JPH11283648A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子形燃料電池を循環する循環水にお
ける金属イオンを低濃度に維持して固体高分子形燃料電
池による電力変換効率の低下を防止する。 【解決手段】 装置の運転を開始するとタイマー１１６
により燃料電池４０の累積駆動時間を計時し、燃料電池
４０の累積駆動時間が所定のしきい値に達した場合には
燃料電池４０を駆動停止させ、電磁開閉弁８２を開とし
て排水管８０を通してメインタンク５６内の循環水を装
置外部へ排水する。排水完了後に電磁開閉弁８２を閉に
復帰させ、サブタンク５８からメインタンク５６へ純水
を給水する。ここで、燃料電池４０の駆動時間の増加と
共に循環水の金属イオンが濃化することから、しきい値
は循環水が電力変換効率を低下させる金属イオン濃度と
なる累積駆動時間より十分短い時間に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガス中の水素
を水の介在の基に空気中の酸素と反応させて電気エネル
ギーを発生する固体高分子形燃料電池を備えた燃料電池
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池装置は燃料ガスの供給により電
力を発生することが可能になるため、蓄電池と比較して
使用開始前の充電を必要としない。このような利点によ
り、今後、燃料電池装置は屋外用や非常用の電源として
需要の増加が予測されている。

【０００３】図４には燃料電池装置に用いられる固体高
分子形燃料電池の構成が示されている。固体高分子形燃
料電池（以下、燃料電池という）１０の内部には、電極
接合体１２を隔壁とするアノード側気室１４及びカソー
ド側気室１６が形成されている。電極接合体１２には、
図４に示されるように電解質膜１８の一方の面上にアノ
ード２０が、他方の面上にカソード２２がそれぞれ形成
されている。アノード２０及びカソード２２は、それぞ
れ白金等からなる触媒電極２４と、この触媒電極２４上
に積層された集電体２６とにより構成され、これらのア
ノード２０及びカソード２２は外部回路２８に接続され
ている。ここで、電解質膜１８としてはカチオン交換樹
脂膜を用いる。

【０００４】上記のように構成された燃料電池１０のア
ノード側気室１４には、ボンベや改質器（図示省略）等
から燃料ガスとして高純度の水素ガスが供給されると共
にポンプ等により水が供給され、カソード側気室１６に
はファン等により空気が供給される。アノード側気室１
４に供給された水素はアノード２０上でイオン化され、
この水素イオンは電解質膜１８中を水分子と共にＨ⁺ ・
ｘＨ₂ Ｏとしてカソード２２側へ移動する。このカソー
ド２２へ移動した水素イオンは空気中の酸素及び外部回
路２４を流れてきた電子と反応して水を生成する。この
水の生成反応と共に電子が外部回路２８を流れることか
ら、この電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用
することが可能になる。

【０００５】ここで、水素イオンが電解質膜１８の内部
を少ない抵抗でスムーズに流れるためには電解質膜１８
を湿潤した状態に保つ必要がある。一方、燃料電池１０
は、供給された水素ガスの化学エネルギーを全て電気エ
ネルギーに変換することはできず、一部の化学エネルギ
ーが熱に変換される。このため、燃料電池１０の内部温
度を熱損傷が発生しない許容温度以下に保つには、燃料
電池１０の運転時に燃料電池１０内から熱を排出する必
要もある。そこで、燃料電池１０のアノード側気室１４
には、水素ガスと共に水を供給して電解質膜１８を湿潤
状態に保つと共に燃料電池１０を水冷している。燃料電
池１０内に供給された水は一部が水蒸気となって未反応
の水素ガスや空気と共に燃料電池１０内から排出され、
残りがカソード２２上で生成された水と共に燃料電池１
０の下部に集められて外部へ排出される。

【０００６】上記のような固体高分子形燃料電池を備え
た燃料電池装置には、燃料電池から排出された水を一旦
貯水タンクに貯え、燃料電池の駆動時にポンプにより貯
水タンクから燃料電池へ供給する水の循環経路を備えた
ものがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、循環経路によ
り固体高分子形燃料電池へ水を循環させる燃料電池装置
では、固体高分子形燃料電池の駆動時間の増加と共に配
管等から金属イオンが循環水へ溶出すること、及び循環
水が水蒸気となって循環経路から失われることから循環
水に含まれる金属イオンが濃化する。また固体高分子形
燃料電池では、電極接合体において水素イオン交換を行
う電解質膜がカチオン（陽イオン）交換樹脂膜により形
成されていることから、循環水中にＦｅ⁺⁺，Ｃu ⁺⁺，Ｃ
a ⁺⁺等の金属イオン（陽イオン）が存在すると水素イオ
ン交換反応が阻害される。即ち、循環水における金属イ
オン濃度が一定値以上へ高まると、電解質膜の抵抗上昇
が短時間で進行することになり、固体高分子形燃料電池
の出力特性が経時的に低下する。

