TW202404164A - 燃料電池系統及燃料電池系統之運轉方法 - Google Patents

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Abstract

[課題] 從開始對燃料極供給燃料氣體到發電室成為規定之加熱狀態為止，縮短所需的啟動時間。 [解決手段] 提供一種燃料電池系統(310)，具備：燃料電池(313)；渦輪增壓器(411)；氧化性氣體供給線路(331)，將以壓縮機(421)所壓縮之氧化性氣體供給至空氣極(113)；燃料氣體線路(341)，將燃料氣體(L1)供給至燃料極(109)；啟動用加熱器(458)，將氧化性氣體進行加熱；吹氣閥(445)，配置於連接至氧化性氣體供給線路(331)的氧化性氣體吹氣線路(444)；以及控制裝置(20)，控制控制閥(342)及吹氣閥(445)，使得對燃料極(109)開始供給燃料氣體(L1)時，將吹氣閥(445)作為開啟狀態，並因應燃料電池(313)之發電室藉由被啟動用加熱器(458)所加熱後之氧化性氣體(A2)而成為規定的加熱狀態，將吹氣閥(445)切換為關閉狀態。

Description

燃料電池系統及燃料電池系統之運轉方法
本發明是有關一種燃料電池系統及燃料電池系統之運轉方法。
使燃料氣體與氧化性氣體進行化學反應來發電的燃料電池，具有優良的發電效率及符合環保等特性。其中的固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell：以下稱為「SOFC」)，是使用氧化鋯陶瓷等陶瓷作為電解質，並將氫、瓦斯、天然氣，及將石油、甲醇、含碳原料以氣體化設備製造成的氣體化氣體，供給作為燃料氣體，以大約700℃~1000℃的高溫氣氛發生反應而進行發電(例如參考專利文獻1)。
專利文獻1揭示了組合SOFC與渦輪增壓器的SOFC系統。專利文獻1中，是將SOFC所排出的排出燃料氣體以燃燒器加以燃燒，再對渦輪機供給燃燒氣體，來旋轉驅動渦輪機。連接於渦輪機的壓縮機，會將氧化性氣體壓縮並供給至空氣極。
再者，專利文獻1中揭示以下內容：為了在啟動SOFC時將發電室作為高溫氣氛，是以啟動用加熱器將供給至空氣極的氧化性氣體進行加熱，並對空氣極供給燃料氣體，藉由觸媒反應使發電室升溫。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第6922016號公報
[發明欲解決之課題]
然而，當發電室為低溫氣氛(例如400℃~500℃)的情況下，燃料電池的觸媒活性較低，因此會有以下情況：供給至空氣極之氧化性氣體的供給量，對於供給至燃料極之燃料氣體的供給量來說顯得過多。在此情況下，發電室內的燃燒無法充分進行，從低溫氣氛到高溫氣氛為止的啟動時間會變長。
為了使發電室升溫，可以想見增加對空氣極供給之燃料氣體來促進觸媒反應的方法，但低溫氣氛下的觸媒反應能力有其極限。因此，即使增加對空氣極供給的燃料氣體，可能也無法使發電室充分升溫。
再者，增加對空氣極供給的燃料氣體，則從空氣極排出之未反應的排出燃料氣體也會增加，這麼一來，藉由排出燃料氣體來旋轉驅動之渦輪機的單位時間轉速，以及壓縮機供給至空氣極的氧化性氣體流量都會增加。因此，供給至空氣極之氧化性氣體的供給量，對於供給至燃料極之燃料氣體的供給量來說顯得更多，啟動時間也就更長。
本發明是有鑑於如此狀況而完成，目的是提供一種燃料電池系統及燃料電池系統之運轉方法，從開始對燃料極供給燃料氣體到發電室成為規定之加熱狀態為止，可以縮短所需的啟動時間。 [供解決課題之手段]
為了解決上述課題，本發明採用以下的手段。 有關本發明的一種燃料電池系統，具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱；吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；吹氣閥，配置於前述吹氣線路；以及控制裝置，控制前述燃料氣體控制閥及前述吹氣閥，使得當將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而對前述燃料極開始供給前述燃料氣體時，將前述吹氣閥作為開啟狀態，並因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
有關本發明的一種燃料電池系統之運轉方法，是燃料電池系統之運轉方法，前述燃料電池系統具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱；吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；以及吹氣閥，配置於前述吹氣線路，該燃料電池系統之運轉方法具備：將前述吹氣閥作為開啟狀態的步驟；當前述吹氣閥為開啟狀態的情況下，將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而開始對前述燃料極供給前述燃料氣體的步驟；以及控制前述吹氣閥的控制步驟，因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。 [發明之效果]
若依據本發明，則可提供一種燃料電池系統及燃料電池系統之運轉方法，從開始對燃料極供給燃料氣體到發電室成為規定之加熱狀態為止，可以縮短所需的啟動時間。
[第1實施方式]
以下參考圖式，說明有關本發明之燃料電池系統及其運轉方法的第1實施方式。
以下為了方便說明，以紙面為基準而使用「上」及「下」的表現方式來說明各個結構要素的位置關係，分別代表鉛直上方側、鉛直下方側，其中鉛直方向並非嚴格界定，而是包含誤差。再者，本實施方式中，若上下方向與水平方向可獲得相同效果，則紙面中的上下方向並不限定於鉛直上下方向，也可對應為例如與鉛直方向正交的水平方向。
再者，以下舉例說明的固態氧化物燃料電池(SOFC)電池堆是圓筒狀(筒狀)，但並不一定限制如此，例如也可以是平板狀的電池堆。基本上是形成為燃料電池胞元，但亦可不使用基體，而是將電極(燃料極109或空氣極113)形成為較厚，兼做基體來使用。
首先參考圖1，說明有關本實施方式的一例，也就是使用基體管的圓筒形電池堆。在不使用基體管的情況下，例如也可將燃料極109形成為較厚來兼做基體管，並不對基體管的使用加以限定。再者，本實施方式是使用圓筒形狀的基體管進行說明，但基體管只要是筒狀，剖面則不限定為圓形，例如也可是橢圓形。或者，也可是將圓筒之圓周側面扁的扁平圓筒(Flat tubular)等電池堆。
在此，圖1係表示有關本實施方式之電池堆的一個型態。電池堆101的一個例子，是具備圓筒形狀的基體管103、多數形成於基體管103之外周面的燃料電池胞元105、形成於相鄰之燃料電池胞元105之間的互連器107。燃料電池胞元105，是將燃料極109與固體電解質膜111與空氣極113加以層積而形成。
再者，關於電池堆101，形成於基體管103之外周面的多個燃料電池胞元105之中，形成於基體管103之軸方向上最邊緣之一端的燃料電池胞元105，其空氣極113經由互連器107電連接有導電膜115，而形成於最邊緣之另一端的燃料電池胞元105，其燃料極109電連接有導電膜115。
基體管103是由多孔質材料所構成，主成份例如是CaO穩定化ZrO 2(CSZ)，CSZ與氧化鎳(NiO)的混合物(CSZ+NiO)，或者Y 2O 3穩定化ZrO 2(YSZ)，或者MgAl 2O 4等等。此基體管103是支撐燃料電池胞元105與互連器107與導電膜115，同時經由基體管103的細孔，使供給至基體管103之內周面的燃料氣體，擴散至形成於基體管103之外周面的燃料極109。
燃料極109是以Ni與氧化鋯系電解質材料的複合材質氧化物所構成，例如可使用Ni/YSZ。燃料極109的厚度為50μm~250μm，燃料極109亦可用漿料進行網版印刷來形成。在此情況下，燃料極109中燃料極109的成份Ni，對燃料氣體具有觸媒作用。此觸媒作用，是使經由基體管103被供給而來的燃料氣體，例如使甲烷(CH 4)與水蒸氣的混合氣體發生反應，而改質為氫(H 2)與一氧化碳(CO)。
再者，燃料極109會使改質所得到的氫(H 2)、一氧化碳(CO)、經由固體電解質膜111而被供給的氧離子(O 2-)，在燃料極109與固體電解質膜111的界面附近發生電化學反應，產生水(H 2O)及二氧化碳(CO 2)。另外，燃料電池胞元105此時會藉由氧離子所釋放的電子而發電。
可以供給至固態氧化物燃料電池之燃料極109來使用的燃料氣體，可舉出氫(H 2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH 4)等碳化氫類氣體，瓦斯、天然氣，還有將石油、甲醇及煤炭等含碳原料以氣體化設備製造成的氣體化氣體等等。
固體電解質膜111主要使用YSZ，其具備氣體難以通過的氣密性，以及高溫下的氧離子高度導電性。此固體電解質膜111，是使空氣極113所產生的氧離子(O 2-)移動至燃料極109。位於燃料極109表面上之固體電解質膜111的膜厚為10μm~100μm，固體電解質膜111可用漿料進行網版印刷來形成。
空氣極113例如是由LaSrMnO 3系氧化物或者LaCoO 3系氧化物所構成，空氣極113可用漿料進行網版印刷或藉由分配器來塗佈形成。此空氣極113會在與固體電解質膜111的界面附近，使被供給之空氣等氧化性氣體中的氧氣游離，而產生氧離子(O 2-)。
空氣極113亦可作為2層結構。在此情況下，固體電解質膜111側的空氣極層(空氣極中間層)是以呈現高度離子導電性、觸媒活性優良的材料所構成。空氣極中間層上的空氣極層(空氣極導電層)，亦可由表示為摻雜Sr及Ca之LaMnO 3的鈣鈦礦型氧化物來構成。藉由如此安排，可更加提升發電性能。
所謂氧化性氣體，是大約含氧15%~30%的氣體，代表性的氣體以空氣為佳，但除了空氣之外，亦可使用燃燒排放氣體與空氣的混合氣體，或者氧氣與空氣的混合氣體。
互連器107，是由SrTiO 3系等表示為 M 1-xL xTiO 3(M為鹼土類金屬元素，L為鑭系元素)的導電性鈣鈦礦型氧化物所構成、以漿料進行網版印刷而形成。互連器107形成為緻密的膜，避免燃料氣體與氧化性氣體混合。
再者，互連器107在氧化氣氛與還原氣氛的兩種氣氛下，具有穩定的持久性與導電性。此互連器107在相鄰的燃料電池胞元105之間，將一邊之燃料電池晶胞105的空氣極113與另一邊之燃料電池胞元105的燃料極109加以電連接，而將相鄰的燃料電池胞元105彼此串聯連接。
