JP2008293756A - Fuel cell system and its operation method - Google Patents

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拓素 井加田
Kiyoshi Kasahara
清志 笠原
Tomohisa Kamiyama
知久 神山
Mikihiro Suzuki
幹浩 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system quickly raising catalyst temperature at starting of the system and capable of reducing exhaust of unburned fuel gas, and to provide the operation method of the fuel cell system. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10; a coolant circulation system for circulating a coolant through the fuel cell stack 10; a catalytic combustor 70 for heating circulating coolant; and a compressor 31 supplying air to the fuel cell stack 10 and the catalytic combustor 70, wherein the fuel cell stack 10 and the catalytic combustor 70 are installed in parallel to the compressor 31, and when the fuel cell stack 10 is warmed up at system starting, the catalytic combustor 70 warms up the fuel cell stack 10 through the coolant. The fuel cell system 1 further includes an ECU 90 for deciding whether the warming up of the fuel cell stack 10 is completed or not, and after completion of warming up is decided, the compressor 31 supplies air to the catalytic combustor 70 to scavenge the catalytic combustor 70. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.

近年、水素(燃料ガス)がアノードに、酸素(酸化剤ガス)がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。   In recent years, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that generates electricity by generating an electrochemical reaction by supplying hydrogen (fuel gas) to the anode and oxygen (oxidant gas) to the cathode, etc. The development of fuel cells is thriving. Fuel cells are being applied in a wide range, such as fuel cell vehicles that run on the power generated by them, and household power supplies, and their application range is expected to expand in the future.

このような燃料電池を良好に発電させるには、アノード及びカソードにおける電極反応が良好に進むように、アノード等に含まれる触媒等に関係する好適発電温度(PEFCの場合、70〜80℃)に暖機することが好ましい。そこで、触媒燃焼器によって、水素及び空気を触媒燃焼させ、燃焼熱を発生し、この燃焼熱を利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが提案されている(特許文献1参照)。
特開2003−243009号公報
In order to generate such a fuel cell satisfactorily, a suitable power generation temperature (70 to 80 ° C. in the case of PEFC) related to the catalyst and the like contained in the anode and the like so that the electrode reaction at the anode and cathode proceeds well. It is preferable to warm up. Therefore, a fuel cell system has been proposed in which hydrogen and air are catalytically combusted by a catalytic combustor, combustion heat is generated, and the fuel cell is warmed up using the combustion heat (see Patent Document 1).
JP 2003-243209 A

しかしながら、水素と空気とを触媒燃焼させると、水蒸気が生成し、この水蒸気が触媒燃焼器に内蔵される触媒の表面に付着する場合がある。また、触媒燃焼器が、燃料電池から排出されたオフガスが流れるオフガス配管と接続されている場合、燃料電池において、発電により生成した水蒸気が、触媒燃焼器に浸入し、触媒表面に付着する虞がある。   However, when hydrogen and air are subjected to catalytic combustion, water vapor is generated, and this water vapor may adhere to the surface of the catalyst built in the catalytic combustor. In addition, when the catalytic combustor is connected to an offgas pipe through which offgas discharged from the fuel cell flows, there is a risk that water vapor generated by power generation may enter the catalytic combustor and adhere to the catalyst surface in the fuel cell. is there.

そして、このように触媒表面に、水分が付着したままで、次回システム起動時に、燃料電池を暖機するため、触媒燃焼器に水素及び空気を供給すると、付着した水分によって、水素及び空気と触媒との接触が阻害されて触媒燃焼しにくくなる。その結果、触媒燃焼の燃焼熱により、触媒の温度がその好適活性温度に昇温しにくくなり、触媒燃焼器が良好に作動可能な温度に到達するまでの時間が長くなる。また、このように触媒燃焼しにくいので、触媒燃焼器から排出される未燃焼の水素の量が増加してしまう。   In this way, when hydrogen and air are supplied to the catalytic combustor in order to warm up the fuel cell at the next system start-up with moisture remaining on the catalyst surface, the hydrogen and air and the catalyst are added to the catalyst combustor. The contact with the catalyst is hindered and it becomes difficult for the catalyst to burn. As a result, the combustion heat of catalytic combustion makes it difficult for the temperature of the catalyst to rise to its preferred activation temperature, and the time until the catalyst combustor reaches a temperature at which it can operate satisfactorily increases. Moreover, since it is difficult to perform catalytic combustion in this manner, the amount of unburned hydrogen discharged from the catalytic combustor increases.

そこで、本発明は、システム起動時に、燃料ガス及び酸化剤ガスを好適に触媒燃焼して、触媒温度を速やかに上昇させると共に、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスの排出を低減可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。   Accordingly, the present invention provides a fuel cell capable of suitably performing catalytic combustion of fuel gas and oxidant gas at the time of system startup to quickly increase the catalyst temperature and reducing discharge of unburned fuel gas from the catalytic combustor. It is an object to provide a system and an operation method thereof.

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、を備え、前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定手段を備え、前記暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気することを特徴とする燃料電池システムである。   As means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by supplying fuel gas and oxidant gas, oxidant gas supply means for supplying oxidant gas, and via the fuel cell. A heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid, catalytic combustion of the fuel gas and the oxidant gas, heating the circulating heat exchange fluid, and scavenging the catalyst combustor with scavenging gas A catalytic combustor scavenging means, wherein the fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means, and when it is determined to warm up the fuel cell at the time of system startup, A fuel cell system in which a catalytic combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid, comprising: a warm-up completion determining unit that determines whether or not the fuel cell has been warmed-up; Completion size After it is determined by the means that the warm-up of the fuel cell is completed, the catalytic combustor scavenging means supplies scavenging gas to the catalytic combustor and scavenges the catalytic combustor. System.

ここで、触媒燃焼器を掃気するとは、触媒燃焼器に残留する水分(水蒸気、結露水等)を、触媒燃焼器の外部に押し出すことを意味する。そして、掃気ガスとは、このように触媒燃焼器を掃気するため、これに導入されるガスを意味する。
また、燃料電池及び触媒燃焼器は、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されているとは、1つの酸化剤ガス供給手段から吐出される酸化剤ガスが、分岐して燃料電池と触媒燃焼器とに供給されるように、燃料電池及び触媒燃焼器が配置されていることを意味する。
Here, scavenging the catalytic combustor means pushing out moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining in the catalytic combustor to the outside of the catalytic combustor. And scavenging gas means the gas introduce | transduced into this in order to scavenge a catalyst combustor in this way.
In addition, the fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel to the oxidant gas supply means that the oxidant gas discharged from one oxidant gas supply means branches and the fuel cell and the catalyst. It means that the fuel cell and the catalytic combustor are arranged so as to be supplied to the combustor.

このような燃料電池システムによれば、暖機完了判定手段により燃料電池の暖機は完了したと判定された後、触媒燃焼器掃気手段が、圧縮によって高温となった掃気ガスを触媒燃焼器に供給し、触媒燃焼器を掃気するので、触媒燃焼器に残留する水分(水蒸気、結露水等)を外部に排出することができる。これにより、システム停止中に、触媒燃焼器内が凍結することは防止される。   According to such a fuel cell system, after it is determined that the warm-up of the fuel cell is completed by the warm-up completion determination unit, the catalytic combustor scavenging unit converts the scavenging gas whose temperature has been increased by compression into the catalytic combustor. Since the gas is supplied and scavenging the catalyst combustor, moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining in the catalyst combustor can be discharged to the outside. This prevents the inside of the catalytic combustor from being frozen during the system stop.

したがって、次回システム起動時において、燃料電池を暖機するため、触媒燃焼器に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは、水分に阻害されることなく、触媒に接触することができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは触媒下で良好に触媒燃焼することができ、その結果、触媒の温度は速やかに上昇し、その好適活性温度に速やかに到達する。すなわち、触媒燃焼器がその好適作動温度に到達するまでの時間が長くなることはない。
また、燃料ガス及び酸化剤ガスが、触媒燃焼器で良好に触媒燃焼するので、触媒燃焼器から排出される未燃焼の燃料ガスを低減することができる。
Therefore, when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the catalytic combustor in order to warm up the fuel cell at the next system startup, the fuel gas and the oxidant gas are not blocked by moisture and are not blocked by the catalyst. Can touch. As a result, the fuel gas and the oxidant gas can be catalytically burned well under the catalyst, and as a result, the temperature of the catalyst rises rapidly and quickly reaches its preferred activation temperature. That is, the time until the catalytic combustor reaches its preferred operating temperature does not increase.
Further, since the fuel gas and the oxidant gas are favorably catalytically combusted in the catalytic combustor, unburned fuel gas discharged from the catalytic combustor can be reduced.

また、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記熱交換流体が前記触媒燃焼器を経由して循環している場合に、掃気することを特徴とする燃料電池システムである。   The catalytic combustor scavenging means scavenges when the heat exchange fluid circulates through the catalytic combustor.

このような燃料電池システムによれば、暖機完了後、発電する燃料電池の自己発熱によって暖められた冷媒が、触媒燃焼器を経由して循環している場合に、触媒燃焼器掃気手段が触媒燃焼器を掃気する。すなわち、暖かい冷媒によって触媒燃焼器を暖めながら、触媒燃焼器掃気手段からの掃気ガスによって触媒燃焼器を掃気するので、掃気ガスによる触媒燃焼器の掃気、つまり、その内部の乾燥を促進することができる。   According to such a fuel cell system, after the warm-up is completed, when the refrigerant heated by the self-heating of the fuel cell that generates electricity is circulated through the catalyst combustor, the catalytic combustor scavenging means is the catalyst. Scavenge the combustor. That is, the catalyst combustor is scavenged with scavenging gas from the catalyst combustor scavenging means while warming the catalyst combustor with warm refrigerant, so that scavenging of the catalyst combustor with scavenging gas, that is, drying of the inside thereof can be promoted. it can.

また、前記燃料電池から排出された熱交換流体の温度を検出する温度検出手段と、前記熱交換流体の温度に基づいて、冷媒が前記触媒燃焼器を経由するか否かを切り替える切替手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。   A temperature detecting means for detecting the temperature of the heat exchange fluid discharged from the fuel cell; and a switching means for switching whether or not the refrigerant passes through the catalytic combustor based on the temperature of the heat exchange fluid; A fuel cell system comprising:

このような燃料電池システムによれば、例えば、温度検出手段により検出された熱交換流体の温度が所定温度以上の場合、切替手段により冷媒が触媒燃焼器を経由するように構成し、一方、熱交換流体の温度が所定温度以上でない場合、切換手段により冷媒が触媒燃焼器を迂回するように構成することにより、所定温度以上の熱交換流体によって触媒燃焼器を暖めつつ、触媒燃焼器掃気手段からの掃気ガスによって触媒燃焼器を掃気することができる。   According to such a fuel cell system, for example, when the temperature of the heat exchange fluid detected by the temperature detection means is equal to or higher than a predetermined temperature, the switching means is configured so that the refrigerant passes through the catalyst combustor, When the temperature of the exchange fluid is not equal to or higher than the predetermined temperature, the switching means is configured so that the refrigerant bypasses the catalyst combustor, so that the catalyst combustor is warmed by the heat exchange fluid of the predetermined temperature or higher and the catalyst combustor scavenging means is used. The catalytic combustor can be scavenged with this scavenging gas.

