JP4491653B2 - 燃料電池システム及びその発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、改質器において改質用燃料から水素含有改質ガスを生成し、燃料電池において水素含有改質ガス中の水素を利用して発電を行う燃料電池システムに関する。

炭化水素又はアルコール類等の改質用燃料を利用して発電を行う燃料電池システムは、上記改質用燃料から水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスから高純度の水素を取り出すための水素分離膜装置と、水素を水素プロトンの状態にし酸素と反応させて発電を行う燃料電池とを備えている。上記改質器は、例えば、改質用燃料と水とによる水蒸気改質反応及び改質用燃料と酸素とによる部分酸化反応等を行って、上記改質ガスを生成している。また、上記水素分離膜装置は、パラジウム等からなる水素分離膜を備えており、この水素分離膜は水素のみを透過させる性質を持っている。また、上記燃料電池は、上記水素分離膜を透過した水素が供給されるアノード流路と、空気等が供給されるカソード流路と、これらの流路の間に配設されたプロトン伝導体（電解質）とを有している。
そして、上記燃料電池システムにおいては、アノード流路に供給した水素を水素プロトンの状態にして上記プロトン伝導体を透過させ、カソード流路において、この水素プロトンと空気中の酸素とを反応させて水を生成しながら発電を行っている。このような燃料電池システムとしては、例えば、下記特許文献１、２に示すものがある。
ところで、上記カソード流路から排出されるカソードオフガス中には、上記水素プロトンと酸素との反応により生成された水や、上記水素プロトンとの反応に使用されなかった酸素等が含まれている。そのため、特許文献１においては、上記カソードオフガスを上記改質器における各反応に利用している。また、上記アノード流路から排出されるアノードオフガス中には、上記プロトン伝導体を透過しなかった水素や、上記改質器から送られた水等が含まれている。そのため、特許文献２においては、上記アノードオフガスを上記改質器における改質反応に利用している。
また、上記燃料電池の種類としては、例えば、上記プロトン伝導体に固体高分子膜を用いた固体高分子膜型燃料電池、プロトン伝導体に炭化ケイ素にリン酸を含浸させたものを用いたリン酸型燃料電池等がある。そして、上記改質器においては、炭素の析出を抑制するために例えば４００℃以上の高温で反応が行われる一方、上記各燃料電池の作動温度は、上記プロトン伝導体に溶液を含浸させて使用する性質上、固体高分子膜型燃料電池では２０〜１２０℃ぐらいであり、リン酸型燃料電池では１２０〜２１０℃ぐらいである。
したがって、上記従来の燃料電池システムにおいては、上記改質器により生成した改質ガスの温度及び上記水素分離膜を透過した水素の温度が、燃料電池に供給する水素の温度よりも大幅に高く、改質ガス又は水素の温度を燃料電池に供給するまでに大幅に低下させる必要がある。
そして、特許文献１においては、熱交換器により、上記改質器において生成した改質ガスとカソードオフガスとの熱交換を行い、改質ガスからカソードオフガスに熱量を与えると共にこの改質ガスの温度を低下させており、また、他の熱交換器により、上記水素分離膜を透過した水素の温度をさらに低下させてから、これを燃料電池に供給している。
また、特許文献２においては、水素分離膜を透過した水素を凝縮器を通過させることにより、この水素の温度を低下させてから、これを燃料電池に供給している。
このように、上記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池に供給するための水素の温度を意図的に低下させており、燃料電池におけるカソード流路から排出されるカソードオフガスの熱量を改質器に利用することはできない。また、上記熱交換器又は上記凝縮器等を用いていることにより、エネルギーロスがあるだけでなく、上記燃料電池システムの構造が複雑になってしまう。
さらに、上記固体高分子膜型燃料電池及び上記リン酸型燃料電池は、上記のごとく上記プロトン伝導体に溶液を含浸させて使用するものである。そのため、これらの燃料電池においては、上記カソード流路において上記水素プロトンと上記空気中の酸素とが反応して生成された水は、アノード流路とカソード流路との間の水分量の差に起因するバックリフュージョンにより上記プロトン伝導体内を移動して上記アノード流路まで流れ込むことになる。そして、このアノード流路に流れ込んだ水は、飽和蒸気圧に依存した気化が発生することにより、アノード流路から排出されてしまう。
そのため、上記カソード流路から上記燃料電池の発電により生成された水の全量を回収することができず、この全量の水を利用して、上記改質器に供給する水分量を調整することはできない。
また、上記全量の水を回収することができないため、上記従来の燃料電池システムは、上記改質器における反応に必要な水が不足することがほとんどである。そのため、従来の燃料電池システムにおいて、改質器に十分な水を供給し安定した運転を行うためには、改質器に水を追加して供給するか、上記カソードオフガス中に含まれる水を濃縮して改質器に供給する必要が生じてしまう。
また、上記従来の燃料電池システムにおいては、上記プロトン伝導体内の成分が気化し、これがカソード流路内の水に溶出してしまうおそれがある。例えば、上記固体高分子膜型燃料電池においてはフッ素系の成分が水に溶出するおそれがあり、上記リン酸型燃料電池においてはリン酸が水に溶出するおそれがある。そのため、上記改質器に送るカソードオフガス中の水の純度が低下し、上記改質器内における改質触媒には、上記気化したプロトン伝導体内の成分が吸着されるなどして起こる被毒の問題を生じてしまうおそれがある。
特開２００３−１５１５９９号公報 特開２００１−２２３０１７号公報

発明が解決しようとする課題

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、カソード流路から生成水の全量を回収することができると共に、カソードオフガスが有する残存酸素と高温の熱エネルギーとを利用して、エネルギー効率を一層向上させることができる燃料電池システム及びその発電方法を提供しようとするものである。

第１の発明は、改質用燃料から水素を含有する水素含有改質ガスを生成する改質反応流路を有する改質器と、上記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
上記燃料電池は、上記改質反応流路から上記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
上記燃料電池の上記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質器の上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインが接続されていることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
本発明の燃料電池システムは、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えた燃料電池を有している。そして、本発明の燃料電池システムにおいては、上記プロトン伝導体層がセラミックスからなり、このプロトン伝導体層は水分を含浸させずに用いることができるため、上記燃料電池を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができる。そのため、上記改質器から上記水素含有改質ガスを上記燃料電池に直接供給することができる。
また、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスは、上記燃料電池の作動温度に近い高温の状態で上記改質器に直接送ることができる。そのため、上記燃料電池システムにおいては、改質器において水素含有改質ガスを生成する温度と、燃料電池における作動温度とをかなり近づけることができる。
ところで、上記燃料電池のカソード流路においては、このカソード流路に供給した酸素含有ガス中の酸素と、上記アノード流路から上記電解質体を通過して上記カソード流路に供給された水素プロトン（Ｈ^＋、水素イオンともいう。）とが反応し、水が生成される。そして、上記反応を行うと共に上記電解質体に形成したアノード電極とカソード電極との間から電力を取り出すことにより、上記燃料電池システムは発電を行うことができる。
そして、上記カソード流路において反応が行われた後に、このカソード流路から排出されるカソードオフガスは、上記反応に使用されなかった酸素（残存酸素）と、上記反応によって生成された水（生成水）と、上記燃料電池の高温作動による熱量とを有している。
そして、上記燃料電池のカソード流路における上記生成水は、例えば３００〜６００℃の高温の水蒸気となっており、この生成水は、上記プロトン伝導体層に含浸されることがほとんどなく、また、上記水素分離金属層が水素のみを透過させる性質を有することにより、上記生成水は、カソード流路からアノード流路へと通過してしまうことがない。そのため、上記カソード流路から上記カソードオフガスラインを介して、上記生成水の全量を回収することができる。
よって、本発明においては、上記改質器の改質反応流路における反応に必要な水を、上記燃料電池の発電により生じた生成水を含むカソードオフガスから容易に確保することができ、上記改質反応流路には十分な量の水を供給することができる。また、本発明においては、上記カソードオフガス中の全量の生成水を利用して、上記改質器の改質反応流路に供給する水分量を調整することができる。
そのため、燃料電池システムの運転条件の設定が容易になり、燃料電池システムの運転を容易に安定させることができる。
また、上記燃料電池においては、上記プロトン伝導体層を乾燥させた状態で使用するため、プロトン伝導体層内の成分が気化し、これがカソード流路内における上記生成水に溶出してしまうことがない。そのため、上記改質器に送るカソードオフガス中の上記生成水の純度を低下させてしまうことがなく、例えば、上記改質器の改質反応流路に改質触媒を配置した際には、この改質触媒に被毒等の問題が生じることがない。
そして、本発明においては、上記改質器において、上記改質用燃料と上記カソードオフガスとを反応させて上記水素含有改質ガスを生成するときには、改質器においては、カソードオフガスが有する上記残存酸素、上記十分な量の生成水を利用することができるだけでなく、カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーも利用することができる。そのため、改質器においては、上記改質用燃料と、上記高温の熱エネルギーを有するカソードオフガスとを反応させて上記水素含有改質ガスを生成することができ、この改質器におけるエネルギー効率を向上させることができる。
また、本発明においては、上記のごとく改質器において水素含有改質ガスを生成する温度と燃料電池における作動温度とをかなり近づけることができる。そのため、本発明においては、改質器と燃料電池との間に、これらにおける各温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスが生ずることがなく、また、燃料電池システムの構造を簡単にすることができる。
それ故、本発明によれば、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、カソード流路から生成水の全量を回収できると共に、カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して、燃料電池システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。
なお、本発明の燃料電池システム以外に、９００〜１０００℃ぐらいの高温で作動する固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。この固体酸化物型燃料電池によれば、電解質を介してアノード流路とカソード流路との間を水が通過するバックリフュージョンの問題が発生しない。
しかし、固体酸化物型燃料電池は、アノード流路に供給した酸素を、酸化物イオン伝導体を透過させ酸化物イオンの状態にしてカソード流路に移動させ、水素と反応させて発電を行うものである。
そのため、固体酸化物型燃料電池は、本発明のように上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層した電解質体を有する燃料電池の構成とは全く異なるものである。また、固体酸化物型燃料電池においては、発電の際に生成される水は、アノード流路において生成されるため、上記カソードオフガス中の全量の生成水を回収することはできない。
第２の発明は、改質用燃料から水素を含有する水素含有改質ガスを生成する改質反応流路を有する改質器と、上記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備え、該燃料電池は、上記改質反応流路から上記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなる燃料電池システムの発電方法において、
上記改質反応流路において生成した上記水素含有改質ガスを、上記アノード流路に供給し、上記水素含有改質ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、水素プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記水素プロトンと上記酸素含有ガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
かつ、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送り、該改質反応流路において、上記改質用燃料と上記カソードオフガスとを反応させて上記水素含有改質ガスを生成することを特徴とする燃料電池システムの発電方法にある（請求項２２）。
本発明の燃料電池システムの発電方法は、上記発明と同様に、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えた燃料電池を用いて、この燃料電池を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させて発電を行うものである。
そして、上記発明と同様に、上記改質器においては、上記残存酸素、上記十分な量の生成水及び上記高温の熱エネルギーを有するカソードオフガスと、上記改質用燃料とを反応させて上記水素含有改質ガスを生成することができる。
それ故、本発明によれば、カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを有効に利用して発電を行うことができ、燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。

