特許 5870854 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5870854

(24)【登録日】2016年1月22日

(45)【発行日】2016年3月1日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20160216BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20160216BHJP

   H01M 8/06 20160101ALI20160216BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20160216BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   H01M8/04 P

   H01M8/06 B

   H01M8/04 J

   !H01M8/12

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-128021(P2012-128021)

(22)【出願日】2012年6月5日

(65)【公開番号】特開2013-254589(P2013-254589A)

(43)【公開日】2013年12月19日

【審査請求日】2014年10月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】伊東 正篤

(72)【発明者】

【氏名】大島 久純

(72)【発明者】

【氏名】田口 隆志

(72)【発明者】

【氏名】外山 哲男

(72)【発明者】

【氏名】高村 仁

【審査官】 武市 匡紘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−０２３６７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−０４３０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０８５０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２４６０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０４９６３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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燃料電池（１）と、
酸素イオン伝導性を有する電解質体（２１）、前記電解質体の両側に配置された一対の電極（２２、２３）を含んで構成される燃料富化装置（２０）と、
前記一対の電極における一方の電極（２２）を介して、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス経路（１１）と、
前記一対の電極における他方の電極（２３）を介して、前記燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス経路（１３）と、
前記一対の電極間に電圧を印加することで前記一対の電極間に流れる電流を制御する電流制御手段（２６、１００ａ）と、を備え、
前記電流制御手段は、前記燃料電池の発電時に、少なくとも前記一方の電極から前記他方の電極へ電流が流れるように前記一対の電極間に電圧を印加することで、前記電解質体を介して前記一対の電極間で酸素イオンを移動させることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記電流制御手段は、前記燃料電池から出力される電気エネルギを電源として前記一対の電極間への印加電圧を生成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記電流制御手段は、
前記燃料電池の出力電圧を前記一対の電極間への印加電圧に変換する電圧変換手段（２６）と、
前記電圧変換手段（２６）により前記一対の電極間への印加電圧を制御する印加電圧制御手段（１００ａ）と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記電流制御手段は、前記燃料電池の発電時における出力電圧が所望の目標出力電圧を下回っている際に、前記一方の電極から前記他方の電極へ流れる電流量が増加するように前記一対の電極間に電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料富化装置を通過した前記燃料オフガス、および前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスを混合して燃焼させることで、前記燃料電池の発電に必要とされる熱を生成する燃焼装置（１５）を備え、
前記電流制御手段は、前記燃焼装置にて生成する熱量が所望の目標熱量以上となっている際には、前記一方の電極から前記他方の電極へ流れる電流量が増加するように前記一対の電極間に電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃料富化装置を通過した前記燃料オフガス、および前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスを混合して燃焼させることで、前記燃料電池の発電に必要とされる熱を生成する燃焼装置（１５）を備え、
前記電流制御手段は、前記燃焼装置にて生成する熱量が所望の目標熱量を下回っている際には、前記一方の電極から前記他方の電極へ流れる電流量が減少するように前記一対の電極間に電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温型の燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池として高温で作動する固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）を備える燃料電池システムが存在する。

【0003】

このような燃料電池システムでは、燃料電池に供給される燃料ガス（改質ガス）中に燃料電池１の発電に寄与しない不活性ガス（例えば、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２）が多量に含まれており、燃料濃度が低く発電効率が悪いといった問題がある。

【0004】

一方、燃料電池への燃料ガスの供給不足による燃料電池内部の酸化劣化を避けるために、燃料電池への燃料ガスの量を発電に必要とされる量よりも過剰に供給しており、燃料電池から排出される燃料オフガスに未反応燃料が多く含まれている。

【0005】

これら未反応燃料は、燃料電池の発電に必要とされる熱（改質に必要とされる熱や反応ガスの余熱等）を生成するために利用されるものの熱余りが生ずることがあり、燃料オフガスの未反応燃料を充分に活用できないことがある。

【0006】

そこで、燃料オフガスを燃料ガスの供給経路に再循環させることで未反応燃料を再利用することも検討されているが、燃料オフガスには、燃料電池内での酸化反応により、燃料ガス以上に不活性ガスが含まれており、未反応燃料を有効に活用することが難しいといった問題がある。

