(57)【要約】      （修正有）【課題】改質器の炭素析出劣化や改質率の低下を抑制しつつ、エゼクタの昇圧圧力を高めてシステム全体の効率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１６より排出されるアノードオフガスの一部を循環ガスとして、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに供給し、第２空気ブロワ１４より供給される空気、及び燃料ポンプ１５より供給される燃料ガスを混合した混合ガスを高圧でエゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに供給する。そして、エゼクタ２０より、空気、燃料ガス、アノードオフガスが混合したエゼクタ排出ガスが昇圧されて出力され、このエゼクタ排出ガスを改質器２２に供給する。従って、駆動ガス流入口２０ａに空気を添加することにより、エゼクタ２０の昇圧圧力を高めることができ、システム全体の効率を向上させることができる。【選択図】図１
2012160361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を供給する空気供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
アノード極に前記改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、且つ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、
前記燃料電池のアノード極より排出されるアノードオフガスの一部を前記改質器へ循環させる循環手段と、を有し、
前記循環手段はエゼクタを備え、該エゼクタの駆動ガス流入口には、前記空気供給手段より送出される空気と前記燃料ガス供給手段により送出される燃料ガスとを混合した混合ガスが供給され、吸引ガス流入口には、前記アノードオフガスが供給される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の循環量を調整する循環量調整手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エゼクタの昇圧圧力に応じて前記循環量調整手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記循環手段は、前記空気供給手段より送出される空気とは別に、前記改質器に空気を供給する空気供給口を有し、
前記空気供給口より前記改質器に空気を供給する空気供給手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
エゼクタから排出されるエゼクタ排出ガスがエゼクタの吸引ガス流入口まで循環する間の圧損に応じて前記空気供給手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環手段は、前記アノード極の出口と前記エゼクタの吸引ガス流入口との間に、前記アノードオフガスの温度を調整する温度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度調整手段は、第１熱交換器であり、前記第１熱交換器の低温側に前記空気及び前記燃料ガスの少なくとも一方が供給され、高温側に前記アノードオフガスが供給されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
第２熱交換器と、冷却用のガスを供給する冷却ガス供給手段とを更に備え、
前記第２熱交換器の低温側に、前記冷却ガス供給手段より送出される冷却ガスが供給され、高温側に前記アノードオフガスが供給されることを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
エゼクタから排出されるエゼクタ排出ガスがエゼクタの吸引ガス流入口まで循環する間の圧損に応じて前記温度調整手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項６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、燃料電池システムに係り、特にシステム効率を向上させ且つ装置を小型化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、電解質層の一方に空気極層、他方に燃料極層を形成し、電解質層をイオンが伝導することにより電力を発生させる装置である。また、燃料極側に水（水蒸気）が生成されるタイプの燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）が知られている。例えば、ＳＯＦＣでは、空気極側にて空気が反応して酸素イオンが生成され、この酸素イオンが電解質中で伝導して燃料極に到達し、該燃料極にて水素や一酸化炭素と反応して水（水蒸気）や二酸化炭素、及び電子が生成され、電気エネルギーとして取り出すことができる。
【０００３】
