特開 2024-155121 燃料電池用の燃焼器ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024155121

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】燃料電池用の燃焼器ユニット

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04014 20160101AFI20241024BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20241024BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241024BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20241024BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04014

H01M8/2475

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023069552

(22)【出願日】2023-04-20

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三島 航平

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 秀貴

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA28

5H126BB06

5H126FF10

5H127AA07

5H127AB22

5H127BA01

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA14

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA37

5H127BA47

5H127BA57

5H127BA59

5H127BA60

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB24

5H127BB27

5H127BB37

5H127EE03

(57)【要約】

【課題】高い還流率で残余燃料ガスを還流させても、燃料電池モジュールの温度を適正温度に保つ。
【解決手段】燃料電池用の燃焼器ユニットは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、断熱性を有し燃料電池モジュールを収容するモジュールケースと、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給路と、酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給路と、を備える燃料電池システムのモジュールケース内に設けられる。燃焼器ユニットは、燃料電池からの残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、燃料ガス供給路の少なくとも一部と燃焼器とを同一空間内に収容するハウジングと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、断熱性を有し前記燃料電池モジュールを収容するモジュールケースと、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給路と、を備える燃料電池システムにおいて、前記モジュールケース内に設けられる燃料電池用の燃焼器ユニットであって、
前記燃料電池からの残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料ガス供給路の少なくとも一部と前記燃焼器とを同一空間内に収容するハウジングと、
を備える燃料電池用の燃焼器ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池用の燃焼器ユニットであって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池からの残余燃料ガスが流れる残余燃料ガス流路を備え、
前記ハウジングは、前記残余燃料ガス流路の少なくとも一部を内部に収容する、
燃料電池用の燃焼器ユニット。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池用の燃焼器ユニットであって、
前記ハウジング内に収容される残余燃料ガス流路は、前記ハウジング内に収容される燃料ガス供給路の内部を貫通する、
燃料電池用の燃焼器ユニット。

【請求項4】

請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池用の燃焼器ユニットであって、
前記ハウジング内に収容される燃料ガス供給路は、少なくとも１つの折り返し部を有する、
燃料電池用の燃焼器ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、燃料電池用の燃焼器ユニットについて開示する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料電池スタックと、燃焼器と、燃料電池スタックから排出される燃料極オフガスを燃料電池スタックに循環させるリサイクル燃料ラインと、を備える固体酸化物形燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。リサイクル燃料ラインは、燃料極オフガスに含まれる水蒸気を脱湿する凝縮器と、凝縮器の下流に配置されて燃料極オフガスの一部を燃焼器に分配する分配部と、が設けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－２３０９２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した燃料電池システムでは、燃料電池スタックに還流させる燃料極オフガスの割合（還流率）を高くすることで、高いエネルギ効率を実現することができる。しかしながら、還流率が高くなるほど、燃焼器に対する燃料極オフガスの分配量が減少することから、燃料電池モジュール（例えば、燃料電池スタック）の温度を適正温度に保つための熱量に不足が生じるおそれがある。

【0005】

本開示の燃料電池用の燃焼器ユニットは、燃料電池からの残余燃料ガスの一部を還流させると共に残りを燃焼部に供給する燃料電池システムに適用されるものにおいて、高い還流率で残余燃料ガスを還流させても、燃料電池モジュールの温度を適正温度に保つことを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の燃料電池用の燃焼器ユニットは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本開示の燃料電池用の燃焼器ユニットは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池を含む燃料電池モジュールと、断熱性を有し前記燃料電池モジュールを収容するモジュールケースと、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給路と、を備える燃料電池システムにおいて、前記モジュールケース内に設けられる燃料電池用の燃焼器ユニットであって、
前記燃料電池からの残余燃料ガスと残余酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料ガス供給路の少なくとも一部と前記燃焼器とを同一空間内に収容するハウジングと、
を備えることを要旨とする。

【0008】

この本開示の燃料電池用の燃焼器ユニットは、燃料ガス供給路の少なくとも一部と燃焼器とを同一空間内に収容するハウジングを備える。これにより、燃料ガス供給路を流れる燃料ガスを燃焼器からの燃焼熱や燃焼排ガスによって効率よく加熱することができる。この結果、少ない残余燃料ガスであっても、燃料電池の温度を適切に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態の燃焼器ユニットを含む燃料電池システムの概略構成図である。

