(57)【要約】    【課題】  燃料ガス中の水素濃度に起因した燃料電池の劣化又は損傷を適切に抑制することができる燃料電池システムを課題とする。    【解決手段】  水素を含む燃料ガスを燃料電池２に供給する燃料電池システム１において、燃料電池２への要求出力に応じて燃料ガス中の水素濃度を可変する濃度可変手段（１２１，１２２，５，Ｃ１）を備えたものである。濃度可変手段は、要求出力が小さいときに、水素濃度を低減する。濃度可変手段は、燃料ガスに所定の流体を導入して水素濃度を可変する。所定の流体としては、燃料オフガス、燃焼排ガス、エア、酸化ガス、または酸化オフガスなどである。    【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池への要求出力に応じて、前記燃料ガス中の水素濃度を可変する濃度可変手段を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記濃度可変手段は、前記要求出力が小さいときに、前記水素濃度を低減する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記濃度可変手段は、前記要求出力が小さくなるにつれて、前記水素濃度を低減する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給路と、
前記供給路に接続され、前記燃料ガスとは水素濃度が異なる所定の流体が流れる流路と、を備え、
前記濃度可変手段は、前記流路から前記供給路に前記所定の流体を導入することにより、前記水素濃度を可変する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記濃度可変手段は、前記供給路に導入する前記所定の流体の状態量を調整することにより、前記水素濃度を可変する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定の流体は、前記燃料電池から排出された燃料オフガスである請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池から排出された燃料オフガスが導入され、当該燃料オフガス中の水素濃度を低減処理する低減処理手段を、更に備え、
前記低減処理手段は、前記低減処理後の排ガスを前記所定の流体として前記流路に排出する請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記低減処理手段は、前記燃料オフガスを燃焼することにより前記低減処理を行う燃焼部を有する請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給路に接続され、改質原料を改質して水素リッチな前記燃料ガスを生成する改質装置を備え、
前記燃焼部は、前記改質装置の一部である請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記供給路または前記流路に設けられ、前記排ガス中の酸素を低減する酸素低減装置が設けられている請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記供給路に接続され、改質原料を改質して水素リッチな前記燃料ガスを生成する改質装置を備え、
前記改質装置は、蒸発部を有し、
前記所定の流体は、前記蒸発部の水蒸気である請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記所定の流体は、エアである請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記エアは、前記燃料電池に供給される酸化ガスまたは前記燃料電池から排出された酸化オフガスである請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記供給路または前記流路に設けられ、前記エア中の酸素を低減する酸素低減装置が設けられている請求項１２または１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池の供給口における水素濃度を検出する濃度センサを備え、
前記濃度可変手段は、前記濃度センサの検出結果に基づいて、前記流路から前記供給路への前記所定の流体の導入を制御する請求項４ないし１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
改質原料を改質して水素リッチな前記燃料ガスを生成する改質装置を備え、
前記濃度可変手段は、前記改質装置での改質温度を調整することにより、前記水素濃度を可変する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池の供給口における水素濃度を検出する濃度センサを備え、
前記濃度可変手段は、前記濃度センサの検出結果に基づいて、前記改質装置での改質温度を調整する請求項１６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、水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料ガスとして水素を燃料電池の燃料極（アノード）に供給し、酸化ガスとして酸素（空気）を空気極（カソード）に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。燃料極に供給された水素は所定量が水素イオン（プロトン）になり、水素イオンが電解質膜を透過して空気極の酸素と反応する。この反応によって、電気が取り出される。
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料極でプロトンにならなかった水素（つまり、発電に寄与しなかった水素）を水素オフガスとして燃料電池から排出すると共に、この水素オフガスを燃料電池に再び供給して、再利用している。
