(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いる純水の純度向上手段を備える移動体用燃料電池において、
燃料電池の運転停止中に純水の純度の低下を運転停止時間から推定する純度低下推定手段を備え、
この推定値を基に、燃料電池の運転停止中に、純水の純度向上手段の運転を行うことを特徴とする移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項２】
前記純水の純度低下の推定および純度向上手段運転時の純度の向上度合いの推定に、少なくとも外気温による補正を加えることを特徴とする請求項１に記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項３】
前記純度向上手段運転時の純度の向上度合いの推定に、純度向上手段の運転時間の積算による履歴補正を加えることを特徴とする請求項１または２に記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項４】
前記純度向上手段のエネルギー源を移動体に搭載されたバッテリと移動体外の外部電源とで切り替える切替手段を備え、
切替手段は外部電源検出手段が外部電源の通電を検出した場合、純度向上手段のエネルギー源をバッテリから外部電源に切り替えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項５】
前記純度向上手段のエネルギー源が移動体に搭載されたバッテリの場合、バッテリの残量の検出手段を備え、バッテリの残量が下限値に達したときは、純度向上手段の運転を停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項６】
前記純度向上手段のエネルギー源が移動体に搭載されたバッテリの場合、バッテリの残量の検出手段を備え、バッテリの残量が下限値に達したときは、純水の純度維持が困難と判断して、純水を排水することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項７】
前記純度向上手段の運転の積算時間から純度向上手段の劣化を推定して、純水の純度維持が困難と判断した場合に、純水を排水することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項８】
前記劣化の推定に、少なくとも外気温による補正を加えることを特徴とする請求項７に記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項９】
前記純水の純度維持が困難と判断した時点の純度から規定の純度まで低下する時間を予測する低下時間予測手段を備え、その間は純水を排水しないことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【請求項１０】
燃料電池の再起動時には、運転停止中に純水の純度維持が困難となって純度向上手段の運転を停止もしくは純水の排水を行ったことを運転者に知らせる報知手段を備えることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１つに記載の移動体用燃料電池の純水純度維持システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体用燃料電池の純水純度維持システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の移動体用燃料電池システムとして、特開２０００−２０８１５７号のようなものがある。これは、加湿および冷却等に用いる純水のイオン除去フィルタ（純度向上装置）および導電率の検出器を備え、純水をイオン除去フィルタに通して純水のイオン濃度を適正に維持つまり純度を維持するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなシステムにあって、燃料電池は運転を停止した場合、停止中に純水の比抵抗が低下（イオン濃度が増加）して、燃料電池の再起動が困難になるという課題が存在した。
