JP2011204430A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system that avoids a channel blockade due to condensed water remaining in an air circulation path during stopping of the fuel cell system, when the fuel cell system restarts, and suppresses lowering of performance and deterioration.SOLUTION: When staring supplying air to a fuel cell, the fuel cell system opens a on-off valve to control it to supply the air to the fuel cell, and adjusts such that air quantity supplied in the fuel cell becomes a prescribed quantity, after bringing pressure loss of the channel back to normal by discharging the condensed water remaining in the channel with air more than a predetermined flow rate outside the system.

Description

本発明は、炭化水素系の原料を改質して生成された燃料ガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity by supplying a fuel gas generated by reforming a hydrocarbon-based raw material to a fuel cell.

燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって発電を行うものである。燃料電池が発電する際には、電力と同時に熱が発生するが、燃料電池で発電した電力とともに、この熱を回収して熱エネルギーとして利用するコージェネレーションシステムが近年、燃料電池システムとして注目されている。   In a fuel cell, hydrogen or a hydrogen-rich gas is supplied to one of electrodes sandwiching an electrolyte, and an oxidant gas such as oxygen-containing air is supplied to the other to generate power by an electrochemical reaction. When a fuel cell generates electricity, heat is generated at the same time as the electric power. A cogeneration system that collects this heat and uses it as heat energy together with the electric power generated by the fuel cell has recently attracted attention as a fuel cell system. Yes.

燃料電池の発電に必要な水素リッチガス(以下、燃料ガスと称す)を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは都市ガスやLPGなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。   As one of the methods for generating hydrogen-rich gas (hereinafter referred to as fuel gas) necessary for power generation of a fuel cell, a fuel cell system uses a hydrocarbon-based raw material gas such as city gas or LPG, or a liquid such as methanol or kerosene. Generally, a hydrogen generator having a reforming section for reforming by introducing a hydrocarbon-based raw material together with steam is generally used.

また、燃料電池は電気化学反応を促進するために電極に触媒を有しており、この触媒は一酸化炭素により被毒して性能が低下する性質を有していることが多い。そのため、水素生成器では炭化水素系の原料を改質部で改質して燃料ガスを生成した後、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するため、空気を導入して空気中の酸素と改質ガス中の一酸化炭素とを酸化反応させる選択酸化部を備え、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスを生成し、燃料電池に供給するのが一般的である。   In addition, the fuel cell has a catalyst on the electrode in order to promote the electrochemical reaction, and this catalyst is often poisoned by carbon monoxide and has a property of lowering the performance. Therefore, in a hydrogen generator, after reforming a hydrocarbon-based raw material in a reforming section to generate a fuel gas, air is introduced to reduce the concentration of carbon monoxide in the fuel gas. In general, a selective oxidation unit that oxidizes carbon monoxide in the reformed gas is produced, and a fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration is generated and supplied to the fuel cell.

さらに、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスを燃料電池に供給しても、燃料電池の電極触媒によって燃料ガス中の二酸化炭素が逆シフト反応を起こして一酸化炭素が発生し、この一酸化炭素により燃料電池の電極触媒が被毒して燃料電池の性能が低下してしまうことがあるため、燃料ガス中に微量の空気(以下、適宜、ブリード空気と称す)を混入して、逆シフト反応で発生した一酸化炭素を燃料電池の電極触媒で燃焼して触媒の被毒を回避する燃料電池システムも提案されている。   Furthermore, even if fuel gas with a reduced carbon monoxide concentration is supplied to the fuel cell, carbon dioxide in the fuel gas undergoes a reverse shift reaction by the electrode catalyst of the fuel cell to generate carbon monoxide. As a result, the fuel cell electrode catalyst may be poisoned and the performance of the fuel cell may be degraded. Therefore, a small amount of air (hereinafter referred to as bleed air) is mixed in the fuel gas, and the reverse shift reaction is performed. A fuel cell system has also been proposed in which carbon monoxide generated in the above is burned with an electrode catalyst of the fuel cell to avoid poisoning of the catalyst.

上記のような燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスとして供給する空気(以下、適宜、カソード空気と称す)、選択酸化部に供給する空気(以下、適宜、選択酸化空気と称す)およびブリード空気の3通りの空気を、それぞれ所定の流量で供給する必要があり、それぞれに空気供給手段と流量計測手段、および流量制御手段を設けると、コストが増大すると共に、燃料電池システムの外形寸法が大型化し、それに伴い広い設置スペースが必要であった。また、複数の空気供給手段が同時に動作することにより、動作音が大きくなるという課題もあった。   In the fuel cell system as described above, air supplied as an oxidant gas to the fuel cell (hereinafter referred to as “cathode air” as appropriate), air supplied to the selective oxidation unit (hereinafter referred to as “selective oxidized air” as appropriate), and bleed. It is necessary to supply each of the three types of air at a predetermined flow rate, and providing each of the air supply unit, the flow rate measurement unit, and the flow rate control unit increases the cost and reduces the external dimensions of the fuel cell system. Along with the increase in size, a large installation space was required. In addition, there is a problem that the operation sound becomes louder when a plurality of air supply means operate simultaneously.

上記課題を解決するために、選択酸化空気とブリード空気とを、一つの空気供給装置によって供給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)。この従来の燃料電池システムは、ブリード空気経路に、選択酸化空気とブリード空気とが所定の分流比になるように、予め、両流路の圧力損失の差を調整するための固定オリフィスを備えているため、一つの流量検知手段で選択酸化空気の流量とブリード空気の流量を所定の流量に制御することが可能である。   In order to solve the above-mentioned problem, a fuel cell system that supplies selective oxidation air and bleed air with a single air supply device has been proposed (see Patent Document 1). This conventional fuel cell system is provided with a fixed orifice for adjusting the difference in pressure loss between the two flow paths in advance so that the selective oxidization air and the bleed air have a predetermined diversion ratio in the bleed air path. Therefore, it is possible to control the flow rate of the selective oxidation air and the flow rate of the bleed air to a predetermined flow rate with a single flow rate detection means.

さらに別の従来の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気と、水素生成器に供給する空気とを、一つの空気供給装置によって供給する燃料電池システムが示されている(特許文献2の図1参照)。   In another conventional fuel cell system, there is shown a fuel cell system in which cathode air supplied to a fuel cell and air supplied to a hydrogen generator are supplied by one air supply device (Patent Document 2). (See FIG. 1).

図10は、特許文献2に記載された従来の燃料電池システムの構成を示す模式図である。図10に示すように、空気供給装置であるコンプレッサ100から供給される空気は、カソード空気経路101を介して燃料電池102に供給されるが、カソード空気経路101は、途中で水素生成器103に接続された分岐空気経路104に分岐され、水素生成器103にコンプレッサ100から供給されている空気の一部が供給される。さらに、分岐空気経路104には、流量検知手段として空気流量計105と、流量調整手段として空気制御バルブ106とを備えており、空気流量計105で検知した空気流量に基づいて制御部107で空気制御バルブ106の開度を調整し、水素生成器103に必要な所定流量の空気を供給するように調整される。   FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system described in Patent Document 2. As shown in FIG. As shown in FIG. 10, the air supplied from the compressor 100, which is an air supply device, is supplied to the fuel cell 102 via the cathode air path 101. The cathode air path 101 is connected to the hydrogen generator 103 on the way. The air is branched to the connected branch air path 104 and a part of the air supplied from the compressor 100 is supplied to the hydrogen generator 103. Further, the branch air path 104 is provided with an air flow meter 105 as a flow rate detecting means and an air control valve 106 as a flow rate adjusting means, and the control unit 107 performs air flow based on the air flow rate detected by the air flow meter 105. The degree of opening of the control valve 106 is adjusted so that a predetermined flow rate of air necessary for the hydrogen generator 103 is supplied.

特許文献2には、燃料電池102に供給するカソード空気の流量を調整する具体的な方法についての記載はない。しかしながら、コンプレッサ100から供給された空気が、カソード空気経路101と分岐空気経路104とに分流される比率(以下、適宜、分流比と称する)は、燃料電池102およびそのガスの流れに対する下流の経路を含むカソード空気経路101と、空気制御バルブ106と水素生成器103およびそのガスの流れに対する下流の経路を含む分岐空気経路104との圧力損失の比率によって決まってくる。そこで、予め、空気制御バルブ107の開度と、カソード空気経路101と分岐空気経路104との分流比との関係を制御部107に記憶しておくことにより、空気制御バルブ106の開度と空気流量計105の検知する流量から、カソード空気経路101を介して燃料電池102に供給されるカソード空気の流量を判断し、これに基づいてコンプレッサ100の回転数を制御部107で制御してコンプレッサ100から供給する空気量を調整することにより、燃料電池に供給するカソード空気の流量が所定の流量となるようにすることが可能である。   Patent Document 2 does not describe a specific method for adjusting the flow rate of cathode air supplied to the fuel cell 102. However, the ratio at which the air supplied from the compressor 100 is divided into the cathode air path 101 and the branch air path 104 (hereinafter, referred to as a diversion ratio as appropriate) is a path downstream of the fuel cell 102 and its gas flow. Is determined by the ratio of the pressure loss between the cathode air path 101 including the air control valve 106 and the hydrogen generator 103 and the branch air path 104 including the downstream path with respect to the gas flow. In view of this, the relationship between the opening degree of the air control valve 107 and the diversion ratio between the cathode air path 101 and the branch air path 104 is stored in the control unit 107 in advance, so that the opening degree of the air control valve 106 and the air From the flow rate detected by the flow meter 105, the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell 102 via the cathode air path 101 is determined, and based on this, the number of revolutions of the compressor 100 is controlled by the control unit 107, and the compressor 100 It is possible to adjust the flow rate of cathode air supplied to the fuel cell to a predetermined flow rate by adjusting the amount of air supplied from the fuel cell.

この構成により、特許文献2に記載の従来の燃料電池システムでは、特許文献1に記載の燃料電池システムよりも、さらに空気供給装置および流量検知手段の数を削減することが可能である。   With this configuration, in the conventional fuel cell system described in Patent Document 2, it is possible to further reduce the number of air supply devices and flow rate detection means compared to the fuel cell system described in Patent Document 1.

特開2006−210131号公報JP 2006-210131 A 特開2001−332284号公報JP 2001-332284 A

しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、以下のような課題があった。   However, the conventional fuel cell system has the following problems.

すなわち、燃料電池システムを停止した際には、発電によって燃料電池の内部の空気側で生成した水蒸気が、燃料電池システムの温度が低下によって、カソード空気が流通する燃料電池内部の空気流路や燃料電池から空気を排出するための経路内で凝縮する。そして、この凝縮水は、カソード空気が流通する経路内に溜まって、経路の断面積を減少させたり、場合によっては経路を閉塞したりすることになる。これにより、カソード空気が流通する経路の圧力損失が、凝縮水が無い正常な場合に比べて増大してしまい、再度、燃料電池システムを起動する際には、制御部で予め記憶している分流比と異なることになり、燃料電池に必要なカソード空気よりも少ない流量の空気しか供給されなくなり、燃料電池の性能が低下し、また劣化が促進されてしまうという課題があった。また、燃料電池に供給されるカソード空気の流量が少ない分、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給される空気の流量が、所定の流量よりも増加することになり、燃料電池システムの性能が低下し、劣化が促進されるという課題があった。   That is, when the fuel cell system is stopped, the water vapor generated on the air side inside the fuel cell by power generation causes the air flow path or fuel inside the fuel cell through which the cathode air circulates due to a decrease in the temperature of the fuel cell system. It condenses in the path for exhausting air from the battery. And this condensed water accumulates in the path | route through which cathode air distribute | circulates, reduces the cross-sectional area of a path | route, or obstruct | occludes a path | route depending on the case. As a result, the pressure loss of the path through which the cathode air flows increases compared to the normal case where there is no condensed water, and when the fuel cell system is started again, the diversion flow stored in advance by the control unit. Thus, there is a problem in that only air having a lower flow rate than the cathode air necessary for the fuel cell is supplied, so that the performance of the fuel cell is lowered and deterioration is promoted. In addition, since the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell is small, the flow rate of the air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path is increased from a predetermined flow rate. There existed a subject that performance fell and deterioration was accelerated | stimulated.

本発明は、従来の燃料電池システムの課題を考慮して、簡単な構成で、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気と、カソード空気とを一つの空気供給手段で供給することが可能であり、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても、水素生成器と燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気と、カソード空気とを、所定の比率で分流して、それぞれ所定流量で供給することができ、燃料電池システムの性能低下や劣化の促進を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   In the present invention, in consideration of the problems of the conventional fuel cell system, air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path and cathode air are supplied by a single air supply means with a simple configuration. Even if the fuel cell system is repeatedly started and stopped, air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path and the cathode air are diverted at a predetermined ratio, and a predetermined flow rate is obtained. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be supplied by the above-described method and can suppress the deterioration of the performance and deterioration of the fuel cell system.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな改質ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気を第1の所定流量よりも多い流量で供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が所定時間第1の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えたものである。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas and air, and a hydrogen having a reforming section that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw material and water. A generator, a fuel gas path through which the fuel gas generated by the hydrogen generator is circulated to the fuel cell, an air supply means for supplying air, and an air supplied from the air supply means is circulated to the fuel cell. A cathode air path, a branch air path that branches from the cathode air path and distributes air to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path, and the fuel cell disposed in the cathode air path. A cathode air supply blocking means for supplying or blocking air, and when the supply of air to the fuel cell is started, the cathode air supply blocking means is first opened. Control is performed so that air is supplied to the fuel cell, and the air supplied to the fuel cell is controlled to be supplied at a flow rate higher than a first predetermined flow rate, and then the air supplied to the fuel cell Includes a control unit for controlling the air supply means so that the first predetermined flow rate is maintained for a predetermined time.

これによって、燃料電池システムを起動して燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、まず、燃料電池システムを停止した際にカソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、第1の所定流量以上の空気で燃料電池システムの系外に押し出して排出し、カソード空気が流通する経路の圧力損失を正常に戻し、次に、燃料電池の発電に必要な第1の所定流量の空気を供給するように空気供給手段を制御して空気流量を調整することによって、カソード空気経路と分岐空気経路とにそれぞれ所定の流量の空気を供給することができる。   As a result, when the fuel cell system is started and the supply of cathode air to the fuel cell is started, first, the condensed water collected in the path through which the cathode air flows when the fuel cell system is stopped is first predetermined. Extrude the fuel cell system out of the fuel cell system with air above the flow rate, return the pressure loss of the path through which the cathode air circulates to normal, and then supply the first predetermined flow rate air required for fuel cell power generation Thus, by controlling the air supply means to adjust the air flow rate, it is possible to supply a predetermined flow rate of air to the cathode air path and the branch air path.

本発明の燃料電池システムによれば、一つの空気供給手段で選択酸化空気とカソード空気とを所定の比率で分流して供給する簡単な構成で、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても選択酸化空気とカソード空気とを所定の流量で供給することができ、燃料電池の性能低下や劣化促進を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to repeatedly start and stop the fuel cell system with a simple configuration in which the selective oxidation air and the cathode air are separately supplied at a predetermined ratio by one air supply means. A selective oxidation air and cathode air can be supplied at a predetermined flow rate, and a fuel cell system capable of suppressing deterioration in performance and deterioration of the fuel cell can be provided.

本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態1に係る燃料電池システムの主要部の動作を示すタイミングチャートTiming chart showing operation of main part of fuel cell system according to Embodiment 1 本発明の実施の形態2における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施の形態3における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態4における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態5における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. 同実施の形態5に係る燃料電池システムの起動運転における主要部の動作を示すタイミングチャートTiming chart showing operation of main part in start-up operation of fuel cell system according to Embodiment 5 本発明の実施の形態6における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention. 同実施の形態6に係る燃料電池システムの起動運転における主要部の動作を示すタイミングチャートTiming chart showing operation of main part in start-up operation of fuel cell system according to Embodiment 6 従来の燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図Schematic diagram schematically showing the configuration of a conventional fuel cell system

第1の発明は、燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、空気を供給する空気供給手段と、前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気が所定時間第1の所定流量よりも多い流量で供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が第1の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えた燃料電池システムである。   The first invention is a fuel cell that generates power using fuel gas and air, a hydrogen generator having a reforming section that generates hydrogen-rich fuel gas from raw material and water, and the hydrogen generator. A fuel gas path for flowing fuel gas to the fuel cell; an air supply means for supplying air; a cathode air path for flowing air supplied from the air supply means to the fuel cell; and a branch from the cathode air path A cathode air supply shut-off for supplying or shutting off air to the fuel cell disposed in the cathode air path, and a branch air path for allowing air to flow through at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path When the supply of air to the fuel cell is started, first, the cathode air supply shut-off unit is opened to supply air to the fuel cell. In addition, control is performed so that the air supplied to the fuel cell is supplied at a flow rate higher than the first predetermined flow rate for a predetermined time, and then the air supplied to the fuel cell becomes the first predetermined flow rate. And a fuel cell system provided with a control unit for controlling the air supply means.

これにより、燃料電池システムを停止した際にカソード空気が流通する経路で水蒸気が凝縮しても、再度、燃料電池システムを起動して燃料電池へのカソード空気の供給を開始する際に、まず、第1の所定流量以上の空気で凝縮水を燃料電池システムの系外に押し出し、その後、発電に必要な第1の所定量の空気流量に調整することによって、カソード空気経路と分岐空気経路との圧力損失の比率を所定の比率にすることができ、カソード空気経路と分岐空気経路とにそれぞれ所定の流量の空気を供給することができるため、一つの空気供給手段によって分岐空気経路に供給する空気とカソード空気とを所定の比率で分流して供給する簡単な構成で、燃料電池システムの起動および停止を繰り返し行なっても分岐空気経路に供給する空気とカソード空気とを所定の流量で供給することができ、燃料電池の性能低下や劣化促進を抑制することが可能な燃料電池発電システムを提供することができる。   Thus, even if water vapor is condensed in the path through which the cathode air flows when the fuel cell system is stopped, when starting the fuel cell system again and starting the supply of the cathode air to the fuel cell, By pushing the condensed water out of the fuel cell system with air of a first predetermined flow rate or higher and then adjusting to a first predetermined air flow rate required for power generation, the cathode air path and the branch air path Since the ratio of the pressure loss can be set to a predetermined ratio, and air of a predetermined flow rate can be supplied to the cathode air path and the branch air path, the air supplied to the branch air path by one air supply means And the cathode air are divided and supplied at a predetermined ratio. Even if the fuel cell system is repeatedly started and stopped, the air and cathode supplied to the branch air path are Over de can be supplied with air at a predetermined flow rate, it is possible to provide a fuel cell power generation system capable of suppressing the performance degradation and accelerated deterioration of the fuel cell.

