JP2005085482A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 精度よくイオン交換フィルタの交換時期を判別する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冷媒を循環させる冷媒供給経路４、７、１１とを備え、前記冷媒供給経路に冷媒中のイオンを除去するイオン交換フィルタ１０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１０は、冷媒中のイオンを除去するとともに、イオン除去に応じて変色するイオン交換樹脂１０ｄと、イオン交換樹脂を封入するフィルタ本体１０ａと備え、前記フィルタ本体は、少なくともその一部を透明または半透明の材質で形成される。
【選択図】 図３

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、車両に搭載される燃料電池システムに備えられる燃料電池スタックを冷却する冷媒は、燃料電池スタックで発電した電気が冷媒を通して流れ、漏電やショートする危険を防止するため、導電率を低く管理する必要がある。その対策として、イオン交換フィルタを冷却系内に設置し、冷媒中の金属イオンを除去して導電率を低く抑えると共に、同じく冷却系の配管などに導電率計を設置し、冷媒の導電率を検知して、冷媒の品質を管理する方法がある。この対策では、導電率計で検知した冷媒の導電率がシステム上の管理値を保持出来なくなったときに、イオン交換フィルタが寿命になったと判断する。

しかしイオン交換フィルタの寿命判断を導電率計で検出した導電率に基づいて行うことは、液温の管理や雑音対策など正確な測定が難しく、その対策として、絶縁抵抗センサや、導電率検査部を工夫した導電率計を用いる方法などが公開されている。（特許文献１や特許文献２を参照。）。
特開２００２−３１９４２６号公報 特開２００２−２７０２０６号公報

しかしながら、これら従来技術では、センサで実際に冷媒の電気抵抗値を計測していることには変わりないため、水の流速、圧力、温度などに測定値が大きく依存することは、導電率計と同様であり、特に車両の振動、環境温度では計測精度に大きく影響を与える可能性があった。

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、イオン交換フィルタの寿命を精度よく判断できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池システムにおいて、冷媒中のイオンを除去するとともに、イオン除去に応じて変色するイオン交換樹脂をイオン交換フィルタ本体に封入し、このフィルタ本体は、少なくとも一部が透明または半透明の部材から形成される。

本発明によれば、フィルタ本体の透明または半透明部材で形成された部位から、イオン交換樹脂の変色状態を識別し、イオン交換樹脂の変色に基づいてイオン除去フィルタの寿命を精度よく判断することができる。

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。

燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１に供給する燃料供給経路２と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１に供給する酸化剤供給経路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６とが設置される。さらに冷媒がラジエータ５をバイパスするためのバイパス流路７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７には熱交換器８が設置され、冷媒を加熱して起動時の始動性を向上させる。冷媒の経路を制御するための三方弁９が冷媒供給経路４とバイパス流路７との分岐に設置され、図示しないコントローラにより制御される。

さらに燃料電池スタック１が発電する際、漏電、つまり電気が冷媒を介して流れ、ラジエータなどに触れて感電しないよう、冷媒中の導電率を所定値以下に制御するためのイオン交換フィルタ１０が設置され、その設置方法は、図１に示すようなバイパス流路１１を設けてその流路途中に設置する方法に限られない。ここで、イオン交換フィルタ１０は、冷媒中の金属イオンを除去して冷媒の導電率を所定値以下に制御するためのものである。

なお、冷媒は、氷点下でも凍結しないようにグリコール系などの不凍液を混ぜて使う。

図２は、図１に示した第１の実施形態の冷媒経路に滅菌装置１２を追加した構成である。滅菌装置１２は、イオン交換フィルタ１０の下流に、フィルタ１０と直列に配置される。ここで、滅菌装置１２は、冷媒中の有機物や微生物を除去し、冷媒経路の詰まりを防止する詰まり防止手段である。

イオン交換フィルタ１０は、封入しているイオン交換樹脂が有機物であることから、有機物が分解して冷媒中に流出する可能性がある。冷媒内に溶存する有機物に対して、燃料電池スタック１やその他システム内の樹脂、Ｏリングなどの材料成分が影響を及ぼす場合には、本実施形態のように有機物を分解する装置（滅菌装置）１２が必要となる。滅菌装置１２の設置場所としては、イオン交換フィルタ１０から流出するイオン交換樹脂の影響を効率よく排除する観点から、イオン交換フィルタ１０の下流側にイオン交換フィルタ１０と直列に配置することが望ましい。なお後述するようにイオン交換フィルタと滅菌装置とを一体的に形成してもよい。

