(57)【要約】【課題】反応器から燃料電池に供給される改質ガス中の水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上する燃料電池システムを得る。【解決手段】燃料電池システム１０は、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された炭化水素原料から水素含有の改質ガスを生成するための反応器２６と、反応器２６で生成された水素含有ガスがアノード電極１６に供給されて発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２のアノード電極１６から排出されたアノードオフガスから水素及び水蒸気を選択的に分離して分離ガスを得るためのガス分離器４４と、ガス分離器４４が分離した分離ガスを反応器２６に供給するための分離ガス供給ライン５０及び掃気ポンプ５２とを備える。【選択図】図１
2007141772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された炭化水素原料から水素を含有する改質ガスを生成するための反応器と、
前記反応器で生成された改質ガスがアノード電極に供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノード電極から排出されたアノードオフガスから、水素及び水蒸気を選択的に分離して分離ガスを得るためのガス分離器と、
前記ガス分離器が分離した前記分離ガスを前記反応器に供給するための分離ガス供給手段と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、プロトン導伝性の電解質を有し、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される構成とされている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記カソード電極から排出されたカソードオフガスを前記反応器に供給するためのカソードオフガス供給手段をさらに備えた請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料を燃焼することで生じた熱を前記反応器に供給するための加熱部と、
前記ガス分離器によって前記アノードオフガスから前記分離ガスが分離された残余ガスを、前記加熱部に燃料として供給するための燃料供給手段と、
をさらに備えた請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応器の状態に応じた信号を出力する検出器と、
前記検出器の検出結果に基づいて、前記分離ガス供給手段による前記燃料電池の燃料入口への前記分離ガスの供給量を制御する制御装置と、
をさらに備えた請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記分離ガス供給手段は、前記ガス分離器における前記分離ガスの出口部と前記反応器の分離ガス入口とを結ぶ分離ガス供給ラインに設けられたガスポンプによって、前記分離ガスを前記反応器の分離ガス入口に供給する請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記分離ガス供給手段は、前記反応器に前記原料又はカソードオフガスを供給する改質反応ガス供給ラインに設けたエジェクタによって、前記分離ガスを前記反応器に供給する請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス分離器は、多孔体分離膜を含んで構成されている請求項１乃至請求項７の何れか１項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、炭化水素を改質して生成した水素含有の改質ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
改質反応によって炭化水素原料から水素を含有する改質ガスを生成し、この改質ガスを発電燃料として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）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１参照）。この文献記載の燃料電池システムでは、ＰＥＦＣのカソードオフガスを改質器の水蒸気入口に戻し、該カソードオフガス中の水蒸気が水蒸気改質反応に供されるようになっている。また、この文献記載の燃料電池システムでは、改質反応を行う改質部を加熱するための燃焼器に燃料としてアノードオフガスを供給する構成も開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８９２４５明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、アノードオフガスに含まれる水素を排気又は燃焼器で燃焼するため、改質反応で得た水素の有効利用の観点から改善の余地がある。