燃料电池系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池系统及其控制方法。


背景技术：

2.通过使燃料气体与氧化性气体进行化学反应来发电的燃料电池具有优异的发电效率及环境友好性等特性。其中，固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell：以下称为“sofc”)作为电解质使用氧化锆陶瓷等陶瓷，将氢、民用燃气、天然气、石油、甲醇及对含碳原料通过气化设备制造出的气化气等气体等作为燃料气体来供给，并且使它们在约700℃～1000℃的高温气氛下反应而进行发电。(例如，专利文献1)
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本专利第6591112号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的技术课题
7.在使用了sofc的系统中，有时通过涡轮增压器的压缩机压缩氧化性气体并向sofc供给，向涡轮增压器的涡轮供给燃烧了从sofc排出的废氧化性气体及废燃料气体的一部分的燃烧气体(废气)来驱动该压缩机。此时，存在因外部气体温度的上升或降低而涡轮增压器的运行状态不稳定的可能性。例如，若外部气体温度低则从压缩机供给的空气的质量流量增加，由此向涡轮供给的燃烧气体(废气)的质量流量增加而成为扼流状态，并且涡轮上游侧压力增加，从而存在涡轮的燃烧气体排气阻力过度变大的可能性。例如，若外部气体温度高，则会因供给至燃料电池的空气温度也上升而输出降低，或存在因无法供给以高输出来运行燃料电池所需的充分的空气流量的情况而不得不抑制输出来运行的可能性，并且存在无法将燃料电池输出维持为额定的可能性。因此，作为从涡轮增压器本身的运行出发的控制方法，当因外部气体温度低而从压缩机供给的空气的质量流量增加时，有时通过涡轮入口向系统外排放增加的空气。并且，有时因外部气体温度高而涡轮入口温度上升时会通过涡轮入口混入温度低的气体，或通过热交换器进行冷却。在使用了sofc的发电系统中，涡轮入口中的燃烧气体的质量流量、气体温度有时会影响整个发电系统的能量平衡，而降低发电系统的性能，因此希望对发电系统的性能的影响少并且简单且稳定的控制。
8.本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够使系统的运行更稳定的燃料电池系统及其控制方法。
9.用于解决技术课题的手段
10.本发明的第1方式为燃料电池系统，其具备：燃料电池，具有空气极及燃料极；涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；热交换器，通过从所述涡轮排出的废气对所述氧化性气体供给管路的
氧化性气体进行加热并且使废气向燃烧废气管路流通；旁通管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述热交换器的上游侧连接，且绕过氧化性气体；流量调节阀，设置于所述旁通管路；及控制装置，根据外部气体温度控制所述流量调节阀，并且控制氧化性气体的旁通流量。
11.本发明的第2方式为燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料电池，具有空气极及燃料极；涡轮增压器，具有从所述燃料电池排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮及由所述涡轮驱动的压缩机；氧化性气体供给管路，向所述空气极供给通过所述压缩机压缩的氧化性气体；热交换器，通过从所述涡轮排出的废气对所述氧化性气体供给管路的氧化性气体进行加热并且使废气向燃烧废气管路流通；旁通管路，其一端与所述氧化性气体供给管路中的所述热交换器的上游侧连接，且绕过氧化性气体；及流量调节阀，设置于所述旁通管路，所述控制方法中，根据外部气体温度控制所述流量调节阀，并且控制氧化性气体的旁通流量。
12.发明效果
13.根据本发明，发挥能够使系统的运行更稳定这一效果。
附图说明
14.图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的电池组的例子的图。
15.图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的sofc模块的例子的图。
16.图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的sofc盒的例子的图。
17.图4是表示本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构的图。
18.图5是表示本发明的第1实施方式所涉及的控制装置的硬件结构的一例的图。
19.图6是表示本发明的第1实施方式所涉及的外部气体温度低时的处理的一例的流程图。
20.图7是表示本发明的第1实施方式所涉及的外部气体温度高时的处理的一例的流程图。
21.图8是表示本发明的第1实施方式所涉及的各设备中的温度状态的一例的概念图。
22.图9是表示本发明的第1实施方式所涉及的各设备中的流量状态的一例的概念图。
23.图10是表示本发明的第1实施方式所涉及的各设备中的温度状态的一例的概念图。
24.图11是表示本发明的第1实施方式所涉及的各设备中的流量状态的一例的概念图。
25.图12是表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池系统的概略结构的图。
具体实施方式
26.以下，参考附图对本发明所涉及的燃料电池系统及其控制方法的第1实施方式进行说明。
27.以下，为了便于说明，以纸面为基准使用“上”及“下”的表现进行说明的各构成要件的位置关系表示各铅垂上方侧、铅垂下方侧，铅垂方向并不是严格的铅垂方向，包含误差。在本实施方式中，只要在上下方向及水平方向上获得相同的效果，则纸面上的上下方向
并不一定限定于铅垂上下方向，例如可以与垂直于铅垂方向的水平方向对应。
28.以下，作为固体氧化物燃料电池(sofc)的电池组以圆筒形(筒状)为例子进行说明，但无需一定要限定于此，例如也可以是平板形的电池组。基体上形成燃料电池单元，但也可以不是基体而是电极(燃料极109或空气极113)形成为较厚并兼作基体。
29.首先，参考图1作为本实施方式所涉及的一例对使用基体管的圆筒形电池组进行说明。当不使用基体管时，例如可以较厚地形成燃料极109而兼作基体管，并无限定于基体管的使用。本实施方式中的基体管以使用了圆筒形状的例子来进行说明，但基体管只要是筒状即可，截面并不一定限定于圆形，例如可以是椭圆形状。也可以是垂直压扁了圆筒的周侧面的扁平圆筒(flat tubular)等的电池组。在此，图1表示本实施方式所涉及的电池组的一方式。作为一例，电池组101具备圆筒形状的基体管103、在基体管103的外周面形成有多个的燃料电池单元105及形成于相邻的燃料电池单元105之间的内互连器107。燃料电池单元105层叠燃料极109、固体电解质膜111及空气极113而形成。电池组101具备经由内互连器107与形成于基体管103的外周面的多个燃料电池单元105中形成于在基体管103的轴向上最边端的一端的燃料电池单元105的空气极113电连接的引线膜115，且具备与形成于最边端的另一端的燃料电池单元105的燃料极109电连接的引线膜115。
30.基体管103由多孔材料制成，例如以cao稳定化zro2(csz)、csz与氧化镍(nio)的混合物(csz+nio)或y2o3稳定化zro2(ysz)或mgal2o4等为主成分。该基体管103支承燃料电池单元105、内互连器107及引线膜115，并且经由基体管103的细孔将供给至基体管103的内周面的燃料气体扩散到形成于基体管103外周面的燃料极109。
31.燃料极109由ni与氧化锆系电解质材料的复合材料的氧化物构成，例如使用ni/ysz。燃料极109的厚度为50μm～250μm，燃料极109可以用浆料进行网版印刷来形成。在该情况下，燃料极109中，燃料极109的成分即ni对燃料气体具有催化作用。该催化作用使经由基体管103供给的燃料气体例如甲烷(ch4)与水蒸汽的混合气体反应并使其改性为氢(h2)及一氧化碳(co)。燃料极109在固体电解质膜111的界面附近使通过改性获得的氢(h2)及一氧化碳(co)和经由固体电解质膜111供给的氧离子(o
2-)进行电化学反应而生成水(h2o)及二氧化碳(co2)。此时，燃料电池单元105通过从氧离子排放的电子进行发电。
32.作为供给至固体氧化物燃料电池的燃料极109并且能够利用的燃料气体，除了氢(h2)及一氧化碳(co)、甲烷(ch4)等烃系气体、民用燃气、天然气以外，还可举出对石油、甲醇及煤炭等含碳原料通过气化设备制造出的气化气等。
