燃料電池システム
【課題】動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようにする。
【解決手段】燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させる。例えば、ブロア１０８による供給流量を増加させることで、燃料極排出ガス経路１１８に排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方に取り込まれるようにすればよい。
【解決手段】燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させる。例えば、ブロア１０８による供給流量を増加させることで、燃料極排出ガス経路１１８に排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方に取り込まれるようにすればよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極からの排出ガスを燃料ガスとして再利用する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挾んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。
【０００３】
この種の燃料電池を搭載する燃料電池システム、特に固体酸化物形燃料電池では、空気極で、空気中の酸素から空気極反応により酸素イオンが生成する。この酸素イオンは、固体酸化物電解質の内部を移動して燃料極に到達する。燃料極では、水素リッチな改質ガス中の水素及び一酸化炭素と到達した酸素イオンとが反応し、水蒸気又は二酸化炭素と電子とが生成する。この電子が、外部回路を移動する過程で電気エネルギーが取り出される。
【０００４】
このような燃料電池システムでは、一般に、燃料ガスの利用率を上げて燃費を増大させるために、燃料電池の燃料排出側より消費されずに排出される未反応の水素を含有するガスを燃料電池の燃料供給側に戻し、新たな燃料ガスと混合した状態で再度燃料電池に供給することにより、燃料ガスをリサイクルして利用している（非特許文献１参照）。
【０００５】
図４は、天然ガスなどの炭化水素燃料を改質して取り出した水素を燃料ガスとして用いる従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。このシステムは、燃料極４０１及び空気極４０２よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック４０３と、水蒸気改質器４０４と、排出ガス燃焼器４０６と、ブロア４０８と、リサイクル用熱交換器４０９と、第１熱交換器４１０及び第２熱交換器４１１とを備えている。また、このシステムは、燃料供給経路４１２，空気供給経路４１５，燃料極排出ガス経路４１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９，燃焼用燃料極排出ガス経路４２０，空気極排出ガス経路４２１，及び燃焼ガス経路４２２を備えている。なお、図示していないが、燃料極４０１と空気極４０２との間には電解質の層が設けられている。また、図４では、１組の燃料極４０１及び空気極４０２よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック４０３は、複数の単セルから構成されている。
【０００６】
この燃料電池システムでは、燃料供給経路４１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器４０４で改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック４０３の燃料極４０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極４０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路４１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。
【０００７】
リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、まず、リサイクル用熱交換器４０９で一度温度を下げられる。次いで、リサイクル用燃料極排出ガスは、ブロア４０８により流量が調整され、再びリサイクル用熱交換器４０９で昇温される。この後、リサイクル用燃料極排出ガスは、燃料供給経路４１２に合流し、燃料供給経路４１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器４０４に導入される。このようにして水蒸気改質器４０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。
【０００８】
一方、燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器４０６において、空気極排出ガス経路４２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路４２２により排出される。ここで、ブロア４０８によるリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により、燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）も制御される。
【０００９】
また、空気は、空気供給経路４１５より導入され、第１熱交換器４１０及び第２熱交換器４１１により、燃焼ガス経路４２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック４０３の空気極４０２に供給される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】H.Nakatomi,et al.,"JPOWER's Prototype 150kW-Class SOFC Cogeneration System Development(SOFIT)",ECS Transactions,Vol.7,(1),pp.161-166,2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック４０３の動作温度が１０００℃程度であるという前提で、燃料極より排出される燃料極排出ガスの２５％程度をリサイクル用燃料極排出ガスとして水蒸気改質器４０４にリサイクルして用いていた。上述したような燃料電池システムでは、発電動作において燃料電池スタック４０３からの発熱を、水蒸気改質器４０４における改質に必要な熱源としている。動作温度が１０００℃程度における水蒸気改質器４０４の加熱状態であれば、燃料極排出ガスの２５％程度の量のリサイクル用燃料極排出ガスにより供給される水蒸気の量で、十分な改質率が得られる。
