(57)【要約】【課題】燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができる電池システムを提供する。【解決手段】  燃料と空気とを利用して発電する燃料電池発電部２と、原料を供給する原料昇圧部５と、原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器４と、水添脱硫器４により硫黄成分が除去された原料から燃料となる改質ガスを生成する改質器３と、生成された改質ガスを燃料電池発電部２に供給するとともに、燃料電池発電部２から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路２１と、ガス経路２１から分岐し、改質ガスの一部を、水添脱硫器４の上流側に導くための経路であるリサイクル経路７と、ガス経路２１からリサイクル経路７が分岐する分岐部Ｒ１よりもガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池発電部と、
原料を供給する原料供給部と、
前記原料供給部から供給された前記原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器により生成された改質ガスを前記燃料電池発電部に供給するとともに、該燃料電池発電部から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路と、
前記ガス経路から分岐し、該ガス経路中を流通する前記改質器で生成された改質ガスの一部を、前記水添脱硫器の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、
前記ガス経路から前記リサイクル経路が分岐する分岐部よりも該ガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力損失制御ユニットは、前記分岐部における圧力の変化に応じて、前記ガス経路における前記分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記原料供給部は、前記原料を昇圧し前記水添脱硫器に供給する原料昇圧部である請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記リサイクル経路は、前記原料昇圧部に供給され該原料昇圧部から前記水添脱硫器に送出される原料が流通する原料経路において、該原料昇圧部の入口側に前記改質ガスを流通させる請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記原料昇圧部に供給され該原料昇圧部から前記水添脱硫器に送出される原料が流通する原料経路において、該原料昇圧部の出口側に前記改質ガスを吸引するためのエジェクタを備え、
前記リサイクル経路は、前記エジェクタに接続される請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記原料経路において、該原料経路を流通する前記原料と前記リサイクル経路を流通する前記改質ガスとが合流する合流部の上流側に設けられ、該合流部における圧力を低下させるための第１圧力低下部を備える、請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池発電部で未利用の前記燃料を燃焼させて燃焼排ガスを発生させる燃焼部を備え、
前記圧力損失制御ユニットは、前記ガス経路において、前記燃焼部により発生した燃焼排ガスが流通する経路部分である排ガス経路の圧力損失を変化させる請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記排ガス経路に空気を供給するための空気供給経路を備え、
前記圧力損失制御ユニットは、前記空気供給経路を流通する空気の流量を調整することにより前記排ガス経路において生じる圧力損失を変化させるように制御する請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排ガス経路に設けられ、前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを凝縮させ得られた凝縮水を回収する凝縮水回収部を備え、
前記空気供給経路は前記排ガス経路における前記凝縮水回収部の下流側に連結される請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ガス経路における前記分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失の大きさを調整するための調整弁を備え、
前記圧力損失制御ユニットは、前記調整弁の開閉により、生じる圧力損失の大きさを変化させるように制御する請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記リサイクル経路を流通する前記改質ガスの流量を調整するために、該リサイクル経路の圧力を低下させる第２圧力低下部を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記リサイクル経路を流通する前記改質ガス中の水分を凝縮する凝縮部を備える請求項１から１１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、炭化水素を含む原料から硫黄成分を除去する水添脱硫器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原料として炭化水素が供給される燃料電池システムでは、炭化水素を改質して得られた水素含有ガス（改質ガス）を燃料として発電する。この原料の改質には、例えば、水蒸気を用いた水蒸気改質を利用することができる。また、水蒸気改質の促進のために水蒸気改質触媒を用いるが、原料中に含まれる付臭剤または硫黄化合物などの硫黄成分によって水蒸気改質触媒が劣化してしまう恐れがある。そこで、水蒸気改質触媒の劣化を抑制するために、硫黄成分を除去した原料を水蒸気改質触媒に供給することが一般的である。
【０００３】
硫黄成分を除去する方式としては吸着脱硫と水添脱硫との２種類が主に利用されている。水添脱硫を利用する場合、硫黄成分を水素化させる水添反応を進行させるため、水添脱硫器よりも上流側で水素を原料に添加する必要がある。そこで、原料に水素を添加させるために、改質反応で発生した水素の一部（改質ガスの一部）を水添脱硫器の上流側に戻す構成が提案されている。水蒸気改質触媒を充填した改質器の出口部分から水添脱硫器の上流側に改質ガスを戻す構成としては、例えば、リサイクル経路にフィードポンプを備え、このフィードポンプにより水素を圧送する構成がある。また、リサイクル経路にフィードポンプなどを設けることなく、自圧により水素を戻すことができる構成も提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【０００４】
特許文献１では、図８に示すように、改質器１０３とセルスタック１０４との間にある循環流路分岐部Ｇ１から改質ガスの一部を、循環流路（リサイクル経路）１０５を通じて水素含有原料供給経路１０１におけるフィードポンプＰの上流側に合流させる燃料電池システムが提案されている。ここで、水素含有原料供給経路１０１における循環流路合流部Ｇ２の上流側に第１圧力低下部１０８を設けることで、循環流路分岐部Ｇ１の圧力が循環流路合流部Ｇ２よりも高くなるように構成している。
【０００５】
この特許文献１に開示された構成の場合、循環流路１０５の経路中に改質ガスを圧送するためのポンプを設ける必要なく、低コスト化を実現しつつ改質ガスをフィードポンプＰの上流側に戻すことが可能となる。
【０００６】
また、特許文献２では図９に示すように、改質器２０５で生成した改質ガスの一部を、リサイクルガス流路（リサイクル経路）２０８を通じて、ガス配管２０１から導入された原料に添加する燃料電池発電システムが開示されている。そして、改質ガスが添加された原料は、燃料ブロア２０３を経て水添脱硫器２０４に導入されるように構成されている。特許文献２に係る燃料電池発電システムでは、燃料ブロア２０３の上流側に圧力調整オリフィス２１４が設けられている。このため、燃料ブロア２０３に供給されるガスの圧力をこの圧力調整オリフィス２１４により調整することができ、特許文献１に係る燃料電池システムと同様に、リサイクルガス流路２０８に改質ガスを圧送するためのポンプを設ける必要なく、改質ガスを燃料ブロア２０３の上流側に戻すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１２８３６９号
