JP2003197236A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2003197236A
JP2003197236A JP2001399942A JP2001399942A JP2003197236A JP 2003197236 A JP2003197236 A JP 2003197236A JP 2001399942 A JP2001399942 A JP 2001399942A JP 2001399942 A JP2001399942 A JP 2001399942A JP 2003197236 A JP2003197236 A JP 2003197236A
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JP
Japan
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fuel cell
amount
fuel
hydrogen
combustor
Prior art date
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Pending
Application number
JP2001399942A
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Japanese (ja)
Inventor
Hisashi Aoyama
尚志 青山
Masashi Matoba
雅司 的場
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the response at the time of evaporating methanol and water, which are introduced into a reformer, using the combustion heat of off-gas in a burner with respect to the reform system of the fuel cell. <P>SOLUTION: If the load of the fuel cell increases, the amount of hydrogen consumption in the fuel cell is temporarily reduced for example, by reducing the introduced amount of hydrogen to a fuel electrode, or by reducing the introduced amount of air to an air electrode, the consumption amount of hydrogen is made drop down temporally to make the combustion amount of heat in the burner increase, and to make the combustion heat amount in the burner increase. By this, it becomes possible to supply the fuel supplied to a reform part, and the quantity of heat required for evaporating water promptly without making problems, such as a temperature fall in the combustion part, and the like. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、改質型燃料電池シ
ステムの改良に関し、より詳しくは改質器に導入する炭
化水素系燃料や水を、余剰水素リッチガスの燃焼熱を利
用して気化する際の応答性改善に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to improvement of a reforming type fuel cell system, and more particularly to vaporizing hydrocarbon fuel and water introduced into a reformer by utilizing combustion heat of surplus hydrogen rich gas. It is related to the improvement of responsiveness in the case.

【0002】[0002]

【従来の技術と解決すべき課題】従来の燃料改質装置と
して、特開2000−178001公報に記載されたものがある。
これは、メタノールやガソリンなどの炭化水素系燃料を
改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器に対
し、反応に必要な熱を供給する手段として、例えば燃料
電池から排出される未利用の水素を含む可燃ガス(以下
「オフガス」という。)を燃焼部で燃焼させ、その燃焼
熱を改質部に供給して改質反応を維持コントロールして
いる。燃料電池の負荷の変動に応じて改質器での反応を
制御する必要が生じたとき、特に負荷が増加したときに
は、改質器で処理すべき改質燃料とそれに応じた水の量
を増加させる。この場合、改質器に供給すべき熱量も改
質燃料とそれに応じた水の量を増加量に応じて増加させ
ないと改質反応を維持できず水素リッチガスが所望量得
られなくなり、結果として燃料電池の負荷増加に対応で
きなくなる。このために従来装置では、燃料電池の負荷
が増加したときは、その増加量に応じて燃焼部で燃焼さ
せるオフガスもしくは炭化水素系燃料のいずれか一方の
供給量を増加させ、それでも熱量が不足する場合には、
他方の供給量を増加させるようにしている。
2. Description of the Related Art As a conventional fuel reformer, there is one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-178001.
This is a means for supplying heat necessary for the reaction to a reformer that reforms a hydrocarbon-based fuel such as methanol or gasoline to generate a hydrogen-rich fuel gas. Combustible gas containing hydrogen (hereinafter referred to as "off gas") used is burned in the combustor, and the combustion heat is supplied to the reformer to maintain and control the reforming reaction. When it becomes necessary to control the reaction in the reformer in response to changes in the fuel cell load, especially when the load increases, the amount of reformed fuel to be processed in the reformer and the corresponding amount of water are increased. Let In this case, the amount of heat to be supplied to the reformer must be increased according to the amount of the reformed fuel and the amount of water corresponding to it, so that the reforming reaction cannot be maintained and the desired amount of hydrogen-rich gas cannot be obtained. The load on the battery cannot be increased. Therefore, in the conventional device, when the load of the fuel cell increases, the supply amount of either off-gas or hydrocarbon-based fuel to be burned in the combustion section is increased according to the increase amount, and the heat amount is still insufficient. in case of,
We are trying to increase the supply of the other.

【0003】しかしながら、前記従来技術では、負荷が
増大し、最初に燃焼部へのオフガス供給量が最大となっ
た場合には、熱量不足に対して早期に炭化水素系燃料が
燃焼部に供給されることになる。この場合、燃料として
メタノールやガソリンなどを液状のまま供給すると、そ
れが気化するのに必要な熱量が燃焼部から奪われること
で燃焼部の温度分布が急激に変化し、特に燃焼部が触媒
燃焼によって構成されている場合にはこの影響が大き
く、必要な熱量の供給の遅れが大きくなって改質器に供
給すべき燃料や水の気化が十分に行えなくなるという問
題が生じる。
However, in the above-mentioned prior art, when the load increases and the amount of off-gas supplied to the combustion section first becomes maximum, the hydrocarbon fuel is supplied to the combustion section early due to insufficient heat quantity. Will be. In this case, if methanol or gasoline is supplied as a fuel in a liquid state, the amount of heat required to vaporize it is deprived from the combustion part, and the temperature distribution in the combustion part changes rapidly. In the case of the above configuration, this effect is large, and the delay in the supply of the required amount of heat becomes large, causing the problem that the vaporization of fuel and water to be supplied to the reformer cannot be performed sufficiently.

