JP2005038787A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】 起動に制約を加えることなく外部へ排出する水素の量を低減することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池1からの排水素を排出するための水素排気間19から水素バイパス配管11を分岐させ、この水素バイパス配管11の経路中に、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒12を設ける。そして、燃料電池1からの排水素の量が多いときには、排水素を水素バイパス配管11内に導入し、酸化触媒12によって処理して外部に排出する。また、酸化触媒12には酸化用空気供給配管22から空気が供給されるようにして、必要に応じて酸化触媒12の活性化を図る。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of reducing the amount of hydrogen discharged to the outside without restricting activation.
A hydrogen bypass pipe 11 is branched from a hydrogen exhaust space 19 for discharging exhaust hydrogen from a fuel cell 1, and a reduction effect of a catalyst composition is exhibited in the path of the hydrogen bypass pipe 11 by supplying hydrogen. An oxidation catalyst 12 is provided. When the amount of exhaust hydrogen from the fuel cell 1 is large, the exhaust hydrogen is introduced into the hydrogen bypass pipe 11, processed by the oxidation catalyst 12, and discharged outside. The oxidation catalyst 12 is supplied with air from the oxidation air supply pipe 22 to activate the oxidation catalyst 12 as necessary.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、水素と空気の供給によって発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、未処理の排水素の放出を低減するための技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power by supplying hydrogen and air, and more particularly to a technique for reducing the release of untreated waste hydrogen.
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。 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.
燃料電池システムは、燃料となる水素及び酸素(空気)を燃料電池の水素極及び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変換システムである。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給された水素や空気は、燃料電池内の流路を流れる過程で発電に使用された後、外部に排出される。また、燃料電池に供給された水素を循環させて再利用するシステムにおいても、システム起動時や所定のタイミングで水素パージが行われることによって、外部に排出されることになる。 A fuel cell system is an energy conversion system that supplies hydrogen and oxygen (air) as fuel to a hydrogen electrode and an air electrode of a fuel cell to cause an electrochemical reaction and convert chemical energy into electric energy. In such a fuel cell system, hydrogen and air supplied to the fuel cell are used for power generation in the process of flowing through the flow path in the fuel cell and then discharged to the outside. Further, even in a system that circulates and reuses hydrogen supplied to the fuel cell, it is discharged to the outside when the system is started or when hydrogen purge is performed at a predetermined timing.
ところで、水素は可燃性であるため、高濃度の水素を含む排気ガスが外部に大量に排出されることは好ましくなく、このような観点から、未処理の水素の放出を回避する技術が提案されている(例えば、特許文献1等を参照。)。 By the way, since hydrogen is flammable, it is not preferable to exhaust a large amount of exhaust gas containing high-concentration hydrogen to the outside. From this viewpoint, a technique for avoiding the release of untreated hydrogen has been proposed. (See, for example, Patent Document 1).
例えば、特許文献1記載の技術では、燃料電池から排出される排水素を全て酸化触媒で処理するようにしている。ただし、酸化触媒の暖機が完了していないと未処理まま水素が排出される可能性がある。特に、燃料電池の起動及び停止が繰り返し行われる場合には、水素の濃度が高まり易く、短期間に起動及び停止が繰り返されると、システムの暖機が進行せず、未処理の水素が排出されやすい状態が継続されることから、未処理の水素が排出される可能性が高い。そこで、特許文献1記載の技術では、燃料電池システムの起動が指示された場合に、過去の起動履歴に基づき、比較的短い期間に起動停止が繰り返し行われていた場合には、システムの起動を禁止することで、未処理の水素の大量放出を回避するようにしている。
しかしながら、前記特許文献1記載の技術では、起動時において過去の履歴を基に起動の可否を判断し、比較的短い期間に起動停止が繰り返し行われていた場合には、システムの起動を禁止することで未処理の水素の排出を抑えるようにしているので、起動したいタイミングでシステムの起動が行えない場合があるという問題点がある。また、以上のような制御は、システム起動後には適用されず、運転中に未処理の水素を大量に排出してしまう可能も残している。
However, in the technique described in
本発明は、以上のような従来技術の欠点を解消すべく創案されたものであって、起動に制約を加えることなく外部へ排出する水素の量を低減させることが可能で、起動後の運転中においても、例えば水素パージ等を行う際に、燃料電池から排出される排水素量が規定値を越える場合には、これを速やかに酸化触媒で処理して外部への排出水素量を低減させ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 was devised to eliminate the drawbacks of the prior art as described above, and can reduce the amount of hydrogen discharged to the outside without restricting the start-up. Even when the amount of exhausted hydrogen discharged from the fuel cell exceeds a specified value, for example, when performing a hydrogen purge, etc., this is quickly treated with an oxidation catalyst to reduce the amount of discharged hydrogen to the outside. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing the above-described operation.