【特許文献１】特開２００３−３１２４４号公報（第１図）
【特許文献２】特開２００２−２３１２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の発明者らによる研究の結果、燃料電池では、燃料極の水素濃度が高いと、濃度差で、水素分子が電解質（膜）を通過して空気極の酸素と反応（以下、ラジカル反応という。）することが分かっている。そして、このラジカル反応により生成される過酸化水素によって、電解質（膜）の劣化または損傷や、燃料極および空気極の触媒の活性低下（溶出、凝集）が確認されている。
【０００５】
また、この燃料電池の損傷は、燃料電池への要求出力（負荷）が小さい場合に、促進されることが確認されている。この原因は、要求出力が小さいと、燃料極における水素分子からプロトンへの変換速度が遅いために、燃料極周りの局部の水素濃度が上昇することに起因すると考えられる。
【０００６】
ところが、特許文献１では、空気極側から電解質膜を通過した窒素等を含み得る水素オフガスが燃料電池に循環供給されているものの、燃料極での水素濃度について何ら考慮されていない。それゆえ、燃料極での水素濃度に起因して、燃料電池の耐久寿命が低下するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガス中の水素濃度に起因した燃料電池の劣化又は損傷を適切に抑制することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池への要求出力に応じて燃料ガス中の水素濃度を可変する濃度可変手段を備えたものである。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池への要求出力に応じた水素濃度の燃料ガスが燃料電池に供給される。これにより、燃料電池の劣化又は損傷を適切に抑制して、燃料電池の運転を良好になし得る。
【００１０】
ここで、燃料電池は、リン酸型または固体高分子電解質型などの各種のもので構成することができる。
【００１１】
ここで、燃料電池への要求出力とは、電力消費装置たる負荷によって要求される電力をいう。例えば、車両などの移動体の電力消費装置の一例としては、移動体におけるモータなどの動力発生装置、ヒータなどの熱発生装置、ライトなどの光発生装置、オーディオなどの音発生装置、又はこれらの組み合わせの複合装置が挙げられる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、濃度可変手段は、要求出力が小さいときに水素濃度を低減することが、好ましい。
【００１３】
燃料電池への要求出力が小さい場合には、水素分子から水素イオンへの変換速度が遅くなるために燃料電池での水素濃度が上昇し易いため、上記構成とすることで、燃料電池での水素濃度の上昇を抑制し得る。これにより、燃料電池の電解質を透過する水素量を適切に抑制することができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムの一態様によれば、濃度可変手段は、要求出力が小さくなるにつれて、水素濃度を低減することが、好ましい。
【００１５】
こうすることで、要求出力に応じて水素濃度を簡単に可変し得る。
【００１６】
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、燃料電池に燃料ガスを供給する供給路と、供給路に接続されて燃料ガスとは水素濃度が異なる所定の流体が流れる流路とを備え、濃度可変手段は、流路から供給路に所定の流体を導入することにより、水素濃度を可変することが、好ましい。
【００１７】
この構成によれば、所定の流体の導入で燃料ガス中の水素濃度を可変することができる。これにより、簡易に水素濃度を可変し得る。
【００１８】
この場合、濃度可変手段は、供給路に導入する所定の流体の状態量を調整することにより、水素濃度を可変することが、好ましい。この場合、所定の流体の状態量には、所定の流体の流量および所定の流体中の水素濃度の少なくとも一つが含まれることが、好ましい。
【００１９】
この構成によれば、例えば所定の流体の流量を調整することで、燃料ガス中の水素濃度を可変することができる。
【００２０】
ここで、所定の流体は、燃料ガスよりも水素濃度が高いものを用いることもできる。しかし、上記したように要求出力が小さい場合の水素は低濃度が好ましいことを考慮すれば、燃料ガス中の水素濃度を低減できることが好ましい。
【００２１】
それゆえ、本発明の燃料電池システムの好ましい一態様によれば、前記所定の流体は、燃料ガスよりも水素濃度を低くするとよい。この種の所定の流体としては、不活性ガスであってもよいが、後述するように、燃料オフガス、燃料オフガスを低減処理後の排ガス、水蒸気、エア、酸化ガス、または酸化オフガスを用いるとよい。
【００２２】
燃料オフガスは、燃料電池から排出された燃料ガスの未反応ガスであるが、これには燃料電池の電解質を透過した窒素等が含まれ得る。燃料オフガスを用いて燃料ガス中の水素濃度を要求出力に応じて低減することで、例えば不活性ガス専用の装置が不要となるので、部品点数を少なくしてシステム効率を高めることができる。
【００２３】
また、所定の流体が前記排ガスである場合には、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスが導入されて燃料オフガス中の水素濃度を低減処理する低減処理手段を更に備え、低減処理手段が、低減処理後の排ガスを所定の流体として前記流路に排出すればよい。
【００２４】
この構成によれば、燃料ガスへの排ガスの導入量が、燃料オフガスの導入量に比べて少なくて済む。これにより、燃料電池に供給される水素濃度をより一層適切に低減することができる。
