JP2021136175A - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】安定的に起動を行うことのできる燃料電池システム及びその起動方法を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム３１０は、ＳＯＦＣ３１３と、ターボチャージャ４１１と、酸化性ガス供給ライン３３１と、制御弁４５１と、ブロー弁４４５によって酸化性ガスを系外排出するする酸化性ガスブローライン４４４と、ブロワ４５２によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給する起動用空気ライン４５４と、ターボチャージャ４１１の起動を行う場合に、制御弁４５１を閉、ブロー弁４４５を開としてブロワ４５２によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給している状態において、ブロー弁４４５の開度を減少させていくとともに、ブロー弁４４５の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、制御弁４５１の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる制御装置２０とを備える。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池システム及びその起動方法に関するものである。
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。（例えば、特許文献１、特許文献２）
特開２０１８−６００４号公報 特許第６５９１１１２号公報
ＳＯＦＣは、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気で反応させて高効率な発電を行っている。ＳＯＦＣとターボチャージャとを組み合わせたシステムにおいて、ターボチャージャは例えばマイクロガスタービンと異なり単独で起動することができない。このため、外部から起動用のガスを供給する。このため、起動の際には、起動用のガスと、ターボチャージャの圧縮機で圧縮したガスとの間で切り替えを行う必要がある。しかしながら、切り替えを行う場合には圧力状態によってガスが逆流する可能性がある。このため、起動用のガスと、ターボチャージャで圧縮したガスとの間の切り替えを適切に行い、安定的に起動するような起動方法が求められている。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安定的に起動を行うことのできる燃料電池システム及びその起動方法を提供することを目的とする。
本開示の第１態様は、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが排ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに設けられた制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の上流側に一端が接続されており、ブロー弁によって酸化性ガスを系外排出するするブローラインと、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の下流側に一端が接続されており、ブロワによって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給する起動用空気ラインと、起動を行う場合に、前記制御弁を閉、前記ブロー弁を開として前記ブロワによって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給している状態において、前記ブロー弁の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる制御装置と、を備える燃料電池システムである。
本開示の第２態様は、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが排ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに設けられた制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の上流側に一端が接続されており、ブロー弁によって酸化性ガスを系外排出するするブローラインと、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の下流側に一端が接続されており、ブロワによって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給する起動用空気ラインと、を備える燃料電池システムの起動方法であって、起動を行う場合に、前記制御弁を閉、前記ブロー弁を開として前記ブロワによって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給している状態において、前記ブロー弁の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる起動方法である。
本開示によれば、より安定的に起動を行うことができるという効果を奏する。
本開示の第１実施形態に係るセルスタックの例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示した図である。 本開示の第１実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。 本開示の第１実施形態に係るクロス制御の例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る起動前の系統パージを行う場合の燃料電池システムの状態を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る起動用加熱器の着火を行う場合の燃料電池システムの状態を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る触媒燃焼器の着火を行う場合の燃料電池システムの状態を示す図である。 本開示の第１実施形態に係るターボチャージャの自立を行う場合の燃料電池システムの状態を示す図である。 本開示の第１実施形態に係るターボチャージャの自立後の昇温処理の一例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る起動における状態遷移の一例を示す図である。 本開示の第１実施形態に係る自立制御の手順の一例を示すフローチャートである。 本開示の第２実施形態に係る燃料電池システムのターボチャージャ周りの概略構成を示した図である。 本開示の第２実施形態に係る起動における状態遷移の一例を示す図である。 本開示の第３実施形態に係る燃料電池システムのターボチャージャ周りの概略構成を示した図である。 本開示の第３実施形態に係る起動における状態遷移の一例を示す図である。 本開示の第４実施形態に係る燃料電池システムのターボチャージャ周りの概略構成を示した図である。 本開示の第４実施形態に係る起動における状態遷移の一例を示す図である。
〔第１実施形態〕
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその起動方法の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものであり、鉛直方向は厳密ではなく誤差を含むものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形（筒状）を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極１０９もしくは空気極１１３）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極１０９を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。ここで、図１は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ〜２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１０９に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ〜１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
燃料極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に１３５０℃〜１４５０℃とされる。
つぎに、共焼結された基体管１０３上に、空気極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃〜１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３〜インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
本開示の一実施形態に係る燃料電池システム３１０の概略構成について説明する。
図４は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム３１０の概略構成を示した概略構成図である。図４に示すように、燃料電池システム３１０は、ターボチャージャ４１１、及びＳＯＦＣ３１３を備えている。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「ＳＯＦＣ」と記載する。この燃料電池システム３１０は、ＳＯＦＣ３１３により発電を行っている。そして、燃料電池システム３１０は、制御装置２０によって制御が行われている。
ターボチャージャ４１１は、圧縮機４２１、及びタービン４２３を備えており、圧縮機４２１とタービン４２３とは回転軸４２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン４２３が回転することで圧縮機４２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機４２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
ターボチャージャ４１１を構成する圧縮機４２１に空気Ａを取り込んで圧縮し、圧縮された空気Ａを酸化性ガスＡ２としてＳＯＦＣの空気極１１３へと供給する。ＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスＡ３は、排酸化性ガスライン３３３を介して触媒燃焼器（燃焼器）４２２へ送られ、及びＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３は再循環ブロワ３４８で昇圧して、一部は燃料ガス再循環ライン３４９を介して燃料ガスライン３４１に再循環して供給するが、他部は排燃料ガスライン３４３を介して触媒燃焼器４２２へ送られる。
