JP2019169368A - Fuel battery system - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel battery system capable of controlling a generation amount of drain water.SOLUTION: A fuel battery system 10 comprises: a reformer 14 for performing water vapor reforming on raw material gas to generate fuel gas; a fuel battery (fuel battery cell stack 22) for making the fuel gas supplied from the reformer 14 react with oxidation gas to generate power; a separation membrane 26C for making water vapor move to sweep gas from off-gas discharged from the fuel battery; a water tank 32 to which the water vapor moved to the sweep gas or condensed water obtained by condensing water vapor is to be input; and a control device 68 for adjusting at least one of an amount of water vapor or an amount of condensed water to be input to the water tank 32 to keep an amount of water in the tank within a predetermined range.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

下記特許文献1には、原料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する多段式燃料電池システムが開示されている。この多段式燃料電池システムは、第1燃料電池から排出されたオフガスから水蒸気を分離する水蒸気分離膜を備えている。水蒸気分離膜で分離された水蒸気は、凝縮されて水タンクに溜められる。   Patent Document 1 listed below discloses a multistage fuel cell system that generates a fuel gas containing hydrogen by steam reforming a raw material gas. The multistage fuel cell system includes a water vapor separation membrane that separates water vapor from off-gas discharged from the first fuel cell. The water vapor separated by the water vapor separation membrane is condensed and stored in a water tank.

特開2016−115495号公報JP-A-2006-115495

上記特許文献1に記載された多段式燃料電池システムでは、水タンクに所定量以上の水が溜まった場合は、この水がドレン管から排水される。つまり、水タンクから水を排水するためには、排水用のドレン配管を設ける必要がある。   In the multistage fuel cell system described in Patent Document 1, when a predetermined amount or more of water has accumulated in the water tank, this water is drained from the drain pipe. That is, in order to drain water from the water tank, it is necessary to provide a drain pipe for drainage.

本発明は上記事実を考慮して、ドレン水の生成量を制御できる燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of controlling the amount of drain water generated in consideration of the above facts.

請求項1の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、前記スイープガスに移動した前記水蒸気又は前記水蒸気が凝縮した凝縮水が投入され、システム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、前記水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、を備えている。   The fuel cell system according to claim 1 is a fuel that performs power generation by reacting a raw material gas with steam reforming to produce a fuel gas, and a reaction between the fuel gas produced in the reforming unit and an oxidizing gas. A battery, a separation membrane that moves water vapor from the off-gas discharged from the fuel cell to a sweep gas, and the water vapor that has been moved to the sweep gas or condensed water that is condensed with the water vapor are used as water to be used in the system. A water tank to be stored; and a control device that adjusts at least one of the amount of water vapor and the amount of condensed water charged into the water tank and maintains the amount of water in the water tank within a predetermined range.

請求項1の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、水タンクへ投入される水蒸気量又は凝縮水量を減らす。これにより水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、水タンクからの排水を少なくすることができる。   According to the fuel cell system of claim 1, the control device adjusts at least one of the amount of water vapor and the amount of condensed water charged into the water tank. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit value, the amount of water vapor or condensed water introduced into the water tank is reduced. As a result, the amount of water in the water tank can be maintained within a predetermined range, and drainage from the water tank can be reduced.

なお「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。また、水タンクへ投入される「凝縮水」とは、例えば水タンクの上流側で水蒸気が冷却されて凝縮した水(液相)のことである。また、水タンクへ投入される「水蒸気」とは、水タンクの上流側で凝縮せず気体の状態を保った水(気層)のことである。   The “reforming part” refers to both a reformer provided separately from the fuel cell and a part where a reforming reaction is performed in the fuel cell. The “condensed water” charged into the water tank is, for example, water (liquid phase) condensed by cooling water vapor on the upstream side of the water tank. Further, “water vapor” charged into the water tank is water (gas layer) that is not condensed on the upstream side of the water tank and maintains a gaseous state.

請求項2の燃料電池システムは、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部から供給された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、前記スイープガスに移動した前記水蒸気が凝縮した凝縮水がシステム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、前記水タンクに蓄えられた前記凝縮水を、気化器を介して前記改質部へ供給する水供給管と、前記水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、を備えている。   The fuel cell system according to claim 2 is a fuel that generates electric power by reacting a reforming section that generates a fuel gas by steam reforming a raw material gas, and the fuel gas and the oxidizing gas supplied from the reforming section. A battery, a separation membrane for moving water vapor from off gas discharged from the fuel cell to a sweep gas, a water tank in which condensed water condensed from the water vapor moved to the sweep gas is stored as water used in the system, Adjusting the amount of condensed water discharged from the water tank to the water supply pipe by adjusting a water supply pipe for supplying the condensed water stored in the water tank to the reforming unit via a vaporizer; And a control device for maintaining the amount of water in the tank within a predetermined range.

請求項2の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクから水供給管へ排出される凝縮水量を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、水タンクから水供給管へ排出される凝縮水量を増やす。これにより水タンク内の水量を所定範囲内に維持して、水タンクからの排水を少なくすることができる。   According to the fuel cell system of claim 2, the control device adjusts the amount of condensed water discharged from the water tank to the water supply pipe. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit, the amount of condensed water discharged from the water tank to the water supply pipe is increased. As a result, the amount of water in the water tank can be maintained within a predetermined range, and drainage from the water tank can be reduced.

請求項3の燃料電池システムは、請求項1又は2の燃料電池システムにおいて、前記水タンクの上流側で前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、前記原料ガスに移動した前記水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、を備えている。   A fuel cell system according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein a reseparation membrane that moves the water vapor from the sweep gas to the source gas upstream of the water tank, and a transfer to the source gas A steam supply path for supplying the steam to the reforming section.

請求項3の燃料電池システムによると、再分離膜によって水蒸気がスイープガスから原料ガスへ移動する。また、水蒸気供給経路によって原料ガスと水蒸気が改質部へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質部へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。   According to the fuel cell system of claim 3, the water vapor moves from the sweep gas to the raw material gas by the reseparation membrane. Further, the raw material gas and the water vapor are supplied to the reforming section through the water vapor supply path. Thereby, the water vapor is supplied to the reforming section without being condensed and consumed by the reforming reaction. For this reason, compared with the case where water vapor | steam is condensed, the calorie | heat amount for re-evaporating the condensed water is unnecessary, and energy efficiency is high.

請求項4の燃料電池システムは、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記分離膜へ供給される前記スイープガスの流量を調整するスイープガス流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。   A fuel cell system according to a fourth aspect is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, further comprising a sweep gas flow rate adjusting mechanism for adjusting a flow rate of the sweep gas supplied to the separation membrane. The control device controls the sweep gas flow rate adjusting mechanism to adjust the amount of water vapor introduced into the water tank.

請求項4の燃料電池システムによると、制御装置が、分離膜へ供給されるスイープガスの流量を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、分離膜へ供給されるスイープガスの流量を少なくする。これによりオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が少なくなり、水タンクへ投入される水蒸気量が少なくなる。このように、スイープガスの流量を調整するだけで水タンクへ投入される水蒸気量を簡単に調整できる。   According to the fuel cell system of claim 4, the control device adjusts the flow rate of the sweep gas supplied to the separation membrane. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit, the flow rate of the sweep gas supplied to the separation membrane is reduced. As a result, the amount of water vapor transferred from the off gas to the sweep gas is reduced, and the amount of water vapor introduced into the water tank is reduced. In this way, the amount of water vapor introduced into the water tank can be easily adjusted simply by adjusting the flow rate of the sweep gas.

請求項5の燃料電池システムは、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。   The fuel cell system according to claim 5 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, further comprising a bypass valve for discharging the sweep gas without passing through the water tank, The control device controls the bypass valve to adjust the amount of water vapor introduced into the water tank.

請求項5の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクを経由せずにスイープガスを排出するためのバイパス弁を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、バイパス弁を開放して水蒸気を含んだスイープガスをシステム外へ排出する。これにより水タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。このように、バイパス弁を設ける簡易な構造で水タンクへ投入される水蒸気量を調整できる。   According to the fuel cell system of the fifth aspect, the control device controls the bypass valve for discharging the sweep gas without going through the water tank. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit value, the bypass valve is opened and the sweep gas containing water vapor is discharged out of the system. This reduces the amount of water vapor charged into the water tank. In this way, the amount of water vapor introduced into the water tank can be adjusted with a simple structure provided with a bypass valve.

請求項6の燃料電池システムは、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する。   The fuel cell system according to claim 6 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the sweep gas is cooled in the upstream side of the water tank or in the water tank, and the water vapor. The control device controls the cooling mechanism to adjust the amount of condensed water charged into the water tank.

請求項6の燃料電池システムによると、制御装置が、スイープガスを水タンクの上流側又は水タンク内で冷却して水蒸気を凝縮する冷却機構を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、冷却機能を抑えてスイープガスに含まれる水蒸気の凝縮量を低減する。これにより水タンクへ投入される凝縮水量を少なくできる。   According to the fuel cell system of the sixth aspect, the control device controls the cooling mechanism for condensing water vapor by cooling the sweep gas in the upstream side of the water tank or in the water tank. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit value, the cooling function is suppressed to reduce the amount of condensation of water vapor contained in the sweep gas. Thereby, the amount of condensed water thrown into the water tank can be reduced.

請求項7の燃料電池システムは、請求項1又は2に記載の燃料電池システムにおいて、前記スイープガスは原料ガスとされ、前記水タンクの上流側で前記原料ガスから再スイープガスへ前記水蒸気の一部を移動させる再分離膜と、前記水蒸気の一部が前記再スイープガスへ移動した前記原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給経路と、を備えている。   The fuel cell system according to claim 7 is the fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the sweep gas is a raw material gas, and one of the water vapor is changed from the raw material gas to the re-sweep gas upstream of the water tank. A re-separation membrane for moving the part, and a raw material gas supply path for supplying the raw material gas in which a part of the water vapor has moved to the re-sweep gas to the reforming part.

請求項7の燃料電池システムによると、燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスとしての原料ガスへ移動した水蒸気の一部が、再分離膜によって再スイープガスへ移動する。これにより、改質反応に必要な水蒸気を残し、過剰な水蒸気を原料ガスから除去することができる。   According to the fuel cell system of the seventh aspect, a part of the water vapor that has moved from the off gas discharged from the fuel cell to the raw material gas as the sweep gas moves to the re-sweep gas by the re-separation membrane. Thereby, water vapor | steam required for a reforming reaction remains, and excess water vapor | steam can be removed from raw material gas.

請求項8の燃料電池システムは、請求項7に記載の燃料電池システムにおいて、前記再分離膜へ供給される前記再スイープガスの流量を調整する再スイープガス流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記再スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。   The fuel cell system according to claim 8 is the fuel cell system according to claim 7, further comprising a re-sweep gas flow rate adjusting mechanism for adjusting a flow rate of the re-sweep gas supplied to the re-separation membrane, and the control device includes: The re-sweep gas flow rate adjusting mechanism is controlled to adjust the amount of water vapor introduced into the water tank.

請求項8の燃料電池システムによると、制御装置が、分離膜へ供給される再スイープガスの流量を調整する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、分離膜へ供給される再スイープガスの流量を少なくする。これにより原料ガスから再スイープガスへ移動する水蒸気量が少なくなり、水タンクへ投入される水蒸気量が少なくなる。このように、再スイープガスの流量を調整するだけで水タンクへ投入される水蒸気量を簡単に調整できる。   According to the fuel cell system of the eighth aspect, the control device adjusts the flow rate of the re-sweep gas supplied to the separation membrane. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit, the flow rate of the re-sweep gas supplied to the separation membrane is reduced. As a result, the amount of water vapor transferred from the source gas to the re-sweep gas is reduced, and the amount of water vapor introduced into the water tank is reduced. In this way, the amount of water vapor introduced into the water tank can be easily adjusted simply by adjusting the flow rate of the re-sweep gas.

請求項9の燃料電池システムは、請求項7又は8に記載の燃料電池システムにおいて、前記再スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。   A fuel cell system according to claim 9 is the fuel cell system according to claim 7 or 8, further comprising a bypass valve for discharging the re-sweep gas without passing through the water tank, A bypass valve is controlled to adjust the amount of water vapor introduced into the water tank.

請求項9の燃料電池システムによると、制御装置が、水タンクを経由せずに再スイープガスを排出するためのバイパス弁を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、バイパス弁を開放して水蒸気を含んだ再スイープガスをシステム外へ排出する。これにより水タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。このように、バイパス弁を設ける簡易な構造で水タンクへ投入される水蒸気量を調整できる。   According to the fuel cell system of the ninth aspect, the control device controls the bypass valve for discharging the re-sweep gas without going through the water tank. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit, the bypass valve is opened and the re-sweep gas containing water vapor is discharged out of the system. This reduces the amount of water vapor charged into the water tank. In this way, the amount of water vapor introduced into the water tank can be adjusted with a simple structure provided with a bypass valve.

