特許 6591112 加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6591112

(24)【登録日】2019年9月27日

(45)【発行日】2019年10月16日

(54)【発明の名称】加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20191007BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20191007BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20191007BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20191007BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04111

   H01M8/04225

   H01M8/04302

【請求項の数】11

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2019-102020(P2019-102020)

(22)【出願日】2019年5月31日

【審査請求日】2019年7月3日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】岩井 康

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】加藤 芳樹

(72)【発明者】

【氏名】大澤 弘行

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−６００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２４７１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８７７５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機からの吐出空気と前記タービンから排気された排ガスとを熱交換する再生熱交換器と、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに供給される起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を含む流通空気を加熱する起動用加熱器と、
前記起動用加熱器で加熱された前記流通空気で燃料を燃焼させて生成した燃焼ガスを前記タービンに供給する触媒燃焼器と
を備える加圧空気供給システム。

【請求項2】

前記圧縮機を駆動するモータをさらに備え、
前記起動用空気は、前記モータによって駆動された前記圧縮機によって供給される、請求項１に記載の加圧空気供給システム。

【請求項3】

前記モータは、増速機を介して前記圧縮機に接続されている、請求項２に記載の加圧空気供給システム。

【請求項4】

前記圧縮機からの吐出空気の一部が前記再生熱交換器をバイパスするための再生熱交換器バイパスラインをさらに備える、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の加圧空気供給システム。

【請求項5】

前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記触媒燃焼器に流入する前記流通空気に合流する、請求項４に記載の加圧空気供給システム。

【請求項6】

前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記再生熱交換器から流出した前記排ガスに合流する、請求項４に記載の加圧空気供給システム。

【請求項7】

前記再生熱交換器で加熱された前記流通空気が流通する加圧空気ラインと、
前記加圧空気ラインから分岐して、前記起動用加熱器を流通した後に排空気ラインに合流する分岐ラインと、該分岐ラインの前記起動用加熱器の下流からさらに分岐して、該加圧空気ラインに再び合流する燃料電池加熱用バイパス空気ラインと
を備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の加圧空気供給システム。

【請求項8】

前記起動用加熱器よりも上流側に、前記起動用加熱器に流入する前記流通空気の流量を調整する流量調整弁を備える、請求項７に記載の加圧空気供給システム。

【請求項9】

前記起動用加熱器は、
前記触媒燃焼器に供給される前記流通空気を加熱する第１加熱器と、
前記加圧空気ラインを流通する前記流通空気を加熱する第２加熱器と
を含む、請求項８に記載の加圧空気供給システム。

【請求項10】

請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加圧空気供給システムと、
空気極と燃料極とを有する燃料電池と
を備え、
前記加圧空気供給システムから供給された加圧空気が前記空気極に流入するように構成されている燃料電池システム。

【請求項11】

請求項１乃至９のいずれか一項に記載の加圧空気供給システムの起動方法であって、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに前記起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を供給するステップと、
前記起動用加熱器を起動して、前記流通空気を加熱するステップと、
加熱された前記流通空気によって前記触媒燃焼器の触媒温度が予め設定された温度以上に上昇した後、前記触媒燃焼器を起動して前記流通空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するステップと、
前記燃焼ガスによる前記タービンの回転によって前記圧縮機が駆動されるようになった後、前記起動用加熱器を停止又は前記起動用加熱器の負荷を低下させるステップと
を含む、加圧空気供給システムの起動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、加圧空気を用いることにより高効率化できるため、この加圧空気を供給するシステムとして、ターボチャージャを使用した加圧空気供給システムが特許文献１及び２に記載されている。加圧空気供給源としてターボチャージャの圧縮機からの吐出空気を用い、ＳＯＦＣの排燃料を燃焼させた燃焼ガスでターボチャージャのタービンを回転させることにより、ターボチャージャを駆動することができる。

【0003】

コールドスタートの場合、ターボチャージャの起動時にはＳＯＦＣが起動していないので、タービンを回転させるのに必要な温度・圧力をもった十分な流量のガスが存在しない。よってこの場合、外部から起動用のガスを供給しなければ、ターボチャージャを起動することができないため、ターボチャージャを起動するための起動用の機器が必要となる。特許文献１には、別の空気源からの空気（計装用空気）を起動用燃焼器に供給して起動用燃料を燃焼させ、生成した燃焼ガスによってタービンを回転させるように構成された起動用の機器が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−３４８７４９号公報

