JP6237861B1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再循環ブロア内における水蒸気の凝縮に起因する故障を防止するとともに、優れた発電効率を発揮することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】温度検出部（１３０）は、再循環ブロア（１２０）の温度、及び／又は、ガス再循環路（４２）を再循環する排出ガスの温度を検出する。制御部（１５０）は、温度検出部（１３０）による検出温度に基づいて、再循環ブロア（１２０）の内部における凝縮を防止するように、冷却部（１４０）の駆動状態を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

特許文献１には、燃料電池と内燃機関を組み合わせた複合発電システムが開示されている。この複合発電システムでは、ＳＯＦＣからの排燃料ガスを、排燃料ブロアを有する燃料ガス排出系（排燃料ガスライン）を介してＳＯＦＣに再循環している。ＳＯＦＣの発電を停止する場合には、ＳＯＦＣの空気系統と燃料系統の系統差圧を適切に維持すべく、当該系統差圧に応じて、燃料系統にスプレーから水を供給するか又は燃料ベント遮断弁を遮断することで、燃料系統の圧力を調整する。

特許文献２には、ＳＯＦＣとガスタービン発電装置を備えたＳＯＦＣ複合発電装置が開示されている。このＳＯＦＣ複合発電装置では、ＳＯＦＣからの排燃料ガスを排燃料ガス流路から燃料ガス流路に再循環させる再循環流路が設けられており、再循環流路には再循環ブロアが設けられている。再循環ブロアには、通常運転時は燃料ガスが流入し、緊急停止時にはパージガスボンベからのパージガスが供給される。パージガスの投入位置は、再循環流路と再循環ブロアのいずれにすることも可能である。

特開２０１６−９１６４４号公報 特開２０１３−１８２７２０号公報

しかしながら、特許文献１は、燃料ガス排出系（排燃料ガスライン）が水蒸気を含むため、排燃料ブロア内の低温部で水蒸気が凝縮する結果、排燃料ブロアひいてはＳＯＦＣが故障するおそれがある。

これに対して、特許文献２のようなパージガスの供給は、一般的に、水蒸気の凝縮を防止する効果が期待できる。ところが、パージガスは窒素ガス等の不活性ガスとするのが一般的であるため、発電中には燃料系統に不活性ガスが存在する（燃料ガスが不活性ガスで希釈される）こととなる。このため、燃料ガスの分圧が低下して発電効率（発電特性）が低下してしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、再循環ブロア内における水蒸気の凝縮に起因する故障を防止するとともに、優れた発電効率を発揮することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に水蒸気を含んだプロセスガスと改質水蒸気の少なくとも一方を供給するガス供給路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記ガス供給路に再循環させるガス再循環路と、前記ガス再循環路に設けられた再循環ブロアと、前記再循環ブロアの少なくとも一部を冷却可能な冷却部と、前記再循環ブロアの温度、及び／又は、前記ガス再循環路を再循環する前記排出ガスの温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部による検出温度に基づいて、前記再循環ブロアの内部における凝縮を防止するように、前記冷却部の駆動状態を制御する制御部と、前記再循環ブロアに少なくとも２種類のパージガスを供給可能なパージガス供給部と、を有することを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に水蒸気を含んだプロセスガスと改質水蒸気の少なくとも一方を供給するガス供給路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記ガス供給路に再循環させるガス再循環路と、前記ガス再循環路に設けられた再循環ブロアと、前記再循環ブロアに少なくとも２種類のパージガスを供給可能なパージガス供給部と、を有することを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池に水蒸気を含んだプロセスガスと改質水蒸気の少なくとも一方を供給するガス供給路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記ガス供給路に再循環させるガス再循環路と、前記ガス再循環路に設けられた再循環ブロアと、前記再循環ブロアの少なくとも一部を冷却可能な冷却部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記再循環ブロアの温度、及び／又は、前記ガス再循環路を再循環する前記排出ガスの温度を検出する温度検出ステップと、前記温度検出ステップによる検出温度に基づいて、前記再循環ブロアの内部における凝縮を防止するように、前記冷却部の駆動状態を制御する制御ステップと、前記再循環ブロアに少なくとも２種類のパージガスを供給可能なパージガス供給ステップと、を有することを特徴としている。

