(57)【要約】【課題】アノードオフガスの循環率を調整し、発電出力等に応じて駆動流の形成に必要な電力を低減して、効率よい発電を行う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、アノード２１に供給される燃料ガスとカソード２２に供給される酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池本体２と、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３に供給される原燃料ガスが流れるガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２とガス供給流路１１とを接続する循環流路４と、原燃料ガスを駆動流として循環流路４からアノードオフガスを吸引し、ガス供給流路１１に循環させるエジェクタ５と、原燃料ガスの供給源１０からガス供給流路１１へ供給される原燃料ガスの少なくとも一部を含みエジェクタ５を通過して駆動流を形成する駆動ガスの流量を調整する流量調整部６を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード（２１）に供給される燃料ガスと、カソード（２２）に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体（２）と、
原燃料ガスを改質して上記燃料ガスを生成する改質器（３）と、
上記改質器に供給される上記原燃料ガスが流れるガス供給流路（１１）と、
上記アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス排出流路（１２）と、
上記ガス排出流路と上記ガス供給流路とを接続する循環流路（４）と、
上記原燃料ガスを駆動流として上記循環流路から上記アノードオフガスを吸引し、上記ガス供給流路に循環させるエジェクタ（５）と、
上記原燃料ガスの供給源（１０、１０Ａ、１０Ｂ）から上記ガス供給流路へ供給される上記原燃料ガスの少なくとも一部を含み上記エジェクタを通過して上記駆動流を形成する駆動ガスの流量を調整する流量調整部（６）と、を備えている、燃料電池システム（１）。
【請求項２】
上記流量調整部は、上記供給源と上記エジェクタとを接続する駆動流路（１３）と、上記駆動流路と上記ガス供給流路とを接続する迂回流路（１４）と、上記迂回流路を流れる迂回流の流量を調整する流量調整弁（１５）と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記原燃料ガスは燃料及び水を含み、上記駆動流路は、上記供給源としての原燃料ガス供給源（１０）に接続されると共に、上記迂回流路は、上記駆動流路から分岐して上記ガス供給流路に接続される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記原燃料ガスは燃料及び水を含み、上記駆動流路は、上記供給源としての燃料供給源（１０Ａ）及び水供給源（１０Ｂ）に接続されると共に、上記迂回流路は、上記水供給源と上記駆動流路とを接続する流路から分岐して上記ガス供給流路に接続される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記流量調整弁は、上記迂回流路への分岐部に設けられる、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
上記流量調整部は、上記供給源と上記エジェクタとを接続する駆動流路（１３）と、上記駆動流路に上記ガス供給流路を流れる上記原燃料ガス又は上記改質器の下流の燃料ガス流路（１６）を流れる上記燃料ガスを導入するガス導入流路（１７）と、上記ガス導入流路を流れる導入ガスの流量を調整する流量調整弁（１８）と、を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
上記原燃料ガスは燃料及び水を含み、上記駆動流路は、上記供給源としての燃料供給源（１０Ａ）に接続されると共に、上記供給源としての水供給源（１０Ｂ）と上記ガス供給流路とを接続する迂回流路（１４）と、を備える、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
上記供給源と上記エジェクタとの間に設けられ、上記エジェクタのノズル部（５１）に上記駆動ガスを送り込むブロア（７）を、さらに備えており、
上記流量調整部は、上記燃料電池本体の発電出力変化量（ΔＱ）と、上記ブロア電力変化量（ΔＷ）とをそれぞれ検出し、上記発電出力変化量と上記ブロア電力変化量との差（ΔＱ−ΔＷ）がより大きくなるように、上記駆動ガスの流量を調整する制御部（６１）を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
上記制御部は、上記循環流路を通過する循環流量が、循環流量＞０を維持するように、上記駆動ガスの流量を調整する、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
上記制御部は、上記ノズル部を通過する上記駆動ガスの圧力が、圧力閾値を超えないように、上記駆動ガスの流量を調整する、請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記制御部は、上記発電出力変化量を、上記循環流路の流量に基づいて算出する、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記制御部は、上記循環流路の流量を、上記循環流路の任意の２点間の圧力降下又は上記循環流路のガス組成に基づいて算出する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記制御部は、上記ブロア電力変化量を、上記ブロアを通過するガスの流量及び圧力に基づいて算出する、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体と、炭化水素系燃料を含む原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える。燃料電池本体から排出されるアノードオフガスには未利用の水素燃料が含まれることから、これを再利用するために、例えば、エジェクタを用いて循環させる燃料リサイクル技術が知られている。