【0004】この点についてより詳細に説明する。図1
は定常時における燃焼部の温度分布を示している。定常
時には燃焼部に供給される燃料は燃料電池から排出され
る余剰な水素リッチガスすなわちオフガスだけである。
この場合、負荷によって差異があるもののおおむね燃焼
部の長手方向に対して図に示すような温度分布となって
おり、燃焼部の空燃比は出口ガス温度が所定値になるよ
うに制御されている。この定常状態から負荷が増大し、
それに対応するように炭化水素系燃料が直接燃焼部に供
給されたとすると、燃焼部の温度分布は図3に示したよ
うな状態となる。すなわち、燃焼部入口付近においては
炭化水素系燃料が気化するために必要な熱量を燃焼部か
ら奪うために大きく温度低下が起こり、その後気化した
燃料が燃焼を起こすことで燃焼部の下流側に最高温度点
が移る。
This point will be described in more detail. Figure 1
Shows the temperature distribution of the combustion part in the steady state. In the steady state, the fuel supplied to the combustion section is only the excess hydrogen-rich gas discharged from the fuel cell, that is, the off gas.
In this case, although there is a difference depending on the load, the temperature distribution is roughly as shown in the figure in the longitudinal direction of the combustion section, and the air-fuel ratio of the combustion section is controlled so that the outlet gas temperature becomes a predetermined value. . The load increases from this steady state,
Assuming that the hydrocarbon-based fuel is directly supplied to the combustion section so as to correspond thereto, the temperature distribution in the combustion section will be in the state shown in FIG. That is, in the vicinity of the inlet of the combustion section, a large decrease in temperature occurs because the amount of heat required for the vaporization of the hydrocarbon-based fuel is taken from the combustion section, and the vaporized fuel then burns, resulting in the highest temperature on the downstream side of the combustion section. The temperature point shifts.

【0005】このように炭化水素燃料を直接燃焼部に供
給した場合には、燃焼部の温度分布が図2の状態から図
2の状態に変化していく過程で、まず最初に入口付近の
温度が急激に低下し、その後気化した燃料が燃焼し、そ
の部分が所望の温度になるまでの間、燃焼部の出口温度
が目標とする温度より低い状態になる時間が存在し、結
果として改質部に供給する燃料や水を気化するために必
要な熱量の供給に遅れがでることとなり、システム全体
の負荷増大に対する応答が遅くなる。この応答遅れの現
象は、負荷増大幅が大きいほど、すなわち燃焼部に直接
供給する炭化水素系燃料の量が多くなるほど顕著にな
る。
When the hydrocarbon fuel is directly supplied to the combustion section in this way, first, in the process in which the temperature distribution in the combustion section changes from the state shown in FIG. 2 to the state shown in FIG. Rapidly decreases, and then vaporized fuel burns until there is a desired temperature in that part, there is a time when the outlet temperature of the combustion part becomes lower than the target temperature, and as a result, reforming occurs. The supply of the amount of heat required to vaporize the fuel and water supplied to the parts is delayed, and the response of the entire system to an increase in load is delayed. This phenomenon of response delay becomes more significant as the load increase width increases, that is, as the amount of hydrocarbon-based fuel directly supplied to the combustion section increases.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、炭化水素
系燃料と水を用いて水素リッチな燃料ガスを生成する燃
料改質装置と、前記燃料ガスを用いて発電を行う燃料電
池と、燃料電池で消費されずに排出された水素を含むオ
フガスを燃焼処理する燃焼器とを備え、燃焼器で発生し
た燃焼熱により改質用の炭化水素系燃料および水を気化
させるようにした燃料電池システムにおいて、燃料電池
への要求負荷が増加したときには一時的に燃料電池での
水素消費量を低下させ、燃焼器での燃焼熱量を増加させ
るようにした。
A first invention is a fuel reformer for producing a hydrogen-rich fuel gas using a hydrocarbon fuel and water, and a fuel cell for generating electricity using the fuel gas. And a combustor for combusting off-gas containing hydrogen discharged without being consumed by the fuel cell, the hydrocarbon heat for reforming and the fuel adapted to be vaporized by the combustion heat generated in the combustor. In the battery system, when the required load on the fuel cell is increased, the hydrogen consumption amount in the fuel cell is temporarily reduced and the combustion heat amount in the combustor is increased.

【0007】第2の発明は、前記第1の発明において、
燃料電池の燃料極への水素導入量を低下させることによ
り燃料電池での水素消費量を低下させるようにした。
A second invention is the same as the first invention,
By reducing the amount of hydrogen introduced into the fuel electrode of the fuel cell, the amount of hydrogen consumed in the fuel cell is reduced.

