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JP4014730B2 - Fuel cell system - Google Patents
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JP4014730B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP4014730B2 JP17083598A JP17083598A JP4014730B2 JP 4014730 B2 JP4014730 B2 JP 4014730B2 JP 17083598 A JP17083598 A JP 17083598A JP 17083598 A JP17083598 A JP 17083598A JP 4014730 B2 JP4014730 B2 JP 4014730B2
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reformer
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システム、特に改質器からの改質ガスを燃料とする燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車など可般用燃料電池システムに供給される燃料(水素ガス)の供給方法としては、水素ボンベや水素貯蔵合金等に蓄えた水素を用いる場合もあるが、改質器を用いてメタノール等の化石燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、それを水素ガスとして用いる場合がある。
このような改質器を用いた燃料電池システムにおいて、改質器システムの起動時間(すなわち改質ガスが発生するまでの時間)は、もっとも起動時間の長い改質器の温度上昇時間によって決まる。その理由は、改質器を構成する気化器や改質触媒等が或る温度まで上昇して活性化するまでは、水素を発生させるための燃料を供給することができないためである。上記起動時間を短縮するため、従来は改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法(特開平9−63618号公報)や、内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度上昇を図る方法(特開平3−192661号公報、特開平5−3043号公報)などが提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように改質器の起動時間を短縮する方法は従来から種々提案されているが、自動車など車両搭載用の燃料電池システムの改質器においては、従来方法では未だ不十分であり、起動時間を更に短縮する必要がある。
【0004】
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、起動時間の短い改質器を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、請求項1に記載のように、燃料電池に空気を供給する空気圧縮機から送出される空気を所望の空気温度に制御して改質器に供給し、改質器起動時の加熱手段として使用するものである。
空気圧縮機から送出される空気の温度を制御する方法としては、次のような方法がある。まず第1の方法としては、請求項2に記載のように、圧縮機を燃料電池システム運転としては必ずしも最高効率点ではない、より高圧側にシフトさせた運転点で運転し、これによって高い吐出空気温度を得る方法である。すなわち空気の断熱圧縮により、内部エネルギーを増加させて高い空気温度を得ることが出来る。
【0006】
第2の方法としては、請求項3に記載のように、空気圧縮機の吐出路と吸入路を連結する循環流路を設け、改質器の起動時には循環流路を開通させて吐出空気の一部を吸入路に戻すことにより、吐出空気の温度を上昇させることが出来る。
以上の2つの方法は、それを組み合わせて同時に行なうことができる。また、各々を従来の改質器起動時加熱手段すなわち改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法や、内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度を上昇させる方法と組み合わせて実施することもできる。
【0007】
また、請求項4に記載のように、改質器を所望の運転温度に昇温せしめた後、切り替え手段と燃料電池間に設けた冷却手段(インタークーラ)によって所望の温度値に制御した空気を、燃料電池側に切り替えて、燃料電池のカソード極に供給することにより、通常の燃料電池運転モードにすることが出来る。
【0008】
【発明の効果】
本発明においては、改質器を用いた燃料電池システムにおいて、改質器の起動時に空気圧縮機の送出する空気温度を上昇させ、その高温空気を利用することにより、改質器起動時の温度上昇を促進させて起動時間を短縮することが出来る、という効果が得られる。
【0009】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態を示す模式図である。この実施の形態は、空気圧縮機としてターボ式圧縮機を、改質器として水蒸気法改質器を、燃料電池として高分子膜型燃料電池を構成要素とする改質器型燃料電池システムの例であり、起動用予備加熱手段としては本発明の他に内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度上昇を図る方法を併用している。