33.固体电解质膜111主要使用具备使气体不易通过的气密性及在高温下高氧离子导电性的ysz。该固体电解质膜111使在空气极113中生成的氧离子(o
2-)移动至燃料极109。位于燃料极109的表面上的固体电解质膜111的膜厚为10μm～100μm，固体电解质膜111可以用浆料进行网版印刷来形成。
34.空气极113例如由lasrmno3系氧化物或lacoo3系氧化物构成，空气极113使用网版印刷或点胶机来涂布浆料。该空气极113在与固体电解质膜111的界面附近解离被供给的空气等氧化性气体中的氧而生成氧离子(o
2-)。
35.空气极113也能够设为双层结构。在该情况下，固体电解质膜111侧的空气极层(空气极中间层)显示出高离子导电性，且由催化活性优异的材料构成。空气极中间层上的空气极层(空气极导电层)可以由以sr及ca参杂lamno3来表示的钙钛矿型氧化物构成。由此，能
够进一步提高发电性能。
36.氧化性气体为包含约15％～30％的氧的气体，代表性地优选为空气，但除空气以外还能够使用燃烧废气与空气的混合气体、氧与空气的混合气体等。
37.内互连器107由srtio3系等以m
1-x
l
x
tio3(m表示碱土类金属元素，l表示镧系元素)来表示的导电性钙钛矿型氧化物构成，并且用浆料进行网版印刷。内互连器107为致密的膜，以免燃料气体与氧化性气体混合。内互连器107具备在氧化气氛及还原气氛这两种气氛下稳定的耐久性及导电性。该内互连器107在相邻的燃料电池单元105中，电连接一侧的燃料电池单元105的空气极113与另一侧的燃料电池单元105的燃料极109，并且串联连接相邻的燃料电池单元105彼此。
38.引线膜115需要具备电子传导性及与构成电池组101的其他材料的热膨胀系数接近，因此由ni/ysz等ni与氧化锆系电解质材料的复合材料、srtio3系等m
1-x
l
x
tio3(m表示碱土类金属元素，l表示镧系元素)构成。该引线膜115将在通过内互连器107串联连接的多个燃料电池单元105中发电的直流功率导出至电池组101的端部附近。
39.在大气中对形成有燃料极109、固体电解质膜111及内互连器107的浆料膜的基体管103进行共烧结。烧结温度具体设为1350℃～1450℃。
40.接着，在大气中烧结在共烧结后的基体管103上形成有空气极113的浆料膜的基体管103。烧结温度具体设为1100℃～1250℃。这里的烧结温度低于形成基体管103～内互连器107之后的共烧结温度。
41.接着，参考图2及图3对本实施方式所涉及的sofc模块及sofc盒进行说明。在此，图2表示本实施方式所涉及的sofc模块的一方式。图3表示本实施方式所涉及的sofc盒的一方式的剖视图。
42.如图2所示，sofc模块(燃料电池模块)201例如具备多个sofc盒(燃料电池盒)203及容纳这些多个sofc盒203的压力容器205。在图2中例示了圆筒形的sofc的电池组101，但无需一定限于此，例如可以是平板形的电池组。sofc模块201具备燃料气体供给管207、多个燃料气体供给支管207a、燃料气体排出管209及多个燃料气体排出支管209a。sofc模块201具备氧化性气体供给管(未图示)、氧化性气体供给支管(未图示)、氧化性气体排出管(未图示)及多个氧化性气体排出支管(未图示)。
43.燃料气体供给管207设置于压力容器205的外部，且与sofc模块201的发电量对应地与供给规定气体组成及规定流量的燃料气体的燃料气体供给部连接并且与多个燃料气体供给支管207a连接。该燃料气体供给管207将从上述燃料气体供给部供给的规定流量的燃料气体分别引导至多个燃料气体供给支管207a。燃料气体供给支管207a与燃料气体供给管207连接，并且与多个sofc盒203连接。该燃料气体供给支管207a将从燃料气体供给管207供给的燃料气体大致以均等的流量来引导至多个sofc盒203，并且使多个sofc盒203的发电性能大致均匀。
44.燃料气体排出支管209a与多个sofc盒203连接，并且与燃料气体排出管209连接。该燃料气体排出支管209a将从sofc盒203排出的废燃料气体引导至燃料气体排出管209。燃料气体排出管209与多个燃料气体排出支管209a连接，并且一部分配置于压力容器205的外部。该燃料气体排出管209将大致以均等的流量来从燃料气体排出支管209a导出的废燃料气体引导至压力容器205的外部。
45.压力容器205在内部压力为0.1mpa～约3mpa且内部的温度为大气温度～约550℃的条件下运用，因此利用具有耐力性及对氧化性气体中所包含的氧等氧化剂的耐腐蚀性的材质。例如优选为sus304等不锈钢系材料。
46.在此，在本实施方式中，对集合多个sofc盒203并容纳于压力容器205的方式进行说明，但并不限定于此，例如，也能够设为sofc盒203未集合而容纳于压力容器205内的方式。
47.如图3所示，sofc盒203具备多个电池组101、发电室215、燃料气体供给集管217、燃料气体排出集管219、氧化性气体(空气)供给集管221及氧化性气体排出集管223。sofc盒203具备上部管板225a、下部管板225b、上部绝热体227a及下部绝热体227b。在本实施方式中，sofc盒203以图3所示的方式配置有燃料气体供给集管217、燃料气体排出集管219、氧化性气体供给集管221及氧化性气体排出集管223，由此成为燃料气体及氧化性气体与电池组101的内侧及外侧对置地流动的结构，但并不一定要如此，例如，也可以与电池组101的内侧及外侧平行地流动或氧化性气体向与电池组101的长度方向正交的方向流动。
48.发电室215为形成于上部绝热体227a与下部绝热体227b之间的区域。该发电室215为配置有电池组101的燃料电池单元105的区域，是使燃料气体与氧化性气体电化学反应而进行发电的区域。该发电室215的电池组101长度方向的中央部附近的温度由温度测量部(温度传感器、热电偶等)监视，在sofc模块201稳定运行时，成为约700℃～1000℃的高温气氛。
49.燃料气体供给集管217为被sofc盒203的上部壳体229a及上部管板225a包围的区域，并且通过设置于上部壳体229a上部的燃料气体供给孔231a与燃料气体供给支管207a连通。多个电池组101通过密封部件237a与上部管板225a接合，燃料气体供给集管217将从燃料气体供给支管207a经由燃料气体供给孔231a供给的燃料气体大致以均匀的流量引导至多个电池组101的基体管103的内部，使多个电池组101的发电性能大致均匀。
50.燃料气体排出集管219为被sofc盒203的下部壳体229b及下部管板225b包围的区域，并且通过设置于下部壳体229b的燃料气体排出孔231b与未图示的燃料气体排出支管209a连通。多个电池组101通过密封部件237b与下部管板225b接合，燃料气体排出集管219汇集通过多个电池组101的基体管103的内部而供给至燃料气体排出集管219的废燃料气体并且经由燃料气体排出孔231b将其引导至燃料气体排出支管209a。
51.与sofc模块201的发电量对应地将规定气体组成及规定流量的氧化性气体分支到氧化性气体供给支管并且向多个sofc盒203供给。氧化性气体供给集管221为被sofc盒203的下部壳体229b、下部管板225b及下部绝热体227b包围的区域，并且通过设置于下部壳体229b的侧面的氧化性气体供给孔233a与未图示的氧化性气体供给支管连通。该氧化性气体供给集管221将从未图示的氧化性气体供给支管经由氧化性气体供给孔233a供给的规定流量的氧化性气体经由后述的氧化性气体供给间隙235a引导至发电室215。
52.氧化性气体排出集管223为被sofc盒203的上部壳体229a、上部管板225a及上部绝热体227a包围的区域，并且通过设置于上部壳体229a的侧面的氧化性气体排出孔233b与未图示的氧化性气体排出支管连通。该氧化性气体排出集管223将从发电室215经由后述的氧化性气体排出间隙235b供给至氧化性气体排出集管223的废氧化性气体经由氧化性气体排出孔233b引导至未图示的氧化性气体排出支管。
53.上部管板225a在上部壳体229a的顶板与上部绝热体227a之间，以使上部管板225a、上部壳体229a的顶板及上部绝热体227a大致成为平行的方式固定于上部壳体229a的侧板。并且，上部管板225a具有与设置于sofc盒203的电池组101的根数对应的多个孔，在该孔中分别插入有电池组101。该上部管板225a经由密封部件237a及粘合部件中的任一者或两者气密地支承多个电池组101的一侧端部，并且隔离燃料气体供给集管217与氧化性气体排出集管223。
54.上部绝热体227a在上部壳体229a的下端部配置成上部绝热体227a、上部壳体229a的顶板及上部管板225a大致成为平行，且固定于上部壳体229a的侧板。在上部绝热体227a中与设置于sofc盒203的电池组101的根数对应地设置有多个孔。该孔的直径设定为大于电池组101的外径。上部绝热体227a具备形成于该孔的内表面与插穿于上部绝热体227a的电池组101的外表面之间的氧化性气体排出间隙235b。
