JP2016177918A - 燃料電池装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】フィルタをヒーターで加熱して不純物の除去を行っても、それに伴って発電性能が低下してしまうことの無い燃料電池装置を提供する。【解決手段】この燃料電池装置FCAは、ヒーターHTによって第1フィルタF1を加熱することで、吸着した不純物を第1フィルタF1から除去する再生処理を行うことが可能となっている。再生処理が行われているときに第1フィルタF1から排出される不純物を、燃料電池スタックFCに到達させることなく外部に排出する排出手段(三方弁V2及び配管PP12)を更に備えている。【選択図】図1

Description

本発明は燃料電池装置に関する。
燃料電池装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスが持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。
燃料電池の各セルは、アノード及びカソードを有している。アノードには、水素を含む燃料ガスが供給され、カソードには、酸素を含む酸化剤ガスが供給される。燃料ガスは、例えば都市ガス等に含まれるメタンを水蒸気改質することにより生成され、アノードに供給される。酸化剤ガスについては、燃料電池装置の周囲の空気(大気)が取り込まれ、当該空気がそのまま酸化剤ガスとしてカソードに供給される。
空気には、埃や粉塵、硫黄酸化物等の不純物が含まれている。このような不純物が燃料電池のカソードに到達してしまうと、燃料電池のセルが劣化し、燃料電池装置の発電性能が低下してしまう。このため、カソードに空気(酸化剤ガス)を供給するための配管の途中には、空気に含まれる不純物を吸着させ除去するためのフィルタが設けられる(例えば下記特許文献1を参照)。このようなフィルタとしては、不純物を物理吸着させるものや、化学吸着させるものがある。
燃料電池装置の運転が長期に亘り継続されると、フィルタにおける不純物の吸着量は次第に増加して行き、これに伴ってフィルタの吸着性能は次第に低下して行く。このため、下記特許文献1に記載の燃料電池装置では、ヒーターによってフィルタを加熱し、フィルタに吸着された不純物をフィルタから離脱させ除去すること、すなわち、フィルタを再生し吸着性能を向上させることが可能となっている。
特開2006−59673号公報
上記特許文献1に記載された構成の燃料電池装置では、ヒーターによりフィルタの加熱が行われているときに、フィルタから離脱した不純物が配管を通って燃料電池に到達してしまうと考えられる。このため、フィルタは再生される一方で、燃料電池のセルは劣化してしまう可能性がある。このように、従来の燃料電池装置においては、フィルタの再生を行う際における燃料電池の保護について、具体的な検討がなされていなかった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタをヒーターで加熱して不純物の除去を行っても、それに伴って発電性能が低下してしまうことの無い燃料電池装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給するための供給配管と、供給配管に設けられ、酸化剤ガスに含まれる不純物を吸着させるフィルタと、フィルタを加熱するヒーターと、を備え、ヒーターによってフィルタを加熱することで、吸着した前記不純物を前記フィルタから除去する再生処理を行うことが可能となっている。また、再生処理が行われているときにフィルタから排出される不純物を、燃料電池に到達させことなく外部に排出する排出手段を更に備えている。
このような構成の燃料電池装置では、再生処理が行われている時にフィルタから排出される不純物、すなわち、ヒーターによる加熱に伴ってフィルタから離脱した不純物が、燃料電池に到達することなく外部に排出される。このため、フィルタの再生処理が行われても、それに伴って燃料電池のセルが劣化してしまうことはなく、発電性能が低下してしまうことが無い。
本発明によれば、フィルタをヒーターで加熱して不純物の除去を行っても、それに伴って発電性能が低下してしまうことの無い燃料電池装置が提供される。
本発明の実施形態に係る燃料電池装置の全体構成を模式的に示す図である。 図1に示される燃料電池装置の変形例を模式的に示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図1に示されるように、燃料電池装置FCAは、燃料電池スタックFCと、空気供給配管PP10と、燃料供給配管PP20と、制御装置CTと、を備えている。