【００１２】
しかしながら、動作温度がより低下した場合、例えば、動作温度が７５０〜８００℃程度の場合、改質率が大幅に低下するという問題があった。よく知られているように、水蒸気改質器４０４の改質率は、動作温度により大きく変化し、動作温度が９００℃より低下すると、温度低下に比較してより大きく改質率が低下してしまう。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段であるとを少なくとも備えるようにしたものである。なお、燃料極排出ガス再循環手段は、燃料極排出ガスの６０％〜７０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるようにするとよりよい。
【００１５】
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段と、水蒸気改質手段の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段が測定した温度により、燃料極排出ガス再循環手段による燃料極排出ガスの再循環量を制御するリサイクルガス量制御手段とを少なくとも備えるようにしたものである。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、リサイクルガス量制御手段は、燃料極排出ガス再循環手段が、燃料極排出ガスの少なくとも５０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるように制御するとよい。また、リサイクルガス量制御手段は、燃料極排出ガス再循環手段が、燃料極排出ガスの６０％〜７０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるように制御するとよりよい。
【００１７】
上記燃料電池システムにおいて、燃料極排出ガス再循環手段は、ブロアであり、加えて、ブロアに対して供給される燃料極排出ガスとブロアより排出される燃料極排出ガスとの間で熱交換する熱交換器を備え、ブロアに対して供給される燃料極排出ガスの温度を低下させる。
【００１８】
また、燃料ガスの供給経路に再循環される以外の燃料極排出ガスを燃焼させる排出ガス燃焼手段と、起動時に燃料電池スタックを加熱する起動用燃焼器とを備えるようにしてもよい。また、起動時に水蒸気改質手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を備えるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させるようにしたので、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を、水蒸気改質手段の温度測定結果により制御して、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させるようにしたので、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【図３】図３は、他の燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図４】図４は、天然ガスなどの炭化水素燃料を改質して取り出した水素を燃料ガスとして用いる従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２３】
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの外観を示す斜視図である。なお、図２では、図１に示す全ての構成は示していない。このシステムは、燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック１００と、水蒸気改質器１０４と、排出ガス燃焼器１０６と、ブロア（燃料極排出ガス再循環手段）１０８と、リサイクル用熱交換器１０９と、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１とを備えている。
【００２４】
また、このシステムは、燃料供給経路１１２，空気供給経路（酸化剤ガス供給手段）１１５，燃料極排出ガス経路１１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９，燃焼用燃料極排出ガス経路１２０，空気極排出ガス経路１２１，及び燃焼ガス経路１２２を備えている。なお、図１では、１組の燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック１００は、複数の単セルから構成されている。
【００２５】
この燃料電池システムでは、燃料供給経路１１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器１０４でよく知られた水蒸気改質反応により改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック１００の燃料極１０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路１１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。
【００２６】
リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、まず、リサイクル用熱交換器１０９で一度温度を下げられる。次いで、リサイクル用燃料極排出ガスは、ブロア１０８により流量が調整され、再びリサイクル用熱交換器１０９で昇温される。リサイクル用熱交換器１０９では、ブロア１０８に供給されるリサイクル用燃料極排出ガスと、ブロア１０８より排出されるリサイクル用燃料極排出ガスとの間で熱交換する。この後、リサイクル用燃料極排出ガスは、燃料供給経路１１２に合流し、燃料供給経路１１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器１０４に導入される。このようにして水蒸気改質器１０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。
【００２７】
また、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器１０６において、空気極排出ガス経路１２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２２により排出される。この、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）は、ブロア１０８によるリサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方へのリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により制御される。