図３は本発明のイオン交換フィルタ１０の詳細形状を説明する図である。

イオンフィルタ１０のフィルタ本体１０ａは、円柱状に形成され、その上下端面に冷媒が出入する入口部１０ｂと出口部１０ｃが形成される。フィルタ本体１０ａは内部が中空形状を有し、内部に球状のイオン交換樹脂１０ｄが封入される。なお、入口部１０ｂと出口部１０ｃにはメッシュが設置され、イオン交換樹脂１０ｄが外部に放出されるのを防止する。

さらにイオン交換樹脂１０ｄのイオン除去による変色を検出するためのカラーセンサ１３がフィルタ本体１０ａに設置される。

イオン交換フィルタ１０のフィルタ本体１０ａは、その少なくとも一部にポリプロピレン、またグラスファイバーを混入させたポリプロピレン、フッ素樹脂などを用い、１００℃程度の耐熱性を有し、導電率に影響する金属イオンを溶出しない透明または半透明の樹脂材を用いる。また、イオン交換樹脂１０ｄは、冷媒中のイオンとイオン交換すると色が変化する染色イオン交換樹脂を用いる。例えば染色イオン交換樹脂として、イオン交換前に青色のものがイオン交換すると黄色に変化するもの等がある。ここで、フィルタ本体１０ａとカラーセンサ１３とが請求項中の変色識別手段に相当する。

カラーセンサ１３は、イオン交換樹脂１０ｄの色を識別するため、ＲＧＢ３色の割合を検出することの出来るフォトダイオードが組み込まれたものを用いる。１ボルト程度の電圧があれば、光量検知した際、電流をハーネスを介して、車両のコントローラに出力し、検出した光量が異常を示すものであれば、運転席に設置した寿命警告ランプなどを用いて運転者にイオン交換フィルタ１０の寿命を知らせることが出来る。検知する位置はイオン交換フィルタ１０の出口付近のイオン交換樹脂１０ｄの色を検知する。これは、イオン交換樹脂１０ｄが入口部１０ｂ側から除々に反応して色が変化していき、出口部１０ｃ付近の色が変化したときにイオン交換樹脂１０ｄが寿命であると判定するためである。

したがって、本発明は、イオン交換フィルタ１０を設け、かつイオン交換フィルタ１０のフィルタ本体１０ａを透明または半透明の容器とし、フィルタ本体１０ａ内にイオン交換樹脂１０ｄを封入して、イオン交換樹脂１０ｄはイオン交換すると色が変化する染色イオン交換樹脂を用いた。これにより、冷媒の導電率を所定値以下に制御することができ、かつイオン交換が進むとイオン交換樹脂１０ｄの色が変化し、この色の変化をフィルタフィルタ本体１０ａの外側から確認してイオン交換樹脂１０ｄの使用範囲が識別でき、結果としてイオン交換フィルタ１０の寿命が目視で判断することが出来る。

また、燃料電池車両に搭載した場合、イオン交換フィルタ１０はボンネットの中や座席の下など、人の目につくところには配置しないのが一般的である。通常のウォッシャ液のようにボンネットを開ければ、イオン交換フィルタ１０の様子を見る事が出来るように設置することも可能であるが、運転者がかならず運転前にイオン交換フィルタ１０の状態をボンネットを開けて確認することを義務付けることは商品性の点から適当でない。

そこで、イオン交換フィルタ１０の外側にカラーセンサ１３を配置し、イオン交換樹脂１０ｄの色の変化を運転中にモニターすることで、イオン交換樹脂１０ｄが寿命に達した場合には、運転席の運転者に警告ランプなどで告知することができる。

従来技術の導電率計では、運転中の温度や圧力、冷媒の流量の変化によって、モニター値が変動するため、特に冷媒の導電率のシステム上の管理値が１〜５μＳ／ｃｍのような低導電率の場合や、冷媒に含まれる不凍液の成分により導電率計の計測精度が低く、寿命判定精度が低い場合でも、本発明のようにイオン交換樹脂を用いれば前述のような精度を低下させる要因を排除することができ、イオン交換フィルタの寿命を正確に判定することができる。

図４は第２の実施形態のイオン交換フィルタ１０の構成を示し、第１の実施形態の構成に対してカラーセンサ１３が光源の寿命および消費電力に優れたＲＧＢ方式のＬＥＤを搭載している点が異なる。ＲＧＢ方式のＬＥＤに変えてハロゲンランプ式としても良い。

