(57)【要約】【課題】水および冷却液の誤注入を避けることができる燃料電池システムを提案する。【解決手段】燃料電池１に供給される反応ガスの加湿、または、燃料改質に用いる水を供給する水供給装置１１と、冷却液により燃料電池１を冷却する冷却装置２と、を備える。さらに、水供給装置１１または冷却装置２に液体を注入する際に、物理的性質に応じて注入される液体が水であるか冷却液であるかを識別し、冷却液および水を誤って注入した場合には、液体の注入を防止する識別・防止手段（１６）を備える。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される反応ガスの加湿、または、燃料改質に用いる水を供給する水供給手段と、
冷却液により燃料電池を冷却する冷却手段と、を備え、
さらに、前記水供給手段または前記冷却手段に液体を注入する際に、物理的性質に応じて注入される液体が水であるか冷却液であるかを識別し、冷却液および水を誤って注入した場合には、液体の注入を防止する識別・防止手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記識別・防止手段として、注入される液体の比重に応じて水と冷却液を識別する識別手段と、
冷却液および水を誤って注入した場合には、システムへの注入経路を遮断する遮断手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記検知・防止手段として、注入される液の比誘電率に応じて水と冷却液を識別する識別手段と、
冷却液および水を誤って注入した場合には、システムへの注入経路を遮断する遮断手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記認識・防止手段として、注入された液の屈折率に応じて水と冷却液を識別する識別手段と、
冷却液および水を誤って注入した場合には、システムへの注入経路を遮断する遮断手段と、を備える請求項１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関する。特に、燃料電池システムに、水および冷却水が注入される際の誤注入を避けるための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムには、運転温度を好適に維持するために、冷却液を用いて燃料電池の温度調整を行う冷却装置を備えている。例えば、燃料電池の冷却装置を冷却液タンクと冷却ポンプおよび熱交換器により構成し、冷却液を燃料電池と熱交換器との間で循環させることにより燃料電池を冷却している。冷却液としては、例えばエチレングリコールなどの不凍剤の水溶液を使用している。
【０００３】
また、電解質膜の乾燥を防止するための反応ガスの加湿や、燃料改質装置を使用する場合には、燃料改質反応に使用する水を供給する水供給装置を備えている。例えば、燃料電池に供給される反応ガスの供給経路に、反応ガスの湿度調整を行う加湿手段を備え、さらに、加湿手段に水を供給するために、水タンクおよび水ポンプにより構成された水供給装置を備えている。水タンクには、燃料電池の電気化学反応の結果として生成された生成水を収容したり、必要に応じて冷却液中の水分を分離回収したりしている（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００２−５６８６６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、上述したような従来の燃料電池システムには、以下のような問題があった。
【０００５】
冷却液として使用されるエチレングリコール等の水溶液は無色透明の水溶液であり、目視にて水と区別し難い。従って、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車においては、車両の製造時に冷却液や水を充填する場合や、保守点検時に冷却液や水を交換または補充する場合に、冷却液と水を間違えて冷却液タンクや水タンクに注入してしまう可能性がある。
【０００６】
冷却液タンクに水を注入すると、環境温度が氷点下に下がった場合に燃料電池内で水が凍結して、燃料電池を破壊する可能性がある。また、水タンク内に冷却液を誤って注入すると不凍剤のエチレングリコールやプロピレングリコール、およびその分解または反応物の炭化水素化合物が、燃料電池内部の電解質膜上の触媒電極に付着し、燃料電池の発電性能を低下させる可能性がある。