【0007】

これに対して、例えば、特許文献１には、燃料ガスの供給経路に燃料オフガスを再循環させる循環経路に不活性ガスを除去する手段を設けることで、燃料濃度の向上および燃料オフガスに含まれる未反応燃料の有効活用するシステムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特表２００６−５００７５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料濃度の向上および燃料オフガスに含まれる未反応燃料の有効活用を図るために、燃料オフガスを循環させる循環経路を設けると共に、当該循環経路にシフト反応器、凝縮器、ＣＯ_２分離器といった多数の機器を配置する必要があり、システム構成が複雑化するといった問題がある。

【0010】

本発明は上記点に鑑みて、簡素なシステム構成で燃料濃度の向上および燃料オフガスに含まれる未反応燃料の有効活用を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、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燃料電池（１）と、酸素イオン伝導性を有する電解質体（２１）、電解質体の両側に配置された一対の電極（２２、２３）を含んで構成される燃料富化装置（２０）と、一対の電極における一方の電極（２２）を介して、燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス経路（１１）と、一対の電極における他方の電極（２３）を介して、燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス経路（１３）と、一対の電極間に電圧を印加することで前記一対の電極間に流れる電流を制御する電流制御手段（２６、１００ａ）と、を備える。そして、電流制御手段は、燃料電池の発電時に、少なくとも一方の電極から前記他方の電極へ電流が流れるように一対の電極間に電圧を印加することで、電解質体を介して一対の電極間で酸素イオンを移動させることを特徴とする。

【0012】

このように、燃料富化装置にて、燃料オフガスに含まれる未反応燃料と燃料ガスに含まれる不活性ガスを電気化学反応させることで、一対の電極間で酸素イオンを移動可能（酸素ポンピング可能）な構成とすれば、燃料オフガスを燃料ガス経路に再循環させる循環経路を設けることなく、燃料電池の発電時に、燃料電池に供給する燃料ガスの燃料濃度を増加させること（燃料リッチ）ができる。従って、簡素なシステム構成で燃料濃度の向上および未反応燃料の有効活用を図ることができる。

【0013】

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料富化装置の一対の電極へ印加する印加電圧の試算結果を説明するための説明図である。

【図3】第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

【図4】第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

【図5】第３実施形態に係る制御装置が実行する電流制御処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】燃料電池における出力電圧と燃料利用率との関係を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

【0016】

（第１実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、図１の全体構成図に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池１を備えている。

【0017】

本実施形態の燃料電池１は、酸素イオン伝導性を有する電解質体１０ａ、燃料ガスが供給される燃料極（アノード電極）１０ｂ、空気が供給される空気極（カソード電極）１０ｃ等を有する複数の電池セル１０を接合部材（インタコネクタ）を介して接続した固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。

【0018】

固体電解質型燃料電池は、その作動温度が５００℃〜１０００℃といった高温に設定される高温型の燃料電池である。なお、説明の便宜のため、図１では、燃料電池１を単一の電池セルとして図示している。

【0019】

本実施形態の燃料電池１は、炭化水素系の原料であるメタンガス（ＣＨ_４）を改質した改質ガス（Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２）を燃料ガスとし、空気（Ｏ_２等）を酸化剤ガスとしている。

【0020】

燃料電池１では、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、電気エネルギが出力される。
（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１では、以下の反応式Ｆ３、Ｆ４に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ_２＋４ｅ⁻…Ｆ３
（空気極）Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−…Ｆ４
続いて、燃料電池１の燃料極１０ｂの入口側には、燃料ガスを供給するための燃料ガス経路１１が接続されている。この燃料ガス経路１１には、燃料流れ上流側から順に、燃料用ブロワ１１１、改質器１１２等が設けられている。

【0021】

燃料用ブロワ１１１は、原料であるメタンガスを下流側へ圧送する圧送手段である。改質器１１２は、水供給経路１１３の水ポンプ１１４により供給される水（水蒸気）とメタンガスとを混合した混合ガスを加熱して、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成手段である。

