JP2009117044A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently lower concentration of hydrogen contained in fuel offgas. <P>SOLUTION: A control part 5 determines whether a temperature detected by a temperature sensor T is below a given temperature, whether a moisture content contained in the offgas is above a given moisture content, and whether an exhaust valve 45 of a hydrogen offgas flow channel 42 is opened. If 'YES' holds on either of these requirements included in the determination, the control part 5 increases a flow volume of oxidizing gas supplied from a first compressor 31 more than a flow volume supplied at normal times. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

近年、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いる燃料電池システムの開発が行われている。このような燃料電池システムでは、安定して発電を行わせるために、燃料電池のアノード極から、窒素、水素等の不純物を適宜排出させる必要がある。しかしながら、アノード極から排出される水素オフガスには、未反応の水素が含まれてしまうため、水素オフガスを外部に排出する際には水素を可燃限界以下に希釈する必要がある。従来、水素を可燃限界以下に希釈させるために、各種の水素低濃度化処理が行われている。例えば、下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素オフガスに含まれる水素の濃度を低下させるために、触媒燃焼器を用いた水素低濃度化処理が行われている。
特開２００５−１７４７５７号公報 In recent years, a fuel cell system using a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas, which is a reactive gas, and an oxidizing gas as an energy source has been developed. In such a fuel cell system, it is necessary to appropriately discharge impurities such as nitrogen and hydrogen from the anode electrode of the fuel cell in order to stably generate power. However, since the hydrogen offgas discharged from the anode electrode contains unreacted hydrogen, it is necessary to dilute the hydrogen below the flammable limit when discharging the hydrogen offgas to the outside. Conventionally, various hydrogen concentration reduction processes have been performed in order to dilute hydrogen below the flammable limit. For example, in the fuel cell system described in Patent Document 1 below, hydrogen concentration reduction processing using a catalytic combustor is performed to reduce the concentration of hydrogen contained in the hydrogen offgas.
JP 2005-174757 A

ところで、触媒燃焼器を用いた水素低濃度化処理では、触媒燃焼器の湿度が高くなりすぎると、触媒の表面に水分が付着してしまい、触媒が水素と反応できなくなる。これにより、触媒燃焼器で燃料オフガスに含まれる水素の濃度を低下させることができなくなってしまう。   By the way, in the hydrogen concentration reduction process using the catalyst combustor, if the humidity of the catalyst combustor becomes too high, moisture adheres to the surface of the catalyst, and the catalyst cannot react with hydrogen. As a result, the concentration of hydrogen contained in the fuel off-gas cannot be reduced by the catalytic combustor.

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料オフガスに含まれる燃料の濃度を効率よく低下させ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。   The present invention has been made to solve the above-described problems caused by the prior art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently reducing the concentration of fuel contained in fuel offgas.

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、酸化ガスを燃料電池に供給する複数のコンプレッサと、燃料電池から排出される燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器と、を備え、上記複数のコンプレッサは、酸化ガスを燃料電池に供給するための流路上に直列に設けられ、上記触媒燃焼器は、複数のコンプレッサ間に設けられることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives supply of an oxidizing gas and a fuel gas, which are reactive gases, and generates electric power through an electrochemical reaction of the reactive gas, and an oxidizing gas. A plurality of compressors that supply the fuel cell; and a catalyst combustor that uses a catalyst to combust the fuel contained in the fuel off-gas discharged from the fuel cell, the plurality of compressors supplying the oxidizing gas to the fuel cell. The catalyst combustor is provided in series on a supply flow path, and the catalyst combustor is provided between a plurality of compressors.

この発明によれば、触媒燃焼器の上流側に設けられるコンプレッサから送り込まれる酸化ガスで触媒燃焼器内の触媒を乾燥させることができるため、燃料と触媒の反応を促進させることができる。また、触媒燃焼器の下流側に設けられるコンプレッサにより、燃料電池に供給される酸化ガスの圧力を高めることができるため、酸化ガスの逆流を防止することができる。   According to the present invention, the catalyst in the catalytic combustor can be dried with the oxidizing gas sent from the compressor provided on the upstream side of the catalytic combustor, so that the reaction between the fuel and the catalyst can be promoted. Further, since the pressure of the oxidant gas supplied to the fuel cell can be increased by the compressor provided on the downstream side of the catalyst combustor, the backflow of the oxidant gas can be prevented.