【０００８】本発明の目的は、上記の事実を考慮し、固
体高分子形燃料電池を循環する循環水における金属イオ
ンが低濃度に維持されて固体高分子形燃料電池の電力変
換効率の低下が防止される燃料電池装置を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の燃料電池
装置は、燃料ガス中の水素を水の介在の基に空気中の酸
素と反応させて電気エネルギーを発生する固体高分子形
燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池の給水部及び排
水部に接続され固体高分子形燃料電池へ水を循環させる
水循環手段と、開状態では前記水循環手段から循環水を
排水し、閉状態では循環水の排水を停止する排水手段
と、前記固体高分子形燃料電池が駆動された駆動時間の
累積値が所定のしきい時間へ到達した場合に、前記排水
手段を開状態として循環水を排水させた後、前記排水手
段を閉状態に復帰させる制御手段と、を有するものであ
る。

【００１０】上記構成の燃料電池装置によれば、排水手
段により循環水を排水する時期を規定する駆動時間の累
積値のしいき値を適宜設定することにより、循環水にお
ける金属イオンが固体高分子形燃料電池の出力特性への
影響が大きくなるよう金属イオン濃度になる前に、水循
環手段により保持されている循環水を外部へ排出できる
ので、循環水における金属イオンの影響によって固体高
分子形燃料電池の電力変換効率が低下することが防止さ
れる。

【００１１】ここで、固体高分子形燃料電池の駆動時間
と金属イオン濃度との関係は実験的に求めることがで
き、水循環手段へ供給される水の金属イオン濃度の初期
値が略一定であるならば、循環水における金属イオンが
固体高分子形燃料電池の電力変換効率を低下させる濃度
となる駆動時間の累積値を推定できる。従って、この推
定された駆動時間の累積値より十分短い時間をしきい値
として設定すれば、金属イオンにより固体高分子形燃料
電池の電力変換効率が低下することが確実に防止され
る。

【００１２】請求項２記載の燃料電池装置は、燃料ガス
中の水素を水の介在の基に空気中の酸素と反応させて電
気エネルギーを発生する固体高分子形燃料電池と、前記
固体高分子形燃料電池の給水部及び排水部に接続され固
体高分子形燃料電池へ水を循環させる水循環手段と、開
状態では前記水循環手段から循環水を排水し、閉状態で
は循環水の排水を停止する排水手段と、前記固体高分子
形燃料電池を循環する循環水の電導度を測定する水質測
定手段と、前記水質測定手段により所定のしきい値以上
の電導度が測定された場合に、前記排水手段を開状態と
して循環水を排水させた後、前記排水手段を閉状態に復
帰させる制御手段と、を有するものである。

【００１３】上記構成の燃料電池装置によれば、排水手
段により循環水を排水する時期を規定する電導度のしい
き値を適宜設定することにより、循環水における金属イ
オンが固体高分子形燃料電池の出力特性への影響が大き
くなるよう金属イオン濃度になる前に、水循環手段によ
り保持されている循環水を外部へ排出できるので、循環
水における金属イオンの影響によって固体高分子形燃料
電池の電力変換効率が低下することが防止される。

【００１４】ここで、循環水の電導度と金属イオン濃度
とは一定の相関性を有しており、循環水の電導度を測定
することにより金属イオン濃度を精度よく推定できる。
従って、固体高分子形燃料電池の電力変換効率を低下さ
せる金属イオン濃度へ対応する電導度より十分低い電導
度をしきい値として設定すれば、金属イオンにより固体
高分子形燃料電池の電力変換効率が低下することが確実
に防止される。

【００１５】請求項３記載の燃料電池装置は、請求項１
又は２記載の燃料電池装置において、前記排水手段によ
り循環水が排水されると、前記水循環手段へ循環水を補
給する給水手段を有するものである。

