JP2004152592A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時等において液体循環系内で循環される液体の導電率を速やかに改善する。
【解決手段】燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給する冷却水を循環させる冷却水循環系２とを備える燃料電池システムにおいて、冷却水のうちで導電率が悪化した部分のみを選択的に系外に誘導して、導電率を改善させる。すなわち、循環初期における冷却水には導電率の偏りがあることから、この導電率の偏りを導電率計１１にて検知し、その検知結果に基づいてバルブコントローラ１０が可変バルブ８，９を制御することにより、導電率が悪化した部分の冷却水のみをサブ流路７に誘導してイオン除去フィルタ１２等により導電率を改善する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水等の液体を循環させる液体循環系を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、液体の導電率の改善技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池スタックの燃料極（水素極）に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックとしては、例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池スタックが知られている。固体高分子タイプの燃料電池スタックは、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。前記固体高分子タイプの燃料電池スタックでは、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
前記燃料電池システムにおいては、発電の際に燃料電池スタックが発熱することから、これを冷却して適正な運転温度（８０℃程度）に維持する必要があり、何らかの冷却機構を設ける必要がある。前記冷却機構としては、冷却水を循環させながら燃料電池スタックに供給してこの燃料電池スタックを冷却する冷却システムが一般的である。
【０００５】
ところで、燃料電池スタックに供給する液体を循環させる循環系においては、液体の導電率の悪化が問題になる。例えば、循環させる冷却水の導電率が高くなると、いわゆる液絡を生じ、発電電力が無駄に消費されるととともに、液絡に起因した不測の事態が生じる可能性もある。そこで、系内を循環させる液体（冷却水）の導電率を改善するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
【０００６】
例えば、特許文献１には、オフガス中の水蒸気を凝縮して得られる復水に水道水を混合し、この混合水をイオン交換式処理装置を通して低電気電導度の補給水とし、冷却水循環系に補給する水処理システムが開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、メインタンクに貯留されている純水冷却水を、サブ配管に通流させて、このサブ配管上に設けられているイオン除去フィルタによって冷却水中の導電性イオンを除去し、冷却水の導電性イオン濃度を常に所定値以下に維持する技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−３１５００２号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開２０００−２０８１５７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液体が循環する系において、その系自身に液体の導電率を悪化させる因子を持った部品がある場合、補給水の導電率のみを改善する特許文献１記載の水処理システムでは、これに対応することは難しい。例えば、冷却水循環系内の冷却水の導電率が悪化した場合、特許文献１記載の水処理システムでも冷却水循環系内の水を外部に排出することでこの問題を解決することができるが、導電率を改善した補給水を外部から大量に補給する必要があり、あまり現実的ではない。
【００１１】
一方、特許文献２に記載される技術は、冷却水循環系内で循環している冷却水のみで導電率の改善を成立させており、循環系自身に液体の導電率を悪化させる因子を持った部品があった場合にも、これに対応可能である。ただし、例えば起動時に導電率の悪化が検出された場合、メインタンク内の全ての冷却水に対してイオン除去フィルタによる処理を施す必要がある。したがって、導電率の改善に長時間を要することになり、例えば長期放置後の導電率の悪化に対して迅速な導電率改善が困難である。これは円滑な起動の妨げになり、その改善が望まれるところである。
【００１２】
本発明は、このような従来技術の有する課題を解決することを目的に提案されたものであり、起動時等においても液体循環系内で循環される液体の導電率を速やかに改善することができ、導電率の悪化した液体が燃料電池内に循環されることにより発生する液絡を、外部からの大量の補給水等を要することなく低減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前述の目的を達成するために、長期に亘り種々の検討を重ねてきた。その結果、次のような知見を得るに至った。
【００１４】
液体が循環する系において、その系自身に液体の導電率を悪化させる因子をもった部品がある場合、循環初期において、液体の導電率には部分的に偏りが生ずる。その後、イオン除去フィルタを液体が通過することと、液体が循環することで、液体の導電率の悪化が徐々に平坦化する。従来技術では、起動初期における液体の導電率の悪化の偏りに対する知見が欠けており、導電率の改善に長時間を要する。また、起動初期段階では、この導電率が悪化している液体が燃料電池内に供給されることで液絡が生じ、発電電力が無駄に消費されることや、最悪、液絡により感電事故を引き起こす可能性もある。
