JP2007188846A - Fuel cell system and its control method - Google Patents

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彰 田辺
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which improves efficiency of the offgas combustion reaction in an offgas combustion section. <P>SOLUTION: A fuel cell system 100 includes: a fuel cell 20 for generating electric power through a reaction of oxidization gas with fuel gas; an offgas combustion section 10 for burning the hydrogen offgas and air offgas discharged from the fuel cell 20; and a catalyst heater for heating the offgas combustion section 10. The fuel cell system 100 is provided with a control section 50 which controls the valve-opening timing of an air valve A22 and a hydrogen valve H51 to start discharging of the air offgas after the catalyst heater turns on, as well as to start discharging of the hydrogen offgas after a given time elapsed following the startup of a discharge of the air offgas. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and a control method therefor.

燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させてから外部に放出するオフガス燃焼部を備えた燃料電池システムには、オフガス燃焼部を加熱するとともに、このオフガス燃焼部に水素オフガス（燃料オフガス）と酸化剤としての空気オフガス（酸化オフガス）とを供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−９５２５８号公報 A fuel cell system including an off-gas combustion unit that burns off-gas discharged from a fuel cell and then releases the off-gas to the outside, heats the off-gas combustion unit, and supplies hydrogen off-gas (fuel off-gas) and an oxidant to the off-gas combustion unit. As an air off gas (oxidation off gas) (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-95258 A

しかしながら、上記のようなオフガス燃焼部を備えた燃料電池システムでは、パージ開始直後における排出される水素オフガス及び空気オフガスの流量が不安定であることより、オフガス燃焼部へ混合されて送り込まれる水素オフガス及び空気オフガスの空燃比が低下したりオフガス燃焼部が冷却されたりすることにより、オフガス燃焼部における燃焼反応の効率が低下してしまうことがある。   However, in the fuel cell system provided with the off-gas combustion unit as described above, the hydrogen off-gas mixed and sent to the off-gas combustion unit because the flow rates of the hydrogen off-gas and the air off-gas discharged immediately after the start of the purge are unstable. In addition, when the air-fuel ratio of the air off-gas is lowered or the off-gas combustion part is cooled, the efficiency of the combustion reaction in the off-gas combustion part may be lowered.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、オフガス燃焼部におけるオフガスの燃焼反応の効率を高めることが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of increasing the efficiency of an offgas combustion reaction in an offgas combustion section and a control method thereof.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムであって、前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始させるとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始させる制御部を備えている。   In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, an off-gas combustion unit that burns the fuel off-gas discharged from the fuel cell together with the oxidizing off-gas, A heater that warms up the off-gas combustion unit, and starts discharge of the oxidation off-gas after energization of the heater, and after elapse of a predetermined time after the start of discharge of the oxidation off-gas A control unit for starting the discharge of the fuel off gas is provided.

この構成によれば、酸化オフガスの流量が安定してから燃料オフガスを混合させて好ましい混合状態にてオフガス燃焼部へ送り込んで、これら燃料オフガス及び酸化オフガスの混合気を燃焼反応に好適な空燃比とすることができ、しかもヒータの冷却による加熱効果の低下を抑制することができる。これにより、オフガス燃焼部において高い反応率にて燃焼反応を生じさせることができ、オフガス燃焼部から排出される排気ガス中における燃料濃度を極力低減させることができる。   According to this configuration, after the flow rate of the oxidizing off gas is stabilized, the fuel off gas is mixed and sent to the off gas combustion section in a preferable mixed state, and the mixture of the fuel off gas and the oxidizing off gas is suitable for the combustion reaction. In addition, it is possible to suppress a decrease in heating effect due to cooling of the heater. Thereby, a combustion reaction can be caused at a high reaction rate in the off-gas combustion section, and the fuel concentration in the exhaust gas discharged from the off-gas combustion section can be reduced as much as possible.

本発明においては、前記オフガス燃焼部を流れるガスの流量を検出する流量検出部が設けられ、前記制御部は、前記流量検出部の検出結果から前記酸化オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御するものでもよい。   In the present invention, a flow rate detection unit for detecting a flow rate of the gas flowing through the off-gas combustion unit is provided, and the control unit calculates the amount of change in the flow rate after the start of discharge of the oxidizing off gas from the detection result of the flow rate detection unit. The timing for starting the discharge of the fuel off gas may be controlled based on the amount of change in the flow rate.