【特許文献2】特開２０１８−６００４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１のように起動用の機器を用いてターボチャージャを起動する方法が難しく、機器コストや運転コストが高くなるといった問題点があった。

【0006】

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減した加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本開示の少なくとも１つの実施形態に係る加圧空気供給システムは、
タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機からの吐出空気と前記タービンから排気された排ガスとを熱交換する再生熱交換器と、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに供給される起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を含む流通空気を加熱する起動用加熱器と、
前記起動用加熱器で加熱された前記流通空気で燃料を燃焼させて生成した燃焼ガスを前記タービンに供給する触媒燃焼器と
を備える。

【0008】

上記（１）の構成によると、加圧空気供給システムの起動時において、起動用加熱器で加熱された流通空気が触媒燃焼器に供給されることにより、触媒燃焼器が暖機されて着火できれば、高温の燃焼ガスがタービンを流通し、再生熱交換器で流通空気を加熱して昇温を早められるので、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【0009】

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記圧縮機を駆動するモータをさらに備え、
前記起動用空気は、前記モータによって駆動された前記圧縮機によって供給される。
この構成によれば、モータによって駆動された圧縮機からの吐出空気を起動用空気として使用することができるので、起動用ブロワと吐出空気の流量調節弁が不要にできる。起動用空気としての吐出空気は、再生熱交換器で加熱された後に起動用加熱器に供給されるので、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【0010】

（３）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記モータは、増速機を介して前記圧縮機に接続されている。
この構成によれば、モータの回転を増速して圧縮機に伝達できるので、低廉な低速回転のモータを使用できるので、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストをさらに低減することができる。

【0011】

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、
前記圧縮機からの吐出空気の一部が前記再生熱交換器をバイパスするための再生熱交換器バイパスラインをさらに備える。
この構成によれば、圧縮機からの吐出空気の一部を再生熱交換器に流入させないようにすることができる。これにより、再生熱交換器に流入する吐出空気量を削減できることから、起動用加熱器に流入する流通空気をさらに昇温できる。これにより、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
またこの構成によれば、起動用燃焼器供給空気だけでなく、燃料電池供給空気も昇温できるため、燃料電池の暖機に要するコストも低減できる。

【0012】

（５）いくつかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記触媒燃焼器に流入する前記流通空気に合流する。この排空気ラインに合流する再生熱交換器バイパスラインを吐出空気バイパスラインと称する。
この構成によれば、タービンを駆動する燃焼ガス流量を減じることなく、即ちターボチャージャの動作点を変えず、圧縮機吸気流量を減らすことなく、前記触媒燃焼器に供給する吐出空気を昇温できる。そのため、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
またこの構成によれば、起動用燃焼器供給空気だけでなく、燃料電池供給空気も昇温できるため、燃料電池の暖機に要するコストも低減できる。

【0013】

（６）いくつかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記再生熱交換器バイパスラインを流通する吐出空気が、前記再生熱交換器から流出した前記排ガスに合流する。この排ガスラインに合流する再生熱交換器バイパスラインを抽気ブローラインと称する。
この構成によれば、燃焼ガス温度を上げなくても、ターボチャージャの圧力比が低下するため前記触媒燃焼器に供給される排ガスを昇温できる。そのため、起動用加熱器において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。
またこの構成によれば、起動用燃焼器供給空気だけでなく、燃料電池供給空気も昇温できるため、燃料電池の暖機に要するコストも低減できる。

【0014】

（７）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（６）のいずれかの構成において、
前記再生熱交換器で加熱された前記流通空気が流通する加圧空気ラインと、
前記加圧空気ラインから分岐して、前記起動用加熱器を流通した後に排空気ラインに合流する分岐ラインと、該分岐ラインの前記起動用加熱器の下流からさらに分岐して、該加圧空気ラインに再び合流する燃料電池加熱用バイパス空気ラインと
を備える。

【0015】

上記（７）の構成によると、加圧空気供給システムが加圧空気を供給する際に起動用加熱器を通さずに直接供給できるので、加圧空気の圧損を低減でき、また燃料電池に供給される加圧空気のみを直接昇温できるので、前記起動用加熱器の設計加熱容量を小さくできるため、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【0016】

