(57)【要約】【課題】  冷却液循環系の高コスト化及び大型化することなく、短時間で冷却液の導電率を低下させる。【解決手段】  燃料電池１を発電させている場合に、冷却液循環ポンプ１９によりリザーバタンク１７に貯蔵した冷却液を循環させて、燃料電池１に冷却液を循環させると共に、イオン交換器２０により、冷却液に溶出したイオンを除去する。このような燃料電池システムは、冷却液配管のうち、冷却液にイオンを溶出する部品（例えば燃料電池１）の冷却液下流側の冷却液配管（Ｌ８）に設けられ、冷却液を三方弁２１及び冷却液排出配管Ｌ１０を介して排出することにより、イオンが溶出した冷却液を排出することで冷却液の導電率を低下させる。【選択図】      図１
2005209435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に冷却液を循環させる冷却液循環手段と、
前記冷却液循環手段を構成する冷却液配管に設けられ、冷却液に溶出したイオンを除去するイオン除去手段と、
前記冷却液循環手段を構成する冷却液配管のうち、冷却液にイオンを溶出する部品の冷却液下流側の冷却液配管から、冷却液を冷却液配管の外部に排出する冷却液排出手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池から排出されるガスに含まれる水分を凝縮し、凝縮水を貯蔵する凝縮手段を更に備え、
前記冷却液排出手段により排出された冷却液量を前記凝縮手段で貯蔵された凝縮水で補充す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】
前回のシステム停止時の冷却液の温度を記憶する温度記憶手段を更に備え、
前記冷却液排出手段は、前記温度記憶手段に記憶されている冷却液の温度に基づいて、外部に排出する冷却液量を調整す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４】
前記冷却液循環手段に含まれ、前記冷却液配管を介して循環される冷却液を貯蔵する冷却液貯蔵手段と、
前記冷却液貯蔵手段の冷却液の水位を検出する水位検出手段とを備え、
前記冷却液排出手段は、前記水位検出手段により検出されている冷却液の水位から前記冷却液貯蔵手段に貯蔵される冷却液の水位の下限値までの冷却液量と、前記温度記憶手段に記憶されている冷却液の温度に基づいて決定される冷却液量とのうち、少ない冷却液量を排出す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】
システムを停止した時刻から、システムを起動する時刻までの停止時間を計数する停止時間計数手段と、
前記停止時間計数手段により計数された停止時間が所定の閾値よりも長い場合には冷却液を排出するように前記冷却液排出手段を制御し、前記停止時間計数手段により計数された停止時間が所定の閾値よりも短い場合には冷却液を排出しないように前記冷却液排出手段を制御する排出判断手段と
を備え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６】
冷却液の導電率を検出する導電率検出手段を備え、
前記冷却液排出手段は、前記導電率検出手段により検出された冷却液の導電率に基づいて排出する冷却液量を補正することを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却液排出手段により排出された冷却液を回収する冷却液回収手段と、
前記冷却液回収手段で回収された冷却液に溶出したイオンを除去する回収冷却液用イオン除去手段とを備え、
前記回収冷却液用イオン除去手段でイオンが除去された冷却液を冷却液循環系に戻す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８】
システムが起動していない場合に、前記冷却液排出手段により冷却液を排出する動作、前記凝縮手段により凝縮水を補充する動作の何れかの動作を行うことを特徴とする請求項２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、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電させているときに、当該燃料電池の温度調整等を行うために冷却媒体を循環させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池スタックから排出された燃料オフガス及び酸化剤オフガスを冷却し、燃料オフガス及び酸化剤オフガスに含まれる水分を凝縮してタンクに貯蔵し、当該タンクに貯蔵された凝縮水を冷却液として燃料電池スタックに循環させるスタック冷却系を備えた燃料電池システムが、下記の特許文献１などで知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムは、燃料電池スタックに直接冷却液を導入するように構成されているため、燃料電池スタック内で冷却液を通じて漏電が発生しないように冷却液の導電率を低く抑制する必要がある。そのため、燃料電池システムは、スタック冷却系にイオン交換器を設けることにより、冷却液に溶出したイオンを除去して、冷却液の導電率を低く抑制している。具体的には、この燃料電池システムは、システムの積算運転時間や積算運転回数等を記憶しておき、当該積算運転回数等が規定値以上に達した場合に、貯蔵しておいた凝縮水を冷却液タンクに供給して冷却液の導電率を低下させ、導電率が予め設定した値以下となったら凝縮水の供給を停止している。
【０００４】
また、冷却液を冷却するための熱交換器、イオン交換器を備えたスタック冷却系を備えた燃料電池システムとしては、下記の特許文献２や特許文献３に記載されているように、冷却液の温度が低く且つ導電率も低い場合には、冷却液を熱交換器とイオン交換器との間で循環させ、低導電率の冷却液を用意しておく。そして、冷却液温度が基準以下である場合には、冷却液を燃料電池スタックとイオン交換器との間で循環させ、冷却液温度が基準以上となった時点で、冷却液を燃料電池スタックと熱交換器との間での循環させるように切換え、冷却液温度を下げる。