【０００４】
この発明は、このような燃料電池の運転停止中の問題を解決することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池に用いる純水の純度向上手段を備える移動体用燃料電池において、燃料電池の運転停止中に純水の純度の低下を運転停止時間から推定する純度低下推定手段を備え、この推定値を基に、燃料電池の運転停止中に、純水の純度向上手段の運転を行う。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記純水の純度低下の推定および純度向上手段運転時の純度の向上度合いの推定に、少なくとも外気温による補正を加える。
【０００７】
第３の発明は、第１、第２の発明において、前記純度向上手段運転時の純度の向上度合いの推定に、純度向上手段の運転時間の積算による履歴補正を加える。
【０００８】
第４の発明は、第１〜第３の発明において、前記純度向上手段のエネルギー源を移動体に搭載されたバッテリと移動体外の外部電源とで切り替える切替手段を備え、切替手段は外部電源検出手段が外部電源の通電を検出した場合、純度向上手段のエネルギー源をバッテリから外部電源に切り替える。
【０００９】
第５の発明は、第１〜第３の発明において、前記純度向上手段のエネルギー源が移動体に搭載されたバッテリの場合、バッテリの残量の検出手段を備え、バッテリの残量が下限値に達したときは、純度向上手段の運転を停止する。
【００１０】
第６の発明は、第１〜第３の発明において、前記純度向上手段のエネルギー源が移動体に搭載されたバッテリの場合、バッテリの残量の検出手段を備え、バッテリの残量が下限値に達したときは、純水の純度維持が困難と判断して、純水を排水する。
【００１１】
第７の発明は、第１〜第３の発明において、前記純度向上手段の運転の積算時間から純度向上手段の劣化を推定して、純水の純度維持が困難と判断した場合に、純水を排水する。
【００１２】
第８の発明は、第７の発明において、前記劣化の推定に、少なくとも外気温による補正を加える。
【００１３】
第９の発明は、第６〜第８の発明において、前記純水の純度維持が困難と判断した時点の純度から規定の純度まで低下する時間を予測する低下時間予測手段を備え、その間は純水を排水しない。
【００１４】
第１０の発明は、第５〜第９の発明において、燃料電池の再起動時には、運転停止中に純水の純度維持が困難となって純度向上手段の運転を停止もしくは純水の排水を行ったことを運転者に知らせる報知手段を備える。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料電池の運転停止中に純水の純度が低下して、燃料電池の再起動が困難になることを防止できる。
【００１６】
第２の発明では、純水の純度低下および純度向上を正確に推定することができる。
【００１７】
第３の発明では、純度向上手段による純度の向上度合いを正確に推定することができる。
【００１８】
第４の発明では、外部電源に切り替えることによって、燃料電池の停止中において、バッテリの残量が少ないときに純度向上手段を運転できずに純水の純度が低下して、停止後、燃料電池の再起動が困難になるといったことを回避できる。また、バッテリと外部電源との切り替えも容易である。
【００１９】
第５の発明では、バッテリが回復不能になるまで放電を続けることを防止できる。
【００２０】
第６の発明では、バッテリのエネルギー不足により純水の純度維持が困難な場合、純水を排水することによって、純度劣化による漏電等を未然に防止することができる。
【００２１】
第７の発明では、純度向上手段が劣化して純水の純度維持が困難な場合、純水を排水することによって、純度劣化による漏電等を未然に防止することができる。
【００２２】
第８の発明では、純度向上手段の劣化を的確に推定できる。
【００２３】
第９の発明では、燃料電池の運転をすぐに停止せずにすみ、所定期間、燃料電池の運転を継続することができる。
【００２４】
