JP6064427B2

JP6064427B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP6064427B2
Application number: JP2012178738A
Authority: JP
Inventors: 賢志安井
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP2014038703A

Description

本発明は、燃料電池から排出されるアノードオフガスの排出圧力を低減させる構成を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a configuration for reducing the discharge pressure of anode off-gas discharged from a fuel cell.

ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）等の燃料電池においては、燃料利用率を高めることにより発電効率が向上する。燃料利用率を高めるには、セル内の水素流路を細くして、燃料電池に燃料ガスとしての水素を効率良く供給する必要がある。しかし、水素流路を細くすると、燃料電池に水素を供給する側の圧力損失が大きくなる（以下、燃料利用率を高めるために水素流路を細くした燃料電池を「高燃料利用率型の燃料電池」ともいう）。 In a fuel cell such as an SOFC (solid oxide fuel cell), the power generation efficiency is improved by increasing the fuel utilization rate. In order to increase the fuel utilization rate, it is necessary to narrow the hydrogen flow path in the cell and efficiently supply hydrogen as fuel gas to the fuel cell. However, if the hydrogen flow path is narrowed, the pressure loss on the side of supplying hydrogen to the fuel cell increases (hereinafter, a fuel cell with a narrow hydrogen flow path to increase the fuel utilization rate is referred to as a “high fuel utilization type fuel”. Battery ").

従来、各単位セル間における圧力損失のばらつきに起因する燃料ガスの配流性の低下を抑制するため、燃料電池の各セルに水素を供給する際に、燃料電池内の水分量に応じて、圧力損失の異なる２つの水素マニホールドのうちの一方を使用するように構成された燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。 Conventionally, when hydrogen is supplied to each cell of the fuel cell, the pressure according to the amount of water in the fuel cell is controlled in order to suppress a reduction in fuel gas distribution due to variations in pressure loss between the unit cells. A fuel cell configured to use one of two hydrogen manifolds having different losses has been proposed (see Patent Document 1).

特開２０１０−１８２４２９号公報JP 2010-182429 A

ところで、エネルギー循環型の社会モデルとなる水素タウンにおいては、水素ステーションからパイプラインにより水素を供給することが考えられている。このようなパイプラインによる水素の供給方式では、水素の供給圧力に上限値が定められている。そのため、水素タウン内の住宅や事業施設等に設置された高燃料利用率型の燃料電池に水素を供給するには、ブースターポンプ等の機器を設ける必要がある。しかし、ブースターポンプ等の機器を駆動するには電力が必要になるため、消費電力の削減が課題となっている。 By the way, in the hydrogen town which becomes an energy circulation type social model, it is considered to supply hydrogen from a hydrogen station through a pipeline. In such a hydrogen supply system using a pipeline, an upper limit is set for the hydrogen supply pressure. Therefore, in order to supply hydrogen to a high fuel utilization type fuel cell installed in a house or business facility in a hydrogen town, it is necessary to provide a device such as a booster pump. However, since power is required to drive devices such as booster pumps, reduction of power consumption is an issue.

本発明は、ブースターポンプ等の電力を消費する機器を使用することなしに、燃料電池の燃料利用率を高めることが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 this invention is to provide the fuel cell system which can raise the fuel utilization factor of a fuel cell, without using apparatus which consumes electric power, such as a booster pump.

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に水素を供給する水素供給ライン及び前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給ラインと、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出ライン及び前記燃料電池からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出ラインと、前記アノードオフガス排出ラインに設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを冷却して凝縮水を生成すると共に、この凝縮水を前記アノードオフガス排出ラインの一部に貯留して、前記アノードオフガス排出ラインに水頭圧差を発生させて、前記水素供給ラインにおける水素の供給圧力に対する前記アノードオフガス排出ラインにおけるアノードオフガスの排出圧力を低減させる圧力低減装置と、を備え、前記圧力低減装置は、前記アノードオフガス排出ラインから導入されたアノードオフガスを冷却して凝縮水を生成する凝縮水生成部と、当該凝縮水生成部で生成された凝縮水を貯留する貯留部と、前記凝縮水生成部、前記貯留部及び凝縮水の一部を収容する収容部と、を有し、前記アノードオフガス排出ラインの下流側の端部は、前記貯留部に貯留される凝縮水に開口しており、前記圧力低減装置は、前記アノードオフガス排出ラインの下流側の端部側に貯留される凝縮水と前記貯留部に貯留される凝縮水との間に、水頭圧差を発生させる燃料電池システムに関する。 The present invention includes a fuel cell, a hydrogen supply line for supplying hydrogen to the fuel cell, a cathode gas supply line for supplying cathode gas to the fuel cell, an anode off-gas discharge line for discharging anode off-gas from the fuel cell, Provided in a cathode offgas discharge line for discharging cathode offgas from the fuel cell and the anode offgas discharge line, the anode offgas discharged from the fuel cell is cooled to generate condensed water, and the condensed water is supplied to the anode offgas. A pressure reduction device that stores in a part of the discharge line and generates a head pressure difference in the anode off-gas discharge line to reduce the discharge pressure of the anode off-gas in the anode off-gas discharge line relative to the supply pressure of hydrogen in the hydrogen supply line When, wherein the pressure reduction A condensate water generating unit that cools the anode off gas introduced from the anode off gas discharge line to generate condensed water, a storage unit that stores the condensed water generated by the condensed water generating unit, and the condensed water A generating unit, the storing unit, and a storing unit that stores a part of the condensed water, and the downstream end of the anode offgas discharge line is open to the condensed water stored in the storing unit , the pressure reduction device is provided between the condensate water stored in the reservoir and the condensed water is stored in the end of the downstream side of the anode off-gas discharge line, a fuel cell system Ru caused the hydraulic head pressure differential .

