(57)【要約】【課題】燃料電池システムのエネルギー効率を向上させる。【解決手段】本開示の燃料電池システム（１００）は、アノード（１１）とカソード（１２）とを有し、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させる再生器（２０）と、アノード（１１）に供給されるべき燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路（５０）と、燃料ガス供給経路（５０）に配置され、燃料ガスを加湿する加湿器（５１）と、再生器（２０）から加湿器（５１）まで延びており、再生器（２０）で生成された水蒸気及び水蒸気から生成した凝縮水から選ばれる少なくとも１つを加湿器（５１）に導く水回収経路（４）と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを有し、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、
前記メディエータを酸化させる再生器と、
前記アノードに供給されるべき燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、
前記燃料ガス供給経路に配置され、前記燃料ガスを加湿する加湿器と、
前記再生器から前記加湿器まで延びており、前記再生器で生成された水蒸気及び前記水蒸気から生成した凝縮水から選ばれる少なくとも１つを前記加湿器に導く水回収経路と、
を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記水回収経路に配置され、前記再生器から排出された前記水蒸気を凝縮させて前記凝縮水を生成する凝縮器をさらに備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凝縮器は、重力に平行な方向において、前記加湿器よりも上に配置されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記再生器に接続されており、前記再生器において前記メディエータを酸化させるための酸化剤が流れる酸化剤供給経路をさらに備え、
前記凝縮器は、前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤と前記水回収経路を流れる前記水蒸気との熱交換を生じさせる熱交換器であり、
前記酸化剤は、前記凝縮器において前記水蒸気によって加熱される、請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
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１〜４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】国際公開第２０１５／０４９８１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レドックスフロー型燃料電池を用いたシステムにおいては、メディエータの再生反応に伴って水が生成される。
【０００７】
再生器で生成された水を有効利用することは、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
アノードとカソードとを有し、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、
前記メディエータを酸化させる再生器と、
前記アノードに供給されるべき燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、
前記燃料ガス供給経路に配置され、前記燃料ガスを加湿する加湿器と、
前記再生器から前記加湿器まで延びており、前記再生器で生成された水蒸気及び前記水蒸気から生成した凝縮水から選ばれる少なくとも１つを前記加湿器に導く水回収経路と、
を備えた、燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、燃料電池システムのエネルギー効率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、図１に示す燃料電池システムの凝縮器の構成図である。
【図３】図３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４】図４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５】図５は、排気経路に設けられた弁の制御に関するフローチャートである。
【図６】図６は、排水経路に設けられた弁の制御に関するフローチャートである。
【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）