上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池からの排水素を外部に排出する水素排気管から水素バイパス配管を分岐させ、制御弁の切り替えによって、燃料電池からの排水素をこの水素バイパス配管に導入できるようにしている。そして、この水素バイパス配管の経路中に、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒を設けると共に、この酸化触媒に空気を供給するための空気配管を設けるようにしている。 In order to achieve the above-described object, in the fuel cell system of the present invention, the hydrogen bypass pipe is branched from the hydrogen exhaust pipe that discharges the hydrogen discharged from the fuel cell to the outside, and the drainage from the fuel cell is performed by switching the control valve. The element can be introduced into the hydrogen bypass pipe. An oxidation catalyst that exhibits a reducing action of the catalyst composition by supplying hydrogen is provided in the path of the hydrogen bypass pipe, and an air pipe for supplying air to the oxidation catalyst is provided.
以上のような本発明の燃料電池システムでは、例えばシステム起動時等において所定値を越える排水素が燃料電池から排出された場合、これを水素バイパス配管に導いて、酸化触媒で処理する。したがって、濃度の高い排水素がそのまま外部に排出されることはない。特に、燃焼器による処理と前記酸化触媒に処理とを組み合わせることにより、未処理水素の排出が大幅に低減される。また、所定量の排水素を処理した酸化触媒は、空気配管により供給される空気(酸素)によって常に活性化されている。そのため、前記特許文献1記載の技術のように、酸化触媒の温度が上がって活性化するまで待つ必要がなく、直ちにシステムの起動を行うことができ、起動に制約が加わることがない。さらに、本発明の燃料電池システムでは、システム起動後の運転時に、例えば水素パージが行われることにより排水素量が急激に上昇した場合にも、同様の処理が行われ、外部へ排出される排水素の量が低減される。
In the fuel cell system of the present invention as described above, for example, when exhausted hydrogen exceeding a predetermined value is discharged from the fuel cell at the time of system startup or the like, this is led to a hydrogen bypass pipe and treated with an oxidation catalyst. Therefore, high-concentration exhaust hydrogen is not discharged outside as it is. In particular, by combining the treatment with the combustor and the treatment with the oxidation catalyst, the discharge of untreated hydrogen is greatly reduced. Moreover, the oxidation catalyst which processed the predetermined amount of exhaust hydrogen is always activated by the air (oxygen) supplied by air piping. Therefore, unlike the technique described in
本発明の燃料電池システムによれば、空気供給により適宜活性化される酸化触媒により必要に応じて排水素を処理するようにしているので、起動に制約を加えることなく外部へ排出する未処理水素の量を低減させることが可能である。また、システム起動後の運転中、例えば水素パージ等を行う際に、排出される排水素量が規定値を越えた場合にも、速やかに酸化触媒で処理し外部への排出水素量を低減することが可能である。 According to the fuel cell system of the present invention, the exhausted hydrogen is treated as needed by the oxidation catalyst that is appropriately activated by the air supply, so that the untreated hydrogen discharged to the outside without any restriction on the start-up The amount of can be reduced. Also, during operation after system startup, for example, when purging hydrogen, etc., even if the amount of exhausted hydrogen exceeds a specified value, it is promptly treated with an oxidation catalyst to reduce the amount of discharged hydrogen to the outside. It is possible.