図１は、実施例１における、燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図２は、実施例１における、燃料電池の構成を示す説明図である。
図３は、実施例１における、他の燃料電池システ厶の構成を示す説明図である。
図４は、実施例１における、他の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図５は、実施例２における、カソードオフガスラインに酸素分離膜体を配設した場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図６は、実施例２における、カソードオフガスラインに酸素分離膜体を配設した場合の他の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図７は、実施例２における、カソードオフガスラインに酸素分離膜体を配設した場合の他の燃料電池システムの構成を示す説明図である。。
図８は、実施例２における、カソードオフガスラインに酸素分離膜体を配設した場合の他の燃料電池システムの構成を示す説明図である。。
図９は、実施例３における、カソードオフガスラインに酸素含有冷媒ガスを混流させる場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１０は、実施例３における、カソードオフガスラインに冷媒オフガスを混流させる場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１１は、実施例３における、カソードオフガスラインに空気を混流させる場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１２は、実施例３における、カソードオフガスラインに改質用燃料を混流させる場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１３は、実施例４における、カソードオフガスラインにアノードオフガスを混流させる場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１４は、実施例４における、カソードオフガスラインに水素含有改質ガスを混流させる場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１５は、実施例４における、カソードオフガスラインに水素を混流させる場合の燃料電池システ厶の構成を示す説明図である。
図１６は、実施例５における、改質用燃料が供給される混合器にカソードオフガスラインとＡｉｒラインを接続する場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１７は、実施例５における、改質用燃料が供給される混合器にカソードオフガスラインとＡｉｒラインを接続すると共に水蒸気ラインを接続する場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。
図１８は、実施例５における、改質用燃料が供給される混合器にカソードオフガスラインとＡｉｒラインを接続すると共にカソードオフガスを直接改質器に供給する場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。

