JP4481577B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水系、もしくは純水系にイオン交換フィルター等の水処理システムを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの冷却水系又は純水系の部品からのイオン溶出等で導電率が上がった場合に、燃料電池内でショートしたり、燃料電池との絶縁がとれなくなる可能性がある。そのため、燃料電池システムの冷却水及び純水の導電率を低く保つために、イオン交換樹脂フィルター等の水処理システムを、冷却水系及び純水系内に設置している燃料電池システムがある。
【０００３】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された発明は、メイン配管を通して純水冷却水を固体高分子型燃料電池に通流させ、熱交換器を通して冷却する一方で、これと並行して、メインタンクに貯溜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ー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している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２０８１５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
イオン交換樹脂フィルター等のイオンを除去する装置を、冷却水系ならびに純水系内に設置した、従来の燃料電池システムでは、イオン交換樹脂の寿命が来て、冷却水ならびに純水の導電率が上昇もしくは絶縁抵抗が取れなくなった時に、イオン交換樹脂を交換することになる。このように、従来では通常は燃料電池システムの純水及び冷却水の導電率が上昇したことを検出して、イオン交換樹脂フィルターの交換時期であると判断していた。
【０００６】
しかし、このような方法では、燃料電池に何らかの異常を生じたり、燃料電池との絶縁抵抗が取れなくなってから、イオン交換樹脂フィルターの交換時期であると判断することになる。このため、イオン交換樹脂フィルターを交換する時には、純水ならびに冷却水の導電率が上昇し、燃料電池内でのショートや絶縁不良といった不具合が生じ、燃料電池に損傷を招くおそれがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムで使用される水の導電率が上昇する前にイオン交換フィルターの交換時期を認識し、燃料電池の性能低下や損傷を回避できる燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で使用される水を循環させる水循環系とを有し、前記水循環系は、循環される水に溶出したイオンを捕捉して導電率を下げるイオン交換フィルターと、循環される水の導電率を測定する導電率計と、前記水循環系に水を循環させるポンプと、前記水循環系を循環する水の循環流量を測定する流量計とを備えた燃料電池システムにおいて、前記イオン交換フィルターのイオン交換樹脂が正常の交換能を持っている場合のイオン交換効率と、前記水循環系を循環する水の初期導電率の値と、前記イオン交換フィルターを通過した後の水の導電率の下限値である下限導電率とに基づいて、所定の算出式により、前記イオン交換フィルターのイオン交換性能を判定する水の導電率を測定する迄のパス数（循環回数）であって、前記ポンプの駆動が開始されてから循環する水の導電率が、前記イオン交換樹脂が正常の交換能を持っている場合の設定されたパス数後の基準導電率に漸近する直前までのパス数を算出して設定する導電率測定パス数設定手段と、前記水循環系内の水の総容量と、前記導電率測定パス数設定手段で算出して設定されたパス数と、前記流量計で測定された循環流量とに基づいて、所定の算出式により導電率を測定する迄の水の循環時間を演算する循環時間演算手段と、前記循環時間演算手段で演算された循環時間後に前記導電率計で測定された水の導電率と、前記基準導電率とを比較し、比較結果に基づいて前記イオン交換フィルターの交換時期を判定するイオン交換能判定手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン交換フィルターの寿命が来る前に交換時期を判断することが可能となる。これにより、イオン交換フィルターが寿命になり導電率が上昇することで引き起こされる、燃料電池の性能低下や損傷を回避することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける冷却水系システムの構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態の燃料電池システムにおける冷却水系システムは、燃料電池１０、系内の溶出イオンを捕捉し導電率を下げるために設置されたイオン交換樹脂フィルター１１、系内冷却水の導電率を測定する導電率計１２、冷却水流量を測定する流量計１３、冷却水を循環させるための冷却水ポンプ１４、ならびにイオン交換樹脂フィルター１１の交換時期を判断する制御部１５を備えて構成されている。
