(57)【要約】【課題】容器からのイオン溶出が低減される燃料電池用のサーモスタットを提供する。【解決手段】本発明は、サーモワックス１４を収容した容器１５を有し、この容器１５内のサーモワックス１４の膨張及び収縮に応じた開弁及び閉弁動作を行う燃料電池用のサーモスタット１０であって、容器１５が銅よりもイオン溶出しにくいステンレスで構成されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に収容されたサーモワックスの膨張及び収縮に応じた開弁及び閉弁動作を行うサーモスタットであって、
前記容器がステンレスで構成されていることを特徴とする燃料電池用のサーモスタット。
【請求項２】
容器内に収容されたサーモワックスの膨張及び収縮に応じた開弁及び閉弁動作を行うサーモスタットであって、
前記容器が、容器形状に形成された金属材料の表面に非金属材料がコーティングされてなることを特徴とする燃料電池用のサーモスタット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のサーモスタットに関し、例えば、燃料電池の冷却系に適用されるサーモスタットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池と熱交換器との間の冷却液の循環流路に、熱交換器をバイパスする流路を設け、熱交換器を経由する循環路と熱交換器を経由しない循環路との切り換えがサーモスタットで行われるようにした冷却系を有する燃料電池システムがある(例えば、特許文献１)。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、冷却液の温度が所定の温度を超えるまでは、サーモスタットがラジエータを経由しない循環路に冷却液を流し、所定の温度を超えると、サーモスタットが冷却液の流路をラジエータを経由する流路に切り換えることで、燃料電池の温度が適正温度に保たれるようにされている。
【０００４】
サーモスタットは、冷却液中に配置される容器を有し、容器内には、容器の壁を介して伝わる冷却液の温度に応じて膨張及び収縮するサーモワックスが収容されている。サーモスタットは、サーモワックスの膨張及び収縮に応じて開弁及び閉弁動作を行うように構成されている。
【０００５】
ところで、燃料電池を冷却する冷却液は、漏電を防止するためにその導電率が低く抑えられている必要がある。特許文献１には、冷却液中のイオンをイオン交換器で除去することが記載されている。
【０００６】
一方、サーモスタットの容器は、サーモワックスに効率良く熱を伝えて冷却液の温度に対するサーモスタットの応答性(冷却液の温度に応じた開弁・閉弁動作の早さ)を高めるべく、熱伝導率の高い銅を用いて構成されている。
【特許文献１】特開２００３−１２３８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、銅はイオンが溶出しやすい材料であるので、銅製の容器から溶出したイオンが冷却液中の導電率を増加させる可能性があった。
【０００８】
本発明の目的は、イオンの溶出が低減される燃料電池用のサーモスタットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した目的を達成するために、以下の構成を採用する。
【００１０】
本発明の第１の態様は、容器内に収容されたサーモワックスの膨張及び収縮に応じた開弁及び閉弁動作を行うサーモスタットであって、前記容器がステンレスで構成されていることを特徴とする燃料電池用のサーモスタットである。
【００１１】
第１の態様によれば、容器がステンレスで構成されている。ステンレスは銅よりもイオン溶出しにくい材料であるので、このようなサーモスタットが燃料電池システムに適用されれば、容器からのイオン溶出を低減することができる。
【００１２】
また、本発明の第２の態様は、容器内に収容されたサーモワックスの膨張及び収縮に応じて開弁及び閉弁動作を行うサーモスタットであって、前記容器が、容器形状に形成された金属材料の表面に非金属材料がコーティングされてなることを特徴とする燃料電池用のサーモスタットである。
【００１３】
第２の態様によれば、容器の表面が非金属材料でコーティングされている。非金属材料は銅よりイオン溶出しにくいので、このようなサーモスタットが燃料電池システムに適用されることで、容器からのイオン溶出を低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、イオンの溶出が低減される燃料電池用のサーモスタットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１６】
