JP2004259583A - Fuel cell system - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system operating a fuel cell at a high load with little fear of exhausting hydrogen of high concentration when purging. <P>SOLUTION: The fuel cell system provided with at least a fuel cell 1, a fuel gas supply device 2 supplying fuel gas to the fuel cell 1 through a fuel gas supply channel 8, a purge channel 9 discharging outside the fuel gas exhausted from the fuel cell 1, and a circulation channel 10 equipped with a means of supplying the fuel gas exhausted from the fuel cell 1 once again to the fuel cell 1 by combining the purge channel 9 with the fuel gas supply channel 8, is further provided with a means, that is, a flow volume adjusting means, capable of adjusting a flow volume of the fuel gas at the circulation channel 10 and at the purge channel 9 at a downstream of the fuel gas channel from a branch point with circulation channel 10. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術範囲】
本発明は、燃料電池システムのパージ制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパージ制御は、制御部からのパージ指令により、燃料電池を高負荷で運転するとき及び燃料ガスの流量の大小にかかわらず、燃料電池へ再度供給する循環流路中の弁を完全に閉じるように制御し、燃料電池から排出される燃料ガスを全て外部に放出している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（第２―４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、燃料電池を高負荷で運転する場合、パージを行う際、燃料ガス流路の燃料電池より下流で燃料電池から排出される空気と燃料ガスを混合しても、高濃度の水素を排出するという問題点がある。
【０００５】
【課題を解決しようとする手段】
上記の課題を解決するため本発明は、少なくとも燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガス供給流路８を通して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２と、燃料電池１から排出される燃料ガスを外部に放出するパージ流路９と、パージ流路９から燃料ガス供給流路８とを結び燃料電池１から排出される燃料ガスを再度燃料電池１に供給する手段を備える循環流路１０を備える燃料電池システムにおいて、循環流路１０と循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に燃料ガスの流量を調整可能な手段、即ち流量調整手段を夫々備える。
【０００６】
【発明の効果】
本発明は、循環流路１０と循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に燃料ガスの流量を調整可能な手段、即ち流量調整手段を設けることで、高濃度の水素を排出する可能性が少ない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第一実施形態）
まず、本実施形態の構成を、図１を用いて説明する。
本実施形態は、燃料極と空気極及び電解質膜を有する燃料電池１、燃料ガス供給装置２、空気供給装置３、循環装置４、燃料ガス供給流路８、パージ流路９、循環流路１０、空気供給流路１１、排出空気流路１２、流量調整手段Ａ，Ｂ（ここでは、流量調整手段Ａの開度を調整可能な開閉制御弁５、流量調整手段Ｂを全開或いは全閉のみできる開閉弁６とする）、制御部７を備える。
【０００８】
燃料ガス供給流路８は、燃料ガス供給装置２と燃料電池１を結び、循環装置４が取付けられている。
パージ流路９は、一端が燃料電池１につながれ、他端は外部まで伸びている。
循環流路１０は、パージ流路９から分岐し、循環装置４を介して燃料ガス供給流路８とを結ぶ。
【０００９】
空気供給流路１１は、空気供給装置３と燃料電池１を結ぶ。
排出空気流路１２は、一端が燃料電池１につながれ、他端は外部まで伸びている。
開閉制御弁５は、循環流路１０に取付ける。
開閉弁６は、循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に取付ける。
【００１０】
制御部７は、燃料電池１へ供給する燃料ガスの流量や空気の流量、燃料電池１の運転負荷（電流、電圧、温度、圧力、パージしている時間等を含む）を制御或いは把握でき、循環流路１０及びパージ流路９に取付けられた開閉制御弁５或いは開閉弁６の調節が可能である。
【００１１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料ガス供給装置２から燃料ガス供給流路８を通して燃料電池１の燃料極側に燃料ガスを供給する。
また、空気供給装置３から空気供給配管を通して燃料電池１の空気極側に空気を供給する。
燃料電池１に供給された燃料ガスと空気により、化学反応を起こし燃料電池１を発電する。
この際、空気極側から電解質膜を透過して燃料極側に窒素ガス等が流入する。
【００１２】
燃料電池１から排出される燃料ガスは、通常開閉弁６は閉じられており、循環装置４によりパージ流路９から循環流路１０に送られ、燃料ガス供給装置２から供給される燃料ガスと混合され、再度燃料電池１に供給される。
【００１３】
この際、燃料極側に流入した窒素等が燃料ガスの分圧を低くし、同じ負荷電流値でも燃料電池１の出力電圧が小さくなり、燃料電池１の効率が低下するということが起こる。この状況を、制御部７が検知し、一時的に燃料電池１に供給する燃料ガス量を増やし、循環路内を流れる窒素等を含んだ燃料ガスを外部に放出する、パージということを行う。
【００１４】
また、燃料電池１内に水詰りが起きた時も、同様な現象が起こり、同様にパージを行う。
パージ時は、開閉弁６は常に開にする。
また、燃料電池１から排出される空気は、排出空気流路１２を流れ、外部に放出される。
【００１５】
