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JP2007179839A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2007179839A
JP2007179839A JP2005376133A JP2005376133A JP2007179839A JP 2007179839 A JP2007179839 A JP 2007179839A JP 2005376133 A JP2005376133 A JP 2005376133A JP 2005376133 A JP2005376133 A JP 2005376133A JP 2007179839 A JP2007179839 A JP 2007179839A
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JP
Japan
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gas
fuel cell
cell system
hydrogen
gas combustion
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Pending
Application number
JP2005376133A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Tanabe
彰 田辺
Seichin Cho
成鎭 趙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of suppressing water absorption and freezing of an opening and closing valve at an off-gas combustion part. <P>SOLUTION: In the fuel cell system 100 provided with a fuel cell 20 to generate power by a reaction of an oxidation gas and a fuel gas, and the off-gas combustion part 10 to burn the off-gas of a fuel gas discharged from the fuel cell 20, the opening and closing valves F1, F2 are installed respectively on the upstream side and the downstream side of the off-gas combustion part 10 in an exhaust passage 72. Based on the external temperature, a control part 50 controls opening and closing of the respective opening and closing valves F1, F2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas.

燃料電池から排出された燃料オフガスを燃焼させてから外部に放出するオフガス燃焼器を備えた燃料電池システムでは、オフガス燃焼器内でガス中の水蒸気が凝縮して触媒表面が覆われることによる触媒反応の阻害を抑えるため、系内のエアパージを行っているが、システム停止後に、外気から水蒸気が系内に入り込むと、その水蒸気によって触媒表面が吸水してしまう。   In a fuel cell system equipped with an off-gas combustor that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell and then releases it to the outside, catalytic reaction due to condensation of water vapor in the gas in the off-gas combustor and covering the catalyst surface In order to suppress this inhibition, air purge in the system is performed. However, if water vapor enters the system after the system is stopped, the catalyst surface absorbs water from the water vapor.

ここで、システム停止後に、外気から系内への水蒸気の侵入を防ぐため、外気に繋がる配管に遮断弁を設け、パージ後に遮断弁によって外気と系内とを遮断する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−282114号公報
Here, in order to prevent intrusion of water vapor from the outside air into the system after the system is stopped, a technology is known in which a shutoff valve is provided in a pipe connected to the outside air, and the outside air and the system are shut off by the shutoff valve after purging ( For example, see Patent Document 1).
JP 2003-282114 A

しかしながら、オフガス燃焼部の下流に開閉弁が設けられていないため、長時間放置することにより触媒が吸水し、起動時に起動不良を起こしたり、多量の未反応水素オフガスを放出する場合がある。さらに、凍結温度以下まで低下した場合には遮断弁が凍結して動作不良を起こすことにより、起動不良になる場合もある。   However, since an on-off valve is not provided downstream of the off-gas combustion section, the catalyst may absorb water when left for a long time, causing a start-up failure during start-up or releasing a large amount of unreacted hydrogen off-gas. Furthermore, when the temperature falls below the freezing temperature, the shut-off valve may freeze and cause a malfunction, which may cause a startup failure.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、オフガス燃焼部での吸水と開閉弁の凍結を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing water absorption in the off-gas combustion section and freezing of the on-off valve.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、を備えた燃料電池システムであって、前記オフガス燃焼部の下流側に開閉弁が設けられている。   In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas, and an off-gas combustion unit that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell. In the fuel cell system, an on-off valve is provided on the downstream side of the off-gas combustion unit.

この構成によれば、例えば、システム停止時に、開閉弁を閉状態とすることにより、オフガス燃焼部内への水蒸気の侵入を抑制することができ、オフガス燃焼部が吸水することによる効率低下を抑えることができる。したがって、低温起動時にオフガス燃焼部から未反応のまま排出されるオフガスを減少させることができる。   According to this configuration, for example, when the system is stopped, by closing the on-off valve, it is possible to suppress the intrusion of water vapor into the off-gas combustion unit, and to suppress the decrease in efficiency due to the off-gas combustion unit absorbing water. Can do. Accordingly, it is possible to reduce the off-gas discharged from the off-gas combustion section without reacting at the time of low temperature startup.

