JPH11283649A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子形燃料電池を循環する循環水にお
ける金属イオンを低濃度に維持して固体高分子形燃料電
池による電力変換効率の低下を防止する。 【解決手段】 装置の運転を開始するとタイマー１１６
により燃料電池４０の累積駆動時間を計時開始する。燃
料電池４０の累積駆動時間が所定のしきい値に達した場
合には燃料電池４０を駆動停止させ、メインタンク５６
内に貯められた循環水の供給先を燃料電池４０から水処
理装置８４へ切り替える。これにより、水処理装置８４
により金属イオンが除去された水がメインタンク５６へ
戻される。燃料電池４０の駆動時間の増加と共に循環水
の金属イオンが濃化することから、循環水が電力変換効
率を低下させる金属イオン濃度となる累積駆動時間より
十分短い時間をしきい値として設定すれば、燃料電池４
０の電力変換効率を正常なレベルに維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガス中の水素
を水の介在の基に空気中の酸素と反応させて電気エネル
ギーを発生する固体高分子形燃料電池を備えた燃料電池
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池装置は燃料ガスの供給により電
力を発生することが可能になるため、蓄電池と比較して
使用開始前の充電を必要としない。このような利点によ
り、今後、燃料電池装置は屋外用や非常用の電源として
需要の増加が予測されている。

【０００３】図４には燃料電池装置に用いられる固体高
分子形燃料電池の構成が示されている。固体高分子形燃
料電池（以下、燃料電池という）１０の内部には、電極
接合体１２を隔壁とするアノード側気室１４及びカソー
ド側気室１６が形成されている。電極接合体１２には、
図４に示されるように電解質膜１８の一方の面上にアノ
ード２０が、他方の面上にカソード２２がそれぞれ形成
されている。アノード２０及びカソード２２は、それぞ
れ白金等からなる触媒電極２４と、この触媒電極２４上
に積層された集電体２６とにより構成され、これらのア
ノード２０及びカソード２２は外部回路２８に接続され
ている。ここで、電解質膜１８としてはカチオン交換樹
脂膜を用いる。

【０００４】上記のように構成された燃料電池１０のア
ノード側気室１４には、ボンベや改質器（図示省略）等
から燃料ガスとして高純度の水素ガスが供給されると共
にポンプ等により水が供給され、カソード側気室１６に
はファン等により空気が供給される。アノード側気室１
４に供給された水素はアノード２０上でイオン化され、
この水素イオンは電解質膜１８中を水分子と共にＨ⁺ ・
ｘＨ₂ Ｏとしてカソード２２側へ移動する。このカソー
ド２２へ移動した水素イオンは空気中の酸素及び外部回
路２４を流れてきた電子と反応して水を生成する。この
水の生成反応と共に電子が外部回路２８を流れることか
ら、この電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用
することが可能になる。

【０００５】ここで、水素イオンが電解質膜１８の内部
を少ない抵抗でスムーズに流れるためには電解質膜１８
を湿潤した状態に保つ必要がある。一方、燃料電池１０
は、供給された水素ガスの化学エネルギーを全て電気エ
ネルギーに変換することはできず、一部の化学エネルギ
ーが熱に変換される。このため、燃料電池１０の内部温
度を熱損傷が発生しない許容温度以下に保つには、燃料
電池１０の運転時に燃料電池１０内から熱を排出する必
要もある。そこで、燃料電池１０のアノード側気室１４
には、水素ガスと共に水を供給して電解質膜１８を湿潤
状態に保つと共に燃料電池１０を水冷している。燃料電
池１０内に供給された水は一部が水蒸気となって未反応
の水素ガスや空気と共に燃料電池１０内から排出され、
残りがカソード２２上で生成された水と共に燃料電池１
０の下部に集められて外部へ排出される。

【０００６】上記のような固体高分子形燃料電池を備え
た燃料電池装置には、燃料電池から排出された水を一旦
貯水タンクに貯え、燃料電池の駆動時にポンプにより貯
水タンクから燃料電池へ供給する水の循環経路を備えた
ものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、循環経路によ
り固体高分子形燃料電池へ水を循環させる燃料電池装置
では、固体高分子形燃料電池の駆動時間の増加と共に配
管等から金属イオンが循環水へ溶出すること、及び循環
水が水蒸気となって循環経路から失われることから循環
水に含まれる金属イオンが濃化する。また固体高分子形
燃料電池では、電極接合体において水素イオン交換を行
う電解質膜がカチオン（陽イオン）交換樹脂膜により形
成されていることから、循環水中にＦｅ⁺⁺，Ｃu ⁺⁺，Ｃ
a ⁺⁺等の金属イオン（陽イオン）が存在すると水素イオ
ン交換反応が阻害される。即ち、循環水における金属イ
オン濃度が一定値以上へ高まると、電解質膜の抵抗上昇
が短時間で進行することになり、固体高分子形燃料電池
の出力特性が経時的に低下する。