55.该上部绝热体227a分隔发电室215与氧化性气体排出集管223，并且抑制因上部管板225a周围的气氛高温化而强度降低及由氧化性气体中所包含的氧化剂引起的腐蚀的增加。上部管板225a等由因科镍合金等具有高温耐久性的金属材料制成，但防止因上部管板225a等暴露于发电室215内的高温而上部管板225a等内的温度差变大从而热变形。上部绝热体227a使通过发电室215而暴露于高温的废氧化性气体通过氧化性气体排出间隙235b而将其引导至氧化性气体排出集管223。
56.根据本实施方式，通过上述sofc盒203的结构，燃料气体及氧化性气体与电池组101的内侧及外侧对置地流动。由此，废氧化性气体与通过基体管103的内部而供给至发电室215的燃料气体之间进行热交换，由金属材料制成的上部管板225a等冷却至不会压曲等变形的温度并供给至氧化性气体排出集管223。燃料气体通过与从发电室215排出的废氧化性气体的热交换而得到升温并供给至发电室215。其结果，能够将不使用加热器等而预热升温至适合发电的温度的燃料气体供给至发电室215。
57.下部管板225b在下部壳体229b的底板与下部绝热体227b之间，以使下部管板225b、下部壳体229b的底板及下部绝热体227b大致成为平行的方式固定于下部壳体229b的侧板。并且，下部管板225b具有与设置于sofc盒203的电池组101的根数对应的多个孔，在该孔中分别插入有电池组101。该下部管板225b经由密封部件237b及粘合部件中的任一者或两者气密地支承多个电池组101的另一侧端部，并且隔离燃料气体排出集管219与氧化性气体供给集管221。
58.下部绝热体227b在下部壳体229b的上端部配置成下部绝热体227b、下部壳体229b的底板及下部管板225b大致成为平行，并且固定于下部壳体229b的侧板。在下部绝热体227b中与设置于sofc盒203的电池组101的根数对应地设置有多个孔。该孔的直径设定为大于电池组101的外径。下部绝热体227b具备形成于该孔的内表面与插穿于下部绝热体227b的电池组101的外表面之间的氧化性气体供给间隙235a。
59.该下部绝热体227b分隔发电室215与氧化性气体供给集管221，并且抑制因下部管板225b周围的气氛高温化而强度降低及由氧化性气体中所包含的氧化剂引起的腐蚀的增加。下部管板225b等由因科镍合金等具有高温耐久性的金属材料制成，以防止因下部管板225b等暴露于高温而下部管板225b等内的温度差变大从而热变形。下部绝热体227b使供给至氧化性气体供给集管221的氧化性气体通过氧化性气体供给间隙235a并将其引导至发电
室215。
60.根据本实施方式，通过上述sofc盒203的结构，燃料气体及氧化性气体与电池组101的内侧及外侧对置地流动。由此，通过基体管103的内部而通过了发电室215的废燃料气体与供给至发电室215的氧化性气体之间进行热交换，并且冷却至由金属材料制成的下部管板225b等不会压曲等变形的温度并供给至燃料气体排出集管219。氧化性气体通过与废燃料气体的热交换得到升温，并供给至发电室215。其结果，能够将不使用加热器等而升温至发电所需的温度的氧化性气体供给至发电室215。
61.在发电室215中发电的直流功率通过设置于多个燃料电池单元105的由ni/ysz等制成的引线膜115导出至电池组101的端部附近之后，经由集电板(未图示)集电于sofc盒203的集电棒(未图示)，并输出至各sofc盒203的外部。通过所述集电棒导出至sofc盒203的外部的直流功率以规定的串联数及并联数互相连接各sofc盒203的发电功率并向sofc模块201的外部导出，并且通过未图示的功率调节器等功率转换装置(逆变器等)转换为规定的交流功率而供给至电力供给目的地(例如，负载设备、电力系统)。
62.对本发明的一实施方式所涉及的燃料电池系统310的概略结构进行说明。
63.图4是表示本发明的一实施方式所涉及的燃料电池系统310的概略结构的概略结构图。如图4所示，燃料电池系统310具备涡轮增压器411及sofc313。sofc313组合一个或多个未图示的sofc模块而构成，以后简记为“sofc”。该燃料电池系统310通过sofc313进行发电。而且，燃料电池系统310通过控制装置20进行控制。
64.涡轮增压器411具备压缩机421及涡轮423，压缩机421与涡轮423通过旋转轴424连结成能够一体地旋转。通过后述的涡轮423旋转，压缩机421进行旋转驱动。本实施方式为空气用作氧化性气体的例子，压缩机421压缩从空气输入管路325输入的空气a。
65.对构成涡轮增压器411的压缩机421输入空气a并进行压缩，将被压缩的空气a作为氧化性气体a2供给至sofc的空气极113。在化学反应(用于在sofc中发电)中使用之后的废氧化性气体a3经由废氧化性气体管路333输送至催化剂燃烧器(燃烧器)422，在化学反应(用于在sofc中发电)中使用之后的废燃料气体l3由再循环鼓风机348升压，一部分经由燃料气体再循环管路349进行再循环而供给至燃料气体管路341，但另一部分经由废燃料气体管路343输送至催化剂燃烧器422。
66.如此，对催化剂燃烧器422供给废氧化性气体a3及废燃料气体l3的一部分而在未图示的催化剂燃烧部中使用燃烧催化剂即便是在较低温下也使其稳定地燃烧(参考后述)，生成燃烧气体g。
67.催化剂燃烧器422将废燃料气体l3、废氧化性气体a3及根据需要混合燃料气体l1而在未图示的催化剂燃烧部中进行燃烧，以生成燃烧气体g。催化剂燃烧部中例如填充有以铂或钯为主成分的燃烧催化剂，并且在较低温度下且低氧浓度下能够进行稳定燃烧。燃烧气体g通过燃烧气体供给管路328供给至涡轮423。涡轮423通过燃烧气体g绝热膨胀而旋转驱动，燃烧气体g从燃烧废气管路329被排出。
68.通过控制阀352控制流量而将燃料气体l1供给至催化剂燃烧器422。燃料气体l1为可燃气体，例如可使用气化了液化天然气(lng)的气体或天然气、民用燃气、氢(h2)及一氧化碳(co)、甲烷(ch4)等烃气以及碳质原料(石油或煤炭等)的通过气化设备制造出的气体等。燃料气体表示发热量预先大致调整为恒定的燃料气体。
69.在催化剂燃烧器422中通过燃烧成为高温的燃烧气体g通过燃烧气体供给管路328输送至构成涡轮增压器411的涡轮423，并且旋转驱动涡轮423而产生旋转动力。通过该旋转动力来驱动压缩机421，由此压缩从空气输入管路325输入的空气a而产生压缩空气。通过涡轮增压器411能够产生压缩氧化性气体(空气)而送风的旋转设备的动力，因此能够减少所需动力而提高发电系统的发电效率。
70.热交换器(再生热交换器)430在从涡轮423排出的废气与从压缩机421供给的氧化性气体a2之间进行热交换。废气通过与氧化性气体a2的热交换被冷却之后，例如经由废热回收装置442通过烟囱(未图示)排放到外部。
71.sofc313如下进行发电，即，作为还原剂被供给燃料气体l1，作为氧化剂被供给氧化性气体a2，并且使它们在规定的工作温度下进行反应。
72.sofc313由未图示的sofc模块构成，且容纳有设置于sofc模块的压力容器内的多个电池组的集合体，在未图示的电池组中具备燃料极109、空气极113及固体电解质膜111。
73.sofc313通过对空气极113供给氧化性气体a2并且对燃料极109供给燃料气体l1来进行发电，并通过未图示的功率调节器等功率转换装置(逆变器等)转换为规定的功率而供给至电力需要目的地。
74.在sofc313中连接有向空气极113供给通过压缩机421压缩的氧化性气体a2的氧化性气体供给管路331。氧化性气体a2通过氧化性气体供给管路331供给至空气极113的未图示的氧化性气体导入部。在该氧化性气体供给管路331中设置有用于调整所供给的氧化性气体a2的流量的控制阀335。在热交换器430中，氧化性气体a2与从燃烧废气管路329排出的燃烧气体之间进行热交换而得到升温。而且，在氧化性气体供给管路331中设置有绕过热交换器430的传热部分的热交换器旁通管路332。在热交换器旁通管路332中设置有控制阀336，并且能够调整氧化性气体的旁通流量。通过控制控制阀335及控制阀336的开度，调整通过热交换器430的氧化性气体与绕过热交换器430的氧化性气体的流量比例，从而供给至sofc313的氧化性气体a2的温度得到调整。供给至sofc313的氧化性气体a2的温度维持使sofc313的燃料气体与氧化性气体电化学反应而进行发电的温度，并且控制温度的上限，以免对构成sofc313的未图示的sofc模块内部的各构成设备的材料造成损伤。
75.在sofc313中连接有经由催化剂燃烧器422向涡轮423供给在空气极113中使用后排出的废氧化性气体a3的废氧化性气体管路333。废氧化性气体管路333设置有排空气冷却器351。具体而言，在废氧化性气体管路333中，在比后述的节流装置441更靠上游侧的位置设置有排空气冷却器351，并且通过与在氧化性气体供给管路331中流动的氧化性气体a2的热交换来冷却废氧化性气体a3。
