JP7031080B1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、水を加熱して水蒸気を発生させる蒸気発生器と、水蒸気と炭化水素とを反応させ、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードとカソードとを有し、アノードに供給された改質ガスと、カソードに供給された酸化剤と、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スタックと、炭化水素を含む原料と、アノードから排出されたアノード排ガスの一部を回収したアノード循環ガスと、の少なくとも一方を、水蒸気を駆動流体として用いて改質部に供給するエジェクタと、を備え、蒸気発生器は、水が流通する蒸発流路と、蒸発流路と熱的に接続され、アノード排ガスが流通するアノード排ガス流路と、水を加熱する補助加熱装置と、を有しており、アノード排ガス流路及び補助加熱装置は、蒸発流路を挟んで互いに対向している。

Description

本開示は、蒸気発生器を備えた燃料電池システムに関するものである。
特許文献１には、燃料電池システムにおいて改質器の前段に設けられる改質器用蒸発器が記載されている。この改質器用蒸発器には、発熱部としてバーナが設けられている。発熱部の外周には、蒸発管が螺旋状に巻かれている。バーナの燃焼による熱エネルギは、蒸発管に伝達される。これにより、蒸発管内の水が気化する。
特開２００４－１４１４１号公報
しかしながら、特許文献１の改質器用蒸発器において、水に気化熱を与え続けるためには、バーナに燃焼ガスを供給し続ける必要がある。したがって、特許文献１の改質器用蒸発器が用いられた燃料電池システムでは、エネルギ効率が低くなってしまうという課題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、より高いエネルギ効率が得られる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本開示に係る燃料電池システムは、水を加熱して水蒸気を発生させる蒸気発生器と、前記水蒸気と炭化水素とを反応させ、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードとカソードとを有し、前記アノードに供給された前記改質ガスと、前記カソードに供給された酸化剤と、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スタックと、前記炭化水素を含む原料と、前記アノードから排出されたアノード排ガスの一部を回収したアノード循環ガスと、の少なくとも一方を、前記水蒸気を駆動流体として用いて前記改質部に供給するエジェクタと、を備え、前記蒸気発生器は、前記水が流通する蒸発流路と、前記蒸発流路と熱的に接続され、前記アノード排ガスが流通するアノード排ガス流路と、前記水を加熱する補助加熱装置と、を有しており、前記アノード排ガス流路及び前記補助加熱装置は、前記蒸発流路を挟んで互いに対向している。
本開示によれば、燃料電池システムにおいて、より高いエネルギ効率が得られる。
実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムにおける蒸気発生器の内部構造を示す断面図である。 実施の形態１の変形例１－１に係る蒸気発生器におけるアノード排ガス流路入口及びその周囲の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例１－２に係る蒸気発生器におけるアノード排ガス流路入口及びその周囲の構成を示す断面図である。 実施の形態１の変形例１－３に係る蒸気発生器におけるアノード排ガス流路入口及びその周囲の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムにおける蒸気発生器の内部構造を示す断面図である。 実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。 実施の形態３の変形例３－１に係る蒸気発生器の内部構造を示す断面図である。 実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。
実施の形態１．
実施の形態１に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。まず、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の基本構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１、改質器２、燃焼器３、蒸気発生器４、水分離器５、回収分岐部２２１、酸化剤熱交換器７、水ポンプ８、エジェクタ９、熱回収冷却器１０、空気ブロワ１８、原料前処理装置１９、水処理装置１４等の機器を備える。各機器では、原料、酸化剤、水、又はこれらを起源とする流体が処理される。本実施の形態では、酸化剤として空気が用いられている。
燃料電池システム１００は、制御部９０を有している。制御部９０は、上記の各機器を含む燃料電池システム１００の全体を制御する。制御部９０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えたマイクロコンピュータを有している。
燃料電池システム１００は、それぞれ流体の流通経路となる複数の系統２００～２１１及び２１４～２１６を有している。系統２００～２１１及び２１４～２１６のそれぞれは、配管を用いて構成されている。
原料系統２００は、原料Ｆ００の流通経路となる系統である。改質原料系統２０１は、改質用の原料Ｆ０１の流通経路となる系統である。燃料ガス系統２０２は、燃料ガスＦ０２の流通経路となる系統である。酸化剤系統２０３は、酸化剤Ｆ０３の流通経路となる系統である。カソード排ガス系統２０４は、カソード排ガスＦ０４の流通経路となる系統である。改質ガス系統２０５は、改質ガスＦ０５の流通経路となる系統である。アノード排ガス系統２０６は、アノード排ガスＦ０６の流通経路となる系統である。アノード回収ガス系統２０７は、アノード回収ガスＦ０７の流通経路となる系統である。リサイクル燃焼ガス系統２０８は、リサイクル燃焼ガスＦ０８の流通経路となる系統である。アノード循環ガス系統２０９は、アノード循環ガスＦ０９の流通経路となる系統である。循環水系統２１０は、循環水Ｆ１０の流通経路となる系統である。水蒸気系統２１１は、水蒸気Ｆ１１の流通経路となる系統である。熱回収系統２１４は、冷却媒体Ｆ１４の流通経路となる系統である。燃焼排ガス系統２１５は、燃焼排ガスＦ１５の流通経路となる系統である。補助燃焼燃料系統２１６は、補助燃焼燃料Ｆ１６の流通経路となる系統である。
原料系統２００には、都市ガス等の原料Ｆ００が外部から供給される。原料系統２００には、原料前処理装置１９が設けられている。原料前処理装置１９は、例えば硫黄成分等の不要な成分を原料Ｆ００から除去するように構成されている。原料系統２００は、改質原料系統２０１を介してエジェクタ９の吸引口に接続されている。
本実施の形態では、原料系統２００は、その下流端において、改質原料系統２０１と補助燃焼燃料系統２１６とに分岐している。補助燃焼燃料系統２１６の下流端は、燃焼器３に接続されている。これにより、原料Ｆ００の一部は、補助燃焼燃料系統２１６を通り、補助燃焼燃料Ｆ１６として燃焼器３に供給される。
エジェクタ９は、流体を循環させる循環器である。エジェクタ９は、駆動流体が流入する流入口と、吸引流体が流入する吸引口と、駆動流体と吸引流体とが混合された混合流体が流出する流出口と、を有している。エジェクタ９の内部には、駆動流体を噴出するノズルが形成されている。エジェクタ９の流入口は、水蒸気系統２１１に接続されている。エジェクタ９の吸引口は、改質原料系統２０１及びアノード循環ガス系統２０９に接続されている。エジェクタ９の流出口は、燃料ガス系統２０２に接続されている。
エジェクタ９は、水蒸気Ｆ１１を駆動流体として用いて、原料Ｆ０１及びアノード循環ガスＦ０９の少なくとも一方を吸引流体として吸引する。エジェクタ９に吸引された吸引流体は、駆動流体である水蒸気Ｆ１１と共にエジェクタ９から流出し、燃料ガス系統２０２を通って改質器２に供給される。
改質器２は、水蒸気Ｆ１１と、原料Ｆ０１に含まれる炭化水素と、を反応させ、水素を含む改質ガスＦ０５を生成するように構成されている。改質器２は、燃料電池システム１００における改質部となる。改質器２は、燃焼器３と熱的に接続されているか、又は燃焼器３と一体化されている。これにより、改質器２には、改質反応に必要な熱が燃焼器３から供給される。改質器２は、改質ガス系統２０５を介して、燃料電池スタック１のアノード１ａに接続されている。
燃焼器３は、カソード排ガスＦ０４、リサイクル燃焼ガスＦ０８、又は補助燃焼燃料Ｆ１６を燃焼させ、熱を生成するように構成されている。燃焼器３は、燃焼排ガス系統２１５に接続されている。燃焼器３で燃焼したガスは、燃焼排ガスＦ１５として、燃焼排ガス系統２１５を介して外部に排出される。
酸化剤系統２０３には、酸化剤Ｆ０３として用いられる空気が外部から供給される。酸化剤系統２０３には、空気ブロワ１８が設けられている。空気ブロワ１８は、酸化剤Ｆ０３を圧送する流体機械である。酸化剤系統２０３には、酸化剤熱交換器７が設けられている。酸化剤系統２０３の下流端は、燃料電池スタック１のカソード１ｃに接続されている。
酸化剤熱交換器７は、燃焼器３又は改質器２と熱的に接続されている。酸化剤熱交換器７を通った酸化剤Ｆ０３は、燃焼器３又は改質器２から供給される熱によって加熱される。これにより、燃料電池スタック１に供給される酸化剤Ｆ０３の温度が上昇する。
燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルが積層された発電装置である。燃料電池スタック１は、負極となるアノード１ａと、正極となるカソード１ｃと、電解質１ｅと、を有している。アノード１ａ及びカソード１ｃは、電解質１ｅによって隔てられている。燃料電池スタック１には、アノード１ａ、カソード１ｃ及び電解質１ｅにより構成される電気化学デバイスが、流路、セパレータなどの電池部材を用いて組み込まれている。燃料電池スタック１は、アノード１ａに供給された改質ガスＦ０５と、カソード１ｃに供給された酸化剤Ｆ０３と、の電気化学反応によって電気エネルギを発生させるように構成されている。
アノード１ａの出口には、アノード排ガス系統２０６の上流端が接続されている。アノード排ガス系統２０６は、蒸気発生器４のアノード排ガス流路３０２を経由している。アノード排ガス系統２０６において、アノード排ガス流路３０２よりも下流側には、熱回収冷却器１０が設けられている。アノード排ガス系統２０６の下流端は、水分離器５の流入口に接続されている。
カソード１ｃの出口には、カソード排ガス系統２０４の上流端が接続されている。カソード排ガス系統２０４の下流端は、燃焼器３に接続されている。
循環水系統２１０には、循環水Ｆ１０が流通する。循環水Ｆ１０は、水分離器５から水ポンプ８によって回収されたものである。循環水系統２１０には、水処理装置１４が設けられている。水処理装置１４は、循環水Ｆ１０から、イオン成分等の不要な成分を取り除くように構成されている。燃料電池システム１００では、基本的には水は自立するものであるが、必要に応じて外部から原料水を追加してもよい。
循環水系統２１０において、水処理装置１４よりも下流側には、水ポンプ８が設けられている。水ポンプ８は、循環水Ｆ１０を圧送する流体機械である。循環水系統２１０の下流端は、蒸気発生器４の蒸発流路３０１の一端に接続されている。蒸発流路３０１の他端には、水蒸気系統２１１の上流端が接続されている。水蒸気系統２１１の下流端は、エジェクタ９の流入口に接続されている。
蒸気発生器４は、水を加熱して気化させ、水蒸気を発生させるように構成されている。蒸気発生器４は、蒸発流路３０１と、アノード排ガス流路３０２と、補助加熱装置３０３と、を有している。蒸発流路３０１には、循環水Ｆ１０と、循環水Ｆ１０が気化した水蒸気Ｆ１１と、が流通する。アノード排ガス流路３０２には、アノード排ガスＦ０６が流通する。アノード排ガス流路３０２は、蒸発流路３０１と熱的に接続されている。補助加熱装置３０３は、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０を加熱するように構成されている。
蒸発流路３０１に流入した循環水Ｆ１０は、アノード排ガス流路３０２を流通するアノード排ガスＦ０６との熱交換によって加熱される。また、循環水Ｆ１０は、アノード排ガス流路３０２とは別に設けられている補助加熱装置３０３によっても加熱される。加熱された循環水Ｆ１０は、蒸発して水蒸気Ｆ１１になり、蒸発流路３０１から水蒸気系統２１１に流出する。蒸気発生器４の詳細な構成については、図２を用いて後述する。
熱回収冷却器１０は、蒸気発生器４のアノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６と、熱回収系統２１４を流通する冷却媒体Ｆ１４と、の熱交換を行う熱交換器である。