前記制御部は、前記酸化オフガスの前記燃料オフガスとの混合箇所までの配管の容積に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御するものでもよい。   The said control part may control the discharge start time of the said fuel off gas based on the volume of the piping to the mixing location with the said fuel off gas of the said oxidation off gas.

さらに、本発明は、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始するとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始する制御方法としても提供することができる。   Furthermore, the present invention provides a fuel cell that generates electric power by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, an off-gas combustion unit that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell together with the oxidizing off-gas, and a heater that warms up the off-gas combustion unit. A method of controlling a fuel cell system comprising: starting discharge of the oxidizing off gas after energization of the heater, and starting discharging of the fuel off gas after elapse of a predetermined time after starting discharging of the oxidizing off gas It can also be provided as a control method.

本発明の燃料電池システム及びその制御方法によれば、オフガス燃焼部におけるオフガスの燃焼反応の効率を高めることができる。   According to the fuel cell system and the control method thereof of the present invention, the efficiency of the offgas combustion reaction in the offgas combustion section can be increased.

次に、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法の一の実施形態を説明する。   Next, an embodiment of a fuel cell system and a control method thereof according to the present invention will be described.

以下、この燃料電池システム及びその制御方法を燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。   Hereinafter, the case where this fuel cell system and its control method are applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and may be any ship, aircraft, train, walking robot, etc. Application to a mobile object, for example, application to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as power generation equipment for a building (house, building, etc.) is also possible.

図１に示される燃料電池システム１００において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。   In the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, air (outside air) as an oxidizing gas is supplied to the air supply port of the fuel cell 20 via the air supply path 71. The air supply path 71 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A3 that pressurizes the air, a pressure sensor P4 that detects the supply air pressure, and a humidifier A21 that adds required moisture to the air.

コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。   The compressor A3 is driven by a motor. This motor is driven and controlled by a control unit 50 described later. The air filter A1 is provided with an air flow meter (flow meter) (not shown) that detects the air flow rate.

燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、加湿器Ａ２１の熱交換器、エア弁Ａ２２及びオフガス燃焼部１０が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。   Air off-gas (oxidation off-gas) discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the exhaust path 72. The exhaust path 72 is provided with a pressure sensor P1 that detects the exhaust pressure, a pressure adjustment valve A4, a heat exchanger for the humidifier A21, an air valve A22, and an off-gas combustion unit 10. The pressure sensor P <b> 1 is provided in the vicinity of the air exhaust port of the fuel cell 20.

また、エア弁Ａ２２は後述するパージ流路７６と排気路７２との合流点Ｊの近傍における上流側に設けられている。このエア弁Ａ２２は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、空気オフガスが所定のタイミングにて排出（パージ）される。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。   The air valve A22 is provided on the upstream side in the vicinity of a junction J between a purge passage 76 and an exhaust passage 72 described later. The air valve A22 is an electromagnetic shut-off valve, and is actuated by a command from the control unit 50, whereby air off gas is discharged (purged) at a predetermined timing. The pressure adjustment valve A4 functions as a pressure regulator (pressure reduction) that sets the air pressure supplied to the fuel cell 20.

圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。   Detection signals (not shown) of the pressure sensors P4 and P1 are sent to the control unit 50. The control unit 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the motor rotation speed of the compressor A3 and the opening area of the pressure adjustment valve A4.

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。   Hydrogen gas as the fuel gas is supplied from the hydrogen supply source 30 to the hydrogen supply port of the fuel cell 20 through the hydrogen supply path 74. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be a so-called fuel reformer, a hydrogen storage alloy, or the like.

水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。   The hydrogen supply path 74 includes a shutoff valve H100 that supplies or stops supplying hydrogen from the hydrogen supply source 30, a pressure sensor P6 that detects the supply pressure of hydrogen gas from the hydrogen supply source 30, and hydrogen gas to the fuel cell 20. The pressure regulating valve H9 for reducing and adjusting the supply pressure of the fuel, the pressure sensor P9 for detecting the hydrogen gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve H9, and the shutoff valve H21 for opening and closing between the hydrogen supply port of the fuel cell 20 and the hydrogen supply path 74. , And a pressure sensor P5 for detecting the inlet pressure of the hydrogen gas fuel cell 20 is provided.

