JP2018073478A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ブロワ３１と、酸化剤ブロワ３２と、燃料ガス供給路４１と、酸化剤ガス供給路４２と、燃料ガス排出路５１と、酸化剤ガス排出路５２と、減圧器６とを備える。燃料ガス排出路５１には、アノード流路２１のアノード出口部２１２から排出される燃料ガスＧ４が流れる。酸化剤ガス排出路５２には、カソード流路２２のカソード出口部２２２から排出される酸化剤ガスＡ４が流れる。減圧器６は、アノード出口部２１２又はカソード出口部２２２の圧力を下げるものである。減圧器６に、燃料ガス排出路５１及び酸化剤ガス排出路５２の少なくとも一方が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１の燃料電池システムは、燃料を反応させてアノードガスを生成する改質器と、カソードガスとして空気を供給するブロワと、アノードガスに含有される水素と空気に含有される酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備える。ここで、燃料電池システムにおいては、所定の流量のアノードガスと空気とを、燃料電池におけるアノードガスの流路とカソードガスの流路とに対して安定的に供給する必要がある。

特開２０１５−２１３０２４号公報

しかしながら、燃料電池におけるアノードガスの流路及びカソードガスの流路には、大きな圧力損失が生じる。そのため、十分な流量の空気を供給すべく、ブロワの静圧を大きくする必要がある。そうすると、ブロワにおける仕事が大きくなり、燃料電池システムにおけるシステム効率が低下するという課題がある。また、ブロワの大型化・高コスト化を招き、ひいては燃料電池システムの大型化・高コスト化を招くという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アノード（２０１）に面するアノード流路（２１）と、カソード（２０２）に面するカソード流路（２２）と、を有する燃料電池（２）と、
燃料ガス（Ｇ）を上記アノード流路に供給する燃料ブロワ（３１）と、
酸化剤ガス（Ａ）を上記カソード流路に供給する酸化剤ブロワ（３２）と、
上記アノード流路のアノード入口部（２１１）と上記燃料ブロワとを接続する流路であって、上記燃料ガスが流れる燃料ガス供給路（４１）と、
上記カソード流路のカソード入口部（２２１）と上記酸化剤ブロワとを接続する流路であって、上記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給路（４２）と、
上記アノード流路のアノード出口部（２１２）から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（５１）と、
上記カソード流路のカソード出口部（２２２）から排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路（５２）と、
上記アノード出口部又は上記カソード出口部の圧力を下げる減圧器（６）と、を備え、
該減圧器に、上記燃料ガス排出路及び上記酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている、燃料電池システム（１）にある。

上記燃料電池システムにおいて、減圧器に、燃料ガス排出路及び酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている。これにより、アノード出口部とカソード出口部との少なくとも一方の圧力を十分に低下させることができる。これに伴い、アノード入口部とカソード入口部との少なくとも一方の圧力を十分に低減することができる。その結果、燃料ブロワ及び酸化剤ブロワの静圧を小さくすることができる。それゆえ、燃料ブロワ及び酸化剤ブロワにおける仕事が小さくなり、燃料電池システムにおけるシステム効率を向上することができる。また、燃料ブロワ及び酸化剤ブロワの小型化・低コスト化を図り、ひいては燃料電池システムの小型化・低コスト化を図ることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態１における、燃料電池の構造を模式的に示す説明図。 実施形態１における、燃料ガス及び空気の圧力変動を概略的に示すグラフ。 比較形態における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 比較形態における、燃料ガス及び空気の圧力変動を概略的に示すグラフ。 実施形態２における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態２における、燃料ガス及び空気の圧力変動を概略的に示すグラフ。 実施形態３における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態４における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態５における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態６における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態７における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態８における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態９における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態１０における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態１１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。 実施形態１２における、燃料電池システムの構成を示す説明図。

（実施形態１）
以下に、上述した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、図１、図２に示すように、燃料電池２と、燃料ブロワ３１と、酸化剤ブロワ３２と、燃料ガスＧ１、Ｇ２が流れる燃料ガス供給路４１と、酸化剤ガスＡ１、Ａ２が流れる酸化剤ガス供給路４２と、燃料ガス排出路５１と、酸化剤ガス排出路５２と、減圧器６とを備える。

燃料電池２は、アノード２０１に面するアノード流路２１と、カソード２０２に面するカソード流路２２とを有する。燃料ブロワ３１は、燃料ガスＧ２をアノード流路２１に供給する。酸化剤ブロワ３２は、酸化剤ガスＡ２をカソード流路２２に供給する。燃料ガス供給路４１は、アノード流路２１のアノード入口部２１１と燃料ブロワ３１とを接続する流路である。酸化剤ガス供給路４２は、カソード流路２２のカソード入口部２２１と酸化剤ブロワ３２とを接続する流路である。燃料ガス排出路５１には、アノード流路２１のアノード出口部２１２から排出される燃料ガスＧ４が流れる。酸化剤ガス排出路５２には、カソード流路２２のカソード出口部２２２から排出される酸化剤ガスＡ４が流れる。減圧器６は、カソード出口部２２２の圧力を下げるものである。減圧器６に、酸化剤ガス排出路５２が接続されている。

次に、本形態の燃料電池システム１につき、詳説する。
本形態の燃料電池システム１は、燃料ガスに含有される水素と、酸化剤ガスに含有される酸素とを反応させて発電するために用いられる。なお、本形態においては、酸化剤ガスとして空気を用いている。

燃料電池２は、図２に示すように、アノード流路２１とカソード流路２２との間に配設された電解質体２３を有している。本形態においては、電解質体２３として固体酸化物セラミックスを用いている。それゆえ、本形態の燃料電池２は、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）と称される。

