(57)【要約】【課題】耐久性に優れ、高効率化、小型化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、差圧検出部３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、エジェクタ４と、水蒸気導入路１６と、加熱調整部５と、制御部６と、を有する。差圧検出部３は、アノード流路２１内の圧力とカソード流路２２内の圧力との差圧を検出する。加熱調整部５は、水蒸気導入路１６に設けられ、水蒸気を加熱すると共に加熱量を調整する。制御部６は、加熱調整部５を制御する。また、制御部６は、差圧検出部３による検出差圧に基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている。【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、
上記アノード流路内の圧力（Ｐａｎ）と上記カソード流路内の圧力（Ｐｃａ）との差圧を検出する差圧検出部（３）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設けられ、上記燃料ガスを噴射するノズル部（４１）と、該ノズル部から噴射される燃料ガス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（４２）と、上記ノズル部から噴射される上記燃料ガス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（４３）と、を備えるエジェクタ（４）と、
上記燃料ガス供給路に水蒸気を導入する水蒸気導入路（１６）と、
上記水蒸気導入路に設けられ、上記水蒸気を加熱すると共に加熱量を調整する加熱調整部（５）と、
上記加熱調整部を制御する制御部（６）と、
を有し、
上記制御部は、上記差圧検出部による検出差圧に基づき、上記加熱調整部による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
上記燃料ガス排出路と上記酸化剤ガス排出路とに接続され、上記排出燃料ガスと上記排出酸化剤ガスとを燃焼する燃焼器（１７１）をさらに有し、上記加熱調整部は、上記燃焼器において生成される燃焼ガスの熱によって上記水蒸気の加熱を行う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】
上記加熱調整部は、上記水蒸気導入路に設けた熱交換器（５１）を有し、上記燃焼器から排出される上記燃焼ガスが流通する燃焼ガス排出路（１７２）と、上記水蒸気導入路とは、上記熱交換器を通過するよう構成されており、上記燃焼ガス排出路における上記熱交換器の上流側には、該熱交換器を通過する上記燃焼ガスの流量を調整する流量調整部（５２）が配置されており、上記加熱調整部は、上記熱交換器と上記流量調整部とを備えている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記酸化剤ガス供給路から上記酸化剤ガスの一部を上記燃焼器に導く酸化剤ガス分流路（１２３）と、該酸化剤ガス分流路に分流する上記酸化剤ガスの流量を調整する分流調整部（１２４）とをさらに有する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記加熱調整部は、上記水蒸気導入路に設けた熱交換器（５１）と、該熱交換器を迂回するように上記水蒸気導入路における上記熱交換器の上流側と下流側とに接続した水蒸気迂回路（５３）と、該水蒸気迂回路における上流端に設けられ、該水蒸気迂回路に流れる水蒸気の量を調整する迂回流量調整部（５４）とを有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
上記カソード流路内の圧力を調整するカソード圧力調整部（７）と、上記エジェクタの上記ノズル部の温度（Ｔｅｊｅ）を検出するノズル温度検出部（４１１）と、をさらに有し、上記制御部は、上記差圧検出部による検出差圧と、上記ノズル温度検出部による検出温度とに基づき、上記加熱調整部による水蒸気の加熱調整と、上記カソード圧力調整部による上記カソード流路内の圧力の調整とを行うことができるよう構成されている、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】
上記カソード圧力調整部は、上記酸化剤ガス供給路に配置され、該酸化剤ガス供給路から上記カソード流路への上記酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤ガス供給量調整部である、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
上記カソード圧力調整部は、上記酸化剤ガス排出路に配置され、該酸化剤ガス排出路の流路抵抗を調整する流路抵抗調整部（７０）である、請求項６又は７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】
燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、発電を行うよう構成された燃料電池システムが知られている。かかる燃料電池システムとして、燃料電池のアノード流路から排出された燃料ガスを再び燃料電池に循環させる燃料再循環路を備えたものがある。そして、燃料電池におけるアノード流路とカソード流路との圧力差を均一化すべく、燃料再循環路から再循環される燃料ガスの流量を調整する技術が、特許文献１に開示されている。すなわち、燃料再循環路に設けた再循環ブロワを制御することにより、再循環される燃料ガスの流量を調整することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０７０７１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、再循環させる燃料ガスの温度が高いと、再循環ブロワの耐熱性、大型化の問題が懸念される。また、再循環ブロワの大型化は燃料電池システムの大型化にもつながる。また、再循環ブロワを作動させるにあたっては、外部からのエネルギが必要となり、燃料電池システムの効率向上の妨げとなりやすい。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れ、高効率化、小型化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、
