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(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】P2024158051
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20241031BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/0612 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20241031BHJP
H01M 8/0668 20160101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 N
H01M8/12 101
H01M8/0438
H01M8/04746
H01M8/0612
H01M8/04537
H01M8/0668
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023072891
(22)【出願日】2023-04-27
(71)【出願人】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100154380
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 隆一
(74)【代理人】
【識別番号】100081972
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 豊
(72)【発明者】
【氏名】鐘尾 幸久
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AC02
5H127BA05
5H127BA12
5H127BA33
5H127BA34
5H127BB02
5H127BB21
5H127DB63
5H127DB76
5H127DC88
5H127EE12
5H127EE16
5H127EE23
5H127EE24
5H127EE27
(57)【要約】
【課題】燃料電池システムの始動時や停止時にも高濃度のＣＯ２を回収する。
【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、固体酸化物形燃料電池１と、固体酸化物形燃料電池１のアノード側に供給される燃料を改質する改質器２と、改質器２に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部３と、固体酸化物形燃料電池１のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器４と、燃焼器４から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器５と、常温環境下に設置され、燃焼器４および燃料電池スタック１のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部６と、酸素供給部６を制御する制御部とを備える。制御部は、燃料供給部３による燃料供給量に基づいてオフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出し、算出された酸素供給量に応じて酸素供給部６を制御する。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、固体酸化物形燃料電池１と、固体酸化物形燃料電池１のアノード側に供給される燃料を改質する改質器２と、改質器２に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部３と、固体酸化物形燃料電池１のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器４と、燃焼器４から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器５と、常温環境下に設置され、燃焼器４および燃料電池スタック１のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部６と、酸素供給部６を制御する制御部とを備える。制御部は、燃料供給部３による燃料供給量に基づいてオフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出し、算出された酸素供給量に応じて酸素供給部６を制御する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池のアノード側に供給される燃料を改質する改質器と、
前記改質器に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部と、
前記固体酸化物形燃料電池のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器と、
常温環境下に設置され、前記燃焼器および前記固体酸化物形燃料電池のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部と、
前記酸素供給部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料供給部による燃料供給量に基づいて前記オフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出し、算出された酸素供給量に応じて前記酸素供給部を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記固体酸化物形燃料電池のアノード側に供給される燃料を改質する改質器と、
前記改質器に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部と、