また、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間が所定時間に到達した場合、前記触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システムである。   The catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined time. System.

このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間が所定積算供給時間に到達した場合、触媒燃焼器掃気手段による触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止する。すなわち、触媒燃焼器への掃気ガスの供給の停止判定を、触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間に基づいて行うため、例えば、触媒燃焼器への掃気ガスの供給(掃気)が中断されても、触媒燃焼器の掃気に必要であって、所定積算供給時間と関連付けられた掃気ガスの量を供給することができる。
そして、積算供給時間が所定積算供給時間に到達した場合、触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することで、触媒燃焼器掃気手段の消費エネルギ及びその作動音を抑えることができる。
According to such a fuel cell system, when the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches the predetermined cumulative supply time, the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor by the catalytic combustor scavenging means is stopped. That is, since the stop determination of the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor is performed based on the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor, for example, the supply (scavenging) of the scavenging gas to the catalytic combustor is interrupted. However, the amount of the scavenging gas necessary for scavenging the catalyst combustor and associated with the predetermined integrated supply time can be supplied.
When the integrated supply time reaches the predetermined integrated supply time, the supply of scavenging gas to the catalytic combustor is stopped, so that the energy consumption of the catalytic combustor scavenging means and its operating noise can be suppressed.

また、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給量が所定供給量に到達した場合、前記触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することを特徴とする燃料電池システムである。   Further, the catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the cumulative supply amount of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined supply amount. It is a battery system.

このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器への掃気ガスの供給の停止判定を、触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給量に基づいて行うため、例えば、触媒燃焼器への掃気ガスの供給(掃気)が中断されても、触媒燃焼器の掃気に必要な所定積算供給量の掃気ガスを供給することができる。そして、積算供給量が所定積算供給量に到達した場合、触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止することで、触媒燃焼器掃気手段の消費エネルギを抑えることができる。   According to such a fuel cell system, since the stop determination of the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor is performed based on the integrated supply amount of the scavenging gas to the catalytic combustor, for example, the scavenging gas to the catalytic combustor Even if the supply (scavenging) is interrupted, a predetermined cumulative supply amount of scavenging gas necessary for scavenging of the catalytic combustor can be supplied. When the integrated supply amount reaches the predetermined integrated supply amount, the energy consumption of the catalytic combustor scavenging means can be suppressed by stopping the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor.

また、前記触媒燃焼器掃気手段は前記酸化剤ガス供給手段であって、前記掃気ガスは当該酸化剤ガス供給手段から吐出される酸化剤ガスであり、当該酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池における酸化剤ガスの消費量に対応して、前記燃料電池で酸化剤ガス不足とならないように、前記触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムである。   The catalytic combustor scavenging means is the oxidant gas supply means, the scavenging gas is an oxidant gas discharged from the oxidant gas supply means, and the oxidant gas supply means is the fuel cell. The fuel cell system is characterized in that the oxidant gas is supplied to the catalytic combustor so as not to run out of the oxidant gas in the fuel cell in accordance with the consumption amount of the oxidant gas.

このような燃料電池システムによれば、燃料電池における酸化剤ガスの消費量に対応して、燃料電池で酸化剤ガス不足とならないように、触媒燃焼器掃気手段である酸化剤ガス供給手段が、触媒燃焼器に掃気ガスとして酸化剤ガスを供給する。すなわち、燃料電池に対しての発電要求が小さく、燃料電池への酸化剤ガスの供給量に余裕がある場合、酸化剤ガス供給手段が触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給するので、燃料電池の発電性能(出力電力)を確保しつつ、触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給し、触媒燃焼器を掃気することができる。   According to such a fuel cell system, the oxidant gas supply means, which is a catalyst combustor scavenging means, corresponding to the oxidant gas consumption in the fuel cell, so as not to run out of oxidant gas in the fuel cell, An oxidant gas is supplied as a scavenging gas to the catalytic combustor. That is, when the power generation requirement for the fuel cell is small and the supply amount of the oxidant gas to the fuel cell is sufficient, the oxidant gas supply means supplies the oxidant gas to the catalytic combustor. While ensuring the power generation performance (output power), the oxidant gas can be supplied to the catalytic combustor to scavenge the catalytic combustor.

また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、を備え、前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段から前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気することを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。   Further, as means for solving the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by being supplied with a fuel gas and an oxidant gas, an oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas, and the fuel cell. A heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid so as to pass through, a catalyst combustor for catalytically burning the fuel gas and the oxidant gas and heating the circulating heat exchange fluid, and the catalyst combustor by scavenging gas A catalyst combustor scavenging means for scavenging, wherein the fuel cell and the catalyst combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means, and it is determined that the fuel cell is warmed up when the system is started An operation method of a fuel cell system in which the catalyst combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid, and the catalyst combustor scavenging means is determined after the warm-up of the fuel cell is determined to be completed. The scavenging gas is supplied to the al the catalytic combustor, a method of operating a fuel cell system, characterized in that scavenging the catalytic combustor.

このような燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の暖機は完了したと判定された後、触媒燃焼器掃気手段から、圧縮によって高温となった掃気ガスを触媒燃焼器に供給し、触媒燃焼器を掃気するので、触媒燃焼器に残留する水分(水蒸気、結露水等)を外部に排出することができる。これにより、システム停止中に、触媒燃焼器内が凍結することは防止される。   According to such an operation method of the fuel cell system, after it is determined that the warm-up of the fuel cell is completed, the scavenging gas that has become hot due to compression is supplied from the catalytic combustor scavenging means to the catalytic combustor, Since the catalytic combustor is scavenged, moisture (water vapor, condensed water, etc.) remaining in the catalytic combustor can be discharged to the outside. This prevents the inside of the catalytic combustor from being frozen during the system stop.

したがって、次回システム起動時において、燃料電池を暖機するため、触媒燃焼器に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給された場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは、水分に阻害されることなく、触媒に接触することができる。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは触媒下で良好に触媒燃焼することができ、その結果、触媒の温度は速やかに上昇し、その好適活性温度に速やかに到達する。すなわち、触媒燃焼器がその好適作動温度に到達するまでの時間が長くなることはない。
また、燃料ガス及び酸化剤ガスが、触媒燃焼器で良好に触媒燃焼するので、触媒燃焼器から排出される未燃焼の燃料ガスを低減することができる。
Therefore, when the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the catalytic combustor in order to warm up the fuel cell at the next system startup, the fuel gas and the oxidant gas are not blocked by moisture and are not blocked by the catalyst. Can touch. As a result, the fuel gas and the oxidant gas can be catalytically burned well under the catalyst, and as a result, the temperature of the catalyst rises rapidly and quickly reaches its preferred activation temperature. That is, the time until the catalytic combustor reaches its preferred operating temperature does not increase.
Further, since the fuel gas and the oxidant gas are favorably catalytically combusted in the catalytic combustor, unburned fuel gas discharged from the catalytic combustor can be reduced.

本発明によれば、システム起動時に、燃料ガス及び酸化剤ガスを好適に触媒燃焼して、触媒温度を速やかに上昇させると共に、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスの排出を低減可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。   According to the present invention, when the system is started, the fuel gas and the oxidant gas are preferably catalytically combusted to quickly increase the catalyst temperature and to reduce the discharge of unburned fuel gas from the catalytic combustor. A system and its operating method can be provided.

以下、本発明の一実施形態について、図1から図3を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

≪燃料電池システムの構成≫
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池自動車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10の発電電力を消費等する電力消費系と、燃料電池スタックを経由するように冷媒(熱交換流体)を循環させる冷媒循環系(熱交換流体循環手段)と、循環する冷媒を加熱する冷媒加熱系と、IG81(イグニッション)と、これらを電子制御するECU90(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
≪Configuration of fuel cell system≫
A fuel cell system 1 according to this embodiment shown in FIG. 1 is mounted on a fuel cell vehicle (moving body) (not shown). The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas) to and from the anode of the fuel cell stack 10, and air containing oxygen to the cathode of the fuel cell stack 10 (oxidant) A cathode system that supplies and discharges gas), a power consumption system that consumes power generated by the fuel cell stack 10, and a refrigerant circulation system that circulates refrigerant (heat exchange fluid) through the fuel cell stack (heat exchange fluid) (Circulation means), a refrigerant heating system for heating the circulating refrigerant, IG81 (ignition), and an ECU 90 (Electronic Control Unit) for electronically controlling them.

<燃料電池スタック>
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
<Fuel cell stack>
The fuel cell stack 10 is a stack formed by stacking a plurality of (eg, 200 to 400) solid polymer type single cells, and the plurality of single cells are connected in series. The single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly) and two conductive separators sandwiching the MEA. The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane) made of a monovalent cation exchange membrane or the like, and an anode and a cathode sandwiching the electrolyte membrane.

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒(Pt、Ru等)を含んでいる。
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。そして、アノード流路11を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路12を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差(OCVOpen Circuit Voltage)、開回路電圧)が発生するようになっている。次いで、OCVが所定OCV以上となった状態で、発電要求があり、後記するコンタクタ43がONされ、VCU42が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック10が発電するようになっている。
The anode and cathode are mainly composed of a conductive porous material such as carbon paper, and contain a catalyst (Pt, Ru, etc.) for causing an electrode reaction in the anode and cathode.
Each separator is formed with a groove for supplying hydrogen or air to the entire surface of each MEA, and through holes for supplying and discharging hydrogen or air to all single cells. It functions as a channel 11 (fuel gas channel) and a cathode channel 12 (oxidant gas channel). Then, when hydrogen is supplied to each anode via the anode flow path 11 and air is supplied to each cathode via the cathode flow path 12, an electrode reaction occurs, and a potential difference (OCV Open Circuit Voltage) is generated in each single cell. Open circuit voltage). Next, when the OCV is equal to or higher than the predetermined OCV, there is a power generation request, the contactor 43 described later is turned on, the VCU 42 is controlled, and the current is taken out, so that the fuel cell stack 10 generates power.

また、本実施形態では、燃料電池スタック10と触媒燃焼器70とは、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段)に対して、並列で配置されている。そして、コンプレッサ31からの空気が、後記する背圧弁32及び空気導入弁63が適宜に開閉されることにより、燃料電池スタック10及び触媒燃焼器70に適宜に振り分けられるようになっている。   In the present embodiment, the fuel cell stack 10 and the catalytic combustor 70 are arranged in parallel to the compressor 31 (oxidant gas supply means). The air from the compressor 31 is appropriately distributed to the fuel cell stack 10 and the catalytic combustor 70 by appropriately opening and closing a back pressure valve 32 and an air introduction valve 63 described later.