【００２８】
また、空気は、空気供給経路１１５より導入され、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１により、燃焼ガス経路１２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック１００の空気極１０２に供給される。なお、空気に限らず、酸素ガスや酸素を含む他の酸化剤ガスであっても良い。
【００２９】
上述したような燃料電池システムでは、よく知られているように、発電動作による燃料電池スタック１００からの発熱及び排出ガス燃焼器１０６からの発熱を、例えば水蒸気改質器１０４の動作に必要な熱源として用いている。
【００３０】
ここで、本実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させるようにした。例えば、ブロア１０８による供給流量を増加させることで、燃料極排出ガス経路１１８に排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方に取り込まれるようにすればよい。
【００３１】
このようにすることで、例えば、燃料電池スタック１００の発電動作の温度が低下するなどにより、水蒸気改質器１０４の温度が例えば７００℃以下になった場合でも、９０％以上の改質率を保つことができるようになる。なお、この改質率は、燃料電池スタック１００における燃料利用率を８０％とした場合の値である。また、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすることで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【００３２】
また、図１に示すように、水蒸気改質器１０４における動作温度を温度センサ（温度測定手段）１３１により測定し、温度センサ１３１による温度測定結果を用いたリサイクルガス量制御部１３２によるブロア１０８の動作制御で、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の側に取り込まれるリサイクル用燃料極排出ガスの割合を制御しても良い。このように制御することで、動作温度の低下による水蒸気改質器１０４の改質率の低下が抑制できる。
【００３３】
例えば、温度センサ１３１による温度測定結果が、予め設定されている７００℃以下になると、この状態を検出したリサイクルガス量制御部１３２の制御により、ブロア１０８による供給量を増加させ、燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすればよい。また、温度センサ１３１により測定される温度により、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるように、ブロア１０８による供給量を制御しても良い。このように制御することで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【００３４】
ところで、本システムでは、図１に示すように、気化器（水蒸気供給手段）１０５及び起動用燃焼器１０７を備えるようにしている。本システムでは、水供給経路１１４より供給された水を気化器１０５で気化して水蒸気とし、これを水蒸気改質器１０４に供給可能としている。この燃料電池システムを起動するときに、水蒸気改質器１０４における水蒸気改質反応に必要な水蒸気を、気化器１０５により供給可能としている。
【００３５】
また、本システムでは、起動時に、起動用燃焼器１０７において、起動用燃料供給経路１１３より供給される起動用燃料を、起動用空気供給経路１１６より供給される起動用空気により燃焼させ、この燃焼温度により、燃料電池スタック１００の温度を発電に適した温度にまで上昇させる。ただし、起動の後に定常運転状態となった後は、水供給経路１１４による水の供給を停止して気化器１０５による水蒸気の供給を停止する。また、起動用燃料供給経路１１３による起動用燃料の供給を停止し、起動用空気供給経路１１６による起動用空気の供給を停止し、起動用燃焼器１０７による熱供給を停止する。
【００３６】
次に、他の燃料電池システムについて説明する。図３は、他の燃料電池システムの構成例を示す構成図である。このシステムは、燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック１００と、水蒸気改質器１０４と、排出ガス燃焼器１０６と、エジェクタ（燃料極排出ガス再循環手段）３０８と、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１とを備えている。
【００３７】
また、このシステムは、燃料供給経路１１２，空気供給経路１１５，燃料極排出ガス経路１１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９，燃焼用燃料極排出ガス経路１２０，空気極排出ガス経路１２１，及び燃焼ガス経路１２２を備えている。なお、図示していないが、燃料極１０１と空気極１０２との間には電解質の層が設けられている。また、図１では、１組の燃料極１０１及び空気極１０２よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック１００は、複数の単セルから構成されている。
【００３８】
また、本システムにおいても、前述した実施の形態１と同様に、気化器１０５，起動用燃焼器１０７、水供給経路１１４，起動用燃料供給経路１１３，及び起動用空気供給経路１１６を備え、システム起動時に、水蒸気改質器１０４への水蒸気の供給及び燃料電池スタック１００の加熱とを行うようにしている。
【００３９】
この燃料電池システムでは、燃料供給経路１１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器１０４で水蒸気改質反応により改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック１００の燃料極１０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路１１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。
【００４０】
リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、エジェクタ３０８により、流量が調整されて燃料供給経路１１２に合流し、燃料供給経路１１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器１０４に導入される。エジェクタ３０８では、内部に配置されたノズルより噴出される燃料ガスの流れ（超音速流）による得られる吸引力で、リサイクル用燃料極排出ガスを吸引して燃料ガスに混合している。例えば、リサイクル用燃料極排出ガスの吸引経路に設けた絞りにより、リサイクル用燃料極排出ガスの導入（混合）量を制御する。このようにして水蒸気改質器１０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。
【００４１】
また、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器１０６において、空気極排出ガス経路１２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２２により排出される。この、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）は、エジェクタ３０８によるリサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方へのリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により制御される。
【００４２】
また、空気は、空気供給経路１１５より導入され、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１により、燃焼ガス経路１２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック１００の空気極１０２に供給される。なお、空気に限らず、酸素ガスや酸素を含む他の酸化剤ガスであっても良い。
【００４３】
上述したような燃料電池システムでは、よく知られているように、発電動作による燃料電池スタック１００からの発熱及び排出ガス燃焼器１０６からの発熱を、例えば水蒸気改質器１０４の動作に必要な熱源として用いている。
【００４４】
ここで、上記燃料電池システムでは、エジェクタ３０８による供給流量を増加させることで、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させるようにした。このようにすることで、前述同様に、水蒸気改質器１０４の温度（動作温度）が例えば７００℃以下になった場合でも、９０％以上の改質率を保つことができるようになる。なお、この改質率は、燃料電池スタック１００における燃料利用率を８０％とした場合の値である。また、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすることで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【００４５】
また、上記燃料電池システムにおいても、図３に示すように、水蒸気改質器１０４における動作温度を温度センサ１３１により測定し、温度センサ１３１による温度測定結果を用いたリサイクルガス量制御部３３２によるエジェクタ３０８の動作制御で、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の側に取り込まれるリサイクル用燃料極排出ガスの割合を制御しても良い。
【００４６】
例えば、温度センサ１３１による温度測定結果が、予め設定されている７００℃以下になると、この状態を検出したリサイクルガス量制御部３３２の制御により、エジェクタ３０８におけるリサイクル用燃料極排出ガスの供給量を増加させ、燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすればよい。また、温度センサ１３１により測定される温度により、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるように、エジェクタ３０８の動作を制御しても良い。このように制御することで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…燃料極、１０２…空気極、１０３…電解質、１０４…水蒸気改質器、１０５…気化器（水蒸気供給手段）、１０６…排出ガス燃焼器、１０７…起動用燃焼器、１０８…ブロア（燃料極排出ガス再循環手段）、１０９…リサイクル用熱交換器、１１０…第１熱交換器、１１１…第２熱交換器、１１２…燃料供給経路、１１３…起動用燃料供給経路、１１４…水供給経路、１１５…空気供給経路（酸化剤ガス供給手段）、１１６…起動用空気供給経路、１１８…燃料極排出ガス経路、１１９…リサイクル用燃料極排出ガス経路、１２０…燃焼用燃料極排出ガス経路、１２１…空気極排出ガス経路、１２２…燃焼ガス経路、１３１…温度センサ（温度測定手段）、１３２…リサイクルガス量制御部、３０８…エジェクタ（燃料極排出ガス再循環手段）、３３２…リサイクルガス量制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極からの排出ガスを燃料ガスとして再利用する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挾んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。
【０００３】
この種の燃料電池を搭載する燃料電池システム、特に固体酸化物形燃料電池では、空気極で、空気中の酸素から空気極反応により酸素イオンが生成する。この酸素イオンは、固体酸化物電解質の内部を移動して燃料極に到達する。燃料極では、水素リッチな改質ガス中の水素及び一酸化炭素と到達した酸素イオンとが反応し、水蒸気又は二酸化炭素と電子とが生成する。この電子が、外部回路を移動する過程で電気エネルギーが取り出される。
【０００４】
このような燃料電池システムでは、一般に、燃料ガスの利用率を上げて燃費を増大させるために、燃料電池の燃料排出側より消費されずに排出される未反応の水素を含有するガスを燃料電池の燃料供給側に戻し、新たな燃料ガスと混合した状態で再度燃料電池に供給することにより、燃料ガスをリサイクルして利用している（非特許文献１参照）。
【０００５】