前記固体酸化物形燃料電池のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器と、
常温環境下に設置され、前記燃焼器および前記固体酸化物形燃料電池のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部と、
前記酸素供給部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料供給部による燃料供給量に基づいて前記オフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出し、算出された酸素供給量に応じて前記酸素供給部を制御す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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸素供給部は、前記燃焼器に酸素を供給し、
前記制御部は、前記燃料供給部による燃料供給量と、前記固体酸化物形燃料電池による出力電流と、に基づいて、前記オフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
前記酸素供給部は、前記燃焼器に酸素を供給し、
前記制御部は、前記燃料供給部による燃料供給量と、前記固体酸化物形燃料電池による出力電流と、に基づいて、前記オフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出す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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸素供給部は、前記固体酸化物形燃料電池のカソード側に酸素を供給し、
前記燃焼器は、前記固体酸化物形燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスと前記固体酸化物形燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスとを燃焼させることを特徴とする燃料電池システム。
前記酸素供給部は、前記固体酸化物形燃料電池のカソード側に酸素を供給し、
前記燃焼器は、前記固体酸化物形燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスと前記固体酸化物形燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスとを燃焼させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸素供給部は、酸素分離装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記酸素供給部は、酸素分離装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項5】
請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸素供給部は、二酸化炭素の電気分解または熱分解により得られた副生酸素を供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記酸素供給部は、二酸化炭素の電気分解または熱分解により得られた副生酸素を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、より多くの人が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池に関する技術開発が行われている。この種の燃料電池に関する技術として、従来、固体酸化物形燃料電池で発電を行うときに排出されるＣＯ２を回収するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置では、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを収集する排気マニホールドに、高温作動型の酸素透過膜が設けられる。そして、酸素透過膜を介してカソードオフガス中の酸素を排気マニホールド内へ供給し、アノードオフガス中の未反応燃料ガスを完全燃焼させ、主に水蒸気とＣＯ２とを含む燃焼排ガスから水蒸気を低温トラップで液化して除去することで、高濃度のＣＯ２を回収する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１２－１６４４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、燃料電池スタックに設けられた高温作動型の酸素透過膜を用いて酸素を供給する。そのため、燃料電池システムの始動時や停止時等、燃料電池スタックの周辺が低温である場合には、完全燃焼に必要な量の酸素を供給することができず、高濃度のＣＯ２を回収することが難しい。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様である燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池と、固体酸化物形燃料電池のアノード側に供給される燃料を改質する改質器と、改質器に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部と、固体酸化物形燃料電池のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器と、燃焼器から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器と、常温環境下に設置され、燃焼器および固体酸化物形燃料電池のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部と、酸素供給部を制御する制御部と、を備える。制御部は、燃料供給部による燃料供給量に基づいてオフガスの完全燃焼に必要な酸素供給量を算出し、算出された酸素供給量に応じて酸素供給部を制御する。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、燃料電池システムの始動時や停止時にも高濃度のＣＯ２を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池スタック周辺の構成の一例を示すブロック図。
