JP4019924B2 - Fuel cell system - Google Patents

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    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックから排出される燃料ガスを燃焼する燃焼器を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃焼器に液水が流入しないようにして燃焼器の着火をより確実に行うための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。
【0003】
燃料電池システムは、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び酸素(空気)を燃料電池スタックのアノード極(燃料極)及びカソード極(空気極)に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギー変換システムである。このとき、供給された水素は燃料電池スタックで全て消費されるわけではなく、アノード極からの排ガス(アノード排ガス)にはある程度の濃度の水素が含まれている。そこで、このアノード排ガスを例えば燃焼器で燃焼して大気中に放出することが行われており、さらにはその熱を有効利用する試みがなされている(例えば、特許文献1等を参照)。
【0004】
前記特許文献1記載の発明では、燃料電池スタックから排出されるオフガスを触媒燃焼器で燃焼させ、その燃焼オフガスを蒸発器に導入して改質用原燃料や改質用空気と熱交換させている。さらには、燃焼オフガスをオフガス加熱器に導入して、燃料電池スタックから排出されたオフガスを加熱するための熱源としている。燃焼オフガスによって燃料電池スタックからのオフガスを加熱することにより、オフガス中の水を気化させて触媒燃焼器に導入することができ、凝縮水の発生を防止することができる。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−198076号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献1記載の技術では、燃料電池スタックから排出されるカソード排ガスとアノード排ガスを燃焼器からの排気で加熱するという構成になっているため、燃焼器で常に熱を発生する必要がある。したがって、燃焼器に常時アノード排ガスや燃料電池スタックに供給する前の未反応の燃料ガスを供給する必要がある。燃料改質を行う燃料改質型の燃料電池システムでは、改質器に常時熱を供給する必要があることから、前記のように燃焼器で常に水素を燃焼させることに問題はないが、ダイレクト水素方式の燃料電池システムでは、燃料ガスである水素を無駄に消費してしまうことになる。
【0007】
通常、ダイレクト水素方式の燃料電池システムでは、アノード排ガスを再利用するための燃料循環流路を設け、不純物の濃度が上昇した時にのみ流路内のアノード排ガスをパージするようにしている。これ以外の時に燃焼器で水素を燃焼することは、水素の無駄な消費につながる。
【0008】
そこで、通常時はカソード排ガスのみを燃焼器に供給し、何らかの要因でアノード排ガスを排出する時にのみ、例えば前記パージの時にのみ、燃焼器にてカソード排ガスとアノード排ガスとを燃焼させることも考えられる。
【0009】
しかしながら、通常時はカソード排ガスのみを燃焼器に供給する方式の燃料電池システムの場合、カソード排ガスのみを供給する状態では燃焼が行われないため燃焼器の温度が低下することと、カソード排ガス中の水分が燃焼器内部で凝縮することの両要因により、アノード排ガスを燃焼器に供給した際に着火の妨げになるという問題が生ずる。
【0010】
本発明は、このような従来技術の有する欠点を解消することを目的として提案されたものであり、燃料ガスを無駄に消費することなく、しかも燃焼器の冷却や凝縮水の発生を防止して燃焼器の着火を確実に行う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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノード極と、酸化剤ガスが供給されるカソード極とを備え、これら燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電が行われる燃料電池スタックと、前記アノード極から排出されるアノード排ガスと前記カソード極から排出されるカソード排ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、前記カソード排ガスを前記燃焼器をバイパスして流通させるカソード排ガスバイパス流路と、前記燃焼器に供給するアノード排ガスの流量制御を行うアノード排ガス流量制御手段と、前記燃焼器に供給するカソード排ガスの流量制御を行うカソード排ガス流量制御手段とを有する。そして、前記燃焼器に前記アノード排ガスが供給されない場合に、前記カソード排ガスバイパス流路により前記カソード排ガスが前記燃焼器をバイパスすることを特徴とする。
【0012】
本発明の燃料電池システムでは、燃焼器での燃焼は、燃焼器にアノード排ガスが供給された時にのみ行われる。燃焼器にアノード排ガスが供給されない場合には、カソード排ガスはカソード排ガスバイパス流路を流通し、燃焼器をバイパスする。
【0013】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムでは、燃焼器での燃焼は、燃焼器にアノード排ガスが供給された時にのみ行われるので、燃料ガスが無駄に消費されることがない。また、燃焼器にアノード排ガスが供給されない場合には、カソード排ガスはカソード排ガスバイパス流路により燃焼器をバイパスすることから、常温の燃焼器に湿度の高いカソード排ガスが流入することがなく、燃焼器内部で凝縮水が発生する不都合も抑制される。
【0014】
したがって、本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガスを無駄に消費することなく、しかも燃焼器の冷却や凝縮水の発生を防止して燃焼器の着火を確実に行うことが可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【0016】
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、車両に搭載されて車両の駆動動力源として用いられる発電システムであり、発電を行う燃料電池スタック1と、この燃料電池スタック1に燃料ガスを供給する燃料供給系と、燃料電池スタック1に酸化剤ガス(空気)を供給する空気供給系とを備える。特に、この燃料電池システムは、燃料供給系から燃料電池スタック1に燃料ガスとして水素ガスが直接供給されるダイレクト水素方式の燃料電池システムとして構成されている。
【0017】
燃料電池スタック1は、水素ガスが供給されるアノード極1aと酸化剤ガス(空気)が供給されるカソード極1bとが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード極1aでは、水素ガスが供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極1bにそれぞれ移動する。カソード極1bでは、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【0018】
