JP5491564B2 - Control method of fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルを備えた燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a control method for a fuel cell system including fuel cells.

従来より、燃料電池セルから排出される未燃焼ガス(未反応燃料)を外部に排出しないようにするために、燃料電池から排出される未燃焼ガスが外部に排出される前に、触媒燃焼方式のバーナを用いて未燃焼ガスを燃焼させる燃料電池システムが知られている。   Conventionally, in order to prevent unburned gas (unreacted fuel) discharged from fuel cells from being discharged to the outside, before the unburned gas discharged from the fuel cell is discharged to the outside, catalytic combustion system There is known a fuel cell system that burns unburned gas using a burner.

特開2002−042851号公報JP 2002-042851 A

しかしながら、上記燃料電池システムでは、消費電力量に応じて燃料電池セルにて消費される燃料の量が変化するにも拘わらず、燃料や酸化剤の供給量の制御を行っていない。このため、燃料電池セルにて消費される燃料が少ないときには、多量の未燃焼ガスがバーナにより燃焼されることになる。この結果、未燃焼ガスが外部に排出されることはないが、燃料が無駄に消費されてしまい、燃料の消費効率が悪くなるという問題点があった。   However, the fuel cell system does not control the amount of fuel or oxidant supplied even though the amount of fuel consumed in the fuel cell changes according to the amount of power consumed. For this reason, when the fuel consumed in the fuel battery cell is small, a large amount of unburned gas is burned by the burner. As a result, unburned gas is not discharged to the outside, but there is a problem that fuel is wasted and the fuel consumption efficiency is deteriorated.

そこで、このような問題点を鑑み、燃料電池セルから電力を取り出す燃料電池システムにおいて、燃料の消費効率を向上できるようにすることを本発明の目的とする。   Therefore, in view of such problems, it is an object of the present invention to improve fuel consumption efficiency in a fuel cell system that extracts electric power from fuel cells.

かかる目的を達成するためになされた本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料および酸化剤を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セル(21)と、前記燃料電池セル(21)の負極に燃料を供給する燃料供給手段(13,14)と、前記燃料電池セル(21)の正極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段(11,12)と、前記燃料電池セル(21)から排出された使用済燃料および使用済酸化剤を混合して外部に排出するための排出路(18,19,27)内に配置され、該排出路(18,19,27)内の未反応燃料の有無を検出する検出手段(44)と、前記排出路(18,19,27)内における検出手段(44)が配置された位置よりも上流側に配置され、自身から発生する燃焼熱を利用して前記燃料電池セル(21)を加温する燃焼手段(31)と、前記燃料電池セル(21)の温度を測定する測定手段(41,42)と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池セル(21)に前記燃料および前記酸化剤を供給する供給工程(S110,S170,S220)と、前記検出手段(44)による検出結果に基づいて、当該燃料電池システムにおいて燃料を完全に消費させるために必要な酸化剤の量よりも酸化剤の量が過剰となるようにする、燃料と酸化剤との比率の範囲を算出する算出工程(S130,S180,S240)と、前記燃料電池セル(21)に供給される燃料および酸化剤の比率が前記算出工程で算出された比率の範囲内になるように、前記燃料供給手段(13,14)による燃料供給量および前記酸化剤供給手段(11,12)による酸化剤供給量の少なくとも一方を制御することで前記排出路(18,19,27)内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する制御工程(S110〜S260)と、を備え、前記制御工程(S110〜S260)として、前記燃焼手段(31)に対して前記燃料および前記酸化剤を供給することで前記測定手段(41,42)にて測定される温度が、前記燃料電池セルが起動するための第1温度になるまで加温する第1加温工程(S110〜S160)と、前記第1加温工程(S110〜S160)後に、前記燃焼手段(31)に対して前記燃料および前記酸化剤を供給することで、前記測定手段(41,42)にて測定される温度が、前記第1温度よりも高い温度であって前記燃料電池セルが発電するための第2温度になるまで加温する第2加温工程(S170〜S210)と、前記第2加温工程(S170〜S210)後に、前記燃料電池セルによる発電を開始する発電開始工程(S250)と、を実施することを特徴とする。   The control method of the fuel cell system of the present invention made to achieve the above object includes a fuel cell (21) that generates electric power by chemically reacting a fuel and an oxidant via an electrolyte, and the fuel cell. Fuel supply means (13, 14) for supplying fuel to the negative electrode of the cell (21), oxidant supply means (11, 12) for supplying oxidant to the positive electrode of the fuel cell (21), and the fuel cell The spent fuel and spent oxidant discharged from the cell (21) are mixed and disposed outside the discharge path (18, 19, 27) for discharge to the outside, and the discharge path (18, 19, 27). The detection means (44) for detecting the presence or absence of unreacted fuel and the detection means (44) in the discharge passage (18, 19, 27) are arranged upstream of the position where the detection means (44) is arranged, and are generated from itself. Using the heat of combustion A control method for a fuel cell system, comprising combustion means (31) for heating the fuel cell (21) and measurement means (41, 42) for measuring the temperature of the fuel cell (21). Then, based on the detection step (44) for supplying the fuel and the oxidant to the fuel cell (21) and the detection result by the detection means (44), the fuel cell system supplies the fuel. A calculation step (S130, S180, S240) for calculating a range of the ratio of the fuel and the oxidant so that the amount of the oxidant is excessive as compared with the amount of oxidant necessary for complete consumption; The amount of fuel supplied by the fuel supply means (13, 14) is adjusted so that the ratio of the fuel and oxidant supplied to the fuel battery cell (21) is within the range of the ratio calculated in the calculation step. And a control step (S110) of controlling so that no unreacted fuel exists in the discharge passages (18, 19, 27) by controlling at least one of the oxidant supply amounts by the oxidant supply means (11, 12). To S260), and as the control step (S110 to S260), the fuel and the oxidant are supplied to the combustion means (31), and the measurement means (41, 42) is used for the measurement. After the first heating step (S110 to S160) for heating until the fuel temperature reaches the first temperature for starting the fuel cell, and after the first heating step (S110 to S160), the combustion means By supplying the fuel and the oxidant to (31), the temperature measured by the measuring means (41, 42) is higher than the first temperature, and the fuel cell is A second heating step (S170 to S210) for heating until the second temperature for power generation is reached, and a power generation start step for starting power generation by the fuel cell after the second heating step (S170 to S210) (S250) is performed.

また、上記の燃料電池システムの制御方法においては、前記制御工程(S110〜S260)では、燃料を完全に消費させるために必要な酸化剤の量に対する酸化剤の量の過剰率が1.1〜2.0の範囲内になるよう燃料供給量および酸化剤供給量の少なくとも一方を制御してもよい。   Moreover, in the control method of the fuel cell system, in the control step (S110 to S260), the excess ratio of the amount of oxidant to the amount of oxidant necessary to completely consume the fuel is 1.1 to At least one of the fuel supply amount and the oxidant supply amount may be controlled to be within the range of 2.0.

さらに、燃料電池システムの制御方法においては、前記制御工程(S110〜S260)として、前記発電開始工程(S250)後に、前記第1測定手段(41,42)にて測定される温度が予め定められた閾値以上であるか否かを判定し、測定結果が閾値以上である場合に、前記燃焼手段(31)が失火しない程度に前記比率を上げる比率上昇工程(S450)を実施してもよい。   Further, in the control method of the fuel cell system, as the control step (S110 to S260), the temperature measured by the first measuring means (41, 42) after the power generation start step (S250) is determined in advance. If the measurement result is equal to or greater than the threshold, a ratio increasing step (S450) for increasing the ratio to such an extent that the combustion means (31) does not misfire may be performed.