水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。   As the hydrogen pressure regulating valve H9, for example, a pressure regulating valve that performs mechanical pressure reduction can be used. However, a valve whose opening degree is linearly or continuously adjusted by a pulse motor may be used. Detection signals (not shown) of the pressure sensors P5, P6, and P9 are supplied to the control unit 50.

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通・遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged to the hydrogen circulation path 75 as a hydrogen off-gas and returned to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve H9 in the hydrogen supply path 74. The hydrogen circulation path 75 includes a temperature sensor T31 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, a shutoff valve H22 that communicates and shuts off the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 75, and a gas-liquid separator H42 that collects moisture from the hydrogen off-gas. A drain valve H41 that collects the generated water in a tank (not shown) outside the hydrogen circulation path 75, a hydrogen pump H50 that pressurizes the hydrogen off-gas, and a backflow prevention valve H52 are provided.

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。   The shutoff valves H21 and H22 close the anode side of the fuel cell 20. A detection signal (not shown) of the temperature sensor T31 is supplied to the control unit 50. The operation of the hydrogen pump H50 is controlled by the control unit 50.

水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、水素供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。   The hydrogen off-gas merges with the hydrogen gas in the hydrogen supply path 74 and is supplied to the fuel cell 20 for reuse. The backflow prevention valve H52 prevents the hydrogen gas in the hydrogen supply path 74 from flowing back to the hydrogen circulation path 75 side. The shutoff valves H100, H21, and H22 are driven by a signal from the control unit 50.

水素循環路７５は、パージ流路７６によってオフガス燃焼部１０の上流側における排気路７２に接続されており、パージ流路７６における排気路７２との合流点Ｊの近傍における上流側には、水素弁Ｈ５１が設けられている。水素弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動する。   The hydrogen circulation path 75 is connected to the exhaust path 72 on the upstream side of the off-gas combustion unit 10 by the purge flow path 76, and the upstream side of the purge flow path 76 in the vicinity of the junction J with the exhaust path 72 has a hydrogen flow path. A valve H51 is provided. The hydrogen valve H51 is an electromagnetic shut-off valve, and operates according to a command from the control unit 50.

そして、この水素弁Ｈ５１とともにエア弁Ａ２２が制御部５０からの指令により作動することにより、水素オフガスと空気オフガスとが合流点Ｊにて混合されてオフガス燃焼部１０に導入され、このオフガス燃焼部１０にて燃焼反応に供されて外部に排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。   The hydrogen valve H51 and the air valve A22 are actuated by a command from the control unit 50, whereby the hydrogen offgas and the air offgas are mixed at the junction J and introduced into the offgas combustion unit 10, and this offgas combustion unit 10 is subjected to a combustion reaction and discharged (purged) to the outside. By performing this purge operation intermittently, it is possible to prevent a cell voltage from being lowered due to an increase in the impurity concentration in the hydrogen gas.

オフガス燃焼部１０は、燃焼触媒を備えた触媒ヒータを有しており、触媒ヒータへの通電が制御部５０によって制御される。そして、このオフガス燃焼部１０では、排気路７２から送り込まれる水素オフガスと空気オフバスとの混合ガスが触媒ヒータに供給され、この触媒ヒータによって加温され、触媒を通過する過程で触媒反応によって燃焼して下流側へ排気される。   The off-gas combustion unit 10 includes a catalyst heater provided with a combustion catalyst, and energization of the catalyst heater is controlled by the control unit 50. In the off-gas combustion unit 10, a mixed gas of hydrogen off-gas and air off-bus sent from the exhaust passage 72 is supplied to the catalyst heater, heated by the catalyst heater, and combusted by the catalytic reaction in the process of passing through the catalyst. Exhausted downstream.

また、排気路７２には、オフガス燃焼部１０の下流側に、流量検出センサ（流量検出部）Ｓ１及び水素センサＳ２が設けられており、流量検出センサＳ１によって排気ガスの流量が検出され、水素センサＳ２によって排気ガス中における水素濃度が検出され、それぞれの検出結果が制御部５０へ送信される。   The exhaust path 72 is provided with a flow rate detection sensor (flow rate detection unit) S1 and a hydrogen sensor S2 on the downstream side of the off-gas combustion unit 10, and the flow rate detection sensor S1 detects the flow rate of the exhaust gas, The sensor S2 detects the hydrogen concentration in the exhaust gas, and transmits each detection result to the control unit 50.

