(57)【要約】【課題】  燃料電池システム中に新たに装置を設置せずに冷却水中の凝固点降下剤濃度を推定し、冷却水中の凝固点降下剤濃度を制御する燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池２の排気から純水を回収する水回収手段３と、燃料ガス又は前記酸化剤ガス又は双方を加湿する加湿器４と、燃料電池２内を通過するように設けられた冷却水管路５に、冷却水の温度を測定する温度検出手段（冷却水温度センサ）６と、凝固点降下剤を含まない純水を分離して加湿器４に供給する水分離手段（水分離装置）７と、冷却水の導電率を測定する導電率測定手段（導電率センサ）８とを設け、導電率測定手段８によって測定された導電率に基づいて冷却水中の凝固点降下剤濃度を推定し、この推定濃度に基づいて水回収手段３から冷却水に純水を補給する制御手段（コントローラ）９によって冷却水中の凝固点降下剤濃度を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排気から純水を回収する水回収手段と、
前記燃料ガス又は前記酸化剤ガス又は双方を加湿する加湿器と、
前記燃料電池内を通過するように設けられており、純水に凝固点降下剤を添加した冷却水を流して前記燃料電池を冷却する冷却水管路と、
前記冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
前記冷却水から前記凝固点降下剤を含まない純水を分離して前記加湿器に供給する水分離手段と、
前記冷却水の導電率を測定する導電率測定手段と、
前記導電率測定手段によって測定された導電率に基づいて前記冷却水中の凝固点降下剤濃度を推定し、この推定濃度に基づいて前記水回収手段から前記冷却水に純水を補給する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記冷却水中の凝固点降下剤濃度が第一の所定濃度より高い場合には、前記水回収手段によって回収された純水を前記冷却水中に補給して前記冷却水中の凝固点降下剤濃度を前記第一の所定濃度に維持するように制御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】
前記制御手段は、外気温度が極低温状態で前記燃料電池システムを保管する場合には、前記水分離手段によって前記冷却水から純水を分離して前記冷却水中の凝固点降下剤濃度を、前記第一の所定濃度よりも高い第二の所定濃度まで上昇させてから前記燃料電池システムを停止させるように制御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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池自動車等、水が凍結する可能性がある環境で用いられる燃料電池システムに関し、特に純水に凝固点降下剤を添加した不凍液を冷却水として循環させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、例えば特許文献１に開示されたものがある。この発明では、純水に凝固点降下剤を添加した不凍液を循環させる冷却水管路に水分離装置が設けられており、水分離装置で分離した純水をガス加湿用に用いている。また、分離された純水量に相当する純水を冷却水管路に補給する水補給手段を有している。
【特許文献１】特開平８−１８５８７７号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記した特許文献１に記載された方法では、燃料電池システム中に冷却水中の凝固点降下剤濃度を測定する手段がないため、加湿用に純水を分離して純水量が減少した冷却水管路に補給する純水の量が規定できないという問題点があった。その他、レベルセンサにより冷却水量を規定する方法もあるが、燃料電池自動車のような移動体では正確な量を測定する事は困難であるという問題点があった。
【０００４】
また、冷却水管路に戻す純水量が多くなってしまうと、冷却水中の凝固点降下剤濃度が低くなるため外気低温時に冷却水が凍結しやすくなり、逆に、冷却水管路に戻す純水の量が少なくなると冷却水中の凝固点降下剤濃度が高くなるため冷却水の粘度が上がり、圧力損失が増加して冷却水ポンプの消費エネルギーが増加するという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、この燃料電池システムは、燃料電池と、水回収手段と、加湿器と、冷却水管路と、温度検出手段と、水分離手段と、導電率測定手段と、制御手段と、を備えることを要旨とする。
【０００６】
燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する。また、水回収手段は、燃料電池の排気から純水を回収する。更に、加湿器は、燃料ガス又は酸化剤ガス又は双方を加湿する。また、冷却水管路は、燃料電池内を通過するように設けられており、内部に純水に凝固点降下剤を添加した冷却水を流して燃料電池を冷却する。更に、温度検出手段は冷却水の温度を検出する。また、水分離手段は、冷却水から凝固点降下剤を含まない純水を分離して加湿器に供給する。更に、導電率測定手段は、冷却水の導電率を測定する。また、制御手段は、導電率測定手段によって測定された導電率に基づいて冷却水中の凝固点降下剤濃度を推定し、この推定濃度に基づいて水回収手段から冷却水に純水を補給する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、冷却水の導電率を測定するだけで冷却水中の凝固点降下剤の濃度を推定することができるため、燃料電池システムに新たに濃度計等を設置する必要がなく、装置を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【実施例１】
