JP2007128786A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】反応器から燃料電池に供給される水素含有ガスの組成に依らず、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、供給された原料から水素含有ガスを生成するための反応器２０と、反応器２０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を含む特定成分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燃料電池１２のアノード電極１６の燃料入口１６Ａに供給するためのガス戻しライン４０及び掃気ポンプ４２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料を化学反応させて得た水素含有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。

固定高分子電解質膜型燃料電池において、水素極から排出された水素含有ガスから水を分離し、該水を除去後の水素含有ガスを新規に系外から投入される水素含有ガスと共に水素極に供給すると共に、上記分離された水を水素含有ガスの加湿に用いる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３２５７８０号公報

しかしながら、上記の如き従来の技術では、水素極に循環されるガス（水が分離されたガス）の組成は、該水素極から排出されたガスの組成と同じであるため、例えば炭化水素原料を改質して得た水素含有ガスを燃料として燃料電池に供給する構成に適用した場合に、水素以外のガスの循環量が次第に増し、燃料電池での電極反応を低下させる原因となる。また、水素極に供給される水素以外のガス量を減らすために、水素極から排出された水素含有ガスの一部をパージする場合には、該水素含有ガス中の水素をも排出されてしまう。このため、従来の技術では、水素含有の改質ガスの使用が困難であり、系外から供給する水素含有ガスの成分に制約があった。

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水素含有ガスの組成に依らず、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。

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、供給された原料から水素含有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水素含有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、水素を含む特定成分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燃料電池のアノード電極の燃料入口に供給するためのガス戻し手段と、を備えている。

請求項１記載の燃料電池システムでは、反応器で原料を化学反応させて生成された水素含有ガスがアノード電極に供給された燃料電池は、この水素含有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を含む特定成分（水素のみでも良い）を含有する分離ガスと、残余のガスとに分離される。そして、分離ガスは、ガス戻し手段によって燃料電池のアノード電極の燃料入口に供給される。

ここで、ガス分離器がアノードオフガスの上記水素を含む特定成分を選択的に分離するため、水素濃度が高い分離ガスを、反応器から供給される水素含有ガスと共に燃料電池のアノード電極に供給（分離ガスについては循環）することができ、燃料電池の水素利用率が向上する。また、アノードオフガス中の水素以外の（発電反応に寄与しない）成分をアノード電極に戻すことがないため、反応器から新規に供給される水素含有ガスの成分に対する制約が少ない。

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水素含有ガスの組成に依らず、燃料電池の水素利用率が向上する。したがって、例えば、炭化水素原料の改質によって得られ水素以外に一酸化炭素水や二酸化炭素、窒素などを含む水素含有ガスを燃料電池に供給する構成とすることも可能である。

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、前記反応器は、炭化水素原料と水とを改質反応させて水素及び水素以外の可燃ガスを含む水素含有ガスを生成させるようになっており、かつ、前記ガス分離器は、前記アノードオフガスが含む可燃成分のうち水素の選択性が他の可燃ガスの選択性よりも高く構成されており、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２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（水蒸気）とが反応する改質反応が行われ、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）を含む水素含有ガスが生成される。この水素含有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。

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。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１又は請求項２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、前記ガス戻し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３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ガス戻し手段による分離ガスのアノード電極への戻し量を制御するため、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。

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、前記ガス戻し手段は、前記ガス分離器における前記分離ガスの出口部と前記燃料電池の燃料入口とを結ぶガス戻し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燃料電池の燃料入口に供給する。

請求項４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特定成分のガスが燃料電池（アノード電極）の燃料入口に確実に供給される。また、ガスポンプによる特定成分ガスの戻し量を制御する構成では、該制御が容易である。

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３の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス戻し手段は、前記反応器と前記燃料電池の燃料入口を結ぶ水素含有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燃料電池の燃料入口に供給する。

請求項５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特定成分のガスが反応器から燃料電池（アノード電極）への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。

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６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を効果的に分離して燃料電池のアノード電極に戻すことができる。