【0008】第3の発明は、前記第1の発明において、
燃料電池の空気極への空気導入量を低下させることによ
り燃料電池での水素消費量を低下させるようにした。
A third invention is the same as the first invention,
By reducing the amount of air introduced into the air electrode of the fuel cell, the amount of hydrogen consumed in the fuel cell is reduced.

【0009】第4の発明は、前記第1の発明において、
燃焼器に改質用の炭化水素系燃量を直接供給するように
構成すると共に、燃焼器出口ガス温度を検知する温度検
出手段を備え、前記出口ガス温度によって燃料電池での
水素消費量の低下量と前記直接供給する炭化水素系燃料
量の割合を制御するようにした。
A fourth invention is the same as the first invention,
It is configured to directly supply the reforming hydrocarbon-based fuel amount to the combustor, and is provided with temperature detecting means for detecting the combustor outlet gas temperature, and the outlet gas temperature reduces hydrogen consumption in the fuel cell. The ratio between the amount and the amount of the hydrocarbon-based fuel directly supplied is controlled.

【0010】第5の発明は、前記第4の発明において、
燃料電池での水素消費量の低下分を、余剰水素リッチガ
スを燃焼処理する燃焼器に直接供給する炭化水素系燃料
の気化潜熱分に設定した。
A fifth aspect of the invention is the same as the fourth aspect of the invention.
The amount of decrease in hydrogen consumption in the fuel cell was set to the latent heat of vaporization of the hydrocarbon-based fuel that is directly supplied to the combustor that burns surplus hydrogen-rich gas.

【0011】第6の発明は、前記第1の発明において、
一時的に燃料電池での水素消費量を低下させたときに要
求負荷に対する出力不足を補う二次電池を備えた。
A sixth invention is the same as the first invention,
A secondary battery was provided to supplement the output shortage with respect to the required load when the hydrogen consumption in the fuel cell was temporarily reduced.

【0012】[0012]

【作用・効果】前記第1の発明以下の各発明によれば、
燃料電池の負荷が増大したとき、一時的に燃料電池での
水素消費量を低下させ燃焼器での燃焼熱量を増加させる
ようにしたので、燃焼部での温度低下などの問題もな
く、改質部に供給する燃料や水を気化するのに必要な熱
量を速やかに供給することが可能である。燃料電池での
水素消費量を低下させるには、例えば第2の発明として
示したように、燃料極への水素導入量を低下させるか、
もしくは第3の発明として示したように、空気極への空
気導入量を低下させる。
According to each of the following inventions,
When the load on the fuel cell increases, the hydrogen consumption in the fuel cell is temporarily reduced and the combustion heat in the combustor is increased. It is possible to quickly supply the amount of heat required to vaporize the fuel and water supplied to the section. In order to reduce the amount of hydrogen consumed in the fuel cell, for example, as shown in the second invention, the amount of hydrogen introduced into the fuel electrode is reduced, or
Alternatively, as shown as the third invention, the amount of air introduced into the air electrode is reduced.

【0013】第4または第5の発明によれば、燃料電池
での発電量低下時間を必要最小限にできると共にシステ
ム応答性も改善できる。
According to the fourth or fifth aspect of the invention, it is possible to minimize the power generation amount reduction time in the fuel cell and to improve the system responsiveness.

【0014】第6の発明によれば、燃料電池の出力低下
により要求負荷に対応できなくなる条件下では二次電池
により速やかに負荷に対応することができる。
According to the sixth aspect of the invention, the load can be promptly dealt with by the secondary battery under the condition that the required load cannot be dealt with due to the output reduction of the fuel cell.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明を車両搭載用の燃料
電池システムとして構成した実施形態について図面に基
づいて説明する。図3において1は燃料電池であり、燃
料極1Aに供給される水素を含むガスと、空気極1Bに
供給される酸化剤である空気とにより、電気化学的反応
により起電力を生じる。2は蓄電式の二次電池であり、
燃料電池1からの発電量が足りない場合には放電し、過
剰な場合には充電する。3は車両駆動用のモータ3、4
は燃料電池1および二次電池2からモータ3への電気の
流れを制御する電力制御器である。5は燃料電池システ
ムの制御を司るコントロールユニットであり、CPUお
よびその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして
構成されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention configured as a vehicle-mounted fuel cell system will be described below with reference to the drawings. In FIG. 3, reference numeral 1 is a fuel cell, and an electromotive force is generated by an electrochemical reaction by a gas containing hydrogen supplied to the fuel electrode 1A and air which is an oxidant supplied to the air electrode 1B. 2 is a rechargeable secondary battery,
When the amount of power generation from the fuel cell 1 is insufficient, the fuel cell 1 is discharged, and when it is excessive, it is charged. 3 are motors 3 and 4 for driving the vehicle
Is a power controller that controls the flow of electricity from the fuel cell 1 and the secondary battery 2 to the motor 3. A control unit 5 controls the fuel cell system, and is configured as a microcomputer including a CPU and its peripheral devices.

