JP2005129237A - 燃料電池システムの水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電率計測のための消費電力が小さく、しかも計測回路の構造や製法さらにその品質管理が簡単になる燃料電池システムの水処理装置を提供すること。
【解決手段】純水タンク１５には、その貯水にその一部が浸漬された少なくとも２本の電極体１８ａ、１８ｂから構成される導電率センサ１９が配置され、２本の電極体１８ａ、１８ｂには、計測回路２０が接続されている。計測回路２０は、予め記憶させた間隔（Ｉ）ごとに、直流電圧を導電率センサ１９に時間（ｔ）だけ印加して、流れる電流値から導電率の計測を行う。一方、間隔（Ｉ）の期間は、導電率の計測を行わない。このため、導電率計測のための消費電力が小さくなる。また、２本の電極体に直流電圧を短時間印加した際に流れる電流値から導電率計測を行う構成であるため、計測回路の構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムで用いる水を供給する水処理装置に関するものである。

従来の燃料電池システムの水処理装置としては、燃料電池冷却液の導電率管理装置に記載されるものがあり、その構成を図４に示す（例えば、特許文献１）。特許文献１には、循環ポンプ１により燃料電池２と熱交換器３との間でタンク４に貯水した冷却液を循環させる循環流路５と、この循環流路５から取り出した冷却液を導電率低減装置６を通して循環流路５に戻すバイパス流路７と、循環流路５からバイパス流路７への冷却液バイパス割合を調整するバルブ８と、冷却液に配置した導電率センサ９および温度センサ１０の信号に基づいてバルブ８により冷却液バイパス割合を制御する制御装置１１との構成が記載されている。

次に、導電率センサについて説明する。一般的に、導電率センサは、２本の電極体に数千Ｈｚの１０Ｖ交流電圧を印加した際の抵抗値を、複素インピーダンス解析して水の抵抗を算出して、導電率を求める構成品が広く使用されている。
特開２００２−２１６８１７号公報（第２頁、図１）

しかしながら、従来の燃料電池システムの水処理装置は、冷却液に配置した導電率センサ９および温度センサ１０の信号に基づいて、制御装置１１がバルブ８を制御してその導電率および水温を調整するため、水質管理を常時行う必要が有り、そのための消費電力が大きい課題が有った。一方、導電率は、２本の電極体に数千Ｈｚの１０Ｖ交流電圧を印加した際の抵抗値を、複素インピーダンス解析して水の抵抗を算出し導電率を求める構成であるため、計測回路が複雑な構造と製法さらに品質管理が必要という課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、導電率計測のための消費電力が小さく、しかも計測回路の構造や製法さらにその品質管理が簡単になる燃料電池システムの水処理装置に関するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの水処理装置は、イオン水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、前記イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、前記純水タンクに配置されており水の導電率を計測する導電率センサと、前記純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、前記改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池と、を少なくとも有した燃料電池システムであり、前記導電率センサは、前記純水タンクの貯水にその一部が浸漬された少なくとも２本の電極体から構成されており、前記少なくとも２本の電極体に接続された計測回路は、導電率計測を行うために、予め記憶させた間隔（Ｉ）ごとに直流電圧を前記導電率センサに時間（ｔ）だけ印加して流れる電流値を計測するとした。

導電率計測を、予め記憶させた所定の間隔（Ｉ）ごとに所定の時間（ｔ）だけ行うため、導電率計測のための消費電力が小さくなる。また、少なくとも２本の電極体に直流電圧を短時間印加した際に流れる電流値から導電率計測を行う構成であるため、計測回路の構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムの水処理装置は、導電率計測を予め記憶させた所定の間隔（Ｉ）ごとに所定の時間（ｔ）だけ行うため、導電率計測のための消費電力が小さくなる。また、少なくとも２本の電極体に直流電圧を短時間印加した際に流れる電流値から導電率計測を行う構成であるため、計測回路の構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。