上述した第１、第２の発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第１、第２の発明においては、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスは、そのすべてを上記カソードオフガスラインを経由させて上記改質器に送ることができるだけでなく、その一部だけを改質器に送ることもできる。そして、改質器に送るカソードオフガスの流量は、改質器における反応に必要な流量となるよう適宜調整することができる。
また、上記改質器の改質反応流路においては、例えば、改質用燃料と水とから水素及び一酸化炭素等を生成する水蒸気改質反応と、改質用燃料の一部と酸素とを燃焼させて、水及び一酸化炭素等を生成する部分酸化反応とを行うことができる。そして、水蒸気改質反応により水素を生成する一方、この水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、上記部分酸化反応としての発熱反応を行って、改質器における反応温度を高く維持することができる。
また、上記改質用燃料は、例えば、炭化水素燃料又はアルコール燃料等とすることができる。上記炭化水素燃料としては、例えば、メタン、エタン等の燃料ガス、プロパン、ブタン等の液化石油ガス、オクタン等のガソリンがある。また、上記アルコール燃料としては、例えば、メタノール、エタノール等がある。
また、上記第１の発明においては、上記カソードオフガスラインは、上記カソードオフガスと上記改質用燃料のみを混合する混合器、または、上記カソードオフガスと上記改質用燃料と水蒸気とのみを混合する混合器を介さずに、上記カソードオフガスを上記改質反応器流路に送ることが好ましい（請求項２）。
即ち、上記第１の発明においては、カソードオフガスラインが上記カソオードオフガスを混合器を介さずに上記改質反応器流路に送る態様の他に、カソードオフガスを混合器を介して上記改質反応器流路に送る態様が含まれるが、本発明においては、混合器を介さずにカソードオフガスを改質反応器流路に送る態様、及び、改質器への供給に混合器を用いる場合には、カソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、カソードオフガス、改質用燃料及び水蒸気、以外に、例えば、空気、アノードオフガス及び改質器の排気ＥＧＲガス等を混合する混合器にカソードオフガスラインを接続する態様が好ましい。
カソードオフガスラインが上記カソオードオフガスを混合器を介さずに上記改質反応器流路に送る態様の場合には、配管等の態様を簡易にすることができるとともに、他の装置を介することによるエネルギーのロスを低減できる。
また、カソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、カソードオフガス、改質用燃料及び水蒸気、以外に、例えば、空気、アノードオフガス及び改質器の排気ＥＧＲガス等を混合する混合器にカソードオフガスラインを接続する場合には、カソードオフガス中の酸素量が不足する場合であっても、例えば、空気ラインから空気を、混合器を介して改質器に供給して部分酸化に必要な酸素を確保したり、アノードオフガスや排気ＥＧＲガスを、混合器を介して改質用燃料等と共に改質器に供給して、水素、熱及び改質用燃料の使用効率や熱効率を高めたりすることができる。そのため、改質器における反応効率や燃料等の使用効率を向上させることができ、燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、上記第１の発明においては、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を有していることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記改質器に上記改質反応流路と上記加熱流路とを形成することにより、上記改質器において行う上記部分酸化反応の割合を少なくすることができる。そのため、上記改質反応流路においては、上記改質用燃料を上記水素等を生成する水蒸気改質反応にできるだけ多く用いることができ、改質器への改質用燃料の供給量を少なくすることにより、改質器におけるエネルギー効率を向上させることができる。そのため、燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、上記燃料電池の上記アノード流路には、該アノード流路から排出されるアノードオフガスを上記加熱流路に送るためのアノードオフガスラインが接続されていることが好ましい（請求項４）。
ところで、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスは、上記電解質体における水素分離金属層を透過せずに排出される水素及び上記水素含有改質ガス中に含まれる水素以外の物質（特に、一酸化炭素、メタン等の可燃性物質）を有しており、かつ燃料電池の高温作動による熱量を有している。
そのため、上記アノード流路から上記アノードオフガスラインを介して上記加熱流路に上記アノードオフガスを送ったときには、加熱流路においては、アノードオフガスが有する水素及び上記可燃性物質等を燃焼に利用することができるだけでなく、アノードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して燃焼を行うことができる。また、上記改質反応流路においては、上記カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して、上記水素含有改質ガスの生成を行うことができる。そのため、上記改質器におけるエネルギー効率を一層向上させることができ、上記燃料電池システ厶のエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための酸素含有冷媒ガスが供給される冷媒流路を有していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記燃料電池の冷媒流路への上記酸素含有冷媒ガスの供給量を調整して、燃料電池における温度を所定の温度範囲内に維持することができる。
また、上記燃料電池の上記冷媒流路には、該冷媒流路から排出される冷媒オフガスを上記加熱流路に送るための冷媒オフガスラインが接続されていることが好ましい（請求項６）。
ところで、上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスは、上記酸素含有冷媒ガス中に含まれる酸素を有しており、かつ上記燃料電池を通過して加熱された熱量を有している。
そのため、上記アノード流路から上記アノードオフガスラインを介して上記加熱流路に上記アノードオフガスを送り、また、上記冷媒流路から上記冷媒オフガスラインを介して上記加熱流路に上記冷媒オフガスを送ったときには、加熱流路においては、アノードオフガスが有する水素と冷媒オフガスが有する酸素とを燃焼させることができるだけでなく、アノードオフガス及び冷媒オフガスがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して燃焼を行うことができる。そのため、上記改質器におけるエネルギー効率を一層向上させることができ、上記燃料電池システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスは、そのすべてを上記カソードオフガスラインを経由して上記改質反応流路に送ることができるだけでなく、その一部だけを改質反応流路に送ることもできる。そして、改質反応流路に送るカソードオフガスの流量は、改質反応流路における反応に必要な流量となるよう適宜調整することができる。
また、上記アノードオフガス及び上記冷媒オフガスについても同様に、それらのすべてを上記アノードオフガスライン又は上記冷媒オフガスラインを経由して上記加熱流路に送ることができるだけでなく、それらの一部だけを上記加熱流路に送ることもできる。そして、加熱流路に送るアノードオフガスの流量又は冷媒オフガスの流量は、加熱流路における燃焼に必要な流量となるよう適宜調整することができる。
また、上記カソードオフガスラインには、排気用三方調整弁が配設されており、上記燃料電池システムは、上記排気用三方調整弁を介して、上記カソードオフガスの一部を排気すると共に、残部を上記改質反応流路に送るよう構成されていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記排気用三方調整弁により、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量、すなわち改質反応流路に送る水分量及び酸素量を調整することができる。
ところで、上記アノード流路への上記水素含有ガスの流量、上記カソード流路への上記酸素含有ガスの流量等が変化し、上記カソード流路における水素プロトンの量に対する理論空気量の比率（カソードストイキ）が変化したときには、上記水素プロトンとの反応に使用されなかったカソードオフガス中の残存酸素の量も変化する。このとき、特に、この残存酸素の量が、上記改質反応流路に必要な酸素量よりも多いときには、上記排気用三方調整弁を介してカソードオフガスの一部を排気することにより、改質反応流路に送るカソードオフガスの流量を減少させることができる。これにより、改質反応流路に送るカソードオフガス中の残存酸素の量を適切な量に維持することができる。
なお、上記カソードストイキを算出する際の理論空気量は、上記酸素含有ガスに空気以外のものを用いる場合には、酸素含有ガスを空気に換算した量とすることができる。
また、上記燃料電池システムにおいては、上記アノード流路への上記水素含有ガスの流量、上記カソード流路への上記酸素含有ガスの流量等を変化させて、上記カソードストイキを意識的に変化させることができる。このときには、上記カソードオフガス中における上記水素プロトンと酸素との反応による上記生成水の量と、上記残存酸素の量との比率を調整することができる。そして、このときでも、上記排気用三方調整弁を介してカソードオフガスの一部を排気することにより、上記改質反応流路に送るカソードオフガス中の残存酸素の量を適切な量に維持することができる。
また、上記カソードオフガスラインには、供給用三方調整弁が配設されており、上記燃料電池システムは、上記供給用三方調整弁を介して、上記カソードオフガスの一部を上記加熱流路に送ると共に、残部を上記改質反応流路に送るよう構成することもできる（請求項８）。
この場合には、上記カソードオフガスの一部を上記加熱流路において燃焼を行うために利用することができ、また、カソードオフガスの残部を上記改質反応流路において反応を行うために利用することができる。これにより、上記改質反応流路において利用しないカソードオフガスのすべてを排気することなく上記加熱流路において利用して、上記燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、改質反応流路に送るカソードオフガスの流量を減少させることもできる。また、この場合にも、上記カソードストイキを意識的に変化させて、上記カソードオフガス中における上記生成水の量と、上記残存酸素の量との比率を調整することもできる。
また、上記カソードオフガスラインには、再供給用三方調整弁が配設されており、上記燃料電池システムは、上記再供給用三方調整弁を介して、上記カソードオフガスの一部を上記カソード流路に再供給すると共に、残部を上記改質反応流路に送るよう構成することもできる（請求項９）。
この場合には、上記カソードオフガスの一部を上記カソード流路に再供給することにより、カソード流路に供給する上記酸素含有ガス中の酸素濃度を意図的に減少させて調整することができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記再供給用三方調整弁によるカソード流路への再供給量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、この場合にも、上記カソードストイキを意識的に変化させることによっても、上記改質反応流路に送る水分量と酸素量との比率を調整することもできる。
また、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて排気するよう構成することもできる（請求項１０）。
この場合には、上記酸素分離膜体を介してカソードオフガス中の酸素の一部を排気することにより、カソードオフガス中の残存酸素の量を減少させて、改質反応流路に送るカソードオフガス中の残存酸素の量を適切な量に維持することができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記酸素分離膜体による酸素の排気量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて上記カソード流路に再供給するよう構成することもできる（請求項１１）。
この場合にも、上記酸素分離膜体により改質反応流路に送るカソードオフガス中の残存酸素の量を減少させて、この残存酸素の量を適切な量に維持することができる。
また、この場合には、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記カソード流路に再供給することにより、カソード流路に供給する上記酸素含有ガス中の酸素量を増加させることができ、上記燃料電池における反応に必要な酸素量を容易に確保することができる。そのため、上記カソードストイキは適切な比率に維持したまま、カソード流路に供給する酸素含有ガスの流量を減少させることもできる。
また、この場合にも、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記酸素分離膜体を透過させる酸素量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて上記加熱流路に送るよう構成することもできる（請求項１２）。
この場合にも、上記酸素分離膜体により改質反応流路に送るカソードオフガス中の残存酸素の量を減少させて、この残存酸素の量を適切な量に維持することができる。
また、この場合には、上記酸素分離膜体を介して得られたカソードオフガス中の酸素を上記加熱流路において燃焼を行うために利用することができる。これにより、上記改質反応流路において利用しないカソードオフガス中の酸素を上記加熱流路において有効に利用することができ、上記燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、この場合にも、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記酸素分離膜体を透過させる酸素量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて酸素バッファに貯蔵するよう構成することもできる（請求項１３）。
この場合にも、上記酸素分離膜体により改質反応流路に送るカソードオフガス中の残存酸素の量を減少させて、この残存酸素の量を適切な量に維持することができる。
また、この場合には、上記改質反応流路において利用しないカソードオフガス中の酸素は、上記酸素バッファに貯蔵しておくことができる。そして、例えば、上記改質反応流路に必要な酸素量を増加したいときに、この改質反応流路に上記酸素バッファから酸素を供給することができる。
また、この場合にも、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記酸素分離膜体を透過させる酸素量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに上記酸素含有冷媒ガスの一部を混流させるよう構成されていることが好ましい（請求項１４）。
この場合は、特に、上記カソードオフガス中の残存酸素の量が上記改質反応流路に必要な酸素量よりも少ないときに、この改質反応流路に上記酸素含有冷媒ガスの一部を混流させたカソードオフガスを供給することにより、改質反応流路において利用するカソードオフガス中の酸素量を増加させることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記酸素含有冷媒ガスの混流量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに上記冷媒オフガスの一部を混流させるよう構成することもできる（請求項１５）。
この場合には、上記改質反応流路に、上記燃料電池内を通過して加熱された状態の冷媒オフガスの一部を混流させたカソードオフガスを供給することができる。そのため、改質反応流路において利用するカソードオフガスの温度をほとんど低下させることなく、このカソードオフガス中の酸素量を増加させることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記冷媒オフガスの混流量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに空気を混流させるよう構成することもできる（請求項１６）。
この場合は、特に、上記カソードオフガス中の残存酸素の量が上記改質反応流路に必要な酸素量よりも少ないときに、上記カソードオフガスに空気を混合させることにより、改質反応流路において利用するカソードオフガス中の酸素量を増加させることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記空気の混流量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに酸素を混流させるよう構成することもできる（請求項１７）。
この場合は、特に、上記カソードオフガス中の残存酸素の量が上記改質反応流路に必要な酸素量よりも少ないときに、上記カソードオフガスに酸素を混合させることにより、改質反応流路において利用するカソードオフガス中の酸素量を一層効果的に増加させることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量を調整して上記改質反応流路に送る水分量を決定し、上記酸素の混流量を調整して上記改質反応流路に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに改質用燃料を混流させるよう構成することもできる（請求項１８）。
この場合には、上記カソードオフガスラインにおいて、上記改質用燃料と上記カソードオフガス中の残存酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガス中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガス中の水分量を増加させることができる。そのため、上記改質反応流路には、上記水分量に対する上記酸素量が少なくなるように調整したカソードオフガスを送ることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量の調整と、上記改質用燃料の混流量の調整とにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに上記アノードオフガスの一部を混流させるよう構成することもできる（請求項１９）。
この場合には、上記カソードオフガスラインにおいて、上記アノードオフガス中の水素と上記カソードオフガス中の残存酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガス中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガス中の水分量を増加させることができる。また、この場合には、上記カソードオフガスラインにおいて、上記カソードオフガスに上記アノードオフガス中の水を混合させて、カソードオフガス中の水分量を増加させることもできる。
そのため、上記改質反応流路には、上記水分量に対する上記酸素量が少なくなるように調整したカソードオフガスを送ることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量の調整と、上記アノードオフガスの混流量の調整とにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに上記水素含有改質ガスの一部を混流させるよう構成することもできる（請求項２０）。
この場合には、上記カソードオフガスラインにおいて、上記水素含有改質ガス中の水素と上記カソードオフガス中の酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガス中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガス中の水分量を増加させることができる。そのため、上記改質反応流路には、上記水分量に対する上記酸素量が少なくなるように調整したカソードオフガスを送ることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量の調整と、上記水素含有改質ガスの混流量の調整とにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、この場合には、上記水素含有改質ガスの一部を再び上記改質反応流路に供給することになり、改質反応流路において生成する水素含有改質ガス中の水素濃度を増加させることもできる。
また、上記燃料電池システムは、上記カソードオフガスラインに水素を混流させるよう構成することもできる（請求項２１）。
この場合には、上記カソードオフガスラインにおいて、上記水素と上記カソードオフガス中の酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガス中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガス中の水分量を増加させることができる。そのため、上記改質反応流路には、上記水分量に対する上記酸素量が少なくなるように調整したカソードオフガスを送ることができる。
また、この場合にも、上記排気用三方調整弁を使用することにより、上記改質反応流路に送る上記カソードオフガスの流量を減少させることができる。そして、この場合には、排気用三方調整弁における排気量の調整と、上記水素の混流量の調整とにより、改質反応流路に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、この場合には、上記改質反応流路にカソードオフガスを供給するだけでなく水素も供給することができ、改質反応流路において生成する水素含有改質ガス中の水素濃度を一層増加させることができる。
また、上記第２の発明においては、上記カソードオフガスラインは、上記カソードオフガスと上記改質用燃料のみを混合する混合器、または、上記カソードオフガスと上記改質用燃料と水蒸気とのみを混合する混合器を介さずに、上記カソードオフガスを上記改質反応器流路に送ることが好ましい（請求項２２）。
即ち、上記第２の発明においては、カソードオフガスラインが上記カソオードオフガスを混合器を介さずに上記改質反応器流路に送る態様の他に、カソードオフガスを混合器を介して上記改質反応器流路に送る態様が含まれるが、本発明においては、混合器を介さずにカソードオフガスを改質反応器流路に送る態様、及び、改質器への供給に混合器を用いる場合には、カソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、カソードオフガス、改質用燃料及び水蒸気、以外に、例えば、空気、アノードオフガス及び改質器の排気ＥＧＲガス等を混合する混合器にカソードオフガスラインを接続する態様が好ましい。
カソードオフガスラインが上記カソオードオフガスを混合器を介さずに上記改質反応器流路に送る態様の場合には、配管等の態様を簡易にすることができるとともに、他の装置を介することによるエネルギーのロスを低減できる。
また、カソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、カソードオフガス、改質用燃料及び水蒸気、以外に、例えば、空気、アノードオフガス及び改質器の排気ＥＧＲガス等を混合する混合器にカソードオフガスラインを接続する場合には、カソードオフガス中の酸素請求項量が不足する場合であっても、例えば、空気ラインから空気を混合器を介して改質器に供給して部分酸化に必要な酸素を確保したり、アノードオフガスや排気ＥＧＲガスを、混合器を介して改質用燃料等と共に改質器に供給して、水素、熱及び改質用燃料の使用効率や熱効率を高めたりすることができる。そのため、改質器における反応効率や燃料等の使用効率を向上させることができ、燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる（請求項２２）。
上記第２の発明においては、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を有しており、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための酸素含有冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送り、該改質反応流路において、上記改質用燃料と上記カソードオフガスとを反応させて上記水素含有改質ガスを生成し、また、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスと、上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスとを上記加熱流路に送り、該加熱流路において、上記アノードオフガスと上記冷媒オフガスとを燃焼させて上記加熱を行うことが好ましい（請求項２３）。
この場合には、上記加熱流路において、上記アノードオフガスが有する水素と上記冷媒オフガスが有する酸素とを燃焼させることができるだけでなく、アノードオフガスが有する高温の熱エネルギーと冷媒オフガスが有する熱エネルギーとを利用して燃焼を行うことができる。また、上記改質反応流路においては、上記カソードオフガスが有する高温の熱エネルギーを利用して、上記水素含有改質ガスの生成を行うことができる。そのため、カソードオフガス、アノードオフガス及び冷媒オフガスがそれぞれ有するエネルギーを有効に利用して発電を行うことができ、燃料電池システムにおけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
以下に、図面を用いて本発明の燃料電池システム及びその発電方法にかかる実施例につき説明する。