図１は、本発明によるサーモスタットを適用可能な燃料電池システムの構成例を示す図である。図１には、燃料電池システムとして、燃料電池の冷却系が図示されている。図１において、燃料電池(燃料電池本体)１は、複数のセルが積層されてなるセルスタックを備えている。各セルは、電解質をアノード(燃料極)及びカソード(空気極)が挟み、これらがさらにアノード側セパレータ及びカソード側セパレータで挟まれることによって構成されている。
【００１７】
各セルのアノードには、図示しない燃料供給系により、燃料としての水素又は水素リッチな混合ガスが供給される。一方、各セルのカソードには、図示しない酸素供給系により酸素又は酸素を含む混合ガス、例えば空気が供給される。アノードに供給された水素は、アノードを構成する触媒層における酸化反応によりプロトン(水素イオン)と電子とに分離され、水素イオンは電解質を通ってカソードに移動し、電子は外部回路を通ってカソードに移動する。
【００１８】
カソードでは、カソードを構成する触媒層において、酸素供給系から供給された酸素と、アノード側から供給された水素イオンと電子とによる還元反応が行われ水が生成される。このようなアノード及びカソードにおける酸化及び還元反応の際に外部回路を通る電子(電荷)が外部回路に接続される負荷に対する電力として使用される。
【００１９】
図１において、燃料電池の冷却系は、次のように構成されている。燃料電池１の内部には、図示しない冷却液流路が設けられている。この冷却液流路の入口は、配管２を介して、冷却液を循環させる循環ポンプ３に接続されている。一方、燃料電池１の冷却液流路の出口は、配管４を介して、冷却液を冷却するラジエータ(熱交換器)５の冷却液の入口に接続されている。
【００２０】
配管４には、その途中で分岐するようにバイパス管６の一端が接続されている。バイパス管６の他端は、サーモスタットバルブ７の第１入口７１に接続されている。また、ラジエータ５の冷却液の出口は、配管８を介して、サーモスタットバルブ７の第２入口７２に接続されている。さらに、サーモスタットバルブ７は、冷却液の出口７３を有し、この出口７３は、配管９を介して循環ポンプ３に接続されている。
【００２１】
サーモスタットバルブ７は、冷却液の温度に応じた開弁及び閉弁動作を行い、第１入口
７１(燃料電池１)から入って出口７３から出る冷却液の流量と、第２入口７２(ラジエータ５)から入って出口７３から出る冷却液の流量とを自動的に制御するサーモスタット１０を備えている。
【００２２】
以上の構成により、燃料電池の冷却系は、循環ポンプ３，配管２，燃料電池１，配管４，ラジエータ５，配管８，サーモスタットバルブ７，配管９からなる冷却液の第１の循環路と、循環ポンプ３，配管２，燃料電池１，配管４，バイパス管６，サーモスタットバルブ７，配管９からなり、ラジエータ５を経由しない冷却液の第２の循環路とを備えている。そして、第１の循環路と第２の循環路との切り換え制御(流量調整)が、サーモスタット１０の開弁及び閉弁動作によって行われる。
【００２３】
図２は、図１に示したサーモスタットバルブ７の構成例を示す図である。図２において、第１入口７１と出口７３とを有し且つ弁室７４として機能する内部空間を有するハウジング７５と、配管８の他端とが、これらの内部空間同士を連通させて連結されており、第１入口７１と、配管８の他端部で構成されるサーモスタットバルブ７の第２入口７２とが対向した状態となっている。
【００２４】
サーモスタット１０は、円環状フランジ部１２と、この円環状フランジ部１２に対して固定されたフレーム１３とを有する。円環状フランジ部１２の外縁部は、フレーム１３がハウジング７５の内部空間(弁室７４)に配置された状態で、ハウジング７５と配管８の接合面に挟まれて支持されている。これにより、サーモスタット１０は、ハウジング７５及び配管８に対して固定されている。
【００２５】
また、サーモスタット１０は、対向状態にある第１入口７１と第２入口７２との間に延在し、温度に応じて膨張・収縮するサーモワックス１４を収容した感温部としての容器(カップ)１５と、容器１５内に設けられた弾性部材(例えばゴム材)２２を介して容器１５をその軸方向に移動可能にするステーロッド１６とを含んでいる。サーモワックス１４は、温度が所定温度を上回ると膨張を開始し、その後温度が低くなると収縮する性質を持つ。
【００２６】
ステーロッド１６の一端部は、配管８内において、配管８の軸方向で円環フランジ部１２に対して固定されており、ステーロッド１６の他端部は容器１５内に挿入されている。容器１５の周面には、円環状の弁体１７が容器１５の外周を取り巻くようにして固定されており、弁体１７は、容器１５の移動と一体にステーロッド１６の軸方向に移動する。これによって、弁体１７が円環状フランジ部１２に形成された弁座１８に対して当接・離脱する第１の弁が構成されている。また、弁体１７の第１入口７１側の面は、フレーム１３の内面と圧縮コイルバネ１９を介して連結されており、弁体１７は、第１の弁の閉弁方向に付勢されている。