【０００８】本発明の目的は、上記の事実を考慮し、固
体高分子形燃料電池を循環する循環水における金属イオ
ンが低濃度に維持されて固体高分子形燃料電池の電力変
換効率の低下が防止される燃料電池装置を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の燃料電池
装置は、燃料ガス中の水素を水の介在の基に空気中の酸
素と反応させて電気エネルギーを発生する固体高分子形
燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池の給水部及び排
水部に接続されて固体高分子形燃料電池へ水を循環させ
る水循環手段と、前記固体高分子形燃料電池を循環する
循環水から金属イオンを除去する水処理時に、前記水循
環手段から取水して循環水中の金属イオンを除去すると
共に、金属イオンが除去された水を循環水として前記水
循環手段へ再供給する水処理手段と、を有するものであ
る。

【００１０】上記構成の燃料電池装置によれば、水処理
手段が、循環水の処理時に水循環手段から取水して循環
水中の金属イオンを除去すると共に、金属イオンが除去
された水を循環水として水循環手段へ再供給することに
より、水処理手段により水処理を行う時期を適宜設定す
れば、金属イオンを常に一定以下の濃度に保つことが可
能になるので、循環水における金属イオンが濃化して固
体高分子形燃料電池の電力変換効率が低下することが防
止される。

【００１１】ここで、水処理手段は、例えばイオン交換
体を内蔵した容器を備えており、この容器内へ循環水を
通水させることにより、イオン交換体により循環水から
金属イオンを除去する。このようなイオン交換体として
は、粒状の陽イオン交換樹脂（例えば、ポリスチレン等
の母体合成樹脂に酸性水酸基，カルボキシル基等の酸性
基が結合した高分子酸）を用いることがきる。また水処
理手段により水処理を行う時期は、循環水の電導度（電
気電導率）や、水循環手段へ金属イオンが除去された水
又は純水等の低金属イオンの水が供給されてからの固体
高分子形燃料電池の駆動時間等に応じてオペレータ又は
装置の制御手段により判断される。

【００１２】請求項２記載の燃料電池装置は、請求項１
記載の燃料電池装置において、前記固体高分子形燃料電
池を駆動した駆動時間の累積値が所定のしきい値へ到達
した場合に、前記水処理手段により水処理を開始させる
制御手段を有するものである。

【００１３】上記構成の燃料電池装置によれば、適正な
しいき値を設定することにより、循環水における金属イ
オンが固体高分子形燃料電池の電力変換効率を低下させ
る濃度になる前に、水処理手段により循環水から金属イ
オンを除去し、この金属イオンが除去された水が循環水
として水循環手段へ再供給することが可能になるので、
固体高分子形燃料電池の電力変換効率を正常なレベルに
維持できる。

【００１４】ここで、固体高分子形燃料電池の駆動時間
と金属イオン濃度との関係は実験的に求めることがで
き、水循環手段へ供給される水の金属イオン濃度の初期
値が略一定であるならば、循環水における金属イオンが
固体高分子形燃料電池の電力変換効率を低下させる濃度
となる駆動時間の累積値を推定できる。従って、この推
定された駆動時間の累積値より十分短い時間をしきい値
として設定すれば、金属イオンにより固体高分子形燃料
電池の電力変換効率が低下することが確実に防止され
る。

【００１５】請求項３記載の燃料電池装置は、請求項１
記載の燃料電池装置において、前記固体高分子形燃料電
池を循環する循環水の電導度を測定する水質測定手段
と、前記水質測定手段により所定のしきい値以上の電導
度が測定された場合に、前記水処理手段による水処理を
開始させる制御手段と、を有するものである。

【００１６】上記構成の燃料電池装置によれば、適正な
しいき値を設定することにより、循環水における金属イ
オンが固体高分子形燃料電池の電力変換効率を低下させ
る濃度になる前に、水処理手段により循環水から金属イ
オンを除去し、この金属イオンが除去された水が循環水
として水循環手段へ再供給することが可能になるので、
固体高分子形燃料電池の電力変換効率を正常なレベルに
維持できる。

