JP7468450B2

JP7468450B2 - Fuel Cell Systems

Info

Publication number: JP7468450B2
Application number: JP2021080410A
Authority: JP
Inventors: 快貴森; 康弘長田; 卓史小代; 博邦瀬戸
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: JP2022174542A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

特許文献１に燃料電池システムが開示されている。燃料電池システムの起動時では、触媒反応が可能な温度になるように、改質器が昇温される。このとき、改質器が有する触媒が空気の存在下で高温になって活性状態になると、触媒が酸化劣化する。そこで、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、アノード電極の電極面に原料ガスを一旦供給することにより、燃料通路に残存する空気を排出する。これによれば、燃料電池システムの起動時に、燃料通路内が原料ガスにより還元雰囲気になる。このため、改質器が有する触媒の酸化劣化を抑制することができる。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system. When the fuel cell system is started, the reformer is heated to a temperature at which a catalytic reaction can occur. At this time, if the catalyst in the reformer becomes hot in the presence of air and enters an active state, the catalyst will be oxidized and deteriorated. Therefore, in the fuel cell system of Patent Document 1, when the fuel cell system is started, raw material gas is temporarily supplied to the electrode surface of the anode electrode, thereby discharging air remaining in the fuel passage. As a result, when the fuel cell system is started, the raw material gas creates a reducing atmosphere inside the fuel passage. As a result, it is possible to suppress oxidative deterioration of the catalyst in the reformer.

特許第５１７３３２６号公報Japanese Patent No. 5173326

ところで、燃料電池システムとして、エジェクタとリサイクル通路とを備える燃料電池システムがある。エジェクタは、燃料通路のうち改質器の上流側に設けられる。改質器は、触媒によって、炭化水素を含む原料ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する。リサイクル通路は、燃料電池から排出された燃料オフガスの一部をエジェクタの吸引側へリサイクルさせる通路である。 Now, there is a fuel cell system that includes an ejector and a recycle passage. The ejector is provided in the fuel passage upstream of the reformer. The reformer uses a catalyst to reform a raw gas containing hydrocarbons into a fuel gas containing hydrogen. The recycle passage is a passage that recycles a portion of the fuel off-gas discharged from the fuel cell to the suction side of the ejector.

燃料通路およびリサイクル通路は、オフガス燃焼器でオフ燃料ガスが燃焼して生成した燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス通路を介して、燃焼排ガスの出口に通じている。このため、燃料電池システムが停止すると、燃料通路、リサイクル通路、燃焼排ガス通路等の各通路内のガスの熱収縮により、燃焼排ガスの出口から空気が逆流し、燃料通路およびリサイクル通路に空気が存在する。 The fuel passage and the recycle passage are connected to the flue gas outlet via a flue gas passage through which the flue gas generated by the combustion of the off-fuel gas in the off-gas combustor flows. Therefore, when the fuel cell system stops, the thermal contraction of the gas in each passage, such as the fuel passage, the recycle passage, and the flue gas passage, causes air to flow back from the flue gas outlet, resulting in the presence of air in the fuel passage and the recycle passage.

燃料電池システム１の起動時では、触媒による改質反応を生じさせることができる改質可能温度まで、改質器が昇温される。改質器に連通する燃料通路およびリサイクル通路に空気が存在する状態で、改質器が昇温されると、改質器が有する触媒の酸化劣化が生じる。そこで、この対策として、燃料電池システムの起動時に、燃料通路およびリサイクル通路に原料ガスを流すことで、空気を排出することが考えられる。燃料通路に原料ガスが流れると、燃料電池から排出された原料ガスの一部がエジェクタに吸引されることで、リサイクル通路に原料ガスが流れる。これによって、燃料通路およびリサイクル通路に存在する空気が原料ガスに置換される。 When the fuel cell system 1 is started up, the reformer is heated to a reforming temperature at which a reforming reaction can occur with the catalyst. If the reformer is heated while air is present in the fuel passage and recycle passage that communicate with the reformer, oxidation degradation of the catalyst in the reformer occurs. As a countermeasure to this, it is possible to discharge the air by flowing raw material gas into the fuel passage and recycle passage when the fuel cell system is started up. When raw material gas flows into the fuel passage, a portion of the raw material gas discharged from the fuel cell is sucked into the ejector, causing the raw material gas to flow into the recycle passage. This replaces the air present in the fuel passage and the recycle passage with raw material gas.

しかし、リサイクル通路を備える燃料電池システムでは、リサイクル通路を備えていない燃料電池システムと比較して、燃料電池システムの起動時に、リサイクル通路の容積分の空気が多く存在する。このため、燃料電池システムの起動時に、燃料通路に多くの原料ガスを流し続ける必要がある。このときに燃料通路に流す原料ガスは、燃料電池の発電に用いられず、燃料電池システムの外部に排出されるため、原料ガスを多く流すことは好ましくない。 However, in a fuel cell system with a recycle passage, there is more air, the volume of which is equivalent to the recycle passage, when the fuel cell system is started up, compared to a fuel cell system without a recycle passage. For this reason, when the fuel cell system is started up, it is necessary to continue to flow a large amount of raw material gas into the fuel passage. At this time, the raw material gas flowing into the fuel passage is not used to generate electricity in the fuel cell, and is discharged outside the fuel cell system, so it is not desirable to flow a large amount of raw material gas.

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池システムの起動時に生じる改質器の触媒の酸化劣化を抑制するとともに、触媒の酸化劣化の抑制のために、燃料電池システムの外部から燃料電池システムに供給する原料ガスの供給量を少なく抑えることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide a fuel cell system that suppresses oxidation degradation of the reformer catalyst that occurs when the fuel cell system is started, and that can reduce the amount of raw material gas supplied to the fuel cell system from outside the fuel cell system in order to suppress oxidation degradation of the catalyst.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
燃料電池の燃料入口に接続され、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料通路（３０）と、
燃料通路に設けられ、改質されて燃料ガスとなる原料ガスを吸入して吐出する燃料ブロア（３２）と、
燃料通路のうち燃料ブロアの上流側に設けられ、燃料通路への原料ガスの供給と停止とを切り替える原料ガス供給弁（３１）と、
燃料通路のうち燃料ブロアの下流側に設けられ、流体を噴射するノズル部（６０１）、燃料電池の燃料出口側から流体を吸引する吸引部（６０２）およびノズル部から噴射される流体と吸引部から吸引される流体とを混合して吐出する吐出部（６０３）を有するエジェクタ（６０）と、
燃料通路のうちエジェクタの吐出部の下流側に設けられ、触媒による改質反応によって原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器（３４）と、
燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを含む燃料オフガスの一部を、リサイクルガスとしてエジェクタの吸引部に導くリサイクル通路（６１）と、
改質器から燃料電池に向かって流れる流体の一部を、アシストガスとして燃料通路のうち燃料ブロアの上流側かつ原料ガス供給弁の下流側に導くアシスト通路（７０）と、
アシスト通路に設けられ、アシストガスの流量を調整するアシスト調整部（７１）と、
燃料電池システムの起動時に、改質器の温度が改質反応を生じさせることができる改質可能温度になるように、改質器を昇温させる暖機装置（８０）と、
燃料ブロア、原料ガス供給弁、アシスト調整部および暖機装置の作動を制御する制御部（１００）と、を備え、
制御部は、燃料電池システムの起動時であって、改質器の温度が暖機装置が改質器を昇温させる前の温度以上、かつ、改質可能温度よりも低い温度範囲内のときに、原料ガス供給弁を開き、燃料ブロアの作動を開始させることで、燃料通路およびリサイクル通路に原料ガスを流し、アシスト通路に原料ガスが流れるように、アシスト調整部の作動を制御する。 In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, a fuel cell system includes:
A solid oxide fuel cell (10) that generates electricity through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas;
a fuel passage (30) connected to a fuel inlet of the fuel cell for supplying fuel gas to the fuel cell;
a fuel blower (32) provided in the fuel passage for sucking in and discharging a raw material gas that is reformed into a fuel gas;
a raw material gas supply valve (31) provided in the fuel passage upstream of the fuel blower and configured to switch between supplying and stopping the raw material gas to the fuel passage;
an ejector (60) provided in the fuel passage downstream of the fuel blower and having a nozzle portion (601) for injecting a fluid, a suction portion (602) for sucking the fluid from the fuel outlet side of the fuel cell, and a discharge portion (603) for mixing the fluid injected from the nozzle portion with the fluid sucked from the suction portion and discharging the mixture;
a reformer (34) provided in the fuel passage downstream of a discharge portion of the ejector for reforming a raw material gas through a reforming reaction by a catalyst to generate a fuel gas;
a recycle passage (61) for guiding a part of the fuel off-gas, which contains unreacted fuel gas discharged from the fuel cell, to a suction part of the ejector as a recycled gas;
an assist passage (70) that guides a part of the fluid flowing from the reformer toward the fuel cell as an assist gas to the upstream side of the fuel blower and the downstream side of the raw material gas supply valve in the fuel passage;
an assist adjusting section (71) provided in the assist passage for adjusting the flow rate of the assist gas;
a warm-up device (80) for raising the temperature of the reformer at the start-up of the fuel cell system so that the temperature of the reformer reaches a reforming temperature at which a reforming reaction can occur;
A control unit (100) for controlling the operation of a fuel blower, a raw material gas supply valve, an assist adjustment unit, and a warm-up device,
When the fuel cell system is started up and the temperature of the reformer is within a temperature range that is equal to or higher than the temperature before the warm-up device heats up the reformer and lower than the reformable temperature, the control unit opens the raw material gas supply valve and starts operation of the fuel blower, thereby controlling the operation of the assist adjustment unit so that raw material gas flows into the fuel passage and the recycle passage and into the assist passage.

これによれば、燃料電池システムの起動時であって、改質器の温度が改質可能温度よりも低いときに燃料通路およびリサイクル通路に原料ガスを流すことで、燃料通路およびリサイクル通路に存在する空気を排出する。このため、改質器の温度が改質可能温度以上になったときに、燃料通路およびリサイクル通路に原料ガスを流す場合と比較して、改質器の触媒の酸化劣化を抑制することができる。 According to this, when the fuel cell system is started up and the temperature of the reformer is lower than the reformable temperature, the raw material gas is passed through the fuel passage and the recycle passage, thereby discharging the air present in the fuel passage and the recycle passage. Therefore, it is possible to suppress oxidation deterioration of the reformer catalyst compared to when raw material gas is passed through the fuel passage and the recycle passage when the temperature of the reformer reaches or exceeds the reformable temperature.