また、凍結温度以下となった時点にて開閉弁を開状態とすることにより、システム起動時における開閉弁の凍結による作動不良などの不具合を抑制することができる。しかも、温度が低いことから、放置中にオフガス燃焼部へ侵入する水蒸気の量を十分に低く抑えることができ、起動時に不具合なくオフガスを燃焼させることができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記オフガス燃焼部の上流側にも開閉弁が設けられていてもよい。
この構成によれば、例えば酸化ガスを燃料電池に供給するためのコンプレッサやブロア等、オフガス燃焼部の上流側から侵入する外気による当該オフガス燃焼部の吸水をより好適に抑制することができる。
Further, by opening the on-off valve when the temperature becomes below the freezing temperature, it is possible to suppress problems such as malfunction due to freezing of the on-off valve at the time of system startup. Moreover, since the temperature is low, the amount of water vapor that enters the off-gas combustion section during standing can be suppressed sufficiently low, and off-gas can be combusted without any problems at the time of startup.
In the fuel cell system of the present invention, an on-off valve may be provided on the upstream side of the off-gas combustion unit.
According to this configuration, for example, a compressor or a blower for supplying the oxidizing gas to the fuel cell can more suitably suppress water absorption of the off-gas combustion unit due to outside air entering from the upstream side of the off-gas combustion unit.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記オフガス燃焼部は、前記燃料オフガスを触媒によって燃焼させるものでもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the off-gas combustion unit may combust the fuel off-gas with a catalyst.

本発明の燃料電池システムは、前記開閉弁の少なくとも一方の開閉を制御する制御部を備えてもよい。   The fuel cell system of the present invention may include a control unit that controls opening and closing of at least one of the on-off valves.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、外気温に基づいて前記開閉弁の制御を行うものでもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the control unit may control the on-off valve based on an outside air temperature.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、オフガスを含む排ガスの温度に基づいて前記開閉弁の制御を行うものでもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the control unit may control the on-off valve based on the temperature of exhaust gas including off-gas.

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記触媒の気温に基づいて前記開閉弁の制御を行うものでもよい。   In the fuel cell system of the present invention, the control unit may control the on-off valve based on the temperature of the catalyst.

本発明の燃料電池システムによれば、オフガス燃焼部での吸水を抑制しつつ、開閉弁の凍結を抑制することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to suppress freezing of the on-off valve while suppressing water absorption in the off-gas combustion section.

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶,航空機,電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。   Next, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described. Hereinafter, the case where this fuel cell system is applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described. However, the present invention is not limited to such an application example, and is applicable to all moving objects such as ships, airplanes, trains, and walking robots. For example, the present invention can be applied to a stationary power generation system in which a fuel cell is used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

図1に示される燃料電池システム100において、酸化ガスとしての空気(外気)は、空気供給路71を介して燃料電池20の空気供給口に供給される。空気供給路71には、空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するコンプレッサA3、供給空気圧を検出する圧力センサP4、及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。   In the fuel cell system 100 shown in FIG. 1, air (outside air) as an oxidizing gas is supplied to the air supply port of the fuel cell 20 via the air supply path 71. The air supply path 71 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, a compressor A3 that pressurizes the air, a pressure sensor P4 that detects the supply air pressure, and a humidifier A21 that adds required moisture to the air.

コンプレッサA3は、モータ(補機)によって駆動される。このモータは、後述の制御部50によって駆動制御される。なお、エアフィルタA1には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ(流量計)が設けられている。   The compressor A3 is driven by a motor (auxiliary machine). This motor is driven and controlled by a control unit 50 described later. The air filter A1 is provided with an air flow meter (flow meter) (not shown) that detects the air flow rate.

燃料電池20から排出される空気オフガス(酸化オフガス)は、排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、圧力調整弁A4、加湿器A21の熱交換器、及びオフガス燃焼部10が設けられている。圧力センサP1は、燃料電池20の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。   Air off-gas (oxidation off-gas) discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the exhaust path 72. The exhaust path 72 is provided with a pressure sensor P1 that detects the exhaust pressure, a pressure adjustment valve A4, a heat exchanger for the humidifier A21, and the off-gas combustion unit 10. The pressure sensor P <b> 1 is provided in the vicinity of the air exhaust port of the fuel cell 20. The pressure adjustment valve A4 functions as a pressure regulator (pressure reduction) that sets the air pressure supplied to the fuel cell 20.

