(57)【要約】【課題】  冷却媒体の導電率を適正に保つために必要となる電力消費を最小限に抑える。【解決手段】  冷却媒体により冷却される燃料電池１２と、冷却媒体の導電率を低減させるため冷却媒体の導電率を検出する導電率センサ２４と、導電率センサ２４による検出を所定時間間隔毎に行う作動制御手段と、任意の時間が経過した後の冷却媒体の導電率を予測する導電率予測手段と、導電率予測手段により予測された導電率が小さいほど導電率センサ２４による検出の時間間隔を長くする時間間隔変更手段と、を備える。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却媒体により冷却される燃料電池と、
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を所定時間間隔毎に作動させる作動制御手段と、
任意の時間が経過した後の前記冷却媒体の導電率を予測する導電率予測手段と、
前記導電率予測手段により予測された前記導電率が小さいほど前記所定時間間隔を長くする時間間隔変更手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却媒体の流路に設けられ、前記冷却媒体に含まれるイオンを低減するイオン低減手段を備え、
前記導電率低減手段は、前記所定時間間隔毎に前記冷却媒体の導電率を検出し、検出した導電率が所定の基準値以上の場合に、前記冷却媒体を前記イオン低減手段に送ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却媒体の流路に設けられ、前記冷却媒体に含まれるイオンを低減するイオン低減手段を備え、
前記導電率低減手段は、前記所定時間間隔毎に前記冷却媒体を前記イオン低減手段に送ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
前記導電率予測手段は、前記燃料電池の運転が停止状態である場合に、前記外気温度から前記導電率を予測することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記時間間隔変更手段は、前記外気温度が低いほど前記所定時間間隔を長くすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記導電率予測手段は、前記冷却媒体の導電率を検出し、検出した導電率から求めた導電率の変化率を用いて前記導電率を予測することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記導電率予測手段は、所定時間継続して前記冷却媒体の導電率を検出することで前記導電率の変化率を求めることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
前記導電率予測手段は、前記燃料電池の運転が停止状態である場合に、前記外気温度と前記導電率の変化率とを用いて前記導電率を予測することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池と前記燃料電池が搭載される車体との間の絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出手段を備え、
前記導電率予測手段は、前記絶縁抵抗を用いて前記導電率を予測することを特徴とする請求項１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関し、特に、燃料電池を冷却する手段を備えた燃料電池システムに適用して好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池が必要以上に昇温することを防ぐため、燃料電池に冷却水を循環させることが行われている。このようなシステムにおいて、特開平１０−３３９５３７号公報には、冷却水の循環ポンプを所定のタイミング毎に所定時間だけ作動させることにより、冷却水の導電率を規定値に維持するシステムが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−３３９５３７号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３７７号公報
【特許文献３】特開２０００−２０８１５７号公報
