JP2005005099A - Fuel cell system - Google Patents

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gas
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Koichi Akahori
幸一 赤堀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which reduction of combustion efficiency is suppressed. <P>SOLUTION: This system is provided with a fuel cell 3 to generate electricity using fuel gas and oxidizer gas, a mixing part 4 to mix the fuel exhaust gas from the fuel cell 3 and oxygen-containing gas, and a combustor 7 to combustion-treat the mixed gas generated in the mixing part 4 using a combustion catalyst. The combustor 7 itself is displaceably constituted continuously. Here, the combustor 7 itself is rotatably constituted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、触媒燃焼器を備えた燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池より排出された水素を含む燃料排ガスを、触媒燃焼器により燃焼処理するものが知られている。
【0003】
例えば、燃料排ガスと酸化剤排ガスと、を触媒燃焼器により燃焼して生成した燃焼排ガスを、カソードに供給する空気ラインに供給したり、燃焼排ガスを、タービン圧縮機に供給して圧縮空気を生成するものが知られている(例えば、特許文献1、参照。)。
【0004】
燃焼触媒器としては、燃料と空気とを均一に混合して燃焼触媒に供給するものが知られている。例えば、空気を供給する空気供給路と、空気供給路内に可燃性ガスの燃料を供給する燃料供給管を備える。また、空気供給管を通じて供給される空気と燃料を旋回状あるいは螺旋状の流れで運動させることによって混合する混合室と、混合室の下流に配置されこの燃料と空気の混合ガスを酸化反応させて燃焼させる燃焼触媒とを備える。燃焼触媒より上流位置に、混合ガスの流れを一旦狭めた後に拡散させて混合ガスを燃焼触媒に導入する再混合手段を設ける。これにより、混合ガスの流れが狭められる際や拡散される際に混合ガスを再混合して、混合ガスを十分に均一に混合した状態で燃焼触媒に供給している(例えば、特許文献2、参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−273701号公報
【特許文献2】
特開2000−274605号公報
【0006】
【発明が解決しようとしている問題点】
上述した燃料電池システムに用いられる燃焼触媒器においては、燃料電池から排出される燃料排ガス中の水素の濃度分布に加えて、酸化剤ガスを混合するため、混合器における混合を十分に行う必要がある。燃焼器に供給される混合ガスが不均一であると、水素濃度が高い部分で反応温度が高くなり、NOxが生成される可能性がある。さらに反応温度が高くなると触媒が劣化して酸化性能が低下する。一方、水素濃度が低い部分では安定した燃焼反応が得られにくく、水素が未処理で排出される可能性がある。
【0007】
また、燃焼反応に伴って生成された水が触媒に付着することにより、燃焼効率を低下させる可能性がある。
【0008】
そこで、本発明は、上記の問題を鑑みて、触媒燃焼器における反応効率の低下を抑制す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。
【0009】
【問題点を解決するための手段】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合器と、燃焼触媒を用いて、前記混合器において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器と、を備える。前記燃焼器自体を前記燃焼器内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成する。
【0010】
【作用及び効果】
燃焼器自体を燃焼器内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成することで、供給される際に混合ガスが燃焼器内に分配され易くすることができ、局所的に水素が高濃度となるのを抑制することができる。その結果、触媒燃焼器における反応効率の低下を抑制することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
第1の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図1に示す。
【0012】
アノードに燃料ガスとして水素ガスを、カソードに酸化剤ガスとして空気を供給することにより発電を行う燃料電池3を備える。燃料電池3のアノードに水素ガスを供給するアノード供給系として、水素を高圧状態で貯留する水素タンク1、水素タンク1から供給される水素ガスの圧力を所定圧力に調整する水素調圧弁2を備える。また、燃料電池3のカソードに空気を供給するカソード供給系として、流量を調整した空気を供給するコンプレッサ5を備える。また、燃料電池3のカソード下流側に、カソードの圧力を調整するための空気調圧弁6を備える。ここでは、後述する経路17に空気調圧弁6を備える。
【0013】
また、燃料電池3の排出系として、アノードから排出された燃料排ガスを流通する経路16、カソードから排出された酸化剤排ガスを流通する経路17を備える。また、経路16を通って供給される燃料排ガスと、経路17を通って供給される酸化剤排ガスを混合する混合部4を備える。さらに、混合部4で生成された燃料排ガスと酸化剤排ガスの混合ガスを流通する経路18と、経路18を通って供給された混合ガスを燃焼処理する燃焼器7を備える。燃焼器7としては、燃焼触媒を備えた燃焼器を用いる。
【0014】
ここで、燃料電池3から排出された燃料排ガス中の水素濃度は、不均一である可能性がある。また、燃料排ガスと酸化剤排ガスとを混合するので、混合ガス自体が不均一である可能性がある。混合ガス中の水素が不均一であると、濃度が高い部分では反応温度が高くなり、NOxが生成され、さらに触媒が劣化する可能性がある。また、濃度が低い部分では、反応が不安定となり未処理の水素が排出される可能性がある。また、燃焼触媒の温度が不均一であるため、酸化反応の有無を検出するのが困難であるという問題がある。加えて、混合ガス中に含まれた水分や、燃焼反応に伴って生成された水が、触媒に付着して反応効率が低下する可能性がある。
【0015】
そこで、燃焼器7を連続的に変位可能に構成する。ここでは、供給される混合ガスに対して燃焼器7を変位可能に構成することにより、混合ガスを分配して供給する。これにより、燃焼器7内で局所的に水素濃度が高くなるのを防ぎ、反応温度を均一化する。また、燃焼器7を連続的に変位可能に構成することにより、燃焼触媒に付着した水の少なくとも一部を除去可能とする。なお、燃焼器7を変位可能にするための構成は後述する。
【0016】
燃焼器7で生成された燃焼排ガスは、燃焼器7の下流に配置された経路19、経路20を介して外部に排出される。または、カソードに供給される空気の温度調整や、不活性ガスとして用いても良い。
【0017】
さらに、燃料電池3と燃焼器7の温度を調整する冷却系を備える。冷却系に冷却水を循環させることにより、燃料電池3及び燃焼器7の冷却を行う。冷却系としては、冷却水を循環させる冷却水ポンプ10を備える。また、冷却水の温度を調整するラジエータ9を備える。さらに、冷却水をラジエータ9に循環させるか否かを選択する三方弁8を備える。ここでは、燃焼器7から排出された冷却水を、三方弁8により、燃料電池3に循環させる経路12と、ラジエータ9に循環させる経路13とに分岐する。冷却水は、燃料電池3またはラジエータ9の一方において熱交換を行ってから再び合流し、経路14を通って燃焼器7に循環する。
【0018】
このような燃料電池システムを制御するコントローラ11を備える。燃料電池3の温度、要求負荷等に基づいて、水素調圧弁2、コンプレッサ5、空気調圧弁6、三方弁8、冷却ポンプ10への指令値を計算し、それぞれのアクチュエータを制御する。
【0019】
次に、このような燃料電池システムにおける排出系、特に混合部4と燃焼器7およびその周辺の概略構成を、図2を用いて説明する。
【0020】
ここでは、燃焼器7を、供給される混合ガスに対して、流路断面内で回転可能に構成する。このとき、燃焼器7の略中心軸を回転軸とする。例えば、燃焼器7を略円筒形状に構成し、混合ガスの流通方向に沿った中心軸が、回転の中心軸となるように構成とする。
【0021】
経路17を流通する酸化剤排ガス内の流れに、L字形状の端部を有する経路16から燃料排ガスを混入することにより混合部4を構成する。混合部4と経路18とを、経路18側が変位可能に接続する。ここでは、経路17と経路18とを、経路18側が回転可能に接続し、この接続部分を摺動部15aとする。経路18に同期して燃焼器7および経路19を回転可能に構成する。経路19と経路20とを、経路19側が回転可能に接続し、この接続部分を摺動部15bとする。つまり、混合部4から供給される混合ガスに対して、経路18、燃焼器7、経路19を回転可能に構成する。なお、摺動部15を、シール構造とすることにより、接続部分からのガス漏れを防ぐ。
【0022】
また、燃焼器7を、ケース26と触媒部25により構成する。燃焼部25に混合ガスを流通させることにより燃焼処理を行う。また、燃焼部25の外周側に、燃焼部25で生成された水の除去部である生成水除去部27を備える。ここでは、生成水除去部27を、燃焼部25とケース26との間に隙間を設けることにより構成する。なお、ケース26の形状は図2に限らず、例えば後述するような回転駆動手段の構成に応じて設計すればよい。
【0023】
燃焼器7を回転させることにより、混合ガス中の水素を触媒部25に対して分配して供給することができる。ここでは、燃焼器7を流路断面内で回転させるので、混合ガスを流路断面に分配して供給することができる。また、触媒部25で燃焼に伴って生成された水は、燃焼器7の回転に伴う遠心力により外側に移動する。これにより、生成水を触媒部25から生成水除去部27に移動させることができる。
【0024】
なお、ここには図示しないが、燃焼器7の冷却を行う燃焼器冷却系を備える。例えば、ケース26のさらに外側に、システムに対して固定された冷却水経路を備え、経路14を通って供給される冷却水を流通させることにより、触媒部25の温度調整を行う。
