WO2005069416A1

WO2005069416A1 - 燃料電池システム及びその発電方法

Info

Publication number: WO2005069416A1
Application number: PCT/JP2005/000720
Authority: WO
Inventors: Takashi Shimazu; Hiroshi Aoki; Hiroyuki Mitsui; Shigeru Ogino; Satoshi Aoyama; Satoshi Shiokawa; Satoshi Iguchi; Kenji Kimura; Hiromichi Satou; Yasuhiro Izawa; Naoki Ito; Masahiko Iijima
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2005-07-28
Also published as: CN1910774A; JPWO2005069416A1; US20070065688A1; EP1715540A4; EP1715540A1; EP1715540B1; JP4491653B2; CN100411233C

Abstract

燃料電池システム１は、改質器２と燃料電池３とを備えている。改質器２は、水素含有改質ガスＧａを生成する改質反応流路２１と加熱用の加熱流路２２とを有している。燃料電池３は、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、両者の間に配設された電解質体３１とを有している。電解質体３１は、水素分離金属層３１１とプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。燃料電池システム１は、カソード流路３３から排出されるカソードオフガスＯｃを改質反応流路２１に送るためのカソードオフガスライン４６を有している。

Description

明細書

燃料電池システム及びその発電方法

技術分野

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。背景技術

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、カソ一ド流路において、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つている。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、上記力ソード流路から排出される力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、上記力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、上記ァ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ィ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 4 0 0で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 2 0〜 1 2 0でぐらいであり、リン酸型燃料電池では 1 2 0〜2 1 0でぐらいである。

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一ド流路から排出されるカソ一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つてしまう。

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ユ一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、上記力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、上記力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、これが力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、上記改質器に送る力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。

〔特許文献 1〕特開 2 0 0 3— 1 5 1 5 9 9号公報

〔特許文献 2〕特開 2 0 0 1— 2 2 3 0 1 7号公報発明が解決しょうとする課題

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ょうとするものである発明の開示

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ァノード流路と、酸素含有ガスが供給される力ソード流路と、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、該カソ一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 3 0 0〜6 0 0で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、上記力ソード流路から排出される力ソードオフガスは、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、上記燃料電池の力ソード流路においては、この力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力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、上記力ソード流路において反応が行われた後に、この力ソード流路から排出される力ソードオフガスは、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一ド流路における上記生成水は、例えば 3 0 0〜 6 0 0で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、力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、上記力ソード流路から上記力ソードォ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、上記力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、これが力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、力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、力ソードオフガスが有する高温の熱エネルギ一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、 9 0 0〜 1 0 0 0でぐらいの高温で作動する固体酸化物型燃料電池（S O F C ) 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ユ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、酸化物ィ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、上記力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力ソード流路と、該カソ一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口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力ソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記水素プ口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力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 2 2 ) 。

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 3 0 0〜6 0 0で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、力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。

図面の簡単な説明図 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ム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、力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、力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、力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、力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、力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 1 0は、実施例 3における、力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 1 1は、実施例 3における、力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 1 2は、実施例 3における、力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 1 3は、実施例 4における、力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 1 4は、実施例 4における、力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 1 5は、実施例 4における、力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ムの構成を示す説明図である。

図 1 6は、実施例 5における、改質用燃料が供給される混合器に力ソードォフガスラインと A i r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 1 7は、実施例 5における、改質用燃料が供給される混合器に力ソードォフガスラインと A i r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 1 8は、実施例 5における、改質用燃料が供給される混合器に力ソードォフガスラインと A i rラインを接続すると共に力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。発明を実施するための最良の形態

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、上記力ソード流路から排出される力ソードオフガスは、そのすベてを上記力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、改質器に送る力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、ェ夕ン等の燃料ガス、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、上記力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、上記力ソードォ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、力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、カソードォ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、混合器を介さずに力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、力ソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、力ソードオフガス、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 E G Rガス等を混合する混合器に力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、力ソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、力ソードオフガス、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 E G R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、力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 E G R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、ァ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、上記力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、上記力ソード流路から排出される力ソードオフガスは、そのすベ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、それらのすベ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、上記力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、上記力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力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、上記力ソード流路への上記酸素含有ガスの流量等が変化し、上記力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（力ソードストィキ）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力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力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、上記力ソードストィ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、上記力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、上記力ソードストィキを意識的に変化させることができる。このときには、上記力ソ一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、上記力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、上記力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、力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力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力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、上記力ソードストィキを意識的に変化させて、上記力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、上記力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、上記力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、力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、上記力ソードストィキを意識的に変化させることによつても、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、上記力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、上記カソ一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 1 0 ) 。

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、力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力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一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、上記力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 1 1 ) 。

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、上記力ソードオフガス中の酸素の一部を上記力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、上記力ソードストィ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、上記力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 1 2 ) 。

