JP2010218906A - 燃料電池システムのイオン浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおけるイオン浄化をシステム出荷前に図った上で、イオン浄化能力を維持したままのシステム出荷を可能とする。
【解決手段】冷却系２０を構成する循環経路２２等の配管やラジエーター３０から冷媒に溶出するイオンを、完成品としての燃料電池システム１０の出荷に先だってイオン交換器４０にて浄化する（ステップＳ１００〜１３０）。そして、システム出荷に際しては、冷却系２０のバイパス経路３２においてイオン交換器４０を未使用イオン交換器４０Ｎと交換して燃料電池１２と並行に組み込み、その未使用イオン交換器４０Ｎへの冷媒の循環供給を可能としておく（ステップＳ１３０〜１４０）。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムのイオン浄化方法に関する。

燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の燃料、例えば水素と、カソードに供給された酸素含有ガス中の酸素との電気化学反応を進行させて発電する。この反応は発熱を伴うものであることから、燃料電池は通常、冷媒により冷却され、その際、冷媒は燃料電池に循環供給される。

冷媒は、燃料電池の冷媒流路や循環経路を流れる都合上、冷媒にイオンが溶出し、その溶出は燃料電池の使用開始時において顕著となることが知られている。冷媒に溶出したイオンは、配管の耐久性に影響を与えることから、種々の対処策が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００６−２９４３８８号公報

この特許公報では、出荷前の状態において燃料電池を所定の負荷運転に処し、この負荷運転の間において、燃料電池から溶出したイオンを浄化することが行われている。

しかしながら、冷媒へのイオン溶出は、燃料電池からの他、冷媒の循環供給を図る冷却系に含まれる他の機器、例えば熱交換器や流量調整等の機器からも起きるため、これら機器を個別に洗浄して機器ごとにイオン浄化を行う必要があり、煩雑であった。この場合、上記の公報で提案されたような負荷運転を燃料電池システムの出荷前に行うことも考えられるが、こうした負荷運転に伴って冷却系のイオン浄化機器、具体的にはイオン交換器が既に使用されてしまうため、何らかの対処が求められるに至った。

本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池システムにおけるイオン浄化をシステム出荷前に図った上で、イオン浄化能力を維持したままのシステム出荷を可能とすることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用：燃料電池システムのイオン浄化方法]
燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムのイオン浄化方法であって、
循環経路において前記燃料電池と並行に配置されたイオン交換器への冷媒の循環供給を燃料電池システムの出荷に先だって実行して、イオンの初期浄化を図り、
前記冷媒の循環供給を経て前記初期浄化を図った後に、前記循環経路において前記燃料電池と並行に組み込まれた未使用のイオン交換器への冷媒の循環供給が可能な状態とし、その上で、燃料電池システムを出荷する
ことを要旨とする。

上記構成のイオン浄化方法では、燃料電池システムの出荷に先だってイオン交換器にてイオンの初期浄化を図り、出荷に際しては、冷媒の循環経路に未使用のイオン交換器を燃料電池と並行に組み込んだ形態とし、その未使用のイオン交換器への冷媒の循環供給を可能としておく。この結果、上記構成のイオン浄化方法によれば、燃料電池システムにおけるイオン浄化をシステム出荷前に図った上で、イオン浄化能力を維持したままの未使用のイオン交換器を冷媒の循環経路に含む状態で出荷できる。

上記した燃料電池の冷却方法および燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記冷媒の循環供給を受けた前記イオン交換器を前記初期浄化後に未使用のイオン交換器と交換するようにすれば、簡便である。

また、前記冷媒の循環供給を受ける前記イオン交換器と並列に未使用のイオン交換器を組み込み、イオンの前記初期浄化の際には前記未使用のイオン交換器への冷媒流入を停止する。これにより、未使用のイオン交換器を、イオンの初期浄化の際のイオン浄化には用いないようにできる。こうした上で、前記初期浄化後には、前記冷媒の循環供給を受けた前記イオン交換器を前記循環経路から取り外して、前記未使用のイオン交換器への冷媒の循環供給が可能な状態とする。こうしても、燃料電池システムにおけるイオン浄化をシステム出荷前に図った上で、イオン浄化能力を維持したままの未使用のイオン交換器を冷媒の循環経路に含む状態で出荷できる。

