JP2005259528A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に循環させる冷却液の導電率を短時間で低下させて燃料電池を起動開始するのに要する時間を短時間とする。
【解決手段】 流路Ｌ３、流路Ｌ１、導電率センサ２を有する領域Ａと、流路Ｌ２に循環ポンプ７及び導電率センサ８が設けられた領域Ｂと、バイパス流路Ｌ４，Ｌ５にバイパス用ポンプ１１及びイオンフィルタ１０が設けられた領域Ｃとを備える。燃料電池１の発電の開始前に、導電率センサ２により検出された純水の導電率が起動時基準値を超えている場合には、バイパス用ポンプ１１を駆動して領域Ａと領域Ｃとの間で純水を循環させて、イオンフィルタ１０により燃料電池１内の純水の導電率を低下させる。そして、純水の導電率が起動時基準値を下回った場合には、燃料電池１の発電を開始し、循環ポンプ７を駆動して、少なくとも領域Ｂ及び領域Ｃで純水を循環させて、イオンフィルタ１０により領域Ｂに存在する純水の導電率を低下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池の温度調整を行うために燃料電池内に冷却液を循環させる燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池の発電の高効率化を図り、燃料電池の温度を所定範囲に維持するために燃料電池に冷却液としての純水を供給する燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、燃料電池に供給する純水の導電率が上昇することによる漏電を防止するために、冷却水の導電率を所定値以下に維持することが必要となる。

そこで、従来より、燃料電池の起動中において、燃料電池システムを流れる純水の導電率が上昇した場合、燃料電池に循環させる純水流量を減らし、イオンフィルタ側に多く純水を流すようにバルブ等を調整して、純水の水質維持を実現する技術が、例えば下記の特許文献１などにて知られている。
特開２００２−３１３３７７号公報（第４，５頁、第１図）

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池を長期間起動しないで放置しておくと、純水流路内の純水の導電率が上昇してしまい、燃料電池を起動して発電された電気エネルギが純水（冷却水）を伝わり、燃料電池の出力低下或いは漏電を起こす確率が高まってしまう。

これを回避するには、燃料電池システム全体の純水の導電率を下げる必要があり、燃料電池の起動までに長時間を要することがあった。さらに、燃料電池が起動できない期間においては、純水をイオンフィルタに流すためのポンプに供給する電力を二次電池から取り出す必要があるので、燃料電池の起動前に二次電池の充電残量が少なくなって燃料電池を起動できなくなる可能性があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池に循環させる冷却液の導電率を短時間で低下させて燃料電池を起動開始するのに要する時間を短時間とすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池にガスを供給して発電させる場合に、燃料電池に被循環流体を循環させる燃料電池システムにおいて、燃料電池に被循環流体を供給する燃料電池入口流路と、燃料電池を通過した被循環流体が供給される燃料電池出口流路と、燃料電池内の被循環流体の導電率を検出する第１導電率検出手段とを有する第１領域と、燃料電池出口流路と燃料電池入口流路とを接続する流体循環流路を有し、当該流体循環流路に循環ポンプ及び第２導電率検出手段が設けられた第２領域と、流体循環流路と燃料電池出口流路との分岐点と、流体循環流路と燃料電池入口流路との分岐点とを接続するバイパス流路を有し、当該バイパス流路にバイパス用ポンプ及び導電率低下手段とが設けられた第３領域とを備えた構成となっている。

この燃料電池システムは、燃料電池の発電を開始させる前に、第１導電率検出手段により検出された被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、バイパス用ポンプを駆動して第１領域と第３領域との間で被循環流体を循環させて、導電率低下手段により燃料電池内の被循環流体の導電率を低下させる。そして、第１導電率検出手段により検出された被循環流体の導電率が起動時基準値を下回った場合には、燃料電池の発電を開始し、循環ポンプを駆動して、少なくとも第２領域及び第３領域で被循環流体を循環させて、導電率低下手段により第２領域に存在する被循環流体の導電率を低下させることにより、上述の課題を解決する。

また、本発明は、燃料電池にガスを供給して発電させる場合に、燃料電池に被循環流体を循環させる燃料電池システムにおいて、燃料電池システム全体で循環させている被循環流体を燃料電池内に流す流体循環系と、前記燃料電池近傍に設けられ、被循環流体を貯蔵するタンクと、タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を測定する導電率測定手段と、前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を低下させるタンク用導電率低下手段と、前記燃料電池と前記タンクとの間で被循環流体を循環させる循環手段とを備えた構成となっている。

この燃料電池システムは、燃料電池の発電を開始させる前に、前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、前記流体循環系に存在する被循環流体よりも優先して、前記タンク用導電率低下手段により前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を低下させて、前記タンクに貯蔵された被循環流体を前記流体循環系の流路のうち、前記燃料電池内の流路に導入し、前記燃料電池と前記タンクの間で循環させることにより、上述の課題を解決する。