【0010】
図1において、1はターボ式の空気圧縮機、2は水蒸気法の改質器、3は燃料電池本体、4は空気圧縮機1からの空気を燃料電池本体3と改質器2とに切り替えて供給する流路切り替え器、5は空気圧縮機1から改質器2への流路に設けられたバルブ、6は空気圧縮機1からの温度の上昇した空気を適温まで冷却して燃料電池本体3へ供給するインタークーラである。また、7は上記の燃料電池システムを制御する制御手段であり、例えばCPU、ROM、RAM等からなるマイクロコンピュータで構成される。なお、空気圧縮機1の送出する空気温度、改質器2の温度(特に触媒温度)、燃料電池本体3の空気入り口(インタークーラ6の出口)温度などを計測する温度センサが設けられているが、それらは表示を省略している。
【0011】
上記の水蒸気法の改質器とは、燃料(例えばメタノール)と水とを混合したものを触媒で反応させて水素を発生するもの方式の改質器である。そして改質器2は内部燃焼器を備え、この改質器2から燃料電池本体3へ送った水素の一部(過剰分)またはメタノールを上記内部燃焼器へ戻して燃焼させ、それによって改質器の温度を上昇させる機能も備えている。このような内部燃焼器を備えた改質器としては、例えば特開平9−63618号公報に記載されたものがある。なお、改質器2で発生させた水素を送出する場合には、燃料電池に適した温度まで冷却してから燃料電池本体3へ供給する。
【0012】
本実施の形態においては、起動時には空気圧縮機1を制御して、送出する空気の温度を上昇させ、かつ流路切り替え器4を改質器側へ切り替えると共にバルブ5を開いて上記高温の空気を改質器2へ供給し、それによって改質器2の温度を急速に上昇させるものである。
【0013】
空気圧縮機1から送出される空気の温度を上昇させる方法としては、次のごとき方法を用いている。すなわち、空気圧縮機1を燃料電池システム運転としては必ずしも最高効率点ではない、より高圧側にシフトさせた運転点で運転し、これによって高い吐出空気温度を得る方法である。このように空気の断熱圧縮により、内部エネルギーを増加させて高い空気温度を得ることが出来る。そしてこの高温度の空気を改質器2に供給(詳細後述)することにより、改質器起動時間を短縮することができる。
【0014】
空気圧縮機1からの吐出空気温度T2は下記(数1)式で与えられる。
T2=Tl〔(1/η)(π( κ -1)/ κ −1)+1〕 …(数1)
ただし、π=P2/Pl
π:圧力比、P1:吸入空気圧力、P2:吐出空気圧力、T1:吸入空気温度、 κ:比熱比、η:空気圧縮機の断熱効率
例えば、吸入空気温度T1=30℃で圧力比π=3程度にすると、空気圧縮機1の効率を70%程度として、吐出空気温度T2は約200℃となる。改質器2内の触媒の作動時温度は、例えばメタノールを燃料とする水蒸気法改質器では300〜350℃であるが、改質器起動用加熱手段としては200℃程度の空気であれば使用でき、改質器2の昇温速度を速めることができる。さらに所望の起動時間とするには、改質器2の温度上昇をモニタして、空気圧縮機1の圧力比を所望の温度となるように運転点を決めればよい。上記のごとき制御は、制御装置7からの制御信号によって行なわれる。
【0015】
図2は、使用する空気圧縮機がターボ式圧縮機の場合における圧力比と流量との関係を示す性能曲線図である。図2に示すように、モータの回転数を上げることによって圧縮比を上げて、空気圧縮機の運転点を変えることができる。
図2に示したように、空気圧縮機の運転点を高圧力側に変更し、比較のために、圧力比π=1.5の場合と圧力比π=3の場合で空気圧縮機を動作させて、改質器2が混合ガスを発生できるための反応温度である300℃までに改質器温度が上昇するまでの時間を比較したところ、圧力比π=3で運転した場合の所要時間は圧力比π=1.5で運転した場合に比べ、約30%程度短縮された。
【0016】
また、使用する空気圧縮機が可変ストロークタイプのピストン式圧縮機の場合には、仕切り板角度等によりピストンのストローク量を変えることにより、空気圧縮機の運転点(圧縮比)を変えることができる。
【0017】
図3は、水蒸気法改質器の概略を示す模式図である。図3に示すように、水蒸気法改質器は、メタノールと水の混合液を気化部13へ送って気化させ、気化した気体を改質部(触媒)12へ送って反応させ、それによって得られたH2とCOの混合ガスをガス生成部11に通して水素リッチなガスを得るようになっている。そして従来例の説明に記載したように、通常は起動時に燃料となるメタノールを酸化触媒で燃焼させて得た熱を、ガス生成部11、改質部12、気化部13の各ユニットに導入して改質器全体の温度を上げ、改質器を起動するようになっている。本発明においては、前記のように空気圧縮機1の動作点を変更することによって得た高温空気を、改質器2内のガス生成部11、改質部12、気化部13の各ユニットに導入して改質器全体の温度を上げ、改質器を起動するものである。
【0018】
図3において、(A)はガス生成部11、改質部12、気化部13の順に直列に高温空気を与える構成、(B)は上記各ユニットに並列に高温空気を与える構成を示す。なお、空気圧縮機1から導入する高温空気は、上記各ユニットの加熱用であるから、上記各ユニット内を流れるメタノールやガスとは接触しないようにすることは当然である。例えば触媒等の反応部の外壁に接して高温空気の流路を設ければよい。
【0019】