燃料電池スタック1の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【0019】
燃料供給系は、水素供給流路2、エゼクタ3、アノード排ガス排気流路4及び水素循環流路5を有している。そして、水素供給源(図示は省略する。)から供給される水素ガスが、水素供給流路2及びエゼクタ5を通って燃料電池スタック1のアノード極1aに供給されるようになっている。燃料電池スタック1では供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、残った水素ガス(燃料電池スタック1のアノード極1aから排出される水素ガス)は、水素循環流路5を通ってエゼクタ3により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池スタック1のアノード極1aに供給される。
【0020】
また、燃料電池スタック1の出口側、すなわちアノード排ガス排気流路4には、アノード排ガス流量制御手段である水素パージバルブ6が設けられている。この水素パージバルブ6は、水素ガスを循環させることに起因して生じる燃料電池スタック1の効率低下を抑制するために、必要に応じて水素ガスを排出させるためのものである。すなわち、水素ガスを循環させることによって、水素循環流路5内には不純物や窒素等が蓄積して、水素分圧の降下を招き、これにより燃料電池スタック1の効率が低下する場合がある。このような場合には、水素パージバルブ6を開放し、水素循環流路5内のガスをパージすることで、水素循環流路5内から不純物や窒素等を除去することができる。
【0021】
空気供給系は、空気供給流路7とカソード排ガス排気流路8とを有しており、例えばコンプレッサにより圧縮された空気が、空気供給流路7を通して燃料電池スタック1のカソード極1bに供給されるようになっている。また、燃料電池スタック1で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分(カソード排ガス)は、燃料電池スタック1からカソード排ガス排気管8を通して排出される。
【0022】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック1の排ガスを処理するための燃焼器9が設置されており、燃料供給系のアノード排ガス排気流路4及び空気供給系のカソード排ガス排気流路8は、何れもこの燃焼器9に接続されている。そして、燃料電池スタック1のアノード極1aから排出されるアノード排ガスと、カソード極1bから排出されるカソード排ガスは、この燃焼器9で混合されて燃焼される。なお、燃焼器9としては、例えば内部に燃焼触媒を有する触媒燃焼器が用いられる。
【0023】
特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、カソード排ガス排気流路8に、燃焼器9をバイパスするカソード排ガスバイパス流路10が分岐形成されており、カソード極1bからのカソード排ガスを必要に応じてこのカソード排ガスバイパス流路10に流すことができるように構成されている。また、カソード排ガス排気流路8及びカソード排ガスバイパス流路10には、それぞれ排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12が設けられている。これら排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12は、燃焼器9に供給するカソード排ガスの流量制御を行うためのもの(カソード排ガス流量制御手段)であり、互いに排他的に連動動作するように構成されている。これら排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12の開閉動作や、前記水素パージバルブ6の開閉動作は、コントローラ13において、燃料電池スタック1からの運転情報に基づいて制御されるようになっている。
【0024】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック1を発電させるときは、燃料電池スタック1に酸化剤としての空気が空気供給流路7を通じて供給される。また、燃料ガスとしての水素ガスが、図示しない水素供給源から水素供給流路2を通じて燃料電池スタック1に供給される。発電に寄与しなかった水素ガスは、水素循環流路5とエゼクタ4を介して再度燃料電池スタック1に供給される。
【0025】
このとき、通常は排空気制御バルブ11は閉、バイパス制御バルブ12は開の状態で、燃料電池スタック1からのカソード排ガスは、カソード排ガスバイパス流路10を通じて大気中に放出される。なお、燃料電池スタック1で発電した電力は、図示しない負荷、例えば車両を駆動するモータ等で消費される。
【0026】
一方、何らかの要因で、例えば燃料電池スタック1内部での窒素のクロスオーバ等によりアノード極1a側の水素濃度が低下し、燃料電池スタック1内部と水素循環流路5内部の水素ガスを大気に放出する必要が生じたときには、コントローラ13により次のような動作が行われる。
【0027】
すなわち、コントローラ13は、水素濃度が低下した状態にあると判断すると、水素パージバルブ6を開き燃料電池スタック1から排出される水素(アノード排ガス)を燃焼器9に供給する。また、排空気制御バルブ11を開くと共にバイパス制御バルブ12閉じて、カソード排ガスを燃焼器9に供給する。
【0028】
図2にコントローラ13の機能的な構成を示す。このコントローラ13は、パージ判定部13aと、水素パージバルブ制御部13bと、時定数設定部13cと、カソード排ガス制御部13dとを有している。
【0029】
コントローラ13は、図示しない燃料電池スタック1の運転状態検出手段に接続されており、この運転状態検出手段からの出力は、パージ判定部13aと時定数設定部13cとに与えられる。パージ判定部13aは、燃料電池スタック1の運転状態からパージ動作の必要性を判断し、その指令を水素パージバルブ制御部13bとカソード排ガス制御部13dとに出力する。水素パージバルブ制御部13bは、パージ判定部13aの指令に従い、水素パージバルブ6の開閉制御を行う。
【0030】
水素パージバルブ6の開放から燃焼器9にアノード排ガスが到達するまでの時間は、燃料電池スタック1の運転圧力等により変化するので、時定数設定部13cでは、入力された燃料電池スタック1の運転状態から、排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12の開閉制御に用いる時定数τを設定する。
【0031】
カソード排ガス制御部13dでは、図3に示すように、時定数設定部13cにより与えられた時定数τとパージ判定部13aからの指令に基づき、下記(1)式及び(2)式を用いて、排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12の開閉制御を行う。
【0032】
u1=1/(1+τ・s) ・・・(1)
u2=1−u1 ・・・(2)
ここで、sはラプラス演算子、u1は排空気制御バルブ11の開度指令値、u2はバイパス制御バルブ12の開度指令値である。
【0033】
本実施形態の燃料電池システムにおける燃焼器9に流入する排空気(カソード排ガス)と排水素(アノード排ガス)の流量の比率のシミュレーション結果を、従来の燃料電池システムと対比させて、図4に示す。なお、図4中実線で示すグラフが本実施形態のものであり、破線で示すグラフが従来例のものである。
【0034】