また、この場合には、上記酸素分離膜体を介して得られた力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、上記力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 1 3 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力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、上記力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 1 4 ) この場合は、特に、上記力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一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、上記力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 1 5 ) 。

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力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力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、上記力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 1 6 ) 。

この場合は、特に、上記力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、上記力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 1 7 ) 。

この場合は、特に、上記力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、上記力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 1 8 ) 。

この場合には、上記力ソードオフガスラインにおいて、上記改質用燃料と上記力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、力ソードオフガス中の酸素量を減少させると共に、力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、上記力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 1 9 ) 。

この場合には、上記力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、力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力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、上記力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 2 0 ) 。

この場合には、上記力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一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、力ソードオフガス中の酸素量を減少させると共に、力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力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、上記力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 2 1 ) 。

この場合には、上記力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、力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、上記力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、上記力ソードォ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 2 ) 。

即ち、上記第 2の発明においては、力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、カソ一ドォ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、混合器を介さずに力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、力ソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、力ソードオフガス、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 E G Rガス等を混合する混合器に力ソードオフガスラインを接続する態様が好ましい。

また、力ソードオフガス及び上記改質用燃料、若しくは、力ソードオフガス、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 E G R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、力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 E G R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 2 2 ) 。

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力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力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 2 3 ) 。

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、ァ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、上記力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、力ソードオフガス、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。実施例 1

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 G a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 G a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 G aを生成する改質反応流路 2 1と、この改質反応流路 2 1に隣接形成され燃焼を行ってこの改質反応流路 2 1を加熱する加熱流路 2 2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 2 1から上記水素含有改質ガス G aが供給されるァノード流路 3 2と、酸素含有ガス G cが供給されるカソード流路 3 3と、この力ソード流路 3 3と上記アノード流路 3 2との間に配設された電解質体 3 1と、当該燃料電池 3を冷却するための酸素含有冷媒ガス G rが供給される冷媒流路 3 4とを有している。

また、上記電解質体 3 1は、上記アノード流路 3 2に供給された上記水素含有改質ガス G a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） 3 1 1と、この水素分離金属層 3 1 1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 3 3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 3 1 2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、上記力ソード流路 3 3 から排出されるカソードオフガス O cを上記改質器 2における改質反応流路 2 1 に送るためのカソードオフガスライン 4 6と、上記アノード流路 3 2から排出されるアノードオフガス〇 aを上記加熱流路 2 2に送るためのアノードオフガスライン 4 5と、上記冷媒流路 3 4から排出される冷媒オフガス〇 rを上記加熱流路 2 2に送るための冷媒オフガスライン 4 7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 2 1において、上記改質用燃料 F と上記カソードオフガス〇cとを反応させて上記水素含有改質ガス G a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 2 2において、上記アノードオフガス O aと上記冷媒オフガス〇 r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 3 1 1は、パラジウム（P d ) 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 3 1 1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 3 1 1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 1 0 AZ c m²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 3 1 1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 3 1 2は、セラミックスとしてのぺ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 3 1 2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、ぺロブスカイト型酸化物としては、例えば、 B a C e 0₃系のもの、 S r C e〇₃系のものがある。

また、図 2に示すごとく、上記電解質体 3 1は、上記プロトン伝導体層 3 1 2 における上記アノード流路 3 2の側の表面に形成したアノード電極 3 2 1 (陽極 ) と、上記プロトン伝導体層 3 1 2における上記力ソード流路 3 3の側の表面に形成した力ソード電極 3 3 1 (陰極）とを有している。また、アノード電極 3 2 1とカソード電極 3 3 1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 3 6が接続されている。

また、本例のプロトン伝導体層 3 1 2におけるアノード電極 3 2 1は、上記水素分離金属層 3 1 1を構成するパラジウムにより構成している。また、本例のプ口トン伝導体層 3 1 2におけるカソード電極 3 3 1は、 P t系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極 3 2 1も、 P t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、上記力ソードオフガスライン 4 6には、これを流れる力ソードオフガス〇 c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 6 1が配設されている。そして、上記燃料電池システム 1は、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1 を介して、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガス〇 c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 2 1に送るよう構成されている。また、力ソードオフガス用三方調整弁 6 1は、上記排気する力ソードオフガス O cの流量と、上記改質反応流路 2 1に送る力ソードオフガス O cの流量との分配比率を調整することができる。そして、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1により、上記カソ一ドオフガスライン 4 6から上記改質器 2における改質反応流路 2 1に送る力ソードオフガス O cの流量を調整することができる。

