(57)【要約】【課題】本発明は、イオン吸着装置を備える燃料電池システムにおいて、早期に冷却液中のイオンを除去することを目的とする。【解決手段】冷却液中のイオンを吸着するアニオン交換樹脂５１およびカチオン交換樹脂５２を有するイオン吸着装置４１を備える燃料電池システムにおいて、イオン吸着装置４１は、アニオン交換樹脂５１の近傍に配置された陽極５３とカチオン交換樹脂５２の近傍に配置された陰極５４とを有しており、燃料電池１の発電停止状態において、イオン吸着手段で、二次電池２の電力供給により循環ポンプ３３を作動させ、かつ陽極５３と陰極５４に電圧を印加することで早期に冷却液中のイオンを吸着させる。【選択図】図１
2008204791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）に冷却液を循環するための冷却液経路（３０）と、
前記冷却液経路（３０）に設けられ前記冷却液を循環させる循環ポンプ（３３）と、
前記冷却液中のイオンを吸着するアニオン交換樹脂（５１）およびカチオン交換樹脂（５２）を有するイオン吸着装置（４１）と、
前記燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（２）と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記イオン吸着装置（４１）は、前記アニオン交換樹脂（５１）の近傍に配置された陽極（５３）と前記カチオン交換樹脂（５２）の近傍に配置された陰極（５４）とを有しており、
前記燃料電池（１）の発電停止状態において、前記二次電池（２）の電力供給により前記循環ポンプ（３３）を作動させ、かつ前記陽極（５３）と前記陰極（５４）に電圧を印加することで冷却液中の前記イオンを吸着させるイオン吸着手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却液の導電率を検出する導電率検出手段を備え、
前記イオン吸着手段は、前記導電率検出手段により検出された前記導電率が、所定値よりも大きい場合に、前記循環ポンプ（３３）を作動させ、前記陽極（５３）と前記陰極（５４）に電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池は発電に伴い熱を発生する。このため、燃料電池システムでは、燃料電池に冷却液を循環させて、燃料電池の熱を放熱器にて外部に放出し、燃料電池の温度を一定に保つために冷却システムが設けられている。また、冷却システムには、放熱器、燃料電池スタック、冷却液配管等から冷却液に溶出した金属などのイオンを除去するためにイオン吸着装置が設けられている。
【０００３】
しかし、燃料電池の運転停止中には、冷却液の循環も停止するため、放熱器、燃料電池スタック、冷却液配管等から冷却液に溶出した金属などのイオンが溶出し、冷却液の導電率が上昇する。そのため、燃料電池の発電停止中であっても、冷却液配管の冷却液を流動させ、イオン吸着装置により冷却中のイオンを除去する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この従来技術では、燃料電池システムは、二次電池により燃料電池停止中に循環ポンプを作動させることで冷却液配管の冷却液を流動さている。また、燃料電池運転中に蓄熱した熱により冷却液に温度差を与え自然対流を生じさせることで冷却液を流動させている。
【特許文献１】特開２００５−５０７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、車両などにおいては、燃料電池停止中に使用できる二次電池の容量は限られており、二次電池の容量が減少した場合には循環ポンプを長時間作動させることができなくなり、冷却液の導電率が上昇する問題があった。
【０００６】
また、冷却液に温度差を与えて自然対流を生じさせる場合であっても、燃料電池運転中に蓄熱した熱の熱量が時間経過とともに低下すると、冷却液に温度差を与えることができず対流が生じないため、冷却液の導電率が上昇する問題があった。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、イオン吸着装置を備える燃料電池システムにおいて、早期に冷却液中のイオンを除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）に冷却液を循環するための冷却液経路（３０）と、冷却液経路（３０）に設けられ冷却液を循環させる循環ポンプ（３３）と、冷却液中のイオンを吸着するアニオン交換樹脂（５１）およびカチオン交換樹脂（５２）を有するイオン吸着装置（４１）と、燃料電池（１）から電力供給を受けて充電可能な二次電池（２）と、を備える燃料電池システムにおいて、イオン吸着装置（４１）は、アニオン交換樹脂（５１）の近傍に配置された陽極（５３）とカチオン交換樹脂（５２）の近傍に配置された陰極（５４）とを有しており、燃料電池（１）の発電停止状態において、二次電池（２）の電力供給により循環ポンプ（３３）を作動させ、かつ陽極（５３）と陰極（５４）に電圧を印加することで冷却液中のイオンを吸着させるイオン吸着手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
これにより、燃料電池（１）の発電停止状態においても、循環ポンプ（３３）による冷却液の流動およびイオン吸着装置（４１）への電圧の印加することで、早期に冷却液中のイオンを吸着できるため、吸着効率を向上させることができる。また、循環ポンプ（３３）の作動時間を短縮することができるため、エネルギ効率の向上も図ることができる。
【００１０】