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
(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主要部分の構成を示すものである。図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料である水素及び酸化剤である酸素(空気)の供給により発電を行う燃料電池1を備えており、この燃料電池1に燃料として水素を直接供給する、いわゆ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。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the configuration of the main part of the fuel cell system of this embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
燃料電池1は、水素が供給される燃料極と酸素(空気)が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた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を電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、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て、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
The
燃料電池1の電解質としては、高エネルギ密度化、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が用いられる。固体高分子電解質は、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。
As the electrolyte of the
この燃料電池1には温度センサ2が設置されており、燃料電池システムの制御コントローラが、この温度センサ2からの情報を基に燃料電池1の運転状態を把握して、各種制御を行うようになっている。
A
以上のような燃料電池1において発電を行うには、燃料電池1を構成する各発電セルの水素極や空気極に燃料となる水素や酸化剤である空気をそれぞれ供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として水素供給系及び空気供給系が設けられている。
In order to generate power in the
水素供給系は、水素を貯蔵する水素タンク3、当該水素タンク3から供給される水素の圧力を所望圧力まで減圧する圧力制御弁4、圧力調整された水素を燃料電池1に導く水素供給管5、水素供給管5内を流れる水素の流体エネルギを利用して水素を循環させるエゼクタ6、燃料電池1の水素極から排出される排水素を外部に排出する水素排気管7、排水素を再利用するための水素循環配管8を備えて構成される。
The hydrogen supply system includes a
水素供給源である水素タンク3から供給される水素は、圧力制御弁4で所定の圧力に減圧された後、水素供給管5を通り、エゼクタ6で燃料電池1通過後の排水素と混合されて、燃料電池1の水素極に送り込まれる。燃料電池1では供給された水素が全て消費されるわけではなく、発電に寄与しなかった余剰の水素(燃料電池1の水素極から排出される排水素)は、水素循環配管8を通ってエゼクタ6により循環され、水素タンク3から新たに供給される水素と混合されて、再び燃料電池1の水素極に供給される。
The hydrogen supplied from the
また、燃料電池1の出口側、すなわち水素排気管7には、水素パージ弁9が設けられている。水素を循環させて再利用する燃料電池システムにおいては、水素を循環させることによって燃料電池1内部や水素循環配管8内に窒素やCO等の不純物が蓄積し、この不純物が過剰に蓄積されると水素分圧の降下に伴って、燃料電池1の効率が低下することになる。また、システムを長時間停止させた後は、燃料電池1内部や水素循環配管8内の水素分圧が時間経過に伴って低下することになる。そこで、このような燃料電池システムでは、不純物濃度が高くなった場合やシステム起動時には、水素パージ弁9を開放し、燃料電池1内部や水素循環配管8内のガスをパージするようにしている。
A
また、水素排気管7における水素パージ弁9の下流位置には、燃料電池1の水素極から排出されて水素排気管7を流れる水素量を検出するための水素センサ10が設けられている。なお、この水素センサ10としては、水素流量を直接検出するものの他、排水素圧力を検出する圧力センサや水素パージ弁9の開放時間を測定する手段を用い、水素排気管7を流れる水素量を間接的に検出するようにしてもよい。
A
さらに、本実施形態の燃料電池システムにおいては、前記水素排気管7から分岐するようにして水素バイパス配管11が設けられ、その経路中に酸化触媒12が設けられている。ここで、バイパス配管11は、当該バイパス配管11への排水素の導入を制御する制御弁である三方弁13を介して水素排気管7から分岐され、下流側で再び水素排気管7と合流されている。また、酸化触媒12としては、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈するものがまた、酸化触媒12には、その温度を検出するための温度センサ14が設けられるとともに、暖機用の電気ヒータ(図示は省略する。)が備えられている。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, a hydrogen bypass pipe 11 is provided so as to branch from the
前述の通り、燃料電池1内部や水素循環配管8内の不純物濃度が高くなった場合及びシステム起動時には、水素パージ弁9が開放されて水素パージが行われるが、本実施形態の燃料電池システムでは、そのときの水素量を前記水素センサ10で検知し、水素量が閾値以上の場合には、三方弁13によりパージされた排水素を水素バイパス配管11の酸化触媒12に導くようにしている。その結果、排水素は、酸化触媒12中の酸素と反応することにより酸化処理され、その後、外部へと排出されることになる。
As described above, when the impurity concentration in the
一方、空気供給系は、燃料電池1の空気極に空気を送り込むためのコンプレッサ15と、フィルタ16、空気供給管17、供給される空気を加湿する加湿装置18、燃料電池1の空気極からの排ガスを排出するための空気排気管19及び排気バルブ20とを備えて構成される。
