JP3671857B2 - 燃料電池システムの導電率管理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
固体高分子型燃料電池はその燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび空気を供給して電気化学反応を起こし電気エネルギを得ている。燃料電池システムには、このような化学反応で発熱した燃料電池を８０℃程度の定常運転温度に維持するために冷却系統が設けられている。冷却系統は、冷却液を循環ポンプにより燃料電池へ供給し、燃料電池を通過した冷却液はラジエータのような熱交換器によって冷却した後にタンクに戻す循環系を構成している。
【０００３】
冷却液としては一般に純度の高い純水が使用される。純水の導電率が増加すると燃料電池内でショートして発電量の低下さらには発電停止を起こすおそれを生じるので、純水の導電率を低減するためにイオン除去フィルタなどの導電率低減装置が設けられる。このようなイオン除去フィルタを設けたシステムとしては、特開平９？２２７１６号公報に開示されているものが知られている。これは、導電率計にて燃料電池の冷却液の導電率を測定し、測定値に応じてイオン除去フィルタを作動させて導電率を低く管理しようとするものである。
【０００４】
しかしながら、こうした従来のイオン除去装置では、例えば燃料電池の負荷が大きくて冷却装置に冷却性能をフルに発揮させたい場合、あるいは燃料電池が定常運転中であっても電力に余裕がない場合などには、冷却液の導電率が許容限界値に達したとしても、冷却性能を優先させる必要からイオン除去処理ができず、あるいはイオン交換用のポンプを駆動する余剰電力がなくてイオン除去処理ができないという問題が生じる
また、一般に導電率計は温度変化による測定精度の劣化が大きく、定格使用温度（２５℃程度）に対して温度差が大きくなるほど導電率値が実状とずれてくる。また、測定保証温度範囲もおおむね０〜５０℃程度であり、したがって燃料電池の定常運転温度である８０℃前後では測定値の信頼性は低い。さらに、導電率計は耐熱性も約８０℃と燃料電池の定常運転温度に対して余裕がないので、導電率計そのものの信頼性や耐久性も問題となる。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、運転状態の検出結果に基づいてイオン除去装置などの導電率低減装置への冷却液バイパス割合を可変制御することにより、冷却性能や電力に余裕がない状態で導電率が許容限界値を超える機会を低減してシステムの運用効率を高めることを目的としている。また、本発明では、導電率検知の信頼性を高めることをも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの冷却液温度または燃料電池の要求放熱量を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記冷却液温度または要求放熱量が低くなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【０００７】
第２の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の要求出力値または循環ポンプの負荷を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて前記燃料電池の要求出力値または循環ポンプの負荷が小さくなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【０００８】
第３の発明は、前記第１または第２の発明において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置を、前記運転状態検出装置の検出値に基づいて導電率の予測値を求めるように構成した。
【０００９】
第４の発明は、前記第１または第２の発明において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置を、冷却液循環流路内に外部から注入される冷却液の導電率を計測する計測手段を備えた。
【００１０】
第５の発明は、前記第１または第２の発明において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置は、発電前の燃料電池スタックの任意のセパレータ間に電圧を印加し、この時の電流検出結果から導電率を演算するように構成した。
【００１１】
第６の発明は、前記第３の発明の導電率検知装置を、冷却液の温度を計測する計測手段を備え、当該計測値に基づいて導電率の予測値を補正するように構成した。
【００１２】
第７の発明は、前記第３の発明の導電率検知装置を、冷却液の流量を計測する計測手段を備え、燃料電池の運転時間と冷却液の流量とに基づいて導電率の予測値を補正するように構成した。
【００１３】
第８の発明は、前記第３の発明の導電率検知装置を、燃料電池出力から冷却液の温度または流量の少なくとも何れか一方を予測する予測手段を備え、当該予測結果に基づいて導電率の予測値を補正するように構成した。
【００１４】
第９の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置と、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの冷却液温度を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記冷却液温度が低くなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【００１５】