【００１２】
制御部１５は、イオン交換樹脂フィルター１１のイオン交換性能を判断する基準となる導電率を測定する迄のパス数（循環回数）を設定する導電率測定パス数設定部１５０、系内冷却水総容量と導電率測定パス数設定部１５０で設定されたパス数及び流量計１３で測定された冷却水流量とに基づいて、導電率を測定する迄の冷却水循環時間を演算する循環時間演算部１５１、イオン交換効率が正常の場合における設定されたパス数後の導電率と、設定されたパス数後に実際に導電率計１２で測定された導電率とに基づいて、イオン交換樹脂フィルター１１を交換するか否かを判断するイオン交換能判定部１５２とを備えて構成されている。
【００１３】
次に、上記実施形態の動作処理を、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００１４】
燃料電池システムを起動させると、まずステップＳ２０では、冷却水ポンプ１４が作動し冷却水が系内を循環し始める。続いてステップＳ２１では、循環し始めた冷却水の初期導電率を導電率計１２で測定する。測定後、ステップＳ２２では、ステップＳ２１で測定された導電率に基づいて、制御部１５の導電率測定パス数設定部１５０で、イオン交換樹脂フィルター１１の交換性能を判断する基準となる導電率を測定する迄のパス数を設定する。この導電率が漸近してしまっては正確なイオン交換能が判断できないので、導電率が漸近する直前のパス数を下記に示す（１）式にしたがって算出する。
【００１５】
【数１】
Ｄ＜ｌｏｇ Ａ（Ｂ／Ｃ） …（１）
Ａ：イオン交換効率（イオン交換樹脂フィルター１１内に封入するイオン交換樹脂のタイプにより決まる。）
Ｂ：下限導電率（μＳ／ｃｍ）（イオン交換樹脂フィルター１１を通過した後に低下する導電率の下限値）
Ｃ：初期導電率（冷却水が循環し始めた初期の導電率）
Ｄ：設定パス数（回）（イオン交換樹脂フィルター１１の交換能を判断する導電率を測定する迄の循環回数）
次に、ステップＳ２３では、冷却水循環流量を流量計１３で測定する。続いて、ステップＳ２４では、冷却系内の冷却水総容量（既知）、流量計１３で測定された冷却水循環流量及び導電率測定パス数設定部１５０で設定された導電率測定パス数に基づいて、イオン交換性能を判断する基準となる導電率を測定する迄の時間を循環時間演算部１５１において、下記に示す（２）式にしたがって算出する。
【００１６】
【数２】
Ｚ＝Ｗ÷Ｘ×Ｙ …（２）
Ｗ：冷却水総量（リットル）（既知の値）
Ｘ：流量（リットル／分）（流量計１３で測定した冷却水循環流量）
Ｙ：パス数（回）（イオン交換樹脂フィルター１１を通過する回数）
Ｚ：循環時間（分）（導電率測定パス数設定部１５０で設定されたパス数に達する迄の時間）
次に、ステップＳ２５では、ステップＳ２４で設定された時間後の導電率を測定する。続いて、ステップ２６では、イオン交換樹脂が正常の交換能を持っている場合の設定されたパス数後の導電率、設定されたパス数後に実際に測定された導電率を比較し、実際に測定された導電率が誤差範囲に収まっているか否かを判別する。図３に、イオン交換率５０％における、パス数と導電率との関係を示す導電率曲線を示す。
【００１７】
ステップＳ２６の判別結果において、正常な交換能（イオン交換樹脂フィルター１１は寿命に至らず初期の交換能を保っている）の場合の期待される導電率と、実際に測定した導電率の差が、誤差範囲（例えば５％程度）内に収まっている場合には、ステップＳ２７において、運転可能と判断して燃料電池システムを通常運転する。一方、正常な導電率と実測値との差が誤差範囲を超えている場合には、ステップＳ２８において、イオン交換樹脂フィルター１１の交換時期と判断し、イオン交換樹脂フィルター１１の交換を促す警告灯を点灯させる。
【００１８】
以上説明したように、上記第１の実施形態においては、イオン交換樹脂フィルター１１の寿命が来る前に交換時期を判断できるので、イオン交換樹脂フィルター１１が寿命になり冷却水の導電率が上昇することで引き起こされる、燃料電池内ショート、燃料電池性能の低下、ならびに絶縁不良といった不具合を回避することができる。
【００１９】
