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JP2018037328A - Fuel cell system and operation method thereof - Google Patents

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JP2018037328A JP2016170705A JP2016170705A JP2018037328A JP 2018037328 A JP2018037328 A JP 2018037328A JP 2016170705 A JP2016170705 A JP 2016170705A JP 2016170705 A JP2016170705 A JP 2016170705A JP 2018037328 A JP2018037328 A JP 2018037328A
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Abstract

【課題】タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器を備える燃料電池システムにおいて、燃焼器をより的確に運転可能とする。【解決手段】燃焼電池10のカソードガス排出通路122に、コンプレッサ201を駆動するタービン22を接続し、カソードガス排出通路122に、タービン22を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器34を介装する。カソードガス排出通路122のうち燃焼器34よりも上流側に気液分離器32を設置し、燃料供給部により、カソードガス排出通路122のうち気液分離器32よりも上流側に、燃焼器34で燃焼させる燃料を供給する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a combustor to operate more accurately in a fuel cell system including a combustor for generating combustion gas for driving a turbine. A turbine 22 for driving a compressor 201 is connected to a cathode gas discharge passage 122 of a combustion battery 10, and a combustor 34 for generating combustion gas for driving the turbine 22 is provided in the cathode gas discharge passage 122. To wear. The gas-liquid separator 32 is installed on the upstream side of the combustor 34 in the cathode gas exhaust passage 122, and the combustor 34 is installed on the upstream side of the gas-liquid separator 32 in the cathode gas exhaust passage 122 by the fuel supply unit. To supply the fuel to be burned. [Selection diagram] Figure 1

Description

本発明は、燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動する燃料電池システムおよびその動作方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system that drives a turbine by combustion gas generated by a combustor and an operation method thereof.

燃料電池のカソードガス供給通路にコンプレッサを備え、燃料電池に対し、コンプレッサを通じて酸化剤を供給する一方、カソードガス排出通路にタービンが接続され、タービンによりコンプレッサを駆動するように構成された燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムとして、コンプレッサおよびタービンに加え、カソードガス排出通路に燃焼器が介装され、燃焼器で生成された燃焼ガスをタービンに供給して、タービンを駆動するように構成されたものも知られている。   A fuel cell system comprising a compressor in a cathode gas supply passage of a fuel cell, and supplying an oxidant to the fuel cell through the compressor, and a turbine connected to the cathode gas discharge passage and driving the compressor by the turbine It has been known. As such a fuel cell system, in addition to the compressor and the turbine, a combustor is interposed in the cathode gas discharge passage, and the combustion gas generated by the combustor is supplied to the turbine to drive the turbine. Things are also known.

特許文献1には、燃料電池のカソードオフガスラインとアノードオフガスラインとのそれぞれに気液分離器を備えた燃料電池システムが記載されている。カソードオフガスをカソードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたカソードオフガスを混合器に流入させるとともに、アノードオフガスをアノードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたアノードオフガスを混合器に流入させる。混合器から流出したカソードオフガスおよびアノードオフガスの混合ガスを燃焼ヒータに導入してアノードオフガス中の燃料を燃焼させ、これにより生じた熱エネルギにより冷却液を加熱する。そして、加熱された冷却液を、暖機冷却液ラインを介して燃料電池に供給し、燃料電池の暖機を促進させる。   Patent Document 1 describes a fuel cell system including a gas-liquid separator in each of a cathode offgas line and an anode offgas line of a fuel cell. The cathode off-gas was introduced into the gas-liquid separator of the cathode off-gas line, and the cathode off-gas from which moisture was removed was allowed to flow into the mixer, and the anode off-gas was introduced into the gas-liquid separator of the anode off-gas line to remove moisture. An anode off gas is flowed into the mixer. A mixed gas of cathode offgas and anode offgas flowing out from the mixer is introduced into the combustion heater to burn the fuel in the anode offgas, and the coolant is heated by the heat energy generated thereby. Then, the heated coolant is supplied to the fuel cell via the warm-up coolant line to promote the warm-up of the fuel cell.

特開2005−310464号公報JP 2005-310464 A

燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動するものでは、タービンを効率よく作動させるため、燃焼器をタービンによる動力回収の観点から最適に運転することが求められる。具体的には、燃焼器に対する水分の流入を回避するとともに、燃焼器に対し、燃料と酸化剤とを充分に混合させた状態で導入する。燃焼器に水分が流入すれば、燃焼促進のために燃焼器に保持されている触媒に水分が付着して、燃料の着火性が悪化し、燃料と酸化剤との混合が不充分であれば、燃焼温度の分布にむらが生じて、触媒を局所的に劣化させたり、触媒の劣化を抑制するために燃焼温度を下げる必要が生じたりするからである。   In the case where the turbine is driven by the combustion gas generated by the combustor, it is required to operate the combustor optimally from the viewpoint of power recovery by the turbine in order to operate the turbine efficiently. Specifically, the inflow of moisture into the combustor is avoided, and the fuel and the oxidant are introduced into the combustor in a sufficiently mixed state. If moisture flows into the combustor, moisture adheres to the catalyst held in the combustor to promote combustion, the ignitability of the fuel deteriorates, and the fuel and oxidant are not sufficiently mixed This is because unevenness in the distribution of the combustion temperature may cause the catalyst to deteriorate locally, or to reduce the combustion temperature in order to suppress the deterioration of the catalyst.

特許文献1に記載のシステムは、コンプレッサを駆動するタービンを備えておらず、混合器の下流側に備わる燃焼器は、暖機時における熱エネルギの取得を目的としたものであり、燃焼ガスの生成自体を目的としたものではない。そして、この目的に起因して、特許文献1において、カソードオフガスおよびアノードオフガスは、暖機が完了した後、いずれも燃焼器に供給されず、排水素の処理のため、燃焼器を迂回して希釈装置に導入されている。よって、特許文献1に記載の技術は、燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動するシステムにおいて、燃焼器の最適な運転の実現に資するものではない。   The system described in Patent Document 1 does not include a turbine that drives a compressor, and the combustor provided on the downstream side of the mixer is for the purpose of acquiring thermal energy during warm-up. It is not intended to generate itself. For this purpose, in Patent Document 1, neither the cathode offgas nor the anode offgas is supplied to the combustor after the warm-up is completed, and bypasses the combustor for the treatment of exhaust hydrogen. It has been introduced into the dilution device. Therefore, the technique described in Patent Document 1 does not contribute to realizing an optimum operation of the combustor in a system in which the turbine is driven by the combustion gas generated by the combustor.

本発明では、燃焼電池のカソードガス排出通路に、コンプレッサを駆動するタービンを接続し、カソードガス排出通路に、タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器を介装する。カソードガス排出通路のうち燃焼器よりも上流側に気液分離器を設置し、燃料供給部により、カソードガス排出通路のうち気液分離器よりも上流側に燃焼器で燃焼させる燃料を供給する。   In the present invention, a turbine that drives a compressor is connected to the cathode gas discharge passage of the combustion cell, and a combustor that generates combustion gas for driving the turbine is interposed in the cathode gas discharge passage. A gas-liquid separator is installed on the upstream side of the combustor in the cathode gas discharge passage, and fuel to be burned by the combustor is supplied on the upstream side of the gas-liquid separator in the cathode gas discharge passage. .

本発明によれば、燃焼器に対する水分の流入を抑制するとともに、燃料とカソードオフガスとを充分に混合させた状態で燃焼器に導入することができ、燃焼器をより的確に運転することが可能となる。   According to the present invention, the inflow of moisture into the combustor can be suppressed, and the fuel and the cathode offgas can be introduced into the combustor in a sufficiently mixed state, so that the combustor can be operated more accurately. It becomes.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。FIG. 2 is an overall configuration diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. 図3は、同上実施形態に係る燃料電池システムの変形態様の構成を概略的に示す全体構成図である。FIG. 3 is an overall configuration diagram schematically showing a configuration of a modification of the fuel cell system according to the embodiment. 図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。FIG. 4 is an overall configuration diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. 図5は、同上実施形態に係る燃料電池システムの変形態様の構成を概略的に示す全体構成図である。FIG. 5 is an overall configuration diagram schematically showing a configuration of a modification of the fuel cell system according to the embodiment.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム101の構成を概略的に示している。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell system 101 according to the first embodiment of the present invention.

燃料電池システム101は、大別すると、燃料電池10と、カソードガス給排機構12と、アノードガス給排機構14と、加熱/冷却機構16と、負荷装置18と、を備える。さらに、燃料電池システム101は、カソードガス給排機構12に電動コンプレッサ20およびタービン22を備える。電動コンプレッサ20は、コンプレッサ201および電動モータ202を備え、タービン22は、コンプレッサ201を電動モータ202とは独立に駆動可能に構成されている。図1に明示しないが、燃料電池システム101は、電子制御ユニットとして構成されたシステムコントローラを備え、システムコントローラにより、燃料電池10の発電電力等、燃料電池システム101の運転状態が制御される。本実施形態において、燃料電池システム101は、車両に搭載され、燃料電池10は、車両の走行に必要な電力を発電する。   The fuel cell system 101 includes a fuel cell 10, a cathode gas supply / discharge mechanism 12, an anode gas supply / discharge mechanism 14, a heating / cooling mechanism 16, and a load device 18. The fuel cell system 101 further includes an electric compressor 20 and a turbine 22 in the cathode gas supply / exhaust mechanism 12. The electric compressor 20 includes a compressor 201 and an electric motor 202, and the turbine 22 is configured to be able to drive the compressor 201 independently of the electric motor 202. Although not clearly shown in FIG. 1, the fuel cell system 101 includes a system controller configured as an electronic control unit, and the operation state of the fuel cell system 101 such as the generated power of the fuel cell 10 is controlled by the system controller. In this embodiment, the fuel cell system 101 is mounted on a vehicle, and the fuel cell 10 generates electric power necessary for traveling of the vehicle.

