JP2020013724A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でイオン交換器（イオン交換樹脂）の熱劣化を防止又は抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する水素供給配管１４をイオン交換器７０に沿って配設するだけで、イオン交換器７０と水素供給配管１４に流れる水素ガスが熱交換することによりイオン交換器７０を冷却して、イオン交換器７０（イオン交換樹脂）の熱劣化を防止又は抑制する。すなわち、イオン交換器７０（イオン交換樹脂）を冷却するために専用の機器を新たに設けることなく、既存の水素供給配管１４をイオン交換器７０に沿って配設するだけでイオン交換器７０を冷却することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムには、発電により加熱されたセルを冷却するために冷却液を循環させる冷却システムが設けられている。この冷却システムは、燃料電池を冷却することによって加熱された冷却液を熱交換器、例えば、ラジエータとファンからなる熱交換器で冷却し、再び燃料電池の冷却に供している。

この冷却システムでは、システムに接続された部品からの溶出、冷却液の熱劣化等の理由により冷却液内に不純物イオンが生成される。冷却液中の不純物イオン濃度が高くなると、燃料電池で発電された電気が冷却液を媒体として外部に漏洩するおそれがある。そこで、冷却液の循環配管上に設けられたバイパス配管にイオン交換器を設け、イオン交換器で冷却液中の不純物イオンを除去することが提案されている。

上記構成の場合、燃料電池のセルの冷却に用いられた高温の冷却液がイオン交換器に供給されるので、イオン交換器を構成するイオン交換樹脂が熱劣化するという問題があった。

そこで、バイパス配管においてイオン交換器の上流側に電子冷却素子を配置し、電子冷却素子によって冷却された冷却液をイオン交換器に供給することで、イオン交換樹脂の熱劣化を防止する構成が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−３４４８号公報

しかし、上記文献に記載され燃料電池の冷却システムは、冷却液を冷却するために専用の電子冷却素子が新たに必要となり、コストが増大する。この点において、改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、簡単な構成でイオン交換器の熱劣化を防止又は抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却液を熱交換により冷却する熱交換器と、を備える冷却液循環配管と、前記冷却液循環配管において前記燃料電池と並列に設けられたバイパス配管と、前記バイパス配管に設けられたイオン交換器と、前記冷却液よりも低温の媒体が流れると共に、前記イオン交換器と熱交換可能に配設された既存の媒体配管と、を備える。

このように構成された燃料電池システムでは、燃料電池と熱交換器とを備える冷却液循環配管が設けられている。したがって、熱交換器で冷却された冷却液が燃料電池に供給されることにより、燃料電池を冷却することができる。

また、冷却液循環配管の燃料電池と並列にバイパス配管が設けられ、バイパス配管上にはイオン交換器が設けられている。したがって、燃料電池を冷却することにより不純物イオンが生成された冷却液がバイパス配管に導かれ、イオン交換器で冷却液から不純物イオンが除去され、冷却液中の不純物イオン濃度が高くなることが防止される。

さらに、イオン交換器は、冷却液よりも低温の媒体が流れる媒体配管と熱交換可能とされているため、媒体配管を流れる媒体によってイオン交換器が冷却される。したがって、燃料電池を冷却することによって高温となった冷却液がイオン交換器に供給されても、媒体配管を流れる媒体と熱交換されることによってイオン交換器が冷却されているため、イオン交換器を構成するイオン交換樹脂が熱劣化することが防止又は抑制される。

また、イオン交換器は冷却液循環配管上で燃料電池と並列に配置されているため、燃料電池で加熱された冷却液が直接供給されることはなく、熱交換器で冷却された後にイオン交換器に供給される。したがって、イオン交換器に供給される冷却液が燃料電池から直接供給される場合と比較して相対的に低温とされるため、イオン交換器を構成するイオン交換樹脂が熱劣化することが一層防止又は抑制される。

さらに、イオン交換器は、冷却液よりも低温の媒体が流れる既存の媒体配管と熱交換可能とするだけで良いので、イオン交換器（又はイオン交換器に進入する冷却液）を冷却するために専用の機器を新たに設けることなく、簡単な構成でイオン交換器を冷却することができる。

請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、上記構成としたので、簡単な構成でイオン交換器の熱劣化を防止又は抑制することができる。

一実施形態に係る燃料電池システムを示す図である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて図１を参照して説明する。本実施形態では、電気自動車に適用された燃料電池システムについて説明する。

［構成］
（燃料電池）
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１２には、図示しない燃料極、酸化剤極及び両極間に介在された固体電解質膜によって構成されたセルが多層に積層されている。なお、燃料電池スタック１２が燃料電池に相当する。

この燃料電池スタック１２に対する燃料（水素）ガスの供給配管（以下、「水素供給配管」という）１４と、酸化剤（空気）の供給配管（以下、「空気供給配管」という）１６と、その排出ガス等の排出配管１８とについて先ず説明し、次に、燃料電池スタック１２の冷却システム２０について説明する。