図４は、天然ガスなどの炭化水素燃料を改質して取り出した水素を燃料ガスとして用いる従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。このシステムは、燃料極４０１及び空気極４０２よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック４０３と、水蒸気改質器４０４と、排出ガス燃焼器４０６と、ブロア４０８と、リサイクル用熱交換器４０９と、第１熱交換器４１０及び第２熱交換器４１１とを備えている。また、このシステムは、燃料供給経路４１２，空気供給経路４１５，燃料極排出ガス経路４１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９，燃焼用燃料極排出ガス経路４２０，空気極排出ガス経路４２１，及び燃焼ガス経路４２２を備えている。なお、図示していないが、燃料極４０１と空気極４０２との間には電解質の層が設けられている。また、図４では、１組の燃料極４０１及び空気極４０２よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック４０３は、複数の単セルから構成されている。
【０００６】
この燃料電池システムでは、燃料供給経路４１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器４０４で改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック４０３の燃料極４０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極４０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路４１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。
【０００７】
リサイクル用燃料極排出ガス経路４１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、まず、リサイクル用熱交換器４０９で一度温度を下げられる。次いで、リサイクル用燃料極排出ガスは、ブロア４０８により流量が調整され、再びリサイクル用熱交換器４０９で昇温される。この後、リサイクル用燃料極排出ガスは、燃料供給経路４１２に合流し、燃料供給経路４１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器４０４に導入される。このようにして水蒸気改質器４０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。
【０００８】
一方、燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器４０６において、空気極排出ガス経路４２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路４２２により排出される。ここで、ブロア４０８によるリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により、燃焼用燃料極排出ガス経路４２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）も制御される。
【０００９】
また、空気は、空気供給経路４１５より導入され、第１熱交換器４１０及び第２熱交換器４１１により、燃焼ガス経路４２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック４０３の空気極４０２に供給される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】H.Nakatomi,et al.,"JPOWER's Prototype 150kW-Class SOFC Cogeneration System Development(SOFIT)",ECS Transactions,Vol.7,(1),pp.161-166,2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック４０３の動作温度が１０００℃程度であるという前提で、燃料極より排出される燃料極排出ガスの２５％程度をリサイクル用燃料極排出ガスとして水蒸気改質器４０４にリサイクルして用いていた。上述したような燃料電池システムでは、発電動作において燃料電池スタック４０３からの発熱を、水蒸気改質器４０４における改質に必要な熱源としている。動作温度が１０００℃程度における水蒸気改質器４０４の加熱状態であれば、燃料極排出ガスの２５％程度の量のリサイクル用燃料極排出ガスにより供給される水蒸気の量で、十分な改質率が得られる。
【００１２】
しかしながら、動作温度がより低下した場合、例えば、動作温度が７５０〜８００℃程度の場合、改質率が大幅に低下するという問題があった。よく知られているように、水蒸気改質器４０４の改質率は、動作温度により大きく変化し、動作温度が９００℃より低下すると、温度低下に比較してより大きく改質率が低下してしまう。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段であるとを少なくとも備えるようにしたものである。なお、燃料極排出ガス再循環手段は、燃料極排出ガスの６０％〜７０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるようにするとよりよい。
【００１５】
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段と、水蒸気改質手段の温度を測定する温度測定手段と、温度測定手段が測定した温度により、燃料極排出ガス再循環手段による燃料極排出ガスの再循環量を制御するリサイクルガス量制御手段とを少なくとも備えるようにしたものである。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、リサイクルガス量制御手段は、燃料極排出ガス再循環手段が、燃料極排出ガスの少なくとも５０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるように制御するとよい。また、リサイクルガス量制御手段は、燃料極排出ガス再循環手段が、燃料極排出ガスの６０％〜７０％を燃料ガスの供給経路に再循環させるように制御するとよりよい。
【００１７】
上記燃料電池システムにおいて、燃料極排出ガス再循環手段は、ブロアであり、加えて、ブロアに対して供給される燃料極排出ガスとブロアより排出される燃料極排出ガスとの間で熱交換する熱交換器を備え、ブロアに対して供給される燃料極排出ガスの温度を低下させる。
【００１８】
また、燃料ガスの供給経路に再循環される以外の燃料極排出ガスを燃焼させる排出ガス燃焼手段と、起動時に燃料電池スタックを加熱する起動用燃焼器とを備えるようにしてもよい。また、起動時に水蒸気改質手段に水蒸気を供給する水蒸気供給手段を備えるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させるようにしたので、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、燃料電池スタックの発電動作により燃料極より排出された燃料極排出ガスの一部を、水蒸気改質手段の温度測定結果により制御して、水蒸気改質手段に供給される燃料ガスの供給経路に再循環させるようにしたので、動作温度の低下による水蒸気改質器の改質率の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの外観を示す斜視図である。
