JP5286922B2

JP5286922B2 - 燃料電池システム及びイオン交換装置

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Publication number: JP5286922B2
Application number: JP2008125079A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2028-05-12
Also published as: JP2009277384A

Description

本発明は、燃料電池に用いられる冷却媒体内のイオンを除去する技術に関する。

従来より、固体高分子電解質膜を一対のセパレータで挟んだ構成のセルモジュールを複数積層した構成を有する燃料電池では、各セルモジュールの温度を制御するために燃料電池内に冷却媒体が流通されている。セパレータが金属製の場合、冷却媒体にイオンが溶け出して冷却媒体の導電率が上昇するおそれがある。そこで、冷却媒体中のイオンを除去して導電率を低下させるために、冷却媒体の流通路上にイオン交換装置（フィルタ）を配置する燃料電池システムが提案されている（下記特許文献１参照）。

特開２００５−８５４８２号公報

従来の燃料電池システムでは、イオン交換装置は燃料電池とは別体として構成されていたため、各セルモジュールからイオン交換装置までの間の冷却経路は長い。それゆえ、イオン交換装置とその他の部分とで大きなイオン濃度差が生じ、冷却媒体のイオン濃度が所定の濃度（定常状態の濃度）に達するまでに各セルモジュールからイオンが冷却媒体に溶出するという問題があった。また、燃料電池とイオン交換装置とは互いに別体として構成されているため、それぞれに配置スペースを要して空間利用効率が低くなるという問題があった。

本発明は、イオン交換装置を備える燃料電池システムにおいて、空間利用効率を高めると共に、各セルモジュールから冷却媒体に多量のイオンが溶出することを抑制可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［形態１］燃料電池システムであって、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有する燃料電池と、前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接する端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぎ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、を有するイオン交換装置と、を備える、燃料電池システム。
［形態２］燃料電池に供給される冷却媒体用のイオン交換装置であって、前記燃料電池は、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有し、前記イオン交換装置は、前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接可能な端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぐことができ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、を備える、イオン交換装置。

［適用例１］燃料電池システムであって、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有する燃料電池と、前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接する端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぎ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、を有するイオン交換装置と、を備える、燃料電池システム。

適用例１の燃料電池システムでは、イオン交換装置は、燃料電池に当接して配置できるので、空間利用効率を高めることができる。また、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置するので、各セルモジュールから近い位置にイオン交換体を配置することができる。したがって、各セルモジュールからイオン交換装置までの間に存在する冷却媒体を少量とすることができる。それゆえ、各セルモジュールからイオン交換装置までの間において、イオン濃度の定常値を下げることができ、導電率の悪化を抑制することができる。また、イオン交換装置はエンドプレートの外側面と当接するので、エンドプレートの内側（燃料電池の内部）に配置する構成に比べて配置スペースの制限が少ない。したがって、イオン交換装置を大型化することができ、イオン除去性能を向上させることができる。また、エンドプレートの内側（燃料電池の内部）にイオン交換装置を配置する構成に比べて、イオン交換体の交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。また、イオン交換装置はバイパス流路を有するので、イオン交換体を冷却媒体供給マニホールド又は冷却媒体排出マニホールドと直列となるように配置して、すべての冷却媒体がイオン交換体を透過する構成に比べて、冷却媒体の流通を過剰に阻害することを抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換装置は、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、を備える、燃料電池システム。

このようにすることで、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置する際に、供給側挿入部を冷却媒体供給マニホールドに挿入し、また、排出側挿入部を冷却媒体排出マニホールドに挿入することができる。したがって、イオン交換装置と燃料電池との接続部分の強度を向上させることができる。また、イオン交換装置と燃料電池との接続部分から冷却媒体が漏れ出ることを抑制することができる。

［適用例３］適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記供給側挿入部と前記排出側挿入部とは、いずれも表面が絶縁部材で覆われている、燃料電池システム。

