JP2016534507A - 冷却液の浄化 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタックを備える燃料電池システムが開示される。オゾン発生装置は、燃料電池システムにおいて冷却液にオゾンを導入するように構成される。脱イオン化装置が、燃料電池スタックに連結される。バイパス管路が、脱イオン化装置と並列に配設される。コントローラは、オゾン発生装置の動作状態に基づいて、脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通る燃料電池スタックへの冷却液の流れを制御するように構成される。

Description

本発明は、スタック構造で配置される電気化学燃料電池に関し、具体的には、そのような燃料電池スタックの冷却システムに関する。具体的には、これは、燃料電池システム、燃料電池システムの冷却液アセンブリ、及び燃料電池システムを含む車両に関する。

従来的な電気化学燃料電池は、一般的にはいずれも気体流の形態にある燃料と酸化剤とを、電気エネルギーと反応生成物とに変換させる。水素と酸素とを反応させるための一般的な種類の電気化学燃料電池は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）としても知られる高分子イオン輸送膜を、膜電極接合体（ＭＥＡ）内に備え、燃料と空気とが膜のそれぞれの側面上を通過する。プロトン（すなわち、水素イオン）は、膜を通して伝導され、燃料電池のアノードとカソードとを接続する回路を通して伝導される電子によって均衡がとられる。利用可能な電圧を増加させるために、電気的に直列に配設されるいくつかのＭＥＡを備えるスタックが形成される。各ＭＥＡには、別個のアノード及びカソード流体流路が提供される。アノード及びカソード流体流路は、それぞれ、燃料及び酸化剤を膜に送達する。燃料電池スタックは、典型的に、スタックのいずれかの末端でエンドプレートによって共に接合される、多数の個別の燃料電池プレートを備えるブロックの形態にある。

燃料と酸化剤との反応により、熱、ならびに電力が発生するため、燃料電池スタックは、動作温度に到達するとすぐに、燃料電池への損傷を回避するために、冷却する必要がある。冷却は、アノード流体流路（アノードを水和させるように機能する）及び／または反応物質である水と合わされるカソード流体流路のいずれかでスタック内の個々のセルに冷却液（水等）を送達することによって、少なくとも部分的に達成され得る。いずれの場合も、燃料電池の蒸発冷却が生じ得る。

典型的な配設において、冷却水は、燃料電池スタックのアノードまたはカソード流体流路に注入される。冷却水は、非常に純粋でなければならない。汚染された冷却水が燃料電池スタックに導入されると、汚染物質は燃料電池スタックの性能に多大な影響を及ぼし得、スタック内の構成要素を劣化させ得る。汚染物質は、無機物（金属イオン等）及び有機物（有機汚染物質分子及び細菌／微生物等）であり得る。したがって、汚染物質を除去するために、水が燃料電池スタックに入る前に水を処理することが有益である。

冷却液を清浄化する１つの手段は、冷却液を、望ましくないイオンを冷却液から除去するように機能する脱イオン化装置に通すことである。そのようなイオンは、そうでなければ、例えば、高分子電解質との相互作用によって、燃料電池スタックに有害な影響を及ぼし得る。脱イオン化装置は、典型的に、イオン交換樹脂を（例えば、ビーズとして）含有し、冷却水がこれを通過し得る。燃料電池スタックにとって有害である冷却液中のイオンが、それほど有害でないイオンと交換される。

冷却液を清浄化する別の手段は、オゾンを使用することである。オゾンは強力な消毒剤であり、これを用いて、細菌／微生物を攻撃及び分解し、微生物の成長を抑制することによって、汚染された冷却水を清浄化することができる。

オゾンは、水の消毒に理想的であるが、イオン交換樹脂と接触すると、その樹脂を分解することになる。したがって、燃料電池内の冷却水を浄化するためにオゾン及び脱イオン化装置の使用を組み合わせることは、現在のところ可能ではない。樹脂の劣化は、イオン交換の効率の低下をもたらし得、オゾン分解が生じない場合よりも多い頻度で樹脂の取り替えを必要とし得る。

一態様によると、本発明は、燃料電池スタックと、燃料電池システムにおいて冷却液にオゾンを導入するように構成されるオゾン発生装置と、燃料電池スタックに連結される脱イオン化装置と、脱イオン化装置と並列して配設されるバイパス管路と、コントローラと、を備える、燃料電池システムを提供する。コントローラは、オゾン発生装置の動作状態に基づいて、脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通る燃料電池スタックへの冷却液の流れを制御するように構成される。