また、上記目的を達成するためには、以下の参考発明のようにしてもよい。即ち、参考発明の燃料電池システムは、燃料および酸化剤を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セルと、前記燃料電池セルの負極に燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池セルの正極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記燃料電池セルから排出された使用済燃料および使用済酸化剤を混合して外部に排出するための排出路内に配置され、該排出路内の未反応燃料の有無を検出する検出手段と、該検出手段による検出結果に基づいて、前記燃料供給手段による燃料供給量および前記酸化剤供給手段による酸化剤供給量の少なくとも一方を、前記排出路内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する供給制御手段と、を備えたことを特徴としている。   In order to achieve the above object, the following reference invention may be used. That is, the fuel cell system of the reference invention includes a fuel cell that generates electric power by chemically reacting a fuel and an oxidant via an electrolyte body, a fuel supply unit that supplies fuel to the negative electrode of the fuel cell, An oxidant supply means for supplying an oxidant to the positive electrode of the fuel cell, and a discharge path for mixing the spent fuel and spent oxidant discharged from the fuel cell and discharging them to the outside Detecting means for detecting the presence or absence of unreacted fuel in the discharge passage; and at least one of a fuel supply amount by the fuel supply means and an oxidant supply amount by the oxidant supply means based on a detection result by the detection means Is provided with supply control means for controlling so that no unreacted fuel is present in the discharge passage.

即ち、燃料電池システムにおいては、燃料が過剰になったり、酸化剤が過剰になり過ぎて反応温度が低下したりする場合には、未反応燃料が外部に排出されてしまうことになる。このため、本発明では、検出手段を用いて排出路内の未反応燃料の有無を監視し、この結果に基づいて、燃料電池に供給された燃料が良好に消費されるように、燃料供給量および酸化剤供給量の少なくとも一方を制御しているのである。   That is, in the fuel cell system, when the fuel becomes excessive or the oxidant becomes excessive and the reaction temperature is lowered, the unreacted fuel is discharged to the outside. For this reason, in the present invention, the detection means is used to monitor the presence or absence of unreacted fuel in the discharge passage, and based on this result, the fuel supply amount is set so that the fuel supplied to the fuel cell is consumed well. In addition, at least one of the oxidant supply amount is controlled.

ここで、排出路内に未反応燃料が検出された場合に、燃料供給量を減らすよう制御すれば、燃料を節約することができ、酸化剤供給量を増やすよう制御すれば、燃料電池セルからの電力量を増やすことができる。   Here, when unreacted fuel is detected in the discharge path, if the fuel supply amount is controlled to be reduced, the fuel can be saved, and if the control is performed to increase the oxidant supply amount, the fuel cell can be removed. The amount of power can be increased.

従って、このような燃料電池システムによれば、燃料の消費効率を向上させることができる。
ところで、上記に記載の燃料電池システムにおいて、検出手段は、未燃焼ガスを検出することができるものであれば何でもよいが、排出路内の酸素濃度を検出することにより未反応燃料を検出することが望ましい。
Therefore, according to such a fuel cell system, the fuel consumption efficiency can be improved.
By the way, in the fuel cell system described above, the detection means may be anything as long as it can detect unburned gas, but it can detect unreacted fuel by detecting the oxygen concentration in the exhaust passage. Is desirable.

従って、このような燃料電池システムによれば、排出路内の未反応燃料が完全に消費されるようにするだけでなく、酸素濃度が予め設定された濃度になるように燃料供給量または酸化剤供給量を制御することができるので、燃料供給量および酸化剤供給量を化学反応に適した比率に制御することができる。このため、燃料電池セルによる燃料の消費効率をより向上させることができる。   Therefore, according to such a fuel cell system, not only the unreacted fuel in the discharge passage is completely consumed, but also the fuel supply amount or the oxidant so that the oxygen concentration becomes a preset concentration. Since the supply amount can be controlled, the fuel supply amount and the oxidant supply amount can be controlled to a ratio suitable for the chemical reaction. For this reason, the fuel consumption efficiency by a fuel cell can be improved more.

また、上記に記載の燃料電池システムにおいて、排出路内における検出手段が配置された位置よりも上流側に配置され、この排出路内の未反応燃料を燃焼させる燃焼手段を備えている場合には、排出路は、燃焼手段から排出される排気を、燃料電池セルの周囲を経由してから外部に排出するよう構成されていることが望ましい。   Further, in the fuel cell system described above, when the fuel cell system includes a combustion unit that is disposed upstream of the position where the detection unit is disposed in the discharge path and burns unreacted fuel in the discharge path. The exhaust path is preferably configured to exhaust the exhaust discharged from the combustion means to the outside after passing through the periphery of the fuel cell.

このような燃料電池システムによれば、燃焼手段により熱せされたガスを燃料電池セルに供給することができるので、このガスの熱により燃料電池セルを化学反応に適した温度に温めることができる。このため、燃料電池セルの電解質体に固体電解質体を用いる場合のように、燃料電池セルを暖気する必要がある場合には、特に燃料の消費効率を向上させることができる。   According to such a fuel cell system, the gas heated by the combustion means can be supplied to the fuel cell, so that the fuel cell can be heated to a temperature suitable for the chemical reaction by the heat of the gas. For this reason, when it is necessary to warm up the fuel cell as in the case where a solid electrolyte is used as the electrolyte of the fuel cell, the fuel consumption efficiency can be improved.

また、燃焼手段により未反応燃料を完全燃焼させることができるので、未反応燃料が外部に排出されてしまうことを確実に防止することができる。
さらに、上記に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池セルの温度を測定する第1測定手段と、第1測定手段による測定結果が予め定められた第1閾値以上であるか否かを判定し、測定結果が第1閾値以上である場合に、酸化剤供給手段を介して燃料電池セルに供給する酸化剤の量を増加させる第1冷却制御手段と、を備えていることが望ましい。
In addition, since the unreacted fuel can be completely burned by the combustion means, it is possible to reliably prevent the unreacted fuel from being discharged to the outside.
Furthermore, in the fuel cell system described above, it is determined whether or not the first measurement unit that measures the temperature of the fuel cell and the measurement result by the first measurement unit is equal to or greater than a predetermined first threshold value. The first cooling control means for increasing the amount of the oxidant supplied to the fuel cell via the oxidant supply means when the measurement result is equal to or more than the first threshold is preferably provided.

このような燃料電池システムによれば、燃料電池セルの温度が上昇しすぎた場合に、酸化剤を多く供給するので、燃料電池セルを発電のための化学反応に適した温度に下げることができる。また、このように、燃料電池セルを化学反応に適した温度に維持することにより、燃料電池セルにより良好に燃料を消費することができる。   According to such a fuel cell system, when the temperature of the fuel cell rises too much, a large amount of oxidant is supplied, so that the fuel cell can be lowered to a temperature suitable for a chemical reaction for power generation. . In addition, by maintaining the fuel cell at a temperature suitable for a chemical reaction in this way, the fuel cell can consume fuel more favorably.

なお、この燃料電池システムに本発明を適用する場合には、供給制御手段は、燃焼手段が未反応燃料を燃焼可能な空燃比の範囲内で酸化剤の量を増加させるようにすればよい。
加えて、上記何れかに記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池セルの温度を測定する第2測定手段と、燃料電池セルの周囲に形成された流路に液体または気体を供給することにより、この流路内の液体または気体に前記燃料電池セルからの熱を吸収させ、前記燃料電池セルを冷却する冷却手段と、第2測定手段による測定結果が予め設定された第2閾値以上であるか否かを判定し、測定結果が第2閾値以上である場合に、冷却手段を介して流路に液体または気体を供給する第2冷却制御手段と、を備えていることが望ましい。
When the present invention is applied to this fuel cell system, the supply control means may increase the amount of oxidant within the range of the air-fuel ratio in which the combustion means can burn unreacted fuel.
In addition, in any one of the fuel cell systems described above, by supplying a liquid or gas to the second measuring means for measuring the temperature of the fuel cell and the flow path formed around the fuel cell, Whether the liquid or gas in the flow path absorbs heat from the fuel battery cell and cools the fuel battery cell, and whether the measurement result by the second measurement means is greater than or equal to a preset second threshold value It is desirable to include a second cooling control unit that determines whether or not and when the measurement result is equal to or greater than the second threshold value, supplies liquid or gas to the flow path via the cooling unit.