圧力センサP4,P1の図示しない検出信号は、制御部50に送られる。制御部50は、コンプレッサA3のモータ回転数及び圧力調整弁A4の開度面積を調整することによって、燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量を設定する。   Detection signals (not shown) of the pressure sensors P4 and P1 are sent to the control unit 50. The control unit 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the motor rotation speed of the compressor A3 and the opening area of the pressure adjustment valve A4.

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源30から水素供給路74を介して燃料電池20の水素供給口に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。   Hydrogen gas as the fuel gas is supplied from the hydrogen supply source 30 to the hydrogen supply port of the fuel cell 20 through the hydrogen supply path 74. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be a so-called fuel reformer, a hydrogen storage alloy, or the like.

水素供給路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁H100、水素供給源30からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサP6、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、水素調圧弁H9の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサP9、燃料電池20の水素供給口と水素供給路74間を開閉する遮断弁H21、及び水素ガスの燃料電池20の入口圧力を検出する圧力センサP5が設けられている。   The hydrogen supply path 74 includes a shutoff valve H100 that supplies or stops supplying hydrogen from the hydrogen supply source 30, a pressure sensor P6 that detects the supply pressure of hydrogen gas from the hydrogen supply source 30, and hydrogen gas to the fuel cell 20. The pressure regulating valve H9 for reducing and adjusting the supply pressure of the fuel, the pressure sensor P9 for detecting the hydrogen gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve H9, and the shutoff valve H21 for opening and closing between the hydrogen supply port of the fuel cell 20 and the hydrogen supply path 74. , And a pressure sensor P5 for detecting the inlet pressure of the hydrogen gas fuel cell 20 is provided.

水素調圧弁H9としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサP5,P6,P9の図示しない検出信号は、制御部50に供給される。   As the hydrogen pressure regulating valve H9, for example, a pressure regulating valve that performs mechanical pressure reduction can be used. However, a valve whose opening degree is linearly or continuously adjusted by a pulse motor may be used. Detection signals (not shown) of the pressure sensors P5, P6, and P9 are supplied to the control unit 50.

燃料電池20で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路75に排出され、水素供給路74の水素調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池20と水素循環路75を連通/遮断する遮断弁H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、水素オフガスを加圧する水素ポンプH50、及び逆流阻止弁H52が設けられている。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged to the hydrogen circulation path 75 as a hydrogen off-gas and returned to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve H9 in the hydrogen supply path 74. The hydrogen circulation path 75 includes a temperature sensor T31 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, a shutoff valve H22 that communicates / blocks the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 75, and a gas-liquid separator H42 that collects moisture from the hydrogen off-gas. A drain valve H41 that collects the generated water in a tank (not shown) outside the hydrogen circulation path 75, a hydrogen pump H50 that pressurizes the hydrogen off-gas, and a backflow prevention valve H52 are provided.

遮断弁H21,H22は、燃料電池20のアノード側を閉鎖する。温度センサT31の図示しない検出信号は、制御部50に供給される。水素ポンプH50は、制御部50によって動作が制御される。   The shutoff valves H21 and H22 close the anode side of the fuel cell 20. A detection signal (not shown) of the temperature sensor T31 is supplied to the control unit 50. The operation of the hydrogen pump H50 is controlled by the control unit 50.

水素オフガスは、水素供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。逆流阻止弁H52は、水素供給路74の水素ガスが水素循環路75側に逆流することを防止する。遮断弁H100,H21,H22は、制御部50からの信号で駆動される。   The hydrogen off-gas merges with the hydrogen gas in the hydrogen supply path 74 and is supplied to the fuel cell 20 for reuse. The backflow prevention valve H52 prevents the hydrogen gas in the hydrogen supply path 74 from flowing back to the hydrogen circulation path 75 side. The shutoff valves H100, H21, and H22 are driven by a signal from the control unit 50.

水素循環路75は、排出制御弁H51を介して、パージ流路76によってオフガス燃焼部10の上流側における排気路72に接続されている。排出制御弁H51は、電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより、水素オフガスはオフガス燃焼部10に導入された空気オフガスとの燃焼反応に供されて外部に排出(パージ)される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。   The hydrogen circulation path 75 is connected to an exhaust path 72 on the upstream side of the off-gas combustion unit 10 by a purge flow path 76 via a discharge control valve H51. The discharge control valve H51 is an electromagnetic shut-off valve, and is operated by a command from the control unit 50, whereby hydrogen off-gas is supplied to the combustion reaction with the air off-gas introduced into the off-gas combustion unit 10 and discharged to the outside. (Purge). By performing this purge operation intermittently, it is possible to prevent a cell voltage from being lowered due to an increase in the impurity concentration in the hydrogen gas.