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、反応器から燃料電池に供給される改質ガス中の水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上する燃料電池システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、水蒸気改質反応を含む改質反応によって供給された炭化水素原料から水素を含有する改質ガスを生成するための反応器と、前記反応器で生成された改質ガスがアノード電極に供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のアノード電極から排出されたアノードオフガスから、水素及び水蒸気を選択的に分離して分離ガスを得るためのガス分離器と、前記ガス分離器が分離した前記分離ガスを前記反応器に供給するための分離ガス供給手段と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の燃料電池システムでは、反応器において炭化水素原料を改質して生成した改質ガスがアノード電極に供給された燃料電池は、この改質ガスを消費して発電を行いつつ、発電により消費しなかったガスをアノードオフガスとして排出する。アノードオフガスは、ガス分離器によって、燃料電池で消費されなかった水素及び水蒸気を主成分とする分離ガスと、残余のガスとに分離される。
【０００７】
そして、分離ガスは、分離ガス供給手段によって反応器に供給される。分離ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に利用され、分離ガス中の水素は反応器を経由して（改質ガス中の成分として水素濃度を高めつつ）燃料電池に再度導入される。
【０００８】
このように、請求項１記載の燃料電池システムでは、反応器から燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上する。そして、ガス分離器を設けることで、アノードオフガス中の改質反応促進に寄与する成分である水蒸気、及び燃料電池での発電に直接寄与する成分である水素を選択的に反応器に供給するため、システム全体のガス有効利用（マテリアルバランスの良好化）が図られる。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、プロトン導伝性の電解質を有し、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される構成とされている。
【００１０】
請求項２記載の燃料電池システムでは、燃料電池は、発電に伴って、アノード電極に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトン（水素イオン）がカソード電極に移動して酸素と反応し、該カソード電極で水（水蒸気）が生成される。したがって、アノードオフガスすなわち分離ガス中の水蒸気は、主に改質ガスに含まれていた水蒸気であり、反応器に供給されて該反応器内の水蒸気濃度を高める補助的機能を果たす。このように、本燃料電池システムは、発電に伴いカソード電極側で水が生成される燃料電池を備える構成においても、反応器から燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度を高め、水蒸気改質反応を促進する。
【００１１】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記カソード電極から排出されたカソードオフガスを前記反応器に供給するためのカソードオフガス供給手段をさらに備えている。
【００１２】
請求項３記載の燃料電池システムでは、発電に伴って生成された水（水蒸気）を含むカソードオフガスが反応器に供給され、このカソードオフガス中の水蒸気が主に反応器における水蒸気改質反応に供される。一方、アノードオフガスから分離された分離ガス中の水蒸気は、補助的に反応器に供給されて反応器内の水蒸気濃度を高め、水蒸気改質反応を促進する。すなわち、システム内で生成された水蒸気によって水蒸気改質反応を維持し、かつ、この水蒸気改質反応を促進して水素生成量を増大することが可能になる。
【００１３】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、燃料を燃焼することで生じた熱を前記反応器に供給するための加熱部と、前記ガス分離器によって前記アノードオフガスから前記分離ガスが分離された残余ガスを、前記加熱部に燃料として供給するための燃料供給手段と、をさらに備えた。
【００１４】
請求項４記載の燃料電池システムでは、加熱部から燃焼熱の供給を受けた反応器において、炭化水素原料と水蒸気とが反応する水蒸気改質反応（を含む反応）が行われ、水素及び水素以外の可燃成分（一酸化炭素、メタン、未改質の炭化水素等）を含む改質ガスが生成される。この改質ガスが燃料電池のアノード電極に供給されて該燃料電池による発電が行われる。アノードオフガスは、ガス分離器によって、可燃成分として主に水素を含む分離ガスと、水素以外の可燃成分を主に含む残余ガスとに分離される。
【００１５】
ここで、水素以外の可燃ガスを含む残余ガスが燃料として加熱部に供給されるため、残余ガスの有効利用が図られ、燃料電池システムの全体の効率が向上する。また、水素の加熱部における燃料としての利用が抑制されるので、燃料電池における水素利用率の向上が図られる。
【００１６】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記反応器の状態に応じた信号を出力する検出器と、前記検出器の検出結果に基づいて、前記分離ガス供給手段による前記燃料電池の燃料入口への前記分離ガスの供給量を制御する制御装置と、をさらに備えた。
【００１７】
請求項５記載の燃料電池システムでは、例えば反応器による水素生成量や反応器の温度等の状態が検出器にて検出され、この検出結果に基づいて制御装置が分離ガス供給手段による分離ガスの反応器への供給量を制御するため、運転状態が変化しやすい燃料電池システムにおいても全体の効率向上を図ることが可能になる。