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、前記ガス分離器は、金属分離膜を含んで構成されている。

請求項７記載の燃料電池システムでは、ガス分離器が、例えばパラジウム等にて構成された金属分離膜を含むため、水素の選択性が極めて高い。このため、アノードオフガス中の水素を効果的に分離して燃料電池のアノード電極に戻すことができる。

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水素含有ガスの組成に依らず、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。

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。

燃料電池１２は、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、図示しない電解質を挟んで構成されており、主にアノード電極に供給される水素とカソード電極１８に供給される酸素とを電気化学反応させて発電を行う構成とされている。燃料電池１２としては、種々の形式のものを採用することができるが、この実施形態では、中温域（３００℃〜６００℃程度）で運転されると共に、発電に伴ってカソード電極１８で水が生成されるプロトン伝導型の電解質を有する燃料電池（例えば、固体高分子型や水素分離膜型の燃料電池）が採用されている。

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２０と、反応器２０が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部２２とを主要構成要素として構成されている。反応器２０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。

反応器２０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、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（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（Ｃ_ｘＨ_ｙ）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ_２ … （１）
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎ／２Ｏ_２ → ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ_２ … （２）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ_２ ⇔ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ … （４）
この改質反応の主反応である式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ反応器２０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２２は、この反応器２０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２２は、酸化触媒を内蔵して反応器２０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。

改質装置１４は、加熱部２２で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を隔壁部２４を介して反応器２０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２０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２０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２２の燃焼排ガスは排ガス出口２２Ｂから排出されるようになっている。

そして、燃料電池システム１０は、反応器２０に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ２６を備えており、原料ポンプ２６の吐出部は原料供給ライン２８を介して反応器２０の原料入口２０Ａ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によって、気相又は微粒化状態で反応器２０に供給されるようになっている。

また、反応器２０の改質ガス出口２０Ｂは、下流端がアノード電極１６の燃料入口１６Ａに接続された改質ガス供給ライン３０の上流端に接続されている。これにより、反応器２０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３０の中間部は、改質ガスを冷却するための熱交換器３２の高温ガス側流路とされている（熱交換器３２の高温ガス側流路が直列に配設されている）。

一方、アノード電極１６のオフガス出口１６Ｂには、アノードオフガスライン３４の上流端が接続されており、アノードオフガスライン３４の下流端にはアノードオフガス分離器３６のアノードオフガス入口３６Ａが接続されている。アノードオフガス分離器３６は、アノードオフガスの成分を分離するための分離膜３８を内蔵している。この実施形態では、分離膜３８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。

アノードオフガス分離器３６における分離膜３８によってアノードオフガス入口３６Ａとは隔てられた（分離側の）分離ガス出口３６Ｂには、下流端が改質ガス供給ライン３０における熱交換器３２の下流側に合流するガス戻しライン４０の上流端が接続されている。このガス戻しライン４０の中間部には、ガスポンプとしての掃気ポンプ４２が配設されている。掃気ポンプ４２は、作動してアノードオフガス分離器３６側のガスを改質ガス供給ライン３０に圧送して合流させるようになっている。

アノードオフガス分離器３６は、掃気ポンプ４２が作動することで生じる分離膜３８に対する分離ガス出口３６Ｂ側（低圧側）とアノードオフガス入口３６Ａ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４２は、アノードオフガス分離器３６と共に本発明におけるガス分離器を構成し、かつガス戻しライン４０と共にガス戻し手段を構成する。

一方、アノードオフガス分離器３６におけるアノードオフガス入口３６Ａに直接的に連通する（主流側の）残余ガス出口３６Ｃ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４４の上流端が接続されており、燃料ガス供給ライン４４の下流端は加熱部２２の燃料入口２２Ａに接続されている。

以上により、燃料電池システム１０では、掃気ポンプ４２の作動によって、アノードオフガス分離器３６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、燃料電池１２におけるアノード電極１６の燃料入口１６Ａに戻されると共に、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２２に供給されるようになっている。

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）、二酸化炭素（ＣＯ_２）とされる。したがって、加熱部２２では、残余ガス中の可燃成分である一酸化炭素、炭化水素が燃料として消費されるようになっている。この加熱部２２の排ガス出口２２Ｂ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４６が接続されている。

