JP6756196B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動する燃料電池システムおよびその動作方法に関する。

燃料電池のカソードガス供給通路にコンプレッサを備え、燃料電池に対し、コンプレッサを通じて酸化剤を供給する一方、カソードガス排出通路にタービンが接続され、タービンによりコンプレッサを駆動するように構成された燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムとして、コンプレッサおよびタービンに加え、カソードガス排出通路に燃焼器が介装され、燃焼器で生成された燃焼ガスをタービンに供給して、タービンを駆動するように構成されたものも知られている。

特許文献１には、燃料電池のカソードオフガスラインとアノードオフガスラインとのそれぞれに気液分離器を備えた燃料電池システムが記載されている。カソードオフガスをカソードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたカソードオフガスを混合器に流入させるとともに、アノードオフガスをアノードオフガスラインの気液分離器に導入し、水分が除去されたアノードオフガスを混合器に流入させる。混合器から流出したカソードオフガスおよびアノードオフガスの混合ガスを燃焼ヒータに導入してアノードオフガス中の燃料を燃焼させ、これにより生じた熱エネルギにより冷却液を加熱する。そして、加熱された冷却液を、暖機冷却液ラインを介して燃料電池に供給し、燃料電池の暖機を促進させる。

特開２００５−３１０４６４号公報

燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動するものでは、タービンを効率よく作動させるため、燃焼器をタービンによる動力回収の観点から最適に運転することが求められる。具体的には、燃焼器に対する水分の流入を回避するとともに、燃焼器に対し、燃料と酸化剤とを充分に混合させた状態で導入する。燃焼器に水分が流入すれば、燃焼促進のために燃焼器に保持されている触媒に水分が付着して、燃料の着火性が悪化し、燃料と酸化剤との混合が不充分であれば、燃焼温度の分布にむらが生じて、触媒を局所的に劣化させたり、触媒の劣化を抑制するために燃焼温度を下げる必要が生じたりするからである。

特許文献１に記載のシステムは、コンプレッサを駆動するタービンを備えておらず、混合器の下流側に備わる燃焼器は、暖機時における熱エネルギの取得を目的としたものであり、燃焼ガスの生成自体を目的としたものではない。そして、この目的に起因して、特許文献１において、カソードオフガスおよびアノードオフガスは、暖機が完了した後、いずれも燃焼器に供給されず、排水素の処理のため、燃焼器を迂回して希釈装置に導入されている。よって、特許文献１に記載の技術は、燃焼器で生成された燃焼ガスによりタービンを駆動するシステムにおいて、燃焼器の最適な運転の実現に資するものではない。

本発明では、燃焼電池のカソードガス排出通路に、コンプレッサを駆動するタービンを接続し、カソードガス排出通路に、タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器を介装する。カソードガス排出通路のうち燃焼器よりも上流側に気液分離器を設置し、燃料供給部により、カソードガス排出通路のうち気液分離器よりも上流側に燃焼器で燃焼させる燃料を供給する。

本発明によれば、燃焼器に対する水分の流入を抑制するとともに、燃料とカソードオフガスとを充分に混合させた状態で燃焼器に導入することができ、燃焼器をより的確に運転することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。 図３は、同上実施形態に係る燃料電池システムの変形態様の構成を概略的に示す全体構成図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す全体構成図である。 図５は、同上実施形態に係る燃料電池システムの変形態様の構成を概略的に示す全体構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成を概略的に示している。

燃料電池システム１０１は、大別すると、燃料電池１０と、カソードガス給排機構１２と、アノードガス給排機構１４と、加熱／冷却機構１６と、負荷装置１８と、を備える。さらに、燃料電池システム１０１は、カソードガス給排機構１２に電動コンプレッサ２０およびタービン２２を備える。電動コンプレッサ２０は、コンプレッサ２０１および電動モータ２０２を備え、タービン２２は、コンプレッサ２０１を電動モータ２０２とは独立に駆動可能に構成されている。図１に明示しないが、燃料電池システム１０１は、電子制御ユニットとして構成されたシステムコントローラを備え、システムコントローラにより、燃料電池１０の発電電力等、燃料電池システム１０１の運転状態が制御される。本実施形態において、燃料電池システム１０１は、車両に搭載され、燃料電池１０は、車両の走行に必要な電力を発電する。

燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、カソードガス給排機構１２を介して空気の供給を受けるとともに、アノードガス給排機構１４を介して水素ガスの供給を受け、空気中の酸素と水素との化学反応により発電する。本実施形態では、水素が燃料であり、空気中の酸素が酸化剤である。発電により生じた電気は、車両走行用の電動モータの駆動に用いられるほか、電動コンプレッサ２０に備わる電動モータ２０２等の各種補機の駆動に用いられる。本実施形態では、負荷装置１８が、車両走行用の電動モータである。