また、前記冷媒の循環供給を受けた前記イオン交換器を、前記初期浄化に繰り返し利用するようにすれば、イオンの初期浄化に用いるイオン交換器を有効利用できる。

本発明の実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。 本実施例で行うイオン初期浄化の際の燃料電池システム１０の構成の様子を示す説明図である。 イオン初期浄化の処理手順を示す手順図である。 イオン浄化用のイオン交換器を予め組み込んだ燃料電池システム１０の出荷前の機器構成を概略的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２を備え、この燃料電池１２を冷却系２０にて冷却する。冷却系２０は、ラジエーター３０から燃料電池１２への冷媒の循環を図る循環経路２２と、バイパス経路２４と、経路合流点の三方流量調整弁２６と、循環ポンプ２８と、イオン交換器４０を有するバイパス経路３２とを備える。そして、この冷却系２０は、ラジエーター３０にて熱交換した冷媒を循環経路２２を経て燃料電池１２の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池１２を所定温度に冷却する。この場合、燃料電池１２の運転時（発電運転時）における循環ポンプ２８の駆動量、即ち冷媒の循環供給量や、三方流量調整弁２６によるラジエーターパイパス流量は、燃料電池温度や発電状況に基づいて、図示しない制御装置にて定められる。なお、バイパス経路３２の経路合流点に三方流量調整弁を組み込んで、イオン交換器４０への流量を燃料電池温度や発電状況に基づいて定めるようにすることもできる。

燃料電池システム１０は、上記した冷却系２０の他、燃料電池１２へのガス供給を図る水素ガス供給系や空気供給系を備えるが、本発明の要旨とは直接関連しないので、その説明は省略する。また、燃料電池１２は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた図示しない膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を備える発電モジュールを積層して構成されるが、この点についても本発明の要旨とは直接関連しないので、その説明は省略する。

次に、上記した構成を有する燃料電池システム１０の出荷前のイオン初期浄化について説明する。図２は本実施例で行うイオン初期浄化の際の燃料電池システム１０の構成の様子を示す説明図、図３はイオン初期浄化の処理手順を示す手順図である。

燃料電池システム１０の出荷前において、まず、循環経路２２に流量調整弁７０を一時的に組み込む。この流量調整弁７０は、以下に説明するイオン初期浄化処理におけるイオン交換器４０の冷媒通過流量を増大調整するため、燃料電池１２の側に流れる冷媒流量をゼロもしくは少量に調整する。この場合、燃料電池システム１０においてバイパス経路３２の経路合流点に三方流量調整弁を組み込んだ構成を採用すれば、この三方流量調整弁での流量調整が可能なため、流量調整弁７０の組み込みは不要となる。

図３のイオン初期浄化処理は、燃料電池システム１０の出荷の都度にその出荷前に実行され、まず、イオン浄化のための機器設定を行う（ステップＳ１００）。この機器設定では、循環ポンプ２８の回転数を高回転数に設定すると共に、流量調整弁７０の流量調整を上記したように燃料電池１２への流量低減側に設定する。こうした機器設定（循環ポンプ２８の回転数設定・流量調整弁７０の流量設定）は、燃料電池システム１０の発電運転の際に燃料電池１２の冷却のための冷媒供給量を超える供給量で冷媒が供給され、しかも、冷媒はイオン交換器４０の許容最大流量でイオン交換器４０を通過するように設定される。この場合、ラジエーター３０を通過する冷媒流量は、三方流量調整弁２６の設定で定まるので、三方流量調整弁２６についても設定を行うようにすることもできる。本実施例では、ラジエーター３０の通過流量が多くなるように、三方流量調整弁２６を調整することとした。

