(57)【要約】【課題】燃料電池の燃料極から排出された燃料排ガスを再利用する場合に、燃料電池発電システムを長寿命化する。【解決手段】燃料電池発電システムは、燃料ガス供給手段４１と、燃料ガス供給手段４１から燃料電池入口配管１を介して供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池本体３と、燃料電池入口配管１の途中の再循環燃料合流点１２に延びる再循環燃料配管１１と、燃料電池本体３から排出される燃料排ガスを再循環燃料配管１１を介して輸送する再循環燃料水エゼクタ１５と、燃料排ガスが再循環燃料合流点１２で燃料ガスに混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、燃料ガス供給手段４１による燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させる制御手段４３と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池本体と、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体に延びる燃料電池入口配管と、
前記燃料電池入口配管の途中の再循環燃料合流点に延びる再循環燃料配管と、
前記燃料電池本体から排出される燃料排ガスを前記再循環燃料配管を介して輸送する燃料再循環手段と、
前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、前記燃料ガス供給手段による前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させる制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記再循環燃料配管を流れるガスの温度を検出して、その温度が所定の基準温度よりも高い場合に前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料再循環手段を流れるガスの温度と前記燃料電池入口配管の前記再循環燃料合流点よりも上流側を流れるガスの温度との差を検出して、その温度差が所定の基準温度差よりも大きい場合に前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池入口配管の前記再循環燃料合流点よりも上流側を流れるガスの温度と下流側を流れるガスの温度の差を検出して、その温度差が所定の基準温度差よりも大きい場合に前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記再循環燃料配管を流れるガスの湿度を検出して、その湿度が所定の基準湿度よりも高い場合に前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池入口配管の前記再循環燃料合流点よりも下流側を流れるガスの湿度を検出して、その湿度が所定の基準湿度よりも高い場合に前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池入口配管の前記再循環燃料合流点よりも上流側を流れるガスの湿度と下流側を流れるガスの湿度の差を検出して、その湿度の差が所定の基準湿度差よりも大きい場合に前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記再循環燃料配管にはオリフィスが設けられ、
前記制御手段は、前記オリフィスの前後での圧力の差を検出して、前記再循環燃料配管を流れるガスの量を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判断しない場合には、前記燃料再循環手段の前記燃料排ガスの輸送量を増加させることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
前記燃料再循環手段は、ブロワを有していて、
前記制御手段は、前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判断しない場合には、前記ブロワの回転数を増加させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１１】
前記燃料再循環手段は、水ポンプおよびその水ポンプから供給される水によって駆動されるエゼクタを備えていて、
前記制御手段は、前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されていると判断しない場合には、前記水ポンプの回転数を増加させることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池本体は、前記燃料電池入口配管に接続された主スタックと、その主スタックから排出されるガスを用いて発電する従スタックを備えていて、
前記燃料再循環手段は、前記従スタック下流に接続されている、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項１３】
燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池発電システムの制御装置において、