これにより、力ソードオフガス〇 c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 2 1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 6 1を介してカソードオフガス〇 cの一部を排気することにより、改質反応流路 2 1に送るカソードオフガス〇c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卜と、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 3 2への水素含有改質ガス G aの流量、上記カソ一ド流路 3 3への酸素含有ガス G cの流量等が変化し、カソ一ド流路 3 3における水素プロトン量に対する理論空気量の比率（力ソードストィキ）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力ソードオフガス O c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 2 1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 6 1を介して力ソードオフガス〇 cの一部を排気することにより、改質反応流路 2 1に送る力ソードオフガス O c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 2 1に送るカソードオフガス〇c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 3 2への水素含有改質ガス G aの流量、上記力ソード流路 3 3への酸素含有ガス G cの流量等を変化させて、上記力ソードストィキを意識的に変化させることができる。このときには、カソードオフガス〇 c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、上記力ソードオフガス用ミ方調整弁 6 1を介してカソードオフガス〇cの一部を排気することにより、改質反応流路 2 1に送る力ソードオフガス O c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 4 5 には、これを流れるアノードオフガス O aを 2つに分岐して流すことができるァノードオフガス用三方調整弁 5 1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 5 1 を介して、アノードオフガスライン 4 5を流れるアノードオフガス〇 a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 2 2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 5 1は、上記排気するァノードオフガス〇 aの流量と、上記加熱流路 2 2に送るアノードオフガス O a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 5 1により、上記アノードオフガスライン 4 5から上記改質器 2における加熱流路 2 2に送るアノードオフガス O aの流量を調整することができる。

これにより、アノードオフガス〇 a中の水素量（燃料電池 3の電解質体 3 1における水素分離金属層 3 1 1へ透過されなかった残存水素量）が、加熱流路 2 2 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 5 1を介してアノードオフガス O aの一部を排気することにより、加熱流路 2 2に送るァノ一ドオフガス O a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 4 7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 7 1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 7 1を介して、冷媒オフガスライン 4 7を流れる冷媒オフガス O r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 2 2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 7 1は、上記排気する冷媒オフガス O rの流量と、上記加熱流路 2 2に送る冷媒オフガス〇 r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 7 1により、上記冷媒オフガスライン 4 7から上記改質器 2における加熱流路 2 2に送る冷媒オフガス O rの流量を調整することができる。これにより、冷媒オフガス〇 r中の酸素量が、加熱流路 2 2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 7 1を介して冷媒オフガス〇 rの一部を排気することにより、加熱流路 2 2に送る冷媒オフガス〇 r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 2 1に、上記改質用燃料 Fを供給するための燃料供給ライン 4 1を有している。そして、上記力ソードオフガスライン 4 6は、上記燃料供給ライン 4 1に接続されており、この接続部には、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガスと燃料供給ライン 4 1を流れる改質用燃料 Fとを混合する反応流路用混合弁 8 8 1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 2 1には、改質用燃料 Fとカソードオフガス〇 cとの混合気が供給される。なお、上記力ソードオフガスライン 4 6は、上記改質反応流路 2 1に直接接続することもでき、改質反応流路 2 1内において、力ソードオフガス O c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 2 1においては、改質用燃料 Fと力ソードオフガス O c 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 2 1においては、改質用燃料 Fと力ソードオフガス〇c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 G a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 2 1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、上記ァノードオフガスライン 4 5と上記冷媒オフガスライン 4 7とは、上記改質器 2における加熱流路 2 2に連通する加熱用ガス混合ライン 4 5 1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 4 5を流れるアノードオフガス O aと冷媒オフガスライン 4 7を流れる冷媒オフガス O rとを混合する加熱流路用混合弁 8 8 2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 2 2には、アノードオフガス O aと冷媒オフガス O r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 4 5及び冷媒オフガスライン 4 7は、それぞれ上記加熱流路 2 2に直接接続することもでき、加熱流路 2 2内において、ァノードオフガス O aと冷媒オフガス O rとを混合することもできる。

そして、加熱流路 2 2においては、アノードオフガス O a中に含まれる水素と冷媒オフガス〇 r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 2 2において燃焼反応を行うことにより、上記加熱流路 2 2から上記改質反応流路 2 1へと熱量を伝達することができ、改質反応流路 2 1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 2 1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 2 2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 G a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 2 2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 2 2の出口に接続された排気ライン 4 9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 2 2とを形成したことにより、改質反応流路 2 1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 2 1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 2 1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 2 1と上記燃料電池 3におけるアノード流路 3 2とは、改質反応流路 2 1において生成された水素含有改質ガス G aが流れる改質ガス供給ライン 4 2を介して接続されている。また、上記燃料電池 3における力ソード流路 3 3には、上記酸素含有ガス G c をこの力ソード流路 3 3に供給するための酸素含有ガス供給ライン 4 3が接続されている。本例の酸素含有ガス G cは空気であり、酸素含有ガス供給ライン 4 3 には、酸素含有ガス G cとしての空気を加圧して送り出す酸素含有ガス加圧器 6 0が配設されている。本例の酸素含有ガス加圧器 6 0はポンプ 6 0とした。これに対し、酸素含有ガス加圧器 6 0は、ファン、圧縮機又はェジェクタ一等とすることもできる。

