(57)【要約】【課題】  燃料電池システム運転中は、冷却媒体を低い導電率に保ちながら、イオン交換樹脂フィルタ寿命を延命をすることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  通水制御バルブ８は、イオン交換樹脂フィルタ６とバイパス流路７との冷却媒体の流量比を制御する。コントローラ９は、燃料電池２又は燃料電池システム１が停止するまでの時間を推定する停止時間推定手段と、この停止時間推定手段で推定された時間が経過したときに、通常運転時よりも高い導電率である所定導電率になるように通水制御バルブ８を制御する制御手段とを兼ねる。【選択図】    図１
2006164553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却媒体により冷却する冷却手段と、
前記冷却媒体の導電率を低減させる導電率低減手段と、
前記導電率低減手段に流入する冷却媒体量を調整する通水制御バルブと、
前記燃料電池又は前記燃料電池を含むシステムが停止するまでの時間を推定する停止時間推定手段と、
前記停止時間推定手段で推定された時間が経過したときに、通常運転時よりも高い導電率である所定導電率になるように前記通水制御バルブを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池導電率管理システム。
【請求項２】
前記冷却媒体の導電率を測定する導電率測定手段を備え、
前記制御手段は、
前記停止時間推定手段で推定した時間から、前記所定導電率から前記導電率測定手段によって測定された導電率を引いた導電率の差分を、単位時間当りの導電率の悪化量で割った時間を引いた時間で、前記通水制御バブルの制御を開始する時間を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池導電率管理システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記冷却媒体の温度を測定する温度測定手段と、
冷却媒体の温度と冷却媒体の単位時間当りの導電率の悪化量との関係を示すマップと、を備え、前記温度測定手段で測定された温度から前記マップを用いて前記所定導電率になるまでの時間を求め、その時間と前記停止時間推定手段が推定した時間から、制御を開始する時間を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池導電率管理システム。
【請求項４】
停止時間推定手段によって、前記燃料電池又は前記燃料電池システムの停止時間が再設定された場合は、前記制御手段により前記通水制御バルブの再制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池導電率管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を冷却する冷却媒体の導電率を管理する燃料電池導電率管理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
燃料電池において、燃料の有する化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換されない分は、熱損失となり、燃料電池を冷却しないと燃料電池の構成要素の耐熱温度を超えてしまう。このため、燃料電池スタック内部に冷却水通路を設け、ラジエータと燃料電池スタックとの間を冷却水を循環させる冷却システムが用いられる。
【０００４】
この冷却水には、燃料電池構成部材、ラジエータ、配管系等からイオンが溶出するので、イオン交換樹脂等の導電率低減手段により、冷却水の導電率が低い状態を維持しないと、燃料電池スタック内部の電位差による電流が流れ、燃料電池の効率を低下させるばかりか、熱損失を増大させてしまう。
【０００５】
従来の燃料電池導電率管理システムでは、冷却水の循環流路に、冷却水の導電率を低減させる導電率低減装置とこれをバイパスする流路とを設け、導電率低減装置に流れる流量とバイパス流路に流れる流量との割合を調節するバルブを設けていた。
【０００６】