このようにすることで、冷却媒体内のイオンの量が増えて冷却媒体の導電率が上昇した場合であっても、燃料電池における絶縁を確保することができ、冷却媒体を介して燃料電池の正極及び負極が短絡することを抑制することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の燃料電池システムにおいて、前記イオン交換装置は、前記端面において、気密性を保つためのシール部材を有する、燃料電池システム。

このようにすることで、イオン交換体のメンテナンス等によりイオン交換装置を交換することでシール部材も併せて取り替えることができ、燃料電池システムのメンテナンス作業を簡略化することができる。

［適用例５］燃料電池に供給される冷却媒体用のイオン交換装置であって、前記燃料電池は、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有し、前記イオン交換装置は、前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接可能な端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぐことができ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、を備える、イオン交換装置。

適用例５のイオン交換装置は、燃料電池に当接して配置できるので、空間利用効率を高めることができる。また、このイオン交換装置は燃料電池に当接して配置できるので、各セルモジュールから近い位置にイオン交換体を配置することができる。したがって、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置した場合に、各セルモジュールからイオン交換装置までの間に存在する冷却媒体の定常イオン濃度を小さくすることができる。それゆえ、絶縁抵抗値を小さくすることができる。また、イオン交換装置はバイパス流路を有するので、イオン交換装置を燃料電池に当接して配置した場合に、すべての冷却媒体がイオン交換体を透過する構成に比べて、冷却媒体の流通を過剰に阻害することを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、イオン交換装置２００と、水素タンク５００と、ラジエータ４００と、循環ポンプＰ１と、エアコンプレッサＰ２と、を備えている。この燃料電池システム１０００は、固体高分子形燃料電池システムであり、据え置いて用いたり、電気自動車（図示省略）に搭載して用いたりすることができる。

燃料電池１００は、複数のセルモジュール２０を積層した積層体１０と、一対のエンドプレート３０ａ，３０ｂと、２枚のテンションプレート３１ａ，３１ｂと、ボルト３２と、２つのインシュレータ３３ａ，３３ｂと、正極ターミナルプレート３４ａと、負極ターミナルプレート３４ｂと、を備えている。セルモジュール２０は、例えば、シール一体型の膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を１対のセパレータ（図示省略）で挟持して構成することができる。このセパレータとしては、例えば、ＳＵＳ（ステンレス）やチタン合金等の金属やカーボンなどの導電性部材から成る薄板を用いることができる。積層体１０は、燃料電池１００の両端にそれぞれ配置されているインシュレータ３３ａ，３３ｂとターミナルプレート３４ａ，３４ｂとエンドプレート３０ａ，３０ｂとによって挟持されている。各セルモジュール２０は、２枚のテンションプレート３１ａ，３１ｂがボルト３２で各エンドプレート３０ａ，３０ｂに結合されることによって、積層方向に所定の押圧力で締結されている。正極ターミナルプレート３４ａは、積層体１０全体としての正極を形成する。同様に、負極ターミナルプレート３４ｂは、積層体１０全体としての負極を形成する。

イオン交換装置２００は、エンドプレート３０ａの外側面に当接して配置されている。このイオン交換装置２００は、燃料電池１００に供給される冷却媒体中のイオンを吸着する。具体的には、イオン交換装置２００は、各セルモジュール２０を構成する部材（セパレータやシール一体型ＭＥＡ）から冷却媒体に溶出するイオンを吸着する。

ラジエータ４００は、冷却媒体供給路３０２と冷却媒体排出路３０４とを介して燃料電池１００と接続されており、燃料電池１００において高温となった冷却媒体から熱を奪う。冷却媒体排出路３０４には、冷却媒体を循環させるための循環ポンプＰ１が配置されている。なお、循環ポンプＰ１の配置位置としては、冷却媒体排出路３０４に代えて、冷却媒体供給路３０２とすることもできる。ここで、前述のイオン交換装置２００には、冷却媒体供給路３０２と冷却媒体排出路３０４とが接続されている。このイオン交換装置２００と燃料電池１００とラジエータ４００と循環ポンプＰ１と冷却媒体供給路３０２と冷却媒体排出路３０４とで、冷却媒体循環路３１０が形成されている。また、イオン交換装置２００は、冷却媒体循環路３１０の一部を形成すると共に、冷却媒体供給路３０２から冷却媒体排出路３０４へのバイパス２８０を形成する。

