JP2005135805A - Fuel cell system - Google Patents

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Kenichi Toyoshima
剣一 豊島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of controlling temperature of a burner. <P>SOLUTION: The fuel cell system comprises a fuel cell 3, a hydrogen module 4 for resupplying nitrogen and part of unreacted hydrogen containing water exhausted from the fuel cell 3 to the fuel cell 3, a burner 7 for burning the exhausted hydrogen from the fuel cell 3, a nitrogen concentration detecting device 13 and a moisture detecting device 14 for respectively detecting nitrogen concentration and moisture amount in the exhausted hydrogen exhausted from the fuel cell 3, and a temperature sensor 12 for detecting temperature of the burner 7. The fuel cell system further comprises a bypass passage 9 for bypassing the burner 7 to control the flow of the exhausted hydrogen gas to the bypass passage according to the results from the nitrogen concentration detecting device 13, the moisture detecting device 14, and the temperature sensor 12. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池から排出された排出水素の処理に関するものである。   The present invention relates to treatment of discharged hydrogen discharged from a fuel cell.

従来、燃料電池から排出された排出水素ガス中には燃料電池で使用されなかった水素の他に燃料電池の空気極側から窒素や水分が混入しており、これらの成分は燃料電池の発電効率を低下させることから、濃度が高くなった場合には燃焼器で燃焼した後に外部へ放出し、その燃焼熱を燃料改質に利用するものが、特許文献1に開示されている。
特開2003−77517号公報
Conventionally, the hydrogen gas discharged from the fuel cell contains nitrogen and moisture from the air electrode side of the fuel cell in addition to hydrogen that was not used in the fuel cell, and these components contribute to the power generation efficiency of the fuel cell. Patent Document 1 discloses that when the concentration increases, the fuel is burned in a combustor and then released to the outside and the heat of combustion is used for fuel reforming.
JP 2003-77517 A

しかし、従来の発明では、燃料電池から排出された排出水素ガスは燃焼器に全て送られるために、燃焼器の温度を制御できず、温度上昇による燃焼器の劣化や、排出水素ガス中の水分により燃焼器が失火するといった問題点がある。   However, in the conventional invention, since all of the exhaust hydrogen gas discharged from the fuel cell is sent to the combustor, the temperature of the combustor cannot be controlled, and deterioration of the combustor due to temperature rise or moisture in the exhaust hydrogen gas This causes the problem that the combustor misfires.

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃焼器へ供給する排出水素ガスを制御し、燃焼器の温度を安定させることを目的とする。   The present invention has been invented to solve such problems, and aims to control the exhaust hydrogen gas supplied to the combustor and stabilize the temperature of the combustor.

本発明では、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出された排出水素ガスの一部を再び燃料電池へ供給し、残りの排出水素ガスを排出する排出手段と、排出水素ガスを燃料電池から排出された排出水素ガスを燃焼する燃焼手段と、排出水素ガスの状態を検出する排出水素ガス状態検出手段と、燃焼手段の温度を検出する温度検出手段と、燃焼手段をバイパスするバイパス回路を備える。また、排出水素ガスの状態と燃焼手段の温度によってバイパス回路を流れる排出水素ガスの流量を制御する流量制御手段を備える。   In the present invention, in the fuel cell system, a part of the discharged hydrogen gas discharged from the fuel cell is supplied again to the fuel cell, and the discharge means for discharging the remaining discharged hydrogen gas, and the discharged hydrogen gas is discharged from the fuel cell. Combustion means for burning the exhausted hydrogen gas, exhaust hydrogen gas state detecting means for detecting the state of the exhausted hydrogen gas, temperature detecting means for detecting the temperature of the combustion means, and a bypass circuit for bypassing the combustion means. Further, a flow rate control means is provided for controlling the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing through the bypass circuit according to the state of the exhaust hydrogen gas and the temperature of the combustion means.

本発明によると、例えば、燃料電池から排出された排出水素中の窒素濃度と含水量、または燃焼手段の温度に応じて、排出水素ガスが燃焼手段をバイパスすることで燃焼手段の温度を制御することができる。   According to the present invention, for example, the temperature of the combustion means is controlled by the exhaust hydrogen gas bypassing the combustion means according to the nitrogen concentration and water content in the discharged hydrogen discharged from the fuel cell or the temperature of the combustion means. be able to.

本発明の第1実施形態の構成を図1の構成図を用いて説明する。   The configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the configuration diagram of FIG.

燃料電池システムは、水素タンク1と、空気供給装置2と、燃料電池3と、水素モジュール4と、燃焼器7を備える。また、水素モジュール4と燃焼器7を接続する配管8と、燃料電池3と燃焼器7を接続する配管11を備える。配管8にはその途中に開閉弁5を設け、開閉弁5と燃焼器7の間から燃焼器7をバイパスするバイパス回路であるバイパス配管9を備え、バイパス配管9には開度を調整する流量制御手段である可変開度弁6を備える。   The fuel cell system includes a hydrogen tank 1, an air supply device 2, a fuel cell 3, a hydrogen module 4, and a combustor 7. Further, a pipe 8 that connects the hydrogen module 4 and the combustor 7 and a pipe 11 that connects the fuel cell 3 and the combustor 7 are provided. The pipe 8 is provided with an on-off valve 5 in the middle thereof, and is provided with a bypass pipe 9 which is a bypass circuit for bypassing the combustor 7 from between the on-off valve 5 and the combustor 7. The bypass pipe 9 has a flow rate for adjusting the opening degree. A variable opening valve 6 which is a control means is provided.