また、冷却液の導電率を検出する導電率検出手段を備え、イオン吸着手段は、導電率検出手段により検出された前記導電率が、所定値よりも大きい場合に、循環ポンプ（３３）を作動させ、陽極（５３）と陰極（５４）に電圧を印加する場合は、冷却液の導電率が所定値以上の場合に、循環ポンプ（３３）による冷却液の流動およびイオン吸着装置（４１）への電圧の印加するため、さらにイオンの吸着効率を向上させることができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて図１〜図３に基づいて説明する。本第１実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池１を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１３】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、二次電池２、図示しない走行用モータ等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１４】
本第１実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、電解質膜の両側面に電極が接合されたMEAと、MEAを挟持する一対のセパレータから構成されるセルが複数個積層され、かつ電気的に直列接続されている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１５】
（水素極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池１と二次電池２との間は、双方向に電力を伝達可能な図示しないＤＣ−ＤＣコンバータを介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池１から二次電池２、あるいは二次電池２から燃料電池１への、電力の流れをコントロールするものである。燃料電池１の発電停止時には、二次電池２から電気機器等に電力供給することが可能となっている。
【００１６】
燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素が通過する水素供給経路１０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路１１が設けられている。水素供給経路１０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素を供給するための水素供給装置１２が設けられている。本第１実施形態では、水素供給装置１２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。
【００１７】
水素供給経路１０には、上流側から順に第１シャット弁１３、調圧弁１４、第２シャット弁１５が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、第１シャット弁１３と第２シャット弁１５を開き、調圧弁１４によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。車両停止時には、安全のため第１シャット弁１３、第２シャット弁１５は閉められる。
【００１８】
水素排出経路１１には、第３シャット弁１６が設けられている。必要に応じて第３シャット弁１６を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出経路１１を介して、未反応水素、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。
【００１９】
燃料電池システムには、燃料電池１の空気極（酸素極）に供給される空気が通過する空気供給経路２０と、燃料電池１の空気極から排出される空気極側排出ガスが通過する空気排出経路２１が設けられている。空気供給経路２０には、空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本第１実施形態では、空気供給装置２２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置２２は圧縮機用モータと機械的に接続されている。空気排出経路２１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力を調整する調圧弁２３が設けられている。
【００２０】
燃料電池１は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する発熱体である。燃料電池１は発電効率確保のために運転中一定温度（例えば７０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されるため、燃料電池１の温度を許容温度以下に保持する必要がある。
【００２１】
そのため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却するための冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池１に冷却液（熱媒体）を循環させる冷却液経路３０、冷却液を循環させる循環ポンプ３３、ファン３２を備えたラジエータ３１（放熱器）が設けられている。
【００２２】
冷却液経路３０には、冷却液をラジエータ３１をバイパスさせるためのバイパス経路３４が設けられている。冷却液経路３０とバイパス経路３４との合流点には、バイパス経路３４に流れる冷却液流量を調整するための流路切替弁４５が設けられている。
【００２３】