また、前記のように、従来の改質器起動時加熱手段すなわち改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法や、内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度を上昇させる方法と組み合わせて実施することができる。
【0020】
また、改質器起動時には燃料電池本体冷却用の冷却水供給は停止させ、また、燃料電池をバイパスする空気供給路は断熱材で覆っておくことにより、空気温度を低下させないようにする。
【0021】
(第2の実施の形態)
図4は、本発明の第2の実施の形態に用いる空気圧縮機を示す模式図である。図4に示すように、空気圧縮機1の空気吸入路8と吐出路9を連結する循環流路を設け、この流路に設けた循環用バルブ10を開けることにより、吐出側から吸入側に空気を循環することによって吐出空気温度を上昇させることができる。改質器の起動時に改質器が必要とするものは高温度の空気であって高圧力の空気ではない。したがって、効率を一時的に積極的に低下させて吐出空気温度を上昇させる方法を用いることが出来る。効率を一時的に低下させる具体的な方法としては図4に示したように、吐出路9と吸入路8をバイパス通路で連結し、そこに設けた循環用バルブ10を開けることにより、吐出側から吸入側に高温空気が再循環する。この際、圧縮機効率は低下するものの、吐出温度は上昇する。これにより改質器加熱用の高温空気を供給し、改質器の昇温速度を速めることができる。当然のことながら、循環バルブ10を閉じれば、通常の空気圧縮機として作動することになる。
【0022】
なお、第1の実施の形態に示した空気圧縮機1の運転点を変えることによって吐出空気温度を上昇させる方法と、上記第2の実施の形態で説明した方法とは、両方を同時に行なうこともできる。また、図3で説明した事項は第2の実施の形態でも同様である。
【0023】
また、第1、第2の実施の形態で説明した方法と、従来の改質器起動時加熱手段すなわち改質器内部に加熱器や電熱器を組み込んで改質器温度を上昇させる方法や内部燃焼器で温度上昇用の燃料を燃やして得た熱エネルギーで改質器の温度上昇させる方法(図1に記載)と、を組み合わせて実施することもできる。
【0024】
次に、図5は、制御装置7における制御内容の一部を示すフローチャートであり、改質器2を所望の運転温度に昇温せしめたあと、空気圧縮機1と燃料電池本体3との間に設けたインタークーラ6による冷却によって所望の温度値に制御した空気を燃料電池本体3のカソード極に供給する際の制御を示す。
【0025】
図5において、まず、ステップS1では、改質器2の温度が所望の運転温度t1に達したか否かを判断する。そして“no”の場合には起動時の昇温動作を継続し、“yes”の場合にはステップS2で混合ガス(改質ガス)が発生したか否かを判断し、“yes”の場合にはステップS3で空気圧縮機1の運転点を通常の運転点に変更する。なお、上記の運転温度t1は例えば300〜350℃程度の値である。また、ステップS2においては、望ましくは、単に混合ガスの発生を判断するのではなく、所望の発電量に対応する混合ガス流量を確認した時点で“yes”とする。
【0026】
次に、ステップS4では、空気圧縮機1と燃料電池本体3との間に設けられたインタークーラ6の冷却水に循環させ、燃料電池本体3へ送られる空気を冷却することが出来る状態に準備する。なお、インタークーラ6の冷却循環水量を制御して空気温度を最適温度に制御することも可能である。
【0027】
次に、ステップS5とS6では、燃料電池本体3のカソード極の空気入り口温度が所定の安全温度t2以下になったか否かを判断し、燃料電池カソード極の空気入り口温度が所定値t2を越えないように制御しながら、流路切り替え器4を制御して徐々に流路を切り替えて、最終的にはステップS7に示すように流路切り替え器4を燃料電池本体3側に切り替え、燃料電池に空気を供給する。このような操作を行なうことにより、燃料電池に高温の空気が流入することを防ぎ、通常の運転に差し支えないようにすることできる。
【0028】
上記のように、図5の制御を行なうことにより、温度制御された高温空気を改質器側から燃料電池側へ切り替えを行い、本燃料電池システムを安全に運転することができる。
なお、燃料電池本体3のカソード極に供給される空気温度を冷却するのは、電解質である固体高分子膜の熱的損傷を防ぐため、および供給空気が燃料電池本体の動作温度より高温である場合には空気中の水分の凝縮を引き起こし、その結果、燃料電池ガス流路内部での水詰りによる性能低下(電圧低下)を引き起こすことを防ぐためである。通常の固体高分子膜型燃料電池では、上記の動作温度は90℃程度である。
【0029】
また、本発明に使用される燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池などがあるが、出力密度の大きさや可搬性などを考慮した場合には、固体高分子型燃料電池が適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における全体の構成を示す模式図。
【図2】空気圧縮機がターボ式圧縮機の場合における圧力比と流量との関係を示す性能曲線図。
【図3】改質器に高温空気を供給する構成の一例を示す模式図。
【図4】本発明の第2の実施の形態における空気圧縮機の構成を示す模式図。
【図5】本発明の燃料電池システムにおける空気圧縮機の高温空気を改質器側から燃料電池側へ切り替える際の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
1…ターボ式の空気圧縮機 2…改質器
3…燃料電池本体 4…流路切り替え器
5…バルブ 6…インタークーラ
7…制御装置 8…空気吸入路
