特許 7542191 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】

(24)【登録日】2024-08-22

(45)【発行日】2024-08-30

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240823BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20240823BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20240823BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240823BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240823BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

H01M8/0606

H01M8/2475

H01M8/04014

H01M8/12 101

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022522503

(86)(22)【出願日】2020-11-13

(86)【国際出願番号】 JP2020042356

(87)【国際公開番号】W WO2021229843

(87)【国際公開日】2021-11-18

【審査請求日】2023-08-25

(31)【優先権主張番号】P 2020084983

(32)【優先日】2020-05-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】見神 祐一

(72)【発明者】

【氏名】後藤 丈人

(72)【発明者】

【氏名】寺山 健

(72)【発明者】

【氏名】布尾 孝祐

(72)【発明者】

【氏名】黒羽 智宏

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第８９１６３００（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１８／２３０２４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０５３３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２００８－００７３８９０（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４２９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１５４７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３０８９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７７８８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる電気化学ポンプと、
第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、を備え、
前記固体酸化物形燃料電池の温度Ｔ１と前記電気化学ポンプの温度Ｔ２との温度差が、Ｔ１が６００以上８００℃以下で前記固体酸化物形燃料電池が動作する場合には２００℃以下、Ｔ１が８００℃以上１０００℃以下で前記電気化学ポンプが動作する場合は４００℃以下である、
燃料電池システム。

【請求項2】

第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる電気化学ポンプと、
第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、を備え、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記電気化学ポンプを断熱空間に収容した断熱部材をさらに備え、前記固体酸化物形燃料電池と前記電気化学ポンプは同じ断熱空間に収容されている、
燃料電池システム。

【請求項3】

第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる電気化学ポンプと、
第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、
前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、
前記アノード供給経路上に設けられ、燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記電気化学ポンプと前記改質器を断熱空間に収容した断熱部材と、を備え、
前記電気化学ポンプと前記改質器は同じ断熱空間に収容されている、燃料電池システム。

【請求項4】

第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる電気化学ポンプと、
第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記電気化学ポンプを断熱空間に収容した断熱部材と、を備え、
前記断熱空間は、前記固体酸化物形燃料電池を収容した第１断熱空間、及び、前記第１断熱空間から断熱され且つ前記電気化学ポンプを収容した第２断熱空間を有している、
燃料電池システム。

【請求項5】

第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる電気化学ポンプと、
第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、
前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、
前記アノード供給経路上に設けられ、燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器及び前記電気化学ポンプを断熱空間に収容した断熱部材と、を備え、
前記断熱空間は、前記改質器を収容した第１断熱空間、及び、前記第１断熱空間から断熱され且つ前記電気化学ポンプを収容した第２断熱空間を有している、
燃料電池システム。

【請求項6】

第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる電気化学ポンプと、
第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、
前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、
前記アノード供給経路上に設けられ、燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記第１アノードから排出された第１アノードオフガスと、前記改質器に供給される前記燃料ガスとの間で熱交換を行う第１熱交換器と、を備える、
燃料電池システム。

【請求項7】

前記第１電解質膜は、Ａ１Ｚｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δ、Ａ２Ｃｅ_1-x2Ｍ２_x2Ｏ_3-δ及びＡ３Ｚｒ_1-x3-y3Ｃｅ_x3Ｍ３_y3Ｏ_3-δからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
Ａ１，Ａ２，Ａ３は、それぞれＢａ，Ｓｒ，Ｃａからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含み、Ｍ１、Ｍ２及びＭ３は、それぞれ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｙ、Ｓｃ、Ｉｎ及びＬｕからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、
ｘ１が０＜ｘ１＜１を満たし、
ｘ２が０＜ｘ２＜１を満たし、
ｘ３が０＜ｘ３＜１を満たし、
ｙ３が０＜ｙ３＜１を満たす、
請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記第１電解質膜において、Ａ１、Ａ２，Ａ３はＢａを含む、
請求項７に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記第１電解質膜は、ＢａＺｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δを含む、
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記第１電解質膜において、Ｍ１は少なくともＹｂを含む、
請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、
前記第２アノードと前記第１アノードとに接続され、前記第２アノードから排出され且つ前記水素を含有する第２アノードオフガスを前記第１アノードに供給する第２アノード排出経路と、
前記第１カソードと前記アノード供給経路とに接続され、前記電気化学ポンプにより分離された前記水素を含有し且つ前記第１カソードから排出された第１カソードオフガスを前記アノード供給経路へ戻すリサイクルガス経路と、
前記電気化学ポンプに接続され、前記電気化学ポンプに送電する電源と、を備えた、
請求項１、請求項２、及び、請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

【請求項12】

前記第２アノードと前記第１アノードとに接続され、前記第２アノードから排出され且つ前記水素を含有する第２アノードオフガスを前記第１アノードに供給する第２アノード排出経路と、
前記第１カソードと前記アノード供給経路とに接続され、前記電気化学ポンプにより分離された前記水素を含有し且つ前記第１カソードから排出された第１カソードオフガスを前記アノード供給経路へ戻すリサイクルガス経路と、
前記電気化学ポンプに接続され、前記電気化学ポンプに送電する電源と、を備えた、
請求項３、請求項５、及び、請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

【請求項13】

前記電気化学ポンプの少なくとも一部は４００℃以上で動作する、
請求項２から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

【請求項14】

前記固体酸化物形燃料電池の温度Ｔ１は、前記電気化学ポンプの温度Ｔ２よりも高い、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項15】

前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、
前記第１カソードと前記アノード供給経路とに接続され、前記電気化学ポンプにより分離された前記水素を含有し且つ前記第１カソードから排出された第１カソードオフガスを前記アノード供給経路へ戻すリサイクルガス経路と、を備え、
前記断熱部材は、前記リサイクルガス経路を前記断熱空間に収容している、
請求項２又は請求項４に記載の燃料電池システム。

【請求項16】

前記第１カソードと前記アノード供給経路とに接続され、前記電気化学ポンプにより分離された前記水素を含有し且つ前記第１カソードから排出された第１カソードオフガスを前記アノード供給経路へ戻すリサイクルガス経路と、を備え、
前記断熱部材は、前記リサイクルガス経路を前記断熱空間に収容している、
請求項３又は請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項17】

前記第１アノードに接続され、前記第１アノードから排出された第１アノードオフガスが流れる第１アノード排出経路と、
前記第１アノード排出経路に設けられ、前記第１アノードオフガスを燃焼する燃焼器と、をさらに備えた、
請求項１から請求項６までのいずれか一つに記載の燃料電池システム。

【請求項18】

前記第２カソードに接続され、前記酸化剤ガスを前記第２カソードへ供給するカソード供給経路と、
前記第２カソードに接続され、前記第２カソードから排出された第２カソードオフガスが流れるカソード排出経路と、
前記第２カソードに供給される前記酸化剤ガスと、前記第２カソードから排出された前記第２カソードオフガスとの間で熱交換を行う第２熱交換器と、を備えた、
請求項１から請求項６までのいずれか一つ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】

本開示は、電気化学ポンプ及び燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の燃料電池システムとして、例えば、特許文献１に示す燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックの燃料排気口が電気化学ポンプ分離ユニットの第一の吸入口に第一の導管により接続され、電気化学ポンプ分離ユニットの排出口が燃料電池スタックの燃料吸入口に第二の導管により接続されている。この燃料電池スタックは固体酸化物形燃料電池スタックであり、電気化学ポンプ分離ユニットはポリベンゾイミダゾール膜の非フッ素化イオン交換イオノマー膜を含んでいる。燃料電池スタックと電気化学ポンプ分離ユニットとの間に複数の熱交換器が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５５４２３３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１に示す燃料電池システムに対し、燃料電池システムの熱損失の低減及び小型化を図る観点から未だ改善の余地がある。

【0005】

本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの燃料利用率の向上を図りつつ、熱損失の低減及び小型化を図ることができる電気化学ポンプ及び燃料電池システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る電気化学ポンプの一態様は、第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる。

【0007】

本開示に係る燃料電池システムの一態様は、上述の電気化学ポンプと、第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、前記第２アノードと前記第１アノードとに接続され、前記第２アノードから排出され且つ前記水素を含有する第２アノードオフガスを前記第１アノードに供給する第２アノード排出経路と、前記第１カソードと前記アノード供給経路とに接続され、前記電気化学ポンプにより分離された前記水素を含有し且つ前記第１カソードから排出された第１カソードオフガスを前記アノード供給経路へ戻すリサイクルガス経路と、前記電気化学ポンプに接続され、前記電気化学ポンプに送電する電源と、を備えている。

【発明の効果】

【0008】

本開示の電気化学ポンプ及び燃料電池システムによれば、燃料電池システムの燃料利用率の向上を図りつつ、熱損失の低減及びシステムの小型化を図ることができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図2】ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δの温度及びプロトン伝導度の関係を示すグラフである。