導電膜115必須具備電子傳導性，而且熱膨脹係數與構成電池堆101的其它材料要相近，因此是由Ni/YSZ等Ni與氧化鋯系電解質材料形成的複合材料，或者由SrTiO 3系等M 1-xL xTiO 3(M為鹼土類金屬元素，L為鑭系元素)所構成。此導電膜115，是將藉由互連器107所串聯連接之多個燃料電池胞元105所發電的直流電力，導出至電池堆101的端部付近。
將形成有燃料極109、固體電解質膜111及互連器107之漿料膜的基體管103，在大氣中共同燒結。燒結溫度具體來說是1350℃~1450℃。其次，在共同燒結後之基體管103上形成空氣極113的漿料膜，再將此基體管103在大氣中燒結。燒結溫度具體來說是1100℃~1250℃。此處的燒結溫度，比基體管103~互連器107形成之後的共同燒結溫度更為低溫。
其次參考圖2與圖3，說明有關本實施方式的SOFC模組及SOFC匣。在此，圖2係表示有關本實施方式之SOFC模組的一個型態。再者，圖3係表示有關本實施方式之SOFC匣之一個型態的剖面圖。
SOFC模組(燃料電池模組)201是如圖2所示，例如具備多個SOFC匣(燃料電池匣)203與收容該多個SOFC匣203的壓力容器205。另外，圖2例舉圓筒狀的SOFC電池堆101，但並不一定限制如此，例如也可以是平板狀的電池堆。
再者，SOFC模組201是具備燃料氣體供給管207與多個燃料氣體供給分支管207a，以及燃料氣體排出管209與多個燃料氣體排出分支管209a。再者，SOFC模組201具備氧化性氣體供給管(未圖示)與多個氧化性氣體供給分支管(未圖示)，以及氧化性氣體排出管(未圖示)與多個氧化性氣體排出分支管(未圖示)。
燃料氣體供給管207連接於燃料氣體供給部，同時連接於多個燃料氣體供給分支管207a，該燃料氣體供給部設置於壓力容器205外部，對應SOFC模組201之發電量來供給規定氣體成份與規定流量的燃料氣體。此燃料氣體供給管207，是將上述燃料氣體供給部所供給之規定流量的燃料氣體，分歧引導至多個燃料氣體供給分支管207a
再者，燃料氣體供給分支管207a是連接於燃料氣體供給管207，同時連接於多個SOFC匣203。此燃料氣體供給分支管207a，是將燃料氣體供給管207所供給之燃料氣體，以大致均等之流量引導至多個SOFC匣203，使多個SOFC匣203的發電性能大致平均化。
燃料氣體排出分支管209a是連接於多個SOFC匣203，同時連接於燃料氣體排出管209。此燃料氣體排出分支管209a，是將SOFC匣203所排出之排出燃料氣體引導至燃料氣體排出管209。再者，燃料氣體排出管209是連接於多個燃料氣體排出分支管209a，同時有一部份配置於壓力容器205的外部。此燃料氣體排出管209，是將多個燃料氣體排出分支管209a所大致均等之流量排出的排出燃料氣體，引導至壓力容器205的外部。
壓力容器205是以內部壓力為0.1MPa~大約3MPa，內部溫度為大氣溫度~大約550℃的狀態來運用，所以使用的材質具有抗作用力性，且對氧化性氣體中所含的氧等氧化劑具有抗腐蝕性。例如以SUS304等不鏽鋼系材料為佳。
在此，本實施方式中說明了將多個SOFC匣203集合化收容於壓力容器205的型態，但並不限定於此，例如可以是SOFC匣203沒有集合化就收容於壓力容器205的型態。
SOFC匣203是如圖3所示，具備多個電池堆101、發電室215、燃料氣體供給集箱217、燃料氣體排出集箱219、氧化性氣體供給集箱(空氣供給集箱)221、氧化性氣體排出集箱223。再者，SOFC匣203具備上部管板225a、下部管板225b、上部隔熱體227a、下部隔熱體227b。
另外，本實施方式中的SOFC匣203，是將燃料氣體供給集箱217、燃料氣體排出集箱219、氧化性氣體供給集箱221、氧化性氣體排出集箱223如圖3進行配置，藉此成為燃料氣體與氧化性氣體在電池堆101之內側與外側進行對向流動的構造；但並不需要如此，例如可以在電池堆101之內側與外側平行流動，或者氧化性氣體往與電池堆101長邊方向正交的方向流動。
發電室215就是形成在上部隔熱體227a與下部隔熱體227b之間的領域。此發電室215是配置有電池堆101之燃料電池晶胞105的領域，也是燃料氣體與氧化性氣體發生電化學反應而進行發電的領域。再者，此發電室215在電池堆101之長邊方向之中央部附近的溫度，是以溫度計測部(溫度感測器或熱電偶等等)來監控，而在SOFC模組201正常運轉時，成為大約700℃~1000℃的高溫氣氛。
燃料氣體供給集箱217，是SOFC匣203之上部殼體229a與上部管板225a所圍成的領域，藉由設置在上部殼體229a之上部的燃料氣體供給孔231a，與燃料氣體供給分支管207a連通。再者，多個電池堆101是由上部管板225a與密封構件237a來接合，而燃料氣體供給集箱217，是將燃料氣體供給分支管207a經由燃料氣體供給孔231a所供給之燃料氣體，以大致均等之流量引導至多個電池堆101的基體管103內部，使多個電池堆101的發電性能大致平均化。
燃料氣體排出集箱219，是SOFC匣203之下部殼體229b與下部管板225b所圍成的領域，藉由下部殼體229b所具備的燃料氣體排出孔231b，與未圖示的燃料氣體排出分支管209a連通。再者，多個電池堆101是由下部管板225b與密封構件237b來接合，而燃料氣體排出集箱219，是將通過多個電池堆101之基體管103內部而供給至燃料氣體排出集箱219的排出燃料氣體加以集中，再經由燃料氣體排出孔231b引導至燃料氣體排出分支管209a。
對應SOFC模組201之發電量，將規定氣體成份與規定流量的氧化性氣體分歧至氧化性氣體供給分支管，而供給至多個SOFC匣203。氧化性氣體供給集箱221，是SOFC匣203之下部殼體229b與下部管板225b與下部隔熱體227b所圍成的領域，藉由設置在下部殼體229b之側面的氧化性氣體供給孔233a，與未圖示的氧化性氣體供給分支管連通。此氧化性氣體供給集箱221，是將未圖示之氧化性氣體供給分支管經由氧化性氣體供給孔233a所供給之規定流量的氧化性氣體，經由後述之氧化性氣體供給縫隙235a引導至發電室215。
氧化性氣體排出集箱223，是SOFC匣203之上部殼體229a與上部管板225a與上部隔熱體227a所圍成的領域，藉由設置在上部殼體229a之側面的氧化性氣體排出孔233b，與未圖示的氧化性氣體排出分支管連通。此氧化性氣體排出集箱223，是將發電室215經由後述之氧化性氣體排出縫隙235b供給至氧化性氣體排出集箱223的排出氧化性氣體，經由氧化性氣體排出孔233b引導至未圖示的氧化性氣體排出分支管。
上部管板225a位在上部殼體229a之天板與上部隔熱體227a之間，並固定於上部殼體229a的側板，使得上部管板225a與上部殼體229a之天板與上部隔熱體227a大致平行。再者，上部管板225a具有多個孔來對應SOFC匣203所具備的電池堆101數量，該孔分別插入有電池堆101。此上部管板225a，經由密封構件237a及黏著構件的其中一者或兩者，氣密支撐多個電池堆101的一邊端部，同時將燃料氣體供給集箱217與氧化性氣體排出集箱223加以隔離。
上部隔熱體227a位在上部殼體229a之下端部，並固定於上部殼體229a的側板，使得上部隔熱體227a與上部殼體229a之天板與上部管板225a大致平行。再者，上部隔熱體227a具有多個孔來對應SOFC匣203所具備的電池堆101數量。此孔的直徑設定為比電池堆101的外徑更大。上部隔熱體227a具備氧化性氣體排出縫隙235b，其形成在此孔內面與插穿上部隔熱體227a之電池堆101的外面之間。
此上部隔熱體227a是分隔發電室215與氧化性氣體排出集箱223的構件，遏止上部管板225a周遭氣氛高溫化而造成的強度降低，或者遏止氧化性氣體中包含之氧化劑所造成的腐蝕增加。上部管板225a等是以英高鎳等具有高溫耐性的金屬材料所構成，當上部管板225a等在發電室215內部暴露於高溫中，可防止上部管板225a等內部之溫度差加大而造成熱變形。再者，上部隔熱體227a，是使通過發電室215而暴露於高溫中的排出氧化性氣體，再通過氧化性氣體排出縫隙235b而引導至氧化性氣體排出集箱223。
若依據本實施方式，藉由上述的SOFC匣203的構造，燃料氣體與氧化性氣體會在電池堆101的內側與外側對向流動。藉此，排出氧化性氣體會與通過基體管103之內部而供給至發電室215的燃料氣體之間進行熱交換，被冷卻至不會使金屬材料構成之上部管板225a發生挫曲等變形的溫度，再供給至氧化性氣體排出集箱223。再者，燃料氣體會與發電室215所排出之排出氧化性氣體進行熱交換而升溫，再供給至發電室215。結果，不須使用加熱器等，就能將預熱升溫至適合發電之溫度的燃料氣體，供給至發電室215。
下部管板225b位在下部殼體229b之底板與下部隔熱體227b之間，並固定於下部殼體229b的側板，使得下部管板225b與下部殼體229b之底板與下部隔熱體227b大致平行。再者，下部管板225b具有多個孔來對應SOFC匣203所具備的電池堆101數量，該孔分別插入有電池堆101。此下部管板225b，經由密封構件237b及黏著構件的其中一者或兩者，氣密支撐多個電池堆101的另一邊端部，同時將燃料氣體排出集箱219與氧化性氣體供給集箱221加以隔離。
下部隔熱體227b位在下部殼體229b的上端部，並固定於下部殼體229b的側板，使得下部隔熱體227b與下部殼體229b之底板與下部管板225b大致平行。再者，下部隔熱體227b具有多個孔來對應SOFC匣203所具備的電池堆101數量。此孔的直徑設定為比電池堆101的外徑更大。下部隔熱體227b具備氧化性氣體供給縫隙235a，其形成在此孔內面與插穿下部隔熱體227b之電池堆101的外面之間。
此下部隔熱體227b是分隔發電室215與氧化性氣體供給集箱221的構件，遏止下部管板225b周遭氣氛高溫化而造成的強度降低，或者遏止氧化性氣體中包含之氧化劑所造成的腐蝕增加。下部管板225b等是以英高鎳等具有高溫耐性的金屬材料所構成，當下部管板225b等暴露於高溫中，可防止下部管板225b等內部之溫度差加大而造成熱變形。再者，下部隔熱體227b，是使供給至氧化性氣體供給集箱221的氧化性氣體，通過氧化性氣體供給縫隙235a而引導至發電室215。
若依據本實施方式，藉由上述的SOFC匣203的構造，燃料氣體與氧化性氣體會在電池堆101的內側與外側對向流動。藉此，通過基體管103內部再通過發電室215的排出燃料氣體，會與供給至發電室215的氧化性氣體之間進行熱交換，被冷卻至不會使金屬材料構成之下部管板225b發生挫曲等變形的溫度，再供給至燃料氣體排出集箱219。再者，氧化性氣體會與排出燃料氣體進行熱交換而升溫，再供給至發電室215。結果，不須使用加熱器等，就能將升溫至發電所需之溫度的氧化性氣體，供給至發電室215。
