(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器により放熱する燃料電池の冷却方法において、
冷却液中に存在するイオンを除去するイオン交換器を、冷却液循環系に設け、
冷却液温度がサーモスタット作動温度以下では、冷却液を燃料電池とイオン交換器の間で循環させてイオン濃度を下げておき、
冷却液温度がサーモスタット作動温度に近づいた時は、燃料電池から排出される冷却液の一部を熱交換器へ送り、熱交換器から戻る冷却液を、前記イオン濃度を下げておいた冷却液と混合して燃料電池に戻し、
冷却液温度がサーモスタット作動温度に達した後は、冷却液を燃料電池と熱交換器の間で循環させて燃料電池を冷却することを特徴とする燃料電池の冷却方法。
【請求項２】
燃料電池の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器により放熱する燃料電池の冷却方法において、
冷却液中に存在するイオンを除去するイオン交換器を、冷却液循環系に設け、
冷却液温度がサーモスタット作動温度以下では、冷却液を燃料電池とイオン交換器の間で循環させて、冷却液中のイオンを除去し、
冷却液温度がサーモスタット作動温度に近づいた時は、冷却液の一部を熱交換器とイオン交換器の間で循環させて、熱交換器の冷却液中のイオンを除去し、
冷却液温度がサーモスタット作動温度に達した後は、冷却液を燃料電池と熱交換器の間で循環させて燃料電池を冷却することを特徴とする燃料電池の冷却方法。
【請求項３】
冷却液の導電率を検出する導電率センサを設け、導電率が所定値以下に低下した時は、熱交換器とイオン交換器の間で冷却液を循環させるイオン除去処理を停止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の冷却方法。
【請求項４】
燃料電池の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器により放熱する燃料電池の冷却方法において、
冷却液中に存在するイオンを除去するイオン交換器を、冷却液循環系に設け、
冷却液温度が第１のサーモスタット作動温度以下では、冷却液を燃料電池とイオン交換器の間で循環させて、冷却液中のイオンを除去し、
冷却液温度が第１のサーモスタット作動温度を越え、第２のサーモスタット作動温度以下では、冷却液の一部を熱交換器とイオン交換器の間で循環させて、熱交換器の冷却液中のイオンを除去し、
冷却液温度が第２のサーモスタット作動温度に達した後は、冷却液を燃料電池と熱交換器の間で循環させて燃料電池を冷却することを特徴とする燃料電池の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器により放熱する燃料電池の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から扶み込み、さらにその外側を一対の導電性セパレータで扶持して形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、各セルのアノードに燃料ガス（例えば、水素ガスなど）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気など）を供給して発電を行うものがある。この燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電する。
【０００３】
また、この種の燃料電池では発電に伴って発熱するので、燃料電池を所定の作動温度範囲に収めるように、各セルのセパレータに形成された冷却液通路に冷却液を流して燃料電池を冷却しており、さらに、この冷却液を熱交換器により放熱して冷却している。このような冷却システムを備えている場合、寒冷環境時や低出力運転時などに燃料電池を過冷却させないように放熱量を制御する必要がある。従来の放熱量制御の一手法として、温度に応じてサーモスタットバルブで冷却液回路を切り換える方法がある。この方法では、冷却液がサーモスタットバルブの作動温度（以下、サーモスタット作動温度という）以下の低温域では熱交換器を迂回させて燃料電池に冷却液を循環させ、前記サーモスタット作動温度を超える高温域では熱交換器を通して燃料電池に冷却液を循環させるように流路を切り換える。
【０００４】
また、このように冷却液でセパレータを直接冷却する冷却システムを採用する場合、冷却液を通じて漏電が生じないように冷却液の導電率を低く抑えなければならず、そのため、冷却液をイオン交換器等に通し、冷却液中に存在するイオンを除去し、冷却液の導電率を低く保つようにいている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したサーモスタットバルブで冷却液回路を切り換えて放熱量制御を行うシステムの場合、低温域で熱交換器をバイパスして冷却液を循環させている時には、熱交換器およびこれに冷却液を循環せしめる流路内で冷却液が滞留しており、熱交換器等からイオンが溶出して滞留している冷却液の導電率が高まることがある。このように低温域において熱交換器などに滞留する冷却液の導電率が高まると、暖機完了で冷却液回路が切り換えられた時に、熱交換器に滞留していた導電率の高い冷却液が燃料電池に導入される虞がある。
【０００６】