9…空気吐出路 10…循環用バルブ
11…ガス生成部 12…改質部
13…気化部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system using a reformed gas from a reformer as fuel.
[0002]
[Prior art]
As a method of supplying fuel (hydrogen gas) supplied to automobile fuel cell systems such as automobiles, hydrogen stored in hydrogen cylinders, hydrogen storage alloys, etc. may be used. There are cases where hydrogen-rich reformed gas is generated from fossil fuel and used as hydrogen gas.
In a fuel cell system using such a reformer, the start-up time of the reformer system (that is, the time until reformed gas is generated) is determined by the temperature rise time of the reformer having the longest start-up time. This is because the fuel for generating hydrogen cannot be supplied until the vaporizer, the reforming catalyst, etc. constituting the reformer rise to a certain temperature and are activated. In order to shorten the start-up time, a method for raising the reformer temperature by incorporating a heater or an electric heater inside the reformer (Japanese Patent Laid-Open No. 9-63618), Methods for increasing the temperature of the reformer with thermal energy obtained by burning fuel (JP-A-3-192661, JP-A-5-3043) have been proposed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, various methods for shortening the start-up time of the reformer have been proposed in the past. However, in the reformer of a fuel cell system mounted on a vehicle such as an automobile, the conventional method is still insufficient. There is a need to further reduce the time.
[0004]
The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and an object thereof is to provide a fuel cell system including a reformer having a short start-up time.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, as described in claim 1, air sent from an air compressor that supplies air to the fuel cell is controlled to a desired air temperature and supplied to the reformer. It is used as a heating means.
There are the following methods for controlling the temperature of the air sent from the air compressor. First, as a first method, as described in claim 2, the compressor is not necessarily at the highest efficiency point for fuel cell system operation, but is operated at an operating point shifted to a higher pressure side. This is a method of obtaining the air temperature. That is, by adiabatic compression of air, a high air temperature can be obtained by increasing the internal energy.