エジェクタのノズル部から原料ガスが噴射されることによって、燃料電池から排出された原料ガスの一部が、エジェクタの吸引部に向かってリサイクル通路を流れる。このとき、ノズル部を流れる原料ガスの流れである駆動流の流量によって、リサイクル通路から吸引部に流入する原料ガスの流れである吸引流の流量が決まる。 When raw gas is ejected from the nozzle of the ejector, a portion of the raw gas discharged from the fuel cell flows through the recycle passage toward the suction section of the ejector. At this time, the flow rate of the suction flow, which is the flow of raw gas that flows from the recycle passage into the suction section, is determined by the flow rate of the driving flow, which is the flow of raw gas that flows through the nozzle.

アシスト通路に原料ガスが流れることで、エジェクタの駆動流の流量が増大し、吸引流の流量が増大する。これにより、リサイクル通路を流れる原料ガスの流量を増大させることができる。このため、アシスト通路を備えていない場合と燃料ブロアが送る原料ガスの流量を同じとして比較して、リサイクル通路に存在する空気を排出するまでに必要な燃料通路に原料ガスを流し続ける時間を減らすことができる。よって、燃料電池システムの外部から燃料電池システムに供給される原料ガスの供給量を少なく抑えることができる。 When raw gas flows through the assist passage, the flow rate of the drive flow of the ejector increases, and the flow rate of the suction flow increases. This increases the flow rate of raw gas flowing through the recycle passage. Therefore, compared to a case where an assist passage is not provided and the flow rate of raw gas sent by the fuel blower is the same, the time required to keep raw gas flowing through the fuel passage until the air present in the recycle passage is exhausted can be reduced. This makes it possible to keep the amount of raw gas supplied to the fuel cell system from outside the fuel cell system low.

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。 The reference symbols in parentheses attached to each component indicate an example of the correspondence between the component and the specific components described in the embodiments described below.

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment; 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a control device for a fuel cell system according to a first embodiment; 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a control process executed by a control device of the fuel cell system of the first embodiment. 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する起動処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a startup process executed by a control device of the fuel cell system of the first embodiment. 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する空気排出処理を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing an air discharge process executed by the control device of the fuel cell system of the first embodiment. 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する停止処理を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a stop process executed by a control device of the fuel cell system of the first embodiment. 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment. 第３実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment. 第４実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a fourth embodiment.

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other are denoted by the same reference numerals.

（第１実施形態）
図１に示すように、燃料電池システム１は、作動温度が高温（例えば、５００℃～１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）１０を備えている。燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により発電する複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。 First Embodiment
As shown in Fig. 1, the fuel cell system 1 includes a solid oxide fuel cell (i.e., SOFC) 10 that operates at a high temperature (e.g., 500°C to 1000°C). The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of power generation cells that generate power through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas are stacked. The shape of the power generation cell may be either flat or cylindrical.

図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。燃料極には、シフト反応等に活性の高いニッケルと電解質材料であるイットリア安定化ジルコニアのサーメット等が用いられている。本実施形態の発電セルは、都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を原料ガスとして用い、都市ガスを改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとして用いる。原料ガスは、改質されて燃料ガスとなるものであり、原燃料とも呼ばれる。原料ガスとしては、炭化水素系のガスであれば、都市ガス以外のガスが採用されてもよい。また、本実施形態の発電セルは、空気中の酸素を酸化剤ガスとして用いる。 Although not shown, the power generation cell is composed of a solid oxide electrolyte, an air electrode (i.e., a cathode), and a fuel electrode (i.e., an anode). The fuel electrode is made of nickel, which is highly active in the shift reaction, and yttria-stabilized zirconia, which is an electrolyte material. The power generation cell of this embodiment uses city gas (i.e., gas mainly composed of methane) as the raw material gas, and hydrogen and carbon monoxide produced by reforming the city gas as the fuel gas. The raw material gas is reformed to become a fuel gas, and is also called raw fuel. Gases other than city gas may be used as the raw material gas as long as they are hydrocarbon gases. The power generation cell of this embodiment also uses oxygen in the air as the oxidizing gas.

燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。 The fuel cell 10 outputs electrical energy through the electrochemical reactions of hydrogen and oxygen shown in the following reaction equations F1 and F2.

（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－（Ｆ１）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ_２ ^－（Ｆ２） (Fuel electrode) 2H ₂ + 2O ^2- → 2H ₂ O + ^4e- (F1)
(Air electrode) O ₂ + 4e ⁻ → 2O ₂ ⁻ (F2)

また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。 In addition, the fuel cell 10 outputs electrical energy through the electrochemical reaction of carbon monoxide and oxygen shown in the following reaction equations F3 and F4.

（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ_２ ^－→２ＣＯ_２＋４ｅ^－（Ｆ３）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ_２ ^－（Ｆ４） (Fuel electrode) 2CO+ _2O2- ^→ _2CO2 + ^4e- (F3)
(Air electrode) O ₂ + 4e ⁻ → 2O ₂ ⁻ (F4)

燃料電池１０には、燃料電池１０の電池温度Ｔｃを検出する電池温度センサ１０１、燃料電池１０から出力される出力電圧Ｖｃｓを検出する電池電圧センサ１０２が設けられている。 The fuel cell 10 is provided with a cell temperature sensor 101 that detects the cell temperature Tc of the fuel cell 10, and a cell voltage sensor 102 that detects the output voltage Vcs output from the fuel cell 10.

燃料電池システム１は、ハウジング１１を備える。燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３４、蒸発器３３、オフガス燃焼器５３、暖機用燃焼器８０等とともにハウジング１１の内側に配置されている。 The fuel cell system 1 includes a housing 11. The fuel cell 10 is disposed inside the housing 11 together with an air preheater 22, a reformer 34, an evaporator 33, an off-gas combustor 53, a warm-up combustor 80, etc., which will be described later.

燃料電池システム１は、空気通路２０、空気ブロア２１および空気予熱器２２を備える。空気通路２０は、燃料電池１０の空気入口に接続されている。空気通路２０は、空気が流れる通路であり、燃料電池１０に空気を供給するための通路である。 The fuel cell system 1 includes an air passage 20, an air blower 21, and an air preheater 22. The air passage 20 is connected to the air inlet of the fuel cell 10. The air passage 20 is a passage through which air flows and is a passage for supplying air to the fuel cell 10.

空気ブロア２１は、空気通路２０に設けられており、燃料電池１０に向けて空気を吐出する。空気ブロア２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給する酸化剤ポンプである。空気ブロア２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。 The air blower 21 is provided in the air passage 20 and discharges air toward the fuel cell 10. The air blower 21 is an oxidant pump that draws in air from the atmosphere and supplies it to the fuel cell 10. The air blower 21 is composed of an electric pump whose operation is controlled by a control signal from the control device 100, which will be described later.

空気予熱器２２は、空気通路２０のうち空気ブロア２１の下流側に設けられている。空気予熱器２２は、空気ブロア２１から送られた空気を後述するオフガス用燃焼器７３で生成された燃焼排ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。 The air preheater 22 is provided downstream of the air blower 21 in the air passage 20. The air preheater 22 is a heat exchanger that heats the air sent from the air blower 21 by exchanging heat with the combustion exhaust gas generated in the off-gas combustor 73 described below. The air preheater 22 is provided to reduce the temperature difference between the air and fuel gas supplied to the fuel cell 10, thereby improving the power generation efficiency of the fuel cell 10.

燃料電池システム１は、燃料通路３０、都市ガス供給弁３１、燃料ブロア３２、蒸発器３３および改質器３４を備える。燃料通路３０は、燃料電池１０の燃料入口に接続されている。燃料通路３０は、都市ガスまたは燃料ガスが流れる通路であり、燃料電池１０に燃料ガスを供給するための通路である。 The fuel cell system 1 includes a fuel passage 30, a city gas supply valve 31, a fuel blower 32, an evaporator 33, and a reformer 34. The fuel passage 30 is connected to the fuel inlet of the fuel cell 10. The fuel passage 30 is a passage through which city gas or fuel gas flows, and is a passage for supplying fuel gas to the fuel cell 10.

都市ガス供給弁３１は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２の上流側に設けられている。都市ガス供給弁３１は、原料ガスである都市ガスを供給するための原料ガス供給弁である。都市ガス供給弁３１は、燃料通路３０への都市ガスの供給と停止とを切り替える。都市ガス供給弁３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動弁で構成されている。 The city gas supply valve 31 is provided in the fuel passage 30 upstream of the fuel blower 32. The city gas supply valve 31 is a raw gas supply valve for supplying city gas, which is a raw gas. The city gas supply valve 31 switches between supplying and stopping the city gas to the fuel passage 30. The city gas supply valve 31 is composed of an electric valve whose operation is controlled by a control signal from the control device 100, which will be described later.

燃料ブロア３２は、燃料通路３０のうち都市ガス供給弁３１の下流側に設けられたブロアであり、燃料通路３０にガス流れを形成する。燃料ブロア３２は、都市ガスを吸入して吐出する。燃料ブロア３２は、燃料電池１０側に向けて都市ガスを供給するためのポンプである。燃料ブロア３２は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。 The fuel blower 32 is a blower provided in the fuel passage 30 downstream of the city gas supply valve 31, and forms a gas flow in the fuel passage 30. The fuel blower 32 draws in and discharges city gas. The fuel blower 32 is a pump for supplying city gas toward the fuel cell 10. The fuel blower 32 is composed of an electric pump whose operation is controlled by a control signal from the control device 100, which will be described later.

蒸発器３３は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２の下流側に設けられる。蒸発器３３は、改質器３４へ供給する水蒸気を生成する。蒸発器３３は、燃焼排ガスによって昇温するように構成されている。蒸発器３３は、水を燃焼排ガスと熱交換させて蒸発させる。 The evaporator 33 is provided downstream of the fuel blower 32 in the fuel passage 30. The evaporator 33 generates water vapor to be supplied to the reformer 34. The evaporator 33 is configured to be heated by the combustion exhaust gas. The evaporator 33 evaporates water by exchanging heat with the combustion exhaust gas.

改質器３４は、燃料通路３０のうち後述するエジェクタ６０の吐出部６０３の下流側に設けられている。改質器３４は、水蒸気を用いて、触媒による水蒸気改質反応によって、都市ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質器３４は、触媒と、反応器とを含む。改質器３４の触媒としては、水蒸気改質触媒であるルテニウムが用いられる。 The reformer 34 is provided in the fuel passage 30 downstream of the discharge portion 603 of the ejector 60 described later. The reformer 34 uses steam to reform the city gas through a steam reforming reaction by a catalyst to generate fuel gas. The reformer 34 includes a catalyst and a reactor. Ruthenium, which is a steam reforming catalyst, is used as the catalyst for the reformer 34.

