(57)【要約】【課題】循環器の耐久性の劣化を抑えつつ発電効率を高くすることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスを循環させるための循環用配管と、前記燃料発生部材と前記燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器と、前記燃料電池部の発電時に前記燃料電池部の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管と、前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する第１の熱交換器とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、
酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、
前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスを循環させるための循環用配管と、
前記燃料発生部材と前記燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器と、
前記燃料電池部の発電時に前記燃料電池部の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管と、
前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する第１の熱交換器とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤極での反応後のガスを排出するための酸化剤極出口側配管と、
前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスと前記酸化剤極出口側配管内のガスとの間で熱交換する第２の熱交換器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記第１の熱交換器に流入するまでのガスと前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスとの間で熱交換する第３の熱交換器とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
外部から前記循環用配管内へのガス供給を可能にするための外部ガス接続口を備え、
前記循環用配管の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが通過する部分に、前記外部ガス接続口が設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記循環器によるガスの循環を制御するためのガス循環制御部を備え、
前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス循環制御部に流入することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
ガスの状態を検知するためのガス状態検知部を備え、
前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス状態検知部に流入することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料発生部材が、前記化学反応の逆反応により再生可能であり、
前記燃料電池部が、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やランタンガレート系（例えば一般式ＬａＳｒＭｇＧａＯで表されるＬＳＧＭ）を用いた固体酸化物電解質膜を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池は、固体高分子型燃料電池よりも動作温度を高くする必要があるものの、固体高分子型燃料電池よりも発電効率が高いという利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５０１４４８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／０２６２１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１及び特許文献２には、固体酸化物型燃料電池と鉄（燃料発生部材）を組み合わせた燃料電池システムが開示されている。当該燃料電池システムは、燃料発生部材と固体酸化物型燃料電池の燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器を備えている。
【０００６】
６００℃〜１０００℃程度で一般的に運転される固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されるガスが冷却されることなく循環器に流入すると、循環器が高温になって循環器の耐久性が劣化する。したがって、循環器の耐久性を保つためには固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されるガスを冷却する必要がある。ところが、固体酸化物型燃料電池の燃料極から排出されるガスを冷却する際に一般的な冷却装置を使用すると、冷却装置を運転するためにエネルギーが必要となるため、燃料電池システムの発電効率が低下するという課題がある。
【０００７】
また、外気やボンベ等の酸化剤ガス供給源での酸化剤ガスは概ね常温であるため、６００℃〜１０００℃程度で一般的に運転される固体酸化物型燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する際には、酸化剤ガスを加熱してから固体酸化物型燃料電池の酸化剤極に供給する必要がある。ところが、酸化剤ガスを加熱する際に一般的な加熱装置を使用すると、加熱装置を運転するためにエネルギーが必要となるため、燃料電池システムの発電効率が低下するという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記の状況に鑑み、循環器の耐久性の劣化を抑えつつ発電効率を高くす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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材と、酸素を含む酸化剤ガスと前記燃料発生部材から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部と、前記燃料発生部材と前記燃料電池部の燃料極との間でガスを循環させるための循環用配管と、前記燃料発生部材と前記燃料極との間でガスを機械的なエネルギーを用いて強制的に循環させる循環器と、前記燃料電池部の発電時に前記燃料電池部の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管と、前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する第１の熱交換器とを備える構成（第１の構成）とする。