上記アノード流路内の圧力（Ｐａｎ）と上記カソード流路内の圧力（Ｐｃａ）との差圧を検出する差圧検出部（３）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設けられ、上記燃料ガスを噴射するノズル部（４１）と、該ノズル部から噴射される燃料ガス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（４２）と、上記ノズル部から噴射される上記燃料ガス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（４３）と、を備えるエジェクタ（４）と、
上記燃料ガス供給路に水蒸気を導入する水蒸気導入路（１６）と、
上記水蒸気導入路に設けられ、上記水蒸気を加熱すると共に加熱量を調整する加熱調整部（５）と、
上記加熱調整部を制御する制御部（６）と、
を有し、
上記制御部は、上記差圧検出部による検出差圧に基づき、上記加熱調整部による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている、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、上記燃料ガス供給路に設けたエジェクタを備え、エジェクタの吸引部に再循環燃料ガスを吸引できるよう構成されている。すなわち、エジェクタを用いて排出燃料ガスの一部を再循環させて、再循環燃料ガスとして燃料ガス供給路に合流させることができる。それゆえ、再循環燃料ガスを再循環させる手段として、ブロワ等を用いる必要がないため、耐熱性、耐久性の観点においても、装置の小型化、更にはシステム効率の観点においても有利となる。
【０００８】
また、上記燃料電池システムは、上記水蒸気導入路と上記加熱調整部とを有する。これにより、水蒸気導入路から燃料ガス供給路へ導入される水蒸気の温度を調整することができる。このことは、水蒸気導入路から燃料ガス供給路へ導入される水蒸気の圧力を調整することができるということでもあり、ひいては、水蒸気が混合されてエジェクタに導入される燃料ガスの圧力を調整することができるということでもある。つまり、水蒸気の質量流量を変化させることなく、エジェクタのノズル部から導入される駆動流としての燃料ガスの圧力を調整することができる。その結果、燃料ガス中における水蒸気の質量流量を変化させることなく、エジェクタの吸引力を調整することができ、燃料再循環路からエジェクタの吸引部を通じて燃料ガス供給路に導入される再循環燃料ガスの流量を調整することができる。
【０００９】
このようにして、水蒸気の温度を調整することで、水蒸気の質量流量を変化させることなく、再循環燃料ガスの流量を調整することができる。したがって、燃料ガスにおけるＳ／Ｃを変化させることなく、再循環燃料ガスの流量を調整することができる。これにより、燃料電池に対する燃料ガスによる劣化を抑制し、燃料電池の耐久性を向上させることができる。なお、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し、この値が小さすぎると、燃料電池における炭素析出等の劣化を招きやすく、一方で、この値が大きすぎると、システム効率が低下する。
【００１０】
以上のごとく、上記態様によれば、耐久性に優れ、高効率化、小型化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】
【００１１】
【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、加熱増減の切り替えを説明するフロー図。
【図３】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４】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５】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６】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７】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８】実施形態６における、加熱増減の切り替えを説明するフロー図。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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１〜図２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、差圧検出部３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、エジェクタ４と、水蒸気導入路１６と、加熱調整部５と、制御部６と、を有する。
【００１３】
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。差圧検出部３は、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとカソード流路２２内の圧力Ｐｃａとの差圧を検出する。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。
【００１４】
エジェクタ４は、燃料ガス供給路１１に設けられ、ノズル部４１と、吸引部４２と、吐出部４３とを備える。ノズル部４１は、燃料ガスを噴射する。吸引部４２は、ノズル部４１から噴射される燃料ガス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４３は、ノズル部４１から噴射される燃料ガスと吸引部４２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。
【００１５】