なお、上記酸素含有ガス G c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 3 4には、上記酸素含有冷媒ガス G r をこの冷媒流路 3 4に供給するための冷媒ガス供給ライン 4 4が接続されている。本例の酸素含有冷媒ガス G rは空気であり、冷媒ガス供給ライン 4 4には、酸素含有冷媒ガス G rとしての空気を加圧して送り出す冷媒ガス加圧器 7 0が配設されている。そして、冷媒ガス加圧器 7 0による燃料電池 3の冷媒流路 3 4への酸素含有冷媒ガス G r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 7 0はポンプ 7 0とした。これに対し、冷媒ガス加圧器 7 0は、ファン、圧縮機又はェジェクタ一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 2 1から上記燃料電池 3におけるアノード流路 3 2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 G a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 3 3から改質器 2における改質反応流路 2 1へも、熱交換器等を介さずに、上記力ソードオフガス〇 c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 2 1及び加熱流路 2 2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 2 1と加熱流路 2 2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 3 2、力ソード流路 3 3及び冷媒流路 3 4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 3 2、力ソード流路 3 3及び冷媒流路 3 4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さる。

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 2 1においては、上記燃料供給ライン 4 1から送られる改質用燃料 Fと、上記力ソードオフガスライン 4 6から送られるカソードオフガス O cとが反応して、上記水素含有改質ガス G aが生成される。一方で、上記改質器 2の加熱流路 2 2においては、上記アノードオフガスライン 4 5から送られるアノードオフガス〇 aと、上記冷媒オフガスライン 4 7から送られる冷媒オフガス O rとが反応することにより発熱し、加熱流路 2 2 は改質反応流路 2 1を加熱する。こうして、改質反応流路 2 1においては水素含有改質ガス G aを生成する一方、これを加熱流路 2 2から加熱することにより、改質反応流路 2 1から上記燃料電池 3におけるアノード流路 3 2に送り出される水素含有改質ガス G aの温度を 3 0 0〜6 0 0で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 G aの温度は、 3 0 0〜6 0 0 とすることができる力 4 0 0〜 5 0 0で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 3 1における水素分離金属層 3 1 1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 3 1 1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 2 1において生成された上記水素含有改質ガス G aは、上記改質ガス供給ライン 4 2を通過して上記燃料電池 3におけるァノード流路 3 2に供給される。そして、アノード流路 3 2に供給された水素含有改質ガス G a中の水素の多くは、上記電解質体 3 1における水素分離金属層 3 1 1を透過して、電解質体 3 1におけるプロトン伝導体層 3 1 2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 3 1 2を通過する。

そして、上記力ソード流路 3 3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 4 3から供給された酸素含有ガス G c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 3 0 0〜6 0 0 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 3 1におけるアノード電極 3 2 1 とカソ一ド電極 3 3 1との間から上記電池出力線 3 6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 3 1 1と上記プロトン伝導体層 3 1 2とを積層してなる電解質体 3 1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 3 1 2がセラミックスからなり、このプロトン伝導体層 3 1 2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 3 0 0〜 6 0 O :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 G a を上記燃料電池 3に直接供給することができる。

また、上記力ソード流路 3 3から排出される力ソードオフガス〇c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 G a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、上記力ソード流路 3 3において反応が行われた後に、この力ソード流路 3 3から排出される力ソードオフガス〇 c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の力ソード流路 3 3における生成水は、例えば 3 0 0 〜 6 0 0 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 3 1 2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 3 1 1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、力ソード流路 3 3 からアノード流路 3 2へと通過してしまうことがない。そのため、上記力ソード流路 3 3から上記カソードオフガスライン 4 6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 2 1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 O cから容易に確保することができ、上記改質反応流路 2 1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、上記力ソードオフガス〇 c中の全量の生成水を利用して、上記改質反応流路 2 1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 3 1 2を乾燥させた状態で使用するため、プロトン伝導体層 3 1 2内の成分が気化し、これがカソード流路 3 3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に送るカソ一ドオフガス〇 c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 2 1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 2 1において、上記改質用燃料 Fとカソードオフガス O cとを反応させて水素含有改質ガス G aを生成するときには、この改質反応流路 2 1においては、力ソードオフガス O c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、力ソードオフガス〇 c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 2 1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 0 cとを反応させて水素含有改質ガス G aを生成することができ、この改質反応流路 2 1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 3 2から排出されるアノードオフガス〇aは、上記電解質体 3 1における水素分離金属層 3 1 1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 G a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 3 4から排出される冷媒オフガス O rは、上記酸素含有冷媒ガス G r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 3 2から上記アノードオフガスライン 4 5を介して上記加熱流路 2 2にアノードオフガス O aを送り、また、冷媒流路 3 4から上記冷媒オフガスライン 4 7を介して加熱流路 2 2に冷媒オフガス〇 rを送ったときには、加熱流路 2 2においては、アノードオフガス〇 aが有する水素と冷媒オフガス〇 r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 O r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 2 2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 G a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、力ソード流路 3 3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 O c、アノードオフガス〇 a及び冷媒オフガス〇 r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 2 1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 2 2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 2 1 に必要な水及び酸素は上記カソードオフガス〇 cのみから供給することができ、加熱流路 2 2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〇 a と上記冷媒オフガス〇 r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 2 1においては、上記高温の力ソードォフガス O cにより、改質反応流路 2 1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、 3 0 0〜6 0 0での高温で作動させているときには、上記水素分離金属層 3 1 1がー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 3 2 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 G a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 2 1に利用しない力ソードオフガス O c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 2 1に利用しない力ソードオフガス O c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 2 1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 2 1に利用しない力ソードォフガス〇 c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 6 1 1を介して、カソ一ドオフガスライン 4 6を流れる力ソードオフガス〇 cの一部を上記改質器 2における加熱流路 2 2に送ると共に、残部を改質反応流路 2 1に送るよう構成することができる。

