WO2012105300A1

WO2012105300A1 - 燃料電池システム

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Publication number: WO2012105300A1
Application number: PCT/JP2012/050693
Authority: WO
Inventors: 櫛引　圭子; 隆夫和泉; 元久上條
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2013-08-01
Also published as: JP2012160361A

Abstract

　空気を供給する空気供給器（１４）と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給器（１５）と、燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質器（２２）と、アノード極（１６ｂ）に改質ガスが供給され、カソード極（１６ａ）に空気が供給されて発電し、かつ、アノード極（１６ｂ）に水蒸気が発生する燃料電池（１６）と、燃料電池（１６）のアノード極（１６ｂ）より排出されるアノードオフガスを改質器（２２）へ循環させる再循環系と、を有する燃料電池システム（１００，１０１，１０２）である。再循環系は、エゼクタ（２０）を備え、エゼクタ（２０）の駆動ガス流入口（２０ａ）には、空気供給器（１４）より送出される空気と燃料ガス供給器（１５）により送出される燃料ガスとを混合した混合ガスが供給され、吸引ガス流入口（２０ｂ）には、アノードオフガスが供給される。

Description

燃料電池システム

　本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムのシステム効率を向上させ、かつ装置を小型化する技術に関する。

　近年、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、電解質層の一方に空気極層、他方に燃料極層を形成し、電解質層をイオンが伝導することにより電力を発生させる装置である。また、燃料極に水（水蒸気）が生成されるタイプの燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）が知られている。例えば、ＳＯＦＣでは、空気極にて空気が反応して酸素イオンが生成され、この酸素イオンが電解質中を伝導して燃料極に到達し、燃料極にて水素や一酸化炭素と反応することで、水（水蒸気）、二酸化炭素、及び電子が生成される。そして、生成された電子が外部回路を流れることによって、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。

　燃料極に水が生成される燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池で消費されずに排出される未反応の水素を含有するガス（以下、アノードオフガスという）を、新たな燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給する技術が提案されている（特許文献１参照）。

　また、燃料極に水が生成される燃料電池と改質器とを備えた燃料電池システムでは、水蒸気を含有するアノードオフガスを改質器に導入して水蒸気改質を行うこともある（特許文献２参照）。このような燃料電池システムでは、燃料電池の動作温度を低温化させることができるようになった場合でも、改質器での改質率を低下させないために、循環率を向上させることが重要になる。循環率とは、アノードオフガスのうち循環するガス（循環ガス）の比率（循環ガス量／アノードオフガス量）である。

　特許文献３は、燃料電池の下流側にガス分離器を設置した燃料電池システムを開示している。この燃料電池システムでは、ガス分離器によって、燃料電池のアノード電極より排出されたアノードオフガスから未使用の水素及び水蒸気を分離し、分離した水素及び水蒸気を、エゼクタを介して再度改質器に供給する。エゼクタは、駆動ガス流入口から供給される駆動ガスをノズルから高速で噴射することで、その噴流周りに負圧を発生させ、その噴流周りのガス、具体的には、吸引ガス流入口から供給される吸引ガスを吸引する。吸引ガスは、駆動ガスと混合されて昇圧され、エゼクタの出口から排出される。

　ここでエゼクタは、駆動ガスの運動エネルギーを、吸引ガス及び駆動ガスの混合ガスの静圧に変換する機能を備えている。駆動ガスの質量流量（駆動ガス流量）Ｇ１に対する吸引ガスの質量流量（循環ガス流量）Ｇ２の比率をＧ２／Ｇ１比という。このＧ２／Ｇ１比の大きさは、エゼクタの昇圧量（吸引ガス流入口から供給される吸引ガスの圧力（静圧）とエゼクタの出口から排出されるエゼクタ排出ガスの圧力（静圧）との差）に反比例する。エゼクタは、駆動ガス流量Ｇ１が設定され、かつ後述する全システム圧損に相当する要求昇圧量が決まると、この昇圧量に反比例するＧ２／Ｇ１比から定まる循環ガス流量Ｇ２で、吸引ガスを吸引する。

　エゼクタの駆動ガスを燃料ガスとし、吸引ガスをアノードオフガスの一部である循環ガスとする燃料電池システムにおいて、改質器での改質率を向上させるために循環率を高める場合には、Ｇ２／Ｇ１比を大きくする必要がある。しかし、駆動ガスとして燃料ガスのみを用いる場合には、エゼクタの昇圧能力に限界があるため、Ｇ２／Ｇ１比を所望の値まで大きくすることができない場合がある。

　例えば、燃料ガスのみを駆動ガスとして循環ガスを吸引する場合において、循環率を５０％以上とする場合には、循環ガスを十分に昇圧できないことがある。この場合は、昇圧量の不足分を、改質器及び燃料電池での圧力損失を低減することで補うために、改質器及び燃料電池を大型化せざるを得なくなる。一方、改質器及び燃料電池を小型化するために、エゼクタの昇圧量を大きくしようとすれば、循環ガス流量Ｇ２に限界が生じ、改質器に供給される水蒸気の量が不足して改質率が低下したり、不均化反応による炭素析出等によって触媒が劣化する恐れがある。

　なお、特許文献３のシステムのように、アノードオフガスから水素及び水蒸気のみを分離して循環させれば、Ｇ２／Ｇ１比を小さくしてエゼクタの昇圧量を大きくし、かつ改質器に必要な水蒸気量を供給できる可能性はある。しかし、このガス分離器は、ガス分離器の入口側のガス圧力と出口側のガス圧力との差によって水蒸気及び水素を分離するものであり、そのために、分離器の前後で大きなガス圧力差が必要となる。従って、燃料電池や改質器を小型化することが困難となり、システムが大型化し、水蒸気及び水素を分離するための圧力制御など複雑な制御が必要となる。