第１０の発明では、純水の純度維持が困難となって運転できない事由を確実に運転者に知らせることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は第１の実施の形態を示す構成図で、自動車等の移動体用の燃料電池として固体高分子型燃料電池１を用いた例を示す。
【００２７】
メインタンク２には純水が貯留されており、メインタンク２の純水は冷却用の供給配管３、供給ポンプ４を介して燃料電池１の冷却用に供給され、冷却を終えた純水は熱交換器５に導かれて冷却された後、メインタンク２に戻される。
【００２８】
また、メインタンク２の純水は、図示しないが、加湿用の供給配管、供給ポンプを介して燃料電池１の固体高分子電解質膜の加湿用にも供給される。水素の改質器等を備える場合には、その改質反応用等にも供給される。
【００２９】
このメインタンク２にサブ配管６の入口側と出口側とが接続され、サブ配管６の途中にサブポンプ７および純水の純度向上装置としてのイオン除去フィルタ８が配設される。サブポンプ７が駆動されると、メインタンク２の純水がイオン除去フィルタ８を通流して、純水中の導電性イオンが除去され、純水の純度が高く維持される。
【００３０】
サブポンプ７の駆動は制御装置１０により制御される。サブポンプ７の駆動電源には移動体（車両）に搭載されるバッテリ（車載バッテリ）１１が用いられ、その電源回路１２には切替回路１３を介して家庭用電源（外部電源）の取入用回路１４が接続される。取入用回路１４には、家庭用電源をバッテリ１１用の直流電圧に変換する電源変換装置１５が設けられる。これらの電源は、制御用電源としても用いられる。
【００３１】
また、制御装置１０には、外気温を検出する外気温センサ１６からの信号が入力される。また、制御装置１０には、燃料電池１の運転信号、停止信号が入力される。
【００３２】
制御装置１０は、これらの信号に基づいて、燃料電池１の運転停止中に、純水の純度を適正に維持するように、サブポンプ７の駆動を制御する。また、制御装置１０は、取入用回路１４の電源変換装置１５が電圧の出力を検知すると、切替回路１３のスイッチ１７をバッテリ１１側から取入用回路１４側に切り替え、電圧０を検知すると、切替回路１３のスイッチ１７をバッテリ１１側に戻すようになっている。
【００３３】
次に、制御装置１０の燃料電池１の運転停止時の制御内容を図２、図３のフローチャートに基づいて説明する。
【００３４】
車両停止つまり運転スイッチのオフによって燃料電池１の運転を停止すると、スタートする。
【００３５】
ステップ１では、停止時間θを０にする。
【００３６】
ステップ２〜７のループは、Δθ時間周期で行い、ステップ２では、Δθ時間を単位時間としてカウントする。
【００３７】
ステップ３では、外気温Ｔを読み込む。
【００３８】
ステップ４では、外気温Ｔを基に、図４のように純水の純度劣化係数（加速係数）αを設定してある純度劣化マップから、純度劣化係数αを読み込む。
【００３９】
外気温Ｔが標準（常温）のときは、純水の純度の劣化度合いを標準として純度劣化係数αを１に、外気温Ｔが高いときほど、劣化度合いが速いため純度劣化係数αを大きくしている。
【００４０】
ステップ５では、純度劣化係数αを基にΔθ時間を補正する（Δθｃ＝αΔθ）。
【００４１】
ステップ６では、補正したΔθｃ時間を加算して停止時間θをカウントする（θn＝θn-1＋Δθｃ）。
【００４２】
ステップ７では、停止時間θを図５のようなサブポンプ停止時間しきい値θｓｔａｒｔと比較する。
【００４３】
θ≦θｓｔａｒｔのときは、ステップ２〜７のループを繰り返す。
【００４４】
一方、θ＞θｓｔａｒｔになると、ステップ８以降に進み、ステップ８ではサブポンプ７の運転を開始する。
【００４５】
即ち、純水の純度の劣化（イオン濃度の増加）は、停止時間にしたがって進み、その度合いは温度によって変わるため、純水の純度の劣化を停止時間より推定して、これに外気温Ｔによる補正を加えて、補正後の停止時間を基にサブポンプ７の運転を開始する。
【００４６】
ステップ９では、サブポンプ７の運転時間φを０にする。
【００４７】
