JP7139900B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、固体酸化物型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

固体酸化物型の燃料電池は、その作動温度が高温（例えば、５００℃～１０００℃）であり、燃料電池の周囲に配置される改質器の温度が上昇したり、改質器における吸熱量が低下したりすると、燃料電池の温度が過度に高くなってしまうことがある。このため、燃料電池は、適宜冷却する必要がある。

従来、燃料電池を冷却する手法として、燃料電池の近くに冷却器を設け、内部を流れる水の蒸発潜熱によって燃料電池を冷却することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－１７０３０７号公報

ところで、燃料電池のガス流れ上流側に配置される改質器への水の供給量を増加させ、水の蒸発潜熱によって燃料ガスの温度上昇を抑制することで、燃料電池の温度が過度に高くなることを抑制することが考えられる。

ところが、上述の手法を採用すると、燃料電池の過度な温度上昇を抑制可能である一方、燃料電池に対して余分な水蒸気が流入してしまう。燃料電池に対して余分な水蒸気が流入すると燃料電池内部の酸化劣化が促進されてしまうことから好ましくない。

本開示は、燃料電池への余分な水蒸気の流入を抑制しつつ、燃料電池の過度な温度上昇を抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
燃料電池システムであって、
水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３２）と、
改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
改質器に供給する水蒸気を生成する気化器（４２）と、
改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３１）と、
気化器に水を供給する水ポンプ（４１）と、
改質器および燃料ポンプが設けられ、燃料および燃料ガスの流通経路をなす燃料経路（３０）と、
燃料経路に接続され、改質器から燃料電池に流れる燃料ガスの一部を燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路（５０）と、
ガス循環経路を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器（５１）と、
ガス循環経路のうち凝縮器の下流側に設けられ、凝縮器で生成された凝縮水を燃料ガスから分離する気液分離器（５３）と、
気化器および水ポンプが設けられ、燃料経路に接続された水供給経路（４０）と、
気液分離器に接続され、凝縮器で生成された凝縮水を水供給経路における水ポンプの上流側に導く水循環経路（６０）と、を備える。

これによると、水ポンプから気化器への水の供給量を増加させることで、水の蒸発潜熱によって燃料電池へ供給される燃料ガスの温度上昇を抑えて、燃料電池の温度が過度に高くなることを抑制することが可能となる。また、水ポンプから気化器への水の供給量を増加したとしても、燃料ガスとともに水蒸気がガス循環経路を介して燃料ポンプの上流側に導かれるので、燃料電池への水蒸気の流入量を抑えることができる。

したがって、燃料電池システムによれば、燃料電池への余分な水蒸気の流入を抑制しつつ、燃料電池の過度な温度上昇を抑制することが可能となる。

加えて、本開示の燃料電池システムでは、ガス循環経路に凝縮器および気液分離器を設けるとともに、気液分離器で燃料ガスから分離された凝縮水を水循環経路によって水ポンプの上流側に導かれる構成になっている。これによると、ガス循環経路に流れる水蒸気をシステム内で再利用可能になる。このことは、燃料電池システムの水自立を実現する上で特に有効である。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置を説明するためのブロック図である。 改質器の温度と追加する水量との関係を説明するための説明図である。 凝縮器の温度と外気の送風量との関係を説明するための説明図である。 第２実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

（第１実施形態）
本実施形態について、図１～図４を参照して説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、作動温度が高温（例えば、５００℃～１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）１０を備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスおよび酸化剤ガス（本例では空気中の酸素）の電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。なお、発電セルの形状は、平板型および円筒型のいずれであってもよい。

図示しないが発電セルは、固体酸化物電解質、空気極（すなわち、カソード）、燃料極（すなわち、アノード）を含んで構成されている。燃料極には、シフト反応等に活性の高いニッケルと電解質材料であるイットリア安定化ジルコニアのサーメット等が用いられている。本実施形態の発電セルは、炭化水素系の燃料である都市ガス（すなわち、メタンを主成分とするガス）を改質して生成される水素および一酸化炭素を燃料ガスとしている。なお、使用する燃料は、炭化水素系の燃料であれば、都市ガス以外のガスが採用されていてもよい。

燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ１、Ｆ２に示す水素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極）２Ｈ_２＋２Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ …（Ｆ１）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ２）
また、燃料電池１０は、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素および酸素の電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２－→２ＣＯ_２＋４ｅ^－ …（Ｆ３）
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ …（Ｆ４）
燃料電池１０には、燃料電池１０の電池温度Ｔｃを検出する電池温度センサ１０１、燃料電池１０から出力される出力電圧Ｖｃｓを検出する電池電圧センサ１０２が設けられている。

図示しないが、燃料電池１０は、後述する空気予熱器２２、改質器３２、気化器４２、燃焼器７３等とともに断熱性を有するハウジングの内側に配置されている。燃料電池１０は、起動時に後述する燃焼器７３によって暖機される。なお、燃料電池システム１では、ハウジングの内側に配置された機器がホットモジュールＨＭを構成している。

燃料電池１０は、空気入口部１０ａに、空気の流通経路である空気経路２０が接続されている。空気経路２０には、燃料電池１０に空気を圧送する圧送ブロワ２１、燃料電池１０に供給する空気を加熱する空気予熱器２２が設けられている。

圧送ブロワ２１は、大気中の空気を吸い込んで燃料電池１０に供給する酸化剤ポンプである。圧送ブロワ２１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動式のブロワで構成されている。

空気予熱器２２は、圧送ブロワ２１から圧送された空気を後述する燃焼器７３で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する熱交換器である。空気予熱器２２は、燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１０の発電効率の向上を図るために設けられている。

一方、燃料電池１０は、燃料入口部１０ｂに、燃料や燃料ガスの流通経路である燃料経路３０が接続されている。燃料経路３０には、上流側から順に、燃料ポンプ３１、改質器３２が設けられている。

燃料ポンプ３１は、燃料電池１０側に向けて燃料を供給するためのポンプである。燃料ポンプ３１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。

改質器３２は、水蒸気を用いて燃料ポンプ３１から供給された燃料を改質して燃料ガスを生成するものである。改質器３２は、例えば、ニッケルを含む水蒸気改質触媒、反応器を含んで構成されている。

ここで、改質器３２としては、部分酸化改質反応により燃料ガスを生成する構成とすることも考えられるが、この場合、改質器３２の構成機器に温度耐久性等が要求され、非常に高価になってしまう。このため、本実施形態では、改質器３２として、部分酸化改質反応ではなく水蒸気改質反応により燃料ガスを生成するものを採用している。

具体的には、改質器３２は、燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱するとともに、以下の反応式Ｆ５に示す改質反応、および反応式Ｆ６に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２ …（Ｆ５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（Ｆ６）
ここで、改質器３２における水蒸気改質は吸熱反応であり、高温となる条件下にて改質率が向上する特性を有している。このため、改質器３２は、燃料電池１０の発電時に周囲に放出される熱（放射熱）を吸熱できるように、燃料電池１０の周囲に配設されていることが望ましい。

改質器３２の出口側には、改質器３２の温度を検出するための改質温度センサ１０３が設置されている。改質温度センサ１０３は、改質器３２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、改質温度センサ１０３は、改質器３２の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。

燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間に水供給経路４０が接続されている。水供給経路４０には、システム外部から水を供給する水ポンプ４１、改質器３２へ供給する水蒸気を生成する気化器４２が設けられている。

水ポンプ４１は、気化器４２を介して改質器３２側に水蒸気を供給するポンプである。水ポンプ４１は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ポンプで構成されている。

気化器４２は、燃焼ガスによって昇温するように構成されている。具体的には、気化器４２は、水ポンプ４１から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器で構成されている。

気化器４２には、気化器４２の温度を検出するための気化温度センサ１０４が設置されている。気化温度センサ１０４は、気化器４２を通過した後の流体の温度を検出する温度センサである。なお、気化温度センサ１０４は、気化器４２の温度を直接的に検出する温度センサで構成されていてもよい。