以下に、本実施形態に係るシステムフローチャートを、図３を用いて説明する。このシステムフローチャートは、パージ指令毎に設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００１６】
ステップ２００では、システムフローチャートを開始する。
ステップ２０１では，パージ指令があるか確認する。指令がでていない場合、ステップ２０６に進む。
ステップ２０２では、開閉弁６が開であるか確認する。開閉弁６が開の場合、ステップ２０４に進む。
ステップ２０３では、開閉弁６を開にする。
【００１７】
ステップ２０４では、燃料電池１の運転負荷と燃料電池１に供給する燃料ガス量を検出する。
ステップ２０５では，開閉制御弁５を、運転負荷、或いは供給燃料ガス量に応じて調整する。ステップ２０７に進む。
ステップ２０６では、開閉弁６．を閉にして、開閉制御弁５を開にする。
ステップ２０７では、このシステムフローチャートを終了する。
【００１８】
以下に，パージを行う際の開閉制御弁５の制御方法（ステップ２０５）について詳しく説明する。
基本的には、燃料電池１に供給する燃料ガス量に応じて開閉制御弁５の開度を調整する。
【００１９】
例えば、図４に示すように、３０ＮＬ／ｍｉｎ以下での全閉時を０とし、１９００ＮＬ／ｍｉｎ以上での全開時を１００として、開閉制御弁５の開度と燃料電池１に供給する燃料ガス量の比例関係を求める。その求められた傾きより、供給する燃料ガス量から開閉制御弁５の開度を決める。
また、上記に係わらず、燃料電池１の運転負荷が極めて大きい時は開閉制御弁５を全閉にし、運転負荷が極めて小さい時は開放制御５を全開にする。
【００２０】
燃料電池１の運転負荷が小さい又は燃料電池１に供給する燃料ガス量が所定値（例えば、３０ＮＬ／ｍｉｎ）以下以外の場合では、循環流路１０から流れる燃料ガスと、燃料ガス供給装置２から供給される燃料ガスが合流し、燃料電池１に供給する燃料ガス量が燃料電池１の発電効率がよく（例えば、通常運転時ではＳＲ（利用率）＝１、燃料電池１の運転負荷が大きい又は燃料電池１に供給する燃料ガス量が所定値（例えば、１９００ＮＬ／ｍｉｎ）以上ではＳＲ（利用率）＝５）なるように、燃料ガス供給装置２から供給する燃料ガス量を決定する。
【００２１】
このように本実施形態では、
燃料電池１の運転負荷や燃料電池１に供給する燃料ガス量の変化に応じて、開閉制御弁５の開度を調整することで、効率の高い燃料電池システムの運転が可能である。
【００２２】
また、低負荷時のパージ時は、燃料電池１に対する不純物（窒素等）の割合が大きく、循環させると再び燃料電池１に不純物が溜まってしまうので、パージを頻繁に行わなくてはならず、燃料ガスを必要以上に捨ててしまうことになる。したがって、燃料電池１から排出される燃料ガスを循環させず、全て外部に放出することにより、効率よく燃料電池１内にある不純物を除去することができる。
【００２３】
また、高負荷時のパージ時は、開閉制御弁５の開度を調整することでパージ流路９と循環流路１０の双方に燃料ガスが流れるので、排出される燃料ガス濃度を従来より低くすることが可能である。
【００２４】
また、ＳＲを保った条件で運転できるので、効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
また、燃料電池１の運転負荷の大小に用いられている所定値や、パージ時の燃料ガス供給量は、使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００２５】
（第二実施形態）
まず、本実施形態の構成を、図２を用いて説明する。
基本的な構成は、第一実施形態と同じである。異なる点は、燃焼器１３、燃焼排ガス流路１４を備える点である。
【００２６】
燃焼器１３は、一端を燃料電池１につながれたパージ流路９及び排出空気流路１２の他端とつながれている。
燃焼排ガス流路１４は、一端が燃焼器１３につながれ、他端は外部まで伸びている。
【００２７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
第一実施形態でパージ時に外部に放出されていた燃料ガス及び空気を燃焼器１３により、燃料ガス及び空気を混合して燃焼する。
また、予め燃焼器１３内の燃焼触媒の容量から燃焼器１３の処理可能な最大の燃料ガス量を求める。
【００２８】
制御部７からパージ指令が出た時、制御部７によりパージ指令が出た時の燃料電池１の運転圧、運転温度、パージしている時間より、パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出する。求められた燃料ガス量と、燃焼器１３の処理可能な最大の燃料ガス量より、開閉制御弁５の開度を調整する。
パージ時は、開放弁を常に開にする。
【００２９】
以下に、本実施形態にかかるシステムフローチャートを、図５を用いて説明する。このシステムフローチャートは、パージ指令毎に設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。ステップ３００〜３０３及び３０６，３０７は、ステップ２００〜２０３及び２０６，２０７と同様の内容なので説明を省略し、ステップ３０４，３０５を説明する。
【００３０】
ステップ３０４では，燃料電池１の運転圧、燃料電池１の温度，パージをしている時間を検出する。
ステップ３０５では，運転圧，燃料電池１の温度、パージ時間より，パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出し、その値に基づき開放制御弁５を調整する。
【００３１】
また、燃料電池１の運転圧、運転温度、パージしている時間より、パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出する変わりに、燃料電池１出口の燃料ガス側にフローメータを取付けた場合、或いは燃焼触媒の処理可能な最大燃料ガス濃度を予め求め、燃料電池１出口の燃料ガス側に燃料ガス濃度センサを取付けた場合は、以下のような図６で示すシステムフローチャートでも同様の効果を得る。ステップ４００〜４０３及び４０６，４０７は、ステップ２００〜２０３及び２０６，２０７と同様の内容なので説明を省略し、ステップ４０４，４０５を説明する。
【００３２】
ステップ４０４では，燃料電池１から排出される燃料ガス量、或いは燃料ガス濃度を検出する。
ステップ４０５では、燃料ガス量、或いは燃料ガス濃度に応じて、開閉制御弁５を調整する。
【００３３】
以下に，パージを行う際の開閉制御弁５の制御方法（ステップ３０５，４０５）について詳しく説明する。
制御部７により算出された燃料電池１より排出される燃料ガス量が、燃焼器１３の処理可能な最大の燃料ガス量の、例えば９０％に達していると判断した時、開閉制御弁５を開く。
【００３４】
この際、パージ時に燃焼器に流入する燃料ガス及び空気を、燃焼器が効率的に燃焼できる混合割合 （例えば、燃料ガスの占める割合が２０％〜４０％）になるように、燃料電池１に供給する空気量を調整する。
【００３５】
このように本実施形態では、
燃焼触媒の容量から、燃焼触媒が処理可能な最大燃料ガス量を把握しておくことにより、燃焼器１３の過加熱を防止することができる。