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。   A cooling path 73 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20. In the cooling path 73, a temperature sensor T1 that detects the temperature of the cooling water drained from the fuel cell 20, a radiator (heat exchanger) C2 that radiates the heat of the cooling water to the outside, and a pump that pressurizes and circulates the cooling water. C1 and a temperature sensor T2 for detecting the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 20 are provided. The radiator C2 is provided with a cooling fan C13 that is rotationally driven by a motor.

燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池やキャパシタ等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。   The fuel cell 20 is configured as a fuel cell stack in which a required number of single cells that generate power upon receiving supply of hydrogen gas and air are stacked. The electric power generated by the fuel cell 20 is supplied to a power control unit (not shown). The power control unit consists of an inverter that supplies electric power to the drive motor of the vehicle, an inverter that supplies electric power to various auxiliary devices such as a compressor motor and a motor for a hydrogen pump, and power storage means such as a secondary battery and a capacitor. A DC-DC converter that performs charging and power supply to the motors from the power storage means is provided.

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１００の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。   The control unit 50 is configured by a control computer system having a known configuration such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and a required load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and each part of the fuel cell system 100. Control information is received from these sensors (pressure sensor, temperature sensor, flow sensor, output ammeter, output voltmeter, etc.), and the operation of valves and motors in each part of the system is controlled.

ところで、上記のオフガス燃焼部１０を備えた燃料電池システム１００では、水素オフガスのパージ流路７６と排気路７２との配管長さに基づく容積、配管内の圧力、排出される水素オフガス及び空気オフガスの流量、さらには、水素オフガスと空気オフガスとの拡散速度の違いから、これら水素オフガスと空気オフガスとが混合される混合点Ｊに到達するまでに時間差が生じる。   By the way, in the fuel cell system 100 including the off-gas combustion unit 10 described above, the volume based on the pipe length between the purge path 76 and the exhaust path 72 of the hydrogen off-gas, the pressure in the pipe, the discharged hydrogen off-gas and the air off-gas. Due to the difference in the flow rate of the gas and the diffusion rate between the hydrogen off-gas and the air off-gas, a time difference occurs until the mixing point J where the hydrogen off-gas and air off-gas are mixed is reached.

しかも、これら水素オフガス及び空気オフガスが排出されてから流量が安定するまでにある程度の時間を要し、特に、図２に示すように、空気オフガスは流量Ａが安定するまでに流量が大きく変動する変動領域アが存在する。   In addition, a certain amount of time is required until the flow rate is stabilized after these hydrogen off-gas and air off-gas are discharged. In particular, as shown in FIG. 2, the flow rate of the air off-gas greatly varies until the flow rate A is stabilized. There is a variable area.

このため、水素オフガスを排出する時期を、図２における水素オフガスの排出時期Ｔａのように、空気オフガスの排出と同時にすると、燃焼反応に好適な空燃比とならず、オフガス燃焼部１０における燃焼反応効率が低下し、図２における水素濃度Ｈａのように、未反応水素量が多くなり、許容水素濃度値イを大きく越えてしまう。   For this reason, if the timing for discharging the hydrogen off-gas is simultaneously with the discharge of the air off-gas as in the hydrogen off-gas discharging timing Ta in FIG. 2, the air-fuel ratio is not suitable for the combustion reaction, and the combustion reaction in the off-gas combustion unit 10 The efficiency is lowered, and the amount of unreacted hydrogen increases as shown in FIG. 2 as the hydrogen concentration Ha, which greatly exceeds the allowable hydrogen concentration value a.

また、水素オフガスの排出時期を、空気オフガスの排出時よりも遅らせても、図２における水素オフガスの排出時期Ｔｂのように、空気オフガスの排出直後に生じる流量の変動領域アにて排出を開始すると、やはり燃焼反応に好適な空燃比とならず、オフガス燃焼部１０における燃焼反応効率が低下し、図２における水素濃度Ｈｂのように、未反応水素量を十分に抑えることができない。   In addition, even if the hydrogen offgas discharge timing is delayed from the time when the air offgas is discharged, the discharge starts in the flow rate fluctuation region a that occurs immediately after the air offgas discharge, like the hydrogen offgas discharge timing Tb in FIG. As a result, the air-fuel ratio is not suitable for the combustion reaction, and the combustion reaction efficiency in the off-gas combustion unit 10 is lowered, and the amount of unreacted hydrogen cannot be sufficiently suppressed as in the hydrogen concentration Hb in FIG.

