JP2006269154A

JP2006269154A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2006269154A
Application number: JP2005083275A
Authority: JP
Inventors: Naohide Izumitani; 尚秀泉谷; Yoshihiro Iso; 好博井漕
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】水が凍結する環境下でも破損のおそれのない金属イオンの除去構成を持つ燃料電池システムの提供。
【解決手段】燃料電池システムは、金属イオン(Ａ)を含む水が流れる配管と、前記配管中で前記水と接触するように配置され、前記金属イオン(Ａ)よりもイオン化傾向の高い金属(Ｂ)とを含む。水が金属(Ｂ)に接触すると、水に含まれた金属イオン(Ａ)と、該金属(Ｂ)の金属イオンとの置換反応が起こり、金属イオン(Ａ)が析出され、水から金属イオン(Ａ)が除去される。
【選択図】図２

Description

本発明は、配管内を流れる水に含まれた金属イオンを除去する構成を持つ燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池の分野では、固体高分子型燃料電池を循環する循環水中に溶出した金属イオンをイオン交換樹脂を用いて除去する技術がある(例えば、特許文献１参照)。

また、本発明に関連する先行技術文献として、以下の特許文献２、３に開示された技術がある。
特開平１１−２８３６４９号公報特開２０００−２６０４５９号公報特開２００２−３１３４０４号公報

特許文献１に開示された技術では、イオンを除去するためにイオン交換樹脂を用いる。しかしながら、氷点下の環境下においては、イオン交換樹脂内に入り込んだ水分が凍結・膨張することによって、イオン交換樹脂が破損する可能性があるという問題があった。

本発明は、そのような問題を解決するためになされたものであり、低温環境下でも破損のおそれのない金属イオンを除去する構成を有する燃料電池システムを提供することをその目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために以下の構成を採用する。

即ち、本発明は、燃料電池システムであり、
金属イオンを含む水が流れる配管と、
前記配管内に前記水と接触するように設けられ、前記金属イオンよりも高いイオン化傾向を有する金属と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、金属イオン(この項で「金属(Ａ)」と称する)を含む水が配管内の金属(この項で「金属(Ｂ)」と称する)に接触すると、金属(Ｂ)が金属(Ａ)よりもイオン化傾向が高いことからイオンの置換反応が起こり、金属(Ａ)が析出され、代わりに金属(Ｂ)のイオンが水に溶出される。このような置換反応による金属(Ａ)の析出により、金属イオンを水から除去(回収)することができる。

また、本発明は、前記配管が金属配管であり、
前記金属は前記金属配管に対して絶縁されており、
前記イオン化傾向の高い金属が陰極となり前記金属配管が陽極となるように電圧を印加する電圧印加手段をさらに備えるように構成しても良い。

このように構成すれば、金属配管と金属(Ｂ)への電圧印加により水に含まれた金属イオンが金属(Ｂ)に引き寄せられ析出される。これにより、水に含まれた金属(Ａ)を除去することができる。金属配管は、例えば、金属(Ｂ)よりもイオン化傾向の低い金属(金属(Ａ)を含む金属)を材質とするものを適用可能である。この場合、金属配管から水に溶出する
金属イオンを除去することが可能となる。

本発明は、金属(Ａ)を析出するために、金属(Ｂ)を用いる。金属(Ｂ)は、イオン交換樹脂よりも強度が高く、また、水が入り込まない構成とすることができる。よって、水が凍結する環境下での使用においても、接触している水の凍結・膨張により破損することがない。従って、寒冷地でも好適に使用可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明は、前記水がニッケルイオンとクロムイオンとの少なくとも一方を含み、
前記金属は主たる成分としてアルミニウムを含む
ように構成することができる。

このような構成によれば、金属配管から水に溶出したニッケル(Ｎｉ)やクロム(Ｃｒ)のような金属イオンを除去することができる。アルミニウム(Ａｌ)が溶出する場合には、その下流における水のｐＨ値が大きくなり、金属配管の酸化を抑制することが期待できる。