また、制御部７によりパージ指令が出た時の燃料電池１の運転圧、運転温度、パージ間隔より、パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出し、燃焼触媒が処理可能な最大燃料ガス量を超えない燃料ガス量を燃焼器１３に送ることで、燃焼器１３が過加熱を起こすことを確実に防止できる。
【００３６】
また、パージ時に燃料電池１に供給する空気量を調整することで、燃焼器１３で常に効率よく燃焼を行うことができる。
また、開閉制御弁５を開くタイミングとして用いられるパージ時の燃料電池１より排出される燃料ガス量と燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の割合や、燃料ガスと空気の混合割合は、燃焼触媒の性能や使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００３７】
（第三実施形態）
まず、本実施形態の構成を説明する。
本実施形態の構成は、第二実施形態と同じである。
次に、本実施形態の作用について説明する。
パージ時は、開閉弁６を常に開にする。
【００３８】
以下に、本実施形態にかかるシステムフローチャートを、図７を用いて説明する。このシステムフローチャートは、パージ指令毎に設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。ステップ５００〜５０３及び５０６，５０７は、ステップ２００〜２０３及び２０６，２０７と同様の内容なので説明を省略し、ステップ５０４，５０５を説明する。
【００３９】
ステップ５０４では、燃料電池１の運転負荷と燃料電池１に供給する燃料ガス量を検出する。
ステップ５０５では，開閉制御弁５を、運転負荷や供給燃料ガス量に応じて調整する。
【００４０】
以下に，パージを行う際の開閉制御弁５の制御方法（ステップ５０５）について詳しく説明する。
基本的には、燃料電池１に供給する燃料ガス量に応じて開閉制御弁５の開度を調整する。
【００４１】
例えば、図４に示すように、３０ＮＬ／ｍｉｎ以下での全閉時を０とし、１９００ＮＬ／ｍｉｎ以上での全開時を１００として、開閉制御弁５の開度と燃料電池１に供給する燃料ガス量の比例関係を求める。その求められた傾きより、供給する燃料ガス量から開閉制御弁５の開度を決める。
【００４２】
また、上記に係わらず、燃料電池１の運転負荷を監視し、パージ流路９を流れ燃焼器１３に流入する燃料ガスが燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の、例えば９０％以上になるような運転負荷になった場合、燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の９０％以下になるように、開閉制御弁５の開度を決定する。
【００４３】
このように本実施形態では、
燃料電池１に供給する燃料ガス量の変化に伴い、開閉制御弁５の開度を調整することで、燃焼器１３の過加熱を防止することができる。
【００４４】
また、通常運転時（３０ＮＬ／ｍｉｎから１９００ＮＬ／ｍｉｎまでの供給燃料ガス量のとき）にパージを行う際、供給する燃料ガス量から開閉制御弁５の開度を決めることにより、燃焼器１３に必要以上の燃料ガスを送ることなく、燃料ガスを循環できるので、効率の良い燃料電池システムを提供できる。
【００４５】
また、燃料電池１の運転負荷で開閉制御弁５を制御することで、燃料ガス流量による制御が故障した場合でも、燃焼器１３に燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の流入を防ぎ、燃焼器１３の過加熱を防止できる。
【００４６】
また、パージ時燃焼器１３に流入する燃料ガス量、燃料電池１の運転負荷の大小に用いられている所定値、燃料電池１に供給する燃料ガス量の所定値は、燃焼触媒の性能や使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００４７】
（第四実施形態）
まず、本実施形態の構成を説明する。
本実施形態の構成は、第二実施形態と同じである。
次に、本実施形態の作用について説明する。
以下に、本実施形態に係わるシステムフローチャートを、図８を用いて説明する。このシステムフローチャートは燃料電池システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００４８】
ステップ１００では、システムフローチャートを開始する。
ステップ１０１では、フラグが３か確認する。フラグが３の時は、ステップ１１５に進む。
ステップ１０２では、フラグが２か確認する。フラグが２の時は、ステップ１１２に進む。
ステップ１０３では、フラグが１か確認する。フラグが１の時は、ステップ１０９に進む。
【００４９】
ステップ１０４では、燃料電池１に燃料ガスと空気を供給する。
ステップ１０５では、燃料電池１を発電する。
ステップ１０６では、開閉弁６及び開閉制御弁５を開にする。
ステップ１０７では、開閉制御弁５を第一の一定速度（例えば、全閉までの時間を１０ｓ）で閉にする。
【００５０】
ステップ１０８では、フラグを１にする。
ステップ１０９では、燃焼器１３内の温度が５００℃以上になっているかを確認する。５００℃以上になっていない場合は、ステップ１１５に進む。
ステップ１１０では、開閉制御弁５を第二の一定速度（例えば、全開までの時間を５ｓ）で開にする。
【００５１】
ステップ１１１では、フラグを２にする。
ステップ１１２では、開閉制御弁５が全開になっているかを確認する。全開でない場合は、ステップ１１５に進む。
ステップ１１３では、開閉弁６を閉にする。
ステップ１１４では、フラグを３にする。
ステップ１１５では、このシステムフローチャートを終了する。
【００５２】
このように本実施形態では、
燃料電池１の運転開始時に、開閉弁６を開き開閉制御弁５を閉じることで、循環する燃料ガス量が減り燃焼器１３への燃料ガス量が増えるので、燃焼触媒が早急に効率よく水素を燃やせる温度に到達することができる。
【００５３】
また、開閉制御弁５を一定速で開閉するので、燃焼器１３へ流入する燃料ガスを急増或いは急減させることなく、燃焼器１３の急加熱或いは急冷却を防ぎ、燃焼器１３への負担を低減できる。
【００５４】
また、開閉制御弁５ の全閉までにかかる時間を全開までにかかる時間より短いことで、無駄に燃料ガスを燃焼器１３に送ることなく、燃料ガスを効率的に使用できる。
【００５５】
また、本実施形態では、燃焼触媒が早急に効率よく水素を燃やせる温度、開閉制御弁５の全開又は全閉するまでの速度は、燃焼触媒の性能や使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００５６】
また、第一実施形態で用いられているＳＲを保つように燃料ガス供給装置から供給する燃料ガス量を決定する実施形態は、第二実施形態及び第三実施形態にも適用できる。
【００５７】
また、第四実施形態は第二実施形態及び第三実施形態と組合せることが可能である。
また、第二実施形態で用いられている燃焼器が効率の良く燃焼が行えるように供給空気量を調整する実施形態は、第三実施形態及び第四実施形態にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかわる第一実施形態の構成図である。
【図２】本発明にかかわる第二実施形態から第四実施形態の構成図である。