第１の発明は、イオン水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、前記イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、前記純水タンクに配置されて水の導電率を計測する導電率センサと、前記純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、前記改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池と、を少なくとも有した燃料電池システムであり、前記導電率センサは、前記純水タンクの貯水にその一部が浸漬された少なくとも２本の電極体から構成されており、前記少なくとも２本の電極体に接続された計測回路は、導電率計測を行うために、予め記憶させた間隔（Ｉ）ごとに直流電圧を前記導電率センサに時間（ｔ）だけ印加して流れる電流値を計測する燃料電池システムの水処理装置である。

導電率計測を予め記憶させた所定の間隔（Ｉ）ごとに所定の時間（ｔ）だけ行うため、導電率計測のための消費電力が小さくなる。また、少なくとも２本の電極体に直流電圧を短時間印加した際に流れる電流値から導電率計測を行う構成であるため、計測回路の構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。

第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、導電率が、予め記憶させた閾値（Ｄ）を複数回越えた場合、イオン除去装置の交換を知らせる警報信号を発するとしている。警報信号を複数回発することで、誤検知を防止できる利点が有る。

第３の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、間隔（Ｉ）は、燃料電池システム運転動作開始毎に起動し、起動より起算して時間（ｋ）後に、導電率の計測を開始するとしたことにより、燃料電池システムは、運転するたびごとに導電率の計測が行われて、イオン除去装置のイオン除去機能が低下していないかを検定されるので、安心して運転することが出来る利点が有り、最適である。

第４の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、燃料電池システム運転動作開始毎に起動し、純水タンクの水温もしくは前記純水タンクから溢れた脱イオンを貯水する冷却水タンクの水温が、設定された温度（Ｔ）を超えた時に、導電率の計測を開始するとしている。変動の小さい水温範囲において測定が行われるので、水温による導電率値の変動が低減され、導電率は、測定誤差が小さくなる利点が生じる。

第５の発明は、第４の発明の燃料電池システムの水処理装置において、温度（Ｔ）が、システム運転動作中における安定水温の下限値に設定されているとしている。
変動の非常に小さい水温範囲において測定が行われるので、水温による導電率値の変動が一層低減され、導電率は、測定誤差が一層小さくなる利点が生じる。

第６の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、接水部を屈曲させた板状としている。電極体は、接水部を屈曲した板状として接水面積を大きくした電極体とすると、水位の変動に伴う接水面積の変動に対して、発生電流の変動が小さい。

第７の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、純水タンクの接水材料の少なくとも一部を耐腐性金属で構成し、前記耐腐性金属に直流電圧の陰極を接続している。純水タンクは、止むを得ずその一部を耐腐性金属で構成せざるを得ない場合、耐腐性金属に直流電源の陰極を接続して、材料耐久性に悪影響が及ぶことを低減させる様にした。

第８の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、直流電圧の陰極に接続した電極体は、オーステナイト系ステンレスであり、接水部の電位が０〜ー２Ｖ（飽和甘汞電極基準）であるとした。このことにより、直流電圧の陰極に接続した電極体の、電圧印加による腐蝕を防止している。

第９の発明は、第１の発明の燃料電池システムの水処理装置において、導電率センサは、純水タンクの蓋に吊り下げられている。導電率センサを、純水タンクの蓋に吊り下げられることで、構成の簡素化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態の構成図および効果特性図であり、図１(ａ)は燃料電池システムの構成図、図１(ｂ)は導電率センサの動作図、図１(ｃ)は導電率と電流との相関図である。燃料電池システムは、イオン水を貯水する凝縮水タンク１２と、凝縮水タンク１２から供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置１３および水ポンプ１４と、イオン除去装置１３から供給される脱イオン水を貯水する純水タンク１５と、純水タンク１５から供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部１６と、改質ガス供給部１６で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池１７と、を少なくとも有している。