【特許文献４】特開平１０−２３３２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開平１０−３３９５３７号公報に開示された技術では、循環ポンプの作動が一義的に設定されるため、冷却水の導電率が十分に低い場合であっても循環ポンプが不必要に作動されてしまう。このため、循環ポンプの作動により無駄な消費電力が発生し、システムの効率が低下するという問題が生じる。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、冷却媒体の導電率を適正に保つために必要となる電力消費を最小限に抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、冷却媒体により冷却される燃料電池と、
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を所定時間間隔毎に作動させる作動制御手段と、任意の時間が経過した後の前記冷却媒体の導電率を予測する導電率予測手段と、前記導電率予測手段により予測された前記導電率が小さいほど前記所定時間間隔を長くする時間間隔変更手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却媒体の流路に設けられ、前記冷却媒体に含まれるイオンを低減するイオン低減手段を備え、前記導電率低減手段は、前記所定時間間隔毎に前記冷却媒体の導電率を検出し、検出した導電率が所定の基準値以上の場合に、前記冷却媒体を前記イオン低減手段に送ることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、前記冷却媒体の流路に設けられ、前記冷却媒体に含まれるイオンを低減するイオン低減手段を備え、前記導電率低減手段は、前記所定時間間隔毎に前記冷却媒体を前記イオン低減手段に送ることを特徴とする。
【０００９】
第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記導電率予測手段は、前記燃料電池の運転が停止状態である場合に、前記外気温度から前記導電率を予測することを特徴とする。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明において、前記時間間隔変更手段は、前記外気温度が低いほど前記所定時間間隔を長くすることを特徴とする。
【００１１】
第６の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記導電率予測手段は、前記冷却媒体の導電率を検出し、検出した導電率から求めた導電率の変化率を用いて前記導電率を予測することを特徴とする。
【００１２】
第７の発明は、第６の発明において、前記導電率予測手段は、所定時間継続して前記冷却媒体の導電率を検出することで前記導電率の変化率を求めることを特徴とする。
【００１３】
第８の発明は、第６の発明において、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記導電率予測手段は、前記燃料電池の運転が停止状態である場合に、前記外気温度と前記導電率の変化率とを用いて前記導電率を予測することを特徴とする。
【００１４】
第９の発明は、第１の発明において、前記燃料電池と前記燃料電池が搭載される車体との間の絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出手段を備え、前記導電率予測手段は、前記絶縁抵抗を用いて前記導電率を予測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、予測した導電率が小さいほど導電率低減手段を作動させる時間間隔を長くするようにしたため、導電率低減手段が不必要に作動してしまうことを抑止できる。従って、導電率低減手段の作動による消費電力を抑えることが可能となる。
【００１６】
第２の発明によれば、冷却媒体の導電率を検出し、検出した導電率が所定の基準値以上の場合に冷却媒体をイオン低減手段に送ることで、冷却媒体の導電率を低減させることができる。従って、冷却媒体に含まれるイオンによって金属配管が腐食することを抑止でき、また、漏電によって燃料電池の効率が低下することを抑止できる。
【００１７】
第３の発明によれば、所定時間間隔毎に冷却媒体をイオン低減手段に送ることで、冷却媒体の導電率を低減させることができる。従って、冷却媒体に含まれるイオンによって金属配管が腐食することを抑止でき、また、漏電によって燃料電池の効率が低下することを抑止できる。
【００１８】
第４の発明によれば、外気温度と冷却液の導電率との間には一定の相関があるため、外気温度に基づいて導電率を予測することができる。
【００１９】
第５の発明によれば、外気温度が低いほど冷却媒体の導電率が低下するため、外気温度が低いほど導電率低減手段を作動させる時間間隔を長くすることができる。
【００２０】
第６の発明によれば、冷却媒体の導電率を検出し、導電率の変化率を求めることで、任意の時間が経過した後の冷却媒体の導電率を予測することができる。
【００２１】
