JP6879031B2

JP6879031B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6879031B2
Application number: JP2017084547A
Authority: JP
Inventors: 康俊土肥; 佑輝向原; 崇之杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: JP2018181800A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

燃料電池システムの効率を向上させる技術として、エジェクタを用いて燃料ガスを循環させる技術が提案されている。例えば、特許文献１に開示の燃料電池システムにおいては、燃料ガス流路に流れる燃料ガスを、ブロアにて加圧して、エジェクタのノズル部に供給する。一方、燃料電池から排出された、高温である未利用の燃料ガスを、凝縮器にて冷却して、未利用の燃料ガスから水蒸気及び熱を除去する。そして、エジェクタのノズル部から噴射される燃料ガス流によって、水蒸気が除去された、低温であるリサイクル用の燃料ガスを、エジェクタの吸引部に吸引させて、改質器へ供給させている。 As a technology for improving the efficiency of a fuel cell system, a technology for circulating fuel gas using an ejector has been proposed. For example, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the fuel gas flowing in the fuel gas flow path is pressurized by a blower and supplied to the nozzle portion of the ejector. On the other hand, the unused fuel gas having a high temperature discharged from the fuel cell is cooled by a condenser to remove water vapor and heat from the unused fuel gas. Then, the low-temperature recycling fuel gas from which water vapor has been removed by the fuel gas flow injected from the nozzle portion of the ejector is sucked by the suction portion of the ejector and supplied to the reformer.

特開２０１３−２３５７３５号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-235735

しかしながら、上記特許文献１に開示された燃料電池システムにおいては、ブロアにて加圧された燃料ガスを、エジェクタのノズル部から噴射させる構成である。ここで、気体である燃料ガスを加圧する際におけるブロアの動作負荷は比較的大きい。このため、ブロアを含む補機類の駆動のために消費される電力によって、燃料電池システムの全体における発電効率が低下してしまう。発電効率を高めるためには、補機類の動作負荷をより小さくする必要がある。また、リサイクル燃料流路を通じて循環するリサイクル用の燃料ガスは、凝縮器において冷却されたガスである。そのため、改質器へ供給する前に、再び昇温させるための熱交換器が必要となる。それゆえ、燃料電池システムの体格が大きくなり、システム全体の効率が低下する。また、発電効率及び耐久性の観点から、改質器、燃料電池に供給される燃料ガス中の水分量を調整する必要がある。 However, in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the fuel gas pressurized by the blower is injected from the nozzle portion of the ejector. Here, the operating load of the blower when pressurizing the fuel gas, which is a gas, is relatively large. Therefore, the electric power consumed for driving the auxiliary machinery including the blower reduces the power generation efficiency of the entire fuel cell system. In order to increase the power generation efficiency, it is necessary to reduce the operating load of auxiliary machinery. The fuel gas for recycling that circulates through the recycled fuel flow path is a gas that has been cooled in the condenser. Therefore, a heat exchanger for raising the temperature again is required before supplying the reformer. Therefore, the physique of the fuel cell system becomes large, and the efficiency of the entire system decreases. Further, from the viewpoint of power generation efficiency and durability, it is necessary to adjust the amount of water in the fuel gas supplied to the reformer and the fuel cell.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving power generation efficiency while adjusting the amount of water in the fuel gas.

本発明の一態様は、アノード流路（２１）とカソード流路（２２）とを有する燃料電池（２）と、
燃料ガスを上記アノード流路に供給する燃料ガス供給路（１１）と、
酸化剤ガス（Ａ）を上記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給路（１２）と、
上記アノード流路から排出された燃料ガスが流れる燃料ガス排出路（１３）と、
上記燃料ガス供給路に設けられ、上記燃料ガスを改質する改質器（３）と、
上記燃料ガスの原料となる液体原料（Ｗ、Ｌ）を気化させて気化原料としつつ、該気化原料を上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に導入する原料導入路（４）と、
該原料導入路に設けられ、上記液体原料を気化させる気化器（４１）と、
上記燃料ガスを、上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる第１循環路（５１）と、
上記燃料ガスを、上記改質器よりも下流側の上記燃料ガス供給路又は上記燃料ガス排出路から、上記燃料ガス供給路における上記改質器よりも上流側に、第２循環ガスとして循環させる第２循環路（５２）と、
該第２循環路に設けられ、上記第２循環ガス中の水分を凝縮する凝縮器（５２１）と、
上記第２循環路における上記凝縮器の下流側に設けられ、上記第２循環ガスの流量を制御するガス流量制御部（５２２）と、
上記原料導入路から上記燃料ガス供給路へ流れる上記気化原料の流れを駆動流として利用して、上記第１循環ガス及び上記第２循環ガスを吸引し、上記第１循環ガス及び上記第２循環ガスを上記気化原料と混合して上記燃料ガス供給路へ送る循環装置（６）と、を備えている、燃料電池システム（１）にある。 One aspect of the present invention is a fuel cell (2) having an anode flow path (21) and a cathode flow path (22).
A fuel gas supply path (11) for supplying fuel gas to the anode flow path and
An oxidant gas supply path (12) for supplying the oxidant gas (A) to the cathode flow path, and
A fuel gas discharge path (13) through which the fuel gas discharged from the anode flow path flows, and
A reformer (3) provided in the fuel gas supply path to reform the fuel gas, and
A raw material introduction path (4) in which the liquid raw materials (W, L), which are the raw materials for the fuel gas, are vaporized to be vaporized raw materials, and the vaporized raw materials are introduced upstream of the reformer in the fuel gas supply path. When,
A vaporizer (41) provided in the raw material introduction path to vaporize the liquid raw material, and
A first circulation path (51) that circulates the fuel gas as a first circulation gas from the fuel gas discharge path to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply path.
The fuel gas is circulated as a second circulating gas from the fuel gas supply path or the fuel gas discharge path on the downstream side of the reformer to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply path. Second circulation path (52) and
A condenser (521) provided in the second circulation path to condense the water content in the second circulation gas, and
A gas flow rate control unit (522) provided on the downstream side of the condenser in the second circulation path and controlling the flow rate of the second circulation gas, and
Using the flow of the vaporized raw material flowing from the raw material introduction path to the fuel gas supply path as a driving flow, the first circulating gas and the second circulating gas are sucked, and the first circulating gas and the second circulating gas are sucked. It is in a fuel cell system (1) including a circulation device (6) that mixes gas with the vaporized raw material and sends it to the fuel gas supply path.

上記燃料電池システムは、上記原料導入路を有する。上記原料導入路において、液体原料を気化させて気化原料としつつ、燃料ガス供給路に導入する。そして、気化原料の流れを循環装置における駆動流とする。それゆえ、燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成と比較して、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、発電効率を向上させることができる。 The fuel cell system has the raw material introduction path. In the raw material introduction path, the liquid raw material is vaporized to be a vaporized raw material and introduced into the fuel gas supply path. Then, the flow of the vaporized raw material is used as the driving flow in the circulation device. Therefore, the operating load of the auxiliary machinery can be significantly reduced as compared with the configuration in which a gas such as a fuel gas is sent out by the compressor. As a result, it is possible to suppress power consumption by auxiliary machinery and improve power generation efficiency.

また、上記燃料電池システムは、上記第１循環路と、上記第２循環路と、上記凝縮器と、上記ガス流量制御部とを有する。上記凝縮器は、第２循環ガス中の水分を凝縮することにより、上記第２循環路に、水蒸気が除去された第２循環ガスを流すことができる。一方、上記第１循環路には、水蒸気が除去されていない高温の第１循環ガスが流れる。そして、上記ガス流量制御部は、循環装置に吸引される第２循環ガスの流量を制御することができる。これに伴い、上記ガス流量制御部は、循環装置に吸引される第１循環ガスの流量を調整することにもなる。これにより、燃料ガスの温度を極力低下させないようにしつつ、燃料ガス中の水分量を調整することができる。そのため、燃料ガスを昇温させるためのエネルギーを抑制することができる。その結果、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率を向上させることができる。 Further, the fuel cell system includes the first circulation path, the second circulation path, the condenser, and the gas flow rate control unit. By condensing the water content in the second circulating gas, the condenser can allow the second circulating gas from which water vapor has been removed to flow through the second circulating passage. On the other hand, a high-temperature first circulation gas from which water vapor has not been removed flows through the first circulation path. Then, the gas flow rate control unit can control the flow rate of the second circulating gas sucked into the circulation device. Along with this, the gas flow rate control unit also adjusts the flow rate of the first circulating gas sucked into the circulation device. As a result, the amount of water in the fuel gas can be adjusted while keeping the temperature of the fuel gas as low as possible. Therefore, the energy for raising the temperature of the fuel gas can be suppressed. As a result, it is possible to improve the power generation efficiency while adjusting the amount of water in the fuel gas.