【００１５】
この問題を解決するためには、循環初期における液体の導電率の偏りを検知して、その悪化部分だけを取り除き、代わりに取り除いた液体の分だけ改善した液体を循環系に供給すればよいものと考えられる。
【００１６】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、液体を循環させながら前記燃料電池スタックへと供給する液体循環系とを備える燃料電池システムにおいて、前記液体のうち導電率が悪化した部分のみが選択的に前記液体循環系外に誘導され、導電率が低減されることを特徴とする。
【００１７】
前述の通り、循環初期における液体には導電率の偏りがある。本発明では、液体の導電率の偏りを検知し、検知結果に基づいて導電率が悪化した部分の液体のみを外部に誘導してイオン除去フィルタ等により導電率を改善する。したがって、液体循環系の外部に誘導され導電率の改善対象となる液体は必要最小限で済み、迅速な処理が実現される。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、液体の導電率の偏りを検知して、その悪化部分だけを取り除いているので、迅速な処理が可能であり、起動時等においても液体循環系内で循環される液体の導電率を速やかに改善することができる。また、導電率が悪化した液体は、速やかに液体循環系の外部に誘導されるので、導電率の悪化した液体が燃料電池内に循環されることにより発生する液絡の問題を確実に解消することができる。さらに、本発明では、液体循環系で循環される液体のみで一連の処理を成立させることができるので、外部から大量の水を補給する必要もない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
本実施形態は、冷却水循環系のメイン流路と並列にサブ流路を設け、導電率の悪化した冷却水をこのサブ流路に誘導し、導電率を改善するものである。
【００２１】
図１に、本実施形態の燃料電池システムの構成を示す。この燃料電池システムは、例えば電気自動車の動力源となる燃料電池スタック１と、冷却水を循環させながら燃料電池スタック１へと供給して燃料電池スタック１を冷却する冷却水循環系２とを備える。その他、この燃料電池システムには、燃料電池スタック１に燃料である水素を供給する燃料供給系や空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１の電解質を加湿するための加湿機構等を有するが、これらは通常の構成であればよく、本発明の特徴的な部分ではないので、ここでは図示及び詳細な説明は省略する。
【００２２】
前記燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００２３】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによってイオン伝導性電解質として機能するものである。
【００２４】
前記固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、発電の際には化学反応に伴って発熱するが、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低いことから、これを冷却することが必要である。そこで、この燃料電池システムにおいては、冷却水を循環させながら燃料電池スタック１へと供給し、この冷却水によって燃料電池スタック１を冷却する冷却水循環系２が設けられている。
【００２５】
この冷却水循環系２は、冷却水を燃料電池スタック１へと供給するためのメイン流路３を備える。このメイン流路３には、冷却水を貯水する冷却水タンク４と冷却水ポンプ５とが設けられており、冷却水ポンプ５によって冷却水タンク４内の冷却水を循環させて燃料電池スタック１に供給することにより、燃料電池スタック１を冷却水によって冷却して、これを最適な温度に維持する。また、この冷却水循環系２のメイン流路３には、熱交換器（ラジエータ）６が設けられており、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却水は、ここで熱交換されて冷却される。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のようなメイン流路３に加えて、メイン流路３をバイパスするサブ流路７がメイン流路３に対して並列に設けられており、ここに導電率の悪化した冷却水を選択的に誘導し、これを改善するように構成されている。
【００２７】
ここで、サブ流路７とメイン流路３との接続部には、それぞれ可変バルブ８，９が設けられており、さらには、これら可変バルブ８，９を制御するバルブコントローラ１０が設けられている。これら可変バルブ８，９は、メイン流路３とサブ流路７との流路切り替えを行うものであり、バルブコントローラ１０によって切り替え制御される。
【００２８】
メイン流路３には導電率計１１が設置されており、この導電率計１１の下流位置にメイン流路３とサブ流路７とを接続する可変バルブ９が設置されている。したがって、導電率計１１で冷却水の導電率を検知し、これに基づきバルブコントローラ１０において冷却水の導電率が悪化していると判断された場合に、バルブコントローラ１０から可変バルブ８，９に流路切り替え信号を出して、例えば可変バルブ８を切り替えることで導電率の悪化した液体のみをサブ流路７に誘導することができる。
【００２９】