このように、触媒燃焼器４２２には、排酸化性ガスＡ３及び排燃料ガスＬ３の一部とが供給されて図示しない触媒燃焼部において燃焼触媒を用いて比較的低温でも安定に燃焼させ（後述参照）、燃焼ガスＧを生成する。
触媒燃焼器４２２は、排燃料ガスＬ３、排酸化性ガスＡ３、及び必要に応じて燃料ガスＬ１を混合して触媒燃焼部において燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。触媒燃焼部には、例えばプラチナやパラジウムを主成分とする燃焼触媒が充填されており、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼が可能となっている。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じてタービン４２３に供給される。タービン４２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転駆動し、燃焼ガスＧが燃焼排ガスライン３２９から排出される。
触媒燃焼器４２２へは、制御弁３５２で流量を制御されて燃料ガスＬ１が供給される。燃料ガスＬ１は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。
触媒燃焼器４２２で燃焼により高温化した燃焼ガスＧは、燃焼ガス供給ライン３２８を通じてターボチャージャ４１１を構成するタービン４２３に送られ、タービン４２３を回転駆動させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機４２１を駆動することで、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮して圧縮空気が発生する。酸化性ガス（空気）を圧縮して送風する回転機器の動力をターボチャージャ４１１で発生させることができるため、所要動力を低減して発電システムの発電効率を向上できる。
熱交換器（再生熱交換器）４３０は、タービン４２３から排出された排ガスと圧縮機４２１から供給される酸化性ガスＡ２との間で熱交換を行う。排ガスは、酸化性ガスＡ２との熱交換で冷却された後に、例えば排熱回収装置４４２を介して、煙突（不図示）を通して外部に放出される。
ＳＯＦＣ３１３は、還元剤として燃料ガスＬ１と、酸化剤として酸化性ガスＡ２とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。
ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールから構成され、ＳＯＦＣモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜１１１を備えている。
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に酸化性ガスＡ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ１が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の電力へと変換されて、電力需要先へ供給される。
ＳＯＦＣ３１３には、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスＡ２を空気極１１３へ供給する酸化性ガス供給ライン３３１が接続されている。酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスＡ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する酸化性ガスＡ２の流量を調整するための制御弁３３５が設けられている。熱交換器４３０において、酸化性ガスＡ２は、燃焼排ガスライン３２９から排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器４３０の伝熱部分をバイパスする熱交換器バイパスライン３３２が設けられている。熱交換器バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、酸化性ガスのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁３３５及び制御弁３３６の開度が制御されることで、熱交換器４３０を通過する酸化性ガスと熱交換器４３０をバイパスする酸化性ガスとの流量割合が調整され、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度が調整される。ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度は、ＳＯＦＣ３１３の燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う温度を維持するとともに、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられて排出された排酸化性ガスＡ３を触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３へ供給する排酸化性ガスライン３３３が接続されている。排酸化性ガスライン３３３は、排空気冷却器３５１が設けられている。具体的には、排酸化性ガスライン３３３において、後述するオリフィス４４１よりも上流側に排空気冷却器３５１が設けられており、酸化性ガス供給ライン３３１を流れる酸化性ガスＡ２との熱交換によって排酸化性ガスＡ３を冷却する。
また、排酸化性ガスライン３３３には、圧損部が設けられている。本実施形態では、圧損部として、オリフィス４４１が設けられている。オリフィス４４１は、排酸化性ガスライン３３３を流通する排酸化性ガスＡ３に対して圧損を付加する。なお、圧損部としては、オリフィス４４１に限らず、例えばベンチュリ管など絞り部を設けてもよく、排酸化性ガスＡ３に圧力損失を付加することが可能な手段であれば用いることが可能である。また、圧損部としては例えば、追設バーナを設けることでもよい。追設バーナにより排酸化性ガスに圧力損出を発生させるとともに、触媒燃焼器４２２での燃焼容量を超える燃焼が必要になった際に追加燃料分を燃焼させることができるので、排酸化性ガスに充分な熱量を供給可能となる。燃料電池システム３１０では空気極１１３側と燃料極１０９側の圧力差が所定の範囲内となるように排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７によって制御するため、排燃料ガスライン３４３と合流する排酸化性ガスライン３３３に対して圧力損失を付加することで、排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７を安定的に制御するのに必要な動作差圧を確保することができる。
また、排酸化性ガスライン３３３に対しては、排酸化性ガスＡ３を大気（系外）へ放出するベント系統およびベント弁は設けられていない。例えば、ＳＯＦＣと空気極１１３から排出される排酸化性ガスＡ３と燃料極１０９から排出される排燃料ガスＬ３を燃焼させるガスタービン（例えばマイクロガスタービン）とを組み合わせる発電システムの場合には、起動時や停止時などに、マイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極１１３へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化する場合があり、更には圧力の急変動により燃料極１０９と空気極１１３の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスＡ３を大気など系外へ放出するベント系統およびベント弁が必要となるが、本実施形態では、ターボチャージャ４１１を用いており、回転軸に連通した発電機がなく負荷を負っていないので、トリップ時に負荷が消失して過回転となり急激に圧力が上昇するということもなく、調整弁３４７によって差圧状態を安定的に制御することが可能であるため、排酸化性ガスＡ３を大気放出する機構（べント系統およびベント弁）を省略することができる。
ＳＯＦＣ３１３には、更に、燃料ガスＬ１を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する燃料ガスライン３４１と、燃料極１０９で反応に用いられて排出された排燃料ガスＬ３を触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３へ供給する排燃料ガスライン３４３とが接続されている。燃料ガスライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ１の流量を調整するための制御弁３４２が設けられている。
排燃料ガスライン３４３には、再循環ブロワ３４８が設けられている。また、排燃料ガスライン３４３には、触媒燃焼器４２２に供給する排燃料ガスＬ３の一部の流量を調整するための調整弁３４７が設けられている。換言すると調整弁３４７は、排燃料ガスＬ３の圧力状態を調整していることとなる。このため、後述するように、制御装置２０によって、調整弁３４７を制御することにより、燃料極１０９と空気極１１３の差圧を調整することができる。
排燃料ガスライン３４３には、再循環ブロワ３４８の下流側に、排燃料ガスＬ３を大気（系外）へ放出する排燃料ガス放出ライン３５０が接続されている。そして、排燃料ガス放出ライン３５０には遮断弁（燃料ベント弁）３４６が設けられている。すなわち、遮断弁３４６を開とすることによって、排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３の一部を排燃料ガス放出ライン３５０から放出することができる。排燃料ガスＬ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が燃料ガスライン３４１に接続されている。
更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ１を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。純水供給ライン３６１にはポンプ３６２が設けられている。ポンプ３６２の吐出流量が制御されることにより、燃料極１０９に供給される純水量が調整される。発電中には燃料極にて水蒸気が生成されるので排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３には水蒸気が含まれるので、燃料ガス再循環ライン３４９で水蒸気を再循環して供給することによって、純水供給ライン３６１で供給する純水流量を低減もしくは遮断することができる。