空気供給装置2は、例えば、ブロアなどを使用し、外部から空気を取り込み燃料電池3へ空気を供給する。   The air supply device 2 uses, for example, a blower, takes in air from the outside, and supplies the air to the fuel cell 3.

燃料電池3は、水素タンク1から水素モジュール4を介して供給された水素と、空気供給装置2から供給された空気によって発電を行う。燃料電池3の図示しないアノードでは図示しないカソードから窒素や水が混入し、混入した窒素や水は反応に使用されなかった水素と共に水素モジュール4へ回収される。   The fuel cell 3 generates power using the hydrogen supplied from the hydrogen tank 1 via the hydrogen module 4 and the air supplied from the air supply device 2. In the anode (not shown) of the fuel cell 3, nitrogen and water are mixed from a cathode (not shown), and the mixed nitrogen and water are recovered to the hydrogen module 4 together with hydrogen not used in the reaction.

水素モジュール4は、水素タンク1から供給された水素を燃料電池3へ供給し、燃料電池3での反応後にアノードから排出された窒素、水分を含む排出水素を回収する。回収した排出水素は水素モジュール4内に設けられた窒素濃度検出手段である窒素濃度検出装置13によって窒素濃度を検出され、また含水量検出手段である水分検出装置14によって含水量を検出される。そして、窒素濃度と含水量に応じて、回収した排出水素の一部は配管8を介して、燃焼器7へ排出され、残りの排出水素は再び燃料電池3へ供給される。燃焼器7へ排出される流量は窒素濃度と含水量に応じて、配管8に設けた排出水素ガス流量制御手段である開閉弁5によって制御される(水素モジュール4は排出手段である)。   The hydrogen module 4 supplies the hydrogen supplied from the hydrogen tank 1 to the fuel cell 3, and collects exhausted hydrogen containing nitrogen and moisture discharged from the anode after the reaction in the fuel cell 3. The recovered discharged hydrogen has its nitrogen concentration detected by a nitrogen concentration detecting device 13 which is a nitrogen concentration detecting means provided in the hydrogen module 4 and its water content is detected by a moisture detecting device 14 which is a water content detecting means. Depending on the nitrogen concentration and water content, a part of the recovered exhausted hydrogen is discharged to the combustor 7 via the pipe 8 and the remaining discharged hydrogen is supplied to the fuel cell 3 again. The flow rate discharged to the combustor 7 is controlled by the on-off valve 5 which is a discharge hydrogen gas flow rate control means provided in the pipe 8 according to the nitrogen concentration and water content (the hydrogen module 4 is a discharge means).

燃焼器7は、水素モジュール4から配管8を介し、排出された窒素、水を含んだ水素が供給され、配管11から燃料電池3から排出された空気が供給される。そして供給された空気と水素を燃焼させ、その燃焼ガスを配管10を介して外部へ排出する。燃焼器7は温度センサ12を備え、温度検出手段である温度センサ12によって燃焼器7の温度を検出する(燃焼器7は燃焼手段である)。   The combustor 7 is supplied with hydrogen containing nitrogen and water discharged from the hydrogen module 4 through the pipe 8, and supplied with air discharged from the fuel cell 3 through the pipe 11. Then, the supplied air and hydrogen are combusted, and the combustion gas is discharged to the outside through the pipe 10. The combustor 7 includes a temperature sensor 12 and detects the temperature of the combustor 7 by the temperature sensor 12 which is a temperature detection means (the combustor 7 is a combustion means).

バイパス流路9は水素モジュール4と燃焼器7を接続する配管8から分岐しており、燃焼器7をバイパスし、燃焼器7の下流で配管10と合流する。これにより、水素モジュール4から排出された排出水素の一部が燃焼器7をバイパスして外部へ排出される。また、バイパス流路9に設けられた可変開度弁6を調整することで、燃焼器7とバイパス流路9へ流れる排出水素の流量を調整する。   The bypass flow path 9 branches from a pipe 8 connecting the hydrogen module 4 and the combustor 7, bypasses the combustor 7, and joins the pipe 10 downstream of the combustor 7. As a result, part of the discharged hydrogen discharged from the hydrogen module 4 bypasses the combustor 7 and is discharged to the outside. Further, the flow rate of the discharged hydrogen flowing into the combustor 7 and the bypass flow path 9 is adjusted by adjusting the variable opening valve 6 provided in the bypass flow path 9.

温度センサ12、窒素濃度検出装置13、水分検出装置14から検出されたそれぞれの信号により、開閉弁5と調整弁6を制御するコントローラ30を備える。   A controller 30 is provided for controlling the on-off valve 5 and the regulating valve 6 based on respective signals detected from the temperature sensor 12, the nitrogen concentration detection device 13, and the moisture detection device 14.