請求項10の燃料電池システムは、請求項7〜請求項9の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記再スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する。   The fuel cell system according to claim 10 is the fuel cell system according to any one of claims 7 to 9, wherein the re-sweep gas is cooled in an upstream side of the water tank or in the water tank. A cooling mechanism for condensing water vapor is provided, and the control device controls the cooling mechanism to adjust the amount of condensed water charged into the water tank.

請求項10の燃料電池システムによると、制御装置が、再スイープガスを水タンクの上流側又は水タンク内で冷却して水蒸気を凝縮する冷却機構を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、冷却機能を抑えて再スイープガスに含まれる水蒸気の凝縮量を低減する。これにより水タンクへ投入される凝縮水量を少なくできる。   According to the fuel cell system of the tenth aspect, the control device controls the cooling mechanism for condensing the water vapor by cooling the re-sweep gas in the upstream side of the water tank or in the water tank. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit value, the cooling function is suppressed to reduce the amount of condensation of water vapor contained in the re-sweep gas. Thereby, the amount of condensed water thrown into the water tank can be reduced.

請求項11の燃料電池システムは、請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水タンクには水位センサが設けられており、前記制御装置は、前記水位センサからの情報に基づいて、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する。   The fuel cell system according to claim 11 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein a water level sensor is provided in the water tank, and the control device includes the water level sensor. Based on the information from the above, the amount of water in the water tank is maintained within a predetermined range.

請求項11の燃料電池システムによると、水タンクに水位センサが設けられているため、水タンクの水位を正確に測定できる。この水集約タンク内の水量を所定範囲に維持し易い。   According to the fuel cell system of the eleventh aspect, since the water level sensor is provided in the water tank, the water level of the water tank can be accurately measured. It is easy to maintain the amount of water in the water collecting tank within a predetermined range.

請求項12の燃料電池システムは、請求項1〜請求項11の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記原料ガスの投入量を調整する原料ガス流量調整機構を備え、前記制御装置は、前記原料ガス流量調整機構を制御して発電量を調整する。   A fuel cell system according to a twelfth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to eleventh aspects, further comprising a raw material gas flow rate adjusting mechanism for adjusting an input amount of the raw material gas, and the control device includes: The power generation amount is adjusted by controlling the raw material gas flow rate adjusting mechanism.

請求項12の燃料電池システムによると、制御装置が、原料ガス流量調整機構を制御して、原料ガスの投入量を制御できる。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、原料ガスの投入量を減らして、発電量を減らす。これにより発電反応に伴う水蒸気の発生を抑制し、水タンクへ投入される水蒸気量を少なくする。   According to the fuel cell system of the twelfth aspect, the control device can control the raw material gas flow rate adjusting mechanism to control the input amount of the raw material gas. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit value, the input amount of the raw material gas is reduced to reduce the power generation amount. As a result, the generation of water vapor accompanying the power generation reaction is suppressed, and the amount of water vapor introduced into the water tank is reduced.

請求項13の燃料電池システムは、請求項1〜請求項12の何れか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記オフガスに含まれる未反応の燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう後段燃料電池を備え、前記制御装置は、前記燃料電池及び前記後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する。   A fuel cell system according to a thirteenth aspect is the fuel cell system according to any one of the first to twelfth aspects, wherein power is generated by reacting an unreacted fuel gas and an oxidizing gas contained in the off gas. A rear fuel cell is provided, and the control device controls the power generation amount of at least one of the fuel cell and the rear fuel cell to adjust the amount of water vapor introduced into the water tank.

請求項13の燃料電池システムによると、制御装置が、燃料電池及び後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御する。例えば水タンク内の水量が所定の上限値に至った場合は、燃料電池における発電量を減らし、オフガス及びオフガスに含まれる水蒸気の発生量を低減する。また、後段燃料電池における発電量を増やし、燃料電池システム全体の発電量の低減を抑制する。これにより水タンクへ投入される水蒸気量を少なくできる。   According to the fuel cell system of the thirteenth aspect, the control device controls the power generation amount of at least one of the fuel cell and the rear fuel cell. For example, when the amount of water in the water tank reaches a predetermined upper limit value, the power generation amount in the fuel cell is reduced, and the generation amount of off-gas and water vapor contained in the off-gas is reduced. In addition, the power generation amount in the rear fuel cell is increased, and the reduction in the power generation amount of the entire fuel cell system is suppressed. Thereby, the amount of water vapor introduced into the water tank can be reduced.

請求項14の燃料電池システムは、請求項13の燃料電池システムにおいて、前記後段燃料電池は前記水タンクの下流側に配置されている。   A fuel cell system according to a fourteenth aspect is the fuel cell system according to the thirteenth aspect, wherein the rear-stage fuel cell is disposed on the downstream side of the water tank.

請求項14の燃料電池システムによると、制御装置は、燃料電池における発電量を減らすと同時に後段燃料電池の発電量を増やすことで、システム全体の発電量を維持できる。   According to the fuel cell system of the fourteenth aspect, the control device can maintain the power generation amount of the entire system by reducing the power generation amount in the fuel cell and simultaneously increasing the power generation amount of the subsequent fuel cell.

本発明に係る燃料電池システムによると、ドレン水の生成量を制御できる。   According to the fuel cell system of the present invention, the amount of drain water generated can be controlled.

本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating an example of an overall configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the whole structure of the fuel cell system which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the whole structure of the fuel cell system which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムの全体構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the whole structure of the fuel cell system which concerns on 4th Embodiment of this invention.

[第1実施形態]
<燃料電池システム>
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム10は、気化器12、改質器14、燃焼器16、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24、燃料再生器26、水タンク32、34、分流弁42A、42B、44A、44B、冷却機構52、54、ポンプ62、64、流量調整機構66、67及び制御装置68を備えている。
[First Embodiment]
<Fuel cell system>
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention includes a vaporizer 12, a reformer 14, a combustor 16, a first fuel cell stack 22, and a second fuel cell stack 24. , A fuel regenerator 26, water tanks 32 and 34, flow dividing valves 42A, 42B, 44A and 44B, cooling mechanisms 52 and 54, pumps 62 and 64, flow rate adjusting mechanisms 66 and 67, and a control device 68.

(気化器)
気化器12には、原料ガスが流れる管である原料ガス管P1の一端が接続されている。原料ガス管P1の途中箇所には、気化器12へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構67が設けられている。流量調整機構67としては、一例として流量調整弁が用いられる。
(Vaporizer)
The vaporizer 12 is connected to one end of a source gas pipe P1, which is a pipe through which source gas flows. A flow rate adjusting mechanism 67 that adjusts the flow rate of the raw material gas supplied to the vaporizer 12 is provided in the middle of the raw material gas pipe P1. As the flow rate adjustment mechanism 67, a flow rate adjustment valve is used as an example.

また、気化器12には、水が流れる管である水供給管P2の一端が接続されており、水供給管P2の他端側は、2つの流路P2A、P2Bに分岐して、それぞれ水タンク32、34に接続されている。水タンク32、34には、水が貯留されている。   In addition, one end of a water supply pipe P2, which is a pipe through which water flows, is connected to the vaporizer 12, and the other end side of the water supply pipe P2 branches into two flow paths P2A and P2B, respectively. The tanks 32 and 34 are connected. Water is stored in the water tanks 32 and 34.

ポンプ62、64は、水供給管P2を介して水タンク32、34から水を汲み上げる。そして、ポンプ62、64は、汲み上げた水を水供給管P2を介して気化器12に送出することで、気化器12に水を供給する。   The pumps 62 and 64 pump water from the water tanks 32 and 34 through the water supply pipe P2. The pumps 62 and 64 supply the water to the vaporizer 12 by sending the pumped water to the vaporizer 12 through the water supply pipe P2.

気化器12は、水供給管P2から供給された水を気化させる。気化には、燃焼器16等の熱が用いられる。   The vaporizer 12 vaporizes the water supplied from the water supply pipe P2. For the vaporization, heat from the combustor 16 or the like is used.

気化器12は、配管P3を介して原料ガス及び水蒸気を改質器14に送出することで、改質器14に原料ガス及び水蒸気を供給する。   The vaporizer 12 supplies the raw material gas and water vapor to the reformer 14 by sending the raw material gas and water vapor to the reformer 14 through the pipe P3.

(改質器)
改質器14は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。改質器14には、配管P3の一端が接続されている。これにより原料ガス及び水蒸気が配管P3を通じて改質器14に供給される。
(Reformer)
The reformer 14 generates a reformed gas by steam reforming the raw material gas. One end of a pipe P3 is connected to the reformer 14. As a result, the raw material gas and the water vapor are supplied to the reformer 14 through the pipe P3.

改質器14において原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、以下の(1)式の反応により一酸化炭素及び水素が生成される。
CH+HO→CO+3H ・・・(1)
When methane, which is an example of a raw material gas, is steam reformed in the reformer 14, carbon monoxide and hydrogen are generated by the reaction of the following formula (1).
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)

さらに、一酸化炭素をシフト改質させた場合、以下の(2)式の反応により水素及び二酸化炭素が生成される。
CO+HO→H+CO ・・・(2)
Furthermore, when carbon monoxide is shift-reformed, hydrogen and carbon dioxide are generated by the reaction of the following formula (2).
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (2)

なお、本実施形態では、原料ガスの一例としてメタンが採用されているが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、LPガス(液化石油ガス)、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、又はブタン等の炭素数4以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは、天然ガス、都市ガス、又はLPガス、バイオガス等のガスであってもよい。さらに、原料ガスは、これらの混合ガスであってもよい。   In the present embodiment, methane is adopted as an example of the raw material gas. However, the gas is not particularly limited as long as it can be reformed, and a hydrocarbon fuel can be used. Examples of the hydrocarbon fuel include natural gas, LP gas (liquefied petroleum gas), coal reformed gas, lower hydrocarbon gas, and the like. Examples of the lower hydrocarbon gas include lower hydrocarbons having 4 or less carbon atoms such as methane, ethane, ethylene, propane, and butane, and methane used in the present embodiment is preferable. The hydrocarbon fuel may be a mixture of the above-described lower hydrocarbon gas, and the above-mentioned lower hydrocarbon gas is a gas such as natural gas, city gas, LP gas, biogas, etc. Also good. Further, the raw material gas may be a mixed gas thereof.

改質器14には、改質ガス供給管P4の一端が接続されている。改質ガス供給管P4の他端は、第1燃料電池セルスタック22におけるアノード(不図示)に接続されている。これにより、改質器14にて生成された改質ガスが、改質ガス供給管P4を通じて第1燃料電池セルスタック22に供給される。改質ガスには、未反応のメタン、改質器14で生成された二酸化炭素、水素、未反応の一酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。   One end of a reformed gas supply pipe P4 is connected to the reformer 14. The other end of the reformed gas supply pipe P4 is connected to an anode (not shown) in the first fuel cell stack 22. As a result, the reformed gas generated in the reformer 14 is supplied to the first fuel cell stack 22 through the reformed gas supply pipe P4. The reformed gas contains unreacted methane, carbon dioxide generated by the reformer 14, hydrogen, unreacted carbon monoxide, water vapor, and the like.

(燃料電池セルスタック)
第1燃料電池セルスタック22は例えば固体酸化物系の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セル(不図示)を有している。個々の燃料電池セルは、電解質層と、電解質層の表裏面にそれぞれ積層されたカソード及びアノードと、を有する。なお、第1燃料電池セルスタック22は溶解炭酸塩型の燃料電池セルスタックとしてもよい。
(Fuel battery cell stack)
The first fuel cell stack 22 is a solid oxide fuel cell stack, for example, and has a plurality of stacked fuel cells (not shown). Each fuel cell has an electrolyte layer, and a cathode and an anode laminated on the front and back surfaces of the electrolyte layer, respectively. The first fuel cell stack 22 may be a dissolved carbonate type fuel cell stack.

第1燃料電池セルスタック22のカソードには、酸化ガスが流れる管である酸化ガス管P5の一端が接続されている。カソードには、酸化ガス管P5を介して酸化ガス(例えば空気)が供給される。カソードでは、以下の(3)式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通ってアノードに到達する。   One end of an oxidizing gas pipe P5, which is a pipe through which oxidizing gas flows, is connected to the cathode of the first fuel cell stack 22. An oxidizing gas (for example, air) is supplied to the cathode via the oxidizing gas pipe P5. At the cathode, as shown in the following formula (3), oxygen in the oxidizing gas reacts with electrons to generate oxygen ions. The generated oxygen ions reach the anode through the electrolyte layer.

1/2O+2e→O2− ・・・(3) 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (3)

一方、アノードでは、以下の(4)式及び(5)式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の燃料ガスである水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)、二酸化炭素及び電子が生成される。アノードで生成された電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。なお、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。   On the other hand, in the anode, as shown in the following formulas (4) and (5), oxygen ions that have passed through the electrolyte layer react with hydrogen and carbon monoxide, which are fuel gases in the reformed gas, and water ( Steam), carbon dioxide and electrons are produced. Electrons generated at the anode move from the anode to the cathode through an external circuit, thereby generating power in each fuel cell. Each fuel cell generates heat during power generation.