具体的には、力ソードオフガスライン 4 6に配設した供給用三方調整弁 6 1 1 におけるリリーフポートと、冷媒オフガスライン 4 7とを、力ソードオフガス混合ライン 4 8 Cにより接続し、この接続部には、力ソードオフガス ·冷媒オフガス混合弁 8 8 Cを配設する。そして、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソ一ドオフガス O cの一部を、冷媒オフガスライン 4 7を流れる冷媒オフガス〇 r に混合することができる。

この場合には、改質反応流路 2 1に不要な力ソードオフガス O cの一部を加熱流路 2 2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、力ソードオフガスライン 4 6には上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1を配設しておくことができ、この力ソードオフガス用三方調整弁 6 1により、改質反応流路 2 1に送るカソードオフガス O c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 2 1に利用しない力ソードオフガス O c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 6 1 2を介して、力ソードオフガスライン 4 6を流れる力ソ一ドオフガス O cの一部を上記カソ一ド流路 3 3に再供給すると共に、残部を改質反応流路 2 1に送るよう構成することもできる。

具体的には、力ソードオフガスライン 4 6に配設した再供給用三方調整弁 6 1 2におけるリリーフポートと、酸素含有ガス供給ライン 4 3とを、力ソードオフガス混合ライン 4 8 Dにより接続し、この接続部には、力ソードオフガス ·酸素含有ガス混合弁 8 8 Dを配設する。そして、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガス〇 cの一部を、酸素含有ガス供給ライン 4 3を流れる酸素含有ガス G cに混合することができる。

この場合には、改質反応流路 2 1に不要な力ソードオフガス〇 cの一部をカソ一ド流路 3 3に再供給することにより、力ソード流路 3 3に供給する酸素含有ガス G c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、力ソードオフガスライン 4 6には、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1を配設しておくことができる。そして、力ソードオフガス用二方調整弁 6 1における排気量を調整して上記改質反応流路 2 1に送る水分量を決定し、上記再供給用三方調整弁 6 1 2によるカソード流路 3 3への再供給量を調整して上記改質反応流路 2 1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 2 1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 2 1において、改質用燃料 F中の炭素（C ) のモル量に対する力ソードオフガス O c中の水（S ) のモル量を示す S Z 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 2 1 において、改質用燃料 F中の炭素（C ) のモル量に対する力ソードオフガス O c 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 2 1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 G a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一ド流路 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 2 1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 SZC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 2 1における SZC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。実施例 2

本例は、図 5〜図 8に示すごとく、上記力ソードオフガスライン 46に酸素分離膜体 8 1を配設し、カソ一ドオフガス〇c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 2 1における OZC (炭素（C) モル量に対する酸素（O) モル量）及び SZC (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ヨンを示す例である。

上記酸素分離膜体 8 1は、酸素分離膜装置 8 1 0の内部に設けて力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 8 10は、力ソードオフガス Oc中の酸素を透過させるための酸素分離膜体 8 1と、この酸素分離膜体 8 1によって仕切られた 2つの流路 8 1 1、 8 1 2とを有している。この 2つの流路 8 1 1、 8 12は、力ソード流路 33から排出された力ソードオフガス Ocが送られるオフガス流路 8 1 1と、酸素分離膜体 8 1を透過した酸素が流れる酸素透過流路 8 1 2とからなる。