上記燃料電池システムにおいて、上記触媒燃焼器内の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度が、所定の温度以下である場合に、複数のコンプレッサのうち、少なくとも触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、をさらに備えることができる。   In the fuel cell system, when a temperature sensor that detects a temperature in the catalytic combustor and a temperature detected by the temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, at least upstream of the catalytic combustor among the plurality of compressors. And a flow rate control means for increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor provided on the side.

これにより、温度センサにより検出された温度が所定の温度以下になった場合には、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増すことができるため、触媒燃焼器内の温度が低下して触媒が水で覆われた場合であっても、コンプレッサから供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。   As a result, when the temperature detected by the temperature sensor falls below a predetermined temperature, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor provided upstream of the catalytic combustor can be increased. Even when the temperature in the vessel is lowered and the catalyst is covered with water, the catalyst can be dried with the oxidizing gas supplied from the compressor.

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の温度は、触媒が燃料と反応することができなくなる温度に設定することができる。   In the fuel cell system, the predetermined temperature can be set to a temperature at which the catalyst cannot react with the fuel.

これにより、触媒燃焼器内の温度が、触媒が燃料と反応することができなくなる温度以下になったときに、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。   This increases the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor provided on the upstream side of the catalytic combustor when the temperature in the catalytic combustor falls below the temperature at which the catalyst cannot react with the fuel. Can be made.

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料オフガスに含まれる水分量を算出する水分量算出手段と、水分量算出手段により算出される水分量が、所定の水分量以上である場合に、複数のコンプレッサのうち、少なくとも触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、をさらに備えることができる。   In the fuel cell system, when the moisture amount calculating means for calculating the moisture amount contained in the fuel off-gas and the moisture amount calculated by the moisture amount calculating means are equal to or greater than a predetermined moisture amount, And a flow rate control means for increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied from a compressor provided at least on the upstream side of the catalytic combustor.

これにより、燃料オフガスに含まれる水分量が所定の水分量以上になった場合には、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増すことができるため、燃料オフガスに含まれる水分量が増加して触媒が水で覆われた場合であっても、コンプレッサから供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。   As a result, when the amount of water contained in the fuel off-gas exceeds a predetermined amount of water, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor provided upstream of the catalytic combustor can be increased. Even when the amount of water contained in the off-gas increases and the catalyst is covered with water, the catalyst can be dried with the oxidizing gas supplied from the compressor.

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の水分量は、触媒が燃料と反応することができなくなる水分量に設定することができる。   In the fuel cell system, the predetermined moisture amount can be set to a moisture amount at which the catalyst cannot react with the fuel.

これにより、燃料オフガスに含まれる水分量が、触媒が燃料と反応することができなくなる水分量以上になったときに、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。   As a result, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor provided on the upstream side of the catalyst combustor when the amount of water contained in the fuel off-gas is equal to or higher than the amount of water that prevents the catalyst from reacting with the fuel. Can be increased.

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料オフガスから水分を回収する気液分離器を、さらに備え、触媒燃焼器は、気液分離器から排出される燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させることができる。   The fuel cell system further includes a gas-liquid separator that recovers moisture from the fuel off-gas, and the catalytic combustor burns fuel contained in the fuel off-gas discharged from the gas-liquid separator using the catalyst. be able to.

このようにすることで、水分が回収された後の乾燥した燃料オフガスを触媒燃焼器に流入させることができる。   By doing in this way, the dry fuel off gas after the water | moisture content was collect | recovered can be made to flow in a catalyst combustor.

上記燃料電池システムにおいて、上記気液分離器によって回収された水分を、触媒燃焼器の下流側、かつ、いずれかのコンプレッサの上流側に流入させることができる。   In the fuel cell system, the water recovered by the gas-liquid separator can flow into the downstream side of the catalytic combustor and the upstream side of one of the compressors.

このようにすることで、加湿モジュールを備えることなく、酸化ガスを最適に加湿させることができる。   By doing in this way, oxidizing gas can be optimally humidified, without providing a humidification module.

本発明によれば、燃料オフガスに含まれる燃料の濃度を効率よく低下させることができる。   According to the present invention, the concentration of the fuel contained in the fuel off gas can be efficiently reduced.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This embodiment demonstrates the case where the fuel cell system which concerns on this invention is used as a vehicle-mounted power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle).