図１、図２に示すごとく、本例の燃料電池システム１は、炭化水素燃料からなる改質用燃料Ｆから水素を含有する水素含有改質ガスＧａを生成する改質器２と、この改質器２において生成した上記水素含有改質ガスＧａを利用して発電を行う燃料電池３とを備えている。
上記改質器２は、上記改質用燃料Ｆから上記水素含有改質ガスＧａを生成する改質反応流路２１と、この改質反応流路２１に隣接形成され燃焼を行ってこの改質反応流路２１を加熱する加熱流路２２とを有している。
また、図２に示すごとく、上記燃料電池３は、上記改質反応流路２１から上記水素含有改質ガスＧａが供給されるアノード流路３２と、酸素含有ガスＧｃが供給されるカソード流路３３と、このカソード流路３３と上記アノード流路３２との間に配設された電解質体３１と、当該燃料電池３を冷却するための酸素含有冷媒ガスＧｒが供給される冷媒流路３４とを有している。
また、上記電解質体３１は、上記アノード流路３２に供給された上記水素含有改質ガスＧａ中の水素を透過させるための水素分離金属層（水素透過金属層）３１１と、この水素分離金属層３１１を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。
また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、上記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃを上記改質器２における改質反応流路２１に送るためのカソードオフガスライン４６と、上記アノード流路３２から排出されるアノードオフガスＯａを上記加熱流路２２に送るためのアノードオフガスライン４５と、上記冷媒流路３４から排出される冷媒オフガスＯｒを上記加熱流路２２に送るための冷媒オフガスライン４７とを有している。
そして、上記改質器２は、その改質反応流路２１において、上記改質用燃料Ｆと上記カソードオフガスＯｃとを反応させて上記水素含有改質ガスＧａを生成するよう構成されている。また、上記改質器２は、上記加熱流路２２において、上記アノードオフガスＯａと上記冷媒オフガスＯｒとを燃焼させて上記加熱を行うよう構成されている。
以下に、これを詳説する。
図１、図２に示すごとく、本例の水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層金属からなる。なお、水素分離金属層３１１は、パラジウムのみでもよく、これを含有する合金とすることもできる。また、水素分離金属層３１１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ^２を超える水素透過性能（水素分離性能）を有している。こうして、水素分離金属層３１１の導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、本例のプロトン伝導体層３１２は、セラミックスとしてのペロブスカイト型酸化物からなる。そして、プロトン伝導体層３１２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ_３系のもの、ＳｒＣｅＯ_３系のものがある。
また、図２に示すごとく、上記電解質体３１は、上記プロトン伝導体層３１２における上記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１（陽極）と、上記プロトン伝導体層３１２における上記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１（陰極）とを有している。また、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間には、上記燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３６が接続されている。
また、本例のプロトン伝導体層３１２におけるアノード電極３２１は、上記水素分離金属層３１１を構成するパラジウムにより構成している。また、本例のプロトン伝導体層３１２におけるカソード電極３３１は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３２１も、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。
本例においては、図１に示すごとく、上記カソードオフガスライン４６には、これを流れるカソードオフガスＯｃを２つに分岐して流すことができる排気用三方調整弁としてのカソードオフガス用三方調整弁６１が配設されている。
そして、上記燃料電池システム１は、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を介して、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器２における改質反応流路２１に送るよう構成されている。また、カソードオフガス用三方調整弁６１は、上記排気するカソードオフガスＯｃの流量と、上記改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記カソードオフガス用三方調整弁６１により、上記カソードオフガスライン４６から上記改質器２における改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量を調整することができる。
これにより、カソードオフガスＯｃ中の酸素量（燃料電池３における反応に使用されなかった残存酸素量）が、改質反応流路２１に必要な酸素量よりも多いときには、カソードオフガス用三方調整弁６１を介してカソードオフガスＯｃの一部を排気することにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
なお、本例において用いる各三方調整弁は、ガスを流入させる入口ポートと、ガスを流出させる出口ポート及びリリーフポートとを有する分岐弁である。そして、本例の分岐弁は、出口ポートとリリーフポートとに分岐させて流すガスの流量の分配比率を調整することができるものである。以下の各実施例に示す各三方調整弁についても同様である。
ところで、上記アノード流路３２への水素含有改質ガスＧａの流量、上記カソード流路３３への酸素含有ガスＧｃの流量等が変化し、カソード流路３３における水素プロトン量に対する理論空気量の比率（カソードストイキ）が変化したときには、水素プロトンとの反応に使用されなかったカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量も変化する。このとき、特に、この残存酸素量が、改質反応流路２１に必要な酸素量よりも多いときには、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を介してカソードオフガスＯｃの一部を排気することにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量を減少させることができる。これにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
また、上記燃料電池システム１においては、上記アノード流路３２への水素含有改質ガスＧａの流量、上記カソード流路３３への酸素含有ガスＧｃの流量等を変化させて、上記カソードストイキを意識的に変化させることができる。このときには、カソードオフガスＯｃ中における水素プロトンと酸素との反応により生成した水の量（水分量）と、上記残存酸素量との比率を調整することができる。そして、このときでも、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を介してカソードオフガスＯｃの一部を排気することにより、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
また、図１に示すごとく、本例においては、上記アノードオフガスライン４５には、これを流れるアノードオフガスＯａを２つに分岐して流すことができるアノードオフガス用三方調整弁５１が配設されている。
そして、上記燃料電池システム１は、上記アノードオフガス用三方調整弁５１を介して、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成されている。また、アノードオフガス用三方調整弁５１は、上記排気するアノードオフガスＯａの流量と、上記加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記アノードオフガス用三方調整弁５１により、上記アノードオフガスライン４５から上記改質器２における加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａの流量を調整することができる。
これにより、アノードオフガスＯａ中の水素量（燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１へ透過されなかった残存水素量）が、加熱流路２２に必要な水素量よりも多いときには、アノードオフガス用三方調整弁５１を介してアノードオフガスＯａの一部を排気することにより、加熱流路２２に送るアノードオフガスＯａ中の残存水素量を適切な量に維持することができる。
また、図１に示すごとく、本例においては、上記冷媒オフガスライン４７には、これを流れる冷媒オフガスを２つに分岐して流すことができる冷媒オフガス用三方調整弁７１が配設されている。
そして、上記燃料電池システム１は、上記冷媒オフガス用三方調整弁７１を介して、冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒの一部を排気すると共に、その残部を上記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成されている。また、冷媒オフガス用三方調整弁７１は、上記排気する冷媒オフガスＯｒの流量と、上記加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒの流量との分配比率を調整することができる。
そして、上記冷媒オフガス用三方調整弁７１により、上記冷媒オフガスライン４７から上記改質器２における加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒの流量を調整することができる。これにより、冷媒オフガスＯｒ中の酸素量が、加熱流路２２に必要な酸素量よりも多いときには、冷媒オフガス用三方調整弁７１を介して冷媒オフガスＯｒの一部を排気することにより、加熱流路２２に送る冷媒オフガスＯｒ中の残存酸素量を適切な量に維持することができる。
また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、上記改質器２における改質反応流路２１に、上記改質用燃料Ｆを供給するための燃料供給ライン４１を有している。そして、上記カソードオフガスライン４６は、上記燃料供給ライン４１に接続されており、この接続部には、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスと燃料供給ライン４１を流れる改質用燃料Ｆとを混合する反応流路用混合弁８８１が配設されている。そして、上記改質器２における改質反応流路２１には、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃとの混合気が供給される。
なお、上記カソードオフガスライン４６は、上記改質反応流路２１に直接接続することもでき、改質反応流路２１内において、カソードオフガスＯｃと改質用燃料Ｆとを混合することもできる。
そして、改質反応流路２１においては、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃ中に含まれる水（高温の水蒸気）とにより水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素等が生成される。また、改質反応流路２１においては、改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃ中に含まれる酸素とにより部分酸化反応が行われ、水、一酸化炭素、二酸化炭素等が生成される。こうして、上記水蒸気改質反応及び部分酸化反応により、水素及び水等を含有する上記水素含有改質ガスＧａが生成される。
また、上記水蒸気改質反応は吸熱反応である一方、上記部分酸化反応は発熱反応であり、部分酸化反応により改質反応流路２１内の温度の低下を抑制することができる。
また、図１に示すごとく、本例の燃料電池システム１においては、上記アノードオフガスライン４５と上記冷媒オフガスライン４７とは、上記改質器２における加熱流路２２に連通する加熱用ガス混合ライン４５１に接続されている。そして、この接続部には、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａと冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒとを混合する加熱流路用混合弁８８２が配設されている。そして、上記改質器２における加熱流路２２には、アノードオフガスＯａと冷媒オフガスＯｒとの混合気が供給される。
なお、上記アノードオフガスライン４５及び冷媒オフガスライン４７は、それぞれ上記加熱流路２２に直接接続することもでき、加熱流路２２内において、アノードオフガスＯａと冷媒オフガスＯｒとを混合することもできる。
そして、加熱流路２２においては、アノードオフガスＯａ中に含まれる水素と冷媒オフガスＯｒ中に含まれる酸素とにより燃焼反応が行われ、水等が生成される。
こうして、上記加熱流路２２において燃焼反応を行うことにより、上記加熱流路２２から上記改質反応流路２１へと熱量を伝達することができ、改質反応流路２１内の温度が高く維持されるようにすることができる。本例においては、改質反応流路２１における水蒸気改質反応及び部分酸化反応による熱量と、上記加熱流路２２における燃焼反応とによる熱量とをほぼつり合わせることにより、改質器２において生成する水素含有改質ガスＧａの温度が所定の温度範囲内に維持されるようにしている。
また、上記加熱流路２２において燃焼反応が行われた後の燃焼オフガスは、加熱流路２２の出口に接続された排気ライン４９から燃料電池システム１の外部に排出される。
また、上記改質器２に加熱流路２２とを形成したことにより、改質反応流路２１において行う部分酸化反応の割合を少なくすることができる。そのため、改質反応流路２１においては、改質用燃料Ｆを上記水素等を生成するための水蒸気改質反応にできるだけ多く用いることができ、改質反応流路２１への改質用燃料Ｆの供給量を少なくすることができる。
また、図１に示すごとく、上記改質器２における改質反応流路２１と上記燃料電池３におけるアノード流路３２とは、改質反応流路２１において生成された水素含有改質ガスＧａが流れる改質ガス供給ライン４２を介して接続されている。
また、上記燃料電池３におけるカソード流路３３には、上記酸素含有ガスＧｃをこのカソード流路３３に供給するための酸素含有ガス供給ライン４３が接続されている。本例の酸素含有ガスＧｃは空気であり、酸素含有ガス供給ライン４３には、酸素含有ガスＧｃとしての空気を加圧して送り出す酸素含有ガス加圧器６０が配設されている。本例の酸素含有ガス加圧器６０はポンプ６０とした。これに対し、酸素含有ガス加圧器６０は、ファン、圧縮機又はエジェクター等とすることもできる。
なお、上記酸素含有ガスＧｃとしては、空気以外にも、例えば酸素を用いることができる。
また、上記燃料電池３における冷媒流路３４には、上記酸素含有冷媒ガスＧｒをこの冷媒流路３４に供給するための冷媒ガス供給ライン４４が接続されている。本例の酸素含有冷媒ガスＧｒは空気であり、冷媒ガス供給ライン４４には、酸素含有冷媒ガスＧｒとしての空気を加圧して送り出す冷媒ガス加圧器７０が配設されている。そして、冷媒ガス加圧器７０による燃料電池３の冷媒流路３４への酸素含有冷媒ガスＧｒの供給量を調整することにより、燃料電池３における温度を所定の温度範囲内に維持することができる。
また、本例の冷媒ガス加圧器７０はポンプ７０とした。これに対し、冷媒ガス加圧器７０は、ファン、圧縮機又はエジェクター等とすることもできる。
また、上記燃料電池システム１は、上記改質器２における改質反応流路２１から上記燃料電池３におけるアノード流路３２へは、熱交換器又は凝縮器等を介さずに、上記水素含有改質ガスＧａを直接供給するよう構成されている。また、燃料電池システム１は、燃料電池３におけるカソード流路３３から改質器２における改質反応流路２１へも、熱交換器等を介さずに、上記カソードオフガスＯｃを直接供給するよう構成されている。
なお、図１においては、上記改質器２における改質反応流路２１及び加熱流路２２は、それぞれ１つずつ形成した場合を示している。これに対し、上記改質器２は、改質反応流路２１と加熱流路２２とをそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
また、図１、図２においては、上記燃料電池３におけるアノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４は、それぞれ１つずつ形成した場合を示している。これに対し、上記燃料電池３は、アノード流路３２、カソード流路３３及び冷媒流路３４をそれぞれ複数形成し、これらを交互に配置して構成することもできる。
次に、上記燃料電池システム１を用いて発電を行う方法及び燃料電池システム１における作用効果につき説明する。
本例においては、上記改質器２の改質反応流路２１においては、上記燃料供給ライン４１から送られる改質用燃料Ｆと、上記カソードオフガスライン４６から送られるカソードオフガスＯｃとが反応して、上記水素含有改質ガスＧａが生成される。一方で、上記改質器２の加熱流路２２においては、上記アノードオフガスライン４５から送られるアノードオフガスＯａと、上記冷媒オフガスライン４７から送られる冷媒オフガスＯｒとが反応することにより発熱し、加熱流路２２は改質反応流路２１を加熱する。こうして、改質反応流路２１においては水素含有改質ガスＧａを生成する一方、これを加熱流路２２から加熱することにより、改質反応流路２１から上記燃料電池３におけるアノード流路３２に送り出される水素含有改質ガスＧａの温度を３００〜６００℃の高温に維持することができる。
なお、改質器２において生成する水素含有改質ガスＧａの温度は、３００〜６００℃とすることができるが、４００〜５００℃にすることが一層好ましい。この場合には、上記燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１の温度を、水素透過性能を発揮する最適な温度に維持することができ、水素分離金属層３１１に劣化等が発生することを容易に抑制することができる。
また、上記改質器２の改質反応流路２１において生成された上記水素含有改質ガスＧａは、上記改質ガス供給ライン４２を通過して上記燃料電池３におけるアノード流路３２に供給される。そして、アノード流路３２に供給された水素含有改質ガスＧａ中の水素の多くは、上記電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過して、電解質体３１におけるプロトン伝導体層３１２に到達する。そして、上記水素は、水素プロトンの状態になってプロトン伝導体層３１２を通過する。
そして、上記カソード流路３３においては、上記水素プロトンと、上記酸素含有ガス供給ライン４３から供給された酸素含有ガスＧｃ中の酸素とが反応して水が生成される。本例においては、この燃料電池３における反応が３００〜６００℃の高温状態において行われ、上記生成された水は高温の水蒸気となる。
また、上記反応を行うと共に、上記電解質体３１におけるアノード電極３２１とカソード電極３３１との間から上記電池出力線３６へと電力を取り出すことにより、上記燃料電池システム１は発電を行うことができる。
本例の燃料電池システム１は、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１を備えた燃料電池３を有している。そして、本例の燃料電池システム１においては、上記プロトン伝導体層３１２がセラミックスからなり、このプロトン伝導体層３１２は水分を含浸させずに用いることができるため、上記燃料電池３を、例えば３００〜６００℃の高温状態で作動させることができる。そのため、上記改質器２から上記水素含有改質ガスＧａを上記燃料電池３に直接供給することができる。
また、上記カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、上記燃料電池３の作動温度に近い高温の状態で上記改質器２に直接送ることができる。そのため、上記燃料電池システム１においては、改質器２において水素含有改質ガスＧａを生成する温度と、燃料電池３における作動温度とをほとんど同じにすることができる。
そして、上記カソード流路３３において反応が行われた後に、このカソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃは、上記反応に使用されなかった酸素（残存酸素）と、上記反応によって生成された水（生成水）と、上記燃料電池３の高温作動による熱量とを有している。
そして、上記燃料電池３のカソード流路３３における生成水は、例えば３００〜６００℃の高温の水蒸気となっており、この生成水は、上記プロトン伝導体層３１２に含浸されることがほとんどなく、また、上記水素分離金属層３１１が水素のみを透過させる性質を有することにより、上記生成水は、カソード流路３３からアノード流路３２へと通過してしまうことがない。そのため、上記カソード流路３３から上記カソードオフガスライン４６を介して、上記生成水の全量を回収することができる。
これにより、上記燃料電池システム１においては、上記改質器２の改質反応流路２１における反応に必要な水を、上記燃料電池３の発電により生じた生成水を含むカソードオフガスＯｃから容易に確保することができ、上記改質反応流路２１には十分な量の水を供給することができる。また、燃料電池システム１においては、上記カソードオフガスＯｃ中の全量の生成水を利用して、上記改質反応流路２１に供給する水分量を調整することができる。
そのため、燃料電池システム１の運転条件の設定が容易になり、燃料電池システム１の運転を容易に安定させることができる。
また、上記燃料電池３においては、上記プロトン伝導体層３１２を乾燥させた状態で使用するため、プロトン伝導体層３１２内の成分が気化し、これがカソード流路３３内における上記生成水に溶出してしまうことがない。そのため、上記改質器２に送るカソードオフガスＯｃ中の上記生成水の純度を低下させてしまうことがなく、上記改質器２の改質反応流路２１内に配置した上記水蒸気改質反応を行うための改質触媒に被毒等の問題が生じることがない。
そして、上記燃料電池システム１においては、上記改質器２の改質反応流路２１において、上記改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃとを反応させて水素含有改質ガスＧａを生成するときには、この改質反応流路２１においては、カソードオフガスＯｃが有する残存酸素、十分な量の生成水を利用することができるだけでなく、カソードオフガスＯｃが有する高温の熱エネルギーも利用することができる。そのため、改質反応流路２１においては、改質用燃料Ｆと、高温の熱エネルギーを有するカソードオフガスＯｃとを反応させて水素含有改質ガスＧａを生成することができ、この改質反応流路２１におけるエネルギー効率を向上させることができる。
また、上記アノード流路３２から排出されるアノードオフガスＯａは、上記電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過せずに排出される水素及び上記水素含有改質ガスＧａ中に含まれる水素以外の物質を有しており、かつ燃料電池３の高温作動による熱量を有している。また、上記冷媒流路３４から排出される冷媒オフガスＯｒは、上記酸素含有冷媒ガスＧｒ中に含まれる酸素を有しており、かつ上記燃料電池３を通過して加熱された熱量を有している。
そのため、アノード流路３２から上記アノードオフガスライン４５を介して上記加熱流路２２にアノードオフガスＯａを送り、また、冷媒流路３４から上記冷媒オフガスライン４７を介して加熱流路２２に冷媒オフガスＯｒを送ったときには、加熱流路２２においては、アノードオフガスＯａが有する水素と冷媒オフガスＯｒが有する酸素とを燃焼させることができるだけでなく、アノードオフガス及び冷媒オフガスＯｒがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して燃焼を行うことができる。これにより、加熱流路２２におけるエネルギー効率も向上させることができる。
また、本例の燃料電池システム１においては、上記のごとく改質器２において水素含有改質ガスＧａを生成する温度と燃料電池３における作動温度とをほぼ同じにすることができる。そのため、本例においては、改質器２と燃料電池３との間に、これらにおける各温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスが生ずることがなく、また、燃料電池システム１の構造を簡単にすることができる。
それ故、本例の燃料電池システム１によれば、その構造を簡単にすることができ、カソード流路３３から生成水の全量を回収することができると共に、カソードオフガスＯｃ、アノードオフガスＯａ及び冷媒オフガスＯｒがそれぞれ有する高温の熱エネルギーを利用して、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。
なお、図示は省略するが、上記燃料電池システム１の運転を開始するときには、上記改質器２における改質反応流路２１には水及び酸素（空気等）を直接供給することができ、上記改質器２における加熱流路２２には燃料及び酸素（空気等）を直接供給することができる。
そして、上記燃料電池システム１の運転を開始した後には、改質反応流路２１に必要な水及び酸素は上記カソードオフガスＯｃのみから供給することができ、加熱流路２２に必要な燃料としての水素と、酸素とは上記アノードオフガスＯａと上記冷媒オフガスＯｒとのみから供給することができる。
また、改質器２における改質反応流路２１においては、上記高温のカソードオフガスＯｃにより、改質反応流路２１に供給した改質用燃料Ｆの気化をスムーズに行うこともできる。
また、本例の燃料電池３は、例えば、３００〜６００℃の高温で作動させているときには、上記水素分離金属層３１１が一酸化炭素等による被毒の影響をほとんど受けない。そのため、上記高温作動時には、燃料電池３のアノード流路３２に、水素以外にも一酸化炭素等を含有する水素含有改質ガスＧａを直接供給することができる。
また、本例においては、上記改質器２における改質反応流路２１に利用しないカソードオフガスＯｃの一部は、燃料電池システム１の外部に排気した。これに対し、改質反応流路２１に利用しないカソードオフガスＯｃの一部は、例えば、以下のようにして燃料電池システム１において改質反応流路２１以外の部位に利用することができる。
すなわち、図３に示すごとく、上記改質反応流路２１に利用しないカソードオフガスＯｃの一部を利用するバリエーションの１つとして、上記燃料電池システム１は、供給用三方調整弁６１１を介して、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を上記改質器２における加熱流路２２に送ると共に、残部を改質反応流路２１に送るよう構成することができる。
具体的には、カソードオフガスライン４６に配設した供給用三方調整弁６１１におけるリリーフポートと、冷媒オフガスライン４７とを、カソードオフガス混合ライン４８Ｃにより接続し、この接続部には、カソードオフガス・冷媒オフガス混合弁８８Ｃを配設する。そして、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を、冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒに混合することができる。
この場合には、改質反応流路２１に不要なカソードオフガスＯｃの一部を加熱流路２２において燃焼を行うために利用することができる。これにより、燃料電池システム１におけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、この場合にも、カソードオフガスライン４６には上記カソードオフガス用三方調整弁６１を配設しておくことができ、このカソードオフガス用三方調整弁６１により、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃの流量を減少させることもできる。
また、図４に示すごとく、上記改質反応流路２１に利用しないカソードオフガスＯｃの一部を利用する他のバリエーションとして、上記燃料電池システム１は、再供給用三方調整弁６１２を介して、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を上記カソード流路３３に再供給すると共に、残部を改質反応流路２１に送るよう構成することもできる。
具体的には、カソードオフガスライン４６に配設した再供給用三方調整弁６１２におけるリリーフポートと、酸素含有ガス供給ライン４３とを、カソードオフガス混合ライン４８Ｄにより接続し、この接続部には、カソードオフガス・酸素含有ガス混合弁８８Ｄを配設する。そして、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃの一部を、酸素含有ガス供給ライン４３を流れる酸素含有ガスＧｃに混合することができる。
この場合には、改質反応流路２１に不要なカソードオフガスＯｃの一部をカソード流路３３に再供給することにより、カソード流路３３に供給する酸素含有ガスＧｃ中の酸素濃度を意図的に減少させて調整することができる。
また、この場合にも、カソードオフガスライン４６には、上記カソードオフガス用三方調整弁６１を配設しておくことができる。そして、カソードオフガス用三方調整弁６１における排気量を調整して上記改質反応流路２１に送る水分量を決定し、上記再供給用三方調整弁６１２によるカソード流路３３への再供給量を調整して上記改質反応流路２１に送る酸素量を決定することができる。これによれば、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整することができる。
また、上記改質器２の改質反応流路２１において、改質用燃料Ｆ中の炭素（Ｃ）のモル量に対するカソードオフガスＯｃ中の水（Ｓ）のモル量を示すＳ／Ｃは、例えば、１〜３とすることができる。また、上記改質器２の改質反応流路２１において、改質用燃料Ｆ中の炭素（Ｃ）のモル量に対するカソードオフガスＯｃ中の酸素（Ｏ）のモル量を示すＯ／Ｃは、例えば、０〜１．０とすることができる。
ところで、上記改質器２の改質反応流路２１に送る水分量を増加させるためには、上記アノード流路３２への水素含有改質ガスＧａの流量を増加させて、燃料電池３の発電により生成する生成水の量を増加させることが考えられる。しかし、これを行うと、上記改質用燃料Ｆを多量に使用することになり、エネルギー効率を低下させてしまうことになる。また、エネルギー効率を高く維持しようとすると、上記水蒸気改質反応を行うために、多量の改質用燃料Ｆに相当する多量の水が必要になってしまう。
このことからも、上記燃料電池システム１におけるエネルギー効率を高く維持するためには、上記燃料電池３の発電により生成した生成水の全量を上記カソード流路３３から回収できることが重要であることがわかる。
また、上記燃料電池３の発電により生成した生成水の全量を利用して、上記改質器２の改質反応流路２１に供給する水分量を調整することができることにより、上記Ｓ／Ｃを大きくすることが容易になる。これにより、改質器２の改質反応流路２１におけるＳ／Ｃの調整幅を広くとることができ、燃料電池システム１の運転条件の設定が容易になる。

