(57)【要約】  冷却装置は、積層電池を冷却する冷却水の不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂が封入され、イオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路と、を有する。そして冷却装置は、樹脂通水路から分岐してイオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、冷却水の導電状態に応じてバイパス通路を閉じる開閉手段と、を含む。
2014174982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層電池を冷却する冷却水の不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、
前記イオン交換樹脂が封入され、前記イオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路と、
前記樹脂通水路から分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、
前記冷却水の導電状態に応じて前記バイパス通路を閉じる開閉手段と、
を含む冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記積層電池に冷却水を循環させる循環通路と、
前記循環通路に設けられ、前記積層電池に冷却水を供給するポンプと、を含み、
前記開閉手段は、前記ポンプの始動時に前記バイパス通路を閉じ、前記積層電池の発熱状態に応じて前記バイパス通路を開ける、
冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の冷却装置であって、
前記樹脂通水路と前記バイパス通路と前記開閉手段とを有し、前記積層電池に供給される冷却水の不純物イオンを除去するイオン交換器を含む
冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却装置であって、
前記イオン交換器は、
前記冷却水が流入する流入部と、
前記流入部から前記樹脂通水路に流入した冷却水を排出する排出部と、を備え、
前記バイパス通路は、
前記樹脂通水路の内側に形成され、前記流入部と前記排出部との間を連通する第１バイパス通路と、
前記樹脂通水路の外側に形成される第２バイパス通路と、を含み、
前記第１バイパス通路の外周面には、冷却水を前記イオン交換樹脂に通す複数の第１通水孔が形成され、
前記第２バイパス通路の内周面には、冷却水を前記イオン交換樹脂に通す複数の第２通水孔が形成され、
前記開閉手段は、
前記第２バイパス通路の前記流入部側と前記排出部側の開口のうちいずれかを塞ぐ遮蔽部と、
前記第１バイパス通路の前記流入部側と前記排出部側の開口のうち、前記遮蔽部によって前記第１通水孔及び第２通水孔から前記樹脂通水路に流入する冷却水の流量が多くなる方の開口を閉じる開閉部と、を有する、
冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却装置であって、
前記遮蔽部は、前記第２バイパス通路の前記流入部側の開口に設けられ、
前記開閉部は、前記排出部に設けられ、前記第１バイパス通路の前記排出部側の開口を開閉する、
冷却装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記冷却水の導電状態として前記積層電池の絶縁抵抗、導電率又は放置時間を推定する推定手段をさらに含み、
前記開閉手段は、前記推定手段により推定された導電状態が所定閾値を超えると判断した場合には前記バイパス通路を閉じ、前記導電状態が所定閾値を超えないと判断した場合には前記バイパス通路を開ける、
冷却装置。
【請求項７】
請求項６に記載の冷却装置であって、
前記冷却水の温度を検出するセンサーをさらに含み、
前記開閉手段は、前記冷却水の温度に応じて前記所定閾値を補正する、
冷却装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記積層電池は、燃料電池であり、
前記開閉手段は、前記バイパス通路を閉じたときには、前記燃料電池の発電量を制限する、
冷却装置。
【請求項９】
液体中の不純物イオンを除去するイオン交換器であって、
不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、
前記イオン交換樹脂が封入され、前記イオン交換樹脂に液体を通過させる樹脂通路と、
前記樹脂通路から分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、
前記液体の導電状態に応じて前記バイパス通路を閉じる開閉手段と、
を含むイオン交換器。
【請求項１０】
積層電池を冷却する冷却水の不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、前記イオン交換樹脂が封入され、前記イオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路と、前記樹脂通水路から分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を閉じる開閉手段と、を含む冷却装置の制御方法であって、
前記冷却水の導電状態を判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより判定される導電状態に応じて、前記開閉手段により前記バイパス通路を閉じる開閉ステップと、
を含む冷却装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、積層電池を冷却する液体中の不純物イオンを除去するイオン交換器及び冷却装置並びに冷却装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２００９−２１９９５４Ａには、内管及び外管からなる二重管構造のイオン交換器が開示されている。このイオン交換器では、内管の内側に形成される通路、及び、内管と外管の間に形成される通路のうちの一方の通路は、イオン交換樹脂が充填される樹脂通水路として構成され、他方の通路はバイパス通路として構成される。
【発明の概要】
【０００３】
現在開発中の燃料電池システムでは、ラジエータで冷やされた冷却水を積層電池である燃料電池に循環させる冷却装置を備えている。冷却装置では循環通路に設けられたポンプを駆動することにより冷却水を燃料電池に供給する。ポンプを始動して燃料電池システムを長期間使用すると、循環通路内の配管等からＮａ+やＳＯ42-等の不純物イオンが冷却水中に溶出して冷却水の電気伝導度が上がり、燃料電池の発電性能が悪化してしまう。そのため、循環通路には、冷却水中の不純物イオンを除去するためにイオン交換器が設置される。
【０００４】
このような冷却装置では、燃料電池システムの停止中にはポンプの回転を止める。このため、停止してからの放置時間が長くなると、冷却水の循環の停止に伴い滞留した冷却水中に不純物イオンが多量に溶出して冷却水の導電性が高くなってしまう。このような導電状態で燃料電池システムを起動するときは、不純物イオンを短時間で除去できる除去性能の高いイオン交換器を用いるのが望ましい。イオン交換器において不純物イオンの除去性能を高くするには、バイパス通路への冷却水の流入量を少なくして樹脂通水路への流入量を増やすようにイオン交換器が設計される。
【０００５】
しかしながら、不純物イオンの除去性能の高いイオン交換器では、イオン交換樹脂への冷却水の流入量が多くなる分、イオン交換器の流入口側と排出口側の圧力差が大きくなる。そのため、イオン交換器の下流で冷却水の圧力が低くなり、燃料電池への冷却水の循環が悪くなって燃料電池に対する冷却性能が低下する。
【０００６】
一方、燃料電池は、発電量に応じて発熱量が多くなる。このため、発熱量が多くなる高負荷運転中では、冷却水によって燃料電池を十分に冷却することができず、燃料電池の発電量を制限しなければならない場合がある。
【０００７】
このように、燃料電池システムの起動時において、短時間で冷却水の不純物イオンを除去するようにイオン交換器を設計すると、通常の運転時には燃料電池の発熱に対して冷却水の循環による冷却能力が不足することがある。