燃料電池１００には、上述した冷却媒体の他、電気化学反応に用いられる反応ガスが供給される。具体的には、水素タンク５００から、燃料ガス供給路３２２を介して燃料ガスとしての水素ガスが供給される。燃料電池１００から排出されたアノード側のオフガス（電気化学反応に用いられなかった水素ガス）は、燃料ガス排出路３２４を介して再び燃料ガス供給路３２２に戻され、燃料電池１００に供給される。また、燃料電池１００には、エアコンプレッサＰ２によって、酸化剤ガスとしての空気が酸化剤ガス供給路３１２を介して供給される。燃料電池１００から排出されたカソード側オフガス（電気化学反応に用いられなかった空気）は、酸化剤ガス排出路３１４を介して大気中に放出される。

図２は、図１に示す燃料電池１００及びイオン交換装置２００の詳細構成を示す説明図である。燃料電池１００は、反応ガス（水素ガス及び空気）及び冷却媒体を流通するための６つのマニホールドを備えている。具体的には、図２において左方下段に冷却媒体供給マニホールド１０２ａを備えている。また、左方中段に酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａを、左方上段に燃料ガス供給マニホールド１０４ａを、右方上段に冷却媒体排出マニホールド１０２ｂを、右方中段に酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂを、右方下段に燃料ガス排出マニホールド１０４ｂを、それぞれ備えている。

これらの６つのマニホールド１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂは、いずれも燃料電池１００を積層方向に貫通して形成されている。エンドプレート３０ａは、これら６つのマニホールドに該当する位置に各マニホールドの一部を形成する貫通孔（図示省略）を備えている。同様に、インシュレータ３３ａと、正極ターミナルプレート３４ａと、各セルモジュール２０とは、それぞれ、６つのマニホールドに該当する位置に各マニホールドの一部を形成する貫通孔（図示省略）を備えている。

イオン交換装置２００は、積層方向に所定の厚みを有する板状部２１０と、第１供給側挿入部２２２と、第２供給側挿入部２２４と、第１排出側挿入部２４２と、第２排出側挿入部２４４と、を備えている。板状部２１０は、中空構造を有しており、内部にイオン交換体（図示省略）を備えている。各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４は、いずれも中空の筒状構造を有している。板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４は、ＳＵＳ等の金属を加工して製造することができる。なお、板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４の表面は、絶縁部材で覆われている。絶縁部材としては、例えば、ゴムや合成樹脂等を採用することができる。

第１供給側挿入部２２２は、板状部２１０の左下部分において＋Ｚ方向に突出して配置されている。第２供給側挿入部２２４は、板状部２１０の左下部分において−Ｚ方向に突出して配置されている。これらの第１供給側挿入部２２２と第２供給側挿入部２２４とは、互いに板状部２１０を挟んで中空部分が一直線となるように配置されている。なお、第１供給側挿入部２２２と第２供給側挿入部２２４とで挟まれた板状部２１０の内側部分は、中空部２２３となっている。第１排出側挿入部２４２は、板状部２１０の右上部分において＋Ｚ方向に突出して配置されている。第２排出側挿入部２４４は、板状部２１０の右上部分において−Ｚ方向に突出して配置されている。これら第１排出側挿入部２４２と第２排出側挿入部２４４とは、互いに板状部２１０を挟んで中空部分が一直線となるように配置されている。なお、第１排出側挿入部２４２と第２排出側挿入部２４４とで挟まれた板状部２１０の内側部分は、中空部２４３となっている。

