JP2005203229A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムに関し、起動時或いは過渡運転時において、十分な量の水蒸気を改質器に速やかに供給できるようにする。
【解決手段】 燃料電池１０のカソード１１から排出されるカソードオフガスを改質器２０の改質部２２へ供給するためのカソードオフガスライン５０に、吸湿材１を配置する。これにより、通常時には余剰となるカソードオフガス中の水分は吸湿材１に吸収され、水分不足となる起動時或いは過渡運転時には吸湿材１からカソードオフガスに水分が戻される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、炭化水素系原料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器を備えた燃料電池システムに関する。

一般的な燃料電池は、プロトン伝導性の電解質を挟んで一対の電極が配置された構造を有している。アノードでは、水素を含む燃料ガスが供給されると、以下の（１）式の化学反応が生じて水素イオンが生成される。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
生成された水素イオンは電解質膜を通ってカソードに供給される。カソードでは、酸素を含む酸化ガスが供給されると、以下の（２）式の化学反応が生じ、アノードで生成された水素イオンと酸素から水（水蒸気）が生成される。
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
燃料電池では、上記の反応がアノードとカソードの双方で連続して起きることで、アノードとカソードとの間に起電力が発生する仕組みになっている。

燃料電池において必要な水素は、ガソリンやメタノール等の炭化水素系原料を改質することで生成することができる。今日の多くの燃料電池システムは炭化水素系原料を改質する改質器を備えており、炭化水素系原料の改質により生成された改質ガスが燃料ガスとして燃料電池に供給されている。炭化水素系原料の改質方法としては、主として水蒸気改質反応を用いた方法と、部分酸化反応を用いた反応とが知られている。例えば、ガソリン（主成分はＣ₈Ｈ₁₈）の場合の水蒸気改質反応は以下の（３）式で表され、部分酸化反応は以下の（４）式で表される。
Ｃ₈Ｈ₁₈＋８Ｈ₂Ｏ → １７Ｈ₂＋８ＣＯ ・・・（３）
Ｃ₈Ｈ₁₈＋４Ｏ₂ → ９Ｈ₂＋８ＣＯ ・・・（４）
これらの改質方法は、何れか一方を選択することもできるし、双方を同時に実行することもできる。例えば、改質器に炭化水素系原料と水蒸気を含んだ空気を供給して反応させた場合には、水蒸気改質反応と部分酸化反応の双方が同時に起きると考えられる。

また、上記の（３）式及び（４）式に示すように、炭化水素系原料の改質過程では一酸化炭素が副生される。一酸化炭素は燃料電池の電極を被毒するため、一酸化炭素を含んだ改質ガスをそのまま燃料電池に供給するのは好ましくない。そこで、改質器には、改質ガス中の一酸化炭素を燃料電池にとって無害な二酸化炭素に変化させる機能が備えられている。一酸化炭素を二酸化炭素に変化させる方法としては、シフト反応を用いる方法と、ＣＯ選択酸化反応を用いる方法がある。シフト反応は、以下の（５）式に示すように一酸化炭素に水を作用させて水素と二酸化炭素に変成させる化学反応であり、ＣＯ選択酸化反応は、以下の（６）式に示すように一酸化炭素に酸素を作用させて二酸化炭素に変成させる化学反応である。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂＋ＣＯ₂ ・・・（５）
ＣＯ＋（１／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂ ・・・（６）

上記の（３）式及び（５）式に示すように、改質器では、水蒸気改質反応やシフト反応のための反応物として水蒸気が不可欠である。このため、例えば、特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池のカソードの出口を改質器に接続することで、カソードから排出されるカソードオフガスを改質器に供給するようにしている。カソードオフガスには上記の（２）式により生成された水分が多く含まれているので、カソードオフガスを改質器に供給することで、上記の（３）式及び（５）式の反応に必要な量の水蒸気を確保することができる。

ただし、燃料電池が完全に作動していない起動時には、上記の（２）式により生成される水の量は少なく、カソードオフガス中の水蒸気のみでは十分な水蒸気を確保できない。また、加速時等の過渡運転時には、一時的に多量の水素が要求されるために、上記の（３）式及び（５）式の反応のための水蒸気の量も一時的に増大するが、カソードオフガス中の水分だけでは十分な量を賄うことができない。そこで、上記の従来技術では、燃料電池のカソード側やアノード側から排出される水を水蒸気生成部に回収しておき、カソードオフガス中の水分が不足する燃料電池の起動時等には、水蒸気生成部に加熱燃料を供給して回収しておいた水を加熱し、水の加熱により生成された水蒸気をカソードオフガスとともに改質器に供給するようにしている。
特開２０００−１９５５３４号公報 特開２００２−２４６０４９号公報 特開平６−２９０３６号公報 特開２００２−８３６１７号公報

しかしながら、上記の従来技術では、水蒸気生成部に加熱燃料が供給されてから水蒸気が生成されるまでに遅れ時間が発生する。このため、燃料電池システムに起動要求があってから暫くの間は、改質用の水蒸気を十分に確保できず、システムの起動に遅れが生じてしまう可能性がある。過渡運転時も同様であり、例えば加速要求があってから暫くの間は、水蒸気不足によって十分な量の水素を生成することがでず、加速に遅れが生じてしまう可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、起動時或いは過渡運転時において、十分な量の水蒸気を改質器に速やかに供給できるようにした、燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系原料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスと酸素を含む酸化ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記改質器を構成し、水を反応物とした化学反応を起こす第１化学反応部と、
通常運転時には、システム内のガスから水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記第１化学反応部への供給ガスに水分を付与する吸湿材と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、生成物として水を生じる化学反応を起こす第２化学反応部を備え、
前記吸湿材は、少なくとも通常運転時には、前記第２化学反応部から排出される排出ガスの排出ラインに位置し、少なくとも起動時或いは過渡運転時には、前記第１化学反応部に供給される供給ガスの供給ラインに位置するように設けられていることを特徴としている。

また、第３の発明は、第１の発明において、水を反応物とした化学反応を起こす、前記第１化学反応部と同一或いは別の第３化学反応部を備え、
前記吸湿材は、少なくとも通常運転時には、前記第３化学反応部から排出される排出ガスの排出ラインに位置し、少なくとも起動時或いは過渡運転時には、前記第１化学反応部に供給される供給ガスの供給ラインに位置するように設けられていることを特徴としている。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記第１化学反応部は、前記改質器の改質部であり、
前記第２化学反応部は、前記燃料電池のカソードであり、
前記吸湿材は、前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質部へ供給するためのカソードオフガスラインに配置され、通常運転時には、前記カソードオフガス中の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記カソードオフガスに水分を付与することを特徴としている。

また、第５の発明は、第２の発明において、前記第１化学反応部は、前記改質器の改質部或いはシフト部であり、
前記第２化学反応部は、前記改質部に熱を供給するための燃焼器であり、
前記吸湿材は、起動時には、前記燃焼器から排出される燃焼ガスの排出ラインに接続されて前記燃焼ガス中の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記改質部或いはシフト部への供給ガスの供給ラインに接続されて前記供給ガスに水分を付与することを特徴としている。