【０００８】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、冷却水による冷却性能と不純物イオンの除去性能の両立を図るイオン交換器及び冷却装置並びにその制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明による冷却装置のある態様は、積層電池を冷却する冷却水の不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、イオン交換樹脂が封入され、イオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路と、を含む。そして冷却装置は、樹脂通水路から分岐してイオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、冷却水の導電状態に応じてバイパス通路を閉じる開閉手段と、を含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における冷却装置を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第２実施形態におけるイオン交換器を分解した図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、イオン交換器の断面を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、イオン交換樹脂が封入されたイオン交換器の断面を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、イオン交換器内のバイパス通路を開放したときの冷却水の流れ方向を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、イオン交換器内のバイパス通路を遮蔽したときの冷却水の流れ方向を示す図である。
【図４】図４は、イオン交換器の切替部の制御方法を示すフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは、切替時のイオン交換器による不純物除去性能を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、切替時のイオン交換器の圧力損失を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、起動時及び運転中のイオン交換器による浄化時間を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、第３実施形態におけるイオン交換器の断面を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、起動時における固定板及び回転板の位置関係を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、運転中における固定板及び回転板の位置関係を示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、第４実施形態におけるイオン交換器の断面を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、切替時のイオン交換器の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略を示す構成図である。
【００１３】
燃料電池システム１は、例えば車両に搭載される駆動モータに電力を供給するシステムである。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０を冷却する冷却装置２０と、冷却装置２０を制御するコントローラ３０と、を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、駆動モータ等の要求電力量に応じて発電する電池である。燃料電池スタック１０は、発電量が多くなるほど発熱量が多くなる。燃料電池スタック１０は、所定枚数の燃料電池を積層して構成される。
【００１５】
燃料電池は、アノード電極と、カソード電極と、これらの電極に挟まれる電解質膜と、を備える。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。
【００１６】
アノード電極：  ２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-           ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
燃料電池では、上記（１）及び（２）の電気化学反応によって、燃料電池は１ボルト程度の起電力を発生させる。
【００１７】
燃料電池スタック１０には、アノードガス供給装置によりアノードガスが供給されるとともに、カソードガス供給装置によりカソードガスが供給される。燃料電池スタック１０が発電した電力は、車両を駆動する駆動モータ等の各種電気機器（負荷）に供給される。
【００１８】
冷却装置２０は、液体である冷却水によって燃料電池スタック１０を冷却する装置である。冷却水には、純水又はグリコール系の不凍液などの流体が冷媒として用いられる。
【００１９】
冷却装置２０は、冷却水循環通路２１と、ラジエータ２２と、ラジエータバイパス通路２３と、三方弁２４と、リザーバタンク２５と、冷却水ポンプ２６と、イオン交換器１００と、を備える。
【００２０】
冷却水循環通路２１は、燃料電池スタック１０を冷却する冷却水が流れる通路である。冷却水循環通路２１の一端は、燃料電池スタック１０の冷却水入口部に接続される。そして冷却水循環通路２１の他端は、燃料電池スタック１０の冷却水出口部に接続される。
【００２１】
ラジエータ２２は、燃料電池スタック１０から排出された冷却水の熱をファン２２Ａによって放散する放熱器である。ラジエータ２２は、冷却水循環通路２１に設置される。
【００２２】
ラジエータバイパス通路２３は、ラジエータ２２をバイパスするように冷却水循環通路２１に接続される。
【００２３】
三方弁２４は、ラジエータ２２よりも上流側の冷却水循環通路２１と、ラジエータバイパス通路２３との接続部に設けられる。三方弁２４は、ラジエータ２２に流入する冷却水の流量とラジエータバイパス通路２３に流入する冷却水の流量を調整する流量調整部材である。三方弁２４の開度は、冷却負荷状態等に応じてコントローラ３０によって制御される。
【００２４】
リザーバタンク２５は、ラジエータ２２とラジエータバイパス通路２３の下流端に位置する接続部との間の冷却水循環通路２１に設置される。リザーバタンク２５は、冷却水循環通路２１内の冷却水の圧力に応じて開閉するキャップ２５Ａを有している。
【００２５】
冷却水循環通路２１において冷却水の圧力が高い場合には、冷却水循環通路２１を流れる冷却水の一部がキャップ２５Ａを通じてリザーバタンク２５に供給され、冷却水循環通路２１内の圧力が低い場合には、リザーバタンク２５の冷却水がキャップ２５Ａを通じて冷却水循環通路２１に供給される。これにより、冷却水循環通路２１内の冷却水の圧力が所定圧力範囲内に保たれる。
【００２６】
冷却水ポンプ２６は、冷却水を循環させる圧送装置である。冷却水ポンプ２６は、ラジエータバイパス通路２３の下流端接続部と燃料電池スタック１０との間の冷却水循環通路２１に設けられる。冷却水ポンプ２６は、燃料電池スタック１０に冷却水を供給する。冷却水ポンプ２６の吐出流量は、コントローラ３０によって制御される。
【００２７】
イオン交換器１００は、ラジエータ２２よりも下流側の冷却水循環通路２１に設けられる。本実施形態ではイオン交換器１００は、冷却水ポンプ２６の下流側の冷却水循環通路２１に配置される。なお、イオン交換器１００を、ラジエータバイパス通路２３の下流端に位置する接続部（下流端接続部）と冷却水ポンプ２６との間の冷却水循環通路２１に配置するようにしてもよい。
【００２８】
イオン交換器１００の内部には、不純物イオンを除去可能な粒状のイオン交換樹脂が封入されている。イオン交換器１００は、イオン交換樹脂によって冷却水中の不純物イオンを除去して冷却水の電気伝導度を低減させる。
【００２９】
コントローラ３０は、燃料電池システム１の運転状態に応じて冷却装置２０を制御する。コントローラ３０には、燃料電池スタック１０の運転状態を検出する各種センサーからの信号が入力される。例えば、冷却水循環通路２１には、冷却水の導電率を検出する導電率センサー３１と、冷却水の温度を検出する温度センサー３２と、が設けられている。コントローラ３０は、各種センサーからの入力信号に基づいて三方弁２４や冷却水ポンプ２６等を制御する。
【００３０】
