(57)【要約】【課題】安価、軽量化ならびに低消費電力化を図った燃料電池の冷却システムを提供することを課題とする。【解決手段】ポンプ１２を介して燃料電池スタック１１を冷却する冷却水を循環させるメイン回路と、ポンプ１２を介してメイン回路から分岐した冷却水を燃料電池スタック１１とリザーバタンク１７の下部に設置されたイオン除去フィルタ１８を循環させるサブ回路とを備えて構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを冷却する冷却水がシステム内を循環する燃料電池の冷却システムにおいて、
冷却水により冷却される燃料電池スタックと、冷却水を冷却する熱交換器と、冷却水を循環させるポンプとを備え、前記ポンプを介して前記燃料電池スタックを冷却する冷却水を循環させるメイン回路と、
前記ポンプならびに前記燃料電池スタックを含み、冷却水を貯留するリザーバタンクと、前記リザーバタンクの下流に設置されて冷却水に含まれるイオンを除去するイオン除去フィルタとを備え、前記ポンプを介して前記メイン回路から分岐した冷却水を前記燃料電池スタックと前記イオン除去フィルタを循環させるサブ回路と
を有することを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項２】
前記メイン回路上であって、前記メイン回路から前記サブ回路に分岐する分岐点の下流と、前記メイン回路と前記サブ回路との合流点の上流に、それぞれシャット弁を設け、
前記ポンプは、逆送可能に構成した
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却システム。
【請求項３】
前記イオン除去フィルタは、前記リザーバタンクに貯留される冷却水の出口側に組み込まれた
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の冷却システム。
【請求項４】
前記リザーバタンクに組み込まれた前記イオン除去フィルタは、イオン交換樹脂封入カートリッジで構成され、前記リザーバタンクの上部の蓋を開けて交換可能に設置されている
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子燃料電池を冷却する燃料電池の冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高効率のエネルギー効率を可能とする燃料電池技術が注目されている。
燃料電池はその燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス、及び空気を供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気にエネルギーに変換するエネルギー変換システムである。そしてその中でも、高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が自動車などの移動体用電源とてし注目されている。
このような固体高分子型燃料電池では、通常運転温度を８０°Ｃ前後に維持するために冷却水を供給する必要があり、また、燃料電池内の固体高分子イオン交換膜の水分維持のために純度の高い純水を供給する必要がある。
【０００３】
そこで、固体高分子燃料電池を冷却して運転する従来のシステムとしては、例えば以下に示す文献に記載された技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
上記文献に記載されたシステムでは、固体高分子型燃料電池に対してメインタンクからメイン配管を通じてメインポンプにより純水冷却水を供給し、燃料電池を通過した純水冷却水は、ラジエータのような熱交換器によって冷却した後にメインタンクに帰還させる循環系統を構成している。
そして、メインタンクに対してメイン配管と並列に、サブ配管を接続し、このサブ配管上にサブポンプを設け、またイオン交換フィルターを設けている。そして、サブポンプを稼働させることによりサブ配管内に純水冷却水を通流させ、イオン除去フィルターによって常時、純水冷却水中に溶け出している導電性イオンを除去し、メインタンク内に貯溜されている冷却水の純度を高く保つようにしている。これにより、運転中は、常にサブポンプを稼働させて、運転条件に関係なく冷却水の導電率を所定値以下に維持していた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２０８１５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来のシステムにおいては、運転中は冷却水の導電率を所定値以下に維持することが可能となるが、サブ回路のポンプが必要となる。このため、コストアップ、重量の増加、ならびに消費電力の増大などの問題があった。
【０００７】