【００１８】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記分離ガス供給手段は、前記ガス分離器における前記分離ガスの出口部と前記反応器の分離ガス入口とを結ぶ分離ガス供給ラインに設けられたガスポンプによって、前記分離ガスを前記反応器の分離ガス入口に供給する。
【００１９】
請求項６記載の燃料電池システムでは、ガスポンプの動作によって、アノードオフガスから分離された分離ガスが反応器の分離ガス入口に確実に供給される。また、ガスポンプによる分離ガスの供給量を制御する構成では、該制御が容易である。
【００２０】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記分離ガス供給手段は、前記反応器に前記原料又はカソードオフガスを供給する改質反応ガス供給ラインに設けたエジェクタによって、前記分離ガスを前記反応器に供給する。
【００２１】
請求項７記載の燃料電池システムでは、エジェクタの動作によってアノードオフガスから分離された分離ガスが改質反応ガス供給ラインに合流するため、動力が不要で構造が簡単である。
【００２２】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス分離器は、多孔体分離膜を含んで構成されている。
【００２３】
請求項８記載の燃料電池システムでは、ガス分離器が、例えばポリイミドやセラミック等の多孔体にて構成された多孔体分離膜を含むため、水素及び水蒸気の選択性が高い。このため、アノードオフガス中の水素及び水蒸気を効果的に分離して反応器（分離ガス入口、改質反応ガス供給ライン等）に戻すことができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明に係る燃料電池システムは、反応器から燃料電池に供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、燃料電池の水素利用率が向上するという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０について、図１に基づいて説明する。図１には、燃料電池システム１０のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１０は、水素を消費して発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための改質装置（改質器）１４とを主要構成要素として構成されている。
【００２６】
燃料電池１２は、この実施形態では高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）等と同様の原理で作動するプロトン導伝型の燃料電池とされている。具体的には、燃料電池１２は、図２に模式的に示される如く、アノード電極（燃料極）１６とカソード電極（空気極）１８との間に、プロトン導伝性を有する電解質２０を挟んで構成されている。また、燃料電池１２には、改質ガス（水素）をアノード電極１６に導入するためのアノード流路２２と、酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路２４とを備えている。
【００２７】
この燃料電池１２は、アノード電極１６では、アノード流路２２の燃料入口２２Ａから供給された改質ガス中の水素が電子を放出してプロトン化され、このプロトン（水素イオン）は、電解質２０を経由してアノード電極１６からカソード電極に移動する。一方、カソード電極１８では、電解質２０を経由して到達したプロトンと、アノード電極１６から図示しない外部負荷を経由して到達した電子と、カソード流路２４の空気入口２４Ａから導入したカソード用空気中の酸素とが反応して水が生成されるようになっている。
【００２８】
したがって、燃料電池１２では、発電に伴ってカソード電極１８側で水が生成され、この水はカソードオフガスの一部である水蒸気としてカソード流路２４のオフガス出口２４Ｂから燃料電池１２外に排出されるようになっている。この燃料電池１２は、例えば３００℃〜７００℃程度の中温域で運転される構成とされている。
【００２９】
改質装置１４は、燃料電池１２のアノード電極１６に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部としての反応器２６と、反応器２６が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部２８とを主要構成要素として構成されている。反応器２６は、図示しない改質触媒を内蔵しており、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気）を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。
【００３０】
反応器２６における改質反応には、以下の式（１）乃至（４）で表されるように、式（１）で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ4）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（ＣxＨy）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ2）、水（Ｈ2Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。