このような冷却装置では、燃料電池システム１の停止時には冷却水ポンプ２６の回転を止める。このため、冷却水ポンプ２６を停止してからの放置時間が長くなると、イオン交換器に冷却水が流れなくなり、冷却水循環通路２１に滞留した冷却水中に不純物イオンが多量に溶出して冷却水の導電性が高くなってしまう。
【００３１】
このような導電状態で燃料電池システム１を起動して冷却水ポンプ２６を作動する場合には、不純物イオンを短時間で除去できる除去性能の高いイオン交換器を用いるのが望ましい。イオン交換器において不純物イオンの除去性能を高くするには、通常、バイパス通路への冷却水の流入量を減らしてイオン交換器への流入量を増やすようにイオン交換器が設計される。
【００３２】
しかしながら、不純物イオンの除去性能の高いイオン交換器では、イオン交換樹脂への冷却水の流入量が多くなる分、冷却水の流水抵抗が大きくなり、イオン交換器の流入口側と排出口側の圧力差（以下「圧力損失」という。）が大きくなる。そのため、イオン交換器の下流で冷却水の圧力が低くなり、燃料電池スタック１０への冷却水の循環性が悪くなるため、冷却水による燃料電池スタック１０に対する冷却性能が低下する。
【００３３】
一方、燃料電池スタック１０は、発電量に応じて発熱量が多くなる。このため、発熱量が多くなる高負荷運転中では、冷却水の循環によって燃料電池スタック１０を十分に冷却することができず、燃料電池スタック１０の発電量を制限しなければならない場合がある。
【００３４】
このように、燃料電池システム１の起動時において短時間で冷却水の不純物イオンを除去するようにイオン交換器を設計すると、通常の運転時には燃料電池の発熱に対して冷却水による冷却能力が不足することがある。
【００３５】
そこで本実施形態では、イオン交換樹脂をバイパスするためのバイパス通路と、そのバイパス通路を閉じる開閉手段とを用いることにより、冷却水による冷却性能と不純物イオンの除去性能の両立を図る。
【００３６】
具体的には、図１に示すようにバイパス通路２００と開閉手段２１０とが冷却装置２０に設けられる。開閉手段２１０は、切替部２１１とコントローラ３０とで構成される。
【００３７】
冷却装置２０において、ラジエータバイパス通路２３の下流端接続部と、燃料電池スタック１０の冷却水入口部との間の冷却水循環通路２１は、イオン交換器１００のイオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路（樹脂通路）である。
【００３８】
バイパス通路２００は、樹脂通水路２１から分岐してイオン交換器１００内のイオン交換樹脂をバイパスさせる冷却水通路である。バイパス通路２００の一端は、冷却水ポンプ２６とイオン交換器１００との間の冷却水循環通路２１に接続される。そしてバイパス通路２００の他端は、イオン交換器１００と燃料電池スタック１０との間の冷却水循環通路２１に接続される。
【００３９】
切替部２１１は、バイパス通路２００に設けられる。切替部２１１は、コントローラ３０の制御に従って、バイパス通路２００の開度を制御する制御弁である。切替部２１１としては、例えば電磁弁が用いられる。切替部２１１は、冷却水の導電状態に応じてバイパス通路２００の開度を小さくしてバイパス通路２００を閉じる。
【００４０】
コントローラ３０は、冷却水循環通路２１を流れる冷却水の導電状態を検出し、検出した導通状態に基づいてバイパス通路２００を閉じる。本実施形態では、コントローラ３０は、導電率センサー３１の検出信号が所定の管理閾値を超えたか否かを判断する。そしてコントローラ３０は、導電率センサー３１の検出信号が管理閾値を超えたと判断した場合に、切替部２１１の開度を全閉にしてバイパス通路２００を閉じる。管理閾値は、感電を防止するために規定された基準値である。
【００４１】
また、コントローラ３０は、導電率センサー３１の検出信号が管理閾値を超えていないと判断した場合には、切替部２１１の開度を全開にしてバイパス通路２００を開ける。あるいは、コントローラ３０は、バイパス通路２００を閉じてから所定の切戻し時間を経過した後に切替部２１１を全開にしてもよい。切戻し時間は、イオン交換器１００で冷却水の導電率が規定値まで下がる期間である。
【００４２】
コントローラ３０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００４３】
本発明の第１実施形態によれば、開閉手段２１０によって冷却水の導電状態に応じてバイパス通路２００を閉じる。これにより、冷却装置２０の起動時に冷却水中に溶出した不純物イオンの数が多いときには、バイパス通路２００を閉じてイオン交換器１００のイオン交換樹脂に流入する冷却水の流量を増やすことが可能となる。よって、短時間で冷却水中の不純物イオンを低減することができる。
【００４４】
一方、燃料電池スタック１０の温度が高くなる高負荷運転時には、バイパス通路２００を開いてイオン交換樹脂に流入していた冷却水をバイパス通路２００に流すことが可能となる。これにより、冷却水循環通路２１における冷却水の循環が改善するので、冷却水によって燃料電池スタック１０の温度上昇を確実に抑えることができる。
【００４５】
したがって、冷却装置２０において冷却水の循環による冷却性能と不純物イオンの除去性能を両立することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、コントローラ３０は、冷却水ポンプ２６の始動時にバイパス通路２００を閉じてもよい。これにより、コントローラ３０は、冷却水中に不純物イオンの数が多量に存在している可能性が高い状況で、冷却装置２０による不純物イオンの除去性能を高くすることができる。
【００４７】
またコントローラ３０は、燃料電池スタック１０の発熱状態、すなわち発電状態に応じてバイパス通路２００を開けるようにしてもよい。
【００４８】
例えば、コントローラ３０は、冷却水の温度センサー３２の検出信号が所定の温度閾値を超えると判断した場合には、切替部２１１の開度を全開にしてバイパス通路２００を開ける。あるいは、コントローラ３０は、燃料電池スタック１０の発電量が所定の発熱閾値を超えると判断した場合には、切替部２１１の開度を全開にしてもよい。
【００４９】
これにより、冷却装置２０では、燃料電池スタック１０の温度が高いときに、冷却水の循環を良くすることができるので、燃料電池スタック１０に対する冷却性能を高くすることができる。
【００５０】
このように、冷却水ポンプ２６の始動時にバイパス通路２００を閉じ、燃料電池スタック１０の発熱状態に応じてバイパス通路２００を開けることで、燃料電池スタック１０の冷却性能を確保しつつ、冷却水中の不純物イオンを効率的に除去することができる。
【００５１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態では、バイパス通路２００及び切替部２１１に対応する構成がイオン交換器１００の内部に設けられる。
【００５２】
図２は、本発明の第２実施形態におけるイオン交換器１００の基本構造を示す図である。図２Ａは、イオン交換器１００を分解した斜視図である。図２Ｂは、イオン交換器１００の縦断面を示す図である。図２Ｃは、イオン交換樹脂１９０が封入されたイオン交換器１００の縦断面を示す図である。
【００５３】
イオン交換器１００は、図２Ａに示すように、外筒１１０と、外筒１１０の内部に同軸に配置される内筒１２０と、外筒１１０の入口端部に取り付けられる蓋部材１３０と、を備える。さらにイオン交換器１００は、図２Ｂに示すように、内筒１２０の中心部分に同軸に配置される中心筒２２０と、中心筒２２０の開口端を遮蔽する駆動部２１２と、外筒１１０の出口端部に取り付けられる蓋部材１４０と、を備える。
【００５４】
外筒１１０は、円筒形状の枠体である。外筒１１０の上流端１１１及び下流端１１２は、それぞれ開口端として形成されている。外筒１１０の上流端１１１には蓋部材１３０が取り付けられ、外筒１１０の下流端１１２には蓋部材１４０が取り付けられる。
【００５５】
蓋部材１３０は、冷却水循環通路２１からイオン交換器１００に冷却水を流入させる流入通路１３１を有する流入部として構成されている。流入通路１３１は、冷却水の流れ方向に沿って、つまりイオン交換器１００の軸方向上流側から下流側に向かって、通路径が徐々に拡径するように形成されている。
【００５６】
蓋部材１４０は、イオン交換器１００から冷却水循環通路２１に冷却水を排出させる排出通路１４１を有する排出部として構成されている。排出通路１４１は、冷却水の流れ方向に沿って、つまりイオン交換器１００の軸方向上流側から下流側に向かって、通路径が徐々に縮径するように形成されている。
