JP5245881B2 - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の冷却システムに係り、詳しくは燃料電池の発電の際に発電セルから発生する熱を熱交換により吸熱して冷却するための冷却システムに関する。

燃料電池システムにおいては、燃料電池内に多数枚積層された発電セルにより水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われると、発電セルが熱を発生する。これを放置すると、発電セルが過熱されて発電不能となる。このため、燃料電池には発電時に発電セルを冷却するために、一般的に冷却液方式の冷却システムが備えられている。この冷却システムとして、特許文献１に開示されたものが提案されている。この冷却システムを図９に基づいて説明すると、燃料電池１１には冷却液をポンプ１３により循環させる循環配管１２が接続されている。前記ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４はラジエータ１５と、ラジエータ１５に空気を吹き付けるための送風ファン１６とにより構成されている。

前記冷却液として水にエチレングリコール（不凍液）を含有したＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。発電時に前記ポンプ１３が駆動されて燃料電池１１の内部に冷却液が供給されると、発電セルから生じる熱と、冷却液の熱との温度差により熱交換器１４において熱交換されて、その冷却液により燃料電池１１の発電セルが冷却される。このとき、冷却液の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、ギ酸が生成され、このギ酸によりマイナスのイオンが生成される。又、ギ酸により冷却液の循環通路の内面が腐蝕されると、プラスのイオンも生成される。このようにして、冷却液はマイナスのイオンとプラスのイオンが混在した不純物イオンを含有する。このイオンは電荷をもっているので、冷却液に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却液の電気伝導度が高くなり、燃料電池１１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虞がある。

上記の課題に対処するため、特許文献１においては、前記循環配管１２に対し前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７が接続されている。このバイパス配管１７には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器１８が接続されている。このイオン交換器１８の内部には、イオン交換樹脂として、マイナスのイオンを吸着する粒子状のアニオンタイプのものと、プラスのイオンを吸着する粒子状のカチオンタイプのものとが収容されている。そして、イオン交換樹脂により不純物イオンを吸着除去して冷却液の電気伝導度が高くならないようになっている。

特許文献２にも上述した燃料電池用の冷却システムと同様の冷却システムが開示されている。

特開２００５−１６１１１７号公報 特開２００３−２４９２４９号公報

上記従来の燃料電池１１の冷却システムにおいては、低負荷運転時に、ポンプ１３が低速で運転されて、循環配管１２を流れる冷却液の流量も少ない状態となり、これに伴って、熱交換器１４に流れる冷却液の流量及びイオン交換器１８に流れる冷却液の流量も少ない状態となっている。このように冷却液の流量が少ない状態でもイオン交換器１８内のイオン交換樹脂によるイオン交換に必要な冷却液の流量としては適正量となるようになっている。

一方、燃料電池１１の高負荷運転時においては、ポンプ１３が高速で運転されて、冷却液の流量が増大し、熱交換器１４及びイオン交換器１８へ流れる冷却液の流量も増大する。しかし、圧力損失の高いイオン交換器１８に対し冷却液の過剰な供給が行われることになるため、循環配管１２全体の冷却液の循環流量が低減されて、結果的に熱交換器１４へ流れる冷却液の流量が低減され、燃料電池１１の冷却を適正に行うことができないという問題があった。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、燃料電池の高負荷運転時において、バイパス配管及び圧力損失の高いイオン交換器に流れる冷却液の流量を抑制して、熱交換器へ流れる冷却液の流量を適正化し、燃料電池を適正に冷却することができるとともに、イオン交換器内に収容されたイオン交換樹脂の利用効率を向上することができる燃料電池の冷却システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該循環配管に冷却液を循環させるポンプを接続するとともに前記循環配管内の冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記循環配管にバイパス配管を接続し、該バイパス配管に前記循環配管内の冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するイオン交換器を接続した燃料電池の冷却システムにおいて、前記イオン交換器の容器に冷却液の流れる方向に関して、上流側のフィルタと下流側のフィルタを所定の間隔をおいて収容し、両フィルタの間に形成された樹脂収容室に粒状のイオン交換樹脂を移動可能に収容し、前記樹脂収容室に容器内を流れる冷却液の流量を調節する流量調節板を設け、燃料電池の高負荷運転時に、前記流量調節板により前記容器内を流れる冷却液の流量を低減するように構成したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記流量調節板は、弾性変形可能な板材によって形成され、冷却液の流量が増大すると、その冷却液の流れによって流量調節板が弾性変形されて、冷却液の通路断面積が低減されるように構成されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記流量調節板は、容器内の冷却液の温度が高くなると、その温度によって変形されて、冷却液の通路断面積が低減されるように構成されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１において、前記流量調節板は、循環配管内の冷却液の温度を検出するセンサからの信号によって位置の切換え制御が行われるように構成されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記流量調節板は、循環配管内の冷却液の流量を検出するセンサからの信号によって位置の切換え制御が行われるように構成されていることを要旨とする。