【００２７】
また、容器１５の第１入口７１側の端部には、第１入口７１を開閉するための第２の弁体２０がスナップリングにより取り付けられることにより、第２の弁が構成されている。第２の弁体２０は、圧縮コイルバネ２１により、第２の弁の閉弁方向に付勢されている。
【００２８】
以上の構成より、弁室７４内の容器１５は、弁室７４内に流入する冷却液中に配置される。容器１５内のサーモワックス１４は、容器１５の外壁を介して伝わる冷却液の温度が所定温度を上回ると膨張を開始し、その後、温度が低くなると収縮する。サーモワックス１４が膨張していない間は、弁体１７は圧縮コイルバネ１９により弁座１８に押しつけられた状態となり、第２入口７２と出口７３との間を遮断した状態となる。
【００２９】
一方、第２の弁体２０は、サーモワックス１４が膨張していない間は、第１入口７１か
ら離れた状態にある。この場合、第１入口７１と出口７３とが弁室７４を介して連通した状態となり、第１入口７１から流入する燃料電池１からの冷却液のみが、弁室７４を通って出口７３から排出される。
【００３０】
容器１５の周囲を流れる冷却液の温度が燃料電池１の発電に伴い上昇し、冷却液の温度が所定の温度を上回ると、サーモワックス１４は膨張を開始する。すると、容器１５内でサーモワックス１４とステーロッド１６との間に介装されている弾性部材２２が絞られるようにつぶれ、ステーロッド１６を容器１５内から押し出そうとする力が生じる。しかし、ステーロッド１６は固定されているので、容器１５に第１入口７１側へ移動する力が生じる。この力が圧縮コイルバネ１９の付勢力を上回ると、容器１５が第１入口７１側へ移動し、容器１５に固定されている弁体１７が弁座１８から離れる。これによって、第１の弁が開弁し、第２入口７２からの冷却液(ラジエータ５で冷却された冷却液)が弁室７４に流入し、出口７３から排出される状態となる。
【００３１】
その後、さらに冷却液の温度が上がると、容器１５はさらに第１入口７１側に移動し、第１の弁が完全に開弁する。このとき、第２の弁体２０が第１入口７１を閉じ、第２入口７２から流入する冷却液のみが出口７３へ流れる状態となる。
【００３２】
このようなサーモスタットバルブ７の作用により、図１に示す燃料電池システムでは、燃料電池１が運転を開始して冷却液が所定の温度を下回る間は、サーモスタットバルブ７の第１の弁が閉弁し、冷却液が第２の循環路を循環する状態となる。
【００３３】
これに対し、燃料電池１の運転による発熱によって冷却液の温度が所定の温度を上回ると、サーモスタットバルブ７の第１の弁の開弁動作及び第２の弁の閉弁動作により、冷却液がラジエータ５を経由する第１の循環路で循環する。すると、冷却液が燃料電池１から熱を奪いラジエータ５で放熱することで、燃料電池１の冷却が行われる。
【００３４】
なお、ラジエータ５による冷却液の冷却により、容器１５の周囲の冷却液の温度が所定の温度まで下がると、サーモワックス１４が収縮することによって容器１５が第２入口７２側へ移動する。これによって、第２の弁が開弁し、第１の弁の開度が減少する。このように、容器１５が軸方向に移動することによって、出口７３から排出される冷却液の温度が一定の範囲に収まるように調整される。
【００３５】
このようにして、冷却液が所定の温度になるまでの間は第２の循環路で冷却液が循環し、所定の温度を上回ると第１の循環路で冷却液が循環し、その後は第１の循環路と第２の循環路を流れる冷却液の流量が調整されることで、燃料電池１の温度がその作動に適した温度で保たれる。
【００３６】
なお、燃料電池１の作動温度は、例えば、燃料電池１が固体高分子電解質型燃料電池(ＰＥＦＣ)であれば、８０〜１００℃程度である。この場合、例えば、容器１５の周囲の冷却液温度が６０℃程度になると第１の弁が開き始め、８０℃程度で第１の弁が完全に開き、且つ第２の弁が第１の入口７１を閉じるように構成される。
【００３７】
上述したサーモスタット１０の容器１５は、ステンレス(ＪＩＳ記号：ＳＵＳ(Stainless Used Steel))で構成されている。ステンレスは、鉄(Ｆｅ)に１２％以上のクロム(Ｃｒ)を含ませた金属であり、フェライト系，オーステナイト系，マルテンサイト系，析出硬化系などに大別される。ステンレスの鋼種は、ステンレス材料を容器の形状に加工でき、加工された容器が内部に収容されるサーモワックスの膨張による圧力に耐え、且つサーモワックスに熱を適正に伝達できる限り、任意に選択可能である。
【００３８】