また、ＳＯＦＣのように、燃料極側に水が発生する燃料電池システムでは、燃料ガスの利用効率を向上させて燃費を向上させるために、燃料電池で消費されずに燃料排出口より排出される、未反応の水素を含有するガス（以下、「アノードオフガス」という）を燃料電池の燃料供給側に戻し、新たな燃料ガスと混合した状態で再度燃料電池に供給することにより、燃料ガスをリサイクルして利用する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、改質器と燃料電池から構成させる燃料電池システムにおいて、燃料極側に水が生成される燃料電池では、アノードオフガスに水蒸気が含まれるので、この水蒸気を含むアノードオフガスを改質器に導入して、水蒸気改質を行うことも行われている（特許文献２参照）。この場合には、燃料電池システムの動作温度が低下する場合においても、改質器での改質率を低下させないため、アノードオフガスのうち、循環するガス量比率である循環率を向上させることが必要となる。
【０００５】
更に、特許文献３には、燃料電池の下流側にガス分離器を設置し、燃料電池のアノード極より排出されるアノードオフガスを、ガス分離器によって未使用の水素及び水蒸気を分離し、分離した水素及び水蒸気をエゼクタを用いて昇圧して改質器へ循環させることにより、効率を向上させる技術が開示されている。該特許文献３では、燃料電池のアノードオフガスを循環させるために、エゼクタを用いている。エゼクタは、駆動ガス流入口であるノズルより駆動ガスを高速で流すことにより、その噴流の周りのガス（吸引ガス流入口より供給されるガス）を吸引することができ、エゼクタ出口では、駆動ガスと吸引ガスの混合ガスが昇圧されて排出されることになる。
【０００６】
ここで、エゼクタは、駆動ガスの運動エネルギーを吸引ガス及び駆動ガスの昇圧圧力（静圧）に変換する機能を備えており、駆動ガスの質量流量Ｇ１を設定すると、システム圧損分に相当する要求昇圧圧力が決まると、この昇圧圧力に反比例する駆動ガスの質量流量Ｇ１に対する吸引ガスの質量流量（循環ガス流量）Ｇ２の比率（これを、「Ｇ２／Ｇ１比」とする）となるように、吸引ガスを吸引する。そして、駆動ガスを燃料ガスとし、吸引ガスをアノードオフガスの一部である循環ガスとすると、改質器での水蒸気改質の改質率を向上させるために循環率を高める場合、Ｇ２／Ｇ１比が大きくなる。しかし、駆動ガスとして燃料ガスのみを用いる場合には、エゼクタで昇圧可能な圧力には限界があり、Ｇ２／Ｇ１比 を所望する数値まで大きくすることができない場合がある。
【０００７】
例えば、燃料ガスのみを駆動ガスとしてエゼクタのノズルに供給して循環ガス（アノードオフガス）を吸引する場合で、循環率５０％以上とする場合には、この循環ガスを十分に昇圧できないことが有り、その分、改質器、及び燃料電池での圧力損失を低減して大型化せざるを得ず、改質器、及び燃料電池を十分に小型化できないという問題が発生する。
【０００８】
そこで、改質器、及び燃料電池を十分に小型化するために、エゼクタの昇圧圧力を大きくしようとすると、循環ガス流量Ｇ２に限界が生じ、改質器で必要とする水蒸気の量が不足して改質率が低下したり、不均化反応による炭素析出等による触媒の劣化が生じるという問題が発生する。
【０００９】
また、特許文献３のように、アノードオフガスから、再利用する水蒸気と水素のみを分離して循環することにより、Ｇ２／Ｇ１比を小さくして昇圧圧力を大きくし、改質器が必要とする水蒸気量を供給できる可能性がある。しかし、特許文献３で使用しているガス分離器は、出入りのガス圧力差で水蒸気、及び水素を分離するので、分離器に出入りのガス圧力差が必要となり、燃料電池や改質器を小型化することは困難である。また、システムが大型化し、水蒸気、及び水素を分離のための圧力制御等、制御が複雑化するという問題がある。
【００１０】
更に、改質器は、改質器単体の改質効率は高いものの、アノードオフガスの循環率を大きくすると、アノードオフガスの残部（循環させない分）の流量が減少するため、改質器を加熱するための加熱器による発熱量が不足し、この加熱器に追加燃料を導入する必要が有り、結局システム効率の低下を招いてしまうと問題が生じる。
【００１１】
また、アノードオフガスの循環率を低く設定し、改質器で不足する水蒸気を追加で導入する場合には、追加水蒸気を加熱生成するためにエネルギーを使うこととなり、システム効率が低下するという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平３−２１６９６６号公報
【特許文献２】特開２００９−７６２７３号公報
【特許文献３】特開２００７−１２８６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、特許文献３に記載された従来例では、アノードオフガスの循環率を高めると、燃料ガスのみを駆動ガスとしたエゼクタの昇圧能力に限界が生じるので、その分、改質器、及び燃料電池が大型化するという問題が発生する。