以上のごとく、上記態様によれば、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 As described above, according to the above aspect, it is possible to provide a fuel cell system capable of improving power generation efficiency while adjusting the amount of water in the fuel gas.
The reference numerals in parentheses described in the scope of claims and the means for solving the problem indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. It's not a thing.

実施形態１における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 1. FIG. 実施形態２における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 2. 実施形態２における、第２循環ガスの流量の調整を説明するフロー図。The flow chart explaining the adjustment of the flow rate of the 2nd circulation gas in Embodiment 2. 実施形態３における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 3. 実施形態４における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 4. 実施形態５における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 5. 実施形態６における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 6. 実施形態７における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 7. 実施形態８における、燃料電池システムの構成を示す説明図。The explanatory view which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 8. 変形例にかかる、燃料電池システムの説明図。Explanatory drawing of a fuel cell system according to a modification. 他の変形例にかかる、燃料電池システムの説明図。Explanatory drawing of a fuel cell system according to another modification.

（実施形態１）
燃料電池システムに係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、燃料ガス排出路１３と、改質器３と、原料導入路４と、気化器４１と、第１循環路５１と、第２循環路５２と、凝縮器５２１と、ガス流量制御部５２２と、循環装置としてのエジェクタ６と、を備えている。 (Embodiment 1)
An embodiment of the fuel cell system will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a fuel cell 2, a fuel gas supply path 11, an oxidant gas supply path 12, a fuel gas discharge path 13, a reformer 3, and the reformer 3. It includes a raw material introduction path 4, a vaporizer 41, a first circulation path 51, a second circulation path 52, a condenser 521, a gas flow control unit 522, and an ejector 6 as a circulation device.

燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２とを有する。燃料ガス供給路１１は、燃料ガスをアノード流路２１に供給する。酸化剤ガス供給路１２は、酸化剤ガスＡをカソード流路２２に供給する。燃料ガス排出路１３には、アノード流路２１から排出された燃料ガスが流れる。改質器３は、燃料ガス供給路１１に設けられ、燃料ガスを改質する。原料導入路４は、燃料ガスの原料となる液体原料Ｗを気化させて気化原料としつつ、気化原料を燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に導入する。気化器４１は、原料導入路４に設けられ、液体原料Ｗを気化させる。 The fuel cell 2 has an anode flow path 21 and a cathode flow path 22. The fuel gas supply path 11 supplies fuel gas to the anode flow path 21. The oxidant gas supply path 12 supplies the oxidant gas A to the cathode flow path 22. The fuel gas discharged from the anode flow path 21 flows through the fuel gas discharge path 13. The reformer 3 is provided in the fuel gas supply path 11 to reform the fuel gas. The raw material introduction path 4 vaporizes the liquid raw material W, which is the raw material of the fuel gas, to be the vaporized raw material, and introduces the vaporized raw material to the upstream side of the reformer 3 in the fuel gas supply path 11. The vaporizer 41 is provided in the raw material introduction path 4 and vaporizes the liquid raw material W.

第１循環路５１は、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に、第１循環ガスとして循環させる。第２循環路５２は、燃料ガスを、燃料ガス排出路１３から、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に、第２循環ガスとして循環させる。凝縮器５２１は、第２循環路５２に設けられ、第２循環ガス中の水分を凝縮する。ガス流量制御部５２２は、第２循環路５２における凝縮器５２１の下流側に設けられ、第２循環ガスの流量を制御する。エジェクタ６は、原料導入路４から燃料ガス供給路１１へ流れる気化原料の流れを駆動流として利用して、第１循環ガス及び第２循環ガスを吸引し、第１循環ガス及び第２循環ガスを気化原料と混合して燃料ガス供給路１１へ送る。 The first circulation path 51 circulates the fuel gas as the first circulation gas from the fuel gas discharge path 13 to the upstream side of the reformer 3 in the fuel gas supply path 11. The second circulation passage 52 circulates the fuel gas as the second circulation gas from the fuel gas discharge passage 13 to the upstream side of the reformer 3 in the fuel gas supply passage 11. The condenser 521 is provided in the second circulation passage 52 and condenses the water content in the second circulation gas. The gas flow rate control unit 522 is provided on the downstream side of the condenser 521 in the second circulation path 52, and controls the flow rate of the second circulation gas. The ejector 6 uses the flow of the vaporized raw material flowing from the raw material introduction path 4 to the fuel gas supply path 11 as a drive flow, sucks the first circulating gas and the second circulating gas, and sucks the first circulating gas and the second circulating gas. Is mixed with the vaporization raw material and sent to the fuel gas supply path 11.

本実施形態の燃料電池システム１は、改質器３において改質された燃料ガスに含有される水素と、酸化剤ガスＡに含有される酸素とを、燃料電池２において反応させて、発電する。燃料電池２は、アノード流路２１とカソード流路２２との間に配設された電解質体を有している。本実施形態においては、電解質体として固体酸化物セラミックスを用いた、固体酸化物型燃料電池（すなわち、ＳＯＦＣ）を、燃料電池２とすることができる。 In the fuel cell system 1 of the present embodiment, hydrogen contained in the fuel gas reformed in the reformer 3 and oxygen contained in the oxidant gas A are reacted in the fuel cell 2 to generate electricity. .. The fuel cell 2 has an electrolyte body arranged between the anode flow path 21 and the cathode flow path 22. In the present embodiment, the solid oxide fuel cell (that is, SOFC) using the solid oxide ceramics as the electrolyte can be the fuel cell 2.

本実施形態において、液体原料Ｗは水である。燃料電池システム１は、原料合流部５２３を更に備える。原料合流部５２３は、水と共に燃料ガスの原料の一部となる気体原料Ｆを、第２循環路５２におけるガス流量制御部５２２よりも下流側に合流させる。ここで、気体原料Ｆとしては、例えば、炭化水素の一種であるメタンを用いることができる。
また、本実施形態において、気化原料は水蒸気である。それゆえ、エジェクタ６は、原料導入路４から燃料ガス供給路１１へ流れる水蒸気の流れを駆動流として利用して、第１循環ガス、第２循環ガス及び気体原料Ｆを吸引し、第１循環ガス、第２循環ガス及び気体原料Ｆを水蒸気と混合して燃料ガス供給路１１へ送る。 In the present embodiment, the liquid raw material W is water. The fuel cell system 1 further includes a raw material merging unit 523. The raw material merging unit 523 merges the gas raw material F, which is a part of the fuel gas raw material together with water, on the downstream side of the gas flow rate control unit 522 in the second circulation path 52. Here, as the gas raw material F, for example, methane, which is a kind of hydrocarbon, can be used.
Further, in the present embodiment, the vaporizing raw material is water vapor. Therefore, the ejector 6 uses the flow of water vapor flowing from the raw material introduction path 4 to the fuel gas supply path 11 as a drive flow to suck the first circulating gas, the second circulating gas, and the gas raw material F, and first circulates the gas. The gas, the second circulating gas, and the gas raw material F are mixed with water vapor and sent to the fuel gas supply path 11.

また、本実施形態においては、凝縮器５２１において回収された凝縮水の少なくとも一部を、原料導入路４における気化器４１よりも上流側に導入するよう構成されている。
具体的には、凝縮器５２１と、気化器４１の上流側における原料導入路４とは、凝縮水導入路１４によって接続されている。凝縮水導入路１４には、原料導入路４に導入される、凝縮水の流量を制御する凝縮水流量制御部１４１が設けてある。 Further, in the present embodiment, at least a part of the condensed water recovered in the condenser 521 is introduced to the upstream side of the vaporizer 41 in the raw material introduction path 4.
Specifically, the condenser 521 and the raw material introduction path 4 on the upstream side of the vaporizer 41 are connected by a condensed water introduction path 14. The condensed water introduction path 14 is provided with a condensed water flow rate control unit 141 that controls the flow rate of the condensed water introduced into the raw material introduction path 4.