また、第６の発明は、第３の発明において、前記第１化学反応部は、前記改質器のシフト部であり、
前記第３化学反応部は、前記改質器の改質部であり、
前記吸湿材は、前記改質部と前記シフト部との間に配置され、通常運転時には、前記改質部から排出される改質ガス中の未反応の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記改質ガスに水分を付与することを特徴としている。

また、第７の発明は、第３の発明において、前記第１化学反応部は、前記改質器の改質部であり、
前記第３化学反応部は、前記改質器の改質部或いはシフト部であり、
前記吸湿材は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記改質部へ供給するためのアノードオフガスラインに配置され、通常運転時には、前記アノードオフガスに含まれる未反応の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記アノードオフガスに水分を付与することを特徴としている。

また、第８の発明は、第５乃至第７の何れか一つの発明において、前記改質器の改質部には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが供給されることを特徴としている。

第１の発明によれば、起動時或いは過渡運転時には、通常運転時に吸湿材に吸収されたシステム内の余剰の水分が供給ガスに付与されるので、起動或いは過渡運転のための十分な量の水蒸気を速やかに改質器の第１化学反応部に供給することが可能になる。また、本発明によれば、水を加熱して水蒸気を生成する蒸発器が不要となるので、システムを小型化することもできる。

また、第２の発明によれば、生成物として水を生じる化学反応を起こす第２化学反応部からの排出ガス中に含まれる水分が改質器の第１化学反応部に供給されるので、第２化学反応部で生成される水分を有効に利用することが可能になる。

また、第３の発明によれば、水を反応物とした化学反応を起こす第３化学反応部からの排出ガス中に含まれる水分が改質器の第１化学反応部に供給されるので、第３化学反応部での未反応の水分を有効に利用することが可能になる。

また、第４の発明によれば、カソードオフガスを改質部へ供給するためのカソードオフガスラインに吸湿材が配置されることで、通常時には余剰となるカソードオフガス中の水分を、水分不足となる起動時或いは過渡運転時にカソードオフガスに戻してやることが可能になる。さらに、吸湿材がカソードオフガスラインに配置されることで、通常運転時と起動時或いは過渡運転時とで、ガス流路を切り換える必要がないという利点もある。

また、第５の発明によれば、燃焼器から排出される燃焼ガスには燃焼により生成される水分が含まれているので、通常運転時には吸湿材に燃焼ガスの排出ラインが接続され、起動時或いは過渡運転時には吸湿材に改質部或いはシフト部への供給ガスの供給ラインが接続されることで、燃焼ガス中の水分を起動時或いは過渡運転時における改質部或いはシフト部での反応に有効に利用することが可能になる。

また、第６の発明によれば、改質部とシフト部との間に吸湿材が配置されることで、改質部での反応に用いられなかった余剰水分を起動時或いは過渡運転時におけるシフト部での反応に有効に利用することが可能になる。

また、第７の発明によれば、アノードオフガスには改質器で用いられなかった余剰水分が含まれるので、アノードオフガスを改質部へ供給するためのアノードオフガスラインに吸湿材が配置されることで、通常運転時に改質器で用いられなかった余剰水分を、水分不足となる起動時或いは過渡運転時にアノードオフガスを介して改質器に戻してやることが可能になる。

また、第８の発明によれば、改質器の改質部にはカソードから排出されるカソードオフガスも供給されるので、起動後或いは過渡運転後の通常運転時にも、十分な量の水分を改質器に供給することが可能になる。

実施の形態１．
以下、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、本燃料電池システムは、炭化水素原料（以下、燃料という）を改質して水素を含む燃料ガス（以下、改質ガスという）を生成する改質器２０、改質器２０で生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池１０、そして、本燃料電池システムの特徴部である吸湿材１を備えている。

燃料電池１０は、２つの電極、すなわちアノード１１とカソード１２によって図示しないプロトン伝導性の電解質膜を挟んだ構造を有している。アノード１１では水素が供給されると、上記の（１）式の化学反応が生じて水素イオンが生成される。生成された水素イオンは電解質膜を通ってカソード１２に供給される。カソード１２では、酸素が供給されると、上記の（２）式の化学反応が生じ、アノード１１で生成された水素イオンと酸素から水（水蒸気）が生成される。

アノード１１で必要な水素は、後述する改質器２０から供給される改質ガスに含まれている。一方、カソード１２で必要な酸素は、外界から取り込まれる空気に含まれている。カソード１２の入口には、外界に通じるガス通路（以下、カソードエアライン）３０が接続されており、エアクリーナ３１によって塵芥を除去された空気がカソードエアライン３０を通ってカソード１２内に供給されるようになっている。カソード１２への空気の供給は、カソードエアライン３０においてカソード１２の上流に設けられた電動コンプレッサ３２によって行われる。

本燃料電池システムにかかる燃料電池１０としては、固体高分子型（ＰＥＭ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、そして本出願人が先願（特願２００３−０６４４７８、特願２００３−０７２９９４、特願２００３−２０４７３４）で提案している水素分離膜型（ＨＭＦＣ）等、何れの型の燃料電池も採用することができ、燃料電池１０にはその型に応じた電解質膜が設けられている。なお、水素分離膜型燃料電池は、具体的には、水素分離膜（例えばバナジウム上にパラジウムが積層された膜）がプロトン伝導性材料（例えばジルコニアセラミックス）に積層された構造の電解質膜を用いるものである。

改質器２０は、予混合部２１と改質部２２を備えている。予混合部２１は、改質部２２での反応が促進されるように、燃料、水蒸気、及び空気を均一に混合するための部屋である。燃料としては、ガソリンやメタノール等の炭化水素系原料を用いることができる。予混合部２１での混合により得られた混合気は、改質部２２に供給される。改質部２２には燃料に応じた触媒が担持されており、改質部２２内での水蒸気改質反応や部分酸化反応によって燃料から水素を含む改質ガスが生成される。本燃料システムでは、改質器２０は燃料電池１０のアノード１１に直結されており、改質部２０からアノード１１に改質ガスが供給されるようになっている。なお、改質器２０には、改質反応により生成された一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変成させるシフト部や、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素に変成させるＣＯ選択酸化部も備えられている。本実施形態では、改質部２２にシフト部やＣＯ選択酸化部も含まれているものとして図示を省略している。

予混合部２１には、燃料タンク４１内に貯留された燃料が供給される。予混合部２１にはインジェクタ２３が取り付けられており、インジェクタ２３と燃料タンク４１とは燃料供給ライン４０によって接続されている。インジェクタ２３には、燃料タンク４１内に設けられた電動フィードポンプ４２によって、燃料タンク４１内の燃料が圧送されるようになっている。なお、燃料供給ライン４０には、燃料を燃料供給ライン４０に戻すためのバルブ４４も備えられている。