（カソードガス給排機構）
カソードガス給排機構１２は、カソードガス供給通路１２１と、カソードガス排出通路１２２と、を備える。

カソードガス供給通路１２１は、燃料電池１０のカソード極に供給される空気（カソードガス）が流れる通路であり、一方の端部がコンプレッサ２０１のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池１０のカソード極のガス流入口に接続されている。大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ２０１により加圧され、カソードガス供給通路１２１を介して燃料電池１０のカソード極に供給される。

カソードガス排出通路１２２は、燃料電池１０のカソード極から排出されるカソードオフガスが流れる通路であり、燃料電池１０のカソード極のガス流出口と、タービン２２のガス流入口と、の間に接続されている。カソードガス排出通路１２２には、カソードオフガスの流れに関して上流側から順に気液分離器３２、水素燃焼器３４および可変ノズルベーン３６が介装されている。燃料電池１０における発電反応に寄与せずに残った酸素と、発電反応により生じた水分と、を含んだカソードオフガスは、気液分離器３２に導入され、気液分離器３２により水分が除去された後、水素燃焼器３４を通過し、可変ノズルベーン３６による制御を受けてタービン２２に供給される。そして、カソードオフガスは、エネルギの一部がタービン２２の駆動に用いられた後、タービン排気通路１２３を介して外部に排出される。

気液分離器３２は、遠心式の気液分離器であり、水分を含んだカソードオフガスを受容し、カソードオフガスから水分を除去する。気液分離器３２は、さらに、後に述べるようにカソードガス排出通路１２２にアノードオフガスが導入される場合に、カソードオフガスに加え、アノードオフガスに含まれている水分も除去する。除去された水分は、ドレンノズルを介して外部に排出される。

水素燃焼器３４は、白金等の触媒を担持した触媒燃焼器であり、燃料とカソードオフガス中の酸素（酸化剤）とをこの触媒上で燃焼させ、燃焼ガスを生成する。本実施形態において、燃料は、アノードオフガス中の水素である。水素燃焼器３４には、カソードガス排出通路１２２を介してカソードオフガスが供給されるとともに、後に述べるアノードガス循環通路１４３からアノードオフガス通路１４４を介してアノードオフガスが供給される。図１に明示しないが、水素燃焼器３４にミキサーを内蔵し、触媒への導入前にアノードオフガスとカソードオフガスとの混合が促進されるようにしてもよい。

本実施形態では、水素燃焼器３４として触媒燃焼式の燃焼器を採用するが、水素燃焼器３４には、拡散燃焼式または希薄予混合燃焼式の燃焼器等、触媒燃焼器以外の燃焼器を採用することもできる。触媒燃焼器によれば、拡散燃焼式等、他の方式の燃焼器による場合と比較して窒素化合物の発生を抑制することが可能である。

可変ノズルベーン３６は、タービン２２のガス流入口に設置され、ノズルベーンの開度（以下「ノズル開度」という）が可変に構成されている。可変ノズルベーン３６のノズル開度を変化させることで、タービン２２に供給される燃焼ガスの流速を調節し、タービン２２が生じさせる動力（回収動力）を変化させることができる。可変ノズルベーン３６は、開放状態でタービン２２への入口流路の有効断面積を増大させ、カソードガス排出通路１２２からタービン２２に流入する燃焼ガスの圧力損失を相対的に減少させる。一方で、閉塞状態では、タービン２２への入口流路の有効断面積を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を相対的に増大させる。このように、可変ノズルベーン３６のノズル開度を減少させることで、タービン２２による回収動力を増大させ、システムの運転圧力を増大させることが可能である。

さらに、カソードガス排出通路１２２には、水素燃焼器３４の下流側（本実施形態では、可変ノズルベーン３６の上流側）にタービンバイパス通路１２４が接続されている。水素燃焼器３４により生成された燃焼ガスのうち、タービン２２に供給されるもの以外の燃焼ガスは、タービンバイパス通路１２４を介して加熱／冷却機構１６に供給される。

ここで、燃料電池１０が低温状態にあるときに、燃焼ガスの熱を利用して燃料電池１０を加熱し、暖機を促進させることが可能である。本実施形態において、加熱／冷却機構１６は、熱交換器４１を備え、熱交換器４１に対し、燃焼ガスがタービンバイパス通路１２４を介して供給され、熱交換器４１により燃料電池１０の冷却水を加熱することで、燃料電池１０の暖機を促進させる。加熱／冷却機構１６に供給された燃焼ガスは、熱交換器４１で熱が回収された後、タービン排気通路１２３を流れる燃焼ガスと合流し、外部に排出される。