また、燃料経路３０には、改質器３２から燃料電池１０に流れる燃料ガスの一部を燃料ポンプ３１の上流側に導くガス循環経路５０が接続されている。ガス循環経路５０は、一端側が燃料経路３０における改質器３２と燃料電池１０との間の部位に接続され、他端側が燃料経路３０における燃料ポンプ３１の上流側の部位に接続されている。

ガス循環経路５０には、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器５１が設けられている。凝縮器５１は、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスと外部流体であるシステム外部の空気（以下、外気とも呼ぶ）とを熱交換させる熱交換器である。

凝縮器５１には、凝縮器５１に対して外気を供給するための外気供給ファン５２が併設されている。外気供給ファン５２は、後述する制御装置１００からの制御信号によって作動が制御される電動ファンで構成されている。本実施形態では、外気供給ファン５２は、凝縮器５１に対してガス循環経路５０を流れる燃料ガスを供給する外部流体供給部を構成する。

また、ガス循環経路５０には、凝縮器５１の燃料ガス流れ下流側に気液分離器５３が設けられている。気液分離器５３は、凝縮器５１で生成された凝縮水を燃料ガスから分離するものである。

気液分離器５３には、凝縮器５１で生成された凝縮水を水ポンプ４１の上流側に導く水循環経路６０が接続されている。水循環経路６０は、一端側が水供給経路４０における水ポンプ４１の上流側の部位に接続され、他端側が気液分離器５３の底面部分に接続されている。

また、本実施形態の燃料経路３０には、改質器３２に流入する燃料および水蒸気に対して燃料オフガスの一部を混合させる混合弁８０が設けられている。この混合弁８０は、三方弁で構成されている。混合弁８０には、燃料電池１０から排出された燃料オフガスの一部を改質器３２に導くリサイクル経路８２が接続されている。リサイクル経路８２は、一端側が燃料経路３０における燃料ポンプ３１と改質器３２との間の部位に接続され、他端側が後述する燃料排出経路７２に接続されている。

燃料電池１０には、燃料電池１０から排出するオフガスが流れるオフガス経路７０が接続されている。具体的には、燃料電池１０には、空気出口部１０ｃに燃料電池１０から排出される酸化剤オフガスが流れる空気排出経路７１が接続され、燃料出口部１０ｄに燃料電池１０から排出される燃料オフガスが流れる燃料排出経路７２が接続されている。

オフガス経路７０には、燃焼器７３が接続されている。燃焼器７３は、燃料または燃料オフガスを燃焼させることで改質器３２等を昇温させる燃焼ガスを生成するものである。燃焼器７３は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池システム１の各機器を昇温させるための燃焼ガスを生成する。図示しないが、燃焼器７３は、燃料を燃焼させるためのバーナを有している。燃焼器７３では、バーナの点火によって、燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが生成される。

燃焼器７３には、高温の燃焼ガスを流通させる燃焼ガス経路７４が接続されている。燃焼ガス経路７４は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効活用すべく、上流側から順に、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、触媒燃焼器７５といった順に接続されている。

触媒燃焼器７５は、システム外部に排気するオフガス中の水素濃度等を低下させるものである。触媒燃焼器７５は、燃料オフガスに含まれる水を触媒上で燃焼可能なように、例えば、白金等が担持された触媒を含む燃焼器で構成されている。なお、燃焼ガスを各機器に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。

次に、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置１００について図２を参照して説明する。図２に示す制御装置１００は、プロセッサ、メモリを含む周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路で構成されている。制御装置１００は、メモリに記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する。

制御装置１００の入力側には、電池温度センサ１０１、電池電圧センサ１０２、改質温度センサ１０３、気化温度センサ１０４を含む各種センサが接続されており、各種センサの検出結果が制御装置１００に入力されるようになっている。

また、制御装置１００には、操作パネル１０５が接続されている。操作パネル１０５には、燃料電池１０の発電をオンオフするための運転スイッチ１０５ａ、燃料電池１０の作動状態を表示するディスプレイ１０５ｂ等が設けられている。

一方、制御装置１００の出力側には、制御機器として、圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１、外気供給ファン５２、図示しない燃焼器７３のバーナ等が接続されている。これら制御機器は、制御装置１００から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。