【図３】図３は、他の燃料電池システムの構成例を示す構成図である。
【図４】図４は、天然ガスなどの炭化水素燃料を改質して取り出した水素を燃料ガスとして用いる従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２３】
［実施の形態１］
始めに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成例を示す構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの外観を示す斜視図である。なお、図２では、図１に示す全ての構成は示していない。このシステムは、燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック１００と、水蒸気改質器１０４と、排出ガス燃焼器１０６と、ブロア（燃料極排出ガス再循環手段）１０８と、リサイクル用熱交換器１０９と、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１とを備えている。
【００２４】
また、このシステムは、燃料供給経路１１２，空気供給経路（酸化剤ガス供給手段）１１５，燃料極排出ガス経路１１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９，燃焼用燃料極排出ガス経路１２０，空気極排出ガス経路１２１，及び燃焼ガス経路１２２を備えている。なお、図１では、１組の燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック１００は、複数の単セルから構成されている。
【００２５】
この燃料電池システムでは、燃料供給経路１１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器１０４でよく知られた水蒸気改質反応により改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック１００の燃料極１０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路１１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。
【００２６】
リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、まず、リサイクル用熱交換器１０９で一度温度を下げられる。次いで、リサイクル用燃料極排出ガスは、ブロア１０８により流量が調整され、再びリサイクル用熱交換器１０９で昇温される。リサイクル用熱交換器１０９では、ブロア１０８に供給されるリサイクル用燃料極排出ガスと、ブロア１０８より排出されるリサイクル用燃料極排出ガスとの間で熱交換する。この後、リサイクル用燃料極排出ガスは、燃料供給経路１１２に合流し、燃料供給経路１１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器１０４に導入される。このようにして水蒸気改質器１０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。
【００２７】
また、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器１０６において、空気極排出ガス経路１２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２２により排出される。この、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）は、ブロア１０８によるリサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方へのリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により制御される。
【００２８】
また、空気は、空気供給経路１１５より導入され、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１により、燃焼ガス経路１２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック１００の空気極１０２に供給される。なお、空気に限らず、酸素ガスや酸素を含む他の酸化剤ガスであっても良い。
【００２９】
上述したような燃料電池システムでは、よく知られているように、発電動作による燃料電池スタック１００からの発熱及び排出ガス燃焼器１０６からの発熱を、例えば水蒸気改質器１０４の動作に必要な熱源として用いている。
【００３０】
ここで、本実施の形態１における燃料電池システムでは、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させるようにした。例えば、ブロア１０８による供給流量を増加させることで、燃料極排出ガス経路１１８に排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方に取り込まれるようにすればよい。
【００３１】
このようにすることで、例えば、燃料電池スタック１００の発電動作の温度が低下するなどにより、水蒸気改質器１０４の温度が例えば７００℃以下になった場合でも、９０％以上の改質率を保つことができるようになる。なお、この改質率は、燃料電池スタック１００における燃料利用率を８０％とした場合の値である。また、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすることで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【００３２】
また、図１に示すように、水蒸気改質器１０４における動作温度を温度センサ（温度測定手段）１３１により測定し、温度センサ１３１による温度測定結果を用いたリサイクルガス量制御部１３２によるブロア１０８の動作制御で、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の側に取り込まれるリサイクル用燃料極排出ガスの割合を制御しても良い。このように制御することで、動作温度の低下による水蒸気改質器１０４の改質率の低下が抑制できる。
【００３３】
