JP2001006707A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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JP2001006707A
JP2001006707A JP11171263A JP17126399A JP2001006707A JP 2001006707 A JP2001006707 A JP 2001006707A JP 11171263 A JP11171263 A JP 11171263A JP 17126399 A JP17126399 A JP 17126399A JP 2001006707 A JP2001006707 A JP 2001006707A
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JP
Japan
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fuel
fuel cell
gas
combustion
supplied
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JP11171263A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Kurita
健志 栗田
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Aisin Corp
Original Assignee
Aisin Seiki Co Ltd
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Publication date
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    • 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

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system high in net output. SOLUTION: This fuel cell system is characterized by having a combustion means 3 for combusting unused fuel gas in a fuel cell 2 that generates electricity by an electrochemical reaction between a hydrogen-containing fuel gas and an oxygen-containing oxidant gas, an oxidant gas supply means 4 for supplying the oxidant gas to the fuel cell 2 by the power of a turbine 41 rotated by an exhaust gas from the combustion means 3, and a fuel storing means 6 for storing a combustible fuel to be supplied to the combustion means 3.

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】本発明は燃料電池システムに
関する。
[0001] The present invention relates to a fuel cell system.

【0002】[0002]

【従来の技術】大気の汚染をできる限り減らすために自
動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つ
として電気自動車が使用されているが、充電設備や走行
距離などの問題で普及に至っていない。
2. Description of the Related Art In order to reduce air pollution as much as possible, it is important to take measures against exhaust gas from automobiles, and as one of the measures, electric vehicles are used. Has not been reached.

【0003】燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分
解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな
発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用し
た自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると
見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質
型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有
望である。
[0003] Fuel cells have attracted attention as clean power generation devices that generate no electricity other than water using hydrogen and oxygen by the reverse reaction of electrolysis, and automobiles that use the fuel cells are most likely to be used in the future. It is believed to be a clean car with potential. Among the above fuel cells, a solid polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature and is most promising for automobiles.

【0004】前記固体高分子電解質型燃料電池システム
は、一般的に二つの電極(燃料極と酸化剤極)で固体高
分子電解質を挟んだ構造をしている多数のセルが積層さ
れている燃料電池、該燃料電池に水素を主成分とする燃
料ガスを製造して供給する改質器、酸化剤ガスを供給す
る酸化剤ガス供給手段およびガス配管と、それらを制御
する制御装置から構成されている。前記燃料極側には前
記燃料ガスが、前記酸化剤極側には前記酸化剤ガスが送
られ、電気化学反応により発電する。
[0004] The solid polymer electrolyte fuel cell system generally has a fuel in which a large number of cells having a structure in which a solid polymer electrolyte is sandwiched between two electrodes (a fuel electrode and an oxidant electrode) are stacked. The fuel cell comprises a reformer for producing and supplying a fuel gas containing hydrogen as a main component to the fuel cell, an oxidizing gas supply means and a gas pipe for supplying an oxidizing gas, and a control device for controlling them. I have. The fuel gas is sent to the fuel electrode side and the oxidant gas is sent to the oxidant electrode side, and power is generated by an electrochemical reaction.

【0005】この燃料電池システム内で酸化剤ガス供給
手段として使用するコンプレッサや液体を輸送する各種
ポンプ、ガスの制御を行う各種バルブなどの補機動力を
小さくすることが、システムトータルの実出力(ネット
出力)を高くする手段である。コンプレッサの駆動によ
り消費される動力は非常に大きい。燃料電池に供給する
酸化剤ガスの圧力および流量が増加するに従い、コンプ
レッサの消費動力は増加される。したがって、コンプレ
ッサの消費動力を小さくすることは、燃料電池システム
のネット出力を高くするために重要である。
In this fuel cell system, reducing the auxiliary power such as a compressor used as an oxidant gas supply means, various pumps for transporting liquid, and various valves for controlling gas, reduces the total output of the system ( Net output). The power consumed by driving the compressor is very large. As the pressure and flow rate of the oxidizing gas supplied to the fuel cell increase, the power consumption of the compressor increases. Therefore, reducing the power consumption of the compressor is important to increase the net output of the fuel cell system.

