JP2003288920A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2003288920A
JP2003288920A JP2002089374A JP2002089374A JP2003288920A JP 2003288920 A JP2003288920 A JP 2003288920A JP 2002089374 A JP2002089374 A JP 2002089374A JP 2002089374 A JP2002089374 A JP 2002089374A JP 2003288920 A JP2003288920 A JP 2003288920A
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Hiroaki Takeuchi
弘明 竹内
Masahiro Kuroishi
正宏 黒石
Satoshi Matsuoka
聡 松岡
Toshiya Abe
俊哉 阿部
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【課題】炭素析出を起こさず、安定に運転できる燃料電
池システムを提供する。 【解決手段】 エゼクターを用いた燃料のリサイクル機
構を有する燃料電池システムにおいて、混合燃料流路に
設置された流量あるいは圧力の自動調節弁と、エゼクタ
ーに供給される燃料の流量を検知する燃料流量検知手段
と、混合燃料の流量を検知する混合燃料流量検知手段
と、燃料流量検知手段と混合燃料流量検知手段により検
知された流量を基に、リサイクル燃料の流量を演算し、
その結果を用いて前記自動調節弁を制御するコントロー
ラと、を有する燃料電池システムを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料のリサイクル機
構を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、電解質の両側にアノードお
よびカソードを有し、アノードに燃料を、カソードに酸
化剤を供給することにより電気化学的に燃料と酸化剤を
反応させて電気エネルギーに変換する発電素子である。
また、複数の素子を電気的に接続した燃料電池モジュー
ルを形成することにより、発電出力の規模を大きくする
ことができる。
【０００３】一般的に燃料電池に供給される燃料は、そ
の供給量の全量を発電反応に利用することができず、未
利用燃料を含んで発電部分より排出される。また、酸化
剤も同様であり未利用酸化剤を含んで発電部分より排出
される。通常この排出された未利用燃料は未利用酸化剤
との燃焼により熱エネルギーに変換され、燃料の改質、
酸化剤の予熱、燃料の予熱などの熱源として利用され
る。
【０００４】これに対して、燃料リサイクル機構を有す
る燃料電池システムでは、未利用燃料の一部を燃料とし
て再利用する燃料リサイクル機構を有することにより、
未利用燃料からさらに電気エネルギーを取り出し、発電
効率の高い燃料電池システムとしている。従来の燃料リ
サイクル機構を有する燃料電池システムについて図１を
用いて説明する。
【０００５】燃料電池素子１１は円筒型の燃料電池素子
の断面を示しており、円筒の外側面にアノードを配置
し、内側面にカソードを配置し、アノードとカソードの
間に電解質が配置される形状のものである。燃料リサイ
クル手段であるエゼクター２１は、工業的にもさまざま
な分野で利用されている流体の吸引などを行うための装
置である。エゼクター２１はノズルとディフューザの組
み合わせにより構成され、ノズルの入口に供給される駆
動流体の持つ圧力エネルギーをノズルにより速度エネル
ギーに変換しノズル出口において負圧を発生する。負圧
によりノズル外側の流体が吸引され、駆動流体と吸引流
体が混合流体となりディフューザを通過することにより
圧力回復が行われる。すなわち、図４においては、新し
く供給される燃料を、燃料流路１を通じてエゼクター２
１の駆動側に供給し、また、未利用燃料および発電反応
により生成された水蒸気を含む発電済み燃料４を燃料流
路１に戻すためのリサイクル燃料流路３をエゼクター２
１の吸引側に接続することにより、燃料電池モジュール
１３からの発電済み燃料４の一部であるリサイクル燃料
はエゼクター２１により吸引される。その結果、吸引さ
れたリサイクル燃料は新しく供給された燃料と混合さ
れ、混合燃料流路２を通じて燃料電池モジュール１３に
供給され発電に利用される。燃料電池モジュール１３に
よる発電では、供給された燃料の全量が消費されず、未
利用燃料を含んだ発電済み燃料４としてリサイクル室１
４に排出され、そして発電済み燃料４の一部はエゼクタ
ー２１に吸引され、リサイクルされる。リサイクルされ
ない残りの発電済み燃料４は排燃料７として燃焼室１５
に排出される。一方、酸化剤は、酸化剤流路６を通り、
酸化剤分配器１６と酸化剤導入管１２を通じて燃料電池
素子１１の内側であるカソードに供給され、発電反応に
寄与した後、発電済み酸化剤５として燃焼室１５に排出
される。燃焼室１５において排燃料７に含まれる未利用