燃料電池スタックFCは、複数のセル(不図示)の集合体である。それぞれのセルは固体酸化物形の燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)であって、平板状の固体電解質の一方側の面にアノード(燃料極)が形成され、他方側の面にカソード(空気極)が形成された構成となっている。これらアノード及びカソードは、いずれも導電性のセラミックスで形成され、カソードには触媒となる物質(例えばストロンチウム等)を焼結させた多孔体構造となっている。燃料電池スタックFCでは、全てのセルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。それぞれのアノードに燃料ガスが供給され、それぞれのカソードに酸化剤ガス(空気)が供給されることにより、燃料電池スタックFCでは発電が行われる。
空気供給配管PP10は、燃料電池装置FCAの周囲の空気(大気)を取り込んで、当該空気を酸化剤ガスとして燃料電池スタックFCのそれぞれのカソードに供給するための配管である。空気供給配管PP10には、上流側から順に、ポンプCPと、三方弁V1と、第1フィルタF1と、三方弁V2と、三方弁V3と、第2フィルタF2と、三方弁V4と、が設けられている。
ポンプCPは、所謂コンプレッサであって、空気供給配管PP10を通じて空気を燃料電池装置FCAに送り込むためのものである。ポンプCPの回転数、すなわち、燃料電池装置FCAに供給される空気の流量は、後述の制御装置CTにより制御される。
三方弁V1は、ポンプCPからの空気が通過して第1フィルタF1側に向かう状態と、第1フィルタF1側には向かわずに配管PP13に流入する状態と、を切り替えるための弁である。配管PP13は、その上流側端部が三方弁V1に接続された配管であって、後述の配管PP14と共に、第1フィルタF1を迂回して空気を流すための経路として設けられた配管である。三方弁V1の動作(流路の切り替え)は、制御装置CTにより制御される。
第1フィルタF1は、空気供給配管PP10を通る空気から、埃や粉塵、硫黄酸化物等の不純物を除去するためのフィルタである。本実施形態では、第1フィルタF1は活性炭により構成されている。第1フィルタF1は、不純物を主に物理吸着させることによって除去するものである。空気は、それに含まれる不純物の殆どが第1フィルタF1において除去されて、燃料電池スタックFCに向かって流れる。
第1フィルタF1の近傍には、ヒーターHTが設けられている。ヒーターHTは、電力の供給を受けて発熱し、第1フィルタF1を加熱するものである。ヒーターHTへの電力の供給、すなわちヒーターHTの発熱は、制御装置CTにより制御される。
三方弁V2は、第1フィルタF1を通った空気が通過して第2フィルタF2側に向かう状態と、第2フィルタF2側には向かわずに配管PP12に流入する状態と、を切り替えるための弁である。配管PP12は、その上流側端部が三方弁V2に接続された配管である。配管PP12の下流側端部は、外部(大気)に開放されている。三方弁V2の動作は、制御装置CTにより制御される。
三方弁V3は、第1フィルタF1及び三方弁V2を通った空気が通過して第2フィルタF2側に向かう状態と、第1フィルタF1及び三方弁V2を通った空気が遮断され、代わりに配管PP14からの空気が第2フィルタF2側に向かって通過する状態と、を切り替えるための弁である。尚、三方弁V3は上記以外の状態ともなり得るのであるが、これについては後述する。配管PP14は、その一端が三方弁V3に接続された配管であって、先に述べた配管PP13と共に、第1フィルタF1を迂回して空気を流すための経路として設けられた配管である。三方弁V3の動作は、制御装置CTにより制御される。
第2フィルタF2は、第1フィルタF1と同様に、空気供給配管PP10を通る空気から不純物を除去するためのフィルタである。第2フィルタF2は、不純物を主に化学吸着させることによって除去するものである。第2フィルタF2では、第1フィルタF1では除去されなかった微量の不純物が空気から除去される。不純物が除去された空気は、第2フィルタF2から燃料電池スタックFCに向かって流れる。
三方弁V4は、第2フィルタF2を通った空気が通過して燃料電池スタックFCに向かう状態と、第2フィルタF2を通った空気が遮断され、代わりに配管PP15からの空気が燃料電池スタックFCに向かって通過する状態と、を切り替えるための弁である。配管PP15は、その下流側端部が三方弁V4に接続された配管である。配管PP15の上流側端部は、配管PP14の端部(三方弁V3とは反対側の端部)に、三方弁V5を介して接続されている。三方弁V4の動作は、制御装置CTにより制御される。