第１０の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置と、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの前記循環ポンプの要求駆動力を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記循環ポンプの要求駆動力が小さくなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【００１６】
【作用・効果】
前記第１の発明または第９の発明によれば、要求放熱量が少なくて冷却液の循環流量が少ない状態で効率よく冷却液の導電率を低減することができ、冷却性能に余裕がないときに導電率が許容限界値を超える機会を低減でき、したがって燃料電池システムを効率よく運転することが可能となる。
【００１７】
第２の発明または第１０の発明によれば、燃料電池ないしは循環ポンプの能力の余裕を有効利用して、システムの効率を低下させることなく導電率の低減を促進して導電率を常に低いレベルに維持でき、冷却性能に余裕がないときに導電率が許容限界値を超える機会を低減でき、したがって燃料電池システムを効率よく運転することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、さらに導電率検知装置を設け、燃料電池システムの運転状態に基づいて導電率の予測値を求めるように構成したことから、導電率が許容限界値を超えるような運転状態を事前に予測して導電率低減装置への冷却液バイパス量を増大でき、これにより導電率が許容限界値を超える機会をより低減しまたは導電率が基準値を超える時期を より遅らせることができる。
【００１９】
第４の発明によれば、導電率検知装置を、燃料電池システム内に外部から注入される冷却液の導電率を計測する計測手段を備えるものとしたことから、高温となる冷却液循環系にて導電率計等で計測する必要がなく、それだけ導電率計測の信頼性が向上し、システムの簡素化を図ることもできる。また、冷却液循環系に導電率計を併設する場合においても、検知した導電率を冷却液の初期の正確な導電率に基づいて補正し、導電率低減装置へのバイパス割合をより正確に制御することが可能となる。
【００２０】
第５の発明によれば、燃料電池発電前の電位が存在しない状態で任意のセパレータに電圧を印加することにより求められる抵抗値から、冷却水の導電率を正確に求めることができる。また、発電開始毎に計測することができるので常に正確な導電率に基づいて導電率低減装置への冷却液バイパス割合をより的確に制御することができる。
【００２１】
第６の発明によれば、第２の発明の導電率検知装置による導電率予測値を、冷却液の温度に基づいて補正するようにしたことから、冷却液温度が上昇するほど導電率が悪化する傾向にしたがってより的確に導電率予測を行うことができる。
【００２２】
第７の発明によれば、第２の発明の導電率検知装置による導電率予測値を、冷却液の流量に基づいて補正するようにしたことから、冷却液流量が増大するほど導電率が悪化する傾向にしたがってより的確に導電率予測を行うことができる。
【００２３】
第８の発明によれば、第２の発明の導電率検知装置を、燃料電池出力から冷却液の温度または流量の少なくとも何れか一方を予測し、その予測結果に基づいて導電率の予測値を補正するように構成したことから、燃料電池の出力値のみから導電率予測を行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１はマイクロコンピュータおよびその周辺装置等から構成される制御装置、２は電気化学反応により起電力を得る燃料電池（スタック）、３は冷却液として純水を供給する電動式の循環ポンプ、４は冷却液の導電率を低減する導電率低減装置としてのイオン除去フィルタ、５は冷却液を冷却する熱交換器、６と７は冷却液の流路を切り替える電磁バルブ、８は冷却液の導電率を検知する導電率検知装置である。１０は冷却液を燃料電池２と熱交換器５との間で循環させる循環流路、１１は循環流路１０の途中から前記電磁バルブ６および７の開度に応じて分流させた冷却液を導電率低減装置４を通して再び循環流路１０に戻すバイパス流路である。なお図中の破線は制御系の信号経路を示している。
【００２５】
循環ポンプ３は吐出量の要求に応じて回転数が可変制御される構成であり、制御装置１はその回転数の指令値を燃料電池２の運転状態や冷却液温度に応じて決定し、循環ポンプ３の駆動を制御する。循環ポンプ３や各種電気機器の電源としては前記燃料電池２の起電力があてられる。
【００２６】
化学反応に伴う燃料電池２の温度上昇を抑制するために冷却液を循環ポンプ３により熱交換器６とのあいだで循環させる。燃料電池２に供給する冷却液は、燃料電池内でのショートにより発電量が低下することを防止するために導電率が低く抑えられていなければならない。自動車等の移動体に搭載するような燃料電池システムでは、外部の純水製造装置から導電率の低い冷却液を自由に供給することができないため、冷却液の導電率を低く維持することは重要である。しかしながら導電性イオンが配管や熱交換器など純水が金属と接触する部分から溶け出すことから、そのまま放置すれば導電率は経時的に上昇してゆく。イオン除去フィルタ４はこの溶け出した導電性イオンを除去する機能を有している。
【００２７】
バイパス流路１１への流量を切り替える電磁バルブ６と７は、制御装置１からの信号によって開度が連続的または多段階的に可変制御され、循環流路１０全開？バイパス流路１１全閉の状態から、その逆の状態まで制御装置１からの信号を受け、2つの流路１０または１１への冷却液量を調節する。このような２つの電磁バルブ６，７を設ける代わりに、流路１０と１１の分岐部に開度が連続的に変化する特性の単一の三方電磁弁を設けるようにしてもよい。
【００２８】
導電率検知装置８としては、冷却液の電気抵抗を測定する原理による導電率計を適用できるほか、後述する各手段ないし手法により導電率の検知または予測を行うことができる。制御装置１は、導電率検知装置８からの冷却液の導電率検知結果に基づいて電磁バルブ６，７ヘの指令値を演算し、循環流路１０からバイパス流路１１にバイパスさせる冷却液流量の割合を決定している。