【図3】本開示の第２実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図4】本開示の第３実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図5】本開示の第３実施形態の変形例１に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図6】本開示の第３実施形態の変形例２に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図7】本開示の第３実施形態の変形例３に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図8】本開示の第３実施形態の変形例４に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図9】本開示の第３実施形態の変形例５に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図10】本開示の第４実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図11】本開示の第５実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【図12】本開示の第６実施形態及びその他の変形例に係る燃料電池システムを模式的に示す機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（本開示の基礎となる知見）
本開示者等は、燃料利用率の向上を図りつつ、熱損失の低減及び小型化を図る燃料電池システムについて鋭意検討を重ねた。

【0011】

この結果、上記特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックにおいて燃料及び空気により発電が行われる。そして、水素を含有する燃料排気流が、燃料電池スタックから排出されて、電気化学ポンプ分離ユニットに供給される。この電気化学ポンプ分離ユニットにおいて、燃料排気流から水素が分離されて、燃料電池スタックに戻されている。このため、燃料利用率の向上が図られている。

【0012】

しかしながら、燃料電池スタックから排出された燃料排気流は、複数の熱交換器によって、２００℃以下に温度が下げられた上、さらに９０℃以上１１０℃以下まで下げられてから、電気化学ポンプ分離ユニットに供給されている。このように、複数の熱交換器を用いることにより、燃料電池システムが大型化してしまう。

【0013】

さらに、電気化学ポンプ分離ユニットから燃料電池スタックに水素を戻す際には、水素をバーナにて昇温させている。このような燃料排気流の降温及び水素の昇温により熱損失が生じ、燃料電池システムの発電効率の低下を招いてしまう。

【0014】

これに対し、本開示者等は、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を電気化学ポンプに用いることにより、燃料電池システムの燃料利用率の向上を図りつつ、熱損失の低減及び小型化を図ることができることを見出した。本開示はこの知見に基づいてなされたものである。

【0015】

本開示の第１の態様に係る電気化学ポンプは、第１アノード、第１カソード、及び、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜を有し、水素を含有するガスから前記水素を分離させる。当該電気化学ポンプを、燃料電池を有する燃料電池システムに用いた場合、電気化学ポンプからリサイクルガス経路及びアノード供給経路を介して燃料電池にカソードオフガスを燃料ガスとして戻すようにすることで、燃料電池システムの燃料利用率の向上を図ることができる。また、第１電解質膜がプロトン伝導性を有する酸化物を含むことにより、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池などの燃料電池は作動温度帯が近いこととなる。このため、燃料電池から電気化学ポンプに供給されるアノードオフガスの降温、及び、電気化学ポンプから固体酸化物形燃料電池に戻されるカソードオフガスの昇温による熱損失を低減することができる。また、燃料電池と電気化学ポンプとの間の熱交換器の数を減らせ、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

【0016】

本開示の第２の態様に係る電気学化学ポンプは、前記第１電解質膜は、Ａ１Ｚｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δ、Ａ２Ｃｅ_1-x2Ｍ２_x2Ｏ_3-δ及びＡ３Ｚｒ_1-x3-y3Ｃｅ_x3Ｍ３_y3Ｏ_3-δからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、Ａ１，Ａ２，Ａ３は、それぞれＢａ，Ｓｒ，Ｃａからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含み、Ｍ１、Ｍ２及びＭ３は、それぞれ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｙ、Ｓｃ、Ｉｎ及びＬｕからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、ｘ１が０＜ｘ１＜１を満たし、ｘ２が０＜ｘ２＜１を満たし、ｘ３が０＜ｘ３＜１を満たし、ｙ３が０＜ｙ３＜１を満たす。上記構成によると、電気化学ポンプは水素分離効率が高く、燃料電池システムのエネルギー効率の向上を図ることができる。

【0017】

本開示の第３の態様に係る電気化学ポンプは、前記第１電解質膜において、Ａ１、Ａ２，Ａ３はＢａを含む。上記構成によると、電気化学ポンプは水素分離効率が高く、燃料電池システムのエネルギー効率の向上を図ることができる。

【0018】

本開示の第４の態様に係る電気化学ポンプは、前記第１電解質膜は、ＢａＺｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δを含む。上記構成によると、電気化学ポンプは水素分離効率が高く、燃料電池システムのエネルギー効率の向上を図ることができる。

【0019】

本開示の第５の態様に係る電気化学ポンプは、前記第１電解質膜において、Ｍ１は少なくともＹｂを含む。上記構成によると、電気化学ポンプは水素分離効率が高く、燃料電池システムのエネルギー効率の向上を図ることができる。

【0020】

本開示の第６の態様に係る電気化学ポンプは、少なくとも一部が４００℃以上で動作する。第1電解質膜のプロトン伝導度が良好な状態で電気化学ポンプを作動させることができる。

【0021】

本開示の第７の態様に係る電気化学ポンプは、燃焼器、燃料電池又は改質器とともに、断熱部材が形成する断熱空間に収容されている。上記構成によると、電気化学ポンプを、燃焼器、燃料電池又は改質器とともに断熱することにより、燃料電池システムの熱損失を低減することができる。

【0022】

本開示の第８の態様に係る燃料電池システムは、上述の電気化学ポンプと、第２アノード、第２カソード、及び、固体酸化物系電解質を含む第２電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電させる固体酸化物形燃料電池と、前記第２アノードに接続され、前記第２アノードに前記燃料ガスを供給するアノード供給経路と、前記第２アノードと前記第１アノードとに接続され、前記第２アノードから排出され且つ前記水素を含有する第２アノードオフガスを前記第１アノードに供給する第２アノード排出経路と、前記第１カソードと前記アノード供給経路とに接続され、前記電気化学ポンプにより分離された前記水素を含有し且つ前記第１カソードから排出された第１カソードオフガスを前記アノード供給経路へ戻すリサイクルガス経路と、前記電気化学ポンプに接続され、前記電気化学ポンプに送電する電源と、を備える。

【0023】

上記構成によると、電気化学ポンプからリサイクルガス経路及びアノード供給経路を介して固体酸化物形燃料電池に第１カソードオフガスを燃料ガスとして戻すことにより、燃料電池システムの燃料利用率の向上を図ることができる。また、第１電解質膜がプロトン伝導性を有する酸化物を含むことにより、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池は作動温度帯が互いに近い。このため、固体酸化物形燃料電池から電気化学ポンプに供給される第２アノードオフガスの降温、及び、電気化学ポンプから固体酸化物形燃料電池に戻される第２カソードオフガスの昇温による熱損失を低減することができる。また、固体酸化物形燃料電池と電気化学ポンプとの間の熱交換器の数を減らせ、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

【0024】

本開示の第９の態様に係る燃料電池システムは、前記電気化学ポンプの少なくとも一部は４００℃以上で動作する。上記構成によると、第1電解質膜のプロトン伝導度が良好な状態で電気化学ポンプを作動させることができ、燃料電池システムの燃料利用率の向上を図ることができる。

【0025】

本開示の第１０の態様に係る燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池の温度Ｔ１と前記電気化学ポンプの温度Ｔ２との温度差が、Ｔ１が６００以上８００℃以下で前記固体酸化物形燃料電池が動作する場合には２００℃以下、Ｔ１が８００℃以上１０００℃以下で前記電気化学ポンプが動作する場合は４００℃以下である。上記構成によると、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池は、互いに好適な温度で作動することができる。

【0026】

本開示の第１１の態様に係る燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池の温度Ｔ１は、前記電気化学ポンプの温度Ｔ２よりも高い。上記構成によると、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池は、互いに好適な温度で作動することができる。

【0027】

本開示の第１２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記アノード供給経路上に設けられ、燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備える。上記構成によると、燃料を改質した燃料ガスを固体酸化物形燃料電池に供給することにより、カーボン析出などによる固体酸化物形燃料電池の劣化を低減することができる。

【0028】

本開示の第１３の態様に係る燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池及び前記電気化学ポンプを断熱空間に収容した断熱部材をさらに備え、前記固体酸化物形燃料電池と前記電気化学ポンプは同じ断熱空間に収容されている。上記構成によると、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池を断熱することにより、燃料電池システムの熱損失を低減することができる。また、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池を一体的に断熱するため、断熱部材が共通化でき、断熱部材によるコスト上昇を抑制することができると共に、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。

【0029】

本開示の第１４の態様に係る燃料電池システムは、前記電気化学ポンプと前記改質器を断熱空間に収容した断熱部材をさらに備え、前記電気化学ポンプと前記改質器は同じ断熱空間に収容されている。上記構成によると、電気化学ポンプ及び改質器を断熱することにより、燃料電池システムの熱損失を低減することができる。また、電気化学ポンプ及び改質器を一体的に断熱するため、断熱部材が共通化でき、断熱部材によるコスト上昇を抑制することができると共に、燃料電池システムの大型化を抑制することができる。

