(57)【要約】【課題】システムの簡素化及び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、燃料ガス供給路１１に設けられた改質器３と、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる第１循環路４１と、燃料ガス供給路１１に設けられ、燃料ガス供給路１１を流れる燃料ガスの流れを駆動流として利用して、第１循環ガスを吸引するエジェクタ５と、燃料ガスを、エジェクタ５よりも下流側の燃料ガス供給路１１又は燃料ガス排出路１３から、エジェクタ５よりも上流側の燃料ガス供給路１１に、第２循環ガスとして循環させる第２循環路４２と、を備えている。【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上記燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
上記燃料ガス供給路に設けられて上記燃料ガスを改質する改質器（３）と、
上記燃料ガスを、上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる第１循環路（４１）と、
上記燃料ガス供給路に設けられ、該燃料ガス供給路を流れる上記燃料ガスの流れを駆動流として利用して、上記第１循環ガスを吸引する循環装置（５）と、
上記燃料ガスを、上記循環装置よりも下流側の上記燃料ガス供給路又は上記燃料ガス排出路から、上記循環装置よりも上流側の上記燃料ガス供給路に、第２循環ガスとして循環させる第２循環路（４２）と、を備えている、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
上記第２循環路には、上記第２循環ガスの流量を制御する流量制御部（４２１、４２２）が設けてある、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記第２循環路には、上記第２循環ガス中の水分を凝縮する凝縮器（４２３）が設けてある、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記凝縮器において生じる凝縮熱を、上記酸化剤ガス供給路における上記酸化剤ガスへ移動させることができる酸化剤用熱交換部（１２２）を有する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記凝縮器において生じる凝縮熱を、上記燃料ガス供給路における上記燃料ガスへ移動させることができる燃料用熱交換部（１１４）を有する、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
上記燃料ガス供給路には、上記燃料ガス中の水分量を検知する水分量検知部（１１３）が設けてある、請求項３〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
上記燃料ガス供給路における、上記第２循環路との合流部と上記循環装置との間に、水蒸気を供給する水蒸気供給路が接続されている、請求項３〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
上記燃料ガス供給路には、水素を利用して上記燃料ガスに含まれる硫黄分を除去する、水添脱硫器（６）が設けられている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
上記改質器は、部分酸化改質反応によって水素を得ることができるものであって、上記改質器の上流側の上記燃料ガス供給路に、上記部分酸化改質反応に用いる酸化剤を供給する改質用酸化剤供給部（１１２）を備えている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
上記改質用酸化剤供給部は、上記循環装置と上記改質器との間における上記燃料ガス供給路に設けてある、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記第２循環路は、上記改質器よりも下流側の上記燃料ガス供給路又は上記燃料ガス排出路から、上記循環装置よりも上流側の上記燃料ガス供給路に、上記燃料ガスを循環させるよう構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記第２循環路は、上記改質器と上記燃料電池との間における上記燃料ガス供給路から、上記循環装置よりも上流側の上記燃料ガス供給路に、上記燃料ガスを循環させるよう構成されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記第２循環路は、上記循環装置と上記改質器との間における上記燃料ガス供給路から、上記循環装置よりも上流側の上記燃料ガス供給路に、上記燃料ガスを循環させるよう構成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
上記第１循環路における上記第１循環ガスの流量を検知する第１循環流量検知部（４１１）が設けてある、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
上記第１循環流量検知部は、上記燃料電池の出力電圧を基に、上記第１循環ガスの流量を検知するよう構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
上記第１循環流量検知部は、上記第１循環ガスの組成を基に、上記第１循環ガスの流量を検知するよう構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