【００２９】
この実施形態では、導電率検知装置８の検知結果にかかわらず、すなわち導電率が許容しうる上限値（既定値）よりも低い条件下であっても、電磁バルブ６，７の開度を調節してイオン除去フィルタ４にある程度の冷却液をバイパスさせる。これにより、図２に示したように常に導電率を低く維持し、燃料電池２での漏れ電流の発生を抑制する。
【００３０】
図３は第２の実施形態であり、導電率検知装置により導電率の変化予測を行い、例えば時間経過に伴う導電率の変化から導電率が既定値を超えると予測されたときにはイオン除去フィルタへの冷却液バイパス割合を増大して導電率を低下させるようにしたものである。これにより、導電率が既定値に達する回数をより低減し、または既定値に達する時期をより遅らせてシステム停止等のおそれを低減することができる。
【００３１】
図４は本発明の第３の実施形態である。なお図１と同一の部分には同一の符号を付して示す（以下の各図につき同様）。この実施形態では、制御装置１に循環ポンプ３の負荷をフィードバックしてポンプ能力の余裕を計算し、その余裕代が大であるほどイオン除去フィルタ４ヘの冷却液バイパス割合が増すように電磁バルブ６，７を制御するようにしている。これにより、循環ポンプ３の能力の余裕を有効利用して、余裕代が有る範囲で導電率低減を促進して、導電率を常に低いレベルに維持することができる。なお、循環ポンプ３の余裕代のみならず、冷却液の流量または温度を検出して、冷却液流量または温度に余裕があるときに前記と同様の制御を行うようにしてもよい。前記のような制御を実施する運転条件としては次のような条件が想定される。
・システム始動時で、スタック温度が低く冷却の要求がないかまたは小さい場合。
・システム始動時等で、起動前放置により導電率が悪化している場合。
・アイドル運転時で、スタック発熱量が低減している場合。
・減速過渡応答時で、ポンプ負荷が低い場合。
【００３２】
図５は本発明の第４の実施形態である。これは、導電率検知装置としての導電率計８を、燃料電池システムの内部ではなく、冷却液をシステム（冷却液循環流路１０）に注入する外部流路１２に設け、システム外部にて導電率を測定するようにしたものである。制御装置１は、冷却液をシステムに注入する時に、前記システム外の導電率計８により導電率を測定し、その測定結果による導電率を用いて、または測定結果により以前の導電率検知結果を補正して電磁バルブ６，７の開度を制御する。この実施形態によれば、システム内に導電率計８を設置しないので、流体温度の上昇による測定不良や雰囲気温度の上昇による故障部品の発生を低減でき、システム信頼性が向上し、システム簡素化もできる。またシステム内に注入した冷却液の初期の正確な導電率を把握できる。イオン除去フィルタ４ヘと流す冷却液の制御を、正確な初期の導電率値を基により的確に行うことができる。また、冷却液循環系に導電率計を併設する場合においても、検知した導電率を冷却液の正確な初期導電率に基づいて補正することにより、より精度の高い制御を行うことができる。
【００３３】
図６は本発明の第５の実施形態である。この実施形態では、制御装置１は発電前ないし非発電時の燃料電池スタック２の任意のセパレータ２ａ間に電圧を印加して当該セパレータ間の電流値ないし抵抗値を測定し、その測定結果とセパレータ部の既知の流路形状および長さから冷却液の導電率を算出する。この実施形態によれば、冷却液の導電率を冷却液供給時のみならず、毎回の起動時に測定でき、すなわち導電率の測定頻度を高めて測定精度を高めることができる。また、導電率計を設けることなく導電率を検知することができる。
【００３４】
図７は本発明の第６の実施形態である。この実施形態では、制御装置１は燃料電池２の出力電流から冷却液への漏れ電流値を計算する。これは、例えば燃料電池２からの出力電流値が、低い導電率の時と比べた低下分を冷却液への漏れ電流値とする。次にこの計算結果と燃料電池２の既知の冷却液流路形状と絶縁範囲から導電率を算出する。この実施形態によれば、図６の実施形態と同様に導電率計を設けることなく、燃料電池の出力電流値によって導電率を検出することができる。
【００３５】
図８は本発明の第７の実施形態である。この実施形態は、燃料電池２に供給する冷却液の温度を測定する温度センサ１３を備え、制御装置１はこの温度検出結果から導電率の経時変化を補正する。すなわち、制御装置１は、前記検出温度に応じて冷却液の活性が変化することによる導電率の経時変化を補正するのであり、その結果に応じて電磁バルブ６，７を制御してイオン除去フィルタ４へバイパスさせる冷却液の割合を制御して導電率を低く保つ。制御装置１による前記導電率の演算処理についてさらに図９と図１０を用いて説明する。図９は冷却液温度と導電率の変化傾向を表した特性線図、図１０は前記導電率演算の手順である。この演算処理ではまず燃料電池システム起動時の導電率を測定または予測する一方、起動後の経過時間と温度履歴に基づきその後の温度変化を予測する。次いで、予測した温度変化に基づき、システム起動時に測定または予測した導電率を初期値として、例えば図９の特性を記憶装置上にマップ化したものを検索して現在あるいは将来の導電率を求める。このようにして冷却液の温度変化を監視することで導電率を検知し、導電率を低減する制御を効果的に行うことができる。
【００３６】