メディエータの再生反応に伴って水が生成すると、メディエータ溶液におけるメディエータの濃度が低下する。メディエータの濃度が低下すると、反応効率が低下して燃料電池システムの発電性能が低下する。そのため、余剰の水を外部へ排出してメディエータの濃度を維持する必要がある。
【００１２】
再生器で生成された水を有効利用することによって、燃料電池システムにおけるエネルギーロスを低減することが期待されている。
【００１３】
本発明者らは、再生器で生成された水を燃料ガスの加湿に用いることを思い付き、本開示の燃料電池システムを完成させるに至った。
【００１４】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る燃料電池システムは、
アノードとカソードとを有し、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、
前記メディエータを酸化させる再生器と、
前記アノードに供給されるべき燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、
前記燃料ガス供給経路に配置され、前記燃料ガスを加湿する加湿器と、
前記再生器から前記加湿器まで延びており、前記再生器で生成された水蒸気及び前記水蒸気から生成した凝縮水から選ばれる少なくとも１つを前記加湿器に導く水回収経路と、
を備えたものである。
【００１５】
第１態様によれば、燃料電池システム１００のエネルギー効率が向上する。
【００１６】
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、前記水回収経路に配置され、前記再生器から排出された前記水蒸気を凝縮させて前記凝縮水を生成する凝縮器をさらに備えていてもよい。第２態様によれば、加湿器において、燃料ガスを効率的に加湿することができる。
【００１７】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る燃料電池システムでは、前記凝縮器は、重力に平行な方向において、前記加湿器よりも上に配置されていてもよい。第３態様によれば、ポンプなどの補機を使用することなく、凝縮器で生成された凝縮水を加湿器に輸送することが可能である。
【００１８】
本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係る燃料電池システムは、前記再生器に接続されており、前記再生器において前記メディエータを酸化させるための酸化剤が流れる酸化剤供給経路をさらに備えていてもよく、前記凝縮器は、前記酸化剤供給経路を流れる前記酸化剤と前記水回収経路を流れる前記水蒸気との熱交換を生じさせる熱交換器であってもよく、前記酸化剤は、前記凝縮器において前記水蒸気によって加熱されてもよい。第４態様によれば、エネルギーロスが低減され、燃料電池システムのエネルギー効率が向上する。
【００１９】
本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４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５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。
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
再生器２０は、ヒータ２３をさらに有していてもよい。ヒータ２３は、容器２１の内部に配置されていてもよく、容器２１の外部に配置されていてもよい。ヒータ２３がメディエータ溶液に直接接触してもよく、容器２１を介してヒータ２３の熱がメディエータ溶液に伝えられてもよい。本実施形態において、ヒータ２３は、容器２１の内部に配置されている。ヒータ２３は、例えば、電気式の抵抗加熱ヒータである。ヒータ２３をオンすることによって、メディエータ溶液を加熱することができる。これにより、メディエータ溶液の温度を再生反応に適した温度まで速やかに上昇させることができる。さらに、ヒータ２３を使用すれば、メディエータ溶液の温度を適温に保つことができ、メディエータ溶液からの水蒸気の生成を促進することができる。
【００３０】
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、ビルブリンオキシダーゼ、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
循環経路３０には、ポンプ３１が設けられている。ポンプ３１を動かすと、メディエータ溶液が循環経路３０を通じて、カソード１２と再生器２０との間で循環する。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。ポンプ３１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３１が配置されていてもよい。