[0006]
As a second method, as described in claim 3, a circulation flow path that connects the discharge path and the suction path of the air compressor is provided, and when the reformer is started, the circulation flow path is opened to discharge the discharge air. by returning a portion to the suction passage, it is possible to raise the temperature of the ejection exit air.
The above two methods can be performed simultaneously by combining them. In addition, each of them can be obtained by conventional reformer start-up heating means, that is, a method of increasing the reformer temperature by incorporating a heater or an electric heater inside the reformer, or burning the fuel for raising the temperature in the internal combustor. It can also be carried out in combination with a method in which the temperature of the reformer is raised by the thermal energy.
[0007]
Further, as described in claim 4, after the temperature of the reformer is raised to a desired operating temperature, the air is controlled to a desired temperature value by a cooling means (intercooler) provided between the switching means and the fuel cell. Is switched to the fuel cell side and supplied to the cathode electrode of the fuel cell, so that the normal fuel cell operation mode can be set.
[0008]
【The invention's effect】
In the present invention, in the fuel cell system using a reformer, the temperature of the reformer is started by increasing the temperature of the air sent from the air compressor when the reformer is started and using the high-temperature air. The effect that the rise can be promoted and the startup time can be shortened is obtained.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of the present invention. This embodiment is an example of a reformer type fuel cell system having a turbo compressor as an air compressor, a steam reformer as a reformer, and a polymer membrane fuel cell as a fuel cell. In addition to the present invention, the start-up preheating means uses a method of increasing the temperature of the reformer with heat energy obtained by burning fuel for raising the temperature with an internal combustor.
[0010]
In FIG. 1, 1 is a turbo type air compressor, 2 is a steam reformer, 3 is a fuel cell body, 4 is switched from the air compressor 1 to the fuel cell body 3 and the reformer 2. The flow path switch 5 to be supplied is a valve provided in the flow path from the air compressor 1 to the reformer 2, and 6 is a fuel cell which cools the air whose temperature has risen from the air compressor 1 to an appropriate temperature. This is an intercooler supplied to the main body 3. Reference numeral 7 denotes control means for controlling the fuel cell system, and is constituted by a microcomputer comprising, for example, a CPU, ROM, RAM and the like. A temperature sensor is provided for measuring the air temperature delivered by the air compressor 1, the temperature of the reformer 2 (particularly the catalyst temperature), the air inlet (outlet of the intercooler 6) temperature of the fuel cell body 3, and the like. However, they omit the display.
[0011]
The steam reformer is a reformer of a type that generates hydrogen by reacting a mixture of fuel (for example, methanol) and water with a catalyst. The reformer 2 includes an internal combustor, and a part (excess) of hydrogen sent from the reformer 2 to the fuel cell main body 3 or methanol is returned to the internal combustor for combustion, thereby reforming. It also has a function to raise the temperature of the vessel. An example of a reformer provided with such an internal combustor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-63618. When hydrogen generated by the reformer 2 is sent out, it is cooled to a temperature suitable for the fuel cell and then supplied to the fuel cell main body 3.
[0012]
In the present embodiment, the air compressor 1 is controlled at the time of startup to increase the temperature of the air to be sent out, and the flow path switching device 4 is switched to the reformer side, and the valve 5 is opened to open the high-temperature air. Is supplied to the reformer 2, thereby rapidly increasing the temperature of the reformer 2.
[0013]
As a method for raising the temperature of the air sent from the air compressor 1, the following method is used. In other words, the air compressor 1 is operated at an operating point shifted to a higher pressure side, which is not necessarily the highest efficiency point for the fuel cell system operation, thereby obtaining a high discharge air temperature. As described above, by adiabatic compression of air, it is possible to increase internal energy and obtain a high air temperature. By supplying this high-temperature air to the reformer 2 (details will be described later), the reformer start-up time can be shortened.
[0014]
The discharge air temperature T2 from the air compressor 1 is given by the following (Equation 1).