【００１０】
上記第１の構成の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤極での反応後のガスを排出するための酸化剤極出口側配管と、前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスと前記酸化剤極出口側配管内のガスとの間で熱交換する第２の熱交換器とを備える構成（第２の構成）としてもよい。
【００１１】
上記第１または第２の構成の燃料電池システムにおいて、前記循環用配管内の前記燃料極から排出され前記第１の熱交換器に流入するまでのガスと前記循環用配管内の前記循環器から流出され前記燃料極に到達するまでのガスとの間で熱交換する第３の熱交換器とを備える構成（第３の構成）としてもよい。
【００１２】
上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、外部から前記循環用配管内へのガス供給を可能にするための外部ガス接続口を備え、前記循環用配管の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが通過する部分に、前記外部ガス接続口が設けられる構成（第４の構成）としてもよい。
【００１３】
上記第１〜第４のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記循環器によるガスの循環を制御するためのガス循環制御部を備え、前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス循環制御部に流入する構成（第５の構成）としてもよい。
【００１４】
上記第１〜第５のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、ガスの状態を検知するためのガス状態検知部を備え、前記循環用配管内の前記第１の熱交換器によって熱交換された後のガスが前記ガス状態検知部に流入する構成（第６の構成）としてもよい。
【００１５】
上記第１〜第６のいずれかの構成の燃料電池システムにおいて、前記燃料発生部材が、前記化学反応の逆反応により再生可能であり、前記燃料電池部が、前記燃料発生部材の再生時に前記燃料発生部材から供給される前記逆反応の生成物を電気分解する構成（第７の構成）としてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムによると、第１の熱交換器が、循環用配管内の燃料極から排出され循環器に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する。これにより、循環器に流入するガスが冷却されるので、循環器が高温になることを防止することができ、循環器の耐久性の劣化を抑えることができる。また、循環用配管内の燃料極から排出され循環器に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管内のガスとの間での熱交換によって、循環器に流入するガスが冷却されるとともに酸化剤極に供給されるガスが加熱されるので、循環器に流入するガスの冷却および酸化剤極に供給されるガスの加熱に用いられるエネルギーを低減することができ、発電効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２Ａ】熱交換器の概略構成例を示す模式図である。
【図２Ｂ】熱交換器の他の概略構成例を示す模式図である。
【図２Ｃ】熱交換器の更に他の概略構成例を示す模式図である。
【図２Ｄ】熱交換器の更に他の概略構成例を示す模式図である。
【図２Ｅ】熱交換器の更に他の概略構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの他の変形例を示す模式図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す模式図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムに外部配管を接続した状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。
【００１９】
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、化学反応により燃料ガスを発生する燃料発生部材１と、酸素を含む酸化剤ガスと燃料発生部材１から供給される燃料ガスとの反応により発電を行う固体酸化物型燃料電池部２（以下、燃料電池部２と称する）とを備えている。燃料電池部２は、図１に示す通り、固体酸化物電解質膜２Ａの両面に燃料極２Ｂと酸化剤極２Ｃを接合したＭＥＡ構造(膜・電極接合体：Membrane Electrode Assembly)である。なお、図１では、ＭＥＡを１つだけ設けた構造を図示しているが、ＭＥＡを複数設けたり、さらに複数のＭＥＡを積層構造にしたりしてもよい。
【００２０】
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池部２を加熱するためのヒーター３と、燃料発生部材１を収容する容器４と、燃料電池部２及びヒーター３を収容する容器５と、燃料発生部材１と燃料極２Ｂとの間でガスを循環させるための循環用配管６と、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる閉空間内に存在するガスを燃料発生部材１と燃料極２Ｂとの間で機械的なエネルギーを用いて強制的に図１中に示す太線矢印の方向で循環させるポンプ７と、燃料電池部２の発電時に酸化剤極２Ｃに酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口側配管８と、酸化剤極２Ｃでの反応後のガスを排出するための酸化剤極出口側配管９と、断熱容器１０と、第１の熱交換器１１とをさらに備えている。なお、酸化剤極入口側配管８及び酸化剤極出口側配管９内のガスを図１中に示す細線矢印の方向に流すために、必要に応じてポンプやブロアなどを入口側配管８側あるいは酸化剤極出口側配管９側に設けてもよい。また、図１では燃料極２Ｂの長手方向と容器４に設けられる燃料ガス流通口の厚み方向とが直角であるが例えば平行であってもよく、図１では酸化剤極２Ｃの長手方向と容器４に設けられる酸化剤ガス流通口の厚み方向とが平行であるが例えば直角であってもよい。また、ポンプ７の代わりに、ブロア等の機械的なエネルギーを用いる他の循環器を用いても構わない。