機器設定後には、設定回転数での循環ポンプ２８の駆動を開始すると共に経過時間の計測を開始する（ステップＳ１１０）。これにより、イオン交換器４０には、その許容最大流量で冷媒が循環して通過することになり、冷媒に溶出したイオンはイオン交換器４０にて除去される（浄化される）。こうしたイオン交換器４０によるイオン浄化が所定時間継続されたか否かを判定し（ステップＳ１２０）、冷媒の循環供給によるイオン交換器４０でのイオン浄化を予め定めた所定時間に亘って継続する。この場合の所定時間（イオン浄化継続時間）は、冷却系２０に含まれるラジエーター３０等の機器や循環経路２２等の配管から初期に溶出するイオンをイオン交換器４０にて除去することで、冷媒の導電率を高電圧対策上必要とされる低導電率にまで低下できるに足りる時間として設定されており、ラジエーター３０等の材質やスペックや配管の材質や経路長等を考慮して定められる。本実施例では、このイオン浄化継続時間を０．５〜２時間の範囲の時間とした。なお、このイオン浄化継続時間は、冷媒の流量やイオン交換器４０のイオン交換容量に応じて種々設定される。

上記したイオン浄化が所定時間継続された後には、循環ポンプ２８を停止すると共に上記した機器設定を燃料電池システム１０の発電運転に適合した状態に復旧する（ステップＳ１３０）。この設定復旧では、循環ポンプ２８の回転数や三方流量調整弁２６での流量調整を、発電運転時に想定されるものに設定される他、流量調整弁７０の取り外し・配管復旧もなされる。

次いで、図２に示すように、未使用イオン交換器４０Ｎを、それまで上記したイオン浄化に供されていたイオン交換器４０に交換し、その上で、燃料電池システム１０を出荷する（ステップＳ１４０）。この場合、冷却系２０から取り外されたイオン交換器４０は、他の燃料電池システム１０の出荷前のイオン浄化に供するよう繰り返し利用される。

以上説明したように、本実施例における燃料電池システム１０のイオン浄化手順によれば、冷却系２０を構成する循環経路２２等の配管やラジエーター３０から冷媒に溶出するイオンを、完成品としての燃料電池システム１０の出荷に先だってイオン交換器４０にて浄化する（ステップＳ１００〜１３０）。そして、システム出荷に際しては、冷却系２０のバイパス経路３２に未使用イオン交換器４０Ｎを燃料電池１２と並行に組み込んだ形態とし、その未使用イオン交換器４０Ｎへの冷媒の循環供給を可能としておく（ステップＳ１３０〜１４０）。この結果、本実施例における燃料電池システム１０のイオン浄化手順によれば、燃料電池システム１０におけるイオン浄化をシステム出荷前に図った上で、イオン浄化能力を維持したままの未使用イオン交換器４０Ｎを冷媒の循環経路２２に含む状態で出荷できる。

そして、本実施例では、冷媒の循環供給を受けてイオン浄化に供したイオン交換器４０を未使用イオン交換器４０Ｎと交換すればよいので、簡便である。この場合、未使用イオン交換器４０Ｎは、新品のイオン交換器とすることがより簡便であるが、イオン浄化能力に余力のあるイオン交換器４０、例えば６０％以上のイオン浄化余力があるイオン交換器４０をステップＳ１４０においてバイパス経路３２に交換して組み込むようにすることもできる。

また、本実施例では、ステップＳ１４０にて取り外したイオン交換器４０を、他の燃料電池システム１０の出荷前のイオン浄化に供するよう繰り返し利用するので、イオン交換器４０を有効利用できる。

また、図３のイオン浄化手順では冷却系２０にて冷媒を循環させればよいので、このイオン浄化手順を、燃料電池システム１０に必要なガス供給系の組み付けと別にできる。つまり、ガス供給系の組み付け作業と並行してイオン浄化手順を実行できることから、組み付け作業時間の短縮が可能となる。