具体的には、改質器３４は、都市ガスおよび水蒸気を混合した混合ガスを燃焼排ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（すなわち、水素、一酸化炭素）を生成する。 Specifically, the reformer 34 heats the mixed gas of city gas and steam by heat exchange with the combustion exhaust gas, and generates fuel gas (i.e., hydrogen and carbon monoxide) through the reforming reaction shown in reaction formula F5 below and the shift reaction shown in reaction formula F6.

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２（Ｆ６）
ここで、改質器３４における水蒸気改質反応は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３４は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。 _CH4 + _H2O → CO + _3H2 (F5)
CO+ _H2O → _CO2 + _H2 (F6)
Here, the steam reforming reaction in the reformer 34 is an endothermic reaction, and has the characteristic that the reforming rate improves under high temperature conditions. For this reason, it is desirable that the reformer 34 be disposed around the fuel cell 10 so as to be able to absorb the heat released to the surroundings when the fuel cell 10 generates power.

燃料電池システム１は、改質器３４の温度を検出するための改質器温度センサ１０３を備える。改質器温度センサ１０３は、改質器３４に設置されている。改質器温度センサ１０３は、改質器３４を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、改質器温度センサ１０３は、改質器３４の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。 The fuel cell system 1 includes a reformer temperature sensor 103 for detecting the temperature of the reformer 34. The reformer temperature sensor 103 is installed in the reformer 34. The reformer temperature sensor 103 is a temperature sensor that detects the temperature of the fluid after passing through the reformer 34. Note that the reformer temperature sensor 103 may be configured as a temperature sensor that directly detects the temperature of the reformer 34.

燃料電池システム１は、蒸発器３３の温度を検出するための蒸発器温度センサ１０４を備える。蒸発器温度センサ１０４は、蒸発器３３に設置されている。蒸発器温度センサ１０４は、蒸発器３３を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、蒸発器温度センサ１０４は、蒸発器３３の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。 The fuel cell system 1 includes an evaporator temperature sensor 104 for detecting the temperature of the evaporator 33. The evaporator temperature sensor 104 is installed in the evaporator 33. The evaporator temperature sensor 104 is a temperature sensor that detects the temperature of the fluid after passing through the evaporator 33. The evaporator temperature sensor 104 may be configured as a temperature sensor that directly detects the temperature of the evaporator 33.

燃料電池システム１は、水供給通路４０および水ポンプ４１を備える。水供給通路４０は、改質器３４に水蒸気を供給するための通路である。水供給通路４０の一端は、蒸発器３３に接続されている。 The fuel cell system 1 includes a water supply passage 40 and a water pump 41. The water supply passage 40 is a passage for supplying water vapor to the reformer 34. One end of the water supply passage 40 is connected to the evaporator 33.

水ポンプ４１は、水供給通路４０に設けられている。水ポンプ４１は、燃料電池システム１の外部からの水を送る。水ポンプ４１は、蒸発器３３を介して改質器３４側に水蒸気を供給するためのポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。 The water pump 41 is provided in the water supply passage 40. The water pump 41 sends water from outside the fuel cell system 1. The water pump 41 is a pump for supplying water vapor to the reformer 34 side via the evaporator 33. The water pump 41 is an electric pump whose operation is controlled by a control signal from the control device 100 described later.

燃料電池システム１は、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス通路５０を備える。オフガス通路５０は、空気排出通路５１と、燃料排出通路５２とを有する。空気排出通路５１は、燃料電池１０の空気出口に接続されている。空気排出通路５１には、燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる。燃料排出通路５２は、燃料電池１０の燃料出口に接続されている。燃料排出通路５２には、燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる。燃料オフガスは、燃料電池１０での電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスと燃料電池１０での電気化学反応による生成物とを含む。 The fuel cell system 1 includes an off-gas passage 50 through which off-gas discharged from the fuel cell 10 flows. The off-gas passage 50 has an air discharge passage 51 and a fuel discharge passage 52. The air discharge passage 51 is connected to the air outlet of the fuel cell 10. Oxidant off-gas discharged from the fuel cell 10 flows through the air discharge passage 51. The fuel discharge passage 52 is connected to the fuel outlet of the fuel cell 10. Fuel off-gas discharged from the fuel cell 10 flows through the fuel discharge passage 52. The fuel off-gas includes unreacted fuel gas that was not used in the electrochemical reaction in the fuel cell 10 and products of the electrochemical reaction in the fuel cell 10.

燃料電池システム１は、エジェクタ６０を備える。エジェクタ６０は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２の下流側かつ改質器３４の上流側の位置に設けられている。エジェクタ６０は、流体を噴射するノズル部６０１、燃料電池１０の燃料出口側から流体を吸引する吸引部６０２、ノズル部６０１から噴射される流体と吸引部６０２から吸引される流体とを混合して改質器３４に向けて吐出する吐出部６０３を有する。 The fuel cell system 1 includes an ejector 60. The ejector 60 is provided in the fuel passage 30 at a position downstream of the fuel blower 32 and upstream of the reformer 34. The ejector 60 has a nozzle portion 601 that ejects fluid, a suction portion 602 that sucks fluid from the fuel outlet side of the fuel cell 10, and a discharge portion 603 that mixes the fluid ejected from the nozzle portion 601 with the fluid sucked from the suction portion 602 and discharges the mixture toward the reformer 34.

ノズル部６０１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部６０１は、絞り開度が固定された固定絞り構造で構成されている。吸引部６０２は、ノズル部６０１の出口側の負圧を利用して流体を吸引する。また、吐出部６０３は、ノズル部６０１からの流体および吸引部６０２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。なお、ノズル部６０１は、絞り開度を変更可能な可変絞り構造で構成されていてもよい。 The nozzle section 601 has a throttle structure capable of injecting fluid. The nozzle section 601 is configured with a fixed throttle structure with a fixed throttle opening. The suction section 602 uses the negative pressure on the outlet side of the nozzle section 601 to suck in the fluid. The discharge section 603 has a flow path cross-sectional area that expands toward the downstream side so that the fluid from the nozzle section 601 and the fluid from the suction section 602 are mixed and then pressurized. The nozzle section 601 may be configured with a variable throttle structure with a variable throttle opening.

燃料電池システム１は、リサイクル通路６１を備える。リサイクル通路６１の一端は、燃料排出通路５２の途中に接続されている。リサイクル通路６１の他端は、エジェクタ６０の吸引部６０２に接続されている。リサイクル通路６１は、燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を、リサイクルガスとして吸引部６０２に導く通路である。 The fuel cell system 1 includes a recycle passage 61. One end of the recycle passage 61 is connected to the middle of the fuel discharge passage 52. The other end of the recycle passage 61 is connected to the suction section 602 of the ejector 60. The recycle passage 61 is a passage that guides a portion of the fuel off-gas discharged from the fuel cell 10 to the suction section 602 as a recycle gas.

燃料電池システム１は、アシスト通路７０およびアシスト調整弁７１を備える。アシスト通路７０の一端は、燃料通路３０のうち改質器３４と燃料電池１０との間の位置に接続されている。アシスト通路７０の他端は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２の上流側かつ後述する三方弁８３の下流側の位置に接続されている。アシスト通路７０は、改質器３４から燃料電池１０に向かって流れる流体の一部を、アシストガスとして燃料通路３０のうち燃料ブロア３２の上流側に導く通路である。 The fuel cell system 1 includes an assist passage 70 and an assist adjustment valve 71. One end of the assist passage 70 is connected to a position in the fuel passage 30 between the reformer 34 and the fuel cell 10. The other end of the assist passage 70 is connected to a position in the fuel passage 30 upstream of the fuel blower 32 and downstream of a three-way valve 83 described below. The assist passage 70 is a passage that guides a portion of the fluid flowing from the reformer 34 toward the fuel cell 10 as assist gas to the upstream side of the fuel blower 32 in the fuel passage 30.

アシスト調整弁７１は、アシスト通路７０に設けられている。アシスト調整弁７１は、アシスト通路７０を流れるアシストガスの流量を調整するアシスト調整部である。アシストガスの流量を調整することには、アシストガスの流量を０にすることが含まれる。アシスト調整弁７１は、アシスト通路７０を開閉するとともに、弁開度を調整することができる。アシスト調整弁７１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動弁で構成されている。 The assist adjustment valve 71 is provided in the assist passage 70. The assist adjustment valve 71 is an assist adjustment unit that adjusts the flow rate of the assist gas flowing through the assist passage 70. Adjusting the flow rate of the assist gas includes setting the flow rate of the assist gas to zero. The assist adjustment valve 71 can open and close the assist passage 70 and adjust the valve opening. The assist adjustment valve 71 is configured as an electric valve whose operation is controlled by a control signal from the control device 100 described later.

燃料電池システム１は、脱硫器３５を備える。脱硫器３５は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２の下流側であって、蒸発器３３およびエジェクタ６０の上流側に設けられている。脱硫器３５は、触媒反応を利用して、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する。脱硫器３５は、水添脱硫器であり、都市ガスに含まれる硫黄化合物を触媒上で水素と反応させて硫化水素に変換し、変換した硫化水素を酸化亜鉛に取り込んで除去する。脱硫器３５で用いる水素は、アシスト通路７０から供給される。脱硫器３５の触媒としては、Ｎｉ、Ｃｕ等が用いられる。脱硫器３５は、蒸発器３３からの熱伝導が可能な状態で、ハウジング１１の外側に配置されている。 The fuel cell system 1 includes a desulfurizer 35. The desulfurizer 35 is provided in the fuel passage 30 downstream of the fuel blower 32 and upstream of the evaporator 33 and the ejector 60. The desulfurizer 35 uses a catalytic reaction to remove sulfur components contained in the city gas. The desulfurizer 35 is a hydrodesulfurizer that converts sulfur compounds contained in the city gas into hydrogen sulfide by reacting them with hydrogen on a catalyst, and removes the converted hydrogen sulfide by incorporating it into zinc oxide. The hydrogen used in the desulfurizer 35 is supplied from the assist passage 70. Ni, Cu, etc. are used as the catalyst for the desulfurizer 35. The desulfurizer 35 is arranged outside the housing 11 in a state where heat transfer from the evaporator 33 is possible.

