JP2003249249A - 燃料電池用イオン除去フィルタ及び燃料電池用冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池本体に悪影響を及ぼさない範囲でイ
オン交換樹脂に流す冷却水の量を調整することができ、
これにより燃料電池用イオン除去フィルタの寿命を長く
することができる燃料電池用イオン除去フィルタを提供
する。 【解決手段】 燃料電池用イオン除去フィルタ１は、燃
料電池本体を冷却する冷却回路に設けられ、イオン交換
樹脂２によって冷却水中のイオンを除去する。燃料電池
用イオン除去フィルタ１には、冷却水の温度変化によっ
てイオン交換樹脂２に流れる冷却水の流量を調整する弁
機構１１が設けられる。弁機構１１によって、低温時に
は高温時よりもイオン交換樹脂２に流れる冷却水の流量
が大きくされる一方、高温時には低温時よりもイオン交
換樹脂２に流れる冷却水の流量が小さくされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池本体を冷
却するための燃料電池用冷却システム、並びに燃料電池
の回路内を流れる流体の不純物を除去するための燃料電
池用イオン除去フィルタに関し、特に自動車等の移動体
に搭載される固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）用の冷
却システム及び燃料電池用イオン除去フィルタに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素と大気中の酸素を電気
化学的に反応させることによって電気を発生させる。発
電効率が高く、また消費地に設置できるため送電損失が
なく、しかもコージェネレーション（熱・電気併給）用
としても適していることから、燃料電池には省エネルギ
ー効果も期待できる。

【０００３】固体高分子型燃料電池は、水素（Ｈ₂）が
持っている化学エネルギーを、燃焼過程を経ずに直接電
気エネルギーに変換する。小容量のものでは、従来のガ
ソリンエンジン、ディーゼルエンジンなど熱機関と比較
するとエネルギー変換効率が高く、また低コストでコン
パクト性に優れていることから、次世代自動車などの高
効率動力源として期待されている。

【０００４】燃料電池本体を冷却するために冷却水の循
環回路が設けられる。冷却回路中を冷却水が循環中に、
冷却回路内の配管等からイオンが冷却水中に徐々に溶出
する。冷却水中にイオンが溶出すると、電気伝導度が上
がり、これにより燃料電池本体の発電効率が落ちてしま
う。このため、燃料電池の冷却水の循環回路には、燃料
電池用イオン除去フィルタが設けられる。

【０００５】一方、燃料電池の改質器で燃料ガスから水
素を生成する際に、より純度の高い水素をつくり出すた
めに純水が必要になる。この改質器で使われる水をクリ
ーンにするためにも、燃料電池用イオン除去フィルタが
設けられる。

【０００６】これらの冷却水用の燃料電池用イオン除去
フィルタ及び改質用の燃料電池用イオン除去フィルタ
は、図６に示すように、イオン交換樹脂にイオンを含ん
だ水等の流体を通過させることによって、水分中のイオ
ンを除去する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】冷却水用の燃料電池用
イオン除去フィルタには以下の課題がある。

【０００８】燃料電池用イオン除去フィルタの寿命は、
普通のフィルタと同様に、イオンをどれだけ取り込めら
れるかによって決定される。イオン交換樹脂が取り込め
るイオンの量が飽和するときが、燃料電池用イオン除去
フィルタの寿命になる。仮に冷却水中のイオンを全て除
去すると、燃料電池本体の発電効率は落ちることはない
が、燃料電池用イオン除去フィルタを頻繁に交換する必
要が生じてしまう。

【０００９】そこで本発明の第１の目的は、燃料電池本
体に悪影響を及ぼさない範囲でイオン交換樹脂に流す冷
却水の量を調整することができ、これにより燃料電池用
イオン除去フィルタの寿命を長くすることができる燃料
電池用冷却システム及び燃料電池用イオン除去フィルタ
を提供することにある。