【００１４】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、エゼクタの昇圧圧力を高めてシステム全体の効率を向上させ、且つ、燃料電池及び改質器の小型化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、空気を供給する空気供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質器と、アノード極に前記改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、且つ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、前記燃料電池のアノード極より排出されるアノードオフガスの一部を前記改質器へ循環させる循環手段と、を有し、前記循環手段はエゼクタを備え、該エゼクタの駆動ガス流入口には、前記空気供給手段より送出される空気と前記燃料ガス供給手段により送出される燃料ガスとを混合した混合ガスが供給され、吸引ガス流入口には、前記アノードオフガスが供給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタの駆動ガスとして、燃料に加えて空気を添加することにより、駆動ガスの質量流量Ｇ１を大きくすることができ、エゼクタのＧ２／Ｇ１比を小さくできるため、昇圧圧力を大きくすることができる。これにより、燃料電池や改質器を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、循環ガス温度とシステム圧損、及びエゼクタ昇圧圧力との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、背圧調整バルブの制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、循環ガス温度とシステム圧損、及びエゼクタ昇圧圧力との関係を示す特性図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、第２空気ブロア及び追加空気調整バルブの制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、循環ガス温度とシステム圧損、及びエゼクタ昇圧圧力との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、冷却空気制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態に係る燃料電池システムに用いられるエゼクタの構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、この燃料電池システム１００は、カソード極１６ａとアノード極１６ｂを有する燃料電池１６と、炭化水素燃料を改質して改質ガスを発生する改質器２２と、該改質器２２を加熱する改質加熱器２１と、改質器２２に空気、燃料ガス、及びアノードオフガスを混合したガスを昇圧して供給するエゼクタ２０と、を備えている。
【００２０】
燃料ガスとしては、水素やＣＨ４を主成分とする天然ガスの他、バイオエタノール、ＧＴＬ、ＣＴＬ、ＢＴＬ等のバイオ燃料、プロパン、ブタン、ガソリン、ディーゼル、灯油などを用いることができる。
【００２１】
改質器２２は、空気と水蒸気を導入したＡＴＲ改質モードで反応し、改質加熱器２１を具備しない断熱構造として熱自立型の改質器とすることもできるし、アノードオフガスの残部を燃焼させる改質加熱器から改質に必要な熱の一部を熱交換する熱交換器型改質器とし、空気添加の水蒸気改質モードとすることもできる。
【００２２】
また、燃料電池システム１００は、燃料電池１６のカソード極１６ａに空気を供給する第１空気ブロワ１２（空気供給手段）と、改質加熱器２１より排気される排気ガスの熱を利用して第１空気ブロワ１２より出力される空気を加熱する第３熱交換器１３と、空気を送出する第２空気ブロワ１４（空気供給手段）と、燃料ガスを送出する燃料ポンプ１５（燃料ガス供給手段）と、第１熱交換器１９と、を備えている。
【００２３】
燃料電池１６は、カソード極１６ａに供給される空気（第３熱交換器１３で加熱された後の空気）とアノード極１６ｂに供給される改質ガスを反応させて電力を発生し、各負荷（図示省略）に電力を供給する。従って、該燃料電池１６は、アノード極１６ｂに水（水蒸気）が発生することになり、該アノード極１６ｂより排出されるアノードオフガスには水蒸気が含まれることになる。アノード極１６ｂの出口は流路Ｌ１に接続され、更に、該流路Ｌ１は、２つの流路Ｌ１ａ、Ｌ１ｂに分岐され、このうち一方の流路Ｌ１ａは、背圧調整バルブ１７（循環量調整手段）を経由して第１熱交換器１９の高温側に接続されている。また、他方の流路Ｌ１ｂは、バタフライバルブ１８を経由して改質加熱器２１のガス供給口に接続されている。更に、第１熱交換器１９の高温側の出口は、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに接続されている。
【００２４】
第２空気ブロワ１４の出口及び燃料ポンプ１５の出口は、共に第１熱交換器１９の低温側の入口に接続され、その出口はエゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに接続されている。従って、第２空気ブロワ１４より出力される空気と、燃料ポンプ１５より出力される燃料ガスが混合した混合ガスは、第１熱交換器１９の低温側を通過することにより加熱され、その後、エゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに供給される。