（８）いくつかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記起動用加熱器よりも上流側に、前記起動用加熱器に流入する前記流通空気の流量を調整する流量調整弁を備える。
この構成によれば、起動用加熱器よりも上流側に流量調整弁が設けられていることにより、流量調整弁として高温弁ではなく、より低コストの低温弁を使用することができるので、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【0017】

（９）いくつかの実施形態では、上記（８）の構成において、
前記起動用加熱器は、
前記触媒燃焼器に供給される前記流通空気を加熱する第１加熱器と、
前記加圧空気ラインを流通する前記流通空気を加熱する第２加熱器と
を含む。
この構成によると、第１加熱器及び第２加熱器のそれぞれに流入する流通空気気の流量を調整するための流量調整弁を第１加熱器及び第２加熱器のそれぞれの上流側に設けることができるので、上記（８）による作用効果を得ることができる。

【0018】

（１０）本開示の少なくとも１つの実施形態に係る燃料電池システムは、
上記（１）乃至（９）のいずれかの加圧空気供給システムと、
空気極と燃料極とを有する燃料電池と
を備え、
前記加圧空気供給システムから供給された加圧空気が前記空気極に流入するように構成されている。
この構成によれば、燃料電池システムを起動するためのコストを低減することができる。

【0019】

（１１）本開示の少なくとも１つの実施形態に係る加圧空気供給システムの起動方法は、
上記（１）乃至（９）のいずれかの加圧空気供給システムの起動方法であって、
前記圧縮機から前記再生熱交換器までの吐出空気ラインに前記起動用空気又は前記吐出空気の少なくとも一方を供給するステップと、
前記起動用加熱器を起動して、前記流通空気を加熱するステップと、
加熱された前記流通空気によって前記触媒燃焼器の触媒温度が予め設定された温度以上に上昇した後、前記触媒燃焼器を起動して前記流通空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するステップと、
前記燃焼ガスによる前記タービンの回転によって前記圧縮機が駆動されるようになった後、前記起動用加熱器を停止又は前記起動用加熱器の負荷を低下させるステップと
を含む。

【0020】

上記（１１）の構成によると、加圧空気供給システムの起動時において、再生熱交換器で加熱された流通空気が起動用加熱器に供給されることにより、起動用加熱器において、触媒燃焼器の暖機時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【発明の効果】

【0021】

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、加圧空気供給システムの起動時において、再生熱交換器で加熱された流通空気が起動用加熱器に供給されることにより、起動用加熱器において、触媒燃焼器の暖機時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本開示の実施形態１に係る燃料電池システムの構成図である。

【図2】本開示の実施形態２に係る燃料電池システムの構成図である。

【図3】本開示の実施形態３に係る燃料電池システムの構成図である。

【図4】本開示の実施形態４に係る燃料電池システムの構成図である。

【図5】本開示の実施形態５に係る燃料電池システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

【0024】

（実施形態１）
図１に示されるように、本開示の実施形態１に係る燃料電池システム１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である燃料電池２と、燃料電池２に加圧空気を供給するための加圧空気供給システム３とを備えている。燃料電池２は、空気極２ａと、燃料極２ｂと、空気極２ａ及び燃料極２ｂ間に設けられた固体電解質２ｃとを有している。

【0025】

加圧空気供給システム３は、圧縮機１１及びタービン１２を有するターボチャージャ１０と、圧縮機１１から吐出された吐出空気とタービン１２から排気された排ガスとを熱交換する再生熱交換器１３と、後述する起動用空気供給装置１５によって供給された起動用空気を加熱するためのバーナ等である起動用加熱器１６と、起動用加熱器で加熱された起動用空気で後述する燃料を燃焼させて生成した燃焼ガスをタービン１２に供給する触媒燃焼器１７とを備えている。