第2の発明は、第1の発明の燃料電池システムに、前記空気供給手段で供給する空気の流量を検知する流量検知手段をさらに備え、前記制御部は前記流量検知手段で検知した空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御する燃料電池システムである。   According to a second aspect of the present invention, the fuel cell system according to the first aspect further includes a flow rate detection unit that detects a flow rate of air supplied by the air supply unit, and the control unit adjusts the air flow rate detected by the flow rate detection unit. A fuel cell system for controlling the air supply means based on the fuel cell system.

これにより、上記第1の発明の効果に加え、空気供給手段から供給する空気の流量を、燃料電池システムの運転に必要な流量に正確に制御することが可能となるため、必要以上の空気が流れて燃料電池システムの効率が低下したり、空気が不足することにより、燃料電池の性能が低下し、また劣化が促進することを抑制することができる。   Thereby, in addition to the effect of the first invention, it becomes possible to accurately control the flow rate of the air supplied from the air supply means to the flow rate necessary for the operation of the fuel cell system. It is possible to suppress the fuel cell performance from being reduced and the deterioration of the fuel cell performance and the promotion of the deterioration due to the decrease in the efficiency of the fuel cell system and the lack of air.

第3の発明は、第2の発明の燃料電池システムの流量検知手段が、前記分岐空気経路に設けられた前記水素生成器と前記燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気流量を検知する空気流量検知手段であり、前記制御部は空気流量検知手段の検知する空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御するものである。   According to a third aspect of the present invention, the flow rate detecting means of the fuel cell system according to the second aspect of the invention detects an air flow rate for detecting an air flow rate supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path provided in the branch air path It is a detection means, and the control unit controls the air supply means based on the air flow rate detected by the air flow rate detection means.

通常の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気の流量に比べ、分岐空気経路を介して、水素生成器に供給する空気流量、または、燃料ガスに混入させて燃料電池に供給するブリード空気の流量の少なくとも一方の空気量、または、水素生成器に供給する空気流量とブリード空気の流量との合算の空気流量の方が少ない。そのため、第3の発明の燃料電池システムによれば、少ない流量である分岐空気経路に供給する空気流量に基づいて空気供給手段で供給する空気の流量を制御するために、第2の発明の燃料電池システムに比べて、より正確に空気の流量を制御することが可能である。   In a normal fuel cell system, compared to the flow rate of cathode air supplied to the fuel cell, the flow rate of air supplied to the hydrogen generator via the branch air path, or the bleed air supplied to the fuel cell mixed with fuel gas The amount of air of at least one of the above flow rates or the sum of the air flow rate supplied to the hydrogen generator and the bleed air flow rate is smaller. Therefore, according to the fuel cell system of the third invention, the fuel of the second invention is used to control the flow rate of air supplied by the air supply means based on the air flow rate supplied to the branch air path having a small flow rate. Compared with the battery system, the air flow rate can be controlled more accurately.

第4の発明は、第1から第3のいずれか1つの発明の燃料電池システムに、前記空気供給手段で供給した空気を前記カソード空気経路と前記分岐経路とに分配する比率を調整する分流比調整手段を、前記カソード空気経路と前記分岐空気経路との分岐点、または前記カソード空気経路、または前記分岐空気経路のいずれかに備えたものである。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a diversion ratio for adjusting a ratio of distributing the air supplied by the air supply means to the cathode air path and the branch path in the fuel cell system according to any one of the first to third aspects. The adjusting means is provided at a branch point between the cathode air path and the branch air path, or at either the cathode air path or the branch air path.

これにより、空気供給手段の回転数などの操作量と、分流比調整手段による分流比との二つを調整して、カソード空気と分岐空気経路に供給する空気との流量を制御することが可能であるため、空気流量の調整を比較的簡単に行うことが可能である。   This makes it possible to control the flow rate of the cathode air and the air supplied to the branch air path by adjusting the operation amount such as the rotation speed of the air supply means and the diversion ratio by the diversion ratio adjustment means. Therefore, it is possible to adjust the air flow rate relatively easily.

第5の発明は、第4の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記カソード空気経路と前記分岐経路との分岐点に備えた分流弁である燃料電池システムである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。   A fifth invention is a fuel cell system in which the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fourth invention is a diversion valve provided at a branch point between the cathode air path and the branch path. Thereby, it is possible to adjust the diversion ratio between the cathode air and the air supplied to the branch air path with a relatively simple configuration.

第6の発明は、第4の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記カソード空気経路に備えられた前記カソード空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であるものである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。   In a sixth aspect of the invention, the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fourth aspect of the invention is a flow resistance variable means for changing the flow resistance of the cathode air path provided in the cathode air path. . Thereby, it is possible to adjust the diversion ratio between the cathode air and the air supplied to the branch air path with a relatively simple configuration.

第7の発明は、第4の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が、前記分岐空気経路に備えられた前記分岐空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であるものである。これにより、比較的簡単な構成でカソード空気と分岐空気経路に供給する空気との分流比を調整することが可能である。   In a seventh aspect of the invention, the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fourth aspect of the invention is a flow resistance variable means for changing the flow resistance of the branch air path provided in the branch air path. . Thereby, it is possible to adjust the diversion ratio between the cathode air and the air supplied to the branch air path with a relatively simple configuration.

第8の発明は、第4から7のいずれか1つの発明の燃料電池システムの制御部が、前記燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、前記分岐空気経路に供給される空気流量が変化しないように前記分流比調整手段を制御するものである。   According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a flow rate of air supplied to the branch air path before and after the controller of the fuel cell system according to any one of the fourth to seventh aspects starts supplying cathode air to the fuel cell. The diversion ratio adjusting means is controlled so as not to change.

これにより、カソード空気供給遮断手段を開放した直後に分岐空気経路に供給される空気の流量が、必要流量よりも多くなり過ぎ、燃料電池システムの性能が低下し、また劣化が促進することを抑制することができる。   As a result, the flow rate of the air supplied to the branch air path immediately after opening the cathode air supply shut-off means is excessively higher than the required flow rate, and the performance of the fuel cell system is reduced and the deterioration is suppressed. can do.

第9の発明は、第5または6の発明の燃料電池システムの分流比調整手段が前記カソード空気供給遮断手段を兼ねるものである。すなわち、分流比調整手段が分流弁である場合は、分岐経路側に空気供給手段から供給される空気が全て供給されるように制御することにより、燃料電池への空気の供給を遮断することが可能であり、また、分流比調整手段がカソード空気経路に備えられた流路抵抗可変手段である場合は、流路抵抗可変手段でカソード空気経路を閉止することによって、燃料電池への空気の供給を遮断することが可能である。   In a ninth invention, the diversion ratio adjusting means of the fuel cell system of the fifth or sixth invention also serves as the cathode air supply shut-off means. That is, when the diversion ratio adjusting means is a diversion valve, the supply of air to the fuel cell can be cut off by controlling so that all the air supplied from the air supply means is supplied to the branch path side. In the case where the diversion ratio adjusting means is a flow path resistance variable means provided in the cathode air path, air supply to the fuel cell is achieved by closing the cathode air path with the flow path resistance variable means. Can be shut off.

これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能である。   Thereby, the configuration of the fuel cell system can be simplified.

第10の発明は、第1のから9のいずれか1つの発明の燃料電池システムの水素生成器が、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化部とを有し、前記分岐空気経路が、選択酸化部へ空気を流通させる選択酸化空気経路であるものである。   According to a tenth aspect of the invention, there is provided a hydrogen generator of the fuel cell system according to any one of the first to ninth aspects, wherein a reforming unit that generates hydrogen-rich fuel gas from a raw material and water, and the reforming unit And a selective oxidation section that removes carbon monoxide in the generated fuel gas, and the branch air path is a selective oxidation air path through which air flows to the selective oxidation section.

これにより、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減することができるため、燃料電池の電極触媒の被毒を抑制することができる。   Thereby, since the concentration of carbon monoxide in the fuel gas generated in the reforming section can be reduced, poisoning of the electrode catalyst of the fuel cell can be suppressed.

第11の発明は、第1のから9のいずれか1つの発明の燃料電池システムの分岐空気経路が、前記燃料ガス経路に空気を流通させて前記燃料ガスに混入し、前記燃料電池に供給するためのブリード空気経路であるものである。   In an eleventh aspect of the invention, the branch air path of the fuel cell system according to any one of the first to ninth aspects causes air to flow through the fuel gas path to be mixed into the fuel gas and to be supplied to the fuel cell. It is a bleed air path for.

これにより、燃料電池の電極触媒の作用により、燃料ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素が逆シフト反応によって発生して電極触媒を被毒することを抑制することができる。   Thereby, it is possible to suppress the poisoning of the electrode catalyst caused by the reverse shift reaction of carbon monoxide from the carbon dioxide in the fuel gas due to the action of the electrode catalyst of the fuel cell.

第12の発明は、第10の発明の燃料電池システムが、前記選択酸化空気経路から分岐して、前記燃料ガス経路に前記選択酸化空気経路に供給された空気の一部を流通させて前記燃料ガスと混合して前記燃料電池に供給するブリード空気経路を有し、前記ブリード空気経路に前記選択酸化部に供給される空気流量と前記燃料ガス経路に供給される空気流量とが所定の比率となるように調整する流量調整手段を備えたものである。   In a twelfth aspect of the invention, the fuel cell system of the tenth aspect of the invention branches from the selective oxidative air path and causes the fuel gas path to circulate a part of the air supplied to the selective oxidative air path to thereby produce the fuel A bleed air path that is mixed with gas and supplied to the fuel cell, and the air flow rate supplied to the selective oxidizer and the air flow rate supplied to the fuel gas path in the bleed air path have a predetermined ratio It is provided with a flow rate adjusting means for adjusting so as to be.

これにより、水素生成器から燃料電池に供給する燃料ガス中の一酸化炭素の濃度を低減させ、加えて、燃料電池の電極触媒の作用により、燃料ガス中の二酸化炭素から一酸化炭素が逆シフト反応によって発生して電極触媒を被毒することを抑制することができる。   As a result, the concentration of carbon monoxide in the fuel gas supplied from the hydrogen generator to the fuel cell is reduced, and in addition, carbon monoxide is reversely shifted from carbon dioxide in the fuel gas by the action of the electrode catalyst of the fuel cell. It is possible to suppress poisoning of the electrode catalyst caused by the reaction.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
First, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図1において、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図1では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。   FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a solid line connecting the components constituting the fuel cell system indicates a path through which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow. The arrows on the solid lines indicate the direction in which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow during normal operation. Moreover, the broken line which connects between each component has shown the input and output of the control signal. Further, FIG. 1 shows only components necessary for explaining the present invention, and illustration of other components is omitted.

図1に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム1は、その発電部の本体としての燃料電池2を備えている。この燃料電池2としては、本実施の形態では、固体高分子型燃料電池を用いている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 as a main body of the power generation unit. As the fuel cell 2, a solid polymer fuel cell is used in the present embodiment.

燃料電池2は、後述する水素生成器3から排出されて燃料電池2内のアノード流路2aに供給される水素を豊富に含む燃料ガスと、後述する空気供給手段である空気ブロワ17により燃料電池2内のカソード流路2bに供給される酸化剤ガス(通常、空気)とを用いて、所定の電力を出力するべく発電を行う。また、図示はしていないが、燃料電池2が発電する際に発生する熱は、燃料電池2内の冷却水流路(図示せず)に供給する冷却水により回収され、燃料電池2外に排出される。燃料電池2の内部構成に関する詳細な説明については、燃料電池2の内部構成と一般的な固体高分子型燃料電池の内部構成とが同様であるため、ここでは省略する。   The fuel cell 2 includes a fuel gas containing abundant hydrogen discharged from a hydrogen generator 3 to be described later and supplied to an anode flow path 2a in the fuel cell 2, and an air blower 17 serving as an air supply unit to be described later. Using oxidant gas (usually air) supplied to the cathode flow path 2b in the power generator 2, electric power is generated so as to output predetermined power. Although not shown, heat generated when the fuel cell 2 generates electricity is recovered by cooling water supplied to a cooling water flow path (not shown) in the fuel cell 2 and discharged outside the fuel cell 2. Is done. The detailed description of the internal configuration of the fuel cell 2 is omitted here because the internal configuration of the fuel cell 2 and the internal configuration of a general polymer electrolyte fuel cell are the same.

また、図1に示すように、燃料電池システム1は、本発明に係る水素生成器3として、少なくとも改質器3aを備えている。この改質器3aは、少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む原料と水蒸気とを所定の温度に加熱した改質触媒の充填層(図示せず)中に供給することにより、水蒸気改質反応を進行させ、原料から水素を豊富に含む燃料ガスを生成するものである。改質器3aに供給する原料としては、典型的には、都市ガス、天然ガス、LPGなどの気体の炭化水素系原料が用いられる。しかしながら、メタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を用いてもよい。ただし、液体の原料を用いる場合は、改質器3aに供給する前に気化させることが好ましい。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes at least a reformer 3a as the hydrogen generator 3 according to the present invention. The reformer 3a supplies steam reforming by supplying a raw material containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen and steam into a packed bed (not shown) of a reforming catalyst heated to a predetermined temperature. The fuel gas containing abundant hydrogen is generated from the raw material by advancing the quality reaction. As the raw material supplied to the reformer 3a, typically, a gaseous hydrocarbon-based raw material such as city gas, natural gas, or LPG is used. However, liquid hydrocarbon raw materials such as methanol and kerosene may be used. However, when using a liquid raw material, it is preferable to vaporize before supplying to the reformer 3a.

改質器3aへの原料の供給は、後述の原料供給装置4によって、原料供給装置4と改質器3aとを接続した原料ガス供給経路5を介して行われる。なお、以下の説明において「接続され」と記す際には、経路などを介して接続される場合も含む。また、改質器3aへの水蒸気の供給は、後述の水蒸気発生器3dでプロセス水を蒸発させて生成した水蒸気を、原料ガス供給経路5に混入させて行われる。   The supply of the raw material to the reformer 3a is performed by a raw material supply device 4 described later via a raw material gas supply path 5 connecting the raw material supply device 4 and the reformer 3a. In the following description, “connected” includes the case of connection via a route or the like. The supply of water vapor to the reformer 3a is performed by mixing the water vapor generated by evaporating the process water with a water vapor generator 3d described later into the raw material gas supply path 5.

また、本実施の形態1の燃料電池システム1の水素生成器3には、上記改質器3aと、この改質器3aから排出される燃料ガス中の一酸化炭素を低減するための変成器3bと、CO除去器として選択酸化器3cとが順次接続されている。   The hydrogen generator 3 of the fuel cell system 1 of Embodiment 1 includes the reformer 3a and a transformer for reducing carbon monoxide in the fuel gas discharged from the reformer 3a. 3b and a selective oxidizer 3c as a CO remover are sequentially connected.

変成器3bは、改質器3aと接続されており、改質器3aで生成した燃料ガスが、変成器3bの変成触媒の充填層(図示せず)中に導入される。この改質器3aで生成した燃料ガス中には、水素のほかに一酸化炭素と二酸化炭素、そして改質反応に使われなかった水蒸気が含まれているが、変成器3bでは、導入された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させ、二酸化炭素と水素とが生成するように構成されている。   The shifter 3b is connected to the reformer 3a, and the fuel gas generated by the reformer 3a is introduced into a packed bed (not shown) of shift catalyst of the shifter 3b. The fuel gas produced by the reformer 3a contains carbon monoxide and carbon dioxide in addition to hydrogen, and water vapor not used in the reforming reaction, but was introduced in the transformer 3b. Carbon monoxide and water vapor in the fuel gas are subjected to a shift reaction to generate carbon dioxide and hydrogen.

選択酸化器3cは、変成器3bと接続されており、変成器3bで一酸化炭素濃度を低減した燃料ガスが、選択酸化触媒の充填層(図示せず)中に導入され、さらに酸素を含有するガス、すなわち一般的には空気が後述の選択酸化空気経路19を介して供給される。選択酸化器3cでは、変成反応で残存した燃料ガス中の一酸化炭素を、空気中の酸素で酸化させて二酸化炭素とし、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を10ppm以下程度まで低減する。選択酸化器3cに供給する空気を選択酸化空気と称して、以下、説明を行う。   The selective oxidizer 3c is connected to the transformer 3b, and the fuel gas whose carbon monoxide concentration is reduced by the transformer 3b is introduced into a packed bed (not shown) of the selective oxidation catalyst, and further contains oxygen. Gas, that is, generally air, is supplied through a selective oxidizing air passage 19 described later. In the selective oxidizer 3c, carbon monoxide in the fuel gas remaining in the shift reaction is oxidized with oxygen in the air to carbon dioxide, and the carbon monoxide concentration in the fuel gas is reduced to about 10 ppm or less. The air supplied to the selective oxidizer 3c is referred to as selective oxidant air and will be described below.

また、水素生成器3は、水蒸気発生器3dを備えており、この水蒸気発生器3dは、プロセス水を蒸発させて水蒸気を生成するように構成されている。プロセス水を蒸発させるための熱には、変成器3bおよび選択酸化器3cにおける変成反応および選択酸化反応の際に発生する反応熱と、後述するバーナ部3eにおける燃焼排熱が利用される。また、別途電気ヒータなどの加熱手段を設けることも可能である。また、水蒸気発生器3dには、プロセス水供給ポンプ6によってプロセス水タンク7からプロセス水が供給され、水蒸気発生器3dで蒸発させて水蒸気を生成した後、原料ガス供給経路5と接続された水蒸気供給経路8を介して、原料ガスと混合されて改質器3aに供給される。また、水蒸気供給経路8は、直接改質器3aと接続されていても良い。   The hydrogen generator 3 includes a water vapor generator 3d, and the water vapor generator 3d is configured to generate water vapor by evaporating process water. As heat for evaporating the process water, reaction heat generated in the shift reaction and the selective oxidation reaction in the shift converter 3b and the selective oxidizer 3c and combustion exhaust heat in the burner section 3e described later are used. It is also possible to provide a heating means such as an electric heater separately. Further, the process water is supplied from the process water tank 7 by the process water supply pump 6 to the steam generator 3d and is evaporated by the steam generator 3d to generate steam, and then the steam connected to the source gas supply path 5 is supplied. Via the supply path 8, it is mixed with the raw material gas and supplied to the reformer 3a. Moreover, the steam supply path 8 may be directly connected to the reformer 3a.