次に、圧縮機４２１から吐出された酸化性ガスを放出する構成について説明する。具体的には、圧縮機４２１の下流側における酸化性ガス供給ライン３３１において、酸化性ガスが熱交換器４３０をバイパス放出するように流通可能な酸化性ガスブローライン４４４が設けられている。酸化性ガスブローライン４４４は、一端が酸化性ガス供給ライン３３１の熱交換器４３０の上流側に接続されており、他端は、タービン４２３の後流側となる燃焼排ガスライン３２９の熱交換器４３０の下流側に接続されている。そして、酸化性ガスブローライン４４４には、ブロー弁（制御弁）４４５が設けられている。すなわち、ブロー弁４４５を開とすることによって、圧縮機４２１から吐出された酸化性ガスの一部が、酸化性ガスブローライン４４４を介して煙突（不図示）を通して系外部の大気などに放出される。
次に、燃料電池システム３１０の起動に用いる構成について説明する。酸化性ガス供給ライン３３１には、酸化性ガスブローライン４４４との接続点の下流側に制御弁４５１が設けられており、制御弁４５１の下流側（熱交換器４３０の上流側）に、起動用空気を供給するブロワ（送風機）４５２及び制御弁４５３を有する起動用空気ライン４５４が接続されている。燃料電池システム３１０の起動を行う場合に、ブロワ４５２により起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給しつつ、制御弁４５１及び制御弁４５３によって圧縮機４２１からの酸化性ガスと切り替えを行う。また、酸化性ガス供給ライン３３１において、熱交換器４３０の下流側（制御弁３３５の上流側）には起動用空気加熱ライン４５５が接続されており、制御弁４５６を介して排空気冷却器３５１の下流側の排酸化性ガスライン３３３へ接続されると共に、制御弁４５７を介して酸化性ガス供給ライン３３１（空気極１１３の入口側）へ接続されている。また、起動用空気加熱ライン４５５には、起動用加熱器４５８が設けられており、燃料ガスＬ１が制御弁４５９を介して供給され、起動用空気加熱ライン４５５を流通する酸化性ガスの加熱が行われる。
なお、制御弁４５７は、起動用加熱器４５８へ供給する酸化性ガスの流量を調整し、ＳＯＦＣ３１３へ供給する酸化性ガスの温度を制御する。
また、燃料ガスＬ１は、制御弁４６０を介して空気極１１３へも供給される。制御弁４６０は、例えばＳＯＦＣ３１３の起動時に起動用空気加熱ライン４５５における制御弁４５７の下流側から空気極１１３へ燃料ガスＬ１が供給され、触媒燃焼により発電室温度が昇温される際の、空気極１１３へ供給する燃料ガスＬ１の流量を制御する。
制御装置２０は、燃料電池システム３１０に対する起動制御を行う。ＳＯＦＣとターボチャージャ４１１とを組み合わせた燃料電池システムにおいて、ターボチャージャ４１１は例えばマイクロガスタービンと異なり単独で起動することができない。このため、外部から起動用空気を供給する必要がある。このため、起動の際には、ＳＯＦＣへ供給する酸化性ガスの供給を、起動用空気から、ターボチャージャ４１１の圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスへと切り替えを行う必要がある。このため制御装置２０では、制御弁４５１と、ブロー弁４４５とを制御する。
図５は、本実施形態に係る制御装置２０のハードウェア構成の一例を示した図である。
図５に示すように、制御装置２０は、コンピュータシステム（計算機システム）であり、例えば、ＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１３と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）１４と、ネットワーク等に接続するための通信部１５とを備えている。なお、大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）を用いることとしてもよい。これら各部は、バス１８を介して接続されている。
また、制御装置２０は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。
なお、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭ１２に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。
後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でハードディスクドライブ１４等に記録されており、このプログラムをＣＰＵ１１がＲＡＭ１３等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭ１２やその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体には、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等がある。
制御装置２０は、起動を行う場合に、制御弁４５１を閉、ブロー弁４４５を開としてブロワ４５２によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給している状態において、ブロー弁４４５の開度を減少させていくとともに、ブロー弁４４５の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、制御弁４５１の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる。
図４に示すように、ＳＯＦＣ３１３は空気極１１３と燃料極１０９を備えており、ターボチャージャ４１１は、燃料電池から排出された排燃料ガスＬ３及び排酸化性ガスＡ３が触媒燃焼器４２２で燃焼されて燃焼ガスＧとして供給されるタービン４２３と、タービン４２３の回転駆動により回転駆動される圧縮機４２１を有している。このようにＳＯＦＣ３１３とターボチャージャ４１１とが組み合わされている状態において、酸化性ガス供給ライン３３１では、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスを空気極１１３へ供給しており、酸化性ガス供給ライン３３１には制御弁４５１が設けられている。そして、酸化性ガス供給ライン３３１における制御弁４５１の上流側（圧縮機４２１の出口側）には、ブロー弁４４５によって酸化性ガスを系外排出するする酸化性ガスブローライン４４４の一端が接続されている。そして、酸化性ガス供給ライン３３１における制御弁４５１の下流側（制御弁４５１と熱交換器４３０の間）には、ブロワ４５２によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給する起動用空気ライン４５４の一端が接続されている。
燃料電池システム３１０を起動する場合には、ターボチャージャ４１１を自立させる必要がある。このため、まずは起動用空気によってタービン４２３を回転駆動させる。このため、詳細は後述するが、起動を行う場合には、制御弁４５１を閉、ブロー弁４４５を開として、起動用空気を酸化性ガスラインに供給するとともに、十分に自立していないターボチャージャ４１１の圧縮機４２１から排出された酸化性ガスは酸化性ガスブローライン４４４から系外へ排出する。このような状態からターボチャージャ４１１を自立させるために、まず酸化性ガス供給ライン３３１に流れている起動用空気の流量を減少させ、次に酸化性ガス供給ライン３３１に流れる圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスの流量を増加させ、その後に切り替えを行う。すなわち、図６に示すようにブロー弁４４５の開度を減少させるとともに、制御弁４５１の開度を増加させる。切り替え完了後は、起動用空気の供給を停止させる。
ここで、各弁の制御が適切に行われず、酸化性ガス供給ライン３３１において圧縮機４２１の出口側の圧力が、起動用空気ライン４５４と酸化性ガス供給ライン３３１との接続部Ｐ１の圧力より低くなった場合には、酸化性ガス及び起動用空気が圧縮機４２１へ逆流する可能性がある。このため制御装置２０では逆流が発生しないように起動制御を行う。
具体的には、制御装置２０は、ターボチャージャ４１１の回転数が所定値以上となり、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの温度が所定温度以上となった場合に、ブロー弁４４５の開度を減少させる。すなわち、ターボチャージャ４１１がの回転数が増加し、圧縮機４２１の出口側の圧力が十分に上昇したと想定される場合に、ブロー弁４４５の開度を減少させ始める。図６に制御弁４５１とブロー弁４４５の開閉制御状態の例を示す。制御装置２０は、Ｔ１のタイミングでブロー弁４４５を閉め始める。
そして、制御装置２０は、ブロー弁４４５の開度を減少させ始めたタイミングであるＴ１から所定時間（図６のΔＴ）経過後に、制御弁４５１の開度の増加を開始する。ここで、ブロー弁４４５の開度制御（閉操作開始）から制御弁４５１の開度制御（回操作開始）までに、所定時間経過させることで、効果的に酸化性ガス及び起動用空気の逆流を抑制することが可能となる。そして、図６に示すように、ブロー弁４４５は時間の経過とともに開度が全閉まで閉まり、制御弁４５１は、時間の経過とともに開度が所定開度（例えば設計流量開度）まで開く。すなわち、ブロー弁４４５と制御弁４５１とは、各弁の操作開始時に所定の時間間隔ΔＴを有するクロス制御により開閉状態の切り替わりが行われる。なお、ブロー弁４４５と制御弁４５１の開度は、図６に示すような一定の変化率で増加又は減少させる場合に限定されない。例えばブロー弁４４５と制御弁４５１の開度は、弁の特性に応じて、開度が大きなときは早く開閉し、開度が小さいときは徐々に開閉するようにして、全体として開閉に伴う全動作時間が延長されないようにしてもよい。一般的な弁の特性として、弁開度が小さいときは弁開度に対する通過流量の変化が敏感であるために徐々に開閉することで安定した動作を得ることができる。
このように、ブロー弁４４５の閉制御と制御弁４５１の開制御のそれぞれの制御開始タイミングに時間間隔（時間差）ΔＴを設けている。このように、ブロー弁４４５が先行して閉まり始めて圧縮機４２１の出口側の圧力が増加してから制御弁４５１を開け始めるため、逆流をより効果的に抑制しつつ、切り替えを行うことが可能となる。
次に、燃料電池システム３１０の起動方法について図７−図１０を参照して説明する。具体的には、図７では、起動前の系統パージを行い、図８では、起動用加熱器４５８の着火を行い、図９では、触媒燃焼器４２２の着火を行い、図１０では、ターボチャージャ４１１の自立を行う場合を示している。