電解質体２３を構成する固体酸化物セラミックスは、イットリア安定化ジルコニアにより構成されている。この固体酸化物セラミックスは、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。電解質体２３は、その活性化温度において、酸素イオンの伝導性を有するものである。電解質体２３におけるアノード流路２１側の表面２３１には、アノード２０１が形成されており、電解質体２３におけるカソード流路２２側の表面２３２には、カソード２０２が形成されている。アノード２０１及びカソード２０２は、ニッケル等の金属酸化物を含有する導電性のセラミックスにより構成されている。アノード２０１とカソード２０２との間には、燃料電池２から電力を取り出すための電池出力線２４が接続されている。

燃料ガス供給路４１には、燃料ガスＧ１を改質する改質器１１が配置されている。改質器１１は、水蒸気改質によって改質前の燃料ガスＧ１を改質し、水素を含有する燃料ガスＧ２を生成する。水蒸気改質により水素を発生させるためには、改質器１１の内部を高温にする必要がある。それゆえ、本形態においては、改質器１１は、後述する燃焼器１２から排出される燃焼ガスＣと熱交換することによって、改質器１１の内部を高温にしている。なお、本形態においては、燃料ガスＧ１として炭化水素の一種であるメタンを用いている。

酸化剤ガス供給路４２には、空気Ａ１を予熱する予熱器７が配置されている。予熱器７は、外部からの熱により予熱前の空気Ａ１を、燃料電池２に供給する前に加熱して、高温の空気Ａ２とする。本形態の予熱器７は、空気Ａ１と、燃焼器１２から排出される燃焼ガスＣとの熱交換によって、空気Ａ１を加熱する熱交換器である。

燃料ブロワ３１は、羽根車の回転運動によって燃料ガスＧ１を昇圧し、改質器１１によって改質された燃料ガスＧ２をアノード流路２１に供給する。酸化剤ブロワ３２は、羽根車の回転運動によって空気Ａ１を昇圧し、予熱器７によって予熱された空気Ａ２をカソード流路２２に供給する。

アノード流路２１に供給された燃料ガスＧ３に含有される水素及びカソード流路２２に供給された空気Ａ３に含有される酸素は、燃料電池２において発電に用いられる。具体的には、空気Ａ３に含有される酸素が、電池出力線２４から電子を受け取り酸素イオンとなる。酸素イオンは、電解質体２３を介してアノード２０１に移動し、燃料ガスＧ３に含有される水素と反応して水と電子とを生成する。この電子が、電池出力線２４に移動する。これにより、発電が行われる。発電において生成された水は、アノード流路２１において加熱され、水蒸気となることがある。

このように、アノード流路２１における燃料ガスＧ３に含有される水素と、カソード流路２２における空気Ａ３に含有される酸素とが反応して発電する。それゆえ、アノード流路２１を流れる燃料ガスＧ３に含有される水素は、アノード流路２１において、アノード入口部２１１からアノード出口部２１２へ向かうに従い減少する。つまり、燃料ガス排出路５１を流れる燃料ガスＧ４は、燃料ガス供給路４１を流れる燃料ガスＧ２よりも、燃料ガス全体に対する水素の体積比である水素含有率が低い。そして、カソード流路２２を流れる空気Ａ３に含有される酸素は、カソード流路２２において、カソード入口部２２１からカソード出口部２２２に向かうに従い減少する。つまり、酸化剤ガス排出路５２を流れる空気Ａ４は、酸化剤ガス供給路４２を流れる空気Ａ２よりも、空気全体に対する酸素の体積比である酸素含有率が低い。

燃料電池２において発電に寄与しなかった水素を含有する燃料ガスＧ４は、アノード出口部２１２から排出され、燃料ガス排出路５１に流れる。燃料ガスＧ４には、発電において生成された水又は水蒸気が含まれる。燃料ガス排出路５１は、アノード出口部２１２と燃焼器１２とを接続する流路である。燃料電池２において発電に寄与しなかった酸素を含有する空気Ａ４は、カソード出口部２２２から排出され、酸化剤ガス排出路５２に流れる。酸化剤ガス排出路５２は、カソード出口部２２２と減圧器６とを接続する流路である。

本形態において、減圧器６は、駆動流を噴射するノズル部６１と、吸引部６２と、混合部６３と、ディフューザ部６４とを有するエジェクタ６０である。吸引部６２は、ノズル部６１から噴射された駆動流によって吸引流を吸引する。混合部６３は、駆動流と吸引流とを混合する。ディフューザ部６４は、混合部６３において混合された駆動流と吸引流とからなる混合流を昇圧する。ノズル部６１の上流側に、駆動流を供給する流路である駆動流供給路４３が接続されている。吸引部６２に、酸化剤ガス排出路５２が接続されている。すなわち、カソード出口部２２２に上流端が接続された酸化剤ガス排出路５２が、その下流端において吸引部６２に接続されている。

駆動流供給路４３は、酸化剤ガス供給路４２に接続されている。
駆動流供給路４３の上流端は、予熱器７の下流側に接続されている。具体的には、駆動流供給路４３は、予熱器７とカソード入口部２２１との間の酸化剤ガス供給路４２から分岐している。この駆動流供給路４３の下流端に、ノズル部６１の上流端が接続されている。

