JP5874523B2

JP5874523B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5874523B2
Application number: JP2012107865A
Authority: JP
Inventors: 康俊土肥; 康弘長田; 上原　昌徳; 昌徳上原; 信也坂口; 厚早坂; 杉原　真一; 真一杉原; 晴彦加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: JP2013235735A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池の高効率化の手法として燃料リサイクルが提案されている。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、一部は未利用燃料として燃料電池から放出される。

そこで、未利用燃料をエジェクタを用いて再循環させることで、燃料を搾り取ることができ、発電効率を向上するものがある。エジェクタは、ノズル部から噴射される原燃料ガス流によって吸引口から吸引される未利用燃料とノズル部から噴射される原燃料とを混合して燃料電池側に吐出するものである。また、未利用燃料には発電反応で生成される水蒸気が多く含まれ、混合燃料流路に改質器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。

しかし、未利用燃料は燃料電池の発熱により温度が上昇しており、リサイクル燃料の温度も高く体積が膨張しているため、エジェクタの吸引性能が低下し、燃料リサイクル量を多くすることができず、発電効率の向上に限界があった。また、燃料の水蒸気改質を行う場合、燃料リサイクル量に限界があるため、リサイクル燃料に含まれる水蒸気だけでは改質に必要な水蒸気の全量を供給できず、水蒸気供給システムが必要となり、システムのサイズアップおよびコストアップという問題があった。

そこで、例えば、特許文献１に記載では、冷却器によりリサイクル燃料の温度を低くすることにより、リサイクル燃料量を増加させて発電効率の向上を可能にする燃料電池システムが提案されている。このシステムでは、リサイクル量を増加させることで外部からの水供給量を減少あるいは無くすことができる。

特開２００３−１０９６２８号公報

しかし、上記特許文献１では、冷却器によりリサイクル燃料の温度を低くすることにより、リサイクル燃料量を増加させることができるものの、原燃料に対するリサイクル燃料の質量流量比が大きい。このため、特に、原燃料供給圧が低い数ｋＷ程度の低出力のシステムでは、エジェクタのノズル口径を小さくしても必要なリサイクル燃料流量を得ることができない。そこで、エジェクタのノズル口径を非常に小さくし（例えば、０．３ｍｍ以下）かつ補機によって原燃料供給圧を大幅に高めればリサイクル燃料流量が得られるが、補機の動力が大きくなり、システムの総合効率低下に繋がる。

本発明は上記点に鑑みて、全負荷範囲に亘って高い効率で運転できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガスから改質ガスを生成する改質器（８０）と、
前記改質器により生成される改質ガスと酸化剤との電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池素子を少なくとも１つ以上備える燃料電池モジュール（９０）と、
前記燃料ガスを前記燃料電池モジュール側に供給するための燃料ガス流路（１０）と、
前記電気化学反応に利用されなく、かつ前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を回収する凝縮器（１００）と、
前記凝縮器により前記水蒸気が回収された未利用燃料を前記燃料ガス流路側に戻すためのリサイクル燃料流路（３０）と、
前記燃料ガス流路中に設けられ、前記燃料ガスを噴射するノズル部（７１）と、前記ノズル部から噴射される燃料ガス流によって前記リサイクル燃料流路側から前記未利用燃料を吸引する吸引口（７２）とを備え、前記ノズル部から噴射される燃料ガスと前記吸引口から吸引される未利用燃料とを混合して前記燃料電池モジュールの入口側に吐出するエジェクタ（７０）と、
前記燃料ガス流路のうち前記ノズル部に対して前記燃料ガスの流れ上流側に前記凝縮器で回収された凝縮水を供給する水経路（５０）と、
前記水経路から前記燃料ガス流路に供給される水量を調整するポンプ（１２０）と、
前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料の質量流量を検出する第１検出手段（１５１）と、
前記リサイクル燃料流路を通過する未利用燃料の質量流量を検出する第２検出手段（１５２）と、
前記ポンプを制御して、前記第１検出手段の検出値に対する前記第２検出手段の検出値の比率である循環率を目標値に近づけるように前記水経路から前記燃料ガス流路側に供給される水量を調整する制御手段（Ｓ１２０〜Ｓ１６０）と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、リサイクル燃料に含まれる水蒸気を凝縮・回収し、この水蒸気を回収したリサイクル燃料をエジェクタの吸引口側に供給する。これに加えて、燃料ガス流路のうちノズル部に対して燃料ガスの流れ上流側にて、リサイクル燃料から回収した凝縮水の流れが燃料ガス流に合流される。このため、凝縮水の供給量を調整することにより、全負荷範囲に亘って高い循環率を維持することができる。したがって、全負荷範囲に亘って高い効率で運転できるようにした燃料電池システムを提供することができる。