【0006】従来技術として、特開平8−45525号
公報には、補機動力を低減するため、燃料電池の出力状
態に応じてコンプレッサ制御手段を制御して燃料電池へ
の加圧空気の供給状態を制御する燃料電池の制御装置が
開示されている。
As a prior art, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-45525 discloses a state of supplying compressed air to a fuel cell by controlling a compressor control means in accordance with an output state of the fuel cell in order to reduce auxiliary machine power. There is disclosed a control device for a fuel cell that controls the fuel cell.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術は、車両のような負荷変動が激しいものに対しては、
必ずしもその制御方法が効率的とは考えられない。すな
わち、コンプレッサの空気流量、圧力を変動させるため
にはある程度の時間が必要となるのに対し、車両の負荷
変動はそれを上回る速さで行われる場合が極めて多い。
そのような場合、コンプレッサ流量や圧力を要求負荷に
対し整合のとれた値で制御することが非常に難しいた
め、実際には瞬間的な負荷変動に対する効率的な制御が
できない。その上、コンプレッサの応答遅れによる弊害
例えばガス欠や、燃料の過剰供給などの問題が発生す
る。
However, the prior art is not suitable for a vehicle such as a vehicle which has a large load fluctuation.
The control method is not always considered efficient. That is, while it takes a certain amount of time to change the air flow rate and the pressure of the compressor, the load change of the vehicle is extremely often performed at a speed higher than that.
In such a case, it is very difficult to control the compressor flow rate and the pressure with values that match the required load, and therefore, in practice, it is not possible to efficiently control instantaneous load fluctuations. In addition, adverse effects such as a lack of gas and an excessive supply of fuel occur due to a response delay of the compressor.

【0008】本発明は上記課題を解決したもので、ネッ
ト出力が高い燃料電池システムを提供する。
The present invention has solved the above-mentioned problems, and provides a fuel cell system having a high net output.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項1において講じた技術的手段
(以下、第1の技術的手段と称する。)は、水素を含有
する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスの電気化学反
応により発電する燃料電池の未利用燃料ガスを燃焼させ
る燃焼手段と、該燃焼手段の排ガスでタービンを回転さ
せ、その動力で前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給す
る酸化剤ガス供給手段と、前記燃焼手段に供給する可燃
性燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段が設けられていることを
特徴とする燃料電池システムである。
Means for Solving the Problems In order to solve the above technical problems, the technical means (hereinafter referred to as first technical means) taken in claim 1 of the present invention contains hydrogen. Combustion means for burning unused fuel gas of a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas containing oxygen, and a turbine rotated by exhaust gas from the combustion means, and the oxidant gas is driven by the power of the turbine. A fuel cell system comprising: an oxidizing gas supply unit that supplies the fuel cell; and a fuel storage unit that stores combustible fuel that is supplied to the combustion unit.

【0010】上記第1の技術的手段による効果は、以下
のようである。
The effects of the first technical means are as follows.

【0011】すなわち、可燃性燃料を燃焼手段に供給す
ることにより燃焼手段の燃焼ガス温度を一定にすること
ができるので、タービンの回転数を一定にできる。これ
により、その回転数で最も効率がよいように酸化剤ガス
供給手段を設計することができるので、酸化剤ガス供給
手段の消費動力がほとんど無く、燃料電池システムのネ
ット出力を高くできる。
That is, by supplying the combustible fuel to the combustion means, the combustion gas temperature of the combustion means can be kept constant, so that the rotation speed of the turbine can be kept constant. Thus, the oxidizing gas supply means can be designed so as to be most efficient at the rotation speed, so that the oxidizing gas supply means consumes little power and the net output of the fuel cell system can be increased.

【0012】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項2において講じた技術的手段(以下、第2の技
術的手段と称する。)は、前記燃料電池の出力電流を検
出する電流検出手段と、前記燃焼手段の温度を検出する
温度検出手段が設けられ、前記電流検出手段、前記温度
検出手段の少なくとも一方の情報をもとに前記燃料貯蔵
手段から前記燃焼手段に供給する可燃性燃料の流量を制
御する流量制御手段が設けられていることを特徴とする
請求項1記載の燃料電池システムである。
[0012] In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as second technical means) taken in claim 2 of the present invention is a current means for detecting an output current of the fuel cell. Detecting means, and temperature detecting means for detecting the temperature of the combustion means, wherein the flammability supplied from the fuel storage means to the combustion means based on information of at least one of the current detecting means and the temperature detecting means. 2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a flow control means for controlling a flow rate of the fuel.

【0013】上記第2の技術的手段による効果は、以下
のようである。
The effects of the second technical means are as follows.