上記アノード流路から排出された上記燃料ガス及び上記カソード流路から排出された上記酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器をさらに有し、上記第１循環流量検知部は、上記燃焼器におけるバーナーの温度を基に、上記第１循環ガスの流量を検知するよう構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
上記第２循環路における上記第２循環ガスの流量を検知する第２循環流量検知部が設けてある、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
上記第２循環流量検知部は、上記循環装置の吸引部の入口圧力を基に、上記第２循環ガスの流量を検知するよう構成されている、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
上記第２循環流量検知部は、上記改質器の出口における上記燃料ガスの温度を基に、上記第２循環ガスの流量を検知するよう構成されている、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
上記第２循環ガスの流量を制御する流量制御部と、上記アノード流路から排出される上記燃料ガスの流量を検知する排出量検知部とをさらに備え、上記第１循環流量検知部による第１検知流量と、上記第２循環流量検知部による第２検知流量と、上記排出量検知部による検知排出量と、に基づいて、上記流量制御部にて上記第２循環ガスの流量を調整するよう構成されている、請求項１８〜２０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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの効率を向上させる技術として、燃料ガスを循環させる技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示の燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出された未利用の燃料ガスに含まれる水蒸気を、凝縮器にて凝縮して、蓄える。一方、水蒸気が除去されたリサイクル用の燃料ガスを、エジェクタによって吸引して燃料ガス供給路へ循環させる。また、凝縮器に蓄えられた凝縮水を、ポンプによって、循環用の水経路を通じて、エジェクタの上流側における燃料ガス供給路に合流させる。これにより、エジェクタに流れる駆動流の質量流量を調整して、燃料ガスの循環率を目標の循環率に近付けることができるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３５７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料電池システムにおいては、循環用の水経路を通じて凝縮水を燃料ガス供給路に循環させる。それゆえ、循環させる凝縮水を圧送するポンプを循環用の水経路に設けることが必要であるのみならず、駆動流の増加に用いるために凝縮水を再び気化させるための蒸発器を循環用の水経路に設けることが必要となる。それゆえ、システムの簡素化、システム全体のエネルギー効率の向上という観点で、改善の余地があると言える。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、システムの簡素化及び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しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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上記燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
上記燃料ガス供給路に設けられて上記燃料ガスを改質する改質器（３）と、
上記燃料ガスを、上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる第１循環路（４１）と、
上記燃料ガス供給路に設けられ、該燃料ガス供給路を流れる上記燃料ガスの流れを駆動流として利用して、上記第１循環ガスを吸引する循環装置（５）と、
上記燃料ガスを、上記循環装置よりも下流側の上記燃料ガス供給路又は上記燃料ガス排出路から、上記循環装置よりも上流側の上記燃料ガス供給路に、第２循環ガスとして循環させる第２循環路（４２）と、を備えている、燃料電池システム（１）にある。
【発明の効果】
【０００７】
上記燃料電池システムは、上記第１循環路と上記第２循環路とを有する。そして、上記第２循環路は、循環装置よりも下流側の燃料ガスを、第２循環ガスとして循環させて、循環装置の上流側の燃料ガス供給路に合流させることができる。これにより、循環装置に駆動流として送り込まれる燃料ガスの質量流量を増加させることができる。その結果、循環装置に吸引流として吸引される第１循環ガスの量を増加させることができる。
【０００８】
その一方で、第２循環路を循環する第２循環ガスは、気体のまま循環して、循環装置の上流側に合流される。そのため、第２循環路に蒸発器などを設ける必要も特になく、蒸発のためのエネルギーを要することも特にない。
その結果、システムの簡素化を図ることができるとともに、発電効率を向上させることができる。
【０００９】
以上のごとく、上記態様によれば、システムの簡素化及び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】
【００１０】
【図１】実施形態１における、燃料電池システムの説明図。
【図２】実施形態２における、燃料電池システムの説明図。
【図３】実施形態３における、燃料電池システムの説明図。
【図４】実施形態４における、燃料電池システムの説明図。
【図５】実施形態５における、燃料電池システムの説明図。
【図６】実施形態６における、燃料電池システムの説明図。
