(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料から水素を含有する水素含有改質ガスを生成する改質器と、前記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、前記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と前記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
前記電解質体は、前記アノード流路に供給された前記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた前記水素を水素プロトンの状態にして透過させて前記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなると共に、前記プロトン伝導体層における前記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、前記プロトン伝導体層における前記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなり、
前記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを流すカソードオフガスラインが接続されていると共に、該カソードオフガスラインには、水素を貯蔵可能な水素貯蔵手段が接続されており、
前記アノード電極と前記カソード電極との間には、これらを電気的に短絡させることができる短絡手段が配設されており、
前記短絡手段によって前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に短絡させて前記燃料電池における発電を停止した際に前記カソード電極上において生成する水素分子を、前記水素貯蔵手段によって貯蔵可能に構成されており、
かつ、前記燃料電池システムは、車両に搭載されると共に、該車両の減速時に運動エネルギーを変換して回生電力を発生させるモータと前記回生電力及び前記燃料電池が発電した余剰の電力を蓄える２次電池とをさらに備え、前記短絡手段は、前記モータにより前記回生電力が発生される場合に前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記モータにより前記回生電力が発生した場合に、該回生電力のうち前記２次電池に蓄えきれない電力を利用して、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電位を与えるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記アノード流路に前記水素含有改質ガスを供給する改質ガス供給ラインには、前記アノード流路内を増圧するための圧力加圧手段が配設されており、該圧力加圧手段によって前記水素含有改質ガスを加圧して前記アノード流路に送ることにより、該アノード流路内の圧力を増加させて水素分圧を増加し、水素の前記カソード流路側への透過速度を高めることができるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記アノード流路から排出されるアノードオフガスを流すアノードオフガスラインには、前記アノード流路内の圧力を調整するための圧力調整機構が配設されており、該圧力調整機構によって前記アノード流路内の圧力を増加させて水素分圧を増加し、水素の前記カソード流路側への透過速度を高めることができるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、前記短絡手段により前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させる前に、前記カソード流路内に存在する前記酸素含有ガスを排出させる酸素含有ガス排出手段を備え、前記短絡手段は、前記酸素含有ガス排出手段により前記カソードガス流路内に存在する前記酸素含有ガスの排出後に前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、前記カソード流路に前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給ラインには、該酸素含有ガス供給ラインから前記カソード流路への前記酸素含有ガスの供給を停止するカソードガス供給停止機構が配設されており、前記短絡手段によって前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に短絡させて発電を停止して前記カソード電極上において水素分子を生成させた際に、前記カソードガス供給停止機構の作動によって前記カソード流路への酸素含有ガスの供給を停止することができるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６において、前記酸素含有ガス供給ラインには、該酸素含有ガス供給ラインから分岐して外気中に開放された供給側バイパスラインが設けられており、前記カソードガス供給停止機構は、前記供給側バイパスラインとが分岐する分岐点において前記酸素含有ガスの流路を前記酸素含有ガス供給ラインから前記供給側バイパスラインへと切り替える流路切替機構により構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、前記カソードオフガスラインには、該カソードオフガスラインから分岐するオフ側バイパスラインが設けられており、該オフ側バイパスラインに前記水素貯蔵手段が接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において、前記カソードオフガスラインには、前記カソード流路内を減圧するための圧力減圧機構が配設されており、該圧力減圧機構によって前記カソード流路内の圧力を低下させることにより、水素の前記カソード流路側への透過速度を高めることができるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質器において改質原料から水素含有改質ガスを生成し、燃料電池において水素含有改質ガス中の水素を利用して発電を行う燃料電池システムであって、発電不要時に高純度の水素を採取しうるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のアノードとプロトン伝導性を有する電解質との間に、水素のみを透過させる性質を有する水素分離膜を介在させると共に、カソードにおいて水素プロトンと空気中の酸素を反応させることで発電を行う燃料電池が特許文献１に示されている。
【０００３】