ここで、制御装置１００には、各種処理を実行する処理実行部、各種条件の成否を判定する判定部、各種演算を行う演算部等を構成するハードウェアおよびソフトウェアが集約されている。制御装置１００には、例えば、水ポンプ４１を制御する水ポンプ制御部１００ａ、外気供給ファン５２を制御する外部流体制御部１００ｂ等が集約されている。

次に、燃料電池システム１の作動について説明する。燃料電池システム１は、運転スイッチ１０５ａがオンされると制御装置１００によって燃料電池１０を起動させる起動処理が実行される。

制御装置１００は、例えば、起動処理において、燃料電池１０を介さずに燃焼器７３に対して燃料および空気を供給した状態でバーナを点火する。これにより、燃焼器７３では、バーナの点火によって燃料および空気の混合ガスが可燃ガスとして燃焼されることで高温の燃焼ガスが生成される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。これにより、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２が昇温する。また、燃料電池１０は、燃焼器７３、改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２から受熱すること等によって昇温する。

制御装置１００は、上述の起動処理によって改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２、燃料電池１０等が燃料電池１０の発電に適した温度状態になると、発電処理を実行する。制御装置１００は、例えば、起動処理の開始後、電池温度センサ１０１の検出温度が所定の発電基準温度（例えば、５００℃）以上となると、発電処理を実行する。

制御装置１００は、発電処理において、燃料電池１０に対して発電に適した量の酸化剤ガスをおよび燃料ガスが供給されるように圧送ブロワ２１、燃料ポンプ３１、水ポンプ４１を制御する。

圧送ブロワ２１から吹き出される酸化剤ガスは、空気予熱器２２に流入し、燃焼ガスとの熱交換によって昇温される。そして、空気予熱器２２を通過した空気は、燃料電池１０に流入する。

また、燃料ポンプ３１から吐出される燃料は、燃料経路３０の途中において気化器４２で生成された水蒸気と混合された後、改質器３２に流入する。改質器３２では、燃料および水蒸気の混合ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ５、Ｆ６に示す反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）が生成される。そして、改質器３２で生成された燃料ガスは、燃料電池１０に流入する。

燃料電池１０は、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されると、前述の反応式Ｆ１～Ｆ４に示す反応により電気エネルギを出力する。この際、燃料電池１０は、オフガス経路７０にオフガスを排出する。

燃料電池１０から排出されたオフガスは、可燃ガスとして燃焼器７３で燃焼される。燃焼器７３で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス経路７４を流れる際に改質器３２、空気予熱器２２、気化器４２に放熱する。

本実施形態の燃料電池システム１には、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを再利用するためにリサイクル経路８２が設けられている。このため、燃料排出経路７２を流れる燃料オフガスの一部は、リサイクル経路８２を介して改質器３２の上流側に導かれ、燃料電池１０の発電に再利用される。

ところで、燃料電池１０の周囲に配置される改質器３２の温度が上昇したり、改質器３２における吸熱量が低下したりすると、燃料電池１０の電池温度Ｔｃが過度に高くなってしまうことがある。このため、燃料電池１０は、発電時において適宜冷却する必要がある。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、改質器３２への水蒸気の供給量を増加させ、水の蒸発潜熱によって燃料ガスの温度上昇を抑制することで、燃料電池１０の温度が過度に高くなることを抑制する構成になっている。具体的には、制御装置１００は、発電処理時において、改質器３２に対する水蒸気の供給量が改質器３２での水蒸気改質に必要とされる必要量よりも増えるように水ポンプ４１を制御する。すなわち、制御装置１００は、水ポンプ４１から気化器４２への水の供給量が、改質器３２での水蒸気改質に必要とされる必要量よりも大きくなるように水ポンプ４１を増加させる。

これによると、燃料経路３０では、気化器４２から供給される水の蒸発潜熱によって改質器３２に流入する燃料ガスの温度が低くなり、改質器３２の温度が低下する。これにより、改質器３２と燃料電池１０との温度差が大きくなり、燃料電池１０の熱が改質器３２側に移動し易くなることで、燃料電池１０の温度上昇が抑制される。