また、予混合部２１には、燃料電池１０のカソード１２から排出されるカソードオフガスが供給される。カソードオフガスには、カソード１２で起きる上記（２）式の反応によって多量の水蒸気が含まれている。したがって、カソードオフガスを予混合部２１に供給することで燃料の改質に必要な水蒸気を確保することができる。カソードオフガスは、カソード１２の出口に接続されたカソードオフガスライン３６を通って予混合部２１に供給される。

カソードオフガスライン３６は、途中で２つのライン３６ａ，３６ｂに分岐しており、その一方であるカソードオフガス供給ライン３６ａが予混合部２１に接続され、他方の大気放出ライン３６ｂは大気に開放されている。カソードオフガスライン３６の分岐部には流量調整三方弁３４が設けられており、流量調整三方弁３４のポート間の連通状態を切換ることで、予混合部２１に供給されるカソードオフガスの流量を調整できるようになっている。予混合部２１に供給されるカソードオフガス中の水蒸気の流量は、蒸気流量計３５によって計測することができ、インジェクタ２３からの燃料供給量と水蒸気量との関係が目標Ｓ／Ｃを満足するように、蒸気流量計３５の計測結果が流量調整三方弁３４の制御にフィードバックされる。なお、水蒸気の流量は、総流量と反応率、転化率等から推定することもできる。また、カソードオフガスライン３６には調圧弁３３が設けられており、調圧弁３３によりカソードオフガスの圧力を調整できるようになっている。

本燃料電池システムでは、上記のカソードオフガスライン３６に吸湿材１が設けられている。より詳しくは、カソードオフガスライン３６が２つのライン３６ａ，３６ｂに分岐する流量調整三方弁３４の上流に設けられている。吸湿材としては、例えばゼオライトを用いることができる。吸湿材１は、湿潤した空気が通過するときには空気中の水分を吸収し、乾燥した空気が通過するときには水分を空気に付与するように作用する。したがって、カソードオフガスライン３６に吸湿材１が設けられることで、カソードオフガス中に多くの水分が含まれるときには、カソードオフガス中の水分は吸湿材１に吸収され、カソードオフガス中の水分が少ないときには、吸湿材１からカソードオフガスに水分が付与されるようになる。

改質部２２では、水蒸気改質反応や部分酸化反応によって燃料から水素が生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応であるが、改質部２２内では主として水蒸気改質反応が起きるので、全体としては吸熱反応となる。したがって、改質部２２内での改質反応を進めて水素を生成するためには、改質部２２に熱を供給する必要がある。このため、改質部２２内には、高温の燃焼ガスの通り道である燃焼ガスライン６０が通っている。燃焼ガスライン６０の一端は燃焼器６３に接続され、他端は大気に開放されている。

燃焼器６３は、燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させる装置である。燃料を燃焼させるための空気は、エアポンプ６１によってエア供給ライン６２を通って燃焼器６３に供給される。一方、燃料としては、燃料電池１０のアノード１１から排出されるアノードオフガス中の水素が用いられる。改質部２０で生成された改質ガス中の水素は、アノード１１における上記（１）式の反応によって消費される。しかし、アノード１１で消費される水素は供給される水素の全部ではなく、アノード１１から排出されるアノードオフガス中には少なからぬ水素が残っている。したがって、アノードオフガスを燃焼器６３に供給することで高温の燃焼ガスを生成するのに必要な燃料（水素）を確保することができる。アノードオフガスは、アノード１１の出口に接続されたアノードオフガスライン５０を通って燃焼器６３に供給される。

アノードオフガスライン５０は、途中で２つのライン５０ａ，５０ｂに分岐しており、その一方であるアノードオフガス供給ライン５０ａが燃焼器６３に接続され、他方の大気放出ライン５０ｂは大気に開放されている。アノードオフガスライン５０の分岐部には流量調整三方弁５２が設けられており、流量調整三方弁５２のポート間の連通状態を切換ることで、燃焼器６３に供給されるアノードオフガスの流量を調整できるようになっている。また、アノードオフガスライン５０には調圧弁５１も設けられており、調圧弁５１によりアノードオフガスの圧力を調整できるようになっている。

次に、上記のように構成された本燃料電池システムの作用、特に、その特徴部である吸湿材１の作用について、通常運転（定常運転）時、過渡運転時、そして起動時のそれぞれについて説明する。

まず、燃料電池システムが起動した後の通常運転時には、燃料電池１０の発電によってカソード１２には定常的に水（水蒸気）が生成されている。カソード１２で生成された水蒸気はカソードオフガスに含まれてカソード１２から排出され、カソードオフガスが吸湿材１を通過するときに吸湿材１に吸収される。これにより、吸湿材１には水分が蓄えられていく。吸湿材１により水分が吸収されることで、カソードオフガス中の水分は一時的に低下するが、やがて吸湿材１の水分吸収量は飽和状態になる。吸湿材１が飽和状態になることで、カソードオフガス中の水分はそれ以上、吸湿材１に吸収されることなく、そのまま改質器１０に供給されるようになる。なお、改質器２０に供給すべき目標水蒸気量は燃料供給量と目標Ｓ／Ｃとの関係で決まるが、通常運転時には、目標水蒸気量よりも多量の水蒸気がカソード１２で生成されている。

一方、加速時や登坂時のように燃料電池システムに大電流が要求される過渡運転時には、燃料電池１０へ供給する水素を大量に生成する必要から、インジェクタ２３からの燃料噴射量が増大されるとともに、カソード１２に供給されるカソードエア量が増大される。ところが、カソードエア量や燃料が増大されてから、改質器２０での水素生成量が増大し、さらにカソード１２で多量の水蒸気が生成されるまでには時間遅れがある。このため、カソードエア量が増大された分、カソードオフガス中の水蒸気率は一時的に低下することになる。つまり、カソードオフガスの湿度（絶対湿度）は一時的に低下することになる。この湿度の低下したカソードオフガスが吸湿材１を通過すると、通常運転時とは逆に吸湿材１からカソードオフガスに水分が付与される現象が起こり、吸湿材１を通過したカソードオフガスの湿度は上昇する。これにより、目標Ｓ／Ｃを実現するのに十分な量の水蒸気を改質器２０に供給することが可能になる。

また、燃料電池システムの起動時には、燃料電池１０は未だ発電していないためにカソード１２には水（水蒸気）は生成されていない。このため、カソード１２からはカソード１２に流入するカソードエアと変わらない低湿度のカソードオフガスが排出される。この低湿度のカソードオフガスが吸湿材１を通過すると、定常運転時に蓄えられた水分が吸湿材１からカソードオフガスに付与され、湿材１を通過したカソードオフガスの湿度は上昇する。これにより、起動のための十分な量の水蒸気を速やかに改質器２０に供給することが可能になる。

以上のように、本燃料電池システムによれば、カソードオフガスを改質器２０へ供給するためのカソードオフガスライン３６に吸湿材１が配置されることで、通常運転時には余剰となるカソードオフガス中の水分を、水分不足となる起動時や過渡運転時にカソードオフガスに戻してやることができ、燃料の改質のための十分な量の水蒸気を速やかに改質器２０に供給することが可能になる。