図１１は本発明の第８の実施形態である。この実施形態は、燃料電池２に循環させる冷却液の流量を測定する流量センサ１４を備え、制御装置１はこの流量検出結果から導電率の経時変化を補正する。すなわち、制御装置１は、前記検出流量に応じて冷却液の活性が変化することによる導電率の経時変化を補正するのであり、その結果に応じて電磁バルブ６，７を制御してイオン除去フィルタ４へバイパスさせる冷却液の割合を制御して導電率を低く保つ。制御装置１による前記導電率の演算処理についてさらに図１２と図１３を用いて説明する。図１２は冷却液流量と導電率の変化傾向を表した特性線図、図１３は前記導電率演算の手順である。この演算処理ではまず燃料電池システム起動時の導電率を測定または予測する一方、起動後の経過時間と冷却液流量履歴に基づきその後の流量変化を予測する。次いで、予測した流量変化に基づき、システム起動時に測定または予測した導電率を初期値として、例えば図１２の特性を記憶装置上にマップ化したものを検索して現在あるいは将来の導電率を求める。このようにして冷却液の流量変化を監視することで導電率を補正し、導電率を低減する制御を効果的に行うことができる。
【００３７】
図１４は本発明の第９の実施形態である。図は本実施形態の演算処理手順を示したもので、制御装置１において冷却液の温度または流量を検出すると共に、燃料電池２の要求出力値（または取出し出力値）を検知し、その出力値変化から冷却液温度変化と冷却液流量変化の両方またはいずれか一方を予測し、電磁バルブ６，７の開度を制御するものである。この演算処理ではまず燃料電池システム起動時の導電率を測定または予測する一方、燃料電池の要求出力値と、冷却液温度または流量を検出する。次いで起動後の経過時間および要求出力値と冷却液温度または流量の履歴に基づきその後の温度または流量変化を予測する。さらに、予測した温度または流量変化に基づき、システム起動時に測定または予測した導電率を初期値として、例えば温度については図９、流量については図１２の特性を記憶装置上にマップ化したものを検索して現在あるいは将来の導電率を求める。このようにして冷却液の温度または流量を予測することで導電率を補正し、導電率を低減する制御を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態のシステム構成図。
【図２】 前記第１の実施形態による導電率の変化特性の説明図。
【図３】 本発明の第２の実施形態による導電率の変化特性の説明図。
【図４】 本発明の第３の実施形態のシステム構成図。
【図５】 本発明の第４の実施形態のシステム構成図。
【図６】 本発明の第５の実施形態のシステム構成図。
【図７】 本発明の第６の実施形態のシステム構成図。
【図８】 本発明の第７の実施形態のシステム構成図。
【図９】 前記第７の実施形態における冷却液温度と導電率の関係を示す特性線図。
【図１０】 前記第７の実施形態における導電率算出処理手順の説明図。
【図１１】 本発明の第８の実施形態のシステム構成図。
【図１２】 前記第８の実施形態における冷却液流量と導電率の関係を示す特性線図。
【図１３】 前記実施形態における導電率算出処理手順の説明図。
【図１４】 本発明の第９の実施形態における導電率算出処理手順の説明図。
【符号の説明】
１ 制御装置
２ 燃料電池（スタック）
３ 循環ポンプ
４ イオン除去フィルタ（導電率低減装置）
５ 熱交換器
６ 電磁バルブ
７ 電磁バルブ
８ 導電率検知装置
１０ 冷却液の循環流路
１１ バイパス流路
１２ 外部流路
１３ 温度センサ
１４ 流量センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
固体高分子型燃料電池はその燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび空気を供給して電気化学反応を起こし電気エネルギを得ている。燃料電池システムには、このような化学反応で発熱した燃料電池を８０℃程度の定常運転温度に維持するために冷却系統が設けられている。冷却系統は、冷却液を循環ポンプにより燃料電池へ供給し、燃料電池を通過した冷却液はラジエータのような熱交換器によって冷却した後にタンクに戻す循環系を構成している。
【０００３】
冷却液としては一般に純度の高い純水が使用される。純水の導電率が増加すると燃料電池内でショートして発電量の低下さらには発電停止を起こすおそれを生じるので、純水の導電率を低減するためにイオン除去フィルタなどの導電率低減装置が設けられる。このようなイオン除去フィルタを設けたシステムとしては、特開平９？２２７１６号公報に開示されているものが知られている。これは、導電率計にて燃料電池の冷却液の導電率を測定し、測定値に応じてイオン除去フィルタを作動させて導電率を低く管理しようとするものである。
【０００４】
しかしながら、こうした従来のイオン除去装置では、例えば燃料電池の負荷が大きくて冷却装置に冷却性能をフルに発揮させたい場合、あるいは燃料電池が定常運転中であっても電力に余裕がない場合などには、冷却液の導電率が許容限界値に達したとしても、冷却性能を優先させる必要からイオン除去処理ができず、あるいはイオン交換用のポンプを駆動する余剰電力がなくてイオン除去処理ができないという問題が生じる
また、一般に導電率計は温度変化による測定精度の劣化が大きく、定格使用温度（２５℃程度）に対して温度差が大きくなるほど導電率値が実状とずれてくる。また、測定保証温度範囲もおおむね０〜５０℃程度であり、したがって燃料電池の定常運転温度である８０℃前後では測定値の信頼性は低い。さらに、導電率計は耐熱性も約８０℃と燃料電池の定常運転温度に対して余裕がないので、導電率計そのものの信頼性や耐久性も問題となる。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、運転状態の検出結果に基づいてイオン除去装置などの導電率低減装置への冷却液バイパス割合を可変制御することにより、冷却性能や電力に余裕がない状態で導電率が許容限界値を超える機会を低減してシステムの運用効率を高めることを目的としている。また、本発明では、導電率検知の信頼性を高めることをも目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの冷却液温度または燃料電池の要求放熱量を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記冷却液温度または要求放熱量が低くなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【０００７】