また、上記酸素分離膜体 8 1は、例えば、シリコン膜、ビニル芳香族ァミン重合体、メソ—テトラキスポルフエニナトコバルト又はポルフエ二レンォ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、上記力ソードオフガスライン 4 6には、力ソードオフガス用三方調整弁 6 1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 8 1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、力ソードオフガス〇 c中の酸素量（上記残存酸素量）を減少させて、改質反応流路 2 1に送る力ソードオフガス〇 c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、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1から外部に排気するカソードオフガス〇 cの排気量を調整して上記改質反応流路 2 1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 8 1による酸素の排気量を調整して改質反応流路 2 1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 2 1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 2 1における OZ C及び S Z Cを適切に調整することができる。また、以下のように、上記力ソードオフガスライン 4 6に配設した酸素分離膜体 8 1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 2 1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、力ソードオフガス〇 c中の酸素を改質反応流路 2 1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 8 1を透過させた酸素を、上記燃料電池 3における力ソード流路 3 3に再供給するよう構成することができる。

具体的には、力ソードオフガスライン 4 6に配設した酸素分離膜装置 8 0における酸素透過流路 8 1 2と、酸素含有ガス供給ライン 4 3とを、酸素混合ライン 4 8 Eにより接続し、この接続部には、酸素 ·酸素含有ガス混合弁 8 8 Eを配設する。そして、酸素分離膜体 8 1を透過した酸素を、酸素含有ガス供給ライン 4 3を流れる酸素含有ガス G cに混合することができる。

この場合にも、上記と同様に、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1における力ソードオフガス O cの排気量の調整と、上記酸素分離膜体 8 1による酸素の排気量の調整とを行って、改質反応流路 2 1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 2 1における OZ 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、力ソードオフガス O c中の酸素の一部を力ソード流路 3 3に再供給することにより、カソード流路 3 3に供給する酸素含有ガス G c中の酸素量を増加させることができる。そのため、上記力ソードストィキ（力ソード流路 3 3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、力ソード流路 3 3に供給する酸素含有ガス G cの流量を減少させて、上記力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 4 3に配設したポンプ 6 0 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、力ソードオフガス O c中の酸素を改質反応流路 2 1 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 8 1を透過させた酸素を、上記改質器 2における加熱流路 2 2に送るよう構成することもできる。

具体的には、力ソードオフガスライン 4 6に配設した酸素分離膜装置 8 0における酸素透過流路 8 1 2と、冷媒オフガスライン 4 7とを、酸素 ·冷媒オフガス混合ライン 4 8 Fにより接続し、この接続部には、酸素 ·冷媒オフガス混合弁 8 8 Fを配設する。そして、酸素分離膜体 8 1を透過した酸素を、冷媒オフガスライン 4 7を流れる冷媒オフガス〇 rに混合することができる。

この場合にも、上記と同様に、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1における力ソードオフガス〇cの排気量の調整と、上記酸素分離膜体 8 1による酸素の排気量の調整とを行って、改質反応流路 2 1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 2 1における OZ 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 8 1を介して得られた酸素を加熱流路 2 2 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 2 1において利用しないカソードオフガス O c中の酸素を加熱流路 2 2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、力ソードオフガス O c中の酸素を改質反応流路 2 1 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 8 1を透過させた酸素を酸素バッファ 8 2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、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1における力ソードオフガス O cの排気量の調整と、上記酸素分離膜体 8 1による酸素の排気量の調整とを行って、改質反応流路 2 1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 2 1における OZ C及び S Z 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 2 1において利用しない力ソードオフガス O c中の酸素は、上記酸素バッファ 8 2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 2 1に必要な酸素量を増加したいときに、この改質反応流路 2 1に酸素バッファ 8 2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 8 2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。実施例 3

本例は、図 9〜図 1 1に示すごとく、上記力ソードオフガスライン 4 6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 2 1における酸素濃度を増加させるようにして、上記 OZ C及び S Z 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、上記力ソードオフガス〇 Cと上記特定ガスとの混合をカソードオフガスライン 4 6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〇 cを改質反応流路 2 1に供給する。

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 3 4に供給するための酸素含有冷媒ガス G rの一部を、カソ一ドオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガス〇 cに混流させ、この混流による混合気を改質反応流路 2 1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 4 4には冷媒ガス用三方調整弁 7 2を配設する。そして、この冷媒ガス用三方調整弁 7 2におけるリリーフポートと、カソードオフガスライン 4 6とを、冷媒ガス混合ライン 4 8 Gにより接続し、この接続部には、冷媒ガス ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Gを配設する。そして、冷媒ガス供給ライン 4 4を流れる酸素含有冷媒ガス G rの一部を、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガス O cに混合することができる。

この場合には、力ソードオフガス〇 c中の酸素量を増加させて、改質反応流路 2 1に送るカソードオフガス〇 c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、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1から外部に排気するカソードオフガス 0 cの排気量を調整して上記改質反応流路 2 1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 G rの混流量を調整して改質反応流路 2 1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 2 1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 2 1における〇Z C及び S Z Cを適切に調整することができる。

