(57)【要約】【課題】冷却液の酸化による劣化を防止することのできる燃料電池冷却システムおよびその方法の提供を図る。【解決手段】冷却液の酸化による劣化を防止する劣化防止手段であるアルデヒド除去手段として、ルテニウム担持活性炭フィルタ５を循環系３に設けてあるため、冷却液の酸化過程で生成される中間体のアルデヒド〔Ｒ’ＣＨＯ〕を前記ルテニウム担持活性炭フィルタ５により除去して、脂肪酸等の有機酸の発生を防止し、冷却液の劣化を防止して、導電率の悪化を抑制することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体（２）と、該燃料電池本体（２）を通過した冷却液を冷却する熱交換器（４）と、前記燃料電池本体（２）と熱交換器（４）との間で前記冷却液を循環させる循環系（３）と、水とグリコール類の混合溶液からなる前記冷却液を循環させる循環ポンプ（１２）とを備えた燃料電池冷却システム（１）にであって、
前記冷却液の酸化による劣化を防止する劣化防止手段（５）を設けたことを特徴とする燃料電池冷却システム（１）。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池冷却システム（１）であって、
前記劣化防止手段（５）は、前記冷却液のグリコール類を起因として発生するアルデヒドを除去する除去手段（５）であることを特徴とする燃料電池冷却システム（１）。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池冷却システム（１）であって、
前記除去手段（５）は、ルテニウム担持活性炭フィルタ（５）からなることを特徴とする燃料電池冷却システム（１）。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の冷却システム（１）であって、
前記ルテニウム担持活性炭フィルタ（５）は、前記循環系に接続される接続部（５１）と、その間に設けられた中空状の本体部（５２）とからなり、
前記本体部（５２）は、前記接続部（５１，５１）に面してそれぞれステンレス製のメッシュ部（５２，５２）が配置されるとともに、該メッシュ部（５２，５２）間にルテニウムを化学的に活性炭粒子に担持させたルテニウム担持活性炭粒子（５４）が充填されてなることを特徴とする燃料電池冷却システム（１）。
【請求項５】
前記除去手段（６）は、前記循環系に不活性ガスを注入するガス注入手段（６）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池冷却システム（１）。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池冷却システム（１）であって、
前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴とする燃料電池冷却システム（１）。
【請求項７】
請求項２乃至請求項６のいずれか一項に記載された燃料電池冷却システム（１）であって、前記除去手段（６）は、前記循環系における循環ポンプ（１２）の前段に設けられることを特徴とする燃料電池冷却システム（１）。
【請求項８】
燃料電池本体（２）と、該燃料電池本体（２）を通過した冷却液を冷却する熱交換器（４）と、前記燃料電池本体（２）と熱交換器（４）との間で前記冷却液を循環させる循環系（３）と、前記冷却液を循環させる循環ポンプ（１２）とを備えた燃料電池冷却システム（１）の冷却液劣化防止方法であって、請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載された劣化防止手段（５，６）により、前記冷却液のグリコール類を起因として発生するアルデヒドを除去することを特徴とする燃料電池冷却システム（１）の冷却液劣化防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池内を経由して循環する冷媒を冷却するための燃料電池冷却システムに関し、特に前記冷却液の劣化を防止するためのシステムおよびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池が注目され、例えば、高分子電解膜型の燃料電池システムが開発されている。このシステムは、スタック内の水素燃料を、高分子電解膜に担持したプロトン触媒の作用でプロトン化し、高分子電解膜を隔てて存在する酸素との共働により電位発生を行うように構成されたものであり、電気化学的に発電する一種の発電機である。