まず、図７に示すように、起動前の系統パージを行う。
具体的には、制御弁４４３、制御弁４５３、ブロー弁４４５、制御弁３３５、制御弁４５６、及び調整弁３４７が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図７では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。すなわち、燃料極１０９側には窒素が制御弁４４３が開にあることで通気される。そして、ブロワ４５２が起動され、起動用空気が制御弁４５３と制御弁３３５が開にあることで空気極１１３側へ供給されて通気される。これによってＳＯＦＣ３１３がパージされる。また、制御弁４５６が開となることによって、起動用空気がＳＯＦＣ３１３をバイパスして起動用加熱器４５８を介して触媒燃焼器４２２へ通気される。これによって、タービン４２３が起動用空気によって回転を開始する。また、タービン４２３の回転に伴い同軸で接続された圧縮機４２１が回転を開始する。圧縮機４２１では酸化性ガスを圧縮し、圧縮された酸化性ガスはブロー弁４４５が開にあることで酸化性ガスブローライン４４４を通じて系外へ排出される。系外へ排出されることによって圧縮機４２１のサージングが防止される。サージングとは、圧縮機４２１の出口の圧力が上昇して圧縮機４２１が失速したり、圧縮空気が逆流したりする等の異常状態である。なお、燃料極１０９と空気極１１３との差圧制御は調整弁３４７によって行われる。
次に、ＳＯＦＣ３１３のパージが完了すると、図８に示すように、起動用加熱器４５８の着火を行う。
具体的には、制御弁３４２、制御弁４５３、ブロー弁４４５、制御弁３３５、制御弁４５６、制御弁４５９、及び調整弁３４７が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図８では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。また、制御弁４５７は状況に応じて開状態としてもよい。すなわち、パージ完了後、制御弁４５６を絞り、制御弁３３５を開くことによって、ＳＯＦＣ３１３をバイパスして触媒燃焼器４２２へ供給する起動用空気の流量を減少させ、ＳＯＦＣ３１３へ供給する起動用空気を増加させる。また、燃料極１０９側では、制御弁４４３を閉じて窒素の供給を停止し、制御弁３４２を開くことによって燃料ガスＬ１の供給を開始する。なお、この段階では、触媒燃焼器４２２は着火しておらず、燃焼がされずに触媒燃焼器４２２を通過したガスはタービン４２３を介して燃焼排ガスライン３２９から系外へ排出される。燃料極１０９と空気極１１３との差圧制御は調整弁３４７によって行われる。そして、制御弁４５９から燃料ガスＬ１の一部を供給して起動用加熱器４５８を着火し、起動用空気を昇温する。これによって、タービン４２３の入口温度が上昇し、系内圧力が上昇する。
次に、図９に示すように、触媒燃焼器４２２の着火を行う。
具体的には、制御弁３４２、制御弁４５３、ブロー弁４４５、制御弁３３５、制御弁４５６、制御弁４５９、制御弁３５２、及び調整弁３４７が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図９では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。すなわち、触媒燃焼器４２２へは、制御弁４５６を少し開いた状態（起動用空気量の約２０％）で送られる約４００℃〜５００℃程度の起動用空気と、制御弁４５７を経由してＳＯＦＣ３１３から送られる起動用空気とが混合して供給される。これによって触媒燃焼器４２２の温度が上昇する。触媒燃焼器４２２の入口温度が規定温度（例えば３００℃〜４００℃）に達すると、触媒燃焼器４２２へ制御弁３５２を介して燃料ガスＬ１が供給される。なお、燃料ガスＬ１を投入する際には、制御弁３５２は規定開度で一旦保持し、触媒燃焼器４２２の出口温度の上昇をみることで着火が確認される。そして、制御弁３５２は、触媒燃焼器４２２の出口温度に応じて開度制御（燃料ガスＬ１の流量制御）が行われる。
次に、図１０に示すように、ターボチャージャ４１１の自立を行う。
具体的には、制御弁３４２、制御弁４５３、制御弁３３５、制御弁４５６、制御弁４５９、制御弁３５２、及び調整弁３４７が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図１０では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。なお、ブロー弁４４５は閉方向へ制御され、制御弁４５１は開方向に制御がされる。すなわち、ターボチャージャ４１１の自立可能要件が満たされる場合に、ブロー弁４４５を徐々に閉としていき、制御弁４５１を徐々に開としていく。自立可能要件とは、ターボチャージャ４１１の回転数が所定値以上となり、タービン４２３へ供給される燃焼ガスＧの温度（触媒燃焼器４２２の出口温度）が所定温度以上となった場合である。すなわち、図６に示すようにブロー弁４４５と制御弁４５１はクロス制御が行われる。これによって、系外へ排出する酸化性ガスの流量を減少させる。なお、クロス制御を行っている状態では、圧縮機４２１の出口側の圧力の方が接続部Ｐ１の圧力よりも高い状態が保たれる。クロス制御が終了してブロー弁４４５が全閉となり、制御弁４５１が所定開度（例えば全開）となると、制御弁４５３が閉となり、ブロワ４５２が停止されて起動用空気の供給が終了する。なお、ターボチャージャ４１１の回転数の上昇と、触媒燃焼器４２２の出口温度の上昇とに合わせて起動用空気の供給量が増加されることが好ましい。これによって、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスによってタービン４２３が回って圧縮機４２１が回転駆動されるため、ターボチャージャ４１１は自立運転状態となる。
次に、ターボチャージャ４１１の自立後は、各弁を制御して昇温を継続する。本実施形態における具体的な例としては、酸化性ガスに対しては制御弁４５６によって、触媒燃焼器４２２の入口温度を制御する。また、燃料ガスＬ１に対しては制御弁３５２によって触媒燃焼器４２２の出口温度を制御する。また、制御弁４５７によって、起動用加熱器４５８を通過する空気流量を制御する。また、制御弁４５９によって、起動用加熱器４５８へ供給する燃料ガスＬ１流量を調整して起動用加熱器４５８の出口温度を制御する。また、制御弁３３５はプログラム開度とされ、ターボチャージャ４１１の回転数や入口温度に応じた設定がされる。なお、制御目標や制御対象は上述の例に限定されない。このようにしてターボチャージャ４１１の自立後の各部の昇温が行われる。
その他においても、昇温や昇圧が行われる。例えば、図１１に示すように各処理が行われる。なお、図１１の各処理の順序は図１１に示す場合に限定されない。
具体的には、ターボチャージャ４１１の自立後に、ＳＯＦＣ３１３の入口燃料温度が規定温度以上、かつＳＯＦＣ３１３の発電室２１５の温度が規定温度以上となった場合に、燃料極系統のガス条件を停止時もしくはパージ時のガスから切替える（ＳＴ１）。
また、ＳＯＦＣ３１３の発電室２１５の燃焼を開始する（ＳＴ２）。具体的には、発電室２１５の温度（例えば、複数の計測箇所のうち最高温度）が規定温度に到達した場合、制御弁４６０を開き小流量の燃料ガスＬ１を空気極１１３へ供給して発電室２１５の燃焼を開始し、ＳＯＦＣ３１３の発電室２１５を更に昇温する。空気と燃料ガスＬ１とが流入した空気極１１３では、空気極１１３の触媒作用によって燃料ガスＬ１が空気極１１３で触媒燃焼し、この発熱を用いて空気極１１３を上昇させる。
また、起動用加熱器４５８を停止する（ＳＴ３）。具体的には、空気極１１３側の入口の酸化性ガスの温度が規定温度に到達することで（または発電室２１５の温度が規定温度に達することで）、制御弁４５７の開度が閉方向に制御されて、起動用加熱器４５８へ供給される空気流量が起動用加熱器４５８の使用下限に到達まで減少した場合に、起動用加熱器４５８を停止させる。すなわち、ターボチャージャの自立後において、空気極１１３へ供給される酸化性ガスの温度または発電室２１５の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器４５８で加熱した空気がＳＯＦＣ３１３へ供給されて昇温が行われる。
そして、上記のように各制御によって燃料電池システム３１０の起動状態が調整された後に、発電を開始する。具体的には、発電室２１５の温度（例えば、複数の計測箇所のうち最低温度）が規定温度（例えば７５０℃）に到達し、燃料極１０９および空気極１１３の運転状態が所定条件に到達した後、燃料ガス供給用の制御弁３４２を開いて燃料ガスＬ１を燃料極１０９に供給し、純水供給ライン３６１のポンプ３６２を駆動することで純水を燃料極１０９に供給し、ＳＯＦＣ３１３は発電を開始する。空気極１１３に燃料ガスＬ１を添加供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室２１５温度を上昇させる。ＳＯＦＣ３１３の発電室温度が発電による自己発熱で温度維持ができるまで温度上昇をした後は、空気極１１３へ添加供給される燃料ガスＬ１の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極１１３への燃料ガスＬ１の添加供給がゼロになるように制御される。そして、例えば負荷上昇モードに移行してＳＯＦＣ３１３の発電室２１５の温度が目標温度に到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達すると起動完了となる。
このようにして、燃料電池システム３１０が起動される。
次に、起動における状態遷移の一例を説明する。図１２は、圧縮機４２１の出口側の温度と、ブロー弁４４５の開度と、系統内圧力との時間経過に伴う状態の遷移を示している。なお、系統内圧力とは例えば、圧縮機４２１の出口側の圧力である。
ブロワ４５２が起動して起動用空気が供給されると、これによって系統内圧力は上昇する。これに伴って、圧縮機４２１の出口側の温度も上昇する。そして、上述のターボチャージャ４１１の自立可能要件が成立すると、ブロー弁４４５が徐々に閉とされる。なお、図６に示すようなクロス制御によって制御弁４５１も開方向に制御される。そして圧縮機４２１の出口温度が所定温度に達し、ブロー弁４４５が全閉となり、系統内圧力が所定圧力となると、ターボチャージャ４１１が自立状態となる。
次に、上述の制御装置２０によるターボチャージャ４１１の自立に関する制御の一例について図１３を参照して説明する。図１３は、ターボチャージャ４１１の自立に関する制御の手順の一例を示すフローチャートである。図１３に示すフローは、例えば、起動を行う場合に、制御弁４５１を閉、ブロー弁４４５を開としてブロワ４５２によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給している状態において、クロス制御が行われる場合に実行される。