【図2】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの制御構成の一例を示すブロック図。
【図3】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにより実行される処理の一例を示すフローチャート。
【図4】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池スタック周辺の構成の一例を示すブロック図。
【図5】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの制御構成の一例を示すブロック図。
【図6】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにより実行される処理の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図１～図６を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態に係る燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell））を用いて、電気化学反応により発電を行う。ＳＯＦＣの発電セルは、固体電解質膜と電極の接合体（ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly））とＭＥＡを挟持するセパレータとを有し、セパレータと電極との間の流路を介して供給された燃料のエネルギを電気化学反応により直接電気エネルギに変換する。
【0009】
より具体的には、ＳＯＦＣのカソード側には、カソード流路を介して酸素（Ｏ２）を含有する酸化剤ガスが供給され、カソード電極では、外部回路からの電子を受け取って酸素分子がイオン化され、電解質膜を通ってアノード電極側へと移動する。カソード電極で消費されなかった未反応の酸化剤ガスは、オフガス（カソードオフガス）としてカソード流路から排出される。
【0010】
ＳＯＦＣのアノード側には、アノード流路を介して水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含有する燃料ガスが供給される。アノード電極では、Ｈ２およびＣＯとカソード電極からの酸化物イオン（Ｏ２－）とが反応して水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）が生成され、電子が外部回路に放出される。アノード電極で消費されなかった未反応の燃料ガスおよびアノード電極で生成された生成ガスは、オフガス（アノードオフガス）としてアノード流路から排出される。
【0011】
ＳＯＦＣから排出されるオフガスのうち、Ｈ２やＣＯを含むアノードオフガスは、燃料電池スタック１の昇温および安全性の観点から、外部に放出する前に燃焼させられる。この場合、温暖化対策の観点から、燃焼排ガスに含まれるＣＯ２を回収することが望まれる。しかしながら、燃焼排ガスに窒素（Ｎ２）や酸素（Ｏ２）等が含まれる場合は、ＣＯ２を選択的に分離する必要が生じ、ＣＯ２を効率的に回収することが困難である。そこで、本実施形態では、燃焼排ガスにＮ２やＯ２が含まれないようにすることで、高濃度のＣＯ２を効率的に回収することができるよう、以下のように燃料電池システムを構成する。
【0012】
＜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１０Ａの燃料電池スタック１周辺の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１０Ａは、燃料電池スタック１と、改質器２と、燃料供給部３と、燃焼器４と、凝縮器５と、酸素供給部６と、水供給部７と、蒸発器７ａと、電流計８とを備える。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの燃料電池スタック１周辺の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１０Ａは、燃料電池スタック１と、改質器２と、燃料供給部３と、燃焼器４と、凝縮器５と、酸素供給部６と、水供給部７と、蒸発器７ａと、電流計８とを備える。
【0013】
燃料電池スタック１は、ＳＯＦＣからなる複数の発電セルを積層して構成され、カソード側にＯ２を含有する酸化剤ガスが供給されるとともに、アノード側にＨ２とＣＯとを含有する燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されると、電気化学反応を介して発電を行い、カソード側からＯ２を含有するカソードオフガスを排出するとともに、アノード側からＨ２，ＣＯ，Ｈ２Ｏ，ＣＯ２を含有するアノードオフガスを排出する。
【0014】
燃料電池スタック１のカソード流路の入口および出口は、例えば大気開放され、Ｎ２とＯ２とを含有する空気が酸化剤ガスとして燃料電池スタック１のカソード側に供給される。また、燃料電池スタック１での電気化学反応により消費されなかった未反応の酸化剤ガスを含むカソードオフガスがそのまま外部に放出される。
【0015】