このような燃料電池システムによれば、より確実に燃料電池セルを発電のための化学反応に適した温度に下げることができるので、燃料電池セルにより良好に燃料を消費することができる。   According to such a fuel cell system, the fuel cell can be more reliably lowered to a temperature suitable for a chemical reaction for power generation, so that fuel can be consumed more favorably by the fuel cell.

また、燃料電池セルにより温められた液体や気体を容易に取り出すことができる。   Moreover, the liquid and gas warmed by the fuel battery cell can be easily taken out.

燃料電池システムの構造を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a fuel cell system typically. 燃料電池システムの電気的な接続関係を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electrical connection relationship of a fuel cell system. 燃料電池制御処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows a fuel cell control process. 制御部が実行する停止処理を示すフローチャート(a)、発電制御処理を示すフローチャート(b)である。It is the flowchart (a) which shows the stop process which a control part performs, and the flowchart (b) which shows a power generation control process.

以下に本発明にかかる実施の形態を図面と共に説明する。
図1は本発明が適用された燃料電池システム1の構造を模式的に示す説明図である。
燃料電池システム1は、図1に示すように、燃料電池ユニット20と、燃料電池ユニット20に接続された多数の配管と、これらの配管に接続された多数の装置とから構成されている。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing the structure of a fuel cell system 1 to which the present invention is applied.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell unit 20, a number of pipes connected to the fuel cell unit 20, and a number of devices connected to these pipes.

燃料電池ユニット20は、略円筒形状の燃料電池セル21と、燃料電池セル21の形状に沿って燃料電池セル21の周囲を覆うカバー部材22とを備えている。
燃料電池セル21は、例えば、公知の固体電解質型燃料電池(SOFC)が多数積層された構成とされており、内部において燃料と酸化剤とを電解質体を介して化学反応させることにより正極端子46と負極端子48との間に電力を発生させる。なお、正極端子46および負極端子48には、これらの端子から駆動対象物までの通電を行うための配線(正極側配線47および負極側配線49)が接続されている。
The fuel cell unit 20 includes a substantially cylindrical fuel cell 21 and a cover member 22 that covers the periphery of the fuel cell 21 along the shape of the fuel cell 21.
For example, the fuel cell 21 has a structure in which a number of known solid oxide fuel cells (SOFCs) are stacked, and a positive electrode terminal 46 is formed by chemically reacting fuel and an oxidant via an electrolyte inside. And negative electrode terminal 48 generate electric power. Note that the positive electrode terminal 46 and the negative electrode terminal 48 are connected to wiring (positive electrode side wiring 47 and negative electrode side wiring 49) for energization from these terminals to the object to be driven.

また、負極側配線49には、燃料電池セル21による通電を遮断可能な燃料電池スイッチ33を備えている。この燃料電池スイッチ33が通電状態のときには、燃料電池セル21内で電力を発生させるための化学反応が起こり、燃料電池スイッチ33が遮断状態のときには、燃料電池セル21内での化学反応は停止されることになる。なお、燃料電池スイッチ33は、後述する燃料電池制御処理(図3参照)の開始時には、遮断状態とされている。   Further, the negative electrode side wiring 49 is provided with a fuel cell switch 33 that can cut off the energization by the fuel cell 21. When the fuel cell switch 33 is in an energized state, a chemical reaction for generating electric power occurs in the fuel cell 21, and when the fuel cell switch 33 is in an interrupted state, the chemical reaction in the fuel cell 21 is stopped. Will be. The fuel cell switch 33 is in a cut-off state at the start of a fuel cell control process (see FIG. 3) described later.

また、燃料電池セル21には、上部と下部との2箇所に、燃料電池セル21の表面温度を測定するセル温度センサ41,42が配置されている。
カバー部材22は、燃料電池セル21と密着することなく、後述するバーナ31(本発明でいう燃焼手段)により燃焼されたガスを導入可能な隙間が形成されている。そして、カバー部材22は、燃料電池セル21を冷却するための冷却水を注入可能な水路23(本発明でいう流路)を備え、この水路23は、燃料電池セル21の側面の形状に沿って螺旋状に形成されている。
In addition, cell temperature sensors 41 and 42 that measure the surface temperature of the fuel cell 21 are disposed in the fuel cell 21 at two locations, an upper portion and a lower portion.
The cover member 22 is not in close contact with the fuel cell 21 and is formed with a gap through which gas burned by a burner 31 (combustion means referred to in the present invention) described later can be introduced. The cover member 22 includes a water channel 23 (a channel referred to in the present invention) into which cooling water for cooling the fuel cell 21 can be injected. The water channel 23 follows the shape of the side surface of the fuel cell 21. It is formed in a spiral shape.

次に、燃料電池ユニット20の燃料電池セル21には、前述の配管として、まず、燃料電池ユニット20に酸化剤としての空気を導入するための空気供給管11と、燃料としての炭化水素化合物(例えばメタン)および水蒸気を導入するための燃料供給管13とが接続されている。   Next, in the fuel cell 21 of the fuel cell unit 20, as the above-described piping, first, an air supply pipe 11 for introducing air as an oxidant into the fuel cell unit 20 and a hydrocarbon compound ( For example, methane) and a fuel supply pipe 13 for introducing water vapor are connected.

また、空気供給管11および燃料供給管13には、それぞれの管を流れる気体の流量を調節するためのバルブ(空気導入バルブ12(空気供給管11とともに、本発明でいう酸化剤供給手段に相当)および燃料導入バルブ14(燃料供給管13とともに、本発明でいう燃料供給手段に相当))が設けられている。   Further, the air supply pipe 11 and the fuel supply pipe 13 include valves for adjusting the flow rate of the gas flowing through the pipes (air introduction valve 12 (along with the air supply pipe 11 and corresponding to the oxidant supply means in the present invention). ) And a fuel introduction valve 14 (corresponding to the fuel supply means in the present invention together with the fuel supply pipe 13)).

さらに、燃料電池セル21には、空気供給管11から導入された酸化剤を排出する空気排出管16と、燃料供給管13から導入された燃料を排出する燃料排出管15とが接続されている。   Further, an air discharge pipe 16 that discharges the oxidant introduced from the air supply pipe 11 and a fuel discharge pipe 15 that discharges the fuel introduced from the fuel supply pipe 13 are connected to the fuel cell 21. .

また、空気排出管16および燃料排出管15よりも下流側(空気および燃料が流れる方向に対して下流側:燃料電池セル21が接続された端部とは反対側の端部)には、空気排出管16および燃料排出管15を流れる気体を混合する混合器17が備えられており、混合器17よりもさらに下流側には、混合気管18、バーナ31、暖気導入管19が順に接続されている。   Further, air is provided downstream of the air discharge pipe 16 and the fuel discharge pipe 15 (downstream with respect to the direction in which air and fuel flow: the end opposite to the end where the fuel cells 21 are connected). A mixer 17 for mixing the gas flowing through the discharge pipe 16 and the fuel discharge pipe 15 is provided, and an air mixture pipe 18, a burner 31, and a warm air introduction pipe 19 are connected in this order further downstream from the mixer 17. Yes.

ここで、バーナ31は、外部から供給される別の燃料を燃焼させることにより種火を生成し、混合気管18から供給される未反応燃料に引火させることにより、この未反応燃料を完全燃焼させる。また、暖気導入管19の下流側の端部は、カバー部材22の内部(上端に近い位置)に接続されており、バーナ31により熱せられた排気が、暖気導入管19を介して燃料電池セル21とカバー部材22との隙間に供給されるよう構成されている。   Here, the burner 31 generates a seed fire by burning another fuel supplied from the outside, and causes the unreacted fuel supplied from the gas mixture tube 18 to ignite, thereby completely burning the unreacted fuel. . The downstream end of the warm air introduction pipe 19 is connected to the inside of the cover member 22 (position close to the upper end), and the exhaust gas heated by the burner 31 passes through the warm air introduction pipe 19 to the fuel cell. 21 and the cover member 22 are configured to be supplied to the gap.