【００３１】
ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ   →  ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2          …  （１）
ＣnＨm＋ｎ／２Ｏ2  →  ｎＣＯ ＋  ｍ／２Ｈ2         …  （２）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  ⇔  ＣＯ2＋Ｈ2                           …  （３）
ＣＯ＋３Ｈ2  ⇔  ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ                               …  （４）
この改質反応の中で主となる式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ反応器２６は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池１２に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。加熱部２８は、この反応器２６における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。加熱部２８は、酸化触媒を内蔵して反応器２６に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。
【００３２】
改質装置１４は、加熱部２８で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を隔壁部３０を介して反応器２６に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒（流体）を介して反応器２６を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、反応器２６に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。加熱部２８の燃焼排ガスは排ガス出口２８Ｂから排出されるようになっている。
【００３３】
そして、燃料電池システム１０は、反応器２６に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ３２を備えており、原料ポンプ３２の吐出部は原料供給ライン３４を介して反応器２６の原料入口２６Ａに接続されている。炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で反応器２６に供給されるようになっている。
【００３４】
また、反応器２６の改質ガス出口２６Ｂは、下流端がアノード流路２２の燃料入口２２Ａに接続された改質ガス供給ライン３６の上流端に接続されている。これにより、反応器２６で生成された改質ガスが燃料電池１２のアノード電極１６に供給されるようになっている。改質ガス供給ライン３６の中間部は、改質ガスを冷却するための熱交換器３８の高温ガス側流路とされている（熱交換器３８の高温ガス側流路が直列に配設されている）。
【００３５】
また、燃料電池システム１０は、カソード電極１８にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ４０を備えており、カソード用空気ポンプ４０の吐出部は、下流端がカソード流路２４の空気入口２４Ａに接続されたカソード用空気供給ライン４１の上流端が接続されている。
【００３６】
さらに、カソード流路２４のオフガス出口２４Ｂには、水蒸気供給ライン４２の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン４２の下流端は、原料供給ライン３４に合流している。これにより、カソード電極１８で生成された水蒸気を含むカソードオフガスが反応器２６における水蒸気改質反応に利用される構成である。また、水蒸気供給ライン４２は、その中間部が熱交換器３８の低温ガス側流路とされており、カソードオフガスによって該熱交換器３８の高温側ガス流路（改質ガス供給ライン３６）を流通する改質ガスを冷却する構成とされている。
【００３７】
一方、アノード流路２２のオフガス出口２２Ｂには、アノードオフガスライン４４の上流端が接続されており、アノードオフガスライン４４の下流端にはアノードオフガス分離器４６のアノードオフガス入口４６Ａが接続されている。アノードオフガス分離器４６は、アノードオフガスの成分を分離するための分離膜４８を内蔵している。この実施形態では、分離膜４８は、例えばポリイミド炭化物やセラミック等の多孔体より成る多孔体膜とされており、高い水素選択性、水蒸気選択性を有する。特に、分離膜４８として膜厚制御性の高いポリイミド膜を炭化させたポリイミド炭化膜を採用すれば、高い水素選択性、水蒸気選択性を維持しつつ、水素及び水蒸気の高い透過性を得ることができる。
【００３８】
アノードオフガス分離器４６における分離膜４８によってアノードオフガス入口４６Ａとは隔てられた（分離側の）分離ガス出口４６Ｂには、下流端が水蒸気供給ライン４２における熱交換器３８の下流側（原料供給ライン３４への合流側）に合流する分離ガス供給ライン５０の上流端が接続されている。この分離ガス供給ライン５０の中間部には、ガスポンプとしての掃気ポンプ５１が配設されている。掃気ポンプ５１は、作動してアノードオフガス分離器４６側のガスを水蒸気供給ライン４２（原料供給ライン３４）に圧送して合流させるようになっている。