【0026】

圧縮機１１と再生熱交換器１３とを連通する吐出空気ライン１４には、吐出空気ライン１４を流通する吐出空気の流量を調整可能な流量調整弁１８が設けられている。圧縮機１１と流量調整弁１８との間で吐出空気ライン１４から分岐して抽気ブローライン１９が設けられ、抽気ブローライン１９には、抽気ブローライン１９を流通する加圧空気の流量を調整可能な流量調整弁２０が設けられている。抽気ブローライン１９は、その下流端が、タービン１２から排気された排ガスが再生熱交換器１３から流出した後に流通する排ガスライン２４に合流するように構成してもよい。抽気ブローライン１９は、吐出空気の一部が再生熱交換器１３をバイパスするための再生熱交換器バイパスラインを構成する。

【0027】

起動用空気供給装置１５は、流量調整弁１８と再生熱交換器１３との間で吐出空気ライン１４に連通する起動用空気供給ライン２１に設けられた起動用空気圧縮機２２を備えている。起動用空気供給装置１５は、起動用空気の供給量を調整するための流量調整弁２３を有してもよい。

【0028】

起動用加熱器１６は、再生熱交換器１３で加熱された起動用空気又は吐出空気のすくなくとも一方（以下、「加圧空気」と称する）が流通する加圧空気ライン２５上に設けられ、加圧空気ライン２５は、燃料電池２の空気極２ａの入口に接続されている。加圧空気ライン２５には、起動用加熱器１６と燃料電池２との間に、加圧空気の流量を調整可能な流量調整弁２６が設けられている。また、燃料電池２の空気極２ａの出口から触媒燃焼器１７に供給される排空気が流通する排空気ライン４２が設けられている。起動用加熱器１６と燃料電池２との間には、加圧空気ライン２５から分岐して排空気ライン４２に接続する分岐ライン２７が設けられ、分岐ライン２７には、分岐ライン２７を流通する加圧空気の流量を調整可能な流量調整弁２８が設けられている。

【0029】

燃料極２ｂの入口には、都市ガス等の燃料供給源３０に連通する燃料供給ライン３１が接続され、燃料供給ライン３１には、燃料の流量を調整可能な流量調整弁３８が設けられている。燃料極２ｂの出口には、触媒燃焼器１７に連通する排燃料ライン３２が接続されており、排燃料ライン３２には、再循環ブロワ３５と、その下流に流量調整弁３６とが設けられている。また、排燃料の一部を燃料供給ライン３１に戻すための再循環ライン３７が設けられ、再循環ライン３７の一端は、再循環ブロワ３５と流量調整弁３６との間に接続され、他端は、燃料供給ライン３１に接続されている。再循環ライン３７には、再循環流量を調整可能な流量調整弁３９が設けられている。また、燃料供給源３０から触媒燃焼器１７に直接燃料を供給するための燃料供給ライン４０が設けられ、燃料供給ライン４０には、燃料の流量を調整可能な流量調整弁４１が設けられている。本開示の実施形態１では、排燃料ライン３２の再循環ブロワ３５の上流に、再循環ライン３７と合流後の燃料供給ライン３１を流通する燃料と、熱交換する熱交換器３３と、熱交換器３３で冷却された排燃料をさらに冷却して再循環ブロワ３５に供給するための冷却器３４が設けられている。

【0030】

次に、実施形態１に係る燃料電池システム１及び加圧空気供給システム３の起動方法について説明する。
図１に示されるように、流量調整弁１８，２６，３６，３８，４１をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機２２を起動するとともに起動用加熱器１６を起動する。そうすると、起動用空気圧縮機２２から起動用空気が起動用空気供給ライン２１を介して吐出空気ライン１４に供給される。吐出空気ライン１４に供給された起動用空気は、再生熱交換器１３を通過した後、加圧空気ライン２５を流通する。起動用空気は、加圧空気ライン２５を流通する過程で起動用加熱器１６によって加熱され、分岐ライン２７を流通して、排空気ラインを通り触媒燃焼器１７に流入する。

【0031】

触媒燃焼器１７は、起動用加熱器１６によって加熱された起動用空気が流入して、触媒温度が予め設定された温度（活性温度）以上に上昇したら、燃料供給ライン４０を介して触媒燃焼器１７への燃料供給を開始して着火させる。後述するが、触媒燃焼器１７に流入する空気の温度で触媒温度を活性温度以上に維持できるようになれば、起動用加熱器１６を停止する又は低負荷運転にすることが可能になるので、触媒燃焼器１７への供給空気を早く昇温させることにより、起動用加熱器１６の稼働エネルギー消費量を低減することができる。

