JP2005085481A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 目詰まりし難いイオン交換フィルタを設けた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料電池スタック１と、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路３と、前記燃料ガスと酸化剤ガスを加湿する加湿器５と、前記加湿器に純水を供給する加湿水供給経路６と、を備え、前記加湿水供給経路に純水中のイオンを除去するイオン交換フィルタ１４が設置される燃料電池システムにおいて、前記イオン交換フィルタ１４は、箱状のフィルタ本体１４ａと、純水中のイオンを除去する粒状のイオン交換樹脂１４ｇと、フィルタ本体内部に収装された目の粗さの異なる２種類の捕集手段１４ｅ、１４ｆとを備え、前記フィルタ本体の出口部に目の細かい第１の捕集手段１４ｅを設置し、目の粗い第２の捕集手段１４ｆを第１の捕集手段より純水の流れ方向上流側に固定して、この第２の捕集手段により前記イオン交換樹脂を位置決めし、前記イオン交換樹脂の破片を前記第１の捕集手段により捕集する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システム、特に車両に搭載される燃料電池システムに関するものである。

従来、イオン交換フィルタの構造として、円筒体内にイオン交換樹脂を充填した構成がある（特許文献１を参照。）。
特開２００１−２５２５７６号公報

燃料電池システムを車両に搭載する場合、運転条件として氷点下の場合を想定する必要がある。通常のエンジンを駆動源とした車両の場合は、エンジンの冷却液にエチレングリコール系などの不凍液を混ぜて使うため、冷却液は凍結せず、氷点下の環境でも運転を行うことができる。燃料電池車の燃料電池スタックを冷却する冷却水系システムは、冷却水系内にイオンを除去するイオン交換フィルタを設置し、冷却水の導電率を下げるようにすれば、エチレングリコール系の不凍液を使い、凍結を防止し、氷点下での運転が可能である。

また、燃料電池システムには、燃料電池スタックを冷却する冷却水系システムの他に、燃料電池スタックに供給される水素および空気を加湿するための水を供給する加湿水系システムが必要であり、この供給水は導電率の低い純水である。このためシステムにイオン交換フィルタを設置する。なお、この純水は、燃料電池スタック内で電気化学反応により生じる生成水を加湿する水に再利用することもできる。

純水は、氷点下では、凍結により体積膨張が起こり、水回路の配管、タンク、ポンプなどの破損防止策が必要であり、一般的に行う方法として凍結前に水を抜いておく方法がある。

イオン交換フィルタは、内部にイオン交換樹脂が封入されており、この樹脂が導電率を上昇させる原因である金属イオンを除去する。イオン交換樹脂の形態としては、イオン交換する水との接触面積を広げイオン交換する効率を上げ、通過するときの圧力損失を下げるため、粒状、特にφ０．５〜φ１．５程度の球形にしておくことが望ましい。また、イオン交換樹脂はその構造上、水を５０〜６０％程度含んだ物質であり、イオン交換性能を保つためには常に、樹脂内に水を含む湿潤状態にしておく必要である。そのため氷点下で水回路内の水を抜く場合でも、完全に乾燥するまで水抜きをせずに、かならずイオン交換樹脂が乾燥しない程度の湿潤状態にしておく必要がある。

以上のことから、氷点下では、イオン交換フィルタ内のイオン交換樹脂は、加湿水系システムの水を抜く抜かないにかかわらず、凍結することになる。

イオン交換樹脂は、凍結した場合でも分子レベルまで破損されるわけではないので、イオン交換性能自体は劣化しない。しかし、水を含んだまま凍結するため、樹脂の内部で体積膨張し、樹脂の形態が破損されて、球状の形態をしている樹脂が部分的に欠損して、粒径が小さくなり、繰り返し凍結解凍することで、粉々になってしまう。

凍結によりイオン交換樹脂が粉々になると、その破片が各イオン交換樹脂の間に詰まり、イオン交換フィルタを通過する水の流通抵抗が増し、結果的に水回路の圧力損失が増し、ポンプの効率低下、出力不足、最終的には通水が出来なくなってしまうという問題点があった。また、イオン交換フィルタの圧力損失が変化することにより、加湿器に必要な圧力範囲を制御することが困難になり、加湿器の破損、性能劣化につながる可能性があった。

本発明は上述した従来の課題を解決するためになされたもので、運転温度条件に関わらず、イオン交換効率等所定の性能を維持できるイオン交換フィルタを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムに備えられたイオン交換フィルタは、フィルタ本体内に、純水中のイオンを除去する粒状のイオン交換樹脂と、フィルタ本体内部に収装された目の粗さの異なる２種類の捕集手段とを備え、フィルタ本体の出口部に目の細かい第１の捕集手段を設置し、目の粗い第２の捕集手段を第１の捕集手段より純水の流れ方向上流側に固定して、この第２の捕集手段により前記イオン交換樹脂を位置決めし、前記イオン交換樹脂の破片を前記第１の捕集手段により捕集する。

