(57)【要約】【課題】電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転が行われる電気化学装置を提供する。【解決手段】電気化学装置は、原料を改質して、第１の水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、アノードおよびカソードを備え、アノードに供給される第１の水素含有ガスを用いて動作する電気化学デバイスと、電気化学デバイスのアノードに供給される第１の水素含有ガスの流量と第１の水素含有ガスと異なる第２の水素含有ガスを供給する供給源からの第２の水素含有ガスの流量を制御する第１の流量制御器と、電気化学デバイスのアノードから排出されたアノードオフガスを電気化学デバイスのアノードにリサイクルさせる流量と、アノードオフガスを燃焼器に供給する流量を制御する第２の流量制御器と、第１の流量制御器と第２の流量制御器を制御する制御器と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して、第１の水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
アノードおよびカソードを備え、アノードに供給される第１の水素含有ガスを用いて動作する電気化学デバイスと、
前記電気化学デバイスのアノードに供給される第１の水素含有ガスの流量と前記第１の水素含有ガスと異なる第２の水素含有ガスを供給する供給源からの前記第２の水素含有ガスの流量を制御する第１の流量制御器と、
前記電気化学デバイスのアノードから排出されたアノードオフガスを前記電気化学デバイスのアノードにリサイクルさせる流量と、前記アノードオフガスを前記燃焼器に供給する流量を制御する第２の流量制御器と、
前記第１の流量制御器と前記第２の流量制御器を制御する制御器と、
を備える電気化学装置。
【請求項２】
前記制御器は、前記第１の流量制御器を制御して、前記第１の水素含有ガスを前記第２の水素含有ガスよりも多く供給しているとき、前記第２の流量制御器を制御して、前記アノードオフガスをリサイクルさせる流量よりも前記燃焼器に供給する流量を多くする請求項１に記載の電気化学装置。
【請求項３】
前記制御器は、前記第１の流量制御器を制御して、前記第２の水素含有ガスを前記第１の水素含有ガスよりも多く供給しているとき、前記第２の流量制御器を制御して、前記アノードオフガスを前記燃焼器に供給させる流量よりもリサイクルさせる流量を多くする請求項１または２に記載の電気化学装置。
【請求項４】
前記第１の流量制御器は、前記電気化学デバイスの燃料ガスを前記第１の水素含有ガスと前記第２の水素含有ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、
前記第２の流量制御器は、前記アノードオフガスをリサイクルさせるか前記燃焼器に供給させるかを切り替える第２の切替器である請求項１−３のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項５】
前記第１の流量制御器は、前記電気化学デバイスの燃料ガスを前記第１の水素含有ガスと前記第２の水素含有ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、
前記第２の流量制御器は、前記アノードオフガスをリサイクルさせるか前記燃焼器に供給させるかを切り替える第２の切替器であり、
前記制御器は、前記第１の切替器を制御して、前記電気化学デバイスに前記第１の水素含有ガスを供給させているとき、前記第２の切替器を制御して、前記アノードオフガスを前記燃焼器に供給させる請求項１−３のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項６】
前記第１の流量制御器は、前記電気化学デバイスの燃料ガスを前記第１の水素含有ガスと前記第２の水素含有ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、
前記第２の流量制御器は、前記アノードオフガスをリサイクルさせるか前記燃焼器に供給させるかを切り替える第２の切替器であり、
前記制御器は、前記第１の切替器を制御して、前記電気化学デバイスに前記第２の水素含有ガスを供給させているとき、前記第２の切替器を制御して、前記アノードオフガスをリサイクルさせる請求項１−３のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項７】
前記制御器は、前記電気化学デバイスが前記第２の水素含有ガスを用いて動作しているときに、前記改質器において第１の水素含有ガスの生成を開始させる場合、前記第２の流量制御器を制御して、アノードオフガスの少なくとも一部を前記燃焼器に供給させる請求項１−６のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項８】
前記制御器は、前記電気化学デバイスが前記第２の水素含有ガスを用いて動作しているときに、前記供給源の前記第２の水素含有ガス量が低下すると、前記改質器において第１の水素含有ガスの生成を開始させる請求項１−６のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項９】
前記制御器は、前記第１の流量制御器を制御して、前記第２の水素含有ガスを前記第１の水素含有ガスよりも優先的に前記電気化学デバイスに供給し、前記電気化学デバイスを動作させる請求項１−８のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項１０】
前記電気化学デバイスが、燃料電池を含む請求項１−９のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項１１】
前記電気化学デバイスが、アノードに供給された第１の水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する水素ポンプを含む請求項１−９のいずれか１項に記載の電気化学装置。
【請求項１２】
請求項１−１１のいずれか１項に記載の電気化学装置と、
再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、
前記発電装置で発電された電力を用いて、水の電気分解により前記第２の水素含有ガスを生成する水電解装置と、を備え、
前記供給源は、前記水電解装置で生成された、前記第２の水素含有ガスを貯える水素システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は電気化学装置および水素システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭、石油などの化石燃料の枯渇、二酸化炭素による地球温暖化が問題視されているので、近年、化石燃料の依存を抑制するエネルギー社会を目指す取り組みが活発に行われている。このような取り組みの一つとして、固体高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ）を備える燃料電池システム（以下、ＰＥＦＣシステム）の開発が進められている。
【０００３】
ＰＥＦＣにおいて、燃料ガスとして、高純度の水素ガスを使用する場合、ＰＥＦＣの発電で使用されなかったアノードオフガスを、ＰＥＦＣに戻すことで再利用（リサイクル）する水素リサイクル型のＰＥＦＣシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、水素ガスを高効率に利用できるので、ＰＥＦＣシステムの発電効率を向上することができる。
【０００４】
これに対して、ＰＥＦＣにおいて、例えば、都市ガス、天然ガス、液化天然ガス（以下、ＬＮＧ；Liquefied natural gas）、液化石油ガス（以下、ＬＰＧ；liquefied petroleum gas）、灯油などを原料とする場合、原料の水蒸気改質により生成された改質ガス（水素含有ガス）を燃料ガスとして使用する燃料改質型のＰＥＦＣシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、都市ガス、天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧ、灯油等の原料は、水素ガスに比べて、モルあたりのエネルギー密度が高いので、ＰＥＦＣの燃料の貯蔵および運搬に便利である。しかし、本方式のＰＥＦＣシステムでは、改質ガス中の水素濃度が低いこと、および、水蒸気改質反応が吸熱反応であることなどの理由から、ＰＥＦＣの発電で使用されなかったアノードオフガスを燃焼器により燃焼することで、水蒸気改質反応の熱を得ている。
【０００５】
従って、燃料改質型のＰＥＦＣシステムは、水素リサイクル型のＰＥＦＣシステムと比較して発電効率が低い。
【０００６】
ところで、クリーンな水素社会の構築を目指すべく、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて生成された水素を燃料電池の燃料に活用することで、既存の系統電力に依存せずに、住宅、ビルなどの消費電力を自給自足可能な発電システムが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３８９３９４５号公報
【特許文献２】特許第４９５４５１０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】東芝レビュー Ｖｏｌ．７１ Ｎｏ．５ （２０１６）ｐ．３０−３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、非特許文献１は、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水素含有ガスを生成する場合、電気化学デバイスに供給する水素含有ガス不足により、電気化学装置の連続運転に支障が生じる可能性については十分に検討されていない。
【００１０】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転が行われる電気化学装置を提供する。
【００１１】
また、本開示の一態様は、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水素含有ガスを生成する場合でも、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転が行われる水素システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学装置は、原料を改質して、第１の水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、アノードおよびカソードを備え、アノードに供給される第１の水素含有ガスを用いて動作する電気化学デバイスと、前記電気化学デバイスのアノードに供給される第１の水素含有ガスの流量と前記第１の水素含有ガスと異なる第２の水素含有ガスを供給する供給源からの前記第２の水素含有ガスの流量を制御する第１の流量制御器と、前記電気化学デバイスのアノードから排出されたアノードオフガスを前記電気化学デバイスのアノードにリサイクルさせる流量と、前記アノードオフガスを前記燃焼器に供給する流量を制御する第２の流量制御器と、前記第１の流量制御器と前記第２の流量制御器を制御する制御器と、を備える。
【００１３】
また、本開示の一態様の水素システムは、上記の電気化学装置と、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、前記発電装置で発電された電力を用いて、水の電気分解により前記第２の水素含有ガスを生成する水電解装置と、を備え、前記供給源は、前記水電解装置で生成された、前記第２の水素含有ガスを貯える。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の一態様の電気化学装置は、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができるという効果を奏する。