燃料電池10は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、カソードガス給排機構12を介して空気の供給を受けるとともに、アノードガス給排機構14を介して水素ガスの供給を受け、空気中の酸素と水素との化学反応により発電する。本実施形態では、水素が燃料であり、空気中の酸素が酸化剤である。発電により生じた電気は、車両走行用の電動モータの駆動に用いられるほか、電動コンプレッサ20に備わる電動モータ202等の各種補機の駆動に用いられる。本実施形態では、負荷装置18が、車両走行用の電動モータである。   The fuel cell 10 is configured by stacking a plurality of fuel cells, and receives supply of air through the cathode gas supply / discharge mechanism 12 and supply of hydrogen gas through the anode gas supply / discharge mechanism 14. Electricity is generated by the chemical reaction between oxygen and hydrogen. In this embodiment, hydrogen is the fuel and oxygen in the air is the oxidant. The electricity generated by the power generation is used for driving an electric motor for driving the vehicle, and for driving various auxiliary machines such as the electric motor 202 provided in the electric compressor 20. In the present embodiment, the load device 18 is an electric motor for traveling the vehicle.

(カソードガス給排機構)
カソードガス給排機構12は、カソードガス供給通路121と、カソードガス排出通路122と、を備える。
(Cathode gas supply / discharge mechanism)
The cathode gas supply / discharge mechanism 12 includes a cathode gas supply passage 121 and a cathode gas discharge passage 122.

カソードガス供給通路121は、燃料電池10のカソード極に供給される空気(カソードガス)が流れる通路であり、一方の端部がコンプレッサ201のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池10のカソード極のガス流入口に接続されている。大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ201により加圧され、カソードガス供給通路121を介して燃料電池10のカソード極に供給される。   The cathode gas supply passage 121 is a passage through which air (cathode gas) supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 flows. One end of the cathode gas supply passage 121 is connected to the gas outlet of the compressor 201 and the other end is the fuel cell. It is connected to the gas inlet of 10 cathode electrodes. Air taken in from the atmosphere is pressurized by the compressor 201 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 via the cathode gas supply passage 121.

カソードガス排出通路122は、燃料電池10のカソード極から排出されるカソードオフガスが流れる通路であり、燃料電池10のカソード極のガス流出口と、タービン22のガス流入口と、の間に接続されている。カソードガス排出通路122には、カソードオフガスの流れに関して上流側から順に気液分離器32、水素燃焼器34および可変ノズルベーン36が介装されている。燃料電池10における発電反応に寄与せずに残った酸素と、発電反応により生じた水分と、を含んだカソードオフガスは、気液分離器32に導入され、気液分離器32により水分が除去された後、水素燃焼器34を通過し、可変ノズルベーン36による制御を受けてタービン22に供給される。そして、カソードオフガスは、エネルギの一部がタービン22の駆動に用いられた後、タービン排気通路123を介して外部に排出される。   The cathode gas discharge passage 122 is a passage through which the cathode off gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell 10 flows, and is connected between the gas outlet of the cathode electrode of the fuel cell 10 and the gas inlet of the turbine 22. ing. In the cathode gas discharge passage 122, a gas-liquid separator 32, a hydrogen combustor 34, and a variable nozzle vane 36 are interposed in order from the upstream side with respect to the cathode off-gas flow. Cathode off-gas containing oxygen remaining without contributing to the power generation reaction in the fuel cell 10 and moisture generated by the power generation reaction is introduced into the gas-liquid separator 32, and the moisture is removed by the gas-liquid separator 32. After that, the gas passes through the hydrogen combustor 34 and is supplied to the turbine 22 under the control of the variable nozzle vane 36. The cathode off-gas is discharged to the outside through the turbine exhaust passage 123 after a part of the energy is used for driving the turbine 22.

気液分離器32は、遠心式の気液分離器であり、水分を含んだカソードオフガスを受容し、カソードオフガスから水分を除去する。気液分離器32は、さらに、後に述べるようにカソードガス排出通路122にアノードオフガスが導入される場合に、カソードオフガスに加え、アノードオフガスに含まれている水分も除去する。除去された水分は、ドレンノズルを介して外部に排出される。   The gas-liquid separator 32 is a centrifugal gas-liquid separator, receives a cathode offgas containing moisture, and removes moisture from the cathode offgas. The gas-liquid separator 32 further removes moisture contained in the anode off-gas in addition to the cathode off-gas when the anode off-gas is introduced into the cathode gas discharge passage 122 as described later. The removed moisture is discharged to the outside through the drain nozzle.

水素燃焼器34は、白金等の触媒を担持した触媒燃焼器であり、燃料とカソードオフガス中の酸素(酸化剤)とをこの触媒上で燃焼させ、燃焼ガスを生成する。本実施形態において、燃料は、アノードオフガス中の水素である。水素燃焼器34には、カソードガス排出通路122を介してカソードオフガスが供給されるとともに、後に述べるアノードガス循環通路143からアノードオフガス通路144を介してアノードオフガスが供給される。図1に明示しないが、水素燃焼器34にミキサーを内蔵し、触媒への導入前にアノードオフガスとカソードオフガスとの混合が促進されるようにしてもよい。   The hydrogen combustor 34 is a catalytic combustor that supports a catalyst such as platinum, and burns fuel and oxygen (oxidant) in the cathode off-gas on the catalyst to generate combustion gas. In this embodiment, the fuel is hydrogen in the anode offgas. A cathode off gas is supplied to the hydrogen combustor 34 through the cathode gas discharge passage 122, and an anode off gas is supplied from an anode gas circulation passage 143 to be described later through the anode off gas passage 144. Although not clearly shown in FIG. 1, a mixer may be incorporated in the hydrogen combustor 34 to promote mixing of the anode off-gas and the cathode off-gas before introduction into the catalyst.

本実施形態では、水素燃焼器34として触媒燃焼式の燃焼器を採用するが、水素燃焼器34には、拡散燃焼式または希薄予混合燃焼式の燃焼器等、触媒燃焼器以外の燃焼器を採用することもできる。触媒燃焼器によれば、拡散燃焼式等、他の方式の燃焼器による場合と比較して窒素化合物の発生を抑制することが可能である。   In the present embodiment, a catalytic combustion type combustor is adopted as the hydrogen combustor 34. However, the hydrogen combustor 34 is a combustor other than the catalytic combustor, such as a diffusion combustion type or a lean premixed combustion type combustor. It can also be adopted. According to the catalytic combustor, the generation of nitrogen compounds can be suppressed as compared with the case of other types of combustors such as a diffusion combustion type.

可変ノズルベーン36は、タービン22のガス流入口に設置され、ノズルベーンの開度(以下「ノズル開度」という)が可変に構成されている。可変ノズルベーン36のノズル開度を変化させることで、タービン22に供給される燃焼ガスの流速を調節し、タービン22が生じさせる動力(回収動力)を変化させることができる。可変ノズルベーン36は、開放状態でタービン22への入口流路の有効断面積を増大させ、カソードガス排出通路122からタービン22に流入する燃焼ガスの圧力損失を相対的に減少させる。一方で、閉塞状態では、タービン22への入口流路の有効断面積を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を相対的に増大させる。このように、可変ノズルベーン36のノズル開度を減少させることで、タービン22による回収動力を増大させ、システムの運転圧力を増大させることが可能である。   The variable nozzle vane 36 is installed at the gas inlet of the turbine 22, and the opening degree of the nozzle vane (hereinafter referred to as “nozzle opening degree”) is variable. By changing the nozzle opening degree of the variable nozzle vane 36, the flow rate of the combustion gas supplied to the turbine 22 can be adjusted, and the power (recovered power) generated by the turbine 22 can be changed. The variable nozzle vane 36 increases the effective sectional area of the inlet passage to the turbine 22 in the open state, and relatively reduces the pressure loss of the combustion gas flowing into the turbine 22 from the cathode gas discharge passage 122. On the other hand, in the closed state, the effective cross-sectional area of the inlet channel to the turbine 22 is decreased, and the pressure loss of the combustion gas is relatively increased. Thus, by reducing the nozzle opening of the variable nozzle vane 36, it is possible to increase the recovery power by the turbine 22 and increase the operating pressure of the system.

さらに、カソードガス排出通路122には、水素燃焼器34の下流側(本実施形態では、可変ノズルベーン36の上流側)にタービンバイパス通路124が接続されている。水素燃焼器34により生成された燃焼ガスのうち、タービン22に供給されるもの以外の燃焼ガスは、タービンバイパス通路124を介して加熱/冷却機構16に供給される。   Further, a turbine bypass passage 124 is connected to the cathode gas discharge passage 122 on the downstream side of the hydrogen combustor 34 (in this embodiment, on the upstream side of the variable nozzle vane 36). Combustion gases other than those supplied to the turbine 22 among the combustion gases generated by the hydrogen combustor 34 are supplied to the heating / cooling mechanism 16 via the turbine bypass passage 124.