燃料と発電済み酸化剤5に含まれる未利用の酸化剤は燃
焼し、排ガスとして排出され、熱エネルギーとして利用
される。図１による従来の技術では、以上のような燃料
リサイクル機構を有することにより、未利用燃料の発電
への再利用を行い、発電効率の高い燃料電池システムを
実現している。
【０００６】また、燃料として都市ガスなどの炭化水素
を主とするガスを利用する場合、燃料に水蒸気を混合
し、触媒存在下で反応させて、燃料を水素と一酸化炭素
が主成分のガスに転換する水蒸気改質が用いられる。図
１においては、発電済み燃料４には燃料電池の発電反応
で生成される水蒸気が多く含まれ、混合燃料流路２に改
質器２３を設置することにより、水蒸気改質に必要な水
蒸気の供給をリサイクルにより補うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１に
示す従来の技術では、燃料のリサイクル量を調節する機
構を有していないために、改質器や配管内などにおいて
圧力損失が経時的に変化し、エゼクターによるリサイク
ル量に変化が出た場合にリサイクルの量を制御する手段
がなかった。また、燃料電池の出力を変化させる場合
に、新しく供給する燃料とリサイクル燃料の混合比が変
化し、燃料電池システムの安定的な運転が困難であっ
た。特に、新しく供給される燃料中に含まれる炭素分の
リサイクル燃料に含まれる水蒸気に対する比が小さくな
った場合、改質器あるいは配管中に炭素が析出し、運転
が不安定になるといった問題があった。本発明は、この
ような従来技術の問題点に鑑み、燃料のリサイクル量を
調節する手段を有することにより、炭素析出のおこらな
いない安定した運転が可能な燃料電池システムを提供す
ることを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記のような従来システ
ムの問題点を解決するために、第１の発明では、 電解
質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池素子
を複数接続した燃料電池モジュールと、前記燃料電池モ
ジュールに酸化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電
池モジュールに燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路
に設けられ前記燃料電池モジュールの発電部から排出さ
れる発電済み燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し
前記燃料と混合して前記燃料電池モジュールに混合燃料
を供給するエゼクターと、該エゼクターに前記リサイク
ル燃料を供給するリサイクル燃料流路と、前記エゼクタ
ーから前記燃料電池モジュールに前記混合燃料を供給す
る混合燃料流路と、を有する燃料電池システムであっ
て、前記混合燃料流路に設置された流量あるいは圧力の
自動調節弁と、前記エゼクターに供給される前記燃料の
流量を検知する燃料流量検知手段と、前記混合燃料の流
量を検知する混合燃料流量検知手段と、前記燃料流量検
知手段と前記混合燃料流量検知手段により検知された流
量を基に、前記リサイクル燃料の流量を演算し、その結
果を用いて前記自動調節弁を制御するコントローラと、
を有する燃料電池システムを提供する。リサイクル燃料
は、未利用の燃料と発電で生成する水蒸気とを含んでい
るが、リサイクル燃料の量が少ない場合、発電効率が低
下するとともに、燃料が炭素を含む化合物の場合、炭素
析出が起こり安定したシステムの運転が困難である。本
発明によれば、エゼクターに供給される新しい燃料と、
混合燃料の流量を検知し、リサイクル燃料の流量を演算
することが可能である。また、その演算結果を用いて、
混合燃料流路の流量あるいは圧力を調節することによ
り、間接的にリサイクル燃料の流量を調節することが可
能となる。これは、エゼクターに供給される新しい燃料
がシステムの運転条件から流量が決定されるものであ
り、リサイクル燃料と新しい燃料との合計である混合燃
料の流量あるいは圧力を調節することにより、リサイク
ル燃料の流量を調節することが可能となるためである。
特に、コントローラーを持つことにより、エゼクターの
混合燃料の排出口からエゼクターのリサイクル燃料の供
給口までの間における機器や配管における経時的な圧力
損失変化に伴うリサイクル燃料の流量の変化、あるい
は、燃料電池の出力変化操作に対応して生ずる新しい燃
料の流量変化と圧力損失変化に伴うリサイクル燃料の流
量の変化に対しても自動的に混合燃料流路の自動調節弁
をコントロールし、炭素の析出を抑制し、燃料電池シス
テムの安定な運転が可能となる。
【０００９】また、第２の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路に設置された流量あるいは圧力の自動調節弁と、
前記エゼクターに供給される前記燃料の圧力を検知する
燃料圧力検知手段と、前記混合燃料の圧力と前記リサイ
クル燃料との圧力差の検知手段と、前記燃料圧力検出手