【００５７】
中心筒２２０の内部は、図１に示したバイパス通路２００に対応する。中心筒２２０は、円筒状の枠体である。中心筒２２０は、両端は共に開口している。内筒１２０の内側に同軸で配置される。内筒１２０内に中心筒２２０が配置された状態では、中心筒２２０の内側がバイパス通路２３０となる。バイパス通路２３０は、内筒１２０の中心軸に沿って形成される。また、中心筒２２０と内筒１２０の間が樹脂通水路１５０となる。
【００５８】
中心筒２２０の外周面（側面）には、冷却水を通す通水孔２２０Ａが複数形成されている。通水孔２２０Ａは、バイパス通路２３０と樹脂通水路１５０とを連通する矩形状の貫通孔である。これら通水孔２２０Ａは、中心筒２２０の軸方向に所定間隔をあけて並設されるとともに、中心筒２２０の外周方向に所定間隔をあけて並設されている。
【００５９】
内筒１２０は、円筒形状の枠体である。内筒１２０は、外筒１１０の内側に同軸で配置される。内筒１２０には中心筒２２０が取り付けられる。中心筒２２０を有する内筒１２０が外筒１１０内に設置された状態では、中心筒２２０と内筒１２０との間の空間が樹脂通水路（樹脂通路）１５０となり、外筒１１０と内筒１２０との間の空間が外側通路１６０となる。
【００６０】
内筒１２０は、上流端が開口した筒部１２１と、筒部１２１の開口端に設置される蓋部１２２と、を備える。
【００６１】
筒部１２１の内周面（側面）には、冷却水を通す通水孔１２１Ａが複数形成されている。通水孔１２１Ａは、樹脂通水路１５０と外側通路１６０とを連通する矩形状の貫通孔である。これらの通水孔１２１Ａは、筒部１２１の軸方向に所定間隔をあけて並設されるとともに、筒部１２１の外周方向に所定間隔をあけて並設されている。
【００６２】
筒部１２１の下流端１２１Ｂは、円板状に形成されている。下流端１２１Ｂには、冷却水が通過可能な複数の連通部１２１Ｃ及び連通部１２１Ｄがそれぞれ形成されている。
【００６３】
複数の連通部１２１Ｃは、下流端１２１Ｂの中心周りに所定間隔をあけて並設されている。連通部１２１Ｃは、樹脂通水路１５０と排出通路１４１とを連通するように下流端１２１Ｂの中心寄りの位置に形成されている。
【００６４】
複数の連通部１２１Ｄは、下流端１２１Ｂの中心周りに所定間隔をあけて並設されている。連通部１２１Ｄは、外側通路１６０と排出通路１４１とを連通するように、連通部１２１Ｃよりも径方向外側となる下流端１２１Ｂの外縁寄りの位置に形成されている。
【００６５】
蓋部１２２は、筒部１２１の開口端に着脱可能に取り付けられる円板状部材である。蓋部１２２は、筒部１２１の上流端を構成する。蓋部１２２には、冷却水が通過可能な複数の連通部１２２Ａ及び連通部１２２Ｂがそれぞれ形成されている。
【００６６】
複数の連通部１２２Ａは、蓋部１２２の中心周りに所定間隔あけて並設されている。連通部１２２Ａは、流入通路１３１と樹脂通水路１５０とを連通するように蓋部１２２の中心寄りの位置に形成されている。
【００６７】
複数の連通部１２２Ｂは、蓋部１２２の中心周りに所定間隔あけて並設されている。連通部１２２Ｂは、流入通路１３１と外側通路１６０とを連通するように、連通部１２２Ａよりも径方向外側となる蓋部１２２の外縁寄りの位置に形成されている。
【００６８】
筒部１２１と蓋部１２２と中心筒２２０によって樹脂通水路１５０が構成され、樹脂通水路１５０内には、イオン交換樹脂が充填される。
【００６９】
イオン交換樹脂は、冷却水に含まれる不純物イオンを除去するための粒状体の樹脂である。イオン交換樹脂は、粒状体であるため、樹脂通水路１５０からイオン交換樹脂が流出しないようにメッシュＭで覆われている。図２Ｃでは、イオン交換樹脂１９０が斑点により示されている。
【００７０】
メッシュＭは、イオン交換樹脂の粒径よりも小さい目開き（網目）である。メッシュＭは、内筒１２０の通水孔１２１Ａ、連通部１２１Ｃ、及び、連通部１２２Ａと、中心筒２２０の通水孔２２０Ａとに設けられている。メッシュＭの目開きは、約２００ミクロンに設定されている。
【００７１】
なお、図２Ａ〜図２Ｃには、便宜上、一部の通水孔１２１Ａ、連通部１２１Ｃ、連通部１２２Ａ、及び、通水孔２２０ＡのみにメッシュＭが示されているが、実際には全ての通水孔１２１Ａ、連通部１２１Ｃ、連通部１２２Ａ及び通水孔２２０ＡにメッシュＭが設けられている。
【００７２】
駆動部２１２は、図１に示した開閉手段２０１に対応する。駆動部２１２は、コントローラ３０の制御に従って、バイパス通路２３０の下流の開口端を開閉する。駆動部２１２は、遮蔽部２１２Ａをバイパス通路２３０の軸方向に沿って伸縮する。駆動部２１２は、例えばソレノイドバルブにより実現される。
【００７３】
例えば、駆動部２１２は、導電率センサー３１の検出信号が管理閾値を超えていると判断した場合には、遮蔽部２１２Ａを中心筒２２０の開口端まで伸長してバイパス通路２３０を塞ぐ。そして駆動部２１２は、導電率センサー３１の検出信号が管理閾値まで低下した場合には、遮蔽部２１２Ａを中心筒２２０の開口端から離してバイパス通路２３０を開放する。
【００７４】
このようにイオン交換器１００には、イオン交換樹脂１９０に液体を通過させる樹脂通路１５０と、樹脂通路１５０から分岐してイオン交換樹脂１９０をバイパスするバイパス通路２３０と、が設けられる。さらにイオン交換器１００には、バイパス通路２３０を閉じる駆動部２１２が設けられ、コントローラ３０は、冷却水の導電状態に応じて駆動部２１２を制御してバイパス通路２３０を開閉する。
【００７５】
次にイオン交換器１００を通過する冷却水の流れについて説明する。
【００７６】
図３は、イオン交換器１００の縦断面を模式的に示した図である。図３Ａは、駆動部２１２によってバイパス通路２３０を開放したときのイオン交換器１００を流れる冷却水の流れ方向を示す図である。
【００７７】
図３Ａでは、駆動部２１２が収縮しているので、遮蔽部２１２Ａがバイパス通路２３０の下流端から離されている。
【００７８】
冷却水循環通路２１を流れる冷却水は、蓋部材１３０の流入通路１３１を通ってイオン交換器１００内に流れる。
【００７９】
流入通路１３１を流れる冷却水は、蓋部１２２の連通部１２２Ａを通ってバイパス通路２３０に流入するとともに、連通部１２２Ａを通って樹脂通水路１５０に流入する。本実施形態では、蓋部１２２の連通部１２２Ｂのそれぞれには、冷却水を遮断するために壁部（遮蔽部）１２３が設けられている。このため、流入通路１３１から外側通路１６０には冷却水が流入しない。
【００８０】
流入通路１３１からバイパス通路２３０に流入する冷却水は、主に中心筒２２０内を通過する。一方、バイパス通路２３０を流れる冷却水の一部は、図３Ａに示した矢印の方向に向かって、中心筒２２０の通水孔２２０Ａを介して樹脂通水路１５０へ流れ出す。また、バイパス通路２３０には、樹脂通水路１５０の通水孔２２０Ａから冷却水が流れ込む。
【００８１】
流入通路１３１から樹脂通水路１５０に流入する冷却水は、主に筒部１２１を通過する。樹脂通水路１５０を流れる冷却水の一部は、筒部１２１の通水孔１２１Ａを介して外側通路１６０へ流れ出す。また、樹脂通水路１５０には、中心筒２２０の通水孔２２０Ａから、図３Ａに示した矢印の方向に向かって、冷却水が流れ込む。また、樹脂通水路１５０を流れる冷却水の一部は、中心筒２２０の通水孔２２０Ａを介して相互に往来しながら、下流側に向かって流れる。
【００８２】
流入通路１３１を流れる冷却水中の不純物イオンは、樹脂通水路１５０を通過する際にイオン交換樹脂によって除去される。これにより、冷却水の電気伝導率が低下する。
【００８３】
樹脂通水路１５０で不純物イオンが除去された冷却水は、内筒１２０の下流端１２１Ｂの連通部１２１Ｃを通って排出通路１４１に流出する。
【００８４】
また、中心筒２２０の下流側の開口端に達した冷却水は、下流端１２１Ｂの連通部１２１Ｃを通って排出通路１４１に流出する。そして外側通路１６０を流れる冷却水は、下流端１２１Ｂの連通部１２１Ｄを通って排出通路１４１で、樹脂通水路１５０及びバイパス通路２３０から連通部１２１Ｃを通って排出された冷却水と合流する。排出通路１４１から流出する冷却水は、冷却水循環通路２１に排出され、燃料電池スタック１０に供給される。
【００８５】
このように、駆動部２１２によってバイパス通路２３０を開放した状態では、流入通路１３１から樹脂通水路１５０に分流した冷却水はイオン交換樹脂を通過するとともに、流入通路１３１から中心筒２２０に分流した冷却水は、主にバイパス通路２３０を通過する。
【００８６】