【０００７】
そこで、水と冷却液の誤注入を避ける方法として、冷却液を緑や青色に着色させる方法がある。しかしながら、燃料電池内部において冷却液を経由した漏電を抑制する必要があり、そのため冷却液の着色には、電気伝導率を上昇させる電解イオンを生じる物質を使用することができない。また、燃料電池自体が自動車に適用されるようになって歴史が浅く、冷却液の着色剤が長期的に燃料電池の性能に影響を与えないか着色剤の選定に時間がかかるといった問題がある。また、着色剤を用いない場合には、冷却液と水を間違えないようにそれぞれの保管容器の蓋を別形状にし、注入口を間違えないように互いに取り付かないような注入ホースを用意する等の方法があるが、これは作業性が悪化するという問題点がある。
【０００８】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、水および冷却液の誤注入を避けることができる燃料電池システムの構成を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池に供給される反応ガスの加湿、または、燃料改質に用いる水を供給する水供給手段と、冷却液により燃料電池を冷却する冷却手段を備える。さらに、前記水供給手段または前記冷却手段に液体を注入する際に、物理的性質に応じて注入される液体が水であるか冷却液であるかを識別し、冷却液および水を誤って注入した場合には、液体の注入を防止する識別・防止手段を備える。
【発明の効果】
【００１０】
水供給手段または冷却手段に液体を注入する際に、注入される液体の物理的性質に応じて注入される液体が水であるか冷却液であるかを識別し、冷却液および水を誤って注入した場合には、液体の注入を防止する。これにより、冷却液の電気伝導率を変化させることなく、また、注入作業を煩雑にすることなく、システムへの誤注入を避けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。
【００１２】
固体高分子電解質膜を有する燃料電池１を備える。燃料電池１のカソードには、図示しないコンプレッサ等により圧送した酸化剤としての空気を、燃料電池１のアノードには、改質装置１２により生成した水素含有ガスである燃料ガスを供給する。燃料ガスを生成する改質装置１２においては、改質燃料と水を用いた水蒸改質反応や、改質反応により生成された改質ガス中のＣＯ濃度を低減するシフト反応等が行われる。
【００１３】
また、燃料電池１の固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐために、燃料電池１に供給する反応ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）の少なくとも一方を加湿する加湿装置８を備える。ここでは、燃料電池１に供給する空気を加湿する加湿装置８ａ、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する加湿装置８ｂを備える。さらに、燃料電池１の下流側に、燃料電池１から排出される排ガス中に含まれる水分を凝縮・回収する水回収装置１３を備える。
【００１４】
また、燃料電池１の温度を調整するための冷却装置２を備える。冷却装置２を、冷却液タンク３、冷却液ポンプ４、および、熱交換器５により構成する、冷却液を燃料電池１と熱交換器５との間で循環させることにより、燃料電池１の温度調整を行う。なお、冷却液は燃料電池１内部を循環するため、氷点下におかれた場合に凍結して燃料電池１を破壊することのないように、エチレングリコールやプロピレングリコール等からなる不凍剤の水溶液を使用する。
【００１５】
また、冷却装置２に冷却液を注入する冷却液充填装置７ａを備える。ここでは、冷却液充填装置７ａにより冷却液タンク３に冷却液を注入可能な構成とする。冷却液充填装置７ａでは、後述するように、注入される液体の物理的性質に応じて冷却液か水かを識別し、水の誤注入を防止する。
【００１６】
さらに、燃料電池１に供給する反応ガスを加湿する加湿装置８または燃料ガスを生成する改質装置１２の少なくとも一方に水を供給する水供給装置１１を備える。ここでは、水供給装置１１により、加湿装置８と改質装置１２に水を供給する。