【００１６】上記構成の燃料電池装置によれば、排水手
段による循環水の排水と同時に、又は排水手段による循
環水の排水完了後に、給水手段により純水又は金属イオ
ンが除去された水を循環水として水循環手段へ給水する
ことにより、金属イオンの影響によって電力変換効率を
低下させることなく固体高分子形燃料電池を正常に駆動
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１８】（第１実施形態の構成）図１から図３には
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置が示されて
いる。なお、図２及び図３に示されている燃料電池は、
図４に基づいて説明した固体高分子形燃料電池１０と基
本的構成が共通しているので、対応する部材については
同一符号を付し詳細な説明を省略する。

【００１９】燃料電池装置３０は図１に示されるように
略直方体に形成された外装筐体３２を備えている。この
外装筐体３２の一側面には、起動／停止ボタン３４Ａが
設けられた操作盤３４及び開閉可能に支持された扉３６
が配置されると共に、操作盤３４の下方に排気部３８が
形成されている。この排気部３８には、外装筐体３２内
の排気ダクト（図示省略）へ連通した多数の通気穴が形
成されている。また外装筐体３２の下面には各コーナー
部にそれぞれキャスター３９が配置されており、これら
のキャスター３９により燃料電池装置３０の移動を容易
にしている。

【００２０】外装筐体３２内には、図２に示されるよう
に燃料電池４０等の電力発生に係る各種の部材が配置さ
れると共に、高圧の水素ガスが充填されたボンベ４２が
交換可能に収納されている。このボンベ４２は外装筐体
３２内のボンベ収納室に最大２本収納することができ、
扉３６を開放することにより交換可能になる。

【００２１】図２に示されるようにボンベ４２は手動バ
ルブ４４を備えており、この手動バルブ４４は水素供給
管４６により燃料電池４０のアノード側気室１４へ連結
されている。水素供給管４６には、配管途中にレギュレ
ータ４８，５０及び電磁開閉弁５２がそれぞれ直列的に
配置されており、１段目のレギュレータ４８は手動バル
ブ４４を通してボンベ４２から供給された高圧（１〜１
５０Ｋgf／ｃｍ² ）の水素ガスを１〜２Ｋgf／ｃｍ² 程
度まで減圧し、２段目のレギュレータ５０は、１段目の
レギュレータ４８により減圧された水素ガスを０．０５
Ｋgf／ｃｍ² 程度まで減圧する。電磁開閉弁５２は、駆
動電圧の印加時（オン時）には開状態になり、駆動電圧
の非印加時（オフ時）には閉状態になる。従って、電磁
開閉弁５２への駆動電圧の印加時にはレギュレータ４
８，５０により減圧された水素ガスがアノード側気室１
４へ供給され、電磁開閉弁５２への駆動電圧の非印加時
にはアノード側気室１４への水素ガスの供給が遮断され
る。一方、カソード側気室１６へはシロッコファン５４
により空気が供給される。

【００２２】外装筐体３２内には、図３に示されるよう
に燃料電池４０のアノード側気室１４へ循環水を給水す
るためのメインタンク５６と、このメインタンク５６へ
純水を補給するためのサブタンク５８とが配置されてお
り、メインタンク５６とサブタンク５８とは、ポンプ６
０及び電磁開閉弁６２が配置された給水管６４により連
結されている。ここで、サブタンク５８は装置外部から
補給された純水を貯めており、ポンプ６０が駆動し、か
つ電磁開閉弁６２が開になるとサブタンク５８内の純水
がメインタンク５６へ供給される。

【００２３】メインタンク５６は、図３に示されるよう
に給水管６６により燃料電池４０に連結されている。こ
の給水管６６には、配管途中にポンプ６８及びフィルタ
ー７０が配置されている。また燃料電池４０には上部に
４個の給水用継手管７６が配置され、下部に４個の排水
用継手管７８が配置されており、４個の給水用継手管７
６には電磁開閉弁７０の下流側において分岐した給水管
６６がそれぞれ接続されている。

【００２４】燃料電池４０の内部には、４個の給水用継
手管７６から供給された水をアノード側気室１４に供給
する給水回路（図示省略）及び、アノード生成水を排水
用継手管７８から排出する排水回路（図示省略）が設け
られている。ここで、本実施形態の燃料電池４０は単一
のケーシング内に複数のセルを収納しており、給水回路
は複数のセルへ均等に循環水が供給し、また排水回路は
燃料電池４０が傾いた状態でもセルの一部が水没しない
ようにセル内の循環水を何れの排水用継手管７８を通し
ても排水可能としている。また４個の排水用継手管７８
には、図３に示されるよう４本の排水管８０がそれぞれ
接続されており、排水用継手管７８から排出された水は
４本の排水管８０を通ってメインタンク５６内に回収さ
れる。