【０００３】
特許文献１には、固体酸化物型燃料電池（すなわち、solid oxide fuel cell；以下、ＳＯＦＣ）を用いた燃料電池システムにおいて、改質器からＳＯＦＣへの燃料ガス供給ラインにエジェクタを設けて、改質器から出る燃料ガスによってエジェクタを駆動し、エジェクタの吸引部からアノードオフガスをＳＯＦＣへ再循環させるシステムが提案されている。アノードオフガスは、例えば、冷却器や凝縮器が設けられた循環ラインを経て、エジェクタに吸引され、分離された水は加熱されて改質器へ供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−４３２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の燃料電池システムでは、原燃料ガスよりも総物質量が増える改質後の燃料ガスを駆動流とすることで、駆動流の体積流量を大きくして流速を高め、より多くのアノードオフガスを吸引可能として、燃料循環率を高めている。
【０００６】
しかしながら、このシステムは、総物質量が増した改質ガスの全量が、常にエジェクタを通過する構成であるために、例えば、要求される発電出力が小さい低負荷時においても、高い循環率でアノードオフガスを吸引することになる。その場合、エジェクタに原燃料ガスを送り込むために駆動されるブロアの電力が、発電出力に対して相対的に大きくなり、発電効率、すなわち、外部へ供給可能な電力の割合が、むしろ低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、エジェクタを通過する駆動流によって吸引されるアノードオフガスの循環率を調整可能とし、発電出力等に応じて駆動流の形成に必要な電力を低減可能として、より効率よい発電を行う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】
【０００８】
本発明の一態様は、
アノード（２１）に供給される燃料ガスと、カソード（２２）に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体（２）と、
原燃料ガスを改質して上記燃料ガスを生成する改質器（３）と、
上記改質器に供給される上記原燃料ガスが流れるガス供給流路（１１）と、
上記アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス排出流路（１２）と、
上記ガス排出流路と上記ガス供給流路とを接続する循環流路（４）と、
上記原燃料ガスを駆動流として上記循環流路から上記アノードオフガスを吸引し、上記ガス供給流路に循環させるエジェクタ（５）と、
上記原燃料ガスの供給源（１０、１０Ａ、１０Ｂ）から上記ガス供給流路へ供給される上記原燃料ガスの少なくとも一部を含み上記エジェクタを通過して上記駆動流を形成する駆動ガスの流量を調整する流量調整部（６）と、を備えている、燃料電池システム（１）にある。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成において、流量調整部は、例えば、発電出力が小さいときには、原燃料ガスのうちエジェクタへ供給される駆動ガスの流量を小さくし、エジェクタから噴出する駆動流によって吸引されるアノードオフガスの循環流量を小さくする。これにより、駆動ガスをエジェクタへ送り込むブロア等の動力を低減して、消費電力を抑制することができる。一方、発電出力が大きいときには、流量調整部により、エジェクタにおける駆動ガスの流量を大きくして、アノードオフガスの循環流量を大きくし、燃料の再利用率を高めることができる。
【００１０】
以上のごとく、上記態様によれば、エジェクタを通過する駆動流によって吸引されるアノードオフガスの循環率を調整可能とし、発電出力等に応じて駆動流の形成に必要な電力を低減可能として、より効率よい発電を行う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全体構成を示す概略図。
【図２】実施形態１における、燃料電池システムの主要部構成を示す概略図。
【図３】実施形態１における、燃料電池システムの要部構成を示す概略図。
【図４】従来の燃料電池システムにおける負荷と発電効率の関係の説明図。
【図５】実施形態１における、燃料電池システムの発電出力とアノードオフガスの循環率の関係を示す図。
【図６】実施形態１における、燃料電池システムの流量調整部の制御部において実行されるフローチャート図。
【図７】実施形態１における、ブロア電力と原燃料ガスの流量及び圧力との関係を示す図。
【図８】実施形態１における、燃料電池システムのアノードオフガスの循環流量及び燃料利用率とブロア作動電圧との関係を示す説明図。
【図９】実施形態１における、燃料電池システムの流量調整部による処理と発電出力及びブロア電力の時間変化を示すタイムチャート図。
【図１０】実施形態１における、燃料電池システムのエジェクタにおける原燃料ガスの通過流量と燃料濃度及び燃料流量との関係を示す図。
【図１１】実施形態２における、燃料電池システムの全体概略構成図。
【図１２】実施形態３における、燃料電池システムの全体概略構成図。
【図１３】実施形態３における、燃料電池システムの流量調整部による処理と発電出力及びブロア電力の時間変化を示すタイムチャート図。
【図１４】実施形態４における、燃料電池システムの全体概略構成図。
【図１５】実施形態５における、燃料電池システムの全体概略構成図。
【図１６】実施形態５における、燃料電池システムの流量調整部の制御部において実行されるフローチャート図。
【図１７】実施形態６における、燃料電池システムの全体概略構成図。
【図１８】実施形態６における、燃料電池システムの流量調整部の制御部において実行されるフローチャート図。