【0022】

具体的には、改質器１１２にメタンガスおよび水蒸気が供給されると、以下の反応式Ｆ５、Ｆ６で示すように水蒸気改質反応および水性シフト反応によって燃料ガスが生成される。
（水蒸気改質反応）ＣＨ_４＋３Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ…Ｆ５
（水性シフト反応）ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２…Ｆ６
このように、改質器１１２にて生成された燃料ガスには、水素（Ｈ_２）一酸化炭素（ＣＯ）以外にも燃料電池１の発電に寄与しない水蒸気（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）といった不活性ガスが含まれており、燃料濃度が低い燃料リーンなガスとなっている。

【0023】

なお、改質器１１２にて行う改質は、水蒸気改質に限らず部分酸化改質等としてもよい。この場合、以下の反応式Ｆ７で示す改質反応により燃料ガスが生成される。
（改質反応）ＣＨ_４＋１／２Ｏ_２＋２Ｎ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ＋２Ｎ_２…Ｆ７
改質器１１２にて生成された燃料ガスは、後述する燃料富化装置２０にて燃料濃度が増加された後、燃料電池１の水素極１０ｂ側に導入される。なお、改質器１１２は、後述する燃焼器１５で生成した燃焼ガスの高熱を熱源として、混合ガスを加熱するように構成されている。

【0024】

一方、燃料電池１の空気極１０ｃ側の入口側には、空気を供給するための空気供給経路１２が接続されている。この空気供給経路１２には、空気流れ上流側から順に、空気用ブロワ１２１、空気予熱器１２２等が設けられている。

【0025】

空気用ブロワ１２１は、酸化剤ガスである空気を下流側へ圧送する圧送手段である。空気予熱器１２２は、燃料電池１の空気極１０ｃに導入する空気を予め加熱する加熱手段である。空気予熱器１２２は、空気極１０ｃに導入される空気と燃料極１０ｂに導入される高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、燃料電池１における発電効率の向上を図るために設けられている。なお、空気予熱器１２２は、後述する燃焼器１５で生成した燃焼ガスの高熱を熱源として、混合ガスを加熱するように構成されている。

【0026】

ここで、図示しないが、燃料ガス経路１１、および空気供給経路１２それぞれには、燃料極１０ｂに供給する燃料ガスの供給量を調整する調整弁や、空気極１０ｃに供給する空気の供給量を調整する調整弁等が設けられている。

【0027】

燃料電池１の燃料極１０ｂの出口側には、燃料オフガスを排出する燃料オフガス経路１３が接続され、空気極１０ｃの出口側には、酸化剤オフガスである空気を排出する空気排出経路１４が接続されている。

【0028】

燃料オフガス経路１２には、後述する燃料富化装置２０を通過した燃料オフガスに含まれる未反応燃料を、空気排出経路１４を流れる空気と混合して燃焼させる燃焼装置１５が設けられている。

【0029】

燃焼装置１５は、燃料オフガスと空気とを混合して燃焼させることで、燃料電池１の発電に必要とされる高温の熱を生成するものである。この燃焼装置１５には、燃焼装置１５で生じた高温の燃焼ガスを外部に排出する燃焼ガス経路１６が接続されている。この燃焼ガス経路１６には、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に改質器１１３、空気予熱器１２２といった加熱対象機器を経由するように構成されている。

【0030】

次に、燃料富化装置２０について説明する。燃料富化装置２０は、燃料オフガス経路１３を流れる燃料オフガスに含まれる未反応燃料を利用して、燃料ガス経路１１を流れる燃料ガスの燃料濃度を向上させる装置である。燃料富化装置２０は、燃料電池１と同様に、酸素イオン伝導性を有する電解質体２１、電解質体２１の両側に配置された一対の電極２２、２３、図示しない燃料ガス流路および燃料オフガス流路で構成されている。なお、燃料富化装置２０の一対の電極のうち、一方の電極２２は、燃料ガス流路に隣接して配置され、他方の電極２３は、燃料オフガス流路に隣接して配置されている。