また、図 1 0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 3 4から排出される冷媒オフガス〇 rの一部を、力ソードオフガスライン 4 6を流れる力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 2 1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 4 7に配設した冷媒オフガス用三方調整弁 7 1におけるリリーフポートと、力ソードオフガスライン 4 6とを、冷媒オフガス混合ライン 4 8 Hにより接続し、この接続部には、冷媒オフガス ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Hを配設する。そして、冷媒オフガスライン 4 7を流れる冷媒ォフガス O rの一部を、力ソードオフガスライン 4 6を流れる力ソードオフガス〇 cに混合することができる。

この場合にも、上記と同様に、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1における力ソードオフガス〇 cの排気量の調整と、上記冷媒オフガス〇 rの混流量の調整とを行って、改質反応流路 2 1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 2 1における〇Z C及び S Z 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 2 1に、上記力ソードオフガス O c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 O r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 2 1において利用する力ソードォフガス O c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〇 c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 7 1は、冷媒オフガスライン 4 7において 2っ配設し、一方は、上記冷媒オフガスライン 4 7を流れる冷媒オフガス O r 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 1 1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、上記力ソードオフガスライン 4 6にエアーポンプ 6 3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、エア一ポンプ 6 3の吐出口とカソ一ドオフガスライン 4 6とを接続し、この接続部には、空気 ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Iを配設する。そして、エアーポンプ 6 3から吐き出す空気を、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガス O c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、上記力ソードオフガス用三方調整弁 6 1 におけるカソードオフガス O c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 2 1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 2 1における O/ C及び S Z Cを適切に調整することができる。

また、この場合には、上記エア一ポンプ 6 3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 2 1において利用する力ソードオフガス O c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と同様の作用効果を得ることができる。実施例 4

本例は、図 1 2〜図 1 5に示すごとく、上記力ソードオフガスライン 4 6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〇 c中の酸素と燃焼させて、力ソードオフガス〇 c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 2 1における OZ C及び S Z 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、上記力ソードオフガス O cと上記特定ガス又は燃料とを力ソードオフガスライン 4 6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〇 cを改質反応流路 2 1に供給する。

図 1 2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、上記カソ一ドオフガスライン 4 6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 4 6とを接続し、この接続部には、燃料 ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Jを配設する。そして、改質用燃料 Fを、力ソードオフガスライン 4 6を流れる力ソードオフガス O cに混合することができる。

この場合には、力ソードオフガスライン 4 6において、上記改質用燃料 Fと上記力ソードオフガス O c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、力ソードオフガス O c中の酸素量を減少させると共に、力ソードオフガス O c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、力ソードオフガス用三方調整弁 6 1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 2 1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 2 1における〇 C及び S Z Cを適切に調整することができる。

また、図 1 3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 4 5を流れるアノードオフガス O aの一部を上記カソードオフガスライン 4 6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 4 5に配設したアノードオフガス用三方調整弁 5 1におけるリリーフポートと、力ソードオフガスライン 4 6とを、ァノードオフガス混合ライン 4 8 Kにより接続し、この接続部には、アノードオフガス ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Kを配設する。そして、アノードオフガスライン 4 5を流れるアノードオフガス〇 aの一部を、力ソードオフガスライン 4 6を流れるカソードオフガス〇 cに混合することができる。

この場合には、力ソードオフガスライン 4 6において、アノードオフガス〇 a 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、力ソードオフガス O c中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガス O c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、カソ一ドオフガスライン 4 6において、カソードオフガス〇 cにアノードオフガス O a中の水を混合させて、力ソードオフガス O c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、力ソードオフガス用三方調整弁 6 1における排気量の調整と、上記アノードオフガス O aの混流量の調整とにより、改質反応流路 2 1 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 2 1における O / C及び S Z 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 5 1は、アノードオフガスライン 4 5において 2っ配設し、一方は、上記アノードオフガスライン 4 5を流れるァノードオフガス〇 a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 1 4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 4 2を流れる水素含有改質ガス G a の一部を上記カソードオフガスライン 4 6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 4 2には改質ガス用三方調整弁 5 3を配設する。そして、改質ガス用三方調整弁 5 3におけるリリーフポートと、力ソードォフガスライン 4 6とを、改質ガス混合ライン 4 8 Aにより接続し、この接続部には、改質ガス ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Aを配設する。そして、改質ガス供給ライン 4 2を流れる水素含有改質ガス G aの一部を、カソードオフガスライン 4 6を流れる力ソードオフガス〇 cに混合することができる。

この場合には、力ソードオフガスライン 4 6において、水素含有改質ガス G a 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、力ソードオフガス O c中の酸素量を減少させると共に、カソ一ドオフガス O c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、力ソードオフガス用三方調整弁 6 1における排気量の調整と、上記水素含有改質ガス G aの混流量の調整とにより、改質反応流路 2 1 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 2 1における O Z C及び S Z 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 G aの一部を再び改質反応流路 2 1に供給することになり、改質反応流路 2 1において生成する水素含有改質ガス G a中の水素濃度を増加させることもできる。