【００２５】メインタンク５６の底部には図３に示され
るように排水管８０が接続されており、メインタンク５
６は排水管８０は装置外部の排水口，汚水タンク等の排
水受入部（図示省略）へ連結されている。この排水管８
０の配管途中には、駆動電圧の印加時（オン時）には開
状態となり、駆動電圧の非印加時（オフ時）には閉状態
となる電磁開閉弁８２が配置されている。従って、開電
磁開閉弁８２のオン時には、排水管８０を通してメイン
タンク５６から排水受入部へ循環水が排水され、開電磁
開閉弁８２のオフ時にはメインタンク５６からの排水が
停止する。

【００２６】燃料電池４０は、水素ガス及び水がアノー
ド側気室１４へ供給される共に反応ガスである酸素を含
んだ空気がカソード側気室１６へ供給されることによ
り、電力負荷に応じた量の水素をアノード２０上でイオ
ン化し、この水素イオンをカソード２２上で空気中の酸
素及び外部回路を流れてきた電子と反応させて水を生成
すると共に直流の電気エネルギーを発生する。

【００２７】図２に示されるように、アノード側気室１
４はガス排出管９０によりメインタンク５６へ連結され
ており、メインタンク５６はニードル弁９２が配置され
たガス排出管９４により混合器９６へ連結されている。

【００２８】アノード側気室１４からは、アノード２０
上で反応しなかった水素ガス及び燃料ガス中の窒素，炭
酸ガス等の不純ガス（以下、これらを未反応ガスとい
う）がガス排出管９０を通してメインタンク５６内に貯
められている循環水の上部空間（気層Ａ）へ流入する。
メインタンク５６内ではアノード側気室１４から流入し
た未反応ガスから水分が除去され、この未反応ガスはガ
ス排出管９４を通って混合器９６へ流入する。ここで、
ニードル弁９２は所定の弁開度となるように予め調整さ
れており、アノード側気室１４内で不純ガスが濃化する
ことを防止するため燃料電池４０の駆動時に少量の未反
応ガスをアノード側気室１４から排出する。

【００２９】一方、カソード側気室１６は空気排出管９
８により混合器９６に連結され、この空気排出管９８の
配管途中にはシロッコファン１００の送気管が接続され
ている。従って、混合器９６には、アノード側気室１４
からの未反応ガスとカソード側気室１６及びファン１０
０からの空気とが流入する。混合器９６は、水素ガスを
含んだ未反応ガスと空気とを混合し、水素爆発を防止す
るため水素濃度が０．０１体積％以下となるように未反
応ガスを空気により希釈して排気ダクトへ放出する。こ
の排気ダクトへ放出された排気ガスは、外装筐体３２の
排気部３８から装置外部へ排出される。

【００３０】燃料電池４０の駆動時には、アノード側気
室１４からカソード側気室１６へ移動した水が空気と共
に混合器９６へ排出され、更にメインタンク５６から混
合器９６へ流入した未反応ガス中にも僅かに水分が残留
することから、メインタンク５６内の循環水は燃料電池
４０の駆動時間の増加と共に減少する。メインタンク５
６には水位センサ１０２が配置されており、この水位セ
ンサ１０２はメインタンク５６内の循環水が所定の水位
まで低下すると水位検出信号を制御装置１０４へ出力す
る。

【００３１】水位センサ１０２からの水位検出信号を受
けた制御装置１０４は、給水管６４の電磁開閉弁６２を
開にすると同時にポンプ６０を駆動してサブタンク５８
内の純水をメインタンク５６へ補充し、所定時間の経過
後に電磁開閉弁６２を閉とすると同時にポンプ６０を停
止する。この際、制御装置１０４は、メインタンク５６
内の循環水上に必ず気層Ａが残るように設定された水量
をメインタンク５６へ補充する。また、電磁開閉弁６２
の開／閉とポンプ６０の駆動／停止とを同時に行うこと
により、未反応ガスにより大気圧より高圧になったメイ
ンタンク５６からサブタンク５８への水の逆流を防止し
ている。