原料導入路４には、気化器４１と、その上流側に配された、水を加圧する液体ポンプ４２とが設けてある。液体ポンプ４２は、原料導入路４における凝縮水導入路１４との接続部の下流側であり、原料導入路４における気化器４１の上流側に設けてある。また、原料導入路４の下流端は、エジェクタ６に接続されている。水は、液体ポンプ４２によって気化器４１に送り込まれ、気化器４１によって水蒸気となって、エジェクタ６へ送り込まれる。 The raw material introduction path 4 is provided with a vaporizer 41 and a liquid pump 42 for pressurizing water, which is arranged on the upstream side thereof. The liquid pump 42 is provided on the downstream side of the connection portion with the condensed water introduction path 14 in the raw material introduction path 4, and is provided on the upstream side of the vaporizer 41 in the raw material introduction path 4. Further, the downstream end of the raw material introduction path 4 is connected to the ejector 6. The water is sent to the vaporizer 41 by the liquid pump 42, becomes steam by the vaporizer 41, and is sent to the ejector 6.

エジェクタ６は、ノズル部６１と、吸引部６２と、吐出部６３と、を有する。ノズル部６１は、原料導入路４から導入された水蒸気を、駆動流として噴射する。吸引部６２は、ノズル部６１から噴射される駆動流によって、第１循環ガスと第２循環ガス及び気体原料Ｆとを、吸引流として吸引する。すなわち、吸引部６２は、第１循環路５１から第１循環ガスを吸引し、第２循環路５２から、気体原料Ｆと共に第２循環ガスを吸引する。吐出部６３は、駆動流と吸引流とを混合した混合流を、燃料ガス供給路１１へ吐出する。 The ejector 6 has a nozzle portion 61, a suction portion 62, and a discharge portion 63. The nozzle unit 61 injects water vapor introduced from the raw material introduction path 4 as a driving flow. The suction unit 62 sucks the first circulating gas, the second circulating gas, and the gas raw material F as a suction flow by the drive flow injected from the nozzle unit 61. That is, the suction unit 62 sucks the first circulation gas from the first circulation passage 51, and sucks the second circulation gas together with the gas raw material F from the second circulation passage 52. The discharge unit 63 discharges a mixed flow, which is a mixture of the drive flow and the suction flow, to the fuel gas supply path 11.

燃料ガス供給路１１の上流端は、エジェクタ６に接続されている。また、燃料ガス供給路１１には、改質器３が設けてある。燃料ガス供給路１１の上流端から、水蒸気、第１循環ガス、第２循環ガス及び気体原料Ｆが導入される。水蒸気は、改質器３における気体原料Ｆの改質に利用される。また、気体原料Ｆは、改質器３において水素を含む燃料ガスに改質される。この改質後の燃料ガスが、燃料電池２のアノード流路２１に供給される。 The upstream end of the fuel gas supply path 11 is connected to the ejector 6. Further, the reformer 3 is provided in the fuel gas supply path 11. Water vapor, the first circulating gas, the second circulating gas, and the gas raw material F are introduced from the upstream end of the fuel gas supply path 11. The steam is used for reforming the gas raw material F in the reformer 3. Further, the gas raw material F is reformed into a fuel gas containing hydrogen in the reformer 3. The reformed fuel gas is supplied to the anode flow path 21 of the fuel cell 2.

酸化剤ガス供給路１２には、燃料電池２に導入される酸化剤ガスＡを予熱する予熱器１２１が設けてある。これにより、酸化剤ガス供給路１２の上流端から導入された酸化剤ガスＡを、予熱器１２１によって加熱して、昇温する。昇温された酸化剤ガスＡは、酸化剤ガス供給路１２から燃料電池２のカソード流路２２に供給される。酸化剤ガスＡとしては、例えば空気を用いることができる。 The oxidant gas supply path 12 is provided with a preheater 121 that preheats the oxidant gas A introduced into the fuel cell 2. As a result, the oxidant gas A introduced from the upstream end of the oxidant gas supply path 12 is heated by the preheater 121 to raise the temperature. The heated oxidant gas A is supplied from the oxidant gas supply path 12 to the cathode flow path 22 of the fuel cell 2. As the oxidant gas A, for example, air can be used.

上記のように、アノード流路２１に導入された燃料ガス中の水素と、カソード流路２２に導入された酸化剤ガス中の酸素とが、燃料電池２において反応して、発電が行われる。また、燃料電池２における発電に伴って、熱が生じる。この熱は、燃料電池２の温度を維持するために用いられる。そして、アノード流路２１から排出された燃料ガス及びカソード流路２２から排出された酸化剤ガスは、それぞれ、燃料ガス排出路１３及び酸化剤ガス排出路１２０を通り、燃焼器１５に導入される。燃料電池２から排出された燃料ガスには、反応によって生じた水蒸気と、反応に使われなかった水素とが含まれる。また、燃料電池２から排出された酸化剤ガスには、反応に使われなかった酸素が含まれる。これらの水素と酸素とが、燃焼器１５において反応して燃焼する。燃焼後の燃焼ガスは、燃焼器１５から排出される。 As described above, hydrogen in the fuel gas introduced into the anode flow path 21 and oxygen in the oxidant gas introduced into the cathode flow path 22 react in the fuel cell 2 to generate electricity. In addition, heat is generated as the fuel cell 2 generates electricity. This heat is used to maintain the temperature of the fuel cell 2. Then, the fuel gas discharged from the anode flow path 21 and the oxidant gas discharged from the cathode flow path 22 pass through the fuel gas discharge path 13 and the oxidant gas discharge path 120, respectively, and are introduced into the combustor 15. .. The fuel gas discharged from the fuel cell 2 contains water vapor generated by the reaction and hydrogen not used in the reaction. Further, the oxidant gas discharged from the fuel cell 2 contains oxygen that was not used in the reaction. These hydrogen and oxygen react in the combustor 15 and burn. The combustion gas after combustion is discharged from the combustor 15.

燃料ガス排出路１３には、第１循環路５１の一端が接続されている。そして、第１循環路５１の他端が、エジェクタ６の吸引部６２に接続されている。これにより、アノード流路２１から燃料ガス排出路１３に排出された燃料ガスの一部が、第１循環路５１を介して、第１循環ガスとして、エジェクタ６から燃料ガス供給路１１に循環される。上述のように、燃料ガス排出路１３の燃料ガスの一部でもある第１循環ガスは、水蒸気及び水素を含む。すなわち、第１循環ガスは、水分量が多い湿った燃料ガスである。また、第１循環ガスは、熱量が多い高温の燃料ガスである。第１循環ガスに含まれる水素は、アノード流路２１において、燃料として利用される。また、第１循環ガスに含まれる水蒸気は、改質器３において、燃料ガスの改質に利用される。 One end of the first circulation path 51 is connected to the fuel gas discharge path 13. The other end of the first circulation path 51 is connected to the suction portion 62 of the ejector 6. As a result, a part of the fuel gas discharged from the anode flow path 21 to the fuel gas discharge path 13 is circulated from the ejector 6 to the fuel gas supply path 11 as the first circulation gas via the first circulation path 51. To. As described above, the first circulating gas, which is also a part of the fuel gas in the fuel gas discharge path 13, contains water vapor and hydrogen. That is, the first circulating gas is a moist fuel gas having a large amount of water. The first circulating gas is a high-temperature fuel gas having a large amount of heat. Hydrogen contained in the first circulating gas is used as fuel in the anode flow path 21. Further, the water vapor contained in the first circulating gas is used for reforming the fuel gas in the reformer 3.

また、燃料ガス排出路１３には、第２循環路５２の一端が接続されている。そして、第２循環路５２の他端が、エジェクタ６の吸引部６２に接続されている。これにより、アノード流路２１から燃料ガス排出路１３に排出された燃料ガスの一部が、第２循環路５２を介して、第２循環ガスとして、エジェクタ６から燃料ガス供給路１１に循環される。上述のように、第２循環路５２には、凝縮器５２１が設けてある。また、凝縮器５２１に導入される第２循環ガスは、燃料ガス排出路１３の燃料ガスの一部である。それゆえ、凝縮器５２１に導入される第２循環ガスは、水蒸気及び水素を含む。 Further, one end of the second circulation path 52 is connected to the fuel gas discharge path 13. The other end of the second circulation path 52 is connected to the suction portion 62 of the ejector 6. As a result, a part of the fuel gas discharged from the anode flow path 21 to the fuel gas discharge path 13 is circulated from the ejector 6 to the fuel gas supply path 11 as the second circulation gas via the second circulation path 52. To. As described above, the second circulation path 52 is provided with a condenser 521. The second circulating gas introduced into the condenser 521 is a part of the fuel gas in the fuel gas discharge path 13. Therefore, the second circulating gas introduced into the condenser 521 contains water vapor and hydrogen.

