(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおけるイオン溶出を十分に低減し、導電率低減手段であるイオン除去ユニットのイオン交換樹脂の寿命を延命化する。【解決手段】冷却系により燃料電池スタック１に循環供給される冷却水の導電率が、燃料電池スタック１が許容する限界許容値以下の範囲内において比較的高い値に維持されるように、制御器１０が、導電率計８の検出値や温度センサ９の測定値に基づいて三方弁７を操作して、イオン除去ユニット３を通過する冷却水の流量を制御し、イオン除去ユニット３による導電率の低減量を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを冷却するための冷却流路と、
前記冷却流路を流れる冷却水の導電率を検出する導電率検出手段と、
前記冷却水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よる導電率の低減量を調整する導電率調整手段とを備え、
前記導電率調整手段は、前記冷却水の導電率が、前記燃料電池スタックの限界許容値以下であって、且つ所定値以上の導電率範囲に維持されるように、前記導電率低減手段による導電率の低減量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定値は、導電率の時間変化の傾きが最大となる低導電率時よりも小さな傾きを持つ導電率に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却水の温度を測定する温度測定手段を備え、
前記導電率調整手段は、前記温度測定手段の測定結果に基づいて、前記導電率低減手段による導電率の低減量を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記導電率調整手段は、前記冷却水の温度が低い場合に、前記冷却水の温度が高い場合に比べて、前記導電率低減手段による導電率の低減量を低下させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記導電率低減手段は、前記冷却水に溶存しているイオンを除去するイオン除去ユニットであり、
前記導電率調整手段は、前記イオン除去ユニットに供給される冷却水の流量を調整することで冷却水の導電率低減量を調整することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記限界許容値は、燃料電池システムの絶縁抵抗、又は、前記冷却水が流れる各部品の腐食性に基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか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、燃料電池スタックを冷却するための冷却流路を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、冷却水の導電率の制御方法の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、例えば発電単位である燃料電池セルを多数積層したスタック構造の燃料電池を備え、この燃料電池を構成する各セルの燃料極に水素を含む燃料ガス、酸化剤極に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、電解質膜を介してこれら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
以上のような燃料電池システムにおいては、発電の際に燃料電池スタックが発熱することから、これを冷却して適正な運転温度（８０℃程度）に維持する必要があり、何らかの冷却機構を設ける必要がある。この冷却機構としては、燃料電池スタック１に冷却流路を接続し、この冷却流路を通じて燃料電池スタックに冷却水を循環供給することで、燃料電池を冷却する構成のものが一般的である。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックに冷却水を循環供給する冷却機構を備えた燃料電池システムにおいては、冷却水の導電率の悪化が問題になる。すなわち、燃料電池スタックを冷却するための冷却水は、燃料電池スタックへの循環供給を繰り返す過程において、冷却流路に用いられている各部品等からの金属イオンの溶出によって導電率が徐々に上昇していくことになり、この冷却水の導電率が限界許容値を超えると、燃料電池スタックの寿命を短命化する要因となる。また、冷却水の導電率が高くなると、いわゆる液絡を生じさせてしまい、発電電力が無駄に消費されるといった問題も生じる。
【０００５】
そこで、以上のような冷却水の導電率上昇に起因する問題を回避するために、冷却流路中にイオン除去ユニットを設けて、冷却水の導電率が高まったときにはイオン除去ユニットを通過させることで導電率を低減させる構成の燃料電池システムが種々提案されている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【０００６】
特に、特許文献１には、燃料電池スタックに循環供給する冷却水の導電率を監視し、それに応じてイオン除去ユニットへの冷却水流量を制御するという技術が記載されている。すなわち、この特許文献１記載の発明では、冷却水の導電率に応じてイオン除去ユニットへ流れる流量を制御し、イオン除去ユニットに冷却水が常時流れないようにすることで、イオン除去ユニットのイオン交換樹脂の延命化を図るようにしている。