【図３】本発明にかかわる第一実施形態のシステムフローチャートである。
【図４】本発明にかかわる第一実施形態の開度と供給燃料ガス量の関係である。
【図５】本発明にかかわる第二実施形態のシステムフローチャートである。
【図６】本発明にかかわる第二実施形態のシステムフローチャートである。
【図７】本発明にかかわる第三実施形態のシステムスルーチャートである。
【図８】本発明にかかわる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料ガス供給装置
３ 空気供給装置
４ 循環装置
５ 開閉制御弁
６ 開閉弁
７ 制御部
８ 燃料ガス供給流路
９ 空気供給流路
１０ 循環流路
１１ パージ流路
１２ 排出空気流路
１３ 燃焼器
１４ 燃焼排ガス流路[0001]
[Technical scope to which the invention belongs]
The present invention relates to fuel cell system purge control.
[0002]
[Prior art]
The conventional purge control completely closes a valve in a circulation flow path to be resupplied to the fuel cell, when the fuel cell is operated at a high load and regardless of the flow rate of the fuel gas, according to a purge command from the control unit. In this manner, all the fuel gas discharged from the fuel cell is discharged to the outside (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-93438 (pages 2-4, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technology, when the fuel cell is operated at a high load, even when the fuel gas is mixed with air discharged from the fuel cell downstream of the fuel cell in the fuel gas flow path when purging the fuel cell, a high concentration is required. There is a problem of discharging hydrogen.
[0005]
[Means to solve the problem]
In order to solve the above problems, the present invention provides at least a fuel cell 1, a fuel gas supply device 2 for supplying a fuel gas to the fuel cell 1 through a fuel gas supply flow path 8, and a fuel gas discharged from the fuel cell 1. A purge flow path 9 for discharging to the outside and a circulation flow path 10 including means for connecting the purge flow path 9 to the fuel gas supply flow path 8 and supplying the fuel gas discharged from the fuel cell 1 to the fuel cell 1 again are provided. In the fuel cell system, a means for adjusting the flow rate of the fuel gas, that is, a flow rate adjusting means, is provided in the purge flow path 9 downstream of the fuel gas flow path from the branch point between the circulation flow path 10 and the circulation flow path 10.
[0006]
【The invention's effect】
The present invention provides a means for adjusting the flow rate of the fuel gas in the purge flow path 9 downstream of the branch point between the circulation flow path 10 and the fuel gas flow path, that is, a flow rate adjustment means, thereby providing a high-concentration fuel gas. The possibility of discharging hydrogen is low.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
First, the configuration of the present embodiment will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a fuel cell 1 having a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte membrane, a fuel gas supply device 2, an air supply device 3, a circulation device 4, a fuel gas supply passage 8, a purge passage 9, a circulation passage 10 , The air supply flow path 11, the discharge air flow path 12, the flow rate adjusting means A and B (here, the opening / closing control valve 5 capable of adjusting the opening degree of the flow rate adjusting means A, and the flow rate adjusting means B can only be fully opened or fully closed. Control valve 7).