水蒸気導入路１６は、燃料ガス供給路１１に水蒸気を導入する。加熱調整部５は、水蒸気導入路１６に設けられ、水蒸気を加熱すると共に加熱量を調整する。制御部６は、加熱調整部５を制御する。
【００１６】
また、制御部６は、差圧検出部３による検出差圧に基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている。
ここで、上記検出差圧には、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとカソード流路２２内の圧力Ｐｃａとの大小関係も含む。つまり、制御部６は、検出差圧の絶対値だけではなく、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとカソード流路２２内の圧力Ｐｃａとの大小関係も考慮して、水蒸気の加熱調整を行う。
【００１７】
また、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとしては、例えば、アノード流路２１における中央部の圧力を採用し、カソード流路２２内の圧力Ｐｃａとしては、例えば、カソード流路２２における中央部の圧力を採用することができる。この場合、例えば、差圧検出部３は、アノード流路２１のアノード入口部２１１付近における燃料ガスの圧力を検出すると共に、カソード流路２２のカソード入口部２２１付近における空気の圧力を検出する。そして、これらの圧力を基に、アノード流路２１の中央部における圧力と、カソード流路２２の中央部における圧力とをそれぞれ求める。そして、これらの圧力の差を、アノード流路２１とカソード流路２２との差圧、すなわち検出差圧として出力する。
【００１８】
燃料電池システム１は、さらに、燃焼器１７１を有する。燃焼器１７１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。そして、燃焼器１７１は、排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとを燃焼する。
また、燃焼ガス供給路１１には、エジェクタ４の上流側に燃料ブロワ１１１が設けてある。燃料ブロワ１１１は、燃料ガスを昇圧してエジェクタ４へ送り込む。なお、本形態においては、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。燃料ガス供給路１１における、エジェクタ４と燃料電池２のアノード流路２１との間には、改質器１１２が設けてある。改質器１１２は、水蒸気改質によって燃料ガスを改質し、水素を含有する燃料ガスを生成する。なお、本形態においては、改質器１１２は、燃焼器１７１から排出される燃焼ガスの熱によって、改質器１１２の内部を高温にしている。
【００１９】
酸化剤ガス供給路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。なお、本形態において、酸化剤ガスとしては、例えば空気を用いることができる。
【００２０】
水蒸気導入路１６の上流側には、水を加熱調整部５に送り込む水ポンプ１６１が設けてある。加熱調整部５は、水ポンプ１６１から送られた水を加熱すると共に気化させて、水蒸気を生成する。そして、加熱調整部５は、水蒸気を加熱すると共に、その加熱量を調整することができるよう構成されている。ここで、加熱量とは、単位時間あたりに水蒸気に供給する熱量である。
【００２１】
加熱調整部５は、燃焼器１７１において生成される燃焼ガスの熱によって水蒸気の加熱を行うよう構成されている。燃料電池システム１は、燃焼器１７１から排出される燃焼ガスが流通する燃焼ガス排出路１７２をさらに有する。燃焼ガス排出路１７２と水蒸気導入路１６とは、燃焼ガスと水蒸気との間の熱交換を行う熱交換器５１を通過するよう構成されている。すなわち、加熱調整部５は、熱交換器５１を備え、熱交換器５１において、燃焼ガスの熱を利用して、水蒸気の加熱を行う。水蒸気の加熱量を調整するにあたってのより具体的な手段は、後述の実施形態にて説明する。
【００２２】
水蒸気導入路１６の下流端は、燃料ガス供給路１１における、燃料ブロワ１１１の下流側であり、エジェクタ４の上流側に接続されている。一方、燃料再循環路１５の下流端は、エジェクタ４における吸引部４２に接続されている。
ノズル部４１は、駆動流を噴射する。吸引部４２は、ノズル部４１から噴射される駆動流によって吸引流を吸引する。吐出部４３は、混合された駆動流と吸引流とからなる混合流を昇圧して吐出する。エジェクタ４は、燃料ガス供給路１１の一部となっており、燃料ブロワ１１１側の燃料ガス供給路１１がノズル部４１に接続され、改質器１１２側の燃料ガス供給路１１が吐出部４３に接続されている。そして、吸引部４２に燃料再循環路１５の下流端が接続されている。
【００２３】
加熱調整部５において加熱調整された水蒸気は、水蒸気導入路１６から燃料ガス供給路１１に導入され、改質前の燃料ガスと混合される。そして、水蒸気が混合された燃料ガスがエジェクタ４のノズル部４１に、駆動流として供給される。それゆえ、エジェクタ４のノズル部４１から噴射された駆動流によって、吸引部４２から再循環燃料ガスが吸引流として吸引される。
【００２４】
吸引された再循環燃料ガスは、駆動流である燃料ガスと混合されて、吐出部４３から、改質器１１２側へ吐出される。このようにして、再循環燃料ガスは、エジェクタ４によって再循環されて、新たな燃料ガスとともに改質器１１２に循環し、燃料電池２のアノード流路２１に循環される。そして、その再循環量は、水蒸気導入路１６における加熱調整部５による水蒸気の加熱量調整によって、調整することができる。
【００２５】
次に、本形態の燃料電池システム１の制御部６による制御フローの一例を、図２を参照して説明する。
まず、図２に示すように、ステップＳ１０１において、差圧検出部３によってアノード流路２１内とカソード流路２２内との差圧を検出する。すなわち、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとカソード流路２２内の圧力Ｐｃａとの差を検出する。