+O2−→HO+2e ・・・(4) H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (4)

CO+O2−→CO+2e ・・・(5) CO + O 2− → CO 2 + 2e (5)

第1燃料電池セルスタック22のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管P6の一端が接続されており、アノードオフガス管P6にはアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれている。   One end of an anode offgas pipe P6 that is a pipe through which anode offgas flows is connected to the anode of the first fuel cell stack 22, and the anode offgas is discharged to the anode offgas pipe P6. The anode off gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like.

第1燃料電池セルスタック22のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管P7の一端が接続されており、カソードオフガス管P7にはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれている。   One end of a cathode offgas pipe P7 that is a pipe through which the cathode offgas flows is connected to the cathode of the first fuel cell stack 22, and the cathode offgas is discharged to the cathode offgas pipe P7. The cathode off gas contains unreacted oxidizing gas and the like.

アノードオフガス管P6の他端は、燃料再生器26の流入部26Aに接続され、カソードオフガス管P7の他端は、第2燃料電池セルスタック24のカソード(不図示)に接続されている。   The other end of the anode off gas pipe P6 is connected to the inflow portion 26A of the fuel regenerator 26, and the other end of the cathode off gas pipe P7 is connected to the cathode (not shown) of the second fuel cell stack 24.

第2燃料電池セルスタック24の構成は第1燃料電池セルスタック22と同様であり詳細の説明は省略するが、上述したように、第2燃料電池セルスタック24のカソードには、カソードオフガス管P7の一端が接続されている。また、第2燃料電池セルスタック24のアノードには、後述する再生ガス管P8の一端が接続されている。   The configuration of the second fuel cell stack 24 is the same as that of the first fuel cell stack 22 and will not be described in detail. However, as described above, the cathode of the second fuel cell stack 24 is connected to the cathode offgas pipe P7. Are connected at one end. Further, one end of a regeneration gas pipe P8 described later is connected to the anode of the second fuel cell stack 24.

さらに、第2燃料電池セルスタック24のカソードには、カソードオフガスが流れる管であるカソードオフガス管P11の一端が接続されており、カソードオフガス管P11には、カソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、未反応の酸化ガスなどが含まれており、カソードオフガスは、カソードオフガス管P11を介して燃焼器16へ供給される。   Furthermore, one end of a cathode offgas pipe P11 that is a pipe through which the cathode offgas flows is connected to the cathode of the second fuel cell stack 24, and the cathode offgas is discharged to the cathode offgas pipe P11. The cathode off gas contains unreacted oxidizing gas and the like, and the cathode off gas is supplied to the combustor 16 via the cathode off gas pipe P11.

第2燃料電池セルスタック24のアノードには、アノードオフガスが流れる管であるアノードオフガス管P13の一端が接続されており、アノードオフガス管P13には、アノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素、及び水蒸気等が含まれており、アノードオフガスはアノードオフガス管P13を介して燃焼器16へ供給される。   One end of an anode offgas pipe P13 that is a pipe through which the anode offgas flows is connected to the anode of the second fuel cell stack 24, and the anode offgas is discharged to the anode offgas pipe P13. The anode off gas contains unreacted hydrogen, unreacted carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor, and the like, and the anode off gas is supplied to the combustor 16 through the anode off gas pipe P13.

(燃料再生器)
燃料再生器26は、流入部26Aと透過部26Bとを備えており、流入部26A及び透過部26Bは、分離膜26Cにより区画されている。
(Fuel regenerator)
The fuel regenerator 26 includes an inflow portion 26A and a permeation portion 26B, and the inflow portion 26A and the permeation portion 26B are partitioned by a separation membrane 26C.

第1燃料電池セルスタック22のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス管P6を介して流入部26Aに流入する。   The anode off gas discharged from the anode of the first fuel cell stack 22 flows into the inflow portion 26A via the anode off gas pipe P6.

透過部26Bには、酸化ガス管P5から分岐した酸化ガス管P9から供給された空気が、スイープガスとして流入する。これにより、透過部26Bにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部26Aから分離膜26Cを透過して水蒸気が透過部26Bへ移動し易くなる。透過部26Bには配管P10の一端が接続されている。スイープガスは、分離膜26Cを透過した水蒸気と共に、透過部排出ガスとして透過部26Bから配管P10へ送出される。   The air supplied from the oxidizing gas pipe P9 branched from the oxidizing gas pipe P5 flows into the permeation portion 26B as a sweep gas. Thereby, the partial pressure of the water vapor in the permeation part 26B is lowered, and the water vapor easily passes through the separation membrane 26C from the inflow part 26A and moves to the permeation part 26B. One end of a pipe P10 is connected to the transmission part 26B. The sweep gas is sent from the permeation section 26B to the pipe P10 as permeation section exhaust gas together with the water vapor that has passed through the separation membrane 26C.

酸化ガス管P9の途中箇所には、燃料再生器26へ供給する空気の流量を調整する流量調整機構66が設けられている。流量調整機構66は、例えば流量調整弁を用いて構成される。   A flow rate adjusting mechanism 66 that adjusts the flow rate of air supplied to the fuel regenerator 26 is provided in the middle of the oxidizing gas pipe P9. The flow rate adjusting mechanism 66 is configured using, for example, a flow rate adjusting valve.

流入部26Aにおいて水蒸気等が除去されたガスは、再生ガスとして再生ガス管P8を介して第2燃料電池セルスタック24のアノードへ流入する。   The gas from which water vapor or the like has been removed in the inflow portion 26A flows into the anode of the second fuel cell stack 24 as a regeneration gas via the regeneration gas pipe P8.

(燃焼器)
燃焼器16は、第2燃料電池セルスタック24のカソード及びアノードから供給された使用済みのガスを焼却に供する。燃焼器16には、排気管P12の一端が接続されており、燃焼後の排出ガスは、排気管P12へ送出される。排気管P12の途中箇所は気化器12に配置されており、気化器12では、排気管P12の熱により水が気化される。
(Combustor)
The combustor 16 uses the used gas supplied from the cathode and anode of the second fuel cell stack 24 for incineration. One end of an exhaust pipe P12 is connected to the combustor 16, and exhaust gas after combustion is sent to the exhaust pipe P12. A midway portion of the exhaust pipe P12 is disposed in the vaporizer 12, and in the vaporizer 12, water is vaporized by the heat of the exhaust pipe P12.

(水タンク)
水タンク32には、燃料再生器26の透過部26Bから送出された透過部排出ガス(スイープガス)が、配管P10を介して流入する。一端が透過部26Bに接続された配管P10の他端側は、2つの流路P10A、P10Bに分岐している。流路P10Aには、分流弁42A及び冷却機構52が設けられており、流路P10Aの端部は水タンク32へ挿入されている。冷却機構52は分流弁42Aより下流側に設けられている。また、流路P10Bには、分流弁42Bが設けられており、流路P10Bの端部は、外気に開放されている。さらに、流路P10Bには、一端が水タンク32に挿入された流路P10Cの他端が接続されている。なお、分流弁42A、42Bは、本発明におけるバイパス弁の一例である。
(water tank)
The permeate portion exhaust gas (sweep gas) sent from the permeate portion 26B of the fuel regenerator 26 flows into the water tank 32 via the pipe P10. The other end side of the pipe P10 having one end connected to the transmission part 26B is branched into two flow paths P10A and P10B. A flow dividing valve 42A and a cooling mechanism 52 are provided in the flow path P10A, and an end of the flow path P10A is inserted into the water tank 32. The cooling mechanism 52 is provided downstream of the flow dividing valve 42A. The flow path P10B is provided with a flow dividing valve 42B, and the end of the flow path P10B is open to the outside air. Furthermore, the other end of the flow path P10C having one end inserted into the water tank 32 is connected to the flow path P10B. The diversion valves 42A and 42B are examples of bypass valves in the present invention.

水タンク32の内部には水位センサ32Sが設けられている。水位センサ32Sは、水タンク32内の水量を所定の上限値及び下限値の範囲内に維持するために、水タンク32内の水位を検出できる。水タンク32において、水位の下限位置より下方には水供給管P2における流路P2Aの端部が接続されている。水供給管P2は、ポンプ62が駆動することにより、水タンク32内の水を気化器12へ送出する。なお、流路P10A、P10Cの下端部は、水位センサ32Sの水位上限より上方に配置される。   Inside the water tank 32, a water level sensor 32S is provided. The water level sensor 32S can detect the water level in the water tank 32 in order to maintain the amount of water in the water tank 32 within the range of the predetermined upper limit value and lower limit value. In the water tank 32, an end portion of the flow path P2A in the water supply pipe P2 is connected below the lower limit position of the water level. The water supply pipe P2 sends the water in the water tank 32 to the vaporizer 12 when the pump 62 is driven. The lower ends of the flow paths P10A and P10C are disposed above the upper limit of the water level of the water level sensor 32S.

水位センサ32Sにおける所定の下限値は、例えば燃料電池システム10の起動時に必要な改質水量や、発電量を大きくする際に必要な改質水量によって適宜定められる。   The predetermined lower limit value in the water level sensor 32S is appropriately determined depending on, for example, the amount of reforming water required when starting up the fuel cell system 10 and the amount of reforming water required when increasing the power generation amount.

同様に、水タンク34には、燃焼器16から送出された排出ガスが、排気管P12を介して流入する。一端が燃焼器16に接続された排気管P12の他端側は、2つの流路P12A、P12Bに分岐している。流路P12Aには、分流弁44A及び冷却機構54が設けられており、流路P12Aの端部は水タンク34へ挿入されている。冷却機構54は分流弁44Aより下流側に設けられている。また、流路P12Bには、分流弁44Bが設けられており、流路P12Bの端部は外気に開放されている。さらに、流路P12Bには、一端が水タンク34に挿入された流路P12Cの他端が接続されている。   Similarly, the exhaust gas sent from the combustor 16 flows into the water tank 34 through the exhaust pipe P12. The other end of the exhaust pipe P12 whose one end is connected to the combustor 16 is branched into two flow paths P12A and P12B. The flow path P12A is provided with a flow dividing valve 44A and a cooling mechanism 54, and an end of the flow path P12A is inserted into the water tank 34. The cooling mechanism 54 is provided downstream of the flow dividing valve 44A. The flow path P12B is provided with a diversion valve 44B, and the end of the flow path P12B is open to the outside air. Furthermore, the other end of the flow path P12C having one end inserted into the water tank 34 is connected to the flow path P12B.

水タンク34の内部には水位センサ34Sが設けられている。水位センサ34Sは、水タンク34内の水量を所定の上限値及び下限値の範囲内に維持するために、水タンク34内の水位を検出できる。水タンク34において、水位下限より下方には水供給管P2における流路P2Bの端部が接続されている。水供給管P2は、ポンプ64が駆動することにより、水タンク34内の水を気化器12へ送出する。   Inside the water tank 34, a water level sensor 34S is provided. The water level sensor 34S can detect the water level in the water tank 34 in order to maintain the amount of water in the water tank 34 within the range of the predetermined upper limit value and lower limit value. In the water tank 34, the end of the flow path P2B in the water supply pipe P2 is connected below the lower limit of the water level. The water supply pipe P2 sends the water in the water tank 34 to the vaporizer 12 when the pump 64 is driven.

(冷却機構)
冷却機構52は、配管P10における流路P10Aを流れる透過部排出ガス(スイープガス)を冷却する装置であり、一例として熱交換器とされている。水タンク32には、冷却機構52の駆動時の冷却動作によって凝縮されて得られた水が排出され溜められる。冷却機構52は、例えば酸化ガス管P5を流れる酸化ガスと流路P10Aを流れる透過部排出ガスとを熱交換させて、透過部排出ガスを冷却する。
(Cooling mechanism)
The cooling mechanism 52 is a device that cools the permeate exhaust gas (sweep gas) flowing through the flow path P10A in the pipe P10, and is a heat exchanger as an example. In the water tank 32, water obtained by condensation by the cooling operation when the cooling mechanism 52 is driven is discharged and stored. For example, the cooling mechanism 52 heat-exchanges the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas pipe P5 and the permeated portion exhaust gas flowing through the flow path P10A to cool the permeated portion exhaust gas.

同様に冷却機構54は、排気管P12における流路P12Aを流れる排出ガスを冷却する熱交換器である。水タンク34には、冷却機構54の駆動時の冷却動作によって凝縮されて得られた水が排出され溜められる。冷却機構54は、例えば原料ガス管P1を流れる原料ガスと流路P12Aを流れる排出ガスとを熱交換させて、排出ガスを冷却する。   Similarly, the cooling mechanism 54 is a heat exchanger that cools the exhaust gas flowing through the flow path P12A in the exhaust pipe P12. In the water tank 34, the water obtained by condensation by the cooling operation when the cooling mechanism 54 is driven is discharged and stored. The cooling mechanism 54 cools the exhaust gas, for example, by exchanging heat between the source gas flowing through the source gas pipe P1 and the exhaust gas flowing through the flow path P12A.