　また、特許文献３のシステムにおいて、アノードオフガスの循環率を大きく設定すると、アノードオフガスの残部（循環させない分）の流量が減少して、改質器を加熱するための加熱器による発熱量が不足する。この場合、加熱器に追加燃料を導入することが必要となり、結局、システム効率が低下する。

　一方、アノードオフガスの循環率を低く設定して、改質器で不足する水蒸気を追加で導入する場合には、水蒸気を生成して導入するために追加的なエネルギーが必要となり、やはりシステム効率が低下する。

特開平３－２１６９６６号公報特開２００９－７６２７３号公報特開２００７－１２８６８０号公報

　上述したように、特許文献３に記載された技術によれば、アノードオフガスの循環率を高めると、燃料ガスのみを駆動ガスとしたエゼクタの昇圧能力に限界が生じるので、その分、改質器及び燃料電池が大型化する。

　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、エゼクタの昇圧量を高めてシステム全体の効率を向上させ、かつ、燃料電池及び改質器の小型化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

　本発明の一態様は、空気を供給する空気供給器と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質器と、アノード極に改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、かつ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、燃料電池のアノード極より排出されるアノードオフガスを改質器へ循環させる再循環系と、を有する燃料電池システムである。再循環系は、エゼクタを備え、エゼクタの駆動ガス流入口には、空気供給器より送出される空気と燃料ガス供給器により送出される燃料ガスとを混合した混合ガスが供給され、吸引ガス流入口には、アノードオフガスが供給される。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、循環ガス温度とシステム圧損及びエゼクタ昇圧量との関係を示す特性図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、背圧調整バルブの制御処理の手順を示すフローチャートである。図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、循環ガス温度と全システム圧損及びエゼクタ昇圧量との関係を示す特性図である。図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの、第２空気コンプレッサ及び追加空気調整バルブの制御処理の手順を示すフローチャートである。図７は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、循環ガス温度と全システム圧損及びエゼクタ昇圧量との関係を示す特性図である。図９は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの、冷却空気制御処理の手順を示すフローチャートである。図１０は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムに用いられるエゼクタの構成を示す説明図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
　図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この燃料電池システム１００は、カソード極１６ａおよびアノード極１６ｂを有する燃料電池１６と、炭化水素燃料を改質して改質ガスを発生する改質器２２と、改質器２２を加熱する改質加熱器２１と、空気、燃料ガス、及びアノードオフガスを混合したガスを改質器２２に昇圧して供給するエゼクタ２０と、を備えている。

　燃料ガスとしては、水素ガス、メタン（ＣＨ_４）を主成分とする天然ガスなどを用いることができる。また、燃料ガスは、バイオエタノール、ガス液化油（ＧＴＬ）、石炭液化油（ＣＴＬ）、バイオマス液化油（ＢＴＬ）等のバイオ燃料、プロパン、ブタン、ガソリン、ディーゼル、灯油など液体燃料を霧化したものを用いることもできる。

　改質器２２は、改質加熱器２１を具備しない断熱構造を有する熱自立型の改質器とし、空気と水蒸気を導入した自己熱改質（ＡＴＲ）モードで反応させることができる。また、改質器２２は、アノードオフガスの残部を燃焼させる改質加熱器２１から改質に必要な熱の一部を熱交換する熱交換器型改質器とし、空気添加の水蒸気改質モードで反応させることもできる。

　また、燃料電池システム１００は、燃料電池１６のカソード極１６ａに空気を供給する第１空気ブロワ１２と、改質加熱器２１より排気される排気ガスの熱を利用して第１空気ブロワ１２より供給される空気を加熱する第３熱交換器１３と、空気を送出する第２空気コンプレッサ１４（空気供給器）と、燃料ガスを送出する燃料ポンプ１５（燃料ガス供給器）と、第１熱交換器１９（温度調整器）と、を備えている。

　燃料電池１６は、カソード極１６ａに供給される空気（第３熱交換器１３で加熱された後の空気）とアノード極１６ｂに供給される改質ガスを反応させて電力を発生し、各負荷（図示省略）に電力を供給する。従って、燃料電池１６は、アノード極１６ｂに水（水蒸気）が発生することになり、アノード極１６ｂより排出されるアノードオフガスには水蒸気が含まれることになる。アノード極１６ｂの出口は流路Ｌ１に接続され、さらに、流路Ｌ１は、２つの流路Ｌ１ａ、Ｌ１ｂに分岐され、このうち一方の流路Ｌ１ａは、背圧調整バルブ１７（循環量調整器）を経由して第１熱交換器１９の高温側に接続されている。また、他方の流路Ｌ１ｂは、バタフライバルブ１８を経由して改質加熱器２１のガス供給口に接続されている。さらに、第１熱交換器１９の高温側の出口は、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに接続されている。

　第２空気コンプレッサ１４の出口及び燃料ポンプ１５の出口は、共に第１熱交換器１９の低温側の入口に接続され、その出口はエゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに接続されている。従って、第２空気コンプレッサ１４より供給される空気と、燃料ポンプ１５より供給される燃料ガスとが混合した混合ガスは、第１熱交換器１９の低温側を通過することにより加熱され、その後、高圧の駆動ガスとして、エゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに供給される。

　また、燃料電池１６のアノード極１６ｂより排出されるアノードオフガスは、第１熱交換器１９の高温側を通過して混合ガスに熱を渡した後、循環ガスとして、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに供給される。さらに、アノードオフガスの残部（循環ガスとならないアノードオフガス）は、流路Ｌ１ｂ、及びバタフライバルブ１８を経由して改質加熱器２１に供給される。