【図７】実施形態７における、燃料電池システムの説明図。
【図８】実施形態８における、燃料電池システムの説明図。
【図９】実施形態９における、燃料電池システムの説明図。
【図１０】実施形態１０における、燃料電池システムの説明図。
【図１１】実施形態１１における、燃料電池システムの制御フロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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に示すごとく、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、改質器３と、第１循環路４１と、循環装置としてのエジェクタ５と、第２循環路４２と、を備えている。
【００１２】
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は、アノード流路２１から排出された燃料ガスが流れる。改質器３は、燃料ガス供給路１１に設けられて燃料ガスを改質する。第１循環路４１は、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる。エジェクタ５は、燃料ガス供給路１１に設けられている。エジェクタ５は、燃料ガス供給路１１を流れる燃料ガスの流れを駆動流として利用して、第１循環ガスを吸引する。第２循環路４２は、燃料ガスを、改質器３よりも下流側の燃料ガス供給路１１から、エジェクタ５よりも上流側の燃料ガス供給路１１に、第２循環ガスとして循環させる。
【００１３】
本実施形態の燃料電池システム１は、改質器３において改質された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、燃料電池２において反応させて、発電する。燃料電池２は、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を有している。本実施形態においては、電解質体として固体酸化物セラミックスを用いた、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）を、燃料電池２とすることができる。
【００１４】
燃料ガス供給路１１には、改質器３と、その上流側に配されたエジェクタ５とが設けてある。また、燃料ガス供給路１１におけるエジェクタ５の上流側には、燃料ガスをエジェクタ５へ送り込むブロア１１１が設けてある。燃料ガス供給路１１の上流端から、改質前の燃料ガスＦが導入される。また、ブロア１１１よりも上流側における燃料ガス供給路１１に、第２循環路４２から第２循環ガスが導入される。第２循環ガスと混合された燃料ガスＦは、ブロア１１１によってエジェクタ５へ送り込まれる。
【００１５】
このエジェクタ５へ送り込まれた燃料ガスが、駆動流となる。そして、燃料ガスは、エジェクタ５において吸引流として吸引された第１循環ガスとともに、改質器３へ送り込まれる。燃料ガスは、改質器３において水素を含む燃料ガスに改質される。この改質後の燃料ガスが、燃料電池２のアノード流路２１に供給される。
改質前の燃料ガスＦとしては、例えば、炭化水素の一種であるメタンを用いることができる。
【００１６】
エジェクタ５は、ノズル部５１と、吸引部５２と、吐出部５３と、を有する。ノズル部５１は、燃料ガス供給路１１の上流側から導入された燃料ガスを、駆動流として噴射する。吸引部５２は、ノズル部５１から噴射される駆動流によって第１循環路４１から第１循環ガスを、吸引流として吸引する。吐出部５３は、駆動流と吸引流とを混合した混合流を、燃料ガス供給路１１の下流側へ吐出する。
【００１７】
酸化剤ガス供給路１２には、燃料電池２に導入される酸化剤ガスを予熱する予熱器１２１が設けてある。これにより、酸化剤ガス供給路１２の上流端から導入された酸化剤ガスＡを、予熱器１２１によって加熱して、昇温する。昇温された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１２から燃料電池２のカソード流路２２に供給される。酸化剤ガスとしては、例えば空気を用いることができる。
【００１８】
上記のように、アノード流路２１に導入された燃料ガス中の水素と、カソード流路２２に導入された酸化剤ガス中の酸素とが、燃料電池２において反応して、発電が行われる。そして、アノード流路２１から排出された燃料ガス及びカソード流路２２から排出された酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出路１３及び酸化剤ガス排出路１２０を通り、燃焼器１４に導入される。燃料電池２から排出された燃料ガスには、反応によって生じた水蒸気と、反応に使われなかった水素とが含まれる。また、燃料電池２から排出された酸化剤ガスには、反応に使われなかった酸素が含まれる。これらの水素と酸素とが、燃焼器１４において反応して燃焼する。燃焼後の燃焼ガスは、燃焼器１４から排出される。
【００１９】
燃料ガス排出路１３には、第１循環路４１の一端が接続されている。そして、第１循環路４１の他端が、エジェクタ５の吸引部５２に接続されている。これにより、アノード流路２１から燃料ガス排出路１３に排出された燃料ガスの一部が、第１循環路４１を介して、第１循環ガスとして、エジェクタ５から燃料ガス供給路１１における、改質器３の上流側に循環される。上述のように、燃料ガス排出路１３の燃料ガスの一部でもある第１循環ガスは、水蒸気及び水素を含む。それゆえ、第１循環ガスがエジェクタ５において改質前の燃料ガスと混合されることで、そこに含まれる水素がアノード流路２１に供給され、燃料として利用される。また、第１循環ガスに含まれる水蒸気は、改質器３において燃料ガスの改質に利用される。
【００２０】
また、燃料ガス供給路１１における改質器３の下流側に、第２循環路４２の一端が接続されている。第２循環路４２の他端は、燃料ガス供給路１１のブロア１１１よりも上流側に接続されている。また、第２循環路４２には、第２循環ガスの流量を制御する流量制御部４２１が設けてある。