水分離器５は、アノード排ガスＦ０６をガス成分と液成分とに分離する気液分離器である。水分離器５の液流出口は、水配管６を介して、水処理装置１４よりも上流側において循環水系統２１０に接続されている。水分離器５のガス流出口は、アノード回収ガス系統２０７の上流端に接続されている。
アノード回収ガス系統２０７は、回収分岐部２２１において、リサイクル燃焼ガス系統２０８とアノード循環ガス系統２０９とに分岐している。アノード循環ガス系統２０９の下流端は、エジェクタ９の吸引口に接続されている。
リサイクル燃焼ガス系統２０８には、リサイクル燃焼ガス流量計３１２及びリサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１が設けられている。リサイクル燃焼ガス流量計３１２は、リサイクル燃焼ガス系統２０８を流通するリサイクル燃焼ガスＦ０８の流量を検出するように構成されている。リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１は、リサイクル燃焼ガスＦ０８の流量を調節するように構成されている。リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１は、リサイクル燃焼ガスＦ０８を遮断する遮断部としても機能する。リサイクル燃焼ガス系統２０８の下流端は、燃焼器３に接続されている。
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の上記基本構成における動作について説明する。以下に説明する動作は、原則として、燃料電池システム１００が定格運転状態にあるときの動作である。
酸化剤系統２０３には、空気ブロワ１８によって酸化剤Ｆ０３が流通する。酸化剤Ｆ０３は、酸化剤熱交換器７において燃料電池スタック１の運転に適した温度まで昇温され、燃料電池スタック１のカソード１ｃに供給される。
カソード１ｃに供給された酸化剤Ｆ０３は、電解質１ｅによって改質ガスＦ０５から隔てられた状態で、電気化学反応により酸素の一部を消費する。酸素の一部を消費した酸化剤Ｆ０３は、カソード排ガスＦ０４として、カソード１ｃから流出する。カソード排ガスＦ０４は、カソード排ガス系統２０４を通り、燃焼器３に供給される。
原料系統２００には、都市ガス等の原料Ｆ００が流通する。原料Ｆ００に含まれる不要な成分は、原料前処理装置１９によって除去される。原料前処理装置１９を通過した原料Ｆ００は、改質用の原料Ｆ０１としてエジェクタ９に吸引される。エジェクタ９に吸引された原料Ｆ０１は、アノード循環ガスＦ０９及び水蒸気Ｆ１１と混合され、燃料ガスＦ０２としてエジェクタ９から流出する。燃料ガスＦ０２は、燃料ガス系統２０２を通り、改質器２に供給される。原料前処理装置１９を通過した原料Ｆ００の一部は、補助燃焼燃料系統２１６を通り、補助燃焼燃料Ｆ１６として燃焼器３に供給される。
改質器２に供給された燃料ガスＦ０２は、改質器２において改質され、水素を主成分として含む改質ガスＦ０５となる。改質器２から流出した改質ガスＦ０５は、改質ガス系統２０５を通り、燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される。
アノード１ａに供給された改質ガスＦ０５は、電解質１ｅによって酸化剤Ｆ０３から隔てられた状態で、電気化学反応により燃料の一部を消費する。燃料の一部を消費した改質ガスＦ０５は、アノード排ガスＦ０６として、アノード１ａから排出される。アノード排ガスＦ０６は、アノード排ガス系統２０６を通り、蒸気発生器４のアノード排ガス流路３０２に流入する。
蒸気発生器４では、アノード排ガスＦ０６と循環水Ｆ１０との熱交換が行われる。これにより、アノード排ガスＦ０６が冷却されるとともに、循環水Ｆ１０が加熱されて気化し、水蒸気Ｆ１１が生成される。
蒸気発生器４から流出したアノード排ガスＦ０６は、熱回収冷却器１０に流入する。熱回収冷却器１０では、アノード排ガスＦ０６と、熱回収系統２１４を流通する冷却媒体Ｆ１４と、の熱交換が行われる。これにより、アノード排ガスＦ０６がさらに冷却される。冷却されたアノード排ガスＦ０６は、水分離器５に流入する。
水分離器５では、アノード排ガスＦ０６がガス成分と液成分とに分離される。ガス成分は、アノード回収ガスＦ０７として、水分離器５からアノード回収ガス系統２０７に流出する。一部のアノード回収ガスＦ０７は、リサイクル燃焼ガス系統２０８を通り、リサイクル燃焼ガスＦ０８として燃焼器３に供給される。その他のアノード回収ガスＦ０７は、アノード循環ガス系統２０９を通り、アノード循環ガスＦ０９としてエジェクタ９に吸引される。エジェクタ９に吸引されたアノード循環ガスＦ０９は、原料Ｆ０１及び水蒸気Ｆ１１と混合され、燃料ガスＦ０２として改質器２に供給される。一方、液成分である凝縮水は、水分離器５から流出し、水配管６を通って循環水系統２１０に供給される。
循環水系統２１０には、水ポンプ８によって水分離器５から回収された循環水Ｆ１０が流通する。循環水Ｆ１０に含まれる不要な成分は、水処理装置１４によって除去される。循環水系統２１０において水処理装置１４を通過した循環水Ｆ１０は、蒸気発生器４の蒸発流路３０１に供給される。燃料電池システム１００では、基本的には水は自立するものであるが、必要に応じて外部から原料水を追加してもよい。
蒸気発生器４では、アノード排ガスＦ０６との熱交換、又は補助加熱装置３０３により、循環水Ｆ１０が加熱される。加熱された循環水Ｆ１０は、蒸発して水蒸気Ｆ１１になり、蒸気発生器４から流出する。
蒸気発生器４から流出した水蒸気Ｆ１１は、水蒸気系統２１１を通り、エジェクタ９に流入する。エジェクタ９に流入した水蒸気Ｆ１１は、エジェクタ９の内部に設けられたノズルから駆動流体として噴出される。噴出された水蒸気Ｆ１１の有する運動量は、原料Ｆ０１及びアノード循環ガスＦ０９に与えられる。これにより、原料Ｆ０１及びアノード循環ガスＦ０９は、水蒸気Ｆ１１と共に混合されて燃料ガスＦ０２となり、エジェクタ９から流出する。エジェクタ９から流出した燃料ガスＦ０２は、改質器２に供給される。
原料前処理装置１９としては、フィルタ、脱硫器などが用いられる。原料Ｆ００としては、炭化水素を含むガスが用いられる。炭化水素を含むガスには、メタンガス、プロパンガス、ブタンガス、天然ガス、都市ガス、メタンガスを主成分とする消化ガス等がある。また、原料Ｆ００としては、各種アルコール、石油系原料などを用いることもできる。原料Ｆ００が親水性液体原料である場合には、原料Ｆ００をあらかじめ循環水に混合させておいてもよい。一方、原料Ｆ００が疎水性液体原料である場合には、原料Ｆ００単体を予熱して気化させてもよいし、原料Ｆ００と水蒸気Ｆ１１とを混合させながら予熱して気化させてもよい。
改質器２では、例えば水蒸気改質反応が行われる。メタンを原料としたときの代表的な改質反応は、式（１）及び式（２）により表される。改質器２の内部には、改質触媒が充填されている。改質触媒では、メタンと水蒸気との吸熱反応が起こる。この反応により、水素が生成される。一般に、改質器２に供給される水蒸気の流量は、Ｓ／Ｃの値によって表現される。Ｓ／Ｃは、燃料ガスに含有される炭素（Ｃ）に対する、水蒸気（Ｓ）のモル分率である。通常、改質器２に供給される水蒸気の流量は、Ｓ／Ｃの値が２．５～３．５程度の範囲内の一定値になるように設定される。改質触媒は、例えば、Ｎｉ系、Ｐｔ系、Ｒｕ系などの触媒がＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯなどの担体に担持された構成を有している。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ ⇔ ＣＯ＋３Ｈ2 ・・・（１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ ⇔ ＣＯ2＋Ｈ2 ・・・（２）
なお、ここでは水蒸気改質反応を例示したが、改質反応はこれに限定されるものではない。改質反応としては、改質器２に別途空気を導入した、オートサーマル改質反応又は部分酸化改質反応を利用してもよい。
燃料電池スタック１は、電解質１ｅによって互いに隔てられた状態で、アノード１ａに供給された改質ガスＦ０５と、カソード１ｃに供給された酸化剤Ｆ０３と、の電気化学反応を生じさせる。これにより、燃料電池スタック１では、電子の授受が起こることにより、電気エネルギが発生する。詳細には、燃料電池スタック１に電位差が発生し、電解質１ｅを介したイオンの受け渡しと、アノード１ａ及びカソード１ｃの両方の出力端子を介した回路内での電子の受け渡しと、が同時に生じる。その際、回路内での電子の移動により生じる直流電流が電力として出力される。
燃料電池スタック１の電極材料、動作温度などは、電解質１ｅの種類によって異なる。また、電解質１ｅを移動するイオンの種類も、電解質１ｅの種類によって異なる。例えば、固体酸化物形燃料電池の場合、アノード１ａでの電極反応は式（３）により表され、カソード１ｃでの電極反応は式（４）により表される。
Ｈ2＋Ｏ2- → Ｈ2Ｏ＋２ｅ- ・・・（３）
１／２ Ｏ2＋２ｅ- → Ｏ2- ・・・（４）
アノード１ａでは、電子の移動分に相当する水素が電極反応によって消費される。このため、アノード１ａでは、アノード出口に近づくほど水素分圧が低くなる。また、アノード１ａでは、消費される水素の物質量と同じ物質量の水が生成される。このため、アノード１ａでは、アノード出口に近づくほど水蒸気分圧が高くなる。
一方、カソード１ｃでは、電子の移動分に相当する酸素が電極反応によって消費される。このため、カソード１ｃでは、カソード出口に近づくほど、ガス流量が小さくなりかつ酸素分圧が低くなる。固体酸化物形燃料電池の場合、アノード１ａにおいて、電極反応と改質反応とを同時に進行させる内部改質が可能である。この場合、アノード１ａでは、改質器２において改質できなかった残メタンの改質反応を、水素生成の方向に進行させることができる。
燃料電池スタック１は、改質器２から供給されるか又は内部改質により生成される水素流量に対して、アノード１ａの電極反応で消費される水素量の比が０．６０～０．８５程度となるように動作することが多い。つまり、アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６には、残燃料が含まれている。例えば、アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６に含まれる水素の体積モル分率は、約１２％である。また例えば、アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６に含まれる水蒸気の体積モル分率は、約６０％である。
また、燃料電池スタック１は、酸化剤系統２０３を介して供給される酸素流量に対して、カソード１ｃの電極反応で消費される酸素量の比が０．１５～０．５０程度となるように動作することが多い。つまり、カソード出口におけるカソード排ガスＦ０４には、残酸素が含まれている。例えば、カソード出口におけるカソード排ガスＦ０４に含まれる酸素の体積モル分率は、約１６％である。
以上に説明した燃料電池システム１００の基本構成及びその動作を踏まえ、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の詳細な構成について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、蒸気発生器４の熱源として、アノード排ガスＦ０６と循環水Ｆ１０との間の温度差及びエンタルピ差と、補助加熱装置３０３と、が用いられる。この点は、後述する実施の形態２以降の燃料電池システム１００においても同様である。
図２は、本実施の形態に係る燃料電池システムの蒸気発生器の内部構造を示す断面図である。図２の上下方向は、鉛直上下方向を表している。図２中の太矢印は、流体の流れ方向を表している。
図２に示すように、蒸気発生器４は、全体として円筒状の形状を有している。蒸気発生器４の中心軸４ａは、上下方向に沿っている。蒸気発生器４は、外周壁４ｂと、外周壁４ｂよりも内周側に設けられた内周壁４ｃと、を有している。外周壁４ｂ及び内周壁４ｃはいずれも、中心軸４ａを中心とした円筒状に形成され、上下方向に沿って延伸している。外周壁４ｂと内周壁４ｃとの間には、円環状の空間が形成されている。
外周壁４ｂと内周壁４ｃとの間、すなわち外周壁４ｂよりも内周側でかつ内周壁４ｃよりも外周側には、隔壁４ｄが形成されている。隔壁４ｄは、外周壁４ｂ及び内周壁４ｃと同軸の円筒状に形成され、上下方向に沿って延伸している。外周壁４ｂと内周壁４ｃとの間に形成される空間は、隔壁４ｄによって、外周空間４１と内周空間４２とに仕切られている。外周空間４１及び内周空間４２は、いずれも円環状の空間である。外周空間４１の上端及び内周空間４２の上端は、上部壁４ｅによって閉塞されている。外周空間４１の下端及び内周空間４２の下端は、下部壁４ｆによって閉塞されている。上部壁４ｅ及び下部壁４ｆは、いずれも円環状に形成されている。