従来は、このような事態に陥らないように、熱交換器や冷却液の循環配管の材料にイオン溶出の極めて少ない材料を使用することで対応していたが、そのようにすると、熱交換器の形状や製造方法等に制約を受けることとなり、また、熱交換器の大型化や重量増大、コストアップなどを引き起こした。また、イオン溶出を低減するように熱交換器等の内部にコーティングを施す等で対処する方法もあるが、コーティングが劣化するとイオンが溶け出す場合もある。
そこで、この発明は、サーモスタット作動温度に近づいた時に、一部の冷却液に対して所定の処理を行うことによって、冷却液の導電率の上昇を抑制するようにした燃料電池の冷却方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器（例えば、後述する実施の形態におけるラジエター４）により放熱する燃料電池の冷却方法において、冷却液中に存在するイオンを除去するイオン交換器（例えば、後述する実施の形態におけるイオン交換器５）を、冷却液循環系に設け、冷却液温度がサーモスタット作動温度以下では、冷却液を燃料電池とイオン交換器の間で循環させてイオン濃度を下げておき、冷却液温度がサーモスタット作動温度に近づいた時は、燃料電池から排出される冷却液の一部を熱交換器へ送り、熱交換器から戻る冷却液を、前記イオン濃度を下げておいた冷却液と混合して燃料電池に戻し、冷却液温度がサーモスタット作動温度に達した後は、冷却液を燃料電池と熱交換器の間で循環させて燃料電池を冷却することを特徴とする。
このように構成することにより、冷却液温度がサーモスタット作動温度以下の時に熱交換器中の冷却液のイオン濃度が高くなっても、この冷却液を予めイオン濃度を下げておいた冷却液と混合して、イオン濃度を薄めてから燃料電池に供給することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器（例えば、後述する実施の形態におけるラジエター４）により放熱する燃料電池の冷却方法において、冷却液中に存在するイオンを除去するイオン交換器（例えば、後述する実施の形態におけるイオン交換器５）を、冷却液循環系に設け、冷却液温度がサーモスタット作動温度以下では、冷却液を燃料電池とイオン交換器の間で循環させて、冷却液中のイオンを除去し、冷却液温度がサーモスタット作動温度に近づいた時は、冷却液の一部を熱交換器とイオン交換器の間で循環させて、熱交換器の冷却液中のイオンを除去し、冷却液温度がサーモスタット作動温度に達した後は、冷却液を燃料電池と熱交換器の間で循環させて燃料電池を冷却することを特徴とする。
このように構成することにより、冷却液温度がサーモスタット作動温度以下の時に熱交換器中の冷却液のイオン濃度が高くなっても、冷却液温度がサーモスタット作動温度に達するまでに、前記イオン濃度の高い冷却液中からイオンを除去してイオン濃度を低下させることができる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、請求項２に記載の発明において、冷却液の導電率を検出する導電率センサ（例えば、後述する実施の形態における導電率センサ８）を設け、導電率が所定値以下に低下した時は、熱交換器とイオン交換器の間で冷却液を循環させるイオン除去処理を停止することを特徴とする。
このように構成することにより、冷却液の導電率が所定値以下に低下した以後は、熱交換器からイオン交換器に冷却液が導入されなくなり、熱交換器を出て燃料電池に導入される冷却液流量を増やすことができる。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）の発電に伴う発熱を、冷却液を循環させて熱交換器（例えば、後述する実施の形態におけるラジエター４）により放熱する燃料電池の冷却方法において、冷却液中に存在するイオンを除去するイオン交換器（例えば、後述する実施の形態におけるイオン交換器５）を、冷却液循環系に設け、冷却液温度が第１のサーモスタット作動温度以下では、冷却液を燃料電池とイオン交換器の間で循環させて、冷却液中のイオンを除去し、冷却液温度が第１のサーモスタット作動温度を越え、第２のサーモスタット作動温度以下では、冷却液の一部を熱交換器とイオン交換器の間で循環させて、熱交換器の冷却液中のイオンを除去し、冷却液温度が第２のサーモスタット作動温度に達した後は、冷却液を燃料電池と熱交換器の間で循環させて燃料電池を冷却することを特徴とする。
このように構成することにより、冷却液温度が第１のサーモスタット作動温度以下の時に熱交換器中の冷却液のイオン濃度が高くなっても、冷却液温度が第２のサーモスタット作動温度に達するまでに、前記イオン濃度の高い冷却液中からイオンを除去してイオン濃度を低下させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の冷却方法の実施の形態を図１から図１２の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態における燃料電池の冷却方法は燃料電池自動車に搭載される燃料電池に実施した態様である。
【００１２】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料電池の冷却方法の第１の実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。