【0032】

触媒燃焼器１７では、起動用空気で燃料が燃焼されて燃焼ガスが生成する。触媒燃焼器１７から流出した燃焼ガスがターボチャージャ１０のタービン１２に流入して、タービン１２を回転させる。タービン１２を回転させてタービン１２から排気された排ガスは再生熱交換器１３に流入する。再生熱交換器１３では、排ガスにより起動用空気が加熱されるので、起動用空気がさらに昇温される。このため、起動用加熱器１６の加熱量が同じであれば、触媒燃焼器１７の昇温時間を短縮でき、起動用加熱器１６の稼働エネルギー消費量を低減することができる。一方で、触媒燃焼器１７に流入する起動用空気の温度を同じとするならば、起動用加熱器１６の運転負荷の低減（設計加熱容量の縮小）が可能となるので、起動用加熱器１６の稼働エネルギー消費量を低減することができる。

【0033】

ターボチャージャ１０においてタービン１２が回転し始めると、圧縮機１１が吸気を開始し、圧縮機１１で昇圧された吐出空気は吐出空気ライン１４を流通するが、起動開始直後は流量調整弁１８を全閉、流量調整弁２０を全開として再生熱交換器１３に流入させず、抽気ブローライン１９に流通させて、排ガスライン２４に流入させ、再生熱交換器１３から流出した排ガスと合流させる。これにより、圧縮動力を低減し、ターボチャージャの回転速度や吐出圧、吐出空気量の上昇を早め、起動用空気との切替を早められる。起動用空気との切替に時間がかかれば、その間、起動用空気圧縮機２２を作動させ続ける必要があり、起動により多くのエネルギーを消費してしまうため、ターボチャージャの自立運転への移行は早いほど良い。

【0034】

燃焼ガスによりタービン１２が圧縮機１１を駆動し、回転速度が上昇して、吐出圧が起動用空気圧力を超えたら、流量調整弁１８を開けるとともに流量調整弁２０を閉め、吐出空気を再生熱交換器１３に供給し始める。この開閉状態の切替中又は切換後に、起動用空気供給装置１５からの起動用空気の供給を停止する。流量調整弁１８及び２０の開閉状態の切替のタイミングや切替速度は、吐出圧や空気流量の変動が少なくなるように調整する。開閉状態の切替中に起動用空気供給装置１５からの起動用空気の供給を停止する場合には、流量調整弁２３を徐々に閉めることにより、起動用空気の供給量を徐々に減少するようにしてもよい。また、この開閉状態の切替を一段階で行う場合には、切換と同時に又は切換後に起動用空気圧縮機２２を停止するとともに流量調整弁２３を全閉にしてもよい。この起動用空気の切替完了により、ターボチャージャは自立運転となる。

【0035】

ターボチャージャ１０の運転が安定し、触媒燃焼器１７の触媒温度を活性温度以上に維持できるようになったら、起動用加熱器１６を停止する又は低負荷運転にする。このようにして、加圧空気供給システム３が起動される。

【0036】

加圧空気供給システム３が起動したら、流量調整弁２６を開けて、燃料電池２の空気極２ａに加圧空気を供給する。空気極２ａから流出した排空気は排空気ライン４２を流通して、触媒燃焼器１７に供給される。空気極２ａから流出した排空気の温度が十分高くなったら、流量調整弁２８を閉じていき、起動用加熱器１６を再起動するか、又は起動用加熱器１６の出力を増加する。

【0037】

燃料電池２を発電室燃焼が可能な温度にまで上昇させた後、発電室燃焼を開始し、発電可能な温度まで上昇させる。発電室燃焼により燃料電池２の温度が暖機用加圧空気温度を超えて上昇するようになれば起動用加熱器１６を停止する。この後、燃料電池２を発電動作可能な温度まで発電室燃焼により昇温させる。

【0038】

このように、加圧空気供給システム３の起動時において、再生熱交換器１３で加熱された流通空気を起動用加熱器１６に供給することにより、起動用加熱器１６において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システム３を起動するためのコストを低減することができる。

【0039】

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態２に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態１に対して、起動用空気供給装置１５の構成を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0040】