76.在废氧化性气体管路333中设置有压损部。在本实施方式中，作为压损部，设置有节流装置441。节流装置441对在废氧化性气体管路333中流通的废氧化性气体a3附加压损。作为压损部，并不限于节流装置441，例如可以设置文氏管等节流部，只要是能够对废氧化性气体a3附加压力损失的机构便可使用。作为压损部，例如也可以设置追加燃烧器。通过追加燃烧器使废氧化性气体产生压力损失，并且在需要超过催化剂燃烧豁422中的燃烧容量的燃烧时，能够燃烧追加燃料量，因此能够对废氧化性气体供给充分的热量。在燃料电池系统310中，通过设置于废燃料气体管路343的调整阀347控制成空气极113侧与燃料极109侧的压力差成为规定的范围内，因此通过对与废燃料气体管路343合流的废氧化性气体管路
333附加压力损失，能够确保稳定地控制设置于废燃料气体管路343的调整阀347所需的动作压差。
77.对废氧化性气体管路333未设置将废氧化性气体a3排放到大气(系统外)的通风系统及通风阀。例如，在组合sofc和燃烧从空气极113排出的废氧化性气体a3及从燃料极109排出的废燃料气体l3的燃气涡轮(例如微型燃气涡轮)的发电系统的情况下，在启动时或停止时等，有时根据微型燃气涡轮状态的变化而向空气极113供给的氧化性气体的压力状态发生变化，而且存在因压力的急剧变动而燃料极109与空气极113的压差控制失败的可能性，并且，当因某种理由出现了跳闸时，微型燃气涡轮的发电机成为无负载，从而有时需要微型燃气涡轮的保护措施。因此，需要将废氧化性气体a3排放到大气等系统外的通风系统及通风阀，但在本实施方式中，使用涡轮增压器411，并且因没有与旋转轴连通的发电机而不承受负载，因此不会出现在跳闸时因负载消失而变得过度旋转且压力急剧上升的情况，并且能够通过调整阀347稳定地控制压差状态，因此能够省略将废氧化性气体a3排放到大气的机构(通风系统及通风阀)。
78.在sofc313中还连接有将燃料气体l1供给至燃料极109的未图示的燃料气体导入部的燃料气体管路341及经由催化剂燃烧器422向涡轮423供给在燃料极109中使用于反应后排出的废燃料气体l3的废燃料气体管路343。在燃料气体管路341中设置有用于调整供给至燃料极109的燃料气体l1的流量的控制阀342。
79.在废燃料气体管路343中设置有再循环鼓风机348。在废燃料气体管路343中设置有用于调整供给至催化剂燃烧器422的废燃料气体l3的一部分流量的调整阀347。换言之，调整阀347调整废燃料气体l3的压力状态。因此，如后述，通过由控制装置20控制调整阀347，能够调整燃料极109与空气极113的压差。
80.在废燃料气体管路343中，在再循环鼓风机348的下游侧连接有将废燃料气体l3排放到大气(系统外)的废燃料气体排放管路350。而且，在废燃料气体排放管路350中设置有隔断阀(燃料通风阀)346。即，通过将隔断阀346设为打开，能够从废燃料气体排放管路350排放废燃料气体管路343的废燃料气体l3的一部分。通过将废燃料气体l3排出到系统外，能够迅速调整变过度的压力。在废燃料气体管路343中，用于使废燃料气体l3再次向sofc313的燃料极109的燃料气体导入部循环的燃料气体再循环管路349与燃料气体管路341连接。
81.而且，在燃料气体再循环管路349中设置有对燃料极109供给用于对燃料气体l1进行改性的纯水的纯水供给管路361。在纯水供给管路361中设置有泵362。通过控制泵362的喷出流量，调整供给至燃料极109的纯水量。在发电中，在燃料极中生成水蒸汽，因此在废燃料气体管路343的废燃料气体l3中包含水蒸汽，因此通过在燃料气体再循环管路349中再循环水蒸汽并进行供给，能够减少或隔断通过纯水供给管路361供给的纯水流量。
82.接着，对排放从压缩机421喷出的氧化性气体的结构进行说明。具体而言，在压缩机421的下游侧的氧化性气体供给管路331中设置有氧化性气体能够以绕过热交换器430而排放的方式流通的氧化性气体吹气管路444。氧化性气体吹气管路444的一端与氧化性气体供给管路331的热交换器430的上游侧连接，另一端与成为涡轮423的尾流侧的燃烧废气管路329的热交换器430的下游侧连接。而且，在氧化性气体吹气管路444中设置有排放阀(抽气吹气阀)445。即，通过将排放阀445设为关闭，从压缩机421喷出的氧化性气体的一部分经由氧化性气体吹气管路444并通过烟囱(未图示)排放到系统外部的大气等。
83.接着，对燃料电池系统310的启动中所使用的结构进行说明。在氧化性气体供给管路331中，在与氧化性气体吹气管路444的连接点的下游侧设置有控制阀451，在控制阀451的下游侧(热交换器430的上游侧)连接有具有供给启动用空气的鼓风机(送风机)452及控制阀453的启动用空气供给管路454。当进行燃料电池系统310的启动时，通过鼓风机452向氧化性气体供给管路331供给启动用空气，并且通过控制阀451及控制阀453与来自压缩机421的氧化性气体进行切换。在氧化性气体供给管路331中，在热交换器430的下游侧(控制阀335的上游侧)连接有启动用空气加热管路455，启动用空气加热管路455经由控制阀456与排空气冷却器351的下游侧的废氧化性气体管路333连接，并且经由控制阀457与氧化性气体供给管路331(空气极113的入口侧)连接。在启动用空气加热管路455中设置有启动用加热器458，经由控制阀459供给燃料气体l1，并且对在启动用空气加热管路455中流通的氧化性气体进行加热。
84.控制阀457调整向启动用加热器458供给的氧化性气体的流量，并控制向sofc313供给的氧化性气体的温度。
85.燃料气体l1经由控制阀460也供给至空气极113。控制阀460例如在启动sofc313时从启动用空气加热管路455中的控制阀457的下游侧向空气极113供给燃料气体l1，并且控制通过催化剂燃烧而发电室温度升温时向空气极113供给的燃料气体l1的流量。
86.控制装置20根据外部气体温度对向sofc313供给的氧化性气体进行控制。在本实施方式中，压缩机421作为氧化性气体输入空气(外部气体)。因此，外部气体温度(大气温度)成为压缩机421所吸入的空气的温度。即，在空气输入管路325中设置有温度计363，测量值输入于控制装置20。只要可知氧化性气体的温度状态，则关于温度计363的设置位置并无限定。也可以不直接测量外部气体温度而根据其他信息估计外部气体温度。
87.在图4所示的结构中，氧化性气体吹气管路444及热交换器旁通管路332的一端与氧化性气体供给管路331中的通过从涡轮423排出的燃烧气体对氧化性气体供给管路331的氧化性气体进行加热的热交换器430的上游侧连接，成为绕过热交换器430的流路。因此，氧化性气体吹气管路444及热交换器旁通管路332分别成为氧化性气体的至少一部分绕过热交换器430的旁通管路。分别关于设置于氧化性气体吹气管路444的排放阀445及设置于热交换器旁通管路332的控制阀336，均成为调整在旁通管路中流通的氧化性气体的流量的流量调节阀。
88.图5是表示本实施方式所涉及的控制装置20的硬件结构的一例的图。
89.如图5所示，控制装置20为计算机系统(computer system)，例如具备cpu11、用于存储由cpu11执行的程序等的rom(read only memory：只读存储器)12、作为执行各程序时的工作区域发挥作用的ram(random access memory：随机存取存储器)13、作为大容量存储装置的硬盘驱动器(hdd)14及用于与网络等连接的通信部15。作为大容量存储装置，可以使用固态硬盘(ssd)。这些各部经由总线18连接。
90.控制装置20可以具备由键盘、鼠标等构成的输入部及由显示数据的液晶显示装置等构成的显示部等。
91.用于存储由cpu11执行的程序等的存储介质并不限于rom12。例如，可以是磁盘、光磁盘、半导体存储器等其他辅助存储装置。
92.用于实现后述的各种功能的一系列处理的过程以程序的形式记录于硬盘驱动器
14等，由cpu11将该程序读出到ram13等而执行信息的加工
·
运算处理，由此实现后述的各种功能。程序可以适用预先安装于rom12或其他存储介质的方式、以存储于计算机可读取的存储介质的状态提供的方式及经由有线或无线的通信机构来传送的方式等。计算机可读取的存储介质中有磁盘、光磁盘、cd-rom、dvd-rom及半导体存储器等。