蒸発流路３０１は、内周空間４２に設けられている。内周空間４２には、螺旋管構造を有する伝熱管３０１ａが形成されている。伝熱管３０１ａは、中心軸４ａを螺旋軸とし、隔壁４ｄに沿って螺旋状に延伸している。伝熱管３０１ａの上端部には、蒸発流路３０１の入口となる蒸発流路入口３０１ｂが設けられている。伝熱管３０１ａの下端部には、蒸発流路３０１の出口となる蒸発流路出口３０１ｃが設けられている。伝熱管３０１ａは、蒸発流路入口３０１ｂから蒸発流路出口３０１ｃに向かって、下部壁４ｆからの高さが単調に低くなるように設置されている。伝熱管３０１ａは、隔壁４ｄの内周面に密着している。これにより、伝熱管３０１ａと隔壁４ｄとの間において、熱エネルギが移動しやすくなっている。
蒸発流路３０１は、伝熱管３０１ａの内部に形成されている。つまり、蒸発流路３０１は、中心軸４ａを螺旋軸とした螺旋状に形成されている。蒸発流路３０１は、上下方向に対して斜めに延伸している。蒸発流路３０１には、上流側から下流側に向かって下り勾配が生じている。蒸発流路入口３０１ｂから蒸発流路３０１に流入した循環水Ｆ１０は、蒸発流路３０１に沿って下方に流れながら徐々に蒸発し、水蒸気Ｆ１１として蒸発流路出口３０１ｃから流出する。
補助加熱装置３０３は、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０を加熱する加熱装置である。補助加熱装置３０３は、内周空間４２に設けられている。補助加熱装置３０３は、蒸発流路３０１よりも内周側、すなわち蒸発流路３０１と中心軸４ａとの間に設けられている。補助加熱装置３０３は、制御部９０によって制御される。
補助加熱装置３０３としては、電気ヒータ等が用いられる。例えば、補助加熱装置３０３は、それぞれ直管状に形成された複数の電気ヒータを有している。この場合、複数の電気ヒータは、中心軸４ａを中心とした円周上に配置される。複数の電気ヒータのそれぞれは、中心軸４ａと平行に配置される。補助加熱装置３０３は、中心軸４ａを中心とした円筒状に形成されていてもよい。
内周空間４２において蒸発流路３０１及び補助加熱装置３０３の周囲には、伝熱促進部材３０６が充填されている。これにより、蒸発流路３０１と補助加熱装置３０３との間において、熱エネルギが移動しやすくなっている。蒸発流路３０１及び補助加熱装置３０３は、伝熱促進部材３０６を介して、互いに熱的に接続されている。伝熱促進部材３０６としては、例えば金属粒子、金属メッシュ、伝熱セメントなどが用いられる。
アノード排ガス流路３０２は、外周空間４１に設けられている。本実施の形態では、外周空間４１の全体がアノード排ガス流路３０２となっている。アノード排ガス流路３０２は、外周壁４ｂ、隔壁４ｄ、上部壁４ｅ及び下部壁４ｆによって画定されている。すなわち、外周壁４ｂ、隔壁４ｄ、上部壁４ｅ及び下部壁４ｆは、アノード排ガス流路３０２の流路壁となる。
アノード排ガス流路３０２は、隔壁４ｄ及び伝熱管３０１ａを介して、蒸発流路３０１と熱的に接続されている。アノード排ガス流路３０２には、隔壁４ｄに熱的に接続された伝熱フィン、例えばオフセットフィンが設けられている。これにより、アノード排ガスＦ０６と隔壁４ｄとの間における熱伝達性能が向上するため、蒸気発生器４の小型化を図ることができる。
蒸気発生器４は、アノード排ガス流路入口３０７を形成する流入管３０７ａと、アノード排ガス流路出口３０８を形成する流出管３０８ａと、を有している。アノード排ガスＦ０６は、流入管３０７ａを介してアノード排ガス流路３０２に流入し、流出管３０８ａを介してアノード排ガス流路３０２から流出する。
流入管３０７ａは、アノード排ガス流路３０２の下部に接続されている。流入管３０７ａは、外周壁４ｂを貫通し、蒸気発生器４の径方向に沿って延伸している。ここで、蒸気発生器４の径方向とは、中心軸４ａを中心とした蒸気発生器４の半径に沿う方向である。
流出管３０８ａは、アノード排ガス流路３０２の上端部に接続されている。流出管３０８ａは、外周壁４ｂを貫通し、蒸気発生器４の径方向に沿って延伸している。中心軸４ａに沿って見たとき、流出管３０８ａは、中心軸４ａを中心として流入管３０７ａと対称となる位置に配置されている。
アノード排ガスＦ０６は、アノード排ガス流路入口３０７からアノード排ガス流路出口３０８に向かって、アノード排ガス流路３０２を流通する。循環水Ｆ１０及び水蒸気Ｆ１１は上から下に流れるのに対し、アノード排ガスＦ０６は下から上に流れる。すなわち、アノード排ガスＦ０６の流れは、循環水Ｆ１０及び水蒸気Ｆ１１の流れに対して対向流となる。
アノード排ガス流路３０２と蒸発流路３０１との間では、アノード排ガスＦ０６と循環水Ｆ１０との熱交換が行われる。これにより、循環水Ｆ１０が加熱されて気化し、水蒸気Ｆ１１が生成される。
アノード排ガス流路３０２及び補助加熱装置３０３は、蒸発流路３０１を挟んで互いに対向している。つまり、蒸発流路３０１は、アノード排ガス流路３０２と補助加熱装置３０３とによって挟まれている。これにより、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０は、アノード排ガスＦ０６と補助加熱装置３０３とによって両面側から加熱される。
アノード排ガス流路３０２において流入管３０７ａ及び流出管３０８ａのいずれよりも下方には、結露水を貯留する結露水貯留空間３０４が設けられている。すなわち、結露水貯留空間３０４は、アノード排ガス流路入口３０７及びアノード排ガス流路出口３０８のいずれよりも下方に設けられている。結露水貯留空間３０４の底部には、結露水排出管３０５が接続されている。結露水排出管３０５は、下部壁４ｆを貫通して下向きに延伸している。結露水排出管３０５には、結露水排出弁３０５ａが設けられている。
蒸発流路３０１の下流側に位置する水蒸気系統２１１には、水蒸気温度センサ２０が設けられている。水蒸気温度センサ２０は、蒸発流路３０１から流出した水蒸気Ｆ１１の温度を検出し、検出信号を制御部９０に出力するように構成されている。
アノード排ガス系統２０６においてアノード排ガス流路３０２よりも下流側には、アノード排ガス温度センサ２１が設けられている。アノード排ガス温度センサ２１は、アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６の温度を検出し、検出信号を制御部９０に出力するように構成されている。
次に、上記の詳細な構成を中心とした燃料電池システム１００の動作について説明する。蒸気発生器４の蒸発流路３０１には、水ポンプ８によって循環水Ｆ１０が供給される。循環水Ｆ１０は、水ポンプ８の吐出圧力と重力とを利用して、蒸発流路入口３０１ｂから蒸発流路出口３０１ｃに向かって蒸発流路３０１を流通する。
蒸気発生器４のアノード排ガス流路３０２には、アノード１ａから排出されたアノード排ガスＦ０６が供給される。アノード排ガス流路３０２を流通するアノード排ガスＦ０６からは、隔壁４ｄ及び伝熱管３０１ａを介して、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０に熱エネルギが伝達される。これにより、循環水Ｆ１０が気化して水蒸気Ｆ１１になる。アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６は、アノード排ガス系統２０６を通って熱回収冷却器１０に流入する。
制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１からの検出信号に基づいて、アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６の温度の情報を取得する。制御部９０は、アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６の温度に基づいて、補助加熱装置３０３を制御する。具体的には、制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１で検出されたアノード排ガスＦ０６の温度が下限閾値を下回った場合には、補助加熱装置３０３を動作させる。制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１で検出されたアノード排ガスＦ０６の温度が上限閾値を上回った場合には、補助加熱装置３０３を停止させる。
補助加熱装置３０３の制御は、オンオフ制御であってもよいし、段階的又は連続的な位相制御であってもよい。例えば、制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１で検出されたアノード排ガスＦ０６の温度が下限閾値と上限閾値との間である場合には、当該温度に応じて補助加熱装置３０３の出力を段階的又は連続的に制御するようにしてもよい。
補助加熱装置３０３が動作すると、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０は、アノード排ガスＦ０６によって加熱されるとともに、補助加熱装置３０３によっても加熱される。すなわち、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０は、アノード排ガス流路３０２を流通するアノード排ガスＦ０６と補助加熱装置３０３とによって、両面側から加熱される。これにより、循環水Ｆ１０には、十分な気化熱が与えられる。
アノード排ガス温度センサ２１は、アノード排ガス流路出口３０８又はその付近に設けられていてもよい。この場合であっても、制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１で検出されたアノード排ガスＦ０６の温度に基づいて、上記と同様に補助加熱装置３０３を制御する。
本実施の形態では、補助加熱装置３０３は、アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６の温度に基づいて制御されているが、補助加熱装置３０３の制御はこれには限定されない。制御部９０は、水蒸気温度センサ２０の検出温度、すなわち蒸発流路３０１から流出した水蒸気Ｆ１１の温度に基づいて、補助加熱装置３０３を制御してもよい。また、制御部９０は、アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６の温度と、蒸発流路３０１から流出した水蒸気Ｆ１１の温度と、の双方に基づいて、補助加熱装置３０３を制御してもよい。
また、アノード排ガス温度センサ２１は、アノード排ガス系統２０６において、アノード排ガス流路３０２の上流側に設けられていてもよい。この場合、制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１の検出信号と、制御部９０に入力された燃料電池システム１００の運転条件信号と、に基づいて、アノード排ガスＦ０６が有する熱エネルギを算出する。制御部９０は、アノード排ガスＦ０６が有する熱エネルギと、循環水Ｆ１０の気化に必要な熱エネルギと、を比較し、循環水Ｆ１０の気化に必要な熱エネルギが不足する場合には、その偏差に応じて補助加熱装置３０３の出力を制御する。
燃料電池システム１００において、循環水Ｆ１０の気化に必要な熱エネルギがアノード排ガスＦ０６から得られるときには、制御部９０は、補助加熱装置３０３を動作させる必要がない。一方、燃料電池システム１００の出力の変動などにより、循環水Ｆ１０の気化に必要な熱エネルギがアノード排ガスＦ０６から得られない場合には、制御部９０は補助加熱装置３０３を動作させる。
アノード排ガス流路３０２において、アノード排ガスＦ０６から循環水Ｆ１０への熱エネルギの授与により、アノード排ガスＦ０６の温度が露点以下に低下した場合、アノード排ガスＦ０６には結露が生じる。本実施の形態では、アノード排ガスＦ０６の結露により生じた結露水は、アノード排ガス流路入口３０７よりも下方に設けられた結露水貯留空間３０４に溜められる。結露水貯留空間３０４に溜められた結露水は、適宜、結露水排出弁３０５ａを介して排出される。これにより、アノード排ガス流路３０２が結露水により閉塞されるのを抑制できるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを抑えることができる。
結露水は、結露水貯留空間３０４内の結露水量に基づき、自動的に排出されるのが望ましい。例えば、結露水排出弁３０５ａは、結露水貯留空間３０４内の結露水の重量を利用して開くように構成されていてもよい。あるいは、結露水排出管３０５には、結露水の水頭差によって結露水が排出されるようにＵ字管が設けられていてもよい。結露水が定期的に排出されるように、結露水排出弁３０５ａがタイマによって開閉するようになっていてももちろんよい。
アノード排ガス流路３０２から流出したアノード排ガスＦ０６は、熱回収冷却器１０において冷却媒体Ｆ１４にさらに熱エネルギを与え、水分離器５に流入する。水分離器５に流入したアノード排ガスＦ０６の温度は、露点以下の所定温度となる。水分離器５内のアノード排ガスＦ０６の温度を目標温度に近づけるため、制御部９０は、熱回収冷却器１０を通過したアノード排ガスＦ０６の温度、又は、水分離器５内のアノード排ガスＦ０６の温度に基づいて、冷却媒体Ｆ１４の流量を制御する。熱回収冷却器１０を通過したアノード排ガスＦ０６の温度、又は、水分離器５内のアノード排ガスＦ０６の温度は、不図示の温度センサにより検出される。