また、本燃料電池システムによれば、水を加熱して水蒸気を生成する蒸発器が不要となるので、システムを小型化することもできる。さらに、吸湿材１がカソードオフガスライン３６に配置されることで、通常運転時と起動時或いは過渡運転時とで、ガス流路を切り換える必要がないという利点もある。

実施の形態２.
以下、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図２は本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの概略構成図である。図２においては、上述した実施の形態１と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態１のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

本燃料電池システムは、実施の形態１のシステムとはアノードオフガスライン５０の接続先、及び吸湿材２の設置位置に相違がある。具体的には、流量調整三方弁５２によって分岐されるアノードオフガスライン５０の２つのライン５０ａ，５０ｃのうち、その一方は燃焼器６３に接続される第１アノードオフガス供給ライン５０ａ（実施の形態１のアノードオフガス供給ラインと同じ）となっており、他方は改質器２０の予混合部２１に接続される第２アノードオフガス供給ライン５０ｃとなっている。第２アノードオフガス供給ライン５０ｃは、カソードオフガス供給ライン３０ｂの蒸気流量計３５よりも上流側に接続されている。本燃料電池システムでは、通常運転時には、アノードオフガスが第１アノードオフガス供給ライン５０ａに流れるように、起動時及び過渡運転時には、一部のアノードオフガスが第２アノードオフガス供給ライン５０ｃにも流れるように、流量調整三方弁５２のポート間の連通状態が切り換えられる。

本燃料電池システムでは、上記のアノードオフガスライン５０に吸湿材２が設けられている。より詳しくは、アノードオフガスライン５０が２つのライン５０ａ，５０ｃに分岐する流量調整三方弁５２の上流に設けられている。吸湿材２としては、実施の形態１のものと同じ材質のものを用いることができる。アノードオフガスライン５０に吸湿材２が設けられることで、アノードオフガス中に多くの水分が含まれるときには、アノードオフガス中の水分は吸湿材２に吸収され、アノードオフガス中の水分が少ないときには、吸湿材２からアノードオフガスに水分が付与されるようになる。

次に、上記のように構成された本燃料電池システムの作用、特に、その特徴部である吸湿材２の作用について、通常運転（定常運転）時、過渡運転時、そして起動時のそれぞれについて説明する。

まず、燃料電池システムが起動した後の通常運転時には、カソード１２で生成された水蒸気を含むカソードオフガスが改質器２０に供給される。改質器２０の改質部（シフト部も含む）２２では、燃料に水蒸気が作用することで、例えば燃料がガソリンの場合、上記の（３）式の水蒸気改質反応が起こり、水素を含む改質ガスが生成される。また、上記の（５）式のシフト反応によって改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成される。これらの反応によって改質器２０に供給されたガス中の水蒸気は消費されるが、通常、水蒸気の供給量（目標水蒸気量）は、燃料が確実に改質されるように、理論Ｓ／Ｃから定まる必要水蒸気量よりも多めに設定されている。このため、供給された水蒸気の一部は、反応することなく改質ガスに含まれて改質器２０から排出される。

改質ガスに含まれる水分（水蒸気）は、そのままアノードオフガスに含まれてアノード１１から排出される。この水分を含むアノードオフガスが吸湿材２を通過すると、アノードオフガス中の水分は吸湿材２に吸収される。これにより、吸湿材２には水分が蓄えられていく。通常運転時には、アノードオフガスライン５０は燃焼器６３に接続されており、燃焼器６３には、吸湿材２によって水分を低減されたアノードオフガスが燃料として供給される。

一方、実施の形態１でも述べたように、燃料電池システムに大電流が要求される過渡運転時には、カソードエア量や燃料が増大されてからカソード１２での水蒸気生成量が増大するまでの時間遅れにより、カソードオフガスの湿度は一時的に低下する。また、燃料電池システムの起動時には、カソード１２には未だ水（水蒸気）は生成されていないため、カソード１２から排出されるカソードオフガスの湿度は低い。この低湿度のカソードオフガスが改質器２０に供給されることで、改質ガスに含まれる余剰水分は減少し、アノード１１から排出されるアノードオフガスの湿度も低下する。湿度の低下したアノードオフガスが吸湿材２を通過すると、通常運転時とは逆に吸湿材２からアノードオフガスに水分が付与される現象が起こり、吸湿材２を通過したアノードオフガスの湿度は上昇する。この湿度が上昇したアノードオフガスが流量調整三方弁５２の切り換えによって改質器２０に供給されることで、カソードオフガスの湿度の低下を補って加速や起動のための十分な量の水蒸気を改質器２０に供給することが可能になる。

以上のように、本燃料電池システムによれば、アノードオフガスライン５０に吸湿材２が配置され、カソードオフガスの水分が不足する起動時及び過渡運転時にアノードオフガスライン５０が改質器２０に接続されることで、通常運転時に改質器２０で用いられなかった余剰水分を、水分不足となる起動時或いは過渡運転時にアノードオフガスを介して改質器２０に戻してやることができ、燃料の改質のための十分な量の水蒸気を速やかに改質器２０に供給することが可能になる。

また、本燃料電池システムによれば、通常運転時、吸湿材２によって水分が除去されたアノードオフガスが燃焼器６３に供給されるので、燃焼器６３の燃焼安定性が向上し、また、加熱効率も向上するという利点もある。

実施の形態３.
以下、図３を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
図３は本発明の実施の形態３としての燃料電池システムの概略構成図である。ここでは、起動時及び過渡運転時におけるシステム内のガスの流れについて示している。図３においては、実施の形態１と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態１のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

本燃料電池システムは、実施の形態１のシステムとは吸湿材３の設置位置に相違がある。具体的には、燃焼器６３から排出された燃焼ガスが流れる燃焼ガスライン６０に吸湿材３が配置されている。吸湿材３としては、実施の形態１のものと同じ材質のものを用いることができる。燃焼ガスライン６０に吸湿材３が設けられることで燃焼ガス中の水分は吸湿材３に吸収されるが、燃焼ガスをより高温にすることで、吸湿材３に吸収されていた水分を蒸発させて燃焼ガスに水分を付与することもできる。

ここでは、通常運転時におけるシステム内のガスの流れについては省略しているが、本燃料電池システムの通常運転時におけるシステム内のガスの流れは、実施の形態１の構成においてカソードオフガスライン３６から吸湿材１を省き、代わりに燃焼ガスライン６０に吸湿材３を設けた場合のガスの流れと同じである。したがって、通常運転時には、燃焼ガスは吸湿材３を通ってから大気中に放出されるようになっている。

一方、起動時及び過渡運転時におけるガスの流れは、図３に示すように実施の形態１とは大きく異なっている。まず、燃焼ガスライン６０の吸湿材３よりも下流側には、改質器２０の予混合部２１接続される燃焼ガス供給ライン６０ａが設けられている。この燃焼ガス供給ライン６０ａは、図示しない三方弁によって大気放出ラインと選択的に切り換えられるようになっている。これにより、起動時及び過渡運転時には、吸湿材３を通った燃焼ガスは、インジェクタ２３からの燃料とともに改質器２０に供給されることになる。なお、実施の形態１において改質器２０に供給されていたカソードオフガスは、大気中に放出されるようになっている（図１においては流量調整弁３４を大気放出ライン３６ｂ側に切り換える）。図中では、起動時及び過渡運転時にカソード１１を流れるガスの流路については、簡略化のために図示を省略している。