【００２５】
この場合、低減処理手段は、燃料オフガスを燃焼することにより低減処理を行う燃焼部を有することが、好ましい。
【００２６】
この構成によれば、燃焼部による燃焼後の排ガスが燃料ガスに混合される。また、燃焼時の熱を他の機器に利用することも可能となる。
【００２７】
この場合、本発明の燃料電池システムは、供給路に接続され、改質原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質装置を備え、燃焼部は、改質装置の一部であることが、好ましい。
【００２８】
この構成によれば、改質装置の一部である燃焼部を有効に利用して、燃料オフガスを燃焼することができる。また、燃焼部で得られた熱を改質反応の熱源として利用することができる。
【００２９】
ここで、改質原料としては、天然ガスあるいはプロパンガス等の気体炭化水素系燃料、ガソリンあるいは軽油等の液体炭化水素系燃料、またはメタノール等の液体アルコール系燃料が挙げられる。
【００３０】
この場合、本発明の燃料電池システムは、前記供給路または流路に設けられ、排ガス中の酸素を低減する酸素低減装置が設けられていることが、好ましい。
【００３１】
この構成によれば、排ガス中に酸素を多く含むことに起因する燃料電池での燃焼反応を適切に抑制することができる。ここで、酸素低減装置を上記流路に設けた場合には、排ガス中の酸素は燃料ガスに合流する前に低減される。一方、酸素低減器を供給路に設けた場合には、排ガス中の酸素は燃料ガスに合流後に低減される。
【００３２】
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、供給路に接続され、改質原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質装置を備え、改質装置は蒸発部を有し、所定の流体は蒸発部の水蒸気でであってもよい。
【００３３】
この構成によれば、改質装置の蒸発部を有効に利用して、燃料ガス中の水素濃度を低減することができる。
【００３４】
また、本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記所定の流体はエアであってもよい。
【００３５】
この構成によれば、燃料ガス中の水素濃度を簡易に低減することができる。
【００３６】
この場合、前記エアは、燃料電池に供給される酸化ガスまたは燃料電池から排出された酸化オフガスであることが、好ましい。
【００３７】
この構成によれば、燃料電池システムの酸化ガス系を有効に利用して、燃料ガス中の水素濃度を低減することができる。
【００３８】
これらの場合、供給路または前記流路に設けられ、前記エア中の酸素を低減する酸素低減器が設けられていることが、好ましい。
【００３９】
この構成によれば、エアに酸素を多く含むことに起因する燃料電池での燃焼反応を適切に抑制することができる。ここで、酸素低減器を上記流路に設けた場合には、エア中の酸素は燃料ガスに合流する前に低減される。一方、酸素低減器を供給路に設けた場合には、エア中の酸素は燃料ガスに合流後に低減される。
【００４０】
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、燃料電池の供給口における水素濃度を検出する濃度センサを備え、濃度可変手段は、濃度センサの検出結果に基づいて、前記流路から供給路への所定の流体の導入を制御することが、好ましい。
【００４１】
この構成によれば、燃料電池の供給口における水素濃度の検出結果に基づくため、燃料ガスへの所定の流体の導入を適切に制御することができる。ここで、所定の流体の導入の制御は、例えば流量を制御する場合には、弁の開度を設定したり、ポンプ等の供給手段の駆動を制御したりすることで行うことができる。
【００４２】
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、改質原料を改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質装置を備え、濃度可変手段は、改質装置での改質温度を調整することにより、水素濃度を可変することが、好ましい。
【００４３】
この構成によれば、改質装置での改質温度を調整することで、転化率を調整することができる。これにより、水素濃度を可変することができる。
【００４４】
この場合、燃料電池の供給口における水素濃度を検出する濃度センサを備え、濃度可変手段は、濃度センサの検出結果に基づいて、改質装置での改質温度を調整することが、好ましい。
【００４５】
この構成によれば、燃料電池の供給口における水素濃度の検出結果に基づくため、改質装置での改質温度を適切に調整することができる。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガス中の水素濃度に起因した燃料電池の劣化又は損傷を適切に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、燃料電池の要求出力に応じて、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガス中の水素濃度を可変することで、燃料電池の電解質の劣化又は損傷を抑制することができるものである。
【００４８】
以下では、水素濃度の可変のうち、水素濃度を低減する例を中心に説明する。また、第１実施形態では、燃料ガスとして純水素を用いる燃料電池システムについて説明し、その後の第２実施形態以降では、原燃料から改質された水素リッチな燃料ガスを用いる燃料電池システムについて説明する。なお、第２実施形態以降では、第１実施形態以降と共通する構成については、第１実施形態以降と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４９】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池システム１は、多数のセルを積層したスタック構造からなる燃料電池２を備えている。燃料電池２は、酸化ガスとしての空気（酸素）及び燃料ガスとしての水素の供給を受けて電力を発生する。燃料電池２は、リン酸型など各種のものが存在するが、ここでは固体高分子電解質型で構成されている。