このため、イオン交換器１００では、樹脂通水路１５０で冷却水中の不純物イオンが除去されるとともに、冷却水の一部はイオン交換樹脂を通らずにバイパス通路２３０を通過するので、冷却水のイオン交換樹脂の通過に伴う圧力損失を低減することができる。これにより、冷却水の循環が改善するので燃料電池スタック１０に対する冷却性能を高くすることができる。
【００８７】
図３Ｂは、駆動部２１２によって、バイパス通路２３０を閉じたときのイオン交換器１００を流れる冷却水の流れ方向を示す図である。
【００８８】
図３Ｂでは、駆動部２１２が伸長しているので、遮蔽部２１２Ａによってバイパス通路２３０の下流端が塞がれている。
【００８９】
遮蔽部２１２Ａでバイパス通路２３０が塞がれた状態では、流入通路１３１からバイパス通路２３０に流入する冷却水は、遮蔽部２１２Ａで堰き止められて、図３Ｂに示した矢印の方向に向かって、中心筒２２０の通水孔２２０Ａを介して樹脂通水路１５０へ押し出される。
【００９０】
樹脂通水路１５０には、流入通路１３１から冷却水が流入するとともに、中心筒２２０の通水孔２２０Ａから、図３Ｂに示した矢印の方向に向かって、冷却水が流れ込む。これにより、流入通路１３１を流れる全ての冷却水がイオン交換樹脂を通過することになる。
【００９１】
樹脂通水路１５０を流れる冷却水の一部は、筒部１２１を通過する。また、樹脂通水路１５０を流れる冷却水の一部は、筒部１２１の通水孔１２１Ａを介して外側通路１６０へ流れる。樹脂通水路１５０を流れる冷却水は、イオン交換樹脂によって不純物イオンが除去される。これにより、冷却水の電気伝導率が低下する。
【００９２】
外側通路１６０には、図３Ｂに示した矢印の方向に向かって流れる冷却水が、筒部１２１の通水孔１２１Ａから流れ込む。外側通路１６０及び樹脂通水路１５０の下流端に到達した冷却水は、排出通路１４１で合流する。合流した冷却水は、冷却水循環通路２１に排出され、燃料電池スタック１０に供給される。
【００９３】
このように、流入通路３１１から中心筒２２０に分流した冷却水は、駆動部２１２によってバイパス通路２３０が遮蔽されているため、バイパス通路２３０から通水孔２２０Ａを介して樹脂通水路１５０に流れ込む。
【００９４】
このため、樹脂通水路１５０には、流入通路３１１から直接流入する冷却水だけではなく、バイパス通路２３０に流入した冷却水も流れ込むので、イオン交換樹脂を通過する冷却水の水量が増加する。これにより、バイパス通路２３０を開放した場合に比べて、不純物イオンの除去性能を高くすることができる。
【００９５】
図４は、コントローラ３０による制御方法を示すフローチャートである。
【００９６】
まず、ステップＳ９１１においてコントローラ３０は、燃料電池システム１を起動する。例えばコントローラ３０は、ラジエータ２２、三方弁２４や冷却水ポンプ２６などを電源と接続するとともに、アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１０に供給する。
【００９７】
ステップＳ９１２においてコントローラ３０は、冷却水ポンプ２６の作動を開始（始動）して、循環通路２１の冷却水を燃料電池スタック１０に供給する。これにより、循環通路２１を循環する冷却水がイオン交換器１００を通過する。
【００９８】
ステップＳ９１３においてコントローラ３０は、導電率センサー３１を起動して、所定周期（例えば数ミリセカンド）で導電率センサー３１から検出信号を取得する。そしてコントローラ３０は、導電率センサー３１の検出信号に基づいて冷却水の導電率（電気伝導率）を計測する。
【００９９】
ステップＳ９１４においてコントローラ３０は、計測された冷却水の導電率が管理閾値を超えているか否かを判断する。管理閾値は、感電を防止するために予め定められた基準値であり、例えば、コントローラ３０に予め記憶されている。すなわちコントローラ３０は、燃料電池スタック１０を流れる冷却水の導電状態が感電しやすい状態か否かを判定する。
【０１００】
ステップＳ９１５においてコントローラ３０は、冷却水の導電率が管理閾値以下であると判断した場合には、駆動部２１２を制御して中心筒２２０の開口端から遮蔽部２１２Ａを離してバイパス通路２３０を開放する。
【０１０１】
バイパス通路２３０は開放状態となるので、バイパス通路２３０はイオン交換樹脂をバイパスさせる通路としての役割を果たす。開放状態のバイパス通路２３０によって、冷却水の一部がバイパスされるので、イオン交換器１００で生じる冷却水の圧力損失を低減することができる。
【０１０２】
ステップＳ９１６においてコントローラ３０は、イオン交換器１００のバイパス通路２３０を開放した状態で燃料電池システム１の通常運転を実施する。具体的にはコントローラ３０は、駆動モータ等に基づく発電要求に応じてアノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１０に供給して燃料電池スタック１０を発電させる。
【０１０３】
一方、ステップＳ９１４で冷却水の導電率が管理閾値よりも高いと判断された場合には、ステップＳ９１７においてコントローラ３０は、駆動部２１２を制御してバイパス通路２３０を遮蔽部２１２Ａで閉じる。すなわちコントローラ３０は、冷却水の導電状態に応じてバイパス通路２３０を閉じる。
【０１０４】
これにより、イオン交換器１００のバイパス通路２３０が遮断されるため、バイパス通路２３０を流れる冷却水が中心筒２２０の通水孔２２０Ａを介して樹脂通水路１５０へ押し出され、樹脂通水路１５０に流れる冷却水の水量が増加する。したがって、イオン交換樹脂で除去される不純物イオンの除去量が増加するので、イオン交換器１００による不純物イオンの除去性能を高くすることができる。
【０１０５】
その後、ステップＳ９１８においてコントローラ３０は、導電率センサー３１で計測された導電率が管理閾値よりも高いか否かを判断する。そしてコントローラ３０は、冷却水の導電率が管理閾値以下であると判断した場合には、バイパス通路２３０を閉じた後にステップＳ９１６に進む。
【０１０６】
一方、ステップＳ９１９においてコントローラ３０は、冷却水の導電率が管理閾値よりも高いと判断した場合には、燃料電池システム１の運転を制限する。具体的にはコントローラ３０は、バイパス通路２３０を遮断した状態、すなわちイオン交換器１００による冷却水の圧力損失が大きい状態で燃料電池スタック１０を冷却可能な発電量に制限する。
【０１０７】
例えば、バイパス通路２３０の遮断時において燃料電池スタック１０を冷却可能な発電量の上限値をあらかじめ見積もっておき、コントローラ３０に記憶しておく。そしてコントローラ３０は、バイパス通路２３０を遮蔽した状態で冷却水の導電率が管理閾値を超えていると判断した場合には、燃料電池スタック１０の発電要求を発電量の上限値まで下げる。その後に冷却水の導電率が管理閾値まで低下したときに、コントローラ３０は、バイパス通路２３０を開放状態に設定し、その後、燃料電池システム１の運転制限を解除する。
【０１０８】
ステップＳ９１６又はＳ９１９の処理が完了すると、コントローラ３０の制御方法が終了する。
【０１０９】
このように、コントローラ３０は、冷却水の導電状態に応じてイオン交換器内のバイパス通路２３０を開閉する。本実施形態では冷却水の導電状態が管理閾値を超えた場合にバイパス通路２３０を遮断状態にしたが、燃料電池システム１の起動処理を実行するたびにバイパス通路２３０を遮断状態にし、導電率が管理閾値以下のときにバイパス通路２３０を開放状態にするようにしてもよい。
【０１１０】
次にイオン交換器１００による不純物イオンの除去性能と冷却水の圧力損失との関係について図５Ａ〜図５Ｃを参照して説明する。ここでは、イオン交換器１００のバイパス通路２３０の通路長が１４５ｍｍ（ミリメートル）に設定され、中心筒２２０、筒部１２１及び外筒１１０の直径が、それぞれ３０ｍｍ、５０ｍｍ及び６０ｍｍに設定されたときの予測データが示されている。
【０１１１】
また、以下では、燃料電池システム１の起動時にイオン交換器内のバイパス通路２３０が遮断状態に設定され、燃料電池システム１の通常運転中に、バイパス通路２３０が開放状態に切り替えられることを想定している。
【０１１２】
図５Ａは、遮断状態から開放状態への切替時のイオン交換器１００による不純物イオンの除去性能を示す図である。図５Ａでは、燃料電池システム１の起動時におけるイオン交換器の除去性能が破線で示され、運転中におけるイオン交換器の除去性能が実線で示されている。また横軸が１分（ｍｉｎ）あたりの冷却水の循環流量（Ｌ：リットル）であり、縦軸がイオン交換器１００によって冷却水中の不純物イオンがイオン交換されるイオン交換率（％）である。
【０１１３】
