(57)【要約】【課題】発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃料ガス排出路１３と、酸化剤ガス排出路１４と、燃料再循環路１５と、再循環装置３と、水分量低減部４と、を有する。再循環装置３は、燃料ガス供給路１１に接続されている。再循環装置３は、アノード流路２１へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して再循環燃料ガスを吸引し、水蒸気と共に再循環燃料ガスをアノード流路２１へ送る。水分量低減部４は、再循環装置３と燃料電池２との間の燃料ガス供給路１１、燃料再循環路１５との接続部よりも上流側の燃料ガス排出路１３、又は燃料再循環路１５に設けられ、通過するガス中の水分量を低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
酸化剤ガスを上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
上記アノード流路から排出された排出燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
上記カソード流路から排出された排出酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路（１４）と、
上記燃料ガス排出路に接続され、上記排出燃料ガスの一部である再循環燃料ガスを上記燃料ガス供給路に再循環させる燃料再循環路（１５）と、
上記燃料ガス供給路に接続され、上記アノード流路へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して上記再循環燃料ガスを吸引し、上記水蒸気と共に上記再循環燃料ガスを上記アノード流路へ送る再循環装置（３）と、
該再循環装置と上記燃料電池との間の上記燃料ガス供給路、上記燃料再循環路との接続部（１３１）よりも上流側の上記燃料ガス排出路、又は上記燃料再循環路に設けられ、通過するガス中の水分量を低減する水分量低減部（４）と、を有する、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
上記再循環装置は、上記アノード流路へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して上記燃料ガスをも吸引し、上記水蒸気及び上記再循環燃料ガスと共に上記燃料ガスを上記アノード流路へ送るよう構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記再循環装置に水蒸気を導入する水蒸気導入路（１６）と、該水蒸気導入路に設けられ、水を加圧する水ポンプ（１６１）と、該水ポンプにおいて加圧された水を加熱すると共に気化させて、水蒸気を生成する蒸発器（１６２）と、を更に備える、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記再循環装置は、上記水蒸気を噴射するノズル部（３１）と、該ノズル部から噴射される水蒸気流によって上記燃料再循環路から上記再循環燃料ガスを吸引する吸引部（３２）と、上記ノズル部から噴射される上記水蒸気と上記吸引部から吸引される上記再循環燃料ガスとを混合して上記アノード流路側へ吐出する吐出部（３３）と、を有するエジェクタ（３０）である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記再循環装置は、上記水蒸気の流れによって回転するタービンインペラ（３６）と、該タービンインペラと共に回転することによって上記燃料再循環路から上記再循環燃料ガスを吸引し、上記水蒸気と共に上記再循環燃料ガスを上記アノード流路へ送るコンプレッサインペラ（３７）と、を有する圧縮機（３５）である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
上記水分量低減部は、上記再循環装置と上記燃料電池との間の上記燃料ガス供給路に設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
上記水分量低減部は、上記燃料ガス排出路と上記燃料再循環路との上記接続部よりも上流側の上記燃料ガス排出路に設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
上記水分量低減部は、上記燃料再循環路に設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
上記再循環装置と上記燃料電池との間の上記燃料ガス供給路には、上記燃料ガスを改質する改質器（５）が配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