本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスを、複数のコンプレッサ間に配置されたコンバスタ（触媒燃焼器）に流入させることで、コンバスタに含まれる触媒を乾燥させ、触媒と燃料との反応を促進させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。   In the fuel cell system according to the present embodiment, the fuel off-gas discharged from the fuel cell is caused to flow into a combustor (catalytic combustor) disposed between a plurality of compressors, thereby drying the catalyst contained in the combustor, It is characterized by promoting the reaction with fuel. Hereinafter, the configuration and operation of the fuel cell system having such characteristics will be described in detail.

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。   First, the configuration of the fuel cell system in the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a fuel cell system in the present embodiment.

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas that is a reactive gas and the fuel gas, and an oxidizing gas that supplies air as the oxidizing gas to the fuel cell 2. It has a piping system 3, a hydrogen gas piping system 4 that supplies hydrogen as fuel gas to the fuel cell 2, and a control unit 5 that performs overall control of the entire system.

燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡと、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶとが設けられている。   The fuel cell 2 has a stack structure in which a plurality of single cells that generate power upon receiving a reaction gas are stacked. The fuel cell 2 is provided with a current sensor A that detects the output current of the fuel cell 2 and a voltage sensor V that detects the output voltage of the fuel cell 2.

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出する第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２と、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２の間に配置されたコンバスタ３３と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３４と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３５とを有する。   The oxidizing gas piping system 3 compresses the air taken in through the filter 30 and sends out compressed air as oxidizing gas, and the first compressor 31 and the second compressor 32. A combustor 33 disposed therebetween, an air supply channel 34 for supplying the oxidizing gas to the fuel cell 2, and an air exhaust channel 35 for discharging the oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2.

コンバスタ３３を第一コンプレッサ３１と第二コンプレッサ３２との間に配置することで、以下のような効果が得られる。まず、コンバスタ３３の上流側に第一コンプレッサ３１を設けることで、第一コンプレッサ３１からコンバスタ３３に送り込まれる酸化ガスでコンバスタ３３内の触媒を乾燥させることができ、触媒の反応を促進させることができる。また、コンバスタ３３の下流側に第二コンプレッサ３２を設けることで、空気供給流路３４から燃料電池２に供給される酸化ガスの圧力を容易に高めることができるため、酸化ガスの逆流を防止することができる。   By arranging the combustor 33 between the first compressor 31 and the second compressor 32, the following effects can be obtained. First, by providing the first compressor 31 on the upstream side of the combustor 33, the catalyst in the combustor 33 can be dried with the oxidizing gas sent from the first compressor 31 to the combustor 33, and the reaction of the catalyst can be promoted. it can. Further, by providing the second compressor 32 on the downstream side of the combustor 33, the pressure of the oxidizing gas supplied from the air supply flow path 34 to the fuel cell 2 can be easily increased, so that the backflow of the oxidizing gas is prevented. be able to.

なお、コンプレッサは、上述した二つのコンプレッサに限定されることはなく、三つ以上のコンプレッサを設けることとしてもよい。この場合に、コンバスタ３３は、燃料電池２の上流側において、これら複数のコンバスタのうちのいずれかのコンバスタ間に設けることとすればよい。   The compressor is not limited to the two compressors described above, and three or more compressors may be provided. In this case, the combustor 33 may be provided between any one of the plurality of combustors on the upstream side of the fuel cell 2.

空気供給流路３４および空気排出流路３５には、第二コンプレッサ３２から圧送された酸化ガスを、燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３６（加湿モジュール）が設けられている。この加湿器３６で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。また、コンバスタ３３には、コンバスタ３３内の温度を検出する温度センサＴが設けられている。さらに、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２のそれぞれの下流側には、空気供給流路３４の圧力を検出する圧力センサＰ１およびＰ２がそれぞれ設けられている。   The air supply channel 34 and the air discharge channel 35 are provided with a humidifier 36 (humidification module) that humidifies the oxidizing gas pumped from the second compressor 32 using the oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 2. ing. Oxidized off-gas that has undergone moisture exchange or the like by the humidifier 36 is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas. The combustor 33 is provided with a temperature sensor T that detects the temperature in the combustor 33. Furthermore, pressure sensors P1 and P2 for detecting the pressure of the air supply flow path 34 are provided on the downstream sides of the first compressor 31 and the second compressor 32, respectively.