【0016】定常運転時においては、モータ3に出力す
べき電力量がアクセルセンサ6からの負荷信号と車速と
に基づいて演算され、それによって燃料電池1で発電す
べき電力量が決定される。燃料電池1で発電すべき電力
量が決定されたら、燃料電池5に供給すべき水素リッチ
ガスの量がコントロールユニット5で演算され、改質側
に供給すべき炭化水素系燃料、この場合メタノールの量
が決定される。その量に応じてメタノールおよび水の供
給器16に指令が送られ、メタノールと水がそれぞれの
タンク18、17から気化器14に導入される。投入さ
れたメタノールと水は、後述する燃焼器13からの燃焼
ガスから必要熱量を供給され、所定の温度の改質用燃料
ガスを形成する。生成された改質用燃料ガスは、燃料導
入管21を通じて、改質器11に導かれる。改質器11
は必要に応じて空気が導入され、もしくは熱交換器(図
示せず)を通じて外部より熱を供給される構成となって
いる。改質器11に供給された改質用燃料ガスは、改質
器11の内部で、供給された燃料量、水量、空気量、外
部熱量に応じて改質反応を起こし、水素リッチなガスを
生成する。生成した水素リッチなガスは、通路22を通
じてCO除去器12に導入される。CO除去器12に入
る前のガス中には、改質器11での反応条件、例えば温
度、圧力等によって決まる相当量の一酸化炭素が含まれ
ている。これをCO除去器12で除去し、燃料電池1へ
と導入可能なガス組成へと整えている。調整された水素
リッチガスはガス通路23を通って燃料極1Aに導入さ
れる。一方空気極1Bへは燃料極1Aへ供給されるガス
量に応じて空気導入通路24を介して酸化剤としての空
気が供給される。燃料電池1では供給された水素の全量
が消費されるわけではなく、おおむね供給された量の1
5〜20%が消費されずに余剰水素リッチガスつまりオ
フガスとしてオフガス通路25へ排出される。この排出
されたオフガスは、同じく燃料電池1の排空気通路26
からから排出された余剰空気と共に燃焼器13に導か
る。燃焼器13には導入されたオフガス中の余剰水素と
空気中の酸素を反応させて燃焼させる触媒が装填されて
おり、さらに空燃比を調整して燃焼温度をコントロール
するために空気導入通路20が接続されている。15は
燃焼器13にメタノールを直接供給するための噴射弁で
ある。燃焼器13から排出された燃焼ガスは通路25を
通して前述の気化器14に導入され、メタノールおよび
水を気化させる。
During steady operation, the amount of electric power to be output to the motor 3 is calculated based on the load signal from the accelerator sensor 6 and the vehicle speed, and the amount of electric power to be generated by the fuel cell 1 is determined accordingly. When the amount of power to be generated by the fuel cell 1 is determined, the amount of hydrogen rich gas to be supplied to the fuel cell 5 is calculated by the control unit 5, and the amount of hydrocarbon fuel, in this case methanol, to be supplied to the reforming side is calculated. Is determined. A command is sent to the methanol and water supplier 16 according to the amount, and methanol and water are introduced into the vaporizer 14 from the respective tanks 18 and 17. The required amount of heat is supplied to the introduced methanol and water from the combustion gas from the combustor 13, which will be described later, to form the reforming fuel gas at a predetermined temperature. The generated reforming fuel gas is guided to the reformer 11 through the fuel introduction pipe 21. Reformer 11
Has a structure in which air is introduced as necessary or heat is externally supplied through a heat exchanger (not shown). The reforming fuel gas supplied to the reformer 11 causes a reforming reaction inside the reformer 11 in accordance with the supplied fuel amount, water amount, air amount, and external heat amount to generate a hydrogen-rich gas. To generate. The produced hydrogen-rich gas is introduced into the CO remover 12 through the passage 22. The gas before entering the CO remover 12 contains a considerable amount of carbon monoxide determined by the reaction conditions in the reformer 11, such as temperature and pressure. This is removed by the CO remover 12 to prepare a gas composition that can be introduced into the fuel cell 1. The adjusted hydrogen-rich gas is introduced into the fuel electrode 1A through the gas passage 23. On the other hand, air as the oxidant is supplied to the air electrode 1B through the air introduction passage 24 according to the amount of gas supplied to the fuel electrode 1A. The fuel cell 1 does not consume all the amount of hydrogen supplied, but the amount of hydrogen supplied is approximately 1
5-20% is not consumed but is discharged to the off-gas passage 25 as excess hydrogen-rich gas, that is, off-gas. The discharged off-gas is also used in the exhaust air passage 26 of the fuel cell 1.
It is guided to the combustor 13 together with the surplus air discharged from the. The combustor 13 is loaded with a catalyst for reacting excess hydrogen in the introduced off-gas with oxygen in the air to burn, and further has an air introduction passage 20 for adjusting the air-fuel ratio to control the combustion temperature. It is connected. Reference numeral 15 is an injection valve for directly supplying methanol to the combustor 13. The combustion gas discharged from the combustor 13 is introduced into the above-described vaporizer 14 through the passage 25 and vaporizes methanol and water.

