(57)【要約】【課題】メディエータの再生速度を向上させるための技術を提供する。【解決手段】本開示の燃料電池システム（１００）は、カソード（１２）においてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池（１０）と、メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器（２０）と、再生器（２０）に接続されており、再生器（２０）に供給されるべき酸化剤が流れる酸化剤供給経路（２４）と、燃焼排ガスと再生器（２０）に供給されるべき酸化剤とを熱交換させる熱交換器（４０）と、を備えている。【選択図】図１
2019216093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードとを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードによって還元された前記メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器と、
前記再生器に接続されており、前記再生器に供給されるべき前記酸化剤が流れる酸化剤供給経路と、
改質器を加熱する燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第１熱交換器と
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記再生器から排出されたガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第２熱交換器をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
アノードオフガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる前記熱交換器である第３熱交換器を備えた、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されており、
前記第３熱交換器は、前記第２熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されており、
前記第３熱交換器は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間において前記酸化剤供給経路に配置されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
アノードオフガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第３熱交換器を備え、
前記再生器から排出されたガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第２熱交換器をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第３熱交換器は、前記第２熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されている、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の前記カソードと前記再生器との間で前記メディエータを含む溶液が循環するように前記燃料電池と前記再生器とを接続している循環経路をさらに備えた、請求項１〜８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】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池では、アノードで水素が酸化され、カソードで酸素が還元される。カソードにおける酸素の還元速度は遅い。このことは、燃料電池における反応効率を低下させる主たる要因である。この欠点を克服することができる燃料電池として、レドックスフロー型燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
レドックスフロー型燃料電池とは、カソード及びアノードの少なくとも１つにおける反応がメディエータを介した反応であることを特徴とする燃料電池である。レドックスフロー型燃料電池においては、例えば、アノードに水素ガスが供給され、カソードにメディエータ溶液が供給される。
【０００４】
レドックスフロー型燃料電池を用いたシステムは、通常、メディエータを再生させるための再生器を有している（特許文献１）。メディエータを再生器で再生させ、再生されたメディエータをカソードに再び供給することによって、燃料電池における反応を繰り返し進行させることができる。例えば、再生器においてメディエータ溶液に空気を接触させ、メディエータの還元体と酸素との化学反応を進行させる。これにより、メディエータが酸化体へと再生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５６８３９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池システムの効率を向上させるためには、再生器におけるメディエータの再生速度を向上させることが重要である。
【０００７】
本開示は、メディエータの再生速度を向上させるための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
カソードとアノードとを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードによって還元された前記メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器と、