また、本燃料電池システムでは、起動時及び過渡運転時には、燃焼器６３には燃料タンク４１の燃料が供給されるようになっている。本燃料電池システムでは、燃料供給ライン４０は、インジェクタ２３に接続される第１燃料供給ライン４０ａと燃焼器６３に接続される第２燃料供給ライン４０ｂに分岐しており、起動時及び過渡運転時には、第１燃料供給ライン４０ａに加えて第２燃料供給ライン４０ｂにも燃料が供給される。なお、実施の形態１において燃焼機６３に供給されていたアノードオフガスは、大気中に放出されるようになっている（図１においては流量調整弁５２を大気放出ライン５０ｂ側に切り換える）。

また、本燃料電池システムでは、改質器２０の図示しないシフト部（ＣＯ選択酸化部を含む）には、エア供給ライン６６を介してエアポンプ６５が接続されており、起動時及び過渡運転時には、エアポンプ６５からシフト部（ＣＯ選択酸化部を含む）に空気が供給されるようになっている。本燃料電池システムでは、カソードオフガスの代わりに燃焼ガスが供給されるため、ＣＯ選択酸化反応等のための酸素が不足するが、エアポンプ６５から空気が供給されることで不足していた酸素が補充される。

次に、上記のように構成された本燃料電池システムの作用、特に、その特徴部である吸湿材３２の作用について、通常運転（定常運転）時、過渡運転時、そして起動時のそれぞれについて説明する。

まず、燃料電池システムが起動した後の通常運転時には、燃焼器６３にはアノードオフガスが供給され、アノードオフガス中の水素が燃焼することによって改質器２０を加熱するための燃焼ガスが生成される。水素の燃焼により燃焼ガス中には多量の水分（水蒸気）が含まれており、この水分を含む燃焼ガスが吸湿材３を通過すると、燃焼ガス中の水分は吸湿材３に吸収される。これにより、吸湿材３には水分が蓄えられていく。吸湿材３に水分を取られた燃焼ガスは大気中へ放出される。

一方、起動時及び過渡運転時には、燃焼ガスライン６０は改質器２０に接続され、カソードオフガスの代わりに燃焼ガスが改質器２０に供給される。同時に、燃焼器６３にはアノードオフガスの代わりに燃料タンク４１からの燃料が供給される。燃料の燃焼によって、燃焼器６３から燃焼ガスライン６０へは通常運転時よりも高温の燃焼ガスが排出される。この高温の燃焼ガスが吸湿材３に流入することで、吸湿材３に吸収されていた水分は蒸発し、燃焼ガスに多量の水蒸気が含まれるようになる。この多量の水蒸気を含む燃焼ガスがカソードオフガスの代わりに改質器２０に供給されることで、加速や起動のための十分な量の水蒸気を改質器２０に供給することが可能になる。

以上のように、本燃料電池システムによれば、燃焼ガスライン６０に吸湿材３が配置され、カソードオフガスの水分が不足する起動時及び過渡運転時に燃焼ガスライン６０が改質器２０に接続されることで、燃焼ガスに含まれる水分を起動時及び過渡運転時における燃料の改質のための水分として有効に利用することが可能になる。

実施の形態４.
以下、図４を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
図４は本発明の実施の形態４としての燃料電池システムの概略構成図である。図４においては、上述した実施の形態１と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態１のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

上述の実施の形態１乃至３のシステムは、起動時及び過渡運転時における水蒸気改質反応（或いは、水蒸気改質反応及びシフト反応）のための水蒸気を確保することを目的としているが、本燃料電池システムは、専らシフト反応のための水蒸気を確保することを目的としている。このため、本実施形態では、改質部２２ａとシフト部２２ｂを分けて図示している。なお、改質器２０には、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素に変成させるＣＯ選択酸化部も備えられているが、本実施形態では、シフト部２２ｂにＣＯ選択酸化部も含まれているものとして図示を省略している（実施の形態１乃至３では、改質部２２にシフト部もＣＯ選択酸化部も含まれているものとしている）。

本燃料電池システムは、実施の形態１のシステムとは吸湿材４の設置位置に相違がある。具体的には、改質器２０内の改質部２２ａとシフト部２２ｂとの間に吸湿材４が設けられている。吸湿材４の位置以外については、実施の形態１と同構成である。吸湿材４としては、実施の形態１のものと同じ材質のものを用いることができる。改質部２２ａとシフト部２２ｂとの間に吸湿材４が設けられることで、改質部２２ａからの改質ガス中に多くの水分が含まれるときには、改質ガス中の余剰水分は吸湿材４に吸収され、改質ガス中の水分が少ないときには、吸湿材４から改質ガスに水分が付与されるようになる。

次に、上記のように構成された本燃料電池システムの作用、特に、その特徴部である吸湿材４の作用について、通常運転（定常運転）時、過渡運転時、そして起動時のそれぞれについて説明する。

まず、燃料電池システムが起動した後の通常運転時には、カソード１２で生成された水蒸気を含むカソードオフガスが改質器２０に供給される。改質器２０の改質部２２ａでは、燃料に水蒸気が作用することで水蒸気改質反応が起こり、水素を含む改質ガスが生成される。この反応によって改質部２２ａに供給されたガス中の水蒸気は消費されるが、通常、水蒸気の供給量（目標水蒸気量）は、燃料が確実に改質されるように、理論Ｓ／Ｃから定まる必要水蒸気量よりも多めに設定されている。このため、供給された水蒸気の一部は、反応することなく改質ガスに含まれて改質部２２ａから排出される。改質部２２ａから排出された改質ガスは吸湿材４を通ってシフト部２２ｂに流入する。水分を含む改質ガスが吸湿材４を通過すると、改質ガス中の水分は吸湿材４に吸収される。これにより、吸湿材４には水分が蓄えられていく。

一方、実施の形態１でも述べたように、燃料電池システムに大電流が要求される過渡運転時には、カソードエア量や燃料が増大されてからカソード１２での水蒸気生成量が増大するまでの時間遅れにより、カソードオフガスの湿度は一時的に低下する。また、燃料電池システムの起動時には、カソード１２には未だ水（水蒸気）は生成されていないため、カソード１２から排出されるカソードオフガスの湿度は低い。この低湿度のカソードオフガスが改質器２０に供給されることで、改質部２２ａでの反応により生成された改質ガスの湿度も低下する。湿度の低下した改質ガスが吸湿材４を通過すると、通常運転時とは逆に吸湿材４から改質ガスに水分が付与され、この結果、一酸化炭素を二酸化炭素に変成させるのに十分な量の水蒸気をシフト部２２ｂに供給することが可能になる。