燃料電池システム１の起動時のイオン交換器１００では、駆動部２１２によってバイパス通路２３０が遮断されるため、運転中のイオン交換器に比べて、イオン交換率が約１０倍も高くなる。
【０１１４】
図５Ｂは、切替時のイオン交換器１００による冷却水の圧力損失を示す図である。図５Ｂでは、起動時におけるイオン交換器の圧力損失が破線で示され、運転中におけるイオン交換器の圧力損失が実線で示されている。また、横軸が１分あたりの冷却水の循環流量であり、縦軸がイオン交換器１００での冷却水の圧力損失（ｋＰａ：キロパスカル）である。
【０１１５】
燃料電池システム１の運転中のイオン交換器１００では、駆動部２１２によってバイパス通路２３０が開放されるため、冷却水の圧力損失が、起動時のイオン交換器に比べて半分に低下する。また、起動時のイオン交換器１００では、流入量が１００（Ｌ／ｍｉｎ）であっても５０ｋＰａ程度の圧力損失で冷却水を通水することができる。
【０１１６】
図５Ｃは、起動時及び運転中のイオン交換器１００による冷却水の浄化時間を示す図である。図５Ｃには、起動時のイオン交換器の浄化時間が破線で示され、運転中のイオン交換器の浄化時間が実線で示されている。また、横軸が時間（ｍｉｎ）であり、縦軸が循環通路２１を流れる冷却水の導電率（μＳ／ｃｍ）である。そして管理閾値Ｔｈは、図４で述べた閾値であり、感電防止のために規定した基準値である。
【０１１７】
図５Ｃでは、燃料電池システム１の停止によって冷却水ポンプ２６を停止してから約６カ月間、放置した後に燃料電池システム１を起動したときの冷却水の導電率の変化が示されている。運転中のイオン交換器については、イオン交換効率が３％で、流入量が１００（Ｌ／ｍｉｎ）と仮定している。起動時のイオン交換器については、イオン交換効率が３％で、流入量が１００（Ｌ／ｍｉｎ）と仮定している。さらに、冷却水の水量は２０Ｌ（リットル）としている。
【０１１８】
起動時のイオン交換器１００では、運転中のイオン交換器に比べてイオン交換率が約１０倍も高いため、冷却水の導電率が管理閾値Ｔｈまで下がるのに２分程度で冷却水が浄化される。このため、バイパス通路２３０を駆動部２１２で遮蔽状態にして不純物イオンの除去性能を高くすることで、浄化時間を運転中のイオン交換器に比べて３分程度短縮することができる。
【０１１９】
本発明の第２実施形態によれば、イオン交換器１００の内部に、樹脂通水路１５０と、樹脂通水路１５０の内側に形成されるバイパス通路２３０と、駆動部２１２と、が設けられる。
【０１２０】
これにより、駆動部２１２によって、バイパス通路２３０を閉じること可能となる。そして冷却水中の不純物イオンの濃度が基準値よりも高い場合にはバイパス通路２３０を閉じてイオン交換器１００の除去性能を高くすることができる。また、不純物イオンの濃度が基準値以下である場合にはバイパス通路２３０を開いてイオン交換器１００の圧力損失を低減することで冷却水の循環を良くして冷却性能を高くすることができる。
【０１２１】
したがって、第１実施形態と同様、イオン交換器１００を冷却装置２０に設けることにより、冷却水による冷却性能と不純物イオンの除去性能を両立することができる。
【０１２２】
また、第１実施形態とは異なり、イオン交換器１００の外部にバイパス通路２００及び切替部２１１を設ける必要がなく、イオン交換器自体を交換するだけで済むので、簡易に付け替えることが可能である。
【０１２３】
さらに本実施形態では、イオン交換器１００には、冷却水が流入する蓋部材（流入部）１３０と、流入部１３０から樹脂通水路１５０に流入した冷却水を排出する蓋部材（排出部）１４０と、樹脂通水路１５０の外側に形成される外側通路１６０と、が形成される。
【０１２４】
バイパス通路２３０は、流入部１３０と排出部１４０との間を連通する第１バイパス通路であり、バイパス通路２３０の外周面には、冷却水をイオン交換樹脂に通す複数の第１通水孔２２０Ａが形成される。
【０１２５】
また、外側通路１６０は、バイパス通路２３０と同様に、流入部１３０と排出部１４０との間を連通する第２バイパス通路であり、外側通路１６０の内周面を構成する筒部１２１には、冷却水をイオン交換樹脂に通す複数の第２通水孔１２１Ａが形成される。
【０１２６】
さらに、外側通路１６０の流入部１３０側の開口端には壁部（遮蔽部）１２３が設けられるとともに、駆動部２１２によってバイパス通路２３０の排出部側の開口が遮蔽される。
【０１２７】
これにより、壁部１２３によって通水孔２２０Ａ及び通水孔１２１Ａから樹脂通水路１５０へ冷却水が流れるため、流入部１３０を流れる全ての冷却水が樹脂通水路１５０を通過することになる。また、イオン交換器１００を設計するにあたり、壁部１２３及び駆動部２１２の取り付け及び加工が容易である。
【０１２８】
あるいは、外側通路１６０の排出部側の開口端に遮蔽部を設けるとともに、駆動部２１２によってバイパス通路２３０の流入部側の開口を遮蔽するようにしてもよい。この場合でも、流入部１３０を流れる全ての冷却水が樹脂通水路１５０を通過することになる。
【０１２９】
このように駆動部２１２を用いて、バイパス通路２３０の両端の開口のうち、遮蔽部１２３によって通水孔１２１Ａ及び通水孔２２０Ａから樹脂通水路１５０に流入する冷却水の流量が多くなる方の開口を閉じる。
【０１３０】
これにより、流入部１３０を流れる全ての冷却水が樹脂通水路１５０に流れるので、冷却水の圧力損失の増加を抑えつつ、イオン交換効率をより高くすることができる。なお、イオン交換器での圧力損失が大きくなるが、外側通路１６０の流入部側の開口に遮蔽部１２３を設けるとともに、駆動部２１２によってバイパス通路２３０の流入部１３０側の開口を遮蔽するようにしてもよい。
【０１３１】
また、本実施形態では、冷却水の導電状態を推定するために、燃料電池スタック１０の導電率を検出する導電率センサー３１が循環通路２１に設けられる。そしてコントローラ３０は、導電率センサー３１の検出信号が管理閾値を超えると判断した場合にはバイパス通路２３０を閉じ、検出信号が所定閾値を超えないと判断した場合にはバイパス通路２３０を開ける。
【０１３２】
これにより、冷却水の導電率が管理閾値を超える場合には、イオン交換樹脂を通過する冷却水の流量が増加するので、冷却水中に不純物イオンが多量に溶出しているときに、より確実にイオン交換器１００による除去性能を高くすることができる。
【０１３３】
一方、冷却水の導電率が管理閾値以下である場合にはイオン交換器１００での圧力損失が下がるので、冷却水中に不純物イオンが少ないときに、圧力損失を下げることを優先して燃料電池スタック１０をより確実に冷却することができる。
【０１３４】
このように、バイパス通路２３０の開閉状態の切り替えを的確に行うことができる。
【０１３５】
また、本実施形態では、冷却水の導電状態を推定する推定手段として導電率センサー３１を用いる例について説明したが、導電率センサー３１の代わりに燃料電池スタック１０の絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗センサーが用いられてもよい。
【０１３６】
この場合にも、導電率センサー３１と同じように、絶縁抵抗センサーの検出信号に基づいてバイパス通路２３０の開閉状態の切り替えを的確に行うことができる。例えば、コントローラ３０は、燃料電池スタック１０の絶縁抵抗が所定の抵抗閾値よりも小さい場合には、駆動部２１２によってバイパス通路２３０を遮蔽し、絶縁抵抗が抵抗閾値以上である場合には駆動部２１２によってバイパス通路２３０を開放する。
【０１３７】
また、冷却水の温度を検出する温度センサーを冷却水循環通路２１に設け、コントローラ３０は、温度センサーの検出信号に基づいてバイパス通路２３０の開閉状態を切り替える閾値を変更してもよい。
【０１３８】
一般に、冷却水の温度が高いほど、冷却水中に溶出する不純物イオンの数は増加する。そこで、導電率センサー３１で冷却水の導電状態を推定するときは、コントローラ３０は、温度センサーで検出される温度が高くなるほど、実際の導電率よりも推定値が低く見積もられないように管理閾値を高く設定する。
【０１３９】
一方、絶縁抵抗センサーで冷却水の導電状態を推定するときは、コントローラ３０は、温度センサーで検出される温度が高くなるほど、実際の絶縁抵抗よりも推定値が高く見積もられないように抵抗閾値を低く設定する。
【０１４０】
このようにコントローラ３０は、温度センサーの検出信号に基づいて、バイパス通路２３０の開閉状態を切り替えるための管理閾値又は抵抗閾値を補正する。これにより、コントローラ３０は、バイパス通路２３０の開閉状態をより的確に切り替えることができる。