第２の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の要求出力値または循環ポンプの負荷を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて前記燃料電池の要求出力値または循環ポンプの負荷が小さくなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【０００８】
第３の発明は、前記第１または第２の発明において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置を、前記運転状態検出装置の検出値に基づいて導電率の予測値を求めるように構成した。
【０００９】
第４の発明は、前記第１または第２の発明において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置を、冷却液循環流路内に外部から注入される冷却液の導電率を計測する計測手段を備えた。
【００１０】
第５の発明は、前記第１または第２の発明において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置は、発電前の燃料電池スタックの任意のセパレータ間に電圧を印加し、この時の電流検出結果から導電率を演算するように構成した。
【００１１】
第６の発明は、前記第３の発明の導電率検知装置を、冷却液の温度を計測する計測手段を備え、当該計測値に基づいて導電率の予測値を補正するように構成した。
【００１２】
第７の発明は、前記第３の発明の導電率検知装置を、冷却液の流量を計測する計測手段を備え、燃料電池の運転時間と冷却液の流量とに基づいて導電率の予測値を補正するように構成した。
【００１３】
第８の発明は、前記第３の発明の導電率検知装置を、燃料電池出力から冷却液の温度または流量の少なくとも何れか一方を予測する予測手段を備え、当該予測結果に基づいて導電率の予測値を補正するように構成した。
【００１４】
第９の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置と、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの冷却液温度を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記冷却液温度が低くなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【００１５】
第１０の発明は、循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置と、前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの前記循環ポンプの要求駆動力を検出する運転状態検出装置を設けると共に、前記制御装置を、導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記循環ポンプの要求駆動力が小さくなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した。
【００１６】
【作用・効果】
前記第１の発明または第９の発明によれば、要求放熱量が少なくて冷却液の循環流量が少ない状態で効率よく冷却液の導電率を低減することができ、冷却性能に余裕がないときに導電率が許容限界値を超える機会を低減でき、したがって燃料電池システムを効率よく運転することが可能となる。
【００１７】
第２の発明または第１０の発明によれば、燃料電池ないしは循環ポンプの能力の余裕を有効利用して、システムの効率を低下させることなく導電率の低減を促進して導電率を常に低いレベルに維持でき、冷却性能に余裕がないときに導電率が許容限界値を超える機会を低減でき、したがって燃料電池システムを効率よく運転することができる。
【００１８】
第３の発明によれば、さらに導電率検知装置を設け、燃料電池システムの運転状態に基づいて導電率の予測値を求めるように構成したことから、導電率が許容限界値を超えるような運転状態を事前に予測して導電率低減装置への冷却液バイパス量を増大でき、これにより導電率が許容限界値を超える機会をより低減しまたは導電率が基準値を超える時期を より遅らせることができる。
【００１９】
第４の発明によれば、導電率検知装置を、燃料電池システム内に外部から注入される冷却液の導電率を計測する計測手段を備えるものとしたことから、高温となる冷却液循環系にて導電率計等で計測する必要がなく、それだけ導電率計測の信頼性が向上し、システムの簡素化を図ることもできる。また、冷却液循環系に導電率計を併設する場合においても、検知した導電率を冷却液の初期の正確な導電率に基づいて補正し、導電率低減装置へのバイパス割合をより正確に制御することが可能となる。
【００２０】
第５の発明によれば、燃料電池発電前の電位が存在しない状態で任意のセパレータに電圧を印加することにより求められる抵抗値から、冷却水の導電率を正確に求めることができる。また、発電開始毎に計測することができるので常に正確な導電率に基づいて導電率低減装置への冷却液バイパス割合をより的確に制御することができる。
【００２１】
第６の発明によれば、第２の発明の導電率検知装置による導電率予測値を、冷却液の温度に基づいて補正するようにしたことから、冷却液温度が上昇するほど導電率が悪化する傾向にしたがってより的確に導電率予測を行うことができる。
【００２２】