【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１について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本形態の燃料電池システム１は、アノード２１とカソード２２を備える燃料電池本体２と、燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３へのガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２と、循環流路４と、エジェクタ５と、流量調整部６と、を備えている。循環流路４は、ガス排出流路１２とガス供給流路１１とを接続し、エジェクタ５は、循環流路４からアノードオフガスを吸引してガス供給流路１１に循環させる。燃料電池システム１は、例えば、燃料電池車両等に発電システムに適用されて、車両を駆動するモータや車両補機等の負荷に電力を供給する。
【００１３】
燃料電池本体２は、アノード２１とカソード２２とを有し、アノード２１に供給される燃料ガスと、カソード２２に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池本体２は、例えば、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）であり、電解質の両側にアノード２１とカソード２２が配置された単セルを複数積層した公知のセルスタックとして構成することができる。セルスタックの詳細構成の図示及び説明は省略する。
【００１４】
改質器３は、原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する。改質器３の上流側には、原燃料ガスが流れるガス供給流路１１が接続され、燃料及び水(例えば、水蒸気)を含む原燃料ガスが供給される。改質器３は、原燃料ガスを改質触媒にて反応させて、水素を含む燃料ガスを生成する。生成した燃料ガスは、改質器３の下流側に接続される燃料ガス流路１６から、燃料電池本体２のアノード２１に供給される。
【００１５】
燃料電池本体２のカソード２２の上流側には、酸化剤ガス(例えば、空気)をカソード２２に供給するための酸化剤ガス流路２３が接続される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給源２４から酸化剤ガス流路２３を経てカソード２２に供給され、燃料ガス流路１６からアノード２１に供給される燃料ガスと共に発電反応を生起する。燃料電池本体２にて発電された電力は、図示しない電力線によってシステム外部に取り出されて利用される。
【００１６】
燃料電池本体２のアノード２１の下流側には、アノード２１から排出されるアノードオフガスが流れるガス排出流路１２が接続される。ガス排出流路１２の下流には、燃焼器３１が接続されて、燃焼器３１に流入するアノードオフガスに含まれる残余の燃料ガスを燃焼させる。燃焼器３１にて発生する燃焼熱は、図示しない経路により改質器３の加熱に供され、又は、酸化剤ガス流路２３に設けられる熱交換器２５に導入されて、酸化剤との熱交換に利用される。ガス排出流路１２の途中には、循環流路４の一端が接続されて、アノードオフガスの一部が流入する。循環流路４の他端はエジェクタ５を介してガス供給流路１１に接続されている。
【００１７】
エジェクタ５には、ガス供給流路１１の上流端が接続されており、エジェクタ５の上流側に配置される供給源としての原燃料ガス供給源１０から、エジェクタ５を経由して又は経由せずに、ガス供給流路１１に原燃料ガスが供給されるようになっている。エジェクタ５は、詳細を後述するように、エジェクタを通過する原燃料ガスが駆動流を形成して、循環流路４からアノードオフガスを吸引し、ガス供給流路１１に循環するように構成される。
【００１８】
エジェクタ５を通過して駆動流を形成する駆動ガスは、原燃料ガス供給源１０から供給される原燃料ガスの少なくとも一部を含む。駆動ガスの流量は、流量調整部６にて調整することができ、制御部６１に取り込まれるシステム各部の情報に基づいて、最適な流量に制御される。
【００１９】
具体的には、図２に示すように、流量調整部６は、原燃料ガス供給源１０とエジェクタ５とを接続する駆動流路１３と、駆動流路１３とガス供給流路１１とを接続する迂回流路１４と、迂回流路１４を流れる迂回流の流量を調整する流量調整弁１５と、を備えて構成することができる。流量調整弁１５は、例えば、流量調整機能を有する電動式の三方弁である。
【００２０】
原燃料ガス供給源１０とエジェクタ５との間には、電動式のブロア７が設けられる。原燃料ガス供給源１０は、燃料及び水を含む原燃料ガスを、ブロア７を用いて駆動流路１３に供給する。迂回流路１４は、駆動流路１３から分岐してガス供給流路１１に接続される分岐流路であり、エジェクタ５を経由せずにガス供給流路１１に原燃料ガスを供給する。流量調整弁１５は、駆動流路１３から迂回流路１４への分岐部に設けられ、制御部６１によって駆動が制御される。
【００２１】
制御部６１は、流量調整弁１５の弁開度を変更することにより、迂回流路１４へ分岐して迂回流を形成する迂回ガスの流量と、エジェクタ５を通過する駆動ガスの流量との比率を変更する。制御部６１には、図示しない負荷からの要求電力や、それに基づく燃料電池本体２の発電出力、ブロア７への供給電力といった各種情報が入力されており、それら情報に基づいて、流量調整弁１５の弁開度を制御することにより、迂回ガス及び駆動ガスが所望の流量となるように調整することができる。
【００２２】
図３に示すように、エジェクタ５は、ノズル部５１と、吸引部５２と、吐出部５３と、これら各部が収容されるケース５４と、を有する。ケース５４は概略円筒状で、その内側にノズル部５１が二重筒状に配置されている。ノズル部５１は、ケース５４から突出する上流端部が駆動流路１３（図１参照）に連通する入口部５１１となり、ケース５４内部に位置する部分がテーパ状に形成されて、下流端の出口部５１２へ向けて縮径する絞り流路を形成している。これにより、ノズル部５１に導入される駆動ガスは、ノズル部５１の下流端へ向けて流速が高まる駆動流となって、出口部５１２に連通するガス供給流路１１へ噴出する。