配管PP15の途中(三方弁V5と三方弁V4との間)には、第3フィルタF3が配置されている。第3フィルタF3は、第2フィルタF2と同一のフィルタである。配管PP15の上流側端部に配置された三方弁V5は、配管PP13と配管PP14とが連通しており、且つ配管PP13(及び配管PP14)と配管PP15とが連通していない状態と、配管PP14と配管PP15とが連通しており、且つ配管PP13と配管PP14(及び配管PP15)とが連通していない状態とを切り替えるための弁である。三方弁V5の動作は、制御装置CTにより制御される。
空気供給配管PP10を通って燃料電池スタックFCに供給され、各セルのカソードに到達した空気は、燃料電池スタックFCにおいて発電に供される。ただし、当該空気に含まれる酸素のうち一部は、発電に供されることなく、他の成分(窒素等)と共に燃料電池スタックFCから排出される。図1に示される配管PP11は、このような残余の空気を外部に排出するための配管である。
燃料供給配管PP20は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックFCのそれぞれのアノードに供給するための配管である。燃料供給配管PP20には、改質器RFが設けられている。
燃料供給配管PP20の上流側端部には、都市ガスの供給源(不図示:例えばガスメータ)が接続されている。改質器RFは、供給された都市ガスに含まれる炭化水素(メタン)を、水蒸気改質反応により水素に変化させるものである。つまり、燃料供給配管PP20を流れる都市ガスは、改質器RFを通ることにより水素含有ガスとなる。当該水素含有ガスが燃料ガスとして燃料電池スタックFCに供給される。
燃料供給配管PP20を通って燃料電池スタックFCに供給され、各セルのアノードに到達した燃料ガスは、燃料電池スタックFCにおいて発電に供される。ただし、当該燃料ガスに含まれる水素のうち一部は、発電に供されることなく、他の成分と共に燃料電池スタックFCから排出される。図1に示される配管PP21は、このような残余の燃料ガスを外部に排出するための配管である。
制御装置CTは、燃料電池装置FCAの全体を制御するコンピュータシステムである。制御装置CTには、燃料電池装置の各部に設けられた複数のセンサから測定値が入力される。図1では、このようなセンサのうち、圧力センサPS1、PS2、PS3のみが示されている。
圧力センサPS1は、空気供給配管PP10のうち、ポンプCPと三方弁V1との間の部分における空気の圧力を測定するためのセンサである。圧力センサPS2は、空気供給配管PP10のうち、三方弁V2と三方弁V3との間の部分における空気の圧力を測定するためのセンサである。圧力センサPS3は、空気供給配管PP10のうち、三方弁V4と燃料電池スタックFCとの間の部分における空気の圧力を測定するためのセンサである。
制御装置CTは、これら圧力センサPS1、PS2、PS3を含む各種センサから入力される測定値に基づいて、燃料電池装置FCAの制御を行う。
燃料電池装置FCAの通常の運転時においては、空気は、空気供給配管PP10のみを通って燃料電池スタックFCに供給される。すなわち、ポンプCPから三方弁V1、第1フィルタF1、三方弁V2、三方弁V3、第2フィルタF2、三方弁V4を順に通って燃料電池スタックFCに供給される。換言すれば、このような経路を空気が通るように、三方弁V1、V2、V3、V4のそれぞれの状態が切り替えられている。
燃料電池装置FCAの運転が長期に亘り継続されると、第1フィルタF1における不純物の吸着量は次第に増加して行き、これに伴って第1フィルタF1の吸着性能は次第に低下して行く。
制御装置CTは、第1フィルタF1の吸着性能が低下したか否かを、圧力センサPS1、PS2のそれぞれの測定値に基づいて判定する。具体的には、圧力センサPS1の測定値から圧力センサPS2の測定値を差し引いた値(つまり、第1フィルタF1における圧力損失)が所定の閾値を超えた場合には、第1フィルタF1の吸着性能が低下したと判定する。このような判定がなされると、制御装置CTは、第1フィルタF1の再生処理を行う。
再生処理とは、ヒーターHTによって第1フィルタF1を加熱することで、第1フィルタF1に吸着されている不純物を離脱させる(第1フィルタF1から除去する)処理である。