本発明によれば、再循環ブロア内における水蒸気の凝縮に起因する故障を防止するとともに、優れた発電効率を発揮することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。

第１実施形態の燃料電池システムを示すブロック図である。 再循環ブロア及びその周辺部を示す概略構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムを示す図２に対応する概略構成図である。 第２実施形態の燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。

≪第１実施形態≫
図１〜図４を参照して、第１実施形態の燃料電池システム１について詳細に説明する。図中において、実線（ＳＯＦＣ１０の外部）と破線（ＳＯＦＣ１０の内部）は、例えばガスや水等の流体の流れを示しており、一点鎖線は電気（電流、電力）の流れを示している。

図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）１０を有している。ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。

ＳＯＦＣ１０は、アノードガス流路（燃料ガス流路）１１と、カソードガス流路（酸化剤ガス流路）１２とを有している。

ＳＯＦＣ１０の発電時には、アノードガス流路１１に燃料ガスが供給されて当該燃料ガスがアノードガス流路１１を流れ、カソードガス流路１２に酸化剤ガスが供給されて当該酸化剤ガスがカソードガス流路１２を流れる。アノードガス流路１１に流れる燃料ガスとカソードガス流路１２に流れる酸化剤ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（ＳＯＦＣ１０が発電する）。ＳＯＦＣ１０が発生した直流電流は、インバータ１３によって交流電流に変換される（ＤＣ／ＡＣ変換される）。

ＳＯＦＣ１０の起動昇温時には、アノードガス流路１１に水素ガスと窒素ガスと水蒸気の少なくとも１つを構成要素として含むプロセスガスや改質水蒸気が供給され、当該プロセスガスや改質水蒸気がアノードガス流路１１を流れる。また、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時には、カソードガス流路１２に燃料ガスと酸化剤ガスを燃焼反応させた燃焼排ガスが供給され、当該燃焼排ガスがカソードガス流路１２を流れる。尚、水素ガスと窒素ガスはＳＯＦＣ１０等のパージガスとして使用する場合もある。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に、アノードガス流路１１にプロセスガスや改質水蒸気を供給するためのプロセスガス供給路（ガス供給路、改質水蒸気供給路）２０を有している。プロセスガス供給路２０には、当該プロセスガス供給路２０を介したプロセスガスや改質水蒸気の供給を許容又は禁止するための遮断弁２１が設けられている。この遮断弁２１は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に開状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に閉状態となるが、その開閉制御には自由度がある。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の発電時に、アノードガス流路１１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路（ガス供給路）３０を有している。燃料ガス供給路３０には、当該燃料ガス供給路３０を介した燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁３１が設けられている。この遮断弁３１は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に閉状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に開状態となるが、その開閉制御には自由度がある。また、燃料ガス供給路３０の遮断弁３１より上流側には、燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器３２が設けられている。

プロセスガス供給路２０と燃料ガス供給路３０は、合流して一体となった後にアノードガス流路１１に導かれる。図１では、プロセスガス供給路２０と燃料ガス供給路３０が合流したものを１本のガス供給路２０、３０として描いている。遮断弁２１と遮断弁３１は、例えば、一方が開状態のときに他方が閉状態となるように制御され、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１には、プロセスガス供給路２０を介してプロセスガスが供給されるか、あるいは、燃料ガス供給路３０を介して燃料ガスが供給される。また、遮断弁２１と遮断弁３１が共に開状態であるときは、アノードガス流路１１に、プロセスガスや改質水蒸気と燃料ガスの混合ガスが供給される。