【０００５】
更に、従来の燃料電池システムとしては、冷却液の導電率を導電率センサにより検出し、基準付近では、冷却液の一部をイオン交換器に流すと共に残りの冷却液を熱交換器に流し、導電率が基準以下に達した時点で、冷却液をイオン交換器と熱交換器との間で循環させる処理を停止している。
【特許文献１】特開２００２−１４１０９５
【特許文献２】特開２００３−１２３８０４
【特許文献３】特開２００３−１２３８１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の技術では、特許文献１に記載されているような冷却液の導電率を低くする手法、特許文献２や特許文献３に記載されているような冷却液の低温と低導電率とを両立する手法が提案されているが、何れの技術においても冷却液をポンプによって循環させることが必要となるので、導電率を低減するためにある程度の循環時間が必要となる。したがって、従来の技術では、システムの停止中に導電率が上昇した場合の起動時に、直ちに燃料電池スタックを発電開始させることができないという問題があった。
【０００７】
すなわち、システム停止中において導電率を増加させる部品、例えば燃料電池スタックやラジエータ内に存在している冷却液の導電率は次第に上昇してしまう。更に、システムの停止期間が長くなる程、システム停止中の温度が高くなる程、冷却液中のイオンの偏在が顕著となる。したがって、システム起動時には、システムの一部ではイオンの溶出が少ない冷却液が存在し、システムの他の一部ではイオンの溶出が多い冷却液が存在することになるが、冷却液の導電率を低減させるためには、当該冷却液をイオン交換器内に供給してイオン交換させる必要がある。
【０００８】
これに対し、上述した特許文献１〜３においては、ポンプで冷却液を循環させてイオン交換器を通過させてイオンを除去しているが、低イオン濃度の冷却液をポンプで攪拌することでイオン濃度を均一化した後に、イオン除去するので、元来低イオン濃度であった冷却液もイオン交換器に通過させる必要があった。したがって、短時間で冷却液のイオン濃度を低下させて燃料電池スタックを早期起動させるためには、イオン交換器を大型化するか、冷却液の循環時間を設けて基準の導電率以下になるまで、燃料電池スタックの起動を待つ必要がある。
【０００９】
しかしながら、イオン交換器を大型化した場合には、システム全体でのコストが高くなったり、システム全体の大型化を招き、冷却液の循環時間を設けた場合には、システム起動時間が長時間となったり、更にはシステムの起動ができないこともあり得る。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システムの高コスト化及び大型化することなく、短時間でシステムを起動させることができる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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電させている場合に、冷却液循環手段により燃料電池に冷却液を循環させると共に、冷却液循環手段を構成する冷却液配管に設けられたイオン除去手段により、冷却液に溶出したイオンを除去する。このような燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、冷却液循環手段を構成する冷却液配管のうち、冷却液にイオンを溶出する部品の冷却液下流側の冷却液配管に設けられ、冷却液を冷却液配管の外部に排出する冷却液排出手段を備えることにより、イオンが溶出した冷却液を排出することで冷却液の導電率を低下させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムによれば、冷却液にイオンを溶出する部品の冷却液下流側から冷却液を冷却液配管の外部に排出するので、冷却液配管を流れる冷却液のうち、イオンが多く溶出した冷却液のみを選択的に排出することができ、システムの高コスト化及び大型化をすることなく、冷却液の導電率を短時間で低下させてシステムを短時間で起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の第１実施形態〜第４実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。
【００１５】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、燃料ガスとして水素ガスが供給されると共に、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで、水素ガスが供給される燃料極と空気が供給される酸化剤極とを対設した燃料電池セルを備え、当該燃料電池セルを複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、燃料極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質膜を通過して酸化剤極に到達し、この水素イオンが酸化剤極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。このような燃料電池スタック１には、水素ガスを通過させる水素ガス流路、空気を通過させる空気流路の他に、冷却液を循環させる冷却液循環流路が内部に形成されている。