【００１５】
また、本開示の一態様の水素システムは、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水素含有ガスを生成する場合でも、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態の電気化学装置の一例を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１実施形態の第１変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第１実施形態の第２変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態の第４実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【図７】図７は、第２実施形態の電気化学装置の一例を示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
再生可能エネルギーは、太陽光、風力などの自然エネルギーであることが多いので、一般的に、日照条件、天候・気候などの影響を受けて不安定である。このため、このような再生可能エネルギーで得られた電力を用いて、例えば、水電解装置により水素含有ガスを生成する場合、電気化学デバイスに供給する水素含有ガス不足により、電気化学装置の連続運転に支障が生じる可能性がある。
【００１８】
そこで、以下、電気化学デバイスが燃料電池である場合において、燃料電池の燃料ガスである水素含有ガスの不足に対する燃料電池システムの連続運転の対応について説明する。
【００１９】
例えば、特許文献１では、上記のとおり、燃料電池で発電に使用されなかったアノードオフガスを燃料電池のアノード入口に戻すことで、アノードオフガス（水素含有ガス）を再利用（リサイクル）する水素リサイクル型の燃料電池システムが提案されている。ここで、このシステムでは、タンクに貯蔵された水素を燃料電池に供給している。
【００２０】
このとき、太陽光発電システムの電力から水電解装置により生成された水素含有ガスが、上記のタンクに貯蔵されると仮定する場合、タンク容量の制約、日照不足などに由来して、タンクに残存する水素量が少なくなると、燃料電池システムの運転を一旦、停止することで、タンクに水素含有ガスを補充することが必要な場合がある。
【００２１】
これに対して、特許文献２では、上記のとおり、燃料電池の燃料ガスとして、水素含有の改質ガスを用いる燃料改質型の燃料電池システムが提案されている。なお、改質ガスは、都市ガス、天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧ、灯油などを改質することで得られる。この場合、燃料電池の発電に使用されなかったアノードオフガス（改質ガス）を燃焼器で燃焼させることにより、改質器の改質反応に必要な熱が供給される。
【００２２】
そこで、発明者らは、水素リサイクル型の燃料電池システムに、燃料改質型の燃料電池を組み込み、燃料電池の発電に使用する水素含有ガスのバックアップ燃料ガスとして改質ガスを用いることで、水素リサイクル型の燃料電池システムの適切な連続運転が可能であることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【００２３】
なお、上記では、燃料電池システムの連続運転の対応について説明したが、例えば、電気化学式の水素ポンプを備える水素昇圧システムでも、水素ポンプの水素昇圧動作に使用する水素含有ガスに代えて改質ガスを用いることで連続運転が可能になる。
【００２４】
すなわち、本開示の第１態様の電気化学装置は、原料を改質して、第１の水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、アノードおよびカソードを備え、アノードに供給される第１の水素含有ガスを用いて動作する電気化学デバイスと、電気化学デバイスのアノードに供給される第１の水素含有ガスの流量と第１の水素含有ガスと異なる第２の水素含有ガスを供給する供給源からの第２の水素含有ガスの流量を制御する第１の流量制御器と、電気化学デバイスのアノードから排出されたアノードオフガスを電気化学デバイスのアノードにリサイクルさせる流量と、アノードオフガスを燃焼器に供給する流量を制御する第２の流量制御器と、第１の流量制御器と第２の流量制御器を制御する制御器と、を備える。
【００２５】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができる。例えば、電気化学デバイスが燃料電池をである場合、本態様の燃料電池システムは、供給源（例えば、水素貯蔵器）から供給される第２の水素含有ガスを用いて燃料電池で発電する際に、状況に応じて（例えば、供給源に存在する第２の水素含有ガス量が少ない場合など）、改質器から供給される第１の水素含有ガスを用いて燃料電池で発電することができる。よって、供給源に存在する第２の水素含有ガス量の多少に関係なく、燃料電池システムの連続運転を継続することができる。
【００２６】
本開示の第２態様の電気化学装置は、第１態様の電気化学装置において、制御器は、第１の流量制御器を制御して、電気化学デバイスに第１の水素含有ガスを第２の水素含有ガスよりも多く供給しているとき、第２の流量制御器を制御して、アノードオフガスをリサイクルさせる流量よりも燃焼器に供給する流量を多くしてもよい。
【００２７】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、改質器から電気化学デバイスへの第１の水素含有ガスの流量が、供給源から電気化学デバイスへの第２の水素含有ガスの流量よりも多い場合、電気化学デバイスよりも燃焼器にアノードオフガスを多量に供給することにより、改質器の温度を改質反応に適した温度に維持させやすくなる。
【００２８】
本開示の第３態様の電気化学装置は、第１態様または第２態様の電気化学装置において、制御器は、第１の流量制御器を制御して、電気化学デバイスに第２の水素含有ガスを第１の水素含有ガスよりも多く供給しているとき、第２の流量制御器を制御して、アノードオフガスを燃焼器に供給させる流量よりもリサイクルさせる流量を多くしてもよい。
【００２９】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、供給源から電気化学デバイスへの第２の水素含有ガスの流量が、改質器から電気化学デバイスへの第１の水素含有ガスの流量よりも多い場合、燃焼器よりも電気化学デバイスにアノードオフガスを多量に供給（リサイクル）することにより、電気化学装置の効率を向上させやすくなる。
【００３０】
本開示の第４態様の電気化学装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学装置において、第１の流量制御器は、電気化学デバイスの燃料ガスを第１の水素含有ガスと第２の水素含有ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、第２の流量制御器は、アノードオフガスをリサイクルさせるか燃焼器に供給させるかを切り替える第２の切替器であってもよい。
【００３１】
本開示の第５態様の電気化学装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学装置において、第１の流量制御器は、電気化学デバイスの燃料ガスを第１の水素含有ガスと第２の水素含有ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、第２の流量制御器は、アノードオフガスをリサイクルさせるか燃焼器に供給させるかを切り替える第２の切替器であってもよく、制御器は、第１の切替器を制御して、電気化学デバイスに第１の水素含有ガスを供給させているとき、第２の切替器を制御して、アノードオフガスを燃焼器に供給させてもよい。
【００３２】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、電気化学デバイスの燃料ガスとして、改質器からの第１の水素含有ガスを使用する場合、燃焼器にアノードオフガスを全量、供給することにより、改質器の温度を改質反応に適した温度に容易に維持することができる。
【００３３】
本開示の第６態様の電気化学装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学装置において、第１の流量制御器は、電気化学デバイスの燃料ガスを第１の水素含有ガスと第２の水素含有ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、第２の流量制御器は、アノードオフガスをリサイクルさせるか燃焼器に供給させるかを切り替える第２の切替器であってもよく、制御器は、第１の切替器を制御して、電気化学デバイスに第２の水素含有ガスを供給させているとき、第２の切替器を制御して、アノードオフガスをリサイクルさせてもよい。
【００３４】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、電気化学デバイスの燃料ガスとして、供給源からの第２の水素含有ガスを使用する場合、電気化学デバイスのアノードにアノードオフガスを全量、供給（リサイクル）することにより、電気化学装置を高効率で動作させることができる。
【００３５】
本開示の第７態様の電気化学装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学装置において、制御器は、電気化学デバイスが第２の水素含有ガスを用いて動作しているときに、改質器において第１の水素含有ガスの生成を開始させる場合、第２の流量制御器を制御して、アノードオフガスの少なくとも一部を燃焼器に供給させてもよい。
【００３６】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、電気化学デバイスが第２の水素含有ガスを用いて動作している段階で、燃焼器にアノードオフガスの少なくとも一部を供給することにより、改質器の温度を改質反応に適した温度にまで適時に昇温することができる。よって、本態様の電気化学装置は、第２の水素含有ガスを用いる電気化学装置の通常運転から、第１の水素含有ガスを用いる電気化学装置のバックアップ運転への切り替えをスムーズに行うことができる。
【００３７】
本開示の第８態様の電気化学装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学装置において、制御器は、電気化学デバイスが第２の水素含有ガスを用いて動作しているときに、供給源の第２の水素含有ガス量が低下すると、改質器において第１の水素含有ガスの生成を開始させてもよい。
【００３８】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、供給源の第２の水素含有ガス量が低下した段階で、改質器において第１の水素含有ガスの生成を適時に開始することにより、第２の水素含有ガスを用いる電気化学装置の通常運転から、第１の水素含有ガスを用いる電気化学装置のバックアップ運転への切り替えをスムーズに行うことができる。
【００３９】
本開示の第９態様の電気化学装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの電気化学装置において、制御器は、第１の流量制御器を制御して、第２の水素含有ガスを第１の水素含有ガスよりも優先的に電気化学デバイスに供給し、電気化学デバイスを動作させてもよい。
【００４０】
かかる構成によると、本態様の電気化学装置は、供給源からの第２の水素含有ガスを優先的に電気化学デバイスに供給することにより、改質器からの第１の水素含有ガスを優先的に電気化学デバイスに供給する場合に比べて、電気化学装置の効率を向上させることができる。
【００４１】
本開示の第１０態様の電気化学装置は、第１態様から第９態様のいずれか一つの電気化学装置において、上記の電気化学デバイスが、燃料電池を含んでもよい。
【００４２】