カソード出口部２２２から排出された空気Ａ４は、酸化剤ガス排出路５２を介して吸引部６２に到達する。エジェクタ６０においては、酸化剤ガス供給路４２内を流れる空気Ａ２から分流した空気Ａ２１が、駆動流として駆動流供給路４３を介してノズル部６１に到達する。空気Ａ２１がノズル部６１において減圧膨張され噴射されるときに、混合部６３の圧力が低下する。この圧力低下によって吸引部６２から吸引流として、酸化剤ガス排出路５２の空気Ａ４が吸引される。次に、駆動流供給路４３から流入した空気Ａ２１と吸引部６２から流入した空気Ａ４とが混合部６３において混合される。そして、この混合流である空気Ａ５が、ディフューザ部６４において減速・昇圧し、エジェクタ６０から排出され、混合流排出路１３に流れる。混合流排出路１３は、ディフューザ部６４と燃焼器１２とを接続する流路である。

燃料ガス排出路５１を通じて排出される燃料ガスＧ４及び混合流排出路１３を通じて排出される空気Ａ５は、燃焼器１２に導入される。燃焼器１２においては、燃料ガスＧ４及び空気Ａ５が燃焼し、高温の燃焼ガスＣが生成される。燃焼ガスＣは、燃焼器１２から排出され、燃焼ガス排出路１４に流れる。燃焼ガス排出路１４の上流端は、燃焼器１２に接続されている。燃焼ガス排出路１４は、その一部が改質器１１及び予熱器７と熱的に接触するように配置されている。それゆえ、燃焼ガスＣの熱によって改質器１１における燃焼ガスＧ１が加熱され、予熱器７における空気Ａ１が加熱される。なお、予熱器７は、燃焼ガス排出路１４における、改質器１１の下流側に配置されている。熱交換された燃焼ガスＣは、燃焼ガス排出路１４から外部へ排出される。

次に、燃料電池システム１における燃料ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４及び空気Ａ１、Ａ２、Ａ２１、Ａ３、Ａ４、Ａ５の圧力変動について、図３のグラフを参照して説明する。
図３は、燃料ブロワ３１によって供給される燃料ガスＧ１が、燃料ガスＧ４としてアノード出口部２１２から排出されるまでの圧力変動と、酸化剤ブロワ３２によって供給される空気Ａ１が、空気Ａ５としてディフューザ部６４から排出されるまでの圧力変動とを説明したグラフである。図３のグラフは、縦軸が圧力を示し、横軸が流路位置を示す。

流路位置Ｌ１は、燃料ブロワ３１の入口部と、酸化剤ブロワ３２の入口部とを示すものである。流路位置Ｌ２は、燃料ブロワ３１の出口部と、酸化剤ブロワ３２の出口部とを示すものである。流路位置Ｌ３は、アノード入口部２１１と、カソード入口部２２１とを示すものである。流路位置Ｌ４は、ノズル部６１を示すものである。流路位置Ｌ５は、アノード出口部２１２と、カソード出口部２２２と、混合部６３とを示すものである。流路位置Ｌ６は、燃焼器１２の入口部を示すものである。

まず、燃料ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の圧力変動について説明する。
初めに、燃料ガスＧ１は、燃料ブロワ３１によって昇圧される。ここで、昇圧後の燃料ガスＧ１の圧力値、すなわち流路位置Ｌ２〜Ｌ３における燃料ガスＧの圧力値を、Ｐ１１とする。昇圧された燃料ガスＧ１は、改質器１１において燃料ガスＧ２に改質されたのち、燃料電池２のアノード流路２１に供給される。燃料電池２に供給された燃料ガスＧ３は、アノード入口部２１１からアノード出口部２１２へ達する間に圧力が低下する。つまり、アノード出口部２１２、すなわち流路位置Ｌ５における燃料ガスＧ４の圧力値Ｐ１２は、アノード入口部２１１における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ１１からアノード流路２１内の圧力損失Ｐ１を差し引いた大きさとなる。

次に、空気Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の圧力変動について説明する。
初めに、空気Ａ１は、酸化剤ブロワ３２によって昇圧される。ここで、昇圧後の空気Ａ１の圧力値、すなわち流路位置Ｌ２〜Ｌ３における空気Ａの圧力値を、Ｐ２１とする。昇圧された空気Ａ１は、予熱器７において加熱されたのち、燃料電池２のカソード流路２２に供給される。燃料電池２に供給された空気Ａ３は、カソード入口部２２１からカソード出口部２２２へ達する間に圧力が低下する。つまり、カソード出口部２２２、すなわち流路位置Ｌ５における空気Ａ４の圧力値Ｐ２２は、カソード入口部２２１における空気Ａ２の圧力値Ｐ２１からカソード流路２２内の圧力損失Ｐ２を差し引いた大きさとなる。

なお、カソード流路２２における空気Ａ３の圧力損失Ｐ２は、アノード流路２１における燃料ガスＧ３の圧力損失Ｐ１よりも大きい。これは、以下の理由による。空気Ａ３における酸素含有率が、燃料ガスＧ３における水素含有率よりも低い。それゆえ、燃料電池２において必要とされる空気Ａ３の流量は、燃料電池２において必要とされる燃料ガスＧ３の流量よりも多くなる。そのため、圧力損失Ｐ２は、圧力損失Ｐ１よりも大きくなる。

そこで、燃料電池２内における空気Ａ３と燃料ガスＧ３との差圧が全体に渡り大きくなりすぎないようにするために、カソード入口部２２１における空気Ａ２の圧力値Ｐ２１を、アノード入口部２１１における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ１１よりも大きくしている。そして、これにより、燃料電池２内において、流路位置Ｌ３から流路位置Ｌ５までの間に、空気Ａ３の圧力と燃料ガスＧ３の圧力とが逆転しつつも、アノード出口部２１２付近における燃料ガスＧ３とカソード出口部２２２付近における空気Ａ３との差圧を小さく抑えることができる。

