(57)【要約】【課題】燃料電池の冷却装置を簡易かつ低コストで洗浄する方法を提案する。【解決手段】燃料電池２０を冷却する冷却装置５０を洗浄する方法は、（i）燃料電池２０を発電させる工程と、（ii）燃料電池２０の発電により得られる電力で冷却水ポンプ５５を駆動し、イオン交換器５７を通じて冷却装置５０内に冷却水を循環させることにより、冷却水に含まれている不純物イオンを除去する工程と、を含む。ここで、燃料電池２０を発電させる工程は、（iii）冷却水の導電率が閾値以上のときに、燃料電池２０への酸化ガス供給量を通常運転時の酸化ガス供給量より少なくし、通常運転時の出力電圧より低い出力電圧で燃料電池２０を発電させる工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を冷却する冷却装置を洗浄する洗浄方法であって、
前記燃料電池を発電させる工程と、
前記燃料電池の発電により得られる電力で冷却水ポンプを駆動し、イオン交換器を通じて前記冷却装置内に冷却水を循環させることにより、前記冷却水に含まれている不純物イオンを除去する工程と、を含み、
前記燃料電池を発電させる工程は、
前記冷却水の導電率が閾値以上のときに、前記燃料電池への酸化ガス供給量を通常運転時の酸化ガス供給量より少なくし、通常運転時の出力電圧より低い出力電圧で前記燃料電池を発電させる工程と、を含む、洗浄方法。
【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装置を洗浄する洗浄方法に関わる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスを電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出される化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置として知られている。燃料電池を車載用の電源システムとして使用する場合には、数百枚の単セルを積層してなる燃料電池が用いられる。この種の電源システムは、燃料電池の温度を制御する冷却装置を有しており、冷却装置は、主に、燃料電池の内部に冷却水を循環させる配管と、冷却水の温度を調節するラジエータとを有している。冷却装置を構成する各部品（ラジエータ、冷却水ポンプ、バルブ、配管など）が不純物イオンで汚染されていると、不純物イオンが冷却水中に溶出し、冷却水の導電率が上昇する。冷却水の導電率の上昇は、漏電の原因になり得るため、冷却水の導電率は低く抑えるのが望ましい。特表２００７−５３６７０７には、洗浄剤を用いて冷却装置の各構成部品を洗浄することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５３６７０７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、冷却装置を構成する各部品を、車両に組み付ける前の段階で、個別に洗浄すると、高温環境下で数時間程度の洗浄処理が必要となる上に、洗浄に要するコストが増大してしまう。一方、冷却装置を車両に組み付けた後に、燃料電池の発電電力を利用して冷却水ポンプを駆動し、イオン交換器を通じて配管内に冷却水を循環させて冷却水中の不純物イオンを除去すると、多量の不純物イオンの溶出により高い導電率を有する冷却水が高電圧（例えば、数百ボルト）に晒されることになり、燃料電池のプラス側のターミナルプレートとその付近の単セルの電食を招く結果となる。
【０００５】
そこで、本発明は、上述の問題を解決し、燃料電池の冷却装置を簡易かつ低コストで洗浄する方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に関わる洗浄方法は、燃料電池を冷却する冷却装置を洗浄する方法であって、（i）燃料電池を発電させる工程と、（ii）燃料電池の発電により得られる電力で冷却水ポンプを駆動し、イオン交換器を通じて冷却装置内に冷却水を循環させることにより、冷却水に含まれている不純物イオンを除去する工程と、を含む。ここで、燃料電池を発電させる工程は、（iii）冷却水の導電率が閾値以上のときに、燃料電池への酸化ガス供給量を通常運転時の酸化ガス供給量より少なくし、通常運転時の出力電圧より低い出力電圧で燃料電池を発電させる工程と、を含む。これらの工程に加えて、（iv）冷却水の導電率が閾値未満のときに、燃料電池の出力電圧を通常運転時の出力電圧に昇圧させて燃料電池を発電させる工程を含んでもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の洗浄方法によれば、燃料電池の冷却装置を簡易かつ低コストで洗浄することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池の構成の概略を示す説明図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池の電流−電圧特性曲線を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図１乃至図３を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成の概略を示す説明図である。