また、イオン交換能を判断する基準となる、何パス後かの導電率が漸近してしまうと、イオン交換樹脂フィルター１１の交換性能を正確に判断することができなくなる。このような事態を防ぐために、初期導電率に基づいて交換能判断基準となる導電率測定パス数を変更し、常に漸近する前にパス数を設定することで、正確なイオン交換性能を判断することができる。
【００２０】
さらに、基準導電率は、イオン交換樹脂フィルター１１が正常なイオン交換性能を持っている場合の所定パス数後の導電率とすることで、判断時期の変更にともない基準導電率を変更することにより常に正確な判断を行うことができる。また、交換時期の判断を所定パス数後としたので、循環流量が変動しても正確に判断することができる。
【００２１】
図４は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムにおける加湿純水系システムの構成を示す図である。図４に示す第２の実施形態の燃料電池システムにおける加湿純水系システムは、燃料電池４０、系内の溶出イオンを捕捉し導電率を下げるために設置されたイオン交換樹脂フィルター４１、系内純水の導電率を測定する導電率計４２、純水流量を測定する流量計４３、純水を循環させるための純水ポンプ４４、燃料系及び空気系の加湿を行う加湿部４５、タンク内の純水水位を測定するレベルセンサー４６を備えた純水タンク４７、ならびにイオン交換樹脂フィルター４１の交換時期を判断する制御部４８から構成されている。
【００２２】
制御部４８は、純水タンク４７内の純水水面高さをレベルセンサー４６で検出し、検出した水面高さの値に基づいて系内純水総容量を算出する純水総容量演算部４８０、イオン交換能を判断する基準となる導電率を測定する迄のパス数を設定する導電率測定パス数設定部４８１、系内純水総容量、導電率測定パス数設定部４８１で設定されたパス数、ならびに流量計４３で測定された純水流量に基づいて導電率を測定する迄の純水循環時間を演算する循環時間演算部４８２、イオン交換効率が正常の場合における設定されたパス数後の導電率と、設定されたパス数後に実際に導電率計４２で測定された導電率とに基づいてイオン交換樹脂フィルター１１を交換するか否かを判断するイオン交換能判定部４８３とを備えて構成されている。
【００２３】
次に、上記実施形態の動作処理を、図５に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２４】
燃料電池システムを起動させると、まずステップＳ５０では、純水タンク４７に取り付けられたレベルセンサー４６で純水タンク４７内の純水水位を測定し、以下に示す式（３）にしたがって純水総容量を算出する。
【００２５】
【数３】
Ｖ＝Ｓ×Ｈ÷１０００ …（３）
Ｖ：純水総容量（リットル）
Ｓ：純水タンク断面積（ｃｍ２）（純水タンク４７の断面積は既知の値である）Ｈ：純水水面高さ（ｃｍ）（レベルセンサー４６により測定できる）
次に、ステップＳ５１では、純水がシステムの起動に伴って循環し始め、続いてステップ５２では、循環し始めた純水の初期導電率を導電率計４２で測定する。次に、ステップ５３では、ステップＳ５２で測定された導電率に基づいて制御部４８の導電率測定パス数設定部４８１で、イオン交換樹脂フィルター４１の交換能を判断する基準となる導電率を測定する迄のパス数を設定する。この導電率が漸近してしまっては、正確なイオン交換能が判断できないので、導電率が漸近する直前のパス数を上述した式（１）にしたがって算出する。
【００２６】
次に、ステップＳ５４では、純水循環流量を流量計４３で測定する。続いて、ステップＳ５５では、純水系内の純水総容量（既知）、流量計４３で測定された純水循環流量、ならびに導電率測定パス数設定部４８１で設定された導電率測定パス数に基づいて、イオン交換性能を判断する基準となる導電率を測定する迄の時間を循環時間演算部４８２において、上述した式（２）にしたがって算出する。
【００２７】
次に、ステップＳ５６では、ステップＳ５５で算出されて設定された循環時間時間後の導電率を測定する。続いて、ステップＳ５７では、次にＳ７０でイオン交換樹脂フィルター４１が正常の交換能を持っている場合の設定されたパス数後の導電率、設定されたパス数後に実際に測定された導電率を比較し、実際に測定された導電率が誤差範囲に収まっているか否かを判別する。
【００２８】
ステップＳ５７の判別結果において、正常な交換能（イオン交換樹脂フィルター４１は寿命に至らず初期の交換能を保っている）の場合の期待される導電率と、実際に測定した導電率の差が、誤差範囲（例えば５％程度）内に収まっている場合には、ステップＳ５８において、運転可能と判断して燃料電池システムを通常運転する。一方、正常な導電率と実測値との差が誤差範囲を超えている場合には、ステップＳ５９において、イオン交換樹脂フィルター４１の交換時期と判断し、イオン交換樹脂フィルター４１の交換を促す警告灯を点灯させる。