【００３２】燃料電池４０には、図２に示されるように
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６，ＤＣ／ＡＣインバータ１
０８及び交流出力端子１１０からなる電源供給回路が接
続され、この電源供給回路に対して並列となるように充
電回路１１２が接続されている。この充電回路１１２は
装置の電装部品へ電源を供給する２次電池１１４へ接続
されている。

【００３３】また制御装置１０４は図２に示されるよう
にタイマー１１６を内蔵しており、、このタイマー１１
６により水素供給管４６の電磁開閉弁５２を開とする駆
動時間を計時する。ここで、電磁開閉弁５２を開とする
時期は燃料電池４０が駆動して電気エネルギーを出力す
る時期と一致する。

【００３４】（第１実施形態の作用）上記のように構成
された本実施形態の燃料電池装置３０の動作及び作用に
ついて説明する。

【００３５】操作盤３４は、装置が運転停止している状
態で起動／停止ボタン３４Ａが押下されると制御装置１
０４へ起動信号を出力する。制御装置１０４は起動信号
を受けると装置の運転を開始して外部部装置への電源供
給を可能とする。制御装置１０４は装置運転時には水素
供給管４６の電磁開閉弁５２を開にして燃料電池４０へ
水素ガスを供給し、この水素ガスの供給開始に同期させ
てポンプ６８，ファン５４及びファン１００を駆動す
る。これにより、燃料電池４０が発生した直流電力はＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ１０６で所定の電圧に変換された
後、ＤＣ／ＡＣインバータ１０８で直流から交流１００
Ｖへ変換され、交流出力端子１１０へ送られる。そし
て、燃料電池４０は交流出力端子１１０に接続された外
部装置（図示省略）の電力消費に応じた直流出力を発生
する。ここで、本実施形態の燃料電池装置３０は外部か
らの電力供給が必要ない自己完結タイプとして構成され
ている。このため、充電回路１１２は燃料電池４０の余
剰電力により２次電池１１４充電し、起動時及び後述す
る水処理時に必要となる電力を常に２次電池１１４に貯
えておく。

【００３６】また装置が運転されている状態で起動／停
止ボタン３４Ａが押下されると、操作盤３４は制御装置
１０４へ停止信号を出力する。制御装置１０４は、操作
盤３４からの停止信号を受けると、電磁開閉弁５２を閉
にして燃料電池４０への水素ガスの供給を停止し、この
水素ガスの供給停止に同期させてポンプ６８，ファン５
４及びファン１００を停止させて装置運転を停止する。

【００３７】燃料電池装置３０では、前述したように燃
料電池４０の駆動時間の増加と共に循環水における金属
イオンが濃化する。本実施形態の燃料電池装置３０で
は、循環水における金属イオンにより燃料電池４０の電
力変換効率が低下することを防止するため、所定の周期
で燃料電池４０を循環する循環水を新しい水に交換する
水交換処理を実行する。

【００３８】次に、図５に基づいて循環水に対する水交
換処理を実行する場合の制御装置１０４による制御ルー
チンを説明する。ステップ２０２で操作盤３４からの起
動信号を受けて装置の運転を開始すると同時に、ステッ
プ２０４でタイマー１１６により燃料電池４０の駆動時
間を計時開始する。ここで、タイマー１１６は、装置運
転が停止された場合にも計時時間を記憶保持する不揮発
性メモリを備えており、リセット信号が入力しない限り
継続して駆動時間の累積値（以下、累積駆動時間とい
う）を計時する。ステップ２０６で、タイマー１１６に
より計時されている累積駆動時間が所定のしきい値に達
したか否かを判断する。

【００３９】ステップ２０６で累積駆動時間が所定のし
きい値未満であると判断された場合には、ステップ２０
８で操作盤３４から停止信号が入力したか否を判断し、
停止信号が入力したと判断した場合には、ステップ２１
０で装置運転を停止させる。またステップ２０８で停止
信号が入力していないと判断した場合には、ステップ２
０６へリターンする。

【００４０】一方、ステップ２０６でタイマー１１６に
より計時されている累積駆動時間が所定のしきい値に達
したと判断した場合には、ステップ２１２でタイマー１
１６へリセット信号を出力して累積駆動時間を０へリセ
ットし、ステップ２１４〜２１６で電磁開閉弁５２を閉
として燃料電池４０を駆動停止させ、水循環用ポンプ６
８を駆動停止させて燃料電池４０への水循環を停止させ
る。この燃料電池４０が駆動停止している期間には２次
電池１１４によりＤＣ／ＤＣコンバータ１０６へ外部負
荷に応じた直流電力が供給される。この後、ステップ２
１８で排水用の電磁開閉弁８２を開とし、メインタンク
５６内の循環水を排水管８０を通して装置外部の排水受
入部へ排水する。