【0014】すなわち、燃料電池の出力電流により燃焼
手段に供給する可燃性燃料量を制御できるので、負荷が
変動しても燃焼手段の燃焼ガス温度を一定に制御するこ
とができる。また、温度検出手段により燃焼手段に供給
する可燃性燃料量を制御できるので、負荷の変動が激し
い場合にも燃焼手段の燃焼ガス温度を一定に制御するこ
とができる。
That is, since the amount of combustible fuel supplied to the combustion means can be controlled by the output current of the fuel cell, the temperature of the combustion gas of the combustion means can be kept constant even if the load varies. Further, since the amount of combustible fuel supplied to the combustion means can be controlled by the temperature detection means, the combustion gas temperature of the combustion means can be controlled to be constant even when the load fluctuates greatly.

【0015】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項3において講じた技術的手段(以下、第3の技
術的手段と称する。)は、炭化水素燃料を貯蔵する炭化
水素燃料貯蔵手段と、この炭化水素貯蔵手段に貯蔵して
いる炭化水素燃料を改質して前記燃料ガスを製造する改
質器が設けられ、前記炭化水素貯蔵手段に貯蔵している
炭化水素燃料を前記燃焼手段に供給することを特徴とす
る請求項1記載の燃料電池システムである。
[0015] In order to solve the above technical problems, the technical means (hereinafter referred to as third technical means) taken in claim 3 of the present invention is a hydrocarbon fuel storage for storing hydrocarbon fuel. Means, and a reformer for producing the fuel gas by reforming the hydrocarbon fuel stored in the hydrocarbon storage means, wherein the combustion of the hydrocarbon fuel stored in the hydrocarbon storage means is performed. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is supplied to a means.

【0016】上記第3の技術的手段による効果は、以下
のようである。
The effects of the third technical means are as follows.

【0017】すなわち、改質器に供給する燃料と燃焼手
段に供給する燃料を共通にすることができるので、その
貯蔵手段が一つでよく燃料電池システムを小型化でき
る。
That is, since the fuel supplied to the reformer and the fuel supplied to the combustion means can be made common, only one storage means is required and the fuel cell system can be downsized.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
Description will be given based on the drawings.

【0019】図1は、本発明の実施例の固体高分子電解
質型燃料電池システム図である。本実施例の構成を説明
する。前記固体高分子電解質型燃料電池システムは、改
質器1、燃料電池2、燃焼手段であるバーナ3およびタ
ーボアシストコンプレッサ4から構成されている。また
前記固体高分子電解質型燃料電池システムには、水タン
ク5、メタノールタンク6、制御装置7、三方切替弁
8、9などが備えられている。
FIG. 1 is a diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The configuration of the present embodiment will be described. The solid polymer electrolyte fuel cell system includes a reformer 1, a fuel cell 2, a burner 3 as a combustion means, and a turbo assist compressor 4. Further, the solid polymer electrolyte fuel cell system includes a water tank 5, a methanol tank 6, a control device 7, three-way switching valves 8, 9, and the like.

【0020】前記改質器1は、燃料である水とメタノー
ルを改質して水素を主成分とする燃料ガスに変換する装
置で、燃焼部101、蒸発部102、改質部103およ
びCO低減部104から構成されている。前記改質器1
の燃焼部101は、メタノールを貯蔵しているメタノー
ルタンク6とメタノールポンプP3を介して連結し、エ
アーコンプレッサC1と空気管路13を介して連結して
いる。前記改質器1の蒸発部102は、水を貯蔵してい
る水タンク5と水ポンプP1を介して連結し、前記メタ
ノールタンク6とメタノールポンプP2を介して連結し
ている。
The reformer 1 is a device for reforming water and methanol, which are fuels, into a fuel gas containing hydrogen as a main component. The reformer 1 has a combustion unit 101, an evaporation unit 102, a reforming unit 103, and a CO reduction unit. It comprises a unit 104. The reformer 1
Is connected to a methanol tank 6 storing methanol via a methanol pump P3, and is connected to an air compressor C1 via an air line 13. The evaporator 102 of the reformer 1 is connected to a water tank 5 storing water via a water pump P1, and is connected to the methanol tank 6 via a methanol pump P2.

【0021】また前記改質器1は、燃料ガス管路14を
介して三方切替弁8と連結している。前記三方切替弁8
は、燃料ガス管路15を介して燃料電池2の燃料ガス供
給口21と連結している。また前記三方切替弁8は、燃
料ガス管路12を介してバーナ3の空気供給口31と連
結している。
The reformer 1 is connected to a three-way switching valve 8 via a fuel gas line 14. The three-way switching valve 8
Is connected to the fuel gas supply port 21 of the fuel cell 2 via the fuel gas pipe 15. Further, the three-way switching valve 8 is connected to the air supply port 31 of the burner 3 via the fuel gas pipe 12.