サブ流路７には、イオン除去フィルタ１２が設置されており、導電率が悪化した冷却水がこのイオン除去フィルタ１２を通過することで、冷却水の導電率を改善することができるようになっている。また、このイオン除去フィルタ１２によって導電率が改善された冷却水は、メイン流路３と接続される可変バルブ９を通過してメイン流路３に供給することができるようになっている。
【００３０】
さらに、サブ流路７には、メイン流路３の導電率計１１とは別に導電率計１３が設置されている。サブ流路７にこの導電率計１３が設置されることによって、導電率の悪化した冷却水がサブ流路７へ誘導されたことが、この導電率計１３によって検知できるようになっている。そして、この導電率計１３によって導電率の悪化した冷却水のサブ流路７への誘導が検知された場合、バルブコントローラ１０は、導電率計１３からの検知信号に基づいて、可変バルブ８，９に流路切り替え信号を出力して、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７内に封じ込める。
【００３１】
次に、以上のように構成される燃料電池システムにおける、冷却水の導電率改善制御について説明する。
【００３２】
冷却水が循環する系において、その系自身に冷却水の導電率を悪化させる因子をもった部品がある場合、循環初期において、例えば図２に示すように、メイン流路３内の冷却水の導電率には部分部分に偏りが生じる。本実施形態の燃料電池システムでは、循環初期における冷却水の導電率の偏りを検知して、その悪化部分だけをサブ流路７に誘導して取り除き、代わりに取り除いた冷却水の分だけ導電率が改善された冷却水をサブ流路７から冷却水循環系２のメイン流路３に供給する。
【００３３】
図３は、本実施形態の燃料電池システムの制御フローを示すものである。燃料電池スタック１の起動を行った場合（ステップＳ１）、燃料電池スタック１の起動に伴い、冷却水ポンプ５を起動させて冷却水の循環を行う（ステップＳ２）。
【００３４】
このとき、メイン流路３に設けられた導電率計１１によりメイン流路３内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｎをバルブコントローラ１０に出力する（ステップＳ３）。そして、導電率計１１により検出された検出値Ｎに基づいて、バルブコントローラ１０において冷却水の導電率判断を行う（ステップＳ４）。
【００３５】
ここで、検出値Ｎが所定値αを越えていない場合にはステップＳ５に進み、越えている場合にはステップＳ６に進む。起動初期段階では、導電率が悪化している冷却水が燃料電池スタック１内に供給されることで液絡が生じ、発電電力が無駄に消費されることや、液絡により不測の事態を生じさせる可能性もあるために、冷却水の導電率判断を行って、冷却水の導電率が悪化している場合にはその対応が必要となる。したがって、ここでいう所定値αとしては、このような液絡を生じさせない程度の導電率が選択される。
【００３６】
導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えていない場合には、冷却水をそのまま燃料電池スタック１に循環することができるので、ステップＳ５において、冷却水の流路としてメイン流路３を選択する。この流路の選択は、バルブコントローラ１０から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力することにより行う。
【００３７】
一方、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えている場合には、ステップＳ６において、冷却水の流路としてイオン除去フィルタ１２を備えたサブ流路７を選択して、バルブコントローラ１０から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力し、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７に導入する。なお、このようにメイン流路３に設けられた導電率計１１により冷却水の導電率の悪化を検知した場合、冷却水の流速、導電率計１１の応答性、導電率計１１と流路切り替えバルブである可変バルブ８までの距離をそれぞれ計算し、その算出結果に基づいて可変バルブ８の切り替え操作を行って、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７に誘導する。
【００３８】
次のステップＳ７では、サブ流路７に設けられた導電率計１３によりサブ流路７内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｐを出力する。そして、この導電率計１３による検出値Ｐを導電率計１１の検出値Ｎと比較し（ステップＳ８）、サブ流路７の入口側の冷却水の導電率の検出値Ｎがサブ流路７の出口側の冷却水の導電率の検出値Ｐよりも小さい場合はステップＳ９に進み、大きい場合はステップＳ１０に進む。ステップＳ９では、可変バルブ８，９を閉じてサブ流路７をメイン流路３から切り離し、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７内へ封じ込める。
【００３９】
本実施形態によれば、導電率計１１で冷却水の導電率の悪化を検知した場合、バルブコントローラ１０に検知信号を出力して、バルブコントローラ１０から可変バルブ８，９に流路切り替え信号を出し、可変バルブ８，９を切り替えることで導電率の悪化した冷却水のみをサブ流路７に誘導することができる。その結果、図２に示すような導電率が上下するような状況で、導電率の悪化部分だけを選択的に取り除くことができ、導電率の改善を速やかに行うことができる。また、起動時には、予めサブ流路で導電率が改善されていた冷却水をメイン流路３に供給することができ、その結果、メイン流路３の冷却水の導電率を起動初期から導電率の低い状態に保つことができ、液絡によるショートや電力の消費を抑えることができる。