【0030】

本開示の第１５の態様に係る燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池及び前記電気化学ポンプを断熱空間に収容した断熱部材をさらに備え、前記断熱空間は、前記固体酸化物形燃料電池を収容した第１断熱空間、及び、前記第１断熱空間から断熱され且つ前記電気化学ポンプを収容した第２断熱空間を有している。上記構成によると、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池は、燃料電池システムの熱損失を低減しながら、互いに好適な温度で作動することができる。

【0031】

本開示の第１６の態様に係る燃料電池システムは、前記改質器及び前記電気化学ポンプを断熱空間に収容した断熱部材をさらに備え、前記断熱空間は、前記改質器を収容した第１断熱空間、及び、前記第１断熱空間から断熱され且つ前記電気化学ポンプを収容した第２断熱空間を有している。上記構成によると、電気化学ポンプ及び改質器は、燃料電池システムの熱損失を低減しながら、互いに好適な温度で作動することができる。

【0032】

本開示の第１７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第３又は第４の態様において、前記断熱部材は、前記リサイクルガス経路を前記断熱空間に収容している。上記構成によると、電気化学ポンプからリサイクルガス経路を通り固体酸化物形燃料電池に戻るガスの循環経路においてガスの温度低下を抑制し、燃料電池システムの熱損失を低減することができる。

【0033】

本開示の第１８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１～第６のいずれか一つの態様において、前記第１アノードに接続され、前記第１アノードから排出された第１アノードオフガスが流れる第１アノード排出経路と、前記第１アノード排出経路に設けられ、前記第１アノードオフガスを燃焼する燃焼器と、をさらに備えている。上記構成によると、例えば、第１アノードオフガスに一酸化炭素が含まれている場合、一酸化炭素を燃焼して排出することができる。また、燃焼熱により構成物（例えば、改質器、リサイクルガス経路）を加熱することにより、燃料電池システムの熱損失の低減を図ることができる。

【0034】

本開示の第１９の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記アノード供給経路上に設けられ、燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、前記第１アノードから排出された前記第１アノードオフガスと、前記改質器に供給される前記燃料ガスとの間で熱交換を行う第１熱交換器と、をさらに備えている。上記構成によると、第１アノードオフガスにより燃料ガスを加熱することにより、燃料電池システムの熱損失を低減することができる。

【0035】

本開示の第２０の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１～第８のいずれか一つの態様において、前記第２カソードに接続され、前記酸化剤ガスを前記第２カソードへ供給するカソード供給経路と、前記第２カソードに接続され、前記第２カソードから排出された第２カソードオフガスが流れるカソード排出経路と、前記第２カソードに供給される前記酸化剤ガスと、前記第２カソードから排出された前記第２カソードオフガスとの間で熱交換を行う第２熱交換器と、を備えている。上記構成によると、第２カソードオフガスにより酸化剤ガスを加熱することにより、燃料電池システムの熱損失を低減することができる。

【0036】

本開示の第２１の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１～第９のいずれか一つの態様において、前記アノード供給経路上に設けられ、燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器をさらに備え、前記リサイクルガス経路は、前記改質器と前記第２アノードとの間の前記アノード供給経路に接続されている。上記構成によると、第１カソードオフガスはリサイクルガス経路からアノード供給経路に流入し燃料ガスとして第２アノードに供給され、燃料利用率の向上を図ることができる。

【0037】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は対応する構成部材には同一の参照符号を付してその説明については省略する場合がある。

【0038】

［第１実施形態］
＜燃料電池システムの構成＞
本開示の第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ３０）、電気化学ポンプ４０、温度測定器３０a、４０aを備える。電気化学ポンプ４０は、複数のセルが積層されたスタックを有している。電気化学ポンプ４０のセルは、第１アノード４１、第１カソード４２及び第１電解質膜４３を有している。ＳＯＦＣ３０は燃料電池スタックを有している。燃料電池スタックは複数のセルを有し、これらのセルが電気的に直列に接続されるように積層されている。燃料電池スタックのセルは、第２アノード３１、第２カソード３２及び第２電解質膜３３を有している。なお、図１では、１つのセルを示している。以下、各構成について詳述する。

【0039】

ＳＯＦＣ３０は、第２アノード３１における下記化学式（１）及び第２カソード３２における下記化学式（２）に基づいて、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電させる。また、下記全体式（３）の通り、発電の化学反応によって水が生成する。

【0040】

第２アノード：２Ｈ_２＋２Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－ （１）
第２カソード：Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｏ^２－ （２）
全体式：２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ （３）

【0041】

第２アノード３１は、第２アノード触媒層３１ａ及び第２アノード流路３１ｂを有している。第２アノード３１は、第２アノード触媒層３１ａと第２アノード流路３１ｂとの間に第２アノード拡散層を有していてもよい。この場合、第２アノード触媒層３１ａと第２アノード拡散層とは一体的に形成されていてもよい。第２アノード流路３１ｂは、供給口及び排出口を有している。

【0042】

第２アノード触媒層３１ａは、第２電解質膜３３の一方面上に配置されており、水素の電気化学的な酸化反応を促進するための触媒を含んでいる。この触媒として、Ｎｉなどの金属を用いることができる。第２アノード触媒層３１ａは、サーメットで構成されていてもよい。サーメットとは、金属とセラミックス材料との混合物である。サーメットとしては、Ｎｉと安定化ジルコニア（例えばイットリア安定化ジルコニア：ＹＳＺ）との混合物、Ｎｉとセリア系酸化物との混合物などが挙げられる。第２アノード触媒層３１ａがサーメットで構成されていると、水素を酸化させるための反応活性点が増え、酸化反応が促進される。また、水素の酸化により発生した水の拡散を促進するため、第２アノード触媒層３１ａは多孔体により形成されていてもよい。

【0043】

第２カソード３２は、第２カソード触媒層３２ａ及び第２カソード流路３２ｂを有している。第２カソード３２は、第２カソード触媒層３２ａと第２カソード流路３２ｂとの間に第２カソード拡散層を有していてもよい。この場合、第２カソード触媒層３２ａと第２カソード拡散層とは一体的に形成されていてもよい。第２カソード流路３２ｂは、供給口及び排出口を有している。

【0044】

第２カソード触媒層３２ａは、第２電解質膜３３の他方面上に配置されており、酸素の電気化学的な還元反応を促進するための触媒を含んでいる。この触媒として、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む酸化物が挙げられる。触媒の具体例としては、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムコバルト複合酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウム鉄複合酸化物（ＬＳＦ）、ランタンストロンチウムマンガン複合酸化物（ＬＳＭ）、バリウムストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（ＢＳＣＦ）、サマリウムストロンチウムコバルト複合酸化物（ＳＳＣ）、ランタンニッケル鉄複合酸化物、ランタンニッケル複合酸化物、バリウムガドリニウムランタンコバルト複合酸化物などが挙げられる。また、触媒は、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む酸化物と、他の酸化物又は金属との複合体であってもよい。酸素の還元により生成した酸化物イオン（Ｏ^２－）の拡散を促進するため、第２カソード３２は多孔体により形成されていてもよい。

【0045】

第２電解質膜３３は、第２アノード３１と第２カソード３２との間に挟まれている。第２電解質膜３３は、固体酸化物系電解質を含んでいる。例えば、第２電解質膜３３は、酸化物イオン伝導性の固体電解質により形成されており、安定化ジルコニア（例えばイットリア安定化ジルコニア：ＹＳＺ）、ランタンガレート系酸化物及びセリア系酸化物などの酸化物イオン伝導体が用いられる。第２電解質膜３３は、例えば、その測定密度が理論密度の９５％以上である緻密体により形成されていてもよい。

【0046】

ＳＯＦＣ３０は、第２電解質膜３３が酸化物イオン伝導を示す温度、例えば、６００℃以上且つ１０００℃以下、好ましくは７００℃以上且つ１０００℃以下で運転される。ＳＯＦＣ３０の温度は、例えば温度測定器３０ａにより測定される。温度測定器３０ａは、例えば熱電対であり、第２電解質膜３３に接する態様、第２電解質膜３３の近傍の温度を測定する態様で設けられていてもよい。温度測定器３０ａはその他の公知の温度測定器であってもよく、スタックまたはセルの温度を測定する公知の態様で設置されていてもよい。

【0047】

電気化学ポンプ４０は、第１アノード４１における下記化学式（４）及び第１カソード４２における下記化学式（５）に基づいて、水素を含有する水素含有ガスから水素を分離させる。

【0048】

第１アノード：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－ （４）
第１カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２ （５）

【0049】

第１アノード４１は、第１アノード触媒層４１ａ及び第１アノード流路４１ｂを有している。第１アノード４１は、第１アノード触媒層４１ａと第１アノード流路４１ｂとの間に第１アノード拡散層を有していてもよい。この場合、第１アノード触媒層４１ａと第１アノード拡散層とは一体的に形成されていてもよい。第１アノード流路４１ｂは、供給口及び排出口を有している。