燃料電池システム１は、熱交換器４０を有している。この熱交換器４０は、第１の再循環路４１と、第２の再循環路（ガス再循環路）４２とを有している。第１の再循環路４１は、アノードガス流路１１の出口部からの排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の一部分をアノードガス流路１１の入口部に再循環させることによりＳＯＦＣ１０を加熱し、アノードガス流路１１の出口部からの排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の他部分を第２の再循環路４２に排出する。第２の再循環路４２は、アノードガス流路１１から第１の再循環路４１を介して排出された排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の一部分をプロセスガス供給路２０又は燃料ガス供給路３０（これらが合流した１本のガス供給路２０、３０）に再循環させ、アノードガス流路１１から第１の再循環路４１を介して排出された排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の他部分を排熱回収器７０に排出する。

燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ１０の発電時に、カソードガス流路１２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路５０を有している。酸化剤ガス供給路５０には、空気ブロア５１によって大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれる。

燃料電池システム１は、熱交換器６０を有している。この熱交換器６０は、酸化剤ガス排出路６１を有している。酸化剤ガス排出路６１は、カソードガス流路１２の出口部からの排出ガス（酸化剤ガス）を排熱回収器７０に排出する。

燃料電池システム１は、排熱回収器７０を有している。排熱回収器７０は、熱交換器４０（第２の再循環路４２）と熱交換器６０（酸化剤ガス排出路６１）からの排出ガスを燃焼することにより当該排出ガス中の不純物を除去した上で排気する。排熱回収器７０が排出ガスを燃焼することで発生した熱は、温水熱交換器８０で熱利用されて、外部タンク（図示略）等から循環する低温水を高温水に加熱する。

燃料ガス供給路３０の遮断弁３１より上流側かつ脱硫器３２より下流側からは、燃料ガス分岐路９０が分岐しており、酸化剤ガス供給路５０からは、酸化剤ガス分岐路１００が分岐している。燃料ガス分岐路９０には、当該燃料ガス分岐路９０を介した燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁９１が設けられており、酸化剤ガス分岐路１００には、当該酸化剤ガス分岐路１００を介した酸化剤ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁１０１が設けられている。遮断弁９１と遮断弁１０１は、例えば、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時に開状態となり、ＳＯＦＣ１０の発電時に閉状態となるように制御される。

燃料ガス分岐路９０と酸化剤ガス分岐路１００の合流点には、起動バーナ（起動用昇温器）１１０が設けられている。この起動バーナ１１０は、ＳＯＦＣ１０の起動昇温時にオン状態（着火状態）となり、燃料ガス分岐路９０から供給された燃料ガスと酸化剤ガス分岐路１００から供給された酸化剤ガスを燃焼反応させて燃焼排ガスを生成する。起動バーナ１１０が生成した燃焼排ガスがカソードガス流路１２を流れることにより、ＳＯＦＣ１０が起動昇温される。なお、アノードガス流路１１及びカソードガス流路１２と別に、起動バーナ１１０による燃焼排ガスを流すための燃焼排ガス用の流路（第３の流路）を設けてもよい。

図１、図２に示すように、熱交換器４０の第２の再循環路（ガス再循環路）４２には、再循環ブロア１２０が設けられている。再循環ブロア１２０は、第２の再循環路４２を再循環する排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）を吸引・吐出するブロア用ファン１２１と、このブロア用ファン１２１を回転駆動する駆動モータ１２２と、ブロア用ファン１２１と駆動モータ１２２を連結する回転軸１２３とを有している。

再循環ブロア１２０には、温度検出部１３０が設けられている。この温度検出部１３０は、再循環ブロア１２０（ブロア用ファン１２１、駆動モータ１２２、回転軸１２３）の温度を検出することができる。また、温度検出部１３０は、第２の再循環路４２を再循環する排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の温度を検出することができる。また、温度検出部１３０は、再循環ブロア１２０（ブロア用ファン１２１、駆動モータ１２２、回転軸１２３）の温度と、第２の再循環路４２を再循環する排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の少なくとも一点を検出することができる。また、温度検出部１３０は、再循環ブロア１２０（ブロア用ファン１２１、駆動モータ１２２、回転軸１２３）の温度と、第２の再循環路４２を再循環する排出ガス（プロセスガス及び／又は燃料ガス）の温度の平均値を検出することができる。以下では、温度検出部１３０が検出したこれらいずれかの温度を「温度検出部１３０による検出温度」と呼ぶ。