本発明によれば、燃料電池の発電を開始させる前に、燃料電池内の被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、燃料電池内の被循環流体の導電率を低下させ、燃料電池内の被循環流体の導電率が起動時基準値を下回った場合には、燃料電池の発電を開始し、少なくとも第２領域及び第３領域で被循環流体を循環させて第２領域に存在する被循環流体の導電率を低下させるので、燃料電池内の導電率を他の流路と比較して先に低減させるので、システム起動指令がなされた時刻から燃料電池を発電開始する時刻までの期間を短時間とすることができ、システムの起動時間を短くすることができる。

また、他の本発明によれば、燃料電池の発電を開始させる前に、タンクに貯蔵された被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、流体循環系に存在する被循環流体よりも優先してタンクに貯蔵された被循環流体の導電率を低下させて、当該タンクに貯蔵された被循環流体を流体循環系の流路のうち、燃料電池内の流路に導入するので、燃料電池内の導電率を効率的に低減させることができると共に、流体循環系の被循環流体をタンクに貯蔵されていた被循環流体と混合して、流体循環系の導電率を低下させることができ、燃料電池の起動時間を短くすることができる。

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１（燃料電池）を備える。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給し、更に、燃料電池スタック１内に形成された純水流路に冷却水として純水を循環させる燃料電池システムについて説明する。

この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度調整をする冷却水（被循環流体）を循環させる冷却水系、燃料電池スタック１に空気を供給する空気系、燃料電池スタック１に水素ガスを供給する水素ガス系を備える。なお、図１では、空気系及び水素ガス系の図示を省略しているが、燃料電池スタック１を発電させるための空気配管やコンプレッサ、水素ガス配管や水素タンク等の部品を備える。

この燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させる通常発電時において、コントロールユニット２０により、水素ガス及び空気を供給して燃料電池スタック１を発電させるように空気系部品及び水素ガス系部品を制御する。このとき、燃料電池システムは、燃料電池スタック１が発電反応により発熱するが、コントロールユニット２０により、以下に説明する冷却水系部品を制御して、燃料電池スタック１内に純水を循環させて燃料電池スタック１の温度を調整する。

この冷却水系は、主流路であるスタック出口流路Ｌ１（燃料電池出口流路）、純水冷却流路Ｌ２（流体循環流路）及びスタック入口流路Ｌ３（燃料電池入口流路）の順に、燃料電池スタック１を通過した純水を再度燃料電池スタック１の冷却水入口に導くことにより、燃料電池スタック１内の純水流路に純水を循環させる。なお、以下の説明では、冷却水として純水を使用する場合について説明するが、冷却水として、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した液体を使用した場合であっても良い。

また、この冷却水系は、スタック出口流路Ｌ１と純水冷却流路Ｌ２との分岐点及び純水冷却流路Ｌ２とスタック入口流路Ｌ３との分岐点から分岐し、主流路をバイパスして純水を循環させる第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５（バイパス流路）を備える。このような冷却水系は、スタック入口流路Ｌ３及びスタック出口流路Ｌ１を含む領域Ａ（第１領域）、純水冷却流路Ｌ２を含む領域Ｂ（第２領域）、及び領域Ａと領域Ｂとの分岐点から純水をバイパスする第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５を含む領域Ｃ（第３領域）の３つの流路領域に区分されて構成されている。

スタック出口流路Ｌ１は、一方が燃料電池スタック１の純水出口と接続され、他方がスタック出口導電率センサ２（第１導電率検出手段）を介して第１三方弁３に接続されている。

スタック出口導電率センサ２は、燃料電池スタック１を通過した純水の導電率（スタック出口導電率）を検出し、当該検出値がセンサ信号としてコントロールユニット２０に読み込まれる。これにより、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１内の純水の導電率を検出する。

第１三方弁３は、スタック出口流路Ｌ１を通過した純水が供給され、一方の開口が純水冷却流路Ｌ２に接続され、他方の開口が第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５に接続されている。この第１三方弁３は、コントロールユニット２０により、図示しないアクチュエータに制御信号が供給されて駆動されることにより、スタック出口流路Ｌ１側開口の開閉、純水冷却流路Ｌ２側開口の開閉、及び、第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側開口の開度が制御される。

純水冷却流路Ｌ２は、一方が第１三方弁３と接続され、他方が第２三方弁９に接続されている。この純水冷却流路Ｌ２には、通常発電時における純水の上流から下流、すなわち第１三方弁３から第２三方弁９に向かって、補機類４、ラジエータ５、リザーバタンク６、主流路循環ポンプ７（循環ポンプ）、冷却路導電率センサ８（第２導電率検出手段）の順に冷却系部品が設けられている。