また、運転しない状態で長期間システムを放置した場合には、システムに冷却水が流れていないため、冷却水に溶け出したイオンをイオン除去フィルタで浄化できず，封入した冷却水に燃料電池スタックや配管、ラジエータなどの熱交換器からイオンが溶け出し、冷却水の導電率が上昇してしまう。配管やラジエータなどの熱交換器は、ステンレスや、樹脂材を用いることでイオン溶出を極力抑えることができるが、燃料電池スタックは材質が発電性能から決まる場合が多く、イオン溶出対策を施すことが難しい。したがって、冷却液の導電率が高くなった状態での長期放置後に運転を再開するには、燃料電池スタックの保護および漏電の観点から冷却水の導電率を規定値にまで浄化してから発電を開始する必要があった。そのため、浄化するまで、発電せずに冷却水を循環させ、規定値に下がって初めて発電を行うため、システムを短期間で始動させることができないといった不具合を招いていた。
【０００８】
さらに、システムに冷却水を補充する際に、間違って導電率の高い通常の冷却水を混入してしまった場合には、サブ回路で浄化するものの、冷却水がメイン回路を通って燃料電池スタックにも混入してしまう可能性があった。このため、燃料電池スタックの保護および漏電安全のためには、センサーや制御回路などで管理せざるを得ないという問題があった。
【０００９】
その上、イオン除去フィルタの交換にあたっては、サブ回路の水を抜く必要があり、作業性、交換性の上で非効率であった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安価、軽量化ならびに低消費電力化を図った燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【００１１】
また、他の目的は、システムの始動時間の短縮化を達成した燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【００１２】
また、他の目的は、燃料電池スタックの保護ならびに漏電安全性を向上した燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【００１３】
また、他の目的は、イオン除去フィルタの交換作業性を向上した燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池スタックを冷却する冷却水がシステム内を循環する燃料電池の冷却システムにおいて、冷却水により冷却される燃料電池スタックと、冷却水を冷却する熱交換器と、冷却水を循環させるポンプとを備え、前記ポンプを介して前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させるメイン回路と、前記ポンプならびに前記燃料電池スタックを含み、冷却水を貯留するリザーバタンクと、前記リザーバタンクの下流に設置されて冷却水に含まれるイオンを除去するイオン除去フィルタとを備え、前記ポンプを介して前記メイン回路から分岐した冷却水を前記燃料電池スタックと前記イオン除去フィルタを循環させるサブ回路とを有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水を循環させるポンプをメイン回路とサブ回路とで共用するようにしたので、ポンプを増やさずに効率的にイオンを除去することができると共に、安価で、軽量化、ならびに低消費電力を達成することができる。
【００１６】
また、リザーバタンクの下流にイオン除去フィルタを設けることにより、冷却水を補充する際に、間違って導電率の高い冷却水を混入させてしまった場合であっても、冷却水は必ずイオン除去フィルタを通ってメイン回路に補充されるので、冷却水の導電率は下がり、燃料電池スタックの保護、ならびに漏電上の安全性を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。図１において、この第１の実施形態のシステムは、燃料電池スタック１１、冷却水をシステムに循環させるポンプ１２、冷却水の流路を変える３方弁１３、冷却水を冷却する熱交換器として機能するラジエータ１４、冷却水の流路を開閉制御するシャット弁１５，１６、冷却水に溶出したイオンを取り除くイオン除去フィルタ１８を備えて冷却水を貯留するリザーバタンク１７を備えて構成されている。
【００１９】
図１に示すシステムにおいては、システムを循環する冷却水の循環経路が、メイン回路、バイパス回路ならびにサブ回路で構成されている。メイン回路は、システムを循環する冷却水が、ポンプ１２から燃料電池スタック１１、３方弁１３、ラジエータ１４を通ってポンプ１２に戻る回路である。バイパス回路は、システムを循環する冷却水が、ポンプ１２から燃料電池スタック１１を通り、３方弁１３から分岐してポンプ１２に戻る回路である。サブ回路は、システムを循環する冷却水が、ポンプ１２から燃料電池スタック１１を通り、燃料電池スタック１１とシャット弁１５との間の分岐点Ａから分岐し、リザーバタンク１７、リザーバタンク１７に含まれるイオン除去フィルタ１８を通り、合流点Ｂでメイン回路に合流する回路である。
【００２０】
なお、図１において、各回路において実線で示す矢印は、システムの始動時ならびに通常運転時の冷却水の流れを示し、サブ回路において破線で示す矢印は、システムの停止前の冷却水の流れを示している。