イオン交換装置２００は、板状部２１０の＋Ｚ方向の端面Ｓ２００がエンドプレート３０ａの外側面Ｓ１００に当接するように配置される。このとき、第１供給側挿入部２２２は、燃料電池１００の冷却媒体供給マニホールド１０２ａに挿入される。また、第１排出側挿入部２４２は、燃料電池１００の冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに挿入される。また、第２供給側挿入部２２４は冷却媒体供給路３０２（図１）を構成する配管（図示省略）に、第２排出側挿入部２４４（図２）は冷却媒体排出路３０４（図１）を構成する配管（図示省略）に、それぞれ挿入される。したがって、ラジエータ４００（図１）から冷却媒体供給路３０２を通ってきた冷却媒体は、イオン交換装置２００（図２）において、第２供給側挿入部２２４と中空部２２３と第１供給側挿入部２２２とをこの順序で通って、燃料電池１００の冷却媒体供給マニホールド１０２ａに流入する。また、燃料電池１００の冷却媒体排出マニホールド１０２ｂから排出される冷却媒体は、イオン交換装置２００において、第１排出側挿入部２４２と中空部２４３と第２排出側挿入部２４４とをこの順序で通って、冷却媒体排出路３０４（図１）へと流入する。このような冷却媒体の流れとは別に、イオン交換装置２００において、冷却媒体のバイパスが形成されている。

図３は、燃料電池１００に接続されたイオン交換装置２００を示す平面図である。図３の例では、板状部２１０の内部に配置されているイオン交換体２５０を便宜上示している。板状部２１０の中空部分には、イオン交換体２５０が充填されている。イオン交換体２５０としては、例えば、陽イオン（カチオン）交換樹脂を用いることができる。なお、冷却媒体供給マニホールド１０２ａとの接合部分（図２における中空部２２３）と、冷却媒体排出マニホールド１０２ｂとの接合部分（図２における中空部２４３）とには、イオン交換体２５０は充填されていない。図３からも分かるように、冷却媒体供給マニホールド１０２ａ及び冷却媒体排出マニホールド１０２ｂ以外の４つのマニホールド１０３ａ，１０４ａ，１０３ｂ，１０４ｂは、イオン交換装置２００を通過していない。

冷却媒体供給マニホールド１０２ａに供給される冷却媒体のうち、一部の冷却媒体は、イオン交換装置２００の内部の中空部２２３（図２）において、イオン交換体２５０に流入する。なお、イオン交換体２５０の圧力損失は、同じ流量を流した場合の燃料電池１００における圧力損失よりも十分に大きいため、少量の冷却媒体がイオン交換体２５０に流入して残りの多量の冷却媒体は燃料電池１００に供給される。イオン交換体２５０に流入した冷却媒体は、イオン交換体２５０を通って冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに向かう。すなわち、イオン交換体２５０には、冷却媒体のバイパス２８０が形成される。冷却媒体がバイパス２８０を通過する際に、冷却媒体中のイオンはイオン交換体２５０によって吸着される。イオンが除去された後の冷却媒体は、中空部２４３（図２）においてイオン交換装置２００から排出され、冷却媒体排出路３０４（図１）へと排出される。このように、イオン交換装置２００では、燃料電池１００に供給される冷却媒体のうちの一部の冷却媒体をイオン交換体２５０内をバイパスさせることで、冷却媒体中のイオンを除去している。

図４は、図２に示すＡ−Ａ断面を示す説明図である。第１供給側挿入部２２２は、冷却媒体供給マニホールド１０２ａに挿入され、先端部分はインシュレータ３３ａまで達している。一方、第２供給側挿入部２２４は、冷却媒体供給路３０２を構成する配管に挿入されている。イオン交換装置２００の端面Ｓ２００には、第１供給側挿入部２２２を囲むようにシール部２５２が配置されている。シール部２５２としては、例えば、ゴム製のＯリングを採用することができる。

図５は、図２に示すＢ−Ｂ断面を示す説明図である。第１排出側挿入部２４２は、冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに挿入され、先端部分は、インシュレータ３３ａまで達している。一方、第２排出側挿入部２４４は、冷却媒体排出路３０４を構成する配管に挿入されている。イオン交換装置２００の端面Ｓ２００には、第１排出側挿入部２４２を囲むようにシール部２５４が配置されている。このシール部２５４は、前述のシール部２５２と同様な構成とすることができる。図５及び前述の図４の例からも理解できるように、イオン交換装置２００は、各セルモジュール２０から非常に近い位置に配置される。