On the other hand, the air supply system includes a compressor 15 for sending air to the air electrode of the
空気を吸入、圧送するコンプレッサ15により空気供給管17内に圧送された空気は、フィルタ16により、マイクロダスト、硫黄分、コンプレッサ15から排出されるオイル等がトラップされて浄化される。清浄化された空気は、空気供給管17の経路中に設けられた加湿装置18において加湿され、燃料電池1の空気極に供給される。なお、加湿装置18の下流位置には温湿度センサ21が設けられ、この温湿度センサ21によって加湿装置18通過後の空気に含まれる湿度が計測される。燃料電池1の空気極からの排ガスは、空気排気管19から排出されるが、燃料電池1の下流に設けられた排気バルブ20によって、空気系の圧力が所望の圧力に制御される。
The air pumped into the
また、空気供給管17において、ガス加湿手段18の上流位置からは、水素供給系の水素バイパス配管11の経路中に設けられた酸化触媒12に導かれる酸化用空気供給配管22が分岐されている。この酸化用空気供給配管22の中途位置には、バルブ23が設けられており、酸化触媒12への空気供給の制御は、このバルブ23によって行われる。
Further, in the
以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムにおいて、排水素の処理動作は次のような制御フローに従って行われる。図2に、本実施形態の燃料電池システムにおけるシステム起動後の動作のフローチャートを示す。 In the fuel cell system of the present embodiment configured as described above, the exhaust hydrogen processing operation is performed according to the following control flow. FIG. 2 shows a flowchart of the operation after system startup in the fuel cell system of the present embodiment.
本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動後、各種センサからの情報の読み込みを行う(ステップS1)。そして、先ず、水素バイパス配管11の経路中に設けられた酸化触媒12の温度を検出する温度センサ14の検出値Ceが、所定の閾値Cth以下となっているか否かを判断する(ステップS2)。なお、ここでの閾値Cthは、酸化触媒12に使用する触媒の種類等に応じて最適値に設定すればよく、例えば20℃に設定される。 In the fuel cell system of the present embodiment, after starting the system, information is read from various sensors (step S1). First, it is determined whether or not the detection value Ce of the temperature sensor 14 that detects the temperature of the oxidation catalyst 12 provided in the path of the hydrogen bypass pipe 11 is equal to or lower than a predetermined threshold Cth (step S2). . Here, the threshold value Cth may be set to an optimum value according to the type of catalyst used for the oxidation catalyst 12, and is set to 20 ° C., for example.
そして、温度センサ14の検出値Ceが閾値Cth以下である場合には、酸化触媒12に触媒活性不良の可能性があるものと認識し、燃料電池1の運転を制限して、酸化触媒12に付設された電気ヒータに通電し、酸化触媒12の暖機促進を図る(ステップS3)。すなわち、燃料電池1に対して水素タンク3からの水素供給を開始させる前段階として、電気ヒータによる酸化触媒12の加熱を行って、酸化触媒12の酸化還元作用が進行しやすい雰囲気を作っておく。そして、酸化触媒12の暖機が完了した後に、水素タンク3からの水素供給を開始させる(ステップS4)。なお、電気ヒータの通電状態は、温度センサ14の検出値Ceに応じて制御され、酸化触媒12の温度が所定の温度に保たれるように温度調整が行われる。
When the detected value Ce of the temperature sensor 14 is equal to or less than the threshold value Cth, it is recognized that there is a possibility that the oxidation catalyst 12 may be defective in catalytic activity, and the operation of the
一方、温度センサ14の検出値Ceが閾値Cthを越えている場合には、酸化触媒12の触媒活性が良好な状態にあると認識し、電気ヒータへの通電による加熱を行うことなく、ステップS4に進んで水素タンク3からの水素供給を開始させる。
On the other hand, if the detected value Ce of the temperature sensor 14 exceeds the threshold value Cth, it is recognized that the catalytic activity of the oxidation catalyst 12 is in a good state, and heating is not performed by energizing the electric heater, step S4. Then, the hydrogen supply from the
次に、水素供給開始から所定時間経過後に、水素パージ弁9を開放して水素パージを行い(ステップS5)、このときの水素センサ10による検出値Vhを読み込む(ステップS6)。そして、この水素センサ10による検出値Vhが、所定の閾値Vthを越えたか否かを判断する(ステップS7)。なお、ここでの閾値Vthは、未処理で排出したときに問題となると考えられる水素量を基準に設定すればよく、例えば100L/分に設定される。