また、本実施形態の構成では、冷却液が直接燃料電池１内部と接するため、冷却液の導電率が大きいと、漏電による感電や燃料電池システム効率の低下をまねく。このため、本実施形態では、冷却液経路３０にイオン吸着用経路４０を設け、イオン吸着用経路４０にイオン吸着装置４１を配置している。ここで、イオン吸着用経路４０は、冷却液の主流が冷却液経路３０に流れるように、冷却液経路３０よりも経路の断面積を小さくしている。
【００２４】
イオン吸着装置４１は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を有しており、ラジエータ３１、燃料電池１、冷却液経路３０等より冷却液に溶出したイオンを吸着し、冷却液の導電率上昇を抑えることができる。
【００２５】
イオン吸着装置４１の具体的な構成について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、イオン吸着装置４１の側面の断面図を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。
【００２６】
図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、本実施形態のイオン吸着装置４１は、導電性材料で形成された円筒形状の容器５０を備えている。容器５０は、冷却液の流れ方向の両側面に冷却液入口４０ａと冷却液出口４０ｂが設けられている。冷却液入口４０ａと冷却液出口４０ｂは、イオン吸着用経路４０と接続されている。また、容器５０は、イオンを吸着するための表面積を大きくするため、イオン吸着用経路４０よりも断面積を拡大している。
【００２７】
容器５０内部には、容器５０内壁に接するように陽イオンを吸着するカチオン交換樹脂５２が充填され、さらに、カチオン交換樹脂５２の内側に陰イオンを吸着するアニオン交換樹脂５１が充填されている。アニオン交換樹脂５１の中心には冷却液の流れ方向に伸びる円柱状の導電性材料である陽極５３が埋設されている。ここで、容器５０は、導電性材料で形成されており、本発明の陰極５４に相当している。
【００２８】
アニオン交換樹脂５１とカチオン交換樹脂５２との境には、アニオン交換樹脂５１とカチオン交換樹脂５２とを分け、イオン吸着用経路４０に流出することを防止するためのメッシュ状の仕切り部材５５を備えている。また、冷却液流れ方向における容器５０の両側面とメッシュ状の仕切り部材５５の間には、所定の隙間が設けられている。所定の隙間を設けることで、流入する冷却液を分散させ、アニオン交換樹脂５１及びカチオン交換樹脂５２の両方に冷却液を通過させることができる。
【００２９】
このような構成において、陽極５３と陰極５４に電圧を印加することで、アニオン交換樹脂５１およびカチオン交換樹脂５２により早期にイオンを吸着することができる。また、車両搭載性の向上を図るために、イオン吸着装置４１に充填するアニオン交換樹脂５１およびカチオン交換樹脂５２の充填量を減少させることで、イオン吸着装置４１の体格を小型にすることもできる。
【００３０】
ここで、イオンに加わるクーロン力Ｆは、電界の強さＥに比例するため、電圧を大きくする、または電極間の距離を小さくすることで、クーロン力Ｆを大きくすることができ、イオンの吸着速度を上げることができる。ただし、印加する電圧は、感電防止のため例えば１４Ｖ程度にすることが望ましい。
【００３１】
図１に戻り、イオン吸着用経路４０には、冷却液の導電率を検出する導電率センサ４２が設けられている。本実施形態では、導電率センサ４２は、冷却液に微小電流を流して抵抗値を測定し、測定された抵抗値を導電率に換算することで冷却液の導電率を検出するようになっている。ここで、導電率センサ４２は、本発明における導電率検出手段に相当している。
【００３２】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。そして、制御部１００には、各種負荷からの要求電力信号等、および導電率センサ４２からの導電率信号が入力される。また、制御部１００は、演算結果に基づいて、流路切替弁３５、循環ポンプ３３等に制御信号を出力するように構成されている。
【００３３】
また、制御部１００は、燃料電池１の発電停止状態においても、導電率センサ４２により冷却液の導電率を適正な周期で監視している。燃料電池１の発電停止状態であっても冷却液の導電率が予め設定された所定値以上になった場合には、二次電池２の電力供給により循環ポンプ３３を作動させ、陽極５３と陰極５４に電圧を印加するイオン吸着制御処理を行う。ここで、イオン吸着制御は、本発明におけるイオン吸着手段に相当している。
【００３４】
次に、本実施形態の冷却系のイオン吸着制御を図３に基づいて説明する。図３は、燃料電池システムのイオン吸着制御を説明するフローチャートである。燃料電池システムのイオン吸着制御は、燃料電池１の発電停止時に行われ、燃料電池１の冷却液の循環ポンプ３３は作動していないものとする。
【００３５】
まず、Ｓ１０で導電率センサ４２により冷却液の導電率ρを検出する。
【００３６】
次に、Ｓ２０で、検出された導電率ρが所定値ρ１以上であるか否かを判定する。ここで、所定値ρ１は、予め設定された値でありＲＯＭ等に記憶されている。
【００３７】
Ｓ２０で導電率ρが所定値ρ１以上であると判定された場合、Ｓ３０で二次電池２からの電力供給により循環ポンプ３３を作動させる。ここで、循環ポンプ３３が作動している場合は、循環ポンプ３３の作動を継続する。循環ポンプ３３を作動させることで、イオン吸着装置４１に冷却液を供給することができ、冷却液中に含まれるイオンをイオン吸着装置４１のアニオン交換樹脂５１およびカチオン交換樹脂５２に吸着させることができる。
【００３８】