【図2】燃焼器ユニットの外観斜視図である。

【図3】燃焼器ユニットの側面図である。

【図4】他の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

【0011】

図１は、本実施形態の燃料電池システム１０の概略構成図である。実施形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０を備える。また、燃料電池システム１０は、発電モジュール２０の運転に必要な各種補機として、燃料ガス（水素ガス）を発電モジュール２０に供給する燃料供給系４０や、酸化剤ガス（エア）を発電モジュール２０に供給するエア供給系５０、循環系６０、発電モジュール２０の発電に伴って生成される排熱を回収する排熱回収系７０等を備える。

【0012】

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１の他に、本実施形態の燃焼器ユニット３０や、熱交換器３６，３７を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。

【0013】

燃料電池スタック２１は、安定化ジルコニア（例えばＹＳＺ）等からなる電解質と、当該電解質の一方の面側に配置されるＮｉ等の触媒金属と安定化ジルコニア等との複合体からなる燃料極と、当該電解質の他方の面側に配置されるＬＳＣＦ等の空気極と、をそれぞれ含む複数の固体酸化物形の単セルを備える。燃料電池スタック２１は、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により発電する。

【0014】

燃料電池スタック２１の燃料極入口には、燃料ガス供給管２２の一端が接続され、燃料ガス供給管２２の他端には、燃料供給系４０が接続されている。燃料電池スタック２１の空気極入口には、酸化剤ガス供給管２３の一端が接続され、酸化剤ガス供給管２３の他端には、エア供給系５０が接続されている。また、酸化剤ガス供給管２３は、エア供給系５０から熱交換器３７、熱交換器３６を順に通過して空気極入口に至るように配管されている。

【0015】

また、燃料電池スタック２１の燃料極出口には、燃料極オフガス配管２４の一端が接続され、燃料極オフガス配管２４の他端には、モジュールケース２９外に設けられた循環系６０（凝縮器６１）に接続されている。燃料電池スタック２１の空気極出口には、空気極オフガス配管２５の一端が接続され、空気極オフガス配管２５の他端には、燃焼器ユニット３０の燃焼器３１が接続されている。

【0016】

本実施形態の燃焼器ユニット３０は、図２および図３に示すように、燃焼器３１と、予熱器３２と、燃焼器３１と予熱器３２とを同一空間内に収容するハウジング３５と、を備える。ハウジング３５は、上下方向に延在する空間が形成されると共に底部に燃焼器３１を収容する燃焼器収容部３５ａと、燃焼器収容部３５ａの上部空間から水平方向に延在する空間が形成されると共に予熱器３２を収容する予熱器収容部３５ｂと、を有する。

【0017】

燃焼器３１は、燃料極オフガスと空気極オフガスとの混合ガスを燃焼させるものであり、燃焼器３１には、当該混合ガスを着火させるための着火器（図示せず）が設けられている。燃焼器３１で混合ガスの燃焼に伴って生成される燃焼排ガスは、燃焼器収容部３５ａから予熱器３２と予熱器収容部３５ｂとの間の隙間を通り、予熱器収容部３５ｂの上面に設けられた開口部３５ｏを介してハウジング３５外へ排出される。ハウジング３５外へ排出された燃焼排ガスは、熱交換器３７を通過してからモジュールケース２９外に設置された排熱回収系７０に供給された後、外気へ排出される。

【0018】

予熱器３２は、燃料供給系４０からの燃料ガスが流れる燃料ガス流路を有し、燃焼器３１の燃焼熱や燃焼排ガスからの熱により当該燃料ガス流路を流れる燃料ガスを予熱するものである。予熱器３２の燃料ガス流路は、折り返し部３２ｔを有する略Ｕ字状の流路であり、燃料供給系４０からの燃料ガスが一方向に流れた後、押し返し部３２ｔで折り返して逆方向に流れるように形成される。なお、折り返し部３２ｔは、１つに限られず、複数有してもよい。例えば、略Ｓ字状の流路を形成するように２つの押し返し部を有してもよいし、略Ｗ字状の流路を形成するように３つの折り返し部を有してもよい。また、予熱器３２のガス流路は、押し返し部を備えず、例えば、直線状の流路やクランク状に屈曲した流路等により形成されてもよい。