<アノード系>
アノード系は、水素タンク21と、遮断弁22と、エゼクタ23と、パージ弁24(排出弁)とを備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22a、エゼクタ23、配管23aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、ECU90からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から、遮断弁22等を経由して、アノード流路11に供給されるようになっている。
<Anode system>
The anode system includes a hydrogen tank 21, a shutoff valve 22, an ejector 23, and a purge valve 24 (discharge valve).
The hydrogen tank 21 is connected to the inlet of the anode channel 11 through a pipe 21a, a shutoff valve 22, a pipe 22a, an ejector 23, and a pipe 23a. When the shutoff valve 22 is opened by a command from the ECU 90, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 21 to the anode flow path 11 via the shutoff valve 22 and the like.

アノード流路11の出口は、配管24a、パージ弁24、配管24bを介して、後記する希釈器33に接続されている。また、配管24aの途中は、配管24cを介してエゼクタ23に接続されている。   The outlet of the anode channel 11 is connected to a diluter 33 described later via a pipe 24a, a purge valve 24, and a pipe 24b. The middle of the pipe 24a is connected to the ejector 23 via the pipe 24c.

パージ弁24は、ECU90によって制御される開閉弁であり、燃料電池スタック10の発電中は閉じられる設定となっている。これにより、アノード流路11から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管24cを介してエゼクタ23に戻されるようになっている。そして、戻された水素は、再びアノード流路11に供給され、水素が循環するようになっている。すなわち、燃料電池システム1は、水素を循環させる水素循環系を備えており、水素が効率的に利用されるようになっている。   The purge valve 24 is an on-off valve controlled by the ECU 90 and is set to be closed during power generation of the fuel cell stack 10. Thereby, the anode off gas containing unreacted hydrogen discharged from the anode channel 11 is returned to the ejector 23 through the pipe 24c. The returned hydrogen is supplied again to the anode channel 11 so that the hydrogen circulates. That is, the fuel cell system 1 includes a hydrogen circulation system that circulates hydrogen so that hydrogen is efficiently used.

一方、循環する水素に同伴する不純物(水蒸気、窒素等)が多くなり、燃料電池スタック10及び/又は単セルの出力が下がった場合、不純物を排出するため、パージ弁24は開かれ、アノードオフガスが希釈器33に供給されるようになっている。   On the other hand, when the impurities (water vapor, nitrogen, etc.) accompanying the circulating hydrogen increase and the output of the fuel cell stack 10 and / or single cell decreases, the purge valve 24 is opened and the anode off-gas is discharged to discharge the impurities. Is supplied to the diluter 33.

<カソード系>
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段、触媒燃焼器掃気手段)と、背圧弁32と、希釈器33(希釈装置)と、サイレンサ34(消音器)と、水素センサ35(燃料ガス濃度検出手段)とを備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路12の入口に接続されており、ECU90の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路12に供給するようになっている。また、配管31aには加湿器(図示しない)が設けられており、カソード流路12に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。
<Cathode system>
The cathode system includes a compressor 31 (oxidant gas supply means, catalytic combustor scavenging means), a back pressure valve 32, a diluter 33 (dilution device), a silencer 34 (silencer), and a hydrogen sensor 35 (fuel gas concentration). Detection means).
The compressor 31 is connected to the inlet of the cathode flow path 12 via a pipe 31a. When the compressor 31 is operated according to a command from the ECU 90, it takes in oxygen-containing air and supplies it to the cathode flow path 12. Further, the pipe 31a is provided with a humidifier (not shown) so that the air supplied to the cathode channel 12 is appropriately humidified.

さらに、コンプレッサ31は、後記するポンプ53と、電動モータ等の動力源(図示しない)を共有、つまり、この動力源の駆動軸周りにコンプレッサ31及びポンプ53の羽根車がそれぞれ固定されており、コンプレッサ31及びポンプ53は同期するように設計されている。そして、このように動力源を共有しているので、システム構成が簡易となっている。   Further, the compressor 31 shares a power source (not shown) such as an electric motor with a pump 53 described later, that is, the compressor 31 and the impeller of the pump 53 are fixed around the drive shaft of the power source, respectively. The compressor 31 and the pump 53 are designed to be synchronized. Since the power source is shared in this way, the system configuration is simplified.

カソード流路12の出口は、配管32a、背圧弁32、配管32bを介して、希釈器33に接続されており、燃料電池スタック10のカソードから排出されたカソードオフガスが希釈器33に供給されるようになっている。つまり、背圧弁32は、燃料電池スタック10の下流側に配置されており、また、例えばバラフライ弁から構成され、その開度を自由に変更可能となっている。そして、ECU90によって背圧弁32の開度が制御されることで、コンプレッサ31から燃料電池スタック10のカソード流路12(カソード)に供給される空気の圧力及び流量が、制御されるようになっている。   The outlet of the cathode channel 12 is connected to the diluter 33 via a pipe 32 a, a back pressure valve 32, and a pipe 32 b, and the cathode off gas discharged from the cathode of the fuel cell stack 10 is supplied to the diluter 33. It is like that. That is, the back pressure valve 32 is disposed on the downstream side of the fuel cell stack 10 and is constituted by, for example, a butterfly valve, and its opening degree can be freely changed. Then, the opening degree of the back pressure valve 32 is controlled by the ECU 90, whereby the pressure and flow rate of air supplied from the compressor 31 to the cathode flow path 12 (cathode) of the fuel cell stack 10 are controlled. Yes.

希釈器33は、パージ弁24が開かれることでアノード系から導入されるアノードオフガスと、カソード流路12から排出されたカソードオフガス(酸化剤ガス、希釈用ガス)とを混合し、アノードオフガス中の水素を希釈する機器であり、これらガスを混合し、水素を希釈するための希釈空間を備えている。そして、希釈器33で希釈された後のガスは、配管33a、サイレンサ34、配管34aを介して、車外(外部)に排出されるようになっている。なお、サイレンサ34は、カソード系を流れるガス中を伝達するコンプレッサ31の作動音を低減するものである。   The diluter 33 mixes the anode off-gas introduced from the anode system by opening the purge valve 24 and the cathode off-gas (oxidant gas, dilution gas) discharged from the cathode flow path 12 into the anode off-gas. This is a device for diluting hydrogen, and has a dilution space for mixing these gases and diluting hydrogen. The gas diluted by the diluter 33 is discharged to the outside (outside) through the pipe 33a, the silencer 34, and the pipe 34a. In addition, the silencer 34 reduces the operating sound of the compressor 31 which transmits in the gas which flows through a cathode system.

水素センサ35は、水素濃度を検出するセンサであり、配管32b上であって、配管33aと後記する触媒燃焼器70から排出された排気ガスが流れる配管70cとの接続点よりも下流側に配置されている。すなわち、水素センサ35は、触媒燃焼器70の下流側に配置されている。
そして、水素センサ35は、配管33aを流れるガス中の水素濃度C11を検出するようになっている。また、水素センサ35はECU90と接続されており、ECU90は水素濃度C11を検知するようになっている。
The hydrogen sensor 35 is a sensor that detects the hydrogen concentration, and is disposed on the pipe 32b and downstream of the connection point between the pipe 33a and the pipe 70c through which exhaust gas discharged from the catalytic combustor 70 described later flows. Has been. That is, the hydrogen sensor 35 is disposed on the downstream side of the catalytic combustor 70.
The hydrogen sensor 35 detects the hydrogen concentration C11 in the gas flowing through the pipe 33a. The hydrogen sensor 35 is connected to the ECU 90, and the ECU 90 detects the hydrogen concentration C11.

<電力消費系>
電力消費系は、燃料電池スタック10の発電電力を消費等する系であって、燃料電池自動車の動力源となる走行モータ41と、VCU42(Voltage Control Unit)と、コンタクタ43とを備えている。VCU42は、燃料電池スタック10の出力電力(電流、電圧)を制御する機器であって、DC/DCチョッパ等を備えている。コンタクタ43は、燃料電池スタック10とVCU42及び走行モータ41との電気的接続をON/OFFするスイッチである。走行モータ41は、三相交流電流を発生させるPDU(Power Drive Unit、図示しない)、VCU42、コンタクタ43を順に介して、燃料電池スタック10の出力端子に接続されている。
<Power consumption system>
The power consumption system is a system that consumes the power generated by the fuel cell stack 10 and includes a travel motor 41 that is a power source of the fuel cell vehicle, a VCU 42 (Voltage Control Unit), and a contactor 43. The VCU 42 is a device that controls the output power (current, voltage) of the fuel cell stack 10, and includes a DC / DC chopper and the like. The contactor 43 is a switch for turning on / off the electrical connection between the fuel cell stack 10 and the VCU 42 and the traveling motor 41. The travel motor 41 is connected to the output terminal of the fuel cell stack 10 through a PDU (Power Drive Unit, not shown) that generates a three-phase alternating current, a VCU 42, and a contactor 43 in this order.

そして、ECU90がコンタクタ43をONした状態で、アクセルペダル82等からの発電要求に応じてVCU42を制御すると、燃料電池スタック10から電流が取り出され、燃料電池スタック10が発電し、走行モータ41が回転するようになっている。一方、コンタクタ43がOFFされている場合、燃料電池スタック10から電流が取り出されないので、燃料電池スタック10が発電することはない。   When the ECU 90 controls the VCU 42 in response to a power generation request from the accelerator pedal 82 or the like with the contactor 43 turned on, current is taken out from the fuel cell stack 10, the fuel cell stack 10 generates power, and the traveling motor 41 is It is designed to rotate. On the other hand, when the contactor 43 is OFF, no current is taken out from the fuel cell stack 10, so that the fuel cell stack 10 does not generate power.

その他、電力消費系は、蓄電装置や、DC/DCコンバータ等(いずれも図示しない)を備えている。蓄電装置は、燃料電池スタック10の余剰発電電力や、走行モータ41からの回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック10の発電電力が低い場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック10を補助するものである。DC/DCコンバータは、前記蓄電装置に充放電される電力を適宜に昇降圧するものである。
また、コンプレッサ31、ポンプ53、遮断弁22、パージ弁24等も電力消費系に含まれ、前記蓄電装置及び/又は燃料電池スタック10を電源として作動するようになっている。このため、アクセルペダル82等から発電要求がなくても、コンプレッサ31等の補機を作動する必要がある場合、これに応じて、ECU90は燃料電池スタック10を発電させるようになっている。
In addition, the power consumption system includes a power storage device, a DC / DC converter, and the like (both not shown). The power storage device accumulates surplus power generated by the fuel cell stack 10 and regenerative power from the traveling motor 41, or assists the fuel cell stack 10 by discharging the charged power when the power generated by the fuel cell stack 10 is low. It is. The DC / DC converter appropriately boosts and lowers the electric power charged / discharged in the power storage device.
Further, the compressor 31, the pump 53, the shutoff valve 22, the purge valve 24, and the like are also included in the power consumption system, and operate with the power storage device and / or the fuel cell stack 10 as a power source. For this reason, even when there is no power generation request from the accelerator pedal 82 or the like, when it is necessary to operate an auxiliary machine such as the compressor 31, the ECU 90 generates power in the fuel cell stack 10 accordingly.