【００４０】
さらに、導電率の改善具合により可変バルブ９の切り替えが可能なことから、導電率の悪化したままの冷却水はサブ流路７内に封じ込めて、これがメイン流路３に流入することを防ぐことができる。さらにまた、メイン流路３とサブ流路３内にある冷却水のみで燃料電池スタック１の運転が可能であるため、導電率の改善を目的に外部から液体の供給をする必要がなくなり、自動車等の外部からの液体の供給が難しい場合や、定置型の場合でも適用可能であり、例えば水の供給に要するポンプ等のコストを抑えることも可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、図１に示す第１の実施形態の構成に加えて、サブ流路７にバイパス配管１４を設置し、さらにバイパス配管１４上にサブポンプ１５を設置するようにしたものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上の構成によって、サブ流路７内に封じ込めた導電率の悪化した冷却水を、サブポンプ１５を用いてサブ流路７内で循環させて、導電率の改善を行うことができる。本実施形態における制御フローを図５に示す。
【００４３】
燃料電池スタック１の起動を行った場合（ステップＳ１１）、燃料電池１の起動に伴い、冷却水ポンプ５を起動させて冷却水の循環を行う（ステップＳ１２）。このとき、メイン流路３に設けられた導電率計１１によりメイン流路３内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｎをバルブコントローラ１０に出力する（ステップＳ１３）。そして、導電率計１１により検出された検出値Ｎに基づいて、バルブコントローラ１０において冷却水の導電率判断を行う（ステップＳ１４）。
【００４４】
ここで、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えていない場合には、冷却水をそのまま燃料電池スタック１に循環することができるので、ステップＳ１５において、冷却水の流路としてメイン流路３を選択する。この流路の選択は、バルブコントローラ１０から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力することにより行う。
【００４５】
一方、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えている場合には、ステップＳ１６において、冷却水の流路としてイオン除去フィルタ１２を備えたサブ流路７を選択し、バルブコントローラ１０から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力して、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７に導入する。
【００４６】
次のステップＳ１７では、サブ流路７に設けられた導電率計１３によりサブ流路７内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｐを出力する。そして、この導電率計１３による検出値Ｐを導電率計１１の検出値Ｎと比較し（ステップＳ１８）、サブ流路７の入口側の冷却水の導電率の検出値Ｎがサブ流路７の出口側の冷却水の導電率の検出値Ｐよりも小さい場合はステップＳ１９に進み、大きい場合はステップＳ２０に進む。
【００４７】
ステップＳ１９では、可変バルブ８，９を閉じてサブ流路７をメイン流路３から切り離し、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７内へ封じ込める。それとともに、サブポンプ１５の起動信号をバルブコントローラ１０から出力し、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７で循環させて繰り返しイオン除去フィルタ１２を通過させることにより、冷却水の導電率を速やかに改善する。
【００４８】
前記ステップＳ１９における導電率改善操作が進んだら、導電率計１３によりサブ流路７内の冷却水の導電率（検出値Ｑ）を検出する（ステップＳ２１）。そして、ステップＳ２２において、導電率計１３の検出値Ｑに基づいてバルブコントローラ１０において冷却水の導電率判断を行う。検出値Ｑが所定値βを越えている場合には、冷却水の導電率改善が不十分と判断してステップＳ２１に戻り、更に導電率改善操作を進めた後に再度冷却水の導電率の測定を行う。これを検出値Ｑが所定値βを下回るまで繰り返し行う。そして、検出値Ｑが所定値β以下となった場合には、ステップＳ２３に進み、サブポンプ１５の運転を停止する。
【００４９】
本実施形態によれば、導電率が悪化した冷却水を短時間のうちに改善することができ、第１の実施形態に比べて冷却水の導電率改善を速やかに行うことができる。
【００５０】
（第３の実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、図１に示す第１の実施形態の構成に加えて、サブ流路７内にサブタンク１６を設けている。そして、このサブタンク１６内にイオン除去フィルタ１２を設置すると共に、導電率計１３がサブタンク１６内の冷却水の導電率を検知するようにしたものである。また、サブタンク１６にはシャットバルブ１７が設けられている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上の構成により、サブ流路７内に封じ込めた導電率の悪化した冷却水を、サブタンク１６に誘導して、このサブタンク１６内のイオン除去フィルタ１２により導電率の改善を行うことができる。また、このサブタンク１６内の冷却水の導電率の改善を導電率計１３で検知して、シャットバルブ１７を開くことにより、サブタンク１６からメイン流路３に導電率が改善された冷却水を供給することができる。本実施形態の制御フローを図７に示す。
