JP4114577B2 - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の冷媒中の不純物を除去する不純物除去装置を備えた燃料電池の冷却装置に関する。

燃料電池、たとえば固体高分子型燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードで挟んだＭＥＡ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）と、セパレータとを含む単位燃料電池を、複数積層したものから構成される。発電反応における発熱により燃料電池が許容温度を超えることを抑制するために、燃料電池には単位燃料電池間に冷却水が通水され、燃料電池が冷却される。この冷却水は、燃料電池、冷却水タンク、熱交換器、循環ポンプ等を含む冷却水系で循環されて適正温度に制御される。

単位燃料電池が所定の電圧を出力するには、膜を挟んで対向するセパレータ同士が電気的に絶縁されていなければならない。冷却水が燃料電池スタック内のマニホルドを通る時に膜を挟んで対向するセパレータ同士を導通してはならない。そのため、冷却水中の不純物が除去されなければならない。不純物除去装置は、通常、イオン交換樹脂やフィルタ等の不純物除去部材を含む。

しかし、不純物除去部材が劣化してくると冷却水中の不純物量が増えて、燃料電池の発電性能が低下するのでその劣化度合は検出されなければならない。

不純物除去装置の不純物除去部材がイオン交換樹脂である場合には、つぎの問題がある。
イ） 燃料電池自動車において生成水の浄化または冷却水の低導電率維持を目的としてイオン交換樹脂を搭載する際、搭載スペース、組付性、サービス性、水の流れ性等による制約があり、不純物除去装置の容器を縦置きにして上から下に通水させることが困難である。容器を縦置きにして下から上に通水させたり容器を横置きにすると、通水時に発生する隙間が容器の下側であったり横であるため（容器の上側にならないため）、樹脂分離、破砕、部分脱塩が発生しやすい。
ロ） 燃料電池自動車にイオン交換樹脂を搭載する場合、イオン交換樹脂が車両振動等の外力を受けるため、不純物除去装置が据置型である場合に比べて樹脂が浮遊しやすく、それにより樹脂分離、破砕、部分脱塩が発生しやすい。

燃料電池の冷却水系に配置され、イオン交換樹脂の分離、破砕および部分脱塩発生を抑えた不純物除去装置は、特開２００１−３５５１９号公報に開示されている。公報に開示された不純物除去装置は、カートリッジ式であり、イオン交換樹脂を容器の軸方向（水流れ方向）に押圧するばねを有している。

しかし、公報に開示された不純物除去装置には、イオン交換樹脂の劣化を検出する検出装置が設けられていない。そのため、イオン交換樹脂が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を判断することが困難である。
特開２００１−３５５１９号公報