図６は、板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を絶縁とすることのメリットを模式的に示す説明図である。図６の例では、燃料電池１００は、電気自動車に搭載されて用いられ、エンドプレート３０ａとボディＢｄとが金属製の据付部材Ｂｒによって接続されることで電気自動車に固定されている。

正極ターミナルプレート３４ａとエンドプレート３０ａとの間はインシュレータ３３ａが配置されており、据付部材Ｂｒ及びボディＢｄを介して燃料電池１００の正極（正極ターミナルプレート３４ａ）と負極（負極ターミナルプレート３４ｂ）とが短絡することを防いでいる。仮に、板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を絶縁としない場合、冷却媒体中のイオンの量が増えて導電率が上昇すると、正極ターミナルプレート３４ａとイオン交換装置２００とは、冷却媒体を介して導通することとなる。それゆえ、正極ターミナルプレート３４ａとボディＢｄとは、第１供給側挿入部２２２や第１排出側挿入部２４２を介してボディＢｄと導通することとなり、正極ターミナルプレート３４ａと負極ターミナルプレート３４ｂとは短絡してしまう。しかしながら、上述したように、板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を絶縁としているので、正極ターミナルプレート３４ａと負極ターミナルプレート３４ｂとが短絡することを抑制することができる。

図７（Ａ）は、燃料電池１００と循環ポンプＰ１との位置関係を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０００では、図７（Ａ）に示すように、循環ポンプＰ１は、イオン交換装置２００の外側面に近接して配置されている。したがって、循環ポンプＰ１の上方において、燃料電池システム１０００で使用するスペースＡＲ１に隣接して、他の目的で使用可能な空きスペースＡＲ３が生じている。上述したように、燃料電池システム１０００では、イオン交換装置２００は燃料電池１００（エンドプレート３０ａ）に当接している。したがって、イオン交換装置２００の外側に循環ポンプＰ１を配置することで空間利用効率を向上させることができる。なお、循環ポンプＰ１に限らず、エアコンプレッサＰ２などの他の任意の補機をイオン交換装置２００の外側に配置することで、燃料電池システム１０００における空間利用効率を向上させることができる。

図７（Ｂ）は、比較例における燃料電池１００と循環ポンプＰ１との位置関係を模式的に示す説明図である。この比較例における燃料電池システムは、イオン交換装置２００と燃料電池１００との位置関係が異なる点において、上述した燃料電池システム１０００と異なり、他の構成は同じである。具体的には、イオン交換装置２００は、燃料電池１００に隣接して配置されておらず、燃料電池１００の外側に循環ポンプＰ１が配置されており、その外側にイオン交換装置２００が配置されている。かかる構成では、図７（Ａ）と同様に、循環ポンプＰ１の上方に空きスペースＡＲ４が生じているが、スペースＡＲ４の両隣りに燃料電池１００及びイオン交換装置２００が設置されているため、他の目的で利用し難い。したがって、燃料電池システムで使用するスペースＡＲ２は、スペースＡＲ４を含むこととなり図７（Ａ）に示すスペースＡＲ１よりも大きくなる。したがって、比較例における燃料電池システムでは空間利用効率は低い。