【特許文献２】特開２０１３―２２５４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、水添脱硫を効果的に行なうためには、水添脱硫反応に必要な流量の水素を安定的に水添脱硫器に供給させる必要がある。しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示された従来の燃料電池システムでは、燃料電池発電部の発電が低出力発電のとき、リサイクル経路を流通する改質ガスの流量がばらつくことなく、該改質ガスを安定的に水添脱硫器の上流側に供給させることが困難であるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池発電部と、原料を供給する原料供給部と、前記原料供給部から供給された前記原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された改質ガスを前記燃料電池発電部に供給するとともに、該燃料電池発電部から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路と、前記ガス経路から分岐し、該ガス経路中を流通する前記改質器で生成された改質ガスの一部を、前記水添脱硫器の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、前記ガス経路から前記リサイクル経路が分岐する分岐部よりも該ガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、以上に説明したように構成され、燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図２】本発明の実施の形態の変形例１に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図３】本発明の実施の形態の変形例２に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例３に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図５】本発明の実施の形態の変形例４に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図６】本発明の実施の形態の変形例４に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例５に係る燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図８】従来技術を示すものであり、燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【図９】従来技術を示すものであり、燃料電池システムの構成の一例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者は「背景技術」にて記載した特許文献１、２に開示された従来の燃料電池システムに関して鋭意研究したところ、従来の燃料電池システムでは燃料電池の低出力発電時に、リサイクル経路を流通させる改質ガスの流量がばらつくことなく、該改質ガスを安定的に水添脱硫器に供給させることができないという問題が生じる可能性があることを見出した。そして、本発明者はこの問題点に関し、検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
【００１４】
燃料電池システムにおいて電力負荷は常時一定ではなく、電力使用量の小さい夜間などでは電力負荷は低負荷となる。そして、電力負荷が低負荷となり燃料電池発電部の発電出力が通常時の出力よりも低い低出力発電時では、供給される原料の流量が通常運転時よりも小さくなる。このため低出力発電時では、ガス経路からリサイクル経路が分岐する分岐部（例えば、特許文献１における循環流路分岐部Ｇ１）を流れる改質ガスの圧力が通常運転時よりも小さくなる。
【００１５】
そこで、特許文献１および特許文献２に開示された従来の燃料電池システムでは、リサイクル経路を介して戻された改質ガスが原料と合流する部分（例えば、特許文献１における循環流路合流部Ｇ２）の圧力を、第１圧力低下部１０８または圧力調整オリフィス２１４などを制御して、通常運転時よりもさらに低下させる必要がある。しかしながら、減圧量が大きくなると、第１圧力低下部１０８または圧力調整オリフィス２１４の制御が困難となる。そのため、リサイクル経路を流通する改質ガス流量がばらつき、改質ガスを安定的に水添脱硫器に供給することができないという問題が生じる。
【００１６】
これらの知見に基づいて、本発明者らは、改質器と燃料電池発電部との間のガス経路部分からリサイクル経路が分岐する分岐部（特許文献１における循環流路分岐部Ｇ１）の圧力を上昇させることで、低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができることを見出し、本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００１７】
本発明の第１の態様に係るに係る燃料電池システムは、供給された燃料と空気とを利用して発電反応により発電する燃料電池発電部と、原料を供給する原料供給部と、前記原料供給部から供給された前記原料に含まれる硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器により硫黄成分が除去された前記原料から前記燃料となる改質ガスを生成する改質器と、前記改質器により生成された改質ガスを前記燃料電池発電部に供給するとともに、該燃料電池発電部から排気された排気ガスを外部に導く経路であるガス経路と、前記ガス経路から分岐し、該ガス経路中を流通する前記改質器で生成された改質ガスの一部を、前記水添脱硫器の上流側に導くための経路であるリサイクル経路と、前記ガス経路から前記リサイクル経路が分岐する分岐部よりも該ガス経路における下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御する圧力損失制御ユニットと、を備える。
【００１８】
上記構成によると、圧力損失制御ユニットを有するため、ガス経路において分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させることができる。ここでガス経路において分岐部よりも下流部分において圧力損失を増大させると、この圧力損失を増大させた部分よりも上流側、すなわち分岐部における圧力を大きくすることができる。このように、分岐部の圧力を増大させることができる。このため、リサイクル経路において分岐部の圧力と、水添脱硫器の上流側であり、このリサイクル経路を通じて改質ガスが導かれガス経路と合流する部分（合流部分）の圧力との差を増大させることができる。
【００１９】
このため、低出力発電時のように分岐部における圧力が低くなるような場合であっても、リサイクル経路における上記した圧力差を確保することができる。
【００２０】
よって、本発明に係る燃焼電池システムは、燃料電池発電部の発電が低出力発電の場合であってもリサイクル経路を通じて改質ガスを水添脱硫器に安定的に供給することができるという効果を奏する。
【００２１】
また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記圧力損失制御ユニットは、前記分岐部における圧力の変化に応じて、前記ガス経路における前記分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させるように制御するように構成されていてもよい。
【００２２】