前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスにその燃料電池本体から排出される燃料排ガスが前記燃料電池本体よりも上流で混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、前記燃料ガス供給手段による前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御装置。
【請求項１４】
燃料ガスを燃料電池入口配管を介して燃料電池本体に供給する工程と、
前記燃料ガスを用いて発電する発電工程と、
前記発電工程の後に燃料電池本体から排出される燃料排ガスを、前記燃料電池入口配管につながる再循環燃料配管に排出する工程と、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体に延びる燃料電池入口配管と、
前記燃料電池から排出される燃料排ガスを輸送する燃料再循環手段と、
前記燃料ガスが前記燃料電池本体に供給される前に前記燃料排ガスと混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、前記燃料電池本体への前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システム、および、その制御装置ならびに制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料の化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして、燃料電池発電システムが知られている。燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて、直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができる。しかも、この燃料電池発電システムは、大気汚染物質の排出が少なく、騒音も小さいという環境性に極めて優れた特徴を有している。
【０００３】
燃料電池発電システムでは、水素濃度が高い（水素リッチな）燃料ガスもしくは水素燃料は、燃料電池本体内部の燃料極へ導かれ、発電に用いられた後に排出される。燃料極に供給される燃料ガスの全てが発電のために消費されるわけではなく、一部は消費されずに燃料極から排出される。排出される燃料ガスを少なくし、燃料電池本体における燃料利用率を高めることにより、発電効率が高くなる。
【０００４】
そこで燃料極から排出された燃料排ガスを、燃料極入口に再循環させるといった手法がとられる。たとえば、特許文献１ないし特許文献３には、燃料排ガスを再循環させるための方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１９６０８７号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５８８号公報
【特許文献３】特開平９−２５９９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池発電システムにおいて、燃料極から排出された燃料排ガスを、燃料極入口に再循環させて再利用する場合には、燃料電池本体に供給される燃料ガス流量は、再利用される燃料排ガス流量を勘案した燃料ガス流量に制御される。
【０００６】
しかし、燃料排ガスを再循環させるための装置が故障したり、所定の能力が発揮されない場合には、燃料電池本体に供給される燃料ガス流量が少なくなるため、燃料電池本体が許容する燃料利用率よりも高くなる場合がある。この場合、燃料極において局部的な水素不足が生じ、燃料極が腐食する可能性がある。燃料極が腐食すると、燃料極を構成するカーボン材料が消失し、電池運転が不可能となるおそれがある。
【０００７】
このため、燃料極から排出された燃料排ガスを、燃料極入口に再循環させて再利用する場合には、再循環させる燃料排ガスの流量が健全であることを診断しながら運転することが、燃料電池システムを長寿命化するために重要となる。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池の燃料極から排出された燃料排ガスを再利用する場合に、燃料電池発電システムを長寿命化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池発電システムにおいて、燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスを用いて発電する燃料電池本体と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体に延びる燃料電池入口配管と、前記燃料電池入口配管の途中の再循環燃料合流点に延びる再循環燃料配管と、前記燃料電池本体から排出される燃料排ガスを前記再循環燃料配管を介して輸送する燃料再循環手段と、前記燃料排ガスが前記再循環燃料合流点で前記燃料ガスに混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、前記燃料ガス供給手段による前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させる制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