【００２３】
吸引部５２は、ケース５４の内周面とノズル部５１の内周面との間に形成される環状空間に、循環流路４からの入口部５２１が開口して形成される。吸引部５２となる環状空間は、ノズル部５１の入口部５１１側の端部が閉鎖されており、ノズル部５１の出口部５１２の外側に、環状の出口部５２２が形成される。吸引部５２の出口部５２２の端部は、出口部５１２へ向けて縮径するテーパ状に形成されている。これにより、ガス供給流路１１へ噴出する駆動流によって、循環流路４の入口部５２１からアノードオフガスが吸引され、出口部５１２へ向かう吸引流となる。
【００２４】
吐出部５３は、ノズル部５１の出口部５１２と吸引部５２の出口部５２２とを含んで構成され、これら出口部５１２、５２２の合流部にて、駆動流と吸引流とが混合した混合流を、燃料ガス供給路１１へ吐出する。
【００２５】
循環流路４から吸引部５２に吸引されるアノードオフガスの流量（以下、適宜、循環流量と称する）は、駆動流の流量（以下、適宜、駆動流量と称する）応じて変化する。このとき、駆動流量が増加するほど、循環流量も増加するので（すなわち、駆動流量の増量≒循環流量の増量）、流量調整弁１５の弁開度を変更して、駆動流量を増減することにより、循環流量を増減することができる。
【００２６】
駆動流を形成する駆動ガスは、本形態では、原燃料ガス供給源１０から供給される原燃料ガスであり、燃料と水（すなわち、Ｈ2Ｏ）を含む。燃料は、例えば、ＣＨ4等の炭化水素系燃料（すなわち、ＣｎＨｍ）を含む都市ガス等である。燃料ガス供給路１１へ吐出された原燃料ガスは、改質器３において水蒸気改質され、燃料ガスが生成される。
以下に、改質器３における反応を示す（すなわち、式１：水蒸気改質反応；式２：シフト反応）。
式１：ＣｎＨｍ＋ｎＨ2Ｏ→ｎＣＯ＋（m/2＋n）Ｈ2
式２：ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2
【００２７】
これにより、改質器３から、水素（すなわち、Ｈ2）、二酸化炭素（すなわち、ＣＯ2）、水（すなわち、Ｈ2Ｏ）を含む燃料ガスが、燃料電池本体２へ供給される。燃料電池本体２では、このうち、Ｈ2、ＣＯが発電により消費される。燃料電池本体２からは、消費されなかった残余のＨ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏを含むアノードオフガスが排出される。
なお、アノードオフガスが燃料ガス供給路１１へ循環されると、その循環流量に応じて、改質器３に供給されるガス組成が変化する。
【００２８】
このように、改質器３の上流にエジェクタ５が配置されることで、循環流路４から残余燃料を含むアノードオフガスを吸引してガス供給流路１１へ循環させ、再利用することができる。その際には、流量調整部６によって、改質器３へ供給される原燃料ガスのうち、駆動流路１３からエジェクタ５を通過する駆動ガスを所望の流量とし、残りを迂回ガスとして迂回流路１４へ分岐させることができる。したがって、所望の駆動流を形成して、循環流路４からの循環流量を増減することが可能になり、これに伴い、循環流量を増減する駆動ガスをエジェクタ５に送り込むためのブロア７の動力を増減することが可能になる。
【００２９】
したがって、例えば、負荷からの要求に応じて変化する発電出力に基づいて、循環流量が最適となるように調整することができ、ブロア７の動力が必要以上に大きくならないようにして、発電効率を比較的高く維持することができる。
【００３０】
ここで、図４により、従来システムにおける課題について説明する。高負荷時には発電に必要な燃料が増加して発電出力Ｑが増加し（すなわち、図４左図参照）、一方、低負荷時には発電に必要な燃料が減少して発電出力Ｑも低下する（すなわち、図４右図参照）。ところが、常に原燃料ガスの全量がエジェクタ５に供給される構造であることから、原燃料ガスをエジェクタ５に供給するためのブロア７の駆動電力Ｗ（以下、適宜、ブロア電力Ｗと称する）は、低負荷時においても比較的大きいままとなる。これは、燃料に対して供給される水の量が相対的に多く、原燃料ガスの総量が比較的大きく保たれることによる。
そのため、低負荷時には、発電出力Ｑに占めるブロア電力Ｗの割合が大きくなり、発電出力Ｑからブロア電力Ｗを除いたシステム外部のユーザ使用機器等に供給可能な電力(以下、供給電力：Ｑ−Ｗ）が小さくなるために、発電効率（すなわち、Ｑ−Ｗ／燃料）が低下することになる。
【００３１】
これに対して、図５に示すように、本形態の流量調整部６を有する場合には、アノードオフガスの循環率を調整することで、ブロア７の駆動電力Ｗの調整が可能になる。したがって、例えば、発電出力が小さいときには循環率を小さくし、迂回流路１４へ原燃料ガスを迂回させて駆動ガスを減少させる。これにより、ブロア７における昇圧量を小さくして、待機動力を低減することができるので、発電出力に対するブロア電力Ｗが低減し、発電効率の低下を抑制できる。一方、発電出力が大きいときには循環率を大きくし、原燃料ガスを駆動流路１３に供給して駆動ガスを増加させることで、発電効率をより向上させることができる。
【００３２】
このようにして、発電出力に対してブロア電力Ｗが必要以上に大きくならないように、流量調整部６によってブロア７の駆動を調整することが可能になる。好適には、発電出力変化量としての発電出力Ｑの増加量ΔＱ（以下、発電出力増加量ΔＱ）が、ブロア電力変化量としてのブロア電力Ｗの変化量ΔＷ（以下、ブロア電力増加量ΔＷ）よりも大きくなる範囲で（すなわち、ΔＱ＞ΔＷ）、原燃料ガスを駆動流路１３に供給して駆動ガスを増加させる。これにより、循環率を大きくして、発電効率を向上させることができる。
【００３３】
図６に示すフローチャートを用いて、制御部６１において実行される処理の一例を説明する。本処理は、例えば、所定の周期で立ち上がり、繰り返し実行される。
本処理を開始したら、まず、ステップＳ１において、ブロア電力Ｗの前回値と今回値との差であるブロア電力増加量ΔＷを算出する。ブロア電力増加量ΔＷは、増加方向にあるときに正の値となる。