ステップ１０〜１６のループは、Δφ時間周期で行い、ステップ１０では、Δφ時間を単位時間としてカウントする。
【００４８】
ステップ１１では、サブポンプ７の電源を選択する（後述する）。
【００４９】
ステップ１２では、サブポンプ７の運転時間Θを積算（累積）する（Θn＝Θn-1＋Δφ）。
【００５０】
ステップ１３では、サブポンプ７の累積運転時間Θを基に、図６のようにイオン除去フィルタ８の性能劣化係数（加速係数）βを設定してある性能劣化マップから、性能劣化係数βを読み込む。
【００５１】
イオン除去フィルタ８は使っているうちに徐々にイオン除去性能が劣化するため、使用時間にしたがって性能劣化係数βを小さな値にしている。
【００５２】
ステップ１４では、性能劣化係数βを基にΔφ時間を補正する（Δφｃ＝βΔφ）。
【００５３】
ステップ１５では、補正したΔφｃ時間を加算して運転時間φをカウントする（φn＝φn-1＋Δφｃ）。
【００５４】
ステップ１６では、運転時間φを図７のようなサブポンプ運転時間しきい値φｓｔｏｐと比較する。
【００５５】
φ≦φｓｔｏｐのときは、ステップ１０〜１６のループを繰り返す。
【００５６】
一方、φ＞φｓｔｏｐになると、ステップ１７に進み、サブポンプ７の運転を停止して、ステップ１に戻る。
【００５７】
即ち、サブポンプ７の累積運転時間よりイオン除去フィルタ８の性能（純水の純度の向上度合い）を推定して、性能の低下にしたがってサブポンプ７の運転時間を長くする。
【００５８】
ステップ１１のサブポンプ７の電源の選択は、図８のように、外部電源の電力供給がないときは、ステップ３２で切替回路１３のスイッチ１７をバッテリ１１側にしてバッテリ１１の電力を供給する一方、外部電源の電力供給があるときは、ステップ３３で切替回路１３のスイッチ１７を取入用回路１４側に切り替えて外部電源から電力を供給する。
【００５９】
このように構成したため、燃料電池１の運転停止中に純水の純度の低下（イオン濃度の増加）を防止でき、停止後、燃料電池１の再起動が困難になることを防止できる。
【００６０】
この場合、純水の純度の低下を停止時間より推定して、これを基にイオン除去フィルタ８に純水を通流するサブポンプ７を運転するので、純水の純度を的確に維持できる。
【００６１】
また、純水の純度低下の推定に外気温による補正を加えるので、純度低下を正確に推定でき、純水の純度を一層的確に維持できる。また、純水の導電率等の検出器を不要にできる。
【００６２】
一方、サブポンプ７の累積運転時間よりイオン除去フィルタ８の性能（純水の純度の向上度合い）を推定して、性能の低下にしたがってサブポンプ７の運転時間を長くするので、純水の純度を一層適正に維持できる。
【００６３】
また、サブポンプ７の電源を外部電源に切り替えることによって、燃料電池１の停止中において、バッテリ１１の残量が少ないときにサブポンプ７を駆動できずに純水の純度が低下して、停止後、燃料電池１の再起動が困難になるといったことを回避できる。また、バッテリ１１と外部電源との切り替えも容易である。
【００６４】
なお、純水の純度低下の推定の補正に外気温を用いたが、純水自体の温度を検出して、純水の温度を補正に加えて良い。燃料電池１の運転を停止して外気温に収束するまでは純水の温度に基づいて純水の純度劣化度合いを決定つまり図３の純度劣化係数αを選定する。
【００６５】
図９〜図１２は第２の実施の形態を示す。これは、外部電源への切り替えを行わず、バッテリ１１の残量（ＳＯＣ）が下限値に達したとき、およびイオン除去フィルタ８が劣化して純水の純度維持が困難になったときのものである。
【００６６】
図９のように、バッテリ１１の残量を検出するバッテリ残量検出器２０を備え、その信号を制御装置１０に入力する。また、メインタンク２に純水を排水するドレインバルブ２１を設け、制御装置１０はその開閉を制御する。その他の構成は前図１と同じである。
【００６７】
図１０〜図１２のフローは、車両停止つまり運転スイッチのオフによって燃料電池１の運転を停止すると、スタートする。
【００６８】
ステップ１では、停止時間θを０にする。
【００６９】