【0022】前記ターボアシストコンプレッサ4は、タ
ービン41、モータ42、コンプレッサ43から構成さ
れている。前記コンプレッサ43は、酸化剤ガスである
空気を圧縮して燃料電池2に供給する酸化剤ガス供給手
段で、空気管路16を介して三方切替弁9と連結してい
る。また前記コンプレッサ43は、空気管路16から分
岐している空気管路16aを介して流量制御バルブV1
と、同じく空気管路16から分岐している空気管路16
bを介して流量制御バルブV2と連結している。
The turbo assist compressor 4 comprises a turbine 41, a motor 42, and a compressor 43. The compressor 43 is an oxidizing gas supply unit that compresses air, which is an oxidizing gas, and supplies the compressed air to the fuel cell 2, and is connected to the three-way switching valve 9 via the air line 16. The compressor 43 is connected to a flow control valve V1 via an air line 16a branched from the air line 16.
And the air line 16 which is also branched from the air line 16
It is connected to the flow control valve V2 via b.

【0023】前記流量制御バルブV1は空気管路16c
を介して改質器1の改質部103と連結し、前記流量制
御バルブV2は空気管路16dを介して改質器1のCO
低減部104と連結している。前記三方切替弁9は、空
気管路17を介して燃料電池2の空気供給口22と連結
している。前記三方切替弁9はまた、空気管路18を介
してバーナ3の空気供給口34と連結している。
The flow control valve V1 is connected to the air line 16c.
And the flow control valve V2 is connected to the reforming section 103 of the reformer 1 through the air line 16d.
It is connected to the reduction unit 104. The three-way switching valve 9 is connected to an air supply port 22 of the fuel cell 2 via an air pipe 17. The three-way switching valve 9 is also connected to the air supply port 34 of the burner 3 via the air line 18.

【0024】前記燃料電池2の未利用燃料ガス排出口2
3は、未利用燃料ガス管路19を介して逆止弁11と連
結している。この逆止弁11は、未利用燃料ガス管路2
5を介してバーナ3の燃料ガス供給口32と連結してい
る。前記燃料電池2の未利用空気排出口24は、未利用
空気管路20を介して逆止弁10と連結している。前記
逆止弁10は、未利用空気管路26を介してバーナ3の
空気供給口33と連結している。
Unused fuel gas outlet 2 of the fuel cell 2
3 is connected to the check valve 11 through an unused fuel gas line 19. The check valve 11 is connected to the unused fuel gas line 2.
5 is connected to a fuel gas supply port 32 of the burner 3. An unused air outlet 24 of the fuel cell 2 is connected to the check valve 10 via an unused air line 20. The check valve 10 is connected to an air supply port 33 of the burner 3 through an unused air line 26.

【0025】バーナ3は、未利用燃料ガス、一酸化炭素
濃度の高い燃料ガスおよびメタノールを燃焼する燃焼手
段である。バーナ3の燃料ガス供給口35は、メタノー
ルポンプP4を介してメタノールタンク6と連結してい
る。前記バーナ3の排ガス排出口36は、排ガス管路2
7を介してターボアシストコンプレッサ4のタービン4
1と連結している。前記バーナ3には、その温度を検出
する温度検出手段である温度検出器50が設けられてい
る。
The burner 3 is a combustion means for burning unused fuel gas, fuel gas having a high carbon monoxide concentration, and methanol. The fuel gas supply port 35 of the burner 3 is connected to the methanol tank 6 via a methanol pump P4. The exhaust gas outlet 36 of the burner 3 is connected to the exhaust gas line 2.
7, the turbine 4 of the turbo assist compressor 4
It is connected to 1. The burner 3 is provided with a temperature detector 50 as temperature detecting means for detecting the temperature.

【0026】前記燃料電池2には、その出力電流を検出
する電流検出手段である電流検出器54が設けられてい
る。この電流検出器54は制御装置7と信号線51を介
して連結している。この制御装置7は、メタノールポン
プP4を制御してバーナ3に供給するメタノール流量を
制御する流量制御手段である。御装置7は、信号線53
を介して温度検出器50と連結し、信号線52を介して
メタノールポンプP4と連結している。
The fuel cell 2 is provided with a current detector 54 as current detecting means for detecting the output current. The current detector 54 is connected to the control device 7 via the signal line 51. The control device 7 is a flow rate control means for controlling the methanol flow rate supplied to the burner 3 by controlling the methanol pump P4. The control device 7 includes a signal line 53
And to the methanol pump P4 via a signal line 52.

【0027】以下、本実施例の動作および作用について
説明する。
The operation and operation of this embodiment will be described below.