上記水分量低減部は、上記再循環装置と上記改質器との間の上記燃料ガス供給路に設けられている、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記水分量低減部は、上記水蒸気を冷却して凝縮する凝縮器（４０）である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記アノード流路内の水分量を検出する水分量検出部（２７）と、上記水分量低減部を制御する制御部（６）と、を更に備え、上記制御部は、上記水分量検出部による水分検出量に基づき、上記水分量低減部による水分量の低減を行うことができるよう構成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記水分量低減部は、該水分量低減部を通過するガス中の水分を透過させる水分透過膜（４１１）を有し、該水分透過膜を透過した水分を上記ガスから除去する除湿器（４１）である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
上記水分量低減部は、該水分量低減部を通過するガス中の不凝縮ガスを透過させる不凝縮ガス透過膜（４１２）を有し、該不凝縮ガス透過膜を透過した上記不凝縮ガスを、凝縮ガスから分離して下流側へ送る分離器（４２）である、請求項１〜１０のいずれか１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。
【０００３】
燃料電池スタックの燃料極から排出される残余の燃料ガス（以下、「燃料極排出ガス」とも称する）には、水素及び水蒸気が含まれている。そこで、燃料極排出ガスを再び水蒸気改質器に戻すような流路を設けて、燃料極排出ガスに含まれる水素及び水蒸気を水蒸気改質のために再利用することが行われている（例えば下記特許文献１を参照）。このような構成の燃料電池システムでは、燃料ガスが有していた化学エネルギーが更に有効に利用される。
【０００４】
燃料極排出ガスを再び水蒸気改質器に戻すために、下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料供給経路にエジェクタが配置されている。当該エジェクタには、燃料極から排出された燃料極排出ガスを戻すためのリサイクル用燃料極排出ガス経路が接続されている。エジェクタの内部では、水蒸気改質器に向かう燃料ガスの流れによって燃料極排出ガスが引き込まれ、燃料ガスの流れに合流する。その後、燃料極排出ガスは燃料ガスと共に水蒸気改質器に供給され、再び水蒸気改質反応に供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７６２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の燃料電池システムには、以下の課題がある。具体的には、エジェクタは、ノズルの先端に形成された微小な径の開口から駆動流体を噴出し、駆動流体の高速な流れによって被駆動流体を内部に吸引するような構成となっている。燃料電池システムでは、上記の駆動流体として燃料ガスがエジェクタに供給され、上記の被駆動流体として燃料極排出ガスがエジェクタに吸引される。このため、燃料ガスは、ブロアやコンプレッサによって加圧された後にエジェクタに供給されると考えられる。
【０００７】
しかしながら、気体である燃料ガスを圧縮する際におけるブロア等の動作負荷は比較的大きい。このため、ブロア等を含む補機類の駆動のために消費される電力によって、燃料電池システムの全体における発電効率が低下してしまう。発電効率を高めるためには、補機類の動作負荷をより小さくする必要がある。また、発電効率を高めるためには、燃料電池スタックの燃料極に面する流路中の水分量も適切に調整する必要がある。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
酸化剤ガスを上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
上記アノード流路から排出された排出燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
上記カソード流路から排出された排出酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路（１４）と、
上記燃料ガス排出路に接続され、上記排出燃料ガスの一部である再循環燃料ガスを上記燃料ガス供給路に再循環させる燃料再循環路（１５）と、
上記燃料ガス供給路に接続され、上記アノード流路へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して上記再循環燃料ガスを吸引し、上記水蒸気と共に上記再循環燃料ガスを上記アノード流路へ送る再循環装置（３）と、
該再循環装置と上記燃料電池との間の上記燃料ガス供給路、上記燃料再循環路との接続部（１３１）よりも上流側の上記燃料ガス排出路、又は上記燃料再循環路に設けられ、通過するガス中の水分量を低減する水分量低減部（４）と、を有する、燃料電池システム（１）にある。
【発明の効果】
【００１０】
上記燃料電池システムは、アノード流路へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して再循環燃料ガスを吸引し、水蒸気と共に再循環燃料ガスをアノード流路へ送る再循環装置を有する。再循環装置に水蒸気を送り込むための補機類としては、例えば、液体の水を送り出すポンプと、水を気化させて水蒸気を生成する蒸発器を用いることができる。この場合、燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成に比べると、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、燃料電池システムにおける発電効率を向上することができる。
