JP4765250B2

JP4765250B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4765250B2
Application number: JP2003427322A
Authority: JP
Inventors: 信也坂口; 秀樹柏木; 弘康工藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2005190705A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である

燃料電池システムには通常、燃料電池内部に冷却水を循環させて燃料電池を冷却する冷却システムが設けられている。このような冷却システムでは、冷却水経路中のラジエータ、ポンプ、バルブ、配管等から導電性イオンが冷却水中に溶け出し、冷却水中の導電性イオンが増加するという問題がある。また、冷却水として一般的に使用されている不凍液にはラジエータ等の腐食を防止する防錆剤が含まれており、この不凍液にもイオンが存在している。

冷却水は燃料電池の発電部を冷却するために燃料電池内部を循環している。従って冷却水の導電率が高いと燃料電池外部ヘの漏電、冷却水の抵抗に起因する発電効率の低下、及びショートによる発電停止をまねくため、燃料電池の冷却水としては高い絶縁性能が要求される。

このような問題に対し、冷却水経路中にイオン交換樹脂を設けることで、冷却水経路中の導電性イオンを除去する燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、電気化学式のイオン除去フィルタに通電して冷却水経路中の導電性イオンを除去する燃料電池システムが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−２９８８８５号公報特開２００２−３６７６４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のシステムは構成が複雑となり、かつイオン交換樹脂のメンテナンスが必要となるという問題がある。また、上記特許文献２に記載のシステムはイオン吸着層を備えており、イオン吸着層にて＋イオンまたは−イオンのいずれか一方のみを吸着する方式となっている。従って冷却水中のイオンをすべて吸着することはできず、時間とともに導電率が上昇することとなる。

本発明は、上記点に鑑み、簡易な構成で冷却水経路中の導電性イオンを確実に除去可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に循環する冷却水が通過するパイプ状の冷却水経路（１１）と、冷却水経路（１１）に設けられ、冷却水の放熱を行う放熱器（１３）と、冷却水経路（１１）における放熱器（１３）の下流側であって前記燃料電池（１０）の上流側に設けられ、＋極および−極を少なくとも有するイオン吸着部（１６）とを備え、イオン吸着部（１６）は円筒形状であり、軸方向が冷却水の流れ方向に沿って冷却水経路（１１）の内壁に接するように配置されており、燃料電池（１０）が運転している際には、イオン吸着部（１６）に通電することを特徴としている。

これにより、燃料電池（１０）が運転している際には冷却水中に存在する導電性イオンがイオン吸着部（１６）にて吸着される。イオン吸着部（１６）では、−極に＋イオンを吸着でき、＋極に−イオンを吸着できるので、簡易な構成で冷却水中の導電性イオンを確実に吸着し除去することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、冷却水経路（１１）におけるイオン吸着部（１６）と燃料電池（１０）との間には、冷却水経路（１１）に冷却水を循環させるための冷却水循環ポンプ（１２）が設けられているようにすることで、イオン吸着部（１６）を燃料電池（１０）からできるだけ離れた位置に配置することができ、冷却水の抵抗値を充分に大きくすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図であり、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用することができる。

図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当する。

本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。固体高分子型燃料電池では、電解質膜の耐熱温度や効率の点から８０℃前後で運転する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。

冷却システムは、燃料電池１０に熱媒体としての冷却水を循環させる冷却水経路（熱媒体経路）１１、冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ１２、冷却水の放熱を行うラジエータ（放熱器）１３等から構成されている。

冷却水経路１１には冷却水をラジエータ１３をバイパスさせるためのバイパス経路１４が設けられている。冷却水経路１１とバイパス経路１４との分岐点には温調弁１５が設けられている。温調弁１５は、冷却水の温調機能と冷却水経路１１の流路断面積調整機能とを有している。温調弁１５は、冷却水の温度調整を行うために、ラジエータ１３側に流れる冷却水流量とバイパス経路１４側に流れる冷却水流量とを調整可能に構成されている。また、冷却水経路１１にはイオン吸着部１６が設けられている。イオン吸着部１６は、冷却水経路１１における燃料電池１０からできるだけ離れた位置に設けられており、本例ではラジエータ１３の下流側に設けられている。

図２はイオン吸着部１６を側面からみた断面構成を示している。図２に示すように、本第１実施形態のイオン吸着部１６は円筒形状であり、パイプ状の冷却水経路１１の内壁に接するように配置されている。イオン吸着部１６は、導電性材料から構成されている。イオン吸着部１６は、冷却水経路１１に存在するイオンを吸着するために表面積が大きい形状であることが望ましい。

図３はイオン吸着部１６の回路構成を示しており、イオン吸着部１６を軸方向からみた断面構成で示している。図３に示すように、イオン吸着部１６には、−極１６ａと＋極１６ｂが形成されており、これらの電極１６ａ、１６ｂは絶縁材料からなる絶縁部１６ｃにより電気的に分離されている。絶縁部１６ｃは、円筒形状の軸方向に形成され、対向する位置に２箇所設けられている。図３に示すように、−極１６ａには−電圧が印加され、＋極１６ｂには＋電圧が印加されるように構成されている。電源としては、図示しない２次電池、あるいは燃料電池１０を用いることができる。