【００２５】
また、燃料電池１６のアノード極１６ｂより排出されるアノードオフガスは、第１熱交換器１９の高温側を通過して混合ガスに熱を渡した後、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに供給される。更に、アノードオフガスの一部は、流路Ｌ１ｂ、及びバタフライバルブ１８を経由して改質加熱器２１に供給される。
【００２６】
エゼクタ２０は、駆動ガス流入口２０ａに供給されるガスの圧力により、吸引ガス流入口２０ｂに供給されるガスを誘引し、これらのガスを混合したガス（以下、「エゼクタ排出ガス」という）を所定の昇圧圧力で昇圧して排出する機能を備える。本実施形態では、駆動ガス流入口２０ａに空気と燃料の混合ガスが供給され、吸引ガス流入口２０ｂに、アノードオフガス（循環ガス）が供給されるので、混合ガスの圧力により、アノードオフガスが誘引され、これらが混合されたガス（エゼクタ排出ガス）が昇圧されてエゼクタ２０より排出される。このエゼクタ排出ガスは、流路Ｌ２を経由して改質器２２に供給される。
【００２７】
第３熱交換器１３は、低温側に第１空気ブロワ１２より送出される空気が供給され、高温側に改質加熱器２１の排気ガスが供給される。従って、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、改質加熱器２１の排気ガスにより加熱された後、燃料電池１６のカソード極１６ａに供給される。また、第３熱交換器１３を通過した排気ガスは、その後外部へ排出される。
【００２８】
また、改質器２２には、該改質器２２の入口圧力を検出する圧力センサ２３（圧力測定手段）と、該改質器２２の温度を測定する改質器温度センサ２４（改質器温度測定手段）が設けられている。更に、燃料電池１６には、該燃料電池１６のスタック温度を測定するスタック温度センサ２５（燃料電池温度測定手段）が設けられている。
【００２９】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１空気ブロワ１２、第２空気ブロワ１４、燃料ポンプ１５、及び背圧調整バルブ１７を制御する制御部１１を備えており、後述する手法によりそれぞれに制御信号を送信する。また、制御部１１は、圧力センサ２３、改質器温度センサ２４、及びスタック温度センサ２５と接続され、これらの各センサの検出データを取得する。
【００３０】
そして、制御部１１は、圧力センサ２３にて測定される改質器圧力データと、改質器温度センサ２４で測定される改質器温度データと、スタック温度センサ２５で測定されるスタック温度（燃料電池温度）に基づいて、アノードオフガスの循環量を求め、求めた循環量に基づいて背圧調整バルブ１７の開度を制御する機能を備える。なお、アノードオフガスの循環量は、改質器圧力データ、改質器温度データ、及びスタック温度データのうちの少なくとも一つを用いて求めることも可能である。
【００３１】
次に、エゼクタ２０の詳細な構成について説明する。図１０は、エゼクタ２０の断面図である。図示のように、エゼクタ２０は、中央部にノズル５１を備えており、該ノズル５１の端部が駆動ガス流入口２０ａとされている。また、該ノズル５１の側部に円筒形状の空間領域が形成されており、この空間領域の一部が開口されて吸引ガス流入口２０ｂとされている。この空間領域とノズル５１は二重円筒構造を成しており、その下流側には、混合部５２及びデフューザ５３が設けられている。
【００３２】
そして、駆動ガス流入口２０ａより空気と燃料ガスを混合した高圧の混合ガスを流入すると、ノズル５１より高速流で噴射され、吸引ガス流入口２０ｂからアノードオフガスを吸引する。駆動ガスである空気、燃料ガスと吸引されたアノードオフガスが混合部５２内で混合して流速が均一化することにより、アノードオフガスは混合前より昇圧され、その後段のデフューザ５３の端部において平均流速が減速してさらに昇圧し、図１に示す改質器２２に供給される。
【００３３】
次に、燃料電池１６のスタック温度とシステム圧損との関係、及び循環ガス温度とエゼクタの昇圧圧力との関係について説明する。なお、スタック温度と循環ガス温度は等しいものとする。
【００３４】
図２は、循環ガス温度（スタック温度）の変化に対する、システム圧損、及びエゼクタ２０の昇圧圧力の関係を示す特性図である。曲線ｑ１はシステム圧損の変化を示し、曲線ｑ２はエゼクタ２０の昇圧圧力の変化を示している。ここでのシステム圧損とは、エゼクタ２０から排出されるエゼクタ排出ガスが、改質器２２、アノード極１６ｂ、及び第１熱交換器１９を経由してエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに到達するまでの間に低下する圧力の大きさであって、背圧調整バルブ１７での圧力低下分を除いたものである。図２の曲線ｑ１に示すように、スタック温度が高くなるにつれて、圧力損失は増加する。そして、燃料電池システム１００は、この特性曲線上のいずれかの点で運転されることになる。
【００３５】
また、曲線ｑ２は、エゼクタ２０において、駆動ガスの質量流量Ｇ１と循環ガス流量（吸引ガスの質量流量）Ｇ２との比率、即ち、Ｇ２／Ｇ１比を所望する数値に設定したときの、循環ガス温度Ｔ２と昇圧圧力との関係を示している。図２の曲線ｑ２に示すように、循環ガス温度が高くなるにつれて、昇圧圧力が低下することが判る。