【００１６】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電反応に使用される水素ガスを供給する水素供給系、燃料電池スタック１の発電反応に使用される空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１の冷却に使用される冷却液を循環させる冷却液循環系を備える。これらの各系は、後述するコントローラ２からの制御信号を入力することにより動作が制御される。
【００１７】
水素供給系は、燃料電池スタック１の水素ガス入口と接続された水素供給配管Ｌ１に例えば水素タンクや水素調圧弁等を含む水素供給装置が設けられ、燃料電池スタック１の水素ガス出口に接続された水素排出配管Ｌ２に燃料ガス用凝縮装置１１が設けられている。
【００１８】
このような水素循環系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、水素ガス圧力を調整して水素供給装置から燃料電池スタック１の水素ガス入口に水素ガスを送る。そして、燃料電池スタック１は、一部の水素を発電反応に使用し、発電反応に使用されなかった一部の水素を水素オフガスとして水素ガス出口から水素排出配管Ｌ２に排出する。この水素オフガスは、燃料電池スタック１の発電反応による生成水及び固体高分子電解質膜を一定の湿潤状態に保持するための水分が含まれた状態で、水素排出配管Ｌ２を介して燃料ガス用凝縮装置１１に導入される。
【００１９】
燃料ガス用凝縮装置１１は、水素オフガスが導入されると、当該水素オフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を回収して、蓄積する。この燃料ガス用凝縮装置１１に蓄積された凝縮水は、燃料ガス用凝縮装置１１に接続された凝縮水排出配管Ｌ３を介して、冷却液循環系のリザーバタンク１７に送られる。このとき、コントローラ２は、凝縮水排出配管Ｌ３に設けられたシャット弁１２を開閉動作させるようにアクチュエータ１３を駆動することにより、燃料ガス用凝縮装置１１からリザーバタンク１７への凝縮水の供給を制御する。具体的には、コントローラ２は、燃料ガス用凝縮装置１１からリザーバタンク１７への凝縮水供給量又は凝縮水供給時間を調整するようにシャット弁１２の動作を制御する。
【００２０】
空気供給系は、燃料電池スタック１の空気入口と接続された空気供給配管Ｌ４にコンプレッサ等の空気供給装置が設けられ、燃料電池スタック１の空気出口と接続された空気排出配管Ｌ５に酸化剤ガス用凝縮装置１４が設けられている。
【００２１】
このような空気供給系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、空気圧力を調整して空気供給配管Ｌ４を介して燃料電池スタック１の空気入口に空気を送る。そして、燃料電池スタック１は、空気に含まれる酸素を発電反応に使用し、発電反応に使用されなかった一部の空気を空気オフガスとして空気出口から空気排出配管Ｌ５に排出する。この空気オフガスには、燃料電池スタック１の発電反応による生成水及び固体高分子電解質膜を一定の湿潤状態に保持するための水分が含まれた状態で、空気排出配管Ｌ５を介して酸化剤ガス用凝縮装置１４に導入される。
【００２２】
酸化剤ガス用凝縮装置１４は、空気オフガスが導入されると、当該空気オフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮水を回収して、蓄積する。この酸化剤ガス用凝縮装置１４に蓄積された凝縮水は、酸化剤ガス用凝縮装置１４に接続された凝縮水排出配管Ｌ６を介して、冷却液循環系のリザーバタンク１７に送られる。このとき、コントローラ２は、凝縮水排出配管Ｌ６に設けられたシャット弁１５を開閉動作させるようにアクチュエータ１６を駆動することにより、酸化剤ガス用凝縮装置１４からリザーバタンク１７への凝縮水の供給を制御する。具体的には、コントローラ２は、酸化剤ガス用凝縮装置１４からリザーバタンク１７への凝縮水供給量又は凝縮水供給時間を調整するようにシャット弁１５の動作を制御する。
【００２３】
このような燃料電池システムにおいて、水素オフガス及び空気オフガスから取り出した凝縮水は、イオン濃度が非常に少ない高純度の水として凝縮されている。したがって、燃料ガス用凝縮装置１１及び酸化剤ガス用凝縮装置１４は、凝縮水に対するイオン溶出を抑制するようにタンク部分が構成されていることにより、凝縮水のイオン濃度を低くした状態で保持することが可能となっている。また、燃料ガス用凝縮装置１１及び酸化剤ガス用凝縮装置１４の容量は、燃料電池スタック１から冷却液排出配管Ｌ１１を介して排出する冷却液量に応じた容量としている。これにより、燃料電池システムは、後述するように燃料電池スタック１内の冷却液を排出した場合に、排出した冷却液量を補充することが可能となる。
【００２４】
冷却液循環系は、燃料電池スタック１の発電時に、燃料電池スタック１を所定の温度に保持するための冷却液を燃料電池スタック１内に循環させる。この冷却液循環系は、リザーバタンク１７に貯蔵されている冷却液の水位レベルをレベルセンサ１８により検出しておき、リザーバタンク１７に貯蔵されている冷却液を冷却液供給配管Ｌ７、冷却液循環配管Ｌ８，冷却液循環配管Ｌ９を介して、リザーバタンク１７に戻すように構成されている。
【００２５】
このような冷却液循環系は、冷却液供給配管Ｌ７に、リザーバタンク１７と接続された冷却液循環ポンプ１９及びイオン交換器２０が設けられ、冷却液循環配管Ｌ８に三方弁２１及びアクチュエータ２２が設けられ、冷却液循環配管Ｌ８と冷却液循環配管Ｌ９との接続部分に熱交換器２３が設けられて構成されている。また、この冷却液循環系は、三方弁２１に冷却液排出配管Ｌ１０が接続されている。
【００２６】
また、この冷却液循環系は、燃料電池スタック１の冷却液出口に導電率センサ２４が設けられている。この導電率センサ２４により検出された冷却液の導電率は、センサ信号としてコントローラ２に読み込まれる。
【００２７】