本実施形態では、カラーセンサを光源付きのものとした。第１の実施形態では、車両のボンネット内などは暗い為、車の床下の隙間から入る外部から漏れてくる太陽光の反射から検出することになり、夜間はもちろんのこと昼間でも検知し難い。そこで、光源付きのカラーセンサ１３を用いることにより、車両に搭載する場所を選ばすにイオン交換フィルタ１０とカラーセンサ１３を設置する事が出来、燃料電池システムを車両に組み込む際のレイアウト自由度を向上することができる。

また、カラーセンサ１３の光源は、ＲＧＢ方式のＬＥＤを使うことで、光源寿命が車両の寿命より長くなり、車両寿命中の交換不要とすることができる。また、消費電力を最小限に抑え、バッテリ負荷を抑制することが出来る。

図５に第３の実施形態の構成を示す。この実施形態は、イオン交換フィルタ１０の出口部１０ｃに一体的に滅菌装置１２を設置した。滅菌装置１２の本体の材質は、紫外線ランプ１４の紫外線で劣化しないように樹脂の容器は用いず、ステンレスなどの金属容器を用いる。イオン交換フィルタ１０と滅菌装置１２の間に、蛍光板１５を設け、紫外線ランプ１４からの波長１８０〜２６０ｎｍ程度の紫外線から、４００〜７２０ｎｍ程度の白色光に波長を変換し、イオン交換フィルタ１０に当ててカラーセンサ１３で受光するようにして、イオン交換フィルタ１０の変色を検知し、イオン交換フィルタ１０の寿命を判定する。

本実施形態は、冷媒中の有機物、微生物による冷媒供給経路の詰まりを抑制するために、紫外線ランプによる滅菌装置１２を備え、紫外線ランプ１４の光源を利用して、イオン交換フィルタ１０の色の変化を検知する方法である。

紫外線ランプ１４からの紫外線を、蛍光板１５に通して白色光にして、イオン交換樹脂１０ｄにあて、イオン交換樹脂１０ｄの色の反射光を、カラーセンサ１３で光量を検知する。

第２の実施形態に対し、光源を含んだカラーセンサ１３を用いる必要が無いので、センサ自体を簡便な構造にすることが出来、また、光源を紫外線ランプ１４で兼ねるので、紫外線ランプ１４に必要な消費電力を有効活用し、カラーセンサ１３のみに必要な消費電力を最小限に抑えることが出来る。

また、紫外線ランプ１４も一般の蛍光灯のようにランプが切れて寿命がくるが、カラーセンサ１３で光量が検知されない時を紫外線ランプ１４が切れたと判断し、寿命判定を行うことが出来る。

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、精度よく冷媒の導電率を検出して漏電を防止するとと共にイオン交換フィルタの寿命を検知できるため、冷媒を必要とする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。 本発明のイオン交換フィルタを適用する他の燃料電池システムの構成図である。 本発明のイオン交換フィルタを説明する図である。 本発明の他のイオン交換フィルタを説明する図である。 本発明の他のイオン交換フィルタを説明する図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 燃料供給経路
３ 酸化剤供給経路
４ 冷媒供給経路
５ ラジエータ
６ ポンプ
７ バイパス流路
８ 熱交換器
９ 三方弁
１０ イオン交換フィルタ
１０ａ フィルタ本体
１０ｄ イオン交換樹脂
１２ 滅菌装置
１３ カラーセンサ
１４ 紫外線ランプ
１５ 蛍光板

Claims (5)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに冷媒を循環させる冷媒供給経路とを備え、
   前記冷媒供給経路に冷媒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、冷媒中のイオンを除去するとともに、イオン除去に応じて変色するイオン交換樹脂と、イオン交換樹脂を封入するフィルタ本体と備え、
   前記フィルタ本体は、少なくともその一部を透明または半透明の材質で形成され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変色を識別する変色識別手段を備え、この変色識別手段は、前記フィルタ本体の透明または半透明の材質で形成された部位に設置され、前記イオン交換樹脂の光量を検出するカラーセンサであ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。
3. 前記カラーセンサは、前記イオン交換樹脂に光を照射する光源を備え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. 前記冷媒供給経路の詰まりを防止する詰まり防止手段を備えたことを特徴とする請求光１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記詰まり防止手段を前記イオン交換フィルタの下流側に、かつ一体に設け、前記イオン交換フィルタと詰まり防止手段との間に、紫外線を白色光に変える蛍光板を備え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。
   

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