JP2008171691A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の導電率が高くなるのを効率的に抑える。
【解決手段】反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２と、該燃料電池２を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路４１と、冷媒を送り出す冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却する冷却器４３と、該冷却器４３をバイパスするバイパス流路４４とを備えている燃料電池システム１の当該冷媒流路４１にイオン交換樹脂が設けられている。イオン交換樹脂は冷媒の導電率を下げるためのものであり、例えば球状の樹脂収容フィルタ内に収容されている。樹脂収容フィルタの流動を防止する流動防止部材を備えていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を冷却するための冷媒配管系の改良に関する。

燃料電池システムとして、冷媒を流す冷媒流路、燃料電池から排出される冷媒を冷却するラジエータなどで構成される冷媒配管系を備え、冷媒を燃料電池に流して当該燃料電池を冷却するというものがある。冷媒は、燃料電池内部の冷媒用マニホールドを経てセルの冷媒流路を流れることによって各セルを冷却し、別の冷媒用マニホールドを経て当該燃料電池の外部へと流れ出る。また、ラジエータをバイパスするバイパス流路、ラジエータや当該バイパス流路における冷媒の流量を設定する切替え弁を備え、冷媒流量を適宜制御しつつ燃料電池を冷却できるようにしたものもある。

ところで、冷媒流路に冷媒（例えば冷却水）を流すと当該冷媒流路を構成している材料から徐々にイオンが溶出し、当該溶出したイオンが冷媒の導電率を高めることがある。このように冷媒の導電率が高くなると燃料電池の発電効率が低下してしまうので、従来、これを回避するための手段としてイオン交換樹脂からなるイオン交換器が利用されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−２９７７８４号公報

しかしながら、冷媒を送り出す冷却ポンプの回転数が低いときは当該イオン交換器を流れる冷媒の流量が十分でなく、導電率を十分に下げることが難しい。冷媒の導電率を下げるため冷却ポンプを高回転で動作させるという手段も採りうるが、これだと導電率を十分に下げるまでに時間を要する。また、燃料電池を搭載した車両（燃料電池車）に関しては、車両放置時間（放置日数）に応じて冷媒の導電率が高くなるから、当該車両の絶縁抵抗が低くなり場合によってはすぐに再起動できないことも起こりうる。

そこで、本発明は、冷媒の導電率が高くなるのを効率的に抑えることを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。冷媒の導電率を低く維持するためにはイオン交換器に当該冷媒を一定量以上流す必要がある。ところが、一般に、上述したイオン交換器は冷却配管系のバイパス流路に設けられており、燃料電池やラジエータに対して並列に配置された状態となっている。このような燃料電池システムの場合、燃料電池を冷却するために必要な冷媒流量は当該燃料電池の状態に応じて決まっていることから、例えば冷却ポンプが低回転で動作しているような場合には冷媒の導電率を下げるに足る流量の冷媒をイオン交換器に流すことができない場合がある。これらの点に着目して検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路と、前記冷媒を送り出す冷却ポンプと、前記燃料電池から排出される前記冷媒を冷却する冷却器と、該冷却器をバイパスするバイパス流路と、を備えている燃料電池システムにおいて、前記冷媒流路にイオン交換樹脂が設けられていることを特徴としている。前記イオン交換樹脂は前記冷媒の導電率を下げるためのイオン交換手段として機能する。

かかる燃料電池システムにおいて、イオン交換樹脂はバイパス流路にではなく冷媒流路自体に設けられているため、冷媒が流れている限りは仮に冷却ポンプの動作が低回転であってもイオン交換樹脂を当該冷媒が流れ続けることになる。したがって、冷媒の導電率が高くなるのを効率的に抑止して常時低い状態に維持することが可能である。また、この場合には例えばバイパス流路に設けられていた従来のイオン交換器を廃止する（省略する）ことが可能になるし、イオン交換のため当該イオン交換器に多くの冷媒を送り込む必要もなくなることから燃料電池への冷媒流量を増加させることができるようになる。さらには、燃料電池車を長期にわたり放置しておいて冷媒の導電率が上昇してしまったという場合にも、イオン交換樹脂に冷媒を常時流すことが可能な本発明の燃料電池システムによれば導電率を低下させるまでに要する動作時間を短縮することができる。

このような燃料電池システムにおいて、前記イオン交換樹脂が樹脂収容フィルタ内に収容されていることが好ましい。かかる樹脂収容フィルタが例えば球状に形成されているものである。また、前記樹脂収容フィルタの流動を防止する流動防止部材を備えた燃料電池システムによれば、当該流動防止部材が設けられた所定の領域内にイオン交換樹脂を保持することができる。

本発明によれば、冷媒の導電率が高くなるのを効率的に抑えることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１、図２に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２と、該燃料電池２を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路４１と、冷媒を送り出す冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、該ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、を備え、さらに冷媒流路４１にはイオン交換樹脂を備えているというものである。