補機類４は、燃料電池システムにおいて純水による冷却を必要とする部品であって、例えば燃料電池スタック１に供給する水素ガスの温度を上昇させる水素ヒータ、燃料電池スタック１に供給する圧縮空気の温度を低下させるアフタークーラ等や、当該冷却を必要とする部品と接続された熱交換器が挙げられる。この補機類４は、第１三方弁３から純水が供給されると、当該純水との間で熱交換を行ってラジエータ５に送る。

ラジエータ５は、純水が導入されると、当該純水の温度を低下させる。ここで、ラジエータ５は、外部からの送風又は図示しないラジエータファンがコントロールユニット２０により制御されることによる送風を受け、純水冷却流路Ｌ２から送られた純水の熱交換を行って、冷却水の温度を低下させて所望の温度とする。

リザーバタンク６は、例えば、上部が大気開放されたタンクからなり、純水が熱膨張した場合の膨張分に相当する純水を吸収すると共に、純水の収縮分に相当する純水を補給する。これにより、冷却水系は、燃料電池スタック１の温度に応じて、コントロールユニット２０により所望の純水流量を燃料電池スタック１に導入することができる。

主流路循環ポンプ７は、コントロールユニット２０からの制御信号により図示しないポンプモータが駆動され、リザーバタンク６に貯蔵された純水を吸入して第２三方弁９側に吐出する。この主流路循環ポンプ７により吐出された純水は、冷却路導電率センサ８により導電率が検出される。

第２三方弁９は、主流路循環ポンプ７から吐出された純水が供給され、一方の開口がスタック入口流路Ｌ３に接続され、他方の開口が第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５に接続されている。この第２三方弁９は、コントロールユニット２０により、図示しないアクチュエータに制御信号が供給されて駆動されることにより、純水冷却流路Ｌ２側開口の開閉、スタック入口流路Ｌ３側開口の開閉、及び、第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側開口の開度が制御される。

そして、第２三方弁９からスタック入口流路Ｌ３に導入された純水は、再度燃料電池スタック１内に導入されることになる。

更に、冷却水系は、領域Ｃに含まれる第１バイパス流路Ｌ４にイオンフィルタ１０（導電率検出手段）が設けられ、第２バイパス流路Ｌ５にバイパス用ポンプ１１（バイパス用ポンプ）及び遮断弁１２が設けられて構成されている。

イオンフィルタ１０は、第１三方弁３又は第２三方弁９から純水が導入されると、当該純水に含まれるイオンを除去することにより、純水の導電率を低下させる。バイパス用ポンプ１１は、コントロールユニット２０からの制御信号に応じてポンプモータの回転数が制御され、領域Ｃを通過する純水流量を調整する。このバイパス用ポンプ１１は、第１三方弁３側が純水吸入側とされ、第２三方弁９側が純水吐出側とされている。遮断弁１２は、コントロールユニット２０から、図示しないアクチュエータに制御信号が供給されて駆動されることにより、開閉が制御される。

なお、この冷却水系において、循環される冷却水にイオンを溶出する冷却水系部品としては、例えば燃料電池スタック１、ラジエータ５を始めとして、各流路を形成する配管が挙げられる。

このような冷却水系は、燃料電池スタック１の通常発電時においては、図２に示すように、ラジエータ５で所望の温度に調整されてリザーバタンク６に貯蔵された純水を主流路循環ポンプ７で吐出することで、第２三方弁９を介して燃料電池スタック１に導入する。そして、冷却水系は、燃料電池スタック１で熱交換された純水を第１三方弁３を介してラジエータ５に導入することで、再度所望の温度とされてリザーバタンク６に蓄積する。また、冷却水系は、第１三方弁３及び第２三方弁９の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度が調整され、燃料電池スタック１に循環させる純水の一部をイオンフィルタ１０に通過させている。

このとき、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１の温度に応じて、主流路循環ポンプ７の回転数やラジエータファンを駆動してラジエータ５の冷却能力を調整し、燃料電池スタック１に導入する純水流量及び純水温度を調整する。

また、コントロールユニット２０は、スタック出口導電率センサ２や冷却路導電率センサ８で検出されている純水の導電率を読み込み、イオンフィルタ１０を通過させる純水量を演算して、第１三方弁３の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度、及び、第２三方弁９の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度を調整する。更にコントロールユニット２０は、バイパス用ポンプ１１を停止状態とすると共に、遮断弁１２を閉状態とする。