また、水素生成器3は、改質器3a内に充填された改質触媒(図示せず)を加熱するために、例えば原料ガスを燃焼するバーナ部3eを備えている。このバーナ部3eは、燃料電池2で発電に利用されなかった水素を含む燃料電池2から排出されるガス(以下、オフガスと称す)、水素生成器3で生成される燃料ガス、および原料供給装置4により供給される原料ガスの内、少なくともいずれか1つを燃焼させて改質触媒を加熱し、改質反応に必要な改質熱を発生させる。また、このバーナ部3eには、バーナ部3eでの原料ガス等の燃焼に必要な空気を大気中から供給する燃焼空気ファン9が燃焼空気経路10を介して接続されており、燃焼空気ファン9は、燃焼させる原料ガス等を完全燃焼させるのに必要な空気量が供給されるように、後述の制御部22によって制御されている。また、バーナ部3eで燃焼した後の燃焼排ガスは、図示はしていないが燃焼排ガス経路を介して水蒸気発生器3dを加熱してから燃料電池システム1の系外に排出される。   In addition, the hydrogen generator 3 includes a burner unit 3e for burning, for example, a raw material gas in order to heat a reforming catalyst (not shown) filled in the reformer 3a. The burner unit 3e includes a gas discharged from the fuel cell 2 containing hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell 2 (hereinafter referred to as off-gas), a fuel gas generated by the hydrogen generator 3, and a raw material supply device. At least one of the raw material gases supplied by 4 is burned to heat the reforming catalyst and generate reforming heat necessary for the reforming reaction. Further, a combustion air fan 9 for supplying air necessary for combustion of the raw material gas or the like in the burner unit 3e from the atmosphere is connected to the burner unit 3e via a combustion air path 10, and the combustion air fan 9 Is controlled by a control unit 22 to be described later so that an air amount necessary for completely burning the raw material gas to be burned is supplied. Further, although not shown, the combustion exhaust gas after burning in the burner portion 3e is heated out of the fuel cell system 1 after heating the steam generator 3d via the combustion exhaust gas path.

また、改質器3aは、改質器3a内に充填された改質触媒(図示せず)の温度を計測するための温度センサ3fを備える。この温度センサ3fは、改質器3aの外側から、改質器3aの内部と外部とが連通しないようにシール構成を配慮して改質触媒中に埋設されている。さらに、温度センサ3fは、改質触媒の温度を電気信号として後述する制御部22に出力するように配線されている。また、図示はしていないが、変成触媒の温度を検知する温度センサと選択酸化触媒の温度を検知する温度センサとが、それぞれ変成器3bと選択酸化器3cとに設けてあり、制御部22に出力するように配線されている。   The reformer 3a includes a temperature sensor 3f for measuring the temperature of a reforming catalyst (not shown) filled in the reformer 3a. This temperature sensor 3f is embedded in the reforming catalyst in consideration of the seal configuration so that the inside and outside of the reformer 3a do not communicate with each other from the outside of the reformer 3a. Further, the temperature sensor 3f is wired so as to output the temperature of the reforming catalyst as an electric signal to the control unit 22 described later. Although not shown, a temperature sensor for detecting the temperature of the shift catalyst and a temperature sensor for detecting the temperature of the selective oxidation catalyst are provided in the shift converter 3b and the selective oxidizer 3c, respectively. It is wired to output to.

また、図1に示すように、この燃料電池システム1は、原料供給装置4を備えている。この原料供給装置4は、燃料電池システム1の発電運転時等において、天然ガス等のインフラストラクチャーから供給される天然ガス等の原料ガスを昇圧する昇圧ポンプであり、上述した原料ガス供給経路5を介して、改質器3aに原料を供給する。ここで、この原料供給装置4は、後述する制御部22により、必要に応じて改質器3aに供給する原料ガスの供給量を適宜調整することが可能であるように構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a raw material supply device 4. The raw material supply device 4 is a booster pump that pressurizes a raw material gas such as natural gas supplied from an infrastructure such as natural gas during the power generation operation of the fuel cell system 1. Then, the raw material is supplied to the reformer 3a. Here, the raw material supply apparatus 4 is configured so that the supply amount of the raw material gas supplied to the reformer 3a can be appropriately adjusted as necessary by the control unit 22 described later.

また、燃料電池2と水素生成器3とは、水素生成器3で生成された燃料ガスを燃料電池2のアノード流路2aに供給するために、一端が水素生成器3の選択酸化器3cと接続され、他端が燃料電池2のアノード流路2aに接続された燃料ガス経路11とで接続されている。さらに、燃料電池2のアノード流路2aとバーナ部3eとは、一端が燃料電池2のアノード流路2aに接続され、他端がバーナ部3eに接続されたオフガス経路12で接続されている。また、燃料ガス経路11は途中でバイパス経路13に分岐されており、オフガス経路12の途中と合流するように接続されている。   The fuel cell 2 and the hydrogen generator 3 are connected to the selective oxidizer 3c of the hydrogen generator 3 at one end in order to supply the fuel gas generated by the hydrogen generator 3 to the anode flow path 2a of the fuel cell 2. The other end of the fuel cell 2 is connected to the fuel gas path 11 connected to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2. Furthermore, the anode flow path 2a of the fuel cell 2 and the burner part 3e are connected by an off-gas path 12 having one end connected to the anode flow path 2a of the fuel cell 2 and the other end connected to the burner part 3e. Further, the fuel gas path 11 is branched into a bypass path 13 in the middle, and is connected so as to merge with the middle of the offgas path 12.

燃料ガス経路11のバイパス経路13との分岐点よりも燃料電池2側には、燃料入弁14が、オフガス経路12のバイパス経路13との合流点よりも燃料電池2側には、燃料出弁15が、バイパス経路13にはバイパス弁16が、それぞれ設けられており、後述の制御部によって任意に開放または閉止が可能なように配設されている。燃料入弁14,燃料出弁15およびバイパス弁16は制御部22によって開放および閉止を任意に切り替えることが可能な電磁弁であり、これにより、燃料入弁14と燃料出弁15を閉止した状態でバイパス弁16を開放すれば、選択酸化器3cから供給されるガスを燃料電池2を介さずに直接燃料ガスをバーナ部3eに供給することができ、逆に、燃料入弁14と燃料出弁15を開放してバイパス弁16を閉止すれば、燃料電池2に水素生成器3で生成した燃料ガスを供給することが可能である。   A fuel inlet valve 14 is located closer to the fuel cell 2 than the branch point of the fuel gas path 11 with the bypass path 13, and a fuel outlet valve is located closer to the fuel cell 2 than the junction with the bypass path 13 of the offgas path 12. 15 and a bypass valve 16 are provided in the bypass path 13, respectively, and are arranged so as to be arbitrarily opened or closed by a control unit described later. The fuel inlet valve 14, the fuel outlet valve 15, and the bypass valve 16 are electromagnetic valves that can be arbitrarily switched between open and closed by the control unit 22, whereby the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 are closed. If the bypass valve 16 is opened in this way, the gas supplied from the selective oxidizer 3c can be supplied directly to the burner unit 3e without going through the fuel cell 2, and conversely, the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet If the valve 15 is opened and the bypass valve 16 is closed, the fuel gas generated by the hydrogen generator 3 can be supplied to the fuel cell 2.

また、図1に示すように、この燃料電池システム1は、空気供給手段として空気ブロワ17を備えている。この空気ブロワ17は、大気中から空気を吸入することにより、燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気経路18を介して酸化剤ガスとしての空気(以下、カソード空気と称す)を供給するものである。さらに空気ブロワ17は、後述する制御部22によって回転数を制御することにより、空気ブロワ17から供給する空気量を調整することが可能であるように配設されている。なお、本実施の形態1の燃料電池システム1に使用した空気ブロワ17は、燃料電池システム1で利用する空気流量の範囲で、供給する空気が流通する経路の圧力損失の変化に対して、流量変化がほとんど無い特性を持った空気ブロワを使用した。これにより、制御部22で空気ブロワ17の回転数が所定の回転数になるように調整すれば、所定の流量の空気が空気ブロワ17から供給されることになる。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes an air blower 17 as air supply means. The air blower 17 supplies air (hereinafter referred to as cathode air) as an oxidant gas to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2 via the cathode air path 18 by sucking air from the atmosphere. It is. Furthermore, the air blower 17 is disposed so that the amount of air supplied from the air blower 17 can be adjusted by controlling the number of rotations by a control unit 22 described later. Note that the air blower 17 used in the fuel cell system 1 of the first embodiment has a flow rate with respect to a change in pressure loss in a path through which the supplied air flows in the range of the air flow rate used in the fuel cell system 1. An air blower with characteristics that hardly changed was used. Thus, if the control unit 22 adjusts the rotation speed of the air blower 17 to be a predetermined rotation speed, air of a predetermined flow rate is supplied from the air blower 17.

また、カソード空気経路18は、途中の分岐点Xで選択酸化空気経路19と分岐されており、この分岐空気経路である選択酸化空気経路19は、一端が分岐点Xでカソード空気経路と、他端が選択酸化器3cと接続されている。さらに、カソード空気経路18の分岐点Xよりも燃料電池2側には、カソード空気供給遮断手段として開閉弁である空気入弁20が配設されており、制御部22によって開放または閉止を任意に変更することが可能なようにされている。   Further, the cathode air path 18 is branched from the selective oxidation air path 19 at a branch point X in the middle, and the selective oxidation air path 19 which is this branch air path has one end at the branch point X and the other. The end is connected to the selective oxidizer 3c. Further, on the fuel cell 2 side of the cathode air passage 18 from the branch point X, an air inlet valve 20 as an on-off valve is disposed as a cathode air supply shut-off means, and the controller 22 can be arbitrarily opened or closed. It has been made possible to change.

ここで、燃料電池システム1の発電運転時など、空気入弁20が開放されている場合は、空気ブロワ17から供給された空気は、一部がカソード空気経路18を介してカソード空気として燃料電池2に供給され、残りが選択酸化空気経路19を介して選択酸化空気として選択酸化器3cに供給される。このとき、カソード空気の流量と選択酸化空気の流量との比率(以下、適宜、分流比と称す)は、分岐点Xから下流の空気入弁20を含むカソード空気経路18と、燃料電池2のカソード流路2bと、カソード排空気経路21の圧力損失Pcと、選択酸化空気経路19と、選択酸化器3cと、燃料入弁14を含む燃料ガス経路11と、燃料電池2のアノード流路2aと、燃料出弁15を含むオフガス経路12と、バーナ部3eを介して燃料電池システム1から燃焼排ガスが系外に排気されるまでの全経路の圧力損失Paとの比率より決まってくる。よって、本発明の実施の形態の燃料電池システムでは、発電時に空気ブロワ17から供給された空気が、所定の比率で分岐点Xより下流側のカソード空気経路18と選択酸化空気経路19とに分流されるように、各経路の圧力損失を考慮した設計をしている。   Here, when the air inlet valve 20 is opened, such as during power generation operation of the fuel cell system 1, a part of the air supplied from the air blower 17 is converted into cathode air via the cathode air path 18. 2 is supplied to the selective oxidizer 3c through the selective oxidizing air path 19 as selective oxidizing air. At this time, the ratio between the flow rate of the cathode air and the flow rate of the selectively oxidized air (hereinafter, referred to as a diversion ratio as appropriate) is the same as that of the cathode air path 18 including the air inlet valve 20 downstream from the branch point X and the fuel cell 2. The cathode flow path 2b, the pressure loss Pc of the cathode exhaust air path 21, the selective oxidation air path 19, the selective oxidizer 3c, the fuel gas path 11 including the fuel inlet valve 14, and the anode flow path 2a of the fuel cell 2. And the ratio between the off-gas path 12 including the fuel outlet valve 15 and the pressure loss Pa of the entire path until the combustion exhaust gas is exhausted from the fuel cell system 1 via the burner portion 3e. Therefore, in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the air supplied from the air blower 17 during power generation is divided into the cathode air passage 18 and the selective oxidation air passage 19 downstream from the branch point X at a predetermined ratio. As you can see, the pressure loss in each path is designed.

また、発電に利用されなかった酸素を含む空気(以下、カソード排空気と称す)は、燃料電池2のカソード流路2bに接続されたカソード排空気経路21から燃料電池システム1の系外に排気される。   Further, air containing oxygen that has not been used for power generation (hereinafter referred to as cathode exhaust air) is exhausted out of the fuel cell system 1 from the cathode exhaust air path 21 connected to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2. Is done.

さらに、燃料電池システム1は、制御部22を備えている。この制御部22は、燃料電池システム1を構成する各構成要素の動作を適宜制御する。ここで、この制御部22は、例えば、図1では特に図示しないが、記憶部、計時部、中央演算処理装置(CPU)等を備えている。燃料電池システム1の各構成要素の動作に係るプログラムは予め制御部22の記憶部に記憶されており、この記憶部に記憶されているプログラムに基づいて、制御部22が燃料電池システム1の動作を適宜制御する。   Furthermore, the fuel cell system 1 includes a control unit 22. The control unit 22 appropriately controls the operation of each component constituting the fuel cell system 1. Here, the control unit 22 includes, for example, a storage unit, a timing unit, a central processing unit (CPU), and the like, although not particularly illustrated in FIG. A program related to the operation of each component of the fuel cell system 1 is stored in advance in the storage unit of the control unit 22, and the control unit 22 operates the fuel cell system 1 based on the program stored in the storage unit. Is appropriately controlled.

次に、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム1の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Next, the operation of the fuel cell system 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

ここで、本実施の形態における「起動運転時」とは、「制御部22から起動指令が出力されてから燃料電池2の図1では特に図示しない発電制御部により電流が燃料電池2から取り出される迄」を指し、「停止運転時」とは、「制御部22から停止指令が出力されてから燃料電池システム1全体の動作が完全に停止する迄」を指す。   Here, “at the time of start-up operation” in the present embodiment means “after the start command is output from the control unit 22, the current is taken out from the fuel cell 2 by the power generation control unit not shown in FIG. 1 of the fuel cell 2. “At the time of stop operation” means “until the operation of the entire fuel cell system 1 is completely stopped after the stop command is output from the control unit 22”.

燃料電池システム1の発電時は、原料供給装置4を駆動することにより、所定流量の原料が水蒸気発生器3dで生成した水蒸気とともに改質器3aに供給され、改質器3a,変成器3bおよび選択酸化器3cとを順次流通することによって生成した良質の燃料ガスが、開放した燃料入弁14を通過して燃料電池2のアノード流路2aに供給される。このときバイパス弁16は閉止した状態であり、燃料出弁15は開放した状態である。   During power generation of the fuel cell system 1, by driving the raw material supply device 4, a predetermined flow rate of raw material is supplied to the reformer 3a together with the steam generated by the steam generator 3d, and the reformer 3a, the transformer 3b, A high-quality fuel gas generated by sequentially flowing through the selective oxidizer 3 c passes through the opened fuel inlet valve 14 and is supplied to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2. At this time, the bypass valve 16 is in a closed state, and the fuel outlet valve 15 is in an open state.

また、空気ブロワ17を所定の回転数で駆動することにより、所定流量の空気が開放した空気入弁20を通過して燃料電池2のカソード流路2bに供給される。このとき、空気ブロワ17から供給された空気の一部は、あらかじめ設定した分流比に従って、所定流量で選択酸化空気経路19を介して選択酸化器3cに供給され、燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減するのに利用される。このときの空気ブロワ17の回転数を第3の回転数として、以下、説明を行う。   Further, by driving the air blower 17 at a predetermined rotational speed, a predetermined flow rate of air passes through the open air inlet valve 20 and is supplied to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2. At this time, a part of the air supplied from the air blower 17 is supplied to the selective oxidizer 3c through the selective oxidization air passage 19 at a predetermined flow rate according to a preset diversion ratio, and the concentration of carbon monoxide in the fuel gas It is used to reduce The following description will be made assuming that the rotation speed of the air blower 17 at this time is the third rotation speed.

燃料電池2では、アノード流路2aに供給され、アノード電極に導入された燃料ガス中の水素と、カソード流路2bに供給され、カソード電極に導入されたカソード空気中の酸素とによる電気化学反応が行われる。電気化学反応は、アノード電極側では以下(1)式に示す反応が行われ、カソード電極側では以下(2)式に示す反応が行われる。
2H2 → 4H+ + 4e- ・・・(1)
2 + 4H+ + 4e- → 2H2O ・・・(2)
In the fuel cell 2, an electrochemical reaction is caused by hydrogen in the fuel gas supplied to the anode channel 2a and introduced into the anode electrode, and oxygen in the cathode air supplied to the cathode channel 2b and introduced into the cathode electrode. Is done. In the electrochemical reaction, the reaction represented by the following formula (1) is performed on the anode electrode side, and the reaction represented by the following formula (2) is performed on the cathode electrode side.
2H 2 → 4H + + 4e - ··· (1)
O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)

この電気化学反応によって発電するとともにカソード電極側に水分が生成される。さらに説明すると、アノード電極側の電子が外部電気回路(図示せず)を通ってカソード電極側に移動する際に電力を得ることができる。アノード電極側の水素イオンは固体高分子膜を通過してカソード電極側に移動し、酸素と結合して水分が発生する。水素イオンが固体高分子膜を通過するには、固体高分子膜が湿潤であることが好ましいため、一般的な燃料電池システムでは、燃料電池に供給するカソード空気を加湿してから供給する。本実施の形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池2に供給するカソード空気は、分岐点Xよりも下流のカソード空気経路18上に設けた図示しない加湿器によって加湿して供給される。また、燃料電池2に供給される燃料ガスは、水素生成器3で原料と水蒸気とから生成されるが、この際、理想的に改質反応を行うのに必要な水蒸気量以上の所定量の水蒸気が供給されるため、加湿された状態で燃料電池2に供給されることになる。   Electricity is generated by this electrochemical reaction, and moisture is generated on the cathode electrode side. More specifically, electric power can be obtained when electrons on the anode electrode side move to the cathode electrode side through an external electric circuit (not shown). Hydrogen ions on the anode electrode side move to the cathode electrode side through the solid polymer membrane, and combine with oxygen to generate moisture. In order for hydrogen ions to pass through the solid polymer membrane, the solid polymer membrane is preferably wet. Therefore, in a general fuel cell system, cathode air supplied to the fuel cell is humidified before being supplied. Also in the fuel cell system of the present embodiment, the cathode air supplied to the fuel cell 2 is supplied after being humidified by a humidifier (not shown) provided on the cathode air path 18 downstream from the branch point X. In addition, the fuel gas supplied to the fuel cell 2 is generated from the raw material and water vapor by the hydrogen generator 3. At this time, a predetermined amount more than the amount of water vapor necessary for ideally performing the reforming reaction is produced. Since water vapor is supplied, the fuel cell 2 is supplied in a humidified state.