ここで、負荷範囲とは、燃料電池モジュールの発電量の可変範囲である。燃料電池モジュールの発電量は、燃料ガス流路に供給される燃料ガスの供給量によって変化するものである。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、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る。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。図１のエジェクタ単体を示す図である。上記実施形態における燃料電池システムの電気的構成を示す図である。図３の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。図３の電子制御装置の制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。図１は本発明の設置型の燃料電池システム１の一実施形態の構成を示す図である。

本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス流路１０、排出流路２０、リサイクル燃料流路３０、酸化剤流路４０、水経路５０、ブロア６０、エジェクタ７０、改質器８０、燃料電池モジュール９０、凝縮器１００、ポンプ１１０、１２０、および燃焼室１４０から構成されている。

燃料ガス流路１０は、主燃料としての燃料ガス（例えばメタン）の供給源から燃料ガスを改質器８０を介して燃料電池モジュール９０側に供給するための流路である。排出流路２０は、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料を排出口４１側に流すための流路である。リサイクル燃料流路３０は、燃料電池モジュール９０と排出口との間の分流部２１から未利用燃料をエジェクタ７０の吸入口７２（図２参照）に戻すための流路である。未利用燃料は、改質器８０から出力される改質ガスのうち電気化学反応に利用されなかった燃料である。

酸化剤流路４０は、酸化剤を燃料電池モジュール９０に供給するための流路である。本実施形態の酸化剤としては例えば空気が用いられている。水経路５０は、凝縮器１００から凝縮水を燃料ガス流路１０のうち合流部２２に供給するための流路である。合流部２２は、燃料ガス流路１０のうちブロア６０とエジェクタ７０との間に位置する。

ブロア６０は、燃料ガス流路１０中に配置されて、燃料電池モジュール９０側に流れる燃料ガス流を発生させる。本実施形態のブロア６０として、電動ファンが用いられる。

エジェクタ７０は、図１に示すように、燃料ガス流路１０のうちブロア６０および改質器８０の間に設けられ、リサイクル燃料流路３０からの未利用燃料を燃料ガス流路１０に戻すために用いられている。図２はエジェクタ７０の単体を示す図である。エジェクタ７０は、図２に示すように、ノズル部７１、吸引口７２、混合部７３、およびディフューザ７４から構成されている。ノズル部２１は燃料ガスを噴射する。吸引口７２はノズル部２１から噴射される燃料ガス流によってリサイクル燃料流路３０側から未利用燃料を吸引する。混合部７３は、ノズル部７１から噴射される燃料ガスと吸引口７２から吸引される未利用燃料とを混合してガスの圧力を上昇させるものである。ディフューザ７４は、通路断面積の拡大によってさらにガス流速を減速して圧力を回復させるものである。

図１の改質器８０は、触媒の水蒸気改質反応により燃料ガスから水素を含有する改質ガスを生成する。本実施形態の触媒としては、例えば、ルテニウム、ニッケル等が用いられている。

燃料電池モジュール９０は、複数の燃料電池素子が積層されて構成されている。本実施形態の複数の燃料電池素子は、それぞれ固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）からなるものである。複数の燃料電池素子はそれぞれアノードとカソードとの間に配置されている電解質から構成されて、後述する電気化学反応によって電気エネルギを発生する。

凝縮器１００は、リサイクル燃料流路３０内を流通する未利用燃料に含まれる水蒸気を酸化剤流路４０内の酸化剤により冷却して凝縮水を回収する。具体的には、凝縮器１００は、凝縮水タンク１０１および熱交換器１０２とから構成されている。凝縮水タンク１０１は、リサイクル燃料流路３０を流通する未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を蓄える原料水タンクである。熱交換器１０２は、酸化剤流路４０中に設けられて、酸化剤により凝縮水タンク１０１内の未利用燃料を冷却凝縮する。