第７の発明によれば、所定時間継続して冷却媒体の導電率を検出することで、導電率の変化率を求めるために複数回の導電率検出を行う必要がなくなり、比較的短時間で導電率を予測することができる。
【００２２】
第８の発明によれば、外気温度と導電率の変化率を併用して導電率を予測するため、導電率の予測精度を高めることができる。
【００２３】
第９の発明によれば、燃料電池と燃料電池が搭載される車体との間の絶縁抵抗を検出することで、冷却媒体の導電率を予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。図１において、燃料電池１２は、例えば固体高分子型分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、アノードガス（水素ガス）およびカソードガス（酸化ガス）の流路が形成されている。電解質膜は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００２６】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池１２には冷却液流路１４が導入されている。電力を発生する際の反応による温度上昇を抑えるため、冷却液流路１４を循環する冷却液（例えばＬＬＣ）によって燃料電池１２が冷却される。冷却液流路１４には、冷却液を循環させるためのポンプ１６と、冷却液を冷却するためのラジエター１８が設けられている。
【００２８】
冷却液は、冷却液流路１４内を図１に示す矢印方向に流れる。冷却液流路１４は燃料電池１２の手前で分岐しており、燃料電池１２と並行してイオン交換器２０が配設されている。従って、ポンプ１６を駆動することで、燃料電池１２とイオン交換器２０の双方に冷却液を流すことができる。
【００２９】
イオン交換器２０の手前には、流量制御弁２２が設けられている。流量制御弁２２の開度を調整することで、燃料電池１２とイオン交換器２０に分配される冷却液の流量の比率を可変することができ、燃料電池１２およびイオン交換器２０へ流入する冷却液の流量を制御できる。
【００３０】
燃料電池１２の下流には、冷却液の導電率を検出するための導電率センサ２４が設けられている。また、燃料電池１２と燃料電池自動車の車体の間には、燃料電池１２と車体との間の絶縁抵抗値を検出する絶縁抵抗センサ３０が設けられている。
【００３１】
図１に示すように、ポンプ１６、流量制御弁２２、導電率センサ２４、絶縁抵抗センサ３０は、ＰＣＵ(Power Control Unit)２６に接続されている。また、ＰＣＵ２６には、外気温を検出する外気温センサ２８が接続されている。
【００３２】
冷却液中には、冷却液流路１４を構成する金属配管、ラジエター１８等からイオンが溶出する場合がある。冷却液中にイオンが溶出すると、金属配管等に腐食が発生したり、冷却液の導電率の増加によって漏電が生じ、燃料電池１２の効率が低下する場合がある。また、燃料電池１２の運転停止時に冷却液中にイオンが溶出すると、運転再開時に漏電が発生して燃料電池１２の効率が低下する場合がある。
【００３３】
このため本実施形態では、燃料電池１２の運転停止時に、所定のタイミングで導電率センサ２４から冷却液の導電率を検出し、導電率が所定のしきい値を超えた場合はポンプ１６を作動させる。同様に、アイドリング時（車両停止時）にも所定のタイミングで冷却液の導電率を検出し、導電率が所定のしきい値を超え、かつポンプ１６が作動していない場合はポンプ１６を作動させる。これにより、イオン交換器２０に冷却液が流れ、冷却液中に含まれているイオンを除去することができる。従って、金属配管等の腐食を抑えることができ、またイオンの除去により導電率が低下するため、漏電の発生を抑止することができる。なお、導電率がしきい値を大きく超えている場合は、流量制御弁２２の開度を制御して、より多くの冷却液をイオン交換器２０に流すことが好適である。
【００３４】
図２は、イオン交換器２０によって冷却液中のイオンを除去した場合の導電率の変化を示す特性図である。図２中の導電率のしきい値は、漏電による出力低下が発生する境界値を示しており、設計上の値に対して安全率を考慮した値である。このように、所定のタイミングで導電率を検出し、導電率がしきい値を超えた場合は、イオン交換器２０に冷却液を流すことで導電率をしきい値よりも低下させることができる。従って、燃料電池１２の出力、効率の低下を抑止するとともに、金属配管等の腐食を抑えることができる。
【００３５】
燃料電池１２の運転が停止している状態では、導電率センサ２４、絶縁抵抗センサ３０または外気温センサ２８の機能も停止状態にあり、これらのセンサによる検出を行うと電力を消費する。燃料電池１２の運転時、アイドリング値においても、検出により電力を消費する。このため、本実施形態では、冷却液の導電率の変化率から所定時間経過後の導電率を予測し、予測した導電率が図２に示すしきい値以下である場合は、予測した導電率がしきい値よりも小さいほど、導電率を検出する時間間隔を長くするようにしている。