ステップ２〜７のループは、Δθ時間周期で行い、ステップ２では、Δθ時間を単位時間としてカウントする。
【００７０】
ステップ３では、外気温Ｔを読み込む。
【００７１】
ステップ４では、外気温Ｔを基に、前図４のように純水の純度劣化係数（加速係数）αを設定してある純度劣化マップから、純度劣化係数αを読み込む。
【００７２】
ステップ５では、純度劣化係数αを基にΔθ時間を補正する（Δθｃ＝αΔθ）。
【００７３】
ステップ６では、補正したΔθｃ時間を加算して停止時間θをカウントする（θn＝θn-1＋Δθｃ）。
【００７４】
ステップ７では、停止時間θを前図５のようなサブポンプ停止時間しきい値θｓｔａｒｔと比較する。
【００７５】
θ≦θｓｔａｒｔのときは、ステップ２〜７のループを繰り返す。
【００７６】
一方、θ＞θｓｔａｒｔになると、ステップ８以降に進み、ステップ８ではサブポンプ７の運転を開始する。
【００７７】
ステップ９では、サブポンプ７の運転時間φを０にする。
【００７８】
ステップ１０〜１９のループ（後述のようにジャンプする場合を除く）は、Δφ時間周期で行い、ステップ１０では、Δφ時間を単位時間としてカウントする。
【００７９】
ステップ１１では、サブポンプ７の電源を選択する（前図８）。
【００８０】
ステップ１２では、サブポンプ７の運転時間Θを積算（累積）する。
【００８１】
この累積運転時間Θを基にイオン除去フィルタ８の劣化を推定するが、イオン除去フィルタ８は温度によってイオン除去率が変わるため、外気温Ｔを基に純度劣化係数α（前図４）を読み込み、積算（累積）する運転時間Θを補正する（Θn＝Θn-1＋Δφ・α）。
【００８２】
ステップ１３では、サブポンプ７の累積運転時間Θを基に、前図６のようにイオン除去フィルタ８の性能劣化係数（加速係数）βを設定してある性能劣化マップから、性能劣化係数βを読み込む。
【００８３】
ステップ１４では、性能劣化係数βを基にΔφ時間を補正する（Δφｃ＝βΔφ）。
【００８４】
ステップ１５では、補正したΔφｃ時間を加算して運転時間φをカウントする（φn＝φn-1＋Δφｃ）。
【００８５】
ステップ１６、１７では、バッテリ１１から電力供給中か、バッテリ１１の残量が下限値（例えば、３０〜５０％）かを判定する。
【００８６】
バッテリ１１から電力供給中ではないときおよびバッテリ１１から電力供給中であってもバッテリ１１の残量が下限値ではないときは、ステップ１８に進み、バッテリ１１から電力供給中でバッテリ１１の残量が下限値のときは、ステップ２２にジャンプする。
【００８７】
ステップ１８では、サブポンプ７の累積運転時間Θが許容値＃ΘＭＡＸを越えたかを判定する。
【００８８】
累積運転時間Θが許容値＃ΘＭＡＸを越えてないときは、ステップ１９に進み、越えたときは、ステップ２１で純度向上手段（イオン除去フィルタ８）劣化フラグを立て、ステップ２２にジャンプする。
【００８９】
ステップ１９では、運転時間φを前図７のようなサブポンプ運転時間しきい値φｓｔｏｐと比較する。
【００９０】
φ≦φｓｔｏｐのときは、ステップ１０〜１９のループ（ジャンプする場合を除く）を繰り返す。φ＞φｓｔｏｐになると、ステップ２０に進み、サブポンプ７の運転を停止して、ステップ１に戻る。
【００９１】
一方、ステップ２２にジャンプした場合、サブポンプ７の運転を停止（中断）すると共に、純度向上運転中断フラグを立て、ステップ２３以降に進む。
【００９２】
ステップ２３では、サブポンプ７の運転停止（中断）による純度向上を中断した分を停止時間θ（ステップ２４以降の初期値になる）としてセットする。
【００９３】
これは、（１）式のようにサブポンプ７の運転前に停止していた時間（サブポンプ停止時間しきい値θｓｔａｒｔ）に対して、サブポンプ７をφの間、運転していた分、純度向上が行われていたので、その分（運転時間φ／サブポンプ運転時間しきい値φｓｔｏｐ）を停止時間に換算して減算して求める。
【００９４】
θ＝θｓｔａｒｔ（φｓｔｏｐ−φ）／φｓｔｏｐ      …（１）
ステップ２４〜２９のループは、ステップ２〜７のループと同様に、Δθ時間周期で行い、ステップ２４では、Δθ時間を単位時間としてカウントする。