Ｓ４０で、二次電池２からの電力供給によりイオン吸着装置４１の電極５３、５４へ印加する。冷却液経路３０内を循環する冷却液中に存在するイオンがイオン吸着装置４１の陽極５３および陰極５４に吸着される。本実施形態でのイオン吸着装置４１は、陽極５３で陰イオンを吸着し、陰極５４で陽イオンを吸着することができる。
【００３９】
これにより、循環ポンプ３３による冷却液の流動およびイオン吸着装置４１への電圧の印加により、早期に冷却液中のイオンを除去することができ、イオンの吸着効率を向上させることができる。
【００４０】
また、Ｓ２０で検出された導電率ρが所定値ρ１よりも小さいと判定された場合、Ｓ５０で循環ポンプ３３を作動停止させる。ここで、循環ポンプ３３が作動停止している場合は、循環ポンプ３３の作動停止を継続する。
【００４１】
Ｓ６０で、イオン吸着装置４１の電極５３、５４への印加を停止する。本実施形態でのイオン吸着装置４１は、陽極５３をアニオン交換樹脂５１が充填された中央に配置し、陰極５４をカチオン交換樹脂５２の外側に配置しているため、電極５３、５４への印加が停止されても陰イオンをアニオン交換樹脂５１で吸着することができ、また陽イオンをカチオン交換樹脂５２で吸着することができる。
【００４２】
これにより、電極５３、５４で吸着されたイオンは、アニオン交換樹脂およびカチオン交換樹脂に吸着されるため、冷却液の導電率を低下させることができる。
【００４３】
以上のように、燃料電池１の発電停止時においても、循環ポンプ３３による冷却液の流動およびイオン吸着装置４１への電圧の印加により、早期に冷却液中のイオンを吸着できるため吸着効率を向上させることができる。また、導電率センサ４２により検出された導電率が所定値以上の場合に、循環ポンプ３３による冷却液の流動およびイオン吸着装置４１への電圧の印加するため、循環ポンプ３３の作動時間を短縮することができるため、エネルギ効率の向上も図ることができる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。本第２実施形態では、第１実施形態と比較して、イオン吸着装置４１の構成が異なっている。そのため、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４５】
図４は、本第２実施形態で用いるイオン吸着装置４１の断面図を示しており、図４（ａ）はイオン吸着装置４１の側面の断面図を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図を示している。
【００４６】
図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、本第２実施形態におけるイオン吸着装置４１は、導電性材料で形成された四角形状の容器５０にアニオン交換樹脂５１とカチオン交換樹脂５２とをメッシュ状の仕切り部材５５により仕切った状態で充填している。アニオン交換樹脂５１は、容器５０の上部に充填されており、アニオン交換樹脂５１の側の容器の上面が陽極５３となっている。また、カチオン交換樹脂５２は、容器５０の下部に充填されており、導電性材料から構成される容器５０の下面が陰極５４となっている。
【００４７】
以上のような構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
（他の実施形態）
上記第１実施形態では、燃料電池１の発電停止状態において、早期に冷却液中のイオンを吸着できる構成としているが、燃料電池１の発電状態において、燃料電池１からの電力でイオン吸着装置４１に電圧を印加することで、冷却液中のイオンの吸着効率を向上させてもよい。燃料電池１の発電状態においては、循環ポンプ３３は作動しているため、図３に示す、Ｓ３０およびＳ５０の循環ポンプ３３の作動開始・停止の処理をスキップすることでイオン吸着制御を実行することができる。
【００４９】
また、上記第１実施形態では、イオン吸着装置４１をイオン吸着用経路４０に設ける構成としたが、これに限らず、冷却液経路３０に設ける構成としてもよい。
【００５０】
また、上記第１実施形態では、導電率センサ４２を、冷却液に微小電流を流して抵抗値を測定し、その抵抗値を導電率に換算することで冷却液の導電率を検出する構成としたが、これに限らず、冷却液の導電率が検出できれば任意の構成にすることができる。
【００５１】
また、導電率センサ４２により検出された導電率の大きさで、イオンを吸着する制御を行うか否かを判定する処理を行ったが、これに限らず、例えば燃料電池と車両ボディーの絶縁抵抗を検出し、検出結果が所定値以下である場合に、イオンを吸着する制御を行う判定処理にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】上記第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】上記第１実施形態のイオン吸着装置の断面図である。
【図３】上記第１実施形態のイオン吸着制御の内容を示すフローチャートである。
【図４】上記第２実施形態のイオン吸着装置の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…燃料電池、２…二次電池、３０…冷却液経路、３３…循環ポンプ、４０…イオン吸着用経路、４１…イオン吸着装置、４２…導電率センサ。
【図１】
2008204791.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008204791.tif 000005
【図４】
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