再循環ブロア１２０の近傍には、再循環ブロア１２０の少なくとも一部を冷却可能な冷却装置（冷却部）１４０が設けられている。「再循環ブロア１２０の少なくとも一部」は、例えば、駆動モータ１２２や回転軸１２３の他、軸受け等の摺動部の各種構成要素を意味している。この冷却装置１４０は、再循環ブロア１２０の駆動モータ１２２や回転軸１２３等に冷却風を吹き付ける冷却ファン１４１と、この冷却ファン１４１を回転駆動する駆動モータ１４２と、冷却ファン１４１と駆動モータ１４２を連結する回転軸１４３とを有している。

冷却装置１４０には、当該冷却装置１４０の駆動状態を制御する制御部１５０が接続されている。制御部１５０は、例えば、冷却装置１４０の冷却ファン１４１の回転数を制御するインバータを有している。

制御部１５０は、温度検出部１３０による検出温度に基づいて、再循環ブロア１２０の内部（例えば駆動モータ１２２や回転軸１２３等）における水蒸気の凝縮を防止するように、冷却装置１４０（冷却ファン１４１）の駆動状態を制御する。

より具体的に、制御部１５０は、温度検出部１３０による検出温度が第１の温度閾値以上であるときに、冷却装置１４０（冷却ファン１４１）を駆動し、温度検出部１３０による検出温度が第１の温度閾値よりも低い第２の温度閾値まで下がったときに、冷却装置１４０（冷却ファン１４１）の駆動を停止する。

ここで、例えば、第１の温度閾値は略１２０℃に設定することができ、第２の温度閾値は略１００℃に設定することができる。この場合、制御部１５０による制御の下で、冷却装置１４０（冷却ファン１４１）が駆動と駆動停止を繰り返すことにより、再循環ブロア１２０の駆動モータ１２２や回転軸１２３の温度が、略１００℃から略１２０℃の間で制御される。

これにより、再循環ブロア１２０の内部（例えば駆動モータ１２２や回転軸１２３等）における水蒸気の凝縮、これに起因する再循環ブロア１２０ひいては燃料電池システム１の故障を防止することができる。また、再循環ブロア１２０の駆動モータ１２２や回転軸１２３等が高温になりすぎることがないので、この点でも、再循環ブロア１２０ひいては燃料電池システム１の故障を防止することができる。また、上述した特許文献２のようなパージガス（窒素ガス等の不活性ガス）の供給が不要であるため、燃料ガスの分圧が低下することがなく、優れた発電効率を発揮することができる。またパージガスの供給機構が不要であるため、燃料電池システム１の構成を簡素にすることができる。

図３のフローチャートを参照して、第１実施形態の燃料電池システム１の起動時の動作について詳細に説明する。

ステップＳＴ１では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、プロセスガスとしての窒素ガスの供給が開始される。ステップＳＴ２では、熱交換器４０の第１の再循環路４１と第２の再循環路４２により、アノードガス流路１１に供給された窒素ガスの再循環が開始される。このようにして、ステップＳＴ３では、ＳＯＦＣ１０の昇温が開始される。

なお、ＳＯＦＣ１０の昇温時には、当該ＳＯＦＣ１０のカソードガス流路１２に、酸化剤ガス又は起動バーナ１１０による燃焼排ガスが供給されており、当該酸化剤ガス又は燃焼排ガスが熱交換器６０において酸化剤ガス排出路６１により加熱される。これにより、ＳＯＦＣ１０の昇温効果が促進される。

ステップＳＴ４では、ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度（例えば５００℃）に到達したか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度に到達したときは（ステップＳＴ４：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ５に進む。ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度に到達していないときは（ステップＳＴ４：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度に到達するのを待つ。