（作用）
この発明は、イオン交換器の容器の内部に上流側のフィルタと下流側のフィルタを収容し、両フィルタの間の樹脂収容室にイオン交換樹脂を移動可能に収容し、前記樹脂収容室に容器内を流れる冷却液の流量を調節する流量調節板を設けた。そして、燃料電池の高負荷運転時に、流量調節板によりイオン交換器内を流れる冷却液の流量を抑制するようにした。このため、循環配管から熱交換器へ流れる冷却液の流量が適正となり、熱交換器で冷却された冷却液により燃料電池が適正に冷却される。

又、この発明はイオン交換器の容器の樹脂収容室内に前記流量調節板が収容されているので、該流量調節板の移動によってイオン交換樹脂が攪拌混合される。従って、多数のイオン交換樹脂が混ざり合い、粒状のイオン交換樹脂のイオン交換作用が均等に行われ、イオン交換樹脂が均等に消耗される。このため、イオン交換樹脂の利用効率を向上することができる。

本発明によれば、燃料電池の高負荷運転時において、バイパス配管及びイオン交換器に流れる冷却液の流量を抑制して、循環配管から熱交換器に流れる冷却液の流量を適正化し、この冷却液により燃料電池を適正に冷却することができるとともに、イオン交換器内に収容されたイオン交換樹脂の利用効率を向上することができる。

（ａ）はこの発明の燃料電池の冷却システムのイオン交換樹脂を収容したイオン交換器の低速運転状態の縦断面図、（ｂ）はイオン交換器の高速運転状態の縦断面図。 イオン交換器の横断面図。 燃料電池の冷却システムを示す略体回路図。 この発明の別の実施形態を示すイオン交換器の縦断面図。 図４に示すイオン交換器の横断面図。 この発明の別の実施形態を示すイオン交換器の要部の拡大縦断面図。 この発明の別の実施形態を示すイオン交換器の縦断面図。 この発明の別の実施形態を示すイオン交換器の縦断面図。 従来の燃料電池の冷却システムを示す略体回路図。

以下、本発明を電気自動車の燃料電池の冷却システムとして具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図３に示す燃料電池１１の内部には図示しないが燃料極、酸化剤極及びそれらの両極間には、発電セルが多層に積層されて介在されている。前記燃料極側には、水素ガスを燃料として供給するための水素ガス供給系（図示略）が接続されている。前記酸化剤極側には、酸化剤として酸素ガスを含む空気を供給するための空気供給系（図示略）が接続されている。そして、燃料電池１１内の各発電セルに供給された水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われるようになっている。

前記燃料電池１１には発電が行われている状態で、該燃料電池１１の発電セルの冷却を行うための冷却液を循環させる循環配管１２が接続され、該循環配管１２にはポンプ１３が接続されている。この実施形態では、前記冷却液として水にエチレングリコールを含有したＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。前記ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、前記燃料電池１１内で発電セルの冷却に用いられ、熱交換により加熱された高温の冷却液を冷却するための熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４は循環配管１２に接続されたラジエータ１５と、ラジエータ１５に空気を吹き付けて高温の冷却液を冷却するための電動モータにより駆動される送風ファン１６とにより構成されている。

前記循環配管１２に対し前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７が接続されている。このバイパス配管１７には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器１８が直列に接続されている。

次に、前記イオン交換器１８について説明する。
図１（ａ）に示すように、イオン交換器１８の容器本体１９の上端開口部には雄ネジ部１９ａが形成され、蓋体２０の下端開口部内周面に形成された雌ネジ部２０ａに前記容器本体１９の雄ネジ部１９ａが螺合されている。前記容器本体１９の下端部には上流側の前記バイパス配管１７を接続するための小径のジョイント部１９ｂが一体に形成されている。前記蓋体２０の上部中央には下流側の前記バイパス配管１７を接続するための小径のジョイント部２０ｂが一体に形成されている。前記容器本体１９の下端部には冷却液の流路方向に関して上流側のフィルタ２１が、その外周の取付リング２２により取り付けられている。前記容器本体１９の上端縁と蓋体２０の内周に形成された段差部２０ｃとの間には下流側のフィルタ２３の外周縁が挟着固定されている。前記容器本体１９の内周面と、前記フィルタ２１，２３とによってイオン交換樹脂Ｅを収容するための樹脂収容室Ｒが形成されている。前記両フィルタ２１，２３は、イオン交換樹脂Ｅの粒子径よりも小さい網目により形成され、粒子状のイオン交換樹脂Ｅが樹脂収容室Ｒから外部に流出しないようになっている。前記イオン交換樹脂Ｅとして、マイナスのイオンを吸着するアニオンタイプのものと、プラスのイオンを吸着するカチオンタイプのものとが混在するように収容されている。