有利なことに、バイパスは、冷却液が脱イオン化装置を通過することなく（また可能性としては損傷することなく）燃料電池スタックに到達するための代替的な経路を提供する。

コントローラは、冷却液が、冷却液中のオゾンのレベルが所定の閾値を上回ると判定される場合にはバイパス管路を通過するように、そして冷却液が、冷却液中のオゾンのレベルが所定の閾値を下回ると判定される場合には脱イオン化装置を通過するように、構成され得る。

コントローラは、冷却液が、オゾン発生装置が冷却液中にオゾンを導入するオゾン発生期間及びオゾン分解期間の間はバイパス管路を通過するように、燃料電池スタックへの冷却液流を制御するように構成され得る。有利なことに、冷却液は、オゾンが冷却液中に導入されている間、及び冷却液中にもはやオゾンは導入されていないが、依然として冷却液中に存在し、分解している間には、バイパス管路を介して（脱イオン化装置を回避して）燃料電池スタックに供給され得る。

コントローラは、オゾン発生期間及びオゾン分解期間以外は冷却液が脱イオン化装置を通過するように、燃料電池スタックへの冷却液流を制御するように構成され得る。したがって有利なことには、オゾンのレベルが好適に安全なレベルにあるとき（オゾン発生期間及びオゾン分解期間以外）には、燃料電池スタックへの経路途中でイオン交換のために脱イオン化装置を通過することができる。

オゾン分解期間は、冷却液中のオゾンが閾値レベルを下回るオゾンレベルまで分解される期間であり得る。この期間は、固定であり得るか、またはコントローラによって決定され得る。

オゾン分解期間は、オゾン発生期間の持続期間（すなわち、オゾン発生装置の動作期間の持続期間）から決定され得る。例えば、ある特定の動作条件下において、冷却液中のオゾンのレベルは、オゾン発生期間の関数を含むある期間（オゾン分解期間）の後に、閾値レベル未満となる。これは、特定のオゾン発生期間に対してオゾン分解期間が何であり得るかを決定する単純な手段を提供し得る。

コントローラは、冷却液を脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通して誘導するように弁の位置を制御することによって、燃料電池への冷却液流を制御するように構成され得る。

燃料電池システムは、脱イオン化装置及びバイパス管路を介して燃料電池スタックに連結される冷却液リザーバを備え得る。冷却液リザーバは、オゾンを含有する冷却液を受容するように構成され得る。したがって有利なことには、オゾン発生装置は、オゾンを発生させ、このオゾンを、冷却液レザーバに貯蔵された冷却液に導入し、冷却液をオゾン処理することができる。いくつかの実施形態において、オゾン発生装置は、冷却液リザーバに対して外部であり、そこに連結され得る。いくつかの実施形態において、オゾン発生装置は、冷却液リザーバ内に含まれ得る。

コントローラは、オゾン発生装置に、冷却液中にオゾンを周期的に発生させるように構成され得る。オゾン導入の周期性は、いくつかの実施形態において、１つ以上の動作条件に従って決定され得る。

コントローラは、オゾン発生装置に、冷却液中の細菌レベル、冷却液レベル、冷却液温度、冷却液圧力、燃料電池スタック動作パラメータ、スタック電圧、燃料電池システムにおける燃料のレベル、及び燃料電池システムにおける酸化剤のレベルのうちの１つ以上に基づいて、冷却液中にオゾンを動的に発生させるように構成され得る。有利なことに、オゾンは、燃料電池システムの動作条件に従って、すなわち、現在の燃料電池システムの動作に応答して、冷却液中に導入され得る。したがって、特定のパラメータが、冷却液中のオゾンのレベルの増加が冷却液を清浄化するのに有益であり得ることを示す場合、燃料電池システムは、冷却液中に導入されるオゾンの量を増加させることによって、この指示に応答し得る。

冷却液に導入されるオゾンの量が増加すると、コントローラは、それに応じて、冷却液が、より長い期間バイパス管路を通って流れ、より短い期間脱イオン化装置を通って流れるように、冷却液の流れを制御し得る。対照的に、冷却液に導入されるオゾンの量が減少すると、コントローラは、それに応じて、冷却液がより短い期間バイパス管路を通って流れ、より長い期間脱イオン化装置を通って流れるように、冷却液の流れを制御し得る。

冷却液は、水、例えば、精製水または脱イオン水であり得る。
コントローラは、燃料電池スタックからの冷却液の流れが脱イオン化装置を通過するのを防ぐように、脱イオン化装置と燃料電池スタックとの間に位置付けられる逆止弁の位置を制御することによって、燃料電池スタックへの冷却液流を制御するように構成され得る。

コントローラは、燃料電池スタックからの冷却液の流れがバイパス管路を通過するのを防ぐように、バイパス管路と燃料電池スタックとの間に位置付けられる逆止弁の位置を制御することによって、燃料電池への冷却液流を制御するように構成され得る。