【００１１】
ただし、上記燃料電池システムにおいては、再循環装置を通過させる水蒸気の流量によって、再循環燃料ガスの流量が変化することとなる。そのため、アノード流路に供給する水蒸気の流量を調整するに当り、単純に、アノード流路へ向かう水蒸気の流量を変化させればよいというものではない。
【００１２】
そこで、上記燃料電池システムは、再循環装置と燃料電池との間の燃料ガス供給路、燃料再循環路との接続部よりも上流側の燃料ガス排出路、又は燃料再循環路に設けられ、通過するガス中の水分量を低減する水分量低減部を有する。これにより、再循環装置を通過する水蒸気の流れを維持しつつ、アノード流路中の水分量を抑制することができる。その結果、再循環燃料ガスの流量に影響を与えることなく、アノード流路中の水分量を調整し、発電効率を向上することができる。
【００１３】
以上のごとく、上記態様によれば、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】実施形態１における、燃料電池の構造を模式的に示す説明図。
【図３】実施形態１における、Ｓ／Ｃ比に対する発電性能及び改質性能の変動を概略的に示すグラフ。
【図４】実施形態２における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図５】実施形態２における、流体の状態を示すモリエル線図。
【図６】実施形態３における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図７】実施形態４における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図８】実施形態５における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図９】実施形態６における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１０】実施形態７における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１１】実施形態８における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施形態１）
燃料電池システムに係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃料ガス排出路１３と、酸化剤ガス排出路１４と、燃料再循環路１５と、再循環装置３と、水分量低減部４と、を有する。
【００１６】
燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２とを有する。燃料ガス供給路１１は、燃料ガスをアノード流路２１に供給する。酸化剤ガス供給路１２は、酸化剤ガスをカソード流路２２に供給する。燃料ガス排出路１３には、アノード流路２１から排出された排出燃料ガスが流れる。酸化剤ガス排出路１４には、カソード流路２２から排出された排出酸化剤ガスが流れる。燃料再循環路１５は、燃料ガス排出路１３に接続され、排出燃料ガスの一部である再循環燃料ガスを燃料ガス供給路１１に再循環させる。
【００１７】
再循環装置３は、燃料ガス供給路１１に接続されている。再循環装置３は、アノード流路２１へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して再循環燃料ガスを吸引し、水蒸気と共に再循環燃料ガスをアノード流路２１へ送る。水分量低減部４は、再循環装置３と燃料電池２との間の燃料ガス供給路１１に設けられ、通過するガス中の水分量を低減する。
【００１８】
次に、本実施形態の燃料電池システム１につき、詳説する。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスに含有される水素と、酸化剤ガスに含有される酸素とを反応させて発電するために用いられる。なお、本実施形態においては、燃料ガスとして炭化水素の一種であるメタンを用いている。また、酸化剤ガスとしては、例えば空気を用いることができる。
【００１９】
燃料電池２は、図２に示すように、アノード流路２１とカソード流路２２との間に配設された電解質体２３を有している。本実施形態においては、電解質体２３として固体酸化物セラミックスを用いている。それゆえ、本実施形態の燃料電池２は、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）と称される。
【００２０】