　エゼクタ２０は、駆動ガス流入口２０ａに供給される駆動ガスの圧力により、吸引ガス流入口２０ｂに供給される吸引ガスを吸引し、これら駆動ガスおよび吸引ガスを混合したガスを所定の昇圧量で昇圧して排出する機能を備える。エゼクタ２０の出口から排出される混合ガスは、空気、燃料ガス、及びアノードオフガスの混合ガスであり、エゼクタ排出ガスという。本実施形態では、駆動ガス流入口２０ａに空気と燃料ガスの混合ガスが駆動ガスとして供給され、吸引ガス流入口２０ｂに、アノードオフガス（循環ガス）が供給される。従って、駆動ガスの圧力により、アノードオフガスが吸引され昇圧されて、これらが混合されたガス（エゼクタ排出ガス）がエゼクタ２０より排出される。エゼクタ排出ガスは、流路Ｌ２を経由して改質器２２に供給される。なお、燃料電池システム１００では、燃料電池１６のアノード極１６ｂ、背圧調整バルブ１７、第１熱交換器１９、エゼクタ２０、改質器２２、および流路Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ２などが、アノードオフガスを改質器２２へ循環させる再循環系を構成している。

　第３熱交換器１３は、低温側に第１空気ブロワ１２より送出される空気が供給され、高温側に改質加熱器２１の排気ガスが供給される。従って、第１空気ブロワ１２より送出される空気は、改質加熱器２１の排気ガスにより加熱された後、燃料電池１６のカソード極１６ａに供給される。また、第３熱交換器１３を通過した排気ガスは、その後外部へ排出される。

　また、改質器２２には、改質器２２の入口圧力（改質器圧力）Ｐｒを検出する圧力センサ２３と、改質器２２の温度（改質温度）Ｔｒを測定する改質器温度センサ２４が設けられている。さらに、燃料電池１６には、燃料電池１６のスタック温度Ｔｓを測定するスタック温度センサ２５が設けられている。

　また、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１空気ブロワ１２、第２空気コンプレッサ１４、燃料ポンプ１５、及び背圧調整バルブ１７を制御する制御部１１を備えている。制御部１１は、後述する手法により、第１空気ブロワ１２、第２空気コンプレッサ１４、燃料ポンプ１５、及び背圧調整バルブ１７に制御信号を送信する。また、制御部１１は、圧力センサ２３、改質器温度センサ２４、及びスタック温度センサ２５と接続され、これらの各センサの検出データを取得する。

　制御部１１は、圧力センサ２３にて測定される改質器圧力Ｐｒと、改質器温度センサ２４で測定される改質温度Ｔｒと、スタック温度センサ２５で測定されるスタック温度Ｔｓに基づいて、アノードオフガスの循環量を求める。そして、制御部１１は、求めた循環量に基づいて背圧調整バルブ１７の開度を制御する。なお、アノードオフガスの循環量は、改質器圧力Ｐｒ、改質温度Ｔｒ、及びスタック温度Ｔｓのうちの少なくとも一つを用いて求めることも可能である。

　次に、エゼクタ２０の詳細な構成について説明する。図１０は、エゼクタ２０の断面図である。図１０に示すように、エゼクタ２０は、中央部にノズル５１を備えており、ノズル５１の基端部が駆動ガス流入口２０ａとされている。また、ノズル５１の側部に円筒形状の空間領域が形成されており、この空間領域の一部が開口されて吸引ガス流入口２０ｂとされている。この空間領域とノズル５１は二重円筒構造を成しており、その下流側には、混合部５２及びデフューザ５３が設けられている。

　そして、駆動ガス流入口２０ａより空気と燃料ガスとを混合した高圧の混合ガスを供給すると、この混合ガスがノズル５１より噴射されて高速流となり、吸引ガス流入口２０ｂからアノードオフガスを吸引する。吸引されたアノードオフガスは、駆動ガスである空気および燃料ガスの混合ガスと混合部５２内で混合しつつ流速が均一化することで、混合前より昇圧される。そして、後段のデフューザ５３の端部に至るまでに、平均流速がさらに減少して昇圧され、例えば、図１に示す改質器２２に供給される。

　次に、燃料電池１６のスタック温度Ｔｓとシステム圧損との関係、及び循環ガス温度とエゼクタの昇圧量との関係について説明する。なお、本実施形態においては、スタック温度Ｔｓと循環ガス温度は等しいものとする。

　図２は、循環ガス温度の変化に対する、システム圧損、及びエゼクタ２０の昇圧量の関係を示す特性図である。曲線ｑ１は、システム圧損の変化を示し、曲線ｑ２は、エゼクタ２０の昇圧量の変化を示している。ここでのシステム圧損とは、エゼクタ排出ガスが、エゼクタ２０の出口から、改質器２２、アノード極１６ｂ、及び第１熱交換器１９を経由して吸引ガス流入口２０ｂまで流れる間の圧力損失から、背圧調整バルブ１７での圧力損失を除いたものである。なお、背圧調整バルブ１７での圧力損失を含む圧力損失を、上記システム圧損と区別して、全システム圧損と呼ぶ。すなわち、全システム圧損とは、エゼクタ排出ガスが、エゼクタ２０の出口から再循環系の各構成要素を経由して吸引ガス流入口２０ｂまで流れる間の圧力損失をいう。図２の曲線ｑ１に示すように、システム圧損は、スタック温度Ｔｓが高くなるにしたがって増加する。そして、燃料電池システム１００は、この特性曲線ｑ１上のいずれかの点で運転されることになる。

　また、曲線ｑ２は、エゼクタ２０において、駆動ガスの質量流量（以下、駆動ガス流量）Ｇ１と吸引ガスの質量流量（以下、循環ガス流量）Ｇ２との比率、即ち、Ｇ２／Ｇ１比を所望の値に設定したときの、循環ガス温度と昇圧量との関係を示している。図２の曲線ｑ２に示すように、循環ガス温度が高くなるにつれて、昇圧量が低下することが判る。