水分離器５では、アノード排ガスＦ０６の温度における飽和蒸気圧に基づき、アノード排ガスＦ０６に含まれる水分が液化する。液化した水分は、水滴となってアノード排ガスＦ０６から分離され、水分離器５の下部に凝縮水として貯留される。水分離器５に貯留された凝縮水は、水配管６を通り、循環水系統２１０に循環水Ｆ１０として供給される。循環水Ｆ１０は、燃料ガスＦ０２に必要となる水蒸気Ｆ１１の流量に応じて、水ポンプ８により蒸気発生器４に供給される。
一方、水分離器５で水分が除去されたアノード排ガスＦ０６は、アノード回収ガスＦ０７として水分離器５から流出し、アノード回収ガス系統２０７を通って回収分岐部２２１に至る。アノード回収ガスＦ０７は、回収分岐部２２１において、リサイクル燃焼ガス系統２０８を流通するリサイクル燃焼ガスＦ０８と、アノード循環ガス系統２０９を流通するアノード循環ガスＦ０９と、に分かれる。リサイクル燃焼ガスＦ０８は、リサイクル燃焼ガス流量計３１２及びリサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１を通って、燃焼器３に供給される。
リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１の開度は、例えばリサイクル燃焼ガス流量計３１２からの流量信号に基づき、制御部９０によって制御される。これにより、リサイクル燃焼ガスＦ０８及びアノード循環ガスＦ０９は、回収分岐部２２１において、燃料電池システム１００の運転条件に基づく適切な流量比で分配される。したがって、燃料電池システム１００の高効率化が実現される。
燃焼器３には、リサイクル燃焼ガスＦ０８と、カソード１ｃから排出されたカソード排ガスＦ０４と、補助燃焼燃料Ｆ１６と、が供給される。燃焼器３では、これらのガスが燃焼する。燃焼したガスの熱エネルギの一部は、改質反応に必要な熱エネルギとして改質器２に供給される。これにより、改質器２の温度は、改質反応に必要な温度まで上昇する。改質器２における改質反応に必要な温度は、例えば６００℃である。
燃焼したガスの熱エネルギの他の一部は、酸化剤熱交換器７において、酸化剤Ｆ０３に供給される。これにより、酸化剤Ｆ０３の温度は、燃料電池スタック１のカソード１ｃが運転できる温度まで上昇する。例えば、酸化剤Ｆ０３の温度は、外気の温度である２５℃から６００℃まで上昇する。
燃焼器３で燃焼したガスは、改質器２及び酸化剤熱交換器７に熱エネルギを与えた後、燃焼排ガスＦ１５として、燃焼排ガス系統２１５を介して外部に排出される。
アノード循環ガスＦ０９は、アノード循環ガス系統２０９を通り、エジェクタ９に吸引される。エジェクタ９に吸引されたアノード循環ガスＦ０９は、水蒸気Ｆ１１及び原料Ｆ０１と混合され、燃料ガスＦ０２としてエジェクタ９から流出する。燃料ガスＦ０２は、燃料ガス系統２０２を通って改質器２に供給される。
上述した動作が成立するか否かについて、燃料電池スタック１の出力当たりのエンタルピに基づいて検討する。一例として、燃料電池システム１００は、都市ガスを原料とする固体酸化物形燃料電池を備え、燃料利用率７５％、セル電圧０．８４Ｖ、電流２４Ａで動作するものとする。この条件では、アノード出口でのアノード排ガスＦ０６において、燃料電池スタック１の出力当たりのエンタルピは、－３０８１Ｊ／ｓ・ｋＷとなる。
一方、循環水Ｆ１０を水蒸気Ｆ１１にするのに必要な気化熱は、２４７Ｊ／ｓ・ｋＷと見積もられる。これにより、蒸気発生器４において循環水Ｆ１０に熱エネルギを与えた後のアノード排ガスＦ０６の温度は、熱収支計算によれば１５０℃を超えることになる。つまり、蒸気発生器４において循環水Ｆ１０を水蒸気Ｆ１１にするのに必要な熱エネルギは、循環水Ｆ１０とアノード排ガスＦ０６との熱交換により賄うことが可能である。
水分離器５内のアノード排ガスＦ０６の温度は、例えば６０℃とする。この温度における飽和蒸気圧は、約０．０２５ＭＰａとなる。アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６に含まれる水蒸気の体積モル分率は、約６０％である。これに対し、水分離器５内のアノード排ガスＦ０６に含まれる水蒸気の体積モル分率は、水蒸気の凝縮によって水蒸気の流量が１／２程度に減少することに伴い、約２０％に低下する。アノード排ガスＦ０６は、アノード回収ガスＦ０７として水分離器５から流出する。
水分離器５から流出したアノード回収ガスＦ０７は、回収分岐部２２１において、リサイクル燃焼ガスＦ０８とアノード循環ガスＦ０９とに、概ね同程度の流量ずつ分配される。
したがって、アノード循環ガスＦ０９の流量は、アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６の流量の１／４程度になる。また、アノード循環ガスＦ０９に含まれる水蒸気の流量は、アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６に含まれる水蒸気の流量の８％程度になる。アノード出口におけるアノード排ガスＦ０６に含まれる水蒸気の流量は、改質器２又は燃料電池スタック１に必要な水蒸気の流量に対して１５％程度しかない。不足分の水蒸気を補うため、蒸気発生器４では、循環水Ｆ１０を気化させることにより約０．５ＭＰａの水蒸気Ｆ１１が生成される。
次に、燃料電池スタック１の出力を増加させる場合の燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料電池スタック１の出力が増加する場合、電池反応に必要なガスである酸化剤Ｆ０３、原料Ｆ０１及び水蒸気Ｆ１１のそれぞれの流量は、制御部９０の制御により、出力負荷条件に応じて増加する。
このとき、原料Ｆ０１及び水蒸気Ｆ１１に関し、改質器２内部の改質触媒充填部においてＳ／Ｃの値がある値よりも小さくなると、式（１）及び式（２）に示した改質反応が起こらず、炭素（Ｃ）の析出などが生じる可能性がある。その結果、析出したＣにより、流路閉塞などの問題が引き起こされる場合がある。この問題を回避するため、制御部９０は、原料Ｆ０１の流量の増加よりも、水蒸気Ｆ１１の流量の増加を先行させる。すなわち、燃料電池スタック１の出力を増加させる場合には、まず水蒸気Ｆ１１の流量、つまり循環水Ｆ１０の流量を増加させる必要がある。これに伴い、蒸気発生器４では、循環水Ｆ１０の流量増加分に相当する気化熱が必要になる。
本実施の形態では、循環水Ｆ１０の流量が増加した場合、アノード排ガス温度センサ２１で検出されるアノード排ガスＦ０６の温度が低下するため、補助加熱装置３０３が動作する。すなわち、蒸発流路３０１内の循環水Ｆ１０には、補助加熱装置３０３によって熱エネルギが補助的に与えられる。これにより、循環水Ｆ１０の流量増加分に相当する気化熱は、補助加熱装置３０３によって補われる。
燃料電池スタック１の出力の増加に伴う燃料電池システム１００の運転状態の移行が完了すると、アノード排ガスＦ０６からの熱エネルギによって循環水Ｆ１０の気化熱を賄うことができる。この場合、アノード排ガス温度センサ２１で検出されるアノード排ガスＦ０６の温度が上昇するため、補助加熱装置３０３が停止する。補助加熱装置３０３が停止すると、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０は、アノード排ガス流路３０２を流通するアノード排ガスＦ０６のみによって、片面側から加熱される。
このように、本実施の形態によれば、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、安定した水蒸気供給が可能となる。
燃料電池スタック１の出力を増加させる場合の燃料電池システム１００の動作は、上記の例には限られない。燃料電池システム１００の運転条件により循環水Ｆ１０の気化熱が不足する場合には、補助加熱装置３０３が連続的又は間欠的に動作するようにしてもよい。また、燃料電池スタック１の出力の増加量が小さく、循環水Ｆ１０の気化熱の増加分をアノード排ガスＦ０６からの熱エネルギによって賄うことができる場合には、補助加熱装置３０３は動作しなくてもよい。
本実施の形態では、アノード排ガス系統２０６を流通するアノード排ガスＦ０６の熱エネルギを用いて、循環水Ｆ１０を水蒸気Ｆ１１にすることができる。このため、燃焼器３に供給されるリサイクル燃焼ガスＦ０８の流量を減少させ、エジェクタ９を介して改質器２に戻すアノード循環ガスＦ０９の流量を増加させることができる。したがって、本実施の形態によれば、エネルギ効率の高い燃料電池システム１００を実現することができる。
また、本実施の形態では、蒸気発生器４において、アノード排ガス流路３０２及び補助加熱装置３０３が、蒸発流路３０１を挟んで互いに対向している。このため、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０を両面側から加熱することができる。したがって、本実施の形態によれば、熱損失を低減できるため、より高いエネルギ効率が得られる燃料電池システム１００を実現できる。
さらに、本実施の形態では、燃料電池システム１００の運転条件に応じて、応答性が高く安定した水蒸気供給が可能となる。したがって、本実施の形態によれば、燃料電池システム１００の小型化を図ることができる。
本実施の形態では、燃料電池システム１００の過渡的な運転状態により、アノード排ガスＦ０６がアノード排ガス流路３０２において結露したとしても、結露水を結露水貯留空間３０４に溜めることができる。これにより、アノード排ガスＦ０６の流れが結露水によって妨げられるのを防ぐことができるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを抑えることができる。
本実施の形態では、アノード排ガスＦ０６の廃熱を用いて循環水Ｆ１０を水蒸気Ｆ１１にすることができる。したがって、本実施の形態によれば、燃料電池システム１００の熱エネルギを有効に利用できるため、エネルギ効率の高い燃料電池システム１００を実現できる。
燃料電池システム１００の過渡的な運転状態では、循環水Ｆ１０の気化熱として必要な熱エネルギに対して、アノード排ガスＦ０６から得られる熱エネルギが不足する場合がある。本実施の形態では、このような場合であっても、補助加熱装置３０３により熱エネルギを応答性良く補うことができる。したがって、本実施の形態では、燃料電池システム１００の幅広い運転条件に対応することができる。
また、本実施の形態において、補助加熱装置３０３は、循環水Ｆ１０の気化熱として必要な熱エネルギがアノード排ガスＦ０６から得られる場合には、停止させることができる。このため、補助加熱装置３０３には、常にエネルギを供給し続ける必要はない。したがって、本実施の形態によれば、エネルギ効率の高い燃料電池システム１００を実現できる。
図３は、本実施の形態の変形例１－１に係る蒸気発生器におけるアノード排ガス流路入口及びその周囲の構成を示す断面図である。図３に示すように、流入管３０７ａは、端面３０７ａ１を有している。端面３０７ａ１は、アノード排ガス流路３０２に面している。端面３０７ａ１は、流入管３０７ａの管軸に対して垂直に形成されている。端面３０７ａ１は、外周壁４ｂの内壁面４ｂ１とは異なる面に形成されている。本変形例では、流入管３０７ａがアノード排ガス流路３０２の内部にまで挿入されているため、端面３０７ａ１は、内壁面４ｂ１に対して、アノード排ガス流路３０２の内部側に突出している。ただし、端面３０７ａ１は、隔壁４ｄからは離れている。
アノード排ガスＦ０６は、流入管３０７ａを介してアノード排ガス流路３０２に流入し、アノード排ガス流路３０２を上向きに流れ、蒸気発生器４の外部に流出する。アノード排ガスＦ０６に結露が発生した場合、結露水は、主に外周壁４ｂの内壁面４ｂ１を伝って流れ落ち、結露水貯留空間３０４に移動する。
本変形例では、流入管３０７ａの端面３０７ａ１が内壁面４ｂ１とは異なる面に形成されているため、内壁面４ｂ１を伝って流れ落ちる結露水は、流入管３０７ａの内部に浸入しにくくなっている。したがって、アノード排ガスＦ０６の流れが結露水によって妨げられるのを防ぐことができるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを抑えることができる。
特に、本変形例では、流入管３０７ａの端面３０７ａ１が内壁面４ｂ１に対してアノード排ガス流路３０２の内部側に突出しているため、結露水が流入管３０７ａの内部に浸入するのをより確実に防ぐことができる。したがって、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのをより確実に防ぐことができる。