【００３９】
アノードオフガス分離器４６は、掃気ポンプ５１が作動することで生じる分離膜４８に対する分離ガス出口４６Ｂ側（低圧側）とアノードオフガス入口４６Ａ側（高圧側）との圧力差によって、アノードオフガス中のガス透過性の高い成分である水素、水蒸気を選択的に分離するようになっている。したがって、掃気ポンプ５１は、アノードオフガス分離器４６と共に本発明におけるガス分離器を構成し、かつ分離ガス供給ライン５０と共に分離ガス供給手段を構成する。
【００４０】
また、アノードオフガス分離器４６におけるアノードオフガス入口４６Ａに直接的に連通する（主流側の）残余ガス出口４６Ｃには、燃料ガス供給手段（供給路）としての燃料ガス供給ライン５２の上流端が接続されており、燃料ガス供給ライン５２の下流端は加熱部２８の燃料入口２８Ａに接続されている。
【００４１】
以上により、燃料電池システム１０では、掃気ポンプ５１の作動によって、アノードオフガス分離器４６でアノードオフガスから分離された水素及び水蒸気を主成分とする分離ガスが、反応器２６の原料入口２６Ａに供給されると共に、アノードオフガスから分離ガスが分離された後の残余ガスが燃料として加熱部２８に供給されるようになっている。
【００４２】
上記の改質反応で生成された改質ガスが燃料電池１２に供給される燃料電池システム１０では、残余ガスの主成分は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、メタン（ＣＨ4）、二酸化炭素（ＣＯ2）とされる。したがって、加熱部２８では、残余ガス中の可燃成分である一酸化炭素、炭化水素、メタンが燃料として消費されるようになっている。この加熱部２８の排ガス出口２８Ｂには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン５３が接続されている。
【００４３】
さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ５４を備えており、冷却用空気ポンプ５４の吐出部は、下流端が燃料電池１２の図示しない冷媒流路の入口１２Ａに接続された冷却用空気ライン５６の上流端に接続されている。
【００４４】
この冷媒流路の出口１２Ｂは、支燃ガス供給ライン５８の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン５８は、燃料ガス供給ライン５２に合流しており、加熱部２８に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。なお、支燃ガス供給ライン５８は、燃料ガス供給ライン５２とは独立して加熱部２８に冷却オフガスを供給するように該加熱部２８に接続されても良い。支燃ガス供給ライン５８の中間には、排気用分岐ライン５８Ａが接続されている。
【００４５】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００４６】
上記構成の燃料電池システム１０では、原料ポンプ３２、カソード用空気ポンプ４０の作動によって、原料供給ライン３４から改質装置１４の反応器２６に炭化水素原料、水蒸気（カソードオフガス）が導入される。反応器２６内では、水蒸気改質反応を含む式（1）〜式（４）で示す改質反応が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。
【００４７】
反応器２６で生成された改質ガスは、熱交換器３８でカソードオフガスとの熱交換によって冷却されて、燃料電池１２の運転温度に近い温度でアノード流路２２の燃料入口２２Ａからアノード電極１６に供給される。燃料電池１２では、アノード電極１６に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質２０を経由してカソード電極１８に移動して該カソード電極１８に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極１６から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。
【００４８】
この発電によって燃料電池１２では、アノード電極１６に供給された改質ガス中の水素、カソード電極１８に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量（負荷の電力消費量）に応じて消費され、カソード電極１８では水（水蒸気）が生成される。この水蒸気を含むガスは、カソードオフガスとしてカソード電極１８から水蒸気供給ライン４２に押し出され、熱交換器３８にて改質ガスを加熱した後に原料供給ライン３４を経由して反応器２６に導入される。
【００４９】
一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード流路２２のオフガス出口２２Ｂから排出されてアノードオフガス分離器４６に導入される。このアノードオフガス分離器４６では、掃気ポンプ５１が作動していることで主流側に対し分離側が低圧とされており、この圧力差によって、アノードオフガス中に含まれる主に未利用の水素、改質ガスに含まれていた水蒸気が分離膜４８を透過して分離される。
【００５０】