図２に示されるように、本開示の実施形態２に係る加圧空気供給システム３において、起動用空気供給装置１５は、モータ５１と、圧縮機１１の駆動軸（ロータ）５３と、駆動軸（ロータ）５３に設けられた増速機５２とを備えており、モータ５１は、増速機５２、駆動軸（ロータ）５３を介して圧縮機１１に接続されている。その他の構成は、流量調整弁１８が設けられていない以外は実施形態１と同じである。

【0041】

次に、実施形態２に係る燃料電池システム１及び加圧空気供給システム３の起動方法について説明する。
図２に示されるように、流量調整弁２０，２６，３６，３８，４１をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、モータ５１を起動すると、圧縮機１１から空気が吐出され、この吐出空気は吐出空気ライン１４を流通する。

【0042】

この実施形態２では、モータ５１によって駆動された圧縮機１１からの加圧空気を起動用空気として使用することができる。したがって、この後の起動動作は、実施形態１と基本的に同じであり、ターボチャージャ１０の自立運転可能となったらモータ５１の稼働を停止する点が異なる。起動用空気としての吐出空気は、実施形態１と同様に、再生熱交換器１３で加熱された後に起動用加熱器１６に供給されるので、起動用加熱器１６において、作動時間短縮による稼働エネルギー消費量の低減や、設計加熱容量の縮小が可能となり、加圧空気供給システム３を起動するためのコストを低減することができる。

【0043】

上記説明では流量調整弁２０を全閉としていたが、流量調整弁２０の開度を調整することにより、圧縮機１１からの吐出空気の一部を再生熱交換器１３に流入させないようにしてもよい。この場合、排ガスと熱交換される空気量を減らして、再生熱交換器１３から流出する空気の温度を高められるので、実施形態１と同様に加圧空気供給システム３を起動するためのコストを低減することができる。

【0044】

実施形態２では、起動用空気供給装置１５は、駆動軸（ロータ）５３に設けられた増速機５２を備えていたが、増速機５２を備えずに、モータ５１からの動力で圧縮機１１を直接駆動するようにしてもよい。この場合、モータ５１を高速で回転させる必要があるが、増速機における損失を無くし、加圧空気供給システム３を起動するためのコストを低減することができる。

【0045】

（実施形態３）
次に、実施形態３に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態３に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態１又は２に対して、圧縮機１１からの吐出空気の一部を排空気ライン４２に供給できるように変更したものである。以下では、実施形態１の構成に対して、圧縮機１１からの吐出空気の一部を排空気ライン４２に供給できるようにした構成で実施形態３を説明するが、実施形態２の構成に対して、圧縮機１１からの吐出空気の一部を排空気ライン４２に供給できるようにして、実施形態３を構成してもよい。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0046】

図３に示されるように、本開示の実施形態３に係る加圧空気供給システム３には、一端が圧縮機１１と流量調整弁１８との間で吐出空気ライン１４に接続するとともに他端が排空気ライン４２に接続する吐出空気バイパスライン５６が設けられている（吐出空気バイパスライン５６は、再生熱交換器１３をバイパスさせる流路なので、再生熱交換器バイパスラインの一つである）。吐出空気バイパスライン５６には、吐出空気バイパスライン５６を流通する加圧空気の流量を調整可能な流量調整弁５７が設けられている。実施形態３では、抽気ブローライン１９が流量調整弁５７よりも上流側で吐出空気バイパスライン５６から分岐しており、その他の構成は実施形態１と同じである。

【0047】

次に、実施形態３に係る燃料電池システム１及び加圧空気供給システム３の起動方法について説明する。
図３に示されるように、流量調整弁１８，２６，３６，３８，４１，５７をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機２２を起動し、次いで起動用加熱器１６を起動する。この後の動作については、加圧空気供給システム３から加圧空気を燃料電池２の空気極２ａに流入させた後、流量調整弁２８を全閉にし、起動用加熱器１６を再起動又は起動用加熱器１６の出力を増加するまでの動作は実施形態１と同じである。