図４は、本実施の形態の変形例１－２に係る蒸気発生器におけるアノード排ガス流路入口及びその周囲の構成を示す断面図である。図４に示すように、流入管３０７ａの端面３０７ａ１は、内壁面４ｂ１と異なる面に形成されていることに加えて、流入管３０７ａの管軸に対して斜めに形成されている。端面３０７ａ１は、上方ほど内壁面４ｂ１から遠ざかるように、内壁面４ｂ１に対して傾斜している。このため、本変形例では、変形例１－１の構成と比較して、結露水が流入管３０７ａの内部にさらに浸入しにくくなっている。したがって、本変形例によれば、アノード排ガスＦ０６の流れが結露水によって妨げられるのをより確実に防ぐことができるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのをより確実に防ぐことができる。
図５は、本実施の形態の変形例１－３に係る蒸気発生器におけるアノード排ガス流路入口及びその周囲の構成を示す断面図である。図５に示すように、本変形例では、アノード排ガス流路３０２内においてアノード排ガス流路入口３０７の上方に、結露水誘導板３１３が形成されている。結露水誘導板３１３の一端部３１３ａは、アノード排ガス流路入口３０７よりも上方の位置において内壁面４ｂ１に接合されている。結露水誘導板３１３は、内壁面４ｂ１から離れるほど、すなわち結露水誘導板３１３の他端部３１３ｂに近づくほど、高さが低くなるように傾斜している。結露水誘導板３１３の他端部３１３ｂと隔壁４ｄとの間には、隙間が形成されている。他端部３１３ｂは、隔壁４ｄに接合されていてもよい。本変形例の流入管３０７ａ及びアノード排ガス流路入口３０７は、図２に示した構成と同様の構成を有している。
外周壁４ｂの内壁面４ｂ１を伝って流れ落ちる結露水は、結露水誘導板３１３の一端部３１３ａに達すると、結露水誘導板３１３によって他端部３１３ｂ側に誘導される。結露水は、結露水誘導板３１３の傾斜に従って他端部３１３ｂ側に流れ、他端部３１３ｂから下方に滴下する。滴下した結露水は、結露水貯留空間３０４に溜められる。したがって、本変形例によれば、アノード排ガスＦ０６の流れが結露水によって妨げられるのを防ぐことができるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを防ぐことができる。
本変形例では、結露水誘導板３１３には、少なくとも１つの貫通孔３１３ｃが形成されている。貫通孔３１３ｃのそれぞれは、結露水誘導板３１３の厚み方向に沿って結露水誘導板３１３を貫通している。これにより、貫通孔３１３ｃがアノード排ガスＦ０６の流路の一部となるため、アノード排ガス流路３０２に流入したアノード排ガスＦ０６が上方に向かって流通しやすくなる。なお、アノード排ガスＦ０６の流路が十分に確保されている場合には、結露水誘導板３１３に貫通孔３１３ｃが形成されていなくてもよい。
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、蒸気発生器４と、改質器２と、燃料電池スタック１と、エジェクタ９と、を備えている。蒸気発生器４は、循環水Ｆ１０を加熱して水蒸気Ｆ１１を発生させるように構成されている。改質器２は、水蒸気Ｆ１１と炭化水素とを反応させ、水素を含む改質ガスＦ０５を生成するように構成されている。燃料電池スタック１は、アノード１ａとカソード１ｃとを有している。燃料電池スタック１は、アノード１ａに供給された改質ガスＦ０５と、カソード１ｃに供給された酸化剤Ｆ０３と、の電気化学反応によって電気エネルギを発生させるように構成されている。エジェクタ９は、炭化水素を含む原料Ｆ０１と、アノード１ａから排出されたアノード排ガスＦ０６の一部を回収したアノード循環ガスＦ０９と、の少なくとも一方を、水蒸気Ｆ１１を駆動流体として用いて改質器２に供給するように構成されている。蒸気発生器４は、循環水Ｆ１０が流通する蒸発流路３０１と、蒸発流路３０１と熱的に接続され、アノード排ガスＦ０６が流通するアノード排ガス流路３０２と、循環水Ｆ１０を加熱する補助加熱装置３０３と、を有している。アノード排ガス流路３０２及び補助加熱装置３０３は、蒸発流路３０１を挟んで互いに対向している。ここで、改質器２は、改質部の一例である。循環水Ｆ１０は、水の一例である。
この構成によれば、アノード排ガス流路３０２及び補助加熱装置３０３によって、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０を両面側から加熱することができる。したがって、本実施の形態によれば、熱損失を低減できるため、より高いエネルギ効率が得られる燃料電池システム１００を実現できる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、蒸発流路３０１は、上下方向に対して斜めに延伸している。蒸発流路３０１には、上流側から下流側に向かって下り勾配が生じている。この構成によれば、重力を利用して蒸発流路３０１に循環水Ｆ１０を流通させることができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、アノード排ガス流路３０２は、上下方向に沿って延伸している。蒸気発生器４は、外周壁４ｂと、流入管３０７ａと、流出管３０８ａと、を有している。外周壁４ｂは、上下方向に沿って延伸している。外周壁４ｂは、アノード排ガス流路３０２を画定している。流入管３０７ａは、外周壁４ｂを貫通してアノード排ガス流路３０２に接続されている。流入管３０７ａからは、アノード排ガスＦ０６が流入する。流出管３０８ａは、流入管３０７ａよりも上方でアノード排ガス流路３０２に接続されている。流出管３０８ａからは、アノード排ガスＦ０６が流出する。アノード排ガス流路３０２において流入管３０７ａよりも下方には、結露水を溜める結露水貯留空間３０４が設けられている。ここで、外周壁４ｂは、流路壁の一例である。
この構成によれば、アノード排ガス流路３０２が結露水により閉塞されるのを抑制できるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを抑えることができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、流入管３０７ａは、アノード排ガス流路３０２に面した端面３０７ａ１を有している。端面３０７ａ１は、外周壁４ｂの内壁面４ｂ１よりも、アノード排ガス流路３０２の内部側に突出している。この構成によれば、結露水が流入管３０７ａの内部に浸入するのを防ぐことができるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを防ぐことができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、アノード排ガス流路３０２において流入管３０７ａよりも上方には、結露水を誘導する結露水誘導板３１３が設けられている。この構成によれば、結露水が流入管３０７ａの内部に浸入するのを防ぐことができるため、アノード排ガスＦ０６に脈動が生じるのを防ぐことができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、補助加熱装置３０３は、電気ヒータを有している。この構成によれば、補助加熱装置３０３の出力を容易に調節することができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、アノード排ガスＦ０６の温度を検出するアノード排ガス温度センサ２１と、制御部９０と、をさらに備えている。制御部９０は、アノード排ガスＦ０６の温度に基づいて補助加熱装置３０３を制御する。
この構成によれば、循環水Ｆ１０の気化熱として必要な熱エネルギに対して、アノード排ガスＦ０６から得られる熱エネルギが不足する場合であっても、補助加熱装置３０３により熱エネルギを補うことができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、水蒸気Ｆ１１の温度を検出する水蒸気温度センサ２０と、制御部９０と、をさらに備えている。制御部９０は、水蒸気Ｆ１１の温度に基づいて補助加熱装置３０３を制御する。
この構成によれば、循環水Ｆ１０の気化熱として必要な熱エネルギに対して、アノード排ガスＦ０６から得られる熱エネルギが不足する場合であっても、補助加熱装置３０３により熱エネルギを補うことができる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る燃料電池システムについて説明する。図６は、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。図７は、本実施の形態に係る燃料電池システムにおける蒸気発生器の内部構造を示す断面図である。本実施の形態は、補助加熱装置３０３が補助燃焼器５０及び燃焼排ガス流路３１４を有している点で、実施の形態１と異なっている。なお、実施の形態１と同様の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図６及び図７に示すように、蒸気発生器４の上部には、補助燃焼器５０が設けられている。補助燃焼器５０は、補助加熱装置３０３の一部を構成している。補助燃焼器５０は、蒸気発生器４の中心軸４ａ上に配置されている。補助燃焼器５０は、蒸発流路３０１を挟んで、アノード排ガス流路３０２と対向している。
補助燃焼燃料系統２１６は、補助燃焼燃料系統２１７と補助燃焼燃料系統２１８とに分岐している。補助燃焼燃料系統２１７は、燃焼器３に接続されている。補助燃焼燃料系統２１８は、補助燃焼器５０に接続されている。補助燃焼燃料系統２１６を流通する補助燃焼燃料Ｆ１６は、補助燃焼燃料Ｆ１７と、補助燃焼燃料Ｆ１８とに分流する。補助燃焼燃料Ｆ１７は、補助燃焼燃料系統２１７を流通して燃焼器３に供給される。補助燃焼燃料Ｆ１８は、補助燃焼燃料系統２１８を流通して補助燃焼器５０に供給される。
補助燃焼器５０と、蒸気発生器４の外部との間には、燃焼排ガス流路３１４が設けられている。燃焼排ガス流路３１４は、内周空間４２よりも内周側に配置されている。燃焼排ガス流路３１４と内周空間４２との間は、隔壁３１５によって仕切られている。隔壁３１５は、中心軸４ａを中心とした円筒状に形成されている。燃焼排ガス流路３１４は、隔壁３１５、伝熱促進部材３０６及び伝熱管３０１ａを介して、蒸発流路３０１に熱的に接続されている。
燃焼排ガス流路３１４は、補助加熱装置３０３の一部を構成している。燃焼排ガス流路３１４は、蒸発流路３０１を挟んで、アノード排ガス流路３０２と対向している。
補助燃焼器５０では、補助燃焼燃料Ｆ１８と、空気などの支燃性ガスと、がイグナイタ等によって着火されて燃焼し、高温の燃焼排ガスが発生する。高温の燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路３１４を通り、蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０に熱エネルギを与える。循環水Ｆ１０に熱エネルギを与えた燃焼排ガスは、蒸気発生器４の外部に排出される。補助燃焼燃料Ｆ１８の流量を調節することにより、燃焼排ガスの熱量が制御される。その他の動作は、実施の形態１と同様である。
補助燃焼器５０への支燃性ガスの供給に関し、補助燃焼器５０は、自然吸気により大気が導入される構造を有していてもよい。この場合、燃焼空気比を変更するのが困難になるものの、補助燃焼器５０の構造が簡素になる。また、補助燃焼器５０には、別途設けられた空気供給系統を通じて空気が供給されるようになっていてもよい。この場合、補助燃焼燃料Ｆ１８と空気との流量比を制御することにより、任意の燃焼空気比が得られる。これにより、断熱火炎温度の制御が可能となるため、循環水Ｆ１０への熱エネルギの移動量をより的確に制御できる。
本実施の形態によれば、実施の形態１により得られる効果に加えて、以下の効果が得られる。すなわち、本実施の形態では、補助加熱装置３０３に補助燃焼器５０が用いられるため、燃料電池スタック１に必要となる原料Ｆ００を利用して、蒸気発生器４に必要な熱エネルギを生成できる。そのため、燃料電池システム１００の高効率化を図ることができる。
また、本実施の形態では、補助加熱装置３０３に補助燃焼器５０が用いられるため、補助加熱装置３０３に電気ヒータが用いられる構成と比較して、特に燃料電池システム１００の起動時における電力消費を抑えることができる。したがって、燃料電池システム１００を非常用電源に適用することもできる。なお、燃料電池システム１００の起動時の動作は、後述する実施の形態３において説明する。
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、補助加熱装置３０３は、補助燃焼器５０と、補助燃焼器５０で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路３１４と、を有している。この構成によれば、補助加熱装置３０３における電力消費を抑えることができる。
実施の形態３．
実施の形態３に係る燃料電池システム及びその運転方法について説明する。本実施の形態は、主に燃料電池システム１００の起動時の動作に関する。図８は、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。