第７の発明によれば、第２の発明の導電率検知装置による導電率予測値を、冷却液の流量に基づいて補正するようにしたことから、冷却液流量が増大するほど導電率が悪化する傾向にしたがってより的確に導電率予測を行うことができる。
【００２３】
第８の発明によれば、第２の発明の導電率検知装置を、燃料電池出力から冷却液の温度または流量の少なくとも何れか一方を予測し、その予測結果に基づいて導電率の予測値を補正するように構成したことから、燃料電池の出力値のみから導電率予測を行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１はマイクロコンピュータおよびその周辺装置等から構成される制御装置、２は電気化学反応により起電力を得る燃料電池（スタック）、３は冷却液として純水を供給する電動式の循環ポンプ、４は冷却液の導電率を低減する導電率低減装置としてのイオン除去フィルタ、５は冷却液を冷却する熱交換器、６と７は冷却液の流路を切り替える電磁バルブ、８は冷却液の導電率を検知する導電率検知装置である。１０は冷却液を燃料電池２と熱交換器５との間で循環させる循環流路、１１は循環流路１０の途中から前記電磁バルブ６および７の開度に応じて分流させた冷却液を導電率低減装置４を通して再び循環流路１０に戻すバイパス流路である。なお図中の破線は制御系の信号経路を示している。
【００２５】
循環ポンプ３は吐出量の要求に応じて回転数が可変制御される構成であり、制御装置１はその回転数の指令値を燃料電池２の運転状態や冷却液温度に応じて決定し、循環ポンプ３の駆動を制御する。循環ポンプ３や各種電気機器の電源としては前記燃料電池２の起電力があてられる。
【００２６】
化学反応に伴う燃料電池２の温度上昇を抑制するために冷却液を循環ポンプ３により熱交換器６とのあいだで循環させる。燃料電池２に供給する冷却液は、燃料電池内でのショートにより発電量が低下することを防止するために導電率が低く抑えられていなければならない。自動車等の移動体に搭載するような燃料電池システムでは、外部の純水製造装置から導電率の低い冷却液を自由に供給することができないため、冷却液の導電率を低く維持することは重要である。しかしながら導電性イオンが配管や熱交換器など純水が金属と接触する部分から溶け出すことから、そのまま放置すれば導電率は経時的に上昇してゆく。イオン除去フィルタ４はこの溶け出した導電性イオンを除去する機能を有している。
【００２７】
バイパス流路１１への流量を切り替える電磁バルブ６と７は、制御装置１からの信号によって開度が連続的または多段階的に可変制御され、循環流路１０全開？バイパス流路１１全閉の状態から、その逆の状態まで制御装置１からの信号を受け、2つの流路１０または１１への冷却液量を調節する。このような２つの電磁バルブ６，７を設ける代わりに、流路１０と１１の分岐部に開度が連続的に変化する特性の単一の三方電磁弁を設けるようにしてもよい。
【００２８】
導電率検知装置８としては、冷却液の電気抵抗を測定する原理による導電率計を適用できるほか、後述する各手段ないし手法により導電率の検知または予測を行うことができる。制御装置１は、導電率検知装置８からの冷却液の導電率検知結果に基づいて電磁バルブ６，７ヘの指令値を演算し、循環流路１０からバイパス流路１１にバイパスさせる冷却液流量の割合を決定している。
【００２９】
この実施形態では、導電率検知装置８の検知結果にかかわらず、すなわち導電率が許容しうる上限値（既定値）よりも低い条件下であっても、電磁バルブ６，７の開度を調節してイオン除去フィルタ４にある程度の冷却液をバイパスさせる。これにより、図２に示したように常に導電率を低く維持し、燃料電池２での漏れ電流の発生を抑制する。
【００３０】
図３は第２の実施形態であり、導電率検知装置により導電率の変化予測を行い、例えば時間経過に伴う導電率の変化から導電率が既定値を超えると予測されたときにはイオン除去フィルタへの冷却液バイパス割合を増大して導電率を低下させるようにしたものである。これにより、導電率が既定値に達する回数をより低減し、または既定値に達する時期をより遅らせてシステム停止等のおそれを低減することができる。
【００３１】
図４は本発明の第３の実施形態である。なお図１と同一の部分には同一の符号を付して示す（以下の各図につき同様）。この実施形態では、制御装置１に循環ポンプ３の負荷をフィードバックしてポンプ能力の余裕を計算し、その余裕代が大であるほどイオン除去フィルタ４ヘの冷却液バイパス割合が増すように電磁バルブ６，７を制御するようにしている。これにより、循環ポンプ３の能力の余裕を有効利用して、余裕代が有る範囲で導電率低減を促進して、導電率を常に低いレベルに維持することができる。なお、循環ポンプ３の余裕代のみならず、冷却液の流量または温度を検出して、冷却液流量または温度に余裕があるときに前記と同様の制御を行うようにしてもよい。前記のような制御を実施する運転条件としては次のような条件が想定される。
・システム始動時で、スタック温度が低く冷却の要求がないかまたは小さい場合。
・システム始動時等で、起動前放置により導電率が悪化している場合。
・アイドル運転時で、スタック発熱量が低減している場合。
・減速過渡応答時で、ポンプ負荷が低い場合。
【００３２】
図５は本発明の第４の実施形態である。これは、導電率検知装置としての導電率計８を、燃料電池システムの内部ではなく、冷却液をシステム（冷却液循環流路１０）に注入する外部流路１２に設け、システム外部にて導電率を測定するようにしたものである。制御装置１は、冷却液をシステムに注入する時に、前記システム外の導電率計８により導電率を測定し、その測定結果による導電率を用いて、または測定結果により以前の導電率検知結果を補正して電磁バルブ６，７の開度を制御する。この実施形態によれば、システム内に導電率計８を設置しないので、流体温度の上昇による測定不良や雰囲気温度の上昇による故障部品の発生を低減でき、システム信頼性が向上し、システム簡素化もできる。またシステム内に注入した冷却液の初期の正確な導電率を把握できる。イオン除去フィルタ４ヘと流す冷却液の制御を、正確な初期の導電率値を基により的確に行うことができる。また、冷却液循環系に導電率計を併設する場合においても、検知した導電率を冷却液の正確な初期導電率に基づいて補正することにより、より精度の高い制御を行うことができる。