<冷媒循環系>
冷媒循環系は、燃料電池スタック10の冷媒流路13を経由するように、エチレングリコール等の冷媒を循環させる系であって、ラジエータ51と、サーモスタット52と、ポンプ53と、三方弁54(切替手段)と、温度センサ55(温度検出手段)とを備えている。
<Refrigerant circulation system>
The refrigerant circulation system circulates a refrigerant such as ethylene glycol so as to pass through the refrigerant flow path 13 of the fuel cell stack 10, and includes a radiator 51, a thermostat 52, a pump 53, and a three-way valve 54 (switching). Means) and a temperature sensor 55 (temperature detection means).

冷媒流路13の出口は、配管52a、サーモスタット52、配管52b、ポンプ53、配管53a、三方弁54、配管54aを介して、冷媒流路13の入口に接続されている。そして、ポンプ53がECU90の指令に従って作動すると、冷媒が循環するようになっている。   The outlet of the refrigerant flow path 13 is connected to the inlet of the refrigerant flow path 13 via a pipe 52a, a thermostat 52, a pipe 52b, a pump 53, a pipe 53a, a three-way valve 54, and a pipe 54a. When the pump 53 operates in accordance with a command from the ECU 90, the refrigerant circulates.

三方弁54は、ECU90に制御され、配管53aと、配管54a又は後記する配管70aとを連通させることができ、循環する冷媒を触媒燃焼器70を経由させるか否かを切り替え可能となっている。なお、システム起動時において、触媒燃焼器70によって燃料電池スタック10を暖機する場合、冷媒が配管53a、70aを通って、冷媒が触媒燃焼器70に向かうように、三方弁54は制御される。
ただし、循環する冷媒の触媒燃焼器70の経由/迂回を切替可能であれば三方弁54に限定されず、例えば、配管54a、70aにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉する構成としてもよい。
The three-way valve 54 is controlled by the ECU 90 and can communicate the pipe 53a with the pipe 54a or a pipe 70a described later, and can switch whether or not to pass the circulating refrigerant through the catalyst combustor 70. . When the fuel cell stack 10 is warmed up by the catalytic combustor 70 at the time of starting the system, the three-way valve 54 is controlled so that the refrigerant passes through the pipes 53a and 70a and the refrigerant goes to the catalytic combustor 70. .
However, it is not limited to the three-way valve 54 as long as it is possible to switch between circulating and bypassing the catalyst combustor 70. For example, an on-off valve may be provided in each of the pipes 54a and 70a to open and close them appropriately. Good.

配管52aの途中は、配管51a、ラジエータ51、配管51bを介して、サーモスタット52に接続されている。サーモスタット52は、冷媒の温度が低い場合は閉じ、配管52aと配管52bとを連通させるように構成されている。一方、冷媒の温度が高くなると、サーモスタット52は開き、配管51bと配管52bとが連通し、高温の冷媒がラジエータ51で冷却されるようになっている。   The middle of the pipe 52a is connected to the thermostat 52 through the pipe 51a, the radiator 51, and the pipe 51b. The thermostat 52 is configured to close when the temperature of the refrigerant is low, and to connect the pipe 52a and the pipe 52b. On the other hand, when the temperature of the refrigerant increases, the thermostat 52 opens, the pipe 51b and the pipe 52b communicate with each other, and the high-temperature refrigerant is cooled by the radiator 51.

温度センサ55は、冷媒流路13から排出された直後の冷媒の温度Twを検出するセンサであり、配管52aに設けられている。
なお、本実施形態では、冷媒の温度Twは、燃料電池スタック10の温度に等しいと仮定しており、温度Twは冷媒及び燃料電池スタック10の温度を示す。そして、温度センサ55はECU90と接続されており、ECU90は、温度センサ55からの検出信号によって、冷媒及び燃料電池スタック10の温度Twを検知するようになっている。
The temperature sensor 55 is a sensor that detects the temperature Tw of the refrigerant immediately after being discharged from the refrigerant flow path 13, and is provided in the pipe 52a.
In the present embodiment, it is assumed that the temperature Tw of the refrigerant is equal to the temperature of the fuel cell stack 10, and the temperature Tw indicates the temperature of the refrigerant and the fuel cell stack 10. The temperature sensor 55 is connected to the ECU 90, and the ECU 90 detects the temperature Tw of the refrigerant and the fuel cell stack 10 based on a detection signal from the temperature sensor 55.

<冷媒加熱系>
冷媒加熱系は、循環する冷媒を加熱する系であって、水素導入弁61と、水素供給手段62(例えばインジェクタ)と、空気導入弁63と、ミキサ64(混合器)と、触媒燃焼器70とを備えている。
<Refrigerant heating system>
The refrigerant heating system is a system for heating circulating refrigerant, and includes a hydrogen introduction valve 61, a hydrogen supply means 62 (for example, an injector), an air introduction valve 63, a mixer 64 (mixer), and a catalytic combustor 70. And.

空気導入弁63の上流側は配管63aを介して配管31aに接続されており、空気導入弁63の下流側は配管63bを介してミキサ64に接続されている。そして、コンプレッサ31の作動中、空気導入弁63がECU90によって開かれると、酸素を含む空気(酸化剤ガス、掃気ガス)がミキサ64に導入されるようになっている。すなわち、触媒燃焼器70の掃気時には、空気導入弁63が開かれ、コンプレッサ31(触媒燃焼器掃気手段)から触媒燃焼器70に、空気(掃気ガス、酸化剤ガス)が導入されるようになっている。   The upstream side of the air introduction valve 63 is connected to the pipe 31a via the pipe 63a, and the downstream side of the air introduction valve 63 is connected to the mixer 64 via the pipe 63b. During operation of the compressor 31, when the air introduction valve 63 is opened by the ECU 90, oxygen-containing air (oxidant gas, scavenging gas) is introduced into the mixer 64. That is, when scavenging the catalyst combustor 70, the air introduction valve 63 is opened, and air (scavenging gas, oxidant gas) is introduced from the compressor 31 (catalyst combustor scavenging means) to the catalyst combustor 70. ing.

水素導入弁61の上流側は配管61aを介して配管21aに接続されており、水素導入弁61の下流側は配管61bを介して水素供給手段62に接続されており、水素供給手段62は配管63bの途中に設けられている。そして、ECU90からの指令によって水素導入弁61が開かれ、水素供給手段62が適宜に制御されると、水素が水素供給手段62から配管63b内に吐出(供給)され、配管63bを通る空気と共に、ミキサ64に導入されるようになっている。   The upstream side of the hydrogen introduction valve 61 is connected to the pipe 21a via the pipe 61a, and the downstream side of the hydrogen introduction valve 61 is connected to the hydrogen supply means 62 via the pipe 61b. It is provided in the middle of 63b. Then, when the hydrogen introduction valve 61 is opened by the command from the ECU 90 and the hydrogen supply means 62 is appropriately controlled, hydrogen is discharged (supplied) from the hydrogen supply means 62 into the pipe 63b and together with the air passing through the pipe 63b. The mixer 64 is introduced.

ミキサ64は、これに導入される水素及び空気を混合し、燃料混合ガスを生成する機器であり、その内部に混合空間を有している。したがって、ミキサ64は、水素及び空気を適切に混合するべく、水素等を拡散するためのリブ等の拡散手段を備えることが好ましい。そして、燃料混合ガスは、配管64aを介して触媒燃焼器70の触媒部71に供給されるようになっている。   The mixer 64 is a device that mixes hydrogen and air introduced into the mixer 64 to generate a fuel mixed gas, and has a mixing space therein. Therefore, the mixer 64 preferably includes a diffusing means such as a rib for diffusing hydrogen or the like in order to properly mix hydrogen and air. The fuel mixed gas is supplied to the catalyst unit 71 of the catalytic combustor 70 via the pipe 64a.

触媒燃焼器70は、燃料混合ガスを触媒下で燃焼させ、その燃焼熱によって、冷媒を加熱する機器であり、触媒部71と熱交換部75とを備えている。
触媒部71は、触媒部本体72と、触媒部本体72を囲んだ円筒状のウォータジャケット73と、温度センサ74とを備えている。触媒部本体72は、コージエライト等から形成され、燃料混合ガスの通路となる複数の細孔を有するハニカム体と、前記細孔を取り囲む壁面に担持されたPt、Ru等の触媒と、を備えている。そして、燃料混合ガスが触媒部本体72に供給されると、水素及び酸素が触媒下で燃焼反応し、燃焼熱を帯びた高温の排気ガスを生成するようになっている。この高温の排気ガスは、熱交換部75に供給されるようになっている。
The catalytic combustor 70 is a device that combusts a fuel mixed gas under a catalyst and heats the refrigerant with the combustion heat, and includes a catalyst unit 71 and a heat exchange unit 75.
The catalyst unit 71 includes a catalyst unit main body 72, a cylindrical water jacket 73 surrounding the catalyst unit main body 72, and a temperature sensor 74. The catalyst unit main body 72 includes a honeycomb body formed of cordierite or the like and having a plurality of pores serving as fuel gas passages, and a catalyst such as Pt or Ru supported on a wall surface surrounding the pores. Yes. When the fuel mixed gas is supplied to the catalyst unit main body 72, hydrogen and oxygen undergo a combustion reaction under the catalyst to generate high-temperature exhaust gas with combustion heat. This high-temperature exhaust gas is supplied to the heat exchange unit 75.

温度センサ74は、触媒部本体72から熱交換部75に向かう排気ガスの温度を、触媒部本体72の触媒の温度(触媒温度Ts)として検出するセンサである。また、温度センサ74はECU90と接続されており、ECU90は温度センサ74からの検出信号によって触媒温度Tsを検知するようになっている。   The temperature sensor 74 is a sensor that detects the temperature of the exhaust gas from the catalyst unit body 72 toward the heat exchange unit 75 as the catalyst temperature (catalyst temperature Ts) of the catalyst unit body 72. The temperature sensor 74 is connected to the ECU 90, and the ECU 90 detects the catalyst temperature Ts based on a detection signal from the temperature sensor 74.