【００５０】
燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）が設けられ、他方の面に燃料極（アノード）が設けられている。電解質は、主として、燃料ガスとして供給された水素イオンを燃料極から空気極に移動させる機能を有する。空気極及び燃料極は、例えば多孔質のカーボン素材で構成された拡散層に、白金を触媒として結着させて構成されている。
【００５１】
燃料極では、式（１）に示す反応が生じ、空気極では、式（２）に示す反応が生じる。燃料電池２の単セル全体としては、式（３）に示す起電反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-  …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ  …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  …（３）
【００５２】
燃料電池システム１の酸化ガス配管系３は、酸化ガスを燃料電池２の空気極に供給するための供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスをシステム外に排出するための排出路１２と、を有している。
【００５３】
供給路１１には、フィルタ１３を介して大気中の酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が配設されている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとして大気中に排気される。
【００５４】
燃料電池システム１の燃料ガス配管系４は、純粋な水素を高圧で貯蔵した水素供給源２１（燃料供給源）と、水素供給源２１の水素を燃料電池２に燃料ガスとして供給する供給路２２と、燃料電池２から排出された燃料オフガス（水素オフガス）を供給路２２に戻すための循環路２３と、循環路２３の燃料オフガスを供給路２２に還流させる循環ポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。循環路２３の循環ポンプ２４の下流側には、逆止め弁２８が介設されている。
【００５５】
水素供給源２１は、例えば、高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成される。供給路２２の上流側には、水素供給源２１からの燃料ガスの圧力を調整するレギュレータ２７が介設され、レギュレータ２７の下流側に遮断弁３０が設けられ、そのさらに下流側の合流点Ａに循環路２３が接続されている。合流点Ａで合流した燃料ガスと燃料オフガスとからなる混合燃料ガスが、供給路２２の下流側を流れて燃料電池２に供給される。なお、以下の説明では、水素供給源２１から合流点Ａに供給される燃料ガスを、燃料供給ガスと称する場合がある。
【００５６】
供給路２２の合流点Ａの下流側には、燃料供給ガスと燃料オフガスとからなる混合燃料ガス中の水素濃度を検出する濃度センサＣ１が設けられている。循環路２３には、燃料オフガス中の水素濃度を検出する濃度センサＣ２が設けられている。より詳細には、濃度センサＣ１が検出する水素濃度は、燃料電池２の燃料供給口における水素濃度（以下、入口濃度という。）に相当し、濃度センサＣ２が検出する水素濃度は、燃料電池２の燃料排出口における水素濃度（以下、出口濃度という。）に相当する。
【００５７】
排出路２５には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、燃料オフガス中の不純物が燃料オフガスと共に燃焼器３４に排出される。パージ弁３３の開弁により、燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、燃料電池２に循環供給される燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００５８】
ここで、燃料オフガス中の不純物は、燃料電池２の空気極から燃料極へと逆拡散した窒素などである。このため、燃料オフガス中の水素濃度は、燃料ガス（燃料供給ガス）の水素濃度（１００％）よりも低く、この水素濃度値は、燃料電池システム１の運転を継続することで徐々に低くなるものである。
【００５９】
燃焼器３４は、パージされた燃料オフガスを燃焼して、燃料オフガス中の水素濃度を低減処理する。この低減処理後の排ガスは、排出路１２又は導出路３５（流路）に排出される。導出路３５は、合流点Ａの下流側の供給路２２に接続されている。燃焼器３４からの排ガスは、原則として排出路１２に排出されるが、後述する水素濃度の低減制御のときに導出路３５へと排出される場合がある。なお、燃料オフガス中の水素濃度を低減処理する低減処理手段として、燃焼器３４に代えて希釈器を用いてもよい。
【００６０】
また、燃料電池２には、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び蓄電部（共に図示せず）を有する出力系が図示しないサービスプラグを介して接続されている。さらに、燃料電池システム１は、ＣＰＵ等や入出力インターフェイスを有する制御装置５を備えている。
【００６１】