【００１７】ここで、循環水の電導度と金属イオン濃度
とは一定の相関性を有しており、循環水の電導度を測定
することにより金属イオン濃度を精度よく推定できる。
従って、固体高分子形燃料電池の電力変換効率を低下さ
せる金属イオン濃度へ対応する電導度より十分低い電導
度をしきい値として設定すれば、金属イオンにより固体
高分子形燃料電池の電力変換効率が低下することが確実
に防止される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１９】（第１実施形態の構成）図１から図３には
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置が示されて
いる。なお、図２及び図３に示されている燃料電池は、
図４に基づいて説明した固体高分子形燃料電池１０と基
本的構成が共通しているので、対応する部材については
同一符号を付し詳細な説明を省略する。

【００２０】燃料電池装置３０は図１に示されるように
略直方体に形成された外装筐体３２を備えている。この
外装筐体３２の一側面には、起動／停止ボタン３４Ａ等
が設けられた操作盤３４及び開閉可能に支持された扉３
６が配置されると共に、操作盤３４の下方には排気部３
８が形成されている。この排気部３８には、外装筐体３
２内の排気ダクト（図示省略）へ連通した多数の通気穴
が形成されている。また外装筐体３２の下面には各コー
ナー部にそれぞれキャスター３９が配置されており、こ
れらのキャスター３９により燃料電池装置３０の移動を
容易にしている。

【００２１】外装筐体３２内には、図２に示されるよう
に燃料電池４０等の電力発生に係る各種の部材が配置さ
れると共に、高圧の水素ガスが充填されたボンベ４２が
交換可能に収納されている。このボンベ４２は外装筐体
３２内のボンベ収納室に最大２本収納することができ、
扉３６を開放することにより交換可能になる。

【００２２】図２に示されるようにボンベ４２は手動バ
ルブ４４を備えており、この手動バルブ４４は水素供給
管４６により燃料電池４０のアノード側気室１４へ連結
されている。水素供給管４６には、配管途中にレギュレ
ータ４８，５０及び電磁開閉弁５２がそれぞれ直列的に
配置されており、１段目のレギュレータ４８は、開状態
とされた手動バルブ４４を通してボンベ４２から供給さ
れた高圧（１〜１５０Ｋgf／ｃｍ² ）の水素ガスを１〜
２Ｋgf／ｃｍ² 程度まで減圧し、２段目のレギュレータ
５０は、１段目のレギュレータ４８により減圧された水
素ガスを０．０５Ｋgf／ｃｍ² 程度まで減圧する。電磁
開閉弁５２は、駆動電圧の印加時（オン時）には開状態
になり、駆動電圧の非印加時（オフ時）には閉状態にな
る。従って、電磁開閉弁５２への駆動電圧の印加時には
レギュレータ４８，５０により減圧された水素ガスがア
ノード側気室１４へ供給され、電磁開閉弁５２への駆動
電圧の非印加時にはアノード側気室１４への水素ガスの
供給が遮断される。一方、カソード側気室１６へはシロ
ッコファン５４により空気が供給される。

【００２３】外装筐体３２内には、図３に示されるよう
に燃料電池４０のアノード側気室１４へ循環水を給水す
るためのメインタンク５６と、このメインタンク５６へ
純水を補充するためのサブタンク５８とが配置されてお
り、メインタンク５６とサブタンク５８とは、ポンプ６
０及び電磁開閉弁６２が配置された給水管６４により連
結されている。ここで、サブタンク５８は装置外部から
補給された純水を貯めており、ポンプ６０が駆動し、か
つ電磁開閉弁６２が開になるとサブタンク５８内の純水
がメインタンク５６へ供給される。

【００２４】メインタンク５６は、図３に示されるよう
に給水管６６により燃料電池４０に連結されている。こ
の給水管６６には、配管途中にポンプ６８，フィルター
７０，三方管継手７２及び電磁開閉弁７４が配置されて
いる。また燃料電池４０には上部の各コーナー付近に４
個の給水用継手管７６が配置され、下部の各コーナー付
近にに４個の排水用継手管７８が配置されており、４個
の給水用継手管７６には電磁開閉弁７２の下流側におい
て分岐した給水管６６がそれぞれ接続されている。燃料
電池４０の内部には、４個の給水用継手管７６から供給
された水をアノード側気室１４に供給する給水回路（図
示省略）及び、アノード側気室１４で消費されなかった
水及びカソード２２で生成された水を排水用継手管７８
から排出する排水回路（図示省略）が設けられている。
ここで、本実施形態の燃料電池４０は単一のケーシング
内に複数の電池セルを収納しており、給水回路は複数の
電池セルへ均等に循環水を供給し、また排水回路は燃料
電池４０が傾いても電池セルが水没しないように電池セ
ル内の循環水を何れの排水用継手管７８を通しても排水
可能としている。４個の排水用継手管７８には、図３に
示されるよう４本の排水管８０がそれぞれ接続されてお
り、排水用継手管７８から排出された水は４本の排水管
８０を通ってメインタンク５６内に回収される。