【００２１】
改質器３によって改質された燃料ガスは、第２循環路４２から第２循環ガスとして、ブロア１１１よりも上流側の燃料ガス供給路１１に循環されることとなる。この第２循環ガスは、上述のように、改質前の燃料ガスＦとともに、ブロア１１１によってエジェクタ５に、駆動流として導入される。そのため、駆動流の質量流量を大きくすることができる。その結果、エジェクタ５の吸引流として、第１循環ガスを多く吸引することができる。つまり、第１循環ガスの循環率を高めることができる。
【００２２】
また、流量制御部４２１によって第２循環ガスの流量を適宜制御することができる。これに伴い、エジェクタ５における駆動流を調整できることとなるため、第１循環ガスの流量を調整することができる。例えば、所望の発電量が大きいときは、流量制御部４２１の開度を大きくして、第２循環ガスの質量流量を増やし、第１循環ガスの循環率を高める。一方、所望の発電量が小さいときは、流量制御部４２１の開度を小さくして、第２循環ガスの質量流量を減らし、第１循環ガスの循環率を下げる。
【００２３】
なお、図１に示すごとく、第１循環路４１に、第１循環ガスの流量を検知する第１循環流量検知部４１１を設けることが考えられる。この場合、第１循環流量検知部４１１によって検知される第１循環ガスの循環流量に基づいて、流量制御部４２１の開度を調整することができる。
【００２４】
また、流量制御部４２１は、第２循環ガスの循環を停止させることができるようにしてもよい。また、流量制御部４２１は、例えば、開閉のみが制御可能で、第２循環ガスの循環を行うか行わないかの２段階のみの制御ができるような構成としてもよい。
【００２５】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システム１は、第１循環路４１と第２循環路４２とを有する。そして、第２循環路４２は、エジェクタ５よりも下流側の燃料ガスを、第２循環ガスとして循環させて、エジェクタ５の上流側の燃料ガス供給路１１に合流させることができる。これにより、エジェクタ５に駆動流として送り込まれる燃料ガスの質量流量を増加させることができる。その結果、エジェクタ５に吸引流として吸引される第１循環ガスの量を増加させることができる。
【００２６】
その一方で、第２循環路４２を循環する第２循環ガスは、気体のまま循環して、エジェクタ５の上流側に合流される。そのため、第２循環路４２に蒸発器などを設ける必要も特になく、蒸発のためのエネルギーを要することも特にない。
その結果、システムの簡素化を図ることができるとともに、発電効率を向上させることができる。
【００２７】
また、第２循環路４２には、第２循環ガスの流量を制御する流量制御部４２１が設けてある。これにより、上述したように、第２循環ガスの流量を調整し、第１循環ガス循環率を調整することができる。
また、第２循環路４２は、改質器３と燃料電池２との間における燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるよう構成されている。これにより、改質直後の燃料ガスであって、燃料成分が多く含まれる燃料ガスを、第２循環ガスとして循環させることができる。
【００２８】
以上のごとく、本実施形態によれば、システムの簡素化及び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。
【００２９】
（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システム１は、図２に示すごとく、第２循環路４２に、第２循環ガス中の水分を凝縮する凝縮器４２３が設けてある。
凝縮器４２３は、流量制御部４２１の上流側に配されている。凝縮器４２３は、第２循環ガスを冷却して、第２循環ガスに含まれる水蒸気を、液体の水に凝縮する。これにより、凝縮器４２３において、第２循環ガスは、液水と、気体とに分離される。この気体は、水分量が少なくなった乾いた燃料ガスである。また、この気体は、水素を含む燃料ガスである。
【００３０】
そして、上記のような乾いた燃料ガスが、ブロア１１１の上流側における燃料ガス供給路１１に導入される。つまり、第２循環ガスである乾いた燃料ガスが、改質前の燃料ガスＦと、燃料ガス供給路１１において混合される。この混合された燃料ガスがブロア１１１を通じてエジェクタ５に、駆動流として導入される。
【００３１】
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。
【００３２】
本実施形態においては、第２循環ガスにおける水分を除去することができる。これにより、エジェクタ５に駆動流として導入する燃料ガス中の水分量を調整することができる。その結果、燃料電池２のアノード流路２１に導入される燃料ガス中の水分量を、容易に調整することができる。
【００３３】
また、本実施形態においては、第２循環路４２によって改質後の燃料ガスを循環させる。そのため、改質前の燃料ガスを循環させる場合や、燃料ガス排出路１３から循環させる場合に比べ、第２循環ガス中の水分量を少なくすることができる。それゆえ、凝縮器４２３によって水分が除去されることによる第２循環ガスの質量流量の低下を抑制することができる。その結果、エジェクタ５に駆動流として送り込まれる燃料ガスの質量流量を確保しやすい。
【００３４】
また、図２に示すごとく、燃料ガス供給路１１に、燃料ガス中の水分量を検知する水分量検知部１１３を設けることも考えられる。この場合、水分量検知部１１３によって検知される水分量に基づいて、流量制御部４２１の開度の調整を行うことができる。水分量検知部１１３は、エジェクタ５と改質器３との間の燃料ガス供給路１１に設けることができる。
【００３５】