制御装置５は、濃度センサＣ１，Ｃ２からの検出信号や、燃料電池システム１の系外からの各種の信号（図示省略）を入出力インターフェイスを介して入力する。また、制御装置５は、入出力インターフェイスを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、酸化ガス配管系３の機器（主としてコンプレッサ１４）および燃料ガス配管系４の機器（主として、循環ポンプ２４、遮断弁３０、及びパージ弁３３）を制御し、燃料電池２への要求出力に応じた水素濃度（入口濃度）を燃料電池２に供給する。
【００６２】
ここで、燃料電池２の要求出力とは、負荷（例えば、車両の場合の駆動モータなど）に応じて要求される電力をいう。要求出力と入口濃度との関係について説明する。
【００６３】
一般に、要求出力が小さいとき（低負荷のとき又は発電量が小さいとき）には、燃料電池２における水素消費速度が遅いので、水素の必要濃度（入口濃度）も低くてよい。逆に入口濃度が高いと、燃料極近傍の水素濃度が高くなるため、水素分子が電解質を通過して空気極の酸素と反応してしまう。
【００６４】
一方、要求出力が大きいとき（高負荷のとき又は発電量が大きいとき）には、燃料電池２における水素消費速度が速いので、水素の必要濃度（入口濃度）は高い方が好ましい。逆に水素濃度（入口濃度）が低いと、燃料極近傍の水素濃度が低くなり、燃料電池２の発電効率を悪化させてしまう。
【００６５】
図２は、本実施形態の制御装置５によって制御される燃料電池２の入口濃度ついて、燃料電池２への要求出力との関係を示す図である。
図２から分かるように、制御装置５は、燃料電池２への要求出力に応じて入口濃度を可変制御している。具体的には、制御装置５は、燃料電池２への要求出力が小さいとき（低負荷のとき）には、入口濃度を低減するように制御する。また、制御装置５は、燃料電池２への要求出力が小さくなるにつれて、入口濃度を徐々に低減するように制御する。
【００６６】
ここで、再び図１を参照して、入口濃度を低減する制御方法について説明する。
第１の制御例は、燃料供給ガスよりも水素濃度が低い燃料オフガスを、燃料供給ガスに還流して、燃料供給ガス中の水素濃度（入口濃度）を低減するものである。具体的には、制御装置５が、濃度センサＣ１及び濃度センサＣ２の検出結果をフィードバック制御し、燃料電池２への要求出力に応じた入口濃度となるように、燃料オフガスの状態量を調整して燃料供給ガスの希釈量を調整する。
【００６７】
このとき、調整する燃料オフガスの状態量には、燃料オフガスの流量および燃料オフガス中の水素濃度の少なくとも一方が含まれる。燃料オフガスの流量を調整する場合には、循環ポンプ２４の回転量を調整して循環ポンプ２４からの吐出量を調整したり、あるいはパージ弁３３からのパージ量を調整したりすればよい。
【００６８】
また、燃料オフガス中の水素濃度を調整する場合には、パージ弁３３を開弁する回数や一回のパージ量を調整すればよい。例えば、燃料オフガス中の水素濃度を大きく低減したい場合には、パージ弁３３を開くタイミングを通常動作時（通常負荷時）よりも遅らせればよい。
【００６９】
第１の制御例の場合には、本発明の請求項に記載の「濃度可変手段」には、循環ポンプ２４およびパージ弁３３の少なくとも一方と、上記した制御装置５および濃度センサＣ１，Ｃ２と、が含まれる。そして、燃料オフガスの流量を調整する場合にせよ、燃料オフガス中の水素濃度を調整する場合にせよ、燃料オフガスの状態量の調整については、濃度センサＣ１及び濃度センサＣ２の検出結果に基づいて、循環ポンプ２４とパージ弁３３とが協調制御されることが好ましい。
【００７０】
第２の制御例は、燃焼器３４からの排ガスを導出路３５を介して燃料ガスに還流して、燃料ガス中の水素濃度（入口濃度）を低減するものである。具体的には、制御装置５が、濃度センサＣ１及び濃度センサＣ２の検出結果をフィードバック制御し、燃料電池２への要求出力に応じた入口濃度となるように、排ガスの流量を調整する。
【００７１】
このとき、排ガスの流量の調整は、例えば、導出路３５に設けた図示省略の遮断弁を開閉した上で、導出路３５に設けた図示省略のエジェクタあるいはポンプ等の供給装置により排ガスの供給量を調整することにより行ってもよいし、または、導出路３５に設けた図示省略の流量制御弁の調整により行ってもよい。これらの弁は、導出路３５でなく、燃焼器３４に組み入れるようにしてもよい。なお、この第２の制御例の場合には、本発明の請求項に記載の「濃度可変手段」には、上記した制御装置５および濃度センサＣ１，Ｃ２に加え、導出路３５又は燃焼器３４に設けられる弁のほか、ポンプ等の供給装置などが含まれる。
【００７２】
なお、第１の制御例と第２の制御例とを併用してもよい。特に、燃料供給ガス中の水素濃度を大きく低減したい場合には、燃料オフガスに加えて、燃料オフガスよりも水素濃度が低い排ガスを燃料供給ガスに混合させることは有用である。
【００７３】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料供給ガス中の水素濃度を燃料電池２への要求出力に応じた濃度値に低減することができる。これにより、燃料電池２でのラジカル反応を抑制することができるため、電解質膜の劣化または損傷を抑制し、電極（燃料極、空気極）に結着した触媒の活性低下を抑制することができる。また、燃料電池２の運転を良好に行うことができる。
【００７４】
したがって、燃料電池２の耐久寿命を高めることができる。また、水素濃度を低減するのに、燃料オフガスをそのまま或いはこれを低減処理した排ガスを用いているため、燃料ガス配管系４を有効に利用することができ、システム全体の効率も高めることができる。
【００７５】
なお、燃料ガス供給中の水素濃度低減用のガスとして、燃料オフガスや排ガスを用いた例について説明したが、もちろん他の流体を用いてもよい。例えば、エアを燃料供給ガスに合流させてもよく、そのエアとして、酸化ガス配管系３の酸化ガスまたは酸化オフガスを用いてもよい。もっとも、この場合には、エア中の酸素濃度を低減した後の酸化ガスまたは酸化オフガスを用いると好適である。また、エア以外にも、水素濃度低減用の不活性ガス（例えば窒素）を用いたりしてもよい。