次にコントローラ30で行う制御動作について図2のフローチャートを用いて説明する。なお、初期状態として、開閉弁5は閉じている。   Next, the control operation performed by the controller 30 will be described with reference to the flowchart of FIG. As an initial state, the on-off valve 5 is closed.

燃料電池システムが起動された後に、燃料電池3の発電によってアノードから排出され、窒素、水を含んだ未反応の排出水素を再び燃料電池3のアノードへ循環し、発電の燃料として使用するが、ステップS20では、窒素濃度検出装置13によって水素モジュール4内の排出水素中の窒素濃度dnを検出し、更に水分検出装置14によって水素モジュール4内の排出水素中の含水量wを検出する。   After the fuel cell system is started up, it is discharged from the anode by power generation of the fuel cell 3 and unreacted discharged hydrogen containing nitrogen and water is circulated again to the anode of the fuel cell 3 and used as fuel for power generation. In step S20, the nitrogen concentration detector 13 detects the nitrogen concentration dn in the discharged hydrogen in the hydrogen module 4, and the moisture detector 14 detects the water content w in the discharged hydrogen in the hydrogen module 4.

ステップS21ではステップS20によって検出した窒素濃度dnと含水量wを予め設定された閾値d1、w1と比較して、少なくともどちらかの一方の値が閾値を超えていると、ステップS22へ進み、開閉弁5を開き、排出水素を水素モジュール4から排出する。閾値d1、w1を超えていないときには、排出水素の循環を継続する。ここで、閾値d1、w1は、排出水素内の窒素、または水量が多くなり、排出水素を燃料電池3に再び循環させると燃料電池3の発電効率が下がる値であり、予め実験などによって求められる。これによって、燃料電池3に供給される水素中の窒素濃度と含水量を抑えることができ、燃料電池3で効率良く反応を行うことができ、更に水素タンク1から供給される水素量を減らすことができる。   In step S21, the nitrogen concentration dn detected in step S20 and the water content w are compared with threshold values d1 and w1 set in advance. If at least one of the values exceeds the threshold value, the process proceeds to step S22 to open / close The valve 5 is opened and discharged hydrogen is discharged from the hydrogen module 4. When the threshold values d1 and w1 are not exceeded, the circulation of the exhaust hydrogen is continued. Here, the threshold values d1 and w1 are values that reduce the power generation efficiency of the fuel cell 3 when the amount of nitrogen or water in the exhausted hydrogen increases and the exhausted hydrogen is circulated to the fuel cell 3 again, and are obtained beforehand through experiments or the like. . As a result, the nitrogen concentration and water content in the hydrogen supplied to the fuel cell 3 can be suppressed, the reaction can be performed efficiently in the fuel cell 3, and the amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank 1 can be reduced. Can do.

なお、ステップS20では、開閉弁5を窒素濃度dnと含水量wに応じて、予めそれぞれ記憶された開度マップから開閉弁5の開度をそれぞれ読み出し、窒素濃度dnと含水量wに応じた開閉弁5の開度のうち、どちらか大きい開度に常に調整してもよい。このときには、開閉弁5を初期状態として、閉じていなくてもよい。   In step S20, the opening / closing valve 5 is read according to the nitrogen concentration dn and the water content w, respectively, and the opening degree of the opening / closing valve 5 is read from the previously stored opening degree map, respectively, and according to the nitrogen concentration dn and the water content w. The opening degree of the on-off valve 5 may always be adjusted to the larger opening degree. At this time, the on-off valve 5 may not be closed in the initial state.

ステップS23では、燃焼器7の燃焼温度Tを検出し、燃焼温度Tに応じた可変開度弁6の開度を図3のマップから読み出す。また、ステップS20で検出した窒素濃度dn、含水量wに応じた可変開度弁6の開度を図4、及び図5のマップからそれぞれ読み出す。図3から図5のマップは予め実験などによって求められており、燃焼温度Tが高い程、また、窒素濃度dn、含水量wが大きい程、可変開度弁6の開度は大きくなる。   In step S23, the combustion temperature T of the combustor 7 is detected, and the opening of the variable opening valve 6 corresponding to the combustion temperature T is read from the map of FIG. Moreover, the opening degree of the variable opening valve 6 corresponding to the nitrogen concentration dn and the water content w detected in step S20 is read from the maps of FIGS. The maps in FIGS. 3 to 5 are obtained in advance through experiments and the like. The higher the combustion temperature T is, and the larger the nitrogen concentration dn and the water content w are, the larger the opening of the variable opening valve 6 is.