そして、ステップＳ１０２において、上記検出差圧の絶対値｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜を、所定の閾値Ｐ０と比較する。上記検出差圧の絶対値｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜が、閾値Ｐ０を超えていないと判断されたとき、加熱調整部５における水蒸気の加熱量Ｆは特に変化させない。すなわち、｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜≦Ｐ０を維持している間は、所定の加熱量Ｆにて水蒸気導入路１６の水蒸気を加熱する。
【００２６】
ステップＳ１０２において、上記検出差圧の絶対値｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜が、閾値Ｐ０を超えていると判断されたとき、ステップＳ１０３にて、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとカソード流路２２内の圧力Ｐｃａとの大小を比較する。そして、Ｐｃａ＞Ｐａｎ、すなわちアノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａよりも小さいと判断されたとき、ステップＳ１０４にて、加熱調整部５における水蒸気の加熱量Ｆを増加させる。すなわち、水蒸気の加熱量Ｆを、現状の加熱量Ｆ０に所定の調整量ΔＦ１を加えた加熱量に切り替える。
【００２７】
一方、Ｐｃａ＜Ｐａｎ、すなわちアノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａよりも大きいと判断されたとき、ステップＳ１０５にて、加熱調整部５における水蒸気の加熱量Ｆを減少させる。すなわち、水蒸気の加熱量Ｆを、現状の加熱量Ｆ０から所定の調整量ΔＦ２を差し引いた加熱量に切り替える。ここで、調整量ΔＦ１、ΔＦ２は、予め設定された一定の値としても良いし、検出差圧に応じて変化する値でも良い。また、調整量ΔＦ１、ΔＦ２は、同じ値としても良いし、異なる値としても良い。
【００２８】
最後に、ステップＳ１０６において、新たな加熱量の値Ｆによって現状の加熱量の値Ｆ０を更新する。
制御部６は、上記制御フローを所定の周期で繰り返し実行することにより、差圧検出部３による検出差圧に基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができる。なお、閾値Ｐ０、調整量ΔＦ１、ΔＦ２及び制御フローの周期は、例えば燃料電池２の効率低下等の不具合を防ぐために許容される十分な値を適宜設定する。
【００２９】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
本形態の燃料電池システム１は、燃料ガス供給路１１に設けたエジェクタ４を備え、エジェクタ４の吸引部４２に再循環燃料ガスを吸引できるよう構成されている。すなわち、エジェクタ４を用いて排出燃料ガスの一部を再循環させて、再循環燃料ガスとして燃料ガス供給路１１に合流させることができる。それゆえ、再循環燃料ガスを再循環させる手段として、ブロワ等を用いる必要がないため、耐熱性、耐久性の観点においても、装置の小型化の観点においても有利となる。
【００３０】
また、本形態の燃料電池システム１は、水蒸気導入路１６と加熱調整部５とを有する。これにより、水蒸気導入路１６から燃料ガス供給路１１へ導入される水蒸気の温度を調整することができる。このことは、水蒸気導入路１６から燃料ガス供給路１１へ導入される水蒸気の圧力を調整することができるということでもあり、ひいては、水蒸気が混合されてエジェクタ４に導入される燃料ガスの圧力を調整することができるということでもある。つまり、水蒸気の質量流量を変化させることなく、エジェクタ４のノズル部４１から導入される駆動流としての燃料ガスの圧力を調整することができる。その結果、燃料ガス中における水蒸気の質量流量を変化させることなく、エジェクタ４の吸引力を調整することができ、燃料再循環路１５からエジェクタ４の吸引部４２を通じて燃料ガス供給路１１に導入される再循環燃料ガスの流量を調整することができる。
【００３１】
すなわち、エジェクタ４による再循環燃料ガスを吸引する吸引力は、駆動流の流速に依存する。それゆえ、水蒸気導入路１６から導入された水蒸気の圧力が大きいほど、駆動流として導入される燃料ガスの圧力が高くなり、その流速も高くなり、ひいては、吸引流である、再循環燃料ガスの流量が多くなる。
【００３２】
このようにして、水蒸気の温度を調整することで、水蒸気の質量流量を変化させることなく、再循環燃料ガスの流量を調整することができる。したがって、燃料ガスにおけるＳ／Ｃを変化させることなく、再循環燃料ガスの流量を調整することができる。これにより、燃料電池２に対する燃料ガスによる劣化を抑制し、燃料電池２の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
また、本形態の燃料電池システム１は、発電を行っている間のみならず、発電を行っていない状態においても、再循環燃料ガスを再循環させることはある。かかる場合、例えば、発電は停止するが、燃料電池２を保温しておくホットスタンバイの状態においては、再循環燃料ガスをアノード流路２１に流通させる。この状態においても、上述のように、水蒸気の質量流量を変化させることなく、アノード流路２１に供給される燃料ガスの圧力を調整することができる。それゆえ、燃料ガスにおけるＳ／Ｃを変化させることなく、アノード流路２１内とカソード流路２２内との差圧を調整することができる。
【００３４】
また、本形態の燃料電池システム１は、燃焼器１７１からの燃焼ガスの熱によって加熱調整部５において水蒸気を加熱できるよう構成されている。これにより、燃焼ガスの高温排熱を水蒸気の加熱に活用して、燃料電池システム１における高効率化を図ることができる。
【００３５】
以上のごとく、上記態様によれば、耐久性に優れ、高効率化、小型化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。
【００３６】
（実施形態２）
本形態の燃料電池システム１においては、図３に示すように、加熱調整部５が水蒸気を外部から加熱する外部加熱部５１１を有する。