【０１４１】
また、導電状態の推定手段として、導電率センサー３１や絶縁抵抗センサーの代わりに、冷却水ポンプ２６を停止してから起動するまでの放置時間を計測する時間計測回路を設けても良い。例えば時間計測回路としては、コンデンサーが用いられる。この回路では、放置時間が長くなるにつれてコンデンサーの放電量が多くなるため、これに伴う電圧低下を利用して放置時間が検出される。
【０１４２】
このように時間計測回路を設けることで、導電率センサー３１や絶縁抵抗センサーを用いるよりも安価でかつ簡易な構成で、バイパス通路２３０の開閉状態を切り替えることができる。
【０１４３】
また、本実施形態では、コントローラ３０は、駆動部２１２を制御してバイパス通路２３０を閉じた状態では、燃料電池スタック１０の発電量を制限する。
【０１４４】
バイパス通路２３０を閉じるとイオン交換器１００の圧力損失が高くなり、冷却水の循環性が悪化して燃料電池スタック１０に対する冷却性能が低下する。これに伴い、燃料電池スタック１０がオーバーヒートする恐れがある。
【０１４５】
このため、バイパス通路２３０を閉じた状態で燃料電池スタック１０を冷却できる発電量の上限値を設けることで、イオン交換器１００の不純物除去性能を維持しつつ、燃料電池スタック１０のオーバーヒートを防止できる。これにより、冷却水中の不純物イオンを迅速に除去しつつ、燃料電池スタック１０の安全性を確保することができる。
【０１４６】
（第３実施形態）
図６Ａは、本発明の第３実施形態におけるイオン交換器１０１の構造を示す図である。
【０１４７】
イオン交換器１０１では、図２Ｂで示した駆動部２１２の代わりに駆動部３１２が蓋部材１４０に設けられる。また、下流端１２１Ｂの連通部１２１Ｄには壁部（遮蔽部）１２４が設けられる。他の構成は、イオン交換器１００と同じであるため、同一符号を付してここでの詳細な説明を省略する。
【０１４８】
駆動部３１２は、固定板３１２Ａと回転板３１２Ｂとを有する。駆動部３１２は、コントローラ３０の制御に従って駆動する。駆動部３１２は、冷却水の導電状態に応じて回転板３１２Ｂをバイパス通路２３０の軸中心に回転させる。駆動部３１２は、例えばステッピングモータにより実現される。
【０１４９】
固定板３１２Ａは、内筒１２０の下流端１２１Ｂに固定される。回転板３１２Ｂは、本実施形態では固定板３１２Ａに当接している。
【０１５０】
図６Ｂは、燃料電池システム１の起動時のイオン交換器１０１における固定板３１２Ａ及び回転板３１２Ｂの組み合わせを示す図である。
【０１５１】
固定板３１２Ａには、三角形状の通水孔３１３が半径方向に形成される。通水孔３１３は、周方向に等間隔に複数形成される。
【０１５２】
回転板３１２Ｂには、三角形状の通水孔３１３Ａと台形状の通水孔３１３Ｂとが、半径方向に形成される。
【０１５３】
通水孔３１３Ａの形状は、固定板３１２Ａに形成された通水孔３１３の先端側の形状と一致している。通水孔３１３Ａは、バイパス通路２３０から排出通路１４１へ冷却水を通過させる。
【０１５４】
通水孔３１３Ｂの形状は、三角形状の通水孔３１３の底辺側の形状と一致している。通水孔３１３Ｂは、樹脂通水路１５０から排出通路１４１へ冷却水を通過させる。
【０１５５】
通水孔３１３Ａと通水孔３１３Ｂとは、円周方向に重ならないように互いに４５度ずらして回転板３１２Ｂに形成される。通水孔３１３Ａと通水孔３１３Ｂとは、円周方向に等間隔で４つずつ形成される。
【０１５６】
本実施形態では、コントローラ３０は、燃料電池システム１の起動時に、回転板３１２Ｂの通水孔３１３Ａと固定板３１２Ａの通水孔３１３の底辺部分とを一致させる。この場合には、回転板３１２Ｂの通水孔３１３Ｂは、固定板３１２Ａによって遮蔽される。このため、樹脂通水路１５０と排出通路１４１とが連通し、バイパス通路２３０と排出通路１４１とは遮断される。
【０１５７】
これにより、バイパス通路２３０を流れる冷却水が、樹脂通水路１５０に流れ出すとともに、壁部１２４によって外側通路１６０を流れる冷却水も、樹脂通水路１５０へ押し出される。このため、イオン交換器１０１の下流側で全ての冷却水が樹脂通水路１５０に流れ込むので、イオン交換器１１でのイオン交換効率が高くなる。
【０１５８】
図６Ｃは、燃料電池システム１の運転中のイオン交換器１０１における固定板３１２Ａ及び回転板３１２Ｂの位置関係を示す図である。
【０１５９】
燃料電池システム１の運転中は、コントローラ３０が駆動部３１２を制御して回転板３１２Ｂを４５度回転させる。このため、回転板３１２Ｂの通水孔３１３Ｂと固定板３１２Ａの通水孔３１３の先端部分とが一致するとともに、回転板３１２Ｂの通水孔３１３Ａは、固定板３１２Ａによって遮蔽される。
【０１６０】
これにより、樹脂通水路１５０と排出通路１４１とが遮断され、バイパス通路２３０と排出通路１４１とが連通する。また、壁部１２４によって外側通路１６０と排出通路１４１とが遮断される。
【０１６１】
このため、イオン交換器１０１に流入する全ての冷却水は、バイパス通路２３０を通過することになるので、冷却水がイオン交換樹脂を通過することで生じる圧力損失を低減することができる。
【０１６２】
本発明の第３実施形態によれば、コントローラ３０は、駆動部３１２によって燃料電池システム１の起動時には、樹脂通水路１５０を開放するとともにバイパス通路２３０を遮蔽し、運転中には、樹脂通水路１５０を遮蔽するとともにバイパス通路２３０を開放する。
【０１６３】
これにより、他の実施形態と同様に、冷却水中の不純物イオンの数が多い起動時にはイオン交換器１０１による不純物イオンの除去性能を高くすることができる。一方、燃料電池スタック１０の発熱量が高い運転中には、イオン交換器１０１の圧力損失を低くして冷却水の循環を改善して冷却性能を高くすることができる。したがって、イオン交換器の不純物除去性能と、イオン交換器の圧力損失の低減による燃料電池スタック１０の冷却性能とを確保することができる。
【０１６４】
また、下流端１２１Ｂの連通部１２１Ｄに、壁部（遮蔽部）１２４を設けることにより、バイパス通路２３０の遮蔽時に樹脂通水路１５０への冷却水の流入量を増やすことができる。これにより、バイパス通路２３０の遮蔽時におけるイオン交換効率をより高めることができる。
【０１６５】
また、駆動部３１２を固定板３１２Ａ及び回転板３１２Ｂで構成することにより、第２実施形態の駆動部２１２のようにバイパス通路２３０の遮蔽時に冷却水の流れ方向とは反対の向きに遮蔽部２１２Ａを駆動する必要がなくなる。このため、冷却水の圧力による故障の可能性を低減することができるとともに、駆動部３１２の動力を駆動部２１２よりも小さくできる。
【０１６６】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態におけるイオン交換器１０２を示す図である。図７Ａは、起動時のイオン交換器１０２の縦断面を示す図である。図７Ｂは、運転中のイオン交換器１０２の縦断面を示す図である。
【０１６７】
イオン交換器１０２では、図３Ａに示したイオン交換器１００の壁部１２３の代わりに駆動部４１２Ａ及び４１２Ｂが設けられる。他の構成は、イオン交換器１００と同じであるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。
【０１６８】
燃料電池システム１の起動時には、図７Ａに示すように、駆動部４１２Ａ及び４１２Ｂは、コントローラ３０の制御に従って外側通路１６０の上流の開口を共に閉じる。これにより、第２実施形態のイオン交換器１００と同様に、イオン交換器１０２による不純物イオンの除去性能を高くすることができる。
【０１６９】
また、燃料電池システム１の通常の運転中は、図７Ｂに示すように、駆動部４１２Ａ及び４１２Ｂは、コントローラ３０の制御に従って、外側通路１６０の上流の開口を共に開ける。これにより、流入通路１３１を流れる冷却水が、バイパス通路２３０だけでなく、外側通路１６０にも通過させることができる。したがって、第２実施形態のイオン交換器１００よりも圧力損失を低減することができる。
【０１７０】
本発明の第４実施形態によれば、第２実施形態と同様に、駆動部２１２及び駆動部４１２Ａ及び４１２Ｂを同時に伸長することでイオン交換器の除去性能を高くすることができる。また、駆動部２１２及び駆動部４１２Ａ及び４１２Ｂを同時に収縮することでイオン交換器１０２での圧力損失を低減することができる。
【０１７１】
また、本実施形態では、他の実施形態と異なり、燃料電池システム１の運転中は、バイパス通路２３０だけでなく外側通路１６０もバイパス通路として開放するので、イオン交換器１０２での圧力損失をより低減することができる。