【0031】

燃料富化装置２０には、一対の電極間に電圧を印加する電圧印加装置２４が接続されている。本実施形態の電圧印加装置２４は、燃料富化装置２０の作動電源を構成しており、後述する制御装置１００からの制御信号に応じて、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３へ外部回路（図示略）を通じて電流が流れ、一対の電極２２、２３間の電解質体２１を介して酸素イオンが移動するように、一対の電極２２、２３に電圧を印加する。本実施形態では、燃料富化装置２０における一方の電極２２がカソード電極を構成し、他方の電極２３がアノード電極を構成している。

【0032】

電圧印加装置２４にて燃料富化装置２０の一対の電極２２、２３に所定の電圧が印加されると、電気化学反応により、一方の電極２２から他方の電極２３へと酸素イオンが移動すること（酸素ポンピング）により、一方の電極２２側（カソード電極）における燃料ガスの燃料濃度が高められる。

【0033】

ここで、本実施形態の燃料富化装置２０の一対の電極２２、２３へ印加する印加電圧について説明する。燃料富化装置２０に供給される燃料オフガスは、燃料電池１における電気化学反応により酸素リッチなガスとなっており、燃料ガスおよび燃料オフガスにおける酸素ポテンシャル差が小さいことから、微小な電圧を一対の電極２２、２３へ印加することで、酸素ポンピングを実現することができる。

【0034】

図２は、燃料富化装置２０の一対の電極２２、２３へ印加する印加電圧の試算結果の説明図である。なお、図２における「丸プロット」が燃料富化装置２０の一方の電極２２に供給される直前の燃料濃度（酸素濃度）を示し、「四角プロット」が燃料富化装置２０の他方の電極２３に供給される直前の燃料濃度を示している。また、図２における「三角プロット」が燃料富化装置２０の一方の電極２２を通過直後の燃料濃度を示し、「菱形プロット」が燃料富化装置２０の他方の電極２３を通過直後の燃料濃度を示している。さらに、図２における「×プロット」が一対の電極２２、２３間に発生する開回路電圧を示している。

【0035】

図２に示すように、燃料富化装置２０の一方の電極２２を通過直後の燃料濃度は、一方の電極２２に供給される直前よりも増加し、燃料富化装置２０の他方の電極２３を通過直後の燃料濃度は、他方の電極２３に供給される直前よりも減少していることが分かる。

【0036】

この際、一対の電極２２、２３間に発生する開回路電圧は、例えば、７５０℃の環境下において約マイナス７０ｍＶであり、この開回路電圧の正負を逆転した７０ｍＶ以上の微小な電圧を一対の電極２２、２３間に印加するだけで、酸素ポンピングを実現可能であることが分かる。

【0037】

次に、本実施形態における電子制御部の概要を説明すると、制御装置１００はＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭといった記憶手段等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成され、記憶手段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対象機器の作動を制御する制御手段である。

【0038】

制御装置１００の出力側には、制御対象機器として燃料用ブロワ１１１、水ポンプ１１４、空気用ブロワ１２１、電圧印加装置２４等が接続されている。これら制御対象機器は、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。

【0039】

制御装置１００の入力側には、燃料電池１の出力電圧を検出する出力電圧検出手段を構成する電圧センサ１０１、燃焼装置１５で生成される熱量として、燃焼ガス経路１３を流れる燃焼ガスの温度（排熱温度）を検出する排熱温度検出手段を構成する温度センサ１０２等が接続されている。なお、温度センサ１０２としては、燃焼装置１５で生成される熱量を把握可能であれば、燃焼ガス経路１３を流れる燃焼ガスの温度以外を検出するものを採用してもよい。

【0040】

また、本実施形態の制御装置１００は、燃料電池１０の発電時に、電圧印加装置２４を電源として、燃料富化装置２０の一対の電極２２、２３間に流れる電流を制御する電流制御処理を実行する。なお、本実施形態では、制御装置１００における電流制御処理を実行する構成１００ａが電流制御手段を構成している。