ステップS24では、ステップS23によって読み出した燃焼温度T、窒素濃度dn、含水量wに応じた3つの可変開度弁6の開度の中から、一番大きい開度に可変開度弁6の開度を調整する。これによって、燃焼器7の燃焼温度が高い場合には、可変開度弁6の開度を大きくし、燃焼器7をバイパスするバイパス流路9に多くの排出水素が流れるので、燃焼器7の温度を下げることができる。また、窒素濃度dn、または含水量wが多い場合には、可変開度弁6の開度を大きくし、燃焼器7をバイパスするバイパス流路9に多くの排出水素が流れるので、窒素、または水による燃焼器7の失火を防ぐことができる。   In step S24, the variable opening valve 6 is opened to the largest opening degree among the three opening degrees of the variable opening valve 6 corresponding to the combustion temperature T, the nitrogen concentration dn, and the water content w read in step S23. Adjust the degree. As a result, when the combustion temperature of the combustor 7 is high, the degree of opening of the variable opening valve 6 is increased, and a large amount of discharged hydrogen flows through the bypass passage 9 that bypasses the combustor 7. The temperature can be lowered. Further, when the nitrogen concentration dn or the water content w is large, the degree of opening of the variable opening valve 6 is increased, and a large amount of discharged hydrogen flows through the bypass passage 9 that bypasses the combustor 7. Misfire of the combustor 7 due to water can be prevented.

なお、ここでは燃焼器7の温度と排出水素の含水量から、例えば、燃焼器7の温度が高く、含水量が多い時には、排出水素量を多くするなど、燃焼器7の温度が或る所定温度範囲に収まるように、燃焼器7へ供給する排出水素量を可変開度弁6によって制御してもよい。   Here, from the temperature of the combustor 7 and the water content of the discharged hydrogen, for example, when the temperature of the combustor 7 is high and the water content is high, the temperature of the combustor 7 is increased to a predetermined value such as increasing the amount of discharged hydrogen. The amount of discharged hydrogen supplied to the combustor 7 may be controlled by the variable opening valve 6 so as to be within the temperature range.

このような上記ステップは或る一定時間、もしくは窒素濃度dn、含水量wが或る所定値よりも小さくなるまで行われる。これにより、燃料電池3での燃料消費を抑え、更に燃焼器7の温度制御を行うことができる。   Such a step is performed for a certain period of time or until the nitrogen concentration dn and the water content w are smaller than a certain predetermined value. Thereby, fuel consumption in the fuel cell 3 can be suppressed, and the temperature control of the combustor 7 can be performed.

また、ステップS21では窒素濃度と含水量に加え、水素モジュール4内のガス流量によっても開閉弁5の開度を調整してもよい。ステップS24でも同様に排出水素流量によって可変開度弁6の開度を調整してもよい。   In step S21, the opening degree of the on-off valve 5 may be adjusted by the gas flow rate in the hydrogen module 4 in addition to the nitrogen concentration and water content. Similarly, in step S24, the opening of the variable opening valve 6 may be adjusted by the discharged hydrogen flow rate.

本発明の第1実施形態の効果について説明する。   The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

燃焼器7をバイパスするバイパス流路9を設け、燃焼器7の温度が高い場合には、バイパス流路9へ流す排出水素の流量を多くし、燃焼器7へ流入する排出水素の流量を少なくすることで、燃焼器7の温度が高くなり、燃焼器7の許容温度以上になることを防ぐことができ、燃焼器7の劣化を防ぐことができる。   When the bypass passage 9 for bypassing the combustor 7 is provided and the temperature of the combustor 7 is high, the flow rate of discharged hydrogen flowing into the bypass passage 9 is increased, and the flow rate of discharged hydrogen flowing into the combustor 7 is decreased. By doing so, it is possible to prevent the temperature of the combustor 7 from becoming higher and to exceed the allowable temperature of the combustor 7, and to prevent deterioration of the combustor 7.

また、排出水素中の窒素濃度や含水量が多い場合にもバイパス流路9へ流す排出水素の流量を多くし、燃焼器7へ流入する排出水素の流量を少なくし、窒素や水による燃焼器7での失火を防ぐことができる。   Further, even when the nitrogen concentration or water content in the exhaust hydrogen is large, the flow rate of the exhaust hydrogen flowing to the bypass passage 9 is increased, the flow rate of the exhaust hydrogen flowing into the combustor 7 is decreased, and the combustor using nitrogen or water 7 can prevent misfire.

次に本発明の第2実形態について図6の構成図を用いて説明する。第2実施形態については図1と異なる部分を説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described using the configuration diagram of FIG. The second embodiment will be described with respect to parts different from FIG.

この実施形態では、燃焼器7と熱交換を行う熱交換手段である熱交換器15を備える。また、配管11に燃焼器7に供給する空気量を制御する空気流量制御手段である可変開度弁19を備える。水素モジュール4では、水素タンク1から供給された水素を燃料電池3へ供給せずに、全ての水素を配管8を介して燃焼器7へ供給することができる。これにより、氷点下起動時などの燃料電池システムを暖機する必要がある場合に、燃焼器7で発生する熱を熱交換器15によって熱を受け、燃料電池システムを暖機することができる。   In this embodiment, the heat exchanger 15 which is a heat exchange means for exchanging heat with the combustor 7 is provided. The pipe 11 is provided with a variable opening valve 19 that is an air flow rate control means for controlling the amount of air supplied to the combustor 7. In the hydrogen module 4, all the hydrogen can be supplied to the combustor 7 via the pipe 8 without supplying the hydrogen supplied from the hydrogen tank 1 to the fuel cell 3. Thereby, when it is necessary to warm up the fuel cell system at the time of starting below freezing point, the heat generated by the combustor 7 is received by the heat exchanger 15 and the fuel cell system can be warmed up.