燃料電池システム１は、オフガス燃焼器５３および燃焼排ガス通路５４を備える。オフガス燃焼器５３は、オフガス通路５０に接続されている。オフガス燃焼器５３は、燃料オフガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する。オフガス燃焼器５３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼排ガスを生成する。 The fuel cell system 1 includes an off-gas combustor 53 and a combustion exhaust gas passage 54. The off-gas combustor 53 is connected to the off-gas passage 50. The off-gas combustor 53 burns the fuel off-gas to generate combustion exhaust gas. For example, when the fuel cell 10 generates electricity, the off-gas combustor 53 burns a mixed gas of the oxidant off-gas and the fuel off-gas as combustible gas to generate combustion exhaust gas for heating each device of the fuel cell system 1.

燃焼排ガス通路５４は、オフガス燃焼器５３に接続されている。燃焼排ガス通路５４は、オフガス燃焼器５３で生成した燃焼排ガスを流通させる通路である。燃焼排ガス通路５４は、内部を流れる燃焼排ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３４、空気予熱器２２、蒸発器３３の順に接続されている。 The combustion exhaust gas passage 54 is connected to the off-gas combustor 53. The combustion exhaust gas passage 54 is a passage through which the combustion exhaust gas generated in the off-gas combustor 53 flows. In order to effectively utilize the heat of the combustion exhaust gas flowing inside, the combustion exhaust gas passage 54 is connected to the reformer 34, the air preheater 22, and the evaporator 33 in that order from the upstream side.

燃料電池システム１は、暖機用燃焼器８０、暖機用燃焼排ガス通路８１、暖機用燃料通路８２、三方弁８３、暖機用ブロア８４を備える。暖機用燃焼器８０は、都市ガスを燃焼して燃焼排ガスを生成する。暖機用燃焼器８０は、燃料電池システム１の起動時に、燃料電池１０、空気予熱器２２および改質器３４を暖機するために用いられる。 The fuel cell system 1 includes a warm-up combustor 80, a warm-up combustion exhaust gas passage 81, a warm-up fuel passage 82, a three-way valve 83, and a warm-up blower 84. The warm-up combustor 80 burns city gas to generate combustion exhaust gas. The warm-up combustor 80 is used to warm up the fuel cell 10, the air preheater 22, and the reformer 34 when the fuel cell system 1 is started up.

暖機用燃焼排ガス通路８１は、暖機用燃焼器８０で生成した燃焼排ガスが流れる。暖機用燃焼排ガス通路８１は、オフガス燃焼器５３に接続されている。暖機用燃焼排ガス通路８１は、燃料電池１０、空気予熱器２２および改質器３４の周辺に配置されている。暖機用燃焼排ガス通路８１を流れる燃焼排ガスの熱によって、燃料電池１０、空気予熱器２２および改質器３４を加熱することができる。 The warm-up exhaust gas passage 81 carries the combustion exhaust gas generated by the warm-up combustor 80. The warm-up exhaust gas passage 81 is connected to the off-gas combustor 53. The warm-up exhaust gas passage 81 is disposed in the vicinity of the fuel cell 10, the air preheater 22, and the reformer 34. The heat of the combustion exhaust gas flowing through the warm-up exhaust gas passage 81 can heat the fuel cell 10, the air preheater 22, and the reformer 34.

暖機用燃料通路８２は、暖機用燃焼器８０へ都市ガスを導く通路である。暖機用燃料通路８２の上流側端部は、三方弁８３を介して、燃料通路３０のうちアシスト通路７０の他端の接続部の上流側かつ都市ガス供給弁３１の下流側の位置に接続されている。三方弁８３は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動弁で構成されている。暖機用ブロア８４は、暖機用燃料通路８２に設けられている。暖機用ブロア８４は、暖機用燃焼器８０へ都市ガスを送る。暖機用ブロア８４は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。 The warm-up fuel passage 82 is a passage that guides city gas to the warm-up combustor 80. The upstream end of the warm-up fuel passage 82 is connected via a three-way valve 83 to a position in the fuel passage 30 upstream of the connection portion of the other end of the assist passage 70 and downstream of the city gas supply valve 31. The three-way valve 83 is configured as an electric valve whose operation is controlled by a control signal from the control device 100 described later. The warm-up blower 84 is provided in the warm-up fuel passage 82. The warm-up blower 84 sends city gas to the warm-up combustor 80. The warm-up blower 84 is configured as an electric pump whose operation is controlled by a control signal from the control device 100 described later.

図２に示すように、燃料電池システム１は、制御装置１００を備える。制御装置１００は、燃料電池システム１の電子制御部である。制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含むマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。 As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 includes a control device 100. The control device 100 is an electronic control unit of the fuel cell system 1. The control device 100 is composed of a microcomputer including a processor and memory, and its peripheral circuits. The control device 100 performs various calculations and processing based on a control program stored in the memory, and controls the operation of various control devices connected to the output side.

制御装置１００の入力側には、電池温度センサ１０１、電池電圧センサ１０２、改質器温度センサ１０３、蒸発器温度センサ１０４を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。 Various sensors including a battery temperature sensor 101, a battery voltage sensor 102, a reformer temperature sensor 103, and an evaporator temperature sensor 104 are connected to the input side of the control device 100, and the detection results of the various sensors are input to the control device 100.

また、制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするための運転スイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。 An operation panel 105 is also connected to the control device 100. The operation panel 105 is provided with an operation switch 105a for turning on and off the power generation of the fuel cell 10, a display 105b for displaying the operating status of the fuel cell 10, and the like.

一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、空気ブロア２１、都市ガス供給弁３１、燃料ブロア３２、水ポンプ４１、アシスト調整弁７１、暖機用燃焼器８０、三方弁８３、暖機用ブロア８４等が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。 On the other hand, the output side of the control device 100 is connected to the control devices such as the air blower 21, city gas supply valve 31, fuel blower 32, water pump 41, assist adjustment valve 71, warm-up combustor 80, three-way valve 83, and warm-up blower 84. The operation of these control devices is controlled according to the control signal output from the control device 100.

次に、燃料電池システム１の作動について、図３のフローチャートを参照して説明する。なお、図中に示したステップは、各種機能を実現する機能部に対応するものである。このことは、他のフローチャートにおいても同様である。 Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described with reference to the flowchart in FIG. 3. Note that the steps shown in the figure correspond to functional units that realize various functions. This also applies to the other flowcharts.

図３に示す各制御処理は、運転スイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって実行される。運転スイッチ１０５ａがオンされて、操作パネル１０５からの起動指示が制御装置１００に入力されると、図３に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１０にて、燃料電池システム１を起動させる起動処理を実行する。制御装置１００に起動指示が入力されて、制御装置１００が起動処理を実行するときが、燃料電池システム１の起動時である。この起動処理の詳細については、図４のフローチャートを参照して説明する。 The control processes shown in FIG. 3 are executed by the control device 100 when the operation switch 105a is turned on. When the operation switch 105a is turned on and a start-up command is input from the operation panel 105 to the control device 100, the control device 100 executes a start-up process to start up the fuel cell system 1 in step S10, as shown in FIG. 3. The time when the start-up command is input to the control device 100 and the control device 100 executes the start-up process is the start-up time of the fuel cell system 1. Details of this start-up process will be described with reference to the flowchart in FIG. 4.

図４に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ１１０にて、燃料通路３０およびリサイクル通路６１に存在する空気を排出する空気排出処理を実行する。この空気排出処理の詳細については、図５のフローチャートを参照して説明する。 As shown in FIG. 4, the control device 100 first executes an air discharge process in step S110 to discharge air present in the fuel passage 30 and the recycle passage 61. Details of this air discharge process will be described with reference to the flowchart in FIG. 5.

制御装置１００は、ステップＳ１１１にて、都市ガス供給弁３１を開くとともに、燃料ブロア３２の作動を開始させる。これにより、都市ガスが燃料通路３０を流れる。 In step S111, the control device 100 opens the city gas supply valve 31 and starts the operation of the fuel blower 32. This causes city gas to flow through the fuel passage 30.

続いて、制御装置１００は、ステップＳ１１２にて、燃料ブロア３２の作動開始からの都市ガス供給量が第１所定量以上か否かを判定する。第１所定量は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２からエジェクタ６０までの部分に存在する空気の排出のために必要な都市ガスの供給量である。第１所定量は、計測または計算によって求められた量に基づいて予め定められている。ステップＳ１１２の判定は、燃料ブロア３２の作動開始からの都市ガスの積算流量を測定する測定装置の測定結果に基づいて行われる。なお、ステップＳ１１２の判定は、燃料ブロア３２が送る都市ガスの流量の設定値と、タイマーによって計測される燃料ブロア３２の作動開始からの燃料ブロア３２の作動時間とに基づいて行われてもよい。 Then, in step S112, the control device 100 determines whether the amount of city gas supplied from the start of operation of the fuel blower 32 is equal to or greater than a first predetermined amount. The first predetermined amount is the amount of city gas supplied necessary to exhaust air present in the portion of the fuel passage 30 from the fuel blower 32 to the ejector 60. The first predetermined amount is determined in advance based on an amount obtained by measurement or calculation. The determination in step S112 is made based on the measurement results of a measuring device that measures the cumulative flow rate of city gas from the start of operation of the fuel blower 32. Note that the determination in step S112 may also be made based on the set value of the flow rate of city gas sent by the fuel blower 32 and the operating time of the fuel blower 32 from the start of operation of the fuel blower 32 measured by a timer.

ステップＳ１１２にて、ＮＯ判定されると、所定時間経過後に、ステップＳ１１２が再度行われる。ステップＳ１１２にて、ＹＥＳ判定されると、ステップＳ１１３に進む。 If the determination in step S112 is NO, step S112 is performed again after a predetermined time has elapsed. If the determination in step S112 is YES, the process proceeds to step S113.