図１から図３は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池の冷却システムの概略構成図である。
燃料電池１は、固体高分子電解質膜型の燃料電池であり、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータで扶持して形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。この燃料電池１では、アノードに水素ガスが供給されカソードに酸素を含む空気が供給された時に、前記アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過して前記カソードまで移動し、該カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。なお、図１では、水素ガスと空気の供給系および排出系の図示を省略している。
【００１３】
また、この燃料電池１では、前記セパレータに冷却液通路が形成されていて、この冷却液通路に冷却液を流してセパレータを直接冷却することにより、燃料電池１の温度を所定の温度範囲（例えば、燃料電池の暖機完了後で７０〜８０゜Ｃ程度）に制御している。
次に、前記冷却液が流れる冷却液循環系について説明する。始めに、燃料電池１の冷却液の温度が低いため該冷却液を冷却する必要がない時、すなわち冷却液が「低温域」にある時の冷却液回路から説明する。図１に示すように、燃料電池１の冷却液通路出口１ａから排出された冷却液は、冷却液配管２１を介して冷却液ポンプ２に吸引され、冷却液ポンプ２で昇圧された後、冷却液配管２２を介してサーモスタットバルプ３に導入され、さらに冷却液配管２３を介して燃料電池１の冷却液通路入口１ｂに導入され、燃料電池１内の冷却液通路を流れた後、再び冷却液通路出口１ａから排出され、循環する。
【００１４】
次に、燃料電池１の冷却液の温度が高いため冷却する必要がある時、すなわち冷却液が「高温域」にある時の冷却液回路を説明する。図３に示すように、燃料電池１の冷却液通路出口１ａから排出され、冷却液ポンプ２で昇圧された冷却液は、冷却液配管２２から分岐する冷却液配管２４を介してラジエター４に供給される。このラジエター４は、自然送風あるいはファンによる強制送風で冷却液から熱を奪い冷却する空冷式熱交換器である。ラジエター４により冷却された冷却液は、冷却液配管２５を介してサーモスタットバルブ３に導入され、さらに前記冷却液配管２３を介して燃料電池１の冷却液通路入口１ｂに導入され、循環する。
【００１５】
また、低温域および高温域のいずれの時にも、図１および図３に示すように、冷却液配管２３を流れる冷却液の一部は、冷却液配管２６およびオリフィス２７を介してイオン交換器５に導入される。イオン交換器５は、その内部にイオン交換樹脂が充填されていて、冷却液中に存在するイオンを除去し、冷却液の導電率を低下させる。また、オリフィス２７は、イオン交換器５に流入する冷却液の流量を所定流量に制限する制限オリフィスである。イオン交換器５によってイオン除去された冷却液は冷却液配管２８を介して冷却液配管２１に戻され、冷却液ポンプ２に吸引されて循環する。
【００１６】
このように、第１の実施の形態の冷却液循環系では、冷却液が低温域あるいは高温域のいずれにある場合にも、燃料電池１を循環する冷却液の一部が常にイオン交換器５を流通しイオン除去されるので、燃料電池１を循環する冷却液のイオン濃度を所定値以下に抑えることができ、その結果、該冷却液の導電率を所定値以下に抑えて、燃料電池１内での冷却液の絶縁性能を担保している。
【００１７】
この第１の実施の形態における冷却システムでは、前述した低温域における冷却液回路と高温域における冷却液回路の切り換えをサーモスタットバルブ３によって行っている。ここで、サーモスタットバルブ３の冷却液回路切り換え動作について、図４の概念図を参照して説明する。
サーモスタットバルブ３は、ハウジング３１の内部に形成されている弁室が、仕切板３３によって第１弁室３４と第２弁室３５の２つの部屋に分けられており、さらに、第１弁室３４と第２弁室３５を連通する仕切板３３の連通孔３３ａが弁体３７によって連通および遮断可能にされている。また、サーモスタットバルブ３は、弁室内を流れる冷却液の温度に感応して弁体３７を駆動するサーモスタット（図示せず）を内蔵しており、冷却液がサーモスタットの作動温度（以下、サーモスタット作動温度という）以下、すなわち前記低温域にある時には、弁体３７が図４（Ａ）に示すように連通孔３３ａを閉塞し（以下、この状態を全閉状態という）、冷却液がサーモスタット作動温度を超えた時、すなわち前記高温域にある時には、弁体３７が図４（Ｃ）に示すように連通孔３３ａから離間する（以下、この状態を全開状態という）。なお、前記サーモスタットについては周知技術であるので、ここでの説明は省略する。
【００１８】
そして、第１弁室３４に冷却液配管２２，２３が接続され、第２弁室３５に冷却液配管２５が接続されている。
したがって、冷却液が低温域にあってサーモスタットバルブ３が図４（Ａ）に示す全閉状態になっている場合には、冷却液配管２２から第１弁室３４に流入した冷却液が冷却液配管２３へと流出する。このとき、冷却液配管２５は第２弁室３５において閉塞した状態となるため、冷却液配管２５に冷却液が流れることはない。
【００１９】