【0028】燃料電池システムが起動されると、メタノ
ールタンク6からメタノールポンプP3によりメタノー
ルが改質器1の燃焼部101に供給され、同じくメタノ
ールタンク6からメタノールポンプP3によりメタノー
ルがバーナ3に供給される。同時にターボアシストコン
プレッサ4のモータ42が回転してコンプレッサ43が
起動され、エアーコンプレッサC1も起動される。起動
時には、三方切替弁9はバーナ3側に切り替えられてお
り、バーナ3にはコンプレッサ43で圧縮された空気が
送られる。
When the fuel cell system is started, methanol is supplied from the methanol tank 6 to the combustion section 101 of the reformer 1 by the methanol pump P3, and methanol is supplied from the methanol tank 6 to the burner 3 by the methanol pump P3. You. At the same time, the motor 42 of the turbo assist compressor 4 rotates, the compressor 43 is started, and the air compressor C1 is also started. At startup, the three-way switching valve 9 is switched to the burner 3 side, and the air compressed by the compressor 43 is sent to the burner 3.

【0029】前記燃焼部101に供給されたメタノール
は、前記エアーコンプレッサC1から供給された空気を
助燃剤として燃焼し、蒸発器102を加熱する。前記バ
ーナ3に供給されたメタノールは、コンプレッサ43か
ら供給された空気を助燃剤として燃焼する。
The methanol supplied to the combustion section 101 burns the air supplied from the air compressor C1 as a combustion aid, and heats the evaporator 102. The methanol supplied to the burner 3 burns using the air supplied from the compressor 43 as a combustion aid.

【0030】水タンク5から水ポンプP1により水が、
またメタノールタンク6からメタノールポンプP2によ
りメタノールが改質器1の蒸発部102に供給される。
供給された水とメタノールは、前記改質器1の蒸発部1
02で気化され改質部103に送られる。
Water is supplied from the water tank 5 by the water pump P1.
Methanol is supplied from the methanol tank 6 to the evaporator 102 of the reformer 1 by the methanol pump P2.
The supplied water and methanol are supplied to the evaporator 1 of the reformer 1.
It is vaporized in 02 and sent to the reforming unit 103.

【0031】前記改質部103では、水とメタノールの
蒸気はターボアシストコンプレッサ4のコンプレッサ4
3から流量制御バルブV1を介して送られた空気と混合
され、改質触媒(例えば、Pd触媒とCu−Zn触媒
等)により水素を主成分とする燃料ガスに改質されCO
低減部104に送られる。
In the reforming section 103, steam of water and methanol is supplied to the compressor 4 of the turbo assist compressor 4.
3 is mixed with air sent through a flow control valve V1, and reformed into a fuel gas containing hydrogen as a main component by a reforming catalyst (for example, a Pd catalyst and a Cu—Zn catalyst).
It is sent to the reduction unit 104.

【0032】前記燃料ガスは一酸化炭素を0.5〜1%
含んでおり、前記CO低減部104のCO除去触媒(例
えば、Pt触媒等)により一酸化炭素を前記コンプレッ
サ43から流量制御バルブV2を介して送られた空気で
酸化してCOに変え、一酸化炭素濃度を10ppm以
下にして燃料電池2に送られる。
The fuel gas contains 0.5 to 1% of carbon monoxide.
Including and in the CO reduction portion 104 CO removal catalyst (e.g., Pt catalyst and the like) converted into CO 2 by oxidation with air to carbon monoxide was fed through a flow control valve V2 from the compressor 43 by one It is sent to the fuel cell 2 with the carbon oxide concentration set to 10 ppm or less.

【0033】起動直後においては改質部103の温度が
十分上昇していないため、前記改質器1から排出される
燃料ガスの一酸化炭素濃度は所定濃度(例えば、10p
pm)以下になっていない。このため三方切替弁8をバ
ーナ3側に切り替えて、前記燃料ガスを燃料ガス管路1
2を介してバーナ3に供給する。この時、三方切替弁9
はバーナ3側に切り替えられており、コンプレッサ43
から空気が前記バーナ3に送られている。
Since the temperature of the reforming section 103 has not sufficiently risen immediately after the start-up, the concentration of carbon monoxide discharged from the reformer 1 at a predetermined concentration (for example, 10 p
pm). Therefore, the three-way switching valve 8 is switched to the burner 3 side, and the fuel gas is supplied to the fuel gas line 1.
2 to a burner 3. At this time, the three-way switching valve 9
Is switched to the burner 3 side, and the compressor 43
To the burner 3.