また、上記(1)式および(2)式に示した反応が円滑に行われるためには、燃料電池システム1の発電量に応じて、所定流量の燃料ガスとカソード空気とを燃料電池2に供給することが必要となる。このため、制御部22によって所定流量の燃料ガスとカソード空気とが燃料電池2に供給されるように、原料供給装置4と空気ブロワ17とが制御される。このとき燃料電池2に供給されるカソード空気の流量が、第1の所定流量に相当する。   Further, in order for the reactions shown in the above formulas (1) and (2) to be performed smoothly, a predetermined amount of fuel gas and cathode air are supplied to the fuel cell 2 in accordance with the amount of power generated by the fuel cell system 1. It is necessary to supply. For this reason, the raw material supply device 4 and the air blower 17 are controlled by the control unit 22 so that fuel gas and cathode air at a predetermined flow rate are supplied to the fuel cell 2. At this time, the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell 2 corresponds to the first predetermined flow rate.

発電に利用されなかった水素を含むオフガスは、オフガス経路12を介してバーナ部3eに供給され、バーナ部3eで燃焼空気ファン9によって別途供給された燃焼空気とともに燃焼され、水素生成器3の各部の温度を所定の温度に維持するのに利用された後、燃料電池システム1の系外に排出される。   Off-gas containing hydrogen that has not been used for power generation is supplied to the burner unit 3e via the off-gas path 12, and burned together with combustion air separately supplied by the combustion air fan 9 in the burner unit 3e. Is used to maintain the temperature of the fuel cell system at a predetermined temperature, and then discharged outside the fuel cell system 1.

次に、燃料電池システム1の停止運転時には、外部電気回路との電気的接続を切断するとともに、原料供給装置4および空気ブロワ17の駆動を停止して、燃料電池2の発電を停止する。このとき、燃料入弁14,燃料出弁15,空気入弁20は閉止される。   Next, during the stop operation of the fuel cell system 1, the electrical connection with the external electric circuit is disconnected, and the driving of the raw material supply device 4 and the air blower 17 is stopped to stop the power generation of the fuel cell 2. At this time, the fuel inlet valve 14, the fuel outlet valve 15, and the air inlet valve 20 are closed.

燃料電池システム1が停止して、燃料電池2およびカソード空気経路18の温度が低下してくると、カソード空気経路18の図示しない加湿器以降の経路内や、燃料電池2のカソード流路2bなどに残留したカソード空気およびカソード排空気中の水蒸気が凝縮して、経路内に溜まることになる。   When the fuel cell system 1 stops and the temperature of the fuel cell 2 and the cathode air path 18 decreases, the inside of the cathode air path 18 after the humidifier (not shown), the cathode flow path 2b of the fuel cell 2, etc. The water vapor remaining in the cathode air and the cathode exhaust air is condensed and accumulated in the path.

次に、本発明の特徴となる燃料電池システムの起動運転について以下に説明を行う。   Next, the start-up operation of the fuel cell system, which is a feature of the present invention, will be described below.

燃料電池システム1の起動運転時には、制御部22の制御によって以下の動作を行う。   During the start-up operation of the fuel cell system 1, the following operation is performed under the control of the control unit 22.

まず、水素生成器3の改質器3a,変成器3b,選択酸化器3cに充填された各触媒の温度が、それぞれ改質反応,変成反応および選択酸化反応を行うのに適した所定の温度になるように、バーナ部3eで原料ガスを燃焼させて各触媒を加熱する。具体的には、後述する理由によりバイパス弁16を開放し、燃料入弁14と燃料出弁15とを閉止した状態で原料を原料供給装置4から水素生成器3に供給し、バイパス経路13を介してバーナ部3eに供給する。同時に供給した原料に対応した燃焼空気を燃焼空気ファン9によって燃焼空気経路10を介してバーナ部3eに供給し、バーナ部3eに設けた図示しない着火装置によってバーナ部3eで原料の燃焼を開始する。   First, the temperature of each catalyst charged in the reformer 3a, the shifter 3b, and the selective oxidizer 3c of the hydrogen generator 3 is a predetermined temperature suitable for performing the reforming reaction, shift reaction, and selective oxidation reaction, respectively. The raw material gas is burned in the burner unit 3e so that each catalyst is heated. Specifically, the bypass valve 16 is opened for reasons described later, the raw material is supplied from the raw material supply device 4 to the hydrogen generator 3 with the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 closed, and the bypass passage 13 is To the burner unit 3e. At the same time, combustion air corresponding to the raw material supplied is supplied to the burner unit 3e by the combustion air fan 9 via the combustion air path 10, and combustion of the raw material is started in the burner unit 3e by an ignition device (not shown) provided in the burner unit 3e. .

このとき、改質触媒の温度は、温度センサ3fによって検知され、同様に変成触媒と選択酸化触媒の温度は、図示しない温度センサによって検知される。また、変成触媒および選択酸化触媒の温度を、予め、制御部22に改質触媒の温度と変成触媒および選択酸化触媒の各温度との相関を記憶させておくことで、温度センサ3fで検知した改質触媒の温度から判断するようにしてもよい。   At this time, the temperature of the reforming catalyst is detected by the temperature sensor 3f, and similarly, the temperatures of the shift catalyst and the selective oxidation catalyst are detected by a temperature sensor (not shown). Further, the temperature of the shift catalyst and the selective oxidation catalyst is detected by the temperature sensor 3f by storing the correlation between the temperature of the reforming catalyst and each temperature of the shift catalyst and the selective oxidation catalyst in the control unit 22 in advance. You may make it judge from the temperature of a reforming catalyst.

また、このとき、水蒸気発生器3dもバーナ部3eの燃焼によって加熱され、水蒸気発生器3dの温度が水を蒸発させることが可能な温度に昇温し、かつ各触媒の温度が100℃以上の水蒸気が凝縮しない温度に昇温すると、水蒸気改質反応を進行させるための水蒸気を生成するために、プロセス水供給ポンプ6を駆動して、プロセス水タンク7からプロセス水を水蒸気発生器3dに供給する。そして水蒸気発生器3dで発生した水蒸気を、水蒸気供給経路8を介して現況ガス供給経路5の原料ガスに混合させて改質器3aに供給することにより、改質器3aにおいて改質反応が開始される。   At this time, the steam generator 3d is also heated by the combustion of the burner portion 3e, the temperature of the steam generator 3d is increased to a temperature at which water can be evaporated, and the temperature of each catalyst is 100 ° C. or higher. When the temperature is raised to a temperature at which the steam does not condense, the process water supply pump 6 is driven to supply the process water from the process water tank 7 to the steam generator 3d in order to generate steam for advancing the steam reforming reaction. To do. The reforming reaction is started in the reformer 3a by mixing the steam generated in the steam generator 3d with the raw material gas in the current gas supply path 5 via the steam supply path 8 and supplying it to the reformer 3a. Is done.

燃料電池システム1の起動運転の開始初期では、改質器3aの改質触媒の温度は、バーナ部3eにより加熱されて緩やかに温度上昇するため、改質反応を行うのに適した所定の温度に到達していない。そのため、改質器3aにおける水蒸気改質反応が好適に進行しないので、改質器3aから排出される燃料ガスには、大量の一酸化炭素が含まれている。また、同様に変成器3bの変成触媒の温度、および選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度も、変成反応および選択酸化反応を行うのに適した温度に到達していない。よって、水素生成器3から排出される燃料ガス中には、大量の一酸化炭素が含まれたままである。そこで、本実施の形態では、燃料電池システム1の起動運転の開始時には、水素生成器3における各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素濃度が充分低下した良質の燃料ガスを生成可能となるまで(所定の運転条件を満足するまで)は、制御部22により、前述のようにバイパス経路13側を燃料ガスが流れるようにしておく。   At the beginning of the start-up operation of the fuel cell system 1, the temperature of the reforming catalyst of the reformer 3a is heated by the burner unit 3e and gradually rises. Therefore, a predetermined temperature suitable for performing the reforming reaction. Not reached. For this reason, since the steam reforming reaction in the reformer 3a does not proceed suitably, the fuel gas discharged from the reformer 3a contains a large amount of carbon monoxide. Similarly, the temperature of the shift catalyst of the shift converter 3b and the temperature of the selective oxidation catalyst of the selective oxidizer 3c do not reach temperatures suitable for performing the shift reaction and the selective oxidation reaction. Therefore, the fuel gas discharged from the hydrogen generator 3 still contains a large amount of carbon monoxide. Therefore, in the present embodiment, when the start-up operation of the fuel cell system 1 is started, the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 reaches a predetermined temperature, and high-quality fuel gas having a sufficiently low carbon monoxide concentration is generated. Until it becomes possible (until a predetermined operating condition is satisfied), the control unit 22 keeps the fuel gas flowing on the bypass path 13 side as described above.

選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行うのに適した所定の温度に到達すると、制御部22で空気ブロワ17を予め記憶しておいた所定量の空気が供給される第1の回転数で駆動して、選択酸化空気経路19を介して選択酸化器3cに所定量の選択酸化空気を供給する。このとき、空気入弁20は閉止した状態にしておくことにより、燃料電池2のカソード流路2bに空気は供給されず、空気ブロワ17から供給した空気が全て選択酸化器3cに供給される。また、このときの空気ブロワ17の回転数を第1の回転数として、以下、説明を行う。   When the temperature of the selective oxidation catalyst of the selective oxidizer 3c reaches a predetermined temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, a predetermined amount of air stored in the air blower 17 in advance by the control unit 22 is supplied. A predetermined amount of selective oxidant air is supplied to the selective oxidizer 3c through the selective oxidant air passage 19 by driving at a rotational speed of 1. At this time, by keeping the air inlet valve 20 closed, no air is supplied to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2, and all the air supplied from the air blower 17 is supplied to the selective oxidizer 3c. In addition, the following description will be made with the rotation speed of the air blower 17 at this time as the first rotation speed.

さらに、各触媒の温度が、それぞれの反応を行うのに適した温度に到達し、水素生成器3で良質の燃料ガスが生成されだすと、燃料入弁14と燃料出弁15とを開放し、同時にバイパス弁16を閉止することにより、燃料電池2のアノード流路2aに燃料ガスの供給が開始される。このときも、後述する理由により、まだ、燃料電池2のカソード流路2bには空気の供給は開始しない。   Further, when the temperature of each catalyst reaches a temperature suitable for performing each reaction and high quality fuel gas is generated in the hydrogen generator 3, the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 are opened. At the same time, by closing the bypass valve 16, supply of fuel gas to the anode flow path 2a of the fuel cell 2 is started. At this time, the supply of air to the cathode flow path 2b of the fuel cell 2 is not yet started for the reasons described later.

そして、燃料電池2のアノード流路2aに燃料ガスの供給を開始してから所定時間が経過すると、制御部22によって空気入弁20を開放して燃料電池2にカソード空気の供給を開始して燃料電池システム1の発電運転を開始する。   When a predetermined time elapses after the supply of fuel gas to the anode flow path 2a of the fuel cell 2 is started, the control unit 22 opens the air inlet valve 20 to start supplying cathode air to the fuel cell 2. The power generation operation of the fuel cell system 1 is started.

燃料電池2に対し、燃料ガスの供給を空気よりも先に開始するのは、燃料電池2の電極に十分に水素がいきわたらない状態で発電を開始すると、(1)式に示す反応で水素から取り出すべき電子が、水素が十分に無いためにアノード電極の炭素やセパレータを構成するカーボンまたは金属から取り出され、燃料電池2を構成する電極やセパレータといった部材が劣化してしまうためである。そのため、燃料電池2のアノード電極に燃料ガス中の水素が十分にいきわたるまでの所定時間が経過した後に、燃料電池2にカソード空気の供給を開始し、発電を開始する。   The supply of fuel gas to the fuel cell 2 is started before the air. When power generation is started in a state where hydrogen does not sufficiently flow through the electrodes of the fuel cell 2, hydrogen is generated by the reaction shown in the equation (1). This is because the electrons to be taken out from the carbon are taken out from the carbon of the anode electrode or carbon or metal constituting the separator because there is not enough hydrogen, and the members such as the electrode and separator constituting the fuel cell 2 are deteriorated. For this reason, after a predetermined time has elapsed until the hydrogen in the fuel gas has sufficiently spread to the anode electrode of the fuel cell 2, supply of cathode air to the fuel cell 2 is started and power generation is started.

ここで、本発明の特徴である、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際の動作について、図を用いて詳細な説明を行う。   Here, the operation when starting the supply of cathode air to the fuel cell, which is a feature of the present invention, will be described in detail with reference to the drawings.

図2は、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前後での、主要な構成要素の動作と主要な流量の変化を示すタイミングチャートである。図2において(a)は空気入弁20の閉止と開放の変化を表し、(b)は(a)における空気入弁20の動作に対する空気ブロワ17の回転数の変化を、(c)はカソード空気の流量の変化、(d)は選択酸化空気の流量の変化をそれぞれ示す。   FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the main components and the change in the main flow rate before and after the supply of the cathode air to the fuel cell 2 is started. 2A shows changes in closing and opening of the air inlet valve 20, FIG. 2B shows changes in the rotational speed of the air blower 17 with respect to the operation of the air inlet valve 20 in FIG. 2A, and FIG. The change in the flow rate of air, (d) shows the change in the flow rate of the selectively oxidized air.

図2に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁20を開放し、同時に空気ブロワ17の回転数を、これまで制御していた第1の回転数から上げて空気ブロワ17から供給される空気量を増加させる。   As shown in FIG. 2, when the supply of cathode air to the fuel cell 2 is started, the air inlet valve 20 is opened, and at the same time, the rotational speed of the air blower 17 is controlled to the first rotational speed that has been controlled so far. The amount of air supplied from the air blower 17 is increased.

しかしながら、このとき、カソード空気経路18および燃料電池2のカソード流路2b内には、前述のように燃料電池システム1の停止時に凝縮水が溜まっている。そのため、発電に必要な第1の所定流量のカソード空気が燃料電池2に供給されるように、前述の第3の回転数で空気ブロワ17を駆動すると、空気ブロワ17から供給される空気流量(すなわちカソード空気の流量と選択酸化空気の流量との合算流量)は、本実施の形態1の燃料電池システム1で使用した空気ブロワの特性上、常に同じ所定の流量となるが、凝縮水がカソード空気の流通する経路中に凝縮して経路の流路抵抗を大きくしているために、分流比が設計値とずれて、選択酸化空気の流量が想定よりも増加し、逆にカソード空気の流量が想定よりも減少することになる。本実施の形態1の燃料電池システム1のように、分岐後の各経路の圧力損失の比によって分流比を調整している場合には、経路の圧力損失の比が設計値からずれた場合には、分流比がずれたまま、燃料電池システムの運転を継続してしまうことがある。   However, at this time, condensed water is accumulated in the cathode air passage 18 and the cathode flow path 2b of the fuel cell 2 when the fuel cell system 1 is stopped as described above. Therefore, when the air blower 17 is driven at the third rotational speed so that the first predetermined flow rate of cathode air necessary for power generation is supplied to the fuel cell 2, the air flow rate supplied from the air blower 17 ( That is, the combined flow rate of the cathode air flow rate and the selective oxidation air flow rate is always the same predetermined flow rate due to the characteristics of the air blower used in the fuel cell system 1 of the first embodiment, but the condensed water is the cathode flow rate. Since the flow resistance of the path is increased by condensing in the path through which air flows, the diversion ratio deviates from the design value, and the flow rate of the selective oxidation air increases than expected, and conversely the flow rate of the cathode air Will be lower than expected. When the shunt ratio is adjusted by the ratio of the pressure loss of each path after branching as in the fuel cell system 1 of the first embodiment, the ratio of the pressure loss of the path deviates from the design value. May continue to operate the fuel cell system with the diversion ratio shifted.

燃料電池2に供給されるカソード空気の流量が少ない状態で発電を行うと、燃料電池2の発電で必要な酸素がカソード電極に供給されずに、燃料電池2の発電量が低下して燃料電池システムの効率が低下したり、燃料電池2の劣化を促進したりする。また一方で、選択酸化器3cに供給される選択酸化空気の流量が多すぎると、選択酸化器3b中の選択酸化触媒の作用によって、発熱反応である水素の酸化反応が進行し、選択酸化器3cの温度が上昇して選択酸化反応を行うのに適した温度から外れて一酸化炭素を充分除去できなくなり、一酸化炭素濃度が高い燃料ガスが燃料電池2に供給されて燃料電池2の性能が低下したり、本来は燃料電池2に供給して発電に利用されるべき水素が、過量の選択酸化空気中の酸素との酸化反応で消費されて燃料電池システムの効率が低下したりする。   When power generation is performed in a state where the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell 2 is small, oxygen necessary for power generation by the fuel cell 2 is not supplied to the cathode electrode, and the power generation amount of the fuel cell 2 decreases, and the fuel cell The efficiency of the system decreases or the deterioration of the fuel cell 2 is promoted. On the other hand, when the flow rate of the selective oxidation air supplied to the selective oxidizer 3c is too large, the selective oxidation catalyst in the selective oxidizer 3b causes the oxidation reaction of hydrogen, which is an exothermic reaction, to proceed. When the temperature of 3c rises and the temperature deviates from a temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, carbon monoxide cannot be sufficiently removed, and fuel gas having a high carbon monoxide concentration is supplied to the fuel cell 2 and the performance of the fuel cell 2 In other words, hydrogen that is originally supplied to the fuel cell 2 and used for power generation is consumed by an oxidation reaction with oxygen in an excessive amount of selectively oxidized air, and the efficiency of the fuel cell system is reduced.

そこで、本実施の形態1の燃料電池システム1では、図2に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁20を開放し、同時に空気ブロワ17の回転数を前述の第1の回転数から増加させて空気ブロワ17から供給される空気の流量を増加させるが、このとき、まず、前述の第3の回転数よりも大きい後述する第2の回転数に上げるように制御部22で制御する。   Therefore, in the fuel cell system 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 2, when the supply of cathode air to the fuel cell 2 is started, the air inlet valve 20 is opened and at the same time the air blower 17 is rotated. The flow rate of the air supplied from the air blower 17 is increased by increasing the number from the first rotation number described above. At this time, first, the second rotation number described later, which is higher than the third rotation number described above. The control unit 22 performs control so as to increase the

空気ブロワ17の第2の回転数は、予め、以下の実験により求めて制御部22に記憶させておく。すなわち、分岐点Xで分流されて燃料電池2に供給されるカソード空気の流量は、燃料電池システム1の停止時に溜まった凝縮水の量や、その凝縮水による経路の閉塞の状態によって異なることになるが、分岐点Xより下流のカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に、最も分流比がずれる状態で凝縮水を溜めた状態から燃料電池システム1を起動し、燃料電池2にカソード空気の供給を開始した際に、カソード空気で経路内の凝縮水がカソード排空気経路21を介して燃料電池システム1の系外に排出される条件を求め、そのときの空気ブロワ17の回転数を第2の回転数として制御部22に記憶させておく。   The second rotational speed of the air blower 17 is obtained in advance by the following experiment and stored in the control unit 22. That is, the flow rate of the cathode air that is diverted at the branch point X and supplied to the fuel cell 2 varies depending on the amount of condensed water accumulated when the fuel cell system 1 is stopped and the state of the blockage of the condensed water. However, the fuel cell system 1 is started from a state in which condensed water is accumulated in the path where the cathode air and the cathode exhaust air downstream from the branch point X circulate most in the state where the diversion ratio is the most, and the fuel cell 2 receives the cathode air. When the supply is started, the condition for the condensed air in the path to be discharged out of the fuel cell system 1 through the cathode exhaust air path 21 is obtained by the cathode air, and the rotation speed of the air blower 17 at that time is The number of rotations is stored in the control unit 22.