【0050】

第１アノード触媒層４１ａは、第１電解質膜４３の一方面上に配置されており、水素の電気化学的な酸化反応を促進するための触媒を含んでいる。この触媒として、例えば、Ｎｉなどの金属を有している。第１アノード触媒層４１ａは、サーメットで構成されていてもよい。サーメットとしては、Ｎｉとプロトン伝導性酸化物との混合物であり、例えば、ＮｉとＢａＺｒ_１－ｘ１Ｙｂ_ｘ１Ｏ_３－δとの混合物などが挙げられる。第１アノード触媒層４１ａがサーメットで構成されていると、水素を酸化させるための反応活性点が多く設けられ、水素の酸化反応が速やかに行われる。水素及び水蒸気の拡散を促進するために、第１アノード触媒層４１ａは多孔体により形成されていてもよい。

【0051】

第１カソード４２は、第１カソード触媒層４２ａ及び第１カソード流路４２ｂを有している。第１カソード４２は、第１カソード触媒層４２ａと第１カソード流路４２ｂとの間に第１カソード拡散層を有していてもよい。この場合、第１カソード触媒層４２ａと第１カソード拡散層とは一体的に形成されていてもよい。第１カソード流路４２ｂは、排出口を有している。

【0052】

第１カソード触媒層４２ａは、第１電解質膜４３の他方面上に配置されており、プロトン（Ｈ^＋）の電気化学的な還元反応を促進するための触媒を含んでいる。触媒としてＮｉなどの金属を用いることができる。第１カソード触媒層４２ａは、サーメットで構成されていてもよい。サーメットとしては、Ｎｉとプロトン伝導性酸化物との混合物、例えば、ＮｉとＢａＺｒ_１－ｘ１Ｙｂ_ｘ１Ｏ_３－δとの混合物などが挙げられる。第１カソード触媒層４２ａがサーメットで構成されていると、プロトンを還元するための反応活性点が多く設けられ、プロトンの還元反応が速やかに行われる。プロトンの還元反応により形成された水素の拡散を促進するために、第１カソード４２は多孔体により形成されていてもよい。

【0053】

第１電解質膜４３は、プロトン伝導性を有する酸化物を含む。この酸化物は、例えば、プロトン伝導セラミックが挙げられ、前記第１電解質膜は、Ａ１Ｚｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δ、Ａ２Ｃｅ_1-x2Ｍ２_x2Ｏ_3-δ及びＡ３Ｚｒ_1-x3-y3Ｃｅ_x3Ｍ３_y3Ｏ_3-δからなる群より選ばれる少なくとも１つを含み、Ａ１，Ａ２，Ａ３は、それぞれＢａ，Ｓｒ，Ｃａからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含み、Ｍ１、Ｍ２及びＭ３は、それぞれ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｙ、Ｓｃ、Ｉｎ及びＬｕからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含み、ｘ１が０＜ｘ１＜１を満たし、ｘ２が０＜ｘ２＜１を満たし、ｘ３が０＜ｘ３＜１を満たし、ｙ３が０＜ｙ３＜１を満たしてもよい。また、Ａ１Ｚｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δ、Ａ２Ｃｅ_1-x2Ｍ２_x2Ｏ_3-δ及びＡ３Ｚｒ_1-x3-y3Ｃｅ_x3Ｍ３_y3Ｏ_3-δは、ｘ３＋ｙ３＜１、０＜δ＜０．５を満たしてもよい。また、第１電解質膜において、Ａ１、Ａ２，Ａ３はＢａを含んでもよい。

【0054】

なお、δの値は、ｘ１の値及び第１電解質膜４３の環境（例えば、温度、酸素分圧、水蒸気分圧）に応じて変化する。また、第１電解質膜４３は、例えば、その測定密度が理論密度の９５％以上である緻密体により形成されていてもよい。

【0055】

第１電解質膜４３は、例えば、４００℃以上の温度帯において、所定値（例えば、１．０×１０^－３Ｓ／ｃｍ）以上のプロトン伝導度を有する。具体例として、ＢａＺｒ_０．８Ｙ_０．２Ｏ_３－αを主成分として含む第１電解質膜４３は、６００℃以上の温度帯において、１．０×１０^－２ Ｓ／ｃｍ以上のプロトン伝導度を示す。電気化学ポンプ４０は、第１電解質膜４３が所定値以上のプロトン伝導度を示す温度、例えば、４００℃以上且つ８００℃以下、好ましくは６００℃以上且つ８００℃以下で運転される。

【0056】

また、第１電解質膜は、ＢａＺｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δからなってもよい。ＢａＺｒ_１－ｘ１Ｍ１_ｘ１Ｏ_３－δ、ＢａＣｅ_１－ｘ２Ｍ２_ｘ２Ｏ_３－δ及びＢａＺｒ_{１－ｘ３－ｙ３}Ｃｅ_ｘ３Ｍ３_ｙ３Ｏ_３－δは、高温帯（例えば、６００℃以上）にてプロトン伝導性に加えて、酸化物イオン伝導性を有する。このうち、ＢａＺｒ_１－ｘ１Ｍ１_ｘ１Ｏ_３－δで表される複合酸化物は、高温帯においても高いプロトン輸率を発揮する。このため、ＢａＺｒ_１－ｘ１Ｍ１_ｘ１Ｏ_３－δで形成された第１電解質膜４３を含む電気化学ポンプ４０は、高効率で水素を分離することができる。なお、プロトン輸率は、酸素欠陥に由来する正孔伝導を含まない。

【0057】

さらに、第１電解質膜において、Ｍ１は少なくともＹｂを含んでもよい。第１電解質膜４３は、ＢａＺｒ_１－ｘ１Ｍ１_ｘ１Ｏ_３－δのうち、ＢａＺｒ_１－ｘ１Ｙｂ_ｘ１Ｏ_３－δにより形成されていてもよい。このＢａＺｒ_１－ｘ１Ｙｂ_ｘ１Ｏ_３－δは、ＢａＺｒ_１－ｘ１Ｍ１_ｘ１Ｏ_３－δの中でも高いプロトン伝導性を発揮することができる。これにより、電気化学ポンプ４０は、高いプロトン輸率を有する高効率で水素を分離することができる。

【0058】

図２は、ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δの温度及びプロトン伝導度の関係を示すグラフである。図２の横軸は温度、及び１０００／Ｔ（温度）の値を示し、縦軸はプロトン伝導度を示している。図２に示すように、ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δのプロトン伝導度は、４００℃以上では破線ａに沿って推移しており、４００℃未満では破線ｂに沿って推移している。

【0059】

ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δの温度は、例えば、サンプル近傍の温度を熱電対で測定した値である。ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δのプロトン伝導度は、例えば、ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δの粉末から作製される評価用ペレットの抵抗および評価用ペレットの厚みから算出される。評価用ペレットの抵抗は、交流インピーダンス法に基づき測定されてもよい。評価用ペレットは、例えば、ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δの粉末をプレス、焼成した後の焼結体ペレットを、厚さ約５００μｍのディスク状に切断し、３μｍ砥粒のラッピングフィルムシートなどで両面を研磨することで作製される。また、研磨後の評価用ペレットの両面には、交流インピーダンス測定のための集電極が形成されてもよい。集電極としては、例えば、スクリーン印刷法により、Ａｇペーストを塗布し、これを焼成することで得ることができる。

【0060】

プロトン伝導度の求め方は、例えば、以下の手法がある。ソーラートロン１２８７（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ製）を用いて、１０ｍＶの振幅で、１ＭＨｚから０．０１Ｈｚの周波数の範囲において、評価用ペレットに交流信号を印加する。この測定は、加湿水素雰囲気下、適宜測定を希望する温度で実施される。出力されるコールコールプロットの円弧をもとにして、円弧と実数軸との交点を求める。実数軸とは、コールコールプロットのグラフにおけるＹ軸の値が０となる軸である。求められた交点のうち、高周波側の交点を評価用ペレットの抵抗とする。求められた抵抗および評価用ペレットの厚みに基づき、サンプルのプロトン伝導度が算出される。

【0061】

ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δは４００℃以上であればプロトン伝導度が良好である。なお、ＢａＺｒ_0.8Ｙｂ_0.2Ｏ_3-δ以外の上記のＡ１Ｚｒ_1-x1Ｍ１_x1Ｏ_3-δ、Ａ２Ｃｅ_1-x2Ｍ２_x2Ｏ_3-δ及びＡ３Ｚｒ_1-x3-y3Ｃｅ_x3Ｍ３_y3Ｏ_3-δで表される物質においても同様の傾向がある。

