JP2018181800A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃料ガス排出路１３と、改質器３と、燃料ガスの原料となる液体原料Ｗを気化させて気化原料としつつ、気化原料を燃料ガス供給路１１に導入する原料導入路４と、原料導入路４に設けられた気化器４１と、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、第１循環ガスとして循環させる第１循環路５１と、燃料ガスを、改質器３よりも下流側の燃料ガス供給路１１又は燃料ガス排出路１３から、第２循環ガスとして循環させる第２循環路５２と、第２循環路５２に設けられた凝縮器５２１及びガス流量制御部５２２と、気化原料の流れを駆動流として利用して、第１循環ガス及び第２循環ガスを吸引するエジェクタ６と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの効率を向上させる技術として、エジェクタを用いて燃料ガスを循環させる技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示の燃料電池システムにおいては、燃料ガス流路に流れる燃料ガスを、ブロアにて加圧して、エジェクタのノズル部に供給する。一方、燃料電池から排出された、高温である未利用の燃料ガスを、凝縮器にて冷却して、未利用の燃料ガスから水蒸気及び熱を除去する。そして、エジェクタのノズル部から噴射される燃料ガス流によって、水蒸気が除去された、低温であるリサイクル用の燃料ガスを、エジェクタの吸引部に吸引させて、改質器へ供給させている。

特開２０１３−２３５７３５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料電池システムにおいては、ブロアにて加圧された燃料ガスを、エジェクタのノズル部から噴射させる構成である。ここで、気体である燃料ガスを加圧する際におけるブロアの動作負荷は比較的大きい。このため、ブロアを含む補機類の駆動のために消費される電力によって、燃料電池システムの全体における発電効率が低下してしまう。発電効率を高めるためには、補機類の動作負荷をより小さくする必要がある。また、リサイクル燃料流路を通じて循環するリサイクル用の燃料ガスは、凝縮器において冷却されたガスである。そのため、改質器へ供給する前に、再び昇温させるための熱交換器が必要となる。それゆえ、燃料電池システムの体格が大きくなり、システム全体の効率が低下する。また、発電効率及び耐久性の観点から、改質器、燃料電池に供給される燃料ガス中の水分量を調整する必要がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
酸化剤ガス（Ａ）を上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
上記アノード流路から排出された燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
上記燃料ガス供給路に設けられ、上記燃料ガスを改質する改質器（３）と、
上記燃料ガスの原料となる液体原料（Ｗ、Ｌ）を気化させて気化原料としつつ、該気化原料を上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に導入する原料導入路（４）と、
該原料導入路に設けられ、上記液体原料を気化させる気化器（４１）と、
上記燃料ガスを、上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる第１循環路（５１）と、
上記燃料ガスを、上記改質器よりも下流側の上記燃料ガス供給路又は上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第２循環ガスとして循環させる第２循環路（５２）と、
該第２循環路に設けられ、上記第２循環ガス中の水分を凝縮する凝縮器（５２１）と、
上記第２循環路における上記凝縮器の下流側に設けられ、上記第２循環ガスの流量を制御するガス流量制御部（５２２）と、
上記原料導入路から上記燃料ガス供給路へ流れる上記気化原料の流れを駆動流として利用して、上記第１循環ガス及び上記第２循環ガスを吸引し、上記第１循環ガス及び上記第２循環ガスを上記気化原料と混合して上記燃料ガス供給路へ送る循環装置（６）と、を備えている、燃料電池システム（１）にある。

上記燃料電池システムは、上記原料導入路を有する。上記原料導入路において、液体原料を気化させて気化原料としつつ、燃料ガス供給路に導入する。そして、気化原料の流れを循環装置における駆動流とする。それゆえ、燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成と比較して、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、発電効率を向上させることができる。