【００３６】
本実施形態では、背圧調整バルブ１７での圧損を除いたシステム圧損が圧力（Ｐ０）となる運転点で燃料電池システム１００を運転し、この場合に改質器２２が良好に改質するために要求される空気、燃料、アノードオフガスの循環ガスの流量条件時において、エゼクタ２０は昇圧圧力Ｐ４がＰ０より大きくなるように設計される。そして、背圧調整バルブ１７での圧損を含むシステム圧損がＰ４になるよう背圧調整バルブ１７の開度を調整する。換言すれば、燃料電池システム１００の運転点でのシステム圧損（背圧調整バルブ１７での圧損を除く）よりも若干高くなるような昇圧能力を有するようにエゼクタ２０を構成し、且つ、Ｇ２／Ｇ１比が所望の数値となるように、第２空気ブロワ１４より送出する空気量を調整し、この状態で、背圧調整バルブ１７を調整することにより、所望するスタック温度、及び圧力となる運転点で燃料電池システム１００を運転することが可能になる。
【００３７】
以下、背圧調整バルブ１７の制御処理について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ１１において、制御部１１は、燃料電池１６による目標発電電流を認識する。
【００３８】
ステップＳ１２において、制御部１１は、スタック温度センサ２５で測定される燃料電池１６のスタック温度Ｔｓ、及び、改質器温度センサ２４で測定される改質器２２の改質温度Ｔｒを取得する。
【００３９】
ステップＳ１３において、制御部１１は、取得した目標発電電流やスタック温度等の情報に基づいて目標とする循環ガス流量Ｇ２と、改質器２２に新規に供給する燃料ガス量Ｇ1f、及び空気量Ｇ1aを決定する。なお、駆動ガスの質量流量Ｇ１は、上記の燃料ガス量Ｇ1fと空気量Ｇ1aとを加算した数値（即ち、Ｇ１＝Ｇ1f＋Ｇ1a）となる。
【００４０】
ステップＳ１４において、制御部１１は、エゼクタ２０における駆動ガスの質量流量Ｇ１と循環ガス流量Ｇ２との比率（Ｇ２／Ｇ１比）に対応する目標圧力Ｐ４を演算する。
【００４１】
ステップＳ１５において、制御部１１は、背圧調整バルブ１７に制御信号を送信して、背圧調整バルブ１７での圧損を含むシステム圧損が目標圧力Ｐ４に達するように、該背圧調整バルブ１７の開度を制御してアノードオフガスの循環量を調整する。
【００４２】
ステップＳ１６において、制御部１１は、背圧調整バルブ１７での圧損を含むシステム圧損の測定値Ｐ４’が、目標圧力Ｐ４と等しくなったか否かを判定する。即ち、Ｐ４−Ｐ４’＝０となったか否かを判定する。
【００４３】
そして、Ｐ４−Ｐ４’＝０でないと判定された場合（ステップＳ１５でＮＯ）には、ステップＳ１５に処理を戻し、Ｐ４−Ｐ４’＝０であると判定された場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）には、本処理を終了する。こうして、背圧調整バルブ１７の開度を調整することにより、改質器２２や燃料電池１６が必要となる空気、燃料、アノードオフガスの循環ガスの流量を保持しながら、背圧調整バルブ１７での圧損を含むシステム圧損合計をエゼクタ２０の昇圧圧力Ｐ４となるように制御できる。  このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノードオフガスの一部を循環させて改質器２２に戻す際に、空気と燃料の混合ガスを生成して、アノードオフガスに添加している。
【００４４】
即ち、エゼクタ２０の駆動ガスとして、燃料ガスに加えて空気を添加することにより、駆動ガスの質量流量Ｇ１を大きくすることができ、エゼクタ２０のＧ２／Ｇ１比を小さくでき、ひいては、昇圧圧力を大きくすることができる。これにより、燃料電池１６や改質器２２を小型化することができる。また、昇圧圧力を確保しつつ、アノードオフガスの循環率を向上させるとともに改質器２２に空気を添加することができるので、新規に水を気化して導入する必要が無い。これにより、水を気化するために要する補器のエネルギー損失を削減でき、システム効率を向上させることができる。
【００４５】
また、背圧調整バルブ１７の開度を調整することにより、アノードオフガスの循環量を制御し、エゼクタ２０の昇圧圧力を所望する圧力に制御するので、改質器２２に導入するガスの圧力を所望する圧力に設定することができる。更に、エゼクタ２０の昇圧圧力を向上させることができため、燃料電池１６、及び改質器２２を小型化して設計することができる。
【００４６】
また、炭化水素燃料の炭素数が多い、ガソリンや灯油等を燃料として使用する場合であっても、空気を添加することにより、新規に水蒸気を導入する必要がなく、触媒劣化を抑制することができる。更に、少量の空気を添加することにより、改質するために必要となる熱量を低減することができるので、改質加熱器２１への追加燃料を不要とすることができ、システム効率を向上させることができる。
【００４７】
更に、第１熱交換器１９を設けて、アノードオフガスが有する熱により、第２空気ブロワより送出される空気、或いは燃料ポンプ１５より送出される燃料を加熱するので、循環するアノードオフガスの温度を安定化させることができ、燃料電池１６のスタックや改質器２２の温度変動が生じる場合であっても、循環ガス温度を安定化することができる。よって、循環ガスの循環率を安定化させることができる。更に、燃料ガスが液体や高圧タンクから供給される場合には、余分なエネルギーを必要とせず安定して燃料ガスを気化させることができる。