【0019】

予熱器３２は、上述したように、ハウジング３５により燃焼器３１と同一空間内に収容され、当該予熱器３２の上面、下面および側面がハウジング３５（予熱器収容部３５ｂ）の対応する壁面に対してそれぞれ隙間を有するように設置される。これにより、本実施形態の燃焼器ユニット３０は、燃焼器３１の燃焼に伴って発生する燃焼熱が予熱器３２に直接に伝達されることに加えて、燃焼器３１で生成される高温の燃焼排ガスが予熱器３２を経由して排出される構造とされる。すなわち、燃焼器３１で生成される燃焼排ガスは、上述した折り返し部３２ｔにより略Ｕ字状に形成された燃料ガス流路を有する予熱器３２のＵ字の間や予熱器３２とハウジング３５との間の隙間を通過してから排出される。これにより、予熱器３２と燃焼排ガスとの熱交換面を増やして、予熱器３２を流れる燃料ガスを良好に昇温させることができる。

【0020】

さらに、予熱器３２のガス流路内には、燃料極オフガス配管２４が貫通し、当該貫通部分には、燃料極オフガス配管２４を流れる燃料極オフガスと燃料供給系４０からの燃料ガスとを熱交換するための熱交換部３３が形成されている。これにより、予熱器３２を流れる燃料ガスを、燃焼器３１からの燃焼熱や燃焼排ガスと燃料電池スタック２１からの燃料極オフガスとにより内外から加熱して昇温させることができる。

【0021】

燃料供給系４０は、水素供給源（例えば水素タンク１）に一端が接続されると共に予熱器３２（ガス流路）の入口に他端が接続された水素供給管４１と、水素供給管４１に設置された水素ブロワ４４と、を有する。水素ブロワ４４を作動させることにより、燃料ガスとしての水素ガスが予熱器３２に供給される。また、水素供給管４１における水素ブロワ４４の上流側には、ゼロガバナ４３（均圧弁）が設置されており、当該ゼロガバナ４３の上流側には、負圧防止弁（図示せず）や開閉弁４２（２連弁）、流量センサ（図示せず）等が設置されている。発電モジュール２０に供給された水素ガスは、予熱器３２に導入され、燃焼器３１からの燃焼熱や高温の燃焼排ガス、予熱器３２内の熱交換部３３を通過する燃料極オフガスとの熱交換により昇温させられた後、燃料ガス供給管２２を介して燃料電池スタック２１の燃料極に供給される。

【0022】

エア供給系５０は、エア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアブロワ５３と、を有する。エアブロワ５３を作動させることにより、フィルタ５２からエアが吸引されると共に吸引されたエアが発電モジュール２０へと圧送（供給）される。また、エア供給管５１には、流量センサ（図示せず）が設置されている。発電モジュール２０に導入されたエアは、熱交換器３７で燃焼排ガスとの熱交換により昇温させられ、熱交換器３６で燃料極オフガスとの熱交換により昇温させられた後、燃料電池スタック２１の空気極に供給される。

【0023】

循環系６０は、燃料極オフガス配管２４の他端に接続されると共に冷却水と熱交換可能な熱交換流路を有する凝縮器６１と、凝縮器６１と熱利用機器（図示せず）とを接続する循環配管６４と、循環配管に設置された循環ポンプ（図示せず）と、を備える。循環ポンプを作動させることで、燃料電池スタック２１の燃料極側から排出されて凝縮器６１に供給された燃料極オフガスは、循環配管６４を循環する冷却水との熱交換により、冷却させられ、凝縮させられる。これにより、燃料極オフガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部が除去される。

【0024】

また、循環系６０は、熱交換流路の出口に接続された凝縮後燃料極オフガス配管６２と、凝縮後燃料極オフガス配管６２から分岐して燃焼器３１に接続された燃焼用燃料極オフガス配管６３と、凝縮後燃料極オフガス配管６２から分岐して燃料供給系４０の水素供給管４１における水素ブロワ４４とゼロガバナ４３との間に接続された還流配管６５と、還流配管６５に設置された調整弁６６（電磁弁）とを備える。調整弁６６を開弁することにより、凝縮器６１を通過した燃料極オフガスの一部を還流させて燃料供給系４０から燃料電池スタック２１の燃料極に供給することができる。これにより、凝縮後の燃料極オフガスを燃料ガスとして再利用することで、エネルギ効率をより向上させることができる。なお、還流配管６５には、調整弁６６に代えてオリフィスが設けられてもよい。また、凝縮器６１を通過した燃料極オフガスの残りは、燃焼用燃料極オフガス配管６３を介して燃焼器３１へ供給され、燃焼器３１にて燃焼させられる。