燃料電池システムは、冷却液が燃料電池スタックに到達する前に冷却液を照射するように構成される紫外線光源を備え得る。

オゾン発生装置は、コロナ放電法、紫外線オゾン生成、冷プラズマ法、または電解式オゾン発生によりオゾンを生成し得る。

第１の態様のオゾン発生装置、脱イオン化装置、バイパス管路、及びコントローラは共に、燃料電池のための冷却液処理アセンブリ／デバイスを形成し得る。

別の態様によると、本発明は、燃料電池システムのための冷却液アセンブリを提供し、この冷却液アセンブリは、
冷却液にオゾンを導入するように構成されるオゾン発生装置と、
燃料電池スタックに連結されるように構成される脱イオン化装置と、
脱イオン化装置と並列に配設されるバイパス管路と、
オゾン発生装置の動作状態に基づいて、脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通る燃料電池スタックへの冷却液の流れを制御するように構成される、コントローラと、を備える。

冷却液アセンブリは、燃料電池スタックと組み合わされると、燃料電池システムの一部を形成し得る。したがって、本発明の第１の態様の任意の特性は、本発明のこの態様にも同様に適用される。

別の態様によると、本発明は、本明細書に記載される燃料電池システムを備える車両を提供する。

これより本発明の実施形態を、例として、また添付の図面への参照により、説明する。

燃料電池スタック、冷却液リザーバ、オゾン発生装置、脱イオン化装置、バイパス管路、及びコントローラを備え、冷却液流が脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通して誘導される、燃料電池システムの概略図を示す。 燃料電池スタック、冷却液リザーバ、オゾン発生装置、脱イオン化装置、バイパス管路、及びコントローラを備え、冷却液流が脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通して誘導される、燃料電池システムの概略図を示す。 フィルタ、ポンプ、逆止弁、流量計、ならびに圧力及び温度センサを備える、例示的な燃料電池システムの概略図を示す。 紫外線光源を備える例示的な燃料電池システムの概略図を示す。 オゾン発生装置の動作状態、バイパス管路の動作状態、脱イオン化装置の動作状態、冷却液の伝導性、及び冷却液中の細菌レベルの時間に対する例示的な概略プロットを示す。

以下に記載される種々の実施形態は、燃料電池スタック１０２、冷却液リザーバ１１０、オゾン発生装置１１４、脱イオン化装置１０４、バイパス管路１１６、及びコントローラ１０６を備え、冷却液流が脱イオン化装置１０４またはバイパス管路１１６のいずれかを通して誘導される。コントローラ１０６は、オゾン発生装置１１４の動作状態に基づいて、脱イオン化装置１０４またはバイパス管路１１６のいずれかを通る燃料電池スタック１０２への冷却液の流れを制御するように構成される。

以下の考察は、「冷却液」という用語を使用する。当業者であれば、水、特に精製水または脱イオン水が、好適な冷却液として使用され得るが、実施形態が、必ずしも好適な冷却液として水を使用することに制限されないことを理解するであろう。

本明細書に記載される実施形態は、オゾン及び脱イオン化装置の両方を使用する燃料電池システムにおける冷却液の清浄化を提供する。オゾンは、冷却液から細菌／微生物を減少させることによって冷却液を消毒するために使用され得る。脱イオン化は、燃料電池スタックの動作に有害な影響を及ぼし得る不要なイオンを冷却液から除去するために使用され得る。したがって、本発明は、有利なことに、複数の冷却液清浄プロセスを行うこと、すなわち、オゾン及び脱イオン化装置を使用し、同時に脱イオン化装置内でオゾンがイオン交換樹脂と接触する可能性を確実に小さくするか、またはゼロにすることを可能にすることによって、改善された燃料電池スタックアセンブリを提供する。オゾンは、本来、樹脂を分解し、冷却液から不要なイオンを除去する際の脱イオン化装置の有効性を低減させ得る。

本明細書に開示される実施形態は、脱イオン化装置に言及する。この用語は、燃料電池スタックにとって有害であり得るイオンと燃料電池スタックにとってそれほど有害でないイオンとの交換によって、冷却液を清浄化するように構成される、あらゆる脱イオン化装置を包含することが意図される。例えば、イオン交換樹脂または他のイオン交換機序、例えば脱イオン化カラムを備える任意の好適な脱イオン化装置が、使用され得る。