凝縮器５２１は、第２循環ガスを冷却して、第２循環ガスに含まれる水蒸気を、液体の水に凝縮する。このように、水分を分離除去された第２循環ガスは、水分量の少ない乾いた燃料ガスである。また、この第２循環ガスは、水素を含む燃料ガスである。そして、上記のような乾いた第２循環ガスが、燃料ガス供給路１１における改質器３よりも上流側に導入される。つまり、第２循環ガスである乾いた燃料ガスが、エジェクタ６において、燃料ガス供給路１１における燃料ガスに合流する。第２循環ガスに含まれる水素は、アノード流路２１において、燃料として利用される。 The condenser 521 cools the second circulating gas and condenses the water vapor contained in the second circulating gas into liquid water. The second circulating gas from which the water has been separated and removed in this way is a dry fuel gas having a small amount of water. The second circulating gas is a fuel gas containing hydrogen. Then, the dry second circulating gas as described above is introduced to the upstream side of the reformer 3 in the fuel gas supply path 11. That is, the dry fuel gas, which is the second circulating gas, joins the fuel gas in the fuel gas supply path 11 in the ejector 6. Hydrogen contained in the second circulating gas is used as fuel in the anode flow path 21.

また、ガス流量制御部５２２によって第２循環ガスの流量を適宜制御することで、エジェクタ６に吸引される第２循環ガスの流量を調整することができる。これに伴い、エジェクタ６に吸引される第１循環ガスの流量及び気体原料Ｆの流量を調整することができることとなる。そのため、ガス流量制御部５２２による第２循環ガスの流量制御によって、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量を調整することができる。 Further, the flow rate of the second circulating gas sucked into the ejector 6 can be adjusted by appropriately controlling the flow rate of the second circulating gas by the gas flow rate control unit 522. Along with this, the flow rate of the first circulating gas sucked into the ejector 6 and the flow rate of the gas raw material F can be adjusted. Therefore, the amount of water in the fuel gas supplied to the reformer 3 can be adjusted by controlling the flow rate of the second circulating gas by the gas flow rate control unit 522.

例えば、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量が多すぎるときは、ガス流量制御部５２２の開度を大きくして、乾いた第２循環ガスの流量を増やし、湿った第１循環ガスの流量を減少させる。これにより、混合流中の水分量を減らし、燃料ガス中の水分量を減少させる。一方、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量が少なすぎるときは、ガス流量制御部５２２の開度を小さくして、乾いた第２循環ガスの流量を減らし、湿った第１循環ガスの流量を増加させる。これにより、混合流中の水分量を増やし、燃料ガス中の水分量を増加させる。また、燃料ガス供給路１１に導入される第１循環ガスの流量を増やすことで、外部からの熱供給を抑制しつつ、燃料ガス供給路１１における燃料ガスの温度を高く保ちやすい。 For example, when the amount of water in the fuel gas supplied to the reformer 3 is too large, the opening degree of the gas flow rate control unit 522 is increased to increase the flow rate of the dry second circulating gas, and the wet first first. Reduce the flow rate of circulating gas. As a result, the amount of water in the mixed flow is reduced, and the amount of water in the fuel gas is reduced. On the other hand, when the amount of water in the fuel gas supplied to the reformer 3 is too small, the opening degree of the gas flow rate control unit 522 is reduced to reduce the flow rate of the dry second circulating gas, and the wet first first. Increase the flow rate of circulating gas. As a result, the amount of water in the mixed flow is increased, and the amount of water in the fuel gas is increased. Further, by increasing the flow rate of the first circulating gas introduced into the fuel gas supply path 11, it is easy to keep the temperature of the fuel gas in the fuel gas supply path 11 high while suppressing the heat supply from the outside.

また、ガス流量制御部５２２は、第２循環ガスの循環を停止させることができるようにしてもよい。また、ガス流量制御部５２２は、例えば、開閉のみが制御可能で、第２循環ガスの循環を行うか行わないかの２段階のみの制御ができるような構成としてもよい。
なお、上述のように、第２循環ガスは、ガス流量制御部５２２の上流側に設置された凝縮器５２１において冷却される。そのため、ガス流量制御部５２２として、特に耐熱性の高いものを用いるなどの必要はない。 Further, the gas flow rate control unit 522 may be able to stop the circulation of the second circulating gas. Further, the gas flow rate control unit 522 may be configured so that, for example, only opening and closing can be controlled, and only two stages of control of whether or not to circulate the second circulating gas can be performed.
As described above, the second circulating gas is cooled by the condenser 521 installed on the upstream side of the gas flow rate control unit 522. Therefore, it is not necessary to use a gas flow rate control unit 522 having particularly high heat resistance.

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システム１は、原料導入路４を有する。原料導入路４において、水を気化させて水蒸気としつつ、燃料ガス供給路１１に導入する。そして、水蒸気の流れをエジェクタ６における駆動流とする。それゆえ、燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成と比較して、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、発電効率を向上させることができる。 Next, the action and effect of this embodiment will be described.
The fuel cell system 1 has a raw material introduction path 4. In the raw material introduction path 4, water is vaporized into water vapor and introduced into the fuel gas supply path 11. Then, the flow of water vapor is used as the driving flow in the ejector 6. Therefore, the operating load of the auxiliary machinery can be significantly reduced as compared with the configuration in which a gas such as a fuel gas is sent out by the compressor. As a result, it is possible to suppress power consumption by auxiliary machinery and improve power generation efficiency.

また、上記燃料電池システム１は、第１循環路５１と、第２循環路５２と、凝縮器５２１と、ガス流量制御部５２２とを有する。凝縮器５２１は、第２循環ガス中の水分を凝縮することにより、第２循環路５２に、水蒸気が除去された第２循環ガスを流すことができる。一方、第１循環路５１には、水蒸気が除去されていない高温の第１循環ガスが流れる。そして、ガス流量制御部５２２は、エジェクタ６に吸引される第２循環ガスの流量を制御することができる。これに伴い、ガス流量制御部５２２は、エジェクタ６に吸引される第１循環ガスの流量を調整することにもなる。これにより、上述したように、燃料ガスの温度を極力低下させないようにしつつ、燃料ガス中の水分量を調整することができる。そのため、燃料ガスを昇温させるためのエネルギーを抑制することができる。その結果、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率を向上させることができる。 Further, the fuel cell system 1 includes a first circulation path 51, a second circulation path 52, a condenser 521, and a gas flow rate control unit 522. The condenser 521 can flow the second circulating gas from which water vapor has been removed to the second circulating passage 52 by condensing the water content in the second circulating gas. On the other hand, a high-temperature first circulation gas from which water vapor has not been removed flows through the first circulation passage 51. Then, the gas flow rate control unit 522 can control the flow rate of the second circulating gas sucked into the ejector 6. Along with this, the gas flow rate control unit 522 also adjusts the flow rate of the first circulating gas sucked into the ejector 6. As a result, as described above, the amount of water in the fuel gas can be adjusted while keeping the temperature of the fuel gas as low as possible. Therefore, the energy for raising the temperature of the fuel gas can be suppressed. As a result, it is possible to improve the power generation efficiency while adjusting the amount of water in the fuel gas.

また、原料合流部５２３は、気体原料Ｆを、第２循環路５２におけるガス流量制御部５２２よりも下流側に合流させるよう構成されている。それゆえ、気体原料Ｆを第２循環路５２に合流させるためにブロワ等の補器類を用いる必要も特にない。その結果、補機類による電力消費を抑制し、発電効率を向上させることができる。
また、凝縮器５２１において回収された凝縮水の少なくとも一部を、原料導入路４における液体ポンプ４２よりも上流側に導入するよう構成されている。これにより、回収された凝縮水を燃料ガスの改質に再利用することができ、その分の効率を向上させることができる。 Further, the raw material merging unit 523 is configured to merge the gas raw material F on the downstream side of the gas flow rate control unit 522 in the second circulation passage 52. Therefore, it is not particularly necessary to use auxiliary equipment such as a blower to join the gas raw material F into the second circulation path 52. As a result, it is possible to suppress power consumption by auxiliary machinery and improve power generation efficiency.
Further, at least a part of the condensed water recovered in the condenser 521 is configured to be introduced upstream of the liquid pump 42 in the raw material introduction path 4. As a result, the recovered condensed water can be reused for reforming the fuel gas, and the efficiency can be improved accordingly.