【００５２】
燃料電池スタック１の起動を行った場合（ステップＳ３１）、燃料電池１の起動に伴い、冷却水ポンプ５を起動させて冷却水の循環を行う（ステップＳ３２）。このとき、メイン流路３に設けられた導電率計１１によりメイン流路３内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｎをバルブコントローラ１０に出力する（ステップＳ３３）。そして、導電率計１１により検出された検出値Ｎに基づいて、バルブコントローラ１０において冷却水の導電率判断を行う（ステップＳ３４）。
【００５３】
ここで、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えていない場合には、冷却水をそのまま燃料電池スタック１に循環することができるので、ステップＳ３５において、冷却水の流路としてメイン流路３を選択する。この流路の選択は、バルブコントローラ１０から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力することにより行う。
【００５４】
一方、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えている場合には、ステップＳ３６において、冷却水の流路としてイオン除去フィルタ１２を備えたサブ流路７を選択し、バルブコントローラ１０から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力して、導電率の悪化した冷却水をサブ流路７のサブタンク１６内に導入する。このとき、シャットバルブ１７を開けておき、サブタンク１６内の予め導電率が改善された冷却水をメイン流路３に補給する。
【００５５】
次のステップＳ３７では、サブタンク１６に設けられた導電率計１３によりサブタンク１６内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｐを出力する。そして、この導電率計１３による検出値Ｐを導電率計１１の検出値Ｎと比較し（ステップＳ３８）、サブ流路７の入口側の冷却水の導電率の検出値Ｎがサブタンク１６内の冷却水の導電率の検出値Ｐよりも小さい場合はステップＳ３９に進み、大きい場合はステップＳ４０に進む。ステップＳ３９では、可変バルブ８，９を閉じてサブ流路７をメイン流路３から切り離し、サブ流路７への冷却水の導入を遮断した後、サブタンク１６内においてイオン除去フィルタ１２により冷却水の導電率を改善させる。
【００５６】
本実施形態では、導電率の改善をサブポンプ１５を用いることなく行うことが可能であり、サブポンプ１５を作動させるための電力が不要となるので、省電力化を図る上で有利である。また、導電率が悪化した冷却水をサブ流路７の配管内に滞留させずに、サブタンク１６内に誘導してイオン除去フィルタ１２で処理しているので、導電率の改善を効果的に行うことができる。
【００５７】
（第４の実施形態）
本実施形態は、第３の実施形態の変形例に相当するものであり、図８に示すように、図６に示した第３の実施形態の構成に対して、導電率計１１と導電率計１３を外し、代わりに冷却水タンク４にレベルセンサ１８及びコントローラ１９を設けるようにしている。また、サブタンク１６の上流位置にサブポンプ１５を設置している。
【００５８】
本実施形態は、冷却水の導電率を悪化させる部位が予め特定できている場合において有効に適用されるものである。すなわち、予め導電率を悪化させる部位が特定できている場合、メイン流路３において、導電率を悪化させる部位（本例では燃料電池スタック１）の直後に可変バルブ８を設置し、冷却水の循環開始前に可変バルブ８を切り替えて、サブ流路７に導電率の悪化した冷却水を誘導する。その際、サブポンプ１５も同時に起動して冷却水をサブタンク１６まで誘導する。
【００５９】
そして、ある規定時間に達した時点で可変バルブ８，９をメイン流路３に切り替えて燃料電池スタック１を起動する。これにより、起動初期段階の導電率が悪化している冷却水が燃料電池スタック１内に供給されることで生ずる液絡及びそれに起因する種々の問題を未然に回避することができる。
【００６０】
本実施形態の利点は、導電率計によるバルブの制御が必要ないため、制御が難しくなく、確実に導電率の悪化した冷却水を取り除くことができる点にある。また、図８に示す構成ではサブタンク１６を設置しているが、冷却水循環系の水収支上で成り立つならば、可変バルブ８を切り替えて取り除いた冷却水をそのまま外部に排出することも可能である。また、冷却水循環系２の冷却水の量については、レベルセンサ１８にて常に検知しており、冷却水タンク４の冷却水量が所定値以下であるとコントローラ１９が判断した場合は、シャットバルブ１７にバルブ開の出力をし、サブタンク１６内の冷却水をメイン流路３に供給することができる。
【００６１】
（第５の実施形態）
本実施形態は、図９に示すように、メイン流路３内の冷却水タンク４を仕切板２０によってＡ槽４ＡとＢ槽４Ｂの２つの槽に分け、Ａ槽４Ａにイオン除去フィルタ１２を設置して上述したサブ流路７と同様の機能を持たせるようにしたものである。また、Ｂ槽４Ｂにはレベルセンサ１８を設置し、メイン流路３上には導電率計１１に加えて温度センサ２１を設置するようにしている。
【００６２】
本実施形態では、冷却水タンク４の入口及び出口に可変バルブ８，９がそれぞれ設けられており、これら可変バルブ８，９の切り換えによってＡ槽４ＡとＢ槽４Ｂとが使い分けられる。また、イオン除去フィルタ１２が設置されたＡ槽４Ａ内の冷却水の導電率が導電率計１３によって検知されるようになっている。コントローラ１９は、前記導電率計１１，１３、レベルセンサ１８、及び温度センサ２１からの出力情報に基づいて前記可変バルブ８，９を切り替え制御する。
【００６３】