【０００３】
このような燃料電池は、発電の際に発熱して温度が上昇する性質を有する一方、燃料電池には高効率を保つために最適な運転温度範囲がある。このため、前述のような高分子電解膜型の燃料電池は、所定温度（約６５〜７０℃）の冷却液を供給して、最適な温度範囲（約８０〜８５℃）で稼働させるための冷却システムが必要となる。
【０００４】
また、燃料電池へ供給される冷却液の導電率は、燃料電池を効率的に稼働させるためにある一定以上の範囲が必要とされるが、導電率が所定の範囲を超えて上昇すると、冷却液を伝わって漏電（「液絡」という）するなど、燃料電池にとって好ましくない状況が発生する。
【０００５】
そこで、冷却システムに用いられる冷却液には、導電性を低レベルにする（ある一定の範囲内に保つ）ため、純水を用いることが一般的に行われてきたが、近年低温環境での凍結防止のためにグリコール類を用いた混合溶液、例えば、エチレングリコールと純水による５０％混合溶液（ＥＧ５０）等が用いられている。
【０００６】
ここで、図４とともに、従来の熱交換器の構造を簡単に説明する。図４は、従来の燃料電池冷却システムの構成を説明する図である。
【０００７】
燃料電池冷却システム１は、図４に示すように、燃料電池本体２を冷却する冷却液が循環する循環系３を有している。
【０００８】
この循環系３には、燃料電池本体２に冷却液を循環供給する循環流路１１が形成されている。この循環流路１１には、冷却液を循環させる循環ポンプ１２、循環ポンプ１２の下流に冷却液を冷却する熱交換器４を備えている。
【０００９】
また、熱交換器４には、圧力バルブ１３を介してリザーバータンク１４が接続され、前記循環流路１１に供給される冷却液の量を一定量に保つようになっている。
【００１０】
以上のような構成により、燃料電池本体が発電する際に発生する熱を、高効率が保てるように最適な運転温度範囲に冷却している。
【００１１】
なお、この従来の構成における冷却液は、純水とエチレングリコールによる５０％混合溶液とした、所謂ＥＧ５０が用いられており、図中矢印Ａに示す方向に前記循環流路１１内を循環している。
【００１２】
【特許文献】
特開２０００−１６７７８２号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構造によれば、冷却液として混合溶液（ＥＧ５０）を用いた場合、冷却システムの使用温度において、エチレングリコールが酸化するということがわかってきた。この冷却液に含まれるエチレングリコールの酸化過程を式を用いて説明すると、以下のようになる。なお、式（１）および式（２）におけるＲは有機化合物である。
【００１４】
Ｒ（ＯＨ）２＋ｎＯ２  →  〔Ｒ’ＣＨＯ〕      ・・・（１）
〔Ｒ’ＣＨＯ〕＋ｍＯ２  →  Ｒ’ＣＯ２Ｈ        ・・・（２）
つまり、このように、酸化が進むと最終的には式（２）に示すように脂肪酸等の有機酸が劣化生成物として生成され、これを起因として冷却液が劣化（導電率が悪化）して、導電率が悪化してしまう恐れがあった。
【００１５】
一方、前述のように導電率をある一定の範囲内に保つためには、通常の内燃機関用の冷却液（クーラント）のように腐食節剤や酸化防止剤を添加することはできず、これら添加剤を用いずに酸化による劣化防止のために、例えば、劣化の影響が及ばないように冷却液の液量をある一定以上供給し続けたり、冷却液の交換サイクルを短く設定するなどの対策が必要であった。
【００１６】
そこで、本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、冷却液に添加剤を用いずに酸化による劣化を防止することのできる燃料電池冷却システムおよびその方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の発明にあっては、燃料電池本体と、該燃料電池本体を通過した冷却液を冷却する熱交換器と、前記燃料電池本体と熱交換器との間で前記冷却液を循環させる循環系と、水とグリコール類の混合溶液からなる前記冷却液を循環させる循環ポンプとを備えた燃料電池冷却システムであって、前記冷却液の酸化による劣化を防止する劣化防止手段を設けたことを特徴としている。