[0008]
The fuel gas supply passage 8 connects the fuel gas supply device 2 and the fuel cell 1 and has a circulation device 4 attached thereto.
The purge flow path 9 has one end connected to the fuel cell 1 and the other end extending to the outside.
The circulation passage 10 branches off from the purge passage 9 and connects to the fuel gas supply passage 8 via the circulation device 4.
[0009]
The air supply channel 11 connects the air supply device 3 and the fuel cell 1.
The discharge air passage 12 has one end connected to the fuel cell 1 and the other end extending to the outside.
The opening / closing control valve 5 is attached to the circulation channel 10.
The on-off valve 6 is attached to the purge passage 9 downstream of the fuel gas passage from the branch point with the circulation passage 10.
[0010]
The control unit 7 can control or grasp the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell 1, the flow rate of the air, and the operation load (including the current, voltage, temperature, pressure, and the time of purging) of the fuel cell 1, The on / off control valve 5 or the on / off valve 6 attached to the circulation passage 10 and the purge passage 9 can be adjusted.
[0011]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
The fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 2 to the fuel electrode side of the fuel cell 1 through the fuel gas supply passage 8.
Further, air is supplied from the air supply device 3 to the air electrode side of the fuel cell 1 through the air supply pipe.
The fuel gas and the air supplied to the fuel cell 1 cause a chemical reaction to generate power in the fuel cell 1.
At this time, nitrogen gas or the like flows through the electrolyte membrane from the air electrode side and flows into the fuel electrode side.
[0012]
The fuel gas discharged from the fuel cell 1 is usually sent from the purge flow passage 9 to the circulation flow passage 10 by the circulation device 4 and the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 2 while the on-off valve 6 is closed. It is mixed and supplied to the fuel cell 1 again.
[0013]
At this time, nitrogen or the like flowing into the fuel electrode lowers the partial pressure of the fuel gas, so that the output voltage of the fuel cell 1 decreases even with the same load current value, and the efficiency of the fuel cell 1 decreases. This situation is detected by the control unit 7, and the amount of the fuel gas supplied to the fuel cell 1 is temporarily increased, and the fuel gas containing nitrogen or the like flowing in the circulation path is discharged to the outside.
[0014]
Also, when water is clogged in the fuel cell 1, a similar phenomenon occurs, and purging is performed similarly.
At the time of purging, the on-off valve 6 is always opened.
Further, the air discharged from the fuel cell 1 flows through the discharge air flow path 12 and is discharged to the outside.
[0015]
Hereinafter, a system flowchart according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This system flowchart is repeatedly executed for each set time (for example, every 10 ms) for each purge command.
[0016]
In step 200, a system flowchart is started.
In step 201, it is checked whether there is a purge command. If no command has been issued, the process proceeds to step 206.
In step 202, it is checked whether the on-off valve 6 is open. When the on-off valve 6 is open, the process proceeds to step 204.
In step 203, the on-off valve 6 is opened.
[0017]
In step 204, the operation load of the fuel cell 1 and the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 are detected.
In step 205, the opening / closing control valve 5 is adjusted according to the operating load or the supplied fuel gas amount. Proceed to step 207.
In step 206, the on-off valve 6. Is closed, and the open / close control valve 5 is opened.
In step 207, the system flowchart ends.
[0018]
Hereinafter, the control method (step 205) of the opening / closing control valve 5 when performing the purge will be described in detail.
Basically, the opening of the on-off control valve 5 is adjusted according to the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1.
[0019]
For example, as shown in FIG. 4, the fully closed state at 30 NL / min or less is set to 0, and the fully opened state at 1900 NL / min or more is set to 100, and the opening degree of the open / close control valve 5 and the fuel gas supplied to the fuel cell 1 are set. Find the proportional relationship between the quantities. The opening degree of the on-off control valve 5 is determined based on the amount of fuel gas to be supplied from the obtained inclination.
Regardless of the above, the opening / closing control valve 5 is fully closed when the operating load of the fuel cell 1 is extremely large, and the opening control 5 is fully opened when the operating load is extremely small.
[0020]
When the operation load of the fuel cell 1 is small or the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 is other than a predetermined value (for example, 30 NL / min) or less, the fuel gas flowing from the circulation passage 10 and the fuel gas supply device 2 The supplied fuel gas merges, and the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 is high in the power generation efficiency of the fuel cell 1 (for example, SR (utilization rate) = 1 during normal operation, and the operating load of the fuel cell 1 is large. Alternatively, the amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply device 2 is determined so that the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 is equal to or greater than a predetermined value (for example, 1900 NL / min) (SR (utilization rate) = 5).
[0021]
Thus, in this embodiment,
By adjusting the opening degree of the on-off control valve 5 according to the change in the operating load of the fuel cell 1 and the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1, it is possible to operate the fuel cell system with high efficiency.
[0022]
Further, at the time of purging at a low load, the ratio of impurities (nitrogen and the like) to the fuel cell 1 is large, and if the fuel cell 1 is circulated, the impurities accumulate in the fuel cell 1 again. Therefore, the purging must be performed frequently. Fuel gas will be discarded more than necessary. Therefore, by discharging all the fuel gas discharged from the fuel cell 1 to the outside without circulating, the impurities present in the fuel cell 1 can be efficiently removed.
[0023]
Further, at the time of purging under a high load, the fuel gas flows through both the purge flow path 9 and the circulation flow path 10 by adjusting the opening degree of the open / close control valve 5, so that the concentration of the discharged fuel gas is lower than in the conventional case. It is possible to do.