また、第２循環路５２は、燃料ガス排出路１３から、燃料ガスを循環させるよう構成されている。これにより、水分量が多い燃料ガスを、第２循環ガスとして凝縮器５２１を通過させることができ、凝縮器５２１において、凝縮水をより多く回収することができる。それゆえ、燃料電池２における水あまりを解消させやすい。 Further, the second circulation path 52 is configured to circulate the fuel gas from the fuel gas discharge path 13. As a result, the fuel gas having a large amount of water can be passed through the condenser 521 as the second circulating gas, and the condenser 521 can recover more condensed water. Therefore, it is easy to eliminate the excess water in the fuel cell 2.

以上のごとく、本実施形態によれば、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池システムを提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a fuel cell system capable of improving power generation efficiency while adjusting the amount of water in the fuel gas.

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システム１は、図２に示すように、水蒸気濃度検出部１１１を更に備える。水蒸気濃度検出部１１１は、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓを検出する。ガス流量制御部５２２は、図３に示すように、水蒸気濃度検出部１１１による検出水蒸気濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができるよう構成されている。 (Embodiment 2)
As shown in FIG. 2, the fuel cell system 1 of the present embodiment further includes a water vapor concentration detection unit 111. The water vapor concentration detection unit 111 detects the water vapor concentration S at the inlet of the reformer 3. As shown in FIG. 3, the gas flow rate control unit 522 is configured to be able to control the flow rate of the second circulating gas based on the water vapor concentration detected by the water vapor concentration detection unit 111.

図２に示すように、水蒸気濃度検出部１１１は、エジェクタ６と改質器３との間における燃料ガス供給路１１に設けてある。改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓは、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度である。この水蒸気濃度Ｓが低すぎると、発電効率が低下すると共に、改質器３や燃料電池２において、炭素析出等の劣化を招くおそれがある。また、水蒸気濃度Ｓが高すぎても発電効率が低下する。 As shown in FIG. 2, the steam concentration detection unit 111 is provided in the fuel gas supply path 11 between the ejector 6 and the reformer 3. The water vapor concentration S at the inlet of the reformer 3 is the water vapor concentration of the fuel gas supplied to the reformer 3. If the water vapor concentration S is too low, the power generation efficiency may be lowered, and deterioration such as carbon precipitation may occur in the reformer 3 and the fuel cell 2. Further, if the water vapor concentration S is too high, the power generation efficiency is lowered.

その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。 Other configurations are the same as those in the first embodiment. In addition, among the codes used in the second and subsequent embodiments, the same codes as those used in the above-described embodiments represent the same components and the like as those in the above-mentioned embodiments, unless otherwise specified.

次に、本実施形態の燃料電池システム１のガス流量制御部５２２における制御フローの一例を、図３を参照して説明する。
まず、ステップＳ１０１において、水蒸気濃度検出部１１１によって、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓを検出する。 Next, an example of the control flow in the gas flow rate control unit 522 of the fuel cell system 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, in step S101, the steam concentration detection unit 111 detects the water vapor concentration S at the inlet of the reformer 3.

そして、ステップＳ１０２において、上記水蒸気濃度Ｓを、閾値Ｓ１と比較する。閾値Ｓ１は、例えば発電効率の低下及び改質器３や燃料電池２における炭素析出を抑制するために必要な水蒸気濃度Ｓの下限値を目安に、適宜設定される。ここで、Ｓ＜Ｓ１、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ１未満であると判定された場合は、ステップＳ１０３へ進んで第２循環ガスの流量を低減する。これにより、エジェクタ６の吸引部６２に吸引される第１循環ガス及び第２循環ガスのうち、湿った第１循環ガスの割合が増え、上記水蒸気濃度Ｓが上昇する。 Then, in step S102, the water vapor concentration S is compared with the threshold value S1. The threshold value S1 is appropriately set with reference to, for example, the lower limit of the water vapor concentration S required for suppressing the decrease in power generation efficiency and the carbon precipitation in the reformer 3 and the fuel cell 2. Here, when it is determined that S <S1, that is, the water vapor concentration S is less than the threshold value S1, the process proceeds to step S103 to reduce the flow rate of the second circulating gas. As a result, the proportion of the moist first circulating gas among the first circulating gas and the second circulating gas sucked by the suction portion 62 of the ejector 6 increases, and the water vapor concentration S increases.

ステップＳ１０２において、Ｓ≧Ｓ１、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ１以上であると判定された場合は、ステップＳ１０４へ進み、上記水蒸気濃度Ｓを、閾値Ｓ２と比較する。閾値Ｓ２は、例えば発電効率の低下を抑制するために必要な水蒸気濃度Ｓの上限値を目安に、適宜設定される。ここで、Ｓ＞Ｓ２、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ２を超えていると判定された場合は、ステップＳ１０５へ進んで第２循環ガスの流量を増加する。これにより、エジェクタ６の吸引部６２に吸引される第１循環ガス及び第２循環ガスのうち、乾いた第２循環ガスの割合が増え、上記水蒸気濃度Ｓが低下する。 If it is determined in step S102 that S ≧ S1, that is, the water vapor concentration S is equal to or higher than the threshold value S1, the process proceeds to step S104, and the water vapor concentration S is compared with the threshold value S2. The threshold value S2 is appropriately set with reference to, for example, the upper limit of the water vapor concentration S required to suppress a decrease in power generation efficiency. Here, when it is determined that S> S2, that is, the water vapor concentration S exceeds the threshold value S2, the process proceeds to step S105 to increase the flow rate of the second circulating gas. As a result, the proportion of the dry second circulating gas among the first circulating gas and the second circulating gas sucked into the suction portion 62 of the ejector 6 increases, and the water vapor concentration S decreases.

ステップＳ１０４において、Ｓ≦Ｓ２、すなわち上記水蒸気濃度Ｓが閾値Ｓ２以下であると判定された場合は、第２循環ガスの流量は特に変化させない。すなわち、Ｓ１≦Ｓ≦Ｓ２を維持している間は、現状の流量にて第２循環ガスを循環させる。 When it is determined in step S104 that S ≦ S2, that is, the water vapor concentration S is equal to or less than the threshold value S2, the flow rate of the second circulating gas is not particularly changed. That is, while maintaining S1 ≦ S ≦ S2, the second circulating gas is circulated at the current flow rate.

ガス流量制御部５２２は、上記制御フローを所定の周期で繰り返し実行することにより、検出水蒸気濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができる。 The gas flow rate control unit 522 can control the flow rate of the second circulating gas based on the detected water vapor concentration by repeatedly executing the control flow at a predetermined cycle.

本実施形態においては、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度の低下を抑制することができる。それゆえ、改質器３や燃料電池２に炭素析出の不具合が発生することを抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における耐久性を向上することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。 In the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in the water vapor concentration of the fuel gas supplied to the reformer 3. Therefore, it is possible to prevent the reformer 3 and the fuel cell 2 from having a problem of carbon precipitation. Thereby, the durability in the fuel cell system 1 can be improved.
In addition, the same action and effect as in the first embodiment can be obtained.

（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システム１は、図４に示すように、第２循環路５２における原料合流部５２３よりも下流側に水添脱硫器７が設けられている。
水添脱硫器７は、水素を利用して気体原料Ｆに含まれる硫黄分を除去する。すなわち、水添脱硫器７は、硫黄分を水素と反応させて、気体原料Ｆから硫黄分を除去するよう構成されている。 (Embodiment 3)
As shown in FIG. 4, the fuel cell system 1 of the present embodiment is provided with a hydrogenated desulfurizer 7 on the downstream side of the raw material merging portion 523 in the second circulation passage 52.
The hydrogenated desulfurizer 7 uses hydrogen to remove sulfur contained in the gas raw material F. That is, the hydrogenated desulfurizer 7 is configured to react the sulfur content with hydrogen to remove the sulfur content from the gas raw material F.

原料合流部５２３を介して第２循環路５２に導入される気体原料Ｆとして用いられる都市ガスなどには、通常、付臭剤として、硫黄化合物が添加されている。しかし、硫黄化合物が改質器３、燃料電池２に、燃料ガスと共に供給されると、改質器３や燃料電池２の触媒が被毒するおそれがある。それゆえ、改質器３よりも上流において、気体原料Ｆから硫黄分を除去することが望ましい。そこで、硫黄分を除去するための脱硫器として、水素を用いて硫黄分を除去する水添脱硫器７を、第２循環路５２に配設している。
その他の構成は、実施形態１と同様である。 A sulfur compound is usually added as an odorant to the city gas used as the gas raw material F introduced into the second circulation passage 52 via the raw material merging portion 523. However, if the sulfur compound is supplied to the reformer 3 and the fuel cell 2 together with the fuel gas, the catalyst of the reformer 3 and the fuel cell 2 may be poisoned. Therefore, it is desirable to remove sulfur from the gas raw material F upstream of the reformer 3. Therefore, as a desulfurizer for removing sulfur, a hydrogenated desulfurizer 7 for removing sulfur using hydrogen is arranged in the second circulation passage 52.
Other configurations are the same as those in the first embodiment.