ところが、単に、改質器３２への水蒸気の供給量を増加させると、燃料電池１０に対して余分な水蒸気が流入してしまう。燃料電池１０に対する余分な水蒸気の流入は、燃料電池１０内部の酸化劣化が促進される要因となることから好ましくない。

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１では、改質器３２から燃料電池１０に流れる燃料ガスの一部を燃料ポンプ３１の上流側に導くガス循環経路５０が設けられている。このため、水ポンプ４１から気化器４２への水の供給量を増加したとしても、燃料ガスとともに水蒸気がガス循環経路５０を介して燃料ポンプ３１の上流側に導かれるので、燃料電池１０への水蒸気の流入量を抑えることができる。

したがって、本実施形態の燃料電池システム１は、ガス循環経路５０が設けられているので、燃料電池１０への余分な水蒸気の流入を抑制しつつ、燃料電池１０の過度な温度上昇を抑制することができる。

加えて、本実施形態の燃料電池システム１は、ガス循環経路５０に対して凝縮器５１および気液分離器５３が設けられるとともに、気液分離器５３で燃料ガスから分離された凝縮水が水循環経路６０によって水ポンプ４１の上流側に導かれる構成になっている。

これによると、ガス循環経路５０に流れる水蒸気をシステム内で再利用することができる。このことは、燃料電池システム１の水自立を実現する上で特に有効である。

ここで、燃料電池１０の温度は、燃料ガス流れ上流側の改質器３２の温度および気化器４２の温度上昇に伴って上昇する。このため、例えば、改質器３２の温度および気化器４２の温度が上昇している状況であっても、気化器４２への水の供給量が一定であると、燃料電池１０を充分に冷却できずに、燃料電池１０の温度が徐々に上昇してしまう虞がある。

このため、燃料電池システム１は、改質器３２の温度および気化器４２の温度に応じて気化器４２への水の供給量を変化させる構成になっていることが望ましい。具体的には、制御装置１００は、例えば、図３に示すように改質器３２の温度が上昇するに伴って気化器４２へ追加するの水量が増加するように水ポンプ４１を制御することが望ましい。これによれば、燃料電池１０を適切に冷却することが可能となる。なお、制御装置１００は、気化器４２または燃料電池１０の温度が上昇するに伴って気化器４２への水の供給量が増加するように水ポンプ４１を制御する構成になっていてもよい。

また、改質器３２の温度および気化器４２の温度が低い状況では、ガス循環経路５０を流れる燃料ガスの温度が低くなるので、凝縮器５１に要求される燃料ガスの冷却性能が下がる。これにも関わらず、凝縮器５１への外気の送風量が一定であると、外気供給ファン５２の動力の一部が無駄になってしまう。

このため、燃料電池システム１は、改質器３２の温度および気化器４２の温度に応じて、凝縮器５１への外気の送風量を変化させる構成になっていることが望ましい。具体的には、制御装置１００は、例えば、図４に示すように改質器３２の温度が低下するに伴って凝縮器５１への外気の送風量が減少するように外気供給ファン５２を制御することが望ましい。これによれば、凝縮器５１に要求される冷却性能を確保しつつ、外気供給ファン５２の動力を低減させることができる。なお、制御装置１００は、気化器４２または燃料電池１０の温度が低下するに伴って凝縮器５１への外気の送風量が減少するように外気供給ファン５２を制御する構成になっていてもよい。

（第１実施形態の変形例）
上述の第１実施形態では、改質器３２の温度および気化器４２の温度に応じて水ポンプ４１および外気供給ファン５２を制御する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、水ポンプ４１および外気供給ファン５２の少なくとも一方が、改質器３２の温度等によらず制御されていてもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図５を参照して説明する。本実施形態では、混合弁８０に代えてエジェクタ８１が用いられている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明し、第１実施形態と同様の部分について説明を省略することがある。

燃料経路３０には、燃料ポンプ３１と改質器３２との間にエジェクタ８１が設けられている。具体的には、エジェクタ８１は、流体を噴射するノズル部８１１、燃料電池１０の出口側から流体を吸引する吸引部８１２、ノズル部８１１から噴射される流体と吸引部８１２から吸引される流体とを混合して改質器３２に向けて吐出する吐出部８１３を有する。