また、前記凝縮水生成部は、前記アノードオフガス排出ラインから導入されたアノードオフガスと外部から導入した冷媒とを熱交換させることにより、アノードオフガスを冷却して凝縮水を生成することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said condensed water production | generation part cools anode off gas and produces | generates condensed water by heat-exchanging the anode off gas introduced from the said anode off gas discharge line, and the refrigerant | coolant introduced from the outside.

また、前記燃料電池に供給される水素を加湿する加湿器と、前記圧力低減装置で生成された凝縮水の少なくとも一部を前記加湿器に還流させる凝縮水還流ラインと、を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable to provide a humidifier for humidifying the hydrogen supplied to the fuel cell, and a condensed water reflux line for refluxing at least a part of the condensed water generated by the pressure reducing device to the humidifier.

また、前記燃料電池に供給される水素の流量を調整可能な流量調整手段を備え、前記流量調整手段において水素の流量が調整されることにより、前記水素供給ラインを流通する水素の供給圧力が設定されることが好ましい。 In addition, a flow rate adjusting unit capable of adjusting a flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell is provided, and a supply pressure of hydrogen flowing through the hydrogen supply line is set by adjusting a flow rate of hydrogen in the flow rate adjusting unit. It is preferred that

本発明によれば、ブースターポンプ等の電力を消費する機器を使用することなしに、燃料電池の燃料利用率を高めることができる燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can raise the fuel utilization factor of a fuel cell can be provided, without using apparatuses which consume electric power, such as a booster pump.

実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system 1 according to an embodiment. 圧力低減装置１０の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a pressure reducing device 10. FIG.

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。 Hereinafter, embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system 1 according to the present embodiment.

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２と、空気供給部３と、水素供給部４と、加湿水供給部５と、加湿器６と、燃焼器７と、を備える。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to this embodiment includes a fuel cell 2, an air supply unit 3, a hydrogen supply unit 4, a humidified water supply unit 5, a humidifier 6, and a combustor 7. And comprising.

また、燃料電池システム１は、第１熱交換器８と、第２熱交換器９と、流量調整手段としてのマスフローコントローラＣ１及びＣ２と、圧力低減装置１０と、第３熱交換器１１と、燃料供給部１２と、冷却水供給部１３と、を備える。 The fuel cell system 1 includes a first heat exchanger 8, a second heat exchanger 9, mass flow controllers C1 and C2 as flow rate adjusting means, a pressure reducing device 10, a third heat exchanger 11, A fuel supply unit 12 and a cooling water supply unit 13 are provided.

更に、燃料電池システム１は、カソードガス供給ラインＬ１と、水素供給ラインＬ２と、加湿水供給ラインＬ３と、カソードオフガス排出ラインＬ４と、アノードオフガス排出ラインＬ５と、排ガス排気ラインＬ６と、燃料供給ラインＬ７と、凝縮水還流ラインＬ８と、冷却水供給ラインＬ９と、温水排出ラインＬ１０と、を備える。本明細書における「ライン」とは、流路、径路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。 Further, the fuel cell system 1 includes a cathode gas supply line L1, a hydrogen supply line L2, a humidified water supply line L3, a cathode offgas discharge line L4, an anode offgas discharge line L5, an exhaust gas exhaust line L6, and a fuel supply. A line L7, a condensed water reflux line L8, a cooling water supply line L9, and a hot water discharge line L10 are provided. The “line” in the present specification is a general term for lines capable of flowing a fluid such as a flow path, a radial path, and a pipeline.

燃料電池２は、水素極に供給された水素ガス及び空気極に供給されたカソードガス（空気）を反応させて発電する、高燃料利用率型の燃料電池である。本実施形態の燃料電池２は、ＳＯＦＣ型の燃料電池である。燃料電池２の発電により得られた直流電力は、例えば、ＤＣ／ＡＣコンバータ等（不図示）を介して交流電力に変換される。また、発電により生じたカソードオフガスは、燃焼器７（後述）に排出される。 The fuel cell 2 is a high fuel utilization type fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode and cathode gas (air) supplied to the air electrode. The fuel cell 2 of the present embodiment is a SOFC type fuel cell. The direct current power obtained by the power generation of the fuel cell 2 is converted into alternating current power via a DC / AC converter or the like (not shown), for example. Further, the cathode off gas generated by the power generation is discharged to the combustor 7 (described later).

燃料電池２の空気極には、カソードガス供給ラインＬ１の下流側の端部が接続されている。燃料電池２の水素極には、水素供給ラインＬ２の下流側の端部が接続されている。燃料電池２のカソードオフガス排出口には、カソードオフガス排出ラインＬ４の上流側の端部が接続されている。燃料電池２のアノードオフガス排出口には、アノードオフガス排出ラインＬ５の上流側の端部が接続されている。 The downstream end of the cathode gas supply line L1 is connected to the air electrode of the fuel cell 2. The hydrogen electrode of the fuel cell 2 is connected to the downstream end of the hydrogen supply line L2. An upstream end portion of the cathode offgas discharge line L4 is connected to the cathode offgas discharge port of the fuel cell 2. An upstream end portion of the anode offgas discharge line L5 is connected to the anode offgas discharge port of the fuel cell 2.