（電動コンプレッサおよびタービン）
電動コンプレッサ２０は、コンプレッサ２０１と電動モータ２０２とを備え、コンプレッサ２０１の回転軸２０３に対し、電動モータ２０２によりモータトルクを印加可能に構成されている。コンプレッサ２０１は、カソードガス供給通路１２１の入口部に設置されており、大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ２０１により圧縮され、カソードガス供給通路１２１を介して燃料電池１０のカソード極に供給される。

タービン２２は、カソードガス排出通路１２２とタービン排気通路１２３との間に設置され、水素燃焼器３４から燃焼ガスの供給を受けて作動する。本実施形態において、コンプレッサ２０１のインペラとタービン２２のタービンブレードとは、回転軸２０３を介して互いに連結されており、タービン２２により燃焼ガスから回収された動力が回転軸２０３を介してコンプレッサ２０１に伝達され、コンプレッサ２０１が作動する。タービン２２および電動モータ２０２は、互いに独立してコンプレッサ２０１を駆動することが可能である。

ここで、コンプレッサ２０１の動力要求が比較的大きい場合は、タービン２２に流入する燃焼ガスの流量（タービン入口流量）、温度（タービン入口温度）および圧力（タービン入口圧力）を増大させることで、タービン２２による回収動力を増大させ、コンプレッサ２０１に対して要求に応じた動力を供給することが可能である。水素燃焼器３４における燃焼状態を制御するとともに、可変ノズルベーン３６のノズル開度を調節することで、具体的には、要求動力の増大に対して燃焼温度（タービン入口温度）を上昇させるかまたはノズル開度を減少させることで、タービン２２による回収動力を増大させることが可能である。

電動モータ２０２は、筐体の内周面にステータが設けられるとともに、回転軸２０３と同軸にロータが形成され、燃料電池１０および図示しないバッテリから電力の供給を受けて回転軸２０３にモータトルクを印加し（力行モード）、タービン２２によるコンプレッサ２０１の回転駆動を補助する。さらに、電動モータ２０２は、回転軸２０３の回転動力により発電することが可能であり（回生モード）、発電した電力を図示しないバッテリに供給する。

（アノードガス給排機構）
アノードガス給排機構１４は、高圧水素タンク１４１と、アノードガス供給通路１４２と、アノードガス循環通路１４３と、アノードオフガス通路１４４と、を備える。本実施形態において、アノードガス供給通路１４２には、水素ヒータ４２が介装され、燃料電池１０のアノード極に対し、水素ヒータ４２により加熱された水素ガスを供給することが可能である。

高圧水素タンク１４１は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。

アノードガス供給通路１４２は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガス（アノードガス）が流れる通路であり、高圧水素タンク１４１と、燃料電池１０のアノード極のガス流入口と、の間に接続されている。高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスは、アノードガス供給通路１４２を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。本実施形態において、アノードガス供給通路１４２には、水素ヒータ４２の下流側に圧力調節弁５１が介装され、圧力調節弁５１により、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスの圧力（流量）が調節される。本実施形態では、さらに、圧力調節弁５１の下流側にエゼクタ５２が設置され、圧力調節弁５１による制限を受けた水素ガスは、エゼクタ５２を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。

アノードガス循環通路１４３は、燃料電池１０のアノード極から排出されたアノードオフガスをアノード極に循環させるための通路であり、燃料電池１０のアノード極のガス流出口と、アノードガス供給通路１４２と、の間に接続されている。本実施形態において、アノードガス供給通路１４２には、アノードガス循環通路１４３との接続部にエゼクタ５２が設置され、発電反応に寄与せずに残った水素と、カソード極から漏洩した水分および窒素等の不純物と、を含んだアノードオフガスは、エゼクタ５２の内部で高圧水素タンク１４１から供給された水素ガスの噴流により形成される負圧の作用を受けてアノードガス供給通路１４２に吸入され、燃料電池１０のアノード極に供給される。