上記構成によると、圧力損失制御ユニットは、分岐部における圧力の変化に応じて、この分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を変化させることができる。このため、例えば、低出力発電時において分岐部の圧力が低下するような場合であっても、圧力損失制御ユニットが、ガス経路において分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失を大きくすることで、リサイクル経路において分岐部の圧力と、水添脱硫器の上流側であり、このリサイクル経路を通じて改質ガスが導かれ原料経路と合流する部分（合流部分）における圧力との差を保つことができる。
【００２３】
また、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記原料供給部は、前記原料を昇圧し前記水添脱硫器に供給する原料昇圧部であってもよい。
【００２４】
上記構成によると、原料供給部が原料昇圧部である。このため、原料昇圧部の動力を利用して、分岐部における圧力と、リサイクル経路を通じて改質ガスが導かれ原料経路と合流する部分における圧力との差を生じ易くすることができる。
【００２５】
また、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第３の態様において、前記リサイクル経路は、前記原料昇圧部に供給され該原料昇圧部から前記水添脱硫器に送出される原料が流通する原料経路において、該原料昇圧部の入口側に前記改質ガスを流通させるように構成されていてもよい。
【００２６】
上記構成によると、原料昇圧部の入口側の圧力は低下させられるため、分岐部における圧力と、リサイクル経路を通じて改質ガスが導かれる水添脱硫器の上流側部分における圧力との差を生じ易くすることができる。
【００２７】
また、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第３の態様において、前記原料昇圧部に供給され該原料昇圧部から前記水添脱硫器に送出される原料が流通する原料経路において、該原料昇圧部の出口側に前記改質ガスを吸引するためのエジェクタを備え、前記リサイクル経路は、前記エジェクタに接続されるように構成されていてもよい。
【００２８】
上記構成によると、エジェクタによりリサイクル経路を流通する改質ガスを吸引する構成とすることで、エジェクタの吸引部の圧力が低いため、分岐部における圧力との差圧を生じやすくすることができる。
【００２９】
また、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第４または第５の態様において、前記原料経路において、該原料経路を流通する前記原料と前記リサイクル経路を流通する前記改質ガスとが合流する合流部の上流側に設けられ、該合流部における圧力を低下させるための第１圧力低下部を備えるように構成されていてもよい。
【００３０】
上記構成によると、第１圧力低下部を備えるため、合流部の圧力を低下させることができる。このように、第１圧力低下部によって合流部の圧力を下げることができるため、分岐部において増大させる圧力の大きさを抑制させることができる。このため、圧力損失制御ユニットによるガス経路における圧力損失の増大を適正な範囲内に抑制しつつ、分岐部における圧力と合流部における圧力との差を適切に確保することができる。
【００３１】
また、本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第６の態様のいずれか１つの態様において、前記燃料電池発電部で未利用の前記燃料を燃焼させて燃焼排ガスを発生させる燃焼部を備え、前記圧力損失制御ユニットは、前記ガス経路において、前記燃焼部により発生した燃焼排ガスが流通する経路部分である排ガス経路の圧力損失を変化させるように構成されていてもよい。
【００３２】
上記構成によると、圧力損失制御ユニットは、排ガス経路の圧力損失を変化させるように構成されている。
【００３３】
ここで、排ガス経路は、ガス経路において燃料電池発電部および燃焼部よりも後段（下流側）部分の経路である。このため、例えば、圧力損失制御ユニットが排ガス経路に空気などの流体を供給し、排ガス経路で生じる圧力損失を変化させる構成の場合であっても、流体を供給することにより生じる燃料電池発電部の性能および燃焼部での燃焼特性への影響を抑制することができる。
【００３４】
また、本発明の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記排ガス経路に空気を供給するための空気供給経路を備え、前記圧力損失制御ユニットは、前記空気供給経路を流通する空気の流量を調整することにより前記排ガス経路において生じる圧力損失を変化させるように制御する構成であってもよい。
【００３５】
上記構成によると圧力損失制御ユニットは、空気供給経路を流通する空気を排ガス経路に供給させるといった簡易な構成によって、この排ガス経路において生じる圧力損失の変化を制御することができる。
【００３６】
また、本発明の第９の態様に係る燃料電池システムは、上記した第８の態様において、前記排ガス経路に設けられ、前記燃焼部で発生した燃焼排ガスを凝縮させ得られた凝縮水を回収する凝縮水回収部を備え、前記空気供給経路は前記排ガス経路における前記凝縮水回収部の下流側に連結されるように構成されていてもよい。
【００３７】
上記構成によると、前記空気供給経路が前記排ガス経路における前記凝縮水回収部の下流側に連結される構成であるため、燃焼排ガスの露点を下げることなく空気の供給が可能となる。また、燃焼排ガスの露点が高く維持された状態で凝縮水回収部は凝縮水を回収するため燃焼排ガス中の水回収を容易とし、燃料電池システムにおける水自立運転を実現することができる。
【００３８】
また、本発明の第１０の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記ガス経路における前記分岐部よりも下流部分で生じる圧力損失の大きさを調整するための調整弁を備え、前記圧力損失制御ユニットは、前記調整弁の開閉により、生じる圧力損失の大きさを変化させるように制御する構成であってもよい。
【００３９】
なお、このような調整弁を排ガス経路に設ける構成とした場合、燃焼部の燃焼熱により高温となる位置を避けて調整弁を配置することが可能となり、調整弁の耐久性を高めることができる。
【００４０】
また、本発明の第１１の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第１０の態様において、前記リサイクル経路を流通する前記改質ガスの流量を調整するために、該リサイクル経路の圧力を低下させる第２圧力低下部を備えるように構成されていてもよい。
【００４１】
上記構成によると、第２圧力低下部を備えるため、電力負荷の変動等によって、リサイクル経路における分岐部と合流部との間における差圧変動が大きくなる場合であっても、リサイクル経路を流通させる改質ガスの流量を安定させることができる。
【００４２】
また、本発明の第１２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第１１の態様において、前記リサイクル経路を流通する前記改質ガス中の水分を凝縮する凝縮部を備えるように構成されていてもよい。
【００４３】
上記構成によると、凝縮部を備えるため、リサイクル経路での水つまりや、凝縮水に起因してリサイクル経路で生じる圧力損失変動を抑制できる。このため、リサイクル経路を流通させる改質ガス流量を安定させ、かつ改質ガスの供給先にある例えば原料供給部などの各部に水分が混入し、故障してしまうことを防止することができる。
【００４４】
以下、実施の形態の具体例について、図面を参照して説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
【００４５】
（燃料電池システムの構成）
図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。
【００４６】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池発電部２と、改質器３と、水添脱硫器４と、本発明の原料供給部として機能する原料昇圧部５と、燃焼部６と、改質空気ポンプ１６と、制御部９０とを備えた構成である。また、燃料電池システム１００では、原料経路１とガス経路２１と、改質水経路２０と、改質空気経路１７と、リサイクル経路７と、空気供給経路９とを有している。
【００４７】