なお、図２においては、図１に示した第１循環流量検知部４１１を示していないが、本実施形態においても、第１循環流量検知部４１１を設けることができる。この場合、第１循環流量検知部４１１によって検知された第１循環ガスの流量と、水分量検知部１１３によって検知された水分量との双方に基づいて、流量制御部４２１の開度を調整することが考えられる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００３６】
（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システム１は、図３に示すごとく、凝縮器４２３と酸化剤ガス供給路１２との間に、酸化剤用熱交換部１２２を設けてなる。
酸化剤用熱交換部１２２は、凝縮器４２３において生じる凝縮熱を、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスへ移動させることができるよう構成されている。
【００３７】
すなわち、凝縮器４２３においては、第２循環ガス中の水分が凝縮する際に、凝縮熱が発生する。この凝縮熱を、酸化剤用熱交換部１２２を通じて、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスへ移動させる。これにより、酸化剤ガスの温度は上昇する。昇温された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１２を通じて燃料電池２のカソード流路２２へ向かう。そして、昇温された酸化剤ガスは、酸化剤用熱交換部１２２と燃料電池２との間に配された予熱器１２１において、さらに昇温されて、カソード流路２２に供給される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００３８】
本実施形態においては、凝縮器４２３において発生した凝縮熱を有効利用して、酸化剤ガスの昇温に用いることができる。それゆえ、酸化剤ガスをカソード流路２２に供給する前に、予熱器１２１において酸化剤ガスに与える熱エネルギーを小さくすることができる。これにより、システム効率をより向上させることができる。
あるいは、燃料電池２のカソード流路２２に供給される酸化剤ガスの温度をより高くすることができる。この場合、燃料電池２の発電効率を向上させることができる。
このように、凝縮器４２３において発生する凝縮熱を、燃料電池システム１内において有効利用することで、燃料電池システム１のシステム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有する。
【００３９】
（実施形態４）
本実施形態の燃料電池システム１は、図４に示すごとく、燃料ガス供給路１１に水添脱硫器６が設けられている。
水添脱硫器６は、水素を利用して燃料ガスＦに含まれる硫黄分を除去する。すなわち、水添脱硫器６は、硫黄分を水素と反応させて、燃料ガスＦから硫黄分を除去するよう構成されている。
【００４０】
燃料ガス供給路１１に導入される原料の燃料ガスＦとして用いられる都市ガスなどには、通常、付臭剤として、硫黄化合物が添加されている。しかし、硫黄化合物が改質器３、燃料電池２に、燃料ガスと共に供給されると、改質器３や燃料電池２の触媒が被毒するおそれがある。それゆえ、燃料ガス供給路１１において、燃料ガスから硫黄分を除去することが望ましい。そこで、硫黄分を除去するための脱硫器として、水素を用いて硫黄分を除去する水添脱硫器６を、燃料ガス供給路１１に配設している。
【００４１】
水添脱硫器６は、燃料ガス供給路１１におけるエジェクタ５の上流側に配設されている。より具体的には、水添脱硫器６は、燃料ガス供給路１１におけるブロア１１１とエジェクタ５との間に、設けてある。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００４２】
燃料ガス供給路１１には、第２循環路４２から第２循環ガスが導入される。上述のように、第２循環ガスには、水素が含まれている。この水素が、燃料ガス供給路１１を通じて、燃料ガスとともに、水添脱硫器６に導入される。そして、水添脱硫器６において、燃料ガス中の硫黄分と、水素とが反応する。これにより、燃料ガスから硫黄分を除去することができる。
【００４３】
本実施形態においては、特に、第２循環路４２は、改質器３と燃料電池２との間の燃料ガス供給路１１から、水添脱硫器６よりも上流側の燃料ガス供給路１１に、燃料ガスを循環させるよう構成されている。それゆえ、第２循環ガスは、特に水素を多く含んだ燃料ガスとなる。それゆえ、水添脱硫器６に導入される水素の量を多くすることができ、効果的な脱硫を行うことができる。
【００４４】
また、第２循環路４２には、凝縮器４２３が配設され、第２循環ガスは、水分量の少ない、乾いた燃料ガスとなる。それゆえ、水添脱硫器６に導入される燃料ガスも、水分量の少ないガスとすることができる。したがって、水添脱硫器６の触媒の劣化を抑制し、水添脱硫器６の耐久性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有する。
【００４５】
（実施形態５）
本実施形態の燃料電池システム１は、図５に示すごとく、改質器３を、部分酸化改質反応によって水素を得ることができるものとしている。
そして、燃料電池システム１は、改質器３の上流側の燃料ガス供給路１１に、部分酸化改質反応に用いる酸化剤を供給する改質用酸化剤供給部１１２を備えている。
【００４６】
部分酸化改質反応は、燃料ガスに酸化剤を混合して、燃料ガスを改質し、水素と一酸化炭素を生成する反応である。すなわち、メタンと酸素とを反応させて、水を生成し、その水とメタンとが反応して、水素と一酸化炭素とが生成される。このとき、外部から熱を加えることなく、反応が進む。
【００４７】
改質用酸化剤供給部１１２から供給される酸化剤は、例えば、空気とすることができる。