【0017】ここで、アクセルセンサ6からモータ3へ
の出力要求増大の指令がコントロールユニット5に入力
された場合についての動作を説明する。まずモータ3か
らの出力を増大させるためには、モータ3への電力供給
を増大させる必要がある。いま、仮にその電力増大要求
を燃料電池1の出力増大だけで補おうとすれば、それだ
け燃料電池1への水素ガス供給量を増大させなければな
らない。この場合、コントロールユニット5は供給器1
6に指令を発して気化器14に供給するメタノールと水
の供給量を増加させることになる。しかしながら、燃焼
器13での発生熱量が増加するまでには遅れがあるた
め、気化器14では熱量不足の状態となり、供給された
燃料および水を十分に気化できず、または所定の温度ま
で上昇させることができない。このため改質器11での
改質反応も十分な反応が行われず燃料電池1にも必要な
水素を供給できず、結局系全体の応答が遅れてしまい、
運転者の要求するような加速性が得られない結果となっ
てしまう。
Here, the operation in the case where the command for increasing the output request from the accelerator sensor 6 to the motor 3 is input to the control unit 5 will be described. First, in order to increase the output from the motor 3, it is necessary to increase the power supply to the motor 3. Now, if it is attempted to supplement the power increase request only by increasing the output of the fuel cell 1, the hydrogen gas supply amount to the fuel cell 1 must be increased accordingly. In this case, the control unit 5 is the feeder 1
6 to increase the supply amount of methanol and water supplied to the vaporizer 14. However, since there is a delay before the amount of heat generated in the combustor 13 increases, the vaporizer 14 is in a state of insufficient amount of heat, and the supplied fuel and water cannot be vaporized sufficiently or is raised to a predetermined temperature. I can't. Therefore, the reforming reaction in the reformer 11 is not sufficiently performed, and the required hydrogen cannot be supplied to the fuel cell 1 as well, so that the response of the entire system is delayed,
As a result, the acceleration required by the driver cannot be obtained.

【0018】これに対して本発明では、アクセル開度か
ら負荷増大と判定される場合には、燃料電池1で消費さ
れる水素量を低下させ、燃焼器13へ導入する排水素量
と燃料電池1で消費される水素量を低下させることで、
同じ割合で増加する排空気つまり燃料電池1から排出さ
れる未使用酸素を含む空気の量を増加させるようにす
る。こうすることで燃焼器13においては燃焼上の空燃
比が変化しないため、燃焼温度は変化せず発生熱量だけ
変化させることが可能となり、気化器14への熱量の供
給量を応答良く増加させることできる。また、この要求
負荷に対して電力が不足する分はこれを二次電池2から
の供給で補うことができる。
On the other hand, in the present invention, when it is determined that the load increases from the accelerator opening, the amount of hydrogen consumed in the fuel cell 1 is reduced and the amount of exhaust hydrogen introduced into the combustor 13 and the fuel cell are reduced. By reducing the amount of hydrogen consumed in 1,
The amount of exhaust air increasing at the same rate, that is, the amount of air containing unused oxygen exhausted from the fuel cell 1 is increased. By doing so, since the air-fuel ratio in combustion does not change in the combustor 13, it is possible to change only the amount of heat generated without changing the combustion temperature, and it is possible to increase the amount of heat supplied to the carburetor 14 with good response. Further, the shortage of electric power with respect to the required load can be compensated by the supply from the secondary battery 2.

【0019】これにより、結果的にはシステム全体の応
答性が高められ、運転者の加速要求に的確に応えること
が可能となる。また、二次電池2からの補充電力も改質
システムの応答性が早まることで少なくて済み、二次電
池2の容量も必要最小限に抑えることができる。
As a result, the responsiveness of the entire system is improved, and it becomes possible to accurately meet the driver's acceleration request. Further, the supplementary power from the secondary battery 2 can be reduced due to the quick response of the reforming system, and the capacity of the secondary battery 2 can be suppressed to the necessary minimum.