在發電室215所發電的直流電力，會藉由設置於多個燃料電池胞元105而以Ni/YSZ等所構成的導電膜115，被導出至電池堆101的端部附近，之後經由集電板(未圖示)集電至SOFC匣203的集電棒(未圖示)，被取出至各SOFC電池匣203的外部。
藉由前述集電棒而被導出至SOFC匣203外部的直流電力，是將各SOFC匣203之發電電力相互連接為規定的串聯數量及並聯數量，再導出至SOFC模組201的外部，然後藉由未圖示之功率調節器等電力轉換裝置(變流器等等)轉換為規定的交流電力，而供給至電力供給標的(例如負載設備或電力系統)。
說明有關本發明一個實施方式之燃料電池系統310的概略結構。 圖4係表示有關本發明一個實施方式之燃料電池系統310之概略結構的圖。如圖4所示，燃料電池系統310具備渦輪增壓器411及SOFC313。SOFC313是以未圖示之1個或多個SOFC模組來組合構成，以下簡稱為「SOFC」。此燃料電池系統310，是藉由SOFC313進行發電。然後，燃料電池系統310，是藉由控制裝置20進行控制。
渦輪增壓器411具備壓縮機421及渦輪機423，壓縮機421和渦輪機423則藉由旋轉軸424連結為可一體旋轉。當後述的渦輪機423旋轉，會藉此旋轉驅動壓縮機421。本實施方式是使用空氣作為氧化性氣體的例子，壓縮機421將從空氣收取線路325收取的空氣A加以壓縮。
構成渦輪增壓器411的壓縮機421收取空氣A加以壓縮，壓縮後的空氣A則當作氧化性氣體A2供給至SOFC的空氣極113。SOFC中被用於發電用化學反應之後的排出氧化性氣體A3，會經由排出氧化性氣體線路333送至觸媒燃燒器(燃燒器)422；而SOFC中被用於發電用化學反應之後的排出燃燒氣體L3，會以再循環鼓風機348升壓，一部份經由燃料氣體再循環線路349再循環至燃料氣體線路341，其他部分則經由排出燃料氣體線路343送至觸媒燃燒器422。
如此，觸媒燃燒器422被供給有排出氧化性氣體A3及排出燃料氣體L3的一部份，在未圖示之觸媒燃燒部中使用燃燒觸媒，即使溫度較低也能穩定燃燒(參考後述)，產生燃燒氣體G。
觸媒燃燒器422是將排出燃料氣體L3、排出氧化性氣體A3以及因應必要的燃料氣體L1加以混合，在觸媒燃燒部進行燃燒，產生燃燒氣體G。觸媒燃燒部，例如填充有以鉑或鈀為主成分的燃燒觸媒，可用較低溫度且較低氧濃度進行穩定燃燒。燃燒氣體G是通過燃燒氣體供給線路328供給至渦輪機423。渦輪機423是藉由燃燒氣體G的絕熱膨脹而旋轉驅動，並從燃燒排出氣體線路329排出燃燒氣體G。
觸媒燃燒器422，被供給有以控制閥352控制流量的燃料氣體L1。燃料氣體L1為可燃性氣體，例如可使用將液化天然氣(LNG)氣化而成的氣體，或者天然氣、瓦斯、氫(H 2)及一氧化碳(CO)、甲烷(CH 4)等碳化氫氣體，以及將碳質原料(石油或煤炭等)以氣化設備所製造的氣體等等。所謂燃料氣體，就是預先將發熱量調整為大致定量的燃料氣體。
在觸媒燃燒器422燃燒而高溫化的燃燒氣體G，會通過燃燒氣體供給線路328送至構成渦輪增壓器411的渦輪機423，旋轉驅動渦輪機423而產生旋轉動力。以此旋轉動力驅動壓縮機421，則從空氣收取線路325收取的空氣A會被壓縮，產生壓縮空氣。將氧化性氣體(空氣)壓縮送風的旋轉機器，是由渦輪增壓器411來產生動力，因此可降低所需動力，提升發電系統的發電效率。
熱交換器(再生熱交換器)430，是使渦輪機423所排出的排出氣體與壓縮機421所供給的氧化性氣體A2，兩者之間進行熱交換。排出氣體與氧化性氣體A2進行熱交換而冷卻之後，例如經由排熱回收裝置442，通過煙囪(未圖示)釋放至外部。
SOFC313被供給有燃料氣體L1當作還原劑，以及氧化性氣體A2當作氧化劑，藉此在規定的運作溫度下反應而進行發電。SOFC313是由未圖示的SOFC模組所構成，SOFC模組的壓力容器內設置收容有多個電池堆的集合體，而未圖示的電池堆具備燃料極109與空氣極113與固體電解質膜111。
SOFC313的空氣極113被供給有氧化性氣體A2，燃料極109被供給有燃料氣體L1，藉此發電，並藉由未圖示的功率調節器等電力轉換裝置(變流器等)轉換為規定的電力，供給至電力需求標的。
SOFC313連接有氧化性氣體供給線路331，將壓縮機421所壓縮之氧化性氣體A2供給至空氣極113。氧化性氣體A2會通過氧化性氣體供給線路331，供給至空氣極113之未圖示的氧化性氣體導入部。此氧化性氣體供給線路331設置有控制閥(氧化性氣體控制閥)335，用以調整所供給之氧化性氣體A2的流量。在熱交換器430中，氧化性氣體A2會與燃燒排出氣體線路329所排出的燃燒氣體之間進行熱交換，升高溫度。
更且，氧化性氣體供給線路331設置有熱交換器旁通線路332，繞過熱交換器430的導熱部分。熱交換器旁通線路332設置有控制閥336，可調整氧化性氣體的旁通流量。控制閥335及控制閥336的開度受到控制，藉此調整通過熱交換器430之氧化性氣體與繞過熱交換器430之氧化性氣體的流量比例，而調整供給至SOFC313之氧化性氣體A2的溫度。
供給至SOFC313之氧化性氣體A2的溫度會限制在一個上限，該溫度要維持SOFC313的燃料氣體與氧化性氣體發生電化學反應而進行發電，同時不會損傷構成SOFC313之未圖示之SOFC模組內部各個構成機器的材料。
SOFC313連接有排出氧化性氣體線路333，將空氣極113使用後而排出的排出氧化性氣體A3經由觸媒燃燒器422供給至渦輪機423。排出氧化性氣體線路333，設置有排出空氣冷卻器351。具體來說，排出氧化性氣體線路333中，在比後述之孔口441更上游側設置有排出空氣冷卻器351，與流動於氧化性氣體供給線路331的氧化性氣體A2進行熱交換，藉此將排出氧化性氣體A3加以冷卻。
再者，排出氧化性氣體線路333，設置有降壓部。本實施方式中，是設置孔口441來當作降壓部。孔口441，會對流通於排出氧化性氣體線路333的排出氧化性氣體A3施加降壓。另外，降壓部並不限於孔口441，也可設置例如文氏管等收縮部，只要是能對排出氧化性氣體A3施加壓力損失的手段都可使用。
再者，至於降壓部的例子，也可設置追加燃燒器。藉由追加燃燒器可使排出氧化性氣體發生壓力損失，同時在觸媒燃燒器422需要超過燃燒容量之燃燒時能夠燃燒追加的燃料分量，因此可對排出氧化性氣體供給充分的熱量。
燃料電池系統310中，排出燃料氣體線路343設置有調整閥347，將空氣極113側與燃料極109側的壓力差控制在規定範圍內，因此對與排出燃料氣體線路343匯合的排出氧化性氣體線路333施加壓力損失，可以確保必須的運作壓力差，將設置於排出燃料氣體線路343的調整閥347加以穩定控制。
再者，排出氧化性氣體線路333並沒有設置將排出氧化性氣體A3釋放至大氣(系統外)的排氣系統及排氣閥。例如，當發電系統組合了SOFC與氣體渦輪機(例如微型氣體渦輪機)，來將空氣極113所排出之排出氧化性氣體A3與燃料極109所排出之排出燃料氣體L3加以燃燒的情況下，在啟動時或停止時，可能會因應微型氣體渦輪機的狀態變化，造成供給至空氣極113之氧化性氣體的壓力狀態發生變化。
更且，有可能因為急遽的壓力變動，造成燃料極109與空氣極113之壓力差控制不良，或者因為某種理由發生跳脫，此時微型氣體渦輪機的發電機會沒有負載，就需要保護微型氣體渦輪機的對策。因此，需要將排出氧化性氣體A3釋放至大氣的排氣系統及排氣閥。
而本實施方式使用了渦輪增壓器411，沒有連通旋轉軸之發電機，也就沒有負載，不會因為跳脫失去負載而過度旋轉造成壓力急遽上升，可藉由調整閥347將來穩定控制壓力差狀態，因此可省略將排出氧化性氣體A3釋放至大氣的機構(排氣系統及排氣閥)。
SOFC313更連接有：燃料氣體線路341，將燃料氣體L1供給至燃料極109之未圖示的燃料氣體導入部；以及排出燃料氣體線路343，將與燃料極109中用於反應而排出的排出燃料氣體L3，經由觸媒燃燒器422供給至渦輪機423。燃料氣體線路341設置有控制閥(燃料氣體控制閥)342，用以將供給至燃料極109之燃料氣體L1的流量加以調整。
排出燃料氣體線路343，設置有再循環鼓風機348。再者，排出燃料氣體線路343設置有調整閥347，用以將供給至觸媒燃燒器422之排出燃料氣體L3之一部分的流量加以調整。換句話說，調整閥347就是調整排出燃料氣體L3的壓力狀態。因此如後所述，以控制裝置20控制調整閥347，藉此可調整燃料極109與空氣極113的壓力差。
排出燃料氣體線路343中再循環鼓風機348的下游側連接有排出燃料氣體釋放線路350，將排出燃料氣體L3釋放至大氣(系統外)。然後，排出燃料氣體釋放線路350設置有阻隔閥(燃料排氣閥)346。也就是說，藉由開啟阻隔閥346，可將排出燃料氣體線路343之排出燃料氣體L3的一部份，由排放燃料氣體釋放線路350進行釋放。
將排出燃料氣體L3排出至系統外，可迅速調整過剩的壓力。再者，排出燃料氣體線路343具有連接至燃料氣體線路341的燃料氣體再循環線路349，用以將排出燃料氣體L3再循環至SOFC313之燃料極109的燃料氣體導入部。
更且，燃料氣體再循環線路349設置有純水供給線路361，用以供給純水使燃料氣體L1於燃料極109改質。純水供給線路361設置有泵362。藉由控制泵362的吐出流量，將供給至燃料極109的純水量加以調整。由於發電中會在燃料極產生水蒸氣，排出燃料氣體線路343的排出燃料氣體L3會包含水蒸氣，因此燃料氣體再循環線路349會將水蒸氣進行再循環供給，藉此可降低或阻隔純水供給線路361所供給的純水流量。
其次，說明將壓縮機421所吐出之氧化性氣體加以釋放的結構。具體來說，壓縮機421之下游側的氧化性氣體供給線路331設置有氧化性氣體吹氣線路444，使氧化性氣體流通並繞過熱交換器430，再排出至系統外(外部)。氧化性氣體吹氣線路444，一端連接於氧化性氣體供給線路331中熱交換器430的上游側，另一端連接於渦輪機423之下流側，也就是燃燒排氣體線路329中熱交換器430的下游側。
然後，氧化性氣體吹氣線路444設置有吹氣閥(控制閥)445。也就是說，藉由開啟吹氣閥445，將壓縮機421所吐出之氧化性氣體的一部份，經由氧化性氣體吹氣線路444並通過煙囪(未圖示)釋放至系統外部的大氣等等。
其次，說明用以啟動燃料電池系統310的結構。氧化性氣體供給線路331在與氧化性氣體吹氣線路444之連接點的下游側設置有控制閥451，而控制閥451之下游側(熱交換器430之上游側)連接有供給啟動用空氣的鼓風機(送風機)452及具有控制閥453的啟動用空氣線路454。進行燃料電池系統310之啟動的情況下，是藉由鼓風機452將啟動用空氣持續供給至氧化性氣體供給線路331，並且藉由控制閥451及控制閥453切換為來自壓縮機421的氧化性氣體。