また、本発明における前記配管は、燃料電池システムに含まれる燃料電池の一部を構成、又は該燃料電池に接続されているように構成される。「該燃料電池に接続されている」には、燃料電池に直接接続されている場合と、他の部材(例えば他の配管)を介して燃料電池に接続されている場合とを含む。また、本発明の「配管」は、「燃料電池から排出される水が流れる配管」とすることもできる。

本発明によれば、水が凍結する環境下でも破損のおそれのない金属イオンを除去する構成を持つ燃料電池システムを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

〈燃料電池システムの構成例〉
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、燃料電池１として、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)が適用されている。燃料電池１は、少なくとも１つのセルからなる。

セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとからなる。

燃料極は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路(図示せず)を通って空気極に移動する。

一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質膜を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応により水が生成される。

このような燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１の
セルスタックの両端子間に接続される図示しない負荷に対する電力として使用される。

燃料電池１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。図１において、燃料供給／排出系は次のように構成されている。

すなわち、燃料電池１に設けられた燃料入口１Ａは、水素源(例えば、高圧水素を貯留したタンク)２及び調圧弁３と配管４を介して接続されている。一方、燃料電池１に設けられた燃料出口１Ｂは、配管５を介して、燃料ガスの気液分離器６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、燃料入口１Ａと燃料出口１Ｂとを結び、且つセルの燃料極を経由する燃料通路１Ｃが設けられている。

燃料気液分離器６の気体側出口は、配管７を介して、モータにより駆動する循環ポンプ８の入口に接続されている。循環ポンプ８の出口は、配管９が設けられており、配管９は、逆止弁１０を介して配管４に接続されている。また、配管９には、排気管１１及び排気弁１２が配置されている。排気弁１２から排出されるガスは図示せぬ希釈器を通って水素濃度が薄められた後、外部に排出される。

以上の構成において、燃料ガスが通過する配管のうち、配管５、気液分離器６、配管７、配管９は、ステンレス(ＳＵＳ)のような金属製の材質で構成されている。これらの配管５、気液分離器６、配管７、循環ポンプ８、配管９等が本発明の「金属配管」に相当する。

このような構成により、水素源２から送り出される高圧の水素ガス(燃料ガス)は、調圧弁３で調圧された後、配管４を通って燃料入口１Ａから燃料電池１に入り、燃料通路１Ｃを通過する際に燃料極にて電極反応に消費される。その後、燃料極を通過した水素ガスは、燃料オフガスとして燃料出口１Ｂから配管５(燃料電池１の外部)へ排出され、気液分離器６へ送られる。

気液分離器６では、燃料オフガスが気相成分と液相成分とに分離され、気相成分は配管７を通って循環ポンプ８により再び配管４に供給される。このように、燃料電池１に供給される燃料ガスが循環するように構成されている。さらに、調圧弁３及び排気弁１１の開閉制御により、燃料ガスの濃度が適正な範囲で保たれるように構成されている。

一方、図１において、酸化剤供給／排出系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた酸化剤入口１Ｄは、配管１３を介してエアコンプレッサ１４に接続されている。また、燃料電池１に設けられた酸化剤出口１Ｅは、配管１５を介して酸化剤ガスの気液分離器１６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、酸化剤入口１Ｄと酸化剤出口１Ｅとを結び、且つセルの空気極を経由する酸化剤通路１Ｆが設けられている。さらに、気液分離器６の液相成分の出口は、ドレン弁５３(図４)を介して配管１７の一端に接続されており、配管１７の他端は配管１５に接続されている。

このような構成によれば、エアコンプレッサ１４のモータによる駆動により、酸化剤ガスとしての空気が配管１３を介して燃料電池１に供給される。空気は酸化剤入口１Ｄから燃料電池１に入り、酸化剤通路１Ｆを通過する際に、空気極にて電極反応に消費される。その後、空気極を通過した空気は、酸化剤オフガスとして酸化剤出口１Ｅから配管１５(燃料電池１の外部)に排出される。配管１５に送り出された酸化剤オフガスは、配管１７から合流する液相成分とともに気液分離器１６へ導入される。

気液分離器１６では、気相成分と液相成分との分離が行われる。気相成分は、気相成分
出口１６Ａから排出され、図示せぬ希釈器を通り、濃度が薄まった状態で外部に排出される。液相成分は、液相成分出口(ドレン)１６Ｂから排出され、回収される。