まず、自立可能要件が満たされたか否かを判定する（Ｓ１０１）。自立可能要件は、ターボチャージャ４１１の回転数が所定値以上となり、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの温度が所定温度以上となっていることである。
自立可能要件が満たされない場合（Ｓ１０１のＮＯ判定）には、再度Ｓ１０１が実行される。
自立可能要件が満たされる場合（Ｓ１０１のＹＥＳ判定）には、ブロー弁４４５の開度を減少させ始める（Ｓ１０２）。
そして、所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ１０３）。時間間隔（所定時間）ΔＴが経過していない場合（Ｓ１０３のＮＯ判定）には、再度Ｓ１０３が実行される。
所定時間が経過した場合（Ｓ１０３のＹＥＳ判定）には、制御弁４５１の開度を増加させ始める（Ｓ１０４）。
このようにして、ブロー弁４４５と制御弁４５１がクロス制御される。
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法によれば、ＳＯＦＣ３１３とターボチャージャ４１１が組み合わされた燃料電池システム３１０では、ターボチャージャ４１１は例えばガスタービンと異なり単独で起動することができないため、起動用空気ライン４５４から供給される起動用空気を用いて起動される。そして、圧縮機４２１の出口側の圧力が十分に上昇したと想定された後に、酸化性ガス供給ライン３３１に設けられた制御弁４５１と、酸化性ガスを系外排出するする酸化性ガスブローライン４４４に設けられたブロー弁４４５とを用いて、酸化性ガス供給ライン３３１に流れる酸化性ガスを、起動用空気から圧縮機４２１で圧縮されて送出された酸化性ガスへ切り替えを行う。具体的には、制御弁４５１を閉、ブロー弁４４５を開としてブロワ４５２によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給している状態（すなわち、起動用空気が流通している状態）から、ブロー弁４４５の開度を減少させつつ、制御弁４５１を開くこと（クロス制御）で、圧縮機４２１で圧縮されて送出された酸化性ガスへの切り替えを行う。このように切り替えを行う際に、ブロー弁４４５の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に制御弁４５１の開度を増加させるようにして、ブロー弁４４５と制御弁４５１の動作開始に時間差を設けることで、酸化性ガス供給ライン３３１において圧縮機４２１の出口側の圧力が、起動用空気ライン４５４と酸化性ガス供給ライン３３１の接続部Ｐ１の圧力より低くなることがなく、酸化性ガス及び起動用空気の逆流をより効果的に抑制することができる。すなわち、ブロー弁４４５の開度を減少させて制御弁４５１の上流側（圧縮機４２１の出口側）の圧力を高くした状態で制御弁４５１が開とされるため、より安定的に切り替えを行うことが可能となる。以上より、ＳＯＦＣ３１３とターボチャージャ４１１とを組み合わせた場合であってもより安定的に起動を行うことが可能となる。
ブロー弁４４５の開度を減少させ始めたタイミングから所定時間経過後に、制御弁４５１の開度を増加させることで、より効果的に、酸化性ガス及び起動用空気の逆流を抑制することが可能となる。
また、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法によれば、ターボチャージャ４１１の起動とともに、ＳＯＦＣ３１３の昇温や昇圧が行われる。起動開始時は、ＳＯＦＣ３１３のパージ工程として、制御弁４５６を所定開度とされており、起動用空気がＳＯＦＣ３１３をバイパスして起動用加熱器４５８を介して触媒燃焼器４２２へ通気され、タービン４２３へと供給されることで、タービン４２３が起動用空気によって回転駆動を開始する。また、制御弁３３５を規定開度としてＳＯＦＣ３１３を通気する。パージ工程が完了後は、制御弁３３５の開度を低下させ、制御弁４５６の開度を増加させる。制御弁４５９から燃料ガスＬ１を供給して起動用加熱器４５８を着火し、起動用空気を昇温する。制御弁４５６を絞り、制御弁３３５を開くことによって、ＳＯＦＣ３１３をバイパスして触媒燃焼器４２２へ供給する起動用空気の流量を減少させ、ＳＯＦＣ３１３へ供給する起動用空気を増加させる。その後、制御弁４５９から燃料ガスＬ１を供給して起動用加熱器４５８を着火し、起動用空気を昇温する。これによって、タービン４２３の入口温度が上昇し、ターボチャージャ４１１の回転数が上昇および系内圧力が上昇する。また触媒燃焼器４２２へは制御弁３５２を介して燃料ガスＬ１が供給される。
これにより、ターボチャージャ４１１の回転数が所定値以上となり、タービン４２３へ供給される排燃焼ガスＧの温度（触媒燃焼器４２２の出口温度）が所定温度以上となったら、ブロー弁４４５を閉方向へ制御開始した所定時間経過後に制御弁４５１を開方向へ制御するクロス制御を行う。ブロー弁４４５が全閉となり、制御弁４５１が所定開度（例えば設計流量開度）となると、制御弁４５３が閉となり、ブロワ４５２が停止されて起動用空気の供給が終了する。すなわち、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスによってタービン４２３が回って圧縮機４２１が回転駆動されるため、ターボチャージャ４１１は自立運転状態となる。
その後、ＳＯＦＣ３１３は、発電室２１５の温度が規定温度に到達した場合、制御弁４６０を開き小流量の燃料ガスＬ１を空気極１１３へ供給して、燃料ガスＬ１が空気極１１３の触媒作用によって触媒燃焼し、発電室２１５を更に昇温させる。
〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について説明する。
本実施形態では、制御弁４５１及びブロー弁４４５の制御が異なる場合を説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について、第１実施形態と異なる点について主に説明する。
本実施形態における燃料電池システム３１０は、図１４に示すように、第１実施形態における図４の構成と同様である。なお、図１４は、ターボチャージャ４１１の周りの構成を抜粋して示しており、他の構成は、図４と同様である。第１実施形態では、自立可能要件が満たされた後にブロー弁４４５を閉め始めていたが、本実施形態では、より早くブロー弁４４５を閉め始める。これによって、エネルギー損失が低減される。
具体的には、制御装置２０は、ターボチャージャ４１１の回転が開始してから所定時間経過後にブロー弁４４５の開度を減少させる。図１５に示すように、ブロワ４５２が起動した後にターボチャージャ４１１の回転が開始する。このため、ターボチャージャ４１１の回転が開始してから所定時間ΔＴ２経過後に、ブロー弁４４５を閉め始める。
すなわち、制御装置２０は、圧縮機４２１の出口側の圧力が、接続部Ｐ１の圧力に達するタイミング（図１５のＴ２）よりも前にブロー弁４４５の開度を減少し始める。このため、所定時間ΔＴ２は、燃料電池システム３１０において、ターボチャージャ４１１が回転し始めてから圧縮機４２１の出口側の圧力が接続部Ｐ１の圧力（すなわちブロワ４５２の圧力）に達するよりも前の時間として予め設定される。
そして、圧縮機４２１の出口側の圧力が、接続部Ｐ１の圧力以上である所定の設定圧力ＰＳとなった場合に制御弁４５１の開度を増加し始める。具体的には、圧縮機４２１の出口側の圧力が、接続部Ｐ１の圧力以上である圧力ＰＳとなったタイミング（図１５のＴ２）において制御弁４５１を開け始める。そして、圧縮機４２１の出口側の圧力がＰＳと等しくなるようにブロー弁４４５の開度を減少させるとともに制御弁４５１の開度を増加させる制御を行う。そして、時間の経過とともにターボチャージャ４１１の回転数が増加し、ブロー弁４４５は全閉となり、制御弁４５１は所定開度（例えば設計流量開度）となる（図１５のＴ３）。このように、図１５では、Ｔ２からＴ３の期間においてブロー弁４４５と制御弁４５１とのクロス制御が行われる。
そして、制御装置２０は、ブロー弁４４５が全閉となったＴ３において、起動用空気の供給量の減少を開始し、最終的にブロワ４５２を停止する。これによってターボチャージャ４１１が自立される。
本実施形態では、ブロー弁４４５を閉めることによって圧縮機４２１の出口側の圧力を意図的に上昇させている。そして、圧縮機４２１の出口側の圧力が、接続部Ｐ１の圧力以上となったタイミングＴ２で、ブロー弁４４５の閉操作を継続するとともに、制御弁４５１を開け始めることでクロス制御をして切り替え制御を行う。このため、ブロー弁４４５を早めに閉め始めることができ、酸化性ガスブローライン４４４を流通して系外へ排出される酸化性ガスが有しているエネルギー排出量を抑制することができる。
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法によれば、圧縮機４２１の出口側の圧力が、起動用空気ライン４５４及び酸化性ガス供給ライン３３１の接続部Ｐ１の圧力に達するよりも前にブロー弁４４５の開度を減少し始めることによって、酸化性ガスブローライン４４４からの系外への排出が減少されるためエネルギー損失が低下される。また、ブロー弁４４５の開度を減少することによって、圧縮機４２１の出口側の圧力を増加させ、圧縮機４２１の出口側の圧力が、接続部Ｐ１の圧力以上となった場合に制御弁４５１の開度を増加し始めることで、酸化性ガスの逆流を抑制しつつより早く起動を行うことができる。圧縮機４２１の出口側の圧力が接続部Ｐ１の圧力以上となった場合に、圧縮機４２１の出口側の圧力が、接続部Ｐ１の圧力以上となるようにブロー弁４４５の開度を減少させるとともに制御弁４５１の開度を増加させることによって、酸化性ガスの逆流を抑制してより安定的に起動を行うことが可能となる。
〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について説明する。
本実施形態では、異なる位置に起動用のブロワを設ける場合について説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について、第１実施形態と異なる点について主に説明する。
本実施形態における燃料電池システム３１０の概略構成を図１６に示す。なお、図１６は、ターボチャージャ４１１の周りの構成を抜粋して示しており、他の構成は、図４と同様である。すなわち、本実施形態における燃料電池システム３１０では、圧縮機４２１に対して上流側に直列に起動用ブロワ（起動用送風機）４７２が設けられている。具体的には、起動用ブロワ４７２は、圧縮機４２１に対して上流側のライン４７１に設けられており、起動用の酸化性ガスを圧縮機４２１へ供給する。