【００１０】一方、冷却水用の燃料電池用イオン除去フ
ィルタ及び改質用の燃料電池用イオン除去フィルタには
以下の課題がある。

【００１１】イオン交換樹脂の交換能力を向上させ、且
つ圧力損失を下げようとすると、イオン交換樹脂と流体
との接触面積を大きくしなければならない。ところが、
最近の機械分野、特に自動車分野においては、部品にお
いても軽量化及び小型化が求められており、イオン交換
樹脂と流体との接触面積も大きくしにくくなっている。

【００１２】そこで本発明の第２の目的は、燃料電池用
イオン除去フィルタの全体の大きさを大きくすることな
く、イオン交換樹脂と流体との接触面積を大きくとれる
燃料電池用イオン除去フィルタを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以下、本発明について説
明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図
面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本
発明が図示の形態に限定されるものでない。

【００１４】本発明者は、燃料電池の始動時には、冷却
回路に冷却水が滞留するので、回路内の構成部品から冷
却水にイオンが溶出しやすく、また運転中には冷却水中
に始動時ほどイオンが溶出しないことを知見した。そし
て、始動時には冷却水の温度が低く、運転中には冷却水
の温度が高いことから、冷却水の温度と冷却水に溶出す
るイオンの量とは相関関係があることを知見した。本発
明はこのような知見に基づいてなされた。

【００１５】具体的には本発明は、燃料電池本体を冷却
する冷却回路に設けられ、イオン交換樹脂によって冷却
水中のイオンを除去する燃料電池用イオン除去フィルタ
であって、冷却水の温度変化によって前記イオン交換樹
脂（２）に流れる冷却水の流量を調整する弁機構（１
１）を備え、前記弁機構（１１）によって、低温時には
高温時よりも前記イオン交換樹脂（２）に流れる冷却水
の流量が大きくされる一方、高温時には低温時よりも前
記イオン交換樹脂（２）に流れる冷却水の流量が小さく
されることを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタ
により、上記第１の目的を解決する。

【００１６】この発明によれば、燃料電池本体に悪影響
を及ぼさない範囲でイオン交換樹脂に流れる冷却水の量
を調整することができる。このため、燃料電池用イオン
除去フィルタの寿命を長くすることができる。

【００１７】また本発明は、燃料電池本体（１８）と、
前記燃料電池本体（１８）を冷却するための冷却水循環
回路（１９）と、前記冷却水循環回路（１９）中に設け
られるラジエータ（２０）と、前記ラジエータ（２０）
を経由せずに冷却水を循環させるためのバイパス回路
（２１）と、前記バイパス回路（２１）に設けられ、冷
却水中のイオンを除去するイオン交換樹脂（２２）と、
前記冷却水の温度変化によって前記イオン交換樹脂（２
２）に流れる冷却水の流量を調整する弁機構（２３）と
を備え、前記弁機構（２３）によって、低温時には高温
時よりもイオン交換樹脂（２２）に流れる冷却水の流量
が大きくされる一方、低温時には高温時よりもラジエー
タ（２０）に流れる冷却水の流量が小さくされることを
特徴とする燃料電池用冷却システムにより、上述した課
題を解決する。

【００１８】この発明によれば、始動時にイオン交換樹
脂側に多くの冷却水を流すことができ、したがって冷却
水循環回路の内部に溶出した多くのイオンを除去するこ
とができる。また、運転時にはラジエータ側に多くの冷
却水を流すことができ、したがって運転中の燃料電池本
体の大きな発熱を除去することができる。

【００１９】さらに本発明は、流入口（３）及び流出口
（４）を有し、イオン交換樹脂（２）に流体を通過させ
ることによって燃料電池の回路内を流れる流体の不純物
を除去する燃料電池用イオン除去フィルタ（１）であっ
て、前記イオン交換樹脂（２）を中空の円筒形状に形成
し、前記流入口（３）から流入する水を、前記イオン交
換樹脂（２）の外周から内周に向かって通過させ、且つ
前記イオン交換樹脂（２）の内周側を軸線方向に流れる
流体を、前記流出口（４）から流出させることを特徴と
する燃料電池用イオン除去フィルタにより、上記第２の
課題を解決した。