ステップＳＴ５では、制御部１５０による冷却装置１４０の駆動制御が開始される。すなわち、制御部１５０は、温度検出部１３０による検出温度が第１の温度閾値以上であるときに、冷却装置１４０を駆動し、温度検出部１３０による検出温度が第１の温度閾値よりも低い第２の温度閾値まで下がったときに、冷却装置１４０の駆動を停止する。これにより、再循環ブロア１２０の内部温度が所定温度（例えば、第１の温度閾値が略１２０℃であり、第２の温度閾値が略１００℃である場合には、略１１０℃）に維持される。

ステップＳＴ６では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、改質水蒸気の供給が開始される。

ステップＳＴ７では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、燃料ガスの供給が開始される。ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に燃料ガスが供給されているとき、ＳＯＦＣ１０のカソードガス流路１２には酸化剤ガスが供給されている。そして、アノードガス流路１１に供給された燃料ガスとカソードガス流路１２に供給された酸化剤ガスが電気化学反応を起こすことによって、ＳＯＦＣ１０が発電する。なお、アノードガス流路１１への改質水蒸気の供給は、例えば、ＳＯＦＣ１０の発電負荷が約３０％に到達した時点で停止してもよい。

図４のフローチャートを参照して、第１実施形態の燃料電池システム１の停止時の動作について詳細に説明する。

ステップＳＴ１１では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、改質水蒸気の供給が開始される。これにより、ステップＳＴ１２では、ＳＯＦＣ１０の冷却が開始される。

ステップＳＴ１３では、ＳＯＦＣ１０が第１の発電停止準備温度（例えば５００℃）以下であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０が第１の発電停止準備温度以下であるときは（ステップＳＴ１３：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１４に進む。ＳＯＦＣ１０が第１の発電停止準備温度より高いときは（ステップＳＴ１３：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が第１の発電停止準備温度以下となるのを待つ。

ステップＳＴ１４では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１への燃料ガスの供給が停止される。ステップＳＴ１５では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、窒素ガスの供給が開始される。ステップＳＴ１６では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１への改質水蒸気の供給が停止される。

ステップＳＴ１７では、ＳＯＦＣ１０が第２の発電停止準備温度（例えば１００℃）以下であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０が第２の発電停止準備温度以下であるときは（ステップＳＴ１７：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ１８に進む。ＳＯＦＣ１０が第２の発電停止準備温度より高いときは（ステップＳＴ１７：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が第２の発電停止準備温度以下となるのを待つ。

ステップＳＴ１８では、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１への窒素ガスの供給が停止される。ステップＳＴ１９では、熱交換器４０の第１の再循環路４１と第２の再循環路４２による窒素ガスの再循環が停止される。このようにして、燃料電池システム１が停止される。

≪第２実施形態≫
図５〜図７を参照して、第２実施形態の燃料電池システム１について詳細に説明する。

第２実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態の燃料電池システム１において、温度検出部１３０、冷却装置１４０及び制御部１５０を省略して、代わりに、窒素ガスパージ部（パージガス供給部）１６０及び燃料ガスパージ部（パージガス供給部）１７０を設けたものである。

窒素ガスパージ部１６０は、再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路（ガス再循環路）４２に、パージガスとしての窒素ガスを供給する。窒素ガスパージ部１６０から再循環ブロア１２０へのガス供給路には、当該ガス供給路を介した窒素ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁１６１が設けられている。

燃料ガスパージ部１７０は、再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路（ガス再循環路）４２に、パージガスとしての燃料ガスを供給する。燃料ガスパージ部１７０から再循環ブロア１２０へのガス供給路には、当該ガス供給路を介した燃料ガスの供給を許容又は禁止するための遮断弁１７１が設けられている。

窒素ガスパージ部１６０と燃料ガスパージ部１７０は、窒素ガスと燃料ガスの２種類のパージガスを選択的に供給可能である。このため、遮断弁１６１と遮断弁１７１は、一方が開状態のときに他方が閉状態になるように制御される。なお、窒素ガスパージ部１６０と燃料ガスパージ部１７０に加えて第３のガスパージ部を設けることで、３種類以上のパージガスを選択的に供給可能としてもよい。