備えた燃料電池発電システムの制御装置において、前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスにその燃料電池本体から排出される燃料排ガスが前記燃料電池本体よりも上流で混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、前記燃料ガス供給手段による前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、燃料電池発電システムの制御方法において、燃料ガスを燃料電池入口配管を介して燃料電池本体に供給する工程と、前記燃料ガスを用いて発電する発電工程と、前記発電工程の後に燃料電池本体から排出される燃料排ガスを、前記燃料電池入口配管につながる再循環燃料配管に排出する工程と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体に延びる燃料電池入口配管と、前記燃料電池から排出される燃料排ガスを輸送する燃料再循環手段と、前記燃料ガスが前記燃料電池本体に供給される前に前記燃料排ガスと混合されているか否かを判定し、混合されていると判定した場合には、前記燃料電池本体への前記燃料ガスの単位時間当たりの供給量を減少させる工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池の燃料極から排出された燃料排ガスを再利用する場合に、燃料電池発電システムを長寿命化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る燃料電池発電システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る第１の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００１５】
燃料電池本体３は、燃料極３１および酸化剤極３２を有している。酸化剤極３２には、酸化剤ガス供給装置２が接続されている。
【００１６】
燃料極３１には、燃料電池入口配管１を介して燃料ガス供給装置４１が接続されている。燃料ガス供給装置４１の上流側には、燃料供給源４０が接続されている。たとえば、燃料供給源４０は所定の濃度以上の水素濃度の燃料ガスを生成する装置で、燃料ガス供給装置４１はブロワである。また、燃料供給源４０が水素を貯えたボンベで、燃料ガス供給装置４１が流量調整弁としてもよい。
【００１７】
また、燃料電池本体３は、冷却水系３３を有している。冷却水系３３には、冷却水供給装置７を介して水タンク６が接続されている。冷却水供給装置７は、たとえばポンプである。冷却水系３３は、また、熱交換器８に接続されていて、熱交換器８は水タンク６に接続されている。熱交換器８には、排熱回収ライン４５を介して貯湯槽９も接続されている。
【００１８】
燃料電池本体３の酸化剤極３２には、酸化剤排ガス配管５が接続されている。また、燃料電池本体３の燃料極３１には、燃料排ガス配管４が接続されている。
【００１９】
燃料排ガス配管４には、再循環燃料分岐点１０でエゼクタ吸引ライン４４が接続されている。エゼクタ吸引ライン４４は、再循環燃料水エゼクタ１５に接続されている。エゼクタ吸引ライン４４の途中には再循環燃料遮断弁２０が挿入されている。
【００２０】
冷却水供給装置７の下流側は冷却水系３３よりも上流側で分岐して、水エゼクタ供給水配管１６を介して再循環燃料水エゼクタ１５に接続されている。水エゼクタ供給水配管１６の途中には、水エゼクタ供給水遮断弁２１が挿入されている。再循環燃料水エゼクタ１５の下流側には、再循環燃料配管１１が接続されている。再循環燃料配管１１は、燃料電池入口配管１の途中の再循環燃料合流点１２に接続されている。
【００２１】
再循環燃料配管１１には、水回収セパレータ１７が挿入されている。また、水回収セパレータ１７と再循環燃料合流点１２との間には、再循環燃料逆止弁１８が挿入されている。水回収セパレータ１７は、水タンク６よりも高い位置に配置され、水回収セパレータ１７から水タンク６には、ドレン回収ライン４２が延びている。
【００２２】
再循環燃料配管１１の途中には、再循環燃料温度検出手段２２が取り付けられている。
【００２３】
また、この燃料電池発電システムは、再循環燃料温度検出手段２２から信号が伝達される制御器４３を有している。制御器４３は、燃料ガス供給装置４１、再循環燃料遮断弁２０、水エゼクタ供給水遮断弁２１、冷却水供給装置７および酸化剤ガス供給装置２などを制御する。
【００２４】
水素リッチな燃料ガスもしくは水素燃料は、燃料電池入口配管１を介して燃料電池本体３の燃料極３１へ導かれ、発電に用いられた後に燃料排ガス配管４からカソード排ガス（燃料排ガス）として排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給装置２によって燃料電池本体３内部の酸化剤極３２に導かれ、発電に使われた後に酸化剤排ガス配管５からカソード排ガスとして排出される。
【００２５】
また、水タンク６に貯められた水は、冷却水供給装置７により燃料電池本体３の冷却水系３３に導かれ、燃料電池本体３の冷却に用いられる。燃料電池本体３で加温され、冷却水系３３から排出された水は、熱交換器８を介して、貯湯槽９の蓄熱に利用される。
【００２６】
