JP2017142935A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の使用率を高める。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料が供給される燃料極１４及び空気が供給される空気極１５を有し、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２の燃料極１４からのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路４１と、アノード排ガス流路４１に配設された背圧調整弁３６と、背圧調整弁３６の開度を制御する背圧制御部５８とを備える。燃料電池システム１によれば、背圧制御部５８によって背圧調整弁３６の開度が制御されることにより、例えば燃料電池２に滞留する燃料が最適な量となるように、燃料電池２のアノード出口側の圧力を調整することができる。その結果、燃料電池２に供給された燃料の一部が、未反応のまま燃料電池からアノード排ガスとして流出してしまうことを抑制することができ、燃料の使用率を高めることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料が供給されるアノード及び空気が供給されるカソードを有し、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給流路と、燃料電池に空気を供給する空気供給流路と、燃料電池のアノードからのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路と、燃料電池のカソードからのカソード排ガスが流れるカソード排ガス流路とを備えている。

特許第３６１４１１０号公報

燃料電池におけるスタック効率（すなわち、燃料電池に入れた燃料の量に対応する入力エネルギに対する発電量）は、燃料の使用率に比例する。よって、スタック効率を向上させるため、燃料の使用率を高めることが求められている。上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の反応面積に対して燃料の流量が適正であっても、反応ムラがあると、燃料電池セルにおいて十分に反応しない部分が生じる。これにより、燃料電池に供給された燃料の一部は、未反応のまま燃料電池から流出してしまい、十分に燃料が使用できていない。

本発明は、燃料の使用率を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料が供給されるアノード及び空気が供給されるカソードを有し、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池のアノードからのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路と、アノード排ガス流路に配設された背圧調整弁と、背圧調整弁の開度を制御する背圧制御部とを備える。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池のアノードからのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路に背圧調整弁が配設されており、背圧制御部によって背圧調整弁の開度が制御される。これにより、例えば燃料電池に滞留する燃料が最適な量となるように、燃料電池のアノード出口側の圧力を調整することができる。その結果、燃料電池に供給された燃料の一部が、未反応のまま燃料電池からアノード排ガスとして流出してしまうことを抑制することができ、燃料の使用率を高めることができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、アノード排ガス流路に配設され、燃料電池に供給される燃料又は空気とアノード排ガスとの間で熱交換をする熱交換器を備え、背圧調整弁は、アノード排ガス流路において、熱交換器よりも下流側に配設されていてもよい。この場合、アノード排ガス流路に流れるアノード排ガスは、熱交換器によって、燃料電池に供給される燃料又は空気と熱交換されることにより、温度が下がる。背圧調整弁は、アノード排ガス流路における熱交換器の下流側に位置するため、このように温度が下がったアノード排ガスが背圧調整弁を通ることとなる。これにより、背圧調整弁に対する温度負荷を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池に空気を供給する空気供給流路と、空気供給流路に配設され、空気を予熱する空気予熱器とを備え、熱交換器は、空気予熱器によって構成されていてもよい。一般に、燃料予熱器と空気予熱器とでは、燃料予熱器よりも空気予熱器の方がアノード排ガスとの温度差が大きい。このようなアノード排ガスとの温度差が大きい空気予熱器によって、アノード排ガス流路に配設された熱交換器が構成されていることにより、アノード排ガスと燃料電池に供給される空気とが熱交換されやすく、アノード排ガスの温度を適切に下げることができる。そして、背圧調整弁は、アノード排ガス流路における空気予熱器の下流側に位置するため、このように適切に温度が下がったアノード排ガスが背圧調整弁を通ることとなる。よって、背圧調整弁に対する温度負荷をより容易に抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、アノード排ガス流路における背圧調整弁の位置でのアノード排ガスの温度を取得し、取得したアノード排ガスの温度が１００℃以上となるように制御する温度制御部とを備えてもよい。この場合、背圧調整弁の位置でのアノード排ガスの温度が１００℃以上となることにより、アノード排ガス中に含まれる水蒸気が凝集してアノード排ガス流路において水として付着することを防ぐことができる。