本発明が解決しようとする問題点は、不純物除去装置の不純物除去部材の寿命判断が困難なことである。本発明の目的は、不純物除去装置の不純物除去部材の劣化の度合を容易に判断できる燃料電池の冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）燃料電池の冷媒中の不純物を除去する不純物除去装置を備えた燃料電池の冷却装置であって、前記不純物除去装置は、不純物除去部材と、該不純物除去部材を収容する容器と、前記不純物除去部材の劣化を検出する検出装置とを、備えており、
前記検出装置は、前記不純物除去部材の劣化に伴うサイズの変化を検出する、
燃料電池の冷却装置。
「劣化に伴うサイズの変化」とは、不純物除去装置（イオン交換樹脂、フィルタ）のサイズの大きさの変化や初期（新品）形状からの形状変化、容器内での初期位置からの位置の変化、その位置変化に伴う移動量、不純物除去装置の初期状態からの重さの変化、あるいはそのサイズ変化に関連する不純物除去装置の物理パラメータの変化の少なくとも一つで代用することが可能である。なお、物理パラメータとは不純物除去装置（イオン交換樹脂、フィルタ）を通過する冷媒の状態を検出することから得られる情報であってもよい。冷媒の状態とは、例えば不純物除去装置の下流における冷媒の導電率（イオン量）の状態や、冷媒の流量、圧力、流速から検出してもよい。また下流だけでなく、不純物除去装置の上流の冷媒の状態をあわせて検出して、下流の冷媒の状態と比較してもよい。
（２）前記不純物除去装置は、前記容器内で前記不純物除去部材を冷媒流れ方向下流側に押す押し部材を備えている、（１）請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
（３）前記検出装置は、前記不純物除去部材の劣化を表示する表示装置を含む、（１）記載の燃料電池の冷却装置。
「不純物除去装置の劣化を表示する表示装置」は、不純物除去装置の劣化に伴う変化を容器外部から直接または間接的に目視可能な構成であったり、不純物除去装置の劣化に伴う物理的な変化を検出するセンサを容器に設け、その情報を電気的な信号を介してランプやディスプレイ等で光として表示したり、あるいは音として出力してもよい。
（４）前記表示装置は、前記容器の壁に形成された透明または半透明な窓部材を含む、（３）記載の燃料電池の冷却装置。
（５）前記表示装置は、前記容器の少なくとも一部を構成し透明または半透明な前記容器の壁を含む、（３）記載の燃料電池の冷却装置。
（６）前記表示装置は、前記不純物除去装置の劣化に対応して前記容器に対して移動可能な表示部材を含む、（３）記載の燃料電池の冷却装置。
（７）前記検出装置は、前記不純物除去部材の劣化に伴うサイズの変化を検出するセンサを備えている、（１）記載の燃料電池の冷却装置。「劣化に伴うサイズの変化」とは、上記（１）で説明した「劣化に伴うサイズの変化」に準じる。

上記（１）〜（７）の燃料電池の冷却装置では、不純物除去装置が不純物除去部材の劣化を検出する検出装置を備えているので、不純物除去装置が検出装置を備えていない場合に比べて、不純物除去部材の劣化の度合を容易に判断できる。
上記（２）の燃料電池の冷却装置では、不純物除去装置が押し部材を備えているので、不純物除去部材が収縮した場合でも収縮によって発生した隙間を無くすことができる。

上記（３）の燃料電池の冷却装置では、検出装置が表示装置を含むので、表示装置を見たりすることにより不純物除去部材の劣化の度合を判断できる。

上記（４）の燃料電池の冷却装置では、検出装置が透明または半透明な窓部材を含むので、容器内に収容された不純物除去部材の収縮量や色の変化を、または不純物除去装置が押し部材を備えている場合には不純物除去部材の収縮に伴う押し部材の移動量を、容器の外から目視することができる。そのため、非常に単純な構造でかつ低コストで、不純物除去部材の劣化の度合を容易に判断できる。
上記（５）の燃料電池の冷却装置では、検出装置が透明または半透明な容器の壁を含むので、容器内に収容された不純物除去部材の収縮量や色の変化を、または不純物除去装置が押し部材を備えている場合には不純物除去部材の収縮に伴う押し部材の移動量を、容器の外から目視することができる。そのため、非常に簡単な構造でかつ低コストで、不純物除去部材の劣化の度合を容易に判断できる。

上記（６）の燃料電池の冷却装置では、検出装置が不純物除去装置の劣化に対応して容器に対して移動可能な表示部材を含むので、表示部材の移動量で容器内に収容された不純物除去部材の収縮量を検出できる。そのため、表示部材を見るだけで不純物除去部材の劣化の度合を容易に判断できる。
上記（７）の燃料電池の冷却装置では、不純物除去部材の劣化に伴うサイズの変化や色の変化をセンサで検出することにより、不純物除去部材の劣化の度合を判断できる。