本発明によれば、氷点下時に純水が凍結することによりイオン交換樹脂が破損しても、その破片は荒目メッシュを通過して下流側の細目メッシュに捕集され、各イオン交換樹脂間に留まることがなく、イオン交換樹脂本体と分離することができるため、イオン交換フィルタの目詰まりを防止し、フィルタ内の圧力損失の増大やイオン交換効率の低下を避けることができ、イオン交換フィルタの初期性能を長期間にわたり維持することが出来る。

図１は、本発明のイオン交換フィルタを設置した燃料電池システムの概略図である。

本発明の燃料電池システムには、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１に供給／排出する燃料供給排出経路２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１に供給／排出する酸化剤供給排出経路３と、燃料電池スタック１を所定温度に制御するための冷媒としての水を供給する冷媒供給経路４と、水素と空気とを加湿する加湿器５に純水を流通させる加湿水供給経路６とが形成される。

冷媒供給経路４は、燃料電池スタック１に供給された冷媒（例えば、水）が循環するよう形成されており、経路途中に冷媒の熱を放熱するラジエータ５と、冷媒を循環させるポンプ７とが設置される。さらに冷媒がラジエータ８をバイパスするためのバイパス流路９が形成され、燃料電池スタック１から排出された冷媒温度に応じて冷媒の経路が選択される。バイパス流路９にはイオン交換フィルタ１０が設置される。

イオン交換フィルタ１０は、燃料電池スタック１が発電する際、漏電、つまり電気が冷媒を介して流れ、ラジエータ８などに触れて感電しないよう、冷媒中の金属イオンを除去して導電率を所定値以下に制御するために設置され、その設置方法は、図１に示すようなバイパス流路９を設けてその流路途中に設置する方法に限られない。なお、冷媒は、氷点下でも凍結しないようにエチレングリコール系などの不凍液を混ぜて使う。

また冷媒供給経路４には、導電率計１１が設置され、冷媒の導電率を検出し、検出した導電率に基づいてイオン交換フィルタ１０の寿命を判断する。

加湿水供給経路６には、水素と空気を加湿するための純水を貯留する純水タンク１２と、純水を循環させるポンプ１３と、純水中のイオンを除去して導電率を所定値以下にするためのイオン交換フィルタ１４と、純水の導電率を検出する導電率計１５とが設置されている。純水タンク１２には燃料電池スタック１内で生成された純水が酸化剤供給排出経路４から供給される。

加湿水供給経路６を通じて純水が供給され、水素と空気とを加湿する加湿器５は、メンブレン膜を用いるものや中空子膜を用いるものがある。また、燃料電池システムとして、燃料電池スタック１に直接、純水を供給して水素と空気を加湿するようにしてもよい。

加湿水供給経路中の純水は、氷点下では凍結してしまうため、氷点下での燃料電池システム運転中は、純水が５℃以上９０℃以下程度の温度となるようにシステムが制御される。氷点下でのシステム停止時には純水供給経路中の純水は、凍結を防止するため純水をドレンして純水タンク１２に貯留する。なお、純水タンク１２は氷点下でも純水が凍結しないように構成される。

しかしながら、前述のようにイオン交換フィルタ１４は、常にイオン交換樹脂に湿潤状態とするために純水を保有しておらねばならず、したがって、イオン交換フィルタ１４の純水は、凍結し、イオン交換樹脂が破損し、その破片が純水の流通の抵抗となる。

本発明は、イオン交換フィルタ１４内で、凍結により破損したイオン交換樹脂の破片を、球状のイオン交換樹脂本体と分離することにより、純水の流通抵抗を低減するものである。

図２は本発明のイオン交換フィルタ１４の構成を示す図である。イオン交換フィルタ１４は、密閉円筒状の本体部１４ａと、本体部１４ａの上下に設置された本体部１４ａ内に純水を供給するための入口部１４ｂ及び純水を排出するための出口部１４ｃと、入口部１４ｂと出口部１４ｃにそれぞれ設置された細目メッシュ１４ｄ、１４ｅと、出口部１４ｃと純水流れ方向上流側に間隔を置いて固定される荒目メッシュ１４ｆとから構成される。なお、下流側に設置される細目メッシュ１４ｅが、請求項の第１の捕集手段に相当し、荒目メッシュ１４ｆが第２の捕集手段に相当する。そして、上流側に設置される細目メッシュ１４ｄが、請求項の第３の捕集手段に相当する。