ところで、再生処理によって第1フィルタF1から離脱した不純物は、第1フィルタF1から下流側の燃料電池スタックFCに向かって流れることとなる。不純物が燃料電池スタックFCの各カソードに到達してしまうと、カソードが劣化してしまう可能性がある。特に、不純物に含まれる硫黄酸化物がカソードの触媒(ストロンチウム)に到達すると、ストロンチウムと硫黄とが反応し(触媒の被毒が生じ)、触媒の性能が著しく低下してしまう。その結果、燃料電池装置FCAの発電性能も低下することとなる。
そこで、本実施形態においては、再生処理の実行中に第1フィルタF1から離脱した不純物が、燃料電池スタックFCに到達することの無いよう、制御装置CTにより三方弁V1等の状態が切り替えられる。
再生処理の実行中におけるそれぞれの三方弁(V1等)の状態について、具体的に説明する。三方弁V1は、ポンプCPからの空気が第1フィルタF1側には向かわず、配管PP13に流入するような状態に切り替えられる。三方弁V2は、第1フィルタF1を通った空気が第2フィルタF2側には向かわず、配管PP12に流入するような状態に切り替えられる。
三方弁V3は、第1フィルタF1及び三方弁V2を通った空気が遮断され、代わりに配管PP14からの空気が第2フィルタF2側に向かって通過するような状態に切り替えられる。三方弁V4は、第2フィルタF2を通った空気が通過して燃料電池スタックFCに向かうような状態となっている。三方弁V5は、配管PP13と配管PP14とが連通しており、且つ配管PP13(及び配管PP14)と配管PP15とが連通していない状態に切り替えられる。
このような状態においては、ポンプCPから送り込まれた空気は、三方弁V1、三方弁V5、三方弁V3、第2フィルタF2、三方弁V4を順に通って燃料電池スタックFCに供給される。すなわち、第1フィルタF1を通ることなく、第1フィルタF1を迂回するような経路を通って燃料電池スタックFCに供給される。燃料電池スタックFCでは、再生処理の実行中においても発電が継続される。
第1フィルタF1では、ヒーターHTの加熱によって不純物が離脱する。離脱した不純物は、三方弁V2を通って空気供給配管PP10から配管PP12へと流入した後、燃料電池装置FCAの外部に排出される。尚、離脱した不純物が第1フィルタF1よりも上流側(ポンプCP側)に向かう場合もあるが、三方弁V1によって遮られるため、不純物が配管PP13に流入することはない。
以上のように、本実施形態では、第1フィルタF1をヒーターHTで加熱して不純物の除去(再生処理)を行っても、離脱した不純物が燃料電池スタックFC到達することが無い。このため、再生処理に伴って燃料電池装置FCAの発電性能が低下してしまうことが無い。
再生処理の実行中は、不純物の離脱に伴い、第1フィルタF1における圧力損失は次第に小さくなって行く。圧力センサPS1の測定値から圧力センサPS2の測定値を差し引いた値が所定の下限値を下回ると、制御装置は、ヒーターHTへの電力供給を停止し、再生処理を停止する。その後、三方弁V1等の状態がそれぞれ元の状態に戻され、通常の運転が再開される。
燃料電池装置FCAの運転が長期に亘り継続されると、第2フィルタF2における不純物の吸着量も次第に増加して行く。制御装置CTは、第2フィルタF2の吸着性能が低下したか否かを、圧力センサPS2、PS3のそれぞれの測定値に基づいて判定する。具体的には、圧力センサPS2の測定値から圧力センサPS3の測定値を差し引いた値(つまり、第2フィルタF2における圧力損失)が所定の閾値を超えた場合には、第2フィルタF2の吸着性能が低下したと判定する。このような判定がなされると、制御装置CTは、第2フィルタF2の交換が必要である旨を、例えばランプ(不図示)の点灯等によって使用者に報知する。
使用者により第2フィルタF2の交換作業が行われているときには、その間も継続して発電が行われる。交換作業中においては空気が第2フィルタF2に流入することの無いように、制御装置CTにより三方弁V3等の状態が切り替えられる。
第2フィルタF2の交換作業が行われている間におけるそれぞれの三方弁(V3等)の状態について、具体的に説明する。三方弁V1は、ポンプCPからの空気が通過して第1フィルタF1側に向かうような状態となっている。三方弁V2は、第1フィルタF1を通った空気が通過して三方弁V3側に向かうような状態となっている。
三方弁V3は、第1フィルタF1及び三方弁V2を通った空気が第2フィルタF2側には向かわず、配管PP14に流入するような状態に切り替えられる。三方弁V4は、第2フィルタF2を通った空気が遮断され、代わりに配管PP15からの空気が燃料電池スタックFCに向かって通過するような状態に切り替えられる。三方弁V5は、配管PP14と配管PP15とが連通しており、且つ配管PP13と配管PP14(及び配管PP15)とが連通していない状態となるように切り替えられる。