また、上記燃料電池システムは、上記第１循環路と、上記第２循環路と、上記凝縮器と、上記ガス流量制御部とを有する。上記凝縮器は、第２循環ガス中の水分を凝縮することにより、上記第２循環路に、水蒸気が除去された第２循環ガスを流すことができる。一方、上記第１循環路には、水蒸気が除去されていない高温の第１循環ガスが流れる。そして、上記ガス流量制御部は、循環装置に吸引される第２循環ガスの流量を制御することができる。これに伴い、上記ガス流量制御部は、循環装置に吸引される第１循環ガスの流量を調整することにもなる。これにより、燃料ガスの温度を極力低下させないようにしつつ、燃料ガス中の水分量を調整することができる。そのため、燃料ガスを昇温させるためのエネルギーを抑制することができる。その結果、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態２における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態２における、第２循環ガスの流量の調整を説明するフロー図。 実施形態３における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態４における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態５における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態６における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態７における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態８における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 変形例にかかる、燃料電池システムの説明図。 他の変形例にかかる、燃料電池システムの説明図。

（実施形態１）
燃料電池システムに係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃料ガス排出路１３と、改質器３と、原料導入路４と、気化器４１と、第１循環路５１と、第２循環路５２と、凝縮器５２１と、ガス流量制御部５２２と、循環装置としてのエジェクタ６と、を備えている。

燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２とを有する。燃料ガス供給路１１は、燃料ガスをアノード流路２１に供給する。酸化剤ガス供給路１２は、酸化剤ガスＡをカソード流路２２に供給する。燃料ガス排出路１３には、アノード流路２１から排出された燃料ガスが流れる。改質器３は、燃料ガス供給路１１に設けられ、燃料ガスを改質する。原料導入路４は、燃料ガスの原料となる液体原料Ｗを気化させて気化原料としつつ、気化原料を燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に導入する。気化器４１は、原料導入路４に設けられ、液体原料Ｗを気化させる。

第１循環路５１は、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる。第２循環路５２は、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に、第２循環ガスとして循環させる。凝縮器５２１は、第２循環路５２に設けられ、第２循環ガス中の水分を凝縮する。ガス流量制御部５２２は、第２循環路５２における凝縮器５２１の下流側に設けられ、第２循環ガスの流量を制御する。エジェクタ６は、原料導入路４から燃料ガス供給路１１へ流れる気化原料の流れを駆動流として利用して、第１循環ガス及び第２循環ガスを吸引し、第１循環ガス及び第２循環ガスを気化原料と混合して燃料ガス供給路１１へ送る。

本実施形態の燃料電池システム１は、改質器３において改質された燃料ガスに含有される水素と、酸化剤ガスＡに含有される酸素とを、燃料電池２において反応させて、発電する。燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２との間に配設された電解質体を有している。本実施形態においては、電解質体として固体酸化物セラミックスを用いた、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）を、燃料電池２とすることができる。

本実施形態において、液体原料Ｗは水である。燃料電池システム１は、原料合流部５２３を更に備える。原料合流部５２３は、水と共に燃料ガスの原料の一部となる気体原料Ｆを、第２循環路５２におけるガス流量制御部５２２よりも下流側に合流させる。ここで、気体原料Ｆとしては、例えば、炭化水素の一種であるメタンを用いることができる。
また、本実施形態において、気化原料は水蒸気である。それゆえ、エジェクタ６は、原料導入路４から燃料ガス供給路１１へ流れる水蒸気の流れを駆動流として利用して、第１循環ガス、第２循環ガス及び気体原料Ｆを吸引し、第１循環ガス、第２循環ガス及び気体原料Ｆを水蒸気と混合して燃料ガス供給路１１へ送る。

また、本実施形態においては、凝縮器５２１において回収された凝縮水の少なくとも一部を、原料導入路４における気化器４１よりも上流側に導入するよう構成されている。
具体的には、凝縮器５２１と、気化器４１の上流側における原料導入路４とは、凝縮水導入路１４によって接続されている。凝縮水導入路１４には、原料導入路４に導入される、凝縮水の流量を制御する凝縮水流量制御部１４１が設けてある。

原料導入路４には、気化器４１と、その上流側に配された、水を加圧する液体ポンプ４２とが設けてある。液体ポンプ４２は、原料導入路４における凝縮水導入路１４との接続部の下流側であり、原料導入路４における気化器４１の上流側に設けてある。また、原料導入路４の下流端は、エジェクタ６に接続されている。水は、液体ポンプ４２によって気化器４１に送り込まれ、気化器４１によって水蒸気となって、エジェクタ６へ送り込まれる。