燃料極３１に供給された燃料ガスの一部は発電反応により消費され、残りは排出される。この燃料電池発電システムでは、消費されずに燃料極３１から排出される燃料ガス（燃料排ガス）の一部または全部を再利用する。
【００２７】
図２は、第１の実施の形態における燃料電池発電システムの制御器の動作を示す流れ図である。
【００２８】
まず、この燃料電池発電システムで燃料排ガスの再利用を開始する信号が制御器４３に与えられると、制御器４３は再循環燃料遮断弁２０および水エゼクタ供給水遮断弁２１を開く（工程Ｓ１）。
【００２９】
水エゼクタ供給水遮断弁２１が開くことによって、冷却水供給装置７によって供給される冷却水の一部が再循環燃料水エゼクタ１５に供給される。この冷却水を駆動力として、燃料排ガス配管４を流れる燃料排ガスの一部または全部は、エゼクタ吸引ライン４４を介して、再循環燃料水エゼクタ１５に吸引される。
【００３０】
再循環燃料水エゼクタ１５から吐出される燃料排ガスに含まれる、駆動源となった冷却水などの水分は、水回収セパレータ１７によって分離される。分離された水分は、ドレン回収ライン４２を通じて、水タンク６に回収される。
【００３１】
水分を分離された残りの燃料排ガスは、再循環燃料合流点１２において、燃料ガス供給装置４１によって供給される燃料ガスと混合される。なお、再循環燃料逆止弁１８によって、燃料ガス供給装置４１によって供給される燃料ガスは、水回収セパレータ１７側に逆流しないようになっている。
【００３２】
燃料排ガスは、燃料電池本体３で発生する熱により約６５℃に加温される。このため、燃料排ガスが再循環燃料配管１１を流れると、再循環燃料温度検出手段２２によって温度の上昇が検知される。
【００３３】
制御器４３は、再循環燃料配管１１を流れるガスの温度と基準温度とを比較して、燃料排ガスが再利用されているか否かを判断する（工程Ｓ２）。再循環燃料配管１１を流れるガスの温度が基準温度以上になった場合には、燃料排ガスが再利用されていると判断し、基準温度未満の場合は、燃料排ガスが再利用されていないと判断する。なお、燃料排ガスの温度が基準温度と等しくなった場合に、燃料排ガスが再利用されていないと判断してもよい。
【００３４】
燃料排ガスが再利用されていると判断する基準温度は、燃料電池本体で発生する熱量、や再循環燃料配管１１を流れる途中で外部に放出される熱量などを考慮して決定する。また、外気温を考慮して、この基準の温度をより正確に決定するようにしてもよい。
【００３５】
制御器４３は、燃料排ガスが再利用されていると判断した場合には、燃料ガス供給装置４１によって単位時間当たりに供給する燃料ガスの量を少なくする（工程Ｓ３）。これにより、燃料電池本体３における燃料の利用率が高まる。
【００３６】
制御器４３は、燃料排ガスが再利用されていないと判断した場合には、冷却水供給装置７の回転数を増加させ、再循環燃料水エゼクタ１５によって燃料排ガスを吸引する量を増加させる。なお、この際、燃料リサイクルライン遮断弁２０および水エゼクタ供給水遮断弁２１を閉じてから、冷却水供給装置７の回転数を上昇させてもよい。
【００３７】
このようにして、燃料排ガスの一部または全部を再利用して、外部に排出される燃料ガスを少なくすることにより、燃料電池本体３の燃料利用率を高めることができ、発電効率を高めることができる。
【００３８】
また、燃料排ガスが再利用されていることを確認した後に、燃料の供給量を調整するため、燃料排ガスが再利用されてないにもかかわらず燃料の供給量を少なくすることを防止できる。このため、燃料の供給不足によって、燃料の利用率が燃料電池本体３が許容する利用率よりも高くなることに起因する燃料極３１での局部的な水素不足を抑制できる。したがって、燃料極が腐食することを防止し、燃料極３１および燃料電池発電システム全体を長寿命化できる。
【００３９】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明に係る第２の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００４０】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第１の実施の形態の燃料電池発電システムに、燃料ガス供給装置４１と再循環燃料合流点１２との間に取り付けられた燃料ガス温度検出手段２３を追加したものである。また、制御器４３には、燃料ガス温度検出手段２３から信号も伝達されるようになっている。燃料ガス温度検出手段２３は、燃料ガス供給装置４１によって供給される燃料ガスの温度を検出する。
【００４１】
この燃料電池発電システムの制御器４３は、再循環燃料配管１１を流れるガスと燃料ガスとの温度差を基準温度差と比較して、燃料排ガスが再利用されているか否かを判断する。
【００４２】
燃料排ガスが再利用されていると判断する基準温度差は、第１の実施の形態と同様に、燃料電池本体で発生する熱量や再循環燃料配管１１を流れる途中で外部に放出される熱量などを考慮して決定する。また、外気温を考慮して、この基準温度差をより正確に決定するようにしてもよい。たとえば燃料ガス供給装置４１が供給する燃料ガスの温度が約３０℃で、燃料排ガスの温度が約６５℃の場合には、基準温度差を３５℃とする。
【００４３】