空気供給部３は、カソードガスの供給源である。空気供給部３としては、例えば、ブロワやエアコンプレッサ等が挙げられる。本実施形態における空気供給部３は、カソードガスとしての空気を供給するブロアである。 The air supply unit 3 is a cathode gas supply source. Examples of the air supply unit 3 include a blower and an air compressor. The air supply unit 3 in the present embodiment is a blower that supplies air as a cathode gas.

カソードガス供給ラインＬ１は、カソードガスが流通するラインである。カソードガス供給ラインＬ１の上流側の端部は、空気供給部３に接続されている。カソードガス供給ラインＬ１の下流側の端部は、燃料電池２の空気極に接続されている。 The cathode gas supply line L1 is a line through which the cathode gas flows. The upstream end of the cathode gas supply line L1 is connected to the air supply unit 3. The downstream end of the cathode gas supply line L 1 is connected to the air electrode of the fuel cell 2.

カソードガス供給ラインＬ１には、第１熱交換器８が設けられている。第１熱交換器８は、燃焼器７から排気された排ガスの熱により、空気供給部３から供給されたカソードガスを加熱する。第１熱交換器８には、排ガス排気ラインＬ６が接続されている。空気供給部３から供給されたカソードガスは、第１熱交換器８において、排ガス排気ラインＬ６を流通する排ガスとの熱交換により加熱される。カソードガスの加熱により、燃料電池２において、水素ガスとの化学反応が促進される。 A first heat exchanger 8 is provided in the cathode gas supply line L1. The first heat exchanger 8 heats the cathode gas supplied from the air supply unit 3 with the heat of the exhaust gas exhausted from the combustor 7. An exhaust gas exhaust line L6 is connected to the first heat exchanger 8. The cathode gas supplied from the air supply unit 3 is heated in the first heat exchanger 8 by heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust gas exhaust line L6. The chemical reaction with hydrogen gas is promoted in the fuel cell 2 by heating the cathode gas.

水素供給部４は、水素ガスの供給源である。水素供給ラインＬ２は、水素ガスが流通するラインである。水素供給ラインＬ２の上流側の端部は、水素供給部４に接続されている。水素供給ラインＬ２の下流側の端部は、燃料電池２の水素極に接続されている。 The hydrogen supply unit 4 is a hydrogen gas supply source. The hydrogen supply line L2 is a line through which hydrogen gas flows. The upstream end of the hydrogen supply line L2 is connected to the hydrogen supply unit 4. The downstream end of the hydrogen supply line L 2 is connected to the hydrogen electrode of the fuel cell 2.

水素供給ラインＬ２には、第２熱交換器９と、マスフローコントローラＣ２と、加湿器６と、が設けられている。 The hydrogen supply line L2 is provided with a second heat exchanger 9, a mass flow controller C2, and a humidifier 6.

第２熱交換器９は、燃焼器７から排気された排ガスの熱により、水素供給部４から供給された水素ガスを加熱する。第２熱交換器９には、排ガス排気ラインＬ６が接続されている。水素供給部４から供給された水素ガスは、第２熱交換器９において、排ガス排気ラインＬ６を流通する排ガスとの熱交換により加熱される。水素ガスの加熱により、燃料電池２において、カソードガスとの化学反応が促進される。 The second heat exchanger 9 heats the hydrogen gas supplied from the hydrogen supply unit 4 with the heat of the exhaust gas exhausted from the combustor 7. An exhaust gas exhaust line L6 is connected to the second heat exchanger 9. The hydrogen gas supplied from the hydrogen supply unit 4 is heated in the second heat exchanger 9 by heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust gas exhaust line L6. The chemical reaction with the cathode gas is promoted in the fuel cell 2 by heating the hydrogen gas.

マスフローコントローラＣ２は、水素供給ラインＬ２を流通する水素ガスの流量を調節する。マスフローコントローラＣ２において、水素ガスの流量が調節されることにより、水素供給ラインＬ２を流通する水素ガスの供給圧力が設定される。 The mass flow controller C2 adjusts the flow rate of hydrogen gas flowing through the hydrogen supply line L2. In the mass flow controller C2, the supply pressure of the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply line L2 is set by adjusting the flow rate of the hydrogen gas.

加湿器６は、水素供給部４から、マスフローコントローラＣ２及び第２熱交換器９を経て供給された水素ガスを加湿する。加湿器６で加湿された水素ガスは、燃料電池２の水素極へ供給される。加湿器６において使用される加湿水の一部は、圧力低減装置１０（後述）から凝縮水還流ラインＬ８を介して還流される凝縮水Ｗ１である。加湿器６には、加湿水供給ラインＬ３と、排ガス排気ラインＬ６と、が接続されている。圧力低減装置１０（後述）から加湿器６に導入された凝縮水Ｗ１は、加湿器６において、排ガス排気ラインＬ６を流通する排ガスと熱交換することにより加熱され、蒸気となる。 The humidifier 6 humidifies the hydrogen gas supplied from the hydrogen supply unit 4 via the mass flow controller C2 and the second heat exchanger 9. The hydrogen gas humidified by the humidifier 6 is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 2. A part of the humidified water used in the humidifier 6 is condensed water W1 that is recirculated from the pressure reducing device 10 (described later) through a condensed water recirculation line L8. The humidifier 6 is connected to a humidified water supply line L3 and an exhaust gas exhaust line L6. Condensed water W1 introduced into the humidifier 6 from the pressure reducing device 10 (described later) is heated by the heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust gas exhaust line L6 in the humidifier 6 to become steam.