エジェクタ６は、ノズル部６１と、吸引部６２と、吐出部６３と、を有する。ノズル部６１は、原料導入路４から導入された水蒸気を、駆動流として噴射する。吸引部６２は、ノズル部６１から噴射される駆動流によって、第１循環ガスと第２循環ガス及び気体原料Ｆとを、吸引流として吸引する。すなわち、吸引部６２は、第１循環路５１から第１循環ガスを吸引し、第２循環路５２から、気体原料Ｆと共に第２循環ガスを吸引する。吐出部６３は、駆動流と吸引流とを混合した混合流を、燃料ガス供給路１１へ吐出する。

燃料ガス供給路１１の上流端は、エジェクタ６に接続されている。また、燃料ガス供給路１１には、改質器３が設けてある。燃料ガス供給路１１の上流端から、水蒸気、第１循環ガス、第２循環ガス及び気体原料Ｆが導入される。水蒸気は、改質器３における気体原料Ｆの改質に利用される。また、気体原料Ｆは、改質器３において水素を含む燃料ガスに改質される。この改質後の燃料ガスが、燃料電池２のアノード流路２１に供給される。

酸化剤ガス供給路１２には、燃料電池２に導入される酸化剤ガスＡを予熱する予熱器１２１が設けてある。これにより、酸化剤ガス供給路１２の上流端から導入された酸化剤ガスＡを、予熱器１２１によって加熱して、昇温する。昇温された酸化剤ガスＡは、酸化剤ガス供給路１２から燃料電池２のカソード流路２２に供給される。酸化剤ガスＡとしては、例えば空気を用いることができる。

上記のように、アノード流路２１に導入された燃料ガス中の水素と、カソード流路２２に導入された酸化剤ガス中の酸素とが、燃料電池２において反応して、発電が行われる。また、燃料電池２における発電に伴って、熱が生じる。この熱は、燃料電池２の温度を維持するために用いられる。そして、アノード流路２１から排出された燃料ガス及びカソード流路２２から排出された酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出路１３及び酸化剤ガス排出路１２０を通り、燃焼器１５に導入される。燃料電池２から排出された燃料ガスには、反応によって生じた水蒸気と、反応に使われなかった水素とが含まれる。また、燃料電池２から排出された酸化剤ガスには、反応に使われなかった酸素が含まれる。これらの水素と酸素とが、燃焼器１５において反応して燃焼する。燃焼後の燃焼ガスは、燃焼器１５から排出される。

燃料ガス排出路１３には、第１循環路５１の一端が接続されている。そして、第１循環路５１の他端が、エジェクタ６の吸引部６２に接続されている。これにより、アノード流路２１から燃料ガス排出路１３に排出された燃料ガスの一部が、第１循環路５１を介して、第１循環ガスとして、エジェクタ６から燃料ガス供給路１１に循環される。上述のように、燃料ガス排出路１３の燃料ガスの一部でもある第１循環ガスは、水蒸気及び水素を含む。すなわち、第１循環ガスは、水分量が多い湿った燃料ガスである。また、第１循環ガスは、熱量が多い高温の燃料ガスである。第１循環ガスに含まれる水素は、アノード流路２１において、燃料として利用される。また、第１循環ガスに含まれる水蒸気は、改質器３において、燃料ガスの改質に利用される。

また、燃料ガス排出路１３には、第２循環路５２の一端が接続されている。そして、第２循環路５２の他端が、エジェクタ６の吸引部６２に接続されている。これにより、アノード流路２１から燃料ガス排出路１３に排出された燃料ガスの一部が、第２循環路５２を介して、第２循環ガスとして、エジェクタ６から燃料ガス供給路１１に循環される。上述のように、第２循環路５２には、凝縮器５２１が設けてある。また、凝縮器５２１に導入される第２循環ガスは、燃料ガス排出路１３の燃料ガスの一部である。それゆえ、凝縮器５２１に導入される第２循環ガスは、水蒸気及び水素を含む。