熱交換部75は、高温の排気ガスと、その内部を通流する冷媒との間で熱交換し、冷媒を加熱する部分である。冷媒は、三方弁54から配管70aを介して熱交換部75内に導入され、高温の排気ガスによって加熱された後、触媒部本体72に外側に配置されたウォータジャケット73内を通り、配管70bを介して、配管54aに送られるようになっている。   The heat exchanging unit 75 is a part that heats the refrigerant by exchanging heat between the high-temperature exhaust gas and the refrigerant flowing through the high-temperature exhaust gas. The refrigerant is introduced from the three-way valve 54 into the heat exchanging portion 75 through the pipe 70a, heated by the high-temperature exhaust gas, passes through the water jacket 73 disposed outside the catalyst portion main body 72, and then is passed through the pipe 70b. Is sent to the pipe 54a.

また、熱交換後の排気ガスは、配管70c(排気ガス管)を通って、配管33aに導入されるようになっている。よって、外部に排出されるガス中の未燃焼の水素濃度C11は、水素センサ35によって検出されるようになっている。   Further, the exhaust gas after the heat exchange is introduced into the pipe 33a through the pipe 70c (exhaust gas pipe). Therefore, the unburned hydrogen concentration C11 in the gas discharged to the outside is detected by the hydrogen sensor 35.

<その他機器>
IG61は、燃料電池自動車及び燃料電池システム1の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG61はECU90と接続されており、ECU90はIG61のON/OFF信号を検知するようになっている。
<Other equipment>
The IG 61 is a start switch for the fuel cell vehicle and the fuel cell system 1 and is provided around the driver's seat. Further, the IG 61 is connected to the ECU 90, and the ECU 90 detects an ON / OFF signal of the IG 61.

アクセルペダル82(Accelerator Pedal:AP)は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル82は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ECU90に送り、ECU90はアクセルペダル82の踏み込み量を検知すると共に、アクセルペダル82が踏まれている場合、燃料電池スタック10に対して、運転者から発電要求があると認識するようになっている。   An accelerator pedal 82 (Accelerator Pedal: AP) is a pedal that the driver steps on in response to a travel request, and is disposed at the foot of the driver's seat. Then, the accelerator pedal 82 sends a signal based on the degree of depression of the accelerator pedal 82 to the ECU 90. The ECU 90 detects the amount of depression of the accelerator pedal 82, and when the accelerator pedal 82 is depressed, And, it has come to recognize that there is a power generation request from the driver.

<ECU>
ECU90は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行するようになっている。
<ECU>
The ECU 90 is a control device that electronically controls the fuel cell system 1 and includes a CPU, a ROM, a RAM, various interfaces, an electronic circuit, and the like, and executes various processes in accordance with programs stored therein. It is supposed to be.

ECU90は、遮断弁22、パージ弁24、コンプレッサ31及び背圧弁32を適宜に制御して、燃料電池スタック10に水素及び空気を供給し、そして、コンタクタ43及びVCU42を制御して、燃料電池スタック10を発電させる機能を備えている。   The ECU 90 appropriately controls the shutoff valve 22, the purge valve 24, the compressor 31, and the back pressure valve 32 to supply hydrogen and air to the fuel cell stack 10, and controls the contactor 43 and the VCU 42 to thereby control the fuel cell stack. 10 has a function of generating electricity.

また、ECU90(暖機必要判定手段)は、燃料電池システム1の起動時に、燃料電池スタック10の温度Twと、暖機必要温度T1(例えば0℃)とに基づいて、触媒燃焼器70を使用して、燃料電池スタック10を暖機する必要があるか否か判定する機能を備えている。暖機必要温度T1は、燃料電池スタック10内が凍結している虞があると予測される温度であり、MEAの材質等に関係し、事前試験によって求められる。   The ECU 90 (warming-up necessity determining means) uses the catalytic combustor 70 based on the temperature Tw of the fuel cell stack 10 and the warming-up required temperature T1 (for example, 0 ° C.) when the fuel cell system 1 is started. Thus, a function for determining whether or not the fuel cell stack 10 needs to be warmed up is provided. The warm-up required temperature T1 is a temperature at which the inside of the fuel cell stack 10 is predicted to be frozen, is related to the material of the MEA, etc., and is obtained by a preliminary test.

そして、ECU90は、燃料電池スタック10を暖機すると判定された場合、コンプレッサ31、水素導入弁61、水素供給手段62、空気導入弁63及びポンプ53等を制御し、触媒燃焼器70に水素及び空気を導入して、触媒燃焼により燃料熱を生成しつつ、この燃焼熱によって、循環する冷媒を介して燃料電池スタック10を暖機する機能を備えている。   When it is determined that the fuel cell stack 10 is to be warmed up, the ECU 90 controls the compressor 31, the hydrogen introduction valve 61, the hydrogen supply means 62, the air introduction valve 63, the pump 53, etc. The fuel cell stack 10 has a function of warming up the fuel cell stack 10 through the circulating refrigerant by introducing air and generating fuel heat by catalytic combustion.

さらに、ECU90は、燃料電池スタック10の暖機を開始した後、燃料電池スタック10の温度Twが、自己発電可能な温度(自己発電可能温度T2、例えば−10℃)以上であるか否かを判定する機能を備えている。
さらにまた、ECU90(暖機完了判定手段)は、燃料電池スタック10の発電を開始した後、自己発熱により温度上昇し、暖機が完了した温度(暖機完了温度T3、例えば30℃)以上であるか否かを判定する機能を備えている。
なお、自己発電可能温度T2、暖機完了温度T3は、MEAの材質等に関係し、事前試験により求められる。
Further, after starting the warm-up of the fuel cell stack 10, the ECU 90 determines whether or not the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than a temperature at which self-power generation is possible (self-power generation possible temperature T2, for example, −10 ° C.). It has a function to judge.
Furthermore, the ECU 90 (warm-up completion determination means) starts the power generation of the fuel cell stack 10 and then rises in temperature due to self-heating, and is at or above the temperature at which the warm-up is completed (warm-up completion temperature T3, for example, 30 ° C.). A function for determining whether or not there is provided.
The self-power generation possible temperature T2 and the warm-up completion temperature T3 are related to the material of the MEA and the like and are obtained by a preliminary test.

また、ECU90は、燃料電池スタック10の暖機が完了した後、燃料電池スタック10から排出された直後の冷媒の温度Twが、冷媒が触媒燃焼器70を経由することが許可される温度(冷媒経由可能温度T4、所定温度、例えば70℃)以上であるか否かを判定する機能を備えている。そして、この判定結果に基づいて、ECU90は、三方弁54(切替手段)を制御し、冷媒の触媒燃焼器70の経由又は迂回を切り替える機能を備えている。
冷媒経由可能温度T4は、この温度以上の冷媒を触媒燃焼器70に供給すれば、暖かい冷媒によって、触媒燃焼器70の掃気が促進されると予測される温度であり、事前試験等によって求められる。
In addition, the ECU 90 determines that the temperature Tw of the refrigerant immediately after being discharged from the fuel cell stack 10 after the completion of the warm-up of the fuel cell stack 10 is the temperature at which the refrigerant is allowed to pass through the catalytic combustor 70 (refrigerant). A function is provided for determining whether or not the temperature is Vpassable temperature T4, a predetermined temperature (for example, 70 ° C.) or higher. Based on the determination result, the ECU 90 has a function of controlling the three-way valve 54 (switching means) to switch between the bypass and bypass of the refrigerant catalytic combustor 70.
The refrigerant-passable temperature T4 is a temperature at which scavenging of the catalyst combustor 70 is predicted to be promoted by a warm refrigerant if a refrigerant having a temperature equal to or higher than this temperature is supplied to the catalyst combustor 70, and is obtained by a preliminary test or the like. .

さらに、ECU90は、アクセルペダル82等からの発電要求量と、発電要求量及び燃料電池スタック10に供給するべき空気流量(コンプレッサ31の回転速度)とが予め関連付けられたマップと、現在の空気流量(現在のコンプレッサ31の回転速度)と、に基づいて、コンプレッサ31から燃料電池スタック10に供給されている空気流量(FC空気流量)に余裕がある否かを判定する機能を備えている。
すなわち、ECU90は、発電要求に基づいて燃料電池スタック10で消費されるべき空気量(消費量)に基づく空気流量と、現在の空気流量とに基づいて、余裕があるか否かを判定する機能を備えている。そして、ECU90は、この判定結果に基づいて、空気導入弁63を開閉し、触媒燃焼器70を掃気する機能を備えている。
Further, the ECU 90 includes a map in which the power generation request amount from the accelerator pedal 82 and the like, the power generation request amount and the air flow rate to be supplied to the fuel cell stack 10 (the rotation speed of the compressor 31) are associated in advance, and the current air flow rate. Based on (the current rotation speed of the compressor 31) and a function of determining whether or not there is a margin in the air flow rate (FC air flow rate) supplied from the compressor 31 to the fuel cell stack 10.
That is, the ECU 90 determines whether there is a margin based on the air flow rate based on the air amount (consumption amount) to be consumed by the fuel cell stack 10 based on the power generation request and the current air flow rate. It has. The ECU 90 has a function of opening and closing the air introduction valve 63 and scavenging the catalytic combustor 70 based on the determination result.

さらにまた、ECU90は、コンプレッサ31からの空気によって、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かを判定する機能を備えている。   Furthermore, the ECU 90 has a function of determining whether or not scavenging of the catalytic combustor 70 has been completed by the air from the compressor 31.

≪燃料電池システムの動作及び運転方法≫
次に、燃料電池システム1の動作及び運転方法を、ECU90に設定されたプログラム(フローチャート)の流れと共に説明する。
なお、IG81がONされると、図2のフローチャートに示す処理がスタートする。また、IG81のON前(初期状態)において、コンプレッサ31及びポンプ53は停止している。遮断弁22、パージ弁24、背圧弁32、水素導入弁61及び空気導入弁63は閉じており、コンタクタ43はOFFされている。三方弁54は、配管53aと配管54aとが連通するポジション、つまり、冷媒が触媒燃焼器70を迂回するポジションとなっている。
≪Operation and operation method of fuel cell system≫
Next, the operation and operation method of the fuel cell system 1 will be described together with the flow of a program (flow chart) set in the ECU 90.
When the IG 81 is turned on, the process shown in the flowchart of FIG. 2 starts. In addition, before the IG 81 is turned on (initial state), the compressor 31 and the pump 53 are stopped. The shut-off valve 22, the purge valve 24, the back pressure valve 32, the hydrogen introduction valve 61, and the air introduction valve 63 are closed, and the contactor 43 is turned off. The three-way valve 54 is in a position where the pipe 53a and the pipe 54a communicate with each other, that is, a position where the refrigerant bypasses the catalyst combustor 70.

