JP6946490B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システム及びその制御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）
特許第６５９１１１２号公報
ＳＯＦＣを用いたシステムでは、ターボチャージャの圧縮機によって酸化性ガスを圧縮してＳＯＦＣへ供給し、ＳＯＦＣから排出された排酸化性ガスと排燃料ガスの一部を燃焼させた燃焼ガス（排ガス）をターボチャージャのタービンへ供給して該圧縮機を駆動する場合がある。このとき、外気温度の上昇や低下によってターボチャージャの運転状態が不安定化する可能性がある。例えば、外気温度が低いと圧縮機から供給する空気の質量流量が増加することで、タービンへ供給される燃焼ガス（排ガス）の質量流量が増加してチョーク状態となって、タービン上流側圧力が増加して、タービンの燃焼ガス排気抵抗が過大となる可能性がある。また、例えば外気温度が高いと、燃料電池に供給される空気温度も上昇して出力が低下したり、燃料電池を高出力で運転するのに充分な空気流量を供給できなくなる場合が生じて出力を抑えて運転しなければならなくなる可能性があり、燃料電池出力を定格に維持できなくなる可能性がある。このため、ターボチャージャ自体の運転からの制御方法としては、外気温度が低いために圧縮機から供給する空気の質量流量が増加した場合は、タービン入口で増加した空気を系外に放出する場合がある。また外気温度が高いためにタービン入口温度が上昇した場合にはタービン入口で温度の低いガスを混入したり、熱交換器で冷却する場合がある。ＳＯＦＣを用いた発電システムでは、タービン入口での燃焼ガスの質量流量やガス温度は、発電システム全体のエネルギバランスに影響して、発電システムの性能を低下させる場合があるため、発電システムの性能への影響が少なく、簡易で安定した制御が望まれている。
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、システムの運転をより安定化させることのできる燃料電池システム及びその制御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、前記タービンから排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスラインへ排ガスを流通させる熱交換器と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の上流側に一端が接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられた流量調整弁と、外気温度に基づいて前記流量調整弁を制御し、酸化性ガスのバイパス流量を制御する制御装置と、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、前記タービンから排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスラインへ排ガスを流通させる熱交換器と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の上流側に一端が接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられた流量調整弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、外気温度に基づいて前記流量調整弁を制御し、酸化性ガスのバイパス流量を制御する制御方法である。
本開示によれば、システムの運転をより安定化させる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実施形態に係る外気温度が低い場合の処理の一例を示すフローチャートである。 本開示の第１実施形態に係る気温度が高い場合の処理の一例を示すフローチャートである。 本開示の第１実施形態に係る各機器での温度状態の一例を示す概念図である。 本開示の第１実施形態に係る各機器での流量状態の一例を示す概念図である。 本開示の第１実施形態に係る各機器での温度状態の一例を示す概念図である。 本開示の第１実施形態に係る各機器での流量状態の一例を示す概念図である。 本開示の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示した図である。
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその制御方法の第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を混合して図示しない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、放出弁（抽気ブロー弁）４４５が設けられている。すなわち、放出弁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供給ライン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、外気温度に基づいてＳＯＦＣ３１３へ供給する酸化性ガスに対して制御を行う。本実施形態では、圧縮機４２１は酸化性ガスとして空気（外気）を取り込んでいる。このため、外気温度（大気温度）とは、圧縮機４２１が吸い込む空気の温度となる。すなわち、空気取り込みライン３２５に温度計３６３を設けられ、計測値が制御装置２０へ入力される。なお、酸化性ガスの温度状態がわかれば、温度計３６３の設置位置については限定されない。また、外気温度を直接計測せず他の情報に基づいて外気温度を推定することとしてもよい。
図４のような構成において、酸化性ガスブローライン４４４及び熱交換器バイパスライン３３２は、酸化性ガス供給ライン３３１において、タービン４２３から排出された燃焼ガスによって酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスを加熱する熱交換器４３０の上流側に一端が接続されており、熱交換器４３０をバイパスする流路となる。このため、酸化性ガスブローライン４４４及び熱交換器バイパスライン３３２のそれぞれは、酸化性ガスの少なくとも一部が熱交換器４３０をバイパスするバイパスラインとなる。また、酸化性ガスブローライン４４４に設けられている放出弁４４５及び熱交換器バイパスライン３３２に設けられている制御弁３３６のそれぞれについては、バイパスラインを流通する酸化性ガスの流量を調整する流量調整弁となる。
