮状态的变化而向空气极113供给的氧化性气体的压力状态发生变化，而且存在因压力的急剧变动而燃料极109与空气极113的压差控制失败的可能性，并且，当因某种理由出现了跳闸时，微型燃气涡轮的发电机成为无负载，从而有时需要微型燃气涡轮的保护措施。因此，需要将废氧化性气体A3排放到大气等系统外的通风系统及通风阀，但在本实施方式中，使用涡轮增压器411，并且因没有与旋转轴连通的发电机而不承受负载，因此不会出现在跳闸时因负载消失而变得过度旋转且压力急剧上升的情况，并且能够通过调整阀347稳定地控制压差状态，因此能够省略将废氧化性气体A3排放到大气的机构(通风系统及通风阀)。
在SOFC313中还连接有将燃料气体L1供给至燃料极109的未图示的燃料气体导入部的燃料气体管路341及经由催化剂燃烧器422向涡轮423供给在燃料极109中使用于反应后排出的废燃料气体L3的废燃料气体管路343。在燃料气体管路341中设置有用于调整供给至燃料极109的燃料气体L1的流量的控制阀342。
在废燃料气体管路343中设置有再循环鼓风机348。在废燃料气体管路343中设置有用于调整供给至催化剂燃烧器422的废燃料气体L3的一部分流量的调整阀347。换言之，调整阀347调整废燃料气体L3的压力状态。因此，如后述，通过由控制装置20控制调整阀347，能够调整燃料极109与空气极113的压差。
在废燃料气体管路343中，在再循环鼓风机348的下游侧连接有将废燃料气体L3排放到大气(系统外)的废燃料气体排放管路350。而且，在废燃料气体排放管路350中设置有隔断阀(燃料通风阀)346。即，通过将隔断阀346设为打开，能够从废燃料气体排放管路350排放废燃料气体管路343的废燃料气体L3的一部分。通过将废燃料气体L3排出到系统外，能够迅速调整变过度的压力。在废燃料气体管路343中，用于使废燃料气体L3再次向SOFC313的燃料极109的燃料气体导入部循环的燃料气体再循环管路349与燃料气体管路341连接。
而且，在燃料气体再循环管路349中设置有对燃料极109供给用于对燃料气体L1进行改性的纯水的纯水供给管路361。在纯水供给管路361中设置有泵362。通过控制泵362的喷出流量，调整供给至燃料极109的纯水量。在发电中，在燃料极中生成水蒸汽，因此在废燃料气体管路343的废燃料气体L3中包含水蒸汽，因此通过在燃料气体再循环管路349中再循环水蒸汽并进行供给，能够减少或隔断通过纯水供给管路361供给的纯水流量。
接着，对排放从压缩机421喷出的氧化性气体的结构进行说明。具体而言，在压缩机421的下游侧的氧化性气体供给管路331中设置有氧化性气体能够以绕过热交换器430而排放的方式流通的氧化性气体吹气管路444。氧化性气体吹气管路444的一端与氧化性气体供给管路331的热交换器430的上游侧连接，另一端与成为涡轮423的尾流侧的燃烧废气管路329的热交换器430的下游侧连接。而且，在氧化性气体吹气管路444中设置有吹气阀(控制阀)445。即，通过将吹气阀445设为关闭，从压缩机421喷出的氧化性气体的一部分经由氧化性气体吹气管路444并通过烟囱(未图示)排放到系统外部的大气等。
接着，对燃料电池系统310的启动中所使用的结构进行说明。在氧化性气体供给管路331中，在与氧化性气体吹气管路444的连接点的下游侧设置有控制阀451，在控制阀451的下游侧(热交换器430的上游侧)连接有具有供给启动用空气的鼓风机(送风机)452及控制阀453的启动用空气管路454。当进行燃料电池系统310的启动时，通过鼓风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气，并且通过控制阀451及控制阀453与来自压缩机421的氧化性气体进行切换。在氧化性气体供给管路331中，在热交换器430的下游侧(控制阀335的上游侧)连接有启动用空气加热管路455，启动用空气加热管路455经由控制阀456与排空气冷却器351的下游侧的废氧化性气体管路333连接，并且经由控制阀457与氧化性气体供给管路331(空气极113的入口侧)连接。在启动用空气加热管路455中设置有启动用加热器458，经由控制阀459供给燃料气体L1，并且对在启动用空气加热管路455中流通的氧化性气体进行加热。
控制阀457调整向启动用加热器458供给的氧化性气体的流量，并控制向SOFC313供给的氧化性气体的温度。
燃料气体L1经由控制阀460也供给至空气极113。控制阀460例如在启动SOFC313时从启动用空气加热管路455中的控制阀457的下游侧向空气极113供给燃料气体L1，并且控制通过催化剂燃烧而发电室温度升温时向空气极113供给的燃料气体L1的流量。
控制装置20对燃料电池系统310进行启动控制。在组合了SOFC与涡轮增压器411的燃料电池系统中，涡轮增压器411例如与微型燃气涡轮不同无法单独启动。因此，需要从外部供给启动用空气。因此，在启动时，需要将向SOFC供给的氧化性气体的供给进行从启动用空气向通过涡轮增压器411的压缩机421压缩的氧化性气体的切换。因此，在控制装置20中，控制控制阀451及吹气阀445。
图5是表示本实施方式所涉及的控制装置20的硬件结构的一例的图。
如图5所示，控制装置20为计算机系统(computer system)，例如具备CPU11、用于存储由CPU11执行的程序等的ROM(Read Only Memory：只读存储器)12、作为执行各程序时的工作区域发挥作用的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)13、作为大容量存储装置的硬盘驱动器(HDD)14及用于与网络等连接的通信部15。作为大容量存储装置，可以使用固态硬盘(SSD)。这些各部经由总线18连接。
控制装置20可以具备由键盘、鼠标等构成的输入部及由显示数据的液晶显示装置等构成的显示部等。
用于存储由CPU11执行的程序等的存储介质并不限于ROM12。例如，可以是磁盘、光磁盘、半导体存储器等其他辅助存储装置。
用于实现后述的各种功能的一系列处理的过程以程序的形式记录于硬盘驱动器14等，由CPU11将该程序读出到RAM13等而执行信息的加工·运算处理，由此实现后述的各种功能。程序可以适用预先安装于ROM12或其他存储介质的方式、以存储于计算机可读取的存储介质的状态提供的方式及经由有线或无线的通信机构来传送的方式等。计算机可读取的存储介质中有磁盘、光磁盘、CD-ROM、DVD-ROM及半导体存储器等。
控制装置20在进行启动时，在将控制阀451设为关闭且将吹气阀445设为打开而通过鼓风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气的状态下，逐渐减少吹气阀445的开度，并且在开始减少吹气阀445的开度的时刻之后，逐渐增加控制阀451的开度，之后停止启动用空气的供给。