本実施形態のように排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12を制御することで、燃焼器9が温度が低く着火性が低くなっている状態であっても、燃焼開始初期の排水素と排空気の比率を適性にすることができ、着火が不良になることを防止できる。また、定常状態でも排水素と排空気の比率を適性にすることができ、燃焼器9を安定して反応させることができる。
【0035】
逆に言えば、本実施形態の燃料電池システムでは、燃焼器9に供給されるアノード排ガスの流量とカソード排ガスの流量との比率が燃焼器9の状態に応じて最適な所望の値となるように、排空気制御バルブ11及びバイパス制御バルブ12の開閉制御を行っている。ここで、燃焼器9に供給されるアノード排ガスの流量とカソード排ガスの流量との比率は、アノード排ガスが燃焼器9に安定供給されている間は、燃焼器9の燃焼温度が燃焼器9の特性により決まるような範囲とし、カソード排ガスとアノード排ガスが燃焼器へ供給開始された直後は、燃焼器9の着火を促進する範囲とする。
【0036】
本実施形態の燃料電池システムでは、アノード排ガスを燃焼器9に供給していない間は、カソード排ガスは燃焼器9をバイパスさせているので、燃焼器9を冷却してしまったり、カソード排ガスの水分を凝縮させることが無く、アノード排ガスを供給した際の着火性能の確保が可能になる。
【0037】
また、燃焼器9に供給されるアノード排ガスの流量に関する状態量を用いてカソード排ガスを燃焼器9に供給することで、燃焼器9での燃焼状態を制御できる。このとき、カソード排ガスとアノード排ガスが略同時に燃焼器に供給開始されるように時間遅れを設定すれば、燃焼初期に燃焼器9で異常燃焼等が生じることを防止でき、燃焼器9の耐久性を損なうことがない。アノード排ガスの流量に関する状態量として、燃焼器9にアノード排ガスが供給されるまでの時間遅れを用いることで、特別なセンサ等を追加せずに本発明を実施することができる。
【0038】
更に、カソード排ガスの流量は、燃焼器9に流入するアノード排ガスの流量とカソード排ガスの流量の比率が所望の値になるように制御することにより、着火性能の向上と燃焼温度の制御性能の確保ができる。特に、アノード排ガスが燃焼器9へ安定供給されている間と、アノード排ガスとカソード排ガスが燃焼器9に供給され始める時に、アノード排ガスとカソード排ガスとの比率をそれぞれに適した第1の所定の範囲と第2の所定範囲に制御することで、定常的な燃焼温度を燃焼器9の特性により決まる範囲に制御でき、かつ着火促進のために特別な比率でアノード排ガスとカソード排ガスを供給することができるので、燃焼温度が高くなりすぎて燃焼器9の耐久性を損なうことや、燃焼温度が低下しすぎて失火してしまうことを防止しつつ、着火性能の向上を図ることができる。
【0039】
なお、本実施形態では排空気制御バルブ11とバイパス制御バルブ12に流量制御弁を用いているが、例えばこれらにオン/オフ弁を使い、時定数設定部13cにおいて排空気制御バルブ11とバイパス制御バルブ12を開閉する際の無駄時間を設定するようにしても同様の効果を得ることができる。
【0040】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図5に示す。本実施形態の燃料電池システムにおいて、上述した第1の実施形態の燃料電池システムと異なるのは、水素パージバルブ6と燃焼器9との間に圧力センサ14を設置したこと、及びコントローラ13における内部処理であるので、以下、これらの特徴的な部分を中心に説明し、第1の実施形態と共通部分については説明を省略する。
【0041】
本実施形態の燃焼電池システムでは、燃焼器9直前のアノード排ガス(排水素)の圧力を圧力センサ14で測定している。そして、コントローラ13のカソード排ガス制御部13dでは、圧力センサ14の出力と予め決められたゲインKを用いて、排空気制御バルブ11やバイパス制御バルブ12の目標開度Uを算出するようにしている。
【0042】
本実施形態の燃料電池システムにおけるコントローラ13の機能的な構成図を図6に、カソード排ガス制御部13dにおける演算処理の様子を図7にそれぞれ示す。本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ13は、パージ判定部13aと、水素パージバルブ制御部13bと、カソード排ガス制御部13dとを有する。パージ判定部13aは、燃料電池スタック1の運転状態からパージ動作の必要性を判断し、その指令を水素パージバルブ制御部13bとカソード排ガス制御部13dとに出力する。カソード排ガス制御部13dでは、パージ判定部13aからの指令に基き、算出した目標開度から排空気制御バルブ11とバイパス制御バルブ12の目標開度を制御する。
【0043】
本実施形態では、アノード排ガスの流量に関する状態量として、燃焼器9直前のアノード排ガス圧力を用いるので、比較的安価な圧力センサ14を使用でき、本発明の制御をより低コストで実施することができる。
【0044】
なお、本実施形態でも排空気制御バルブ11とバイパス制御バルブ12に流量制御弁を用いているが、例えば、これらにオン/オフ弁を使い、時定数設定部13cにおいて排空気制御バルブ11とバイパス制御バルブ12を開閉する際の無駄時間を設定するようにしても同様の効果を得ることができることは、先の第1の実施形態の場合と同様である。
【0045】
また、本実施形態では、燃焼器9直前の圧力を用いて排空気制御バルブ11とバイパス制御バルブ12の開度制御を行っているが、燃焼器9直前の排水素の流量を用いても実施可能である。アノード排ガスの流量に関する状態量として、アノード排ガスの流量を直接用いれば、空燃比をより直接的に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す概略構成図である。
【図2】第1の実施形態の燃料電池システムにおけるコントローラの機能的な構成を示す機能ブロック図である。
【図3】前記コントローラのカソード排ガス制御部での演算処理の様子を示す図である。
【図4】第1の実施形態の燃料電池システムにおいて燃焼器に供給される排空気と排水素の流量の比率を従来例と対比して示す図である。
【図5】第2の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す概略構成図である。
【図6】第2の実施形態の燃料電池システムにおけるコントローラの機能的な構成を示す機能ブロック図である。
【図7】前記コントローラのカソード排ガス制御部での演算処理の様子を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
1a アノード極
1b カソード極
5 水素循環流路
6 水素パージバルブ
7 空気供給流路
8 カソード排ガス排気流路
9 燃焼器
10 カソード排ガスバイパス流路
11 排空気制御バルブ
12 バイパス制御バルブ
13 コントローラ
14 圧力センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a combustor that combusts fuel gas discharged from a fuel cell stack, and more particularly to reliably ignite the combustor by preventing liquid water from flowing into the combustor. It relates to technology to do.
[0002]
[Prior art]
Fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency is attracting attention as a countermeasure against environmental problems in recent years, particularly air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide.
[0003]
Fuel cell systems supply hydrogen or hydrogen-rich reformed gas and oxygen (air) as fuel to the anode (fuel electrode) and cathode (air electrode) of the fuel cell stack to cause an electrochemical reaction, An energy conversion system that converts energy into electrical energy. At this time, not all of the supplied hydrogen is consumed in the fuel cell stack, and the exhaust gas (anode exhaust gas) from the anode electrode contains a certain level of hydrogen. Therefore, the anode exhaust gas is burned in, for example, a combustor and released into the atmosphere, and an attempt is made to effectively use the heat (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
In the invention described in Patent Document 1, off-gas discharged from the fuel cell stack is burned by a catalytic combustor, and the combustion off-gas is introduced into an evaporator to exchange heat with reforming raw fuel and reforming air. Yes. Furthermore, the combustion off gas is introduced into an off gas heater to serve as a heat source for heating the off gas discharged from the fuel cell stack. By heating the off gas from the fuel cell stack with the combustion off gas, water in the off gas can be vaporized and introduced into the catalytic combustor, and generation of condensed water can be prevented.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-198076
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique described in Patent Document 1, the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas discharged from the fuel cell stack are heated by the exhaust gas from the combustor, so that it is necessary to always generate heat in the combustor. is there. Therefore, it is necessary to supply unreacted fuel gas before the anode exhaust gas or the fuel cell stack is always supplied to the combustor. In a fuel reforming type fuel cell system that performs fuel reforming, it is necessary to constantly supply heat to the reformer, so there is no problem in always burning hydrogen in the combustor as described above. In the hydrogen fuel cell system, hydrogen, which is a fuel gas, is consumed wastefully.
[0007]
Usually, in a direct hydrogen fuel cell system, a fuel circulation channel for reusing the anode exhaust gas is provided, and the anode exhaust gas in the channel is purged only when the impurity concentration increases. Combusting hydrogen in the combustor at other times leads to wasteful consumption of hydrogen.
[0008]
Therefore, it is conceivable that only the cathode exhaust gas is supplied to the combustor in the normal state, and the anode exhaust gas is burned by the combustor only when the anode exhaust gas is discharged for some reason, for example, only at the time of the purge. .
[0009]
However, in the case of a fuel cell system that normally supplies only the cathode exhaust gas to the combustor, combustion is not performed when only the cathode exhaust gas is supplied, and the temperature of the combustor decreases, and the cathode exhaust gas Due to both factors of condensation of moisture inside the combustor, there arises a problem that ignition is hindered when the anode exhaust gas is supplied to the combustor.