なお、燃料電池システムには図示しない制御部が設けられており、制御部によりイオン吸着部１６への通電制御が行われるように構成されている。

次に、本第１実施形態の燃料電池システムによる冷却水経路１１でのイオン吸着制御について図４に基づいて説明する。図４のフローチャートは、制御部がＲＯＭ等の記憶媒体に格納されている制御プログラムに基づいて行う処理内容を示している。

まず、燃料電池１０の運転開始に伴い、冷却水循環ポンプ１２の作動を開始し（Ｓ１０）、イオン吸着部１６への通電を開始する（Ｓ１１）。これにより、冷却水経路１１内を循環する冷却水中に存在する導電性イオンがイオン吸着部１６に吸着される。このとき、＋イオンは−極１６ａに吸着され、−イオンは＋極１６ｂに吸着される。イオン吸着部１６への通電は、キーオフされるまで、すなわち燃料電池１０の運転停止指令があるまで継続される（Ｓ１２）。

キーオフされた場合、すなわち燃料電池１０が停止した場合は、イオン吸着部１６への通電を停止する（Ｓ１３）。次に、イオン吸着部１６への通電を停止後、所定時間経過してから冷却水循環ポンプ１２の作動を停止する（Ｓ１４、Ｓ１５）。

以上の構成により、燃料電池１０が運転している際には冷却水中に存在する導電性イオンがイオン吸着部１６にて吸着される。本第１実施形態のイオン吸着部１６では、−極１６ａに＋イオンを吸着でき、＋極１６ｂに−イオンを吸着できるので、簡易な構成で冷却水中の導電性イオンを確実に吸着し除去することができる。これにより、冷却水の導電率を低く維持することができるので、燃料電池１０外部ヘの漏電、冷却水の抵抗に起因する発電効率の低下、及びショートによる発電停止を防止できる。さらに、本第１実施形態のように、イオン吸着部１６を冷却水経路１１における燃料電池１０からできるだけ離れた位置に設けることで、冷却水の抵抗値を充分に大きくすることができる。

また、上記従来技術の欄で述べたように、冷却水として用いられる不凍液には防錆剤が含まれており、イオン吸着部１６に通電することで他の導電性イオンとともに防錆剤も吸着される。そこで本第１実施形態のように、イオン吸着部１６への通電停止後、冷却水循環ポンプ１２を所定時間作動させることで、イオン吸着部１６に吸着されていたイオンを冷却水全体に拡散させることができる。これにより、防錆剤も冷却水経路１１の冷却水全体に拡散するため防錆効果を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５、図６に基づいて説明する。本第２実施形態は上記第１実施形態に比較して、イオン吸着部の構成が異なるものである。上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５はイオン吸着部１６を側面からみた断面構成を示し、図６はイオン吸着部１６の回路構成を示している。図５、図６に示すように、本第２実施形態のイオン吸着部１６では、−極１６ａは円筒形状の導電性材料から構成され、＋極１６ｂは−極１６ａの内部に配置された平板形状の導電性材料から構成されている。−極１６ａと＋極１６ｂの間には、所定の隙間が設けられている。

以上のような第２実施形態の構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
なお、イオン吸着部１６は少なくとも−極１６ａと＋極１６ｂとが冷却水経路１１中に存在する構成であればよく、上記各実施形態の構成に限定されるものではない。

第１実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。第１実施形態のイオン吸着部の断面図である。第１実施形態のイオン吸着部の回路図である。第１実施形態のイオン吸着制御の内容を示すフローチャートである。第２実施形態のイオン吸着部の断面図である。第２実施形態のイオン吸着部の回路図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…冷却水経路、１２…冷却水循環ポンプ、１３…ラジエータ、１６…イオン吸着部。

Claims

酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）に循環する冷却水が通過するパイプ状の冷却水経路（１１）と、
前記冷却水経路（１１）に設けられ、冷却水の放熱を行う放熱器（１３）と、
前記冷却水経路（１１）における前記放熱器（１３）の下流側であって前記燃料電池（１０）の上流側に設けられ、＋極および−極を少なくとも有するイオン吸着部（１６）とを備え、
前記イオン吸着部（１６）は円筒形状であり、軸方向が冷却水の流れ方向に沿って前記冷却水経路（１１）の内壁に接するように配置されており、
前記燃料電池（１０）が運転している際には、前記イオン吸着部（１６）に通電することを特徴とする燃料電池システム。
前記冷却水経路（１１）における前記イオン吸着部（１６）と前記燃料電池（１０）との間には、前記冷却水経路（１１）に冷却水を循環させるための冷却水循環ポンプ（１２）が設けられてい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。