本発明によれば、燃料の使用率を高めることができる燃料電池システムが提供される。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１に示された燃料電池の外観を示す概略斜視図である。 図２のＡ２−Ａ２線断面図及びＢ２−Ｂ２線断面図である。 図１に示されたコントローラの機能を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図１において、燃料電池システム１は、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料である水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。

図２は、燃料電池２の外観を示す斜視図である。図２において、燃料電池２は、スタック３と、このスタック３を上下方向に挟むように配置されたエンドプレート４Ａ，４Ｂとを備えている。スタック３とエンドプレート４Ａ，４Ｂとの間には、絶縁プレート５が配置されている。スタック３、エンドプレート４Ａ，４Ｂ及び絶縁プレート５は、平面視正方形状を呈している。スタック３とエンドプレート４Ａ，４Ｂとは、４つのボルト６により固定されている。

上側のエンドプレート４Ａには、スタック３内に燃料を導入するための燃料導入管７と、スタック３内から燃料を導出するための燃料導出管８と、スタック３内に空気を導入するための空気導入管９と、スタック３内から空気を導出するための空気導出管１０とが取り付けられている。燃料導入管７及び燃料導出管８は、エンドプレート４Ａにおける一方の対向する２つの縁部近傍の中央部に取り付けられている。空気導入管９及び空気導出管１０は、エンドプレート４Ａにおける他方の対向する２つの縁部近傍の中央部に取り付けられている。

図３の（ａ）は、図２のＡ２−Ａ２線断面図であり、図３の（ｂ）は、図２のＢ２−Ｂ２線断面図である。なお、図３の（ａ）及び図３の（ｂ）では、エンドプレート４Ａ，４Ｂ及び絶縁プレート５は省略している。

図３において、スタック３は、セル本体１１とインターコネクタ１２とが複数ずつ交互に積層された構造を有している。スタック３の最上層及び最下層は、インターコネクタ１２である。

セル本体１１は、電解質１３と、この電解質１３の上面側に配置された燃料極１４（アノード）と、電解質１３の下面側に配置された空気極１５（カソード）とを有している。セル本体１１は、水素と酸素とを発電反応させる。

インターコネクタ１２は、セル本体１１を燃料極１４側及び空気極１５側から挟むように配置されている。インターコネクタ１２は、耐熱ステンレス鋼等の金属材料から構成されている。インターコネクタ１２は、燃料を導入する燃料導入流路１６と、燃料を導出する燃料導出流路１７と、空気を導入する空気導入流路１８と、空気を導出する空気導出流路１９とを有している。

また、インターコネクタ１２は、燃料極１４と対向する燃料流路形成部２０と、空気極１５と対向する空気流路形成部２１とを有している。燃料流路形成部２０は、燃料極１４に供給される燃料が流れる燃料流路２２を形成する。空気流路形成部２１は、空気極１５に供給される空気が流れる空気流路２３を形成する。燃料流路形成部２０及び空気流路形成部２１は、例えば複数の柱状または壁状の突起が設けられた構造を有している。燃料流路２２は、燃料導入流路１６及び燃料導出流路１７と連通している。空気流路２３は、空気導入流路１８及び空気導出流路１９と連通している。

インターコネクタ１２の燃料導入流路１６に導入された燃料が燃料流路２２を通ってセル本体１１の燃料極１４に供給されると共に、インターコネクタ１２の空気導入流路１８に導入された空気が空気流路２３を通ってセル本体１１の空気極１５に供給されることで、セル本体１１において発電反応が起こる。このとき、未反応の燃料がインターコネクタ１２の燃料導出流路１７を通ってアノード排ガスとして排出されると共に、未反応の空気がインターコネクタ１２の空気導出流路１９を通ってカソード排ガスとして排出される。