【００３４】
図７に示すように、一般に、ブロア電力Ｗは、ブロア７を通過する原燃料ガスの流量及び圧力と相関があり、流量又は圧力が増加するほどブロア電力Ｗは大きくなる。したがって、使用するブロア７に対応するマップを予め制御部６１に記憶しておき、原燃料ガスの流量及び圧力を検出して比較することで、ブロア電力Ｗの今回値を検出し、前回値を用いてブロア電力増加量ΔＷを算出することができる。
【００３５】
続いて、ステップＳ２において、発電出力Ｑの前回値と今回値との差である発電出力増加量ΔＱを算出する。
発電出力Ｑは、一般に、下記式３で表される。
式３：Ｑ＝Ｖ×Ｉ
式３中、Ｖ：作動電圧、Ｉ：電流
ここで、電流Ｉは設定値であり、作動電圧Ｖは、セルスタックの温度、セルスタックを流れる燃料量、組成、掃引電流Ｉによって変化するパラメタとなる。
【００３６】
図８に示すように、一般に、循環流量が大きくなるほど、燃料利用率は小さくなり、作動電圧Ｖは大きくなる。これに伴い、上記式３により、作動電圧Ｖに比例して発電出力Ｑが大きくなる。したがって、循環流量又は燃料利用率と発電出力Ｑとの関係を、予めマップ等に記憶しておき、循環流量又は燃料利用率の増加量に基づいて、発電出力増加量ΔＱを算出することができる。その際に、作動電圧Ｖに影響する上述の各種パラメタに対するマップを参照して、補正等を行うこともできる。例えば、セルスタック温度は熱電対で計測する事ができる。セルスタックを流れる燃料量・組成については、投入燃料、循環流量、水量、改質率（≒改質器温度）からマップ化が可能である。
【００３７】
循環流路４の循環流量の算出方法としては、循環流路４に循環流量を計測するための流量計を配置することもできるが、例えば、循環流路４に複数の圧力計を配置して、循環流路４の任意の２点間の圧力降下に基づいて算出する方法を採用することもできる。あるいは、循環流路４の循環流量を、循環流路４のガス組成に基づいて算出することもできる。上述した式１、式２に示したように、改質器３には、例えばＣＨ4を燃料として含む原燃料ガスが供給されており、循環流量が増加すると、式１、式２におけるガス種のうち、ＣＯ、ＣＯ2、ＣＨ4の割合が変化することを利用してもよい。
【００３８】
ステップＳ３では、ブロア電力増加量ΔＷよりも発電出力増加量ΔＱが大きいか否か（すなわち、ΔＱ＞ΔＷ？）を判定する。ステップＳ３が肯定判定されたら、ステップＳ４へ進み、ステップＳ３が否定判定されたら、ステップＳ５へ進む。
【００３９】
ステップＳ４では、循環流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。すなわち、駆動流路１３の開度を大きくして駆動ガスを増量させる一方、迂回流路１４の開度を小さくして分岐する迂回ガスを減量させる。
【００４０】
これにより、図９に示すように、時点Ａ、時点Ｂにおいて、ΔＱ＞ΔＷとなった場合には、循環流量が増加する方向の流量切替信号が出力され、駆動流路１３の流量が増加する。このとき、流量変化が一定量となるように弁開度を変化させてもよいが、ΔＱとΔＷの差の大きさに応じて、駆動ガスと迂回ガスの流量比の変化度合をその都度決定してもよい。これにより、例えば、ΔＱとΔＷの差がより大きくなるように、弁開度を変化させることができ、発電効率を向上させるために望ましい。
【００４１】
一方、ステップＳ５では、迂回流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。すなわち、迂回流路１４の開度を大きくして分岐される迂回ガスを増量させる一方、駆動流路１３の開度を小さくして駆動ガスを減量させる。
【００４２】
図９に示す時点Ｃにおいて、ΔＱ≦ΔＷとなった場合には、流量切替信号が出力され、循環流量が増加する方向の流量切替信号が出力される（図中に点線で示す）。これにより、駆動流路１３の流量が減少し、迂回流路１３の流量が増加するので、ブロア電力Ｗを低減することができる。ブロア電力Ｗ及び発電出力Ｑの変化がない場合には（図中に実線で示す）、流量切替信号は出力されない。
【００４３】
なお、図１０に示すように、例えば、負荷が急減して発電出力Ｑが大きく低下したときに、ΔＱとΔＷの差に基づいて駆動流量を急減させると、燃料電池本体２を通過する通過流量が急減し、燃料濃度が徐々に増加する。その場合、通過流量×燃料濃度で表される燃料流量が急減したときに、発電出力が大きく低下してしまうので、例えば、発電電圧が所定の下限値を下回らないような燃料流量の閾値ＴＨを設定し、閾値ＴＨ以上となる範囲で、循環流量を調整するのがよい。
【００４４】
ステップＳ４、ステップＳ５において、流量調整弁１５の弁開度を変化させ、増量処理を実行したら、本処理を一旦終了する。
このようにして、原燃料ガス供給源１０からガス供給流路１１に供給される燃料及び水の流量を変更することなく、循環流路４からの循環流量を調整可能となる。
【００４５】
（実施形態２）
燃料電池システムに係る実施形態２について、図１１を参照して説明する。
図１１に示すように、本形態の燃料電池システム１は、実施形態１と同様の基本構成を有しており、アノード２１とカソード２２を備える燃料電池本体２と、燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３へのガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２と、循環流路４と、エジェクタ５と、流量調整部６とを備える。実施形態１とは、流量調整部６の流路構成が異なっており、以下、相違点を中心に説明する。
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。
【００４６】
流量調整部６は、供給源としての燃料供給源１０Ａ及び水供給源１０Ｂと、駆動流路１３と、迂回流路１４と、流量調整弁１５と、を備えており、図示を略す制御部６１によって流量調整弁１５の弁開度を調整可能となっている。駆動流路１３は、燃料供給源１０Ａとエジェクタ５とをブロア７を介して接続しており、ブロア７の下流には、水供給源１０Ｂに至る水供給流路１３１が接続される。水供給流路１３１には、水ポンプ１３２が配設されると共に、水ポンプ１３２の下流から分岐する迂回流路１４が設けられて、ガス供給流路１１に接続している。
