(57)【要約】【課題】  改質反応のための燃焼量を最適に制御することで、改質器の劣化を抑止するとともに、燃焼のエミッションを向上させる。【解決手段】  炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器１２と、アノードに改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１４と、アノードから排出されるアノードオフガスを、改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス流路１６と、アノードオフガスの供給を制御する三方弁１８と、を備える。【選択図】        図１
2005203194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、
前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードオフガス制御手段は、前記アノードオフガスの経路に設けられた、前記アノードオフガスの流量を制御する制御弁を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノードオフガス制御手段は、
前記アノードオフガス中に含まれる水素を分離する水素分離膜と、
前記水素分離膜の一方の側に前記アノードオフガスを供給する手段と、
前記水素分離膜の他方の側にパージガスを供給する手段と、
前記パージガスの流量を制御する手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パージガスは、前記燃焼用燃料の燃焼による排出ガス、前記カソードから排出されるカソードオフガス、又は前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、
前記燃料電池に冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給手段と、
前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用空気として供給する冷却オフガス供給手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却オフガスの供給量を制御する冷却オフガス供給量制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項５又は６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し、特に、改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を生成する改質部を備えた燃料電池システムに適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を発電装置として用いる場合、燃料電池のアノードに水素を供給する必要がある。アノードに供給する水素を発生させるため、ガソリン、メタノール、天然ガスなどの炭化水素系燃料から改質反応により水素を取り出す方法が知られている。
【０００３】
改質反応としては、水蒸気改質反応、部分酸化反応など種々の反応がある。一例として、ガソリンの一成分であるイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）について、その改質反応を以下に示す。
【０００４】
Ｃ８Ｈ１８＋８Ｈ２Ｏ  →  ８ＣＯ＋１７Ｈ２                  ・・・（１）
Ｃ８Ｈ１８＋４Ｏ２  →  ８ＣＯ＋９Ｈ２                      ・・・（２）
【０００５】
上記（１）式で表される反応は水蒸気改質反応であり、上記（２）式で表される反応は部分酸化反応である。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応である。通常、これらの改質反応は改質器と呼ばれる反応器内で行われる。これらの改質反応は、いずれか１つを採用することもできるが、双方を同時に１つの改質器内で起こすことも可能である。（１）式、（２）式で表されるように、水蒸気改質反応は水を供給することで、部分酸化反応は酸素を供給することで促進される。
【０００６】
水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を起こすためには外部から熱を供給する必要がある。このため、燃料（イソオクタン）と空気を改質器の燃焼バーナに供給し、燃焼バーナの熱を与えて水蒸気改質反応を発生させる方法が知られている。
【０００７】
このような改質反応を利用したシステムにおいて、特開２００３−２１７６０３号公報には、電力需要が高い場合に、燃料電池のアノードオフガスを改質器の燃焼バーナに供給する技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１７６０３号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９２４５号公報
