(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の効率を低下させる水中の導電性イオンを除去するイオン除去フィルタを流路に備えた燃料電池システムにおいて、
前記イオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて水がイオン除去フィルタをバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて開く制御弁と、
を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水がイオン除去フィルタを通過して下流に流出する流路と、水がイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出するバイパス流路とを一体に設け、バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて開く制御弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
イオン除去フィルタは下流側ほどフィルタの通過抵抗が低い構成を有し、
水がイオン除去フィルタを通過して下流に流出する流路と、水がイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出するバイパス流路とを一体に設け、バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて流れ方向に摺動し、水のバイパス流路からイオン除去フィルタへの流れを制御する制御弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記イオン除去フィルタは円筒形に構成され、その中央部の一端側開口をイオン除去フィルタ上流の流路と連通するとともに、他端側開口を閉鎖する制御弁を設け、イオン除去フィルタ前後での圧力差が所定値以下のときには制御弁が他端側開口を閉鎖して水がイオン除去フィルタを通過し、圧力差が所定値を超えると制御弁が開いて水を下流に流出するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記イオン除去フィルタは中心部に穴が形成された円錐形に構成され、その底面側の開口がイオン除去フィルタ上流の流路と連通するとともに、穴の途中に制御弁が設置され、イオン除去フィルタ前後の圧力差が小さいときに制御弁は上流寄りに位置して水をイオン除去フィルタ断面積の大きい領域を通過するようにし、圧力差が大きくなるほど制御弁が下流側に移動するとともに水がイオン除去フィルタを通過する領域は下流側に拡張し、圧力差が所定値を超えると制御弁がイオン除去フィルタの下流側の開口から離れて水を下流に流出するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流路およびバイパス流路を通過する水の異物を除去する異物除去フィルタを備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バイパス流路を通過する水の異物を除去する異物除去フィルタを設けると共に、イオン除去フィルタを異物除去フィルタとして機能させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン除去フィルタが用いられた燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池として固体高分子型の燃料電池を用いた燃料電池システムにおいては、システムの通常時の運転温度を８０℃前後に維持する必要があるため、燃料電池スタックを冷却する冷却水を循環する必要があるが、冷却水は燃料電池スタックに接触して冷却するため、冷却水は燃料電池スタックからの電流の漏れを防止する目的で導電率を低くする必要がある。
【０００３】
また燃料電池スタック内部の固体高分子膜は適度の湿潤状態でプロトン（水素イオン）伝導性を示すため、固体高分子膜は適度に水分を補給する必要がある。このため燃料電池スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスは加湿器にて加湿された状態で燃料電池スタックに供給される。したがって、冷却水と同様に電流の漏れを防止するために加湿器での加湿に用いられる純水を低導電率に維持する必要がある。
【０００４】
しかしながら冷却水はその循環経路中のラジエータ（または熱交換器）、ポンプ、配管等から導電性イオンが冷却水中に溶け出し、冷却水中の導電性イオンが増加するという問題がある。
【０００５】
このことは加湿器においても同様であり、純水中に導電性イオンが溶け出し、純水中の導電性イオンが増加する。