原料経路１は系外から原料昇圧部５を介して改質器３に至るまでの経路である。原料としては、例えば、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の炭化水素を主成分とするガスが用いられる。ガス経路２１は、改質器３から燃料電池発電部２、および燃焼部６を介して系外に至るまでの経路である。改質空気経路１７は、系外から供給された改質用の空気が改質空気ポンプ１６を介して原料経路１に至るまでの経路である。改質水経路２０は供給された改質水が原料経路１に至るまでの経路である。空気供給経路９は改質空気経路１７から分岐し、ガス経路２１（排ガス経路８）に至るまでの経路である。これら各経路についての詳細は後述する。
【００４８】
水添脱硫器４は、改質器３に供給される原料中に含まれる硫黄成分を脱硫する。水添脱硫器４には、硫黄成分を除去するための脱硫触媒（不図示）が充填されている。本実施の形態では、脱硫方式として、硫黄成分を水素と反応させて除去する水添脱硫方式が採用される。水添脱硫方式を実施するために、原料に水素を含むガスとして改質ガスを添加した状態で水添脱硫器４に供給される。なお、水添脱硫方式に加えて、例えば吸着脱硫方式などの他の脱硫方式を併用してもよい。
【００４９】
改質器３は、改質触媒が充填されており、水添脱硫器４を流通した後の原料を利用して水素リッチな改質ガスを発生させる。改質器３には改質反応を行なうために改質水が改質水経路２０を通じて供給されるが、改質水が液体の状態で供給される場合には、改質水を蒸発させるための蒸発部を改質器３の前段に設けた構成とする。なお、改質器３での改質方式は特に限定されず、例えば、水蒸気改質反応、部分改質反応、オートサーマル反応、その他の方式を採用できる。本実施の形態では、水蒸気改質と部分酸化改質とを併用する構成を例に挙げている。つまり、燃料電池システム１００の起動時では、改質器３において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足している。そこで、燃料電池システム１００の起動時は、改質水の供給がなされずに、改質空気経路１７を通じて改質器３に改質用の空気を導入し、この空気を利用して、改質器３は部分酸化改質を行う。
【００５０】
また、燃料電池システム１００が起動して発電が進むにつれ、改質器３の温度が上昇し、所定温度以上になれば水蒸気改質反応に切り替えるように構成されている。そして、改質器３で生成した改質ガスは燃料電池発電部２に供給される。
【００５１】
なお、改質器３に関しては、燃料電池発電部２の種類によって構成が異なる場合がある。例えば、固体高分子形燃料電池やリン酸形燃料電池の場合は、改質器３において改質ガス中の一酸化炭素を除去する必要があるため、シフト反応部や選択酸化反応部等の構成を有することで一酸化炭素を除去するよう構成される。改質器３は、公知の燃料電池システムで用いられるものと同様な構成となるので、さらなる詳細説明は省略する。
【００５２】
燃料電池発電部２は、改質器３で発生した改質ガスおよび空気中の酸素を利用して発電反応を行なう。燃料電池発電部２は、改質ガスが供給される燃料極、および系外から不図示の経路を通じて発電用の空気が供給される空気極を有し、該燃料極と該空気極との間で発電する燃料電池単セルを複数枚直列に接続してセルスタックを構成する。なお、燃料電池発電部２は、更に直列接続したセルスタックを並列に接続した構成でもよい。燃料電池発電部２で未利用の改質ガスは燃焼反応に利用される。燃料電池発電部２は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ ； Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ ； Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ ； Ｍｏｌｔｅｎ ＣａｒｂｏｎａｔｅＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ； Ｐｈｏｓｐｈｏｒ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）などを採用することができる。
【００５３】
燃焼部６では、燃料電池発電部２で未利用の燃料（改質ガス）を燃焼させて熱源を発生させる。燃焼反応に利用する酸素含有ガスとしては、燃料電池発電部２で未利用の空気（カソードオフガス）を利用することができる。あるいは、別経路から燃焼用の空気を供給して燃焼反応をおこなう構成であってもよい。燃焼部６で発生する燃焼熱は、改質器３での改質反応などに利用される。また、特に高温で作動する固体酸化物形燃料電池などの場合は、改質器３や燃料電池発電部２、燃焼部６を一つの筐体内に収め、燃料電池発電部２を所定の運転温度範囲に保つための熱源としてこの燃焼熱を用いることができる。
【００５４】
原料経路１は、系外から供給された原料を、水添脱硫器４を介して改質器３へ供給するための経路であり、水添脱硫器４を介して、その下流側に配置される改質器３の入口部に接続されている。また、原料経路１では、原料を水添脱硫器４側へと送り込む原料供給部として、水添脱硫器４の上流側に原料昇圧部５が設けられている。原料昇圧部５は、例えばダイヤフラム等の定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されない。原料昇圧部５は、制御部９０からの制御指示の下、原料の流量が電力負荷に応じた目標値となるように燃料電池発電部２へ供給する原料の出力を調整する。つまり、原料経路１では、外部から供給された原料を原料昇圧部５が昇圧させ水添脱硫器４に向かって送出する。原料昇圧部５から送出された原料は水添脱硫器４に導かれ、この水添脱硫器４で硫黄成分が除去される。そして硫黄成分が除去された原料は原料経路１を通じて改質器３へと供給される。
【００５５】
ガス経路２１は、改質器３の下流側に設けられた経路であり、改質器３で生成された改質ガス、ならびに燃料電池発電部２から排出された排気ガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）、燃焼部６から排出された排気ガス（燃焼排ガス）などが流通する経路である。ガス経路２１は、改質器３の出口部から、燃料電池発電部２および燃焼部６を経由して系外へと向かう。なお、ガス経路２１のうち、燃焼部６で生成された燃焼排ガスが流通する部分を特に本明細書では排ガス経路８と称することとする。
【００５６】
つまり、ガス経路２１では、改質器３で生成された改質ガスが燃料電池発電部２に供給される。燃料電池発電部２ではこの改質ガス（燃料）と、外部から供給された空気（不図示）とを利用して発電を行う。発電において未利用の改質ガス（アノードオフガス）はガス経路２１を流通して燃料電池発電部２の下流側に設けられた燃焼部６に供給される。燃焼部６は、供給されたアノードオフガスを燃焼させて生成された燃焼排ガスを排出する。燃焼部６から排出された燃焼排ガスはガス経路２１（排ガス経路８）を流通し系外へと導かれる。
【００５７】
なお、排ガス経路８上には、給湯水を生成するための熱交換器（不図示）を設けた構成とすることが出来る。また、排ガス経路８上に、発電用空気あるいは原料と熱交換を行なうための熱交換部（不図示）をさらに設けた構成としてもよい。このように熱交換器および熱交換部を設けた構成の場合、燃焼排ガスとの熱交換を行なうことで排熱を回収することができる。
【００５８】
改質水経路２０は、改質器３で水蒸気改質反応を行なうために必要な水を供給するための経路であり、原料経路１における、改質器３の上流側でかつ、水添脱硫器４の下流側となる位置に接続される。また、必要に応じて、水添脱硫器４の上流側に戻す改質ガス、または燃焼部６で生成された燃焼排ガスなどと改質水とが熱交換を行なうように改質水経路２０を配置する構成であってもよい。
【００５９】
改質空気経路１７は、改質器３で部分酸化改質を行うために必要な空気を供給するための経路であり、原料経路１における、改質器３の上流側でかつ、水添脱硫器４の下流側となる位置に接続される。改質空気経路１７中に改質空気ポンプ１６が備えられており、改質用の空気は改質空気ポンプ１６で昇圧され原料経路１に送出される。
【００６０】