次に、空気Ａ２１が、ノズル部６１において噴射され、混合部６３において空気Ａ４と混合された後、空気Ａ５として排出されるまでの圧力変動について説明する。
ノズル部６１、すなわち流路位置Ｌ４から噴射される空気Ａ２１は、大きく減圧されて混合部６３、すなわち流路位置Ｌ５に達する。このとき、エジェクタ６０内において駆動流としての空気Ａ２１に伴い、酸化剤ガス排出路５２の空気Ａ４が、吸引流として吸引部６２から吸引され減圧される。これにより、カソード出口部２２２（すなわち、流路位置Ｌ５）における空気Ａ４は、大きく減圧される。

この空気Ａ４の圧力値Ｐ２２は、燃料ガスＧ４の圧力値Ｐ１２よりも低い。そして、ディフューザ部６４において、空気Ａ５の圧力は、アノード出口部２１２における燃料ガスＧ４の圧力値Ｐ１２と同等の圧力まで上昇する。これにより、燃料ガスＧ４と空気Ａ５とは、略同等の圧力にて、流路位置Ｌ６に達し、燃焼器１２に供給される。

本形態の燃料電池システム１による優れた作用効果を説明すべく、次に、比較形態の燃料電池システム９を示す。
（比較形態）
図４に示すように、比較形態に係る燃料電池システム９は、実施形態１の燃料電池システム１と同様に、燃料ブロワ９３１と、酸化剤ブロワ９３２と、改質器９１１と、予熱器９７と、燃料電池９２と、燃焼器９１２とを備える。一方、実施形態１の燃料電池システム１におけるエジェクタ６０及び駆動流供給路４３を、燃料電池システム９は備えていない。それゆえ、燃料電池９２のカソード出口部９２６は、酸化剤ガス排出路９５２により、直接燃焼器９１２に接続されている。それゆえ、カソード出口部９２６における空気Ａ４は、減圧されることなく、燃焼器９１２に供給される。

また、燃料ガス排出路９５１には、燃料ガス排出路９５１内を流れる燃料ガスＧ４の圧力を調整する圧力調整バルブ９６が配置されている。この圧力調整バルブ９６は、燃料ガス排出路９５１から排出される燃料ガスＧ４の圧力を、カソード出口部９２６における空気Ａ４の圧力と同じ大きさとするものである。具体的には、圧力調整バルブ９６の開度を調整して、圧力調整バルブ９６の出口部における燃料ガスＧ４の圧力を、圧力調整バルブ９６の入口部における燃料ガスＧ４の圧力より小さくする。それゆえ、圧力調整バルブ９６は、アノード出口部９２４における燃料ガスＧ４の圧力を下げるものではない。

次に、燃料電池システム９における燃料ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４及び空気Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の圧力変動について、図５のグラフを参照して説明する。
図５は、燃料ブロワ９３１によって供給される燃料ガスＧ１が、燃料ガスＧ４として燃焼器９１２に導入されるまでの圧力変動と、酸化剤ブロワ９３２によって供給される空気Ａ１が、空気Ａ４として燃焼器９１２に導入されるまでの圧力変動とを説明したグラフである。図５のグラフは、縦軸が圧力を示し、横軸が流路位置を示す。図５における流路位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６は、図３における流路位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ５、Ｌ６と同様である。

まず、空気Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の圧力変動について説明する。
空気Ａ１は、酸化剤ブロワ９３２において昇圧され、予熱器９７を介して燃料電池９２に供給された後、カソード流路９２２内において減圧され、カソード出口部９２６から排出される。ここで、昇圧後の空気Ａ１の圧力値、すなわち流路位置Ｌ２〜Ｌ３における空気Ａの圧力値を、Ｐｂ１とする。また、カソード出口部９２６、すなわち流路位置Ｌ５における空気Ａ４の圧力値Ｐｂ２は、カソード入口部９２５における空気Ａ２の圧力値Ｐｂ１からカソード流路９２２内の圧力損失Ｐｂを差し引いた大きさとなる。

次に、燃料ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の圧力変動について説明する。
燃料ガスＧ１は、燃料ブロワ９３１において昇圧され、改質器９１１を介して燃料電池９２に供給された後、アノード流路９２１内において減圧され、アノード出口部９２４から排出される。ここで、昇圧後の燃料ガスＧ１の圧力値、すなわち流路位置Ｌ２〜Ｌ３における燃料ガスＧの圧力値を、Ｐａ１とする。また、アノード出口部９２４、すなわち流路位置Ｌ５における燃料ガスＧ４の圧力値Ｐａ２は、アノード入口部９２３における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐａ１からアノード流路９２１内の圧力損失Ｐａを差し引いた大きさとなる。そして、圧力調整バルブ９６によって、燃料ガスＧ４の圧力は、カソード出口部９２６における空気Ａ４の圧力値Ｐｂ２と同等の圧力まで減少する。これにより、燃料ガスＧ４と空気Ａ４とは、略同等の圧力にて、流路位置Ｌ６に達し、燃焼器９１２に供給される。

なお、実施形態１の燃料電池システム１と同様に、圧力損失Ｐｂは、圧力損失Ｐａよりも大きい。また、カソード入口部９２５における空気Ａ２の圧力値Ｐｂ１を、アノード入口部９２３における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐａ１よりも大きくしている。