燃料電池システム１０は、主に、燃料電池２０、燃料ガス供給装置３０、酸化ガス供給装置４０、冷却装置５０、絶縁抵抗測定装置６０、及び制御装置７０を備えている。燃料電池２０は、複数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成されたアノード極と、電解質膜の他方の面に形成されたカソード極と、アノード極及びカソード極を両側から挟み込む一対のセパレータとを備えている。アノード極では、（１）式の電気化学反応が生じ、カソード極では、（２）式の電気化学反応が生じる。
【００１０】
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-  …（１）
Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ  …（２）
【００１１】
このような電気化学反応により、単セルは約１ボルト程度の起電力を発生する。燃料電池２０を車載用の電源システムとして使用する場合には、数百枚の単セルが積層される。燃料ガス供給装置３０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０のアノード極に供給する。燃料ガス供給装置３０は、例えば、水素タンクである。酸化ガス供給装置４０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極に供給する。酸化ガス供給装置４０は、例えば、エアコンプレッサである。
【００１２】
冷却装置５０は、配管５１、ラジエータ５２、バイパス配管５３、三方弁５４、冷却水ポンプ５５、温度センサ５６、及びイオン交換器５７を備えている。配管５１は、燃料電池２０の内部に冷却水を循環させる。ラジエータ５２は、燃料電池２０から配管５１を通じて排出される冷却水と外気との間で熱交換を行って冷却水を冷却する。バイパス配管５３は、燃料電池２０から排出される冷却水を、ラジエータ５３をバイパスして燃料電池２０に戻す。三方弁５４は、ラジエータ５３に流入する冷却水とバイパス配管５３に流入する冷却水との比率を調整する。冷却水ポンプ５５は、冷却水を循環させる電動ポンプである。温度センサ５６は、冷却水の温度を検出する。イオン交換器５７は冷却水に含まれている不純物イオンを除去する。なお、冷却水として、例えば、純水又はグリコール系の不凍液が用いられる。
【００１３】
絶縁抵抗測定装置６０は、燃料電池２０と車体との間の絶縁抵抗を測定する。この絶縁抵抗は、冷却水の導電率との間で相関性を有しており、冷却水の導電率が高い程、絶縁抵抗は小さくなる。絶縁抵抗測定装置６０が測定した絶縁抵抗の値は、制御装置７０に出力される。
【００１４】
制御装置７０は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットであり、燃料電池２０に要求される発電電力に応じて、燃料ガス供給装置３０から燃料電池２０に供給される燃料ガス供給量を制御するとともに、酸化ガス供給装置４０から燃料電池２０に供給される酸化ガス供給量を制御し、燃料電池２０の運転温度が目標温度に一致するように冷却装置５０を制御する。具体的には、制御装置７０は、温度センサ５６から出力される冷却水温度を基に、冷却水ポンプ５５及び三方弁５４を制御し、燃料電池２０の運転温度を目標温度に一致させる。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、燃料電池２０は、複数の単セル２１を積層してなるスタック構造を有している。燃料電池２０の内部には、冷却水を循環させるための配管５１が貫設されている。燃料電池２０の両端部には電力取り出し用の一対のターミナルプレート２２ａ，２２ｂが配置されている。ターミナルプレート２２ａ，２２ｂの外側は絶縁プレート２３ａ，２３ｂを介して一対のエンドプレート２４ａ，２４ｂによって挟装されている。なお、ターミナルプレート２２ａは、プラス電極であり、ターミナルプレート２２ｂは、マイナス電極である。図２（ｂ）に示すように、マイナス側のターミナルプレート２２ｂとその付近の単セル２１には、還元電流が局所的に流れるのに対して、プラス側のターミナルプレート２２ａとその付近の単セル２１には酸化電流が局所的に流れる。
【００１６】