燃料電池スタック１のアノード流路の入口には、改質器２が接続される。改質器２は、触媒作用により、水蒸気存在下で燃料電池スタック１のアノード側に供給される燃料を改質する。より具体的には、都市ガス等の炭化水素（ＣｍＨｎ、ｎ≧２ｍ）からなる燃料を水蒸気改質してＨ２とＣＯとを含有する混合ガス等を生成し、燃料ガスとして燃料電池スタック１のアノード側に供給する。
【0016】
改質器２には、改質器２に燃料を供給する燃料供給部３が接続される。燃料供給部３は、ポンプおよび流量センサ等を含んで構成され、改質器２に燃料を供給するとともに、燃料供給部３から改質器２への燃料供給量Ｑｆ（例えば、質量流量）を検出する。燃料供給部３は、コントローラ９（図２）により制御され、これにより燃料供給部３から改質器２への燃料供給量が調整される。また、燃料供給部３により検出された実際の燃料供給量Ｑｆは、コントローラ９に送信される。
【0017】
燃料電池スタック１のアノード流路の出口には、燃焼器４が接続され、Ｈ２，ＣＯ，Ｈ２Ｏ，ＣＯ２を含有するアノードオフガスが燃焼器４に供給される。燃焼器４は、アノードオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する。燃焼器４には、アノードガスの酸化反応（燃焼反応）を促進する触媒や、アノードオフガスに点火するグロープラグ等が設けられてもよい。
【0018】
燃焼器４の下流側には、燃焼器４から排出される燃焼排ガスから水（Ｈ２Ｏ）を分離除去する凝縮器５が接続される。凝縮器５は、熱交換器として構成され、燃焼排ガスを冷却することで燃焼排ガスから水を分離除去する。凝縮器５からの排熱は、燃料電池スタック１の昇温等に利用することができる。凝縮器５で分離除去された水は、改質器２に供給（還流）される。
【0019】
燃焼器４には、さらに、燃焼器４に純酸素（Ｏ２）を供給する酸素供給部６が接続される。酸素供給部６は、常温環境下に設置され、ポンプおよび流量センサ等を含んで構成される。酸素供給部６は、燃焼器４にＯ２を供給するとともに、酸素供給部６から燃焼器４への酸素供給量（例えば、質量流量）を検出する。酸素供給部６は、コントローラ９（図２）により制御され、これにより酸素供給部６から燃焼器４への酸素供給量が調整される。また、酸素供給部６により検出された実際の酸素供給量は、コントローラ９に送信される。
【0020】
酸素供給部６は、Ｎ２とＯ２とを含有する空気からＯ２を分離する酸素分離装置６ａを有し、酸素分離装置６ａにより分離されたＯ２を燃焼器４に供給する。酸素分離装置６ａは、酸素透過膜を介してＯ２を選択的に透過させる膜分離法を行う装置として構成されてもよく、深冷分離や圧力スイング吸着法（ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption））によりＯ２を分離する装置として構成されてもよい。
【0021】
酸素供給部６は、外部の装置により工業的に行われる二酸化炭素の電気分解（２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）や熱分解（ＣＯ２→Ｃ＋Ｏ２）により得られた副生酸素を利用するものであってもよい。この場合、酸素分離装置６ａを省略することができ、圧力調整等の酸素分離に要するエネルギ消費を抑制することができる。
【0022】
凝縮器５と改質器２との間には、凝縮器５で分離除去された水を改質器２に供給（還流）する水供給部７と、水供給部７から改質器２に供給される水を蒸発（気化）させる蒸発器７ａとが接続される。水供給部７は、ポンプおよび流量センサ等を含んで構成され、凝縮器５で分離除去された水を、蒸発器７ａを介して改質器２に供給するとともに、水供給部７から蒸発器７ａへの水供給量（例えば、質量流量）を検出する。水供給部７は、コントローラ９（図２）により制御され、これにより水供給部７から蒸発器７ａを介して改質器２に供給される水供給量が調整される。また、水供給部７により検出された実際の水供給量は、コントローラ９に送信される。
【0023】
蒸発器７ａは、熱交換器として構成され、高温の排熱等を利用して水供給部７から供給された水を加熱することで蒸発（気化）させ、水蒸気を生成する。蒸発器７ａで生成された水蒸気は、改質器２に供給される。
【0024】
燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から出力される電流（出力電流、発電電流）の電流値Ｉ［Ａ＝Ｃ／ｓ］を検出する電流計８が接続される。電流計８により検出され電流値Ｉは、コントローラ９に送信される。
【0025】
図２は、燃料電池システム１０Ａの制御構成の一例を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システム１０Ａは、主にコントローラ９を備える。コントローラ９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース、その他の周辺回路を有するコンピュータを含んで構成される。コントローラ９には、電流計８と燃料供給部３と酸素供給部６と水供給部７とが接続される。
【0026】
コントローラ９は、燃料電池スタック１の要求発電出力に応じて目標燃料供給量を算出し、算出された目標燃料供給量に応じて燃料供給部３を制御し、燃料供給部３から改質器２への燃料供給量を調整する。また、改質器２が水蒸気改質反応に適した水蒸気雰囲気となるように目標水供給量を算出し、算出された目標水供給量に応じて水供給部７を制御し、水供給部７から蒸発器７ａを介して改質器２に供給される水供給量を調整する。
【0027】
コントローラ９は、さらに、燃料供給部３により検出された燃料供給量Ｑｆと電流計８により検出された電流値Ｉとに基づいて、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために必要な目標酸素供給量Ｑｏ（例えば、質量流量）を算出する。そして、算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御し、酸素供給部６から燃焼器４への酸素供給量を調整する。