図１ａ及び１ｂは、本発明の実施形態による燃料電池スタック１０２を備える燃料電池システム１００の概略側面図を示す。システム１００は、燃料電池システム１００において冷却液中にオゾンを導入するように構成される、オゾン発生装置１１４を備える。オゾン発生装置１１４は、この例では、冷却液リザーバ１１０に対して外部に位置付けられ、そこに連結されており、この冷却液リザーバ１１０が、次いで冷却液管路１０８を介して脱イオン化装置１０４及びバイパス管路１１６に連結されている。バイパス管路１１６は、冷却液が、脱イオン化装置１０４を通過することなく冷却液リザーバ１１０から燃料電池スタック１０２へと移動することができるように、脱イオン化装置１０４を迂回する。他の例では、オゾン発生装置１１４は、燃料電池システム内の別の場所、例えば、冷却液リザーバ１１０内に位置付けられてもよい。

脱イオン化装置１０４及びバイパス管路１１６は、燃料電池スタック１０２に並列して連結される。冷却液リザーバ１１０から燃料電池スタック１０２への冷却液の流れは、脱イオン化装置１０４またはバイパス管路１１６のいずれかを介する。冷却液流は、冷却液管路１０８における分岐部に位置する弁１１８を使用して誘導される。弁１１８は、コントローラ１０６によって制御される。弁１０８は、冷却液の流れを冷却液管路１０８から脱イオン化装置１０４へと誘導する第１の位置と、冷却液の流れを冷却液管路１０８からバイパス管路１１６へと誘導する第２の位置と、を有する。

図１ａは、冷却液が冷却液リザーバ１１０から脱イオン化装置１０４を通り、バイパス管路１１６を通らずに、燃料電池スタック１０２へと流れるように、弁が第１の位置にあることを示す。図１ｂは、冷却液が冷却液リザーバ１１０からバイパス管路１１６を通り、脱イオン化装置１０４を通らずに、燃料電池スタック１０２へと流れるように、弁が第２の位置にあることを示す。

コントローラ１０６は、冷却液リザーバ１１０から燃料電池スタック１０２への冷却液の流れを制御するように構成される。流路は、オゾン発生装置１１４の動作状態に基づいて決定される。コントローラ１０６は、冷却液中に（所定の閾値を上回る）オゾンが存在する場合、オゾン処理された冷却液がバイパス管路１１６を通り、脱イオン化装置１０４を通らずに移動するように、弁１１８の位置を制御する。冷却液中にオゾンが存在しない（またはオゾンのレベルが所定の閾値を下回る）場合、冷却液は、脱イオン化装置１０４を通り、バイパス管路１１６を通らずに移動する。したがって、本明細書に記載される実施形態は、オゾン及び脱イオン化の両方を使用した冷却液の浄化という利点を提供し、同時に、そうでなければ脱イオン化装置１０４においてイオン交換樹脂を劣化させ得るオゾンを含有する冷却液を脱イオン化装置１０４から離れて誘導することを提供する。

コントローラ１０６は、冷却液を脱イオン化装置１０４またはバイパス管路１１６のいずれかを通して誘導するように弁１１８の位置を制御することによって、燃料電池スタック１０２への冷却液流を制御するように構成される。この例において、コントローラ１０６は、冷却液が、オゾン発生期間及びオゾン分解期間の間にはバイパス管路１１６を通過するように、また冷却液が、オゾン発生期間及びオゾン分解期間以外は脱イオン化装置１０４を通過するように、燃料電池スタック１０２への冷却液流を制御するように構成される。これは、図４を参照してより詳細に説明される。

コントローラは、オゾン発生装置１１４を制御するように構成され得、接続１２０を介してオゾン発生装置１１４にオゾン発生装置１１４の入切を切り替える信号を送信し得る。切り替えは、周期的にか、または燃料電池システムの１つ以上の動作パラメータに応じて動的に行われ得る。例えば、オゾン発生装置１１４は、１０分間スイッチが入れられ、その後５０分間スイッチが切られ、その後１０分間再びスイッチが入れられる等であり得る。

オゾン発生期間は、オゾン発生装置１１４が冷却液中にオゾンを発生させる（すなわち、オゾン発生装置１１４のスイッチが入っている）期間である。オゾン分解期間は、冷却液中のオゾンが（酸化により）分解する期間である。オゾン分解期間は、オゾン分解期間の終了時に、オゾンの量が許容される閾値レベルを下回ったままであるような期間を有し得る。オゾン発生装置１１４は、オゾン分解期間中はスイッチが切られているが、オゾンは、オゾン発生装置１１４のスイッチが切られた後一定期間、依然として冷却液中に存在するであろう。オゾンのレベルは、オゾン分子の分解を通じて時間とともに低下するであろう。