この冷却液循環系において、燃料電池スタック１に冷却液を循環させる時、コントローラ２は、制御信号を冷却液循環ポンプ１９及びアクチュエータ２２に出力する。これにより、冷却液循環ポンプ１９は、リザーバタンク１７に貯蔵された冷却液を取り込んでイオン交換器２０側に吐出し、アクチュエータ２２は、燃料電池スタック１からの冷却液を冷却液循環配管Ｌ８を介して熱交換器２３側に通過させるように三方弁２１の開度を調整する。
【００２８】
このような冷却液循環系は、燃料電池スタック１から熱交換器２３に送られた冷却液を熱交換することで冷却して、再度燃料電池スタック１に循環させることにより、燃料電池スタック１の温度を所定温度範囲に維持する。また、この燃料電池システムは、リザーバタンク１７に戻された冷却液を冷却液循環ポンプ１９により取り込んでイオン交換器２０を通過させることにより、冷却液のイオン濃度を低減させる。
【００２９】
このような冷却液循環系で循環される冷却液としては、イオン濃度の低い純水、若しくは純水とエチレングリコールに代表される低融点有機成分との混合溶液が使用される。そして、コントローラ２は、導電率センサ２４からのセンサ信号を読み込むことにより、冷却液の状態を示す物性のうち、イオン溶出の度合いを示す導電率を検出して、当該導電率を基準値以下となるように管理する。具体的には、冷却液を低導電率に維持するためには、冷却液循環系でのイオン溶出速度よりもイオン回収速度を高くしたり、イオン溶出量よりもイオン回収量を多くする必要がある。
【００３０】
ここで、冷却液に対してイオンを溶出する部品としては、燃料電池スタック１と熱交換器２３が挙げられる。燃料電池スタック１は、燃料電池セルのスタッキング工程にてシール材を塗布したり、その他各種のコーティングが実施されて作製されるので、内部を通過する冷却液にイオンを溶出させてしまう。また、熱交換器２３は、表面処理が施されて、金属イオンの溶出を抑えるように作製されているが、被覆材がはがれることによって、金属部と冷却液とが直接接触して、冷却液にイオンを溶出させてしまう。
【００３１】
すなわち、イオン交換器２０内に存在する冷却液は、イオンが回収されて導電率が抑制されるが、燃料電池スタック１や熱交換器２３内では、イオン溶出が発生して導電率が上昇する。したがって、燃料電池スタック１及び熱交換器２３と他の部位とでイオン溶出量が異なり、冷却液のイオン含有量に偏りが生じる。そして、システムの停止時に冷却液が循環していない時には、燃料電池スタック１及び熱交換器２３内の冷却液の導電率が他の部位に存在する導電率よりも顕著に高くなる。このように変化する冷却液の導電率は、燃料電池スタック１内での漏電に大きく関与するため、本実施形態に係る燃料電池システムでは、イオン交換器２０で冷却液の導電率を低下させると共に、冷却液の導電率を増加させる部品、例えば燃料電池スタック１の冷却液下流（燃料電池スタック１の後方）の冷却液循環系から外部に冷却液を排出する。
【００３２】
このとき、コントローラ２は、三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０に通ずる開口の開度を大きくするようにアクチュエータ２２を制御することにより、冷却液循環系で循環させている冷却液を外部に排出する。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１と熱交換器２３とを接続する冷却液循環配管Ｌ８に三方弁２１を設けたが、冷却液循環配管Ｌ８から冷却液排出配管Ｌ１０を分岐させて構成し、当該冷却液排出配管Ｌ１０にシャット弁を設けた場合であっても良い。
【００３３】
このように冷却液排出配管Ｌ１０を介して燃料電池スタック１に存在していた冷却液を排出することにより、他の部位に存在する冷却液と比較して高い導電率となっている冷却液を優先的に外部に排出して、イオン交換器２０を通過させることなく冷却液循環系全体での冷却液の導電率を低下させる。
【００３４】
更に具体的には、燃料電池システムは、下記の手順（１）〜（５）の動作を行うことにより、システム起動時において冷却液の導電率を低下させる。
【００３５】
コントローラ２は、手順（１）において外部から燃料電池スタック１の起動命令を入力すると、手順（２）において、冷却液循環ポンプ１９を起動すると共に、三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０側の開口を大きくするようにアクチュエータ２２を制御する。このとき、コントローラ２は、三方弁２１の冷却液循環配管Ｌ８側の開口の開度を、冷却液排出配管Ｌ１０側の開口の開度よりも小さくすることが望ましい。これにより、燃料電池スタック１に残存していた冷却液は、イオン交換器２０からの冷却液によって三方弁２１を介して冷却液排出配管Ｌ１０に導入されて排出される。
【００３６】
次にコントローラ２は、手順（３）において、冷却液循環ポンプ１９の起動時間、又は吐出量、図示しない流量センサからのセンサ信号（フィードバック値）に基づいて、冷却液排出配管Ｌ１０から排出した冷却液量を推定する。そして、予め設定した排出冷却液量に達したら、手順（４）において、三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０側の開口を閉じるようにアクチュエータ２２を制御する。ここで、予め設定した排出冷却液量は、燃料電池スタック１内の冷却液流路の容量に基づいて決定されている。
【００３７】
その後、コントローラ２は、手順（５）において、三方弁２１の冷却液循環配管Ｌ８側の開口の開度を大きくして、燃料電池スタック１を通過した冷却液を冷却液循環配管Ｌ８、熱交換器２３及び冷却液循環配管Ｌ９を介してリザーバタンク１７に戻されるようにする。
【００３８】
これにより、燃料電池システムは、システム起動時に多量の冷却液をイオン交換器２０に通過させることなく、高導電率となっている冷却液を外部に排出して、システム全体での導電率を抑制することができる。