【0025】

排熱回収系７０は、燃焼排ガスの排熱の少なくとも一部を回収するものである。例えば、排熱回収系７０は、モジュールケース２９外に設置されると共に燃焼排ガス配管２６に接続された熱交換器７１と、蓄熱タンク（図示せず）と、熱交換器７１と蓄熱タンクとを接続する循環配管７２と、循環配管７２に設置された循環ポンプ（図示せず）とにより構成することができる。循環ポンプを作動させることにより、熱交換器７１に供給された燃焼排ガスは、蓄熱タンク内の熱交換流体と熱交換され、当該燃焼排ガスの排熱の少なくとも一部が、蓄熱タンクに回収される。

【0026】

次に、こうして構成された燃料電池システム１０の動作について説明する。

【0027】

燃料電池スタック２１の燃料極には、燃料ガスとして燃料供給系４０により供給される水素ガスが燃料ガス供給管２２を介して導入され、燃料電池スタック２１の空気極には、酸化剤ガスとしてエア供給系５０により供給されるエアが酸化剤ガス供給管２３を介して導入される。そして、空気極では、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過して燃料極で水素と反応することにより電気エネルギが得られる。

【0028】

各単セルの燃料極において電気化学反応（発電）に使用されなかった燃料極オフガスは、エア供給系５０から発電モジュール２０に導入されたエアと熱交換器３６で熱交換し、燃料供給系４０から発電モジュール２０に導入された燃料ガス（水素ガス）と予熱器３２の熱交換部３３で熱交換した後、モジュールケース２９外に設置された凝縮器６１に供給される。そして、燃料極オフガスは、凝縮器６１により冷却させられて燃料極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮させられる。凝縮器６１を通過した燃料極オフガスのうちの一部は、還流配管６５を通って水素供給管４１に供給され、燃料電池スタック２１に還流する。凝縮器６１を通過した燃料極オフガスのうちの残りは、燃焼用燃料極オフガス配管６３を通って燃焼器３１に供給される。

【0029】

各単セルの空気極において電気化学反応（発電）に使用されなかった空気極オフガスは、燃焼器３１に直接に供給される。燃焼器３１に導入された燃料極オフガスは、水素を含む可燃性ガスであり、燃焼器３１に導入された酸素を含む空気極オフガスと混合され、燃焼器３１で混合ガスが燃焼することにより、燃焼熱によって発電モジュール２０（モジュールケース２９内）の温度が適正温度に保持される。上述したように、燃焼器３１に導入される燃料極オフガスは、凝縮器６１で燃料極オフガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部が除去されているため、燃焼性を良好にすることができる。燃焼器３１の燃焼に伴って発生する燃焼熱や燃焼排ガスは、予熱器３２に伝達される。予熱器３２は、当該予熱器３２を通過する燃料ガスを予熱する。また、燃焼排ガスは、予熱器３２を通過した後、エア供給系５０から空気極に供給されるエアと熱交換器３７で熱交換してから、排熱回収系７０に供給される。そして、燃焼排ガスは、排熱回収系７０で排熱が回収された後、外気へ排出される。

【0030】

ここで、本実施形態の燃料電池システム１０では、凝縮器６１を通過した燃料極オフガスのうち一部を還流配管６５により水素供給管４１に還流させる。燃料極オフガスを燃料ガスとして再利用することで、燃料供給系４０（水素ブロワ４４）が供給した燃料ガスに対する燃料電池スタック２１で利用された燃料ガスの割合（システム全体の燃料利用率）を高めることができ、高い発電効率を得ることができる。しかし、燃焼器３１には凝縮器６１を通過した燃料極オフガスのうち残りの燃料極オフガスが供給されるから、燃料極オフガスの還流率が高いほど、燃焼器３１への燃料極オフガスの分配量は減少する。このため、発電モジュール２０の温度を適正温度に保つのに必要な熱量に対して、燃焼器３１から付与される熱量に不足が生じるおそれがある。本実施形態の燃焼器ユニット３０は、ハウジング３５内に燃焼器３１と共に予熱器３２を有しており、当該予熱器３２は、燃焼器３１の燃焼に伴って発生した燃焼熱や高温の燃焼排ガスにより、予熱器３２を通過する燃料ガスを予熱する。これにより、燃焼器３１への燃料極オフガスの分配量が少ない場合であっても、燃料ガスを効率よく昇温させることができ、燃料電池スタック２１を安定して発電させることができる。