そして、冷却水ポンプの負荷が大きくなる冷却水温度が基準温度以上、かつ導電率が基準導電率以下の場合には、導電率低減装置側の流量を減らして、冷却水ポンプの負荷を減らすように制御していた（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２１６８１７号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の燃料電池導電率管理システムでは、常時規定導電率以下に保っているため、システム停止時においても導電率は低く、そしてシステム停止直後から時間の経過と共に単位時間当りの導電率悪化代が大きくなるため、イオン交換樹脂フィルタの寿命が短くなるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池を冷却媒体により冷却する冷却手段と、前記冷却媒体の導電率を低減させる導電率低減手段と、前記導電率低減手段に流入する冷却媒体量を調整する通水制御バルブと、前記燃料電池又は前記燃料電池を含むシステムが停止するまでの時間を推定する停止時間推定手段と、前記停止時間推定手段で推定された時間が経過したときに通常運転時よりも高い導電率である所定導電率になるように前記通水制御バルブを制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池導電率管理システムである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、システム運転中は低い導電率に保っている為、安全性の確保、漏電による効率低下を抑制することができ、且つ停止時には導電率を高い値にしてから停止する為、導電率悪化代の低減、それによりイオン交換樹脂フィルタ寿命を延命をすることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、燃料電池システムの起動／停止が頻繁に行われる様な用途、例えば、燃料電池車両に好適な燃料電池導電率管理システムである。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池導電率管理システムの実施例１を備えた燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１は、燃料電池２、冷却媒体を循環させる冷却ポンプ３、図示しないラジエータ等の放熱機能を備える冷却媒体通路４、冷却媒体の導電率を測定する導電率測定手段である導電率センサ５、冷却媒体の導電率を低減させる導電率低減手段であるイオン交換樹脂フィルタ６、イオン交換樹脂フィルタ６をバイパスして冷却媒体を流すバイパス流路７、イオン交換樹脂フィルタ６とバイパス流路７との流量比を制御する通水制御バルブ８、導電率管理システムを制御するコントローラ９、タイマー１０を備えている。
【００１２】
尚、燃料電池システム１には、図示しない燃料ガス系、酸化剤ガス系、電力取出系が備えられているが、これらは、本発明に特徴的なものではなく、燃料電池に一般的な構成のものを利用できる。
【００１３】
コントローラ９は、燃料電池２又は燃料電池システム１が停止するまでの時間を推定する停止時間推定手段と、この停止時間推定手段で推定された時間が経過したときに、通常運転時よりも高い導電率である所定導電率になるように通水制御バルブ８を制御する制御手段とを兼ねている。
【００１４】
冷却媒体は、例えば、純水や、純水に燃料電池２に影響を与えない融点降下剤を混合したものである。
【００１５】
燃料電池システム１の通常運転時は、冷却ポンプ３の駆動により、冷却ポンプ３から、燃料電池２、通水制御バルブ８、イオン交換樹脂フィルタ６、及び導電率センサ５を経て、冷却ポンプ３の戻る経路で冷却媒体が循環され、燃料電池２が冷却される。
【００１６】
このとき、通水制御バルブ８は、冷却媒体の全流量（或いは所定の流量比率）をイオン交換樹脂フィルタ６側へ流し、バイパス流路７には、冷却媒体は流れない（或いは残りの流量比率で流れる）ように制御している。
【００１７】
そして、コントローラ９は、燃料電池２または燃料電池システム１の停止するまでの時間が推定された場合、現在の時刻に推定された時間を加えて得られた推定停止時刻が到来したときに、冷却媒体の導電率が通常運転時の導電率より高い所定導電率となるように、通水制御バルブ８を制御するものである。
【００１８】
次に図２のフローチャートを参照して、実施例１のコントローラ９による制御シーケンスを詳細に説明する。燃料電池システム１が運転状態にある際、Ｓ１０において、燃料電池システム１を停止する時刻がタイマー１０に設定されたとする。Ｓ２０において導電率センサ５で冷却媒体の導電率Ｃ０を測定する。Ｓ３０でコントローラ９は、イオン交換樹脂フィルタ６への通水を停止させる時刻ＴＡを演算する。
【００１９】