93.控制装置20例如根据通过设置于空气输入管路325的温度计363输入的外部气体温度，控制流量调节阀(排放阀445和/或控制阀336)，并且控制氧化性气体的旁通流量。外部气体温度分别在高及低时，对燃料电池系统310的运行状态造成影响。具体而言，若外部气体温度低，则从压缩机421供给的空气a的质量流量增加，由此向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量增加而成为扼流状态，并且通过涡轮423而上游侧压力增加，从而存在涡轮423的废气排气阻力过度变大的可能性。若外部气体温度高，则因供给至sofc313的氧化性气体的温度也上升而输出降低，或存在因无法供给以高输出来运行sofc313所需的充分的氧化性气体的流量的情况而不得不抑制输出来运行的可能性，并且存在无法将sofc313的输出维持为额定的可能性。因此，控制装置20分别以外部气体温度高的情况及低的情况进行控制。外部气体温度低的情况是指，外部气体温度为规定温度以下的情况。外部气体温度低时的规定温度根据设想为产生扼流状态的状态量(外部气体温度)进行设定。外部气体温度高的情况是指，外部气体温度为规定温度以上的情况。外部气体温度高时的规定温度与如下温度对应地设定，即，当外部气体温度上升而压缩机421出口的氧化性气体的温度上升时，供给至sofc313的氧化性气体的温度不能满足为了保护sofc313而所需的冷却性能的温度。
94.首先，对外部气体温度低时的控制进行说明。
95.当外部气体温度低时，空气密度增加而从压缩机421供给的空气a的质量流量增加，由此向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量增加而陷于扼流状态，从而存在涡轮423的废气排气阻力过度变大的可能性。因此，当外部气体温度低时，控制向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量。
96.具体而言，控制装置20根据外部气体温度控制作为从压缩机421供给的空气a的流量调节阀的排放阀445，经由sofc313的空气极113调整经由催化剂燃烧器422而最终向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量。如图4所示，设置有将从涡轮423排出的燃烧气体向系统外排放的燃烧废气管路(废气管路)329。而且，氧化性气体吹气管路444的一端与氧化性气体供给管路331中的热交换器430的上游侧连接，另一端与燃烧废气管路329中的热交换器430的下游侧连接。
97.因此，当外部气体温度成为规定值以下时，控制装置20控制排放阀445来增加通过氧化性气体吹气管路444的氧化性气体的质量流量。由此，作为燃料电池系统310的氧化性气体系统的尽可能上游的位置，在使通过压缩机421压缩的氧化性气体的一部分流入sofc313及热交换器430的前阶段，能够将氧化性气体的一部分排放到大气。即，在燃料电池系统310的氧化性气体系统的主要设备中比设置于最靠上游的热交换器430更靠上游的位置上，调整氧化性气体增加的质量流量，从而能够通过氧化性气体吹气管路444排放与因外部气体温度降低而增加的质量流量相对应的氧化性气体。因此，在包含氧化性气体及废氧化性气体的系统的热交换器430以及sofc313的下游侧的各位置上，调整为与因外部气体温度变低而氧化性气体增加之前的质量流量接近的质量流量，并且调整为与向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量也增加之前的质量流量接近的质量流量。
98.关于通过氧化性气体吹气管路444而排放到向系统外延续的管路的氧化性气体的质量流量，例如，可以对外部气体温度预先设定质量流量，也可以控制排放阀445(吹气阀)来将与外部气体温度对应地设定的质量流量从氧化性气体吹气管路444排放到向系统外延续的管路。
99.如此，从与位于氧化性气体系统的流路的最上游侧的热交换豁430连接的压缩机421的出口侧，将与因外部气体温度降低而增加的质量流量相对应的氧化性气体作为剩余气体排出到系统外。因此，在外部气体温度变低之前的氧化性气体及废氧化性气体的系统的各设备中通过与增加之前的质量流量接近的质量流量，因此sofc313的性能降低得到抑制。即，能够抑制系统效率的降低，并且使运行稳定。
100.接着，对外部气体温度高时的控制进行说明。
101.当外部气体温度高时，通过压缩机421压缩的氧化性气体的温度变高，从而因供给至sofc313的氧化性气体的温度也上升而输出降低，或存在因无法供给以高输出来运行sofc313所需的充分的氧化性气体的流量的情况而不得不抑制输出来运行的可能性。因此，当外部气体温度高时，控制成使向sofc313供给的氧化性气体的温度不会上升。
102.具体而言，控制装置20根据外部气体温度控制控制阀336，并且调整向涡轮423供给的燃烧气体的温度。如图4所示，热交换器旁通管路332的一端与氧化性气体供给管路331中的热交换器430的上游侧连接，另一端与氧化性气体供给管路331中的热交换器430的下游侧连接。
103.因此，当外部气体温度成为规定值以上时，控制装置20控制控制阀336来增加在热交换器旁通管路332中流通的氧化性气体的流量。由此，能够减少通过热交换器430加热的氧化性气体的流量，因此减少热交换器430对氧化性气体的加热量。从热交换器430放出的氧化性气体向氧化性气体供给管路331流通，并与流通了热交换器旁通管路332的氧化性气体合流而供给至sofc313的空气极113。即，向空气极113供给的氧化性气体a2的温度得到调整，即使在外部气体温度高的情况下，也能够调整为sofc313和其内部的氧化性气体及废氧化性气体的系统的温度成为与外部气体温度变高之前相同的温度。
104.关于热交换器旁通管路332的氧化性气体的流量，例如，可以对外部气体温度预先设定流量，也可以使与外部气体温度对应地设定的流量绕过热交换器430。例如，控制控制阀336来调整在绕过热交换器430的热交换器旁通管路332中流通的氧化性气体的流量，以使向sofc313的空气极113供给的氧化性气体的温度成为规定温度的方式，。
105.如此，即使在外部气体温度高的情况下，使其绕过位于氧化性气体系统的上游侧的热交换器430来调整氧化性气体温度，从而能够将sofc313和其内部的氧化性气体及废氧化性气体的系统的温度调整为与外部气体温度变高之前相同的温度，因此能够抑制sofc313的性能降低。氧化性气体流通的流路的温度(涡轮423的出口温度、热交换器430的入口温度等)的上升得到抑制，从而能够抑制系统效率的降低，并且使运行稳定。
106.接着，参考图6对由上述控制装置20进行的外部气体温度低时的处理的一例进行说明。图6是表示本实施方式所涉及的外部气体温度低时的处理的步骤的一例的流程图。图6所示的流程例如以规定的控制周期来重复执行。
107.首先，获取外部气体温度(s101)。
108.接着，判定外部气体温度是否为规定值以下(s102)。在s102中，判定外部气体温度
是否为低的状态。
109.当外部气体温度不是规定值以下时(s102的“否”判定)，结束处理。
110.当外部气体温度为规定值以下时(s102的“是”判定)，对排放阀445进行控制来控制流通氧化性气体吹气管路444的氧化性气体的流量(s103)。在s103中，根据将规定值以下的外部气体温度与排放阀445的开度预先建立对应关联的信息进行控制，并且控制成涡轮423不会成为扼流状态。也可以测量流通氧化性气体吹气管路444的氧化性气体的流量并且以使其成为与外部气体温度建立对应关联的规定流量的方式进行排放阀445开度的调整。
111.接着，参考图7对由上述控制装置20进行的外部气体温度高时的处理的一例进行说明。图7是表示本实施方式所涉及的外部气体温度高时的处理的步骤的一例的流程图。图7所示的流程例如以规定的控制周期来重复执行。
112.首先，获取外部气体温度(s201)。
113.接着，判定外部气体温度是否为规定值以上(s202)。在s202中，判定外部气体温度是否为高的状态。
114.当外部气体温度不是规定值以上时(s202的“否”判定)，结束处理。
115.当外部气体温度为规定值以上时(s202的“是”判定)，对控制阀336进行控制，并且控制热交换器旁通管路332的氧化性气体的流量(s203)。在s203中，根据将规定值以上的外部气体温度与控制阀336的开度预先建立对应关联的信息进行控制，并且控制成向涡轮423供给的燃烧气体的温度不会成为涡轮423的入口上限温度。也可以测量热交换器旁通管路332的氧化性气体的流量并且以使其成为与外部气体温度建立对应关联的规定流量的方式进行控制阀336开度的调整。
116.接着，对与外部气体温度低时的控制对应的各设备中的运行状态进行说明。图8示出了气体流通的各设备(各位置)与所流通的气体(氧化性气体及废氧化性气体的系统)的温度之间的对应关系。图9示出了气体流通的各设备(各位置)与所流通的气体(氧化性气体及废氧化性气体的系统)的质量流量之间的对应关系。关于气体流通的各设备，从气体的上游侧依次示出了压缩机421入口、压缩机出口、热交换器430出口、sofc313入口、sofc出口、催化剂燃烧器422入口及催化剂燃烧器出口的各位置的状态。在图8及图9中，以t1(实线)来表示外部气体温度通常时的温度状态，以f1(实线)来表示流量状态，以t2(点线)来表示外部气体温度降低时(无控制)的温度状态，以f2(点线)来表示流量状态，以t3(单点划线)来表示外部气体温度降低时(有控制)的温度状态，以f3(单点划线)来表示流量状态。无控制是指，控制装置20中不执行图6的流程的情况。