再者，氧化性氣體供給線路331中熱交換器430的下游側(控制閥335的上游側)連接有啟動用空氣加熱線路(氧化性氣體加熱線路)455，經由控制閥456連接於排出空氣冷卻器351之下游側的排出氧化性氣體線路333，同時經由控制閥(加熱控制閥)457連接於氧化性氣體供給線路331(空氣極113的入口側)。
再者，啟動用空氣加熱線路455設置有啟動用加熱器458，經由控制閥459被供給有燃料氣體L1，並對流通於啟動用空氣加熱線路455的氧化性氣體進行加熱。另外，控制閥457將供給至啟動用加熱器458之氧化性氣體的流量加以調整，來控制供給至SOFC313之氧化性氣體的溫度。如此，啟動用空氣加熱線路455、控制閥457、啟動用加熱器458就發揮加熱部的功能，將流通於氧化性氣體供給線路331的氧化性氣體進行加熱。
再者，燃料氣體L1也經由控制閥460被供給至空氣極113。例如在SOFC313啟動時，從啟動用空氣加熱線路455中之控制閥457下游側將燃料氣體L1供給至空氣極113，藉由觸媒燃燒使發電室溫度升溫的時候，控制閥460會將供給至空氣極113之燃料氣體L1的流量加以控制。
控制裝置20，是對燃料電池系統310進行啟動控制。在組合有SOFC與渦輪增壓器411的燃料電池系統中，渦輪增壓器411例如與微型氣體渦輪機不同，無法單獨啟動。因此，必須從外部供給啟動用空氣。因此在啟動的時候，對SOFC供給的氧化性氣體供給，必須從啟動用空氣切換至以渦輪增壓器411之壓縮機421所壓縮的氧化性氣體。因此，控制裝置20會將控制閥451與吹氣閥445加以控制。
圖5係表示有關本實施方式之控制裝置20之硬體結構之一例的圖。 如圖5所示，控制裝置20是電腦系統(計算機系統)，例如具備：CPU11；ROM(唯讀記憶體，Read Only Memory)12，用以記憶CPU11要執行的程式等等；RAM(隨機存取記憶體，Random Access Memory)13，在各程式執行時發揮工作領域的功能；硬碟機(HDD)14，當作大容量記憶裝置；以及通訊部15，用以連接網路等等。另外至於大容量記憶裝置，亦可使用固態硬碟(SSD)。此等各部是經由匯流排18來連接。
再者，控制裝置20亦可具備由鍵盤或滑鼠等所構成的輸入部，或者由顯示資料之液晶顯示裝置等所構成的顯示部等等。另外，用以記憶CPU11所執行之程式等等的記憶媒體，並不限於ROM12。例如也可以是磁碟、磁光碟、半導體記憶體等輔助記憶裝置。
為了實現後述之各種功能的一連串處理過程，是以程式形式記憶在硬碟機14等等中，CPU11將此程式讀出至RAM13等等，執行資訊的加工・運算處理，藉此實現後述的各種功能。另外，程式亦可運用以下型態：預先安裝於ROM12或其他記憶媒體的型態；記憶在電腦可讀取之記憶媒體，以此狀態來提供的型態；以及經由有線或無線通訊手段來發佈的型態等等。電腦可讀取的記憶媒體，有磁碟、磁光碟、CD-ROM、DVD-ROM、半導體記憶體等等。
其次，參考圖示說明燃料電池系統310的啟動方法。圖6係表示本實施方式之燃料電池系統310之啟動方法的流程圖。圖6所示的各處理，是藉由控制裝置20控制燃料電池系統310的各部來執行。
圖7係表示供給至觸媒燃燒器422之燃料氣體L1之變化的圖表。圖8係表示吹氣閥445之開度變化的圖表。圖9係表示供給至燃料極109之燃料氣體L1之流量變化的圖表。圖10係表示發電室215之溫度變化的圖表。圖11係表示渦輪機423之轉速變化的圖表。圖12係表示供給至發電室215之氧化性氣體之流量變化的圖表。
在步驟S101中，控制裝置20進行系統排淨。控制裝置20將控制閥443、控制閥453、吹氣閥445、控制閥335、控制閥456及調整閥347作為開啟狀態，其他閥則作為關閉狀態。燃料極109側，是經由控制閥443而通氣有氮氣。然後鼓風機452啟動，開啟控制閥453與控制閥335，將啟動用空氣供給至空氣極113側。藉此，SOFC313就被排淨。
藉由開啟控制閥456，啟動用空氣會繞過SOFC313，經由啟動用加熱器458通氣至觸媒燃燒器422。藉此，渦輪機423會藉由啟動用空氣而開始旋轉。隨著渦輪機423的旋轉，同軸連接的壓縮機421也開始旋轉。
壓縮機421會將氧化性氣體加以壓縮，壓縮後的氧化性氣體則藉由吹氣閥445開啟，通過氧化性氣體吹氣線路444被排出至系統外。藉由排出至系統外，來防止壓縮機421的顫動。所謂顫動，就是壓縮機421之出口的壓力上升，使壓縮機421失速或者壓縮空氣逆流等異常狀態。另外，燃料極109與空氣極113的壓力差控制是由調整閥347來進行。
於步驟S102，控制裝置20進行啟動用加熱器458的點火。控制裝置20將控制閥453、吹氣閥445、控制閥335、控制閥456、控制閥459及調整閥347作為開啟狀態，其他閥則作為關閉狀態。再者、控制閥457亦可因應狀況作為開啟狀態。亦即在排淨之後緊縮控制閥456並開啟控制閥335，藉此將繞過SOFC313而供給至觸媒燃燒器422的啟動用空氣流量減少，增加供給至SOFC313的啟動用空氣。
燃料極109與空氣極113的壓力差控制是由調整閥347來進行。然後、從控制閥459供給一部份的燃料氣體L1而將啟動用加熱器458點火，使啟動用空氣升溫。藉此，渦輪機423的入口溫度會上升，系統內壓力也上升。
於步驟S103，控制裝置20進行觸媒燃燒器422的點火。控制裝置20將控制閥453、吹氣閥445、控制閥335、控制閥456、控制閥459、控制閥352及調整閥347作為開啟狀態，其他閥則作為關閉狀態。觸媒燃燒器422被混合供給有：在稍微開啟控制閥456之狀態(啟動用空氣量的大約20%)下所傳送，約400℃~500℃左右的啟動用空氣；以及經由控制閥457，從SOFC313傳送的啟動用空氣。藉此，觸媒燃燒器422的溫度會上升。
當觸媒燃燒器422的入口溫度達到規定溫度(例如300℃~400℃)，就會經由控制閥352將燃料氣體L1供給至觸媒燃燒器422。另外，在投入燃料氣體L1的時候，暫時將控制閥352保持為規定開度，若發現觸媒燃燒器422的出口溫度上升，則確認有點火。然後，控制閥352會因應觸媒燃燒器422的出口溫度進行開度控制(燃料氣體L1的流量控制)。
於步驟S104，控制裝置20進行渦輪增壓器411的自立。控制裝置20將控制閥342、控制閥453、控制閥335、控制閥456、控制閥459、控制閥352及調整閥347作為開啟狀態，其他閥則作為關閉狀態。在時刻T1，控制裝置20開啟燃料氣體供給用的控制閥342將燃料氣體L1供給至燃料極109，並驅動純水供給線路361的泵362，藉此將純水供給至燃料極109。吹氣閥445被控制往關閉方向，控制閥451被控制往開啟方向。也就是說，當渦輪增壓器411之可自立要件滿足的情況下，則慢慢關閉吹氣閥445並慢慢開啟控制閥451。
所謂可自立要件，就是渦輪增壓器411的轉速達到規定值以上，且供給至渦輪機423之燃燒氣體G的溫度(觸媒燃燒器422的出口溫度)達到規定溫度以上的情況。藉由慢慢關閉吹氣閥445，來減少被排出到系統外之氧化性氣體的流量。當吹氣閥445完全關閉，控制閥451達到規定開度(例如完全開啟)時，則關閉控制閥453，停止鼓風機452，結束啟動用空氣的供給。
另外，配合渦輪增壓器411的轉速上升與觸媒燃燒器422的出口溫度上升，來增加啟動用空氣的供給量較為理想。藉此，壓縮機421所壓縮之氧化性氣體會使渦輪機423轉動，並旋轉驅動壓縮機421，因此渦輪增壓器411成為自立運轉狀態。
在渦輪增壓器411自立之後，控制裝置20控制各閥來繼續升溫。控制裝置20以控制閥456來調整氧化性氣體的溫度，並藉此控制觸媒燃燒器422的入口溫度。再者，控制裝置20以控制閥352來調整燃料氣體L1的流量，並藉此控制觸媒燃燒器422的出口溫度。
再者，控制裝置20以控制閥457來將通過啟動用加熱器458之氧化性氣體的流量加以控制。再者，控制裝置20以控制閥459來將供給至啟動用加熱器458之燃料氣體L1的流量加以調整，並控制啟動用加熱器458的出口溫度。再者，控制裝置20因應渦輪增壓器411的轉速或入口溫度，來設定控制閥335的開度。
再者，當空氣極113側入口之氧化性氣體的溫度達到規定溫度(或者發電室215之溫度達到規定溫度)，則將控制閥457之開度往關閉方向控制，直到供給至啟動用加熱器458之空氣流量達到啟動用加熱器458的使用下限為止，此時則停止啟動用加熱器458。也就是說，在渦輪增壓器自立之後，直到供給至空氣極113之氧化性氣體的溫度或發電室215的溫度達到規定溫度為止，會將啟動用加熱器458所加熱後之空氣供給至SOFC313來進行升溫。
於步驟S105，控制裝置20將控制閥352作為關閉狀態，停止對觸媒燃燒器422供給燃料氣體L1。之所以停止對觸媒燃燒器422供給燃料氣體L1，是為了抑制以下情況：開始對燃料極109供給燃料氣體L1會造成排出燃料氣體被引導至觸媒燃燒器422，使得渦輪機423的轉速增加。如圖7的實線所示，在開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時刻T1之前，對觸媒燃燒器422供給之燃料氣體的流量會從FL1變化為0。
於步驟S106，控制裝置20將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態，開始對燃料極109供給燃料氣體L1，並因應於此將吹氣閥445作為開啟狀態。如圖8所示，控制裝置20將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態的時刻T1之後，控制吹氣閥445的開度由0成為OP1。
將吹氣閥445作為開啟狀態，是為了防止以下情況：供給至空氣極113之氧化性氣體的供給量，對供給至燃料極109之燃料氣體L1的供給量來說顯得過多，啟動時間也就更長。控制裝置20會調整吹氣閥445的開度OP1，使渦輪機423的轉速成為恆定且規定的轉速。
於步驟S106，控制裝置20在開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時刻T1之後，將吹氣閥445從關閉狀態切換為開啟狀態，但也可為其他型態。例如，只要是執行渦輪增壓器411的自立之後，也可在時刻T1的同時將吹氣閥445從關閉狀態切換為開啟狀態。再者，也可比時刻T1更早將吹氣閥445從關閉狀態切換為開啟狀態。