【００２５】図３に示されるように、給水管６６におけ
るフィルター７０と電磁開閉弁７４との間へ配置された
三方管継手７２には分岐管８２が接続されている。この
分岐管８２はメインタンク５６へ接続されており、配管
途中には電磁開閉弁８４及び水処理装置８６が配置され
ている。水処理装置８６は、図３に示されるように収納
容器８８を備えている。この収納容器８８内にはイオン
交換樹脂（図示省略）が充填されており、収納容器８８
内へ循環水を通水することにより、イオン交換樹脂のイ
オン交換反応により循環水から陽イオンである金属イオ
ンが除去される。本実施形態では、収納容器８８へ充填
するイオン交換樹脂として粒状の陽イオン交換樹脂（例
えば、ポリスチレン等の母体合成樹脂に酸性水酸基，カ
ルボキシル基等の酸性基が結合した高分子酸）を用い
る。

【００２６】上記のように構成された給水及び排水経路
によれば、ポンプ６８によりメインタンク５６から吸い
揚げられた循環水は、電磁開閉弁７４が開で、かつ電磁
開閉弁８４が閉の状態では燃料電池４０を循環し、また
電磁開閉弁７４が閉で、かつ電磁開閉弁８４が開の状態
では水処理装置８６を循環する。ここで、イオン交換樹
脂は水温が高くなると共に循環水から金属イオンを除去
する水処理の効率が低下し、寿命が低下する特性を有し
ている。そこで、分岐管８２における電磁開閉弁８４と
水処理装置８６との間に高熱伝導率を有する細管及び放
冷用フィン等からなる冷却装置を設け、この冷却装置に
より循環水を４０°Ｃ以下へ冷却して水処理装置８６へ
通水すれば、イオン交換樹脂の水処理効率低下及び寿命
低下が防止される。

【００２７】燃料電池４０は、水素ガス及び水がアノー
ド側気室１４へ供給される共に反応ガスである酸素を含
んだ空気がカソード側気室１６へ供給されることによ
り、電力負荷に応じた量の水素をアノード２０上でイオ
ン化し、この水素イオンをカソード２２上で空気中の酸
素及び外部回路を流れてきた電子と反応させて水を生成
すると共に直流の電気エネルギーを発生する。

【００２８】図２に示されるように、アノード側気室１
４はガス排出管９０によりメインタンク５６へ連結され
ており、メインタンク５６はニードル弁９２が配置され
たガス排出管９４により混合器９６へ連結されている。

【００２９】アノード側気室１４からは、アノード２０
上で反応しなかった水素ガス及び燃料ガス中の窒素，炭
酸ガス等の不純ガス（以下、これらを未反応ガスとい
う）がガス排出管９０を通してメインタンク５６内に貯
められている循環水の上部空間（気層Ａ）へ流入する。
メインタンク５６内ではアノード側気室１４から流入し
た未反応ガスから水分が除去され、この未反応ガスはガ
ス排出管９４を通って混合器９６へ流入する。ここで、
ニードル弁９２は所定の弁開度となるように予め調整さ
れており、アノード側気室１４内で不純ガスが濃化する
ことを防止するため燃料電池４０の駆動時に少量の未反
応ガスをアノード側気室１４から排出する。

【００３０】一方、カソード側気室１６は空気排出管９
８により混合器９６に連結され、この空気排出管９８の
配管途中にはシロッコファン１００の送気管が接続され
ている。従って、混合器９６には、アノード側気室１４
からの未反応ガスとカソード側気室１６及びファン１０
０からの空気とが流入する。混合器９６は、水素ガスを
含んだ未反応ガスと空気とを混合し、水素爆発を防止す
るため水素濃度が０．０１体積％以下となるように未反
応ガスを空気により希釈して排気ダクトへ放出する。こ
の排気ダクトへ放出された排気ガスは、外装筐体３２の
排気部３８から装置外部へ排出される。

