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公開番号2024178653
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-25
出願番号2023096955
出願日2023-06-13
発明の名称燃料電池システム
出願人株式会社デンソー
代理人弁理士法人ゆうあい特許事務所
主分類H01M 8/04 20160101AFI20241218BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】システム全体における燃料利用率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム1は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する第1燃料電池CS1と、第1燃料電池CS1から排出されるオフ燃料が流れる第1オフ燃料流路51と、を備える。燃料電池システム1は、第1オフ燃料流路51を流れるオフ燃料に含まれる燃料ガスを利用して電気エネルギを出力する第2燃料電池CS2と、第2燃料電池CS2から排出されるオフ燃料が流れる第2オフ燃料流路61と、を備える。燃料電池システム1は、第1オフ燃料流路51および第2オフ燃料流路61の双方に接続されて、第2オフ燃料流路61を流れるオフガスの一部を第1オフ燃料流路51へ戻す下流循環流路71を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する第１燃料電池（ＣＳ１）と、
前記第１燃料電池から排出されるオフ燃料が流れる第１オフ燃料流路（５１）と、
前記第１オフ燃料流路を流れるオフ燃料に含まれる燃料ガスを利用して電気エネルギを出力する第２燃料電池（ＣＳ２）と、
前記第２燃料電池から排出されるオフ燃料が流れる第２オフ燃料流路（６１）と、
前記第１オフ燃料流路および前記第２オフ燃料流路の双方に接続されて、前記第２オフ燃料流路を流れるオフガスの一部を前記第１オフ燃料流路へ戻す下流循環流路（７１）と、を備える、燃料電池システム。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記第１オフ燃料流路に設けられ、前記第１燃料電池から排出されるオフ燃料を駆動流として、前記下流循環流路を流れるオフ燃料を前記第１オフ燃料流路に吸引する下流エジェクタ（７２）を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１オフ燃料流路に設けられ、前記第１オフ燃料流路を流れるオフ燃料に含まれる前記第２燃料電池での発電に寄与しない物質の一部を不純物として除去する除去部（７３）を備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記除去部は、前記第１オフ燃料流路における前記下流エジェクタの下流に設けられている、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記除去部は、前記不純物を貯蔵する貯蔵部（７３２）を含んでいる、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１燃料電池および前記第２燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって生成された酸素イオンが、カソードからアノードへ透過する特性を有するものである、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２燃料電池における燃料利用率を求めるとともに、前記第１燃料電池および前記第２燃料電池それぞれを含むシステム全体での燃料利用率を制御する制御部（１００）を備え、
前記制御部は、前記第２燃料電池での燃料利用率が予め定めた設定範囲を上回る場合に前記第１燃料電池を昇温させて駆動流として前記下流エジェクタに供給されるオフ燃料の運動エネルギを増大させる、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、前記第２燃料電池での燃料利用率が前記設定範囲を下回る場合に前記第１燃料電池の温度を低下させて駆動流として前記下流エジェクタに供給されるオフ燃料の運動エネルギを減少させる、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第２燃料電池における燃料利用率を求めるとともに、前記第１燃料電池および前記第２燃料電池それぞれを含むシステム全体での燃料利用率を制御する制御部（１００）を備え、
前記第２燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって生成された酸素イオンが、カソードからアノードへ透過する特性を有するものであり、
前記制御部は、前記第２燃料電池の燃料利用率が予め定めた設定範囲を上回る場合に前記第２燃料電池から取り出す電流を減少させるとともに、前記第１燃料電池から取り出す電流を増加させ、前記カソードから前記アノードへの酸素イオンの透過量を増やすことで前記下流エジェクタに供給されるオフ燃料の質量流量を増加させる、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記第２燃料電池の燃料利用率が前記設定範囲を下回る場合に前記第２燃料電池から取り出す電流を増加させるとともに、前記第１燃料電池から取り出す電流を減少させ、前記カソードから前記アノードへの酸素イオンの透過量を減らすことで前記下流エジェクタに供給されるオフ燃料の質量流量を減少させる、請求項９に記載の燃料電池システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、２つの燃料電池を備え、一方の燃料電池から排出されるオフ燃料を再生して他方の燃料電池へ供給する多段型の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２１－１３６１６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した多段型の燃料電池システムは、一段目の燃料電池のオフ燃料に含まれる燃料ガスを有効活用する思想であるが、二段目の燃料電池からオフ燃料について発電に利用されておらず、システム全体における燃料利用率の面で改善の余地がある。
【０００５】
本開示は、システム全体における燃料利用率を向上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する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギを出力する第１燃料電池（ＣＳ１）と、
第１燃料電池から排出されるオフ燃料が流れる第１オフ燃料流路（５１）と、
第１オフ燃料流路を流れるオフ燃料に含まれる燃料ガスを利用して電気エネルギを出力する第２燃料電池（ＣＳ２）と、
第２燃料電池から排出されるオフ燃料が流れる第２オフ燃料流路（６１）と、
第１オフ燃料流路および第２オフ燃料流路の双方に接続されて、第２オフ燃料流路を流れるオフガスの一部を第１オフ燃料流路へ戻す下流循環流路（７１）と、を備える。
【０００７】
このように、第２燃料電池から排出されるオフ燃料の一部を、第１オフ燃料流路を介して第２燃料電池へ戻す構成となっていれば、第２燃料電池から排出されるオフ燃料に含まれる未反応燃料を第２燃料電池で消費することができる。したがって、本開示の燃料電池システムによれば、第２燃料電池から排出されるオフ燃料を発電に利用しない従来のシステムに比べて、燃料利用率を向上させることができる。
【０００８】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
第１実施形態の比較例となる燃料電池システムにおける燃料利用率を説明するための説明図である。
第１実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料利用率を説明するための説明図である。
第２燃料電池の燃料利用率が過度になった場合の課題を説明するための説明図である。
第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する設定処理の流れを示すフローチャートである。
第１実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
第２実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。
図８に示す制御処理を実行した場合の燃料電池システムにおける燃料利用率を説明するための説明図である。
第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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