【0020】負荷の増大要求幅が大きく水素リッチガス
を全量燃焼器13に供給しても(このとき燃料電池1で
の発電量はゼロとなる)熱量が不足する場合には、燃焼
部へ直接メタノールを追加供給する。この場合には熱量
増加に対して若干の遅れが出るものの影響は最小限に抑
えられる。また、この場合においては改質ガス量が増加
してきたらまず、追加で供給したメタノールの供給を徐
々に低下させ、その後燃料電池1での水素消費量を増加
させていき、最終的には定常状態に移行する。
If the amount of increase in load required is large and the hydrogen rich gas is supplied to the combustor 13 in its entirety (the amount of power generated by the fuel cell 1 becomes zero at this time), but the amount of heat is insufficient, methanol is directly fed to the combustion section. Additional supply. In this case, the effect is minimized, although there is a slight delay with respect to the increase in heat quantity. Further, in this case, when the reformed gas amount increases, first, the supply of the additionally supplied methanol is gradually reduced, and then the hydrogen consumption amount in the fuel cell 1 is increased, and finally the steady state is reached. Move to.

【0021】図4は前述した制御の手順を表した流れ図
である。なお図4他の流れ図と以下の説明において符号
Sを付して示した数字は処理ステップ番号である。また
流れ図によって表された処理は所定時間毎に周期的に実
行される。以下、図4につき順を追って説明すると、ま
ずS1にてアクセルセンサ6からの信号により負荷状態
を検出する。次いでS2にて負荷増大に応じた必要改質
燃料量を算出し、S3にて前記改質燃料量に応じた燃焼
器13での必要増加熱量を算出する。S4にて前記必要
増加熱量を得るのに要する水素消費量低下必要量を算出
し、S5にて前記水素消費量低下で必要増加熱量を満た
せるか否か判定する。ここで必要増加熱量を満たせる場
合にはS6以下の処理へ、満たせない場合にはS10以
下の処理に進む。
FIG. 4 is a flow chart showing the control procedure described above. The numbers shown with the reference symbol S in FIG. 4 and other flowcharts and the following description are process step numbers. The processing represented by the flow chart is periodically executed at predetermined time intervals. In the following, with reference to FIG. 4, step by step, first, in S1, the load state is detected by the signal from the accelerator sensor 6. Next, in S2, the required reformed fuel amount according to the load increase is calculated, and in S3, the required increased heat amount in the combustor 13 according to the reformed fuel amount is calculated. In S4, the hydrogen consumption reduction required amount required to obtain the required increased heat amount is calculated, and in S5, it is determined whether the required increased heat amount can be satisfied by the hydrogen consumption reduction. If the required amount of increased heat can be satisfied, the process proceeds to S6 and below, and if not, the process proceeds to S10 and below.

【0022】S6〜S7では水素消費量を低下させると
共に、負荷増大に対応したメタノール及び水の投入を行
う。次いで、S8〜S9にて改質システムが負荷増大に
対応した目標負荷に達するまで、気化器14の応答時間
に応じて次第に水素消費量の低下量を減じ、目標負荷に
達したら今回の処理を終了する。これに対して、S10
〜S12では、水素消費量低下で燃焼器必要増加熱量を
満たせない条件であるので、まず可能な範囲で水素消費
量を低下させたのち、必要増加熱量を満たすための追加
分のメタノール燃料を、改質ガス量が増加するまで直接
燃焼器13に投入する。次にS13〜S14にて改質ガ
ス量が増大したら、追加分のメタノールの供給を供給量
が不要(供給量=ゼロ)なるまで減少させたのち、前記
S8以下の処理に進む。
In S6 to S7, the hydrogen consumption is reduced, and methanol and water are added to cope with the increase in load. Next, in S8 to S9, the reduction amount of hydrogen consumption is gradually reduced according to the response time of the carburetor 14 until the reforming system reaches the target load corresponding to the load increase, and when the target load is reached, the present processing is performed. finish. On the other hand, S10
At ~ S12, since it is a condition that the combustor necessary increase heat quantity cannot be satisfied due to the decrease in hydrogen consumption quantity, first, the hydrogen consumption quantity is decreased within a possible range, and then the additional methanol fuel for satisfying the necessary increase heat quantity is added. It is directly charged into the combustor 13 until the amount of reformed gas increases. Next, when the reformed gas amount increases in S13 to S14, the supply of additional methanol is reduced until the supply amount becomes unnecessary (supply amount = zero), and then the process proceeds to S8 and subsequent steps.

【0023】図5は本発明の第2の実施形態である。第
1の実施形態とは異なる部分について説明すると、この
実施形態では、燃料電池1の燃料極1Aの入口に燃料ガ
ス流量を制御するための制御弁31を設けると共に、制
御弁31から分岐してオフガスの通路25に連通するバ
イパスライン32を設けてある。燃料電池1での水素消
費量を低下させる時には制御弁32の開度を調整し、燃
料極1Aへの水素の導入量を低下させる。
FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention. Explaining the parts different from the first embodiment, in this embodiment, a control valve 31 for controlling the flow rate of the fuel gas is provided at the inlet of the fuel electrode 1A of the fuel cell 1 and is branched from the control valve 31. A bypass line 32 communicating with the off-gas passage 25 is provided. When reducing the amount of hydrogen consumed in the fuel cell 1, the opening of the control valve 32 is adjusted to reduce the amount of hydrogen introduced into the fuel electrode 1A.