また、カバー部材22(下端に近い位置)には、暖気導入管19から導入された排気を排出するための排気管27(混合気管18、暖気導入管19とともに、本発明でいう排出路に相当)が接続されている。この排気管27には、燃料電池ユニット20から近い順に、排気温度センサ43、全領域空燃比センサ44(本発明でいう検出手段)、触媒32が配置されている。   The cover member 22 (position close to the lower end) corresponds to an exhaust pipe 27 for discharging exhaust gas introduced from the warm air introduction pipe 19 (along with the mixed gas pipe 18 and the warm air introduction pipe 19). ) Is connected. In this exhaust pipe 27, an exhaust temperature sensor 43, an entire-range air-fuel ratio sensor 44 (detection means in the present invention), and a catalyst 32 are arranged in order from the fuel cell unit 20.

触媒32は、例えば、公知の三元触媒として構成されており、万一、バーナ31が失火した場合に備えて、未反応燃料が外部に排出されないようにするために配置されている。この触媒32を通過した排気は、排気口28から外部に排出される。   The catalyst 32 is configured, for example, as a known three-way catalyst, and is arranged to prevent unreacted fuel from being discharged to the outside in case the burner 31 misfires. The exhaust gas that has passed through the catalyst 32 is discharged to the outside through the exhaust port 28.

次に、カバー部材22の水路23には、冷却水を導入するための冷却水導入管24と、水路から冷却水を排出するための冷却水排出管26とが備えられている。
また、冷却水導入管24および冷却水排出管26には、冷却水を導入または排出するための、冷却水導入バルブ25および冷却水排出バルブ29が備えられている。
Next, the water path 23 of the cover member 22 is provided with a cooling water introduction pipe 24 for introducing cooling water and a cooling water discharge pipe 26 for discharging cooling water from the water path.
The cooling water introduction pipe 24 and the cooling water discharge pipe 26 are provided with a cooling water introduction valve 25 and a cooling water discharge valve 29 for introducing or discharging the cooling water.

なお、水路23、冷却水導入管24、冷却水導入バルブ25、冷却水排出管26、および冷却水排出バルブ29は、本発明でいう冷却手段に相当する。
ここで、各バルブの上流側にある物質(空気、燃料、および冷却水)は、それぞれ一定の圧力で加圧されており、各バルブの開度を調節するだけで各バルブを通過する物質の流量を調節することができるよう構成されている。
The water passage 23, the cooling water introduction pipe 24, the cooling water introduction valve 25, the cooling water discharge pipe 26, and the cooling water discharge valve 29 correspond to the cooling means in the present invention.
Here, the substances (air, fuel, and cooling water) on the upstream side of each valve are pressurized at a constant pressure, and the substances that pass through each valve simply by adjusting the opening of each valve. The flow rate can be adjusted.

次に、燃料電池システム1の制御系について図2を用いて説明する。図2は燃料電池システム1の電気的な接続関係を示すブロック図である。
燃料電池システム1の制御系は、図2に示すように、CPU、ROM、RAM等を有する公知のマイクロコンピュータとしての制御部51を中心にして構成されている。そして、この制御部51には、燃料電池セル21からの出力(例えば、電圧や電流)をモニタする電圧測定部53および発電電力量測定部54としての機能が内蔵されている。
Next, the control system of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram showing an electrical connection relationship of the fuel cell system 1.
As shown in FIG. 2, the control system of the fuel cell system 1 is configured around a control unit 51 as a known microcomputer having a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The control unit 51 incorporates functions as a voltage measurement unit 53 and a generated power amount measurement unit 54 that monitor the output (for example, voltage and current) from the fuel cell 21.

また、この制御部51は、各種センサ(本発明でいう第1測定手段および第2測定手段:具体的には、セル温度センサ41,42、排気温度センサ43、全領域空燃比センサ44)による検出結果に基づいて、各種バルブ(具体的には、空気導入バルブ12、燃料導入バルブ14、冷却水導入バルブ25、冷却水排出バルブ29)や、バーナ31、燃料電池スイッチ33等を駆動制御する。   The control unit 51 includes various sensors (first measurement means and second measurement means in the present invention: specifically, cell temperature sensors 41 and 42, an exhaust temperature sensor 43, and a full-range air-fuel ratio sensor 44). Based on the detection result, various valves (specifically, the air introduction valve 12, the fuel introduction valve 14, the cooling water introduction valve 25, the cooling water discharge valve 29), the burner 31, the fuel cell switch 33, and the like are driven and controlled. .

加えて、制御部51には、外部装置や、使用者の操作等に基づく外部指令を入力するための指令入力部52も接続されており、制御部51は、指令入力部52から指令を受けた場合にも各種バルブ等を駆動制御する。   In addition, the control unit 51 is also connected to an external device and a command input unit 52 for inputting an external command based on a user's operation. The control unit 51 receives a command from the command input unit 52. In the event of a failure, various valves are driven and controlled.

また、制御部51内(ROM)には、後述する燃料電池制御処理の際の空燃比制御に使用される各種バルブの開度(基準量)や、燃料電池セルを暖気または冷却する際に使用される温度の許容範囲、または発電許容温度、第1・第2限界温度等の情報が記憶されている。これらの温度についての情報は、発電許容温度、各限界温度が、各温度センサ41〜43毎に設定されている。   In addition, the control unit 51 (ROM) is used to warm up or cool the fuel cell, as well as the degree of opening (reference amount) of various valves used for air-fuel ratio control in the fuel cell control process described later. The allowable temperature range, the power generation allowable temperature, the first and second limit temperatures, and the like are stored. In the information about these temperatures, the power generation allowable temperature and each limit temperature are set for each temperature sensor 41 to 43.

さらに、制御部51内(ROM)には、全領域空燃比センサ44による目標の空燃比範囲を示す許容空燃比範囲も記憶されている。なお、全領域空燃比センサ44による検出結果が、この許容空燃比範囲内に収まっている際には、未反応燃料が外部に排出されることはない。   Further, in the control unit 51 (ROM), an allowable air-fuel ratio range indicating a target air-fuel ratio range by the full-range air-fuel ratio sensor 44 is also stored. Note that when the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 is within the allowable air-fuel ratio range, the unreacted fuel is not discharged to the outside.

次に、上記に説明した燃料電池システム1を駆動する処理について図3を用いて説明する。図3は制御部51が実行する燃料電池制御処理を示すフローチャートである。
なお、燃料電池制御処理において、S150〜S160、S180〜S190、S230〜S240の処理は、本発明でいう供給制御手段に相当する。
Next, a process for driving the fuel cell system 1 described above will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a fuel cell control process executed by the control unit 51.
In the fuel cell control process, the processes of S150 to S160, S180 to S190, and S230 to S240 correspond to the supply control means in the present invention.

この処理は、燃料電池システム1が起動すると開始され、S110〜S160では、バーナ31を良好に点火および燃焼させるための制御を行う。
即ち、S110では、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14をROMに記憶された第1基準量だけ開き、S120に移行する。
This process is started when the fuel cell system 1 is activated, and in S110 to S160, control is performed to favorably ignite and burn the burner 31.
That is, in S110, the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 are opened by the first reference amount stored in the ROM, and the process proceeds to S120.

S120では、燃料および空気(酸化剤)がバーナ31に到達する直前に、バーナ31を点火させる。なお、バーナ31の点火タイミングは、制御部51に内蔵されたタイマにより制御し、S110の処理後、予め設定された時間が経過すると、S120の処理を実行する。   In S <b> 120, the burner 31 is ignited immediately before fuel and air (oxidant) reach the burner 31. Note that the ignition timing of the burner 31 is controlled by a timer built in the control unit 51, and when a preset time has elapsed after the processing of S110, the processing of S120 is executed.

そして、S130に移行し、各温度センサ41〜43により検出された温度がROMに記憶された許容範囲内であるか否かを判定する。各温度センサ41〜43により検出された温度の全てが許容範囲内であればS150に移行し、各温度センサ41〜43により検出された温度の何れかが許容範囲外であればS140に移行する。   And it transfers to S130 and it is determined whether the temperature detected by each temperature sensor 41-43 is in the tolerance | permissible range memorize | stored in ROM. If all the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are within the allowable range, the process proceeds to S150, and if any of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 is outside the allowable range, the process proceeds to S140. .