また、冷却液が高温域にあってサーモスタットバルブ３が図４（Ｃ）に示す全開状態になっている場合には、冷却液配管２５から第２弁室３５に流入した冷却液が冷却液配管２３へと流出する。このとき、弁体３７が冷却液配管２２の第１弁室３４への流入口２２ａを閉塞するようになっているので、冷却液が冷却液配管２２から第１弁室３４に流入することはない。すなわち、サーモスタットバルブ３は、弁体３７で連通孔３３ａと冷却液配管２２の流入口２２ａを連通あるいは遮断することにより、冷却液回路の切り換えを行っている。
【００２０】
ところで、冷却液が低温域にある時には、前述したように冷却液はラジエター４を迂回して燃料電池１を循環するように流れており、ラジエター４および冷却液配管２４，２５には冷却液が流れず滞留している。したがって、その間は、ラジエター４および冷却液配管２４，２５からイオンが溶出し、滞留している冷却液のイオン濃度が高まり、導電率が高まる場合がある。そのため、冷却液が低温域から高温域に変化した時に、サーモスタットバルプ３が閉弁状態から開弁状態に瞬時に切り換わると、ラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していた導電率の高い冷却液が、冷却液配管２３を通って大量に燃料電池１の冷却液通路に流れ込んで、燃料電池１内の冷却液の絶縁性能を低下させる虞がある。
【００２１】
これに対処するために、この第１の実施の形態では、サーモスタット作動温度に達する直前の所定温度範囲を予備作動温度域とし、この予備作動温度域では、燃料電池１から排出される冷却液の一部をラジエター４へ送り、ラジエター４を出た冷却液を、ラジエター４を迂回して循環するイオン濃度の低い冷却液と混合して燃料電池に戻すことにより、燃料電池１を循環する冷却液の導電率の悪化を殆どなくし、あるいは、燃料電池１が許容可能な範囲に抑えるようにした。そして、ラジエター４および冷却液配管２４，２５内の冷却液が導電率の低い冷却液に入れ替わった後に、前述した高温域の冷却液回路による冷却液循環に完全に切り換えるようにした。
【００２２】
そして、これを実現するための手段として、この第１の実施の形態では、図５に示すような流量特性を有するサーモスタットバルブ３を用いている。図５に示す流量特性は、冷却液温度を横軸にとり、冷却液配管２２から第１弁室３４に流入する冷却液流量Ｑ１に対する、冷却液配管２５から第２弁室３５に流入する冷却液流量Ｑ２の流量比（Ｑ２／Ｑ１）を縦軸にとっており、図４（Ａ）に示す全閉状態（Ｑ２＝０）では流量比０％、図４（Ｃ）に示す全開状態（Ｑ１＝０）では流量比１００％とした。
【００２３】
このサーモスタットバルブ３の流量特性は、サーモスタット作動温度をＴ１に設定され、サーモスタット作動温度Ｔ１以下を低温域、サーモスタット作動温度Ｔ１を越えると高温域になっていて、サーモスタット作動温度Ｔ１よりも所定温度低い温度Ｔ０以上であってサーモスタット作動温度Ｔ１以下を予備作動温度域に設定されている。そして、冷却液温度がＴ０以上になるとサーモスタットバルブ３は開弁作動を開始し、予備作動温度域では流量比率の増大が極めて緩やかになっていて（例えば、Ｔ１における流量比率が１０％程度）、Ｔ１を越えると流量比率が急激に増大し、温度Ｔ２に達すると全開になるように設定されている（Ｔ０＜Ｔ１＜Ｔ２）。
【００２４】
このような流量特性を有するサーモスタットバルプ３では、予備作動温度域において、図４（Ｂ）に示すように、弁体３７は連通孔３３ａから僅かに離れて連通孔３３ａを若干開かせるとともに、冷却液配管２２の流入口２２ａから十分に離れて流入口２２ａを大きく開かせる。その結果、冷却液配管２２から大流量で第１弁室３４に流入した冷却液と、冷却液配管２５から第２弁室３５を介して微流量で第１弁室３４に流入した冷却液が、混合された状態で冷却液配管２３に流出する。
【００２５】
したがって、冷却液温度Ｔ０以下の冷却液が温度上昇してきて、サーモスタット作動温度Ｔ１に近づいてくると、図２に示すように、冷却液温度がＴ０以下のときにラジエター４を迂回して燃料電池１に循環していたイオン濃度の低い冷却液（以下、説明の都合上、この冷却液を低温循環冷却液という）の中に、冷却液温度がＴ０以下のときにラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していたイオン濃度の比較的に高い冷却液（以下、説明の都合上、この冷却液を滞留冷却液という）が混ざるようになるが、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１に達するまでは滞留冷却液の流大量が微量であるので、混合後の冷却液のイオン濃度は低温循環冷却液のイオン濃度よりも僅かに高くなるだけであり、導電率の低い冷却液を冷却液配管２３を介して燃料電池１に供給することができる。したがって、燃料電池１を循環する冷却液の導電率の悪化を殆どなくし、あるいは、燃料電池１が許容可能な導電率の範囲に抑えることができる。
【００２６】
そして、この予備作動温度域の間も、冷却液配管２３を流れる冷却液の一部が冷却液配管２６を介してイオン交換器５に導入されるので、前記混合後の冷却液の一部は燃料電池１に流入する前にイオン交換器５によってイオン除去されるようになり、燃料電池１を循環する冷却液の導電率の回復（安定）を迅速に行うことができる。
【００２７】