【0028】
図３は、コントローラ９により実行される処理の一例を示すフローチャートである。図３の処理は、燃料電池システム１０Ａの始動から停止までの全運転期間にわたり、所定周期で繰り返し実行される。図３に示すように、先ずステップＳ１で、燃料供給部３により検出された燃料供給量Ｑｆと電流計８により検出された電流値Ｉとを取得する。次いでステップＳ２で、ステップＳ１で取得された燃料供給量Ｑｆと電流値Ｉとに基づいて、下式(ii)により、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出する。Ｎは、燃料電池スタック１のスタック段数であり、Ｆは、ファラデー定数［Ｃ／ｍｏｌ］である。
ＣｍＨｎ＋（ｎ／２）Ｏ２＝ｍＣＯ２＋（ｎ／２）Ｈ２Ｏ (i)
Ｑｏ＝（ｎ／２）Ｑｆ－ＮＩ／（４Ｆ） (ii)
ＣｍＨｎ＋（ｎ／２）Ｏ２＝ｍＣＯ２＋（ｎ／２）Ｈ２Ｏ (i)
Ｑｏ＝（ｎ／２）Ｑｆ－ＮＩ／（４Ｆ） (ii)
【0029】
すなわち、式(i)に示すように、燃焼器４でのアノードオフガスの完全燃焼反応に必要なＯ２の量は、燃料供給部３により供給される燃料（ＣｍＨｎ）の量の（ｎ／２）倍となる。また、燃料電池スタック１での電気化学反応（発電反応）として、カソード電極側から電解質膜を通ってアノード電極側へと移動し、Ｈ２，ＣＯと反応するＯ２の量は、ＮＩ／（４Ｆ）として算出することができる。したがって、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために酸素供給部６により追加的に燃焼器４に供給すべきＯ２の量である目標酸素供給量Ｑｏは、式(ii)に示すように、これらの差として算出することができる。なお、燃料電池システム１０Ａの始動時や停止時等、燃料電池スタック１での発電が行われていない場合、電流値Ｉは“０”となる。この場合も、式(ii)により、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出することができる。
【0030】
次いでステップＳ３で、ステップＳ２で算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御し、酸素供給部６から燃焼器４への酸素供給量を調整する。このように、燃料供給量Ｑｆと燃料電池スタック１の電流値Ｉとに基づいて算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御し、酸素供給量を調整することで、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させることができる。この場合の燃焼排ガスには、Ｎ２やＯ２が含まれず、ＣＯ２とＨ２Ｏのみが含まれる。燃焼排ガス中のＨ２Ｏは、凝縮器５で容易に分離除去されるため、高濃度のＣＯ２を効率的に回収することができる。回収されたＣＯ２を炭素源として有価物に変換する場合、カーボンニュートラルを達成することができる。また、回収されたＣＯ２を貯留する場合、カーボンネガティブを達成することができる。
【0031】
＜第２実施形態＞
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの燃料電池スタック１周辺の構成の一例を示すブロック図である。図４に示すように、燃料電池システム１０Ｂは、燃料電池スタック１と、改質器２と、燃料供給部３と、燃焼器４と、凝縮器５と、酸素供給部６と、水供給部７と、蒸発器７ａとを備える。
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０Ｂの燃料電池スタック１周辺の構成の一例を示すブロック図である。図４に示すように、燃料電池システム１０Ｂは、燃料電池スタック１と、改質器２と、燃料供給部３と、燃焼器４と、凝縮器５と、酸素供給部６と、水供給部７と、蒸発器７ａとを備える。
【0032】
燃料電池システム１０Ｂでは、燃料電池スタック１のカソード流路の入口に酸素供給部６が接続され、酸素供給部６から燃料電池スタック１のカソード側に純酸素（Ｏ２）が供給される。また、燃料電池スタック１のカソード流路の出口が燃焼器４に接続され、燃料電池スタック１での電気化学反応により消費されなかった未反応の純酸素（Ｏ２）がカソードオフガスとして燃焼器４に供給される。
【0033】
図５は、燃料電池システム１０Ｂの制御構成の一例を示すブロック図である。図５に示すように、燃料電池システム１０Ｂは、コントローラ９と、コントローラ９に接続された燃料供給部３と酸素供給部６と水供給部７とを備える。コントローラ９は、燃料供給部３により検出された燃料供給量Ｑｆに基づいて、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出する。そして、算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御し、酸素供給部６から燃料電池スタック１のカソード側への酸素供給量を調整する。
【0034】
図６は、コントローラ９により実行される処理の一例を示すフローチャートである。図６の処理は、燃料電池システム１０Ｂの始動から停止までの全運転期間にわたり、所定周期で繰り返し実行される。図６に示すように、先ずステップＳ１０で、燃料供給部３により検出された燃料供給量Ｑｆを取得する。次いでステップＳ１１で、ステップＳ１０で取得された燃料供給量Ｑｆに基づいて、下式(iii)により、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出する。
Ｑｏ＝（ｎ／２）Ｑｆ (iii)
Ｑｏ＝（ｎ／２）Ｑｆ (iii)
【0035】
すなわち、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させるために酸素供給部６から燃料電池スタック１のカソード側に供給すべきＯ２の量である目標酸素供給量Ｑｏは、燃料供給部３により供給される燃料（ＣｍＨｎ）の量の（ｎ／２）倍として算出することができる。