加熱調整部５は、熱交換器５１において、外部加熱部５１１の熱を利用して、水蒸気の加熱を行う。制御部６は、差圧検出部３による検出差圧に基づき、外部加熱部５１１による加熱量を調整することができるよう構成されている。一方、実施形態１の燃料電池システム１における燃焼ガス排出路１７２を、本形態の燃料電池システム１は備えていない。それゆえ、本形態の加熱調整部５は、水蒸気の加熱を行う際に燃焼ガスの熱を利用していない。外部加熱部５１１としては、例えば、ヒータ、バーナ等を用いることができる。
【００３７】
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。
本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
（実施形態３）
本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、燃焼ガスの一部又は全部を熱交換器５１から迂回させることにより、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている。
すなわち、燃焼ガス排出路１７２における熱交換器５１の上流側には、熱交換器５１を通過する燃焼ガスの流量を調整する流量調整部５２が配置されている。加熱調整部５は、熱交換器５１と流量調整部５２とを備えている。
【００３９】
具体的には、本形態の燃料電池システム１は、熱交換器５１を迂回するように燃焼ガス排出路１７２における熱交換器５１の上流側と下流側とに接続した燃焼ガス迂回路５２１を有する。流量調整部５２は、三方弁によって構成されている。燃焼ガス迂回路５２１の上流端は、流量調整部５２に接続されている。燃焼ガス迂回路５２１の下流端は、燃焼ガス排出路１７２における、熱交換器５１の下流側であり、改質器１１２の上流側に接続されている。燃焼ガス迂回路５２１には、燃焼ガス排出路１７２内を流れる燃焼ガスの一部又は全部が流れる。
【００４０】
制御部６は、差圧検出部３による検出差圧に基づき、熱交換器５１を通過する燃焼ガスの流量を調整することができるよう構成されている。そして、制御部６は、検出差圧に基づき、流量調整部５２を調整し、燃焼ガス排出路１７２の燃焼ガスが熱交換器５１へ導かれる流量と、燃焼ガス迂回路５２１へ導かれる流量とを調整する。
なお、燃焼ガスの流量調整は、熱交換器５１へのみ燃焼ガスを導く状態と、燃焼ガス迂回路５２１へのみ燃焼ガスを導く状態とを適宜切り替えることによって行っても良いし、熱交換器５１と燃焼ガス迂回路５２１との双方へ燃焼ガスを導きつつ、熱交換器５１へ導かれる燃焼ガスの流量と、燃焼ガス迂回路５２１へ導かれる燃焼ガスの流量との比率を変化させることによって行っても良い。まず、前者の方法につき以下に説明する。
【００４１】
すなわち、流量調整部５２は、燃焼ガスを熱交換器５１へ導く状態と、熱交換器５１から迂回させる状態とを切り替えることができる。そして、流量調整部５２によって燃焼ガス排出路１７２の燃焼ガスを熱交換器５１へ導くことで、熱交換器５１において、燃焼ガスの熱を利用して、水蒸気の加熱を行うことができる。一方、流量調整部５２によって燃焼ガス排出路１７２の燃焼ガスを燃焼ガス迂回路５２１に迂回させることで、燃料ガスによる水蒸気の加熱を行わないようにすることができる。
【００４２】
それゆえ、制御部６は、検出差圧に応じて、以下のように流量調整部５２の切り替えを行う。すなわち、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて小さすぎると判断されたとき、燃焼ガスが熱交換器５１へ導かれるように、流量調整部５２を切り替える。一方、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて大きすぎると判断されたとき、燃焼ガスが燃焼ガス迂回路５２１へ導かれるように、流量調整部５２を切り替える。
【００４３】
また、上述したように、燃焼ガスを熱交換器５１と燃焼ガス迂回路５２１との双方へ導きつつ、熱交換器５１へ導かれる燃焼ガスの流量と、燃焼ガス迂回路５２１へ導かれる燃焼ガスの流量との比率を調整する方法も採りうる。この方法の場合は、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて小さすぎると判断されたとき、熱交換器５１へ導かれる燃焼ガスの流量の割合を増やすように、流量調整部５２を調整する。一方、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて大きすぎると判断されたとき、燃焼ガス迂回路５２１へ導かれる燃焼ガスの流量の割合を増やすように、流量調整部５２を調整する。
【００４４】
また、この場合、差圧検出部３による検出差圧の大きさに応じて、熱交換器５１へ導く燃焼ガスの流量の割合、或いは燃焼ガス迂回路５２１へ導く燃焼ガスの流量の割合を調整することができる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００４５】
本形態の燃料電池システム１においては、簡易な構造によって加熱調整部５を構成することができる。また、熱交換器５１における水蒸気の過剰な加熱を抑制することができる。これにより、耐久性に優れる燃料電池システム１を提供することができる。
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。
【００４６】
（実施形態４）
本形態の燃料電池システム１においては、図５に示すように、酸化剤ガスの一部を燃焼器１７１に供給することにより、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている。
すなわち、本形態の燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給路１２から酸化剤ガスの一部を燃焼器１７１に導く酸化剤ガス分流路１２３と、酸化剤ガス分流路１２３に分流する酸化剤ガスの流量を調整する分流調整部１２４とをさらに有する。
【００４７】
具体的には、酸化剤ガス供給路１２における、酸化剤ブロワ１２１の下流側であり、予熱器１２２の上流側に、分流調整部１２４が設けてある。分流調整部１２４は、三方弁によって構成されている。この分流調整部１２４に、酸化剤ガス分流路１２３の上流端が接続されている。酸化剤ガス分流路１２３の下流端は、燃焼器１７１に接続されている。酸化剤ガス分流路１２３には、酸化剤ガス供給路１２を流れる予熱前の酸化剤ガスの一部が流れる。