改質用酸化剤供給部１１２は、エジェクタ５と改質器３との間における燃料ガス供給路１１に設けてある。また、改質器３は、部分酸化改質反応と、水蒸気改質反応との双方を行うことができるよう構成されていてもよい。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００４８】
本実施形態においては、改質器３が、部分酸化改質反応によって水素を得ることができる。そのため、改質器３に導入される燃料ガスに含まれる水分が極めて少ない場合などにおいても、燃料ガスを改質して、充分な水素を生成することができる。特に、燃料電池２が発電を停止している場合などにおいては、燃料電池２において水分が生成されない。その結果、第１循環ガス及び第２循環ガスにおける水分も少なくなる。かかる場合、改質器３に導入される燃料ガス中の水分が少なくなり、水蒸気改質にて水素を充分に生成することが困難となる。そこで、改質器３が部分酸化改質反応にて水素を生成することができるよう構成されていることにより、水素を充分に得ることができる。これに伴い、水添脱硫器６に供給する水素も確保することができる。
【００４９】
また、改質器３が、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応との双方を行うことができるよう構成されている場合、燃料電池２の発電時には水蒸気改質反応、停止時は部分酸化改質反応、をそれぞれ用いるようにすることもできる。
【００５０】
また、改質用酸化剤供給部１１２が、エジェクタ５と改質器３との間における燃料ガス供給路１１に設けてある。これにより、改質器３に効率的に酸化剤を供給することができると共に、エジェクタ５のノズル部５１等の酸化を抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００５１】
（実施形態６）
本実施形態の燃料電池システム１は、図６に示すごとく、第２循環路４２に設ける流量制御部４２２として、ブロアを採用している。
また、燃料ガス供給路１１におけるブロア１１１は、第２循環路４２との接続部よりも上流側に配置してある。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００５２】
本実施形態においては、第２循環ガスの循環量を、第２循環路４２に設けたブロア４２２の回転数の制御によって行うことができる。そして、第２循環ガスと、原燃料の状態の燃料ガスＦとを、それぞれ個別のブロア４２２、１１１によって、エジェクタ５へ送ることとなる。それゆえ、各ブロア４２２、１１１における燃料ガスの流量を小さくすることができ、各ブロア４２２、１１１の小型化、低コスト化を図ることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００５３】
（実施形態７）
本実施形態の燃料電池システム１は、図７に示すごとく、第２循環路４２が、エジェクタ５と改質器３との間の燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるようにしたものである。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００５４】
本実施形態においては、改質前のＣＯ濃度の低い燃料ガスを循環させることとなる。そのため、第２循環ガス中から除去すべきＣＯの量を少なくすることができる。つまり、実際には、ブロア１１１の上流側に燃料ガスを循環させる際、燃料ガスに含まれるＣＯを除去する。そのために、ＣＯ除去装置（図示略）を第２循環路４２に設けるが、このＣＯ除去装置を小型化することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００５５】
（実施形態８）
本形態は、図８に示すごとく、第２循環路４２が、燃料ガス排出路１３から、燃料ガスを循環させるようにした、燃料電池システム１の形態である。
すなわち、上記実施形態１〜７においては、第２循環路４２が、エジェクタ５と燃料電池２との間における燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるよう構成されているものを示したが、本発明は、これに限られない。そして、本形態においては、第２循環路４２が、燃料電池２の下流側における燃料ガス排出路１３から、燃料ガスを循環させるよう構成されている。
その他の構成は、実施形態１と同様であり、同様の作用効果を奏する。
【００５６】
（実施形態９）
本実施形態の燃料電池システム１は、図９に示すごとく、凝縮器４２３と燃料ガス供給路１１との間に、燃料用熱交換部１１４を設けてなる。
燃料用熱交換部１１４は、凝縮器４２３において生じる凝縮熱を、燃料ガス供給路１１における燃料ガスへ移動させることができるよう構成されている。すなわち、実施形態３においては、凝縮器４２３と酸化剤ガス供給路１２との間に酸化剤用熱交換部１２２を設けたが、これに替えて、本形態においては、燃料用熱交換部１１４を設けている。
【００５７】
本形態においては、凝縮器４２３における凝縮熱を、燃料用熱交換部１１４を通じて、燃料ガスへ移動させることができる。これにより、エジェクタ５に導入される燃料ガスを体積膨張させることができる。それゆえ、エジェクタ５に駆動流として導入される燃料ガスの体積流量を向上させ、第１循環ガスの流量を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を有する。
なお、実施形態３と本形態とを組み合わせ、酸化剤用熱交換部１２２と燃料用熱交換部１１４との双方を設けることもできる。
【００５８】
（実施形態１０）
本実施形態は、図１０に示すごとく、燃料ガス供給路１１における、第２循環路４２との合流部とエジェクタ５との間に、水蒸気を供給する水蒸気供給路１５が接続されている、燃料電池システム１の形態である。
【００５９】