加湿水供給ラインＬ３は、加湿水Ｗ２が流通するラインである。加湿水供給ラインＬ３の上流側の端部は、加湿水供給部５に接続されている。加湿水供給部５は、加湿水Ｗ２の供給源である。加湿水供給ラインＬ３の下流側の端部は、加湿器６の加湿水導入口に接続されている。 The humidified water supply line L3 is a line through which the humidified water W2 flows. The upstream end of the humidified water supply line L3 is connected to the humidified water supply unit 5. The humidified water supply unit 5 is a supply source of the humidified water W2. The downstream end of the humidified water supply line L3 is connected to the humidified water inlet of the humidifier 6.

加湿水供給ラインＬ３には、マスフローコントローラＣ１が設けられている。マスフローコントローラＣ１は、加湿水供給ラインＬ３を流通する加湿水Ｗ２の流量を調節する。 A mass flow controller C1 is provided in the humidified water supply line L3. The mass flow controller C1 adjusts the flow rate of the humidified water W2 flowing through the humidified water supply line L3.

カソードオフガス排出ラインＬ４は、燃料電池２からカソードオフガスを排出するラインである。カソードオフガス排出ラインＬ４の上流側の端部は、燃料電池２のカソードオフガス排出口に接続されている。カソードオフガス排出ラインＬ４の下流側の端部は、燃焼器７のカソードオフガス導入口に接続されている。 The cathode offgas discharge line L4 is a line for discharging the cathode offgas from the fuel cell 2. The upstream end of the cathode offgas discharge line L4 is connected to the cathode offgas discharge port of the fuel cell 2. The downstream end of the cathode offgas discharge line L4 is connected to the cathode offgas inlet of the combustor 7.

アノードオフガス排出ラインＬ５は、燃料電池２からアノードオフガスを排出するラインである。アノードオフガス排出ラインＬ５の上流側の端部は、燃料電池２のアノードオフガス排出口に接続されている。アノードオフガス排出ラインＬ５の下流側の端部は、圧力低減装置１０のアノードオフガス導入口に接続されている。 The anode off gas discharge line L5 is a line for discharging the anode off gas from the fuel cell 2. The upstream end of the anode off gas discharge line L5 is connected to the anode off gas discharge port of the fuel cell 2. The downstream end of the anode offgas discharge line L5 is connected to the anode offgas inlet of the pressure reducing device 10.

燃焼器７は、燃料電池２から排出されたカソードオフガスを燃焼用の燃料と共に燃焼する。燃焼器７には、上述したカソードオフガス排出ラインＬ４の下流側の端部と、燃料供給ラインＬ７の下流側の端部とが接続されている。 The combustor 7 burns the cathode off gas discharged from the fuel cell 2 together with the fuel for combustion. The combustor 7 is connected to the downstream end of the cathode offgas discharge line L4 and the downstream end of the fuel supply line L7.

燃料供給ラインＬ７は、カソードオフガスの燃焼用の燃料が流通するラインである。燃料供給ラインＬ７の上流側の端部は、燃料供給部１２に接続されている。燃料供給部１２は、カソードオフガスを燃焼させる燃焼用の燃料の供給源である。燃料供給ラインＬ７の下流側の端部は、燃焼器７の燃料導入口に接続されている。カソードオフガス排出ラインＬ４から燃焼器７に導入されたカソードオフガスは、燃料供給ラインＬ７から導入された燃焼用の燃料と共に燃焼する。 The fuel supply line L7 is a line through which fuel for burning the cathode off gas flows. The upstream end of the fuel supply line L7 is connected to the fuel supply unit 12. The fuel supply unit 12 is a supply source of combustion fuel for burning the cathode off gas. The downstream end of the fuel supply line L7 is connected to the fuel inlet of the combustor 7. The cathode offgas introduced into the combustor 7 from the cathode offgas discharge line L4 is combusted together with the combustion fuel introduced from the fuel supply line L7.

また、燃焼器７には、排ガス排気ラインＬ６が接続されている。排ガス排気ラインＬ６は、燃焼器７から、燃焼により生じた排ガスを排気するラインである。排ガス排気ラインＬ６は、第１熱交換器８、第２熱交換器９、加湿器６、及び第３熱交換器１１と、この順に接続されている。排ガス排気ラインＬ６を流通する排ガスは、第１熱交換器８、第２熱交換器９、加湿器６、及び第３熱交換器１１において、それぞれ被加熱媒体と熱交換した後、外部に排気される。 Further, the exhaust gas exhaust line L6 is connected to the combustor 7. The exhaust gas exhaust line L6 is a line for exhausting exhaust gas generated by combustion from the combustor 7. The exhaust gas exhaust line L6 is connected to the first heat exchanger 8, the second heat exchanger 9, the humidifier 6, and the third heat exchanger 11 in this order. In the first heat exchanger 8, the second heat exchanger 9, the humidifier 6, and the third heat exchanger 11, the exhaust gas flowing through the exhaust gas exhaust line L6 is subjected to heat exchange with the medium to be heated and then exhausted to the outside. Is done.

