(57)【要約】    【課題】  燃料電池の作動時及び停止時にかかわらず、排出通路に存在している不純物を確実に除去することが可能な燃料電池システムを提供する。    【解決手段】  燃料電池１０から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器２４を配設してなる燃料電池システム１であり、前記排出通路に存在する不純物量を検出する不純物量検出装置３０と、不純物量検出装置３０によって検出された検出値に基づいて、燃料電池１０に供給・排出される流体の流動を制御する流動制御装置４０を備えてなる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムであって、
前記排出通路に存在する不純物量を検出する不純物量検出装置と、
前記不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて、前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御する流動制御装置と、
を備えてなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記流動制御装置は、前記燃料電池の作動を停止する要求があった場合に、前記流体の流動を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流動制御装置は、前記流体の流動停止のタイミングを制御する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流動制御装置は、前記流体の単位時間当たりの流通量を、前記燃料電池の通常作動時よりも大きくなるよう制御する請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムであって、
前記排出通路に存在する不純物量を検出する不純物量検出装置と、
前記燃料電池の作動停止時に、前記不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御する流動制御装置と、
を備えてなる燃料電池システム。
【請求項６】
前記流体を流動させるポンプをさらに備えてなる請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記不純物量検出装置は、前記燃料電池と前記不純物除去器との間に設置されてなる請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記不純物量検出装置は、導電率検出装置を備えてなる請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排出通路に液体を貯留可能な貯留部を設けてなり、前記導電率検出装置は、前記貯留部に溜まった液体の導電率を測定する請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記流動制御装置は、前記不純物の検出値が閾値以下となった際に、前記流体の流動を停止する請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）を燃料電池に供給し発電を行っているが、供給された水素の全てが電池反応に使用されるわけではない。したがって、排出された未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する循環システムが採用されており、燃料電池から排出される排出ガスと、燃料電池の電池反応により生成された水（生成水）とが混合して存在する気液混合流体から水分を除去するための気液分離器が配設されている。
【０００３】
ここで、前記水素循環系内を流れる流体（ガスや水）には、僅かではあるが、燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物が存在している。また、カソード系の外気より吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素循環系に混入することもある。特に燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物中に金属イオンが存在している場合は、燃料電池自身の機能低下や寿命低下に通じる虞がある。また、燃料電池内で生成される水が酸性になる場合もある。そこで、従来から、水素循環系内にイオン交換器を配設し、生成水やガス等による燃料電池の劣化を抑制する方法が採用されている。
【０００４】
近年では、燃料電池の生成水が排出される少なくとも一方の排出管の固体高分子型燃料電池側に設けられ、前記排出ガスに同伴する前記生成水中に含まれるイオンを除去する固体高分子型燃料電池システムが紹介されている。この固体高分子型燃料電池システムでは、前記生成水中に含まれるイオンを除去する手段として、燃料電池の水素循環系の出口部にイオン交換器を設置しており、フッ素イオンを除去することが開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池のエア側排気マニホールドに、不純物除去部材を配置した燃料電池発電装置もある。（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【特許文献２】特開平９−３１２１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来の燃料電池システムは、燃料電池の作動時に、イオン交換器や不純物除去部材等の不純物除去器によって、循環系内の不純物を除去することが可能である。