そして、水素及び水蒸気を主成分とする分離ガスは、掃気ポンプ５１に吸引されてアノードオフガス分離器４６の分離ガス出口４６Ｂから排出され、該掃気ポンプ５１に圧送されて水蒸気供給ライン４２に合流し、カソードオフガスと共に原料供給ライン３４に合流して原料入口２６Ａから反応器２６に供給される。したがって、反応器２６には、炭化水素原料と、カソードオフガス中の水蒸気と、分離ガス中の水蒸気及び水素とが導入され、水蒸気濃度が高い環境で改質反応（特に式（１）の水蒸気改質反応）が促進され、かつ燃料電池１２で未利用の水素が混合されることで、水素濃度が高い改質ガス（燃料電池１２のアノード電極１６に供給されるガス）が得られる。
【００５１】
他方、アノードオフガスから水素及び水蒸気（の少なくとも一部）が分離された後の残余ガスは、燃料ガス供給ライン５２を経由して、燃料電池１２を冷却した後の冷却オフガスと共に改質装置１４の加熱部２８に供給される。加熱部２８では、残余ガス中の可燃成分を燃料とし、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスとして、触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、隔壁部３０を介して反応器２６に供給される。この熱によって反応器２６では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度（改質ガス温）を燃料電池１２の運転温度に近い温度に保つ。
【００５２】
以上説明したように、燃料電池システム１０では、燃料電池１２で消費（利用）されなかった改質ガス中の水素及び改質ガスに含まれる水蒸気をアノードオフガス分離器４６でアノードオフガスから分離して反応器２６に供給し、改質反応のうち主な反応である水蒸気改質反応を行う反応器２６内の水蒸気濃度が高まるため、水蒸気改質反応が促進されて水素濃度の高い改質ガスが得られる。すなわち、改質装置１４の反応器２６における改質効率が向上する。しかも、この改質ガスに分離ガス中の水素が付加されて燃料電池１２に供給されるため、燃料電池１２には水素濃度が一層高いガスが供給され、この水素のうち発電に利用されなかった分は反応器２６に循環されるので、水素利用率が向上する。
【００５３】
また、燃料電池システム１０では、発電に伴いカソード電極１８で生成された水を含むカソードオフガスが反応器２６に供給されるため、系外から水蒸気を供給することなく水蒸気改質反応を維持することができる。そして、このような系内の生成水で改質反応を維持する構成において、上記の通りアノードオフガス（改質ガス）中に含まれる水蒸気を水蒸気改質反応に補助的に供することで、反応器２６内の水蒸気濃度を高めて改質効率を向上することが実現された。
【００５４】
さらに、燃料電池システム１０では、アノードオフガス分離器４６によってアノードオフガスから主に水素及び水蒸気が分離された後の残余ガスが、改質装置１４の加熱部２８において燃料として利用される構成であるため、残余ガス中の可燃ガス及び残余ガスが有する熱量の有効利用が図られ、燃料電池システム１０の全体の効率が向上する。
【００５５】
すなわち、本燃料電池システム１０では、アノードオフガス分離器４６を設けることによって、アノードオフガス中の改質又は水素濃度向上に寄与する成分（水蒸気及び水素）と、加熱部２８での燃焼熱の生成に寄与する成分（一酸化炭素、炭化水素、メタン等）とを分離し、それぞれの成分を効率良く利用することが実現された。すなわち、システム全体のガス有効利用（マテリアルバランスの良好化）が図られる。特に、燃料電池システム１０では、分離膜４８として多孔体分離膜を用いているため、アノードオフガス分離器４６の水素及び水蒸気選択性が高く、水素利用率の向上に寄与する。
【００５６】
このように、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０では、反応器２６から燃料電池１２に供給される改質ガスの水素濃度が高くなり、燃料電池１２の水素利用率が向上する。また、比較的高温のアノードオフガスからの分離ガスを反応器２６に供給することで、該分離ガスが有する熱量の有効利用も図られる。
【００５７】
また、燃料電池システム１０では、分離ガスを駆動するために掃気ポンプ５１を用いるため、簡単な構造で低圧の分離ガスを相対的に高圧の水蒸気供給ライン４２に確実に合流させることができる。
【００５８】
さらに、燃料電池システム１０では、上記の通り分離ガス中の水蒸気が反応器２６に供給されて反応器２６内の水蒸気濃度が高まるため、換言すれば、反応器２６内におけるＳ／Ｃ比（炭化水素ガス中の炭素量に対する水蒸気量）が高くなるため、改質触媒上へのカーボン析出が抑制される。
【００５９】
ここで、図３には、横軸をＳ／Ｃ比、縦軸をＯ／Ｃ比（炭化水素ガス中の炭素量に対する式（２）の部分酸化反応を行うための酸素量）とした代表温度毎の炭素析出限界線が示されている。この図から、Ｓ／Ｃ比が高いほど、炭素析出限界線に対し炭素（カーボン）の非析出側に移行しやすいことがわかる。例えば、改質温度が４００℃の場合、分離ガスの供給によって反応点が図３のＡ点から炭素析出限界線を跨いでＢ点に移行すれば、カーボンの析出が防止される。
【００６０】
なお、第１の実施形態では、カソードオフガスを反応器２６に供給して水蒸気改質反応を維持する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、水タンクからの水を蒸発器で蒸発して得た水蒸気を反応器２６に供給する構成とすることも可能である。この構成においても、分離ガスを反応器２６に供給することで水蒸気濃度を高めることができるので、水タンクの小容量化、蒸発器の低容量化を図ることができる。さらに、この構成では、蒸発器で発生した水蒸気をガス分離器の分離ガス側に供給することにより、より効果的に水素ガスの分離を行うことができる。