【００１７】
水供給装置１１を、水タンク９、水ポンプ１０により構成する。水タンク９に貯蓄された水を水ポンプ１０ａにより取り出し、加湿装置８に供給する。また、水タンク９に貯蓄された水を水ポンプ１０ｂにより取り出し、改質装置１２に供給する。さらに、水分回収装置１３において凝縮・分離された水を、水タンク９に回収する。
【００１８】
また、水供給装置１１に水を注入するための水充填装置７ｂを備える。ここでは、水充填装置７ｂにより水タンク９に水を充填可能な構成とする。水充填装置７ｂでは、後述するように、注入される液の物理的性質に応じて冷却液か水かを識別し、冷却液の誤注入を防止する。
【００１９】
さらに、冷却液中の水分を分離する水分離装置１４を備える。システム稼動時の水不足時に、冷却液タンク３に蓄積された冷却液を水分離装置１４に供給することにより水を分離し、水タンク９に回収する。一方、冷却液が不足する際には、水タンク９内に貯水された水を必要量だけ冷却液タンク３に供給する。これにより、システム稼動中の水および冷却液の不足分を補給することができる。
【００２０】
例えば、燃料電池システムの製造時やメンテナンス時は、水充填装置７ｂから水タンク９に水を注入する。システムの稼動中には、水回収装置１３において燃料電池１の排ガス中の水蒸気を凝縮させて回収する。システム稼動中の水不足時には、水分離装置１４において、冷却液中の水を分離することにより水を補給する。
【００２１】
次に、冷却液充填装置７ａおよび水充填装置７ｂの構成を、図２を用いて説明する。図２（ａ）に冷却液充填装置７ａを、図２（ｂ）に水充填装置７ｂを示す。
【００２２】
冷却液充填装置７ａを、注入口１５ａ、比重識別・防止手段１６ａ、冷却液タンク３への注入管１９ａ、排出バルブ２０ａから構成する。
【００２３】
比重識別・防止手段１６ａにおいては、比重により注入口１５ａから注入された液体(以下、注入液体)が冷却液か水かを識別し、誤注入の際には冷却液タンク３への注入液体の供給を遮断する。ここでは、比重識別・防止手段１６ａを、注入される液体が一時的に貯留される蓄積部２１ａと、フロート１７ａと、これに連動して作動するバルブ１８ａにより構成する。なお、比重識別・防止手段１６ａの最上部に注入管１９ａとの接続部分を設けるため、比重識別・防止手段１６ａに注入液体が充満するまで冷却液タンク３には注入液体が供給されない。
【００２４】
注入液体は、一度蓄積部２１ａに貯留される。蓄積部２１ａにある程度の液体が導入された状態で、注入液体中のフロート１７ａが浮くか沈むかして、バルブ１８ａの開閉が決定する。蓄積部２１ａに注入液体が充満した際にバルブ１８ａが開であれば、注入管１９ａを介して冷却液タンク３に注入液体が供給される。一方、バルブ１８ａが閉であれば、冷却液タンク３への注入液体の供給は防止される。
【００２５】
ここでは、フロート１７ａとバルブ１８ａの全体の比重が、冷却液と水の中間となるように設定する。例えば、水と、自動車用冷却液として一般に使用されるエチレングリコール５０％水溶液との比重は、表１に示すようになり、両者の中間の比重でフロート１７ａが浮き沈みするように設定する。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
冷却液の比重はフロート１７ａとバルブ１８ａの比重より大きくなるので、冷却液が注入された場合にはフロート１７ａが浮く。このとき、バルブ１８ａが開となるように構成することにより、冷却水タンク３へ冷却液が供給される。一方、水の比重はフロート１７ａとバルブ１８ａの比重より小さくなるので、水が注入された場合にはフロート１７ａが沈む。このとき、バルブ１８ａが閉となるように構成することにより、注入口１５から供給された水を冷却水タンク３に供給するのを防止する。このように、フロート１７ａにより注入液体が冷却液か水かを識別し、誤注入の際にはバルブ１８ａにより注入液体の供給を遮断することができる。誤って比重識別・防止手段１６ａに注入された水は、排出バルブ２０ａを介して排出することができる。
【００２８】