段および圧力差検出手段により検知された圧力および圧
力差を基に、前記リサイクル燃料の流量を演算し、その
結果を用いて前記自動調節弁を制御するコントローラ
と、を有する燃料電池システムを提供する。本発明によ
れば、圧力および圧力差の検知手段と、その結果より混
合ガス燃料流量を計算し自動調節弁を制御するコントロ
ーラーを持つことにより、前記第１の発明と同様にリサ
イクル燃料の流量を調節することが可能となり、炭素の
析出を抑制し、燃料電池システムの安定な運転が可能と
なる。ここで、前記圧力および圧力差を検知することに
より、リサイクル燃料の流量を計算できるのはエゼクタ
ーの特性によるものである。すなはち、エゼクターに供
給される燃料の流量はエゼクター内部のノズル寸法およ
び圧力により決まり、また、混合ガスとリサイクルガス
の流量比が圧力差により決まるため、リサイクルガスの
流量を計算できる。
【００１０】また、第３の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路と前記リサイクル燃料流路とを接続する流路に設
置された流量あるいは圧力の自動調節弁と、前記エゼク
ターに供給される燃料の流量を検知する燃料流量検知手
段と、前記混合燃料の流量を検知する混合燃料流量検知
手段と、前記２つの流量検知手段により検知された流量
を基に、前記リサイクル燃料の流量を演算し、その結果
を用いて前記自動調節弁を制御するコントローラと、を
有する燃料電池システムを提供する。本発明によれば、
リサイクル燃料の流量の調節手段を、混合燃料の流路と
前記リサイクル燃料流路とを接続する流路の途中に設置
された流量あるいは圧力の自動調節弁とし、また、流量
の検出手段とコントローラーを用いて前記自動調節弁を
制御することにより、前記第１の発明と同様にリサイク
ル燃料の流量を調節することが可能となり、炭素の析出
を抑制し、燃料電池システムの安定な運転が可能とな
る。
【００１１】また、第４の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路に設置された流量あるいは圧力の自動調節弁と、
前記エゼクターに供給される前記燃料の圧力を検知する
燃料圧力検知手段と、前記混合燃料の圧力と前記リサイ
クル燃料との圧力差の検知手段と、前記燃料圧力検出手
段および圧力差検出手段により検知された圧力および圧
力差を基に、前記リサイクル燃料の流量を演算し、その
結果を用いて前記自動調節弁を制御するコントローラ
と、を有する燃料電池システムを提供する。本発明によ
れば、リサイクル燃料の流量の調節手段を、混合燃料の
流路と前記リサイクル燃料流路とを接続する流路の途中
に設置された流量あるいは圧力の自動調節弁とし、ま
た、圧力および圧力差の検出手段とコントローラーを用
いて前記自動調節弁を制御することにより、前記第１の
発明と同様にリサイクル燃料の流量を調節することが可
能となり、炭素の析出を抑制し、燃料電池システムの安
定な運転が可能となる。
【００１２】また、第５の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、燃料電池の発電出力を制御する出力コントローラ
ーと、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路が分岐され、かつ、分岐されたそれぞれの流路に
設置されたオリフィスと自動弁との組み合わせを有し、
設定発電出力に応じた前記出力コントローラーからの信
号により、前記自動弁の開閉が、少なくとも一つの自動
弁が開となる状態で、切り替えられる燃料電池システム
を提供する。本発明によれば、混合燃料の流路に径の異
なるオリフィスを設置し、自動弁の開閉により流路を切
り替えることが可能であり、混合燃料の流量を調節する
ことが可能である。すなわち、燃料のリサイクル量を切
り替えることが可能であり、燃料電池システムの運転出
力が段階的に調整されることが必要な場合にも、炭素の
析出を抑制し、燃料電池システムの安定な運転が可能と
なる。
【００１３】また、第６の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、燃料電池の発電出力を制御する出力コントローラ
ーと、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路と前記リサイクル燃料流路とを接続する流路が分
岐され、かつ、分岐されたそれぞれの流路に設置された
オリフィスと自動弁との組み合わせを有し、設定発電出
力に応じた前記出力コントローラーからの信号により、
前記自動弁の開閉が、少なくとも一つの自動弁が開とな
る状態で、切り替えられることを特徴とする燃料電池シ
ステムを提供する。本発明によれば、前記混合燃料流路
と前記リサイクル燃料流路とを接続する流路に、径の異
なるオリフィスを設置し、自動弁の開閉により流路を切
り替えることが可能であり、混合燃料の流量を調節する
ことが可能である。すなわち、燃料のリサイクル量を切
り替えることが可能であり、燃料電池システムの運転出
力が段階的に調整されることが必要な場合にも、炭素の