燃料電池システム１の起動時にＳＯＦＣ１０の温度が所定温度に昇温するまでは、窒素ガスパージ部１６０が窒素ガスを再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に供給する。ＳＯＦＣ１０の温度が所定温度に昇温した後は、燃料ガスパージ部１７０が燃料ガスを再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に供給する。窒素ガスパージから燃料ガスパージに切り替えることで、窒素供給設備を小型化することが可能となる。

燃料電池システム１の停止時にＳＯＦＣ１０の温度が所定温度に降温するまでは、窒素ガスパージ部１６０が窒素ガスを再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に供給する。ＳＯＦＣ１０の温度が所定温度に降温した後は、窒素ガスパージ部１６０が窒素ガスを再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に供給しない。

図６のフローチャートを参照して、第２実施形態の燃料電池システム１の起動時の動作について詳細に説明する。

ステップＳＴ３１では、プロセスガス供給路２０を介して、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、プロセスガスとしての窒素ガスの供給が開始される。ステップＳＴ３２では、窒素ガスパージ部１６０を介して、再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に、プロセスガスとしての窒素ガスの供給が開始される。ステップＳＴ３３では、熱交換器４０の第１の再循環路４１と第２の再循環路４２により、アノードガス流路１１に供給された窒素ガスの再循環が開始される。このようにして、ステップＳＴ３４では、ＳＯＦＣ１０の昇温が開始される。

ステップＳＴ３５では、ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度（例えば６００℃）に到達したか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度に到達したときは（ステップＳＴ３５：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ３６に進む。ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度に到達していないときは（ステップＳＴ３５：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が所定の発電準備温度に到達するのを待つ。

ステップＳＴ３６では、プロセスガス供給路２０を介して、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、改質水蒸気の供給が開始される。ステップＳＴ３７では、燃料ガス供給路３０を介して、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、燃料ガスの供給が開始される。

ステップＳＴ３８では、燃料ガスパージ部１７０を介して、再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に、燃料ガスの供給が開始される。ステップＳＴ３９では、窒素ガスパージ部１６０を介した窒素ガスの供給が停止される。ステップＳＴ３８とステップＳＴ３９の処理は略同時に実行されてもよい。ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に燃料ガスが供給されているとき、ＳＯＦＣ１０のカソードガス流路１２には酸化剤ガスが供給されている。そして、アノードガス流路１１に供給された燃料ガスとカソードガス流路１２に供給された酸化剤ガスが電気化学反応を起こすことによって、ＳＯＦＣ１０が発電する。なお、アノードガス流路１１への改質水蒸気の供給は、例えば、ＳＯＦＣ１０の発電負荷が約３０％に到達した時点で停止してもよい。

図７のフローチャートを参照して、第２実施形態の燃料電池システム１の停止時の動作について詳細に説明する。

ステップＳＴ４１では、プロセスガス供給路２０を介して、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１に、窒素ガスの供給が開始される。ステップＳＴ４２では、窒素ガスパージ部１６０を介して、再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に、窒素ガスの供給が開始される。ステップＳＴ４３では、燃料ガスパージ部１７０を介した燃料ガスの供給が停止される。ステップＳＴ４２とステップＳＴ４３の処理は略同時に実行されてもよい。このようにして、ステップＳＴ４４では、ＳＯＦＣ１０の冷却が開始される。

ステップＳＴ４５では、ＳＯＦＣ１０が所定のパージ停止準備温度（例えば１００℃）以下であるか否かが判定される。ＳＯＦＣ１０が所定のパージ停止準備温度以下であるときは（ステップＳＴ４５：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ４６に進む。ＳＯＦＣ１０が所定のパージ停止準備温度より高いときは（ステップＳＴ４５：Ｎｏ）、ＳＯＦＣ１０が所定のパージ停止準備温度以下となるのを待つ。