【００２１】
断熱容器１０は、容器内と容器外とを断熱する容器であって、容器４と、容器５と、循環用配管６の一部と、酸化剤極入口側配管８の一部と、酸化剤極出口側配管９の一部とを収容している。なお、第１の熱交換器１１の一部を断熱容器１０に収容するようにしてもよい。
【００２２】
以下の説明では、燃料発生部材１として基材料（主成分）が鉄である微粒子圧縮体からなる燃料発生部材を用い、燃料ガスとして水素を用いた場合について説明する。
【００２３】
本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２は外部負荷（不図示）に電気的に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に、燃料極２Ｂにおいて下記の（１）式の反応が起こる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（１）
【００２４】
上記の（１）式の反応によって生成された電子は、外部負荷（不図示）を通って、酸化剤極２Ｃに到達し、酸化剤極２Ｃにおいて下記の（２）式の反応が起こる。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-  …（２）
【００２５】
そして、上記の（２）式の反応によって生成された酸素イオンは、固体酸化物電解質膜２Ａを通って、燃料極２Ｂに到達する。上記の一連の反応を繰り返すことにより、燃料電池部２が発電動作を行うことになる。また、上記の（１）式から分かるように、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時には、燃料極２Ｂ側においてＨ2が消費されＨ2Ｏが生成されることになる。
【００２６】
上記の（１）式及び（２）式より、本実施形態に係る燃料電池システムの発電動作時における燃料電池部２での反応は下記の（３）式の通りになる。
Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ  …（３）
【００２７】
一方、燃料発生部材１は、下記の（４）式に示す酸化反応により、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ2Ｏを消費してＨ2を生成する。
３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ→Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2  …（４）
【００２８】
上記の（４）式に示す鉄の酸化反応が進むと、鉄から酸化鉄への変化が進んで鉄残量が減っていくが、上記の（４）式の逆反応（還元反応）により、燃料発生部材１を再生することができ、本実施形態に係る燃料電池システムを充電することができる。
【００２９】
本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に燃料電池部２は外部電源（不図示）に接続される。燃料電池部２では、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に、上記の（３）式の逆反応である下記の（５）式に示す電気分解反応が起こり、燃料極２Ｂ側においてＨ2Ｏが消費されＨ2が生成され、燃料発生部材１では、上記の（４）式に示す酸化反応の逆反応である下記（６）式に示す還元反応が起こり、燃料電池部２の燃料極２Ｂ側で生成されたＨ2が消費されＨ2Ｏが生成される。
Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2  …（５）
Ｆｅ3Ｏ4＋４Ｈ2→３Ｆｅ＋４Ｈ2Ｏ  …（６）
【００３０】
本実施形態では、燃料発生部材１及び燃料電池部２は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時と充電時の両方において、ヒーター３によって６００℃程度に加熱されるようにする。なお、燃料発生部材１は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に上記の（４）式に示す酸化反応による水素の発生が可能な温度に加熱され、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に上記の（６）式に示す還元反応による燃料発生部材１の再生が可能な温度に加熱され、燃料電池部２は、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時に上記の（３）式に示す発電反応による発電が可能な温度に加熱され、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時に上記の（５）式に示す電気分解反応による電気分解が可能な温度に加熱されればよい。各加熱温度は例えば３００℃〜８００℃の範囲で設定され、各加熱温度はそれぞれ異なる値に設定されてもよい。また、必要に応じて燃料発生部材１を加熱するヒーター等を設けてもよい。
【００３１】
第１の熱交換器１１は、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出されポンプ７に流入するまでのガスと酸化剤極入口側配管８内のガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、酸化剤極入口側配管８が外気あるいは空気ボンベや酸素ボンベ等からガスを取り入れて酸化剤極２Ｃにガスを供給するため、酸化剤極入口側配管８が取り入れるガスは概ね常温である。したがって、第１の熱交換器１１での熱交換により、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出されポンプ７に流入するまでのガスが冷却され、酸化剤極入口側配管８内のガスが加熱される。
【００３２】
上記の通りポンプ７に流入するガスが冷却されるので、ポンプ７が高温になることを防止することができ、ポンプ７の耐久性の劣化を抑えることができる。また、上記の通り第１の熱交換器１１での熱交換により、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出されポンプ７に流入するまでのガスが冷却され、酸化剤極入口側配管８内のガスが加熱されるので、ポンプ７に流入するガスの冷却および酸化剤極２Ｃに供給されるガスの加熱に用いられるエネルギーを低減することができ、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時には発電効率を高くすることができ、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時には充電効率を高くすることができる。