圧力低減装置１０は、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを冷却して凝縮水Ｗ１を生成すると共に、凝縮水Ｗ１をアノードオフガス排出ラインＬ５の一部に貯留して、アノードオフガス排出ラインＬ５に水頭圧差を発生させて、水素供給ラインＬ２における水素ガスの供給圧力に対して、アノードオフガス排出ラインＬ５におけるアノードオフガスの排出圧力を低減させる。圧力低減装置１０の構成については後述する。 The pressure reduction device 10 cools the anode offgas discharged from the fuel cell 2 to generate condensed water W1, stores the condensed water W1 in a part of the anode offgas discharge line L5, and supplies the condensed water W1 to the anode offgas discharge line L5. A water head pressure difference is generated, and the discharge pressure of the anode off gas in the anode off gas discharge line L5 is reduced with respect to the supply pressure of the hydrogen gas in the hydrogen supply line L2. The configuration of the pressure reducing device 10 will be described later.

圧力低減装置１０は、アノードオフガス排出ラインＬ５の下流側の端部に設けられている。圧力低減装置１０には、アノードオフガス排出ラインＬ５のほか、凝縮水還流ラインＬ８、冷却水供給ラインＬ９、及び温水排出ラインＬ１０が接続されている。 The pressure reduction device 10 is provided at the downstream end of the anode offgas discharge line L5. In addition to the anode off-gas discharge line L5, the pressure reducing device 10 is connected to a condensed water reflux line L8, a cooling water supply line L9, and a hot water discharge line L10.

凝縮水還流ラインＬ８は、圧力低減装置１０で生成された凝縮水Ｗ１を、加湿器６に還流させるラインである。凝縮水還流ラインＬ８の上流側の端部は、圧力低減装置１０の凝縮水排出口に接続されている。凝縮水還流ラインＬ８の下流側の端部は、加湿器６の凝縮水導入口に接続されている。 The condensed water recirculation line L8 is a line for recirculating the condensed water W1 generated by the pressure reducing device 10 to the humidifier 6. The upstream end of the condensed water recirculation line L8 is connected to the condensed water discharge port of the pressure reducing device 10. The downstream end of the condensed water recirculation line L8 is connected to the condensed water inlet of the humidifier 6.

冷却水供給ラインＬ９は、圧力低減装置１０の凝縮水生成部１０１（後述）に、冷媒としての冷却水Ｗ３を供給するラインである。冷却水供給ラインＬ９の上流側の端部は、冷却水供給部１３に接続されている。冷却水供給部１３は、冷却水Ｗ３の供給源である。冷却水供給ラインＬ９の下流側の端部は、圧力低減装置１０の凝縮水生成部１０１に接続されている。 The cooling water supply line L9 is a line that supplies cooling water W3 as a refrigerant to a condensed water generation unit 101 (described later) of the pressure reducing device 10. The upstream end of the cooling water supply line L9 is connected to the cooling water supply unit 13. The cooling water supply unit 13 is a supply source of the cooling water W3. The downstream end of the cooling water supply line L9 is connected to the condensed water generation unit 101 of the pressure reduction device 10.

温水排出ラインＬ１０は、圧力低減装置１０においてアノードオフガスと熱交換した冷却水Ｗ３（温水）を排出するラインである。温水排出ラインＬ１０の上流側の端部は、圧力低減装置１０の凝縮水生成部１０１に接続されている。温水排出ラインＬ１０の下流側の端部は、冷却水Ｗ３（温水）の利用先に接続されている。 The hot water discharge line L 10 is a line for discharging the cooling water W 3 (hot water) exchanged with the anode off gas in the pressure reducing device 10. The upstream end of the hot water discharge line L10 is connected to the condensed water generation unit 101 of the pressure reduction device 10. The downstream end of the hot water discharge line L10 is connected to the usage destination of the cooling water W3 (hot water).

温水排出ラインＬ１０には、第３熱交換器１１が設けられている。第３熱交換器１１は、燃焼器７から排気された排ガスの熱により、温水排出ラインＬ１０を流通する冷却水Ｗ３（温水）を加熱する。第３熱交換器１１には、排ガス排気ラインＬ６が接続されている。温水排出ラインＬ１０を流通する冷却水Ｗ３（温水）は、第３熱交換器１１において、排ガス排気ラインＬ６を流通する排ガスとの熱交換により加熱される。 A third heat exchanger 11 is provided in the warm water discharge line L10. The third heat exchanger 11 heats the cooling water W 3 (hot water) flowing through the hot water discharge line L 10 with the heat of the exhaust gas exhausted from the combustor 7. An exhaust gas exhaust line L6 is connected to the third heat exchanger 11. The cooling water W3 (warm water) flowing through the hot water discharge line L10 is heated in the third heat exchanger 11 by heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust gas exhaust line L6.

次に、圧力低減装置１０の構成を、図２を参照しながら説明する。図２は、圧力低減装置１０の概略構成図である。 Next, the configuration of the pressure reducing device 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the pressure reducing device 10.

図２に示すように、圧力低減装置１０は、凝縮水生成部１０１と、貯留部１０２と、収容部１０３と、を有する。凝縮水生成部１０１及び貯留部１０２は、収容部１０３の内部に設けられている。 As illustrated in FIG. 2, the pressure reduction device 10 includes a condensed water generation unit 101, a storage unit 102, and a storage unit 103. The condensed water generation unit 101 and the storage unit 102 are provided inside the storage unit 103.