以上のように、本燃料電池システムによれば、改質２２ａとシフト部２２ｂとの間に吸湿材４が配置されることで、改質部２２ａでの反応に用いられなかった余剰水分を起動時及び過渡運転時におけるシフト部２２ｂでのシフト反応に有効に利用することが可能になる。また、シフト部２２ｂに十分な量の水分を供給できることで、起動時にシフト部２２ｂが熱暴走することも抑制できる。

実施の形態５.
以下、図５を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
図５は本発明の実施の形態５としての燃料電池システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、上述の実施の形態４のシステムと同様、起動時及び過渡運転時におけるシフト反応のための水蒸気を確保することを目的としている。図５においては、実施の形態４と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態４のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

本燃料電池システムでは、実施の形態４のシステムと同様、吸湿材５は改質器２０内の改質部２２ａとシフト部２２ｂとの間に設けられている。吸湿材５としては、実施の形態４のものと同じ材質のものを用いることができる。

本燃料電池システムの実施の形態４のシステムとの相違点は、アノードオフガスライン５０の接続先にある。具体的には、流量調整三方弁５２によって分岐されるアノードオフガスライン５０の２つのライン５０ａ，５０ｃのうち、その一方は燃焼器６３に接続される第１アノードオフガス供給ライン５０ａ（実施の形態４のアノードオフガス供給ラインと同じ）となっており、他方は改質器２０の予混合部２１に接続される第２アノードオフガス供給ライン５０ｃとなっている。第２アノードオフガス供給ライン５０ｃは、カソードオフガス供給ライン３０ｂの蒸気流量計３５よりも上流側に接続されている。本燃料電池システムでは、アノードオフガスの一部が第２アノードオフガス供給ライン５０ｃに流れるように、流量調整三方弁５２のポート間の連通状態が切り換えられる。

次に、上記のように構成された本燃料電池システムの作用、特に、その特徴部である吸湿材４の作用について、通常運転（定常運転）時、過渡運転時、そして起動時のそれぞれについて説明する。

まず、燃料電池システムが起動した後の通常運転時には、カソードオフガスとアノードガスの一部が改質器２０の改質部２２ａに供給される。カソードオフガスはカソード１２で生成された水蒸気を含み、アノードガスは改質部２２ａやシフト部２２ｂで消費されなかった未反応の水蒸気を含んでいる。実施の形態４でも述べたように、供給された水蒸気の一部は、反応することなく改質ガスに含まれて改質部２２ａから排出される。改質部２２ａから排出された改質ガスは吸湿材５を通ってシフト部２２ｂに流入し、その際、改質ガス中の水分は吸湿材５に吸収される。これにより、吸湿材５には水分が蓄えられていく。

一方、起動時や過渡運転時には、低湿度のカソードオフガスが改質器２０に供給されることで、改質部２２ａでの反応により生成される改質ガスの湿度も低下する。湿度の低下した改質ガスが吸湿材５を通過すると、通常運転時とは逆に吸湿材５から改質ガスに水分が付与され、この結果、一酸化炭素を二酸化炭素に変成させるのに十分な量の水蒸気をシフト部２２ｂに供給することが可能になる。

以上のように、本燃料電池システムによれば、実施の形態４のシステムと同様、改質部２２ａとシフト部２２ｂとの間に吸湿材４が配置されることで、改質部２２ａでの反応に用いられなかった余剰水分を起動時及び過渡運転時におけるシフト部２２ｂでのシフト反応に有効に利用することが可能になる。また、シフト部２２ｂでも消費されなかった余剰水分は、再びアノードオフガスとともに改質部２２ａに戻されるので、改質部２２ａにおける水不足も防止される。つまり、本燃料電池システムによれば、カソード１２で作られた水（水蒸気）を無駄にすることなく、起動或いは過渡運転のための水蒸気としてより有効に利用することが可能になる。

実施の形態６.
以下、図６を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
図６は本発明の実施の形態６としての燃料電池システムの概略構成図である。ここでは、起動時及び過渡運転時におけるシステム内のガスの流れについて示している。本燃料電池システムは、上述の実施の形態４のシステムと同様、起動時及び過渡運転時におけるシフト反応のための水蒸気を確保することを目的としている。図６においては、実施の形態４と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態４のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

本燃料電池システムは、実施の形態４のシステムとは吸湿材６の設置位置に相違がある。具体的には、燃焼器６３から排出された燃焼ガスが流れる燃焼ガスライン６０に吸湿材３が配置されている。吸湿材６としては、実施の形態４のものと同じ材質のものを用いることができる。燃焼ガスライン６０に吸湿材６が設けられることで燃焼ガス中の水分は吸湿材６に吸収されるが、燃焼ガスをより高温にすることで、吸湿材６に吸収されていた水分を蒸発させて燃焼ガスに水分を付与することもできる。

ここでは、通常運転時におけるシステム内のガスの流れについては省略しているが、本燃料電池システムの通常運転時におけるシステム内のガスの流れは、実施の形態４の構成においてカソードオフガスライン３６から吸湿材４を省き、代わりに燃焼ガスライン６０に吸湿材６を設けた場合のガスの流れと同じである。したがって、通常運転時には、燃焼ガスは吸湿材６を通ってから大気中に放出されるようになっている。

一方、起動時及び過渡運転時におけるガスの流れは、図６に示すように実施の形態４とは大きく異なっている。まず、燃焼ガスライン６０の吸湿材６よりも下流側には、改質器２０の予混合部２１接続される第１燃焼ガス供給ライン６０ａとシフト部２２ｂの上流部に接続される第２燃焼ガス供給ライン６０ｂとが設けられている。これら燃焼ガス供給ライン６０ａ,６０ｂは、図示しない三方弁によって大気放出ラインと選択的に切り換えられるようになっている。これにより、起動時及び過渡運転時には、吸湿材６を通った燃焼ガスの一部は、インジェクタ２３からの燃料とともに改質部２２ａに供給され、残りの燃焼ガスはシフト部２２ｂに供給されることになる。なお、実施の形態４において改質器２０に供給されていたカソードオフガスは、大気中に放出されるようになっている（図４においては流量調整弁３４を大気放出ライン３６ｂ側に切り換える）。図中では、起動時及び過渡運転時にカソード１１を流れるガスの流路については、簡略化のために図示を省略している。

また、本燃料電池システムでは、燃料供給ライン４０は、インジェクタ２３に接続される第１燃料供給ライン４０ａと燃焼器６３に接続される第２燃料供給ライン４０ｂに分岐しており、起動時及び過渡運転時には、第１燃料供給ライン４０ａに加えて第２燃料供給ライン４０ｂにも燃料タンク４１内の燃料（ガソリン）が供給される。なお、実施の形態４において燃焼機６３に供給されていたアノードオフガスは、大気中に放出されるようになっている（図４においては流量調整弁５２を大気放出ライン５０ｂ側に切り換える）。

また、本燃料電池システムでは、シフト部（ＣＯ選択酸化部も含む）２２ｂの上流部には、エア供給ライン６６を介してエアポンプ６５が接続されており、起動時及び過渡運転時には、エアポンプ６５からシフト部２２ｂに空気が供給されるようになっている。本燃料電池システムでは、カソードオフガスの代わりに燃焼ガスが供給されるため、ＣＯ選択酸化反応等のための酸素が不足するが、エアポンプ６５から空気が供給されることで不足していた酸素が補充される。