【００３９】
なお、コントローラ２は、手順（２）において、冷却液循環ポンプ１９を予め設定された規定流量で吐出させる場合に、冷却液循環ポンプ１９の回転数を制御しても良く、冷却液循環ポンプ１９が動作するデューティ比を制御しても良い。
【００４０】
また、コントローラ２は、手順（４）において、三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０側の開口を閉じる場合に、冷却液排出配管Ｌ１０から排出した冷却液流量のみならず、導電率センサ２４からのセンサ信号を読み込んで、燃料電池スタック１から排出される冷却液の導電率が規定値以下となった場合に三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０側の開口を閉じるようにしても良い。
【００４１】
更に、コントローラ２は、手順（４）を終了した後、冷却液排出配管Ｌ１０から排出した冷却液量を推定し、当該排出した冷却液量と略同量の凝縮水をリザーバタンク１７に供給するようにシャット弁１２及びシャット弁１５を開状態にしても良い。
【００４２】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の冷却液下流の冷却液循環配管Ｌ８から分岐した冷却液排出配管Ｌ１０を備え、当該冷却液排出配管Ｌ１０から燃料電池スタック１に残存していた冷却液を排出させるので、他の部位と比較して導電率が高い燃料電池スタック１内の冷却液を選択的に冷却液循環系外に排出することができる。
【００４３】
したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１内に残存した冷却液よりも低い導電率の冷却液のみを循環させることにより、漏電を発生させることなくシステムを起動させることができるので、短時間で燃料電池スタック１を発電開始させることができる。また、この燃料電池システムによれば、イオン交換器２０を通過させる冷却液量に関係なく低導電率の冷却液を循環させてシステムを起動させることができるので、冷却液の導電率を短時間で低下させるためにイオン交換器２０を大型化する必要が無く、システムの高コスト化及び大型化を招くことがない。
【００４４】
すなわち、この燃料電池システムは、システムの起動後、冷却液循環ポンプ１９の回転数を規定値に設定したりデューティ制御することにより、冷却液を規定吐出流量で循環させ、次いで、導電率が高く他の冷却液の導電率を増加させる部品後方の三方弁２１を作動させて冷却液系外へ排出を開始し、冷却液流量と予め求めた導電率を増加させる部品容積より得られる排出時間の間に、高い導電率の冷却液を排出する。これにより、無駄に冷却液のイオン回収する必要がなくなり、イオン交換器２０の小型化が可能になり、システムの小型化、コスト低減を図ることができる。
【００４５】
また、この燃料電池システムは、冷却液排出配管Ｌ１０を介して排出した冷却液の排出量を冷却液循環系に補充するように、シャット弁１２やシャット弁１５を開状態にして、燃料ガス用凝縮装置１１や酸化剤ガス用凝縮装置１４に蓄積しておいた低導電率の水をリザーバタンク１７に導入することができる。すなわち、燃料電池システムは、起動時に排出する冷却液量を基準量として、以前の発電時に生成された純水を低導電率状態で燃料ガス用凝縮装置１１及び酸化剤ガス用凝縮装置１４に蓄積しておき、冷却液循環系に導入することにより、冷却液循環系の冷却液を純水で希釈して導電率を更に低下させることができる。
【００４６】
更に、この燃料電池システムによれば、純水を冷却液循環系に導入することにより、例えば冷却液循環ポンプ１９が作動せずにイオン回収ができなかった場合であっても、純水で冷却液を希釈して、イオン濃度を低下させることができる。また、この燃料電池システムによれば、冷却液が不足して冷却液循環系の冷却能力が低下し、更には燃料電池スタック１の性能低下を回避することもできる。
【００４７】
更にまた、この燃料電池システムによれば、導電率センサ２４により検出した導電率によって三方弁２１の開閉動作を制御することにより、冷却液の実際の導電率に応じて冷却液量を補正することができる。すなわち、例えば導電率の上限値を越えたときに排出を行い、リザーバタンク１７の水位が下限値に達したときに排出を停止することができ、導電率が高い冷却液のみを選択的に排出することができる。また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の容量に応じた排出量で冷却液の排出を行っている場合に、燃料ガス用凝縮装置１１及び酸化剤ガス用凝縮装置１４に蓄えた凝縮水量と排出した冷却液量が略同等になった時点で冷却液の排出を停止することにより、冷却液が不足して冷却液循環系の冷却能力が低下し、更には燃料電池スタック１の性能低下を回避することができる。
【００４８】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４９】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図２に示すように、冷却液の導電率を増加させる部品を熱交換器２３とし、三方弁２１、アクチュエータ２２及び冷却液排出配管Ｌ１０に代えて、熱交換器２３の冷却液下流の冷却液循環配管Ｌ９に三方弁３１及びアクチュエータ３２を設け、三方弁３１から冷却液を冷却液循環系外に排出する配管として冷却液排出配管Ｌ１１を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００５０】
このような燃料電池システムは、コントローラ２により、燃料電池スタック１を発電開始する前に、アクチュエータ３２を制御して三方弁３１の冷却液排出配管Ｌ１１側を開状態にし、熱交換器２３内の冷却液を三方弁３１及び冷却液排出配管Ｌ１１を介して外部に排出する。
【００５１】