【0025】
次に、上述した燃焼器7の回転を行うための回転駆動手段の構成について説明する。以下、四つの構成例を示すが、この限りではない。
【0026】
回転駆動手段の構成例(第1の例)を図3に示す。
【0027】
燃焼器7の外周に沿ってギア21を固定する。また、モータ23と、モータ23に接続するギア22を備える。ギア21、22は互いに噛み合うように設置し、モータ23の回転を伝える。
【0028】
ここでは、モータ23の動力により燃焼器7を回転させる。よって、適時、燃焼器7を回転させることができる。また、燃焼器7に適切な回転数に設定することができる。
【0029】
その他の回転駆動手段の構成例(第2の例)を図4に示す。
【0030】
SRモータ30のロータ31に燃焼器7を固定する。ここでは、燃焼器7の外周にロータ31を固定する。ここではロータ31を周方向に四つに分割し、90度毎に配置する。さらにその外側に回転空隙を介して、周方向に六つに分割したステータ32を60度毎に配置する。
【0031】
ここではSRモータ30の駆動により燃焼器7の回転を調整する。よって、適時燃焼器7を回転させることができる。また、燃焼器7を適切な回転数に設定することができる。
【0032】
その他の回転駆動手段の構成例(第3の例)を図5に示す。
【0033】
燃焼器7の外周に水かき(水流ガイド)34を固定する。ここでは、略円筒形状の燃焼器7の外周に、半径方向外側に向かって伸びる水かき34を、周方向に均等に固定する。また、燃焼器7が回転するように水かき34近傍に冷却水を供給する冷却水経路35を備える。図1に示した経路14を流れる冷却水を冷却水経路35に供給し、周方向に隣り合う水かき(水流ガイド)34間に供給する。これにより、冷却水の圧力により水かき34に周方向の圧力がかかり、燃焼器7を伴って回転する。冷却水経路35を流通する冷却水流量を調整することにより、燃焼器7の回転数を制御することができる。つまり、冷却ポンプ10の負荷を調整することにより、燃焼器7の回転数を制御することができる。このとき、冷却水により燃焼器7の冷却も行われるので、前述した燃焼器冷却系を兼ねることができる。
【0034】
なお、水かき(水流ガイド)34を、半径の延長方向に伸びる形状としたがこの限りではない。例えば、水かき34を半径に対してある角度を持って形成してもよい。また、尖端を略L字形状等にしてもよい。水かき34の大きさは、要求される回転数等に応じて設計することが好ましい。
【0035】
このように構成した場合には、燃焼器7は冷却水の流通に伴って回転する。冷却系の構造により回転駆動手段を構成するので、回転駆動手段を含めて燃焼器7をコンパクトに構成することができる。また、冷却と回転を、同じ冷却水の流れにより行うことができるので、回転に伴って消費される電力を抑制することができる。
【0036】
次に、その他の回転駆動手段の構成例(第4の例)を図6に示す。
【0037】
燃焼器7の出口近傍にフィン36を備える。ここで、フィン36を、略円筒形状の燃焼器7の軸周りに放射状に取り付け、燃焼器7の出口断面に対してフィン36の平面部分が一定の角度を持つように固定する。フィン36に、燃焼器7から排出される燃焼ガスが衝突することにより回転力が生じ、燃焼器7を回転させることができる。なお、ここでは、燃焼器7の出口部分にフィン36を設けたが、入口部分に設けても同様の効果を得ることができる。
【0038】
このように構成した場合には、混合ガスを燃焼器7に供給した場合に、燃焼器7が回転する。ここでは、燃料電池3運転中には常に混合ガスが燃焼器7に供給されるため、常に燃焼器7が回転している。供給されるガスにより回転動力を得ているので、回転を行うことにより消費される電力を抑制することができる。
【0039】
上述した四つの例のいずれかの回転駆動手段を備えた燃焼器7を備え、燃焼器7に混合ガスが供給されている間は、燃焼器7を連続的に変位させる。ここでは、燃料電池3のアノードからの燃料排ガスが常に燃焼器7に供給される構成のため、水素ガス供給中には、常に燃焼器7を回転させる。
【0040】
燃料電池システム運転中には、常に回転させる。例えば、第1、2の例で示した回転駆動手段を備えた燃焼器7を用いた場合には、システムの起動信号を検知したら燃焼器7の回転を開始し、停止信号を検知して水素供給を停止後、燃焼器7の回転を停止する。常時、燃焼器7を回転させることにより、常に混合ガスを均一に供給できるとともに、触媒部25に水分が付着するのを避けることができる。
【0041】
なお、第1〜3の例に示した回転駆動手段のいずれかを備えた燃焼器7に対して、フィン36を備えても良い。フィン36を備えることで、混合ガスを燃焼器7に取り込む、または燃焼器7から燃焼排ガスを排出するのをスムーズに行うことができる。
【0042】
また、変位方向は回転方向に限らず、3次元方向の少なくともいずれかの方向に変位可能であればよい。例えば、燃焼器7内のガス流路断面に平行に変位可能に構成すると、供給される混合ガスをガス流路断面内で移動方向について分配することができる。また、軸方向に移動させることで、混合部4下流側の距離を変化させることができる。これにより、燃料排ガスの拡散の程度を変更できるので、燃焼器7の入口近傍の混合ガスの水素濃度分布を変更することができる。なお、3次元方向の少なくともいずれかに移動する場合にも、移動の方向に応じて触媒部25の外側に水が除去されるように構成するのが好ましい。
【0043】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【0044】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池3と、燃料電池3からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合部4と、燃焼触媒を用いて、混合部4において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器7と、を備える。燃焼器7自体を、燃焼器7内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成する。燃焼器7を変位させることで、供給される混合ガスが、燃焼器7内に分配して供給され易くすることができる。さらに、燃焼器7を変位可能にすることで、燃焼器7内の水分を触媒部25から除去し易くすることができる。これにより、燃焼器7における燃焼効率の低下を抑制することができる。
【0045】
ここでは、燃焼器7自体を供給される混合ガスに対して連続的に変位可能に構成することにより、混合ガス中の水素を燃焼触媒に対して分布して供給する。不均一な混合ガスが供給された場合にも、水素濃度の高いガスが特定の箇所に供給され続けるのを避けることができる。その結果、反応温度を均一化して触媒の劣化を防ぐことができる。また、反応温度を均一化することにより酸化反応の有無を検出し易くすることができる。
【0046】
また、燃焼器7自体を変位可能に構成することにより、燃焼触媒近傍の水分の少なくとも一部を除去可能に構成する。その結果、燃焼触媒に水が付着することによる効率低下を抑制することができる。
【0047】
例えば、燃焼器7自体を、三次元方向の少なくともいずれかの方向に振動可能に構成する。燃焼器7の位置を前後、左右、上下方向にずらすことで、混合ガスの水素濃度の濃い部分が燃焼器7に入る部分をずらすことができるので、一部分の燃焼触媒が劣化するのを防ぐことができる。
【0048】
または、燃焼器7自体を混合ガス流通方向の軸心周りに回転可能に構成する。これにより、燃焼器7に供給される混合ガスが不均一であっても、内部では均一化が進み、酸化反応の均一化が進む。そのため、一部分の触媒劣化を防ぐことができ、且つ、反応温度が均一化するため、燃焼器7の温度制御が容易になる。さらに回転させることで、遠心力が発生し、遠心力で触媒表面に付着した生成水や凝縮水を外側に移動させることができ、反応を生じ易くすることができる。
【0049】
燃焼器7の回転駆動源となるモータ23と、燃焼器7の外側に配置した第1ギア21と、第1ギア21と噛み合い、モータ23の回転駆動力を伝達する第2ギア22と、を備える。このように構成することで、モータ23を駆動して、燃焼器7の回転速度を極めて細かく変動させることができる。
【0050】
または、燃焼器7の周囲に固定した水かき(水流ガイド)34と、水かき34を含めた燃焼器7の外周に沿って冷媒を流通する冷却水経路35と、を備える。これにより、冷却水が流れる力を利用して燃焼器7を回転させることにより、冷却と回転とを同一の構成で行うことができ、燃焼器7をコンパクト化することができる。
【0051】
または、モータ30のロータ31部分に燃焼器7を組み込むことにより、燃焼器7を回転可能に構成する。このように構成することで、モータ23を駆動して、燃焼器7の回転速度を極めて細かく変動させることができる。また、燃焼器7と回転機構(モータ30)を一体化して小型化することができる
または、燃焼器7の入口または出口にフィン36を備え、燃焼器7に流れ込む混合ガス、または、燃焼器7から流れ出す燃焼排ガスの力で燃焼器7を回転可能に構成する。フィン36を配することで、流れ込んでくる混合ガスの力、または燃焼器7により排出されるガスの力によって燃焼器7が回転するので、回転駆動手段を小型化することができる。
【0052】
なお、第1〜3の回転駆動手段において、燃焼7の入口または出口にフィン36を備え、フィン36を、燃焼器7と同期して回転させる。これにより、燃焼器7に混合ガスを押し込む、または吸い出す効果が得られ、圧損が小さくなる。
【0053】
ここでは、燃料電池システムが作動している間、燃焼器7を連続的に変位させる。その結果、常に混合ガスの均一化を促すため、燃焼反応が安定する。また、一部で水素濃度が低くなることで反応が停止してしまう、逆に、濃度が濃くなることで反応熱が大きくなり触媒が劣化するのを抑制することができる。また常時生成水を外側へ移動させることができ、生成水が触媒に付着して燃焼反応を妨げるのを防ぐことができる。
【0054】
次に、第2の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図7に示す。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【0055】
燃料電池3のアノード側に、循環流路50を備える。アノードから排出された燃料排ガスを、循環流路50を通って再度燃料電池3に供給する。また、循環流路50を循環する燃料ガスを、パージ弁51を介して混合部4に選択的に供給可能に構成する。ここでは循環流路50に接続された経路16にパージ弁51を備え、パージ弁51を開とすることで、アノード内の燃料ガスをパージ可能とする。
【0056】
運転時にアノードに窒素が移動して溜まることにより、燃料電池3における反応効率が低下する。これを防ぐために、適時アノードをパージすることにより、アノードにおける水素ガス濃度を回復させて効率を維持する。
【0057】