[0010]
The present invention has been proposed for the purpose of overcoming the drawbacks of the prior art, and does not waste fuel gas while preventing combustion of the combustor and generation of condensed water. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reliably igniting a combustor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell stack including an anode electrode to which a fuel gas is supplied and a cathode electrode to which an oxidant gas is supplied, and power generation is performed by the supply of the fuel gas and the oxidant gas. A combustor for combusting a mixed gas of the anode exhaust gas discharged from the anode electrode and the cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode, a cathode exhaust gas bypass passage for allowing the cathode exhaust gas to flow through the combustor, and An anode exhaust gas flow rate control means for controlling the flow rate of anode exhaust gas supplied to the combustor, and a cathode exhaust gas flow rate control means for controlling the flow rate of cathode exhaust gas supplied to the combustor. When the anode exhaust gas is not supplied to the combustor, the cathode exhaust gas bypasses the combustor by the cathode exhaust gas bypass passage.
[0012]
In the fuel cell system of the present invention, combustion in the combustor is performed only when anode exhaust gas is supplied to the combustor. When the anode exhaust gas is not supplied to the combustor, the cathode exhaust gas flows through the cathode exhaust gas bypass passage and bypasses the combustor.
[0013]
【The invention's effect】
In the fuel cell system of the present invention, combustion in the combustor is performed only when anode exhaust gas is supplied to the combustor, so that fuel gas is not wasted. In addition, when the anode exhaust gas is not supplied to the combustor, the cathode exhaust gas bypasses the combustor through the cathode exhaust gas bypass passage, so that the cathode exhaust gas with high humidity does not flow into the normal temperature combustor. Inconvenience that condensed water is generated inside is also suppressed.
[0014]
Therefore, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to reliably ignite the combustor without wastefully consuming fuel gas and preventing the cooling of the combustor and the generation of condensed water.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0016]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the main configuration of the fuel cell system of the present embodiment. This fuel cell system is a power generation system that is mounted on a vehicle and used as a driving power source for the vehicle. The fuel cell system 1 generates power, a fuel supply system that supplies fuel gas to the fuel cell stack 1, a fuel cell system An air supply system for supplying an oxidant gas (air) to the battery stack 1. In particular, this fuel cell system is configured as a direct hydrogen fuel cell system in which hydrogen gas is directly supplied as fuel gas from the fuel supply system to the fuel cell stack 1.
[0017]
The fuel cell stack 1 includes an anode 1a to which hydrogen gas is supplied and a cathode 1b to which an oxidant gas (air) is supplied so as to form an electric power generation cell with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween. The structure has a structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction. In the anode 1a, hydrogen gas is supplied to dissociate into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, the electrons pass through an external circuit, generate electric power, and move to the cathode 1b. In the cathode 1b, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.
[0018]
As the electrolyte of the fuel cell stack 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
[0019]
The fuel supply system has a hydrogen supply flow path 2, an ejector 3, an anode exhaust gas exhaust flow path 4, and a hydrogen circulation flow path 5. A hydrogen gas supplied from a hydrogen supply source (not shown) is supplied to the anode electrode 1 a of the fuel cell stack 1 through the hydrogen supply flow path 2 and the ejector 5. The fuel cell stack 1 does not consume all of the supplied hydrogen gas, and the remaining hydrogen gas (hydrogen gas discharged from the anode electrode 1a of the fuel cell stack 1) passes through the hydrogen circulation passage 5 and is ejected. 3 is mixed with the newly supplied hydrogen gas and supplied again to the anode 1 a of the fuel cell stack 1.
[0020]
A hydrogen purge valve 6 serving as an anode exhaust gas flow rate control means is provided on the outlet side of the fuel cell stack 1, that is, on the anode exhaust gas exhaust passage 4. The hydrogen purge valve 6 is for discharging the hydrogen gas as necessary in order to suppress a reduction in efficiency of the fuel cell stack 1 caused by circulating the hydrogen gas. That is, when hydrogen gas is circulated, impurities, nitrogen, and the like accumulate in the hydrogen circulation flow path 5, leading to a decrease in hydrogen partial pressure, which may reduce the efficiency of the fuel cell stack 1. In such a case, by opening the hydrogen purge valve 6 and purging the gas in the hydrogen circulation channel 5, impurities, nitrogen, and the like can be removed from the hydrogen circulation channel 5.
[0021]
The air supply system has an air supply flow path 7 and a cathode exhaust gas exhaust flow path 8. For example, air compressed by a compressor is supplied to the cathode electrode 1 b of the fuel cell stack 1 through the air supply flow path 7. It has become so. Further, oxygen and other components (cathode exhaust gas) not consumed in the fuel cell stack 1 are discharged from the fuel cell stack 1 through the cathode exhaust gas exhaust pipe 8.
[0022]
In the fuel cell system of this embodiment, a combustor 9 for treating the exhaust gas of the fuel cell stack 1 is installed, and the anode exhaust gas exhaust passage 4 of the fuel supply system and the cathode exhaust gas exhaust passage 8 of the air supply system. Are connected to the combustor 9. The anode exhaust gas discharged from the anode electrode 1a of the fuel cell stack 1 and the cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode 1b are mixed and burned by the combustor 9. As the combustor 9, for example, a catalytic combustor having a combustion catalyst therein is used.