凝縮水生成部１０１は、アノードオフガス排出ラインＬ５から導入されたアノードオフガスを冷却して凝縮水Ｗ１を生成する。凝縮水生成部１０１の内部には、アノードオフガス排出ラインＬ５が貫通している。また、凝縮水生成部１０１において、アノードオフガス排出ラインＬ５の外壁面と凝縮水生成部１０１の内壁面との間には、冷却水流路１０１ａが形成されている。冷却水流路１０１ａには、冷却水供給ラインＬ９の下流側の端部と、温水排出ラインＬ１０の上流側の端部と、が接続されている。 The condensed water production | generation part 101 cools the anode offgas introduced from the anode offgas discharge line L5, and produces | generates the condensed water W1. An anode off-gas discharge line L5 passes through the condensed water generation unit 101. Further, in the condensed water generation unit 101, a cooling water flow path 101a is formed between the outer wall surface of the anode off-gas discharge line L5 and the inner wall surface of the condensed water generation unit 101. An end on the downstream side of the cooling water supply line L9 and an end on the upstream side of the hot water discharge line L10 are connected to the cooling water channel 101a.

アノードオフガス排出ラインＬ５から凝縮水生成部１０１に導入されたアノードオフガスは、冷却水供給ラインＬ９から冷却水流路１０１ａに導入された冷却水Ｗ３と熱交換することにより冷却（凝縮）され、アノードオフガス排出ラインＬ５の内部で結露する。これにより、アノードオフガス排出ラインＬ５の内部に凝縮水Ｗ１が生成される。生成された凝縮水Ｗ１は、貯留部１０２に貯留されると共に、アノードオフガス排出ラインＬ５の一部に貯留される。 The anode off gas introduced into the condensed water generation unit 101 from the anode off gas discharge line L5 is cooled (condensed) by exchanging heat with the cooling water W3 introduced into the cooling water flow path 101a from the cooling water supply line L9, and the anode off gas. Condensation occurs inside the discharge line L5. Thereby, the condensed water W1 is produced | generated inside the anode offgas discharge line L5. The generated condensed water W1 is stored in the storage unit 102 and stored in a part of the anode offgas discharge line L5.

また、冷却水流路１０１ａにおいて、アノードオフガスと熱交換した冷却水Ｗ３（温水）は、温水排出ラインＬ１０に排出され、第３熱交換器１１に送出される。 In addition, the cooling water W 3 (warm water) heat-exchanged with the anode off gas in the cooling water channel 101 a is discharged to the hot water discharge line L 10 and sent to the third heat exchanger 11.

貯留部１０２は、凝縮水生成部１０１で生成された凝縮水Ｗ１を貯留する。具体的には、貯留部１０２は、凝縮水生成部１０１で生成された凝縮水Ｗ１を、アノードオフガス排出ラインＬ５の一部に貯留して、アノードオフガス排出ラインＬ５に水頭圧差を発生させる。凝縮水生成部１０１を貫通するアノードオフガス排出ラインＬ５の端部は、貯留部１０２に貯留された凝縮水Ｗ１に開口している。 The storage unit 102 stores the condensed water W1 generated by the condensed water generation unit 101. Specifically, the storage unit 102 stores the condensed water W1 generated by the condensed water generation unit 101 in a part of the anode offgas discharge line L5, and generates a head pressure difference in the anode offgas discharge line L5. The end of the anode offgas discharge line L5 that penetrates the condensed water generation unit 101 opens to the condensed water W1 stored in the storage unit 102.

凝縮水生成部１０１で生成された凝縮水Ｗ１は、貯留部１０２に貯留されると共に、アノードオフガス排出ラインＬ５の一部にも貯留される。貯留部１０２において、アノードオフガス排出ラインＬ５の一部に貯留された凝縮水Ｗ１により、図２に示すように、アノードオフガス排出ラインＬ５に水頭圧差ｈが発生する。 The condensed water W1 produced | generated by the condensed water production | generation part 101 is stored by the storage part 102, and is stored also by a part of anode offgas discharge line L5. In the storage unit 102, the condensed water W1 stored in a part of the anode offgas discharge line L5 generates a head pressure difference h in the anode offgas discharge line L5 as shown in FIG.

貯留部１０２には、凝縮水還流ラインＬ８が接続されている。貯留部１０２において、凝縮水還流ラインＬ８の接続位置よりもオーバーフローした分の凝縮水Ｗ１は、凝縮水還流ラインＬ８を介して加湿器６へ還流される。 A condensate reflux line L8 is connected to the storage unit 102. In the storage part 102, the condensed water W1 that has overflowed from the connection position of the condensed water recirculation line L8 is recirculated to the humidifier 6 via the condensed water recirculation line L8.

収容部１０３は、図２に示すように、凝縮水生成部１０１、貯留部１０２、及び貯留部１０２に貯留された凝縮水Ｗ１の一部を収容する。収容部１０３には、上述したアノードオフガス排出ラインＬ５と、凝縮水還流ラインＬ８と、冷却水供給ラインＬ９と、温水排出ラインＬ１０と、が接続されている。 As shown in FIG. 2, the storage unit 103 stores the condensed water generation unit 101, the storage unit 102, and a part of the condensed water W 1 stored in the storage unit 102. The above-mentioned anode offgas discharge line L5, condensed water recirculation line L8, cooling water supply line L9, and hot water discharge line L10 are connected to the housing 103.