オフガス燃焼部10は、燃焼触媒を備えた触媒ヒータが設けられており、触媒ヒータへの通電が制御部50によって制御される。そして、このオフガス燃焼部10では、排気路72から送り込まれる水素オフガスと空気オフガスとの混合ガスが触媒ヒータに供給され、この触媒ヒータにて加温され、触媒を通過する過程で触媒反応によって燃焼して下流側へ排気される。   The off-gas combustion unit 10 is provided with a catalyst heater including a combustion catalyst, and energization of the catalyst heater is controlled by the control unit 50. In the off-gas combustion unit 10, a mixed gas of hydrogen off-gas and air off-gas sent from the exhaust path 72 is supplied to the catalyst heater, heated by the catalyst heater, and burned by a catalytic reaction in the process of passing through the catalyst. And exhausted downstream.

排気路72には、オフガス燃焼部10の上流側及び下流側に、例えば電磁弁からなる開閉弁F1,F2が設けられており、これら開閉弁F1,F2は、オフガス燃焼部10の上流側及び下流側における排気路72をそれぞれ閉鎖する。これら開閉弁F1,F2も、制御部50からの信号で駆動される。   The exhaust passage 72 is provided with on / off valves F1 and F2 made of, for example, electromagnetic valves on the upstream side and the downstream side of the off-gas combustion unit 10, and these on-off valves F1 and F2 are connected to the upstream side of the off-gas combustion unit 10 and The exhaust passages 72 on the downstream side are each closed. These on-off valves F1 and F2 are also driven by signals from the control unit 50.

燃料電池20の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路73が設けられている。冷却路73には、燃料電池20から排水される冷却水の温度を検出する温度センサT1、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ(熱交換器)C2、冷却水を加圧して循環させるポンプC1、及び燃料電池20に供給される冷却水の温度を検出する温度センサT2が設けられている。ラジエータC2には、モータによって回転駆動される冷却ファンC13が設けられている。   A cooling path 73 for circulating the cooling water is provided at the cooling water inlet / outlet of the fuel cell 20. In the cooling path 73, a temperature sensor T1 that detects the temperature of the cooling water drained from the fuel cell 20, a radiator (heat exchanger) C2 that radiates the heat of the cooling water to the outside, and a pump that pressurizes and circulates the cooling water. C1 and a temperature sensor T2 for detecting the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell 20 are provided. The radiator C2 is provided with a cooling fan C13 that is rotationally driven by a motor.

燃料電池20は、水素ガスと空気の供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池20が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うDC−DCコンバータなどが備えられている。   The fuel cell 20 is configured as a fuel cell stack in which a required number of single cells that generate power upon receiving supply of hydrogen gas and air are stacked. The electric power generated by the fuel cell 20 is supplied to a power control unit (not shown). The power control unit consists of an inverter that supplies electric power to the drive motor of the vehicle, an inverter that supplies electric power to various auxiliary devices such as a compressor motor and a motor for a hydrogen pump, and charging of power storage means such as a secondary battery. A DC-DC converter or the like that supplies power to the motors from the power storage means is provided.

制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム100の各部のセンサ(圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等)から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。   The control unit 50 is configured by a control computer system having a known configuration such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and a required load such as an accelerator signal of a vehicle (not shown) and each part of the fuel cell system 100. Control information is received from these sensors (pressure sensor, temperature sensor, flow sensor, output ammeter, output voltmeter, etc.), and the operation of valves and motors in each part of the system is controlled.

上記のオフガス燃焼部10を備えた燃料電池システムでは、システム停止後、時間が経過すると、オフガス燃焼部10に外気あるいは排気路72内のオフガスが混入し、これら外気あるいはオフガスに含まれている水分が触媒に吸水されてしまう。そして、この状態にて低温となると、触媒表面に氷膜が形成され、この状態にて運転を開始すると、触媒によるオフガスの燃焼反応が低下してしまう。   In the fuel cell system provided with the off-gas combustion unit 10 described above, when the time elapses after the system is stopped, the off-gas combustion unit 10 is mixed with the outside air or the off-gas in the exhaust passage 72, and the moisture contained in the outside air or the off-gas. Is absorbed by the catalyst. When the temperature is lowered in this state, an ice film is formed on the catalyst surface. When the operation is started in this state, the off-gas combustion reaction by the catalyst is lowered.