細目メッシュ１４ｄ、１４ｅのメッシュ寸法は、φ０．５からφ１．５の球状をしたイオン交換樹脂の破片寸法より小さく（例えば、四角形の目の１辺が０．０３から０．１ｍｍ）設定されており、破片が下流側に流出することがない。また、荒目メッシュ１４ｆの目の粗さは、イオン交換樹脂本体の寸法より大きく、かつその破片の大部分より大きくなるように設定される（例えば、１辺が０．２から０．５ｍｍ）。

そして、上流側の細目メッシュ１４ｄと荒目メッシュ１４ｆとの間に純水のイオンを除去するイオン交換樹脂１４ｇが収装される。イオン交換樹脂１４ｇは、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合して封入するが、除去するイオンに合わせてイオン交換樹脂を封入すればよい。

本発明のイオン交換フィルタは、このように構成されて、氷点下時に純水が凍結することによりイオン交換樹脂１４ｇが破損しても、その破片は荒目メッシュ１４ｆを通過して下流側の細目メッシュ１４ｅに捕集され、各イオン交換樹脂１４ｇ間に留まることなく、かつフィルタ１４から下流側に流出することはない。このようにして純水が凍結することにより生じたイオン交換樹脂１４ｇの破片を、イオン交換樹脂本体１４ｇと分離することができるため、イオン交換フィルタ１４の目詰まりを防止し、純水の流通抵抗を上昇させることがなく、フィルタ内の圧力損失の増大やイオン交換効率の低下を避けることができ、イオン交換フィルタ１４の初期性能を長期間維持することが出来る。

なお、車両に燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の場合、振動や衝撃により、イオン交換樹脂が破損する場合もあるが、その場合も、破損したイオン交換樹脂の破片のみを同様に分離させることができる。本実施形態では、イオン交換樹脂とその破片を分離するために目の粗さの異なるメッシュを用いたが、これに限らず同様の効果を得ることのできる、例えば金属性の篩等でもよい。

図３は第２の実施形態としてのイオン交換フィルタの形状を示しており、この実施形態は、第１の実施形態に対して上流側の細目メッシュ１４ｄをイオン交換樹脂１４ｇに付勢するバネ材１４ｈを追加するとともに、出入口部１４ｂ、１４ｃを変更した実施形態である。イオン交換樹脂やメッシュのサイズ等は第１の実施形態と同様である。

イオン交換フィルタ１４の本体１４ａは密封した円筒状の箱体であり、この本体１４ａには、上部に純水が半径方向から流入する入口部１４ｂが形成され、下部に純水が半径方向に流出する出口部１４ｃが本体１４ａの最下流の底部より所定高さの位置に形成される。そしてフィルタ本体内に上流側の細目メッシュ１４ｄと荒目メッシュ１４ｆとがフィルタ本体１４ａの中心軸に対して軸直方向に設置され、これら２つのメッシュ間にイオン交換樹脂１４ｇが封入される。ここで荒目メッシュ１４ｆはフィルタ本体に固定され、一方、細目メッシュ１４ｄはフィルタ本体１４ａの軸方向（純水の流れ方向）に移動可能に支持される。

さらに細目メッシュ１４ｄとフィルタ本体１４ａ上面との間にバネ材１４ｈが設置されて、バネ材１４ｈは細目メッシュ１４ｄを荒目メッシュ１４ｆ方向に付勢する。また出口部１４ｃにはフィルタ本体壁面に沿って細目メッシュ１４ｅが設置される。

このように構成されてこの実施形態では、細目メッシュ１４ｄを荒目メッシュ１４ｆに付勢するバネ材１４ｈを設けたので、凍結等により破損したイオン交換樹脂１４ｇが増加してその破損が下流側に流された場合でも、バネ材１４ｈにより常に一定の付勢力でイオン交換樹脂１４ｇを付勢することができ、流通する水の流量を一定にすることができる。

また、出口部１４ｃを本体１４ａの底面より高く設定したことにより、この底面から出口部１４ｄまでの空間１４ｉにイオン交換樹脂１４ｇの破片を溜めておくことができ、圧力損失が増大することを防止できる。

図４に第３の実施形態の構成を示す。この実施形態は、第２の実施形態の構成にバネ材１４ｈの変位量を検出するセンサ１６を設置したことを特徴とする。センサ１６が検出するバネ材１４ｈの変位量が大きくなることは、イオン交換樹脂１４ｇの破損が進み、イオン交換樹脂１４ｇの層の厚さが薄くなっていることであり、樹脂１４ｇ層の厚さが薄くなることにより、イオン交換（除去）効率が低下することになる。したがって、図示しないバネ材１４ｈの変位量に基づいてイオン交換フィルタ１４の寿命を判定する手段を設け、この判定手段により、バネ材１４ｈの変位量が所定の変位量となったときに、イオン交換樹脂１４ｇの寿命と判断でき、イオン交換樹脂１４ｇを交換あるいは追加することができる。また、寿命であることを車両の運転者等に告知するようにしてもよい。