【0034】バーナ3は、改質器1から送られた燃料ガ
スをコンプレッサ43から送られた空気を助燃剤にして
燃焼する。前記バーナ3の排ガスはターボアシストコン
プレッサ4のタービン41に送られ、タービン41を回
転する。このタービン41の回転によりコンプレッサ4
3が回転されるので、モータ42の負荷が低減され、電
力が節約できる。補助電力が限られている自動車等車載
用の燃料電池システムでは、この効果は重要である。
The burner 3 burns the fuel gas sent from the reformer 1 using the air sent from the compressor 43 as an auxiliary agent. The exhaust gas from the burner 3 is sent to the turbine 41 of the turbo assist compressor 4 to rotate the turbine 41. The rotation of the turbine 41 causes the compressor 4
3 is rotated, the load on the motor 42 is reduced, and power can be saved. This effect is important in an in-vehicle fuel cell system such as an automobile where the auxiliary power is limited.

【0035】改質器1から排出される燃料ガスの一酸化
炭素濃度が所定濃度以下になったら、三方切替弁8を燃
料電池2側に切り替え、燃料ガスが前記燃料電池2の燃
料ガス供給口21から前記燃料電池2の燃料極側に送ら
れる。同時に、三方切替弁9も前記燃料電池2側に切り
替え、空気が前記燃料電池2の空気供給口22から前記
燃料電池2の酸化剤極側に送られる。
When the carbon monoxide concentration of the fuel gas discharged from the reformer 1 becomes lower than a predetermined concentration, the three-way switching valve 8 is switched to the fuel cell 2 side, and the fuel gas is supplied to the fuel gas supply port of the fuel cell 2. From 21, the fuel is sent to the fuel electrode side of the fuel cell 2. At the same time, the three-way switching valve 9 is also switched to the fuel cell 2 side, and air is sent from the air supply port 22 of the fuel cell 2 to the oxidant electrode side of the fuel cell 2.

【0036】前記燃料電池2では、送られた燃料ガス中
の水素と空気中の酸素を用いて電気化学反応により発電
する。前記燃料電池2では燃料ガス中の水素は100%
利用されることはなく、およそ80%の利用率である。
前記燃料電池2で利用されなかった未利用燃料ガスは未
利用燃料ガス管路19、25を介してバーナ3の燃料ガ
ス供給口32に送られる。一方、前記燃料電池2には、
過剰の空気を送っているので未利用空気が未利用空気排
出口24から排出される。前記未利用空気は、未利用空
気管路20、26を介してバーナ3の空気供給口34に
送られる。
The fuel cell 2 generates power by an electrochemical reaction using hydrogen in the supplied fuel gas and oxygen in the air. In the fuel cell 2, the hydrogen in the fuel gas is 100%
It is not used and is about 80% utilization.
Unused fuel gas not used in the fuel cell 2 is sent to the fuel gas supply port 32 of the burner 3 through unused fuel gas pipes 19 and 25. On the other hand, the fuel cell 2 has
Since excess air is sent, unused air is discharged from the unused air outlet 24. The unused air is sent to the air supply port 34 of the burner 3 through the unused air lines 20 and 26.

【0037】前記バーナ3では、前記燃料電池2から送
られた未利用燃料ガスと未利用空気で燃焼する。前記バ
ーナ3の排ガスはターボアシストコンプレッサ4のター
ビン41に送られ、該タービン41を回転する。これ
で、燃料電池システムは定常運転状態になる。
The burner 3 burns with unused fuel gas and unused air sent from the fuel cell 2. The exhaust gas from the burner 3 is sent to the turbine 41 of the turbo assist compressor 4 to rotate the turbine 41. Thus, the fuel cell system enters a steady operation state.

【0038】前記タービン41の回転により前記コンプ
レッサ43が回転されるので、前記モータ42の負荷が
低減され、電力が節約できる。前記燃料電池システムの
定常運転時には、未利用燃料ガスの燃焼エネルギーが十
分あるので、前記モータを動かす必要がなくなり前記モ
ータは停止される。
Since the compressor 43 is rotated by the rotation of the turbine 41, the load on the motor 42 is reduced, and power can be saved. At the time of steady operation of the fuel cell system, there is sufficient combustion energy of unused fuel gas, so that it is not necessary to operate the motor, and the motor is stopped.

【0039】定常運転時には、前記コンプレッサ43か
ら燃料電池2に供給する空気量が一定になるように制御
する。すなわち、ターボアシストコンプレッサ4を定回
転で運転する。
During steady operation, control is performed so that the amount of air supplied from the compressor 43 to the fuel cell 2 is constant. That is, the turbo assist compressor 4 is operated at a constant rotation.