【0041】

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池システムの運転が開始されると、制御装置１００が各制御対象機器へ所定の制御信号を出力する。なお、制御装置１００は、電流制御処理として、燃料富化装置２０の一対の電極２２、２３の一方の電極２２から他方の電極２３へ外部回路を通じて電流が流れ、電解質体２１を介して酸素イオンが移動するように、電圧印加装置２４に対して一対の電極２２、２３間への所定の電圧の印加を指示する制御信号を出力する。これにより、燃料用ブロワ１１１、水ポンプ１１４、空気用ブロワ１２１、電圧印加装置２４等が作動する。

【0042】

空気供給経路１２では、空気用ブロワ１２１にて圧送された空気が空気予熱器１２２にて加熱され、当該加熱された空気が燃料電池１の空気極１０ｃに供給される。

【0043】

一方、燃料ガス経路１１では、燃料用ブロワ１１１にて圧送されたメタンガスが、水ポンプ１１４にて圧送された水蒸気に混合され、改質器１１２にて燃料ガス（燃料リーン）に改質される。そして、改質器１１２にて生成された燃料ガスは、燃料富化装置２０の一方の電極２２にて燃料濃度が高められた後、燃料リッチな燃料ガスが燃料電池１の燃料極１０ｂに供給される。

【0044】

燃料電池１は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の化学式Ｆ１〜Ｆ４に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

【0045】

燃料電池１から排出された燃料オフガスは、燃料富化装置２０の他方の電極２３を介して燃焼装置１５へ流れ、燃料電池１から排出された空気と共に燃焼装置１５にて燃焼される。そして、燃焼装置１５にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路１６を介して改質器１１３の加熱源、空気予熱器１２２の加熱源として利用された後に外部へ排出される。

【0046】

以上説明した本実施形態の燃料電池システムでは、燃料富化装置２０において、燃料オフガスに含まれる未反応燃料と燃料ガスに含まれる不活性ガスを電気化学反応させることで、燃料ガス側から燃料オフガス側へ酸素イオンを移動可能（酸素ポンピング可能）なシステム構成としている。このため、燃料オフガスを燃料ガス経路１１に再循環させる循環経路を設けることなく、燃料電池１の発電時に、燃料電池１に供給する燃料ガスの燃料濃度を増加させること（燃料リッチ）ができるので、簡素なシステム構成で燃料濃度の向上および未反応燃料の有効活用を図ることができる。

【0047】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態では、燃料電池１から出力される電気エネルギを燃料富化装置２０の作動電源としている点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

【0048】

図３の全体構成図に示すように、本実施形態の燃料富化装置２０は、一対の電極２２、２３間に電圧を印加するために燃料電池１が接続されており、燃料電池１が燃料富化装置２０の作動電源を構成している。燃料電池１は、制御装置１００からの制御信号に応じて、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３へと外部回路を通じて電流が流れ、電解質体２１を介して酸素イオンが移動するように、一対の電極２２、２３に電圧を印加する。

【0049】

その他のシステム構成は、第１実施形態と同様であり、本実施形態では、第１実施形態と同様に、燃料電池１の発電時に、燃料富化装置２０において、燃料ガス側から燃料オフガス側へ酸素イオンを移動させることで、燃料ガスの燃料濃度を高めることができる。従って、簡素なシステム構成で燃料濃度の向上および未反応燃料の有効活用を図ることができる。

【0050】

これに加えて、本実施形態では、燃料電池１から出力される電気エネルギを燃料富化装置の作動電源としており、電圧印加装置２４のような外部電源を用意する必要がないので、燃料電池システムのシステム構成をより簡素化することができる。

【0051】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態では、燃料電池１から出力される電気エネルギ（出力電圧）を燃料富化装置２０の作動電圧（印加電圧）に変換する電圧変換器２６を設けている点が第２実施形態と相違している。本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

【0052】

図４の全体構成図に示すように、本実施形態の燃料富化装置２０は、電圧変換器２６を介して燃料電池１に接続されており、燃料電池１が燃料富化装置２０の作動電源を構成している。