【００４７】
流量調整弁１５は、水供給流路１３１と迂回流路１４との分岐部に設けられて、水供給流路１３１から駆動流路１３へ供給される水流量と、迂回流路１４へ分岐して迂回流を形成する水流量の比率を調整する。ここで、水ポンプ１３２から送出される水は、常温水であってもよいし、例えば、アノードオフガスの一部と熱交換させて水蒸気としてもよい。
【００４８】
上記構成では、燃料供給源１０Ａから駆動流路１３へ供給される燃料に、水供給源１０Ｂから水供給流路１３１から供給される水が合流して原燃料ガスとなる。この原燃料ガスがそのまま駆動ガスとなり、エジェクタ５を通過する駆動流が形成される。本形態では、制御部６１により、流量調整弁１５の弁開度を変化させることで、水供給流路１３１から迂回流路１４へ迂回する水流量を調整して、エジェクタ５を通過する駆動流量を調整し、循環流路４からの循環流量を調整することができる。
【００４９】
このようにしても、上記実施形態１と同様の効果が得られる。すなわち、発電出力に応じて、循環流路４からの循環流量を増減し、ブロア電力が必要以上に増加するのを抑制して、効率よい発電を行うことができる。また、本形態では、水供給流路１３１に流量調整弁１５を配置し、駆動流路１３へ合流するより上流で迂回流路１４へ分岐させているので、流量調整弁１５をより小型にすることができ、低コスト化が可能になる。
【００５０】
（実施形態３）
燃料電池システムに係る実施形態３について、図１２、図１３を参照して説明する。
図１２に示すように、本形態の燃料電池システム１は、実施形態１と同様の基本構成を有しており、アノード２１とカソード２２を備える燃料電池本体２と、燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３へのガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２と、循環流路４と、エジェクタ５と、流量調整部６とを備える。実施形態１とは、流量調整部６の流路構成が異なっており、以下、相違点を中心に説明する。
【００５１】
流量調整部６は、原燃料ガス供給源１０とエジェクタ５とをブロア７を介して接続する駆動流路１３と、ガス導入流路１７と、流量調整弁１８と、図示を略す制御部６１と、を備える。ガス導入流路１７は、一端が、改質器３の下流側の燃料ガス流路１６に接続され、他端が、ブロア７の上流側の駆動流路１３に接続されて、燃料ガスの一部を、導入ガスとして駆動流路１３へ導入する。ガス導入流路１７の途中には、流量調整弁１８が配置されて、その弁開度を変化させることにより、駆動流路１３へ導入される導入ガスの流量を調整可能となっている。流量調整弁１８は、例えば、電動式の二方弁であり、制御部６１によって駆動が制御される。
【００５２】
上記構成では、原燃料ガス供給源１０から駆動流路１３へ供給される原燃料ガスが駆動ガスとなり、エジェクタ５を通過する駆動流が形成される。さらに、ガス導入流路１７からの燃料ガスを導入ガスとして、駆動流路１３へ合流させて、駆動ガスを増量することができる。上記実施形態１、２では、原燃料ガスから分岐する迂回ガスの流量を増減させることで、駆動流量を増減可能としたが、本形態のように、原燃料ガスに合流する導入ガスの流量を増減させることによっても、駆動流量を増減可能である。
【００５３】
本形態においても、制御部６１により、上記図６に示したのと同様にして、流量調整弁１８を駆動することができる。この場合には、図１３に示すように、流量調整弁１８の開度が、全閉から全開の範囲で調整され、それに伴い、流量調整弁１８の通過流量が増加する。例えば、ΔＱ＞ΔＷとなる時点Ｄ、時点Ｅでは、流量調整弁１８の開度が段階的に大きくなり、駆動流量が増加する。
【００５４】
一方、時点Ｅにおいて、ΔＱ≦ΔＷとなった場合には、流量調整弁１８の開度が再び小さくなる。これにより、駆動流路１３の流量が減少し、迂回流路１３の流量が増加するので、ブロア電力Ｗを低減することができる。
【００５５】
ガス導入流路１７は、改質器３の下流側の燃料ガス流路１６に接続される代わりに、改質器３の上流側のガス供給流路１１へ接続される構成であってもよい。その場合には、ガス導入流路１７への導入ガスは、ガス供給流路１１に供給される原燃料ガスであるか、原燃料ガスに、エジェクタ５を介してガス供給流路１１に循環されるアノードオフガスが合流した混合ガスである。
【００５６】
このように、原燃料ガスにエジェクタ５より下流側のガスを導入して、その流量を、流量調整弁１８により調整するようにしても、上記実施形態１と同様の効果が得られる。すなわち、発電出力に応じて、循環流路４からの循環流量を増減し、ブロア電力が必要以上に増加するのを抑制して、効率よい発電を行うことができる。また、本形態では、流量調整のために流路切替手段を設ける必要がないので、流量調整弁１８の構成をより簡易にできる。
【００５７】
（実施形態４）
燃料電池システムに係る実施形態４について、図１４を参照して説明する。
図１４に示すように、本形態の燃料電池システム１は、実施形態４と同様の基本構成を有しており、アノード２１とカソード２２を備える燃料電池本体２と、燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３へのガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２と、循環流路４と、エジェクタ５と、流量調整部６とを備える。実施形態４とは、流量調整部６の流路構成が異なっており、以下、相違点を中心に説明する。
【００５８】
本形態の流量調整部６は、供給源としての燃料供給源１０Ａと水供給源１０Ｂとを有しており、このうちの水供給源１０Ｂは、迂回流路１４によって、エジェクタ５の下流のガス供給流路１１と接続されている。迂回流路１４には、水ポンプ１３２が設けられて、水供給源１０Ｂからガス供給流路１１へ所定の流量の水を送出している。