【0036】
次いでステップＳ１２で、ステップＳ１１で算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御し、酸素供給部６から燃料電池スタック１のカソード側への酸素供給量を調整する。このように、燃料供給量Ｑｆに基づいて算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御し、酸素供給量を調整することで、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させ、高濃度のＣＯ２を効率的に回収することができる。
【0037】
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）燃料電池システム１０Ａ，１０Ｂは、ＳＯＦＣからなる燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のアノード側に供給される燃料を改質する改質器２と、改質器２に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部３と、燃料電池スタック１のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器４と、燃焼器４から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器５と、常温環境下に設置され、燃焼器４および燃料電池スタック１のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部６と、酸素供給部６を制御するコントローラ９とを備える（図１、図２、図４、図５）。
（１）燃料電池システム１０Ａ，１０Ｂは、ＳＯＦＣからなる燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のアノード側に供給される燃料を改質する改質器２と、改質器２に炭化水素からなる燃料を供給する燃料供給部３と、燃料電池スタック１のアノード側から排出されるオフガスが燃焼する燃焼空間を形成する燃焼器４と、燃焼器４から排出される燃焼排ガスから水を除去する凝縮器５と、常温環境下に設置され、燃焼器４および燃料電池スタック１のカソード側の少なくとも一方に酸素を供給する酸素供給部６と、酸素供給部６を制御するコントローラ９とを備える（図１、図２、図４、図５）。
【0038】
コントローラ９は、燃料供給部３による燃料供給量Ｑｆに基づいてオフガスの完全燃焼に必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出し、算出された目標酸素供給量Ｑｏに応じて酸素供給部６を制御する。このように、燃料供給量Ｑｆに基づいて目標酸素供給量Ｑｏを算出し、酸素供給量を調整することで、燃焼器４でアノードオフガスを完全燃焼させ、Ｎ２，Ｏ２を含まずＣＯ２，Ｈ２Ｏのみを含む燃焼排ガスを得ることができる。そして、燃焼排ガス中のＨ２Ｏを凝縮器５で分離除去することで、高濃度のＣＯ２を効率的に回収することができる。
【0039】
燃料電池システム１０Ａ，１０Ｂでは、常温環境下に設置された酸素供給部６を利用するため、始動時や停止時等、運転温度が低い場合でも、適切な量の酸素を供給し、効率的にＣＯ２を回収することができる。また、システム全体を小型化することができるため、製造コストを低減できるとともに、システム設置の自由度を高め、燃料電池システム１０Ａ，１０Ｂの可用性を向上することができる。
【0040】
（２）酸素供給部６は、燃焼器４に酸素を供給する（図１）。コントローラ９は、燃料供給部３による燃料供給量Ｑｆと燃料電池スタック１による出力電流の電流値Ｉとに基づいて、オフガスの完全燃焼に必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出する。燃料供給量Ｑｆや出力電流の電流値Ｉ等、燃料電池スタック１の運転に必要な物理量に基づいてオフガスの完全燃焼に必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出するため、別途センサ等の構成を追加する必要がなく、システム全体を簡易に構成することができる。
【0041】
（３）酸素供給部６は、燃料電池スタック１のカソード側に酸素を供給する（図４）。燃焼器４は、燃料電池スタック１のカソード側から排出されるカソードオフガスと燃料電池スタック１のアノード側から排出されるアノードオフガスとを燃焼させる。この場合、式(iii)に示すように、燃料供給量Ｑｆのみに基づいてオフガスの完全燃焼に必要な目標酸素供給量Ｑｏを算出することができる。
【0042】
（４）酸素供給部６は、酸素分離装置６ａを有する（図１、図４）。この場合、空気中に２１％程度の比較的高濃度で含まれるＯ２を分離対象とするため、例えば燃焼排ガス中に比較的低濃度で含まれるＣＯ２を分離対象とする場合よりも、圧力調整等のガス分離に要するエネルギ消費を抑制し、システム全体の効率を高めることができる。
【0043】
（５）酸素供給部６は、二酸化炭素の電気分解または熱分解により得られた副生酸素を供給する。この場合、酸素分離装置６ａを省略することができ、圧力調整等の酸素分離に要するエネルギ消費を抑制することができる。
【0044】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【0045】
１ 燃料電池スタック、２ 改質器、３ 燃料供給部、４ 燃焼器、５ 凝縮器、６ 酸素供給部、６ａ 酸素分離装置、７ 水供給部、７ａ 蒸発器、８ 電流計、９ コントローラ、１０Ａ，１０Ｂ 燃料電池システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】