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスをコンバスタ３３に流入させるための水素オフガス流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。   The hydrogen gas piping system 4 includes a hydrogen tank 40 as a fuel supply source storing high-pressure hydrogen gas, and a hydrogen supply channel 41 as a fuel supply channel for supplying the hydrogen gas in the hydrogen tank 40 to the fuel cell 2. And a hydrogen off-gas flow path 42 for allowing the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 2 to flow into the combustor 33. The hydrogen gas piping system 4 is an embodiment of the fuel supply system in the present invention. Instead of the hydrogen tank 40 in the present embodiment, for example, a reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich fuel gas using water vapor, and a fuel gas reformed in the reformer with a high pressure A high-pressure gas tank that accumulates pressure in a state can be employed as a fuel supply source. A tank having a hydrogen storage alloy can also be employed as a fuel supply source.

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４とが設けられている。   The hydrogen supply passage 41 is provided with a main stop valve 43 that shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 40 and a regulator 44 that adjusts the pressure of the hydrogen gas to a preset secondary pressure. .

水素オフガス流路４２には、気液分離器４６および排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収し、乾燥した水素オフガスをコンバスタ３３に流出する。排気排水弁４７は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分を排出流路４８に排出する。水素オフガス流路４２には、燃料電池２からの水素オフガスの排出を遮断または許容する排出弁４５が設けられている。また、気液分離器４６の下流側には、水素オフガス流路４２の圧力を検出する圧力センサＰ３が設けられている。   A discharge channel 48 is connected to the hydrogen off-gas channel 42 via a gas-liquid separator 46 and an exhaust / drain valve 47. The gas-liquid separator 46 collects moisture from the hydrogen off gas and flows the dried hydrogen off gas to the combustor 33. The exhaust / drain valve 47 discharges the water collected by the gas-liquid separator 46 to the discharge channel 48 in accordance with a command from the control unit 5. The hydrogen off gas flow path 42 is provided with a discharge valve 45 that blocks or allows discharge of hydrogen off gas from the fuel cell 2. Further, a pressure sensor P <b> 3 that detects the pressure of the hydrogen off-gas flow path 42 is provided on the downstream side of the gas-liquid separator 46.

制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量をセンサによって検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えば、コンプレッサのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。   The control unit 5 detects an operation amount of an acceleration operation member (for example, an accelerator) provided in the fuel cell vehicle with a sensor, and requests an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a power consumption device such as a traction motor). Receives control information and controls the operation of various devices in the system. In addition to the traction motor, the power consuming device includes, for example, an auxiliary device (for example, a compressor motor) necessary for operating the fuel cell 2 and various devices (transmission, Wheel control device, steering device, suspension device, etc.), occupant space air conditioner (air conditioner), lighting, audio, etc. are included.

制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が、所定の温度以下である場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。所定の温度としては、例えば、触媒が水素と反応することができなくなる温度が該当する。これは、コンバスタ３３の温度が所定の温度以下になると、同じ水分量であっても温度が高いときに比べて触媒が水で覆われやすくなり、水素との反応が鈍くなってしまうため、そのような状況に陥ると想定される場合には、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させて、触媒を乾燥させることとしたものである。   When the temperature detected by the temperature sensor T is equal to or lower than a predetermined temperature, the control unit 5 increases the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 as compared with the flow rate supplied at normal time. The predetermined temperature corresponds to a temperature at which the catalyst cannot react with hydrogen, for example. This is because when the temperature of the combustor 33 falls below a predetermined temperature, the catalyst is more likely to be covered with water compared with when the temperature is high, and the reaction with hydrogen becomes dull. When it is assumed that such a situation will occur, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 is increased to dry the catalyst.

制御部５は、酸化ガスの流量を増加させた後に、温度センサＴにより検出された温度が、所定の流量増加解除温度よりも高くなった場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す。なお、所定の流量増加解除温度は、上述した所定の温度よりも高い温度に設定することが好ましい。   After increasing the flow rate of the oxidizing gas, the control unit 5 increases the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 when the temperature detected by the temperature sensor T becomes higher than a predetermined flow rate increase release temperature. The flow rate is returned to the normal flow rate. The predetermined flow rate increase release temperature is preferably set to a temperature higher than the predetermined temperature described above.