前記再生器に接続されており、前記再生器に供給されるべき前記酸化剤が流れる酸化剤供給経路と、
改質器を加熱する燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第１熱交換器と
を備えた、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示の技術によれば、メディエータの再生速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、本開示の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図３】図３は、本開示の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】図４は、本開示の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】図５は、本開示の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、メディエータの再生速度を低下させる１つの原因が酸化剤自身にあることに気付き、本開示の燃料電池システムを完成させるに至った。低い温度の酸化剤を再生器に導入すると、酸化剤によってメディエータ溶液の温度が低下する。メディエータ溶液の温度が低下すると、メディエータの再酸化反応の反応速度が低下する。その結果、還元されたメディエータの濃度が高まり、燃料電池の出力の低下を招く。
【００１２】
酸化剤としては、外気が使用されることが多い。外気の温度は、環境によって異なる。特に、寒冷な地域において外気を酸化剤として使用する場合、外気を再生器に導入することによってメディエータ溶液の温度が低下しやすい。
【００１３】
（本開示に係る態様の概要）
本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
カソードとアノードとを有し、前記カソードにおいてメディエータを還元させることによって電力を生成する燃料電池と、
前記カソードによって還元された前記メディエータを酸化剤によって酸化させる再生器と、
前記再生器に接続されており、前記再生器に供給されるべき前記酸化剤が流れる酸化剤供給経路と、
改質器を加熱する燃焼器から排出された燃焼排ガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第１熱交換器と、
を備えている。
【００１４】
第１態様によれば、加熱された酸化剤が再生器へと導入されるので、再生器の中のメディエータ溶液の温度の低下を抑制できる。その結果、再生器におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。
【００１５】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムは、前記再生器から排出されたガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第２熱交換器をさらに備えていてもよい。第２態様によれば、再生器の中のメディエータ溶液の温度をより高温に維持することができ、再生器におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。
【００１６】
本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係る燃料電池システムでは、前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されていてもよい。第３態様によれば、より高い温度の酸化剤を再生器に供給することができる。
【００１７】
本開示の第４態様において、例えば、第２又は第３態様に係る燃料電池システムは、アノードオフガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第３熱交換器を備えていてもよい。第４態様によれば、再生器の中のメディエータ溶液の温度をより高温に維持することができ、再生器におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。
【００１８】
本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る燃料電池システムでは、前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されていてもよく、前記第３熱交換器は、前記第２熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されていてもよい。第５態様によれば、より高い温度の酸化剤を再生器に供給することができる。
【００１９】
本開示の第６態様において、例えば、第４態様に係る燃料電池システムでは、前記第２熱交換器は、前記第１熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されていてもよく、前記第３熱交換器は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との間において前記酸化剤供給経路に配置されていてもよい。第６態様によれば、より高い温度の酸化剤を再生器に供給することができる。
【００２０】
本開示の第７態様において、例えば、第１態様に係る燃料電池システムは、アノードオフガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第３熱交換器を備え、前記再生器から排出されたガスと前記再生器に供給されるべき前記酸化剤とを熱交換させる第２熱交換器をさらに備えていてもよい。第７態様によれば、再生器の中のメディエータ溶液の温度をより高温に維持することができ、再生器におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。