<触媒燃焼器の使用判定>
ステップS101において、ECU90は、燃料電池スタック10の温度Tw及び暖機必要温度T1に基づいて、燃料電池システム1を起動するに際し、触媒燃焼器70を使用する必要があるか否か、つまり、触媒燃焼器70を使用して燃料電池スタック10を暖機する必要があるか否かを判定する。
<Use judgment of catalyst combustor>
In step S101, the ECU 90 determines whether or not it is necessary to use the catalytic combustor 70 when starting the fuel cell system 1 based on the temperature Tw of the fuel cell stack 10 and the warm-up required temperature T1, that is, the catalyst. It is determined whether the fuel cell stack 10 needs to be warmed up using the combustor 70.

具体的には、燃料電池スタック10の温度Twが暖機必要温度T1未満である場合、燃料電池スタック10内が凍結している虞があるので、触媒燃焼器70を使用する必要があると判定し(S101・Yes)、ECU90の処理はステップS102に進む。
一方、燃料電池スタック10の温度Twが暖機必要温度T1未満でない場合、触媒燃焼器70を使用する必要はないと判定し(S101・No)、ECU90の処理はステップS114に進む。
Specifically, when the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is lower than the warming-up required temperature T1, the inside of the fuel cell stack 10 may be frozen, so it is determined that the catalytic combustor 70 needs to be used. However, the process of the ECU 90 proceeds to step S102.
On the other hand, when the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is not lower than the warming-up required temperature T1, it is determined that it is not necessary to use the catalytic combustor 70 (S101, No), and the processing of the ECU 90 proceeds to step S114.

ステップS102において、ECU90は、触媒燃焼器70の運転を開始し、燃料電池スタック10を暖機する。
具体的には、ECU90は、空気導入弁63を開き、コンプレッサ31及びポンプ53を作動させる。これに並行して、ECU90は、水素導入弁61を開き、水素供給手段62を適宜に制御して、配管63b内に水素を吐出する。
これにより、水素及び空気がミキサ64に送られ、ミキサ64で好適に混合され、燃料混合ガスが生成し、この燃料混合ガスが触媒燃焼器70の触媒部本体72に供給される。
また、ECU90は、三方弁54を制御して、配管53aと配管70aとを連通させる。これにより、ポンプ53の作動によって循環する冷媒が、触媒燃焼器70を経由する。
In step S102, the ECU 90 starts operation of the catalytic combustor 70 and warms up the fuel cell stack 10.
Specifically, the ECU 90 opens the air introduction valve 63 and operates the compressor 31 and the pump 53. In parallel with this, the ECU 90 opens the hydrogen introduction valve 61, appropriately controls the hydrogen supply means 62, and discharges hydrogen into the pipe 63b.
As a result, hydrogen and air are sent to the mixer 64 and are suitably mixed by the mixer 64 to generate a fuel mixed gas. This fuel mixed gas is supplied to the catalyst section main body 72 of the catalytic combustor 70.
Further, the ECU 90 controls the three-way valve 54 to cause the pipe 53a and the pipe 70a to communicate with each other. Thereby, the refrigerant circulating by the operation of the pump 53 passes through the catalytic combustor 70.

そうすると、触媒部本体72では、燃料混合ガス中の水素及び酸素が触媒燃焼し、燃焼熱を生成すると共に、この燃焼熱を有する高温の排気ガスが生成する。そして、この燃焼熱により、触媒部本体72の触媒温度Tsが上昇し始める。
排気ガスは、熱交換部75において、冷媒と熱交換し、冷媒を加熱した後、配管70c、33a、サイレンサ34を通って外部に排出される。一方、加熱された冷媒は、ウォータジャケット73を通った後、配管70b、54aを介して、冷媒流路13に供給される。これにより、燃料電池スタック10の温度Twが上昇し始める。なお、触媒燃焼器70から外部に排出される排気ガスには、未燃焼の水素が含まれており、その水素濃度C11は、水素センサ35で検出されている。
Then, in the catalyst unit main body 72, hydrogen and oxygen in the fuel mixed gas undergo catalytic combustion to generate combustion heat, and high-temperature exhaust gas having this combustion heat is generated. And the catalyst temperature Ts of the catalyst part main body 72 begins to rise with this combustion heat.
The exhaust gas exchanges heat with the refrigerant in the heat exchanging unit 75, heats the refrigerant, and then is discharged to the outside through the pipes 70c and 33a and the silencer 34. On the other hand, the heated refrigerant passes through the water jacket 73 and is then supplied to the refrigerant flow path 13 via the pipes 70b and 54a. As a result, the temperature Tw of the fuel cell stack 10 starts to rise. The exhaust gas discharged from the catalyst combustor 70 includes unburned hydrogen, and the hydrogen concentration C11 is detected by the hydrogen sensor 35.

ステップS103において、ECU90は、燃料電池スタック10の温度Twが、自己発電可能な自己発電可能温度T2(例えば−10℃)以上であるか否かを判定する。
燃料電池スタック10の温度Twが自己発電可能温度T2以上であると判定された場合(S103・Yes)、ECU90の処理はステップS104に進む。一方、燃料電池スタック10の温度Twが自己発電可能温度T2以上でないと判定された場合(S103・No)、ECU90の処理は、ステップS103の判定を繰り返す。
In step S103, the ECU 90 determines whether or not the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than a self-power generation possible temperature T2 (for example, −10 ° C.).
When it is determined that the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than the self-power generation possible temperature T2 (S103 / Yes), the processing of the ECU 90 proceeds to step S104. On the other hand, when it is determined that the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is not equal to or higher than the self-power generation possible temperature T2 (S103, No), the processing of the ECU 90 repeats the determination of step S103.

ステップS104において、ECU90は、触媒燃焼器70の運転を停止し、触媒燃焼器70による燃料電池スタック10の暖機を停止する。
具体的には、ECU90は、水素導入弁61及び空気導入弁63を閉じる。ただし、水素導入弁61を閉じた後、空気導入弁63は所定時間の間にて開いておき、コンプレッサ31から触媒燃焼器70に空気を送り込み、この空気によって、触媒燃焼器70に残留する水素を排出することが好ましい。
また、ECU90は、三方弁54を、配管53aと配管54aとが連通するポジションに制御する。これにより、循環する冷媒が、触媒燃焼器70を迂回する。
In step S104, the ECU 90 stops the operation of the catalytic combustor 70 and stops warming up of the fuel cell stack 10 by the catalytic combustor 70.
Specifically, the ECU 90 closes the hydrogen introduction valve 61 and the air introduction valve 63. However, after the hydrogen introduction valve 61 is closed, the air introduction valve 63 is opened for a predetermined time, and air is sent from the compressor 31 to the catalytic combustor 70, and the hydrogen remaining in the catalytic combustor 70 by this air. Is preferably discharged.
Further, the ECU 90 controls the three-way valve 54 to a position where the pipe 53a and the pipe 54a communicate with each other. Thereby, the circulating refrigerant bypasses the catalytic combustor 70.

ステップS105において、ECU90は、燃料電池スタック10内のガスを置換する。
具体的には、ECU90は、遮断弁22を開いた後、パージ弁24を適宜に開き、アノード流路11内を水素に置換する。これに並行して、ECU90は、背圧弁32を開き、カソード流路12内を空気に置換する。このような水素及び空気への置換は、電圧センサ(図示しない)を介して検出される燃料電池スタック10のOCVが、その発電を許可可能な所定OCVに高まるまで継続される。
In step S105, the ECU 90 replaces the gas in the fuel cell stack 10.
Specifically, after opening the shut-off valve 22, the ECU 90 appropriately opens the purge valve 24 to replace the inside of the anode flow path 11 with hydrogen. In parallel with this, the ECU 90 opens the back pressure valve 32 and replaces the inside of the cathode flow path 12 with air. Such replacement with hydrogen and air is continued until the OCV of the fuel cell stack 10 detected via a voltage sensor (not shown) is increased to a predetermined OCV that can permit power generation.

ステップS106において、ECU90は、燃料電池スタック10の発電を開始させる。
具体的には、ECU90は、コンタクタ43をONし、アクセルペダルや車内エアコンからの発電要求に対応して、VCU42を制御し、燃料電池スタック10から電流を取り出し、発電させる。このように燃料電池スタック10の発電を開始すると、発電に伴う自己発熱によって、燃料電池スタック10及び冷媒の温度Twが上昇し始める。
In step S106, the ECU 90 starts power generation of the fuel cell stack 10.
Specifically, the ECU 90 turns on the contactor 43, controls the VCU 42 in response to a power generation request from an accelerator pedal or an in-vehicle air conditioner, extracts current from the fuel cell stack 10, and generates power. When power generation of the fuel cell stack 10 is started in this way, the temperature Tw of the fuel cell stack 10 and the refrigerant starts to rise due to self-heating due to power generation.

ステップS107において、ECU90は、燃料電池スタック10の温度Twが、暖機完了温度T3(例えば30℃)以上であるか否かを判定する。
燃料電池スタック10の温度Twが暖機完了温度T3以上であると判定された場合(S107・Yes)、ECU90の処理はステップS108に進む。一方、燃料電池スタック10の温度Twが暖機完了温度T3以上でないと判定された場合(S107・No)、ECU90の処理はステップS107の判定を繰り返す。
In step S107, the ECU 90 determines whether or not the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than the warm-up completion temperature T3 (for example, 30 ° C.).
When it is determined that the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is equal to or higher than the warm-up completion temperature T3 (S107 / Yes), the processing of the ECU 90 proceeds to step S108. On the other hand, when it is determined that the temperature Tw of the fuel cell stack 10 is not equal to or higher than the warm-up completion temperature T3 (No at S107), the process of the ECU 90 repeats the determination at Step S107.

ステップS108において、ECU90は、冷媒の温度Twが冷媒経由可能温度T4(例えば70℃)以上であるか否かを判定する。
冷媒の温度Twが冷媒経由可能温度T4以上であると判定された場合(S108・Yes)、ECU90の処理はステップS109に進む。一方、冷媒の温度Twが冷媒経由可能温度T4以上でないと判定された場合(S108・No)、ECU90の処理はステップS115に進む。
In step S108, the ECU 90 determines whether or not the refrigerant temperature Tw is equal to or higher than the refrigerant passing temperature T4 (for example, 70 ° C.).
When it is determined that the refrigerant temperature Tw is equal to or higher than the refrigerant passing temperature T4 (Yes in S108), the process of the ECU 90 proceeds to step S109. On the other hand, when it is determined that the refrigerant temperature Tw is not equal to or higher than the refrigerant passing temperature T4 (S108, No), the process of the ECU 90 proceeds to step S115.

ステップS109において、ECU90は、循環する冷媒が触媒燃焼器70を経由するように、三方弁54を制御して、配管53aと配管70aとを連通させる。   In step S109, the ECU 90 controls the three-way valve 54 so that the circulating refrigerant passes through the catalytic combustor 70, thereby causing the pipe 53a and the pipe 70a to communicate with each other.