【0048】

起動用加熱器１６を再起動又は起動用加熱器１６の出力を増加したら、流量調整弁５７を適切な開度に調整する。そうすると、圧縮機１１からの吐出空気の一部が吐出空気バイパスライン５６を流通することにより、再生熱交換器１３及び起動用加熱器１６のそれぞれに流入する空気流量が減少するので、起動用加熱器１６に流入する吐出空気の温度を高められる。これにより、実施形態１と同様に加圧空気供給システム３を起動するためのコストを低減することができる。

【0049】

（実施形態４）
次に、実施形態４に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態４に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態１乃至３に対して、起動用加熱器１６を分岐ライン２７上に置き、燃料電池加熱用バイパス空気ライン６０を付加したものである。以下では、実施形態１の構成に対して、起動用加熱器バイパスラインを付加した構成で実施形態４を説明するが、実施形態２又は３の構成に対して、起動用加熱器バイパスラインを付加した構成で実施形態４を構成してもよい。尚、実施形態４において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0050】

図４に示されるように、本開示の実施形態４に係る加圧空気供給システム３には、分岐ライン２７上の起動用加熱器１６の下流から分岐して、燃料電池２の空気極２ａに流入する加圧空気ライン２５に、流量調節弁２６の下流で再び合流する燃料電池加熱用バイパス空気ライン６０が設けられている。燃料電池加熱用バイパス空気ライン６０には、流通する加圧空気の流量を調整可能な流量調整弁６１が設けられている。その他の構成は実施形態１と同じである。

【0051】

次に、実施形態４に係る燃料電池システム１及び加圧空気供給システム３の起動方法について説明する。
図４に示されるように、流量調整弁１８，２６，３６，３８，４１，６１をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機２２を起動し、次いで起動用加熱器１６を起動する。この後の動作については、加圧空気供給システム３が起動して、流量調整弁２６を開け、燃料電池２の空気極２ａに加圧空気を供給するまでは実施形態１と同じである。

【0052】

実施形態４では、流量調整弁２６を開けた状態で燃料電池２をある程度まで昇温させてから、起動用加熱器１６を再起動するか又は起動用加熱器１６の出力を増加させる。その後、流量調整弁６１を開け、起動用加熱器１６で昇温させた加圧空気を加圧空気ライン２５に供給することにより、燃料電池２の空気極２ａへの流入空気温度をさらに上昇させることができる。これにより、燃料電池２を昇温させるのに要する時間を短縮でき、加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減することができる。

【0053】

（実施形態５）
次に、実施形態５に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムについて説明する。実施形態５に係る加圧空気供給システム及び燃料電池システムは、実施形態４に対して、起動用加熱器１６を２つの加熱器（触媒燃焼器１７暖機用の第１加熱器７１と燃料電池２暖機用の第２加熱器７２）から構成されるように変更したものである。尚、実施形態５において、実施形態４の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0054】

図５に示されるように、本開示の実施形態５に係る加圧空気供給システム３において、第１加熱器７１は、分岐ライン２７に設けられ、第１加熱器７１の上流に、流量調整弁２８を設けている。第２加熱器７２は、分岐ライン２７の流量調整弁２８の上流にある分岐点Ａと流量調整弁２６の下流にある合流点Ｂを結ぶ燃料電池加熱用バイパス空気ライン６０に設けられ、第２加熱器７２の上流の燃料電池加熱用バイパス空気ライン６０上に流量調整弁６１を設けている。その他の構成は実施形態４と同じである。

【0055】

起動用加熱器１６が１つの加熱器から構成されている実施形態１乃至４では、流量調整弁２８（実施形態４では流量調整弁６１を含む）は、起動用加熱器１６の下流側に設けなければならないので、高温弁にする必要がある。しかしながら、実施形態５のように、起動用加熱器１６が第１加熱器７１と第２加熱器７２との２つから構成されていると、流量調整弁２８及び６１をそれぞれ第１加熱器７１及び第２加熱器７２の上流側に設けることができる。そうすると、流量調整弁２８及び６１として高温弁ではなく、高温弁よりも低コストの低温弁を使用することができるので、加圧空気供給システム３を起動するためのコストを低減することができる。