ところで、燃料電池１では、空気極での反応によって水(生成水)が生成される。生成水は、固体高分子電解質膜を通じて空気極から燃料極に到達する。固体高分子電解質膜には、フッ素系樹脂系高分子膜が適用されている。このため、燃料極へ移動する生成水中にフッ酸(フッ素イオン)が溶出することがある。

燃料極へ到達した生成水は、燃料ガスとともに、燃料電池１の外部(配管５)に排出される。このとき、燃料電池１から排出される生成水中のフッ素イオンは、配管５等を構成する金属と反応し金属イオン(ステンレス(ＳＵＳ)であれば、鉄(Ｆｅ)，ニッケル(Ｎｉ)，クロム(Ｃｒ)等の各イオン)が溶出する要因となることがある。生成水は、気液分離器６で液相成分として燃料オフガスから分離され、配管１７、１５を通じて気液分離器１６に導入される。

本発明の実施形態は、このような水に溶出した金属イオンをイオン交換樹脂を用いることなく除去する構成について例示する。

〈本発明によるイオン除去の原理〉
図２(Ａ)は、本発明によるイオン除去の第１の構成の原理説明図であり、図２(Ｂ)は、本発明によるイオン除去の第２の構成の原理説明図である。

図２(Ａ)に示す第１の構成では、金属配管を構成する金属Ａと、金属配管内に配置(例えば固着)され、金属Ａよりもイオン化傾向の高い犠牲材としての金属Ｂとが示されている。金属Ａは、例えばステンレス(ＳＵＳ(Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｆｅ))である。金属Ｂには、金属ＡがＳＵＳであることに鑑み、ニッケル(Ｎｉ)やクロム(Ｃｒ)に対する犠牲材としてアルミニウム(Ａｌ)が適用されている。金属Ｂは、主たる成分(例えば７０％以上)としてアルミニウムが含まれていれば良く、或る程度の不純物の混入は許容される。

また、図２(Ａ)では、燃料電池から排出された生成水Ｃが紙面の左側から右側へ流れるようになっており、生成水中には、金属Ａから溶出した金属イオン(ニッケルイオン(Ｎｉ^２＋)やクロムイオン(Ｃｒ^３＋)等)が含まれているものと仮定する。

第１の構成によれば、金属イオンを含む生成水Ｃが金属Ｂと接触すると、生成水Ｃ中の金属イオン(金属Ａ)と金属Ｂとの間で置換反応が起こり、ニッケルやクロムが金属Ｂ上に析出される。その代わりに金属Ｂからアルミニウムイオン(Ａｌ^３＋)が溶出し、生成水Ｃに含まれて下流側へ運搬される。このようにして、金属イオンが析出されることにより、生成水から金属イオンを除去することができる。

もっとも、図２(Ａ)では、金属Ｂが配置された配管が金属Ａで構成されているが、上記した置換反応は、配管が金属Ａであることを要件とするものではない。従って、図２(Ａ)に示した配管の材質たる金属Ａは、他の金属や非金属(樹脂、ゴム等)に置き換えることもできる。言い換えれば、第１の構成では、金属イオンを含む水が流れる配管(その材質を問わない)に、該金属イオンよりもイオン化傾向の高い金属が水と接触するように配置されていれば良い。

図２(Ｂ)に示される第２の構成は、図２(Ａ)に示した第１の構成と次のように異なる。第２の構成では、金属製の配管(例えば金属Ａ製の配管)が適用される。金属配管内に配置される金属Ｂは金属配管から絶縁される。図２(Ｂ)では、金属Ａ(金属配管)と金属Ｂとの間に絶縁体Ｄが介装されている。

さらに、第２の構成では、金属Ａが陽極となり、金属Ｂが陰極となるように、電圧源Ｅからの電圧が印加される。電圧値は、この例では、各金属Ａ(ＳＵＳ)、Ｂ(Ａｌ)の構成金属の標準電位に基づき１Ｖ程度の電圧が適用される(ニッケル，クロム及びアルミニウムの標準電位は、夫々Ｎｉ＝−０．２３Ｖ，Ｃｒ＝−０．７４Ｖ，Ａｌ＝−１．６６Ｖであるため)。これら以外の構成は、第１の構成と同様である。