例えば、温度センサ１３１による温度測定結果が、予め設定されている７００℃以下になると、この状態を検出したリサイクルガス量制御部１３２の制御により、ブロア１０８による供給量を増加させ、燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすればよい。また、温度センサ１３１により測定される温度により、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるように、ブロア１０８による供給量を制御しても良い。このように制御することで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【００３４】
ところで、本システムでは、図１に示すように、気化器（水蒸気供給手段）１０５及び起動用燃焼器１０７を備えるようにしている。本システムでは、水供給経路１１４より供給された水を気化器１０５で気化して水蒸気とし、これを水蒸気改質器１０４に供給可能としている。この燃料電池システムを起動するときに、水蒸気改質器１０４における水蒸気改質反応に必要な水蒸気を、気化器１０５により供給可能としている。
【００３５】
また、本システムでは、起動時に、起動用燃焼器１０７において、起動用燃料供給経路１１３より供給される起動用燃料を、起動用空気供給経路１１６より供給される起動用空気により燃焼させ、この燃焼温度により、燃料電池スタック１００の温度を発電に適した温度にまで上昇させる。ただし、起動の後に定常運転状態となった後は、水供給経路１１４による水の供給を停止して気化器１０５による水蒸気の供給を停止する。また、起動用燃料供給経路１１３による起動用燃料の供給を停止し、起動用空気供給経路１１６による起動用空気の供給を停止し、起動用燃焼器１０７による熱供給を停止する。
【００３６】
次に、他の燃料電池システムについて説明する。図３は、他の燃料電池システムの構成例を示す構成図である。このシステムは、燃料極１０１，空気極１０２，及び電解質１０３よりなる単セルをスタックした燃料電池スタック１００と、水蒸気改質器１０４と、排出ガス燃焼器１０６と、エジェクタ（燃料極排出ガス再循環手段）３０８と、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１とを備えている。
【００３７】
また、このシステムは、燃料供給経路１１２，空気供給経路１１５，燃料極排出ガス経路１１８，リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９，燃焼用燃料極排出ガス経路１２０，空気極排出ガス経路１２１，及び燃焼ガス経路１２２を備えている。なお、図示していないが、燃料極１０１と空気極１０２との間には電解質の層が設けられている。また、図１では、１組の燃料極１０１及び空気極１０２よりなる単セルを示しているが、実際には、燃料電池スタック１００は、複数の単セルから構成されている。
【００３８】
また、本システムにおいても、前述した実施の形態１と同様に、気化器１０５，起動用燃焼器１０７、水供給経路１１４，起動用燃料供給経路１１３，及び起動用空気供給経路１１６を備え、システム起動時に、水蒸気改質器１０４への水蒸気の供給及び燃料電池スタック１００の加熱とを行うようにしている。
【００３９】
この燃料電池システムでは、燃料供給経路１１２により供給される燃料ガス（例えば天然ガス）は、水蒸気改質器１０４で水蒸気改質反応により改質され、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含む水素リッチなガスに変換され、この後、燃料電池スタック１００の燃料極１０１に供給され、発電に用いられる。この発電の結果、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスは、燃料極排出ガス経路１１８を通り、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９及び燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される。燃料極排出ガスは、水素ガスの濃度（比率）が低下しているが、改質された燃料ガスと同様に、水素と共に一酸化炭素や水蒸気などを含んでいる。
【００４０】
リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９に分岐された燃料極排出ガス（リサイクル用燃料極排出ガス）は、エジェクタ３０８により、流量が調整されて燃料供給経路１１２に合流し、燃料供給経路１１２により供給されている燃料ガスと共に、水蒸気改質器１０４に導入される。エジェクタ３０８では、内部に配置されたノズルより噴出される燃料ガスの流れ（超音速流）による得られる吸引力で、リサイクル用燃料極排出ガスを吸引して燃料ガスに混合している。例えば、リサイクル用燃料極排出ガスの吸引経路に設けた絞りにより、リサイクル用燃料極排出ガスの導入（混合）量を制御する。このようにして水蒸気改質器１０４に導入されるリサイクル用燃料極排出ガス中の水蒸気は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気として利用される。
【００４１】
また、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐された燃料極排出ガス（燃焼用燃料極排出ガス）は、排出ガス燃焼器１０６において、空気極排出ガス経路１２１より供給される空気極排出ガスによって燃焼処理される。燃焼処理された後の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１２２により排出される。この、燃焼用燃料極排出ガス経路１２０に分岐される燃焼用燃料極排出ガスの量（流量）は、エジェクタ３０８によるリサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の方へのリサイクル用燃料極排出ガスの流量制御により制御される。
【００４２】
また、空気は、空気供給経路１１５より導入され、第１熱交換器１１０及び第２熱交換器１１１により、燃焼ガス経路１２２により排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温され、この後、燃料電池スタック１００の空気極１０２に供給される。なお、空気に限らず、酸素ガスや酸素を含む他の酸化剤ガスであっても良い。
【００４３】
上述したような燃料電池システムでは、よく知られているように、発電動作による燃料電池スタック１００からの発熱及び排出ガス燃焼器１０６からの発熱を、例えば水蒸気改質器１０４の動作に必要な熱源として用いている。
【００４４】