【0056】

次に、実施形態５に係る燃料電池システム１及び加圧空気供給システム３の起動方法について説明する。
図５に示されるように、流量調整弁１８，２６，３６，３８，４１，６１をそれぞれ全閉にし、その他の流量調整弁を全開にする。この状態で、起動用空気圧縮機２２を起動し、次いで第１加熱器７１を起動する。そうすると、起動用空気圧縮機２２から起動用空気が起動用空気供給ライン２１を介して吐出空気ライン１４に供給され、吐出空気ライン１４に供給された起動用空気は、再生熱交換器１３を通過した後、加圧空気ライン２５を流通し、分岐点Ａにおいて分岐ライン２７に流入して第１加熱器７１によって加熱される。第１加熱器７１によって加熱された起動用空気は、分岐ライン２７を流通した後、排空気ライン４２に流入して、触媒燃焼器１７に流入する。

【0057】

この後の動作については、ターボチャージャ１０の自立運転が安定し、触媒燃焼器１７の触媒温度を活性温度以上に維持できるようになったら、第１加熱器７１を停止する又は低負荷運転にするまでの動作は実施形態１で説明した動作と同じである（ただし、起動用加熱器１６を第１加熱器７１と読み替える）。このようにして、本開示の実施形態５に係る加圧空気供給システム３が起動される。

【0058】

加圧空気供給システム３が起動したら、流量調整弁６１を適切な開度に調整するとともに第２加熱器７２を起動することにより、加圧空気の少なくとも一部が第２加熱器７２によって加熱された後に燃料電池２の空気極２ａに供給される。空気極２ａから流出した排空気は排空気ライン４２を流通して、触媒燃焼器１７に流入する。

【0059】

燃料電池２が発電室燃焼可能な温度まで上昇したら、発電室燃焼により燃料電池２を昇温させる。その過程で触媒燃焼器１７の触媒温度を活性温度以上に維持できるようになったら、流量調整弁２８の開度を小さくするとともに流量調整弁６１の開度を大きくしていって、第１加熱器７１を停止する。燃料電池２が十分昇温され発電室燃焼のみで昇温可能になれば、流量調整弁６１の開度を小さくしていって第２加熱器７２を停止する。

【0060】

実施形態１乃至５のそれぞれでは、加圧空気供給システム３は、燃料電池２の空気極２ａに加圧空気を供給するためのものであったが、この形態に限定するものではない。加圧空気を必要とする任意のプラントや装置に用いることができる。

【符号の説明】

【0061】

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ 空気極
２ｂ 燃料極
２ｃ 固体電解質
３ 加圧空気供給システム
１０ ターボチャージャ
１１ 圧縮機
１２ タービン
１３ 再生熱交換器
１４ 吐出空気ライン
１５ 起動用空気供給装置
１６ 起動用加熱器
１７ 触媒燃焼器
１８ 流量調整弁
１９ 抽気ブローライン（再生熱交換器バイパスラインの一つ）
２０ 流量調整弁
２１ 起動用空気供給ライン
２２ 起動用空気圧縮機
２３ 流量調整弁
２４ 排ガスライン
２５ 加圧空気ライン
２６ 流量調整弁
２７ 分岐ライン
２８ 流量調整弁
３０ 燃料の供給源
３１ 燃料供給ライン
３２ 排燃料ライン
３３ 熱交換器
３４ 冷却器
３５ 再循環ブロワ
３６ 流量調整弁
３７ 再循環ライン
３８ 流量調整弁
３９ 流量調整弁
４０ 燃料供給ライン
４１ 流量調整弁
４２ 排空気ライン
５１ モータ
５２ 増速機
５３ 圧縮機１１の駆動軸（ロータ）
５６ 吐出空気バイパスライン（再生熱交換器バイパスラインの一つ）
５７ 流量調整弁
６０ 燃料電池加熱用バイパス空気ライン
６１ 流量調整弁
７１ 第１加熱器
７２ 第２加熱器

【要約】

【課題】加圧空気供給システムを稼働させるためのコストを低減した加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法を提供する。
【解決手段】加圧空気供給システムは、タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、圧縮機からの吐出空気とタービンから排気された排ガスとを熱交換する再生熱交換器と、圧縮機から再生熱交換器までの吐出空気ラインに供給される起動用空気又は加圧空気の少なくとも一方を含む流通空気を加熱する起動用加熱器と、起動用加熱器で加熱された流通空気で燃料を燃焼させて生成した燃焼ガスをタービンに供給する触媒燃焼器とを備える。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】