[0023]
In particular, in the fuel cell system of the present embodiment, a cathode exhaust gas bypass passage 10 that bypasses the combustor 9 is branched in the cathode exhaust gas exhaust passage 8 so that the cathode exhaust gas from the cathode electrode 1b can be used as needed. The lever is configured to flow through the cathode exhaust gas bypass passage 10. The cathode exhaust gas exhaust passage 8 and the cathode exhaust gas bypass passage 10 are provided with an exhaust air control valve 11 and a bypass control valve 12, respectively. The exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 are for controlling the flow rate of the cathode exhaust gas supplied to the combustor 9 (cathode exhaust gas flow rate control means), and are configured to operate in conjunction with each other exclusively. ing. The opening / closing operation of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 and the opening / closing operation of the hydrogen purge valve 6 are controlled by the controller 13 based on the operation information from the fuel cell stack 1.
[0024]
In the fuel cell system having the above configuration, when the fuel cell stack 1 is caused to generate electric power, air as an oxidant is supplied to the fuel cell stack 1 through the air supply flow path 7. Further, hydrogen gas as a fuel gas is supplied to the fuel cell stack 1 through a hydrogen supply channel 2 from a hydrogen supply source (not shown). Hydrogen gas that has not contributed to power generation is supplied again to the fuel cell stack 1 via the hydrogen circulation passage 5 and the ejector 4.
[0025]
At this time, normally, the exhaust air control valve 11 is closed and the bypass control valve 12 is opened, and the cathode exhaust gas from the fuel cell stack 1 is released into the atmosphere through the cathode exhaust gas bypass passage 10. The electric power generated by the fuel cell stack 1 is consumed by a load (not shown) such as a motor for driving the vehicle.
[0026]
On the other hand, for some reason, for example, the hydrogen concentration on the anode electrode 1a side decreases due to, for example, a nitrogen crossover inside the fuel cell stack 1, and the hydrogen gas inside the fuel cell stack 1 and the hydrogen circulation channel 5 is released to the atmosphere. When the need arises, the controller 13 performs the following operation.
[0027]
That is, when the controller 13 determines that the hydrogen concentration is in a lowered state, the controller 13 opens the hydrogen purge valve 6 and supplies hydrogen (anode exhaust gas) discharged from the fuel cell stack 1 to the combustor 9. Further, the exhaust air control valve 11 is opened and the bypass control valve 12 is closed to supply the cathode exhaust gas to the combustor 9.
[0028]
FIG. 2 shows a functional configuration of the controller 13. The controller 13 includes a purge determination unit 13a, a hydrogen purge valve control unit 13b, a time constant setting unit 13c, and a cathode exhaust gas control unit 13d.
[0029]
The controller 13 is connected to an operation state detection unit (not shown) of the fuel cell stack 1, and an output from the operation state detection unit is given to the purge determination unit 13a and the time constant setting unit 13c. The purge determination unit 13a determines the necessity of the purge operation from the operation state of the fuel cell stack 1, and outputs the command to the hydrogen purge valve control unit 13b and the cathode exhaust gas control unit 13d. The hydrogen purge valve control unit 13b performs opening / closing control of the hydrogen purge valve 6 in accordance with a command from the purge determination unit 13a.
[0030]
Since the time from the opening of the hydrogen purge valve 6 to the arrival of the anode exhaust gas at the combustor 9 varies depending on the operating pressure of the fuel cell stack 1 and the like, the time constant setting unit 13c receives the input operating state of the fuel cell stack 1 Therefore, a time constant τ used for opening / closing control of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 is set.
[0031]
In the cathode exhaust gas control unit 13d, as shown in FIG. 3, based on the time constant τ given by the time constant setting unit 13c and the command from the purge determination unit 13a, the following equations (1) and (2) are used. The open / close control of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 is performed.
[0032]
u1 = 1 / (1 + τ · s) (1)
u2 = 1−u1 (2)
Here, s is a Laplace operator, u1 is an opening command value of the exhaust air control valve 11, and u2 is an opening command value of the bypass control valve 12.
[0033]
FIG. 4 shows a simulation result of the ratio of the flow rate of exhaust air (cathode exhaust gas) and exhaust hydrogen (anode exhaust gas) flowing into the combustor 9 in the fuel cell system of the present embodiment in comparison with the conventional fuel cell system. . In addition, the graph shown with a continuous line in FIG. 4 is a thing of this embodiment, and the graph shown with a broken line is a thing of a prior art example.
[0034]
By controlling the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 as in this embodiment, even if the combustor 9 is in a state where the temperature is low and the ignitability is low, the exhaust hydrogen and exhaust gas at the beginning of combustion start. The ratio of air can be made appropriate, and ignition can be prevented from becoming poor. Further, the ratio of exhaust hydrogen and exhaust air can be made appropriate even in a steady state, and the combustor 9 can be reacted stably.
[0035]
In other words, in the fuel cell system of the present embodiment, the ratio of the flow rate of the anode exhaust gas supplied to the combustor 9 and the flow rate of the cathode exhaust gas is set to an optimum desired value according to the state of the combustor 9. In addition, opening / closing control of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 is performed. Here, the ratio between the flow rate of the anode exhaust gas supplied to the combustor 9 and the flow rate of the cathode exhaust gas is such that the combustion temperature of the combustor 9 is the same as that of the combustor 9 while the anode exhaust gas is being stably supplied to the combustor 9. The range is determined by the characteristics, and immediately after the supply of the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas to the combustor is started, the range is set to promote the ignition of the combustor 9.