(制御装置)
制御装置68は、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24、水位センサ32S、34S、分流弁42A、42B、44A、44B、冷却機構52、54、ポンプ62、64、流量調整機構66、67と電気的に接続されている。なお、制御装置68と第1燃料電池セルスタック22とは、電流などを制御するパワーコンディショナーを介して接続されている。制御装置68と第2燃料電池セルスタック24についても同様である。
(Control device)
The control device 68 includes a first fuel cell stack 22, a second fuel cell stack 24, water level sensors 32S and 34S, flow dividing valves 42A, 42B, 44A and 44B, cooling mechanisms 52 and 54, pumps 62 and 64, and flow rate adjustment. It is electrically connected to the mechanisms 66 and 67. The control device 68 and the first fuel cell stack 22 are connected via a power conditioner that controls current and the like. The same applies to the control device 68 and the second fuel cell stack 24.

制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて流量調整機構66を制御して、燃料再生器26の透過部26Bへ供給されるスイープガス量を調整することができる。   The control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 66 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S, and adjusts the amount of sweep gas supplied to the permeation part 26B of the fuel regenerator 26. be able to.

また、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、冷却機構52、54の駆動状態を調整することができる。   The control device 68 can adjust the driving state of the cooling mechanisms 52 and 54 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S.

また、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、分流弁42A、42B、44A、44Bの開閉状態を調整することができる。   Further, the control device 68 can adjust the open / close state of the diversion valves 42A, 42B, 44A, 44B based on the water level information of the water tanks 32, 34 received from the water level sensors 32S, 34S.

また、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、ポンプ62、64の駆動状態を調整することができる。   Moreover, the control apparatus 68 can adjust the drive state of the pumps 62 and 64 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S.

また、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24における発電量を調整することができる。   Further, the control device 68 can adjust the power generation amount in the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S. .

また、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて流量調整機構67を制御して、気化器12への原料ガスの投入量を調整することができる。   Further, the control device 68 can control the flow rate adjusting mechanism 67 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S to adjust the input amount of the raw material gas to the vaporizer 12. .

<作用・効果>
第1実施形態に係る燃料電池システム10では、水供給管P2から供給された水が、改質器14の改質反応によって消費される[(1)式及び(2)式]。また、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24の発電によって水が生成される[(4)式]。電流値が高い場合、改質器14において消費される水量と比較して、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24で生成される水量のほうが多い。このため、改質反応及び発電反応を通して、システム内の水は増加する。
<Action and effect>
In the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the water supplied from the water supply pipe P2 is consumed by the reforming reaction of the reformer 14 [formulas (1) and (2)]. Further, water is generated by the power generation of the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 [Equation (4)]. When the current value is high, the amount of water generated in the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 is larger than the amount of water consumed in the reformer 14. For this reason, the water in the system increases through the reforming reaction and the power generation reaction.

発電反応によって生成された水は、システム内を循環する。その一部は分離膜26Cを介して水タンク32へ蓄えられて水供給管P2へ供給される。その他は水タンク34へ蓄えられて水供給管P2へ供給される。水供給管P2へ供給された水は、再度改質反応によって消費される。   Water generated by the power generation reaction circulates in the system. A part of the water is stored in the water tank 32 via the separation membrane 26C and supplied to the water supply pipe P2. Others are stored in the water tank 34 and supplied to the water supply pipe P2. The water supplied to the water supply pipe P2 is consumed again by the reforming reaction.

システム内の水(液相)を減らすためには、排気管P12又は配管P10から、水をシステム外へ水蒸気として排出する。燃料電池システム10においては、制御装置68が水の排出量と発電量とを制御して、システム内の水量を調整する。システム内の水量は、水タンク32、34の水量によって判断する。   In order to reduce water (liquid phase) in the system, water is discharged out of the system as water vapor from the exhaust pipe P12 or the pipe P10. In the fuel cell system 10, the control device 68 controls the water discharge amount and the power generation amount to adjust the water amount in the system. The amount of water in the system is determined by the amount of water in the water tanks 32 and 34.

システム内の水(液相)をシステム外に排出することなく減らすためには、排気管P12又は配管P10からシステム外へ、水を「水蒸気として」排出する。燃料電池システム10においては、制御装置68が、第1燃料電池セルスタック22、第2燃料電池セルスタック24、分流弁42A、42B、44A、44B、冷却機構52、54、ポンプ62、流量調整機構66、67を適宜組合わせて制御することにより、システム外への水蒸気の排出量を調整する。これにより、システム内の水(液相)をシステム外に排出することなく減らすことができる。システム内の水量は、水タンク32、34の水量によって判断する。   In order to reduce the water (liquid phase) in the system without discharging it outside the system, the water is discharged as “steam” from the exhaust pipe P12 or the pipe P10 to the outside of the system. In the fuel cell system 10, the control device 68 includes the first fuel cell stack 22, the second fuel cell stack 24, the diversion valves 42A, 42B, 44A, 44B, the cooling mechanisms 52, 54, the pump 62, and the flow rate adjusting mechanism. The amount of water vapor discharged outside the system is adjusted by appropriately controlling 66 and 67 in combination. Thereby, the water (liquid phase) in the system can be reduced without being discharged out of the system. The amount of water in the system is determined by the amount of water in the water tanks 32 and 34.

具体的には、水タンク32、34の水量が少ない場合(水位が水位センサ32S、34Sの下限値に至った場合)、システム内には水が不足していると判断し、発電量を多くして水タンク32、34内の凝縮水量を増やす。又は、冷却機構52、54の冷却強度を強めて、水タンク32、34へ投入される凝縮水量を増やす。これにより、例えばシステムの起動時に必要な改質水を確保できる。   Specifically, when the amount of water in the water tanks 32 and 34 is small (when the water level reaches the lower limit value of the water level sensors 32S and 34S), it is determined that there is insufficient water in the system, and the power generation amount is increased. Thus, the amount of condensed water in the water tanks 32 and 34 is increased. Or the cooling intensity | strength of the cooling mechanisms 52 and 54 is strengthened, and the amount of condensed water thrown into the water tanks 32 and 34 is increased. Thereby, for example, the reforming water required at the time of starting the system can be secured.

なお、冷却機構52は、例えば酸化ガス管P5を流れる酸化ガスと流路P10Aを流れる透過部排出ガスとを熱交換させて、透過部排出ガスを冷却する。冷却機構52の冷却強度を制御するためには、流路P10Aに図示しないバイパス経路及び制御弁を設けて、酸化ガス管P5を流れる酸化ガスと「熱交換させる」透過部排出ガス量と、「熱交換させない」透過部排出ガス量とを調整する。あるいは、酸化ガス管P5にバイパス経路を設け、透過部排出ガスと熱交換させる酸化ガス量を調整してもよい。   The cooling mechanism 52 cools the permeated portion exhaust gas by exchanging heat between, for example, the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas pipe P5 and the permeated portion exhaust gas flowing through the flow path P10A. In order to control the cooling strength of the cooling mechanism 52, a bypass path and a control valve (not shown) are provided in the flow path P10A, and the amount of permeable portion exhaust gas to be “heat exchanged” with the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas pipe P5; Adjust the amount of exhaust gas in the permeation section that does not allow heat exchange. Alternatively, a bypass path may be provided in the oxidant gas pipe P5 to adjust the amount of oxidant gas that exchanges heat with the permeate exhaust gas.

冷却機構54においても、流路P12Aに図示しないバイパスを設ける。これにより、例えば原料ガス管P1を用いて冷却する場合は、原料ガスと「熱交換させる」排出ガス量と、「熱交換させない」排出ガス量とを調整する。   Also in the cooling mechanism 54, a bypass (not shown) is provided in the flow path P12A. Thus, for example, when cooling is performed using the raw material gas pipe P1, the amount of exhaust gas that is “heat exchanged” with the raw material gas and the amount of exhaust gas that is not “heat exchanged” are adjusted.

なお、冷却機構52、54としては、このようにシステム内の流体を利用する実施形態の他、冷却ファンや外部から引き込んだシステム外の冷却水を用いてもよい。冷却ファンや冷却水を用いる場合、バイパス経路を設ける必要はない。   In addition to the embodiment using the fluid in the system as described above, the cooling mechanisms 52 and 54 may use a cooling fan or cooling water outside the system drawn from the outside. When a cooling fan or cooling water is used, there is no need to provide a bypass path.

また、水タンク32、34の水量が多い場合(水位が水位センサ32S、34Sの上限値に至った場合)、システム内には水が余っていると判断し、排気管P12又は配管P10からの水蒸気の排出量を多くして水タンク32、34内の凝縮水量を減らす。これにより、水タンク32、34に凝縮水を排出するドレン管を用いなくても、システムから水を減らすことができる。   Further, when the amount of water in the water tanks 32 and 34 is large (when the water level reaches the upper limit value of the water level sensors 32S and 34S), it is determined that there is excess water in the system, and the exhaust pipe P12 or the pipe P10 The amount of condensed water in the water tanks 32 and 34 is reduced by increasing the amount of water vapor discharged. Thereby, even if it does not use the drain pipe which discharges condensed water to the water tanks 32 and 34, water can be reduced from a system.

以下の段落においては、水タンク32、34内の凝縮水量の調整方法について、制御装置68による制御対象毎に説明する。   In the following paragraphs, a method for adjusting the amount of condensed water in the water tanks 32 and 34 will be described for each control target by the control device 68.

まずは、発電量を多くして水タンク32、34内の凝縮水量を増やす方法の一例について説明する。   First, an example of a method for increasing the amount of power generation and increasing the amount of condensed water in the water tanks 32 and 34 will be described.

(原料ガス投入量の調整)
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて流量調整機構67を制御して、気化器12への原料ガスの投入量を調整することができる。例えば原料ガスの投入量を増やすことで、発電量を多くできる。
(Adjustment of raw material gas input)
The control device 68 can control the flow rate adjusting mechanism 67 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S, and can adjust the input amount of the raw material gas to the vaporizer 12. For example, the amount of power generation can be increased by increasing the input amount of the source gas.

制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の下限値に至ったという情報を水位センサ32Sから得た場合、流量調整機構67を制御して、気化器12に対する原料ガスの投入量を調整する。具体的には、原料ガスの投入量を増やし、原料ガスの増加分に応じて、適宜、改質水の投入量、第1燃料電池セルスタック22における発電量、第2燃料電池セルスタック24における発電量及び第1燃料電池セルスタック22に対する酸化ガス(空気)の投入量を増やす。これにより、第1燃料電池セルスタック22におけるアノードオフガス量及びアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を増やす。そして、水タンク32へ投入される水蒸気量を増やすことができる。これにより、水タンク32に蓄えられる水量を増やすことができる。   When the control device 68 obtains information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined lower limit value, the control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 67 to input the amount of raw material gas to the vaporizer 12. Adjust. Specifically, the input amount of the raw material gas is increased, and the input amount of the reforming water, the power generation amount in the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are appropriately selected according to the increase in the raw material gas. The amount of power generation and the amount of oxidant gas (air) input to the first fuel cell stack 22 are increased. Thereby, the amount of anode offgas in the first fuel cell stack 22 and the amount of water vapor contained in the anode offgas are increased. In addition, the amount of water vapor charged into the water tank 32 can be increased. Thereby, the amount of water stored in the water tank 32 can be increased.

同様に、制御装置68は、水タンク34の水位(水量)が所定の下限値に至ったという情報を水位センサ34Sから得た場合、流量調整機構67を制御して、気化器12に対する原料ガスの投入量を調整する。これにより、第2燃料電池セルスタック24におけるアノードオフガス量及びアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を増やす。そして、水タンク34へ投入される水蒸気量を増やすことができる。これにより、水タンク34に蓄えられる水量を増やすことができる。   Similarly, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 34S that the water level (water amount) of the water tank 34 has reached a predetermined lower limit value, the control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 67 to supply the raw material gas to the vaporizer 12. Adjust the input amount. As a result, the amount of anode offgas in the second fuel cell stack 24 and the amount of water vapor contained in the anode offgas are increased. In addition, the amount of water vapor charged into the water tank 34 can be increased. Thereby, the amount of water stored in the water tank 34 can be increased.

次に、排気管P12又は配管P10からの水蒸気の排出量を多くして水タンク32、34内の凝縮水量を減らす方法の例について説明する。   Next, an example of a method for reducing the amount of condensed water in the water tanks 32 and 34 by increasing the amount of water vapor discharged from the exhaust pipe P12 or the pipe P10 will be described.

(流量調整機構の制御)
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて流量調整機構66を制御して、燃料再生器26の透過部26Bへ供給されるスイープガス量を調整することができる。
(Control of flow adjustment mechanism)
The control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 66 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S, and adjusts the amount of sweep gas supplied to the permeation part 26B of the fuel regenerator 26. be able to.

例えば制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の「上限値」に至ったという情報を水位センサ32Sから受取った場合、流量調整機構66を制御して、燃料再生器26の透過部26Bへ供給されるスイープガス量を減らす。又はスイープガスの供給を停止する。これにより、流入部26Aのアノードオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が減少し、水タンク32へ投入される水蒸気量が減少する。このため、水タンク32の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。   For example, when the control device 68 receives information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined “upper limit value”, the control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 66 to transmit the fuel regenerator 26. The amount of sweep gas supplied to the section 26B is reduced. Alternatively, the supply of the sweep gas is stopped. As a result, the amount of water vapor transferred from the anode off gas to the sweep gas in the inflow portion 26A is reduced, and the amount of water vapor input to the water tank 32 is reduced. For this reason, the amount of condensed water condensed inside the water tank 32 can be reduced.