また、本実施例では、図３のイオン浄化手順において、ラジエーター３０を通過する冷媒流量が多くなるように三方流量調整弁２６を設定した。よって、次の利点がある。ラジエーター３０は、多層のプレートをロウ材にて積層させた構造であることから、三方流量調整弁２６等のバルブや配管に比べて、イオンの初期溶出量は多い。よって、上記したようにラジエーター通過流量の増大化により、ラジエーター３０から溶出したイオンを効率よく浄化でき好ましい。

本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様で実施可能である。例えば、イオン浄化用のイオン交換器を予めイオン交換器４０とは別に冷却系２０に組み込んでおくこともできる。図４はイオン浄化用のイオン交換器を予め組み込んだ燃料電池システム１０の出荷前の機器構成を概略的に示す説明図である。

図示するように、この燃料電池システム１０では、燃料電池１２およびイオン交換器４０と並行にイオン浄化用イオン交換器１６０を、バイパス経路１６２を介して冷却系２０に予め組み込んでおく。そして、イオン交換器４０と燃料電池１２への冷媒流入が起きないように、バイパス経路３２と循環経路２２を盲栓８０にて閉鎖し、この状態で図３のイオン浄化手順を実行する（ステップＳ１００〜１４０）。この際、ステップＳ１３０では、盲栓８０の取り外しと配管接続復旧を行い、ステップＳ１４０では、イオン浄化用イオン交換器１６０とバイパス経路１６２の取り外しと配管接続復旧（バイパス経路合流部の復旧）とを行う。こうしても、燃料電池システム１０におけるイオン浄化をシステム出荷前に実行できると共に、イオン浄化に供されなかったためにイオン浄化能力を維持したままのイオン交換器４０を冷媒の循環経路２２に含む状態で出荷できる。

また、上記の実施例では、燃料電池システム１０の適用先については説明しなかったが、燃料電池の電力を駆動動力として用いる車両、即ち燃料電池システム１０を搭載した車両としても適用できる。燃料電池を電力生成機器とするいわゆる据え置き型の燃料電池システム１０として適用することもできる。この場合、燃料電池システム搭載車両では、事故等によりラジエーター３０の交換が必要な場合があるが、ラジエーター交換を行う整備工場にて、ラジエーター交換後の出荷に際して、上記したイオン浄化手順を行った上で出荷するようにすることもできる。

１０…燃料電池システム
１２…燃料電池
２０…冷却系
２２…循環経路
２４…バイパス経路
２６…三方流量調整弁
２８…循環ポンプ
３０…ラジエーター
３２…バイパス経路
４０…イオン交換器
４０Ｎ…未使用イオン交換器
７０…流量調整弁
８０…盲栓
１６０…イオン浄化用イオン交換器
１６２…バイパス経路

Claims (4)

1. 燃料電池に冷媒を循環供給して燃料電池の冷却を図る燃料電池システムのイオン浄化方法であって、
   循環経路において前記燃料電池と並行に配置されたイオン交換器への冷媒の循環供給を燃料電池システムの出荷に先だって実行して、イオンの初期浄化を図り、
   前記冷媒の循環供給を経て前記初期浄化を図った後に、前記循環経路において前記燃料電池と並行に組み込まれた未使用のイオン交換器への冷媒の循環供給が可能な状態とし、その上で、燃料電池システムを出荷する
   イオン浄化方法。
2. 前記冷媒の循環供給を受けた前記イオン交換器を前記初期浄化後に未使用のイオン交換器と交換する請求項１に記載のイオン浄化方法。
3. 請求項１に記載のイオン浄化方法であって、
   前記冷媒の循環供給を受ける前記イオン交換器と並列に未使用のイオン交換器を組み込み、イオンの前記初期浄化の際には前記未使用のイオン交換器への冷媒流入を停止し、
   前記初期浄化を図った後に、前記冷媒の循環供給を受けた前記イオン交換器を前記循環経路から取り外して、前記未使用のイオン交換器への冷媒の循環供給が可能な状態とする
   イオン浄化方法。
4. 前記冷媒の循環供給を受けた前記イオン交換器を、前記初期浄化に繰り返し利用する請求項１ないし請求項３いずれかに記載のイオン浄化方法。

Images