また、空気取り込みライン３２５には逆止弁４７３が設けられている。これによって、起動時に起動用ブロワ４７２によって起動用空気が圧縮機４２１へ供給されるとともに、タービン４２３が回転駆動されて回転数の増加に伴い、圧縮機４２１の吸い込み量が不足した場合には空気取り込みライン３２５から外気が取り込まれる。また、逆止弁４７３によって、起動用ブロワ４７２によって昇圧された起動用空気が空気取り込みライン３２５に向かって逆流することを防止する。
そして、制御装置２０は、起動用ブロワ４７２によって酸化性ガス供給ライン３３１に対して酸化性ガスを流通させ、ターボチャージャ４１１を起動させる。
本実施形態では、起動用ブロワ４７２で昇圧した起動用空気を圧縮機４２１でさらに圧縮するため、酸化性ガス供給ライン３３１に流通する酸化性ガスの温度が上昇する。このため、制御装置２０は、圧縮機４２１の出口側の温度が所定温度以上となった場合に、起動用ブロワ４７２を停止させることが好ましい。
すなわち、図１７に示すように、起動用ブロワ４７２が起動すると、系統内圧力及び圧縮機４２１の出口側の温度が上昇するが、圧縮機４２１の出口側の温度が所定温度に達した場合に起動用ブロワ４７２は停止される。起動用ブロワ４７２が停止された場合であっても、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスは、酸化性ガス供給ライン３３１に供給され、各系内を流通した後に触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３を回転駆動する。そして、タービン４２３の回転により圧縮機４２１が回転駆動されるため、系統内圧力は上昇し、ターボチャージャ４１１を自立状態とすることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法によれば、燃料電池とターボチャージャ４１１が組み合わされた燃料電池システム３１０では、ターボチャージャ４１１は例えばガスタービンと異なり単独で起動することができないため、起動用空気を用いて起動される。すなわち、圧縮機４２１に対して上流側または下流側に直列に起動用ブロワ４７２を設け、起動用ブロワ４７２によって酸化性ガス供給ライン３３１に対して酸化性ガスを流通させ、ターボチャージャ４１１を起動させる。これによって、起動のために圧縮機４２１の出口側の圧力を監視しながら酸化性ガスを系外放出し、ブロー弁４４５の開度を減少させて制御弁４５１の開度を増加する場合のようなブロー弁４４５による系外放出が行なわれない。したがい、起動時にブロー弁４４５による系外放出する場合と比較して、エネルギー損失を抑制し、触媒燃焼器４２２へ供給する燃料ガスＬ１の消費量を抑制することができる。起動用ブロワ４７２は、圧縮機４２１に対して上流側に設けられており、起動用の酸化性ガスを圧縮機４２１へ供給するため、起動用ブロワ４７２で昇温した酸化性ガスを圧縮機４２１で圧縮することができるため、より効果的に昇温を行うことができる。また、圧縮機４２１との直列接続により昇圧を行うこととなり、起動用ブロワ４７２の動力（必要吐出圧）の低減を図ることもできる。
圧縮機４２１の出口側の温度が所定温度以上となった場合に、起動用ブロワ４７２を停止させることで、酸化性ガスが昇温され過ぎてしまうことを抑制することができる。
〔第４実施形態〕
次に、本開示の第４実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について説明する。
上述した第３実施形態と異なる位置に起動用ブロワ（起動用送風機）４７４を設ける場合について説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について、第３実施形態と異なる点について主に説明する。
本実施形態における燃料電池システム３１０の概略構成を図１８に示す。なお、図１８は、ターボチャージャ４１１の周りの構成を抜粋して示しており、他の構成は、図４と同様である。図１８に示すように、燃料電池システム３１０には、タービン４２３から排出された燃焼ガスと酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器４３０と、酸化性ガス供給ライン３３１に接続されており、熱交換器４３０をバイパスする熱交換器バイパスライン３３２が設けられている。そして、燃料電池システム３１０では、圧縮機４２１に対して下流側に直列に起動用ブロワ４７４が設けられている。具体的には、起動用ブロワ４７４は、熱交換器バイパスライン３３２に設けられている。
そして、制御装置２０は、起動用ブロワ４７４によって酸化性ガス供給ライン３３１に対して酸化性ガスを流通させ、酸化性ガスは酸化性ガス供給ライン３３１から各系内を流通した後に触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３を回転駆動させてターボチャージャ４１１を起動させる。
すなわち、図１９に示すように、起動用ブロワ４７４が起動すると、系統内圧力及び圧縮機４２１の出口側の温度が上昇し、ターボチャージャ４１１を自立状態とすることができる。図１６（第３実施形態）では圧縮機４２１の上流側に起動用ブロワ４７４を設けていたため、圧縮機４２１の出口側の温度が一層に上昇するために、出口側の温度による起動用ブロワ４７４の稼働に対する制約があったが、本実施形態では、圧縮機４２１の出口側の温度による制約はない。また、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスを起動用ブロワ４７４によって昇圧することができるため、ターボチャージャ４１１の自立をより早く行うことが期待できる。なお、本実施形態では、起動用ブロワ４７４は、耐熱性や耐圧性の対策を行う必要がある。
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法によれば、熱交換器４３０をバイパスする熱交換器バイパスライン３３２に起動用ブロワ４７４が設けられることで、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスを起動用ブロワ４７４で昇温することができるため、より効果的に昇温を行うことができる。起動のために圧縮機４２１の出口側の圧力を監視しながら酸化性ガスを系外放出し、ブロー弁４４５の開度を減少させて制御弁４５１の開度を増加する場合のようなブロー弁４４５による系外放出が行なわれないので、エネルギー損失を抑制し、触媒燃焼器４２２へ供給する燃料ガスＬ１の消費量を抑制することができる。
本開示は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。なお、各実施形態を組み合わせることも可能である。すなわち、上記の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、及び第４実施形態については、それぞれ組み合わせることも可能である。
以上説明した各実施形態に記載の燃料電池システム及びその起動方法は例えば以下のように把握される。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン（４２３）及び前記タービン（４２３）により駆動される圧縮機（４２１）を有するターボチャージャ（４１１）と、前記圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガスを前記空気極（１１３）へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）に設けられた制御弁（４５１）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記制御弁（４５１）の上流側に一端が接続されており、ブロー弁（４４５）によって酸化性ガスを系外排出するするブローライン（４４４）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記制御弁（４５１）の下流側に一端が接続されており、送風機（４５２）によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ライン（３３１）へ供給する起動用空気ライン（４５４）と、前記ターボチャージャ（４１１）の起動を行う場合に、前記制御弁（４５１）を閉状態とし、前記ブロー弁（４４５）を開状態として前記送風機（４５２）によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ライン（３３１）へ供給している状態において、前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁（４５１）の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる制御装置（２０）と、を備える。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、燃料電池（３１３）とターボチャージャ（４１１）が組み合わされた燃料電池システム（３１０）では、ターボチャージャ（４１１）は例えばガスタービン（４２３）と異なり単独で起動することができないため、起動用空気ライン（４５４）から供給される起動用空気を用いて起動される。そして、酸化性ガス供給ライン（３３１）に設けられた制御弁（４５１）と、酸化性ガスを系外排出するするブローライン（４４４）に設けられたブロー弁（４４５）とを用いて、酸化性ガス供給ライン（３３１）に流れる酸化性ガスを、起動用空気から圧縮機（４２１）で圧縮された酸化性ガスへ切り替えを行う。具体的には、制御弁（４５１）を閉、ブロー弁（４４５）を開として送風機（４５２）によって起動用空気を酸化性ガス供給ライン（３３１）へ供給している状態（すなわち、起動用空気が流通している状態）から、ブロー弁（４４５）の開度を減少させつつ、制御弁（４５１）を開くこと（クロス制御）で、圧縮機（４２１）で圧縮された酸化性ガスへの切り替えを行う。このように切り替えを行う際に、ブロー弁（４４５）の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に制御弁（４５１）の開度を増加させるようにして、ブロー弁（４４５）と制御弁（４５１）の操作開始に時間差を設けることで、酸化性ガスの逆流をより効果的に抑制することができる。すなわち、ブロー弁（４４５）の開度を減少させて制御弁（４５１）の上流側（圧縮機（４２１）の出口側）の圧力を高くした状態で制御弁（４５１）が開とされるため、より安定的に切り替えを行うことが可能となる。