如图4所示，SOFC313具备空气极113及燃料极109，涡轮增压器411具有从燃料电池排出的废燃料气体L3及废氧化性气体A3在催化剂燃烧器422中燃烧而作为燃烧气体G被供给的涡轮423及通过涡轮423的旋转驱动来旋转驱动的压缩机421。在如此组合了SOFC313与涡轮增压器411的状态下，在氧化性气体供给管路331中，向空气极113供给通过压缩机421压缩的氧化性气体，在氧化性气体供给管路331中设置有控制阀451。而且，在氧化性气体供给管路331中的控制阀451的上游侧(压缩机421的出口侧)连接有通过吹气阀445将氧化性气体排出到系统外的氧化性气体吹气管路444的一端。而且，在氧化性气体供给管路331中的控制阀451的下游侧(控制阀451与热交换器430之间)连接有通过鼓风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气的启动用空气管路454的一端。
当启动燃料电池系统310时，需要使涡轮增压器411自立。因此，首先，通过启动用空气旋转驱动涡轮423。因此，虽然详细内容在后面叙述，但当进行启动时，将控制阀451设为关闭且吹气阀445设为打开而将启动用空气供给至氧化性气体管路，并且从尚未充分自立的涡轮增压器411的压缩机421排出的氧化性气体从氧化性气体吹气管路444排出到系统外。为了从这种状态使涡轮增压器411自立，首先，减少在氧化性气体供给管路331中流动的启动用空气的流量，接着增加在氧化性气体供给管路331中流动的通过压缩机421压缩的氧化性气体的流量，之后进行切换。即，如图6所示，减少吹气阀445的开度，并且增加控制阀451的开度。完成切换后，停止启动用空气的供给。
在此，当未适当进行各阀的控制而在氧化性气体供给管路331中压缩机421出口侧的压力变得低于启动用空气管路454与氧化性气体供给管路331之间的连接部P1的压力时，存在氧化性气体及启动用空气向压缩机421逆流的可能性。因此，在控制装置20中进行启动控制，以免产生逆流。
具体而言，当涡轮增压器411的转速成为规定值以上，且向涡轮423供给的燃烧气体的温度成为规定温度以上时，控制装置20减少吹气阀445的开度。即，当设想为涡轮增压器411的转速增加，且压缩机421出口侧的压力充分上升时，开始减少吹气阀445的开度。在图6中示出控制阀451及吹气阀445的开闭控制状态的例子。控制装置20在T1的时刻开始关闭吹气阀445。
而且，控制装置20在从开始减少吹气阀445的开度的时刻即T1起经过规定时间(图6的ΔT)之后，开始增加控制阀451的开度。在此，从吹气阀445的开度控制(开始关闭操作)至控制阀451的开度控制(开始打开操作)，经过规定时间，由此能够有效地抑制氧化性气体及启动用空气的逆流。而且，如图6所示，吹气阀445随着时间的经过而开度关闭成全闭，控制阀451随着时间的经过而开度打开至规定开度(例如设计流量开度)。即，吹气阀445及控制阀451通过开始各阀的操作时具有规定的时间间隔ΔT的交叉控制进行开闭状态的切换。吹气阀445及控制阀451的开度并不限定于如图6所示那样的以恒定变化率来增加或减少的情况。例如，吹气阀445及控制阀451的开度可以根据阀的特性，当开度较大时快速开闭，当开度较小时缓慢开闭，以免整体的伴随开闭的总动作时间延长。作为常规的阀的特性，当阀开度较小时，对阀开度的通过流量的变化灵敏，因此缓慢进行开闭，由此能够获得稳定的动作。
如此，对吹气阀445的关闭控制及控制阀451的打开控制的各自的控制开始时刻设置有时间间隔(时间差)ΔT。如此，吹气阀445先行开始关闭而压缩机421出口侧的压力增加之后开始打开控制阀451，因此能够更有效地抑制逆流，并且进行切换。
接着，参考图7-图10对燃料电池系统310的启动方法进行说明。具体而言，在图7中示出了进行启动前的系统清洗的情况，在图8中示出了进行启动用加热器458的点火的情况，在图9中示出了进行催化剂燃烧器422的点火的情况，在图10中示出了进行涡轮增压器411的自立的情况。
首先，如图7所示，进行启动前的系统清洗。
具体而言，控制阀443、控制阀453、吹气阀445、控制阀335、控制阀456及调整阀347成为打开状态，其他阀成为关闭状态。在图7中，用“○”来包围了打开状态的阀。即，氮因控制阀443处于打开状态而通气至燃料极109侧。然后，鼓风机452被启动，启动用空气因控制阀453及控制阀335处于打开状态而被供给且通气至空气极113侧。由此，SOFC313得到清洗。因控制阀456成为打开状态，启动用空气绕过SOFC313并经由启动用加热器458通气至催化剂燃烧器422。由此，通过启动用空气，涡轮423开始旋转。伴随涡轮423的旋转而在同轴上连接的压缩机421开始旋转。在压缩机421中压缩氧化性气体，被压缩的氧化性气体因吹气阀445处于打开状态而通过氧化性气体吹气管路444排出到系统外。通过向系统外排出，防止压缩机421的喘振。喘振是指，压缩机421出口的压力上升而压缩机421失速或压缩空气逆流等异常状态。燃料极109与空气极113的压差控制由调整阀347进行。
接着，若完成SOFC313的清洗，则如图8所示，进行启动用加热器458的点火。
具体而言，控制阀342、控制阀453、吹气阀445、控制阀335、控制阀456、控制阀459及调整阀347成为打开状态，其他阀成为关闭状态。在图8中，用“○”来包围了打开状态的阀。根据状况，控制阀457可以设为打开状态。即，在完成清洗之后，对控制阀456进行节流，并打开控制阀335，由此减少绕过SOFC313而向催化剂燃烧器422供给的启动用空气的流量，并增加向SOFC313供给的启动用空气。在燃料极109侧，关闭控制阀443而停止氮的供给，并打开控制阀342，由此开始燃料气体L1的供给。在该阶段，催化剂燃烧器422未点火，未燃烧而通过了催化剂燃烧器422的气体经由涡轮423从燃烧废气管路329排出到系统外。燃料极109与空气极113的压差控制由调整阀347进行。然后，从控制阀459供给燃料气体L1的一部分而点火启动用加热器458，对启动用空气进行升温。由此，涡轮423的入口温度上升，从而系统内压力上升。
接着，如图9所示，进行催化剂燃烧器422的点火。
具体而言，控制阀342、控制阀453、吹气阀445、控制阀335、控制阀456、控制阀459、控制阀352及调整阀347成为打开状态，其他阀成为关闭状态。在图9中，用“○”来包围了打开状态的阀。即，对催化剂燃烧器422混合供给以稍微打开控制阀456的状态(启动用空气量的约20％)输送的约400℃～500℃左右的启动用空气与经由控制阀457从SOFC313输送的启动用空气。由此，催化剂燃烧器422的温度上升。若催化剂燃烧器422的入口温度达到规定温度(例如300℃～400℃)，则经由控制阀352向催化剂燃烧器422供给燃料气体L1。在投入燃料气体L1时，控制阀352暂时保持规定开度，并通过观察催化剂燃烧器422的出口温度的上升，确认点火。然后，控制阀352根据催化剂燃烧器422的出口温度进行开度控制(燃料气体L1的流量控制)。