そして、図2に示すように、空気ブロワ17を第2の回転数で駆動して凝縮水を燃料電池システム1の系外に排出した後、制御部22は燃料電池2に第1の所定流量のカソード空気が供給され、同時に選択酸化器3cに所定流量の選択酸化空気が供給される第3の回転数に空気ブロワ17の回転数を下げるように制御して、燃料電池システム1の発電運転を開始する。   Then, as shown in FIG. 2, after the air blower 17 is driven at the second rotational speed and the condensed water is discharged out of the fuel cell system 1, the control unit 22 supplies the fuel cell 2 with a first predetermined flow rate. Of the air blower 17 is controlled to be lowered to a third rotation speed at which a predetermined flow rate of selective oxidation air is simultaneously supplied to the selective oxidizer 3c. To start.

ここで、空気ブロワ17を第2の回転数で駆動する所定時間は、カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水がカソード排空気経路21を介して燃料電池システム1の系外に排出されるまでに必要とする時間であり、予め上記第2の回転数を求める実験により第2の回転数と同時に求めておき、制御部22に記憶させておく。   Here, for a predetermined time during which the air blower 17 is driven at the second rotational speed, the condensed water accumulated in the path through which the cathode air flows is discharged out of the fuel cell system 1 via the cathode exhaust air path 21. The time required until the second rotation number is obtained in advance by an experiment for obtaining the second rotation number and stored in the control unit 22 in advance.

また、空気ブロワ17の回転数を第2の回転数に制御したとき、選択酸化器3cに供給される選択酸化空気の流量も、図2に示すように所定の流量より増加することになるが、これは一時的であり、凝縮水が燃料電池システム1の系外に排出され、空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に下げた後は、分流比が設計値に戻って、選択酸化空気の流量も所定流量で供給されるようになるため、燃料電池システムの効率の低下や、選択酸化器3bの温度上昇などが起こることは無い。ここで、図2において示した、カソード空気の流量と選択酸化空気の流量は、空気ブロワ17が第2の回転数で駆動されている間、一定量で推移しているように示しているが、実際には、凝縮水が排出されていく過程で、カソード空気流量は徐々に増加し、選択酸化空気流量は徐々に減少するように変化していくことになる。   Further, when the rotational speed of the air blower 17 is controlled to the second rotational speed, the flow rate of the selective oxidation air supplied to the selective oxidizer 3c also increases from a predetermined flow rate as shown in FIG. This is temporary. After the condensed water is discharged out of the fuel cell system 1 and the rotation speed of the air blower 17 is lowered to the third rotation speed, the diversion ratio returns to the design value and is selected. Since the flow rate of the oxidized air is also supplied at a predetermined flow rate, the efficiency of the fuel cell system is not reduced and the temperature of the selective oxidizer 3b is not increased. Here, the flow rate of the cathode air and the flow rate of the selective oxidation air shown in FIG. 2 are shown to change at a constant amount while the air blower 17 is driven at the second rotational speed. Actually, in the process of discharging condensed water, the cathode air flow rate gradually increases and the selective oxidation air flow rate gradually changes.

以上のように、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時にカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に溜まった凝縮水を、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気を利用して燃料電池システムの系外に排出し、カソード空気と選択酸化空気との分流比を設計した分流比に戻した上で、発電運転を開始することができるので、一つの空気供給手段でカソード空気と選択酸化空気とを供給する簡単な構成で、繰り返し燃料電池システムの起動および停止を行っても、燃料電池システムの効率の低下や劣化が促進されることを抑制することが可能である。   As described above, in the fuel cell system according to the present embodiment, when the fuel cell system is stopped, the condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate is started when the supply of the cathode air to the fuel cell is started. , The cathode air is discharged out of the fuel cell system, and after the shunt ratio between the cathode air and the selective oxidation air is returned to the designed shunt ratio, the power generation operation can be started. With a simple configuration that supplies cathode air and selective oxidized air with air supply means, even if the fuel cell system is repeatedly started and stopped, it is possible to suppress the reduction in efficiency and deterioration of the fuel cell system. Is possible.

(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 2)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図3は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図3においても、図1と同様に、燃料電池システムを構成する各構成要素の間を結ぶ実線は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が流れる経路を示している。そして、それらの実線上に記している矢印は、水や燃料ガス、酸化剤ガス等が通常運転時に流れる方向を示している。また、各構成要素の間を結ぶ破線は、制御信号の入力および出力を示している。また、図3でも、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については図示を省略している。また、図3おいて、実施の形態1で示した燃料電池システム1の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. Also in FIG. 3, as in FIG. 1, the solid line connecting the components constituting the fuel cell system indicates a path through which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow. The arrows on the solid lines indicate the direction in which water, fuel gas, oxidant gas, and the like flow during normal operation. Moreover, the broken line which connects between each component has shown the input and output of the control signal. FIG. 3 also shows only the components necessary for explaining the present invention, and the illustration of other components is omitted. In FIG. 3, the same components as those of the fuel cell system 1 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図3に示すように、本実施の形態2に係る燃料電池システム31は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。   As shown in FIG. 3, the fuel cell system 31 according to the second embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but the first embodiment is the following point. Different from the fuel cell system 1 shown in FIG.

まず、実施の形態1で示した燃料電池システム1では、CO除去器として選択酸化反応を利用した選択酸化器3cを利用したのに対し、本実施の形態2の燃料電池システム31では、メタネーション反応を利用したCO除去器32cが設けられている。すなわち、水素生成器32は、改質器3a,変成器3b,CO除去器32cが順次接続されて構成されている。メタネーション反応は、選択酸化反応が燃料ガス中の一酸化炭素を、別途供給した選択酸化空気中の酸素と酸化反応させて二酸化炭素にして除去するのに対して、燃料ガス中の水素と一酸化炭素をメタネーション触媒下でメタンと水とに変化させ、燃料ガス中の一酸化炭素を除去するものである。このため、本実施の形態2の燃料電池システム31には、実施の形態1の燃料電池システム1の選択酸化空気経路19が存在しない。   First, in the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, the selective oxidizer 3c using the selective oxidation reaction is used as the CO remover, whereas in the fuel cell system 31 of the second embodiment, the methanation is used. A CO remover 32c utilizing a reaction is provided. That is, the hydrogen generator 32 is configured by sequentially connecting a reformer 3a, a transformer 3b, and a CO remover 32c. In the methanation reaction, the selective oxidation reaction removes carbon monoxide in the fuel gas by oxidizing it with oxygen in separately supplied selective oxidizing air to form carbon dioxide, whereas the methanation reaction removes carbon monoxide from the hydrogen in the fuel gas. Carbon monoxide is changed into methane and water under a methanation catalyst to remove carbon monoxide in the fuel gas. For this reason, the selective oxidation air path 19 of the fuel cell system 1 of Embodiment 1 does not exist in the fuel cell system 31 of Embodiment 2.

また、水素生成器32と燃料電池2とは、燃料ガス経路33で接続されている。この燃料ガス経路33は、一端がCO除去器32cと接続され、他端が燃料電池2のアノード流路2aと接続されており、途中でバイパス経路13と分岐されている点と、この分岐点よりも燃料電池2側に燃料入弁14を備えている点では、実施の形態1の燃料電池システム1の燃料ガス経路11と同じである。   The hydrogen generator 32 and the fuel cell 2 are connected by a fuel gas path 33. The fuel gas path 33 has one end connected to the CO remover 32c and the other end connected to the anode flow path 2a of the fuel cell 2, and is branched from the bypass path 13 along the way. The fuel gas valve 11 of the first embodiment is the same as the fuel gas path 11 of the fuel cell system 1 in that the fuel inlet valve 14 is provided on the fuel cell 2 side.

また、本実施の形態2に係る燃料電池システム31では、カソード空気経路18が分岐点Xで分岐空気経路に相当するブリード空気経路34と分岐されている。このブリード空気経路34は、燃料ガス経路33の、バイパス経路13との分岐点よりも水素生成器32側にある合流点Yで燃料ガス経路33と接続されている。また、ブリード空気経路34は、燃料電池システム31の発電運転時において、空気ブロワ17から供給した空気が分岐点Xでカソード空気とブリード空気とに所定の比率で分流されるように、圧力損失が配慮されている。   In the fuel cell system 31 according to the second embodiment, the cathode air path 18 is branched at a branch point X with a bleed air path 34 corresponding to the branch air path. The bleed air path 34 is connected to the fuel gas path 33 at a junction Y that is closer to the hydrogen generator 32 than a branch point of the fuel gas path 33 to the bypass path 13. Further, the bleed air path 34 has a pressure loss so that the air supplied from the air blower 17 is divided into the cathode air and the bleed air at the branch point X at a predetermined ratio during the power generation operation of the fuel cell system 31. Considered.

すなわち、本実施の形態2の燃料電池システム31では、実施の形態1の燃料電池システム1の選択酸化空気がブリード空気に置き換わったものである。また、選択酸化空気とブリード空気とは、それぞれ必要な流量が異なるために、本実施の形態2の燃料電池システム31では、所定流量のブリード空気が供給されるように調整されている。   That is, in the fuel cell system 31 of the second embodiment, the selective oxidization air of the fuel cell system 1 of the first embodiment is replaced with bleed air. In addition, since the selective oxidation air and the bleed air have different required flow rates, the fuel cell system 31 according to the second embodiment is adjusted so that a predetermined flow rate of bleed air is supplied.

また、カソード空気経路18の分岐点Xよりも流れの上流の空気ブロワ17側には、空気ブロワ17から供給される空気の流量を検知する空気流量計35が備えられており、空気ブロワ17から供給される空気量を検知する。空気流量計35で検知した空気流量は、制御部36に入力されるように配線されており、制御部36は空気流量計35で検知した空気流量に基づいて空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御する点でも、実施の形態1の燃料電池システム1と本実施の形態2の燃料電池システム31は異なる。   An air flow meter 35 for detecting the flow rate of the air supplied from the air blower 17 is provided on the air blower 17 side upstream of the branch point X of the cathode air path 18. Detect the amount of air supplied. The air flow rate detected by the air flow meter 35 is wired so as to be input to the control unit 36, and the control unit 36 feedback-controls the rotational speed of the air blower 17 based on the air flow rate detected by the air flow meter 35. In this respect, the fuel cell system 1 of the first embodiment is different from the fuel cell system 31 of the second embodiment.

以下、本実施の形態2の燃料電池システム31の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に説明を行う。   Hereinafter, the operation of the fuel cell system 31 of the second embodiment will be described focusing on differences from the fuel cell system 1 shown in the first embodiment.

水素生成器32は、実施の形態1で示した燃料電池システムの水素生成器3における選択酸化器3cがメタネーション反応を利用したCO除去器32cに置き換わっただけで、改質器3aで原料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成し、変成器3bとCO除去器32cを順次流通させることで一酸化炭素濃度が低減した良質の燃料ガスを生成する点は、実施の形態1で示した燃料電池システムの水素生成器3と同じである。   The hydrogen generator 32 is obtained by replacing the selective oxidizer 3c in the hydrogen generator 3 of the fuel cell system shown in Embodiment 1 with a CO remover 32c using a methanation reaction. The fuel cell system shown in the first embodiment is that the fuel gas is generated from the water vapor and the steam, and the good quality fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration is generated by sequentially flowing the transformer 3b and the CO remover 32c. This is the same as the hydrogen generator 3 in FIG.

また、燃料電池システム31の起動運転時において、水素生成器32の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度に昇温していない間は、水素生成器32から供給される燃料ガス中には多くの一酸化炭素が含まれるため、この一酸化炭素が燃料電池2のアノード電極の触媒を被毒させないように、水素生成器32の各触媒の温度が所定の温度に到達し、一酸化炭素の濃度が低減された良質の燃料ガスが供給されるまでは、燃料電池2を流通させずにバイパス経路13を介してバーナ部3eで燃焼させる点においても、実施の形態1の燃料電池システム1と同様である。   Further, during the start-up operation of the fuel cell system 31, while the temperature of each catalyst of the hydrogen generator 32 is not increased to a temperature suitable for performing each reaction, the hydrogen generator 32 supplies the catalyst. Since the fuel gas contains a large amount of carbon monoxide, the temperature of each catalyst of the hydrogen generator 32 reaches a predetermined temperature so that the carbon monoxide does not poison the catalyst of the anode electrode of the fuel cell 2. Further, the first embodiment is also used in that the fuel cell 2 is burned in the burner section 3e via the bypass path 13 until the high-quality fuel gas with reduced carbon monoxide concentration is supplied. This is the same as the fuel cell system 1 of FIG.

空気ブロワ17によってブリード空気経路34を介して燃料ガス経路33にブリード空気の供給が開始されるのは、燃料ガスが燃料電池2に供給される前であれば良いが、本実施の形態の燃料電池システムでは、水素生成器32の各触媒の温度が、全てそれぞれの反応を行なうのに適した温度となってからとし、その後、燃料入弁14と燃料出弁15を開放し、同時にバイパス弁16を閉止して燃料電池2に燃料ガスとブリード空気とを供給した。これにより、起動運転時に空気ブロワ17が駆動する時間を極力短くすることが可能であり、燃料電池システムの起動運転時に消費するエネルギーを小さくできる。   The supply of bleed air to the fuel gas passage 33 via the bleed air passage 34 by the air blower 17 may be started before the fuel gas is supplied to the fuel cell 2, but the fuel of the present embodiment In the battery system, the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 32 becomes a temperature suitable for performing each reaction, and then the fuel inlet valve 14 and the fuel outlet valve 15 are opened and at the same time the bypass valve. 16 was closed and fuel gas and bleed air were supplied to the fuel cell 2. Thereby, it is possible to shorten the time for which the air blower 17 is driven during the start-up operation as much as possible, and the energy consumed during the start-up operation of the fuel cell system can be reduced.

水素生成器32から供給された一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスは、燃料電池2に供給されるが、この燃料ガスには、燃料電池システム31が発電運転中には空気ブロワ17から供給した空気の一部が、また、燃料電池システム31の起動運転時で、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前には空気ブロワ17から供給した空気の全てが、ブリード空気経路34を介して混入されている。そのため、燃料電池2に供給された燃料ガス中の二酸化炭素が、燃料電池2のアノード電極に備えられた触媒の作用で逆シフト反応を起こし、一酸化炭素が生成しても、ブリード空気中の酸素によって一酸化炭素を燃焼させるので、アノード電極の触媒が一酸化炭素によって被毒することが無い。これにより、燃料電池2の性能が低下することが無く、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化したりすることを抑制することができる。   The fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration supplied from the hydrogen generator 32 is supplied to the fuel cell 2. The fuel gas is supplied from the air blower 17 during the power generation operation of the fuel cell system 31. A part of the air or all of the air supplied from the air blower 17 before starting the supply of the cathode air to the fuel cell 2 during the start-up operation of the fuel cell system 31 passes through the bleed air path 34. It is mixed. Therefore, even if carbon dioxide in the fuel gas supplied to the fuel cell 2 undergoes a reverse shift reaction by the action of the catalyst provided in the anode electrode of the fuel cell 2 and carbon monoxide is generated, Since carbon monoxide is burned by oxygen, the catalyst of the anode electrode is not poisoned by carbon monoxide. Thereby, the performance of the fuel cell 2 is not lowered, and the performance of the fuel cell system can be prevented from being lowered or deteriorated.

また、実施の形態1で示した燃料電池システム1では、空気ブロワ17の回転数によって空気ブロワ17から供給される空気量が常に同量になるような空気ブロワを用い、制御部22で空気ブロワ17の回転数を所定の回転数に一定で保つように制御することにより、所定の流量の空気を空気ブロワから供給するようにしていたのに対して、実施の形態2の燃料電池システム31では、空気流量計35で検知した空気流に基づいて空気ブロワの回転数を制御する点で、実施の形態1に示した燃料電池システム1と異なる。   In the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, an air blower is used in which the amount of air supplied from the air blower 17 is always the same depending on the rotation speed of the air blower 17. By controlling the rotational speed of 17 to be kept constant at the predetermined rotational speed, a predetermined flow rate of air is supplied from the air blower, whereas in the fuel cell system 31 of the second embodiment, The difference from the fuel cell system 1 shown in the first embodiment is that the rotational speed of the air blower is controlled based on the air flow detected by the air flow meter 35.

燃料電池システム31の起動運転時で、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、空気入弁20を開弁するとともに、実施の形態1で記載したのと同じように、予め実験によって求めて制御部36に記憶させていた回転数で空気ブロワ17を駆動して、カソード空気が流通する経路にたまった凝縮水を、燃料電池システム31の系外に排出してから、空気ブロワ17の回転数を、空気流量計35で検知する空気の流量に基づいて制御する。   When starting the supply of the cathode air to the fuel cell 2 during the start-up operation of the fuel cell system 31, the air inlet valve 20 is opened and the experiment is performed in advance as described in the first embodiment. The air blower 17 is driven at the rotational speed obtained by the above and stored in the control unit 36, and the condensed water accumulated in the path through which the cathode air flows is discharged out of the fuel cell system 31, and then the air blower. The rotational speed of 17 is controlled based on the air flow rate detected by the air flow meter 35.

これにより、燃料電池システムの停止時にカソード空気およびカソード排空気の流通する経路に溜まった凝縮水を、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気を利用して燃料電池システムの系外に排出し、カソード空気と選択酸化空気との分流比を設計した分流比に戻した上で、発電運転を開始することができる。   As a result, the condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate when the fuel cell system is stopped is used to start the supply of the cathode air to the fuel cell. The power generation operation can be started after discharging to the outside and returning the shunt ratio between the cathode air and the selectively oxidized air to the designed shunt ratio.