第２の構成によれば、電圧が金属Ａ(金属配管)及び金属Ｂに印加された状態で、金属イオンを含む生成水Ｃが金属Ｂと接触すると、生成水に含まれる金属イオン等の陽イオンが金属Ｂに引きつけられ、金属Ｂ上に析出される。このようにして、生成水Ｃからニッケルやクロム等の金属イオンを除去することができる。

〈適用例１〉
図３(Ａ)及び(Ｂ)は、適用例１を示す図であり、図３(Ａ)は、図１に示した配管５，７，９のような金属配管(図３では配管５を例示)に対し、図２(Ａ)に示した第１の構成を適用した例を示す図であり、図３(Ｂ)は、金属配管に対して図２(Ｂ)に示した第２の構成を適用した例を示す図である。

図３(Ａ)において、金属Ａ(ＳＵＳ)が適用された円筒状の配管５内では、燃料電池１(図１)から排出された燃料オフガスが紙面の上から下に向かって流れるようになっており、燃料オフガス中には、燃料電池１から排出された生成水が含まれている。生成水は、金属配管(配管５を含む)から溶出したニッケルやクロム等の金属イオンを含んでいる。

配管５の内面には、円筒状の金属Ｂ(Ａｌ)が取り付けられている。金属Ｂは円筒状の部材を配管内周面にはめ込むようにしても良く、メッキやコーティング技術を用いて形成するようにしても良い。

このような構成によれば、燃料オフガス中の生成水が金属Ｂ内を通過する際に金属Ｂと接触すると、置換反応が起きてニッケルやクロムが金属Ｂ上に析出されるとともに、置換されたアルミニウムイオンが生成水中に溶出し、下流側へ運ばれる。下流側では、アルミニウムの溶出によりできた塩基により生成水が中和(ｐＨ値が上昇)するので、酸性の生成水が金属配管を酸化させるのを抑えることが可能となる。

図３(Ｂ)では、円筒状の金属Ｂ(Ａｌ)が、絶縁体Ｄを介して取り付けられている。また、配管５の外部には、電圧源Ｅが設けられている。電圧源Ｅは、配管５(金属Ａ)に正電圧を印加し、金属Ｂに負電圧を印加する。電圧源Ｅによる電圧印加のオン／オフは、例えば、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５１により制御されるように構成されている。

ＥＣＵ５１は、ＣＰＵ，メモリ，入出力インタフェース(Ｉ／Ｏ)等から構成されており、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することによって、電圧印加を制御する。例えば、ＥＣＵ５１は、燃料電池１による発電量を監視し、燃料電池１による発電が行われている場合に、電圧源Ｅから電圧が印加されるように電圧源Ｅを制御する。或いは、ＥＣＵ５１は、燃料電池システムが搭載された移動体(例えば車両)の速度を監視し、速度が０以上になった場合(移動体が移動している場合)に、電圧源Ｅから金属Ａ及びＢに電圧が印加されるように構成することもできる。もっとも、常時電圧印加が行われるように構成可能である。

適用例１によれば、配管５内を流れる生成水が金属Ｂと接触すると、生成水中に含まれた金属Ｂよりイオン化傾向の低い金属イオン(ニッケルイオンやクロムイオン等)が金属Ｂに引きつけられて析出される。これによって、配管５から下流側へ流れる生成水(燃料オ
フガス)から金属イオンが除去される。

〈適用例２〉
図４は、適用例２として、図１に示した気液分離器６のような金属配管に対し、図２に示した第２の構成を適用した例を示す図である。図４において、金属製(例えば金属Ａ(ＳＵＳ)製)の気液分離器６には、配管５と配管７とが接続されている。配管５は、円筒状の気液分離器６本体の接線方向からその内部に燃料オフガスが導入するように取り付けられており、配管７は気液分離器６本体の上面に取り付けられている。