これに対して、水素オフガスの排出開始の時期を、図２における水素オフガスの排出時期Ｔｃのように、空気オフガスの排出後における流量の変動領域アを越えた時点とすると、水素オフガスと空気オフガスの流量が互いに安定し、混合点Ｊにて好ましい混合状態にて混合されてオフガス燃焼部１０へ送り込まれる。   On the other hand, when the discharge start time of the hydrogen off gas is set to a time point where the flow rate fluctuation region after discharge of the air off gas is exceeded, as shown in the discharge timing Tc of hydrogen off gas in FIG. Are mixed in a preferable mixing state at the mixing point J and fed to the off-gas combustion unit 10.

これにより、オフガス燃焼部１０では、水素オフガスと空気オフガスとが燃焼反応に好適な空燃比とされ、触媒ヒータの加熱効果が下がることもなく、触媒が１００％に近い反応率にて燃焼反応を生じさせる。その結果、図２における水素濃度Ｈｃのように、オフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における排気水素濃度が０％近くにされる。   As a result, in the off-gas combustion unit 10, the hydrogen off-gas and the air off-gas are set to an air-fuel ratio suitable for the combustion reaction, and the heating effect of the catalyst heater is not lowered, and the catalyst performs the combustion reaction at a reaction rate close to 100%. Cause it to occur. As a result, as in the hydrogen concentration Hc in FIG. 2, the exhaust hydrogen concentration in the exhaust gas discharged from the off-gas combustion unit 10 is made close to 0%.

一方、図２における水素オフガスの排出時期Ｔｄのように、空気オフガスの排出後、しばらくしてから水素オフガスを排出した場合は、空気オフガスの流量は安定しているが、先に送り込まれる空気オフガスによってオフガス燃焼部１０の触媒が冷却されてしまい、触媒ヒータによる加熱効果が低下し、この場合も、図２における水素濃度Ｈｄのように、未反応水素量が多少増加してしまう。そして、この未反応水素量は、水素オフガスの排出時期が遅くなるにしたがって増加する。   On the other hand, when the hydrogen offgas is discharged after a while after the discharge of the air offgas, as in the hydrogen offgas discharge timing Td in FIG. 2, the flow rate of the air offgas is stable, but the air offgas sent first As a result, the catalyst of the off-gas combustion unit 10 is cooled, and the heating effect of the catalyst heater is reduced. In this case as well, the unreacted hydrogen amount slightly increases as in the hydrogen concentration Hd in FIG. The amount of unreacted hydrogen increases as the hydrogen off-gas discharge timing is delayed.

上記のことから、上記燃料電池システム１００では、表１に示すように、制御部５０が、エア弁Ａ２２及び水素弁Ｈ５１の弁開時期を次のように制御している。

Figure 2007188846
From the above, in the fuel cell system 100, as shown in Table 1, the control unit 50 controls the valve opening timing of the air valve A22 and the hydrogen valve H51 as follows.
Figure 2007188846

まず、オフガス燃焼部１０の触媒ヒータの通電と同時の時期Ｔａにてエア弁Ａ２２を弁開させ、この時期Ｔａを基準とする。ここで、触媒ヒータを通電した後にエア弁Ａ２２を弁開させても良いが、触媒ヒータの通電と同時にエア弁Ａ２２を弁開させることにより、触媒ヒータへの無駄な通電がなくされ、電力消費を極力少なくできる。   First, the air valve A22 is opened at a time Ta at the same time as energization of the catalyst heater of the off-gas combustion unit 10, and this time Ta is used as a reference. Here, the air valve A22 may be opened after the catalyst heater is energized. However, by opening the air valve A22 simultaneously with the energization of the catalyst heater, wasteful energization of the catalyst heater is eliminated and power consumption is reduced. Can be reduced as much as possible.