電解質体２３を構成する固体酸化物セラミックスは、イットリア安定化ジルコニアにより構成されている。この固体酸化物セラミックスは、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。電解質体２３は、その活性化温度において、酸素イオンの伝導性を有するものである。電解質体２３におけるアノード流路２１側の表面２３１には、アノード２４が形成されており、電解質体２３におけるカソード流路２２側の表面２３２には、カソード２５が形成されている。アノード２４及びカソード２５は、ニッケル等の金属酸化物を含有する導電性のセラミックスにより構成されている。アノード２４とカソード２５との間には、燃料電池２から電力を取り出すための電池出力線２６が接続されている。
【００２１】
本実施形態において、再循環装置３は、図１に示すように、水蒸気を噴射するノズル部３１と、吸引部３２と、吐出部３３とを有するエジェクタ３０である。吸引部３２は、ノズル部３１から噴射される水蒸気流によって燃料再循環路１５から再循環燃料ガスを吸引する。吐出部３３は、ノズル部３１から噴射される水蒸気と吸引部３２から吸引される再循環燃料ガスとを混合してアノード流路２１側へ吐出する。ノズル部３１に、エジェクタ３０に導入される水蒸気が流れる水蒸気導入路１６の下流端が接続されており、吸引部３２に、燃料再循環路１５の下流端が接続されている。
【００２２】
また、再循環装置３は、アノード流路２１へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して燃料ガスをも吸引し、水蒸気及び再循環燃料ガスと共に燃料ガスをアノード流路２１へ送るよう構成されている。具体的には、再循環装置３であるエジェクタ３０の吸引部３２に、燃料ガスが流れる燃料ガス導入路１７の下流端が接続されている。これにより、吸引部３２は、ノズル部３１から噴射される水蒸気流によって燃料再循環路１５から再循環燃料ガスを吸引すると共に、燃料ガス導入路１７から燃料ガスを吸引する。吐出部３３は、ノズル部３１から噴射される水蒸気と吸引部３２から吸引される再循環燃料ガス及び燃料ガスとを混合し、混合流としてアノード流路２１側へ吐出する。
【００２３】
本実施形態において、水分量低減部４は、水蒸気を冷却して凝縮する凝縮器４０である。水分量低減部４は、エジェクタ３０の吐出部３３から吐出された混合流を冷却して凝縮することで、混合流中の水分量を低減させる。
水分量低減部４である凝縮器４０は、再循環装置３であるエジェクタ３０と後述する改質器５との間の燃料ガス供給路１１に設けられている。
【００２４】
本実施形態において、再循環装置３であるエジェクタ３０と燃料電池２との間の燃料ガス供給路１１には、燃料ガスを改質する改質器５が配置されている。具体的には、改質器５は、燃料ガス供給路１１における凝縮器４０と燃料電池２との間に配置されている。改質器５の内部には、改質触媒が配置されている。改質器５では、供給された混合流に含まれる燃料ガス及び水蒸気が高温の改質触媒に触れることで水蒸気改質反応が生じ、水素を含有する燃料ガスが生成される。
【００２５】
アノード流路２１に供給された燃料ガスに含有される水素及びカソード流路２２に供給された空気に含有される酸素は、燃料電池２において発電に用いられる。具体的には、空気に含有される酸素が、電池出力線２６から電子を受け取り酸素イオンとなる。酸素イオンは、電解質体２３を介してアノード２４に移動し、燃料ガスに含有される水素と反応して水と電子とを生成する。この電子が、電池出力線２６に移動する。これにより、発電が行われる。発電に伴いアノード２４において生成された水は、水蒸気となり、排出燃料ガスと共にアノード流路２１から燃料ガス排出路１３へ排出される。
【００２６】
燃料電池システム１は、図１に示すように、さらに、燃焼器１８を有する。燃焼器１８は、燃料ガス排出路１３と酸化剤ガス排出路１４とに接続されている。燃焼器１８は、排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとを燃焼する。
【００２７】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、アノード流路２１へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して再循環燃料ガスを吸引し、水蒸気と共に再循環燃料ガスをアノード流路２１へ送るエジェクタ３０を有する。エジェクタ３０に水蒸気を送り込むための補機類としては、例えば、液体の水を送り出すポンプと、水を気化させて水蒸気を生成する蒸発器を用いることができる。この場合、燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成に比べると、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、燃料電池システム１における発電効率を向上することができる。
【００２８】
ただし、本実施形態の燃料電池システム１においては、エジェクタ３０を通過させる水蒸気の流量によって、再循環燃料ガスの流量が変化することとなる。そのため、アノード流路２１に供給する水蒸気の流量を調整するに当り、単純に、アノード流路２１へ向かう水蒸気の流量を変化させればよいというものではない。
【００２９】
そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、エジェクタ３０と燃料電池２との間の燃料ガス供給路１１に設けられ、通過するガス中の水分量を低減する凝縮器４０を有する。これにより、エジェクタ３０を通過する水蒸気の流れを維持しつつ、アノード流路２１中の水分量を抑制することができる。その結果、再循環燃料ガスの流量に影響を与えることなく、アノード流路２１中の水分量を調整し、発電効率を向上することができる。
【００３０】
また、エジェクタ３０は、アノード流路２１へ向かって送られる水蒸気の流れを利用して燃料ガスをも吸引し、水蒸気及び再循環燃料ガスと共に燃料ガスをアノード流路２１へ送るよう構成されている。それゆえ、燃料ガスをアノード流路２１に供給するためにブロワ等の補器類を用いる必要が無くなり、補器類における電力消費を抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における発電効率を向上することができる。
【００３１】
特に、本実施形態の燃料電池システム１においては、凝縮器４０は、エジェクタ３０の下流側かつ燃料電池２の上流側に設けてあるため、アノード流路２１へ導入される燃料ガス中の水分量を直接低減することができる。それゆえ、アノード流路２１中の水分量の調整をより正確に行うことができる。
【００３２】
このように、アノード流路２１中の水分量を調整することで発電効率を向上させることができることにつき、以下に説明する。
図３の曲線Ｌ１は、燃料電池システム１におけるＳ／Ｃに対する発電性能の変動を示すものである。図３のグラフは、縦軸が発電性能を示し、横軸がＳ／Ｃを示す。ここで、Ｓ／Ｃ（すなわち、スチームカーボン比）とは、燃料ガス中における水蒸気と、燃料ガスに含まれる炭化水素化合物の炭素量との化学量論比を意味する。また、発電性能とは、発電電圧を意味する。
【００３３】
図３に示すように、Ｓ／Ｃの値が大きくなるにつれて、発電性能が低下することが分かる。これは、次の理由によるものと考えられる。Ｓ／Ｃの値が大きい状態においては、Ｓ／Ｃの値が小さい状態と比較して燃料ガス中の水分量が多くなる。この燃料ガスが、アノード流路２１に供給されることによって、アノード流路２１中の水分量が多くなり、アノード流路２１内における、飽和水蒸気量に対する水蒸気量との比である湿度（すなわち、水蒸気濃度）が高くなる。アノード流路２１内における湿度が高くなることによって、発電において生成された水が、効率的に排出されにくくなり、反応を阻害することとなる。
【００３４】
特に、上記発電性能の低下は、燃料電池システム１の発電負荷が低負荷から高負荷に変動する際に顕著に表れると考えられる。なぜならば、燃料電池システム１の発電負荷が低負荷から高負荷に変動する際に、発電において生成された水の生成量が増えるからである。
【００３５】
また、本実施形態の燃料電池システム１において、凝縮器４０は、エジェクタ３０と改質器５との間の燃料ガス供給路１１に設けられている。これにより、エジェクタ３０を通過する水蒸気の流れを維持しつつ、改質器５に供給される混合流中の水分量を抑制することができる。その結果、再循環燃料ガスの流量に影響を与えることなく、改質器５に供給される混合流中の水分量を調整し、改質性能を向上することができる。なお、改質性能とは、水素転化率を意味する。
【００３６】
このように、改質器５に供給される混合流中の水分量を調整することで改質性能を向上させることができることについても、図３を参照して以下に説明する。
図３の曲線Ｌ２は、燃料電池システム１におけるＳ／Ｃに対する改質性能の変動を示すものである。図３のグラフの縦軸は、改質性能も示す。
【００３７】
図３に示すように、Ｓ／Ｃの値が小さすぎると、改質性能が大きく低下することが分かる。これは、次の理由によるものと考えられる。Ｓ／Ｃの値が小さい状態においては、Ｓ／Ｃの値が大きい状態と比較して混合流中の水蒸気量が少なくなる。そして、改質器５の水蒸気改質反応において必要な水蒸気量を確保することができず、改質器５において水蒸気改質反応が阻害される。それゆえ、改質性能が低下すると考えられる。
【００３８】
そして、Ｓ／Ｃの値が大きすぎても、改質性能は低下する。すなわち、水蒸気量が多すぎると混合流中の燃料ガスの分圧が低くなりすぎるなどして、水蒸気改質反応が阻害されることとなる。
【００３９】
また、Ｓ／Ｃの値が小さすぎると、燃料電池２における炭素析出等の劣化を招きやすいという問題もある。それゆえ、発電性能、改質性能及び炭素析出の問題を勘案して、Ｓ／Ｃを適切な値に調整する必要がある。つまり、上記の問題を勘案し、Ｓ／Ｃの下限値ａ１及び上限値ａ２を設定して、その範囲内にＳ／Ｃを調整することとなる。その際、アノード流路２１に導入される燃料ガス中の水分量を調整する。そして、エジェクタ３０の駆動流として水蒸気を用いる燃料電池システム１において、駆動流に影響を与えることなく、アノード流路２１中の水分量の調整を実現するために、水分量低減部４（すなわち、凝縮器４０）が配されている。このようにして、燃料電池システム１の発電効率を効果的に向上させることができる。
【００４０】
以上のごとく、本実施形態によれば、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システム１を提供することができる。
【００４１】
