(57)【要約】【課題】イオンフィルタの交換サイクルを延ばして長寿命化を図ると共にコスト低下を実現し、さらに、熱交換器の流路内面への樹脂コーティング層の形成を廃止することのできる液体循環システムを提供する。【解決手段】配管内に流れる冷却水を循環させる冷却水経路１２と、この冷却水経路１２からバイパスされた第２のバイパス経路３２に設けられ、該冷却水経路１２を流れる冷却水に溶出したイオンを除去するイオンフィルタ１８と、冷却水中の導電率を検出する導電率検出センサ３０と、この導電率検出センサ３０で検出された導電率が所定値となったときに、流路を切り替えて前記第２のバイパス経路３２に前記冷却水を流す第２の３方弁３１と、を備える。導電率が５μＳ／ｃｍ以上となったときに、流路を切り換えてイオンフィルタ１８でイオンを除去するようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管（２２）内に流れる液体を循環させる液体循環経路（１２）と、
前記液体循環経路（１２）からバイパスされたバイパス経路（３２）に設けられ、該液体循環経路（１２）を流れる液体中に溶出したイオンを除去するイオンフィルタ（１８）と、
前記液体中の導電率を検出する導電率検出手段（３０）と、
前記導電率検出手段（３０）で検出された導電率が所定値となったときに、流路を切り替えて前記バイパス経路（３２）に前記液体を流す流路切り換え手段（３１）と、を備えた
ことを特徴とする液体循環システム。
【請求項２】
請求項１に記載の液体循環システムであって、
前記導電率の所定値を、５μＳ／ｃｍ以上とした
ことを特徴とする液体循環システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の液体循環システムであって、
前記液体循環経路（１２）は、燃料電池（１）を冷却するための燃料電池冷却経路である
ことを特徴とする液体循環システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体循環経路を流れる液体に含まれるイオンを除去するイオンフィルタを配置した液体循環システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素を反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池を搭載した燃料電池システムは、燃料電池が発電する時に生じた熱を冷却するための冷却機構を備えている。この冷却機構は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池単セルに冷却用流路を形成し、その冷却用流路に冷却水を流通（循環）させることで燃料電池を冷却して発電に最も適した温度となるようにしている。
【０００３】
燃料電池の発電時には、冷却水に高電圧がかかるため、外部に対する絶縁性が要求される。そのための改善策としては、ステンレスなどの金属製熱交換器の流路内面に樹脂コーティング層を形成する技術（例えば、特許文献１に記載）や、熱交換器のチューブ、タンク及び座板を樹脂材で形成して冷却水との電気絶縁を図る技術（例えば、特許文献２に記載）などが知られている。
【０００４】
しかしながら、これら特許文献１及び特許文献２に記載の技術は、冷却水に導電成分が含まれた場合の感電抑制処理としては有効な技術であるが、冷却水に導電性物質を含まない場合の冷却系では不要のシステムとなる。
【０００５】
また、燃料電池を冷却するために使用される冷却水には、燃料電池が発電することからできるだけ導電性を下げることが求められる。冷却水の導電性を下げるには、冷却水中に溶出したイオンを除去する必要があり、燃料電池冷却経路にイオンフィルタを設置しなければならない。
【特許文献１】特開２００３−１８１６２８号公報
【特許文献２】特開２００６−２５０３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
イオンフィルタを設けた場合、冷却水中の導電率が高いときも低いときも絶えずイオンフィルタを通過させているため、定期的にイオンフィルタを交換する必要が生じる。そのため、イオンフィルタ交換に伴う燃料電池システムの稼働停止とイオンフィルタのコストの点で課題が残る。
【０００７】