【００４１】ステップ２２０で排水完了を判断すると、
ステップ２２２で電磁開閉弁８２を閉とし、ステップ２
２４で電磁開閉弁６２を開とすると同時にポンプ６０を
駆動してサブタンク５８からメインタンク５６へ純水を
供給する。ステップ２２６でメインタンク５６への給水
完了を判断すると、ステップ２２８で電磁開閉弁６２を
閉とすると同時にポンプ６０を駆動停止してサブタンク
５８からメインタンク５６への給水を停止する。ここ
で、ステップ２２０では、例えば水位センサ１０２がオ
ンしてからの経過時間又は水位センサ１０が既にオンし
ている場合には排水開始からの経過時間が所定の排水完
了時間へ到達したことにより排水完了を判断する。また
ステップ２２６では、例えば水位センサ１０２がオンし
てからの経過時間が所定の給水完了時間へ到達したこと
により給水完了を判断する。またメインタンク５６に底
部及び満水時の水位へ対応する位置に水位センサをそれ
ぞれ設け、これらの水位センサからの信号により排水及
び給水完了を判断するようにしてもよい。

【００４２】ステップ２３０でポンプ６８を駆動して燃
料電池４０への水循環を再開し、ステップ２３２で電磁
開閉弁５２を開として燃料電池４０を駆動した後にステ
ップ２０４へリターンする。

【００４３】図５に基づいて説明した本実施形態に係る
制御によれば、メインタンク５６から循環水を排水する
時期を規定する累積駆動時間のしいき値を適正値にする
ことにより、循環水における金属イオンが燃料電池４０
の電力変換効率を低下させる濃度になる前に循環水が装
置外部へ排出され、循環水の排水完了後にサブタンク５
８からメインタンク５６へ純水が自動的に供給されるの
で、循環水における金属イオンの影響によって電力変換
効率を低下させることなく燃料電池４０を正常に駆動で
きる。

【００４４】ここで、サブンタンク５８には純水が貯め
られており、メインタンク５６へはサブタンク５８から
純水が供給される。従って、メインタンク５６へ供給さ
れる水の金属イオン濃度の初期値は略一定であることか
ら、循環水における金属イオンが燃料電池４０の電力変
換効率を低下させる濃度となる累積駆動時間は実験的に
推定可能となる。本実施形態では、循環水が電力変換効
率を低下させる金属イオン濃度となる累積駆動時間より
十分短い時間をしきい値として設定している。具体的に
は、定格電力が１ｋＷの固体高分子形燃料電池３０にお
いてメインタンク５６の容量が２〜３Ｌである場合には
しきい値は５０時間程度に設定される。

【００４５】（第２実施形態の構成）図６には本発明の
第２の実施形態に係る燃料電池装置が示されている。な
お、第２の実施形態に係る燃料電池装置では、図１から
図３に基づいて説明した第１実施形態に係る燃料電池装
置３０と基本的に同一の部材についは同一符号を付して
詳細な説明を省略する。

【００４６】本実施形態の燃料電池装置１２０が第１実
施形態の燃料電池装置３０と異なる点はメインタンク５
６へ電導度センサ１２２が配置されていること、及び給
水管６４におけるポンプ６０と電磁開閉弁６２との間に
水処理装置１２４が配置されていることである。メイン
タンク５６には、図６に示されるように底部に電導度セ
ンサ１２４が配置されており、この電導度センサ１２２
は制御装置１０４へ配線されている。電導度センサ１２
２は、メインタンク５６に貯められた循環水の電導度を
検出し、電導度に対応する検出信号を制御装置１０４へ
出力する。ここで、電導度は比抵抗の逆数であることか
ら、電導度センサ１２２はメインタンク５６内へ挿入し
た一対の電極間に一定の電圧を印加し、その時に流れる
電流値により循環水の電導度を検出する。また水処理装
置１２４は、ポンプ６０によりサブタンク５８から供給
された水から金属イオンを除去し、この水を循環水とし
てメインタンク５６へ供給する。ここで、水処理装置１
２４はイオン交換樹脂が充填された収納容器（図示省
略）を備えており、この収納容器内へ循環水が通水され
ることにより、イオン交換樹脂のイオン交換反応により
循環水から陽イオンである金属イオンが除去する。本実
施形態ではイオン交換樹脂として粒状の陽イオン交換樹
脂（例えば、ポリスチレン等の母体合成樹脂に酸性水酸
基，カルボシル基等の酸性基が結合した高分子酸）を用
いる。