於步驟S107，控制裝置20在發電室215之溫度(例如多個計測場所中的最高溫度)達到規定溫度的情況下，會打開控制閥460對空氣極113供給小流量的燃料氣體L1，使SOFC313的發電室215更加升溫。流入有空氣與燃料氣體L1的空氣極113，會因為空氣極113的觸媒作用造成燃料氣體L1在空氣極113進行觸媒燃燒，而利用此發熱使發電室215的溫度上升。
於步驟S108，控制裝置20會判斷發電室215是否處於規定的預熱狀態，若判斷為是(YES)則將處理前往步驟S109。所謂規定的預熱狀態，例如是發電室215之溫度成為規定溫度Te2(例如700℃，參考圖10)以上的狀態。
於步驟S109，控制裝置20因應發電室215成為規定之預熱狀態的狀況，而控制吹氣閥445切換為關閉狀態。如圖8所示，控制裝置20在發電室215成為規定之預熱狀態的時刻T2，將吹氣閥445切換為關閉狀態。
於步驟S110，控制裝置20因應發電室215成為規定之預熱狀態的狀況，將控制閥352作為開啟狀態，重新開始對觸媒燃燒器422供給燃料氣體L1。之所以重新開始對觸媒燃燒器422供給燃料氣體L1，是因為發電室215成為規定之預熱狀態，被引導至觸媒燃燒器422的排出燃料氣體L3減少之故。如圖7的實線所示，在發電室215成為規定之預熱狀態的時刻T2之後，對觸媒燃燒器422供給之燃料氣體的流量會從0變化為FL1。
於步驟S111，控制裝置20會進行以下控制：將SOFC313所產生之電力，以電力轉換裝置(例如變流器裝置)轉換為規定的交流電力，並開始對電力供給標的(例如負載設備或電力系統)供給電力。控制裝置20，在發電室215之溫度(例如多個計測場所中的最低溫度)達到規定溫度Te2(例如700℃)，且燃料極109及空氣極113之運轉狀態達到規定條件之後，開始SOFC313的發電。對空氣極113添加供給燃料氣體L1引發觸媒燃燒的發熱，以及發電的發熱，兩者會使發電室215的溫度上升。
於步驟S112，控制裝置20會判斷發電室215是否處於規定的加熱狀態，若判斷為是(YES)則將處理前往步驟S113。所謂規定的加熱狀態，例如是發電室215之溫度成為規定溫度Te3(例如750℃)以上，可以靠著發電造成的自我發熱而維持溫度的狀態。控制裝置20在發電室215之溫度上升至規定溫度以上之後，進行以下控制：慢慢減少對空氣極113添加供給之燃料氣體L1的供給量，例如在達到目標負載的同時，將對空氣極113之燃料氣體L1的添加供給變成零。
於步驟S113，控制裝置20判斷燃料電池系統310的啟動是否結束，若判斷為是(YES)則結束本流程圖的處理。當SOFC313的發電室215溫度達到目標溫度，且負載達到額定負載等目標負載的情況下，控制裝置20就判斷燃料電池系統310的啟動結束。燃料電池系統310就是如此來啟動。
如以上所述，本實施方式的燃料電池系統310，在開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時候將吹氣閥445作為開啟狀態，可防止供給至空氣極113之氧化性氣體的供給量對供給至燃料極109之燃料氣體L1的供給量來說顯得過多而造成啟動時間更長。
以下參考圖7至圖12，比對本實施方式之燃料電池系統310與比較例之燃料電池系統。比較例之燃料電池系統，是在發電室215開始發電時將吹氣閥445維持在關閉狀態。
如圖7所示，本實施方式中，在開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時刻T1之前，對觸媒燃燒器422供給之燃料氣體L1的流量會從FL1變化為0。另一方面，於比較例中，在開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時刻T1之前，對觸媒燃燒器422供給之燃料氣體L1的流量會從FL1變化為比0大的最小流量。最小流量，就是維持觸媒燃燒器422之點火狀態所需的流量。
重新開始對觸媒燃燒器422供給燃料氣體L1的時機，在本實施方式中為時刻T2，在比較例中則是在比時刻T2更晚的時刻T4經過之後。時刻T4，是比較例之燃料電池系統之發電室成為規定之加熱狀態的時機。
如圖8所示，本實施方式在開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時刻T1之後，控制吹氣閥445的開度從0成為OP1。另一方面，比較例中對燃料極109開始供給燃料氣體L1時，將吹氣閥445維持在關閉狀態。
如圖9所示，本實施方式中，於時刻T1開始對燃料極109供給燃料氣體L1。在時刻T1至時刻T5之間的期間，對燃料極109供給之燃料氣體L1的流量FL2為恆定。在時刻T5，SOFC313之發電室達到目標溫度之後，因應目標負載來增減對燃料極109供給之燃料氣體L1的流量。圖9表示從時刻T5開始逐漸增加目標負載的例子。另外在比較例中，供給至燃料極109之燃料氣體L1的流量，與本實施方式相同。
如圖10所示，本實施方式中從時刻T1開始，發電室215的溫度就從Te1逐漸增加，在時刻T2達到Te2，在時刻T3達到目標溫度亦即Te3。另一方面在比較例中，從時刻T1開始，發電室215的溫度就從Te1逐漸增加，在時刻T2之後才達到Te2，在比時刻T3更晚的時刻T5才達到目標溫度亦即Te3。
由圖10明顯得知，關於從時刻T1開始到發電室215之溫度達到目標溫度亦即Te2為止的啟動時間，本實施方式的燃料電池系統310較比較例的燃料電池系統更短。這是因為本實施方式中，從時刻T1到時刻T4的期間內，會從吹氣線路444排出氧化性氣體，相較之下比較例中從時刻T1到時刻T4的期間內，沒有從吹氣線路444排出氧化性氣體，所以發電室215的升溫比較費時。
如圖11所示，本實施方式中渦輪機423的轉速[rpm]在時刻T0為r4，因應吹氣閥445成為開啟狀態而降低，在時刻T1成為r1。之後，渦輪機423的轉速從時刻T1開始增加成為r3。之後，渦輪機423的轉速慢慢減少成為r2，在吹氣閥445切換至關閉狀態的時刻T2之後再次增加，成為恆定的轉速。渦輪機423的轉速從r3減少為r2，是因為發電室215中的燃料氣體L1充分進行反應，排出燃料氣體L3所含有的未燃燒成份減少，使觸媒燃燒器422所產生的燃燒氣體G也減少之故。
另一方面，如圖11所示，比較例中渦輪機423的轉速，從時刻T1至時刻T4為止逐漸增加，之後降低成為恆定轉速。渦輪機423的轉速從時刻T1至時刻T4為止逐漸增加，是因為吹氣閥445在時刻T1之後依然維持關閉狀態。
如圖12所示，本實施方式中，供給至發電室215之氧化性氣體的流量在時刻T0為FL6，因應吹氣閥445成為開啟狀態而降低，在時刻T1成為FL3。之後，氧化性氣體的流量從時刻T1開始增加成為FL5。之後，氧化性氣體的流量慢慢減少成為FL4，在吹氣閥445切換至關閉狀態的時刻T2之後再次增加，成為恆定的轉速。
另一方面，如圖12所示，比較例中供給至發電室215之氧化性氣體的流量，從時刻T1至時刻T4為止逐漸增加，之後降低成為恆定流量。氧化性氣體的流量從時刻T1至時刻T4為止逐漸增加，是因為吹氣閥445在時刻T1之後依然維持關閉狀態。
於前述流程圖中的步驟S108，當發電室215之溫度成為規定溫度以上，可以靠著發電造成的自我發熱而維持溫度的情況下，則判斷發電室215為規定之加熱狀態，但也可以是其他型態。例如圖11所示，亦可因應渦輪機423(渦輪增壓器411)之單位時間轉速從上升傾向(從r2變化為r3)變化為降低傾向(從r3變化為r2)的情況，判斷發電室215為規定之加熱狀態。在此情況下，控制裝置20因應渦輪機423之單位時間轉速從上升傾向變化為降低傾向的情況，將吹氣閥445切換為關閉狀態。
針對以上說明之本實施方式的燃料電池系統310，說明其達成的作用與效果。
若依據本實施方式的燃料電池系統310，則將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態而開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時候，吹氣閥445成為開啟狀態。被壓縮機421壓縮且被引導至氧化性氣體供給線路331之氧化性氣體A2的一部份，會從開啟狀態之吹氣閥445排出至外部，因此相較於吹氣閥445為關閉狀態的情況，以氧化性氣體供給線路331供給至空氣極113之氧化性氣體A2的供給量會減少。
因此可防止以下情況：供給至空氣極113之氧化性氣體A2的供給量，對供給至燃料極109之燃料氣體的供給量來說顯得過多，啟動時間也就更長。然後，從開始對燃料極109供給燃料氣體L1到發電室215成為規定之加熱狀態為止，可縮短所需的啟動時間。
若依據本實施方式的燃料電池系統310，則因應燃料電池之發電室215藉由被啟動用加熱器458所加熱後之氧化性氣體A2而成為規定的加熱狀態，將吹氣閥445切換為關閉狀態。當吹氣閥445成為關閉狀態，供給至空氣極113之氧化性氣體A2的流量會增加，使發電室215成為規定之加熱狀態，而提高燃料電池之觸媒的活性。因此，可使供給至空氣極113之氧化性氣體A2與供給至燃料極109之燃料氣體L1適當進行反應。
若依據有關本實施方式的燃料電池系統310，則因應發電室215之溫度成為規定溫度以上，將吹氣閥445切換為關閉狀態，藉此增加對空氣極113供給之氧化性氣體A2的流量。當發電室215之溫度成為規定溫度以上，會提高燃料電池之觸媒的活性，因此可使供給至空氣極113之氧化性氣體A2與供給至燃料極109之燃料氣體L1適當進行反應。
若依據有關本實施方式的燃料電池系統310，則因應渦輪增壓器411之單位時間轉速從上升傾向變化為降低傾向的情況，將吹氣閥445切換為關閉狀態。從上升傾向往降低傾向的變化，代表燃料電池之觸媒的活性提高，造成未反應之排出燃料氣體L3減少。將吹氣閥445作為關閉狀態，藉此增加對空氣極113供給之氧化性氣體A2的流量，可使供給至空氣極113之氧化性氣體A2與供給至燃料極109之燃料氣體L1適當進行反應。
[第2實施方式] 以下參考圖式，說明本發明第2實施方式的燃料電池系統310。本實施方式之燃料電池系統310，是第1實施方式之燃料電池系統310的變形例，以下除了特別說明的情況之外，都與第1實施方式相同，並省略以下說明。
本實施方式之燃料電池系統310，是在將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態之前，增加控制閥457的開度，藉此增加對空氣極供給之氧化性氣體的溫度，使開始發電時之發電室215的溫度上升。
圖13係表示控制閥(加熱控制閥)457之開度變化的圖表。圖14係表示控制閥(氧化性氣體控制閥)335之開度變化的圖表。圖15係表示發電室215之溫度變化的圖表。時刻T0、T1、T2、T3、T4、T5，與第1實施方式所說明的相同。時刻T1，是開始對燃料極109供給燃料氣體L1的時刻。時刻T2，是發電室215成為規定之加熱狀態的時刻。