接線方向に導入された燃料オフガスは気液分離器６内でその内面を周方向に旋回する。このとき、燃料オフガスに含まれた比重の重い生成水(液相成分)は気液分離器６内の底部に溜まり、比重の軽い燃料オフガス(気相成分)は配管５から導入される燃料オフガスに押し出されるようにして配管７に排出される。

気液分離器６の底部には、貯留された生成水を排出するためのドレン管５２及びドレン弁(電磁弁)５３が設けられており、ドレン弁５３の出口は配管１７(図１)に接続されている。ドレン弁５３の開弁により、貯留した生成水は配管１７に排出される。

図２(Ｂ)に示した第２の構成は、次のようにして気液分離器６に設けられている。すなわち、気液分離器６の内面には、絶縁体Ｄを介して金属Ｂが取り付けられている。金属Ｂは、少なくとも一部が生成水中に没するように設けられている。気液分離器６の外部には、電圧源Ｅが設けられている。電圧源Ｅは、生成水と接する気液分離器６の内面(金属Ａ)に正電圧を印加し、金属Ｂに負電圧を印加するように構成されている。電圧源Ｅによる電圧印加は、図３に示した例と同様に、ＥＣＵ５１によって制御される。

適用例２によれば、配管５から気液分離器６内に導入された生成水を含む燃料オフガスは、気相成分と液相成分(生成水)とに分離され、気相成分は配管７に排出される。生成水は、気液分離器６の底部に貯留され、金属Ａ及びＢに接触する。電圧源Ｅから金属Ａ及びＢに電圧が印加されると、金属Ａ及びＢに接触する生成水中の金属イオン(ニッケルイオンやクロムイオン)は、金属Ｂに引きつけられ、金属Ｂ上に析出される。このようにして、生成中から金属イオンが除去される。金属イオンが除去された生成水は、ドレン弁５３の開弁により配管１７に排出される。このような構成により、本実施形態による燃料電池システムは、気液分離器６内に貯留された生成水中のイオンを除去するイオン交換樹脂を配置することが省略されている。

ドレン弁５３の開閉タイミングは、貯留された生成水の水位、生成水中のイオン濃度、燃料電池１に対する負荷(移動体速度等の運転履歴)に応じてＥＣＵ５１により制御される。また、電圧源Ｅによる電圧印加は常時行われるようにしても良く、燃料電池１に対する負荷(運転履歴)に応じて電圧印加が行われるようにしても良い。

或いは、気液分離器６内に貯留された生成水の水位を計測する水位センサ５４を設け、水位センサ５４の出力信号がＥＣＵ５１に入力されるように構成し、ＥＣＵ５１が水位センサ５４で計測される水位に応じて電圧印加を制御するように構成することもできる。例えば、生成水の水位が所定の第１の水位より上昇すると電圧印加が開始され、その後、水位が所定の第２の水位まで上昇すると配管１７への排出(ドレン弁５３の開弁)が開始され、その後、水位が所定の第３の水位まで下降すると、電圧印加の停止(及びドレン弁５３の閉弁)が行われるように構成される。また、配管１７へ排出される生成水中のイオン濃度が低下するようにドレン弁５３の開度が調整されるように構成することも可能である。

なお、気液分離器６に対し、図２(Ａ)に示した第１の構成を適用することもできる。ま
た、第１及び第２の構成は、適用例１及び２に示した燃料ガスの循環路(供給／排出系)における配管や気液分離器の他、循環路の一部を構成するバルブやポンプにも適用が可能である。

言い換えれば、本発明における「配管」の語は、パイプのような配管部材の他、金属イオンを含む生成水が流れる経路を構成する部材又は部品(例えば、経路を構成するバルブ、ポンプ、気液分離器、燃料電池内部の構成(セパレータ、マニホールド等))を含む。また、後述する適用例３で説明される冷却液の循環経路を構成する部材、部品(配管、バルブ、ポンプ、燃料電池内の冷却液通路(セパレータ、マニホールド等))も「配管」に含まれる。

このため、図１に示した配管１５，１７、気液分離器１６内に金属イオンを含む生成水が流れる場合(例えば燃料電池１内のメタルセパレータ(例えばＳＵＳ製)から溶出した金属イオンを含む生成水が酸化剤出口１Ｅから配管１５に排出される場合、或いは、気液分離器６から排出された生成水に金属イオンが残っている場合)には、このような酸化剤ガスの排出系にも本発明が適用される。