【００４７】（第２実施形態の作用）上記のように構成
された本実施形態の燃料電池装置１２０の動作及び作用
について説明する。

【００４８】燃料電池装置１２０では、第１実施形態の
燃料電池装置３０と同様に燃料電池４０の駆動時間の増
加と共に循環水における金属イオンが濃化する。本実施
形態の燃料電池装置１２０では、循環水における金属イ
オンにより燃料電池４０の電力変換効率が低下すること
を防止するため、電導度センサ１２２からの検出信号に
基づいてメインタンク５６内の循環水を装置外部へ排水
し、サブタンク５８からメインタンク５６へ給水する水
交換処理を実行する。尚、本実施形態では、給水管６４
におけるポンプ６０と電磁開閉弁６２との間に水処理装
置１２４が配置されていることから、サブタンク５８に
貯えられる水は必ずしも純水である必要はなく、非溶解
性の異物を含まず、かつ金属イオンが所定の濃度以下な
らば水道水等でもよい。

【００４９】次に、図７に基づいて循環水に対する水処
理を実行する場合の制御装置１０４による制御ルーチン
を説明する。ステップ２４２で操作盤３４からの起動信
号を受けて装置の運転を開始すると、ステップ２４４で
電導度センサ１２２により検出された循環水の電導度が
所定のしきい値以上であるか否かを判断する。ステップ
２４４で循環水の電導度が所定のしきい値未満であると
判断された場合には、ステップ２４６で操作盤３４から
停止信号が入力したか否を判断し、停止信号が入力した
と判断した場合には、ステップ２４８で装置運転を停止
させる。またステップ２４６で停止信号が入力していな
いと判断した場合には、ステップ２４４へリターンす
る。

【００５０】一方、ステップ２４６で循環水の電導度が
所定のしきい値以上であると判断した場合には、ステッ
プ２５２でタイマー１１６へリセット信号を出力して累
積駆動時間を０へリセットし、ステップ２５４〜２５６
で電磁開閉弁５２を閉として燃料電池４０を駆動停止さ
せ、ポンプ６８を駆動停止させて燃料電池４０への水循
環を停止させる。この燃料電池４０が駆動停止している
期間には２次電池１１４によりＤＣ／ＤＣコンバータ１
０６へ外部負荷に応じた直流電力が供給される。この
後、ステップ２５８で排水用の電磁開閉弁８２を開と
し、メインタンク５６内の循環水を排水管８０を通して
装置外部の排水受入部へ排水する。

【００５１】ステップ２６０で排水完了を判断すると、
ステップ２６２で電磁開閉弁８２を閉とし、ステップ２
６４で電磁開閉弁６２を開とすると同時にポンプ６０を
駆動してメインタンク５６へ水処理装置１２４により金
属イオンが除去された水を供給する。ステップ２６６で
メインタンク５６への給水完了を判断すると、ステップ
２６８で電磁開閉弁６２を閉とすると同時にポンプ６０
を駆動停止してサブタンク５８からメインタンク５６へ
の給水を停止する。ここで、ステップ２６０では、例え
ば水位センサ１０２がオンしてからの経過時間又は水位
センサ１０が既にオンしている場合には排水開始からの
経過時間が所定の排水完了時間へ到達したことにより排
水完了を判断する。またステップ２６６では、例えば水
位センサ１０２がオンしてからの経過時間が所定の給水
完了時間へ到達したことにより給水完了を判断する。ま
たメインタンク５６に底部及び満水時の水位へ対応する
位置に水位センサをそれぞれ設け、これらの水位センサ
からの信号により排水及び給水完了を判断するようにし
てもよい。

【００５２】ステップ２７０でポンプ６８を駆動して燃
料電池４０への水循環を再開し、ステップ２７２で電磁
開閉弁５２を開として燃料電池４０を駆動した後にステ
ップ２４４へリターンする。

【００５３】図７に基づいて説明した本実施形態に係る
制御によれば、メインタンク５６内の循環水の交換時期
を規定する電導度のしきい値を適正値に設定することに
より、循環水における金属イオンが燃料電池４０の電力
変換効率を低下させる濃度になる前に循環水が装置外部
へ排出され、循環水の排水完了後にサブタンク５８から
メインタンク５６へ金属イオンが除去された水が自動的
に供給されるので、循環水における金属イオンの影響に
よって電力変換効率を低下させることなく燃料電池４０
を正常に駆動できる。