【００２１】
本開示の第８態様において、例えば、第７態様に係る燃料電池システムでは、前記第３熱交換器は、前記第２熱交換器よりも上流側において前記酸化剤供給経路に配置されていてもよい。第８態様によれば、より高い温度の酸化剤を再生器に供給することができる。
【００２２】
本開示の第９態様において、例えば、第１〜第８態様のいずれか１つに係る燃料電池システムは、前記燃料電池の前記カソードと前記再生器との間で前記メディエータを含む溶液が循環するように前記燃料電池と前記再生器とを接続している循環経路をさらに備えていてもよい。第９態様によれば、カソードにおける反応をスムーズに進行させることができる。
【００２３】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。燃料電池システム１００は、燃料電池１０及び再生器２０を備えている。燃料電池１０は、レドックスフロー型燃料電池である。再生器２０は、燃料電池１０と再生器２０との間でメディエータ溶液が循環できるように燃料電池１０に接続されている。
【００２５】
燃料電池システム１００は、高価な貴金属触媒の使用量を減らせること、過電圧を減らして高い発電効率を達成できること、メディエータ溶液の利用によって冷却システムを簡素化できることなどの利点を有する。
【００２６】
燃料電池１０は、アノード１１（燃料極）、カソード１２（酸化剤極）及び電解質膜１３を有する。電解質膜１３は、アノード１１とカソード１２との間に配置されている。アノード１１、カソード１２及び電解質膜１３は、膜電極接合体を構成している。燃料電池１０は、単一のセルによって構成されていてもよく、複数のセルの積層体によって構成されていてもよい。燃料電池１０は、アノード１１において燃料ガスを酸化させ、カソード１２においてメディエータを還元させることによって電力を生成する。カソード１２だけでなく、アノード１１における反応がメディエータを介した反応であってもよい。
【００２７】
アノード１１は、多孔質構造を有する電極である。電極は、例えば、炭素材料などの導電性材料によって構成されている。炭素材料としては、グラッシーカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンフェルトなどが挙げられる。アノード１１において燃料ガスを直接酸化させる場合には、例えば、導電性材料上に白金などの触媒が担持されている。メディエータを用いてアノード１１での反応が行われる場合には、触媒は省略されうる。
【００２８】
カソード１２は、例えば、多孔質基板によって構成されている。アノード１１に使用できる多孔質基板をカソード１２にも使用できる。燃料電池１０においては、メディエータを用いてカソード１２での反応が行われる。そのため、カソード１２は、白金などの触媒を必要としない。ただし、カソード１２が触媒を有していてもよい。
【００２９】
電解質膜１３は、プロトン伝導性を有する膜である。電解質膜１３の材料は特に限定されない。電解質膜１３としては、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜などが挙げられる。フッ素系高分子電解質膜としては、Nafion（DuPont社の登録商標）などのパーフルオロスルホン酸高分子電解質膜が挙げられる。炭化水素系高分子電解質膜としては、プロトン酸基（プロトン伝導性基）が導入された炭化水素高分子を用いた電解質膜が挙げられる。炭化水素高分子としては、エンジニアリングプラスチック、汎用プラスチックなどが挙げられる。エンジニアリングプラスチックとしては、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリパラフェニレンなどが挙げられる。汎用プラスチックとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどが挙げられる。プロトン酸基としては、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、ボロン酸基などが挙げられる。
【００３０】
再生器２０は、例えば、容器２１によって構成されている。再生器２０は、メディエータを酸化させる役割を担っている。容器２１は、メディエータ溶液を貯留できる内部空間を有する。容器２１は、断熱性を有する容器であってもよい。
【００３１】
再生器２０は、バブラー２２を備えていてもよい。バブラー２２は、酸化剤の細かい泡を作り出して、酸化剤とメディエータ溶液との接触を促進するための部材である。バブラー２２は、容器２１の内部に配置されている。本実施形態では、容器２１の底面上にバブラー２２が配置されている。バブラー２２には、外部から酸化剤が供給される。酸化剤は、バブラー２２から噴出され、メディエータ溶液に接触しながら上昇する。これにより、メディエータが酸化される。本実施形態において、酸化剤は気体である。典型的には、酸化剤は、空気に含まれた酸素（酸素ガス）である。
【００３２】
メディエータ溶液は、メディエータ及び溶媒を含む。メディエータの種類は特に限定されない。メディエータは、例えば、ポリオキソメタレート、金属イオン、又は金属錯体である。ポリオキソメタレートとして、リンモリブデン酸、リンバナジウム酸、リンタングステン酸などを使用できる。ポリオキソメタレートは、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステンなどの金属を有している。金属錯体としては、ポルフィリン金属錯体、ＴＥＭＰＯ（2,2,6,6-テトラメチルピペリジン 1-オキシル）を配位子として有する金属錯体、オキシダーゼ又はその誘導体を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。オキシダーゼとしては、ガラクトースオキシダーゼ、ビリルビンオキシダーゼ、グルコースオキシダーゼなどが挙げられる。複数の種類のメディエータがメディエータ溶液に含まれていてもよい。溶媒の種類も特に限定されない。溶媒としては、水、硫酸水溶液、リン酸水溶液などが挙げられる。溶液のｐＨは、酸性であってもよい。メディエータ溶液に適切な電解質が含まれていてもよい。