燃料電池システムの起動時に、外気温度検出手段である温度センサ20で、外気の温度を検出し、その温度が、所定値である水、または水分が凝固する温度の前後、もしくは、氷点前後のときには水素タンク1から水素モジュール4、配管8を介して燃焼器7へ水素を供給し、空気供給装置2から燃料電池3、配管11を介して可変開度弁19によって流量を調整した後に、燃焼器7へ空気を供給し、燃焼器7で水素を燃焼する。そして熱交換器15を流れる冷媒などで熱交換を行い、燃焼器7で生じた熱で、例えば燃料電池3などの燃料電池システムを暖機する。この時、可変開度弁6は全閉、もしくは最小開度とし燃焼器7で燃料効率のよい燃焼を行うことができる。   When the fuel cell system is started up, the temperature of the outside air is detected by the temperature sensor 20 serving as the outside air temperature detecting means, and when the temperature is around a predetermined value of water or moisture solidifying temperature, or around the freezing point. Hydrogen is supplied from the hydrogen tank 1 to the combustor 7 through the hydrogen module 4 and the pipe 8, and the flow rate is adjusted by the variable opening valve 19 from the air supply device 2 through the fuel cell 3 and the pipe 11, and then the combustor Air is supplied to 7 and the combustor 7 burns hydrogen. Then, heat exchange is performed with a refrigerant or the like flowing through the heat exchanger 15, and the fuel cell system such as the fuel cell 3 is warmed up by the heat generated in the combustor 7. At this time, the variable opening valve 6 can be fully closed or set to the minimum opening, and the combustor 7 can perform fuel efficient combustion.

通常時にコントローラ30が行う制御動作については、第1実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。   Since the control operation performed by the controller 30 at the normal time is the same as that in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

本発明の第2実施形態の効果について説明する。   The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

氷点下起動時などの燃料電池システムの温度が低い場合には、燃焼器7に水素タンク1から供給された水素を、空気供給装置2から可変開度弁19によって流量を制御した空気をによって燃焼し、その燃焼熱を熱交換器15によって回収することができ、その際に、可変開度弁6の開度を全閉、もしくはバイパス流路9を流れる流量が最小流量となるように制御するので、燃焼器7で効率良く、燃焼することができる。   When the temperature of the fuel cell system is low, such as when starting below the freezing point, the hydrogen supplied from the hydrogen tank 1 to the combustor 7 is combusted by the air whose flow rate is controlled by the variable opening valve 19 from the air supply device 2. The heat of combustion can be recovered by the heat exchanger 15, and at that time, the opening degree of the variable opening degree valve 6 is fully closed or the flow rate flowing through the bypass passage 9 is controlled to be the minimum flow rate. The combustor 7 can burn efficiently.

次に本発明の第3実形態について図7の構成図を用いて説明する。第3実施形態については図1と異なる部分を説明する。   Next, a third embodiment of the present invention will be described using the configuration diagram of FIG. The third embodiment will be described with respect to the differences from FIG.

この実施形態では、配管8とバイパス流路9の分岐部と燃焼器7の間の配管8に第2流量制御手段である流量制御装置18を備える。また、バイパス流路9にチェック弁16を備える。更に、配管11に燃焼器7に供給する空気量を制御する可変開度弁19を備える。これらの構成によって、流量制御装置18は、燃焼器7へ供給する排出水素量を調整し、例えば、可動式のオリフィスを用いた流量制御装置18によって流量を絞ったときには、配管8内の圧力が上昇し、その圧力が或る設定された所定値を超えるとチェック弁16が開き、バイパス流路9へ排出水素の一部を流すことができる。   In this embodiment, the piping 8 between the piping 8 and the branch portion of the bypass flow path 9 and the combustor 7 is provided with a flow control device 18 that is a second flow control means. In addition, a check valve 16 is provided in the bypass flow path 9. Furthermore, a variable opening valve 19 that controls the amount of air supplied to the combustor 7 is provided in the pipe 11. With these configurations, the flow control device 18 adjusts the amount of discharged hydrogen supplied to the combustor 7. For example, when the flow rate is reduced by the flow control device 18 using a movable orifice, the pressure in the pipe 8 is reduced. When the pressure rises and the pressure exceeds a predetermined set value, the check valve 16 opens and a part of the discharged hydrogen can flow into the bypass passage 9.

次にコントローラ30で行う制御動作について図8のフローチャートを用いて説明する。なお、初期状態として、開閉弁5は閉じている。   Next, the control operation performed by the controller 30 will be described using the flowchart of FIG. As an initial state, the on-off valve 5 is closed.

ステップS80からS82は第1実施形態のステップS20からS22と同じ制御なのでここでの説明は省略する。   Since steps S80 to S82 are the same control as steps S20 to S22 of the first embodiment, description thereof is omitted here.