析出を抑制し、燃料電池システムの安定な運転が可能と
なる。
【００１４】また、第７の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、燃料電池の発電出力を制御する出力コントローラ
ーと、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路に、流量あるいは圧力の手動式調節弁が設置され
たことを特徴とする燃料電池システムを提供する。本発
明によれば、本システムの稼動前あるいは定期的な点検
時などに、システムに流量あるいは圧力を検知する手段
を一時的に設置し、その検知結果をもとに、あらかじめ
混合燃料の流路に設置した流量あるいは圧力の手動式調
節弁を調節することにより、運転条件の変更にも対応し
て、炭素の析出を抑制し、燃料電池システムの安定な運
転が可能となる。このシステムによれば、流量あるいは
圧力などの検出手段および自動調節弁などのコストダウ
ンを実現することができる。
【００１５】また、第８の発明では、電解質の両側にア
ノード及びカソードを備えた燃料電池素子を複数接続し
た燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに酸
化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池モジュール
に燃料を供給する燃料流路と、該燃料流路に設けられ前
記燃料電池モジュールの発電部から排出される発電済み
燃料の一部であるリサイクル燃料を吸引し前記燃料と混
合して前記燃料電池モジュールに混合燃料を供給するエ
ゼクターと、該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給
するリサイクル燃料流路と、前記エゼクターから前記燃
料電池モジュールに前記混合燃料を供給する混合燃料流
路と、燃料電池の発電出力を制御する出力コントローラ
ーと、を有する燃料電池システムであって、前記混合燃
料流路と前記リサイクル燃料流路とを接続する流路に、
流量あるいは圧力の手動式調節弁が設置されたことを特
徴とする燃料電池システム。を提供する。本発明によれ
ば、本システムの稼動前あるいは定期的な点検時など
に、システムに流量あるいは圧力を検知する手段を一時
的に設置し、その検知結果をもとに、あらかじめ混合燃
料の流路とリサイクル燃料流路とを接続する流路の途中
に設置した流量あるいは圧力の手動式調節弁を調節する
ことにより、運転条件の変更にも対応して、炭素の析出
を抑制し、燃料電池システムの安定な運転が可能とな
る。このシステムによれば、流量あるいは圧力などの検
出手段および自動調節弁などのコストダウンを実現する
ことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図２は本発明の第２の発明に
係る燃料のリサイクル量を調節することが可能な燃料電
池システムの一例である。図２における燃料電池システ
ムは、一端を封止した円筒型の燃料電池素子を用いたシ
ステムの例であり、図中の燃料電池素子１１はその縦断
面を示している。この円筒の外側面であるアノード側を
燃料が流れ、内側面であるカソード側を酸化剤が流れ
て、アノードとカソードに挟まれた電解質を介して燃料
と酸化剤は電気化学的に反応し発電する。図中では燃料
電池素子１１が簡略化のため単体で示されているが、実
際のシステムでは、複数の燃料電池素子１１を電気的に
接続した燃料電池モジュール１３として設置される。
【００１７】酸化剤は、酸化剤流路６を通り供給され、
酸化剤分配器１６と酸化剤導入管１２を通じて円筒型燃
料電池素子１１の内側であるカソードに供給され、発電
反応に寄与した後、発電済み酸化剤５として燃焼室１５
に排出される。一方、燃料は燃料流路１を通じてエゼク
ター２１の駆動側に導入され、吸引側より発電済み燃料
４の一部をリサイクル燃料流路３より吸引し、新しく供
給された燃料とリサイクル燃料とが混合される。混合燃
料は混合燃料流路２の途中に配置された改質器２３に導
入され改質された後、燃料電池素子１の外側であるアノ
ードに供給され、発電反応に寄与した後、発電済み燃料
４としてリサイクル室１４に排出される。発電済み燃料
４は、発電で消費されなかった一部の未利用の燃料と発
電反応により生成した水蒸気を含んでいる。発電済み燃
料４の一部はエゼクター２１により吸引されリサイクル
燃料流路３を通じて、再び新しく供給された燃料と混合
され発電に寄与する。発電済み燃料４のうちリサイクル
されない残りの分は排燃料７として燃焼室１５に排出さ
れ、前記発電済み酸化剤５と燃焼した上で排ガスとして
排出され、熱エネルギーとして利用される。
【００１８】ところで、前述の図１の従来の燃料電池シ
ステムでは、改質器２３や配管内などにおいて圧力損失
が経時的に変化し、エゼクター２１によるリサイクル量
に変化が出た場合、あるいは、燃料電池の発電出力を変
化させる場合に、新しく供給する燃料とリサイクル燃料
の混合比が変化し、特に、新しく供給される燃料中に含
まれる炭素分のリサイクル燃料に含まれる水蒸気に対す