【００３３】
ポンプ７に流入するガスの冷却温度はポンプ７の耐熱性に適合した温度に設定するとよいが、より低温に設定する方がポンプ７の耐久性の劣化をより抑えることができるため好ましい。ただし、循環用配管６内のガスは水素と水蒸気の混合ガスであるため、結露が発生しない範囲でポンプ７に流入するガスの冷却温度をより低温にすることが好ましい。例えば、循環用配管６内のガスの全圧が１気圧である場合、ポンプ７に流入するガスの冷却温度を１００℃〜１２０℃にすれば、結露が発生せず、かつ、ポンプ７に流入するガスの冷却温度を十分低温にすることができる。ここで、十分低温とは、ポンプ７等の循環器として高耐熱性の特殊な循環器を使用する必要がなく、汎用的な循環器を使用することができる温度を意味している。
【００３４】
第１の熱交換器１１は、例えば図２Ａに示すように循環用配管６と酸化剤極入口側配管８とを間隔を狭くして配置する構成とすることができる。また、熱交換可能な配管距離を長くするために、第１の熱交換器１１は、例えば図２Ｂに示すように循環用配管６と酸化剤極入口側配管８の少なくとも一方がらせん形状である構成であってもよく、例えば図２Ｃに示すように循環用配管６と酸化剤極入口側配管８の少なくとも一方が蛇行形状である構成であってもよい。第１の熱交換器１１内における循環用配管６及び酸化剤極入口側配管８の周囲は空間でもよいが、金属などの熱伝導率が高い材質で周囲を覆う方がより熱交換の効率が高くなるため好ましい。
【００３５】
また、第１の熱交換器１１は、例えば図２Ｄに示すように循環用配管６と冷媒１２との間で熱交換し、酸化剤極入口側配管８と冷媒１２との間で熱交換し、冷媒１２が環状の閉空間内で流動可能となっており、冷媒１２が循環することで循環用配管６内のガスが冷却され、酸化剤極入口側配管８内のガスが加熱される構成であってもよい。
【００３６】
また、第１の熱交換器１１は、例えば図２Ｅに示すように循環用配管６及び酸化剤極入口側配管８の一方の配管内に他方の配管を通す構成であってもよい。この場合、熱交換可能な配管距離を長くするために、一方の配管内を通る他方の配管を、図２Ｂ又は図２Ｃと同様にらせん形状又は蛇行形状にしてもよい。
【００３７】
なお、第１の熱交換器１１において、循環用配管６内を流れるガスの向きと酸化剤極入口側配管８内を流れるガスの向きとは、互いに逆向きである対向流、同一方向である並流、互いに直交する直交流、その他の方向関係のいずれであってもよいが、熱交換の効率を向上させる観点からは対向流が好ましい。
【００３８】
さらに、図３に示す本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの変形例のように、ポンプ７によるガスの循環を制御するためのガス循環制御部１３と、ガスの状態を検知するためのガス状態検知部１４とを設け、第１の熱交換器１１によって熱交換され、その後加熱されていないガスがガス循環制御部１３及びガス状態検知部１４に流入するようにしてもよい。この場合、ガス循環制御部１３及びガス状態検知部１４の耐久性の劣化も抑えることができる。ガス循環制御部１３としては例えばガスの流量を制御することができるマスフローコントローラを挙げることができ、ガス状態検知部１４としては例えば流量計、圧力計、露点計、温度計などを挙げることができる。なお、ガス循環制御部１３及びガス状態検知部１４のうちいずれか一方のみを設けても構わない。
【００３９】
また、図４に示すように循環用配管６内を流れるガスの向きを図１に示す本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムとは逆にしても構わない。この場合、第１の熱交換器１１は、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出され燃料発生部材１を通過した後であって前記循環器に流入するまでのガスと前記酸化剤極入口側配管内のガスとの間で熱交換する。
【００４０】
＜第２実施形態＞
図５は本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムに第２の熱交換器１５を追加した構成である。
【００４１】
第２の熱交換器１５は、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスと酸化剤極出口側配管９内のガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、酸化剤極２Ｃから酸化剤極出口側配管９に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスは６００℃程度から第１の熱交換器１１によって冷却されており低温である。したがって、第２の熱交換器１５での熱交換により、酸化剤極出口側配管９内のガスが冷却され、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスが加熱される。
【００４２】
なお、第２の熱交換器１５は第１の熱交換器１１と同様に様々の構成を用いることができる。
【００４３】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。さらに、上記の通り酸化剤極出口側配管９内のガスが冷却されるので、酸化剤極出口側配管９から外部への排熱を抑えることができ、本実施形態に係る燃料電池システムから外部へ無駄なエネルギーを排出することを抑えることができる。また、上記の通り第２の熱交換器１５での熱交換により、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスが加熱されるので、低温のガスが燃料発生部材１及び燃料極２Ｂに供給されることを防止できる。したがって、本実施形態に係る燃料電池システムの発電時には発電効率を第１実施形態よりも高くすることができ、本実施形態に係る燃料電池システムの充電時には充電効率を第１実施形態よりも高くすることができる。
【００４４】
＜第３実施形態＞
図６は本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムに第３の熱交換器１６を追加した構成である。
【００４５】