本実施形態の燃料電池システムも、固体高分子型の燃料電池スタック１に対して冷却水タンク４からメイン流路３を通じて冷却水ポンプ５により冷却水を供給し、燃料電池スタック１を通過した冷却水が、ラジエータ等の熱交換器６によって冷却された後に冷却水タンク４に帰還させるメイン循環系統を持つシステムである。
【００６４】
本実施形態の燃料電池システムでは、導電率計１１によりメイン流路３の導電率を検知し、コントローラ１９において導電率の悪化を検知した場合に，コントローラ１９から可変バルブ８に流路切り替え信号を出力し、可変バルブ８を切り替えることで導電率の悪化した冷却水のみを冷却水タンク４のＡ槽４Ａに誘導する。その結果、図２に示すような導電率が上下するような状況で、導電率の悪化部分だけを選択的に取り除くことができ、導電率の改善を速やかに行うことができる。また、予め冷却水タンク４のＡ槽４Ａで導電率が改善された冷却水をメイン流路３に供給することができる。その結果、メイン循環系統の冷却水の導電率を起動初期から低い状態に保つことができ、液絡によるショートや電力の消費を抑えることができる。また、導電率の改善具合により、可変バルブ９の切り替えが可能なことから、導電率の悪化したままの冷却水がメイン流路３に流入するのを防ぐことができる。
【００６５】
また、導電率計１１の他にも、レベルセンサ１８を冷却水タンク４のＢ槽４Ｂに設置することで、メイン循環系統の冷却水不足をレベルセンサ１８で検知した場合、コントローラ１９に冷却水不足の信号を出力し、コントローラ１９から可変バルブ９に切り替え信号を出力して、冷却水タンク４のＡ槽４Ａにある冷却水をメイン循環系統に供給することができる。さらに、温度センサ２１をメイン流路３上に設置することで、温度センサ２１で温度異常を検知した場合は、コントローラ１９に温度異常の信号を出力し、コントローラ１９から可変バルブ８に切り替え信号を出力することで、温度異常の冷却水を冷却水タンク４のＡ槽４Ａに誘導し、同時にコントローラ１９から可変バルブ９に切り替え信号を出力することで、冷却水タンク４のＡ槽４Ａ中の温度が異常値以下の冷却水をメイン循環系統に供給することができる。
【００６６】
本実施形態の制御フローを図１０に示す。燃料電池スタック１の起動を行った場合（ステップＳ４１）、燃料電池１の起動に伴い、冷却水ポンプ５を起動させて冷却水の循環を行う（ステップＳ４２）。このとき、メイン流路３に設けられた導電率計１１によりメイン流路３内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｎをコントローラ１９に出力する（ステップＳ４３）。そして、導電率計１１により検出された検出値Ｎに基づいて、コントローラ１９において冷却水の導電率判断を行う（ステップＳ４４）。
【００６７】
ここで、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えている場合には、ステップＳ４５において、コントローラ１９から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力し、冷却水が流入される槽をＢ槽４Ｂからイオン除去フィルタ１２を備えたＡ槽４Ａに切り替え、導電率の悪化した冷却水をＡ槽４Ａ内に導入する。このとき、可変バルブ９を開けておき、Ａ槽４Ａ内の予め導電率が改善された冷却水をメイン流路３に補給する。
【００６８】
次のステップＳ４６では、Ａ槽４Ａに設けられた導電率計１３によりＡ槽４Ａ内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｐを出力する。そして、この導電率計１３による検出値Ｐを導電率計１１の検出値Ｎと比較し（ステップＳ４７）、導電率の悪化を判断し、メイン流路３の冷却水の導電率の検出値ＮがＡ槽４Ａ内の冷却水の導電率の検出値Ｐよりも小さい場合はステップＳ４８に進み、大きい場合はステップＳ４９に進む。ステップＳ４８では、可変バルブ８，９を閉じてＡ槽４Ａをメイン流路３から切り離し、Ａ槽４Ａへの冷却水の導入を遮断した後、Ａ槽４Ａ内においてイオン除去フィルタ１２により冷却水の導電率を改善させる。
【００６９】
一方、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えていない場合には、ステップＳ５０において、温度センサ２１とレベルセンサ１８によりメイン循環系統の冷却水温度Ｔと冷却水タンク４のＢ槽４Ｂの液面Ｈとを検出する。そして、ステップＳ５１では、温度センサ２１の検出値Ｔよりコントローラ１９において冷却水の温度判断を行う。ここで、温度センサ２１の検出値Ｔが所定値γを越えている場合にはステップＳ５２に進み、越えていない場合にはステップＳ５３に進む。
【００７０】
ステップＳ５２では、可変バルブ８，９に流路切り替えのための流路切り替え信号をコントローラ１９から出力し、冷却水流路を冷却水タンク４のＢ槽４Ｂから冷却水温度の低いＡ槽４Ａに切り替え、温度異常が生じている冷却水をＡ槽４Ａに誘導する。
【００７１】
一方、ステップＳ５３では、レベルセンサ１８の検出値Ｈよりコントローラ１９において冷却水の液面低下判断を行う。ここで、レベルセンサ１８の検出値Ｈが所定値φを越えていない場合には液面低下と判断してステップＳ５４に進み、越えている場合にはステップＳ５５に進む。
【００７２】
ステップＳ５４では、液面レベルを所定値以上にするために、バルブ９に流路切り替え信号をコントローラ１９から出力し、冷却水タンク４のＡ槽４Ａ中の冷却水をメイン循環系統に誘導する。一方、ステップＳ５５では、流路切り替えのためのバルブ８，９に流路切り替え信号をコントローラ１９から出力し、冷却水流路をイオン除去フィルタ１２が設置されたＡ槽４ＡからＢ槽４Ｂに切り替えて、メイン配管系統に切り替える。
【００７３】