そして、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１に達した時にラジエター４および冷却液配管２４，２５内の冷却液が低温循環冷却液に入れ替わるようにサーモスタットバルブ３の流量特性およびシステム全体を設定しておけば、冷却液温度が低温域から高温域に移った時に、高温域に移った直後からイオン濃度が低い（すなわち導電率が低い）冷却液を燃料電池１に循環させることができる。
したがって、第１の実施の形態における燃料電池の冷却方法によれば、冷却液の全ての温度域において燃料電池１内の冷却液の絶縁性能を常に許容範囲内に保つことができる。
【００２８】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却方法の第２の実施の形態を図６から図９の図面を参照して説明する。
図６から図８は、第２の実施の形態における燃料電池の冷却システムの概略構成図である。
第２の実施の形態における燃料電池の冷却システムの構成で、前述した第１の実施の形態のものと相違する点は以下の通りである。
【００２９】
第２の実施の形態では、図９に示すような流量特性を有するサーモスタットバルブ３が使用されている。このサーモスタットバルブ３の流量特性は、サーモスタット作動温度をＴ１’に設定され、サーモスタット作動温度Ｔ１’以下を低温域、サーモスタット作動温度Ｔ１’を越えると高温域になっていて、予備作動温度域を有さない。したがって、このサーモスタットバルブ３の場合には、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’を越えると、殆ど瞬時に全閉状態から全開状態になる。
また、冷却液配管２５におけるサーモスタットバルブ３の直ぐ上流と、冷却液配管２６におけるオリフィス２７とイオン交換器５との間が、途中に開閉弁６を有する冷却液配管４１によって接続されている。
【００３０】
さらに、冷却液配管２３において燃料電池１の直ぐ上流には、燃料電池１の冷却液通路入口１ｂに流入する冷却液の温度を検出するための温度センサ７が設置されている。開閉弁６は、この温度センサ７で検出された冷却液温度に基づいて開閉制御される。すなわち、温度センサ７で検出された冷却液温度がＴ３以下のときには開閉弁６は閉状態に制御され、温度センサ７で検出された冷却液温度がＴ３を越えたときには開閉弁６は開状態に制御される。ここで、冷却液温度Ｔ３はサーモスタット作動温度Ｔ１’よりも所定温度だけ低く設定しておく（Ｔ３＜Ｔ１’＜Ｔ２）。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３１】
次に、第２の実施の形態における燃料電池の冷却方法について説明する。
第２の実施の形態においても、冷却液が低温域にある時には、冷却液はラジエター４を迂回して燃料電池１を循環するように流れ、この時にはラジエター４および冷却液配管２４，２５には冷却液が流れず滞留している。したがって、その間は、ラジエター４および冷却液配管２４，２５からイオンが溶出し、滞留している冷却液のイオン濃度が高まり、導電率が高まる場合がある。そのため、冷却液が低温域から高温域に変化した時に、サーモスタットバルブ３が閉弁状態から開弁状態に瞬時に切り換わると、ラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していた導電率の高い冷却液が、冷却液配管２３を通って大量に燃料電池１の冷却液通路に流れ込んで、燃料電池１内の冷却液の絶縁性能を低下させる虞がある。
【００３２】
これに対処するために、この第２の実施の形態では、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’に近づいた時に、すなわち、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’に達する前に、冷却液の一部をラジエター４とイオン交換器５の間で循環させ、ラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していた導電率の高い冷却液中に存在するイオンをイオン交換器５で除去し、該冷却液のイオン濃度を低下させた後に、高温域の冷却液回路に切り換えるようにした。
そして、これを実現するための手段として、この第２の実施の形態では、１つのサーモスタットバルブ３と、温度センサ７により開閉制御される開閉弁６を用いている。
【００３３】
以下、冷却液温度の推移に沿って冷却液の流れを図６から図９の図面を参照しながら説明する。
図６は、冷却液が低温域にあって且つ冷却液温度がＴ３以下の場合の冷却液の流れを示している。この時には、サーモスタットバルブ３および開閉弁６はいずれも全閉状態になっている。したがって、冷却液は、低温域における冷却液回路を循環する。低温域の冷却液回路は第１の実施の形態の場合と同じであり、冷却液は、燃料電池１の冷却液通路出口１ａ→冷却液配管２１→冷却液ポンプ２→冷却液配管２２→サーモスタットバルブ３→冷却液配管２３→燃料電池１の冷却液通路入口１ｂを通って燃料電池１を循環するとともに、冷却液の一部は冷却液配管２６，２８、オリフィス２７を通ってイオン交換器５を循環する。
【００３４】