　本実施形態では、背圧調整バルブ１７での圧力損失を除いたシステム圧損の値がＰ０となる運転点で、燃料電池システム１００を運転する。燃料電池システム１００では、エゼクタ２０での昇圧量Ｐ４が、空気、燃料ガス、およびアノードオフガスの循環ガスの各流量を改質器２２で良好な改質を行うために要求される流量に設定したときに、上記システム圧損Ｐ０より大きくなるように設計される。そして、背圧調整バルブ１７での圧力損失を含む全システム圧損の値が、昇圧量Ｐ４と一致するように背圧調整バルブ１７の開度を調整する。換言すれば、燃料電池システム１００では、運転点でのシステム圧損（背圧調整バルブ１７での圧力損失を除く）の値Ｐ０よりも、若干高い昇圧量Ｐ４を得る昇圧能力を有するようにエゼクタ２０を構成する。そして、Ｇ２／Ｇ１比が所望の値となるように、第２空気コンプレッサ１４より送出する空気の質量流量（以下、空気量）を調整する。その状態で背圧調整バルブ１７を調整することにより、所望のスタック温度及び圧力となる運転点で、燃料電池システム１００を運転することが可能になる。

　以下、背圧調整バルブ１７の制御処理について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ１１において、制御部１１は、燃料電池１６による目標発電電流を認識する。

　ステップＳ１２において、制御部１１は、スタック温度センサ２５で測定される燃料電池１６のスタック温度Ｔｓ、及び、改質器温度センサ２４で測定される改質器２２の改質温度Ｔｒを取得する。

　ステップＳ１３において、制御部１１は、取得した目標発電電流やスタック温度等の情報に基づいて目標とする循環ガス流量Ｇ２と、改質器２２に新規に供給する燃料ガスの質量流量（以下、燃料ガス量）Ｇ1f、及び空気量Ｇ1aを決定する。なお、駆動ガス流量Ｇ１は、上記の燃料ガス量Ｇ1fと空気量Ｇ1aとを加算した値（即ち、Ｇ１＝Ｇ1f＋Ｇ1a）となる。

　ステップＳ１４において、制御部１１は、エゼクタ２０における駆動ガス流量Ｇ１と循環ガス流量Ｇ２との比率（Ｇ２／Ｇ１比）に対応する昇圧量の目標値Ｐ４を演算する。

　ステップＳ１５において、制御部１１は、背圧調整バルブ１７に制御信号を送信して、背圧調整バルブ１７での圧力損失を含む全システム圧損が、エゼクタ２０の昇圧量の目標値Ｐ４に達するように、背圧調整バルブ１７の開度を制御する。これにより、アノードオフガスの循環量を調整する。

　ステップＳ１６において、制御部１１は、背圧調整バルブ１７での圧力損失を含む全システム圧損の測定値Ｐ４’が、目標値Ｐ４と等しくなったか否かを判定する。即ち、制御部１１は、Ｐ４－Ｐ４’＝０となったか否かを判定する。

　そして、制御部１１は、Ｐ４－Ｐ４’＝０でないと判定した場合（ステップＳ１５でＮＯ）には、ステップＳ１５に処理を戻し、Ｐ４－Ｐ４’＝０であると判定された場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）には、本処理を終了する。こうして、背圧調整バルブ１７の開度を調整することにより、改質器２２や燃料電池１６が必要とする空気、燃料ガス、およびアノードオフガスの循環ガスの流量を確保しながら、全システム圧損がエゼクタ２０の昇圧量Ｐ４と等しくなるように制御される。このように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノードオフガスの一部を循環させて改質器２２に戻す際に、空気と燃料ガスとの混合ガスを生成して、アノードオフガスに添加している。

＜効果＞
（１）本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、エゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに、第２空気コンプレッサ１４より送出される空気と燃料ポンプ１５より送出される燃料ガスとを混合した混合ガスが供給され、吸引ガス流入口２０ｂには、アノードオフガスが供給される。このようにエゼクタ２０の駆動ガスに、燃料ガスに加えて空気を添加しているので、駆動ガス流量Ｇ１を大きくすることができ、エゼクタ２０のＧ２／Ｇ１比を小さくでき、ひいては、エゼクタ２０の昇圧量を大きくすることができる。これにより、燃料電池１６や改質器２２を小型化することができる。

（２）また、燃料電池システム１００では、エゼクタ２０の駆動ガスに、燃料ガスに加えて空気を添加して、アノードオフガスを循環させているので、エゼクタ２０の昇圧量を確保しつつアノードオフガスの循環率を向上させることができる。これにより、新規に水を気化して導入する必要が無くなり、水を気化するために要する補器のエネルギー損失を削減でき、システム効率を向上させることができる。

（３）さらに、燃料電池システム１００では、エゼクタ２０の駆動ガスに、燃料ガスに加えて空気を添加しているので、燃料として、ガソリンや灯油など、炭素数が多い炭化水素燃料を使用する場合は、新規に水蒸気を導入せずに（あるいはその導入量を最小限に抑えつつ）、必要な水蒸気量を確保でき、改質器２２の触媒劣化を抑制することができる。また、空気の添加量を最小限に抑えることで、改質に必要な熱量を低減することができるので、改質加熱器２１への追加燃料を不要とし、システム効率を向上させることができる。

（４）また、燃料電池システム１００では、エゼクタ２０の駆動ガスに、燃料ガスに加えて空気を添加しているので、燃料として、ガソリン、灯油、メタノールなど、分子量が相対的に大きく、比熱比が相対的に小さいために、エゼクタ内流れにおける熱損失が大きくなる炭化水素燃料を使用する場合でも、エゼクタ２０の昇圧能力を確実に高く維持することができる。