【００３４】
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３１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、後述する他の経路にも当て嵌まる。
【００３５】
燃料電池システム１００は、燃料ガス供給経路５０及び加湿器５１をさらに備えている。燃料ガス供給経路５０は、アノード１１に供給されるべき燃料ガスが流れる流路である。燃料ガスは、例えば、水素含有ガスである。燃料ガス供給経路５０は、燃料ガス源（図示せず）から延びており、アノード１１に接続されている。燃料ガス源としては、改質器、水素貯蔵タンクなどが挙げられる。
【００３６】
加湿器５１は、燃料ガス供給経路５０に配置されている。燃料ガスは、加湿器５１を通過するときに加湿器５１において加湿される。これにより、加湿された燃料ガスをアノード１１に供給することができる。
【００３７】
加湿器５１における加湿方式は特に限定されない。加湿方式として、バブラー式、シャワー式などが挙げられる。バブラー式は、液相の水に燃料ガスをくぐらせて加湿する方式である。シャワー式は、燃料ガスに水を噴霧して加湿する方式である。
【００３８】
燃料電池システム１００は、水回収経路４０をさらに備えている。水回収経路４０は、再生器２０から加湿器５１まで延びている。水回収経路４０を通じて、再生器２０で生成された水蒸気及びその水蒸気から生成した凝縮水から選ばれる少なくとも１つが加湿器５１に導かれる。再生器２０から排出された余剰の水及び熱を加湿器５１で再利用できるので、燃料電池システム１００のエネルギー効率を向上させることができる。
【００３９】
すなわち、本実施形態によれば、加湿器５１に外部から水を逐次供給する必要が無く、燃料電池システム１００の内部で水を賄うことができる（いわゆる水自立）。そのため、例えば、市水から金属イオンを除去するためのイオン交換樹脂を頻繁に取り替える必要も生じず、燃料電池システム１００のランニングコストを下げることができる。また、適度に高い温度の水蒸気及び／又は凝縮水を加湿器５１に供給できるので、冬期における加湿器５１の凍結を防止できる。凍結防止用のヒータなどを省略できる可能性があり、これにより、燃料電池システム１００のエネルギー効率が向上する。
【００４０】
燃料電池システム１００は、凝縮器４４をさらに備えている。凝縮器４４は、水回収経路４０に配置され、再生器２０から排出された水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成する。水回収経路４０は、上流部分４０ａ及び下流部分４０ｂを含む。上流部分４０ａは、再生器２０と凝縮器４４との間に位置している部分である。上流部分４０ａを通じて、再生器２０から凝縮器４４に水蒸気が送られる。下流部分４０ｂは、凝縮器４４と加湿器５１との間に位置している部分である。下流部分４０ｂを通じて、凝縮器４４から加湿器５１に凝縮水が送られる。凝縮水を加湿器５１に供給すれば、加湿器５１において、燃料ガスを効率的に加湿することができる。使用できる加湿器５１の種類も増える。
【００４１】
燃料電池システム１００は、酸化剤供給経路４２をさらに備えている。酸化剤供給経路４２は、再生器２０に接続されている。詳細には、酸化剤供給経路４２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４２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４２には、酸化剤供給器４６が設けられている。酸化剤供給器４６は、酸化剤供給経路４２を通じて、再生器２０に酸化剤を供給する役割を担っている。酸化剤をメディエータ溶液に吹き込むことができる限りにおいて、酸化剤供給器４６の種類は特に限定されない。酸化剤供給器４６は、例えば、ブロワである。
【００４２】
図２は、凝縮器４４の構成を示している。凝縮器４４は、酸化剤供給経路４２を流れる酸化剤と水回収経路４０を流れる水蒸気との熱交換を生じさせる熱交換器である。凝縮器４４は、第１流路４４ａ及び第２流路４４ｂを有する。第１流路４４ａは、水回収経路４０に接続された流路である。再生器２０から排出された水蒸気が第１流路４４ａを流れる。第２流路４４ｂは、酸化剤供給経路４２に接続された流路である。再生器２０に供給されるべき酸化剤が第２流路４４ｂを流れる。第１流路４４ａは、例えば、第２流路４４ｂの内部を通っている。酸化剤は、凝縮器４４において、第２流路４４ｂを流れる気体（水蒸気及び酸化剤）によって加熱される。再生器２０から排出された気体（水蒸気及び酸化剤）は、凝縮器４４の第２流路４４ｂにおいて、第１流路４４ａを流れる酸化剤によって冷却される。
【００４３】