接着，如图10所示，进行涡轮增压器411的自立。
具体而言，控制阀342、控制阀453、控制阀335、控制阀456、控制阀459、控制阀352及调整阀347成为打开状态，其他阀成为关闭状态。在图10中，用“○”来包围了打开状态的阀。向关闭方向控制吹气阀445，向打开方向控制控制阀451。即，当满足涡轮增压器411的可自立必要条件时，缓慢关闭吹气阀445，缓慢打开控制阀451。可自立必要条件是指，涡轮增压器411的转速成为规定值以上，向涡轮423供给的燃烧气体G的温度(催化剂燃烧器422的出口温度)成为规定温度以上的情况。即，如图6所示，吹气阀445及控制阀451进行交叉控制。由此，减少向系统外排出的氧化性气体的流量。在进行交叉控制的状态下，保持压缩机421出口侧的压力高于连接部P1的压力的状态。若交叉控制结束而吹气阀445成为全闭且控制阀451成为规定开度(例如全开)，则控制阀453成为关闭，从而鼓风机452停止而结束启动用空气的供给。优选根据涡轮增压器411的转速的上升及催化剂燃烧器422的出口温度的上升而启动用空气的供给量增加。由此，通过由压缩机421压缩的氧化性气体而涡轮423旋转，从而旋转驱动压缩机421，因此涡轮增压器411成为自立运行状态。
接着，在涡轮增压器411自立之后，控制各阀而继续升温。作为本实施方式中的具体例，对于氧化性气体，通过控制阀456控制催化剂燃烧器422的入口温度。对于燃料气体L1，通过控制阀352控制催化剂燃烧器422的出口温度。通过控制阀457控制通过启动用加热器458的空气流量。通过控制阀459调整向启动用加热器458供给的燃料气体L1流量来控制启动用加热器458的出口温度。控制阀335设为程序开度，并且根据涡轮增压器411的转速、入口温度设定。控制目标、控制对象并不限定于上述例子。如此，进行涡轮增压器411自立之后的各部的升温。
此外，也进行升温、升压。例如，如图11所示，进行各处理。图11的各处理的步骤并不限定于图11所示的情况。
具体而言，在涡轮增压器411自立之后，当SOFC313的入口燃料温度成为规定温度以上，且SOFC313的发电室215的温度成为规定温度以上时，将燃料极系统的气体条件从停止时或清洗时的气体进行切换(ST1)。
开始SOFC313的发电室215的燃烧(ST2)。具体而言，当发电室215的温度(例如，多个测量部位中最高温度)达到规定温度时，打开控制阀460并且向空气极113供给小流量的燃料气体L1而开始发电室215的燃烧，进一步对SOFC313的发电室215进行升温。在空气及燃料气体L1流入的空气极113中，通过空气极113的催化作用，燃料气体L1在空气极113中进行催化剂燃烧，使用该发热对空气极113进行升温。
停止启动用加热器458(ST3)。具体而言，当因空气极113侧的入口的氧化性气体的温度达到规定温度(或因发电室215的温度达到规定温度)而向关闭方向控制控制阀457的开度从而向启动用加热器458供给的空气流量减少直至达到启动用加热器458的使用下限时，停止启动用加热器458。即，在涡轮增压器自立之后，向SOFC313供给通过启动用加热器458加热的空气来进行升温，直至向空气极113供给的氧化性气体的温度或发电室215的温度达到规定温度。
然后，如上所述，通过各控制调整燃料电池系统310的启动状态之后，开始发电。具体而言，在发电室215的温度(例如，多个测量部位中最低温度)达到规定温度(例如750℃)，且燃料极109及空气极113的运行状态达到规定条件之后，打开燃料气体供给用控制阀342而将燃料气体L1供给至燃料极109，并驱动纯水供给管路361的泵362，由此将纯水供给至燃料极109，从而SOFC313开始发电。通过由催化剂燃烧(通过对空气极113添加供给燃料气体L1来进行)而产生的发热及发电产生的发热这两者来提升发电室215的温度。在直至SOFC313的发电室温度上升至能够通过由发电产生的自发热维持温度为止的温度之后，缓慢减少向空气极113添加供给的燃料气体L1的供给量，例如控制成达到目标负载的同时向空气极113的燃料气体L1的添加供给成为零。然后，例如若转到负载上升模式而SOFC313的发电室215的温度达到目标温度，且负载达到额定负载等目标负载，则启动完成。
如此，启动燃料电池系统310。
接着，对启动时的状态过渡的一例进行说明。图12示出了压缩机421出口侧的温度、吹气阀445的开度及系统内压力的伴随时间经过的状态的过渡。系统内压力例如为压缩机421出口侧的压力。
若鼓风机452启动而供给启动用空气，则由此而系统内压力上升。伴随于此，压缩机421出口侧的温度也上升。然后，若上述涡轮增压器411的可自立必要条件成立，则吹气阀445逐渐关闭。通过如图6所示那样的交叉控制，也向打开方向控制控制阀451。然后，若压缩机421的出口温度达到规定温度，吹气阀445成为全闭，且系统内压力成为规定压力，则涡轮增压器411成为自立状态。
接着，参考图13对由上述控制装置20进行的与涡轮增压器411的自立相关的控制的一例进行说明。图13是表示与涡轮增压器411的自立相关的控制的步骤的一例的流程图。图13所示的流程例如在如下情况下被执行，即，当进行启动时，在将控制阀451设为关闭且将吹气阀445设为打开而通过鼓风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气的状态下，进行交叉控制。
首先，判定是否满足可自立必要条件(S101)。可自立必要条件是指，涡轮增压器411的转速成为规定值以上，向涡轮423供给的燃烧气体的温度成为规定温度以上。
当不满足可自立必要条件时(S101的“否”判定)，再次执行S101。
当满足可自立必要条件时(S101的“是”判定)，开始减少吹气阀445的开度(S102)。
然后，判定是否经过了规定时间(S103)。当尚未经过时间间隔(规定时间)ΔT时(S103的“否”判定)，再次执行S103。
当经过了规定时间时(S103的“是”判定)，开始增加控制阀451的开度(S104)。
如此，交叉控制吹气阀445及控制阀451。