比較形態において上述したように、アノード流路９２１及びカソード流路９２２には、大きな圧力損失Ｐａ、Ｐｂが生じる。そのため、燃料電池システム９においては、十分な流量の燃料ガスＧ３及び空気Ａ３を供給すべく、燃料ブロワ９３１及び酸化剤ブロワ９３２の静圧を大きくする必要があり、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができない。

これに対して、実施形態１の燃料電池システム１は、減圧器６に、酸化剤ガス排出路５２が接続されている。これにより、カソード出口部２２２における空気Ａ４の圧力値Ｐ２２を、比較形態におけるカソード出口部９２６の空気Ａ４の圧力値Ｐｂ２と比較して、十分に低下させることができる。これに伴い、アノード入口部２１１における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ１１と、カソード入口部２２１における空気Ａ２の圧力値Ｐ２１とを十分に低減することができる。

具体的には、図３における矢印Ｐ３に示すように、カソード入口部２２１（すなわち、図３における流路位置Ｌ３）における空気Ａ２の圧力値Ｐ２１を、比較形態におけるカソード入口部９２５（すなわち、図５における流路位置Ｌ３）の空気Ａ２の圧力値Ｐｂ１よりも低くすることができる。

そして、カソード入口部２２１における空気Ａ２の圧力値が低下したことにより、図３における矢印Ｐ４に示すように、アノード入口部２１１（すなわち、図３における流路位置Ｌ３）における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ１１を、比較形態におけるアノード入口部９２３（すなわち、図５における流路位置Ｌ３）の燃料ガスＧ２の圧力値Ｐａ１よりも低くすることができる。すなわち、アノード流路２１内の圧力とカソード流路２２内の圧力との差圧を所定値以内に収めるために、燃料ガスＧ２の圧力値もある程度高くする必要があるが、空気Ａ２の圧力値を低く抑えることで、燃料ガスＧ２の圧力値も低くすることができる。

その結果、燃料ブロワ３１及び酸化剤ブロワ３２の静圧を小さくすることができる。それゆえ、燃料ブロワ３１及び酸化剤ブロワ３２における仕事が小さくなり、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。また、燃料ブロワ３１及び酸化剤ブロワ３２の小型化・低コスト化を図り、ひいては燃料電池システム１の小型化・低コスト化を図ることができる。

また、実施形態１の燃料電池システム１においては、減圧器６として、エジェクタ６０を用いている。エジェクタ６０は、ポンプ等の減圧器と異なり、外部からエネルギーを供給する必要がない。そのため、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。

また、酸化剤ガス供給路４２には、カソード流路２２に供給される前の空気Ａ１を予熱する予熱器７が配置されている。それゆえ、燃料電池２の内部温度を効率的に高くすることができる。これにより、燃料電池システム１の始動時において、電解質体２３の温度をその活性化温度まで早期に上昇させ、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。
また、駆動流供給路４３は、予熱器７の下流側に接続されている。それゆえ、高温の空気Ａ２１がエジェクタ６０に駆動流として供給されるため、ノズル部６１において噴射される空気Ａ２１の流速を効果的に高くすることができる。これにより、混合部６３の圧力をより低くしてカソード出口部２２２の圧力を十分に低下させ、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、システム効率の向上、小型化・低コスト化を図ることができる燃料電池システム１を提供することができる。

（実施形態２）
本形態の燃料電池システム１においては、図６に示すように、燃料ガス排出路５１及び酸化剤ガス排出路５２の双方に、減圧器６が接続されている。
具体的には、エジェクタ６０の吸引部６２に、燃料ガス排出路５１の下流端及び酸化剤ガス排出路５２の下流端が接続されている。つまり、燃料電池２のアノード出口部２１２は、燃料ガス排出路５１により、吸引部６２に接続されている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態の燃料電池システム１においては、アノード出口部２１２から排出された燃料ガスＧ４が空気Ａ４と共にエジェクタ６０の吸引部６２から吸引される。そして、燃料ガスＧ４と空気Ａ４とは、エジェクタ６０の混合部６３において空気Ａ２１と混合される。この混合流ＧＡ５が、混合流排出路１３を通じて燃焼器１２に導入される。

燃料電池システム１における燃料ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、空気Ａ１、Ａ２、Ａ２１、Ａ３、Ａ４及び混合流ＧＡ５の圧力変動を、図７のグラフに示す。図７における流路位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６は、図３における流路位置Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６と同様である。

空気Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の圧力変動は、概略、実施形態１と同様である。一方、燃料ガスＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の圧力変動も、概略、実施形態１と同様であるが、アノード出口部２１２、すなわち流路位置Ｌ５における燃料ガスＧ４の圧力が空気Ａ４と同じとなる点において、実施形態１と異なる。すなわち、上述のように、燃料ガスＧ４は、空気Ａ４と共にエジェクタ６０の吸引部６２から吸引されて合流するため、同じ圧力値Ｐ３２となる。

このように、本形態の燃料電池システム１においては、減圧器６に、燃料ガス排出路５１が、酸化剤ガス排出路５２と共に接続されている。これにより、アノード出口部２１２における燃料ガスＧ４の圧力値Ｐ３２を、実施形態１におけるアノード出口部２１２の燃料ガスＧ４の圧力値Ｐ１２と比較して、十分に低下させることができる。これに伴い、アノード入口部２１１における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ３１を十分に低減することができる。具体的には、図７における矢印Ｐ５に示すように、アノード入口部２１１（すなわち、図７における流路位置Ｌ３）における燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ３１を、実施形態１におけるアノード入口部２１１（すなわち、図３における流路位置Ｌ３）の燃料ガスＧ２の圧力値Ｐ１１よりも低くすることができる。