また、この冷却水系は、システム起動時であって燃料電池スタック１の発電を開始させる前に、図３に示すように、コントロールユニット２０により、第１三方弁３の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度、及び、第２三方弁９の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度が通常発電時よりも大きくされ、更に、第１三方弁３のスタック出口流路Ｌ１側の開口及び第２三方弁９のスタック入口流路Ｌ３側の開口が開状態とされ、バイパス用ポンプ１１が駆動されると共に遮断弁１２が開状態とされる。これにより、冷却水系は、領域Ａ、及び領域Ｃの第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５のみに純水を循環させる状態となる。

更に、この冷却水系は、システム起動時であって燃料電池スタック１の発電を開始させた後には、図４に示すように、コントロールユニット２０により、第１三方弁３の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度、及び、第２三方弁９の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度が通常発電時よりも大きくされ、更に、第１三方弁３及び第２三方弁９の純水冷却流路Ｌ２側の開口が開状態とされ、バイパス用ポンプ１１が停止されると共に遮断弁１２が閉状態とされる。これにより、冷却水系は、領域Ｂ、及び、領域Ｃの第１バイパス流路Ｌ４のみに純水を循環させる状態となる。

［燃料電池システムの起動時動作］
つぎに、上述した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の発電を開始する指令がコントロールユニット２０に入力された場合における冷却水系の起動時動作について図５のフローチャートを参照して説明する。なお、以下に説明する冷却水系の起動時動作は、例えば燃料電池システムが車両に搭載され、燃料電池スタック１の発電電力を駆動モータ等に供給する場合において、運転者によりＩＧＮスイッチがオン操作されたことに応じたシステム起動指令がコントロールユニット２０に入力されたことに応じて１回のみ実行される。

図５によれば、先ず、コントロールユニット２０にシステム起動指令が入力されると、ステップＳ１において、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１に水素ガス及び空気を供給させていない状態、すなわち燃料電池スタック１の発電を開始させずに、主流路循環ポンプ７を駆動させる。また、コントロールユニット２０は、第１三方弁３及び第２三方弁９を、図２に示すように、領域Ａ及び領域Ｂ、並びに領域Ｃの第１バイパス流路Ｌ４のみに純水を循環させるように調整する。

次にコントロールユニット２０は、ステップＳ２において、ステップＳ１で主流路循環ポンプ７の駆動を開始すると略同時に内部のタイマを作動させ、ステップＳ３において、ステップＳ２で作動させたタイマの値が予め設定しておいた設定時間を経過したらタイマを停止させる。ここで、予め設定された設定時間は、主流路、第１バイパス流路Ｌ４内の純水が一通り循環する時間、すなわち冷却水系の純水の導電率が均一とすることができる時間であって、ステップＳ１における主流路循環ポンプ７の回転数や純水容量等のシステムの設計に応じて設定されている。

次にコントロールユニット２０は、ステップＳ４において、スタック出口導電率センサ２からのセンサ信号を読み込み、スタック出口導電率が起動時基準値を超えているか否かを判定する。ここで、起動時基準値は、例えば燃料電池スタック１が発電した場合に、燃料電池スタック１と純水との間で漏電が発生する可能性がある純水の導電率よりも所定値だけ低い導電率が設定されている。

そして、スタック出口導電率が起動時基準値を超えていないと判定した場合には、燃料電池スタック１を発電させても漏電が発生しない純水の導電率であるので、ステップＳ５に処理を進め、燃料電池スタック１に水素ガス及び空気を供給して燃料電池スタック１の発電を開始させる。一方、スタック出口導電率が起動時基準値を超えていると判定した場合にはステップＳ６に処理を進める。

コントロールユニット２０は、ステップＳ６において、第１三方弁３及び第２三方弁９のバイパス側、すなわち第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口を開状態、主流路循環ポンプ７を停止状態、遮断弁１２を開状態、バイパス用ポンプ１１を作動状態にするようにそれぞれ制御する。これにより、冷却水系は、図３に示すように、領域Ａ及び領域Ｃのみで純水が循環する状態となり、純水をイオンフィルタ１０に通過させることで、燃料電池スタック１内を含む領域Ａ及び領域Ｃに存在する純水の導電率を低下させる。

次にコントロールユニット２０は、ステップＳ６で制御した冷却水系の状態を保持した状態で、ステップＳ７においてスタック出口導電率センサ２からのセンサ信号を読み込み、スタック出口導電率が起動時基準値を超えているか否かを判定し、超えていると判定した場合には領域Ａ及び領域Ｃで純水を循環させる状態を継続し、超えていないと判定した場合にはステップＳ８に処理を進める。

ステップＳ８において、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１を発電させても漏電が発生しない純水の導電率となったので、燃料電池スタック１に水素ガス及び空気を供給して燃料電池スタック１の発電を開始させる。