【００４８】
また、背圧調整バルブ１７を設けて背圧調整バルブ１７での圧損を含むシステム圧損合計を安定化制御することにより、燃料電池１６や改質器２２の運転時の温度変動に伴って燃料電池１６や改質器２２の圧力損失変動が生じた場合でも、改質器２２に必要な循環ガス量を一定値に安定化させることができる。その結果、電力出力が安定化するとともに、改質器２２の劣化を抑制できる。
【００４９】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０１は、前述した第１実施形態に係る燃料電池システム１００（図１）と対比して、背圧調整バルブ１７を備えない点、エゼクタ２０の出口と改質器２２の入口とを接続する流路Ｌ２に空気供給口ｄ１が設けられ、該空気供給口ｄ１に追加空気調整バルブ３１（空気供給手段）が接続されて改質器２２に供給する空気を調整可能としている点、追加空気調整バルブ３１と制御部１１が制御線で接続されている点、で相違している。
【００５０】
また、第２実施形態に係る制御部１１は、外部より入力される燃料電池の要求発電出力に基づいて、改質器２２に供給する空気量、燃料量、アノードオフガスの循環量、エゼクタ２０の昇圧圧力を求める。更に、制御部１１は、求めた空気量、燃料量、アノードオフガスの循環量、及びエゼクタ２０の昇圧圧力、及び圧力センサ２３で測定される圧力に基づいて、追加空気調整バルブ３１による空気の供給量を制御する機能を備えている。エゼクタ２０は定格運転時に改質器２２が要求する空気量より少ない空気と燃料ガスを駆動ガスとして用いた場合に、昇圧圧力がシステム圧損に一致するように設計されている。
【００５１】
それ以外の構成は、第１実施形態で説明した図１と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。
【００５２】
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１で用いるエゼクタ２０を設計する手法について説明する。
【００５３】
定格運転時において、要求される発電電流を認識し、改質器２２の温度Ｔｒとスタック温度Ｔｓに基づいて、発電に必要な空気量Ｇ1a及び燃料ガス量Ｇ1f、循環ガス量Ｇ２を算出する。一方、スタック温度Ｔｓに基づいて、システム圧損Ｐ４（図５参照）を算出し、循環ガス量Ｇ２、燃料ガス量Ｇ1fの時にエゼクタ２０の昇圧圧力がＰ４となる駆動ガス用空気量Ｇ1a1を算出する。また、追加空気調整バルブ３１を調整し、バルブ３１より供給される空気量をＧ1a2（＝Ｇ1a−Ｇ1a1）とする。
【００５４】
この際、空気量Ｇ1a1を調整してシステム圧損に一致するようエゼクタ２０の昇圧圧力を調整するため、改質器２２での改質に必要な空気が「Ｇ1a−Ｇ1a1」分だけ不足するので、この差分となる空気量（即ち、Ｇ1a2）を、追加空気調整バルブ３１を経由して、改質器２２に空気を直接供給する。
【００５５】
図５は、循環ガス温度とシステム圧損との関係（曲線ｑ３）、及び循環ガス温度とエゼクタ２０の昇圧圧力との関係（曲線ｑ４，ｑ４’）を示す特性図である。  そして、例えば図５に示すように、循環ガス温度ｔ１、圧力Ｐ４でシステムを運転しているときに、燃料電池１６のスタック温度が上昇した場合（温度ｔ２）には、エゼクタ２０が要求されるシステム圧損（エゼクタ２０の昇圧圧力）が上昇する。そこで、第２空気ブロワ１４より供給する空気量Ｇ1a1を増加してＧ２／Ｇ１比を低下させる。これにより、エゼクタ２０の昇圧圧力は曲線ｑ４’から曲線ｑ４に変化するので、システムが要求する圧力Ｐ４-2を運転点とすることができる。
【００５６】
しかし、この場合には、エゼクタ駆動ガスとして供給する空気量が増加するので、本実施形態では、増加した空気量分だけ追加空気調整バルブ３１を経由して供給する空気量Ｇ1a2を減少させることにより、改質器２２に供給する空気量を調整する。
【００５７】
つまり、本実施形態では、改質器が必要とする空気流量Ｇ1aより少ない空気流量Ｇ1a1をエゼクタ２０に導入した場合に、要求昇圧性能を満たすようにエゼクタ２０を設計し、システム圧損が変化した場合には、第２空気ブロア１４より供給する空気量Ｇ1a1、及び追加空気調整バルブ３１を経由して供給する空気量Ｇ1a2を調整することにより、改質器２２に供給されるガスの温度、及び圧力が所望の数値となるように制御することができる。
【００５８】
以下、図６に示すフローチャートを参照して、第２空気ブロア１４、及び追加空気調整バルブ３１の制御処理について説明する。初めに、ステップＳ３１において、制御部１１は、燃料電池１６による目標発電電流を認識する。
【００５９】
ステップＳ３２において、制御部１１は、スタック温度センサ２５で測定される燃料電池１６のスタック温度Ｔｓ、及び、改質器温度センサ２４で測定される改質器２２の改質温度Ｔｒを取得する。
【００６０】
ステップＳ３３において、制御部１１は、取得した目標発電電流やスタック温度等の情報に基づいて目標循環ガス流量Ｇ２と、改質器２２に新規に供給する燃料ガス量Ｇ1f、及び新規に供給する空気量Ｇ1aを決定する。
【００６１】