Next, after elapse of a predetermined time from the start of hydrogen supply, the
そして、水素センサ10による検出値Vhが閾値Vthを越えた段階で、三方弁13を水素バイパス配管11側が開放されるように切り替えて、水素バイパス配管11への排水素の導入を開始させる(ステップS8)。これにより、排水素は酸化触媒12によって酸化処理されてから外部に排出されることになる。
Then, when the detection value Vh by the
水素バイパス配管11への排水素導入を開始したら、排水素の導入時間Th1を読み込んで(ステップS9)、水素バイパス配管11への排水素の導入時間Th1が所定の閾値Tth1を越えたか否かを判断する(ステップS10)。なお、ここでの閾値Tth1は、酸化触媒12の触媒能力や量に応じて設定され、例えば300秒に設定される。 When the introduction of the exhaust hydrogen into the hydrogen bypass pipe 11 is started, the introduction time Th1 of the exhaust hydrogen is read (step S9), and it is determined whether or not the introduction time Th1 of the exhaust hydrogen into the hydrogen bypass pipe 11 exceeds a predetermined threshold value Tth1. Judgment is made (step S10). Here, the threshold value Tth1 is set according to the catalytic capacity and amount of the oxidation catalyst 12, and is set to 300 seconds, for example.
そして、水素バイパス配管11への排水素の導入時間Tが閾値Tth1を越えた段階で、三方弁13を水素バイパス配管11側が閉塞されるように切り替えて、水素バイパス配管11(酸化触媒12)への排水素の導入を停止させる(ステップS11)。その後、酸化用空気供給配管22に設けられたバルブ23を開け、酸化用空気供給配管22から酸化触媒12を再活性化させるための空気を送り込む(ステップS12)。
Then, when the introduction time T of the exhaust hydrogen to the hydrogen bypass pipe 11 exceeds the threshold value Tth1, the three-
酸化触媒12を再活性化させるための空気の送り込みを開始したら、その送り込み時間Th2を読み込んで(ステップS13)、空気送り込み時間Th2が所定の閾値Tth2を越えたか否かを判断する(ステップS14)。なお、ここでの閾値Tth2は、酸化触媒12の種類や量に応じて設定され、例えば60秒に設定される。 When the feeding of air for reactivating the oxidation catalyst 12 is started, the feeding time Th2 is read (step S13), and it is determined whether or not the air feeding time Th2 exceeds a predetermined threshold value Tth2 (step S14). . Here, the threshold value Tth2 is set according to the type and amount of the oxidation catalyst 12, and is set to 60 seconds, for example.
そして、空気送り込み時間Th2が閾値Tth2を越えた段階で、酸化用空気供給配管22に設けられたバルブ23を閉じ、酸化用空気供給配管22から酸化触媒12への空気の送り込みを停止させる(ステップS15)。
Then, when the air feed time Th2 exceeds the threshold value Tth2, the
その後、水素パージが終了したかどうか、すなわち水素パージ弁9が閉じられたかどうかを判断し(ステップS16)、水素パージが終了したらそのまま処理を終了する。一方、水素パージが継続している場合には、三方弁13を再度水素バイパス配管11側が開放されるように切り替えて、水素バイパス配管11への排水素の導入を再度開始させ(ステップS17)、ステップS9に戻ってそれ以降の処理を繰り返す。
Thereafter, it is determined whether or not the hydrogen purge is finished, that is, whether or not the
なお、以上は、システム起動後に実行される動作内容について説明したが、システム運転中に水素パージを行う際にも同様の動作が実行される。ただし、システム運転中の水素パージ時には、水素バイパス配管11の経路中に設けられた酸化触媒12の暖機は完了しているものと考えられるので、ステップS1からステップS4の動作は省略され、ステップS5以降の動作が実行されることになる。 Although the operation contents executed after the system startup has been described above, the same operation is also executed when performing a hydrogen purge during system operation. However, during the hydrogen purge during the system operation, it is considered that the warming-up of the oxidation catalyst 12 provided in the path of the hydrogen bypass pipe 11 is completed, so the operations from step S1 to step S4 are omitted, and the step The operations after S5 are executed.