オゾン分解期間は、オゾン発生期間に基づいて固定される期間であり得る。例えば、オゾン発生装置１１４が１時間毎に１０分間スイッチが入れられる場合、オゾン分解時間は１５分と決定されてもよく、この１５分間の期間の後、冷却液中に残存するオゾンのレベルは、冷却液がオゾンの存在に起因するイオン交換樹脂の著しい劣化を伴うことなく脱イオン化装置を通過し得るのに十分に低くなる。この例では、弁１１８は、冷却液が２５分間（１０分間のオゾン発生期間に続いて、１５分間のオゾン分解期間）バイパス管路１１６を通して誘導されるように、図１ｂに示される第２の位置にある。弁１１８は、次いで、冷却液が３５分間脱イオン化装置１０４を通して誘導されるように、図１ａに示される第１の位置へと位置を移動させるであろう。この１時間のサイクルの後、弁１１８は、第１の位置へと戻り、１時間毎のサイクルが繰り返される。冷却流誘導するこのような固定サイクル１１４は、いずれの燃料電池システム動作パラメータにも依存しないため、冷却流の静的制御と見なされ得る。

他の例では、オゾン分解期間は、図２に関連して説明されるように、冷却液温度等の１つ以上の他の要因に基づいて決定され得る。オゾン発生期間及び／またはオゾン分解期間、ならびにしたがって冷却液流路は、燃料電池システムの動作に応じてコントローラ１０６によって調節され得る。これは、脱イオン化装置１０４またはバイパス管路１１６を通る冷却液流路が、コントローラ１０６によって受信される燃料電池システムの動作パラメータに応じて臨機応変に決定されるため、冷却液流の動的制御と見なされ得る。

図２は、図１ａ及び１ｂに示されるものを踏まえた燃料電池システム１００の例示的な実施形態の概略側面図を示す。同じ参照番号が、同様の部分に使用されている。システム１００は、冷却液リザーバ／貯水槽１１０に連結されるオゾン発生装置１１４を備える。貯水槽１１０は、冷却液管路１０８においてフィルタ１２８、ポンプ１２６、及び流量計１３０を介して脱イオン化装置１０４及びバイパス管路１１６に連結される。

フィルタ１２８は、例えば、死細菌等の有機汚染物質を除去することによって、冷却液を、それが燃料電池スタック１０２に到達する前に濾過するために使用され得る。フィルタ１２８は、例えば、細菌の残骸をフィルタ除去し、それが脱イオン化装置１０４に入るのを防ぐために、脱イオン化装置１０４及び燃料電池スタック１０２の上流に位置付けられる。ポンプ１２６は、冷却液を冷却液リザーバ１１０から燃料電池スタック１０２にポンプで送るために使用され得、この例では、コントローラ１０６によって制御される。流量計１３０は、コントローラにフィードバックを提供し、冷却液路１０８内の冷却液の流量を示す。

脱イオン化装置１０４またはバイパス管路１１６のいずれかを通る冷却液流は、コントローラ１０６によって制御される弁１１８を使用して誘導される。

この例では、コントローラ１０６は、燃料電池システム１００内のセンサからデータを取得するためのデータ取得カード（ＤＡＱ）１３８に連結される。この例では、ＤＡＱ１３８は、冷却液リザーバ１１０と弁１１８との間の冷却液路１０８から圧力及び温度の読み出し値を受信するために圧力センサ１３６及び温度センサ１３４に連結される。温度センサ１３４は、冷却液温度を判定するために使用され得、コントローラ１０６は、この冷却液温度を使用して、オゾンを冷却液中に動的に導入し得る。例えば、オゾンは、温度が上昇するにつれてより迅速に分解するため、温度センサが温度の上昇を示すと、コントローラ１０６は、より迅速に分解するオゾンの作用に対抗するように、オゾン発生装置１１４に、より多くのオゾンを冷却液中に導入させ得る。圧力センサ１３６は、冷却液の圧力を判定するために使用され得、コントローラは、この冷却液圧力に基づいて、オゾンを冷却液中に動的に導入し得る。例えば、より低い冷却液圧力は、より低い流量を示し得るため、コントローラ１０６は、冷却液中への導入のためのオゾンをより少なく生成するように、オゾン発生装置１１４を制御し得る。

他の例では、コントローラ１０６（またはＤＡＱ１３８）は、冷却液中の細菌のレベルを判定するための細菌レベル計、及び／または燃料電池システム１００内の冷却液のレベルを判定するための冷却液レベル計に連結され得る。例えば、コントローラ１０６は、オゾン発生装置に、増加した細菌レベルに応答して、冷却液中へのオゾンの導入のためにより多くのオゾンを発生させ得る。