そこで、本発明は、イオンフィルタの交換サイクルを延ばして長寿命化を図ると共にコスト低下を実現し、さらに、熱交換器の流路内面への樹脂コーティング層の形成を廃止することのできる液体循環システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の液体循環システムは、配管内に流れる液体を循環させる液体循環経路と、前記液体循環経路からバイパスされたバイパス経路に設けられ、該液体循環経路を流れる液体中に溶出したイオンを除去するイオンフィルタと、前記液体中の導電率を検出する導電率検出手段と、前記導電率検出手段で検出された導電率が所定値となったときに、流路を切り替えて前記バイパス経路に前記液体を流す流路切り換え手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体循環システムであって、前記導電率の所定値を、５μＳ／ｃｍ以上としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の液体循環システムであって、前記液体循環経路は、燃料電池を冷却するための燃料電池冷却経路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、導電率検出手段で検出された導電率が所定値となったときに、流路切り換え手段で流路をバイパス経路に切り換えることで、このバイパス経路に設けられたイオンフィルタによって液体中に溶出したイオンを除去でき、導電率が所定値を超えた必要な場合にのみイオン除去を行うことが可能となる。したがって、イオンフィルタの寿命を延ばすことができると共にコストの低減を実現することが可能となり、さらに、イオンフィルタを設けることで熱交換器の流路内面に形成していた樹脂コーティング層を不要なものとすることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、導電率は５μＳ／ｃｍ以上で加速度的に導電性物質が増加しイオンフィルタの寿命を縮めるため、この導電率が５μＳ／ｃｍ以上となった時にバイパス流路に切り換えることで、イオンフィルタを効率的に使用することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池を冷却するための燃料電池冷却経路にこの液体循環経路を使用することで、発電時において液体に高電圧がかかることにより生じる液体中に溶出したイオンを効率良く取り除くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
本実施の形態は、本発明に係る液体循環システムを、燃料電池システムの燃料電池を冷却するための燃料電池冷却経路に適用した例である。
【００１６】
先ず、燃料電池システムについて簡単に説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図である。図１中、細い実線αは酸素（空気）の流通経路、一点鎖線βは水素の流通経路、破線γは冷却液（冷却水）の流通経路、太い実線δは加湿用の純水の流通経路をそれぞれ示す。
【００１７】
燃料電池スタック１は、圧縮水素タンク２より水素ガスが導入される燃料極３と、外部から取り入れられる酸化剤ガスである空気が導入される空気極４とを備える。そして、この燃料電池スタック１では、燃料極３に導入された水素ガスと、空気極４に導入された酸素とを、これら燃料極３と空気極４の間に配置された電解質膜（図示は省略する）を介して反応させることにより発電させるようになっている。
【００１８】
燃料電池スタック１に供給される水素ガスと酸素は、発電作用の活性化及び電解質膜の劣化防止のため加湿器５で加湿される。加湿器５には、純水を貯水すると共に燃料電池システムを停止したときに燃料電池スタック１内に残存する純水を回収する純水タンク６に貯水された純水が、純水導出パイプ７と純水汲み上げポンプ８とにより供給される。
【００１９】
純水タンク６は、加湿器５に供給する純水を所定量貯水して置く貯水タンクとして使用される他、例えば氷点下の外気温度以下の下に燃料電池システムを停止して長時間停止させたときに燃料電池スタック１内の純水が凍って破裂するのを防止するために、システム運転終了後に純水経路内の純水を純水回収パイプ９を介して抜き取り貯水しておくのにも使用される。
【００２０】