【0031】

さらに、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料極オフガス配管２４を予熱器３２の燃料ガス流路内に貫通させ、燃料供給系４０から予熱器３２に導入される燃料ガスを低温流体として、燃料電池スタック２１から排出される高温の燃料極オフガスと熱交換させる。燃料極オフガスを十分に冷却してからモジュールケース２９外へ排出させることで、発電モジュール２０から逃げる熱量を低減することができ、燃焼器３１からの少ない熱量で発電モジュール２０の温度を適正温度に保つことができる。

【0032】

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料供給系４０から燃料ガスとして水素ガスを燃料電池スタック２１の燃料極に供給するものとし、当該燃料電池スタック２１から排出された燃料極オフガスを凝縮器６１に通してから燃料供給系４０（水素供給管４１）に還流させる。燃料極オフガスに含まれる水蒸気を除去してから水素供給管４１に還流させることで、水蒸気により燃料電池スタック２１の化学反応が妨げられるのを防止することができる。

【0033】

上述した実施形態では、発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１から排出された燃料極オフガスとエア供給系５０から供給されるエアとの熱交換を行なう熱交換器３６と、熱交換器３６を通過した燃料極オフガスと燃料供給系４０から供給される燃料ガスとの熱交換を行なう熱交換部３３と、を備えるものとした。しかし、発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１から排出された燃料極オフガスを熱交換部３３で燃料ガスと熱交換させた後、熱交換部３３を通過した燃料極オフガスを熱交換器３６でエアと熱交換させるように構成されてもよい。この場合、熱交換器３６は、熱交換器３７よりも上流側に設置されてもよい。また、熱交換器３６は、省略されてもよい。

【0034】

上述した実施形態では、燃料供給系４０は、燃料ガスとして水素ガスを燃料電池スタック２１の燃料極に供給するものとしたが、天然ガスやＬＰガス等の原燃料ガスを、水素ガスを含む燃料ガスに改質して燃料電池スタック２１の燃料極に供給するようにしてもよい。この場合、燃料電池システムは、燃料供給系やエア供給系に加えて、水タンクと水タンク内の水（改質水）を圧送する水ポンプとを含む水供給系を備え、燃料供給系は、原燃料ガスを圧送するガスポンプと原燃料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器とを備え、モジュールケース２９内には、水供給系から水（改質水）の供給を受けて水蒸気を生成する蒸発器と、蒸発器からの水蒸気を用いて原燃料ガスを燃料ガスに改質する改質器とを備えていればよい。また、この場合、凝縮器６１を通過した燃料極オフガスを燃料供給系に還流させると共に、凝縮器６１で燃料極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して得られた凝縮水を水供給系（水タンク）に供給するようにしてもよい。

【0035】

上述した実施形態では、各燃料電池スタック２１は、水素とエアに含まれる酸素との反応により発電する発電動作を行なうものとした。しかし、燃料電池スタック２１は、可逆作動固体酸化物セルスタックであり、発電動作を実行するＦＣモードと、電源から電力が供給された状態で高温水蒸気電解により水素を生成する電解動作を実行するＥＣモードと、を備えてもよい。なお、電源としては、系統電源や、太陽光発電装置などの再生可能エネルギ、蓄電池などを用いることができる。

【0036】

図２は、他の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成図である。他の実施形態に係る燃料電池システム１１０は、可逆作動固体酸化物形セルスタックとして機能する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０や、燃料供給系４０、エア供給系５０、循環系６０、排熱回収系７０に加えて、水供給系８０と水素回収系９０とが含まれる。

【0037】

水供給系８０は、水（原料水）を貯留する水タンク８１と、水タンク８１に一端が接続されると共に予熱器３２に他端が接続された水供給管８２と、水供給管８２に設置された水ポンプ８３と、を有する。水ポンプ８３を作動させることで、水タンク８１内の原料水は、発電モジュール２０へと圧送（供給）される。原料水は、予熱器３２で蒸発させられて水蒸気に変換される。