その結果、実施形態１と比較して、燃料ブロワ３１の静圧をより小さくすることができる。それゆえ、燃料ブロワ３１における仕事がより小さくなり、燃料電池システム１におけるシステム効率を更に向上することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態３）
本形態の燃料電池システム１においては、図８に示すように、燃料ガス排出路５１と酸化剤ガス排出路５２との双方に、それぞれ個別の減圧器６が接続されている。
すなわち、減圧器６として、燃料ガス排出路５１が接続されているアノード側減圧器６ａと、酸化剤ガス排出路５２が接続されているカソード側減圧器６ｃとを有する。アノード側減圧器６ａ及びカソード側減圧器６ｃは、エジェクタ６０によって構成されている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、燃料ガス供給路４１内を流れる燃料ガスＧ２から分流した燃料ガスＧ２１が、駆動流として駆動流供給路４４を介してエジェクタ６０のノズル部６１に到達し、噴射される。これにより、アノード出口部２１２から排出された燃料ガスＧ４がエジェクタ６０の吸引部６２から吸引される。そして、燃料ガスＧ４は、エジェクタ６０の混合部６３において、燃料ガスＧ２１と混合される。この混合流Ｇ５が、混合流排出路１３０を通じて燃焼器１２に導入される。
本形態においても、実施形態２と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態４）
本形態の燃料電池システム１においては、図９に示すように、酸化剤ガス供給路４２には、酸化剤ガスＡ１を冷却する冷却器７０が配置されている。駆動流供給路４３は、冷却器７０の上流側において、酸化剤ガス供給路４２に接続されている。
具体的には、駆動流供給路４３は、酸化剤ブロワ３２と冷却器７０との間の酸化剤ガス供給路４２から分岐している。駆動流供給路４３には、酸化剤ガス供給路４２内を流れる空気Ａ１の一部である空気Ａ１１が流れる。

本形態においては、燃料電池２として、例えば固体高分子型燃料電池（すなわち、ＰＥＦＣ）を用いることができる。ＰＥＦＣは、電解質体２３として固体高分子電解質膜を用いている。電解質体２３を構成する固体高分子電解質膜は、フッ素樹脂により構成されている。電解質体２３は、その膜中に水分が含有されることにより、水素イオンの伝導性を有するものである。それゆえ、本形態の燃料電池２の内部温度は、例えば８０〜１００℃に設定される。本形態のアノード及びカソードは、白金を触媒として含有している。

次に、本形態の燃料電池２における発電について説明する。
アノード流路２１に供給された燃料ガスＧ３に含有される水素が、アノードにおいて水素イオンと電子とに分離される。この電子は、電池出力線に移動する。これにより、発電が行われる。一方、水素イオンは、電解質体２３を介してカソードに移動し、カソード流路２２に供給された空気Ａ３に含有される酸素及び電池出力線から受け取った電子と反応して水を生成する。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、酸化剤ガス供給路４２に冷却器７０が配置されている。それゆえ、冷却器７０において冷却された空気Ａ２をカソード流路２２に供給することにより、燃料電池２の内部温度の上昇を抑制することができる。これにより、電解質体２３に含有される水分の蒸発を抑制し、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。

また、駆動流供給路４３は、冷却器７０の上流側に接続されている。それゆえ、冷却器７０によって圧力低下していない空気Ａ１１がエジェクタ６０に駆動流として供給されるため、ノズル部６１において噴射される空気Ａ１１の流速の低下を回避することができる。これにより、混合部６３の圧力を低くしてカソード出口部２２２の圧力を十分に低下させ、燃料電池システム１におけるシステム効率を維持することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態５）
本形態の燃料電池システム１においては、図１０に示すように、駆動流供給路４３には、駆動流の流量を調整する流量調整器が配置されている。流量調整器として、本形態においては、可変オリフィス８１を用いている。
また、燃料電池システム１は、アノード流路２１内の圧力とカソード流路２２内の圧力との差圧を検出する差圧検出器８２を更に備える。流量調整器としての可変オリフィス８１は、差圧検出器８２によって検出された差圧に応じて駆動流の流量を調整することができるよう構成されている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

可変オリフィス８１は、その開度を調整することにより、エジェクタ６０へ供給する駆動流の流量を調整することができる。これにより、エジェクタ６０の吸引力を調整して、カソード出口部２２２の圧力を調整することができる。
また、可変オリフィス８１の開度を調整することにより、カソード流路２２に導入される空気Ａ３の流量を調整することができる。すなわち、可変オリフィス８１の開度を調整することにより、エジェクタ６０によるカソード出口部２２２の減圧の調整とともに、カソード流路２２に供給される空気Ａ３の流量調整によるカソード流路２２内の圧力調整を行うこともできる。

具体的には、可変オリフィス８１の開度を小さくすると、エジェクタ６０の駆動流の流量が少なくなり、カソード流路２２を流れる空気Ａ３の流量が多くなる。これにより、カソード流路２２内の圧力が上昇する。また、可変オリフィス８１の開度を大きくすると、エジェクタ６０の駆動流の流量が多くなり、カソード流路２２を流れる空気Ａ３の流量が少なくなる。これにより、カソード流路２２内の圧力が低下する。

差圧検出器８２は、例えばカソード流路２２内の圧力値とアノード流路２１内の圧力値とを検出し、これらの圧力値の差を差圧として検出する。具体的には、例えば、差圧検出器８２は、アノード入口部２１１付近における燃料ガスＧ３の圧力を検出し、カソード入口部２２１付近における空気Ａ３の圧力を検出する。そして、これらの圧力を基に、アノード流路２１の中央部における圧力と、カソード流路２２の中央部における圧力とをそれぞれ求める。そして、これらの圧力の差を、アノード流路２１とカソード流路２２との差圧として出力する。

