(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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系と、この循環系から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環系に戻すバイパス系と、循環系からバイパス系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出する導電率センサと、冷却液の導電率に基づいて前記バルブにより冷却液バイパス割合を制御する制御装置とを備えた燃料電池装置において、
冷却液の温度を検出する温度センサを設けると共に、
前記制御装置を、
冷却液温度が低温域のときは比較的低い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的大きく、
冷却液温度が高温域のときは比較的高い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的大きく、
冷却液温度が中温域のときは前記高温域のときよりも低い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的小さくする
ように構成した燃料電池冷却液の導電率管理装置。
【請求項２】
前記制御装置を、検出した導電率が予め定めた上限基準値以上であるときには、冷却液の全量を導電率低減装置にバイパスさせるように構成した請求項１に記載の燃料電池冷却液の導電率管理装置。
【請求項３】
前記制御装置を、検出した導電率が燃料電池に応じて定めた許容限度値以上であるときには、燃料電池への燃料供給を停止すると共に循環ポンプの運転を停止するように構成した請求項１から請求項２の何れかに記載の燃料電池冷却液の導電率管理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の導電率管理装置において、導電率センサとして、導電率低減装置に流入する冷却液の導電率を検出する第１の導電率センサと、導電率低減装置から流出してきた冷却液の導電率を検出する第２の導電率センサとを設けると共に、前記第１の導電率センサの出力と第２の導電率センサの出力との差が判定基準値よりも小さいときに導電率低減装置の性能低下と判定する判定装置を備えた燃料電池冷却水の導電率管理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池冷却液の導電率管理装置に関する。
【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通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。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。
【０００３】
従来のフィルタを設けた循環システムとしては、特開平8-7912号公報に開示されているものが知られている。これは、水中の懸濁物濃度が許容上限濃度に達すると開閉弁を操作し、フィルタ側に水を流して懸濁物を除去するものである。また、イオン除去フィルタを設けて純水中の導電率を低減させるシステムとして、特開2000-208157号公報に開示されているものが知られている。これは、メインの循環系とは別にサブの循環系を設け、サブの循環系にイオン除去フィルタを設けて導電率に応じてサブポンプの運転を制御し、純水の導電率を低減するものである。
【０００４】
しかしながら、このように冷却水の懸濁物濃度に応じてフィルタヘのバイパス量を決定するもの、あるいは純水の導電率によってバイパス量を決定するものでは、バイパス中のフィルタでの圧力損失が大きく、それだけ冷却水を循環させるポンプの負荷が増大してしまうという問題がある。燃料電池の運転状態によってさらに大きな冷却性能が要求された場合にはポンプの吐出能力を超えてしまい、燃料電池の冷却が不十分となって出力低下を余儀なくされることになる。あるいは、より大型のまたは多数のポンプが必要となり、電力消費量が大きくなり、システムとしての効率低下を招来する。
【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、導電率低減装置による冷却液導電率の管理を効率よく行うことを目的としている。