制御装置１００は、ステップＳ１１３にて、アシスト調整弁７１を開く。都市ガスが燃料通路３０を流れるとき、エジェクタ６０のノズル部６０１から都市ガスが噴射されることによって、燃料電池１０から排出された都市ガスの一部が、エジェクタ６の吸引部６０２に向かってリサイクル通路６１を流れる。このとき、ノズル部６０１を流れる都市ガスの流れである駆動流の流量によって、リサイクル通路６１から吸引部に流入する都市ガスの流れである吸引流の流量が決まる。アシスト調整弁７１が開くことで、エジェクタ６０の駆動流の流量が増大し、リサイクル通路６１を流れる都市ガスの流量が増大する。 In step S113, the control device 100 opens the assist adjustment valve 71. When the city gas flows through the fuel passage 30, the city gas is ejected from the nozzle portion 601 of the ejector 60, causing a portion of the city gas discharged from the fuel cell 10 to flow through the recycle passage 61 toward the suction portion 602 of the ejector 6. At this time, the flow rate of the suction flow, which is the flow of city gas flowing from the recycle passage 61 into the suction portion, is determined by the flow rate of the driving flow, which is the flow of city gas flowing through the nozzle portion 601. By opening the assist adjustment valve 71, the flow rate of the driving flow of the ejector 60 increases, and the flow rate of city gas flowing through the recycle passage 61 increases.

続いて、制御装置１００は、ステップＳ１１４にて、アシスト調整弁７１が開いてからの都市ガス供給量が第２所定量以上か否かを判定する。第２所定量は、燃料通路３０のうちエジェクタ６０の下流側の部分と、燃料電池１０と、リサイクル通路６１とに存在する空気の排出のために必要な都市ガスの供給量である。第２所定量は、計測または計算によって求められた量に基づいて予め定められている。ステップＳ１１４の判定は、ステップＳ１１２と同様に行われる。 Then, in step S114, the control device 100 determines whether the amount of city gas supplied after the assist adjustment valve 71 opens is equal to or greater than a second predetermined amount. The second predetermined amount is the amount of city gas supplied necessary to discharge air present in the portion of the fuel passage 30 downstream of the ejector 60, the fuel cell 10, and the recycle passage 61. The second predetermined amount is determined in advance based on an amount obtained by measurement or calculation. The determination in step S114 is performed in the same manner as in step S112.

ステップＳ１１４にて、ＮＯ判定されると、所定時間経過後に、ステップＳ１１４が再度行われる。ステップＳ１１４にて、ＹＥＳ判定されると、ステップＳ１１５に進む。 If the determination in step S114 is NO, step S114 is performed again after a predetermined time has elapsed. If the determination in step S114 is YES, the process proceeds to step S115.

制御装置１００は、ステップＳ１１５にて、燃料ブロア３２を停止させるとともに、都市ガス供給弁３１を閉じる。ステップＳ１１５が実行されることで、ステップＳ１１０の空気排出処理が終了する。 In step S115, the control device 100 stops the fuel blower 32 and closes the city gas supply valve 31. Execution of step S115 ends the air discharge process of step S110.

上記した空気排出処理では、制御装置１００は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２からエジェクタ６０までの部分に存在する空気を排出できる都市ガスの供給量である第１所定量を供給する。その後、制御装置１００は、アシスト通路７０に改質器３４を通過後の都市ガスの一部を流す。制御装置１００は、燃料通路３０のうちエジェクタ６０の下流側の部分と、燃料電池１０と、リサイクル通路６１とに存在する空気を排出できる都市ガスの供給量である第２所定量が供給されるまで、都市ガスを流し続ける。 In the air discharge process described above, the control device 100 supplies a first predetermined amount of city gas that is sufficient to discharge the air present in the portion of the fuel passage 30 from the fuel blower 32 to the ejector 60. The control device 100 then flows a portion of the city gas that has passed through the reformer 34 into the assist passage 70. The control device 100 continues to flow the city gas until a second predetermined amount is supplied that is sufficient to discharge the air present in the portion of the fuel passage 30 downstream of the ejector 60, the fuel cell 10, and the recycle passage 61.

このようにして、制御装置１００は、燃料通路３０、燃料電池１０およびリサイクル通路６１に存在する空気を排出させる。すなわち、燃料通路３０、燃料電池１０およびリサイクル通路６１に存在する空気を都市ガスに置換させる。 In this way, the control device 100 exhausts the air present in the fuel passage 30, the fuel cell 10, and the recycle passage 61. In other words, the air present in the fuel passage 30, the fuel cell 10, and the recycle passage 61 is replaced with city gas.

続いて、図４に示すように、制御装置１００は、ステップＳ１２０にて、燃料電池１０を含む各種機器を燃料電池１０の発電に適した温度まで昇温させる暖機を開始する。具体的には、制御装置１００は、暖機用燃焼器８０を作動させるために、都市ガス供給弁３１を開き、三方弁８３の状態を、暖機用燃料通路８２が開いて、燃料通路３０が閉じた状態にし、暖機用ブロア８４を作動させる。そして、制御装置１００は、暖機用燃焼器８０に都市ガスおよび空気を供給した状態で、暖機用燃焼器８０を点火し、都市ガスと空気との混合ガスを燃焼させる。 Next, as shown in FIG. 4, the control device 100 starts warming up in step S120 to raise the temperature of various devices including the fuel cell 10 to a temperature suitable for generating electricity from the fuel cell 10. Specifically, in order to operate the warm-up combustor 80, the control device 100 opens the city gas supply valve 31, sets the three-way valve 83 to a state in which the warm-up fuel passage 82 is open and the fuel passage 30 is closed, and operates the warm-up blower 84. Then, with city gas and air supplied to the warm-up combustor 80, the control device 100 ignites the warm-up combustor 80 and burns the mixture of city gas and air.

これにより、燃料電池１０、空気予熱器２２および改質器３４が昇温する。暖機用燃焼器８０で生成した燃焼排ガスが、オフガス燃焼器５３を介して、燃焼排ガス通路５４を流れる。燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路５４を流れる際に、改質器３４、空気予熱器２２、蒸発器３３に放熱する。これによって、改質器３４、空気予熱器２２、蒸発器３３が昇温する。蒸発器３３からの熱伝導によって、脱硫器３５が昇温する。なお、暖機用燃焼器８０に加えて、制御装置１００は、オフガス燃焼器５３に対して燃料電池１０を介さずに都市ガスおよび空気を供給し、都市ガスと空気との混合ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成させてもよい。このように、改質器３４、脱硫器３５等は、暖機用燃焼器８０またはオフガス燃焼器５３が作動することによって昇温する。暖機用燃焼器８０またはオフガス燃焼器５３は、改質器３４、脱硫器３５等を昇温させる暖機装置に相当する。 As a result, the fuel cell 10, the air preheater 22, and the reformer 34 are heated. The combustion exhaust gas generated in the warm-up combustor 80 flows through the combustion exhaust gas passage 54 via the off-gas combustor 53. When the combustion exhaust gas flows through the combustion exhaust gas passage 54, it dissipates heat to the reformer 34, the air preheater 22, and the evaporator 33. As a result, the reformer 34, the air preheater 22, and the evaporator 33 are heated. The desulfurizer 35 is heated by heat conduction from the evaporator 33. In addition to the warm-up combustor 80, the control device 100 may supply city gas and air to the off-gas combustor 53 without passing through the fuel cell 10, and burn the mixed gas of city gas and air to generate combustion exhaust gas. In this way, the reformer 34, the desulfurizer 35, etc. are heated by the operation of the warm-up combustor 80 or the off-gas combustor 53. The warm-up combustor 80 or the off-gas combustor 53 corresponds to a warm-up device that raises the temperature of the reformer 34, the desulfurizer 35, etc.

暖機開始後、制御装置１００は、ステップＳ１３０にて、蒸発器３３の温度が蒸発器３３で水を蒸発させることが可能な蒸発可能温度であるか否かを判定する。この判定は、蒸発器温度センサ１０４の検出温度に基づいて行われる。蒸発可能温度は、例えば、１００℃以上の温度である。 After the warm-up starts, the control device 100 determines in step S130 whether the temperature of the evaporator 33 is at an evaporation temperature at which water can be evaporated by the evaporator 33. This determination is made based on the temperature detected by the evaporator temperature sensor 104. The evaporation temperature is, for example, a temperature of 100°C or higher.

ステップＳ１３０にて、ＮＯ判定されると、所定時間経過後に、ステップＳ１３０が再度行われる。ステップＳ１３０にて、ＹＥＳ判定されると、ステップＳ１４０に進む。 If the determination in step S130 is NO, step S130 is performed again after a predetermined time has elapsed. If the determination in step S130 is YES, the process proceeds to step S140.

制御装置１００は、ステップＳ１４０にて、改質器３４の温度が改質反応を生じさせることが可能な改質可能温度であるか否かを判定する。この判定は、改質器温度センサ１０３の検出温度に基づいて行われる。改質可能温度は、例えば、３００℃以上の温度である。このように、暖機用燃焼器８０は、燃料電池システム１の起動時に、改質器の温度が改質可能温度になるように、改質器３４を昇温させる。 In step S140, the control device 100 determines whether the temperature of the reformer 34 is a reformable temperature at which a reforming reaction can occur. This determination is made based on the temperature detected by the reformer temperature sensor 103. The reformable temperature is, for example, a temperature of 300°C or higher. In this way, the warm-up combustor 80 raises the temperature of the reformer 34 at the start-up of the fuel cell system 1 so that the temperature of the reformer becomes the reformable temperature.

ステップＳ１４０にて、ＮＯ判定されると、所定時間経過後に、ステップＳ１４０が再度行われる。ステップＳ１４０にて、ＹＥＳ判定されると、制御装置１００は、ステップＳ１５０に進む。 If the determination in step S140 is NO, step S140 is performed again after a predetermined time has elapsed. If the determination in step S140 is YES, the control device 100 proceeds to step S150.

制御装置１００は、ステップＳ１５０にて、燃料電池１０の温度が燃料電池１０で発電が可能な発電可能温度であるか否かを判定する。この判定は、電池温度センサ１０１の検出温度に基づいて行われる。発電可能温度は、例えば、５００℃以上である。 In step S150, the control device 100 determines whether the temperature of the fuel cell 10 is at a temperature at which the fuel cell 10 can generate electricity. This determination is made based on the temperature detected by the cell temperature sensor 101. The temperature at which the fuel cell 10 can generate electricity is, for example, 500°C or higher.

ステップＳ１５０にて、ＮＯ判定されると、所定時間経過後に、ステップＳ１５０が再度行われる。ステップＳ１５０にて、ＹＥＳ判定されると、制御装置１００は、ステップＳ１６０に進む。 If the determination in step S150 is NO, step S150 is performed again after a predetermined time has elapsed. If the determination in step S150 is YES, the control device 100 proceeds to step S160.