【００５９】
燃料供給源１０Ａは、ブロア７及びエジェクタ５を介して駆動流路１３に接続している。また、ブロア７の上流側の駆動流路１３と、燃料ガス流路１６とは、流量調整弁１８を備えるガス導入流路１７によって接続されている。流量調整弁１８は、図示しない制御部６１によって、その弁開度を調整することにより、駆動流路１３に導入される導入ガスとしての燃料ガスの流量が調整可能となっている。
【００６０】
上記構成では、燃料供給源１０Ａから駆動流路１３へ供給される燃料を含む駆動ガスによって、エジェクタ５を通過する駆動流が形成される。さらに、ガス導入流路１７からの燃料ガスを導入ガスとして、駆動流路１３へ合流させることができる。これにより、エジェクタ５を通過する駆動流量を調整して、循環流路４から吸引されるアノードオフガスの循環流量を調整することができる。ガス供給流路１１において、エジェクタ５から吐出される駆動ガスとアノードオフガスとの混合ガスには、水供給源１０Ｂから迂回流路１４を経て供給される水がさらに混合された後、改質器３へ供給される。
【００６１】
このように、原燃料ガスに含まれる燃料及び水のうち一部、例えば、燃料の全部を駆動流路１３へ供給して駆動ガスとし、水の全部を迂回流路１４からエジェクタ５より下流側に導入することもできる。そして、駆動ガスにガス導入流路１７から導入される燃料ガスの流量を調整することで、原燃料ガスとなる燃料及び水の流量を変更することなく、循環流量を調整可能となり、上記実施形態４と同様の効果が得られる。すなわち、発電出力に応じて、循環流路４からの循環流量を増減し、ブロア電力が必要以上に増加するのを抑制して、効率よい発電を行うことができる。また、流量調整のために流路切替手段を設ける必要がないので、流量調整弁１８の構成をより簡易にできる。
【００６２】
（実施形態５）
燃料電池システムに係る実施形態５について、図１５、図１６を参照して説明する。
図１５に示すように、本形態の燃料電池システム１は、実施形態１と同様の基本構成を有しており、アノード２１とカソード２２を備える燃料電池本体２と、燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３へのガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２と、循環流路４と、エジェクタ５と、流量調整部６とを備える。
【００６３】
流量調整部６は、駆動流路１３と、図示を略す迂回流路１４と、流量調整弁１５を備え、エジェクタ５を用いて循環流路４からアノードオフガスを循環可能に構成されている。また、循環流路４に循環流量計測手段４１を有しており、制御部６１は、ブロア電力増加量ΔＷ及び発電出力増加量ΔＱの算出結果と、さらに、循環流量計測手段４１による循環流量の計測結果に基づいて、循環流量を調整する。
【００６４】
循環流量計測手段４１は、上述したように、例えば、循環流路４に循環流量を計測するための流量計とすることができる。その場合には、耐熱性を考慮して流量計を配置することが望ましい。また、循環流量を直接計測する代わりに、循環流路４に複数の圧力計を配置して、循環流路４の任意の２点間の圧力降下に基づいて算出し、あるいは、循環流路４の循環流量を、循環流路４のガス組成に基づいて算出するように、循環流量計測手段４１を構成することもできる。
【００６５】
図１６に示すフローチャートを用いて、制御部６１において実行される処理の一例を説明する。本処理は、例えば、所定の周期で立ち上がり、繰り返し実行される。
本処理を開始したら、まず、ステップＳ１１において、ブロア電力Ｗの前回値と今回値との差であるブロア電力増加量ΔＷを算出し、次いで、ステップＳ１２において、発電出力Ｑの前回値と今回値との差である発電出力増加量ΔＱを算出する。
【００６６】
ステップＳ１３では、ブロア電力増加量ΔＷよりも発電出力増加量ΔＱが大きいか否か（すなわち、ΔＱ＞ΔＷ？）を判定する。ステップＳ１３が肯定判定されたら、ステップＳ１４へ進み、ステップＳ１３が否定判定されたら、ステップＳ１５へ進む。
【００６７】
ステップＳ１４では、循環流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。すなわち、駆動流路１３の開度を大きくして駆動ガスを増量させる一方、迂回流路１４の開度を小さくして分岐する迂回ガスを減量させる。
【００６８】
一方、ステップＳ１５では、迂回流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。すなわち、迂回流路１４の開度を大きくして分岐される迂回ガスを増量させる一方、駆動流路１３の開度を小さくして駆動ガスを減量させる。
【００６９】
ステップＳ１１〜Ｓ１５は、上述した図６におけるステップＳ１〜Ｓ５と同様の処理であり、詳細は省略する。ステップＳ１４において、流量調整弁１５の弁開度を変化させ、増量処理を実行したら、本処理を一旦終了する。
【００７０】
ステップＳ１５において、流量調整弁１５の弁開度を変化させ、増量処理を実行したら、続いて、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、循環流量計測手段４１を用いて、循環流量を計測し、循環流量がゼロ以下か否か（すなわち、循環流量≦０？）を判定する。
【００７１】
上記図３に示したように、エジェクタ５は、ノズル部５１に導入される駆動ガスが駆動流となって噴出するのに伴い、循環流路４からアノードオフガスを吸引する。その場合、循環流量が減少する方向に流量調整弁１５を調整することで、駆動流の流速が低下すると、循環流路４において逆流が生じ、駆動ガスが燃料電池本体２を通過せずに燃焼器３１に排出されるおそれがある。これを防止するために、循環流量がゼロ以下、すなわち、逆流が生じていないかを判定し、必要に応じて流量調整弁１５の弁開度を再調整することが望ましい。
【００７２】
そこで、ステップＳ１６が肯定判定されたら、ステップＳ１４へ戻り、循環流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。これにより、循環流量＞０となるので、その後、本処理を一旦終了する。