【００６１】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については、第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略する。
【００６２】
（第２の実施形態）
図４には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム６０のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示され如く、燃料電池システム６０は、掃気ポンプ５１に代えてエジェクタ（ジェットポンプ）６２を備える点で、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０とは異なる。
【００６３】
エジェクタ６２は、反応ガス供給ラインとしての水蒸気供給ライン４２と分離ガス供給ライン５０との合流部に配設されており、水蒸気供給ライン４２におけるカソードオフガスの流れ伴って生じる負圧によって、低圧の分離ガスを分離ガス供給ライン５０から水蒸気供給ライン４２に導入するようになっている。また、このエジェクタ６２の分離ガス吸引作用によって、アノードオフガス分離器４６における分離膜４８に対する分離ガス出口４６Ｂ側（分離側）がアノードオフガス入口４６Ａ側（主流側）に対し相対的に低圧とされ、アノードオフガスから分離ガスが分離されるようになっている。
【００６４】
すなわち、エジェクタ６２は、掃気ポンプ５１と同様に、アノードオフガス分離器４６と共に本発明におけるガス分離器を構成し、かつ分離ガス供給ライン５０と共に分離ガス供給手段を構成する。
【００６５】
燃料電池システム６０の他の構成は、燃料電池システム１０の対応する構成と同じである。したがって、第２の実施形態に係る燃料電池システム６０によっても、第１の実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
【００６６】
また、燃料電池システム６０では、分離ガスを駆動するためにエジェクタ６２を用いるため、動力が不要な簡単な構造で低圧の分離ガスを相対的に高圧の改質ガス供給ライン３６に確実に合流させることができる。
【００６７】
なお、分離ガス供給ライン５０を水蒸気供給ライン４２とは独立して原料供給ライン３４に合流させる構成において、反応ガス供給ラインとしての原料供給ライン３４における分離ガス供給ライン５０の合流部にエジェクタ６２を配設しても良い。
【００６８】
（第３の実施形態）
図５には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム７０のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示され如く、燃料電池システム７０は、掃気ポンプ５１を制御する制御装置としてのガス分離量コントローラ７２を備える点で、第１の実施形態とは異なる。
【００６９】
ガス分離量コントローラ７２は、掃気ポンプ５１に電気的に接続されると共に、反応器２６の温度に応じた信号を出力する検出器としての温度センサ７４に電気的に接続されている。このガス分離量コントローラ７２は、温度センサ７４の出力信号に基づいて反応器２６の温度が所定の第１閾値以下であると判断した場合に、掃気ポンプ５１の回転数（吐出量）を低減し、温度センサ７４の出力信号に基づいて反応器２６の温度が第１閾値よりも高い第２閾値以上であると判断した場合に、掃気ポンプ５１の回転数（吐出量）を増大するように構成されている。燃料電池システム７０の他の構成は、燃料電池システム１０の対応する構成と同じである。
【００７０】
以上説明した燃料電池システム７０では、反応器２６の温度が第１閾値以下である場合には、ガス分離量コントローラ７２が掃気ポンプ５１の回転数を低下することでアノードオフガス中の水素及び水蒸気の分離膜４８による分離量（反応器２６への供給量）が低減され、該低減分の水素を含む残余ガスが改質装置１４の加熱部２８に供給される。したがって、残余ガスの発熱量が増し、反応器２６の温度が上昇する。これにより、反応に２０における改質反応が促進される。そして、反応器２６の温度が第２閾値以上になると、ガス分離量コントローラ７２が掃気ポンプ５１の回転数を増大することで、水素及び水蒸気の反応器２６への供給量が増す（復帰する）。
【００７１】
このように、第３の実施形態に係る燃料電池システム７０では、第１の実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる他、アノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器２６への供給量を制御するため、燃料電池システム７０全体の運転状態に応じて適切なアノードオフガスの有効利用を図ることができる。すなわち、燃料電池システム７０全体としての効率が向上する。この燃料電池システム７０は、運転状態（電池負荷）や運転環境（外気温等）が変化しやすい用途に適用されて、効率的な運転を行うことが可能である。また、掃気ポンプ５１の回転数でアノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器２６への供給量を制御するため、制御が容易である。
【００７２】