しかしながら、特許文献１に示される従来の燃料電池においては、発電が不要になった際の前記燃料電池を有効に利用することができなかった。そのため、発電が不要になった際に、前記燃料電池を積極的に有効利用できる構成および方法の開発が求められていた。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、発電不要時に燃料電池を有効利用可能な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】
【０００６】
本発明は、改質用燃料から水素を含有する水素含有改質ガスを生成する改質器と、前記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、前記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と前記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
前記電解質体は、前記アノード流路に供給された前記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた前記水素を水素プロトンの状態にして透過させて前記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなると共に、前記プロトン伝導体層における前記アノード流路側の表面に形成したアノード電極と、前記プロトン伝導体層における前記カソード流路側の表面に形成したカソード電極とを有してなり、
前記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを流すカソードオフガスラインが接続されていると共に、該カソードオフガスラインには、水素を貯蔵可能な水素貯蔵手段が接続されており、
前記アノード電極と前記カソード電極との間には、これらを電気的に短絡させることができる短絡手段が配設されており、
前記短絡手段によって前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に短絡させて前記燃料電池における発電を停止した際に前記カソード電極上において生成する水素分子を、前記水素貯蔵手段によって貯蔵可能に構成されており、
かつ、前記燃料電池システムは、車両に搭載されると共に、該車両の減速時に運動エネルギーを変換して回生電力を発生させるモータと前記回生電力及び前記燃料電池が発電した余剰の電力を蓄える２次電池とをさらに備え、前記短絡手段は、前記モータにより前記回生電力が発生される場合に前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【０００７】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記アノード電極と前記カソード電極との間に、これらを電気的に短絡させることができる短絡手段が配設されており、かつ、前記カソードオフガスラインには前記水素貯蔵手段が接続されている。そのため、前記燃料電池システムは、発電不要時においても前記燃料電池を積極的に有効利用することができる。
【０００８】
すなわち、前記燃料電池は、前記のごとく、アノード流路に導入された水素含有改質ガスから水素を分離し、そのプロトンをカソード流路まで導くことができるように構成されている。ここで、前記燃料電池システムからの電力供給が不要になった場合（発電が不要になった場合）に、少なくともその直後においては、前記アノード流路に水素含有改質ガスが存在している状態が続いている。
【０００９】
そのため、前記短絡手段によって、アノード電極とカソード電極とを電気的に短絡させることにより、発電は起こらないものの、前記アノード流路中に存在する水素含有改質ガスからの水素の分離及びプロトン化を進行させることができる。そして、カソード電極上においては、前記短絡によって供給される電子とプロトンとを結合させて水素分子を生成することができる。
【００１０】
生成した水素分子よりなる水素ガスは、前記カソード流路からカソードオフガスラインへと導かれる。ここで、カソードオフガスラインには、前記水素貯蔵手段が接続されているので、この水素貯蔵手段に前記水素ガスを貯蔵することができる。そのため、生成した前記水素は直ちに消費する必要が無く、一旦前記水素貯蔵手段に貯蔵し、適宜必要なときに取り出して様々な用途に利用することができる。
【００１１】
このように、本発明の燃料電池システムにおいては、前記短絡手段と前記水素貯蔵手段とを備えているので、発電が不要になった場合でも、燃料電池を積極利用して高純度の水素を生成させ、備蓄することができる。それ故、本発明の燃料電池システムは、発電時に安定で効率のよい運転が可能であることに加えて、備蓄した水素を利用した新たな用途に適応させることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明における前記改質用燃料は、例えば、炭化水素燃料又はアルコール燃料等とすることができる。前記炭化水素燃料としては、例えば、メタン、エタン等の燃料ガス、プロパン、ブタン等の液化石油ガス、オクタン等のガソリンがある。また、前記アルコール燃料としては、例えば、メタノール、エタノール等がある。
【００１３】
また、前記カソードオフガスラインに接続した前記水素貯蔵手段としては、例えば、水素吸蔵合金やカーボン、活性炭などを内蔵したタンク、ボンベ、カーボンナノチューブ、ケミカルハイドライド等、様々な貯蔵手段を適用できる。
また、前記短絡手段としては、基本的には、前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に導通可能な回路と、この回路の電気的導通・不通を切り替えるスイッチ部とにより構成することができる。
【００１４】
また、本発明において、前記アノード流路に前記水素含有改質ガスを供給する改質ガス供給ラインには、前記アノード流路内を増圧するための圧力加圧手段が配設されており、該圧力加圧手段によって前記水素含有改質ガスを加圧して前記アノード流路に送ることにより、該アノード流路内の圧力を増加させて水素分圧を増加し、水素の前記カソード流路側への透過速度を高めることができるよう構成されていることが好ましい（請求項３）。この場合には、前記圧力加圧手段によって水素含有改質ガスを加圧してアノード流路に送ることにより、アノード流路内の圧力を増加させる。これにより、アノード内の水素の分圧を増加し、水素のカソード流路側への透過速度を高めることができる。
前記圧力加圧手段としては、例えば、ポンプ、エジェクタなどがある。
【００１５】