凝縮器５２１は、第２循環ガスを冷却して、第２循環ガスに含まれる水蒸気を、液体の水に凝縮する。このように、水分を分離除去された第２循環ガスは、水分量の少ない乾いた燃料ガスである。また、この第２循環ガスは、水素を含む燃料ガスである。そして、上記のような乾いた第２循環ガスが、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に導入される。つまり、第２循環ガスである乾いた燃料ガスが、エジェクタ６において、燃料ガス供給路１１における燃料ガスに合流する。第２循環ガスに含まれる水素は、アノード流路２１において、燃料として利用される。

また、ガス流量制御部５２２によって第２循環ガスの流量を適宜制御することで、エジェクタ６に吸引される第２循環ガスの流量を調整することができる。これに伴い、エジェクタ６に吸引される第１循環ガスの流量及び気体原料Ｆの流量を調整することができることとなる。そのため、ガス流量制御部５２２による第２循環ガスの流量制御によって、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量を調整することができる。

例えば、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量が多すぎるときは、ガス流量制御部５２２の開度を大きくして、乾いた第２循環ガスの流量を増やし、湿った第１循環ガスの流量を減少させる。これにより、混合流中の水分量を減らし、燃料ガス中の水分量を減少させる。一方、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量が少なすぎるときは、ガス流量制御部５２２の開度を小さくして、乾いた第２循環ガスの流量を減らし、湿った第１循環ガスの流量を増加させる。これにより、混合流中の水分量を増やし、燃料ガス中の水分量を増加させる。また、燃料ガス供給路１１に導入される第１循環ガスの流量を増やすことで、外部からの熱供給を抑制しつつ、燃料ガス供給路１１における燃料ガスの温度を高く保ちやすい。

また、ガス流量制御部５２２は、第２循環ガスの循環を停止させることができるようにしてもよい。また、ガス流量制御部５２２は、例えば、開閉のみが制御可能で、第２循環ガスの循環を行うか行わないかの２段階のみの制御ができるような構成としてもよい。
なお、上述のように、第２循環ガスは、ガス流量制御部５２２の上流側に設置された凝縮器５２１において冷却される。そのため、ガス流量制御部５２２として、特に耐熱性の高いものを用いるなどの必要はない。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システム１は、原料導入路４を有する。原料導入路４において、水を気化させて水蒸気としつつ、燃料ガス供給路１１に導入する。そして、水蒸気の流れをエジェクタ６における駆動流とする。それゆえ、燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成と比較して、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、発電効率を向上させることができる。

また、上記燃料電池システム１は、第１循環路５１と、第２循環路５２と、凝縮器５２１と、ガス流量制御部５２２とを有する。凝縮器５２１は、第２循環ガス中の水分を凝縮することにより、第２循環路５２に、水蒸気が除去された第２循環ガスを流すことができる。一方、第１循環路５１には、水蒸気が除去されていない高温の第１循環ガスが流れる。そして、ガス流量制御部５２２は、エジェクタ６に吸引される第２循環ガスの流量を制御することができる。これに伴い、ガス流量制御部５２２は、エジェクタ６に吸引される第１循環ガスの流量を調整することにもなる。これにより、上述したように、燃料ガスの温度を極力低下させないようにしつつ、燃料ガス中の水分量を調整することができる。そのため、燃料ガスを昇温させるためのエネルギーを抑制することができる。その結果、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率を向上させることができる。

また、原料合流部５２３は、気体原料Ｆを、第２循環路５２におけるガス流量制御部５２２よりも下流側に合流させるよう構成されている。それゆえ、気体原料Ｆを第２循環路５２に合流させるためにブロワ等の補器類を用いる必要も特にない。その結果、補機類による電力消費を抑制し、発電効率を向上させることができる。
また、凝縮器５２１において回収された凝縮水の少なくとも一部を、原料導入路４における液体ポンプ４２よりも上流側に導入するよう構成されている。これにより、回収された凝縮水を燃料ガスの改質に再利用することができ、その分の効率を向上させることができる。