次にコントロールユニット２０は、ステップＳ９において、バイパス用ポンプ１１を停止状態、遮断弁１２を閉状態、第１三方弁３及び第２三方弁９のバイパス側の開度を通常開度、第１三方弁３の純水冷却流路Ｌ２側の開度及び第２三方弁９のスタック入口流路Ｌ３側の開度を通常開度、主流路循環ポンプ７を作動状態とするようにそれぞれ制御する。これにより、冷却水系は、図２に示すように、領域Ａ及び領域Ｂからなる主流路で純水を循環させると共に、主流路の一部の純水をバイパス流路で循環させる。ここで、第１三方弁３及び第２三方弁９の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開口の開度は、イオンフィルタ１０に適量の純水を通過させるように設定され、例えばイオンフィルタ１０の寸法や純水の抵抗等を考慮して設定される。

なお、ステップＳ５又はステップＳ８で燃料電池スタック１の発電を開始する前の期間では、図示しない二次電池に蓄積された電力によって冷却水系の各部を駆動し、ステップＳ５又はステップＳ８で燃料電池スタック１の発電を開始した後には、主として燃料電池スタック１の発電電力を冷却水系の各部に供給して駆動させることになる。

次に、ステップＳ５又はステップＳ８で燃料電池スタック１を起動した後、図２に示すような冷却水系の状態で、ステップＳ１０において、コントロールユニット２０により、冷却路導電率センサ８からのセンサ信号を読み込み、冷却水系の流路全体の純水の導電率を認識し、当該導電率が通常時基準値を超えているか否かを判定する。ここで、通常時基準値は、ステップＳ４やステップＳ７における導電率よりも低い導電率が設定されており、例えば所定の燃料電池スタック１の出力低下幅とならないような純水の導電率が設定されている。

そして、コントロールユニット２０は、流路全体の純水の導電率が通常時基準値を超えていないと判定した場合には、燃料電池スタック１の出力低下が発生しない導電率まで低下したので処理を終了し、流路全体の純水の導電率が通常時基準値を超えていると判定した場合にはステップＳ１１に処理を進める。なお、この起動時動作を終了した後は、コントロールユニット２０により、スタック出口導電率センサ２や冷却路導電率センサ８によって検出される導電率が通常時基準値より高い場合に、領域Ｃのイオンフィルタ１０に通過させる純水量を多くして、燃料電池スタック１の出力低下が発生しない導電率に純水を維持する動作に移行することになる。

ステップＳ１１において、コントロールユニット２０は、第１三方弁３及び第２三方弁９の第１バイパス流路Ｌ４及び第２バイパス流路Ｌ５側の開度を通常開度よりも大きい状態に制御し、冷却水系を図４に示すような状態にする。これにより、冷却水系は、主流路循環ポンプ７により循環させている全純水流量をイオンフィルタ１０に通過させることにより、領域Ｂ及び領域Ｃに存在する純水の導電率を低下させる。なお、このステップＳ１１においては、第１三方弁３及び第２三方弁９の開度を調整する前に、主流路循環ポンプ７を一旦停止させることにより第１三方弁３及び第２三方弁９に印加される水圧を低減させることが望ましい。

そして、コントロールユニット２０は、ステップＳ１２において、冷却路導電率センサ８からのセンサ信号を読み込み、導電率が通常時基準値を超えているか否かを判定し、超えていると判定した場合には領域Ｂ及び領域Ｃのみで純水を循環させる状態を継続し、超えていないと判定した場合にはステップＳ１３に処理を進め、第１三方弁３及び第２三方弁９を通常開度とすることで、冷却水系を再度図２に示すような状態にして処理を終了する。なお、このステップＳ１３においては、第１三方弁３及び第２三方弁９の開度を調整する前に、主流路循環ポンプ７を一旦停止させることにより第１三方弁３及び第２三方弁９に印加される水圧を低減させることが望ましい。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、スタック出口導電率が高い場合には、燃料電池スタック１の発電を開始する前に図３に示したような流路で純水を循環させるので、燃料電池スタック１内の純水の導電率を他の流路の純水と比較して先に低減させるので、システム起動指令がなされた時刻から燃料電池スタック１を発電開始する時刻までの期間を短時間とすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電を開始する前に使用する二次電池の電力量を抑制して二次電池が電力不足となることを回避することができ、更には二次電池の電力不足によってシステムの起動が不能となってしまうことを抑制することができる。