また、燃焼器7内の酸化反応を検出する酸化反応検出手段を備える。ここでは、酸化反応検出手段として、触媒部25に水素濃度センサ28を備える。
【0058】
次に、このような構成の燃料電池システムにおける燃焼器7の回転の制御方法について説明する。なお、ここで用いる燃焼器7としては、例えば第1、第2の例で示した回転駆動手段を備えた燃焼器を用いる。
【0059】
混合ガスを供給する直前に燃焼器7の回転数を上げる。ここでは、パージ51が閉の場合には燃焼器7の回転を停止する。アノードのパージを要求する信号を検知したら、または、アノードのパージが要求されることが予測されたら、燃焼器7の回転を開始する。第1の回転駆動手段を用いた場合にはモータ23を、第2の回転駆動手段を用いた場合にはSRモータ30を駆動することにより、燃焼器7の回転を行う。このように、燃焼器7に混合ガスが供給される直前に燃焼器7の回転を開始する。
【0060】
なお、パージ51が閉の場合には燃焼器7の回転数を抑制し、混合ガスが供給される直前に回転数を上げても良い。この場合には、第1〜4の例で示したいずれの回転駆動手段を用いた場合にも適用することができる。例えば、第3の例で示した回転駆動手段を用いた場合には、燃料電池3を循環する冷却水温度を、燃料電池3の運転温度に設定しておく。アノードのパージを要求する信号を検知したら、または、アノードのパージが予測される際に、冷却ポンプ10の負荷を増大することにより冷却水流量が増大する。これにより、冷却水経路35に流れ込む冷却水流量を増大することができるので、燃焼器7の回転数を増大することができる。
【0061】
また、第4の例で示した回転駆動手段を用いた場合には、通常時には酸化剤排ガスにより燃焼器7が回転する。アノ−ドのパージを要求する信号、または、アノードのパージが予測された際には、燃料電池3に供給される酸化剤ガス流量を増大する。なお、この場合には、空気調圧弁6によりカソードの圧力を一定に保つ必要がある。
【0062】
または、第4の例で示した回転駆動手段において、燃焼器7に用いる酸化剤として空気を用いても良い。この場合には、例えば、図示しないコンプレッサ等を備えることにより、燃焼器7に供給するガス流量を変化させることができ、ひいては燃焼器7の回転数を制御することができる。このような構成とした場合には、上述したように、通常時には停止または低速の回転を行い、パージが行われる直前に回転数を上げることができる。
【0063】
このように、混合ガスを供給する直前に燃焼器7の回転数を上げることにより、混合ガスが供給される前に触媒部25の触媒表面の水を除去できるので、燃焼器7に供給された混合ガスの燃焼を速やかに開始することができる。また、通常時には回転を停止し、混合ガスを供給する直前に燃焼器7の回転数を上げることにより、回転に伴う電力消費を抑制することができる。または、通常時には回転数を抑制し、混合ガスを供給する直前に燃焼器7の回転数を上げることにより、回転に伴う電力消費を低減できるとともに、反応性よく燃焼器7の回転を制御することができる。
【0064】
また、回転開始後、燃焼器7内において酸化反応が検知されたら、回転を停止する。
【0065】
ここでは、水素濃度センサ28により、燃焼器7内で酸化反応が生じているか否かを判断する。燃焼器7に不均一な混合ガスが入ってきても、一旦燃焼器7内で化学反応が均一に起これば、安定して反応が進む。そこで、燃焼器7内部で化学反応が起こったことを確認した後に回転を止めることにより、燃焼器7を回転させるためのエネルギを節約することができる。
【0066】
なお、パージにより混合ガスが供給される時間が長い場合など、酸化反応により触媒部25が局所的に高温となる可能性がある場合には、混合ガス供給中には燃焼器7を回転させることが好ましい。この場合には、パージ弁51を閉としたら、または、パージ弁51を閉としてから所定時間経過したら、回転を停止または抑制する。
【0067】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0068】
燃焼器7に混合ガスを供給する直前に、燃焼器7の変位を大きくする。ここでは、燃焼器7に混合ガスを供給する直前に回転速度を上げる。これにより、触媒表面の水を外側に移動させることができる。よって、触媒に付着した水の少なくとも一部を除去して、燃焼触媒と混合ガスとの接触面積を確保することができるので、速やかに酸化反応を開始することができる。
【0069】
燃焼器7における酸化反応の有無を検出する酸化反応検出手段を備える。ここでは、水素濃度センサ28を備える。酸化反応が検出されたら、燃焼器7を停止させる。不均一な混合ガスが入ってきても、一旦、燃焼器7内部で酸化反応が均一に起こってしまったら安定して反応が進む。そこで、燃焼器7内部で酸化反応が起こったことを確認したら、燃焼器7の回転を止める。これにより、未反応の水素を排出することを避けつつ、燃焼器7の回転により消費されるエネルギを抑制することができる。
【0070】
なお、図7に示すような燃料電池システムにおいても、パージを行う間隔が短い場合などには、第1の実施形態と同様に常時燃焼器7の回転を維持するように制御してもよい。
【0071】
次に、第3の実施形態について説明する。ここでは第1の実施形態に用いた燃料電池システムを用いて説明するが、第2の実施形態に用いた燃料電池システムに温度センサ29を備えた場合ついても同様に制御することができる。以下、第1の実施形態と異なる部分を中心に説明する。なお、第1〜4の例に示したいずれの回転駆動手段を備えた燃焼器7を用いてもよい。
【0072】
燃焼器7の回転を、発電停止、または、水素ガスの供給停止と同時に停止する。所定時間経過後に、一時的に燃焼器7を回転させる。
【0073】
発電停止または水素ガスの供給停止後、暫くすると、混合ガス内の水素が無くなり触媒反応が停止する。その後、触媒部25内の温度が低くなると、燃焼部25内の水分を含んだ混合ガスから凝縮水が生成される。これが触媒部25の触媒表面に付着することにより、次に燃焼反応を開始する際に、反応速度が低下する。そこで、発電停止または水素ガスの供給が停止して、例えば凝縮水が生成される所定時間経過後に、一時的に燃焼器7を回転させる。これにより、触媒部25内の凝縮水を遠心力により外側に移動させることができ、次回の燃焼反応を速やかに開始できる。
【0074】
または、燃焼器7の回転を、発電停止、または、水素ガス供給停止と同時に停止して、燃焼器7内の温度が下がったら、一時的に燃焼器7を回転させてもよい。
【0075】
ここでは、燃焼器7内の温度を検出する温度センサ29を備える。燃焼器7内の温度が所定温度以下、例えば、水の凝縮温度以下となったら触媒部25内で凝縮水が生成される。そこで、燃焼器7を回転させることにより、遠心力により凝縮水を外側、ここでは生成水除去部27に移動させる。その結果、触媒部25内に凝縮水が付着するのを避けることができ、次回の燃焼反応の開始を速やかに行うことができる。
【0076】
なお、第1、2の例で示した回転駆動手段を用いる場合には、燃料電池システム停止後、適時にモータ23またはSRモータ30に電力を供給することにより、燃焼器7の回転を行う。第3の例に示した回転駆動手段を用いる場合には、燃料電池システム停止後、適時に冷却ポンプ10の駆動を行うことにより冷却水を流通させて、燃焼器7を回転させる。さらに、第4の例に示した回転駆動手段を用いる場合には、燃料電池システム停止後、適時にコンプレッサ5を駆動することにより空気を流通させて、燃焼器7を回転させる。
【0077】
なお、ここでは燃焼器7の回転としたが、この限りではない。燃焼器7を変位させることにより、燃焼器7内の凝縮水を除去できる構成であればよい。例えば、三方向に変位可能に構成してもよい。上述したように、発電または水素供給停止後に一時的に変位させることで、次回の燃焼反応の開始をスムーズに行うことができる。
【0078】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1および第2実施形態と異なる効果のみを説明する。
【0079】
発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止して、所定時間経過後に、一時的に燃焼器7を変動させる。これにより、燃焼触媒に付着した水の少なくとも一部を除去することができ、次回燃焼器7に混合ガスを供給したときに、酸化反応を速やかに開始することができる。ここでは、発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止して、所定時間経過後に、一時的に燃焼器7を回転させる。これにより、遠心力により水分が燃焼部25の外側に除去されるので、次回の酸化反応を速やかに開始することができる。
【0080】
燃焼器7の温度を検出する温度センサ29を備え、発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止した後、燃焼器7の温度が所定温度まで低下したら、一時的に燃焼器7を変位させる。これにより、燃焼触媒に付着した水の少なくとも一部を除去することができ、次回燃焼器7に混合ガスを供給したときに、酸化反応を速やかに開始することができる。このとき、触媒部25に凝縮水が付着していると予測される場合のみに、燃焼器7を変動させることになるので、変位に伴う電力消費を抑制することができる。ここでは、所定温度まで低下したところで燃焼器7を一時的に回転させる。これにより、遠心力により、水分の少なくとも一部を除去することができる。
【0081】
次に、第4の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第1の実施形態と同様とする。ただし、燃焼器7およびその周辺の構成を図8に示す。
【0082】
燃焼器7の軸方向が略垂直方向となるように配置する。言い換えれば、燃焼器7内を混合ガスが略垂直方向に流通するように配置する。ここでは、入口側を下方に、出口側を上方に配置する。また、ケース26を経路18まで伸ばす。これにより、ケース26と触媒部25との間にできる間隙である生成水除去部27は、ケース26と経路18との間の間隙まで延長される。ここでは特に、生成水除去部27が摺動部15aまで覆うように構成する。これにより、燃焼器7で生成された生成水・凝縮水は、経路17と経路18の接続部である摺動部15a近傍に溜められる。このように固定部と、燃焼器7を含む可動部との混合ガス入口側の接続部、ここでは摺動部15aを水で覆うように構成する。この溜まった水により摺動部15aのシール性を確保することができ、燃焼器7に供給される水素を含んだ混合ガスが漏洩するのを防ぐことができる。
【0083】
なお、本実施形態の燃焼器7の概略構成は、第1〜第3のいずれの実施形態に用いた燃料電池システムにも適用することができる。さらに、回転のみではなく、三方向の少なくともいずれかに変位可能な構成の燃料電池システムに適用してもよい。
【0084】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第1〜3の実施形態に示した効果のいずれとも異なるもののみを説明する。