ステップS83では、燃焼器7の燃焼温度Tを検出し、燃焼温度Tに応じた流量制御装置18の開度を図9のマップから読み出す。また、ステップS80で検出した窒素濃度dn、含水量wに応じた流量制御装置18の開度を図10、及び図11のマップからそれぞれ読み出す。図8から図11のマップは予め実験などによって求められており、燃焼温度Tが高い程、また、窒素濃度dn、含水量wが大きい程、流量制御装置18の開度は小さくなる。   In step S83, the combustion temperature T of the combustor 7 is detected, and the opening degree of the flow control device 18 corresponding to the combustion temperature T is read from the map of FIG. Moreover, the opening degree of the flow control device 18 corresponding to the nitrogen concentration dn and the water content w detected in step S80 is read from the maps of FIGS. 10 and 11, respectively. The maps in FIGS. 8 to 11 are obtained in advance by experiments and the like. The higher the combustion temperature T is, and the larger the nitrogen concentration dn and the water content w are, the smaller the opening degree of the flow control device 18 is.

ステップS84では、ステップS83によって読み出した燃焼温度T、窒素濃度dn、含水量wに応じた3つの流量制御装置18の開度の中から、一番小さい開度に流量制御装置18の開度を調整し、可変開度弁19によって燃料電池3のカソードから排出された排出空気の流量を調整する。ここで、流量制御装置18の開度を小さくすると、配管8内の圧力が上昇し、或る所定圧力になるとチェック弁16が開き、バイパス流路9を通り、排出水素が外部へ排出される。この所定圧力は予め実験などで設定され、圧力の上昇による流量制御装置18の劣化を防ぎ、更に燃焼器7へ正確に排出水素を供給できる圧力である。燃焼器7の燃焼温度が高い場合には、流量制御装置18の開度を小さくし、燃焼器7をバイパスするバイパス流路9に多くの排出水素が流れるので、燃焼器7の温度を下げることができる。また、窒素濃度dn、または含水量wが多い場合には、流量制御装置18の開度を小さくし、燃焼器7をバイパスするバイパス流路9に多くの排出水素が流れるので、窒素、または水による燃焼器7の失火を防ぐことができる。また、可変開度弁19によって燃焼器7への空気流量を制御するので、燃焼器7の温度をより正確に制御することができる。   In step S84, the opening degree of the flow control device 18 is set to the smallest opening degree among the opening amounts of the three flow control devices 18 corresponding to the combustion temperature T, the nitrogen concentration dn, and the water content w read out in step S83. The flow rate of the exhaust air exhausted from the cathode of the fuel cell 3 is adjusted by the variable opening valve 19. Here, when the opening degree of the flow rate control device 18 is reduced, the pressure in the pipe 8 increases, and when a certain predetermined pressure is reached, the check valve 16 is opened and the discharged hydrogen is discharged to the outside through the bypass passage 9. . This predetermined pressure is set in advance through experiments or the like, and is a pressure that prevents deterioration of the flow rate control device 18 due to an increase in pressure and can supply exhaust hydrogen to the combustor 7 accurately. When the combustion temperature of the combustor 7 is high, the degree of opening of the flow rate control device 18 is reduced, and a large amount of discharged hydrogen flows through the bypass passage 9 that bypasses the combustor 7. Can do. In addition, when the nitrogen concentration dn or the water content w is large, the opening degree of the flow rate control device 18 is reduced, and a large amount of discharged hydrogen flows through the bypass passage 9 that bypasses the combustor 7. The misfire of the combustor 7 due to can be prevented. Moreover, since the air flow rate to the combustor 7 is controlled by the variable opening valve 19, the temperature of the combustor 7 can be controlled more accurately.

なお、ここでは燃焼器7の温度と排出水素の含水量から、例えば、燃焼器7の温度が高く、含水量が多い時には、燃焼器7へ供給する排出水素量を増加し、燃焼器7の温度が或る所定温度範囲に収まるように、燃焼器7へ供給する排出水素量を流量制御装置18によって制御してもよい。   Here, from the temperature of the combustor 7 and the water content of exhaust hydrogen, for example, when the temperature of the combustor 7 is high and the water content is high, the amount of exhaust hydrogen supplied to the combustor 7 is increased. The amount of discharged hydrogen supplied to the combustor 7 may be controlled by the flow control device 18 so that the temperature falls within a certain predetermined temperature range.

このような上記ステップは或る一定時間、もしくは窒素濃度dn、含水量wが或る所定値よりも小さくなるまで行われる。これにより、燃料電池3での燃料消費を抑え、更に燃焼器7の温度制御を行うことができる。   Such a step is performed for a certain period of time or until the nitrogen concentration dn and the water content w are smaller than a certain predetermined value. Thereby, fuel consumption in the fuel cell 3 can be suppressed, and the temperature control of the combustor 7 can be performed.