なお、制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の「下限値」に至ったという情報を水位センサ32Sから得た場合、流量調整機構66を制御して、燃料再生器26の透過部26Bへ供給されるスイープガス量を増やす。これにより、流入部26Aのアノードオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が増え、水タンク32へ投入される水蒸気量が増える。このため、水タンク32の内部で凝縮する凝縮水量を増やすことができる。   When the control device 68 obtains information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined “lower limit value”, the control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 66 to control the fuel regenerator 26. The amount of sweep gas supplied to the transmission part 26B is increased. As a result, the amount of water vapor that moves from the anode off gas to the sweep gas in the inflow portion 26A increases, and the amount of water vapor that enters the water tank 32 increases. For this reason, the amount of condensed water condensed inside the water tank 32 can be increased.

このように、水タンク32の内部で凝縮する凝縮水量は、制御装置68による流量調整機構66の制御によって、減らしたり増やしたりできる。これにより、水タンク32内の水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、水タンク32からの排水を制御することができる。   In this way, the amount of condensed water condensed inside the water tank 32 can be reduced or increased by the control of the flow rate adjusting mechanism 66 by the control device 68. Thereby, the amount of water in the water tank 32 can be maintained within a predetermined range. Therefore, drainage from the water tank 32 can be controlled.

また、制御装置68は、水タンク34の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ34Sから得た場合、流量調整機構66を制御して、燃料再生器26の透過部26Bへ供給されるスイープガス量を増やす。これにより、流入部26Aのアノードオフガスからスイープガスへ移動する水蒸気量が増え、水タンク34へ投入される水蒸気量が減少する。このため、水タンク34の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。   Further, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 34S that the water level (water amount) of the water tank 34 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 66 to control the permeation section of the fuel regenerator 26. Increase the amount of sweep gas supplied to 26B. As a result, the amount of water vapor that moves from the anode off gas to the sweep gas in the inflow portion 26A increases, and the amount of water vapor that enters the water tank 34 decreases. For this reason, the amount of condensed water condensed inside the water tank 34 can be reduced.

(冷却機構の制御)
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、冷却機構52、54の駆動状態を調整することができる。
(Control of cooling mechanism)
The control device 68 can adjust the driving state of the cooling mechanisms 52 and 54 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S.

例えば制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ32Sから受取った場合、冷却機構52を制御して冷却強度を弱める。又は駆動を停止する。これにより、配管P10における流路P10Aを流れる透過部排出ガス(スイープガス)に含まれる水蒸気が凝縮することが抑制される。このため、水タンク32に投入される凝縮水量を低減することができる。   For example, when receiving information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the cooling mechanism 52 to weaken the cooling intensity. Alternatively, the drive is stopped. Thereby, it is suppressed that the water vapor | steam contained in the permeation | transmission part exhaust gas (sweep gas) which flows through the flow path P10A in the piping P10 is condensed. For this reason, the amount of condensed water thrown into the water tank 32 can be reduced.

なお、水タンク32へ投入された未凝縮の水蒸気は、水タンク32の内部で凝縮する一部を除き、流路P10C、P10Bを介してシステム外へ排出される。このため、水タンク32に溜められる凝縮水量を低減することができる。   In addition, the non-condensed water vapor | steam thrown into the water tank 32 is discharged | emitted out of the system via flow paths P10C and P10B except for a part condensed inside the water tank 32. For this reason, the amount of condensed water stored in the water tank 32 can be reduced.

同様に、制御装置68は、水タンク34の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ34Sから受取った場合、冷却機構54を制御して冷却強度を弱める。又は駆動を停止する。これにより、排気管P12における流路P12Aを流れる排出ガスに含まれる水蒸気が凝縮することが抑制される。このため、水タンク34に投入される凝縮水量を低減することができる。   Similarly, when the control device 68 receives information from the water level sensor 34S that the water level (water amount) of the water tank 34 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the cooling mechanism 54 to weaken the cooling strength. Alternatively, the drive is stopped. Thereby, it is suppressed that the water vapor | steam contained in the exhaust gas which flows through the flow path P12A in the exhaust pipe P12 is condensed. For this reason, the amount of condensed water thrown into the water tank 34 can be reduced.

水タンク34へ投入された未凝縮の水蒸気は、水タンク34の内部で凝縮する一部を除き、流路P12C、P12Bを介してシステム外へ排出される。このため、水タンク34の内部に溜められる凝縮水量を低減することができる。   The non-condensed water vapor introduced into the water tank 34 is discharged out of the system via the flow paths P12C and P12B, except for a part that condenses inside the water tank 34. For this reason, the amount of condensed water stored inside the water tank 34 can be reduced.

(分流弁の制御)
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、分流弁42A、42B、44A、44Bの開閉状態を調整することができる。
(Control of shunt valve)
The control device 68 can adjust the open / close state of the diversion valves 42A, 42B, 44A, 44B based on the water level information of the water tanks 32, 34 received from the water level sensors 32S, 34S.

例えば制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ32Sから得た場合、分流弁42A、42Bを制御して、透過部排出ガスの水タンク32への流入量を調整する。具体的には、例えば分流弁42Aを閉鎖し、分流弁42Bを開放する。これにより、透過部排出ガス及び透過部排出ガスに含まれる水蒸気はシステム外に排気され、水タンク32へ流入することが抑制される。このため、水タンク32の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。   For example, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the diversion valves 42A and 42B to control the water tank of the permeation unit exhaust gas. The inflow amount to 32 is adjusted. Specifically, for example, the diversion valve 42A is closed and the diversion valve 42B is opened. As a result, the permeation portion exhaust gas and the water vapor contained in the permeation portion exhaust gas are exhausted outside the system and are prevented from flowing into the water tank 32. For this reason, the amount of condensed water condensed inside the water tank 32 can be reduced.

なお、制御装置68は、分流弁42Aを完全に閉鎖し、かつ、分流弁42Bを完全に開放する必要はない。例えば分流弁42A、分流弁42Bの開き具合は、配管P10を流れる透過部排出ガスの少なくとも一部が、水タンク32に流入することなく流路P10Bから直接排出されるように調整されればよい。以下に説明する分流弁44A、44Bの制御についても同様である。   Note that the control device 68 does not need to completely close the diversion valve 42A and completely open the diversion valve 42B. For example, the degree of opening of the diversion valve 42A and the diversion valve 42B may be adjusted so that at least a part of the permeation portion exhaust gas flowing through the pipe P10 is directly discharged from the flow path P10B without flowing into the water tank 32. . The same applies to the control of the diversion valves 44A and 44B described below.

また、制御装置68は、水タンク34の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ34Sから得た場合、分流弁44A、44Bを制御して、排出ガスの水タンク34への流入量を調整する。具体的には、例えば分流弁44Aを閉鎖し、分流弁44Bを開放する。これにより、排出ガス及び排出ガスに含まれる水蒸気はシステム外に排気され、水タンク34へ流入することが抑制される。このため、水タンク34の内部で凝縮する凝縮水量を低減することができる。   Further, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 34S that the water level (water amount) of the water tank 34 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the diversion valves 44A and 44B to control the exhaust gas water tank 34. Adjust the amount of inflow. Specifically, for example, the diversion valve 44A is closed and the diversion valve 44B is opened. As a result, the exhaust gas and the water vapor contained in the exhaust gas are exhausted outside the system and are prevented from flowing into the water tank 34. For this reason, the amount of condensed water condensed inside the water tank 34 can be reduced.

(ポンプの制御)
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、ポンプ62、64の駆動状態を調整することができる。
(Pump control)
The control device 68 can adjust the driving state of the pumps 62 and 64 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S.

例えば制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ32Sから得た場合、ポンプ62を制御して、水タンク32から水供給管P2における流路P2Aへの凝縮水の排出量を調整する。具体的には、ポンプ62の駆動力を高め、水タンク32からの凝縮水の排出量を多くする。これにより、水タンク32の内部の凝縮水量を低減することができる。   For example, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the pump 62 to flow from the water tank 32 to the water supply pipe P2. The amount of condensed water discharged to the path P2A is adjusted. Specifically, the driving force of the pump 62 is increased, and the amount of condensed water discharged from the water tank 32 is increased. Thereby, the amount of condensed water inside the water tank 32 can be reduced.

同様に、制御装置68は、水タンク34の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ34Sから得た場合、ポンプ64を制御して、水タンク34から水供給管P2における流路P2Bへの凝縮水の排出量を調整する。具体的には、ポンプ64の駆動力を高め、水タンク34からの凝縮水の排出量を多くする。これにより、水タンク34の内部の凝縮水量を低減することができる。   Similarly, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 34S that the water level (water amount) of the water tank 34 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the pump 64 to control the water supply pipe P2 from the water tank 34. The amount of condensed water discharged to the flow path P2B is adjusted. Specifically, the driving force of the pump 64 is increased, and the amount of condensed water discharged from the water tank 34 is increased. Thereby, the amount of condensed water inside the water tank 34 can be reduced.

(燃料電池スタックの制御)
制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24の少なくとも一方の発電量を調整することができる。
(Control of fuel cell stack)
The control device 68 can adjust the power generation amount of at least one of the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 based on the water level information of the water tanks 32 and 34 received from the water level sensors 32S and 34S. it can.

一例として、制御装置68は、水タンク32の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ32Sから得た場合、第1燃料電池セルスタック22を制御して、第1燃料電池セルスタック22の発電量を調整する。具体的には、第1燃料電池セルスタック22の発電量を減らし、アノードオフガス量及びアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を低減する。これにより、水タンク32へ投入される水蒸気量を低減することができる。   As an example, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 32 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the first fuel cell stack 22 to control the first fuel cell. The power generation amount of the battery cell stack 22 is adjusted. Specifically, the power generation amount of the first fuel cell stack 22 is reduced, and the amount of anode offgas and the amount of water vapor contained in the anode offgas are reduced. Thereby, the water vapor amount thrown into the water tank 32 can be reduced.

なお、この際、第2燃料電池セルスタック24における発電量を増やすことで、燃料電池システム全体の発電量の低減を抑制することができる。   At this time, by increasing the power generation amount in the second fuel cell stack 24, it is possible to suppress a reduction in the power generation amount of the entire fuel cell system.

別の一例として、制御装置68は、水タンク34の水位(水量)が所定の上限値に至ったという情報を水位センサ32Sから得た場合、第2燃料電池セルスタック24を制御して、第2燃料電池セルスタック24の発電量を調整する。具体的には、第2燃料電池セルスタック24の発電量を減らし、第2燃料電池セルスタック24のアノードオフガス量及びこのアノードオフガスに含まれる水蒸気の発生量を低減する。これにより、水タンク34へ投入される水蒸気量を低減することができる。   As another example, when the control device 68 obtains information from the water level sensor 32S that the water level (water amount) of the water tank 34 has reached a predetermined upper limit value, the control device 68 controls the second fuel cell stack 24 to (2) The power generation amount of the fuel cell stack 24 is adjusted. Specifically, the power generation amount of the second fuel cell stack 24 is reduced, and the anode off-gas amount of the second fuel cell stack 24 and the amount of water vapor contained in the anode off-gas are reduced. Thereby, the water vapor amount thrown into the water tank 34 can be reduced.

なお、第2燃料電池セルスタック24の発電量を減らした場合、第1燃料電池セルスタック22の発電量を増やせば、燃料電池システム10全体の発電量の低減を抑制することができる。但し、第1燃料電池セルスタック22における発電量を増やした場合、第1燃料電池セルスタック22から排出されるアノードオフガスの水蒸気量が増加する。そこで、第2燃料電池セルスタック24へ流入する水蒸気量が増加することを抑制するために、例えば流量調整機構66を制御して、燃料再生器26の透過部26Bへ供給されるスイープガス量を増やすことが好適である。これにより、第1燃料電池セルスタック22から排出されるアノードオフガスから水蒸気を除去することができる。   In addition, when the power generation amount of the second fuel cell stack 24 is reduced, if the power generation amount of the first fuel cell stack 22 is increased, the reduction of the power generation amount of the entire fuel cell system 10 can be suppressed. However, when the amount of power generation in the first fuel cell stack 22 is increased, the amount of water vapor of the anode off gas discharged from the first fuel cell stack 22 is increased. Therefore, in order to suppress an increase in the amount of water vapor flowing into the second fuel cell stack 24, for example, the flow rate adjusting mechanism 66 is controlled to reduce the amount of sweep gas supplied to the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26. It is preferable to increase. Thereby, water vapor can be removed from the anode off-gas discharged from the first fuel cell stack 22.