【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系と、この循環系から取り出した冷却液を導電率低減装置を通して循環系に戻すバイパス系と、循環系からバイパス系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出する導電率センサと、冷却液の導電率に基づいて前記バルブにより冷却液バイパス割合を制御する制御装置とを備えた燃料電池装置において、冷却液の温度を検出する温度センサを設けると共に、前記制御装置を、冷却液温度が低温域のときは比較的低い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的大きく、冷却液温度が高温域のときは比較的高い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的大きく、冷却液温度が中温域のときは前記高温域のときよりも低い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的小さくするように構成した。
【０００７】
第２の発明は、前記各発明の制御装置を、検出した導電率が予め定めた上限基準値以上であるときには、冷却液の全量を導電率低減装置にバイパスさせるように構成した。
【０００８】
第３の発明は、前記第１〜第２の発明の制御装置を、検出した導電率が燃料電池に応じて定めた許容限度値以上であるときには、燃料電池への燃料供給を停止すると共に循環ポンプの運転を停止するように構成した。
【０００９】
第４の発明は、前記第１〜第３の発明において、導電率センサとして、導電率低減装置に流入する冷却液の導電率を検出する第１の導電率センサと、導電率低減装置から流出してきた冷却液の導電率を検出する第２の導電率センサとを設けると共に、前記第１の導電率センサの出力と第２の導電率センサの出力との差が判定基準値よりも小さいときに導電率低減装置の性能低下と判定する判定装置を備えた。
【００１０】
【作用・効果】
第１の発明では、冷却液温度が低温域のときは比較的低い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的大きくすることで、循環ポンプの負荷が低い低温域にて効率よく導電率を低く抑えることができる。また、冷却液温度が高温域のときは比較的高い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的大きくすることで、循環ポンプの負荷が高い高温域で導電率低減装置へのバイパスの開始を遅らせつつ導電率の抑制を可能にしている。これに対して、冷却液温度が中温域のときは前記高温域のときよりも低い導電率からバイパス割合の増加を開始し、かつ導電率の増加に対するバイパス割合の増大率を比較的小さくしている。これにより、常用する中温域でのバイパス割合の急増を抑え、導電率が高くなるまでの循環ポンプの負荷を充分に軽減することができる。
このようにして、第１の発明によれば、循環ポンプの負荷を可能な限り低く抑えながら導電率を許容限界値以下に保つことができる。
【００１１】
第２の発明では、導電率センサの信号が上限基準値を超えた場合、冷却液の温度、循環ポンプの負荷にかかわらず冷却液の全量を導電率低減装置にバイパスすることで冷却液の導電率を可能な限り低下させる。これにより、燃料電池に導電率が高い冷却液が供給されることに原因する出力低下等の問題を回避することができる。
【００１２】
第３の発明では、冷却液の導電率が燃料電池の許容限度値を超えた場合、冷却液の供給を止めて、燃料電池の発電を停止させる。これにより、燃料電池システムの故障を未然に防ぐことができる。
【００１３】
第４の発明によれば、導電率低減装置の入口側に設けた第１の導電率センサと、出口側に設けた第２の導電率センサとの出力差に基づき、もし下流側の導電率が低下していなければ導電率低減装置によって導電性イオンが除去されていないことがわかるので、導電率低減装置の性能低下を判定して警告を発し、あるいは導電率低減装置の交換時期を明示する等の的確な維持管理が可能となる。
【００１４】
【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、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は冷却水（純水）の導電率を低減する導電率低減装置、５は冷却水を一時的に貯蔵するタンク、６は冷却水を冷却する熱交換器、７は冷却水の流路を切り替える電磁バルブ、８は冷却水の導電率を検知する導電率センサ、９は冷却水の温度を検知する温度センサである。１０は前記タンク６の冷却水を燃料電池２と熱交換器６との間で循環させる循環流路（循環系）、１１は循環流路１０の途中から前記電磁バルブ７の開度に応じて分流させた冷却水を導電率低減装置４を通して再び循環流路１０に戻すバイパス流路（バイパス系）である。
【００１５】