【００３６】
図３は、導電率を検出する時間間隔を可変する方法を示す模式図である。図３に示すように、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３において、時間Ｔ１（例えば１０分程度）の間隔で導電率を検出し、導電率を検出する度に前回検出値との差分から導電率の変化率を算出する。そして、検出した導電率と算出した変化率とから所定時間（例えば時間Ｔ１）経過後の導電率を予測し、予測した導電率がしきい値よりも小さい場合は、次の導電率を検出するまでの時間間隔を広げる。この際、上述したように、予測した導電率がしきい値より小さいほど、次の導電率を検出するまでの時間間隔を長くする。図３の例では、時刻ｔ３の時点で予測される導電率がしきい値よりも小さいため、次回の導電率の検出は、時間Ｔ１よりも長い時間Ｔ２が経過した時刻ｔ４の時点で行う。
【００３７】
このように、導電率の上昇度合いが小さく、予測された導電率が燃料電池１２の出力低下が懸念されるレベルに達しない場合は、導電率を頻繁に検出する必要がないため、検出の時間間隔を長くすることができる。これにより、導電率の検出による電力消費を最小限に抑えることが可能となる。
【００３８】
なお、図３において、時刻ｔ２の時点で予測した導電率と時刻ｔ３の時点で検出した導電率とを比較し、時刻ｔ３の時点で検出した導電率の方が小さい場合は、予想以上に導電率が低下しているため、次回の導電率を検出するまでの時間間隔を長くしても良い。また、導電率の変化率の大小のみを判断材料とし、変化率が小さい場合ほど次回の導電率を検出するまでの時間間隔を長くしても良い。
【００３９】
また、図３の例では、導電率の変化率を算出するため複数回（少なくとも２回）の導電率検出を行っているが、１回の検出時に導電率を比較的長時間（数十秒程度）検出し、その間に導電率の変化率を求めても良い。この場合、１回の検出で導電率の変化率を求めることができ、この変化率を用いて導電率を予測することができるため、導電率検出の時間間隔を変更するか否かの判定をより短時間で行うことができる。また、予測した導電率が図２のしきい値を超えている場合は、導電率を検出する時間間隔を短くするように変更しても良い。
【００４０】
また、燃料電池１２の運転停止時においては、外気温センサ２８で検出した外気温と冷却液の導電率との間には一定の相関があり、外気温が高くなるほど冷却液の導電率は大きくなる。これは、外気温の上昇によって物質の活性状態が高まり、冷却液中により多くのイオンが溶出するためである。
【００４１】
従って、燃料電池１２の運転停止時は、外気温センサ２８で検出した検出値に基づいて導電率を推定することができ、推定した導電率に基づいて図２および図３で説明した制御を行うことができる。図４は、外気温センサ２８で検出した外気温と、導電率検出の時間間隔との関係を示す模式図である。このように、外気温が低くなるほど導電率は低下するため、導電率検出の時間間隔を長くすることができる。
【００４２】
また、導電率センサ２４による導電率検出と外気温センサ２８による導電率の推定を組み合わせて制御を行っても良い。例えば、図３において、導電率検出の時間間隔の初期値（時間Ｔ１）を外気温に基づいて設定し、時間間隔の変更値（時間Ｔ２）を上述のように導電率センサ２４で検出した導電率の変化率に基づいて設定しても良い。
【００４３】
また、絶縁抵抗センサ３０で検出した絶縁抵抗値と導電率との間にも相関があるため、絶縁抵抗センサ３０で検出した絶縁抵抗値から導電率を求めることで図２および図３で説明した制御を行うことができる。また、検出した絶縁抵抗値を直接用いて上述した制御を行っても良い。この場合、絶縁抵抗値が所定値以下となった時は、導電率が上昇しているため、ポンプ１６を作動させてイオンを除去する。また、絶縁抵抗値の変化率から予測される所定時間経過後の絶縁抵抗値が、所定のしきい値より大きい場合は、漏電により出力低下が懸念されるレベルまで絶縁抵抗値が低下しないと判断できるため、絶縁抵抗を検出する時間間隔を長くすることができる。
【００４４】
次に、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料電池システム１０による制御の手順を説明する。図５の処理は、主としてＰＣＵ２６において行われる。先ず、ステップＳ１では、導電率センサ２４により冷却水の導電率を検出する。次のステップＳ２では、ステップＳ１で検出した導電率と前回検出した導電率との差分から導電率の変化率を算出する。
【００４５】