また、図 1 5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、上記カソ一ドオフガスライン 4 6に水素バッファ 8 3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 8 3と力ソードオフガスライン 4 6とを接続し、この接続部には、水素 ·力ソードオフガス混合弁 8 8 Lを配設する。そして、水素バッファ 8 3に貯蔵した水素を、カソードオフガスライン 4 6を流れるカソ一ドオフガス〇cに混合することができる。

この場合には、上記力ソードオフガスライン 4 6において、水素と力ソードォ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、カソードオフガス〇 c中の酸素量を減少させると共に、カソードオフガス〇 c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、力ソードオフガス用三方調整弁 6 1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 2 1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 2 1における〇Z C及び S Z 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 2 1に力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 2 1において生成する水素含有改質ガス G a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 8 3は、例えば、水素ボンべ、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。実施例 5

本例は、図 1 6〜図 1 8に示すごとく、上記力ソードオフガスライン 4 6及び A i rライン 9 0が接続した混合器 9 2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 9 2は、燃料供給ライン 4 1に接続され改質器 2と連通しており、混合器 9 2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 1 6〜 1 8に示すように混合器 9 2には少なくともカソードオフガス〇 cと酸素含有ガス G c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。

A i rライン 9 0は、酸素含有ガス G cを混合器 9 2に供給するために、酸素含有ガス供給ライン 4 3及び混合器 9 2と接続されている。また、 A i rライン 9 0には、 A i r流量制御弁 9 4が配設されており、混合器 9 2への酸素含有ガス G cの供給量が制御されている。

また、本例においては、混合器 9 2に酸素含有ガス G cを供給するようにしたが、混合器 9 2には、アノードオフガス〇 aや燃焼オフガス等の排気 E G Rガスを供給するように構成してもよい。

図 1 6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 4 3から供給される酸素含有ガス G cを混合器 9 2に供給し、その内部において改質用燃料 Fと力ソードオフガス O cと酸素含有ガス G c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、力ソードオフガス O c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、力ソードオフガス〇 c中の酸素量が不足している場合に、 A i rライン 9 0から供給される酸素含有ガス G c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 1 7に示すごとく、混合器 9 2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 9 2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 9 2に水蒸気ライン 9 6を接続し、水蒸気 S tを混合器 9 2内の改質用燃料 F、力ソードオフガス〇c及び酸素含有ガス G c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 1 8に示すごとく、混合器 9 2を使用する他のバリエーションとして、混合器 9 2から排出される混合ガスを改質器 2に供給すると共に、力ソードォフガス〇 c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 9 2から排出される混合ガスを、力ソードオフガス混合弁 9 8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 4 6をカソ —ドオフガス混合弁 1 0 0に接続されており、更に、力ソードオフガス混合弁 9 8と力ソードオフガス混合弁 1 0 0とがダイレクトライン 1 0 2によって連通されている。この例によれば、力ソードオフガス〇 cの一部又は全部を、力ソードオフガス混合弁 1 0 0から混合器 9 2に供給すると共に、力ソードオフガス O c 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 9 2内における通過時間に対して力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、力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 O c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 O c中の酸素量が不足している場合に、 A i rライン 9 0から供給される酸素含有ガス G c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、力ソード流路から生成水の全量を回収できると共に、力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

請求の範囲

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力ソ一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、上記力ソードオフガスラインは、上記力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、上記力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、上記力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、上記力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、上記力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、上記力ソードオフガスの一部を上記力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。

1 0 . 請求項 1〜 7のいずれか一項において、上記力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、上記力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。

1 1 . 請求項 1〜 7のいずれか一項において、上記力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、上記力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。

1 2 . 請求項 3〜7のいずれか一項において、上記力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、上記力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。

1 3 . 請求項 1〜7のいずれか一項において、上記力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、上記力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。

1 4 . 請求項 5〜 1 3のいずれか一項において、上記力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。

1 5 . 請求項 6〜 1 3のいずれか一項において、上記力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。

1 6 . 請求項 1〜 1 3のいずれか一項において、上記力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。

1 7 . 請求項 1〜 1 3のいずれか一項において、上記力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ム。

1 8 . 請求項 1〜 1 3のいずれか一項において、上記力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

1 9 . 請求項 4〜 1 3のいずれか一項において、上記力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。

2 0 . 請求項 1〜 1 3のいずれか一項において、上記力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。

2 1 . 請求項 1〜1 3のいずれか一項において、上記力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。

2 2 . 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ァノード流路と、酸素含有ガスが供給される力ソード流路と、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力ソ一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力ソード流路まで到達させ、該カソード流路において、上記水素プ口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力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。

2 3 . 請求項 2 2において、上記力ソードオフガスラインは、上記力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、上記力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

2 4 . 請求項 2 2または 2 3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、

上記力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力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。