本実施形態では、メディエータを再生させるために、燃料電池システム１００の外部から酸化剤が再生器２０に供給される。低温の酸化剤をメディエータ溶液に接触させると、メディエータ溶液の温度が低下し、メディエータの再生反応の反応速度が低下する。再生器２０から排出された水蒸気及び酸化剤の熱を再生器２０に供給されるべき酸化剤に与えることによって、再生器２０に供給されるべき酸化剤の温度が上がり、メディエータ溶液の温度の低下を抑制できる。その結果、メディエータの再生反応の反応速度の低下を抑制できる。さらに、再生器２０から排出された水蒸気及び酸化剤の熱を再生器２０に供給されるべき酸化剤に与えることによって、燃料電池システム１００の外部に排出される熱が減少する。その結果、エネルギーロスが低減され、燃料電池システム１００のエネルギー効率が向上する。
【００４４】
水蒸気を冷却して凝縮水を生じさせることができる限りにおいて、凝縮器４４の種類は特に限定されない。凝縮器４４に使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。図２に示すように、凝縮器４４は、対向流式の熱交換構造を有していてもよい。つまり、再生器２０から排出された水蒸気の流れ方向は、再生器２０に供給されるべき酸化剤の流れ方向に向かい合っていてもよい。
【００４５】
凝縮器４４で加熱された酸化剤の温度が酸化剤供給経路４２で低下することを抑制するために、酸化剤供給経路４２に断熱構造が設けられていてもよい。例えば、酸化剤供給経路４２を構成する配管がウレタンフォームなどの断熱材で覆われていてもよい。
【００４６】
再生器２０から排出された水蒸気の温度が水回収経路４０の上流部分４０ａで低下することを抑制するために、水回収経路４０の上流部分４０ａに断熱構造が設けられていてもよい。凝縮器４４で生成された凝縮水の温度が水回収経路４０の下流部分４０ｂで低下することを抑制するために、水回収経路４０の下流部分４０ｂに断熱構造が設けられていてもよい。例えば、水回収経路４０の下流部分４０ｂを構成する配管のそれぞれがウレタンフォームなどの断熱材で覆われていてもよい。水回収経路４０の上流部分４０ａを構成する配管に同様の断熱構造が設けられていてもよい。
【００４７】
凝縮器４４において、水蒸気を冷却するための流体として、酸化剤以外の流体を使用してもよい。例えば、空気によって水蒸気を冷却したのち、その空気を再生器２０に供給することなく、燃料電池システム１００の外部に直接排出してもよい。
【００４８】
本実施形態において、凝縮器４４は、重力に平行な方向（Ｚ方向）において、加湿器５１よりも上に配置されている。このような構成によれば、ポンプなどの補機を使用することなく、重力の力を借りて、凝縮器４４で生成された凝縮水を加湿器５１に輸送することが可能である。ただし、ポンプなどの補機の働きによって、凝縮器４４から加湿器５１に凝縮水を供給してもよい。
【００４９】
「凝縮器４４が加湿器５１よりも上に配置されている」とは、例えば、次のような位置関係が満たされることを意味する。水回収経路４０の下流部分４０ｂと凝縮器４４との接続位置が水回収経路４０の下流部分４０ｂと加湿器５１との接続位置よりも上に位置しているとき、凝縮器４４が加湿器５１よりも上に配置されていると判断されうる。
【００５０】
次に、燃料電池システム１００の動作原理を説明する。燃料電池システム１００において、燃料ガス、メディエータ及び酸化剤の種類は特に限定されない。以下では、一例として、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤として酸素ガスを用いた場合について説明する。
【００５１】
燃料電池１０のアノード１１には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。アノード１１において、水素分子は、プロトン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分離される。その後、プロトンは電解質膜１３の内部を通ってカソード１２へと移動する。電子は、外部回路を通ってカソード１２へと移動する。
【００５２】
本実施形態では、燃料電池１０のカソード１２にメディエータ溶液が供給される。メディエータ溶液に含まれたメディエータは、カソード１２において還元されて酸化体（Ｍｅｄox）から還元体（Ｍｅｄred）へと変化し、カソード１２から排出される。燃料電池１０で反応した後のメディエータは還元状態であり、循環経路３０を通じて再生器２０に供給される。再生器２０の内部には、酸化剤供給経路４２を通じて酸化剤が供給される。再生器２０において、還元状態のメディエータが酸化され、メディエータが再生される。
【００５３】