本開示の第１１態様の電気化学装置は、第１態様から第９態様のいずれか一つの電気化学装置において、電気化学デバイスが、アノードに供給された第１の水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する水素ポンプを含んでもよい。
【００４３】
ところで、近年、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、水素含有ガス用いて動作する電気化学装置との組合せにより、環境にやさしい水素システムの構築が注目されている。
【００４４】
例えば、日中などに、太陽光発電システムで得られた電力のうち、住宅の電力に使用しない余剰電力を用いて水電解装置により水素含有ガスを生成するとともに、夜間には、この水素含有ガスを用いて燃料電池で発電することで、既存の系統電力に依存しないシステムを構築し得る可能性がある。
【００４５】
しかし、再生可能エネルギーは、太陽光、風力などの自然エネルギーであることが多いので、一般的に、日照条件、天候・気候などの影響を受けて不安定である。このため、このような再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水電解装置により水素含有ガスを生成する場合、供給源内に十分な量の水素含有ガスが貯蔵されていない可能性がある。
【００４６】
そこで、発明者らは、水素ガスのエネルギー密度と、都市ガス、天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧ、灯油などの化石燃料のエネルギー密度との大小関係に着目し、以下の本開示の一態様に想到した。
【００４７】
具体的には、例えば、タンク内のエネルギー貯蔵の観点では、一般的に、化石燃料は、水素ガスに比べて、モルあたりのエネルギー密度が高い。よって、化石燃料は、水素ガスに比べて少量で高いエネルギーを貯蔵することが可能である。また、化石燃料は、水素ガスに比べて化学的に安定しているので、運搬および貯蔵に適している。
【００４８】
なお、上記では、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と燃料電池システムとの組合せについて説明したが、例えば、この発電装置と電気化学式の水素昇圧システムとの組合せでも同様の議論が成立する。
【００４９】
よって、本開示の第１２態様の水素システムは、第１態様から第１１態様のいずれか一つの電気化学装置と、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、発電装置で発電された電力を用いて、水の電気分解により第２の水素含有ガスを生成する水電解装置と、を備え、供給源は、水電解装置で生成された第２の水素含有ガスを貯える。
【００５０】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて第２の水素含有ガスを生成する場合でも、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができる。
【００５１】
例えば、電気化学デバイスが燃料電池である場合、水素ガスに比べて、モルあたりのエネルギー密度が高く、かつ化学的に安定な化石燃料（原料）の改質で得られる第１の水素含有ガスを、第２の水素含有ガスのバックアップ燃料ガスとして用いることで、不安定な再生可能エネルギーにより発電装置で電力が得られない状態が継続しても、燃料電池システムの連続運転を安定に継続することができる。
【００５２】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００５３】
また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００５４】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の電気化学装置の一例を示す図である。
【００５５】
図１に示す例では、電気化学装置ＥＣＳは、電気化学デバイスＥＣと、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５と、原料供給経路７と、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【００５６】
なお、電気化学装置ＥＣＳには、必要に応じて、図１の二点鎖線で示された供給源４００を併設する場合がある（他の図面も同じ）。供給源４００として、例えば、水素含有ガスを貯蔵するタンクなどの水素貯蔵器などを挙げることができる。
【００５７】
改質器３は、原料を改質して、第１の水素含有ガス（以下、改質ガス）を生成する装置である。具体的には、改質器３において、原料の改質が行われ、水素含有の改質ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応などが挙げられる。
【００５８】
図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる（他の図面も同じ）。
【００５９】
例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、電気化学装置ＥＣＳには、水を蒸発させる蒸発器、蒸発器に水を供給するための水供給経路、水供給経路を流れる水の流量を制御するための水流量制御装置（例えば、ポンプ、マスフローコントローラ）などが設けられる。なお、この場合、改質器３と蒸発器とが一体に構成されていてもよい。
【００６０】
改質反応がオートサーマル反応であれば、電気化学装置ＥＣＳには、上記の各機器の他、さらに、改質器３に空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。
【００６１】
電気化学デバイスＥＣは、アノードＡＮおよびカソードＣＡを備え、アノードＡＮに供給される改質ガスを用いて動作する装置である。電気化学デバイスＥＣは、アノードＡＮに供給される改質ガスを用いて動作するものであれば、どのような構成であってもよい。電気化学デバイスＥＣとして、例えば、燃料電池、電気化学式の水素ポンプなどを挙げることができる。
【００６２】
そこで、以下、電気化学デバイスＥＣが燃料電池１である場合の燃料電池システム１００の構成および動作について、図１を参照しながら説明する。なお、電気化学デバイスＥＣが水素ポンプである場合の電気化学装置ＥＣＳの構成および動作については第２実施形態で説明する。
【００６３】
燃料電池１は、燃料ガスを用いて発電する。具体的には、燃料電池１のアノードＡＮに燃料ガスが供給され、燃料電池１のカソードＣＡに酸化剤ガスが供給される。これにより、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを化学反応させること電気が発生する。
【００６４】
なお、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１のアノードＡＮに供給する燃料ガスは、以下に詳述する第２の水素含有ガス、または、上記の改質ガスである。また、燃料電池１のカソードＣＡに供給する酸化剤ガスは、例えば、空気を用いることができるが、これに限定されない。酸化剤ガスが、空気である場合、燃料電池システム１００には、燃料電池１のカソードＣＡに空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）が設けられていてもよい。
【００６５】
燃料電池１は、いずれの種類であってもよい。本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１としてＰＥＦＣを例に挙げて説明しているが、これに限定されない。例えば、一例として、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。
【００６６】
改質ガス供給経路６は、燃料電池１のアノード入口１Ａに改質ガスを供給するための流路である。これにより、改質器３から改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される改質ガスを、燃料電池１の燃料ガスとして用いることができる。
【００６７】
なお、改質ガス供給経路６には、改質器３で生成された改質ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器が設けられていてもよい。ＣＯ低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器、および、酸化反応およびメタン化反応のいずれか一方により一酸化炭素を低減させるＣＯ除去器のうちの一方であってもよいし、これらの両方であってもよい。
【００６８】
原料供給経路７は、改質器３に原料を供給するための流路であり、改質器３に接続されている。なお、原料は、例えば、都市ガス、天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧ、灯油などの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む化石燃料である。
【００６９】
原料供給経路７には、原料供給経路７を流れる原料の流量を制御するための原料流量制御装置（例えば、開閉弁、流量調整弁、マスフローコントローラなど）が設けられていてもよい。また、原料として、例えば、都市ガスなどを使用する場合、原料供給経路７には、改質器３に供給される原料中の硫黄化合物を除去するための脱硫器が設けられていてもよい。脱硫器は、常温脱硫器であってもよいし、水添脱硫器であってもよい。
【００７０】
水素供給経路５は、第２の水素含有ガスが流れる流路である。なお、図１に示すように、水素供給経路５は、供給源４００から供給される第２の水素含有ガスが流れる流路であってもよいが、これに限定されない。この場合、水素供給経路５の上流端は、供給源４００に接続している。
【００７１】
なお、第２の水素含有ガスとして、例えば、水素貯蔵器などの供給源４００に貯えられている水素ガスなどを挙げることができる。水素ガスは、例えば、水の電気分解により発生するガスでもよい。そこで、以下、第２の水素含有ガスを「水素ガス」という。
【００７２】
第１の流量制御器２０は、燃料電池１のアノードＡＮに供給される改質ガスの流量と改質ガスと異なる水素ガスを供給する供給源４００からの水素ガスの流量を制御する装置である。第１の流量制御器２０は、燃料電池１のアノードＡＮに供給される、上記の改質ガスの流量および水素ガスの流量を制御することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、第１の流量制御器２０は、燃料電池１の燃料ガスを改質ガスと水素ガスとの間で切り替える第１の切替器であってもよい。また、第１の流量制御器２０は、燃料電池１のアノードＡＮに供給される、改質ガスの流量および水素ガスの流量を調節する第１の流量調節器であってもよい。
【００７３】
ここで、水素供給経路５の下流端は、改質ガス供給経路６、改質器３、または、原料供給経路７に接続している。
【００７４】
そこで、水素供給経路５が改質ガス供給経路６に接続する場合、第１の流量制御器２０の制御により、水素供給経路５から改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される水素ガスを、燃料電池１の燃料ガスとして用いることができる。また、第１の流量制御器２０の制御により、改質器３で生成された改質ガスを、改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給することで、改質ガスを燃料電池１の燃料ガスとして用いることもできる。なお、この場合の第１の流量制御器２０の具体例は、第１実施例で説明する。
【００７５】
水素供給経路５が改質器３に接続する場合、第１の流量制御器２０の制御により、水素供給経路５から改質器３および改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される水素ガスを、燃料電池１の燃料ガスとして用いることができる。また、第１の流量制御器２０の制御により、改質器３で生成された改質ガスを、改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給することで、改質ガスを燃料電池１の燃料ガスとして用いることもできる。なお、この場合の第１の流量制御器２０の具体例は、第２実施例で説明する。