また、前記アノード流路から排出されるアノードオフガスを流すアノードオフガスラインには、前記アノード流路内の圧力を調整するための圧力調整機構が配設されており、該圧力調整機構によって前記アノード流路内の圧力を増加させて水素分圧を増加し、水素の前記カソード流路側への透過速度を高めることができるよう構成されていることも好ましい（請求項４）。この場合には、前記圧力調整機構によってアノードオフガスの流量等を調整することによってアノード流路内の圧力を増加させる。これにより、前記と同様に、アノード内の水素分圧を増加し、水素のカソード流路側への透過速度を高めることができる。
前記圧力調整機構としては、例えば、絞り弁、背圧調整弁などがある。
【００１６】
また、前記燃料電池システムは、車両に搭載されると共に、該車両の減速時に運動エネルギーを変換して回生電力を発生させるモータと前記回生電力及び前記燃料電池が発電した余剰の電力を蓄える２次電池とをさらに備え、前記短絡手段は、前記モータにより前記回生電力が発生される場合に前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させるよう構成されている。
【００１７】
この場合には、前記回生電力が発生している際にアノード電極と前記カソード電極とを短絡させる。これにより、改質器の反応遅れによって燃料電池に供給される余剰の水素含有改質ガスを用いて、燃料電池で発電させることなく水素を発生させて蓄えることができる。一方、前記モータから発生した回生電力は、前記燃料電池からの発電を考慮することなく２次電池に充電させることができる。そのため、車両の減速時において２次電池が充電可能な回生電力の許容領域を拡大することができ、確実に回生電力を充電することができ、一方、余剰の水素含有改質ガスは水素の状態で蓄えることができる。
【００１８】
また、前記モータにより前記回生電力が発生した場合に、該回生電力のうち前記２次電池に蓄えきれない電力を利用して、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電位を与えるよう構成されていることが好ましい（請求項２）。この場合には、上記燃料電池を水素ポンプとして利用することができ、より効率よく水素を得ることができる。
【００１９】
また、前記短絡手段により前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させる前に、前記カソード流路内に存在する前記酸素含有ガスを排出させる酸素含有ガス排出手段を備え、前記短絡手段は、前記酸素含有ガス排出手段により前記カソードガス流路内に存在する前記酸素含有ガスの排出後に前記アノード電極と前記カソード電極とを短絡させるよう構成されていることが好ましい（請求項５）。
【００２０】
この場合には、アノード電極と前記カソード電極とを短絡させる前にカソード流路内の酸素含有ガスを排出させておくことにより、短絡後にカソードで発生した水素分子がカソード流路内の酸素含有ガスと直接反応することを抑制できる。そのため、水素分子と酸素含有ガスが直接反応することによる水素貯蔵量の減少を抑制することができる。
【００２１】
また、前記カソード流路に前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給ラインには、該酸素含有ガス供給ラインから前記カソード流路への前記酸素含有ガスの供給を停止するカソードガス供給停止機構が配設されており、前記短絡手段によって前記アノード電極と前記カソード電極とを電気的に短絡させて発電を停止して前記カソード電極上において水素分子を生成させた際に、前記カソードガス供給停止機構の作動によって前記カソード流路への酸素含有ガスの供給を停止することができるよう構成されていることが好ましい（請求項６）。この場合には、カソード流路への酸素含有ガスの供給を停止することによって、発生する水素の純度を維持することができる。
【００２２】
また、前記酸素含有ガス供給ラインには、該酸素含有供給ラインから分岐する外気中に開放された供給側バイパスラインが設けられており、前記カソードガス供給停止機構は、前記供給側バイパスラインとが分岐する分岐点において前記酸素含有ガスの流路を前記酸素含有ガス供給ラインから前記供給側バイパスラインへと切り替える流路切替機構により構成されていることが特に好ましい（請求項７）。この場合には、前記流路切替機構の作動によって、非常に高い応答性をもってカソード流路への酸素含有ガスの供給を停止することができる。それ故、早期に水素の純度維持を実現することができる。
【００２３】
また、前記カソードオフガスラインには、該カソードオフガスラインから分岐するオフ側バイパスラインが設けられており、該オフ側バイパスラインに前記水素貯蔵手段が接続されていることが好ましい（請求項８）。この場合には、カソード流路における水素の生成開始タイミングに最適なタイミングでカソードオフガスラインの流路を前記水素貯蔵手段が接続された前記オフ側バイパスラインに切り替えることによって、素早く純度の高い水素を前記水素貯蔵手段に供給することができる。また、このオフ側バイパスラインに前記水素貯蔵手段が接続されているので、例えば燃料電池において発電中においても、カソードオフガスラインと系を切り離した状態で前記オフ側バイパスラインを通じて水素分離金属層から水素を取り出して利用することが可能となる。
【００２４】
また、前記カソードオフガスラインには、前記カソード流路内を減圧するための圧力減圧機構が配設されており、該圧力減圧機構によって前記カソード流路内の圧力を低下させることにより、水素の前記カソード流路側への透過速度を高めることができるよう構成されていることが好ましい（請求項９）。この場合には、前記圧力減圧機構によってカソード流路内の圧力を低下させることにより、水素透過速度を高めることができる。
前記圧力減圧機構としては、例えば、ポンプ、コンプレッサなどがある。
【００２５】
また、本発明の燃料電池システムは、次のような構成を備えていることが更に好ましい。
まず、前記改質器における改質用燃料から前記水素含有改質ガスを生成する改質反応流路には、前記カソードオフガスラインを接続することが好ましい。そして、この場合には、カソードオフガスラインから分岐させたオフ側バイパスラインに前記水素貯蔵手段を接続する構造を必須とすることが好ましい。これにより、発電中におけるカソードオフガスを改質器の改質反応流路に供給することができ、反応によって生成した水分の回収等の効果を得ることができる。その一方で、発電不要時には、前記カソードオフガスラインのオフ側バイパスラインを利用して、前記水素の備蓄を行うことができる。
【００２６】
また、前記改質器は、前記改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を有していることが好ましい。この場合には、前記改質器に前記改質反応流路と前記加熱流路とを形成することにより、前記改質器において行う部分酸化反応の割合を少なくすることができる。そのため、前記改質反応流路においては、前記改質用燃料を前記水素等を生成する水蒸気改質反応にできるだけ多く用いることができ、改質器への改質用燃料の供給量を少なくすることにより、改質器におけるエネルギー効率を向上させることができる。そのため、燃料電池システムにおける発電中におけるエネルギー効率を向上させることができる。