また、ステップS81ではステップS21と同様に、窒素濃度と含水量に加え、水素モジュール4内のガス流量によっても開閉弁5の開度を調整してもよい。また、ステップS84でも同様に排出水素流量によって流量制御装置18の開度を調整してもよい。   In step S81, as in step S21, the opening of the on-off valve 5 may be adjusted by the gas flow rate in the hydrogen module 4 in addition to the nitrogen concentration and water content. Similarly, in step S84, the opening degree of the flow control device 18 may be adjusted by the discharged hydrogen flow rate.

本発明の第3実施形態の効果について説明する。   The effect of the third embodiment of the present invention will be described.

水素モジュール4と燃焼器7を接続する配管8に流量制御装置18を設け、流量制御装置18で流量を絞った場合には、或る所定圧力になるとバイパス流路9に設けたチェック弁16が開き、バイパス流路9へ排出水素の一部が流れ、外部へ排出されるので、燃焼器7へ正確に排出水素を供給することができ、燃焼器7の温度を正確に制御することができる。また、可変開度弁19によって燃料電池3から燃焼器7へ供給される排出空気量を調整するので、より正確に燃焼器7の温度を制御することができる。   When the flow rate control device 18 is provided in the pipe 8 connecting the hydrogen module 4 and the combustor 7 and the flow rate is reduced by the flow rate control device 18, the check valve 16 provided in the bypass flow path 9 is provided when a predetermined pressure is reached. It opens, and a part of the discharged hydrogen flows to the bypass channel 9 and is discharged to the outside, so that the discharged hydrogen can be accurately supplied to the combustor 7 and the temperature of the combustor 7 can be accurately controlled. . Moreover, since the amount of exhaust air supplied from the fuel cell 3 to the combustor 7 is adjusted by the variable opening valve 19, the temperature of the combustor 7 can be controlled more accurately.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。   It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.

本発明は、燃料電池から排出された排出水素ガスを燃焼し、外部へ排出する分野に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field where exhausted hydrogen gas discharged from a fuel cell is burned and discharged to the outside.

本発明の第1実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態のコントローラが行う制御動作のフローチャートである。It is a flowchart of the control operation which the controller of 1st Embodiment of this invention performs. 本発明の第1実施形態での排出水素中の窒素濃度に対する可変開度弁の開度を示す図である。It is a figure which shows the opening degree of the variable opening valve with respect to the nitrogen concentration in the exhaust hydrogen in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態での排出水素中の含水量に対する可変開度弁の開度を示す図である。It is a figure which shows the opening degree of the variable opening degree valve with respect to the water content in exhaust hydrogen in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態での排出水素中の燃焼器温度に対する可変開度弁の開度を示す図である。It is a figure which shows the opening degree of the variable opening degree valve with respect to the combustor temperature in the exhaust hydrogen in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態のコントローラが行う制御動作のフローチャートである。It is a flowchart of the control operation which the controller of 3rd Embodiment of this invention performs. 本発明の第3実施形態での排出水素中の窒素濃度に対する流量制御装置の開度を示す図である。It is a figure which shows the opening degree of the flow control apparatus with respect to the nitrogen concentration in exhaust hydrogen in 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態での排出水素中の含水量に対する流量制御装置の開度を示す図である。It is a figure which shows the opening degree of the flow control apparatus with respect to the water content in exhaust hydrogen in 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態での排出水素中の燃焼器温度に対する流量制御装置の開度を示す図である。It is a figure which shows the opening degree of the flow control apparatus with respect to the combustor temperature in the exhaust hydrogen in 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素タンク
2 空気供給装置
3 燃料電池
4 水素モジュール(排出手段)
5 開閉弁(排出水素ガス流量制御手段)
6 可変開度弁(流量制御手段)
7 燃焼器(燃焼手段)
9 バイパス流路(バイパス回路)
12 温度センサ(温度検出手段)
13 窒素濃度検出装置(窒素濃度検出手段)
14 水分検出装置(含水量検出手段)
15 熱交換器(熱交換手段)
18 流量制御装置(流量制御手段)
20 温度センサ(外気温度検出手段)
30 コントローラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen tank 2 Air supply device 3 Fuel cell 4 Hydrogen module (discharge means)
5 On-off valve (exhaust hydrogen gas flow rate control means)
6 Variable opening valve (flow control means)
7 Combustor (combustion means)
9 Bypass passage (bypass circuit)
12 Temperature sensor (temperature detection means)
13 Nitrogen concentration detector (nitrogen concentration detector)
14 Moisture detection device (moisture content detection means)
15 Heat exchanger (heat exchange means)
18 Flow control device (flow control means)
20 Temperature sensor (outside air temperature detection means)
30 controller

Claims (9)