上述のように、第２循環路５２には、水素を含む第２循環ガスが流れている。特に、凝縮器５２１において水分が除去された第２循環ガスは、水素濃度が高い。この第２循環ガスが、気体原料Ｆとともに、水添脱硫器７に導入される。そして、水添脱硫器７において、気体原料Ｆ中の硫黄分と、第２循環ガス中の水素とが反応する。これにより、気体原料Ｆから硫黄分を除去することができる。 As described above, the second circulation gas containing hydrogen flows through the second circulation passage 52. In particular, the second circulating gas from which water has been removed in the condenser 521 has a high hydrogen concentration. This second circulating gas is introduced into the hydrogenated desulfurizer 7 together with the gas raw material F. Then, in the hydrogenated desulfurizer 7, the sulfur content in the gas raw material F reacts with the hydrogen in the second circulating gas. Thereby, the sulfur content can be removed from the gas raw material F.

また、第２循環ガスは、水分量の少ない、乾いた燃料ガスである。それゆえ、水添脱硫器７に導入される気体原料Ｆも、水分量の少ないガスとすることができる。したがって、水添脱硫器７の触媒の劣化を抑制し、水添脱硫器７の耐久性を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。 The second circulating gas is a dry fuel gas having a small amount of water. Therefore, the gas raw material F introduced into the hydrogenated desulfurizer 7 can also be a gas having a small amount of water. Therefore, deterioration of the catalyst of the hydrogenated desulfurizer 7 can be suppressed, and the durability of the hydrogenated desulfurizer 7 can be improved.
In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.

（実施形態４）
本実施形態においては、図５に示すように、第２循環路５２は、改質器３よりも下流側の燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるよう構成されている。 (Embodiment 4)
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the second circulation path 52 is configured to circulate the fuel gas from the fuel gas supply path 11 on the downstream side of the reformer 3.

具体的には、第２循環路５２の上流端が、改質器３と燃料電池２との間における燃料ガス供給路１１に接続されている。これにより、改質器３によって改質された燃料ガスの一部が、第２循環路５２を介して、第２循環ガスとして、エジェクタ６から燃料ガス供給路１１に循環される。
その他の構成は、実施形態３と同様である。 Specifically, the upstream end of the second circulation path 52 is connected to the fuel gas supply path 11 between the reformer 3 and the fuel cell 2. As a result, a part of the fuel gas reformed by the reformer 3 is circulated from the ejector 6 to the fuel gas supply path 11 as the second circulation gas via the second circulation path 52.
Other configurations are the same as those in the third embodiment.

本実施形態においては、第２循環ガスを、実施形態３における第２循環ガスと比較して、水素を多く含んだ燃料ガスとすることができる。したがって、水添脱硫器７に導入される水素の量をより多くすることができ、効果的な脱硫を行うことができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を有する。 In the present embodiment, the second circulating gas can be a fuel gas containing a large amount of hydrogen as compared with the second circulating gas in the third embodiment. Therefore, the amount of hydrogen introduced into the hydrogenated desulfurizer 7 can be increased, and effective desulfurization can be performed.
In addition, it has the same effect as that of the third embodiment.

（実施形態５）
本実施形態の燃料電池システム１は、図６に示すように、水素濃度検出部５２４を更に備える。水素濃度検出部５２４は、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを検出する。ガス流量制御部５２２は、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができるよう構成されている。 (Embodiment 5)
As shown in FIG. 6, the fuel cell system 1 of the present embodiment further includes a hydrogen concentration detection unit 524. The hydrogen concentration detection unit 524 detects the hydrogen concentration H at the inlet of the hydrogenated desulfurizer 7. The gas flow rate control unit 522 is configured to be able to control the flow rate of the second circulating gas based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit 524.

水素濃度検出部５２４は、原料合流部５２３と水添脱硫器７との間における第２循環路５２に設けてある。水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈは、水添脱硫器７に導入される気体原料Ｆの水素濃度である。この水素濃度Ｈが低すぎると、水添脱硫器７において、気体原料Ｆから硫黄分を十分に除去することができず、改質器３や燃料電池２の触媒の被毒を招くおそれがある。
その他の構成は、実施形態３と同様である。 The hydrogen concentration detection unit 524 is provided in the second circulation path 52 between the raw material merging unit 523 and the hydrogenated desulfurizer 7. The hydrogen concentration H at the inlet of the hydrogenated desulfurizer 7 is the hydrogen concentration of the gas raw material F introduced into the hydrogenated desulfurizer 7. If the hydrogen concentration H is too low, the hydrogenated desulfurizer 7 cannot sufficiently remove the sulfur content from the gas raw material F, which may lead to poisoning of the catalyst of the reformer 3 and the fuel cell 2. ..
Other configurations are the same as those in the third embodiment.

上述のように、本実施形態においては、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度に基づいて第２循環ガスの流量を制御することができる。これにより、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを容易に調整することができる。
例えば、水素濃度検出部５２４によって検出された水素濃度Ｈが所定の下限の閾値を下回ったときは、ガス流量制御部５２２の開度を大きくして、第２循環ガスの流量を増やす。これにより、水添脱硫器７に導入される第２循環ガス及び気体原料Ｆのうち、水素を含む第２循環ガスの割合を増やし、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを上昇させる。 As described above, in the present embodiment, the flow rate of the second circulating gas can be controlled based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit 524. Thereby, the hydrogen concentration H at the inlet of the hydrogenated desulfurizer 7 can be easily adjusted.
For example, when the hydrogen concentration H detected by the hydrogen concentration detection unit 524 falls below a predetermined lower limit threshold value, the opening degree of the gas flow rate control unit 522 is increased to increase the flow rate of the second circulating gas. As a result, the proportion of the second circulating gas containing hydrogen among the second circulating gas and the gas raw material F introduced into the hydrogenated desulfurizer 7 is increased, and the hydrogen concentration H at the inlet of the hydrogenated desulfurizer 7 is increased.

一方、水素濃度検出部５２４によって検出された水素濃度Ｈが所定の上限の閾値を上回ったときは、ガス流量制御部５２２の開度を小さくして、第２循環ガスの流量を減らす。これにより、水添脱硫器７に導入される第２循環ガス及び気体原料Ｆのうち、水素を含む第２循環ガスの割合を減らし、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈを低下させる。なお、水素濃度Ｈの下限の閾値は、水添脱硫器７における脱硫に必要な水素濃度を目安に、適宜設定される。また、水素濃度Ｈの上限の閾値は、改質器３に供給される燃料ガス中の水分量、燃料ガス供給路１１における燃料ガスの温度を考慮して、適宜設定される。 On the other hand, when the hydrogen concentration H detected by the hydrogen concentration detection unit 524 exceeds a predetermined upper limit threshold value, the opening degree of the gas flow rate control unit 522 is reduced to reduce the flow rate of the second circulating gas. As a result, the proportion of the second circulating gas containing hydrogen among the second circulating gas and the gas raw material F introduced into the hydrogenated desulfurizer 7 is reduced, and the hydrogen concentration H at the inlet of the hydrogenated desulfurizer 7 is lowered. The lower threshold value of the hydrogen concentration H is appropriately set with reference to the hydrogen concentration required for desulfurization in the hydrogenated desulfurizer 7. Further, the upper limit threshold of the hydrogen concentration H is appropriately set in consideration of the amount of water in the fuel gas supplied to the reformer 3 and the temperature of the fuel gas in the fuel gas supply path 11.

本実施形態においては、水添脱硫器７に導入される気体原料Ｆの水素濃度の低下を抑制することができる。それゆえ、改質器３や燃料電池２の触媒が被毒することを抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における耐久性を向上することができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を得ることができる。 In the present embodiment, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen concentration of the gas raw material F introduced into the hydrogenated desulfurizer 7. Therefore, it is possible to prevent the catalyst of the reformer 3 and the fuel cell 2 from being poisoned. Thereby, the durability in the fuel cell system 1 can be improved.
In addition, the same action and effect as in the third embodiment can be obtained.

