JP2002298885A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電効率に優れた燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 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
（１６）前後での圧力差に応じてイオン除去フィルタを
バイパスするバイパス流路（９ｃ）を設ける。

Description

【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３
４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１
００（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を設け
る。

【００１１】第２の発明は、第１の発明において、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３の発明は、第２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４の発明は、第２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６の発明は、第４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７の発明は、第１から６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８の発明は、第１から６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。

【００１９】第２の発明は、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３と５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４と６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７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８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１
５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１
６ｂが連続するように設置し、さらに下流側の他端面１
８ｃ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１８
ｅ）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９
ｃ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２
０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２
０ｂの途中に設けられて、摺動弁２１上流の中央流路２
０ｂ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２０
ｄ）と中央流路２０ｂが第２実施形態のバイパス流路９
ｃ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２
２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

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【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を設けたこ
   とを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】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ことを特徴とす
   る請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】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２に記載の燃料電
   池システム。
4. 【請求項４】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２に記載
   の燃料電池システム。
5. 【請求項５】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３に記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】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４に記載の燃
   料電池システム。
7. 【請求項７】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６のいずれか一つに記載の燃料電池
   システム。
8. 【請求項８】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６のいずれか一つに記載の燃料電池
   システム。