(57)【要約】【課題】燃費の悪化と、好ましくは構造の複雑化をも抑制しつつ、イオン交換器の凍結を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止方法を提供する。【解決手段】燃料電池２０と、燃料電池２０から排出された燃料ガスのオフガスに同伴される生成水中の金属イオン等を分離するイオン交換器２と、を備えた燃料電池システム１において、システム停止時に、ＬＬＣを含む冷却水をイオン交換器２に供給する。このＬＬＣを含む冷却水は、システム稼働中に燃料電池２０を冷却するために用いられる冷媒である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池から排出されたオフガスに同伴される不純物を分離するイオン交換樹脂部と、を備えた燃料電池システムにおいて、
水の凝固点を低下させる不凍媒体を含む液体を前記イオン交換樹脂部に供給可能な供給機構を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記不凍媒体を含む液体は、システム稼働中に前記燃料電池を冷却するために用いられる冷媒である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池と、該燃料電池から排出されたオフガスに同伴される不純物を分離するイオン交換樹脂部と、を備えた燃料電池システムの停止方法において、
システム停止時に、水の凝固点を低下させる不凍媒体を含む液体を前記イオン交換樹脂部に供給する工程を備えた燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出されたオフガスに同伴される不純物を分離するイオン交換樹脂部を備えた燃料電池システムに係り、特に、イオン交換樹脂部の凍結抑制に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムには、発電に伴い生成される酸性物質や発電に伴う生成水中に配管等から溶出した金属イオン等を分離するために、イオン交換器を備えたものがある。ところが、イオン交換器内のイオン交換樹脂は水分も吸収するため、システム停止中に外気温が氷点下に低下した場合には、この吸収された水分が凍結し、凍結時の体積膨張によりイオン交換樹脂が破壊されてしまう虞がある。
【０００３】
例えば特許文献１には、イオン交換器を備えた燃料電池システムにおいて、システム停止中に外気温が所定温度以下に低下した場合には、ヒータを稼働させてイオン交換器の凍結を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２８５４０３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、上記の技術では、システム停止中にヒータを作動させるべく燃料電池を起動させるため、燃費が悪化するという課題がある。また、ヒータを設ける必要があることから、システム全体の構造が複雑化するという課題もある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃費の悪化と、好ましくは構造の複雑化をも抑制しつつ、イオン交換樹脂の凍結を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの停止方法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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池から排出されたオフガスに同伴される不純物を分離するイオン交換樹脂部と、を備えた燃料電池システムにおいて、水の凝固点を低下させる不凍媒体を含む液体を前記イオン交換樹脂部に供給可能な供給機構を備えるものである。
【０００７】
この構成によれば、イオン交換樹脂部に水分を含んだ状態で燃料電池システムが停止し、その後に外気温が氷点下に低下した場合であっても、システム停止時に不凍媒体を含む液体をイオン交換樹脂部に供給しておくことにより、イオン交換樹脂部の凍結が抑制される。
【０００８】
オフガスに同伴される不純物の例としては、発電に伴い生成される酸性物質やガス配管から生成水に溶出した金属イオン等がある。また、不凍媒体とは、例えばＬＬＣ（ロング  ライフ  クーラント）等、水の凝固点を下げる効果を有するものであり、その他に、例えばポリエチレングリコールの採用も可能である。
【０００９】
前記不凍媒体を含む液体として、システム稼働中に前記燃料電池を冷却するために用いられる冷媒を用いることができる。
【００１０】
この構成によれば、不凍媒体を含む液体をイオン交換樹脂部に供給する供給機構の一部が、燃料電池を冷却するための冷媒を流通させる冷媒系と共用されるので、システム構造の複雑化を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムの停止方法は、燃料電池と、該燃料電池から排出されたオフガスに同伴される不純物を分離するイオン交換樹脂部と、を備えた燃料電池システムの停止方法において、システム停止時に、水の凝固点を低下させる不凍媒体を含む液体を前記イオン交換樹脂部に供給する工程を備えたものである。
【００１２】
この構成によれば、イオン交換樹脂部に水分を含んだ状態で燃料電池システムが停止し、その後に外気温が氷点下に低下した場合であっても、システム停止時に供給された不凍媒体を含む液体によって、イオン交換樹脂部の凍結が抑制される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃費の悪化を抑制しつつイオン交換樹脂部の凍結を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１５】
図１に示す本実施形態の燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。
【００１６】
コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。
【００１７】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。
【００１８】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１９】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路（燃料供給系）７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００２０】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９〜Ｈ１１、各々水素調圧弁Ｈ９、Ｈ１０の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、Ｐ１０、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００２１】
水素調圧弁Ｈ９〜Ｈ１１としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９，Ｐ１０の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。