【００３１】燃料電池４０の駆動時には、アノード側気
室１４からカソード側気室１６へ移動した水が空気と共
に混合器９６へ排出され、更にメインタンク５６から混
合器９６へ流入した未反応ガス中にも僅かに水分が残留
することから、メインタンク５６内の循環水は燃料電池
４０の駆動時間の増加と共に減少する。メインタンク５
６には水位センサ１０２が配置されており、この水位セ
ンサ１０２はメインタンク５６内の循環水が所定の水位
まで低下すると水位検出信号を制御装置１０４へ出力す
る。

【００３２】水位センサ１０２からの水位検出信号を受
けた制御装置１０４は、給水管６４の電磁開閉弁６２を
開にすると同時にポンプ６０を駆動してサブタンク５８
内の純水をメインタンク５６へ補充し、所定時間の経過
後に電磁開閉弁６２を閉とすると同時にポンプ６０を停
止する。この際、制御装置１０４は、メインタンク５６
内の循環水上に必ず気層Ａが残るように設定された水量
をメインタンク５６へ補充する。また、電磁開閉弁６２
の開／閉とポンプ６２の駆動／停止とを同時に行うこと
により、未反応ガスにより大気圧より高圧になったメイ
ンタンク５６からサブタンク５８への水の逆流を防止し
ている。

【００３３】燃料電池４０には、図２に示されるように
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６，ＤＣ／ＡＣインバータ１
０８及び交流出力端子１１０からなる電源供給回路が接
続され、この電源供給回路に対して並列となるように充
電回路１１２が接続されている。この充電回路１１２は
装置の電装部品へ電源を供給する２次電池１１４へ接続
されている。

【００３４】また制御装置１０４は図２に示されるよう
にタイマー１１６を内蔵しており、、このタイマー１１
６により水素供給管４６の電磁開閉弁５２を開とする駆
動時間を計時する。ここで、電磁開閉弁５２を開とする
時期は燃料電池４０が駆動して電気エネルギーを出力す
る時期と一致する。

【００３５】（第１実施形態の作用）上記のように構成
された本実施形態の燃料電池装置３０の動作及び作用に
ついて説明する。

【００３６】操作盤３４は、装置が運転停止している状
態で起動／停止ボタン３４Ａが押下されると制御装置１
０４へ起動信号を出力する。制御装置１０４は起動信号
を受けると装置の運転を開始して外部部装置への電源供
給を可能とする。制御装置１０４は装置運転時には水素
供給管４６の電磁開閉弁５２を開にして燃料電池４０へ
水素ガスを供給し、この水素ガスの供給開始に同期させ
てポンプ６８，ファン５４及びファン１００を駆動す
る。このとき、制御装置１０４は給水管６６の電磁開閉
弁７４を開とし、分岐管８２の電磁開閉弁８４を閉とす
る。これにより、燃料電池４０が発生した直流電力はＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ１０６で所定の電圧に変換された
後、ＤＣ／ＡＣインバータ１０８で直流から交流１００
Ｖへ変換され、交流出力端子１１０へ送られる。そし
て、燃料電池４０は交流出力端子１１０に接続された外
部装置（図示省略）の電力消費に応じた直流出力を発生
する。ここで、本実施形態の燃料電池装置３０は外部か
らの電力供給が必要ない自己完結タイプとして構成され
ている。このため、充電回路１１２は燃料電池４０の余
剰電力により２次電池１１４充電し、起動時及び後述す
る水処理時に必要となる電力を常に２次電池１１４に貯
えておく。

【００３７】また装置が運転されている状態で起動／停
止ボタン３４Ａが押下されると、操作盤３４は制御装置
１０４へ停止信号を出力する。制御装置１０４は、操作
盤３４からの停止信号を受けると、電磁開閉弁５２を閉
にして燃料電池４０への水素ガスの供給を停止し、この
水素ガスの供給停止に同期させてポンプ６８，ファン５
４及びファン１００を停止させて装置運転を停止する。

【００３８】燃料電池装置３０では、前述したように燃
料電池４０の駆動時間の増加と共に循環水における金属
イオンが濃化する。本実施形態の燃料電池装置３０で
は、循環水における金属イオンにより燃料電池４０の電
力変換効率が低下することを防止するため、所定の周期
で水処理装置８６により循環水から金属イオンを除去す
る水処理を実行する。