このとき、コントローラ２は、熱交換器２３の容量に基づいて予め排出冷却液量を設定しておき、当該排出冷却液量に冷却液排出配管Ｌ１１を介して排出した冷却液量が達した場合に、三方弁３１の冷却液排出配管Ｌ１１側の開口を閉じるようにアクチュエータ３２を制御する。
【００５２】
また、この燃料電池システムは、燃料ガス用凝縮装置１１及び酸化剤ガス用凝縮装置１４の容量を、熱交換器２３から冷却液排出配管Ｌ１１を介して排出する冷却液量に応じた容量としている。これにより、燃料電池システムは、熱交換器２３内の冷却液を排出した場合に、排出した冷却液量を補充することが可能となる。
【００５３】
［第２実施形態の効果］
このような本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、導電率を増加させる部品を熱交換器２３とし、システムの停止中に熱交換器２３内で残存してイオン溶出された冷却液を選択的に冷却液排出配管Ｌ１１から排出することができ、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１の短時間での発電開始、システムの小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００５４】
なお、図２には、燃料電池スタック１を通過した冷却液の導電率を検出する導電率センサ２４を設けた場合を説明したが、これに限らず、熱交換器２３から排出される冷却液の導電率を検出する導電率センサを設けて、三方弁３１の開閉動作を制御して、排出する冷却液量を調整するようにしても良い。
【００５５】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５６】
この第３実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すように、システム停止状態に応じて、燃料電池スタック１内に残存した冷却液を排出する制御を行うための演算部４１、停止温度記憶部４２及び停止時間記憶部４３をコントローラ２内に備え、更に、燃料電池スタック１に循環される冷却液の温度として燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ４４を備える点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００５７】
このような燃料電池システムは、システムの停止時に温度センサ４４で検出した燃料電池スタック１の温度を停止温度記憶部４２に記憶しておき、停止時間記憶部４３により、前回にシステムを停止したときの時刻とシステムを起動するときの時刻とからシステム停止時間を求める。なお、停止時間記憶部４３は、前回のシステム停止時に停止時間のカウントを開始して、システムの起動時にカウントを停止することにより、停止時間を求める。
【００５８】
そして、演算部４１は、停止温度記憶部４２に記憶しているシステム停止時の燃料電池スタック１の温度及びシステム停止時間から、燃料電池スタック１を発電させる前に冷却液を排出するか否かの判断、排出する冷却液量の判断を行う。
【００５９】
このとき、演算部４１は、システムの停止時間が予め設定した閾値以下である場合には、冷却液を排出する動作を行わず、システムの停止時間が閾値より長い場合には燃料電池スタック１内の冷却液を排出する動作を行うと判断する。
【００６０】
そして、演算部４１は、燃料電池スタック１内の冷却液を排出すると判断した場合に、停止温度記憶部４２に記憶されているシステム停止時の燃料電池スタック１の温度を読み込み、燃料電池スタック１の容量に基づいて予め設定された排出冷却液量を最大排出冷却液量とし、当該最大排出冷却液量を補正するための比例係数を燃料電池スタック１の温度に基づいて求める。この比例係数は、燃料電池スタック１の停止時の温度が高いほど数値の「１」に近づき、燃料電池スタック１の停止時の温度が低いほど数値の「０」に近づくようなテーブルデータによって設定される。すなわち、燃料電池スタック１の停止時の温度が高いほど多くの冷却液量を排出し、燃料電池スタック１の停止時の温度が低いほど少ない冷却液量を排出することになる。
【００６１】
次いで、演算部４１は、最大排出冷却液量に比例係数を乗算して排出冷却液量を決定し、当該排出冷却液量を排出するように三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０側の開度及び開時間を調整するようにアクチュエータ２２を制御する。
【００６２】
更に、この第３実施形態の他の構成例としては、図４に示すように、第２実施形態と同様に、熱交換器２３の冷却液下流側に三方弁３１及びアクチュエータ３２を設けた場合であっても、演算部４１により、システムの停止時間に基づいて冷却液を三方弁３１及び冷却液排出配管Ｌ１１を介して排出するか否かを判断し、システム停止時の燃料電池スタック１の温度に基づいて排出冷却液量を決定する。
【００６３】
なお、図３及び図４に示す燃料電池システムにおいて、コントローラ２は、現在のリザーバタンク１７内の冷却液水位から冷却液の水位の下限値までの冷却液量と、システム停止時の燃料電池スタック１の温度から求めた冷却液量とのうち、少ない冷却液量を排出するようにしても良い。
【００６４】
［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、システムの停止時間が長い場合に冷却液循環系の冷却液を排出するので、システムの停止時間が短く冷却液へのイオン溶出が少ない場合に冷却液を排出することを回避することができ、燃料電池スタック１の漏電を確実に防止すると共に、燃料電池スタック１の発電開始までの時間を更に短縮することができる。
【００６５】