S140では、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14を閉じると共に、バーナ31を消火し、燃料電池制御処理を終了する。つまり、燃料電池システム1に異常が発生したものとして、このシステムを停止させる。   In S140, the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 are closed, the burner 31 is extinguished, and the fuel cell control process is terminated. That is, it is assumed that an abnormality has occurred in the fuel cell system 1, and this system is stopped.

また、S150では、全領域空燃比センサ44による検出結果がROMに記憶された許容空燃比範囲内に収まっているか否かを判定する。検出結果が許容空燃比範囲に収まっていればS170に移行し、検出結果が許容空燃比範囲に収まっていなければS160に移行する。なお、本実施例において許容空燃比範囲は、例えば、空気過剰率が1.1〜2.0になるよう設定されている。   Further, in S150, it is determined whether or not the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 is within the allowable air-fuel ratio range stored in the ROM. If the detection result is within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S170, and if the detection result is not within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S160. In the present embodiment, the allowable air-fuel ratio range is set such that the excess air ratio is 1.1 to 2.0, for example.

S160では、全領域空燃比センサ44による検出結果が許容空燃比範囲に収まるよう空気導入バルブ12の開度調節を行い、S130に戻る。
次に、S170〜S220では、燃料電池セル21が目標とする温度になるまで暖気を行うための処理を行う。
In S160, the opening degree of the air introduction valve 12 is adjusted so that the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 falls within the allowable air-fuel ratio range, and the process returns to S130.
Next, in S170 to S220, processing for warming up is performed until the fuel cell 21 reaches a target temperature.

即ち、S170では、第1基準量よりも空気および燃料をより多く供給するために、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14を、ROMに記憶された第2基準量だけ開く。   That is, in S170, in order to supply more air and fuel than the first reference amount, the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 are opened by the second reference amount stored in the ROM.

そして、S180に移行し、全領域空燃比センサ44による検出結果がROMに記憶された許容空燃比範囲内に収まっているか否かを判定する。検出結果が許容空燃比範囲に収
まっていればS200に移行し、検出結果が許容空燃比範囲に収まっていなければS190に移行する。
Then, the flow shifts to S180, where it is determined whether or not the detection result by the entire region air-fuel ratio sensor 44 is within the allowable air-fuel ratio range stored in the ROM. If the detection result is within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S200, and if the detection result is not within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S190.

S190では、全領域空燃比センサ44による検出結果が許容空燃比範囲に収まるよう空気導入バルブ12の開度調節を行い、S180に戻る。
S200では、各温度センサ41〜43により検出された温度がROMに記憶された発電許容温度以上であるか否かを判定する。各温度センサ41〜43により検出された温度の全てが発電許容温度以上であればS210に移行し、各温度センサ41〜43により検出された温度の何れかが発電許容温度未満であればS180に戻る。
In S190, the opening degree of the air introduction valve 12 is adjusted so that the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 falls within the allowable air-fuel ratio range, and the process returns to S180.
In S200, it is determined whether or not the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are equal to or higher than the power generation allowable temperature stored in the ROM. If all the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are equal to or higher than the power generation allowable temperature, the process proceeds to S210. If any of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 is lower than the power generation allowable temperature, the process proceeds to S180. Return.

S210では、電圧測定部53を介して燃料電池セル21からの出力電圧をモニタリングし、出力電圧が正常であるか否かを判定する。出力電圧が正常であればS220に移行し、出力電圧が正常でなければS180に戻る。   In S210, the output voltage from the fuel cell 21 is monitored via the voltage measuring unit 53, and it is determined whether or not the output voltage is normal. If the output voltage is normal, the process proceeds to S220, and if the output voltage is not normal, the process returns to S180.

次に、S220〜S250では、燃料電池セル21が行う発電に備えて、燃料供給量をさらに増加させる処理を行う。
即ち、S220では、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14をROMに記憶された第3基準量だけ開き、S230に移行する。
Next, in S220 to S250, processing for further increasing the fuel supply amount is performed in preparation for power generation performed by the fuel cell 21.
That is, in S220, the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 are opened by the third reference amount stored in the ROM, and the process proceeds to S230.

S230では、全領域空燃比センサ44による検出結果がROMに記憶された許容空燃比範囲内に収まっているか否かを判定する。検出結果が許容空燃比範囲に収まっていればS250に移行し、検出結果が許容空燃比範囲に収まっていなければS240に移行する。   In S230, it is determined whether or not the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 is within the allowable air-fuel ratio range stored in the ROM. If the detection result is within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S250, and if the detection result is not within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S240.

S240では、全領域空燃比センサ44による検出結果が許容空燃比範囲に収まるよう空気導入バルブ12の開度調節を行い、S230に戻る。
また、S250では、燃料電池スイッチ33を遮断状態から通電状態に切り替え、S260に移行する。
In S240, the opening degree of the air introduction valve 12 is adjusted so that the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 falls within the allowable air-fuel ratio range, and the process returns to S230.
In S250, the fuel cell switch 33 is switched from the cut-off state to the energized state, and the process proceeds to S260.

そして、S260では、発電制御処理を繰り返し実行する。なお、この発電制御処理は、燃料電池セル21が行う発電を継続して行うための処理であり、この処理の詳細については後述する。   In S260, the power generation control process is repeatedly executed. This power generation control process is a process for continuously performing the power generation performed by the fuel battery cell 21, and details of this process will be described later.

また、上記の発電制御処理は、処理実行中に指令入力部52を介して停止指令が入力されると中断され、代わりに図4(a)に示す停止処理が実行される。なお、図4(a)は、制御部51が実行する停止処理を示すフローチャートである。   The power generation control process is interrupted when a stop command is input via the command input unit 52 during the process execution, and the stop process shown in FIG. 4A is executed instead. FIG. 4A is a flowchart showing a stop process executed by the control unit 51.

図4(a)に示す停止処理は、まずS310にて、燃料電池スイッチが通電状態であれば遮断状態に切り替える。
そして、S320に移行し、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14を徐々に(ROMに記憶されている制御量に基づいて段階的に)閉じる。
In the stop process shown in FIG. 4A, first, in S310, if the fuel cell switch is in an energized state, it is switched to a cut-off state.
Then, the process proceeds to S320, and the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 are gradually closed (in a stepwise manner based on the control amount stored in the ROM).

次いで、S330に移行し、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14が完全に閉じられたか否かを判定する。各バルブが完全に閉じられていればS340に移行し、何れかのバルブが開いていれば、S320に戻る。   Next, the process proceeds to S330, and it is determined whether or not the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 are completely closed. If each valve is completely closed, the process proceeds to S340, and if any valve is open, the process returns to S320.

そして、S340では、バーナ31を消火し、停止処理を終了する。
ここで、前述の燃料電池制御処理(図3)の中の発電制御処理(S260)について、図4(b)を用いて説明する。図4(b)は発電制御処理を示すフローチャートである。
In S340, the burner 31 is extinguished and the stop process is terminated.
Here, the power generation control process (S260) in the fuel cell control process (FIG. 3) will be described with reference to FIG. 4B. FIG. 4B is a flowchart showing the power generation control process.

なお、この発電制御処理の間、制御部51は、発電電力量測定部54にて燃料電池セル21にて必要な燃料の量を算出し、燃料の供給量がこの算出結果と一致するよう常に燃料導入バルブ14の開度を調節する。   During this power generation control process, the control unit 51 calculates the amount of fuel required in the fuel cell 21 by the generated power amount measurement unit 54, and always supplies the fuel supply amount so as to match this calculation result. The opening degree of the fuel introduction valve 14 is adjusted.