水充填装置７ｂも、注入口１５ｂ、比重識別・防止手段１６ｂ、水タンク９への注入管１９ｂ、排出バルブ２０ｂから構成する。比重識別・防止手段１６ｂを、注入液体を一時的に貯留する蓄積部２１ｂと、蓄積部２１ｂに収容されたフロート１７ｂと、これに連動して作動するバルブ１８ｂにより構成する。ただし、比重識別・防止手段１６ｂでは、フロート１７ｂが沈んだときにバルブ１８ｂが開となり、フロート１７ｂが浮かんだときにバルブ１８ｂが閉となるように構成する。
【００２９】
従って、注入液体が水の場合にはフロート１７ｂが沈むので、バルブ１８ｂが開となり、水タンク９へ水が供給される。一方、注入液体が冷却液の場合にはフロート１７ｂが浮くので、バルブ１８ｂは閉となり、水タンク９への冷却液の誤注入が防止される。このように、フロート１７ｂにより注入液体が冷却液か水かを識別し、誤注入の際にはバルブ１８ｂにより注入液体の供給を遮断することができる。誤って比重識別・防止手段１６ｂに注入された冷却液は、排出バルブ２０ｂから排出される。
【００３０】
なお、充填装置７のレイアウトにあたっては、注入口１５をそれぞれの注入管１９よりも高い位置に設置する。また、排出バルブ２０から排出された液体は、注入口１５に供給する液体を保存する図示しないタンク等に回収することが望ましい。
【００３１】
また、排出バルブ２０は、誤注入が検知されて、注入口１５への液体の供給が停止してから開とする。例えばフロート１７に位置センサを備え、注入液体がある程度注入口１５に注入されてからフロート１７の位置を検出することで、誤注入が生じているか否かを判断することができる。または、注入液体が蓄積部２１を溢れ、さらに注入口１５内において、注入管１９より高い位置まで達した時点で、誤注入が生じていると判断してもよい。
【００３２】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３３】
燃料電池１に供給される反応ガスの加湿、または、燃料改質に用いる水を供給する水供給装置１１と、冷却液により燃料電池１を冷却する冷却装置２と、を備える。さらに、水供給装置１１または冷却装置２に液体を注入する際に、物理的性質に応じて注入される液体が水であるか冷却液であるかを識別し、冷却液および水を誤って注入した場合には、液体の注入を防止する識別・防止手段（１６）を備える。このように物理的性質に応じて冷却液と水を識別するので、燃料電池システムに適合すべく選定した着色剤による冷却液の着色や、液体注入毎に専用のホースを付けはずす等の煩雑な作業を避けつつ、冷却液および水の誤注入を防ぐことができる。その結果、無色透明な冷却液と水を間違えても、燃料電池１内に液体が注入される前に注入を中止することができる。つまり、燃料電池１の発電性能を維持しつつ、効率的に冷却液と水の誤注入を防ぐことができる。
【００３４】
また、識別・防止手段として、注入される液体の比重に応じて水と冷却液を識別する比重識別・防止手段１６を備える。つまり、注入される液体の比重に応じて水と冷却液を識別する識別手段と、冷却液および水を誤って注入した場合には、システムへの注入経路を遮断する遮断手段と、を備える。ここでは、識別手段としてのフロート１７と、遮断手段としてのバルブ１８を備える。誤注入の際には、フロート１７の浮き沈みに応じてバルブ１８が閉じるように構成することで、タンク３、９内への誤注入を防ぐことができる。このように、比重により冷却液と水とを識別することで、特に、水との比重が異なるエチレングリコール水溶液を冷却液として使用した場合に、冷却液および水の誤注入を防止することができる。
【００３５】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略を第１の実施形態と同様とする。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３６】
ここで用いる充填装置７の構成を図３に示す。なお、冷却液充填装置７ａ、水充填装置７ｂは略同様の構成とし、異なる部分に関してのみ別々に説明する。
【００３７】
充填装置７を、注入口１５、比誘電率識別・防止手段２２、注入された液を冷却液タンク３または水タンク９に供給する注入管１９、排出バルブ２０から構成する。比誘電率識別・防止手段２２を、注入された液を一時的に蓄積する蓄積部２１と、液体が注入されたときに液中に没するように蓄積部２１内に設置された一対の電極２３を備える。さらに、電極２３間の静電容量を測定して注入液が冷却液であるか水であるかを識別する静電容量測定手段２５と、静電容量測定手段２５により識別した結果、誤注入である場合に注入液体の供給を遮断する注入バルブ２４を備える。注入バルブ２４は、注入管１９に備えたバルブであり、ここでは蓄積部２１と注入管１９の接続部近傍に配置する。