アノードオフガス通路１４４は、燃料電池１０のアノード極から排出されたアノードオフガスのうち、アノードガス供給通路１４２に循環されるもの以外のガスが流れる通路であり、アノードガス循環通路１４３とカソードガス排出通路１２２との間に接続されている。本実施形態において、アノードオフガス通路１４４は、カソードガス排出通路１２２に対し、気液分離器３２の上流側に接続され、燃料電池１０のアノード極から排出されたアノードオフガスは、アノードガス循環通路１４３からアノードオフガス通路１４４に分岐し、アノードオフガス通路１４４を介して気液分離器３２の上流側でカソードガス排出通路１２２に導入される。このように、本実施形態では、アノードオフガス通路１４４とカソードガス排出通路１２２との接続部に燃料導入口１２２ａが形成され、アノードオフガス通路１４４は、後に述べる流量調節弁５３とともに、カソードガス排出通路１２２に水素燃焼器３４で燃焼させる燃料（水素）を供給する「燃料供給部」を構成する。「燃料導入口」とは、燃料またはアノードオフガスがカソードガス排出通路１２２に流入する際に通過するカソードガス排出通路１２２の開口部をいい、本実施形態では、気液分離器３２の上流側に形成される。燃料導入口１２２ａを介してカソードガス排出通路１２２に導入され、カソードガス排出通路１２２を流れるカソードオフガスと合流したアノードオフガスは、気液分離器３２で水分が除去された後、水素燃焼器３４に供給される。アノードオフガス通路１４４には、流量調節弁５３が介装され、流量調節弁５３により、アノードオフガス通路１４４を介して水素燃焼器３４に供給されるアノードオフガスの流量が調節される。

（加熱／冷却機構）
加熱／冷却機構１６は、冷却水循環通路１６１と、冷却水分岐通路１６２と、熱交換器４１と、水素ヒータ４２と、冷却水循環ポンプ４３と、ラジエータ等の図示しない冷却装置と、を備える。

冷却水循環通路１６１は、燃料電池１０の冷却水を、熱交換器４１を介して循環させるための通路であり、燃料電池１０の冷却水入口１０ａと冷却水出口１０ｂとの間に接続されている。燃料電池１０の冷却水出口１０ｂから流出した冷却水は、熱交換器４１に流入し、熱交換器４１により加熱された後、燃料電池１０の冷却水入口１０ａから燃料電池１０の冷却水通路に供給される。燃料電池１０に供給された冷却水は、燃料電池１０の暖機に寄与した後、冷却水出口１０ｂから排出される。

冷却水分岐通路１６２は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスの加熱に用いられる冷却水が流れる流路であり、熱交換器４１に対して並行に配置され、冷却水循環通路１６１のうち熱交換器４１の上流側と下流側とを跨ぐように接続されている。冷却水出口１０ｂを介して燃料電池１０から流出した冷却水は、その一部が冷却水循環通路１６１から冷却水分岐通路１６２に流入し、冷却水分岐通路１６２を介して水素ヒータ４２に供給される。そして、水素ヒータ４２に供給された冷却水は、水素ガスの加熱に用いられた後、熱交換器４１の下流側で冷却水循環通路１６１を流れる冷却水と合流し、燃料電池１０の冷却水通路に供給される。

熱交換器４１は、冷却水循環通路１６１を流れる冷却水と、タービンバイパス通路１２４を流れる燃焼ガスと、の間で熱交換を行い、冷却水を加熱するものである。本実施形態では、加熱／冷却機構１６に図示しない冷却装置が設けられており、燃焼ガスとの熱交換により加熱された冷却水を、この冷却装置により冷却することも可能である。

水素ヒータ４２は、熱交換器として構成され、加熱／冷却機構１６で回収された熱により高圧水素タンク１４１から供給された水素ガスを加熱するものである。具体的には、水素ヒータ４２に対し、加熱／冷却機構１６の熱交換器４１により加熱された冷却水と、高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスと、が供給され、両者の間での熱交換により水素ガスが加熱される。

（負荷装置）
負荷装置１８は、燃料電池１０の正極端子と負極端子との間に接続されており、燃料電池１０または図示しないバッテリから供給される電力の供給を受けて駆動する。本実施形態において、負荷装置１８は、車両走行用の電動モータである。

（作用効果の説明）
本実施形態に係る燃料電池システム１０１は、以上のように構成され、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

第１に、本実施形態では、アノードガス循環通路１４３からアノードオフガス通路１４４を延設し、アノードオフガス通路１４４とカソードガス排出通路１２２とを、カソードガス排出通路１２２におけるカソードオフガスの流れに関して気液分離器３２よりも上流側で接続し、アノードオフガス通路１４４および流量調節弁５３により「燃料供給部」を構成することとした。これにより、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２よりも上流側に形成された燃料導入口１２２ａを介してアノードオフガス（具体的には、アノードオフガス中の水素）が供給され、アノードオフガスとカソードオフガス（具体的には、カソードオフガス中の酸素）とを、気液分離器３２を通じて充分に混合させるとともに、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を除去した状態で、水素燃焼器３４に供給することができる。