前記容器本体１９の内周面には取付座２５，２６が図２に示すようにそれぞれ二箇所に溶接によって取り付けられている。前記二対の取付座２５，２６には弾性変形可能な金属製の板材よりなる流量調節板２７，２８がボルト２９によって取り付けられている。前記流量調節板２７，２８の間には冷却液が流通可能な通路Ｔが形成されている。前記流量調節板２７，２８は図１（ａ）に示すように、円弧状に形成されている。樹脂収容室Ｒ内の冷却液の流動する速度が速くなると、図１（ｂ）に示すように、流量調節板２７，２８が冷却液の高い流動圧力によって弾性変形されて、その先端縁が互いに接近する方向に弾性変形されて、前記通路Ｔが小さくなり冷却液の流量が低減されるようになっている。

次に、前記のように構成した燃料電池１１の冷却システムの動作について説明する。
制御コントローラ（図示略）からの起動信号及び各種の制御信号により燃料電池１１が起動されると、燃料電池１１に供給された水素ガスと酸素ガスが反応して発電が行われる。発電された直流電流は、インバータにより交流電流に変換され、電気自動車の走行用のモータの駆動に用いられる。

一方、冷却システムのポンプ１３が起動されると、循環配管１２内の冷却液が図３の矢印方向に循環され、熱交換器１４によって冷却された冷却液が燃料電池１１内に供給され、燃料電池１１の発電により生じた熱が冷却液により吸熱されて、燃料電池１１が冷却される。吸熱して高温となった冷却液は再び熱交換器１４により冷却されて、燃料電池１１の冷却に再利用される。

循環配管１２内の冷却液は燃料電池１１内の発電セルが発生する熱により加熱されることになるので、該冷却液に含まれるエチレングリコールが加熱分解されてプラス、マイナスの不純物イオンが生成される。この不純物イオンを含んだ冷却液の一部がバイパス配管１７から図１（ａ），（ｂ）に示すようにイオン交換器１８の下部の入口から容器本体１９内部に流入して、上方に流動し、上部の出口からバイパス配管１７を通して循環配管１２に導かれる。そして、イオン交換器１８内のイオン交換樹脂Ｅ（アニオンタイプ及びカチオンタイプ）によりマイナス及びプラスの不純物イオンが除去される。

上記実施形態の燃料電池の冷却システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
上記実施形態の燃料電池の冷却システムによれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、前記イオン交換器１８の容器本体１９の内部に流量調節板２７，２８を装着し、イオン交換器１８の内部を流れる冷却液の流速が速くなった場合に、冷却液の流動圧力によって流量調節板２７，２８が弾性変形し、両流量調節板２７，２８の間に形成された冷却液の通路Ｔが減少するように構成した。このため、燃料電池１１の運転が高負荷で行われて前記循環配管１２内を流れる冷却液の流速が速くなり、バイパス配管１７に流れる冷却液の流速も速くなった場合に、前記流量調節板２７，２８によって冷却液の流量が減少する。従って、圧力損失が高いイオン交換器１８には、冷却液が過剰に流れることはなく、循環配管１２の冷却液の循環流量を適正化し、熱交換器１４へ適量の冷却液を流すことができ、燃料電池１１の冷却液による冷却を適正化することができる。

（２）上記実施形態では、容器本体１９内の樹脂収容室Ｒに収容されたイオン交換樹脂Ｅを流量調節板２７，２８の弾性変形動作によって、イオン交換樹脂Ｅが攪拌混合される。従って、イオン交換樹脂Ｅがイオン交換作用によって均等に消耗される。このため、イオン交換器１８の交換時に、使用可能なイオン交換樹脂が残留したイオン交換器１８を廃棄することはなく、イオン交換樹脂Ｅの利用効率を向上することができる。

（３）上記実施形態では、イオン交換器１８の容器本体１９内に流量調節板２７，２８を配設する構成のため、構成が簡素化され、製造及び組付作業が容易となるばかりでなく、故障が少ないので、耐久性を向上することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 図４及び図５に示すように、前記容器本体１９の内部に設けられた取付座２５，２６に対しバイメタルよりなる流量調節板３１，３２をボルト２９によって取り付ける。前記流量調節板３１，３２は線膨張係数が小さい板３３と、線膨張係数が大きい板３４とが重ねられた状態で固定されている。前記流量調節板３１，３２は、前記バイパス配管１７及びイオン交換器１８内を流れる冷却液の温度によって、実線で示す湾曲状態又は二点鎖線で示す直線状態に変形するようにしている。そして、冷却液の温度が高くなる燃料電池１１の高負荷運転時に、流量調節板３１，３２によって前記通路Ｔが狭くなり、冷却液の温度が低下する低負荷運転時に通路Ｔが広くなるように構成されている。