【００２０】この発明によれば、イオン交換樹脂を中空
の円筒形状に形成したので、例えば円柱形状に形成した
イオン交換樹脂の軸線方向に流体を流す場合に比べ、圧
力損失を小さくすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下添付図面に基づいて本発明の
燃料電池用イオン除去フィルタの実施形態を説明する。
この燃料電池用イオン除去フィルタ１は、例えば固体高
分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料電池本体を冷却する
冷却回路に設けられ、イオン交換樹脂２によって冷却水
中のイオンを除去する。イオン交換樹脂２は、略円筒形
状のケース６の内部に収納され、中空の円筒形状に形成
されている。

【００２２】燃料電池用イオン除去フィルタ１は、流入
口３及び流出口４が形成されたケース本体５と、ケース
本体５に着脱可能に取り付けられる有底円筒状のカバー
７とから構成される。ケース本体５の側面には流入口３
を構成する流入通路８が形成され、ケース本体５の下部
には流出口４を構成する流出通路９が形成される。流入
通路８と流出通路９との間には、流入通路８から流入す
る冷却水が、イオン交換樹脂２を経由せずに流出通路９
に流出できるようにバイパス通路１０が形成される。こ
のバイパス通路１０に、冷却水の温度変化によってイオ
ン交換樹脂に流れる冷却水の流量を調整する弁機構とし
てのサーモスタット１１が設けられる。

【００２３】イオン交換樹脂２は、複数の部品から構成
されるイオン交換樹脂収納部１２に収納されている。イ
オン交換樹脂収納部１２は、例えば、ケース６と軸線が
一致し、ケース本体５に固定される内筒１３と、内筒１
３と中心線が一致し、内筒１３の外側に設けられる外筒
１４と、内筒１３及び外筒１４の上部に設けられる円盤
状の上端プレート１５と、内筒１３及び外筒１４の下部
に設けられる円環状の下端プレート１６とから構成され
る。内筒１３には複数の開口が形成され、外筒１４にも
冷却水が通過可能に隙間が形成されている。外筒１４よ
りも外側が流入口３に連通し、内筒１３よりも内側が流
出口４に連通している。

【００２４】図２はイオン交換樹脂収納部に収納される
イオン交換樹脂の形状を示す。図２中（Ａ）は平面形状
を示し、図２中（Ｂ）は断面形状を示す。この図に示す
ように、イオン交換樹脂２は中空の円筒形状に形成され
る。そして、流入口３から流入する冷却水は、イオン交
換樹脂２の外周から内周に向かって通過する。イオン交
換樹脂２を通過した冷却水は、イオン交換樹脂２の内周
側を軸線方向に流れ、流出口４から流出する。

【００２５】図３は、比較例として、イオン交換樹脂２
を円柱形状に形成し、冷却水をイオン交換樹脂２の軸線
方向に流す例について示す。イオン交換樹脂を同量にし
た場合、イオン交換樹脂２を図２に示すような中空の円
筒形状に形成すると、図３に示すようなイオン交換樹脂
を円柱形状に形成する比較例に比べ、圧力損失を小さく
することができる。

【００２６】また、イオン交換樹脂２の表面積を考慮す
ると、イオン交換樹脂２の外周面では流速が遅く、内側
へ行くにしたがって流速が速くなる。外周面ではイオン
濃度が高いので、効率的にイオンを除去するには流速が
遅いことが望ましい。逆に内側ではイオンが徐々に除去
され、濃度が低くなるため、流速が速くてもかまわな
い。このようなことから除去効率の面でも理想的であ
る。さらにサイズ的にコンパクトな設計も可能になる。

【００２７】図１に示すように、バイパス通路１０に設
けられるサーモスタット１１は、冷却水の温度変化によ
ってイオン交換樹脂２に流れる冷却水の流量を調整す
る。このサーモスタット１１には、例えば水冷式の内燃
機関で用いられるサーモスタット１１と同様なものが用
いられる。すなわちワックスを冷却水で加熱されるシリ
ンダとピストン間に封入し、温度によるワックスの膨張
によりピストン移動で弁を開閉する。常温の冷却水の温
度が例えば最大約４０℃で、運転時の冷却水の温度が例
えば約８０℃であれば、このようなサーモスタット１１
の作動で水量を調整することができる。