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、例えば空気取り込みライン３２５に設けた温度計３６３により入力される外気温度に基づいて流量調整弁（放出弁４４５及び／または制御弁３３６）を制御し、酸化性ガスのバイパス流量を制御する。外気温度は、高い場合と低い場合のそれぞれにおいて燃料電池システム３１０の運転状態に影響を及ぼす。具体的には、外気温度が低いと圧縮機４２１から供給する空気Ａの質量流量が増加することで、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量が増加してチョーク状態となり、タービン４２３より上流側圧力が増加して、タービン４２３の排ガス排気抵抗が過大となる可能性がある。また、外気温度が高いと、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスの温度も上昇して出力が低下したり、ＳＯＦＣ３１３を高出力で運転するのに充分な酸化性ガスの流量を供給できなくなる場合が生じて、出力を抑えて運転しなければならなくなる可能性があり、ＳＯＦＣ３１３の出力を定格に維持できなくなる可能性がる。このため、制御装置２０は、外気温度が高い場合と低い場合とで、それぞれ制御を行う。なお、外気温度が低い場合とは、外気温度が所定温度以下の場合である。外気温度が低い場合の所定温度は、チョーク状態が発生すると想定される状態量（外気温度）に基づいて設定されている。また、外気温度が高い場合とは、外気温度が所定温度以上の場合である。外気温度が高い場合の所定温度は、外気温度が上昇して圧縮機４２１の出口における酸化性ガスの温度が上昇した場合に、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスの温度がＳＯＦＣ３１３を保護のために必要な冷却性能を満たせなくなる温度に対応して設定される。
まず、外気温度が低い場合の制御について説明する。
外気温度が低い場合には、空気密度が増加して、圧縮機４２１から供給する空気Ａの質量流量が増加することで、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量が増加してチョーク状態に陥り、タービン４２３の排ガス排気抵抗が過大となる可能性がある。このため、外気温度が低い場合には、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量が制御される。
具体的には、制御装置２０は、外気温度に基づいて圧縮機４２１から供給する空気Ａの流量調整弁としての放出弁４４５を制御し、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３を経由して触媒燃焼器４２２を介して最終的にタービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量を調整する。図４に示すように、タービン４２３から排出された燃焼ガスを系外へ放出する燃焼排ガスライン（排ガスライン）３２９が設けられている。そして、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における熱交換器４３０の上流側に接続されており、他端が燃焼排ガスライン３２９における熱交換器４３０の下流側に接続されている。
このため、制御装置２０は、外気温度が所定値以下となった場合に、放出弁４４５を制御して酸化性ガスブローライン４４４を通過する酸化性ガスの質量流量を増加させる。これにより、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスの一部を、燃料電池システム３１０の酸化性ガスの系統のできるだけ上流の位置として、ＳＯＦＣ３１３及び熱交換器４３０へ流入する前段階において、酸化性ガスの一部を大気放出することができる。すなわち、燃料電池システム３１０の酸化性ガスの系統の主要機器のなかでも最も上流に設けられた熱交換器４３０よりも上流の位置で、酸化性ガスの増加した質量流量を調整して、外気温度の低下で増加した質量流量に応じたの酸化性ガスを酸化性ガスブローライン４４４より放出することができる。このため、酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統の熱交換器４３０及びＳＯＦＣ３１３を含む下流側の各位置で、外気温度が低くなることで酸化性ガスが増加する前の質量流量に近い質量流量に調整され、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量も増加する前の質量流量に近い質量流量に調整される。
酸化性ガスブローライン４４４を通過させて系外へ続くラインへ放出する酸化性ガスの質量流量については、例えば、外気温度に対して予め質量流量を設定しておいてもよく、放出弁４４５（ブロー弁）を制御して外気温度に対応して設定された質量流量が酸化性ガスブローライン４４４から系外へ続くラインへと放出されてもよい。
このように、酸化性ガス系統の流路の最上流側にある熱交換器４３０へ接続された圧縮機４２１の出口側から、外気温度の低下で増加した質量流量に応じた酸化性ガスを余剰ガスとして系外へ排気している。このため、外気温度が低くなる前の、酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統の各機器では増加する前の質量流量に近い質量流量が通過するので、ＳＯＦＣ３１３の性能低下が抑制される。すなわち、システム効率の低下を抑制しつつ、運転を安定化させることができる。
次に、外気温度が高い場合の制御について説明する。
外気温度が高い場合には、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスの温度が高くなり、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスの温度も上昇して出力が低下したり、ＳＯＦＣ３１３を高出力で運転するのに充分な酸化性ガスの流量を供給できなくなる場合が生じて出力を抑えて運転しなければならなくなる可能性がある。このため、外気温度が高い場合には、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度が上がらないように制御される。
具体的には、制御装置２０は、外気温度に基づいて制御弁３３６を制御し、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの温度を調整する。図４に示すように、熱交換器バイパスライン３３２は、一端が酸化性ガス供給ライン３３１における熱交換器４３０の上流側に接続されており、他端が酸化性ガス供給ライン３３１における熱交換器４３０の下流側に接続されている。
このため、制御装置２０は、外気温度が所定値以上となった場合に、制御弁３３６を制御して熱交換器バイパスライン３３２を流通する酸化性ガスの流量を増加させる。これにより、熱交換器４３０によって加熱される酸化性ガスの流量を低下させることができるため、熱交換器４３０による酸化性ガスへの加熱量を低減する。熱交換器４３０を出た酸化性ガスは酸化性ガス供給ライン３３１へ流通し、熱交換器バイパスライン３３２を流通した酸化性ガスと合流してＳＯＦＣ３１３の空気極１１３へ供給される。すなわち、空気極１１３へ供給される酸化性ガスＡ２、温度が調整されることになり、外気温度が高い場合でもＳＯＦＣ３１３とその内部の酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統の温度が、外気温度が高くなる前と同様の温度となるように調整することができる。