【特許文献３】特開平７−２２０７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、アノードオフガスを改質器の燃焼バーナに供給すると、燃焼バーナにおける燃焼が過剰となり、改質器が過度に加熱されてしまうという問題が生じる。
【００１０】
改質器内部には改質反応を促進するための触媒が備えられている。改質器が過度に加熱されると、シンタリング等により触媒が劣化し、所望の改質性能を得ることができなくなる。そして、改質性能の劣化によりアノードに供給する改質ガスが十分に得られなくなると、燃料電池に所望の性能を発揮させることが困難となる。更に、過剰燃焼により改質器が溶損した場合なども、所望の改質性能を得ることが困難となる。
【００１１】
特に、アノードオフガスは高温状態にあり、また、アノードで反応しなかった改質ガス中の水素を含むため、多量のアノードオフガスが燃焼バーナに供給されると、過剰燃焼がより発生し易い状態となる。
【００１２】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、改質反応のための燃焼を最適に制御し、改質性能の劣化を抑止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明において、前記アノードオフガス制御手段は、前記アノードオフガスの経路に設けられた、前記アノードオフガスの流量を制御する制御弁を含むことを特徴とする。
【００１５】
第３の発明は、第１の発明において、前記アノードオフガス制御手段は、前記アノードオフガス中に含まれる水素を分離する水素分離膜と、前記水素分離膜の一方の側に前記アノードオフガスを供給する手段と、前記水素分離膜の他方の側にパージガスを供給する手段と、前記パージガスの流量を制御する手段と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
第４の発明は、第３の発明において、前記パージガスは、前記燃焼用燃料の燃焼による排出ガス、前記カソードから排出されるカソードオフガス、又は前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスであることを特徴とする。
【００１７】
第５の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料の供給を受け、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含む酸化ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用燃料として供給するアノードオフガス供給手段と、前記燃料電池に冷却用ガスを供給する冷却用ガス供給手段と、前記燃料電池を冷却して排出された冷却オフガスを、前記改質反応を生じさせるための燃焼用空気として供給する冷却オフガス供給手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、前記冷却オフガスの供給量を制御する冷却オフガス供給量制御手段を更に備えたことを特徴とする。
【００１９】
第７の発明は、第５又は第６の発明において、前記アノードオフガスの供給を制御するアノードオフガス制御手段を更に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明によれば、アノードオフガスの供給を制御することができるため、改質反応を生じさせるための燃焼量を最適に制御することが可能となり、この結果、常に最適な改質反応を行うことが可能となる。また、アノードオフガスの供給量を制御することで、改質部が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
【００２１】
第２の発明によれば、アノードオフガスの経路にアノードオフガスの流量を制御する制御弁を設けることで、アノードオフガスの供給量を確実に制御することができる。
【００２２】
第３の発明によれば、水素分離膜の一方の側にアノードオフガスを供給し、水素分離膜の他方の側に供給するパージガスの流量を制御するようにしたため、アノードオフガス中に含まれる水素が水素分離膜によって分離される量を可変することができる。従って、アノードオフガス中の水素の量を制御することができ、改質反応を生じさせるための燃焼量を最適に制御することが可能となる。また、アノードオフガス中の水素量を制御することで、改質部が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
【００２３】
第４の発明によれば、燃焼用燃料の燃焼による排出ガス、燃料電池のカソードオフガス、又は燃料電池の冷却オフガスをパージガスとして用いることで、システム内のガスを有効利用してアノードオフガス中の水素量を制御することができる。