次のステップＳ３では、ステップＳ１で検出した導電率と、ステップＳ２で算出した変化率とから、所定時間経過後の導電率を予測する。
【００４６】
次のステップＳ４では、ステップＳ３で予測した導電率と所定のしきい値を比較し、予測した導電率＜しきい値の場合はステップＳ５へ進む。この場合、予測した導電率が所定のしきい値に達していないため、漏電による出力低下が懸念されるレベルに導電率が到達する可能性が低いと判断できる。従って、ステップＳ５では導電率を検出する時間間隔を現在よりも長く設定する。
【００４７】
一方、ステップＳ４において、予測した導電率≧しきい値の場合は、予測した導電率がしきい値に到達しているため、今までと同じ頻度で導電率をモニタする必要がある。従って、この場合は、導電率の検出頻度を変更することなく処理を終了する(END)。なお、この場合、次回に検出した導電率がしきい値を超えている場合は、ポンプ１６を作動させてイオン交換器２０に冷却液を流す制御が行われる。
【００４８】
以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池１２の運転停止中、またはアイドリング中に所定のタイミングで冷却液の導電率を検出し、導電率の変化率から所定時間経過後の導電率を予測し、予測した導電率が所定のしきい値よりも小さい場合は導電率の検出間隔を長くするようにしたため、導電率検出のために必要となる電力消費を最小限に抑えることが可能となる。
【００４９】
そして、検出した導電率が所定のしきい値を超えた場合は、ポンプ１６を作動させてイオン交換器２０に冷却液を通すため、冷却液中のイオンを除去して冷却液の導電率を低下させることができる。従って、漏電による燃料電池１２の効率低下を確実に抑えることができ、また金属配管に腐食が生じることを抑止することができる。
【００５０】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２の燃料電池システム１０の構成は図１と同様である。実施の形態２は、燃料電池１２の運転停止時またはアイドリング時に、予め定められた所定時間毎にポンプ１６を定期的に作動させて、冷却液をイオン交換器２０に送ることで冷却液の導電率を低下させるシステムに関する。
【００５１】
このようなシステムにおいて、ポンプ１６の作動による電力消費を抑えるためには、不必要なポンプ１６の作動をできるだけ抑えることが望ましい。このため、実施の形態２では、実施の形態１と同様に所定時間経過後の導電率を予測し、予測した導電率が図２に示すしきい値に達していない場合は、ポンプ１６を作動させる時間間隔を長くするようにしている。
【００５２】
これにより、ポンプ１６の不必要な作動が抑えられ、ポンプ１６を作動させるための消費電力を最小限に抑えることが可能となる。この際、実施の形態１と同様に、予測した導電率が小さいほど、ポンプ１６を作動する時間間隔を長くすることが好適である。
【００５３】
以上説明したように実施の形態２によれば、燃料電池１２の運転停止時またはアイドリング時に、予め定められた所定時間毎にポンプ１６を定期的に作動させるシステムにおいて、予測した導電率が所定のしきい値に達していない場合は、ポンプ１６を作動させる時間間隔を長くするようにしたため、ポンプ１６を作動させるための消費電力を最小限に抑えることが可能となる。
【００５４】
なお、上述した各実施形態では、燃料電池１２の運転停止時またはアイドリング時に、導電率の検出またはポンプ１６の作動の時間間隔を変更しているが、燃料電池１２の運転時、車両走行時においても同様の制御を行うことで、電力消費を最小限に抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】イオン交換器によって冷却液中のイオンを除去した場合の導電率の変化を示す特性図である。
【図３】導電率の検出頻度を可変する様子を示す模式図である。
【図４】外気温センサで検出した外気温と、導電率検出の時間間隔との関係を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの処理の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１０  燃料電池システム
１２  燃料電池
１６  ポンプ
２０  イオン交換器
２４  導電率センサ
２６  ＰＣＵ
２８  外気温センサ
３０  絶縁抵抗センサ
【図１】
2005228697.tif 000003
【図２】
2005228697.tif 000004
【図３】
2005228697.tif 000005
【図４】
2005228697.tif 000006
【図５】
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