以上説明したように、燃料電池システム１０００では、イオン交換装置２００の主な部材である板状部２１０は、板状の形状を有するため燃料電池１００に当接して配置できる。したがって、燃料電池システム１０００における空間利用効率を向上させることができる。それゆえ、燃料電池システムを配置するためのスペースが小さい電気自動車等にも、燃料電池システム１０００を配置することが可能となる。また、イオン交換装置２００は、エンドプレート３０ａの外側に当接して配置されるので、各セルモジュール２０から非常に近い位置にイオン交換体２５０を配置することができる。したがって、各セルモジュール２０からイオン交換装置２００までの間に存在する冷却媒体の定常イオン濃度を小さくすることができ、多量のイオンが冷却媒体に溶出することを抑制することができる。また、イオン交換装置２００は、エンドプレート３０ａの外側に当接するので、エンドプレート３０ａの内側（燃料電池１００の内部）に配置する構成に比べて配置スペースの制限が少ない。したがって、イオン交換装置２００を容易に大型化することができ、イオン除去性能を向上させることができる。また、エンドプレート３０ａの内側（燃料電池１００の内部）にイオン交換装置２００を配置する構成に比べて、イオン交換体２５０の交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。また、イオン交換装置２００（イオン交換体２５０）は、バイパス２８０によって燃料電池１００と並列に接続されるので、冷却媒体供給路３０２や冷却媒体排出路３０４に直列に接続する構成に比べて、冷却媒体の流通を過剰に阻害することを抑制することができる。また、イオン交換装置２００は、各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を備えているので、燃料電池１００や、冷却媒体供給路３０２や、冷却媒体排出路３０４との接続部分の強度を向上させることができる。また、板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を絶縁としているので、冷却媒体の導電率が高い場合にも燃料電池１００における絶縁を確保することができる。また、燃料電池システム１０００では、燃料電池１００とイオン交換装置２００との間の気密性を確保するためのシール部２５２，２５４をイオン交換装置２００の端面Ｓ２００に形成している。したがって、イオン交換体２５０のメンテナンス等によりイオン交換装置２００を交換することで、これらシール部２５２，２５４も併せて取り替えることができ、メンテナンス作業を簡略化することができる。

Ｂ．第２の実施例：
図８は、第２の実施例における燃料電池１００及びイオン交換装置２００ａの詳細構成を示す説明図である。第２の実施例の燃料電池システムは、イオン交換装置の詳細構成において、第１の実施例の燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。

具体的には、第２の実施例におけるイオン交換装置２００ａは、第１の実施例のイオン交換装置２００（図２）と異なり、４つの挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を備えていない。その他の構成は、イオン交換装置２００と同じである。以上の構成を有する第２の実施例の燃料電池システムも、第１の実施例と同様な効果を奏する。

Ｃ．第３の実施例：
図９は、第３の実施例における燃料電池１００及びイオン交換装置２００ｂの詳細構成を示す説明図である。第３の実施例の燃料電池システムは、イオン交換装置の詳細構成において、第１の実施例の燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。

具体的には、第３の実施例のイオン交換装置２００ｂにおいて、板状部２１０ｂは、第１の実施例における板状部２１０（図２）と異なり、Ｘ−Ｙ平面の断面は矩形である。また、板状部２１０ｂは、上述した各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４に加えて、８つの挿入部を備えている。具体的には、燃料電池１００との当接する端面Ｓ２０１において、酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａに対応する位置に挿入部２３２を備えている。また、板状部２１０ｂを挟んで挿入部２３２と反対側に挿入部２３４を備えている。同様に、端面Ｓ２０１において、燃料ガス供給マニホールド１０４ａに対応する位置に挿入部２６２を備え、板状部２１０ｂを挟んで挿入部２６２と反対側に挿入部２６４を備えている。また、端面Ｓ２０１において、燃料ガス排出マニホールド１０４ｂに対応する位置に挿入部２７２を備え、板状部２１０ｂを挟んで挿入部２７２と反対側に挿入部２７４を備えている。また、端面Ｓ２０１において、酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂに対応する位置に挿入部２８２を備え、板状部２１０ｂを挟んで挿入部２８２と反対側に挿入部２８４を備えている。