【００４８】
制御部６は、差圧検出部３による検出差圧に基づき、燃焼器１７１に供給される酸化剤ガスの流量を調整することができるよう構成されている。燃焼器１７１は、予熱器１２２によって予熱されていない酸化剤ガスの供給によって、燃焼ガスを冷却することができるよう構成されている。そして、制御部６は、検出差圧に基づき、分流調整部１２４を調整し、酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスが燃焼器１７１へ導かれる流量と、予熱器１２２へ導かれる流量とを調整する。
酸化剤ガスの流量調整は、燃焼器１７１と予熱器１２２との双方へ酸化剤ガスを導きつつ、燃焼器１７１へ導かれる酸化剤ガスの流量と、予熱器１２２へ導かれる酸化剤ガスの流量との比率を変化させることによって行うことができる。
【００４９】
すなわち、分流調整部１２４は、燃焼器１７１と予熱器１２２との双方へ酸化剤ガスを導きつつ、燃焼器１７１へ導かれる酸化剤ガスの流量と、予熱器１２２へ導かれる酸化剤ガスの流量との比率を変化させることができる。そして、分流調整部１２４によって酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスの一部を燃焼器１７１へ導くことで、燃焼器１７１において、燃焼ガスの冷却を行うことができる。燃焼ガスが冷却されると、熱交換器５１における水蒸気の加熱が抑制され、燃料ガス供給路１１に導入される水蒸気の圧力が小さくなる。
【００５０】
それゆえ、制御部６は、検出差圧に応じて、以下のように分流調整部１２４の切り替えを行う。すなわち、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて小さすぎると判断されたとき、燃焼器１７１へ導かれる酸化剤ガスの流量の割合を減らすように、分流調整部１２４を調整する。一方、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて大きすぎると判断されたとき、燃焼器１７１へ導かれる酸化剤ガスの流量の割合を増やすように、分流調整部１２４を調整する。また、この場合、差圧検出部３による検出差圧の大きさに応じて、燃焼器１７１へ導く酸化剤ガスの流量の割合、或いは予熱器１２２へ導く酸化剤ガスの流量の割合を調整することができる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００５１】
本形態の燃料電池システム１においては、酸化剤ガス分流路１２３と分流調整部１２４とを有している。それゆえ、熱交換器５１における水蒸気の加熱量を調整する手段として、高温の燃焼ガスが流れる燃焼ガス排出路１７２に流量調整部等を設ける必要がない。これにより、燃料電池システム１における耐熱性、耐久性を更に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。
【００５２】
（実施形態５）
本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、水蒸気導入路１６を流れる水蒸気の一部又は全部を熱交換器５１から迂回させることにより、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができるよう構成されている。
すなわち、加熱調整部５は、水蒸気迂回路５３と、迂回流量調整部５４とを有する。水蒸気迂回路５３は、熱交換器５１を迂回するように水蒸気導入路１６における熱交換器５１の上流側と下流側とに接続している。迂回流量調整部５４は、水蒸気迂回路５３における上流端に設けられ、水蒸気迂回路５３に流れる水蒸気の量を調整する。
【００５３】
具体的には、水蒸気導入路１６の上流側には、水蒸気を加熱調整部５に送り込む水蒸気ブロワ１６２が設けてある。加熱調整部５は、水蒸気ブロワ１６２から送られた水蒸気を加熱する。迂回流量調整部５４は、三方弁によって構成されている。迂回流量調整部５４は、水蒸気導入路１６における、水蒸気ブロワ１６２の下流側であり、熱交換器５１の上流側に設けられている。水蒸気迂回路５３には、水蒸気導入路１６を流れる加熱前の水蒸気の一部又は全部が流れる。
【００５４】
制御部６は、差圧検出部３による検出差圧に基づき、熱交換器５１を通過する水蒸気の流量を調整することができるよう構成されている。そして、制御部６は、検出差圧に基づき、迂回流量調整部５４を調整し、水蒸気導入路１６の水蒸気が熱交換器５１へ導かれる流量と、水蒸気迂回路５３へ導かれる流量とを調整する。
なお、水蒸気の流量調整は、熱交換器５１へのみ水蒸気を導く状態と、水蒸気迂回路５３へのみ水蒸気を導く状態とを適宜切り替えることによって行っても良いし、熱交換器５１と水蒸気迂回路５３との双方へ水蒸気を導きつつ、熱交換器５１へ導かれる水蒸気の流量と、水蒸気迂回路５３へ導かれる水蒸気の流量との比率を変化させることによって行っても良い。まず、前者の方法につき以下に説明する。
【００５５】
迂回流量調整部５４は、実施形態３の燃料電池システム１における流量調整部５２と同じく、水蒸気を熱交換器５１へ導く状態と、熱交換器５１から迂回させる状態とを切り替えることができる。それゆえ、制御部６は、検出差圧に応じて、以下のように迂回流量調整部５４の切り替えを行う。すなわち、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて小さすぎると判断されたとき、水蒸気が熱交換器５１へ導かれるように、迂回流量調整部５４を切り替える。一方、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて大きすぎると判断されたとき、水蒸気が水蒸気迂回路５３へ導かれるように、迂回流量調整部５４を切り替える。
【００５６】
また、上述したように、水蒸気を熱交換器５１と水蒸気迂回路５３との双方へ導きつつ、熱交換器５１へ導かれる水蒸気の流量と、水蒸気迂回路５３へ導かれる水蒸気の流量との比率を調整する方法も採りうる。この方法の場合は、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて小さすぎると判断されたとき、熱交換器５１へ導かれる水蒸気の流量の割合を増やすように、迂回流量調整部５４を調整する。一方、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて大きすぎると判断されたとき、水蒸気迂回路５３へ導かれる水蒸気の流量の割合を増やすように、迂回流量調整部５４を調整する。