ステップＳ３４において、制御部１１は、スタック温度Ｔｓに対応する目標圧力Ｐ４を算出する。
【００６２】
ステップＳ３５において、制御部１１は、ステップＳ３４で求めた目標圧力Ｐ４に対して、循環ガス流量Ｇ２、第２空気ブロワ１４により供給する空気量Ｇ1a1、追加空気調整バルブ３１を経由して供給する空気量Ｇ1a2を決定する。但し、Ｇ1a＝Ｇ1a1＋Ｇ1a2である。
【００６３】
ステップＳ３６において、制御部１１は、第２空気ブロア１４より供給される空気量がステップＳ３５で決定された空気量Ｇ1a1となるように第２空気ブロア１４を調整する。また、追加空気調整バルブ３１より供給される空気量が、ステップＳ３５で決定された空気量Ｇ1a2となるように、該追加空気調整バルブ３１の開度を調整する。
【００６４】
ステップＳ３７において、制御部１１は、エゼクタ２０の昇圧圧力の測定値Ｐ４’が、目標圧力Ｐ４と等しくなったか否かを判定する。即ち、Ｐ４−Ｐ４’＝０となったか否かを判定する。
【００６５】
そして、Ｐ４−Ｐ４’＝０でないと判定された場合（ステップＳ３７でＮＯ）には、ステップＳ３６に処理を戻し、Ｐ４−Ｐ４’＝０であると判定された場合（ステップＳ３７でＹＥＳ）には、本処理を終了する。こうして、第２空気ブロア１４、及び追加空気調整バルブ３１の開度を調整することにより、エゼクタ２０による昇圧圧力Ｐ４が、改質器２２で必要とするガス圧力となるように制御することができるのである。
【００６６】
このようにして、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、エゼクタ２０の出口と改質器２２の入口を接続する流路Ｌ２に空気供給口ｄ１を設け、該空気供給口ｄ１に追加空気調整バルブ３１を設置することにより、エゼクタ２０の運転状態とは別に、改質器２２に空気を導入している。従って、燃料電池１６や改質器２２の運転時の温度変動やガス流量変動時等に、アノードオフガスの循環率を安定化させることが可能になる。更に、追加空気調整バルブ３１を調整することにより、改質器２２に導入するガス組成を設定することが可能になるので、炭素析出劣化を抑制することができる。
【００６７】
また、第２空気ブロワ１４の動力を最小限とすることができ、且つ、燃料電池１６における要求発電出力が変化した場合においても、改質器２２にて必要となるガス組成を安定して供給することができる。
【００６８】
［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図７は、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０２は、前述した第１実施形態に係る燃料電池システム１００（図１）と対比して、背圧調整バルブ１７を備えない点、第１熱交換器１９の高温側出口とエゼクタ２０との間に第２熱交換器４１を設けている点、該第２熱交換器４１の低温側に冷却空気を供給する第３空気ブロワ４２を設けている点、第３空気ブロワ４２と制御部１１が制御線で接続されている点、で相違している。
【００６９】
また、第３実施形態に係る制御部１１は、外部より入力される燃料電池の要求発電出力に基づいて、改質器２２に供給する空気量、燃料量、アノードオフガスの循環量、エゼクタ２０の昇圧圧力を求める。更に、制御部１１は、求めた空気量、燃料量、アノードオフガスの循環量、及びエゼクタ２０の昇圧圧力、及び圧力センサ２３で測定される圧力に基づいて、エゼクタ２０に供給するアノードオフガスの温度を求め、求めた温度に応じて第３空気ブロワ４２を制御する機能を備えている。
【００７０】
それ以外の構成は、第１実施形態で説明した図１と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。
【００７１】
第３実施形態では、第２熱交換器４１、及び第３空気ブロワ４２を設けているので、第３空気ブロワ４２による空気の供給量を制御することにより、エゼクタ２０に供給されるアノードオフガスの温度を調整することが可能となる。
【００７２】
次に、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２で用いるエゼクタ２０の設計手法について説明する。第３実施形態では、定格運転時にスタック温度に対するシステム圧損Ｐ４（主として、改質器２２、燃料電池１６、配管での圧損）を算出し、目標発電電流値と改質器２２の温度Ｔｒおよびスタック温度Ｔｓに基づいて、発電に必要な循環ガス流量Ｇ２、及び第２空気ブロワ１４より送出される空気量Ｇ1aと燃料ポンプ１５より送出される燃料ガス量Ｇ1fの合計の流量である駆動ガスの質量流量Ｇ１（＝Ｇ1a＋Ｇ1f）を算出する。
【００７３】
この際、エゼクタ２０に吸引される直前のアノードオフガスの温度は、燃料電池１６のアノード極１６ｂの出口からエゼクタ２０までの流路となる配管等の断熱性能に依存して、スタック温度Ｔｓに比例した温度となっている。そして、エゼクタ２０に吸引される直前のアノードオフガス温度が定格運転時の温度Ｔ２のときに、定格運転時のシステム圧損Ｐ４に昇圧できるようにエゼクタ２０を設計する。
【００７４】