[0036]
In the fuel cell system of the present embodiment, while the anode exhaust gas is not supplied to the combustor 9, the cathode exhaust gas bypasses the combustor 9, so that the combustor 9 is cooled or the moisture of the cathode exhaust gas It is possible to ensure ignition performance when the anode exhaust gas is supplied without condensing the exhaust gas.
[0037]
Moreover, the combustion state in the combustor 9 can be controlled by supplying the cathode exhaust gas to the combustor 9 using the state quantity relating to the flow rate of the anode exhaust gas supplied to the combustor 9. At this time, if the time delay is set so that the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas are started to be supplied to the combustor substantially simultaneously, abnormal combustion or the like can be prevented from occurring in the combustor 9 at the initial stage of combustion, and the durability of the combustor 9 can be prevented. Will not be damaged. By using the time delay until the anode exhaust gas is supplied to the combustor 9 as the state quantity related to the flow rate of the anode exhaust gas, the present invention can be implemented without adding a special sensor or the like.
[0038]
Furthermore, the flow rate of the cathode exhaust gas is controlled so that the ratio of the flow rate of the anode exhaust gas flowing into the combustor 9 and the flow rate of the cathode exhaust gas becomes a desired value, thereby improving the ignition performance and ensuring the control performance of the combustion temperature. Can do. In particular, while the anode exhaust gas is stably supplied to the combustor 9, and when the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas start to be supplied to the combustor 9, a first predetermined ratio suitable for the ratio of the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas respectively. By controlling to the range and the second predetermined range, the steady combustion temperature can be controlled to a range determined by the characteristics of the combustor 9, and anode exhaust gas and cathode exhaust gas are supplied at a special ratio to promote ignition. Therefore, it is possible to improve the ignition performance while preventing the combustion temperature from becoming too high and impairing the durability of the combustor 9, and preventing the combustion temperature from being lowered too much to cause a misfire.
[0039]
In this embodiment, flow control valves are used for the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12, but for example, on / off valves are used for these, and the exhaust air control valve 11 and bypass control are performed in the time constant setting unit 13c. A similar effect can be obtained by setting a dead time for opening and closing the valve 12.
[0040]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The principal part structure of the fuel cell system of this embodiment is shown in FIG. The fuel cell system of this embodiment differs from the fuel cell system of the first embodiment described above in that a pressure sensor 14 is installed between the hydrogen purge valve 6 and the combustor 9 and internal processing in the controller 13. Therefore, in the following, these characteristic parts will be mainly described, and the description of the parts common to the first embodiment will be omitted.
[0041]
In the combustion cell system of the present embodiment, the pressure sensor 14 measures the pressure of the anode exhaust gas (exhaust hydrogen) immediately before the combustor 9. The cathode exhaust gas control unit 13d of the controller 13 calculates the target opening degree U of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 using the output of the pressure sensor 14 and a predetermined gain K. .
[0042]
FIG. 6 shows a functional configuration diagram of the controller 13 in the fuel cell system of the present embodiment, and FIG. 7 shows a state of calculation processing in the cathode exhaust gas control unit 13d. In the fuel cell system of the present embodiment, the controller 13 includes a purge determination unit 13a, a hydrogen purge valve control unit 13b, and a cathode exhaust gas control unit 13d. The purge determination unit 13a determines the necessity of the purge operation from the operation state of the fuel cell stack 1, and outputs the command to the hydrogen purge valve control unit 13b and the cathode exhaust gas control unit 13d. The cathode exhaust gas control unit 13d controls the target opening of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 from the calculated target opening based on a command from the purge determination unit 13a.
[0043]
In this embodiment, since the anode exhaust gas pressure immediately before the combustor 9 is used as the state quantity related to the flow rate of the anode exhaust gas, a relatively inexpensive pressure sensor 14 can be used, and the control of the present invention can be performed at a lower cost. it can.
[0044]
In the present embodiment, flow control valves are used for the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12. For example, an on / off valve is used for these, and the time constant setting unit 13 c uses the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve. Similar to the case of the first embodiment, the same effect can be obtained even when the dead time for opening and closing the control valve 12 is set.
[0045]
Further, in the present embodiment, the opening control of the exhaust air control valve 11 and the bypass control valve 12 is performed using the pressure immediately before the combustor 9, but it is also performed using the flow rate of exhaust hydrogen immediately before the combustor 9. Is possible. If the flow rate of the anode exhaust gas is directly used as the state quantity relating to the flow rate of the anode exhaust gas, the air-fuel ratio can be controlled more directly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a main configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a functional block diagram showing a functional configuration of a controller in the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a state of calculation processing in a cathode exhaust gas control unit of the controller.