【特許文献１】特開２００３−３６８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記特許文献１記載の制御システムは、冷却水導電率Ｃ１、Ｃ２がＣ１＜Ｃ２の関係になっている場合、導電率Ｃ１の時にイオン除去ユニットへ流れる冷却水流量Ｌ１と、導電率Ｃ２の時にイオン除去ユニットへ流れる冷却水流量Ｌ２がＬ１＜Ｌ２となるように制御するシステムとなっている。すなわち、冷却水の導電率が高い場合はイオン除去ユニットに流れる流量を増加し、導電率が低い場合はイオン除去ユニットに流れる流量を減少させるようにしている。この場合、燃料電池システムから冷却水へのイオン溶出速度とイオン除去ユニットでのイオン除去速度が釣り合ったところで冷却水の導電率が定常的に保たれることになり、イオン除去ユニットでのイオン除去速度が十分に確保される間は比較的速い速度でのイオン溶出を許容してしまうため、イオン除去ユニット内のイオン交換樹脂の寿命を延命化するという目的を十分に達成することができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池システムにおけるイオン溶出を十分に低減することができ、導電率低減手段であるイオン除去ユニットのイオン交換樹脂の寿命を延命化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】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを冷却するための冷却流路と、この冷却流路を流れる冷却水の導電率を検出する導電率検出手段と、冷却水の導電率を低減させる導電率低減手段と、この導電率低減手段による導電率の低減量を調整する導電率調整手段とを備えて構成される。このような構成の燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成するために、導電率調整手段が、冷却水の導電率が燃料電池スタックの限界許容値以下であって、且つ所定値以上の導電率範囲に維持されるように、導電率低減手段による導電率の低減量を調整するようにしている。
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、冷却水の導電率が燃料電池スタックに悪影響を及ぼさない範囲で高い値に維持されているほど、燃料電池システムから冷却水へのイオン溶出速度が遅くなる点に着目して、燃料電池スタックへ循環供給される冷却水の導電率を、燃料電池スタックが許容し得る範囲において、所定値以上のできるだけ高い範囲に保つようにしている。したがって、燃料電池システムからのイオン溶出を最小限に抑えながら冷却水の導電率の上昇を有効に抑制することができ、導電率低減手段としてイオン交換樹脂を有するイオン除去ユニットを用いる場合には、イオン交換樹脂の延命化が図られることになる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、冷却水へのイオン溶出を最小限に抑えながら冷却水の導電率の上昇を有効に抑制することができ、導電率低減手段としてイオン交換樹脂を有するイオン除去ユニットを用いる場合には、イオン交換樹脂の寿命を十分に延命化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの構成例を示す図である。なお、図１においては、主に冷却水による冷却系の構成についてのみ図示してあり、他の構成については図示は省略しているが、例えば、水素供給系や空気供給系等については、この種の燃料電池システムにおいて公知の構成がいずれも採用可能である。
【００１４】
本実施形態の燃料電池システムは、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給により発電を行う燃料電池スタック１の他、この燃料電池スタック１に冷却水を循環供給して冷却するための冷却系を備えている。冷却系は、燃料電池スタック１に冷却水を供給するポンプ２と、冷却水に溶存しているイオンを除去するイオン除去ユニット３と、冷却水を温調するラジエータ４とを有し、冷却ポンプ２とイオン除去ユニット３、イオン除去ユニット３と燃料電池スタック１、燃料電池スタック１とラジエータ４、ラジエータ４とポンプ２とが、それぞれ冷却水ライン５によって接続されている。また、ポンプ２と燃料電池スタック１との間には、イオン除去ユニット３をバイパスするバイパスライン６が設けられ、このバイパスライン６とイオン除去ユニット３後段の冷却水ライン５との合流位置に三方弁７が設置されている。
【００１５】
また、本実施形態の燃料電池システムにおける冷却系は、冷却水ライン５を流れる冷却水の導電率を検出する導電率計８と、冷却水の温度を測定する温度センサ９と、これら導電率計８の検出値と温度センサ９の測定値とに基づいて三方弁７を操作し、イオン除去ユニット３を通過する冷却水の流量を制御する制御器１０を備えている。これら制御器１０と導電率計８、温度センサ９、三方弁７とは、それぞれ制御ライン１１によって互いに接続されている。
【００１６】
以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムにおいては、冷却水ライン５が冷却流路に、導電率計８が導電率検出手段に、イオン除去ユニット３が導電率低減手段に、三方弁７及び制御器１０が導電率調整手段にそれぞれ相当する。そして、この燃料電池システムでは、制御器１０が、導電率計８によって検出される冷却水の導電率と温度センサ９によって測定される冷却水温度とに基づき、燃料電池スタック１に循環供給される冷却水の導電率が、燃料電池スタック１の限界許容値以下であって、且つ所定値以上の導電率範囲に維持されるように、三方弁７を操作してイオン除去ユニット３を通過する冷却水の流量を制御することで、イオン除去ユニット３による導電率の低減量を調整するようにしている。以下、このような本実施形態の燃料電池システムにおいて特徴的な冷却水の導電率制御について、具体的に説明する。
【００１７】
図２は、時間の経過に伴う冷却水の導電率の変化を示す特性図である。この図２に示すように、冷却水ライン５を流れる冷却水の導電率は、温度一定の場合、時間の経過とともに上昇することになる。ただし、同じ経過時間Δｔが経過する場合でも、導電率ｃ１から導電率ｃ２まで上昇するときと、導電率ｃ２から導電率ｃ３まで上昇するときの導電率の上昇値は、後者の方が小さくなる。
【００１８】
このことは、冷却水の導電率をある程度高い値に維持しておくことで、導電率の上昇、すなわち冷却水へのイオンの溶出を抑えることができることを意味する。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１が許容する許容導電率（限界許容値）ｃ４以下の範囲内において、導電率の時間変化の傾きが最大となる低導電率時よりも小さな傾きを持つ導電率となるように、すなわち冷却水の導電率が比較的高い状態で維持されるように、イオン除去ユニット３による導電率の低減量を調整するようにしている。なお、燃料電池スタック１が許容する許容導電率ｃ４は、燃料電池システムの絶縁抵抗、又は冷却水が流れる各部品の腐食性より定めればよい。
【００１９】