本形態の燃料電池システム１においては、例えばエジェクタ６０の経年劣化等にも対応することができる。すなわち、エジェクタ６０の吸引力が低下しても、可変オリフィス８１を調整して、駆動流である空気Ａ２１の流量を大きくすることにより、吸引部６２からの吸引力を確保することができる。これにより、エジェクタ６０が多少経年変化しても、カソード出口部２２２の圧力を低く維持することができる。これにより、燃料電池システム１におけるシステム効率を維持することができる。

また、可変オリフィス８１は、差圧検出器８２によって検出された差圧に応じて駆動流である空気Ａ２１の流量を調整する。これにより、アノード流路２１とカソード流路２２との差圧を、容易かつ正確に、所定値以内に収めることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
なお、流量調整器として、可変オリフィス以外を用いることもできる。

（実施形態６）
本形態の燃料電池システム１においては、図１１に示すように、エジェクタ６０のノズル６１に駆動流を供給する駆動流供給路４３を、酸化剤ガス供給路４２とは別経路としている。
すなわち、実施形態１のように酸化剤ガス供給路４２から駆動流供給路４３を分岐させるのではなく、本形態においては、例えば、大気中の空気を、酸化剤ガス供給路４２とは別経路にて駆動流としてエジェクタ６０に導入するように、駆動流供給路４３を設けている。

そして、駆動流供給路４３には、駆動流供給ブロワ１５が接続されている。これにより、駆動流供給ブロワ１５は、大気中の空気Ａ６を昇圧して、駆動流供給路４３からエジェクタ６０のノズル部６１に供給する。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、カソード流路２２における空気Ａ３の流量に影響を与えることなく、エジェクタ６０の駆動流を調整することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態７）
本形態の燃料電池システム１においては、図１２に示すように、実施形態３の燃料電池システム１（図８参照）の変形形態であり、２つの駆動流供給路４３、４４の何れをも、燃料ガス供給路４１及び酸化剤ガス供給路４２とは別経路としている。

すなわち、カソード側減圧器６ｃとしてのエジェクタ６０に接続された駆動流供給路４３は、実施形態６の燃料電池システム１（図１１参照）と同様の構成となっている。
また、アノード側減圧器６ａとしてのエジェクタ６０に接続された駆動流供給路４４にも、同様に、駆動流供給ブロワ１５を設けている。そして、例えば、大気中の空気Ａ７を昇圧して、駆動流供給路４４からエジェクタ６０に供給する。この場合、実施形態３とは異なり、アノード側減圧器６ａとしてのエジェクタ６０のノズル部６１に供給される駆動流は、空気となる。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、実施形態３と同様の作用効果と実施形態６と同様の作用効果とを得ることができる。

（実施形態８）
本形態の燃料電池システム１においては、図１３に示すように、減圧器６として、ブロワ６５を用いている。
具体的には、酸化剤ガス排出路５２にブロワ６５を設けている。これにより、ブロワ６５が、燃料電池２のカソード出口部２２２から排出される空気Ａ４を強制的に燃焼器１２へ送る。これに伴い、カソード出口部２２２の圧力が下がる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、ブロワ６５によって、カソード出口部２２２の圧力を十分に低下させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。ただし、実施形態１においては、減圧器６としてブロワではなく、エジェクタ６０を用いているため、本形態よりも実施形態１の方が、システム効率を向上させ易い。
なお、本形態において、ブロワ６５に代えてポンプを減圧器６として用いてもよい。

（実施形態９）
本形態の燃料電池システム１においては、図１４に示すように、燃料ガス排出路５１及び酸化剤ガス排出路５２の双方に、減圧器６であるブロワ６５が接続されている。
その他の構成は、実施形態８と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、実施形態２（図６、図７参照）と同様に、アノード出口部２１２における燃料ガスＧ４の圧力値を、充分に低くすることができ、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。
その他、実施形態８と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態１０）
本形態の燃料電池システム１においては、図１５に示すように、燃料ガス排出路５１と酸化剤ガス排出路５２との双方に、それぞれ個別に、減圧器６としてのブロワ６５が接続されている。
その他の構成は、実施形態８と同様である。

本形態の燃料電池システム１においては、実施形態９（図１４参照）と同様に、アノード出口部２１２における燃料ガスＧ４の圧力値を、充分に低くすることができ、燃料電池システム１におけるシステム効率を向上することができる。また、実施形態９とは異なり、アノード出口部２１２の圧力を、カソード出口部２２２の圧力とは独立して調整することもできる。
その他、実施形態８と同様の作用効果を得ることができる。

（実施形態１１）
本形態の燃料電池システム１においては、図１６に示すように、燃料ガス排出路５１と酸化剤ガス排出路５２との双方に、それぞれ別種類の減圧器６が接続されている。
すなわち、燃料ガス排出路５１に接続されているアノード側減圧器６ａとして、ブロワ６５を用い、酸化剤ガス排出路５２に接続されているカソード側減圧器６ｃとして、エジェクタ６０を用いている。

換言すると、実施形態１の燃料電池システム１を基本構成として、燃料ガス排出路５１にブロワ６５をアノード側減圧器６ａとして配設したのが、本形態の燃料電池システム１である。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本形態においては、実施形態２と同様の作用効果を得ることができる。
なお、アノード側減圧器６ａとカソード側減圧器６ｃとの組み合わせは、特に限定されるものではない。すなわち、アノード側減圧器６ａとカソード側減圧器６ｃとの組み合わせとしては、実施形態１１に示したものとは逆としてもよいし、例えば、エジェクタとポンプとの組み合わせ、或いは、ブロワとポンプとを組み合わせとすることもできる。