【００２８】図４はサーモスタット１１の作動を示す。
サーモスタット１１は、低温時（始動時）には図中
（Ｂ）に示すように、弁１１ａを閉じる方に移動させ、
イオン交換樹脂２に流れる冷却水の流量を大きくする。
一方、高温時には図中（Ａ）に示すように、弁１１ａを
開ける方向に移動させ、イオン交換樹脂２に流れる冷却
水の流量を小さくする。

【００２９】冷却水の温度と冷却水に溶出するイオンの
量とは相関関係がある。燃料電池の始動時には、冷却水
の温度が低く、且つ冷却水が滞留するため、冷却水に多
量のイオンが溶出する。一方、燃料電池の運転中には、
冷却水の温度が高く、且つ冷却水中には少量のイオンし
か溶出しない。本実施形態によれば、サーモスタット１
１が、始動時にイオン交換樹脂２に多量の冷却水を流
し、運転時にはイオン交換樹脂２に少量の冷却水しか流
さないので、燃料電池本体に悪影響を及ぼさない範囲で
イオン交換樹脂２に流れる冷却水の量を調整することが
できる。

【００３０】本来イオンの量を判断するには、イオン分
析やＴＤＳ値の測定といった方法が用いられるが、これ
らの方法ではイオンの量を容易に測定することができな
い。本実施形態のように冷却水の特性、すなわち冷却水
の温度と冷却水に溶出するイオンの量との相関関係を利
用すれば、イオンの量を測定することなく、適切な水量
調整が可能になる。

【００３１】図５は、本発明の燃料電池用冷却システム
を示す。この燃料電池用冷却システムは、空気と改質さ
れた燃料ガスが導入され、電気化学反応により直流電力
を発生する燃料電池本体１８と、燃料電池本体１８に接
続され、燃料電池本体１８を冷却するための冷却水循環
回路１９と、この冷却水循環回路１９中に設けられ、熱
交換を行うためのラジエータ２０と、ラジエータ２０を
経由せずに冷却水を循環させるためのバイパス回路２１
と、バイパス回路２１中に設けられ、冷却水中のイオン
を除去するイオン交換樹脂２２と、冷却水の温度変化に
よってイオン交換樹脂２２に流れる冷却水の流量を調整
する弁機構としてのサーモスタット２３を備える。イオ
ン交換樹脂２２は、燃料電池用イオン除去フィルタ内に
収納されている。

【００３２】冷却水循環回路１９には、冷却水を燃料電
池本体１８とラジエータ２０との間を循環させるための
循環ポンプ（図示せず）が設けられる。燃料電池本体１
８から冷却水に加えられた熱は、ラジエータ２０により
大気へ放熱される。

【００３３】サーモスタット２３は、上記燃料電池用イ
オン除去フィルタに設けられたサーモスタットと略同様
な構成を有する。このサーモスタット２３は、低温時
（始動時）にはイオン交換樹脂２２側に流れる冷却水の
流量を大きくする一方、ラジエータ２０側に流れる冷却
水の流量を小さくする。また高温時（運転時）にはラジ
エータ２０側に流れる冷却水の流量を大きくする一方、
イオン交換樹脂２２側に流れる冷却水の流量を小さくす
る。

【００３４】本実施形態によれば、始動時にはイオン交
換樹脂２２側に流れる冷却水の流量を大きくするので、
冷却水循環回路１９の内部に溶出した多くのイオンを除
去することができる。また、運転時にはラジエータ２０
側に流れる冷却水の流量を大きくするので、燃料電池本
体１８の大きな発熱を除去することができる。したがっ
て、燃料電池本体１８に悪影響を及ぼさない範囲でイオ
ン交換樹脂２２に流れる冷却水の量を調整することがで
きる。