【０００９】
図１は、請求項１及び請求項２に係る発明を併せて実施した実施の形態の一例を示している。
【００１０】
この燃料電池システム１は、燃料電池２と、コンデンサ付きタンク（水回収手段）３と、加湿器４と、冷却水管路５と、冷却水温度センサ（温度検出手段）６と、水分離装置（水分離手段）７と、導電率センサ（導電率測定手段）８と、コントローラ（制御手段）９と、ポンプ１１とを備えている。
【００１１】
燃料電池２は、水素供給系から燃料ガスとして水素を、また、空気供給系から酸化剤ガスとしての空気の供給を受けて発電する。また、コンデンサ付きタンク３は、燃料電池２の排気に含まれた水蒸気を凝縮して純水を回収して貯蔵する。更に、加湿器４は、燃料ガス（水素）又は酸化剤ガス（空気）又は双方を加湿する。また、冷却水管路５は、燃料電池２内を通過するように設けられており、燃料電池２の有する熱を冷却する冷却水が内部を循環している。冷却水は、純水に凝固点降下剤としてエチレングリコールを添加したものであり、冷却水管路５に設けられたポンプ１１によって冷却水管路５内部を搬送され、循環している。更に、冷却水温度センサ６は冷却水の温度を検出するために冷却水管路５に設けられている。また、水分離装置７は、冷却水からエチレングリコールを含まない純水を分離して加湿水供給管１０によって加湿器４に供給する。更に、導電率センサ８は、冷却水の導電率を測定するために冷却水管路５に設けられている。また、コントローラ９は、導電率センサ８によって測定された導電率に基づいて冷却水中のエチレングリコール濃度を推定し、この推定濃度に基づいてコンデンサ付きタンク３から冷却水に純水を補給して冷却水中のエチレングリコール濃度を所定の濃度に維持するように制御している。
【００１２】
更に、この燃料電池システム１には、凝縮水を冷却水に供給する量を調整するバルブ１２、水分離装置７によって精製された水を排水するバルブ１３が備えられている。
【００１３】
次に、実施例１のコントローラ９による制御内容を説明するフローチャートを図２に示す。このフローチャートは、一定時間毎（例えば１分毎に）にコントローラ９のメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。
【００１４】
燃料電池システム１が作動状態にある時は、水素及び空気を加湿するための純水を、水分離装置７が冷却水から分離して、加湿水供給管１０を介して加湿器４に供給している。このため、冷却水中の純水量が減少して冷却水中のエチレングリコール濃度が上がるため、純水を補給する必要がある。そこで、まずステップＳ１０において、冷却水温度センサ６にて冷却水の温度を測定してコントローラ９に記憶させる。次に、ステップＳ２０で、導電率センサ８で冷却水の導電率を測定する。
【００１５】
続いて、ステップＳ３０では、ステップＳ２０で測定した導電率を図３に示すエチレングリコール濃度と導電率センサ８測定値に基づいて作成したマップからエチレングリコール濃度に変換する。ここで、マップの作成について説明する。まず、各濃度に調製したエチレングリコールの溶液列を準備して、各々の溶液の導電率を導電率センサによって測定する。そして、横軸にエチレングリコール濃度[重量％]、縦軸に各濃度における導電率[μＳ／ｃｍ]をプロットしてマップを作成すると、図３に示すようなマップが作成される。このマップをコントローラ９内のＲＯＭ等に予め記憶させておく。そして、導電率の測定値をマップに当てはめてエチレングリコール濃度を算出する。
【００１６】
ここで、燃料電池システム１では、冷却水管路５に使用している部材からのイオン溶出量、及び設置されているイオン交換樹脂フィルタのイオン交換性能によって、定常状態での冷却水の導電率が決まる。しかし、冷却水中のエチレングリコール濃度が変化すると、それに伴い測定される導電率も変わる。実際に、冷却水中のエチレングリコール濃度と導電率の関係を調べてみると、図３に示すように、エチレングリコール濃度が上がると導電率が低下し、エチレングリコール濃度が下がると導電率が上昇する。
【００１７】
上記の導電率特性を利用して、導電率の値から冷却水中のエチレングリコール濃度を推定することができる。そしてステップＳ４０に進み、導電率から推定されたエチレングリコール濃度が所定の値（ここでは５０[重量％]）より高い場合には、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、バルブ１２を開放してコンデンサ付きタンク３に貯蔵されている純水を冷却水に補給し、冷却水のエチレングリコール濃度が所定の値（ここでは５０[重量％]）より低くなるようにする。そして、メインルーチンに戻る。反対にステップＳ４０において、推定されたエチレングリコール濃度以下の場合にはステップＳ６０に進み、ステップＳ６０でバルブ１２を閉止した後にメインルーチンに戻る。
【００１８】