また、図2に示すように、ガス中の未反応水素量は、オフガス燃焼部10の触媒における吸水量が増えるにしたがって増加する。つまり、触媒が吸水することにより、オフガスの燃焼反応が低下して排気水素濃度が高くなってしまう。このことより、排気路72から排気するオフガス中における排気水素濃度を所定濃度Aに抑えるためには、この排気水素濃度と触媒の吸水量との関係から、触媒における吸水量をB以下とする必要がある。   Further, as shown in FIG. 2, the amount of unreacted hydrogen in the gas increases as the amount of water absorption in the catalyst of the off-gas combustion unit 10 increases. That is, when the catalyst absorbs water, the combustion reaction of the off gas is lowered and the exhaust hydrogen concentration is increased. Therefore, in order to suppress the exhaust hydrogen concentration in the off-gas exhausted from the exhaust passage 72 to the predetermined concentration A, the water absorption amount in the catalyst needs to be B or less from the relationship between the exhaust hydrogen concentration and the water absorption amount of the catalyst. There is.

ここで、図3に示すように、オフガス中における水分量は、同じ湿度でも、低温では低く、温度が高くなるにしたがって次第に多くなる。また、図4に示すように、触媒の吸水量は、低温Gでは、システム停止後における放置時間が長くなってもほとんど増加しないが、ある程度高い温度E、F(ただし、E>F>G)では、放置時間が長くなるにしたがって増加する。   Here, as shown in FIG. 3, even in the same humidity, the amount of water in the off-gas is low at a low temperature and gradually increases as the temperature increases. Further, as shown in FIG. 4, the water absorption amount of the catalyst hardly increases at a low temperature G even if the standing time after the system is stopped increases, but to some extent high temperatures E and F (where E> F> G). Then, it increases as the standing time becomes longer.

しかし、このような吸水量が増加する温度E,Fでも、システム停止後に、オフガス燃焼部10の上流側及び下流側の開閉弁F1,F2を閉鎖してオフガス燃焼部10を密閉すれば、オフガス燃焼部10に水分を含む外気あるいは排気路72内のオフガスは混入しないので、吸水量の増加が抑えられ、許容吸水量B以下とすることができる。   However, even at such temperatures E and F at which the amount of water absorption increases, if the off-gas combustion unit 10 is closed by closing the upstream and downstream on-off valves F1 and F2 of the off-gas combustion unit 10 after the system is stopped, Since outside air containing moisture or off-gas in the exhaust passage 72 is not mixed into the combustion unit 10, an increase in the amount of water absorption can be suppressed, and the allowable water absorption amount B or less can be achieved.

一方、システム停止時において、系内の温度が例えば、凍結温度である0℃以下となると開閉弁F1,F2が凍結し、作動不良を起こすことが考えられる。ここで、開閉弁F1,F2が閉状態である場合に作動不良が生じると、排気路72が閉塞した状態となり、システムの運転ができなくなる。   On the other hand, when the temperature in the system is, for example, 0 ° C. or less, which is the freezing temperature, when the system is stopped, the on-off valves F1 and F2 may freeze and cause malfunction. Here, if a malfunction occurs when the on-off valves F1 and F2 are closed, the exhaust path 72 is closed, and the system cannot be operated.

なお、開閉弁F1,F2が開状態である場合に作動不良が生じると、排気路72が開放した状態となるが、この場合は、システムの運転は何ら支障なく開始することができる。しかも、このとき、オフガスの温度は低温であることより、かりに湿度が100%であっても水分量は十分に低くなるため(図3)、触媒の吸水量も許容吸水量Bよりも十分に低く抑えられることになり、触媒ヒータによってオフガスの燃焼反応を生じさせることが可能である。   If a malfunction occurs when the on-off valves F1 and F2 are open, the exhaust path 72 is opened. In this case, the operation of the system can be started without any trouble. In addition, at this time, since the off-gas temperature is low, the amount of water is sufficiently low even when the humidity is 100% (FIG. 3), so that the water absorption amount of the catalyst is sufficiently higher than the allowable water absorption amount B. It is possible to suppress the gas to a low level, and it is possible to cause an off-gas combustion reaction by the catalyst heater.