図８に示すように、燃料電池スタック１には、スタック温度センサ２２が設けられている。スタック温度センサ２２は、燃料電池スタック１の代表温度を検出するように構成されている。改質器２には、改質器温度センサ２４が設けられている。改質器温度センサ２４は、改質器２の代表温度を検出するように構成されている。その他の構成は、図１及び図２に示した実施の形態１の構成と同様である。
燃料電池システム１００の起動時に、制御部９０の制御によって実行される燃料電池システム１００の動作について説明する。まず、空気ブロワ１８から吐出された酸化剤Ｆ０３は、酸化剤系統２０３を流通し、酸化剤熱交換器７及びカソード１ｃを通過して、カソード排ガスＦ０４として燃焼器３に供給される。また、原料Ｆ００の一部は、補助燃焼燃料系統２１６を流通し、補助燃焼燃料Ｆ１６として燃焼器３に供給される。燃焼器３では、カソード排ガスＦ０４及び補助燃焼燃料Ｆ１６が、イグナイタ等により着火されて燃焼し、燃焼ガスが発生する。
燃焼器３で発生した燃焼ガスは、改質器２及び酸化剤熱交換器７を昇温させ、燃焼排ガス系統２１５を通って燃焼排ガスＦ１５として排出される。酸化剤熱交換器７において加熱された酸化剤Ｆ０３は、カソード１ｃに供給され、酸化剤Ｆ０３自身の顕熱によって燃料電池スタック１を昇温させる。
上記のプロセスと並行して、補助加熱装置３０３への通電が開始される。ここで、本実施の形態の補助加熱装置３０３は、電気ヒータであるものとする。補助加熱装置３０３に通電されることにより、蒸気発生器４が昇温する。
燃料電池スタック１及び改質器２のそれぞれの温度が、水蒸気が結露しない温度、例えば１５０℃まで上昇した場合、水ポンプ８を起動させて循環水Ｆ１０を蒸気発生器４に供給する。循環水Ｆ１０は、水ポンプ８の吐出圧力と重力とを利用して、蒸発流路３０１を上方から下方に向かって流通する。蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０は、補助加熱装置３０３からの熱を受けて蒸発し、水蒸気Ｆ１１になる。水蒸気Ｆ１１は、起動時の燃料ガスＦ０２として、エジェクタ９により改質器２及びアノード１ａに供給される。
アノード１ａから排出されたアノード排ガスＦ０６は、蒸気発生器４のアノード排ガス流路３０２を下方から上方に向かって流通し、アノード排ガス流路出口３０８から流出する。
蒸気発生器４の昇温過程では、アノード排ガスＦ０６が水蒸気リッチな状態にある。アノード排ガス流路３０２に低温部が存在している場合、アノード排ガスＦ０６中の水蒸気が結露する。ただし、アノード排ガスＦ０６中の水蒸気が結露した場合であっても、結露水は、アノード排ガス流路３０２の下部に設けられた結露水貯留空間３０４に溜められ、結露水排出管３０５を介して排出される。
さらに、改質器２の温度が、内部に充填されている改質触媒による改質反応によって水素の生成が可能となる温度、例えば４５０℃まで上昇した場合、原料系統２００及び改質原料系統２０１による原料Ｆ０１の供給を開始する。供給開始時の原料Ｆ０１の流量は、Ｓ／Ｃを考慮して制御される。定格運転状態でのＳ／Ｃの値は、例えば２．５～３．５の範囲内にある。これに対し、供給開始時の原料Ｆ０１の流量は、Ｓ／Ｃの値が定格運転状態でのＳ／Ｃの値よりも大きくなるように設定される。起動時の改質器２には、過渡的な温度分布が形成される。この温度分布によって改質器２に炭素（Ｃ）が析出するのを予防するため、供給開始時の原料Ｆ０１の流量は、Ｓ／Ｃの値で例えば８．０程度に設定される。その後、水蒸気Ｆ１１の流量及び原料Ｆ０１の流量が適宜制御される。
原料Ｆ０１の供給は、燃料電池スタック１の温度が、燃料電池スタック１を構成するコンポーネント部材の酸化反応が進行する温度、例えば３００℃まで上昇するよりも前に開始される。つまり、原料Ｆ０１の供給は、改質器２の温度が４５０℃以上でかつ燃料電池スタック１の温度が３００℃以下となる温度条件で開始される。この温度条件を実現するために、燃焼器３に供給される補助燃焼燃料Ｆ１６の流量と、燃焼器３にカソード排ガスＦ０４として供給される酸化剤Ｆ０３の流量と、が調節されることにより、燃焼器３の燃焼温度及び燃焼器３の入力エネルギが制御される。
電池反応に必要なガスである酸化剤Ｆ０３、原料Ｆ０１及び水蒸気Ｆ１１のそれぞれの流量は、所定の流量に設定される。燃料電池スタック１は、発電可能な温度、例えば６００℃まで昇温される。燃料電池スタック１の温度が発電可能な温度まで昇温した後には、酸化剤Ｆ０３、原料Ｆ０１及び水蒸気Ｆ１１のそれぞれの流量が所定の流量に制御される。それと並行して、電流制御又は電力制御などの手法によって燃料電池スタック１における発電が開始され、燃料電池システム１００が所定の定格運転状態に移行する。
燃料電池スタック１の昇温が進むに従い、アノード排ガスＦ０６の流量が増加するとともにアノード排ガスＦ０６の温度が上昇する。これにより、アノード排ガスＦ０６の有するエンタルピは大きくなる。したがって、蒸気発生器４では、アノード排ガスＦ０６から循環水Ｆ１０に与えられる熱エネルギが増加する。
制御部９０は、アノード排ガス温度センサ２１により検出されるアノード排ガスＦ０６の温度に基づいて、補助加熱装置３０３を制御する。具体的には、制御部９０は、アノード排ガスＦ０６の温度が上昇するほど補助加熱装置３０３の発熱量が減少するように、補助加熱装置３０３を制御する。これにより、アノード排ガスＦ０６の温度が上昇するに従って、補助加熱装置３０３の発熱量は減少する。したがって、必要以上の熱エネルギが循環水Ｆ１０に与えられるのを防ぐことができる。このようにして、循環水Ｆ１０に与えられる熱エネルギが調節される。
あるいは、制御部９０は、水蒸気温度センサ２０により検出される水蒸気Ｆ１１の温度に基づいて、補助加熱装置３０３を制御するようにしてもよい。具体的には、制御部９０は、水蒸気Ｆ１１の温度が上昇するほど補助加熱装置３０３の発熱量が減少するように、補助加熱装置３０３を制御する。このようにしても、必要以上の熱エネルギが循環水Ｆ１０に与えられるのを防ぐことができる。
蒸気発生器４を通過したアノード排ガスＦ０６は、さらに熱回収冷却器１０において、熱回収系統２１４を流通する冷却媒体Ｆ１４に熱エネルギを与える。これにより、水分離器５に流入するアノード排ガスＦ０６の温度は、露点以下の所定温度に低下する。
水分離器５では、アノード排ガスＦ０６の温度における飽和蒸気圧に基づき、アノード排ガスＦ０６に含まれる水分が液化する。液化した水分は、水滴となってアノード排ガスＦ０６から分離され、水分離器５の下部に貯留される。
一方、水分離器５で水分が除去されたアノード排ガスＦ０６は、アノード回収ガスＦ０７として水分離器５から流出し、アノード回収ガス系統２０７を通って回収分岐部２２１に至る。アノード回収ガスＦ０７は、回収分岐部２２１において、リサイクル燃焼ガス系統２０８を流通するリサイクル燃焼ガスＦ０８と、アノード循環ガス系統２０９を流通するアノード循環ガスＦ０９と、に分かれる。リサイクル燃焼ガスＦ０８は、リサイクル燃焼ガス系統２０８を通って、燃焼器３に供給される。
燃料電池システム１００の起動時、燃焼器３では、補助燃焼燃料系統２１６により供給された補助燃焼燃料Ｆ１６と、カソード排ガス系統２０４により供給されたカソード排ガスＦ０４と、が主に燃焼する。原料Ｆ０１の供給が開始されて原料Ｆ０１の流量が増加すると、リサイクル燃焼ガスＦ０８の流量が増加するため、燃焼器３に供給される燃焼燃料が増加する。このため、原料Ｆ０１の供給が開始された後には、補助燃焼燃料Ｆ１６の流量と、回収分岐部２２１におけるリサイクル燃焼ガスＦ０８の流量分配比率と、酸化剤Ｆ０３の流量と、が適宜制御される。
本実施の形態では、アノード回収ガス系統２０７を流通したアノード回収ガスＦ０７は、回収分岐部２２１において、リサイクル燃焼ガスＦ０８とアノード循環ガスＦ０９に分流しているが、これには限られない。例えば、燃料電池システム１００の起動時には、アノード回収ガス系統２０７を流通したアノード回収ガスＦ０７の全量を、リサイクル燃焼ガスＦ０８としてリサイクル燃焼ガス系統２０８に流通させるようにしてもよい。
本実施の形態において、補助加熱装置３０３は、改質器２及びアノード１ａへの水蒸気Ｆ１１の供給が特定の期間に開始されるように、制御部９０によって制御される。上記の特定の期間は、燃料電池スタック１の温度が第１温度まで上昇した後であって、かつ燃料電池スタック１の温度が第２温度まで上昇するよりも前の期間である。第１温度は、燃料電池スタック１の内部で水蒸気が結露しない温度であり、例えば１５０℃である。第２温度は、燃料電池スタック１を構成するコンポーネント部材の酸化反応が進行する温度であり、例えば３００℃である。
本実施の形態では、燃料電池システム１００の起動時において、必要な流量の水蒸気Ｆ１１を発生させるのに必要な熱エネルギは、補助加熱装置３０３から蒸発流路３０１に与えられる。燃料電池システム１００の昇温が進行すると、アノード排ガス流路３０２から蒸発流路３０１に与えられる熱エネルギが増加する。このため、制御部９０の制御により、補助加熱装置３０３の発熱量が減少する。これにより、水蒸気Ｆ１１を発生させるのに必要な熱エネルギは、補助加熱装置３０３及びアノード排ガス流路３０２の両方から蒸発流路３０１に与えられる。燃料電池システム１００が定格運転状態になると、アノード排ガス流路３０２から蒸発流路３０１に与えられる熱エネルギがさらに増加する。このため、制御部９０の制御により、補助加熱装置３０３が停止する。これにより、水蒸気Ｆ１１を発生させるのに必要な熱エネルギは、アノード排ガス流路３０２から蒸発流路３０１に与えられる。
このように、本実施の形態では、燃料電池システム１００が起動されるときに、必要なガス雰囲気を形成しながら連続的な昇温が可能になる。したがって、本実施の形態によれば、燃料電池システム１００の昇温条件に応じて、脈動の少ない安定した水蒸気の生成を実現できる。また、本実施の形態によれば、自由度が高くエネルギ効率の高い燃料電池システム１００を実現できる。
図９は、本実施の形態の変形例３－１に係る蒸気発生器の内部構造を示す断面図である。図９に示すように、蒸気発生器４は、第１流路部材３１６及び第２流路部材３１７を有している。
第１流路部材３１６は、中心軸４ａを中心とした円筒状に形成されている。第１流路部材３１６の外周面には、溝３１６ａが形成されている。溝３１６ａは、中心軸４ａを螺旋軸とした螺旋状に延伸している。
第２流路部材３１７は、中心軸４ａを中心とした円筒状に形成されている。第２流路部材３１７は、第１流路部材３１６の外径に等しい内径を有している。第２流路部材３１７の内周面は、第１流路部材３１６の外周面と接合されている。
溝３１６ａの内部には、蒸発流路３０１が形成されている。蒸発流路３０１の上端部には、蒸発流路入口３０１ｂが設けられている。蒸発流路３０１の下端部には、蒸発流路出口３０１ｃが設けられている。
第１流路部材３１６及び第２流路部材３１７は、燃焼排ガス流路３１４よりも外周側であってアノード排ガス流路３０２よりも内周側に配置されている。第１流路部材３１６の内周面は、燃焼排ガス流路３１４に面している。蒸発流路３０１は、第１流路部材３１６を介して、燃焼排ガス流路３１４と熱的に接続されている。第２流路部材３１７の外周面は、アノード排ガス流路３０２に面している。蒸発流路３０１は、第２流路部材３１７を介して、アノード排ガス流路３０２と熱的に接続されている。
蒸発流路３０１を流通する循環水Ｆ１０には、第１流路部材３１６を介して、燃焼排ガス流路３１４を流通する燃焼排ガスから熱エネルギが与えられる。また、循環水Ｆ１０には、第２流路部材３１７を介して、アノード排ガス流路３０２を流通するアノード排ガスＦ０６から熱エネルギが与えられる。
本実施の形態によれば、燃焼排ガス流路３１４を流通する燃焼排ガス、及びアノード排ガス流路３０２を流通するアノード排ガスＦ０６のいずれからも、単一の部材を介して循環水Ｆ１０に熱エネルギが伝達される。これにより、いずれの伝熱経路においても熱抵抗が小さくなるため、蒸気発生器４の伝熱特性を向上させることができる。したがって、小型でかつ応答性の高い蒸気発生器４を実現できるため、高性能な燃料電池システム１００を実現できる。
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の温度を検出するスタック温度センサ２２と、制御部９０と、をさらに備えている。制御部９０は、燃料電池システム１００を起動するとき、改質器２への水蒸気Ｆ１１の供給が特定の期間に開始されるように補助加熱装置３０３を制御する。特定の期間は、燃料電池スタック１の温度が第１温度まで上昇した後であって、かつ燃料電池スタック１の温度が第１温度より高い第２温度まで上昇するよりも前である。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、第１温度は１５０℃であり、第２温度は３００℃である。
上記構成によれば、燃料電池スタック１の内部での結露の発生を防ぐことができる。また、上記構成によれば、燃料電池スタック１を構成するコンポーネント部材の酸化反応が進行する前に、水蒸気Ｆ１１の供給を開始することができる。
実施の形態４．