【００２４】
第５の発明によれば、冷却オフガスを燃焼用空気として用いることができるため、燃焼用空気を送るためのポンプ、配管等の設備が不要となる。従って、システム内の補機損失を最小限に抑えることができ、燃料電池システム全体の効率を高めることが可能となる。
【００２５】
第６の発明によれば、冷却オフガスの供給量を制御することができるため、改質反応のための燃焼の際に空燃比を最適に保つことができ、燃焼状態を最適に制御することが可能となる。従って、常に最適な改質反応を行うことが可能となり、また、燃焼の排気ガスのエミッションを向上させることも可能となる。
【００２６】
第７の発明によれば、アノードオフガスの供給を制御することができるため、改質反応を生じさせるための燃焼量を最適に制御することが可能となり、結果として常に最適な改質反応を行うことが可能となる。これにより、改質部が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、主として、炭化水素系燃料、水、空気を原料として、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する外部加熱可能な熱交換型の改質器１２と、改質ガスを燃料とし、空気を酸化ガスとして用いて、電力を発生する燃料電池１４とを有している。
【００２９】
燃料電池１４は、発電を行う際に水（水蒸気）を生成する種類のものであればよく、具体的には、固体高分子型（ＰＥＭ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、水素分離膜型等の燃料電池である。例えば固体高分子型を例に挙げると、燃料電池１４は、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、燃料ガス（改質ガス）および酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００３０】
改質器１２は、その機能上から、上記（１）式、（２）式で表される改質反応を生じさせる改質側と、（１）式で表される水蒸気改質反応を行うための熱を供給する燃焼側とに分けることができる。改質側には、燃料としてイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）を一成分とするガソリンが供給される。また、改質側には水蒸気と空気（酸素）が供給される。そして、改質側に供給されたこれらのガソリン、水蒸気、空気から、上記（１）式、（２）式で表される改質反応が行われる。なお、改質側へ送る燃料としては、天然ガスなどの他の炭化水素燃料やアルコールなどの含酸素燃料など、種々の炭化水素系燃料を用いることもできる。また、その他、エーテル、アルデヒドなどを燃料として用いることもできる。
【００３１】
改質反応を促進するため、改質側には改質用触媒が備えられている。ガソリンや天然ガスを原料とする場合には、例えばニッケル触媒やロジウム貴金属を改質用触媒として用いることができ、メタノールを原料とする場合には、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒などが有効であることが知られている。
【００３２】
改質反応により生成された水素リッチな改質ガスは、改質ガス流路１５を通って燃料電池１４のアノードに供給される。一方、燃料電池１４のカソードには、酸化ガスとしての空気（カソードガス）が供給される。燃料電池１４のアノードでは、改質ガスが送り込まれると、この改質ガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、酸化ガスが送り込まれると、この酸化ガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１４内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１４内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。
【００３３】
燃料電池１４のアノードは、アノードオフガス流路１６によって改質器１２の燃焼側と接続されており、燃料電池１４に送られた改質ガスのうち、アノードで反応しなかった水素を含むアノードオフガスが改質器１２の燃焼側に供給される。また、燃焼側には、燃焼用の空気が供給される。燃焼側には白金（Ｐｔ）等の触媒が備えられており、アノードオフガス中に残存する水素、メタン、一酸化炭素等の可燃性ガスと、燃焼用の空気中の酸素により発熱反応が行われる。これにより、燃焼側において、水蒸気改質反応を行うための熱が発生される。
【００３４】
なお、改質器１２の燃焼側は、改質器１２とは別に設けた燃焼器を含む構成としても良い。この場合、アノードオフガスと燃焼用の空気を燃焼器で燃焼させ、燃焼器から排出された高温の燃焼ガスにより水蒸気改質反応を行うための熱を供給する。
【００３５】