（５）さらに、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノード極１６ｂの出口とエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂとの間に、アノードオフガスの温度を調整する第１熱交換器１９を設けている。そして、第１熱交換器１９の低温側に、第２空気コンプレッサ１４より送出される空気および燃料ポンプ１５より送出される燃料ガスの少なくとも一方が供給され、第１熱交換器１９の高温側に、アノードオフガスが供給される。そのため、アノードオフガスが有する熱により、第２空気コンプレッサ１４より送出される空気、或いは燃料ポンプ１５より送出される燃料ガスを加熱することができるので、循環するアノードオフガスの温度を安定化させることができる。すなわち、燃料電池１６のスタックや改質器２２の温度変動が生じる場合であっても、循環ガス温度を安定化することができ、循環率を安定化させることができる。また、燃料ガスが液体や高圧タンクから供給される場合には、余分なエネルギーを必要とせず、安定して燃料ガスを気化させることができる。

（６）また、燃料電池システム１００では、背圧調整バルブ１７を設け、制御部１１が背圧調整バルブ１７の開度を調整制御することにより、アノードオフガスの循環量を制御し、かつ、エゼクタ２０での昇圧量を所望の値に制御する。すなわち、制御部１１が、エゼクタ２０の昇圧量に応じて背圧調整バルブ１７の開度を調整制御するので、改質器２２に導入するガスの圧力を所望の圧力に設定することができる。さらに、エゼクタ２０の昇圧量を向上させることができため、燃料電池１６及び改質器２２を小型化して設計することができる。

（７）さらに、燃料電池システム１００では、背圧調整バルブ１７を設けているので、制御部１１が背圧調整バルブ１７の開度を調整制御することにより、背圧調整バルブ１７での圧力損失を含む全システム圧損を安定化させることができる。これにより、運転時の温度変動に伴って燃料電池１６や改質器２２の圧力損失に変動が生じた場合でも、改質器２２に必要な循環ガスの流量を一定値に安定化させることができる。その結果、燃料電池１６からの電力出力が安定化するとともに、改質器２２の劣化が抑制される。

＜第２実施形態＞
　次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０１は、背圧調整バルブ１７を備えない点、エゼクタ２０の出口と改質器２２の入口とを接続する流路Ｌ２に空気供給口ｄ１が設けられ、第２空気コンプレッサより送出される空気とは別に、改質器２２に空気を供給することが可能となっている点、空気供給口ｄ１に追加空気調整バルブ３１（空気供給器）が接続されており、空気供給口ｄ１より導入される空気量を調整することで、改質器２２に供給する空気量を調整可能としている点、および追加空気調整バルブ３１と制御部１１が制御線で接続されている点において、前述した第１実施形態に係る燃料電池システム１００（図１）と相違している。

　また、第２実施形態に係る制御部１１は、外部より入力される燃料電池の要求発電出力に基づいて、改質器２２に供給する空気量、燃料ガス量、アノードオフガスの循環量、およびエゼクタ２０の昇圧量を求める。さらに、制御部１１は、求めた空気量、燃料ガス量、アノードオフガスの循環量、及びエゼクタ２０の昇圧量と、圧力センサ２３で測定される改質器圧力Ｐｒとに基づいて、追加空気調整バルブ３１による空気の供給量を制御する機能を備えている。エゼクタ２０は、定格運転時に改質器２２が要求する空気量より少ない流量の空気と燃料ガスを駆動ガスとして用いた場合に、昇圧量が全システム圧損に一致するように設計されている。

　それ以外の構成は、第１実施形態で説明した図１と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

　次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１で用いるエゼクタ２０を設計する手法について説明する。

　燃料電池システム１０１では、定格運転時において要求される発電電流を認識し、定格運転時の改質器２２の改質温度Ｔｒとスタック温度Ｔｓとに基づいて、発電および改質に必要な空気量Ｇ1a、燃料ガス量Ｇ1f、および循環ガス流量Ｇ２を算出する。一方、定格運転時の循環ガス温度（本実施形態ではスタック温度Ｔｓ）に基づいて、全システム圧損Ｐ４（図５参照）を算出し、循環ガス流量がＧ２、燃料ガス量がＧ1fのときにエゼクタ２０の昇圧量がＰ４となる駆動ガス用空気量Ｇ1a1を算出する。また、燃料電池システム１０１では、追加空気調整バルブ３１を調整し、この追加空気調整バルブ３１より供給される空気量をＧ1a2（＝Ｇ1a－Ｇ1a1）とする。

　燃料電池システム１０１では、エゼクタ２０の昇圧量が全システム圧損に一致するよう空気量Ｇ1a1を調整する。空気量Ｇ1a1は、改質器２２での改質に必要な空気量Ｇ1aより「Ｇ1a－Ｇ1a1」分だけ不足するので、この差分となる空気量Ｇ1a2を、追加空気調整バルブ３１を経由して、直接、改質器２２に供給する。

　図５は、循環ガス温度と全システム圧損との関係（曲線ｑ３）、及び循環ガス温度とエゼクタ２０の昇圧量との関係（曲線ｑ４，ｑ４’）を示す特性図である。例えば、燃料電池システム１０１が、循環ガス温度がＴ１、全システム圧損／エゼクタ昇圧量がＰ４の点で運転しているとする。このときに燃料電池１６のスタック温度Ｔｓが上昇して、循環ガス温度がＴ２となった場合は、全システム圧損は曲線ｑ３に沿って上昇し、要求されるエゼクタ２０の昇圧量もＰ４-2に上昇する。このような場合、燃料電池システム１０１では、第２空気コンプレッサ１４より供給する空気量Ｇ1a1を増加させて、Ｇ２／Ｇ１比を低下させる。これにより、エゼクタ２０の昇圧量の特性曲線は、曲線ｑ４’から曲線ｑ４に変化するので、エゼクタ２０の昇圧量をシステムが要求する値Ｐ４-2とすることができ、循環ガス温度Ｔ２、全システム圧損／エゼクタ昇圧量Ｐ４-2の運転点で運転することが可能になる。