また、この発電制御処理において、S410、S450の処理は、本発明でいう第1冷却制御手段に相当し、S470〜S480、S500〜S510の処理は、第2冷却制御手段に相当する。   In this power generation control process, the processes of S410 and S450 correspond to the first cooling control means in the present invention, and the processes of S470 to S480 and S500 to S510 correspond to the second cooling control means.

図4(b)に示す発電制御処理は、まず、S410にて、各温度センサ41〜43により検出された温度がROMに記憶された第1限界温度以上であるか否かを判定する。各温度センサ41〜43により検出された温度の何れかが第1限界温度以上であればS450に移行し、各温度センサ41〜43により検出された温度の全てが第1限界温度未満であればS420に戻る。   In the power generation control process shown in FIG. 4B, first, in S410, it is determined whether or not the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are equal to or higher than the first limit temperature stored in the ROM. If any of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 is equal to or higher than the first limit temperature, the process proceeds to S450, and if all of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are less than the first limit temperature, Return to S420.

S420では、全領域空燃比センサ44による検出結果がROMに記憶された許容空燃比範囲内に収まっているか否かを判定する。検出結果が許容空燃比範囲に収まっていればS440に移行し、検出結果が許容空燃比範囲に収まっていなければS430に移行する。   In S420, it is determined whether or not the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 is within the allowable air-fuel ratio range stored in the ROM. If the detection result is within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S440. If the detection result is not within the allowable air-fuel ratio range, the process proceeds to S430.

S430では、全領域空燃比センサ44による検出結果が許容空燃比範囲に収まるよう空気導入バルブ12の開度調節を行い、S440に移行する。
S440では、RAM内に記録されたバルブフラグがON状態であるか否かを判定する。バルブフラグがON状態であればS480に移行し、バルブフラグがOFF状態であれば発電制御処理を終了する。ここで、バルブフラグとは、冷却水導入バルブ25および冷却水排出バルブ29が開状態にされているか否かを示すフラグであって、バルブフラグがON状態のときに冷却水導入バルブ25および冷却水排出バルブ29が開状態にされている。
In S430, the opening degree of the air introduction valve 12 is adjusted so that the detection result by the full-range air-fuel ratio sensor 44 falls within the allowable air-fuel ratio range, and the process proceeds to S440.
In S440, it is determined whether or not the valve flag recorded in the RAM is ON. If the valve flag is ON, the process proceeds to S480, and if the valve flag is OFF, the power generation control process is terminated. Here, the valve flag is a flag indicating whether or not the cooling water introduction valve 25 and the cooling water discharge valve 29 are opened, and when the valve flag is ON, the cooling water introduction valve 25 and the cooling water The water discharge valve 29 is opened.

次に、S450では、バーナ31が失火しない程度(予めROMに記憶された最低空燃比)に空燃比を上げる。つまり、この空燃比になるよう空気導入バルブ12を開く。
そして、S460に移行し、バルブフラグがON状態であるか否かを判定する。バルブフラグがON状態であればS470に移行し、バルブフラグがOFF状態であればS500に移行する。
Next, in S450, the air-fuel ratio is raised to such an extent that the burner 31 does not misfire (the lowest air-fuel ratio previously stored in the ROM). That is, the air introduction valve 12 is opened so that this air-fuel ratio is obtained.
Then, the process proceeds to S460, and it is determined whether or not the valve flag is ON. If the valve flag is ON, the process proceeds to S470, and if the valve flag is OFF, the process proceeds to S500.

S470およびS500では、各温度センサ41〜43により検出された温度がROMに記憶された第2限界温度以上であるか否かを判定する。S470において、各温度センサ41〜43により検出された温度の何れかが第2限界温度以上であれば発電制御処理を初めから繰り返し、各温度センサ41〜43により検出された温度の全てが第2限界温度未満であればS480に移行する。また、S500において、各温度センサ41〜43により検出された温度の何れかが第2限界温度以上であればS510に移行し、各温度センサ41〜43により検出された温度の全てが第2限界温度未満であれば発電制御処理を初めから繰り返す。   In S470 and S500, it is determined whether or not the temperature detected by each of the temperature sensors 41 to 43 is equal to or higher than the second limit temperature stored in the ROM. In S470, if any of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 is equal to or higher than the second limit temperature, the power generation control process is repeated from the beginning, and all of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are second. If it is less than the limit temperature, the process proceeds to S480. In S500, if any of the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 is equal to or higher than the second limit temperature, the process proceeds to S510, and all the temperatures detected by the temperature sensors 41 to 43 are the second limit temperature. If it is less than the temperature, the power generation control process is repeated from the beginning.

S480では、冷却水導入バルブ25および冷却水排出バルブ29を閉じ、S490に移行する。
そして、S490では、RAM内のバルブフラグをOFFに設定し、発電制御処理を最初から繰り返す。
In S480, the cooling water introduction valve 25 and the cooling water discharge valve 29 are closed, and the process proceeds to S490.
In S490, the valve flag in the RAM is set to OFF, and the power generation control process is repeated from the beginning.

また、S510では、冷却水導入バルブ25および冷却水排出バルブ29を開き、S520に移行する。
そして、S520では、RAM内のバルブフラグをONに設定し、発電制御処理を最初から繰り返す。
In S510, the cooling water introduction valve 25 and the cooling water discharge valve 29 are opened, and the process proceeds to S520.
In S520, the valve flag in the RAM is set to ON, and the power generation control process is repeated from the beginning.

以上のように詳述した燃料電池システム1においては、燃料および酸化剤を固体電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セル21と、燃料電池セル21の負極に燃料を供給する燃料供給管13および燃料導入バルブ14と、燃料電池セル21の正極に酸化剤を供給する空気供給管11および空気導入バルブ12と、燃料電池セル21から排出された使用済燃料および使用済酸化剤を混合して外部に排出するための排気管27内に配置され、この排気管27内の酸素濃度を検出することにより未反応燃料を検出する全領域空燃比センサ44と、制御部51と、を備えている。   In the fuel cell system 1 described in detail above, the fuel is supplied to the fuel cell 21 that generates electric power by chemically reacting the fuel and the oxidant via the solid electrolyte body, and the negative electrode of the fuel cell 21. The fuel supply pipe 13 and the fuel introduction valve 14, the air supply pipe 11 and the air introduction valve 12 for supplying the oxidant to the positive electrode of the fuel cell 21, the spent fuel discharged from the fuel cell 21 and the used oxidation. An all-range air-fuel ratio sensor 44 that is disposed in an exhaust pipe 27 for mixing and discharging the agent and detects unreacted fuel by detecting the oxygen concentration in the exhaust pipe 27; It is equipped with.

そして、燃料電池システム1において制御部51は、この全領域空燃比センサ44による検出結果に基づいて、空気導入バルブ12の開度を制御することにより、酸化剤供給量を排気管27内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する。   Then, in the fuel cell system 1, the control unit 51 controls the opening degree of the air introduction valve 12 based on the detection result by the entire region air-fuel ratio sensor 44, thereby reducing the oxidant supply amount into the exhaust pipe 27. Control so that no reactive fuel is present.

従って、このような燃料電池システム1によれば、排気管27内に未反応燃料が検出された場合に、酸化剤供給量を増やすことにより燃料電池セル21からの電力量を増やすことができるので、燃料の消費効率を向上させることができる。   Therefore, according to such a fuel cell system 1, when unreacted fuel is detected in the exhaust pipe 27, the amount of power from the fuel cell 21 can be increased by increasing the oxidant supply amount. , Fuel consumption efficiency can be improved.

また、排気管27内の未反応燃料が完全に消費されるようにするだけでなく、酸素濃度が予め設定された濃度になるように燃料供給量または酸化剤供給量を制御することにより、燃料供給量および酸化剤供給量を化学反応に適した比率に制御することができる。   Further, not only the unreacted fuel in the exhaust pipe 27 is completely consumed, but also the fuel supply amount or the oxidant supply amount is controlled so that the oxygen concentration becomes a preset concentration. The supply amount and the oxidant supply amount can be controlled to a ratio suitable for the chemical reaction.