以上より、燃料電池（３１３）とターボチャージャ（４１１）とを組み合わせた場合であってもより安定的に起動を行うことが可能となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記ターボチャージャ（４１１）の回転数が所定値以上、もしくは前記タービン（４２３）へ供給される燃焼ガスの温度が所定温度以上となった場合に、前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、ターボチャージャ（４１１）の回転数が所定値以上となり、タービン（４２３）へ供給される燃焼ガスの温度が所定温度以上となった場合に、ブロー弁（４４５）の開度を減少させることによって、より安定的に酸化性ガスの逆流を抑制することが可能となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させ始めたタイミングから所定時間経過後に、前記制御弁（４５１）の開度を増加させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、ブロー弁（４４５）の開度を減少させ始めたタイミングから所定時間経過後に、制御弁（４５１）の開度を増加させることで、より効果的に、酸化性ガスの逆流を抑制することが可能となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記ターボチャージャ（４１１）の回転が開始してから所定時間経過後に前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、ターボチャージャ（４１１）の回転が開始してから所定時間経過後にブロー弁（４４５）の開度を減少させることで、所定時間経過後にはブローライン（４４４）からの系外への排出が減少されるためエネルギー損失が低下される。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記圧縮機（４２１）の出口側の圧力が、前記起動用空気ライン（４５４）及び前記酸化性ガス供給ライン（３３１）の接続部（Ｐ１）の圧力に達するよりも前に前記ブロー弁（４４５）の開度を減少し始め、前記圧縮機（４２１）の出口側の圧力が、前記接続部（Ｐ１）の圧力以上となった場合に前記制御弁（４５１）の開度を増加し始めることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、圧縮機（４２１）の出口側の圧力が、起動用空気ライン（４５４）及び酸化性ガス供給ライン（３３１）の接続部（Ｐ１）の圧力に達するよりも前にブロー弁（４４５）の開度を減少し始めることによって、ブローライン（４４４）からの系外への排出が減少されるためエネルギー損失が低下される。また、ブロー弁（４４５）の開度を減少することによって、圧縮機（４２１）の出口側の圧力を増加させ、圧縮機（４２１）の出口側の圧力が、接続部（Ｐ１）の圧力以上となった場合に制御弁（４５１）の開度を増加し始めることで、酸化性ガスの逆流を抑制しつつより早く起動を行うことができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記圧縮機（４２１）の出口側の圧力が前記接続部（Ｐ１）の圧力以上となった場合に、前記圧縮機（４２１）の出口側の圧力が前記接続部（Ｐ１）の圧力以上である状態が継続するように前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させるとともに前記制御弁（４５１）の開度を増加させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、圧縮機（４２１）の出口側の圧力が接続部（Ｐ１）の圧力以上となった場合に、圧縮機（４２１）の出口側の圧力が接続部（Ｐ１）の圧力以上となる状態が継続するようにブロー弁（４４５）の開度を減少させるとともに制御弁（４５１）の開度を増加させることによって、酸化性ガスの逆流を抑制してより安定的に起動を行うことが可能となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記ブロー弁（４４５）が全閉となった場合に、前記起動用空気の供給量を減少させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、ブロー弁（４４５）が全閉となった場合に、起動用空気の供給量を減少させることで、起動用空気から圧縮機（４２１）で圧縮された酸化性ガスへの切り替えをより早く完了することができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン（４２３）、及び前記タービン（４２３）により駆動される圧縮機（４２１）を有するターボチャージャ（４１１）と、前記圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガスを前記空気極（１１３）へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、前記圧縮機（４２１）の酸化性ガスの流通に対して上流側または下流側に設けられた起動用送風機（４７２、４７４）と、前記起動用送風機（４７２、４７４）によって前記酸化性ガス供給ライン（３３１）に対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機（４２１）を回転させる制御装置（２０）と、を備える。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、燃料電池（３１３）とターボチャージャ（４１１）が組み合わされた燃料電池システム（３１０）では、ターボチャージャ（４１１）は例えばガスタービン（４２３）と異なり単独で起動することができないため、起動用空気を用いて起動される。すなわち、圧縮機（４２１）に対して上流側または下流側に直列に起動用ブロワ（４７２、４７４）を設け、起動用ブロワ（４７２、４７４）によって酸化性ガス供給ライン（３３１）に対して酸化性ガスを流通させ、ターボチャージャ（４１１）を起動させる。これによって、起動のために酸化性ガスを系外放出する場合と比較してエネルギー損失を抑制し、触媒燃焼器（４２２）へ供給する燃料ガス（Ｌ１）の消費量を抑制することができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記起動用送風機（４７２）は、前記圧縮機（４２１）に対して上流側に設けられており、酸化性ガスを前記圧縮機（４２１）へ供給することとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、起動用ブロワ（４７２）は、圧縮機（４２１）に対して上流側に設けられており、起動用の酸化性ガスを圧縮機（４２１）へ供給するため、起動用ブロワ（４７２）で昇温した酸化性ガスを圧縮機（４２１）で圧縮することができるため、より効果的に昇温を行うことができる。また、圧縮機（４２１）との直列接続により昇圧を行うこととなり、起動用ブロワ（４７２）の動力（必要吐出圧）の低減を図ることもできる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記圧縮機（４２１）の出口側の温度が所定温度以上となった場合に、前記起動用送風機（４７２）を停止させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、圧縮機（４２１）の出口側の温度が所定温度以上となった場合に、起動用ブロワ（４７４）を停止させることで、酸化性ガスが昇温され過ぎてしまうことを抑制することができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記タービン（４２３）から排出された排ガスと前記酸化性ガス供給ライン（３３１）の酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器（４３０）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）に接続されており、前記熱交換器（４３０）をバイパスするバイパスライン（３３２）と、を備え、前記起動用送風機（４７４）は、前記バイパスライン（３３２）に設けられていることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、熱交換器（４３０）をバイパスする熱交換器バイパスライン（３３２）に起動用ブロワ（４７４）が設けられることで、圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガスを起動用ブロワ（４７４）で昇温することができるため、より効果的に昇温を行うことができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記ターボチャージャの自立後において、前記空気極へ供給される酸化性ガスの温度または前記燃料電池の発電室の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器（４５８）で加熱した空気を前記燃料電池へ供給して昇温を行うこととしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、ターボチャージャの自立後において、効果的に昇温を行うことができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）の起動方法は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン（４２３）及び前記タービン（４２３）により駆動される圧縮機（４２１）を有するターボチャージャ（４１１）と、前記圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガスを前記空気極（１１３）へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）に設けられた制御弁（４５１）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記制御弁（４５１）の上流側に一端が接続されており、ブロー弁（４４５）によって酸化性ガスを系外排出するするブローライン（４４４）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記制御弁（４５１）の下流側に一端が接続されており、送風機（４５２）によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ライン（３３１）へ供給する起動用空気ライン（４５４）と、を備える燃料電池システム（３１０）の起動方法であって、前記ターボチャージャ（４１１）の起動を行う場合に、前記制御弁（４５１）を閉状態とし、前記ブロー弁（４４５）を開状態として前記送風機（４５２）によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ライン（３３１）へ供給している状態において、前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁（４４５）の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁（４５１）の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）の起動方法は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン（４２３）、及び前記タービン（４２３）により駆動される圧縮機（４２１）を有するターボチャージャ（４１１）と、前記圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガスを前記空気極（１１３）へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、前記圧縮機（４２１）の酸化性ガスの流通に対して上流側または下流側に設けられた起動用送風機（４７２、４７４）と、を備える燃料電池システム（３１０）の起動方法であって、前記起動用送風機（４７２、４７４）によって前記酸化性ガス供給ライン（３３１）に対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機（４２１）を回転させる。