しかしながら、燃料電池の作動を停止させると、ガスの流れも止まるため、この停止時点において、燃料電池内部のガス流路や、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路のうち、排出ガス出口と不純物除去器との間に不純物が残存し、取り除くことが困難である。このため、燃料電池を再び始動した際に、不純物の影響、またはその処理を行うために、当該燃料電池の起動性が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、燃料電池の作動時及び停止時にかかわらず、排出通路に存在している不純物を確実に除去することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するため本発明は、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムであって、前記排出通路に存在する不純物量を検出する不純物量検出装置と、前記不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて、前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御する流動制御装置と、を備えてなる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
この構成を備えた燃料電池システムは、不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて、前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御することができるため、燃料電池の作動時及び停止時にかかわらず、排出通路に存在している不純物を不純物除去器によって確実に除去することができる。
【００１０】
また、前記流動制御装置は、前記燃料電池の作動を停止する要求があった場合に、前記流体の流動を制御する装置であってもよい。このように流体の流動を制御することで、燃料電池が作動停止モードになり、燃料電池が停止するまでの間に、当該流体が循環して不純物除去器を通過することになり、排出通路に存在している不純物を不純物除去器によって確実に除去することができる。なお、この場合、燃料電池で発電された電池は、二次電池に充電することもできる。
【００１１】
前記流動制御装置の一態様としては、前記流体の流動停止のタイミングを制御する装置であってもよい。また、前記流体の単位時間当たりの流通量を、前記燃料電池の通常作動時よりも大きくなるよう制御する装置であってもよい。
【００１２】
また、本発明は、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムであって、前記排出通路に存在する不純物量を検出する不純物量検出装置と、前記燃料電池の作動停止時に、前記不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御する流動制御装置と、を備えてなる燃料電池システムを提供するものである。
【００１３】
この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池が作動していない状態の際に、流体が排出通路を循環できることになるため、当該排出通路に存在している不純物を不純物除去器によって確実に除去することができる。また、この構成の場合、燃料電池の作動を完全に停止した直後に、燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御してもよく、また、長期間にわたって停止させておいた燃料電池を作動させる前に燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御してもよい。
【００１４】
本発明にかかる燃料電池システムは、前記流体を流動させるポンプをさらに備えてなることができる。
【００１５】
また、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記不純物量検出装置を、前記燃料電池と前記不純物除去器との間に設置することもできる。ここで、排出通路のうち、燃料電池と前記不純物除去器との間は、燃料電池が停止した際に不純物が存在しやすい場所であるが、この位置に不純物量検出装置を設置することで、不純物除去器によって除去すべき不純物の有無を、より正確に検出することができる。この不純物量検出装置は、導電率検出装置であってもよい。
【００１６】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムの一態様としては、前記排出通路に液体を貯留可能な貯留部を設けてなり、前記貯留部に溜まった液体の導電率を前記導電率検出装置によって測定してもよい。
【００１７】
さらにまた、前記流動制御装置は、前記不純物の検出値が閾値以下となった際に、前記流体の流動を停止するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明にかかる燃料電池システムは、不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて、前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御するため、燃料電池の作動時及び停止時にかかわらず、排出通路に存在している不純物を不純物除去器によって確実に除去することができる。この結果、燃料電池等の劣化を防止することができ、燃料電池システムの寿命及び信頼性を向上することができる。
【００１９】