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の運転状態や冷却水温度に応じて決定し、循環ポンプ３の駆動を制御する。燃料電池は水素と酸素の化学反応により電力を発生する。前記循環ポンプ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。
【００１６】
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水を循環ポンプ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に供給する冷却水は、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循環システムでは、外部の純水製造装置から導電率の低い冷却水を供給することができないため、冷却水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。導電率低減装置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。
【００１７】
導電率低減装置は、例えば図2に示すようにイオン交換樹脂１２が充填されたフィルタ構造になっており、冷却水を通過させることにより導電性イオンを除去し、導電率を低下させるものである。このような導電率低減装置４は、フィルタに純水を通過させる構造上、圧力損失が発生する。イオン交換樹脂の充填量が多ければイオン除去性能は向上するが圧力損失は増してしまう。そこで、導電率低減装置４は圧力損失の影響を抑えるために、循環流路１０とは別に設けたバイパス流路１１に介装し、必要限度で冷却水を通過させるようにしている。
【００１８】
バイパス流路１１への流量を切り替える電磁バルブ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る三方弁であり、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への純水量を調節する。
【００１９】
冷却水の導電率の検出は、純水中の電気抵抗を測定する原理による導電率センサ８を介して行われる。導電率センサ８は、導電率に応じた信号を制御装置１に送出する。導電率は温度によって変化するので、例えば２５℃に換算した導電率が適用される。制御装置１は、図３に示すように導電率センサ８から得られる冷却水の導電率に基づいて電磁バルブ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水流量の割合を決定している。
【００２０】
燃料電池２を冷却して温度が上昇した冷却水は、燃料電池２の下流に設けられた熱交換器６で放熱したのちタンク５に戻される。循環経路１０内の冷却水の温度は温度センサ９で検出され、この検出信号は制御装置１に送出される。燃料電池温度と冷却水温度は相関関係があり、図４に示すように始動時は外気温相当だが、発電とともに徐々に上昇する。定常では一定温度を保つが、高出力発電時や過渡時にはこの限りではない。
【００２１】
冷却水温度を充分に低下させるには熱交換器６に多量の冷却水を送り込む必要があり循環ポンプ３の負荷はそれだけ大きなものとなる。その反対に、冷却水の冷却を必要としない低水温時は低吐出流量で済むためポンプ負荷は低い。このように冷却水温度とポンプ負荷は相関があり、ポンプ能力が不足すれば冷却水温度を低下させることができない。大型のポンプを使いポンプ能力を上げることは、外部電源によるポンプ駆動が不可能かつ、搭載に制約の多い移動体用の燃料電池システムにおいては好ましくない。
【００２２】
そこで本実施形態では、冷却水の導電率に応じて決定した導電率低減装置４へのバイパス流量に、冷却水の温度による補正を加えて最適化を図ることで、限られたポンプ能力の範囲内で冷却要求と導電率低減要求とを両立させ得るようにしている。具体的には、図５に示すように、ポンプ負荷の大きい高水温時には導電率低減装置４への冷却水バイパス割合を減らすことによりフィルタ部での圧力損失を極力なくしてポンプ負荷を軽減させ、冷却水の冷却を優先させる。また、ポンプ負荷の少ない低水温時には、導電率低減装置４ヘのバイパス割合を増やし、純水のイオン濃度を低減させるのである。これにより、循環ポンプ３の小型化、省電力化ができるばかりでなく、燃料電池２の性能向上、熱交換器６を含めた冷却システムの低価格化、および導電率低減装置４の最適設計を図ることが可能となる。
【００２３】
導電率低減装置４への冷却水バイパス割合の制御に関する第２の実施形態として、冷却水の導電率に応じて決定した導電率低減装置４への冷却水バイパス割合を、循環ポンプ３の負荷に応じて補正するようにしてもよい。図６に示すように、循環ポンプ３の負荷はその回転数と相関があるため、循環ポンプ３の回転数から負荷状態を判定することができる。このポンプ負荷が大きいときにはバイパス割合を減らし、ポンプ負荷の小さいときにはバイパス割合が増えるように制御するのである。これによりポンプ負荷の少ないときに冷却水の導電率低減処理を行うので、循環ポンプ３の要求最大負荷を抑えてその小型化を図ることができる。