【０１７２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１７３】
例えば、冷却装置２０で燃料電池スタック１０を冷却する例について説明したが、冷却対象は複数の電池セルが積層された積層電池であればよく、例えば積層型のリチウムバッテリーであっても、燃料電池スタック１０と同様に、本願発明の効果を得ることができる。
【０１７４】
また、本実施形態では、コントローラ３０でバイパス通路を閉じるときには、切替部２１１、駆動部２１２及び駆動部３１２を用いてバイパス通路の開度を全閉にする例について説明したが、バイパス通路の開口を一部のみ遮蔽するようにしてもよい。同様に、バイパス通路を開くときには、バイパス通路の開度を全開にする例について説明したが、バイパス通路を閉じたときよりもバイパス通路の開度を大きくできればよい。
【０１７５】
さらに、第２実施形態では円筒型のイオン交換器１００の内部にバイパス通路２３０と駆動部２１２とを設ける例について説明したが、本発明は、円筒型のイオン交換器に限られない。例えば、角柱型や楕円型のイオン交換器にも本願発明を適用しても、同様の効果を得ることができる。
【０１７６】
また、本実施形態ではイオン交換樹脂をバイパスさせるバイパス通路及びその開閉器を１又は２つ設ける例について説明したが、バイパス通路及び開閉器を３つ以上設けてもよい。この場合には、開閉器でバイパス通路を開放した状態では冷却水の循環性をより向上させることができる。
【０１７７】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０１７８】
本願は、２０１３年４月２６日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−９４５９８に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2014174982.tif 000003
【図２Ａ】
2014174982.tif 000004
【図２Ｂ】
2014174982.tif 000005
【図２Ｃ】
2014174982.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
2014174982.tif 000010
【図５Ｂ】
2014174982.tif 000011
【図５Ｃ】
2014174982.tif 000012
【図６Ａ】
2014174982.tif 000013
【図６Ｂ】
2014174982.tif 000014
【図６Ｃ】
2014174982.tif 000015
【図７Ａ】
2014174982.tif 000016
【図７Ｂ】
2014174982.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月9日(2014.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層電池を冷却する冷却水の不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、
前記イオン交換樹脂が封入され、前記イオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路と、
前記樹脂通水路のうち前記イオン交換樹脂が封入されている部分から分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、
前記冷却水の導電状態に応じて前記バイパス通路を閉じる開閉手段と、
を含む冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記バイパス通路は、前記部分よりも上流で分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスする通路を含み、前記部分の途中から前記分岐して当該通路に通水する、
冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の冷却装置であって、
前記積層電池に冷却水を循環させる循環通路と、
前記循環通路に設けられ、前記積層電池に冷却水を供給するポンプと、を含み、
前記開閉手段は、前記ポンプの始動時に前記バイパス通路を閉じ、前記積層電池の発熱状態に応じて前記バイパス通路を開ける、
冷却装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記樹脂通水路と前記バイパス通路と前記開閉手段とを有し、前記積層電池に供給される冷却水の不純物イオンを除去するイオン交換器を含む
冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却装置であって、
前記イオン交換器は、
前記冷却水が流入する流入部と、
前記流入部から前記樹脂通水路に流入した冷却水を排出する排出部と、を備え、
前記バイパス通路は、
前記樹脂通水路の内側に形成され、前記流入部と前記排出部との間を連通する第１バイパス通路と、
前記樹脂通水路の外側に形成される第２バイパス通路と、を含み、
前記第１バイパス通路の外周面には、冷却水を前記イオン交換樹脂に通す複数の第１通水孔が形成され、
前記第２バイパス通路の内周面には、冷却水を前記イオン交換樹脂に通す複数の第２通水孔が形成され、
前記開閉手段は、
前記第２バイパス通路の前記流入部側と前記排出部側の開口のうちいずれかを塞ぐ遮蔽部と、
前記第１バイパス通路の前記流入部側と前記排出部側の開口のうち、前記遮蔽部によって前記第１通水孔及び第２通水孔から前記樹脂通水路に流入する冷却水の流量が多くなる方の開口を閉じる開閉部と、を有する、
冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却装置であって、
前記遮蔽部は、前記第２バイパス通路の前記流入部側の開口に設けられ、
前記開閉部は、前記排出部に設けられ、前記第１バイパス通路の前記排出部側の開口を開閉する、
冷却装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記冷却水の導電状態として前記積層電池の絶縁抵抗、導電率又は放置時間を推定する推定手段をさらに含み、
前記開閉手段は、前記推定手段により推定された導電状態が所定閾値を超えると判断した場合には前記バイパス通路を閉じ、前記導電状態が所定閾値を超えないと判断した場合には前記バイパス通路を開ける、
冷却装置。
【請求項８】
請求項７に記載の冷却装置であって、
前記冷却水の温度を検出するセンサーをさらに含み、
前記開閉手段は、前記冷却水の温度に応じて前記所定閾値を補正する、
冷却装置。
【請求項９】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の冷却装置であって、
前記積層電池は、燃料電池であり、
前記開閉手段は、前記バイパス通路を閉じたときには、前記燃料電池の発電量を制限する、
冷却装置。
【請求項１０】
液体中の不純物イオンを除去するイオン交換器であって、
不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、
前記イオン交換樹脂が封入され、前記イオン交換樹脂に液体を通過させる樹脂通路と、
前記樹脂通路のうち前記イオン交換樹脂が封入されている部分から分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、
前記液体の導電状態に応じて前記バイパス通路を閉じる開閉手段と、
を含むイオン交換器。
【請求項１１】
積層電池を冷却する冷却水の不純物イオンを除去可能なイオン交換樹脂と、前記イオン交換樹脂が封入され、前記イオン交換樹脂に冷却水を通過させる樹脂通水路と、前記樹脂通水路のうち前記イオン交換樹脂が封入されている部分から分岐して前記イオン交換樹脂をバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路を閉じる開閉手段と、
を含む冷却装置の制御方法であって、
前記冷却水の導電状態を判定する判定ステップと、
前記判定ステップにより判定される導電状態に応じて、前記開閉手段により前記バイパス通路を閉じる開閉ステップと、
を含む冷却装置の制御方法。
【国際調査報告】
2014174982.tif 000018
2014174982.tif 000019
2014174982.tif 000020
2014174982.tif 000021