【０００６】
したがって、燃料電池スタックから電流が漏れ、燃料電池システムの効率を低下させるという問題を生じる。
【０００７】
このような問題を解決する手段として特開平０７−４７３４９号公報に開示の技術では、図９に示すようにろ過フィルタ３３を通過した冷却水はポンプ３４によって活性炭フィルタエレメント３５ｃとイオン交換樹脂３５ｄを備えたフィルタイオン交換樹脂カートリッジ３５に供給され、イオン交換樹脂３５ｄの作用によって冷却水の導電率を低下させるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの従来技術においては、冷却水または純水の全流量をイオン除去フィルタ（イオン交換樹脂３５ｄ）に通すため、燃料電池システムでは冷却水または純水の流量が２０から１００（Ｌ／ｍｉｎ）程度の流量で変化するが、イオン除去フィルタの除去能力を流量の少ない場合に適応すると大流量時にイオン除去フィルタ前後での圧力差が大きくなり、冷却水または純水を供給するポンプ負荷が増大し、燃料電池システムの効率が低下することがある。これを防ぐためには、イオン除去フィルタを薄くして、イオン除去性能を低下せざるを得ない。一方、大流量時に適応したイオン除去フィルタとすると、その形状寸法が大型化し、燃料電池システムの大型化を招き、例えば、車両等の設置スペースに制限のある場所に燃料電池を設置する際に不適切なものとなる。
【０００９】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決する燃料電池用イオン除去フィルタを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池の効率を低下させる水中の導電性イオンを除去するイオン除去フィルタを流路に備えた燃料電池システムにおいて、前記イオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて水がイオン除去フィルタをバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて開く制御弁を設ける。
【００１２】
第２の発明は、第１に記載の発明において、水がイオン除去フィルタを通過して下流に流出する流路と、水がイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出するバイパス流路とを一体に設け、バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて開く制御弁を設ける。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明において、イオン除去フィルタは下流側ほどフィルタの通過抵抗が低い構成を有し、水がイオン除去フィルタを通過して下流に流出する流路と、水がイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出するバイパス流路とを一体に設け、バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて流れ方向に摺動し、水のバイパス流路からイオン除去フィルタへの流れを制御する制御弁を設ける。
【００１４】
第４の発明は、第２の発明において、前記イオン除去フィルタは円筒形に構成され、その中央部の一端側開口をイオン除去フィルタ上流の流路と連通するとともに、他端側開口を閉鎖する制御弁を設け、イオン除去フィルタ前後での圧力差が所定値以下のときには制御弁が他端側開口を閉鎖して水がイオン除去フィルタを通過し、圧力差が所定値を超えると制御弁が開いて水を下流に流出するように構成される。
【００１５】
第５の発明は、第３の発明において、前記イオン除去フィルタは中心部に穴が形成された円錐形に構成され、その底面側の開口がイオン除去フィルタ上流の流路と連通するとともに、穴の途中に制御弁が設置され、イオン除去フィルタ前後の圧力差が小さいときに制御弁は上流寄りに位置して水をイオン除去フィルタ断面積の大きい領域を通過するようにし、圧力差が大きくなるほど制御弁が下流側に移動するとともに水がイオン除去フィルタを通過する領域は下流側に拡張し、圧力差が所定値を超えると制御弁がイオン除去フィルタの下流側の開口から離れて水を下流に流出するように構成される。
【００１６】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記流路およびバイパス流路を通過する水の異物を除去する異物除去フィルタを備える。
【００１７】
第７の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記バイパス流路を通過する水の異物を除去する異物除去フィルタを設けると共に、イオン除去フィルタを異物除去フィルタとして機能させる。