センサ１６は、バネ材１４ｈの変位量を直接検出するタイプのものでもよいが、イオン交換樹脂の寿命を判定するために必要な、バネ材１４ｈの変位量が所定量に達したかどうかを判定するためのセンサであればよい。例えば図４に示したものは、細目メッシュ１４ｄがイオン交換樹脂の寿命である所定位置に達したことを検出するタッチセンサである。

また図５に示したものは、センサ１６として細目メッシュ１４ｄの位置を検出する磁気センサを設置した例である。この磁気センサを用いた場合には、本体１４ａはオーステナイト系ステンレス、アルミニウムや樹脂等、非磁性体を用いる。また細目メッシュ１４ｄは、フェライト系ステンレス等の磁性体材料を用いる。

図６は、本発明の第４の実施形態を示しており、図２に示した第１の実施形態に対して出口部１４ｃを変更したものである。

この実施形態では、出口部１４ｃにスクロール状の流路１７を接続し、イオン交換樹脂１４ｇを通過した純水が、流路１７を通って出口部１４ｃから排出される。流路１７を流れる純水の流速を考えると、本体１４ａの中心軸と同心に出口部１４ｃが設けられているとすると、流路１７の中心軸側の流速は、外周側の流速より遅くなり、イオン交換樹脂１４ｇの破片が中心軸側に滞留することになり、一方、純水は流速の速い外周側を流れ、このとき外周側には破片等の流れの抵抗となるものがなく、抵抗が少なく、圧力損失を抑制できる。またイオン交換樹脂の破片が流路１７の中心軸側に滞留するため、出口部１４ｃの細目メッシュ１４ｅに破片が詰まることを防止することができる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。

本発明を適用したイオン交換フィルタは、純水の凍結等によりイオン交換樹脂が破損しても目詰まりを起こしにくく、圧力損失やイオン交換効率の低下を抑制できるため燃料電池システムに利用可能である。

本発明のイオン交換フィルタを適用する燃料電池システムの構成図である。 イオン交換フィルタの構成図である。 第２の実施形態のイオン交換フィルタの構成図である。 第３の実施形態のイオン交換フィルタの構成図である。 同じくイオン交換フィルタの構成図である。 第４の実施形態のイオン交換フィルタの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 燃料供給排出経路
３ 酸化剤供給排出経路
４ 冷媒供給経路
５ ラジエータ
６ 加湿水供給経路
７ ポンプ
８ ラジエータ
９ バイパス流路
１０ イオン交換フィルタ
１１ 導電率計
１２ 純水タンク
１３ ポンプ
１４ イオン交換フィルタ
１４ａ 本体
１４ｂ 入口部
１４ｃ 出口部
１４ｄ 上流側細目メッシュ
１４ｅ 下流側細目メッシュ
１４ｆ 荒目メッシュ
１４ｇ イオン交換樹脂
１４ｈ バネ材
１４ｉ 空間
１５ 導電率計
１６ センサ
１７ スクロール流路

Claims (6)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路と、
   前記燃料ガスと酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
   前記加湿器に純水を供給する加湿水供給経路と、を備え、
   前記加湿水供給経路に純水中のイオンを除去するイオン交換フィルタが設置される燃料電池システムにおいて、
   前記イオン交換フィルタは、
   箱状のフィルタ本体と、
   純水中のイオンを除去する粒状のイオン交換樹脂と、
   フィルタ本体内部に収装された目の粗さの異なる２種類の捕集手段とを備え、
   前記フィルタ本体の出口部に目の細かい第１の捕集手段を設置し、
   目の粗い第２の捕集手段を第１の捕集手段より純水の流れ方向上流側に固定して、この第２の捕集手段により前記イオン交換樹脂を位置決めし、前記イオン交換樹脂の破片を前記第１の捕集手段により捕集することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記イオン交換樹脂の上流側に、目の細かい第３の捕集手段を流れ方向に移動可能に設置するとともに、
   この第３の捕集手段を前記イオン交換樹脂に押圧する付勢手段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. 前記付勢手段の変位量を検出する変位量検出手段と、
   検出した変位量に基づき前記イオン交換フィルタの寿命を判定する寿命判定手段とを備え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。
4. 前記フィルタ本体の出口部を、フィルタ本体の最下流部より上流側に設け、この出口部より下流側に前記イオン交換樹脂の破片を滞留させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記フィルタ本体の出口部に渦巻状の流路を設置し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。
6. 前記第１と第３の捕集手段の目の粗さは、四角形の目の１辺が０．０３から０．１ｍｍであり、前記第２の捕集手段の目の粗さは、四角形の目の１辺が０．２から０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
   

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