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池1からの排水素を排出する水素排気管7から水素バイパス配管11を分岐させ、この水素バイパス配管11の経路内に、水素供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒12を設けて、三方弁13の切り替えによって水素バイパス配管11内に導入された排水素を酸化触媒12により酸化処理して排出するようにしているので、空気(酸素)供給がない状態でも外部への排出水素量を低減させることができる。
As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, the hydrogen bypass pipe 11 is branched from the
また、水素バイパス配管11内の酸化触媒12に所定の基準以上の水素を供給した場合、酸化触媒12中の酸素が消費されてしまって、排出水素濃度を低減させることができなくなるが、本実施形態の燃料電池システムでは、酸化用空気供給配管23から酸化触媒12に空気が供給されるようにしており、酸化触媒12への排水素の供給量が基準値に達したときには水素バイパス配管11への排水素の導入を遮断して、酸化用空気供給配管12から酸化触媒12に空気を供給して酸化触媒12に酸素を保持させるようにしているので、酸化触媒12を安定化させて、酸化触媒12の触媒作用を長期に亘って維持させることができる。
Further, when hydrogen exceeding a predetermined standard is supplied to the oxidation catalyst 12 in the hydrogen bypass pipe 11, the oxygen in the oxidation catalyst 12 is consumed, and the exhaust hydrogen concentration cannot be reduced. In the fuel cell system of the embodiment, air is supplied from the oxidation
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃焼電池1の水素極出口に設けた水素センサ10により排水素の量を監視し、水素センサ10の検出値が所定の閾値を越えた場合に水素バイパス配管11に水素を導入して酸化触媒12に供給するようにしているので、必要に応じて効率的に排水素濃度の低減を行うことができる。
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the amount of exhausted hydrogen is monitored by the
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、水素バイパス配管11内の酸化触媒12を加熱するための加熱手段(電気ヒータ)を設け、システム起動直後で酸化触媒12の温度が低い場合には、この加熱手段により酸化触媒12を加熱して酸化還元作用が進行しやすい雰囲気を作っているので、反応を効率よく進行させることができる。加えて、酸化触媒12の温度を検出する温度センサ14を設け、この温度センサ14の検出値に応じて加熱手段を制御して、酸化触媒12の触媒活性が良好となる所定の温度に保つように温調しているので、酸化還元反応をより一層効率良く進行させることができる。また、酸化触媒12が所定の温度に達するまで燃料電池1の発電(水素の供給)を制限しているので、高濃度の水素排出を確実に防止することができる。
Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, a heating means (electric heater) for heating the oxidation catalyst 12 in the hydrogen bypass pipe 11 is provided. If the temperature of the oxidation catalyst 12 is low immediately after the system is started, Since the oxidation catalyst 12 is heated by the heating means to create an atmosphere in which the redox action tends to proceed, the reaction can proceed efficiently. In addition, a temperature sensor 14 for detecting the temperature of the oxidation catalyst 12 is provided, and the heating means is controlled in accordance with the detected value of the temperature sensor 14 so as to maintain a predetermined temperature at which the catalytic activity of the oxidation catalyst 12 becomes good. Therefore, the oxidation-reduction reaction can proceed more efficiently. Further, since the power generation (hydrogen supply) of the
(第2の実施形態)
本実施形態の燃料電池システムでは、図3に示すように、水素排気管7の経路中に燃焼器24が設けられ、燃料電池1からの排水素を主にこの燃焼器24で排空気を用いて燃焼させることで水素濃度の低減を図るようにしている。また、燃焼器24で起こる燃焼反応の熱エネルギを吸収する熱交換器25の後段に、水素バイパス配管11内に設けられる酸化触媒12と同様の酸化触媒26が直列に設置されており、燃焼器24での燃焼反応後の排気中に水素が残っていた場合でも、この酸化触媒26によってこの残留水素を酸化処理できるようにしている。
(Second Embodiment)
In the fuel cell system of this embodiment, as shown in FIG. 3, a
また、この第2の実施形態の燃料電池システムでは、燃焼器24の上流側から分岐して、燃焼器24の下流において燃焼器排気管27(この燃焼器排気管27も水素排気管に相当する。)と合流するように、水素バイパス配管11が設けられている。そして、寒冷地でのシステム起動時等、燃焼器24による燃焼が行えない、或いは燃焼器24での燃焼に時間がかかるような状況においては、第1の実施形態と同様に、燃料電池1からの排水素を水素バイパス配管11の経路中に設けられた酸化触媒12によって処理するようにしている。また、燃焼器24による燃焼が可能な状況であっても、燃料電池1からの排水素の量が多い場合には、その一部を水素バイパス配管11内に導入して酸化触媒12によって処理することで、燃焼器24の負担を軽減させることも可能である。
Further, in the fuel cell system according to the second embodiment, the combustor exhaust pipe 27 branches from the upstream side of the