る比が小さくなった場合、改質器２３あるいは配管中に
炭素が析出することがあり、運転が不安定になるといっ
た問題があった。図２に示す本発明においては、燃料の
リサイクル量を制御するために、エゼクタ−２１の駆動
側の圧力を測定し、また、エゼクターの吐出側と吸引側
の差圧を測定し、リサイクル量を推算する圧力検知手段
５２および検出された圧力により演算された燃料リサイ
クル量に基づく制御信号により調節弁５１をコントロー
ルするコントローラー６０を設置しており、調節弁５１
が混合燃料の流量あるいは圧力を調節することにより、
結果としてリサイクル燃料の流量を調節することが可能
となる。本システムでは、このようにリサイクル燃料の
流量の調節を自動で行うことが可能であり、改質器２３
や配管内などにおいて圧力損失が経時的に変化し、エゼ
クター２１によるリサイクル量に変化が出た場合、ある
いは、燃料電池の発電出力を変化させる場合に、新しく
供給する燃料とリサイクル燃料の混合比が変化し、特
に、新しく供給される燃料中に含まれる炭素分のリサイ
クル燃料に含まれる水蒸気に対する比が小さくなった場
合においても、リサイクル燃料の流量が自動的に調節さ
れることにより炭素析出を抑制し、安定した燃料電池シ
ステムの運転が可能となる。
【００１９】図３は本発明の第３の発明に係る燃料のリ
サイクル量を調節することが可能な燃料電池システムの
一例である。図３における燃料電池システムは、前述の
図２の実施例とはリサイクル量の調節手段および制御方
法が異なっている。すなはち、図３の実施例において
は、混合燃料流路からリサイクル燃料流路に燃料をもど
すバイパス流路に対して、流量を調節する調節弁５１を
設置することによりリサイクル燃料量の調節を可能と
し、また、リサイクル燃料量を制御するために、混合ガ
スの流量を検知し、同時に、エゼクター２１の駆動側に
新しく供給される燃料および混合燃料の流量を検知する
流量検知手段５３を設置し、検知された流量を用いて演
算されたリサイクル燃料流量に基づく制御信号により、
前記調節弁５１をコントロールするコントローラー６０
を設置しており、制御信号をうけた調節弁５１が混合燃
料の流量あるいは圧力を調節することにより、結果とし
てリサイクル燃料の流量を調節することが可能となる。
本システムでは、このようにリサイクル燃料の流量の調
節を自動で行うことが可能であり、改質器２３や配管内
などにおいて圧力損失が経時的に変化し、エゼクター２
１によるリサイクル量に変化が出た場合、あるいは、燃
料電池の発電出力を変化させる場合に、新しく供給する
燃料とリサイクル燃料の混合比が変化し、特に、新しく
供給される燃料中に含まれる炭素分のリサイクル燃料に
含まれる水蒸気に対する比が小さくなった場合において
も、リサイクル燃料の流量が自動的に調節されることに
より炭素析出を抑制し、安定した燃料電池システムの運
転が可能となる。また、図３においては、自動制御する
ために圧力検出器ユニット５２およびコントローラー６
０を備えているが、燃料電池の出力変動がなく、また、
圧力損失が経時的に徐々に進行し、その補正を定期的な
メンテナンスに行えば良い程度の場合、圧力検知手段５
２およびコントローラー６０を除いたシステムとするこ
とも可能である。また、図２および図３において、リサ
イクル燃料の流量の調節手段および制御のための検知手
段は組み合わせを変えて使うことも可能であり、本発明
の第１の発明においては、リサイクル燃料の流量調節手
段を混合燃料上に設置された調節弁とし、検知手段を流
量検知としている。また、本発明の第４の発明において
は、リサイクル燃料の流量調節手段を混合燃料の流路と
リサイクル燃料流路とを接続する流路の途中に設置され
た調節弁とし、制御のための検知手段を圧力検知として
いる。
【００２０】図４は、本発明の第５の発明に係る燃料の
リサイクル量を調節することが可能な燃料電池システム
の一例であり、リサイクル燃料量の調節を段階的に行う
ために、混合ガス流路２が途中で分岐され、オリフィス
３１と電磁弁３２を複数配置されている。複数のオリフ
ィス３１と電磁弁３２の組み合わせが配置されることに
より、リサイクル量の制御が段階的に可能となる。前記
図２、図３のシステムによれば、さまざまな運転条件の
変更、運転状況の変化に対応することが可能であるが、
流量あるいは圧力の検出手段および調節弁が必要とな
る。しかしながら、経時的なリサイクル燃料の流量変化
がほとんどなく、運転条件も限られた条件であり、リサ
イクル燃料の調節が段階的にのみ必要なシステムにおい
ては、図４に示すようなシステムの方がコスト的に有利
である。図５は、本発明の第６の発明に係る燃料のリサ
イクル量を調節ことが可能な燃料電池システムの一例で
あり、リサイクル燃料量の調節を段階的に行うために、
混合ガス流路２からリサイクル燃料流路３へと接続され
るバイパス流路６１が途中で分岐され、オリフィス３１
と電磁弁３２を複数配置されている。複数のオリフィス
３１と電磁弁３２の組み合わせが配置されることによ
り、リサイクル量の制御が段階的に可能となる。また、