純水タンク１５には、その貯水にその一部が浸漬された少なくとも２本の電極体１８ａ、１８ｂから構成される導電率センサ１９が配置され、２本の電極体１８ａ、１８ｂには、計測回路２０が接続されている。計測回路２０は、導電率計測を行う時は、予め記憶させた間隔（Ｉ）ごとに直流電圧を、導電率センサ１９に時間（ｔ）だけ印加し、流れる電流値を計測する。一方、間隔（Ｉ）―（ｔ）の期間は、導電率センサ１９への直流電圧印加および導電率計測を行わない。また、水の導電率と電流との相関を予め測定しておいて、測定した電流値から導電率が推定できる検量線を求め、その関係を計測回路２０に入力して、電流値からの導電率計測を行っている。

構成と材料について具体的に説明する。凝縮水タンク１２と純水タンク１５は、ステンレスや樹脂内に水を貯水した水槽である。イオン除去装置１３は、ステンレスや樹脂の容器内に、イオン交換樹脂などを充填して、陽陰イオンを捕捉除去して脱イオン化する装置である。改質ガス供給部１６は、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒をステンレス容器に充填した装置であり、都市ガス（メタンが主成分）と水を約６５０℃で化学反応させて、８割の水素と２割の二酸化炭素を生成する様にしている。純水タンク１５から供給される脱イオン水は、この化学反応を進行させる役割を果す。なお、改質ガス供給部１６にはこの他にさらに、アルミナ担体に白金を担持した触媒を後流側に配置して、前記化学反応で微量発生する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する様にしている。

燃料電池１７は、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系水素イン伝導性電解質膜（記載せず）に、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持した構成の燃料極および空気極（いずれも記載せず）をその両側に備えた電池の集合体である。改質ガス供給部１６から燃料極へ供給させる水素と、送風機（記載せず）から空気極へ供給させる空気中の酸素により、電気化学反応が起こり発電する。燃料電池１７は、前記材料・構成の電池を多数積層した集合体であり、水素や酸素のガスが良好に流れて各電極に到達し易くしたガス流路（記載せず）と、発電により発生した熱を搬送し放熱するための水流路（記載せず）が、その内部に配置されている。

この構成の燃料電池システムにすると、次の３つの利点が有る。２本の電極体１８a、１９ｂに直流電圧を印加した際に流れる電流値から導電率計測を行う構成であるため、従来の交流電圧印加から得られる抵抗値を複素インピーダンス手法で解析して水抵抗を算出して導電率を求める構成品と比較して、計測回路２０の構造や製法さらにその品質管理が簡単になっている。また、予め記憶させた所定間隔（Ｉ）ごとに所定時間（ｔ）だけ導電率計測を行うため、導電率計測のための消費電力が小さくなる。さらに、改質ガス供給部１６へ供給される水は、脱イオン水であるため、改質ガス供給部１６の耐久信頼性に影響を及ぼさない。

導電率センサ１９は、純水タンク１５の側面に取り付けるか、もしくは上部からの吊り下げで取り付けられている。電極体１８ａ、１８ｂは、カーボン、白金やルテニウムさらにイリジウムなどの貴金属をメッキしたチタン、チタンなどの材料が使用されている。また、電極体１８ａ、１８ｂは、３個以上配置して電極体の面積を拡大して流れる電流を増大させ、導電率センサ１９の検出精度を向上させることも可能である。