如圖13所示，本實施方式的控制裝置20，在將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態之前的時刻T1a，會將控制閥457的開度從OP2增加至OP3。之後，控制裝置20在發電室215成為規定之加熱狀態的時刻T2，會將控制閥457的開度從OP3減少至OP2。
在第1實施方式中，控制裝置20於時刻T2以後是將控制閥457的開度維持在OP2。再者，時刻T1a可以是較以下動作更早的時刻：從SOFC313啟動結束之後某個時刻的運轉狀態，移往預先設定的運轉狀態(例如從50%負載變化為100%負載)。將控制閥(加熱控制閥)457及控制閥(氧化性氣體控制閥)335的開度，控制為藉由負載要求所預先設定的開度，藉此可抑制發電室215的溫度變動。
控制裝置20，例如在從50%負載變化為100%負載的情況下，於增加控制閥342的開度之前，分別增加及減少加熱控制閥457及氧化性氣體控制閥335的開度，使其成為預先設定之100%負載運轉時的開度，藉此可抑制隨負載上升造成的發電室溫度過度升溫及渦輪增壓器411的過度旋轉。
再者，控制裝置20，例如在從100%負載變化為50%負載的情況下，於減少控制閥342的開度之前，分別減少及增加加熱控制閥457及氧化性氣體控制閥335的開度，使其成為預先設定之50%負載運轉時的開度，藉此可確保隨負載減少仍維持發電室溫度及確保渦輪增壓器411的必要轉速。
如圖14所示，本實施方式的控制裝置20，在將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態之前的時刻T1a，會將控制閥335的開度從OP5減少至OP4。之後，控制裝置20在發電室215成為規定之加熱狀態的時刻T2，會將控制閥335的開度從OP4增加至OP5。在第1實施方式中，控制裝置20是將控制閥335的開度維持在OP5。
控制閥335的開度OP4設定為如下：使控制閥457之開度從OP2增加至OP3所造成的氧化性氣體增加量，與控制閥335之開度從OP5減少至OP4所造成的氧化性氣體減少量，兩者一致。也就是說，控制閥335之開度OP4的設定，是要抵銷從啟動用空氣加熱線路455供給至氧化性氣體供給線路331的氧化性氣體增加量。
如圖15所示，第1實施方式中，於時刻T1之發電室215的溫度為Te1，於時刻T3，發電室215的溫度達到目標溫度亦即時刻Te3。另一方面，第2實施方式中，於時刻T1之發電室215的溫度為高於Te1的Te1a，於比時刻T3早的時機，發電室215的溫度達到目標溫度亦即時刻Te3。如此，本實施方式的控制裝置20將控制閥457及控制閥335加以控制，使得在時刻T1a將控制閥457的開度從OP2增加至OP3同時將控制閥335的開度從OP5減少至OP4。
本實施方式的控制裝置20在時刻T1a執行第1控制步驟，將控制閥457及控制閥335加以控制，使得控制閥(加熱控制閥)457的開度增加同時控制閥(氧化性氣體控制閥)335的開度減少。再者，控制裝置20於時刻T1，在控制閥457之開度從OP2增加至OP3同時控制閥335之開度從OP5減少至OP4的狀態下，將控制閥342加以控制，使得控制閥342從關閉狀態切換至開啟狀態。本實施方式的控制裝置20於時刻T1，在控制閥457之開度增加同時控制閥335之開度減少的狀態下，執行第2控制步驟將控制閥342加以控制，使得控制閥342從關閉狀態切換至開啟狀態。
另外，控制裝置20，在將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態之前的時刻T1a，亦可減少控制閥(連接控制閥)456的開度。在此情況下，控制裝置20於時刻T2進行控制，使控制閥456的開度增加而回到原本的開度。控制閥456配置於連接線路，該連接線路連接排出氧化性氣體線路333與啟動用空氣加熱線路455。
若依據本實施方式之燃料電池系統310，是在將控制閥342從關閉狀態切換為開啟狀態之前，增加控制閥457的開度，藉此可增加對空氣極113供給之氧化性氣體A2的溫度。因此，比起不增加控制閥457之開度的狀況，可使控制閥342從關閉狀態切換至開啟狀態時之發電室215的溫度更加上升。藉由發電室215的溫度上升，會提高燃料電池的觸媒活性，因此未反應的排出燃料氣體L3會減少，至於藉由排出燃料氣體L3來旋轉驅動之渦輪機423，可抑制其單位時間的轉速增加。
再者，若依據本實施方式之燃料電池系統310，則藉由減少控制閥335之開度，可抵銷從啟動用空氣加熱線路455供給至氧化性氣體供給線路331的氧化性氣體增加量。因此可防止以下情況：從氧化性氣體供給線路331供給至空氣極113之氧化性氣體A2的供給量過度增加，啟動時間也就更長。
以上說明之各實施方式所記載的燃料電池系統及燃料電池系統之運轉方法，例如可把握為以下內容。 有關本發明第1型態的一種燃料電池系統(310)，具備：燃料電池(313)，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器(411)，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路(331)，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；燃料氣體線路(341)，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥(342)，配置於前述燃料氣體線路；加熱部(455、457,458)，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱；吹氣線路(444)，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；吹氣閥(445)，配置於前述吹氣線路；以及控制裝置(20)，控制前述燃料氣體控制閥及前述吹氣閥，使得當將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而對前述燃料極開始供給前述燃料氣體時，將前述吹氣閥作為開啟狀態，並因應前述燃料電池之發電室(215)藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
若依據有關本發明第1型態的燃料電池系統，則將燃料氣體控制閥從關閉狀態切換為開啟狀態而開始對燃料極供給燃料氣體的時候，吹氣閥成為開啟狀態。被壓縮機壓縮且被引導至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體的一部份，會從開啟狀態之吹氣閥排出至外部，因此相較於吹氣閥為關閉狀態的情況，以氧化性氣體供給線路供給至空氣極之氧化性氣體的供給量會減少。
因此可防止以下情況：供給至空氣極之氧化性氣體的供給量，對供給至燃料極之燃料氣體的供給量來說顯得過多，啟動時間也就更長。然後，從開始對燃料極供給燃料氣體到發電室成為規定之加熱狀態為止，可縮短所需的啟動時間。
若依據有關本發明第1型態的燃料電池系統，則因應燃料電池之發電室藉由被啟動用加熱部所加熱後之氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將吹氣閥切換為關閉狀態。當吹氣閥成為關閉狀態，供給至空氣極之氧化性氣體的流量會增加，使發電室成為規定之加熱狀態，而提高燃料電池之觸媒的活性。因此，可使供給至空氣極之氧化性氣體與供給至燃料極之燃料氣體適當進行反應。
有關本發明第2型態的燃料電池系統，是在第1型態中，前述控制裝置因應前述發電室的溫度達到規定溫度以上的情況，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。 若依據有關本發明第2型態的燃料電池系統，則因應發電室之溫度成為規定溫度以上，將吹氣閥切換為關閉狀態，藉此增加對空氣極供給之氧化性氣體的流量。當發電室之溫度成為規定溫度以上，會提高燃料電池之觸媒的活性，因此可使供給至空氣極之氧化性氣體與供給至燃料極之燃料氣體適當進行反應。
有關本發明第3型態的燃料電池系統，是在第1型態或第2型態中亦可作為以下結構：前述控制裝置因應前述渦輪增壓器之單位時間轉速從上升傾向變化為降低傾向的情況，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
若依據有關本發明第3型態的燃料電池系統，則因應渦輪增壓器之單位時間轉速從上升傾向變化為降低傾向的情況，將吹氣閥切換為關閉狀態。從上升傾向往降低傾向的變化，代表燃料電池之觸媒的活性提高，造成未反應之排出燃料氣體減少。將吹氣閥作為關閉狀態，藉此增加對空氣極供給之氧化性氣體的流量，可使供給至空氣極之氧化性氣體與供給至燃料極之燃料氣體適當進行反應。
有關本發明第4型態的一種燃料電池系統，具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；氧化性氣體控制閥(335)，配置於前述氧化性氣體供給線路；燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；以及加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱，前述加熱部具有：氧化性氣體加熱線路(455)，一端連接於前述氧化性氣體控制閥的上游側，另一端連接於前述氧化性氣體控制閥的下游側；以及加熱控制閥(457)，配置於前述氧化性氣體加熱線路，並具備控制裝置，控制前述加熱控制閥及其前述氧化性氣體控制閥，使得因應預先設定之前述燃料電池的運轉狀態，增加或減少前述加熱控制閥的開度同時減少或增加前述氧化性氣體控制閥的開度。
若依據有關本發明第4型態的燃料電池系統，則因應預先設定之燃料電池的運轉狀態，增加加熱控制閥的開度，藉此增加對空氣極供給之氧化性氣體的溫度。因此，比起不增加加熱控制閥之開度的狀況，可使燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態時之發電室的溫度更加上升。藉由發電室的溫度上升，會提高燃料電池的觸媒活性，因此未反應的排出燃料氣體會減少，至於藉由排出燃料氣體來旋轉驅動之渦輪機，可抑制其單位時間的轉速增加。