ポンプ１１０は、酸化剤流路４０中に設けられ、燃料電池モジュール９０側に流れる酸化剤の流れ発生させる。ポンプ１２０は、水経路５０中に設けられ、凝縮水タンク１０１から燃料ガス流路１０の合流部２２側に流れる水流を発生させる。本実施形態のポンプ１１０、１２０としては、それぞれ電動ポンプが用いられる。

燃焼室１４０は、排出流路２０の下流側に設けられ、排出流路２０内の未利用燃料と、未利用酸化剤通路４５からの未利用酸化剤とを燃焼させて排ガスを排出口４１から排出する。未利用酸化剤通路４５は、酸化剤流路４０から供給される酸化剤のうち燃料電池モジュール９０で電気化学反応に利用されなかった未利用酸化剤を燃焼室１４０に供給する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の電気的構成について図３を用いて説明する。図３に本実施形態の燃料電池システム１の電気的構成を示す。

本実施形態の燃料電池システム１は、電子制御装置１５０を備える。電子制御装置１５０は、マイクロコンピュータ、メモリおよび周辺回路等から構成され、発電制御処理を実行する。電子制御装置１５０は、発電制御処理の実行に伴って、流量センサ１５１、１５２の検出値および残水量センサ１５３の検出値に基づいてブロア６０、ポンプ１１０、１２０、およびインバータ回路１６０をそれぞれ制御する。

流量センサ１５１は、排出流路２０のうち燃料電池モジュール９０と分流部２１との間に配置されて、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料の質量流量を検出する。

流量センサ１５２は、リサイクル燃料流路３０のうち分流部２１と凝縮器１００との間に配置されて、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路３０に流通する未利用燃料の質量流量を検出する。

残水量センサ１５３は、凝縮水タンク１０１内に蓄えられる凝縮水の残量を検出する。インバータ回路１６０は、燃料電池モジュール９０に発生する直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷１７０に出力する。電気負荷１７０としては、例えば、家庭用電気機器などがある。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の作動について説明する。

まず、電子制御装置１５０は、ブロア６０、およびポンプ１１０、１２０をそれぞれ稼働させる。

ブロア６０は、燃料ガス流路１０内にエジェクタ７０側に向けて流れる燃料ガスの流れを発生させる。この燃料ガス流路１０内を流れる燃料ガスは、合流部２２にて水経路５０から流れ込んだ水と混合されてエジェクタ７０の入口７１ａ側に流れる。これに伴い、ノズル部２１は燃料ガス流を噴射する。そして、このノズル部２１から噴射される燃料ガス流によって吸引口７２はリサイクル燃料流路３０側から未利用燃料を吸引する。混合部７３では、ノズル部７１から噴射される燃料ガスと吸引口７２から吸引される未利用燃料とが混合され、この混合されたガスがディフューザ７４から吹き出される。

その後、改質器８０で触媒の水蒸気改質反応によりディフューザ７４から吹き出される混合ガスから水素を含む改質ガスを生成する。この生成される改質ガスは、燃料電池モジュール９０の複数の燃料電池素子のアノードに供給される一方、複数の燃料電池素子のカソードには、ポンプ１１０により送り込まれる酸化剤（空気）が酸化剤流路４０から供給される。このことにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
（カソード）１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ^2-
（アノード）Ｈ２＋Ｏ^2-→Ｈ２Ｏ＋＋２ｅ−
このような電気化学反応によりアノード側では、水蒸気が生成する。この水蒸気を含む未利用燃料が複数の燃料電池素子のアノードから排出流路２０に流れ込む。この流れ込んだ未利用燃料のうち一部の未利用燃料は、リサイクル燃料流路３０に流れ込む。

また、複数の燃料電池素子のアノードから排出流路２０に流れ込んだ未利用燃料のうち、リサイクル燃料流路３０に流れ込んだ未利用燃料以外の残りの未利用燃料と未利用酸化剤通路４５を通過した未利用酸化剤とが燃焼室１４０で燃焼して排ガスが排出口４１から排出される。

一方、排出流路２０からリサイクル燃料流路３０に流れ込んだ未利用燃料が凝縮水タンク１０１を通過する際に、熱交換器１０１を通過する酸化剤により、冷却される。このため、未利用燃料に含まれる水蒸気が凝縮されて凝縮水として凝縮水タンク１０１内に蓄えられる。すなわち、凝縮器１００により未利用燃料から水蒸気が回収される。その後、この水蒸気が回収された未利用燃料がリサイクル燃料流路３０からエジェクタ７０の吸引口７２に流れる。また、凝縮水タンク１０１内に蓄えられる凝縮水は、ポンプ１２０により水経路５０を通して燃料ガス流路１０の合流部２２に送られる。