また、第２循環路５２は、燃料ガス排出路１３から、燃料ガスを循環させるよう構成されている。これにより、水分量が多い燃料ガスを、第２循環ガスとして凝縮器５２１を通過させることができ、凝縮器５２１において、凝縮水をより多く回収することができる。それゆえ、燃料電池２における水あまりを解消させやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システム１は、図２に示すように、水蒸気濃度検出部１１１を更に備える。水蒸気濃度検出部１１１は、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓを検出する。ガス流量制御部５２２は、図３に示すように、水蒸気濃度検出部１１１による検出水蒸気濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができるよう構成されている。

図２に示すように、水蒸気濃度検出部１１１は、エジェクタ６と改質器３との間における燃料ガス供給路１１に設けてある。改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓは、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度である。この水蒸気濃度Ｓが低すぎると、発電効率が低下すると共に、改質器３や燃料電池２において、炭素析出等の劣化を招くおそれがある。また、水蒸気濃度Ｓが高すぎても発電効率が低下する。

その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

次に、本実施形態の燃料電池システム１のガス流量制御部５２２における制御フローの一例を、図３を参照して説明する。
まず、ステップＳ１０１において、水蒸気濃度検出部１１１によって、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓを検出する。

そして、ステップＳ１０２において、上記水蒸気濃度Ｓを、閾値Ｓ１と比較する。閾値Ｓ１は、例えば発電効率の低下及び改質器３や燃料電池２における炭素析出を抑制するために必要な水蒸気濃度Ｓの下限値を目安に、適宜設定される。ここで、Ｓ＜Ｓ１、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ１未満であると判定された場合は、ステップＳ１０３へ進んで第２循環ガスの流量を低減する。これにより、エジェクタ６の吸引部６２に吸引される第１循環ガス及び第２循環ガスのうち、湿った第１循環ガスの割合が増え、上記水蒸気濃度Ｓが上昇する。

ステップＳ１０２において、Ｓ≧Ｓ１、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ１以上であると判定された場合は、ステップＳ１０４へ進み、上記水蒸気濃度Ｓを、閾値Ｓ２と比較する。閾値Ｓ２は、例えば発電効率の低下を抑制するために必要な水蒸気濃度Ｓの上限値を目安に、適宜設定される。ここで、Ｓ＞Ｓ２、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ２を超えていると判定された場合は、ステップＳ１０５へ進んで第２循環ガスの流量を増加する。これにより、エジェクタ６の吸引部６２に吸引される第１循環ガス及び第２循環ガスのうち、乾いた第２循環ガスの割合が増え、上記水蒸気濃度Ｓが低下する。

ステップＳ１０４において、Ｓ≦Ｓ２、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ２以下であると判定された場合は、第２循環ガスの流量は特に変化させない。すなわち、Ｓ１≦Ｓ≦Ｓ２を維持している間は、現状の流量にて第２循環ガスを循環させる。

ガス流量制御部５２２は、上記制御フローを所定の周期で繰り返し実行することにより、検出水蒸気濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができる。

本実施形態においては、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度の低下を抑制することができる。それゆえ、改質器３や燃料電池２に炭素析出の不具合が発生することを抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における耐久性を向上することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システム１は、図４に示すように、第２循環路５２における原料合流部５２３よりも下流側に水添脱硫器７が設けられている。
水添脱硫器７は、水素を利用して気体原料Ｆに含まれる硫黄分を除去する。すなわち、水添脱硫器７は、硫黄分を水素と反応させて、気体原料Ｆから硫黄分を除去するよう構成されている。

原料合流部５２３を介して第２循環路５２に導入される気体原料Ｆとして用いられる都市ガスなどには、通常、付臭剤として、硫黄化合物が添加されている。しかし、硫黄化合物が改質器３、燃料電池２に、燃料ガスと共に供給されると、改質器３や燃料電池２の触媒が被毒するおそれがある。それゆえ、改質器３よりも上流において、気体原料Ｆから硫黄分を除去することが望ましい。そこで、硫黄分を除去するための脱硫器として、水素を用いて硫黄分を除去する水添脱硫器７を、第２循環路５２に配設している。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