本発明実施例１の燃料電池の冷却装置を、図１、図６〜図８を参照して、説明する。

燃料電池、たとえば固体高分子型燃料電池は、電解質膜をアノードとカソードで挟んだＭＥＡ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）と、セパレータとを含む単位燃料電池を、複数積層したものから構成される。発電反応における発熱により燃料電池が許容温度を超えることを抑制するために、燃料電池には単位燃料電池間に、冷媒（冷却水）が通水され燃料電池が冷却される。この冷媒は、図８に示すように、冷却装置１０で循環されて適正温度に制御される。冷却装置１０は、主通路２０とバイパス通路３０を有し、燃料電池４０、冷却水タンク４１、循環ポンプ４２、熱交換器（ラジエータ）４３、切替弁（温度感応弁）４４、三方弁４５、導電率センサ４６、不純物除去装置５０を備える。図８において、符号６０は、制御装置である。導電率センサ４６は、主通路２０を通る冷媒の導電率に応じた信号を制御装置６０に送る。信号を受けた制御装置６０は、導電率センサ４６から得られる冷媒の導電率に基づいて、主通路２０からバイパス通路３０に流れる量の割合を決める。導電率センサ４６は、不純物除去装置５０の後述の不純物除去部材５１の劣化の度合を判断するためには設けられていない。
不純物除去装置５０は、バイパス通路３０に設けられている。
不純物除去装置５０は、燃料電池４０の冷媒中の不純物を除去する。不純物除去装置５は、図１に示すように、不純物除去部材５１と、不純物除去部材５１を収容する容器５２と、不純物除去部材５１の劣化を検出する検出装置５３と、押し部材５４とを、備える。不純物除去装置５０は、さらに、フィルタ５５を備える。

不純物除去部材５１は、冷媒中のイオン物質を低減するイオン交換樹脂であってもよく、冷媒中の塵（たとえば、冷却通路、ポンプ、熱交換器（ラジエータ）等の液が接触する内壁からの塵）を除去するフィルタ（濾過器）であってもよい。以下、本発明実施例では、不純物除去部材５１がイオン交換樹脂である場合を説明する。

不純物除去装置５０は、たとえば、容器５２を縦置きにし容器５２の下から上に冷媒を通して、使用される。ただし、不純物除去装置５０は、１）容器５２を縦置きにし容器５２の上から下に冷媒を通して使用されていてもよく、２）容器５２を横置きにし容器５２の左右一側から左右他側に冷媒を通して使用されていてもよく、３）図７に示すように、容器５２を縦置きにし冷媒を容器５２の下から容器５２内に入れて容器５２内でＵターンさせて容器５２の下から出して使用されていてもよい。以下、本発明実施例では、図１に示すように、不純物除去装置５０が容器５２を縦置きにし容器５２の下から上に冷媒を通して使用される場合を例にとって説明する。

不純物除去部材５１は、粒状のアニオン樹脂と粒状のカチオン樹脂とが規則性なく混ざり合ったものである。不純物除去部材５１は、容器５２の横断面が一定な部分に収容されている。不純物除去部材５１が容器５２の横断面一定部分に収容されているのは、不純物除去部材５１が有効に活用できないコーナーができることを防止して、不純物除去部材５１全体を有効に活用するためである。

容器５２の形状は、上下壁を有する円筒形状である。容器５２の下壁には、容器５２内に冷媒が入り込む入口５２ａがある。容器５２の上壁には、容器５２内に入り込んだ冷媒が容器５２から出る出口５２ｂがある。

検出装置５３は、不純物除去部材５１の劣化を表示する表示装置５３ａを含む。表示装置５３ａは、容器５２の側壁に形成された透明または半透明な窓部材５３ｂである。窓部材５３ｂは、容器５２の側壁のうち、容器５２の内部に押し部材５４の可動キャップ５４ａが位置する側壁部分に設けられるか、または、容器５２の側壁のうち、容器５２の内部に不純物除去部材５１が位置する側壁部分に設けられる。

押し部材５４は、容器５２内に設けられる。押し部材５４は、不純物除去部材５１の冷媒流れ方向上流側端と、不純物除去部材５１の冷媒流れ方向上流側に配置される上流側フィルタ５５ａとに、接触する。ただし、押し部材５４は、上流側フィルタ５５ａのみに接触していてもよい。