次に、低温域において冷却液温度がＴ３を越え且つサーモスタット作動温度Ｔ１’以下の場合は、サーモスタットバルブ３は全閉状態を保持し、開閉弁６だけが開状態となる。図７は、この時の冷却液の流れを示しており、冷却液は前述した低温域における冷却液回路を循環するとともに、開閉弁６の開弁により冷却液配管２２を流れる冷却液の一部が冷却液配管２４に流れてラジエター４に導入されるようになる。その結果、開閉弁６が開弁する前にラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していたイオン濃度の比較的に高い冷却液は、冷却液配管４１、開閉弁６を通って、イオン交換器５の上流の冷却液配管２６に流れ込み、冷却液配管２３から冷却液配管２６を介してイオン交換器５に向かうイオン濃度の低い冷却液と混合されてイオン交換器５に導入され、イオン交換器５によってイオン除去されることとなる。したがって、開閉弁６が開弁する前にラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していたイオン濃度の比較的に高い冷却液を、燃料電池１に流入させることなく、イオン濃度を低下させることができる。
【００３５】
なお、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’に達する前に、ラジエター４および冷却液配管２４，２５内の冷却液が全量入れ替わるように、予め開閉弁６の作動温度Ｔ３を所定に設定し、冷却液配管４１を流れる冷却液流量を設定し、必要に応じて冷却液配管４１にオリフィス等の流量制限手段を設けるのが好ましい。
【００３６】
そして、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’を越えると、サーモスタットバルブ３が開弁作動し、さらに冷却液温度がＴ２以上になると、サーモスタットバルブ３が全開状態になる。なお、この間、開閉弁６は開状態を維持する。図８はこの時の冷却液の流れを示しており、冷却液は高温域における冷却液回路を循環する。高温域の冷却液回路は第１の実施の形態の場合と同じであり、冷却液は、燃料電池１の冷却液通路出口１ａ→冷却液配管２１→冷却液ポンプ２→冷却液配管２２→冷却液配管２４→ラジエター４→冷却液配管２５→サーモスタットバルブ３→冷却液配管２３→燃料電池１の冷却液通路入口１ｂを通って燃料電池１を循環するとともに、冷却液の一部は冷却液配管２６，２８、オリフィス２７を通ってイオン交換器５を循環する。また、開閉弁６が開いているので、冷却液配管２５を流れる冷却液の一部も冷却液配管４１および開閉弁６を介してイオン交換器５へと流れる。
【００３７】
このように冷却液が高温域の冷却液回路を流れ始めるときには、ラジエター４および冷却液配管２４，２５内は既にイオン濃度の低い冷却液に入れ替わっており、冷却液循環系内は全量がイオン濃度の低い冷却液になっているので、高温域に移った直後からイオン濃度が低い（すなわち導電率が低い）冷却液を燃料電池１に循環させることができる。
したがって、第２の実施の形態における燃料電池の冷却方法によれば、冷却液の全ての温度域において燃料電池１内の冷却液の絶縁性能を常に許容範囲内に保つことができる。
【００３８】
ところで、この例では、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’を超えて高温域になっても開閉弁６は開弁状態を保持し、冷却液配管２４，２５内を流れる冷却液の一部をイオン交換器５に導入し続けるようにしているが、ラジエター４を通ってきた冷却液のイオン濃度（あるいは導電率）が所定値まで低下した後は、本来、冷却液配管４１を介してイオン交換器５に冷却液を導入させる必要はない。
【００３９】
そこで、冷却液配管４１において開閉弁６の上流に、冷却液配管２４，２５内を流れる冷却液の導電率を検出するための導電率センサ８を設置し、導電率センサ８で検出した冷却液の導電率が所定値以下になった時に開閉弁６を閉じ、ラジエター４とイオン交換器５の間で冷却液を循環させてイオン除去するイオン除去処理を停止するようにしてもよい。このようにすると、冷却液が高温域にあるときに、ラジエター４によって冷却された冷却液のうち燃料電池１を通らずに循環する冷却液の量を減少させることができ、換言すれば、ラジエター４によって冷却された冷却液のうち燃料電池１に循環する冷却液の量を増大することができ、その結果、燃料電池１に対する冷却能力を向上させることができる。
【００４０】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池の冷却方法の第３の実施の形態を図１０から図１２の図面を参照して説明する。第３の実施の形態における燃料電池の冷却方法の基本原理は第２の実施の形態における基本原理と同じであり、両者の相違点は、その実現手段にある。
すなわち、この第３の実施の形態の場合も、第２の実施の形態の場合と同様に、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’に近づいた時に、すなわち、冷却液温度がサーモスタット作動温度Ｔ１’に達する前に、冷却液の一部をラジエター４とイオン交換器５の間で循環させ、ラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していた導電率の高い冷却液中に存在するイオンをイオン交換器５で除去し、該冷却液のイオン濃度を低下させた後に、高温域の冷却液回路に切り換えるのであるが、これを実現するための手段として、第３の実施の形態では、サーモスタット作動温度の異なる２つのサーモスタットバルブ３Ａ，３Ｂを用いている。