（水素供給配管）
水素供給配管１４は、水素ガスが貯留された水素ガスタンク２２から燃料電池スタック１２のセルの燃料極まで延在するものである。水素供給配管１４には、上流側から、遮断弁２４と、水素ガスを所定の圧力に減圧する調圧弁２６と、水素ガスの流量制御を行うインジェクタ２８と、後述するイオン交換器７０と熱交換を行う熱交換部３０と、が設けられている。なお、水素供給配管１４が媒体配管に相当する。

また、燃料電池スタック１２のセルの燃料極の下流（排出）側には、下流側配管３２が配設されている。下流側配管３２には、排出ガスを気体と液体に分離する気液分離器３４が配設されている。気液分離器３４の気体排出口と水素供給配管１４は、循環ポンプ３６を介して循環配管３８で連通されている。すなわち、気液分離器３４で排出ガスから分離された気体（ガス）は循環配管３８を介して水素供給配管１４に戻され、燃料電池スタック１２のセルの燃料極に再び供給される。

一方、気液分離器３４の液体排出口は、排水弁４０を介して排出配管１８と連通されており、液体は排出配管１８を介して外部に排出される構成である。

これらの遮断弁２４、調圧弁２６、インジェクタ２８、循環ポンプ３６等は、制御部９０で制御されている。

（空気供給配管）
空気供給配管１６は、図示しない吸入フランジから吸入された空気（吸気）を燃料電池スタック１２のセルの酸化剤極に導くものである。空気供給配管１６には、上流側から、吸入フランジから吸入した空気を圧縮するコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４で圧縮された空気を後述する冷却液で冷却するインタークーラー４６と、酸化剤極に供給される空気量を調整し、余分な空気を排出配管１８に排出する分流弁４８とが配設されている。

なお、燃料電池スタック１２のセルの酸化剤極の下流（排出）側は、調圧弁５０を介して排出配管１８に連通されている。

これらの分流弁４８、調圧弁５０等は、制御部９０で制御されている。

（冷却システム）
燃料電池システム１０の冷却システム２０は、燃料電池スタック１２等に冷却液を循環させる冷却液循環配管５２を備えている。

冷却液循環配管５２には、燃料電池スタック１２から下流側に向って、後述する切換弁５６と、燃料電池スタック１２で加熱された冷却液を冷却する熱交換器５８と、冷却液の温度を検出する温度センサ６０と、冷却液循環配管５２上を冷却液を循環させる冷却液ポンプ６２と、が配設されている。

なお、熱交換器５８は、ラジエータ６４と、ラジエータ６４に送風するファン６６とから構成されている。

また、冷却液循環配管５２において切換弁５６と温度センサ６０の上流側とを連通させる第１バイパス配管５４が形成されている。すなわち、冷却液循環配管５２において熱交換器５８と並列に第１バイパス配管５４が形成されている。したがって、切換弁５６を切り換えることにより、冷却液循環配管５２の切換弁５６よりも上流側と下流側とを連通させるか、上流側と第１バイパス配管５４とを連通させるか切り換え可能に構成されている。

さらに、冷却液循環配管５２において冷却液ポンプ６２の下流側と切換弁５６の上流側とを連通させる第２バイパス配管６８が設けられている。すなわち、冷却液循環配管５２において第２バイパス配管６８は、燃料電池スタック１２と並列に設けられている。

第２バイパス配管６８上には、イオン交換器７０が配設されている。イオン交換器７０の外周に沿って水素供給配管１４が巻回されており、これにより熱交換部３０が構成されている。すなわち、水素供給配管１４（水素ガス）とイオン交換器７０が熱交換することによってイオン交換器７０が冷却される構成である。

さらに、冷却液循環配管５２において第２バイパス配管６８の分岐位置よりも下流側と燃料電池スタック１２の下流側とを連通する第３バイパス配管７２が形成されている。すなわち、冷却液循環配管５２において第３バイパス配管７２は、燃料電池スタック１２と並列に設けられている。この第３バイパス配管７２上には、インタークーラー４６が配設されている。これにより、インタークーラー４６に冷却液が供給され、圧縮された空気が冷却される構成である。

また、冷却液循環配管５２の複数ヶ所からリザーブタンク７４に連通配管７６、７８、８０が形成されている。このリザーブタンク７４は、冷却液中に気泡が発生した場合に、冷却液をリザーブタンク７４に導き、冷却液から気泡を除去するためのものである。

これらの冷却液ポンプ６２、切換弁５６、ラジエータ６４、ファン６６等は、制御部９０で制御されている。

［作用］
次に、このように構成された燃料電池システム１０の作用について説明する。

先ず、制御部９０が、燃料電池スタック１２を駆動する。すなわち、水素ガスタンク２２内の水素ガスは、水素供給配管１４を介して燃料電池スタック１２のセルの燃料極に、吸入された空気は空気供給配管１６を介して燃料電池スタック１２のセルの酸化剤極に供給される。