熱交換器バイパスライン３３２の酸化性ガスの流量については、例えば、外気温度に対して予め流量を設定しておいてもよく、外気温度に対応して設定された流量が熱交換器４３０をバイパスされてもよい。例えば、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３へ供給される酸化性ガスの温度が所定温度となるように熱交換器４３０をバイパスする熱交換器バイパスライン３３２を流通する酸化性ガスの流量を制御弁３３６を制御して調整されることとしてもよい。
このように、外気温度が高い場合でも、酸化性ガス系統の上流側にある熱交換器４３０をバイパスさせて、酸化性ガス温度を調整して、ＳＯＦＣ３１３とその内部の酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統の温度が、外気温度が高くなる前と同様の温度に調整できるため、ＳＯＦＣ３１３の性能低下を抑制できる。また、酸化性ガスが流通する流路の温度（タービン４２３の出口温度、熱交換器４３０の入口温度等）の上昇が抑制され、システム効率の低下を抑制しつつ、運転を安定化させることができる。
次に、上述の制御装置２０による外気温度が低い場合の処理の一例について図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る外気温度が低い場合の処理の手順の一例を示すフローチャートである。図６に示すフローは、例えば、所定の制御周期で繰り返し実行される。
まず、外気温度を取得する（Ｓ１０１）。
次に、外気温度が所定値以下であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。Ｓ１０２において、外気温度が低い状態であるか否かが判定される。
外気温度が所定値以下でない場合（Ｓ１０２のＮＯ判定）には、処理を終了する。
外気温度が所定値以下である場合（Ｓ１０２のＹＥＳ判定）には、放出弁４４５に対して制御を行い、酸化性ガスブローライン４４４を流通する酸化性ガスの流量を制御する（Ｓ１０３）。Ｓ１０３においては、所定値以下である外気温度と放出弁４４５の開度とが予め対応付けられた情報に基づいて、制御が行われ、タービン４２３がチョーク状態とならないように制御がされる。なお、酸化性ガスブローライン４４４を流通する酸化性ガスの流量を計測して、外気温度と対応付けられた規定の流量となるよう放出弁４４５の開度の調整を行ってもよい。
次に、上述の制御装置２０による外気温度が高い場合の処理の一例について図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る外気温度が高い場合の処理の手順の一例を示すフローチャートである。図７に示すフローは、例えば、所定の制御周期で繰り返し実行される。
まず、外気温度を取得する（Ｓ２０１）。
次に、外気温度が所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。Ｓ２０２において、外気温度が高い状態であるか否かが判定される。
外気温度が所定値以上でない場合（Ｓ２０２のＮＯ判定）には、処理を終了する。
外気温度が所定値以上である場合（Ｓ２０２のＹＥＳ判定）には、制御弁３３６に対して制御を行い、熱交換器バイパスライン３３２の酸化性ガスの流量を制御する（Ｓ２０３）。Ｓ２０３においては、所定値以上である外気温度と制御弁３３６の開度とが予め対応付けられた情報に基づいて、制御が行われ、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの温度がタービン４２３の入口上限温度とならないように制御がされる。なお、熱交換器バイパスライン３３２の酸化性ガスの流量を計測して、外気温度と対応付けられた規定の流量となるよう制御弁３３６の開度の調整を行ってもよい。
次に、外気温度が低い場合の制御に対応する各機器での運転状態を説明する。図８は、ガスが流通する各機器（各位置）と、流通するガス（酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統）の温度との対応を示している。図９は、ガスが流通する各機器（各位置）と、流通するガス（酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統）の質量流量との対応を示している。ガスが流通する各機器については、ガスの上流側から順番に、圧縮機（４２１）入口、圧縮機出口、熱交換器（４３０）出口、ＳＯＦＣ（１１３）入口、ＳＯＦＣ出口、触媒燃焼器（４２２）入口、触媒燃焼器出口の各位置の状態を示している。なお、図８及び図９では、外気温度通常時の温度状態をＴ１（実線）とし流量状態をＦ１（実線）とし、外気温度低下時（制御なし）の温度状態をＴ２（点線）とし流量状態をＦ２（点線）とし、外気温度低下時（制御あり）の温度状態をＴ３（一点鎖線）とし流量状態をＦ３（一点鎖線）として示している。なお、制御なしとは、制御装置２０における図６のフローを実行しない場合である。
制御装置２０における図６のフローを実行しないと、図８に示すように、外気温度が通常の場合（例えば１５℃）を示すＴ１と比較して、外気温度が低い場合には、Ｔ２として示すように温度状態が全体的に低下する。そして、図９に示すように、外気温度が通常の場合を示すＦ１と比較して、外気温度が低い場合には、Ｆ２として示すように流量状態が全体的に増加する。Ｆ２のように質量流量が増加するとタービン４２３がチョーク状態となる場合があるため、制御装置２０により制御が行われる。
制御装置２０によって制御が行われることによって、図８のＴ３として示すように、酸化性ガスブローライン４４４に酸化性ガスの一部が流れるため熱交換器４３０において質量流量が外気温度の低下前に近くなり、単位質量流量あたりの熱交換量が同様に維持されて酸化性ガスの温度を同様とすることができる。このため、熱交換器４３０の下流側から酸化性ガスの温度状態を、通常時と略同一に合わせることができる。また、図９のＦ３として示すように、酸化性ガスブローライン４４４に酸化性ガスの一部が流れて余剰ガスとして系外へ排気しているため、熱交換器４３０の下流側から酸化性ガスの流量状態を、通常時と同様に合わせることができる。このため、外気温度が低い場合であっても、燃料電池システム３１０の主要な各機器の温度と質量流量を外気温度が通常の場合に近くに維持して、システム効率の低下を抑制しつつ、タービン４２３がチョーク状態となることを抑制することができる。
