(57)【要約】【課題】イオン交換器に収容されたイオン交換樹脂の異常加熱をなくして、冷却システムにおける許容温度幅及びイオン交換樹脂の選択幅を広くすることができるとともに、イオン交換機能を適正に保持し、イオン交換樹脂の熱劣化を防止することができる燃料電池の冷却システムを提供する。【解決手段】燃料電池１１に冷却液の循環配管１２を接続し、該循環配管１２にポンプ１３及び熱交換器１４を接続する。前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７を接続し、該バイパス配管１７にイオン交換器１８を接続する。イオン交換器１８の上流側のバイパス配管１７に電子冷却素子２５を接続する。該電子冷却素子２５によってイオン交換器１８に供給される冷却液を所定温度に冷却し、イオン交換樹脂２１が冷却液によって異常に加熱されるのを防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該配管に冷却液を循環させるポンプを接続するとともに前記循環配管内の冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記循環配管内の冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するイオン交換器を備えた燃料電池の冷却システムにおいて、
前記イオン交換器及び該イオン交換器の上流側の配管の少なくともいずれか一方に対し、冷却液を所定温度以下に冷却するための冷却手段を設けたことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項２】
請求項１において、前記冷却手段は、前記イオン交換器の容器の外周面に設けられた冷却フィンと、該冷却フィンに空気を吹き付ける送風ファンとにより構成されていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項３】
請求項２において、前記熱交換器は前記循環配管に接続されたラジエータと、該ラジエータに空気を供給する冷却ファンとにより構成され、該冷却ファンが前記冷却フィンの冷却ファンとしての機能を兼用していることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、前記循環配管にはバイパス配管が並列に接続され、該バイパス配管にイオン交換器が接続され、該イオン交換器の上流側のバイパス配管又は循環配管に前記冷却手段が設けられていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項５】
請求項４において、前記イオン交換器の上流側のバイパス配管には、コイル部又は蛇行部が形成され、コイル部又は蛇行部は冷却ファンにより冷却されるようになっていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却システムに係り、詳しくは燃料電池の発電の際に発電セルから発生する熱を熱交換により吸熱して冷却するための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、燃料電池内に多数枚積層された発電セルにより水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われると、発電セルが熱を発生する。これを放置すると、発電セルが過熱されて発電不能となる。このため、燃料電池には発電時に発電セルを冷却するために一般的に冷却液方式の冷却システムが備えられている。この冷却システムとして、特許文献１に開示されたものが提案されている。この冷却システムを図７に基づいて説明すると、燃料電池１１には冷却液をポンプ１３により循環させる循環配管１２が接続されている。前記ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４はラジエータ１５と、ラジエータ１５に空気を吹き付けるための送風ファン１６とにより構成されている。
【０００３】
前記冷却液として水にエチレングリコール（不凍液）を含有したＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。発電時に前記ポンプ１３が駆動されて燃料電池１１の内部に冷却液が供給されると、発電セルから生じる熱と、冷却液の熱との温度差により熱交換されて燃料電池１１の発電セルが冷却される。このとき、冷却液の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、ギ酸が生成され、このギ酸によりマイナスのイオンが生成される。又、ギ酸により冷却液の循環通路の内面が腐蝕されると、プラスのイオンも生成される。このようにして、冷却液はマイナスのイオンとプラスのイオンが混在した不純物イオンを含有する。このイオンは電荷をもっているので、冷却液に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却液の電気伝導度が高くなり、燃料電池１１で発電された電気が冷却液を媒体として外部に漏洩する。
【０００４】
上記の課題に対処するため、特許文献１においては、前記循環配管１２に対し前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７が接続されている。このバイパス配管１７には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器１８が接続されている。このイオン交換器１８の内部には、イオン交換樹脂として、マイナスのイオンを吸着する粒子状のアニオンと、プラスのイオンを吸着する粒子状のカチオンが収容されている。そして、イオン交換樹脂により不純物イオンを吸着除去して冷却液の電気伝導度が高くならないようになっている。