以上のように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃焼器24に供給する水素量の一部を酸化触媒12で処理することが可能であり、また、特に寒冷地における起動時等のように燃焼器24の温度が低すぎて機能しないような状況においても、排水素を処理して外部に排出する水素量を低減することが可能である。また、本実施形態では、燃焼器24と直列に酸化触媒26を設置しているので、燃焼器24による燃焼後の排ガス中に残留水素が含まれている場合であっても、燃焼器24直後の酸化触媒26によってこれを処理して、排出ガスの水素濃度を低下させることが可能である。
As described above, according to the fuel cell system of this embodiment, it is possible to treat a part of the amount of hydrogen supplied to the
1 燃料電池
7 水素排気管
9 水素パージ弁
11 水素バイパス配管
12 酸化触媒
13 三方弁
14 温度センサ
22 酸化用空気供給配管
24 燃焼器
25 燃焼器排気管
28 酸化触媒
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記燃料電池からの排水素を外部に排出する水素排気管と、
前記水素排気管から分岐されると共に、下流において前記水素排気管と再び合流される水素バイパス配管と、
前記水素バイパス配管への排水素の導入を制御する制御弁とを備え、
前記水素バイパス配管の経路中に、水素の供給によって触媒組成の還元作用を呈する酸化触媒が設けられると共に、当該酸化触媒に空気を供給するための空気配管が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying hydrogen and air;
A hydrogen exhaust pipe for discharging the exhausted hydrogen from the fuel cell to the outside;
A hydrogen bypass pipe branched from the hydrogen exhaust pipe and rejoined with the hydrogen exhaust pipe downstream;
A control valve for controlling the introduction of waste hydrogen into the hydrogen bypass pipe,
A fuel characterized in that, in the path of the hydrogen bypass pipe, an oxidation catalyst that exhibits a reducing action of the catalyst composition by supplying hydrogen is provided, and an air pipe for supplying air to the oxidation catalyst is provided. Battery system.
前記水素量検出手段での検出値が所定値を越えた場合に、前記制御弁を切り替えて前記バイパス配管に排水素を導入させ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。 A hydrogen amount detection means at the exhaust hydrogen outlet of the fuel cell;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein when the value detected by the hydrogen amount detection means exceeds a predetermined value, the control valve is switched to introduce exhaust hydrogen into the bypass pipe.
システム起動直後は、前記加熱手段によって酸化触媒を加熱することを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の燃料電池システム。 Heating means for heating the oxidation catalyst in the bypass pipe;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxidation catalyst is heated by the heating means immediately after the system is started.
前記加熱手段による酸化触媒の加熱を行う際に、前記温度検出手段による検出値に基づいて、前記酸化触媒の温度を所定の温度に保つように温度調節することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the oxidation catalyst in the bypass pipe;
The temperature of the oxidation catalyst is adjusted so as to keep the temperature of the oxidation catalyst at a predetermined temperature based on a detection value of the temperature detection unit when the oxidation catalyst is heated by the heating unit. Fuel cell system.
前記バイパス配管は、前記燃焼器の上流側から分岐され、前記燃焼器の下流において前記水素排気管と再び合流されることを特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の燃料電池システム。 A combustor is provided in the path of the hydrogen exhaust pipe;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the bypass pipe is branched from an upstream side of the combustor and joined again with the hydrogen exhaust pipe downstream of the combustor.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2006253046A (en) * | 2005-03-14 | 2006-09-21 | Toshiba Corp | Liquid fuel cell system and operation method thereof |
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-
2003
- 2003-07-18 JP JP2003276668A patent/JP2005038787A/en active Pending
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