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公開番号2025062583
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-14
出願番号2024170546
出願日2024-09-30
発明の名称燃料電池システム
出願人けい豐緑能科技股分有限公司
代理人弁理士法人服部国際特許事務所
主分類H01M 8/04 20160101AFI20250407BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノード入力端子11と、カソード入力端子12と、アノード出力端子13と、カソード出力端子14と、を有している燃料電池1と、供給端子21と、水素排出端子22と、残留空気排出端子23と、を有している選択型セパレータ2と、水素ポンプ3と、パージバルブ4と、ウォータートラップ5と、を備えている。このようにすることで、水素の分離効率を高め、排気ガスの水素の濃度を4vol%未満にまで効果的に低下させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アノード入力端子と、カソード入力端子と、アノード出力端子と、カソード出力端子と、を有している燃料電池と、
前記アノード出力端子に接続されている供給端子と、水素排出端子と、残留空気排出端子と、を有し、変圧吸着セパレータ、選択型化学酸化セパレータ、選択性膜技術セパレータ、金属水素化物水素貯蔵セパレータ、及び冷凍蒸留セパレータのうちの１つである選択型セパレータと、
前記水素排出端子及び前記アノード入力端子に接続されている水素ポンプと、
前記残留空気排出端子に接続されているパージバルブと、
前記カソード出力端子に接続されているウォータートラップと、
を備え、
前記アノード入力端子により混合燃料を供給し、前記カソード入力端子により空気を供給し、前記混合燃料は水素及び希釈剤を含み、且つ前記混合燃料の前記水素の供給濃度は体積百分率濃度で2vol%～99vol%の間の範囲であり、
前記燃料電池は、前記混合燃料及び前記空気を反応させてから、余剰の前記水素及び前記希釈剤を含むアノードガスを前記アノード出力端子から前記選択型セパレータに供給し、余剰の前記空気を含むカソードガスを前記カソード出力端子から前記ウォータートラップに供給し、
前記アノードガスを前記選択型セパレータに供給してから、前記水素ポンプにより圧力差を発生させて、前記アノードガスのうちの前記水素を前記水素排出端子から前記水素ポンプを経由して前記アノード入力端子に戻るように押動し、余剰の前記アノードガスは前記残留空気排出端子から前記パージバルブを経由して前記ウォータートラップに供給され、
前記カソードガス及び余剰の前記アノードガスが前記ウォータートラップに供給されると、排気ガス及び水が発生することを特徴とする燃料電池システム。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
フローコントローラーと、制御ユニットと、水素分析計と、を更に有し、
前記フローコントローラーは前記アノード入力端子に接続され、
前記水素分析計は前記水素排出端子に接続され、
前記制御ユニットは、前記燃料電池、前記水素ポンプ、前記フローコントローラー、及び前記水素分析計に信号が接続され、前記混合燃料は前記フローコントローラーにより前記アノード入力端子に供給され、前記制御ユニットは前記フローコントローラーにより前記水素の前記供給濃度を取得し、前記燃料電池により電池スタック電圧を取得し、前記水素分析計により前記水素の回収濃度または回収流量を取得し、前記制御ユニットは前記電池スタック電圧及び所定電圧の範囲を比較し、
前記電池スタック電圧が前記所定電圧の範囲内にない場合、前記制御ユニットが、前記供給濃度、前記電池スタック電圧、及び前記回収濃度または前記回収流量に基づいて、前記水素ポンプが前記圧力差の大きさを改変するように制御す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。
【請求項３】
前記アノード入力端子に接続されているミキサーを更に有し、
前記水素及び前記希釈剤は前記ミキサーにそれぞれ供給されてから、前記ミキサーにより前記混合燃料として混合され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。
【請求項４】
前記水素ポンプに接続されている補助供給端子を有している補助選択型セパレータを更に具備し、
前記アノードガスの前記水素及び前記混合燃料は前記補助選択型セパレータにより前記アノード入力端子に供給され、前記補助選択型セパレータは、前記アノード入力端子に接続されている補助水素排出端子及び前記供給端子に接続されている補助残留空気排出端子を有してい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。
【請求項５】
前記燃料電池に電気的に接続されている電子負荷またはグリッドタイ装置を更に有し、
前記燃料電池が反応してから、電気エネルギーが前記電子負荷または前記グリッドタイ装置に伝送され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。
【請求項６】
前記燃料電池は隣接するアノード板及びカソード板を有し、前記アノード板はアノード流路を含み、前記カソード板はカソード流路を含み、
前記アノード入力端子及び前記アノード出力端子は前記アノード流路の両端に連通され、前記カソード入力端子及び前記カソード出力端子は前記カソード流路の両端に連通され、
前記アノード入力端子から前記アノード出力端子までの前記アノード流路に沿ったアノード流路長さは、前記カソード入力端子から前記カソード出力端子までの前記カソード流路に沿ったカソード流路長さと相違す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。