制御装置１００は、ステップＳ１６０にて、暖機を終了させる。制御装置１００は、暖機用ブロア８４を停止させるとともに、三方弁８３の状態を、暖機用燃料通路８２が閉じて、燃料通路３０が開いた状態にする。これにより、暖機が終了し、図３のステップＳ１０の起動処理が終了する。 The control device 100 ends the warm-up in step S160. The control device 100 stops the warm-up blower 84 and sets the three-way valve 83 to a state in which the warm-up fuel passage 82 is closed and the fuel passage 30 is open. This ends the warm-up and the startup process in step S10 in FIG. 3 is completed.

続いて、制御装置１００は、図３のステップＳ２０にて、燃料電池１０で電気エネルギを出力する発電処理を実行する。すなわち、制御装置１００は、燃料電池１０に要求される電力を出力可能なように、燃料ブロア３２、水ポンプ４１および空気ブロア２１の作動を制御する。また、制御装置１００は、アシスト通路７０に所望の流量のアシストガスが流れるように、アシスト調整弁７１を制御する。このとき、制御装置１００は、電池電圧センサ１０２の検出結果が目標値に近づくように、燃料ブロア３２、水ポンプ４１、空気ブロア２１、アシスト調整弁７１の作動を制御する。 Then, in step S20 of FIG. 3, the control device 100 executes a power generation process to output electrical energy from the fuel cell 10. That is, the control device 100 controls the operation of the fuel blower 32, the water pump 41, and the air blower 21 so that the fuel cell 10 can output the required power. The control device 100 also controls the assist adjustment valve 71 so that the desired flow rate of assist gas flows through the assist passage 70. At this time, the control device 100 controls the operation of the fuel blower 32, the water pump 41, the air blower 21, and the assist adjustment valve 71 so that the detection result of the cell voltage sensor 102 approaches the target value.

燃料ブロア３２の作動によって、都市ガスが燃料通路３０を流れる。水ポンプ４１の作動によって、水が蒸発器３３に供給されて水蒸気が生成する。燃料ガスおよび水蒸気は、エジェクタ６０を介して、改質器３４に供給される。改質器３４では、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により、燃料ガスである水素および一酸化炭素が生成される。改質器３４で生成された燃料ガスは、燃料電池１０に供給される。空気ブロア２１の作動によって、燃料電池１０に空気が供給される。これにより、燃料電池１０が発電する。 The fuel blower 32 operates to cause city gas to flow through the fuel passage 30. The water pump 41 operates to supply water to the evaporator 33, generating water vapor. The fuel gas and water vapor are supplied to the reformer 34 via the ejector 60. In the reformer 34, the fuel gas, hydrogen and carbon monoxide, are generated by the reactions shown in the above-mentioned reaction formulas F5 and F6. The fuel gas generated in the reformer 34 is supplied to the fuel cell 10. The air blower 21 operates to supply air to the fuel cell 10. This causes the fuel cell 10 to generate electricity.

このとき、エジェクタ６０では、燃料ガスがノズル部６０１から噴射されることで生ずる負圧によって、燃料電池１０の燃料出口側の燃料オフガスの一部がリサイクル通路６１を介して吸引部６０２に吸引される。これにより、燃料オフガスの一部は、燃料電池１０の発電に再利用される。燃料オフガスには、未反応の燃料ガスである水素および一酸化炭素と、燃料電池１０での電気化学反応の生成物である水と二酸化炭素とが含まれる。 At this time, in the ejector 60, a portion of the fuel off-gas on the fuel outlet side of the fuel cell 10 is sucked into the suction section 602 via the recycle passage 61 due to the negative pressure generated by the fuel gas being ejected from the nozzle section 601. As a result, a portion of the fuel off-gas is reused for power generation in the fuel cell 10. The fuel off-gas contains unreacted fuel gas, hydrogen and carbon monoxide, and water and carbon dioxide, which are products of the electrochemical reaction in the fuel cell 10.

さらに、アシスト調整弁７１が開かれていることで、改質器３４から流出した流体の一部は、アシストガスとしてアシスト通路７０を流れる。アシストガスには、燃料ガスである水素および一酸化炭素と、リサイクル通路６１から流入した水および二酸化炭素とが含まれる。これにより、燃料電池システム１がアシスト通路７０を備えていない場合と都市ガスおよび水蒸気の流量が同じ条件で比較して、ノズル部６０１を流れる駆動流の流量が増加し、吸引部６０２に吸引される吸引流の流量、すなわち、リサイクルガスの流量が増加する。このように、都市ガスの流量および水蒸気の流量を発電に必要な流量よりも多くしなくても、アシスト通路７０にアシストガスを流すことで、駆動流の流量を増加させることでき、エジェクタ６０の能力を増大させることができる。リサイクルガスの流量を増加させることで、発電効率を向上させることができる。 Furthermore, by opening the assist adjustment valve 71, a part of the fluid flowing out from the reformer 34 flows through the assist passage 70 as assist gas. The assist gas contains hydrogen and carbon monoxide, which are fuel gases, and water and carbon dioxide flowing in from the recycle passage 61. As a result, compared with a case where the fuel cell system 1 does not have the assist passage 70 and the flow rate of the city gas and water vapor is the same, the flow rate of the driving flow flowing through the nozzle portion 601 increases, and the flow rate of the suction flow sucked into the suction portion 602, i.e., the flow rate of the recycled gas, increases. In this way, even if the flow rate of the city gas and the flow rate of the water vapor are not made higher than the flow rate required for power generation, the flow of the driving flow can be increased by flowing the assist gas through the assist passage 70, and the capacity of the ejector 60 can be increased. By increasing the flow rate of the recycled gas, the power generation efficiency can be improved.

そして、燃料電池１０から排出されるオフガスは、可燃ガスとしてオフガス燃焼器５３で燃焼される。オフガス燃焼器５３で生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路５４を流れる際に改質器３４、空気予熱器２２、蒸発器３３に放熱する。 The off-gas discharged from the fuel cell 10 is combusted as combustible gas in the off-gas combustor 53. The combustion exhaust gas generated in the off-gas combustor 53 dissipates heat to the reformer 34, the air preheater 22, and the evaporator 33 as it flows through the combustion exhaust gas passage 54.

燃料オフガスの他の一部および燃料電池１０から排出された空気オフガスは、オフガス燃焼器５３に供給される。燃料オフガスと空気オフガスとが、オフガス燃焼器５３で燃焼されて燃焼排ガスが生成する。生成した燃焼排ガスは、燃焼排ガス通路５４を流れる際に改質器３４、空気予熱器２２、蒸発器３３に放熱する。 The other part of the fuel off-gas and the air off-gas discharged from the fuel cell 10 are supplied to the off-gas combustor 53. The fuel off-gas and the air off-gas are combusted in the off-gas combustor 53 to generate combustion exhaust gas. The generated combustion exhaust gas dissipates heat to the reformer 34, the air preheater 22, and the evaporator 33 as it flows through the combustion exhaust gas passage 54.

続いて、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、燃料電池１０の発電を停止するか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、運転スイッチ１０５ａがオフされたか否かを判定する。 Then, in step S30, the control device 100 determines whether or not to stop power generation by the fuel cell 10. Specifically, the control device 100 determines whether or not the operation switch 105a has been turned off.

運転スイッチ１０５ａがオンに維持されている場合、制御装置１００は、発電処理を継続する。また、運転スイッチ１０５ａがオフされた場合、制御装置１００は、ステップＳ４０にて、停止処理を実行する。この停止処理の詳細については、図６のフローチャートを参照して説明する。 When the operation switch 105a is kept on, the control device 100 continues the power generation process. When the operation switch 105a is turned off, the control device 100 executes a stop process in step S40. Details of this stop process will be described with reference to the flowchart in FIG. 6.

図６に示すように、停止処理では、制御装置１００は、ステップＳ４１０にて、燃料ブロア３２、水ポンプ４１、空気ブロア２１を停止させるとともに、都市ガス供給弁３１を閉じる。これにより、外部から燃料電池システム１への都市ガス、水、空気の供給が停止される。 As shown in FIG. 6, in the shutdown process, in step S410, the control device 100 stops the fuel blower 32, the water pump 41, and the air blower 21, and closes the city gas supply valve 31. This stops the supply of city gas, water, and air from the outside to the fuel cell system 1.

続いて、制御装置１００は、ステップＳ４２０にて、アシスト調整弁７１を閉じる。これにより、停止処理が終了する。 Then, in step S420, the control device 100 closes the assist adjustment valve 71. This ends the stop process.

次に、本実施形態の燃料電池システム１の効果について、比較例１の燃料電池システムと比較して説明する。比較例１の燃料電池システム１は、本実施形態の燃料電池システム１と異なり、アシスト通路７０を備えていない。比較例１の燃料電池システム１の他の構成は、本実施形態の燃料電池システム１と同じである。 Next, the effects of the fuel cell system 1 of this embodiment will be explained in comparison with the fuel cell system of Comparative Example 1. Unlike the fuel cell system 1 of this embodiment, the fuel cell system 1 of Comparative Example 1 does not include an assist passage 70. The other configurations of the fuel cell system 1 of Comparative Example 1 are the same as those of the fuel cell system 1 of this embodiment.

燃料通路３０およびリサイクル通路６１は、燃焼排ガス通路５４を介して、燃焼排ガス通路５４の出口に通じている。燃料電池システム１が停止すると、燃料通路３０、リサイクル通路６１、燃焼排ガス通路５４等の各通路の温度が下がる。このときの各通路内のガガスの熱収縮により、燃焼排ガス通路５４の出口から空気が逆流し、燃料通路３０およびリサイクル通路６１に空気が存在する。 The fuel passage 30 and the recycle passage 61 are connected to the outlet of the combustion exhaust gas passage 54 via the combustion exhaust gas passage 54. When the fuel cell system 1 is stopped, the temperature of each passage, such as the fuel passage 30, the recycle passage 61, and the combustion exhaust gas passage 54, drops. At this time, the thermal contraction of the gas in each passage causes air to flow back from the outlet of the combustion exhaust gas passage 54, and air is present in the fuel passage 30 and the recycle passage 61.

燃料電池システム１の起動時では、燃料電池１０の発電に適した温度になるように、改質器３４、燃料電池１０、脱硫器３５が暖機される。例えば、改質器３４では、触媒による改質反応を生じさせることができる改質可能温度まで、改質器３４が昇温される。そして、一般的に、改質器３４等の暖機が終了すると、改質反応を生じさせるために燃料通路３０に都市ガスが流される。 When the fuel cell system 1 is started, the reformer 34, fuel cell 10, and desulfurizer 35 are warmed up so that they reach a temperature suitable for power generation by the fuel cell 10. For example, the reformer 34 is heated up to a reforming temperature at which a reforming reaction can occur by a catalyst. Then, generally, once the warm-up of the reformer 34 and other components is completed, city gas is allowed to flow into the fuel passage 30 to cause the reforming reaction.