【0085】
燃焼器7内を、混合ガスが略垂直方向に流通するように構成する。温度低下による凝縮水、反応に伴う生成水が重力に従い下側に移動していくので、触媒部25の触媒表面に付着する水を排除することができる。
【0086】
また、燃焼器7内を、混合ガスが略下から上に向かって流通するように構成する。システムに対して固定された固定部と、システムに対して変位可能に構成された少なくとも燃焼器7を含む可動部と、の接続部のうち、下側に配置された接続部(摺動部15a)近傍に、燃焼器7で生成された水を溜める生成水除去部27を備える。これにより、摺動部15aを水で覆いシールすることができ、水素を含むガスが外部に漏れるのを防ぐことができる。
【0087】
なお、上記実施の形態においては、燃焼器7における燃焼反応に酸化剤排ガスを用いているがこの限りではない。また、混合器4として、経路17を流れる酸化剤排ガス中に経路16を流れる燃料排ガスを混入する構成としたが、この限りではなく、酸化剤排ガスと燃料排ガスが混合される構成であればよい。
【0088】
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】第1の実施形態に用いる混合部および燃焼器周辺の構成図である。
【図3】第1の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例(第1の例)を示す図である。
【図4】第1の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例(第2の例)を示す図である。
【図5】第1の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例(第3の例)を示す図である。
【図6】第1の実施形態に用いる回転駆動手段の構成例(第4の例)を示す図である。
【図7】第2の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図8】第4の実施形態に用いる混合部および燃焼器周辺の構成図である。
【符号の説明】
3 燃料電池
4 混合部
7 燃焼器(燃焼部)
15 摺動部(接続部)
21 第1ギア
22 第2ギア
23 モータ
25 触媒部
27 生成水除去部
28 水素濃度センサ(酸化反応検出手段)
29 温度センサ(温度検出手段)
30 モータ
31 ロータ
34 水かき(水流ガイド)
35 冷却水経路(冷媒流路)
36 フィン
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a fuel cell system. In particular, the present invention relates to a fuel cell system provided with a catalytic combustor.
[0002]
[Prior art]
As a conventional fuel cell system, a fuel exhaust system containing hydrogen discharged from a fuel cell is known to be combusted by a catalytic combustor.
[0003]
For example, combustion exhaust gas generated by burning fuel exhaust gas and oxidant exhaust gas with a catalytic combustor is supplied to an air line that supplies the cathode, or combustion exhaust gas is supplied to a turbine compressor to generate compressed air. (See, for example, Patent Document 1).
[0004]
As a combustion catalyst device, a device in which fuel and air are uniformly mixed and supplied to the combustion catalyst is known. For example, an air supply path for supplying air and a fuel supply pipe for supplying fuel of combustible gas in the air supply path are provided. Also, a mixing chamber that mixes the air and fuel supplied through the air supply pipe by moving in a swirling or spiral flow, and an oxidation reaction of the mixed gas of fuel and air that is arranged downstream of the mixing chamber. And a combustion catalyst for burning. A remixing means for introducing the mixed gas into the combustion catalyst by narrowing the flow of the mixed gas and then diffusing it is provided upstream of the combustion catalyst. Thereby, when the flow of the mixed gas is narrowed or diffused, the mixed gas is remixed and supplied to the combustion catalyst in a sufficiently uniform mixed state (for example, Patent Document 2, reference.).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-273701
[Patent Document 2]
JP 2000-274605 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the combustion catalyst used in the fuel cell system described above, in addition to the concentration distribution of hydrogen in the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell, the oxidant gas is mixed, and therefore it is necessary to sufficiently mix in the mixer. is there. If the mixed gas supplied to the combustor is non-uniform, the reaction temperature becomes high at a portion where the hydrogen concentration is high, and NOx may be generated. Further, when the reaction temperature becomes higher, the catalyst is deteriorated and the oxidation performance is lowered. On the other hand, in a portion where the hydrogen concentration is low, it is difficult to obtain a stable combustion reaction, and hydrogen may be discharged untreated.
[0007]
Moreover, the water produced | generated with combustion reaction adheres to a catalyst, and there exists a possibility of reducing combustion efficiency.
[0008]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing a decrease in reaction efficiency in a catalytic combustor.
[0009]
[Means for solving problems]
Produced in the mixer using a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, a mixer that mixes a fuel exhaust gas from the fuel cell and an oxygen-containing gas, and a combustion catalyst A combustor that combusts the mixed gas. The combustor itself is configured to be continuously displaceable so as to reduce the deviation of the mixed gas or generated water in the combustor.
[0010]
[Action and effect]
By configuring the combustor itself to be continuously displaceable so as to reduce the bias of the mixed gas or generated water in the combustor, the mixed gas can be easily distributed into the combustor when supplied, It can suppress that hydrogen becomes high concentration locally. As a result, a decrease in reaction efficiency in the catalytic combustor can be suppressed.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The configuration of the fuel cell system used in the first embodiment is shown in FIG.