上記のように構成された燃料電池システム１（図１参照）において、水素供給ラインＬ２から燃料電池２に供給される水素の供給圧力をＰ１（ｍｍＡｑ）、燃料電池２における圧力損失分をΔＰ（ｍｍＡｑ）、圧力低減装置１０（アノードオフガス排出ラインＬ５）の水頭圧差ｈにより生じる内部圧力をＰ２（ｍｍＡｑ）、マスフローコントローラＣ２、水素供給ラインＬ２、アノードオフガス排出ラインＬ５等に生じる圧力損失をＰ３（ｍｍＡｑ）とすると、水素の供給圧力Ｐ１は、下記の式（１）で表すことができる。
Ｐ１＝ΔＰ−Ｐ２＋Ｐ３（１） In the fuel cell system 1 (see FIG. 1) configured as described above, the supply pressure of hydrogen supplied from the hydrogen supply line L2 to the fuel cell 2 is P1 (mmAq), and the pressure loss in the fuel cell 2 is ΔP ( mmAq), P2 (mmAq), the internal pressure generated by the head pressure difference h of the pressure reducing device 10 (anode offgas discharge line L5), P3 (pressure loss generated in the mass flow controller C2, the hydrogen supply line L2, the anode offgas discharge line L5, etc. mmAq), the hydrogen supply pressure P1 can be expressed by the following formula (1).
P1 = ΔP−P2 + P3 (1)

式（１）に示すように、水頭圧差ｈにより生じる内部圧力Ｐ２は、水素の供給圧力に対して負圧になる。すなわち、アノードオフガスは、凝縮水生成部１０１で冷却（凝縮）されることにより体積が小さくなるため、アノードオフガス排出ラインＬ５の端部では、水頭圧差ｈの分だけ負圧が発生する。そのため、圧力低減装置１０を設けることにより、負圧となる内部圧力Ｐ２の分だけ、アノードオフガス排出ラインＬ５におけるアノードオフガスの排出圧力を低減することができる。 As shown in the equation (1), the internal pressure P2 generated by the water head pressure difference h is negative with respect to the hydrogen supply pressure. That is, since the anode off gas is cooled (condensed) by the condensed water generation unit 101 and its volume is reduced, a negative pressure is generated at the end of the anode off gas discharge line L5 by the head pressure difference h. Therefore, by providing the pressure reducing device 10, the discharge pressure of the anode off gas in the anode off gas discharge line L5 can be reduced by the amount of the internal pressure P2 that is a negative pressure.

上述した実施形態に係る燃料電池システム１によれば、例えば、以下のような効果が得られる。 According to the fuel cell system 1 according to the above-described embodiment, for example, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素供給ラインＬ２における水素の供給圧力に対して、アノードオフガス排出ラインＬ５におけるアノードオフガスの排出圧力を低減させる圧力低減装置１０を備える。圧力低減装置１０は、アノードオフガス排出ラインＬ５の一部に貯留された凝縮水Ｗ１の水頭圧差ｈにより内部圧力（負圧）を発生させる。そのため、圧力低減装置１０には、駆動のための電力が不要となる。従って、高燃料利用率型の燃料電池２において、ブースターポンプ等の電力を消費する機器を使用することなしに、燃料利用率を高めることができる。 The fuel cell system 1 according to this embodiment includes a pressure reducing device 10 that reduces the discharge pressure of the anode offgas in the anode offgas discharge line L5 with respect to the supply pressure of hydrogen in the hydrogen supply line L2. The pressure reducing device 10 generates an internal pressure (negative pressure) by the head pressure difference h of the condensed water W1 stored in a part of the anode offgas discharge line L5. Therefore, the pressure reducing device 10 does not require power for driving. Therefore, in the high fuel utilization rate type fuel cell 2, it is possible to increase the fuel utilization rate without using a power consuming device such as a booster pump.

また、燃料電池システム１においては、アノードオフガス排出ラインＬ５の端部が負圧になるため、水素供給ラインＬ２における水素の漏れを抑制することができる。 Further, in the fuel cell system 1, since the end of the anode off-gas discharge line L5 has a negative pressure, hydrogen leakage in the hydrogen supply line L2 can be suppressed.

また、燃料電池システム１において、圧力低減装置１０は、アノードオフガスを冷却して凝縮水Ｗ１を生成する凝縮水生成部１０１と、凝縮水Ｗ１をアノードオフガス排出ラインＬ５の一部に貯留して水頭圧差ｈを発生させる貯留部１０２と、凝縮水生成部１０１、貯留部１０２及び凝縮水Ｗ１の一部を収容する収容部１０３と、から構成される。そのため、圧力低減装置１０の構成を簡素化することができる。 In the fuel cell system 1, the pressure reducing device 10 cools the anode off gas to generate the condensed water W1, and stores the condensed water W1 in a part of the anode off gas discharge line L5 to store the water head. It is comprised from the storage part 102 which generates the pressure difference h, and the accommodating part 103 in which the condensed water production | generation part 101, the storage part 102, and some condensed water W1 are accommodated. Therefore, the configuration of the pressure reducing device 10 can be simplified.