水素極に供給された水素と、酸素極に供給された酸化剤によって、電気を発生する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素極から排出された排出水素ガスの少なくとも一部を再び前記燃料電池へ環流し、残りの排出水素ガスを排出する排出手段と、
前記燃料電池環流される排出水素ガスの状態を検出する排出水素ガス状態検出手段と、
前記排出手段によって排出された前記排出水素ガスを燃焼する燃焼手段と、
前記排出手段によって排出された前記排出水素ガスが前記燃焼手段をバイパスするバイパス回路と、
前記燃焼手段の温度を検出する温度検出手段と、
前記排出水素ガス状態検出手段によって検出された前記排出水素ガスの状態と前記温度検出手段によって検出された前記燃焼手段の温度に応じて、前記燃焼手段へ流れる前記排出水素ガス流量と前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を制御する流量制御手段と、を備えた燃料電池システム。
In a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by hydrogen supplied to a hydrogen electrode and an oxidant supplied to an oxygen electrode,
A discharge means for recirculating at least part of the discharged hydrogen gas discharged from the hydrogen electrode to the fuel cell again and discharging the remaining discharged hydrogen gas;
Exhaust hydrogen gas state detection means for detecting the state of the exhaust hydrogen gas circulating in the fuel cell;
Combustion means for burning the discharged hydrogen gas discharged by the discharge means;
A bypass circuit in which the exhaust hydrogen gas discharged by the discharge means bypasses the combustion means;
Temperature detecting means for detecting the temperature of the combustion means;
Depending on the state of the exhaust hydrogen gas detected by the exhaust hydrogen gas state detection means and the temperature of the combustion means detected by the temperature detection means, the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing to the combustion means and the bypass circuit And a flow rate control means for controlling the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing.
前記流量制御手段は、前記燃焼手段の温度が高い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate control unit increases the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing into the bypass circuit as the temperature of the combustion unit increases. 前記排出手段によって排出される排出水素ガス流量を制御する排出水素ガス流量制御手段を備え、
前記流量制御手段は、前記排出水素ガス流量制御手段によって制御される前記排出水素ガスの流量が多い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
A discharge hydrogen gas flow rate control means for controlling the flow rate of discharged hydrogen gas discharged by the discharge means;
3. The flow rate control means increases the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing to the bypass circuit as the flow rate of the exhaust hydrogen gas controlled by the exhaust hydrogen gas flow rate control means increases. The fuel cell system described in 1.
前記排出水素ガス状態検出手段が、前記燃料電池から排出された前記排出水素ガスの窒素濃度を検出する窒素濃度検出手段を備え、
前記流量制御手段は、前記窒素濃度検出手段によって検出される前記窒素濃度が高い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
The exhaust hydrogen gas state detection means comprises nitrogen concentration detection means for detecting the nitrogen concentration of the exhaust hydrogen gas discharged from the fuel cell,
4. The flow rate control means increases the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing to the bypass circuit as the nitrogen concentration detected by the nitrogen concentration detection means is higher. The fuel cell system described in 1.
前記排出水素ガス流量制御手段は、前記窒素濃度検出手段によって検出される前記窒素濃度が高い程、排出する排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 4, wherein the exhaust hydrogen gas flow rate control means increases the exhaust hydrogen gas flow rate to be discharged as the nitrogen concentration detected by the nitrogen concentration detection means increases. 前記排出水素ガス状態検出手段が、前記燃料電池から排出された前記排出水素ガスの含水量を検出する含水量検出手段を備え、
前記流量制御手段は、前記含水量検出手段によって検出される前記排出水素ガス中に含まれる水量が多い程、前記バイパス回路へ流れる前記排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
The exhaust hydrogen gas state detection means comprises water content detection means for detecting the water content of the exhaust hydrogen gas discharged from the fuel cell;
The flow rate control means increases the flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing to the bypass circuit as the amount of water contained in the exhaust hydrogen gas detected by the water content detection means increases. 6. The fuel cell system according to any one of 5 above.
前記排出水素ガス流量制御手段は、前記含水量検出手段によって検出される前記排出水素ガス中に含まれる水量が高い程、排出する排出水素ガス流量を多くすることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。   The exhaust hydrogen gas flow rate control means increases the exhaust hydrogen gas flow rate to be discharged as the amount of water contained in the exhaust hydrogen gas detected by the water content detection means is higher. Fuel cell system. 前記燃焼手段と熱交換を行い、前記燃料電池を加熱する熱交換手段と、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
前記温度検出手段によって検出された温度が所定値よりも低い場合は、前記バイパス回路を流れる前記排出水素ガス流量を最小流量とすることを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
Heat exchange means for performing heat exchange with the combustion means and heating the fuel cell;
An outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature,
The flow rate of the exhaust hydrogen gas flowing through the bypass circuit is set to a minimum flow rate when the temperature detected by the temperature detection unit is lower than a predetermined value. Fuel cell system.
前記燃焼手段に供給する空気量を制御する空気流量制御手段を備え、
前記燃焼手段に供給される前記排出水素ガス流量に応じて、前記空気流量制御手段による空気流量を制御することを特徴とする請求項1から8のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
Air flow control means for controlling the amount of air supplied to the combustion means;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein an air flow rate by the air flow rate control unit is controlled in accordance with a flow rate of the exhaust hydrogen gas supplied to the combustion unit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008112709A (en) * 2006-10-27 2008-05-15 Hyundai Motor Co Ltd Anode side hydrogen oxygen interface formation suppressing structure of fuel cell electric vehicle

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