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４８を備えており、カソード用空気ポンプ４８の吐出部は、下流端がカソード電極１８の空気入口１８Ａに接続されたカソード用空気供給ライン５０の上流端が接続されている。

一方、カソード電極１８のオフガス出口１８Ｂには、水蒸気供給ライン５２の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン５２の下流端は、原料供給ライン２８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２０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５２は、その中間部が熱交換器３２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３２の高温側ガス流路（改質ガス供給ライン３０）を流通する改質ガスを冷却（カソードオフガスを予熱）する構成とされている。

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。

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４４に合流しており、加熱部２２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４４とは独立して加熱部２２に冷却オフガスを供給するように該加熱部２２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。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の燃料電池システム１０では、原料ポンプ２６、カソード用空気ポンプ４８の作動によって、原料供給ライン２８から改質装置１４の反応器２０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２０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。

反応器２０で生成された改質ガスは、熱交換器３２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燃料入口１６Ａ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。

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５２に押し出され、熱交換器３２にて改質ガスを冷却した後に原料供給ライン２８を経由して反応器２０に導入される。

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電極１６から排出されてアノードオフガス分離器３６に導入される。このアノードオフガス分離器３６では、掃気ポンプ４２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３８を透過して分離される。

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４２に吸引されてアノードオフガス分離器３６の分離ガス出口３６Ｂから排出され、該掃気ポンプ４２に圧送されて改質ガス供給ライン３０に合流し、燃料入口１６Ａからアノード電極１６に再度供給されて燃料電池１２による発電に供される。

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４４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２２に供給される。加熱部２２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２４を介して反応器２０に供給される。この熱によって反応器２０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。

ここで、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を、アノードオフガス分離器３６でアノードオフガスから分離して燃料電池１２のアノード電極１６に再度供給（循環）するため、燃料電池１２のアノード電極１６には、水素濃度が高い分離ガスを反応器２０で生成した改質ガスと共に供給することができ、該燃料電池１２の水素利用率が向上する。また、アノードオフガス中の発電反応に寄与しない成分をアノード電極１６に戻すことがないため、ガス循環を繰り返すのに伴ってアノード電極に供給されるガス中における発電反応に寄与しない成分の濃度が次第に増大していくことが防止される。

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３６を設けることによって、炭化水素原料を改質して得られる改質ガスのように、水素以外に一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、水蒸気を含むガスを燃料としてアノード電極に供給（１次供給）する構成において、アノードオフガス中の未利用水素をアノード電極１６に再供給して水素利用率を向上することが実現された。特に、燃料電池システム１０では、分離膜３８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３６の水素選択性が高く、水素利用率の向上に寄与する。

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２０から燃料電池１２のアノード電極１６に供給される改質ガスの組成に依らず、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アノード電極１６に循環することで、該分離ガスが有する熱量の有効利用も図られる。

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３６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２２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。

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４２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改質ガス供給ライン３０に確実に合流させることができる。

なお、第１の実施形態では、分離膜３８として多孔体分離膜を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、分離膜３８としてパラジウム等の金属分離膜を用いることもできる。このような金属分離膜では、アノードオフガス中の水素のみを選択的に分離するので、より高濃度の水素をアノード電極１６に循環することができる。例えば、固体高分子型燃料電池のように電解質の加湿が必要な燃料電池１２に対しては多孔体分離膜を、電解質の加湿が不要な燃料電池１２や固体電解質型燃料電池のように発電に伴ってアノード側で水が生成される燃料電池１２に対しては金属分離膜を、それぞれ適用（選択）することが可能である。

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。

（第２の実施形態）
図２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。この図に示される如く、燃料電池システム６０は、掃気ポンプ４２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。

エジェクタ６２は、改質ガス供給ライン３０とガス戻しライン４０との合流部に配設されており、改質ガスの流れ伴って生じる負圧によって、低圧の分離ガスをガス戻しライン４０から改質ガス供給ライン３０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３６における分離膜３８に対する分離ガス出口３６Ｂ側（分離側）がアノードオフガス入口３６Ａ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。