制御部５は、水素オフガスに含まれる水分量を算出し、算出した水分量が、所定の水分量以上である場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。所定の水分量としては、例えば、触媒が水素と反応することができなくなる水分量が該当する。水素オフガスに含まれる水分量は、例えば、燃料電池２の発電量に対応する水素の化学反応量を用いることで算出することができる。これは、水分量が所定の水分量以上になると、触媒が水で覆われてしまい水素との反応が鈍くなってしまうため、そのような状況に陥ると想定される場合には、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させて触媒を乾燥させることとしたものである。   The control unit 5 calculates the amount of water contained in the hydrogen off-gas, and when the calculated amount of water is equal to or greater than a predetermined amount of water, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 is supplied at normal times. The flow rate is increased. The predetermined amount of water corresponds to, for example, the amount of water that prevents the catalyst from reacting with hydrogen. The amount of water contained in the hydrogen off gas can be calculated by using, for example, the amount of hydrogen chemical reaction corresponding to the amount of power generated by the fuel cell 2. This is because when the water content exceeds a predetermined water content, the catalyst is covered with water and the reaction with hydrogen becomes dull. The catalyst is dried by increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied from 31.

制御部５は、酸化ガスの流量を増加させた後に、水素オフガスに含まれる水分量を算出し、算出した水分量が、所定の流量増加解除水分量未満になった場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す。なお、所定の流量増加解除水分量は、上述した所定の水分量よりも少量に設定することが好ましい。   After increasing the flow rate of the oxidizing gas, the control unit 5 calculates the amount of water contained in the hydrogen off-gas, and when the calculated amount of water becomes less than a predetermined flow rate increase canceling water amount, the first compressor 31. The flow rate of the oxidizing gas supplied from is returned to the normal flow rate. In addition, it is preferable that the predetermined flow rate increase canceling water amount is set to be smaller than the predetermined water amount described above.

制御部５は、水素オフガスが排出される際に、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。水素オフガスは、水素オフガス流路４２の排出弁４５が開かれているときに排出される。これは、水素オフガスが排出されると、燃料電池２での発電に必要な酸素量が減少するため、水素オフガスが排出されているときに第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２から供給される酸化ガスの流量を増加させることとしたものである。   When the hydrogen off-gas is discharged, the control unit 5 increases the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 and the second compressor 32 as compared with the flow rate supplied at normal time. The hydrogen off gas is discharged when the discharge valve 45 of the hydrogen off gas flow path 42 is opened. This is because when the hydrogen off-gas is discharged, the amount of oxygen necessary for power generation in the fuel cell 2 decreases, so that the oxidation supplied from the first compressor 31 and the second compressor 32 when the hydrogen off-gas is discharged. The gas flow rate is increased.

制御部５は、酸化ガスの流量を増加させた後に、水素オフガス流路４２の排出弁４５が閉じられた場合に、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す。   The control unit 5 increases the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 and the second compressor 32 when the discharge valve 45 of the hydrogen off-gas passage 42 is closed after increasing the flow rate of the oxidizing gas. Return to the normal flow rate.

制御部５は、各圧力センサＰ１〜Ｐ３によって検出される圧力が、Ｐ１の圧力＜Ｐ３の圧力＜Ｐ２の圧力となるように酸化ガスおよび水素オフガスの流量を制御する。   The control unit 5 controls the flow rates of the oxidizing gas and the hydrogen off-gas so that the pressures detected by the pressure sensors P1 to P3 satisfy the pressure P1 <the pressure P3 <the pressure P2.

ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１〜Ｐ３、温度センサＴ、電流センサＡおよび電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、第一コンプレッサ３１、第二コンプレッサ３２、主止弁４３、排出弁４５および排気排水弁４７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。   Here, the control unit 5 physically includes, for example, a CPU, a ROM that stores a control program and control data processed by the CPU, a RAM that is mainly used as various work areas for control processing, And an input / output interface. These elements are connected to each other via a bus. Various sensors such as pressure sensors P1 to P3, temperature sensor T, current sensor A, and voltage sensor V are connected to the input / output interface, and the first compressor 31, the second compressor 32, the main stop valve 43, the discharge Various drivers for driving the valve 45 and the exhaust / drain valve 47 are connected.