【００１８】
【発明の効果】
第１の発明は、燃料電池システムのイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて水がイオン除去フィルタをバイパスするバイパス流路を設けたので、イオン除去フィルタ前後での圧力損失を抑制し、ポンプの負荷の増加を防止し、ポンプの運転効率低下を防ぎ、燃料電池システムとしての効率を維持することができる。また、前記バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて開く制御弁を設けたので、流量が少ないときにはイオン除去フィルタに水を全量流し、流量が多くなると制御弁から水を流し流路抵抗の増大を抑制でき、ポンプの負荷の増加を防止し、ポンプの運転効率低下を防ぐことができる。
【００２０】
第２と４の発明は、水がイオン除去フィルタを通過して下流に流出する流路と、水がイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出するバイパス流路とを一体に設け、バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて開く制御弁を設けたので、流路の構成を簡潔にできる。
【００２１】
第３と５の発明は、イオン除去フィルタは下流側ほどフィルタの通過抵抗が低い構成を有し、水がイオン除去フィルタを通過して下流に流出する流路と、水がイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出するバイパス流路とを一体に設け、バイパス流路にイオン除去フィルタ前後の圧力差に応じて流れ方向に摺動し、水のバイパス流路からイオン除去フィルタへの流れを制御する制御弁を設けたので、イオン除去フィルタ前後での圧損低減と伝導性イオン除去性能をバランスよく制御することができる。
【００２２】
第６の発明は、前記流路およびバイパス流路を通過するすべての水の異物を除去する異物除去フィルタを備えたので、異物除去フィルタによって冷却水中の異物が除去されて、異物によるイオン除去フィルタの目詰まりを防ぎ、寿命を延ばすことができる。
第７の発明は、前記バイパス流路を通過する水の異物を除去する異物除去フィルタを設けると共に、イオン除去フィルタを異物除去フィルタとして機能させることにより、イオン除去フィルタを通過せずに下流に流出する冷却水の異物のみを異物除去フィルタで除去し、イオン除去フィルタが異物除去フィルタを兼ねる構成として、冷却水全量の異物除去を可能とし、さらにポンプの運転負荷を低減することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のイオン除去フィルタを用いた燃料電池システムの構成を説明する図である。
【００２４】
本燃料電池システムは燃料と酸化剤（例えば、空気）から発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給される燃料と空気の加湿を行う加湿器２と、燃料電池スタック１を冷却するための水を貯蔵する水タンク１１と、加湿器２に供給される純水を貯める純水タンク１４と、各構成要素間を連通する流路から構成される。
【００２５】
加湿器２には空気を供給する空気供給流路３と燃料を供給する燃料供給流路４とが接続されると共に、これら燃料と空気を加湿する純水を純水タンク１４から供給するための純水流路１２ａが接続される。加湿器２から排出される純水は排純水流路１２ｂを通って純水タンク１４に戻ることで、純水は循環する。
【００２６】
加湿器２においてそれぞれ独立して加湿された燃料と空気は、加湿空気流路５と加湿燃料流路６を通って燃料電池スタック１のアノードおよびカソードに供給される。燃料電池スタック１に供給された燃料と空気は発電後、排ガスとして空気排出流路７と燃料ガス排出流路８から外部に排出される。
【００２７】
電気化学反応に伴って加熱した燃料電池スタック１を冷却するための冷却水を水タンク１１から燃料電池スタック１に供給する冷却水流路９ａが設けられ、冷却後の冷却水が通過する排冷却水流路９ｂは水タンク１１に戻り、冷却水は循環して用いられる。
【００２８】
冷却水流路９ａの途中には、冷却水中の導電性イオンを除去する円筒形のイオン除去フィルタ１６を収装したフィルタ部１５が設置されると共に、フィルタ部１５をバイパスするバイパス流路９ｃが設けられる。ここで円筒形のイオン除去フィルタ１６はその軸方向を冷却水の流れ方向に向くように設置されており、また、バイパス流路９ｃの管路抵抗は冷却水の流量が少ないときには、イオン除去フィルタ１６とイオン除去フィルタ１６を介装した部分の冷却水流路９ａの合計の抵抗より大きくなるように設定される。たとえば、図示しないがバイパス流路９ｃにオリフィスを設けたり、断面積を冷却水流路９ａより小さくするようにしてもよい。