このとき、後述するように、凝縮水タンク１０１から水経路５０を通して燃料ガス流路１０の合流部２２に流れる水量をポンプ１２０により制御することにより、循環率が目標値に近づくことになる。燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料の質量流量をＦａとし、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路３０に流れる未利用燃料の質量流量をＦｂとしたとき、（Ｆｂ／Ｆａ）×１００を循環率「％」とする。

また、凝縮水タンク１０１内に蓄えられる凝縮水の水量が所定量未満になると、後述するように、インバータ回路１６０を制御して、燃料電池モジュール９０の燃料利用率を高めて複数の燃料電池素子における水の生成量を増加させる。

このように作動する燃料電池システム１では、電子制御装置１５０がブロア６０により燃料ガス流路１０内に流れる燃料ガスの流量を制御することにより、燃料電池モジュール９０内に流れ込む改質ガスの流量を制御することができる。このため、電子制御装置１５０がブロア６０を制御して燃料ガス流路の流通量を制御することにより、発電停止状態から定格発電まで全負荷範囲に亘って燃料電池モジュール９０の発電量を制御することができる。

ここで、電子制御装置１５０がブロア６０を制御して燃料電池モジュール９０が定格発電運転を行っているとき、循環率が６０％以上になるように、燃料ガス流路１０、排出流路２０、リサイクル燃料流路３０、およびエジェクタ７０が設定されている。

次に、電子制御装置１６０において、燃料ガス流路１０に供給する水量を制御するための水供給量制御処理、および燃料電池モジュール９０で水生成量を増加させるためのインバータ制御処理について別々に説明する。電子制御装置１６０は、水供給量制御処理、およびインバータ制御処理を時分割で実行する。
（水供給量制御処理）
電子制御装置１６０は、図４のフローチャートにしたがって、水供給量制御処理を実行する。

まず、ステップＳ１００において、流量センサ１５１によって、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料の質量流量（以下、排出量Ｆａという）を検出する。これに加えて、流量センサ１５２によってリサイクル燃料流路３０から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路３０に流通する未利用燃料の質量流量（以下、循環量Ｆｂという）を検出する。

次に、ステップＳ１１０において、排出量Ｆａと循環量Ｆｂとから循環率Ｒ_pv（＝（Ｆｂ／Ｆａ）×１００％）を求める。

次に、ステップＳ１２０において、循環率Ｒ_PVが目標循環率Ｒ_SET未満であるか否かを判定する。このとき、循環率Ｒ_PVが目標循環率Ｒ_SET未満であるときには、ＹＥＳと判定して、ステップＳ１３０において、ポンプ１２０を制御して、水経路５０から燃料ガス流路１０の合流部２２に流れ込む単位時間あたりの水供給量を所定量ＳＷ分増量させる。このことにより、循環率Ｒ_PVを上げることができる。

その後、ステップＳ１００に戻り、流量センサ１５１によって排出量Ｆａを検出し、流量センサ１５２によって循環量Ｆｂを検出する。次のステップＳ１１０において、排出量Ｆａと循環量Ｆｂとから循環率Ｒ_pvを求める。

次のステップＳ１２０において、循環率Ｒ_PVが目標循環率Ｒ_SETよりも大きいときにはＮＯと判定して、次のステップＳ１４０でＹＥＳと判定する。

ここで、循環率Ｒ_PVを下げるために改質器８０および複数の燃料電池素子に供給される水量を減らし過ぎると、改質器８０の触媒の水蒸気反応によってカーボン析出が生じたり、複数の燃料電池素子の反応によって複数の燃料電池素子のアノードにカーボン析出が生じたりする恐れがある。

そこで、次のステップＳ１５０において、現在の単位時間あたりの水供給量Ｗ_PVから所定量ＳＶ分引いた、単位時間あたりの水量（Ｗ_PV−ＳＶ）が閾値ＳＴ（＝Ｆ_PV×Ｓ／Ｃ）よりも大きいか否かを判定する。所定量ＳＶは、後述するステップＳ１６０で用いる単位時間あたりの減水量である。閾値ＳＴは、改質器８０および複数の燃料電池素子に供給される水量が不足して改質器８０および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じる単位時間あたりの水供給量である。