また、導電率センサ１９は、純粋タンク１５に配置した水位センサ（記載せず）と連動して、水位変動に対応することも可能である。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態は、イオン除去装置１３の交換を知らせる警報信号について検討した。イオン除去装置１３は、長期間使用すると、イオン除去機能が低下して、その出口からは脱イオンされない水が排出される。この様な状況になると、イオン除去装置１３はその機能を果さない状況となっているので、交換が必要である。一方、脱イオンされていない水が排出されると、純水タンク１５に貯水している水の導電率が上昇してくる。そこで、導電率センサ１９で検出された導電率が、予め記憶させた閾値（Ｄ）を複数回越えた場合、イオン除去装置１３の交換を知らせる警報信号を発する様にした。その制御流れを図２および図３に示す。導電率が閾値（Ｄ）を越えた回数が複数回とした理由は、誤検知を防止するためであり、例えば１回にすると誤検知に対応できない問題が生じるためである。この複数回は、特に連続して複数とすると、誤検知を一層防止できる利点も有る。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態は、導電率の計測時期について検討した。その結果、所定間隔（Ｉ）を、燃料電池システム運転動作開始の毎回の信号入手ごとに設定して、導電率の計測を行う様にした。その制御流れを図２に示す。図２の様に、燃料電池システム運転動作を行うたびごとに、導電率の計測が毎回行われる訳である。そして、システム運転動作の開始信号が入力されると、この開始信号入力時間から起算して所定時間（ｋ）後に、導電率の計測が開始されて、所定時間（ｔ）だけ計測が行われ様にした。燃料電池システムは、運転するたびごとに導電率の計測が行われて、イオン除去装置１３のイオン除去機能が低下していないかが検定されるので、安心して運転することが出来る。また、実施の形態２の様に、測定した導電率値が、予め記憶させた閾値（Ｄ）を複数回越えた場合、イオン除去装置１３の交換を知らせる警報信号を発する様にしている。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態は、導電率の計測タイミングについて検討した。導電率は、水温によって変化し、水温が高い程大きな値を示すので、水温を考慮してその値を判断する必要が有る。そこで、変動の少ない水温に温度（Ｔ）を設定しておいて、純水タンク１５の水温、もしくは純水タンク１５から溢れた脱イオンを貯水する冷却水タンク２１の水温が、温度（Ｔ）を超える時に、導電率の計測を行う様にした。

その制御流れを図３に示す。図３の様に、システム運転動作開始の毎回の信号入手ごとに、導電率の計測を行うモードを設定し、システム運転動作の開始信号が入力されると、水温が温度（Ｔ）を超えるか否が判断され、水温が温度（Ｔ）を越えると導電率の計測を行う様にしている。変動の小さい水温範囲において測定が行われるので、水温による導電率値の変動が低減され、導電率は、測定誤差が小さくなる利点が生じる。なお、冷却水タンク２１は、燃料電池１７と導通しており冷却に用いられる。また、実施の形態２の様に、測定した導電率値が、予め記憶させた閾値（Ｄ）を複数回越えた場合、イオン除去装置１３の交換を知らせる警報信号を発する様にしている。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態は、第４の実施の形態において導電率を計測する際の、温度（Ｔ）について検討した。燃料電池システムが安定運転した際の水温は、６５〜７５℃である。そこで、温度（Ｔ）を安定水温の下限値である６５℃に設定すると、導電率の計測は水温６５℃〜７５℃の範囲で行われる。変動の小さい水温範囲で測定が行われるので、水温による導電率値の変動が低減され、導電率は、測定誤差が小さくなる利点が生じる。

（実施の形態６）
本発明の第６の実施の形態は、電極体の形状について検討した。電極体１８ａ、１８ｂの少なくとも１本は、接水部を屈曲した板状として接水面積を大きくした電極体とすると、純水タンク１５の貯水水位の変動に伴う接水面積の変動に対して、発生電流の変動が小さい利点が有り、最適である。

（実施の形態７）
本発明の第７の実施の形態は、純水タンク１５の材料について検討した。純水タンク１５が全て樹脂で構成されていると、計測回路２０から導電率センサ１９に印加される電圧は、純水タンク１５の材料耐久性に何ら悪影響を及ぼさない。そのため、純水タンク１５の接水材料は、可能な限り樹脂で構成することが好ましい。一方、純水タンク１５を金属材料で構成した場合、計測回路２０の直流電源陰極に純水タンク１５を電気的に接続することをせずに、電極体１８ａ、１８ｂに直流電圧を印加すると、純水タンク１５の金属材料はその耐久性に悪影響を受ける場合が有る。そのため、純水タンク１５は、止むを得ずその一部をステンレスなどの耐腐性金属で構成せざるを得ない場合、純水タンク１５の耐腐性金属に直流電源の陰極を接続して、材料耐久性に悪影響が及ぶことを低減させる様にできる。