時刻ＴＡの演算には下記式（１）、（２）を使用する。尚、単位時間当たりの冷却媒体の導電率上昇率である導電率悪化代ΔＣは、予め実験的に求めた値をコントローラ９に記憶させておくものとする。また、導電率悪化代ΔＣは、燃料電池システムの運転を停止する毎に導電率悪化代ΔＣを学習し、適当な運転停止回数を経た後に、学習値で更新するようにしてもよい。
【００２０】
ＴＡ ＝ ＴＴ−Ｔ                      …（１）
Ｔ ＝ （ＣＴ−Ｃ０）／ ΔＣ           …（２）
ＴＡ；フィルタ通水停止時刻
ＴＴ；システム停止時刻
Ｔ  ；目標導電率に至るまでの時間（sec） 
ＣＴ;目標導電率（μS/cm） 
Ｃ０；測定時導電率（μS/cm）    
ΔＣ；導電率悪化代（μS/cm/sec）
次いで、Ｓ４０において、Ｓ３０により演算された通水停止時刻ＴＡに、フィルタ通水を停止するように、コントローラ９から通水制御バルブ８に指令を出す。
【００２１】
以上の制御フローにより、タイマー１０で設定されたシステム停止時刻に、冷却媒体の導電率は、通常運転時の導電率より高い所定導電率ＣＴとなり、燃料電池システム１が停止する。これにより、燃料電池システムの運転停止前にイオン交換樹脂フィルタ６を通過する冷却媒体量が減少し、イオン交換樹脂フィルタの劣化が遅くなり、その寿命を延ばすことができる。
【００２２】
以上説明したように本実施例によれば、システム運転中は低い導電率に保っている為、安全性の確保、冷却媒体を介した漏電による効率低下を抑制することができ、且つ燃料電池システム停止時には導電率を高い値にしてから停止する為、導電率悪化代の低減、それによりイオン交換樹脂フィルタ寿命を延命をすることができるという効果がある。
【００２３】
また、本実施例によれば、導電率悪化代を導電率センサにより取得できるので、所定導電率と運転中の導電率の差とタイマーで設定した停止時間から、イオン交換樹脂フィルタへの通水を停止または減少させるタイミングを正確に演算することできるという効果がある。
【実施例２】
【００２４】
図３は、本発明に係る燃料電池導電率管理システムの実施例２を備えた燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１は、燃料電池２、冷却媒体を循環させる冷却ポンプ３、図示しないラジエータ等の放熱機能を備える冷却媒体通路４、冷却媒体の導電率を低減させる導電率低減手段であるイオン交換樹脂フィルタ６、イオン交換樹脂フィルタ６をバイパスして冷却媒体を流すバイパス流路７、イオン交換樹脂フィルタ６とバイパス流路７との流量比を制御する通水制御バルブ８、導電率管理システムを制御するコントローラ９、タイマー１０、冷却媒体の温度を測定する温度測定手段である温度センサ１１、冷却媒体の温度と冷却媒体の単位時間当たりの導電率上昇率との関係を示す温度−導電率悪化代マップ１２を備えている。
【００２５】
尚、燃料電池システム１には、図示しない燃料ガス系、酸化剤ガス系、電力取出系が備えられているが、これらは、本発明に特徴的なものではなく、燃料電池に一般的な構成のものを利用できる。
【００２６】
コントローラ９は、燃料電池２又は燃料電池システム１が停止するまでの時間を推定する停止時間推定手段と、この停止時間推定手段で推定された時間が経過したときに、通常運転時よりも高い導電率である所定導電率になるように通水制御バルブ８を制御する制御手段とを兼ねている。
【００２７】
温度−導電率悪化代マップ１２は、予め実験的に、冷却媒体の温度と冷却媒体の単位時間当たりの導電率上昇率との関係を求め、コントローラ９から読み出し可能な不揮発記憶装置へ格納したものである。
【００２８】
燃料電池システム１の通常運転時は、冷却ポンプ３の駆動により、冷却ポンプ３から、燃料電池２、通水制御バルブ８、イオン交換樹脂フィルタ６、及び温度センサ１１を経て、冷却ポンプ３の戻る経路で冷却媒体が循環され、燃料電池２が冷却される。
【００２９】
このとき、通水制御バルブ８は、冷却媒体の全流量（或いは所定の流量比率）をイオン交換樹脂フィルタ６側へ流し、バイパス流路７には、冷却媒体は流れない（或いは残りの流量比率で流れる）ように制御している。
【００３０】
そして、コントローラ９は、燃料電池２または燃料電池システム１の停止するまでの時間が推定された場合、現在の時刻に推定された時間を加えて得られた推定停止時刻が到来したときに、冷却媒体の導電率が通常運転時の導電率より高い所定導電率となるように、通水制御バルブ８を制御するものである。
【００３１】
次に図４のフローチャートを参照して、実施例２におけるコントローラ９による制御シーケンスを詳細に説明する。
【００３２】
