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公開番号2025097687
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-01
出願番号2023214026
出願日2023-12-19
発明の名称燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H01M 8/04 20160101AFI20250624BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池システムを複雑化することなく、燃料電池システムで増加した生成水を適正に排出すること。
【解決手段】一実施の形態によれば、燃料電池システムS1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10に供給される循環水と、燃料電池スタック10で生成され排出される生成水とを含む水成分を貯留する貯留部20と、燃料電池スタック10から排出されるガスを貯留部20に送るガス出口配管42と、燃料電池スタック10から排出されるガスの圧力を取得する圧力取得部44と、貯留部20に接続され、貯留部20から排出される水成分を流通させるドレン配管21と、ドレン配管に設けられるドレン弁22と、制御装置100と、を備える。制御装置100は、圧力取得部44が取得するガスの圧力に基づき、ドレン弁22の開閉を制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから循環する循環水と、前記燃料電池スタックで生成され、前記燃料電池スタックから排出される生成水とを含む水成分を貯留する貯留部と、
前記燃料電池スタックから排出されるガスを前記貯留部に送るガス出口配管と、
前記燃料電池スタックから排出される前記ガスの圧力を取得する圧力取得部と、
前記貯留部に接続され、前記貯留部から排出される前記水成分を流通させるドレン配管と、
前記ドレン配管に設けられるドレン弁と、
前記ドレン弁の開閉を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記圧力取得部が取得する前記ガスの圧力に基づき、前記ドレン弁の開閉を制御する、燃料電池システム。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記制御装置は、前記圧力取得部が取得する前記ガスの圧力が第１圧力閾値以上となった場合に、前記ドレン弁を開く、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記第１圧力閾値を、前記燃料電池スタックの運転圧力に応じて決定する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記ドレン弁を開いた後、前記圧力取得部が取得する前記ガスの圧力が第２圧力閾値以下となった場合に、前記ドレン弁を閉じる、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記第２圧力閾値を、前記燃料電池スタックの運転圧力に応じて決定する、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから循環する循環水と、前記燃料電池スタックで生成され、前記燃料電池スタックから排出される生成水とを含む水成分を貯留する貯留部と、
前記燃料電池スタックから排出されるガスを前記貯留部に送るガス出口配管と、
前記燃料電池スタックから排出される前記ガスの圧力を取得する圧力取得部と、
前記圧力取得部が取得する前記ガスの圧力に応じてデューティ比を変えられる駆動パルス信号に基づき、前記貯留部に送られる前記ガスの圧力を調整するガス背圧調整弁と、
前記ガス背圧調整弁に対する前記駆動パルス信号のデューティ比を取得するデューティ比取得部と、
前記貯留部に接続され、前記貯留部から排出される前記水成分を流通させるドレン配管と、
前記ドレン配管に設けられるドレン弁と、
前記ドレン弁の開閉を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記デューティ比取得部が取得する前記駆動パルス信号のデューティ比に基づき、前記ドレン弁の開閉を制御する、燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御装置は、前記デューティ比取得部が取得する前記駆動パルス信号のデューティ比が第１デューティ閾値以上となった場合に、前記ドレン弁を開く、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記第１デューティ閾値を、前記燃料電池スタックの運転圧力に応じて決定する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御装置は、前記ドレン弁を開いた後、前記デューティ比取得部が取得する前記駆動パルス信号のデューティ比が第２デューティ閾値以下となった場合に、前記ドレン弁を閉じる、請求項６乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記第２デューティ閾値を、前記燃料電池スタックの運転圧力に応じて決定する、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】