【００２２】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ１１の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２３】
また、水素循環路７５には、気液分離器Ｈ４２の上流側に位置してイオン交換器（イオン交換樹脂部）２が設けられている。イオン交換器２の内部には、燃料電池２０の発電に伴い生成される酸性物質や例えばＳＵＳ製のガス配管から生成水中に溶出した金属イオンをイオン交換にて燃料ガスのオフガスから分離するイオン交換樹脂が設けられている。イオン交換器２の上流側及び下流側には、それぞれ電磁弁１０及び電磁弁９が設けられている。
【００２４】
また、イオン交換器２とラジエータＣ２とは流路１５により接続されており、流路１５にはイオン交換器２からラジエータＣ２に向かう方向への流れを規制（逆流を禁止）する逆流阻止弁８が設けられている。ラジエータＣ２からみて流路１５上の逆流阻止弁８よりも上流側には、流路１６が合流している。この流路１６には、燃料電池２０とラジエータＣ２との間を循環する冷媒が貯留されるリザーバタンク６と、当該流路１６を開閉するための電磁弁７とが設けられている。
【００２５】
以上のとおり、本実施形態の流路１５，逆流阻止弁８，ラジエータ２，流路１６，リザーバタンク６，及び電磁弁７は、本発明の供給機構の一例を構成している。なお、本実施形態の冷媒は、冷却水に、該冷却水の凝固点（０℃）を降下させる不凍媒体としてのＬＬＣ（ロング  ライフ  クーラント）を所定濃度となるように混合してなる液体である。この不凍媒体としては、ＬＬＣの他にポリエチレングリコールの採用も可能である。
【００２６】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２７】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２８】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２９】
燃料電池２０の冷媒出入口には、冷媒を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷媒の温度を検出する温度センサＴ１、冷媒の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷媒を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷媒の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００３０】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３１】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００３２】
なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。
【００３３】
以上のように構成された燃料電池システム１は、燃料電池２０の運転時（システム稼働時）に生成された生成水がイオン交換器２内のイオン交換樹脂に吸収された状態で運転を停止（システム停止）し、その後に外気温が氷点下に低下したとき場合であっても、イオン交換樹脂が生成水凍結時の体積膨張によって破壊されることを抑制できるものである。
【００３４】
すなわち、燃料電池２０の発電に伴い生成された水は、燃料電池２０から排出される燃料ガスのオフガス（以下、燃料オフガス）に同伴されてイオン交換器２に流入し、ここで燃料オフガスや生成水に同伴される酸性物質や金属イオン等の不純物がイオン交換にて捕集される。次いで、気液分離器Ｈ４２で燃料オフガスから水が分離され、分離された水は車外に放出される一方、水が除去された燃料オフガスは水素ポンプＨ５０により水素循環路７５を循環する。
【００３５】
このとき、ラジエータＣ２内に充填されている燃料電池２０を冷却するための冷媒は、燃料電池２０との熱交換に供した結果、所定温度及び所定圧力に昇温及び昇圧している一方、燃料電池２０の発電停止後は、イオン交換器２の温度は徐々に低下するので、イオン交換器２内の圧力も低下する。このため、逆止弁８の前後では、その開弁圧力以上となるような圧力差が生じる。
【００３６】
したがって、例えばユーザによるＩＧ−ＯＦＦ等のシステム停止命令が入力されると、ラジエータＣ２内のＬＬＣを含む冷媒は、上記圧力差によって、流路１５を流通してイオン交換器２内に流れ込み、イオン交換器２は不凍媒体であるＬＬＣを含む冷媒で充満される。これにより、システム停止中に気温が氷点下に低下しても、ＬＬＣによってイオン交換器２の凍結を抑制することができる。
【００３７】
なお、冷媒中のＬＬＣ濃度は、該冷媒の凝固点が使用想定場所での最低気温よりも更に所定温度（例えば、５℃〜１０℃）低い温度となるように調整しておくことが好ましい。
【００３８】
燃料電池２０の始動時（システム始動時）においては、制御部５０は、まず遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２、および電磁弁１０を開弁し、水素供給源３０から燃料電池２０への燃料ガス供給が可能な状態とする。このとき、電磁弁９は閉弁したままとする。さらに、流路１６上の電磁弁７も閉弁したままの状態で、所定時間（例えば、数秒間）ポンプＨ５０を駆動する。
【００３９】
これにより、燃料電池２０からの燃料オフガスがイオン交換器２に流入し、システム停止時にイオン交換器２に供給されたＬＬＣを含む冷媒が該イオン交換器２から流路１５へと排出される。この排出されたＬＬＣを含む冷媒は、流路１５の途中から流路１６を流通してラジエータＣ２に連通接続されたリザーブタンク６へ戻される。このようにして、イオン交換器２内からＬＬＣを含む冷媒が抜き去られた後、水素循環路７５上の電磁弁９を開弁すると共に流路１６上の電磁弁７を閉弁することにより、燃料電池２０の始動が行われる。
【００４０】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、イオン交換器２の凍結を抑制するために燃料電池２０を起動させる必要が無く、また、イオン交換器２にヒータを設ける必要もない。すなわち、燃費の悪化を招くことなく、また、ヒータ設置に伴う構造の複雑化を招くことなく、イオン交換器２内での凍結を抑制することができる。
【００４１】
なお、上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態では、イオン交換器２を燃料オフガスの流通側（水素循環路７５）に設置していたが、これに加えて又はこれに代えて、酸化オフガスの流通側（排気路７２）に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池システム、２…イオン交換器（イオン交換樹脂部）、２０…燃料電池
【図１】
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