このような状態においては、ポンプCPから送り込まれた空気は、三方弁V1、第1フィルタF1、三方弁V2、三方弁V3、三方弁V5、第3フィルタF3、三方弁V4を順に通って燃料電池スタックFCに供給される。すなわち、鋼管柱である第2フィルタF2を通ることなく、代わりに第3フィルタF3を通るような経路を通って燃料電池スタックFCに供給される。これにより、燃料電池スタックFCでは、第2フィルタF2の交換作業中においても発電が継続される。
以上の例においては、第1フィルタF1の吸着性能が低下したか否かの判定を、圧力センサPS1、PS2のそれぞれの測定値に基づいて行うこととしている。このような態様に替えて、圧力センサPS1の測定値のみに基づいて上記判定が行われてもよい。例えば、圧力センサPS1の測定値が所定の閾値を超えた場合に、第1フィルタF1の吸着性能が低下したと判定し、再生処理を実行することとしてもよい。
同様に、第2フィルタF2の吸着性能が低下したか否かの判定を、圧力センサPS2の測定値のみに基づいて行うこととしてもよい。
燃料電池装置FCAの変形例について、図2を参照しながら説明する。図2に示される変形例は、配管PP12の下流側端部が外部に開放されておらず、配管PP11の途中に接続されている点においてのみ、図1に示される構成と異なっている。
このような態様においては、再生制御の実行中に第1フィルタF1から離脱した不純物は、配管PP12を通ってその下流側端部に到達した後、配管PP11を通じて残余の空気と共に外部に排出される。複数の排出口を設ける必要が無いため、燃料電池装置FCAの構成を簡素なものとすることができる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
FCA:燃料電池装置
FC:燃料電池スタック
F1:第1フィルタ
HT:ヒーター
PP10:空気供給配管
PP11,PP12,PP13,PP14,PP15,PP21:配管
PS1,PS2,PS3:圧力センサ
V1,V2,V3,V4,V5:三方弁
RF:改質器
CT:制御装置

Claims (5)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池(FC)と、
    前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための供給配管(PP10)と、
    前記供給配管に設けられ、前記酸化剤ガスに含まれる不純物を吸着させるフィルタ(F1)と、
    前記フィルタを加熱するヒーター(HT)と、を備え、
    前記ヒーターによって前記フィルタを加熱することで、吸着した前記不純物を前記フィルタから除去する再生処理を行うことが可能となっており、
    前記再生処理が行われているときに前記フィルタから排出される前記不純物を、前記燃料電池に到達させることなく外部に排出する排出手段(V2、PP12)を更に備えたことを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記排出手段は、前記供給配管のうち前記フィルタよりも下流側となる位置に設けられた三方弁(V2)を有することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池装置。
  3. 前記三方弁には、前記フィルタから排出される前記不純物を外部に排出するための第1排出配管(PP12)が接続されていることを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池装置。
  4. 発電に供することなく前記燃料電池を通過した前記酸化剤ガスを外部に排出するための第2排出配管(PP11)を更に備えており、
    前記第1排出配管は前記第2排出配管に接続されていることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池装置。
  5. 前記供給配管内の圧力を検知する圧力検知手段(PS1、PS2、PS3)を更に備えたことを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池装置。
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