【００７３】
ステップＳ１６が否定判定されたら、循環流量＞０となっており、逆流のおそれはないと判断して、流量調整を行わずに、本処理を一旦終了する。
【００７４】
このようにしても、上記実施形態１と同様の効果が得られ、さらに、循環流路４における逆流が防止されるように制御して、信頼性の高い燃料電池システムとすることができる。
【００７５】
（実施形態６）
燃料電池システムに係る実施形態５について、図１７、図１８を参照して説明する。
図１７に示すように、本形態の燃料電池システム１は、実施形態１と同様の基本構成を有しており、アノード２１とカソード２２を備える燃料電池本体２と、燃料ガスを生成する改質器３と、改質器３へのガス供給流路１１と、アノードオフガスが流れるガス排出流路１２と、循環流路４と、エジェクタ５と、流量調整部６とを備える。
【００７６】
流量調整部６は、駆動流路１３と、図示を略す迂回流路１４と、流量調整弁１５を備え、エジェクタ５を用いて循環流路４からアノードオフガスを循環可能に構成されている。また、ブロア圧力を検出するための圧力検知手段６２を有しており、制御部６１は、ブロア電力増加量ΔＷ及び発電出力増加量ΔＱの算出結果と、さらに、圧力検知手段６２の検知結果に基づいて、循環流量を調整する。
【００７７】
圧力検知手段６２は、例えば、駆動流路１３に配置された圧力計とすることができる。駆動流路１３からエジェクタ５に導入される駆動ガスの流量が増加すると、ブロア７に加わる負荷が大きくなる。そこで、ブロア７の破損等を防止するために、ブロア圧力として、エジェクタ５のノズル部５１を通過する駆動ガスの圧力を検知し、検知結果が所定値を超えないように、流量調整することが望ましい。
【００７８】
図１８に示すフローチャートを用いて、制御部６１において実行される処理の一例を説明する。本処理は、例えば、所定の周期で立ち上がり、繰り返し実行される。
本処理を開始したら、まず、ステップＳ２１において、ブロア電力Ｗの前回値と今回値との差であるブロア電力増加量ΔＷを算出し、次いで、ステップＳ２２において、発電出力Ｑの前回値と今回値との差である発電出力増加量ΔＱを算出する。
【００７９】
ステップＳ２３では、ブロア電力増加量ΔＷよりも発電出力増加量ΔＱが大きいか否か（すなわち、ΔＱ＞ΔＷ？）を判定する。ステップＳ２３が肯定判定されたら、ステップＳ２４へ進み、ステップＳ２３が否定判定されたら、ステップＳ２６へ進む。
【００８０】
ステップＳ２４では、圧力検知手段６２を用いて、ブロア圧力として駆動流路１３の圧力を検知し、ブロア圧力を、予め設定した圧力閾値と比較する。圧力閾値は、使用するブロア７に応じて、適宜設定することができる。
【００８１】
そこで、ステップＳ２４では、ブロア圧力が圧力閾値未満か否か（すなわち、ブロア圧力＜圧力閾値？）を判定する。ステップＳ２４が肯定判定されたら、ブロア圧力は許容範囲内と判断して、ステップＳ２５へ進み、循環流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。すなわち、駆動流路１３の開度を大きくして駆動ガスを増量させる一方、迂回流路１４の開度を小さくして分岐する迂回ガスを減量させる。
【００８２】
ステップＳ２４が否定判定されたら、そのまま、ブロア圧力が許容範囲を超えるおそれがあると判断して、流量調整を実施せずに、本処理を一旦終了する。
【００８３】
ステップＳ２３が否定判定されて、ステップＳ２６へ進んだ場合には、迂回流量が増量する方向となるように、流量調整弁１５の弁開度を変化させる。すなわち、迂回流路１４の開度を大きくして分岐される迂回ガスを増量させる一方、駆動流路１３の開度を小さくして駆動ガスを減量させる。
【００８４】
ステップＳ２１〜Ｓ２３、Ｓ２５〜Ｓ２６は、上述した図６におけるステップＳ１〜Ｓ５と同様の処理であり、詳細は省略する。
ステップＳ２５、ステップＳ２６において、流量調整弁１５の弁開度を変化させ、増量処理を実行したら、本処理を一旦終了する。
【００８５】
このようにしても、上記実施形態１と同様の効果が得られ、ブロア７に加わる圧力が圧力閾値を超えないように制御して、信頼性の高い燃料電池システムとすることができる。
なお、上記実施形態５、６に記載した処理は、上記実施形態２〜４の構成にも適用することができる。
【００８６】
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、燃料電池システムは、燃料電池車両に限らず、工業用、家庭用の種々の発電システムへ適用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１  燃料電池システム
２  燃料電池本体
１１  ガス供給流路
１２  ガス排出流路
２１  アノード
２２  カソード
３  改質器
４  循環流路
５  エジェクタ
６  流量調整部
【図１】
2019160570.tif 000003
【図２】
2019160570.tif 000004
【図３】
2019160570.tif 000005
【図４】
2019160570.tif 000006
【図５】
2019160570.tif 000007
【図６】
2019160570.tif 000008
【図７】
2019160570.tif 000009
【図８】
2019160570.tif 000010
【図９】
2019160570.tif 000011
【図１０】
2019160570.tif 000012
【図１１】
2019160570.tif 000013
【図１２】
2019160570.tif 000014
【図１３】
2019160570.tif 000015
【図１４】
2019160570.tif 000016
【図１５】
2019160570.tif 000017
【図１６】
2019160570.tif 000018
【図１７】
2019160570.tif 000019
【図１８】
2019160570.tif 000020