【００２７】
また、前記燃料電池の前記アノード流路から延設されたアノードオフガスラインは、前記改質器の前記加熱流路に接続されていることが好ましい。この場合には、発電中に前記加熱流路にアノードオフガスを送ることができ、加熱流路においては、アノードオフガスが有する水素及び前記可燃性物質等を燃焼に利用することができるだけでなく、アノードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して燃焼を行うことができる。また、前記改質反応流路においては、カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して、記水素含有改質ガスの生成を高効率で行うことができる。そのため、改質器におけるエネルギー効率を一層向上させることができ、前記燃料電池システムの発電時におけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
【００２８】
また、前記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための酸素含有冷媒ガスが供給される冷媒流路を有していることが好ましい。この場合には、前記燃料電池の冷媒流路への前記酸素含有冷媒ガスの供給量を調整して、燃料電池における温度を所定の温度範囲内に維持することができる。
【００２９】
また、前記燃料電池の前記冷媒流路には、該冷媒流路から排出される冷媒オフガスを前記加熱流路に送るための冷媒オフガスラインが接続されていることが好ましい。前記冷媒流路から排出される冷媒オフガスは、前記酸素含有冷媒ガス中に含まれる酸素を有しており、かつ前記燃料電池を通過して加熱されている。そのため、前記改質器の加熱流路における燃焼反応をより効率よく行うことができ、さらに、前記燃料電池システムの発電中のエネルギー効率を向上させることができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
本発明の実施例に係る燃料電池システムにつき、図１、図２を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、本例の燃料電池システム１は、炭化水素燃料からなる改質用燃料Ｆから水素を含有する水素含有改質ガスＧａを生成する改質器２と、この改質器２において生成した前記水素含有改質ガスＧａを利用して発電を行う燃料電池３とを備えている。
前記改質器２は、前記改質用燃料Ｆから前記水素含有改質ガスＧａを生成する改質反応流路２１と、この改質反応流路２１に隣接形成され燃焼を行ってこの改質反応流路２１を加熱する加熱流路２２とを有している。
【００３１】
また、図２に示すごとく、前記燃料電池３は、前記改質反応流路２１から前記水素含有改質ガスＧａが供給されるアノード流路３２と、酸素含有ガスＧｃが供給されるカソード流路３３と、このカソード流路３３と前記アノード流路３２との間に配設された電解質体３１と、当該燃料電池３を冷却するための酸素含有冷媒ガスＧｒが供給される冷媒流路３４とを有している。
また、前記電解質体３１は、前記アノード流路３２に供給された前記水素含有改質ガスＧａ中の水素を透過させるための水素分離金属層（水素透過金属層）３１１と、この水素分離金属層３１１を透過させた前記水素を水素プロトンの状態にして透過させて前記カソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。そして、プロトン伝導体層３１２におけるアノード流路側の表面に形成したアノード電極３２１と、プロトン伝導体層３１２におけるカソード流路側の表面に形成したカソード電極３３１とを有してなる。
【００３２】
また、図１に示すごとく、前記燃料電池システム１は、前記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃを前記改質器２における改質反応流路２１に送るためのカソードオフガスライン４６と、前記アノード流路３２から排出されるアノードオフガスＯａを前記加熱流路２２に送るためのアノードオフガスライン４５と、前記冷媒流路３４から排出される冷媒オフガスＯｒを前記加熱流路２２に送るための冷媒オフガスライン４７とを有している。
【００３３】
そして、前記改質器２は、その改質反応流路２１において、前記改質用燃料Ｆと前記カソードオフガスＯｃとを反応させて前記水素含有改質ガスＧａを生成するよう構成されている。また、前記改質器２は、前記加熱流路２２において、前記アノードオフガスＯａと前記冷媒オフガスＯｒとを燃焼させて前記加熱を行うよう構成されている。
【００３４】
また、図１に示すごとく、カソード流路３３に接続されたカソードオフガスを流すカソードオフガスライン４６には、水素を貯蔵可能な水素貯蔵手段９２が接続されており、かつ、前記アノード電極３２１と前記カソード電極３３１との間には、これらを電気的に短絡させることができる短絡手段９１が配設されている。
以下に、これを詳説する。
【００３５】
図１、図２に示すごとく、本例の水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層金属からなる。なお、水素分離金属層３１１は、パラジウムのみでもよく、これを含有する合金とすることもできる。また、水素分離金属層３１１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ2を超える水素透過性能（水素分離性能）を有している。こうして、水素分離金属層３１１の導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、本例のプロトン伝導体層３１２は、セラミックスとしてのペロブスカイト型酸化物からなる。そして、プロトン伝導体層３１２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系のもの、ＳｒＣｅＯ3系のものがある。
【００３６】
また、図２に示すごとく、前記電解質体３１は、前記プロトン伝導体層３１２における前記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１（陽極）と、前記プロトン伝導体層３１２における前記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１（陰極）とを有している。また、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間には、前記燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３６が接続されている。