次に、外気温度が高い場合の制御に対応する各機器での運転状態を説明する。図１０は、ガスが流通する各機器（各位置）と、流通するガス（酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統）の温度との対応を示している。図１１は、ガスが流通する各機器（各位置）と、流通するガス（酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統）の質量流量との対応を示している。ガスが流通する各機器については、ガスの上流側から順番に、圧縮機（４２１）入口、圧縮機出口、熱交換器（４３０）出口、ＳＯＦＣ（１１３）入口、ＳＯＦＣ出口、触媒燃焼器（４２２）入口、触媒燃焼器出口の各位置の状態を示している。なお、図１０及び図１１では、外気温度通常時の温度状態をＴ５（実線）とし流量状態をＦ５（実線）とし、外気温度上昇時（制御なし）の温度状態をＴ６（点線）とし流量状態をＦ６（点線）とし、外気温度上昇時（制御あり）の温度状態をＴ７（一点鎖線）とし流量状態をＦ７（一点鎖線）として示している。なお、制御なしとは、制御装置２０における図７のフローを実行しない場合である。
制御装置２０における図７のフローを実行しないと、図１０に示すように、外気温度が通常の場合（例えば１５℃）を示すＴ５と比較して、外気温度が高い場合には、Ｔ６として示すように温度状態が全体的に上昇する。そして、図１１に示すように、外気温度が通常の場合を示すＦ５と比較して、外気温度が高い場合には、Ｆ６として示すように流量状態が全体的に低下する。Ｔ６のように温度が上昇すると触媒燃焼器出口温度が上昇して、タービン入口温度が入口上限温度に達する可能性があるため、制御装置２０により制御が行われる。
制御装置２０によって制御が行われることによって、図１０のＴ７として示すように、熱交換器バイパスライン３３２に酸化性ガスの一部が流れるため熱交換器４３０において酸化性ガスの加熱量が一時的に増加する。しかし、その後に熱交換器４３０を流通した酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスと、熱交換器４３０をバイパスした熱交換器バイパスライン３３２を流通した加熱されていない酸化性ガスとが合流するため、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスは、通常時のＴ５程度まで低下する。このため、外気温度が高い場合であってもＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度が上がらないように制御される。また、図１１のＦ７として示すように、熱交換器バイパスライン３３２に酸化性ガスの一部が流れるため熱交換器４３０に流通する酸化性ガスの流量は一時的に低下する。そして、その後に熱交換器４３０を流通した酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスと、熱交換器４３０をバイパスした熱交換器バイパスライン３３２を流通した酸化性ガスとが合流するため、酸化性ガスの流量がＦ６の状態へと戻る。外気温度が高い場合であっても、燃料電池システム３１０の主要な各機器の温度を外気温度が通常の場合と同様に維持して、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度が上がらないように制御し、システム効率の低下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制御方法によれば、ＳＯＦＣ３１３から排出された排酸化性ガスＡ３及び排燃料ガスＬ３が触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３に供給され、タービン４２３の回転駆動によって酸化性ガスを圧縮する圧縮機４２１が回転駆動される。そして、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスは、タービン４２３から排出された燃焼排ガスによって加熱されてＳＯＦＣ３１３へ供給される。このような構成では、外気温度によって運転状態が不安定化する可能性がある。具体的には、外気温度が低いとタービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量が増加してタービン４２３がチョーク状態となる可能性がある。また、外気温後が高いと、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度が上昇して上限温度を超えてしまう可能性がある。そこで、熱交換器４３０をバイパスするバイパスラインを設け、外気温度に基づいて、外気温度が所定値より低いと酸化性ガスブローライン４４４へのバイパスラインの流量調整弁（放出弁）４４５を制御することで、また外気温後が所定値より高いと熱交換器バイパスライン３３２へのバイパスラインの流量調整弁（制御弁）３３６を制御することで、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの状態を調整して、外気温度が変化する前の状態と同様とすることが可能となる。このため、外気温度の変動に対応して、運転をより安定化させることが可能となる。
また、外気温度に基づいて外気温度が所定値より低いときは、放出弁４４５を制御することで、酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスの一部を燃焼排ガスライン３２９へバイパスして系外へ放出することができる。すなわち、圧縮機４２１出口で酸化性ガスの質量流量を調整することで、タービン４２３へ供給される燃焼ガスの流量を調整することが可能となる。これによりタービン４２３のチョーク状態を抑制することが可能となる。外気温度が低い場合には空気密度が増加して圧縮機４２１出口で酸化性ガスの質量流量が増加し、酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統の質量流量が増加し、触媒燃焼器４２２出口の燃焼ガスＧの質量流量が増加して、最終的にタービン４２３へ供給される燃焼ガスの質量流量が増加する可能性があるが、外気温度が所定値以下となった場合に、酸化性ガスブローライン４４４の酸化性ガスの流量を増加させることができる。これによりタービン４２３へ供給される燃焼ガスの流量を調整して、タービン４２３のチョーク状態を抑制することが可能となる。外気温度が低い場合でも、増加した質量流量に応じた酸化性ガスを酸化性ガス系統の流路の最上流側にある熱交換器４３０へ接続された圧縮機４２１の出口側から、系外へ排気している。このため、外気温度が低くなり、酸化性ガス及び排酸化性ガスの系統の各機器では増加するよりも前の質量流量に近い質量流量が通過するので、外気温が変化しても、バイパス流量を制御することにより、燃料電池に供給する空気の流量、温度を維持する（変化を抑制する）ことができる、そのため燃料電池の性能を維持できる（性能低下を抑制できる）。すなわち、システム効率の低下を抑制しつつ、運転を安定化させることができる。