また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の発電を開始した後に、図２に示すような通常発電時の流路で純水を循環させ、冷却水系の流路全体の導電率が高い場合には図４に示すような冷却水系の流路で純水を循環させるので、燃料電池スタック１の発電電力を使用して確実に冷却水系全体の純水の導電率を低減させることができる。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電反応により発生する生成水を利用して、効率的に冷却水系の純水の導電率を低下させる点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図６に示すように、燃料電池スタック１の純水入口１ａにスタック入口流路Ｌ３と接続された純水入口流路Ｌ１１を設け、燃料電池スタック１の純水出口１ｂにスタック出口流路Ｌ１と接続された純水出口流路Ｌ１２を設けることにより、燃料電池スタック１内の純水流路１ｄとスタック入口流路Ｌ３及びスタック出口流路Ｌ１とを接続している。純水入口流路Ｌ１１には、コントロールユニット２０により開閉が制御される遮断弁３１が設けられている。また、純水流路１ｄには、コントロールユニット２０により開閉が制御される第３三方弁３７も設けられている。この第３三方弁３７は、第２バイパス配管Ｌ１５と共に循環手段を構成し、導電率センサ３４（導電率測定手段）より上流の導電率低減流路Ｌ１３と接続している。

また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１の天地方向における下部に発電反応により発生する生成水を排出する生成水出口１ｃが形成され、当該生成水出口１ｃの下部に、燃料電池スタック１の生成水を貯蔵するキャッチタンク３２が設けられている。このキャッチタンク３２は、少なくとも燃料電池スタック１の起動時に必要な水量を貯蔵する寸法で形成され、例えば燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜の大きさや燃料電池セル数、固体高分子電解質膜の性能に応じて設計されることで数リットルオーダーの生成水が貯蔵可能となっている。

このキャッチタンク３２に貯蔵された生成水は、キャッチタンク３２内に設けられた攪拌機３３で攪拌される。この攪拌機３３は、コントロールユニット２０の制御により駆動し、キャッチタンク３２で貯蔵している生成水のイオン濃度を均一にする。また、キャッチタンク３２に貯蔵された生成水は、キャッチタンク３２に接続された導電率低減流路Ｌ１３に設けられた導電率センサ３４で導電率が検出され、イオンフィルタ３５でイオンが除去される。

更に、燃料電池システムは、キャッチタンク３２と純水入口流路Ｌ１１とを接続するバイパス流路Ｌ１４に生成水供給用ポンプ３６が設けられ、生成水供給用ポンプ３６がコントロールユニット２０により駆動されることにより、キャッチタンク３２内の生成水を吸入して純水入口流路Ｌ１１に吐出する。

また、燃料電池システムの流路全体の水収支がプラスになる場合には、燃料電池システムの流路の適所にプラス分の水を排出する排出機構を設けても良い。

［燃料電池システムの起動時動作］
つぎに、上述した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１の発電を開始する指令がコントロールユニット２０に入力された場合における冷却水系の起動時動作について図７のフローチャートを参照して説明する。なお、以下に説明する冷却水系の起動時動作は、例えば燃料電池システムが車両に搭載され、燃料電池スタック１の発電電力を駆動モータ等に供給する場合において、運転者によりＩＧＮスイッチがオン操作されたことに応じたシステム起動指令がコントロールユニット２０に入力されたことに応じて１回のみ実行される。

図７によれば、先ず、コントロールユニット２０にシステム起動指令が入力されると、ステップＳ２１において、攪拌機３３を回転駆動させるように作動させることによりキャッチタンク３２内の生成水を攪拌させると共に生成水を導電率センサ３４及びイオンフィルタ３５に通過させる。

次に、ステップＳ２２において、内部のタイマを作動させ、ステップＳ２３において、ステップＳ２２で作動させたタイマの値が予め設定しておいた設定時間を経過したらタイマを停止させる。ここで、予め設定された設定時間は、キャッチタンク３２で貯蔵している生成水のイオン濃度が均一となるのに十分な時間であって、例えばキャッチタンク３２の容量や攪拌機３３の回転数によって予め実験等により規定されている。

次にコントロールユニット２０は、ステップＳ２４において、導電率センサ３４からセンサ信号を読み込み、キャッチタンク３２に貯蔵している純水（生成水）の導電率が基準値を超えているか否かを判定する。ここで、基準値とは、上述のステップＳ４における起動時基準値と同値であっても良く、例えば燃料電池スタック１が発電した場合に、燃料電池スタック１と純水との間で漏電が発生する可能性がある純水の導電率よりも所定値だけ低い導電率が設定されている。

そして、コントロールユニット２０は、導電率センサ３４により検出されている導電率が基準値を超えている場合には攪拌機３３を継続して作動させ続けることにより、生成水をイオンフィルタ３５に循環させ続け、導電率が基準値を下回った場合にはステップＳ２５に処理を進める。