[0012]
A fuel cell 3 is provided that generates power by supplying hydrogen gas as a fuel gas to an anode and air as an oxidant gas to a cathode. As an anode supply system for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell 3, a hydrogen tank 1 for storing hydrogen in a high pressure state and a hydrogen pressure regulating valve 2 for adjusting the pressure of the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 1 to a predetermined pressure are provided. . In addition, as a cathode supply system that supplies air to the cathode of the fuel cell 3, a compressor 5 that supplies air whose flow rate is adjusted is provided. An air pressure regulating valve 6 for adjusting the cathode pressure is provided on the cathode downstream side of the fuel cell 3. Here, the air pressure regulating valve 6 is provided in the path 17 described later.
[0013]
Further, as a discharge system of the fuel cell 3, a path 16 through which the fuel exhaust gas discharged from the anode flows and a path 17 through which the oxidant exhaust gas discharged from the cathode flow are provided. Moreover, the mixing part 4 which mixes the fuel exhaust gas supplied through the path | route 16, and the oxidizing agent exhaust gas supplied through the path | route 17 is provided. Further, a path 18 through which the mixed gas of the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas generated by the mixing unit 4 is circulated, and a combustor 7 that combusts the mixed gas supplied through the path 18 are provided. As the combustor 7, a combustor provided with a combustion catalyst is used.
[0014]
Here, the hydrogen concentration in the fuel exhaust gas discharged from the fuel cell 3 may be uneven. Moreover, since the fuel exhaust gas and the oxidant exhaust gas are mixed, the mixed gas itself may be non-uniform. If the hydrogen in the mixed gas is not uniform, the reaction temperature becomes high at a portion where the concentration is high, NOx is generated, and the catalyst may further deteriorate. In addition, in a portion where the concentration is low, the reaction becomes unstable and untreated hydrogen may be discharged. Moreover, since the temperature of the combustion catalyst is non-uniform, there is a problem that it is difficult to detect the presence or absence of an oxidation reaction. In addition, moisture contained in the mixed gas and water generated in association with the combustion reaction may adhere to the catalyst and reduce the reaction efficiency.
[0015]
Therefore, the combustor 7 is configured to be continuously displaceable. Here, the combustor 7 is configured to be displaceable with respect to the supplied mixed gas, whereby the mixed gas is distributed and supplied. Thereby, it is prevented that the hydrogen concentration is locally increased in the combustor 7, and the reaction temperature is made uniform. Further, by composing the combustor 7 so as to be continuously displaceable, at least a part of the water adhering to the combustion catalyst can be removed. A configuration for enabling displacement of the combustor 7 will be described later.
[0016]
The combustion exhaust gas generated by the combustor 7 is discharged to the outside through a path 19 and a path 20 disposed downstream of the combustor 7. Or you may use as temperature adjustment of the air supplied to a cathode, or an inert gas.
[0017]
Further, a cooling system for adjusting the temperature of the fuel cell 3 and the combustor 7 is provided. By cooling the cooling water through the cooling system, the fuel cell 3 and the combustor 7 are cooled. As the cooling system, a cooling water pump 10 for circulating the cooling water is provided. Moreover, the radiator 9 which adjusts the temperature of cooling water is provided. Furthermore, a three-way valve 8 for selecting whether or not to circulate the cooling water to the radiator 9 is provided. Here, the coolant discharged from the combustor 7 is branched by the three-way valve 8 into a path 12 for circulating to the fuel cell 3 and a path 13 for circulating to the radiator 9. The cooling water exchanges heat in one of the fuel cell 3 and the radiator 9 and then merges again, and circulates through the path 14 to the combustor 7.
[0018]
A controller 11 for controlling such a fuel cell system is provided. Based on the temperature, required load, etc. of the fuel cell 3, command values to the hydrogen pressure regulating valve 2, the compressor 5, the air pressure regulating valve 6, the three-way valve 8, and the cooling pump 10 are calculated, and the respective actuators are controlled.
[0019]
Next, a schematic configuration of the exhaust system in such a fuel cell system, in particular, the mixing unit 4, the combustor 7, and the periphery thereof will be described with reference to FIG.
[0020]
Here, the combustor 7 is configured to be rotatable within the cross section of the flow path with respect to the supplied mixed gas. At this time, the substantially central axis of the combustor 7 is set as the rotation axis. For example, the combustor 7 is configured in a substantially cylindrical shape, and the central axis along the flow direction of the mixed gas is configured to be the central axis of rotation.
[0021]
The mixing unit 4 is configured by mixing the fuel exhaust gas from the path 16 having an L-shaped end into the flow in the oxidant exhaust gas flowing through the path 17. The mixing unit 4 and the path 18 are connected so that the path 18 side can be displaced. Here, the path 17 and the path 18 are connected so as to be rotatable on the path 18 side, and this connection portion is referred to as a sliding portion 15a. The combustor 7 and the path 19 are configured to be rotatable in synchronization with the path 18. The path 19 and the path 20 are connected so that the path 19 side can rotate, and this connection portion is referred to as a sliding portion 15b. That is, the path 18, the combustor 7, and the path 19 are configured to be rotatable with respect to the mixed gas supplied from the mixing unit 4. In addition, the sliding part 15 is made into the seal structure, and the gas leak from a connection part is prevented.
[0022]
Further, the combustor 7 includes a case 26 and a catalyst unit 25. Combustion processing is performed by circulating the mixed gas through the combustion section 25. Further, a generated water removing unit 27 that is a removing unit of water generated by the burning unit 25 is provided on the outer peripheral side of the burning unit 25. Here, the generated water removal unit 27 is configured by providing a gap between the combustion unit 25 and the case 26. The shape of the case 26 is not limited to that shown in FIG.
[0023]
By rotating the combustor 7, hydrogen in the mixed gas can be distributed and supplied to the catalyst unit 25. Here, since the combustor 7 is rotated within the cross section of the flow path, the mixed gas can be distributed and supplied to the cross section of the flow path. Moreover, the water produced | generated with combustion in the catalyst part 25 moves outside by the centrifugal force accompanying rotation of the combustor 7. Thereby, the produced water can be moved from the catalyst unit 25 to the produced water removing unit 27.
[0024]
Although not shown here, a combustor cooling system for cooling the combustor 7 is provided. For example, a cooling water path fixed to the system is provided on the outer side of the case 26, and the temperature of the catalyst unit 25 is adjusted by circulating the cooling water supplied through the path 14.
[0025]
Next, the structure of the rotation drive means for rotating the combustor 7 described above will be described. In the following, four configuration examples are shown, but this is not restrictive.
[0026]
A configuration example (first example) of the rotation driving means is shown in FIG.
[0027]
The gear 21 is fixed along the outer periphery of the combustor 7. Moreover, the motor 23 and the gear 22 connected to the motor 23 are provided. The gears 21 and 22 are installed so as to mesh with each other and transmit the rotation of the motor 23.
[0028]
Here, the combustor 7 is rotated by the power of the motor 23. Therefore, the combustor 7 can be rotated at an appropriate time. Moreover, it can set to the rotation speed appropriate for the combustor 7.
[0029]
FIG. 4 shows another configuration example (second example) of the rotation driving means.
[0030]
The combustor 7 is fixed to the rotor 31 of the SR motor 30. Here, the rotor 31 is fixed to the outer periphery of the combustor 7. Here, the rotor 31 is divided into four in the circumferential direction and arranged every 90 degrees. Furthermore, the stator 32 divided into six in the circumferential direction is arranged every 60 degrees via a rotation gap on the outside thereof.
[0031]
Here, the rotation of the combustor 7 is adjusted by driving the SR motor 30. Therefore, the combustor 7 can be rotated in a timely manner. Further, the combustor 7 can be set to an appropriate rotation speed.
[0032]
FIG. 5 shows another configuration example (third example) of the rotation driving means.
[0033]
A water web (water flow guide) 34 is fixed to the outer periphery of the combustor 7. Here, a web 34 extending outward in the radial direction is fixed uniformly on the outer periphery of the substantially cylindrical combustor 7 in the circumferential direction. In addition, a cooling water passage 35 is provided for supplying cooling water to the vicinity of the web 34 so that the combustor 7 rotates. The cooling water flowing through the path 14 shown in FIG. 1 is supplied to the cooling water path 35 and supplied between the webs (water flow guides) 34 adjacent in the circumferential direction. Thereby, the circumferential pressure is applied to the web 34 by the pressure of the cooling water, and the combustor 7 rotates. The rotational speed of the combustor 7 can be controlled by adjusting the flow rate of the cooling water flowing through the cooling water path 35. That is, the rotational speed of the combustor 7 can be controlled by adjusting the load of the cooling pump 10. At this time, the combustor 7 is also cooled by the cooling water, so that it can also serve as the above-described combustor cooling system.