【００７６】
水素供給経路５が原料供給経路７に接続する場合、第１の流量制御器２０の制御により、水素供給経路５から原料供給経路７、改質器３および改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される水素ガスを、燃料電池１の燃料ガスとして用いることができる。また、第１の流量制御器２０の制御により、改質器３で生成された改質ガスを、改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給することで、改質ガスを燃料電池１の燃料ガスとして用いることもできる。なお、この場合の第１の流量制御器２０の具体例は、第３実施例で説明する。
【００７７】
水素供給経路５には、水素供給経路５を流れる水素ガスの流量を制御するための水素流量制御装置（例えば、開閉弁、流量調整弁、マスフローコントローラなど）が設けられていてもよい。また、水素供給経路５には、水素ガスの流れに対して水素流量制御装置よりも下流の部分に、水素ガスの露点を調整するための露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。
【００７８】
リサイクル経路８は、燃料電池１のアノード出口１Ｂから延伸し、改質ガス供給経路６と合流部１７で合流する流路である。これにより、リサイクル経路８および改質ガス供給経路６の一部（正確には、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の部分）を用いて、燃料電池１のアノード出口１Ｂからアノード入口１Ａにまで延伸する循環経路が形成されている。すると、燃料電池１のアノード出口１Ｂからのアノードオフガスが燃料電池１のアノード入口１Ａに戻るように構成できるので、燃料電池１の高効率な発電が可能となる。
【００７９】
燃焼器２は、改質器３を加熱する装置である。具体的には、燃焼器２では、燃料電池１のアノード出口１Ｂから排出されたアノードオフガスを燃焼することで、改質器３が加熱される。これにより、改質器３の改質触媒を改質反応に適した温度にまで昇温できる。なお、燃焼器２に供給する酸素含有ガスは、いずれのガスであってもよいが、例えば、燃料電池１のカソードＣＡより排出されるカソードオフガスを用いてもよい。
【００８０】
アノードオフガス排出経路９は、リサイクル経路８から分岐部１６で分岐し、燃焼器２に延伸する流路である。これにより、燃焼器２の燃料ガスであるアノードオフガスを、分岐部１６からアノードオフガス排出経路９を通じて供給できる。
【００８１】
第２の流量制御器１１は、燃料電池１のアノードＡＮから排出されたアノードオフガスを燃料電池１のアノードＡＮにリサイクルさせる流量と、アノードオフガスを燃焼器２に供給する流量を制御する装置である。第２の流量制御器１１は、このようなアノードオフガスを燃料電池１のアノードＡＮにリサイクルさせる流量と、アノードオフガスを燃焼器２に供給する流量を制御することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、第２の流量制御器１１は、アノードオフガスをリサイクルさせるか燃焼器２に供給させるかを切り替える第２の切替器であってもよい。また、第２の流量制御器１１は、燃料電池１のアノードＡＮに供給される、改質ガスの流量および水素ガスの流量を調節する第２の流量調節器であってもよい。
【００８２】
第２の流量制御器１１は、アノードオフガス排出経路９上および分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８上、または、分岐部１６上、に設けられている。つまり、第２の流量制御器１１は、分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８、および、アノードオフガス排出経路９を流れるアノードオフガスの流量を制御する装置である。
【００８３】
第２の流量制御器１１は、例えば、三方弁、または、二方弁の組合せで構成してもよい。三方弁は、分岐部１６上に設けられた三方切替弁であってもよいし、三方流量調節弁であってもよい。二方弁の組合せの一方は、分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８上に設けられた開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。二方弁の組合せの他方は、アノードオフガス排出経路９上に設けられた開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。
【００８４】
なお、以上の第２の流量制御器１１の具体例は例示であって、本例に限定されない。
【００８５】
制御器１８は、第１の流量制御器２０と第２の流量制御器１１を制御する。
【００８６】
具体的には、制御器１８は、第１の流量制御器２０を制御して、燃料電池１に改質ガスを水素ガスよりも多く供給しているとき、第２の流量制御器１１を制御して、アノードオフガスをリサイクルさせる流量よりも燃焼器２に供給する流量を多くする。
【００８７】
一例として、第１の流量制御器２０は、燃料電池１の燃料ガスを改質ガスと水素ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、第２の流量制御器１１は、アノードオフガスをリサイクルさせるか燃焼器２に供給させるかを切り替える第２の切替器であり、制御器１８は、第１の切替器を制御して、燃料電池１に改質ガスを供給させているとき、第２の切替器を制御して、アノードオフガスを燃焼器２に供給させてもよい。
【００８８】
逆に、制御器１８は、第１の流量制御器２０を制御して、燃料電池１に水素ガスを改質ガスよりも多く供給しているとき、第２の流量制御器１１を制御して、アノードオフガスを燃焼器に供給させる流量よりもリサイクルさせる流量を多くする。
【００８９】
一例として、第１の流量制御器２０は、燃料電池１の燃料ガスを改質ガスと水素ガスとの間で切り替える第１の切替器であり、第２の流量制御器１１は、アノードオフガスをリサイクルさせるか燃焼器２に供給させるかを切り替える第２の切替器であり、制御器１８は、第１の切替器を制御して、燃料電池１に水素ガスを供給させているとき、第２の切替器を制御して、アノードオフガスをリサイクルさせてもよい。
【００９０】
ただし、以上の第１の流量制御器２０および第２の流量制御器１１の制御において、制御器１８は、第１の流量制御器２０を制御して、水素ガスを改質ガスよりも優先的に燃料電池１に供給し、燃料電池１を動作させてもよい。
【００９１】
なお、制御器１８は、燃料電池１が水素ガスを用いて発電しているときに、改質器３において改質ガスの生成を開始させる場合、第２の流量制御器１１を制御して、アノードオフガスの少なくとも一部を燃焼器２に供給させてもよい。
【００９２】
また、制御器１８は、燃料電池システム１００の全体の動作を制御してもよい。例えば、制御器１８は、燃料電池１が水素ガスを用いて発電しているときに、供給源４００の水素ガス量が低下すると、改質器３において改質ガスの生成を開始させてもよい。そして、燃料電池システム１００の制御において、制御器１８が、第２の流量制御器１１、上記の原料流量制御装置、上記の水素流量制御装置および上記の水流量制御装置と無線または有線で接続されており、制御器１８からの制御信号により、それぞれ、改質ガス供給経路６を流れる改質ガスまたは水素ガスの流量、アノードオフガス流量、原料流量、水素供給経路５を流れる水素ガス流量、および、水流量などが制御されていてもよい。
【００９３】
制御器１８は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器１８は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器１８は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００９４】
[動作]
以下、第１実施形態の燃料電池システム１００の運転（動作）の一例について図１を参照しながら説明する。
【００９５】
なお、以下に示す動作は、例えば、制御器１８の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。但し、以下の動作を制御器１８で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行っても構わない。
【００９６】
供給源４００に十分な量の水素ガスが存在している場合、水素ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池システム１００の通常運転が行われる。つまり、第１の流量制御器２０を制御して、水素ガスが改質ガスよりも優先的に燃料電池１に供給され、燃料電池１が発電する。
【００９７】
この段階では、水素供給経路５からの水素ガスが、改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給されるように第１の流量制御器２０が制御される。また、アノードオフガスが全量、分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８を流れるように第２の流量制御器１１が制御される。つまり、第２の流量制御器１１によって、リサイクル経路８とアノードオフガス排出経路９との連通が遮断される。なお、このとき、燃焼器２の燃焼動作および改質器３の動作（改質ガス生成）は停止している。
【００９８】
以上により、リサイクル経路８および改質ガス供給経路６の一部（正確には、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の部分）を用いて、燃料電池１のアノード出口１Ｂからアノード入口１Ａにまで延伸する循環経路が形成され、燃料電池１のアノードから排出されたアノードオフガスは、この循環経路内を循環する（つまり、アノードオフガス全量がリサイクルされている）。
【００９９】
これにより、燃料電池システム１００の発電効率が、アノードオフガスをリサイクルしていない構成に比べて向上する。
【０１００】
このとき、アノードオフガスが上記の循環経路を循環する過程で、アノードオフガス中には、水素ガス以外の不純物が経時的に増加する。不純物として、例えば、酸化剤ガスとして、空気を使用する場合、燃料電池１のカソードＣＡから電解質膜を通じてアノードＡＮへ漏れる窒素ガスなどを挙げることができる。
【０１０１】
アノードオフガス中の不純物が増加すると、アノードオフガス中の水素濃度は低下するので、燃料電池１の発電中には、適時に、循環経路に連通する排出経路に設けられたパージ弁（図示せず）を一時的に開くことにより、循環経路から不純物を含むパージガスが大気に放出（パージ）される。これにより、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減することが可能となり、アノードオフガス中の水素濃度を回復させることができる。
【０１０２】
なお、上記の排出経路は、循環経路のいずれの箇所に接続されていてもよい。排出経路は、例えば、アノードオフガス排出経路９であってもよい。この場合、第２の流量制御器１１が、パージ弁の機能を兼ねてもよい。また、パージガスは、燃焼器２において希釈されてもよい。
【０１０３】
次に、供給源４００に残存する水素ガス量が少なくなると、上記の燃料電池システム１００の通常運転から、改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池システム１００のバックアップ運転に切り替える動作が行われる。
【０１０４】