（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図４に示すように、水蒸気導入路１６には、水を加圧する水ポンプ１６１と、蒸発器１６２とが配置されている。蒸発器１６２は、水ポンプ１６１において加圧された水を加熱すると共に気化させて、水蒸気を生成する。
【００４２】
また、酸化剤供給路１２には、酸化剤ブロワ１２１と予熱器１２２とが設けてある。酸化剤ブロワ１２１は、酸化剤ガスを昇圧して、燃料電池２のカソード流路２２に送り込む。予熱器１２２は、カソード流路２２に供給する前の酸化剤ガスを昇温して、適切な温度に調整する。また、燃料ガス導入路１７には、燃料ブロワ１７１が設けてある。燃料ブロワ１７１は、エジェクタ３０の吸引部３２に吸引される燃料ガスの流量の割合を増やすように、燃料ガスを昇圧する。
【００４３】
その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システム１においては、エジェクタ３０に水蒸気を送り込むための補機類として、水ポンプ１６１と蒸発器１６２とを用いている。それゆえ、水蒸気がコンプレッサにより送り出されるような構成に比べると、補機類の動作負荷を低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、燃料電池システム１における発電効率を更に向上することができる。
【００４５】
このように、本実施形態の燃料電池システム１が、コンプレッサにて水蒸気を再循環装置３（すなわち、エジェクタ３０）へ送り込む場合に比べて発電効率を向上させることができることにつき、以下に説明する。
【００４６】
図５は所謂モリエル線図であって、その横軸は駆動流の比エンタルピであり、その縦軸は駆動流の圧力である。また、臨界点ＣＰよりも左側に描かれた点線Ｌ１１は飽和液線であり、臨界点ＣＰよりも右側に描かれた点線Ｌ１２は飽和蒸気線である。以下では、それぞれ「飽和液線Ｌ１１」及び「飽和蒸気線Ｌ１２」と表記する。
【００４７】
図５の状態点Ｓ０１は、加圧及び加熱が行われる前における水の状態、すなわち、水ポンプ１６１によって加圧される前の水の状態を示す状態点である。また、状態点Ｓ０４は、加圧及び加熱が行われた後における水（水蒸気）の状態、すなわち、駆動流としてエジェクタ３０に供給される直前における水蒸気の状態を示す状態点である。
【００４８】
上述したように、水は、加熱される前において先ず水ポンプ１６１によって加圧される。図５では、加圧された直後であって加熱されるよりも前における水の状態が、状態点Ｓ０２として示されている。水ポンプ１６１の加圧により、水の状態は等エントロピ線ＣＳ１に沿って変化し、状態点Ｓ０１から状態点Ｓ０２へと移行する。
【００４９】
一般的に知られているように、モリエル線図のうち液体の領域（つまり、飽和液線Ｌ１１よりも左側）における等エントロピ線ＣＳ１は、ほぼ縦軸と平行な線となる。このため、状態点Ｓ０１から状態点Ｓ０２に移行する際における比エンタルピの増加量Δｈ１は、比較的小さくなっている。増加量Δｈ１は、水ポンプ１６１が行った仕事、すなわち、水ポンプ１６１の動作負荷に該当する。
【００５０】
水ポンプ１６１によって加圧された後、水は、蒸発器１６２によって加熱され、水蒸気となる。既に述べたように、図５では、水蒸気となった水の状態が状態点Ｓ０４として示されている。状態点Ｓ０２から状態点Ｓ０４に移行する際において、水（水蒸気）の圧力はほぼ一定である。
【００５１】
上記のような水の状態変化と比較するために、最初に水が加熱されて水蒸気となり、その後において水蒸気が加圧される場合の例について説明する。この場合であっても、最初の状態は状態点Ｓ０１であり、最終的な状態は状態点Ｓ０４である。
【００５２】
水の加熱が最初に行われる場合には、水の状態は状態点Ｓ０１から状態点Ｓ０３に移行する。このとき、水（水蒸気）の圧力はほぼ一定である。従って、状態点Ｓ０３における水の圧力は、状態点Ｓ０１と同じく低いままである。
【００５３】
その後、水蒸気の加圧が行われると、水の状態は等エントロピ線ＣＳ２に沿って変化し、状態点Ｓ０３から状態点Ｓ０４へと移行する。一般的に知られているように、モリエル線図のうち気体の領域（つまり、飽和蒸気線Ｌ１２よりも右側）における等エントロピ線ＣＳ２は、等エントロピ線ＣＳ１に比べて右側に傾斜した線となる。このため、状態点Ｓ０３から状態点Ｓ０４に移行する際における比エンタルピの増加量Δｈ２は、比較的大きくなっている。
【００５４】
このように、水が水蒸気（つまり気体）となった後に加圧されるような構成においては、水蒸気を加圧するための補機類（例えば、コンプレッサ）の動作負荷が大きくなってしまう。その結果、補機類における電力消費が大きくなり、燃料電池システム１における発電効率が低下してしまう。
【００５５】
それに対し本実施形態では、水が液体となっている状態において先ず加圧を行う構成とすることで、駆動流体の圧力を上昇させるために必要な補機類（すなわち、水ポンプ１６１）の電力消費を抑制することができる。このようにして、燃料電池システム１の発電効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００５６】
（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図６に示すように、再循環装置３として、圧縮機３５を用いている。