なお、第３の実施形態では、掃気ポンプ５１の回転数が２段階に切り替えられる制御の例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、掃気ポンプ５１の回転数を多段階や連続（無段）に変化させる制御を行うようにしても良い。
【００７３】
（第４の実施形態）
図６には、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム８０のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。この図に示され如く、燃料電池システム８０は、ガス分離量コントローラ８２によって弁開度が制御される調節弁８４が分離ガス供給ライン５０に設けられている点で、第２の実施形態とは異なる。
【００７４】
ガス分離量コントローラ８２は、調節弁８４に電気的に接続されると共に、反応器２６から排出された改質ガス中の水素濃度に応じた信号を出力する検出器としてのガスセンサ８６に電気的に接続されている。ガスセンサ８６は、改質ガス供給ライン３６における熱交換器３８の上流側に配設されている。
【００７５】
このガス分離量コントローラ８２は、ガスセンサ８６の出力信号に基づいて改質ガスの水素濃度が所定の第１閾値以下であると判断した場合に、調節弁８４の弁開度を小さくし、ガスセンサ８６の出力信号に基づいて改質ガスの水素濃度が第１閾値よりも高い第２閾値以上であると判断した場合に、調節弁８４の弁開度を大きくするように構成されている。燃料電池システム８０の他の構成は、燃料電池システム６０の対応する構成と同じである。なお、調節弁８４は、本発明における分離ガス供給手段を構成すると共に、ガス分離量コントローラ８２と共に本発明における制御装置をも構成する。
【００７６】
以上説明した燃料電池システム８０では、改質ガスの水素濃度が第１閾値以下である場合には、ガス分離量コントローラ８２が調節弁８４の弁開度を小さくすることでアノードオフガス中の水素及び水蒸気の分離膜４８による分離量（反応器２６への供給量）が低減され、該低減分の水素を含む残余ガスが改質装置１４の加熱部２８に供給される。したがって、残余ガスの発熱量すなわち加熱部２８から反応器２６への供給熱量が増して改質反応が促進され、改質ガスの水素濃度が上昇する。そして、改質ガスの水素濃度が第２閾値以上になると、ガス分離量コントローラ７２が調節弁８４の弁開度を大きくすることで、水素及び水蒸気の反応器２６への供給量が増す（復帰する）。
【００７７】
このように、第４の実施形態に係る燃料電池システム８０では、第１、第２の実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる他、アノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器２６への供給量を制御するため、燃料電池システム８０全体の運転状態に応じて適切なアノードオフガスの有効利用を図ることができる。すなわち、燃料電池システム８０全体としての効率が向上する。この燃料電池システム８０は、運転状態（電池負荷）や運転環境（外気温等）が変化しやすい用途に適用されて、効率的な運転を行うことが可能である。また、動力を用いないエジェクタ６２を有する構成において、アノードオフガス中の水素及び水蒸気の反応器２６への供給量を制御する構成が実現された。
【００７８】
なお、第４の実施形態では、調節弁８４の弁開度が２段階に切り替えられる制御の例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、調節弁８４の弁開度を多段階や連続（無段）に変化させる制御を行うようにしても良い。
【００７９】
また、第４の実施形態では、ガス分離量コントローラ８２の制御パラメータとしてガスセンサ８６の出力信号に代えて温度センサ７４の出力信号を用いるようにしても良い。同様に、第３の実施形態において、ガス分離量コントローラ７２の制御パラメータとして温度センサ７４の出力信号に代えてガスセンサ８６の出力信号を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する反応器における改質反応のカーボン析出限界線を示す線図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０    燃料電池システム
１２    燃料電池
１６    アノード電極
１８    カソード電極
２０    電解質
２６    反応器
２８    加熱部
４２    水蒸気供給ライン（反応ガス供給ライン）
４６    アノードオフガス分離器（ガス分離器）
４８    分離膜（多孔体分離膜）
５０    分離ガス供給ライン（分離ガス供給手段）
５１    掃気ポンプ（ガスポンプ、分離ガス供給手段、ガス分離器）
５２    燃料ガス供給ライン（燃料供給手段）
６０・７０・８０    燃料電池システム
６２    エジェクタ（分離ガス供給手段、ガス分離器）
７２・８２    ガス分離量コントローラ（制御装置）
７４    温度センサ（検出器）
８４    調節弁（分離ガス供給手段、制御装置）
８６    ガスセンサ（検出器）
【図１】
2007141772.tif 000003
【図３】
2007141772.tif 000004
【図４】
2007141772.tif 000005
【図５】
2007141772.tif 000006
【図６】
2007141772.tif 000007
【図２】
2007141772.tif 000008