すなわち、システムの停止時間が長いほど燃料電池スタック１や熱交換器２３から冷却液へのイオン溶出が多く、この場合には、冷却液を排出することにより短時間で冷却液の導電率を低下させることができ、システムの停止時間が短い場合には、燃料電池スタック１や熱交換器２３から冷却液へのイオン溶出が少なく、この場合には、冷却液を排出することなく燃料電池スタック１を発電開始させることができる。
【００６６】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１内の冷却液を排出する場合に、冷却液の停止時の温度が低いほど排出冷却液量を少なくするので、過剰な排水を避けつつ、導電率を確実に低下させることができる。
【００６７】
すなわち、冷却液の導電率が増加するのは、燃料電池スタック１や熱交換器２３等の部品表面から冷却液にイオンが溶出することに起因し、冷却液へのイオンの溶解は、冷却液の温度が高いほど多く発生するので、システム停止時の温度が高い状態でシステムを放置すればより多くのイオン溶出が生じる。すなわち、システム停止時の冷却液の温度が高いほど、冷却液の導電率を増加度合いが大きくなる。したがって、この燃料電池システムによれば、冷却液の温度に応じた導電率の増加度合いが高いほど排出冷却液量を多く調整することにより、更に短時間で冷却液の導電率を低下させることができると共に、排出冷却液量が不足して冷却液の導電率の低下に長時間を要することを防止することができる。
【００６８】
更に、この燃料電池システムによれば、現在のリザーバタンク１７内の冷却液水位から冷却液の水位の下限値までの冷却液量と、システム停止時の燃料電池スタック１の温度から求めた冷却液量とのうち、少ない冷却液量を排出することができるので、冷却液量が下限値となることを確実に防止すると共に、冷却液の導電率を低下させることができる。
【００６９】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００７０】
この第４実施形態に係る燃料電池システムは、図５に示すように、冷却液排出配管Ｌ１０から排出された排出冷却液を回収する排出冷却液タンク５１、当該排出冷却液タンク５１とリザーバタンク１７とを接続する冷却液回収配管Ｌ１２に設けられたシャット弁５２及びアクチュエータ５３を追加して備えた点で、図３に示した燃料電池システムとは異なる。
【００７１】
このような燃料電池システムは、三方弁２１の冷却液排出配管Ｌ１０側の開口を開状態にすると、燃料電池スタック１に残存していた冷却液が排出冷却液タンク５１に回収される。そして、燃料電池システムは、排出冷却液タンク５１内の樹脂状のイオン交換器により、回収した排出冷却液のイオン回収を行う。これにより、冷却液循環ポンプ１９により循環する冷却液の導電率を上昇させることなく、燃料電池スタック１から排出されて排出冷却液タンク５１に回収した冷却液の導電率を低減させる。
【００７２】
そして、排出冷却液タンク５１内の冷却液の導電率が徐々に低下し、所定の閾値に達した場合には、コントローラ２により、シャット弁５２を開状態にするようにアクチュエータ５３を制御する。これにより、排出冷却液タンク５１内の冷却液の導電率を低くして冷却液回収配管Ｌ１２を介してリザーバタンク１７に戻し、燃料電池スタック１から排出された冷却液を冷却液循環系に戻す。
【００７３】
ここで、コントローラ２は、排出冷却液タンク５１からリザーバタンク１７に冷却液を戻す場合に、レベルセンサ１８からのセンサ信号を読み込んで、リザーバタンク１７の冷却液の水位レベルが上限値に達した場合に、シャット弁５２を閉状態にするようにアクチュエータ５３を制御する。
【００７４】
更に、この第４実施形態の他の構成例としては、図６に示すように、第２実施形態と同様に、熱交換器２３の冷却液下流側に三方弁３１及びアクチュエータ３２を設けた場合であっても、冷却液排出配管Ｌ１１に排出冷却液タンク５１を接続し、排出冷却液タンク５１とリザーバタンク１７との間に冷却液回収配管Ｌ１２、排出冷却液タンク５１及びシャット弁５２を設けることにより、図５に示した構成と同様に熱交換器２３から排出された冷却液の導電率を低下させてリザーバタンク１７に戻すことができる。
【００７５】
［第４実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１や熱交換器２３から排出した冷却液を排出冷却液タンク５１で一旦貯蔵し、排出冷却液タンク５１内のイオン交換器により導電率を低下させた後に冷却液循環系に戻すので、燃料電池スタック１や熱交換器２３から排出された高い導電率の冷却液をシステム外に排出することなく、冷却液循環系で循環させる冷却液の導電率を低下させることができる。
【００７６】
また、この燃料電池システムによれば、排出冷却液タンク５１内の排出冷却液の導電率を排出冷却液タンク５１内の導電率センサにより監視し、排出冷却液の導電率が低下したらリザーバタンク１７に戻すことにより、短時間で導電率を低下させて、冷却液循環系に排出冷却液を戻すことができる。
【００７７】
［燃料電池システムの動作手順］
つぎに、上述した第１〜第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、システムを起動した後に、冷却液循環系の冷却液の導電率を低下させる時の動作手順の一例について図７に示すフローチャートを参照して説明する。なお、以下の説明では、コントローラ２が演算部４１、停止温度記憶部４２及び停止時間記憶部４３からなるものの動作について説明するが、第１実施形態及び第２実施形態に係る燃料電池システムであってもコントローラ２により行うことが可能である。
【００７８】
先ず、コントローラ２の演算部４１は、外部から燃料電池システムを起動させる信号が送られると、ステップＳ１の処理を開始し、冷却液循環ポンプ１９を規定流量又は吐出圧にて運転させて、ステップＳ２においては、以前の燃料電池システムの停止時に開始した燃料電池システムの停止時間のカウントを停止し、停止時間記憶部４３が保持している燃料電池システムの停止時間を読み込む。
