JP4113715B2

JP4113715B2 - 燃料電池用冷却システム

Info

Publication number: JP4113715B2
Application number: JP2002046589A
Authority: JP
Inventors: 晃次鈴木
Original assignee: 東洋▲ろ▼機製造株式会社
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003249249A

Description

【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、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】
そこで本発明の目的は、燃料電気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。
【００１９】
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（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。
【００２０】
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。
【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１３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１１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１８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

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。