【００２９】
したがって、フィルタ部１５を流れる冷却水流量が少量である時には冷却水はバイパス流路９ｃを介さず、フィルタ部１５のみを通過する。このとき冷却水の全量がイオン除去フィルタ１６を通過するので、冷却水中の導電性イオンは十分に除去され、またイオン除去フィルタ１６前後での圧力差（圧損）は小さく、ポンプ負荷が増大することはない。また冷却水流量が増加し、イオン除去フィルタ１６前後での圧力差がバイパス流路９ｃの管路抵抗により生じる圧力差より高くなると、冷却水がバイパス流路９ｃを通過するので、イオン除去フィルタ１６前後での圧損を抑制することができる。したがって、ポンプの負荷の増加を防止し、ポンプの運転効率低下を抑制し、燃料電池システムとしての効率を維持することができる。
【００３０】
本実施形態においては、イオン除去フィルタ１６を冷却水流路９ａに設置したが、純水流路１２ａに設置することで、燃料電池スタック１での発電に供される燃料と空気の加湿に用いられる純水の導電性イオンを除去し、さらに冷却水流路に設置した場合と同様にシステムの効率を維持できる。
【００３１】
図２に示す第２の実施形態は、バイパス流路９ｃにイオン除去フィルタ１６の前後での圧力差に基づき開閉するリリーフ弁（制御弁）１７を設置したもので、イオン除去フィルタ１６の前後の圧力差が所定値より大きいときにリリーフ弁１７を開くように構成するものである。なお第１実施形態ではバイパス流路９ｃの管路抵抗を冷却水流路９ａより高く設定したが，この実施形態ではリリーフ弁１７がその機能を有するので、バイパス流路９ｃの管路抵抗を高く設定する必要がないことは明らかである。
【００３２】
したがって、冷却水流量が少ない、つまりイオン除去フィルタ１６の前後での圧力差が小さい時にはバイパス流路９ｃが閉じて、冷却水全量がフィルタ部１５を通過するようにしたので、冷却水中のイオン除去を確実に行うことができる一方、冷却水流量が多い時には、イオン除去フィルタ１６の前後での圧力差が所定圧を超えるとリリーフ弁１７が開き、冷却水がバイパス流路９ｃを流れることにより、イオン除去フィルタ１６の前後での圧損を小さく抑制して、ポンプの運転効率の低下を防止し、システムの効率低下を防止する。
【００３３】
図３は第３の実施形態としてフィルタ部１５とバイパス流路９ｃを一体的に構成したものを示す。フィルタ部１５内のイオン除去フィルタ１８は円筒形に構成され、その一端面１８ａをフィルタ部１５上流側の冷却水通路９ａとイオン除去フィルタ１６の内部流路１６ｂが連続するように設置し、さらに下流側の他端面１８ｃの開口部１８ｄを開閉するリリーフ弁１９を設けた。したがって冷却水はフィルタ部１５上流の冷却水流路９ａから円筒形の除去フィルタ１８の中央部に位置する中央流路１８ｂに導入されて、その流量が少量のときには除去フィルタ１８の下流側開口部１８ｄがリリーフ弁１９によって閉ざされているため、冷却水は中央流路１８ｂから外周側へ、イオン除去フィルタ１８を通過して導電性イオンを除去され下流側に流出する。
【００３４】
冷却水流量が少量時には、冷却水は全量がイオン除去フィルタ１８を通過して、導電性イオンを除去されて下流に流れるが（このときリリーフ弁１９は開口部１８ｅを閉鎖している）、冷却水流量が増量すると、内部流路１８ｂの圧力が上昇し、イオン除去フィルタ１８下流の圧力との差圧が所定圧を越えるとリリーフ弁１９が開放され、冷却水は内部流路１６ｂからリリーフ弁１９とイオン除去フィルタ１８との間（流路１８ｅ）を通過して下流側に流れ出ることで内部流路１８ｂ内の圧力が所定圧力以上に上昇することを防止し、イオン除去フィルタ前後での圧損を抑制する。第２実施形態との構成と比較して説明すると、第２実施形態のバイパス流路９ｃは、本実施形態のリリーフ弁１９がイオン除去フィルタ１８から離れた時にイオン除去フィルタ１８とリリーフ弁１９との間に形成される流路１８ｅと中央流路１８ｂに相当する。
【００３５】
このように第２実施形態のイオン除去フィルタ１６が介装された冷却水流路９ａとバイパス流路９ｃとの機能を１本の流路に一体的に構成することができ、第２実施形態の効果に加え、冷却水の流路構成を簡素にすることができる。
【００３６】
次に図４に示す第４実施形態について説明する。これは第３の実施形態に対してイオン除去フィルタの形状を変更するとともに、リリーフ弁を摺動弁（制御弁）に変更したものである。
【００３７】