[0034]
In addition, although the water web (water flow guide) 34 has a shape extending in the extending direction of the radius, the present invention is not limited to this. For example, the web 34 may be formed at an angle with respect to the radius. Further, the tip may be formed in an approximately L shape. The size of the web 34 is preferably designed according to the required number of rotations.
[0035]
In such a configuration, the combustor 7 rotates with the circulation of the cooling water. Since the rotation driving means is configured by the structure of the cooling system, the combustor 7 including the rotation driving means can be configured compactly. Moreover, since cooling and rotation can be performed by the same flow of cooling water, electric power consumed with rotation can be suppressed.
[0036]
Next, FIG. 6 shows a configuration example (fourth example) of other rotation driving means.
[0037]
Fins 36 are provided in the vicinity of the outlet of the combustor 7. Here, the fins 36 are attached radially around the axis of the substantially cylindrical combustor 7 and fixed so that the planar portion of the fins 36 has a certain angle with respect to the exit cross section of the combustor 7. When the combustion gas discharged from the combustor 7 collides with the fin 36, a rotational force is generated, and the combustor 7 can be rotated. Here, the fin 36 is provided at the outlet portion of the combustor 7, but the same effect can be obtained even when provided at the inlet portion.
[0038]
In such a configuration, when the mixed gas is supplied to the combustor 7, the combustor 7 rotates. Here, since the mixed gas is always supplied to the combustor 7 during operation of the fuel cell 3, the combustor 7 is always rotating. Since the rotational power is obtained by the supplied gas, the electric power consumed by the rotation can be suppressed.
[0039]
The combustor 7 including any one of the four examples described above is provided, and the combustor 7 is continuously displaced while the mixed gas is supplied to the combustor 7. Here, since the fuel exhaust gas from the anode of the fuel cell 3 is always supplied to the combustor 7, the combustor 7 is always rotated during the hydrogen gas supply.
[0040]
It is always rotated during operation of the fuel cell system. For example, in the case of using the combustor 7 provided with the rotation driving means shown in the first and second examples, the rotation of the combustor 7 is started when the system start signal is detected, and the stop signal is detected to detect hydrogen. After stopping the supply, the rotation of the combustor 7 is stopped. By always rotating the combustor 7, it is possible to always supply the mixed gas uniformly and to prevent moisture from adhering to the catalyst unit 25.
[0041]
In addition, you may provide the fin 36 with respect to the combustor 7 provided with either of the rotational drive means shown to the 1st-3rd example. By providing the fins 36, the mixed gas can be taken into the combustor 7 or the combustion exhaust gas can be discharged smoothly from the combustor 7.
[0042]
Further, the displacement direction is not limited to the rotation direction, and may be any displacement in at least one of the three-dimensional directions. For example, if it is configured to be displaceable parallel to the gas flow path cross section in the combustor 7, the supplied mixed gas can be distributed in the movement direction in the gas flow path cross section. Moreover, the distance of the mixing part 4 downstream side can be changed by moving to an axial direction. Thereby, since the degree of diffusion of the fuel exhaust gas can be changed, the hydrogen concentration distribution of the mixed gas in the vicinity of the inlet of the combustor 7 can be changed. In addition, when moving to at least one of the three-dimensional directions, it is preferable that water is removed outside the catalyst unit 25 in accordance with the moving direction.
[0043]
Next, the effect of this embodiment will be described.
[0044]
Produced in the mixing unit 4 using a fuel cell 3 that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, a mixing unit 4 that mixes a fuel exhaust gas from the fuel cell 3 and an oxygen-containing gas, and a combustion catalyst And a combustor 7 for subjecting the mixed gas to combustion treatment. The combustor 7 itself is configured to be continuously displaceable so as to reduce the deviation of the mixed gas or generated water in the combustor 7. By displacing the combustor 7, the supplied mixed gas can be easily distributed and supplied into the combustor 7. Furthermore, by making the combustor 7 displaceable, moisture in the combustor 7 can be easily removed from the catalyst portion 25. Thereby, the fall of the combustion efficiency in the combustor 7 can be suppressed.
[0045]
Here, the combustor 7 itself is configured to be continuously displaceable with respect to the supplied mixed gas, whereby hydrogen in the mixed gas is distributed and supplied to the combustion catalyst. Even when a non-uniform mixed gas is supplied, it is possible to avoid a gas having a high hydrogen concentration from being continuously supplied to a specific location. As a result, the reaction temperature can be made uniform to prevent catalyst deterioration. In addition, the presence or absence of an oxidation reaction can be easily detected by making the reaction temperature uniform.
[0046]
Further, the combustor 7 itself is configured to be displaceable so that at least a part of the moisture in the vicinity of the combustion catalyst can be removed. As a result, efficiency reduction due to water adhering to the combustion catalyst can be suppressed.
[0047]
For example, the combustor 7 itself is configured to vibrate in at least one of the three-dimensional directions. By shifting the position of the combustor 7 in the front-back, left-right, and up-down directions, the portion where the hydrogen concentration of the mixed gas enters the combustor 7 can be shifted, so that a part of the combustion catalyst is prevented from deteriorating. Can do.
[0048]
Or combustor 7 itself is comprised so that rotation around the axial center of a mixed gas distribution direction is possible. Thereby, even if the mixed gas supplied to the combustor 7 is non-uniform, the homogenization progresses inside and the oxidation reaction progresses. Therefore, a part of the catalyst can be prevented from being deteriorated and the reaction temperature is made uniform, so that the temperature control of the combustor 7 becomes easy. By further rotating, a centrifugal force is generated, and generated water and condensed water adhering to the catalyst surface by the centrifugal force can be moved to the outside, and a reaction can be easily generated.
[0049]
A motor 23 serving as a rotational drive source for the combustor 7, a first gear 21 disposed outside the combustor 7, and a second gear 22 that meshes with the first gear 21 and transmits the rotational drive force of the motor 23. Prepare. With this configuration, the motor 23 can be driven to vary the rotational speed of the combustor 7 very finely.
[0050]
Alternatively, a water web (water flow guide) 34 fixed around the combustor 7 and a cooling water path 35 through which the refrigerant flows along the outer periphery of the combustor 7 including the water web 34 are provided. Thereby, by rotating the combustor 7 using the force through which the cooling water flows, cooling and rotation can be performed with the same configuration, and the combustor 7 can be made compact.
[0051]
Alternatively, the combustor 7 is configured to be rotatable by incorporating the combustor 7 into the rotor 31 portion of the motor 30. With this configuration, the motor 23 can be driven to vary the rotational speed of the combustor 7 very finely. Further, the combustor 7 and the rotation mechanism (the motor 30) can be integrated and miniaturized.
Alternatively, the fins 36 are provided at the inlet or the outlet of the combustor 7, and the combustor 7 is configured to be rotatable by the force of the mixed gas flowing into the combustor 7 or the combustion exhaust gas flowing out from the combustor 7. By disposing the fins 36, the combustor 7 is rotated by the force of the mixed gas flowing in or the force of the gas discharged by the combustor 7, so that the rotation driving means can be reduced in size.
[0052]
In the first to third rotation driving means, fins 36 are provided at the inlet or outlet of the combustion 7, and the fins 36 are rotated in synchronization with the combustor 7. Thereby, the effect of pushing or sucking the mixed gas into the combustor 7 is obtained, and the pressure loss is reduced.
[0053]
Here, the combustor 7 is continuously displaced while the fuel cell system is operating. As a result, the combustion reaction is stabilized because the mixed gas is always made uniform. Moreover, it can suppress that reaction stops because the hydrogen concentration becomes low in part, and conversely, the reaction heat increases and the catalyst deteriorates when the concentration becomes high. Further, the produced water can be constantly moved to the outside, and the produced water can be prevented from adhering to the catalyst and hindering the combustion reaction.
[0054]
Next, a second embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.
[0055]
A circulation channel 50 is provided on the anode side of the fuel cell 3. The fuel exhaust gas discharged from the anode is supplied again to the fuel cell 3 through the circulation channel 50. Further, the fuel gas circulating through the circulation channel 50 can be selectively supplied to the mixing unit 4 via the purge valve 51. Here, the purge valve 51 is provided in the path 16 connected to the circulation flow path 50, and the purge valve 51 is opened so that the fuel gas in the anode can be purged.
[0056]
Nitrogen moves and accumulates at the anode during operation, thereby reducing the reaction efficiency in the fuel cell 3. In order to prevent this, by purging the anode in a timely manner, the hydrogen gas concentration at the anode is restored to maintain efficiency.
[0057]
Further, an oxidation reaction detection means for detecting an oxidation reaction in the combustor 7 is provided. Here, the hydrogen concentration sensor 28 is provided in the catalyst unit 25 as an oxidation reaction detecting means.