如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，在组合了SOFC313与涡轮增压器411的燃料电池系统310中，涡轮增压器411例如与燃气涡轮不同无法单独启动，因此使用从启动用空气管路454供给的启动用空气进行启动。然后，在设想为压缩机421出口侧的压力充分上升之后，使用设置于氧化性气体供给管路331的控制阀451及设置于将氧化性气体排出到系统外的氧化性气体吹气管路444的吹气阀445，对在氧化性气体供给管路331中流动的氧化性气体进行从启动用空气向通过压缩机421压缩后送出的氧化性气体的切换。具体而言，通过从将控制阀451设为关闭且将吹气阀445设为打开而通过鼓风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气的状态(即，启动用空气流通的状态)减少吹气阀445的开度并且打开控制阀451(交叉控制)，进行向通过压缩机421压缩后送出的氧化性气体的切换。当如此进行切换时，在开始减少吹气阀445的开度的时刻之后增加控制阀451的开度而对吹气阀445及控制阀451的动作开始设置时间差，由此在氧化性气体供给管路331中，压缩机421出口侧的压力不会低于启动用空气管路454与氧化性气体供给管路331的连接部P1的压力，从而能够更有效地抑制氧化性气体及启动用空气的逆流。即，在减少吹气阀445的开度而提高了控制阀451的上游侧(压缩机421的出口侧)的压力的状态下打开控制阀451，因此能够更稳定地进行切换。综上所述，即使在组合了SOFC313与涡轮增压器411的情况下，也能够更稳定地进行启动。
在从开始减少吹气阀445的开度的时刻起经过规定时间之后增加控制阀451的开度，由此能够更有效地抑制氧化性气体及启动用空气的逆流。
根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，与涡轮增压器411的启动一同进行SOFC313的升温、升压。当开始启动时，作为SOFC313的清洗工序，将控制阀456设为规定开度，启动用空气绕过SOFC313并经由启动用加热器458通气至催化剂燃烧器422，并且供给至涡轮423，由此涡轮423通过启动用空气开始旋转驱动。将控制阀335设为规定开度来对SOFC313进行通气。在完成清洗工序之后，减少控制阀335的开度，并且增加控制阀456的开度。从控制阀459供给燃料气体L1而点火启动用加热器458，对启动用空气进行升温。对控制阀456进行节流，并打开控制阀335，由此减少绕过SOFC313而向催化剂燃烧器422供给的启动用空气的流量，并增加向SOFC313供给的启动用空气。然后，从控制阀459供给燃料气体L1而点火启动用加热器458，对启动用空气进行升温。由此，涡轮423的入口温度上升，涡轮增压器411的转速上升及系统内压力上升。并且，向催化剂燃烧器422经由控制阀352供给燃料气体L1。
由此，若涡轮增压器411的转速成为规定值以上，且向涡轮423供给的排燃烧气体G的温度(催化剂燃烧器422的出口温度)成为规定温度以上，则从开始向关闭方向控制吹气阀445起经过规定时间之后，进行向打开方向控制控制阀451的交叉控制。若吹气阀445成为全闭，且控制阀451成为规定开度(例如设计流量开度)，则控制阀453成为关闭，从而鼓风机452停止而启动用空气的供给结束。即，通过由压缩机421压缩的氧化性气体而涡轮423旋转，从而旋转驱动压缩机421，因此涡轮增压器411成为自立运行状态。
然后，SOFC313在发电室215的温度达到规定温度时，打开控制阀460并且向空气极113供给小流量的燃料气体L1，燃料气体L1通过空气极113的催化作用进行催化剂燃烧，从而进一步对发电室215进行升温。
〔第2实施方式〕
接着，对本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法进行说明。
在本实施方式中，对控制阀451及吹气阀445的控制不同的情况进行说明。以下，关于本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，主要对与第1实施方式不同的点进行说明。
如图14所示，本实施方式中的燃料电池系统310与第1实施方式中的图4的结构相同。图14摘录示出了涡轮增压器411周围的结构，其他结构与图4相同。在第1实施方式中，满足可自立必要条件之后开始关闭吹气阀445，但在本实施方式中，更早开始关闭吹气阀445。由此，减少能耗。
具体而言，控制装置20在从开始涡轮增压器411旋转起经过规定时间之后减少吹气阀445的开度。如图15所示，在鼓风机452启动之后，涡轮增压器411开始旋转。因此，在从涡轮增压器411开始旋转起经过规定时间ΔT2之后，开始关闭吹气阀445。
即，控制装置20在压缩机421出口侧的压力达到连接部P1的压力的时刻(图15的T2)之前开始减少吹气阀445的开度。因此，在燃料电池系统310中，规定时间ΔT2预先设定为从涡轮增压器411开始旋转起压缩机421出口侧的压力达到连接部P1的压力(即鼓风机452的压力)之前的时间。
然后，当压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上即规定的设定压力PS时，开始增加控制阀451的开度。具体而言，在压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上即压力PS的时刻(图15的T2)，开始打开控制阀451。然后，进行以使压缩机421出口侧的压力与PS相等的方式减少吹气阀445的开度并且增加控制阀451的开度的控制。然后，随着时间的经过而涡轮增压器411的转速增加，吹气阀445成为全闭，控制阀451成为规定开度(例如设计流量开度)(图15的T3)。如此，在图15中，在从T2至T3的期间，进行吹气阀445与控制阀451的交叉控制。
然后，控制装置20在吹气阀445成为全闭的T3，开始减少启动用空气的供给量，最终停止鼓风机452。由此，涡轮增压器411自立。
在本实施方式中，通过关闭吹气阀445来有意识地提升压缩机421出口侧的压力。然后，在压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上的时刻T2，继续吹气阀445的关闭操作，并且开始打开控制阀451，由此进行交叉控制来进行切换控制。因此，能够提早开始关闭吹气阀445，从而能够抑制流通氧化性气体吹气管路444而排出到系统外的氧化性气体所具有的能量排出量。
如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，在压缩机421出口侧的压力达到启动用空气管路454及氧化性气体供给管路331的连接部P1的压力之前开始减少吹气阀445的开度，由此从氧化性气体吹气管路444向系统外的排出减少，因此减少能耗。通过减少吹气阀445的开度，增加压缩机421出口侧的压力，当压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上时，开始增加控制阀451的开度，由此能够抑制氧化性气体的逆流并且更早进行启动。当压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上时，以使压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上的方式减少吹气阀445的开度并且增加控制阀451的开度，由此能够抑制氧化性气体的逆流而更稳定地进行启动。