ここで、燃料電池10が低温状態にあるときに、燃焼ガスの熱を利用して燃料電池10を加熱し、暖機を促進させることが可能である。本実施形態において、加熱/冷却機構16は、熱交換器41を備え、熱交換器41に対し、燃焼ガスがタービンバイパス通路124を介して供給され、熱交換器41により燃料電池10の冷却水を加熱することで、燃料電池10の暖機を促進させる。加熱/冷却機構16に供給された燃焼ガスは、熱交換器41で熱が回収された後、タービン排気通路123を流れる燃焼ガスと合流し、外部に排出される。   Here, when the fuel cell 10 is in a low temperature state, it is possible to heat the fuel cell 10 using the heat of the combustion gas and promote warm-up. In the present embodiment, the heating / cooling mechanism 16 includes a heat exchanger 41, and combustion gas is supplied to the heat exchanger 41 via the turbine bypass passage 124, and the heat exchanger 41 cools the cooling water of the fuel cell 10. Is heated to promote warm-up of the fuel cell 10. After the heat is recovered by the heat exchanger 41, the combustion gas supplied to the heating / cooling mechanism 16 merges with the combustion gas flowing through the turbine exhaust passage 123 and is discharged to the outside.

(電動コンプレッサおよびタービン)
電動コンプレッサ20は、コンプレッサ201と電動モータ202とを備え、コンプレッサ201の回転軸203に対し、電動モータ202によりモータトルクを印加可能に構成されている。コンプレッサ201は、カソードガス供給通路121の入口部に設置されており、大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ201により圧縮され、カソードガス供給通路121を介して燃料電池10のカソード極に供給される。
(Electric compressor and turbine)
The electric compressor 20 includes a compressor 201 and an electric motor 202, and is configured such that a motor torque can be applied to the rotating shaft 203 of the compressor 201 by the electric motor 202. The compressor 201 is installed at the inlet of the cathode gas supply passage 121, and the air taken in from the atmosphere is compressed by the compressor 201 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 through the cathode gas supply passage 121. .

タービン22は、カソードガス排出通路122とタービン排気通路123との間に設置され、水素燃焼器34から燃焼ガスの供給を受けて作動する。本実施形態において、コンプレッサ201のインペラとタービン22のタービンブレードとは、回転軸203を介して互いに連結されており、タービン22により燃焼ガスから回収された動力が回転軸203を介してコンプレッサ201に伝達され、コンプレッサ201が作動する。タービン22および電動モータ202は、互いに独立してコンプレッサ201を駆動することが可能である。   The turbine 22 is installed between the cathode gas discharge passage 122 and the turbine exhaust passage 123 and operates by receiving supply of combustion gas from the hydrogen combustor 34. In the present embodiment, the impeller of the compressor 201 and the turbine blade of the turbine 22 are connected to each other via a rotating shaft 203, and the power recovered from the combustion gas by the turbine 22 is transmitted to the compressor 201 via the rotating shaft 203. Then, the compressor 201 is operated. The turbine 22 and the electric motor 202 can drive the compressor 201 independently of each other.

ここで、コンプレッサ201の動力要求が比較的大きい場合は、タービン22に流入する燃焼ガスの流量(タービン入口流量)、温度(タービン入口温度)および圧力(タービン入口圧力)を増大させることで、タービン22による回収動力を増大させ、コンプレッサ201に対して要求に応じた動力を供給することが可能である。水素燃焼器34における燃焼状態を制御するとともに、可変ノズルベーン36のノズル開度を調節することで、具体的には、要求動力の増大に対して燃焼温度(タービン入口温度)を上昇させるかまたはノズル開度を減少させることで、タービン22による回収動力を増大させることが可能である。   Here, when the power demand of the compressor 201 is relatively large, the flow rate of the combustion gas flowing into the turbine 22 (turbine inlet flow rate), the temperature (turbine inlet temperature), and the pressure (turbine inlet pressure) are increased. It is possible to increase the recovery power by 22 and supply power to the compressor 201 as required. Specifically, by controlling the combustion state in the hydrogen combustor 34 and adjusting the nozzle opening of the variable nozzle vane 36, the combustion temperature (turbine inlet temperature) is increased or the nozzle is increased with respect to the increase in required power. By reducing the opening, it is possible to increase the recovery power by the turbine 22.

電動モータ202は、筐体の内周面にステータが設けられるとともに、回転軸203と同軸にロータが形成され、燃料電池10および図示しないバッテリから電力の供給を受けて回転軸203にモータトルクを印加し(力行モード)、タービン22によるコンプレッサ201の回転駆動を補助する。さらに、電動モータ202は、回転軸203の回転動力により発電することが可能であり(回生モード)、発電した電力を図示しないバッテリに供給する。   The electric motor 202 is provided with a stator on the inner peripheral surface of the housing, and a rotor is formed coaxially with the rotating shaft 203. The electric motor 202 receives electric power from the fuel cell 10 and a battery (not shown) and applies motor torque to the rotating shaft 203. The power is applied (power running mode) to assist the rotational drive of the compressor 201 by the turbine 22. Furthermore, the electric motor 202 can generate electric power by the rotational power of the rotating shaft 203 (regeneration mode), and supplies the generated electric power to a battery (not shown).

(アノードガス給排機構)
アノードガス給排機構14は、高圧水素タンク141と、アノードガス供給通路142と、アノードガス循環通路143と、アノードオフガス通路144と、を備える。本実施形態において、アノードガス供給通路142には、水素ヒータ42が介装され、燃料電池10のアノード極に対し、水素ヒータ42により加熱された水素ガスを供給することが可能である。
(Anode gas supply / discharge mechanism)
The anode gas supply / discharge mechanism 14 includes a high-pressure hydrogen tank 141, an anode gas supply passage 142, an anode gas circulation passage 143, and an anode off-gas passage 144. In the present embodiment, a hydrogen heater 42 is interposed in the anode gas supply passage 142, and hydrogen gas heated by the hydrogen heater 42 can be supplied to the anode electrode of the fuel cell 10.

高圧水素タンク141は、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。   The high-pressure hydrogen tank 141 is a gas storage container that stores the hydrogen gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 while maintaining the high-pressure state.

アノードガス供給通路142は、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガス(アノードガス)が流れる通路であり、高圧水素タンク141と、燃料電池10のアノード極のガス流入口と、の間に接続されている。高圧水素タンク141に貯蔵されている水素ガスは、アノードガス供給通路142を介して燃料電池10のアノード極に供給される。本実施形態において、アノードガス供給通路142には、水素ヒータ42の下流側に圧力調節弁51が介装され、圧力調節弁51により、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガスの圧力(流量)が調節される。本実施形態では、さらに、圧力調節弁51の下流側にエゼクタ52が設置され、圧力調節弁51による制限を受けた水素ガスは、エゼクタ52を介して燃料電池10のアノード極に供給される。   The anode gas supply passage 142 is a passage through which hydrogen gas (anode gas) supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 flows, and is between the high-pressure hydrogen tank 141 and the gas inlet of the anode electrode of the fuel cell 10. It is connected. Hydrogen gas stored in the high-pressure hydrogen tank 141 is supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 through the anode gas supply passage 142. In the present embodiment, the anode gas supply passage 142 is provided with a pressure control valve 51 on the downstream side of the hydrogen heater 42, and the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 by the pressure control valve 51 ( Flow rate) is adjusted. In the present embodiment, an ejector 52 is further provided on the downstream side of the pressure control valve 51, and hydrogen gas restricted by the pressure control valve 51 is supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 through the ejector 52.

アノードガス循環通路143は、燃料電池10のアノード極から排出されたアノードオフガスをアノード極に循環させるための通路であり、燃料電池10のアノード極のガス流出口と、アノードガス供給通路142と、の間に接続されている。本実施形態において、アノードガス供給通路142には、アノードガス循環通路143との接続部にエゼクタ52が設置され、発電反応に寄与せずに残った水素と、カソード極から漏洩した水分および窒素等の不純物と、を含んだアノードオフガスは、エゼクタ52の内部で高圧水素タンク141から供給された水素ガスの噴流により形成される負圧の作用を受けてアノードガス供給通路142に吸入され、燃料電池10のアノード極に供給される。   The anode gas circulation passage 143 is a passage for circulating the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell 10 to the anode electrode, the gas outlet of the anode electrode of the fuel cell 10, the anode gas supply passage 142, Connected between. In the present embodiment, the anode gas supply passage 142 is provided with an ejector 52 at the connection portion with the anode gas circulation passage 143, hydrogen remaining without contributing to the power generation reaction, moisture leaked from the cathode electrode, nitrogen, etc. The anode off gas containing the impurities is sucked into the anode gas supply passage 142 under the action of a negative pressure formed by the jet of hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 141 inside the ejector 52, and the fuel cell. 10 anode electrodes are supplied.