圧縮機３５は、タービンインペラ３６と、コンプレッサインペラ３７とを有する。タービンインペラ３６は、水蒸気の流れによって回転する。コンプレッサインペラ３７は、タービンインペラ３６と共に回転することによって燃料再循環路１５から再循環燃料ガスを吸引し、水蒸気と共に再循環燃料ガスをアノード流路２１へ送る。
【００５７】
具体的には、タービンインペラ３６とコンプレッサインペラ３７とは、回転軸３８によって連結されている。回転軸３８は、タービンインペラ３６の回転に伴ってコンプレッサインペラ３７を回転させる。回転軸３８は、タービンインペラ３６を内部に配するタービン室３６１と、コンプレッサインペラ３７を内部に配するコンプレッサ室３７１とに回転可能に支持されている。タービン室３６１とコンプレッサ室３７１とは、水蒸気排出路３９によって接続されている。水蒸気排出路３９には、タービン室３６１から排出される水蒸気が流れる。また、タービン室３６１に、水蒸気導入路１６の下流端が接続されており、コンプレッサ室３７１に、燃料ガス供給路１１の上流端及び燃料再循環路１５の下流端が接続されている。
【００５８】
また、コンプレッサインペラ３７は、タービンインペラ３６と共に回転することによって燃料ガスをも吸引し、水蒸気及び再循環燃料ガスと共に燃料ガスをアノード流路２１へ送るよう構成されている。具体的には、コンプレッサ室３７１に、燃料ガスが流れる燃料ガス導入路１７の下流端が接続されている。これにより、コンプレッサインペラ３７は、タービンインペラ３６と共に回転することによって水蒸気排出路３９から水蒸気を吸引し、燃料再循環路１５から再循環燃料ガスを吸引すると共に、燃料ガス導入路１７から燃料ガスを吸引する。そして、コンプレッサ室３７１において水蒸気と再循環燃料ガスと燃料ガスとを混合し、混合流としてアノード流路２１へ送る。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００５９】
（実施形態４）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図７に示すように、燃料ガス排出路１３に水分量低減部４が設けられている。
すなわち、水分量低減部４は、燃料ガス排出路１３と燃料再循環路１５との接続部１３１よりも上流側の燃料ガス排出路１３に設けられている。水分量低減部４として、本実施形態においては、凝縮器４０を用いている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００６０】
本実施形態の燃料電池システム１においては、凝縮器４０は、アノード流路２１の下流側に設けてあるため、アノード流路２１から排出された排出燃料ガス中の水分量を低減することができる。すなわち、凝縮器４０は、排出燃料ガスの一部であり、エジェクタ３０の吸引部３２に吸引される再循環燃料ガス中の水分量を低減することができる。これにより、エジェクタ３０を通過する水蒸気の流れを維持しつつ、エジェクタ３０の吐出部３３から吐出される混合流中の水分量を抑制することができる。その結果、再循環燃料ガスの流量に影響を与えることなく、アノード流路２１中の水分量を調整し、発電効率を向上することができる。
【００６１】
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。ただし、実施形態１においては、水分量低減部４を燃料ガス排出路１３ではなく、燃料ガス供給路１１に設けているため、本実施形態よりも実施形態１の方が、発電効率を向上させ易い。
【００６２】
（実施形態５）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図８に示すように、燃料再循環路１５に水分量低減部４が設けられている。水分量低減部４として、本実施形態においては、凝縮器４０を用いている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００６３】
本実施形態の燃料電池システム１においては、凝縮器４０は、燃料再循環路１５に設けてあるため、エジェクタ３０の吸引部３２に吸引される再循環燃料ガス中の水分量を直接低減することができる。それゆえ、実施形態４の燃料電池システム１と比較して、再循環燃料ガス中の水分量の調整をより正確に行うことができる。その結果、実施形態４の燃料電池システム１と同じく、再循環燃料ガスの流量に影響を与えることなく、アノード流路２１中の水分量を調整し、発電効率を向上することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。ただし、実施形態４と同じく、本実施形態よりも実施形態１の方が、発電効率を向上させ易い。
【００６４】
（実施形態６）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図９に示すように、水分量検出部２７と、水分量低減部４を制御する制御部６とを更に備える。水分量検出部２７は、アノード流路２１内の水分量を検出する。制御部６は、水分量検出部２７による水分検出量に基づき、水分量低減部４による水分量の低減を行うことができるよう構成されている。
【００６５】