このように、改質器１２の燃焼側から熱を供給することで、改質側に送られたガソリン、水蒸気、空気（酸素）が反応し、上記（１）式、（２）式で示した水蒸気改質反応と部分酸化反応が併せて起こり、改質用触媒がそれらの反応を促進して、水素リッチな改質ガスが生成される。本実施形態の燃料電池システム１０では、アノードオフガス中に残存する未反応の水素を含む可燃性ガスを燃焼させて改質側への熱の供給に利用できるため、システム全体の効率を高めることができる。
【００３６】
図１に示すように、アノードオフガス流路１６には三方弁１８が設けられている。三方弁１８は、改質器１２へ供給するアノードオフガスを分配し、適量を排気する機能を有している。従って、三方弁１８によりアノードオフガスの分配量を可変することで、改質器１２の燃焼側に供給するアノードオフガスの量を調整することができる。これにより、燃焼側に供給する水素を含む可燃性ガス量を調整することができるため、燃焼側における燃焼状態を最適に制御することが可能となる。また、改質側の反応は燃焼側の燃焼状態に依存するため、燃焼状態を制御することで、改質側の反応も常に最適な状態に保つことが可能となる。
【００３７】
アノードオフガス量の調整は、改質器１２の温度、改質側で発生した改質ガスの量、燃料電池１４で発生する電力量、などに基づいて行うことが好適である。これにより、燃焼側における燃焼状態を最適な状態に制御することができる。
【００３８】
なお、三方弁１８から排気したアノードオフガス中の水素は、燃焼器等で燃焼させた後に外部に排出することが望ましい。また、アノードオフガスの排気を抑えるため、三方弁１８の代わりに、開口径を可変することで排気を行わずにアノードオフガス流量を制御する制御弁を設けても良い。
【００３９】
燃焼側へのアノードオフガスの供給が過剰になると、燃焼側における燃焼が過剰となり、改質器１２が過度に加熱されてしまう場合がある。本実施形態では、三方弁１８により改質器１２へ供給するアノードオフガス量を調整することができるため、アノードオフガスの供給過剰により改質器１２が過度に加熱されてしまうことを確実に抑えることが可能である。
【００４０】
また、始動時、過渡運転時など、より多くの改質ガスを発生させる必要がある場合は、三方弁１８を制御して燃焼側へ送るアノードオフガス量を増加させる。これにより、燃焼側の燃焼量を増大させて、改質側における水蒸気改質反応を促進することができ、水素リッチな改質ガスを最大限に生成することができる。更に多量の改質ガスを発生させる場合は、改質側へ供給する燃料の一部を燃焼側に供給し、燃焼側における熱発生量を更に増加させることが好適である。
【００４１】
以上説明したように実施の形態１によれば、アノードオフガス流路１６に三方弁１８を設けたため、改質器１２の燃焼側へ送るアノードオフガス量を調整して燃焼側における燃焼量を最適に制御することができる。これにより、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。また、燃焼側へのアノードオフガスの供給量を制御することで、改質器１２が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
【００４２】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、実施の形態１と同様に、改質器１２へのアノードオフガスの供給量を制御するものであるが、制御の方法が実施の形態１と相違する。燃料電池システムの基本的な構成は実施の形態１と同様である。
【００４３】
図２は、実施の形態２にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。図２に示すように、実施の形態２では、アノードオフガス流路１６に水素分離膜２０を設けており、水素分離膜２０の一方の側にアノードオフガスを供給するようにしている。水素分離膜２０は水素のみを選択的に透過させる性質を有している。
【００４４】
図３は、水素分離膜２０の構成と機能を示す模式図である。ここで、図３（Ａ）は水素分離膜２０の斜視図を、図３（Ｂ）は水素分離膜２０の断面図を示している。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、水素分離膜２０は、バナジウム（Ｖ）膜の両面にパラジウム（Ｐｄ）膜が積層されて構成されている。
【００４５】
図３（Ａ）に示すように、アノードオフガスを水素分離膜２０の一方の側に流すと、アノードオフガス中の水素（Ｈ２）が乖離して水素分離膜２０を透過し、水素分離膜２０の反対側に到達する。一方、アノードオフガス中の他の成分（Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２等）は水素分離膜２０を透過しない。従って、水素分離膜２０の一方の側にアノードオフガスを流すことで、アノードオフガス中の水素を選択的に分離することがきる。
【００４６】