積層方向に隣り合う２つのインターコネクタ１２間におけるセル本体１１の周囲には、環状のシール部材２４がセル本体１１を取り囲むように配置されている。シール部材２４は、燃料と空気とが混合しないように隣り合う２つのインターコネクタ１２間においてセル本体１１をシールすると共に、隣り合う２つのインターコネクタ１２同士を電気的に絶縁する部材である。シール部材２４は、ガラスまたはマイカ等から構成されている。シール部材２４は、燃料導入流路１６及び燃料導出流路１７と連通する燃料通路２４ａと、空気導入流路１８及び空気導出流路１９と連通する空気通路２４ｂとを有している。

図１に戻り、燃料電池２で発生した電力は、インバータ（不図示）により電力変換されて、リチウムイオン電池等の蓄電デバイス２６に蓄えられる。なお、燃料電池２で発生した電力は、蓄電デバイス２６の他、例えばモータ等の種々の負荷に蓄えられてもよい。燃料電池２における未反応の燃料は、アノード排ガスとして燃料電池２の燃料極１４から排出される。燃料電池２における未反応の空気は、カソード排ガスとして燃料電池２の空気極１５から排出される。アノード排ガスとカソード排ガスとは、排ガス（オフガス）として混合された状態で燃焼器２５に送られ、燃焼器２５において燃焼される。燃焼器２５は、排ガス中に残存する水素及びアンモニアを燃焼し、触媒で分解して除外する。燃焼器２５により排ガスが燃焼されると、排ガスの温度が上昇する。

燃料電池システム１は、燃料電池２に燃料を供給する燃料供給流路２７と、燃料電池２に空気を供給する空気供給流路２８とを備えている。

燃料供給流路２７には、燃料タンク３０と、ポンプ３１と、改質器３２と、燃料予熱器３３とが配設されている。燃料供給流路２７は、燃料タンク３０と燃料電池２との間を連結する流路である。

燃料タンク３０は、アンモニアを液体状態で貯蔵する。燃料タンク３０は、例えば常温（約２０〜２５℃程度）且つ数気圧（約８〜１０気圧程度）でアンモニアを貯蔵する。ポンプ３１は、燃料タンク３０に貯蔵された液体状態のアンモニア（以下、液体アンモニア）を改質器３２に向けて送り出す。改質器３２は、例えばＡＴＲ（Auto Thermal Reforming）型の改質器である。改質器３２は、空気を導入してアンモニア（ＮＨ_３）を改質することで、水素を含有する燃料を生成する。燃料予熱器３３は、改質器３２からの燃料の温度を上昇させる昇温器である。燃料予熱器３３は、例えば燃焼器２５により燃焼された排ガスと改質器３２からの燃料との間で熱交換を行うことにより、改質器３２からの燃料の温度を上昇させる。すなわち、燃料予熱器３３は、燃料電池２に供給される燃料と燃焼器２５により燃焼された排ガスとの間で熱交換をする熱交換器である。

燃料予熱器３３は、例えば、その内部に、改質器３２からの燃料を流通させる燃料流通路と、燃焼器２５からの排ガスを流通させる排ガス流通路とを有している。燃料流通路と排ガス流通路とは、互いに接触するように配置されている。これにより、排ガス流通路を流れる排ガスの排熱が燃料流通路内を流れる燃料へと伝わり、燃料が温められる。この熱交換によって、排ガスは、燃料予熱器３３への流入前よりも温度が下げられた状態で燃料予熱器３３から流出する。

空気供給流路２８には、コンプレッサ３４と、空気予熱器３５とが配設されている。空気供給流路２８は、コンプレッサ３４と燃料電池２との間を連結する流路である。

コンプレッサ３４は、空気を取り込んで空気予熱器３５へ圧送する。空気予熱器３５（熱交換器）は、コンプレッサ３４により圧送された空気の温度を上昇させる昇温器である。空気予熱器３５は、例えば、燃料電池２からのアノード排ガスとコンプレッサ３４からの空気との間で熱交換を行うことにより、コンプレッサ３４からの空気の温度を上昇させる。すなわち、空気予熱器３５は、燃料電池２に供給される空気とアノード排ガスとの間で熱交換をする熱交換器である。