T2 = Tl [(1 / η) (π ( κ- 1) / κ- 1) +1] (Equation 1)
However, π = P2 / Pl
π: pressure ratio, P1: intake air pressure, P2: discharge air pressure, T1: intake air temperature, κ: specific heat ratio, η: adiabatic efficiency of air compressor, for example, intake air temperature T1 = 30 ° C., pressure ratio π = When it is about 3, the efficiency of the air compressor 1 is about 70%, and the discharge air temperature T2 is about 200 ° C. The operating temperature of the catalyst in the reformer 2 is, for example, 300 to 350 ° C. in a steam reformer using methanol as a fuel. It can be used, and the temperature raising rate of the reformer 2 can be increased. In order to achieve a desired start-up time, the operating point may be determined by monitoring the temperature rise of the reformer 2 and setting the pressure ratio of the air compressor 1 to a desired temperature. The above control is performed by a control signal from the control device 7.
[0015]
FIG. 2 is a performance curve diagram showing the relationship between the pressure ratio and the flow rate when the air compressor used is a turbo compressor. As shown in FIG. 2, the operating ratio of the air compressor can be changed by increasing the rotation speed of the motor to increase the compression ratio.
As shown in FIG. 2, the operating point of the air compressor is changed to the high pressure side, and for comparison, the air compressor is operated when the pressure ratio π = 1.5 and the pressure ratio π = 3. Then, when the time until the reformer temperature rises to 300 ° C., which is the reaction temperature for allowing the reformer 2 to generate the mixed gas, is compared, the time required when operating at the pressure ratio π = 3 Was shortened by about 30% compared with the case of operating at a pressure ratio π = 1.5.
[0016]
When the air compressor to be used is a variable stroke type piston compressor, the operating point (compression ratio) of the air compressor can be changed by changing the stroke amount of the piston according to the partition plate angle or the like. .
[0017]
FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of a steam method reformer. As shown in FIG. 3, the steam reformer sends a mixed liquid of methanol and water to the vaporization section 13 to vaporize it, and sends the vaporized gas to the reforming section (catalyst) 12 for reaction, thereby obtaining it. The mixed gas of H 2 and CO thus obtained is passed through the gas generator 11 to obtain a hydrogen-rich gas. As described in the description of the conventional example, normally, heat obtained by burning methanol as a fuel at the time of start-up with an oxidation catalyst is introduced into each unit of the gas generating unit 11, the reforming unit 12, and the vaporizing unit 13. The temperature of the entire reformer is raised to start the reformer. In the present invention, the high-temperature air obtained by changing the operating point of the air compressor 1 as described above is supplied to each unit of the gas generator 11, the reformer 12, and the vaporizer 13 in the reformer 2. It is introduced to increase the temperature of the entire reformer and start the reformer.
[0018]
3, (A) shows a configuration in which high-temperature air is supplied in series in the order of the gas generation unit 11, the reforming unit 12, and the vaporization unit 13, and (B) shows a configuration in which high-temperature air is supplied in parallel to the above units. Since the high-temperature air introduced from the air compressor 1 is for heating each unit, it is natural that the high-temperature air does not come into contact with methanol or gas flowing through each unit. For example, a flow path of high-temperature air may be provided in contact with the outer wall of the reaction part such as a catalyst.
[0019]
Also, as described above, conventional reformer start-up heating means, that is, a method of increasing the reformer temperature by incorporating a heater or an electric heater inside the reformer, or a fuel for raising the temperature in the internal combustor. It can be carried out in combination with a method of increasing the temperature of the reformer with the heat energy obtained by burning.
[0020]
Further, the cooling water supply for cooling the fuel cell main body is stopped when the reformer is started, and the air supply path that bypasses the fuel cell is covered with a heat insulating material so as not to lower the air temperature.
[0021]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram showing an air compressor used in the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, a circulation flow path connecting the air suction path 8 and the discharge path 9 of the air compressor 1 is provided, and the circulation valve 10 provided in the flow path is opened to change the discharge side to the suction side. The circulating air temperature can be raised by circulating the air. What the reformer needs when starting up the reformer is high temperature air, not high pressure air. Therefore, it is possible to use a method of increasing the discharge air temperature by temporarily reducing the efficiency temporarily. As a specific method for temporarily reducing the efficiency, as shown in FIG. 4, the discharge passage 9 and the suction passage 8 are connected by a bypass passage, and the circulation valve 10 provided there is opened. Hot air recirculates from the inlet to the suction side. At this time, the compressor temperature decreases, but the discharge temperature increases. Thereby, the high temperature air for heating the reformer can be supplied, and the temperature raising rate of the reformer can be increased. As a matter of course, when the circulation valve 10 is closed, it operates as a normal air compressor.