しかし、改質器３４、燃料電池１０、脱硫器３５に連通する燃料通路３０およびリサイクル通路６１に空気が存在する状態で、改質器３４、燃料電池１０、脱硫器３５が昇温すると、改質器３４、燃料電池１０、脱硫器３５が有する触媒の酸化劣化が生じる。特に、改質器３４の触媒として用いられるルテニウムの酸化が加速して進行し始める温度である酸化劣化温度は、１５０℃であり、改質可能温度以下である。このため、燃料通路３０等に空気が存在する状態で、改質器３４が改質可能温度まで昇温すると、改質器３４が有する触媒の酸化劣化が生じる。同様に、燃料電池１０の燃料極の触媒および脱硫器３５の触媒として用いられるニッケルの酸化劣化温度は、３００℃である。このため、燃料通路３０等に空気が存在する状態で、燃料電池１０、脱硫器３５が酸化劣化温度まで昇温すると、燃料電池１０、脱硫器３５が有する触媒の酸化劣化が生じる。 However, when the reformer 34, fuel cell 10, and desulfurizer 35 are heated in a state where air is present in the fuel passage 30 and the recycle passage 61 that communicate with the reformer 34, fuel cell 10, and desulfurizer 35, oxidation degradation of the catalysts in the reformer 34, fuel cell 10, and desulfurizer 35 occurs. In particular, the oxidation degradation temperature at which the oxidation of ruthenium used as the catalyst in the reformer 34 accelerates and begins to progress is 150°C, which is below the reformable temperature. Therefore, when the reformer 34 is heated to the reformable temperature in a state where air is present in the fuel passage 30, etc., oxidation degradation of the catalysts in the reformer 34 occurs. Similarly, the oxidation degradation temperature of nickel used as the catalyst of the fuel electrode of the fuel cell 10 and the catalyst of the desulfurizer 35 is 300°C. Therefore, when the fuel cell 10 and desulfurizer 35 are heated to the oxidation degradation temperature in a state where air is present in the fuel passage 30, etc., oxidation degradation of the catalysts in the fuel cell 10 and desulfurizer 35 occurs.

そこで、比較例１の燃料電池システム１では、本実施形態の燃料電池システム１と同様に、制御装置１００は、燃料電池システム１の起動時であって、改質器３４の温度が常温のときに、空気排出処理を実行する。改質器３４の温度が常温のときとは、改質器３４の温度が暖機用燃焼器８０が改質器３４を昇温させる前の温度のときを意味する。空気排出処理では、制御装置１００は、都市ガス供給弁３１を開き、燃料ブロア３２の作動を開始させることで、燃料通路３０およびリサイクル通路６１に都市ガスを流す。 In the fuel cell system 1 of Comparative Example 1, similar to the fuel cell system 1 of this embodiment, the control device 100 executes the air discharge process when the fuel cell system 1 is started and the temperature of the reformer 34 is at room temperature. When the temperature of the reformer 34 is at room temperature, this means that the temperature of the reformer 34 is at the temperature before the warm-up combustor 80 heats up the reformer 34. In the air discharge process, the control device 100 opens the city gas supply valve 31 and starts the operation of the fuel blower 32, thereby flowing city gas into the fuel passage 30 and the recycle passage 61.

このように、制御装置１００は、燃料電池システム１の起動時であって、改質器３４の温度が改質可能温度よりも低いときに燃料通路３０およびリサイクル通路６１に都市ガスを流すことで、燃料通路３０およびリサイクル通路６１内の空気を排出する。このため、改質器３４の温度が改質可能温度以上になったときに、燃料通路３０およびリサイクル通路６１に都市ガスを流す場合と比較して、改質器３４、燃料電池１０、脱硫器３５が有する触媒の酸化劣化を抑制することができる。 In this way, the control device 100 exhausts the air in the fuel passage 30 and the recycle passage 61 by flowing city gas into the fuel passage 30 and the recycle passage 61 when the fuel cell system 1 is started and the temperature of the reformer 34 is lower than the reformable temperature. Therefore, oxidation deterioration of the catalysts in the reformer 34, fuel cell 10, and desulfurizer 35 can be suppressed compared to the case where city gas is flowed into the fuel passage 30 and the recycle passage 61 when the temperature of the reformer 34 reaches or exceeds the reformable temperature.

ここで、リサイクル通路６１は、容積が大きく、燃焼排ガス通路５４に近い。このため、燃料電池システム１が停止すると、リサイクル通路６１に空気が多く存在する。このため、比較例１の燃料電池システム１では、リサイクル通路６１に存在する空気が排出されるまで、燃料通路３０に都市ガスを流し続ける時間が長い。すなわち、燃料電池システム１の外部から燃料電池システム１に供給される原料ガスの供給量が多い。このときに燃料通路３０に流す都市ガスは、燃料電池１０の発電に用いられず、燃料電池システム１の外部に排出されるため、都市ガスを多く流すことは好ましくない。 Here, the recycle passage 61 has a large volume and is close to the combustion exhaust gas passage 54. Therefore, when the fuel cell system 1 stops, a lot of air is present in the recycle passage 61. Therefore, in the fuel cell system 1 of Comparative Example 1, the time for which city gas continues to flow through the fuel passage 30 is long until the air present in the recycle passage 61 is discharged. In other words, the amount of raw material gas supplied to the fuel cell system 1 from outside the fuel cell system 1 is large. At this time, the city gas flowing through the fuel passage 30 is not used for power generation by the fuel cell 10 and is discharged outside the fuel cell system 1, so it is not preferable to flow a large amount of city gas.

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、アシスト通路７０を備えている。空気排出処理では、制御装置１００は、都市ガス供給弁３１を開き、燃料ブロア３２の作動を開始させた後に、アシスト通路７０に都市ガスが流れるように、アシスト調整弁７１を開く。 In contrast, the fuel cell system 1 of this embodiment is equipped with an assist passage 70. In the air discharge process, the control device 100 opens the city gas supply valve 31, starts the operation of the fuel blower 32, and then opens the assist adjustment valve 71 so that city gas flows into the assist passage 70.

これによれば、アシスト通路７０に都市ガスが流れることで、エジェクタ６０の駆動流の流量が増大し、エジェクタ６０の吸引流の流量が増大する。これにより、リサイクル通路６１を流れる都市ガスの流量を増大させることができる。このため、比較例１の燃料電池システム１と燃料ブロア３２が送る都市ガスの流量を同じとして比較して、リサイクル通路６１に存在する空気を排出するまでに必要な燃料通路３０に都市ガスを流し続ける時間を減らすことができる。よって、燃料電池システム１の外部から燃料電池システム１に供給される都市ガスの供給量を少なく抑えることができる。 By this, the flow of city gas through the assist passage 70 increases the flow rate of the drive flow of the ejector 60, and the flow rate of the suction flow of the ejector 60 increases. This increases the flow rate of city gas flowing through the recycle passage 61. Therefore, compared to the fuel cell system 1 of Comparative Example 1, where the flow rate of city gas sent by the fuel blower 32 is the same, the time required to continue flowing city gas through the fuel passage 30 until the air present in the recycle passage 61 is discharged can be reduced. Therefore, the amount of city gas supplied to the fuel cell system 1 from outside the fuel cell system 1 can be kept low.

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池システム１の停止処理において、制御装置１００は、燃料ブロア３２等を停止させて都市ガスの供給を停止した後、アシスト調整弁７１を閉じる。これにより、都市ガスの供給を停止した後に、アシスト調整弁７１を閉じない場合と比較して、燃焼排ガス通路５４の出口からの空気の逆流を抑制することができる。 In addition, in the fuel cell system 1 of this embodiment, in the process of stopping the fuel cell system 1, the control device 100 stops the fuel blower 32 and the like to stop the supply of city gas, and then closes the assist adjustment valve 71. This makes it possible to suppress backflow of air from the outlet of the combustion exhaust gas passage 54, compared to the case where the assist adjustment valve 71 is not closed after the supply of city gas is stopped.

（第２実施形態）
第１実施形態の燃料電池システム１では、蒸発器３３は、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２とエジェクタ６０との間の位置に設けられている。すなわち、燃料通路３０のうち燃料ブロア３２とエジェクタ６０との間の位置に、水供給通路４０が合流する合流部があり、その合流部に蒸発器３３が設けられている。 Second Embodiment
In the fuel cell system 1 of the first embodiment, the evaporator 33 is provided in the fuel passage 30 at a position between the fuel blower 32 and the ejector 60. That is, in the fuel passage 30, at a position between the fuel blower 32 and the ejector 60, there is a junction where the water supply passage 40 joins, and the evaporator 33 is provided at the junction.

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１では、図７に示すように、蒸発器３３は、水供給通路４０のうち水ポンプ４１と合流部４０ａとの間の位置に設けられている。合流部４０ａは、燃料通路３０のうち水供給通路４０が合流する部分である。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態と同じである。このように、蒸発器３３は、水供給通路４０の途中に設けられてもよい。なお、蒸発器３３の位置は、第１実施形態および本実施形態の位置に限られない。蒸発器３３は、燃料通路３０のうち合流部４０ａとエジェクタ６０との間の位置に設けられてもよい。 In contrast, in the fuel cell system 1 of this embodiment, as shown in FIG. 7, the evaporator 33 is provided in the water supply passage 40 at a position between the water pump 41 and the junction 40a. The junction 40a is the portion of the fuel passage 30 where the water supply passage 40 merges. The other configurations of the fuel cell system 1 are the same as those of the first embodiment. In this way, the evaporator 33 may be provided midway through the water supply passage 40. Note that the position of the evaporator 33 is not limited to the position in the first and present embodiments. The evaporator 33 may be provided in the fuel passage 30 at a position between the junction 40a and the ejector 60.

（第３実施形態）
図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態の脱硫器３５に替えて、常温脱硫器３６を備える。また、本実施形態の燃料電池システム１では、蒸発器３３は、ハウジング１１の外側に配置されている。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１と同じである。 Third Embodiment
As shown in Fig. 8, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes an ambient temperature desulfurizer 36 instead of the desulfurizer 35 of the first embodiment. Furthermore, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the evaporator 33 is disposed outside the housing 11. The other configurations of the fuel cell system 1 are the same as those of the fuel cell system 1 of the first embodiment.