【0024】図6は本発明の第3の実施例である。第1
の実施形態と異なるのは、燃料電池1の空気極1Bの入
口に空気流量を制御する制御弁33を設けると共に、制
御弁33から分岐して排空気の通路26に連通するバイ
パスライン34を設けた点にある。燃料電池1での水素
消費量を低下させる時には制御弁33の開度を調整し、
空気極1Bへの空気の導入量を低下させて燃料電池1内
での反応を抑制し、結果として水素の消費量を低下させ
る。
FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention. First
Is different from that of the first embodiment in that a control valve 33 for controlling the air flow rate is provided at the inlet of the air electrode 1B of the fuel cell 1, and a bypass line 34 that branches from the control valve 33 and communicates with the exhaust air passage 26 is provided. There is a point. When reducing the hydrogen consumption in the fuel cell 1, the opening of the control valve 33 is adjusted,
The amount of air introduced into the air electrode 1B is reduced to suppress the reaction in the fuel cell 1, and as a result, the hydrogen consumption amount is reduced.

【0025】図7と図8はそれぞれ本発明の制御手法に
関する他の実施形態を示している。図7において図4と
異なるのはS7〜S9、S13〜S14の処理であり、
概略を説明すると、負荷増大要求がコントロールユニッ
ト5に入力されたときは、まず燃料電池1で水素消費量
を低下させ、燃焼器13の出口温度を観察しながら、こ
の温度が設定値T1から許容量ΔT以上低下することが
ないようにしながら、水素の消費量低下量を徐々に減ら
していくと共に燃焼器13に直接投入するメタノールの
量Gf1を増加させていく。これにより、燃料電池1の
発電量低下時間を必要最小限に抑えることができる。
7 and 8 show other embodiments of the control method of the present invention, respectively. 7 differs from FIG. 4 in the processing of S7 to S9 and S13 to S14.
In summary, when a load increase request is input to the control unit 5, the fuel cell 1 first reduces the hydrogen consumption amount, and while observing the outlet temperature of the combustor 13, this temperature is allowed from the set value T1. While not decreasing the capacity ΔT or more, the decrease amount of hydrogen consumption is gradually reduced and the amount Gf1 of methanol directly supplied to the combustor 13 is increased. As a result, the power generation amount reduction time of the fuel cell 1 can be minimized.

【0026】図8の制御では、S1〜S3にて、負荷増
大要求がコントロールユニット5に入力されたときは、
それに必要な燃焼器13での燃焼熱量増加量ΔQ1を算
出する。次いで、S4〜S6にて、そのために必要な燃
焼器13に直接投入すべきメタノール量を算出し、次に
その量のメタノールを気化させるのに必要な熱量Q2を
算出し、Q2に相当する水素量を算出する。次にS7に
てその水素量を燃焼器13に供給するために必要な燃料
電池1における水素消費量の低下量を算出し実行すると
共にS8にて燃焼器13へのメタノールの直接供給を実
行する。S9、10は図4のS8,9と同じである。こ
うすることによっても、燃料電池1の発電量低下量を必
要最小限に抑えることができる。
In the control of FIG. 8, when a load increase request is input to the control unit 5 in S1 to S3,
The combustion heat increase amount ΔQ1 in the combustor 13 required for this is calculated. Next, in S4 to S6, the amount of methanol necessary for that purpose, which should be directly charged into the combustor 13, is calculated, and then the amount of heat Q2 required to vaporize the amount of methanol is calculated, and hydrogen corresponding to Q2 is calculated. Calculate the amount. Next, in S7, the reduction amount of the hydrogen consumption amount in the fuel cell 1 required to supply the hydrogen amount to the combustor 13 is calculated and executed, and in S8, the direct supply of methanol to the combustor 13 is executed. . S9 and S10 are the same as S8 and 9 in FIG. By doing so also, the amount of decrease in the power generation amount of the fuel cell 1 can be suppressed to the necessary minimum.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】燃焼器のオフガス供給時の燃焼部温度分布の説
明図。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a combustion part temperature distribution when an off gas is supplied to a combustor.

【図2】燃焼器の液体燃料供給時の燃焼部温度分布の説
明図。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a combustion part temperature distribution when a liquid fuel is supplied to the combustor.

【図3】本発明を適用した燃料電池システムの第1の実
施形態の概略構成図。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of a fuel cell system to which the present invention has been applied.

【図4】前記燃焼電池システムの制御手法の第1例を示
す流れ図。
FIG. 4 is a flowchart showing a first example of a control method for the combustion cell system.

【図5】本発明を適用した燃料電池システムの第2の実
施形態の概略構成図。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of a fuel cell system to which the present invention has been applied.

【図6】本発明を適用した燃料電池システムの第3の実
施形態の概略構成図。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a third embodiment of a fuel cell system to which the present invention is applied.

【図7】前記燃焼電池システムの制御手法の第2例を示
す流れ図。
FIG. 7 is a flowchart showing a second example of the control method of the combustion cell system.