【００４１】
第３の実施の形態における燃料電池の冷却システムの構成において、第２の実施の形態との相違点を図１０から図１２の図面を参照して説明する。なお、第２の実施の形態と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略する。
第２サーモスタットバルブ３Ｂは、第２の実施の形態におけるサーモスタットバルブ３に相当するものであり、この第２サーモスタットバルブ３Ｂは、第２の実施の形態と同様、冷却液ポンプ２の下流の冷却液配管２２と、ラジエター４の下流の冷却液配管２５と、燃料電池１の冷却液通路入口１ｂに接続される冷却液配管２３に接続されている。
【００４２】
そして、ラジエター４の上流の冷却液配管２４は冷却液配管４２を介して第１サーモスタットバルブ３Ａの第１弁室３４に接続され、ラジエター４の下流の冷却液配管２５は冷却液配管４３を介して第１サーモスタットバルブ３Ａの第２弁室３５に接続されている。また、第１サーモスタットバルプ３Ａの第１弁室３４は、オリフィス２７を備えた冷却液配管４４を介してイオン交換器５に接続されている。この第１サーモスタットバルブ３Ａにおいては、第１弁室３４に接続された冷却液配管４２，４４のうち冷却液配管４２の方が弁体３７によって開閉されるようになっている。
【００４３】
また、第２サーモスタットバルブ３Ｂのサーモスタット作動温度（第２のサーモスタット作動温度）Ｔ１ｂ’は第２の実施の形態におけるサーモスタットバルブ３と同じであるが、第１サーモスタットバルブ３Ａのサーモスタット作動温度（第１のサーモスタット作動温度）Ｔ１ａ’は第２サーモスタットバルブ３Ｂのサーモスタット作動温度Ｔ１ｂ’よりも低い温度に設定されている（Ｔ１ａ’＜Ｔ１ｂ’）。
このように構成された冷却システムにおいては、第２サーモスタットバルブ３Ｂが低温域の冷却液回路と高温域の冷却液回路に切り換える機能を果たし、第１サーモスタットバルブ３Ａが第２の実施の形態における開閉弁６と温度センサ７の機能を果たす。
【００４４】
以下、冷却液温度の推移に沿って冷却液の流れを説明する。
図１０は、冷却液が低温域にあって且つ冷却液温度が第１サーモスタットバルブ３Ａのサーモスタット作動温度Ｔ１ａ’以下の場合の冷却液の流れを示している。この時には、サーモスタットバルブ３Ａ，３Ｂはいずれも全閉状態になっている。したがって、冷却液は、低温域における冷却液回路を循環する。低温域の冷却液回路は第２の実施の形態の場合と同様であり、冷却液は、燃料電池１の冷却液通路出口１ａ→冷却液配管２１→冷却液ポンプ２→冷却液配管２２→第２サーモスタットバルブ３Ｂ→冷却液配管２３→燃料電池１の冷却液通路入口１ｂを通って燃料電池１を循環する。また、これと同時に、冷却液配管２２を流れる冷却液の一部が、冷却液配管２４，４２を通って第２サーモスタットバルブ３Ｂの第１弁室３４に導入され、さらに、冷却液配管４４、オリフィス２７を通ってイオン交換器５に導入され、イオン交換器５でイオン除去された後、冷却液配管２８を介して冷却液ポンプ２に吸引され、循環する。
【００４５】
次に、低温域において冷却液温度が第１サーモスタットバルブ３Ａのサーモスタット作動温度Ｔ１ａ’を越え且つ第２サーモスタットバルブ３Ｂのサーモスタット作動温度Ｔ１ｂ’以下になると、第２サーモスタットバルブ３Ｂは全閉状態を保持し、第１サーモスタットバルブ３Ａだけが全開状態となる。図１１は、この時の冷却液の流れを示しており、冷却液は前述した低温域における冷却液回路を循環するとともに、第１サーモスタットバルブ３Ａが全開状態になることにより、冷却液配管４２から第１サーモスタットバルプ３Ａには冷却液が流れなくなり、その代わりに、冷却液配管２２を流れる冷却液の一部が冷却液配管２４に流れてラジエター４に導入されるようになる。その結果、開閉弁６が開弁する前にラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していたイオン濃度の比較的に高い冷却液は、冷却液配管２５，４３、第１サーモスタットバルブ３Ａの第２弁室３５および第１弁室３４、冷却液配管４４、オリフィス２７を通ってイオン交換器５に流れ込み、イオン交換器５によってイオン除去されることとなる。したがって、第２サーモスタットバルブ３Ｂが開弁する前にラジエター４および冷却液配管２４，２５に滞留していたイオン濃度の比較的に高い冷却液を、燃料電池１に流入させることなく、イオン濃度を低下させることができる。
【００４６】
なお、冷却液温度が第２サーモスタットバルブ３Ｂのサーモスタット作動温度Ｔ１ｂ’に達する前に、ラジエター４および冷却液配管２４，２５内の冷却液が全量入れ替わるように、予め第１サーモスタットバルブ３Ａのサーモスタット作動温度Ｔ１ａ’を所定に設定し、冷却液配管４４を流れる冷却液流量を設定するのが好ましい。
【００４７】
そして、冷却液温度が第２サーモスタットバルブ３Ｂのサーモスタット作動温度Ｔ１ｂ’を越えると、第１，第２サーモスタットバルブ３Ａ，３Ｂはいずれも全開状態になる。図１２はこの時の冷却液の流れを示しており、冷却液は高温域における冷却液回路を循環する。高温域の冷却液回路は第２の実施の形態の場合と同様であり、冷却液は、燃料電池１の冷却液通路出口１ａ→冷却液配管２１→冷却液ポンプ２→冷却液配管２２→冷却液配管２４→ラジエター４→冷却液配管２５→第２サーモスタットバルブ３Ｂ→冷却液配管２３→燃料電池１の冷却液通路入口１ｂを通って燃料電池１を循環する。また、これと同時に、冷却液配管２５を流れる冷却液の一部が、冷却液配管４３、第１サーモスタットバルブ３Ａの第２弁室３５および第１弁室３４、冷却液配管４４、オリフィス２７を通ってイオン交換器５に導入され、冷却液配管２８を介して冷却液ポンプ２に吸引され、循環する。