117.若控制装置20中不执行图6的流程，则如图8所示，与表示外部气体温度为通常的情况(例如15℃)的t1相比，如t2所示，在外部气体温度低时温度状态整体下降。而且，如图9所示，当与表示外部气体温度为通常的情况的f1相比外部气体温度低时，如f2所示，流量状态整体增加。如f2，若质量流量增加，则有时涡轮423成为扼流状态，因此通过控制装置20进行控制。
118.通过由控制装置20进行控制，如图8的t3所示，在氧化性气体吹气管路444中氧化性气体的一部分流动，因此在热交换器430中，质量流量与外部气体温度的降低前接近，每单位质量流量的热交换量维持为相同，从而能够将氧化性气体的温度设为相同。因此，能够从热交换器430的下游侧将氧化性气体的温度状态调整为与通常时大致相同。如图9的f3所
示，在氧化性气体吹气管路444中氧化性气体的一部分流动并作为剩余气体排出到系统外，因此能够从热交换器430的下游侧将氧化性气体的流量状态调整为与通常时相同。因此，即使在外部气体温度低的情况下，也将燃料电池系统310的主要的各设备的温度及质量流量维持成与外部气体温度为通常的情况接近，从而能够抑制系统效率的降低，并且抑制涡轮423成为扼流状态。
119.接着，对与外部气体温度高时的控制对应的各设备中的运行状态进行说明。图10示出了气体流通的各设备(各位置)与所流通的气体(氧化性气体及废氧化性气体的系统)的温度之间的对应关系。图11示出了气体流通的各设备(各位置)与所流通的气体(氧化性气体及废氧化性气体的系统)的质量流量之间的对应关系。关于气体流通的各设备，从气体的上游侧依次示出了压缩机421入口、压缩机出口、热交换器430出口、sofc313入口、sofc出口、催化剂燃烧器422入口及催化剂燃烧器出口的各位置的状态。在图10及图11中，以t5(实线)来表示外部气体温度通常时的温度状态，以f5(实线)来表示流量状态，以t6(点线)来表示外部气体温度上升时(无控制)的温度状态，以f6(点线)来表示流量状态，以t7(单点划线)来表示外部气体温度上升时(有控制)的温度状态，以f7(单点划线)来表示流量状态。无控制是指，控制装置20中不执行图7的流程的情况。
120.若控制装置20中不执行图7的流程，则如图10所示，与表示外部气体温度为通常的情况(例如15℃)的t5相比，如t6所示，在外部气体温度高时温度状态整体上升。而且，如图11所示，与表示外部气体温度为通常的情况的f5相比，如f6所示，在外部气体温度高时流量状态整体下降。如t6，若温度上升，则存在因催化剂燃烧器出口温度上升而涡轮入口温度达到入口上限温度的可能性，因此通过控制装置20进行控制。
121.通过由控制装置20进行控制，如图10的t7所示，氧化性气体的一部分向热交换器旁通管路332流动，因此在热交换器430中，氧化性气体的加热量暂时增加。但是，之后流通了热交换器430的氧化性气体供给管路331的氧化性气体与流通了绕过热交换器430的热交换器旁通管路332的未加热的氧化性气体合流，因此向sofc313供给的氧化性气体减少至通常时的t5左右。因此，即使在外部气体温度高的情况下，也控制成使向sofc313供给的氧化性气体的温度不会上升。如图11的f7所示，氧化性气体的一部分向热交换器旁通管路332流动，因此在热交换器430中流通的氧化性气体的流量暂时减少。而且，之后流通了热交换器430的氧化性气体供给管路331的氧化性气体与流通了绕过热交换器430的热交换器旁通管路332的氧化性气体合流，因此氧化性气体的流量恢复到f6的状态。即使在外部气体温度高的情况下，也将燃料电池系统310的主要的各设备的温度维持成与外部气体温度为通常的情况相同，并且控制成使向sofc313供给的氧化性气体的温度不会上升，从而能够抑制系统效率的降低。
122.如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法，从sofc313排出的废氧化性气体a3及废燃料气体l3经由催化剂燃烧器422供给至涡轮423，通过涡轮423的旋转驱动，旋转驱动压缩氧化性气体的压缩机421。而且，通过压缩机421压缩的氧化性气体被从涡轮423排出的燃烧废气加热而供给至sofc313。在这种结构中，存在因外部气体温度而运行状态不稳定的可能性。具体而言，若外部气体温度低，则存在向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量增加而涡轮423成为扼流状态的可能性。若外部气体温度高，则存在向sofc313供给的氧化性气体的温度上升而会超过上限温度的可能性。因此，通
过设置绕过热交换器430的旁通管路，根据外部气体温度，如下来调整向sofc313供给的氧化性气体的状态，能够设为与外部气体温度发生变化之前的状态相同，即、若外部气体温度低于规定值，则控制向氧化性气体吹气管路444的旁通管路的流量调节阀(排放阀)445，并且若外部气体温度高于规定值，则控制向热交换器旁通管路332的旁通管路的流量调节阀(控制阀)336。因此，能够与外部气体温度的变动对应地使运行更稳定。
123.根据外部气体温度，当外部气体温度低于规定值时，控制排放阀445，由此能够使氧化性气体供给管路331的氧化性气体的一部分绕到燃烧废气管路329而排放到系统外。即，通过在压缩机421出口调整氧化性气体的质量流量，能够调整向涡轮423供给的燃烧气体的流量。由此，能够抑制涡轮423的扼流状态。当外部气体温度低时，存在空气密度增加而在压缩机421出口中氧化性气体的质量流量增加，氧化性气体及废氧化性气体的系统的质量流量增加，催化剂燃烧器422出口的燃烧气体g的质量流量增加而最终向涡轮423供给的燃烧气体的质量流量增加的可能性，但当外部气体温度成为规定值以下时，能够增加氧化性气体吹气管路444的氧化性气体的流量。由此，调整向涡轮423供给的燃烧气体的流量而能够抑制涡轮423的扼流状态。即使在外部气体温度低的情况下，也将与所增加的质量流量相对应的氧化性气体从与位于氧化性气体系统的流路的最上游侧的热交换器430连接的压缩机421的出口侧排出到系统外。因此，外部气体温度变低，在氧化性气体及废氧化性气体的系统的各设备中与增加之前的质量流量接近的质量流量通过，因此即便外部气体温度发生变化，通过控制旁通流量，也能够维持供给至燃料电池的空气的流量、温度(抑制变化)，因此能够维持燃料电池的性能(能够抑制性能降低)。即，能够抑制系统效率的降低，并且使运行稳定。
124.根据外部气体温度，当外部气体温度高于规定值时，通过控制控制阀336，能够使氧化性气体绕过热交换器430而在热交换器旁通管路332中流通。因此，能够抑制当外部气体温度高时，压缩机421出口温度变高而氧化性气体系统的气体温度变高，从而向sofc313供给的氧化性气体的温度变高。当外部气体温度成为规定值以上时，通过增加流通热交换器旁通管路332的氧化性气体的流量，能够抑制外部气体温度变高，从而使向sofc313供给的氧化性气体的温度不会上升。即使在外部气体温度高的情况下，绕过位于氧化性气体系统的流路的最上游侧的热交换器430而调整氧化性气体温度，并且在氧化性气体系统及废氧化性气体系统的各设备中以与外部气体温度为通常的情况相同的温度通过，因此向sofc313供给的氧化性气体的温度得到维持，因此能够抑制sofc313的性能降低，从而能够抑制系统效率的降低，并且使运行稳定。
125.即，能够使燃料电池系统310的运行更稳定。
126.〔第2实施方式〕
127.接着，对本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法进行说明。
128.在本实施方式中，对外部气体温度低时的其他控制进行说明。以下，关于本实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法，主要对与第1实施方式不同的点进行说明。
129.如图12所示，本实施方式中的燃料电池系统310具备暖机管路464及回流管路465。关于暖机管路464及回流管路465，可以设置其中任一个。
130.暖机管路464为与氧化性气体吹气管路444连接且向容纳有压缩机421的壳体467供给氧化性气体的管路。具体而言，暖机管路464的一端与氧化性气体吹气管路444中的排
放阀445的下游侧连接，另一端与容纳有压缩机421及空气输入管路325的至少一部分的壳体467连接。即，暖机管路464成为能够向壳体467内供给被压缩的氧化性气体的管路。