【００２４】
ところで、冷却水の冷却を優先させて導電率低減装置４へのバイパス量を低減させていると、燃料電池２の運転状態や環境条件によっては、いずれは燃料電池２が許容しない導電率に達して、発電量の低下によって走行性能の低下や燃料電池２の故障を招くおそれがある。そこで、図７に示すように、導電率が予め定めた上限値を超えた場合、冷却水温度やポンプ負荷にかかわらず電磁バルブ７を操作して全ての冷却水を導電率低減装置４ヘバイパスさせることにより、導電率の低減を優先させるように図るとよい。さらには、図８に示すように、導電率の低下を防ぐことができず、燃料電池２の許容範囲を超えて導電率が上昇してしまった場合には、燃料電池２による発電を停止すると共に、循環ポンプ３を停止させて燃料電池２への冷却水の供給を止めるようにするのがなお望ましい。
【００２５】
図９に導電率低減装置４の劣化を判定するようにした実施形態を示す。導電率低減装置４は前述したようにイオン交換樹脂が充填されたフィルタ構造になっている。イオン交換樹脂は化学的に導電性イオンを吸着するしくみになっているためその吸着量には限界があり、定期的な交換が必要である。イオン交換樹脂の性能低下は外観で判断することは困難であるので、従来は一定期間毎に交換を行うものとしていた。しかし、交換時期は時間ではなく本来はイオンの吸着限界によるべきものであるので、最適な交換時期を見出すのは困難であった。
【００２６】
そこでこの実施形態では、図９に示すように、導電率低減装置４通過前の冷却水の導電率を第1の導電率センサ８Ａにより測定すると共に、導電率低減装置４を通過した冷却水の導電率を第2の導電率センサ８Ｂにより測定する。図９のその他の部分の構成は図１と同一であり、同一の部分には同一の符号を付して示してある。
【００２７】
導電率低減装置４が正常に機能している場合、通過した冷却水の導電率は低下しているはずである。これに対して、もしも導電率低減装置４を通過したのちにも導電率が低下していなければ導電率低減装置４が正常に機能していないことになる。すなわち第１のセンサ８Ａによる測定値よりも第２のセンサ８Ｂによる測定値は低下しているはずである。このようにして、第1の導電率センサ８Ａの信号と第2の導電率センサ８Ｂの信号を比較して導電率の低下幅を検知することにより導電率低減装置４の性能低下を判断することができる。このときの判断基準となる導電率の低下幅は、第１のセンサ８Ａによる導電率が高いときほど大きく、低いときほど小さくするとよい。冷却水の導電率が低いときにはイオン交換樹脂による吸着効率も低下するからである。
【００２８】
このようにして導電率低減装置４の劣化判定を行い、もし劣化と判断したときには制御装置１により傾向を発してイオン交換樹脂の交換を促すようにすれば、導電率低減装置４の機能を常時正常に保ち、燃料電池冷却水の導電率をより適切に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用した燃料電池装置の実施形態の概略構成図。
【図２】  導電率低減装置の概略構成図。
【図３】  導電率と導電率低減装置への冷却水バイパス割合との関係を示す特性図。
【図４】  燃料電池の使用状態と冷却水温度との関係を示す特性図。
【図５】  冷却水温度に応じた導電率と導電率低減装置への冷却水バイパス割合との関係を示す特性図。
【図６】  循環ポンプの回転数と負荷との関係を示す特性図。
【図７】  導電率の上限値に関する特性図。
【図８】  導電率の許容値に関する特性図。
【図９】  本発明を適用した燃料電池装置の他の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１    制御装置
２    燃料電池
３    循環ポンプ
４    導電率低減装置
５    タンク
６    熱交換器
７    電磁バルブ
８    導電率センサ
８ａ  導電率センサ
８ｂ  導電率センサ
９    温度センサ
１０    循環流路
１１    バイパス流路
１２    イオン交換樹脂
【図１】
0003659173.tif 000002
【図２】
0003659173.tif 000003
【図３】
0003659173.tif 000004
【図４】
0003659173.tif 000005
【図５】
0003659173.tif 000006
【図６】
0003659173.tif 000007
【図７】
0003659173.tif 000008
【図８】
0003659173.tif 000009
【図９】
0003659173.tif 000010