FIG. 4 is a diagram showing the ratio of the flow rate of exhaust air and exhaust hydrogen supplied to a combustor in the fuel cell system of the first embodiment in comparison with the conventional example.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing a main configuration of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 6 is a functional block diagram showing a functional configuration of a controller in the fuel cell system according to the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a state of calculation processing in a cathode exhaust gas control unit of the controller.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 1a Anode electrode 1b Cathode electrode 5 Hydrogen circulation flow path 6 Hydrogen purge valve 7 Air supply flow path 8 Cathode exhaust gas exhaust flow path 9 Combustor 10 Cathode exhaust gas bypass flow path 11 Exhaust air control valve 12 Bypass control valve 13 Controller 14 Pressure sensor

Claims (10)

燃料ガスが供給されるアノード極と、酸化剤ガスが供給されるカソード極とを備え、これら燃料ガスと酸化剤ガスの供給により発電が行われる燃料電池スタックと、
前記アノード極から排出されるアノード排ガスと前記カソード極から排出されるカソード排ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記カソード排ガスを前記燃焼器をバイパスして流通させるカソード排ガスバイパス流路と、
前記燃焼器に供給するアノード排ガスの流量制御を行うアノード排ガス流量制御手段と、
前記燃焼器に供給するカソード排ガスの流量制御を行うカソード排ガス流量制御手段とを有し、
前記燃焼器に前記アノード排ガスが供給されない場合に、前記カソード排ガスバイパス流路により前記カソード排ガスが前記燃焼器をバイパスすることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack including an anode electrode to which fuel gas is supplied and a cathode electrode to which oxidant gas is supplied, and power generation is performed by supplying these fuel gas and oxidant gas;
A combustor that burns a mixed gas of anode exhaust gas discharged from the anode electrode and cathode exhaust gas discharged from the cathode electrode;
A cathode exhaust gas bypass passage for circulating the cathode exhaust gas by bypassing the combustor;
Anode exhaust gas flow rate control means for controlling the flow rate of anode exhaust gas supplied to the combustor;
Cathode exhaust gas flow rate control means for controlling the flow rate of the cathode exhaust gas supplied to the combustor,
The fuel cell system, wherein when the anode exhaust gas is not supplied to the combustor, the cathode exhaust gas bypasses the combustor by the cathode exhaust gas bypass passage.
前記燃焼器に供給されるアノード排ガスの流量に関する状態量の変化に基づいて、前記燃焼器に供給されるカソード排ガスの流量が制御されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate of the cathode exhaust gas supplied to the combustor is controlled based on a change in a state quantity related to the flow rate of the anode exhaust gas supplied to the combustor. 前記カソード排ガスとアノード排ガスとがほぼ同時に前記燃焼器に供給開始されるように前記カソード排ガスの流量が制御され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 fuel cell system according to claim 2, wherein the flow rate of the cathode exhaust gas is controlled so that the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas are supplied to the combustor almost simultaneously. 前記アノード排ガス流量制御手段が動作してから前記燃料器に前記アノード排ガスが供給されるまでの時間遅れに基づいて、前記燃焼器への前記カソード排ガスの供給が開始されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。The supply of the cathode exhaust gas to the combustor is started based on a time delay from the operation of the anode exhaust gas flow rate control means to the supply of the anode exhaust gas to the fuel device. Item 4. The fuel cell system according to Item 3. 前記燃焼器の直前に当該燃焼器に供給される前記アノード排ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、
前記流量検出手段の出力に基づいて、前記燃焼器への前記カソード排ガスの流量が制御されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
Comprising a flow rate detection means for detecting the flow rate of the anode exhaust gas supplied to the combustor immediately before the combustor,
The fuel cell system according to claim 3, wherein the flow rate of the cathode exhaust gas to the combustor is controlled based on the output of the flow rate detection means.
前記燃焼器の直前に当該燃焼器に供給される前記アノード排ガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段の出力に基づいて、前記燃焼器への前記カソード排ガスの流量が制御されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
Pressure detecting means for detecting the pressure of the anode exhaust gas supplied to the combustor immediately before the combustor;
4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the flow rate of the cathode exhaust gas to the combustor is controlled based on the output of the pressure detection means.
前記燃焼器に供給される前記アノード排ガスの流量と前記カソード排ガスの流量との比率が所望の値となるように、前記燃焼器への前記カソード排ガスの流量が制御されることを特徴とする請求項2乃至6の何れかに記載の燃料電池システム。The flow rate of the cathode exhaust gas to the combustor is controlled so that a ratio between the flow rate of the anode exhaust gas supplied to the combustor and the flow rate of the cathode exhaust gas becomes a desired value. Item 7. The fuel cell system according to any one of Items 2 to 6. 前記比率は、前記アノード排ガスが前記燃焼器に安定供給されている間は、前記燃焼器の燃焼温度が当該燃焼器の特性により決まるような範囲とし、
前記カソード排ガスと前記アノード排ガスとが前記燃焼器へ供給開始された直後は、前記燃焼器の着火を促進する範囲とすることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
The ratio is in a range in which the combustion temperature of the combustor is determined by the characteristics of the combustor while the anode exhaust gas is stably supplied to the combustor.
The fuel cell system according to claim 7, wherein immediately after the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas are supplied to the combustor, the ignition of the combustor is promoted.
前記燃料ガスを再利用する燃料循環流路を有することを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 1, further comprising a fuel circulation channel for reusing the fuel gas. 車両に搭載されて車両の駆動動力源として用いられることを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の燃料電池システム。10. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is mounted on a vehicle and used as a driving power source for the vehicle.
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