すなわち、制御部６は、水分検出量に基づき凝縮器４０を調整し、混合流の冷却量を調整する。ここで、冷却量とは、単位時間あたりに水蒸気から除去される熱量である。
水蒸気の冷却量調整は、例えば、凝縮器４０の内部を通過する冷媒の温度を変化させることによって行うことができる。
【００６６】
制御部６は、水分検出量に応じて、以下のように水蒸気の冷却量を変化させる。すなわち、水分検出量が所定の閾値に比べて大きすぎると判断されたとき、アノード流路２１内の水分量が小さくなるように、水蒸気の冷却量を大きくする。一方、水分検出量が所定の閾値に比べて小さすぎると判断されたとき、アノード流路２１内の水分量が大きくなるように、水蒸気の冷却量を小さくする。
また、制御部６は、水分量検出部２７における水分検出量の大きさに応じて、凝縮器４０における水蒸気の冷却量を大きくするよう調整することもできる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００６７】
本形態の燃料電池システム１は、水分量検出部２７による水分検出量に基づき、水分量低減部４による水分量の低減を行うことができる。それゆえ、エジェクタ３０を通過する水蒸気の流れを維持しつつ、アノード流路２１中の水分量を調整することができる。その結果、再循環燃料ガスの流量に影響を与えることなく、Ｓ／Ｃを調整し、発電効率を向上することができる。
【００６８】
（実施形態７）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図１０に示すように、水分量低減部４として、除湿器４１を用いている。除湿器４１は、水分量低減部４である除湿器４１を通過するガス中の水分を透過させる水分透過膜４１１を有する。除湿器４１は、水分透過膜４１１を透過した水分を上記ガスから除去するよう構成されている。
【００６９】
すなわち、除湿器４１は、エジェクタ３０の吐出部３３から吐出された混合流が除湿器４１を通過する際に、水分透過膜４１１を透過した混合流中の水分を混合流から除去することで、混合流中の水分量を低減させる。具体的には、水分透過膜４１１は、混合流中の水分を透過させると共に、混合流中の燃料ガスを透過させないように構成されている。水分透過膜４１１を透過しない燃料ガスは、除湿器４１を通過して、アノード流路２１側へ吐出される。一方、水分透過膜４１１を透過した水分は、除湿器４１から外部に排出される。なお、除湿器４１として、例えば、ＵＢＥメンブレンドライヤー（宇部興産株式会社の商標）を用いることができる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００７０】
（実施形態８）
本実施形態の燃料電池システム１においては、図１１に示すように、水分量低減部４として、分離器４２を用いている。分離器４２は、水分量低減部４である分離器４２を通過するガス中の不凝縮ガスを透過させる不凝縮ガス透過膜４２１を有する。分離器４２は、不凝縮ガス透過膜４２１を透過した不凝縮ガスを、凝縮ガスから分離して下流側へ送るよう構成されている。ここで、「不凝縮ガス」とは、冷却して凝縮させることができないガスをいう。本実施形態における不凝縮ガスは、燃料ガスである。また、「凝縮ガス」とは、冷却して凝縮させることができるガスをいう。本実施形態における凝縮ガスは、燃料ガス中の水分（すなわち、水蒸気）である。
【００７１】
すなわち、分離器４２は、エジェクタ３０の吐出部３３から吐出された混合流が分離器４２を通過する際に、不凝縮ガス透過膜４２１を透過した混合流中の燃料ガスを、混合流中の水分から分離してアノード流路２１側へ送るよう構成されている。具体的には、不凝縮ガス透過膜４２１は、混合流中の燃料ガスを透過させると共に、混合流中の水分を透過させないように構成されている。不凝縮ガス透過膜４２１を透過しない水分は、分離器４２を通過して、外部に排出される。一方、不凝縮ガス透過膜４２１を透過した燃料ガスは、分離器４２からアノード流路２１側へ吐出される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００７２】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  燃料電池システム
１１  燃料ガス供給路
１２  酸化剤ガス供給路
１３  燃料ガス排出路
１４  酸化剤ガス排出路
１５  燃料再循環路
２  燃料電池
３  再循環装置
４  水分量低減部
【図１】
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【図２】
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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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【図１０】
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【図１１】
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