【００３７】
そして、本例においては、前記電池出力線３６とは別に、アノード電極３２１とカソード電極３３１とを電気的に短絡させることができる短絡手段９１が配設されている。短絡手段９１は、スイッチ部９１１を有しており、これを閉状態とすることによりアノード電極３２１とカソード電極３３１とを電気的に短絡させることができ、一方、開状態とすることによりアノード電極３２１とカソード電極３３１との電気的な短絡を解消することができるように構成されている。そして、この短絡手段９１は、図示しない制御装置によって制御され、燃料電池３が発電をしている間はスイッチ部９１１を開状態に維持し、発電が停止され水素生成を行う場合にスイッチ部９１１を閉状態にするように構成されている。
【００３８】
また、本例のプロトン伝導体層３１２におけるアノード電極３２１は、前記水素分離金属層３１１を構成するパラジウムにより構成している。また、プロトン伝導体層３１２におけるカソード電極３３１は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３２１も、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。
【００３９】
また、図１に示すごとく、前記カソードオフガスライン４６は、カソードオフガス用三方調整弁６１を介して２つに分岐しており、そのバイパスライン４６１に前記水素貯蔵手段９２が接続されている。本例の水素貯蔵手段９２は、水素吸蔵合金を内蔵したタンクより構成した。この水素貯蔵手段９２は、例えば、水素吸蔵材料（カーボン）等に変更することも可能である。
【００４０】
そして、前記燃料電池システム１は、前記カソードオフガス用三方調整弁６１を切り替えることにより、カソードオフガスＯｃの流れを改質器２の改質反応流路２１に送るかバイパスライン４６１に接続された水素貯蔵手段９２に送るかを切り替えられるように構成されている。
【００４１】
また、図１に示すごとく、前記アノードオフガスライン４５には、これを流れるアノードオフガスＯａを２つに分岐して流すことができるアノードオフガス用三方調整弁５１が配設されている。
そして、前記燃料電池システム１は、前記アノードオフガス用三方調整弁５１を介して、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａの一部を排気すると共に、その残部を前記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成されている。また、アノードオフガス用三方調整弁５１は、前記排気するアノードオフガスＯａの流量と、前記加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａの流量との分配比率を調整することができる。そして、前記アノードオフガス用三方調整弁５１により、前記アノードオフガスライン４５から前記改質器２における加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａの流量を調整することができる。
【００４２】
また、図１に示すごとく、前記冷媒オフガスライン４７には、これを流れる冷媒オフガスを２つに分岐して流すことができる冷媒オフガス用三方調整弁７１が配設されている。
そして、前記燃料電池システム１は、前記冷媒オフガス用三方調整弁７１を介して、冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒの一部を排気すると共に、その残部を前記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成されている。また、冷媒オフガス用三方調整弁７１は、前記排気する冷媒オフガスＯｒの流量と、前記加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒの流量との分配比率を調整することができる。
【００４３】
そして、前記冷媒オフガス用三方調整弁７１により、前記冷媒オフガスライン４７から前記改質器２における加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒの流量を調整することができる。これにより、冷媒オフガスＯｒ中の酸素量が、加熱流路２２に必要な酸素量よりも多いときには、冷媒オフガス用三方調整弁７１を介して冷媒オフガスＯｒの一部を排気することにより、加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
【００４４】
また、図１に示すごとく、前記燃料電池システム１は、前記改質器２における改質反応流路２１に、前記改質用燃料Ｆを供給するための燃料供給ライン４１を有している。そして、前記カソードオフガスライン４６は、前記燃料供給ライン４１に接続されており、この接続部には、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスと燃料供給ライン４１を流れる改質用燃料Ｆとを混合する反応流路用混合弁８８１が配設されている。そして、前記改質器２における改質反応流路２１には、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃとの混合気が供給される。
【００４５】
そして、改質反応流路２１においては、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃ中に含まれる水（高温の水蒸気）とにより水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素等が生成される。また、改質反応流路２１においては、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃ中に含まれる酸素とにより部分酸化反応が行われ、水、一酸化炭素、二酸化炭素等が生成される。こうして、前記水蒸気改質反応及び部分酸化反応により、水素及び水等を含有する前記水素含有改質ガスＧａが生成される。
また、前記水蒸気改質反応は吸熱反応である一方、前記部分酸化反応は発熱反応であり、部分酸化反応により改質反応流路２１内の温度の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、図１に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、前記アノードオフガスライン４５と前記冷媒オフガスライン４７とは、前記改質器２における加熱流路２２に連通する加熱用ガス混合ライン４５１に接続されている。そして、この接続部には、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａと冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒとを混合する加熱流路用混合弁８８２が配設されている。そして、前記改質器２における加熱流路２２には、アノードオフガスＯａと冷媒オフガスＯｒとの混合気が供給される。