押し部材５４は、（イ）図１に示すように、容器５２内を冷媒流れ方向に移動可能な可動キャップ５４ａと、可動キャップ５４ａを冷媒流れ方向下流側に押す付勢スプリング５４ｂと、からなっていてもよく、（ロ）図６に示すように、容器５２内を冷媒流れ方向に移動可能な可動キャップ５４ａのみからなっていてもよい。
押し部材５４が可動キャップ５４ａと付勢スプリング５４ｂとからなる場合（（イ）の場合）、付勢スプリング５４ｂの付勢力により、可動キャップ５４ａは不純物除去部材５１を冷媒流れ方向の下流側（図１の図面上方）に押す。
押し部材５４が可動キャップ５４ａのみからなる場合（（ロ）の場合）、可動キャップ５４ａの比重は、可動キャップ５４ａを中空形状にすること等により、冷媒の比重よりも小さくされる。可動キャップ５４ａの比重を冷媒の比重よりも小さくして常に可動キャップ５４ａを不純物除去部材５１側に浮き上がらせることにより、付勢スプリング５４ｂを設けない場合でも可動キャップ５４ａは不純物除去部材５１を押す。
可動キャップ５４ａは、不純物除去部材５１が劣化することに伴うサイズの変化（樹脂収縮）に伴って、冷媒流れ方向の下流側（図１の図面上方）に移動する。

フィルタ５５は、容器５２内に配置されている。フィルタ５５は、不純物除去部材５１より冷媒流れ方向上流側に位置する上流側フィルタ５５ａと、不純物除去部材５１より冷媒流れ方向下流側に位置する下流側フィルタ５５ｂと、からなる。

上流側フィルタ５５ａは、容器５２内を冷媒流れ方向に移動可能である。上流側フィルタ５５ａは、可動キャップ５４ａと一体的に移動可能である。上流側フィルタ５５ａは、可動キャップ５４ａと一体的に移動可能であるので、不純物除去部材５１が収縮しまたは変形して不純物除去部材５１のサイズが変わった場合でも、不純物除去部材５１の冷媒流れ方向上流側端に接触している。
下流側フィルタ５５ｂは、容器５２に対して移動不能である。

ここで、本発明実施例１の作用、効果を説明する。

主通路２０を通る冷媒の導電率（導電率センサ４６により検出される）がゼロまたはほぼゼロのとき、バイパス通路３０に流れる量はゼロまたは小である。バイパス通路３０に流れる量を少なくして流路抵抗を低減しポンプロスを少なくするためである。
主通路２０を通る冷媒の導電率が高くなってくると、バイパス通路３０を通る水量を多くし、不純物除去装置５０でイオン濃度を低減する。

不純物除去装置５０を使用することにより不純物除去部材５１が劣化したとき、不純物除去部材５１は収縮し、変色する。
本発明実施例１では、表示装置５３ａが透明または半透明な窓部材５３ｂであるので、窓部材５３ｂが容器５２の側壁のうち容器５２の内部に可動キャップ５４ａが位置する側壁部分に形成される場合、樹脂収縮に伴う可動キャップ５４ａの移動量を容器５２の外から視認することができる。また、窓部材５３ｂが、容器５２の側壁のうち容器５２の内部に不純物除去部材５１が位置する側壁部分に形成される場合、不純物除去部材５１の劣化に伴う収縮量や色の変化を容器５２の外から視認することができる。したがって、可動キャップ５４ａの移動量または不純物除去部材５１の収縮量が予め決めておいた量に達したか否かを目で見ることで、または、不純物除去部材５１が所定の色まで変化したか否かを目で見ることで、不純物除去部材５１が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を容易に判断できる。

本発明実施例２の燃料電池の冷却装置を、図２を参照して、説明する。ただし、本発明実施例１に準じる部分には、実施例１と同じ符号を付すことにより、準じる部分の説明を省略する。