このような構成において、システムを循環する冷却水が燃料電池スタック１１を冷却する温度よりも高い場合には、３方弁１３をラジエータ１４側に切り替えて、冷却水がポンプ１２を介してメイン回路を循環するように制御される。一方、システムを循環する冷却水が燃料電池スタック１１を冷却する温度よりも低い場合には、３方弁１３をバイパス回路側に切り替えて、冷却水がポンプ１２を介してバイパス回路を循環するように制御される。
【００２１】
リザーバタンク１７を有するサブ回路は、循環系の圧損によりメイン回路からサブ回路に分岐する冷却水の流量が決まるが、図１には図示していないが、オリフィスや流量制御弁をサブ回路に追加することでサブ回路の流量を制御することが可能となる。また、サブ回路に流す冷却水の量は、メイン回路に流れる冷却水の量に対して、１／１０〜１／２０程度の分配比に設定するのが効率的である。
【００２２】
サブ回路では、メイン回路ならびにバイパス回路で使用されると同じポンプ１２により冷却水が循環される。すなわち、システムのメイン回路、バイパス回路ならびにサブ回路を流れる冷却水は、共通のポンプ１２により循環される。このポンプ１２は、例えばカスケードタイプの逆送可能なポンプで構成されている。さらに、メイン回路とサブ回路が分岐する分岐点Ａの下流と、サブ回路がメイン回路ならびにバイパス回路に合流する合流点Ｂの上流には、シャット弁１５，１６が設けられている。
【００２３】
このような構成では、システムの始動時ならびに通常運転時には、シャット弁１５，１６を開放し、冷却水はポンプ１２を介してメイン回路又はバイパス回路と、サブ回路を循環する。一方、システムの停止時には、シャット弁１５，１６を閉止し、かつポンプ１２を通常運転時とは逆転して駆動し、燃料電池スタック１１内の冷却水をポンプ１２を介してリザーバタンク１７に戻して貯留させる。
【００２４】
上記構成においては、冷却水をシステム内で循環させるポンプ１２をメイン回路又はバイパス回路とサブ回路とで共用するようにしているので、ポンプの台数を増やさずに１台のポンプで、燃料電池スタック１１を冷却する冷却水を循環させると共に、イオン除去フィルタ１８により冷却水の導電率を下げるサブ回路に冷却水を循環させることが可能となる。これにより、ポンプを増やすことによるコストアップ、重量の増加、ならびに消費電力の増加は抑えられ、従来に比べて安価で、軽量化ならびに低消費電力化を達成することができる。
【００２５】
また、２つのシャット弁１５，１６と、逆送するポンプ１２を使うことで、システムの停止時に燃料電池スタック１１内の冷却水を抜き取り、抜き取った冷却水をリザーバタンク１７に回収することができる。これにより、システムの停止時に最もイオン溶出の要因が大きい、燃料電池スタック１１からのイオン溶出を最小限に抑えることが可能となり、システムの長期放置後の冷却水の導電率上昇を最小限に抑え、システムの長期放置後の始動時間を短縮することができる。
【００２６】
図２はリザーバタンク１７の構成を示す図である。
【００２７】
図２において、リザーバタンク１７は、リザーバタンク１７から冷却水が流れ出る冷却水出口が設けられたリザーバタンク１７の下部に、イオン交換樹脂１７０を封入したイオン交換樹脂封入カートリッジ１７１（イオン交換フィルタ１８）を設置するように構成されている。そして、リザーバタンク１７の上部のリザーバタンク蓋１７２を開けて、リザーバタンク１７の上部からイオン交換樹脂封入カートリッジ１７１を取り外すようにしている。
【００２８】
このような構成では、リザーバタンク１７の下流にイオン除去フィルタ１８を設けることにより、冷却水を補充する際に、間違って導電率の高い水道水や通常の冷却水（ＬＬＣ）を混入させてしまった場合であっても、補充された冷却水は必ずイオン除去フィルタ１８を通ってメイン回路に補充される。これにより、冷却水の導電率が下がり、燃料電池スタック１１の保護、ならびに漏電の安全性を高めることができる。
【００２９】
また、リザーバタンク１７にイオン除去フィルタ１８を組み込むことで、組み付け性も向上する。さらに、イオン除去フィルタを従来のように配管部に設置せず、リザーバタンク１７の下部に設置するようにしたので、イオン除去フィルタの圧損が高くてもポンプ１２の吐出量を増やさずに済む。また、イオン除去フィルタ１８を通過する冷却水の通過流量が少ないため、イオン交換率を高く保持することができ、冷却水の浄化時間を短縮することができる。
【００３０】
さらに、リザーバタンク１７の蓋１７２を開けて、イオン除去フィルタ１８を交換することができるので、リザーバタンク１７をラジエータ１４の近傍に配置するようにすれば、リザーバタンク内の冷却水を抜かずに車両のボンネットを開けて容易にイオン除去フィルタ１８を交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【図２】リザーバタンクの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１…燃料電池スタック
１２…ポンプ
１３…方弁
１４…ラジエータ
１５，１６…シャット弁
１７…リザーバタンク
１８…イオン除去フィルタ
１７０…イオン交換樹脂
１７１…イオン交換樹脂封入カートリッジ
１７２…リザーバタンク蓋
【図１】
2004311347.tif 000003
【図２】
2004311347.tif 000004