再者，若依據有關本發明第4型態的燃料電池系統，則因應預先設定之燃料電池的運轉狀態，減少氧化性氣體控制閥的開度，藉此可抵銷從氧化性氣體加熱線路供給至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體的增加量。因此可防止以下情況：從氧化性氣體供給線路供給至空氣極之氧化性氣體的供給量過度增加，啟動時間也就更長。
有關本發明第5型態的燃料電池系統，是在第4型態中具備：吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；以及吹氣閥，配置於前述吹氣線路，前述控制裝置，是控制前述燃料氣體控制閥及前述吹氣閥，使得當將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而對前述燃料極開始供給前述燃料氣體時，將前述吹氣閥作為開啟狀態，並因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
若依據有關本發明第5型態的燃料電池系統，則將燃料氣體控制閥從關閉狀態切換為開啟狀態而開始對燃料極供給燃料氣體的時候，吹氣閥成為開啟狀態。被壓縮機壓縮且被引導至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體的一部份，會從開啟狀態之吹氣閥排出至外部，因此相較於吹氣閥為關閉狀態的情況，以氧化性氣體供給線路供給至空氣極之氧化性氣體的供給量會減少。
因此可防止以下情況：供給至空氣極之氧化性氣體的供給量，對供給至燃料極之燃料氣體的供給量來說顯得過多，啟動時間也就更長。然後，從開始對燃料極供給燃料氣體到發電室成為規定之加熱狀態為止，可縮短所需的啟動時間。
若依據有關本發明第5型態的燃料電池系統，則因應燃料電池之發電室藉由加熱部所加熱後之氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將吹氣閥切換為關閉狀態。當吹氣閥成為關閉狀態，供給至空氣極之氧化性氣體的流量會增加，使發電室成為規定之加熱狀態，而提高燃料電池之觸媒的活性。因此，可使供給至空氣極之氧化性氣體與供給至燃料極之燃料氣體適當進行反應。
有關本發明第6型態的燃料電池系統，是在第5型態中具備：燃燒器(422)，將自前述燃料電池排出的前述排出燃料氣體加以燃燒；排出氧化性氣體線路(333)，將自前述燃料電池排出的前述排出氧化性氣體供給至前述燃燒器；以及連接控制閥(456)，配置於連接線路，該連接線路連接前述排出氧化性氣體線路與前述氧化性氣體加熱線路，前述控制裝置，在將前述燃料氣體控制閥由關閉狀態切換至開啟狀態之前，控制前述連接控制閥來減少前述連接控制閥的開度。
若依據有關本發明第6型態的燃料電池系統，是在將燃料氣體控制閥從關閉狀態切換為開啟狀態之前，減少連接控制閥的開度，藉此可增加從氧化性氣體加熱線路供給至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體的流量，而使對空氣極供給之氧化性氣體的溫度增加。
有關本發明第7實施方式的一種燃料電池系統之運轉方法，前述燃料電池系統具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱；吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；以及吹氣閥，配置於前述吹氣線路，該燃料電池系統之運轉方法具備：將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而開始對前述燃料極供給前述燃料氣體的步驟；將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而開始對前述燃料極供給前述燃料氣體之前，將前述吹氣閥作為開啟狀態的步驟；以及控制前述吹氣閥的控制步驟，因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
若依據有關本發明第7型態的燃料電池系統之運轉方法，則將燃料氣體控制閥從關閉狀態切換為開啟狀態而開始對燃料極供給燃料氣體的時候，吹氣閥成為開啟狀態。被壓縮機壓縮且被引導至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體的一部份，會從開啟狀態之吹氣閥排出至外部，因此相較於吹氣閥為關閉狀態的情況，以氧化性氣體供給線路供給至空氣極之氧化性氣體的供給量會減少。
因此可防止以下情況：供給至空氣極之氧化性氣體的供給量，對供給至燃料極之燃料氣體的供給量來說顯得過多，啟動時間也就更長。然後，從開始對燃料極供給燃料氣體到發電室成為規定之加熱狀態為止，可縮短所需的啟動時間。
若依據有關本發明第7型態的燃料電池系統之運轉方法，則因應燃料電池之發電室藉由加熱部所加熱後之氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將吹氣閥切換為關閉狀態。當吹氣閥成為關閉狀態，供給至空氣極之氧化性氣體的流量會增加，使發電室成為規定之加熱狀態，而提高燃料電池之觸媒的活性。因此，可使供給至空氣極之氧化性氣體與供給至燃料極之燃料氣體適當進行反應。
有關本發明第8型態的一種燃料電池系統之運轉方法，前述燃料電池系統具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；氧化性氣體控制閥，配置於前述氧化性氣體供給線路；燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；以及加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱，前述加熱部具有：氧化性氣體加熱線路，一端連接於前述氧化性氣體控制閥的上游側，另一端連接於前述氧化性氣體控制閥的下游側；以及加熱控制閥，配置於前述氧化性氣體加熱線路，該燃料電池系統之運轉方法具備控制步驟，控制前述加熱控制閥及其前述氧化性氣體控制閥，使得因應預先設定之前述燃料電池的運轉狀態，增加或減少前述加熱控制閥的開度同時減少或增加前述氧化性氣體控制閥的開度。
若依據有關本發明第8型態的燃料電池系統之運轉方法，則因應預先設定之燃料電池的運轉狀態，增加加熱控制閥的開度，藉此增加對空氣極供給之氧化性氣體的溫度。因此，比起不增加加熱控制閥之開度的狀況，可使燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態時之發電室的溫度更加上升。藉由發電室的溫度上升，會提高燃料電池的觸媒活性，因此未反應的排出燃料氣體會減少，至於藉由排出燃料氣體來旋轉驅動之渦輪機，可抑制其單位時間的轉速增加。
再者，若依據有關本發明第8型態的燃料電池系統之運轉方法，則因應預先設定之燃料電池的運轉狀態，減少氧化性氣體控制閥的開度，藉此可抵銷從氧化性氣體加熱線路供給至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體的增加量。因此可防止以下情況：從氧化性氣體供給線路供給至空氣極之氧化性氣體的供給量過度增加，啟動時間也就更長。
有關本發明第9型態的一種燃料電池系統之運轉方法，前述燃料電池系統具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極；渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體；氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極；氧化性氣體控制閥，配置於前述氧化性氣體供給線路；燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極；燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱，前述加熱部具有：氧化性氣體加熱線路，一端連接於前述氧化性氣體控制閥的上游側，另一端連接於前述氧化性氣體控制閥的下游側；以及加熱控制閥，配置於前述氧化性氣體加熱線路，該燃料電池系統之運轉方法具備第1控制步驟，控制前述加熱控制閥及其前述氧化性氣體控制閥，使得增加前述加熱控制閥的開度同時減少前述氧化性氣體控制閥的開度；以及第2控制步驟，控制前述燃料氣體控制閥，使得在前述加熱控制閥之開度增加且前述氧化性氣體控制閥之開度減少的狀態下，將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換為開啟狀態。
若依據有關本發明第9型態的燃料電池系統之運轉方法，則在將燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態之前，增加加熱控制閥的開度，藉此增加對空氣極供給之氧化性氣體的溫度。因此，比起不增加加熱控制閥之開度的狀況，可使燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態時之發電室的溫度更加上升。藉由發電室的溫度上升，會提高燃料電池的觸媒活性，因此未反應的排出燃料氣體會減少，至於藉由排出燃料氣體來旋轉驅動之渦輪機，可抑制其單位時間的轉速增加。
再者，若依據有關本發明第9型態的燃料電池系統之運轉方法，則減少氧化性氣體控制閥的開度，藉此可將從氧化性氣體加熱線路供給至氧化性氣體供給線路之氧化性氣體所造成的氧化性氣體增加量加以抵銷。因此可防止以下情況：從氧化性氣體供給線路供給至空氣極之氧化性氣體的供給量過度增加，啟動時間也就更長。
20:控制装置 109:燃料極 113:空氣極 215:發電室 310:燃料電池系統 329:燃燒排氣體線路 331:氧化性氣體供給線路 333:排出氧化性氣體線路 335:控制閥(氧化性氣體控制閥) 341:燃料氣體線路 342:控制閥(燃料氣體控制閥) 343:排出燃料氣體線路 346:阻隔閥 347:調整閥 348:再循環鼓風機 349:燃料氣體再循環線路 350:排出燃料氣體釋放線路 351:排出空氣冷卻器 411:渦輪增壓器 421:壓縮機 422:觸媒燃燒器 423:渦輪機 424:旋轉軸 430:熱交換器 441:孔口 442:排熱回收裝置 443:控制閥 444:氧化性氣體吹氣線路 445:吹氣閥 451:控制閥 452:鼓風機 455:啟動用空氣加熱線路(氧化性氣體加熱線路) 456:控制閥 457:控制閥(加熱控制閥) 458:啟動用加熱器 459:控制閥 460:控制閥 A:空氣 A2:氧化性氣體 A3:排出氧化性氣體 G:燃燒氣體 L1:燃料氣體 L3:排出燃料氣體 T0,T1,T1a,T2,T3,T4,T5:時刻