ここで、ブロア６０によって燃料ガスの供給源からエジェクタ７０側に流す燃料ガスの時間あたりの質量流量をＦ_PVとし、スチームカーボン比として設定された値をＳ／Ｃとしたときに、閾値ＳＴは、Ｆ_PV×Ｓ／Ｃである。スチームカーボン比とは、改質器８０および燃料電池モジュール９０に供給される水蒸気と燃料ガス（或いは、改質ガス）に基づくカーボンとのモル流量比である。Ｓ／Ｃは、スチームカーボン比として改質器８０の触媒および複数の燃料電池素子のアノードにカーボン析出が生じることを避けるように設定された値である。

このようなＳ／ＣおよびＦ_PVから定める閾値ＳＴよりも単位時間あたりの水量（Ｗ_PV−ＳＶ）が大きいときには、上記ステップＳ１５０においてＹＥＳと判定する。このことにより仮に、現在の水供給量Ｗ_PVから所定量ＳＶ分減量した場合でも、改質器８０および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じることはないと判定することになる。これに伴い、ステップＳ１６０において、ポンプ１２０を制御して、水経路５０から燃料ガス流路１０の合流部２２に流れ込む単位時間あたりの水供給量を所定量ＳＶ分減量させる。このことにより、循環率Ｒ_PVを下げることができる。

その後、ステップＳ１００に戻り、流量センサ１５１によって排出量Ｆａを検出する。流量センサ１５２によって循環量Ｆｂを検出する。その後、ステップＳ１１０において、排出量Ｆａと循環量Ｆｂとから循環率Ｒ_pvを求める。循環率Ｒ_PVが目標循環率Ｒ_SETと同一であるときには、次のステップＳ１２０、Ｓ１４０において、それぞれＮＯ判定する。この場合、水経路５０から燃料ガス流路１０の合流部２２に流れ込む単位時間あたりの水供給量を現在の水供給量のまま維持する。このことにより、循環率Ｒ_PVが目標循環率Ｒ_SETと同一値を維持することになる。

なお、上記ステップＳ１５０において、閾値ＳＴよりも水量（Ｗ_PV−ＳＶ）が小さいときには、ＮＯと判定する。このことにより、改質器８０や複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じると判定することになる。

（インバータ制御処理）
電子制御装置１６０は、図５のフローチャートにしたがって、インバータ制御処理を実行する。

まず、ステップＳ２００において、残水量センサ１５３によって、凝縮水タンク１０１内に蓄えられる凝縮水の残量を検出する。次のステップＳ２１０において、この検出される凝縮水残量が一定量以下であるか否かを判定する。上記検出される凝縮水残量が一定量以下であるときには、上記ステップＳ２１０において、ＹＥＳと判定する。これに伴い、ステップＳ２２０において、インバータ回路１６０を制御して燃料電池モジュール９０に発生する直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷１７０に出力する。このことにより、燃料電池モジュール９０にて改質ガスを用いた発電が促進されて燃料ガス（すなわち、改質ガス）の利用率を向上することができる。

これに伴い、燃料電池モジュール９０の複数の燃料電池素子のアノードにおいて水の発生を増加させることができる。このため、燃料電池モジュール９０から排出流路２０に排出される未利用燃料に含まれる水蒸気の量を増やすことができる。

その後、ステップＳ２００において、残水量センサ１５３によって、凝縮水タンク１０１内に蓄えられる凝縮水の残量を検出する。次のステップＳ２２０において、この検出される凝縮水残量が一定量よりも大きいときには、ＮＯと判定する。これに伴い、ステップＳ２３０において、インバータ回路１６０を停止させる。このため、燃料電池モジュール９０に発生する直流電圧を交流電圧に変換することを停止する。

以上説明した本実施形態によれば、リサイクル燃料流路３０に流通する未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を凝縮水タンク１０１に蓄える。そして、凝縮水が回収されたリサイクル燃料をエジェクタの吸引口側に供給する。これに加えて、燃料ガス流路１０のうちエジェクタ７０に対して燃料ガスの流れ上流側の合流部２２にて凝縮水タンク１０１からの凝縮水の流れが燃料ガス流に合流される。