空気予熱器３５は、例えば、その内部に、コンプレッサ３４からの空気を流通させる空気流通路と、アノード排ガスを流通させるアノード排ガス流通路とを有している。空気流通路とアノード排ガス流通路とは、互いに接触するように配置されている。これにより、アノード排ガス流通路を流れるアノード排ガスの排熱が空気流通路内を流れる空気へと伝わり、空気が温められる。この熱交換によって、アノード排ガスは、空気予熱器３５への流入前よりも温度が下げられた状態で空気予熱器３５から流出する。空気予熱器３５から流出するアノード排ガスの温度の好ましい温度領域は、例えば１００℃以上である。

また、燃料電池システム１は、温度センサ３７，３８，３９と、電流センサ５０と、電圧センサ５１とを備えている。

温度センサ３７は、燃料供給流路２７における燃料予熱器３３と燃料電池２との間に配設されている。温度センサ３７は、燃料予熱器３３から流出して燃料電池２に流入してくる燃料電池２の入口付近の燃料の温度（以下、「アノード入口側温度」ともいう）を検出する。温度センサ３８は、空気供給流路２８における空気予熱器３５と燃料電池２との間に配設されている。温度センサ３８は、空気予熱器３５から流出して燃料電池２に流入してくる燃料電池２の入口付近の空気の温度（以下、「カソード入口側温度」ともいう）を検出する。温度センサ３９は、燃料電池２に設けられ、例えば燃料電池２における未反応の燃料が排出される出口付近の温度を検出する。

電流センサ５０は、燃料電池２から出力される電流を検出する。電圧センサ５１は、燃料電池２から出力される電圧を検出する。

さらに、燃料電池システム１は、燃料電池２の燃料極１４からのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路４１と、燃料電池２からのカソード排ガスが流れるカソード排ガス流路４２と、アノード排ガスとカソード排ガスとの混合ガスが排ガス（オフガス）として流れる合流排ガス流路４３と、燃焼器２５からの排ガスが流れる燃焼排ガス流路４４と、アノード排ガス流路４１に配設された背圧調整弁３６と、背圧調整弁３６の開度を制御するコントローラ５２とを備えている。

アノード排ガス流路４１は、燃料電池２のアノード出口側からアノード排ガスとカソード排ガスとの合流点４３ａまでの間の流路である。アノード排ガス流路４１は、空気予熱器３５を通っている。すなわち、空気予熱器３５は、空気供給流路２８に配設されていると共に、アノード排ガス流路４１にも配設されている。これにより、アノード排ガス流路４１を流れるアノード排ガスと空気予熱器３５を流れる空気との間で熱交換が行われる。

背圧調整弁３６は、アノード排ガス流路４１において、空気予熱器３５よりも下流側に配設されている。アノード排ガス流路４１における上流側及び下流側とは、燃料電池２からのアノード排ガスが空気予熱器３５へ供給される供給方向での上流側及び下流側をいう。

カソード排ガス流路４２は、燃料電池２のカソード出口側からアノード排ガスとカソード排ガスとの合流点４３ａまでの間の流路である。合流排ガス流路４３は、合流点４３ａから燃焼器２５までの間の流路である。

燃焼排ガス流路４４は、燃焼器２５からの排ガスが大気開放されるまでの流路である。燃焼排ガス流路４４は、燃料予熱器３３を通っている。すなわち、燃料予熱器３３は、燃料供給流路２７に配設されていると共に、燃焼排ガス流路４４にも配設されている。これにより、燃焼排ガス流路４４を流れる排ガスと燃料予熱器３３を流れる燃料との間で熱交換が行われる。

背圧調整弁３６は、コントローラ５２によってその開度が制御されることにより、例えば燃料電池２に滞留する燃料が最適な量となるように、燃料電池２のアノード出口側の圧力を調整する。最適な量とは、燃料電池２に供給された燃料の使用率が十分に高い量である。燃料の使用率とは、燃料電池２に供給される燃料の量に対する燃料電池２において反応する燃料の量である。燃料電池２に供給される燃料の量は、燃料電池２の稼働状態及び蓄電デバイス２６の情報等に基づき決定され、例えば、燃料電池２で所望の電力値を発生可能な量となっている。しかし、このような所望の電力値を発生可能な量の燃料が燃料電池２に供給された場合であっても、反応ムラがあると燃料電池２のセル本体１１において十分に反応しない部分が生じる。これにより、燃料電池２に供給された燃料の一部が、未反応のまま燃料電池２からアノード排ガスとして流出してしまうと、所望の電力値を発生することができない場合や、所望の電力値を発生させるためにより多くの燃料を供給しなければならない場合が生じ得る。