燃料電池システム１００のバックアップ運転では、燃料電池１が水素ガスを用いて発電しているときに、供給源４００の水素ガス量が低下すると、改質器３において改質ガスの生成が開始する。また、このとき、第２の流量制御器１１を制御して、アノードオフガスの少なくとも一部を燃焼器２に供給する。つまり、この段階では、アノードオフガスは全量または一部がアノードオフガス排出経路９を流れるように第２の流量制御器１１が制御される。このとき、燃焼器２は、アノードオフガス排出経路９からのアノードオフガスを燃焼することで、改質器３を加熱する。そして、燃焼器２の燃焼熱により改質器３の改質触媒が適温にまで昇温すると、改質器３に原料および水が供給され、原料を改質（例えば、水蒸気改質）することで改質ガスが生成される。但し、このような改質ガスの生成動作は、一般的な改質装置の動作と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０１０５】
次に、改質器３により原料を改質することで改質ガスが生成されると、改質ガスが、改質器３から改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給されるように第１の流量制御器２０が制御される。
【０１０６】
このとき、アノードオフガスの一部がアノードオフガス排出経路９に流れている場合は、アノードオフガスが全量、アノードオフガス排出経路９を流れるように第２の流量制御器１１を制御する。つまり、第２の流量制御器１１によって、分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８と分岐部１６より上流のリサイクル経路８との連通が遮断される。
【０１０７】
また、水素供給経路５から燃料電池１のアノードＡＮへの水素ガスの供給が停止されるように第１の流量制御器２０が制御される。
【０１０８】
なお、燃料電池１のアノードＡＮへの改質ガスの供給開始のタイミングは、燃料電池１のアノードＡＮへの水素ガスの供給停止のタイミングよりも所定時間だけ早くする方がよい。仮に、改質ガスの供給開始のタイミングを、水素ガスの供給停止のタイミングをよりも遅くすると、燃料電池１のアノードＡＮに燃料ガスが供給されない可能性があるからである。
【０１０９】
また、上記のアノードオフガスが全量、アノードオフガス排出経路９を流れるように第２の流量制御器１１を制御するタイミングは、燃料電池１のアノードＡＮへの改質ガスの供給開始よりも所定時間だけ早くする方がよい。仮に、第２の流量制御器１１を制御するタイミングを、燃料電池１のアノードＡＮへの改質ガスの供給開始よりも遅くすると、改質ガス由来のアノードオフガスが、燃料電池１のアノードＡＮに供給される可能性があるからである。
【０１１０】
次に、供給源４００内に十分な量の水素ガスが補充されると、燃料電池システム１００のバックアップ運転から燃料電池システム１００の通常運転に切り替える動作が行われる。
【０１１１】
この段階では、水素供給経路５からの水素ガスが、改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給されるように第１の流量制御器２０が制御される。
【０１１２】
また、改質器３への原料および水の供給を停止することで、改質ガスの生成が停止する。但し、このような改質ガスの生成停止動作は、一般的な改質装置の動作と同様であるので詳細な説明は省略する。
【０１１３】
そして、アノードオフガスが全量、分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８を流れるように第２の流量制御器１１が制御される。つまり、第２の流量制御器１１によって、リサイクル経路８とアノードオフガス排出経路９との連通が遮断される。これにより、燃焼器２の燃焼動作が停止する。
【０１１４】
なお、燃料電池１のアノードＡＮへの水素ガスの供給開始のタイミングは、改質ガスの生成停止よりも所定時間だけ早くする方がよい。仮に、燃料電池１のアノードＡＮへの水素ガスの供給開始のタイミングを、改質ガスの生成停止よりも遅くすると、燃料電池１のアノードＡＮに燃料ガスが供給されない可能性があるからである。
【０１１５】
また、アノードオフガスが全量、分岐部１６と合流部１７との間のリサイクル経路８を流れるように第２の流量制御器１１を制御するタイミングは、燃料電池１のアノードＡＮへの水素ガスの供給開始よりも所定時間だけ遅くする方が望ましい。仮に、第２の流量制御器１１を制御するタイミングを、燃料電池１のアノードＡＮへの水素ガスの供給開始よりも早くすると、改質ガス由来のアノードオフガスが、燃料電池１のアノードＡＮに供給される可能性があるからである。
【０１１６】
以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電に使用する水素ガスのバックアップ燃料ガスとして改質ガスを用いることで、燃料電池１の発電を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができる。つまり、本実施形態の燃料電池システム１００は、水素供給経路５から供給される水素ガスを用いて燃料電池１で発電する際に、状況に応じて（例えば、供給源４００の水素ガス量が少ない場合など）、改質ガスを用いて燃料電池１で発電することができる。よって、供給源４００に存在する水素ガス量の多少に関係なく、燃料電池システム１００の連続運転を継続することができる。
【０１１７】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、改質器３から燃料電池１への改質ガスの流量が、供給源４００から燃料電池１への水素ガスの流量よりも多い場合、燃料電池１よりも燃焼器２にアノードオフガスを多量に供給することにより、改質器３の温度を改質反応に適した温度に維持させやすくなる。例えば、燃料電池１の燃料ガスとして、改質器３からの改質ガスを使用する場合、燃焼器２にアノードオフガスを全量、供給することにより、改質器３の温度を改質反応に適した温度に容易に維持することができる。
【０１１８】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、供給源４００から燃料電池１への水素ガスの流量が、改質器３から燃料電池１への改質ガスの流量よりも多い場合、燃焼器２よりも燃料電池１にアノードオフガスを多量に供給（リサイクル）することにより、燃料電池システム１００の発電効率を向上させやすくなる。例えば、燃料電池１の燃料ガスとして、供給源４００からの水素ガスを使用する場合、燃料電池１のアノードＡＮにアノードオフガスを全量、供給（リサイクル）することにより、燃料電池システム１００を高い発電効率で動作させることができる。
【０１１９】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１が水素ガスを用いて発電している段階で、燃焼器２にアノードオフガスの少なくとも一部を供給することにより、改質器３の温度を改質反応に適した温度にまで適時に昇温することができる。よって、本実施形態の燃料電池システム１００は、水素ガスを用いる燃料電池システム１００の通常運転から、改質ガスを用いる燃料電池システム１００のバックアップ運転への切り替えをスムーズに行うことができる。
【０１２０】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、供給源４００の水素ガス量が低下した段階で、改質器４において改質ガスの生成を適時に開始することにより、水素ガスを用いる燃料電池システム１００の通常運転から、改質ガスを用いる燃料電池システム１００のバックアップ運転への切り替えをスムーズに行うことができる。
【０１２１】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、供給源４００からの水素ガスを優先的に燃料電池１のアノードＡＮに供給することにより、改質器３からの改質ガスを優先的に燃料電池１のアノードＡＮに供給する場合に比べて、燃料電池システム１００の発電効率を向上させることができる。
【０１２２】
（第１変形例）
図２Ａは、第１実施形態の第１変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１２３】
図２Ａに示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５と、原料供給経路７と、昇圧器１５Ａと、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【０１２４】
ここで、燃料電池１、燃焼器２、改質器３、改質ガス供給経路６、リサイクル経路８、アノードオフガス排出経路９、水素供給経路５、原料供給経路７、第２の流量制御器１１、および、第１の流量制御器２０については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２５】
本変形例の燃料電池システム１００では、昇圧器１５Ａは、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の改質ガス供給経路６に設けられている。つまり、昇圧器１５Ａは、燃料電池１のアノードＡＮに燃料ガス（例えば、改質ガス、水素ガス）を圧送する装置である。
【０１２６】
昇圧器１５Ａは、燃料電池１のアノードＡＮに燃料ガスを圧送できれば、どのような構成であってもよい。例えば、昇圧器１５Ａは、燃料電池１のアノードＡＮに送る燃料ガスの流量を調整可能な流量調整機能を備えてもよい。昇圧器１５Ａとして、例えば、ポンプ、コンプレッサーなどを挙げることができるが、これらに限定されない。この場合、制御器１８は、昇圧器１５Ａの動作を制御してもよい。
【０１２７】
なお、本変形例の燃料電池システム１００が奏する作用および効果は、第１実施形態の燃料電池システム１００が奏する作用および効果と同様であるので、説明を省略する。
【０１２８】
本変形例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様であってもよい。
【０１２９】
（第２変形例）
図２Ｂは、第１実施形態の第２変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１３０】
図２Ｂに示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５と、原料供給経路７と、昇圧器１５Ｂと、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【０１３１】
ここで、燃料電池１、燃焼器２、改質器３、改質ガス供給経路６、リサイクル経路８、アノードオフガス排出経路９、水素供給経路５、原料供給経路７、第２の流量制御器１１、および、第１の流量制御器２０については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１３２】
本変形例の燃料電池システム１００では、昇圧器１５Ｂは、燃料電池１のアノード出口１Ｂと分岐部１６との間のリサイクル経路８に設けられている。つまり、昇圧器１５Ｂは、第２の流量制御器１１にアノードオフガスを圧送する装置である。
【０１３３】
昇圧器１５Ｂは、第２の流量制御器１１にアノードオフガスを圧送できれば、どのような構成であってもよい。例えば、昇圧器１５Ｂは、第２の流量制御器１１に送るアノードオフガスの流量を調整可能な流量調整機能を備えてもよい。昇圧器１５Ｂとして、例えば、ポンプ、コンプレッサーなどを挙げることができるが、これらに限定されない。この場合、制御器１８は、昇圧器１５Ｂの動作を制御してもよい。
【０１３４】
なお、本変形例の燃料電池システム１００が奏する作用および効果は、第１実施形態の燃料電池システム１００が奏する作用および効果と同様であるので、説明を省略する。
【０１３５】
本変形例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様であってもよい。
【０１３６】
（第１実施例）
図３は、第１実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１３７】
図３に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５Ａと、原料供給経路７と、昇圧器１５Ａと、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【０１３８】