【００３３】
図６は本発明の第５の実施形態である。この実施形態では、制御装置１は発電前ないし非発電時の燃料電池スタック２の任意のセパレータ２ａ間に電圧を印加して当該セパレータ間の電流値ないし抵抗値を測定し、その測定結果とセパレータ部の既知の流路形状および長さから冷却液の導電率を算出する。この実施形態によれば、冷却液の導電率を冷却液供給時のみならず、毎回の起動時に測定でき、すなわち導電率の測定頻度を高めて測定精度を高めることができる。また、導電率計を設けることなく導電率を検知することができる。
【００３４】
図７は本発明の第６の実施形態である。この実施形態では、制御装置１は燃料電池２の出力電流から冷却液への漏れ電流値を計算する。これは、例えば燃料電池２からの出力電流値が、低い導電率の時と比べた低下分を冷却液への漏れ電流値とする。次にこの計算結果と燃料電池２の既知の冷却液流路形状と絶縁範囲から導電率を算出する。この実施形態によれば、図６の実施形態と同様に導電率計を設けることなく、燃料電池の出力電流値によって導電率を検出することができる。
【００３５】
図８は本発明の第７の実施形態である。この実施形態は、燃料電池２に供給する冷却液の温度を測定する温度センサ１３を備え、制御装置１はこの温度検出結果から導電率の経時変化を補正する。すなわち、制御装置１は、前記検出温度に応じて冷却液の活性が変化することによる導電率の経時変化を補正するのであり、その結果に応じて電磁バルブ６，７を制御してイオン除去フィルタ４へバイパスさせる冷却液の割合を制御して導電率を低く保つ。制御装置１による前記導電率の演算処理についてさらに図９と図１０を用いて説明する。図９は冷却液温度と導電率の変化傾向を表した特性線図、図１０は前記導電率演算の手順である。この演算処理ではまず燃料電池システム起動時の導電率を測定または予測する一方、起動後の経過時間と温度履歴に基づきその後の温度変化を予測する。次いで、予測した温度変化に基づき、システム起動時に測定または予測した導電率を初期値として、例えば図９の特性を記憶装置上にマップ化したものを検索して現在あるいは将来の導電率を求める。このようにして冷却液の温度変化を監視することで導電率を検知し、導電率を低減する制御を効果的に行うことができる。
【００３６】
図１１は本発明の第８の実施形態である。この実施形態は、燃料電池２に循環させる冷却液の流量を測定する流量センサ１４を備え、制御装置１はこの流量検出結果から導電率の経時変化を補正する。すなわち、制御装置１は、前記検出流量に応じて冷却液の活性が変化することによる導電率の経時変化を補正するのであり、その結果に応じて電磁バルブ６，７を制御してイオン除去フィルタ４へバイパスさせる冷却液の割合を制御して導電率を低く保つ。制御装置１による前記導電率の演算処理についてさらに図１２と図１３を用いて説明する。図１２は冷却液流量と導電率の変化傾向を表した特性線図、図１３は前記導電率演算の手順である。この演算処理ではまず燃料電池システム起動時の導電率を測定または予測する一方、起動後の経過時間と冷却液流量履歴に基づきその後の流量変化を予測する。次いで、予測した流量変化に基づき、システム起動時に測定または予測した導電率を初期値として、例えば図１２の特性を記憶装置上にマップ化したものを検索して現在あるいは将来の導電率を求める。このようにして冷却液の流量変化を監視することで導電率を補正し、導電率を低減する制御を効果的に行うことができる。
【００３７】
図１４は本発明の第９の実施形態である。図は本実施形態の演算処理手順を示したもので、制御装置１において冷却液の温度または流量を検出すると共に、燃料電池２の要求出力値（または取出し出力値）を検知し、その出力値変化から冷却液温度変化と冷却液流量変化の両方またはいずれか一方を予測し、電磁バルブ６，７の開度を制御するものである。この演算処理ではまず燃料電池システム起動時の導電率を測定または予測する一方、燃料電池の要求出力値と、冷却液温度または流量を検出する。次いで起動後の経過時間および要求出力値と冷却液温度または流量の履歴に基づきその後の温度または流量変化を予測する。さらに、予測した温度または流量変化に基づき、システム起動時に測定または予測した導電率を初期値として、例えば温度については図９、流量については図１２の特性を記憶装置上にマップ化したものを検索して現在あるいは将来の導電率を求める。このようにして冷却液の温度または流量を予測することで導電率を補正し、導電率を低減する制御を効果的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態のシステム構成図。
【図２】 前記第１の実施形態による導電率の変化特性の説明図。
【図３】 本発明の第２の実施形態による導電率の変化特性の説明図。
【図４】 本発明の第３の実施形態のシステム構成図。
【図５】 本発明の第４の実施形態のシステム構成図。
【図６】 本発明の第５の実施形態のシステム構成図。
【図７】 本発明の第６の実施形態のシステム構成図。
【図８】 本発明の第７の実施形態のシステム構成図。
【図９】 前記第７の実施形態における冷却液温度と導電率の関係を示す特性線図。
【図１０】 前記第７の実施形態における導電率算出処理手順の説明図。
【図１１】 本発明の第８の実施形態のシステム構成図。
【図１２】 前記第８の実施形態における冷却液流量と導電率の関係を示す特性線図。
【図１３】 前記実施形態における導電率算出処理手順の説明図。
【図１４】 本発明の第９の実施形態における導電率算出処理手順の説明図。
【符号の説明】
１ 制御装置
２ 燃料電池（スタック）
３ 循環ポンプ