【００４７】
そして、加熱流路２２においては、アノードオフガスＯａ中に含まれる水素と冷媒オフガスＯｒ中に含まれる酸素とにより燃焼反応が行われ、水等が生成される。
こうして、前記加熱流路２２において燃焼反応を行うことにより、前記加熱流路２２から前記改質反応流路２１へと熱量を伝達することができ、改質反応流路２１内の温度が高く維持されるようにすることができる。本例においては、改質反応流路２１における水蒸気改質反応及び部分酸化反応による熱量と、前記加熱流路２２における燃焼反応とによる熱量とをほぼつり合わせることにより、改質器２において生成する水素含有改質ガスＧａの温度が所定の温度範囲内に維持されるようにしている。
また、前記加熱流路２２において燃焼反応が行われた後の燃焼オフガスは、加熱流路２２の出口に接続された排気ライン４９から燃料電池システム１の外部に排出される。
【００４８】
また、前記改質器２に加熱流路２２とを形成したことにより、改質反応流路２１において行う部分酸化反応の割合を少なくすることができる。そのため、改質反応流路２１においては、改質用燃料Ｆを前記水素等を生成するための水蒸気改質反応にできるだけ多く用いることができ、改質反応流路２１への改質用燃料Ｆの供給量を少なくすることができる。
【００４９】
また、図１に示すごとく、前記改質器２における改質反応流路２１と前記燃料電池３におけるアノード流路３２とは、改質反応流路２１において生成された水素含有改質ガスＧａが流れる改質ガス供給ライン４２を介して接続されている。
また、前記燃料電池３におけるカソード流路３３には、前記酸素含有ガスＧｃをこのカソード流路３３に供給するための酸素含有ガス供給ライン４３が接続されている。本例の酸素含有ガスＧｃは空気であり、酸素含有ガス供給ライン４３には、酸素含有ガスＧｃとしての空気を加圧して送り出す酸素含有ガス加圧器６０が配設されている。本例の酸素含有ガス加圧器６０はポンプとした。なお、酸素含有ガス加圧器６０は、ファン、圧縮機又はエジェクター等とすることもできる。
【００５０】
さらに本例では、酸素含有ガス供給ライン４３には、カソード流路３３への酸素含有ガスＧｃの供給を停止するカソードガス供給停止機構９３が配設されている。本例では、カソードガス供給停止機構９３として、開閉弁を採用し、適宜酸素含有ガス供給ライン４３への酸素含有ガスの供給の維持と停止を切り替えるようにしてある。また、酸素含有ガスＧｃとしては、空気以外にも、例えば酸素を用いることができる。
【００５１】
また、前記燃料電池３における冷媒流路３４には、前記酸素含有冷媒ガスＧｒをこの冷媒流路３４に供給するための冷媒ガス供給ライン４４が接続されている。本例の酸素含有冷媒ガスＧｒは空気であり、冷媒ガス供給ライン４４には、酸素含有冷媒ガスＧｒとしての空気を加圧して送り出す冷媒ガス加圧器７０が配設されている。そして、冷媒ガス加圧器７０による燃料電池３の冷媒流路３４への酸素含有冷媒ガスＧｒの供給量を調整することにより、燃料電池３における温度を所定の温度範囲内に維持することができる。
また、本例の冷媒ガス加圧器７０はポンプとした。なお、冷媒ガス加圧器７０は、ファン、圧縮機又はエジェクター等とすることもできる。
【００５２】
また、前記燃料電池システム１は、前記改質器２における改質反応流路２１から前記燃料電池３におけるアノード流路３２へは、熱交換器又は凝縮器等を介さずに、前記水素含有改質ガスＧａを直接供給するよう構成されている。また、燃料電池システム１は、燃料電池３におけるカソード流路３３から改質器２における改質反応流路２１へも、熱交換器等を介さずに、前記カソードオフガスＯｃを直接供給するよう構成されている。
【００５３】
なお、図１においては、前記改質器２における改質反応流路２１及び加熱流路２２は、それぞれ１つずつ形成した場合を示している。これに対し、前記改質器２は、改質反応流路２１と加熱流路２２とをそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
また、図１、図２においては、前記燃料電池３におけるアノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４は、それぞれ１つずつ形成した場合を示している。これに対し、前記燃料電池３は、アノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４をそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
【００５４】
次に、前記燃料電池システム１を用いて発電を行う方法につき説明する。
発電を行う場合には、前記短絡手段９１のスイッチ部９１１は開状態に維持しておく。
そして、前記改質器２の改質反応流路２１においては、前記燃料供給ライン４１から送られる改質用燃料Ｆと、前記カソードオフガスライン４６から送られるカソードオフガスＯｃとが反応して、前記水素含有改質ガスＧａが生成される。一方で、前記改質器２の加熱流路２２においては、前記アノードオフガスライン４５から送られるアノードオフガスＯａと、前記冷媒オフガスライン４７から送られる冷媒オフガスＯｒとが反応することにより発熱し、加熱流路２２は改質反応流路２１を加熱する。こうして、改質反応流路２１においては水素含有改質ガスＧａを生成する一方、これを加熱流路２２から加熱することにより、改質反応流路２１から前記燃料電池３におけるアノード流路３２に送り出される水素含有改質ガスＧａの温度を３００〜６００℃の高温に維持することができる。
【００５５】
なお、改質器２において生成する水素含有改質ガスＧａの温度は、３００〜６００℃とすることができるが、４００〜５００℃にすることが一層好ましい。この場合には、前記燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を、水素透過性能を発揮する最適な温度に維持することができ、水素分離金属層３１１に劣化等が発生することを容易に抑制することができる。
【００５６】
また、前記改質器２の改質反応流路２１において生成された前記水素含有改質ガスＧａは、前記改質ガス供給ライン４２を通過して前記燃料電池３におけるアノード流路３２に供給される。そして、アノード流路３２に供給された水素含有改質ガスＧａ中の水素の多くは、前記電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過して、電解質体３１におけるプロトン伝導体層３１２に到達する。そして、前記水素は、水素プロトンの状態になってプロトン伝導体層３１２を通過する。