[0058]
Next, a method for controlling the rotation of the combustor 7 in the fuel cell system having such a configuration will be described. In addition, as the combustor 7 used here, for example, the combustor provided with the rotation driving means shown in the first and second examples is used.
[0059]
Immediately before supplying the mixed gas, the rotational speed of the combustor 7 is increased. Here, when the purge 51 is closed, the rotation of the combustor 7 is stopped. When a signal requesting the purge of the anode is detected, or when it is predicted that the purge of the anode is required, the rotation of the combustor 7 is started. The combustor 7 is rotated by driving the motor 23 when the first rotation driving means is used and driving the SR motor 30 when the second rotation driving means is used. Thus, rotation of the combustor 7 is started immediately before the mixed gas is supplied to the combustor 7.
[0060]
When the purge 51 is closed, the rotational speed of the combustor 7 may be suppressed and the rotational speed may be increased immediately before the mixed gas is supplied. In this case, the present invention can be applied to any of the rotation driving means shown in the first to fourth examples. For example, when the rotational drive means shown in the third example is used, the cooling water temperature circulating through the fuel cell 3 is set to the operating temperature of the fuel cell 3. When a signal requesting the purge of the anode is detected, or when the purge of the anode is predicted, the cooling water flow rate is increased by increasing the load of the cooling pump 10. Thereby, since the flow volume of the cooling water which flows into the cooling water path | route 35 can be increased, the rotation speed of the combustor 7 can be increased.
[0061]
Further, when the rotation driving means shown in the fourth example is used, the combustor 7 is rotated by the oxidant exhaust gas at the normal time. When an anodic purge request signal or an anode purge is predicted, the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell 3 is increased. In this case, it is necessary to keep the cathode pressure constant by the air pressure regulating valve 6.
[0062]
Alternatively, air may be used as the oxidant used in the combustor 7 in the rotation driving means shown in the fourth example. In this case, for example, by providing a compressor or the like (not shown), the flow rate of the gas supplied to the combustor 7 can be changed, and thus the rotational speed of the combustor 7 can be controlled. In the case of such a configuration, as described above, it is possible to stop or rotate at a low speed in normal times, and to increase the rotational speed immediately before purge is performed.
[0063]
Thus, by increasing the rotational speed of the combustor 7 immediately before supplying the mixed gas, water on the catalyst surface of the catalyst unit 25 can be removed before the mixed gas is supplied. Combustion of the mixed gas can be started quickly. Further, by stopping the rotation at normal times and increasing the rotation speed of the combustor 7 immediately before supplying the mixed gas, it is possible to suppress the power consumption accompanying the rotation. Or, the rotation speed of the combustor 7 can be controlled with high reactivity while suppressing the rotation speed in normal times and increasing the rotation speed of the combustor 7 immediately before supplying the mixed gas. Can do.
[0064]
Moreover, if an oxidation reaction is detected in the combustor 7 after the start of rotation, the rotation is stopped.
[0065]
Here, it is determined by the hydrogen concentration sensor 28 whether or not an oxidation reaction has occurred in the combustor 7. Even if a non-uniform mixed gas enters the combustor 7, once the chemical reaction occurs uniformly in the combustor 7, the reaction proceeds stably. Therefore, energy for rotating the combustor 7 can be saved by stopping the rotation after confirming that a chemical reaction has occurred inside the combustor 7.
[0066]
Note that the combustor 7 is rotated during the supply of the mixed gas when there is a possibility that the catalyst portion 25 may locally become high temperature due to the oxidation reaction, such as when the mixed gas is supplied for a long time by purging. Is preferred. In this case, the rotation is stopped or suppressed when the purge valve 51 is closed or when a predetermined time has elapsed since the purge valve 51 was closed.
[0067]
Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.
[0068]
Immediately before supplying the mixed gas to the combustor 7, the displacement of the combustor 7 is increased. Here, the rotational speed is increased immediately before the mixed gas is supplied to the combustor 7. Thereby, the water of the catalyst surface can be moved outside. Therefore, since at least a part of the water adhering to the catalyst can be removed to ensure a contact area between the combustion catalyst and the mixed gas, the oxidation reaction can be started quickly.
[0069]
An oxidation reaction detecting means for detecting the presence or absence of an oxidation reaction in the combustor 7 is provided. Here, a hydrogen concentration sensor 28 is provided. When the oxidation reaction is detected, the combustor 7 is stopped. Even if an inhomogeneous mixed gas enters, once the oxidation reaction has uniformly occurred inside the combustor 7, the reaction proceeds stably. Therefore, when it is confirmed that an oxidation reaction has occurred inside the combustor 7, the rotation of the combustor 7 is stopped. Thereby, energy consumed by rotation of the combustor 7 can be suppressed while avoiding discharging unreacted hydrogen.
[0070]
Also in the fuel cell system as shown in FIG. 7, when the purge interval is short, the rotation of the combustor 7 may be constantly maintained as in the first embodiment.
[0071]
Next, a third embodiment will be described. Although the fuel cell system used in the first embodiment will be described here, the same control can be performed even when the temperature sensor 29 is provided in the fuel cell system used in the second embodiment. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment. In addition, you may use the combustor 7 provided with any rotation drive means shown to the 1st-4th example.
[0072]
The rotation of the combustor 7 is stopped simultaneously with power generation stop or hydrogen gas supply stop. After a predetermined time elapses, the combustor 7 is temporarily rotated.
[0073]
After a while after stopping the power generation or the supply of hydrogen gas, hydrogen in the mixed gas disappears and the catalytic reaction stops. Thereafter, when the temperature in the catalyst unit 25 decreases, condensed water is generated from the mixed gas containing moisture in the combustion unit 25. When this adheres to the catalyst surface of the catalyst portion 25, the reaction rate is lowered when the combustion reaction is started next. Therefore, the power generation is stopped or the supply of hydrogen gas is stopped, and the combustor 7 is temporarily rotated after a predetermined time, for example, when condensed water is generated. Thereby, the condensed water in the catalyst part 25 can be moved outside by a centrifugal force, and the next combustion reaction can be started rapidly.
[0074]
Alternatively, rotation of the combustor 7 may be stopped simultaneously with power generation stop or hydrogen gas supply stop, and when the temperature in the combustor 7 decreases, the combustor 7 may be temporarily rotated.
[0075]
Here, a temperature sensor 29 that detects the temperature in the combustor 7 is provided. When the temperature in the combustor 7 is equal to or lower than a predetermined temperature, for example, below the condensation temperature of water, condensed water is generated in the catalyst unit 25. Therefore, by rotating the combustor 7, the condensed water is moved to the outside, here, the generated water removing unit 27 by centrifugal force. As a result, it is possible to prevent the condensed water from adhering to the catalyst unit 25, and the next combustion reaction can be started promptly.
[0076]
When the rotation driving means shown in the first and second examples is used, the combustor 7 is rotated by supplying power to the motor 23 or the SR motor 30 at an appropriate time after the fuel cell system is stopped. In the case of using the rotation driving means shown in the third example, after stopping the fuel cell system, the cooling pump 10 is driven in a timely manner to circulate cooling water and rotate the combustor 7. Further, when the rotation driving means shown in the fourth example is used, after the fuel cell system is stopped, the compressor 5 is driven in a timely manner so that air is circulated and the combustor 7 is rotated.
[0077]
In addition, although it was set as rotation of the combustor 7 here, it is not this limitation. Any configuration that can remove the condensed water in the combustor 7 by displacing the combustor 7 may be used. For example, it may be configured to be displaceable in three directions. As described above, the next combustion reaction can be smoothly started by temporarily displacing after power generation or hydrogen supply is stopped.
[0078]
Next, the effect of this embodiment will be described. Hereinafter, only effects different from the first and second embodiments will be described.
[0079]
Power generation is stopped or fuel gas supply is stopped, and the combustor 7 is temporarily changed after a predetermined time has elapsed. Thereby, at least a part of the water adhering to the combustion catalyst can be removed, and when the mixed gas is supplied to the combustor 7 next time, the oxidation reaction can be started quickly. Here, power generation is stopped or fuel gas supply is stopped, and the combustor 7 is temporarily rotated after a predetermined time has elapsed. As a result, moisture is removed to the outside of the combustion unit 25 by centrifugal force, so that the next oxidation reaction can be started quickly.
[0080]
A temperature sensor 29 for detecting the temperature of the combustor 7 is provided, and after the power generation is stopped or the supply of the fuel gas is stopped, when the temperature of the combustor 7 falls to a predetermined temperature, the combustor 7 is temporarily displaced. . Thereby, at least a part of the water adhering to the combustion catalyst can be removed, and when the mixed gas is supplied to the combustor 7 next time, the oxidation reaction can be started quickly. At this time, the combustor 7 is fluctuated only when it is predicted that condensed water is attached to the catalyst unit 25, so that power consumption associated with displacement can be suppressed. Here, the combustor 7 is temporarily rotated when the temperature falls to a predetermined temperature. Thereby, at least a part of moisture can be removed by centrifugal force.