本例は、図５〜図８に示すごとく、上記カソードオフガスライン４６に酸素分離膜体８１を配設し、カソードオフガスＯｃ中の酸素濃度を低下させるようにして、上記改質器２における改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ（炭素（Ｃ）モル量に対する酸素（Ｏ）モル量）及びＳ／Ｃ（炭素（Ｃ）モル量に対する水（Ｓ）モル量）を調整する種々のバリエーションを示す例である。
上記酸素分離膜体８１は、酸素分離膜装置８１０の内部に設けてカソードオフガスライン４６に配設されている。上記酸素分離膜装置８１０は、カソードオフガスＯｃ中の酸素を透過させるための酸素分離膜体８１と、この酸素分離膜体８１によって仕切られた２つの流路８１１、８１２とを有している。この２つの流路８１１、８１２は、カソード流路３３から排出されたカソードオフガスＯｃが送られるオフガス流路８１１と、酸素分離膜体８１を透過した酸素が流れる酸素透過流路８１２とからなる。
また、上記酸素分離膜体８１は、例えば、シリコン膜、ビニル芳香族アミン重合体、メソ−テトラキスポルフェニナトコバルト又はポルフェニレンオキサイト等を用いて構成することができる。
また、本例においても、上記カソードオフガスライン４６には、カソードオフガス用三方調整弁６１が配設されている。
そして、図５に示すごとく、上記燃料電池システム１は、酸素分離膜体８１を透過させた酸素を、燃料電池システム１の外部に排気するよう構成することができる。これにより、カソードオフガスＯｃ中の酸素量（上記残存酸素量）を減少させて、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の酸素量を適切な量に維持することができる。
また、この場合には、上記カソードオフガス用三方調整弁６１から外部に排気するカソードオフガスＯｃの排気量を調整して上記改質反応流路２１に送る水分量を決定することができる。また、上記酸素分離膜体８１による酸素の排気量を調整して改質反応流路２１に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、以下のように、上記カソードオフガスライン４６に配設した酸素分離膜体８１を透過させて取り出した酸素は、上記燃料電池システム１において改質反応流路２１以外の部位に利用することもできる。
すなわち、図６に示すごとく、カソードオフガスＯｃ中の酸素を改質反応流路２１以外に利用するバリエーションの１つとして、燃料電池システム１は、酸素分離膜体８１を透過させた酸素を、上記燃料電池３におけるカソード流路３３に再供給するよう構成することができる。
具体的には、カソードオフガスライン４６に配設した酸素分離膜装置８０における酸素透過流路８１２と、酸素含有ガス供給ライン４３とを、酸素混合ライン４８Ｅにより接続し、この接続部には、酸素・酸素含有ガス混合弁８８Ｅを配設する。そして、酸素分離膜体８１を透過した酸素を、酸素含有ガス供給ライン４３を流れる酸素含有ガスＧｃに混合することができる。
この場合にも、上記と同様に、上記カソードオフガス用三方調整弁６１におけるカソードオフガスＯｃの排気量の調整と、上記酸素分離膜体８１による酸素の排気量の調整とを行って、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、この場合には、カソードオフガスＯｃ中の酸素の一部をカソード流路３３に再供給することにより、カソード流路３３に供給する酸素含有ガスＧｃ中の酸素量を増加させることができる。そのため、上記カソードストイキ（カソード流路３３における水素プロトン量に対する理論空気量の比率）を変化させることなく酸素濃度を容易に大きくすることができる。
また、この場合には、燃料電池３における反応に必要な酸素量を容易に確保することができる。そのため、カソード流路３３に供給する酸素含有ガスＧｃの流量を減少させて、上記カソードストイキを適切な比率に低減させることもできる。そして、これにより、上記酸素含有ガス供給ライン４３に配設したポンプ６０等の補機動力の軽減を図ることができ、燃料電池システム１の効率の向上に有効である。
また、図７に示すごとく、カソードオフガスＯｃ中の酸素を改質反応流路２１以外に利用する他のバリエーションとして、燃料電池システム１は、酸素分離膜体８１を透過させた酸素を、上記改質器２における加熱流路２２に送るよう構成することもできる。
具体的には、カソードオフガスライン４６に配設した酸素分離膜装置８０における酸素透過流路８１２と、冷媒オフガスライン４７とを、酸素・冷媒オフガス混合ライン４８Ｆにより接続し、この接続部には、酸素・冷媒オフガス混合弁８８Ｆを配設する。そして、酸素分離膜体８１を透過した酸素を、冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒに混合することができる。
この場合にも、上記と同様に、上記カソードオフガス用三方調整弁６１におけるカソードオフガスＯｃの排気量の調整と、上記酸素分離膜体８１による酸素の排気量の調整とを行って、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、この場合には、酸素分離膜体８１を介して得られた酸素を加熱流路２２において燃焼を行うために利用することができる。これにより、改質反応流路２１において利用しないカソードオフガスＯｃ中の酸素を加熱流路２２において有効に利用することができ、燃料電池システム１におけるエネルギー効率を一層向上させることができる。
また、図８に示すごとく、カソードオフガスＯｃ中の酸素を改質反応流路２１以外に利用する他のバリエーションとして、燃料電池システム１は、酸素分離膜体８１を透過させた酸素を酸素バッファ８２に貯蔵するよう構成することもできる。
この場合にも、上記と同様に、上記カソードオフガス用三方調整弁６１におけるカソードオフガスＯｃの排気量の調整と、上記酸素分離膜体８１による酸素の排気量の調整とを行って、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、この場合には、改質反応流路２１において利用しないカソードオフガスＯｃ中の酸素は、上記酸素バッファ８２に貯蔵しておくことができる。そして、例えば、改質反応流路２１に必要な酸素量を増加したいときに、この改質反応流路２１に酸素バッファ８２から酸素を供給することができる。また、上記酸素バッファ８２は、例えば酸素ボンベにより構成することができる。
以上、本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