次に、上記のように構成された本燃料電池システムの作用、特に、その特徴部である吸湿材６の作用について、通常運転（定常運転）時、過渡運転時、そして起動時のそれぞれについて説明する。

まず、燃料電池システムが起動した後の通常運転時には、燃焼器６３にはアノードオフガスが供給され、アノードオフガス中の水素が燃焼することによって改質器２０を加熱するための燃焼ガスが生成される。水素の燃焼により燃焼ガス中には多量の水分（水蒸気）が含まれており、この水分を含む燃焼ガスが吸湿材６を通過すると、燃焼ガス中の水分は吸湿材６に吸収される。これにより、吸湿材６には水分が蓄えられていく。吸湿材６に水分を取られた燃焼ガスは大気中へ放出される。

一方、起動時及び過渡運転時には、燃焼ガスライン６０は改質部２２ａ及びシフト部２２ｂに接続され、燃焼ガスが改質部２２ａとシフト部２２ｂの双方に供給される。同時に、燃焼器６３にはアノードオフガスの代わりに燃料タンク４１からの燃料が供給される。燃料の燃焼によって、燃焼器６３から燃焼ガスライン６０へは通常運転時よりも高温の燃焼ガスが排出される。この高温の燃焼ガスが吸湿材６に流入することで、吸湿材６に吸収されていた水分は蒸発し、燃焼ガスに多量の水蒸気が含まれるようになる。この多量の水蒸気を含む燃焼ガスが改質部２２ａとシフト部２２ｂに供給されることで、燃料の改質のための十分な量の水蒸気を改質器２０に供給することが可能になるとともに、一酸化炭素を二酸化炭素に変成させるのに十分な量の水蒸気をシフト部２２ｂに供給することも可能になる。

以上のように、本燃料電池システムによれば、燃焼ガスライン６０に吸湿材６が配置され、カソードオフガスの水分が不足する起動時及び過渡運転時に燃焼ガスライン６０が改質部２２ａとシフト部２２ｂの双方に接続されることで、燃焼ガスに含まれる水分を起動時及び過渡運転時における燃料の改質のための水分として、また、一酸化炭素を無害化するための水分として有効に利用することが可能になる。

実施の形態７.
以下、図７を参照して、本発明の実施の形態７について説明する。
図７は本発明の実施の形態７としての燃料電池システムの概略構成図である。図７においては、上述した実施の形態１と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態１のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

本燃料電池システムは、実施の形態１のシステムとは、燃料電池８０の構造に相違がある。実施の形態１のシステムでは、燃料電池１０と別に改質器２０が設けられているが、本燃料電池システムでは、燃料電池８０そのものに改質機能が付与されている。本燃料電池システムにかかる燃料電池８０としては、例えば固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、或いは水素分離膜型（ＨＭＦＣ）の燃料電池を採用することができる。すなわち、作動温度が極めて高温の燃料電池である。燃料電池８０は、アノード８１とカソード８２によって図示しないプロトン伝導性の電解質膜を挟んだ構造を有しており、アノード８１に改質機能、すなわち、燃料である炭化水素を水蒸気改質反応（或いは、水蒸気改質反応と部分酸化反応）によって改質し、水素を生成する機能が付与されている。

また、燃料電池８０は、アノード８１での改質反応が促進されるように、燃料、水蒸気、及び空気を均一に混合するための予混合部８３が設けられている。予混合部８３にはインジェクタ８４が取り付けられており、インジェクタ８４には燃料タンク４１につながる燃料供給ライン４０が接続されている。また、予混合部８３には、燃料電池８０のカソード８２から排出されるカソードオフガスを供給するためのカソードオフガス供給ライン３６ａが接続されている。燃料の供給系、及びカソードオフガスの供給系の構成は実施の形態１におけるそれの構成と同様である。

また、上記のように燃料電池８０そのものに改質機能が付与される結果、本燃料電池システムでは、改質反応を促進させるための熱の供給は燃料電池８０において行われる。このため、アノード８１からのアノードオフガスが供給される燃焼器６３は、専らアノードオフガス中の可燃成分や有害成分を燃焼させるための手段として用いられるようになっている。

本燃料電池システムでは、吸湿材７は、アノード８１の直前、すなわち、予混合部８３とアノード８１との間に設けられている。吸湿材７としては、実施の形態１のものと同じ材質のものを用いることができる。アノード８１の直前に吸湿材７が設けられることで、予混合部８３で混合された燃料とカソードオフガスの混合気は、吸湿材７を通ってアノード８１に供給される。カソードオフガス中に多くの水分が含まれるときには、混合気から吸湿材７に水分が吸収され、カソードオフガス中の水分が少ないときには、吸湿材７から混合気に水分が付与されるようになる。

カソードオフガス中の水分は、実施の形態１で述べたように、通常運転時には余剰となり、起動時や過渡運転時には不足する。したがって、本燃料電池システムによれば、上記のようにアノード８１の直前に吸湿材７が設けられることで、通常運転時には余剰となるアノード８１への供給ガス（燃料とカソードオフガスの混合気）中の水分を、水分不足となる起動時や過渡運転時に供給ガスに戻してやることができ、燃料の改質のための十分な量の水蒸気を速やかに改質機能を有するアノード８１に供給することが可能になる。また、本燃料電池システムによれば、アノード８１の直前に吸湿材７が設けられることで、高温の燃料電池８０からの熱によって吸湿材７を暖機することができ、吸湿材７からの水分の蒸発が促進されるという利点もある。

なお、上述の実施の形態７においては、予混合部８３と燃料電池８０のアノード８１が、第１の発明の「改質器」に相当し、燃料電池８０のアノード８１の改質機能が、第１の発明の「第１化学反応部」に相当する。

実施の形態８.
以下、図８を参照して、本発明の実施の形態８について説明する。
図８は本発明の実施の形態８としての燃料電池システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、上述の実施の形態４のシステムと同様、起動時及び過渡運転時におけるシフト反応のための水蒸気を確保することを目的としている。図８においては、実施の形態４と同一の部位については、同一の符号を付して示している。以下では、本燃料電池システムが実施の形態４のシステムと相違する構成及び機能ついて重点的に説明し、同一の構成及び機能についてはその説明は省略するものとする。

本燃料電池システムは、実施の形態４のシステムとは、燃料電池９０の構造に相違がある。実施の形態４のシステムでは、改質器２０にシフト機能が付与されていたが、本燃料電池システムでは、燃料電池９０にシフト機能が付与されている。本燃料電池システムにかかる燃料電池９０としては、例えば固体酸化物型（ＳＯＦＣ）の燃料電池を採用することができる。すなわち、作動温度が極めて高温の燃料電池である。燃料電池９０は、アノード９１とカソード９２によって図示しないプロトン伝導性の電解質膜を挟んだ構造を有しており、アノード９１にシフト機能、すなわち、改質反応によって生成された一酸化炭素をシフト反応（或いは、シフト反応とＣＯ選択酸化反応）によって二酸化炭素に変成する機能が付与されている。