ここで、上記燃料電池システムでは、エジェクタ３０８による供給流量を増加させることで、燃料極１０１より排出される燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、リサイクル用燃料極排出ガスとして、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９を介して燃料供給経路１１２に再循環させるようにした。このようにすることで、前述同様に、水蒸気改質器１０４の温度（動作温度）が例えば７００℃以下になった場合でも、９０％以上の改質率を保つことができるようになる。なお、この改質率は、燃料電池スタック１００における燃料利用率を８０％とした場合の値である。また、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすることで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【００４５】
また、上記燃料電池システムにおいても、図３に示すように、水蒸気改質器１０４における動作温度を温度センサ１３１により測定し、温度センサ１３１による温度測定結果を用いたリサイクルガス量制御部３３２によるエジェクタ３０８の動作制御で、リサイクル用燃料極排出ガス経路１１９の側に取り込まれるリサイクル用燃料極排出ガスの割合を制御しても良い。
【００４６】
例えば、温度センサ１３１による温度測定結果が、予め設定されている７００℃以下になると、この状態を検出したリサイクルガス量制御部３３２の制御により、エジェクタ３０８におけるリサイクル用燃料極排出ガスの供給量を増加させ、燃料極排出ガスの少なくとも５０％が、リサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるようにすればよい。また、温度センサ１３１により測定される温度により、燃料極排出ガスの６０％〜７０％がリサイクル用燃料極排出ガスとして用いられるように、エジェクタ３０８の動作を制御しても良い。このように制御することで、本システムの動作温度が７００℃と低下しても、改質率をより向上させることができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０１…燃料極、１０２…空気極、１０３…電解質、１０４…水蒸気改質器、１０５…気化器（水蒸気供給手段）、１０６…排出ガス燃焼器、１０７…起動用燃焼器、１０８…ブロア（燃料極排出ガス再循環手段）、１０９…リサイクル用熱交換器、１１０…第１熱交換器、１１１…第２熱交換器、１１２…燃料供給経路、１１３…起動用燃料供給経路、１１４…水供給経路、１１５…空気供給経路（酸化剤ガス供給手段）、１１６…起動用空気供給経路、１１８…燃料極排出ガス経路、１１９…リサイクル用燃料極排出ガス経路、１２０…燃焼用燃料極排出ガス経路、１２１…空気極排出ガス経路、１２２…燃焼ガス経路、１３１…温度センサ（温度測定手段）、１３２…リサイクルガス量制御部、３０８…エジェクタ（燃料極排出ガス再循環手段）、３３２…リサイクルガス量制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、
前記燃料電池スタックの発電動作により前記燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、前記水蒸気改質手段に供給される前記燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段であるブロアと、
前記ブロアに対して供給される前記燃料極排出ガスと前記ブロアより排出される前記燃料極排出ガスとの間で熱交換する熱交換器と
を少なくとも備え、
前記ブロアに対して供給される前記燃料極排出ガスの温度を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記ブロアは、前記燃料極排出ガスの６０％〜７０％を前記燃料ガスの供給経路に再循環させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
前記水蒸気改質手段の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段が測定した温度により、前記ブロアによる前記燃料極排出ガスの再循環量を制御するリサイクルガス量制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
空気極，電解質，及び燃料極を備えた複数の単セルよりなる燃料電池スタックと、
前記空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段に供給される燃料ガスを水蒸気改質反応により改質する水蒸気改質手段と、
前記燃料電池スタックの発電動作により前記燃料極より排出された燃料極排出ガスの少なくとも５０％を、前記水蒸気改質手段に供給される前記燃料ガスの供給経路に再循環させる燃料極排出ガス再循環手段であるブロアと、
前記ブロアに対して供給される前記燃料極排出ガスと前記ブロアより排出される前記燃料極排出ガスとの間で熱交換する熱交換器と
を少なくとも備え、
前記ブロアに対して供給される前記燃料極排出ガスの温度を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記ブロアは、前記燃料極排出ガスの６０％〜７０％を前記燃料ガスの供給経路に再循環させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、
前記水蒸気改質手段の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段が測定した温度により、前記ブロアによる前記燃料極排出ガスの再循環量を制御するリサイクルガス量制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１６０４６５（Ｐ２０１２−１６０４６５Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−８８１７４（Ｐ２０１２−８８１７４）
【出願日】平成２４年４月９日（２０１２．４．９）
【分割の表示】特願２００７−２４２９５２（Ｐ２００７−２４２９５２）の分割
【原出願日】平成１９年９月１９日（２００７．９．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月９日（２０１２．４．９）
【分割の表示】特願２００７−２４２９５２（Ｐ２００７−２４２９５２）の分割
【原出願日】平成１９年９月１９日（２００７．９．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
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