次いで、制御部５０は、基準としたエア弁Ａ２２の弁開の時期Ｔａから所定時間後の時期Ｔｃと時期Ｔｄとの間にて水素弁Ｈ５１を弁開させる。この水素弁Ｈ５１を弁開させる時期Ｔｃは、空気オフガスの排出後における流量の変動領域アを越えた時点であり、さらに触媒ヒータの加熱効果が高いために、水素オフガスと空気オフガスとが燃焼反応に好適な空燃比とされてオフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における排気水素濃度が０％近くにされる時点である。   Next, the control unit 50 opens the hydrogen valve H51 between a timing Tc and a timing Td that are a predetermined time after the reference valve opening timing Ta of the air valve A22. The timing Tc when the hydrogen valve H51 is opened is a time when the flow rate fluctuation region A after the discharge of the air off gas is exceeded, and since the heating effect of the catalyst heater is high, the hydrogen off gas and the air off gas undergo a combustion reaction. This is the time when the exhaust hydrogen concentration in the exhaust gas exhausted from the off-gas combustion unit 10 is set to a suitable air-fuel ratio to be close to 0%.

そして、制御部５０は、オフガス燃焼部１０の下流側に設けた流量検出センサＳ１の検出結果から空気オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、空気オフガスの流量が安定した時点を、この時期Ｔｃとする。   And the control part 50 calculates | requires the variation | change_quantity of the flow rate after the discharge start of air offgas from the detection result of the flow volume detection sensor S1 provided in the downstream of the offgas combustion part 10, and based on the variation | change_quantity of this flow volume, air offgas This time Tc is the time when the flow rate is stabilized.

また、水素弁５１を弁開させる時期Ｔｄは、時期Ｔｃから、オフガス燃焼部１０からの排気ガス中の排気水素濃度を許容水素濃度値イよりも十分に小さく抑えることが可能な許容遅れ時間の経過時点である。   Further, the timing Td when the hydrogen valve 51 is opened is an allowable delay time from which the exhaust hydrogen concentration in the exhaust gas from the off-gas combustion unit 10 can be sufficiently smaller than the allowable hydrogen concentration value a from the timing Tc. It is the elapsed time.

そして、制御部５０によってエア弁Ａ２２及び水素弁Ｈ５１が上記のように制御されることにより、水素オフガスと空気オフガスの流量が互いに安定し、混合点Ｊにて好ましい混合状態にて混合されてオフガス燃焼部１０へ送り込まれ、水素オフガスと空気オフガスとが燃焼反応に好適な空燃比とされる。   Then, the air valve A22 and the hydrogen valve H51 are controlled by the control unit 50 as described above, so that the flow rates of the hydrogen off gas and the air off gas are stabilized to each other, and are mixed in a preferable mixed state at the mixing point J. It is sent to the combustion unit 10 so that the hydrogen off gas and the air off gas have an air-fuel ratio suitable for the combustion reaction.

これにより、空気オフガスによって触媒ヒータが冷却されて加熱効果が低下するようなこともなく、触媒が高い反応率にて燃焼反応を生じさせる。したがって、オフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における排気水素濃度が極力低減される。   As a result, the catalyst heater is cooled by the air off gas and the heating effect is not lowered, and the catalyst causes a combustion reaction at a high reaction rate. Therefore, the exhaust hydrogen concentration in the exhaust gas discharged from the off-gas combustion unit 10 is reduced as much as possible.

以上説明したように、本実施形態によれば、空気オフガスの流量が安定してから水素オフガスを混合させて好ましい混合状態にてオフガス燃焼部１０へ送り込んで、これら水素オフガス及び空気オフガスの混合気を燃焼反応に好適な空燃比とすることができ、しかも触媒ヒータの冷却による加熱効果の低下を抑制することができる。   As described above, according to this embodiment, after the flow rate of the air off-gas is stabilized, the hydrogen off-gas is mixed and sent to the off-gas combustion unit 10 in a preferable mixed state, and the mixture of the hydrogen off-gas and the air off-gas is mixed. Can be set to an air-fuel ratio suitable for the combustion reaction, and a reduction in heating effect due to cooling of the catalyst heater can be suppressed.

これにより、オフガス燃焼部１０において極めて高い反応率にて燃焼反応を生じさせることができ、オフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における燃料濃度を極力低減させることができる。   Thereby, a combustion reaction can be caused at an extremely high reaction rate in the off-gas combustion unit 10, and the fuel concentration in the exhaust gas discharged from the off-gas combustion unit 10 can be reduced as much as possible.

