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公開番号2025094827
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-25
出願番号2023210600
出願日2023-12-13
発明の名称燃料電池システム
出願人トヨタ自動車株式会社,株式会社SOKEN
代理人弁理士法人快友国際特許事務所
主分類H01M 8/04 20160101AFI20250618BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池システムを低温始動する際、セルを劣化させることなく、水素希釈パージと、暖機運転と、を速やかに完了できる技術を提供する。
【解決手段】燃料システムは、燃料電池スタックと、記燃料電池スタックの複数の燃料電池セルに酸化剤ガスを流通させる酸化剤系と、燃料電池スタックの複数の燃料電池セルに燃料ガスを流通させる燃料系と、燃料電池スタックの前記複数の燃料電池セルの間に冷却ガスを流通させる冷却系と、酸化剤系、燃料系及び冷却系を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、燃料電池スタックの低温始動時に、燃料ガスと冷却ガスを燃料電池スタックに供給して燃料ガス流路をパージする第1低温始動処理と、第1低温始動処理後に、冷却ガスの供給を停止した状態で燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池スタックに供給して発電するとともに昇温させる第2低温始動処理と、を実行する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの前記複数の燃料電池セルに酸化剤ガスを流通させる酸化剤系と、
前記燃料電池スタックの前記複数の燃料電池セルに燃料ガスを流通させる燃料系と、
前記燃料電池スタックの前記複数の燃料電池セルの間に冷却ガスを流通させる冷却系と、
前記酸化剤系、前記燃料系及び前記冷却系を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池スタックの低温始動時に、前記燃料ガスと前記冷却ガスを前記燃料電池スタックに供給して燃料ガスが流通する燃料ガス流路をパージする第１低温始動処理と、前記第１低温始動処理後に、前記冷却ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを前記燃料電池スタックに供給して発電するとともに昇温させる第２低温始動処理と、を実行する、燃料電池システム。
続きを表示（約 740 文字）【請求項２】
さらに、前記複数の燃料電池セルのうち１以上の燃料電池セルの温度を検知するセル温度センサを備え、
前記制御装置は、前記セル温度センサによって検知されたセル温度に基づいて、前記第１低温始動処理の開始及び終了並びに前記第２低温始動処理の開始及び終了のうちのいずれかを判定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
さらに、前記燃料電池スタックの外部温度を検知する外部温度センサを備え、
前記制御装置は、前記外部温度センサによって検知された外部温度に基づいて、前記第１低温始動処理の開始及び終了並びに前記第２低温始動処理の開始及び終了のうちのいずれかを判定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
さらに、
前記酸化剤系は、スタック出入口を密閉できる封止弁を備え、
前記燃料系は、前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスに由来する排気及び排液を排出するためのパージ弁を備え、
前記燃料電池システムは、前記封止弁及び前記パージ弁のいずれか又は双方を加熱する１又は複数の加熱装置を備え、
前記制御装置は、前記第１低温始動処理の実行時には、前記１又は複数の加熱装置により前記封止弁及び前記パージ弁のいずれか又は双方を加熱し、前記第２低温始動処理の実行時には、前記１又は複数の加熱装置による加熱を継続する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
さらに、
前記酸化剤ガスの加熱装置を備え、
前記制御装置は、前記第２低温始動処理を、０℃以上に加熱した前記酸化剤ガスを用いて実行する、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】
本明細書は、燃料電池システムを開示する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池セルが積層されたスタックと、スタックに燃料ガスを流通させる燃料系と、スタックに酸化剤ガスを流通させる酸化剤系と、スタックに冷媒を流通させる冷却系と、を備えている。燃料ガスのガス流路には、運転停止中に窒素などの発電に貢献しない物が蓄積されてしまう場合がある。こうした物は、発電効率の低下等を招くことがある。特許文献１には、燃料ガス流路に設けたパージ弁を開放した状態で燃料ガスなどを流通させて、物を排出する燃料ガスパージを行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００６－１２０４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料系に水素を導入して水素パージを行う場合、排気水素は、大気に排出する際、一定濃度以下に希釈される必要がある。例えば、酸化剤ガス又は冷媒が空気の場合には冷却空気にて水素を希釈して外部に排出する。
【０００５】
しかしながら、低温始動時に冷却空気にて希釈をする場合は、冷却空気の流通により燃料電池セルが冷却されてしまい、燃料電池セル内において、水分が凍結閉塞し発電性能が低下してしまうリスクがある。一方、酸化剤ガスをセル内に導入することで希釈をすると、セル内で異常電位が発生してセルを劣化させてしまう。さらに、水素と酸素との反応により水を生成してしまうことになる。いずれにおいても、低温始動時には劣化や性能低下を避けることができない。
【０００６】
本明細書は、燃料電池システムを低温始動する際、セルを劣化させることなく、水素希釈パージと、暖機運転と、を速やかに完了できる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示する燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルに酸化剤ガスを流通させる酸化剤系と、前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルに燃料ガスを流通させる燃料系と、前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルの間に冷却ガスを流通させる冷却系と、前記酸化剤系、前記燃料系及び前記冷却系を制御する制御装置と、を備える。この燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの低温始動時に、前記燃料ガスと前記冷却ガスを前記燃料電池スタックに供給して前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路をパージする第１低温始動処理と、前記第１低温始動処理後に、前記冷却ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを前記燃料電池スタックに供給して発電するとともに昇温させる第２低温始動処理と、を実行する。
【０００８】
こうすることで、燃料ガスによるパージ（以下、単に、水素パージともいう。）を、冷却ガスで希釈して行うため、異常電位を発生させることなく、劣化を回避しつつ行うことができる。また、その後に、冷却ガスの供給を停止した状態で、酸化剤ガスと燃料ガスとを燃料電池スタックに供給して発電することで、水素排気を酸化剤ガスによって希釈しつつ行うことができる。また、冷却ガスが供給されない状態での発電により、スタックを速やかに昇温でき迅速に暖機できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本明細書に開示される燃料電池システムの概要を示す図である。
セルを分解してその構造及び各種流路を示す図である。
制御装置が実行する処理のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書に開示される燃料電池システムの一態様は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルに酸化剤ガスを流通させる酸化剤系と、前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルに燃料ガスを流通させる燃料系と、前記燃料電池スタックの前記燃料電池セルの間に冷却ガスを供給する冷却系と、前記酸化剤系、前記燃料系及び前記冷却系を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの低温始動時に、前記燃料ガスと前記冷却ガスを前記燃料電池スタックに供給して前記燃料ガスが流通する燃料ガス流路をパージする第１低温始動処理と、前記第１低温始動処理後に、前記冷却ガスの供給を停止した状態で前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを前記燃料電池スタックに供給して発電するとともに昇温させる第２低温始動処理と、を実行することとしてもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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