【００３８】
不凍剤として一般に使用されるエチレングリコールやプロピレングリコール等のグリコール系水溶液は、表１に示すように水と比誘電率が異なるため、これらの液中に浸漬した電極２３間の静電容量も液体の比誘電率に比例して変化する。従って、水およびエチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の冷却液を注入した場合に測定される静電容量を予め設定することにより、注入液体が水か冷却液かを識別することができる。不適切な液体が注入された場合には、注入バルブ２４を閉じて、各タンク３、９への誤注入を防止することができる。
【００３９】
例えば、注入バルブ２４ａを、液体の注入口１５への注入開始と同時に開とする。注入液体が蓄積部２１内に所定量蓄積された時点で静電容量を測定する。静電容量が、冷却液が示す静電容量より大きい場合のみに、注入液体を水と識別して注入バルブ２４ａを閉とする。
【００４０】
また、注入バルブ２４ｂを、液体の注入口１５への液注入開始と同時に開とする。注入液体が蓄積部２１内に所定量蓄積された時点で静電容量を測定する。静電容量が、水が示す静電容量より小さい場合のみに、注入液体を冷却液と識別して注入バルブ２４ｂを閉とする。これにより、水および冷却液の誤注入を避けることができる。
【００４１】
次に、本実施形態の効果を説明する。以下、第１の実施形態における効果と異なる効果のみを説明する。
【００４２】
識別・防止手段として、注入される液の比誘電率に応じて水と冷却液を識別する比誘電率識別・防止手段２２を備える。つまり、注入される液の比誘電率に応じて水と冷却液を識別する識別手段と、冷却液および水を誤って注入した場合には、システムへの注入経路を遮断する遮断手段と、を備える。ここでは、識別手段として、電極２３間の静電容量を測定して注入液体が冷却液であるか水であるかを識別する静電容量測定手段２５を用いる。また、遮断手段として、静電容量測定手段２５で識別した結果に応じて注入管２９を選択的に遮断する注入バルブ２４を用いる。これにより、エチレングリコールやプロピレングリコール等、水との比誘電率が異なるグリコール系水溶液を冷却液として使用した場合に、水と冷却液を識別して誤注入を防止することができる。
【００４３】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムの概略を第１の実施形態と同様とする。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４４】
ここで用いる充填装置７の構成を図４に示す。なお、冷却液充填装置７ａ、水充填装置７ｂは略同様の構成とし、異なる部分に関してのみ別々に説明する。
【００４５】
充填装置７を、注入口１５、屈折率識別・防止手段２６、タンク３または９への注入管１９、排出バルブ２０から構成する。屈折率識別・防止手段２６として、一時的に注入された液が蓄積される、透明なガラスまたは樹脂製の蓄積部２７と、光源２８と、光源２８の光を蓄積部２７を介して受光する光位置検出手段２９と、液内の光の屈折率を検出する屈折率測定手段３１を備える。また、注入バルブ３０を備える。ここでは、注入バルブ２４と同様に、注入管１９の蓄積部２７との接続部近傍に配置する。
【００４６】
光源２８より蓄積部２７内の注入液に照射した光の屈折角度を受光側に設けた光位置検出手段２９で検出し、屈折率測定手段３１において検出された光の位置から注入液の屈折率を算出する。屈折率に応じて注入された液が、冷却液か水かを識別し、それに応じて、注入バルブ３０の開閉を制御する。
【００４７】
冷却液として一般に使用されるエチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液は、表１に示すように水と異なる屈折率を有するので、液中に浅い角度で光を照射すると、屈折率の差を光の照射位置の差として検出することができる。従って、水およびエチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の冷却液を注入した場合の光の照射位置を予め測定しておくことにより、注入液体が、冷却液であるか水であるかを識別することができる。これにより、不適切な液体が注入された場合には注入バルブ３０を閉じて、タンク３または９への誤注入を防止することができる。