本発明の実施の形態は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を備える固体高分子型燃料電池では、十分な発電性能を得るために、通常、供給ガスの加湿を求められる。また同時に電池反応の発熱を取り除くために、通常、冷却も求められる。このような加湿と冷却を同時に行う手法として、微孔のある導電性多孔質板をセパレータに使用する内部加湿・冷却方式が知られている。この方式では、導電性多孔質板の微孔を水で満たしつつ、かつ燃料ガス及び酸化剤ガスと冷却・加湿水間の差圧を一定以内に制御することでガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）のリークを防ぐことができる。これにより、反応面内での均一な加湿と冷却とを同時に行うことができる。さらには、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を冷却・加湿水の圧力よりも高くすることで、電池反応による生成水が導電性多孔質板を介して回収されるため、フラッディングによる性能低下を防ぐことができる。
【０００３】
燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力と冷却・加湿水の圧力との差圧を一定以内に制御技術としては、燃料電池スタックから排出されるガスの配管を冷却・加湿水タンクに接続することで、ガスと冷却・加湿水との差圧を一定に保つ手法が知られている。
【０００４】
上述のように燃料電池スタックから排出されるガスの配管を冷却・加湿水タンクに接続する場合、電池反応による生成水の一部は、通常、凝縮された後、上記冷却・加湿水タンクに回収される。そして、このような生成水は次第に増加する。したがって、このような構成では、配管の水つまりを防ぐために、通常、ドレン弁を制御して、生成水が混入した冷却・加湿水タンクの貯留水を定期的にシステム外に排出する。このような排出を実施するタイミングを決定する手法としては、例えばタンクに水位計を設けて生成水量を監視し、水位計の検出に応じて排出を行う手法が知られている。また、発電積算量により生成水量を予測し、予測値に応じて排出を行う手法等も知られている。
【０００５】
しかしながら、上記の排出に関する技術は、燃料電池システムの適用条件によっては必ずしも望ましく機能しないことがある。例えば燃料電池システムが自動車やトラックなどの移動体に搭載される場合、上記の排出に関する技術は必ずしも良好ではないことがある。
【０００６】
具体的には、燃料電池システムが移動体に搭載される場合、傾斜や加減速によりタンク水位が変動する。そのため、正確に水位を監視することが困難となることがある。また、発電積算量により生成水量を予測する場合、例えば、生成水のうち凝縮して回収される成分の割合と、水蒸気として排ガスと一緒に排出される成分の割合とを正確に計算することが求められる。この場合、多くのセンサによる計測と補正が必要であり、移動体のように刻一刻と周囲の状況や発電出力が変化する状況においては、予測値の信頼性が下がる虞がある。システム内部の生成水の水量が誤検出されると、予期せぬタイミングでドレン配管が大気解放され得る。こういった不必要なドレンが行われた場合には、燃料電池システム内の圧力バランスが崩れ得る。その結果、発電性能や製品寿命の低下、ひいては運転不能に陥る虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特許第７１０２３５８号
特開２０１０－１５３２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池システムを複雑化することなく、燃料電池システム内で増加した水成分を適正に排出できる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから循環する循環水と、前記燃料電池スタックで生成され、前記燃料電池スタックから排出される生成水とを含む水成分を貯留する貯留部と、前記燃料電池スタックから排出されるガスを前記貯留部に送るガス出口配管と、前記燃料電池スタックから排出される前記ガスの圧力を取得する圧力取得部と、前記貯留部に接続され、前記貯留部から排出される前記水成分を流通させるドレン配管と、前記ドレン配管に設けられるドレン弁と、前記ドレン弁の開閉を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記圧力取得部が取得する前記ガスの圧力に基づき、前記ドレン弁の開閉を制御する。
【００１０】
一実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給され、前記燃料電池スタックから循環する循環水と、前記燃料電池スタックで生成され、前記燃料電池スタックから排出される生成水とを含む水成分を貯留する貯留部と、前記燃料電池スタックから排出されるガスを前記貯留部に送るガス出口配管と、前記燃料電池スタックから排出される前記ガスの圧力を取得する圧力取得部と、前記圧力取得部が取得する前記ガスの圧力に応じてデューティ比を変えられる駆動パルス信号に基づき、前記燃料電池スタックから排出される前記ガスの圧力を調整するガス背圧調整弁と、前記ガス背圧調整弁に対する前記駆動パルス信号のデューティ比を取得するデューティ比取得部と、前記貯留部に接続され、前記貯留部から排出される前記水成分を流通させるドレン配管と、前記ドレン配管に設けられるドレン弁と、前記ドレン弁の開閉を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記デューティ比取得部が取得する前記駆動パルス信号のデューティ比に基づき、前記ドレン弁の開閉を制御する。
（【００１１】以降は省略されています）

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