再生器２０に貯留されたメディエータ溶液の温度は、メディエータ溶液から適切な速度で水蒸気が生成されるように調節されている。温度の調節には、ヒータ２３が使用されてもよい。再生器２０で生成された水蒸気は、水回収経路４０の上流部分４０ａを通じて、凝縮器４４に導かれる。凝縮器４４の第１流路４４ａを通過するとき、水蒸気は、凝縮器４４の第２流路４４ｂを流れる酸化剤（空気）によって冷却され、凝縮する。凝縮水は、水回収経路４０の下流部分４０ｂを通じて、加湿器５１に導かれ、燃料ガスの加湿に使用される。加熱された酸化剤は、再生器２０に導かれ、メディエータを酸化させるために使用される。
【００５４】
燃料電池１０の運転に伴い、アノード１１から余剰の燃料ガスが排出される。余剰の燃料ガスは、例えば、アノードオフガス経路５２を通じて、改質器（図示せず）を加熱するためのバーナに供給されて燃やされる。余剰の燃料ガスは、空気で十分に薄められて大気中に放出されることもある。余剰の燃料ガスは、アノードにおいて再利用されてもよい。この場合、余剰の燃料ガスをアノードオフガス経路５２から燃料ガス供給経路５０に導くリサイクル経路（図示せず）が設けられる。
【００５５】
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。
【００５６】
（第２実施形態）
図３は、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、凝縮器４４が省略されている点において、第１実施形態の燃料電池システム１００と異なる。加湿器５１において、燃料ガスを加湿するために液体の水が必須とされないとき、凝縮器４４を適宜省略することができる。
【００５７】
本実施形態において、加湿器５１は、例えば、中空糸を用いた全熱交換型加湿器でありうる。中空糸を用いた全熱交換型加湿器では、燃料ガスが中空糸の中を通過し、水又は水蒸気が中空糸の外部の流路を通過する。水蒸気が中空糸を透過し、燃料ガスが加湿される。
【００５８】
（第３実施形態）
図４は、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、水回収経路４０に設けられた貯水タンク６０をさらに備えている。詳細には、貯水タンク６０は、水回収経路４０の下流部分４０ｂに配置されている。貯水タンク６０は、凝縮水を一時的に貯留する。貯水タンク６０によれば、加湿器５１への水の供給量を適切に調節することができる。言い換えれば、加湿器５１に水が過剰に供給されることを防止できる。
【００５９】
貯水タンク６０は、気液分離の役割も担っている。再生器２０から排出された気体には、水蒸気と酸化剤としての空気とが含まれている。水蒸気の一部は、凝縮器４４において凝縮水に変化する。貯水タンク６０において、水蒸気及び空気を含む気体と凝縮水とを分離することができる。
【００６０】
詳細には、燃料電池システム３００は、排気経路６４及び排水経路６６を備えている。排気経路６４及び排水経路６６は、それぞれ、貯水タンク６０に接続されており、燃料電池システム３００の外部、例えば、燃料電池システム３００の筐体の外部まで延びている。排気経路６４には弁７４が設けられている。排水経路６６には弁７５が設けられている。弁７４及び弁７５は、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。弁７４を開くと、排気経路６４を通じて、貯水タンク６０から外部に気体（主に空気）が排出されうる。これにより、貯水タンク６０の内部の圧力を下げることができる。弁７５を開くと、排水経路６６を通じて、貯水タンク６０から外部に凝縮水が排出されうる。
【００６１】
水回収経路４０には、弁７３及びフィルタ７６が設けられている。弁７３は、貯水タンク６０と加湿器５１との間において、水回収経路４０に配置されている。弁７３は、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。弁７３を制御することによって、加湿器５１に供給されるべき凝縮水の流量を調節することができる。フィルタ７６は、凝縮器４４と貯水タンク６０との間において、水回収経路４０に配置されている。フィルタ７６は、凝縮水を透過させ、凝縮水から不純物を除去する役割を担っている。フィルタ７６の種類は特に限定されない。フィルタ７６として、多孔質膜、イオン交換膜、又は、それらの組み合わせを用いることができる。
【００６２】
加湿器５１には、給水経路６２が接続されている。給水経路６２には、弁７２及びフィルタ７７が設けられている。給水経路６２は、加湿器５１に水（例えば、市水）を供給するための経路である。弁７２を開くと、加湿器５１に市水が供給される。加湿器５１において水が不足したとき、給水経路６２を通じて加湿器５１に市水を補給することによって、燃料ガスを加湿し続けることができる。フィルタ７７は、市水を透過させ、市水から不純物を除去する役割を担っている。フィルタ７７の種類も特に限定されない。フィルタ７７として、多孔質膜、イオン交換膜、又は、それらの組み合わせを用いることができる。
【００６３】
燃料ガス供給経路５０には、弁７１が設けられている。弁７１は、開閉弁であってもよく、流量調整弁であってもよい。弁７１を制御することによって、燃料ガス供給経路５０における燃料ガスの流量を制御することができる。