よって、本実施形態によれば、水素燃焼器３４に対する水分の流入を回避して、触媒に対する水分の付着による着火性の悪化を抑制するとともに、水素燃焼器３４に対し、燃料と酸化剤とを充分に混合させた状態で導入して、燃焼温度の分布を均一に近付けて、触媒の局所的な加熱による劣化を防止し、水素燃焼器３４をより高温側の作動領域に至るまで使用することが可能となる。

さらに、燃料供給部の燃料導入口１２２ａと水素燃焼器３４との間に気液分離器３２が介在することで、燃料と酸化剤との混合に要する距離を確保することが容易となる。

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガス中の酸素が酸化剤である。

第２に、本実施形態では、カソードガス排出通路１２２にアノードオフガスを導入し、燃焼ガスの生成にアノードオフガス中の水素を利用することとした。これにより、水素の無駄な排出を抑制し、燃料電池システム１０１の運転効率をシステム全体として向上させることができる。

以上に加え、本実施形態では、水素燃焼器３４に触媒燃焼器を採用し、水素燃焼器３４への水分の流入を回避可能としたことで、触媒に対する水分の付着を防止し、燃料の着火性が悪化するのを防止することができる。

さらに、気液分離器３２として遠心式のものを採用し、気液分離器３２の上流側でアノードオフガスを導入したことで、気液分離器３２に流入するガス（カソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガス）の流速を増大させ、遠心分離の機能をより効果的に生じさせることができる。

本実施形態では、カソードガス排出通路１２２に対し、アノードオフガス通路１４４を気液分離器３２の上流側で接続し、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２よりも上流側の燃料導入口１２２ａを介してアノードオフガスを供給することとしたが、アノードオフガスに代えるかまたはこれに加え、高圧水素タンク１４１から供給される水素ガスを、カソードガス排出通路１２２に対して直接（換言すれば、燃料電池１０を介さずに）導入するようにしてもよい。これにより、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２を通じて水素ガスとカソードオフガスとを充分に混合させた状態で供給することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１０２Ａの構成を概略的に示している。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、アノードオフガス通路１４４をカソードガス排出通路１２２に接続し、アノードガス循環通路１４３を流れるアノードオフガスをアノードオフガス通路１４４に分岐させ、アノードオフガス通路１４４を介してカソードガス排出通路１２２に導入する。カソードガス排出通路１２２に流入したアノードオフガスは、カソードガス排出通路１２２を流れるカソードオフガスとともに気液分離器３２に導入され、気液分離器３２で水分が除去された後、水素燃焼器３４に供給される。

本実施形態において、カソードガス供給通路１２１とカソードガス排出通路１２２とは、バイパス通路１２５を介して互いに接続されている。コンプレッサ２０１により圧縮された空気は、その一部が燃料電池１０のカソード極に供給され、それ以外の残部がカソードガス供給通路１２１からバイパス通路１２５に流入し、燃料電池１０を迂回してカソードガス排出通路１２２に導入される。カソードガス排出通路１２２に流入した空気は、燃料電池１０のカソード極から排出されたカソードオフガスと合流して気液分離器３２に流入し、水素燃焼器３４に供給される。

バイパス通路１２５には、バイパス弁３８が設けられている。バイパス弁３８は、バイパス通路１２５を流れる空気の流量を調節するものである。具体的には、コンプレッサ２０１により吐出された空気の流量が燃料電池１０による発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、バイパス弁３８の開度を増大させ、燃料電池１０のカソード極に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池１０の電解質膜が過度に乾燥することを防止する。

このように、カソードガス給排機構１２にバイパス通路１２５を備える場合に、アノードオフガス通路１４４とカソードガス排出通路１２２とを気液分離器３２よりも上流側で接続して、気液分離器３２の上流側に燃料導入口１２２ａを形成し、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２よりも上流側の燃料導入口１２２ａを介してアノードオフガスを供給することで、第１の実施形態と同様に、アノードオフガスとカソードオフガスとを、気液分離器３２を通じて充分に混合させるとともに、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を除去した状態で、水素燃焼器３４に供給することができる。そして、燃料供給部の燃料導入口１２２ａと水素燃焼器３４との間に気液分離器３２が介在することで、燃料と酸化剤との混合に要する距離を確保することが容易となる。

本実施形態では、燃料電池１０を迂回するバイパス通路１２５を形成し、空気をカソードガス供給通路１２１からバイパス通路１２５を介してカソードガス排出通路１２２に導入したことで、水素燃焼器３４に供給される混合ガスのうちカソードオフガスが占める量を相対的に減少させ、水素燃焼器３４に対する水分の流入をより確実に回避することが可能である。さらに、燃料電池１０の発電に必要な空気が少なく、カソードオフガスの流量が水素燃焼器３４における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池１０の運転状態に拘らずにバイパス通路１２５を介してカソードガス排出通路１２２に空気を導入し、カソードオフガスの不足分を空気で補うことが可能となる。