さらに、空気ブロワから供給する空気量を正確に所定量にすることが可能であり、また、空気を供給する経路の流路抵抗の変化に対して、同一回転数では供給空気の流量が変化するような空気ブロワを使用することも可能であるため、比較的安価で小型の空気ブロワを利用することも可能である。   Furthermore, the amount of air supplied from the air blower can be accurately set to a predetermined amount, and the flow rate of the supplied air changes at the same rotation speed with respect to the change in the flow path resistance of the air supply path. Since such an air blower can also be used, it is possible to use a relatively inexpensive and small air blower.

(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 3)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図4は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図4おいて、実施の形態1で示した燃料電池システム1の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 4, the same components as those of the fuel cell system 1 shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図4に示すように、本実施の形態3に係る燃料電池システム41は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、選択酸化空気経路19途中に空気流量計42を備えた点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。そして、空気流量計42で検知した選択酸化空気の流量は、制御部43に入力されるように配線されている。   As shown in FIG. 4, the fuel cell system 41 according to the third embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but the air is in the middle of the selective oxidation air path 19. It differs from the fuel cell system 1 shown in Embodiment 1 in that the flow meter 42 is provided. The flow rate of the selected oxidized air detected by the air flow meter 42 is wired so as to be input to the control unit 43.

本実施の形態3の燃料電池システム41の動作については、実施の形態1に示した燃料電池システム1に対して、制御部43が、空気流量計42で検知した選択酸化空気の流量と、予め記憶されているその時点での目標とする選択酸化空気の流量とを比較し、選択酸化空気の流量が目標値となるように空気ブロワ17の回転数を制御する点のみが異なり、その他の動作については、実施の形態1に示した燃料電池システム1と同じである。   Regarding the operation of the fuel cell system 41 according to the third embodiment, the control unit 43 compares the flow rate of the selectively oxidized air detected by the air flow meter 42 with respect to the fuel cell system 1 shown in the first embodiment. The only difference is that the flow rate of the selected oxidized air at that point in time stored is compared and the rotational speed of the air blower 17 is controlled so that the flow rate of the selected oxidized air becomes the target value. This is the same as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment.

燃料電池システムが発電運転時に必要とするカソード空気の流量と選択酸化空気の流量とを比較すると、選択酸化空気の流量のほうが少なく、カソード空気の流量の数十分の1程度であることが一般的である。よって本実施の形態3の燃料電池システムでは、少流量の選択酸化空気の流量に基づいて空気ブロワの回転数を調整・制御することで、選択酸化空気とカソード空気とが、正確な流量で供給することが可能となるため、効率の良い燃料電池システムを提供することができる。   Comparing the flow rate of the cathode air required for the power generation operation of the fuel cell system with the flow rate of the selective oxidation air, the flow rate of the selective oxidation air is smaller and is generally about one tenth of the flow rate of the cathode air. Is. Therefore, in the fuel cell system of the third embodiment, the selective oxidizing air and the cathode air are supplied at an accurate flow rate by adjusting and controlling the rotational speed of the air blower based on the flow rate of the selective oxidizing air with a small flow rate. Therefore, an efficient fuel cell system can be provided.

(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 4)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図5は、本発明の実施の形態4に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図5おいて、実施の形態1から3で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 4 of the present invention. In FIG. 5, the same components as those of the fuel cell system shown in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図5に示すように、本実施の形態4に係る燃料電池システム51は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。   As shown in FIG. 5, the fuel cell system 51 according to the fourth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but the first embodiment is the following point. Different from the fuel cell system 1 shown in FIG.

すなわち、カソード空気経路18の途中の第1の分岐点Xaから分岐した選択酸化空気経路19には、選択酸化空気の流量を検知し、制御部54へ検知した流量を入力するように配線された空気流量計52が備えられている。さらに選択酸化空気経路19には、空気流量計52の下流側に第2の分岐点Xbを備えている。第2の分岐点Xbにはブリード空気経路53の一端が接続されており、ブリード空気経路53の他端は、燃料ガス経路11に合流点Yで接続されている。このブリード空気経路53は、第1の分岐点Xaを介して供給されてきた選択酸化空気の一部が、所定の比率で分流されて燃料ガス経路11に混入されるように、圧力損失が予め調整されて設置されている。   That is, the selective oxidation air path 19 branched from the first branch point Xa in the middle of the cathode air path 18 is wired so as to detect the flow rate of the selective oxidation air and to input the detected flow rate to the control unit 54. An air flow meter 52 is provided. Further, the selective oxidation air path 19 includes a second branch point Xb on the downstream side of the air flow meter 52. One end of a bleed air path 53 is connected to the second branch point Xb, and the other end of the bleed air path 53 is connected to the fuel gas path 11 at a junction Y. The bleed air path 53 has a pressure loss in advance so that a part of the selectively oxidized air supplied via the first branch point Xa is diverted at a predetermined ratio and mixed into the fuel gas path 11. Coordinated and installed.

以上のように構成された燃料電池システム51の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に、以下、説明を行なう。   The operation of the fuel cell system 51 configured as described above will be described below with a focus on differences from the fuel cell system 1 shown in the first embodiment.

まず、燃料電池システム51の発電運転時には、実施の形態1と同様に、原料供給装置4を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器3dで生成した水蒸気と混合されて水素生成器3の改質器3aに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器3bと選択酸化器3cを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路11を介して、燃料電池2のアノード流路2aに供給される。また、空気ブロワ17を駆動することにより、カソード空気経路18を介して燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気が供給される。   First, during the power generation operation of the fuel cell system 51, as in the first embodiment, the raw material supply device 4 is driven, and a predetermined amount of the raw material gas is mixed with the water vapor generated by the water vapor generator 3d to be mixed with the hydrogen generator 3. Is supplied to the reformer 3a, and fuel gas is generated. This fuel gas is passed through the transformer 3b and the selective oxidizer 3c in sequence to become a fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration. It is supplied to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2 through the path 11. Further, by driving the air blower 17, cathode air is supplied to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2 through the cathode air path 18.

このとき、空気ブロワ17を駆動することによって供給される空気の一部は、第1の分岐点Xaで分流されて選択酸化空気経路19を介して選択酸化器3cに選択酸化空気として供給される。また、選択酸化空気の一部は、第2の分岐点Xbでブリード空気経路53に分流されて、ブリード空気として合流点Yを通って燃料ガス経路11に供給され、燃料ガスと混合されて燃料電池2のアノード流路2aに供給される。空気ブロワ17は、空気流量計52で検知した空気の流量に基づいて制御部54によって、空気流量計の検知する流量が所定の流量になるように、その回転数が調整され、また、選択酸化空気が所定の比率でブリード空気経路53に分流されるようにブリード空気経路53の圧力損失が設定されているため、第1の分岐点Xaから下流の選択酸化空気経路19とブリード空気経路53とには、常に精度よく所定量の空気が供給される。また、第1の分岐点Xaによってカソード空気と選択酸化空気(およびブリード空気)とに分流される空気の比率も、予め、所定の比率となるように設定されているため、燃料電池2にも精度良く所定量のカソード空気が供給される。この時の空気ブロワ17の回転数を第3の回転数として制御部54に記憶させておくが、実際には、空気流量計52の検知する空気流量に基づいて第3の回転数から調整される。   At this time, a part of the air supplied by driving the air blower 17 is diverted at the first branch point Xa and supplied as selective oxidation air to the selective oxidizer 3c via the selective oxidation air path 19. . A part of the selective oxidation air is diverted to the bleed air path 53 at the second branch point Xb, supplied as bleed air to the fuel gas path 11 through the confluence Y, and mixed with the fuel gas to produce fuel. It is supplied to the anode channel 2 a of the battery 2. The rotation speed of the air blower 17 is adjusted by the control unit 54 based on the flow rate of air detected by the air flow meter 52 so that the flow rate detected by the air flow meter becomes a predetermined flow rate. Since the pressure loss of the bleed air path 53 is set so that the air is diverted to the bleed air path 53 at a predetermined ratio, the selective oxidation air path 19 and the bleed air path 53 downstream from the first branch point Xa Is always supplied with a predetermined amount of air with high accuracy. In addition, since the ratio of the air diverted into the cathode air and the selectively oxidized air (and bleed air) by the first branch point Xa is also set in advance to be a predetermined ratio, the fuel cell 2 also A predetermined amount of cathode air is supplied with high accuracy. The rotational speed of the air blower 17 at this time is stored in the control unit 54 as the third rotational speed, but in actuality, it is adjusted from the third rotational speed based on the air flow rate detected by the air flow meter 52. The

選択酸化器3cに供給された選択酸化空気は、変成器3bから供給された燃料ガス中の一酸化炭素を酸化させるために用いられ、また、ブリード空気は、燃料ガスに混入されて燃料電池2のアノード流路2aに供給されるが、アノード電極の触媒上で燃料ガス中の二酸化炭素から逆シフト反応で一酸化炭素が発生した際に、一酸化炭素とブリード空気中の酸素とが燃焼反応を起こし、一酸化炭素がアノード電極の触媒を被毒するのを抑制する。   The selective oxidation air supplied to the selective oxidizer 3c is used to oxidize carbon monoxide in the fuel gas supplied from the transformer 3b, and the bleed air is mixed into the fuel gas to be used in the fuel cell 2. The carbon monoxide and oxygen in the bleed air undergo a combustion reaction when carbon monoxide is generated by reverse shift reaction from carbon dioxide in the fuel gas on the anode electrode 2a. This suppresses the poisoning of the anode electrode catalyst by carbon monoxide.

また、燃料電池システム51の起動運転時には、水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまで、バイパス経路13を介して流通させ、燃料電池2への供給を行なわない点は、他の実施の形態の燃料電池システムと同じである。このとき、選択酸化空気とブリード空気とを所定量供給するのに必要な空気ブロワ17の回転数を第1の回転数とするが、実際には、空気流量計52によって空気ブロワ17の回転数は第1の回転数から調整される。   Further, during the start-up operation of the fuel cell system 51, the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 becomes a predetermined temperature suitable for performing each reaction, and the bypass path 13 is generated until a high-quality fuel gas is generated. The fuel cell system is the same as the fuel cell system of the other embodiments in that the fuel cell 2 is not supplied and supplied to the fuel cell 2. At this time, the rotation speed of the air blower 17 necessary for supplying the predetermined amounts of the selective oxidation air and the bleed air is set to the first rotation speed. Is adjusted from the first rotational speed.

水素生成器3から良質の燃料ガスが供給され始めると、燃料電池2に燃料ガスの供給を開始し、所定時間経過後、空気入弁20を開放して燃料電池2へのカソード空気の供給を開始する。この際、実施の形態1の燃料電池システム1と同様に、図2で示すように、空気入弁20を開放すると同時に、空気ブロワ17を第3の回転数よりも大きい所定の第2の回転数で駆動して、燃料電池システムが停止した際に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して、燃料電池システム51の系外に排出する。そして、その後、空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に下げた後、空気流量計52の検知する流量に基づいて空気ブロワの回転数を制御する。ここで、空気ブロワ17の第2の回転数を予め実験により求め、制御部54に記憶させておく点については、その方法など実施の形態1と同様である。   When good quality fuel gas starts to be supplied from the hydrogen generator 3, supply of fuel gas to the fuel cell 2 is started, and after a predetermined time has elapsed, the air inlet valve 20 is opened to supply cathode air to the fuel cell 2. Start. At this time, similarly to the fuel cell system 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 2, the air inlet valve 20 is opened, and at the same time, the air blower 17 is rotated at a predetermined second speed higher than the third rotational speed. The condensed water accumulated when the fuel cell system is stopped is discharged to the outside of the fuel cell system 51 via the cathode exhaust air passage 21. Then, after the rotational speed of the air blower 17 is lowered to the third rotational speed, the rotational speed of the air blower is controlled based on the flow rate detected by the air flow meter 52. Here, the second rotational speed of the air blower 17 is obtained in advance by experiments and stored in the control unit 54, which is the same as in the first embodiment.

以上のように、本実施の形態4の燃料電池システムでは、燃料電池2のアノード触媒の電極が被毒されるのを抑制することが出来るため、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化したりするのを抑制することができ、また、選択酸化空気およびブリード空気,カソード空気の流量が、燃料電池システムが停止した際に生じる凝縮水によって、再度、燃料電池システムを起動運転後、発電させた際に所定の流量からずれることを防止することが可能であるため、起動および停止を繰り返しても、性能が低下したりすることがない燃料電池システムを提供することができる。   As described above, in the fuel cell system of the fourth embodiment, since the anode catalyst electrode of the fuel cell 2 can be prevented from being poisoned, the performance of the fuel cell system is reduced or deteriorated. In addition, the flow rates of the selectively oxidized air, the bleed air, and the cathode air are generated again after the start-up operation of the fuel cell system by the condensed water generated when the fuel cell system is stopped. Therefore, it is possible to provide a fuel cell system in which the performance does not deteriorate even if the start and stop are repeated.

(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 5)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図6は、本発明の実施の形態5に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図6おいて、実施の形態1から4で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 5 of the present invention. In FIG. 6, the same components as those of the fuel cell system shown in Embodiments 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図6に示すように、本実施の形態5に係る燃料電池システム61は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。   As shown in FIG. 6, the fuel cell system 61 according to the fifth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but the first embodiment is the following point. Different from the fuel cell system 1 shown in FIG.

すなわち、カソード空気経路18と分岐点Xで分岐した選択酸化空気経路19には、選択酸化空気の流量を検知する空気流量計62を備え、さらにその下流には、流路抵抗可変手段に相当するニードル弁である調整弁63を備える。空気流量計62は、選択酸化空気経路19に供給される選択酸化空気の流量を検知して制御部64に入力するように配線されており、調整弁63は、制御部64によって開度を任意に調整して、選択酸化空気経路19の圧力損失を調整できるように配線されている。   That is, the selective oxidation air path 19 branched from the cathode air path 18 and the branch point X is provided with an air flow meter 62 for detecting the flow rate of the selective oxidation air, and further downstream is equivalent to the flow resistance resistance means. An adjustment valve 63 that is a needle valve is provided. The air flow meter 62 is wired so as to detect the flow rate of the selected oxidized air supplied to the selected oxidized air path 19 and input it to the control unit 64, and the adjustment valve 63 can be freely opened by the control unit 64. It is wired so that the pressure loss of the selective oxidation air path 19 can be adjusted.

以上のように構成された燃料電池システム61の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に、以下、説明を行なう。   The operation of the fuel cell system 61 configured as described above will be described below with a focus on differences from the fuel cell system 1 shown in the first embodiment.

まず、燃料電池システム61の発電運転時には、実施の形態1と同様に、原料供給装置4を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器3dで生成した水蒸気と混合されて水素生成器3の改質器3aに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器3bと選択酸化器3cを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路11を介して、燃料電池2のアノード流路2aに供給される。また、空気ブロワ17を駆動することにより、カソード空気経路18を介して燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気が供給される。   First, during the power generation operation of the fuel cell system 61, as in the first embodiment, the raw material supply device 4 is driven, and a predetermined amount of the raw material gas is mixed with the water vapor generated by the water vapor generator 3d to be mixed with the hydrogen generator 3. Is supplied to the reformer 3a, and fuel gas is generated. This fuel gas is passed through the transformer 3b and the selective oxidizer 3c in sequence to become a fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration. It is supplied to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2 through the path 11. Further, by driving the air blower 17, cathode air is supplied to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2 through the cathode air path 18.

このとき、空気ブロワ17から供給された空気は、分岐点Xでカソード空気と選択酸化空気とに所定の比率で分流される。空気ブロワ17は、選択酸化空気経路19に設けられた空気流量計62の検知する流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように、制御部64によって回転数を調整されるが、このとき、燃料電池2に供給されるカソード空気の流量が所定の流量となるように、予め、調整弁63の開度を実験により求めて制御部64に記憶させておき、調整弁63の開度をこの開度(以下、第2の開度として説明を行なう)として制御部64で制御しておく。また、この時の空気ブロワ17の回転数を第3の回転数として制御部64に記憶しておき、空気流量計62で検知した選択酸化空気の流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように空気ブロワ17の回転数を制御部64で第3の回転数から微調整する。   At this time, the air supplied from the air blower 17 is split at a predetermined ratio between the cathode air and the selectively oxidized air at the branch point X. The rotation speed of the air blower 17 is adjusted by the control unit 64 based on the flow rate detected by the air flow meter 62 provided in the selective oxidation air path 19 so that the flow rate of the selective oxidation air becomes a predetermined flow rate. However, at this time, the opening degree of the regulating valve 63 is obtained in advance by experiment and stored in the control unit 64 so that the flow rate of the cathode air supplied to the fuel cell 2 becomes a predetermined flow rate. Is controlled by the control unit 64 as this opening (hereinafter, described as the second opening). Further, the rotational speed of the air blower 17 at this time is stored in the control unit 64 as a third rotational speed, and the flow rate of the selected oxidized air is determined based on the flow rate of the selected oxidized air detected by the air flow meter 62. The rotational speed of the air blower 17 is finely adjusted from the third rotational speed by the control unit 64 so that the flow rate becomes equal to

なお、燃料電池システム61が発電運転を行なっている間、調整弁63の開度を第2の開度で固定しておくが、これは調整弁63を動かすために必要な電力によって、燃料電池システムの効率が低下するのを抑制するためである。しかしながら、例えばカソード空気経路18にも空気流量計を設け、選択酸化空気経路19に設けている空気流量計62と、さらにカソード空気経路に設けた空気流量計との値に基づいて、調整弁63と空気ブロワ17とを制御して、カソード空気と選択酸化空気とが所定の流量になるように制御しても良い。   During the power generation operation of the fuel cell system 61, the opening degree of the regulating valve 63 is fixed at the second opening degree, which is determined by the electric power necessary for moving the regulating valve 63. This is to prevent the system efficiency from decreasing. However, for example, the cathode air passage 18 is also provided with an air flow meter, and the adjustment valve 63 is based on the values of the air flow meter 62 provided in the selective oxidation air passage 19 and the air flow meter provided in the cathode air passage. And the air blower 17 may be controlled so that the cathode air and the selectively oxidized air have a predetermined flow rate.

次に、燃料電池システムの起動運転について、図を用いながら以下に説明する。   Next, the startup operation of the fuel cell system will be described below with reference to the drawings.