（実施の形態８）
本発明の第８の実施の形態は、電極体の材質について検討した。電極体の材質は、ステンレスにすると低コストになるが、電圧印加による腐蝕の不安が生じる。そこで、低コスト化を図りつつも腐蝕の不安を低減させるため、直流電圧の陰極に接続した電極体１８ｂは、オーステナイト系ステンレスとし、接水部の電位が０〜ー２Ｖ（飽和甘汞電極基準）であるとして、電圧印加による腐蝕を防止した。なお、直流電圧の陽極に接続した電極体１８ａは、腐蝕の不安を低減させるため、カーボン、白金やルテニウムさらにイリジウムなどの貴金属をメッキしたチタン、チタンなどの材料を使用する。

（実施の形態９）
本発明の第９の実施の形態は、導電率センサの純水タンクへの取付け方法について検討した。その結果、導電率センサ１９を純水タンク１５の上部に配置した蓋２２から吊り下げることで、構成の簡素化が図れる。

本発明の燃料電池システムの水処理装置は、定置式や移動式の燃料電池システムに用いる水処理装置として有用である。

（ａ）本発明の実施形態１〜９における燃料電池システムの水処理装置の構成図（ｂ）同装置における導電率センサの動作図（ｃ）同装置における導電率と電流との相関図 本発明の実施形態２、３における燃料電池システムの水処理装置の制御流れ図 本発明の実施形態２、４におれる燃料電池システムの水処理装置の制御流れ図 従来の燃料電池システムの水処理装置の構成図

符号の説明

１２ 凝縮水タンク
１３ イオン除去装置
１４ 水ポンプ
１５ 純水タンク
１６ 改質ガス供給部
１７ 燃料電池
１８a、１８ｂ 電極体
１９ 導電率センサ
２０ 計測回路
２１ 冷却水タンク
２２ 蓋

Claims (9)

1. イオン水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、前記イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、前記純水タンクに配置されて水の導電率を計測する導電率センサと、前記純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、前記改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池と、を少なくとも有した燃料電池システムであり、前記導電率センサは、前記純水タンクの貯水にその一部が浸漬された少なくとも２本の電極体から構成されており、前記少なくとも２本の電極体に接続された計測回路は、導電率計測を行うために、予め記憶させた間隔（Ｉ）ごとに直流電圧を前記導電率センサに時間（ｔ）だけ印加して流れる電流値を計測する燃料電池システムの水処理装置。
2. 導電率が、予め記憶させた閾値（Ｄ）を複数回越えた場合、イオン除去装置の交換を知らせる警報信号を発する請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
3. 間隔（Ｉ）は、燃料電池システムの運転動作開始毎に起動し、起動より起算して時間（ｋ）後に、導電率の計測を開始する請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
4. 間隔（Ｉ）は、燃料電池システムの運転動作開始毎に起動し、純水タンクの水温もしくは前記純水タンクから溢れた脱イオンを貯水する冷却水タンクの水温が、設定された温度（Ｔ）を超えた時に、導電率の計測を開始する請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
5. 温度（Ｔ）が、システム運転動作中における安定水温の下限値に設定されている請求項４記載の燃料電池システムの水処理装置。
6. 電極体は、接水部を屈曲させた板状とした請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
7. 純水タンクの接水材料の少なくとも一部を耐腐性金属で構成し、前記耐腐性金属に直流電圧の陰極を接続した請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
8. 直流電圧の陰極に接続した電極体は、オーステナイト系ステンレスであり、接水部の電位が０〜ー２Ｖ（飽和甘汞電極基準）である請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
9. 導電率センサは、純水タンクの蓋に吊り下げられている請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。

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