空気供給経路９は、改質空気経路１７から分岐し、この改質空気経路１７を流通する空気の一部を排ガス経路８中に供給する経路である。空気供給経路９は、その一端が改質空気経路１７において改質空気ポンプ１６よりも下流側の部分に接続され、その他端が排ガス経路８部分に接続されている。そして、改質空気ポンプ１６から送出された空気を排ガス経路８に導くように構成されている。また、改質空気経路１７において改質空気ポンプ１６の下流側に改質空気弁１５が、空気供給経路９において空気供給弁１２がそれぞれ設けられており、制御部９０からの制御指示の下、これら改質空気弁１５および空気供給弁１２が開閉することで、改質空気経路１７および空気供給経路９を流通する空気の流量を調整することができる。例えば、改質器３が部分酸化改質を実施する燃料電池システム１００の起動時では制御部９０からの指示に応じて空気供給弁１２は閉じられる一方、改質空気弁１５が開けられる。これにより改質器３に空気を供給することができる。一方、改質器３の温度が上昇し、部分酸化改質から水蒸気改質に切り替わった場合、制御部９０からの指示に応じて改質空気弁１５は閉じられる。また、分岐部Ｒ１の圧力が低下した場合、制御部９０からの指示に応じて空気供給弁１２が開かれ、空気が排ガス経路８に供給され、排ガス経路８において生じる圧力損失を大きくする。
【００６１】
リサイクル経路７は、ガス経路２１から分岐し、改質器３で生成された改質ガスの一部を、水添脱硫器４の上流側に戻すための経路である。リサイクル経路７は、その一端が分岐部Ｒ１でガス経路２１と接続され、他端が合流部Ｒ２で原料経路１と接続されている。また、分岐部Ｒ１の圧力が合流部Ｒ２の圧力より高くなるように保たれており、自圧で改質ガスを水添脱硫器４の上流側（図１に示す例では原料昇圧部５の上流側）に戻すことができる。
【００６２】
また、本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池発電部２の低電力発電時であっても分岐部Ｒ１を流れる改質ガスの圧力が合流部Ｒ２を流れる原料ガスの圧力よりも高くなるように差圧を保つために、上記したようにガス経路２１を流通するガスの圧力損失を大きくするように制御する圧力損失制御ユニットが設けられている。
【００６３】
より具体的には、制御部９０、改質空気ポンプ１６、空気供給経路９、および空気供給弁１２によって、本発明の圧力損失制御ユニットを実現している。すなわち、分岐部Ｒ１を流通する改質ガスの圧力が所定量低下する場合、制御部９０は改質空気ポンプ１６を起動させるとともに、空気供給弁を開状態となるように制御する。これにより空気が空気供給経路９を通じて排ガス経路８に送出される。このように排ガス経路８に空気を供給することで排ガス経路８の圧力損失を増大させることができ、その結果、分岐部Ｒ１における圧力を増大させることができる。このように分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との圧力差を保つことで、自圧により改質ガスの一部を、リサイクル経路７を流通させて水添脱硫器４の上流側に戻すことができる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、排ガス経路８への空気の供給は、改質空気ポンプ１６によって行われるものとしている。これは、上記したように燃料電池システム１００の起動時では改質器３で部分酸化改質を行うため改質用の空気が改質器３に供給されるが、その後は水蒸気改質に切り替わり改質用の空気の供給が不要となる。一方、分岐部Ｒ１の圧力低下が発生するのは燃料電池システム１００の起動時ではなく運転動作中である。このため、改質空気ポンプ１６を排ガス経路８に空気を送出するためのポンプとして利用できる。
【００６５】
しかしながら、改質空気ポンプ１６とは別に空気ポンプを備え、この空気ポンプを利用して排ガス経路８へ空気を供給する構成としてもよい。ただし、本実施の形態のように改質用の空気を送出する改質空気ポンプ１６を併用して改質空気経路１７または排ガス経路８に空気を供給することができる構成の方が部品点数を低減できコストを抑制することができる点で有利である。
【００６６】
（燃料電池システムの動作）
次に、上記した構成を有する本実施の形態１の燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料電池システム１００では、原料が原料昇圧部５で昇圧されて水添脱硫器４に供給される。原料はその後、水添脱硫器４において脱硫され、改質器３の改質反応で水素リッチな改質ガスとなる。ここで上記したように分岐部Ｒ１が、ガス経路２１における、改質器３と燃料電池発電部２との間に設けられており、この分岐部Ｒ１でガス経路２１から分岐したリサイクル経路７を通じて改質ガスの一部を水添脱硫器４の上流側に戻すことができる。
【００６７】
ここで、分岐部Ｒ１における圧力は、流通するガス流量（改質ガス流量）と相関があり、その流量が増大するほど分岐部Ｒ１の圧力は高くなる。つまり、高出力発電時には低出力発電時と比べて多量の原料や空気を必要とするため、ガス経路２１を流通する改質ガスの流量が多くなる。このため、高出力発電時ほど分岐部Ｒ１の圧力が高くなる。逆に低出力発電時では流通する改質ガスの流量が小さくなり、その結果、分岐部Ｒ１における圧力の大きさは、合流部Ｒ２における圧力の大きさ以下となる可能性もある。
【００６８】
また、分岐部Ｒ１における圧力の大きさは、この分岐部Ｒ１よりも下流側となるガス経路２１において生じる圧力損失の大きさに影響される。つまり、分岐部Ｒ１よりも下流側となるガス経路２１において生じる圧力損失を大きくすることで分岐部Ｒ１における圧力を増大させることができる。
【００６９】
そこで本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、ガス経路２１において分岐部Ｒ１の下流側とかる部分、例えば排ガス経路８の圧力損失を変化させる圧力損失制御ユニットを備えた構成となっている。具体的には、圧力損失制御ユニットは、上記したように、制御部９０、改質空気ポンプ１６、空気供給経路９、および空気供給弁１２によって実現することができる。そして、圧力損失制御ユニットは、低出力発電時でも分岐部Ｒ１を流通するガスの圧力が合流部Ｒ２を流通する原料の圧力より大きくなるように、排ガス経路８に空気供給させる。
【００７０】
以上のように圧力損失制御ユニットにより、ガス経路２１における分岐部Ｒ１の下流側において生じる圧力損失を変化させるように動作させることで、特に、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における圧力差が小さいＳＯＦＣの場合であっても、自圧により改質ガスを、リサイクル経路７を通じて水添脱硫器４の上流側に戻すことができ、水添脱硫器４を安定動作させることができる。
【００７１】
なお、通常出力発電時、高出力発電時、および低出力発電時では原料昇圧部５から送出される原料の流量がそれぞれ異なる。このため、この送出される原料の流量変化に対して常に一定の割合となるように改質ガスを、リサイクル経路７を介し水添脱硫器４の上流側に戻す構成としてもよい。このように原料の流量変化に応じて一定割合となる改質ガスを、リサイクル経路７を介して戻す構成の場合、制御部９０は改質空気ポンプ１６および空気供給弁１２を以下のように制御する。
【００７２】
すなわち、水添脱硫器４の上流側に戻す改質ガスの流量を原料の流量に対して一定の割合としつつ、高出力発電になるにつれて分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧が徐々に増大するように制御する。より具体的には、原料経路１を流通する原料流量、あるいは燃料電池発電部２による発電出力または発電により得られる電気の電流値に対応するリサイクル経路７を流通する改質ガスの目標流量を予め設定しておく。さらに、原料流量、あるいは発電出力または電流値に対応するリサイクル経路７における目標差圧を予め設定しておく。そして、リサイクル経路７に不図示の圧力検知センサおよび流量センサを設け、原料経路１にも不図示の流量センサを設ける。このような構成において、リサイクル経路７における圧力検知センサおよび流量センサの検知結果と、原料経路１における流量センサの検知結果、発電出力または電流値とから、制御部９０は、空気供給弁１２を開状態とし、リサイクル経路７が発電出力に応じた目標差圧および目標流量となるように改質空気ポンプ１６の出力を制御する。
【００７３】