そこで、背圧調整弁３６は、燃料電池２のアノード出口側の圧力を調整することにより、例えば燃料電池２に燃料が滞留する時間を長くする。これにより、燃料電池２に供給された燃料が燃料電池２において反応する時間を増やすことができ、燃料電池２に供給された燃料の一部が、未反応のまま燃料電池２からアノード排ガスとして流出してしまうことを抑制する。すなわち、燃料電池２に供給される燃料のうち、未反応のまま燃料電池２から流出してしまう燃料を減らし、且つ、燃料電池２において反応する燃料の量を増やすことで、燃料の使用率を十分に高める。燃料の使用率が十分に高いとは、例えば、燃料電池２において反応する燃料の量が燃料電池２で所望の電力値を発生可能な量であることをいう。また、燃料の使用率が十分に高いとは、例えば燃料の使用率が７０〜９５％程度であることであってもよい。

背圧調整弁３６は、外部の設定圧力に応じて開度が調整可能な機械式弁であって、例えばバタフライ弁、及びニードル弁等である。背圧調整弁３６は、例えば、アノード排ガス流路４１に連通されている管状部材と、該管状部材に設けられ、回転又は回動可能な閉鎖部材とを備えている。背圧調整弁３６は、閉鎖部材を回転又は回動することにより、その開度を閉塞状態と開放状態との間で変化させる。背圧調整弁３６の開度が閉塞状態のときには、流体は背圧調整弁３６を通過できない。背圧調整弁３６の開度が開放状態のときには、流体は背圧調整弁３６を通過可能であり、背圧調整弁３６の開度が大きくなり全開状態に近づくほど、背圧調整弁３６を通過可能な流体の量が増える。

コントローラ５２は、温度センサ３９の検出値と蓄電デバイス２６の情報とに基づいて所定の処理を行い、背圧調整弁３６の開度を制御する。また、コントローラ５２は、温度センサ３７，３８，３９の検出値に基づいて、アノード排ガス流路４１における背圧調整弁３６の位置でのアノード排ガスの温度を推定して取得し、取得したアノード排ガスの温度が１００℃以上となるように制御する。

以下、図４を参照して、コントローラ５２の機能について詳細に説明する。図４は、コントローラ５２の機能を示すブロック図である。

図４に示すように、コントローラ５２は、マップ記憶部５３と、流量決定部５４と、燃料供給制御部５５と、空気供給制御部５６と、出力検出部５７と、背圧制御部５８と、温度制御部５９とを備えている。

マップ記憶部５３は、流量マップ及び出力値マップ等を記憶している。流量マップは、燃料電池２の温度及び燃料電池２の要求出力値と燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量との関係を表すマップである。燃料電池２の要求出力値は、燃料電池２に要求される出力値（電力値）であり、蓄電デバイス２６の蓄電量に応じて決まる。具体的には、蓄電デバイス２６の蓄電量が少なくなるほど、燃料電池２の要求出力値が大きくなる。なお、燃料電池２の要求出力値は、使用中のモータ等の負荷から求めてもよい。

燃料電池２の出力値は、温度依存性を有している。具体的には、燃料電池２に供給される燃料の流量及び空気の流量が一定である場合には、燃料電池２の温度が高くなるほど燃料電池２の出力値が大きくなる。そこで、流量マップは、燃料電池２の要求出力値が一定である場合は、燃料電池２の温度が低いほど燃料及び空気の流量が多くなるように設定され、燃料電池２の温度が一定である場合は、燃料電池２の要求出力値が大きくなるほど燃料及び空気の流量が多くなるように設定されている。