【0062】

電気化学ポンプ４０の少なくとも一部又は全体は４００℃以上で動作してもよい。これにより、電気化学ポンプ４０は、第1電解質膜４３のプロトン伝導度が良好な状態で作動させることができる。電気化学ポンプ４０の少なくとも一部又は全体は、５００℃以上、６００℃以上で動作してもよい。電気化学ポンプ４０の少なくとも一部又は全体は、９００℃以下、８００℃以下で動作してもよい。ここで、少なくとも一部とは、電気化学ポンプ４０の構成の一部であり、例えば第1電解質膜４３の一部であってもよい。電気化学ポンプ４０の温度は、温度測定器４０ａにより測定される。温度測定器４０ａは、例えば熱電対であり、第１電解質膜４３に接する態様、第１電解質膜４３の近傍の温度を測定する態様で設けられていてもよい。温度測定器４０ａは公知の温度測定器でよく、スタック又はセルの温度を測定する公知の態様で設置されていてもよい。

【0063】

燃料電池システム１０は、さらに、アノード供給経路１１、第１アノード第２アノード排出経路１２、リサイクルガス経路１３、電源１４、第２アノード第１アノード排出経路１５、カソード供給経路１６及びカソード排出経路１７を備えている。アノード供給経路１１は、第２アノード３１の供給口と燃料ガスの供給源とに接続され、第２アノード３１に燃料ガスを供給する。燃料ガスは、水素を含有する水素含有ガスなどである。この供給源には、水素を貯留する水素タンク、水電解装置などの水素製造装置、並びに、水素タンク及び水素製造装置を有する水素ステーション及び水素インフラストラクチャーなどが挙げられる。

【0064】

第２アノード排出経路１２は、第２アノード３１の排出口と第１アノード４１の供給口とに接続され、第２アノード３１から排出された第２アノードオフガスを第１アノード４１に供給する。第２アノードオフガスは、ＳＯＦＣ３０における化学反応で生成した水、及び、この化学反応に用いられずに残った燃料ガスを有している。燃料ガスは水素を含有するため、燃料ガスを含む第２アノードオフガスは水素を含んでいる。例えば、ＳＯＦＣ３０の燃料利用率が８０％である場合、燃料ガスに含まれた水素のうち２０％の水素がＳＯＦＣ３０の化学反応で消費されずに第２アノードオフガスに含まれる。

【0065】

リサイクルガス経路１３は、第１カソード４２の排出口とアノード供給経路１１とに接続されている。リサイクルガス経路１３は、第１カソード４２から排出された第１カソードオフガスをアノード供給経路１１へ戻す。第１カソードオフガスには、電気化学ポンプ４０により第２アノードオフガスから分離された水素が含まれている。

【0066】

カソード供給経路１６は、第２カソード３２の供給口と酸化剤ガスの供給源とに接続され、第２カソード３２に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであって、例えば、空気、及び、酸素含有の合成ガスが用いられる。酸化剤ガスに空気を用いる場合、酸化剤ガスの供給源には、空気を送るブロワ、及び、空気を燃料電池システム１０内に吸入する吸入装置などが用いられる。

【0067】

第１アノード排出経路１５は、第１アノード４１の排出口に接続されており、例えば、燃料電池システム１０の外部に連通している。第１アノード排出経路１５により、第１アノード４１から排出された第１アノードオフガスは燃料電池システム１０の外に放出され、大気開放される。第１アノードオフガスは、第２アノードオフガスから電気化学ポンプ４０によって水素が分離されて残ったガスである。

【0068】

カソード排出経路１７は、第２カソード３２の排出口に接続されており、例えば、燃料電池システム１０の外部に連通している。カソード排出経路１７により、第２カソード３２から排出された第２カソードオフガスが燃料電池システム１０の外に放出され、大気開放される。第２カソードオフガスは、ＳＯＦＣ３０における化学反応に用いられずに残った酸化剤ガスを含んでいる。

【0069】

電源１４は、バッテリなどであって、電気化学ポンプ４０の第１アノード４１及び第１カソード４２に接続されており、電気化学ポンプ４０に送電する。これにより、電気化学ポンプ４０は、電源１４からの電力によって駆動する。なお、電気化学ポンプ４０は、外部電源に接続される端子を有し、端子に接続された外部電源から電流が印加されてもよい。

【0070】

＜燃料電池システムの作動＞
燃料電池システム１０では、ＳＯＦＣ３０は、その発電効率が高い温度、例えば、６００℃以上且つ１０００℃以下、好ましくは７００℃以上且つ１０００℃以下に保たれている。このＳＯＦＣ３０には、燃料ガスがアノード供給経路１１を通じて第２アノード３１に供給され、また、酸化剤ガスがカソード供給経路１６を通じて第２カソード３２に供給されている。

【0071】

これにより、第２カソード３２では、第２カソード流路３２ｂから第２カソード触媒層３２ａに酸化剤ガスが供給される。第２カソード触媒層３２ａにおいて上記化学式（２）のように、酸化剤ガスの酸素が還元されて、酸化物イオンが生じる。酸化物イオンが第２電解質膜３３を第２カソード３２から第２アノード３１に伝導する。

【0072】

第２アノード３１では、第２アノード流路３１ｂから第２アノード触媒層３１ａに燃料ガスが供給される。第２アノード触媒層３１ａにおいて上記化学式（１）のように、燃料ガスの水素が酸化物イオンにより酸化されて、水及び電子が生成する。電子は外部回路を流れて発電する。

【0073】

そして、第２アノードオフガスがＳＯＦＣ３０の第２アノード３１から第２アノード排出経路１２を通じて電気化学ポンプ４０の第１アノード４１に供給される。この電気化学ポンプ４０は、その水素分離効率が高い温度、例えば、４００℃以上且つ８００℃以下、好ましくは６００℃以上且つ８００℃以下に保たれている。また、電気化学ポンプ４０に電源１４から電流が印加されている。

【0074】

ここで、ＳＯＦＣ３０の温度Ｔ１は、電気化学ポンプ４０の温度Ｔ２よりも高くてもよい。また、ＳＯＦＣ３０の温度Ｔ１と電気化学ポンプ４０の温度Ｔ２との温度差が、Ｔ１が６００℃以上８００℃である場合には２００℃以下、Ｔ１が８００℃以上１０００℃である場合は４００℃以下であってもよい。上記構成によると、電気化学ポンプ及び固体酸化物形燃料電池は、互いに好適な温度で作動することができる。ＳＯＦＣ３０の温度Ｔ１は、上述のように温度測定器３０ａにより測定され、電気化学ポンプ４０の温度Ｔ２は上述のように温度測定器４０ａにより測定される。

【0075】

電気化学ポンプ４０では、第１アノード４１において第１アノード流路４１ｂから第１アノード触媒層４１ａに第２アノードオフガスが供給される。第１アノード触媒層４１ａにおいて上記化学式（４）のように、第２アノードオフガスの水素が酸化されて、プロトン及び電子が生じる。プロトンが第１電解質膜４３を第１アノード４１から第１カソード４２に伝導する。

【0076】

第１カソード４２では、第１カソード触媒層４２ａにおいて上記化学式（５）のように、プロトンが電子を得て還元されて、水素が生成し、第１カソード流路４２ｂへ流れる。このように第２アノードオフガスから分離された水素は、第１カソードオフガスとして第１カソード４２の第１カソード流路４２ｂから排出されて、リサイクルガス経路１３を通りアノード供給経路１１へ戻る。そして、第１カソードオフガスは、アノード供給経路１１を流れる燃料ガスと合流し、燃料ガスとしてＳＯＦＣ３０の第２アノード３１に供給され、ＳＯＦＣ３０の発電に用いられる。

【0077】

このように、燃料電池システム１０では、ＳＯＦＣ３０の発電で消費されなかった水素を電気化学ポンプ４０により第２アノードオフガスから分離して、リサイクルガス経路１３及びアノード供給経路１１を介してＳＯＦＣ３０に戻している。これにより、ＳＯＦＣ３０の燃料利用率（ＳＯＦＣ３０に供給された燃料ガスに対する発電に利用される水素の割合）を向上することができる。ＳＯＦＣ３０の発電効率は、電圧効率と燃料利用率との積で決定されるため、この燃料利用率の向上に伴い発電効率を向上することができる。

【0078】

また、燃料電池システム１０では、プロトン伝導性を有する酸化物を含む第１電解質膜４３を電気化学ポンプ４０に用いている。これにより、電気化学ポンプ４０の水素分離効率及びＳＯＦＣ３０の発電効率の低下を抑制しながら、電気化学ポンプ４０の作動温度帯とＳＯＦＣ３０の作動温度帯とを互いに同じ又は近づけることができる。よって、ＳＯＦＣ３０から電気化学ポンプ４０に第２アノードオフガスを供給する際、及び、電気化学ポンプ４０からＳＯＦＣ３０に第１カソードオフガスを戻す際における熱損失を低減することができる。