実施の形態４に係る燃料電池システム及びその運転方法について説明する。本実施の形態は、主に燃料電池システム１００の停止時の動作に関する。本実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成は、図８に示した実施の形態３に係る燃料電池システム１００の構成と同様である。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、実施の形態３に係る燃料電池システム１００と同様に、スタック温度センサ２２及び改質器温度センサ２４を有している。
燃料電池システム１００の停止時に、制御部９０の制御によって実行される燃料電池システム１００の動作について説明する。燃料電池システム１００を停止する際には、制御部９０は、燃料電池スタック１の出力を低下させ、燃料電池スタック１の発電を停止させる。また、制御部９０は、燃料電池スタック１の出力の低下と並行して、又は燃料電池スタック１の発電停止後に、原料Ｆ０１の供給量を減少させ、原料Ｆ０１の供給を停止させる。制御部９０は、原料Ｆ０１の供給量の減少開始と同時に、補助加熱装置３０３を動作させる。ここで、本実施の形態の補助加熱装置３０３は、電気ヒータであるものとする。制御部９０は、原料Ｆ０１の流量が閾値よりも少なくなったとき、リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１を全閉にする。これにより、燃焼器３へのリサイクル燃焼ガスＦ０８の供給が遮断され、燃焼器３における燃焼が停止する。
水ポンプ８は、動作状態を維持している。循環水Ｆ１０は、水ポンプ８により、蒸気発生器４の蒸発流路３０１に供給される。アノード排ガスＦ０６は、アノード排ガス流路３０２を介して、蒸気発生器４のアノード排ガス流路３０２に供給される。蒸発流路３０１の循環水Ｆ１０には、アノード排ガス流路３０２及び補助加熱装置３０３から熱エネルギが与えられる。これにより、蒸気発生器４では、水蒸気Ｆ１１が安定して生成される。
このとき、燃料ガス系統２０２を流通する燃料ガスＦ０２は、水蒸気Ｆ１１及びアノード循環ガスＦ０９である。この燃料ガスＦ０２は、改質器２及び燃料電池スタック１において、温度低下に伴って僅かなＣＨ4生成反応が起こるものの、大部分のＨ2成分は残ったままアノード排ガスＦ０６となって蒸気発生器４に供給される。蒸気発生器４から流出したアノード排ガスＦ０６は、熱回収冷却器１０において冷却され、水分離器５に流入する。水分離器５では、アノード排ガスＦ０６中の水蒸気が凝縮して凝縮水となり、アノード排ガスＦ０６のガス成分から分離される。
アノード排ガスＦ０６のガス成分は、水分離器５から流出し、アノード回収ガスＦ０７としてアノード回収ガス系統２０７に流入する。リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１が全閉となっているため、アノード回収ガスＦ０７の全量は、そのままアノード循環ガスＦ０９となる。
エジェクタ９では、蒸気発生器４で生成された水蒸気Ｆ１１が駆動流体となり、アノード循環ガスＦ０９が吸引される。水蒸気Ｆ１１及びアノード循環ガスＦ０９は、燃料ガスＦ０２としてエジェクタ９から流出し、燃料ガス系統２０２を通って改質器２及び燃料電池スタック１に供給される。つまり、この時点の燃料電池システム１００では、水蒸気の生成、供給及び凝縮が繰り返されながら、アノード系統のガスが循環する。
カソード１ｃに供給される酸化剤Ｆ０３の流量は、燃料電池スタック１及び改質器２の降温速度などの条件に応じて適切な流量に設定される。酸化剤Ｆ０３の流通による顕熱の移動によって、燃料電池スタック１及び改質器２のそれぞれの温度は低下していく。
アノード１ａが酸化しない温度まで燃料電池スタック１の温度が低下し、かつ改質触媒が酸化しない温度まで改質器２の温度が低下した後、酸化剤Ｆ０３によるアノード系統のパージを行うか、又はアノード系統の閉ループの大気開放を行う。燃料電池スタック１の温度は、スタック温度センサ２２の検出信号に基づいて取得される。改質器２の温度は、改質器温度センサ２４の検出信号に基づいて取得される。アノード系統のパージは、制御部９０の制御によって、燃料ガス系統２０２に酸化剤Ｆ０３を導入することにより行われる。なお、燃料ガス系統２０２に酸化剤Ｆ０３を導入する経路は、図８には図示されていない。アノード系統の閉ループの大気開放は、制御部９０の制御によってリサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１を開放することにより行われる。
原料Ｆ００が改質器２の改質触媒及びアノード１ａに悪影響を及ぼさない場合には、燃料ガス系統２０２に原料Ｆ００を導入し、原料Ｆ００によるパージが行われるようにしてもよい。また、アノード系統は、酸化剤Ｆ０３又は原料Ｆ００でパージした後に、大気と縁切りして閉ループにしてもよい。
このとき、制御部９０は、補助加熱装置３０３及び水ポンプ８を停止する。これにより、水蒸気の生成が停止される。以上の手順を経て、燃料電池システム１００が停止される。
本実施の形態では、燃料電池システム１００を停止する際に、燃焼器３を起動させることなく、必要な流量の水蒸気を蒸気発生器４によって生成することができる。生成された水蒸気は、エジェクタ９の駆動力によって、アノード系統を循環する。つまり、水蒸気が媒体になって、燃料電池システム１００が停止した直後のガス組成が概ね維持される。このため、燃料ガスＦ０２及び改質ガスＦ０５によって、改質器２及び燃料電池スタック１を還元雰囲気で降温させることができる。これにより、燃料電池システム１００の各系統におけるガス雰囲気を維持したまま、燃料電池システム１００の各機器を効率良く降温することができる。
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、水分離器５と、回収分岐部２２１と、リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１と、をさらに備えている。水分離器５は、アノード排ガスＦ０６を凝縮水とアノード回収ガスＦ０７とに分離するように構成されている。回収分岐部２２１は、アノード回収ガスＦ０７を、改質器２に熱的に接続された燃焼器３に供給されるリサイクル燃焼ガスＦ０８と、アノード循環ガスＦ０９と、に分流させるように構成されている。リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１は、燃焼器３へのリサイクル燃焼ガスＦ０８の供給を遮断するように構成されている。制御部９０は、燃料電池システム１００を停止するとき、燃料電池スタック１における電気エネルギの発生を停止させ、リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１を閉じ、補助加熱装置３０３を制御して水蒸気Ｆ１１の流量を確保し、改質器２及び燃料電池スタック１を降温させる。ここで、リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１は、遮断部の一例である。
この構成によれば、燃料電池システム１００の各系統におけるガス雰囲気を維持したまま、燃料電池システム１００の各機器を効率良く降温することができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、アノード排ガスＦ０６の温度を検出するアノード排ガス温度センサ２１をさらに備えている。制御部９０は、アノード排ガスＦ０６の温度に基づいて補助加熱装置３０３を制御する。この構成によれば、必要以上の熱エネルギが循環水Ｆ１０に与えられるのを防ぐことができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、水蒸気Ｆ１１の温度を検出する水蒸気温度センサ２０をさらに備えている。制御部９０は、水蒸気Ｆ１１の温度に基づいて補助加熱装置３０３を制御する。この構成によれば、必要以上の熱エネルギが循環水Ｆ１０に与えられるのを防ぐことができる。
本実施の形態に係る燃料電池システム１００において、制御部９０は、燃料電池スタック１の温度が上記第２温度まで低下した後に、リサイクル燃焼ガス流量調整弁３１１を開放してもよい。また、制御部９０は、燃料電池スタック１の温度が上記第２温度まで低下した後に、改質器２及びアノード１ａを通るアノード系統、例えば燃料ガス系統２０２に酸化剤Ｆ０３又は原料Ｆ００を導入するようにしてもよい。
実施の形態５．
実施の形態５に係る燃料電池システム及びその運転方法について説明する。図１０は、本実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す系統図である。
図１０に示すように、燃料電池スタック１には、循環熱交換器２３が設けられている。循環熱交換器２３は、アノード排ガス系統２０６の蒸気発生器４と熱回収冷却器１０との間であって、かつアノード循環ガス系統２０９の回収分岐部２２１とエジェクタ９との間に配置されている。その他の構成は、図６に示した実施の形態２の構成と同様である。
循環熱交換器２３では、アノード排ガス系統２０６を流通するアノード排ガスＦ０６と、アノード循環ガス系統２０９を流通するアノード循環ガスＦ０９と、の熱交換が行われる。アノード循環ガスＦ０９は、循環熱交換器２３において、蒸気発生器４から流出したアノード排ガスＦ０６から熱エネルギを得る。これにより、アノード循環ガスＦ０９の温度が上昇する。
本実施の形態では、水分離器５を流出した直後のアノード回収ガスＦ０７が飽和蒸気であるのに対し、循環熱交換器２３を通過したアノード循環ガスＦ０９は、アノード排ガスＦ０６から得た熱エネルギによって過熱蒸気となる。このため、アノード循環ガス系統２０９における循環熱交換器２３からエジェクタ９までの配管内において、結露が発生するのを防止できる。したがって、アノード循環ガス系統２０９を流通するアノード循環ガスＦ０９の脈動が抑制され、安定した燃料電池システム１００を実現できる。
上記の全ての実施の形態において、燃料電池システム１００の各構成機器は、断熱材によって囲まれている。これにより、各構成機器から外部への放熱抑制が図られている。
上記の全ての実施の形態において、カソード排ガスＦ０４は、全量が燃焼器３に供給されて、燃焼支燃ガスとなるように説明したが、これに限定されない。燃焼器３の上流側でカソード排ガスＦ０４を分岐させ、燃焼器３にはカソード排ガスＦ０４の一部を供給し、残りのカソード排ガスは、改質器２又は酸化剤熱交換器７の少なくとも一方を加熱するようにしても良い。また、燃焼器３の内部でカソード排ガスＦ０４を分岐させ、カソード排ガスＦ０４を、リサイクル燃焼ガスＦ０８又は補助燃焼燃料Ｆ１６と共に燃焼させるものと、燃焼させないものと、に分けても良い。さらに、これらを組み合わせても良い。これにより、適切な空気比での燃焼条件が実現できる。
上記の全ての実施の形態において、補助加熱装置３０３の動作開始のタイミング、及び水ポンプ８の動作のタイミングは、上記の内容に限定されない。例えば、燃料電池スタック１、改質器２及び蒸気発生器４のそれぞれの熱容量と、燃焼器３による改質器２及び燃料電池スタック１のそれぞれの昇温状態と、に基づいて、補助加熱装置３０３を動作させるようにしてもよい。
上記の全ての実施の形態において、熱回収系統２１４を流通する冷却媒体Ｆ１４としては、水を用いることができる。しかしながら、冷却媒体Ｆ１４としては、アノード排ガスＦ０６から熱エネルギを奪うことができるものであれば、冷媒又は蓄熱材料であってもよい。
上記の全ての実施の形態において、水処理装置１４としては、例えば、イオン交換樹脂を用いたイオン交換装置を用いることができる。ただし、水処理装置１４は、透過膜を利用したものであってもよいし、必要な仕様に応じてフィルタのみであってもよい。また、必要性がなければ、水処理装置１４が設置されていなくてもよい。
上記の全ての実施の形態において、蒸発流路３０１は、１周毎に間隔を空けた螺旋状に形成されている。しかしながら、蒸発流路３０１は、隙間なく密着した螺旋状に形成されていてもよい。この場合、蒸気発生器４の軸方向における単位長さ当たりの伝熱面積が大きくなるため、蒸気発生器４の伝熱性能が向上する。
上記の全ての実施の形態において、水分離器５におけるアノード排ガスＦ０６の凝縮温度は約６０℃である。しかしながら、水分離器５におけるアノード排ガスＦ０６の凝縮温度はこれに限られず、他の温度であってもよい。ただし、水分離器５におけるアノード排ガスＦ０６の凝縮温度は、水分離器５におけるアノード排ガスＦ０６の時間当たりの凝縮水量が循環水Ｆ１０の流量以上になるように設定されるのが望ましい。この場合、燃料電池システム１００の起動後に、外部から燃料電池システム１００への水の補給が不要になる。このため、燃料電池システム１００の水自立が可能となり、燃料電池システム１００の運転コストの削減を図ることができる。
上記の各実施の形態及び各変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。