この例では、コントローラ１０６はまた、例えば、スタック電圧、水素レベル、または酸素レベル等の燃料電池スタック動作パラメータを受信するために、燃料電池スタック１０２に連結される。コントローラ１０６は、スタック電圧を使用して、冷却液中にオゾンを動的に発生させ得る。例えば、より低いスタック電圧は、冷却液の純度を改善し、それによってスタック電圧の増加をもたらすためにはより多くのオゾンが必要であることを示し得る。

この例ではまた、第２の弁１３２が、脱イオン化装置１０４、バイパス管路１１６、及び燃料電池スタック１０２の間の冷却液路１０８に存在する。この第２の弁１３２は、必要とされる第２の弁１３２の位置を示す信号を受信するためにコントローラ１０６及び／または弁１１８に連結され得る。第２の弁１３２は、三方弁であり得、これは、燃料電池スタック１０２から脱イオン化装置１０４及びバイパス管路１１６への逆流を防ぐために使用され得るため、逆止弁１３２と考えられ得る。例えば、第２の弁１３２は、燃料電池スタックから脱イオン化装置及び／またはバイパス管路への逆流を防ぐように位置付けられ得る。

この例では、弁１１８及び弁１３２は、コントローラ１０６によって組み合わせで起動される。コントローラ１０６は、燃料電池スタック１０２から脱イオン化装置１０４への冷却液の逆流を防ぐように、脱イオン化装置１０４と燃料電池スタック１０２との間に位置付けられる逆止弁１３２の位置を制御することによって、燃料電池スタック１０２への冷却液流を制御するように構成される。コントローラ１０６はまた、燃料電池スタック１０２からバイパス管路１１６への冷却液の逆流を防ぐように、バイパス管路１１６と燃料電池スタック１０２との間に位置付けられる逆止弁１３２の位置を制御することによって、燃料電池スタック１０２への冷却液流を制御するように構成される。したがって、弁１１８が流れをバイパス管路１１８を通して誘導する場合は脱イオン化カラムへの逆流を防ぎ、弁１１８が流れを脱イオン化装置１０４を通して誘導した場合はバイパス管路１１６への逆流を防ぐために、同じ逆止弁１３２が使用される。逆止弁１３２は、バイパス管路１１６において、バイパス管路１１６と脱イオン化カラム１０４からの出力が合流する場所よりも前に、脱イオン化装置１０４の下流で、一方弁によって置き換えられてもよいことが理解されるであろう。

図３は、上述のシステムを踏まえた燃料電池システム１００の例示的な実施形態の概略側面図を示す。同じ参照番号が、同様の部分に使用されている。燃料電池システム１００は、冷却液リザーバ１１０内に位置付けられるオゾン発生装置１１４を備える（図１ａ〜１ｂ及び２のもの等、他の実施形態では、オゾン発生装置１１４は、冷却液リザーバ１１０に対して外部であり得る）。冷却液リザーバ１１０は、冷却液管路１０８においてフィルタ１２８、ポンプ１２６、及びこの例では紫外線光源１２４を介して、脱イオン化装置１０４及びバイパス管路１１６に連結される。紫外線光源１２４は、例えば、一連の紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）であり得る。

紫外線光源１３２は、冷却液が燃料電池スタック１０２に到達する前に、冷却液路１０８において冷却液を照射するように構成される。紫外線光は、冷却液中の細菌及び微生物の分解をもたらすため、冷却液（水）を消毒するために使用され得る。

図４は、本明細書に記載される燃料電池システムに関連する異なる要素の時間に対する概略プロットを図示する。このプロットは、入または切であるオゾン発生装置の動作状態３１０；弁１１８の位置により開放（冷却液がそこを通って流れる）または閉鎖（冷却液がそこを通って流れない）のいずれかであるバイパス管路の動作状態３２０；弁１１８の位置により開放（冷却液がそこを通って流れる）または閉鎖（冷却液がそこを通って流れない）のいずれかである脱イオン化装置の動作状態３３０；冷却液の伝導性３４０；ならびに冷却液中のコロニー形成単位（ＣＦＵ）の対数としてプロットされる冷却液中の細菌レベル３５０を示す。

開始時３００では、オゾンは発生していない。オゾン発生装置はスイッチが切られている。弁１１８は第１の位置にあり、冷却液は、開放された脱イオン化装置を通って流れることができ、閉鎖されたバイパス管路を通って流れることができない。冷却液の伝導性は、冷却液が、冷却液中の無機汚染物質イオンを除去し、それによって冷却液の伝導性を低減させるように機能する脱イオン化装置を通過するため、低下している。細菌レベルは、オゾンレベルが比較的低い（冷却液が脱イオン化装置を通過するのに十分に低い）ため、比較的高く、増加している３５２。