【００１８】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の前記劣化防止手段は、前記冷却液のグリコール類を起因として発生するアルデヒドを除去する除去手段であることを特徴としている。
【００１９】
請求項３の発明にあっては、請求項２に記載の前記除去手段は、ルテニウム担持活性炭フィルタからなることを特徴としている。
【００２０】
請求項４の発明にあっては、請求項３に記載の前記ルテニウム担持活性炭フィルタは、前記循環系に接続される接続部と、その間に設けられた中空状の本体部とからなり、前記本体部は、前記接続部に面してステンレス製のメッシュ部が配置されるとともに、該メッシュ部間にルテニウムを化学的に活性炭粒子に担持させたルテニウム担持活性炭粒子が充填されてなることを特徴としている。
【００２１】
請求項５の発明にあっては、請求項２に記載の前記除去手段は、前記循環系に不活性ガスを注入するガス注入手段であることを特徴としている。
【００２２】
請求項６の発明にあっては、請求項５に記載の前記不活性ガスは、窒素ガスであることを特徴としている。
【００２３】
請求項７の発明にあっては、請求項２〜６のいずれかに記載の前記除去手段は、前記循環系における循環ポンプの前段に設けられることを特徴としている。
【００２４】
請求項８の発明にあっては、燃料電池本体と、該燃料電池本体を通過した冷却液を冷却する熱交換器と、前記燃料電池本体と熱交換器との間で前記冷却液を循環させる循環系と、前記冷却液を循環させる循環ポンプとを備えた燃料電池冷却システムにおいて、請求項２〜７のいずれかに記載の劣化防止手段により、前記冷却液のグリコール類を起因として発生するアルデヒドを除去する方法を特徴としている。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池本体と、該燃料電池本体から排出された冷却液を冷却する熱交換器と、前記燃料電池本体と熱交換器との間で前記冷却液を循環させる循環系と、水とグリコール類の混合溶液からなる前記冷却液を循環させる循環ポンプとを備えた燃料電池冷却システムにおいて、前記冷却液の酸化による劣化を防止する劣化防止手段を設けてあるため、冷却液の劣化を防止して、導電率の悪化を抑制することができる。
【００２６】
請求項２の発明によれば、請求項１に記載の効果に加え、前記劣化防止手段は、前記冷却液のグリコール類を起因として発生するアルデヒドを除去する除去手段であるため、冷却液の酸化過程で生成される中間体のアルデヒドを前記除去手段により除去して、脂肪酸等の有機酸の発生を防止し、冷却液の劣化を防止することができる。
【００２７】
請求項３の発明によれば、請求項２の効果に加え、前記除去手段は、ルテニウム担持活性炭フィルタからなるため、簡単な構成で目的を達成することができるとともに、既存の冷却システムに簡単に追加することもできる。
【００２８】
請求項４の発明によれば、請求項３の効果に加え、前記ルテニウム担持活性炭フィルタの本体部内部にルテニウム担持活性炭粒子を充填するためにその両端部に配したメッシュ部をステンレス製としてあるため、金属等のイオンが冷却液中に混入することを防止できる。
【００２９】
請求項５の発明によれば、請求項２の効果に加え、前記除去手段は、前記循環系に不活性ガスを注入するガス注入手段であるため、簡単な構成で目的を達成することができるとともに、既存の冷却システムに簡単に追加することもできる
請求項６の発明によれば、請求項５の効果に加え、前記不活性ガスは、窒素ガスであるため、車両等に搭載して使用するにあたっても、ガスの特性が安定しているので、適用が用意である。
【００３０】
請求項７の発明によれば、前記除去手段は、前記循環系における循環ポンプの前段に設けられているため、循環ポンプに送る前に冷却液中を浄化することができるとともに、循環流路における流路抵抗を最小限に抑えることができる。
【００３１】
請求項８の方法の発明によれば、請求項１〜７と同等の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池冷却システムの構造の実施の形態を、図面と共に従来の構造と同一部分には同一符号を付して詳述する。