配管１５，１７、気液分離器１６内の材質が夫々金属製(例えばＳＵＳ)であれば、これらに対して図２(Ｂ)に示した第２の構成を適用することにより金属イオンを除去することが可能である。一方、図２(Ａ)に示した第１の構成では、犠牲材としての金属Ｂが配置される配管の材質が金属製である必要はないので、配管１５、１７、気液分離器１６内の材質に拘わらず、金属Ｂを配置すれば、金属イオンの除去が可能である。

〈適用例３〉
適用例１及び２として、燃料電池システムにおける燃料ガスの循環路(供給／排出系)を流れる金属イオンを除去する構成について説明した。もっとも、本発明の原理は、燃料電池システムを構成する燃料電池の冷却系についても適用することができる。

図１には、燃料電池の冷却系が例示されている。図１において、燃料電池１には、冷却水入口(入口マニホールド)１Ｇ及び冷却水出口(出口マニホールド)１Ｈが設けられており、冷却水入口１Ｇと冷却水出口１Ｈとの間は、各セルのセパレータに設けられた通水路を経由する冷却水通路１Ｉで結ばれている。

冷却水入口１Ｇは、配管１９を介して、冷却水を循環させる循環ポンプ(冷却水ポンプ)２０の出口に接続されている。一方、冷却水出口１Ｈは、配管２１を介して冷却水を冷却するラジエータ(冷却器)２２の入口に接続されている。また、ラジエータ２２の出口は、配管２３を介して三方弁２４の第１入口に接続されている。三方弁２４の出口は、配管２５を介して循環ポンプ２０の入口に接続されている。

また、配管２１には、その途中から分岐するバイパス管２６の一端が接続されており、バイパス管２６の他端は、三方弁２４の第２入口に接続されている。また、配管２１とバイパス管２５との間には、パイパス管２７がバイパス管２６に対して並列に設けられている。配管１９，２１，２３，２５，バイパス管２６，２７には、その材質としてＳＵＳが適用されている。

このような構成によれば、燃料電池１の温度が低い場合には、三方弁２４の第１入口が閉じられ第２入口が開かれることによって、冷却水はバイパス管２６と燃料電池１との間を循環する。これに対し、燃料電池１の温度が発電に応じて所定温度を上回ると、三方弁２４の第１入口が開かれ第２入口が閉じられて、冷却水が燃料電池１とラジエータ２２との間を循環し、燃料電池１の冷却が図られる。また、冷却水の一部は、常時バイパス管２
７を通って循環する。

図５(Ａ)〜(Ｃ)は、適用例３の構成例を示す図である。図５(Ａ)には、図１に示したバイパス管２７に対し、図２(Ａ)に示した第１の構成が適用された例が示されている。図５(Ｂ)には、バイパス管２７に対し、図２(Ｂ)に示した第２の構成が適用された例が示されている。図５(Ｃ)には、燃料電池１の冷却水出口１Ｈに対し、第１の構成が適用された例が示されている。

適用例３によれば、次の利点がある。冷却水は、エチレングリコールを主成分とし、燃料電池１内部を循環しているため、電圧がかかった状態にある。エチレングリコールは、使用過程において分解酸化し、ギ酸(マイナスイオン)になる(冷却水が劣化する)。ギ酸は冷却水中のｐＨ値を低下させるので、冷却水が接触する金属配管(ラジエータ２２，各配管，マニホールド(燃料電池１の冷却水入口、出口)，ポンプ，バルブ，メタルセパレータ等)を酸化させる。冷却水中の金属イオンは、このような冷却水の劣化を招く要因となっている。

適用例３によれば、第１又は第２の構成が適用されることで、金属イオンが冷却水から除去されるので、冷却水の劣化を防止することができる。また、図５(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、バイパス管２７に第１又は第２の構成が適用され、冷却水の一部がバイパス管２７を流れ、冷却水中の金属イオンが除去されるように構成することで、循環ポンプ２０の圧損が抑制される(循環ポンプ２０の出力を上げなくても冷却水が円滑に循環する)。また、図５(Ａ)及び(Ｂ)に示した構成が適用されることで、本実施形態の燃料電池システムでは、バイパス管２７上にイオン交換樹脂を有するイオン交換器を配置することが省略されている。