改質器９５は、予混合部９６と改質部９７を備えている。予混合部９６にはインジェクタ９８が取り付けられており、インジェクタ９８には燃料タンク４１につながる燃料供給ライン４０が接続されている。また、予混合部９８には、燃料電池９０のカソード９２から排出されるカソードオフガスを供給するためのカソードオフガス供給ライン９６ａが接続されている。予混合部９６で混合された燃料とカソードオフガスの混合気は改質部９７に供給される。改質部９７では、水蒸気改質反応や部分酸化反応によって燃料から水素を含む改質ガスが生成される。改質部９７内には燃焼ガスライン６０が通っており、燃焼器６３から高温の燃焼ガスが供給されるようになっている。なお、燃料、カソードオフガス、アノードオフガスの各供給系の構成は実施の形態４におけるそれの構成と同様である。

本燃料電池システムでは、吸湿材８は、アノード９１の直前、すなわち、改質部９７とアノード９１との間に設けられている。吸湿材８としては、実施の形態４のものと同じ材質のものを用いることができる。アノード９１の直前に吸湿材８が設けられることで、改質部９７で生成された改質ガスは、吸湿材８を通ってアノード９１に供給される。改質ガス中に多くの水分が含まれるときには、改質ガスから吸湿材８に水分が吸収され、改質ガス中の水分が少ないときには、吸湿材８から改質ガスに水分が付与されるようになる。

改質ガス中の水分は、実施の形態４で述べたように、通常運転時には余剰となり、起動時や過渡運転時には不足する。したがって、本燃料電池システムによれば、上記のようにアノード９１の直前に吸湿材８が設けられることで、通常運転時には余剰となる改質ガス中の水分を、水分不足となる起動時や過渡運転時に改質ガスに戻してやることができ、一酸化炭素を二酸化炭素に変成させるのに十分な量の水蒸気をシフト機能を有するアノード９１に供給することが可能になる。また、本燃料電池システムによれば、アノード９１の直前に吸湿材８が設けられることで、高温の燃料電池９０からの熱によって吸湿材８を暖機することができ、吸湿材８からの水分の蒸発が促進されるという利点もある。

なお、上述の実施の形態８においては、予混合部９６、改質部９７、及び燃料電池９０のアノード９１が、第１の発明の「改質器」に相当し、改質部９７と燃料電池８０のアノード９１のシフト機能の双方が、それぞれ第１の発明の「第１化学反応部」に相当する。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、以下のように変形して実施してもよい。

実施の形態１において、吸湿材１の上流にカソードオフガスを加熱するための何らかの加熱手段（例えば、電気ヒータ）を設けてもよい。吸湿材１中の水分は、乾燥したカソードオフガスが流れることで蒸発するが、当然、カソードオフガスの温度が高いほど蒸発は促進される。燃料電池１０が作動している時には、燃料電池１０からの熱によりカソードオフガスは高温になっているが、起動時には、燃料電池１０が作動していないためにカソードオフガスは低温であることが想定される。したがって、少なくとも起動時には、加熱手段によってカソードオフガスを添加水蒸気量の加湿に必要な飽和温度（例えば、８０℃程度）まで加熱してやるのが好ましい。

また、上述の各実施の形態を適宜組み合わせて複数箇所に吸湿材を配置してもよい。例えば、実施の形態１の構成に実施の形態２の構成を組み合わせ、カソードオフラインとアノードオフラインの双方に吸湿材を配置することも可能である。

本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態３としての燃料電池システムの概略構成を示す図であって、特に、起動時及び過渡運転時におけるシステム内のガスの流れについて示す図である。 本発明の実施の形態４としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態５としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態６としての燃料電池システムの概略構成を示す図であって、特に、起動時及び過渡運転時におけるシステム内のガスの流れについて示す図である。 本発明の実施の形態７としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態８としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１，２，３，４，５，６，７，８ 吸湿材
１０ 燃料電池
１１ アノード
１２ カソード
２０ 改質器
２２ 改質部
２２ａ 改質部
２２ｂ シフト部
３６ カソードオフライン
４１ 燃料タンク
５０ アノードオフライン
６０ 燃焼ガスライン
６３ 燃焼器
８０ 燃料電池
８１ 改質機能付きアノード
８２ カソード
９０ 燃料電池
９１ シフト機能付きアノード
９２ カソード
９５ 改質器
９７ 改質部

Claims (8)

1. 炭化水素系原料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスと酸素を含む酸化ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記改質器を構成し、水蒸気を反応物とした化学反応を起こす第１化学反応部と、
   通常運転時には、システム内のガスから水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記第１化学反応部への供給ガスに水分を付与する吸湿材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 生成物として水を生じる化学反応を起こす第２化学反応部を備え、
   前記吸湿材は、少なくとも通常運転時には、前記第２化学反応部から排出される排出ガスの排出ラインに位置し、少なくとも起動時或いは過渡運転時には、前記第１化学反応部に供給される供給ガスの供給ラインに位置するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 水蒸気を反応物とした化学反応を起こす、前記第１化学反応部と同一或いは別の第３化学反応部を備え、
   前記吸湿材は、少なくとも通常運転時には、前記第３化学反応部から排出される排出ガスの排出ラインに位置し、少なくとも起動時或いは過渡運転時には、前記第１化学反応部に供給される供給ガスの供給ラインに位置するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記第１化学反応部は、前記改質器の改質部であり、
   前記第２化学反応部は、前記燃料電池のカソードであり、
   前記吸湿材は、前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質部へ供給するためのカソードオフガスラインに配置され、通常運転時には、前記カソードオフガス中の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記カソードオフガスに水分を付与することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記第１化学反応部は、前記改質器の改質部或いはシフト部であり、
   前記第２化学反応部は、前記改質部に熱を供給するための燃焼器であり、
   前記吸湿材は、起動時には、前記燃焼器から排出される燃焼ガスの排出ラインに接続されて前記燃焼ガス中の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記改質部或いはシフト部への供給ガスの供給ラインに接続されて前記供給ガスに水分を付与することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記第１化学反応部は、前記改質器のシフト部であり、
   前記第３化学反応部は、前記改質器の改質部であり、
   前記吸湿材は、前記改質部と前記シフト部との間に配置され、通常運転時には、前記改質部から排出される改質ガス中の未反応の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記改質ガスに水分を付与することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
7. 前記第１化学反応部は、前記改質器の改質部であり、
   前記第３化学反応部は、前記改質器の改質部或いはシフト部であり、
   前記吸湿材は、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを前記改質部へ供給するためのアノードオフガスラインに配置され、通常運転時には、前記アノードオフガスに含まれる未反応の水分を吸収し、起動時或いは過渡運転時には、前記アノードオフガスに水分を付与することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
8. 前記改質器の改質部には、前記カソードから排出されるカソードオフガスが供給されることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項記載の燃料電池システム。

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