【００３３】
（第１の実施の形態）
図１および図２は、本発明に係る燃料電池冷却システムの第１の実施の形態を示している。先ず、図１は、本発明の燃料電池冷却システム１の全体的な構造を示し、図２は、劣化防止手段であり、アルデヒドを除去する除去手段としてのルテニウム担持活性炭フィルタの構造を示している。この燃料電池冷却システム１は、図１に示すように、燃料電池本体２を冷却する冷却液が循環する循環系３を有している。
【００３４】
この循環系３には、燃料電池本体２に冷却液を循環供給する循環流路１１が形成されている。この循環流路１１には、冷却液を循環させる循環ポンプ１２、循環ポンプ１２の下流に冷却液を冷却する熱交換器４、循環ポンプ１２の上流に劣化防止手段としてのルテニウム担持活性炭フィルタ５を備えている。
【００３５】
また、熱交換器４には、圧力バルブ１３を介してリザーバータンク１４が接続され、前記循環流路１１に供給される冷却液の量が一定量を越えた場合は、圧力バルブ１３が解放され、矢印Ｂに示すように余剰な冷却液がリザーバータンク１４に送られて、循環流路１１に供給される冷却液の量を一定量に保つようになっている。
【００３６】
なお、前記熱交換器４は自動車などで使用されるような、コルゲートフィンを備えた積層型の熱交換器を、燃料電池冷却システム用に改良したものが用いられている（特開２００１−１６７７８２号公報参照）。
【００３７】
また、冷却液は、純水にエチレングリコールを混合した５０％混合溶液のいわゆるＥＧ５０が用いられている。
【００３８】
また、本実施の形態の燃料電池本体２に収容された燃料電池は、例えば、ＰＥＭ型の燃料電池であり、電解膜を挟んで酸素極及び水素極などから構成される電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータでさらに挟み込んだ単セルを、２００枚程度積層した積層構造を有している。各セパレータには冷却液の流路が設けられており、燃料電池を冷却して適切な温度で運転できるようにしている。ここで、ＰＥＭとは、Ｐｒｏｔｏｎ  ＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅの略であり、ＭＥＡとは、Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙの略である。
【００３９】
ここで、以上説明した燃料電池冷却システム１の冷却サイクルを説明する。燃料電池冷却システム１が起動すると、循環系３の循環ポンプ１２が始動する。すると循環系３に冷却液が循環を開始し、燃料電池本体２で発生した熱は、冷却液、熱交換器４、の順に伝達され外気に放散される。
【００４０】
なお、このとき、循環系３に温調器（図示せず）を設け、熱交換器４を通流した冷却液を一定温度範囲（例えば７０±５℃）に温調して燃料電池本体２へ供給して、燃料電池本体の効率を高めている。
【００４１】
次に、図２とともに、この第１の実施の形態の劣化防止手段であり、アルデヒドを除去する除去手段としてのルテニウム担持活性炭フィルタ５の構造について説明する。
【００４２】
このルテニウム担持活性炭フィルタ５は、前述したように循環系３の循環ポンプ１２の上流部の循環流路１１に接続される接続部５１，５１と、その間に設けられた中空状の本体部５２とから構成されている。
【００４３】
前記本体部５２の内部には、前記接続部５１，５１に面する両端部にステンレス製のメッシュ部５３，５３が配置され、該メッシュ部５３，５３の間にルテニウムを化学的に活性炭粒子に担持させたルテニウム担持活性炭粒子５４が充填されている。図中Ｃは冷却液の流れる方向を示している。
【００４４】
なお、このような燃料電池冷却システム１では、循環系３を循環する冷却液が、プロトン触媒に直接接触するため、触媒被毒の観点から、金属等のイオンの冷却液中への混入を抑制することが要望されており、循環系３の循環流路１１を形成するチューブや、循環系３に設けられる熱交換器４等の機器類を、耐蝕性のある材料、例えばステンレス鋼、樹脂材料、樹脂ライニング金属材料（内部を樹脂コーティングしたアルミ材料等）などで構成して、金属等のイオンの冷却液中への混入を抑制している。
【００４５】