【００５７】
そして、前記カソード流路３３においては、前記水素プロトンと、前記酸素含有ガス供給ライン４３から供給された酸素含有ガスＧｃ中の酸素とが反応して水が生成される。本例においては、この燃料電池３における反応が３００〜６００℃の高温状態において行われ、前記生成された水は高温の水蒸気となる。
また、前記反応を行うと共に、前記電解質体３１におけるアノード電極３２１とカソード電極３３１との間から前記電池出力線３６へと電力を取り出すことにより、前記燃料電池システム１は発電を行うことができる。
【００５８】
本例の燃料電池システム１は、前記水素分離金属層３１１と前記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１を備えた燃料電池３を有している。そして、本例の燃料電池システム１においては、前記プロトン伝導体層３１２がセラミックスからなり、このプロトン伝導体層３１２は水分を含浸させずに用いることができるため、前記燃料電池３を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができる。そのため、前記改質器２から前記水素含有改質ガスＧａを前記燃料電池３に直接供給することができる。
また、前記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、前記燃料電池３の作動温度に近い高温の状態で前記改質器２に直接送ることができる。そのため、前記燃料電池システム１においては、改質器２において水素含有改質ガスＧａを生成する温度と、燃料電池３における作動温度とをほとんど同じにすることができる。
【００５９】
そのため、本例においては、改質器２と燃料電池３との間に、これらにおける各温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスが生ずることがなく、また、燃料電池システム１の構造を簡単にすることができる。
それ故、本例の燃料電池システム１によれば、その構造を簡単にすることができ、カソード流路３３から生成水の全量を回収することができると共に、カソードオフガスＯｃ、アノードオフガスＯａ及び冷媒オフガスＯｒがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。
【００６０】
次に、前記燃料電池システム１における燃料電池３による発電を停止し、水素を生成する場合につき説明する。
本例の燃料電池システム１においては、前記のごとく、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間に、これらを電気的に短絡させることができる短絡手段９１が配設されており、かつ、カソードオフガスライン４６には水素貯蔵手段９２が接続されている。そのため、燃料電池システム１は、発電不要時に、燃料電池を積極的に有効利用して水素生成貯蔵を行うことができる。
【００６１】
まず、前記のごとく、燃料電池３は、その内部においてアノード流路３２に導入された水素含有改質ガスＧａから水素を分離し、そのプロトンをカソード流路３３まで導くことができるように構成されている。ここで、前記燃料電池システム１からの電力供給が不要になった場合（発電が不要になった場合）にも、少なくともその直後においては、前記アノード流路に水素含有改質ガスが存在している状態が続いている。また、積極的に燃料電池３に対して水素含有改質ガスＧａを送り続けることもできる。
【００６２】
そして、発電停止後、水素生成を開始する際には、前記カソードガス供給停止機構９３を操作してカソード流路３３への酸素含有ガスＧｃの供給を停止すると共に、短絡手段９１のスイッチ部９１１を閉状態に切り替えて、アノード電極３２１とカソード電極３３１とを電気的に短絡させる。また、カソードオフガスライン４６上のカソードオフガス用三方調整弁６１を操作して、水素貯蔵手段９２に繋がるバイパスライン４６１とカソード流路３３とを連通させる。
【００６３】
これにより、発電は起こらないものの、アノード流路３２中に存在する水素含有改質ガスＧａからの水素の分離及びプロトン化を進行させることができる。そして、カソード電極３３１上においては、前記短絡によって供給される電子とプロトンとを結合させて水素分子を生成することができる。
生成した水素分子よりなる水素ガスは、カソード流路３３からカソードオフガスライン４６のバイパスライン４６１へと導かれる。そして、バイパスライン４６１に接続されている水素貯蔵手段９２に水素ガスが貯蔵される。
【００６４】
このように、本例の燃料電池システム１においては、短絡手段９１と水素貯蔵手段９２とを備えているので、発電が不要になった場合でも、燃料電池３を積極利用して高純度の水素を生成させ、備蓄することができる。そして、生成した水素は直ちに消費する必要が無く、一旦前記水素貯蔵手段９２に貯蔵し、適宜必要なときに取り出して様々な用途に利用することができる。
それ故、本例の燃料電池システム１は、前記のごとく構造が簡単であり、発電時に安定で効率のよい運転が可能であることに加えて、備蓄した水素を利用した新たな用途に適応させることも可能となる。
【００６５】
（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、実施例１における燃料電池３に接続された酸素含有ガス供給ライン４３及びカソードオフガスライン４６の構成を若干変更し、その他の構成は実施例１と同様とした例である。
具体的には、同図に示すごとく、酸素含有ガス供給ライン４３からバイパスライン４３１を分岐させ、その分岐点において酸素含有ガスＧｃの流路をバイパスライン４３１へと切り替える流路切替機構９３１としての三方弁を配設されている。これが流路を切り替えることによって、酸素含有ガスＧｃのカソード流路３３への供給を停止することができるようになっている。なお、前記バイパスライン４３１は、外気中に開放されている。
【００６６】
また、同図に示すごとく、前記カソードオフガスライン４６からカソードオフガス用三方調整弁６１を介して分岐しているバイパスライン４６１に、圧力減圧機構９２５であるポンプを配設した。なお、前記圧力減圧機構９２５としては、ポンプの他にエジェクタ等を採用することもできる。
【００６７】
本例の燃料電池システムにおいて発電状態から発電を停止して水素発生状態に切り替える際には、短絡手段９１によってアノード電極３２１とカソード電極３３１とを電気的に短絡させると共に、前記酸素含有ガス供給ライン４３における流路切替機構９３１の三方弁を操作して、酸素含有ガスＧｃの全量の流れをバイパスライン４３１へと瞬時に切り替える。さらに、カソードオフガスライン４６のバイパスライン４６１上の圧力減圧機構９２５を操作して、カソード流路３３内を減圧する。
【００６８】