１１ ：ＣＰＵ
１２ ：ＲＯＭ
１３ ：ＲＡＭ
１４ ：ハードディスクドライブ
１５ ：通信部
１８ ：バス
２０ ：制御装置
１０１ ：セルスタック
１０３ ：基体管
１０５ ：燃料電池セル
１０７ ：インターコネクタ
１０９ ：燃料極
１１１ ：固体電解質膜
１１３ ：空気極
１１５ ：リード膜
２０１ ：ＳＯＦＣモジュール
２０３ ：ＳＯＦＣカートリッジ
２０５ ：圧力容器
２０７ ：燃料ガス供給管
２０７ａ ：燃料ガス供給枝管
２０９ ：燃料ガス排出管
２０９ａ ：燃料ガス排出枝管
２１５ ：発電室
２１７ ：燃料ガス供給ヘッダ
２１９ ：燃料ガス排出ヘッダ
２２１ ：酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ ：酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ ：上部管板
２２５ｂ ：下部管板
２２７ａ ：上部断熱体
２２７ｂ ：下部断熱体
２２９ａ ：上部ケーシング
２２９ｂ ：下部ケーシング
２３１ａ ：燃料ガス供給孔
２３１ｂ ：燃料ガス排出孔
２３３ａ ：酸化性ガス供給孔
２３３ｂ ：酸化性ガス排出孔
２３５ａ ：酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ ：酸化性ガス排出隙間
２３７ａ ：シール部材
２３７ｂ ：シール部材
３１０ ：燃料電池システム
３１３ ：ＳＯＦＣ（燃料電池）
３２５ ：空気取り込みライン
３２８ ：燃焼ガス供給ライン
３２９ ：燃焼排ガスライン
３３１ ：酸化性ガス供給ライン
３３２ ：熱交換器バイパスライン
３３３ ：排酸化性ガスライン
３３５ ：制御弁
３３６ ：制御弁
３４１ ：燃料ガスライン
３４２ ：制御弁
３４３ ：排燃料ガスライン
３４６ ：遮断弁
３４７ ：調整弁
３４８ ：再循環ブロワ
３４９ ：燃料ガス再循環ライン
３５０ ：排燃料ガス放出ライン
３５１ ：排空気冷却器
３５２ ：制御弁
３６１ ：純水供給ライン
３６２ ：ポンプ
４１１ ：ターボチャージャ
４２１ ：圧縮機
４２２ ：触媒燃焼器
４２３ ：タービン
４２４ ：回転軸
４３０ ：熱交換器
４４１ ：オリフィス
４４２ ：排熱回収装置
４４３ ：制御弁
４４４ ：酸化性ガスブローライン
４４５ ：ブロー弁
４５１ ：制御弁
４５２ ：ブロワ（送風機）
４５３ ：制御弁
４５４ ：起動用空気ライン
４５５ ：起動用空気加熱ライン
４５６ ：制御弁
４５７ ：制御弁
４５８ ：起動用加熱器
４５９ ：制御弁
４６０ ：制御弁
４７１ ：ライン
４７２ ：起動用ブロワ（起動用送風機）
４７３ ：逆止弁
４７４ ：起動用ブロワ（起動用送風機）

Claims (14)

  1. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
    前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
    前記酸化性ガス供給ラインに設けられた制御弁と、
    前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の上流側に一端が接続されており、ブロー弁によって酸化性ガスを系外排出するするブローラインと、
    前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の下流側に一端が接続されており、送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給する起動用空気ラインと、
    前記ターボチャージャの起動を行う場合に、前記制御弁を閉状態とし、前記ブロー弁を開状態として前記送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給している状態において、前記ブロー弁の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる制御装置と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記ターボチャージャの回転数が所定値以上、もしくは前記タービンへ供給される燃焼ガスの温度が所定温度以上となった場合に、前記ブロー弁の開度を減少させる請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングから所定時間経過後に、前記制御弁の開度を増加させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御装置は、前記ターボチャージャの回転が開始してから所定時間経過後に前記ブロー弁の開度を減少させる請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記圧縮機の出口側の圧力が、前記起動用空気ライン及び前記酸化性ガス供給ラインの接続部の圧力に達するよりも前に前記ブロー弁の開度を減少し始め、前記圧縮機の出口側の圧力が、前記接続部の圧力以上となった場合に前記制御弁の開度を増加し始める請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御装置は、前記圧縮機の出口側の圧力が前記接続部の圧力以上となった場合に、前記圧縮機の出口側の圧力が前記接続部の圧力以上である状態が継続するように前記ブロー弁の開度を減少させるとともに前記制御弁の開度を増加させる請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記ブロー弁が全閉となった場合に、前記起動用空気の供給量を減少させる請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
    前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
    前記圧縮機の酸化性ガスの流通に対して上流側または下流側に設けられた起動用送風機と、
    前記起動用送風機によって前記酸化性ガス供給ラインに対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機を回転させる制御装置と、
    を備える燃料電池システム。
  9. 前記起動用送風機は、前記圧縮機に対して上流側に設けられており、酸化性ガスを前記圧縮機へ供給する請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御装置は、前記圧縮機の出口側の温度が所定温度以上となった場合に、前記起動用送風機を停止させる請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記タービンから排出された排ガスと前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、
    前記酸化性ガス供給ラインに接続されており、前記熱交換器をバイパスするバイパスラインと、
    を備え、
    前記起動用送風機は、前記バイパスラインに設けられている請求項８に記載の燃料電池システム。
  12. 前記制御装置は、前記ターボチャージャの自立後において、前記空気極へ供給される酸化性ガスの温度または前記燃料電池の発電室の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器で加熱した空気を前記燃料電池へ供給して昇温を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
  13. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに設けられた制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の上流側に一端が接続されており、ブロー弁によって酸化性ガスを系外排出するするブローラインと、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の下流側に一端が接続されており、送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給する起動用空気ラインと、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
    前記ターボチャージャの起動を行う場合に、前記制御弁を閉状態とし、前記ブロー弁を開状態として前記送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給している状態において、前記ブロー弁の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる起動方法。
  14. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮機の酸化性ガスの流通に対して上流側または下流側に設けられた起動用送風機と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
    前記起動用送風機によって前記酸化性ガス供給ラインに対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機を回転させる起動方法。

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