〔第3实施方式〕
接着，对本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法进行说明。
在本实施方式中，对在不同位置上设置启动用鼓风机的情况进行说明。以下，关于本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，主要对与第1实施方式不同的点进行说明。
将本实施方式中的燃料电池系统310的概略结构示于图16中。图16摘录示出了涡轮增压器411周围的结构，其他结构与图4相同。即，在本实施方式中的燃料电池系统310中，相对于压缩机421在上游侧串联设置有启动用鼓风机(启动用送风机)472。具体而言，启动用鼓风机472相对于压缩机421设置于上游侧的管路471，并且向压缩机421供给启动用氧化性气体。
在空气输入管路325中设置有止回阀473。由此，在启动时通过启动用鼓风机472向压缩机421供给启动用空气，并且在因涡轮423旋转驱动而伴随转速的增加从而压缩机421的吸入量不足时，从空气输入管路325输入外部气体。通过止回阀473防止经启动用鼓风机472升压的启动用空气朝向空气输入管路325逆流。
然后，控制装置20通过启动用鼓风机472对氧化性气体供给管路331流通氧化性气体，并启动涡轮增压器411。
在本实施方式中，通过压缩机421进一步压缩经启动用鼓风机472升压的启动用空气，因此在氧化性气体供给管路331中流通的氧化性气体的温度上升。因此，优选控制装置20在压缩机421出口侧的温度成为规定温度以上时停止启动用鼓风机472。
即，如图17所示，若启动用鼓风机472启动，则系统内压力及压缩机421出口侧的温度上升，但当压缩机421出口侧的温度达到规定温度时，启动用鼓风机472停止。即使在启动用鼓风机472停止的情况下，通过压缩机421压缩的氧化性气体也会供给至氧化性气体供给管路331，在各系统内流通之后经由催化剂燃烧器422旋转驱动涡轮423。然后，通过涡轮423的旋转而旋转驱动压缩机421，因此系统内压力上升，从而能够将涡轮增压器411设为自立状态。
如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，在组合了燃料电池与涡轮增压器411的燃料电池系统310中，涡轮增压器411例如与燃气涡轮不同无法单独启动，因此使用启动用空气进行启动。即，相对于压缩机421在上游侧或下游侧串联设置启动用鼓风机472，通过启动用鼓风机472对氧化性气体供给管路331流通氧化性气体，从而启动涡轮增压器411。由此，不进行如为了启动而监视压缩机421出口侧的压力的同时将氧化性气体排放到系统外，并且减少吹气阀445的开度而增加控制阀451的开度的情况那样的通过吹气阀445进行的系统外排放。因此，与在启动时由吹气阀445进行系统外排放的情况相比，能够抑制能耗，并且抑制向催化剂燃烧器422供给的燃料气体L1的消耗量。启动用鼓风机472相对于压缩机421设置于上游侧，并且向压缩机421供给启动用氧化性气体，因此能够通过压缩机421压缩经启动用鼓风机472升温的氧化性气体，因此能够更有效地进行升温。通过与压缩机421串联连接来进行升压，还能够实现启动用鼓风机472的动力(所需喷出压力)的降低。
当压缩机421出口侧的温度成为规定温度以上时，停止启动用鼓风机472，由此能够抑制氧化性气体会过度升温。
〔第4实施方式〕
接着，对本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法进行说明。
对在与上述第3实施方式不同的位置上设置启动用鼓风机(启动用送风机)474的情况进行说明。以下，关于本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，主要对与第3实施方式不同的点进行说明。
将本实施方式中的燃料电池系统310的概略结构示于图18中。图18摘录示出了涡轮增压器411周围的结构，其他结构与图4相同。如图18所示，在燃料电池系统310中设置有在从涡轮423排出的燃烧气体与氧化性气体供给管路331的氧化性气体之间进行热交换的热交换器430及与氧化性气体供给管路331连接且绕过热交换器430的热交换器旁通管路332。而且，在燃料电池系统310中，相对于压缩机421在下游侧串联设置有启动用鼓风机474。具体而言，启动用鼓风机474设置于热交换器旁通管路332。
而且，控制装置20通过启动用鼓风机474对氧化性气体供给管路331流通氧化性气体，氧化性气体从氧化性气体供给管路331在各系统内流通之后经由催化剂燃烧器422旋转驱动涡轮423而启动涡轮增压器411。
即，如图19所示，若启动用鼓风机474启动，则系统内压力及压缩机421出口侧的温度上升，从而能够将涡轮增压器411设为自立状态。在图16(第3实施方式)中，在压缩机421的上游侧设置有启动用鼓风机474，因此压缩机421出口侧的温度进一步上升，因此因出口侧的温度而存在对启动用鼓风机474运转的限制，但在本实施方式中，没有因压缩机421出口侧的温度造成的限制。能够通过启动用鼓风机474对通过压缩机421压缩的氧化性气体进行升压，因此能够期待更早进行涡轮增压器411的自立。在本实施方式中，启动用鼓风机474需要采取耐热性、耐压性的措施。
如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其启动方法，通过在绕过热交换器430的热交换器旁通管路332中设置启动用鼓风机474，能够通过启动用鼓风机474对通过压缩机421压缩的氧化性气体进行升温，因此能够更有效地进行升温。不进行如为了启动而监视压缩机421出口侧的压力的同时将氧化性气体排放到系统外，并且减少吹气阀445的开度而增加控制阀451的开度的情况那样的通过吹气阀445的系统外排放，因此能够抑制能耗，并且抑制向催化剂燃烧器422供给的燃料气体L1的消耗量。
本发明并不仅限定于上述实施方式，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够实施各种变形。也能够组合各实施方式。即，对上述的第1实施方式、第2实施方式、第3实施方式及第4实施方式，也能够分别进行组合。
例如以如下方式来理解以上说明的各实施方式中所记载的燃料电池系统及其启动方法。