アノードオフガス通路１４４とカソードガス排出通路１２２との接続部（この接続部に燃料導入口１２２ａが形成される）は、図２に示すように、カソードガス排出通路１２２を流れるカソードオフガスの流れに関してバイパス通路１２５とカソードガス排出通路１２２との接続部Ｐ１よりも下流側（点Ｐ２）でもよいが、上流側（点Ｐ３）でもよい。アノードオフガス通路１４４とカソードガス排出通路１２２との接続部を接続部Ｐ1よりも上流側（点Ｐ３）とすることで、燃料導入口１２２ａから水素燃焼器３４に至るまでの距離を延長し、燃料と酸化剤との混合をさらに促進させることができる。これに対し、接続部Ｐ１よりも下流側の接続部Ｐ２を採用する場合は、上流側の接続部Ｐ３を採用する場合に比べて、燃料導入口１２２ａが水素燃焼器３４に近いことから、水素燃焼器３４の応答性を向上させることができる。

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路１４４および流量調節弁５３が「燃料供給部」を構成する。

本実施形態では、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２よりも上流側の燃料導入口１２２ａを介してアノードオフガスを供給することとしたが、アノードオフガスに代えるかまたはこれに加え、高圧水素タンク１４１から供給される水素ガスを、カソードガス排出通路１２２に対して直接導入するようにしてもよい。これにより、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２を通じて水素ガスとカソードオフガスとを充分に混合させた状態で供給することができる。

（第２の実施形態の変形態様）
図３は、第２の実施形態に係る燃料電池システムの変形態様１０２Ｂの構成を概略的に示す全体構成図である。

図２に示す燃料電池システム１０２Ａとの相違点を述べると、アノードガス供給通路１４２とカソードガス排出通路１２２とが水素ガス通路１４５を介して接続され、水素ガス通路１４５に流量調節弁５４が介装されている。具体的には、アノードガス供給通路１４２のうち水素ガスの流れに関して水素ヒータ４２よりも下流側（本態様では、圧力調節弁５１よりも上流側）と、カソードガス排出通路１２２のうちカソードオフガスの流れに関して水素燃焼器３４よりも上流側（本態様では、気液分離器３２よりも下流側）と、が水素ガス通路１４５を介して接続されている。水素ガス通路１４５とカソードガス排出通路１２２との接続部に第２の燃料導入口１２２ｂが形成され、水素ガス通路１４５および流量調節弁５４は、「第２の燃料供給部」を構成する。「第２の燃料導入口」とは、燃料（水素）が気液分離器３２の下流側でカソードガス排出通路１２２に流入する際に通過するカソードガス排出通路１２２の開口部をいう。高圧水素タンク１４１から流出し、水素ヒータ４２を通過した水素ガスは、その一部がアノードガス供給通路１４２から水素ガス通路１４５に流入し、水素ガス通路１４５を介して水素燃焼器３４よりも上流側でカソードガス排出通路１２２に導入され、水素燃焼器３４に供給される。水素ガス通路１４５に介装された流量調節弁５４により、水素ガス通路１４５を介して水素燃焼器３４に供給される水素ガスの流量が調節される。

上記以外の構成は、図２に示す燃料電池システム１０２Ａと同様である。

このように、アノードオフガスに加え、高圧水素タンク１４１から供給される水素ガスを、水素ガス通路１４５を介して水素燃焼器３４に直接（換言すれば、燃料電池１０を介さずに）導入可能としたことで、燃料電池１０の発電に必要な水素ガスが少なく、アノードオフガスの流量が水素燃焼器３４における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池１０の運転状態に拘らずに水素ガス通路１４５を介してカソードガス排出通路１２２に水素ガスを導入し、アノードオフガスの不足分を水素ガスで補い、水素燃焼器３４に対して最適な量の燃料を供給することが可能となる。

さらに、第２の燃料供給部の燃料導入口（第２の燃料導入口１２２ｂ）を気液分離器３２と水素燃焼器３４との間に形成したことで、水素燃焼器３４に対してより近い位置で水素ガスをカソードガス排出通路１２２に導入可能とし、水素燃焼器３４をより高い応答性をもって作動させることができる。そして、水素ガスを気液分離器３２に流入させず、乾いた状態のまま水素燃焼器３４に供給可能としたことで、燃料の着火性をより良好に維持するとともに、水素ガスが気液分離器３２に流入することに伴うドレンノズル等からの水素ガスの漏れを回避することができる。