また、本発明にかかる燃料電池システムは、前記燃料電池の作動停止時に、前記不純物量検出装置によって検出された検出値に基づいて前記燃料電池に供給・排出される流体の流動を制御するため、燃料電池が作動していない状態の際に、流体が排出通路を循環できることになるため、当該排出通路に存在している不純物を不純物除去器によって確実に除去することができる。この結果、燃料電池等の劣化を防止することができ、燃料電池システムの寿命及び信頼性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池システムの一部を拡大して示す模式図、図３は、図１に示す燃料電池から排出された流体の導電率と、当該流体に含有されている不純物の量との関係を示す図、図４は、図１に示す不純物量検出装置及び流動制御装置の動作を示すフローチャートである。
【００２２】
図１に示す燃料電池システム１の燃料電池１０は、ＭＥＡと、ＭＥＡの燃料極（アノード）に燃料ガス（水素）を、酸化剤極（カソード）に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせたセルを複数備えてなるスタックを内蔵した構成を備えている。
【００２３】
この燃料電池１０の空気供給口１１には、酸化ガスとしての空気を供給する空気供給源９が、空気供給通路１２を介して接続されており、空気排出口１３には、燃料電池１０から排出される空気及び水（排出流体）が排出される空気排出通路１４が接続されている。また、空気供給通路１２及び空気排出通路１４には、加湿モジュール８が設けられており、この加湿モジュール８を通過した排出流体は、マフラ７を経て外部に排出される。また、この排出流体の一部は、水素希釈器６に供給され、水素の希釈に使用された後、外部に排出される。
【００２４】
一方、燃料電池１０の水素供給口１５には、例えば、水素ボンベ等の水素供給源１６が、水素供給通路１７を介して接続されている。また、燃料電池１０の水素排出口１８には、水素排出通路１９が接続され、この水素排出通路１９の途中には、不純物量検出装置３０が配設されている。
【００２５】
不純物量検出装置３０は、特に図２に示すように、水素排出通路１９の底面に形成された貯留部３１と、貯留部３１に配設された導電率検出装置３２を備えて構成されている。貯留部３１は、水素排出通路１９の底面に連続してスロープ状に凹設され、生成水等の液体Ｗを貯留するものである。この貯留部３１は、前記スロープ形状を備えているため、貯留部３１に貯留された液体Ｗが、後述するポンプ２７により循環される水素によって、入れ替わるようになっている。一方、導電率検出装置３２は、燃料電池１０の作動停止時に、貯留部３１に貯留された液体Ｗの導電率を測定するものであり、例えば、市販の交流２電極法のもの等を使用することができる。また、導電率検出装置３２には、導電率検出装置３２によって検出された検出値（導電率）に基づいて、燃料電池１０に供給・排出する流体の流動を制御する流動制御装置４０が接続されている。
【００２６】
流動制御装置４０は、後に詳述するポンプ２７に接続されており、導電率検出装置３２によって検出された検出値（導電率）に基づいて、ポンプ２７の作動を制御することにより、燃料電池１０に供給・排出する流体の流動を制御する。
【００２７】
なお、水素排出通路１９を通過する液体Ｗの導電率と、排出流体に含有されている不純物の量との間には、例えば、図３に示すような比例関係が成立する。したがって、液体Ｗの導電率を測定することによって、排出流体に、どのくらいの量の不純物が含有しているかが判り、この含有量が、不純物除去器２４で除去すべき量の不純物であるか、否かを判断することができる。
【００２８】
水素排出通路１９の不純物量検出装置３０よりも下流側には、不純物除去器２４が内設された気液分離器２６が配設されている。この気液分離器２６に供給された流体は、気体（水素）と液体（水）に分離されると共に、不純物除去器２４によって不純物が除去された後、気液分離器２６から排出される。なお、本実施の形態では、不純物除去器２４として、イオン交換樹脂を使用した。また、気液分離器２６としては、流体（気液混合体）を旋回させることによって、気体と液体とに分離するサイクロン式気液分離器を使用した。
【００２９】
水素排出通路１９の気液分離器２６よりも下流側には、燃料電池１０から排出された気体（水素）を流動させるためのポンプ２７が接続されている。この水素排出通路１９のポンプ２７よりも下流側は、水素供給通路１７と合流点Ａで合流し、水素排出通路１９を通過したガス（水素）は、再び水素供給通路１７から燃料電池１０に供給され、電池反応に使用される。また、気液分離器２６から排出された気体（水素）の一部は、所望により、水素希釈器６に供給される。一方、気液分離されると共に不純物が除去された液体は、気液分離器２６の下方に配設された排水口から外部に排出される。
【００３０】
次に、本実施の形態にかかる燃料電池システム１の具体的動作について説明する。具体的には、先ず、図４に示すように、貯留部３１に貯留されている液体Ｗの導電率を導電率検出装置３２により測定する。（ステップＳ１０１）。次に、前記導電率が閾値以上の場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）は、ポンプ２７に作動信号を送信し、ポンプ２７を作動させて、流体（水素）を循環させる。この時、流体の単位時間当たりの流通量（例えば、流速や流量等）が、燃料電池１０が通常作動している時よりも大きくなるようにしてもよい。このようにすることで、より効率よく流体を循環させることができる。この循環により、燃料電池１０から排出された流体（水素）は、燃料電池１０の作動が停止している際に、水素循環系を循環し、不純物除去器２４を通過して、不純物が除去される。
【００３１】
一方、前記導電率が閾値以上の間は、この動作が繰り返される。一方、前記導電率が閾値よりも小さくなった場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）は、ポンプ２７に作動停止信号を送信し、ポンプ２７の作動を停止する。