ノズル部８１１は、流体を噴射可能な絞り構造を有している。ノズル部８１１は、絞り開度が固定された固定絞り構造で構成されている。また、吐出部８１３は、ノズル部８１１からの流体および吸引部８１２からの流体が混合された後に昇圧されるように流路断面積が下流側に向かって拡大している。なお、ノズル部８１１は、絞り開度を変更可能な可変絞り構造で構成されていてもよい。

エジェクタ８１の吸引部８１２は、ノズル部８１１の出口側の負圧を利用して燃料電池１０の出口側から流体を吸引するように構成されている。具体的には、吸引部８１２には、燃料排出経路７２を流れる燃料オフガスが吸引されるように、燃料排出経路７２から分岐するリサイクル経路８２が接続されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１はエジェクタ８１によって燃料電池１０を通過した燃料オフガスを燃料電池１０の出口側から吸引さえれる。これによると、動力を増やすことなく、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを再利用することができるので、燃料電池システム１の燃費の向上を図ることができる。

ところで、エジェクタ８１は、駆動流としてノズル部８１１に流入する流体の質量流量の増加に伴って吸引部８１２から吸引される吸引流体の流量が増えるといった特性を有する。このため、発電処理時において、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させることで、吸引部８１２から吸引される燃料オフガスの吸引流量を増加させることが可能となる。

エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させる手法として、例えば、燃料ポンプ３１の燃料吐出能力（例えば、ポンプ回転数）を増加させることが考えられる。

しかしながら、上述の手法では、吸引部８１２から吸引される燃料オフガスの流量を増加させることができる一方で、燃料の供給量が増加してしまことになり、燃費の向上効果が限定的になってしまう虞がある。

これに対して、本実施形態の燃料電池システム１は、ガス循環経路５０を有しており、ガス循環経路５０を介して改質器３２で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることが可能になっている。このため、燃料電池１０の発電時には、ガス循環経路５０を介して改質器３２で改質された燃料ガスの一部をエジェクタ８１のノズル部８１１に流入させることで、エジェクタ８１のノズル部８１１に流入する流体の質量流量を増加させることが望ましい。

これによると、燃料の供給量を増加させることなく、燃料電池１０の上流側に戻す燃料オフガスの流量を増加させることができるので、未反応ガスを有効活用した燃費の向上効果を充分に得ることができる。

（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

上述の実施形態では、外気供給ファン５２によって凝縮器５１に供給される外気を外部流体として、凝縮器５１において燃料オフガスを冷却する例について説明したが、これに限定されない。凝縮器５１は、例えば、外気以外の外部流体によって燃料オフガスを冷却するように構成されていてもよい。

上述の実施形態では、燃料電池システム１としてリサイクル経路８２が設けられているものを例示したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、リサイクル経路８２が設けられていない構成になっていてもよい。

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、燃料電池システムは、改質器から燃料電池に流れる燃料ガスの一部を燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路と、ガス循環経路を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器と、を備える。さらに、燃料電池システムは、ガス循環経路のうち凝縮器の下流側に設けられ、凝縮器で生成された凝縮水を燃料ガスから分離する気液分離器と、気液分離器に接続され、凝縮器で生成された凝縮水を水ポンプの上流側に導く水循環経路と、を備える。

第２の観点によれば、燃料電池システムは、水ポンプを制御する水ポンプ制御部（１００ａ）を備え、水ポンプ制御部は、改質器の温度または気化器の温度が上昇するに伴って気化器への水の供給量が増加するように水ポンプを制御する。

燃料電池の温度は、燃料ガス流れ上流側の改質器の温度および気化器の温度上昇に伴って上昇する。このため、例えば、改質器の温度および気化器の温度が上昇している状況で、気化器への水の供給量が一定であると、燃料電池を充分に冷却できずに、燃料電池の温度が徐々に上昇してしまう虞がある。

これに対して、改質器の温度および気化器の温度が上昇するに伴って気化器への水の供給量が増加するように水ポンプを制御すれば、燃料電池を適切に冷却することが可能となる。