また、外気温度に基づいて外気温度が所定値より高いときは、制御弁３３６を制御することで、酸化性ガスが熱交換器４３０をバイパスして熱交換器バイパスライン３３２を流通させることができる。このため、外気温度が高い場合に圧縮機４２１出口温度が高くなり、酸化性ガス系統のガス温度が高くなり、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度が高くなることを抑制することができる。外気温度が所定値以上となった場合に、熱交換器バイパスライン３３２を流通する酸化性ガスの流量を増加させることで、外気温度が高くなりＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度が上がらないように抑制することができる。外気温度が高い場合でも、酸化性ガス系統の流路の最上流側にある熱交換器４３０をバイパスさせて酸化性ガス温度を調整して、酸化性ガス系統及び排酸化性ガス系統の各機器では外気温度が通常の場合と同様の温度で通過するので、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度は維持されるため、ＳＯＦＣ３１３の性能低下を抑制でき、システム効率の低下が抑制しつつ、運転を安定化させることができる。
すなわち、燃料電池システム３１０の運転をより安定化させることができる。
〔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制御方法について説明する。
本実施形態では、外気温度が低い場合の他の制御について説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその制御方法について、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１２に示すように、暖機ライン４６４と、リターンライン４６５とを備える。なお、暖機ライン４６４とリターンライン４６５についてはいずれか一方を設けることとしてもよい。
暖機ライン４６４は、酸化性ガスブローライン４４４に接続され、圧縮機４２１を収容したケーシング４６７に酸化性ガスを供給するラインである。具体的には、暖機ライン４６４は、酸化性ガスブローライン４４４において放出弁４４５の下流側に一端が接続されており、他端は、圧縮機４２１及び空気取り込みライン３２５の少なくとも一部を収容したケーシング４６７に接続されている。すなわち、暖機ライン４６４は、圧縮された酸化性ガスを、ケーシング４６７内へ供給可能なラインとなる。
そして、制御装置２０は、外気温度が所定値以下となった場合に、暖機ライン４６４によって酸化性ガスをケーシング４６７へ供給する。具体的には、放出弁４４５を開とすることによって、暖機ライン４６４を流通する酸化性ガスの流量を制御する。なお、暖機ライン４６４に制御弁を設けて該制御弁によって暖機ライン４６４を流通する酸化性ガスの流量を調整することとしてもよい。暖機ライン４６４に制御弁を設ける場合には、暖機ライン４６４の一端側は、酸化性ガスブローライン４４４において放出弁４４５の上流側に設けて、酸化性ガスを系外へ排出する流量とケーシング４６７へ供給する流量をそれぞれ制御することとしてもよい。
制御装置２０では、外気温度が所定値以下である場合に圧縮された酸化性ガスをケーシング４６７へ供給することによってケーシング４６７内の雰囲気温度を上昇させるとともに、圧縮機４２１及び空気取り込みライン３２５の少なくとも一部を暖機する。雰囲気温度が上昇することで、外気温度が低い環境下においても圧縮機４２１出口から排出される圧縮された酸化性ガス温度の低下をできるだけ抑制して、運転を安定化させることができる。
リターンライン４６５は、酸化性ガスブローライン４４４に接続され、圧縮機４２１における酸化性ガスの取り込み口側に圧縮された酸化性ガスを戻すようにして供給する。具体的には、リターンライン４６５は、酸化性ガスブローライン４４４において放出弁４４５の下流側に一端が接続されており、他端は、空気取り込みライン３２５に接続されている。すなわち、リターンライン４６５は、圧縮された酸化性ガスを、圧縮機４２１の入口へ供給可能なラインとなる。
そして、制御装置２０は、外気温度が所定値以下となった場合に、リターンライン４６５によって酸化性ガスを圧縮機４２１の取り込み口側へ供給する。具体的には、放出弁４４５を開とすることによって、リターンライン４６５を流通する酸化性ガスの流量を制御する。なお、リターンライン４６５に制御弁を設けて該制御弁によってリターンライン４６５を流通する酸化性ガスの流量を調整することとしてもよい。制御弁を設ける場合には、リターンライン４６５の一端側は、酸化性ガスブローライン４４４において放出弁４４５の上流側に設けて、酸化性ガスを系外へ排出する流量と圧縮機４２１の取り込み口側へ供給する流量をそれぞれ制御することとしてもよい。
制御装置２０では、外気温度が所定値以下である場合に圧縮された酸化性ガスを圧縮機４２１の取り込み口側へ供給することによって酸化性ガスの温度を上昇させる。このため、外気温度が低い場合でも圧縮機４２１出口から排出される圧縮された酸化性ガス温度の低下をできるだけ抑制して、運転を安定化させることができる。
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制御方法によれば、圧縮機４２１及び空気取り込みライン３２５の少なくとも一部を収容したケーシング４６７に酸化性ガスブローライン４４４の酸化性ガスを供給する暖機ライン４６４を設けておき、外気温度が所定値以下となった場合に、空気密度の増加により酸化性ガスの質量流量の増加分を酸化性ガスブローライン４４４から系外へ放出するのではなく、暖機ライン４６４によって酸化性ガスをケーシング４６７へ供給することにより、ケーシング４６７内の雰囲気温度を上昇させることができる。このため、ケーシング４６７に収容されている圧縮機４２１及び空気取り込みライン３２５の少なくとも一部を暖機することができる。雰囲気温度の上昇及び圧縮機４２１及び空気取り込みライン３２５の少なくとも一部が暖められることで、外気温度が低い環境下においても圧縮機４２１出口から排出される圧縮された酸化性ガス温度の低下をできるだけ抑制して、運転を安定化させることができる。
圧縮機４２１における酸化性ガスの取り込み口側に酸化性ガスを供給するリターンライン４６５を設けておき、外気温度が所定値以下となった場合に、空気密度の増加により酸化性ガスの質量流量の増加分を酸化性ガスブローライン４４４から系外へ放出するのではなく、リターンライン４６５によって酸化性ガスを圧縮機４２１の取り込み口側へ供給することにより、圧縮機４２１において圧縮する酸化性ガスの温度を上昇させることができる。このため、外気温度が低い場合でも圧縮機４２１出口から排出される圧縮された酸化性ガス温度の低下をできるだけ抑制して、運転を安定化させることができる。
〔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制御方法について説明する。