アノードオフガス通路144は、燃料電池10のアノード極から排出されたアノードオフガスのうち、アノードガス供給通路142に循環されるもの以外のガスが流れる通路であり、アノードガス循環通路143とカソードガス排出通路122との間に接続されている。本実施形態において、アノードオフガス通路144は、カソードガス排出通路122に対し、気液分離器32の上流側に接続され、燃料電池10のアノード極から排出されたアノードオフガスは、アノードガス循環通路143からアノードオフガス通路144に分岐し、アノードオフガス通路144を介して気液分離器32の上流側でカソードガス排出通路122に導入される。このように、本実施形態では、アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122との接続部に燃料導入口122aが形成され、アノードオフガス通路144は、後に述べる流量調節弁53とともに、カソードガス排出通路122に水素燃焼器34で燃焼させる燃料(水素)を供給する「燃料供給部」を構成する。「燃料導入口」とは、燃料またはアノードオフガスがカソードガス排出通路122に流入する際に通過するカソードガス排出通路122の開口部をいい、本実施形態では、気液分離器32の上流側に形成される。燃料導入口122aを介してカソードガス排出通路122に導入され、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスと合流したアノードオフガスは、気液分離器32で水分が除去された後、水素燃焼器34に供給される。アノードオフガス通路144には、流量調節弁53が介装され、流量調節弁53により、アノードオフガス通路144を介して水素燃焼器34に供給されるアノードオフガスの流量が調節される。   The anode off-gas passage 144 is a passage through which a gas other than the one circulated to the anode gas supply passage 142 out of the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell 10 flows, and the anode gas circulation passage 143 and the cathode gas discharge passage. 122. In the present embodiment, the anode off-gas passage 144 is connected to the upstream side of the gas-liquid separator 32 with respect to the cathode gas discharge passage 122, and the anode off-gas discharged from the anode electrode of the fuel cell 10 is the anode gas circulation passage 143. To the anode off-gas passage 144 and is introduced into the cathode gas discharge passage 122 on the upstream side of the gas-liquid separator 32 via the anode off-gas passage 144. As described above, in the present embodiment, the fuel introduction port 122a is formed at the connection portion between the anode off-gas passage 144 and the cathode gas discharge passage 122, and the anode off-gas passage 144, together with the flow rate adjusting valve 53 described later, A “fuel supply unit” that supplies fuel (hydrogen) to be burned by the hydrogen combustor 34 to 122 is configured. The “fuel inlet” refers to an opening of the cathode gas discharge passage 122 through which fuel or anode off gas flows when flowing into the cathode gas discharge passage 122. In this embodiment, the “fuel introduction port” is located upstream of the gas-liquid separator 32. It is formed. The anode off-gas that has been introduced into the cathode gas discharge passage 122 through the fuel introduction port 122a and merged with the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 122 is removed from the gas-liquid separator 32, and then supplied to the hydrogen combustor 34. Supplied. A flow rate adjusting valve 53 is interposed in the anode off gas passage 144, and the flow rate of the anode off gas supplied to the hydrogen combustor 34 through the anode off gas passage 144 is adjusted by the flow rate adjusting valve 53.

(加熱/冷却機構)
加熱/冷却機構16は、冷却水循環通路161と、冷却水分岐通路162と、熱交換器41と、水素ヒータ42と、冷却水循環ポンプ43と、ラジエータ等の図示しない冷却装置と、を備える。
(Heating / cooling mechanism)
The heating / cooling mechanism 16 includes a cooling water circulation passage 161, a cooling water branch passage 162, a heat exchanger 41, a hydrogen heater 42, a cooling water circulation pump 43, and a cooling device (not shown) such as a radiator.

冷却水循環通路161は、燃料電池10の冷却水を、熱交換器41を介して循環させるための通路であり、燃料電池10の冷却水入口10aと冷却水出口10bとの間に接続されている。燃料電池10の冷却水出口10bから流出した冷却水は、熱交換器41に流入し、熱交換器41により加熱された後、燃料電池10の冷却水入口10aから燃料電池10の冷却水通路に供給される。燃料電池10に供給された冷却水は、燃料電池10の暖機に寄与した後、冷却水出口10bから排出される。   The cooling water circulation passage 161 is a passage for circulating the cooling water of the fuel cell 10 through the heat exchanger 41, and is connected between the cooling water inlet 10a and the cooling water outlet 10b of the fuel cell 10. . The cooling water flowing out from the cooling water outlet 10b of the fuel cell 10 flows into the heat exchanger 41 and is heated by the heat exchanger 41, and then from the cooling water inlet 10a of the fuel cell 10 to the cooling water passage of the fuel cell 10. Supplied. The cooling water supplied to the fuel cell 10 contributes to warm-up of the fuel cell 10 and is then discharged from the cooling water outlet 10b.

冷却水分岐通路162は、燃料電池10のアノード極に供給される水素ガスの加熱に用いられる冷却水が流れる流路であり、熱交換器41に対して並行に配置され、冷却水循環通路161のうち熱交換器41の上流側と下流側とを跨ぐように接続されている。冷却水出口10bを介して燃料電池10から流出した冷却水は、その一部が冷却水循環通路161から冷却水分岐通路162に流入し、冷却水分岐通路162を介して水素ヒータ42に供給される。そして、水素ヒータ42に供給された冷却水は、水素ガスの加熱に用いられた後、熱交換器41の下流側で冷却水循環通路161を流れる冷却水と合流し、燃料電池10の冷却水通路に供給される。   The cooling water branch passage 162 is a passage through which cooling water used for heating the hydrogen gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 flows. The cooling water branch passage 162 is arranged in parallel to the heat exchanger 41 and is connected to the cooling water circulation passage 161. Of these, the heat exchanger 41 is connected so as to straddle the upstream side and the downstream side. A part of the cooling water that has flowed out of the fuel cell 10 via the cooling water outlet 10 b flows into the cooling water branch passage 162 from the cooling water circulation passage 161 and is supplied to the hydrogen heater 42 via the cooling water branch passage 162. . Then, the cooling water supplied to the hydrogen heater 42 is used for heating the hydrogen gas, and then merges with the cooling water flowing through the cooling water circulation passage 161 on the downstream side of the heat exchanger 41, and the cooling water passage of the fuel cell 10. To be supplied.

熱交換器41は、冷却水循環通路161を流れる冷却水と、タービンバイパス通路124を流れる燃焼ガスと、の間で熱交換を行い、冷却水を加熱するものである。本実施形態では、加熱/冷却機構16に図示しない冷却装置が設けられており、燃焼ガスとの熱交換により加熱された冷却水を、この冷却装置により冷却することも可能である。   The heat exchanger 41 heats the cooling water by exchanging heat between the cooling water flowing through the cooling water circulation passage 161 and the combustion gas flowing through the turbine bypass passage 124. In the present embodiment, the heating / cooling mechanism 16 is provided with a cooling device (not shown), and the cooling water heated by heat exchange with the combustion gas can be cooled by this cooling device.

水素ヒータ42は、熱交換器として構成され、加熱/冷却機構16で回収された熱により高圧水素タンク141から供給された水素ガスを加熱するものである。具体的には、水素ヒータ42に対し、加熱/冷却機構16の熱交換器41により加熱された冷却水と、高圧水素タンク141に貯蔵されている水素ガスと、が供給され、両者の間での熱交換により水素ガスが加熱される。   The hydrogen heater 42 is configured as a heat exchanger, and heats the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 141 by the heat recovered by the heating / cooling mechanism 16. Specifically, the cooling water heated by the heat exchanger 41 of the heating / cooling mechanism 16 and the hydrogen gas stored in the high-pressure hydrogen tank 141 are supplied to the hydrogen heater 42, and between them, Hydrogen gas is heated by heat exchange.

(負荷装置)
負荷装置18は、燃料電池10の正極端子と負極端子との間に接続されており、燃料電池10または図示しないバッテリから供給される電力の供給を受けて駆動する。本実施形態において、負荷装置18は、車両走行用の電動モータである。
(Load device)
The load device 18 is connected between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the fuel cell 10, and is driven by the supply of electric power supplied from the fuel cell 10 or a battery (not shown). In the present embodiment, the load device 18 is an electric motor for traveling the vehicle.

(作用効果の説明)
本実施形態に係る燃料電池システム101は、以上のように構成され、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。
(Explanation of effects)
The fuel cell system 101 according to the present embodiment is configured as described above, and the effects obtained by the present embodiment will be summarized below.

第1に、本実施形態では、アノードガス循環通路143からアノードオフガス通路144を延設し、アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122とを、カソードガス排出通路122におけるカソードオフガスの流れに関して気液分離器32よりも上流側で接続し、アノードオフガス通路144および流量調節弁53により「燃料供給部」を構成することとした。これにより、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側に形成された燃料導入口122aを介してアノードオフガス(具体的には、アノードオフガス中の水素)が供給され、アノードオフガスとカソードオフガス(具体的には、カソードオフガス中の酸素)とを、気液分離器32を通じて充分に混合させるとともに、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を除去した状態で、水素燃焼器34に供給することができる。   First, in the present embodiment, an anode off gas passage 144 is extended from the anode gas circulation passage 143, and the anode off gas passage 144 and the cathode gas discharge passage 122 are connected to each other with respect to the cathode off gas flow in the cathode gas discharge passage 122. The “fuel supply unit” is configured by the anode off-gas passage 144 and the flow rate adjustment valve 53 connected upstream of the separator 32. As a result, the anode off gas (specifically, hydrogen in the anode off gas) is supplied to the hydrogen combustor 34 via the fuel inlet 122a formed on the upstream side of the gas-liquid separator 32, and the anode off gas. And the cathode offgas (specifically, oxygen in the cathode offgas) are sufficiently mixed through the gas-liquid separator 32 and water contained in the anode offgas and the cathode offgas is removed. 34 can be supplied.