【００７６】
また、上記では、燃料オフガスを循環させる機器として循環ポンプ２４を用いたが、エジェクタを用いてもよい。例えば、エジェクタの主流を水素供給源２１からの燃料供給ガスとし、エジェクタの副流（吸引流）を燃料オフガスとしてもよい。このエジェクタもまた上記の「濃度可変手段」の一部を構成することになる。
【００７７】
さらに、燃料ガス供給中の水素濃度を可変する際に、酸化ガス中の酸素濃度も同様に可変してもよい。例えば、低負荷のときには、高負荷のときよりも酸化ガス中の酸素濃度を下げてもよい。具体的なシステム構成としては、供給路１１に酸素富化膜を設け、これをバイパスする通路を設ける。そして、高負荷のときには、酸化ガスが酸素富化膜を通過するようにし、低負荷の時には酸化ガスがバイパス路から燃料電池２に供給するようにすればよい。
【００７８】
なお、上記した燃料電池システム１は、車両などの移動体用に好適であるが、もちろん定置用にも適用することができる。ここで、移動体としては、車両などのほか、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等が含まれる。
【００７９】
＜第２実施形態＞
次に、図３を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。この燃料電池システム１は、例えば燃料電池２が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムとして適用された例である。ただし、この燃料電池システム１は、上記した移動体にも適用が可能である。
【００８０】
図３に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、エアコンプレッサ，エアフィルタ等からなるエア供給系５１から加湿器５２により加湿された後、燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される酸化オフガス（残エア）は、第１凝縮器６１により水回収された後、排気される。燃料電池２は、上記と同様に、例えば固体高分子電解質膜型で構成される。燃料電池２が発生した電力は、建物（住宅、ビル等）に対して給電される。
【００８１】
他方、都市ガス（１３Ａ）によって供給される天然ガスは、水蒸気を加えられて改質器７０の改質部７２で水素を含む混合ガスに変換された後、同改質器７０のシフト部７３とＣＯ浄化部７４を経て、水素を主成分とする水素リッチな燃料ガス（改質ガス）として供給路１０１から燃料電池２に供給される。
【００８２】
燃料電池２で消費されずにオフガス路１０２へと排出された燃料オフガスは、第２凝縮器６２で水回収された後、改質器７０の燃焼部７１に導入されて燃焼され、改質反応の熱源として利用される。燃焼部７１で燃焼後の燃焼排ガスは、燃料オフガス中の水素濃度が低減されたガスであり、排ガス通路１０３へと排出され、第３凝縮器６３で水回収された後、大気中に排気される。
【００８３】
また、燃料電池２には冷却水が循環され、この冷却水が発電に伴う熱を吸収し、吸収された熱が熱交換器８０に伝えられる。
【００８４】
第１凝縮器６１〜第３凝縮器６３および熱交換器８０には、貯湯タンク８５からの貯湯水が循環され、それぞれからの熱量を吸収し、貯湯タンク８５内に貯湯水が貯められる。この貯湯水は、給湯に利用される。第１凝縮器６１〜第３凝縮器６３で得られる回収水は、図３中の破線で示すように、改質水供給系７６に戻される。改質水供給系７６は、回収水を気化させる蒸発部（図３では省略したが、図８を参照。）を有しており、蒸発部による水蒸気は、改質部７２などにおいて改質反応に利用される。
【００８５】
なお、改質器７０は、改質原料（原燃料）として、例えばプロパンガス等の気体炭化水素系燃料、ガソリンあるいは軽油等の液体炭化水素系燃料、またはメタノール等の液体アルコール系燃料を用いてもよい。また、液体炭化水素系燃料や液体アルコール系燃料を用いた場合には、改質器７０は、改質原料を水と共に気化させて改質原料ガスを生成する蒸発部を具備し、改質部７２にて改質原料ガスを水素リッチな改質ガスに改質する。
【００８６】
要するに、改質器７０は、水蒸気改質反応、部分酸化法またはこれらを併用するオートサーマル法によって、改質原料を改質して水素リッチな改質ガス（例えば、水素濃度７０％）を生成する装置である。そして、本実施形態の燃料電池システム１においても、この改質ガスを燃料ガスとして燃料電池２に供給する際に、燃料電池２の要求出力に応じて改質ガス中の水素濃度を低減するように制御装置５で制御している。
【００８７】
図４は、第２の実施形形態に係る燃料電池システム１について、本発明の特徴部分を抽出して示す図である。
本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と同様に、循環ポンプ２４によって、オフガス路１０２から供給路１０１に燃料オフガスを循環可能に構成されている。循環ポンプ２４は、オフガス路１０２に分岐接続された導入路１１１に設けられ、導入路１１１は、燃料電池２の燃料供給口の上流側の供給路１０１に接続されている。そして、燃料電池２の入口濃度および出口濃度を検出する濃度センサＣ１及びＣ２が、供給路１０１およびオフガス路１０２にそれぞれ設けられている。
【００８８】
したがって、第１実施形態と同様に、制御装置５が、濃度センサＣ１及び濃度センサＣ２の検出結果をフィードバック制御し、燃料電池２への要求出力に応じた入口濃度となるように、燃料オフガスの状態量（流量）を循環ポンプ２４によって調整すれば、改質ガスの希釈量を調整することができる。ゆえに、電解質膜の劣化または損傷を抑制等することができ、燃料電池２の耐久寿命を高めることができる。なお、本実施形態では、「濃度可変手段」は、主として、循環ポンプ２４と、制御装置５と、濃度センサＣ１，Ｃ２と、で構成される。