燃料電池システム１が運転状態にある際、Ｓ１０において、燃料電池システム１を停止する時刻がタイマー１０に設定されたとする。Ｓ２０において温度センサ１１で冷却媒体の温度を測定する。Ｓ３０でコントローラ９は、温度−導電率悪化代マップ１２を参照して、測定した温度における導電率悪化代を算出する。次いで、Ｓ４０で、コントローラ９は、イオン交換樹脂フィルタ６の通水を停止させる時刻ＴＡを演算する。この演算には、実施例１の式（１）、（２）を使用する。
【００３３】
次いで、Ｓ５０において、Ｓ４０により演算された通水停止時刻ＴＡに、イオン交換樹脂フィルタ６の通水を停止するように、コントローラ９から通水制御バルブ８に指令を出す。
【００３４】
以上の制御フローにより、タイマー１０で設定されたシステム停止時刻に、冷却媒体の導電率は、通常運転時の導電率より高い所定導電率ＣＴとなり、燃料電池システム１が停止する。これにより、燃料電池システムの運転停止前にイオン交換樹脂フィルタ６を通過する冷却媒体量が減少し、イオン交換樹脂フィルタの劣化が遅くなり、その寿命を延ばすことができる。
【００３５】
以上説明したように本実施例によれば、システム運転中は低い導電率に保っている為、安全性の確保、冷却媒体を介した漏電による効率低下を抑制することができ、且つ燃料電池システム停止時には導電率を高い値にしてから停止する為、導電率悪化代の低減、それによりイオン交換樹脂フィルタ寿命を延命をすることができるという効果がある。
【００３６】
また、本実施例によれば、導電率悪化代を温度センサと温度−導電率悪化代マップにより想定できるので、所定導電率と運転中の導電率の差とタイマーで設定した停止時間から、イオン交換樹脂フィルタへの通水を停止または減少させるタイミングを導電率センサを用いることなく演算することができるという効果がある。
【実施例３】
【００３７】
図５は、本発明に係る燃料電池導電率管理システムの実施例３を備えた燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１は、燃料電池２、冷却媒体を循環させる冷却ポンプ３、図示しないラジエータ等の放熱機能を備える冷却媒体通路４、冷却媒体の導電率を測定する導電率測定手段である導電率センサ５、冷却媒体の導電率を低減させる導電率低減手段であるイオン交換樹脂フィルタ６、イオン交換樹脂フィルタ６をバイパスして冷却媒体を流すバイパス流路７、イオン交換樹脂フィルタ６とバイパス流路７との流量比を制御する通水制御バルブ８、導電率管理システムを制御するコントローラ９、及びナビゲーション装置１３を備えている。
【００３８】
尚、燃料電池システム１には、図示しない燃料ガス系、酸化剤ガス系、電力取出系が備えられているが、これらは、本発明に特徴的なものではなく、燃料電池に一般的な構成のものを利用できる。
【００３９】
コントローラ９は、燃料電池２又は燃料電池システム１が停止するまでの時間を推定する停止時間推定手段と、この停止時間推定手段で推定された時間が経過したときに、通常運転時よりも高い導電率である所定導電率になるように通水制御バルブ８を制御する制御手段とを兼ねている。
【００４０】
ナビゲーション装置１３は、実施例３の燃料電池システムを搭載した移動体（例えば、燃料電池車両、燃料電池ボート等）のナビゲーションを行う装置であり、ＧＰＳ方式や、加速度を２回積分して位置を求める自律航法方式、或いはこれらの併用方式等、ナビゲーション方式には限定されないものである。
【００４１】
燃料電池システム１の通常運転時は、冷却ポンプ３の駆動により、冷却ポンプ３から、燃料電池２、通水制御バルブ８、イオン交換樹脂フィルタ６、及び温度センサ１１を経て、冷却ポンプ３の戻る経路で冷却媒体が循環され、燃料電池２が冷却される。
【００４２】
このとき、通水制御バルブ８は、冷却媒体の全流量（或いは所定の流量比率）をイオン交換樹脂フィルタ６側へ流し、バイパス流路７には、冷却媒体は流れない（或いは残りの流量比率で流れる）ように制御している。
【００４３】
そして、コントローラ９は、燃料電池２または燃料電池システム１の停止するまでの時間が推定された場合、現在の時刻に推定された時間を加えて得られた推定停止時刻が到来したときに、冷却媒体の導電率が通常運転時の導電率より高い所定導電率となるように、通水制御バルブ８を制御するものである。
【００４４】
次に図６のフローチャートを参照して、実施例３におけるコントローラ９による制御シーケンスを詳細に説明する。
【００４５】