本発明実施例２では、表示装置５３ａが、容器５２の少なくとも一部を構成し透明または半透明な容器の壁５３ｃである場合を示している。壁５３ｃは、容器５２の全体にわたって設けられていてもよく、容器５２の側壁部分のみに設けられていてもよい。
表示装置５３ａが壁５３ｃであるので、容器５２内に収容された不純物除去部材５１の劣化に伴う収縮量や色の変化を、および樹脂収縮に伴う可動キャップ５４ａの移動量を容器５２の外から視認することができる。そのため、非常に簡単な構造でかつ低コストで、不純物除去部材５１が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を容易に判断できる。
本発明実施例３の燃料電池の冷却装置を、図３を参照して、説明する。ただし、本発明実施例１に準じる部分には、実施例１と同じ符号を付すことにより、準じる部分の説明を省略する。
本発明実施例３では、表示装置５３ａが不純物除去部材５１の劣化に対応して容器５２に対して移動可能な表示部材５３ｄである場合を示している。表示部材５３ｄは、たとえば容器５２の内側から外側まで延びる棒である。棒状の表示部材５３ｄは、容器５２内に位置する側の端部で可動キャップ５４ａに取付けられており、容器５２に設けられる穴５２ｃを通って容器５２の外に延びている。表示部材５３ｄは、イオン交換樹脂の劣化に伴うサイズ変化に対応して可動キャップ５４ａとともに容器５２に対して冷媒流れ方向（図３の図面上方）に移動可能である。表示部材５３ｄと穴５２ｃとの間には容器５２内の冷媒が穴５２ｃから容器５２の外に抜けることを防止するために図示略のシール部材が設けられている。
表示部材５３ｄが可動キャップ５４ａに取付けられているので、不純物除去部材５１が劣化により収縮したとき、表示部材５３ｄは不純物除去部材５１が収縮した分だけ可動キャップ５４ａとともに容器５２に対して冷媒流れ方向下流側に移動する。そのため、表示部材５３ｄがどれだけ容器５２内に入り込んだかを容器５２の外から視認することにより不純物除去部材５１が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を容易に判断できる。
本発明実施例３では、表示部材５３ｄが可動キャップ５４ａに取付けられる場合を説明したが、表示部材５３ｄは可動キャップ５４ａではなく上流側フィルタ５５ａに取付けられていてもよい。また、本発明実施例３では、表示部材５３ｄがどれだけ容器５２内に入り込んだかを容器５２の外から視認することにより不純物除去部材５１が寿命に達したか否かを判断しているが、容器５２の外から表示部材５３ｄを視認する代わりに、図９に示すように、表示部材５３ｄが容器５２内に所定量以上入り込んだときに運転席のランプ、ディスプレイに表示したり警報音を鳴らしたり音声で運転者に知らせたりすることにより、不純物除去部材５１が寿命に達したか否かを容易に判断できるようにしてもよい。
本発明実施例４の燃料電池の冷却装置を、図４を参照して、説明する。ただし、本発明実施例１に準じる部分には、実施例１と同じ符号を付すことにより、準じる部分の説明を省略する。

本発明実施例４では、検出装置５３が、不純物除去部材５１の劣化に伴うサイズ、色の少なくとも一方の変化を検出するセンサ５３ｅを備える場合を示している。
センサ５３ｅは、容器５２の側壁のうち、容器５２の内部に可動キャップ５４ａが位置する側壁部分に取付けられるか、または、容器５２の側壁のうち、容器５２の内部に不純物除去部材５１が位置する側壁部分に取付けられる。センサ５３ｅは、容器５２に設けられるセンサ取付け用の穴５２ｄに取付けられる。センサ５３ｅと穴５２ｄとの間には、容器５２内の冷媒が穴５２ｄから容器５２の外に抜けることを防止するために、シール部材７０が設けられている。
検出装置５３がセンサ５３ｅを備えているので、センサ５３ｅが容器５２の側壁のうち容器５２の内部に可動キャップ５４ａが位置する側壁部分に取付けられる場合、不純物除去部材５１の収縮に伴う可動キャップ５４ａの移動量をセンサ５３ｅで検出できる。また、センサ５３ｅが容器５２の側壁のうち不純物除去部材５１が位置する部分に取付けられる場合、不純物除去部材５１の劣化に伴う樹脂収縮量や色の変化をセンサ５３ｅで検出できる。その結果、不純物除去除去部材５１が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を容易に判断できる。