ステップＳＴ４６では、窒素ガスパージ部１６０を介した窒素ガスの供給が停止される。ステップＳＴ４７では、プロセスガス供給路２０を介したＳＯＦＣ１０のアノードガス流路１１への窒素ガスの供給が停止される。ステップＳＴ４８では、熱交換器４０の第１の再循環路４１と第２の再循環路４２による窒素ガスの再循環が停止される。このようにして、燃料電池システム１が停止される。

第２実施形態の燃料電池システム１によれば、窒素ガスパージ部１６０を介した窒素ガスの供給（パージ）と燃料ガスパージ部１７０を介した燃料ガスの供給（パージ）とが、適切なタイミングで切り替えられる。このため、再循環ブロア１２０の内部で水蒸気の凝縮が発生しない。また、たとえ再循環ブロア１２０の内部（例えば駆動モータ１２２や回転軸１２３等）において水蒸気の凝縮が発生した場合であっても、パージガスによって凝縮水を吹き飛ばし、再循環ブロア１２０ひいては燃料電池システム１の故障を防止することができる。また、窒素ガスパージ部１６０を介した窒素ガスの供給（パージ）により、ＳＯＦＣ１０の起動昇温の促進と、ＳＯＦＣ１０による発電停止時の冷却の促進を図ることができる。また、燃料ガスパージ部１７０を介した燃料ガスの供給（パージ）により、ＳＯＦＣ１０の発電効率の向上を図ることができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態の燃料電池システム１と第２実施形態の燃料電池システム１を組み合わせたものである。第３実施形態の燃料電池システム１は、温度検出部１３０、冷却装置１４０、制御部１５０、窒素ガスパージ部１６０及び燃料ガスパージ部１７０を構成要素として含んでいる。

すなわち、第３実施形態の燃料電池システム１では、温度検出部１３０が、再循環ブロア１２０の温度、及び／又は、ガス再循環路４２を再循環する排出ガスの温度を検出し、制御部１５０が、温度検出部１３０による検出温度に基づいて、再循環ブロア１２０の内部における凝縮を防止するように、冷却装置１４０の駆動状態を制御する。これと同時に、窒素ガスパージ部１６０と燃料ガスパージ部１７０（パージガス供給部）が、窒素ガスと燃料ガス（パージガス）を、最適なタイミングで再循環ブロア１２０さらには第２の再循環路４２に供給（パージ）する。これにより、再循環ブロア１２０内における水蒸気の凝縮に起因する故障を防止するとともに、優れた発電効率を発揮することが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、第１の温度閾値を略１２０℃に設定し、第２の温度閾値を略１００℃に設定した場合を例示したが、第１、第２の温度閾値はこれらに限定されることはなく、種々の設計変更が可能である。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。

１ 燃料電池システム
１０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
１１ アノードガス流路（燃料ガス流路）
１２ カソードガス流路（酸化剤ガス流路）
１３ インバータ
２０ プロセスガス供給路（ガス供給路、改質水蒸気供給路）
２１ 遮断弁
３０ 燃料ガス供給路（ガス供給路）
３１ 遮断弁
３２ 脱硫器
４０ 熱交換器
４１ 第１の再循環路
４２ 第２の再循環路（ガス再循環路）
５０ 酸化剤ガス供給路
５１ 空気ブロア
６０ 熱交換器
６１ 酸化剤ガス排出路
７０ 排熱回収器
８０ 温水熱交換器
９０ 燃料ガス分岐路
９１ 遮断弁
１００ 酸化剤ガス分岐路
１０１ 遮断弁
１１０ 起動バーナ（起動用昇温器）
１２０ 再循環ブロア
１２１ ブロア用ファン
１２２ 駆動モータ
１２３ 回転軸
１３０ 温度検出部
１４０ 冷却装置（冷却部）
１４１ 冷却ファン
１４２ 駆動モータ
１４３ 回転軸
１５０ 制御部（インバータ）
１６０ 窒素ガスパージ部（パージガス供給部）
１６１ 遮断弁
１７０ 燃料ガスパージ部（パージガス供給部）
１７１ 遮断弁