なお、制御装置68は、流量調整機構66、67の制御、冷却機構52、54の制御、分流弁42A、42B、44A、44Bの制御、ポンプ62、64の制御、第1燃料電池セルスタック22の制御、第2燃料電池セルスタック24の制御を、適宜組合わせて実行することができる。これらの制御を組合わせることで、水タンク32、34へ投入される水蒸気量又は凝縮水量の調整効果を高めることができる。又は、制御装置68は、何れかの制御を単独で行なうこともできる。   The control device 68 controls the flow rate adjusting mechanisms 66 and 67, controls the cooling mechanisms 52 and 54, controls the flow dividing valves 42A, 42B, 44A and 44B, controls the pumps 62 and 64, and the first fuel cell stack 22. And the control of the second fuel cell stack 24 can be appropriately combined and executed. By combining these controls, the effect of adjusting the amount of water vapor or condensed water introduced into the water tanks 32 and 34 can be enhanced. Or the control apparatus 68 can also perform any control independently.

以上説明したように、第1実施形態に係る燃料電池システム10によると、流量調整機構66、67、冷却機構52、54、分流弁42A、42B、44A、44B、ポンプ62、64、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24を制御することで、システム内の水量を調整できる。   As described above, according to the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the flow rate adjusting mechanisms 66 and 67, the cooling mechanisms 52 and 54, the diversion valves 42A, 42B, 44A and 44B, the pumps 62 and 64, and the first fuel. By controlling the battery cell stack 22 and the second fuel battery cell stack 24, the amount of water in the system can be adjusted.

また、燃料電池システム10によると、制御装置68が、水タンク32、34へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整する。これにより水タンク32、34内の水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、水タンク32、34からの排水を制御することができる。   Further, according to the fuel cell system 10, the control device 68 adjusts the amount of water vapor or condensed water introduced into the water tanks 32, 34. Thereby, the amount of water in the water tanks 32 and 34 can be maintained within a predetermined range. Therefore, drainage from the water tanks 32 and 34 can be controlled.

また、制御装置68は、水タンク32、34から水供給管P2へ排出される凝縮水量を調整する。これにより水タンク32、34内の水量を所定範囲内に維持することができる。したがって、水タンク32、34からの排水を減らすことができる。さらに、水タンク32、34からの排水を無くし、排水のための設備や工事を省略できる。   Further, the control device 68 adjusts the amount of condensed water discharged from the water tanks 32 and 34 to the water supply pipe P2. Thereby, the amount of water in the water tanks 32 and 34 can be maintained within a predetermined range. Accordingly, drainage from the water tanks 32 and 34 can be reduced. Furthermore, drainage from the water tanks 32 and 34 can be eliminated, and facilities and construction for drainage can be omitted.

[第2実施形態]
<燃料電池システム>
図2に示す第2実施形態に係る燃料電池システム70は、図1に示す気化器12、水供給管P2、ポンプ62、及びポンプ64が設けられていない点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。さらに燃料電池システム70は、図2に示す熱交換器72、水蒸気分離器74、集約タンク76が設けられている点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。
[Second Embodiment]
<Fuel cell system>
The fuel cell system 70 according to the second embodiment shown in FIG. 2 is the fuel according to the first embodiment in that the vaporizer 12, the water supply pipe P2, the pump 62, and the pump 64 shown in FIG. 1 are not provided. Different from the battery system 10. Furthermore, the fuel cell system 70 differs from the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that a heat exchanger 72, a water vapor separator 74, and an aggregation tank 76 shown in FIG. 2 are provided.

また、燃料電池システム70は、燃料再生器26に供給するスイープガスとして空気を用いる点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と一致している。なお、第2実施形態において、第1実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第1実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。   The fuel cell system 70 is the same as the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that air is used as the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26. Note that in the second embodiment, the same components as those in the fuel cell system 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. Also, the description of the same effect by the same configuration as the fuel cell system 10 according to the first embodiment is omitted.

(熱交換器)
熱交換器72は、燃焼器16から排気管P12へ排出された高温の排出ガスと、後述する水蒸気分離器74から水蒸気供給管P14へ送出された水蒸気を含む原料ガスとを熱交換し、原料ガスの温度を昇温させる。熱交換器72には水蒸気供給管P17の一端が接続されており、水蒸気供給管P17へ原料ガスが排出される。水蒸気供給管P17の他端は改質器14に接続されている。
(Heat exchanger)
The heat exchanger 72 exchanges heat between the high-temperature exhaust gas discharged from the combustor 16 to the exhaust pipe P12 and the raw material gas containing water vapor sent from the water vapor separator 74, which will be described later, to the water vapor supply pipe P14. Raise the temperature of the gas. One end of a water vapor supply pipe P17 is connected to the heat exchanger 72, and the raw material gas is discharged to the water vapor supply pipe P17. The other end of the water vapor supply pipe P17 is connected to the reformer 14.

(水蒸気分離器)
水蒸気分離器74は、燃料再生器26と水タンク32との間、すなわち、燃料再生器26から排出される透過部排出ガス(スイープガス)の流路において水タンク32の上流側に配置されている。
(Steam separator)
The steam separator 74 is disposed between the fuel regenerator 26 and the water tank 32, that is, on the upstream side of the water tank 32 in the flow path of the permeate exhaust gas (sweep gas) discharged from the fuel regenerator 26. Yes.

水蒸気分離器74は、燃料再生器26と同様に、流入部74Aと透過部74Bとを備えており、流入部74A及び透過部74Bは、分離膜74Cにより区画されている。なお、分離膜74Cは、本発明における再分離膜の一例である。   Similarly to the fuel regenerator 26, the water vapor separator 74 includes an inflow portion 74A and a permeation portion 74B, and the inflow portion 74A and the permeation portion 74B are partitioned by a separation membrane 74C. The separation membrane 74C is an example of a re-separation membrane in the present invention.

燃料再生器26の透過部26Bから排出された透過部排出ガス(スイープガス)は、配管P16を介して水蒸気分離器74の流入部74Aに流入する。また、水蒸気分離器74の透過部74Bには、原料ガス管P15から供給された原料ガスが、スイープガスとして流入する。これにより、透過部74Bにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部74Aから分離膜74Cを透過して水蒸気などが透過部74Bへ移動し易くなる。なお、原料ガス管P15の途中箇所には、水蒸気分離器74へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構67が設けられている。   The permeation portion exhaust gas (sweep gas) discharged from the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26 flows into the inflow portion 74A of the water vapor separator 74 via the pipe P16. Further, the raw material gas supplied from the raw material gas pipe P15 flows into the permeation portion 74B of the water vapor separator 74 as a sweep gas. As a result, the partial pressure of water vapor in the permeation part 74B decreases, and the water vapor and the like easily move from the inflow part 74A through the separation membrane 74C to the permeation part 74B. A flow rate adjusting mechanism 67 for adjusting the flow rate of the raw material gas supplied to the water vapor separator 74 is provided in the middle of the raw material gas pipe P15.

透過部74Bには水蒸気供給管P14の一端が接続されている。これにより、水蒸気を含んだ原料ガスが、水蒸気供給管P14を介して熱交換器72へ送出される。また、透過部排出ガス(燃料再生器26におけるスイープガス)は、流入部74Aから配管P10へ送出される。   One end of a water vapor supply pipe P14 is connected to the transmission part 74B. Thereby, the raw material gas containing water vapor is sent to the heat exchanger 72 through the water vapor supply pipe P14. Further, the permeation portion exhaust gas (sweep gas in the fuel regenerator 26) is sent from the inflow portion 74A to the pipe P10.

(集約タンク)
集約タンク76は、水タンク32、34より低い位置に設けられ、水タンク32に接続されたオーバーフロー管P20と、水タンク34に接続されたオーバーフロー管P21とが挿入されている。オーバーフロー管P20、21は、水タンク32、34における凝縮水の水位が一定の高さになったところで、凝縮水を集約タンク76へ送出する。このため、水タンク32、34には、図1に示す水位センサ32S、34Sが設けられていない。
(Aggregation tank)
The aggregation tank 76 is provided at a position lower than the water tanks 32 and 34, and an overflow pipe P20 connected to the water tank 32 and an overflow pipe P21 connected to the water tank 34 are inserted therein. The overflow pipes P20 and 21 send the condensed water to the collecting tank 76 when the water level of the condensed water in the water tanks 32 and 34 reaches a certain level. For this reason, the water tanks 32 and 34 are not provided with the water level sensors 32S and 34S shown in FIG.

集約タンク76の内部には仕切板76Aと、水位センサ76Sとが設けられている。仕切板76Aは、集約タンク76に、それぞれオーバーフロー管P20、21が挿入された2つの気室を構成するように、集約タンク76の内部に接合されている。より具体的には、仕切板76Aの上端面、側端面が集約タンク76の内側面に接合されており、仕切板76Aの下端面が、所定の水位下限値より下方に配置されている。これにより仕切板76Aの下端部が凝縮水に挿入され、2つの気室内の気体が混合し難くなっている。   Inside the collecting tank 76, a partition plate 76A and a water level sensor 76S are provided. The partition plate 76A is joined to the aggregation tank 76 so as to constitute two air chambers into which the overflow pipes P20 and 21 are inserted, respectively. More specifically, the upper end surface and the side end surface of the partition plate 76A are joined to the inner surface of the aggregation tank 76, and the lower end surface of the partition plate 76A is disposed below a predetermined water level lower limit value. Thereby, the lower end part of 76 A of partition plates is inserted in condensed water, and it is difficult to mix the gas in two air chambers.

集約タンク76に溜められた水は、例えば燃料電池システム70の起動時に必要な改質水や発電量を大きくする際に必要な改質水として使用される。   The water stored in the collecting tank 76 is used as, for example, reforming water necessary for starting up the fuel cell system 70 or reforming water necessary for increasing the power generation amount.

<作用・効果>
第2実施形態に係る燃料電池システム70では、水蒸気分離器74によって、水蒸気が透過部排出ガス(燃料再生器26におけるスイープガス)から原料ガスへ移動する。また、水蒸気供給管P14、P17によって原料ガスと水蒸気が改質器14へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質器14へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。また、気化器を省略することができる。
<Action and effect>
In the fuel cell system 70 according to the second embodiment, the water vapor is transferred from the permeated portion exhaust gas (sweep gas in the fuel regenerator 26) to the raw material gas by the water vapor separator 74. Further, the raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 14 through the water vapor supply pipes P14 and P17. Thereby, the steam is supplied to the reformer 14 without being condensed and consumed by the reforming reaction. For this reason, compared with the case where water vapor | steam is condensed, the calorie | heat amount for re-evaporating the condensed water is unnecessary, and energy efficiency is high. Also, the vaporizer can be omitted.

なお、制御装置68は、水位センサ76Sから受取る集約タンク76の水位情報に基づいて、第1実施形態と同様、流量調整機構66、67、冷却機構52、54、分流弁42A、42B、44A、44B、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24を適宜組合わせて制御する。これにより、集約タンク76からの排水を減らすことができる。   Note that the control device 68 uses the flow level adjustment mechanisms 66 and 67, the cooling mechanisms 52 and 54, the diversion valves 42A, 42B, 44A, and the like based on the water level information of the collecting tank 76 received from the water level sensor 76S, as in the first embodiment. 44B, the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are appropriately combined and controlled. Thereby, the waste_water | drain from the aggregation tank 76 can be reduced.

[第3実施形態]
<燃料電池システム>
図3に示す第3実施形態に係る燃料電池システム80は、図1に示す気化器12、水供給管P2、ポンプ62及びポンプ64が設けられていない点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。また、燃料電池システム80は、図3に示す熱交換器72が設けられている点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。さらに、燃料電池システム80は、燃料再生器26に供給するスイープガスとして原料ガスを用いる点で、第1実施形態に係る燃料電池システム10と異なる。
[Third Embodiment]
<Fuel cell system>
The fuel cell system 80 according to the third embodiment shown in FIG. 3 is the fuel cell according to the first embodiment in that the vaporizer 12, the water supply pipe P2, the pump 62, and the pump 64 shown in FIG. 1 are not provided. Different from system 10. The fuel cell system 80 is different from the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that a heat exchanger 72 shown in FIG. 3 is provided. Furthermore, the fuel cell system 80 is different from the fuel cell system 10 according to the first embodiment in that the raw material gas is used as the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26.

なお、第3実施形態において、第1、第2実施形態に係る燃料電池システム10、70と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第1、第2実施形態に係る燃料電池システム10、70と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。   Note that in the third embodiment, the same components as those in the fuel cell systems 10 and 70 according to the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Also, the description of the same effect by the same configuration as the fuel cell systems 10 and 70 according to the first and second embodiments is omitted.

(燃料再生器)
第3実施形態に係る燃料電池システム80においては、燃料再生器26の透過部26Bに、原料ガス管P22から供給された原料ガスが、スイープガスとして供給される。これにより、透過部26Bにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部26Aから分離膜26Cを透過して水蒸気などが透過部26Bへ移動し易くなる。透過部26Bには配管P10の一端が接続されている。なお、原料ガス管P22の途中箇所には、燃料再生器26へ供給する原料ガスの流量を調整する流量調整機構67が設けられている。
(Fuel regenerator)
In the fuel cell system 80 according to the third embodiment, the raw material gas supplied from the raw material gas pipe P22 is supplied to the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26 as a sweep gas. Thereby, the partial pressure of water vapor in the permeation portion 26B is lowered, and the water vapor or the like permeates through the separation membrane 26C from the inflow portion 26A and easily moves to the permeation portion 26B. One end of a pipe P10 is connected to the transmission part 26B. Note that a flow rate adjusting mechanism 67 for adjusting the flow rate of the raw material gas supplied to the fuel regenerator 26 is provided in the middle of the raw material gas pipe P22.