上述した第１実施形態では、温度が高い場合に熱交換器バイパスライン３３２を用いて酸化性ガスの温度上昇を抑制する制御を説明していたが、本実施形態では、さらに酸化性ガスの温度上昇を抑制する制御について説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその制御方法について、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点について主に説明する。
図４に示すように、燃料電池システム３１０には、酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスＡ２とＳＯＦＣ３１３から排出された排酸化性ガスＡ３との間で熱交換を行う排空気冷却器３５１が設けられている。酸化性ガスＡ２よりも排酸化性ガスＡ３の方が温度が高いため、排酸化性ガスＡ３は温度が低下され、酸化性ガスＡ２は温度が増加される。すなわち、排空気冷却器３５１は、ＳＯＦＣ３１３から排出された排酸化性ガスＡ３によって酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスＡ２を加熱するヒータとなる。すなわち、酸化性ガスＡ２は、排空気冷却器３５１において加熱される。
そこで、制御装置２０は、外気温度が所定値以上となった場合に、制御弁４５７を制御してヒータバイパスライン４６８の酸化性ガスの流量を増加させる。ヒータバイパスライン４６８とは、酸化性ガス供給ライン３３１において、一端が排空気冷却器３５１の上流側に接続されており、他端が排空気冷却器３５１の下流側に接続されており、酸化性ガスが排空気冷却器３５１をバイパスするラインである。具体的には、ヒータバイパスライン４６８は、図４の排空気冷却器３５１の下流側から上流側（ＳＯＦＣ３１３の入口側）へ酸化性ガスをバイパスする起動用空気加熱ライン４５５に相当する。すなわち、制御装置２０は図４の制御弁４５７を制御する。なお、ヒータバイパスライン４６８は、排空気冷却器３５１をバイパスするラインであれば、図４の起動用空気加熱ライン４５５を用いる場合に限定されない。起動用空気加熱ライン４５５をヒータバイパスライン４６８として用いることで、起動用として用いる起動用空気加熱ライン４５５を流用することができる。
具体的には、制御装置２０は、外気温度が高い場合（外気温度が所定値以上となった場合）に、制御弁４５７を開く方向に制御して排空気冷却器３５１をバイパスしてＳＯＦＣ３１３へ供給する酸化性ガスの流量を増加させる。なおこの場合には、図４における起動用加熱器４５８は動作しておらず加熱は行われない。このように、外気温度が高い場合には酸化性ガスの一部（または全部）を排空気冷却器３５１に対してバイパスさせるため、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度上昇をより効果的に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制御方法によれば、ＳＯＦＣ３１３から排出された排酸化性ガスＡ３によって酸化性ガス供給ライン３３１の酸化性ガスＡ２を加熱する排空気冷却器（ヒータ）３５１が設けられている場合に、該ヒータをバイパスするヒータバイパスライン４６８を設けている、そして、外気温度が所定値以上となった場合に、ヒータバイパスライン４６８の制御弁４５７を制御してヒータバイパスライン４６８を流通する酸化性ガスの流量を増加させることで、外気温度が高い場合であっても、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度の上昇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、及び第３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制御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、前記タービン（４２３）から排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ライン（３３１）の酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスライン（３２９）へ排ガスを流通させる熱交換器（４３０）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記熱交換器（４３０）の上流側に一端が接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスライン（３３２、４４４）と、前記バイパスライン（３３２、４４４）に設けられた流量調整弁（３３６、４４５）と、外気温度に基づいて前記流量調整弁（３３６、４４５）を制御し、酸化性ガスのバイパス流量を制御する制御装置（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）から排出された排酸化性ガスＡ３及び排燃料ガスがタービン（４２３）に供給され、タービン（４２３）によって酸化性ガスを圧縮する圧縮機（４２１）が駆動される。そして、圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガスは、タービン（４２３）から排出された排ガスによって加熱されて燃料電池（３１３）へ供給される。このような構成では、外気温度によって運転状態が不安定化する可能性があることが発明者の鋭意検討により発見された。具体的には、外気温度が低いとタービン（４２３）へ供給される排ガス（燃焼ガス）の流量が増加してチョーク状態となる可能性がある。また、外気温度が高いと、タービン（４２３）へ供給される排ガス（燃焼ガス）の温度が上昇して入口上限温度を超えてしまう可能性がある。
そこで、熱交換器（４３０）をバイパスするバイパスライン（３３２、４４４）を設け、外気温度に基づいてバイパスライン（３３２、４４４）の流量調整弁（３３６、４４５）を制御することで、燃料電池（３１３）へ供給される酸化性ガスの状態を調整することが可能となる。このため、外気温度の変動に対応して、運転をより安定化させ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、前記バイパスライン（３３２、４４４）は、他端が前記燃焼排ガスライン（３２９）における前記熱交換器（４３０）の下流側に接続されており、前記制御装置（２０）は、外気温度に基づいて前記流量調整弁（３３６、４４５）を制御し、前記タービン（４２３）へ供給される燃焼ガスの流量を調整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、外気温度に基づいて流量調整弁（３３６、４４５）を制御することで、酸化性ガス供給ライン（３３１）の酸化性ガスを排ガスライン（３２９）へバイパスして大気放出することができる。すなわち、タービン（４２３）へ供給される排ガス（燃焼ガス）の流量を調整することが可能となる。