【００２９】
以上説明したように、上記第２の実施形態においては、イオン交換樹脂フィルター４１の寿命が来る前に交換時期を判断できるので、イオン交換樹脂フィルター４１が寿命になり加湿純水の導電率が上昇することで引き起こされる、燃料電池内ショート、燃料電池性能の低下、ならびに絶縁不良といった不具合を回避することができる。
【００３０】
また、イオン交換能を判断する基準となる、何パス後かの導電率が漸近してしまうと、イオン交換樹脂フィルター４１の交換性能を正確に判断することができなくなる。このような事態を防ぐために、初期導電率に基づいて交換能判断基準となる導電率測定パス数を変更し、常に漸近する前にパス数を設定することで、正確なイオン交換性能を判断することができる。
【００３１】
さらに、基準導電率は、イオン交換樹脂フィルター４１が正常なイオン交換性能を持っている場合の所定パス数後の導電率とすることで、判断時期の変更にともない基準導電率を変更することにより常に正確な判断を行うことができる。また、交換時期の判断を所定パス数後としたので、循環流量が変動しても正確に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける冷却水系システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る処理動作を示すフローチャートである。
【図３】パス数と導電率との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムにおける加湿純水系システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る処理動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０，４０…燃料電池
１１，４１…イオン交換樹脂フィルター
１２，４２…導電率計
１３，４３…流量計
１４…冷却水ポンプ
１５，４８…制御部
４４…純水ポンプ
４５…加湿部
４６…レベルセンサー
４７…純水タンク
１５０，４８１…導電率測定パス数設定部
１５１，４８２…循環時間演算部
１５２、４８３…イオン交換能判定部
４８０…純水総容量演算部

Claims (3)

  1. 燃料ガスと酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池で使用される水を循環させる水循環系とを有し、前記水循環系は、循環される水に溶出したイオンを捕捉して導電率を下げるイオン交換フィルターと、循環される水の導電率を測定する導電率計と、前記水循環系に水を循環させるポンプと、前記水循環系を循環する水の循環流量を測定する流量計とを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記イオン交換フィルターのイオン交換樹脂が正常の交換能を持っている場合のイオン交換効率と、前記水循環系を循環する水の初期導電率の値と、前記イオン交換フィルターを通過した後の水の導電率の下限値である下限導電率とに基づいて、所定の算出式により、前記イオン交換フィルターのイオン交換性能を判定する水の導電率を測定する迄のパス数（循環回数）であって、前記ポンプの駆動が開始されてから循環する水の導電率が、前記イオン交換樹脂が正常の交換能を持っている場合の設定されたパス数後の基準導電率に漸近する直前までのパス数を算出して設定する導電率測定パス数設定手段と、
    前記水循環系内の水の総容量と、前記導電率測定パス数設定手段で算出して設定されたパス数と、前記流量計で測定された循環流量とに基づいて、所定の算出式により導電率を測定する迄の水の循環時間を演算する循環時間演算手段と、
    前記循環時間演算手段で演算された循環時間後に前記導電率計で測定された水の導電率と、前記基準導電率とを比較し、比較結果に基づいて前記イオン交換フィルターの交換時期を判定するイオン交換能判定手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記水循環系は、前記燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水系である
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記水循環系は、前記燃料電池に供給される燃料ガスならびに酸化剤を加湿する純水が循環する加湿純水系である
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
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