上述した各挿入部２３２，２３４，２６２，２６４，２７２，２７４，２８２，２８４は、いずれも、挿入部２２２，２２４，２４２，２４４と同様に、中空の筒状構造を有している。しかし、これらの挿入部２３２，２３４，２６２，２６４，２７２，２７４，２８２，２８４において、互いに対応する挿入部の間（板状部２１０ｂ内部の空間）は、トンネル状となっており板状部２１０ｂの内部のイオン交換体２５０（図示省略）とは繋がっていない。このような構成により、イオン交換装置２００ｂは、挿入部２６２と挿入部２６４と板状部２１０ｂとからなる流路により、燃料ガス供給路３２２（図１）と燃料ガス供給マニホールド１０４ａ（図９）とを接続している。同様に、イオン交換装置２００ｂは、挿入部２３２と挿入部２３４と板状部２１０ｂとからなる流路によって酸化剤ガス供給路３１２と酸化剤ガス供給マニホールド１０３ａとを接続している。また、イオン交換装置２００ｂは、挿入部２７２と挿入部２７４と板状部２１０ｂとからなる流路により、燃料ガス排出路３２４（図１）と燃料ガス排出マニホールド１０４ｂとを接続している。また、イオン交換装置２００ｂは、挿入部２８２と挿入部２８４と板状部２１０ｂとからなる流路により、酸化剤ガス排出路３１４と酸化剤ガス排出マニホールド１０３ｂとを接続している。

以上の構成を有する第３の実施例の燃料電池システムも、第１の実施例の燃料電池システム１０００と同様な効果を奏する。また、板状部２１０ｂは、燃料電池１００と当接する端面Ｓ２０１が矩形であるので、イオン交換体２５０（図示省略）の収容スペースを大きく取ることができる。また、イオン交換装置２００ｂの外側面（端面Ｓ２０１と反対側の端面）を広くすることができ、補機（循環ポンプＰ１等）を取り付けるためのスペースとして広いスペースを確保することができる。また、イオン交換装置２００ｂは、燃料電池１００の各マニホールドに挿入する挿入部を備えているので、燃料電池１００にしっかり固定することができる。

Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上述した各実施例では、イオン交換体２５０は、陽イオン（カチオン）交換樹脂から成るものとしたが、これに代えて、特定金属のみを選択的に補足するキレート樹脂を採用することもできる。また、陽イオン交換樹脂に加えて、陰イオン（アニオン）交換樹脂を用いたイオン交換装置をイオン交換装置２００，２００ａ，２００ｂと並列に配置することもできる。なお、有機質のイオン交換樹脂に代えて、無機質のイオン交換体を採用することもできる。なお、各セパレータを金属製ではなくカーボン製とすることもでき、この場合、冷媒中に溶出したカーボンを吸着するイオン交換樹脂をイオン交換体２５０として採用することができる。すなわち、一般には、燃料電池１００から冷却媒体中に溶出するイオンを吸着・吸収することができる任意のイオン交換体を、本発明の燃料電池システムにおいて採用することができる。

Ｄ２．変形例２：
上述した各実施例では、イオン交換装置２００，２００ａ，２００ｂは、表面がすべて絶縁部材で覆われていたが、これに代えて、一部を絶縁部材で覆わない構成とすることもできる。具体的には、例えば、第１の実施例におけるイオン交換装置２００（図２）のうち、各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４の表面は絶縁部材で覆い、板状部２１０の表面は絶縁部材で覆わない構成とすることもできる。この構成においては、端面Ｓ２００とエンドプレート３０ａの外側面Ｓ１００とをシール部２５２，２５４でのみ当接させて他の部分は接しないように配置することで、絶縁を確保することができる。また、例えば、第１の実施例における各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４の表面を絶縁部材で覆わないようにすることもできる。この場合であっても、冷却媒体供給マニホールド１０２ａや冷却媒体排出マニホールド１０２ｂの内面を絶縁部材で覆うことで、絶縁を確保することができる。

Ｄ３．変形例３：
上述した第３の実施例では、イオン交換装置２００ｂに形成された各挿入部（冷却媒体が通る挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を除く）は、反応ガス（水素ガス及び空気）の各流路３１２，３１４，３２２，３２４と、燃料電池１００の各マニホールド１０３ａ，１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂと、を１対１で接続するものであったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池が複数の燃料ガス供給マニホールドを備える構成の場合、イオン交換装置２００ｂを、燃料ガス供給路３２２から供給される水素ガスをこれらの複数の燃料ガス供給マニホールドに分配するための分配管として機能させることもできる。このようにすることで、イオン交換装置２００ｂとは別に分配管を設ける構成に比べて部品点数を減らすことができ、燃料電池システムの製造コストを抑えることができる。