（実施形態６）
本実施形態の燃料電池システム１は、図７に示すように、水蒸気濃度検出部１１１を更に備える。水蒸気濃度検出部１１１は、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓを検出する。原料導入路４における気化器４１の上流側に設けられた液体ポンプ４２が、水流量制御部として機能する。すなわち、液体ポンプ４２は、気化器４１へ送る水の流量を制御することができるよう構成されている。そして、水蒸気濃度検出部１１１による検出水蒸気濃度と、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度とに基づき、液体ポンプ４２による水の流量の制御と、ガス流量制御部５２２による第２循環ガスの流量の制御との少なくとも一方を行うことができるよう構成されている。
その他の構成は、実施形態５と同様である。 (Embodiment 6)
As shown in FIG. 7, the fuel cell system 1 of the present embodiment further includes a water vapor concentration detection unit 111. The water vapor concentration detection unit 111 detects the water vapor concentration S at the inlet of the reformer 3. The liquid pump 42 provided on the upstream side of the vaporizer 41 in the raw material introduction path 4 functions as a water flow rate control unit. That is, the liquid pump 42 is configured to be able to control the flow rate of water sent to the vaporizer 41. Then, based on the water vapor concentration detected by the water vapor concentration detection unit 111 and the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit 524, the flow rate of water is controlled by the liquid pump 42 and the flow rate of the second circulating gas is controlled by the gas flow rate control unit 522. It is configured to be able to do at least one with control.
Other configurations are the same as those in the fifth embodiment.

上述のように、本実施形態においては、水蒸気濃度検出部１１１による検出水蒸気濃度と、水素濃度検出部５２４による検出水素濃度とに基づき、液体ポンプ４２による水の流量の制御と、ガス流量制御部５２２による第２循環ガスの流量の制御との少なくとも一方を行うことができる。これにより、改質器３の入口における水蒸気濃度Ｓと、水添脱硫器７の入口における水素濃度Ｈとを容易に調整することができる。 As described above, in the present embodiment, the water flow rate is controlled by the liquid pump 42 and the gas flow rate control unit is based on the water vapor concentration detected by the water vapor concentration detection unit 111 and the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit 524. At least one of the control of the flow rate of the second circulating gas by 522 can be performed. Thereby, the steam concentration S at the inlet of the reformer 3 and the hydrogen concentration H at the inlet of the hydrogenated desulfurizer 7 can be easily adjusted.

本実施形態の燃料電池システム１においては、例えば以下のような制御を行うことができる。
水蒸気濃度検出部１１１によって検出された水蒸気濃度Ｓが所定の下限の閾値を下回ったときは、原則として、ガス流量制御部５２２によって第２循環ガスの流量を減らす。これにより、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度Ｓを上昇させる。ただし、水蒸気濃度検出部１１１によって検出された水蒸気濃度Ｓが所定の下限の閾値を下回るときであっても、水素濃度検出部５２４によって検出された水素濃度Ｈが所定の下限の閾値を下回る場合は、第２循環ガスの流量を減らすことなく、液体ポンプ４２によって水の流量を増やす。 In the fuel cell system 1 of the present embodiment, for example, the following control can be performed.
When the water vapor concentration S detected by the water vapor concentration detection unit 111 falls below a predetermined lower limit threshold value, the gas flow rate control unit 522 reduces the flow rate of the second circulating gas in principle. As a result, the water vapor concentration S of the fuel gas supplied to the reformer 3 is increased. However, even when the water vapor concentration S detected by the water vapor concentration detection unit 111 is below the predetermined lower limit threshold, the hydrogen concentration H detected by the hydrogen concentration detection unit 524 is below the predetermined lower limit threshold. , The flow rate of water is increased by the liquid pump 42 without reducing the flow rate of the second circulating gas.

これにより、水添脱硫器７において必要な水素濃度Ｈを保ちつつ、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度Ｓを上昇させる。なお、水蒸気濃度Ｓの下限の閾値は、改質器３又は燃料電池２における炭素析出を抑制するための水蒸気量を目安に適宜設定される。また、水素濃度Ｈの下限の閾値は、水添脱硫器７における脱硫に必要な水素濃度を目安に、その水素濃度よりも少し高めの値に設定することが考えられる。 As a result, the steam concentration S of the fuel gas supplied to the reformer 3 is increased while maintaining the required hydrogen concentration H in the hydrogenated desulfurizer 7. The lower threshold value of the water vapor concentration S is appropriately set with reference to the amount of water vapor for suppressing carbon precipitation in the reformer 3 or the fuel cell 2. Further, it is conceivable that the lower limit threshold value of the hydrogen concentration H is set to a value slightly higher than the hydrogen concentration based on the hydrogen concentration required for desulfurization in the hydrogenated desulfurizer 7.

本実施形態の燃料電池システム１は、水蒸気濃度検出部１１１と水素濃度検出部５２４とを備えることにより、容易かつ正確に、改質器３に供給される燃料ガスの水蒸気濃度Ｓと、水添脱硫器７において必要な水素濃度Ｈとを制御することができる。それゆえ、改質器３や燃料電池２において、炭素析出や触媒の被毒の不具合が発生することを抑制することができる。これにより、燃料電池システム１における耐久性をさらに向上することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。 The fuel cell system 1 of the present embodiment includes the water vapor concentration detection unit 111 and the hydrogen concentration detection unit 524, so that the water vapor concentration S of the fuel gas supplied to the reformer 3 and hydrogenation can be easily and accurately performed. The required hydrogen concentration H can be controlled in the reformer 7. Therefore, in the reformer 3 and the fuel cell 2, it is possible to suppress the occurrence of problems such as carbon precipitation and catalyst poisoning. As a result, the durability of the fuel cell system 1 can be further improved.
In addition, the same action and effect as in the first embodiment can be obtained.

（実施形態７）
本実施形態の燃料電池システム１は、図８に示すように、凝縮器５２１と酸化剤ガス供給路１２との間に、熱交換部１２２を設けてなる。
熱交換部１２２は、凝縮器５２１において生じる凝縮熱を、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスＡへ移動させることができるよう構成されている。 (Embodiment 7)
As shown in FIG. 8, the fuel cell system 1 of the present embodiment is provided with a heat exchange unit 122 between the condenser 521 and the oxidant gas supply path 12.
The heat exchange unit 122 is configured to be able to transfer the heat of condensation generated in the condenser 521 to the oxidant gas A in the oxidant gas supply path 12.

すなわち、凝縮器５２１においては、第２循環ガス中の水分が凝縮する際に、凝縮熱が発生する。この凝縮熱を、熱交換部１２２を通じて、酸化剤ガス供給路１２における酸化剤ガスＡへ移動させる。これにより、酸化剤ガスＡの温度は上昇する。昇温された酸化剤ガスＡは、酸化剤ガス供給路１２を通じて燃料電池２のカソード流路２２へ向かう。そして、昇温された酸化剤ガスＡは、熱交換部１２２と燃料電池２との間に配された予熱器１２１において、さらに昇温されて、カソード流路２２に供給される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。 That is, in the condenser 521, heat of condensation is generated when the moisture in the second circulating gas is condensed. This heat of condensation is transferred to the oxidant gas A in the oxidant gas supply path 12 through the heat exchange unit 122. As a result, the temperature of the oxidant gas A rises. The heated oxidant gas A goes to the cathode flow path 22 of the fuel cell 2 through the oxidant gas supply path 12. Then, the heated oxidant gas A is further heated in the preheater 121 arranged between the heat exchange unit 122 and the fuel cell 2, and is supplied to the cathode flow path 22.
Other configurations are the same as those in the first embodiment.

本実施形態においては、凝縮器５２１において発生した凝縮熱を有効利用して、酸化剤ガスＡの昇温に用いることができる。それゆえ、酸化剤ガスＡをカソード流路２２に供給する前に、予熱器１２１において酸化剤ガスＡに与える熱エネルギーを小さくすることができる。これにより、システム効率をより向上させることができる。
あるいは、燃料電池２のカソード流路２２に供給される酸化剤ガスＡの温度をより高くすることができる。この場合、燃料電池２の発電効率を向上させることができる。
このように、凝縮器５２１において発生する凝縮熱を、燃料電池システム１内において有効利用することで、燃料電池システム１のシステム効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。 In the present embodiment, the heat of condensation generated in the condenser 521 can be effectively used to raise the temperature of the oxidant gas A. Therefore, the heat energy given to the oxidant gas A in the preheater 121 can be reduced before the oxidant gas A is supplied to the cathode flow path 22. Thereby, the system efficiency can be further improved.
Alternatively, the temperature of the oxidant gas A supplied to the cathode flow path 22 of the fuel cell 2 can be raised. In this case, the power generation efficiency of the fuel cell 2 can be improved.
As described above, the system efficiency of the fuel cell system 1 can be improved by effectively utilizing the heat of condensation generated in the condenser 521 in the fuel cell system 1.
In addition, it has the same effect as that of the first embodiment.