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池に水蒸気を含んだプロセスガスと改質水蒸気の少なくとも一方を供給するガス供給路と、
   前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記ガス供給路に再循環させるガス再循環路と、
   前記ガス再循環路に設けられた再循環ブロアと、
   前記再循環ブロアの少なくとも一部を冷却可能な冷却部と、
   前記再循環ブロアの温度、及び／又は、前記ガス再循環路を再循環する前記排出ガスの温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部による検出温度に基づいて、前記再循環ブロアの内部における凝縮を防止するように、前記冷却部の駆動状態を制御する制御部と、
   前記再循環ブロアに少なくとも２種類のパージガスを供給可能なパージガス供給部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記温度検出部による検出温度が第１の温度閾値以上であるときに、前記冷却部を駆動し、前記温度検出部による検出温度が前記第１の温度閾値よりも低い第２の温度閾値まで下がったときに、前記冷却部の駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１の温度閾値は略１２０℃に設定されており、前記第２の温度閾値は略１００℃に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却部は、冷却ファンを有し、前記制御部は、前記冷却ファンの回転数を制御するインバータを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記パージガス供給部は、前記パージガスとして窒素ガスと前記燃料ガスを選択的に前記再循環ブロアに供給可能であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記パージガス供給部は、前記燃料電池システムの起動時に前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に昇温するまでは、前記窒素ガスを前記再循環ブロアに供給し、前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に昇温した後は、前記燃料ガスを前記再循環ブロアに供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記パージガス供給部は、前記燃料電池システムの停止時に前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に降温するまでは、前記窒素ガスを前記再循環ブロアに供給し、前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に降温した後は、前記窒素ガスを前記再循環ブロアに供給しないことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池に水蒸気を含んだプロセスガスと改質水蒸気の少なくとも一方を供給するガス供給路と、
   前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記ガス供給路に再循環させるガス再循環路と、
   前記ガス再循環路に設けられた再循環ブロアと、
   前記再循環ブロアに少なくとも２種類のパージガスを供給可能なパージガス供給部と、
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記パージガス供給部は、前記パージガスとして窒素ガスと前記燃料ガスを選択的に前記再循環ブロアに供給可能であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記パージガス供給部は、前記燃料電池システムの起動時に前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に昇温するまでは、前記窒素ガスを前記再循環ブロアに供給し、前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に昇温した後は、前記燃料ガスを前記再循環ブロアに供給することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記パージガス供給部は、前記燃料電池システムの停止時に前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に降温するまでは、前記窒素ガスを前記再循環ブロアに供給し、前記固体酸化物形燃料電池の温度が所定温度に降温した後は、前記窒素ガスを前記再循環ブロアに供給しないことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
    前記固体酸化物形燃料電池に水蒸気を含んだプロセスガスと改質水蒸気の少なくとも一方を供給するガス供給路と、
    前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記ガス供給路に再循環させるガス再循環路と、
    前記ガス再循環路に設けられた再循環ブロアと、
    前記再循環ブロアの少なくとも一部を冷却可能な冷却部と、
    を有する燃料電池システムの運転方法であって、
    前記再循環ブロアの温度、及び／又は、前記ガス再循環路を再循環する前記排出ガスの温度を検出する温度検出ステップと、
    前記温度検出ステップによる検出温度に基づいて、前記再循環ブロアの内部における凝縮を防止するように、前記冷却部の駆動状態を制御する制御ステップと、
    前記再循環ブロアに少なくとも２種類のパージガスを供給可能なパージガス供給ステップと、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
13. 前記制御ステップでは、前記温度検出ステップによる検出温度が第１の温度閾値以上であるときに、前記冷却部を駆動し、前記温度検出ステップによる検出温度が前記第１の温度閾値よりも低い第２の温度閾値まで下がったときに、前記冷却部の駆動を停止することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。

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