本態様では、アノードオフガス中の水素と高圧水素タンク１４１から水素ガスとして供給される水素とが燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路１４４および流量調節弁５３が「第１の燃料供給部」を構成し、水素ガス通路１４５および流量調節弁５４が「第２の燃料供給部」を構成する。水素ガス通路１４５は、「燃料通路」に相当する。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１０３Ａの構成を概略的に示している。

以上の説明では、アノードガス循環通路１４３から分岐したアノードオフガスをアノードオフガス通路１４４からカソードガス排出通路１２２に直接導入する場合について説明した。これに対し、本実施形態では、カソードガス供給通路１２１とカソードガス排出通路１２２との間に燃料電池１０を迂回するバイパス通路１２５を形成し、アノードオフガス通路１４４をバイパス通路１２５に接続することで、アノードガス循環通路１４３から分岐したアノードオフガスを、カソードガス排出通路１２２に対し、バイパス通路１２５を介して間接的に導入する。

本実施形態において、カソードガス供給通路１２１とカソードガス排出通路１２２とは、バイパス通路１２５を介して互いに接続され、コンプレッサ２０１により圧縮された空気の一部が、カソードガス供給通路１２１からバイパス通路１２５を介してカソードガス排出通路１２２に導入される。カソードガス排出通路１２２に流入した空気は、カソードガス排出通路１２２を流れるカソードオフガスと気液分離器３２よりも上流側で合流し、水素燃焼器３４に供給される。バイパス通路１２５にバイパス弁３８が設けられ、バイパス弁３８により燃料電池１０のカソード極に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池１０の電解質膜が過度に乾燥するのを防止可能であることは、第２の実施形態と同様である。

本実施形態において、アノードオフガス通路１４４は、アノードガス循環通路１４３と、バイパス通路１２５のうち空気の流れに関して流量調節弁３８の下流側と、の間に接続されている。これにより、本実施形態では、バイパス通路１２５とカソードガス排出通路１２２との連通口として、気液分離器３２の上流側に燃料導入口１２２ａを形成し、水素燃焼器３４に対し、気液分離器３２よりも上流側の燃料導入口１２２ａを介してアノードオフガスを供給する。

よって、本実施形態によれば、アノードオフガスおよびカソードオフガスに含まれている水分を、気液分離器３２により水素燃焼器３４への供給前に除去するとともに、水素燃焼器３４への供給に先立ち、アノードオフガスとカソードオフガスとを充分に混合させることができる。ここで、本実施形態では、アノードオフガス通路１４４をバイパス通路１２５に接続し、アノードオフガスをバイパス通路１２５を介してカソードガス排出通路１２２に流入させ、水素燃焼器３４に供給することで、バイパス通路１２５を燃料の拡散に利用することが可能となり、燃料と酸化剤との混合をさらに促進させることができる。

さらに、本実施形態では、アノードオフガス通路１４４をバイパス通路１２５に接続したことで、アノードオフガス通路１４４の連通口がカソードオフガス中の水分の凍結により閉塞されるのを回避することができる。

さらに、燃料電池１０を迂回するバイパス通路１２５を形成し、空気をカソードガス供給通路１２１からバイパス通路１２５を介してカソードガス排出通路１２２に導入可能としたことで、水素燃焼器３４に供給される混合ガスのうちカソードオフガスが占める量を相対的に減少させ、水素燃焼器３４に対する水分の流入をより確実に回避することが可能となる。そして、カソードオフガスの流量が水素燃焼器３４における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池１０の運転状態に拘らずにバイパス通路１２５を介してカソードガス排出通路１２２に空気を導入し、カソードオフガスの不足分を空気で補うことができる。

本実施形態では、アノードオフガス中の水素が燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。そして、アノードオフガス通路１４４、バイパス通路１２５および流量調節弁３８、５３が「燃料供給部」を構成する。

（第３の実施形態の変形態様）
図５は、第３の実施形態に係る燃料電池システム１０３Ｂの変形態様の構成を概略的に示している。

図４に示す燃料電池システム１０３Ａとの相違点を述べると、アノードガス供給通路１４２とカソードガス排出通路１２２とが水素ガス通路１４５を介して接続され、水素ガス通路１４５に流量調節弁５４が介装されている。水素ガス通路１４５とカソードガス排出通路１２２との接続部に第２の燃料導入口１２２ｂが形成され、水素ガス通路１４５および流量調節弁５４は、「第２の燃料供給部」を構成する。高圧水素タンク１４１から流出し、水素ヒータ４２を通過した水素ガスは、その一部がアノードガス供給通路１４２から水素ガス通路１４５を介して水素燃焼器３４よりも上流側（本態様では、気液分離器３２よりも下流側）でカソードガス排出通路１２２に導入され、水素燃焼器３４に供給される。水素ガス通路１４５に介装された流量調節弁５４により、水素ガス通路１４５を介して水素燃焼器３４に供給される水素ガスの流量が調節される。