【００３９】次に、図５に基づいて循環水に対する水処
理を実行する場合の制御装置１０４による制御ルーチン
を説明する。ステップ２０２で操作盤３４からの起動信
号を受けて装置の運転を開始すると同時に、ステップ２
０４でタイマー１１６により燃料電池４０の駆動時間を
計時開始する。ここで、タイマー１１６は、装置運転が
停止された場合にも計時時間を記憶保持する不揮発性メ
モリを備えており、リセット信号が入力しない限り継続
して駆動時間の累積値（以下、累積駆動時間という）を
計時する。ステップ２０６で、タイマー１１６により計
時されている累積駆動時間が所定のしきい値に達したか
否かを判断する。

【００４０】ステップ２０６で累積駆動時間が所定のし
きい値未満であると判断された場合には、ステップ２０
８で操作盤３４から停止信号が入力したか否を判断し、
停止信号が入力したと判断した場合には、ステップ２１
０で装置運転を停止させる。またステップ２０８で停止
信号が入力していないと判断した場合には、ステップ２
０６へリターンする。

【００４１】一方、ステップ２０６でタイマー１１６に
より計時されている累積駆動時間が所定のしきい値に達
したと判断した場合には、ステップ２１２でタイマー１
１６へリセット信号を出力して累積駆動時間を０へリセ
ットし、ステップ２１４で電磁開閉弁５２を閉として燃
料電池４０を駆動停止させる。この燃料電池４０が駆動
停止している期間には２次電池１１４によりＤＣ／ＤＣ
コンバータ１０６へ外部負荷に応じた直流電源が供給さ
れる。この後、ステップ２１６で電磁開閉弁７４を閉、
電磁開閉弁８４を開とし、循環水の供給先を燃料電池４
０から水処理装置８６へ切り替える。これにより、水処
理装置８６により金属イオンが除去された水がメインタ
ンク５６へ戻される。ステップ２２０で水処理が完了し
たか否かを判断し、水処理が完了したと判断した場合に
は、ステップ２２０で電磁開閉弁７４を開、電磁開閉弁
８４を閉とし、循環水の供給先を燃料電池４０へ戻し、
ステップ２２２で燃料電池４０を駆動開始した後にステ
ップ２０４へリターンする。またステップ２１８で水処
理が完了していないと判断した場合にはステップ２１６
へリターンして循環水に対する水処理を継続する。

【００４２】図５に基づいて説明した本実施形態に係る
制御によれば、水処理の開始時期を規定する累積駆動時
間のしきい値を適正値に設定することにより、循環水に
おける金属イオンが燃料電池４０の電力変換効率を低下
させる濃度になる前に、水処理装置８６により循環水か
ら金属イオンを除去し、この金属イオンが除去された水
を循環水としてメインタンク５６へ戻すことが可能にな
るので、常に燃料電池４０の電力変換効率を正常なレベ
ルに維持でき、燃料電池４０の最大電力が低下しない。

【００４３】ここで、サブンタンク５８には純水が貯め
られており、メインタンク５６へはサブタンク５８から
純水が供給される。従って、メインタンク５６へ供給さ
れる水の金属イオン濃度の初期値は略一定であることか
ら、循環水における金属イオンが燃料電池４０の電力変
換効率を低下させる濃度となる累積駆動時間は実験的に
推定可能となる。本実施形態では、循環水が電力変換効
率を低下させる金属イオン濃度となる累積駆動時間より
十分短い時間をしきい値として設定している。具体的に
は、定格電力が１ｋＷの固体高分子形燃料電池３０にお
いてメインタンク５６の容量が２〜３Ｌである場合には
しきい値が５０時間程度に設定される。但し、使用開始
初期の燃料電池装置３０では、メインタンク５６，給水
管６６，排水管８０等から金属イオンが溶出しやすいこ
とから、しきい値が３０時間程度に設定される。

【００４４】また、循環水における金属イオン濃度は電
導度と一定の相関性を有している。本実施形態の燃料電
池４０では電力変換効率を低下させる金属イオン濃度に
対応する電導度は約３０μＳ／cmであり、また金属イオ
ンを含有しない純水の電導度は１μＳ／cm以下である。
このことから、水処理装置８６による水処理は、約３０
μＳ／cmの循環水が数μＳ／cm、好ましくは１μＳ／cm
以下となる時間に亘って継続する必要がある。但し、こ
の水処理装置８６による水処理時間はメインタンク５６
内の循環水の残量が少ないほど短縮できるので、一定の
時間幅を有するしきい値を設定しておき、このしきい値
の時間帯内で水位センサ１０２がオンするか、又は累積
駆動時間がしきい値の上限値に到達した場合に水処理装
置８６により循環水の処理を行わせるようにしてもよ
い。