また、低出力発電時に原料昇圧部５から送出される原料流量が小さくなり分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間の差圧が小さくなる場合は、分岐部Ｒ１における圧力を大きくし分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間の差圧が増大するように制御する。具体的には、制御部９０は、空気供給弁１２を開状態とし、改質空気ポンプ１６により排ガス経路８へ供給される空気流量を増大させるように調整することで、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との差圧を確保するように制御することができる。
【００７４】
上述のように、改質空気ポンプ１６を用いて排ガス経路８に空気を供給する構成の場合、制御部９０が空気供給を空気供給弁１２の開閉および改質空気ポンプ１６のＯＮ／ＯＦＦ等を制御することで、一定流量の空気を排ガス経路８に供給することができる。ここで、常に分岐部Ｒ１における圧力の方が合流部Ｒ２における圧力よりも大きくなるよう差圧が確保されるようにするためには、制御部９０は、排ガス経路８に空気供給を行なうタイミングを決定する必要がある。
【００７５】
例えば、燃料電池システム１００の可動中、常に電力負荷に応じた空気流量を排ガス経路８に供給するように制御部９０が制御する構成であってもよいし、低出力発電時のみ空気を供給するように制御部９０が制御する構成であってもよい。
【００７６】
また、上記したように排ガス経路８に供給する空気流量を制御して分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との差圧を確保する構成の場合、燃料電池システム１００は、電力負荷の変化を検知する検知センサ（不図示）、分岐部Ｒ１部分の圧力を測定する圧力測定センサ（不図示）、または電力負荷に応じて決定される原料昇圧部５から送出される原料の流量変化を検知するセンサ（不図示）などいずれか少なくとも１つのセンサを設け、このセンサからの検知結果に基づき制御部９０が改質空気ポンプ１６のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミングおよび空気供給弁１２の開閉を切り替えるタイミングを制御する。例えば、制御部９０は、不図示の圧力測定センサからの測定結果に基づき、リサイクル経路７において分岐部Ｒ１の圧力が所定量低下したか否か判定する。そして、該圧力が所定量低下したと判定した場合、排ガス経路８において生じる圧力損失を増大させるように改質空気ポンプ１６、空気供給弁１２等を制御する。
【００７７】
また、排ガス経路８に供給する空気流量の流量調整は、例えば、以下のように行うことができる。改質空気ポンプ１６のＯＮ／ＯＦＦにより排ガス経路８への空気の供給量を可変とする構成の場合、空気供給経路９上に空気の流量を計測する流量計（不図示）、または空気の圧力を計測する圧力計を設ける。そして、制御部９０は、流量計により計測された空気の流量または圧力計により計測された空気の圧力に応じて改質空気ポンプ１６の出力を制御するように構成する。
【００７８】
上記したように、分岐部Ｒ１における圧力変化に応じて、改質空気ポンプ１６から送出される空気流量を可変にして原料に対する改質ガスの割合が一定となるように、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧を調整する構成とすることが有利である。しかしながら、燃料電池システム１００全体の構成を簡素化するために、分岐部Ｒ１の圧力が低下する所定のタイミング（例えば、通常時よりも低出力発電となるタイミングなど）で改質空気ポンプ１６のＯＮ／ＯＦＦを切り替え、一定流量の空気を排ガス経路８に供給する構成としてもよい。
【００７９】
以上のように実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、圧力損失制御ユニットを動作させ、分岐部Ｒ１の圧力を増大させることで合流部Ｒ２との圧力差が確保されるように運転制御する。また、低出力発電時においてもリサイクル経路７における分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧を確保する事ができるため、改質ガスを確実に水添脱硫器４の上流側に戻すことができる。特に低出力発電時において、合流部Ｒ２側を減圧する構成と比較して、リサイクル経路７を流通して水添脱硫器４の上流側に戻す改質ガスの流量のばらつきを小さくすることができる。このため、水添脱硫器４を安定的に動作させることができる。
【００８０】
（変形例１）
本発明の実施の形態における変形例１について、図２に基づいて説明する。図２は、本発明の実施の形態の変形例１に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。図２に示すように変形例１に係る燃料電池システム１００は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００と比較して以下の点で異なる。
【００８１】
すなわち、変形例１に係る燃料電池システム１００は、リサイクル経路７の合流部Ｒ２が原料経路１における原料昇圧部５よりも下流側であり、かつ水添脱硫器４の上流側に設けられている点で異なる。また、この合流部Ｒ２にリサイクル経路７と接続され、制御部９０からの制御指示に応じて、該リサイクル経路７を流通する改質ガスを吸引するためのエジェクタ１９をさらに備えている点でも異なる。それ以外の部材については変形例１に係る燃料電池システム１００は、図１に示す実施の形態に係る燃料電池システム１００と同様の構成であるため説明は省略する。
【００８２】
変形例１に係る燃料電池システム１００のようにエジェクタ１９をさらに設けた構成では、原料昇圧部５から原料が水添脱硫器４に送出される際、リサイクル経路７を流通する改質ガスをエジェクタ１９が吸引して原料に合流させる。このようにエジェクタ１９によりリサイクル経路７を流通する改質ガスを吸引する構成とすることで、エジェクタ１９の吸引部の圧力が低いため、分岐部における圧力との差圧を生じやすくすることができる。
【００８３】
ここで、リサイクル経路７における分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間で差圧を確保するには、エジェクタ１９の吸引部の圧力を負圧にする必要がある。しかし、低出力発電時では上述したように分岐部Ｒ１の圧力が小さくなるため、合流部Ｒ２に設けられたエジェクタ１９は、通常時よりも減圧量を大きくする必要があり、低下させる圧力の大きさにばらつきが生じやすい。つまり、低出力発電時には、エジェクタ１９の吸引部での減圧量を精度よく制御することは難しい。
【００８４】
しかしながら、変形例１に係る燃料電池システム１００は、図１に示す実施の形態に係る燃料電池システム１００と同様に圧力損失制御ユニットを備える構成であるため、分岐部Ｒ１の圧力を増大させることができる。このため、例えば、低出力発電時のように分岐部Ｒ１の圧力が小さくなるような場合、圧力損失制御ユニットにより排ガス経路８に空気を供給させ、この排ガス経路８部分で生じる圧力損失を大きくさせることで分岐部Ｒ１の圧力を大きくする。これにより、エジェクタ１９の吸引部による減圧量を抑えることができる。その結果、エジェクタ１９の吸引部において低下させる圧力のばらつきを低減させ、リサイクル経路７を通じて水添脱硫器４の上流側に戻す改質ガスの流量を安定化させることができる。
【００８５】
（変形例２）
次に、本発明の実施の形態における変形例２について、図３に基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態の変形例２に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。図３に示すように変形例２に係る燃料電池システム１００は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００と比較して以下の点で異なる。
【００８６】