ここで、燃料電池１、燃焼器２、改質器３、改質ガス供給経路６、リサイクル経路８、アノードオフガス排出経路９、原料供給経路７、および、第２の流量制御器１１については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。昇圧器１５Ａについては、第１実施形態の第１変形例と同様であるので説明を省略する。
【０１３９】
本実施例の燃料電池システム１００では、水素供給経路５Ａは改質ガス供給経路６に接続している流路である。つまり、水素供給経路５Ａの上流端は、供給源４００に接続しており、水素供給経路５Ａの下流端は、改質ガス供給経路６に接続している。
【０１４０】
この場合、第１の流量制御器２０は、例えば、三方弁、または、二方弁の組合せで構成してもよい。三方弁は、例えば、水素供給経路５と改質ガス供給経路６との合流部上に設けられた三方切替弁で構成してもよいし、この合流部上に設けられた三方流量調節弁で構成してもよい。二方弁の組合せの一方は、上記合流部よりも上流の水素供給経路５に設けられた開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。二方弁の組合せの他方は、上記合流部よりも上流の改質ガス供給経路６上に設けられた開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。なお、このような第１の流量制御器２０の具体例は例示であって、本例に限定されない。
【０１４１】
これにより、燃料電池システム１００の通常運転において、第１の流量制御器２０の制御により、水素供給経路５Ａからの水素ガスは、改質ガス供給経路６を経由して燃料電池１のアノードＡＮに供給される。また、燃料電池システム１００のバックアップ運転において、第１の流量制御器２０の制御により、改質器３で生成された改質ガスが改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される。
【０１４２】
水素供給経路５Ａの下流端は、改質ガス供給経路６のいずれの箇所に接続していてもよい。例えば、図３に示す例では、水素供給経路５Ａの下流端が、改質器３と昇圧器１５Ａとの間の改質ガス供給経路６に接続しているが、水素供給経路５Ａの下流端が、昇圧器１５Ａと燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の改質ガス供給経路６に接続していてもよい。
【０１４３】
ところで、仮に、水素供給経路５Ａが、原料供給経路７および改質器３で接続している場合、水素供給経路５Ａと昇圧器１５Ａとの間の改質器３の存在により圧力損失が発生する。すると、燃料電池システム１００の発電効率が低下する可能性があるが、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５Ａが、改質ガスの流れに対して改質器３よりも下流の改質ガス供給経路６に接続しているので、このような可能性を低減できる。
【０１４４】
本実施例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であってもよい。例えば、図３に示す例では、昇圧器１５Ａは、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の改質ガス供給経路６に設けられているが、これに限定されない。昇圧器は、図２Ｂに示す如く、燃料電池１のアノード出口１Ｂと分岐部１６との間のリサイクル経路８に設けられていてもよい。
【０１４５】
（第２実施例）
図４は、第１実施形態の第２実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１４６】
図４に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５Ｂと、原料供給経路７と、昇圧器１５Ａと、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【０１４７】
ここで、燃料電池１、燃焼器２、改質器３、改質ガス供給経路６、リサイクル経路８、アノードオフガス排出経路９、原料供給経路７、および、第２の流量制御器１１については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。昇圧器１５Ａについては、第１実施形態の第１変形例と同様であるので説明を省略する。
【０１４８】
本実施例の燃料電池システム１００では、水素供給経路５Ｂは改質器３に接続している流路である。つまり、水素供給経路５Ｂの上流端は、供給源４００に接続しており、水素供給経路５Ｂの下流端は、改質器３に接続している。
【０１４９】
この場合、第１の流量制御器２０は、例えば、水素供給経路５上に設けられた水素流量制御装置（例えば、昇圧器、開閉弁、流量調整弁、マスフローコントローラなど）と、原料供給経路７上に設けられた原料流量制御装置（例えば、昇圧器、開閉弁、流量調整弁、マスフローコントローラなど）との組合せで構成してもよい。なお、このような第１の流量制御器２０の具体例は例示であって、本例に限定されない。
【０１５０】
これにより、燃料電池システム１００の通常運転において、第１の流量制御器２０の制御により、水素供給経路５Ｂからの水素ガスは、改質器３および改質ガス供給経路６をこの順番に経由して燃料電池１のアノードＡＮに供給される。また、燃料電池システム１００のバックアップ運転において、第１の流量制御器２０の制御により、改質器３で生成された改質ガスが改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される。
【０１５１】
ところで、仮に、水素供給経路５Ｂが改質ガス供給経路６で接続している場合、改質器３の動作を停止したとき、改質器３内の改質触媒の酸化劣化が生じやすい。しかし、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５Ｂが改質器３で接続しているので、改質器３の動作を停止したとき、水素供給経路５Ｂからの水素ガスが改質器３内の改質触媒を通過する。よって、改質器３内の改質触媒を還元雰囲気に保つことができるので、改質触媒の酸化劣化を抑制することができる。
【０１５２】
本実施例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であってもよい。例えば、図４に示す例では、昇圧器１５Ａは、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の改質ガス供給経路６に設けられているが、これに限定されない。昇圧器は、図２Ｂに示す如く、燃料電池１のアノード出口１Ｂと分岐部１６との間のリサイクル経路８に設けられていてもよい。
【０１５３】
（第３実施例）
図５は、第１実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１５４】
図５に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５Ｃと、原料供給経路７と、昇圧器１５Ａと、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【０１５５】
ここで、燃料電池１、燃焼器２、改質器３、改質ガス供給経路６、リサイクル経路８、アノードオフガス排出経路９、原料供給経路７、および、第２の流量制御器１１については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。昇圧器１５Ａについては、第１実施形態の第１変形例と同様であるので説明を省略する。
【０１５６】
本実施例の燃料電池システム１００では、水素供給経路５Ｃは原料供給経路７に接続している流路である。つまり、水素供給経路５Ｃの上流端は、供給源４００に接続しており、水素供給経路５Ｃの下流端は、原料供給経路７に接続している。
【０１５７】
この場合、第１の流量制御器２０は、例えば、三方弁、または、二方弁の組合せで構成してもよい。三方弁は、例えば、水素供給経路５と原料供給経路７との合流部上に設けられた三方切替弁で構成してもよいし、この合流部上に設けられた三方流量調節弁で構成してもよい。二方弁の組合せの一方は、上記合流部よりも上流の水素供給経路５に設けられた開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。二方弁の組合せの他方は、上記合流部よりも上流の原料供給経路７上に設けられた開閉弁であってもよいし、流量調整弁であってもよい。なお、このような第１の流量制御器２０の具体例は例示であって、本例に限定されない。
【０１５８】
これにより、燃料電池システム１００の通常運転において、第１の流量制御器２０の制御により、水素供給経路５Ｃからの水素ガスは、原料供給経路７、改質器３および改質ガス供給経路６をこれらの順番に経由して燃料電池１のアノードＡＮに供給される。また、燃料電池システム１００のバックアップ運転において、第１の流量制御器２０の制御により、改質器３で生成された改質ガスが改質ガス供給経路６を通じて燃料電池１のアノードＡＮに供給される。
【０１５９】
水素供給経路５Ｃの下流端は、原料供給経路７のいずれの箇所に接続していてもよい。
【０１６０】
例えば、燃料電池システム１００が、上記の原料供給経路７を流れる原料の流量を制御するための原料流量制御装置を備える場合、水素供給経路５Ｃの下流端が、改質器３と原料流量制御装置との間の原料供給経路７に接続していてもよいし、原料流量制御装置よりも上流の原料供給経路７に接続していてもよい。
【０１６１】
また、例えば、燃料電池システム１００が、上記の改質器３に供給される原料中の硫黄化合物を除去するための脱硫器を備える場合、水素供給経路５Ｃの下流端が、改質器３と脱硫器との間の原料供給経路７に接続していてもよいし、原料の流れに対して脱硫器よりも上流の原料供給経路７に接続していてもよい。但し、脱硫器が水添脱硫器であるときは、水素供給経路５Ｃの下流端を、原料の流れに対して水添脱硫器よりも上流の原料供給経路７に接続する方が望ましい場合がある。理由は後で説明する。
【０１６２】
ところで、仮に、水素供給経路５Ｃが改質ガス供給経路６で接続している場合、改質器３の動作を停止したとき、改質器３内の改質触媒の酸化劣化が生じやすい。しかし、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５Ｃが原料供給経路７で接続しているので、改質器３の動作を停止したとき、水素供給経路５Ｃからの水素ガスが、原料供給経路７を経由して改質器３内の改質触媒を通過する。よって、改質器３内の改質触媒を還元雰囲気に保つことができるので、改質触媒の酸化劣化を抑制することができる。
【０１６３】
また、原料として、例えば、都市ガスなどを使用するとき、原料供給経路７に、水添脱硫器が設けられる場合がある。この場合、一般的に、改質器３より送出される改質ガスの一部を水添脱硫器に戻すように配管を引き回すことで、水添脱硫器の水添脱硫に必要な水素が供給されることが多い。しかし、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５Ｃからダイレクトに水添脱硫器に水素を供給することが可能であるので、上記の配管の引き回しを行う必要がない。
【０１６４】
また、燃料電池システム１００は、一般的に、筐体（図示せず）で改質器３を覆うとともに、原料供給経路７が、この筐体を通過してから改質器３に至るように延伸する構成を取ることが多い。このとき、仮に、水素供給経路５Ｃが改質ガス供給経路６または改質器３で接続している場合、水素供給経路５Ｃを構成する配管は、筐体内に設けられる。すると、かかる配管の存在により、筐体内の構成部材をコンパクトに配置することが困難となる可能性がある。また、筐体内の構成部材をメンテナンスしにくくなる可能性がある。
【０１６５】