【００４５】（第２実施形態の構成）図６には本発明の
第２の実施形態に係る燃料電池装置が示されている。な
お、第２の実施形態に係る燃料電池装置では、図１から
図３に基づいて説明した第１実施形態に係る燃料電池装
置３０と基本的に同一の部材についは同一符号を付して
詳細な説明を省略する。

【００４６】本実施形態の燃料電池装置１２０が第１実
施形態の燃料電池装置３０と異なる点はメインタンク５
６へ電導度センサ１２２が配置され、この電導度センサ
１２２からの検出信号に基づいて制御装置１０４が水処
理装置８６による水処理を制御することである。メイン
タンク５６には、図６に示されるように底部に電導度セ
ンサ１２２が配置されており、この電導度センサ１２２
は制御装置１０４へ配線されている。電導度センサ１２
２は、メインタンク５６に貯められた循環水の電導度を
検出し、電導度に対応する検出信号を制御装置１０４へ
出力する。ここで、電導度は比抵抗の逆数であることか
ら、電導度センサ１２２はメインタンク５６内へ挿入し
た一対の電極間に一定電圧を印加し、その時に流れる電
流値により循環水の比抵抗を測定して循環水の電導度を
検出する。

【００４７】（第２実施形態の作用）上記のように構成
された本実施形態の燃料電池装置１２０の動作及び作用
について説明する。

【００４８】燃料電池装置１２０では、第１実施形態の
燃料電池装置３０と同様に燃料電池４０の駆動時間の増
加と共に循環水における金属イオンが濃化する。本実施
形態の燃料電池装置１２０では、循環水における金属イ
オンにより燃料電池４０の電力変換効率が低下すること
を防止するため、電導度センサ１２２からの検出信号に
基づいて水処理装置８６により循環水から金属イオンを
除去する水処理を実行する。

【００４９】次に、図７に基づいて循環水に対する水処
理を実行する場合の制御装置１０４による制御ルーチン
を説明する。ステップ２３２で操作盤３４からの起動信
号を受けて装置の運転を開始すると、ステップ２３４で
電導度センサ１２２により検出された循環水の電導度が
所定のしきい値以上であるか否かを判断する。ステップ
２３４で循環水の電導度が所定のしきい値未満であると
判断された場合には、ステップ２３６で操作盤３４から
停止信号が入力したか否を判断し、停止信号が入力した
と判断した場合には、ステップ２３８で装置運転を停止
させる。またステップ２３６で停止信号が入力していな
いと判断した場合には、ステップ２３４へリターンす
る。

【００５０】一方、ステップ２３４で循環水の電導度が
所定のしきい値以上であると判断した場合には、ステッ
プ２４０で電磁開閉弁５２を閉として燃料電池４０を駆
動停止させる。この燃料電池４０が駆動停止している期
間には２次電池１１４によりＤＣ／ＤＣコンバータ１０
６へ外部負荷に応じた直流電源が供給される。この後、
ステップ２４２で電磁開閉弁７４を閉、電磁開閉弁８４
を開とし、循環水の供給先を燃料電池４０から水処理装
置８６へ切り替える。これにより、水処理装置８６によ
り金属イオンが除去された水がメインタンク５６へ戻さ
れる。ステップ２４４で水処理が完了したか否かを判断
し、水処理が完了したと判断した場合には、ステップ２
４６で電磁開閉弁７４を開、電磁開閉弁８４を閉とし、
循環水の供給先を燃料電池４０へ戻し、ステップ２４８
で燃料電池４０を駆動した後にステップ２３４へリター
ンする。またステップ２４４で水処理が完了していない
と判断した場合にはステップ２４２へリターンして循環
水に対する水処理を継続する。

【００５１】図７に基づいて説明した本実施形態に係る
制御によれば、水処理の開始時期を規定する電導度のし
きい値を適正値に設定することにより、循環水における
金属イオンが燃料電池４０の電力変換効率を低下させる
濃度になる前に、水処理装置８６により循環水から金属
イオンを除去し、この金属イオンが除去された水を循環
水としてメインタンク５６へ戻すことが可能になるの
で、常に燃料電池４０の電力変換効率を正常なレベルに
維持でき、燃料電池４０の最大電力が低下しない。