【００３５】なお、本発明の燃料電池用イオン除去フィ
ルタは、上記実施形態に限られることなく、本発明の範
囲を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。例えば本
発明の燃料電池用イオン除去フィルタの濾過対象とする
流体は、冷却水に限られることなく、改質器で使われる
純水等であってもよい。また固体高分子イオン交換膜及
び改質器の加湿のためのエチレングリコール水等であっ
てもよい。

【００３６】また燃料電池は固体高分子型の燃料電池に
限られることがなく、溶融炭酸塩型、固体電解質型等の
燃料電池についても本発明は適用可能である。

【００３７】さらに弁機構は、サーモスタットに限られ
ることなく、温度を検知するセンサによって作動するも
のを用いても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、冷
却水の温度変化によってイオン交換樹脂に流れる冷却水
の流量を調整する弁機構を備え、弁機構によって、低温
時には高温時よりもイオン交換樹脂に流れる冷却水の流
量を大きくする一方、高温時には低温時よりもイオン交
換樹脂に流れる冷却水の流量を小さくするので、燃料電
池本体に悪影響を及ぼさない範囲でイオン交換樹脂に流
れる冷却水の量を調整することができる。このため、燃
料電池用イオン除去フィルタの寿命を長くすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における燃料電池用イオン
除去フィルタを示す断面図。

【図２】イオン交換樹脂の形状を示す図（図中（Ａ）は
平面図を示し、図中（Ｂ）は断面図を示す）。

【図３】イオン交換樹脂の比較例を示す図。

【図４】上記燃料電池用イオン除去フィルタの弁の作動
状態を示す図（図中（Ａ）は運転時を示し、図中（Ｂ）
は始動時を示す）。

【図５】本発明の一実施形態における燃料電池用冷却シ
ステムを示す回路図。

【図６】イオン交換樹脂によるイオンの除去を示す概念
図。

【符号の説明】

１・・・燃料電池用イオン除去フィルタ ２，２２・・・イオン交換樹脂 ３・・・流入口 ４・・・流出口 １１，２３・・・サーモスタット（弁機構） １８・・・燃料電池本体 １９・・・冷却水循環回路 ２０・・・ラジエータ ２１・・・バイパス回路 ２２・・・イオン交換樹脂

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体を冷却する冷却回路に設け
   られ、イオン交換樹脂によって冷却水中のイオンを除去
   する燃料電池用イオン除去フィルタであって、 冷却水の温度変化によって前記イオン交換樹脂に流れる
   冷却水の流量を調整する弁機構を備え、 前記弁機構によって、低温時には高温時よりも前記イオ
   ン交換樹脂に流れる冷却水の流量が大きくされる一方、
   高温時には低温時よりも前記イオン交換樹脂に流れる冷
   却水の流量が小さくされることを特徴とする燃料電池用
   イオン除去フィルタ。
2. 【請求項２】 燃料電池本体と、 前記燃料電池本体を冷却するための冷却水循環回路と、 前記冷却水循環回路中に設けられるラジエータと、 前記ラジエータを経由せずに冷却水を循環させるための
   バイパス回路と、 前記バイパス回路に設けられ、冷却水中のイオンを除去
   するイオン交換樹脂と、 前記冷却水の温度変化によってイオン交換樹脂に流れる
   冷却水の流量を調整する弁機構とを備え、 前記弁機構によって、低温時には高温時よりもイオン交
   換樹脂に流れる冷却水の流量が大きくされる一方、低温
   時には高温時よりもラジエータに流れる冷却水の流量が
   小さくされることを特徴とする燃料電池用冷却システ
   ム。
3. 【請求項３】 流入口及び流出口を有し、イオン交換樹
   脂に流体を通過させることによって燃料電池の回路内を
   流れる流体の不純物を除去する燃料電池用イオン除去フ
   ィルタであって、 前記イオン交換樹脂を中空の円筒形状に形成し、 前記流入口から流入する流体を、前記イオン交換樹脂の
   外周から内周に向かって通過させ、且つ前記イオン交換
   樹脂の内周側を軸線方向に流れる流体を、前記流出口か
   ら流出させることを特徴とする燃料電池用イオン除去フ
   ィルタ。