【００５７】
また、この場合、差圧検出部３による検出差圧の大きさに応じて、熱交換器５１へ導く水蒸気の流量の割合、或いは水蒸気迂回路５３へ導く水蒸気の流量の割合を調整することができる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本形態においても、実施形態４と同様の作用効果を得ることができる。
【００５８】
（実施形態６）
本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、カソード流路２２内の圧力Ｐｃａを調整するカソード圧力調整部７と、エジェクタ４のノズル部４１の温度Ｔｅｊｅを検出するノズル温度検出部４１１とをさらに有する。制御部６は、差圧検出部３による検出差圧と、ノズル温度検出部４１１による検出温度とに基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整と、カソード圧力調整部７によるカソード流路２２内の圧力Ｐｃａの調整とを行うことができるよう構成されている。
【００５９】
カソード圧力調整部７は、酸化剤ガス供給路１２に配置され、酸化剤ガス供給路１２からカソード流路２２への酸化剤ガスの供給量を調整する酸化剤ガス供給量調整部である。酸化剤ガス供給量調整部として、本形態においては、酸化剤ブロワ１２１を用いている。
【００６０】
制御部６は、差圧検出部３による検出差圧と、ノズル温度検出部４１１による検出温度とに基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整と、カソード圧力調整部７によるカソード流路２２内の圧力Ｐｃａの調整とを行うことができるよう構成されている。そして、制御部６は、検出差圧と検出温度とに基づき、熱交換器５１と酸化剤ブロワ１２１とを調整し、水蒸気の加熱量と、酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスの圧力とを調整する。
水蒸気の加熱量調整は、上述した実施形態２の燃料電池システム１における外部加熱部５１１等によって行うことができる。
【００６１】
また、酸化剤ガスの圧力調整は、酸化剤ブロワ１２１の静圧Ｃを変化させることによって行うことができる。すなわち、酸化剤ブロワ１２１は、酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスを昇圧させることができる。そして、酸化剤ガスを昇圧させることで、カソード流路２２内の圧力Ｐｃａの調整を行うことができる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００６２】
次に、本形態の燃料電池システム１の制御部６による制御フローの一例を、図８を参照して説明する。
まず、図８に示すように、ステップＳ２０１において、図２におけるステップＳ１０１と同様に、差圧検出部３によってアノード流路２１内とカソード流路２２内との差圧を検出する。
また、ステップＳ２０２において、ノズル温度検出部４１１によってノズル部４１の温度Ｔｅｊｅを検出する。
【００６３】
そして、ステップＳ２０３において、図２におけるステップＳ１０２と同様に、上記検出差圧の絶対値｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜を、所定の閾値Ｐ０と比較する。上記検出差圧の絶対値｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜が、閾値Ｐ０を超えていないと判断されたとき、加熱調整部５における水蒸気の加熱量Ｆ及び酸化剤ブロワ１２１の静圧Ｃは特に変化させない。すなわち、｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜≦Ｐ０を維持している間は、所定の加熱量Ｆにて水蒸気導入路１６の水蒸気を加熱すると共に、所定の静圧Ｃにて酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスを昇圧する。
【００６４】
ステップＳ２０３において、上記検出差圧の絶対値｜Ｐｃａ−Ｐａｎ｜が、閾値Ｐ０を超えていると判断されたとき、ステップＳ２０４にて、図２におけるステップＳ１０３と同様に、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎとカソード流路２２内の圧力Ｐｃａとの大小を比較する。
ステップＳ２０４において、Ｐｃａ＞Ｐａｎ、すなわちアノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａよりも小さいと判断されたとき、ステップＳ２０５にて、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅを、所定の閾値Ｔｓｅｔと比較する。
【００６５】
ステップＳ２０５において、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが閾値Ｔｓｅｔを超えていると判断されたとき、ステップＳ２０６にて、酸化剤ブロワ１２１の静圧Ｃを減少させる。すなわち、酸化剤ブロワ１２１の静圧Ｃを、現状の静圧Ｃ０から所定の調整量ΔＣ１を差し引いた静圧に切り替える。一方、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが閾値Ｔｓｅｔを超えていないと判断されたとき、ステップＳ２０７にて、図２におけるステップＳ１０４と同様に、加熱調整部５における水蒸気の加熱量Ｆを増加させる。
【００６６】
一方、ステップＳ２０４において、Ｐｃａ＜Ｐａｎ、すなわちアノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａよりも大きいと判断されたとき、ステップＳ２０８にて、ステップＳ２０５と同様に、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅを、所定の閾値Ｔｓｅｔと比較する。