燃料電池システム61の起動運転時には、実施の形態1で示した燃料電池システム1と同様に、水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまでは、燃料ガスをバイパス経路13を介して流通させ、燃料電池2への供給を行なわない。選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度が、選択酸化反応を行なうのに適した温度になると、制御部64によって、調整弁63の開度を第2の開度よりも小さい後述する第1の開度になるように制御しておいてから空気ブロワ17を所定の第1の回転数で駆動して、選択酸化器3cに選択酸化空気の供給を開始する。このとき、制御部64は、選択酸化空気の量が所定の流量となるように、空気流量計62で検知する流量に基づいて、空気ブロワ17の回転数を第1の回転数から微調整する。   During the start-up operation of the fuel cell system 61, as in the fuel cell system 1 described in the first embodiment, the temperature of each catalyst of the hydrogen generator 3 becomes a predetermined temperature suitable for performing each reaction, Until a good quality fuel gas is produced, the fuel gas is circulated through the bypass path 13 and is not supplied to the fuel cell 2. When the temperature of the selective oxidation catalyst of the selective oxidizer 3c reaches a temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, the control unit 64 makes the opening degree of the regulating valve 63 smaller than the second opening degree, which will be described later. After controlling to the opening degree, the air blower 17 is driven at a predetermined first rotational speed, and supply of the selective oxidizer air to the selective oxidizer 3c is started. At this time, the control unit 64 finely adjusts the rotational speed of the air blower 17 from the first rotational speed based on the flow rate detected by the air flow meter 62 so that the amount of the selectively oxidized air becomes a predetermined flow rate. .

水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度になり、水素生成器3から良質の燃料ガスの供給が開始されると、実施の形態1の燃料電池システム1と同様にして、燃料電池2に燃料ガスの供給を開始し、所定時間経過後、空気入弁20を開放して燃料電池2へのカソード空気の供給を開始する。   When the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 becomes a temperature suitable for performing each reaction and the supply of high-quality fuel gas from the hydrogen generator 3 is started, the fuel cell system 1 of the first embodiment. Similarly, the supply of fuel gas to the fuel cell 2 is started, and after a predetermined time has elapsed, the air inlet valve 20 is opened and the supply of cathode air to the fuel cell 2 is started.

ここで、図7は、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前後での、主要構成部材の動作と、カソード空気および選択酸化空気の流量の変化を示すタイミングチャートである。図7において、(a)は空気入弁20の閉止および開放を示し、(b)は空気ブロワ17の回転数、(c)は調整弁63の開度の変化をそれぞれ示し、(d)はカソード空気の流量、(e)は選択酸化空気の流量の変化をそれぞれ示す。   Here, FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the main components and the changes in the flow rates of the cathode air and the selective oxidation air before and after the supply of the cathode air to the fuel cell 2 is started. 7A shows the closing and opening of the air inlet valve 20, FIG. 7B shows the rotation speed of the air blower 17, FIG. 7C shows the change in the opening degree of the regulating valve 63, and FIG. The flow rate of the cathode air, (e), shows the change in the flow rate of the selectively oxidized air.

図7に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、まず、空気入弁20を開放すると同時に、空気ブロワ17の回転数を、第3の回転数よりも大きい第2の回転数で駆動して、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して燃料電池システム61の系外に排出する。ここで、第2の回転数を予め、実験で求めておき、制御部64に記憶させておく点については、実施の形態1と同様である。   As shown in FIG. 7, when the supply of cathode air to the fuel cell 2 is started, first, the air inlet valve 20 is opened, and at the same time, the rotational speed of the air blower 17 is set to be larger than the third rotational speed. The condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate is discharged out of the fuel cell system 61 through the cathode exhaust air path 21. Here, the second rotational speed is obtained in advance by an experiment and stored in the control unit 64 as in the first embodiment.

また、このとき調整弁63は、燃料電池システム61の発電運転時に、カソード空気と選択酸化空気とが所定の比率で分流されるための第2の開度より、選択酸化空気経路19の圧力損失が大きくなる第1の開度としている。そのため、空気ブロワ17の回転数を第2の回転数にした際に、実施の形態1の燃料電池システム1では図2で示したように選択酸化空気の流量が増加してしまうが、本実施の形態5の燃料電池システム61では、その選択酸化空気流量の変化量を小さくすることが可能である。さらに、調整弁64の第1の開度を、空気入弁20を開放すると同時に空気ブロワ17を第2の回転数で駆動した際に、選択酸化空気の流量が所定流量のままずれない開度を予め実験により求めて、制御部64に記憶させておくことにより、図7に示すように、空気入弁20を開放した際に、選択酸化空気の流量が所定の流量からずれなくすることも可能である。ただし、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まる凝縮水の量は、燃料電池システムの発電運転や停止の状態によって異なることがあるため、場合によっては選択酸化空気の流量が、多少、所定量からずれることがある。しかしながら、ずれ量としては小さくすることが可能であるため、選択酸化空気流量が所定量よりも多くなり、選択酸化器3cの触媒温度が上昇してしまい、燃料電池システムの効率が低下することを抑制することができる。   Further, at this time, the regulating valve 63 causes the pressure loss of the selective oxidation air path 19 from the second opening degree for the cathode air and the selective oxidation air to be diverted at a predetermined ratio during the power generation operation of the fuel cell system 61. The first opening is increased. For this reason, when the rotational speed of the air blower 17 is set to the second rotational speed, the flow rate of the selective oxidation air increases in the fuel cell system 1 of Embodiment 1 as shown in FIG. In the fuel cell system 61 of the fifth embodiment, the amount of change in the selective oxidized air flow rate can be reduced. Further, the first opening degree of the regulating valve 64 is such that the flow rate of the selective oxidation air does not deviate from the predetermined flow rate when the air blower 17 is driven at the second rotational speed at the same time as the air inlet valve 20 is opened. Is obtained in advance by experiment and stored in the control unit 64, so that when the air inlet valve 20 is opened, as shown in FIG. Is possible. However, the amount of condensed water that accumulates in the path through which the cathode air and cathode exhaust air circulate may vary depending on the power generation operation or stop state of the fuel cell system. May deviate from quantitative. However, since the amount of deviation can be reduced, the flow rate of the selective oxidation air becomes larger than a predetermined amount, the catalyst temperature of the selective oxidizer 3c increases, and the efficiency of the fuel cell system decreases. Can be suppressed.

次に、カソード空気およびカソード排空気が流通する経路に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して燃料電池システム61の系外に排出してしまうと、制御部64によって空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に低下させると同時に、調整弁63の開度を第2の開度に制御して、燃料電池システムの発電運転を開始する。図7において、空気ブロワ17の回転数を第2の回転数から第3の回転数まで、調整弁63の開度を第1の開度から第2の開度まで、所定の時間かけて変化させているが、これは、調整弁63がニードル弁であるために開度を変更するのに時間が架かるためであり、調整弁63の開度変化に従って、空気ブロワ17の回転数を徐々に変化させている。   Next, when the condensed water accumulated in the path through which the cathode air and the cathode exhaust air circulate is discharged out of the fuel cell system 61 via the cathode exhaust air path 21, the controller 64 causes the air blower 17 to At the same time as reducing the rotational speed to the third rotational speed, the opening degree of the regulating valve 63 is controlled to the second opening degree, and the power generation operation of the fuel cell system is started. In FIG. 7, the rotation speed of the air blower 17 is changed from the second rotation speed to the third rotation speed, and the opening degree of the adjustment valve 63 is changed from the first opening degree to the second opening degree over a predetermined time. However, since the adjustment valve 63 is a needle valve, it takes time to change the opening, and the rotational speed of the air blower 17 is gradually increased according to the change in the opening of the adjustment valve 63. It is changing.

以上のように、本実施の形態5の燃料電池システムによれば、一つの空気ブロワによってカソード空気と洗濯酸化空気とを供給することが可能であり、また、一つの空気流量計で空気ブロワから供給するカソード空気と選択酸化空気との流量を精度良く制御することができるため、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能であり、また、燃料電池システムの起動運転および発電、停止運転を繰り返した際にも、空気ブロワから供給する選択酸化空気とカソード空気とが所定量からずれることを抑制して、燃料電池システムの性能が低下したりすることを抑制することが可能である。   As described above, according to the fuel cell system of the fifth embodiment, it is possible to supply the cathode air and the washing oxidized air with one air blower, and from the air blower with one air flow meter. Since the flow rates of the cathode air and the selectively oxidized air to be supplied can be accurately controlled, the configuration of the fuel cell system can be simplified, and the start-up operation, power generation, and stop operation of the fuel cell system can be simplified. Even when it is repeated, it is possible to suppress the selective oxidation air and cathode air supplied from the air blower from deviating from a predetermined amount, and to prevent the performance of the fuel cell system from being deteriorated.

(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 6)
Next, the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図8は、本発明の実施の形態6に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す模式図である。図8おいて、実施の形態1から5で示した燃料電池システムの構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。   FIG. 8 is a schematic diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to Embodiment 6 of the present invention. In FIG. 8, the same components as those of the fuel cell system shown in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8に示すように、本実施の形態6に係る燃料電池システム71は、実施の形態1で示した燃料電池システム1と概ね同一の構成を示しているが、以下の点で実施の形態1で示した燃料電池システム1と異なる。   As shown in FIG. 8, the fuel cell system 71 according to the sixth embodiment has substantially the same configuration as the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, but the first embodiment is the following point. Different from the fuel cell system 1 shown in FIG.

すなわち、実施の形態3で示した燃料電池システム41と同様に、選択酸化空気経路19に空気流量計42を備える。さらに、カソード空気経路18と選択酸化空気経路19との分岐点Xに相当する場所に、分流比調整手段として分流弁72を備えている。   That is, similarly to the fuel cell system 41 shown in the third embodiment, an air flow meter 42 is provided in the selective oxidation air path 19. Further, a diversion valve 72 is provided as a diversion ratio adjusting means at a location corresponding to the branch point X between the cathode air path 18 and the selective oxidation air path 19.

分流弁72は、制御部73で制御され、空気ブロワ17から供給される空気をカソード空気と選択酸化空気とに分流する分流比を任意に変更することが可能である。さらに分流弁72は、空気ブロワ17から供給される空気の全てが選択酸化空気経路19に供給されるように制御されることにより、燃料電池2へのカソード空気の供給を遮断することが可能であり、カソード空気供給遮断手段の役割も同時に兼ねることが可能である。よって、本実施の形態6の燃料電池システム71には、空気入弁20は別途、設けられていない。これにより、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能である。   The diversion valve 72 is controlled by the control unit 73 and can arbitrarily change the diversion ratio for diverting the air supplied from the air blower 17 into the cathode air and the selective oxidation air. Further, the diversion valve 72 is controlled such that all of the air supplied from the air blower 17 is supplied to the selective oxidation air path 19, thereby blocking the supply of cathode air to the fuel cell 2. Yes, it can also serve as a cathode air supply blocking means at the same time. Therefore, the fuel cell system 71 of Embodiment 6 is not provided with the air inlet valve 20 separately. Thereby, the configuration of the fuel cell system can be simplified.

以上のように構成された燃料電池システム71の動作について、実施の形態1に示した燃料電池システム1との相違点を中心に、以下、説明を行なう。   The operation of the fuel cell system 71 configured as described above will be described below with a focus on differences from the fuel cell system 1 shown in the first embodiment.

まず、燃料電池システム71の発電運転時には、実施の形態1と同様に、原料供給装置4を駆動して、所定量の原料ガスが水蒸気発生器3dで生成した水蒸気と混合されて水素生成器3の改質器3aに供給され、燃料ガスが生成されるが、この燃料ガスは、変成器3bと選択酸化器3cを順次流通することにより、一酸化炭素濃度が低減した燃料ガスとなり、燃料ガス経路11を介して、燃料電池2のアノード流路2aに供給される。また、空気ブロワ17により、カソード空気経路18を介して燃料電池2のカソード流路2bにカソード空気が供給される。   First, during the power generation operation of the fuel cell system 71, as in the first embodiment, the raw material supply device 4 is driven, and a predetermined amount of the raw material gas is mixed with the water vapor generated by the water vapor generator 3d to be mixed with the hydrogen generator 3. Is supplied to the reformer 3a, and fuel gas is generated. This fuel gas is passed through the transformer 3b and the selective oxidizer 3c in sequence to become a fuel gas having a reduced carbon monoxide concentration. It is supplied to the anode flow path 2 a of the fuel cell 2 through the path 11. Further, cathode air is supplied to the cathode flow path 2 b of the fuel cell 2 by the air blower 17 via the cathode air path 18.

このとき制御部72は、空気流量計42で検知される選択酸化空気の流量に基づいて、選択酸化空気の流量が所定の流量になるように空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して調整するが、さらに制御部72は、分岐弁72を予め制御して、選択酸化空気の流量が所定の流量のときに、カソード空気が所定の流量となるように、分流弁72の開度を所定の開度にしておく。これにより、選択酸化空気の流量を正確に制御することができるが、加えて、カソード空気の流量も正確に制御されることになる。   At this time, the control unit 72 feedback-controls and adjusts the rotation speed of the air blower 17 so that the flow rate of the selective oxidation air becomes a predetermined flow rate based on the flow rate of the selective oxidation air detected by the air flow meter 42. However, the control unit 72 controls the branch valve 72 in advance so that when the flow rate of the selective oxidation air is a predetermined flow rate, the opening of the diversion valve 72 is set to a predetermined flow rate so that the cathode air has a predetermined flow rate. Keep the opening. Thereby, the flow rate of the selective oxidation air can be accurately controlled, but in addition, the flow rate of the cathode air is also accurately controlled.

また、燃料電池システムの停止運転時の動作については、他の実施の形態と同じであるため、ここでの説明は割愛する。   Further, since the operation at the time of the stop operation of the fuel cell system is the same as that of the other embodiments, the description thereof is omitted here.

次に、燃料電池システムの起動運転について説明する。   Next, the startup operation of the fuel cell system will be described.

燃料電池システム71の起動運転時には、実施の形態1で示した燃料電池システム1と同様に、水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した所定の温度になり、良質の燃料ガスが生成されるまでは、燃料ガスをバイパス経路13を介して流通させ、燃料電池2への供給を行なわない。   During the start-up operation of the fuel cell system 71, as in the fuel cell system 1 shown in the first embodiment, the temperature of each catalyst of the hydrogen generator 3 becomes a predetermined temperature suitable for performing each reaction, Until a good quality fuel gas is produced, the fuel gas is circulated through the bypass path 13 and is not supplied to the fuel cell 2.

選択酸化器3cの選択酸化触媒の温度が選択酸化反応を行なうのに適した温度になると、制御部73によって空気ブロワ17を駆動して選択酸化空気経路19を介して所定流量の選択酸化空気を選択酸化器3cに供給し始めるが、このとき、分流弁72は、空気ブロワ17で供給する空気が全て選択酸化器3cに供給されるように調整しく。さらに制御部73は、空気流量計42で検知した空気流量に基づいて空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して、所定流量の空気が選択酸化器3cに供給されるようにする。   When the temperature of the selective oxidation catalyst of the selective oxidizer 3c reaches a temperature suitable for performing the selective oxidation reaction, the control unit 73 drives the air blower 17 to generate the selective oxidized air having a predetermined flow rate through the selective oxidation air path 19. Supply to the selective oxidizer 3c is started. At this time, the diverter valve 72 is adjusted so that all the air supplied by the air blower 17 is supplied to the selective oxidizer 3c. Further, the control unit 73 feedback-controls the rotational speed of the air blower 17 based on the air flow rate detected by the air flow meter 42 so that a predetermined flow rate of air is supplied to the selective oxidizer 3c.

水素生成器3の各触媒の温度が、それぞれの反応を行なうのに適した温度になり、水素生成器3から良質の燃料ガスの供給が開始されると、実施の形態1の燃料電池システム1と同様にして、燃料電池2に燃料ガスの供給を開始する。燃料電池2に燃料ガスの供給を開始してから所定時間経過後、制御部73によって分流弁72の開度を変更し、空気ブロワ17から供給される空気が、燃料電池2と選択酸化器3cとに供給されるようにする。   When the temperature of each catalyst in the hydrogen generator 3 becomes a temperature suitable for performing each reaction and the supply of high-quality fuel gas from the hydrogen generator 3 is started, the fuel cell system 1 of the first embodiment. In the same manner, supply of fuel gas to the fuel cell 2 is started. After the elapse of a predetermined time from the start of the supply of fuel gas to the fuel cell 2, the opening degree of the diversion valve 72 is changed by the control unit 73, and the air supplied from the air blower 17 becomes the fuel cell 2 and the selective oxidizer 3c. And be supplied to.

このとき、空気ブロワ17は、前述の発電時に必要なカソード空気と選択酸化空気との合算量よりも多くの空気を供給するように回転数が制御される。そして、さらに所定時間経過後に空気ブロワの回転数を下げ、カソード空気と選択酸化空気とが所定の流量でそれぞれ供給されるように、空気流量計42で検知した選択酸化空気の流量に基づいて、空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して選択酸化空気の流量が所定の流量となるようにする。これにより、選択酸化空気の流量を正確に制御することができる。   At this time, the rotation speed of the air blower 17 is controlled so as to supply more air than the total amount of the cathode air and the selective oxidation air necessary for the power generation described above. Further, after the predetermined time has elapsed, the rotational speed of the air blower is decreased, and based on the flow rate of the selective oxidation air detected by the air flow meter 42 so that the cathode air and the selective oxidation air are respectively supplied at a predetermined flow rate, The rotational speed of the air blower 17 is feedback-controlled so that the flow rate of the selective oxidation air becomes a predetermined flow rate. Thereby, the flow rate of the selective oxidation air can be accurately controlled.

ここで、図を用いて、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前後での主要構成部品の動作と、カソード空気および選択酸化空気の流量の挙動を説明する。   Here, the operation of main components before and after the start of the supply of cathode air to the fuel cell 2 and the behavior of the flow rates of the cathode air and the selective oxidation air will be described with reference to the drawings.

図9は、主要構成部品の動作と、それに伴うカソード空気および選択酸化空気の流量の挙動を示すタイミングチャートである。図9において、(a)は後述する分岐弁72の開度を、(b)は空気ブロワ17の回転数を、(c)はカソード空気の流量を、(d)は選択酸化空気の流量をそれぞれ示す。ここで、分流弁72の開度は、図9の(a)中の縦軸で示し、開度0のときに空気ブロワ17で供給した空気が全て選択酸化空気経路19側に流れ、開度を上げると空気ブロワ17で供給した空気のうち、燃料電池2側にカソード空気として供給される比率が増えてくるものとして説明を行う。   FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the main components and the behavior of the flow rates of the cathode air and the selective oxidation air associated therewith. In FIG. 9, (a) shows the opening degree of a branch valve 72 described later, (b) shows the rotational speed of the air blower 17, (c) shows the flow rate of the cathode air, and (d) shows the flow rate of the selective oxidation air. Each is shown. Here, the opening degree of the diversion valve 72 is indicated by the vertical axis in FIG. 9A, and all the air supplied by the air blower 17 when the opening degree is 0 flows to the selective oxidizing air path 19 side. In the description, it is assumed that the ratio of the air supplied from the air blower 17 to the fuel cell 2 as cathode air increases.