[圖1]係表示有關本發明第1實施方式之電池堆之例的圖。 [圖2]係表示有關本發明第1實施方式之SOFC模組的圖。 [圖3]係表示有關本發明第1實施方式之SOFC匣之例的圖。 [圖4]係表示有關本發明第1實施方式之燃料電池系統之概略結構的圖。 [圖5]係表示有關本發明第1實施方式之控制裝置之硬體結構之一例的圖。 [圖6]係表示有關本發明第1實施方式之燃料電池系統之啟動方法的流程圖。 [圖7]係表示供給至觸媒燃燒器之燃料氣體之變化的圖表。 [圖8]係表示吹氣閥之開度變化的圖表。 [圖9]係表示供給至燃料極之燃料氣體之流量變化的圖表。 [圖10]係表示發電室之溫度變化的圖表。 [圖11]係表示渦輪機之轉速變化的圖表。 [圖12]係表示供給至發電室之氧化性氣體之流量變化的圖表。 [圖13]係表示加熱控制閥之開度變化的圖表。 [圖14]係表示氧化性氣體控制閥之開度變化的圖表。 [圖15]係表示發電室之溫度變化的圖表。
20:控制裝置
109:燃料極
113:空氣極
310:燃料電池系統
313:SOFC
325:空氣收取線路
328:燃燒氣體供給線路
329:燃燒排氣體線路
331:氧化性氣體供給線路
332:熱交換器旁通線路
333:排出氧化性氣體線路
335:控制閥(氧化性氣體控制閥)
336:控制閥
341:燃料氣體線路
342:控制閥(燃料氣體控制閥)
343:排出燃料氣體線路
346:阻隔閥
347:調整閥
348:再循環鼓風機
349:燃料氣體再循環線路
350:排出燃料氣體釋放線路
351:排出空氣冷卻器
352:控制閥
361:純水供給線路
362:泵
411:渦輪增壓器
421:壓縮機
422:觸媒燃燒器
423:渦輪機
424:旋轉軸
430:熱交換器
441:孔口
442:排熱回收裝置
443:控制閥
444:氧化性氣體吹氣線路
445:吹氣閥
451:控制閥
452:鼓風機
453:控制閥
454:空氣線路
455:啟動用空氣加熱線路(氧化性氣體加熱線路)
456:控制閥
457:控制閥(加熱控制閥)
458:啟動用加熱器
459:控制閥
460:控制閥
A:空氣
A2:氧化性氣體
A3:排出氧化性氣體
G:燃燒氣體
L1:燃料氣體
L3:排出燃料氣體

Claims (9)

  1. 一種燃料電池系統，具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極； 渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體； 氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極； 燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極； 燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路； 加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱； 吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部； 吹氣閥，配置於前述吹氣線路；以及 控制裝置，控制前述燃料氣體控制閥及前述吹氣閥，使得當將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而對前述燃料極開始供給前述燃料氣體時，將前述吹氣閥作為開啟狀態，並因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
  2. 如請求項1所記載之燃料電池系統，其中，前述控制裝置因應前述發電室的溫度達到規定溫度以上的情況，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
  3. 如請求項1或2所記載之燃料電池系統，其中，前述控制裝置因應前述渦輪增壓器之單位時間轉速從上升傾向變化為降低傾向的情況，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
  4. 一種燃料電池系統，具備：燃料電池，具有空氣極與燃料極； 渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體； 氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極； 氧化性氣體控制閥，配置於前述氧化性氣體供給線路； 燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極； 燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；以及 加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱， 前述加熱部具有： 氧化性氣體加熱線路，一端連接於前述氧化性氣體控制閥的上游側，另一端連接於前述氧化性氣體控制閥的下游側；以及 加熱控制閥，配置於前述氧化性氣體加熱線路， 並具備控制裝置，控制前述加熱控制閥及其前述氧化性氣體控制閥，使得因應預先設定之前述燃料電池的運轉狀態，增加或減少前述加熱控制閥的開度同時減少或增加前述氧化性氣體控制閥的開度。
  5. 如請求項4所記載之燃料電池系統，其中具備：吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；以及 吹氣閥，配置於前述吹氣線路， 前述控制裝置，是控制前述燃料氣體控制閥及前述吹氣閥，使得當將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而對前述燃料極開始供給前述燃料氣體時，將前述吹氣閥作為開啟狀態，並因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
  6. 如請求項5所記載之燃料電池系統，其中具備：燃燒器，將自前述燃料電池排出的前述排出燃料氣體加以燃燒； 排出氧化性氣體線路，將自前述燃料電池排出的前述排出氧化性氣體供給至前述燃燒器；以及 連接控制閥，配置於連接線路，該連接線路連接前述排出氧化性氣體線路與前述氧化性氣體加熱線路， 前述控制裝置，在將前述燃料氣體控制閥由關閉狀態切換至開啟狀態之前，控制前述連接控制閥來減少前述連接控制閥的開度。
  7. 一種燃料電池系統之運轉方法， 前述燃料電池系統具備： 燃料電池，具有空氣極與燃料極； 渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體； 氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極； 燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極； 燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路； 加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱； 吹氣線路，連接於前述氧化性氣體供給線路，並且將前述氧化性氣體排出至外部；以及 吹氣閥，配置於前述吹氣線路，該燃料電池系統之運轉方法具備： 將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而開始對前述燃料極供給前述燃料氣體的步驟； 將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換至開啟狀態而開始對前述燃料極供給前述燃料氣體之前，將前述吹氣閥作為開啟狀態的步驟；以及 控制前述吹氣閥的控制步驟，因應前述燃料電池之發電室藉由被前述加熱部所加熱後之前述氧化性氣體而成為規定的加熱狀態，將前述吹氣閥切換為關閉狀態。
  8. 一種燃料電池系統之運轉方法， 前述燃料電池系統具備： 燃料電池，具有空氣極與燃料極； 渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體； 氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極； 氧化性氣體控制閥，配置於前述氧化性氣體供給線路； 燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極； 燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；以及 加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱， 前述加熱部具有： 氧化性氣體加熱線路，一端連接於前述氧化性氣體控制閥的上游側，另一端連接於前述氧化性氣體控制閥的下游側；以及 加熱控制閥，配置於前述氧化性氣體加熱線路， 該燃料電池系統之運轉方法具備控制步驟，控制前述加熱控制閥及其前述氧化性氣體控制閥，使得因應預先設定之前述燃料電池的運轉狀態，增加或減少前述加熱控制閥的開度同時減少或增加前述氧化性氣體控制閥的開度。
  9. 一種燃料電池系統之運轉方法， 前述燃料電池系統具備： 燃料電池，具有空氣極與燃料極； 渦輪增壓器，具有渦輪機及由前述渦輪機所驅動的壓縮機，該渦輪機被供給有從前述燃料電池所排出之排出燃料氣體及排出氧化性氣體，來當作燃燒氣體； 氧化性氣體供給線路，將以前述壓縮機所壓縮之氧化性氣體供給至前述空氣極； 氧化性氣體控制閥，配置於前述氧化性氣體供給線路； 燃料氣體線路，將燃料氣體供給至前述燃料極； 燃料氣體控制閥，配置於前述燃料氣體線路；以及 加熱部，將流通於前述氧化性氣體供給線路的前述氧化性氣體進行加熱， 前述加熱部具有： 氧化性氣體加熱線路，一端連接於前述氧化性氣體控制閥的上游側，另一端連接於前述氧化性氣體控制閥的下游側；以及 加熱控制閥，配置於前述氧化性氣體加熱線路， 該燃料電池系統之運轉方法具備第1控制步驟，控制前述加熱控制閥及其前述氧化性氣體控制閥，使得增加前述加熱控制閥的開度同時減少前述氧化性氣體控制閥的開度；以及 第2控制步驟，控制前述燃料氣體控制閥，使得在前述加熱控制閥之開度增加且前述氧化性氣體控制閥之開度減少的狀態下，將前述燃料氣體控制閥從關閉狀態切換為開啟狀態。
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