本例は、図９〜図１１に示すごとく、上記カソードオフガスライン４６に、燃料電池システム１におけるいずれかの部位又は燃料電池システム１の外部から酸素を含有する特定ガスを供給し、改質反応流路２１における酸素濃度を増加させるようにして、上記Ｏ／Ｃ及びＳ／Ｃを調整する種々のバリエーションを示す例である。
そして、本例においては、上記カソードオフガスＯｃと上記特定ガスとの混合をカソードオフガスライン４６中において行い、酸素濃度の調整を行ったカソードオフガスＯｃを改質反応流路２１に供給する。
また、本例においても、上記カソードオフガスライン４６には、カソードオフガス用三方調整弁６１が配設されている。
図９に示すごとく、上記バリエーションの１つとして、上記燃料電池システム１は、その冷媒流路３４に供給するための酸素含有冷媒ガスＧｒの一部を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混流させ、この混流による混合気を改質反応流路２１に送るよう構成することができる。
具体的には、冷媒ガス供給ライン４４には冷媒ガス用三方調整弁７２を配設する。そして、この冷媒ガス用三方調整弁７２におけるリリーフポートと、カソードオフガスライン４６とを、冷媒ガス混合ライン４８Ｇにより接続し、この接続部には、冷媒ガス・カソードオフガス混合弁８８Ｇを配設する。そして、冷媒ガス供給ライン４４を流れる酸素含有冷媒ガスＧｒの一部を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
この場合には、カソードオフガスＯｃ中の酸素量を増加させて、改質反応流路２１に送るカソードオフガスＯｃ中の酸素量を適切な量に維持することができる。
また、この場合には、上記カソードオフガス用三方調整弁６１から外部に排気するカソードオフガスＯｃの排気量を調整して上記改質反応流路２１に送る水分量を決定することができる。また、上記酸素含有冷媒ガスＧｒの混流量を調整して改質反応流路２１に送る酸素量を決定することができる。これにより、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、図１０に示すごとく、上記バリエーションの他の１つとして、上記燃料電池システム１は、その冷媒流路３４から排出される冷媒オフガスＯｒの一部を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスに混流させ、この混流による混合気を改質反応流路２１に送るよう構成することもできる。
具体的には、冷媒オフガスライン４７に配設した冷媒オフガス用三方調整弁７１におけるリリーフポートと、カソードオフガスライン４６とを、冷媒オフガス混合ライン４８Ｈにより接続し、この接続部には、冷媒オフガス・カソードオフガス混合弁８８Ｈを配設する。そして、冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒの一部を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
この場合にも、上記と同様に、上記カソードオフガス用三方調整弁６１におけるカソードオフガスＯｃの排気量の調整と、上記冷媒オフガスＯｒの混流量の調整とを行って、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、この場合には、改質反応流路２１に、上記カソードオフガスＯｃと、上記燃料電池３内を通過して加熱された状態の冷媒オフガスＯｒとの混合気を供給することができる。これにより、改質反応流路２１において利用するカソードオフガスＯｃの温度をほとんど低下させることなく、このカソードオフガスＯｃ中の酸素量を増加させることができる。
なお、上記冷媒オフガス用三方調整弁７１は、冷媒オフガスライン４７において２つ配設し、一方は、上記冷媒オフガスライン４７を流れる冷媒オフガスＯｒの流量を調整するために用い、他方は、上記混流を行うために用いることができる。
また、図１１に示すごとく、上記バリエーションの他の１つとして、上記燃料電池システム１は、上記カソードオフガスライン４６にエアーポンプ６３により空気を混流させるよう構成することもできる。
この場合には、エアーポンプ６３の吐出口とカソードオフガスライン４６とを接続し、この接続部には、空気・カソードオフガス混合弁８８Ｉを配設する。そして、エアーポンプ６３から吐き出す空気を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
また、この場合にも、上記と同様に、上記カソードオフガス用三方調整弁６１におけるカソードオフガスＯｃの排気量の調整と、上記空気の混流量の調整とを行って、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、この場合には、上記エアーポンプ６３に代えて、酸素バッファを用いることもできる。この場合には、改質反応流路２１において利用するカソードオフガスＯｃ中の酸素量を一層効果的に増加させることができる。
本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効杲を得ることができる。