出力値マップは、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量と燃料電池２の出力値との関係を表すマップである。燃料電池２の出力値は、燃料電池２で発生した電力値であり、燃料電池２で発生した電流値及び電圧値の積で表される。出力値マップは、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量が多くなるほど燃料電池２の出力値が大きくなるように設定されている。

流量決定部５４は、温度センサ３９により検出された燃料電池２の温度と燃料電池２の要求出力値とに基づいて、燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量指令値を決定する。具体的には、流量決定部５４は、マップ記憶部５３に記憶された流量マップを用いて、燃料電池２の温度及び燃料電池２の要求出力値に対応する燃料及び空気の流量をそれぞれ燃料及び空気の流量指令値とする。

燃料供給制御部５５は、流量決定部５４により決定された燃料の流量指令値に応じて燃料電池２に燃料を供給するように、ポンプ３１を制御する。具体的には、燃料供給制御部５５は、燃料の流量指令値に応じた制御信号をポンプ３１に送出することで、ポンプ３１の回転数を制御する。これにより、当該流量指令値に相当する流量の燃料が燃料電池２に供給されることとなる。

空気供給制御部５６は、流量決定部５４により決定された空気の流量指令値に応じて燃料電池２に空気を供給するようにコンプレッサ３４を制御する。具体的には、空気供給制御部５６は、空気の流量指令値に応じた制御信号をコンプレッサ３４に送出することで、コンプレッサ３４の回転数を制御する。これにより、当該流量指令値に相当する流量の空気が燃料電池２に供給されることとなる。

出力検出部５７は、電流センサ５０により検出された電流値と電圧センサ５１により検出された電圧値とに基づいて、燃料電池２の実出力値（実際の出力値）を検出する。具体的には、出力検出部５７は、電流センサ５０により検出された電流値と電圧センサ５１により検出された電圧値とを積算することにより、燃料電池２で発生する電力値を燃料電池２の実出力値として検出する。

背圧制御部５８は、出力検出部５７により検出された燃料電池２の実出力値と、出力値マップにおける燃料の流量指令値及び空気の流量指令値に対応する燃料電池２の出力値とを比較して、その結果に応じて燃料電池２に滞留する燃料が最適な量となるように、背圧調整弁３６の開度を制御する。例えば、燃料電池２の実出力値が、出力値マップにおける燃料の流量指令値及び空気の流量指令値に対応する燃料電池２の出力値よりも所定量以上小さい場合には、所望の電力値を発生可能な量の燃料を燃料電池２に供給しているにも関わらず、燃料が十分に反応していない結果、所望の電力値を発生できていないことを示している。このような場合、背圧制御部５８は、例えば背圧調整弁３６の開度を小さくして、背圧調整弁３６を通過可能なアノード排ガスの量を減らす。これにより、燃料電池２のアノード出口側の圧力が高くなり、燃料電池２に燃料が滞留する時間が長くなるため、燃料電池２における燃料の反応が十分に進むこととなり、未反応のまま燃料の一部が燃料電池２から流出してしまうことが抑制される。すなわち、燃料電池２に供給される燃料のうち、未反応のまま燃料電池２から流出してしまう燃料が減り、且つ、燃料電池２において反応する燃料の量が増えることで、燃料の使用率を高めることができる。その結果、燃料電池２の実出力値を上げ、出力値マップにおける燃料の流量指令値及び空気の流量指令値に対応する燃料電池２の出力値（すなわち所望の電力値）に近づけることができる。なお、所定量は、実験等により適宜設定される。

また、例えば、燃料電池２の実出力値と、出力値マップにおける燃料の流量指令値及び空気の流量指令値に対応する燃料電池２の出力値との差が所定量以下となった場合には、燃料が十分に反応した結果、所望の電力値を発生できていることを示している。すなわち、燃料の使用率が十分に高いことを示している。このような場合、背圧制御部５８は、例えば背圧調整弁３６の開度を大きくして、背圧調整弁３６を通過可能なアノード排ガスの量を増やしてもよい。また、例えば、背圧制御部５８は、アノード排ガスの温度が１００℃未満になる場合や、カソード（又はアノード）入口側温度が所定温度より高くなる場合（すなわちスタック温度が所定温度より高くなる場合）等に、背圧調整弁３６の開度を大きくしてもよい。背圧調整弁３６の開度を大きくすることで熱交換器（ここでは空気予熱器３５）内の圧力が下がり、熱交換量が減る結果、アノード排ガスの温度を上昇させることや、カソード（又はアノード）入口側温度（すなわちスタック温度）を低下させることができる。