しかし、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５Ｃが原料供給経路７で接続しているので、水素供給経路５Ｃを構成する配管を筐体外に配置することができる。よって、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５Ｃが改質ガス供給経路６または改質器３で接続している場合に比べて、筐体内の構成部材をコンパクトに配置できる。また、筐体内の構成部材のメンテナンス性が向上する。
【０１６６】
本実施例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であってもよい。例えば、図５に示す例では、昇圧器１５Ａは、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の改質ガス供給経路６に設けられているが、これに限定されない。昇圧器は、図２Ｂに示す如く、燃料電池１のアノード出口１Ｂと分岐部１６との間のリサイクル経路８に設けられていてもよい。
【０１６７】
（第４実施例）
図６は、第１実施形態の第４実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
【０１６８】
図６に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５と、原料供給経路７と、昇圧器１５Ａと、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、検知器１９と、を備える。
【０１６９】
ここで、燃料電池１、燃焼器２、改質器３、改質ガス供給経路６、リサイクル経路８、アノードオフガス排出経路９、水素供給経路５、原料供給経路７、第２の流量制御器１１および第１の流量制御器２０については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。昇圧器１５Ａについては、第１実施形態の第１変形例と同様であるので説明を省略する。
【０１７０】
検知器１９は、供給源４００の水素ガス量を検知するセンサである。検知器１９は、供給源４００の水素ガス量を検知することができれば、どのような構成であってもよい。
【０１７１】
例えば、供給源４００が水素貯蔵器である場合、上記の検知器１９は、水素貯蔵器内の水素ガス圧を検知する圧力検知器であってもよい。つまり、水素貯蔵器に存在する水素ガスが十分な量である場合、水素貯蔵器には水素ガスが高圧状態で充填されている。よって、圧力検知器で検知される検知圧力が、所定圧力に至ることで水素貯蔵器に残存する水素ガス量が少なくなったと判断できる。具体的には、圧力検知器の検知信号が、適宜の信号処理回路（図示せず）により信号処理が行われた後、制御器１８に送信される。これにより、制御器１８が、圧力検知器の圧力データに基づいて、水素貯蔵器に存在する水素ガス量が少なくなったかどうかを判定することができる。なお、水素貯蔵器内に圧力検知器を設け、水素貯蔵器内の水素ガス圧を直接的に検知してもよいし、この水素ガス圧と相関する所定の箇所（例えば、水素供給経路５を構成する配管内）に圧力検知器を設け、水素ガス圧を間接的に検知してもよい。
【０１７２】
また、例えば、上記の検知器１９は、水素貯蔵器内の水素ガスの温度を検知する温度検知器であってもよい。つまり、水素貯蔵器に存在する水素ガスが十分な量である場合、水素貯蔵器には水素ガスが高圧状態で充填されている。このとき、水素ガスの充填量と水素ガスの温度との間には相関関係がある。よって、温度検知器で検知される検知温度が、所定温度に至ることで水素貯蔵器に残存する水素ガス量が少なくなったと判定できる。具体的には、温度検知器の検知信号は、適宜の信号処理回路（図示せず）により信号処理が行われた後、制御器１８に送信される。これにより、制御器１８が、温度検知器の温度データに基づいて、水素貯蔵器に存在する水素ガス量が少なくなったかどうかを判定することができる。なお、水素貯蔵器内に温度検知器を設け、水素貯蔵器内の水素ガスの温度を直接的に検知してもよいし、この水素ガスの温度と相関する所定の箇所（例えば、水素供給経路５を構成する配管表面など）に温度検知器を設け、水素ガスの温度を間接的に検知してもよい。温度検知器として、例えば、熱電対などを挙げることができるが、これに限定されない。
【０１７３】
制御器１８は、検知器１９の検知信号に基づいて、第１の流量制御器２０と第２の流量制御器１１を制御する。
【０１７４】
以上により、本実施例の燃料電池システム１００は、水素供給経路５から供給される水素ガスを用いて燃料電池１で発電する際に、供給源４００に存在する水素ガス量の多少を検知器１９で適切に検知できる。よって、制御器１８が、かかる検知信号に基づいて第１の流量制御器２０と第２の流量制御器１１の動作を制御することで、水素ガスを用いて燃料電池１で発電する際に、適時に、改質ガスを用いて燃料電池１で発電する動作（燃料電池システム１００のバックアップ運転）に切り替えることができる。また、改質ガスを用いて燃料電池１で発電する際に、適時に、水素ガスを用いて燃料電池１で発電する動作（燃料電池システム１００の通常運転）に復帰することができる。
【０１７５】
なお、上記の制御器１８の制御内容は例示であって、本例に限定されない。
【０１７６】
例えば、以上の圧力検知器および温度検知器の両方の検知信号が、適宜の信号処理回路（図示せず）により信号処理が行われた後、制御器１８に送信されてもよい。
【０１７７】
これにより、制御器１８は、圧力検知器の圧力データおよび温度検知器の温度データのいずれか一方のデータに基づいて供給源４００に存在する水素ガス量が少なくなったかどうかを判定する場合に比べて、これらの両方のデータに基づいて供給源４００に存在する水素ガス量が少なくなったかどうかを高精度に判定することができる。
【０１７８】
本実施例の燃料電池システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第１実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であってもよい。例えば、図６に示す例では、昇圧器１５Ａは、合流部１７と燃料電池１のアノード入口１Ａとの間の改質ガス供給経路６に設けられているが、これに限定されない。昇圧器は、図２Ｂに示す如く、燃料電池１のアノード出口１Ｂと分岐部１６との間のリサイクル経路８に設けられていてもよい。
【０１７９】
（第２実施形態）
［装置構成］
図７は、第２実施形態の電気化学装置の一例を示す図である。
【０１８０】
図７に示す例では、電気化学装置ＥＣＳは、電気化学デバイスＥＣと、燃焼器２と、改質器３と、改質ガス供給経路６と、リサイクル経路８と、アノードオフガス排出経路９と、水素供給経路５と、原料供給経路７と、第２の流量制御器１１と、第１の流量制御器２０と、制御器１８と、を備える。
【０１８１】
本実施形態では、電気化学装置ＥＣＳの一例である水素昇圧システム１００Ａが、電気化学デバイスＥＣとして水素ポンプ１０を備えること以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第１実施形態の第１実施例−第４実施例のいずれかの燃料電池システム１００と同様である。
【０１８２】
水素ポンプ１０は、アノードＡＮに供給された改質ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する装置である。なお、このような電解質膜による電気化学式の昇圧装置は公知であるので詳細な説明を省略する。
【０１８３】
［動作］
以下、第２実施形態の水素昇圧システム１００Ａの運転（動作）の一例について図７を参照しながら説明する。ただし、水素昇圧システム１００Ａの動作は、第１実施形態で説明した燃料電池システム１００の燃料電池１の発電動作を、以下の水素ポンプ１０の水素昇圧動作に置き換えること以外は、燃料電池システム１００の動作と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１８４】
なお、以下の動作は、例えば、制御器１８の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器１８で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１８５】
まず、水素昇圧システム１００Ａの通常運転においては、第１の流量制御器２０の制御により、水素ポンプ１０のアノードＡＮに、水素供給経路５からの低圧の水素ガスが供給されるとともに、図示しない電圧印加器の電圧が水素ポンプ１０のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される。
【０１８６】
一方、水素昇圧システム１００Ａのバックアップ運転においては、第１の流量制御器２０の制御により、水素ポンプ１０のアノードＡＮに、改質器３で生成された低圧の改質ガスが供給されるとともに、図示しない電圧印加器の電圧が水素ポンプ１０のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される。
【０１８７】
すると、アノードＡＮのアノード触媒層において、酸化反応で、水素ガスまたは改質ガス中の水素分子（Ｈ２）が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜内を伝導してカソードＣＡのカソード触媒層に移動する。電子は電圧印加器を通じてカソード触媒層１２に移動する。
【０１８８】
そして、カソード触媒層において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。
【０１８９】
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素（Ｈ２）を昇圧することができる。なお、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
【０１９０】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
このようにして、水素ポンプ１０では、電圧印加器で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素ガスまたは改質ガス中の水素（Ｈ２）がカソードＣＡにおいて昇圧される。これにより、水素ポンプ１０の水素昇圧動作が行われる。また、水素ポンプ１０の昇圧された水素は、適時に、水素需要体に供給されてもよい。なお、水素需要体として、例えば、燃料電池などを挙げることができる。
【０１９１】
以上のとおり、本実施形態の水素昇圧システム１００Ａは、水素ポンプ１０の水素昇圧動作に使用する水素ガスに代えて改質ガスを用いることで、水素ポンプ１０の水素昇圧動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができる。つまり、本実施形態の水素昇圧システム１００Ａは、水素供給経路５から供給される水素ガスを用いて水素ポンプ１０で水素を昇圧する際に、状況に応じて（例えば、供給源４００の水素ガス量が少ない場合など）、改質ガスを用いて水素ポンプ１０で水素を昇圧することができる。よって、供給源４００に存在する水素ガス量の多少に関係なく、水素昇圧システム１００Ａの連続運転を継続することができる。なお、本実施形態の水素昇圧システム１００Ａが奏する上記以外の作用および効果は、第１実施形態で説明した燃料電池システム１００の作用および効果から容易に理解できるので詳細な説明を省略する。
【０１９２】
本実施形態の水素昇圧システム１００Ａは、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第１実施形態の第１実施例−第４実施例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であってもよい。
【０１９３】
（第３実施形態）
[装置構成]
図８は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１９４】