また、燃料電池スタック１では、発電時に発熱するため、この燃料電池スタック１に熱交換器（ラジエータ）１０から冷却液ポンプ１１により冷却水（流体）を循環させ、当該燃料電池スタック１を冷却するようにしている。この冷却経路が、本発明の熱交換器冷却経路に相当する冷却水経路１２である。
【００２１】
そして、この冷却水経路１２には、熱交換器１０をバイパス（迂回）する第１のバイパス通路１３が設けられている。燃料電池システムの始動時には、この冷却水経路１２に設けた第１の３方弁１４によって、前記熱交換器１０をバイパスさせるようにしている。第１のバイパス通路１３は、燃料電池システムの始動時にのみ使用され、システム運転時には、当該第１のバイパス通路１３には冷却水が流れないように制御される。
【００２２】
さらに、第１のバイパス通路１３には、冷却水を加熱するための電熱又は水素燃焼熱を利用したヒータ１５が設置されており、このヒータ１５によって冷却水を加熱して燃料電池スタック１の暖気促進を図り、早急に発電システムを起動可能としている。
【００２３】
そして、熱交換器１０の前方には、この冷却水経路１２の配管内を流れる冷却水の導電率を検出するための導電率検出手段である導電率検出センサ３０が設けられている。
【００２４】
また、この導電率検出センサ３０の流路前方には、流路切り換え手段である第２の３方弁３１により前記冷却水経路１２からバイパスされた第２のバイパス経路３２が設けられている。この第２のバイパス経路３２には、冷却水経路１２を流れる冷却水中に溶出したイオンを除去するイオンフィルタ１８が配置されている。
【００２５】
そしてさらに、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で発電に使用されずに残った未燃焼の水素ガスがそのまま大気へ放出されないように、水素燃焼器１６で水素ガスを燃焼させた後、サイレンサー１７で消音させて大気へ放出させている。
【００２６】
以上のように構成された燃料電池システムにおける燃料電池冷却経路（冷却水経路１２）では、冷却水中の導電率が所定値となったときにのみ第２の３方弁３１を作動させて流路を第２のバイパス経路３２に切り換える。
【００２７】
図２は、冷却水にエチレングリコールを使用したときの経過時間と導電率によるエチレングリコールの熱劣化特性を示す図である。エチレングリコールの温度を８０℃に保持した場合、導電率が３μＳ／ｃｍ以上となると急激にエチレングリコールの熱劣化が生じる（線Ａで示す）。
【００２８】
燃料電池冷却用の冷却水には、例えばエチレングリコールと純水を５０：５０の比率で使用するが、熱負荷環境では、エチレングリコールが分解し導電性を持つ有機酸（例えば、酢酸、グリコール酸、蟻酸、脂肪酸など）を生じる。そのため、導電性を持つ有機酸をイオンフィルタ１８で取り除く必要がある。
【００２９】
本実施の形態では、導電率検出センサ３０の検出精度のバラツキを考慮して導電率５μＳ／ｃｍ以上となったときに、第２の３方弁３１を作動させて流路を第２のバイパス経路３２に切り換えるようにする。これにより、冷却水は、第２のバイパス経路３２を流れ、その途中に配置されたイオンフィルタ１８を通過する。イオンフィルタ１８は、冷却液に溶出したイオンを除去し、また、冷却水に混入する腐食生成物などの固形物を除去する。このイオンフィルタ１８を通過することで、冷却水中の導電率は、図２の線Ｂで示すように大幅に低下する。
【００３０】
このように、冷却水中の導電率が燃料電池システム上、問題ない程度の導電率である場合に限り、イオンフィルタ１８を使用するため、当該イオンフィルタ１８の交換サイクルを延ばすことができる。また、イオンフィルタ１８自体の寿命も延びるため、イオンフィルタ交換による燃料電池システムの停止回数も減らすことができる。
【００３１】
また、本実施の形態によれば、イオンフィルタ１８を冷却水経路１２の第２のバイパス経路３２に配置して冷却水中のイオンを効率良く取り除くため、熱交換器１０の流路内面に樹脂コーティング層を形成する必要が無くなり、熱交換器自体のコストを下げることも可能となる。
【００３２】
図３及び図４には、イオンフィルタ１８の一例として具体的な構成例を示す。イオンフィルタ１８は、冷却水中に含まれる固形物を除去する第１の不純物除去フィルタ１９及び第２の不純物除去フィルタ２０と、これら第１及び第２の不純物除去除去フィルタ１９、２０の間に充填されるイオン交換樹脂からなるイオン除去フィルタ２１とを有し、これら第１及び第２の不純物除去除去フィルタ１９、２０とイオン除去フィルタ２１とを一体化した構造としている。