常温脱硫器３６は、燃料通路３０のうち都市ガス供給弁３１の下流側かつ三方弁８３の上流側の位置に設けられている。常温脱硫器３６は、都市ガスに含まれる硫化物を吸着剤に物理的に吸着させることで、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去する。常温脱硫器３６は、触媒を有していないので、触媒の酸化劣化の問題を回避することができる。 The room temperature desulfurizer 36 is provided in the fuel passage 30 downstream of the city gas supply valve 31 and upstream of the three-way valve 83. The room temperature desulfurizer 36 removes the sulfur components contained in the city gas by physically adsorbing the sulfides contained in the city gas to an adsorbent. Since the room temperature desulfurizer 36 does not have a catalyst, it is possible to avoid the problem of oxidation deterioration of the catalyst.

（第４実施形態）
図９に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、第３実施形態の燃料電池システム１に対して、常温脱硫器３６の位置が異なる。常温脱硫器３６は、燃料通路３０のうちアシスト通路７０の他端の接続部の上流側かつ三方弁８３の下流側の位置に設けられている。燃料電池システム１の他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１と同じである。本実施形態によっても、第３実施形態と同じ効果が得られる。 Fourth Embodiment
As shown in Fig. 9, the fuel cell system 1 of this embodiment differs from the fuel cell system 1 of the third embodiment in the position of the room temperature desulfurizer 36. The room temperature desulfurizer 36 is provided in a position in the fuel passage 30 upstream of the connection portion of the other end of the assist passage 70 and downstream of the three-way valve 83. The other configuration of the fuel cell system 1 is the same as that of the fuel cell system 1 of the first embodiment. The same effects as those of the third embodiment can be obtained with this embodiment as well.

（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、燃料電池システム１の起動時に、制御装置１００は、燃料ブロア３２の作動を開始させた後、アシスト調整弁７１を開いた。しかしながら、制御装置１００は、燃料ブロア３２の作動を開始させる前に、アシスト調整弁７１を開き、アシスト調整弁７１が開いた状態で、燃料ブロア３２の作動を開始させてもよい。また、燃料ブロア３２の作動開始と同時に、アシスト調整弁７１を開いてもよい。これらの場合であっても、第１実施形態よりも効果が減少するが、燃料電池システム１がアシスト通路７０を備えていない場合と比較して、燃料電池システム１の外部から燃料電池システム１に供給する都市ガスの供給量を減らすことができる。 Other Embodiments
(1) In the first embodiment, when starting up the fuel cell system 1, the control device 100 starts the operation of the fuel blower 32 and then opens the assist adjustment valve 71. However, the control device 100 may open the assist adjustment valve 71 before starting the operation of the fuel blower 32, and start the operation of the fuel blower 32 with the assist adjustment valve 71 open. Also, the assist adjustment valve 71 may be opened simultaneously with the start of operation of the fuel blower 32. Even in these cases, although the effect is less than that of the first embodiment, the amount of city gas supplied to the fuel cell system 1 from outside the fuel cell system 1 can be reduced compared to a case in which the fuel cell system 1 does not include the assist passage 70.

（２）第１実施形態では、制御装置１００は、燃料電池システム１の起動時であって、改質器３４の温度が常温のときに、空気排出処理を実行する。しかしながら、制御装置１００は、燃料電池システム１の起動時であって、改質器３４等の暖機が開始された後に、空気排出処理を実行してもよい。この場合、制御装置１００は、改質器３４の温度が改質可能温度よりも低い温度のときに、空気排出処理を実行する。これによっても、改質器３４の温度が改質可能温度以上になったときに、燃料通路３０およびリサイクル通路６１に都市ガスを流す場合と比較して、改質器３４の触媒の酸化劣化を抑制することができる。以上の説明のように、制御装置１００は、燃料電池システム１の起動時であって、改質器３４の温度が暖機用燃焼器８０等の暖房装置が改質器３４を昇温させる前の温度以上、かつ、改質可能温度よりも低い温度範囲内のときに、空気排出処理を実行すればよい。 (2) In the first embodiment, the control device 100 executes the air discharge process when the fuel cell system 1 is started and the temperature of the reformer 34 is at room temperature. However, the control device 100 may execute the air discharge process when the fuel cell system 1 is started and after the warm-up of the reformer 34 and the like is started. In this case, the control device 100 executes the air discharge process when the temperature of the reformer 34 is lower than the reformable temperature. This also makes it possible to suppress oxidation deterioration of the catalyst of the reformer 34 compared to the case where city gas is flowed into the fuel passage 30 and the recycle passage 61 when the temperature of the reformer 34 becomes equal to or higher than the reformable temperature. As described above, the control device 100 may execute the air discharge process when the fuel cell system 1 is started and the temperature of the reformer 34 is equal to or higher than the temperature before the heating device such as the warm-up combustor 80 heats up the reformer 34 and is within a temperature range lower than the reformable temperature.

なお、触媒の酸化劣化温度の方が、改質可能温度よりも低い場合、制御装置１００は、改質器３４の温度が触媒劣化温度よりも低い温度のときに、空気排出処理を実行することが好ましい。例えば、改質器３４の触媒としてルテニウムが用いられる場合、触媒の酸化劣化温度は１５０℃である。この場合、制御装置１００は、改質器３４の温度が１５０℃よりも低い温度のときに、空気排出処理を実行することが好ましい。 When the oxidation deterioration temperature of the catalyst is lower than the reformable temperature, it is preferable for the control device 100 to execute the air discharge process when the temperature of the reformer 34 is lower than the catalyst deterioration temperature. For example, when ruthenium is used as the catalyst of the reformer 34, the oxidation deterioration temperature of the catalyst is 150°C. In this case, it is preferable for the control device 100 to execute the air discharge process when the temperature of the reformer 34 is lower than 150°C.

（３）第１実施形態では、脱硫器３５を昇温させる暖機装置として、暖機用燃焼器８０またはオフガス燃焼器５３が用いられる。しかしながら、脱硫器３５を昇温させる暖機装置として、暖機用燃焼器８０、オフガス燃焼器５３以外の他の暖機装置が用いられてもよい。 (3) In the first embodiment, the warm-up combustor 80 or the off-gas combustor 53 is used as a warm-up device that raises the temperature of the desulfurizer 35. However, a warm-up device other than the warm-up combustor 80 or the off-gas combustor 53 may be used as a warm-up device that raises the temperature of the desulfurizer 35.

（４）第１実施形態では、アシスト調整部として、アシスト調整弁７１が用いられている。しかしながら、アシスト調整部として、アシスト通路７０を開閉するとともに、アシスト通路７０を流れるアシストガスの流量を調整することができるポンプが用いられてもよい。 (4) In the first embodiment, the assist adjustment valve 71 is used as the assist adjustment unit. However, a pump that can open and close the assist passage 70 and adjust the flow rate of the assist gas flowing through the assist passage 70 may also be used as the assist adjustment unit.

（５）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 (5) The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified as appropriate within the scope of the claims, including various modified examples and modifications within the scope of equivalents. Furthermore, the above-described embodiments are not unrelated to each other, and can be combined as appropriate, except in cases where the combination is clearly impossible. Furthermore, in the above-described embodiments, it goes without saying that the elements constituting the embodiments are not necessarily essential, except in cases where they are specifically stated as essential or where they are clearly considered essential in principle.

１０燃料電池
３０燃料通路
３１都市ガス供給弁
３２燃料ブロア
３４改質器
６０エジェクタ
６１リサイクル通路
７０アシスト通路
７１アシスト調整弁
８０暖機用燃焼器
１００制御装置 REFERENCE SIGNS LIST 10 fuel cell 30 fuel passage 31 city gas supply valve 32 fuel blower 34 reformer 60 ejector 61 recycle passage 70 assist passage 71 assist adjustment valve 80 warm-up combustor 100 control device

Claims

1. A fuel cell system comprising:
A solid oxide fuel cell (10) that generates electricity through an electrochemical reaction using a fuel gas and an oxidant gas;
a fuel passage (30) connected to a fuel inlet of the fuel cell for supplying the fuel gas to the fuel cell;
a fuel blower (32) provided in the fuel passage for sucking in and discharging a raw material gas that is reformed to become the fuel gas;
a raw material gas supply valve (31) provided in the fuel passage upstream of the fuel blower and configured to switch between supplying and stopping the raw material gas to the fuel passage;
an ejector (60) provided in the fuel passage downstream of the fuel blower, the ejector having a nozzle portion (601) for ejecting a fluid, a suction portion (602) for sucking a fluid from a fuel outlet side of the fuel cell, and a discharge portion (603) for mixing the fluid ejected from the nozzle portion with the fluid sucked from the suction portion and discharging the mixture;
a reformer (34) provided in the fuel passage downstream of the discharge portion of the ejector, the reformer reforming the raw material gas through a reforming reaction by a catalyst to generate the fuel gas;
a recycle passage (61) for guiding a part of a fuel off-gas, which is discharged from the fuel cell and contains unreacted fuel gas, as a recycle gas to the suction part of the ejector;
an assist passage (70) that guides a portion of the fluid flowing from the reformer toward the fuel cell as an assist gas to the upstream side of the fuel blower and the downstream side of the raw material gas supply valve in the fuel passage;
an assist adjusting section (71) provided in the assist passage for adjusting a flow rate of the assist gas;
a warm-up device (80) that heats up the reformer at the time of start-up of the fuel cell system so that the temperature of the reformer reaches a reforming temperature at which the reforming reaction can occur;
a control unit (100) that controls the operation of the fuel blower, the raw material gas supply valve, the assist adjustment unit, and the warm-up device,
The control unit, when starting up the fuel cell system and the temperature of the reformer is within a temperature range that is equal to or higher than the temperature before the warm-up device heats up the reformer and is lower than the reformable temperature, opens the raw material gas supply valve and starts operation of the fuel blower, thereby causing the raw material gas to flow through the fuel passage and the recycle passage and controlling the operation of the assist adjustment unit so that the raw material gas flows through the assist passage.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a hydrodesulfurizer (35) that is provided in the fuel passage downstream of the fuel blower and upstream of the ejector and that uses a catalytic reaction to remove sulfur components contained in the raw gas.

The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control unit opens the raw gas supply valve and starts the operation of the fuel blower when the fuel cell system is started and the temperature of the reformer is lower than a catalyst degradation temperature at which oxidation degradation of the catalyst of the reformer begins to accelerate.

The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control unit opens the raw gas supply valve and starts operation of the fuel blower when the fuel cell system is started up and the temperature of the reformer is the temperature before the warm-up device heats up the reformer.