よって、本実施形態によれば、水素燃焼器34に対する水分の流入を回避して、触媒に対する水分の付着による着火性の悪化を抑制するとともに、水素燃焼器34に対し、燃料と酸化剤とを充分に混合させた状態で導入して、燃焼温度の分布を均一に近付けて、触媒の局所的な加熱による劣化を防止し、水素燃焼器34をより高温側の作動領域に至るまで使用することが可能となる。   Therefore, according to the present embodiment, inflow of moisture to the hydrogen combustor 34 is avoided, deterioration of ignitability due to adhesion of moisture to the catalyst is suppressed, and fuel and oxidant are added to the hydrogen combustor 34. Introduced in a sufficiently mixed state, the combustion temperature distribution is made close to uniformity, deterioration due to local heating of the catalyst is prevented, and the hydrogen combustor 34 is used until reaching a higher temperature operating region. Is possible.

さらに、燃料供給部の燃料導入口122aと水素燃焼器34との間に気液分離器32が介在することで、燃料と酸化剤との混合に要する距離を確保することが容易となる。   Furthermore, since the gas-liquid separator 32 is interposed between the fuel inlet 122a of the fuel supply unit and the hydrogen combustor 34, it is easy to ensure the distance required for mixing the fuel and the oxidant.

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガス中の酸素が酸化剤である。   In this embodiment, hydrogen in the anode off gas is the fuel, and oxygen in the cathode off gas is the oxidant.

第2に、本実施形態では、カソードガス排出通路122にアノードオフガスを導入し、燃焼ガスの生成にアノードオフガス中の水素を利用することとした。これにより、水素の無駄な排出を抑制し、燃料電池システム101の運転効率をシステム全体として向上させることができる。   Secondly, in the present embodiment, the anode off gas is introduced into the cathode gas discharge passage 122, and hydrogen in the anode off gas is used to generate the combustion gas. Thereby, useless discharge | release of hydrogen can be suppressed and the operating efficiency of the fuel cell system 101 can be improved as the whole system.

以上に加え、本実施形態では、水素燃焼器34に触媒燃焼器を採用し、水素燃焼器34への水分の流入を回避可能としたことで、触媒に対する水分の付着を防止し、燃料の着火性が悪化するのを防止することができる。   In addition to the above, in the present embodiment, a catalytic combustor is adopted as the hydrogen combustor 34, and the inflow of water into the hydrogen combustor 34 can be avoided, thereby preventing the adhesion of moisture to the catalyst and igniting the fuel. It is possible to prevent the sex from deteriorating.

さらに、気液分離器32として遠心式のものを採用し、気液分離器32の上流側でアノードオフガスを導入したことで、気液分離器32に流入するガス(カソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガス)の流速を増大させ、遠心分離の機能をより効果的に生じさせることができる。   Further, a centrifugal type is adopted as the gas-liquid separator 32, and the anode off-gas is introduced upstream of the gas-liquid separator 32, so that the gas flowing into the gas-liquid separator 32 (cathode off-gas and anode off-gas The flow rate of the mixed gas) can be increased, and the function of centrifugation can be more effectively generated.

本実施形態では、カソードガス排出通路122に対し、アノードオフガス通路144を気液分離器32の上流側で接続し、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給することとしたが、アノードオフガスに代えるかまたはこれに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、カソードガス排出通路122に対して直接(換言すれば、燃料電池10を介さずに)導入するようにしてもよい。これにより、水素燃焼器34に対し、気液分離器32を通じて水素ガスとカソードオフガスとを充分に混合させた状態で供給することができる。   In the present embodiment, the anode off-gas passage 144 is connected to the cathode gas discharge passage 122 on the upstream side of the gas-liquid separator 32, and the fuel inlet upstream of the gas-liquid separator 32 is connected to the hydrogen combustor 34. The anode off gas is supplied via 122a, but instead of or in addition to the anode off gas, the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 141 is directly supplied to the cathode gas discharge passage 122 (in other words, It may also be introduced (without going through the fuel cell 10). Thereby, the hydrogen gas and the cathode off gas can be supplied to the hydrogen combustor 34 through the gas-liquid separator 32 in a sufficiently mixed state.

(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム102Aの構成を概略的に示している。
(Second Embodiment)
FIG. 2 schematically shows the configuration of a fuel cell system 102A according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態では、第1の実施形態と同様に、アノードオフガス通路144をカソードガス排出通路122に接続し、アノードガス循環通路143を流れるアノードオフガスをアノードオフガス通路144に分岐させ、アノードオフガス通路144を介してカソードガス排出通路122に導入する。カソードガス排出通路122に流入したアノードオフガスは、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスとともに気液分離器32に導入され、気液分離器32で水分が除去された後、水素燃焼器34に供給される。   In this embodiment, as in the first embodiment, the anode offgas passage 144 is connected to the cathode gas discharge passage 122, the anode offgas flowing through the anode gas circulation passage 143 is branched to the anode offgas passage 144, and the anode offgas passage 144 is connected. Through the cathode gas discharge passage 122. The anode off-gas flowing into the cathode gas discharge passage 122 is introduced into the gas-liquid separator 32 together with the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 122, and after the moisture is removed by the gas-liquid separator 32, the anode off-gas is supplied to the hydrogen combustor 34. Is done.

本実施形態において、カソードガス供給通路121とカソードガス排出通路122とは、バイパス通路125を介して互いに接続されている。コンプレッサ201により圧縮された空気は、その一部が燃料電池10のカソード極に供給され、それ以外の残部がカソードガス供給通路121からバイパス通路125に流入し、燃料電池10を迂回してカソードガス排出通路122に導入される。カソードガス排出通路122に流入した空気は、燃料電池10のカソード極から排出されたカソードオフガスと合流して気液分離器32に流入し、水素燃焼器34に供給される。   In the present embodiment, the cathode gas supply passage 121 and the cathode gas discharge passage 122 are connected to each other via a bypass passage 125. Part of the air compressed by the compressor 201 is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10, and the remaining part flows into the bypass passage 125 from the cathode gas supply passage 121, bypasses the fuel cell 10, and cathode gas. It is introduced into the discharge passage 122. The air that has flowed into the cathode gas discharge passage 122 merges with the cathode off-gas discharged from the cathode electrode of the fuel cell 10, flows into the gas-liquid separator 32, and is supplied to the hydrogen combustor 34.

バイパス通路125には、バイパス弁38が設けられている。バイパス弁38は、バイパス通路125を流れる空気の流量を調節するものである。具体的には、コンプレッサ201により吐出された空気の流量が燃料電池10による発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、バイパス弁38の開度を増大させ、燃料電池10のカソード極に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池10の電解質膜が過度に乾燥することを防止する。   A bypass valve 38 is provided in the bypass passage 125. The bypass valve 38 adjusts the flow rate of the air flowing through the bypass passage 125. Specifically, when the flow rate of air discharged by the compressor 201 exceeds the flow rate of air required for power generation by the fuel cell 10, the opening degree of the bypass valve 38 is increased and the cathode electrode of the fuel cell 10 is increased. By reducing the flow rate of the air supplied to the fuel cell 10, the electrolyte membrane of the fuel cell 10 is prevented from being excessively dried.

このように、カソードガス給排機構12にバイパス通路125を備える場合に、アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122とを気液分離器32よりも上流側で接続して、気液分離器32の上流側に燃料導入口122aを形成し、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給することで、第1の実施形態と同様に、アノードオフガスとカソードオフガスとを、気液分離器32を通じて充分に混合させるとともに、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を除去した状態で、水素燃焼器34に供給することができる。そして、燃料供給部の燃料導入口122aと水素燃焼器34との間に気液分離器32が介在することで、燃料と酸化剤との混合に要する距離を確保することが容易となる。   As described above, when the cathode gas supply / discharge mechanism 12 includes the bypass passage 125, the anode off-gas passage 144 and the cathode gas discharge passage 122 are connected upstream of the gas-liquid separator 32, and the gas-liquid separator 32. A fuel introduction port 122a is formed on the upstream side of the gas, and the anode off-gas is supplied to the hydrogen combustor 34 via the fuel introduction port 122a on the upstream side of the gas-liquid separator 32. Similarly, the anode off-gas and the cathode off-gas can be sufficiently mixed through the gas-liquid separator 32 and supplied to the hydrogen combustor 34 in a state where moisture contained in the anode off-gas and the cathode off-gas is removed. . And since the gas-liquid separator 32 is interposed between the fuel inlet 122a of the fuel supply unit and the hydrogen combustor 34, it becomes easy to secure a distance required for mixing the fuel and the oxidant.

本実施形態では、燃料電池10を迂回するバイパス通路125を形成し、空気をカソードガス供給通路121からバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に導入したことで、水素燃焼器34に供給される混合ガスのうちカソードオフガスが占める量を相対的に減少させ、水素燃焼器34に対する水分の流入をより確実に回避することが可能である。さらに、燃料電池10の発電に必要な空気が少なく、カソードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずにバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に空気を導入し、カソードオフガスの不足分を空気で補うことが可能となる。   In the present embodiment, a bypass passage 125 that bypasses the fuel cell 10 is formed, and air is introduced from the cathode gas supply passage 121 to the cathode gas discharge passage 122 via the bypass passage 125, and thus supplied to the hydrogen combustor 34. It is possible to relatively reduce the amount occupied by the cathode off-gas in the mixed gas, and more reliably avoid the inflow of moisture into the hydrogen combustor 34. Further, when the air required for power generation of the fuel cell 10 is small and the flow rate of the cathode off gas is insufficient with respect to the amount required for combustion in the hydrogen combustor 34, the bypass passage 125 is used regardless of the operating state of the fuel cell 10. It is possible to introduce air into the cathode gas discharge passage 122 via the air to compensate for the shortage of the cathode off gas with air.

アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122との接続部(この接続部に燃料導入口122aが形成される)は、図2に示すように、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスの流れに関してバイパス通路125とカソードガス排出通路122との接続部P1よりも下流側(点P2)でもよいが、上流側(点P3)でもよい。アノードオフガス通路144とカソードガス排出通路122との接続部を接続部P1よりも上流側(点P3)とすることで、燃料導入口122aから水素燃焼器34に至るまでの距離を延長し、燃料と酸化剤との混合をさらに促進させることができる。これに対し、接続部P1よりも下流側の接続部P2を採用する場合は、上流側の接続部P3を採用する場合に比べて、燃料導入口122aが水素燃焼器34に近いことから、水素燃焼器34の応答性を向上させることができる。   The connecting portion between the anode off gas passage 144 and the cathode gas discharge passage 122 (the fuel introduction port 122a is formed at this connecting portion) is bypassed with respect to the flow of the cathode off gas flowing through the cathode gas discharge passage 122 as shown in FIG. It may be downstream (point P2) from the connection portion P1 between the passage 125 and the cathode gas discharge passage 122, or may be upstream (point P3). By connecting the anode off-gas passage 144 and the cathode gas discharge passage 122 to the upstream side (point P3) from the connection portion P1, the distance from the fuel inlet 122a to the hydrogen combustor 34 is extended. And further mixing with an oxidizing agent can be further promoted. On the other hand, when the connecting portion P2 on the downstream side of the connecting portion P1 is adopted, the fuel inlet 122a is closer to the hydrogen combustor 34 than when the connecting portion P3 on the upstream side is adopted. The responsiveness of the combustor 34 can be improved.

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路144および流量調節弁53が「燃料供給部」を構成する。   In this embodiment, hydrogen in the anode off gas is a fuel, and oxygen in the cathode off gas and air is an oxidant. The anode off gas passage 144 and the flow rate adjusting valve 53 constitute a “fuel supply unit”.

本実施形態では、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給することとしたが、アノードオフガスに代えるかまたはこれに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、カソードガス排出通路122に対して直接導入するようにしてもよい。これにより、水素燃焼器34に対し、気液分離器32を通じて水素ガスとカソードオフガスとを充分に混合させた状態で供給することができる。   In the present embodiment, the anode off gas is supplied to the hydrogen combustor 34 via the fuel inlet 122a upstream of the gas-liquid separator 32. However, instead of or in addition to the anode off gas, a high pressure The hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 141 may be directly introduced into the cathode gas discharge passage 122. Thereby, the hydrogen gas and the cathode off gas can be supplied to the hydrogen combustor 34 through the gas-liquid separator 32 in a sufficiently mixed state.

(第2の実施形態の変形態様)
図3は、第2の実施形態に係る燃料電池システムの変形態様102Bの構成を概略的に示す全体構成図である。
(Modification of the second embodiment)
FIG. 3 is an overall configuration diagram schematically showing a configuration of a modified embodiment 102B of the fuel cell system according to the second embodiment.

図2に示す燃料電池システム102Aとの相違点を述べると、アノードガス供給通路142とカソードガス排出通路122とが水素ガス通路145を介して接続され、水素ガス通路145に流量調節弁54が介装されている。具体的には、アノードガス供給通路142のうち水素ガスの流れに関して水素ヒータ42よりも下流側(本態様では、圧力調節弁51よりも上流側)と、カソードガス排出通路122のうちカソードオフガスの流れに関して水素燃焼器34よりも上流側(本態様では、気液分離器32よりも下流側)と、が水素ガス通路145を介して接続されている。水素ガス通路145とカソードガス排出通路122との接続部に第2の燃料導入口122bが形成され、水素ガス通路145および流量調節弁54は、「第2の燃料供給部」を構成する。「第2の燃料導入口」とは、燃料(水素)が気液分離器32の下流側でカソードガス排出通路122に流入する際に通過するカソードガス排出通路122の開口部をいう。高圧水素タンク141から流出し、水素ヒータ42を通過した水素ガスは、その一部がアノードガス供給通路142から水素ガス通路145に流入し、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34よりも上流側でカソードガス排出通路122に導入され、水素燃焼器34に供給される。水素ガス通路145に介装された流量調節弁54により、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に供給される水素ガスの流量が調節される。   When the difference from the fuel cell system 102A shown in FIG. 2 is described, the anode gas supply passage 142 and the cathode gas discharge passage 122 are connected via the hydrogen gas passage 145, and the flow rate adjustment valve 54 is connected to the hydrogen gas passage 145. It is disguised. Specifically, the anode gas supply passage 142 is downstream of the hydrogen heater 42 with respect to the hydrogen gas flow (in this embodiment, upstream of the pressure control valve 51), and the cathode gas discharge passage 122 is cathode off-gas. An upstream side of the hydrogen combustor 34 with respect to the flow (in this embodiment, a downstream side of the gas-liquid separator 32) is connected via a hydrogen gas passage 145. A second fuel introduction port 122b is formed at a connection portion between the hydrogen gas passage 145 and the cathode gas discharge passage 122, and the hydrogen gas passage 145 and the flow rate control valve 54 constitute a “second fuel supply portion”. The “second fuel inlet” refers to an opening of the cathode gas discharge passage 122 through which fuel (hydrogen) passes when flowing into the cathode gas discharge passage 122 on the downstream side of the gas-liquid separator 32. Part of the hydrogen gas that has flowed out of the high-pressure hydrogen tank 141 and passed through the hydrogen heater 42 flows into the hydrogen gas passage 145 from the anode gas supply passage 142 and is upstream of the hydrogen combustor 34 via the hydrogen gas passage 145. Is introduced into the cathode gas discharge passage 122 and supplied to the hydrogen combustor 34. The flow rate of the hydrogen gas supplied to the hydrogen combustor 34 via the hydrogen gas passage 145 is adjusted by the flow rate adjustment valve 54 interposed in the hydrogen gas passage 145.

上記以外の構成は、図2に示す燃料電池システム102Aと同様である。   The configuration other than the above is the same as that of the fuel cell system 102A shown in FIG.

このように、アノードオフガスに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に直接(換言すれば、燃料電池10を介さずに)導入可能としたことで、燃料電池10の発電に必要な水素ガスが少なく、アノードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずに水素ガス通路145を介してカソードガス排出通路122に水素ガスを導入し、アノードオフガスの不足分を水素ガスで補い、水素燃焼器34に対して最適な量の燃料を供給することが可能となる。   In this way, in addition to the anode off-gas, hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 141 can be directly introduced into the hydrogen combustor 34 via the hydrogen gas passage 145 (in other words, not via the fuel cell 10). As a result, when the amount of hydrogen gas required for power generation of the fuel cell 10 is small and the flow rate of the anode off gas is insufficient with respect to the amount required for combustion in the hydrogen combustor 34, regardless of the operating state of the fuel cell 10. Hydrogen gas is introduced into the cathode gas discharge passage 122 via the hydrogen gas passage 145, and the shortage of anode off gas is compensated with hydrogen gas, so that an optimal amount of fuel can be supplied to the hydrogen combustor 34. .

さらに、第2の燃料供給部の燃料導入口(第2の燃料導入口122b)を気液分離器32と水素燃焼器34との間に形成したことで、水素燃焼器34に対してより近い位置で水素ガスをカソードガス排出通路122に導入可能とし、水素燃焼器34をより高い応答性をもって作動させることができる。そして、水素ガスを気液分離器32に流入させず、乾いた状態のまま水素燃焼器34に供給可能としたことで、燃料の着火性をより良好に維持するとともに、水素ガスが気液分離器32に流入することに伴うドレンノズル等からの水素ガスの漏れを回避することができる。   Furthermore, since the fuel inlet (second fuel inlet 122b) of the second fuel supply unit is formed between the gas-liquid separator 32 and the hydrogen combustor 34, it is closer to the hydrogen combustor 34. The hydrogen gas can be introduced into the cathode gas discharge passage 122 at the position, and the hydrogen combustor 34 can be operated with higher responsiveness. The hydrogen gas can be supplied to the hydrogen combustor 34 in a dry state without flowing into the gas-liquid separator 32, so that the ignitability of the fuel can be maintained better and the hydrogen gas can be separated into the gas-liquid separator. The leakage of hydrogen gas from the drain nozzle or the like accompanying the flow into the vessel 32 can be avoided.

本態様では、アノードオフガス中の水素と高圧水素タンク141から水素ガスとして供給される水素とが燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路144および流量調節弁53が「第1の燃料供給部」を構成し、水素ガス通路145および流量調節弁54が「第2の燃料供給部」を構成する。水素ガス通路145は、「燃料通路」に相当する。   In this embodiment, hydrogen in the anode off gas and hydrogen supplied as hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 141 are fuel, and the cathode off gas and oxygen in the air are oxidants. The anode off-gas passage 144 and the flow rate adjustment valve 53 constitute a “first fuel supply unit”, and the hydrogen gas passage 145 and the flow rate adjustment valve 54 constitute a “second fuel supply unit”. The hydrogen gas passage 145 corresponds to a “fuel passage”.