図８は、循環ガス温度の変化に対するシステム圧損の変化（曲線ｑ５）、及びエゼクタ昇圧圧力の変化（曲線ｑ６，ｑ６’）を示す特性図である。図８において、例えば燃料電池システム１０２が圧力Ｐ４（ｑ５とｑ６’の交点）で定格運転されているときに、スタック温度が上昇した場合には、エゼクタ２０に要求される昇圧圧力は、例えば圧力Ｐ４-2に上昇する。このとき、第２熱交換器４１に冷却空気を導入してアノードオフガスの温度を低下させることにより、同一のＧ２／Ｇ１比とした状態でエゼクタ２０の昇圧特性は、曲線ｑ６’から曲線ｑ６に変化する。従って、エゼクタ２０の昇圧圧力を曲線ｑ５と曲線ｑ６の交点の圧力Ｐ-2まで上昇させることができる。
【００７５】
換言すれば、第２熱交換器４１を用いてエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに供給するアノードオフガスの温度を制御することにより、同一のＧ２／Ｇ１比でエゼクタ２０の昇圧圧力を変化させることができる。本実施形態では、制御部１１の制御により、第３空気ブロワ４２より送出する冷却ガスの流量を調整して循環ガスを冷却することにより、エゼクタ２０の昇圧圧力が定格運転時の圧力Ｐ４となるように制御する。
【００７６】
以下、図９に示すフローチャートを参照して、第２熱交換器４１に供給する冷却空気の制御処理について説明する。初めに、ステップＳ５１において、制御部１１は、燃料電池１６による目標発電電流を認識する。
【００７７】
ステップＳ５２において、制御部１１は、スタック温度センサ２５で測定される燃料電池１６のスタック温度Ｔｓ、及び、改質器温度センサ２４で測定される改質器２２の改質温度Ｔｒを取得する。
【００７８】
ステップＳ５３において、制御部１１は、取得した目標発電電流やスタック温度等の情報に基づいて目標循環ガス流量Ｇ２と、改質器２２に新規に供給する燃料ガス量Ｇ1f、及び新規に供給する空気量Ｇ1aを決定する。
【００７９】
ステップＳ５４において、制御部１１は、スタック温度Ｔｓ、及び改質温度Ｔｒに対応する目標圧力Ｐ４を算出する。
【００８０】
ステップＳ５５において、制御部１１は、ステップＳ５４の処理で求めた目標圧力Ｐ４、及び循環ガス流量Ｇ２、駆動ガスの質量流量Ｇ１（燃料ガス量Ｇ1fと空気量Ｇ1aの合計）とするためのアノードオフガスの温度Ｔ２を算出する。
【００８１】
ステップＳ５６において、制御部１１は、アノードオフガス温度がステップＳ５５の処理で算出した温度Ｔ２となるように、第３空気ブロワ４２より送出する冷却空気量を調整する。
【００８２】
ステップＳ５７において、制御部１１は、エゼクタ２０の昇圧圧力の測定値Ｐ４’が、目標圧力Ｐ４と等しくなったか否かを判定する。即ち、Ｐ４−Ｐ４’＝０となったか否かを判定する。
【００８３】
そして、Ｐ４−Ｐ４’＝０でないと判定された場合（ステップＳ５７でＮＯ）には、ステップＳ５６に処理を戻し、Ｐ４−Ｐ４’＝０であると判定された場合（ステップＳ５７でＹＥＳ）には、本処理を終了する。こうして、第３空気ブロワ４２による冷却空気の供給量を調整することにより、アノードオフガスの温度が所望の温度Ｔ２となるように制御することができるのである。
【００８４】
このようにして、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂの上流側に設けた第２熱交換器４１により循環ガス（アノードオフガス）を冷却し、該循環ガスの温度Ｔ２を調整して、エゼクタ２０の昇圧圧力が所望の圧力となるように制御する。従って、循環ガス温度が変化した場合であっても、エゼクタ２０の昇圧圧力を所望の値に維持することができ、且つ循環するアノードオフガス量を安定化させることができる。その結果、改質器２２の改質反応、ひいてはスタックの発電挙動を安定化させることができる。
【００８５】
以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、燃料電池システムの効率を向上させることに利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１１  制御部
１２  第１空気ブロワ
１３  第３熱交換器
１４  第２空気ブロワ
１５  燃料ポンプ
１６  燃料電池
１６ａ  カソード極
１６ｂ  アノード極
１７  背圧調整バルブ
１８  バタフライバルブ
１９  第１熱交換器
２０  エゼクタ
２０ａ  駆動ガス流入口
２０ｂ  吸引ガス流入口
２１  改質加熱器
２２  改質器
２３  圧力センサ（圧力測定手段）
２４  改質器温度センサ（改質器温度測定手段）
２５  スタック温度センサ（燃料電池温度測定手段）
３１  追加空気調整バルブ
４１  第２熱交換器
４２  第３空気ブロワ
５１  混合部
５２  デフューザ
１００  燃料電池システム
【図１】
2012160361.tif 000003
【図２】
2012160361.tif 000004
【図３】
2012160361.tif 000005
【図４】
2012160361.tif 000006
【図５】
2012160361.tif 000007
【図６】
2012160361.tif 000008
【図７】
2012160361.tif 000009
【図８】
2012160361.tif 000010
【図９】
2012160361.tif 000011
【図１０】
2012160361.tif 000012