[0024]
In addition, since the fuel cell system can be operated under conditions that maintain the SR, it is possible to operate the fuel cell system with high efficiency.
Further, the predetermined value used for the magnitude of the operation load of the fuel cell 1 and the fuel gas supply amount at the time of purging can be determined by the fuel cell system used.
[0025]
(Second embodiment)
First, the configuration of the present embodiment will be described with reference to FIG.
The basic configuration is the same as in the first embodiment. The difference is that a combustor 13 and a flue gas flow path 14 are provided.
[0026]
The combustor 13 has one end connected to the other end of the purge passage 9 and the exhaust air passage 12 connected to the fuel cell 1.
The flue gas passage 14 has one end connected to the combustor 13 and the other end extending to the outside.
[0027]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
In the first embodiment, the fuel gas and air released to the outside at the time of purging are mixed by the combustor 13 and burned.
Further, the maximum amount of fuel gas that can be processed by the combustor 13 is determined in advance from the capacity of the combustion catalyst in the combustor 13.
[0028]
The fuel gas discharged from the fuel cell 1 at the time of purging is based on the operating pressure, operating temperature, and purging time of the fuel cell 1 when the purge command is issued from the control unit 7 and when the purge command is issued by the control unit 7. Calculate the amount. The opening of the on-off control valve 5 is adjusted based on the obtained fuel gas amount and the maximum fuel gas amount that can be processed by the combustor 13.
At the time of purging, always open the release valve.
[0029]
Hereinafter, a system flowchart according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This system flowchart is repeatedly executed for each set time (for example, every 10 ms) for each purge command. Steps 300 to 303, 306, and 307 are the same as steps 200 to 203, 206, and 207, so description thereof will be omitted, and steps 304 and 305 will be described.
[0030]
In step 304, the operating pressure of the fuel cell 1, the temperature of the fuel cell 1, and the time of purging are detected.
In step 305, the amount of fuel gas discharged from the fuel cell 1 at the time of purging is calculated from the operating pressure, the temperature of the fuel cell 1, and the purge time, and the opening control valve 5 is adjusted based on the calculated value.
[0031]
Instead of calculating the amount of fuel gas discharged from the fuel cell 1 at the time of purging from the operating pressure, operating temperature, and purging time of the fuel cell 1, a flow meter is attached to the fuel gas side at the outlet of the fuel cell 1. If the maximum fuel gas concentration that can be processed by the combustion catalyst is obtained in advance and a fuel gas concentration sensor is mounted on the fuel gas side at the outlet of the fuel cell 1, the same applies to the system flowchart shown in FIG. Get the effect. Steps 400 to 403 and 406 and 407 have the same contents as steps 200 to 203 and 206 and 207, and thus description thereof will be omitted, and steps 404 and 405 will be described.
[0032]
In step 404, the amount of fuel gas discharged from the fuel cell 1 or the concentration of fuel gas is detected.
In step 405, the on / off control valve 5 is adjusted according to the fuel gas amount or the fuel gas concentration.
[0033]
Hereinafter, a method of controlling the opening / closing control valve 5 at the time of performing the purge (steps 305 and 405) will be described in detail.
When it is determined that the amount of fuel gas discharged from the fuel cell 1 calculated by the control unit 7 has reached, for example, 90% of the maximum amount of fuel gas that can be processed by the combustor 13, the opening / closing control valve 5 is turned on. open.
[0034]
At this time, the fuel cell and the air flowing into the combustor at the time of purging are supplied to the fuel cell 1 such that the mixing ratio (for example, the ratio of the fuel gas occupies 20% to 40%) can be efficiently combusted by the combustor. Adjust the air supply.
[0035]
Thus, in this embodiment,
By knowing the maximum amount of fuel gas that can be processed by the combustion catalyst from the capacity of the combustion catalyst, overheating of the combustor 13 can be prevented.
Further, the amount of fuel gas discharged from the fuel cell 1 at the time of purging is calculated from the operating pressure, operating temperature, and purge interval of the fuel cell 1 at the time when the control unit 7 issues a purge command, and the maximum amount that the combustion catalyst can process is obtained. By sending the fuel gas amount not exceeding the fuel gas amount to the combustor 13, it is possible to reliably prevent the combustor 13 from overheating.
[0036]
In addition, by adjusting the amount of air supplied to the fuel cell 1 at the time of purging, the combustor 13 can always perform efficient combustion.
The ratio between the amount of fuel gas discharged from the fuel cell 1 at the time of purging and the maximum amount of fuel gas that can be processed by the combustor 13 and the mixing ratio of fuel gas and air used as a timing for opening the on-off control valve 5 are as follows: It can be determined according to the performance of the combustion catalyst and the fuel cell system used.
[0037]
(Third embodiment)
First, the configuration of the present embodiment will be described.
The configuration of the present embodiment is the same as the second embodiment.
Next, the operation of the present embodiment will be described.
At the time of purging, the on-off valve 6 is always opened.
[0038]
Hereinafter, a system flowchart according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This system flowchart is repeatedly executed for each set time (for example, every 10 ms) for each purge command. Steps 500 to 503, 506, and 507 are the same as steps 200 to 203, 206, and 207, so description thereof will be omitted, and steps 504 and 505 will be described.
[0039]
In step 504, the operation load of the fuel cell 1 and the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 are detected.