本実施の形態においては、燃料ガスと燃料排ガスの温度差を用いて、燃料排ガスが再利用されているか否かを判断するため、外気温の上昇に伴う燃料ガスの温度上昇に起因して燃料排ガスの温度が上昇する場合などでも、外部環境の影響を受けにくい。
【００４４】
［第３の実施の形態］
図４は、本発明に係る第３の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００４５】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第２の実施の形態の燃料電池発電システムの再循環燃料温度検出手段を削除し、再循環燃料合流点１２と燃料極３１との間に、燃料極入口温度検出手段２４を追加したものである。また、制御器４３には、燃料極入口温度検出手段２４から信号も伝達されるようになっている。
【００４６】
燃料極入口温度検出手段２４は、燃料極に供給される燃料ガスの温度を検出する。つまり、燃料排ガスが混合された後の燃料ガスの温度を検出する。
【００４７】
この燃料電池発電システムの制御器４３は、燃料ガス温度検出手段２３によって検出する温度と、再循環燃料温度検出手段２２によって検出する温度（燃料極入口温度）との差を、基準温度差と比較して、燃料排ガスが再利用されているか否かを判断する。
【００４８】
制御器４３は、燃料ガス温度検出手段２３によって検出された温度と燃料極入口温度との差から、再利用された燃料排ガス流量を推定することができる。たとえば、燃料ガス温度検出手段２３で約３０℃が検知され、燃料排ガスの温度が約６５℃である場合には、両者の混合比を燃料入口温度から推定することができる。
【００４９】
制御器４３が推定した燃料排ガス流量が基準流量よりも少ない場合には、燃料排ガスが再利用されていないと判断する。基準流量よりも多い場合には、燃料排ガスが再利用されていると判断する。
【００５０】
［第４の実施の形態］
図５は、本発明に係る第４の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００５１】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第１の実施の形態における再循環燃料温度検出手段を再循環燃料湿度検出手段２５に変更したものである。
【００５２】
この燃料電池発電システムは、再循環燃料湿度検出手段２５によって再循環燃料配管１１を流れるガスの湿度を検出する。
【００５３】
燃料排ガスは、燃料排ガスは燃料電池本体３１で加湿され、約６５℃の飽和水蒸気を含んだガスとして排出される。このため、燃料排ガスが再利用されている場合には、再循環燃料湿度検出手段２５において、再循環燃料配管１１を流れるガスの湿度の上昇が検知される。
【００５４】
制御器４３は、この湿度が基準湿度より高い場合に、燃料排ガスが再利用されていると判断する。基準湿度は、燃料電池本体３において加熱された燃料排ガスの温度などを考慮して決定する。
【００５５】
［第５の実施の形態］
図６は、本発明に係る第５の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００５６】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第４の実施の形態における再循環燃料湿度検出手段を削除し、再循環燃料合流点１２と燃料極３１との間に、燃料極入口湿度検出手段２６を取り付けたものである。
【００５７】
この燃料電池発電システムは、燃料極入口湿度検出手段２６によって燃料極３１に供給されるガスの湿度を検出する。燃料排ガスは、飽和水蒸気を含んでいるため、燃料排ガスが再利用されていると、再循環燃料合流点１２と燃料極３１との間を流れるガスの湿度の上昇が検知される。
【００５８】
制御器４３は、この湿度が基準湿度より高い場合に、燃料排ガスが再利用されていると判断する。基準湿度は、燃料電池本体３において加熱された燃料排ガスの温度や、燃料ガス供給装置４１が供給する燃料ガスの湿度などを考慮して決定する。
【００５９】
［第６の実施の形態］
図７は、本発明に係る第６の実施の形態における燃料電池発電システムのブロック図である。
【００６０】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第１の実施の形態における再循環燃料温度検出手段を再循環燃料流量測定手段３０に変更したものである。
【００６１】
再循環燃料流量測定手段３０は、再循環燃料配管１１の途中に設けられたオリフィス２９と、その前後のそれぞれの圧力を測定するオリフィス入口圧力計２７およびオリフィス出口圧力計２８を有している。再循環燃料流量測定手段３０は、オリフィス入口圧力計２７とオリフィス出口圧力計２８で測定するそれぞれの圧力の差と、オリフィス２９の仕様から、再循環燃料配管１１を流れるガスの流量を測定する。なお、オリフィス２９の前後の圧力を別々に測定する代わりに、オリフィス２９の前後の圧力差を測定してもよい。
【００６２】
制御器４３は、再循環燃料流量測定手段３０が測定するガスの流量が所定の基準流量よりも大きい場合に、燃料排ガスが再利用されていると判断する。この基準流量は、燃料ガス供給装置４１が供給する燃料ガスの流量などを考慮して決定する。
【００６３】
［第７の実施の形態］
図８は、本発明に係る第７の実施の形態における燃料電池発電システムの燃料電池本体およびその周辺のブロック図である。