(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム103Aの構成を概略的に示している。
(Third embodiment)
FIG. 4 schematically shows the configuration of a fuel cell system 103A according to the third embodiment of the present invention.

以上の説明では、アノードガス循環通路143から分岐したアノードオフガスをアノードオフガス通路144からカソードガス排出通路122に直接導入する場合について説明した。これに対し、本実施形態では、カソードガス供給通路121とカソードガス排出通路122との間に燃料電池10を迂回するバイパス通路125を形成し、アノードオフガス通路144をバイパス通路125に接続することで、アノードガス循環通路143から分岐したアノードオフガスを、カソードガス排出通路122に対し、バイパス通路125を介して間接的に導入する。   In the above description, the case where the anode off gas branched from the anode gas circulation passage 143 is directly introduced from the anode off gas passage 144 to the cathode gas discharge passage 122 has been described. On the other hand, in the present embodiment, a bypass passage 125 that bypasses the fuel cell 10 is formed between the cathode gas supply passage 121 and the cathode gas discharge passage 122, and the anode offgas passage 144 is connected to the bypass passage 125. The anode off gas branched from the anode gas circulation passage 143 is indirectly introduced into the cathode gas discharge passage 122 through the bypass passage 125.

本実施形態において、カソードガス供給通路121とカソードガス排出通路122とは、バイパス通路125を介して互いに接続され、コンプレッサ201により圧縮された空気の一部が、カソードガス供給通路121からバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に導入される。カソードガス排出通路122に流入した空気は、カソードガス排出通路122を流れるカソードオフガスと気液分離器32よりも上流側で合流し、水素燃焼器34に供給される。バイパス通路125にバイパス弁38が設けられ、バイパス弁38により燃料電池10のカソード極に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池10の電解質膜が過度に乾燥するのを防止可能であることは、第2の実施形態と同様である。   In the present embodiment, the cathode gas supply passage 121 and the cathode gas discharge passage 122 are connected to each other via a bypass passage 125, and a part of the air compressed by the compressor 201 is transferred from the cathode gas supply passage 121 to the bypass passage 125. Is introduced into the cathode gas discharge passage 122. The air that has flowed into the cathode gas discharge passage 122 merges with the cathode off gas flowing through the cathode gas discharge passage 122 on the upstream side of the gas-liquid separator 32 and is supplied to the hydrogen combustor 34. A bypass valve 38 is provided in the bypass passage 125, and by reducing the flow rate of air supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 by the bypass valve 38, it is possible to prevent the electrolyte membrane of the fuel cell 10 from being dried excessively. It is the same as in the second embodiment.

本実施形態において、アノードオフガス通路144は、アノードガス循環通路143と、バイパス通路125のうち空気の流れに関して流量調節弁38の下流側と、の間に接続されている。これにより、本実施形態では、バイパス通路125とカソードガス排出通路122との連通口として、気液分離器32の上流側に燃料導入口122aを形成し、水素燃焼器34に対し、気液分離器32よりも上流側の燃料導入口122aを介してアノードオフガスを供給する。   In the present embodiment, the anode off-gas passage 144 is connected between the anode gas circulation passage 143 and the downstream side of the flow rate adjustment valve 38 with respect to the air flow in the bypass passage 125. Thereby, in this embodiment, the fuel introduction port 122a is formed on the upstream side of the gas-liquid separator 32 as a communication port between the bypass passage 125 and the cathode gas discharge passage 122, and the gas-liquid separation is performed with respect to the hydrogen combustor 34. The anode off gas is supplied through the fuel inlet 122 a upstream of the vessel 32.

よって、本実施形態によれば、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を、気液分離器32により水素燃焼器34への供給前に除去するとともに、水素燃焼器34への供給に先立ち、アノードオフガスとカソードオフガスとを充分に混合させることができる。ここで、本実施形態では、アノードオフガス通路144をバイパス通路125に接続し、アノードオフガスをバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に流入させ、水素燃焼器34に供給することで、バイパス通路125を燃料の拡散に利用することが可能となり、燃料と酸化剤との混合をさらに促進させることができる。   Therefore, according to the present embodiment, moisture contained in the anode off-gas and the cathode off-gas is removed by the gas-liquid separator 32 before being supplied to the hydrogen combustor 34, and prior to the supply to the hydrogen combustor 34. The anode off gas and the cathode off gas can be sufficiently mixed. Here, in the present embodiment, the anode offgas passage 144 is connected to the bypass passage 125, and the anode offgas is caused to flow into the cathode gas discharge passage 122 through the bypass passage 125 and supplied to the hydrogen combustor 34. 125 can be used for the diffusion of the fuel, and the mixing of the fuel and the oxidant can be further promoted.

さらに、本実施形態では、アノードオフガス通路144をバイパス通路125に接続したことで、アノードオフガス通路144の連通口がカソードオフガス中の水分の凍結により閉塞されるのを回避することができる。   Furthermore, in the present embodiment, the anode off gas passage 144 is connected to the bypass passage 125, so that the communication port of the anode off gas passage 144 can be prevented from being blocked by freezing of moisture in the cathode off gas.

さらに、燃料電池10を迂回するバイパス通路125を形成し、空気をカソードガス供給通路121からバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に導入可能としたことで、水素燃焼器34に供給される混合ガスのうちカソードオフガスが占める量を相対的に減少させ、水素燃焼器34に対する水分の流入をより確実に回避することが可能となる。そして、カソードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずにバイパス通路125を介してカソードガス排出通路122に空気を導入し、カソードオフガスの不足分を空気で補うことができる。   Further, a bypass passage 125 that bypasses the fuel cell 10 is formed, and air can be introduced into the cathode gas discharge passage 122 from the cathode gas supply passage 121 through the bypass passage 125, so that the fuel is supplied to the hydrogen combustor 34. It is possible to relatively reduce the amount of the mixed gas occupied by the cathode off-gas and more reliably avoid the inflow of moisture into the hydrogen combustor 34. When the flow rate of the cathode off gas is insufficient with respect to the amount necessary for combustion in the hydrogen combustor 34, air is introduced into the cathode gas discharge passage 122 via the bypass passage 125 regardless of the operating state of the fuel cell 10. In addition, the shortage of cathode offgas can be compensated with air.

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路144、バイパス通路125および流量調節弁38、53が「燃料供給部」を構成する。   In this embodiment, hydrogen in the anode off gas is a fuel, and oxygen in the cathode off gas and air is an oxidant. The anode off gas passage 144, the bypass passage 125, and the flow rate adjusting valves 38 and 53 constitute a “fuel supply unit”.

(第3の実施形態の変形態様)
図5は、第3の実施形態に係る燃料電池システム103Bの変形態様の構成を概略的に示している。
(Modification of the third embodiment)
FIG. 5 schematically shows a configuration of a modified aspect of the fuel cell system 103B according to the third embodiment.

図4に示す燃料電池システム103Aとの相違点を述べると、アノードガス供給通路142とカソードガス排出通路122とが水素ガス通路145を介して接続され、水素ガス通路145に流量調節弁54が介装されている。水素ガス通路145とカソードガス排出通路122との接続部に第2の燃料導入口122bが形成され、水素ガス通路145および流量調節弁54は、「第2の燃料供給部」を構成する。高圧水素タンク141から流出し、水素ヒータ42を通過した水素ガスは、その一部がアノードガス供給通路142から水素ガス通路145を介して水素燃焼器34よりも上流側(本態様では、気液分離器32よりも下流側)でカソードガス排出通路122に導入され、水素燃焼器34に供給される。水素ガス通路145に介装された流量調節弁54により、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に供給される水素ガスの流量が調節される。   When the difference from the fuel cell system 103A shown in FIG. 4 is described, the anode gas supply passage 142 and the cathode gas discharge passage 122 are connected via the hydrogen gas passage 145, and the flow rate adjustment valve 54 is connected to the hydrogen gas passage 145. It is disguised. A second fuel introduction port 122b is formed at a connection portion between the hydrogen gas passage 145 and the cathode gas discharge passage 122, and the hydrogen gas passage 145 and the flow rate control valve 54 constitute a “second fuel supply portion”. Part of the hydrogen gas that has flowed out of the high-pressure hydrogen tank 141 and passed through the hydrogen heater 42 is upstream from the hydrogen combustor 34 via the hydrogen gas passage 145 from the anode gas supply passage 142 (in this embodiment, gas-liquid The gas is introduced into the cathode gas discharge passage 122 on the downstream side of the separator 32 and supplied to the hydrogen combustor 34. The flow rate of the hydrogen gas supplied to the hydrogen combustor 34 via the hydrogen gas passage 145 is adjusted by the flow rate adjustment valve 54 interposed in the hydrogen gas passage 145.

上記以外の構成は、図4に示す燃料電池システム103Aと同様である。   The configuration other than the above is the same as that of the fuel cell system 103A shown in FIG.