次に、冷却装置５０の洗浄方法について説明する。冷却装置５０は、未洗浄のままの状態で、或いは簡易洗浄された状態で、燃料電池２０に組み付けられ、車体に搭載される。配管５１に冷却水を注入すると、数十［ｕＳ／ｃｍ］を超える不純物イオンが短時間の間に冷却水に蓄積される。冷却水が注入された後に、制御装置７０は、燃料ガス供給装置３０及び酸化ガス供給装置４０を制御して燃料電池２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、燃料電池２０を発電させる。そして、制御装置７０は、燃料電池２０の発電により得られる電力で冷却水ポンプ５５を駆動し、イオン交換器５７を通じて冷却装置５０内に冷却水を循環させることにより、冷却水に含まれている不純物イオンを除去又は低減し、冷却装置５０を洗浄する。
【００１７】
冷却水に含まれている不純物イオンの量は、洗浄時間の経過とともに次第に減少していくため、燃料電池２０を発電させる工程は、冷却水に含まれている不純物イオンの量に応じて、二段階に分けて実施するのが望ましい。最初の段階、即ち、冷却水に含まれる不純物イオンの量が閾値Ｔｈ１以上である段階においては、燃料電池２０への酸化ガス供給量を通常運転時の酸化ガス供給量より少なくし、通常運転時の出力電圧より低い出力電圧で燃料電池２０を発電させる。このような発電は、低効率発電と呼ばれる。二番目の段階、即ち、冷却水に含まれる不純物イオンの量が閾値Ｔｈ１未満である段階においては、燃料電池２０の出力電圧を通常運転時の出力電圧に昇圧させて燃料電池２０を発電させる。このような発電は、通常発電と呼ばれる。
【００１８】
図３は燃料電池２０の電流−電圧特性曲線を示している。同図において、符号３０１は、通常発電時の電流−電圧特性曲線を示し、符号３０２は、低効率発電時の電流−電圧特性曲線を示す。通常発電では、燃料電池２０の発電効率が高くなるように出力電流及び出力電圧が設定されている。一方、低効率発電では、燃料電池２０に供給される酸化ガスが通常発電時に比して少なく、且つ、通常発電に比して電力損失が大きくなるように設定されている。低効率発電では、例えば、エアストイキ比を１．０付近（理論値）に絞った状態で燃料電池２０を運転する。ここで、通常発電時の電流−電圧特性曲線３０１上の運転ポイント（出力電流Ｉ1，出力電圧Ｖ1）の電力と、低効率発電時の電流−電圧特性曲線３０２上の運転ポイント（出力電流Ｉ2，出力電圧Ｖ2）の電力とは同じであるが、低効率発電時の燃料電池２０の出力電圧Ｖ2は、通常発電時の燃料電池２０の出力電圧Ｖ1よりも低い。このように、低効率発電では、通常発電よりも燃料電池２０の出力電圧を引き下げることができるため、冷却水に含まれている不純物イオンの量が閾値Ｔｈ１を超えている場合でも、プラス側のターミナルプレート２２ａとその付近の単セル２１の電食を抑制することができる。低効率発電では、冷却水ポンプ５５を駆動するのに最低限必要な電力を目標電力に設定し、燃料電池２０の出力電圧をできるだけ引き下げるのが望ましい。通常発電における単セル２１の出力電圧は約１Ｖであるが、低効率発電における単セル２１の出力電圧を、例えば、約０．１Ｖに設定してもよい。冷却水に含まれる不純物イオンの量が閾値Ｔｈ１を下回ると、燃料電池２０を通常発電で運転しても、電食の量は少ないため、燃料電池２０の出力電圧を通常運転時の出力電圧に昇圧させて、燃料電池２０を通常発電で運転する。
【００１９】
なお、燃料電池２０と車体との間の絶縁抵抗と、冷却水の導電率とは、相関性を有しているため、絶縁抵抗の閾値Ｔｈ２と、冷却水の導電率の閾値Ｔｈ１とを関連付けることができる。例えば、制御装置７０は、絶縁抵抗測定装置６０から出力される絶縁抵抗の値が閾値Ｔｈ２を超えたときに、冷却水の導電率が閾値Ｔｈ１未満に低下したものと判定する。
【００２０】
このように、本実施形態によれば、冷却装置５０を洗浄する際に、通常発運転時よりも出力電圧を低くして燃料電池を低効率発電で運転するため、プラス側のターミナルプレート２２ａとその付近の単セル２１の電食を抑制することができる。また、冷却装置５０を構成する各部品を、洗浄剤を用いて、個別に洗浄する必要がないため、洗浄に要するコストを抑えることができる。また、冷却装置５０を洗浄する際に、外部電源を使用する必要がないため、作業効率を高めることができる。
【００２１】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２２】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池  ３０…燃料ガス供給装置  ４０…酸化ガス供給装置  ５０…冷却装置  ５１…配管  ５２…ラジエータ  ５３…バイパス配管  ５４…三方弁  ５５…冷却水ポンプ  ５６…温度センサ  ５７…イオン交換器  ６０…絶縁抵抗測定装置  ７０…制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018120659.tif 000005