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰ１〜Ｐ３や温度センサＴ等における各種の検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における酸化ガスおよび水素オフガスの流量を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。   The CPU receives various detection results in the pressure sensors P1 to P3, the temperature sensor T, and the like via the input / output interface according to a control program stored in the ROM, and processes them using various data in the RAM. The flow rates of the oxidizing gas and the hydrogen off gas in the fuel cell system 1 are controlled. Further, the CPU controls the entire fuel cell system 1 by outputting control signals to various drivers via the input / output interface.

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システムにおける酸化ガス流量制御処理について説明する。この酸化ガス流量制御処理は、イグニッションキーをＯＮにしてからＯＦＦにするまでの間に繰り返し行われる。   Next, the oxidizing gas flow rate control process in the fuel cell system of the present embodiment will be described using the flowchart shown in FIG. This oxidizing gas flow rate control process is repeatedly performed from when the ignition key is turned on to when it is turned off.

最初に、制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が所定温度以下であるか否か、水素オフガスに含まれる水分量が所定水分量以上であるか否か、水素オフガス流路４２の排出弁４５が開弁されたか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定に含まれる全ての要件に対してＮＯが成立する場合（ステップＳ１；ＮＯ）には、ステップＳ１の処理を繰り返す。   First, the control unit 5 determines whether or not the temperature detected by the temperature sensor T is equal to or lower than a predetermined temperature, whether or not the amount of water contained in the hydrogen off gas is equal to or higher than the predetermined amount of water, It is determined whether or not the discharge valve 45 has been opened (step S1). If NO is satisfied for all the requirements included in this determination (step S1; NO), the process of step S1 is repeated.

一方、ステップＳ１の判定に含まれるいずれかの要件に対してＹＥＳが成立する場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）に、制御部５は、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる（ステップＳ２）。なお、このステップＳ２において、第二コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量についても、通常時に供給される流量より増加させることとしてもよい。   On the other hand, when YES is established for any of the requirements included in the determination in step S1 (step S2; YES), the control unit 5 sets the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 to the normal time. The flow rate is increased from the supplied flow rate (step S2). In step S2, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the second compressor 31 may be increased from the flow rate supplied during normal operation.

続いて、制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が所定の流量増加解除温度よりも高いか否か、水素オフガスに含まれる水分量が所定の流量増加解除水分量未満であるか否か、水素オフガス流路４２の排出弁４５が閉弁されているか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定に含まれる全ての要件に対してＮＯが成立する場合（ステップＳ３；ＮＯ）には、ステップＳ３の処理を繰り返す。   Subsequently, the control unit 5 determines whether or not the temperature detected by the temperature sensor T is higher than a predetermined flow rate increase canceling temperature, and whether or not the amount of water contained in the hydrogen off-gas is less than a predetermined flow rate increase canceling water amount. Whether or not the discharge valve 45 of the hydrogen off-gas channel 42 is closed is determined (step S3). If NO is satisfied for all the requirements included in this determination (step S3; NO), the process of step S3 is repeated.

一方、ステップＳ３の判定に含まれるいずれかの要件に対してＹＥＳが成立する場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）に、制御部５は、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す（ステップＳ４）。   On the other hand, when YES is established for any of the requirements included in the determination in step S3 (step S3; YES), the control unit 5 sets the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 to the normal time. It returns to the supplied flow rate (step S4).

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、コンバスタ３３の上流側に設けられる第一コンプレッサ３１から送り込まれる酸化ガスでコンバスタ３３内の触媒を乾燥させることができるため、水素と触媒の反応を促進させることができる。それゆえに、水素オフガスに含まれる水素の濃度を効率よく低下させることができる。   As described above, according to the fuel cell system 1 in the present embodiment, the catalyst in the combustor 33 can be dried with the oxidizing gas fed from the first compressor 31 provided on the upstream side of the combustor 33. And the catalyst can be promoted. Therefore, the concentration of hydrogen contained in the hydrogen off gas can be efficiently reduced.

また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、コンバスタ３３の下流側に設けられる第二コンプレッサ３２により、燃料電池２に供給される酸化ガスの圧力を高めることができるため、酸化ガスの逆流を防止することができる。   Further, according to the fuel cell system 1 in the present embodiment, the pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 can be increased by the second compressor 32 provided on the downstream side of the combustor 33, and therefore the backflow of the oxidizing gas Can be prevented.