【特許文献１】特開２００５−１６１１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記従来の冷却システムは、燃料電池１１の発電セルの冷却に用いられて、熱交換により加熱された高温の冷却液が前記イオン交換器１８に進入するので、イオン交換樹脂が異常に加熱されるため、耐熱温度の高いイオン交換樹脂が必要になるという問題があった。又、イオン交換樹脂の耐熱温度を考慮しなければならないので、冷却システムとしての使用温度を高く設定することができないという問題があった。従って、冷却システムにおける許容温度幅を広げることができないとともに、イオン交換樹脂の選択幅を広くすることができないという問題があった。さらに、イオン交換樹脂のイオン交換機能が低下するだけではなく、熱劣化するという問題もあった。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、イオン交換器に収容されたイオン交換樹脂の異常加熱をなくして、冷却システムにおける許容温度幅及びイオン交換樹脂の選択幅を広くすることができるとともに、イオン交換機能を適正に保持して、イオン交換樹脂の熱劣化を防止することができる燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該配管に冷却液を循環させるポンプを接続するとともに前記循環配管内の冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記循環配管内の冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するイオン交換器を備えた燃料電池の冷却システムにおいて、前記イオン交換器及び該イオン交換器の上流側の配管の少なくともいずれか一方に対し、冷却液を所定温度以下に冷却するための冷却手段を設けたことを要旨とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記冷却手段は、前記イオン交換器の容器の外周面に設けられた冷却フィンと、該冷却フィンに空気を吹き付ける送風ファンとにより構成されていることを要旨とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記熱交換器は前記循環配管に接続されたラジエータと、該ラジエータに空気を供給する冷却ファンとにより構成され、該冷却ファンが前記冷却フィンの冷却ファンとしての機能を兼用していることを要旨とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記循環配管にはバイパス配管が並列に接続され、該バイパス配管にイオン交換器が接続され、該イオン交換器の上流側のバイパス配管又は循環配管に前記冷却手段が設けられていることを要旨とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記イオン交換器の上流側のバイパス配管には、コイル部又は蛇行部が形成され、コイル部又は蛇行部は冷却ファンにより冷却されるようになっていることを要旨とする。
【００１２】
（作用）
この発明は、燃料電池の冷却に用いられて高温に加熱された冷却液がイオン交換器の内部に進入する前又は進入した後に冷却手段によって冷却され、冷却液が低温となるので、イオン交換樹脂の使用温度を低くすることにより、耐熱温度の低いイオン交換樹脂の使用が可能となる。又、冷却システム全体として、使用温度を高く設定しても、イオン交換樹脂が冷却手段により所定温度に冷却されるので、イオン交換樹脂の耐熱温度の最大値を高く設定することができる。さらに、冷却システムにおける許容温度幅を広げることができるとともに、イオン交換樹脂の選択幅を広くすることができる。加えて、冷却液によってイオン交換樹脂が異常に加熱されることはなく、イオン交換機能を適正に保持し、イオン交換樹脂の熱劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、イオン交換器に収容されたイオン交換樹脂の異常加熱をなくして、冷却システムにおける許容温度幅及びイオン交換樹脂の選択幅を広くすることができるとともに、イオン交換機能を適正に保持することができ、イオン交換樹脂の熱劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を電気自動車の燃料電池の冷却システムとして具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
燃料電池１１の内部には図示しないが燃料極、酸化剤極及び両極間に介在された固体電解質膜により構成された発電セルが多層に積層されている。前記燃料極側には、水素ガスを燃料として供給するための水素ガス供給系が接続されている。前記酸化剤極側には、酸化剤として酸素ガスを含む空気を供給するための空気供給系が接続されている。そして、燃料電池１１内の各発電セルに供給された水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われるようになっている。
【００１５】