燃料電池システムが作動状態にある際、Ｓ１０において、燃料電池システムを停止する時刻がナビゲーション装置１３の目的地到達時刻で想定される。Ｓ２０において導電率センサ５で冷却媒体の導電率Ｃ０を測定する。Ｓ３０でコントローラ９は、イオン交換樹脂フィルタ６の通水を停止させる時刻ＴＡを演算する。Ｓ４０において、Ｓ３０により演算された時刻ＴＡに、イオン交換樹脂フィルタ６の通水を停止するように、コントローラ９から通水制御バルブ８に指令を出す。
【００４６】
次にＳ５０において、ナビゲーション装置１３で想定される目的地到達時刻が変更された場合、Ｓ６０において、導電率センサ５で冷却媒体の導電率Ｃ０を測定する。その結果から、Ｓ７０においてコントローラ９で、イオン交換樹脂フィルタ６とバイパス流路７との通水比を算出し、この通水比となるように、通水制御バルブ８を制御する。さらに目的地到達時刻が変更された場合、Ｓ５０以降を繰り返すことで、目的地に到達して燃料電池システムが停止される時に、冷却媒体の導電率が通常運転時の導電率より高い所定導電率となる。
【００４７】
図７は、実施例３における導電率の時間変化を説明する導電率推移図である。通常運転時の冷却媒体の導電率をＣ０とし、燃料電池システムの運転停止時に目標とする通常運転時の導電率より高い所定導電率をＣＴとする。ナビゲーション装置１３から得られた初期の目的地到達推定時刻をｔ３とすれば、イオン交換樹脂フィルタ６の通水を停止してから時間Ｔ１後に所定導電率ＣＴとなる時刻ｔ１において、イオン交換樹脂フィルタ６の通水を停止するように、通水制御バルブ８を制御する。その後、目的地の変更、或いは道路渋滞等により、時刻ｔ２において、目的地到達推定時刻がｔ３からｔ４に変更されたとする。このとき、コントローラ９は、通水制御バルブ８を再制御して、イオン交換樹脂フィルタ６側へ少量の通水を行い、導電率悪化代が緩やかな傾きとなるように制御し、時刻ｔ４に達したときに、通常運転時の導電率より高い所定導電率ＣＴとなるように制御する。
【００４８】
尚、本実施例の変形例として、実施例２と同様に、イオン交換樹脂フィルタ６への通水を停止する時刻の演算に、導電率センサで測定した導電率に代えて、温度センサで測定した温度と、温度−導電率悪化代マップを使用することができるのは言うまでもない。
【００４９】
以上説明したように本実施例によれば、システム運転中は低い導電率に保っている為、安全性の確保、冷却媒体を介した漏電による効率低下を抑制することができ、且つ燃料電池システム停止時には導電率を高い値にしてから停止する為、導電率悪化代の低減、それによりイオン交換樹脂フィルタ寿命を延命をすることができるという効果がある。
【００５０】
また、本実施例によれば、再設定された目的地到達時刻が遅くなった場合、通水制御バルブを制御してイオン交換樹脂フィルタへの通水量を増加させるので、導電率悪化代の傾きが緩やかになり、再設定後の目的地到達時刻に、冷却媒体の導電率を所定導電率にすることができる。こうすることで導電率が上昇し過ぎなく、安全性を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る燃料電池導電率管理システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。
【図２】実施例１における冷却媒体の導電率制御を説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池導電率管理システムの実施例２の構成を説明する概略構成図である。
【図４】実施例２における冷却媒体の導電率制御を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池導電率管理システムの実施例３の構成を説明する概略構成図である。
【図６】実施例３における冷却媒体の導電率制御を説明するフローチャートである。
【図７】実施例３における導電率の時間変化を説明する導電率推移図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：冷却ポンプ
４：冷却媒体流路
５：導電率センサ
６：イオン交換樹脂フィルタ
７：バイパス流路
８：通水制御バルブ
９：コントローラ
１０：タイマー
１１：温度センサ
１２：温度−導電率悪化代マップ
１３：ナビゲーション装置
【図１】
2006164553.tif 000003
【図２】
2006164553.tif 000004
【図３】
2006164553.tif 000005
【図４】
2006164553.tif 000006
【図５】
2006164553.tif 000007
【図６】
2006164553.tif 000008
【図７】
2006164553.tif 000009