ステンレスの熱伝導率は銅よりも低いが、ステンレスの剛性(強度)は銅よりも高い。このため、サーモワックス１４の膨張による圧力を吸収できる程度に容器１５の外壁の厚さ(板厚)を銅製のものよりも薄く形成し、内部に収容されるサーモワックス１４に熱を伝えやすく構成する。これによって、サーモスタット１０の適正な応答性(温度変化に対する開弁・閉弁動作の早さ)を確保することが可能である。
【００３９】
以上のように、容器１５がステンレスで構成されることで、容器１５からのイオン溶出量を低減でき、容器１５からのイオンで冷却液中のイオン濃度が上昇し、冷却液の導電率が上昇することを抑えることができる。
【００４０】
これによって、冷却液を通る電流が小さくなるので、燃料電池１の高電圧運転時における安全性が向上する。また、冷却液の電気分解が減少するので、冷却液の減少の早さが抑えられ、減少分の追加作業を減らすことができる。
【００４１】
図３は、本発明によるサーモスタットの他の実施形態を示す図である。図３にはサーモスタットの容器２５を中心とした一部が図示されている。図３における容器２５は、金属材料２６で容器２５の形状に加工されたもの(容器形状に形成された金属材料)の表面を非金属材料２７でコーティングすることによって構成されている。
【００４２】
金属材料２６には、例えば、銅やアルミニウムなどを適用することができる。金属材料２６は、容器２５に内蔵されるサーモワックス２４の膨張による圧力に耐えることができ、且つ容器２５の周囲の冷却液の温度をサーモワックス２４に適正に伝達することができる状態で、容器２５の形状に形成されている。
【００４３】
非金属材料２７は、金属材料２６からのイオン溶出を防止すべく、少なくとも冷却液と接する容器２５の表面をコーティング（被覆）している。非金属材料２７としては、合成樹脂，セラミック材料，或いはこれらの組み合わせが適用される。
【００４４】
例えば、シリカ(二酸化珪素)系及び／又はアルミナ(Ａｌ２Ｏ３)系のセラミック材料に水５０％を含ませたものや、二酸化珪素(ＳｉＯ２)とアクリル樹脂の混合物が、容器形状に加工された金属材料２６に対するドブ付け、吹きつけ、刷毛塗りなどで膜を形成するようにコーティングされる。このとき、膜の厚さは、金属材料２６からのイオン溶出を防止でき、且つサーモワックス２４へ冷却液の温度を適正に伝達できる厚さにされる。
【００４５】
また、コーティングに適したセラミック材料として、耐食性向上を目的として一般に使用されている、Ａｌ２Ｏ３(アルミナ)，ＣｒＮ(窒化クロム)，ＴｉＮ(窒化チタニウム)を適用することができる。
【００４６】
また、他のセラミック材料としては、主に耐熱性向上を目的として、ＺｒＯ２(ジルコニア)やＹＳＺ(ジルコニア−イットリア)を適用することができる。また、ＴｉＣＮ(炭窒化チタニウム)やＴｉＡｌＮ(窒化アルミニウムチタニウム)を、主に高硬度を得ることを目的として適用することもできる。
【００４７】
また、樹脂コーティング材料としては、フッ素樹脂(４フッ化エチレン樹脂)(テフロン（登録商標）)を適用することができる。フッ素樹脂によるコーティング材料としては、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)，ＦＥＰ(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)，ＰＦＡ(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)を適用でき、特に、ＦＥＰ及びＰＦＡを耐食性向上を目的として適用することができる。
【００４８】
他の実施形態によれば、容器２５が容器形状の金属材料２６の表面に非金属材料２７をコーティングしてなり、非金属材料２７として、銅よりイオン溶出しにくい材料が適用されている。これによって、容器２５が冷却液中に配置された場合に、金属材料２６からイオンが冷却液中に溶出することが抑えられる。また、非金属材料２７は銅よりもイオン溶出しにくい材料であるので、容器２５からのイオン溶出が低減される。これらによって、容器２５から溶出したイオンで冷却液中の導電率が上昇することが抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるサーモスタットの実施形態が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明によるサーモスタットの実施形態が適用されるサーモスタットバルブの例を示す図である。
【図３】本発明によるサーモスタットの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  サーモスタット
１４，２４  サーモワックス
１５，２５  容器
２６  金属材料
２７  非金属材料
【図１】
2005285398.tif 000002
【図２】
2005285398.tif 000003
【図３】
2005285398.tif 000004