図６および図７は、それぞれ、本発明の第７および第８
に係る燃料のリサイクル量を調節ことが可能な燃料電池
システムの一例であり、図２および図３における自動制
御に必要な検出手段およびコントローラーを排除し、ま
た、調節弁を手動調節弁とすることによりシステムのコ
ストダウンをが可能である。本システムは、システムの
稼動前あるいは定期的な点検時などに、システムに流量
あるいは圧力を検知する手段を一時的に設置し、その検
知結果をもとに、あらかじめ設置された調節弁を手動で
調節することにより、運転条件の変更にも対応して、炭
素の析出を抑制し、燃料電池システムの安定な運転が可
能となる。なお、図２から図５の実施例において、燃料
電池素子１１は円筒型であるが、本発明の効果は、燃料
電池素子の形状に依存せず、例えば、平板型の燃料電池
素子においても同様の効果が期待できる。
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の燃料電
池システムによれば、発電により消費されなかった未利
用燃料および発電により生成した水蒸気の一部をエゼク
ターによりリサイクルする燃料電池システムにおいて、
燃料リサイクル量を調節する手段および制御する手段を
有することにより、改質器、配管内において炭素析出が
起きず、安定した燃料電池システムの運転が可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の燃料リサイクル機構を有する燃料電池シ
ステムの一例
【図２】本発明の第２の発明に係る燃料のリサイクル量
を調節することが可能な燃料電池システムの一例
【図３】本発明の第３の発明に係る燃料のリサイクル量
を調節することが可能な燃料電池システムの一例
【図４】本発明の第５の発明に係る燃料のリサイクル量
を調節することが可能な燃料電池システムの一例
【図５】本発明の第６の発明に係る燃料のリサイクル量
を調節することが可能な燃料電池システムの一例
【図６】本発明の第７の発明に係る燃料のリサイクル量
を調節することが可能な燃料電池システムの一例
【図７】本発明の第８の発明に係る燃料のリサイクル量
を調節することが可能な燃料電池システムの一例
【符号の説明】
１：燃料流路 ２：混合燃料流路 ３：リサイクル燃料流路 ４：発電済み燃料 ５：発電済み酸化剤 ６：酸化剤流路 ７：排燃料 １１：燃料電池素子 １２：酸化剤導入管 １３：燃料電池モジュール １４：リサイクル室 １５：燃焼室 １６：酸化剤分配器 ２１：エゼクター ２３：改質器 ３１：オリフィス ３２：電磁弁 ５１：調節弁 ５２：圧力検知手段 ５３：流量検知手段 ６０：コントローラー ６１：バイパス流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松岡 聡 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 (72)発明者 阿部 俊哉 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１ 号 東陶機器株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA19 KK05 KK11 KK25 MM01 MM08 MM26

Claims (8)

    【その他】国等の委託研究の成果に係る出願(平成13年
    度新エネルギー・産業技術総合開発機構 燃料電池発電
    技術開発委託研究、産業活力再生特別措置法第30条の適
    用を受けるもの） 【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、 前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料流路と、 該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュールの発電部
    から排出される発電済み燃料の一部であるリサイクル燃
    料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モジュール
    に混合燃料を供給するエゼクターと、 該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給するリサイク
    ル燃料流路と、 前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前記混合
    燃料を供給する混合燃料流路と、を有する燃料電池シス
    テムであって、 前記混合燃料流路に設置された流量あるいは圧力の自動
    調節弁と、 前記エゼクターに供給される前記燃料の流量を検知する
    燃料流量検知手段と、 前記混合燃料の流量を検知する混合燃料流量検知手段
    と、 前記燃料流量検知手段と前記混合燃料流量検知手段によ
    り検知された流量を基に、前記リサイクル燃料の流量を
    演算し、その結果を用いて前記自動調節弁を制御するコ
    ントローラと、を有することを特徴とする燃料電池シス