このように、アノードオフガスに加え、高圧水素タンク141から供給される水素ガスを、水素ガス通路145を介して水素燃焼器34に直接導入可能としたことで、第2の実施形態の変形態様と同様に、アノードオフガスの流量が水素燃焼器34における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池10の運転状態に拘らずに水素ガス通路145を介してカソードガス排出通路122に水素ガスを導入し、アノードオフガスの不足分を水素ガスで補うことができる。   As described above, the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 141 in addition to the anode off-gas can be directly introduced into the hydrogen combustor 34 through the hydrogen gas passage 145, and thus the modification of the second embodiment can be achieved. Similarly, when the flow rate of the anode off gas is insufficient with respect to the amount necessary for combustion in the hydrogen combustor 34, hydrogen is supplied to the cathode gas discharge passage 122 via the hydrogen gas passage 145 regardless of the operating state of the fuel cell 10. Gas can be introduced to compensate for the shortage of anode off gas with hydrogen gas.

さらに、第2の燃料供給部の燃料導入口(第2の燃料導入口122b)を気液分離器32と水素燃焼器34との間に形成したことで、水素燃焼器34に対してより近い位置で水素ガスをカソードガス排出通路122に導入可能とし、水素燃焼器34をより高い応答性をもって作動させることができる。そして、水素燃焼器34に対し、水素ガスを乾いた状態のまま供給可能としたことで、燃料の着火性をより良好に維持することができる。   Furthermore, since the fuel inlet (second fuel inlet 122b) of the second fuel supply unit is formed between the gas-liquid separator 32 and the hydrogen combustor 34, it is closer to the hydrogen combustor 34. The hydrogen gas can be introduced into the cathode gas discharge passage 122 at the position, and the hydrogen combustor 34 can be operated with higher responsiveness. Then, by allowing hydrogen gas to be supplied to the hydrogen combustor 34 in a dry state, the ignitability of the fuel can be maintained better.

本態様では、アノードオフガス中の水素と高圧水素タンク141から水素ガスとして供給される水素とが燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。アノードオフガス通路144、バイパス通路125および流量調節弁38、53が「第1の燃料供給部」を構成し、水素ガス通路145および流量調節弁54が「第2の燃料供給部」を構成する。水素ガス通路145は、「燃料通路」に相当する。   In this embodiment, hydrogen in the anode off gas and hydrogen supplied as hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 141 are fuel, and the cathode off gas and oxygen in the air are oxidants. The anode off gas passage 144, the bypass passage 125, and the flow rate adjustment valves 38, 53 constitute a “first fuel supply unit”, and the hydrogen gas passage 145 and the flow rate adjustment valve 54 constitute a “second fuel supply unit”. The hydrogen gas passage 145 corresponds to a “fuel passage”.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various changes and modifications can be made within the scope of the matters described in the claims. Not too long.

101、102A、102B、103A、103B…燃料電池システム
12…カソードガス給排機構
14…アノードガス給排機構
16…加熱/冷却機構
18…負荷装置
20…電動コンプレッサ
22…タービン
32…気液分離器
34…水素燃焼器
38…バイパス弁
41…熱交換器
42…水素ヒータ
51…圧力調整弁
52…エゼクタ
53…流量調節弁
54…水素ガス通路
121…カソードガス供給通路
122…カソードガス排出通路
122a…燃料導入口(第1の燃料導入口)
122b…燃料導入口(第2の燃料導入口)
125…バイパス通路
141…高圧水素タンク
142…アノードガス供給通路
143…アノードガス循環通路
144…アノードオフガス通路
145…水素ガス通路
201…コンプレッサ
202…電動モータ
203…回転軸
P1…バイパス通路とカソードガス排出通路との接続部
P2、P3…アノードオフガス通路とカソードガス排出通路との接続部
101, 102A, 102B, 103A, 103B ... Fuel cell system 12 ... Cathode gas supply / discharge mechanism 14 ... Anode gas supply / discharge mechanism 16 ... Heating / cooling mechanism 18 ... Load device 20 ... Electric compressor 22 ... Turbine 32 ... Gas-liquid separator 34 ... Hydrogen combustor 38 ... Bypass valve 41 ... Heat exchanger 42 ... Hydrogen heater 51 ... Pressure regulating valve 52 ... Ejector 53 ... Flow rate regulating valve 54 ... Hydrogen gas passage 121 ... Cathode gas supply passage 122 ... Cathode gas discharge passage 122a ... Fuel inlet (first fuel inlet)
122b ... Fuel inlet (second fuel inlet)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 125 ... Bypass passage 141 ... High pressure hydrogen tank 142 ... Anode gas supply passage 143 ... Anode gas circulation passage 144 ... Anode off gas passage 145 ... Hydrogen gas passage 201 ... Compressor 202 ... Electric motor 203 ... Rotating shaft P1 ... Bypass passage and cathode gas discharge Connection portion with passage P2, P3... Connection portion between anode off-gas passage and cathode gas discharge passage

Claims (8)

燃料および酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサと、
前記燃料電池のカソード極に対してカソードガス排出通路を介して接続され、前記コンプレッサを駆動するタービンと、
前記カソードガス排出通路に介装され、前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記カソードガス排出通路のうち前記燃焼器よりも上流側に配置された気液分離器と、
前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器よりも上流側に、前記燃焼器で燃焼させる燃料を供給する燃料供給部と、
を備える、燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by receiving fuel and an oxidant; and
A compressor for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell;
A turbine connected to the cathode of the fuel cell via a cathode gas discharge passage and driving the compressor;
A combustor that is interposed in the cathode gas discharge passage and generates combustion gas for driving the turbine;
A gas-liquid separator disposed upstream of the combustor in the cathode gas discharge passage;
A fuel supply unit that supplies fuel to be burned in the combustor to the upstream side of the gas-liquid separator in the cathode gas discharge passage;
A fuel cell system comprising:
前記燃料供給部は、前記カソードガス排出通路に前記燃料電池のアノードオフガスを供給する、請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel supply unit supplies anode offgas of the fuel cell to the cathode gas discharge passage. 前記燃料電池に対して並列に配置され、前記燃料電池のカソードガス供給通路と前記気液分離器よりも上流側の前記カソードガス排出通路とを接続するバイパス通路をさらに備える請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料供給部は、前記燃料電池のアノード極と連通し、前記バイパス通路に接続するアノードオフガス通路を有し、前記バイパス通路に前記アノードオフガスを導入することで、前記カソードガス排出通路に前記アノードオフガスを供給する、燃料電池システム。
The bypass passage disposed in parallel to the fuel cell and connecting the cathode gas supply passage of the fuel cell and the cathode gas discharge passage upstream of the gas-liquid separator. A fuel cell system,
The fuel supply unit has an anode off-gas passage that communicates with the anode electrode of the fuel cell and is connected to the bypass passage. By introducing the anode off-gas into the bypass passage, the anode is introduced into the cathode gas discharge passage. A fuel cell system that supplies off-gas.
前記燃料供給部は、
前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器よりも上流側に前記アノードオフガスを供給する第1の燃料供給部と、
前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器と前記燃焼器との間に前記燃料を供給する第2の燃料供給部と、
を備える、請求項2または3に記載の燃料電池システム。
The fuel supply unit
A first fuel supply unit for supplying the anode off gas to the upstream side of the gas-liquid separator in the cathode gas discharge passage;
A second fuel supply section for supplying the fuel between the gas-liquid separator and the combustor in the cathode gas discharge passage;
The fuel cell system according to claim 2, comprising:
前記燃料電池に供給される燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料電池のアノード極とを接続するアノードガス供給通路と、
をさらに備える請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記第2の燃料供給部は、一端が前記アノードガス供給通路に接続し、他端が前記気液分離器と前記燃焼器との間で前記カソードガス排出通路に接続する燃料通路を有する、燃料電池システム。
A fuel tank for storing fuel supplied to the fuel cell;
An anode gas supply passage connecting the fuel tank and the anode electrode of the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 4, further comprising:
The second fuel supply unit has a fuel passage having one end connected to the anode gas supply passage and the other end connected to the cathode gas discharge passage between the gas-liquid separator and the combustor. Battery system.
前記燃焼器は、前記燃料と前記酸化剤との燃焼を促進させる触媒を備えた触媒燃焼器である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the combustor is a catalytic combustor including a catalyst that promotes combustion of the fuel and the oxidant. 前記気液分離器は、遠心式の気液分離器である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the gas-liquid separator is a centrifugal gas-liquid separator. 燃料電池のカソード極に対し、タービンにより駆動可能なコンプレッサを通じて酸化剤を供給し、
前記燃料電池のカソードオフガスと燃料または前記燃料電池のアノードオフガスとを混合させて混合ガスを生成し、
前記混合ガスから水分を除去し、
水分が除去された前記混合ガスを前記燃焼器に導入して、前記燃料または前記アノードオフガス中の燃料を前記カソードオフガス中の酸化剤により燃焼させて燃焼ガスを生じさせ、
前記燃焼ガスを前記タービンに供給して、前記タービンを駆動する、燃料電池システムの動作方法。
The oxidant is supplied to the cathode of the fuel cell through a compressor that can be driven by a turbine.
The fuel cell cathode off gas and fuel or the fuel cell anode off gas are mixed to produce a mixed gas,
Removing moisture from the mixed gas;
Introducing the mixed gas from which moisture has been removed into the combustor, and burning the fuel or fuel in the anode off-gas with an oxidant in the cathode off-gas to produce combustion gas;
A method of operating a fuel cell system, wherein the combustion gas is supplied to the turbine to drive the turbine.
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