温度制御部５９は、温度センサ３７により検出されたアノード入口側温度と、温度センサ３８により検出されたカソード入口側温度と、及び温度センサ３９により検出された燃料電池２の温度とに基づいて、アノード排ガス流路４１における背圧調整弁３６の位置でのアノード排ガスの温度を推定して取得する。そして、温度制御部５９は、取得したアノード排ガスの温度が１００℃以上となるように制御する。具体的には、温度制御部５９は、取得したアノード排ガスの温度が１００℃以上となるように、ポンプ３１及びコンプレッサ３４の回転数を制御して燃料電池２に供給される燃料及び空気の流量を制御する。アノード排ガスは、空気予熱器３５によって燃料電池２に供給される空気との間での熱交換によって温度が下げられた状態で背圧調整弁３６に流入するが、温度制御部５９によるこのような制御によって、１００℃以上に保たれた状態でアノード排ガスが背圧調整弁３６に流入する。

以上のような燃料電池システム１においては、燃料電池２の燃料極１４からのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路４１に背圧調整弁３６が配設されており、背圧制御部５８によって背圧調整弁３６の開度が制御される。これにより、例えば燃料電池２に滞留する燃料が最適な量となるように、燃料電池２のアノード出口側の圧力を調整することができる。その結果、燃料電池２に供給された燃料の一部が、未反応のまま燃料電池２からアノード排ガスとして流出してしまうことを抑制することができ、燃料の使用率を高めることができる。

また、アノード排ガス流路４１に流れるアノード排ガスは、熱交換器である空気予熱器３５によって、燃料電池２に供給される空気と熱交換されることにより、温度が下がる。背圧調整弁３６は、アノード排ガス流路４１における空気予熱器３５の下流側に位置するため、このように温度が下がったアノード排ガスが背圧調整弁３６を通ることとなる。これにより、背圧調整弁３６に対する温度負荷を抑制することができる。

一般に、燃料予熱器３３と空気予熱器３５とでは、燃料予熱器３３よりも空気予熱器３５の方がアノード排ガスとの温度差が大きい。このようなアノード排ガスとの温度差が大きい空気予熱器３５によって、アノード排ガス流路４１に配設された熱交換器が構成されていることにより、アノード排ガスと燃料電池２に供給される空気とが熱交換されやすく、アノード排ガスの温度を適切に下げることができる。そして、背圧調整弁３６は、アノード排ガス流路４１における空気予熱器３５の下流側に位置するため、このように適切に温度が下がったアノード排ガスが背圧調整弁３６を通ることとなる。よって、背圧調整弁３６に対する温度負荷をより容易に抑制することができる。

また、燃料電池システム１によれば、温度制御部５９によって、背圧調整弁３６の位置でのアノード排ガスの温度が１００℃以上となることにより、アノード排ガス中に含まれる水蒸気が凝集してアノード排ガス流路４１において水として付着することを防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。

上記実施形態では、アノード排ガス流路４１に配設された熱交換器が空気予熱器３５によって構成されており、背圧調整弁３６がアノード排ガス流路４１における空気予熱器３５よりも下流側に配設されているとしたが、これに限られない。例えば、アノード排ガス流路に配設された熱交換器が空気予熱器３５ではなく燃料予熱器３３によって構成されていてもよく、背圧調整弁３６がアノード排ガス流路４１における燃料予熱器３３よりも下流側に配設されていてもよい。この場合、アノード排ガス流路４１に流れるアノード排ガスは、燃料予熱器３３によって、燃料電池２に供給される燃料と熱交換されることにより、温度が下がる。背圧調整弁３６は、アノード排ガス流路４１における燃料予熱器３３よりも下流側に位置するため、このように温度が下がったアノード排ガスが背圧調整弁３６を通ることとなる。これにより、背圧調整弁３６に対する温度負荷を抑制することができる。