【００６７】
ステップＳ２０８において、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが閾値Ｔｓｅｔを超えていると判断されたとき、ステップＳ２０９にて、図２におけるステップＳ１０５と同様に、加熱調整部５における水蒸気の加熱量Ｆを減少させる。一方、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが閾値Ｔｓｅｔを超えていないと判断されたとき、ステップＳ２１０にて、酸化剤ブロワ１２１の静圧Ｃを増加させる。すなわち、酸化剤ブロワ１２１の静圧Ｃを、現状の静圧Ｃ０に所定の調整量ΔＣ２を加えた静圧に切り替える。ここで、調整量ΔＣ１、ΔＣ２は、予め設定された一定の値としても良いし、検出差圧又はノズル部４１の温度Ｔｅｊｅの少なくとも一方に応じて変化する値でも良い。また、調整量ΔＣ１、ΔＣ２は、同じ値としても良いし、異なる値としても良い。
【００６８】
最後に、ステップＳ２１１において、新たな加熱量の値Ｆによって現状の加熱量の値Ｆ０を更新すると共に、新たな静圧の値Ｃによって現状の静圧の値Ｃ０を更新する。
制御部６は、上記制御フローを所定の周期で繰り返し実行することにより、検出差圧と検出温度とに基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整と、カソード圧力調整部７によるカソード流路２２内の圧力Ｐｃａの調整とを行うことができる。なお、閾値Ｔｓｅｔは、例えばノズル部４１における炭素析出、水蒸気酸化等の不具合を防ぐために許容される十分な値を設定する。また、調整量ΔＣ１、Ｃ２は、例えば燃料電池２の効率低下等の不具合を防ぐために許容される十分な値を適宜設定する。
【００６９】
本形態の燃料電池システム１は、ノズル温度検出部４１１による検出温度に基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整を行うことができる。それゆえ、ノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが水蒸気の加熱量に応じて上昇することによって、ノズル部４１に炭素析出、水蒸気酸化等の不具合が発生すること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における耐久性を更に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。
【００７０】
（実施形態７）
本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、酸化剤ガス排出路１４にカソード圧力調整部７が配置されている。
すなわち、カソード圧力調整部７は、酸化剤ガス排出路１４に配置され、酸化剤ガス排出路１４の流路抵抗を調整する流路抵抗調整部である。流路抵抗調整部として、本形態においては、可変オリフィス７０を用いている。
【００７１】
制御部６は、差圧検出部３による検出差圧と、ノズル温度検出部４１１による検出温度とに基づき、加熱調整部５による水蒸気の加熱調整と、カソード圧力調整部７によるカソード流路２２内の圧力Ｐｃａの調整とを行うことができるよう構成されている。そして、制御部６は、検出差圧と検出温度とに基づき、熱交換器５１と可変オリフィス７０とを調整し、水蒸気の加熱量と、酸化剤ガス排出路１４の流路抵抗とを調整する。
流路抵抗の調整は、可変オリフィス７０の開度を変化させることによって行うことができる。すなわち、可変オリフィス７０は、酸化剤ガス排出路１４の流路抵抗を変化させることができる。そして、酸化剤ガス排出路１４の流路抵抗を変化させることで、カソード流路２２内の圧力Ｐｃａの調整を行うことができる。
【００７２】
それゆえ、制御部６は、検出差圧と検出温度とに応じて、以下のように可変オリフィス７０の開度を変化させる。すなわち、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて小さすぎ、かつノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが閾値Ｔｓｅｔに比べて大きすぎると判断されたとき、酸化剤ガス排出路１４の流路抵抗が小さくなるように、可変オリフィス７０の開度を大きくする。一方、アノード流路２１内の圧力Ｐａｎがカソード流路２２内の圧力Ｐｃａに比べて大きすぎ、かつノズル部４１の温度Ｔｅｊｅが閾値Ｔｓｅｔに比べて大きすぎると判断されたとき、酸化剤ガス排出路１４の流路抵抗が大きくなるように、可変オリフィス７０の開度を小さくする。
その他の構成は、実施形態６と同様である。
本形態においても、実施形態６と同様の作用効果を得ることができる。
【００７３】
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。例えば、実施形態１において、水を加熱調整部５に送り込む水ポンプ１６１を用いているが、これに代えて、水蒸気を加熱調整部５に送り込むブロワを用いてもよい。また、実施形態７において、流路抵抗調整部として、可変オリフィス以外を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
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
１５  燃料再循環路
１６  水蒸気導入路
２  燃料電池
３  差圧検出部
４  エジェクタ
５  加熱調整部
６  制御部
【図１】
2018097944.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2018097944.tif 000007
【図６】
2018097944.tif 000008
【図７】
2018097944.tif 000009
【図８】
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【図９】
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