　一方、上記の場合には、エゼクタ２０の駆動ガスとして供給する空気量Ｇ1a1が増加することになるので、本実施形態では、この空気量の増加分だけ、追加空気調整バルブ３１を経由して供給する空気量Ｇ1a2を減少させる。これにより、改質器２２に供給する空気量を調整する。

　つまり、本実施形態では、改質器２２が必要とする空気量Ｇ1aより少ない空気量Ｇ1a1をエゼクタ２０に導入した場合に、要求昇圧性能を満たすようにエゼクタ２０を設計している。そして、全システム圧損の変化に応じて、第２空気コンプレッサ１４より供給する空気量Ｇ1a1、及び追加空気調整バルブ３１を経由して供給する空気量Ｇ1a2を調整することにより、改質器２２に供給されるガスの温度及び圧力が所望の値となるように制御する。

　以下、図６に示すフローチャートを参照して、第２空気コンプレッサ１４、及び追加空気調整バルブ３１の制御処理について説明する。初めに、ステップＳ３１において、制御部１１は、燃料電池１６による目標発電電流を認識する。

　ステップＳ３２において、制御部１１は、スタック温度センサ２５で測定される燃料電池１６のスタック温度Ｔｓ、及び改質器温度センサ２４で測定される改質器２２の改質温度Ｔｒを取得する。

　ステップＳ３３において、制御部１１は、取得した目標発電電流やスタック温度等の情報に基づいて、目標循環ガス流量Ｇ２、改質器２２に新規に供給する燃料ガス量Ｇ1f、及び新規に供給する空気量Ｇ1aを決定する。

　ステップＳ３４において、制御部１１は、スタック温度Ｔｓに対応するエゼクタ２０の昇圧量の目標値Ｐ４を算出する。

　ステップＳ３５において、制御部１１は、ステップＳ３４で求めた目標値Ｐ４に対して、循環ガス流量Ｇ２、第２空気コンプレッサ１４により供給する空気量Ｇ1a1、追加空気調整バルブ３１を経由して供給する空気量Ｇ1a2を決定する。但し、Ｇ1a＝Ｇ1a1＋Ｇ1a2である。

　ステップＳ３６において、制御部１１は、第２空気コンプレッサ１４より供給される空気量がステップＳ３５で決定された空気量Ｇ1a1となるように第２空気コンプレッサ１４を調整する。また、追加空気調整バルブ３１より供給される空気量が、ステップＳ３５で決定された空気量Ｇ1a2となるように、追加空気調整バルブ３１の開度を調整する。

　ステップＳ３７において、制御部１１は、エゼクタ２０の昇圧量の測定値Ｐ４’が、目標値Ｐ４と等しくなったか否かを判定する。即ち、制御部１１は、Ｐ４－Ｐ４’＝０となったか否かを判定する。

　そして、制御部１１は、Ｐ４－Ｐ４’＝０でないと判定した場合（ステップＳ３７でＮＯ）には、ステップＳ３６に処理を戻し、Ｐ４－Ｐ４’＝０であると判定された場合（ステップＳ３７でＹＥＳ）には、本処理を終了する。このようにして、制御部１１は、第２空気コンプレッサ１４、及び追加空気調整バルブ３１の開度を調整して、エゼクタ２０の昇圧量Ｐ４を調整することにより、改質器２２でのガスの温度及び圧力を所望の値に制御する。

＜効果＞
　本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、エゼクタ２０の駆動ガスに、燃料ガスに加えて空気を添加しているので、上記第１実施形態で述べた効果（１）～（４）と同様の効果を得ることができる。

　さらに、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、次の（８）～（１０）の効果を得ることができる。
（８）第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、エゼクタ２０の出口と改質器２２の入口とを接続する流路Ｌ２に空気供給口ｄ１を設け、この空気供給口ｄ１に追加空気調整バルブ３１を設置することにより、エゼクタ２０の運転状態とは別に、改質器２２に空気を導入している。従って、運転時に燃料電池１６や改質器２２の温度変動やガス流量変動等が起きても、アノードオフガスの循環率を安定化させることが可能になる。

（９）また、燃料電池システム１０１では、エゼクタ２０から排出されるエゼクタ排出ガスがエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂまで循環する間の圧力損失に応じて、制御部１１が第２空気コンプレッサ１４または追加空気調整バルブ３１を調整するため、改質器２２に導入するガスの組成を最適な組成に設定することが可能になる。これにより、改質器２２の炭素析出劣化を抑制することができる。

（１０）さらに、燃料電池システム１０１では、第２空気コンプレッサ１４の動力を最小限とすることができ、かつ、燃料電池１６における要求発電出力が変化した場合においても、改質器２２にて必要となるガス組成を安定して供給することができる。

＜第３実施形態＞
　次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図７は、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０２は、背圧調整バルブ１７を備えない点、第１熱交換器１９の高温側出口とエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂとの間の流路Ｌ１ａに第２熱交換器４１（温度調整器）を設けている点、第２熱交換器４１の低温側に冷却空気を供給する第３空気ブロワ４２（冷却ガス供給器、温度調整器）を設けている点、および第３空気ブロワ４２と制御部１１が制御線で接続されている点において、前述した第１実施形態に係る燃料電池システム１００（図１）と相違している。