ここで、水素分離膜２０を透過する水素の量は、水素分離膜２０の両側における水素の分圧に依存し、分圧の差が大きい程、水素分離膜２０を透過する水素の量は多くなる。このため、より多くの水素を水素分離膜２０に透過させるためには、水素分離膜２０を透過して反対側に到達した水素を逐次取り除き、透過した水素の分圧を低下させることが望ましい。
【００４７】
このため、図３（Ｂ）に示すように、水素分離膜２０の一方の側にアノードオフガスを流すとともに、他方の側には透過した水素をパージするためのパージガスを流すようにする。これにより、水素分離膜２０の両側における水素分圧の差が大きくなり、より多くの水素を水素分離膜２０に透過させることができる。
【００４８】
また、パージガスの流量を減らすと、パージされる水素量が減少するため、水素分離膜２０の両側における水素の分圧の差が小さくなり、水素分離膜２０を透過する水素量を減少させることができる。従って、パージガスの量を調整することで、アノードオフガスから選択的に分離させる水素量を可変することができる。
【００４９】
本実施形態では、パージガスとして、改質器１２の燃焼側から排出された燃焼側排気ガスを利用している。このため、図２に示すように、燃焼側排気ガスを水素分離膜２０に送るための燃焼側排気ガス流路２２を設けている。そして、アノードオフガス流路１６から水素分離膜２０の一方の側にアノードオフガスを流すとともに、燃焼側排気ガス流路２２から水素分離膜２０の他方の側に燃焼側排気ガスを流すようにしている。
【００５０】
燃焼側排気ガス流路２２には三方弁２４が設けられている。三方弁２４は、燃焼側排気ガスを分配し、適量を排気する。従って、三方弁２４によって水素分離膜２０に流す燃焼側排気ガスの流量を可変することで、アノードオフガスから分離する水素量を最適に制御することが可能となる。これにより、アノードオフガス流路１６から改質器１２の燃焼側へ送られる水素量を可変することができる。
【００５１】
従って、改質器１２の燃焼側へ供給する水素量を調整することができ、燃焼側における燃焼状態を最適に制御することが可能となる。これにより、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。そして、燃焼側へ供給する水素量を最適に制御することで、水素の供給過剰により改質器１２が過度に加熱されてしまうことを確実に抑えることが可能となる。
【００５２】
また、より多くの改質ガスを発生させる必要がある場合は、三方弁２４を制御して水素分離膜２０へ送る燃焼側排気ガス量を減少させることで、水素分離膜２０を透過する水素量を減少させることができ、改質器１２の燃焼側へより多くの水素を供給することができる。従って、水蒸気改質反応を促進することができ、水素リッチな改質ガスを最大限に生成することができる。
【００５３】
アノードオフガス中の水素量の調整は、改質器１２の温度、改質側で発生した改質ガスの量、燃料電池１４で発生する電力量、などに基づいて行うことが好適である。これにより、燃焼側における燃焼状態を最適な状態に制御することができる。
【００５４】
なお、水素分離膜２０へ供給するパージガスとして、燃焼側排気ガス以外のガスを用いることも可能である。例えば、カソードオフガス、燃料電池１４の冷却オフガス等、システム内を流れる各種ガスをパージガスとして用いることができる。また、改質側へ供給する水蒸気の一部を分岐させてパージガスとして用いてもよい。
【００５５】
好適には、パージガスとして、酸素（Ｏ２）を含むガスを用いることが望ましい。酸素を含有したパージガスを用いると、水素分離膜２０を透過した水素とパージガス中の酸素が反応して水が生成されるため、パージガスを流している側の水素濃度を常に低く保つことが可能となる。これにより、水素分離膜２０に水素が非常に透過し易い状態となり、水素分離膜２０の面積を最小限に抑えることも可能となる。
【００５６】
また、酸素を含有したパージガスを用いた場合、パージガス中の酸素量を検出しておくことで、水素分離膜２０を透過して酸素と結合する水素の量を求めることが可能となる。従って、例えば、上述のように燃焼側排気ガスをパージガスとした場合、酸素センサにより燃焼側排気ガス中に残存する酸素量を検出し、この酸素量を制御することでアノードオフガスから分離する水素量を制御することができ、燃焼側に供給する水素量を制御することが可能となる。
【００５７】
以上説明したように実施の形態２によれば、水素分離膜２０へ送るパージガスの量を調整することで、改質器１２の燃焼側へ送られるアノードオフガス中の水素量を最適に制御することができる。従って、改質器１２の燃焼側における燃焼量を最適に制御することができ、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。また、アノードオフガス中の水素量を最適に制御することで、改質器１２が過度に加熱されてしまうことを抑えることができ、改質性能の劣化を抑止することができる。従って、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。
【００５８】