４ イオン除去フィルタ（導電率低減装置）
５ 熱交換器
６ 電磁バルブ
７ 電磁バルブ
８ 導電率検知装置
１０ 冷却液の循環流路
１１ バイパス流路
１２ 外部流路
１３ 温度センサ
１４ 流量センサ
Claims (10)
- 循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、
この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、
循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、
前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置と
を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの冷却液温度または燃料電池の要求放熱量を検出する運転状態検出装置を設けると共に、
前記制御装置を、
前記冷却液温度または要求放熱量が低くなるのに応じて、
前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した
燃料電池システムの導電率管理装置。 - 循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、
この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、
循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、
前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の要求出力値または循環ポンプの負荷を検出する運転状態検出装置を設けると共に、
前記制御装置を、
前記燃料電池の要求出力値または循環ポンプの負荷が小さくなるのに応じて、
前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した
燃料電池システムの導電率管理装置。 - 請求項1または請求項２において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、
該導電率検知装置は、前記運転状態検出装置の検出値に基づいて導電率の予測値を求めるように構成されている燃料電池システムの導電率管理装置。 - 請求項１または請求項２において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置は、冷却液循環流路内に外部から注入される冷却液の導電率を計測する計測手段を備える燃料電池システムの導電率管理装置。
- 請求項1または請求項２において、冷却液の導電率を検知する導電率検知装置を設け、該導電率検知装置は、発電前の燃料電池スタックの任意のセパレータ間に電圧を印加し、この時の電流検出結果から導電率を演算するように構成されている燃料電池システムの導電率管理装置。
- 請求項３において、前記導電率検知装置は、冷却液の温度を計測する計測手段を備え、当該計測値に基づいて導電率の予測値を補正するように構成されている燃料電池システムの導電率管理装置。
- 請求項３において、前記導電率検知装置は、冷却液の流量を計測する計測手段を備え、燃料電池の運転時間と冷却液の流量とに基づいて導電率の予測値を補正するように構成されている燃料電池システムの導電率管理装置。
- 請求項３において、前記導電率検知装置は、燃料電池出力から冷却液の温度または流量の少なくとも何れか一方を予測する予測手段を備え、当該予測結果に基づいて導電率の予測値を補正するように構成されている燃料電池システムの導電率管理装置。
- 循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、
この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、
循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、
冷却液の導電率を検知する導電率検知装置と、
前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置と
を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの冷却液温度を検出する運転状態検出装置を設けると共に、
前記制御装置を、
導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記冷却液温度が低くなるのに応じて、前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した
燃料電池システムの導電率管理装置。 - 循環ポンプにより燃料電池と熱交換器とのあいだで冷却液を循環させる循環流路と、
この循環流路から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環流路に戻すバイパス流路と、
循環流路からバイパス流路への冷却液バイパス割合を調節するバルブと、
冷却液の導電率を検知する導電率検知装置と、
前記バルブにより冷却液バイパス割合を増大させる制御装置と
を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの前記循環ポンプの要求駆動力を検出する運転状態検出装置を設けると共に、
前記制御装置を、
導電率が許容限界値以下の条件下にて、前記循環ポンプの要求駆動力が小さくなるのに応じて、
前記冷却液バイパス割合を増大させるように前記バルブの開度を可変制御するように構成した
燃料電池システムの導電率管理装置。
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