また、温度センサＴにより検出された温度が所定の温度以下になった場合には、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増やすことができるため、コンバスタ３３内の温度が低下して触媒が水で覆われた場合であっても、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。   Further, when the temperature detected by the temperature sensor T is equal to or lower than a predetermined temperature, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 provided on the upstream side of the combustor 33 can be increased. Even when the temperature in the combustor 33 is lowered and the catalyst is covered with water, the catalyst can be dried with the oxidizing gas supplied from the first compressor 31.

さらに、上記所定の温度を、触媒が水素と反応することができなくなる温度に設定することで、コンバスタ３３内の温度が、触媒が水素と反応することができなくなる温度以下になったときに、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。   Furthermore, when the predetermined temperature is set to a temperature at which the catalyst cannot react with hydrogen, the temperature in the combustor 33 becomes equal to or lower than the temperature at which the catalyst cannot react with hydrogen. The flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 provided on the upstream side of the combustor 33 can be increased.

また、水素オフガスに含まれる水分量が所定の水分量以上になった場合には、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増やすことができるため、水素オフガスに含まれる水分量が増加して触媒が水で覆われた場合であっても、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。   In addition, when the amount of water contained in the hydrogen off gas exceeds a predetermined amount of water, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 provided on the upstream side of the combustor 33 can be increased. Even when the amount of water contained in the hydrogen off-gas increases and the catalyst is covered with water, the catalyst can be dried with the oxidizing gas supplied from the first compressor 31.

さらに、上記所定の水分量を、触媒が水素と反応することができなくなる水分量に設定することで、水素オフガスに含まれる水分量が、触媒が水素と反応することができなくなる水分量以上になったときに、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。   Furthermore, by setting the predetermined amount of water to a amount of water that prevents the catalyst from reacting with hydrogen, the amount of water contained in the hydrogen off-gas exceeds the amount of water that prevents the catalyst from reacting with hydrogen. When this happens, the flow rate of the oxidizing gas supplied from the first compressor 31 provided on the upstream side of the combustor 33 can be increased.

また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、気液分離器から排出される水素オフガスをコンバスタ３３に流入させることができるため、水分が回収された後の乾燥した水素オフガスをコンバスタ３３に流入させることができる。   Further, according to the fuel cell system 1 in the present embodiment, the hydrogen off-gas discharged from the gas-liquid separator can be caused to flow into the combustor 33, so that the dry hydrogen off-gas after the moisture is recovered is supplied to the combustor 33. Can flow in.

なお、上述した実施形態では、燃料電池システム１の酸化ガス配管系３に加湿器３６を設けているが、必ずしも加湿器を設ける必要はない。図３を参照して、加湿器を設けない場合の燃料電池システムの構成について説明する。同図に示すように、本変形例における燃料電池システムが、上述した実施形態における燃料電池システムと異なる点は、変形例における燃料電池システム１は、気液分離器４６で回収された水分を第二コンプレッサ３２の上流側に流入させる水分供給流路４９をさらに備える点と、加湿器を備えていない点である。これにより、コンバスタ３３から排出された酸化ガスを、水分供給流路４９から供給される水分で加湿したうえで、第二コンプレッサ３２に流入させることができる。したがって、加湿器３６を設けることなく、最適に加湿された酸化ガスを燃料電池２に供給させることが可能となる。   In the above-described embodiment, the humidifier 36 is provided in the oxidizing gas piping system 3 of the fuel cell system 1, but the humidifier is not necessarily provided. With reference to FIG. 3, the structure of the fuel cell system when a humidifier is not provided will be described. As shown in the figure, the fuel cell system in the present modification is different from the fuel cell system in the above-described embodiment in that the fuel cell system 1 in the modification uses the water collected by the gas-liquid separator 46 in the first way. The water supply flow path 49 that flows into the upstream side of the two compressors 32 is further provided, and the humidifier is not provided. Thus, the oxidizing gas discharged from the combustor 33 can be made to flow into the second compressor 32 after being humidified with the moisture supplied from the moisture supply channel 49. Therefore, it is possible to supply the fuel cell 2 with the optimally humidified oxidizing gas without providing the humidifier 36.

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用することもできる。   In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been described. However, the present invention is also applied to various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. The fuel cell system according to the invention can be applied. Moreover, the fuel cell system according to the present invention can also be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for buildings (houses, buildings, etc.).