【0053】

電圧変換器２６は、燃料電池１の出力電圧を燃料富化装置２０の一対の電極２２、２３への印加電圧に変換する電圧変換手段である。本実施形態の電圧変換器２６は、制御装置１００からの制御信号に応じて、一対の電極２２、２３への印加電圧を調整可能に構成されている。

【0054】

ここで、本実施形態の電圧変換器２６は、制御装置１００における電流制御処理を実行する構成１００ａと共に電流制御手段を構成している。なお、本実施形態の制御装置１００における電流制御処理を実行する構成１００ａは、電圧変換器２６により一対の電極２２、２３間へ印加する印加電圧を制御する印加電圧制御手段を構成している。

【0055】

本実施形態の制御装置１００は、電圧変換器２６にて一対の電極２２、２３への印加電圧を調整することで、一方の電極２２から他方の電極２３へと流れる電流量を調整（制御）することができる。

【0056】

その他の構成は、第１、第２実施形態で説明したシステム構成と同様である。

【0057】

次に、本実施形態の制御装置１００が行う電流制御処理について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図５に示す制御ルーチンは、燃料電池１の発電中に周期的または外部からの指示信号に応じて実行される。

【0058】

まず、各種センサから出力される出力信号（センサ信号）を読み込む（Ｓ１０）。具体的には、電圧センサ１０１にて検出された燃料電池１の出力電圧を読み込むと共に、温度センサ１０２にて検出される排熱温度を読み込む。

【0059】

続いて、ステップＳ１０にて読み込んだ燃料電池１の出力電圧が所望の目標出力電圧以上であるか否かを判定する（Ｓ２０）。ここで、目標出力電圧は、燃料電池１から電力を供給する電力供給機器からの要求電圧に応じて制御装置１００にて決定される。

【0060】

ステップＳ２０の判定処理の結果、燃料電池１の出力電圧が目標出力電圧を下回っていると判定された場合（Ｓ２０：ＮＯ）には、目標出力電圧を得るために必要とされる必要燃料濃度（必要富化量）を算出する（Ｓ３０）。

【0061】

ここで、燃料電池１の出力電圧は、図６の説明図に示すように、燃料電池１における燃料利用率Ｕｆ（＝燃料消費量／燃料供給量）の低下（燃料濃度の増加）に伴い増大するといった関係がある。

【0062】

そこで、ステップＳ３０では、出力電圧と燃料濃度または燃料利用率Ｕｆとの相関関係に基づいて、目標出力電圧を得るために必要とされる必要燃料濃度を算出する。ステップＳ３０では、例えば、予め出力電圧と燃料濃度との関係を規定したマップを制御装置１００の記憶手段に記憶しておき、当該マップを参照して燃料電池１の目標出力電圧から必要燃料濃度を算出すればよい。

【0063】

続いて、燃料富化装置２０において、燃料電池１に供給する燃料ガスの燃料濃度をステップＳ３０にて算出した必要燃料濃度とするために必要となる必要電流量を算出する（Ｓ４０）。なお、例えば、予め必要燃料濃度と必要電流量との関係を規定したマップを制御装置１００の記憶手段に記憶しておき、当該マップを参照してステップＳ３０で算出した必要燃料濃度から必要電流量を算出すればよい。

【0064】

続いて、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３へとステップＳ４０で算出した必要電流量が流れるように、一対の電極２２、２３間への印加電圧を増加させて（Ｓ５０）、電流制御処理を抜ける。

【0065】

一方、ステップＳ２０の判定処理の結果、燃料電池１の出力電圧が目標出力電圧以上と判定された場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）には、さらに、ステップＳ１０にて読み込んだ排熱温度が所望の目標温度以上であるか否かを判定する（Ｓ６０）。

【0066】

この結果、排熱温度が目標温度以上であると判定された場合（Ｓ６０：ＹＥＳ）には、燃焼装置１５にて生成する熱量が熱余り状態であると判断できる。このため、燃料オフガスに含まれる未反応燃料を有効利用すべく、ステップＳ３０〜Ｓ５０に移行して、燃料電池１へ供給する燃料ガスの燃料濃度が高まるように、一対の電極２２、２３間への印加電圧を増加させる。

