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公開番号2025133284
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-11
出願番号2024031141
出願日2024-03-01
発明の名称燃料電池システム
出願人株式会社SOKEN,トヨタ自動車株式会社
代理人弁理士法人明成国際特許事務所
主分類H01M 8/04 20160101AFI20250904BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】燃料電池システムの耐久性を向上できる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの化学反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの温度を測定する温度測定部と、減圧部と、燃料電池スタック及び減圧部を制御する運転制御部と、を備え、燃料電池スタックは、カソードガスが流れるカソードガス流路を備え、減圧部は、カソードガス流路を減圧可能であり、運転制御部は、燃料電池スタックの運転を停止する場合に、減圧部を制御して、カソードガス流路内の圧力が、温度測定部によって測定された燃料電池スタックの温度に対応する飽和水蒸気圧未満となるまでカソードガス流路内を減圧する。
【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、
アノードガスとカソードガスとの化学反応により発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定部と、
減圧部と、
前記燃料電池スタック及び前記減圧部を制御する運転制御部と、を備え、
前記燃料電池スタックは、前記カソードガスが流れるカソードガス流路を備え、
前記減圧部は、前記カソードガス流路を減圧可能であり、
前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して、前記カソードガス流路内の圧力が、前記温度測定部によって測定された前記燃料電池スタックの温度に対応する飽和水蒸気圧未満となるまで前記カソードガス流路内を減圧する、
燃料電池システム。
続きを表示（約 950 文字）【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードガス流路内の圧力を測定する圧力測定部と、
前記減圧部によって減圧された後の前記カソードガス流路内の圧力である減圧目標圧力を設定する目標圧力設定部と、を備え、
前記目標圧力設定部は、前記飽和水蒸気圧未満の圧力を前記減圧目標圧力として設定し、
前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して、前記圧力測定部によって測定された圧力が前記減圧目標圧力となるまで前記カソードガス流路内を減圧する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記目標圧力設定部は、前記飽和水蒸気圧の２５％以上かつ前記飽和水蒸気圧の８０％未満の値を、前記減圧目標圧力として設定する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックを収容するスタックケースをさらに備え、
前記減圧部は、前記スタックケースの内部を減圧可能であり、
前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して前記スタックケース内を減圧する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードガス流路内の圧力を測定する圧力測定部と、
前記燃料電池スタックに備えられた膜電極接合体の電気抵抗である膜抵抗を測定する膜抵抗測定部と、
前記減圧部の駆動時間を設定する駆動時間設定部と、を備え、
前記駆動時間設定部は、前記膜抵抗測定部によって測定された前記膜抵抗を用いて、前記膜抵抗の値を予め定められた目標抵抗値まで増加させるために必要な前記駆動時間である駆動予定時間を設定し、
前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して、前記圧力測定部によって測定された圧力が前記飽和水蒸気圧を下回った時点から前記駆動予定時間が経過するまで前記カソードガス流路内を減圧する、
燃料電池システム。

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 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの停止時にカソードガス流路を大気圧より低い圧力に減圧した減圧部に連通させることで、カソードガス流路内の残留水を除去する、燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００８－９７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、燃料電池スタック内の残留水を効率よく除去でき、低温環境下で使用されても凍結のおそれのない燃料電池システムについては検討されているが、燃料電池システムの耐久性を向上させる点については検討されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの化学反応により発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの温度を測定する温度測定部と、減圧部と、前記燃料電池スタック及び前記減圧部を制御する運転制御部と、を備え、前記燃料電池スタックは、前記カソードガスが流れるカソードガス流路を備え、前記減圧部は、前記カソードガス流路を減圧可能であり、前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して、前記カソードガス流路内の圧力が、前記温度測定部によって測定された前記燃料電池スタックの温度に対応する飽和水蒸気圧未満となるまで前記カソードガス流路内を減圧する。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに備えられた膜電極接合体に含まれる水分量を減少させることができるため、膜電極接合体に含まれるカソード触媒層の劣化を抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記カソードガス流路内の圧力を測定する圧力測定部と、前記減圧部によって減圧された後の前記カソードガス流路内の圧力である減圧目標圧力を設定する目標圧力設定部と、を備え、前記目標圧力設定部は、前記飽和水蒸気圧未満の圧力を前記減圧目標圧力として設定し、前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して、前記圧力測定部によって測定された圧力が前記減圧目標圧力となるまで前記カソードガス流路内を減圧してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、カソードガス流路内の圧力を指標として、カソードガス流路の減圧操作を制御できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記目標圧力設定部は、前記飽和水蒸気圧の２５％以上かつ前記飽和水蒸気圧の８０％未満の値を、前記減圧目標圧力として設定してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックに備えられた膜電極接合体に含まれる水分量を減少させることができ、かつ、減圧によって膜電極接合体が乾燥しすぎることを抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックを収容するスタックケースをさらに備え、前記減圧部は、前記スタックケースの内部を減圧可能であり、前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して前記スタックケース内を減圧してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックを断熱することにより、燃料電池スタックを保温できる。そのため、効率的にカソードガス流路内を減圧できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記カソードガス流路内の圧力を測定する圧力測定部と、前記燃料電池スタックに備えられた膜電極接合体の電気抵抗である膜抵抗を測定する膜抵抗測定部と、前記減圧部の駆動時間を設定する駆動時間設定部と、を備え、前記駆動時間設定部は、前記膜抵抗測定部によって測定された前記膜抵抗を用いて、前記膜抵抗の値を予め定められた目標抵抗値まで増加させるために必要な前記駆動時間である駆動予定時間を設定し、前記運転制御部は、前記燃料電池スタックの運転を停止する場合に、前記減圧部を制御して、前記圧力測定部によって測定された圧力が前記飽和水蒸気圧を下回った時点から前記駆動予定時間が経過するまで前記カソードガス流路内を減圧してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、減圧部の駆動時間を指標として、カソードガス流路の減圧操作を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
燃料電池セルの概略構成を示す断面図。
第１実施形態における運転停止処理の工程図。
水の状態図。
カソードガス流路内の圧力と、膜抵抗と、触媒担持カーボンの酸化量との関係を示す図。
第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
第２実施形態における運転停止処理の工程図。
第３実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
第３実施形態における運転停止処理の工程図。
第３実施形態における運転停止処理の工程図。
減圧部の駆動時間と膜抵抗の変化を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．第１実施形態：
図１は、燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池自動車（ＦｕｅｌＣｅｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ，ＦＣＥＶ）に搭載される。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック３０と、温度測定部４０と、膜抵抗測定部５０と、アノードガス給排系６０と、カソードガス給排系７０と、負荷８０と、制御部９０と、を備える。
【０００９】
燃料電池スタック３０は、複数の燃料電池セル１０と、一対のエンドターミナル２１，２２とを備える。複数の燃料電池セル１０は、それぞれ、板状であり、厚み方向である積層方向に積層されている。燃料電池セル１０は、単体でも発電可能な発電要素である。本実施形態では、燃料電池セル１０は、固体高分子形燃料電池として構成されている。燃料電池セル１０は、反応ガスとしてのアノードガスおよびカソードガスの供給を受け、それらの電気化学反応によって発電する。例えば、アノードガスは水素であり、カソードガスは空気である。アノードガスを燃料ガス、カソードガスを酸化剤ガスとも呼ぶ。
【００１０】
図２は、燃料電池セル１０の概略構成を示す断面図である。燃料電池セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１と、アノード拡散層１５と、カソード拡散層１６と、アノードセパレータ１７と、カソードセパレータ１８と、を備える。
（【００１１】以降は省略されています）

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