ところで、近年、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置と、水素含有ガスを用いて動作する電気化学装置との組合せにより、環境にやさしい水素システムの構築が注目されている。なお、電気化学装置として、上記のとおり、燃料電池システム１００、水素昇圧システム１００Ａなどを挙げることができる。
【０１９５】
そこで、以下、電気化学装置が燃料電池システム１００である場合の水素システム２００の構成および動作について、図８を参照しながら説明する。
【０１９６】
図８に示す例では、水素システム２００は、燃料電池システム１００と、発電装置５００と、水電解装置３００と、供給源４００と、原料貯蔵器６００と、を備える。
【０１９７】
ここで、燃料電池システム１００については、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第１実施形態の第１実施例−第４実施例のいずれかの燃料電池システム１００と同様である。よって、燃料電池システム１００の詳細な説明および図示を省略する。
【０１９８】
発電装置５００は、再生可能エネルギーを用いて発電する装置である。発電装置５００により、必要に応じて、発電装置５００で発電した電力が、住宅９００（例えば、住宅９００の分電盤）、蓄電池７００および水電解装置３００に供給される。発電装置５００は、このような発電機能を備えていれば、どのような種類であってもよい。発電装置５００として、例えば、太陽光発電システムを挙げることができるが、これに限定されない。例えば、再生可能エネルギーは、風力などであってもよい。なお、発電装置５００が、太陽光発電システムである場合、太陽光発電システムのソーラーパネルを住宅９００の屋上に設置してもよい。
【０１９９】
蓄電池７００は、充放電を繰り返して使用できる電池である。蓄電池７００により、必要に応じて、蓄電池７００に蓄電した電力が住宅９００（分電盤）に供給される。蓄電池７００は、このような蓄電機能を備えていれば、いずれの種類であってもよい。
【０２００】
水電解装置３００は、発電装置５００で発電された電力を用いて、水の電気分解により水素ガスを生成する装置である。水電解装置３００の水電解の方式は、いずれの種類であってもよい。水電解の方式として、例えば、アルカリ水電解、固体高分子形水電解、固体酸化物形水電解などを挙げることができる。
【０２０１】
なお、図示を省略するが、水電解装置３００で水素ガスを生成するのに必要な機器が適宜、設けられる。例えば、水電解装置３００に水を供給するための水ポンプ、水の電気分解により発生したイオンを伝導するための電解質などが設けられていてもよい。また、電解質に電圧を印加する電圧印加器が設けられていてもよい。
【０２０２】
供給源４００は、水電解装置３００で生成された、水素ガスを貯える装置である。供給源４００として、例えば、水素貯蔵器を挙げることができる。この場合、水素貯蔵器は、水電解装置３００と水素供給経路５とに接続されており、水電解装置３００で生成された水素ガスを貯蔵する装置である。水素貯蔵器には、水電解装置３００の水の電気分解により生成された水素ガスが、気体または液体などの様々な状態で貯蔵される。つまり、水素貯蔵器は、このような水素ガスを貯蔵することができれば、どのような構成であってもよい。水素貯蔵器として、例えば、タンクを挙げることができるが、これに限定されない。また、水素貯蔵器において、水素ガスの状態で水素を貯蔵してもよいし、水素を合金などに吸着させて貯蔵してもよい。また、水素ガスを液体にして貯蔵してもよい。
【０２０３】
以上により、水電解装置３００で生成された水素ガスを供給源４００に一時的に貯蔵することができる。また、燃料電池システム１００の通常運転において、水素供給経路５を通じて供給源４００の水素ガスを燃料電池システム１００の燃料電池１に供給することができる。
【０２０４】
原料貯蔵器６００は、原料供給経路７に接続されており、原料を貯蔵する装置である。原料貯蔵器６００は、原料を貯蔵することができれば、どのような構成であってもよい。原料貯蔵器６００として、例えば、タンクを挙げることができるが、これに限定されない。原料貯蔵器６００は、ＬＰＧのガスボンベであってもよいし、灯油を貯蔵するようなタンクであってもよい。なお、水素システム２００は、このような原料貯蔵器６００を備えなくてもよい。例えば、原料供給経路７が、外部からシステム内に引き込まれて、都市ガスなどの原料が流れている配管であってもよい。
【０２０５】
以上により、燃料電池システム１００のバックアップ運転において、原料供給経路７を通じて原料貯蔵器６００の原料を燃料電池システム１００の改質器３に供給することができる。なお、原料は、上記のとおり、例えば、都市ガス、天然ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧ、灯油などの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む化石燃料である。
【０２０６】
ここで、発電装置５００と住宅９００（分電盤）との間、蓄電池７００と住宅９００（分電盤）との間、および、燃料電池システム１００と住宅９００（分電盤）との間はそれぞれ、電力変換器８００（例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器）を介して接続されている。
【０２０７】
[動作]
以下、第２実施形態の水素システム２００の運転（動作）の一例について図８を参照しながら説明する。
【０２０８】
なお、以下に示す動作は、例えば、制御器１８の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。但し、以下の動作を制御器１８で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行っても構わない。
【０２０９】
発電装置５００の発電電力により住宅９００に設けられた電力負荷の消費電力を賄うことができる場合（例えば、発電装置５００が太陽光発電システムであるときは、日照条件が良い場合、住宅９００の電力需要が少ない場合など）、電力負荷の消費電力相当の発電電力が住宅９００に供給されるとともに、発電装置５００の発電電力のうちの余剰電力が、必要に応じて、蓄電池７００および水電解装置３００のうちの少なくともいずれか一つに供給される。なお、このとき、水電解装置３００よりも蓄電池７００を優先して、発電装置５００からの発電電力を受電させてもよい。
【０２１０】
以上により、蓄電池７００で充電が行われる。また、水電解装置３００で水素ガス生成が行われ、水電解装置３００で生成された水素ガスが供給源４００に貯蔵される。
【０２１１】
また、発電装置５００の発電電力により住宅９００に設けられた電力負荷の消費電力を賄うことができない場合（例えば、発電装置５００が太陽光発電システムであるときは、日照条件が悪い場合、住宅９００の電力需要が多い場合など）、電力負荷の消費電力のうちの不足分が、必要に応じて、蓄電池７００、燃料電池システム１００のうちの少なくともいずれか一つから住宅９００に供給される。
【０２１２】
このとき、電力負荷の消費電力のうちの不足分が燃料電池システム１００から住宅に供給される際に、供給源４００内に十分な量の水素ガスが貯蔵されている場合、燃料電池システム１００の通常運転が行われる。これにより、燃料電池システム１００で高効率な発電を行うことができる。
【０２１３】
ここで、再生可能エネルギーは、太陽光、風力などの自然エネルギーであることが多いので、一般的に、日照条件、天候・気候などの影響を受けて不安定である。このため、このような再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水電解装置３００により水素ガスを生成する場合、供給源４００内に十分な量の水素ガスが貯蔵されていない可能性がある。
【０２１４】
そこで、供給源４００内に十分な量の水素ガスが貯蔵されていない場合、燃料電池システム１００のバックアップ運転が行われる。これにより、供給源４００内に十分な量の水素ガスが貯蔵されていない場合でも、燃料電池システム１００で発電を行うことができる。
【０２１５】
また、燃料電池システム１００の通常運転中、供給源４００に残存する水素ガス量が少なくなると、燃料電池システム１００の通常運転から、燃料電池システム１００のバックアップ運転に切り替える動作が行われる。これにより、供給源４００に残存する水素ガス量が少なくなった場合でも、燃料電池システム１００の発電を継続することができる。
【０２１６】
また、燃料電池システム１００のバックアップ運転中、供給源４００内に十分な量の水素ガスが補充されると、燃料電池システム１００のバックアップ運転から燃料電池システム１００の通常運転に切り替える動作が行われる。これにより、燃料電池システム１００において高効率な発電に切り替えることができる。
【０２１７】
なお、以上の燃料電池システム１００の通常運転およびバックアップ運転の詳細は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２１８】
以上のとおり、本実施形態の水素システム２００は、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水素ガスを生成する場合でも、燃料電池１の発電を停止せずに従来よりも適切に連続運転を行うことができる。例えば、原料貯蔵器６００には、水素ガスに比べて、モルあたりのエネルギー密度が高く、かつ化学的に安定な化石燃料（原料）が貯蔵されている。よって、このような原料の改質で得られる改質ガスを、水素ガスのバックアップ燃料ガスとして用いることで、不安定な再生可能エネルギーにより発電装置５００で電力が得られない状態が継続しても、燃料電池システム１００の連続運転を安定に継続することができる。
【０２１９】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第１実施形態の第１実施例−第４実施例、第２実施形態および第３実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
【０２２０】
また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２２１】
本開示の一態様は、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転が行われる電気化学装置に利用することができる。
【０２２２】
また、本開示の一態様は、再生可能エネルギーで得られた電力を用いて水素含有ガスを生成する場合でも、電気化学デバイスの動作を停止せずに従来よりも適切に連続運転が行われる水素システムに利用することができる。
【符号の説明】
【０２２３】
１        ：燃料電池
１Ａ      ：アノード入口
１Ｂ      ：アノード出口
２        ：燃焼器
３        ：改質器
４        ：改質器
５        ：水素供給経路
５Ａ      ：水素供給経路
５Ｂ      ：水素供給経路
５Ｃ      ：水素供給経路
６        ：改質ガス供給経路
７        ：原料供給経路
８        ：リサイクル経路
９        ：アノードオフガス排出経路
１０      ：水素ポンプ
１１      ：第２の流量制御器
１２      ：カソード触媒層
１５Ａ    ：昇圧器
１５Ｂ    ：昇圧器
１６      ：分岐部
１７      ：合流部
１８      ：制御器
１９      ：検知器
２０      ：第１の流量制御器
１００    ：燃料電池システム
１００Ａ  ：水素昇圧システム
２００    ：水素システム
３００    ：水電解装置
４００    ：供給源
５００    ：発電装置
６００    ：原料貯蔵器
７００    ：蓄電池
８００    ：電力変換器
９００    ：住宅
ＡＮ      ：アノード
ＣＡ      ：カソード
ＥＣ      ：電気化学デバイス
ＥＣＳ    ：電気化学装置
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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