ここで、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料の質量流量を検出する流量センサ１５１と、燃料電池モジュール９０から排出される未利用燃料のうちリサイクル燃料流路３０に流れる未利用燃料の質量流量を検出する流量センサ１５２とを備え、電子制御装置１５０は、ポンプ１２０を制御して、循環率Ｒ_pvを目標循環率Ｒ_SETに近づけるように水経路５０から燃料ガス流路１０の合流部２１側に供給される水量を調整することを特徴としている。

したがって、ブロア６０によって燃料ガス流路の流通量を制御して燃料電池モジュール９０の発電量を制御する際に、起動時および部分負荷運転時（低負荷運転時）でも、高い循環率を維持することができる。したがって、燃料電池モジュール９０の全負荷範囲に亘って高い効率で運転できるようにした燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態では、水蒸気を回収した未利用燃料をエジェクタ７０の吸引口側に供給し、かつ未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮した凝縮水を燃料ガス流路１０のうち合流部２２に供給する。このため、エジェクタ７０の吸引口７２に供給される未利用燃料の質量流量（すなわち、循環流質量流量）を減少させる一方、エジェクタ７０の入口７１ａに流入する燃料ガス流（すなわち、主流質量流量）の質量流量を増加させることができる。したがって、質量流量比（＝（循環流質量流量／主流質量流量）×１００％）を下げることができる。例えば、従来の質量流量比が６％〜８％であったものが、本実施形態の質量流量比が０.８％〜１．２％になる。これに伴い、エジェクタ７０の吸引口に供給される未利用燃料（リサイクル燃料）の吸引性能に余裕ができ、特に、低負荷時（すなわち、ブロア６０の燃料ガス送風量が少ないとき）でも、高い循環率を得ることができる。これに伴い、ブロア６０の動力増加も最低限に抑えることができる。ポンプ１１０、１２０の動力はそもそも小さいので、補機効率も向上することができる。

本実施形態では、ステップＳ２１０において、凝縮水タンク１０１の凝縮水残量が一定量以下であるときには、ＹＥＳとして、インバータ回路１６０を制御して燃料電池モジュール９０に発生する直流電圧を交流電圧に変換して電気負荷１７０に出力する。このことにより、燃料電池モジュール９０にて改質ガスを用いた発電が促進されて複数の燃料電池素子のアノードにおいて水の発生を増加させることができる。このため、燃料電池モジュール９０から排出流路２０に排出される未利用燃料に含まれる水蒸気の量を増やすことができる。このため、リサイクル燃料流路３０に流通する未利用燃料に含まれる水蒸気の量を増やすことができる。これに伴い、凝縮器１００で凝縮されて凝縮水タンク１０１に蓄えられる凝縮水の量を増量させることができる。

本実施形態では、循環率Ｒ_PVが目標循環率Ｒ_SETよりも大きいと判定したときに、仮に、現在の水供給量Ｗ_PVから所定量ＳＶ分減量した場合でも、改質器８０および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じることはないと判定したときに、水経路５０から燃料ガス流路１０の合流部２２に流れ込む単位時間あたりの水供給量を所定量ＳＶ分減量させる。このことにより、改質器８０および複数の燃料電池素子にカーボン析出が生じることを避けるように、水経路５０から燃料ガス流路１０の合流部２２に流れ込む水供給量を制御することができる。このため、改質器８０および複数の燃料電池素子が劣化することを避けることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムとして設置型の燃料電池システム１について説明したが、これに代えて、本発明の燃料電池システムを車両搭載型の燃料電池システム１としてもよい。

上記実施形態では、凝縮器１００において未利用燃料を酸化剤により冷却して水蒸気を凝縮する例について説明したが、これに代えて、凝縮器１００において未利用燃料に含まれる水蒸気を水（例えば水道水）により冷却して未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮してもよい。この場合、凝縮器１００において未利用燃料により水が熱されてお湯が生成されることになる。

上記実施形態では、燃料ガス流路１０のうちブロア６０および改質器８０の間にエジェクタ７０を配置した例について説明したが、これに代えて、燃料ガス流路１０のうち改質器８０および燃料電池モジュール９０の間にエジェクタ７０を配置してもよい。

上記実施形態では、凝縮器１００をリサイクル燃料流路３０に設けた例について説明したが、これに代えて、排出流路２０に凝縮器１００を設けてもよい。例えば、排出流路２０のうち燃料電池モジュール９０と分流部２１との間に凝縮器１００を設けてもよい。