131.而且，当外部气体温度成为规定值以下时，控制装置20通过暖机管路464向壳体467供给氧化性气体。具体而言，通过将排放阀445设为打开，控制在暖机管路464中流通的氧化性气体的流量。也可以在暖机管路464中设置控制阀并通过该控制阀调整流通暖机管路464的氧化性气体的流量。当在暖机管路464中设置控制阀时，暖机管路464的一端侧也可以在氧化性气体吹气管路444中设置于排放阀445的上游侧，并且分别控制将氧化性气体排出到系统外的流量及向壳体467供给的流量。
132.在控制装置20中，当外部气体温度为规定值以下时向壳体467供给被压缩的氧化性气体，由此提升壳体467内的气氛温度，并且对压缩机421及空气输入管路325的至少一部分进行暖机。通过气氛温度上升，即使在外部气体温度低的环境下，也能够尽可能抑制从压缩机421出口排出的被压缩的氧化性气体温度的降低，从而使运行稳定。
133.回流管路465与氧化性气体吹气管路444连接，向压缩机421中的氧化性气体的输入口侧供给被压缩的氧化性气体而使其返回。具体而言，回流管路465的一端与氧化性气体吹气管路444中的排放阀445的下游侧连接，另一端与空气输入管路325连接。即，回流管路465成为能够向压缩机421的入口供给被压缩的氧化性气体的管路。
134.而且，当外部气体温度成为规定值以下时，控制装置20通过回流管路465向压缩机421的输入口侧供给氧化性气体。具体而言，通过将排放阀445设为打开，控制在回流管路465中流通的氧化性气体的流量。可以在回流管路465中设置控制阀并通过该控制阀调整在回流管路465中流通的氧化性气体的流量。当设置控制阀时，回流管路465的一端侧可以在氧化性气体吹气管路444中设置于排放阀445的上游侧，并且分别控制将氧化性气体排出到系统外的流量及向压缩机421的输入口侧供给的流量。
135.在控制装置20中，向压缩机421的输入口侧供给外部气体温度为规定值以下时被压缩的氧化性气体，由此提升氧化性气体的温度。因此，即使在外部气体温度低的情况下，也能够尽可能抑制从压缩机421出口排出的被压缩的氧化性气体温度的降低，从而使运行稳定。
136.如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法，设置有向容纳有压缩机421及空气输入管路325的至少一部分的壳体467供给氧化性气体吹气管路444的氧化性气体的暖机管路464，当外部气体温度成为规定值以下时，不是因空气密度的增加而将氧化性气体的质量流量的增加量从氧化性气体吹气管路444排放到系统外，而通过暖机管路464向壳体467供给氧化性气体，由此能够提升壳体467内的气氛温度。因此，能够对容纳于壳体467的压缩机421及空气输入管路325的至少一部分进行暖机。通过气氛温度的上升和压缩机421及空气输入管路325的至少一部分变暖，即使在外部气体温度低的环境下，也能够尽可能抑制从压缩机421出口排出的被压缩的氧化性气体温度的降低，从而使运行稳定。
137.设置有向压缩机421中的氧化性气体的输入口侧供给氧化性气体的回流管路465，当外部气体温度成为规定值以下时，不是因空气密度的增加而将氧化性气体的质量流量的增加量从氧化性气体吹气管路444排放到系统外，而是通过回流管路465向压缩机421的输入口侧供给氧化性气体，由此能够提升在压缩机421中压缩的氧化性气体的温度。因此，即
使在外部气体温度低的情况下，也尽可能抑制从压缩机421出口排出的被压缩的氧化性气体温度的降低，从而能够使运行稳定。
138.〔第3实施方式〕
139.接着，对本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法进行说明。
140.在上述第1实施方式中，对温度高时使用热交换器旁通管路332来抑制氧化性气体的温度上升的控制进行了说明，但在本实施方式中，对进一步抑制氧化性气体的温度上升的控制进行说明。以下，关于本实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法，主要对与第1实施方式及第2实施方式不同的点进行说明。
141.如图4所示，在燃料电池系统310中设置有在氧化性气体供给管路331的氧化性气体a2与从sofc313排出的废氧化性气体a3之间进行热交换的排空气冷却器351。废氧化性气体a3的温度高于氧化性气体a2的温度，因此废氧化性气体a3的温度降低，而氧化性气体a2的温度增加。即，排空气冷却器351成为通过从sofc313排出的废氧化性气体a3对氧化性气体供给管路331的氧化性气体a2进行加热的加热器。即，氧化性气体a2在排空气冷却器351中被加热。
142.因此，当外部气体温度成为规定值以上时，控制装置20控制控制阀457来增加加热器旁通管路468的氧化性气体的流量。加热器旁通管路468是指，在氧化性气体供给管路331中，一端与排空气冷却器351的上游侧连接，另一端与排空气冷却器351的下游侧连接，且氧化性气体绕过排空气冷却器351的管路。具体而言，加热器旁通管路468相当于使氧化性气体从图4的排空气冷却器351的下游侧绕到上游侧(sofc313的入口侧)的启动用空气加热管路455。即，控制装置20控制图4的控制阀457。加热器旁通管路468只要是绕过排空气冷却器351的管路，则并不限定于使用图4的启动用空气加热管路455的情况。通过将启动用空气加热管路455用作加热器旁通管路468，能够沿用用作启动用的启动用空气加热管路455。
143.具体而言，当外部气体温度高时(外部气体温度成为规定值以上时)，控制装置20向打开的方向控制控制阀457来增加绕过排空气冷却器351而向sofc313供给的氧化性气体的流量。在该情况下，图4中的启动用加热器458不进行动作而不进行加热。如此，当外部气体温度高时，使氧化性气体的一部分(或全部)绕过排空气冷却器351，因此能够更有效地抑制向sofc313供给的氧化性气体的温度上升。
144.如以上进行的说明，根据本实施方式所涉及的燃料电池系统及其控制方法，当设置有通过从sofc313排出的废氧化性气体a3对氧化性气体供给管路331的氧化性气体a2进行加热的排空气冷却器(加热器)351时，设置有绕过该加热器的加热器旁通管路468。而且，当外部气体温度成为规定值以上时，控制加热器旁通管路468的控制阀457来增加在加热器旁通管路468中流通的氧化性气体的流量，由此，即使在外部气体温度高的情况下，也能够抑制向sofc313供给的氧化性气体的温度上升。
145.本发明并不仅限定于上述实施方式，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够实施各种变形。也能够组合各实施方式。即，对上述的第1实施方式、第2实施方式及第3实施方式，也能够分别进行组合。
146.例如以如下方式来理解以上说明的各实施方式中所记载的燃料电池系统及其控制方法。
147.本发明所涉及的燃料电池系统310具备：燃料电池313，具有空气极113及燃料极
109；涡轮增压器411，具有从所述燃料电池313排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮423及由所述涡轮423驱动的压缩机421；氧化性气体供给管路331，向所述空气极113供给通过所述压缩机421压缩的氧化性气体；热交换器430，通过从所述涡轮423排出的废气对所述氧化性气体供给管路331的氧化性气体进行加热并且使废气向燃烧废气管路329流通；旁通管路332、444，其一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述热交换器430的上游侧连接，且绕过氧化性气体；流量调节阀336、445，设置于所述旁通管路332、444；及控制装置20，根据外部气体温度控制所述流量调节阀336、445，并且控制氧化性气体的旁通流量。
148.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，从燃料电池313排出的废氧化性气体a3及废燃料气体供给至涡轮423，通过涡轮423驱动压缩氧化性气体的压缩机421。而且，通过压缩机421压缩的氧化性气体被从涡轮423排出的废气加热而供给至燃料电池313。在这种结构中，通过发明人的深入研究发现了存在因外部气体温度而运行状态不稳定的可能性。具体而言，若外部气体温度低，则存在向涡轮423供给的废气(燃烧气体)的流量增加而成为扼流状态的可能性。若外部气体温度高，则存在向涡轮423供给的废气(燃烧气体)的温度上升而会超过入口上限温度的可能性。
149.因此，设置绕过热交换器430的旁通管路332、444，根据外部气体温度控制旁通管路332、444的流量调节阀336、445，由此能够调整向燃料电池313供给的氧化性气体的状态。因此，能够与外部气体温度的变动对应地使运行更稳定。