In step 505, the opening / closing control valve 5 is adjusted according to the operating load and the supplied fuel gas amount.
[0040]
Hereinafter, a method of controlling the opening / closing control valve 5 when performing the purge (step 505) will be described in detail.
Basically, the opening of the on-off control valve 5 is adjusted according to the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1.
[0041]
For example, as shown in FIG. 4, the fully closed state at 30 NL / min or less is set to 0, and the fully opened state at 1900 NL / min or more is set to 100, and the opening degree of the open / close control valve 5 and the fuel gas supplied to the fuel cell 1 are set. Find the proportional relationship between the quantities. The opening degree of the on-off control valve 5 is determined based on the amount of fuel gas to be supplied from the obtained inclination.
[0042]
Regardless of the above, the operating load of the fuel cell 1 is monitored, and the fuel gas flowing through the purge passage 9 and flowing into the combustor 13 becomes, for example, 90% or more of the maximum fuel gas amount that can be processed by the combustor 13. When the operating load becomes as follows, the opening degree of the on-off control valve 5 is determined so as to be 90% or less of the maximum fuel gas amount that can be processed by the combustor 13.
[0043]
Thus, in this embodiment,
The overheating of the combustor 13 can be prevented by adjusting the opening of the on-off control valve 5 in accordance with the change in the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1.
[0044]
In addition, when purging is performed during normal operation (when the supplied fuel gas amount is from 30 NL / min to 1900 NL / min), the degree of opening of the on-off control valve 5 is determined based on the supplied fuel gas amount. Since fuel gas can be circulated without sending unnecessary fuel gas, an efficient fuel cell system can be provided.
[0045]
Further, by controlling the opening / closing control valve 5 with the operating load of the fuel cell 1, even if the control based on the fuel gas flow rate fails, the inflow of the maximum fuel gas amount that can be processed by the combustor 13 into the combustor 13 is prevented, Overheating of the combustor 13 can be prevented.
[0046]
The amount of fuel gas flowing into the combustor 13 at the time of purging, the predetermined value used for the magnitude of the operating load of the fuel cell 1, and the predetermined value of the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 1 are determined by the performance and usage of the combustion catalyst. Can be determined by the fuel cell system used.
[0047]
(Fourth embodiment)
First, the configuration of the present embodiment will be described.
The configuration of the present embodiment is the same as the second embodiment.
Next, the operation of the present embodiment will be described.
Hereinafter, a system flowchart according to the present embodiment will be described with reference to FIG. This system flowchart is repeatedly executed every set time (for example, every 10 ms) from the start of the fuel cell system.
[0048]
In step 100, a system flowchart is started.
In step 101, it is checked whether the flag is 3. When the flag is 3, the process proceeds to step 115.
In step 102, it is checked whether the flag is 2. When the flag is 2, the process proceeds to step 112.
In step 103, it is checked whether the flag is 1. When the flag is 1, the process proceeds to step 109.
[0049]
In step 104, fuel gas and air are supplied to the fuel cell 1.
In step 105, the fuel cell 1 generates power.
In step 106, the on-off valve 6 and the on-off control valve 5 are opened.
In step 107, the opening / closing control valve 5 is closed at a first constant speed (for example, the time until full closing is 10 s).
[0050]
In step 108, the flag is set to 1.
In step 109, it is checked whether the temperature inside the combustor 13 is 500 ° C. or higher. If the temperature is not higher than 500 ° C., the process proceeds to step 115.
In step 110, the opening / closing control valve 5 is opened at a second constant speed (for example, the time until full opening is 5 s).
[0051]
In step 111, the flag is set to 2.
In step 112, it is checked whether the open / close control valve 5 is fully opened. If not fully opened, the process proceeds to step 115.
In step 113, the on-off valve 6 is closed.
In step 114, the flag is set to 3.
In step 115, the system flowchart ends.
[0052]
Thus, in this embodiment,
When the operation of the fuel cell 1 is started, by opening the on-off valve 6 and closing the on-off control valve 5, the amount of circulating fuel gas is reduced and the amount of fuel gas to the combustor 13 is increased. Burnable temperatures can be reached.
[0053]
Further, since the opening / closing control valve 5 is opened / closed at a constant speed, rapid heating or cooling of the combustor 13 is prevented without rapidly increasing or decreasing the fuel gas flowing into the combustor 13, and the burden on the combustor 13 is reduced. it can.
[0054]
Further, since the time required to fully close the on-off control valve 5 is shorter than the time required to fully open, the fuel gas can be used efficiently without wastefully sending the fuel gas to the combustor 13.
[0055]
In the present embodiment, the temperature at which the combustion catalyst can quickly and efficiently burn hydrogen and the speed until the opening / closing control valve 5 is fully opened or fully closed can be determined by the performance of the combustion catalyst and the fuel cell system used.
[0056]
Further, the embodiment used in the first embodiment in which the amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply device is determined so as to maintain the SR can be applied to the second embodiment and the third embodiment.
[0057]
In addition, the fourth embodiment can be combined with the second embodiment and the third embodiment.
The embodiment in which the amount of supplied air is adjusted so that the combustor used in the second embodiment can efficiently perform combustion can also be applied to the third embodiment and the fourth embodiment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a second embodiment to a fourth embodiment according to the present invention.
FIG. 3 is a system flowchart of the first embodiment according to the present invention.
FIG. 4 shows a relationship between an opening degree and a supplied fuel gas amount in the first embodiment according to the present invention.