スイッチが入る時間３０２で、オゾン発生装置は期間ｔ_１の間スイッチが入る。このオゾン発生期間３１２の間に、オゾンが発生される。脱イオン化装置またはバイパス管路のいずれかを通る冷却液流を制御する弁１１８が、第２の位置へと切り替わる。したがって、バイパス管路が開放され３２２、冷却液がバイパス管路を通って流れることができるようになる。脱イオン化装置は、それに応じて閉鎖され３３２、冷却液は脱イオン化装置を通って流れることができない。脱イオン化装置を迂回することにより、冷却液の伝導性が、冷却液中の無機イオンのレベルの増加（これは、冷却液と、冷却液との接触にある湿潤表面との間の化学反応に起因し得る）により増加する３４２。冷却液中の細菌レベルは、発生したオゾンが冷却液中に導入されると細菌を殺滅させるため、減少する３５４。

スイッチが切られる時間３０４に、オゾン発生装置は、時間の関数ｆ（Ｔ）である期間ｔ_２の間スイッチが切られる。オゾン分解速度は、温度が上昇するにつれて増加する。したがって、より高温では、オゾン分解期間はより短く、より低温では、オゾン分解期間はより長い。このオゾン分解期間の間、オゾンは発生していないが、存在しており、冷却液中で徐々に分解している。コントローラは、弁１１８を第２の位置に維持し、したがって、バイパス管路は開放したままである３２４。したがって、冷却液は、依然としてバイパス管路を通って流れることができる。脱イオン化装置は閉鎖されたままであり３３４、冷却液は、依然として、冷却液中の残留オゾンに起因して閉鎖された脱イオン化装置を通って流れることができない。冷却液の伝導性は、冷却液が脱イオン化装置を迂回し、したがって、無機汚染物質イオンが脱イオン化装置によって除去されることなく冷却液中に形成されているため、増加し続ける３４４。細菌レベルは、冷却液中に残存するオゾンに起因して、減少し続ける３５４。

所定のオゾン分解期間の後３０６、冷却液中に残存するオゾンのレベルは、十分に低いため、脱イオン化装置に冷却液を通すことによりイオン交換樹脂を著しく劣化させることがない。この時点で、コントローラは、弁１１８を第１の位置に移動させるように作動させ、バイパスの流れが閉鎖される。脱イオン化装置は、冷却液が流れ、イオン交換を受けるために再度開放される。冷却液の伝導性は、冷却液が脱イオン化装置を通過するときにイオン交換プロセスが起こるため、減少する３４６。脱イオン化装置の動作を、これより簡潔に説明する。カチオン及びアニオンが脱イオン化装置を通過するとき、それらは、イオン交換原理に従って捕捉され得る。脱イオン化装置は、カチオンを捕捉するように構成されるカチオン樹脂と、アニオンを捕捉するように構成されるアニオン樹脂とを備え得る。例えば、Ｃａ^２＋カチオンは、ＯＨ⁻分子と反応して、Ｃａ（ＯＨ）^２を形成し得る。同じ原理がアニオン及びＨ^＋分子に適応される（例えば、Ｃｌ⁻及びＨ^＋が合わさってＨＣｌを形成する）。脱イオン化装置カートリッジ内の化学的均衡を保つために、カチオンがカチオン樹脂によって捕捉されるごとに、樹脂が、Ｈ^＋イオンを冷却液中に放出する（同様に、アニオン樹脂は、アニオンを捕捉した後、ＯＨ⁻イオンを水中に放出する）。これらのＨ^＋及びＯＨ⁻イオンが一緒に結合して、水分子（Ｈ_２Ｏ）を形成し得る。細菌の数が増加し始め得る３５６。このサイクルは、イオンレベル及び細菌レベルが制御されるように繰り返し得る。

この例では、コントローラは、冷却液の温度に基づいてオゾン分解期間を決定する。他の例では、コントローラは、例えば、スタック電圧、冷却液レベル、細菌レベル、冷却液圧力、及び燃料電池中のガスレベルといった他の要因に基づいて、オゾン分解期間を決定し得る。他の例では、オゾン発生時間ｔ_１及びオゾン分解時間ｔ_２は、いずれの他のパラメータにも関係なく、固定であり得る。期間ｔ_１は、冷却液中の細菌のレベル、冷却液レベル、冷却液温度、冷却液圧力、燃料電池スタック動作パラメータ、スタック電圧、燃料電池システムにおける水素のレベル、または燃料電池システムにおける酸素のレベルといった要因から決定され得る。