【0079】

さらに、電気化学ポンプ４０及びＳＯＦＣ３０は、互いに同じ又は近い温度帯に作動することができる。このため、ＳＯＦＣ３０から電気化学ポンプ４０に第２アノードオフガスを供給する際に第２アノードオフガスの温度降下、及び、電気化学ポンプ４０からＳＯＦＣ３０に第１カソードオフガスを戻す際の第１カソードオフガスの温度上昇が小さい。よって、電気化学ポンプ４０とＳＯＦＣ３０との間における熱交換器の数を低減し、燃料電池システム１０の小型化を図ることができる。

【0080】

［第２実施形態］
第２実施形態に係る燃料電池システム１０は、図３に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１０において、アノード供給経路１１上に設けられ、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１８をさらに備えている。

【0081】

アノード供給経路１１は、第２アノード３１の供給口と燃料の供給源とに接続されている。燃料は、メタン及びプロパンなどの炭化水素ガス、並びに、炭化水素ガスを含む天然ガス及びＬＰガスなどがある。燃料の供給源には、燃料を貯留する燃料ボンベ、及び、燃料インフラストラクチャーなどが挙げられる。

【0082】

改質器１８は、アノード供給経路１１とリサイクルガス経路１３との接続点よりも上流のアノード供給経路１１に配置されている。改質器１８は、アノード供給経路１１を通じて供給された燃料を、燃料ガスに改質する。この改質には、水蒸気改質法及び酸化改質法などが用いられる。水蒸気改質法では、燃料電池システム１０は、加湿器１９をさらに備えていてもよい。加湿器１９は、改質器１８よりも上流のアノード供給経路１１に設けられている。

【0083】

加湿器１９は、例えば、高分子膜及びスポンジなどの多孔質体、並びに、エンタルピーホイールを有している。加湿器１９には、水（加湿水）が供給される。加湿水は、例えば、燃料電池システム１０の外部から供給されてもよい。また、燃料電池システム１０が燃焼器を有している場合には、燃焼器にて第１アノードオフガスを燃焼し、この燃焼後の燃焼オフガスから水蒸気を凝縮させて、この凝縮水を加湿器１９として用いてもよい。

【0084】

加湿器１９は、加湿水を水蒸気としてアノード供給経路１１に供給し、アノード供給経路１１を流れる燃料を加湿する。加湿された燃料は、例えば、露点温度８０℃以上且つ９０℃以下の水蒸気量を有し、改質器１８に供給される。この改質器１８に供給される単位時間当たりの水蒸気の分子数Ｓと、改質器１８に供給される単位時間当たりの燃料の炭素原子数Ｃとする。Ｃに対するＳの比（スチームカーボン比）は、例えば、１．５以上且つ３．５以下であり、好ましくは２．０以上且つ３．０以下であり、さらに好ましくは２．０以上且つ２．５以下である。このようなスチームカーボン比Ｓ／Ｃにおいて、燃料が効率よく水蒸気改質される。

【0085】

また、水蒸気改質法では、改質器１８は改質触媒を有している。改質触媒は、水蒸気改質反応の触媒であれば特に限定されない。例えば、改質触媒として、Ｎｉ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｅ，Ｃｏ，Ｆｅ及びＭｏの少なくとも一つを触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が挙げられる。

【0086】

改質器１８では、改質触媒の存在下において燃料を水蒸気と反応させて、水素及び一酸化炭素を生成する。例えば、Ｃ_ｎＨ_ｍ（ｎ，ｍの値はともに正の実数）の燃料は、下記反応式（６）に示すように水蒸気改質反応する。また、メタン（ＣＨ_４）の燃料は、下記反応式（７）に示すように水蒸気改質反応する。

【0087】

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋［（ｍ／２）＋ｎ］Ｈ_２ （６）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ （７）

【0088】

そして、リサイクルガス経路１３は、改質器１８と第２アノード３１との間のアノード供給経路１１に接続されている。よって、改質器１８により生成されたガスは、リサイクルガス経路１３から戻された第１カソードオフガスとアノード供給経路１１にて合流し、これらのガスは燃料ガスとしてＳＯＦＣ３０の第２アノード３１に供給される。ＳＯＦＣ３０では、燃料ガスと酸化剤ガスとが化学反応して、発電される。

【0089】

この改質器１８により生成されたガスは、一酸化炭素を含んでいる。この一酸化炭素は、高温で作動するＳＯＦＣ３０において燃料ガスとして用いられる。このため、ＳＯＦＣ３０は、一酸化炭素による触媒の被毒を抑えながら、発電効率の向上を図ることができる。

【0090】

また、電気化学ポンプ４０も、ＳＯＦＣ３０と同じ高温の温度帯で作動するため、一酸化炭素による触媒の被毒を抑えながら、一酸化炭素を含む第２アノードオフガスから水素を分離することができる。よって、燃料電池システム１０は、改質器１８により改質されたガスから一酸化炭素を除去するシフト反応器を用いなくてもよく、シフト反応器による燃料電池システム１０の大型化を抑制することができる。

【0091】

［第３実施形態］
第３実施形態に係る燃料電池システム１０は、図４に示すように、第１又は第２実施形態に係る燃料電池システム１０において、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０を断熱空間５１に収容した断熱部材５０をさらに備えている。断熱部材５０は、内部に断熱空間５１を有し、断熱空間５１を外部から断熱している。断熱部材５０は、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０に接するようにこれらを被覆していてもよいし、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０との間に間隔を空けてこれらの周囲を取り囲んでいてもよい。

【0092】

断熱部材５０の種類は、特に限定されず、断熱性を有する材料（断熱材）を用いることができる。この断熱材としては、マイクロポーラス断熱材（マイクロサーム）、グラスウール、スーパーウール、ロックウール、セラミックファイバー、ミネラルウール、ケイ酸カルシウム及び硬質ウレタンフォームなどが挙げられる。また、断熱材として、フュームドシリカを主成分とし、これに無機繊維状物質及び赤外線遮断材が配合された耐熱性及び断熱性を有する材料であってもよい。さらに、断熱部材５０は、真空断熱材を有していてもよい。真空断熱材は外被材及び芯材を有し、外被材はその内部に芯材が収容されており減圧されて封止されている。特に、ＳＯＦＣの好適な動作温度である７００－１０００℃での耐熱性と高い断熱性を有するマイクロポーラス断熱材などが好適である。外装材は、例えば、金属箔と樹脂フィルムとが積層された金属ラミネートフィルムである。芯材は、例えば、グラスウールなどの多孔質構造材である。

【0093】

リサイクルガス経路１３の一部が断熱空間５１に配置され、残りが断熱空間５１の外に配置されている。なお、リサイクルガス経路１３の全体が断熱空間５１の外に配置されていてもよい。また、燃料電池システム１０が改質器１８を備える場合には、改質器１８は断熱空間５１の外に配置されている。さらに、断熱部材５０は、例えば、直方体形状を有する断熱筐体を構成してもよい。断熱部材５０は、金属板などの支持材によって覆われていてもよい。

【0094】

このように、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０は、互いの間が断熱されておらず、互いに同じ断熱空間５１に配置されている。この断熱空間５１は、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０に共通する作動温度帯、例えば、６００℃以上且つ８００℃以下、好ましくは７００℃以上且つ８００℃以下の温度に保たれている。このため、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０を高温の作動温度帯に維持する熱を有効に利用することができる。また、断熱部材５０はＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０を一体的に断熱するため、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０により断熱部材５０が共通化でき、断熱部材５０によるコスト上昇を抑制することができると共に、燃料電池システム１０の大型化を抑制することができる。

【0095】

＜変形例１＞
第３実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１０では、図５に示すように、断熱空間５１は、ＳＯＦＣ３０を収容した第１断熱空間５１ａ、及び、電気化学ポンプ４０を収容し且つ第１断熱空間５１ａから断熱された第２断熱空間５１ｂを有している。

【0096】

すなわち、図４では、ＳＯＦＣ３０を収容した第１断熱空間５１ａと、電気化学ポンプ４０を収容した第２断熱空間５１ｂとは、共通しており、断熱部材５０において一体的に形成されていた。これに対し、図５では、断熱部材５０において、第１断熱空間５１ａと第２断熱空間５１ｂとは、それぞれ別個に設けられており、互いに独立し、これらの間は断熱されている。このため、第１断熱空間５１ａは、ＳＯＦＣ３０に好適な作動温度帯に保たれ、第２断熱空間５１ｂは、電気化学ポンプ４０に好適な作動温度帯に保たれる。これにより、ＳＯＦＣ３０の発電効率、及び、電気化学ポンプ４０の水素分離効率の向上を図ることができる。