150.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下，即，所述旁通管路332、444的另一端与所述燃烧废气管路329中的所述热交换器430的下游侧连接，所述控制装置20根据外部气体温度控制所述流量调节阀336、445来调整向所述涡轮423供给的燃烧气体的流量。
151.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，通过根据外部气体温度控制流量调节阀336、445，能够使氧化性气体供给管路331的氧化性气体绕到燃烧废气管路329排放到大气。即，能够调整向涡轮423供给的废气(燃烧气体)的流量。由此，能够抑制扼流状态。
152.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下，即，当外部气体温度成为规定值以下时，所述控制装置20控制所述流量调节阀336来增加在所述旁通管路332中流通的氧化性气体的流量。
153.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，存在外部气体温度低时空气密度增加而向涡轮423供给的废气的质量流量增加的可能性，但当外部气体温度成为规定值以下时，能够控制流量调节阀336、445来增加旁通管路332、444的氧化性气体的流量。由此，能够调整向涡轮423供给的废气的质量流量而抑制扼流状态。
154.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下，即，所述旁通管路444的另一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述热交换器430的下游侧连接，所述控制装置20根据外部气体温度控制所述流量调节阀445来调整向所述涡轮423供给的燃烧气体的温度。
155.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，通过根据外部气体温度控制流量调节阀336、445，能够使氧化性气体绕过热交换器430来流通。因此，即使在外部气体温度高的情况下，也能够抑制向涡轮423供给的废气的温度变高例如会超过入口上限温度。
156.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下，即，当外部气体温度成为规定值以上时，所述控制装置20控制所述流量调节阀336、445来增加所述旁通管路332、444的氧化性
气体的流量。
157.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，当外部气体温度成为规定值以上时，通过控制流量调节阀336、445来增加旁通管路332、444的氧化性气体的流量，能够抑制外部气体温度变高而向涡轮423供给的废气的温度会上升。
158.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下方式，即，具备与所述旁通管路332、444连接且向容纳有所述压缩机421的壳体467供给氧化性气体的暖机管路464，当外部气体温度成为规定值以下时，所述控制装置20通过所述暖机管路464向所述壳体467供给氧化性气体。
159.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，设置有向容纳有压缩机421的壳体467供给旁通管路332、444的氧化性气体的暖机管路464，当外部气体温度成为规定值以下时，通过暖机管路464向壳体467供给氧化性气体，由此能够提升壳体467内的气氛温度，并且对容纳于壳体467的压缩机421及空气输入管路325的至少一部分进行暖机。通过气氛温度的上升和压缩机421及空气输入管路325的至少一部分变暖，即使在外部气体温度低的环境下，也能够使运行稳定。
160.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下，即，具备与所述旁通管路444连接且向所述压缩机421中的氧化性气体的输入口侧供给氧化性气体的回流管路465，当外部气体温度成为规定值以下时，所述控制装置20通过所述回流管路465向所述压缩机421的输入口侧供给氧化性气体。
161.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，设置有向压缩机421中的氧化性气体的输入口侧供给氧化性气体的回流管路465，当外部气体温度成为规定值以下时，通过回流管路465向压缩机421的输入口侧供给氧化性气体，由此能够提升在压缩机421中压缩的氧化性气体的温度。因此，即使在外部气体温度低的情况下，也能够使运行稳定。
162.本发明所涉及的燃料电池系统310可以是如下，即，具备：加热器351，通过从所述燃料电池313排出的废氧化性气体对所述氧化性气体供给管路331的氧化性气体进行加热；加热器旁通管路468，在所述氧化性气体供给管路331中，一端与所述加热器351的上游侧连接，另一端与所述加热器351的下游侧连接，且绕过氧化性气体；及控制阀457，设置于所述加热器旁通管路468，当外部气体温度成为规定值以上时，所述控制装置20控制所述控制阀457而增加所述加热器旁通管路468的氧化性气体的流量。
163.根据本发明所涉及的燃料电池系统310，当设置有通过从燃料电池313排出的废氧化性气体a3对氧化性气体供给管路331的氧化性气体进行加热的加热器351时，设置有绕过该加热器351的加热器旁通管路468。而且，当外部气体温度成为规定值以上时，控制加热器旁通管路468的控制阀457来增加加热器旁通管路468的氧化性气体的流量，由此，即使在外部气体温度高的情况下，也能够抑制向燃料电池313供给的氧化性气体的温度上升。由此，能够抑制向涡轮423供给的废气的温度例如会超过入口上限温度。
164.本发明所涉及的燃料电池系统310的控制方法中，所述燃料电池系统310具备：燃料电池313，具有空气极113及燃料极109；涡轮增压器411，具有从所述燃料电池313排出的废燃料气体及废氧化性气体作为燃烧气体被供给的涡轮423及由所述涡轮423驱动的压缩机421；氧化性气体供给管路331，向所述空气极113供给通过所述压缩机421压缩的氧化性气体；热交换器430，通过从所述涡轮423排出的废气对所述氧化性气体供给管路331的氧化
性气体进行加热并且使废气向燃烧废气管路329流通；旁通管路332、444，其一端与所述氧化性气体供给管路331中的所述热交换器430的上游侧连接，且绕过氧化性气体；及流量调节阀336、445，设置于所述旁通管路332、444，所述控制方法中，根据外部气体温度控制所述流量调节阀336、445，并且控制氧化性气体的旁通流量。
165.符号说明
166.11-cpu，12-rom，13-ram，14-硬盘驱动器，15-通信部，18-总线，20-控制装置，101-电池组，103-基体管，105-燃料电池单元，107-内互连器，109-燃料极，111-固体电解质膜，113-空气极，115-引线膜，201-sofc模块，203-sofc盒，205-压力容器，207-燃料气体供给管，207a-燃料气体供给支管，209-燃料气体排出管，209a-燃料气体排出支管，215-发电室，217-燃料气体供给集管，219-燃料气体排出集管，221-氧化性气体供给集管，223-氧化性气体排出集管，225a-上部管板，225b-下部管板，227a-上部绝热体，227b-下部绝热体，229a-上部壳体，229b-下部壳体，231a-燃料气体供给孔，231b-燃料气体排出孔，233a-氧化性气体供给孔，233b-氧化性气体排出孔，235a-氧化性气体供给间隙，235b-氧化性气体排出间隙，237a-密封部件，237b密封部件，310-燃料电池系统，313-sofc(燃料电池)，325-空气输入管路，328-燃烧气体供给管路，329-燃烧废气管路(废气管路)，331-氧化性气体供给管路，332-热交换器旁通管路(旁通管路)，333-废氧化性气体管路，335-控制阀，336-控制阀(流量调节阀)，341-燃料气体管路，342-控制阀，343-废燃料气体管路，346-隔断阀，347-调整阀，348-再循环鼓风机，349-燃料气体再循环管路，350-废燃料气体排放管路，351-排空气冷却器，352-控制阀，361-纯水供给管路，362-泵，363-温度计，411-涡轮增压器，421-压缩机，422-催化剂燃烧器，423-涡轮，424-旋转轴，430-热交换器，441-节流装置，442-废热回收装置，443-控制阀，444-氧化性气体吹气管路(旁通管路)，445-排放阀(流量调节阀)，451-控制阀，452-鼓风机，453-控制阀，454-启动用空气供给管路，455-启动用空气加热管路，456-控制阀，457-控制阀，458-启动用加热器，459-控制阀，460-控制阀，464-暖机管路，465-回流管路，467-壳体，468-加热器旁通管路。