上記以外の構成は、図４に示す燃料電池システム１０３Ａと同様である。

このように、アノードオフガスに加え、高圧水素タンク１４１から供給される水素ガスを、水素ガス通路１４５を介して水素燃焼器３４に直接導入可能としたことで、第２の実施形態の変形態様と同様に、アノードオフガスの流量が水素燃焼器３４における燃焼に必要な量に対して不足する場合に、燃料電池１０の運転状態に拘らずに水素ガス通路１４５を介してカソードガス排出通路１２２に水素ガスを導入し、アノードオフガスの不足分を水素ガスで補うことができる。

さらに、第２の燃料供給部の燃料導入口（第２の燃料導入口１２２ｂ）を気液分離器３２と水素燃焼器３４との間に形成したことで、水素燃焼器３４に対してより近い位置で水素ガスをカソードガス排出通路１２２に導入可能とし、水素燃焼器３４をより高い応答性をもって作動させることができる。そして、水素燃焼器３４に対し、水素ガスを乾いた状態のまま供給可能としたことで、燃料の着火性をより良好に維持することができる。

本態様では、アノードオフガス中の水素と高圧水素タンク１４１から水素ガスとして供給される水素とが燃料であり、カソードオフガスおよび空気中の酸素が酸化剤である。アノードオフガス通路１４４、バイパス通路１２５および流量調節弁３８、５３が「第１の燃料供給部」を構成し、水素ガス通路１４５および流量調節弁５４が「第２の燃料供給部」を構成する。水素ガス通路１４５は、「燃料通路」に相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正を成し得ることはいうまでもない。

１０１、１０２Ａ、１０２Ｂ、１０３Ａ、１０３Ｂ…燃料電池システム
１２…カソードガス給排機構
１４…アノードガス給排機構
１６…加熱／冷却機構
１８…負荷装置
２０…電動コンプレッサ
２２…タービン
３２…気液分離器
３４…水素燃焼器
３８…バイパス弁
４１…熱交換器
４２…水素ヒータ
５１…圧力調整弁
５２…エゼクタ
５３…流量調節弁
５４…水素ガス通路
１２１…カソードガス供給通路
１２２…カソードガス排出通路
１２２ａ…燃料導入口（第１の燃料導入口）
１２２ｂ…燃料導入口（第２の燃料導入口）
１２５…バイパス通路
１４１…高圧水素タンク
１４２…アノードガス供給通路
１４３…アノードガス循環通路
１４４…アノードオフガス通路
１４５…水素ガス通路
２０１…コンプレッサ
２０２…電動モータ
２０３…回転軸
Ｐ１…バイパス通路とカソードガス排出通路との接続部
Ｐ２、Ｐ３…アノードオフガス通路とカソードガス排出通路との接続部

Claims (5)

1. 燃料および酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池のカソード極に対してカソードガス排出通路を介して接続され、前記コンプレッサを駆動するタービンと、
   前記カソードガス排出通路に介装され、前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記カソードガス排出通路のうち前記燃焼器よりも上流側に配置された気液分離器と、
   前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器よりも上流側に、前記燃焼器で燃焼させる燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃料電池に対して並列に配置され、前記燃料電池のカソードガス供給通路と前記気液分離器よりも上流側の前記カソードガス排出通路とを接続するバイパス通路と、
   を備え、
   前記燃料供給部は、前記燃料電池のアノード極と連通し、前記バイパス通路に接続するアノードオフガス通路を有し、前記バイパス通路にアノードオフガスを導入することで、前記カソードガス排出通路に前記アノードオフガスを供給する、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料供給部は、
   前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器よりも上流側に前記アノードオフガスを供給する第１の燃料供給部と、
   前記カソードガス排出通路のうち前記気液分離器と前記燃焼器との間に前記燃料を供給する第２の燃料供給部と、
   を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に供給される燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクと前記燃料電池のアノード極とを接続するアノードガス供給通路と、
   をさらに備える請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２の燃料供給部は、一端が前記アノードガス供給通路に接続し、他端が前記気液分離器と前記燃焼器との間で前記カソードガス排出通路に接続する燃料通路を有する、燃料電池システム。
4. 前記燃焼器は、前記燃料と前記酸化剤との燃焼を促進させる触媒を備えた触媒燃焼器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記気液分離器は、遠心式の気液分離器である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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