【００３３】
メディエータ溶液におけるメディエータの濃度は、カソード１２における反応がスムーズに進行するように適切に調整されている。メディエータの濃度は、メディエータの種類に応じて調整されうる。メディエータ溶液がＰＯＭ水溶液であるとき、ＰＯＭ水溶液におけるＰＯＭの濃度は、例えば、０．０５ｍｏｌ／リットル以上であり、０．１ｍｏｌ／リットル以上であってもよい。
【００３４】
燃料電池システム１００は、酸化剤供給経路２４をさらに備えている。酸化剤供給経路２４は、再生器２０に接続されている。詳細には、酸化剤供給経路２４は、再生器２０のバブラー２２に接続されている。酸化剤供給経路２４は、再生器２０においてメディエータを酸化させるための酸化剤が流れる流路である。酸化剤供給経路２４には、酸化剤をメディエータ溶液に吹き込むことができるように、ファン、ブロワなどの酸化剤供給器が設けられていてもよい。
【００３５】
燃料電池システム１００は、循環経路３０をさらに備えている。循環経路３０は、燃料電池１０と再生器２０とを接続している。循環経路３０を通じて、燃料電池１０のカソード１２と再生器２０との間でメディエータ溶液を循環させることができる。詳細には、カソード１２で還元されたメディエータを再生器２０で酸化させ、カソード１２に再度供給することができる。これにより、カソード１２における反応をスムーズに進行させることができる。
【００３６】
本実施形態において、循環経路３０は、第一経路３０ａ及び第二経路３０ｂを有する。第一経路３０ａは、再生器２０の溶液出口とカソード１２の入口とを接続している。第二経路３０ｂは、カソード１２の出口と再生器２０の溶液入口とを接続している。循環経路３０には、ポンプが設けられていてもよい。ポンプは、第一経路３０ａに配置されていてもよく、第二経路３０ｂに配置されていてもよい。第一経路３０ａ及び第二経路３０ｂのそれぞれにポンプが配置されていてもよい。
【００３７】
循環経路３０の第一経路３０ａ及び第二経路３０ｂは、それぞれ、少なくとも１つの配管によって構成されうる。循環経路３０には、ポンプ以外のコンポーネント、例えば、コネクタ、フィルタ、弁、流量計、センサなどが配置されていてもよい。これらは、他の経路にも当て嵌まる。
【００３８】
燃料電池システム１００は、改質器３２をさらに備えている。改質器３２は、例えば、水蒸気改質反応（CH4+H2O→3H2+CO）などの改質反応によって水素含有ガスを生成するための機器である。改質器３２には、改質反応を進行させるための改質触媒が収められている。改質器３２には、一酸化炭素を除去するための触媒（ＣＯ変成触媒及びＣＯ選択酸化除去触媒）が収められていてもよい。改質器３２は、水蒸気及び原料ガスを用いて、水素含有ガスを生成する。原料ガスは、例えば、都市ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）などの炭化水素ガスである。水素含有ガスは、燃料ガスとして燃料電池１０に供給される。
【００３９】
燃料電池システム１００は、さらに、燃焼器３３及び排気経路３５を備えている。燃焼器３３は、可燃性ガスを燃焼させることによって改質器３２を加熱するための機器である。燃焼器３３は、改質器３２に隣接している。燃焼器３３は、改質器３２の内部に配置されていてもよい。排気経路３５は、燃焼器３３に接続されている。排気経路３５は、燃焼器３３で生じた燃焼排ガスの流路である。排気経路３５は、例えば、燃料電池システム１００の筐体の外部まで延びている。
【００４０】
燃料電池システム１００は、さらに、原料ガス供給経路３７、燃料ガス供給経路３８及びアノードガス排出経路３９を備えている。原料ガス供給経路３７は、原料の貯蔵タンク、都市ガスのインフラストラクチャなどの原料供給源（図示省略）から改質器３２に原料ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路３８は、改質器３２から燃料電池１０に水素含有ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給経路３８は、改質器３２と燃料電池１０とを接続している。アノードガス排出経路３９は、未反応の水素含有ガスを燃料電池１０のアノード１１から排出するための流路である。アノードガス排出経路３９は、燃料電池１０のアノードガス出口と燃焼器３３とを接続している。未反応の水素含有ガスは、アノードガス排出経路３９を通じて燃焼器３３に供給される。燃焼器３３は、水素含有ガスを燃焼させて改質器３２を加熱する。
【００４１】
燃料電池システム１００は、さらに、熱交換器４０（第１熱交換器）を備えている。熱交換器４０は、燃焼器３３から排出された燃焼排ガスと再生器２０に供給されるべき酸化剤とを熱交換させる。再生器２０に供給されるべき酸化剤は、燃焼排ガスによって加熱される。熱交換器４０は、酸化剤供給経路２４に配置されている。詳細には、熱交換器４０は、酸化剤供給経路２４及び排気経路３５に配置されている。熱交換器４０によって酸化剤供給経路２４の一部が構成され、熱交換器４０によって排気経路３５の一部が構成されている。
【００４２】
熱交換器４０によれば、燃焼器３３から排出された高温の燃焼排ガスの熱を再生器２０へと供給されるべき酸化剤に伝達することができる。加熱された酸化剤が再生器２０へと導入されるので、再生器２０の中のメディエータ溶液の温度の低下を抑制できる。場合によっては、メディエータ溶液の温度を酸化剤の顕熱によって上昇させることができる。その結果、再生器２０におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。