【0067】

また、ステップＳ６０の判定処理の結果、排熱温度が目標温度を下回っていると判定された場合（Ｓ６０：ＮＯ）には、燃焼装置１５にて生成する熱量が不足状態であると判断できることから、燃料電池１から排出される燃料オフガス中の燃料濃度が即座に高まるように、一対の電極２２、２３間への印加電圧を減少させて（Ｓ７０）、電流制御処理を抜ける。

【0068】

ここで、ステップＳ７０では、単に一対の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流が小さくなるように一対の電極２２、２３間へ電圧を印加する場合に限らず、例えば、一対の電極２２、２３間への印加電圧を停止することで、一対の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流が減少させてもよい。また、他方の電極２３から一方の電極２２へ電流が外部回路を通じて流れ、電解質体２１を介して酸素イオンが移動するように、一対の電極２２、２３間へ電圧（負電圧）を印加することで、一対の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流が減少させてもよい。この場合、燃料富化装置２０における一方の電極２２がアノード電極を構成し、他方の電極２３がカソード電極を構成することとなる。

【0069】

以上説明した本実施形態によれば、燃料富化装置２０にて、燃料ガスの燃料濃度を高めることができるので、第１、第２実施形態と同様に、簡素なシステム構成で燃料濃度の向上および未反応燃料の有効活用を図ることができる。

【0070】

これに加えて、本実施形態では、燃料電池１の発電中において、燃料電池１の出力電圧が低下している場合に、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流量を増加させ、燃料電池１に供給する燃料ガスの燃料濃度を増加させるので、燃料電池１の出力電圧の増加を図ることができる。

【0071】

また、本実施形態では、燃料電池１の発電中において、燃焼装置１５にて生成する熱量が所望の目標熱量以上となっている場合に、一方の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流量を増加させ、燃料電池１に供給する燃料ガスの燃料濃度を増加させるので、燃焼装置１５にて熱余りを抑制して燃料電池１の出力電圧を効率よく増加させることができる。

【0072】

さらに、本実施形態では、燃料電池１の発電中において、燃焼装置１５にて生成する熱量が所望の目標熱量を下回っている場合に、一方の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流量を減少させ、燃料電池１から排出される燃料オフガス中の燃料濃度が即座に高めるようにしているので、燃焼装置１５にて生成する熱量の不足状態を解消することが可能となる。

【0073】

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、種々変形可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。

【0074】

（１）上述の各実施形態では、燃料電池１として高温で作動する固体酸化物型燃料電池を備える燃料電池システムの例について説明したが、これに限らず、例えば、高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池を備える燃料電池システムに適用することができる。

【0075】

（２）上述の第３実施形態では、燃料富化装置２０の作動電源を燃料電池１とする例について説明したが、これに限らず、例えば、第１実施形態の如く、燃料富化装置２０の作動電源を電圧印加装置２４としてもよい。

【0076】

（３）上述の第３実施形態で説明したように、制御装置１００の電流制御処理において、燃料電池１の出力電圧、および燃焼装置１５にて生成する熱量に応じて、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３に流す電流量を制御することが望ましいが、これに限定されない。

【0077】

例えば、制御装置１００の電流制御処理において、燃料電池１の出力電圧だけに応じて、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３に流す電流量を制御するようにしてもよい。

【0078】

また、制御装置１００の電流制御処理において、燃焼装置１５にて生成する熱量だけに応じて、燃料富化装置２０の一方の電極２２から他方の電極２３に流す電流量を制御するようにしてもよい。この場合、一方の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流量を増加させる処理、および一方の電極２２から他方の電極２３へ流れる電流量を減少させる処理の一方だけを行うようにしてもよい。

【符号の説明】

【0079】

１ 燃料電池
１１ 燃料ガス経路
１３ 燃料オフガス経路
２０ 燃料富化装置
２１ 電解質体
２２ 一方の電極
２３ 他方の電極
２６ 電圧変換器（電圧変換手段、電流制御手段）
１００ａ 制御装置の一部（印加電圧制御手段、電流制御手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】