第３の観点によれば、燃料電池システムは、凝縮器に対してガス循環経路を流れる燃料ガスと熱交換させる外部流体を供給する外部流体供給部と、外部流体供給部を制御する外部流体制御部と、を備える。外部流体制御部は、改質器の温度または気化器の温度が低下するに伴って凝縮器への外部流体の供給量が減少するように外部流体供給部を制御する。

改質器の温度および気化器の温度が低い状況では、ガス循環経路を流れる燃料ガスの温度が低くなるので、凝縮器に要求される燃料ガスの冷却性能が下がる。このため、改質器の温度および気化器の温度が低下するに伴って凝縮器への外部流体の供給量が減少するように外部流体供給部を制御することで、凝縮器に要求される冷却性能を確保しつつ、外部流体供給部の動力を低減させることができる。

第４の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を改質器に導くリサイクル経路と、リサイクル経路を介して改質器に燃料オフガスの一部を供給するエジェクタと、を備える。エジェクタは、燃料等を噴射するノズル部、ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を吸引する吸引部、ノズル部から噴射される燃料等と吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して改質器に向けて吐出する吐出部を有する。

これによると、エジェクタによって燃料電池を通過した燃料オフガスを燃料電池の出口側から吸引する構成とすれば、動力を増やすことなく、燃料オフガスに含まれる未反応ガスを再利用することができるので、燃料電池システムの燃費の向上を図ることができる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３１ 燃料ポンプ
４１ 水ポンプ
５０ ガス循環経路
５１ 凝縮器
５３ 気液分離器
６０ 水循環経路

Claims (4)

1. 水蒸気を用いて炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器（３２）と、
   前記改質器で生成された燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する固体酸化物型の燃料電池（１０）と、
   前記改質器に供給する水蒸気を生成する気化器（４２）と、
   前記改質器に燃料を供給する燃料ポンプ（３１）と、
   前記気化器に水を供給する水ポンプ（４１）と、
   前記改質器および前記燃料ポンプが設けられ、前記燃料および前記燃料ガスの流通経路をなす燃料経路（３０）と、
   前記燃料経路に接続され、前記改質器から前記燃料電池に流れる燃料ガスの一部を前記燃料ポンプの上流側に導くガス循環経路（５０）と、
   前記ガス循環経路を流れる燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器（５１）と、
   前記ガス循環経路のうち前記凝縮器の下流側に設けられ、前記凝縮器で生成された凝縮水を燃料ガスから分離する気液分離器（５３）と、
   前記気化器および前記水ポンプが設けられ、前記燃料経路に接続された水供給経路（４０）と、
   前記気液分離器に接続され、前記凝縮器で生成された凝縮水を前記水供給経路における前記水ポンプの上流側に導く水循環経路（６０）と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記水ポンプを制御する水ポンプ制御部（１００ａ）と、を備え、
   前記水ポンプ制御部は、前記改質器の温度または前記気化器の温度が上昇するに伴って前記気化器への水の供給量が増加するように前記水ポンプを制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記凝縮器に対して前記ガス循環経路を流れる燃料ガスと熱交換させる外部流体を供給する外部流体供給部（５２）と、
   前記外部流体供給部を制御する外部流体制御部（１００ｂ）と、を備え、
   前記外部流体制御部は、前記改質器の温度、前記気化器の温度、または、燃料電池の温度が低下するに伴って前記凝縮器への外部流体の供給量が減少するように前記外部流体供給部を制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池から排出された燃料オフガスの一部を前記改質器に導くリサイクル経路（８２）と、
   前記リサイクル経路を介して前記改質器に燃料オフガスの一部を供給するエジェクタ（８１）と、を備え、
   前記エジェクタは、水蒸気および燃料を噴射するノズル部（８１１）、前記ノズル部の出口側の負圧を利用して燃料オフガスの一部を前記リサイクル経路に吸引する吸引部（８１２）、前記ノズル部から噴射される水蒸気および燃料と前記吸引部から吸引される燃料オフガスとを混合して前記改質器に向けて吐出する吐出部（８１３）を有する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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