（実施形態１２）
本形態の燃料電池システム１においては、図１７に示すように、減圧器６として、凝縮性ガスを凝縮する凝縮器６６を用いている。
具体的には、酸化剤ガス排出路５２に凝縮器６６が接続されている。これにより、カソード出口部２２２から排出された空気Ａ４を凝縮することで、空気Ａ４の圧力を低下させる。

本形態においては、燃料電池２として、例えばりん酸型燃料電池（すなわち、ＰＡＦＣ）を用いることができる。ＰＡＦＣにおける電解質は、リン酸水溶液からなり、水素イオンの伝導性を有するものである。それゆえ、本形態の燃料電池２の内部温度は、例えば１５０〜２００℃に設定される。本形態の燃料電池システム１において、アノード及びカソードは、白金を触媒として含有している。

本形態において、燃料電池２における発電原理は、実施形態４において説明した燃料電池２（すなわちＰＥＦＣ）の発電原理と略同様である。しかし、本形態における燃料電池２の内部温度は、上述した実施形態４における燃料電池２の内部温度よりも高く、上述のように例えば１５０〜２００℃となる。それゆえ、本形態の燃料電池２における発電において生成された水は、カソード流路２２において加熱され、水蒸気となることがある。凝縮器６６は、上述した空気Ａ４に含有される水蒸気の凝縮によってカソード出口部２２２における空気Ａ４を減圧し、カソード出口部２２２の圧力を下げるものである。
その他の構成は、実施形態１と同様である。

本形態においても、実施形態８と同様の作用効果を得ることができる。
なお、燃料電池２の種類、燃料ガスの種類、酸化剤ガスの種類等によっては、燃料ガス排出路５１に凝縮器６６を配置する構成としてもよいし、燃料ガス排出路５１と酸化剤ガス排出路５２との双方にそれぞれ凝縮器６６を配置する構成としてもよい。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１において、燃料電池２としてＳＯＦＣを用いた実施形態を示したが、これに代えて、ＰＥＦＣ、ＰＡＦＣ又は溶融炭酸塩型燃料電池（すなわち、ＭＣＦＣ）等を用いてもよい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３１ 燃料ブロワ
３２ 酸化剤ブロワ
４１ 燃料ガス供給路
４２ 酸化剤ガス供給路
５１ 燃料ガス排出路
５２ 酸化剤ガス排出路
６ 減圧器

Claims (12)

1. アノード（２０１）に面するアノード流路（２１）と、カソード（２０２）に面するカソード流路（２２）と、を有する燃料電池（２）と、
   燃料ガス（Ｇ）を上記アノード流路に供給する燃料ブロワ（３１）と、
   酸化剤ガス（Ａ）を上記カソード流路に供給する酸化剤ブロワ（３２）と、
   上記アノード流路のアノード入口部（２１１）と上記燃料ブロワとを接続する流路であって、上記燃料ガスが流れる燃料ガス供給路（４１）と、
   上記カソード流路のカソード入口部（２２１）と上記酸化剤ブロワとを接続する流路であって、上記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給路（４２）と、
   上記アノード流路のアノード出口部（２１２）から排出される燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（５１）と、
   上記カソード流路のカソード出口部（２２２）から排出される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出路（５２）と、
   上記アノード出口部又は上記カソード出口部の圧力を下げる減圧器（６）と、を備え、
   該減圧器に、上記燃料ガス排出路及び上記酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている、燃料電池システム（１）。
2. 上記減圧器は、駆動流を噴射するノズル部（６１）と、該ノズル部から噴射された駆動流によって吸引流を吸引する吸引部（６２）と、上記駆動流と上記吸引流とを混合する混合部（６３）と、該混合部において混合された上記駆動流と上記吸引流とからなる混合流を昇圧するディフューザ部（６４）と、を有するエジェクタ（６０）であり、上記ノズル部の上流側に、上記駆動流を供給する流路である駆動流供給路（４３）が接続されており、上記吸引部に、上記燃料ガス排出路及び上記酸化剤ガス排出路の少なくとも一方が接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 上記駆動流供給路は、上記燃料ガス供給路又は上記酸化剤ガス供給路に接続されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 上記燃料ガス供給路又は上記酸化剤ガス供給路には、上記燃料ガス又は上記酸化剤ガスを予熱する予熱器（７）が配置されており、上記駆動流供給路は、上記予熱器の下流側に接続されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 上記燃料ガス供給路又は上記酸化剤ガス供給路には、上記燃料ガス又は上記酸化剤ガスを冷却する冷却器（７０）が配置されており、上記駆動流供給路は、上記冷却器の上流側に接続されている、請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 上記駆動流供給路には、上記駆動流の流量を調整する流量調整器（８１）が配置されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 上記アノード流路内の圧力とカソード流路内の圧力との差圧を検出する差圧検出器（８２）を更に備え、上記流量調整器は、上記差圧に応じて上記駆動流の流量を調整する、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 上記流量調整器は、可変オリフィスである、請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
9. 上記減圧器は、ブロワ（６５）又はポンプである、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 上記減圧器は、凝縮性ガスを凝縮する凝縮器（６６）である、請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 上記減圧器に、上記酸化剤ガス排出路が接続されている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 上記減圧器として、上記燃料ガス排出路が接続されているアノード側減圧器（６ａ）と、上記酸化剤ガス排出路が接続されているカソード側減圧器（６ｃ）と、を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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