　また、第３実施形態に係る制御部１１は、外部より入力される燃料電池の要求発電出力に基づいて、改質器２２に供給する空気量、燃料ガス量、アノードオフガスの循環量、およびエゼクタ２０の昇圧量を求める。そして、制御部１１は、求めた空気量、燃料ガス量、アノードオフガスの循環量、及びエゼクタ２０の昇圧量と、圧力センサ２３で測定される改質器圧力Ｐｒとに基づいて、エゼクタ２０に供給するアノードオフガスの温度を求める。さらに、制御部１１は、求めた温度に応じて第３空気ブロワ４２を制御する。

　第３実施形態では、第２熱交換器４１、及び第３空気ブロワ４２を設けているので、制御部１１により第３空気ブロワ４２による空気の供給量を制御することで、エゼクタ２０に供給されるアノードオフガスの温度を調整することが可能となる。

　次に、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２で用いるエゼクタ２０の設計手法について説明する。まず、定格運転時のスタック温度Ｔｓに対応する全システム圧損（主として、改質器２２、燃料電池１６、流路Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ２を構成する配管での圧力損失）の値Ｐ４を算出する。そして、定格運転時の目標発電電流値と、定格運転時の改質器２２の改質温度Ｔｒおよびスタック温度Ｔｓとに基づいて、発電および改質に必要な循環ガス流量Ｇ２と駆動ガス流量Ｇ１とを算出する。駆動ガス流量Ｇ１は、第２空気コンプレッサ１４より送出される空気量Ｇ1aと燃料ポンプ１５より送出される燃料ガス量Ｇ1fとの合計流量である（Ｇ１＝Ｇ1a＋Ｇ1f）。

　ここで、エゼクタ２０に吸引される直前のアノードオフガスの温度は、燃料電池１６のアノード極１６ｂの出口からエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂまでの流路となる配管等の断熱性能に依存しており、スタック温度Ｔｓに比例した温度として設定できる。そして、エゼクタ２０に吸引される直前のアノードオフガスの温度が定格運転時の温度Ｔ３となるときに、エゼクタ２０の昇圧量が定格運転時の全システム圧損Ｐ４に一致するように、エゼクタ２０を設計する。

　図８は、循環ガス温度の変化に対する全システム圧損の変化（曲線ｑ５）、及び循環ガス温度の変化に対するエゼクタ昇圧量の変化（曲線ｑ６，ｑ６’）を示す特性図である。例えば、燃料電池システム１０２が、全システム圧損／エゼクタ昇圧量Ｐ４の点（ｑ５とｑ６’の交点）で定格運転しているとする。このときに燃料電池１６のスタック温度Ｔｓが上昇した場合は、全システム圧損は曲線ｑ５に沿って上昇し、要求されるエゼクタ２０の昇圧量もＰ４-2に上昇する。このような場合、燃料電池システム１０２では、第２熱交換器４１に冷却空気を導入して、エゼクタ２０に吸引される直前のアノードオフガスの温度を低下させる。これにより、エゼクタ２０の昇圧量の特性曲線は、Ｇ２／Ｇ１比を同一の値に維持したまま、曲線ｑ６’から曲線ｑ６に変化するので、エゼクタ２０の昇圧量を曲線ｑ５と曲線ｑ６の交点の値Ｐ４-2まで上昇させることができる。

　換言すれば、第２熱交換器４１を用いて、エゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに供給するアノードオフガスの温度を制御することにより、同一のＧ２／Ｇ１比のまま、エゼクタ２０の昇圧量を変化させることができる。本実施形態では、制御部１１の制御により、第３空気ブロワ４２より送出する冷却ガスの流量を調整して循環ガスを冷却することにより、エゼクタ２０の昇圧量が定格運転時の値Ｐ４となるように制御する。

　以下、図９に示すフローチャートを参照して、第２熱交換器４１に供給する冷却空気の制御処理について説明する。初めに、ステップＳ５１において、制御部１１は、燃料電池１６による目標発電電流を認識する。

　ステップＳ５２において、制御部１１は、スタック温度センサ２５で測定される燃料電池１６のスタック温度Ｔｓ、及び改質器温度センサ２４で測定される改質器２２の改質温度Ｔｒを取得する。

　ステップＳ５３において、制御部１１は、取得した目標発電電流やスタック温度等の情報に基づいて、目標循環ガス流量Ｇ２、改質器２２に新規に供給する燃料ガス量Ｇ1f、及び新規に供給する空気量Ｇ1aを決定する。

　ステップＳ５４において、制御部１１は、スタック温度Ｔｓ及び改質温度Ｔｒに対応する昇圧量の目標値Ｐ４を算出する。

　ステップＳ５５において、制御部１１は、ステップＳ５４で求めた昇圧量の目標値Ｐ４、及びステップＳ５３で求めた循環ガス流量Ｇ２、駆動ガス流量Ｇ１（燃料ガス量Ｇ1fと空気量Ｇ1aの合計）を実現するためのアノードオフガスの温度Ｔ３を算出する。

　ステップＳ５６において、制御部１１は、アノードオフガスの温度がステップＳ５５で算出した温度Ｔ３となるように、第３空気ブロワ４２より送出する冷却空気量を調整する。

　ステップＳ５７において、制御部１１は、エゼクタ２０の昇圧量の測定値Ｐ４’が、目標値Ｐ４と等しくなったか否かを判定する。即ち、制御部１１は、Ｐ４－Ｐ４’＝０となったか否かを判定する。

　そして、制御部１１は、Ｐ４－Ｐ４’＝０でないと判定した場合（ステップＳ５７でＮＯ）には、ステップＳ５６に処理を戻し、Ｐ４－Ｐ４’＝０であると判定された場合（ステップＳ５７でＹＥＳ）には、本処理を終了する。こうして、制御部１１は、第３空気ブロワ４２による冷却空気の供給量を調整することにより、アノードオフガスの温度が所望の温度Ｔ３となるように制御する。