本发明所涉及的燃料电池系统310具备：燃料电池313，具有空气极113及燃料极109；涡轮增压器411，具有从所述燃料电池313排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮423及由所述涡轮423驱动的压缩机421；氧化性气体供给管路331，向所述空气极113供给通过所述压缩机421压缩的氧化性气体；，控制阀451，设置于所述氧化性气体供给管路331；吹气管路444，其一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述控制阀451的上游侧连接，并且通过吹气阀445将氧化性气体排出到系统外；启动用空气管路454，其一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述控制阀451的下游侧连接，并且通过送风机452向所述氧化性气体供给管路331供给启动用空气；及控制装置20，当进行所述涡轮增压器411的启动时，在将所述控制阀451设为关闭状态且将所述吹气阀445设为打开状态而通过所述送风机452向所述氧化性气体供给管路331供给启动用空气的状态下，逐渐减少所述吹气阀445的开度，并且在开始减少所述吹气阀445的开度的时刻之后，逐渐增加所述控制阀451的开度，之后停止启动用空气的供给。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，在组合了燃料电池313与涡轮增压器411的燃料电池系统310中，涡轮增压器411例如与燃气涡轮423不同无法单独启动，因此使用从启动用空气管路454供给的启动用空气进行启动。然后，使用设置于氧化性气体供给管路331的控制阀451及设置于将氧化性气体排出到系统外的吹气管路444的吹气阀445，对在氧化性气体供给管路331中流动的氧化性气体进行从启动用空气向通过压缩机421压缩的氧化性气体的切换。具体而言，通过从将控制阀451设为关闭且将吹气阀445设为打开而通过送风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气的状态(即，启动用空气流通的状态)减少吹气阀445的开度并且打开控制阀451(交叉控制)，进行向通过压缩机421压缩的氧化性气体的切换。在如此进行切换时，在开始减少吹气阀445的开度的时刻之后增加控制阀451的开度而对吹气阀445及控制阀451的操作开始设置时间差，由此能够更有效地抑制氧化性气体的逆流。即，在减少吹气阀445的开度而提高了控制阀451的上游侧(压缩机421的出口侧)的压力的状态下打开控制阀451，因此能够更稳定地进行切换。综上所述，即使在组合了燃料电池313与涡轮增压器411的情况下，也能够更稳定地进行启动。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，当所述涡轮增压器411的转速成为规定值以上或向所述涡轮423供给的燃烧气体的温度成为规定温度以上时，所述控制装置20可以减少所述吹气阀445的开度。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，当涡轮增压器411的转速成为规定值以上且向涡轮423供给的燃烧气体的温度成为规定温度以上时，通过减少吹气阀445的开度，能够更稳定地抑制氧化性气体的逆流。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述控制装置20可以在开始减少所述吹气阀445的开度的时刻起经过规定时间之后，增加所述控制阀451的开度。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，在开始减少吹气阀445的开度的时刻起经过规定时间之后，通过增加控制阀451的开度，能够更有效地抑制氧化性气体的逆流。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，当所述涡轮增压器411旋转开始起经过规定时间之后，所述控制装置20可以减少所述吹气阀445的开度。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，在涡轮增压器411旋转开始起经过规定时间之后，通过减少吹气阀445的开度，在经过规定时间之后从吹气管路444向系统外的排出减少，因此减少能耗。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述控制装置20可以在所述压缩机421出口侧的压力达到所述启动用空气管路454及所述氧化性气体供给管路331的连接部P1的压力之前开始减少所述吹气阀445的开度，当所述压缩机421出口侧的压力成为所述连接部P1的压力以上时，开始增加所述控制阀451的开度。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，在压缩机421出口侧的压力达到启动用空气管路454及氧化性气体供给管路331的连接部P1的压力之前开始减少吹气阀445的开度，由此从吹气管路444向系统外的排出减少，因此减少能耗。通过减少吹气阀445的开度，增加压缩机421出口侧的压力，当压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上时，开始增加控制阀451的开度，由此能够抑制氧化性气体的逆流并且更早进行启动。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述控制装置20可以在所述压缩机421出口侧的压力成为所述连接部P1的压力以上时，减少所述吹气阀445的开度且增加所述控制阀451的开度，以使所述压缩机421出口侧的压力为所述连接部P1的压力以上的状态持续。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，当压缩机421出口侧的压力成为连接部P1的压力以上时，减少吹气阀445的开度且增加控制阀451的开度，以使压缩机421出口侧的压力为连接部P1的压力以上的状态持续，由此能够抑制氧化性气体的逆流而更稳定地进行启动。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述控制装置20可以在所述吹气阀445成为全闭时，减少所述启动用空气的供给量。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，当吹气阀445成为全闭时，减少启动用空气的供给量，由此能够更早完成从启动用空气向通过压缩机421压缩的氧化性气体的切换。