また、燃料電池システム１において、凝縮水生成部１０１は、アノードオフガス排出ラインＬ５から導入されたアノードオフガスと冷却水供給ラインＬ９から導入された冷却水Ｗ３との熱交換により、アノードオフガスを冷却して凝縮水Ｗ１を生成する。そのため、アノードオフガスの潜熱を効率良く回収して再利用することができる。 Further, in the fuel cell system 1, the condensed water generation unit 101 cools the anode off gas by heat exchange between the anode off gas introduced from the anode off gas discharge line L5 and the cooling water W3 introduced from the cooling water supply line L9. To produce condensed water W1. Therefore, the latent heat of the anode off gas can be efficiently recovered and reused.

また、燃料電池システム１は、圧力低減装置１０で生成された凝縮水Ｗ１の少なくとも一部を加湿器６に還流させる凝縮水還流ラインＬ８を備える。そのため、システム内で生成した凝縮水Ｗ１を加湿水として加湿器６に還流させる節水型の燃料電池システムを低コストで実現することができる。 The fuel cell system 1 also includes a condensed water recirculation line L8 that recirculates at least part of the condensed water W1 generated by the pressure reducing device 10 to the humidifier 6. Therefore, a water-saving fuel cell system that recirculates the condensed water W1 generated in the system as humidified water to the humidifier 6 can be realized at low cost.

また、燃料電池システム１は、燃料電池２に供給される水素ガスの流量を調節する流量調整手段としてのマスフローコントローラＣ２を備える。そのため、マスフローコントローラＣ２において、水素供給ラインＬ２を流通する水素ガスの流量を調節することにより、燃料電池２における燃料利用率を１００％にすることができる。 The fuel cell system 1 also includes a mass flow controller C2 as a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2. Therefore, the fuel utilization rate in the fuel cell 2 can be made 100% by adjusting the flow rate of the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply line L2 in the mass flow controller C2.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms.

本実施形態では、燃料電池２に供給される水素ガスの流量を調節する流量調整手段として、水素供給ラインＬ２にマスフローコントローラＣ２を設けた例について説明した。この例に限らず、水素供給ラインＬ２に流量調整弁を設けてもよい。 In the present embodiment, the example in which the mass flow controller C2 is provided in the hydrogen supply line L2 as the flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 has been described. Not limited to this example, a flow rate adjustment valve may be provided in the hydrogen supply line L2.

１燃料電池システム
２燃料電池
３空気供給部
４水素供給部
６加湿器
７燃焼器
１０圧力低減装置
１０１凝縮水生成部
１０１ａ冷却水流路
１０２貯留部
１０３収容部
Ｃ１，Ｃ２マスフローコントローラ（流量調整手段）
Ｌ１カソードガス供給ライン
Ｌ２水素供給ライン
Ｌ４カソードオフガス排出ライン
Ｌ５アノードオフガス排出ライン
Ｌ８凝縮水還流ライン
Ｗ１凝縮水
Ｗ３冷却水 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Fuel cell 3 Air supply part 4 Hydrogen supply part 6 Humidifier 7 Combustor 10 Pressure reduction apparatus 101 Condensate water generation part 101a Cooling water flow path 102 Storage part 103 Accommodating part C1, C2 Mass flow controller (flow rate adjustment means)
L1 Cathode gas supply line L2 Hydrogen supply line L4 Cathode offgas discharge line L5 Anode offgas discharge line L8 Condensate recirculation line W1 Condensate water W3 Cooling water

Claims

A fuel cell;
A hydrogen supply line for supplying hydrogen to the fuel cell and a cathode gas supply line for supplying cathode gas to the fuel cell;
An anode offgas discharge line for discharging anode offgas from the fuel cell and a cathode offgas discharge line for discharging cathode offgas from the fuel cell;
The anode off-gas discharge line is provided to cool the anode off-gas discharged from the fuel cell to generate condensed water, and store the condensed water in a part of the anode off-gas discharge line to discharge the anode off-gas. A pressure reducing device that generates a head pressure difference in the line to reduce the discharge pressure of the anode offgas in the anode offgas discharge line relative to the supply pressure of hydrogen in the hydrogen supply line;
Equipped with a,
The pressure reduction device includes a condensed water generation unit that cools the anode off gas introduced from the anode off gas discharge line to generate condensed water, a storage unit that stores the condensed water generated by the condensed water generation unit, and And containing the condensed water generation unit, the storage unit and a part of the condensed water,
The downstream end of the anode offgas discharge line is open to condensed water stored in the storage unit,
It said pressure reducing device is provided between the condensate water stored in the reservoir and the condensed water is stored in the end of the downstream side of the anode off-gas discharge line, the fuel cell system Ru caused the water head pressure difference.

The condensed water generation unit cools the anode off gas to generate condensed water by exchanging heat between the anode off gas introduced from the anode off gas discharge line and a refrigerant introduced from the outside.
The fuel cell system according to claim 1 .

A humidifier for humidifying the hydrogen supplied to the fuel cell;
A condensed water reflux line for refluxing at least a part of the condensed water generated by the pressure reducing device to the humidifier;
A fuel cell system according to claim 1 or 2 .

A flow rate adjusting means capable of adjusting a flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell;
By adjusting the flow rate of hydrogen in the flow rate adjusting means, the supply pressure of hydrogen flowing through the hydrogen supply line is set,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 .