【００４８】
例えば、冷却液充填装置７ａにおいて、蓄積部２７ａに所定量の注入液体が蓄積された状態で、光位置検出手段２９ａにより受光位置を検出する。光の位置から屈折率測定手段３１ａにおいて屈折率を測定し、冷却水の屈折率であれば注入バルブ３０ａを開とし、それからずれた場合には注入バルブ３０ａを閉とする。
【００４９】
一方、水充填装置７ｂにおいて、蓄積部２７ｂに所定量の注入液体が蓄積された状態で、光位置検出手段２９ｂにより受光位置を検出する。光の位置から屈折率測定手段３１ｂにおいて屈折率を測定し、水の屈折率であれば注入バルブ３０ｂを開とし、それからずれた場合には注入バルブ３０ｂを閉とする。
【００５０】
次に本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５１】
認識・防止手段として、注入された液の屈折率に応じて水と冷却液を識別する屈折率識別・防止手段２６を備える。つまり、注入された液の屈折率に応じて水と冷却液を識別する識別手段と、冷却液および水を誤って注入した場合には、システムへの注入経路を遮断する遮断手段と、を備える。ここでは、識別手段として、光位置検出手段２９の検出結果から注入液体の屈折率を求め、冷却液か水かを識別する屈折率測定手段３１を用いる。また、遮断手段として、屈折率測定手段３１で識別した結果により誤注入が生じていると判断される場合に、注入管１９を遮断する注入バルブ３０を用いる。このように、屈折率に応じて冷却液と水を識別することで、水と屈折率が異なるエチレングリコールやプロピレングリコール当を冷却液として使用した場合に、冷却液と水の誤注入を防止することができる。また、屈折率という光学的手段により検知するため、自動車のような電磁ノイズの多い環境においても信頼性が高い。
【００５２】
なお、上記実施の形態においては、不適切な液体が注入された場合にはバルブを閉じてタンク３または９への誤注入を防止する構成について説明したが、いずれの識別・防止手段を用いても、警報音や警報ランプの点灯により作業者に警告を発することが可能である。
【００５３】
また、水供給装置１１により加湿装置８、改質装置１２の両方に水を供給する構成としているが、少なくとも一方に水を供給する構成であればよい。例えば、燃料として水素タンク等より燃料電池１に直接水素ガスを供給する場合には、改質装置１２を用いず、水供給装置１１からは加湿装置８のみに水が供給されるように構成する。
【００５４】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることが言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、水および冷却液を用いる燃料電池システムに適用することができ、水および冷却液の誤注入を防止するために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態における識別・防止手段の構成図である。
【図３】第２の実施形態における識別・防止手段の構成図である。
【図４】第３の実施形態における識別・防止手段の構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    燃料電池
２    冷却装置（冷却手段）
８    加湿装置（加湿手段）
１１  水供給装置（水供給手段）
１６  比重識別・防止手段（識別・防止手段）
１７  フロート（識別手段）
１８  バルブ（遮断手段）
１９  注入管（注入経路）
２２  比誘電率識別・防止手段（識別・防止手段）
２４  注入バルブ（遮断手段）
２５  静電容量測定手段（識別手段）
２６  屈折率識別・防止手段（識別・防止手段）
３０  注入バルブ（遮断手段）
３１  屈折率測定手段(識別手段)
【図１】
2005085475.tif 000004
【図２】
2005085475.tif 000005
【図３】
2005085475.tif 000006
【図４】
2005085475.tif 000007