上記実施形態では、燃料電池素子として固体酸化物型燃料電池を用いた例について説明したが、これに代えて、固体酸化物型燃料電池以外のタイプの燃料電池を燃料電池素子として用いてもよい。

１燃料電池システム
１０燃料ガス流路
２０排出流路
３０リサイクル燃料流路
４０酸化剤流路
５０水経路
６０ブロア
７０エジェクタ
８０改質器
９０燃料電池モジュール
１００凝縮器
１１０ポンプ
１２０ポンプ
１４０燃焼室
１５０電子制御装置
１５１流量センサ
１５２流量センサ
１５３残水量センサ

Claims

燃料ガスから改質ガスを生成する改質器（８０）と、
前記改質器により生成される改質ガスと酸化剤との電気化学反応によって電気エネルギを発生させる燃料電池素子を少なくとも１つ以上備える燃料電池モジュール（９０）と、
前記燃料ガスを前記燃料電池モジュール側に供給するための燃料ガス流路（１０）と、
前記電気化学反応に利用されなく、かつ前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を回収する凝縮器（１００）と、
前記凝縮器により前記水蒸気が回収された未利用燃料を前記燃料ガス流路側に戻すためのリサイクル燃料流路（３０）と、
前記燃料ガス流路中に設けられ、前記燃料ガスを噴射するノズル部（７１）と、前記ノズル部から噴射される燃料ガス流によって前記リサイクル燃料流路側から前記未利用燃料を吸引する吸引口（７２）とを備え、前記ノズル部から噴射される燃料ガスと前記吸引口から吸引される未利用燃料とを混合して前記燃料電池モジュールの入口側に吐出するエジェクタ（７０）と、
前記燃料ガス流路のうち前記ノズル部に対して前記燃料ガスの流れ上流側に前記凝縮器で回収された凝縮水を供給する水経路（５０）と、
前記水経路から前記燃料ガス流路に供給される水量を調整するポンプ（１２０）と、
前記燃料電池モジュールから排出される未利用燃料の質量流量を検出する第１検出手段（１５１）と、
前記リサイクル燃料流路を通過する未利用燃料の質量流量を検出する第２検出手段（１５２）と、
前記ポンプを制御して、前記第１検出手段の検出値に対する前記第２検出手段の検出値の比率である循環率を目標値に近づけるように前記水経路から前記燃料ガス流路側に供給される水量を調整する制御手段（Ｓ１２０〜Ｓ１６０）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記ポンプを制御して、前記改質器に供給される水蒸気と前記燃料ガスに基づくカーボンのモル流量比であるスチームカーボン比が予め設定された値以上になるように前記燃料ガス流路側に供給される水量を調整するものであり、
前記予め設定された値は、前記改質器および前記燃料電池素子にてカーボン析出が生じることを避けるように設定された値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池モジュールの排出口から排出される未利用燃料を排出口（４１）側に流す排出流路（２０）を備え、
前記排出流路に流れる未利用燃料の一部が前記燃料ガス流路側に流れるように前記リサイクル燃料流路が前記排出流路に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記凝縮器は、前記リサイクル燃料流路に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記凝縮器は、前記排出流路のうち前記リサイクル燃料流路が接続される分岐箇所（２１）と前記燃料電池モジュールとの間に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記エジェクタのノズル部の入口側に流れる前記燃料ガスの流れを発生させるブロア（６０）と、
前記燃料電池モジュールで定格発電を実施するように前記ブロアによって前記エジェクタのノズル部の入口側に供給される前記燃料ガスの質量流量を制御する定格発電制御手段（１５０）と、を備え、
前記定格発電制御手段が前記燃料電池モジュールで定格発電を実施するように前記ブロアを制御する際に、前記リサイクル燃料流路に流れるリサイクル燃料に含まれる水蒸気量が前記改質器の触媒の改質反応に必要な水蒸気量を越えるように前記循環率が設定されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記循環率は、６０％以上に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
前記凝縮器は、前記未利用燃料に含まれる水蒸気を前記酸化剤によって冷却して凝縮することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記凝縮器は、前記未利用燃料に含まれる水蒸気を水によって冷却して凝縮することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記エジェクタは、前記燃料ガス流路のうち前記改質器に対して前記燃料ガスの流れの上流側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。