なお、上記実施形態では、オフガス燃焼部１０の下流側に設けた流量検出センサＳ１の検出結果から空気オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、空気オフガスの流量が安定した時点を、水素オフガスの排出開始の時期Ｔｃとしたが、本発明は上記例に限定されない。   In the above embodiment, the amount of change in the flow rate after starting the discharge of the air off gas is obtained from the detection result of the flow rate detection sensor S1 provided on the downstream side of the off gas combustion unit 10, and the air off gas is calculated based on the amount of change in the flow rate. The time when the flow rate of the gas became stable was set as the timing Tc for starting the discharge of hydrogen off-gas, but the present invention is not limited to the above example.

つまり、空気オフガスの水素オフガスとの混合点Ｊまでの排気路７２の容積に基づいて、オフガス燃焼部１０における空気オフガスの流量が安定するまでの時間を予め求めておき、その時間に基づいて水素弁Ｈ５１の弁開の時期を制御するようにしても良い。   That is, based on the volume of the exhaust passage 72 up to the mixing point J of the air off-gas with the hydrogen off-gas, the time until the air off-gas flow rate in the off-gas combustion unit 10 is stabilized is obtained in advance, and the hydrogen is calculated based on the time. You may make it control the valve opening time of the valve H51.

具体的には、エア弁Ａ２２の弁開後に、予め求めた空気オフガスの流量が安定するまでの時間の経過時点を弁開時期Ｔｃとする。そして、制御部５０は、この弁開時期Ｔｃから許容遅れ時間の経過時点を弁開時期Ｔｄとし、時期ＴｃからＴｄの間にて水素弁Ｈ５１を弁開させる。   Specifically, the valve opening timing Tc is defined as the elapsed time until the flow rate of the air off gas obtained in advance is stabilized after the air valve A22 is opened. Then, the control unit 50 sets the passage time of the allowable delay time from the valve opening timing Tc as the valve opening timing Td, and opens the hydrogen valve H51 between the timing Tc and Td.

本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図。The schematic block diagram of the fuel cell system shown as one Embodiment of this invention. オフガスの排出時期、流量及び排出水素濃度の関係を示す特性線図。The characteristic line figure which shows the relationship of discharge | emission timing of off-gas, flow volume, and discharge | emission hydrogen concentration.

符号の説明Explanation of symbols

１０…オフガス燃焼部、２０…燃料電池、５０…制御部、１００…燃料電池システム、Ｓ１…流量検出センサ（流量検出部）。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Off-gas combustion part, 20 ... Fuel cell, 50 ... Control part, 100 ... Fuel cell system, S1 ... Flow rate detection sensor (flow rate detection part).

Claims (4)

酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムであって、
前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始させるとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始させる制御部を備えた燃料電池システム。 A fuel cell comprising: a fuel cell that generates electricity by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas; an off-gas combustion unit that combusts a fuel off-gas discharged from the fuel cell together with an oxidizing off-gas; and a heater that warms up the off-gas combustion unit. A system,
A fuel cell system comprising: a control unit that starts discharging the oxidizing off gas after energization of the heater and starts discharging the fuel off gas after a predetermined time has elapsed after starting the discharging of the oxidizing off gas. 前記オフガス燃焼部を流れるガスの流量を検出する流量検出部が設けられ、
前記制御部は、前記流量検出部の検出結果から前記酸化オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。 A flow rate detection unit for detecting a flow rate of the gas flowing through the off-gas combustion unit is provided;
The control unit obtains a change amount of the flow rate after the start of discharge of the oxidizing off gas from a detection result of the flow rate detection unit, and controls the timing of starting the discharge of the fuel off gas based on the change amount of the flow rate. 2. The fuel cell system according to 1. 前記制御部は、前記酸化オフガスの前記燃料オフガスとの混合箇所までの配管の容積に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit controls a discharge start timing of the fuel off gas based on a volume of a pipe to the mixing position of the oxidizing off gas with the fuel off gas. 酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始するとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始する燃料電池システムの制御方法。

A fuel cell comprising: a fuel cell that generates electricity by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas; an off-gas combustion unit that combusts a fuel off-gas discharged from the fuel cell together with an oxidizing off-gas; and a heater that warms up the off-gas combustion unit. A system control method comprising:
A control method for a fuel cell system, which starts discharging the oxidizing off gas after energization of the heater and starts discharging the fuel off gas after a lapse of a predetermined time after starting the discharging of the oxidizing off gas.

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