以上のことから、上記燃料電池システム100では、表1に示すように、制御部50が、外気温を検出する図示しない温度センサからの検出信号に基づいて、開閉弁F1,F2への通電のON、OFFのタイミングを次のように制御している。

Figure 2007179839
From the above, in the fuel cell system 100, as shown in Table 1, the control unit 50 determines whether the on-off valves F1 and F2 are energized based on a detection signal from a temperature sensor (not shown) that detects the outside air temperature. The ON / OFF timing is controlled as follows.
Figure 2007179839

(1)オフガス燃焼部10における触媒ヒータがONのとき
このときは、燃料電池システム100の運転にともないオフガス燃焼部10の触媒にてオフガスの燃焼反応を生じさせて排気路72から外部へ排気を行うため、各開閉弁F1,F2への通電をONにして開放する。
(1) When the catalyst heater in the off-gas combustion unit 10 is ON At this time, an off-gas combustion reaction is caused in the catalyst of the off-gas combustion unit 10 in accordance with the operation of the fuel cell system 100 to exhaust the exhaust gas from the exhaust path 72 to the outside. In order to do so, the energization of each of the on-off valves F1, F2 is turned on and opened.

(2)オフガス燃焼部10における触媒ヒータがOFFのとき
このときは、燃料電池システム100の運転停止にともないオフガス燃焼部10を作動停止させているため、開閉弁F1,F2は、外気温を検出する温度センサからの検出信号に基づく通電のON・OFF制御により、開閉される。
(2) When the catalyst heater in the off-gas combustion unit 10 is OFF At this time, the on-off valves F1 and F2 detect the outside temperature because the operation of the off-gas combustion unit 10 is stopped as the operation of the fuel cell system 100 stops. It is opened and closed by ON / OFF control of energization based on a detection signal from the temperature sensor.

ここで、外気温が0℃以上である場合は、それぞれの開閉弁F1,F2への通電をOFFにして全閉とし、オフガス燃焼部10の上流側及び下流側が閉鎖される。これにより、オフガス燃焼部10内の触媒は、外気あるいは排気路72内のオフガスに対して密閉された状態とされ、外気あるいはオフガス内の水蒸気の吸水が抑制される。   Here, when the outside air temperature is 0 ° C. or more, the energization to each of the on-off valves F1 and F2 is turned off to be fully closed, and the upstream side and the downstream side of the off-gas combustion unit 10 are closed. As a result, the catalyst in the off-gas combustion unit 10 is sealed with respect to the outside air or the off-gas in the exhaust path 72, and water absorption of the water vapor in the outside air or the off-gas is suppressed.

これに対して、外気温が0℃以下である場合は、それぞれの開閉弁F1,F2への通電をONにして全開とし、オフガス燃焼部10の上流側及び下流側が開放される。これにより、開閉弁F1,F2が凍結したとしても、排気路72は開放された状態が確保されるので、燃料電池システム100の運転開始にて生じるオフガスを外部へ円滑に排気させることができる。   On the other hand, when the outside air temperature is 0 ° C. or less, the energization of each of the on-off valves F1 and F2 is turned on to fully open, and the upstream side and the downstream side of the off-gas combustion unit 10 are opened. Thereby, even if the on-off valves F1 and F2 are frozen, the exhaust path 72 is kept open, so that off-gas generated at the start of operation of the fuel cell system 100 can be smoothly exhausted to the outside.

また、このとき、前述したように、オフガス燃焼部10内の触媒の周囲のオフガスの温度も低温であることより、触媒の吸水量が許容吸水量Bよりも十分に低く抑えられているので、触媒ヒータをONした際に、不具合なくオフガスの燃焼反応を触媒にて生じさせることができる。   At this time, as described above, the water absorption amount of the catalyst is sufficiently lower than the allowable water absorption amount B because the temperature of the off gas around the catalyst in the off gas combustion unit 10 is also low. When the catalyst heater is turned on, a combustion reaction of off gas can be caused in the catalyst without any trouble.

以上説明したように、本実施形態によれば、システム停止後のオフガス燃焼部10の触媒への吸水による燃焼反応の低下及び開閉弁F1,F2の凍結による作動不良による不具合が抑制されるので、低温起動時にオフガス燃焼部10から未反応のまま排出されるオフガス中の水素濃度を低下させることができ、しかも、円滑に起動させることができる。   As described above, according to the present embodiment, since a decrease in the combustion reaction due to water absorption into the catalyst of the off-gas combustion unit 10 after the system is stopped and a malfunction due to operation failure due to freezing of the on-off valves F1, F2 are suppressed, It is possible to reduce the hydrogen concentration in the off-gas discharged from the off-gas combustion unit 10 in an unreacted state at the low-temperature start-up, and to start up smoothly.