【００９５】
ステップ２５では、外気温Ｔを読み込む。
【００９６】
ステップ２６では、外気温Ｔを基に、前図４のように純水の純度劣化係数（加速係数）αを設定してある純度劣化マップから、純度劣化係数αを読み込む。
【００９７】
ステップ２７では、純度劣化係数αを基にΔθ時間を補正する（Δθｃ＝αΔθ）。
【００９８】
ステップ２８では、補正したΔθｃ時間を加算して停止時間θをカウントする（θn＝θn-1＋Δθｃ）。
【００９９】
ステップ２９では、停止時間θを前図５のようなサブポンプ停止時間しきい値θｓｔａｒｔと比較する。
【０１００】
θ≦θｓｔａｒｔのときは、ステップ２４〜２９のループを繰り返す。
【０１０１】
そして、θ＞θｓｔａｒｔになると、ステップ３０に進み、メインタンク２のドレインバルブ２１を開けてメインタンク２の純水を排水すると共に、純水ドレインフラグを立てる。
【０１０２】
純度向上手段劣化フラグ、純度向上運転中断フラグ、純水ドレインフラグが立っている（＝１）ときは、その旨を運転者に報知する。この場合、燃料電池１の起動時に、対応する警告灯等を点灯させること等によって、運転者に報知するようにしている。
【０１０３】
これによれば、バッテリ１１が回復不能になるまで放電を続けることを防止できる。
【０１０４】
また、バッテリ１１のエネルギー不足あるいはイオン除去フィルタ８が劣化して純水の純度維持が図れない場合、純水を燃料電池システムから排水することによって、純度劣化による漏電等を未然に防止することができる。
【０１０５】
また、サブポンプ７の累積運転時間よりイオン除去フィルタ８の性能ならびに劣化を的確に推定できると共に、これらの推定に外気温による補正を加えるので、イオン除去フィルタ８の性能ならびに劣化を一層的確に推定できる。
【０１０６】
一方、純水の純度維持が図れないと判断した場合、その時点の純度から規定の純度まで低下する時間を予測して（ステップ２３〜２９）、その間は純水を排水しないので、燃料電池１の運転をすぐに停止せずにすみ、所定期間、燃料電池１の運転を継続することができる。
【０１０７】
なお、純水の純度低下、イオン除去フィルタ８の性能ならびに劣化の推定の補正に外気温を用いたが、純水自体の温度を検出して、純水の温度を補正に加えて良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】制御内容を示すフローチャートである。
【図３】制御内容を示すフローチャートである。
【図４】純度劣化マップの特性図である。
【図５】サブポンプ停止時間しきい値の設定特性図である。
【図６】性能劣化係数マップの特性図である。
【図７】サブポンプ運転時間しきい値の設定特性図である。
【図８】制御内容を示すフローチャートである。
【図９】第２の実施の形態を示す構成図である。
【図１０】制御内容を示すフローチャートである。
【図１１】制御内容を示すフローチャートである。
【図１２】制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  メインタンク
３  供給配管
４  供給ポンプ
５  熱交換器
６  サブ配管
７  サブポンプ
８  イオン除去フィルタ
１０  制御装置
１１  バッテリ
１３  切替回路
１６  外気温センサ
２０  バッテリ残量検出器
２１  ドレインバルブ
【図１】
0003783631.tif 000002
【図２】
0003783631.tif 000003
【図３】
0003783631.tif 000004
【図４】
0003783631.tif 000005
【図５】
0003783631.tif 000006
【図６】
0003783631.tif 000007
【図７】
0003783631.tif 000008
【図８】
0003783631.tif 000009
【図９】
0003783631.tif 000010
【図１０】
0003783631.tif 000011
【図１１】
0003783631.tif 000012
【図１２】
0003783631.tif 000013