【0097】

断熱部材５０は、第１断熱空間５１ａを形成する第１断熱部材５０ａ、及び、第２断熱空間５１ｂを形成する第２断熱部材５０ｂを備えている。第１断熱部材５０ａはＳＯＦＣ３０を断熱し、第２断熱部材５０ｂは電気化学ポンプ４０を断熱する。第１断熱部材５０ａと第２断熱部材５０ｂとはそれぞれ別個に形成されていてもよい。この場合、ＳＯＦＣ３０と電気化学ポンプ４０との配置の自由度が高められる。一方、第１断熱部材５０ａと第２断熱部材５０ｂとは一体的に形成され、断熱部材５０は第１断熱空間５１ａと第２断熱空間５１ｂとを隔離する断熱壁を有していてもよい。この場合、断熱部材５０によるコスト上昇及び大型化を抑制することができる。

【0098】

＜変形例２＞
第３実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１０では、図６に示すように、断熱部材５０は、リサイクルガス経路１３を断熱空間５１に収容している。ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及びリサイクルガス経路１３は、それぞれの断熱空間５１が共通し、互いに同じ１つの断熱空間５１に配置されている。断熱部材５０は、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及び、リサイクルガス経路１３の全体を一体的に覆っている。

【0099】

このように、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及びリサイクルガス経路１３は互いに同一の断熱部材５０で覆われているため、断熱部材５０によるコスト上昇及び大型化を抑制することができる。また、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及びリサイクルガス経路１３を循環するガスの温度低下が断熱部材５０により抑制されるため、燃料電池システム１０における熱損失を低減することができる。さらに、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０における発熱反応の熱をリサイクルガス経路１３の加熱に用い、燃料電池システム１０の熱損失の低減を図ることができる。

【0100】

なお、燃料電池システム１０は、コンピュータなどの制御装置、及び、アノードガス供給路に調整弁をさらに備えていてもよい。この場合、制御装置に記憶されているプログラム、及び、オペレータによる制御装置の操作によって、燃料電池システム１０の熱収支を保つように燃料ガスの供給量を調整弁によって制御してもよい。

【0101】

また、変形例１のように、断熱空間５１は、ＳＯＦＣ３０を収容した第１断熱空間５１ａ、及び、電気化学ポンプ４０を収容した第２断熱空間５１ｂを有していてもよい。この場合、リサイクルガス経路１３は、第１断熱空間５１ａ、第２断熱空間５１ｂ、及び、第１断熱空間５１ａ及び第２断熱空間５１ｂ以外の第３断熱空間のいずれかに収容されていてもよい。このため、断熱部材５０は、第１断熱部材５０ａ、第２断熱部材５０ｂ、及び、第３断熱空間を形成する第３断熱部材を備えていてもよい。

【0102】

＜変形例３＞
第３実施形態の変形例３に係る燃料電池システム１０では、図７に示すように、アノード供給経路１１上に設けられ、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１８をさらに備えている。断熱部材５０は、改質器１８を断熱空間５１に収容している。

【0103】

具体的には、断熱部材５０は、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及び改質器１８を一体的に覆っている。ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及び改質器１８は、それぞれの断熱空間５１が共通し、互いに同じ１つの断熱空間５１に配置されている。

【0104】

このように、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及び改質器１８は互いに同一の断熱部材５０で覆われているため、断熱部材５０によるコスト上昇及び大型化を抑制することができる。また、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０における発熱反応の熱を改質器１８の加熱に用い、燃料電池システム１０の熱損失の低減を図ることができる。

【0105】

さらに、断熱部材５０は、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０、リサイクルガス経路１３及び改質器１８を一体的に覆っていてもよい。このように、断熱部材５０を共通化することにより、断熱部材５０のコスト上昇及び大型化を抑制することができる。また、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０、リサイクルガス経路１３及び改質器１８は、それぞれの断熱空間５１が共通し、互いに同じ１つの断熱空間５１に配置されている。これにより、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０及びリサイクルガス経路１３を循環するガスの温度低下が断熱部材５０により抑制されるため、燃料電池システム１０における熱損失を低減することができる。

【0106】

また、変形例１のように、断熱空間５１は、ＳＯＦＣ３０を収容した第１断熱空間５１ａ、及び、電気化学ポンプ４０を収容した第２断熱空間５１ｂを有していてもよい。この場合、改質器１８は、第１断熱空間５１ａ、第２断熱空間５１ｂ、及び、第１断熱空間５１ａ及び第２断熱空間５１ｂ以外の第４断熱空間のいずれかに収容されていてもよい。このため、断熱部材５０は、第１断熱部材５０ａ、第２断熱部材５０ｂ、及び、第４断熱空間を形成する第４断熱部材を備えていてもよい。

【0107】

＜変形例４＞
第３実施形態の変形例４に係る燃料電池システム１０では、図８に示すように、変形例１と同様に断熱空間５１は、ＳＯＦＣ３０を収容した第１断熱空間５１ａ、及び、電気化学ポンプ４０を収容し且つ第１断熱空間５１ａから断熱された第２断熱空間５１ｂを有している。また、アノード供給経路１１上に設けられ、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１８をさらに備えている。断熱部材５０は、改質器１８を第１断熱空間５１ａに収容している。これにより、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０、改質器１８及びリサイクルガス経路１３を循環するガスの温度低下が断熱部材５０により抑制されるため、燃料電池システム１０における熱損失を低減することができる。

【0108】

＜変形例５＞
第３実施形態の変形例５に係る燃料電池システム１０では、図９に示すように、変形例１と同様に、断熱空間５１は、ＳＯＦＣ３０を収容した第１断熱空間５１ａ、及び、電気化学ポンプ４０を収容し且つ第１断熱空間５１ａから断熱された第２断熱空間５１ｂを有している。また、アノード供給経路１１上に設けられ、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１８をさらに備えている。断熱部材５０は、改質器１８を第２断熱空間５１ｂに収容している。これにより、ＳＯＦＣ３０、電気化学ポンプ４０、改質器１８及びリサイクルガス経路１３を循環するガスの温度低下が断熱部材５０により抑制されるため、燃料電池システム１０における熱損失を低減することができる。なお、図９においては、電源１４、アノード供給経路１１、リサイクルガス経路１３、第1アソード排出経路１５等の経路の一部は、第２断熱空間５１ｂに収容されているが、実際には第2断熱空間５１ｂの外部に配されていてもよい。

【0109】

［第４実施形態］
第４実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１０に示すように、第１～第３実施形態及びその変形例のいずれかに係る燃料電池システム１０において、第１アノード４１に接続され、第１アノード４１から排出された第１アノードオフガスが流れる第１アノード排出経路１５と、第１アノード排出経路１５に設けられ、第１アノードオフガスを燃焼する燃焼器２０と、を備えている。

【0110】

具体的には、第１アノード排出経路１５は、第１アノード４１の排出口に接続されており、第１アノード４１から排出された第１アノードオフガスが流れる。第１アノードオフガスは、電気化学ポンプ４０により第２アノードオフガスから水素を分離して残ったガスである。このため、第１アノードオフガスは、ＳＯＦＣ３０における化学反応に用いられずに残った燃料ガスから、電気化学ポンプ４０で分離された水素を引いた残留ガスを可燃性ガスとして有している。

【0111】

燃焼器２０は、第１アノード排出経路１５に設けられ、第１アノード排出経路１５から第１アノードオフガスが供給され、第１アノードオフガスの可燃性の残留ガスを燃焼し、燃焼オフガスを排出する。これにより、残留ガスに一酸化炭素が含まれている場合には、一酸化炭素を燃焼されて二酸化炭素として排出することができる。また、燃焼により生じた熱を改質器１８など燃料電池システム１０の構成の加熱に用い、燃料電池システム１０の熱損失の低減を図ることができる。また、燃料電池システム１０が貯水タンクを有している場合には、燃焼により生じた熱をこの貯水タンクの加熱に用い、燃料電池システム１０の熱損失の低減を図ることができる。

【0112】

また、ＳＯＦＣ３０の第２アノードオフガスから電気化学ポンプ４０にて水素を分離し、これで残った第１カソードオフガスをＳＯＦＣ３０の燃料ガスとして再利用している。このため、電気化学ポンプ４０から排出された第１アノードオフガスに含まれる水素は第２アノードオフガスよりも少なく、第１アノードオフガスの燃焼で生じる熱量が第２アノードオフガスよりも低い。このような場合であっても、ＳＯＦＣ３０と電気化学ポンプ４０との作動温度が互いに同じ又は近いため、電気化学ポンプ４０からＳＯＦＣ３０へ第１カソードオフガスを加熱する熱量が少なくてもよい。よって、第１アノードオフガスを用いた燃焼器２０による加熱不足によってＳＯＦＣ３０が熱自立できない事態を回避することができる。