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。It is a lineblock diagram showing typically the fuel cell system in an embodiment. 図１に示す燃料電池システムにおける酸化ガス流量制御処理を説明するためのフローチャートである。4 is a flowchart for explaining an oxidizing gas flow rate control process in the fuel cell system shown in FIG. 1. 変形例における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the fuel cell system in a modification.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…第一コンプレッサ、３２…第二コンプレッサ、３３…コンバスタ、３４…空気供給流路、３５…空気排出流路、３６…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…水素オフガス流路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…排出弁、４６…気液分離器、４７…排気排水弁、４８…排出流路、４９…水分供給流路、Ｐ１〜Ｐ３…圧力センサ、Ｔ…温度センサ、Ａ…電流センサ、Ｖ…電圧センサ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 3 ... Oxidation gas piping system, 4 ... Hydrogen gas piping system, 5 ... Control part, 30 ... Filter, 31 ... 1st compressor, 32 ... 2nd compressor, 33 ... Combustor, 34 ... Air supply flow path, 35 ... Air discharge flow path, 36 ... Humidifier, 40 ... Hydrogen tank, 41 ... Hydrogen supply flow path, 42 ... Hydrogen off-gas flow path, 43 ... Main stop valve, 44 ... Regulator, 45 ... Drain valve, 46 ... gas-liquid separator, 47 ... exhaust drain valve, 48 ... discharge channel, 49 ... moisture supply channel, P1-P3 ... pressure sensor, T ... temperature sensor, A ... current sensor, V ... voltage sensor .

Claims (7)

反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する複数のコンプレッサと、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器と、を備え、
前記複数のコンプレッサは、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための流路上に直列に設けられ、
前記触媒燃焼器は、前記複数のコンプレッサ間に設けられることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that receives supply of an oxidizing gas and a fuel gas, which are reactive gases, and generates electric power through an electrochemical reaction of the reactive gases;
A plurality of compressors for supplying the oxidizing gas to the fuel cell;
A catalyst combustor for combusting the fuel contained in the fuel off-gas discharged from the fuel cell using a catalyst,
The plurality of compressors are provided in series on a flow path for supplying the oxidizing gas to the fuel cell,
The fuel cell system, wherein the catalytic combustor is provided between the plurality of compressors. 前記触媒燃焼器内の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出される温度が、所定の温度以下である場合に、前記複数のコンプレッサのうち、少なくとも前記触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される前記酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 A temperature sensor for detecting the temperature in the catalytic combustor;
When the temperature detected by the temperature sensor is equal to or lower than a predetermined temperature, the flow rate of the oxidizing gas supplied from at least the compressor provided upstream of the catalytic combustor among the plurality of compressors is increased. Flow rate control means,
The fuel cell system according to claim 1, further comprising: 前記所定の温度は、前記触媒が前記燃料と反応することができなくなる温度であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the predetermined temperature is a temperature at which the catalyst cannot react with the fuel. 前記燃料オフガスに含まれる水分量を算出する水分量算出手段と、
前記水分量算出手段により算出される前記水分量が、所定の水分量以上である場合に、前記複数のコンプレッサのうち、少なくとも前記触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される前記酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 A moisture amount calculating means for calculating the amount of moisture contained in the fuel off gas;
When the moisture amount calculated by the moisture amount calculating means is equal to or greater than a predetermined moisture amount, the oxidation supplied from at least a compressor provided on the upstream side of the catalytic combustor among the plurality of compressors. A flow rate control means for increasing the gas flow rate;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising: 前記所定の水分量は、前記触媒が前記燃料と反応することができなくなる水分量であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the predetermined moisture amount is a moisture amount at which the catalyst cannot react with the fuel. 前記燃料オフガスから水分を回収する気液分離器を、さらに備え、
前記触媒燃焼器は、前記気液分離器から排出される前記燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。 A gas-liquid separator that recovers moisture from the fuel off-gas,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the catalyst combustor burns fuel contained in the fuel off-gas discharged from the gas-liquid separator using a catalyst. 前記気液分離器によって回収された水分を、前記触媒燃焼器の下流側、かつ、いずれかの前記コンプレッサの上流側に流入させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 6, wherein the water recovered by the gas-liquid separator is caused to flow into the downstream side of the catalytic combustor and the upstream side of any one of the compressors.
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