上述のように、第２循環路５２には、水素を含む第２循環ガスが流れている。特に、凝縮器５２１において水分が除去された第２循環ガスは、水素濃度が高い。この第２循環ガスが、気体原料Ｆとともに、水添脱硫器７に導入される。そして、水添脱硫器７において、気体原料Ｆ中の硫黄分と、第２循環ガス中の水素とが反応する。これにより、気体原料Ｆから硫黄分を除去することができる。

また、第２循環ガスは、水分量の少ない、乾いた燃料ガスである。それゆえ、水添脱硫器７に導入される気体原料Ｆも、水分量の少ないガスとすることができる。したがって、水添脱硫器７の触媒の劣化を抑制し、水添脱硫器７の耐久性を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態においては、図５に示すように、第２循環路５２は、改質器３よりも下流側の燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるよう構成されている。

具体的には、第２循環路５２の上流端が、改質器３と燃料電池２との間における燃料ガス供給路１１に接続されている。これにより、改質器３によって改質された燃料ガスの一部が、第２循環路５２を介して、第２循環ガスとして、エジェクタ６から燃料ガス供給路１１に循環される。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

本実施形態においては、第２循環ガスを、実施形態３における第２循環ガスと比較して、水素を多く含んだ燃料ガスとすることができる。したがって、水添脱硫器７に導入される水素の量をより多くすることができ、効果的な脱硫を行うことができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本実施形態の燃料電池システム１は、図６に示すように、水素濃度検出部５２４を更に備える。水素濃度検出部５２４は、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを検出する。ガス流量制御部５２２は、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができるよう構成されている。

水素濃度検出部５２４は、原料合流部５２３と水添脱硫器７との間における第２循環路５２に設けてある。水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈは、水添脱硫器７に導入される気体原料Ｆの水素濃度である。この水素濃度Ｈが低すぎると、水添脱硫器７において、気体原料Ｆから硫黄分を十分に除去することができず、改質器３や燃料電池２の触媒の被毒を招くおそれがある。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

上述のように、本実施形態においては、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができる。これにより、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを容易に調整することができる。
例えば、水素濃度検出部５２４によって検出された水素濃度Ｈが所定の下限の閾値を下回ったときは、ガス流量制御部５２２の開度を大きくして、第２循環ガスの流量を増やす。これにより、水添脱硫器７に導入される第２循環ガス及び気体原料Ｆのうち、水素を含む第２循環ガスの割合を増やし、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを上昇させる。

一方、水素濃度検出部５２４によって検出された水素濃度Ｈが所定の上限の閾値を上回ったときは、ガス流量制御部５２２の開度を小さくして、第２循環ガスの流量を減らす。これにより、水添脱硫器７に導入される第２循環ガス及び気体原料Ｆのうち、水素を含む第２循環ガスの割合を減らし、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを低下させる。なお、水素濃度Ｈの下限の閾値は、水添脱硫器７における脱硫に必要な水素濃度を目安に、適宜設定される。また、水素濃度Ｈの上限の閾値は、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量、燃料ガス供給路１１における燃料ガスの温度を考慮して、適宜設定される。

本実施形態においては、水添脱硫器７に導入される気体原料Ｆの水素濃度の低下を抑制することができる。それゆえ、改質器３や燃料電池２の触媒が被毒することを抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における耐久性を向上することができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態６）
本実施形態の燃料電池システム１は、図７に示すように、水蒸気濃度検出部１１１を更に備える。水蒸気濃度検出部１１１は、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓを検出する。原料導入路４における気化器４１の上流側に設けられた液体ポンプ４２が、水流量制御部として機能する。すなわち、液体ポンプ４２は、気化器４１へ送る水の流量を制御することができるよう構成されている。そして、水蒸気濃度検出部１１１による検出水蒸気濃度と、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度とに基づき、液体ポンプ４２による水の流量の制御と、ガス流量制御部５２２による第２循環ガスの流量の制御との少なくとも一方を行うことができるよう構成されている。
その他の構成は、実施形態５と同様である。

上述のように、本実施形態においては、水蒸気濃度検出部１１１による検出水蒸気濃度と、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度とに基づき、液体ポンプ４２による水の流量の制御と、ガス流量制御部５２２による第２循環ガスの流量の制御との少なくとも一方を行うことができる。これにより、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓと、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈとを容易に調整することができる。