この実施形態においても、前述した本実施形態の冷却システムの効果（１）〜（３）と同様の効果がある。
・ 図６に示すように、図４に示す前記流量調節板３１，３２の配置構造を上下逆にしてもよい。

・ 図７に示すように、前記取付座２５，２６を互いに接近させて、流量調節板２７，２８を容器本体１９の内面と対向させ、通路Ｔを二箇所に形成してもよい。
・ 図８に示すように、前記容器本体１９に対し回転軸４１を介して流量調節板４２を往復回動可能に支持する。又、容器本体１９の外面に前記回転軸４１及び流量調節板４２を回転する正逆回転可能なモータ４３を取り付ける。さらに、循環配管１２に対し、該循環配管１２内の冷却液の温度を検出するセンサ４４を設ける。該センサ４４からの検出信号によってモータ４３を回転するように構成する。そして、冷却液の温度が高い燃料電池１１の高負荷運転時に、センサ４４からの温度の検出信号によりモータ４３が起動されて、前記流量調節板４２を通路Ｔが狭くなる鎖線で示す位置に変位させる。反対に、冷却液の温度が低い低負荷運転時に、センサ４４からの温度の検出信号によりモータ４３が起動されて、前記流量調節板４２を通路Ｔが広くなる実線で示す位置に変位させるようにしてもよい。

・ 図示しないが、図８に示す前記流量調節板４２を、循環配管１２内の冷却液の流量を検出する流量センサからの信号によってモータ４３により位置の切換え制御が行われるようにする。そして、冷却液の流量が多い燃料電池１１の高負荷運転時に、流量センサからの検出信号によってモータ４３を起動させ、前記流量調節板４２を通路Ｔが狭くなる位置に変位させる。反対に、冷却液の流量が少ない低負荷運転時に流量センサからの検出信号によってモータ４３を起動させ、前記流量調節板４２を通路Ｔが広くなる実線位置に変位させるようにしてもよい。

・ 前記モータ４３に代えて、電磁ソレノイド、シリンダ等のアクチュエータを用いてもよい。
・ 前記実施形態では、図３に示すように、前記循環配管１２に対し熱交換器１４と並列に前記バイパス配管１７及びイオン交換器１８を接続した。これに代えて、前記循環配管１２に対し、前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７及びイオン交換器１８を接続するようにしてもよい。

この実施形態においても、燃料電池１１の高負荷運転時に、圧力損失の高いイオン交換器１８には冷却液が過剰に供給されることは無いので、循環配管１２及び熱交換器１４を流れる冷却液の循環流量が低減されることなく適正に保持され、冷却液による燃料電池１１の冷却を適正に行うことができる。

・ 前記実施形態では、本発明を電気自動車の燃料電池システムに具体化したが、生産工場、一般家庭の発電用の燃料電池システムの冷却システムに具体化してもよい。

Ｅ…イオン交換樹脂、Ｒ…樹脂収容室、１１…燃料電池、１２…循環配管、１３…ポンプ、１４…熱交換器、１７…バイパス配管、１８…イオン交換器、２１，２３…フィルタ、２７，２８，３１，３２，４２…流量調節板、４４…センサ。

Claims (5)

1. 燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該循環配管に冷却液を循環させるポンプを接続するとともに前記循環配管内の冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記循環配管にバイパス配管を接続し、該バイパス配管に前記循環配管内の冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するイオン交換器を接続した燃料電池の冷却システムにおいて、
   前記イオン交換器の容器に冷却液の流れる方向に関して、上流側のフィルタと下流側のフィルタを所定の間隔をおいて収容し、両フィルタの間に形成された樹脂収容室に粒状のイオン交換樹脂を移動可能に収容し、前記樹脂収容室に容器内を流れる冷却液の流量を調節する流量調節板を設け、燃料電池の高負荷運転時に、前記流量調節板により前記容器内を流れる冷却液の流量を低減するように構成したことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
2. 請求項１において、前記流量調節板は、弾性変形可能な板材によって形成され、冷却液の流量が増大すると、その冷却液の流れによって流量調節板が弾性変形されて、冷却液の通路断面積が低減されるように構成されていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
3. 請求項１において、前記流量調節板は、容器内の冷却液の温度が高くなると、その温度によって変形されて、冷却液の通路断面積が低減されるように構成されていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
4. 請求項１において、前記流量調節板は、循環配管内の冷却液の温度を検出するセンサからの信号によって位置の切換え制御が行われるように構成されていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
5. 請求項１において、前記流量調節板は、循環配管内の冷却液の流量を検出するセンサからの信号によって位置の切換え制御が行われるように構成されていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。

Images