【0038】

水素回収系９０は、凝縮後燃料極オフガス配管６２から分岐し水素タンク１に接続された回収配管９１と、回収配管９１に設置された昇圧ポンプ９２と、を有する。昇圧ポンプ９２を作動させることで、凝縮器６１を通過して水蒸気が除去された燃料極オフガス（水素ガス）は、水素タンク１に回収される。

【0039】

ＥＣモードでは、燃料電池スタック２１の燃料極には、燃料ガスとして水供給系８０と燃料供給系４０とにより供給される水蒸気と若干量の水素ガスとが燃料ガス供給管２２を介して導入され、燃料電池スタック２１の空気極には、スイープガスとしてエア供給系５０により供給されるエアが酸化剤ガス供給管２３を介して導入される。そして、電源により燃料電池スタック２１（可逆作動固体酸化物形セルスタック）の端子間に所定電圧の電力が供給されると、燃料極に導入された水蒸気は、燃料極において電解作用により水素と酸素イオン（Ｏ^2-）とに分解され、当該酸素イオンが電解質を透過することで空気極において酸素が生成される。なお、燃料極には、水蒸気と共に若干量の水素ガスも供給されるため、燃料極が還元雰囲気に保たれ、当該燃料極が酸化劣化するのを抑制することができる。燃料極で生成された水素ガスは、電解未反応の水蒸気と共に燃料極オフガスとして排出され、空気極に供給されるエアと熱交換器３６で熱交換し、水供給系８０から供給される水等と予熱器３２で熱交換してからモジュールケース２９外へ排出される。そして、水素ガスと水蒸気とを含む燃料極オフガスは、凝縮器６１に供給され、凝縮器６１により冷却させられて水蒸気が除去された後、凝縮後燃料極オフガス配管６２，回収配管９１を介して水素タンク１に貯留される。また、凝縮器６１を通過した燃料極オフガス（水素ガス）の一部は、還流配管６５を通って還元用水素として水素供給管４１に還流し、残りの燃料極オフガスは、燃焼用燃料極オフガス配管６３を通って燃焼器３１へ供給される。一方、空気極で生成された酸素ガスは、空気極を通過するエアと共に空気極オフガスとして燃焼器３１へ直接に供給される。燃焼器３１で燃料極オフガスと空気極オフガスとの混合ガスが燃焼することにより生成される燃焼熱は、予熱器３２に伝達される。予熱器３２は、水供給系８０から供給される水（原料水）を蒸発させて水蒸気を生成すると共に生成した水蒸気を昇温する。また、燃焼器３１では、燃焼排ガスが生成され、生成された燃焼排ガスは、エア供給系５０から当該空気極に供給されるエアと熱交換器３７で熱交換してから、排熱回収系７０を経て外気へ排出される。

【0040】

こうして構成された他の実施形態に係る燃料電池システム１１０においては、電力の需要に応じてＦＣモードとＥＣモードとを切り替えて実行することができる。例えば、負荷Ｌが電力を要求している場合にはＦＣモードを選択し、負荷Ｌが電力を要求していない場合にはＥＣモードを選択することができる。また、デマンドレスポンス契約を締結した燃料電池システム１１０においては、電力の需要量を減らす下げＤＲが要求された場合にはＦＣモードを選択し、電力の需要量を増やす上げＤＲが要求された場合にはＥＣモードを選択することができる。

【0041】

上述した実施形態では、燃料電池システム１０は、単一の燃料電池スタック２１を備えるものとしたが、直列あるいは並列に接続された複数の燃料電池スタック２１を備えてもよい。この場合、燃料電池スタック２１毎に燃料供給系４０、エア供給系５０を設けて、燃料電池スタック２１毎に供給する燃料ガスやエアを個別に制御してもよい。

【0042】

以上、本開示を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0043】

本開示は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0044】

１０，１１０ 燃料電池システム、２０ 発電モジュール（燃料電池モジュール）、２１ 燃料電池スタック（燃料電池）、２２ 燃料ガス供給管（燃料ガス供給路）、２３ 酸化剤ガス供給管（酸化剤ガス供給路）、２４ 燃料極オフガス配管（残余燃料ガス流路）、２９ モジュールケース、３０ 燃焼器ユニット、３１ 燃焼器、３２ 予熱器（燃料ガス供給路）、３２ｔ 折り返し部、３５ ハウジング。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】