【００５２】ここで、循環水の電導度と金属イオン濃度
とは一定の相関性を有しており、メインタンク５６へ配
置した電導度センサ１２２により循環水の電導度を検出
することにより、循環水の金属イオン濃度を精度よく推
定できる。本実施形態では、電力変換効率を低下させる
金属イオン濃度へ対応する電導度より十分小さい電導度
しきい値として設定している。具体的には、燃料電池４
０の電力変換効率を低下させる金属イオン濃度に対応す
る電導度は約３０μＳ／cmであることから、例えば、電
導度のしきい値は２０μＳ／cmに設定する。従って、本
実施形態の燃料電池装置１２０によれば、循環水の電導
度が２０μＳ／cmとなった時に水処理が行われるので、
金属イオン濃度が十分低い時期に水処理を行うことや、
金属イオン濃度が３０μＳ／cm以上になっても水処理が
行われないことが確実に防止される。

【００５３】一方、水処理装置８６による水処理は約２
０μＳ／cmの循環水が数μＳ／cm、好ましくは１μＳ／
cm以下となる時間に亘って継続する必要がある。そこ
で、例えば、電導度センサ１２２からの検出信号により
循環水の電導度が目標値まで低下したことを判断し、電
導度が目標値へ低下した時点で水処理装置８６による水
処理を完了させるようにすれば、循環水の金属イオン濃
度を確実に目標値まで低下させ、かつ水処理時間を最小
にすることが可能になる。

【００５４】尚、以上説明した本発明の燃料電池装置３
０，１２０では、水処理装置８６により金属イオンが除
去された水をメインタンク５６へ戻すようにしている
が、この金属イオンが除去された水を金属イオンの濃度
が高い循環水へ混合すると水処理の効率が低下するの
で、水処理装置８６により処理された水を一旦サブタン
ク５８内に保持し、メインタンク５６内の全ての循環水
の処理が完了した後に、サブタンク５８からメインタン
ク５６内へ水を戻すようにしてもよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
装置によれば、固体高分子形燃料電池を循環する循環水
における金属イオンを低濃度に維持できるので、金属イ
オンの影響によって固体高分子形燃料電池の電力変換効
率が低下することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の外
観を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の構
成を示すブロック図である。

【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置にお
ける燃料電池及び、この燃料電池に対する給排水経路を
示す斜視図である。

【図４】燃料電池装置に用いられる固体高分子形燃料電
池の構成を示す断面図である。

【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置にお
いて循環水に対する水処理を実行する場合の制御ルーチ
ンを示すフローチャートである。

【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の構
成を示すブロック図である。

【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置にお
いて循環水に対する水処理を実行する場合の制御ルーチ
ンを示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０ 燃料電池（固体高分子形燃料電池） １２ 電極接合体 １４ アノード側気室 １６ カソード側気室 １８ 電解質膜 ２０ アノード ２２ カソード ３０ 燃料電池装置 ４０ 燃料電池（固体高分子型燃料電池） ５６ メインタンク（水循環手段） ６６ 給水管（水循環手段） ６８ ポンプ（水循環手段） ７２ 三方管継手（水処理手段） ７４ 電磁開閉弁（水処理手段） ８２ 分岐管（水処理手段） ８４ 電磁開閉弁（水処理手段） ８６ 水処理装置（水処理手段） ８８ 収納容器（水処理手段） １０４ 制御装置（制御手段） １１６ タイマー １２０ 燃料電池装置 １２２ 電導度センサ（水質測定手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガス中の水素を水の介在の基に空気
   中の酸素と反応させて電気エネルギーを発生する固体高
   分子形燃料電池と、 前記固体高分子形燃料電池の給水部及び排水部に接続さ
   れて固体高分子形燃料電池へ水を循環させる水循環手段
   と、 前記固体高分子形燃料電池を循環する循環水から金属イ
   オンを除去する水処理時に、前記水循環手段から取水し
   て循環水中の金属イオンを除去すると共に、金属イオン
   が除去された水を循環水として前記水循環手段へ再供給
   する水処理手段と、 を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 前記固体高分子形燃料電池を駆動した駆
   動時間の累積値が所定のしきい値へ到達した場合に、前
   記水処理手段により水処理を開始させる制御手段を有す
   ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
3. 【請求項３】 前記固体高分子形燃料電池を循環する循
   環水の電導度を測定する水質測定手段と、 前記水質測定手段により所定のしきい値以上の電導度が
   測定された場合に、前記水処理手段による水処理を開始
   させる制御手段と、 を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装
   置。