ステップS110において、ECU90は、アクセルペダル82等からの現在の発電要求量と、発電要求量と燃料電池スタック10に供給されるべき空気量とが予め関連付けられたマップと、燃料電池スタック10に供給されている現在の空気流量とに基づいて、燃料電池スタック10への空気流量に余裕があるか否かを判定する。
すなわち、例えば、燃料電池自動車がアイドル停止している場合(アイドル停止時)や、走行モータ41で回生電力が発生している場合(回生時)、パージ弁が開かれておらず、または、その直前に開かれておらず、コンプレッサ31からのガス(カソードオフガス)によって、パージされた水素の希釈が行われていない場合(パージ水素の希釈不要時)には、余裕があると判定される。なお、燃料電池スタック10への空気流量は、例えば、コンプレッサ31の回転速度や、配管31a又はコンプレッサ31の上流に設けられた流量センサ(図示しない)に基づいて、推定又は検出される。
In step S110, the ECU 90 supplies the fuel cell stack 10 with a map in which the current power generation request amount from the accelerator pedal 82 and the like, the power generation request amount and the amount of air to be supplied to the fuel cell stack 10 are associated in advance. It is determined whether or not there is a margin in the air flow rate to the fuel cell stack 10 based on the current air flow rate.
That is, for example, when the fuel cell vehicle is idlingly stopped (when idling is stopped), or when regenerative power is generated by the traveling motor 41 (when regenerating), the purge valve is not opened, or If the purged hydrogen is not diluted with the gas (cathode off-gas) from the compressor 31 (ie, when the purge hydrogen is not diluted), it is determined that there is a margin. The air flow rate to the fuel cell stack 10 is estimated or detected based on, for example, the rotational speed of the compressor 31 or a flow rate sensor (not shown) provided upstream of the pipe 31a or the compressor 31.

そして、燃料電池スタック10への空気流量に余裕があると判定された場合(S110・Yes)、ECU90の処理はステップS111に進む。一方、燃料電池スタック10への空気流量に余裕がないと判定された場合(S110・No)、ECU90の処理はステップS116に進む。   If it is determined that there is a margin in the air flow rate to the fuel cell stack 10 (S110 / Yes), the processing of the ECU 90 proceeds to step S111. On the other hand, when it is determined that the air flow rate to the fuel cell stack 10 is not sufficient (S110 · No), the processing of the ECU 90 proceeds to step S116.

ステップS111において、ECU90は、空気導入弁63を開く、又は、開いた状態を継続する。これにより、コンプレッサ31(触媒燃焼器掃気手段)からの高温の圧縮空気が、触媒燃焼器70に供給される。そうすると、高温の空気によって、触媒部本体72内の水分(水蒸気、結露水等)が押し出され、触媒燃焼器70の掃気が進む。
このとき、冷媒経由可能温度T4以上の暖かい冷媒が、ウォータジャケット73内を通流しているので、この高温の冷媒によっても、触媒部本体72及び通流する空気が暖められ、触媒燃焼器70の掃気が進む。
In step S111, the ECU 90 opens the air introduction valve 63 or continues the opened state. As a result, high-temperature compressed air from the compressor 31 (catalyst combustor scavenging means) is supplied to the catalyst combustor 70. If it does so, the water | moisture content (water vapor | steam, dew condensation water, etc.) in the catalyst part main body 72 will be extruded by high temperature air, and scavenging of the catalyst combustor 70 will advance.
At this time, since a warm refrigerant having a temperature that can be passed through the refrigerant T4 or higher is flowing through the water jacket 73, the high-temperature refrigerant also warms the catalyst unit main body 72 and the air flowing therethrough. Scavenging progresses.

ステップS112において、ECU90は、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かを判定する。
掃気完了の判定方法として、コンプレッサ31からの空気が触媒燃焼器70を通流した時間の積算時間(積算掃気時間)が、掃気完了時間以上である場合、掃気が完了した判定することができる。積算掃気時間は、空気導入弁63の開時間であり、ECU90に内蔵されるクロックを利用して求められる。また、掃気完了時間は、触媒燃焼器70内の掃気が完了したとされる積算時間であり、事前試験等によって求められる。
In step S112, the ECU 90 determines whether scavenging of the catalytic combustor 70 has been completed.
As a scavenging completion determination method, when the integrated time (integrated scavenging time) of the time when the air from the compressor 31 flows through the catalytic combustor 70 is equal to or longer than the scavenging completion time, it can be determined that scavenging has been completed. The integrated scavenging time is the opening time of the air introduction valve 63 and is obtained by using a clock built in the ECU 90. Further, the scavenging completion time is an accumulated time when scavenging in the catalyst combustor 70 is completed, and is obtained by a preliminary test or the like.

また、掃気完了の判定方法として、触媒燃焼器70を通流した空気の積算量(積算掃気空気量)が、掃気完了空気量以上である場合、掃気が完了したと判定することができる。積算掃気空気量は、例えば、コンプレッサ31の吐出量(L/min)と、配管63aに向かう空気の分配率と、空気導入弁63の開時間とに基づいて求められる。その他、配管63a等に設けた流量センサ(図示しない)による空気流量と、空気導入弁63の開時間とに基づいて求められる。また、掃気完了空気量は、触媒燃焼器70内の掃気が完了したとされる空気の積算量であり、事前試験等によって求められる。   As a scavenging completion determination method, when the integrated amount of air flowing through the catalytic combustor 70 (integrated scavenging air amount) is equal to or greater than the scavenging completion air amount, it can be determined that scavenging has been completed. The integrated scavenging air amount is obtained based on, for example, the discharge amount (L / min) of the compressor 31, the distribution ratio of air toward the pipe 63a, and the open time of the air introduction valve 63. In addition, it is obtained based on the air flow rate by a flow rate sensor (not shown) provided in the pipe 63a and the like and the open time of the air introduction valve 63. The scavenging completion air amount is an integrated amount of air that is assumed to be scavenging in the catalytic combustor 70, and is obtained by a preliminary test or the like.

そして、掃気は完了したと判定された場合(S112・Yes)、ECU90の処理はステップS113に進む。ここで、配管70cに開閉弁(図示しない)を設け、このように掃気が完了したと判定された後、外部から多湿の空気が触媒燃焼器70に流入することを防止するべく、前記開閉弁を閉じる構成としてもよい。
一方、掃気は完了していないと判定された場合(S112・No)、ECU90の処理は、ステップS108に進む。
If it is determined that scavenging has been completed (S112 / Yes), the processing of the ECU 90 proceeds to step S113. Here, an on-off valve (not shown) is provided in the pipe 70c, and in order to prevent the humid air from flowing into the catalytic combustor 70 from the outside after it is determined that scavenging has been completed in this way, the on-off valve is provided. It is good also as a structure which closes.
On the other hand, when it is determined that scavenging has not been completed (No at S112), the process of the ECU 90 proceeds to step S108.

ステップS113において、触媒燃焼器70の掃気は完了したので、ECU90は、配管53aと配管54aとが連通するように三方弁54を制御する。これにより、冷媒が触媒燃焼器70を迂回する。また、ECU90は、空気導入弁63を閉じる。   In step S113, since the scavenging of the catalytic combustor 70 has been completed, the ECU 90 controls the three-way valve 54 so that the pipe 53a and the pipe 54a communicate with each other. Thereby, the refrigerant bypasses the catalytic combustor 70. Further, the ECU 90 closes the air introduction valve 63.

ステップS114において、ECU90は、燃料電池システム1を通常の発電制御で動作させる。すなわち、ECU90は、アクセルペダル82等からの発電要求に応じて、VCU42を制御し、燃料電池スタック10を発電させる。   In step S114, the ECU 90 causes the fuel cell system 1 to operate with normal power generation control. That is, the ECU 90 controls the VCU 42 in response to a power generation request from the accelerator pedal 82 or the like, and causes the fuel cell stack 10 to generate power.

次に、ステップS108がNoの場合に進むステップS115を説明する。
ステップS115において、ECU90は、循環する冷媒が触媒燃焼器70を迂回するように、三方弁54を制御して、配管53aと配管54aとを連通させる。これにより、低温の冷媒が触媒燃焼器70に供給されないので、触媒燃焼器70内において、水蒸気は結露等しにくくなる。
Next, step S115 that proceeds when step S108 is No will be described.
In step S115, the ECU 90 controls the three-way valve 54 so that the circulating refrigerant bypasses the catalytic combustor 70, thereby causing the pipe 53a and the pipe 54a to communicate with each other. Thereby, since the low-temperature refrigerant is not supplied to the catalytic combustor 70, the water vapor hardly forms condensation in the catalytic combustor 70.

次に、ステップS115の後、及び、ステップS110がNoとなった場合に進むステップS116を説明する。
ステップS116において、ECU90は、空気導入弁63を閉じる、又は閉じた状態を継続する。これにより、触媒燃焼器70には空気が供給されない。
その後、ECU90の処理は、ステップS108に進む。
Next, step S116 that is performed after step S115 and when step S110 is No will be described.
In step S116, the ECU 90 closes the air introduction valve 63 or continues the closed state. As a result, air is not supplied to the catalytic combustor 70.
Thereafter, the processing of the ECU 90 proceeds to step S108.

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム1によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池スタック10の暖機が完了した後(S107・Yes)、高温の圧縮空気と、高温の冷媒とを利用して、触媒燃焼器70を掃気することができ、触媒部本体72内の水分を低減することができる。これにより、次回システム起動時において、燃料電池スタック10を暖機するため、触媒燃焼器70に水素及び空気を供給した場合、水素及び空気は、水分に阻害されることなく、触媒に接触することができる。
≪Effect of fuel cell system≫
According to such a fuel cell system 1, the following effects can be obtained.
After the warm-up of the fuel cell stack 10 is completed (S107 / Yes), the catalytic combustor 70 can be scavenged using the high-temperature compressed air and the high-temperature refrigerant, and the moisture in the catalyst unit main body 72 can be removed. Can be reduced. Thus, when hydrogen and air are supplied to the catalytic combustor 70 in order to warm up the fuel cell stack 10 at the next system startup, the hydrogen and air will contact the catalyst without being inhibited by moisture. Can do.

これにより、水素及び空気は触媒下で良好に触媒燃焼することができ、その燃焼熱により、触媒温度Tsが速やかに上昇する。その結果、触媒温度Tsが、安定して触媒燃焼することが可能な準備完了温度T5(触媒の好適活性温度)に速やかに到達する(図3(a)参照)。
そして、このように触媒温度Tsが速やかに準備完了温度T5に到達するので、水素及び空気が触媒下で良好に触媒燃焼することができ、触媒燃焼器70から排出される未燃焼の水素を低減することができる。よって、車外に排出されるガス中の水素濃度C11が、外部に排出可能な上限水素濃度C2以上になることを防止できる(図3(b)参照)。
As a result, hydrogen and air can be catalytically burned well under the catalyst, and the catalyst temperature Ts rises rapidly due to the heat of combustion. As a result, the catalyst temperature Ts quickly reaches the preparation completion temperature T5 (preferred catalyst activation temperature) at which stable catalytic combustion is possible (see FIG. 3A).
Since the catalyst temperature Ts quickly reaches the preparation completion temperature T5 in this way, hydrogen and air can be favorably catalytically burned under the catalyst, and unburned hydrogen discharged from the catalyst combustor 70 is reduced. can do. Therefore, it is possible to prevent the hydrogen concentration C11 in the gas discharged outside the vehicle from exceeding the upper limit hydrogen concentration C2 that can be discharged outside (see FIG. 3B).