本実施形態のイオン除去フィルタ２０は円錐形状を有しており、その中心は中心線上に貫通し、中央流路２０ｂを形成し、その周囲はフィルタ部２０ｃを形成する。イオン除去フィルタ２０は円錐の底面側を上流側に向けて設置され、イオン除去フィルタ２０の中央流路２０ｂの底面側開口２０ａはイオン除去フィルタ２０上流側の冷却水流路９ａと連続するように設置される。摺動弁２１はイオン除去フィルタ２０の中央流路２０ｂの途中に設けられて、摺動弁２１上流の中央流路２０ｂの圧力とイオン除去フィルタ２０下流の圧力との差圧により流れ方向に摺動する。
【００３８】
したがって冷却水流量が少量の時には図４（ａ）に示すように、摺動弁２１はイオン除去フィルタ２０の中央流路２０ｂ内の上流寄りに位置し、冷却水は中央流路２０ｂから円錐形状をしたイオン除去フィルタ２０のフィルタ層２０ｃの断面積の大きな部分を全周に渡って通過することになり、冷却水中のイオンを効率よく除去することができる。冷却水の流量が徐々に増量すると図４（ｂ）に示すように、摺動弁２１に作用する圧力が上昇し、摺動弁２１は下流側に変位する。したがって冷却水が通過するイオン除去フィルタ２０のフィルタ層２０ｃの領域が広がり、冷却水はフィルタ層２０ｃの下流側の圧力損失が小さい断面積が比較的小さな部分を通過して下流に流れ出す。冷却水流量がさらに増量すると図４（ｃ）に示すように、摺動弁２１はさらに下流側に変位し、イオン除去フィルタ２０から離れ、冷却水は中央流路２０ｂからイオン除去フィルタ２０を通過することなく、下流側に流出する。このときのイオン除去フィルタ２０とリリーフ弁２１との間の隙間（流路２０ｄ）と中央流路２０ｂが第２実施形態のバイパス流路９ｃに相当するものである。
【００３９】
したがって、冷却水流量が少量の時には圧損を考慮する必要がないので、イオン除去性能に優れたフィルタ層の断面積の大きな領域に冷却水を導き、導電性のイオンを十分に除去し、流量の増加に伴って圧損の少ないフィルタ層の薄い領域にも冷却水を導くことで圧損低減とイオン除去性能の両立をバランスよく制御することができる。さらに圧力差が大きくなったときには冷却水はバイパス流路に相当する流路２０ｂと２０ｄからイオン除去フィルタ２０を通過せずに下流に流出することになり、ポンプの運転負荷を抑制し、システムの効率向上を図ることができる。
【００４０】
次に図５に示す第５実施形態について説明する。これは第１実施形態の冷却水流路９ａとバイパス流路９ｂとの上流側分岐点の上流に冷却水中の異物を除去する異物除去フィルタ２２を設置したものである。
【００４１】
したがって異物除去フィルタ２２の効果によって冷却水中の異物が除去されて、異物による高価なイオン除去フィルタ１６の目詰まりを防ぎ、寿命を延ばすことができる。
【００４２】
なお、本実施形態では分岐点の上流に異物除去フィルタ２２を設置したが、分岐点下流の冷却水流路９ａとバイパス流路９ｃそれぞれに設置してもよい。または、イオン除去フィルタ１６を異物除去フィルタ２２としても作用させることで、バイパス流路９ｃにのみ異物除去フィルタ２２を設置するようにしてもよい。この構成では異物除去フィルタをバイパス流路にのみ設ければ良く、またイオン除去フィルタ１６に流入する冷却水への異物除去フィルタによる圧損の影響がなく、ポンプの運転負荷を低減できるという効果がある。
【００４３】
図６から図８には第２実施形態から第４実施形態の構成に異物除去フィルタを設置した構成を示しており、これらの構成ではイオン除去フィルタを通過せずに下流に流出する冷却水の異物のみを異物除去フィルタで除去し、イオン除去フィルタが異物除去フィルタを兼ねる構成としている。この構成により、冷却水全量の異物除去を可能として、さらに前述のようにポンプの運転負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図である。
【図２】第２実施形態を説明する図である。
【図３】第３実施形態を説明する図である。
【図４】第４実施形態を説明する図である。
【図５】第５実施形態を説明する図である。
【図６】第６実施形態を説明する図である。
【図７】第７実施形態を説明する図である。
【図８】第８実施形態を説明する図である。
【図９】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
９ａ  冷却水流路
９ｂ  排冷却水流路
９ｃ  バイパス流路
１５  フィルタ部
１６  イオン除去フィルタ
１７  リリーフ弁
【図１】
0003736374.tif 000002
【図２】
0003736374.tif 000003
【図３】
0003736374.tif 000004
【図４】
0003736374.tif 000005
【図５】
0003736374.tif 000006
【図６】
0003736374.tif 000007
【図７】
0003736374.tif 000008
【図８】
0003736374.tif 000009
【図９】
0003736374.tif 000010