【００４３】
燃焼排ガスと酸化剤との間の熱交換が可能である限りにおいて、熱交換器４０の構造は特に限定されない。熱交換器４０に採用可能な熱交換器としては、シェルアンドチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、フィンアンドチューブ式熱交換器、二重管式熱交換器などが挙げられる。また、酸化剤供給経路２４を構成する配管が排気経路３５を構成する配管に直接又は他の部材を介して接していたり、酸化剤供給経路２４を構成する配管が排気経路３５を構成する配管の近傍に配置されていたりすることも考えられる。このような場合、酸化剤供給経路２４を構成する配管と排気経路３５を構成する配管とによって熱交換器４０が構成されていると理解されうる。
【００４４】
以下、他のいくつかの実施形態について説明する。第１実施形態と他の実施形態との間の共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。技術的に矛盾しない限り、各実施形態は、相互に組み合わされてもよい。
【００４５】
（第２実施形態）
図２は、本開示の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。燃料電池システム２００は、第１実施形態の燃料電池システム１００の構成に加え、ガス排出経路４２及び熱交換器４４（第２熱交換器）をさらに備えている。
【００４６】
ガス排出経路４２は、再生器２０の外部にガスを排出するために再生器２０に接続されている。詳細には、ガス排出経路４２は、メディエータ溶液の液面よりも上の位置において、再生器２０の内部空間に向かって開口している。再生器２０から排出されるガスとしては、メディエータ溶液を通過後の空気、メディエータの再生反応で生成された水による水蒸気などが挙げられる。
【００４７】
熱交換器４４は、酸化剤供給経路２４に配置されている。詳細には、熱交換器４４は、酸化剤供給経路２４及びガス排出経路４２に配置されている。熱交換器４４によって酸化剤供給経路２４の一部が構成され、熱交換器４４によってガス排出経路４２の一部が構成されている。熱交換器４４は、再生器２０から排出されたガスと再生器２０に供給されるべき酸化剤とを熱交換させる。再生器２０に供給されるべき酸化剤は、再生器２０から排出されたガスによって加熱される。ガス排出経路４２が水蒸気の排出経路に兼用されている場合には、熱交換器４４において、水蒸気の持つ顕熱及び潜熱も再生器２０に供給されるべき酸化剤に付与されうる。
【００４８】
メディエータの再生反応が発熱反応である場合、メディエータ溶液の温度、及び、再生器２０から排出されたガスの温度は、通常、外気温度を上回る。再生器２０から排出されたガスで再生器２０に供給されるべき酸化剤を加熱することによって、より高い温度の酸化剤を再生器２０に供給することが可能となる。その結果、再生器２０の中のメディエータ溶液の温度をより高温に維持することができ、再生器２０におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。燃焼排ガス及び再生器２０から排出されたガスのそれぞれから熱を回収できるので、燃料電池システム２００の効率の更なる向上を期待できる。
【００４９】
本実施形態において、熱交換器４４は、熱交換器４０よりも上流側において酸化剤供給経路２４に配置されている。つまり、本実施形態によれば、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、再生器２０から排出されたガスによって加熱され、その後、燃焼器３３から排出された燃焼排ガスによって加熱される。本実施形態の順番にて酸化剤を加熱することによって、より高い温度の酸化剤を再生器２０に供給することができる。
【００５０】
熱交換器４４の構造も特に限定されない。熱交換器４０に採用可能な熱交換器及び熱交換の構造を熱交換器４４にも採用できる。
【００５１】
（第３実施形態）
図３は、本開示の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。燃料電池システム３００は、第２実施形態の燃料電池システム２００の構成に加え、熱交換器４６（第３熱交換器）をさらに備えている。
【００５２】
熱交換器４６は、酸化剤供給経路２４に配置されている。詳細には、熱交換器４６は、酸化剤供給経路２４及びアノードガス排出経路３９に配置されている。熱交換器４６によって酸化剤供給経路２４の一部が構成され、熱交換器４６によってアノードガス排出経路３９の一部が構成されている。熱交換器４６は、燃料電池１０のアノード１１から排出されたアノードオフガスと再生器２０に供給されるべき酸化剤とを熱交換させる。再生器２０に供給されるべき酸化剤は、アノードオフガスによって加熱される。
【００５３】
アノード１１から排出されたアノードオフガスの温度は、通常、外気温度を上回る。再生器２０に供給されるべき酸化剤をアノードオフガスで加熱することによって、より高い温度の酸化剤を再生器２０に供給することが可能となる。その結果、再生器２０の中のメディエータ溶液の温度をより高温に維持することができ、再生器２０におけるメディエータの再生速度を向上させることができる。燃焼排ガス、再生器２０から排出されたガス、及び、アノードオフガスのそれぞれから熱を回収できるので、燃料電池システム３００の効率の更なる向上を期待できる。
【００５４】