前記燃料電池１１には発電が行われている状態で、該燃料電池１１の発電セルの冷却を行うための冷却液を循環させる循環配管１２が接続され、該循環配管１２にはポンプ１３が接続されている。この実施形態では、前記冷却液として水にエチレングリコールを含有したＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。前記ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、前記燃料電池１１内で発電セルの冷却に用いられ、熱交換により加熱された高温の冷却液を冷却するための熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４は循環配管１２に接続されたラジエータ１５と、ラジエータ１５に空気を吹き付けて高温の冷却液を冷却するための電動モータにより駆動される送風ファン１６とにより構成されている。
【００１６】
前記ポンプ１３が駆動されて燃料電池１１内の発電セルに冷却液が供給され、燃料電池１１の冷却が行われると、背景技術でも述べたように、冷却液の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解される。すると、最終的に冷却液内にマイナスのイオンとプラスのイオンとが混在した不純物イオンが生成される。このイオンは電荷をもっているので、この不純物イオンにより冷却液としての電気伝導度が高くなり、燃料電池１１で発電された電気が冷却液を通して外部に漏洩するおそれがある。このため、前記循環配管１２に対し前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７が接続されている。このバイパス配管１７には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器１８が接続されている。
【００１７】
上記イオン交換器１８は、図２に示すように有底円筒状の容器本体１９と、該容器本体１９の上部開口に取り外し可能に螺合された蓋板２０と、容器本体１９の内部に収容された粒子状のイオン交換樹脂２１とにより構成されている。前記容器本体１９の底部及び上部にはイオン交換樹脂２１の粒子径よりも小さい網目のメッシュよりなるフィルタ２２，２３が収容され、前記イオン交換樹脂２１が容器本体１９から外部に流出しないようになっている。前記イオン交換樹脂２１として、マイナスのイオンを吸着するアニオンと、プラスのイオンを吸着するカチオンとが混在するように収容されている。
【００１８】
前記イオン交換器１８の上流側のバイパス配管１７には絞り２４が接続されている。この絞り２４により循環配管１２からイオン交換器１８に導かれる冷却液の単位時間当たりの流量が、循環配管１２内を流れる冷却液の流量に対し所定量（例えば５％）に制限されるようになっている。
【００１９】
前記イオン交換器１８の上流側のバイパス配管１７の外周面には、前記イオン交換器１８に流入する前の高温（７０〜８０℃）状態の冷却液を所定温度（例えば２０〜４０℃）に冷却するための冷却手段としての電子冷却素子２５が装着されている。この電子冷却素子２５は、図３に示すように、バイパス配管１７の外周面に円筒状に装着された冷却板２６と、その外周面に接合されたＮ型半導体２７Ａ及びＰ型半導体２７Ｂと、その外周面に接合された放熱板２８とにより構成されている。そして、前記Ｎ型及びＰ型半導体２７Ａ，２７Ｂに直流電流が流れると、それぞれの接合部に熱電変換現象（ペルチェ効果）が起こり、冷却板２６が冷却されて、バイパス配管１７内の冷却液が冷却されるようにしている。
【００２０】
前記熱交換器１４よりも下流側の前記循環配管１２には、冷却液の温度を測定するための温度センサ３１が設けられている。該温度センサ３１により測定された温度の測定値のデータは、コンピュータを備えた制御コントローラ３２に伝送されるようになっている。そして、制御コントローラ３２により前記温度の測定値が設定値を超えたと判断された場合に、制御コントローラ３２から前記電子冷却素子２５に動作信号が出力され、バイパス配管１７内の冷却液が冷却されるようになっている。なお、前記測定値は前記送風ファン１６の回転速度を制御するためにも用いられる。
【００２１】
次に、前記のように構成した燃料電池１１の冷却システムの動作について説明する。
制御コントローラ３２からの起動信号及び各種の制御信号により燃料電池１１が起動されると、燃料電池１１に供給された水素ガスと酸素ガスが反応して発電が行われる。発電された直流電流は、インバータにより交流電流に変換され、電気自動車の走行用のモータの駆動に用いられる。
【００２２】
一方、冷却システムのポンプ１３が起動されると、循環配管１２内の冷却液が図１の矢印方向に循環され、熱交換器１４によって冷却された冷却液が燃料電池１１内に供給され、燃料電池１１の発電により生じた熱が冷却液により吸熱されて、燃料電池１１が冷却される。吸熱して高温となった冷却液は再び熱交換器１４により冷却されて、燃料電池１１の冷却に再利用される。
【００２３】
循環配管１２内の冷却液は燃料電池１１内の発電セルが発生する熱により加熱されることになるので、該冷却液に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて不純物イオンが生成される。この不純物イオンを含んだ冷却液の一部がバイパス配管１７及び絞り２４から図２に示すようにイオン交換器１８の下部の入口から容器本体１９内部に流入して、上方に流動し、上部の出口からバイパス配管１７を通して循環配管１２に導かれる。イオン交換器１８内のイオン交換樹脂２１（アニオン及びカチオン）によりマイナス及びプラスの不純物イオンが吸着除去される。  