以上のように、本実施形態では、第１の実施形態と同様、導電率の悪化が検知された場合のみ、導電率が悪化した冷却水を選択的にメイン循環系から取り除くことができ、メイン循環系内の冷却水の導電率を低く維持することができる。また、本実施形態は、冷却水タンクに改良を加えるだけで成立するシステムであるので、低コスト、省スペースで実現することが可能であり、加えて温度異常や水位レベル異常にも対応できるという利点も有する。
【００７４】
（第６の実施形態）
本実施形態は、第５の実施形態と同様に、冷却水タンク４を２分割したものであるが、図１１に示すように、冷却水タンク４のＡ槽４ＡとＢ槽４Ｂを全く別の槽となるように完全に２つに分割した点、及びイオン除去フィルタ１２を設置したＡ槽４Ａに放熱ファンのような放熱装置２２を設置した点が第５の実施形態のものと異なる。
【００７５】
本実施形態の制御フローを図１２に示す。燃料電池スタック１の起動を行った場合（ステップＳ６１）、燃料電池１の起動に伴い、冷却水ポンプ５を起動させて冷却水の循環を行う（ステップＳ６２）。このとき、メイン流路３に設けられた導電率計１１によりメイン流路３内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｎをコントローラ１９に出力する（ステップＳ６３）。そして、導電率計１１により検出された検出値Ｎに基づいて、コントローラ１９において冷却水の導電率判断を行う（ステップＳ６４）。
【００７６】
ここで、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えている場合には、ステップＳ６５において、コントローラ１９から流路切り替えのための流路切り替え信号を可変バルブ８，９に出力し、冷却水が流入される槽をＢ槽４Ｂからイオン除去フィルタ１２を備えたＡ槽４Ａに切り替え、導電率の悪化した冷却水をＡ槽４Ａ内に導入する。このとき、可変バルブ９を開けておき、Ａ槽４Ａ内の予め導電率が改善された冷却水をメイン流路３に補給する。
【００７７】
次のステップＳ６６では、Ａ槽４Ａに設けられた導電率計１３によりＡ槽４Ａ内の冷却水の導電率を検出し、検出値Ｐを出力する。そして、この導電率計１３による検出値Ｐを導電率計１１の検出値Ｎと比較し（ステップＳ６７）、導電率の悪化を判断し、メイン流路３の冷却水の導電率の検出値ＮがＡ槽４Ａ内の冷却水の導電率の検出値Ｐよりも小さい場合はステップＳ６８に進み、大きい場合はステップＳ６９に進む。ステップＳ６８では、可変バルブ８，９を閉じてＡ槽４Ａをメイン流路３から切り離し、Ａ槽４Ａへの冷却水の導入を遮断した後、Ａ槽４Ａ内においてイオン除去フィルタ１２により冷却水の導電率を改善させる。
【００７８】
一方、導電率計１１による検出値Ｎが所定値αを越えていない場合には、ステップＳ７０において、温度センサ２１とレベルセンサ１８によりメイン循環系統の冷却水温度Ｔと冷却水タンク４のＢ槽４Ｂの液面Ｈとを検出する。そして、ステップＳ７１では、温度センサ２１の検出値Ｔよりコントローラ１９において冷却水の温度判断を行う。ここで、温度センサ２１の検出値Ｔが所定値γを越えている場合にはステップＳ７２に進み、越えていない場合にはステップＳ７３に進む。
【００７９】
ステップＳ７２では、可変バルブ８，９に流路切り替えのための流路切り替え信号をコントローラ１９から出力し、冷却水流路を冷却水タンク４のＢ槽４Ｂから冷却水温度の低いＡ槽４Ａに切り替え、温度異常が生じている冷却水位をＡ槽４Ａに誘導する。これと同時に放熱装置２２を起動して、Ａ槽４Ａ内の冷却水の冷却を促進する。
【００８０】
一方、ステップＳ７３では、Ａ槽４Ａに設けられた放熱装置２２を停止する。そして、ステップＳ７４において、レベルセンサ１８の検出値Ｈに基づいてコントローラ１９で冷却水の液面低下判断を行う。ここで、レベルセンサ１８の検出値Ｈが所定値φを越えていない場合には液面低下と判断してステップＳ７５に進み、越えている場合にはステップＳ７６に進む。
【００８１】
ステップＳ７５では、液面レベルを所定値以上にするために、バルブ９に流路切り替え信号をコントローラ１９から出力し、冷却水タンク４のＡ槽４Ａ中の冷却水をメイン循環系統に誘導する。一方、ステップＳ７６では、流路切り替えのためのバルブ８，９に流路切り替え信号をコントローラ１９から出力し、冷却水流路をイオン除去フィルタ１２が設置されたＡ槽４ＡからＢ槽４Ｂに切り替えて、メイン配管系統に切り替える。
【００８２】
本実施形態では、先の第５の実施形態と同様の効果が得られることに加え、冷却水タンク４を完全に２つの槽に分離して、イオン除去フィルタ１２を設置した槽に放熱装置２２を設置しているので、温度異常時の燃料電池スタック１の保護機能を一層向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】燃料電池スタック起動時のメイン流路における冷却水の導電率変化を示す特性図である。
【図３】第１の実施形態における制御フローを示すフローチャートである。
【図４】第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態における制御フローを示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図７】第３の実施形態における制御フローを示すフローチャートである。
【図８】第４の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図９】第５の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図１０】第５の実施形態における制御フローを示すフローチャートである。
【図１１】第６の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図１２】第６の実施形態における制御フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 冷却水循環系