すなわち、エジェクタ６２は、掃気ポンプ４２と同様に、アノードオフガス分離器３６と共に本発明におけるガス分離器を構成し、かつガス戻しライン４０と共にガス戻し手段を構成する。

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。

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３０に確実に合流させることができる。

（第３の実施形態）
図３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。この図に示される如く、燃料電池システム７０は、掃気ポンプ４２を制御する制御装置としての水素循環量コントローラ７２を備える点で、第１の実施形態とは異なる。

水素循環量コントローラ７２は、掃気ポンプ４２に電気的に接続されると共に、反応器２０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。この水素循環量コントローラ７２は、温度センサ７４の出力信号に基づいて反応器２０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４２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２０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４２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。

以上説明した燃料電池システム７０では、反応器２０の温度が第１閾値以下である場合には、水素循環量コントローラ７２が掃気ポンプ４２の回転数を低下することでアノードオフガス中の水素のアノード電極１６への循環量が低減され、該低減分の水素を含む残余ガスが改質装置１４の加熱部２２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２０の温度が上昇する。これにより、反応器２０における改質反応が促進される。そして、反応器２０の温度が第２閾値以上になると、水素循環量コントローラ７２が掃気ポンプ４２の回転数を増大することでアノード電極１６への水素循環量が増す（復帰する）。

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のアノード電極１６への循環量を制御するため、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４２の回転数で水素循環量を制御するため、制御が容易である。

なお、第３の実施形態では、掃気ポンプ４２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４２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。

（第４の実施形態）
図４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。この図に示される如く、燃料電池システム８０は、水素循環量コントローラ８２によって弁開度が制御される調節弁８４がガス戻しライン４０に設けられている点で、第２の実施形態とは異なる。

水素循環量コントローラ８２は、調節弁８４に電気的に接続されると共に、反応器２０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３０における熱交換器３２の上流側に配設されている。

この水素循環量コントローラ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、本発明におけるガス戻し手段を構成すると共に、水素循環量コントローラ８２と共に本発明における制御装置をも構成する。

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、水素循環量コントローラ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のアノード電極１６への循環量が低減され、該低減分の水素を含む残余ガスが改質装置１４の加熱部２２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２２から反応器２０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、水素循環量コントローラ７２が調節弁８４の弁開度を大きくすることでアノード電極１６への水素循環量が増す（復帰する）。

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のアノード電極１６への循環量を制御するため、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循環量を制御する構成が実現された。

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。

また、第４の実施形態では、水素循環量コントローラ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、水素循環量コントローラ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。

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。 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。 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。 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

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１６ アノード電極
２０ 反応器
２２ 加熱部
３６ アノードオフガス分離器（ガス分離器）
３８ 分離膜（多孔体分離膜、金属分離膜）
４０ ガス戻しライン（ガス戻し手段）
４２ 掃気ポンプ（ガスポンプ、ガス戻し手段、ガス分離器）
４４ 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（ガス戻し手段、ガス分離器）
７２・８２ 水素循環量コントローラ（制御装置）
７４ 温度センサ（検出器）
８４ 調節弁（ガス戻し手段、制御装置）
８６ ガスセンサ（検出器）

Claims (7)

1. 供給された原料から水素含有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水素含有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、水素を含む特定成分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燃料電池のアノード電極の燃料入口に供給するためのガス戻し手段と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記反応器は、炭化水素原料と水とを改質反応させて水素及び水素以外の可燃ガスを含む水素含有ガスを生成させるようになっており、
   かつ、前記ガス分離器は、前記アノードオフガスが含む可燃成分のうち水素の選択性が他の可燃ガスの選択性よりも高く構成されており、
   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記載の燃料電池システム。
3. 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、前記ガス戻し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又は請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス戻し手段は、前記ガス分離器における前記分離ガスの出口部と前記燃料電池の燃料入口とを結ぶガス戻し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燃料電池の燃料入口に供給する請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス戻し手段は、前記反応器と前記燃料電池の燃料入口を結ぶ水素含有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燃料電池の燃料入口に供給する請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
6. 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５の何れか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記ガス分離器は、金属分離膜を含んで構成されている請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。

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