【００８９】
＜第３実施形態＞
次に、図５を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第２実施形態との相違点は、燃料オフガスに代えて燃焼排ガスを改質ガスに導入することである。このため、排ガス通路１０３には導入路１２１が分岐接続されている。導入路１２１には、排ガス通路１０３内の燃焼排ガスの一部を改質ガスに合流させるためのポンプ１２２が設けられている。ポンプ１２２は、制御装置５に接続されており、濃度センサＣ１の検出結果に基づいて回転量（吐出量）を制御される。
【００９０】
したがって、本実施形態によれば、燃料電池２への要求出力に応じた入口濃度となるように、改質ガス中の水素濃度を燃焼排ガスで低減することができる。ゆえに、燃料電池２の耐久寿命を高めることができる。なお、本実施形態では、濃度センサＣ２を設けていないが、もちろん入口濃度の制御の際に濃度センサＣ２の出力結果を加味してもよい。なお、本実施形態では、「濃度可変手段」は、主として、ポンプ１２２と、制御装置５と、濃度センサＣ１と、で構成される。
【００９１】
＜第４実施形態＞
次に、図６を参照して、第４実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第３実施形態との相違点は、燃焼排ガス中の酸素を低減する酸素低減器１３１を供給路１０１に設けたことである。酸素低減器１３１は、供給路１０１と導入路１２１との合流部よりも下流側に位置しており、改質ガスに合流後の燃焼排ガス中の酸素を低減する。酸素低減器１３１は、例えば触媒燃焼を利用した装置で構成することができる。
【００９２】
本実施形態が第３実施形態と比べて有用となる点は、燃料電池２に供給する改質ガス中に含まれ得る酸素を低減または消滅することができることである。これにより、改質ガス中に酸素を多く含むことに起因する燃料電池２の燃料極での燃焼反応を適切に抑制することができる。なお、酸素低減器１３１をポンプ１２２の下流側の導入路１２１に設けてもよいし、ポンプの１２２の上流側の導入路１２１に設けてもよい。また、酸素低減器１３１は酸素を消費する酸素消費装置であってもよい。
【００９３】
＜第５実施形態＞
次に、図７を参照して、第５実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第２〜第４実施形態との相違点は、燃料オフガスまたは燃焼排ガスに代えてエアを用い、エアを改質ガスに導入して改質ガス中の水素濃度を低減することである。そのための構成として、供給路１０１には導入路１４１が分岐接続されており、導入路１４１を介してエアを供給路１０１に圧送するポンプ１４２が設けられている。ポンプ１４２は、制御装置５に接続されており、濃度センサＣ１の検出結果に基づいて回転量（吐出量）を制御される。
【００９４】
ポンプ１４２が供給するエアは、燃料電池２に供給される酸化ガス又は燃料電池２から残エアとして排出される酸化オフガスを用いてもよい。具体的には、図３に示すエア供給系５１から燃料電池２に送られる酸化ガスを改質ガスに導入してもよいし、燃料電池２から図３に示す第１凝縮器６１へと排出される酸化オフガスを改質ガスに導入してもよい。こうすることで、燃料電池システム１の酸化ガス系を有効に利用して、改質ガス中の水素濃度を低減することができる。
【００９５】
したがって、本実施形態によっても、制御装置５が、濃度センサＣ１の検出結果をフィードバック制御し、燃料電池２への要求出力に応じた入口濃度となるように、ポンプ１４２によってエアの流量を調整すれば、改質ガスの希釈量を調整することができる。ゆえに、燃料電池２の耐久寿命を高めることができる。なお、本実施形態では、「濃度可変手段」は、主として、ポンプ１４２と、制御装置５と、濃度センサＣ１と、で構成される。また、ポンプ１４２による供給エアは、そのまま改質ガスに混合させてもよいが、酸素濃度が通常より低い又はゼロのものを用いるとよい。
【００９６】
＜第６実施形態＞
次に、図８を参照して、第６実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第５実施形態との相違点は、エア中の酸素を低減する酸素低減器１５１を供給路１０１に設けたことである。酸素低減器１５１は、供給路１０１と導入路１４１との合流部よりも下流側に位置しており、改質ガスに合流後のエア中の酸素を低減する。酸素低減器１５１は、例えば触媒燃焼を利用した装置で構成することができる。
【００９７】
本実施形態が第５実施形態と比べて有用となる点は、燃料電池２に供給する改質ガス中に含まれ得る酸素を低減または消滅することができることである。これにより、改質ガス中に酸素を多く含むことに起因する燃料電池２の燃料極での燃焼反応を適切に抑制することができる。なお、酸素低減器１５１をポンプ１４２の下流側の導入路１４１に設けてもよいし、ポンプの１４２の上流側に設けてもよい。また、酸素低減器１３１は酸素を消費する酸素消費装置であってもよい。
【００９８】
＜第７実施形態＞
次に、図９を参照して、第７実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第２〜第６実施形態との主な相違点は、水素濃度低減用の流体として水蒸気を用いたことである。
【００９９】
改質器７０の蒸発部１６１は、水流路１６２から供給された水を気化し、水蒸気を生成する。この水流路１６２は、例えば、図２に示す改質水供給系７６から供給される回収水の流路で構成される。改質器７０の主要反応部１６３は、例えば、図２に示す改質部７２及びシフト部７３により構成され、天然ガスなどの改質原料及び蒸発部１６１の水蒸気を供給されて改質反応及びシフト反応を実行する。主要反応部１６３によって、改質原料が水素リッチな改質ガスに改質され、改質ガスが燃料ガスとして供給路１０１を流れて燃料電池２に供給される。