すなわち、変形例２に係る燃料電池システム１００は、原料経路１において合流部Ｒ２よりも上流側に、第１圧力低下部１０を備えている点で異なる。第１圧力低下部１０は、原料経路１における合流部Ｒ２の圧力を低下させるものであり、例えば、オリフィス、キャピラリ、ガバナ、減圧弁、または比例弁等を用いることができる。なお、第１圧力低下部１０は、これらに限定されるものではなく合流部Ｒ２の圧力損失特性を可変とするものであればよい。
【００８７】
ここで、リサイクル経路７の分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧を確保するために、本実施の形態に係る燃料電池システム１００のように分岐部Ｒ１の圧力を増大させる方法と、逆に合流部Ｒ２の圧力を下げる方法とがある。変形例２に係る燃料電池システム１００ではこれら２つの方法を組み合わせた構成となっている。
【００８８】
つまり、圧力損失制御ユニットにより排ガス経路８へ空気を供給し、分岐部Ｒ１における圧力を増大させるとともに、第１圧力低下部１０により合流部Ｒ２を減圧することにより、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間での差圧を確保することができる。
【００８９】
また、第１圧力低下部１０により合流部Ｒ２を減圧させるだけで、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧を確保する構成の場合、上記したように、低出力発電時には減圧量のばらつきが大きくなってしまう。しかしながら、変形例２に係る燃料電池システム１００のように、圧力損失制御ユニットにより分岐部Ｒ１における圧力を増大させるとともに、第１圧力低下部１０により合流部Ｒ２を減圧させる構成とした場合、低出力発電時であっても第１圧力低下部１０による合流部Ｒ２における減圧量を抑制することができる。このため、第１圧力低下部１０は精度よく合流部Ｒ２における減圧量を制御することができ、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間の差圧を一定に確保することができる。
【００９０】
また、排ガス経路８への空気供給により圧力損失を増大させる圧力損失制御ユニットに関しても、圧力損失の増大量には上限がある。圧力損失の増大量が大きい場合、燃焼部６の安定性や燃料電池発電部２の発電性能に悪影響を及ぼす場合があるからである。しかしながら圧力損失を増大させることができる範囲が小さい場合、広範な発電出力範囲において分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧を常に確保することが困難となる。
【００９１】
したがって、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧を常時確保するためには、変形例２に係る燃料電池システム１００のように、第１圧力低下部１０による合流部Ｒ２の減圧と圧力損失制御ユニットによる分岐部Ｒ１の昇圧とを組み合わせた構成としてもよい。
【００９２】
（変形例３）
次に本発明の実施の形態における変形例３について、図４に基づいて説明する。図４は、本発明の実施の形態の変形例３に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。図４に示すように変形例３に係る燃料電池システム１００は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００と比較して以下の点で異なる。
【００９３】
すなわち、変形例３に係る燃料電池システム１００は、上記した圧力損失制御ユニットとして、改質空気ポンプ１６、空気供給経路９、および空気供給弁１２を備える代わりに、排ガス経路８中に圧力調整弁２２を備えている点で異なる。
【００９４】
圧力調整弁２２としては、例えば、制御部９０からの制御指示の下、弁体の開閉を行う減圧弁や比例弁などを用いることが出来る。圧力調整弁２２は、これらに限定されるものではなく、制御部９０からの制御指示に応じて排ガス経路８を流通する燃焼排ガスの圧力損失特性を可変とするものであればよい。また、図４に示す例では排ガス経路８は１本であるが、この排ガス経路８を複数の経路から構成し、それぞれの経路に圧力調整弁２２が設けられ、これら圧力調整弁２２の開閉によって排ガス経路８における圧力損失を調整する構成としてもよい。
【００９５】
なお、変形例３に係る燃料電池システム１００では、上記した実施の形態に係る燃料電池システム１００の圧力損失制御ユニットと同様に、例えば電力負荷変化に応じて排ガス経路８において発生する圧力損失の大きさを可変とするように制御部９０の制御指示の下、圧力調整弁２２の弁開度が調整される構成であってもよい。または、排ガス経路８において一定の圧力損失が発生するように、制御部９０の制御指示の下、圧力調整弁２２の弁開度が固定される構成であってもよい。さらには、低出力発電時のみ制御部９０からの制御指示の下、排ガス経路８で圧力損失を発生させるように圧力調整弁２２の弁開度を調整する構成であってもよい。
【００９６】
（変形例４）
次に、本発明の実施の形態における変形例４について、図５に基づいて説明する。図５は、本発明の実施の形態の変形例４に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。図５に示すように変形例４に係る燃料電池システム１００は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００と比較して以下の点で異なる。
【００９７】
すなわち、変形例４に係る燃料電池システム１００は、原料経路１において合流部Ｒ２よりも上流側に、第１圧力低下部１０を備えている点、ならびにリサイクル経路７中に第２圧力低下部１１を備えているという点で異なる。
【００９８】
第１圧力低下部１０は、変形例２に係る燃料電池システム１００において説明したため、ここではその説明については省略する。第２圧力低下部１１は、リサイクル経路７を流通する改質ガスの流量が所定流量となるようにリサイクルガスを減圧するものである。第２圧力低下部１１としては、例えば、キャピラリやオリフィス、逆止弁、比例弁、ガバナなどを用いることができる。また、第２圧力低下部１１は、圧力損失特性が可変となるものを用いても良い。
【００９９】
ここでリサイクル経路７を流通する改質ガスの流量は、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との差圧およびリサイクル経路７を改質ガスが流通する際に生じる圧力損失の大きさによって決まる。リサイクル経路７で生じる圧力損失が小さい場合であって、分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間における差圧が変化したとき、リサイクル経路７を流通する改質ガス流量の変動が大きくなる。そのため、上記した差圧が少しだけばらつくように変動した場合であっても、リサイクル経路７を流通する改質ガス流量が大きくばらつく場合がある。
【０１００】
また、リサイクル経路７で生じる圧力損失が小さい場合であって、高出力発電に際して分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との差圧が過度に大きくなったとき、リサイクル経路７を流通する改質ガス流量が過剰になる可能性がある。
【０１０１】
そこで、本発明の実施の形態における変形例４に係る燃料電池システム１００では、リサイクル経路７中に第２圧力低下部１１を設けた構成とする。このように第２圧力低下部１１を設けることで、上記した差圧がばらつくように変動した場合であっても、リサイクル経路７を流通する改質ガスの流量変動による影響を小さくすることができる。そして、結果として、水添脱硫器４に供給する改質ガスの流量を安定化させることができる。
【０１０２】
また、高出力発電時に分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との差圧が大きく異なるような場合であっても、リサイクル経路７を流通する改質ガスの流量が適正な流量となるように制御することができる。
【０１０３】
したがって、変形例４に係る燃料電池システム１００は、全ての発電出力の範囲においてリサイクル経路を流通する改質ガスの流量を適正に制御することが容易になる。加えて、発電出力の大きさが変動することで分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との差圧が過渡的に変動する場合であっても、第２圧力低下部１１により、リサイクル経路７を流通する改質ガスの流量の変動による影響を小さくすることができる。