このような、操作によって、酸素含有ガスＧｃのカソード流路３３への供給停止応答性が高まり、得られる水素の純度を向上させることができる。また、圧力減圧機構９２５によってカソード流路３３内の圧力を低下させることにより、水素のカソード流路３３側への透過速度を高めることができる。それ故、実施例１の場合よりも一層効率よく高い純度の水素を得ることができる。その他は実施例１と同様の作用効果が得られる。
【００６９】
（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、実施例１における燃料電池３に接続された改質ガス供給ライン４２に、アノード流路３２内を増圧するための圧力加圧手段９４としてポンプを配設し、その他は実施例２と同様の構成とした例である。
この場合には、前記圧力加圧手段９４によって水素含有改質ガスＧａを加圧してアノード流路３２に送ることにより、アノード流路３２内の圧力を増加させることができる。これにより、水素分圧を増加し、水素のカソード流路側への透過速度を高めることができる。その他は実施例１、２と同様の作用効果が得られる。
【００７０】
（実施例４）
本例は、図５に示すごとく、実施例１における燃料電池３に接続されたアノードオフガスライン４５に、アノード流路３２内の圧力を調整するための圧力調整機構９５としての絞り弁を配設し、その他は実施例２と同様の構成とした例である。
この場合には、前記圧力調整機構９５によってアノードオフガスＯａの流量等を調整することによってアノード流路３２内の圧力を増加させることができる。これにより、水素分圧を増加し、水素のカソード流路側への透過速度を高めることができる。その他は実施例１、２と同様の作用効果が得られる。
【００７１】
（実施例５）
本例は、車両に搭載される燃料電池システムであって、図６に示すごとく、車両の減速時に運動エネルギーを変換して回生電力を発生させるモータ８１と前記回生電力及び燃料電池３が発電した余剰の電力を蓄える２次電池８２とをさらに備えた例である。
同図に示すごとく、本例の燃料電池システムは、燃料電池３には、短絡手段９１、２次電池８２、インバータ８３及びモータ８１が電気的に接続されている。そして、燃料電池３において発電された余剰の電力、及びモータ８１から生じた回生電力は前記２次電池８２に蓄電可能に構成されている。
【００７２】
ここで、前記２次電池８２の充電容量に限りがなければ特に問題は生じないが、通常は、軽量化及びコンパクト化の要請から充電容量を必要最低限に抑える必要がある。そのため、モータ８１によって回生電力が生じた場合に燃料電池３の発電による余剰電力が生じ続けると、２次電池８２の充電容量を超えて電力が生じる場合がある。この場合にはその充電容量を超える電力を無駄に捨てるしかなくなる。
これに対し、本例の短絡手段９１は、前記モータ８１により前記回生電力が発生する場合に前記アノード電極３２１とカソード電極３３１とを短絡させるよう構成してある。
【００７３】
そのため、例えば、改質器の反応遅れによって燃料電池３に供給される余剰の水素含有改質ガスを用いて、燃料電池３で発電させることなく水素を発生させて蓄えることができる。一方、前記モータ８１から発生した回生電力は、燃料電池３からの発電を考慮することなく２次電池８２に充電させることができる。そのため、車両の減速時において２次電池８２が充電可能な回生電力の許容領域を拡大することができ、確実に回生電力を充電することができ、一方、余剰の水素含有改質ガスは有効に利用され，水素に変換された状態で蓄えることができる。
【００７４】
さらに、モータ８１により回生電力が発生した場合に、この回生電力のうち２次電池８２に蓄えきれない電力を利用して、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間に電位を与えるよう構成することもできる。この場合には、燃料電池３を水素ポンプとして利用することができ、より効率よく水素を得ることができる。
【００７５】
（実施例６）
本例は、図７に示すごとく、実施例２におけるカソードオフガスライン４６の構成を若干変更し、酸素含有ガス排出手段７５をあらたに設けた例である。
すなわち、同図に示すごとく、上述した圧力減圧機構９２５であるポンプと水素貯蔵手段９２との間に、三方弁７５１を追加した。この三方弁７５１は、ポンプ９２５の吐出先を水素貯蔵手段９２と外部との間で切替可能に構成されている。そして、ポンプ９２５と三方弁７５１とを、操作することにより、短絡手段９１により前記アノード電極３２１とカソード電極３３１とを短絡させる前に、カソード流路３３内に存在する酸素含有ガスを外部へ排出させる手段が前記酸素含有ガス排出手段７５である。
【００７６】
この酸素含有ガス排出手段７５を備えていることによって、アノード電極３２１とカソード電極３３１とを短絡させる前にカソード流路３３内の酸素含有ガスを排出させることができる。これにより、短絡後にカソードで発生した水素分子がカソード流路３３内の酸素含有ガスと直接反応することを抑制できる。そのため、水素分子と酸素含有ガスが直接反応することによる水素貯蔵量の減少を抑制することができる。
その他は実施例１、２と同様の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】実施例１における、燃料電池及びこれに繋がるラインの構成を示す説明図。
【図３】実施例２における、燃料電池及びこれに繋がるラインの構成を示す説明図。
【図４】実施例３における、燃料電池及びこれに繋がるラインの構成を示す説明図。
【図５】実施例４における、燃料電池及びこれに繋がるラインの構成を示す説明図。
【図６】実施例５における、モータを備えた燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図７】実施例６における、燃料電池及びこれに繋がるラインの構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００７８】
１  燃料電池システム
２  改質器
２１  改質反応流路
２２  加熱流路
３  燃料電池
３１  電解質体
３１１  水素分離金属層
３１２  プロトン伝導体層
３２  アノード流路
３２１  アノード電極
３３  カソード流路
３３１  カソード電極
３４  冷媒流路
４５  アノードオフガスライン
４６  カソードオフガスライン
４７  冷媒オフガスライン
９１  短絡手段
９１１  スイッチ部
９２  水素貯蔵手段
Ｆ  改質用燃料
Ｇａ  水素含有改質ガス
Ｏａ  アノードオフガス
Ｇｃ  酸素含有ガス
Ｏｃ  カソードオフガス
Ｇｒ  酸素含有冷媒ガス
Ｏｒ  冷媒オフガス
【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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