[0081]
Next, a fourth embodiment will be described. The configuration of the fuel cell system is the same as that of the first embodiment. However, the structure of the combustor 7 and its periphery is shown in FIG.
[0082]
It arrange | positions so that the axial direction of the combustor 7 may become a substantially perpendicular direction. In other words, it arrange | positions so that mixed gas may distribute | circulate the inside of the combustor 7 in a substantially perpendicular direction. Here, the inlet side is arranged downward and the outlet side is arranged upward. Further, the case 26 is extended to the path 18. As a result, the generated water removing unit 27 that is a gap formed between the case 26 and the catalyst unit 25 is extended to a gap between the case 26 and the path 18. Here, in particular, the generated water removing unit 27 is configured to cover up to the sliding unit 15a. As a result, the generated water / condensed water generated in the combustor 7 is accumulated in the vicinity of the sliding portion 15 a that is a connection portion between the path 17 and the path 18. In this way, the connecting portion on the mixed gas inlet side between the fixed portion and the movable portion including the combustor 7, here, the sliding portion 15 a is configured to be covered with water. The accumulated water can ensure the sealing performance of the sliding portion 15a, and can prevent the mixed gas containing hydrogen supplied to the combustor 7 from leaking.
[0083]
Note that the schematic configuration of the combustor 7 of the present embodiment can be applied to the fuel cell system used in any of the first to third embodiments. Furthermore, the present invention may be applied to a fuel cell system that can be displaced not only in rotation but in at least one of three directions.
[0084]
Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those shown in the first to third embodiments will be described below.
[0085]
The combustor 7 is configured so that the mixed gas flows in a substantially vertical direction. Condensed water due to temperature drop and product water accompanying the reaction move downward according to gravity, so that water adhering to the catalyst surface of the catalyst unit 25 can be eliminated.
[0086]
Further, the inside of the combustor 7 is configured so that the mixed gas circulates substantially from the bottom to the top. Of the connecting parts between the fixed part fixed to the system and the movable part including at least the combustor 7 configured to be displaceable with respect to the system, the connecting part (sliding part 15a) arranged on the lower side. ) A generated water removing unit 27 for collecting water generated by the combustor 7 is provided in the vicinity. Thereby, the sliding part 15a can be covered and sealed with water, and the gas containing hydrogen can be prevented from leaking outside.
[0087]
In the above embodiment, the oxidant exhaust gas is used for the combustion reaction in the combustor 7, but this is not restrictive. In addition, the mixer 4 is configured to mix the fuel exhaust gas flowing through the path 16 into the oxidant exhaust gas flowing through the path 17. However, the present invention is not limited to this. .
[0088]
Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system used in a first embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram around a mixing unit and a combustor used in the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example (first example) of a rotation driving unit used in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example (second example) of a rotation driving unit used in the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example (third example) of a rotation driving unit used in the first embodiment;
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example (fourth example) of a rotation driving unit used in the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system used in a second embodiment.
FIG. 8 is a configuration diagram around a mixing unit and a combustor used in a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
3 Fuel cell
4 mixing section
7 Combustor (combustion section)
15 Sliding part (connection part)
21 1st gear
22 Second gear
23 Motor
25 Catalyst part
27 Generated water removal section
28 Hydrogen concentration sensor (Oxidation reaction detection means)
29 Temperature sensor (temperature detection means)
30 motor
31 rotor
34 Water web (water flow guide)
35 Cooling water path (refrigerant flow path)
36 fins

Claims (15)

燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池からの燃料排ガスと、酸素含有ガスとを混合する混合器と、
燃焼触媒を用いて、前記混合器において生成された混合ガスを燃焼処理する燃焼器とを備え、
前記燃焼器自体を前記燃焼器内で混合ガスないし生成水の偏りを減じるように連続的に変位可能に構成することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas;
A mixer for mixing the fuel exhaust gas from the fuel cell and an oxygen-containing gas;
A combustor that uses a combustion catalyst to combust the mixed gas generated in the mixer, and
A fuel cell system, wherein the combustor itself is configured to be continuously displaceable so as to reduce the deviation of mixed gas or generated water in the combustor.
前記燃焼器自体を、三次元方向の少なくともいずれかの方向に振動可能に構成する請求項1に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustor itself is configured to be able to vibrate in at least one of three-dimensional directions. 前記燃焼器自体を混合ガス流通方向の軸心周りに回転可能に構成する請求項1に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustor itself is configured to be rotatable around an axis in a mixed gas flow direction. 前記燃焼器に混合ガスを供給する直前に、前記燃焼器の変位を大きくする請求項1に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein the displacement of the combustor is increased immediately before supplying the mixed gas to the combustor. 前記燃焼器における酸化反応の有無を検出する酸化反応検出手段を備え、
酸化反応が検出された場合に、前記燃焼器を停止させる請求項1に記載の燃料電池システム。
Comprising an oxidation reaction detection means for detecting the presence or absence of an oxidation reaction in the combustor;
The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustor is stopped when an oxidation reaction is detected.
発電を停止、または、燃料ガスの供給を停止して、所定時間経過後に、一時的に前記燃焼器を変位させる請求項1に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein power generation is stopped or fuel gas supply is stopped, and the combustor is temporarily displaced after a predetermined time has elapsed. 前記燃焼器の温度を検出する温度検出手段を備え、
発電を停止、または燃料ガスの供給を停止した後、前記燃焼器の温度が所定温度まで低下した場合に、一時的に前記燃焼器を変位させる請求項1に記載の燃料電池システム。
Temperature detecting means for detecting the temperature of the combustor,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein after the power generation is stopped or the supply of the fuel gas is stopped, the combustor is temporarily displaced when the temperature of the combustor decreases to a predetermined temperature.
前記燃焼器内を、混合ガスが上下方向に流通するように構成する請求項1に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustor is configured so that the mixed gas flows in the vertical direction. 前記燃焼器内を、混合ガスが下方から上方に向かって流通するように構成し、
システムに対して固定された固定部と、システムに対して変位可能に構成された少なくとも前記燃焼器を含む可動部との接続部のうち、下側に配置された接続部近傍に、前記燃焼器で生成された水を溜める生成水除去部を備える請求項8に記載の燃料電池システム。
In the combustor, the mixed gas is configured to circulate from below to above,
Of the connecting parts between the fixed part fixed to the system and the movable part including at least the combustor configured to be displaceable with respect to the system, in the vicinity of the connecting part disposed on the lower side, the combustor The fuel cell system according to claim 8, further comprising a generated water removing unit that accumulates the water generated in step 1.
前記燃焼器の回転駆動源となるモータと、
前記燃焼器の外側に配置した第1ギアと、
前記第1ギアと噛み合い、前記モータの回転駆動力を伝達する第2ギアとを備えた請求項3に記載の燃料電池システム。
A motor as a rotational drive source of the combustor;
A first gear disposed outside the combustor;
The fuel cell system according to claim 3, further comprising a second gear that meshes with the first gear and transmits a rotational driving force of the motor.
前記燃焼器の周囲に固定した水かきと、
前記水かきを含めた前記燃焼器の外周に沿って、冷媒を流通する冷媒流路とを備えた請求項3に記載の燃料電池システム。
A webbed fixed around the combustor;
The fuel cell system according to claim 3, further comprising a refrigerant flow path for circulating a refrigerant along an outer periphery of the combustor including the web.
モータのロータ部分に前記燃焼器を組み込むことにより、前記燃焼器を回転可能に構成した請求項3に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 3, wherein the combustor is configured to be rotatable by incorporating the combustor into a rotor portion of a motor. 前記燃焼器の入口または出口にフィンを備え、
前記燃焼器に流れ込む混合ガス、または前記燃焼器から流れ出す燃焼排ガスの力で、前記燃焼器を回転可能に構成する請求項3に記載の燃料電池システム。
A fin at the inlet or outlet of the combustor;
The fuel cell system according to claim 3, wherein the combustor is configured to be rotatable by a mixed gas flowing into the combustor or a combustion exhaust gas flowing out from the combustor.
前記燃焼器の入口または出口にフィンを備え、
前記フィンを、前記燃焼器と同期して回転させる請求項10から12のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
A fin at the inlet or outlet of the combustor;
The fuel cell system according to any one of claims 10 to 12, wherein the fin is rotated in synchronization with the combustor.
燃料電池システムが作動している間、前記燃焼器を連続的に変位させる請求項1に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, wherein the combustor is continuously displaced while the fuel cell system is operating.
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