本发明所涉及的燃料电池系统310具备：燃料电池313，具有空气极113及燃料极109；涡轮增压器411，具有从所述燃料电池313排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮423及由所述涡轮423驱动的压缩机421；氧化性气体供给管路331，向所述空气极113供给通过所述压缩机421压缩的氧化性气体；启动用送风机472、474，相对于所述压缩机421的氧化性气体的流通设置于上游侧或下游侧；及控制装置20，通过所述启动用送风机472、474对所述氧化性气体供给管路331流通氧化性气体，以使所述压缩机421旋转。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，在组合了燃料电池313与涡轮增压器411的燃料电池系统310中，涡轮增压器411例如与燃气涡轮423不同无法单独启动，因此使用启动用空气进行启动。即，相对于压缩机421在上游侧或下游侧串联设置启动用鼓风机472、474，通过启动用鼓风机472、474对氧化性气体供给管路331流通氧化性气体，从而启动涡轮增压器411。由此，与为了进行启动而将氧化性气体排放到系统外的情况相比，能够抑制能耗并且抑制向催化剂燃烧器422供给的燃料气体L1的消耗量。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述启动用送风机472可以相对于所述压缩机421设置于上游侧，并且向所述压缩机421供给氧化性气体。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，启动用鼓风机472相对于压缩机421设置于上游侧，并且向压缩机421供给启动用氧化性气体，因此能够通过压缩机421压缩经启动用鼓风机472升温的氧化性气体，因此能够更有效地进行升温。通过与压缩机421串联连接来进行升压，还能够实现启动用鼓风机472的动力(所需喷出压力)的降低。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述控制装置20可以在所述压缩机421出口侧的温度成为规定温度以上时，停止所述启动用送风机472。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，当压缩机421出口侧的温度成为规定温度以上时，停止启动用鼓风机474，由此能够抑制氧化性气体会过度升温。
本发明所涉及的燃料电池系统310可以具备：热交换器430，在从所述涡轮423排出的废气与所述氧化性气体供给管路331的氧化性气体之间进行热交换；及旁通管路332，与所述氧化性气体供给管路331连接，且绕过所述热交换器430，所述启动用送风机474设置于所述旁通管路332。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，通过在绕过热交换器430的热交换器旁通管路332中设置启动用鼓风机474，能够通过启动用鼓风机474对经压缩机421压缩的氧化性气体进行升温，因此能够更有效地进行升温。
本发明所涉及的燃料电池系统310中，所述控制装置20可以在所述涡轮增压器自立之后，向所述燃料电池供给通过启动用加热器458加热的空气而进行升温，直至向所述空气极供给的氧化性气体的温度或所述燃料电池的发电室的温度达到规定温度。
根据本发明所涉及的燃料电池系统310，在涡轮增压器自立之后，能够有效地进行升温。
本发明所涉及的燃料电池系统310的启动方法中，所述燃料电池系统310具备：燃料电池313，具有空气极113及燃料极109；涡轮增压器411，具有从所述燃料电池313排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮423及由所述涡轮423驱动的压缩机421；氧化性气体供给管路331，向所述空气极113供给通过所述压缩机421压缩的氧化性气体；控制阀451，设置于所述氧化性气体供给管路331；吹气管路444，其一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述控制阀451的上游侧连接，并且通过吹气阀445将氧化性气体排出到系统外；及启动用空气管路454，其一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述控制阀451的下游侧连接，并且通过送风机452向所述氧化性气体供给管路331供给启动用空气，所述启动方法中，当进行所述涡轮增压器411的启动时，在将所述控制阀451设为关闭状态且将所述吹气阀445设为打开状态而通过所述送风机452向所述氧化性气体供给管路331供给启动用空气的状态下，逐渐减少所述吹气阀445的开度，并且在开始减少所述吹气阀445的开度的时刻之后，逐渐增加所述控制阀451的开度，之后停止启动用空气的供给。
本发明所涉及的燃料电池系统310的启动方法中，所述燃料电池系统310具备：燃料电池313，具有空气极113及燃料极109；涡轮增压器411，具有从所述燃料电池313排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮423及由所述涡轮423驱动的压缩机421；氧化性气体供给管路331，向所述空气极113供给通过所述压缩机421压缩的氧化性气体；及启动用送风机472、474，相对于所述压缩机421的氧化性气体的流通设置于上游侧或下游侧，所述启动方法中，通过所述启动用送风机472、474对所述氧化性气体供给管路331流通氧化性气体，以使所述压缩机421旋转。
符号说明
11-CPU，12-ROM，13-RAM，14-硬盘驱动器，15-通信部，18-总线，20-控制装置，101-电池组，103-基体管，105-燃料电池单元，107-内互连器，109-燃料极，111-固体电解质膜，113-空气极，115-引线膜，201-SOFC模块，203-SOFC盒，205-压力容器，207-燃料气体供给管，207a-燃料气体供给支管，209-燃料气体排出管，209a-燃料气体排出支管，215-发电室，217-燃料气体供给集管，219-燃料气体排出集管，221-氧化性气体供给集管，223-氧化性气体排出集管，225a-上部管板，225b-下部管板，227a-上部绝热体，227b-下部绝热体，229a-上部壳体，229b-下部壳体，231a-燃料气体供给孔，231b-燃料气体排出孔，233a-氧化性气体供给孔，233b-氧化性气体排出孔，235a-氧化性气体供给间隙，235b-氧化性气体排出间隙，237a-密封部件，237b-密封部件，310-燃料电池系统，313-SOFC(燃料电池)，325-空气输入管路，328-燃烧气体供给管路，329-燃烧废气管路，331-氧化性气体供给管路，332-热交换器旁通管路，333-废氧化性气体管路，335-控制阀，336-控制阀，341-燃料气体管路，342-控制阀，343-废燃料气体管路，346-隔断阀，347-调整阀，348-再循环鼓风机，349-燃料气体再循环管路，350-废燃料气体排放管路，351-排空气冷却器，352-控制阀，361-纯水供给管路，362-泵，411-涡轮增压器，421-压缩机，422-催化剂燃烧器，423-涡轮，424-旋转轴，430-热交换器，441-节流装置，442-废热回收装置，443-控制阀，444-氧化性气体吹气管路，445-吹气阀，451-控制阀，452-鼓风机(送风机)，453-控制阀，454-启动用空气管路，455-启动用空气加热管路，456-控制阀，457-控制阀，458-启动用加热器，459-控制阀，460-控制阀，471-管路，472-启动用鼓风机(启动用送风机)，473-止回阀，474-启动用鼓风机(启动用送风机)。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，其具备：