さらに、本実施例の燃料電池システム1においては、排気管27内における全領域空燃比センサ44が配置された位置よりも上流側に配置され、この排気管27内の未反応燃料を燃焼させるバーナ31を備えている。そして、排気管27は、バーナ31から排出される排気を、燃料電池セル21の周囲を経由してから外部に排出するよう構成されている。   Further, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the burner is disposed upstream of the position where the full-range air-fuel ratio sensor 44 is disposed in the exhaust pipe 27 and burns unreacted fuel in the exhaust pipe 27. 31 is provided. The exhaust pipe 27 is configured to exhaust the exhaust discharged from the burner 31 to the outside after passing through the periphery of the fuel cell 21.

従って、このような燃料電池システム1によれば、バーナ31により熱せされたガスを燃料電池セル21に供給することができるので、このガスの熱により燃料電池セル21を化学反応に適した温度に温めることができる。このため、燃料電池セル21の電解質体(固体電解質体)を効率的に暖気することができる。   Therefore, according to such a fuel cell system 1, the gas heated by the burner 31 can be supplied to the fuel cell 21, so that the fuel cell 21 is brought to a temperature suitable for a chemical reaction by the heat of this gas. Can be warmed. For this reason, the electrolyte body (solid electrolyte body) of the fuel battery cell 21 can be warmed up efficiently.

また、バーナ31により未反応燃料を完全燃焼させることができるので、未反応燃料が外部に排出されてしまうことを確実に防止することができる。
さらに、燃料電池セル21において燃料が消費されると、バーナ31に供給される燃料の量が少なくなるので、燃料電池セル21が過剰に暖められることを防止することができる。このため、燃料電池セル21の温度管理を容易に行うことができる。
In addition, since the unreacted fuel can be completely burned by the burner 31, it is possible to reliably prevent the unreacted fuel from being discharged to the outside.
Furthermore, when the fuel is consumed in the fuel cell 21, the amount of fuel supplied to the burner 31 is reduced, so that the fuel cell 21 can be prevented from being excessively warmed. For this reason, the temperature management of the fuel cell 21 can be easily performed.

また、本実施例の燃料電池システム1においては、燃料電池セル21の温度を測定する各温度センサ41〜43を備えており、制御部51は、各温度センサ41〜43による測定結果が予め定められた第1限界温度以上であるか否かを判定し、測定結果が第1限界温度以上である場合に、空気供給管11および空気導入バルブ12を介して燃料電池セル21に供給する酸化剤の量を増加させるよう構成されている。また、このとき制御部51は、バーナ31が未反応燃料を燃焼可能な空燃比の範囲内で酸化剤の量を増加させるようにしている。   Further, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes temperature sensors 41 to 43 that measure the temperature of the fuel cell 21, and the control unit 51 determines the measurement results of the temperature sensors 41 to 43 in advance. The oxidant is supplied to the fuel cell 21 via the air supply pipe 11 and the air introduction valve 12 when it is determined whether or not the measured temperature is equal to or higher than the first limit temperature. Configured to increase the amount of. At this time, the control unit 51 increases the amount of the oxidant within the range of the air-fuel ratio in which the burner 31 can burn the unreacted fuel.

従って、このような燃料電池システム1によれば、燃料電池セル21の温度が上昇しすぎた場合に、酸化剤を多く供給するので、燃料電池セル21を発電のための化学反応に適した温度に下げることができる。また、このように、燃料電池セル21を化学反応に適した温度に維持することにより、燃料電池セル21により良好に燃料を消費することができるので、未反応燃料が外部に排出されてしまうことを防止することができる。また、バーナ31が失火することを防止することができる。   Therefore, according to such a fuel cell system 1, when the temperature of the fuel cell 21 rises too much, a large amount of oxidant is supplied, so that the temperature of the fuel cell 21 is suitable for a chemical reaction for power generation. Can be lowered. In addition, by maintaining the fuel cell 21 at a temperature suitable for a chemical reaction in this way, fuel can be consumed more favorably by the fuel cell 21, so that unreacted fuel is discharged to the outside. Can be prevented. Moreover, it is possible to prevent the burner 31 from being misfired.

加えて、本実施例の燃料電池システム1においては、燃料電池セル21の周囲に形成された水路23に冷却水を供給することにより、この水路23内の液体または気体に燃料電池セル21からの熱を吸収させ、燃料電池セル21を冷却するための冷却水導入管24、冷却水導入バルブ25、冷却水排出管26、および冷却水排出バルブ29を備えている。   In addition, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, by supplying cooling water to the water channel 23 formed around the fuel cell 21, the liquid or gas in the water channel 23 is supplied to the liquid or gas from the fuel cell 21. A cooling water introduction pipe 24, a cooling water introduction valve 25, a cooling water discharge pipe 26, and a cooling water discharge valve 29 for absorbing heat and cooling the fuel battery cell 21 are provided.

そして、制御部51は、各温度センサ41〜43による測定結果が予め設定された第2限界温度以上であるか否かを判定し、測定結果が第2限界温度以上である場合に、冷却水導入管24、冷却水導入バルブ25および冷却水排出バルブ29を開き、水路23に冷却水を供給する。   And the control part 51 determines whether the measurement result by each temperature sensor 41-43 is more than the preset 2nd limit temperature, and when a measurement result is more than the 2nd limit temperature, it is cooling water. The introduction pipe 24, the cooling water introduction valve 25 and the cooling water discharge valve 29 are opened to supply cooling water to the water channel 23.

このような燃料電池システム1によれば、より確実に燃料電池セル21を発電のための化学反応に適した温度に下げることができ、未反応燃料が外部に排出されてしまうことを防止することができる。   According to such a fuel cell system 1, the fuel cell 21 can be more reliably lowered to a temperature suitable for a chemical reaction for power generation, and unreacted fuel is prevented from being discharged to the outside. Can do.

また、燃料電池セル21により温められた冷却水を容易に取り出すことができる。
なお、本発明の実施の形態は、上記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
Further, the cooling water warmed by the fuel cell 21 can be easily taken out.
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can take various forms as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば、本実施例において、制御部51は、この全領域空燃比センサ44による検出結果に基づいて、空気導入バルブ12の開度を制御するよう構成したが、燃料導入バルブ14の開度を制御するよう構成してもよい。また、空気導入バルブ12および燃料導入バルブ14の両方の開度を制御するよう構成してもよい。   For example, in the present embodiment, the control unit 51 is configured to control the opening degree of the air introduction valve 12 based on the detection result by the entire region air-fuel ratio sensor 44, but the opening degree of the fuel introduction valve 14 is controlled. You may comprise. Moreover, you may comprise so that the opening degree of both the air introduction valve 12 and the fuel introduction valve 14 may be controlled.

このようにしても、燃料を節約することができ、燃料の消費効率をより向上させることができる。
また、本実施例において、排気管27内の未燃焼ガスを検出するために全領域空燃比センサ44を用いたが、例えば、HCセンサなど、未燃焼ガスを検出することができるものであれば何を用いてもよい。
Even if it does in this way, fuel can be saved and the consumption efficiency of fuel can be improved more.
In the present embodiment, the full-range air-fuel ratio sensor 44 is used to detect unburned gas in the exhaust pipe 27. However, for example, an HC sensor or the like that can detect unburned gas is used. Anything can be used.

さらに、本実施例では、燃料電池セル21の温度が第2限界温度以上になったときには、冷却水を注入するよう構成したが、燃料電池セル21から熱を吸収できる物質であれば、その他の液体や気体を注入してもよい。   Furthermore, in the present embodiment, the cooling water is injected when the temperature of the fuel cell 21 becomes equal to or higher than the second limit temperature. However, any other material that can absorb heat from the fuel cell 21 is used. A liquid or gas may be injected.

また、本実施例のバーナ31は、別系統で燃料を供給することにより種火を維持するよう構成したが、単に未反応燃料を引火させるための火花を飛ばすだけの構成にしてもよい。このようにしても、本実施例の燃料電池システム1と同様の効果を得ることができる。   Moreover, although the burner 31 of the present embodiment is configured to maintain the seed fire by supplying the fuel with a separate system, it may be configured to simply fly a spark for igniting unreacted fuel. Even if it does in this way, the effect similar to the fuel cell system 1 of a present Example can be acquired.