【0040】外部負荷にあわせて燃料電池2で発電され
る出力電流を変動させる必要がある。そのために、前記
出力電流を電流検出器54により検出する。出力電流が
大きいときには改質器1の蒸発部102に投入する水と
メタノールの量を増やし、燃料ガス量を増加させる。出
力電流が小さいときは前記蒸発部102に投入する水と
メタノールの量を減らし、燃料ガス量を減少させる。こ
れらの制御は、信号線は図示されていないが、制御装置
7により水ポンプP1、メタノールポンプP2を制御し
て行われる。
It is necessary to vary the output current generated by the fuel cell 2 according to the external load. For this purpose, the output current is detected by a current detector 54. When the output current is large, the amounts of water and methanol to be charged into the evaporator 102 of the reformer 1 are increased to increase the amount of fuel gas. When the output current is small, the amount of water and methanol supplied to the evaporator 102 is reduced, and the amount of fuel gas is reduced. These controls are performed by controlling the water pump P1 and the methanol pump P2 by the control device 7, although the signal lines are not shown.

【0041】バーナ3に供給される未利用燃料ガス中の
水素量は、燃料電池2に供給される燃料ガス中の水素量
と燃料電池2で消費される水素量により変動する。一
方、バーナ3に供給される未利用空気中の酸素量は、燃
料電池2で消費される酸素量により変動する。すなわ
ち、燃料電池2に供給される空気量は一定となるように
制御されているので、燃料電池2の出力電流が大きいと
きは未利用空気中の酸素量は少なくなり、出力電流が小
さいときは未利用空気中の酸素量は多くなる。
The amount of hydrogen in the unused fuel gas supplied to the burner 3 varies depending on the amount of hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel cell 2 and the amount of hydrogen consumed in the fuel cell 2. On the other hand, the amount of oxygen in the unused air supplied to the burner 3 varies depending on the amount of oxygen consumed in the fuel cell 2. That is, since the amount of air supplied to the fuel cell 2 is controlled to be constant, when the output current of the fuel cell 2 is large, the amount of oxygen in the unused air decreases, and when the output current is small, The amount of oxygen in unused air increases.

【0042】このようなバーナ3に供給される未利用燃
料ガス量とその水素含有量および未利用空気中の酸素含
有量により、バーナ3の燃焼ガス温度が変動する。これ
は、バーナ3の排ガスエネルギーを変動させるのでター
ビン41の回転数を変動させる。本実施例では、バーナ
3の燃焼ガス温度を一定にするために、バーナ3に供給
するメタノール量を制御している。
The combustion gas temperature of the burner 3 fluctuates depending on the amount of the unused fuel gas supplied to the burner 3, the hydrogen content thereof, and the oxygen content in the unused air. This changes the exhaust gas energy of the burner 3 and thus changes the rotation speed of the turbine 41. In this embodiment, the amount of methanol supplied to the burner 3 is controlled in order to keep the combustion gas temperature of the burner 3 constant.

【0043】具体的には、燃料電池2の出力電流値によ
り、バーナ3に供給するメタノール量をあらかじめ決め
ておく。それにしたがって、電流検出器54によって検
出された出力電流をもとに制御装置7により信号線52
を介してメタノールポンプP4を制御して、バーナ3に
供給するメタノール量を制御する。また、負荷変動が激
しく、バーナ3の燃焼ガス温度の変動が激しい場合は、
温度検出器50によって検出された燃焼ガス温度をもと
に制御装置7により信号線52を介してメタノールポン
プP4を制御して、バーナ3に供給するメタノール量を
微調整する。
More specifically, the amount of methanol to be supplied to the burner 3 is determined in advance based on the output current value of the fuel cell 2. Accordingly, the control device 7 controls the signal line 52 based on the output current detected by the current detector 54.
To control the amount of methanol supplied to the burner 3 by controlling the methanol pump P4. When the load fluctuates greatly and the combustion gas temperature of the burner 3 fluctuates greatly,
Based on the combustion gas temperature detected by the temperature detector 50, the controller 7 controls the methanol pump P4 via the signal line 52 to finely adjust the amount of methanol supplied to the burner 3.