また、背圧調整弁３６の位置は、アノード排ガス流路４１における燃料予熱器３３又は空気予熱器３５の下流側でなくてもよく、アノード排ガス流路４１における燃料予熱器３３又は空気予熱器３５の上流側であってもよい。アノード排ガス流路４１に燃料予熱器３３又は空気予熱器３５が配設されていなくてもよく、背圧調整弁３６はアノード排ガス流路４１における何れかの位置に配設されていればよい。

上記実施形態において、温度制御部５９は、温度センサ３７により検出されたアノード入口側温度と、温度センサ３８により検出されたカソード入口側温度と、及び温度センサ３９により検出された燃料電池２の温度とに基づいて、アノード排ガス流路４１における背圧調整弁３６の位置でのアノード排ガスの温度を推定して取得しているが、これに限られない。例えば、背圧調整弁３６に温度センサを設けることで、温度制御部５９は、この温度センサの検出値に基づき背圧調整弁３６の位置でのアノード排ガスの温度を取得してもよい。

上記実施形態において、アノード排ガス流路４１とは、燃料電池２の出口側からアノード排ガスとカソード排ガスとの合流点４３ａまでの間の流路であるとしたが、これに限られない。例えば、燃料電池システム１において、燃焼器２５が設けられていなくてもよく、アノード排ガスとカソード排ガスとの合流点４３ａを有していなくてもよい。この場合、燃料電池２の出口側からアノード排ガスが大気開放されるまでの間の流路をアノード排ガス流路４１としてもよい。

また、上記実施形態では、コンプレッサ３４により燃料電池２に空気を供給しているが、燃料電池２に空気を送る送気器としては、特にコンプレッサ３４には限られず、ブロワー等であってもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池２から出力される電力値を燃料電池２の出力値としているが、燃料電池２の出力値としては特に電力値には限られず、燃料電池２から出力される電流値または電圧値としてもよい。この場合には、燃料電池システム１は、電流センサ５０及び電圧センサ５１の何れか一方のみを備えていればよい。

また、上記実施形態では、液体アンモニアを貯蔵する燃料タンク３０を備えているが、燃料タンクに貯蔵される燃料としては、特に液体アンモニアに限られず、軽油または都市ガス等であってもよい。また、水素を貯蔵する燃料タンクを備え、燃料タンク内の水素を燃料電池２に直接供給するようにしてもよい。この場合には、水素を含有する燃料ガスを生成する改質器が不要となる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、１４…燃料極（アノード）、１５…空気極（カソード）、２７…燃料供給流路、２８…空気供給流路、３３…燃料予熱器、３５…空気予熱器（熱交換器）、３６…背圧調整弁、４１…アノード排ガス流路、５８…背圧制御部、５９…温度制御部。

Claims (4)

1. 燃料が供給されるアノード及び空気が供給されるカソードを有し、燃料と空気とを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の前記アノードからのアノード排ガスが流れるアノード排ガス流路と、
   前記アノード排ガス流路に配設された背圧調整弁と、
   前記背圧調整弁の開度を制御する背圧制御部とを備える、燃料電池システム。
2. 前記アノード排ガス流路に配設され、前記燃料電池に供給される燃料又は空気と前記アノード排ガスとの間で熱交換をする熱交換器を備え、
   前記背圧調整弁は、前記アノード排ガス流路において、前記熱交換器よりも下流側に配設されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に空気を供給する空気供給流路と、
   前記空気供給流路に配設され、前記空気を予熱する空気予熱器とを備え、
   前記熱交換器は、前記空気予熱器によって構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記アノード排ガス流路における前記背圧調整弁の位置での前記アノード排ガスの温度を取得し、取得した前記アノード排ガスの温度が１００℃以上となるように制御する温度制御部とを備える、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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