【００４８】
このように冷却液が高温域の冷却液回路を流れ始めるときには、ラジエター４および冷却液配管２４，２５内は既にイオン濃度の低い冷却液に入れ替わっており、冷却液循環系内は全量がイオン濃度の低い冷却液になっているので、高温域に移った直後からイオン濃度が低い（すなわち導電率が低い）冷却液を燃料電池１に循環させることができる。
したがって、第３の実施の形態における燃料電池の冷却方法によれば、冷却液の全ての温度域において燃料電池１内の冷却液の絶縁性能を常に許容範囲内に保つことができる。
【００４９】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
前述した実施の形態では、いずれの場合もイオン交換器を燃料電池に対して並列的に接続しているが、イオン交換器を燃料電池に対して直列に接続しても、この発明は成立する。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、冷却液温度がサーモスタット作動温度以下の時に熱交換器中の冷却液のイオン濃度が高くなっても、この冷却液を予めイオン濃度を下げておいた冷却液と混合して、イオン濃度を薄めてから燃料電池に供給することができるので、燃料電池に高イオン濃度の冷却液が導入されるのを阻止することができ、燃料電池を電気的に安定した状態に保つことができるという優れた効果が奏される。
【００５１】
請求項２に記載した発明によれば、冷却液温度がサーモスタット作動温度以下の時に熱交換器中の冷却液のイオン濃度が高くなっても、冷却液温度がサーモスタット作動温度に達するまでに、前記イオン濃度の高い冷却液中からイオンを除去してイオン濃度を低下させることができるので、冷却液を燃料電池と熱交換器との間で循環させた直後から燃料電池にイオン濃度の極めて低い冷却液を導入することができ、燃料電池を電気的に安定した状態に保つことができるという優れた効果が奏される。
【００５２】
請求項３に記載した発明によれば、冷却液の導電率が所定値以下に低下した以後は、熱交換器からイオン交換器に冷却液が導入されなくなり、熱交換器を出て燃料電池に導入される冷却液流量を増やすことができるので、燃料電池に対する冷却性能を向上することができるという効果がある。
【００５３】
請求項４に記載の発明によれば、冷却液温度が第１のサーモスタット作動温度以下の時に熱交換器中の冷却液のイオン濃度が高くなっても、冷却液温度が第２のサーモスタット作動温度に達するまでに、前記イオン濃度の高い冷却液中からイオンを除去してイオン濃度を低下させることができるので、冷却液を燃料電池と熱交換器との間で循環させた直後から燃料電池にイオン濃度の極めて低い冷却液を導入することができ、燃料電池を電気的に安定した状態に保つことができるという優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る燃料電池の冷却方法を実施可能な燃料電池システムの第１の実施の形態におけるシステム構成図であり、低温域における冷却液の流れを示す図（その１）である。
【図２】  前記第１の実施の形態におけるシステム構成図であり、低温域における冷却液の流れを示す図（その２）である。
【図３】  前記第１の実施の形態におけるシステム構成図であり、高温域における冷却液の流れを示す図である。
【図４】  前記第１の実施の形態において使用されるサーモスタットバルブの作動を説明するための図である
【図５】  前記第１の実施のサーモスタットバルブの流量特性図である。
【図６】  この発明に係る燃料電池の冷却方法を実施可能な燃料電池システムの第２の実施の形態におけるシステム構成図であり、低温域における冷却液の流れを示す図（その１）である。
【図７】  前記第２の実施の形態におけるシステム構成図であり、低温域における冷却液の流れを示す図（その２）である。
【図８】  前記第２の実施の形態におけるシステム構成図であり、高温域における冷却液の流れを示す図である。
【図９】  前記第２の実施の形態において使用されるサーモスタットバルブの流量特性図である。
【図１０】  この発明に係る燃料電池の冷却方法を実施可能な燃料電池システムの第３の実施の形態におけるシステム構成図であり、低温域における冷却液の流れを示す図（その１）である。
【図１１】  前記第３の実施の形態におけるシステム構成図であり、低温域における冷却液の流れを示す図（その２）である。
【図１２】  前記第３の実施の形態におけるシステム構成図であり、高温域における冷却液の流れを示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
４  ラジエター（熱交換器）
５  イオン交換器
８  導電率センサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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