水蒸気供給路１５は、液体の水を圧送する水ポンプ１５１と、水を蒸発させる蒸発器１５２とを備えている。これにより、水蒸気を、エジェクタ５の上流側における燃料ガス供給路１１に合流させることができるよう構成されている。
本形態の燃料電池システム１は、実施形態４の燃料電池システム１と同様の基本構成に、水蒸気供給路１５を追加したものである。そして、水添脱硫器６とエジェクタ５との間における燃料ガス供給路１１に、水蒸気供給路１５の下流端が接続されている。
その他の構成は、実施形態４と同様である。
【００６０】
本形態においては、水蒸気によって燃料ガス供給路１１からエジェクタ５に導入される駆動流の流量を、容易に増加させることができる。すなわち、第２循環路４２からの第２循環ガスの合流による駆動流の増量に加え、水蒸気供給路１５からの水蒸気の合流による駆動流の増量を可能とする。これにより、エジェクタ５における吸引流を増やすことができ、第１循環ガスの循環率を高めることができる。
【００６１】
なお、本形態においては、燃料ガス供給路１１における燃料ガス中の水分量が増えることとなる。ただし、本形態の燃料電池システム１は、第２循環路４２に凝縮器４２３を備えている。これにより、燃料ガス供給路１１における水分量を調整することが可能である。それゆえ、燃料電池２におけるＳ／Ｃ（すなわち、スチームカーボン比）が過大となることを抑制することができる。
その他、実施形態４と同様の作用効果を有する。
【００６２】
（実施形態１１）
本実施形態においては、図１１に示すごとく、流量制御部４２１による第２循環ガスの流量制御方法の一形態を示す。
本形態の燃料電池システム１は、第１循環流量検知部と第２循環流量検知部とを有する。
【００６３】
第１循環流量検知部は、第１循環路４１における第１循環ガスの流量を検知する検知部である。
第２循環流量検知部は、第２循環路４２における第２循環ガスの流量を検知する検知部である。
【００６４】
第１循環流量検知部及び第２循環流量検知部は、例えば、第１循環路４１及び第２循環路４２にそれぞれ配設された流量計によって構成することができる。ただし、これに限らず、例えば、以下のような構成とすることもできる。
【００６５】
すなわち、第１循環流量検知部は、燃料電池２の出力電圧を基に、第１循環ガスの流量を検知するよう構成されたものとすることもできる。この場合には、例えば、燃料電池２の出力電圧が減少したことにより、第１循環ガスの流量が減少したことを検知することができる。つまり、第１循環ガスの流量が減少すると、それに応じて燃料電池２における発電反応が低減し、出力電圧が下がる。この関係を利用して、燃料電池２の出力電圧を基に、第１循環ガスの流量を検知することができる。
第１循環流量検知部として、この構成を採用した場合には、高温に耐える流量計が特に不要となり、低コスト化を図ることができる。つまり、燃料電池２から排出された高温の第１循環ガスの流量を直接計測する必要がなくなり、特に高温に耐える高価な流量計を設置する必要がなくなるという利点がある。そして、燃料電池２の出力電圧を検出しつつ、第１循環ガスの流量を検知することができる。
【００６６】
また、第１循環流量検知部は、第１循環ガスの組成を基に、第１循環ガスの流量を検知するよう構成されたものとしてもよい。例えば、第１循環ガスの流量が減少すると、それに応じて、第１循環ガス中のＨ2（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）の割合が増加し、ＣＯ2（二酸化炭素）の割合が減少する。この関係を利用して、第１循環ガスの組成を検知することで、第１循環ガスの流量を検知することができる。
第１循環流量検知部として、この構成を採用した場合には、高温に耐える流量計が不要となり、低コスト化を図ることができる。
【００６７】
また、第１循環流量検知部は、燃焼器１４におけるバーナーの温度を基に、第１循環ガスの流量を検知するよう構成されているものとすることもできる。
例えば、第１循環ガスの流量が減少すると、それに応じて、燃焼器１４における燃焼が抑制され、バーナーの温度が低下する。この関係を利用して、バーナーの温度を測定して、その測定値に基づいて、第１循環ガスの流量を検知することができる。
第１循環流量検知部として、この構成を採用した場合には、高温に耐える流量計が不要となり、低コスト化を図ることができる。そして、バーナーの温度を検出しつつ、第１循環ガスの流量を検知することができる。
【００６８】
また、第２循環流量検知部は、循環装置（すなわち、エジェクタ５）の吸引部５２の入口圧力を基に、第２循環ガスの流量を検知するよう構成されているものとすることもできる。例えば、第２循環ガスの流量が減少すると、それに応じて、エジェクタ５の駆動流の流量が減少し、吸引部５２の圧力が低下する。この関係を利用して、エジェクタ５の吸引部５２の圧力を検出し、その検出値に基づいて、第２循環ガスの流量を検知することができる。
第２循環流量検知部として、この構成を採用した場合には、第２循環ガスの流量を直接検出する流量計を設ける必要がなくなる。
【００６９】
また、第２循環流量検知部は、改質器３の出口における燃料ガスの温度を基に、第２循環ガスの流量を検知するよう構成されているものとすることもできる。例えば、第２循環ガスの流量が減少すると、改質器３を通過する燃料ガスの流量が減少し、これに応じて、改質器３の温度が上昇する。この関係を利用して、改質器３の温度を計測し、その測定温度に基づいて、第２循環ガスの流量を検知することができる。
第２循環流量検知部として、この構成を採用した場合には、測定された改質器３の出口における燃料ガスの温度を用いて、改質器３における改質率の算出をも行うことができる、という利点がある。つまり、改質器３の出口に設けた温度センサの検出値に基づき、改質率と共に第２循環ガスの流量の検知を行うことができる。
【００７０】