【００６４】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、第１の実施の形態における燃料電池本体３を、主スタック３４および従スタック３５とからなる２段直列構成としたものである。主スタック３４および従スタック３５は、それぞれ燃料極３１、酸化剤極３２および冷却水系３３を有している。主スタック３４の燃料排ガスは、従スタック３５に供給されるようになっている。
【００６５】
この燃料電池発電システムは、主スタック３４の燃料排ガスを従スタック３５の燃料として再利用し、従スタック３５の燃料排ガスを主スタック３４の燃料として再利用する。
【００６６】
たとえば、燃料電池本体３に燃料ガスとして水素ガスを供給し、主スタック３４および従スタック３５の燃料利用率が共に８０％となるように、主スタック３４および従スタック３５のセル数を決定した場合を考える。このとき、主スタック３４に供給される水素ガスのうち８０％が主スタック３４で消費され、残りの２０％が従スタックに供給される。この残りの２０％のうちの８０％が従スタックで消費される。つまり、従スタック３５では、主スタック３４に供給された水素ガス全体の１６％（＝０．２×０．８）が消費される。したがって、主スタック３４に供給された水素ガス全体のうち、残りの４％が従スタック３５から排出される。つまり、主スタック３４の燃料排ガスを従スタック３５の燃料として再利用のみを実施する場合には、燃料電池本体３の全体としての燃料利用率は９６％となる。
【００６７】
また、燃料利用率の上限が８０％で、燃料電池本体３が主スタック３４のみであり、燃料電池本体３に供給される水素ガス流量の１０％相当分を燃料極３１の出口から再利用する場合を考える。この場合、燃料電池本体３で消費された後、燃料電池本体３から排出される水素ガス流量は燃料電池本体３に供給される水素ガス流量の２２％（＝（１＋０．１）×０.２）となる。したがって、主スタック３４に供給された水素ガス全体のうち、１２％相当分が排出され、システム全体としての燃料利用率は８８％となる。
【００６８】
一方、本実施の形態では、主スタック３４および従スタック３５の燃料利用率が共に８０％となるようにセル数を決定した場合、主スタック３４に供給する水素ガス流量の３％相当分を従スタック３５の出口の燃料排ガスから再利用するだけで、システム全体としての燃料利用率は９９％となり、より１００％に近い運転となる。
【００６９】
このように、燃料電池本体３を主スタック３２と従スタック３３とからなる２段直列構成とすることで、再利用する燃料排ガスの流量を増加させることなく、燃料の再利用率を高めることができる。このため、燃料電池システム全体の効率が向上する。また、従スタック３５の燃料排ガスを主スタック３４入口に戻すことにより、主スタック３４および従スタック３５に流入される燃料の流速が上がる。このため、燃料配流のアンバランスによる燃料極３１での局部的な水素不足に起因する腐食の発生の可能性が低減され、高燃料利用率での長期安定運転が可能となる。
【００７０】
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図２】本発明に係る第１の実施形態の燃料電池発電システムにおける制御方法の流れ図である。
【図３】本発明に係る第２の実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図４】本発明に係る第３の実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図５】本発明に係る第４の実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図６】本発明に係る第５の実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図７】本発明に係る第６の実施形態の燃料電池発電システムのブロック図である。
【図８】本発明に係る第７の実施形態の燃料電池発電システムの燃料電池本体およびその周辺のブロック図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…燃料電池入口配管、２…酸化剤ガス供給装置、３…燃料電池本体、４…燃料排ガス配管、５…酸化剤排ガス配管、６…水タンク、７…冷却水供給装置、８…熱交換器、９…貯湯槽、１０…再循環燃料分岐点、１１…再循環燃料配管、１２…再循環燃料合流点、１５…再循環燃料水エゼクタ、１６…水エゼクタ供給水配管、１７…水回収セパレータ、１８…再循環燃料逆止弁、２０…再循環燃料遮断弁、２１…水エゼクタ供給水遮断弁、２２…再循環燃料温度検出手段、２３…燃料ガス温度検出手段、２４…燃料極入口温度検出手段、２５…再循環燃料湿度検出手段、２６…燃料極入口湿度検出手段、２７…オリフィス入口圧力計、２８…オリフィス出口圧力計、２９…オリフィス、３０…再循環燃料流量測定手段、３１…燃料極、３２…酸化剤極、３３…冷却水系、３４…主スタック、３５…従スタック、４０…燃料供給源、４１…燃料ガス供給装置、４２…ドレン回収ライン、４３…制御器、４５…排熱回収ライン
【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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