以上説明したように、本実施例によれば、冷却水の導電率を測定するために設置されている導電率センサ８を用いて冷却水中のエチレングリコール濃度を推定できるため、新たに濃度を測定するための装置等を燃料電池システム中に設置する必要がない。このため燃料電池システムを簡素化することができる。また、導電率を測定することにより正確に純水戻し量が算定できるので、要求している冷却水性能が維持できて、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【実施例２】
【００１９】
実施例２の構成を、図４に沿って説明する。実施例２は、請求項１及び請求項３に係る発明を併せて実施した実施の形態の一例を模式的に示している。この燃料電池システム２１は、実施例１に示した構成の他に、外気の温度を測定する外気温度センサ２２を備えている点において実施例１と相違している。外気温度センサ２２の検出値はコントローラ９によって読み込まれ、制御に利用されている。その他の構成は実施例１と同じであるため、同一符号を付して、説明を省略する。
【００２０】
次に、実施例２のコントローラ９による制御内容を説明するフローチャートを図５に示す。燃料電池システム２１を停止させる際に外気温度が極低温にある時、エチレングリコール濃度によっては冷却水が凍結する場合がある。参考に、エチレングリコール濃度とエチレングリコール溶液の凍結温度との関係を図６に示す。例えば、冷却水中のエチレングリコール濃度が１０[重量％]の場合には、外気温度が−１０[℃]以下になると冷却水が凍結する。
【００２１】
そこで、燃料電池システム２１を停止させる際には、まずステップＳ１０において、外気温度センサ２２によって外気温度を測定してコントローラ９に記憶させる。次に、ステップＳ２０において例えば外気温度が−３６[℃]以上だった場合には、そのまま燃料電池システム２１を停止させる。一方、外気温度が−３６[℃]よりも低い場合にはステップＳ３０に進み、ステップＳ３０において冷却水温度センサ６で冷却水の温度を測定する。そして、ステップＳ４０で、ステップＳ３０で測定した温度における導電率を測定する。続いて、ステップＳ５０では、ステップＳ４０で測定した導電率を図３に示すエチレングリコール濃度と導電率センサ８の測定値に基づいて作成したマップからエチレングリコール濃度に変換する。そして、ステップＳ６０に進み、冷却水中のエチレングリコール濃度が所定の値（ここでは６０[重量％])以上であるか、所定の値未満かを判定する。ステップＳ６０の判定により、エチレングリコール濃度が所定のエチレングリコール濃度より低い場合にはステップＳ７０に進む。そして、ステップＳ７０において、水分離装置７で水を分離し、バルブ１３を開放して分離した水を廃棄し、冷却水中のエチレングリコール濃度を所定の濃度より高くなるまで上げてから燃料電池システム２１を停止させる。一方、ステップＳ６０において、冷却水中のエチレングリコール濃度が所定の濃度以上である場合には、冷却水が凍結するおそれがないため、何もせずに終了する。
【００２２】
なお、本実施例では、通常運転時における冷却水中のエチレングリコール濃度を、エチレングリコール：純水＝５０：５０で作動させながら、運転停止時に外気温度が−５０[℃]程度にまで低下しても冷却水が凍結しない性能を確保した。図６からわかるように、通常運転時のエチレングリコール濃度では、凍結温度が約−３６[℃]であり、外気温度が−５０[℃]になるとエチレングリコール濃度６０[重量％]以上を確保していないと凍結する。このため、外気温度が−３６[℃]以下になることが予想される場合、エチレングリコール濃度を６０[重量％]まで上げてから運転停止することにより、冷却水の凍結を回避することができる。
【００２３】
以上説明したように、本実施例によれば、冷却水の導電率を測定するために設置されている導電率センサを用いて冷却水のエチレングリコール濃度を推定できるため、新たに濃度を測定するための装置等を設置する必要がない。このため、燃料電池システムを簡素化することができる。また、外気温度が極低温の時にはエチレングリコールの濃度を上げることによって冷却水が凍結する温度を下げることができるので、燃料電池システムを停止している間に冷却水が凍結することによって燃料電池システムが破損することを防止することができる。
【００２４】
なお、実施例においては極低温での場合を主体に述べたが、低温たる温度条件が異なった場合においても、本件の思想を適用可能であることは無論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略構成図ある。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。
【図３】冷却水中のエチレングリコール濃度と導電率の関係を表す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す概略構成図ある。
【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの制御フローチャートである。
【図６】冷却水中のエチレングリコール濃度と凍結温度の関係図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  コンデンサ付きタンク（水回収手段）
４  加湿器
５  冷却水管路
６  冷却水温度センサ（温度検出手段）
７  水分離装置（水分離手段）
８  導電率センサ（導電率測定手段）
９  コントローラ（制御手段）
【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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