    テム。
  2. 【請求項２】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、 前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料流路と、 該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュールの発電部
    から排出される発電済み燃料の一部であるリサイクル燃
    料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モジュール
    に混合燃料を供給するエゼクターと、 該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給するリサイク
    ル燃料流路と、 前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前記混合
    燃料を供給する混合燃料流路と、を有する燃料電池シス
    テムであって、前記混合燃料流路に設置された流量ある
    いは圧力の自動調節弁と、前記エゼクターに供給される
    前記燃料の圧力を検知する燃料圧力検知手段と、前記混
    合燃料の圧力と前記リサイクル燃料との圧力差の検知手
    段と、前記燃料圧力検出手段および圧力差検出手段によ
    り検知された圧力および圧力差を基に、前記リサイクル
    燃料の流量を演算し、その結果を用いて前記自動調節弁
    を制御するコントローラと、を有することを特徴とする
    燃料電池システム。
  3. 【請求項３】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、 前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料流路と、 該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュールの発電部
    から排出される発電済み燃料の一部であるリサイクル燃
    料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モジュール
    に混合燃料を供給するエゼクターと、 該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給するリサイク
    ル燃料流路と、 前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前記混合
    燃料を供給する混合燃料流路と、を有する燃料電池シス
    テムであって、 前記混合燃料流路と前記リサイクル燃料流路とを接続す
    る流路に設置された流量あるいは圧力の自動調節弁と、 前記エゼクターに供給される燃料の流量を検知する燃料
    流量検知手段と、前記混合燃料の流量を検知する混合燃
    料流量検知手段と、前記２つの流量検知手段により検知
    された流量を基に、前記リサイクル燃料の流量を演算
    し、その結果を用いて前記自動調節弁を制御するコント
    ローラと、を有することを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  4. 【請求項４】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、 前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料流路と、 該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュールの発電部
    から排出される発電済み燃料の一部であるリサイクル燃
    料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モジュール
    に混合燃料を供給するエゼクターと、 該エゼクターに前記リサイクル燃料を供給するリサイク
    ル燃料流路と、 前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前記混合
    燃料を供給する混合燃料流路と、を有する燃料電池シス
    テムであって、 前記混合燃料流路に設置された流量あるいは圧力の自動
    調節弁と、前記エゼクターに供給される前記燃料の圧力
    を検知する燃料圧力検知手段と、前記混合燃料の圧力と
    前記リサイクル燃料との圧力差の検知手段と、前記燃料
    圧力検出手段および圧力差検出手段により検知された圧
    力および圧力差を基に、前記リサイクル燃料の流量を演
    算し、その結果を用いて前記自動調節弁を制御するコン
    トローラと、を有することを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  5. 【請求項５】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、 前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料流路と、