燃料电池，具有空气极及燃料极；
涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；
氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；
控制阀，设置于所述氧化性气体供给管路；
吹气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的上游侧连接，并且通过吹气阀将氧化性气体排出到系统外；
启动用空气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的下游侧连接，并通过送风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气；及
控制装置，当进行所述涡轮增压器的启动时，在将所述控制阀设为关闭状态且将所述吹气阀设为打开状态而通过所述送风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气的状态下，逐渐减少所述吹气阀的开度，并且在开始减少了所述吹气阀的开度的时刻之后，逐渐增加所述控制阀的开度，之后停止启动用空气的供给。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
当所述涡轮增压器的转速成为规定值以上或向所述涡轮供给的燃烧气体的温度成为规定温度以上时，所述控制装置减少所述吹气阀的开度。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制装置在从开始减少所述吹气阀的开度的时刻起经过规定时间之后，增加所述控制阀的开度。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制装置在从所述涡轮增压器开始旋转起经过规定时间之后，减少所述吹气阀的开度。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，
所述控制装置在所述压缩机出口侧的压力达到所述启动用空气管路及所述氧化性气体供给管路的连接部的压力之前开始减少所述吹气阀的开度，当所述压缩机出口侧的压力成为所述连接部的压力以上时，开始增加所述控制阀的开度。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中，
当所述压缩机出口侧的压力成为所述连接部的压力以上时，所述控制装置减少所述吹气阀的开度并且增加所述控制阀的开度，以使所述压缩机出口侧的压力为所述连接部的压力以上的状态持续。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其中，
当所述吹气阀成为全闭时，所述控制装置减少所述启动用空气的供给量。
8.一种燃料电池系统，其具备：
燃料电池，具有空气极及燃料极；
涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；
氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；
启动用送风机，相对于所述压缩机的氧化性气体的流通设置于上游侧或下游侧；及
控制装置，通过所述启动用送风机对所述氧化性气体供给管路流通氧化性气体，使所述压缩机旋转。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，
所述启动用送风机相对于所述压缩机设置于上游侧，并且向所述压缩机供给氧化性气体。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，
当所述压缩机出口侧的温度成为规定温度以上时，所述控制装置停止所述启动用送风机。
11.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其具备：
热交换器，在从所述涡轮排出的废气与所述氧化性气体供给管路的氧化性气体之间进行热交换；
旁通管路，与所述氧化性气体供给管路连接，且绕过所述热交换器，
所述启动用送风机设置于所述旁通管路。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，
所述控制装置在所述涡轮增压器自立之后，向所述燃料电池供给通过启动用加热器加热的空气来进行升温，直至向所述空气极供给的氧化性气体的温度或所述燃料电池的发电室的温度达到规定温度。
13.一种燃料电池系统的启动方法，所述燃料电池系统具备：
燃料电池，具有空气极及燃料极；
涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；
氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；
控制阀，设置于所述氧化性气体供给管路；
吹气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的上游侧连接，并且通过吹气阀将氧化性气体排出到系统外；及
启动用空气管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述控制阀的下游侧连接，并通过送风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气，所述启动方法中，
当进行所述涡轮增压器的启动时，在将所述控制阀设为关闭状态且将所述吹气阀设为打开状态而通过所述送风机向所述氧化性气体供给管路供给启动用空气的状态下，逐渐减少所述吹气阀的开度，并且在开始减少所述吹气阀的开度的时刻之后，逐渐增加所述控制阀的开度，之后停止启动用空气的供给。
14.一种燃料电池系统的启动方法，所述燃料电池系统具备：
燃料电池，具有空气极及燃料极；
涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；
氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；及
启动用送风机，相对于所述压缩机的氧化性气体的流通设置于上游侧或下游侧，所述启动方法中，
通过所述启动用送风机对所述氧化性气体供给管路流通氧化性气体，使所述压缩机旋转。
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