【０１００】
蒸発部１６１の水蒸気は、主要反応部１６３に供給可能であると共に、供給路１０１に直接的に供給可能に構成されている。すなわち、蒸発部１６１と供給路１０１とを接続する蒸気路１６５が設けられており、蒸発部１６１の水蒸気の一部は、蒸気路１６５を介して供給路１０１に導入されて、改質ガスと合流・混合される。この水蒸気の導入により、改質ガス中の水素濃度を低減することができる。
【０１０１】
水蒸気による改質ガス中の水素濃度の低減は、改質ガスへの水蒸気の状態量（湿度または流量）を調整することで行うことができる。例えば、蒸発路１６５に設けた図示省略の遮断弁を適宜開閉することにより、改質ガスへの水蒸気の流量を調整して、改質ガス中の水素濃度を所望の値に設定すればよい。
【０１０２】
この場合、制御装置５が、濃度センサＣ１の検出結果に基づいて、燃料電池２への要求出力に応じた入口濃度となるように遮断弁を開閉すればよい。あるいは、この流量調整は、蒸発路１６５に設けた図示省略の流量制御弁により行われてもよく、これらの弁を蒸発部１６１に組み入れるようにしてもよい。なお、本実施形態の「濃度可変手段」には、主として、制御装置５および濃度センサＣ１に加え、蒸発路１６５または蒸発部１６１に設けられる弁などが含まれる。
【０１０３】
したがって、水素濃度低減用の流体として水蒸気を用いた本実施形態によっても、燃料電池２への要求出力に応じて、改質ガス中の水素濃度を適切に低減することができる。ゆえに、燃料電池２の耐久寿命を高めることができる。
【０１０４】
＜変形例１＞
次に、上記した第２〜第７実施形態の燃料電池システム１（改質系のシステム）の各種の変形例について述べる。
【０１０５】
改質ガス中の水素濃度を低減する方法として、改質ガスに流体（燃料オフガス、燃焼排ガス、エアまたは蒸気）を導入する方法以外に、改質反応の転化率を下げる方法を用いてもよい。具体的には、図３に示す改質器７０での改質温度を調整することにより、転化率を調整して、水素濃度を可変してもよい。
【０１０６】
例えば、改質燃料がメタノールである場合には、式（４）；
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2  …（４）
に示す水蒸気改質反応が生じるが、この反応の際の改質温度を調整することで、３Ｈ2になる割合を下げてもよい。この場合、上記と同様に、濃度センサＣ１を燃料電池２の供給口の近傍に設け、濃度センサＣ１の検出結果に基づいて、燃料電池２への要求出力に応じた改質ガス中の水素濃度となるように、改質器７０での改質温度を調整すればよい。
【０１０７】
また、改質燃料が天然ガスである場合には、式（５）；
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2  …（５）
に示す水蒸気シフト反応を行わないようにしてもよい。
【０１０８】
なお、この改質反応の転化率を下げる方法と、上記した改質ガスに流体（燃料オフガス、燃焼排ガス、エアまたは蒸気）を導入する方法とを併用してもよい。また、改質ガスに導入する流体としては、水素濃度低減用の不活性ガス（例えば窒素）を用いてもよい。
【０１０９】
＜変形例２＞
その他の変形例として、上記実施形態（第１〜第６実施形態）の濃度可変手段は、ポンプなどの供給装置により所定の流体を燃料ガスに導入して、燃料ガス中の水素濃度を低減するものであるが、これとは逆に、燃料ガス中の水素濃度を上昇させるようにしてもよい。すなわち、本発明の燃料電池システム１は、燃料ガス中の水素濃度を高めることを排除するものではなく、このような水素濃度を高める可変構成は、改質系の燃料電池システム（第２〜第７実施形態）に特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムによって可変される燃料電池の入口側の水素濃度ついて、燃料電池への要求出力との関係を示す図である。
【図３】第２実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの特徴部分を抽出して模式的に示す構成図である。
【図５】第３実施形態に係る燃料電池システムの特徴部分を抽出して模式的に示す構成図である。
【図６】第４実施形態に係る燃料電池システムの特徴部分を抽出して模式的に示す構成図である。
【図７】第５実施形態に係る燃料電池システムの特徴部分を抽出して模式的に示す構成図である。
【図８】第６実施形態に係る燃料電池システムの特徴部分を抽出して模式的に示す構成図である。
【図９】第７実施形態に係る燃料電池システムの特徴部分を抽出して模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸化ガス配管系、４：燃料ガス配管系、５：制御装置、２２：供給路、２３：循環路（流路）、２４：循環ポンプ、２５：排出路、３０：遮断弁、３３：パージ弁、３４：燃焼器、３５：導出路（流路）、７０：改質器、７１：燃焼部、７２：改質部、７３：シフト部、１０１：供給路、１０２：オフガス路、１０３：排ガス通路、１２２：ポンプ、１３１：酸素低減器、１４２：ポンプ、１５１：酸素低減器、１６１：蒸発部、１６５：蒸気路、Ｃ１，Ｃ２：濃度センサ
【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】
2007035359.tif 000008
【図７】
2007035359.tif 000009
【図８】
2007035359.tif 000010
【図９】
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