これによりチョーク状態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、外気温度が所定値以下となった場合に、前記流量調整弁（３３６）を制御して前記バイパスライン（３３２）を流通する酸化性ガスの流量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、外気温度が低い場合には空気密度が増加してタービン（４２３）へ供給される排ガスの質量流量が増加する可能性があるが、外気温度が所定値以下となった場合に、流量調整弁（３３６、４４５）を制御してバイパスライン（３３２、４４４）の酸化性ガスの流量を増加させることができる。これによりタービン（４２３）へ供給される排ガスの質量流量を調整してチョーク状態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、前記バイパスライン（４４４）は、他端が前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記熱交換器（４３０）の下流側に接続されており、前記制御装置（２０）は、外気温度に基づいて前記流量調整弁（４４５）を制御し、前記タービン（４２３）へ供給される燃焼ガスの温度を調整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、外気温度に基づいて流量調整弁（３３６、４４５）を制御することで、酸化性ガスを熱交換器（４３０）をバイパスして流通させることができる。このため、外気温度が高い場合でもタービン（４２３）へ供給される排ガスの温度が高くなり、例えば入口上限温度を超え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、前記制御装置（２０）は、外気温度が所定値以上となった場合に、前記流量調整弁（３３６、４４５）を制御して前記バイパスライン（３３２、４４４）の酸化性ガスの流量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、外気温度が所定値以上となった場合に、流量調整弁（３３６、４４５）を制御してバイパスライン（３３２、４４４）の酸化性ガスの流量を増加させることで、外気温度が高くなりタービン（４２３）へ供給される排ガスの温度が上昇し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、前記バイパスライン（３３２、４４４）に接続され、前記圧縮機（４２１）を収容したケーシング（４６７）に酸化性ガスを供給する暖機ライン（４６４）を備え、前記制御装置（２０）は、外気温度が所定値以下となった場合に、前記暖機ライン（４６４）によって酸化性ガスを前記ケーシング（４６７）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、圧縮機（４２１）を収容したケーシング（４６７）にバイパスライン（３３２、４４４）の酸化性ガスを供給する暖機ライン（４６４）を設けておき、外気温度が所定値以下となった場合に、暖機ライン（４６４）によって酸化性ガスをケーシング（４６７）へ供給することにより、ケーシング（４６７）内の雰囲気温度を上昇させるとともに、ケーシング（４６７）に収容されている圧縮機（４２１）及び空気取り込みライン（３２５）の少なくとも一部を暖機することができる。雰囲気温度の上昇及び圧縮機４２１及び空気取り込みライン３２５の少なくとも一部が暖められることで、外気温度が低い環境下においても運転を安定化させることができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記バイパスライン（４４４）に接続され、前記圧縮機（４２１）における酸化性ガスの取り込み口側に酸化性ガスを供給するリターンライン（４６５）を備え、前記制御装置（２０）は、外気温度が所定値以下となった場合に、前記リターンライン（４６５）によって酸化性ガスを前記圧縮機（４２１）の取り込み口側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、圧縮機（４２１）における酸化性ガスの取り込み口側に酸化性ガスを供給するリターンライン（４６５）を設けておき、外気温度が所定値以下となった場合に、リターンライン（４６５）によって酸化性ガスを圧縮機（４２１）の取り込み口側へ供給することにより、圧縮機（４２１）において圧縮する酸化性ガスの温度を上昇させることができる。このため、外気温度が低い場合でも運転を安定化させることができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記燃料電池（３１３）から排出された排酸化性ガスによって前記酸化性ガス供給ライン（３３１）の酸化性ガスを加熱するヒータ（３５１）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）において、一端が前記ヒータ（３５１）の上流側に接続されており、他端が前記ヒータ（３５１）の下流側に接続されており、酸化性ガスをバイパスするヒータバイパスライン（４６８）と、前記ヒータバイパスライン（４６８）に設けられた制御弁（４５７）と、を備え、前記制御装置（２０）は、外気温度が所定値以上となった場合に、前記制御弁（４５７）を制御して前記ヒータバイパスライン（４６８）の酸化性ガスの流量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、燃料電池（３１３）から排出された排酸化性ガス（Ａ３）によって酸化性ガス供給ライン（３３１）の酸化性ガスを加熱するヒータ（３５１）が設けられている場合に、該ヒータ（３５１）をバイパスするヒータバイパスライン（４６８）を設けている、そして、外気温度が所定値以上となった場合に、ヒータバイパスライン（４６８）の制御弁（４５７）を制御してヒータバイパスライン（４６８）の酸化性ガスの流量を増加させることで、外気温度が高い場合であっても、燃料電池（３１３）へ供給される酸化性ガスの温度の上昇を抑制することができる。これによって、タービン（４２３）へ供給される排ガスの温度が例えば入口上限温度を超え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）の制御方法は、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、前記タービン（４２３）から排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ライン（３３１）の酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスライン（３２９）へ排ガスを流通させる熱交換器（４３０）と、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）における前記熱交換器（４３０）の上流側に一端が接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスライン（３３２、４４４）と、前記バイパスライン（３３２、４４４）に設けられた流量調整弁（３３６、４４５）と、を備える燃料電池システム（３１０）の制御方法であって、外気温度に基づいて前記流量調整弁（３３６、４４５）を制御し、酸化性ガスのバイパス流量を制御する。