【０１０４】
また、上記した第１圧力低下部１０および第２圧力低下部１１それぞれにより変化させる圧力損失は、ともに一定であってもよいし、両者のうち少なくとも一方が可変となっていてもよい。
【０１０５】
例えば、第１圧力低下部１０によって生じさせる圧力損失の大きさを可変とした場合、原料経路１を流通する原料流量が変化したり、分岐部Ｒ１の圧力が変化したりすることで、リサイクル経路７において分岐部Ｒ１と合流部Ｒ２との間の差圧が変化したとしても、第１圧力低下部１０によって生じさせる圧力損失の大きさを調整することで、容易に適切な差圧とすることができる。
【０１０６】
また、第２圧力低下部１１を可変とした場合、圧力損失制御ユニットによって増大できる圧力損失に上限があり、増大できる範囲が小さいとき、あるいは第１圧力低下部１０によって生じさせる圧力損失の大きさが可変とならないときであっても、リサイクル経路７を介して水添脱硫器４の上流側に戻す改質ガスの流量を適正に制御することが可能となる。
【０１０７】
なお、リサイクル経路７を流通する改質ガスには水分が含まれているため、第２圧力低下部１１でこの改質ガスの圧力が低下させられた場合、水分が凝縮する恐れがある。このため、特にＳＯＦＣなどでは、ホットモジュール内部の高温領域に第２圧力低下部１１を設け、改質ガスが露点以下にならない構成とすることが好ましい。
【０１０８】
さらには、変形例４に係る燃料電池システム１００は、図６に示すように、リサイクル経路７中に凝縮部１３をさらに備えた構成としてもよい。図６は、本発明の実施の形態の変形例４に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。
【０１０９】
上記したようにリサイクル経路７を改質ガスが流通する際に、水分が凝縮する可能性があり、リサイクル経路７での圧力損失の変動や水つまりの原因となり得る。そこで、凝縮部１３をリサイクル経路７中に設けて改質ガスから凝縮水を回収することで、リサイクル経路７での圧力損失の変動や水つまりなどを抑制することができる。これにより、変形例４に係る燃料電池システム１００では、リサイクル経路７を流通する改質ガスの流量を安定させることができる。また、水分が原料昇圧部５などに混入し、原料昇圧部５が故障することを防止することもできる。
【０１１０】
なお、変形例４に係る燃料電池システムにおいて、リサイクル経路７に熱交換部（不図示）を設け、この熱交換部にて流通する改質ガスと改質水または原料と熱交換をし、改質水または原料を予熱する構成としてもよい。このように構成される場合、凝縮部１３は、リサイクル経路７において熱交換部よりも下流側に設けるように構成されることが望ましい。
【０１１１】
また、図６に示す変形例４に係る燃料電池システムの構成では、凝縮部１３はリサイクル経路７において第２圧力低下部１１の下流側（第２圧力低下部１１により改質ガスの圧力が低下させられた側）に配されている。しかしながら凝縮部１３の配置はこれに限定されるものではない。例えば、凝縮部１３は、第２圧力低下部１１の上流側（第２圧力低下部１１により改質ガスの圧力が低下されていない側）に設けられた構成としてもよい。
【０１１２】
（変形例５）
次に本発明の実施の形態における変形例５について、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の実施の形態の変形例５に係る燃料電池システム１００の構成の一例を示した模式図である。図７に示すように変形例５に係る燃料電池システム１００は、上記した本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００と比較して以下の点で異なる。
【０１１３】
すなわち、変形例５に係る燃料電池システム１００は、さらに排ガス経路８中に、燃焼排ガスを凝縮させて得られた凝縮水を回収するための凝縮水回収部１４をさらに設け、この凝縮水回収部１４の下流側に空気供給経路９が連結される点で異なる。
【０１１４】
このように、変形例５に係る燃料電池システム１００は、排ガス経路８において、凝縮水回収部１４の下流側に空気供給経路９が連結され、空気が供給される構成である。このため、排ガスの露点を下げることなく空気を供給することができる。また、排ガスの露点を高く維持した状態で凝縮水回収部１４は排ガスを凝縮させて凝縮水を回収するため、排ガス中から容易に水回収することができ、燃料電池システム１００において必要となる改質水を賄うことができる。
【０１１５】
つまり、変形例５に係る燃料電池システム１００では、凝縮水回収部１４で回収した水（凝縮水）を改質水経路２０に戻す構成とすることで、燃料電池システム１００は外部から水の供給を受けることなく運転を行うことができるようになる（水自立運転）。また、水自立運転を実現するためには、燃焼排ガス中に含まれる水分をより多く凝縮させて回収する必要がある。そこで、凝縮水回収部１４を、排ガス経路８において各種熱交換部（不図示）の後段に設ける。
【０１１６】
なお、上記した本発明の実施の形態、ならびに変形例１〜５に係る燃料電池システム１００では、ガス経路２１のうち排ガス経路８で圧力損失を大きくするように圧力損失制御ユニットが設けられた構成であった。しかしながら、圧力損失制御ユニットにより圧力損失を大きくさせる部分はこの排ガス経路８に限定されるものではなく、分岐部Ｒ１よりも下流側となるガス経路２１部分であればよい。
【０１１７】
また、燃料電池システム１００の運転方法として、燃料電池発電部２の温度が所定の値より低い場合には燃料電池発電部２に供給される空気の流量を減少させ、逆に温度が高い場合には空気の流量を増大させて冷却させるよう構成することができる。このように、発電空気流量が変化させる構成の場合、ガス経路２１内（排ガス経路８内）で生じる圧力損失の大きさが変化したり、この圧力損失の変化に伴って分岐部Ｒ１の圧力が変化したりする。そこで、圧力損失制御ユニットは、燃料電池発電部２に供給する発電空気の流量に応じて、ガス経路２１（排ガス経路８）において生じさせる圧力損失の大きさを変化させるように構成してもよい。例えば、燃料電池発電部２に供給する発電空気の流量に応じて、排ガス経路８に供給する空気流量や、圧力調整弁２２の開閉または弁開度などを制御する構成としてもよい。
【０１１８】
上記発明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明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。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又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】
【０１１９】
本発明は、低負荷運転時においてもリサイクル経路７を通じて改質器３で生成された改質ガスの一部を自圧により水添脱硫器４の上流側に戻すことができる。このため、改質器３で生成された改質ガスの一部を、リサイクル経路７を通じて水添脱硫器４の上流側に戻す構成を有する燃料電池において広範に利用することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１      原料経路
２      燃料電池発電部
３      改質器
４      水添脱硫器
５      原料昇圧部
６      燃焼部
７      リサイクル経路
８      排ガス経路
９      空気供給経路
１０    第１圧力低下部
１１    第２圧力低下部
１２    空気供給弁
１３    凝縮部
１４    凝縮水回収部
１５    改質空気弁
１６    改質空気ポンプ
１７    改質空気経路
１９    エジェクタ
２０    改質水経路
２１    ガス経路
２２    圧力調整弁
９０    制御部
１００  燃料電池システム
Ｒ１    分岐部
Ｒ２    合流部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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