本例は、図１２〜図１５に示すごとく、上記カソードオフガスライン４６に、燃料電池システム１におけるいずれかの部位又は燃料電池システム１の外部から水素を含有する特定ガス又は燃料を供給して、これとカソードオフガスＯｃ中の酸素と燃焼させて、カソードオフガスＯｃ中の酸素量及び水分量を調整することにより、上記改質器２の改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを調整する種々のバリエーションを示す例である。
そして、本例においては、上記カソードオフガスＯｃと上記特定ガス又は燃料とをカソードオフガスライン４６中において燃焼させ、酸素濃度の調整を行ったカソードオフガスＯｃを改質反応流路２１に供給する。
また、本例においても、上記カソードオフガスライン４６には、カソードオフガス用三方調整弁６１が配設されている。
図１２に示すごとく、上記バリエーションの１つとして、上記燃料電池システム１は、上記カソードオフガスライン４６に改質用燃料Ｆを混流させるよう構成することができる。
この場合には、改質用燃料Ｆの供給ラインとカソードオフガスライン４６とを接続し、この接続部には、燃料・カソードオフガス混合弁８８Ｊを配設する。そして、改質用燃料Ｆを、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
この場合には、カソードオフガスライン４６において、上記改質用燃料Ｆと上記カソードオフガスＯｃ中の酸素（残存酸素）とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガスＯｃ中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガスＯｃ中の水分量を増加させることができる。
また、この場合には、カソードオフガス用三方調整弁６１における排気量の調整と、上記改質用燃料Ｆの混流量の調整とにより、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、図１３に示すごとく、上記バリエーションの他の１つとして、上記燃料電池システム１は、上記アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａの一部を上記カソードオフガスライン４６に混流させるよう構成することもできる。
具体的には、アノードオフガスライン４５に配設したアノードオフガス用三方調整弁５１におけるリリーフポートと、カソードオフガスライン４６とを、アノードオフガス混合ライン４８Ｋにより接続し、この接続部には、アノードオフガス・カソードオフガス混合弁８８Ｋを配設する。そして、アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａの一部を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
この場合には、カソードオフガスライン４６において、アノードオフガスＯａ中の水素とカソードオフガス中の残存酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガスＯｃ中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガスＯｃ中の水分量を増加させることができる。また、この場合には、カソードオフガスライン４６において、カソードオフガスＯｃにアノードオフガスＯａ中の水を混合させて、カソードオフガスＯｃ中の水分量を増加させることもできる。
そして、この場合にも、カソードオフガス用三方調整弁６１における排気量の調整と、上記アノードオフガスＯａの混流量の調整とにより、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
なお、上記アノードオフガス用三方調整弁５１は、アノードオフガスライン４５において２つ配設し、一方は、上記アノードオフガスライン４５を流れるアノードオフガスＯａの流量を調整するために用い、他方は、上記混流を行うために用いることができる。
また、図１４に示すごとく、上記バリエーションの他の１つとして、上記燃料電池システム１は、上記改質ガス供給ライン４２を流れる水素含有改質ガスＧａの一部を上記カソードオフガスライン４６に混流させるよう構成することもできる。
具体的には、改質ガス供給ライン４２には改質ガス用三方調整弁５３を配設する。そして、改質ガス用三方調整弁５３におけるリリーフポートと、カソードオフガスライン４６とを、改質ガス混合ライン４８Ａにより接続し、この接続部には、改質ガス・カソードオフガス混合弁８８Ａを配設する。そして、改質ガス供給ライン４２を流れる水素含有改質ガスＧａの一部を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
この場合には、カソードオフガスライン４６において、水素含有改質ガスＧａ中の水素とカソードオフガス中の残存酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガスＯｃ中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガスＯｃ中の水分量を増加させることができる。
そして、この場合にも、カソードオフガス用三方調整弁６１における排気量の調整と、上記水素含有改質ガスＧａの混流量の調整とにより、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。また、この場合には、上記水素含有改質ガスＧａの一部を再び改質反応流路２１に供給することになり、改質反応流路２１において生成する水素含有改質ガスＧａ中の水素濃度を増加させることもできる。
また、図１５に示すごとく、上記バリエーションの他の１つとして、上記燃料電池システム１は、上記カソードオフガスライン４６に水素バッファ８３から水素を混流させるよう構成することもできる。
この場合には、水素バッファ８３とカソードオフガスライン４６とを接続し、この接続部には、水素・カソードオフガス混合弁８８Ｌを配設する。そして、水素バッファ８３に貯蔵した水素を、カソードオフガスライン４６を流れるカソードオフガスＯｃに混合することができる。
この場合には、上記カソードオフガスライン４６において、水素とカソードオフガス中の酸素とを燃焼させることができる。そして、この燃焼により、カソードオフガスＯｃ中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガスＯｃ中の水分量を増加させることができる。
そして、この場合にも、カソードオフガス用三方調整弁６１における排気量の調整と、上記水素の混流量の調整とにより、改質反応流路２１に送る水分量及び酸素量とこれらの比率とを適切に調整し、改質反応流路２１におけるＯ／Ｃ及びＳ／Ｃを適切に調整することができる。
また、この場合には、改質反応流路２１にカソードオフガスを供給するだけでなく水素も供給することができ、改質反応流路２１において生成する水素含有改質ガスＧａ中の水素濃度を一層増加させることができる。また、上記水素バッファ８３は、例えば、水素ボンベ、水素吸蔵合金又はカーボン等により構成することができる。
以上、本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