具体的には、制御部９０によって遮断弁２４が開放されることによって水素ガスタンク２２から供給される水素ガスは、調圧弁２６で所定の圧力まで減圧され、インジェクタ２８で所定の流量と圧力に制御された後、熱交換部３０を通過して燃料電池スタック１２のセルの燃料極に供給される。

また、吸気された空気は、コンプレッサ４４で圧縮され、インタークーラー４６で冷却された後、分流弁４８で所定の流量とされ燃料電池スタック１２の酸化剤極に供給される。

このように、燃料電池スタック１２のセルの燃料極、酸化剤極に水素と空気がそれぞれ供給されることにより、セルで発電が行われる。

この燃料電池スタック１２の駆動と共に、制御部９０によって冷却システム２０が駆動される。具体的には、冷却液ポンプ６２が駆動され、車両の走行風及びファン６６の駆動によってラジエータ６４で冷却された冷却液が燃料電池スタック１２に供給され、発電により加熱されたセルが冷却される。燃料電池スタック１２で加熱された冷却液は切換弁５６を介してラジエータ６４に送られ、再度冷却される。

ところで、熱交換器５８（ラジエータ６４）で冷却された冷却液は、冷却液ポンプ６２を通過した後、第２バイパス配管６８、第３バイパス配管７２にも供給される。

第２バイパス配管６８に供給された冷却液は、イオン交換器７０に供給され、冷却液中に含まれる不純物イオンが冷却液から除去される。このように不純物イオンが除去された冷却液は、冷却液循環配管５２において燃料電池スタック１２の下流側に戻される。

ここで、イオン交換器７０の外周には水素供給配管１４が巻回されており、熱交換部３０とされている。すなわち、イオン交換器７０は、熱交換部３０で水素ガスと熱交換することにより冷却されている。

また、第３バイパス配管７２に供給された冷却液は、インタークーラー４６に供給され、インタークーラー４６内でコンプレッサ４４で圧縮された空気と熱交換する（圧縮された空気を冷却する）。これによって加熱された冷却液は、冷却液循環配管５２において燃料電池スタック１２の下流側に戻される。

なお、制御部９０は、ラジエータ６４の下流側で温度センサ６０で検出された冷却液の温度が所定温度以下の場合には、熱交換器５８で冷却液を冷却させることが不要であると判断して、切換弁５６を切り換え、冷却液循環配管５２の切換弁５６より上流側と下流側を遮断すると共に、上流側と第１バイパス配管５４とを連通する。これにより、熱交換器５８（ラジエータ６４）で冷却することなく、冷却液を再度使用可能としている。

このように、燃料電池システム１０では、イオン交換器７０に水素供給配管１４を沿わせる（巻回する）ことで熱交換部３０を構成し、水素ガスと熱交換することでイオン交換器７０が冷却され、イオン交換器７０を構成するイオン交換樹脂の熱劣化を防止又は抑制することができる。

特に、燃料電池自動車の燃料電池システム１０で必須の構成要素である水素供給配管１４をイオン交換器７０に沿わせるだけで良いため、冷却するために新たな装置を必要とせず、簡単な構成で済む。

また、冷却液循環配管５２において、第２バイパス配管６８（イオン交換器７０）は燃料電池スタック１２と並列に配置されているため、燃料電池スタック１２で加熱された冷却液がイオン交換器７０に直接供給されることはなく、熱交換器５８で冷却された後、イオン交換器７０に供給される。したがって、イオン交換器７０を構成するイオン交換樹脂の熱劣化を一層防止又は抑制することができる。

［その他］
なお、上記実施形態では、燃料電池スタック１２に供給する水素供給配管１４をイオン交換器７０に沿わせる（巻回させる）ことで熱交換可能としたが、これに限定するものではない。熱交換可能であれば、他の形態でも良い。

また、本実施形態では、イオン交換器７０と熱交換するものを水素供給配管１４としたが、イオン交換器７０に沿わせる配管を流れる媒体は冷却液よりも低温の媒体であれば特に限定するものではない。

ただし、自動車においてイオン交換器７０を冷却するために新たな構成要素を追加しないという観点から、自動車の既存システムであるエアコンの媒体配管や電気自動車の冷却系の配管等を適用することが考えられる。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池スタック（燃料電池）
１４ 水素供給配管（媒体配管）
２２ 水素ガスタンク
５２ 冷却液循環配管
６８ 第２バイパス配管（バイパス配管）
５８ 熱交換器
７０ イオン交換器

Claims (1)

1. 燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却液を熱交換により冷却する熱交換器と、を備える冷却液循環配管と、
   前記冷却液循環配管において前記燃料電池と並列に設けられたバイパス配管と、
   前記バイパス配管に設けられたイオン交換器と、
   前記冷却液よりも低温の媒体が流れると共に、前記イオン交換器と熱交換可能に配設された既存の媒体配管と、
   を備える燃料電池システム。