第３の熱交換器１６は、循環用配管６内の燃料極２Ｂから排出され第１の熱交換器１１に流入するまでのガスと循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスとの間で熱交換する。本実施形態では、燃料電池部２が６００℃程度に加熱されているため、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスの温度も６００℃程度である。一方、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスは６００℃程度から第１の熱交換器１１によって冷却されており低温であり、第２の熱交換器１５により加熱された後も燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスよりも低温であるものとする。したがって、第３の熱交換器１６での熱交換により、燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスが冷却され、循環用配管６内のポンプ７から流出され第２の熱交換器１５を通過して断熱容器１０の内部に到達するまでのガスが加熱される。
【００４６】
なお、第３の熱交換器１６は第１の熱交換器１１や第２の熱交換器１５と同様に様々の構成を用いることができる。
【００４７】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏するが、第３の熱交換器１６によってポンプ７に流入するガスがより一層冷却され、循環用配管６内のポンプ７から流出され断熱容器１０の内部に到達するまでのガスがより一層加熱されるので、第２実施形態よりも効果が顕著になる。
【００４８】
なお、酸化剤極出口側配管９内のガスが燃料極２Ｂから循環用配管６に排出されるガスよりも高温である場合には、図７に示すように循環用配管６内のポンプ７から流出されたガスが第３の熱交換器１６、第２の熱交換器１５の順で第３の熱交換器１６、第２の熱交換器１５を通過するようにすればよい。
【００４９】
＜第４実施形態＞
図８は本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにガス接続口１７及び１８を追加した構成である。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池システムは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムと同様の効果を奏する。
【００５１】
本発明の第１〜第３実施形態に係る燃料電池システム及び本実施形態に係る燃料電池システムは、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間が閉空間になっているが、完全な封止は困難であるため、時間経過とともに窒素などの不要なガスが容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間に混入し、上記の（３）〜（５）式に示す反応で用いられる反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）の分圧が下がり、その結果、燃料電池システムの性能が劣化する。
【００５２】
したがって、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間内のガスを定期的に反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）で置換して燃料電池システムの性能を回復させることが好ましい。
【００５３】
本実施形態に係る燃料電池システムでは、外部から循環用配管６内へのガス供給を可能にするためのガス接続口１７及び１８を設けることで、反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）の供給源を必要なときにだけ循環用配管６に接続することを可能にしている。また、循環用配管６の第１の熱交換器１１によって熱交換されその後加熱されていないガスが通過する部分に、ガス接続口１７及び１８を設けているので、ガス接続口１７及び１８が高温にならない。これにより、高温による錆や変形がガス接続口１７及び１８に生じることを防止することができ、ガス接続口１７及び１８の接続不良を防止することができる。
【００５４】
ガス接続口１７は、外部配管１９が接続されていない状態において循環用配管６の内部と外部とのガスの流通を遮断し、図８に示すように外部配管１９が接続されている状態において循環用配管６の内部と外部配管１９の内部との間でガスを流通させ、循環用配管６及び外部配管１９の内部と外部とのガスの流通を遮断する。同様に、ガス接続口１８は、外部配管２０が接続されていない状態において循環用配管６の内部と外部とのガスの流通を遮断し、図９に示すように外部配管２０が接続されている状態において循環用配管６の内部と外部配管２０の内部との間でガスを流通させ、循環用配管６及び外部配管２０の内部と外部とのガスの流通を遮断する。
【００５５】
図９に示す状態にすることで、容器４、容器５、循環用配管６、及び固体酸化物電解質膜２Ａで囲まれる空間内のガスを反応ガス（Ｈ2、Ｈ2Ｏ）で置換することが可能になる。
【００５６】
＜その他＞
【００５７】
上述した実施形態では、燃料電池部２の燃料ガスを水素にしているが、一酸化炭素や炭化水素など水素以外の還元性ガスを燃料電池部２の燃料ガスとして用いても構わない。
【００５８】
また、上述した各実施形態同士は、矛盾のない限り適宜組み合わせて実施しても構わない。また、上述した各実施形態において説明した具体例や変形例は矛盾のない限り他の実施形態において適用しても構わない。
【００５９】
上述した各実施形態に係る燃料電池システムは循環器を冷却する冷却装置や酸化剤極入口側配管内のガスを加熱する加熱装置を備えていないが、必要に応じてこれらの装置を設けてもよい。循環器を冷却する冷却装置や酸化剤極入口側配管内のガスを加熱する加熱装置を設ける場合でも、本発明に係る燃料電池システムによると、これらの装置に投入するエネルギーを熱交換器による熱交換の分だけ低減することができるため、発電効率を高くすることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１  燃料発生部材
２  固体酸化物型燃料電池部
２Ａ  固体酸化物電解質膜
２Ｂ  燃料極
２Ｃ  酸化剤極
３  ヒーター
４、５  容器
６  循環用配管
７  ポンプ
８  酸化剤極入口側配管
９  酸化剤極出口側配管
１０  断熱容器
１１  第１の熱交換器
１２  冷媒
１３  ガス循環制御部
１４  ガス状態検知部
１５  第２の熱交換器
１６  第３の熱交換器
１７、１８  ガス接続口
１９、２０  外部配管
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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