【００５４】ここで、循環水の電導度と金属イオン濃度
とは一定の相関性を有しており、メインタンク５６へ配
置した電導度センサ１２２により循環水の電導度を検出
することにより、循環水の金属イオン濃度を精度よく推
定できる。本実施形態では、電力変換効率を低下させる
金属イオン濃度へ対応する電導度より十分小さい電導度
しきい値として設定している。具体的には、燃料電池４
０の電力変換効率を低下させる金属イオン濃度に対応す
る電導度は約３０μＳ／cmであることから、例えば、電
導度のしきい値は２０μＳ／cmに設定する。従って、本
実施形態の燃料電池装置１２０によれば、循環水の電導
度が４０μＳ／cmとなった時に水処理が行われるので、
金属イオン濃度が十分低い時期に水処理を行うことや、
金属イオン濃度が２０μＳ／cm以上になっても水処理が
行われないことが確実に防止される。一方、サブタンク
５８へ貯えておく水は、水処理装置１２４による１回の
水処理により数μＳ／cm、好ましくは１μＳ／cm以下に
できる金属イオン濃度であればよい。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
装置によれば、固体高分子形燃料電池を循環する循環水
における金属イオンを低濃度に維持できるので、金属イ
オンの影響によって固体高分子形燃料電池の電力変換効
率が低下することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の外
観を示す斜視図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の構
成を示すブロック図である。

【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置にお
ける燃料電池及び、この燃料電池に対する給排水経路を
示す斜視図である。

【図４】燃料電池装置に用いられる固体高分子形燃料電
池の構成を示す断面図である。

【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置にお
いて循環水の交換を実行する場合の制御ルーチンを示す
フローチャートである。

【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の構
成を示すブロック図である。

【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置にお
いて循環水の交換を実行する場合の制御ルーチンを示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１０ 燃料電池（固体高分子形燃料電池） １２ 電極接合体 １４ アノード側気室 １６ カソード側気室 １８ 電解質膜 ２０ アノード ２２ カソード ３０ 燃料電池装置 ４０ 燃料電池（固体高分子型燃料電池） ５６ メインタンク（水循環手段） ５８ サブタンク（給水手段） ６０ ポンプ（給水手段） ６２ 電磁開閉弁（給水手段） ５６ メインタンク（水循環手段） ６６ 給水管（水循環手段） ６８ ポンプ（水循環手段） ８０ 排水管（排水手段） ８２ 電磁開閉弁（排水手段） １０４ 制御装置（制御手段） １１６ タイマー １２０ 燃料電池装置 １２２ 電導度センサ（水質測定手段） １２４ 水処理装置（給水手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガス中の水素を水の介在の基に空気
   中の酸素と反応させて電気エネルギーを発生する固体高
   分子形燃料電池と、 前記固体高分子形燃料電池の給水部及び排水部に接続さ
   れ固体高分子形燃料電池へ水を循環させる水循環手段
   と、 開状態では前記水循環手段から循環水を排水し、閉状態
   では循環水の排水を停止する排水手段と、 前記固体高分子形燃料電池が駆動された駆動時間の累積
   値が所定のしきい時間へ到達した場合に、前記排水手段
   を開状態として循環水を排水させた後、前記排水手段を
   閉状態に復帰させる制御手段と、 を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 燃料ガス中の水素を水の介在の基に空気
   中の酸素と反応させて電気エネルギーを発生する固体高
   分子形燃料電池と、 前記固体高分子形燃料電池の給水部及び排水部に接続さ
   れ固体高分子形燃料電池へ水を循環させる水循環手段
   と、 開状態では前記水循環手段から循環水を排水し、閉状態
   では循環水の排水を停止する排水手段と、 前記固体高分子形燃料電池を循環する循環水の電導度を
   測定する水質測定手段と、 前記水質測定手段により所定のしきい値以上の電導度が
   測定された場合に、前記排水手段を開状態として循環水
   を排水させた後、前記排水手段を閉状態に復帰させる制
   御手段と、 を有することを特徴とする燃料電池装置。
3. 【請求項３】 前記排水手段により循環水が排水される
   と、前記水循環手段へ循環水を補給する給水手段を有す
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装
   置。