また、高温の圧縮空気による触媒燃焼器70の掃気は、冷媒の温度Twが掃気を促進可能な冷媒経由可能温度T4以上の冷媒が触媒燃焼器70を経由している場合に実行するので、触媒燃焼器70内の乾燥を促進することができる。   Further, scavenging of the catalytic combustor 70 with high-temperature compressed air is performed when a refrigerant having a temperature Tw of the refrigerant that is higher than the refrigerant-passable temperature T4 that can promote scavenging passes through the catalytic combustor 70. Drying in the combustor 70 can be promoted.

さらに、触媒燃焼器70の掃気は、燃料電池スタック10に供給される空気流量に余裕がある場合のみに実行されるので、燃料電池スタック10で空気不足になることは防止される。すなわち、アクセルペダル82等からの発電要求に対応して、燃料電池スタック10が発電不能となることは防止される。   Further, since the scavenging of the catalyst combustor 70 is executed only when there is a margin in the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 10, it is possible to prevent the fuel cell stack 10 from running out of air. That is, the fuel cell stack 10 is prevented from being unable to generate power in response to a power generation request from the accelerator pedal 82 or the like.

さらにまた、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かは、触媒燃焼器70への空気の積算供給時間、又は、積算供給量に基づいて、適切に判定することができる。これにより、コンプレッサ31からの空気を有効利用できる。   Furthermore, whether or not scavenging of the catalytic combustor 70 has been completed can be appropriately determined based on the cumulative supply time or integrated supply amount of air to the catalytic combustor 70. Thereby, the air from the compressor 31 can be used effectively.

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, For example, it can change as follows in the range which does not deviate from the meaning of this invention.

前記した実施形態では、燃料電池スタック10の温度を検出する温度センサが、冷媒の温度Twを検出する温度センサ55である場合を例示したが、温度センサ55とは別に、燃料電池スタック10の温度の検出用の温度センサを、アノードオフガス、カソードオフガスが流れる配管24a、32aに設けてもよいし、燃料電池スタック10に直接設けてもよい。また、複数の温度センサを設けて、誤検出を防止するようにしてもよい。   In the above embodiment, the case where the temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell stack 10 is the temperature sensor 55 that detects the temperature Tw of the refrigerant is exemplified. These temperature sensors for detection may be provided in the pipes 24 a and 32 a through which the anode off-gas and cathode off-gas flow, or directly in the fuel cell stack 10. A plurality of temperature sensors may be provided to prevent erroneous detection.

前記した実施形態では、コンプレッサ31が、カソード流路12に空気(酸化剤ガス)を供給する酸化剤ガス供給手段であると共に、その掃気時に、触媒燃焼器70に掃気ガスとしての空気を供給する触媒燃焼器掃気手段である構成を例示したが、コンプレッサ31が両手段を兼ねる必要はない。すなわち、コンプレッサ31とは別に、触媒燃焼器70の掃気用のコンプレッサを備える構成としてもよい。
このような構成とした場合、燃料電池スタック10に供給される空気の流量に余裕があるか否かに関わらず、前記別に備えたコンプレッサを作動させて、触媒燃焼器70を掃気することができる。
In the above-described embodiment, the compressor 31 is an oxidant gas supply unit that supplies air (oxidant gas) to the cathode flow path 12 and supplies air as a scavenging gas to the catalytic combustor 70 during the scavenging. Although the structure which is a catalyst combustor scavenging means is illustrated, the compressor 31 does not need to serve as both means. That is, it is good also as a structure provided with the compressor for scavenging of the catalyst combustor 70 separately from the compressor 31. FIG.
In such a configuration, the catalyst combustor 70 can be scavenged by operating the separately provided compressor regardless of whether or not the flow rate of the air supplied to the fuel cell stack 10 has a margin. .

前記した実施形態では、燃料電池システム1が配管24c等によって構成される水素循環系を備える場合を例示したが、水素循環系を備えない燃料電池システムに本発明を適用してもよい。また、希釈器33を備えない燃料電池システム1に適用してもよい。   In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 includes the hydrogen circulation system configured by the pipe 24c and the like is illustrated, but the present invention may be applied to a fuel cell system that does not include the hydrogen circulation system. Further, the present invention may be applied to the fuel cell system 1 that does not include the diluter 33.

前記した実施形態では、燃料電池システム1が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。   In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system 1 is mounted on a fuel cell vehicle has been illustrated. However, for example, a fuel cell system mounted on a motorcycle, a train, or a ship may be used. Further, the present invention may be applied to a stationary fuel cell system for home use or a fuel cell system incorporated in a hot water supply system.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment. (a)、(b)共に本実施形態に係る燃料電池システムの効果を示すグラフである。(A), (b) is a graph which shows the effect of the fuel cell system concerning this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
10 燃料電池スタック
11 アノード流路(燃料ガス流路)
12 カソード流路(酸化剤ガス流路)
13 冷媒流路
31 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段、触媒燃焼器掃気手段)
53 ポンプ(熱交換流体循環手段)
54 三方弁(切替手段)
55 温度センサ(温度検出手段)
63 空気導入弁
70 触媒燃焼器
71 触媒部
72 触媒部本体
73 ウォータジャケット
74 温度センサ(触媒温度検出手段)
75 熱交換部
90 ECU(暖機完了判定手段)
T1 暖機必要温度
T2 自己発電可能温度
T3 暖機完了温度
T4 冷媒経由可能温度
Ts 触媒温度
Tw 燃料電池スタック・冷媒の温度
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell stack 11 Anode flow path (fuel gas flow path)
12 Cathode channel (oxidant gas channel)
13 Refrigerant flow path 31 Compressor (oxidant gas supply means, catalytic combustor scavenging means)
53 Pump (heat exchange fluid circulation means)
54 Three-way valve (switching means)
55 Temperature sensor (temperature detection means)
63 Air Introducing Valve 70 Catalytic Combustor 71 Catalyst Part 72 Catalyst Part Main Body 73 Water Jacket 74 Temperature Sensor (Catalyst Temperature Detection Means)
75 heat exchanger 90 ECU (warm-up completion judging means)
T1 Warm-up required temperature T2 Self-power generation possible temperature T3 Warm-up completion temperature T4 Refrigerable temperature Ts Catalyst temperature Tw Fuel cell stack / refrigerant temperature

Claims (7)

燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、
を備え、
前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、
システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する暖機完了判定手段を備え、
前記暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by being supplied with fuel gas and oxidant gas;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas;
Heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid so as to pass through the fuel cell;
A catalytic combustor for catalytically burning a fuel gas and an oxidant gas and heating a circulating heat exchange fluid;
Catalytic combustor scavenging means for scavenging the catalytic combustor with scavenging gas;
With
The fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means,
A fuel cell system in which the catalytic combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid when it is determined to warm up the fuel cell at the time of system startup;
Comprising a warm-up completion determination means for determining whether or not the fuel cell has been warmed-up,
After the warm-up completion determining means determines that the fuel cell has been warmed up, the catalytic combustor scavenging means supplies scavenging gas to the catalytic combustor to scavenge the catalytic combustor. A fuel cell system.
前記触媒燃焼器掃気手段は、前記熱交換流体が前記触媒燃焼器を経由して循環している場合に、掃気する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein the catalytic combustor scavenging means scavenges when the heat exchange fluid circulates through the catalytic combustor.
前記燃料電池から排出された熱交換流体の温度を検出する温度検出手段と、
前記熱交換流体の温度に基づいて、冷媒が前記触媒燃焼器を経由するか否かを切り替える切替手段と、を備えた
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
Temperature detecting means for detecting the temperature of the heat exchange fluid discharged from the fuel cell;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a switching unit that switches whether or not the refrigerant passes through the catalytic combustor based on the temperature of the heat exchange fluid.
前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給時間が所定時間に到達した場合、前記触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the cumulative supply time of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined time. The fuel cell system according to claim 3.
前記触媒燃焼器掃気手段は、前記触媒燃焼器への掃気ガスの積算供給量が所定供給量に到達した場合、前記触媒燃焼器への掃気ガスの供給を停止する
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The catalytic combustor scavenging means stops the supply of the scavenging gas to the catalytic combustor when the integrated supply amount of the scavenging gas to the catalytic combustor reaches a predetermined supply amount. The fuel cell system according to claim 3.
前記触媒燃焼器掃気手段は前記酸化剤ガス供給手段であって、前記掃気ガスは当該酸化剤ガス供給手段から吐出される酸化剤ガスであり、
当該酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池における酸化剤ガスの消費量に対応して、前記燃料電池で酸化剤ガス不足とならないように、前記触媒燃焼器に酸化剤ガスを供給する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The catalytic combustor scavenging means is the oxidant gas supply means, and the scavenging gas is an oxidant gas discharged from the oxidant gas supply means,
The oxidant gas supply means supplies the oxidant gas to the catalytic combustor so as not to run out of the oxidant gas in the fuel cell, corresponding to the consumption amount of the oxidant gas in the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器を掃気ガスにより掃気する触媒燃焼器掃気手段と、
を備え、
前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置され、
システム起動時に、前記燃料電池を暖機すると判定された場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の暖機は完了したと判定された後、前記触媒燃焼器掃気手段から前記触媒燃焼器に掃気ガスを供給し、当該触媒燃焼器を掃気する
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
A fuel cell that generates electricity by being supplied with fuel gas and oxidant gas;
Oxidant gas supply means for supplying oxidant gas;
Heat exchange fluid circulation means for circulating the heat exchange fluid so as to pass through the fuel cell;
A catalytic combustor for catalytically burning a fuel gas and an oxidant gas and heating a circulating heat exchange fluid;
Catalytic combustor scavenging means for scavenging the catalytic combustor with scavenging gas;
With
The fuel cell and the catalytic combustor are arranged in parallel with the oxidant gas supply means,
A fuel cell system operating method in which the catalyst combustor warms up the fuel cell via a heat exchange fluid when it is determined to warm up the fuel cell at the time of system startup,
After it is determined that the warm-up of the fuel cell is completed, scavenging gas is supplied from the catalytic combustor scavenging means to the catalytic combustor, and the catalytic combustor is scavenged. Method.
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