[0022]
Note that the method of raising the discharge air temperature by changing the operating point of the air compressor 1 shown in the first embodiment and the method described in the second embodiment are simultaneously performed. You can also. The matters described with reference to FIG. 3 are the same in the second embodiment.
[0023]
In addition, the method described in the first and second embodiments, the conventional reformer start-up heating means, that is, the method of increasing the reformer temperature by incorporating a heater or an electric heater inside the reformer, A method of raising the temperature of the reformer with the thermal energy obtained by burning the fuel for raising the temperature in the combustor (described in FIG. 1) can also be implemented in combination.
[0024]
Next, FIG. 5 is a flowchart showing a part of the control contents in the control device 7, and after raising the reformer 2 to a desired operating temperature, between the air compressor 1 and the fuel cell main body 3. The control when supplying air controlled to a desired temperature value to the cathode electrode of the fuel cell main body 3 by cooling by the intercooler 6 provided in FIG.
[0025]
In FIG. 5, first, in step S1, it is determined whether or not the temperature of the reformer 2 has reached a desired operating temperature t1. In case of “no”, the temperature raising operation at the time of starting is continued. In case of “yes”, it is determined whether or not a mixed gas (reformed gas) is generated in step S2. In step S3, the operating point of the air compressor 1 is changed to a normal operating point. In addition, said operating temperature t1 is a value of about 300-350 degreeC, for example. In step S2, it is desirable not to simply determine the generation of the mixed gas, but to “yes” when the mixed gas flow rate corresponding to the desired power generation amount is confirmed.
[0026]
Next, in step S4, it is made to circulate through the cooling water of the intercooler 6 provided between the air compressor 1 and the fuel cell main body 3, and prepares the state which can cool the air sent to the fuel cell main body 3. To do. It is also possible to control the air temperature to the optimum temperature by controlling the cooling circulating water amount of the intercooler 6.
[0027]
Next, in steps S5 and S6, it is determined whether or not the air inlet temperature of the cathode electrode of the fuel cell body 3 has become a predetermined safe temperature t2 or less, and the air inlet temperature of the fuel cell cathode electrode exceeds a predetermined value t2. In step S7, the flow path switching unit 4 is switched to the fuel cell main body 3 side as shown in step S7. To supply air. By performing such an operation, high-temperature air can be prevented from flowing into the fuel cell, and normal operation can be prevented.
[0028]
As described above, by performing the control of FIG. 5, the temperature-controlled hot air can be switched from the reformer side to the fuel cell side, and the fuel cell system can be operated safely.
Note that the temperature of the air supplied to the cathode electrode of the fuel cell main body 3 is cooled in order to prevent thermal damage to the solid polymer film as an electrolyte, and the supply air is higher than the operating temperature of the fuel cell main body. In such a case, condensation of moisture in the air is caused, and as a result, performance deterioration (voltage drop) due to water clogging inside the fuel cell gas flow path is prevented. In a normal polymer electrolyte membrane fuel cell, the above operating temperature is about 90 ° C.