【請求項７】
前記排気ガスの前記水素の濃度は体積百分率濃度で4vol%未満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。
【請求項８】
前記燃料電池は、プロトン交換膜燃料電池（PEM）、イオン交換膜燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池のうちの１つ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。
【請求項９】
前記希釈剤は不活性ガス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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、混合燃料の利用率を向上できる燃料電池システムに関するものである。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
燃料電池は現在広く応用されているエネルギー源の１つであるが、従来の燃料電池は水素の浪費が多く、水素の利用率が低かった。また、排気ガス濃度が基準値を超過して大気に排出する基準を満たしていない場合、危険性があった。
【０００３】
従来の特許文献、例えば、特許文献１には「水素利用率を向上させる燃料電池システム」が開示されている。燃料電池システムは電堆に接続され、押し入れ管路及び押出管路を備えている。押出管路には、気水セパレータ、排気制御バルブ、圧力センサー、水素膜セパレータ、及び回流制御バルブが設置され、回流制御バルブはガスを押し入れ管路に流入させるように制御する。気水セパレータと押し入れ管路との間には制御可能なバイパス管路が更に設置されている。水素膜セパレータにより窒素排出過程で排出された水素を分離し、回流制御バルブにより再度押し入れて循環利用し、水素の浪費を防止しつつ、排気ガスの濃度が基準値を満たすようにし、大気に直接排出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
中国登録実用新案第２１８９１８９６５Ｕ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来技術では、まず気水セパレータにより気液分離を行ってから、水素膜セパレータにより水素を分離する。気水セパレータが水素膜セパレータに進入させたガスには多くの雑多なガスが存在しているため、水素膜セパレータの分離効率が低下し、且つ圧力センサーによる検知を組み合わせて圧力蓄積ステップを実行しなければならず、プロセスが複雑であった。
【０００６】
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、混合燃料の利用率を向上させる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは以下の手段を採用する。
本発明のある態様の燃料電池システムは、燃料電池と、選択型セパレータと、ウォータートラップと、を備えている。燃料電池は、アノード入力端子と、カソード入力端子と、アノード出力端子と、カソード出力端子と、を有している。選択型セパレータは、アノード出力端子に接続されている供給端子と、水素排出端子と、残留空気排出端子と、を有し、変圧吸着セパレータ、選択型化学酸化セパレータ、選択性膜技術セパレータ、金属水素化物水素貯蔵セパレータ、及び冷凍蒸留セパレータのうちの１つである。ウォータートラップは、水素排出端子及びアノード入力端子に接続されている水素ポンプと、残留空気排出端子に接続されているパージバルブと、カソード出力端子に接続されている。
アノード入力端子により混合燃料を供給し、カソード入力端子により空気を供給し、混合燃料は水素及び希釈剤を含み、且つ混合燃料の水素の供給濃度は2vol%～99vol%の間の範囲である。
燃料電池は、混合燃料及び空気を反応させてから、余剰の水素及び希釈剤を含むアノードガスをアノード出力端子から選択型セパレータに供給し、余剰の空気を含むカソードガスをカソード出力端子からウォータートラップに供給する。
アノードガスを選択型セパレータに供給してから、水素ポンプにより圧力差を発生させて、アノードガスのうちの水素を水素排出端子から水素ポンプを経由してアノード入力端子に戻るように押動し、余剰のアノードガスは残留空気排出端子からパージバルブを経由してウォータートラップに供給される。
カソードガス及び余剰のアノードガスがウォータートラップに供給されると、排気ガス及び水が発生する。
【０００９】
本発明の好適例において、フローコントローラーと、制御ユニットと、水素分析計と、を更に有し、フローコントローラーはアノード入力端子に接続され、水素分析計は水素排出端子に接続され、制御ユニットは、燃料電池、水素ポンプ、フローコントローラー、及び水素分析計に信号が接続されている。混合燃料はフローコントローラーによりアノード入力端子に供給され、制御ユニットはフローコントローラーにより水素の供給濃度を取得し、燃料電池により電池スタック電圧を取得し、水素分析計により水素の回収濃度または回収流量を取得する。制御ユニットは電池スタック電圧及び所定電圧の範囲を比較してから、電池スタック電圧が所定電圧の範囲内にない場合、制御ユニットが、供給濃度、電池スタック電圧、及び回収濃度または回収流量に基づいて、水素ポンプが圧力差の大きさを改変するように制御する。
【００１０】
本発明の好適例において、アノード入力端子に接続されているミキサーを更に有し、水素及び希釈剤はミキサーにそれぞれ供給されてから、ミキサーにより混合燃料として混合される。
（【００１１】以降は省略されています）

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