【図8】前記燃焼電池システムの制御手法の第3例を示
す流れ図。
FIG. 8 is a flowchart showing a third example of the control method of the combustion cell system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池 1A 燃料電池の燃料極 1B 燃料電池の空気極 3 モータ 4 電力制御器 5 コントロールユニット 6 アクセルセンサ 11 改質器 12 CO除去器 13 燃焼器 14 気化器 16 メタノールおよび水の供給器 17 水タンク 18 メタノールタンク 20 空気導入通路 21 燃料導入管 23 ガス通路 24 空気導入通路 25 オフガス通路 26 排空気通路 1 fuel cell 1A Fuel cell fuel electrode 1B Fuel cell air electrode 3 motor 4 Power controller 5 control unit 6 Accelerator sensor 11 reformer 12 CO remover 13 Combustor 14 Vaporizer 16 Methanol and water feeder 17 Water tank 18 Methanol tank 20 Air introduction passage 21 Fuel introduction pipe 23 gas passage 24 Air introduction passage 25 Off-gas passage 26 Exhaust air passage

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/00 H01M 8/00 A Z Fターム(参考) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB43 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16 DD00 DD03 KK41 MM04 MM09 5H115 PA01 PA11 PC06 PG04 PI16 PI18 PU01 SE06 TI00 TO21 TU17 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/00 H01M 8/00 AZ F term (reference) 4G040 EA02 EA03 EA06 EB43 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16 DD00 DD03 KK41 MM04 MM09 5H115 PA01 PA11 PC06 PG04 PI16 PI18 PU01 SE06 TI00 TO21 TU17

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】炭化水素系燃料と水を用いて水素リッチな
燃料ガスを生成する燃料改質装置と、前記燃料ガスを用
いて発電を行う燃料電池と、燃料電池で消費されずに排
出された水素を含むオフガスを燃焼処理する燃焼器とを
備え、燃焼器で発生した燃焼熱により改質用の炭化水素
系燃料および水を気化させるようにした燃料電池システ
ムにおいて、 燃料電池への要求負荷が増加したときには一時的に燃料
電池での水素消費量を低下させ、燃焼器での燃焼熱量を
増加させるようにしたことを特徴とする燃料電池システ
ム。
1. A fuel reforming apparatus for producing a hydrogen-rich fuel gas using a hydrocarbon fuel and water, a fuel cell for generating electric power using the fuel gas, and a fuel cell for exhausting without being consumed by the fuel cell. And a combustor for combusting off-gas containing hydrogen, and the combustion heat generated in the combustor vaporizes the reforming hydrocarbon fuel and water. The fuel cell system is characterized in that the hydrogen consumption amount in the fuel cell is temporarily reduced when the fuel consumption increases and the combustion heat amount in the combustor is increased.
【請求項2】燃料電池の燃料極への水素導入量を低下さ
せることにより燃料電池での水素消費量を低下させる請
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 hydrogen consumption in the fuel cell is reduced by reducing the amount of hydrogen introduced into the fuel electrode of the fuel cell.
【請求項3】燃料電池の空気極への空気導入量を低下さ
せることにより燃料電池での水素消費量を低下させる請
求項1に記載の燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein hydrogen consumption in the fuel cell is reduced by reducing the amount of air introduced into the air electrode of the fuel cell.
【請求項4】燃焼器に改質用の炭化水素系燃量を直接供
給するように構成すると共に、燃焼器出口ガス温度を検
知する温度検出手段を備え、前記出口ガス温度によって
燃料電池での水素消費量の低下量と前記直接供給する炭
化水素系燃料量の割合を制御するようにした請求項1に
記載の燃料電池システム。
4. A structure for directly supplying a reforming hydrocarbon-based fuel quantity to a combustor, and a temperature detecting means for detecting a combustor outlet gas temperature, which is provided in the fuel cell according to the outlet gas temperature. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the ratio between the amount of decrease in hydrogen consumption and the amount of hydrocarbon-based fuel directly supplied is controlled.
【請求項5】燃料電池での水素消費量の低下分を、余剰
水素リッチガスを燃焼処理する燃焼器に直接供給する炭
化水素系燃料の気化潜熱分とする請求項4に記載の燃料
電池システム。
5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the reduced amount of hydrogen consumption in the fuel cell is used as the latent heat of vaporization of the hydrocarbon-based fuel directly supplied to the combustor for combusting the excess hydrogen-rich gas.
【請求項6】一時的に燃料電池での水素消費量を低下さ
せたときに要求負荷に対する出力不足を補う二次電池を
備えた請求項1に記載の燃料電池システム。
6. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a secondary battery that compensates for the output shortage with respect to the required load when the hydrogen consumption in the fuel cell is temporarily reduced.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006093023A (en) * 2004-09-27 2006-04-06 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system and power supply system using the same
JP2008059877A (en) * 2006-08-31 2008-03-13 Toyota Motor Corp Fuel cell system

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