また、図５(Ｃ)に示した構成を適用すれば、金属配管(ＳＵＳ製の各配管，ラジエータ２２，三方弁２４，循環ポンプ２０，燃料電池１の冷却水通路１Ｉ(ＳＵＳ製のセパレータ等))から溶出した金属イオンを燃料電池１外の循環路に送出される際に効率的に除去することができ、燃料電池１の外部を流れる金属イオンの量を低減することができる。

また、図５(Ａ)及び(Ｃ)に示した例によれば、金属Ｂ(犠牲材)からのアルミニウムイオンの溶出により生成される塩基による中和作用で、冷却液の酸化が抑えられることを期待することができる。

なお、適用例３では、バイパス管２７や冷却液出口１Ｈに第１又は第２の構成を適用した例を示したが、冷却系を構成するその他の金属配管内に第１又は第２の構成を適用することも可能である。また、バイパス管２７がＳＵＳ製である例を示したが、循環路の一部がＳＵＳ製になっていれば、ＳＵＳから溶出した金属イオンを除去することができる。

〈実施形態の作用効果〉
以上説明した本発明の実施形態によれば、燃料電池システム内で金属イオン(金属Ａ)を含む水が流れる配管中に犠牲材としての金属Ｂを配置する、又は該水が流れる金属配管中に金属配管から絶縁された金属Ｂを配置し、金属配管が陽極となり金属Ｂが陰極となるように電圧が印加される。これによって、水へ溶出した金属イオンを除去することができる。

金属Ｂは、その内部に水が入り込まない構成を適用すること、或いは水が入り込んでもその水の凍結・膨張により破損しない強度を持たせることが可能である。このため、イオン交換樹脂が氷点下の環境下で破損するといった問題は生じない。従って、図３〜５に示した構成を持つ燃料電池システムは、寒冷地等の低温環境下でも好適に使用することがで
きる。

なお、図３〜図５に示した適用例では、生成水や冷却水の流路に第１又は第２の構成を適用する例を説明したが、第１及び第２の構成は、１カ所だけに設けても良く、複数箇所に同時に設けるようにしても良い。

また、本実施形態では燃料電池１としてＰＥＦＣが適用された例を示したが、本発明が冷却液の循環系にも適用可能なこと、及びＰＥＦＣ以外の燃料電池システムでも反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の流路を構成する金属配管(例えばＳＵＳ製)を有し、この金属配管を流れる生成水中に金属イオンが溶出される可能性があることに鑑み、本発明が適用される燃料電池は、ＰＥＦＣに限られない。

図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。図２は、本発明の原理説明図である。図３は、本発明の適用例１の構成例を示す図である。図４は、本発明の適用例２の構成例を示す図である。図５は、本発明の適用例３の構成例を示す図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ・・・金属
Ｃ・・・生成水
Ｄ・・・絶縁体
Ｅ・・・電圧源(電圧印加手段)
１・・・燃料電池
１Ａ・・・燃料入口
１Ｂ・・・燃料出口
１Ｃ・・・燃料通路
１Ｇ・・・冷却水入口
１Ｈ・・・冷却水出口
１Ｉ・・・冷却水通路
４，５，７，９，１５，１７，１９，２１，２３，２５・・・配管
６，１６・・・気液分離器
８，２０・・・循環ポンプ
２４・・・三方弁
２６，２７・・・バイパス管

Claims

金属イオンを含む水が流れる配管と、
前記配管内に前記水と接触するように設けられ、前記金属イオンよりも高いイオン化傾向を有する金属と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記配管は、金属配管であり、
前記金属は、前記金属配管に対して絶縁されており、
前記金属が陰極となり前記金属配管が陽極となるように電圧を印加する電圧印加手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水は、ニッケルイオンとクロムイオンとの少なくとも一方を含み、
前記金属は主たる成分としてアルミニウムを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記配管は、燃料電池システムに含まれる燃料電池の一部を構成、又は該燃料電池に接続されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。