実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図４は、実施の形態３にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。実施の形態３の燃料電池システム１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であり、アノードオフガスを改質器１２の燃焼側へ供給するため、アノードオフガス流路１６を設けている。
【００５９】
燃料電池１４では、電力を発生する際の反応によって熱が発生する。本実施形態の燃料電池システム１０は、冷却用エアポンプ２５を備えており、冷却用エアポンプ２５から燃料電池１４に冷却用ガスを送ることで、空冷により燃料電池１４を冷却するようにしている。
【００６０】
燃料電池１４と改質器１２の燃焼側は、冷却オフガス流路２６によって接続されている。燃料電池１４を冷却した後の冷却用ガス（冷却オフガス）は、冷却オフガス流路２６を通って改質器１２の燃焼側へ供給される。そして、改質器１２の燃焼側において、冷却オフガス中の酸素とアノードオフガス中に残存する未反応の水素を含む可燃性ガスとを反応させて、水蒸気改質反応を起こすための熱を発生させるようにしている。
【００６１】
これにより、改質器１２の燃焼側に新たに燃焼用空気を送る必要がなくなり、燃焼用空気を送るためのポンプ、配管等の設備が不要となる。従って、冷却用ガスを送るためのポンプと燃焼用空気を送るためのポンプを共通化することができ、システム内の補機損失を最小限に抑えることができる。また、燃料電池１４の排熱を改質器１２の燃焼側で有効利用することができ、燃焼側での燃焼を促進することができる。従って、燃料電池システム全体の効率を高めることが可能となる。
【００６２】
以上説明したように実施の形態３によれば、冷却オフガスを燃焼側の燃焼用空気として用いることで、冷却オフガスを有効利用することができ、システム内の損失を最小限に抑えることができる。従って、燃料電池システムの効率をより向上させることが可能となる。
【００６３】
実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図５は、本発明の実施の形態４にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。実施の形態４は、実施の形態３のシステムにおいて、冷却オフガス流路２６に三方弁２８を設けたものである。
【００６４】
冷却オフガス流路２６に三方弁２８を設けたことにより、三方弁２８で冷却オフガスを排気、分配することができ、改質器１２の燃焼側へ送る冷却オフガス量を制御することができる。これにより、改質器１２の燃焼側において、燃焼の際の空燃比を可変することができ、燃焼側での燃焼状態を最適な状態に保つことが可能となる。従って、改質器１２が過度に加熱されてしまうことを抑えることができる。また、燃焼側での空燃比を最適な状態に保つことで、燃焼側排気ガスのエミッションを向上させることができる。これにより、ハイドロカーボン、窒素酸化物等の排出を抑えることが可能となる。
【００６５】
冷却オフガス量の調整は、改質器１２の温度、改質側の空燃比、改質側で発生した改質ガスの量、燃料電池１４で発生する電力量、などに基づいて行うことが好適である。これにより、燃焼側における燃焼状態を最適な状態に制御することができる。
【００６６】
以上説明したように実施の形態４によれば、三方弁２８により燃焼側へ送る冷却オフガスの量を可変できるようにしたため、改質器１２の燃焼側における空燃比を最適に保つことが可能となり、改質器１２の燃焼状態を最適に制御することができる。従って、燃焼側における加熱量と改質側の反応を常に最適に保つことが可能となる。また、燃焼側における空燃比を最適に制御することで、燃焼側排気ガスのエミッションを向上させることが可能となる。
【００６７】
なお、実施の形態３，４において、改質器１２の燃焼側へ送るアノードオフガス量を制御するため、実施の形態１，２と同様に、アノードオフガス流路１６に三方弁１８または水素分離膜２０を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図３】水素分離膜の構成と機能を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態４にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  燃料電池システム
１２  改質器
１４  燃料電池
１６  アノードオフガス流路
１８，２４，２８  三方弁
２０  水素分離膜
２２  燃焼側排気ガス流路
２５  冷却用エアポンプ
２６  冷却オフガス流路
【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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