本実施形態の燃料電池システムでは、以上のような制御を行うことで、イオン除去ユニット３にて除去しなければならない燃料電池システムからのイオン溶出量を減少させることができ、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命を延命化することができる。なお、ここで言うイオン交換樹脂の寿命とは、イオン交換樹脂の総イオン交換当量を、イオンを吸着することで使いきることである。
【００２０】
本発明の効果を確認すべく、実際に、冷却水の導電率を低く保つように制御する従来の一般的な制御手法を採用した場合と、導電率を比較的高く保つように制御する本発明の制御手法を採用した場合とで、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命を比較した。ただし、比較に際して、冷却水温度は８０℃で一定とし、イオンの溶出速度が図３のよう関係となるように燃料電池システムを構成した。また、イオン除去ユニット３は、イオン除去ユニット３へ入ってきた冷却水導電率を５０％だけ減少させる能力があるものとし、冷却水内の単位導電率当りのイオン当量は１［ｍｅｑ／（μＳ／ｃｍ）］、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂で除去できるイオン当量を１００［ｍｅｑ］、燃料電池システムの絶縁抵抗から定まる許容導電率を１５μＳ／ｃｍ、冷却水が燃料電池システムの冷却系を一周する時間を１分とする。
【００２１】
図４は、冷却水の導電率が２〜３μＳ／ｃｍの範囲内となるように制御した場合の例（比較例）であり、経過時間に対する冷却水の導電率変化とイオン除去ユニット３で除去したイオン当量を示すものである。また、図５は、冷却水の導電率が１０〜１１μＳ／ｃｍの範囲内となるように制御した場合の例（実施例）であり、経過時間に対する冷却水の導電率変化とイオン除去ユニット３で除去したイオン当量を示すものである。
【００２２】
図４に示すように、導電率を低く保つよう制御した比較例の場合では、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命は約１００分であるのに対して、図５に示すように、導電率を高く保つように制御した実施例の場合では、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命は約１７０分となり、寿命を約１．７倍にまで延命化できることが分かる。
【００２３】
なお、以上は冷却水温度が８０℃で一定であることを前提にして説明したが、実際の冷却水温度はシステムの運転状態等に応じて変動するものである。このように冷却水温度が変動する場合において、以上のようなイオン交換樹脂の寿命をより効果的に延命化するためには、冷却水温度が高い場合には目標導電率を低く、冷却水温度が低い場合には目標導電率を高く設定することが好ましい。これは、冷却水の温度が低いほど導電率として高い値を許容できるからである。
【００２４】
このような冷却水の温度に応じた導電率制御を行った例を図６に示す。本制御では、図５の状態でスタートさせ、８０分経過後に、冷却水温度が８０℃から３０℃へと変化したところで、冷却水の許容導電率が１５μＳ／ｃｍから１７μＳ／ｃｍになることに対応して、目標導電率を１５〜１６μＳ／ｃｍとなるように制御した。図６は、この場合における経過時間に対する冷却水の導電率変化とイオン除去ユニット３で除去したイオン当量を示すものである。この図６に示すように、冷却水温度が８０℃から３０℃へ低下したときにそれに応じて目標導電率を増加させることで、イオン溶出速度をさらに低下させることができ、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命をさらに延命化できることが分かる。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却系により燃料電池スタック１に循環供給される冷却水の導電率が、燃料電池スタック１が許容する限界許容値以下の範囲内において比較的高い値に維持されるように、イオン除去ユニット３による導電率の低減量を調整するようにしているので、燃料電池システムから冷却水へのイオン溶出を最小限に抑えながら冷却水の導電率の上昇を有効に抑制することができ、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命の延命化を実現することができる。また、この時、漏電せず、部品の腐食に影響がない程度に冷却水の導電率を設定することで、安全運転でき、且つ燃料電池システムを構成する各部品を延命化することができる。
【００２６】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水温度が低い時には目標導電率を高く設定してイオン除去ユニット３による導電率の低減量を低下させ、冷却水温度が高い時には目標導電率を低く設定してイオン除去ユニット３による導電率の低減量を増加させるようにすることで、冷却水の温度条件に応じた最適な状態でイオン溶出を抑制することができ、イオン除去ユニット３内のイオン交換樹脂の寿命をより効果的に延命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】時間の経過に伴う冷却水の導電率の変化を示す特性図である。
【図３】冷却水の導電率とイオン溶出速度との関係を示す特性図である。
【図４】目標導電率を低い導電率に設定した場合の経過時間に対する冷却水の導電率変化とイオン除去ユニットでの除去イオン量とを示す特性図である。
【図５】目標導電率を高い導電率に設定した場合の経過時間に対する冷却水の導電率変化とイオン除去ユニットでの除去イオン量とを示す特性図である。
【図６】温度変化に応じて目標導電率を変更した場合の経過時間に対する冷却水の導電率変化とイオン除去ユニットでの除去イオン量とを示す特性図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池スタック
２  ポンプ
３  イオン除去ユニット
４  ラジエータ
５  冷却水ライン
６  バイパスライン
７  三方弁
８  導電率計
９  温度センサ
１０  制御器
１１  制御ライン
【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】
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