【００３２】
このように、燃料電池１０の作動停止時に、導電率検出装置３２によって検出された導電率の値に基づいて流動制御装置４０を作動して、燃料電池１０に供給・排出される流体の流動を制御することで、従来、燃料電池の停止時点において、水素排出通路１９のうち、不純物を取り除くことが困難である領域とされていた水素排出口１８と不純物除去器２４との間に存在している不純物を確実に除去することができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、燃料電池１０の作動停止時に、不純物量検出装置３０の導電率検出装置３２によって、貯留部３１に貯留されている液体Ｗの導電率を測定する場合について説明したが、これに限らず、液体Ｗの導電率の測定は、例えば、燃料電池１０の作動を停止する要求があり、燃料電池１０が停止モードとなった場合等、燃料電池１０が完全に停止していない状態の際に行ってもよい。
【００３４】
具体的には、図５に示すように、燃料電池１０の作動停止要求の有無を判断し（ステップＳ２０１）、要求があった場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）に、前述したステップＳ１０１に進み、ステップＳ１０１以降のステップを前記と同様に行い、要求が無い場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）は、要求があるまで待機してもよい。なお、燃料電池１０の停止モード中に発電された電流は、二次電池等に充電することもできる。
【００３５】
また、本実施の形態で説明した貯留部３１の上方には、図６に示すように、ガイド部材５０を配設してもよい。このガイド部材５０は、羽根部材５１の略中央部５２を支点として回動可能に設けられており、貯留部３１に貯留された液体Ｗを下流側に押し上げる役割と、水素排出通路１９内を飛散している生成水を貯留部３１に落下させる役割を有しており、貯留部３１に貯留された液体Ｗを入れ替える働きをしている。また、このガイド部材５０は、燃料電池１０が通常に作動している際には、流体が流通する際の圧力損失を無くし、無駄な動力増加を防止する目的で、図６に波線で示すように、流体の流れに水平にしておくことができる。
【００３６】
本実施の形態では、不純物量検出装置３０が導電率検出装置３２を有し、貯留部３１に貯留された液体Ｗの導電率によって、不純物量の検出を行った場合について説明したが、これに限らず、不純物量の検出は、例えば、流体のｐＨ、イオン濃度等、他のファクターによって行ってもよい。例えば、ｐＨ計を使用する場合、ガラス電極法を利用した市販のｐＨ計を使用することができる。いずれも場合も、予め閾値を設定しておき、検出値が閾値を超えたか否かによって、流体の流動を制御するか否かを決定することができる。また、予め、各ファクターに応じて、不純物が不純物除去器２４で除去される時間を測定しておき、その時間がきたら、流体の流動制御を停止するように、流体の流動停止のタイミングを制御してもよい。
【００３７】
そしてまた、不純物量検出装置３０は、例えば、図７に示すように、気液分離器２６内であって、不純物除去器２４の入側表面の外周部に配設してもよい。ここで、不純物除去器２４を通過する流体（気液混合体）のうち、液体（液滴）は、その重さにより、不純物除去器２４の入側表面の外周部に連続的に流入し、この部分に液体Ｗが溜まる傾向にあり、この部分に溜まる液体Ｗを利用することができる。また、不純物量検出装置３０は、不純物除去器２４と合流点Ａとの間に配設してもよく、特に限定されるものではない。
【００３８】
また、本実施の形態では、不純物量検出装置３０及び流動制御装置４０を、水素排出通路１９に配設した場合について説明したが、これに限らず、図８に示すように、不純物量検出装置３０及び流動制御装置４０は、空気排出通路１４に配設してもよい。なお、空気排出通路１４では、加湿等により空気を循環させることがある。また、水素排出通路１９及び空気排出通路１４の両方に配設してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの一部を拡大して示す模式図である。
【図３】図１に示す燃料電池から排出された流体の導電率と、当該流体に含有されている不純物の量との関係を示す図である。
【図４】図１に示す不純物量検出装置及び流動制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の他の実施形態にかかる不純物量検出装置及び流動制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の他の実施形態にかかる燃料電池システムの一部を拡大して示す模式図である。
【図７】本発明の他の実施形態にかかる燃料電池システムの一部を拡大して示す断面模式図である。
【図８】本発明の他の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池システム、９…空気供給源、１０…燃料電池、１２…空気供給通路、１４…空気排出通路、１６…水素供給源、１７…水素供給通路、１９…水素排出通路、２４…不純物除去器、２６…気液分離器、３０…不純物量検出装置、３１…貯留部、３２…導電率検出装置、４０…流動制御装置、５０…ガイド部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006253083.tif 000008
【図７】
2006253083.tif 000009
【図８】
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