本実施形態において、熱交換器４４は、熱交換器４０よりも上流側において酸化剤供給経路２４に配置されている。熱交換器４６は、熱交換器４４よりも上流側において酸化剤供給経路２４に配置されている。つまり、本実施形態によれば、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、アノード１１から排出されたアノードオフガスによって加熱され、次に、再生器２０から排出されたガスによって加熱され、その後、燃焼器３３から排出された燃焼排ガスによって加熱される。本実施形態の順番にて酸化剤を加熱することによって、より高い温度の酸化剤を再生器２０に供給することができる。
【００５５】
熱交換器４６の構造も特に限定されない。熱交換器４０に採用可能な熱交換器及び熱交換の構造を熱交換器４６にも採用できる。
【００５６】
（第４実施形態）
図４は、本開示の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。燃料電池システム４００は、第３実施形態の燃料電池システム３００の変形例である。
【００５７】
本実施形態において、熱交換器４４は、熱交換器４０よりも上流側において酸化剤供給経路２４に配置されている。熱交換器４６は、熱交換器４０と熱交換器４４との間において酸化剤供給経路２４に配置されている。つまり、本実施形態によれば、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、再生器２０から排出されたガスによって加熱され、次に、アノード１１から排出されたアノードオフガスによって加熱され、その後、燃焼器３３から排出された燃焼排ガスによって加熱される。本実施形態の順番にて酸化剤を加熱することによって、より高い温度の酸化剤を再生器２０に供給することができる。
【００５８】
（第５実施形態）
図５は、本開示の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。燃料電池システム５００は、燃焼器及び改質器を備えていない。燃料電池システム５００は、例えば、純水素燃料電池システムである。本開示の技術は、純水素燃料電池システムにも適用可能である。燃料電池システム５００において、燃料ガス供給経路３８は、水素貯蔵設備、水素ガスのインフラストラクチャなどの水素ガス源に接続されている。燃料ガス供給経路３８を通じて、水素ガスがアノード１１に供給されうる。
【００５９】
本実施形態において、熱交換器４４及び熱交換器４６のそれぞれにおいて酸化剤が加熱され、加熱された酸化剤が再生器２０に供給される。再生器２０から排出されたガス及びアノードオフガスのそれぞれから熱を回収できるので、燃料電池システム５００の効率の向上を期待できる。
【００６０】
本実施形態において、熱交換器４６は、熱交換器４４よりも上流側において酸化剤供給経路２４に配置されている。つまり、本実施形態によれば、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、アノード１１から排出されたアノードオフガスによって加熱され、その後、再生器２０から排出されたガスによって加熱される。本実施形態の順番にて酸化剤を加熱することによって、より高い温度の酸化剤を再生器２０に供給することができる。
【００６１】
ただし、熱交換器４６は、熱交換器４４よりも下流側において酸化剤供給経路２４に配置されていてもよい。熱交換器４４及び熱交換器４６は、それぞれ、アノードオフガスの温度、再生器２０から排出されたガスの温度などに応じて、最適な位置に配置されうる。
【００６２】
（その他の変形例）
図３に示す燃料電池システム３００において、熱交換器４４は省略されうる。熱交換器４０及び熱交換器４６が酸化剤供給経路２４に配置されていてもよい。この場合、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、アノードオフガス及び燃焼排ガスによって加熱される。
【００６３】
図３に示す燃料電池システム３００において、熱交換器４０及び熱交換器４６は省略されうる。熱交換器４４が酸化剤供給経路２４に配置されていてもよい。この場合、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、再生器２０から排出されたガスによって加熱される。
【００６４】
図３に示す燃料電池システム３００において、熱交換器４０及び熱交換器４４は省略されうる。熱交換器４６が酸化剤供給経路２４に配置されていてもよい。この場合、再生器２０に供給されるべき酸化剤は、アノードオフガスによって加熱される。
【００６５】
図５に示す燃料電池システム５００において、熱交換器４４及び熱交換器４６の一方のみが酸化剤供給経路２４に配置されていてもよい。例えば、アノードオフガスの熱を給湯などの別の用途に使用する場合、熱交換器４６は省略され、熱交換器４４が酸化剤供給経路２４に配置されうる。
【００６６】
つまり、熱交換器４０、熱交換器４４及び熱交換器４６からなる群より選ばれる少なくとも１つが酸化剤供給経路２４に配置されうる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本明細書に開示された技術は、燃料電池システムに有用である。
【符号の説明】
【００６８】
１０  燃料電池
１１  アノード
１２  カソード
１３  電解質膜
２０  再生器
２１  容器
２２  バブラー
２４  酸化剤供給経路
３０  循環経路
３０ａ  第一経路
３０ｂ  第二経路
３２  改質器
３３  燃焼器
３５  排気経路
３７  原料ガス供給経路
３８  燃料ガス供給経路
３９  アノードガス排出経路
４０，４４，４６  熱交換器
４２  ガス排出経路
１００，２００，３００，４００，５００  燃料電池システム
【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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