ここで、以上説明した燃料電池冷却システム１の冷却液の劣化防止サイクルを説明する。前述のように燃料電池冷却システム１が起動すると、循環系３の循環ポンプ１２が始動する。すると循環系３に冷却液が循環を開始する。このとき、冷却液がルテニウム担持活性炭フィルタ５を通過する際、前述の式（１）に示される中間体のアルデヒド〔Ｒ’ＣＨＯ〕を除去して、脂肪酸等の有機酸の発生を防止し、冷却液の劣化を防止する。
【００４６】
以上のような第１の実施の形態の構造によれば、冷却液の酸化による劣化を防止する劣化防止手段であるアルデヒド除去手段として、ルテニウム担持活性炭フィルタ５を循環系３に設けてあるため、冷却液の酸化過程で生成される中間体のアルデヒド〔Ｒ’ＣＨＯ〕を前記ルテニウム担持活性炭フィルタ５により除去して、脂肪酸等の有機酸の発生を防止し、冷却液の劣化を防止して、導電率の悪化を抑制することができる。
【００４７】
また、特にこの実施形態では、前記ルテニウム担持活性炭フィルタ５の本体部５２内部にルテニウム担持活性炭粒子５４を充填するためにその両端部に配したメッシュ部５３，５３をステンレス製としてあるため、金属等のイオンが冷却液中に混入することを防止できる。
【００４８】
また、前記ルテニウム担持活性炭フィルタ５は、前記循環系３における循環ポンプ１２の上流（前段）に設けられているため、循環ポンプ１２に送る前に冷却液中を浄化することができるとともに、循環流路１１における流路抵抗を最小限に抑えることができる。
【００４９】
また、このようにルテニウム担持活性炭フィルタ５を追加するだけなので、簡単な構成で目的を達成することができるとともに、既存の冷却システムに簡単に追加することもできる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
次に、図３とともに本発明に係る燃料電池冷却システムの第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態は、前述した第１の実施の形態における劣化防止手段としてのアルデヒド除去手段の構造が異なるものであり、その他の構成は前述の第１の実施の形態と同様のため、同一部分に同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５１】
この第２の実施の形態では前記除去手段として、循環系３に不活性ガスを注入するガス注入手段を設けたものであり、特にこの第２の実施の形態では、前記不活性ガスとして、窒素ガスを用いている。
【００５２】
具体的には、図３に示すように、循環ポンプ１２の上流側に第１の実施の形態におけるルテニウム担持活性炭フィルタ５の代わりに、窒素ボンベ６からの窒素ガスを注入（ハブリング）するガス注入部７を設けて、冷却液中に不活性ガスである窒素ガスを注入し、アルデヒドを循環系３の系外に飛散させ、冷却液中から除去するようにしている。
【００５３】
これにより、第２の実施の形態においても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
なお、この第２の実施の形態では、不活性ガスとして窒素ガスを用いた例を示したが、これに限るものではなく、車両に搭載する際に安定して使用できる不活性ガスであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池冷却システムの第１の実施の形態の構造を示すブロック図。
【図２】第１の実施の形態における劣化防止手段としてのルテニウム担持活性炭フィルタの構造を示す説明図。
【図３】本発明に係る燃料電池冷却システムの第２の実施の形態の構造を示すブロック図。
【図４】従来の燃料電池冷却システムの構造を示すブロック図。
【符号の説明】
１  燃料電池冷却システム
２  燃料電池本体
３  循環系
４  熱交換器
５  ルテニウム担持活性炭フィルタ（劣化防止手段，除去手段）
６  窒素ボンベ（劣化防止手段，除去手段，ガス注入手段）
７  ガス注入部（劣化防止手段，除去手段，ガス注入手段）
１２  循環ポンプ
５１  接続部
５２  本体部
５３  メッシュ部
５４  ルテニウム担持活性炭粒子
【図１】
2004296375.tif 000003
【図２】
2004296375.tif 000004
【図３】
2004296375.tif 000005
【図４】
2004296375.tif 000006