１ 燃料電池スタック、１ａ アノード、１ｃ カソード、１ｅ 電解質、２ 改質器（改質部）、３ 燃焼器、４ 蒸気発生器、４ａ 中心軸、４ｂ 外周壁（流路壁）、４ｂ１ 内壁面、４ｃ 内周壁、４ｄ 隔壁、４ｅ 上部壁、４ｆ 下部壁、５ 水分離器、６ 水配管、７ 酸化剤熱交換器、８ 水ポンプ、９ エジェクタ、１０ 熱回収冷却器、１４ 水処理装置、１８ 空気ブロワ、１９ 原料前処理装置、２０ 水蒸気温度センサ、２１ アノード排ガス温度センサ、２２ スタック温度センサ、２３ 循環熱交換器、２４ 改質器温度センサ、４１ 外周空間、４２ 内周空間、５０ 補助燃焼器、９０ 制御部、１００ 燃料電池システム、２００ 原料系統、２０１ 改質原料系統、２０２ 燃料ガス系統、２０３ 酸化剤系統、２０４ カソード排ガス系統、２０５ 改質ガス系統、２０６ アノード排ガス系統、２０７ アノード回収ガス系統、２０８ リサイクル燃焼ガス系統、２０９ アノード循環ガス系統、２１０ 循環水系統、２１１ 水蒸気系統、２１４ 熱回収系統、２１５ 燃焼排ガス系統、２１６ 補助燃焼燃料系統、２１７ 補助燃焼燃料系統、２１８ 補助燃焼燃料系統、２２１ 回収分岐部、３０１ 蒸発流路、３０１ａ 伝熱管、３０１ｂ 蒸発流路入口、３０１ｃ 蒸発流路出口、３０２ アノード排ガス流路、３０３ 補助加熱装置、３０４ 結露水貯留空間、３０５ 結露水排出管、３０５ａ 結露水排出弁、３０６ 伝熱促進部材、３０７ アノード排ガス流路入口、３０７ａ 流入管、３０７ａ１ 端面、３０８ アノード排ガス流路出口、３０８ａ 流出管、３１１ リサイクル燃焼ガス流量調整弁（遮断部）、３１２ リサイクル燃焼ガス流量計、３１３ 結露水誘導板、３１３ａ 一端部、３１３ｂ 他端部、３１３ｃ 貫通孔、３１４ 燃焼排ガス流路、３１５ 隔壁、３１６ 第１流路部材、３１６ａ 溝、３１７ 第２流路部材、Ｆ００ 原料、Ｆ０１ 原料、Ｆ０２ 燃料ガス、Ｆ０３ 酸化剤、Ｆ０４ カソード排ガス、Ｆ０５ 改質ガス、Ｆ０６ アノード排ガス、Ｆ０７ アノード回収ガス、Ｆ０８ リサイクル燃焼ガス、Ｆ０９ アノード循環ガス、Ｆ１０ 循環水（水）、Ｆ１１ 水蒸気、Ｆ１４ 冷却媒体、Ｆ１５ 燃焼排ガス、Ｆ１６ 補助燃焼燃料、Ｆ１７ 補助燃焼燃料、Ｆ１８ 補助燃焼燃料。

Claims (17)

  1. 水を加熱して水蒸気を発生させる蒸気発生器と、
    前記水蒸気と炭化水素とを反応させ、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
    アノードとカソードとを有し、前記アノードに供給された前記改質ガスと、前記カソードに供給された酸化剤と、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スタックと、
    前記炭化水素を含む原料と、前記アノードから排出されたアノード排ガスの一部を回収したアノード循環ガスと、の少なくとも一方を、前記水蒸気を駆動流体として用いて前記改質部に供給するエジェクタと、
    を備え、
    前記蒸気発生器は、
    前記水が流通する蒸発流路と、
    前記蒸発流路と熱的に接続され、前記アノード排ガスが流通するアノード排ガス流路と、
    前記水を加熱する補助加熱装置と、を有しており、
    前記蒸発流路に前記水が流入する蒸発流路入口と、前記蒸発流路から前記水蒸気が流出する蒸発流路出口とは、鉛直方向の上下に設けられ、
    前記アノード排ガス流路に前記アノード排ガスが流入するアノード排ガス流路入口と、前記アノード排ガス流路から前記アノード排ガスが流出するアノード排ガス流路出口とは、鉛直方向の上下に設けられ、
    前記アノード排ガス流路及び前記補助加熱装置は、前記蒸発流路を挟んで互いに対向している燃料電池システム。
  2. 前記蒸発流路は、上下方向に対して斜めに延伸しており、
    前記蒸発流路には、上流側から下流側に向かって下り勾配が生じている請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記アノード排ガス流路は、上下方向に沿って延伸しており、
    前記蒸気発生器は、
    上下方向に沿って延伸し、前記アノード排ガス流路を画定する流路壁と、
    前記流路壁を貫通して前記アノード排ガス流路に接続され、前記アノード排ガスが流入する流入管と、
    前記流入管よりも上方で前記アノード排ガス流路に接続され、前記アノード排ガスが流出する流出管と、
    を有しており、
    前記アノード排ガス流路において前記流入管よりも下方には、結露水を溜める結露水貯留空間が設けられている請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記流入管は、前記アノード排ガス流路に面した端面を有しており、
    前記端面は、前記流路壁の内壁面よりも、前記アノード排ガス流路の内部側に突出している請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記アノード排ガス流路において前記流入管よりも上方には、結露水を誘導する結露水誘導板が設けられている請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記補助加熱装置は、電気ヒータを有している請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記補助加熱装置は、補助燃焼器と、前記補助燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス流路と、を有している請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記アノード排ガスの温度を検出するアノード排ガス温度センサと、
    制御部と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、前記アノード排ガスの温度に基づいて前記補助加熱装置を制御する請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記水蒸気の温度を検出する水蒸気温度センサと、
    制御部と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、前記水蒸気の温度に基づいて前記補助加熱装置を制御する請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度センサをさらに備え、
    前記制御部は、燃料電池システムを起動するとき、前記改質部への前記水蒸気の供給が特定の期間に開始されるように前記補助加熱装置を制御し、
    前記特定の期間は、前記燃料電池スタックの温度が第１温度まで上昇した後であって、かつ前記燃料電池スタックの温度が前記第１温度より高い第２温度まで上昇するよりも前である請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度センサと、
    制御部と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、燃料電池システムを起動するとき、前記改質部への前記水蒸気の供給が特定の期間に開始されるように前記補助加熱装置を制御し、
    前記特定の期間は、前記燃料電池スタックの温度が第１温度まで上昇した後であって、かつ前記燃料電池スタックの温度が前記第１温度より高い第２温度まで上昇するよりも前である請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記第１温度は１５０℃であり、前記第２温度は３００℃である請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記アノード排ガスを凝縮水とアノード回収ガスとに分離する水分離器と、
    前記アノード回収ガスを、前記改質部に熱的に接続された燃焼器に供給されるリサイクル燃焼ガスと、前記アノード循環ガスと、に分流させる回収分岐部と、
    前記燃焼器への前記リサイクル燃焼ガスの供給を遮断する遮断部と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、燃料電池システムを停止するとき、前記燃料電池スタックにおける前記電気エネルギの発生を停止させ、前記遮断部を閉じ、前記補助加熱装置を制御して前記水蒸気の流量を確保し、前記改質部及び前記燃料電池スタックを降温させる請求項１０～請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  14. 前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度が前記第２温度まで低下した後に、前記遮断部を開放する請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度が前記第２温度まで低下した後に、前記改質部及び前記アノードを通るアノード系統に、前記酸化剤又は前記原料を導入する請求項１３又は請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 水を加熱して水蒸気を発生させる蒸気発生器と、
    前記水蒸気と炭化水素とを反応させ、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
    アノードとカソードとを有し、前記アノードに供給された前記改質ガスと、前記カソードに供給された酸化剤と、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スタックと、
    前記炭化水素を含む原料と、前記アノードから排出されたアノード排ガスの一部を回収したアノード循環ガスと、の少なくとも一方を、前記水蒸気を駆動流体として用いて前記改質部に供給するエジェクタと、
    を備え、
    前記蒸気発生器は、
    前記水が流通する蒸発流路と、
    前記蒸発流路と熱的に接続され、前記アノード排ガスが流通するアノード排ガス流路と、
    前記水を加熱する補助加熱装置と、を有しており、
    前記アノード排ガス流路及び前記補助加熱装置は、前記蒸発流路を挟んで互いに対向しており、
    前記アノード排ガス流路は、上下方向に沿って延伸しており、
    前記蒸気発生器は、
    上下方向に沿って延伸し、前記アノード排ガス流路を画定する流路壁と、
    前記流路壁を貫通して前記アノード排ガス流路に接続され、前記アノード排ガスが流入する流入管と、
    前記流入管よりも上方で前記アノード排ガス流路に接続され、前記アノード排ガスが流出する流出管と、
    を有しており、
    前記アノード排ガス流路において前記流入管よりも下方には、結露水を溜める結露水貯留空間が設けられている燃料電池システム。
  17. 水を加熱して水蒸気を発生させる蒸気発生器と、
    前記水蒸気と炭化水素とを反応させ、水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
    アノードとカソードとを有し、前記アノードに供給された前記改質ガスと、前記カソードに供給された酸化剤と、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スタックと、
    前記炭化水素を含む原料と、前記アノードから排出されたアノード排ガスの一部を回収したアノード循環ガスと、の少なくとも一方を、前記水蒸気を駆動流体として用いて前記改質部に供給するエジェクタと、
    前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度センサと、
    前記アノード排ガスを凝縮水とアノード回収ガスとに分離する水分離器と、
    前記アノード回収ガスを、前記改質部に熱的に接続された燃焼器に供給されるリサイクル燃焼ガスと、前記アノード循環ガスと、に分流させる回収分岐部と、
    前記燃焼器への前記リサイクル燃焼ガスの供給を遮断する遮断部と、
    制御部と、
    を備え、
    前記蒸気発生器は、
    前記水が流通する蒸発流路と、
    前記蒸発流路と熱的に接続され、前記アノード排ガスが流通するアノード排ガス流路と、
    前記水を加熱する補助加熱装置と、を有しており、
    前記アノード排ガス流路及び前記補助加熱装置は、前記蒸発流路を挟んで互いに対向しており、
    前記制御部は、燃料電池システムを起動するとき、前記改質部への前記水蒸気の供給が特定の期間に開始されるように前記補助加熱装置を制御し、
    前記特定の期間は、前記燃料電池スタックの温度が第１温度まで上昇した後であって、かつ前記燃料電池スタックの温度が前記第１温度より高い第２温度まで上昇するよりも前であり、
    前記制御部は、燃料電池システムを停止するとき、前記燃料電池スタックにおける前記電気エネルギの発生を停止させ、前記遮断部を閉じ、前記補助加熱装置を制御して前記水蒸気の流量を確保し、前記改質部及び前記燃料電池スタックを降温させる燃料電池システム。
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