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（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（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（流量調整弁）
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
３６３ ：温度計
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（バイパスライン）
４４５ ：放出弁（流量調整弁）
４５１ ：制御弁
４５２ ：ブロワ
４５３ ：制御弁
４５４ ：起動用空気供給ライン
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
４６４ ：暖機ライン
４６５ ：リターンライン
４６７ ：ケーシング
４６８ ：ヒータバイパスライン

Claims (7)

  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、
    前記タービンから排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスラインへ排ガスを流通させる熱交換器と、
    前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の上流側に一端が接続されており、他端が前記燃焼排ガスラインにおける前記熱交換器の下流側に接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスラインと、
    前記バイパスラインに設けられた流量調整弁と、
    外気温度が所定値以下となった場合に、前記流量調整弁を制御して前記バイパスラインを流通する酸化性ガスのバイパス流量を増加させる制御装置と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 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、
    前記タービンから排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスラインへ排ガスを流通させる熱交換器と、
    前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の上流側に一端が接続されており、他端が前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の下流側に接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスラインと、
    前記バイパスラインに設けられた流量調整弁と、
    外気温度が所定値以上となった場合に、前記流量調整弁を制御して前記バイパスラインを流通する酸化性ガスのバイパス流量を増加させる制御装置と、
    を備える燃料電池システム。
  3. 前記バイパスラインに接続され、前記圧縮機を収容したケーシングに酸化性ガスを供給する暖機ラインを備え、
    前記制御装置は、外気温度が所定値以下となった場合に、前記暖機ラインによって酸化性ガスを前記ケーシングへ供給する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記バイパスラインに接続され、前記圧縮機における酸化性ガスの取り込み口側に酸化性ガスを供給するリターンラインを備え、
    前記制御装置は、外気温度が所定値以下となった場合に、前記リターンラインによって酸化性ガスを前記圧縮機の取り込み口側へ供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池から排出された排酸化性ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱するヒータと、
    前記酸化性ガス供給ラインにおいて、一端が前記ヒータの上流側に接続されており、他端が前記ヒータの下流側に接続されており、酸化性ガスをバイパスするヒータバイパスラインと、
    前記ヒータバイパスラインに設けられた制御弁と、
    を備え、
    前記制御装置は、外気温度が所定値以上となった場合に、前記制御弁を制御して前記ヒータバイパスラインの酸化性ガスの流量を増加させる請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 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、前記タービンから排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスラインへ排ガスを流通させる熱交換器と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の上流側に一端が接続されており、他端が前記燃焼排ガスラインにおける前記熱交換器の下流側に接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられた流量調整弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    外気温度が所定値以下となった場合に、前記流量調整弁を制御して前記バイパスラインを流通する酸化性ガスのバイパス流量を増加させる制御方法。
  7. 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、前記タービンから排出された排ガスによって前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスを加熱して燃焼排ガスラインへ排ガスを流通させる熱交換器と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の上流側に一端が接続されており、他端が前記酸化性ガス供給ラインにおける前記熱交換器の下流側に接続されており、酸化性ガスをバイパスするバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられた流量調整弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    外気温度が所定値以上となった場合に、前記流量調整弁を制御して前記バイパスラインを流通する酸化性ガスのバイパス流量を増加させる制御方法。
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