(水タンク)
水タンク32には、燃料再生器26の透過部26Bから送出された原料ガスが、配管P10を介して流入する。一端が透過部26Bに接続された配管P10の他端側は、2つの流路P10A、P10Bに分岐している。流路P10Aの端部は水タンク32へ挿入されている。また、流路P10Bは、一端が水タンク32に挿入された水蒸気供給管P23に接続されている。水蒸気供給管P23の他端は、熱交換器72に接続されている。
(water tank)
The raw material gas sent from the permeation part 26B of the fuel regenerator 26 flows into the water tank 32 through the pipe P10. The other end side of the pipe P10 having one end connected to the transmission part 26B is branched into two flow paths P10A and P10B. The end of the flow path P10A is inserted into the water tank 32. The flow path P <b> 10 </ b> B is connected at one end to a water vapor supply pipe P <b> 23 inserted into the water tank 32. The other end of the water vapor supply pipe P23 is connected to the heat exchanger 72.

<作用・効果>
第3実施形態に係る燃料電池システム80では、燃料再生器26の透過部26Bに、原料ガスがスイープガスとして供給される。そして配管P10によって、原料ガスと水蒸気が、水タンク32又は水蒸気供給管P23へ供給される。
<Action and effect>
In the fuel cell system 80 according to the third embodiment, the raw material gas is supplied to the permeation portion 26B of the fuel regenerator 26 as a sweep gas. Then, the raw material gas and water vapor are supplied to the water tank 32 or the water vapor supply pipe P23 through the pipe P10.

例えば制御装置68が、分流弁42Aを閉鎖し分流弁42Bを開放すると、水蒸気供給管P23を介して原料ガスと水蒸気が改質器14へ供給される。これにより、水蒸気が凝縮しないまま改質器14へ供給され、改質反応によって消費される。このため、水蒸気を凝縮させる場合と比較して、凝縮させた水を再度蒸発させるための熱量が不要でありエネルギー効率が高い。また、気化器を省略することができる。   For example, when the control device 68 closes the flow dividing valve 42A and opens the flow dividing valve 42B, the raw material gas and water vapor are supplied to the reformer 14 through the water vapor supply pipe P23. Thereby, the steam is supplied to the reformer 14 without being condensed and consumed by the reforming reaction. For this reason, compared with the case where water vapor | steam is condensed, the calorie | heat amount for re-evaporating the condensed water is unnecessary, and energy efficiency is high. Also, the vaporizer can be omitted.

なお、制御装置68は、水位センサ32S、34Sから受取る水タンク32、34の水位情報に基づいて、第1、第2実施形態同様、流量調整機構67、冷却機構52、54、分流弁42A、42B、44A、44B、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24を適宜組合わせて制御する。これにより、水タンク32、34からの排水を少なくすることができる。   Note that the control device 68, based on the water level information of the water tanks 32, 34 received from the water level sensors 32S, 34S, as in the first and second embodiments, the flow rate adjusting mechanism 67, the cooling mechanisms 52, 54, the diversion valve 42A, 42B, 44A, 44B, the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are appropriately combined and controlled. Thereby, the waste_water | drain from the water tanks 32 and 34 can be decreased.

[第4実施形態]
<燃料電池システム>
図4に示す第4実施形態に係る燃料電池システム90は、水蒸気分離器92、集約タンク76が設けられている点で、第3実施形態に係る燃料電池システム80と異なる。また、燃料電池システム90は、燃料再生器26に供給するスイープガスとして、原料ガスを用いる点で、第3実施形態に係る燃料電池システム80と一致する。
[Fourth Embodiment]
<Fuel cell system>
A fuel cell system 90 according to the fourth embodiment shown in FIG. 4 is different from the fuel cell system 80 according to the third embodiment in that a water vapor separator 92 and an aggregation tank 76 are provided. The fuel cell system 90 is the same as the fuel cell system 80 according to the third embodiment in that the raw material gas is used as the sweep gas supplied to the fuel regenerator 26.

なお、第4実施形態において、第1、第2、第3実施形態に係る燃料電池システム10、70、80と同一の構成については同一の符号を用いてその説明を省略する。また、第1、第2、第3実施形態に係る燃料電池システム10、70、80と同一の構成による同一の効果についても説明を省略する。   Note that in the fourth embodiment, the same components as those of the fuel cell systems 10, 70, and 80 according to the first, second, and third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. Also, the description of the same effect by the same configuration as the fuel cell systems 10, 70, 80 according to the first, second, and third embodiments is omitted.

(水蒸気分離器)
水蒸気分離器92は、燃料再生器26と水タンク32との間に配置されている。水蒸気分離器92は、燃料再生器26と同様に、流入部92Aと透過部92Bとを備えており、流入部92A及び透過部92Bは、分離膜92Cにより区画されている。なお、本実施形態における分離膜92Cは、本発明における再分離膜の一例である。
(Steam separator)
The steam separator 92 is disposed between the fuel regenerator 26 and the water tank 32. Similar to the fuel regenerator 26, the water vapor separator 92 includes an inflow portion 92A and a permeation portion 92B, and the inflow portion 92A and the permeation portion 92B are partitioned by a separation membrane 92C. Note that the separation membrane 92C in the present embodiment is an example of a re-separation membrane in the present invention.

燃料再生器26の透過部26Bから排出された原料ガス(スイープガス)は、配管P24を介して水蒸気分離器92の流入部92Aに流入する。また、水蒸気分離器92の透過部92Bには、スイープガス管P26から供給された空気が、スイープガスとして流入する。これにより、透過部92Bにおける水蒸気の分圧が下がり、流入部92Aから分離膜92Cを透過して水蒸気などが透過部92Bへ移動し易くなる。なお、スイープガス管P26から供給された空気は、本発明における再スイープガスの一例である。   The raw material gas (sweep gas) discharged from the permeation part 26B of the fuel regenerator 26 flows into the inflow part 92A of the water vapor separator 92 through the pipe P24. Further, the air supplied from the sweep gas pipe P26 flows into the permeation portion 92B of the water vapor separator 92 as the sweep gas. As a result, the partial pressure of water vapor in the permeation part 92B is reduced, and the water vapor or the like permeates through the separation membrane 92C from the inflow part 92A and easily moves to the permeation part 92B. The air supplied from the sweep gas pipe P26 is an example of the re-sweep gas in the present invention.

スイープガス管P26の途中箇所には、水蒸気分離器92へ供給する空気の流量を調整する流量調整機構66が設けられている。なお、本実施形態における流量調整機構66は、本発明における再スイープガス流量調整機構の一例である。   A flow rate adjusting mechanism 66 that adjusts the flow rate of the air supplied to the water vapor separator 92 is provided in the middle of the sweep gas pipe P26. The flow rate adjusting mechanism 66 in the present embodiment is an example of a re-sweep gas flow rate adjusting mechanism in the present invention.

流入部92Aには水蒸気供給管P25の一端が接続されている。水蒸気供給管P25の他端は、熱交換器72に接続されている。これにより、水蒸気が除去された原料ガスが、水蒸気供給管P25を介して熱交換器72へ送出される。また、スイープガスとしての空気は、透過部92Bから配管P10へ送出される。   One end of a water vapor supply pipe P25 is connected to the inflow portion 92A. The other end of the water vapor supply pipe P25 is connected to the heat exchanger 72. Thereby, the raw material gas from which the water vapor has been removed is sent to the heat exchanger 72 via the water vapor supply pipe P25. Moreover, the air as the sweep gas is sent from the transmission part 92B to the pipe P10.

<作用・効果>
第4実施形態に係る燃料電池システム90では、燃料再生器26の透過部26Bから排出された水蒸気を含む原料ガス(スイープガス)が、水蒸気分離器92の流入部92Aを経由して改質器14へ流入する。
<Action and effect>
In the fuel cell system 90 according to the fourth embodiment, the raw material gas (sweep gas) containing water vapor discharged from the permeation part 26B of the fuel regenerator 26 is passed through the inflow part 92A of the water vapor separator 92 and the reformer. 14 flows into.

このため、制御装置68が流量調整機構66を制御して、水蒸気分離器92の透過部92Bへ供給する空気量を少なくすれば、流入部92Aから透過部92Bへ移動する水蒸気量が少なくなり、水タンク32内へ投入される水蒸気量を低減することができる。このため、集約タンク76へ投入される凝縮水量が低減される。したがって、集約タンク76からの排水を減らすことができる。   For this reason, if the control device 68 controls the flow rate adjusting mechanism 66 to reduce the amount of air supplied to the permeation part 92B of the water vapor separator 92, the amount of water vapor moving from the inflow part 92A to the permeation part 92B decreases. The amount of water vapor introduced into the water tank 32 can be reduced. For this reason, the amount of condensed water thrown into the collecting tank 76 is reduced. Therefore, drainage from the collecting tank 76 can be reduced.

また、水蒸気分離器92の透過部92Bへ供給する空気量が少なくなれば、水蒸気供給管P25を流れる原料ガスに含まれる水蒸気量が多くなる。そしてこの水蒸気は凝縮しないまま、改質反応によって消費される。このため、気化器を省略することができる。   Further, if the amount of air supplied to the permeation portion 92B of the water vapor separator 92 is reduced, the amount of water vapor contained in the raw material gas flowing through the water vapor supply pipe P25 is increased. The steam is consumed by the reforming reaction without being condensed. For this reason, a vaporizer can be omitted.

なお、制御装置68は、水位センサ76Sから受取る集約タンク76の水位情報に基づいて、第1実施形態と同様、流量調整機構66、67、冷却機構52、54、分流弁42A、42B、44A、44B、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24を適宜組合わせて制御する。これにより、集約タンク76からの排水を減らすことができる。   Note that the control device 68 uses the flow level adjustment mechanisms 66 and 67, the cooling mechanisms 52 and 54, the diversion valves 42A, 42B, 44A, and the like based on the water level information of the collecting tank 76 received from the water level sensor 76S, as in the first embodiment. 44B, the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are appropriately combined and controlled. Thereby, the waste_water | drain from the aggregation tank 76 can be reduced.

[その他の実施形態]
上記各実施形態においては、排気管P12には水タンク34が接続されているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば水タンク34を設けず、排気管P12から水蒸気を直接排気する構成としてもよい。水タンク34を設けなければ、分流弁44A、44B及び冷却機構54を設ける必要がないため、燃料電池システムの構成を簡略化できる。さらに、水タンク34を設けなければ、第2、第4実施形態における集約タンク76も省略できる。集約タンク76を省略した場合、水タンク32に水位センサを設ければよい。
[Other Embodiments]
In each of the above embodiments, the water tank 34 is connected to the exhaust pipe P12, but the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, the water tank 34 may not be provided, and the steam may be directly exhausted from the exhaust pipe P12. If the water tank 34 is not provided, it is not necessary to provide the diversion valves 44A and 44B and the cooling mechanism 54, so the configuration of the fuel cell system can be simplified. Furthermore, if the water tank 34 is not provided, the collecting tank 76 in the second and fourth embodiments can be omitted. If the aggregation tank 76 is omitted, a water level sensor may be provided in the water tank 32.

また、上記各実施形態においては、第1燃料電池セルスタック22及び第2燃料電池セルスタック24を備えた多段式の燃料電池システムとされているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図1に示す第2燃料電池セルスタック24、カソードオフガス管P11及びアノードオフガス管P13を省略し、再生ガス管P8を配管P3や改質ガス供給管P4へ接続し、再生ガス管P8を分岐させた分岐管を燃焼器16に接続し、カソードオフガス管P7を燃焼器16に接続した循環式の燃料電池システムとしてもよい。   Moreover, in each said embodiment, although it is set as the multistage type fuel cell system provided with the 1st fuel cell stack 22 and the 2nd fuel cell stack 24, embodiment of this invention is not restricted to this. For example, the second fuel cell stack 24, the cathode offgas pipe P11 and the anode offgas pipe P13 shown in FIG. 1 are omitted, the regeneration gas pipe P8 is connected to the pipe P3 and the reformed gas supply pipe P4, and the regeneration gas pipe P8 is branched. A circulating fuel cell system in which the branched branch pipe connected to the combustor 16 and the cathode offgas pipe P7 connected to the combustor 16 may be used.