    該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュールの発電部
    から排出される発電済み燃料の一部であるリサイクル燃
    料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モジュール
    に混合燃料を供給するエゼクターと、該エゼクターに前
    記リサイクル燃料を供給するリサイクル燃料流路と、前
    記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前記混合燃
    料を供給する混合燃料流路と、燃料電池の発電出力を制
    御する出力コントローラーと、を有する燃料電池システ
    ムであって、 前記混合燃料流路が分岐され、かつ、分岐されたそれぞ
    れの流路に設置されたオリフィスと自動弁との組み合わ
    せを有し、設定発電出力に応じた前記出力コントローラ
    ーからの信号により、前記自動弁の開閉が、少なくとも
    一つの自動弁が開となる状態で、切り替えられることを
    特徴とする燃料電池システム。
  6. 【請求項６】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料
    流路と、該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュール
    の発電部から排出される発電済み燃料の一部であるリサ
    イクル燃料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モ
    ジュールに混合燃料を供給するエゼクターと、該エゼク
    ターに前記リサイクル燃料を供給するリサイクル燃料流
    路と、前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前
    記混合燃料を供給する混合燃料流路と、燃料電池の発電
    出力を制御する出力コントローラーと、を有する燃料電
    池システムであって、 前記混合燃料流路と前記リサイクル燃料流路とを接続す
    る流路が分岐され、かつ、分岐されたそれぞれの流路に
    設置されたオリフィスと自動弁との組み合わせを有し、
    設定発電出力に応じた前記出力コントローラーからの信
    号により、前記自動弁の開閉が、少なくとも一つの自動
    弁が開となる状態で、切り替えられることを特徴とする
    燃料電池システム。
  7. 【請求項７】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料
    流路と、該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュール
    の発電部から排出される発電済み燃料の一部であるリサ
    イクル燃料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モ
    ジュールに混合燃料を供給するエゼクターと、該エゼク
    ターに前記リサイクル燃料を供給するリサイクル燃料流
    路と、前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前
    記混合燃料を供給する混合燃料流路と、燃料電池の発電
    出力を制御する出力コントローラーと、を有する燃料電
    池システムであって、前記混合燃料流路に、流量あるい
    は圧力の手動式調節弁が設置されたことを特徴とする燃
    料電池システム。
  8. 【請求項８】 電解質の両側にアノード及びカソードを
    備えた燃料電池素子を複数接続した燃料電池モジュール
    と、前記燃料電池モジュールに酸化剤を供給する酸化剤
    流路と、前記燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料
    流路と、該燃料流路に設けられ前記燃料電池モジュール
    の発電部から排出される発電済み燃料の一部であるリサ
    イクル燃料を吸引し前記燃料と混合して前記燃料電池モ
    ジュールに混合燃料を供給するエゼクターと、該エゼク
    ターに前記リサイクル燃料を供給するリサイクル燃料流
    路と、前記エゼクターから前記燃料電池モジュールに前
    記混合燃料を供給する混合燃料流路と、燃料電池の発電
    出力を制御する出力コントローラーと、を有する燃料電
    池システムであって、 前記混合燃料流路と前記リサイクル燃料流路とを接続す
    る流路に、流量あるいは圧力の手動式調節弁が設置され
    たことを特徴とする燃料電池システム。
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