以下においては、まず燃料電池システム１の全体構成について説明し、その後、冷媒流路４１に設けられたイオン交換樹脂やその設置形態などについて説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は例えば高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック構造のセル積層体（セルスタック）を有している。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れるガス供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。ガス供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れるガス供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）をガス供給流路２２の合流点Ａに戻すための水素オフガス循環ライン（以下、循環路ともいう）２３と、循環路２３内の水素オフガスをガス供給流路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、ガス供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。

ガス供給流路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、ガス供給流路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。

排出路２５には、遮断弁であるパージ弁２９が設けられている。パージ弁２９が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁２９の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ６５，６６，６７は、それぞれ、対応するモータ１４ａ，２４ａ，４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ６５，６６，６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１４ａ，２４ａ，４２ａに供給する。補機インバータ６５，６６，６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１４ａ，２４ａ，４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

続いて、本実施形態の燃料電池システム１に設けられているイオン交換樹脂やその設置形態などについて説明する。上述したように、本実施形態の燃料電池システム１は、冷媒の導電率を下げる手段としてのイオン交換樹脂を冷媒流路４１に備えているものである。

イオン交換樹脂はイオン交換性の基をもつ高分子電解質からなる網状構造の樹脂であり、イオン交換によって吸着したイオンを樹脂の表面だけでなく内部にも入り込ませる。例えば冷媒配管系５の配管部品等から溶出した不純物中には金属イオンやフッ素イオンが含まれている場合があり、これらイオンは金属の腐食や燃料電池１の機能低下を招くおそれがあるが、このようなイオン交換樹脂によればイオンを吸着して除去することが可能である。また、このようにイオンを吸着して除去することにより当該冷媒の導電率を低く抑えることができるから、燃料電池１の発電効率が低下するのを抑止することが可能である。

ここで、本実施形態においてはイオン交換樹脂を樹脂収容フィルタ４６内に収容した状態とし、冷媒流路４１には複数の樹脂収容フィルタ４６を設けることとしている（図２参照）。樹脂収容フィルタ４６は例えば球状に形成されており、外殻部分を構成するフィルタメッシュの内部にイオン交換樹脂を収容した構造となっている。

また、冷媒流路４１中にはこのような樹脂収容フィルタ４６が複数設けられている（図２参照）。なお、樹脂収容フィルタ４６が設けられる位置は特に限定されることがなく、バイパス流路４４以外であれば冷却ポンプ４２やラジエータ４３の前段であると後段であるとを問わない。

さらに、複数の樹脂収容フィルタ４６が設けられる領域には、これら樹脂収容フィルタ４６が所定の領域外に流動するのを防止するための流動防止部材としてトラップ４７が設けられている（図２参照）。トラップ４７は樹脂収容フィルタ４６を流動させずに冷媒（冷却水）を通過させる例えばフィルタで構成されている。例えば本実施形態においては樹脂収容フィルタ４６が設けられる領域の両端にそれぞれトラップ４７を設けている（図２参照）。これらトラップ４７によれば所定の領域内にイオン交換樹脂を保持することが可能である。

このような構成の燃料電池システム１によれば、冷媒の導電率が高くなるのを効率的に抑えることができる。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１においてはイオン交換樹脂をバイパス流路４４にではなく冷媒流路４１自体に設けているから、冷却ポンプ４２の動作が低回転で流量が少なくなっていても冷媒が流れている限りはイオン交換樹脂に当該冷媒を流し続けることができる。したがって、冷媒の導電率が高くなるのを効率的に抑止し、常時低い状態に維持することが可能である。また、この燃料電池システム１によれば、イオン交換のために多くの冷媒を（例えばイオン交換器などに）送り込む必要もなくなることから燃料電池２への冷媒流量を増加させることも可能になる。さらには、燃料電池車を長期にわたり放置しておいて冷媒の導電率が上昇してしまったという場合にも、冷媒流路４１に設けられたイオン交換樹脂に冷媒を常時流すことが可能であるから導電率を低下させるまでに要する動作時間を短縮することができる。したがって、当該燃料電池車において始動（ＩＧオン）に要する時間を短縮してより迅速に起動することが可能となる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では球状に形成された樹脂収容フィルタ４６を例示したがこれはイオン交換に好適な形状の一例に過ぎず、この他の形状としても構わないことはいうまでもない。

本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムに設けられた樹脂収容フィルタおよびトラップを示す冷媒流路の断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、４１…冷媒流路、４２…冷却ポンプ、４３…ラジエータ（冷却器）、４４…バイパス流路、４６…樹脂収容フィルタ、４７…トラップ（流動防止部材）

Claims (5)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒流路と、前記冷媒を送り出す冷却ポンプと、前記燃料電池から排出される前記冷媒を冷却する冷却器と、該冷却器をバイパスするバイパス流路と、を備えている燃料電池システムにおいて、
   前記冷媒流路にイオン交換樹脂が設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記イオン交換樹脂は前記冷媒の導電率を下げるためのものであ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。
3. 前記イオン交換樹脂が樹脂収容フィルタ内に収容されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記樹脂収容フィルタが球状であ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。
5. 前記樹脂収容フィルタの流動を防止する流動防止部材を備えていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。

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