次にコントロールユニット２０は、ステップＳ２５において、遮断弁３１を閉状態に作動させ、ステップＳ２６において、生成水供給用ポンプ３６を作動させ、さらにステップＳ２７において、第３三方弁３７のキャッチタンク３２側の開口を開状態とすると共に、スタック出口流路Ｌ１側の開口を閉状態とし、ステップＳ２８において攪拌機３３の作動を停止させて処理を終了する。これにより、キャッチタンク３２内の低い導電率の純水が生成水供給用ポンプ３６に取り込まれ、バイパス流路Ｌ１４、純水入口流路Ｌ１１から純水流路１ｄに流れることで、燃料電池スタック１内の純水が導電率の低い純水に置換されることになる。また、キャッチタンク３２の生成水を純水流路１ｄ及び冷却水系に導入完了した後は、遮断弁３１を開状態、第３三方弁３７のキャッチタンク３２側の開口を閉状態及び第３三方弁３７のスタック出口流路Ｌ１側の開口を開状態とすると共に、生成水供給用ポンプ３６を停止させて、冷却水系による純水の循環に移行することになる。

なお、上述した燃料電池システムは、ＩＧＮスイッチがオン操作された後に行う起動時動作について説明したが、燃料電池システムの停止中（保管中）であっても、例えば所定期間毎に導電率センサ３４を作動させ、生成水の導電率が基準値以上になったら撹拌機３３を作動させ、イオンフィルタ３５で導電率を下げても良い。ここで、撹拌機３３としては、例えばマグネティックスターラのような駆動電力が少ないものを用いて二次電池から電力供給を受けることが望ましく、更には撹拌機３３に電源を内蔵したものを用いても良い。

また、上述の図７に示した起動時動作は、燃料電池スタック１の発電を開始する前であって、上述のステップＳ１〜ステップＳ８の動作と同時に行っても良く、図５の起動時動作を開始する前に行っても良い。なお、この際、燃料電池スタック１をバイパスさせる流路を設ける。例えば、スタック入口流路Ｌ３とスタック出口流路Ｌ１を繋ぐ新たな流路及びバルブを設け、同時に動作させる場合はバルブを開にする。また、燃料電池システムの流路全体の導電率が低い場合(基準値以下の場合)は、ステップＳ２１からステップＳ２８の制御は行わず、ステップＳ１からステップＳ１３の制御のみを行う。この場合、燃料電池システム全体の導電率を、さらに効率よく低減させることができる。

更に、ステップＳ２６で生成水供給用ポンプ３６から純水流路１ｄに生成水を導入するに際しては、冷却水系を図３に示すような状態としておき、冷却水系を流れる純水と生成水とを混合させることにより、より効率的に冷却水系の導電率を低減させるようにしても良い。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、起動時に最低限必要な水量の燃料電池スタック１の生成水をキャッチタンク３２に貯蔵しておき、当該貯蔵した生成水及び燃料電池スタック１内の冷却水の導電率を導電率低減流路Ｌ１３のイオンフィルタ３５で低減させた後に燃料電池スタック１に導入することができ、純水流路１ｄの純水の導電率を効率的に低減させることができるので、燃料電池スタック１の出力不足や漏電の発生を抑制することができる。

更にこの燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の起動時間を短くすることができる。すなわち、この燃料電池システムによれば、上述した図３に示した状態の冷却水系よりも短い流路長さの導電率低減流路Ｌ１３に生成水を循環させて導電率を低下させることにより、図３に示した状態よりも短時間で生成水の導電率を基準値以下とするという効果と、更には冷却水系の純水と生成水とを混合して導電率を低減させるという効果との相乗効果によって、更に起動時間を短くすることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

すなわち、純水を冷却用として使用する場合についてのみ説明したが、燃料電池スタック１に供給するガスを加湿するための純水に適用しても同様に起動時間を短縮するという効果を得ることができる。

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、通常発電時の純水の流れを説明するためのブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、起動時の純水の流れを説明するためのブロック図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおいて、起動時の純水の流れの他の場合を説明するためのブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時動作の手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの起動時動作の手順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
１ａ 純水入口
１ｂ 純水出口
１ｃ 生成水出口
１ｄ 純水流路
２ スタック出口導電率センサ
３ 第１三方弁
４ 補機類
５ ラジエータ
６ リザーバタンク
７ 主流路循環ポンプ
８ 冷却路導電率センサ
９ 第２三方弁
１０，３５ イオンフィルタ
１１ バイパス用ポンプ
１２，３１ 遮断弁
２０ コントロールユニット
３２ キャッチタンク
３３ 攪拌機
３４ 導電率センサ
３６ 生成水供給用ポンプ
３７ 第３三方弁
Ｌ１ スタック出口流路
Ｌ２ 純水冷却流路
Ｌ３ スタック入口流路
Ｌ４ 第１バイパス流路
Ｌ５ 第２バイパス流路
Ｌ１１ 純水入口流路
Ｌ１２ 純水出口流路
Ｌ１３ 導電率低減流路
Ｌ１４ バイパス流路
Ｌ１５ 第２バイパス流路