【0113】

なお、燃焼器２０は、第１アノード排出経路１５及びカソード排出経路１７に設けられていてもよい。この場合、燃焼器２０は、第１アノード排出経路１５から第１アノードオフガスが供給されると共に、カソード排出経路１７から第２カソードオフガスが供給される。このため、燃焼器２０は、第１アノードオフガスを、第２カソードオフガス中の残留酸化剤ガスによって効率良く燃焼することができる。また、燃焼器２０は電気化学ポンプ４０とともに断熱空間４０に収容されていてもよい。また、図５等と同様に、第１断熱空間５１ａ，第２断熱空間５１ｂを設けて、ＳＯＦＣ３０を第１断熱空間５１ａに収容し、燃焼器２０を電気化学ポンプ４０とともに第２断熱空間５１ｂに収容してもよい。

【0114】

［第５実施形態］
第５実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１１に示すように、第１～第４実施形態及び変形例のいずれかに係る燃料電池システム１０において、アノード供給経路１１上に設けられ、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１８と、第１アノード４１から排出された第１アノードオフガスと、改質器１８に供給される燃料ガスとの間で熱交換を行う第１熱交換器２１と、を備えている。

【0115】

第１熱交換器２１は、第１アノード排出経路１５、及び、改質器１８よりも上流のアノード供給経路１１に配置されている。なお、燃料電池システム１０が加湿器１９を備える場合、第１熱交換器２１は加湿器１９と改質器１８との間のアノード供給経路１１に配置されている。また、燃料電池システム１０が燃焼器２０を備える場合、第１熱交換器２１は、電気化学ポンプ４０と燃焼器２０との間の第１アノード排出経路１５に配置されている。

【0116】

第１熱交換器２１では、第１アノード排出経路１５の第１アノードオフガスと、アノード供給経路１１の燃料ガスとが熱交換を行う。この第１アノードオフガスは、高温で作動する電気化学ポンプ４０から排出されたため、温度が高い。このため、燃料ガスは、高温の第１アノードオフガスによって加熱される。

【0117】

そして、昇温された燃料ガスは改質器１８に供給される。改質器１８では燃料ガスは高温で改質される。この燃料ガスの昇温には、第１アノードオフガスの熱が利用されるため、燃料電池システム１０における熱損失を低減することができる。

【0118】

［第６実施形態］
第６実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１２に示すように、第１～第５実施形態及び変形例のいずれかに係る燃料電池システム１０において、第２カソード３２に接続され、酸化剤ガスを第２カソード３２へ供給するカソード供給経路１６と、第２カソード３２に接続され、第２カソード３２から排出された第２カソードオフガスが流れるカソード排出経路１７と、第２カソード３２に供給される酸化剤ガスと、第２カソード３２から排出された第２カソードオフガスとの間で熱交換を行う第２熱交換器２２と、を備えている。

【0119】

第２熱交換器２２は、カソード供給経路１６及びカソード排出経路１７に設けられている。なお、燃料電池システム１０が燃焼器２０を備える場合、第２熱交換器２２は、ＳＯＦＣ３０と燃焼器２０との間のカソード排出経路１７に配置されている。

【0120】

第２熱交換器２２では、カソード供給経路１６の酸化剤ガスと、カソード排出経路１７の第２カソードオフガスとが熱交換を行う。この第２カソードオフガスは、高温で作動するＳＯＦＣ３０から排出されたため、温度が高い。このため、酸化剤ガスは、高温の第２カソードオフガスによって加熱される。

【0121】

そして、昇温された酸化剤ガスは、ＳＯＦＣ３０に供給され、ＳＯＦＣ３０にて燃料ガスと化学反応して発電に用いられる。このように、酸化剤ガスの昇温には、第２カソードオフガスの熱が利用されるため、燃料電池システム１０における熱損失を低減することができる。

【0122】

＜その他の変形例＞
上記第２～第６の実施形態及び変形例のいずれかに係る燃料電池システム１０において、図１１に示すように、燃料電池システム１０が改質器１８を備える場合、リサイクルガス経路１３は、改質器１８よりも上流のアノード供給経路１１に接続されていてもよい。さらに、燃料電池システム１０が加湿器１９を備える場合、リサイクルガス経路１３は、加湿器１９と改質器１８との間のアノード供給経路１１に接続されていてもよい。

【0123】

さらに、燃料電池システム１０が第１熱交換器２１を備える場合、リサイクルガス経路１３は、第１熱交換器２１と改質器１８との間のアノード供給経路１１に接続されていてもよい。この場合、リサイクルガス経路１３から戻された第１カソードオフガスは、第１熱交換器２１に供給されないことにより、第１熱交換器２１で燃料を効率的に昇温することができる。

【0124】

上記全ての実施形態及び変形例のいずれかに係る燃料電池システム１０は、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０の少なくともいずれか一方を加熱する加熱器を備えていてもよい。加熱器は、バーナなどの燃焼装置であってもよい。燃焼装置は、第２アノード排出経路１２から分岐した分岐経路に接続されており、第２アノード排出経路１２から分岐経路を介して供給された第２アノードオフガスを燃焼してもよい。

【0125】

上記全ての実施形態及び変形例に係る燃料電池システム１０において、ＳＯＦＣ３０が内部改質する場合には、メタンなどの炭化水素ガスが水素含有ガスであって燃料ガスとして用いられてもよい。この供給源には、炭化水素ガスなどの都市ガスのインフラストラクチャーなどが挙げられる。この場合、燃料ガスがＳＯＦＣ３０の第２アノード３１にて内部改質され、水素が生成して発電に用いられる。また、発電に用いられなかった水素は第２アノードオフガスとして電気化学ポンプ４０に供給される。

【0126】

上記全ての実施形態及び変形例に係る燃料電池システム１０では、酸化物イオン伝導型のＳＯＦＣ３０が用いられたが、プロトン伝導型のＳＯＦＣ３０が用いられてもよい。この場合、プロトン伝導型のＳＯＦＣ３０では、第２アノード３１にて、下記化学式（８）のように、燃料ガスの水素が還元されて、プロトン及び電子が生じ、電子は外部回路を流れて発電する。プロトンが第２電解質膜３３を第２アノード３１から第２カソード３２に伝導する。第２カソード３２では、下記化学式（９）のように、プロトンが酸化物ガスの酸素により酸化されて、水が生成する。

【0127】

第２アノード：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ^－ （８）
第２カソード：４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ （９）

【0128】

そして、第２アノードオフガスがＳＯＦＣ３０の第２アノード３１から第２アノード排出経路１２を通じて電気化学ポンプ４０の第１アノード４１に供給される。電源１４から電流が印加されている電気化学ポンプ４０では、第２アノードオフガスから水素が分離される。

【0129】

なお、酸化物イオン伝導型のＳＯＦＣ３０では第２アノード３１で水が生成することにより、第２アノードオフガス、及び、これに由来する第１カソードオフガス及び燃焼オフガスは水分を含んでいる。このため、この凝縮水を加湿器１９に用いることができる。一方、プロトン伝導型のＳＯＦＣ３０では第２カソード３２で水が生成するため、第２カソードオフガス及びこれに由来する燃焼オフガスは水分を含んでいる。このため、この凝縮水を加湿器１９に用いることができる。

【0130】

上記全ての実施形態及び変形例に係る燃料電池システム１０において、ＳＯＦＣ３０及び電気化学ポンプ４０は一体的に形成されていてもよい。この場合、ＳＯＦＣ３０の第２アノード３１と電気化学ポンプ４０の第１アノード４１とが互いに平行になるように、ＳＯＦＣ３０のセルと電気化学ポンプ４０のセルとが積層されたスタックが形成されていてもよい。ＳＯＦＣ３０は、第２カソード３２よりも第２アノード３１が電気化学ポンプ４０の近くになるように配置され、電気化学ポンプ４０は、第１カソード４２よりも第１アノード４１がＳＯＦＣ３０の近くになるように配置されている。また、図３～１２においては温度測定器の図示はしていないが、第１実施形態以外の実施形態及び変形例においても、燃料電池システム１０は、温度測定器３０a、４０aを備えていてもよい。

【0131】

なお、上記全実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

【産業上の利用可能性】

【0132】

本開示の燃料電池システムは、燃料利用率の向上を図りつつ、熱損失の低減及び小型化を図ることができる燃料電池システムとして有用である。

【符号の説明】

【0133】

１０ ：燃料電池システム
１１ ：アノード供給経路
１２ ：第２アノード排出経路
１３ ：リサイクルガス経路
１４ ：電源
１５ ：第１アノード排出経路
１６ ：カソード供給経路
１７ ：カソード排出経路
１８ ：改質器
２０ ：燃焼器
２１ ：第１熱交換器
２２ ：第２熱交換器
３０ ：ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
３１ ：第２アノード
３２ ：第２カソード
３３ ：第２電解質膜
４０ ：電気化学ポンプ
４１ ：第１アノード
４２ ：第１カソード
４３ ：第１電解質膜
５０ ：断熱部材
５１ ：断熱空間
５１ａ ：第１断熱空間
５１ｂ ：第２断熱空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】