＜効果＞
　本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、エゼクタ２０の駆動ガスに、燃料ガスに加えて空気を添加しているので、上記第１実施形態で述べた効果（１）～（４）と同様の効果を得ることができる。

　さらに、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、次の（１２）および（１３）効果を得ることができる。
（１２）第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、アノード極１６ｂの出口とエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂとの間に、アノードオフガスの温度を調整する第２熱交換器４１を設けている。そして、第２熱交換器４１の低温側に、第３空気ブロワ４２より送出される冷却用空気が供給され、第２熱交換器４１の高温側に、アノードオフガスが供給される。そのため、第２熱交換器４１を用いてエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂに供給するアノードオフガスの温度を制御することにより、同一のＧ２／Ｇ１比でエゼクタ２０の昇圧量を変化させることができる。

（１３）また、燃料電池システム１０２では、エゼクタ２０から排出されるエゼクタ排出ガスがエゼクタ２０の吸引ガス流入口２０ｂまで循環する間の圧力損失に応じて、制御部１１が、第３空気ブロワ４２より送出される冷却ガスの流量を調整して、循環ガスの温度を調整し、エゼクタ２０の昇圧量が所望の値となるように制御する。従って、循環ガスの温度が変化した場合であっても、エゼクタ２０の昇圧量を所望の値に維持することができ、かつアノードオフガスの循環量を安定化させることができる。その結果、改質器２２の改質反応、ひいてはスタックの発電挙動を安定化させることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、第１実施形態の燃料電池システム１００に、第２実施形態の空気供給口ｄ１および追加空気調整バルブ３１を採用してもよく、第２実施形態の燃料電池システム１０１に、第３実施形態の第２熱交換器４１および第３空気ブロワ４２を採用してもよい。また、第３実施形態の燃料電池システム１０２に、第１実施形態の背圧調整バルブ１７を採用してもよく、第１～第３実施形態の構成要素を全て組み合わせて適用することも可能である。

　さらに、上記第１～第３実施形態では、第２空気コンプレッサ１４は、第１熱交換器１９を介して、エゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに接続されているが、第１熱交換器１９を介さずに、直接、エゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａに接続されてもよい。すなわち、第２空気コンプレッサ１４の出口は、第１熱交換器１９の低温側の入口ではなく、第１熱交換器１９の出口とエゼクタ２０の駆動ガス流入口２０ａとの間の流路に接続してもよい。これにより、空気を第１熱交換器１９に通過させる際に発生する圧力損失分の昇圧は不要となるため、第２空気コンプレッサ１４の容量を抑えることができる。

　本出願は、２０１１年２月１日に出願された日本国特許願第２０１１－０１９５９９号に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。

　本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタの駆動ガスとして、燃料に加えて空気を添加することにより、駆動ガス流量Ｇ１を大きくすることができ、エゼクタのＧ２／Ｇ１比を小さくできる。これにより、改質器の炭素析出劣化や改質率の低下を抑制しつつ、エゼクタの昇圧量を高めてシステム全体の効率を向上させることができ、さらには、燃料電池や改質器を小型化することができる。

　１１　制御部
　１２　第１空気ブロワ
　１３　第３熱交換器
　１４　第２空気コンプレッサ
　１５　燃料ポンプ
　１６　燃料電池
　１６ａ　カソード極
　１６ｂ　アノード極
　１７　背圧調整バルブ
　１８　バタフライバルブ
　１９　第１熱交換器
　２０　エゼクタ
　２０ａ　駆動ガス流入口
　２０ｂ　吸引ガス流入口
　２１　改質加熱器
　２２　改質器
　２３　圧力センサ
　２４　改質器温度センサ
　２５　スタック温度センサ
　３１　追加空気調整バルブ
　４１　第２熱交換器
　４２　第３空気ブロワ
　５１　ノズル
　５２　混合部
　５３　デフューザ
　１００，１０１，１０２　燃料電池システム

Claims

　空気を供給する空気供給器と、
　燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
　前記燃料ガスから水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
　アノード極に前記改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、かつ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、
　前記燃料電池のアノード極より排出されるアノードオフガスを前記改質器へ循環させる再循環系と、を有し、
　前記再循環系は、エゼクタを備え、
　前記エゼクタの駆動ガス流入口には、前記空気供給器より送出される空気と前記燃料ガス供給器により送出される燃料ガスとを混合した混合ガスが供給され、吸引ガス流入口には、前記アノードオフガスが供給されることを特徴とする燃料電池システム。
　前記アノードオフガスの循環量を調整する循環量調整器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記エゼクタの昇圧量に応じて前記循環量調整器を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
　前記再循環系は、前記空気供給器より送出される空気とは別に、前記改質器に空気を供給する空気供給口を有し、
　前記空気供給口より前記改質器に空気を供給する空気供給器をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記エゼクタから排出されるエゼクタ排出ガスがエゼクタの吸引ガス流入口まで循環する間の圧損に応じて、前記空気供給器を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
　前記再循環系は、前記アノード極の出口と前記エゼクタの吸引ガス流入口との間に、前記アノードオフガスの温度を調整する温度調整器を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
　前記温度調整器は、第１熱交換器であり、
　前記第１熱交換器の低温側に、前記空気及び前記燃料ガスの少なくとも一方が供給され、前記第１熱交換器の高温側に、前記アノードオフガスが供給されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
　前記温度調整器は、第２熱交換器と、冷却用のガスを供給する冷却ガス供給器とをさらに備え、
　前記第２熱交換器の低温側に、前記冷却ガス供給器より送出される冷却ガスが供給され、前記第２熱交換器の高温側に、前記アノードオフガスが供給されることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
　前記エゼクタから排出されるエゼクタ排出ガスがエゼクタの吸引ガス流入口まで循環する間の圧損に応じて、前記温度調整器を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。