図9に示すように、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際には、まず、分流弁72の開度を上げ、同時に空気ブロワ17の回転数を上昇させる。ここで、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する前で、選択酸化器3cのみに空気を供給する際の空気ブロワ17の回転数を、便宜的に(すなわち、正確にはフィードバック制御によって回転数は微調整されており一定ではないが、説明を簡単にするために一定回転数として取り扱うこととする。)第1の回転数とし、発電時の空気ブロワ17の回転数を便宜的に第3の回転数とすると、燃料電池2にカソード空気の供給を開始する際の空気ブロワ17の回転数は、第3の回転数よりも多い第2の回転数となるように制御する。これにより、燃料電池2には、発電時に必要なカソード空気の流量である第1の所定流量よりも多い空気が流れることになる。   As shown in FIG. 9, when the supply of cathode air to the fuel cell 2 is started, first, the opening degree of the diversion valve 72 is increased, and at the same time, the rotational speed of the air blower 17 is increased. Here, before the supply of cathode air to the fuel cell 2 is started, the rotational speed of the air blower 17 when supplying air only to the selective oxidizer 3c is determined for convenience (that is, precisely by feedback control). The number is finely adjusted and is not constant, but for the sake of simplicity, it is treated as a constant rotational speed.) The first rotational speed is used, and the rotational speed of the air blower 17 during power generation is set to the first for convenience. Assuming that the rotation speed is 3, the rotation speed of the air blower 17 when starting the supply of cathode air to the fuel cell 2 is controlled to be a second rotation speed higher than the third rotation speed. As a result, more air than the first predetermined flow rate, which is the flow rate of the cathode air necessary for power generation, flows through the fuel cell 2.

ここで、空気ブロワ17の第2の回転数は、他の実施の形態と同様に予め実験により、カソード空気が流通する経路に燃料電池システム71が停止中に溜まった凝縮水を、カソード排空気経路21を介して燃料電池システム71の系外に排出できる流量が分岐弁72下流のカソード空気経路18に供給される空気ブロワ17の回転数を求めておき、制御部73に第2の回転数として記憶させておく。   Here, the second rotational speed of the air blower 17 is obtained by conducting experiments in advance in the same manner as in the other embodiments, by condensing the condensed water collected while the fuel cell system 71 is stopped in the path through which the cathode air flows through the cathode exhaust air. The flow rate that can be discharged out of the fuel cell system 71 via the path 21 is obtained as the rotation speed of the air blower 17 supplied to the cathode air path 18 downstream of the branch valve 72, and the control section 73 receives the second rotation speed. I will remember it.

これにより、空気ブロワ17を第2の回転数で駆動している間に、カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水が、燃料電池システム71の系外に排出されて圧力損失が正常な設計値に戻る。その後、空気ブロワ17の回転数を第3の回転数に下げ、空気流量計42が検知した選択酸化空気の流量に基づいて空気ブロワ17の回転数をフィードバック制御して、選択酸化空気の流量が所定流量になるように制御する。このとき、カソード空気が流通する経路の圧力損失が正常に戻っているため、分流弁72での分流比は想定通りになっているため、選択酸化空気の流量を正確に制御することによって、カソード空気の流量も正確に制御されることになる。   Thereby, while the air blower 17 is driven at the second rotational speed, the condensed water accumulated in the path through which the cathode air flows is discharged out of the fuel cell system 71 and the pressure loss is normal. Return to value. Thereafter, the rotational speed of the air blower 17 is lowered to the third rotational speed, and the rotational speed of the air blower 17 is feedback-controlled based on the flow rate of the selective oxidized air detected by the air flow meter 42 so that the flow rate of the selective oxidized air is reduced. Control to achieve a predetermined flow rate. At this time, since the pressure loss of the path through which the cathode air circulates returns to normal, the diversion ratio in the diversion valve 72 is as expected. Therefore, by accurately controlling the flow rate of the selective oxidation air, the cathode The air flow rate is also accurately controlled.

以上のように、本実施の形態6の燃料電池システム71では、燃料電池システムの停止時にカソード空気が流通する経路に凝縮水が溜まっていた場合でも、再度、燃料電池システムを起動運転し、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、空気ブロワから供給する空気で凝縮水を燃料電池システムの系外に排出してから発電を開始することが可能であるため、燃料電池システムの起動運転および停止運転を繰り返し行っても、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化が促進したりすることが無い。   As described above, in the fuel cell system 71 of the sixth embodiment, even when condensed water has accumulated in the path through which the cathode air circulates when the fuel cell system is stopped, the fuel cell system is started again and the fuel cell system 71 When starting to supply cathode air to the battery, it is possible to start power generation after discharging condensed water with the air supplied from the air blower to the outside of the fuel cell system. Even if the stop operation is repeated, the performance of the fuel cell system does not deteriorate or the deterioration is not accelerated.

なお、本実施の形態6の燃料電池システム71では、分流比調整手段としてカソード空気経路と分岐空気経路である選択酸化空気経路との分岐点に分岐弁を設けたが、これはカソード空気経路に閉止機能を備えたニードル弁を設けても良い。この場合は、燃料電池システムの起動運転時で、燃料電池にカソード空気の供給を開始する前には、ニードル弁を閉止して、空気ブロワから供給される空気を全て選択酸化器に供給されるようにしておき、燃料電池にカソード空気の供給を開始するときにニードル弁を所定の開度だけ解放することで、分流弁を用いた本実施の形態6の燃料電池システム71と同様の効果を得ることが可能である。   In the fuel cell system 71 of the sixth embodiment, a branch valve is provided at a branch point between the cathode air path and the selective oxidation air path that is a branch air path as a diversion ratio adjusting means. A needle valve having a closing function may be provided. In this case, during the start-up operation of the fuel cell system, before starting the supply of cathode air to the fuel cell, the needle valve is closed and all the air supplied from the air blower is supplied to the selective oxidizer. Thus, by releasing the needle valve by a predetermined opening when the supply of cathode air to the fuel cell is started, the same effect as the fuel cell system 71 of the sixth embodiment using the shunt valve is obtained. It is possible to obtain.

また、なお、本実施の形態6の燃料電池システム71では、前述のように、分流比調整手段である分流弁が、同時にカソード空気供給遮断手段の役割も兼ねるように構成したが、他の実施の形態と同様に、別途、カソード空気経路にカソード空気供給遮断手段として開閉弁を設け、この開閉弁の開放によってカソード空気の供給を開始しても良い。   Further, in the fuel cell system 71 of the sixth embodiment, as described above, the shunt valve that is the shunt ratio adjusting means is configured to simultaneously serve as the cathode air supply shut-off means. Similarly to this embodiment, an on-off valve may be separately provided as a cathode air supply shut-off means in the cathode air path, and supply of the cathode air may be started by opening the on-off valve.

さらに、燃料電池システムのカソード空気経路に開閉弁をさらに設けた燃料電池システムでは、以下の方法で実施の形態5で示した燃料電池システム61と同様に、燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、選択酸化空気の流量がほぼ一定に保たれるようにすることが可能である。   Further, in the fuel cell system in which the on / off valve is further provided in the cathode air path of the fuel cell system, the supply of cathode air to the fuel cell is started in the same manner as in the fuel cell system 61 described in the fifth embodiment. It is possible to keep the flow rate of the selective oxidation air substantially constant before and after.

すなわち、燃料電池システムの起動運転時の初期で、選択酸化器のみに空気を供給する際に、開閉弁を閉じた状態で分流弁の開度を後述の第1の開度にしておき、燃料電池にカソード空気の供給を開始する際に、カソード空気経路の開閉弁を解放すると同時に空気ブロワの回転数をカソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を燃料電池システムの系外に排出することができる第2の回転数に制御する。この空気ブロワの第2の回転数を予め実験により求めるとき、同時に、選択酸化空気の流量が空気ブロワの回転数を上げる前後で所定の流量からずれない分流弁の開度を求めておき、分流弁の第1の開度とする。カソード空気が流通する経路に溜まった凝縮水を燃料電池システムの系外に排出すると、空気ブロワの回転数を第3の回転数に落とすとともに、分流弁の開度を上げてカソード空気と選択酸化空気とがそれぞれ所定流量で供給されるようにする。   That is, when supplying air only to the selective oxidizer in the initial stage of the start-up operation of the fuel cell system, the opening of the shunt valve is set to a first opening described later with the on-off valve closed, and the fuel is When supplying cathode air to the battery, the on / off valve of the cathode air path is released and at the same time the condensed water accumulated in the path through which the cathode air flows is discharged out of the fuel cell system. The second rotation speed is controlled. When the second rotational speed of the air blower is obtained in advance by experiments, at the same time, the opening of the shunt valve is determined so that the flow rate of the selective oxidizing air does not deviate from the predetermined flow rate before and after the rotational speed of the air blower is increased. The first opening of the valve is used. When the condensed water accumulated in the path through which the cathode air circulates is discharged out of the fuel cell system, the rotation speed of the air blower is reduced to the third rotation speed, and the opening of the shunt valve is increased to selectively oxidize the cathode air and the cathode air. Air is supplied at a predetermined flow rate.

これにより、燃料電池にカソード空気を供給する前後で選択酸化空気の流量がずれるのを抑制することができるとともに、燃料電池システムが停止している間に、カソード空気が流通する経路に凝縮水が溜まっていても、再度、燃料電池システムの起動運転を行い、燃料電池にカソード空気の供給を開始するときにカソード空気によって凝縮水を燃料電池システムの系外に排出することができるため、カソード空気と選択酸化空気とを所定量、正確に供給することが可能となる。そのため、簡単な構成で、燃料電池システムの性能が低下したり、劣化が促進したりすることを抑制することができる。   As a result, the flow rate of the selective oxidation air can be suppressed before and after the cathode air is supplied to the fuel cell, and the condensed water can flow into the path through which the cathode air flows while the fuel cell system is stopped. Even if it has accumulated, the start-up operation of the fuel cell system is performed again, and when the supply of cathode air to the fuel cell is started, the condensed water can be discharged out of the fuel cell system by the cathode air. It is possible to accurately supply a predetermined amount of the selective oxidized air. Therefore, it is possible to suppress the performance of the fuel cell system from being reduced or the deterioration from being accelerated with a simple configuration.

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、天然ガスやLPG等の炭化水素系原料を水蒸気改質して利用する燃料電池システムの用途に適用できる。   As described above, the fuel cell system according to the present invention can be applied to the use of a fuel cell system in which a hydrocarbon-based raw material such as natural gas or LPG is steam-reformed.

1,31,41,51,61,71 燃料電池システム
2 燃料電池
2a アノード流路
2b カソード流路
3,32 水素生成器
3a 改質器
3b 変成器
3c 選択酸化器
3d 水蒸気発生器
3e バーナ部
3f 温度センサ
4 原料供給装置
5 原料ガス供給経路
6 プロセス水供給ポンプ
7 プロセス水タンク
8 水蒸気供給経路
9 燃焼空気ファン
10 燃焼空気経路
11,33 燃料ガス経路
12 オフガス経路
13 バイパス経路
14 燃料入弁
15 燃料出弁
16 バイパス弁
17 空気ブロワ
18 カソード空気経路
19 選択酸化空気経路
20 空気入弁
21 カソード排空気経路
22,36,43,54,64 制御部
32c CO除去器
34,53 ブリード空気経路
35,42,52,62 空気流量計
63 調整弁
X,Xa,Xb 分岐点
Y 合流点
1, 31, 41, 51, 61, 71 Fuel cell system 2 Fuel cell 2a Anode flow path 2b Cathode flow path 3, 32 Hydrogen generator 3a Reformer 3b Transformer 3c Selective oxidizer 3d Steam generator 3e Burner section 3f Temperature sensor 4 Raw material supply device 5 Raw material gas supply path 6 Process water supply pump 7 Process water tank 8 Water vapor supply path 9 Combustion air fan 10 Combustion air path 11, 33 Fuel gas path 12 Off gas path 13 Bypass path 14 Fuel inlet valve 15 Fuel Out valve 16 Bypass valve 17 Air blower 18 Cathode air path 19 Selective oxidation air path 20 Air inlet valve 21 Cathode exhaust air path 22, 36, 43, 54, 64 Control unit 32c CO remover 34, 53 Bleed air path 35, 42 , 52, 62 Air flow meter 63 Regulating valve X, Xa, Xb Branch Y confluence

Claims (12)

燃料ガスと空気を用いて発電を行なう燃料電池と、
原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部を有する水素生成器と、
前記水素生成器で生成した燃料ガスを前記燃料電池に流通させる燃料ガス経路と、
空気を供給する空気供給手段と、
前記空気供給手段から供給された空気を前記燃料電池に流通させるカソード空気経路と、
前記カソード空気経路から分岐し、前記水素生成器と前記燃料ガス経路との少なくとも一方に空気を流通させる分岐空気経路と、
前記カソード空気経路に配設された前記燃料電池への空気の供給または遮断を行なうカソード空気供給遮断手段とを備え、
前記燃料電池に空気の供給を開始する際には、まず、前記カソード空気供給遮断手段を開放して前記燃料電池に空気の供給を行なうよう制御すると共に、前記燃料電池に供給する空気が第1の所定流量よりも多い流量で所定時間供給されるように制御し、次に、前記燃料電池に供給する空気が第1の所定流量になるように前記空気供給手段を制御する制御部を備えた燃料電池システム。
A fuel cell that generates power using fuel gas and air;
A hydrogen generator having a reforming section that generates hydrogen-rich fuel gas from raw material and water;
A fuel gas path through which the fuel gas generated by the hydrogen generator is circulated to the fuel cell;
Air supply means for supplying air;
A cathode air path for circulating the air supplied from the air supply means to the fuel cell;
A branched air path that branches from the cathode air path, and that circulates air to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path;
A cathode air supply blocking means for supplying or blocking air to the fuel cell disposed in the cathode air path;
When starting the supply of air to the fuel cell, first, the cathode air supply blocking means is opened to control the supply of air to the fuel cell, and the air supplied to the fuel cell is the first. And a control unit for controlling the air supply means so that the air supplied to the fuel cell has a first predetermined flow rate. Fuel cell system.
前記空気供給手段で供給する空気の流量を検知する流量検知手段をさらに備え、前記制御部は、前記流量検知手段で検知した空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御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 flow rate detection means for detecting the flow rate of the air supplied by the air supply means is further provided, and the control unit controls the air supply means based on the air flow rate detected by the flow rate detection means. Item 4. The fuel cell system according to Item 1. 前記流量検知手段は、前記分岐空気経路に設けられた前記水素生成器と前記燃料ガス経路の少なくとも一方に供給する空気の流量を検知する空気流量検知手段であり、前記制御部は空気流量検知手段の検知する空気流量に基づいて前記空気供給手段を制御することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。 The flow rate detecting means is an air flow rate detecting means for detecting a flow rate of air supplied to at least one of the hydrogen generator and the fuel gas path provided in the branch air path, and the control unit is an air flow rate detecting means. The fuel cell system according to claim 2, wherein the air supply means is controlled based on an air flow rate detected by the fuel cell. 前記空気供給手段で供給した空気を前記カソード空気経路と前記分岐経路とに分配する比率を調整する分流比調整手段を、前記カソード空気経路と前記分岐空気経路との分岐点、または前記カソード空気経路、または前記分岐空気経路のいずれかに備えたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 A diversion ratio adjusting means for adjusting a ratio of distributing the air supplied by the air supply means to the cathode air path and the branch path, a branch point between the cathode air path and the branch air path, or the cathode air path The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is provided in any one of the branched air paths. 前記分流比調整手段は、前記カソード空気経路と前記分岐経路との分岐点に設けた分流弁であ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 diversion ratio adjusting means is a diversion valve provided at a branch point between the cathode air path and the branch path. 前記分流比調整手段は、前記カソード空気経路に備えられた前記カソード空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であ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 diversion ratio adjusting unit is a channel resistance variable unit configured to change a channel resistance of the cathode air path provided in the cathode air path. 前記分流比調整手段は、前記分岐空気経路に備えられた前記分岐空気経路の流路抵抗を変化させる流路抵抗可変手段であ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 diversion ratio adjusting unit is a channel resistance variable unit that changes a channel resistance of the branch air path provided in the branch air path. 前記制御部は、前記燃料電池にカソード空気の供給を開始する前後で、前記分岐空気経路に供給される空気流量が変化しないように前記分流比調整手段を制御することを特徴とする請求項4から7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 5. The control unit controls the diversion ratio adjusting unit so that the flow rate of air supplied to the branch air path does not change before and after the supply of cathode air to the fuel cell is started. 8. The fuel cell system according to any one of items 1 to 7. 前記分流比調整手段が前記カソード空気供給遮断手段を兼ねることを特徴とする請求項5または6に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein the diversion ratio adjusting means also serves as the cathode air supply cutoff means. 前記水素生成器は、原料と水とから水素リッチな燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素を除去する選択酸化部とをさらに有し、前記分岐空気経路は、前記選択酸化部に空気を流通させる選択酸化空気経路であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The hydrogen generator further includes a reforming unit that generates a hydrogen-rich fuel gas from a raw material and water, and a selective oxidation unit that removes carbon monoxide in the fuel gas generated in the reforming unit, The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein the branch air path is a selective oxidation air path for allowing air to flow through the selective oxidation unit. 前記分岐空気経路は、前記燃料ガス経路に空気を流通させて前記燃料ガスに混入し、前記燃料電池に供給するためのブリード空気経路であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 10. The bleed air path according to claim 1, wherein the branch air path is a bleed air path through which air is circulated through the fuel gas path, mixed into the fuel gas, and supplied to the fuel cell. The fuel cell system according to item. 前記選択酸化空気経路から分岐して、前記燃料ガス経路に前記選択酸化空気経路に供給された空気の一部を流通させて前記燃料ガスと混合して前記燃料電池に供給するブリード空気経路を有し、前記ブリード空気経路に前記選択酸化部に供給される空気流量と前記燃料ガス経路に供給される空気流量とが所定の比率となるように調整する流量調整手段を備えた請求項10に記載の燃料電池システム。 There is a bleed air path that branches from the selective oxidation air path, distributes a part of the air supplied to the selective oxidation air path to the fuel gas path, mixes it with the fuel gas, and supplies it to the fuel cell. The flow control device according to claim 10, further comprising a flow rate adjusting unit configured to adjust a flow rate of air supplied to the selective oxidation unit and a flow rate of air supplied to the fuel gas path to a predetermined ratio in the bleed air path. Fuel cell system.
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