【００２４】
一方、前記温度センサ３１により測定された冷却液の温度の測定値は、制御コントローラ３２により判定され、設定値を超えた場合に、制御コントローラ３２から起動信号が電子冷却素子２５の駆動回路に出力される。このため、冷却液が電子冷却素子２５によって所定温度（例えば２０〜４０℃）に冷却され、この低温の冷却液がイオン交換器１８に供給される。従って、イオン交換器１８内のイオン交換樹脂２１には、高温の冷却液が供給されることはなく、イオン交換樹脂２１の機能が適正に保持されるとともに、イオン交換樹脂２１の熱劣化が防止される。
【００２５】
上記実施形態の燃料電池の冷却システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記イオン交換器１８の上流側のバイパス配管１７に電子冷却素子２５を設けたので、イオン交換器１８に供給される前の冷却液を所定温度（例えば２０〜４０℃）に冷却することができる。このため、イオン交換樹脂２１の使用温度を低くすることができ、耐熱温度の低いイオン交換樹脂２１の使用を可能にすることができる。又、冷却システム全体として、使用温度を高く設定（例えば１００℃）しても、イオン交換樹脂２１が電子冷却素子２５により所定温度（例えば７０〜８０℃）に冷却されるので、イオン交換樹脂２１の耐熱温度の最大値を高く設定（例えば７０〜８０℃）することができる。従って、冷却システムにおける許容温度幅を広げることができるとともに、イオン交換樹脂２１の選択幅を広くすることができる。
【００２６】
（２）上記実施形態では、前記イオン交換器１８に供給される前の冷却液を所定温度（例えば２０〜４０℃）に冷却することができるので、イオン交換器１８内のイオン交換樹脂２１には、高温（７０〜８０℃）の冷却液が供給されることはなく、イオン交換樹脂２１の機能が適正に保持されるとともに、イオン交換樹脂２１の熱劣化が防止される。
【００２７】
（３）上記実施形態では、熱交換器１４の出口側の冷却液の温度を温度センサ３１により測定し、その測定値が設定値を超えた場合に、電子冷却素子２５を作動するようにした。このため、電子冷却素子２５が不必要に作動されるのを防止して、ランニングコストを低減することができる。
【００２８】
（４）上記実施形態では、循環配管１２にバイパス配管１７を並列に接続し、このバイパス配管１７にイオン交換器１８を接続し、一部の冷却液を前記イオン交換器１８に導くようにした。このため、循環配管１２内の大半の冷却液の流路抵抗がイオン交換樹脂２１により阻害されることはなく、ポンプ１３の負荷を低減することができる。
【００２９】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・図４に示すように、バイパス配管１７を前記熱交換器１４と並列に接続し、イオン交換器１８の上流側のバイパス配管１７又は循環配管１２に電子冷却素子２５を接続してもよい。
【００３０】
・図５に示すように、バイパス配管１７を省略して、循環配管１２にイオン交換器１８を直列に接続した冷却システムに具体化してもよい。この実施形態では、イオン交換器１８の流路抵抗を低減するために、メッシュ製の容器３３にイオン交換樹脂２１を収容し、該容器３３の外周面とイオン交換器１８の容器本体の内周面との間に冷却液のメイン通路を設ける。
【００３１】
・図６に示すように、イオン交換器１８の容器本体１９の外周面に冷却フィン３４を複数箇所に取り付けるとともに、前記熱交換器１４の送風ファン１６によって、前記冷却フィン３４を冷却し、容器本体１９内の冷却液を冷却するようにしてもよい。この実施形態では、イオン交換器１８に進入する冷却液を冷却するための専用の駆動源を不要にして、ランニングコストを低減することができる。
【００３２】
・図示しないが、イオン交換器１８の容器本体１９の内周面に電子冷却素子２５を収容してもよい。
・電子冷却素子２５として、ペルチェ素子以外の冷却素子を用いたり、他の冷却器を用いたりしてもよい。
【００３３】
・前記イオン交換器１８の上流側の配管１７にコイル部又は蛇行部を形成し、このコイル部又は蛇行部を冷却ファンにより冷却するようにしてもよい。この際、前記熱交換器１４の送風ファン１６を用いるのが部品点数を低減する上で望ましい。
【００３４】
・前記実施形態では、電気自動車の燃料電池システムに具体化したが、生産工場、一般家庭の発電用の燃料電池システムの冷却システムに具体化してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】この発明の燃料電池の冷却システムを具体化した１実施形態を示す略体回路図。
【図２】イオン交換器の縦断面図。
【図３】配管に装着した電子冷却素子の縦断面図。
【図４】この発明の別の実施形態を示す燃料電池の冷却システムの回路図。
【図５】この発明の別の実施形態を示す燃料電池の冷却システムの回路図。
【図６】この発明の別の実施形態を示すイオン交換器及び冷却手段の縦断面図。
【図７】従来の燃料電池の冷却システムの略体回路図。
【符号の説明】
【００３６】
１１…燃料電池、１２…循環配管、１３…ポンプ、１４…熱交換器、１５…ラジエータ、１６…送風ファン、１７…バイパス配管、１８…イオン交換器、３３…容器、３４…冷却フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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