【００６４】
燃料電池システム３００は、圧力センサ８１をさらに備えている。圧力センサ８１は、貯水タンク６０の内部の圧力を検出する。圧力センサ８１は、例えば、貯水タンク６０に取り付けられている。貯水タンク６０の内部の圧力を検出できる限りにおいて、圧力センサ８１の位置は限定されない。圧力センサ８１は、水回収経路４０において、フィルタ７６と貯水タンク６０との間に配置されていてもよく、貯水タンク６０と弁７３との間に配置されていてもよい。圧力センサ８１の種類は特に限定されない。圧力センサ８１としては、静電容量式圧力センサ、抵抗線式圧力センサ、ピエゾ抵抗式圧力センサなどが挙げられる。加湿器５１には、レベルセンサ８２が取り付けられている。レベルセンサ８２は、加湿器５１における水位を検出する。レベルセンサ８２の種類も特に限定されない。レベルセンサ８２としては、フロート式レベルセンサ、静電容量式レベルセンサ、超音波レベルセンサなどが挙げられる。貯水タンク６０には、水位センサ、温度センサなどの他のセンサが設けられていてもよい。加湿器５１には、圧力センサ、温度センサなどの他のセンサが設けられていてもよい。
【００６５】
燃料電池システム３００は、さらに、制御器８３を備えている。制御器８３は、圧力センサ８１及びレベルセンサ８２から検出信号を取得し、弁７４及び７５を制御する。制御器８３として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器８３には、燃料電池システム３００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００６６】
図５は、排気経路６４に設けられた弁７４の制御に関するフローチャートを示している。制御器８３は、図５に示すフローチャートの各処理を定期的に実行する。ステップＳ１において、圧力センサ８１を用いて貯水タンク６０の内圧Ｐを検出する。ステップＳ２において、検出された内圧Ｐが閾値圧力Ｐｔｈ以上であるかどうかを判断する。内圧Ｐが閾値圧力Ｐｔｈ以上である場合、弁７４を所定時間開いて排気を実行する。これにより、貯水タンク６０の圧力を閾値圧力Ｐｔｈよりも低い圧力に維持することができるので、燃料電池１０、再生器２０、貯水タンク６０、凝縮器４４などのコンポーネントの破損を防止できる。閾値圧力Ｐｔｈは、各コンポーネントが耐えられる圧力よりも十分に低い圧力に設定されうる。
【００６７】
なお、弁７４は、キャピラリに置き換えられてもよい。キャピラリを使用すると、電気的な制御を行うことなく、貯水タンク６０の内部の圧力を一定に保つことができる。
【００６８】
図６は、排水経路６６に設けられた弁７５の制御に関するフローチャートを示している。制御器８３は、図６に示すフローチャートの各処理を定期的に実行する。ステップＳ１１において、水回収経路４０に設けられた弁７３を開いて加湿器５１に凝縮水を供給する。ステップＳ１２において、レベルセンサ８２を用いて加湿器５１における水位Ｈを検出する。ステップＳ１３において、検出された水位Ｈが閾値水位Ｈｔｈ以上であるかどうかを判断する。水位Ｈが閾値水位Ｈｔｈ以上である場合、弁７３を所定時間閉じて加湿器５１への給水を停止する。これにより、加湿器５１における水位を閾値水位Ｈｔｈよりも低い水位に維持することができる。
【００６９】
なお、加湿器５１の水位の管理は必須ではない。加湿器５１は、水位が閾値水位Ｈｔｈを超えたときに余剰の水がオーバーフローして外部に排出されるように構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
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】
【００７１】
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
２３  ヒータ
３０  循環経路
３０ａ  第一経路
３０ｂ  第二経路
４０  水回収経路
４０ａ  上流部分
４０ｂ  下流部分
４２  酸化剤供給経路
４４  凝縮器
４４ａ  第１流路
４４ｂ  第２流路
４６  酸化剤供給器
５０  燃料ガス供給経路
５１  加湿器
５２  アノードオフガス経路
６０  貯水タンク
６２  給水経路
６４  排気経路
６６  排水経路
７１，７２，７３，７４，７５  弁
７６，７７  フィルタ
８１  圧力センサ
８２  レベルセンサ
８３  制御器
１００，２００，３００  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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【図６】
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