なお、第１循環流量検知部や第２循環流量検知部は、上記に限られず、他の方式によるものとすることもできる。例えば、第１循環ガスの流量が減少すると、第１循環路４１の温度が低下するという関係を利用して、第１循環流路の温度から、第１循環ガスの流量を検知することも可能である。
【００７１】
また、本形態の燃料電池システム１は、アノード流路２１から排出される燃料ガスの流量を検知する排出量検知部をさらに備えている。
この排出量検知部としては、例えば、以下のような検知部とすることができる。
すなわち、排出量検知部は、例えば、燃料ガス排出路１３に設けた流量計によって、燃料ガス排出路１３におけるガスの質量流量又は体積流量を検出するよう構成されたものとすることができる。
【００７２】
また、排出量検知部は、例えば、燃料ガス供給路１１における燃料ガスの流量と、燃料電池２におけるカソードからアノードへの酸素移動量とに基づいて、アノード流路２１からの燃料ガスの排出量を推定するものであってもよい。なお、カソードからアノードへの酸素移動量は、燃料電池２における発電時の電流値から算出することができる。
【００７３】
本形態の燃料電池システム１は、図１１に示すごとく、第１循環流量検知部による第１検知流量と、第２循環流量検知部による第２検知流量と、排出量検知部による検知排出量と、に基づいて、流量制御部４２１にて第２循環ガスの流量を調整する。
【００７４】
以下において、図１１のフローを用いて、この制御方法を説明する。
まず、ステップＳ１において、第１循環流量検知部によって第１循環流量を検出すると共に、排出量検知部によってアノード流路２１からの燃料ガスの排出量を検出する。
次いで、ステップＳ２において、第１循環流量検知部による第１検知流量Ｑ１と、排出量検知部による検知排出量Ｑ３とに基づいて、第１循環ガスの循環率Ｒｐｖを算出する。ここで、循環率Ｒｐｖは、Ｒｐｖ＝Ｑ１／Ｑ３にて算出される。
【００７５】
ステップＳ２において算出された循環率Ｒｐｖを、ステップＳ３、Ｓ４において、目標循環率Ｒｓｅｔと比較する。ここで、目標循環率Ｒｓｅｔは、予め設定された目標の循環率であって、所定の幅を有する。すなわち、ステップＳ３においては、目標循環率Ｒｓｅｔの下限値未満か否かの判断を行う。ステップＳ４においては、目標循環率Ｒｓｅｔの上限値を超えているか否かの判断を行う。
【００７６】
ステップＳ３においては、循環率ＲｐｖがＲｓｅｔ未満か否かの判断を行い、Ｒｐｖ＜Ｒｓｅｔではない、と判断されたとき、ステップＳ４に進む。ステップＳ４においては、循環率ＲｐｖがＲｓｅｔを超えているか否かの判断を行う。
【００７７】
ステップＳ３において、Ｒｐｖ＜Ｒｓｅｔであると判断されたとき、ステップＳ５に進む。ステップＳ４において、Ｒｐｖ＞Ｒｓｅｔであると判断されたとき、ステップＳ６に進む。ステップＳ５においては、第２循環流量検知部による第２検知流量Ｑ２と、流量上限値Ｑｍａｘとの比較を行う。また、ステップＳ６においては、第２検知流量Ｑ２と、流量下限値Ｑｍｉｎとの比較を行う。ここで、流量上限値Ｑｍａｘ及び流量下限値Ｑｍｉｎは、予め設定された第２循環ガスの流量の許容値であり、例えば、流量制御部４２１の制御限界、凝縮器４２３の熱交換性能等に基づいて、設定することができる。
【００７８】
ステップＳ５においては、第２検知流量Ｑ２がＱｍａｘ未満か否かの判断を行い、ステップＳ６においては、第２検知流量Ｑ２がＱｍｉｎを超えているか否かの判断を行う。
すなわち、ステップＳ３〜Ｓ８においては、循環率Ｒｐｖが目標循環率Ｒｓｅｔ未満であるとき、第２検知流量Ｑ２が流量上限値Ｑｍａｘ未満であることを条件に、第２循環流量を増やす。また、循環率Ｒｐｖが目標循環率Ｒｓｅｔを超えているとき、第２検知流量Ｑ２が流量下限値Ｑｍｉｎを超えていることを条件に、第２循環流量を減らす。
【００７９】
そして、循環率Ｒｐｖが、目標循環率Ｒｓｅｔの範囲内にあれば、第２循環流量を変化させない。また、循環率Ｒｐｖが、目標循環率Ｒｓｅｔの範囲にない場合であっても、第２検知流量Ｑ２が流量上限値Ｑｍａｘを超えているときに、第２循環流量を増やすことはしない。循環率Ｒｐｖが、目標循環率Ｒｓｅｔの範囲にない場合であっても、第２検知流量Ｑ２が流量下限値Ｑｍｉｎを下回っているときに、第２循環流量を減らすことはしない。
【００８０】
以上のようにして、第２循環流量の制御を行うことで、適切に、第１循環ガスの循環率を制御することができる。また、この制御フローは、所定の時間間隔、タイミングにて、適宜、繰り返し実行することができる。
その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。
【００８１】
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。
また、実施形態１（図１参照）に示した第１循環流量検知部４１１や、実施形態２（図２参照）に示した水分量検知部１１３は、他の実施形態においても適宜採用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
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
２  燃料電池
３  改質器
４１  第１循環路
４２  第２循環路
５  エジェクタ（循環装置）
【図１】
2018195570.tif 000003
【図２】
2018195570.tif 000004
【図３】
2018195570.tif 000005
【図４】
2018195570.tif 000006
【図５】
2018195570.tif 000007
【図６】
2018195570.tif 000008
【図７】
2018195570.tif 000009
【図８】
2018195570.tif 000010
【図９】
2018195570.tif 000011
【図１０】
2018195570.tif 000012
【図１１】
2018195570.tif 000013