（実施形態８）
本実施形態においては、図９に示すように、液体原料Ｌとして、例えば、灯油、ガソリン又はエタノール等の液体燃料を用いている。
本実施形態の燃料電池システム１は、実施形態１において示した原料合流部（図１の符号５２３参照）を備えていない。 (Embodiment 8)
In this embodiment, as shown in FIG. 9, a liquid fuel such as kerosene, gasoline, or ethanol is used as the liquid raw material L.
The fuel cell system 1 of the present embodiment does not include the raw material merging portion (see reference numeral 523 of FIG. 1) shown in the first embodiment.

原料導入路４には、凝縮器５２１の凝縮水を導入する凝縮水導入路が接続していない。原料導入路４の上流端から導入された液体原料Ｌは、液体ポンプ４２によって気化器４１に送り込まれ、気化器４１によって気化されて、気化原料となってエジェクタ６へ送り込まれる。エジェクタ６のノズル部６１は、原料導入路４から導入された気化原料を、駆動流として噴射する。エジェクタ６の吸引部６２は、第１循環ガスと第２循環ガスとを、吸引流として吸引する。気化原料は、改質器３において水素を含む燃料ガスに改質される。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本実施形態においては、燃料ガス中の水分量を調整しつつ、発電効率の向上を図ることができる。また、燃料電池２における水あまりを解消させやすい。 The raw material introduction path 4 is not connected to the condensed water introduction path for introducing the condensed water of the condenser 521. The liquid raw material L introduced from the upstream end of the raw material introduction path 4 is sent to the vaporizer 41 by the liquid pump 42, vaporized by the vaporizer 41, becomes a vaporizing raw material, and is sent to the ejector 6. The nozzle portion 61 of the ejector 6 injects the vaporized raw material introduced from the raw material introduction path 4 as a drive flow. The suction unit 62 of the ejector 6 sucks the first circulating gas and the second circulating gas as a suction flow. The vaporized raw material is reformed into a fuel gas containing hydrogen in the reformer 3.
Other configurations are the same as those in the first embodiment.
In the present embodiment, it is possible to improve the power generation efficiency while adjusting the amount of water in the fuel gas. In addition, it is easy to eliminate the excess water in the fuel cell 2.

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
例えば、実施形態１においては、第２循環路５２が、燃料ガス排出路１３から、燃料ガスを循環させるよう構成されているものを示したが、本発明は、これに限られない。例えば、図１０に示すように、第２循環路５２が、改質器３よりも下流側の燃料ガス供給路１１から、燃料ガスを循環させるようにしてもよい。 The present invention is not limited to each of the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof.
For example, in the first embodiment, the second circulation passage 52 is configured to circulate the fuel gas from the fuel gas discharge passage 13, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 10, the second circulation passage 52 may circulate the fuel gas from the fuel gas supply passage 11 on the downstream side of the reformer 3.

また、実施形態１においては、凝縮器５２１において回収された凝縮水を、原料導入路４に導入するよう構成されているものを示したが、図１１に示すように、凝縮器５２１の凝縮水を、外部に排出してもよい。
また、循環装置としては、エジェクタ以外を用いることもできる。例えば、循環装置として、駆動流によって回転するタービンと、該タービンと共に回転して吸引流を吸引するコンプレッサと、を有する圧縮機を用いることもできる。 Further, in the first embodiment, the condensed water recovered in the condenser 521 is shown to be introduced into the raw material introduction path 4, but as shown in FIG. 11, the condensed water in the condenser 521 is shown. May be discharged to the outside.
Further, as the circulation device, a device other than the ejector can be used. For example, as a circulation device, a compressor having a turbine that is rotated by a drive flow and a compressor that is rotated together with the turbine to suck a suction flow can also be used.

１燃料電池システム
２燃料電池
３改質器
４原料導入路
４１気化器
５１第１循環路
５２第２循環路
５２１凝縮器
５２２ガス流量制御部
６エジェクタ（循環装置） 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 3 Reformer 4 Raw material introduction path 41 Vaporizer 51 First circulation path 52 Second circulation path 521 Condenser 522 Gas flow control unit 6 Ejector (circulation device)

Claims

A fuel cell (2) having an anode flow path (21) and a cathode flow path (22),
A fuel gas supply path (11) for supplying fuel gas to the anode flow path and
An oxidant gas supply path (12) for supplying the oxidant gas (A) to the cathode flow path, and
A fuel gas discharge path (13) through which the fuel gas discharged from the anode flow path flows, and
A reformer (3) provided in the fuel gas supply path to reform the fuel gas, and
A raw material introduction path (4) in which the liquid raw materials (W, L), which are the raw materials for the fuel gas, are vaporized to be vaporized raw materials, and the vaporized raw materials are introduced upstream of the reformer in the fuel gas supply path. When,
A vaporizer (41) provided in the raw material introduction path to vaporize the liquid raw material, and
A first circulation path (51) that circulates the fuel gas as a first circulation gas from the fuel gas discharge path to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply path.
The fuel gas is circulated as a second circulating gas from the fuel gas supply path or the fuel gas discharge path on the downstream side of the reformer to the upstream side of the reformer in the fuel gas supply path. Second circulation path (52) and
A condenser (521) provided in the second circulation path to condense the water content in the second circulation gas, and
A gas flow rate control unit (522) provided on the downstream side of the condenser in the second circulation path and controlling the flow rate of the second circulation gas, and
Using the flow of the vaporized raw material flowing from the raw material introduction path to the fuel gas supply path as a driving flow, the first circulating gas and the second circulating gas are sucked, and the first circulating gas and the second circulating gas are sucked. A fuel cell system (1) including a circulation device (6) that mixes gas with the vaporized raw material and sends it to the fuel gas supply path.

The liquid raw material is water, and a raw material merging unit (F) that joins the gas raw material (F), which is a part of the fuel gas raw material together with the water, on the downstream side of the gas flow rate control unit in the second circulation path. 523) The fuel cell system according to claim 1.

A steam concentration detection unit (111) for detecting the water vapor concentration (S) at the inlet of the reformer is further provided, and the gas flow rate control unit further includes the second circulating gas based on the water vapor concentration detected by the water vapor concentration detection unit. The fuel cell system according to claim 2, which is configured to be able to control the flow rate of the water vapor.

The fuel cell system according to claim 2 or 3, wherein at least a part of the condensed water recovered in the condenser is introduced upstream of the vaporizer in the raw material introduction path.

2. A hydrogenated desulfurizer (7) for removing sulfur contained in the gas raw material by using hydrogen is provided on the downstream side of the raw material confluence portion in the second circulation path. 4. The fuel cell system according to any one of 4.

A hydrogen concentration detection unit (524) for detecting the hydrogen concentration (H) at the inlet of the hydrogenated desulfurizer is further provided, and the gas flow rate control unit is the second circulation based on the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit. The fuel cell system according to claim 5, which is configured to be able to control the flow rate of gas.

A water vapor concentration detection unit (111) that detects the water vapor concentration (S) at the inlet of the reformer and a water vapor concentration detection unit (111) provided on the upstream side of the vaporizer in the raw material introduction path to control the flow rate of the water sent to the vaporizer. The water flow control unit (42) is further provided, and the water flow control unit controls the water flow rate based on the detected water vapor concentration by the water vapor concentration detection unit and the detected hydrogen concentration by the hydrogen concentration detection unit. The fuel cell system according to claim 6, wherein at least one of the control of the flow rate of the second circulating gas by the gas flow rate control unit can be performed.

The fuel according to any one of claims 1 to 7, further comprising a heat exchange unit (122) capable of transferring the heat of condensation generated in the condenser to the oxidant gas in the oxidant gas supply path. Battery system.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the second circulation path is configured to circulate the fuel gas from the fuel gas discharge path.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the second circulation path is configured to circulate the fuel gas from the fuel gas supply path on the downstream side of the reformer. system.