1…燃料電池システム、11…空気供給管、12…空気導入バルブ、13…燃料供給管、14…燃料導入バルブ、15…燃料排出管、16…空気排出管、17…混合器、18…混合気管、19…暖気導入管、20…燃料電池ユニット、21…燃料電池セル、22…カバー部材、23…水路、24…冷却水導入管、25…冷却水導入バルブ、26…冷却水排出管、27…排気管、28…排気口、29…冷却水排出バルブ、31…バーナ、32…触媒、33…燃料電池スイッチ、41…セル温度センサ、42…セル温度センサ、43…排気温度センサ、44…全領域空燃比センサ、46…正極端子、47…正極側配線、48…負極端子、49…負極側配線、51…制御部、52…指令入力部、53…電圧測定部、54…発電電力量測定部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 11 ... Air supply pipe, 12 ... Air introduction valve, 13 ... Fuel supply pipe, 14 ... Fuel introduction valve, 15 ... Fuel discharge pipe, 16 ... Air discharge pipe, 17 ... Mixer, 18 ... Mixing 19: Warm air introduction pipe, 20 ... Fuel cell unit, 21 ... Fuel cell, 22 ... Cover member, 23 ... Water channel, 24 ... Cooling water introduction pipe, 25 ... Cooling water introduction valve, 26 ... Cooling water discharge pipe, 27 ... exhaust pipe, 28 ... exhaust port, 29 ... cooling water discharge valve, 31 ... burner, 32 ... catalyst, 33 ... fuel cell switch, 41 ... cell temperature sensor, 42 ... cell temperature sensor, 43 ... exhaust temperature sensor, 44 ... all-range air-fuel ratio sensor, 46 ... positive electrode terminal, 47 ... positive electrode side wiring, 48 ... negative electrode terminal, 49 ... negative electrode side wiring, 51 ... control unit, 52 ... command input unit, 53 ... voltage measurement unit, 54 ... generated power Quantity measuring part.

Claims (3)

燃料および酸化剤を電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生させる燃料電池セル(21)と、
前記燃料電池セル(21)の負極に燃料を供給する燃料供給手段(13,14)と、
前記燃料電池セル(21)の正極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段(11,12)と、
前記燃料電池セル(21)から排出された使用済燃料および使用済酸化剤を混合して外部に排出するための排出路(18,19,27)内に配置され、該排出路(18,19,27)内の未反応燃料の有無を検出する検出手段(44)と、
前記排出路(18,19,27)内における検出手段(44)が配置された位置よりも上流側に配置され、自身から発生する燃焼熱を利用して前記燃料電池セル(21)を加温する燃焼手段(31)と、
前記燃料電池セル(21)の温度を測定する測定手段(41,42)と、
を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池セル(21)に前記燃料および前記酸化剤を供給する供給工程(S110,S170,S220)と、
前記検出手段(44)による検出結果に基づいて、当該燃料電池システムにおいて燃料を完全に消費させるために必要な酸化剤の量よりも酸化剤の量が過剰となるようにする、燃料と酸化剤との比率の範囲を算出する算出工程(S130,S180,S240)と、
前記燃料電池セル(21)に供給される燃料および酸化剤の比率が前記算出工程で算出された比率の範囲内になるように、前記燃料供給手段(13,14)による燃料供給量および前記酸化剤供給手段(11,12)による酸化剤供給量の両方を制御することで前記排出路(18,19,27)内に未反応燃料が存在しなくなるよう制御する制御工程(S110〜S260)と、
を備え、
前記制御工程(S110〜S260)として、
前記燃焼手段(31)に対して前記燃料および前記酸化剤を供給することで前記測定手段(41,42)にて測定される温度が、前記燃料電池セルが起動するための第1温度になるまで加温する第1加温工程(S110〜S160)と、
前記第1加温工程(S110〜S160)後に、前記燃焼手段(31)に対して前記燃料および前記酸化剤を供給することで、前記測定手段(41,42)にて測定される温度が、前記第1温度よりも高い温度であって前記燃料電池セルが発電するための第2温度になるまで加温する第2加温工程(S170〜S210)と、
前記第2加温工程(S170〜S210)後に、前記燃料電池セルによる発電を開始する発電開始工程(S250)と、
を実施することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
A fuel battery cell (21) for generating electric power by chemically reacting a fuel and an oxidant via an electrolyte body;
Fuel supply means (13, 14) for supplying fuel to the negative electrode of the fuel cell (21);
Oxidant supply means (11, 12) for supplying an oxidant to the positive electrode of the fuel cell (21);
The spent fuel and spent oxidant discharged from the fuel battery cell (21) are mixed and disposed inside a discharge path (18, 19, 27) for discharge to the outside. The discharge path (18, 19 , 27) detecting means (44) for detecting the presence or absence of unreacted fuel;
It is arranged on the upstream side of the position where the detection means (44) is arranged in the discharge passage (18, 19, 27), and warms the fuel cell (21) using the combustion heat generated from itself. Combustion means (31) for
Measuring means (41, 42) for measuring the temperature of the fuel cell (21);
A control method for a fuel cell system comprising:
A supply step (S110, S170, S220) of supplying the fuel and the oxidant to the fuel cell (21);
Based on the detection result by the detection means (44), the fuel and the oxidant are used so that the amount of the oxidant is larger than the amount of the oxidant necessary for completely consuming the fuel in the fuel cell system. A calculation step (S130, S180, S240) for calculating a range of the ratio of
The amount of fuel supplied by the fuel supply means (13, 14) and the oxidation so that the ratio of the fuel and oxidant supplied to the fuel battery cell (21) is within the range of the ratio calculated in the calculation step. A control step (S110 to S260) for controlling so that no unreacted fuel exists in the discharge passages (18, 19, 27) by controlling both the oxidant supply amount by the agent supply means (11, 12). ,
With
As the control step (S110 to S260),
The temperature measured by the measuring means (41, 42) by supplying the fuel and the oxidant to the combustion means (31) becomes the first temperature for starting the fuel cell. A first heating step (S110 to S160) for heating up to
By supplying the fuel and the oxidant to the combustion means (31) after the first heating step (S110 to S160), the temperature measured by the measurement means (41, 42) is A second heating step (S170 to S210) in which heating is performed until the fuel cell reaches a second temperature for generating electricity, which is higher than the first temperature;
After the second heating step (S170 to S210), a power generation start step (S250) for starting power generation by the fuel cell,
The control method of the fuel cell system characterized by implementing.
請求項1に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記制御工程(S110〜S260)では、燃料を完全に消費させるために必要な酸化剤の量に対する酸化剤の量の過剰率が1.1〜2.0の範囲内になるよう燃料供給量および酸化剤供給量の少なくとも一方を制御すること
を特徴とする燃料電池システムの制御方法。
In the control method of the fuel cell system according to claim 1,
In the control step (S110 to S260), the fuel supply amount and the excess ratio of the amount of oxidant to the amount of oxidant necessary to completely consume the fuel are within the range of 1.1 to 2.0. A method for controlling a fuel cell system, comprising controlling at least one of an oxidant supply amount.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記制御工程(S110〜S260)として、
前記発電開始工程(S250)後に、前記第1測定手段(41,42)にて測定される温度が予め定められた閾値以上であるか否かを判定し、測定結果が閾値以上である場合に、前記燃焼手段(31)が失火しない程度に前記比率を上げる比率上昇工程(S450)
を実施することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
In the control method of the fuel cell system according to claim 1 or 2,
As the control step (S110 to S260),
After the power generation start step (S250), it is determined whether or not the temperature measured by the first measuring means (41, 42) is equal to or higher than a predetermined threshold, and the measurement result is equal to or higher than the threshold. The ratio increasing step (S450) for increasing the ratio to such an extent that the combustion means (31) does not misfire.
The control method of the fuel cell system characterized by implementing.
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