３ メイン流路
４ 冷却水タンク
４Ａ Ａ槽
４Ｂ Ｂ槽
５ 冷却水ポンプ
６ 熱交換器
７ サブ流路
８，９ 可変バルブ
１０ バルブコントローラ
１１，１３ 導電率計
１２ イオン除去フィルタ
１４ バイパス配管
１５ サブポンプ
１６ サブタンク
１８ レベルセンサ
１９ コントローラ
２０ 仕切板
２１ 温度センサ
２２ 放熱装置

Claims (18)

1. 燃料電池スタックと、液体を循環させながら前記燃料電池スタックへと供給する液体循環系とを備える燃料電池システムにおいて、
   前記液体のうち導電率が悪化した部分のみが選択的に前記液体循環系外に誘導されて、導電率の改善が図られることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記液体循環系は、液体として冷却水を循環させる冷却水循環系であり、
   前記冷却水循環系は、熱交換器、冷却水タンク、及びポンプを備えたメイン流路を有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。
3. 前記メイン流路に導電率計が設けられており、前記冷却水の導電率の悪化はこの導電率計によって検知されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記メイン流路に対して流路切り替えバルブを介して接続されるサブ流路が設けられるとともに、このサブ流路にはイオン除去フィルタが設けられており、
   前記導電率の悪化した冷却水は、前記サブ流路に誘導されて、前記イオン除去フィルタにより導電率が改善されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 循環初期において、前記メイン流路内の冷却水の導電率の偏りを検知して導電率が悪化した部分の冷却水を前記サブ流路に誘導するとともに、前記サブ流路内の導電率が改善された冷却水を前記メイン流路に誘導することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記メイン流路に設けられた導電率計により前記冷却水の導電率の悪化を検知した場合、冷却水の流速、前記導電率計の応答性、前記導電率計と前記流路切り替えバルブまでの距離をそれぞれ計算し、その算出結果に基づいて前記流路切り替えバルブの切り替え操作を行って、前記導電率の悪化した冷却水を前記サブ流路に誘導することを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
7. 前記サブ流路に導電率計が設けられており、この導電率計によって導電率の悪化した冷却水の誘導を検知した際、前記サブ流路が前記メイン流路から分離されることを特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
8. 前記サブ流路は、冷却水を当該サブ流路内で循環させることが可能な配管構成とされていることを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
9. 前記サブ流路には、冷却水を当該サブ流路内で循環させるためのポンプが設けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記サブ流路に前記イオン除去フィルタを備えた冷却水サブタンクが設置されていることを特徴とする請求項４乃至９の何れかに記載の燃料電池システム。
11. 前記冷却水サブタンクの上流位置にポンプが設けられ、前記冷却水タンクにレベルセンサが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記メイン流路において冷却水の導電率を悪化させる部位が特定されており、この冷却水の導電率を悪化させる部位の直後に前記サブ流路が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記メイン流路に設けられた冷却水タンクの内部が２つの槽に分割されるとともに、分割された一方の槽にイオン除去フィルタが設けられ、
    導電率の悪化した冷却水は、前記イオン除去フィルタが設けられた槽内に誘導されて、前記イオン除去フィルタにより導電率が改善されることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
14. 前記２つの槽のうち、イオン除去フィルタの設けられていない槽の水位がしきい値以下になったときに、イオン除去フィルタが設けられた槽から冷却水が補給されることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 冷却水の温度が所定の温度以上となった場合、冷却水は前記イオン除去フィルタが設けられた槽内に誘導され、同時に前記イオン除去フィルタが設けられた槽内に貯水されていた冷却水が前記メイン流路に供給されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記メイン流路に温度センサが設けられ、この温度センサによって前記冷却水の温度が検知されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記冷却水タンクは、完全に独立した２つの槽に分割されていることを特徴とする請求項１３乃至１６の何れかに記載の燃料電池システム。
18. 前記イオン除去フィルタが設けられた槽には、放熱機構が設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。

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