[0029]
The fuel cell used in the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and the like. In consideration of the power density and portability, the polymer electrolyte fuel cell is used. A battery is suitable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration in a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a performance curve diagram showing the relationship between the pressure ratio and the flow rate when the air compressor is a turbo compressor.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a configuration for supplying high temperature air to a reformer.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of an air compressor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing control when switching the high-temperature air of the air compressor from the reformer side to the fuel cell side in the fuel cell system of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Turbo type air compressor 2 ... Reformer 3 ... Fuel cell main body 4 ... Flow path switcher 5 ... Valve 6 ... Intercooler 7 ... Control device 8 ... Air suction path 9 ... Air discharge path 10 ... Circulation valve DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Gas production | generation part 12 ... Reformation part 13 ... Vaporization part

Claims (4)

炭化水素化合物を改質反応に供して水素リッチガスに改質する改質器と、燃料電池本体へ空気を供給する空気圧縮機と、を備えた燃料電池システムであって、
上記空気圧縮機から上記改質器へ空気を送風する流路と、
上記空気圧縮機から吐出する空気を上記燃料電池本体と上記改質器との何れかへ切り替えて送風する切り替え手段と、
上記改質器の起動時に、上記空気圧縮機から吐出する空気の温度が所定温度まで上昇するように上記空気圧縮機を制御し、かつ、上記切り替え手段を上記改質器側へ空気を送るように切り替え制御する制御手段と、
を備え、空気圧縮機からの高温空気を用いて改質器起動時の温度上昇を促進させ、起動時間を短縮させたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising: a reformer for subjecting a hydrocarbon compound to a reforming reaction to reform it into a hydrogen-rich gas; and an air compressor for supplying air to the fuel cell body,
A flow path for blowing air from the air compressor to the reformer;
Switching means for switching and blowing air discharged from the air compressor to either the fuel cell main body or the reformer;
When starting the reformer, the air compressor is controlled so that the temperature of the air discharged from the air compressor rises to a predetermined temperature, and the switching means sends air to the reformer side. Control means for switching control to
And a high temperature air from the air compressor is used to promote a temperature rise at the start of the reformer and shorten the start-up time.
上記制御手段は、改質器起動時には、上記空気圧縮機の運転点を、通常運転時よりも高圧力比の方向へ変更することにより、吐出空気温度を上昇させるものである、ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。  The control means increases the discharge air temperature by changing the operating point of the air compressor at a higher pressure ratio direction than at the time of normal operation when the reformer is started. The fuel cell system according to claim 1. 炭化水素化合物を改質反応に供して水素リッチガスに改質する改質器と、燃料電池本体へ空気を供給する空気圧縮機と、を備えた燃料電池システムであって、
上記空気圧縮機から上記改質器へ空気を送風する流路と、
上記空気圧縮機から吐出する空気を上記燃料電池本体と上記改質器との何れかへ切り替えて送風する切り替え手段と、
上記空気圧縮機の吐出路と吸入路を連結する循環流路と、
上記改質器の起動時に、上記切り替え手段を上記改質器側へ空気を送るように切り替え制御し、かつ上記循環流路を開通させて吐出空気の一部を吸入路に戻すことにより、吐出空気の温度を上昇させるように制御する制御手段と、
を備え、空気圧縮機からの高温空気を用いて改質器起動時の温度上昇を促進させ、起動時間を短縮させたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising: a reformer for subjecting a hydrocarbon compound to a reforming reaction to reform it into a hydrogen-rich gas; and an air compressor for supplying air to the fuel cell body,
A flow path for blowing air from the air compressor to the reformer;
Switching means for switching and blowing air discharged from the air compressor to either the fuel cell main body or the reformer;
A circulation passage connecting the discharge passage and the suction passage of the air compressor;
At the start of the reformer, the switching means and the switching control to send air to the reformer side, and by returning a portion of the discharge air by opening the circulation flow path to the intake path, ejection Control means for controlling the temperature of the outlet air to rise;
And a high temperature air from the air compressor is used to promote a temperature rise at the start of the reformer and shorten the start-up time.
上記切り替え手段と上記燃料電池本体間に設けた冷却手段を備え、
上記制御手段は、上記改質器の起動時に上記改質器が所望の運転温度に昇温されたことを検出した後、上記空気圧縮機を通常運転状態に変更し、かつ上記冷却手段を動作させ、上記切り替え手段を上記燃料電池本体側へ切り替えて吐出空気を冷却させることにより、所望の温度値に制御した空気を上記燃料電池本体のカソード極に供給するように制御するものである、ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の燃料電池システム。
A cooling means provided between the switching means and the fuel cell main body,
The control means detects that the reformer has been heated to a desired operating temperature at the time of starting the reformer, then changes the air compressor to a normal operation state and operates the cooling means. it is, on the Symbol switching means by cooling the discharge air is switched to the fuel cell main body side, and controls the air controlled at a desired temperature value to supply to the cathode of the fuel cell body, The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
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