本例は、図１６〜図１８に示すごとく、上記カソードオフガスライン４６及びＡｉｒライン９０が接続した混合器９２を介して改質用燃料Ｆを改質器２に供給する種々のバリエーションを示す例である。
上記混合器９２は、燃料供給ライン４１に接続され改質器２と連通しており、混合器９２内で、改質量燃料Ｆが他のガスと混合されて改質器２に供給される。図１６〜１８に示すように混合器９２には少なくともカソードオフガスＯｃと酸素含有ガスＧｃと改質用燃料Ｆとが供給可能であり、これらの混合ガスを改質器２に供給することができる。
Ａｉｒライン９０は、酸素含有ガスＧｃを混合器９２に供給するために、酸素含有ガス供給ライン４３及び混合器９２と接続されている。また、Ａｉｒライン９０には、Ａｉｒ流量制御弁９４が配設されており、混合器９２への酸素含有ガスＧｃの供給量が制御されている。
また、本例においては、混合器９２に酸素含有ガスＧｃを供給するようにしたが、混合器９２には、アノードオフガスＯａや燃焼オフガス等の排気ＥＧＲガスを供給するように構成してもよい。
図１６に示すごとく、上記燃料電池システム１は、酸素含有ガス供給ライン４３から供給される酸素含有ガスＧｃを混合器９２に供給し、その内部において改質用燃料ＦとカソードオフガスＯｃと酸素含有ガスＧｃとを混合した混合ガスを改質器２に供給することができる。
この場合には、カソードオフガスＯｃを改質用燃料Ｆに混合して用いて燃料電池システム１のエネルギー効率を高めると共に、カソードオフガスＯｃ中の酸素量が不足している場合に、Ａｉｒライン９０から供給される酸素含有ガスＧｃを改質用燃料Ｆと混合して改質器２に供給可能なため、部分酸化に必要な酸素量を確保することができる。
また、図１７に示すごとく、混合器９２を使用する他のバリエーションとして、上記燃料電池システム１外から混合器９２に水蒸気を供給できるように構成することができる。
具体的には、混合器９２に水蒸気ライン９６を接続し、水蒸気Ｓｔを混合器９２内の改質用燃料Ｆ、カソードオフガスＯｃ及び酸素含有ガスＧｃと混合して改質器２に供給することができる。
この場合には、上述と同様の燃料電池システム１のエネルギー効率の向上を図ると共に、改質器における水蒸気不足の発生を抑制して、安定したシステムの稼働を担保することができる。
また、図１８に示すごとく、混合器９２を使用する他のバリエーションとして、混合器９２から排出される混合ガスを改質器２に供給すると共に、カソードオフガスＯｃを直接改質器２に供給できるように構成することができる。
具体的には、混合器９２から排出される混合ガスを、カソードオフガス混合弁９８を介して改質器２と連通させると共に、カソードオフガスライン４６をカソードオフガス混合弁１００に接続されており、更に、カソードオフガス混合弁９８とカソードオフガス混合弁１００とがダイレクトライン１０２によって連通されている。この例によれば、カソードオフガスＯｃの一部又は全部を、カソードオフガス混合弁１００から混合器９２に供給すると共に、カソードオフガスＯｃの一部又は全部を直接改質器２に供給することができる。
この場合には、カソードオフガスに対して改質用燃料Ｆの流量は割合的に少ないため、混合器９２内における通過時間に対してカソードオフガスの流量が支配的になる。一方、改質用燃料Ｆを液滴状態で供給し、気化・混合するためには、任意の時間が必要となる。このため、カソードオフガスの一部を利用し、流速を抑えた状態で改質原料の気化時間を保持しつつ、その後、混合器から供給される残りのカソードオフガスを含む混合ガスと混合することで、所定の水及び酸素量を供給することができる。
また、この場合にもカソードオフガスＯｃを改質用燃料Ｆに混合して用いて燃料電池システム１のエネルギー効率を高めると共に、カソードオフガスＯｃ中の酸素量が不足している場合に、Ａｉｒライン９０から供給される酸素含有ガスＧｃを改質用燃料Ｆと混合して改質器２に供給可能なため、部分酸化に必要な酸素量を確保することができる。
以上、本例においても、その他は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

発明の効果

以上説明したように本発明によれば、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、カソード流路から生成水の全量を回収できると共に、カソードオフガスが有する残留酸素と高温の熱エネルギーを利用して、エネルギー効率を一層向上できる燃料電池システム及びその発電方法を提供することができる。

Claims (24)

1. 改質用燃料から水素を含有する水素含有改質ガスを生成する改質反応流路を有する改質器と、上記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムにおいて、
   上記燃料電池は、上記改質反応流路から上記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、
   上記電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
   上記燃料電池の上記カソード流路には、該カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質器の上記改質反応流路に送るためのカソードオフガスラインが接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、上記カソードオフガスラインは、上記カソードオフガスと上記改質用燃料のみを混合する混合器、または、上記カソードオフガスと上記改質用燃料と水蒸気とのみを混合する混合器を介さずに、上記カソードオフガスを上記改質反応器流路に送ることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を有していることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３において、上記燃料電池の上記アノード流路には、該アノード流路から排出されるアノードオフガスを上記加熱流路に送るためのアノードオフガスラインが接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための酸素含有冷媒ガスが供給される冷媒流路を有していることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５において、上記燃料電池の上記冷媒流路には、該冷媒流路から排出される冷媒オフガスを上記加熱流路に送るための冷媒オフガスラインが接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、排気用三方調整弁が配設されており、該排気用三方調整弁を介して、上記カソードオフガスの一部を排気すると共に、残部を上記改質反応流路に送るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項３〜７のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、供給用三方調整弁が配設されており、該供給用三方調整弁を介して、上記カソードオフガスの一部を上記加熱流路に送ると共に、残部を上記改質反応流路に送るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、再供給用三方調整弁が配設されており、該再供給用三方調整弁を介して、上記カソードオフガスの一部を上記カソード流路に再供給すると共に、残部を上記改質反応流路に送るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて排気するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて上記カソード流路に再供給するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項３〜７のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて上記加熱流路に送るよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインには、酸素分離膜体が配設されており、上記カソードオフガス中の酸素の一部を上記酸素分離膜体を透過させて酸素バッファに貯蔵するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
14. 請求項５〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに上記酸素含有冷媒ガスの一部を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
15. 請求項６〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに上記冷媒オフガスの一部を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
16. 請求項１〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに空気を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
17. 請求項１〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに酸素を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システ厶。
18. 請求項１〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに改質用燃料を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
19. 請求項４〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに上記アノードオフガスの一部を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
20. 請求項１〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに上記水素含有改質ガスの一部を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
21. 請求項１〜１３のいずれか一項において、上記カソードオフガスラインに水素を混流させるよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
22. 改質用燃料から水素を含有する水素含有改質ガスを生成する改質反応流路を有する改質器と、上記水素含有改質ガスを利用して発電を行う燃料電池とを備え、該燃料電池は、上記改質反応流路から上記水素含有改質ガスが供給されるアノード流路と、酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有改質ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過させた上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなる燃料電池システムの発電方法において、
    上記改質反応流路において生成した上記水素含有改質ガスを、上記アノード流路に供給し、上記水素含有改質ガス中の水素を上記アノード流路から上記水素分離金属層を透過させた後、水素プロトンの状態にして上記プロトン伝導体層を透過させて上記カソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記水素プロトンと上記酸素含有ガス中の酸素とを反応させて上記発電を行い、
    かつ、上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送り、該改質反応流路において、上記改質用燃料と上記カソードオフガスとを反応させて上記水素含有改質ガスを生成することを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
23. 請求項２２において、上記カソードオフガスラインは、上記カソードオフガスと上記改質用燃料のみを混合する混合器、または、上記カソードオフガスと上記改質用燃料と水蒸気とのみを混合する混合器を介さずに、上記カソードオフガスを上記改質反応器流路に送ることを特徴とする燃料電池システムの発電方法。
24. 請求項２２または２３において、上記改質器は、上記改質反応流路に隣接形成され燃焼を行って該改質反応流路を加熱する加熱流路を有しており、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための酸素含有冷媒ガスが供給される冷媒流路を有しており、
    上記カソード流路から排出されるカソードオフガスを上記改質反応流路に送り、該改質反応流路において、上記改質用燃料と上記カソードオフガスとを反応させて上記水素含有改質ガスを生成し、
    また、上記アノード流路から排出されるアノードオフガスと、上記冷媒流路から排出される冷媒オフガスとを上記加熱流路に送り、該加熱流路において、上記アノードオフガスと上記冷媒オフガスとを燃焼させて上記加熱を行うことを特徴とする燃料電池システムの発電方法。

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