本実施形態の燃料電池システム１においては、例えば以下のような制御を行うことができる。
水蒸気濃度検出部１１１によって検出された水蒸気濃度Ｓが所定の下限の閾値を下回ったときは、原則として、ガス流量制御部５２２によって第２循環ガスの流量を減らす。これにより、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度Ｓを上昇させる。ただし、水蒸気濃度検出部１１１によって検出された水蒸気濃度Ｓが所定の下限の閾値を下回るときであっても、水素濃度検出部５２４によって検出された水素濃度Ｈが所定の下限の閾値を下回る場合は、第２循環ガスの流量を減らすことなく、液体ポンプ４２によって水の流量を増やす。

これにより、水添脱硫器７において必要な水素濃度Ｈを保ちつつ、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度Ｓを上昇させる。なお、水蒸気濃度Ｓの下限の閾値は、改質器３又は燃料電池２における炭素析出を抑制するための水蒸気量を目安に適宜設定される。また、水素濃度Ｈの下限の閾値は、水添脱硫器７における脱硫に必要な水素濃度を目安に、その水素濃度よりも少し高めの値に設定することが考えられる。

本実施形態の燃料電池システム１は、水蒸気濃度検出部１１１と水素濃度検出部５２４とを備えることにより、容易かつ正確に、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度Ｓと、水添脱硫器７において必要な水素濃度Ｈとを制御することができる。それゆえ、改質器３や燃料電池２において、炭素析出や触媒の被毒の不具合が発生することを抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における耐久性をさらに向上することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態７）
本実施形態の燃料電池システム１は、図８に示すように、凝縮器５２１と酸化剤ガス供給路１２との間に、熱交換部１２２を設けてなる。
熱交換部１２２は、凝縮器５２１において生じる凝縮熱を、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスＡへ移動させることができるよう構成されている。

すなわち、凝縮器５２１においては、第２循環ガス中の水分が凝縮する際に、凝縮熱が発生する。この凝縮熱を、熱交換部１２２を通じて、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスＡへ移動させる。これにより、酸化剤ガスＡの温度は上昇する。昇温された酸化剤ガスＡは、酸化剤ガス供給路１２を通じて燃料電池２のカソード流路２２へ向かう。そして、昇温された酸化剤ガスＡは、熱交換部１２２と燃料電池２との間に配された予熱器１２１において、さらに昇温されて、カソード流路２２に供給される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本実施形態においては、凝縮器５２１において発生した凝縮熱を有効利用して、酸化剤ガスＡの昇温に用いることができる。それゆえ、酸化剤ガスＡをカソード流路２２に供給する前に、予熱器１２１において酸化剤ガスＡに与える熱エネルギーを小さくすることができる。これにより、システム効率をより向上させることができる。
あるいは、燃料電池２のカソード流路２２に供給される酸化剤ガスＡの温度をより高くすることができる。この場合、燃料電池２の発電効率を向上させることができる。
このように、凝縮器５２１において発生する凝縮熱を、燃料電池システム１内において有効利用することで、燃料電池システム１のシステム効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態８）
本実施形態においては、図９に示すように、液体原料Ｌとして、例えば、灯油、ガソリン又はエタノール等の液体燃料を用いている。
本実施形態の燃料電池システム１は、実施形態１において示した原料合流部（図１の符号５２３参照）を備えていない。

原料導入路４には、凝縮器５２１の凝縮水を導入する凝縮水導入路が接続していない。原料導入路４の上流端から導入された液体原料Ｌは、液体ポンプ４２によって気化器４１に送り込まれ、気化器４１によって気化されて、気化原料となってエジェクタ６へ送り込まれる。エジェクタ６のノズル部６１は、原料導入路４から導入された気化原料を、駆動流として噴射する。エジェクタ６の吸引部６２は、第１循環ガスと第２循環ガスとを、吸引流として吸引する。気化原料は、改質器３において水素を含む燃料ガスに改質される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においては、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる。また、燃料電池２における水あまりを解消させやすい。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、実施形態１においては、第２循環路５２が、燃料ガス排出路１３から、燃料ガスを循環させるよう構成されているものを示したが、本発明は、これに限られない。例えば、図１０に示すように、第２循環路５２が、改質器３よりも下流側の燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるようにしてもよい。