【００７９】
次のステップＳ３においては、演算部４１により、停止時間記憶部４３に記憶されている停止時間が予め設定されている閾値以下か否かを判定し、停止時間が閾値以下である場合には、冷却液循環系の冷却液を排出する動作を行わずに、停止時間記憶部４３に記憶している停止時間をリセットして処理を終了する（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ３で判断対象となる閾値は、停止時間が長くなることによって冷却液循環系の冷却液の導電率が高くなっていると推定される時間が実験等によって設定されている。
【００８０】
一方、停止時間が閾値以下ではないと判定した場合には、ステップＳ４に処理を進め、演算部４１により、停止温度記憶部４２に記憶されているシステム停止時の燃料電池スタック１の温度を読み込み、ステップＳ５において、読み込んだシステム停止時の燃料電池スタック１の温度が閾値以下か否かを判定する。なお、ステップＳ５で判断対象となる閾値は、燃料電池スタック１の温度が高いほど、燃料電池スタック１や熱交換器２３でのイオン溶出が多く発生するために、冷却液循環系の冷却液の導電率が高くなっていると推定される温度が実験等によって設定されている。
【００８１】
そして、演算部４１は、システム停止時の燃料電池スタック１の温度が閾値以下であると判定した場合には、冷却液循環系の冷却液を排出する動作を行わずに、停止温度記憶部４２に記憶しているシステム停止時の燃料電池スタック１の温度及び停止時間記憶部４３に記憶している停止時間をリセットして処理を終了する（ステップＳ１３、ステップＳ１４）。
【００８２】
一方、システム停止時の燃料電池スタック１の温度が閾値以下ではないと判定した場合には、ステップＳ６に処理を進め、演算部４１により、排出冷却液量を演算する。このとき、演算部４１は、燃料電池スタック１や熱交換器２３の冷却液の容量Ｖを予め記憶しておき、燃料電池スタック１の停止時の温度に応じた比例係数αを求め、容量Ｖに比例係数αを乗算した値を排出冷却液量とする。また、演算部４１は、ステップＳ１で駆動開始した冷却液循環ポンプ１９の回転数Ｒを読み込み、予め用意しておいた相関式又は相関表から、回転数Ｒの値を冷却液流量Ｆに変換する。そして、演算部４１は、変換した冷却液流量Ｆと比例係数α及び容量Ｖを用いて、排水時間Ｔを
Ｔ＝αＶ／Ｆ
なる演算を行って求める。
【００８３】
次に、演算部４１は、ステップＳ７において、排出バルブである三方弁２１又は三方弁３１を開状態にするようにアクチュエータ２２又はアクチュエータ３２を制御して、燃料電池スタック１又は熱交換器２３の冷却液の排出を開始し、ステップＳ８において、シャット弁１２及びシャット弁１５を開状態にするようにアクチュエータ１３及びアクチュエータ１６を制御して、燃料ガス用凝縮装置１１及び酸化剤ガス用凝縮装置１４に貯蔵しておいた純水をリザーバタンク１７に導入する。
【００８４】
次に、演算部４１は、ステップＳ９において、循環冷却系の冷却液を過剰に排水することを防ぐために、レベルセンサ１８からのセンサ信号を読み込み、水位レベルが下限値以下か否かを判断する。そして、演算部４１は、水位レベルが下限値以下でないと判定した場合には、更なる冷却液の排水が可能であるのでステップＳ１０に処理を進め、ステップＳ７で排水を開始した時刻から、ステップＳ６で演算した排水時間Ｔが経過したか否かを判定し、経過していない場合にはステップＳ９の判定を繰り返し、経過した場合にはステップＳ１１に処理を進める。
【００８５】
一方、演算部４１は、ステップＳ９で水位レベルが下限値以下であると判定した場合、ステップＳ１０で排水時間Ｔが経過した場合には、ステップＳ１１に処理を進めてステップＳ７で開状態にした三方弁２１又は三方弁３１を閉状態にし、ステップＳ１２において、ステップＳ８で開状態にしたシャット弁１２及びシャット弁１５を閉状態にして、ステップＳ１３及びステップＳ１４の処理を行って終了する。
【００８６】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００８７】
すなわち、上述した実施形態は、システムを起動する時に、イオンが溶出された冷却液を排出する動作や、凝縮水や排出冷却液を冷却液循環系に補充する動作をする場合について説明したが、これに限らず、システムが起動していない場合に、冷却液を排出する動作、凝縮水を補充する動作の何れかの動作を行っても良い。これにより、システムが停止している時に徐々に冷却液の導電率が上昇しても、システム起動前に冷却液の導電率を抑制することができ、更に起動時における冷却液の導電率の低下を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムの動作手順の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８９】
１  燃料電池スタック
２  コントローラ
１１  燃料ガス用凝縮装置
１２，１５，５２  シャット弁
１３，１６，２２，３２，５３  アクチュエータ
１４  酸化剤ガス用凝縮装置
１７  リザーバタンク
１８  レベルセンサ
１９  冷却液循環ポンプ
２０  イオン交換器
２１，３１  三方弁
２３  熱交換器
２４  導電率センサ
４１  演算部
４２  停止温度記憶部
４３  停止時間記憶部
４４  温度センサ
５１  排出冷却液タンク
【図１】
2005209435.tif 000003
【図２】
2005209435.tif 000004
【図３】
2005209435.tif 000005
【図４】
2005209435.tif 000006
【図５】
2005209435.tif 000007
【図６】
2005209435.tif 000008
【図７】
2005209435.tif 000009