【００３３】
第１の不純物除去フィルタ１９は、冷却液経路１２を構成する配管２２（図４参照）の継手部分２３に装着される円盤形状のフランジ部２４と、数本の柱によって円錐形状をなす枠組み部２５と、この枠組み部２５に装着される金属メッシュ部２６と、からなる。この第１の不純物除去フィルタ１９は、射出成形用金型に金属メッシュを配置してプラスチック樹脂を射出するインサート成形で形成される。
【００３４】
第２の不純物除去フィルタ２０は、第１の不純物除去フィルタ１９と同様、継手部分２３に装着される円盤形状のフランジ部２７と、数本の柱によって略円錐形状をなす枠組み部２８と、この枠組み部２８に装着される金属メッシュ部２９と、からなる。但し、この第２の不純物除去フィルタ２０では、イオン交換樹脂を第１の不純物除去フィルタ１９と第２の不純物除去フィルタ２０の間に充填させることからそのスペースを取るためにストレート部分２８Ａを設けている。
【００３５】
また、第１の不純物除去フィルタ１９と第２の不純物除去フィルタ２０の金属メッシュ部２６、２９は、そのメッシュの粗さに差を持たせてあり、配管２２内を流れる冷却水の上流側に配置される第１の不純物除去フィルタ１９の金属メッシュ部２６を下流側に配置される第２の不純物除去フィルタ２０の金属メッシュ部２９よりも粗くしてある。例えば、上流側の金属メッシュ部２６には、メッシュ粗さが２００μｍのものを使用し、下流側の金属メッシュ部２９には、メッシュ粗さが９０μｍのものを使用した。
【００３６】
これら第１及び第２の不純物除去フィルタ１９、２０は、アルミニウムなどからなる熱交換器１０が酸化してその内部流路に酸化物として混入するアルミナなどの固形物を除去する役目をする。これら固形物は、それぞれの金属メッシュ部２６、２９で捕捉される。粒径の大きい固形物は、上流側の金属メッシュ部２６で捕捉され、粒径の小さい固形物は、下流側の金属メッシュ部２９で捕捉される。
【００３７】
イオン除去フィルタ２１は、冷却水に溶出した導電性を有したイオンを除去するイオン交換樹脂を、前記第１の不純物除去フィルタ１９と第２の不純物除去フィルタ２０を重ねたときにできる空間部に充填することにより形成される。冷却水に溶出したイオンは、このイオン除去フィルタ２１を通過することでプラス電位を有したイオンとマイナス電位を有したイオンの両方が捕捉される。
【００３８】
前記イオン除去フィルタ２１は、第１の不純物除去フィルタ１９と第２の不純物除去フィルタ２０の配置間隔（隙間）を可変させることで、所望のイオン交換樹脂量に調整することができる。
【００３９】
イオン除去フィルタ２１を間に設けてなる第１の不純物除去フィルタ１９と第２の不純物除去フィルタ２０は、互いのフランジ部２４、２７を接着するか或いは溶着するかして一体化されてフィルタ装置１８を構成する。そして、このフィルタ装置１８は、配管２２の継手部分２３に取り付けられて冷却水に溶出したイオンと固形物の両方を除去する。
【００４０】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、前記実施の形態は本発明の一例であり、前記実施の形態に制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】冷却水にエチレングリコールを使用したときの経過時間と導電率によるエチレングリコールの熱劣化特性を示す図である。
【図３】イオンフィルタの分解斜視図である。
【図４】イオンフィルタを配管内に取り付けた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池
１８…イオンフィルタ
１９…第１の不純物除去フィルタ
２０…第２の不純物除去フィルタ
２１…イオン除去フィルタ（イオン交換樹脂）
２２…配管
２３…継手部分
２４、２７…フランジ部
２６、２９…金属メッシュ部
３０…導電率検出センサ
３１…第２の３方弁
３２…第２のバイパス経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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