また、実施形態１においては、凝縮器５２１において回収された凝縮水を、原料導入路４に導入するよう構成されているものを示したが、図１１に示すように、凝縮器５２１の凝縮水を、外部に排出してもよい。
また、循環装置としては、エジェクタ以外を用いることもできる。例えば、循環装置として、駆動流によって回転するタービンと、該タービンと共に回転して吸引流を吸引するコンプレッサと、を有する圧縮機を用いることもできる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 改質器
４ 原料導入路
４１ 気化器
５１ 第１循環路
５２ 第２循環路
５２１ 凝縮器
５２２ ガス流量制御部
６ エジェクタ（循環装置）

Claims (10)

1. アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
   燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
   酸化剤ガス（Ａ）を上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
   上記アノード流路から排出された燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
   上記燃料ガス供給路に設けられ、上記燃料ガスを改質する改質器（３）と、
   上記燃料ガスの原料となる液体原料（Ｗ、Ｌ）を気化させて気化原料としつつ、該気化原料を上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に導入する原料導入路（４）と、
   該原料導入路に設けられ、上記液体原料を気化させる気化器（４１）と、
   上記燃料ガスを、上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる第１循環路（５１）と、
   上記燃料ガスを、上記改質器よりも下流側の上記燃料ガス供給路又は上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第２循環ガスとして循環させる第２循環路（５２）と、
   該第２循環路に設けられ、上記第２循環ガス中の水分を凝縮する凝縮器（５２１）と、
   上記第２循環路における上記凝縮器の下流側に設けられ、上記第２循環ガスの流量を制御するガス流量制御部（５２２）と、
   上記原料導入路から上記燃料ガス供給路へ流れる上記気化原料の流れを駆動流として利用して、上記第１循環ガス及び上記第２循環ガスを吸引し、上記第１循環ガス及び上記第２循環ガスを上記気化原料と混合して上記燃料ガス供給路へ送る循環装置（６）と、を備えている、燃料電池システム（１）。
2. 上記液体原料は水であり、該水と共に上記燃料ガスの原料の一部となる気体原料（Ｆ）を、上記第２循環路における上記ガス流量制御部よりも下流側に合流させる原料合流部（５２３）を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 上記改質器の入口における水蒸気濃度（Ｓ）を検出する水蒸気濃度検出部（１１１）を更に備え、上記ガス流量制御部は、上記水蒸気濃度検出部による検出水蒸気濃度に基づいて上記第２循環ガスの流量を制御することができるよう構成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 上記凝縮器において回収された凝縮水の少なくとも一部を、上記原料導入路における上記気化器よりも上流側に導入するよう構成されている、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 上記第２循環路における上記原料合流部よりも下流側には、水素を利用して上記気体原料に含まれる硫黄分を除去する、水添脱硫器（７）が設けられている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 上記水添脱硫器の入口における水素濃度（Ｈ）を検出する水素濃度検出部（５２４）を更に備え、上記ガス流量制御部は、上記水素濃度検出部による検出水素濃度に基づいて上記第２循環ガスの流量を制御することができるよう構成されている、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 上記改質器の入口における水蒸気濃度（Ｓ）を検出する水蒸気濃度検出部（１１１）と、上記原料導入路における上記気化器の上流側に設けられ、上記気化器へ送る上記水の流量を制御する水流量制御部（４２）とを更に備え、上記水蒸気濃度検出部による検出水蒸気濃度と、上記水素濃度検出部による検出水素濃度とに基づき、上記水流量制御部による上記水の流量の制御と、上記ガス流量制御部による上記第２循環ガスの流量の制御との少なくとも一方を行うことができるよう構成されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 上記凝縮器において生じる凝縮熱を、上記酸化剤ガス供給路における上記酸化剤ガスへ移動させることができる熱交換部（１２２）を更に備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 上記第２循環路は、上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガスを循環させるよう構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 上記第２循環路は、上記改質器よりも下流側の上記燃料ガス供給路から、上記燃料ガスを循環させるよう構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images