また、図1に示す第1実施形態に係る燃料電池システム10において、制御装置68が、水タンク32、34へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整する場合、必ずしもポンプ62、64を設ける必要はない。この場合、水供給管P2は、必ずしも水タンク32、34に接続する必要はなく、改質水は燃料電池システム10の外部から導入してもよい。水供給管P2を水タンク32、34に接続しなくても、水タンク32、34へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整することで、これらの水タンク32、34からの排水を減らすことができる。   Further, in the fuel cell system 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1, when the control device 68 adjusts the amount of water vapor or condensed water supplied to the water tanks 32, 34, it is not always necessary to provide the pumps 62, 64. There is no. In this case, the water supply pipe P2 is not necessarily connected to the water tanks 32 and 34, and the reformed water may be introduced from the outside of the fuel cell system 10. Even if the water supply pipe P2 is not connected to the water tanks 32, 34, the amount of water discharged from these water tanks 32, 34 can be reduced by adjusting the amount of water vapor or condensed water supplied to the water tanks 32, 34. Can do.

また、燃料電池システム10において、制御装置68が、ポンプ62、64を制御して水タンク32、34から水供給管P2へ排出される凝縮水量を調整する場合、制御装置68は、必ずしも水タンク32、34へ投入される水蒸気量又は凝縮水量を調整する必要はない。この場合、流量調整機構66、67、分流弁42A、42B、44A、44B及び冷却機構52、54は設けなくてもよい。制御装置68が水タンク32、34へ投入される水蒸気量や凝縮水量を調整しなくても、水タンク32、34から水供給管P2へ排出される凝縮水量を調整することで、これらの水タンク32、34からの排水を減らすことができる。   In the fuel cell system 10, when the control device 68 controls the pumps 62 and 64 to adjust the amount of condensed water discharged from the water tanks 32 and 34 to the water supply pipe P <b> 2, the control device 68 is not necessarily limited to the water tank. It is not necessary to adjust the amount of water vapor or the amount of condensed water supplied to 32 and 34. In this case, the flow rate adjusting mechanisms 66 and 67, the diversion valves 42A, 42B, 44A, and 44B and the cooling mechanisms 52 and 54 may not be provided. Even if the controller 68 does not adjust the amount of water vapor or condensed water supplied to the water tanks 32 and 34, the amount of condensed water discharged from the water tanks 32 and 34 to the water supply pipe P2 can be adjusted to adjust the amount of water. Drainage from the tanks 32 and 34 can be reduced.

また、図2に示す第2実施形態に係る燃料電池システム70においては、水タンク32、34の凝縮水を集約タンク76へ集約しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば図1に示すように水タンク32、34に水位センサ32S、34Sを設け、さらに水供給管P2(流路P2A、P2B)を接続し、気化器12を介して改質器14へ水を供給してもよい。この場合、流路P2A、P2Bには、ポンプ62、64を設けて制御装置68によって制御することが好適である。このように、集約タンク76を設けるかどうかは任意であり、例えば図3に示す第3実施形態に係る燃料電池システム80に集約タンク76を設けてもよいし、図4に示す第4実施形態に係る燃料電池システム90の集約タンク76を省略してもよい。   Further, in the fuel cell system 70 according to the second embodiment shown in FIG. 2, the condensed water in the water tanks 32 and 34 is concentrated in the aggregation tank 76, but the embodiment of the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 1, water level sensors 32S and 34S are provided in water tanks 32 and 34, and further water supply pipes P2 (flow paths P2A and P2B) are connected to supply water to the reformer 14 via the vaporizer 12. You may supply. In this case, it is preferable that pumps 62 and 64 are provided in the flow paths P2A and P2B and controlled by the control device 68. In this way, it is arbitrary whether or not the aggregation tank 76 is provided. For example, the aggregation tank 76 may be provided in the fuel cell system 80 according to the third embodiment shown in FIG. 3, or the fourth embodiment shown in FIG. The aggregation tank 76 of the fuel cell system 90 according to the above may be omitted.

また、上記各実施形態において、冷却機構52、54は水タンク32、34の上流側に設けられているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば、冷却機構52、54は水タンク32、34の内部に設けてもよい。   Moreover, in each said embodiment, although the cooling mechanisms 52 and 54 are provided in the upstream of the water tanks 32 and 34, embodiment of this invention is not restricted to this. For example, the cooling mechanisms 52 and 54 may be provided inside the water tanks 32 and 34.

また、上記各実施形態において、燃料電池セルスタックを2段で構成しているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば3段以上の任意の段数の燃料電池セルスタックを用いてもよい。   Moreover, in each said embodiment, although the fuel cell stack is comprised in two steps, embodiment of this invention is not restricted to this. For example, an arbitrary number of fuel cell stacks of three or more stages may be used.

また、上記各実施形態においては、燃料ガスを生成するための改質器14を設けているが、本発明の実施形態はこれに限らない。例えば改質器14を設けず、第1燃料電池セルスタック22へ水蒸気と原料ガスとを供給してもよい。この場合、第1燃料電池セルスタック22において改質反応を行なう。このように、本発明における「改質部」とは、燃料電池と別体に設けられた改質器14のほか、燃料電池内で改質反応が行われる部分の双方を指すものとする。このように、本発明は様々な態様で実施することができる。   Moreover, in each said embodiment, although the reformer 14 for producing | generating fuel gas is provided, embodiment of this invention is not restricted to this. For example, the reformer 14 may not be provided, and the steam and the raw material gas may be supplied to the first fuel cell stack 22. In this case, the reforming reaction is performed in the first fuel cell stack 22. Thus, the “reformer” in the present invention refers to both the reformer 14 provided separately from the fuel cell and the part where the reforming reaction is performed in the fuel cell. As described above, the present invention can be implemented in various modes.

10、70、80、90 燃料電池システム
12 気化器
14 改質器(改質部)
22 第1燃料電池セルスタック(燃料電池)
24 第2燃料電池セルスタック(後段燃料電池)
26C 分離膜
32 水タンク
32S 水位センサ
42A、42B 分流弁(バイパス弁)
52 冷却機構
66 流量調整機構(スイープガス流量調整機構、再スイープガス流量調整機構)
67 流量調整機構(原料ガス流量調整機構)
68 制御装置
74C 分離膜(再分離膜)
92C 分離膜(再分離膜)
P2 水供給管(水供給管)
P14 水蒸気供給管(水蒸気供給経路)
10, 70, 80, 90 Fuel cell system 12 Vaporizer 14 Reformer (reformer)
22 First fuel cell stack (fuel cell)
24 Second fuel cell stack (second-stage fuel cell)
26C Separation membrane 32 Water tank 32S Water level sensors 42A, 42B Flow dividing valve (bypass valve)
52 Cooling mechanism 66 Flow rate adjustment mechanism (sweep gas flow rate adjustment mechanism, re-sweep gas flow rate adjustment mechanism)
67 Flow rate adjustment mechanism (Raw material gas flow rate adjustment mechanism)
68 Controller 74C Separation membrane (re-separation membrane)
92C separation membrane (re-separation membrane)
P2 Water supply pipe (water supply pipe)
P14 Water vapor supply pipe (water vapor supply path)

Claims (14)

原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、
前記スイープガスに移動した前記水蒸気又は前記水蒸気が凝縮した凝縮水が投入され、システム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記水タンクへ投入される水蒸気量及び凝縮水量の少なくとも一方を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
A reforming section for generating fuel gas by steam reforming the raw material gas;
A fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas and the oxidizing gas generated in the reforming section;
A separation membrane for transferring water vapor from off gas discharged from the fuel cell to sweep gas;
A water tank that is charged with the water vapor that has been moved to the sweep gas or condensed water in which the water vapor has been condensed, and is stored as water to be used in the system;
A controller that adjusts at least one of the amount of water vapor and the amount of condensed water charged into the water tank and maintains the amount of water in the water tank in a predetermined range;
A fuel cell system comprising:
原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、
前記改質部で生成された前記燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガスからスイープガスへ水蒸気を移動させる分離膜と、
前記スイープガスに移動した前記水蒸気が凝縮した凝縮水がシステム内で利用する水として蓄えられる水タンクと、
前記水タンクに蓄えられた前記凝縮水を、気化器を介して前記改質部へ供給する水供給管と、
前記水タンクから前記水供給管へ排出される凝縮水量を調整して、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
A reforming section for generating fuel gas by steam reforming the raw material gas;
A fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas and the oxidizing gas generated in the reforming section;
A separation membrane for transferring water vapor from off gas discharged from the fuel cell to sweep gas;
A water tank in which condensate obtained by condensing the water vapor transferred to the sweep gas is stored as water used in the system;
A water supply pipe for supplying the condensed water stored in the water tank to the reforming unit via a vaporizer;
A controller for adjusting the amount of condensed water discharged from the water tank to the water supply pipe, and maintaining the amount of water in the water tank in a predetermined range;
A fuel cell system comprising:
前記水タンクの上流側で前記スイープガスから前記原料ガスへ前記水蒸気を移動させる再分離膜と、
前記原料ガスに移動した前記水蒸気を前記改質部へ供給する水蒸気供給経路と、
を備えた請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
A reseparation membrane that moves the water vapor from the sweep gas to the source gas upstream of the water tank;
A water vapor supply path for supplying the water vapor moved to the source gas to the reforming unit;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising:
前記分離膜へ供給される前記スイープガスの流量を調整するスイープガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A sweep gas flow rate adjusting mechanism for adjusting the flow rate of the sweep gas supplied to the separation membrane;
4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device controls the sweep gas flow rate adjusting mechanism to adjust an amount of water vapor introduced into the water tank. 5.
前記スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、
前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A bypass valve for discharging the sweep gas without passing through the water tank;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the control device controls the bypass valve to adjust an amount of water vapor introduced into the water tank.
前記スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A cooling mechanism for condensing the water vapor by cooling the sweep gas upstream of the water tank or in the water tank;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the control device controls the cooling mechanism to adjust an amount of condensed water to be introduced into the water tank.
前記スイープガスは原料ガスとされ、
前記水タンクの上流側で前記原料ガスから再スイープガスへ前記水蒸気の一部を移動させる再分離膜と、
前記水蒸気の一部が前記再スイープガスへ移動した前記原料ガスを前記改質部へ供給する原料ガス供給経路と、
を備えた請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The sweep gas is a source gas,
A re-separation membrane that moves part of the water vapor from the source gas to the re-sweep gas upstream of the water tank;
A raw material gas supply path for supplying the raw material gas in which a part of the water vapor has moved to the re-sweep gas to the reforming unit;
The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising:
前記再分離膜へ供給される前記再スイープガスの流量を調整する再スイープガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記再スイープガス流量調整機構を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項7に記載の燃料電池システム。
A re-sweep gas flow rate adjusting mechanism for adjusting a flow rate of the re-sweep gas supplied to the re-separation membrane;
The fuel cell system according to claim 7, wherein the control device controls the re-sweep gas flow rate adjusting mechanism to adjust an amount of water vapor introduced into the water tank.
前記再スイープガスを前記水タンクを経由せずに排出するためのバイパス弁を備え、
前記制御装置は、前記バイパス弁を制御して前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項7又は請求項8に記載の燃料電池システム。
A bypass valve for discharging the re-sweep gas without passing through the water tank;
9. The fuel cell system according to claim 7, wherein the control device controls the bypass valve to adjust an amount of water vapor introduced into the water tank.
前記再スイープガスを前記水タンクの上流側又は前記水タンク内で冷却して前記水蒸気を凝縮する冷却機構を備え、
前記制御装置は、前記冷却機構を制御して、前記水タンクへ投入される凝縮水量を調整する、請求項7〜請求項9の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A cooling mechanism for condensing the water vapor by cooling the re-sweep gas upstream of the water tank or in the water tank;
The fuel cell system according to any one of claims 7 to 9, wherein the control device controls the cooling mechanism to adjust an amount of condensed water to be supplied to the water tank.
前記水タンクには水位センサが設けられており、
前記制御装置は、前記水位センサからの情報に基づいて、前記水タンク内の水量を所定範囲に維持する、請求項1〜請求項10の何れか1項に記載の燃料電池システム。
The water tank is provided with a water level sensor,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the control device maintains the amount of water in the water tank within a predetermined range based on information from the water level sensor.
前記原料ガスの投入量を調整する原料ガス流量調整機構を備え、
前記制御装置は、前記原料ガス流量調整機構を制御して発電量を調整する、請求項1〜請求項11の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A source gas flow rate adjusting mechanism for adjusting the amount of the source gas charged,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein the control device controls the raw material gas flow rate adjusting mechanism to adjust a power generation amount.
前記オフガスに含まれる未反応の燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行なう後段燃料電池を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池及び前記後段燃料電池の少なくとも一方の発電量を制御して、前記水タンクへ投入される水蒸気量を調整する、請求項1〜請求項12の何れか1項に記載の燃料電池システム。
A post-stage fuel cell that generates power by reacting an unreacted fuel gas and an oxidizing gas contained in the off-gas,
The control device according to any one of claims 1 to 12, wherein the control device controls a power generation amount of at least one of the fuel cell and the rear-stage fuel cell to adjust an amount of water vapor input to the water tank. The fuel cell system described.
前記後段燃料電池は前記水タンクの下流側に配置されている、請求項13に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 13, wherein the rear-stage fuel cell is disposed on the downstream side of the water tank.
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