本明細書に開示されるオゾン発生装置、脱イオン化装置、バイパス管路、及びコントローラの組み合わせは、燃料電池システムの冷却液アセンブリと見なされ得る。そのような冷却液アセンブリ、または冷却液アセンブリと燃料電池スタックとを備える燃料電池システムは、例えば、車両に電力を供給するために使用され得る。

本発明は、オゾン発生装置、及びバイパス管路によって迂回される脱イオン化装置に関して説明されているが、不適合性のために同時に機能し得ない他の構成要素は、本明細書に記載されるバイパス管路及びコントローラを利用することができる。したがって、上の説明では、オゾン発生装置が第１の条件付けデバイスと見なされ、脱イオン化装置が第２の条件付けデバイスと見なされ得る。

上述の実施形態は、特許請求の範囲内で種々の手段により組み合わせることができることが理解されよう。例えば、燃料電池システムは、紫外線光と燃料電池スタックとの間に、冷却液から細菌残骸を除去するためのフィルタを備え得る。他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に意図的に含まれる。

Claims (15)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池システムにおいて冷却液にオゾンを導入するように構成される、オゾン発生装置と、
   前記燃料電池スタックに連結される脱イオン化装置と、
   前記脱イオン化装置と並列に配設されるバイパス管路と、
   前記オゾン発生装置の動作状態に基づいて、前記脱イオン化装置または前記バイパス管路のいずれかを通る前記燃料電池スタックへの前記冷却液の流れを制御するように構成される、コントローラと、を備える、前記燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、冷却液が、前記冷却液中のオゾンレベルが所定の閾値を上回ると判定される場合には前記バイパス管路を通過するように、そして冷却液が、前記冷却液中の前記オゾンレベルが所定の閾値を下回ると判定される場合には前記脱イオン化装置を通過するように、構成される、請求項１に記載の前記燃料電池システム。
3. 前記コントローラは、
   前記冷却液が、
   前記オゾン発生装置が前記冷却液中にオゾンを導入するオゾン発生期間、及び
   オゾン分解期間の間は前記バイパス管路を通過するように、前記燃料電池スタックへの前記冷却液流を制御するように構成される、請求項１または２のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
4. 前記コントローラは、冷却液が前記オゾン発生期間及び前記オゾン分解期間以外は前記脱イオン化装置を通過するように、前記燃料電池スタックへの前記冷却液流を制御するように構成される、請求項３に記載の前記燃料電池システム。
5. 前記オゾン分解期間は、前記冷却液中のオゾンが閾値レベルを下回るオゾンレベルまで分解される期間である、請求項３または請求項４に記載の前記燃料電池システム。
6. 前記オゾン分解期間は、前記オゾン発生期間の持続期間から決定される、請求項３〜５のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
7. 前記コントローラは、冷却液を前記脱イオン化装置または前記バイパス管路のいずれかを通して誘導するように弁の位置を制御することによって、前記燃料電池スタックへの前記冷却液流を制御するように構成される、請求項１〜６のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
8. 前記脱イオン化装置及びバイパス管路を介して前記燃料電池スタックに連結される冷却液リザーバであって、オゾンを含有する冷却液を受容するように構成される、冷却液リザーバを備える、請求項１〜７のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
9. 前記コントローラは、オゾン発生装置に、前記冷却液中にオゾンを周期的に導入させるように構成される、請求項１〜８のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
10. 前記コントローラは、前記オゾン発生装置に、
    前記冷却液中の細菌レベル、
    冷却液レベル、
    冷却液温度、
    冷却液圧力、
    燃料電池スタック動作パラメータ
    スタック電圧、
    前記燃料電池システムにおける燃料のレベル、及び
    前記燃料電池システムにおける酸化剤のレベルのうちの１つ以上に基づいて、前記冷却液中にオゾンを動的に導入させるように構成される、請求項１〜９のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
11. 前記冷却液は、水である、請求項１〜１０のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
12. 前記コントローラは、前記燃料電池スタックからの前記冷却液の流れが前記脱イオン化装置を通過するのを防ぐように、前記脱イオン化装置と前記燃料電池スタックとの間に位置付けられる逆止弁の位置を制御することによって、前記燃料電池スタックへの前記冷却液流を制御するように構成される、請求項１〜１１のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
13. 前記コントローラは、前記燃料電池スタックからの前記冷却液の流れが前記バイパス管路を通過するのを防ぐように、前記バイパス管路と前記燃料電池スタックとの間に位置付けられる逆止弁の位置を制御することによって、前記燃料電池スタックへの前記冷却液流を制御するように構成される、請求項１〜１２のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
14. 前記燃料電池システムは、前記冷却液が前記燃料電池スタックに到達する前に冷却液を照射するように構成される紫外線光源を備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の前記燃料電池システム。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の前記燃料電池システムを備える、車両。