また、可動キャップ５４ａが所定量以上移動したり、不純物除去部材５１が所定量以上収縮したり、不純物除去部材５１の色が所定の色まで変化したときに、運転席のランプ、ディスプレイに表示したり警報音を鳴らしたり音声で運転者に知らせたりすることにより、不純物除去部材５１が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を容易に判断できる。

本発明実施例５の燃料電池の冷却装置を、図５を参照して、説明する。ただし、本発明実施例１に準じる部分には、実施例１と同じ符号を付すことにより、準じる部分の説明を省略する。
本発明実施例５では、検出装置５３が冷媒（冷却水）中のイオン濃度または導電率を検出可能な導電率センサ５３ｆを備える場合を示している。導電率センサ５３ｆは、冷媒の流れ方向で容器５２より下流側に配置される。
不純物除去装置５０を通った後の冷媒の導電率を測定することで、不純物除去部材５１が寿命に達したか否か（交換時期にあるか否か）を判断できる。

本発明実施例５では、導電率センサ５３ｆが冷媒流れ方向で容器５２の下流側に配置される場合を説明したが、導電率センサ５３ｆは冷媒流れ方向で容器５２の下流側だけでなく容器５２の上流側にも配置されていてもよい。導電率センサ５３ｆが容器５２より上流側にも配置されている場合、容器５２の入口５２ａと出口５２ｂの導電率の改善度合いを見ることにより不純物除去部材５１の劣化状態を判断できる
なお、上記導電率センサの代わりに冷却水通路の冷媒の流量、圧力、流速でもよい。

本発明実施例１の不純物除去装置の断面図である。 本発明実施例２の不純物除去装置の断面図である。 本発明実施例３の不純物除去装置の断面図である。 本発明実施例４の不純物除去装置の断面図である。 本発明実施例５の不純物除去装置の断面図である。 押し部材が可動キャップのみからなる場合の、不純物除去装置の断面図である。 不純物除去部材が容器内の複数部分に配置されている場合を示す、不純物除去装置の断面図である。 本発明の燃料電池の冷却装置を示すシステム図である。 本発明の燃料電池の冷却装置を示すシステム図である。

符号の説明

１０ 燃料電池の冷却装置
２０ 主通路
３０ バイパス通路
４０ 燃料電池
４１ 冷却水タンク
４２ 循環ポンプ
４３ 熱交換器
５０ 不純物除去装置
５１ 不純物除去部材
５２ 容器
５２ａ 容器の入口
５２ｂ 容器の出口
５３ 検出装置
５３ａ 表示装置
５３ｂ 窓部材
５３ｃ 壁
５３ｄ 表示部材
５３ｅ センサ
５３ｆ 導電率センサ
５４ 押し部材
５４ａ 可動キャップ
５４ｂ 付勢スプリング
５５ フィルタ
５５ａ 上流側フィルタ
５５ｂ 下流側フィルタ

Claims (7)

1. 燃料電池の冷媒中の不純物を除去する不純物除去装置を備えた燃料電池の冷却装置であって、
   前記不純物除去装置は、不純物除去部材と、該不純物除去部材を収容する容器と、前記不純物除去部材の劣化を検出する検出装置とを、備えており、
   前記検出装置は、前記不純物除去部材の劣化に伴うサイズの変化を検出する、
   燃料電池の冷却装置。
2. 前記不純物除去装置は、前記容器内で前記不純物除去部材を冷媒流れ方向下流側に押す押し部材を備えている、請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
3. 前記検出装置は、前記不純物除去部材の劣化を表示する表示装置を含む、請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
4. 前記表示装置は、前記容器の壁に形成された透明または半透明な窓部材を含む、請求項３記載の燃料電池の冷却装置。
5. 前記表示装置は、前記容器の少なくとも一部を構成し透明または半透明な前記容器の壁を含む、請求項３記載の燃料電池の冷却装置。
6. 前記表示装置は、前記不純物除去装置の劣化に対応して前記容器に対して移動可能な表示部材を含む、請求項３記載の燃料電池の冷却装置。
7. 前記検出装置は、前記不純物除去部材の劣化に伴うサイズの変化を検出するセンサを備えている、請求項１記載の燃料電池の冷却装置。

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