FIG. 5 is a system flowchart of a second embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is a system flowchart of a second embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is a system through chart of a third embodiment according to the present invention.
FIG. 8 is a system flowchart of a fourth embodiment according to the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell 2 fuel gas supply device 3 air supply device 4 circulation device 5 on-off control valve 6 on-off valve 7 control unit 8 fuel gas supply passage 9 air supply passage 10 circulation passage 11 purge passage 12 exhaust air passage 13 Combustor 14 flue gas flow path

Claims (11)

少なくとも燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス供給流路を通して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料ガスを外部に放出するパージ流路と、前記パージ流路から前記燃料ガス供給流路とを結び前記燃料電池から排出される燃料ガスを再度前記燃料電池に供給する手段を備える循環流路を備える燃料電池システムにおいて、前記循環流路との分岐点より前記燃料ガス流路下流の前記パージ流路に前記燃料電池から排出される燃料ガスを外部に放出するとき、即ちパージ時は常に開いている開閉弁を取付け、前記循環流路には開度をパージ時の運転状況に応じて調整可能な手段、即ち流量調整手段を取付けることを特徴とする燃料電池システム。At least a fuel cell, a fuel gas supply device for supplying a fuel gas to the fuel cell through a fuel gas supply flow path, a purge flow path for discharging fuel gas discharged from the fuel cell to the outside, and a purge flow path. In a fuel cell system including a circulation flow path including means for connecting the fuel gas supply flow path and supplying the fuel gas discharged from the fuel cell to the fuel cell again, the fuel may be supplied from a branch point with the circulation flow path. When the fuel gas discharged from the fuel cell is discharged to the outside in the purge flow path downstream of the gas flow path, that is, an open / close valve that is always open is attached at the time of purging, and the opening degree is set in the circulation flow path at the time of purging. A fuel cell system comprising means that can be adjusted in accordance with the operating conditions of the fuel cell, that is, flow rate adjusting means. 請求項１の燃料電池システムにおいて、前記流量調整手段の開度を連続的に調整可能とすることを特徴とする燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an opening of said flow rate adjusting means can be continuously adjusted. 請求項１の燃料電池システムにおいて、パージ時に前記燃料電池の運転負荷或いは前記燃料電池に供給する燃料ガス量に応じて、前記流量調整手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein said flow rate adjusting means is adjusted in accordance with an operation load of said fuel cell or an amount of fuel gas supplied to said fuel cell at the time of purging. 請求項３の燃料電池システムにおいて、パージ時に前記燃料電池の運転負荷が小さい又は前記燃料電池に供給する燃料ガス量が少ないとき、前記流量調整手段を閉じることを特徴とする燃料電池システム。4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the flow rate adjusting means is closed when the operating load of the fuel cell is small or the amount of fuel gas supplied to the fuel cell is small at the time of purging. 請求項２の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に空気供給流路を通して空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池から排出される空気を外部に放出する排出空気流路と、前記パージ流路と前記排出空気流路につながれ前記燃料電池から排出される燃料ガスと空気を混合し燃焼することができる燃焼器を備えることを特徴とする燃料電池システム。3. The fuel cell system according to claim 2, wherein an air supply device supplies air to the fuel cell through an air supply flow path, a discharge air flow path that discharges air discharged from the fuel cell to the outside, and the purge flow path. 4. And a combustor connected to the discharge air passage and capable of mixing and burning fuel gas and air discharged from the fuel cell. 請求項５の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器に流入する燃料ガス量が所定値を超えないように、前記流量調整手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the flow rate adjusting means is adjusted so that the amount of fuel gas flowing into the combustor does not exceed a predetermined value. 請求項６の燃料電池システムにおいて、パージ時の、前記燃料電池の運転圧、前記燃料電池の温度、パージをしている時間により求められる前記燃料電池から排出される燃料ガス量に基づいて、前記流量制御手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。7. The fuel cell system according to claim 6, wherein at the time of purging, the operating pressure of the fuel cell, the temperature of the fuel cell, and the amount of fuel gas discharged from the fuel cell determined by the time of purging, A fuel cell system comprising adjusting a flow control means. 請求項５の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器に流入する燃料ガスの濃度が所定値を超えないように、前記流量調整手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the flow rate adjusting means is adjusted so that the concentration of the fuel gas flowing into the combustor does not exceed a predetermined value. 請求項５の燃料電池システムにおいて、燃料電池システム起動時に、前記燃焼器に燃料ガスを送るとき、前記開閉弁を開き、前記流量調整手段を所定速度で閉じることを特徴とする燃料電池システム。6. The fuel cell system according to claim 5, wherein at the time of starting the fuel cell system, when the fuel gas is sent to the combustor, the on-off valve is opened and the flow rate adjusting means is closed at a predetermined speed. 請求項９の燃料電池システムにおいて、前記流量調整手段を前記燃焼器内の温度が所定温度になったとき、所定速度で開くことを特徴とする燃料電池システム。10. The fuel cell system according to claim 9, wherein the flow rate adjusting means is opened at a predetermined speed when the temperature in the combustor reaches a predetermined temperature. 請求項１０の燃料電池システムにおいて、前記流量調整手段の閉じる速度を開く速度より早くすることを特徴とする燃料電池システム。11. The fuel cell system according to claim 10, wherein the closing speed of the flow rate adjusting means is faster than the opening speed.

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