なお、上記実施形態では、外気温を検出する温度センサからの検出信号に基づいて、開閉弁F1,F2への通電をON・OFFさせるタイミングを制御したが、開閉弁F1,F2への通電をON・OFFさせるタイミングは、外気温に基づくものに限定されない。   In the above embodiment, the timing for turning on / off the on / off valves F1, F2 is controlled based on the detection signal from the temperature sensor that detects the outside air temperature. However, the on / off valves F1, F2 are energized. The ON / OFF timing is not limited to that based on the outside air temperature.

例えば、オフガス燃焼部10へ流れ込むオフガスの温度を検出する温度センサを設け、この温度センサからの検出信号に基づいて開閉弁F1,F2への通電をON・OFFさせるタイミングを制御しても良く、あるいは、オフガス燃焼部10の触媒の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサからの検出信号に基づいて開閉弁F1,F2への通電をON・OFFさせるタイミングを制御しても良い。   For example, a temperature sensor that detects the temperature of off-gas flowing into the off-gas combustion unit 10 may be provided, and the timing for turning on / off the energization of the on-off valves F1, F2 may be controlled based on a detection signal from the temperature sensor. Alternatively, a temperature sensor that detects the temperature of the catalyst of the off-gas combustion unit 10 may be provided, and the timing for turning on / off the energization of the on-off valves F1, F2 may be controlled based on a detection signal from the temperature sensor.

また、制御部50が開閉弁F1,F2への通電をON・OFFさせるタイミングの基準となる温度としては、0℃に限定されない。   Further, the temperature serving as a reference for the timing at which the control unit 50 turns ON / OFF the energization of the on-off valves F1, F2 is not limited to 0 ° C.

本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell system shown as one Embodiment of this invention. 触媒の吸水量とオフガスの排気水素濃度との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the amount of water absorption of a catalyst, and the exhaust gas hydrogen concentration of off gas. オフガスの温度とオフガスに含まれる水分量との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the temperature of off gas, and the moisture content contained in off gas. 放置時間と触媒の吸水量との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between leaving time and the amount of water absorption of a catalyst.

符号の説明Explanation of symbols

10…オフガス燃焼部、20…燃料電池、50…制御部、100…燃料電池システム、F1,F2…開閉弁

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Off gas combustion part, 20 ... Fuel cell, 50 ... Control part, 100 ... Fuel cell system, F1, F2 ... On-off valve

Claims (7)

酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを燃焼させるオフガス燃焼部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記オフガス燃焼部の下流側に開閉弁が設けられた燃料電池システム。
A fuel cell system comprising: a fuel cell that generates electricity by a reaction between an oxidizing gas and a fuel gas; and an off-gas combustion unit that burns fuel off-gas discharged from the fuel cell,
A fuel cell system in which an on-off valve is provided on the downstream side of the off-gas combustion unit.
前記オフガス燃焼部の上流側にも開閉弁が設けられた請求項1に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein an on-off valve is also provided upstream of the off-gas combustion unit. 前記オフガス燃焼部は、前記燃料オフガスを触媒によって燃焼させる請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the off-gas combustion unit burns the fuel off-gas with a catalyst. 前記開閉弁の少なくとも一方の開閉を制御する制御部を備えた請求項2または3に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, further comprising a control unit that controls opening / closing of at least one of the on-off valves. 前記制御部は、外気温に基づいて前記開閉弁の制御を行う請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit controls the on-off valve based on an outside air temperature. 前記制御部は、オフガスを含む排ガスの温度に基づいて前記開閉弁の制御を行う請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit controls the on-off valve based on a temperature of exhaust gas including off-gas. 前記制御部は、前記触媒の気温に基づいて前記開閉弁の制御を行う請求項4に記載の燃料電池システム。

The fuel cell system according to claim 4, wherein the control unit controls the on-off valve based on an air temperature of the catalyst.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009099543A (en) * 2007-09-26 2009-05-07 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system and its operation method
JP2009123588A (en) * 2007-11-16 2009-06-04 Toyota Motor Corp Fuel cell system
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