Claims (7)

1. 燃料電池にガスを供給して発電させる場合に、前記燃料電池に被循環流体を循環させる燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に被循環流体を供給する燃料電池入口流路と、前記燃料電池を通過した被循環流体が供給される燃料電池出口流路と、前記燃料電池内の被循環流体の導電率を検出する第１導電率検出手段とを有する第１領域と、
   前記燃料電池出口流路と前記燃料電池入口流路とを接続する流体循環流路を有し、当該流体循環流路に循環ポンプ及び第２導電率検出手段が設けられた第２領域と、
   前記流体循環流路と前記燃料電池出口流路との分岐点と、前記流体循環流路と前記燃料電池入口流路との分岐点とを接続するバイパス流路を有し、当該バイパス流路にバイパス用ポンプ及び導電率低下手段とが設けられた第３領域とを備え、
   前記燃料電池の発電を開始させる前に、前記第１導電率検出手段により検出された被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、前記バイパス用ポンプを駆動して前記第１領域と前記第３領域との間で被循環流体を循環させて、前記導電率低下手段により前記燃料電池内の被循環流体の導電率を低下させ、
   前記第１導電率検出手段により検出された被循環流体の導電率が前記起動時基準値を下回った場合には、前記燃料電池の発電を開始し、前記循環ポンプを駆動して、少なくとも前記第２領域及び前記第３領域で被循環流体を循環させて、前記導電率低下手段により前記第２領域に存在する被循環流体の導電率を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１導電率検出手段で導電率を測定する前に、前記循環ポンプを所定時間駆動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. 前記燃料電池の発電を開始した後に、前記第２導電率検出手段により検出された前記流体循環流路を流れる被循環流体の導電率が前記起動時基準値よりも低い基準値を超えている場合には、前記循環ポンプを駆動して、前記第２領域及び前記第３領域のみで被循環流体を循環させ、前記導電率低下手段により前記第２領域に存在する被循環流体の導電率を低下させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池にガスを供給して発電させる場合に、前記燃料電池に被循環流体を循環させる燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システム全体で循環させている被循環流体を前記燃料電池内に流す流体循環系と、
   前記燃料電池近傍に設けられ、被循環流体を貯蔵するタンクと、
   前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を測定する導電率測定手段と、
   前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を低下させるタンク用導電率低下手段と、
   前記燃料電池と前記タンクとの間で被循環流体を循環させる循環手段とを備え、
   前記燃料電池の発電を開始させる前に、前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、前記流体循環系に存在する被循環流体よりも優先して、前記タンク用導電率低下手段により前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を低下させて、前記タンクに貯蔵された被循環流体を前記流体循環系の流路のうち、前記燃料電池内の流路に導入し、前記燃料電池と前記タンクの間で循環させることを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記タンクは、前記燃料電池の発電により発生する生成水を貯蔵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. 前記流体循環系は、
   前記燃料電池に被循環流体を供給する燃料電池入口流路と、前記燃料電池を通過した被循環流体が供給される燃料電池出口流路と、前記燃料電池内の被循環流体の導電率を検出する第１導電率検出手段とを有する第１領域と、
   前記燃料電池出口流路と前記燃料電池入口流路とを接続する流体循環流路を有し、当該流体循環流路に循環ポンプ及び第２導電率検出手段が設けられた第２領域と、
   前記流体循環流路と前記燃料電池出口流路との分岐点と、前記流体循環流路と前記燃料電池入口流路との分岐点とを接続するバイパス流路を有し、当該バイパス流路にバイパス用ポンプ及び導電率低下手段とが設けられた第３領域とを備え、
   前記燃料電池の発電を開始させる前に、
   前記導電率低下手段のイオンフィルタにより前記タンクに貯蔵された被循環流体の導電率を低下させて、当該タンクに貯蔵された被循環流体を前記流体循環系の流路のうち、前記燃料電池内の流路に導入し、
   前記第１導電率検出手段により検出された被循環流体の導電率が所定の起動時基準値を超えている場合には、前記バイパス用ポンプを駆動して前記第１領域と前記第３領域との間で被循環流体を循環させて、前記導電率低下手段により前記燃料電池内の被循環流体の導電率を低下させ、
   前記第１導電率検出手段により検出された被循環流体の導電率が前記起動時基準値を下回った場合には、前記燃料電池の発電を開始し、前記循環ポンプを駆動して、少なくとも前記第２領域及び前記第３領域で被循環流体を循環させて、前記導電率低下手段により前記第２領域に存在する被循環流体の導電率を低下させること
   を特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記タンク内の被循環流体を攪拌する攪拌機を備え、
   前記導電率測定手段で導電率を測定する前に、前記攪拌機を所定時間駆動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。

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