【0044】この結果、ターボアシストコンプレッサ4
は、設定された一定回転のときに最も効率がよくなるよ
うに設計すればよくなる。これにより、燃料電池システ
ムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ4の消
費動力はほとんど無く、燃料電池システムのネット出力
が高くなる。さらに、燃料電池2に供給する空気の圧力
や流量の制御を行わないので、応答遅れなどが解消で
き、燃料電池システムの制御が簡潔になる。
As a result, the turbo assist compressor 4
Can be designed so that the efficiency is highest at the set constant rotation. As a result, during steady operation of the fuel cell system, the turbo assist compressor 4 consumes little power and the net output of the fuel cell system increases. Furthermore, since control of the pressure and flow rate of the air supplied to the fuel cell 2 is not performed, response delay and the like can be eliminated, and control of the fuel cell system can be simplified.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上のように、本発明は、水素を含有す
る燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスの電気化学反応
により発電する燃料電池の未利用燃料ガスを燃焼させる
燃焼手段と、該燃焼手段の排ガスでタービンを回転さ
せ、その動力で前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給す
る酸化剤ガス供給手段と、前記燃焼手段に供給する可燃
性燃料を貯蔵する燃料貯蔵手段が設けられていることを
特徴とする燃料電池システムであるので、ネット出力を
高くできる。
As described above, the present invention provides a combustion means for burning unused fuel gas of a fuel cell which generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen. An oxidant gas supply means for rotating the turbine with the exhaust gas of the combustion means and supplying the oxidant gas to the fuel cell with its power, and a fuel storage means for storing a combustible fuel to be supplied to the combustion means are provided. The fuel cell system is characterized in that the net output can be increased.

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

【図1】本発明の実施例の固体高分子電解質型燃料電池
システム図
FIG. 1 is a diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…改質器 2…燃料電池 3…バーナ(燃焼手段) 4…ターボアシストコンプレッサ(酸化剤ガス供給手
段) 6…メタノールポンプ(燃料貯蔵手段、炭化水素貯蔵手
段) 7…流量制御装置(流量制御手段) 41…タービン 42…モータ 43…コンプレッサ 50…温度検出器(温度検出手段) 54…電流検出器(電流検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reformer 2 ... Fuel cell 3 ... Burner (combustion means) 4 ... Turbo assist compressor (oxidant gas supply means) 6 ... Methanol pump (fuel storage means, hydrocarbon storage means) 7 ... Flow control device (flow control) Means) 41 Turbine 42 Motor 43 Compressor 50 Temperature detector (temperature detecting means) 54 Current detector (current detecting means)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
る酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池の
未利用燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、該燃焼手段の
排ガスでタービンを回転させ、その動力で前記酸化剤ガ
スを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前
記燃焼手段に供給する可燃性燃料を貯蔵する燃料貯蔵手
段が設けられていることを特徴とする燃料電池システ
ム。
1. A combustion means for burning unused fuel gas of a fuel cell which generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen, and a turbine is rotated by exhaust gas from the combustion means. A fuel cell system comprising: an oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas to the fuel cell with the power; and a fuel storage unit that stores flammable fuel to be supplied to the combustion unit. .
【請求項2】 前記燃料電池の出力電流を検出する電流
検出手段と、前記燃焼手段の温度を検出する温度検出手
段が設けられ、前記電流検出手段、前記温度検出手段の
少なくとも一方の情報をもとに前記燃料貯蔵手段から前
記燃焼手段に供給する可燃性燃料の流量を制御する流量
制御手段が設けられていることを特徴とする請求項1記
載の燃料電池システム。
2. A fuel cell system comprising: a current detecting means for detecting an output current of the fuel cell; and a temperature detecting means for detecting a temperature of the combustion means, wherein information of at least one of the current detecting means and the temperature detecting means is also provided. 2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising a flow rate control means for controlling a flow rate of flammable fuel supplied from said fuel storage means to said combustion means.
【請求項3】 炭化水素燃料を貯蔵する炭化水素燃料貯
蔵手段と、この炭化水素貯蔵手段に貯蔵している炭化水
素燃料を改質して前記燃料ガスを製造する改質器が設け
られ、前記炭化水素貯蔵手段に貯蔵している炭化水素燃
料を前記燃焼手段に供給することを特徴とする請求項1
記載の燃料電池システム。
3. A hydrocarbon fuel storage means for storing hydrocarbon fuel, and a reformer for reforming the hydrocarbon fuel stored in the hydrocarbon storage means to produce the fuel gas, wherein: The hydrocarbon fuel stored in the hydrocarbon storage means is supplied to the combustion means.
The fuel cell system as described.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7758987B2 (en) 2004-09-07 2010-07-20 Samsung Sdi Co., Ltd. Fuel cell system
JP2010534902A (en) * 2007-07-26 2010-11-11 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト Device for recirculation of cathode gas in fuel cell unit and method for shutting down fuel cell device having fuel cell unit

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