Ｄ４．変形例４：
上述した第３の実施例では、燃料電池１００の備える全てのマニホールド１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ，１０２ｂ，１０３ｂ，１０４ｂに対応して挿入部を備える構成であったが、これに代えて、一部の挿入部を省略する構成とすることもできる。また、第２の実施例と同様に、全ての挿入部を省略する構成とすることもできる。

Ｄ５．変形例５：
上述した各実施例では、シール部２５２，２５４は、いずれもイオン交換装置２００，２００ａ，２００ｂ側に形成されていたが、これに代えて、又は、これに加えて、燃料電池１００側に形成することもできる。

本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。図１に示す燃料電池１００及びイオン交換装置２００の詳細構成を示す説明図。燃料電池１００に接続されたイオン交換装置２００を示す平面図。図２に示すＡ−Ａ断面を示す説明図。図２に示すＢ−Ｂ断面を示す説明図。板状部２１０及び各挿入部２２２，２２４，２４２，２４４を絶縁とすることのメリットを模式的に示す説明図。第１の実施例及び比較例における燃料電池１００と循環ポンプＰ１との位置関係を模式的に示す説明図及び第２の実施例における燃料電池１００及びイオン交換装置２００ａの詳細構成を示す説明図。第３の実施例における燃料電池１００及びイオン交換装置２００ｂの詳細構成を示す説明図。

符号の説明

１０…積層体
２０…セルモジュール
３０ａ，３０ｂ…エンドプレート
３１ａ，３１ｂ…テンションプレート
３２…ボルト
３３ａ，３３ｂ…インシュレータ
３４ａ…正極ターミナルプレート
３４ｂ…負極ターミナルプレート
１００…燃料電池
１０２ａ…冷却媒体供給マニホールド
１０２ｂ…冷却媒体排出マニホールド
１０３ａ…酸化剤ガス供給マニホールド
１０３ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
１０４ａ…燃料ガス供給マニホールド
１０４ｂ…燃料ガス排出マニホールド
２００，２００ａ，２００ｂ…イオン交換装置
２１０，２１０ｂ…板状部
２２２…第１供給側挿入部
２２３…中空部
２２４…第２供給側挿入部
２４２…第１排出側挿入部
２４３…中空部
２４４…第２排出側挿入部
２５０…イオン交換体
２５２，２５４…シール部
２３２，２３４，２６２，２６４，２７２，２７４，２８２，２８４…挿入部
２８０…バイパス
３０２…冷却媒体供給路
３０４…冷却媒体排出路
３１０…冷却媒体循環路
３１２…酸化剤ガス供給路
３１４…酸化剤ガス排出路
３２２…燃料ガス供給路
３２４…燃料ガス排出路
４００…ラジエータ
５００…水素タンク
１０００…燃料電池システム
Ｓ２００，Ｓ２０１…端面
Ｓ１００…外側面
Ｐ１…循環ポンプ
Ｐ２…エアコンプレッサ
Ｂｄ…ボディ
Ｂｒ…据付部材
ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３，ＡＲ４…スペース

Claims

燃料電池システムであって、
積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有する燃料電池と、
前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接する端面と、前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぎ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、を有するイオン交換装置と、
を備える、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記供給側挿入部と前記排出側挿入部とは、いずれも表面が絶縁部材で覆われている、燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記イオン交換装置は、前記端面において、気密性を保つためのシール部材を有する、燃料電池システム。
燃料電池に供給される冷却媒体用のイオン交換装置であって、
前記燃料電池は、積層された複数のセルモジュールと、前記複数のセルモジュールの積層体の両端に配置された一対の板状のエンドプレートと、各セルモジュールに前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールドと、各セルモジュールから前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールドと、を有し、
前記イオン交換装置は、
前記一対のエンドプレートのうち一方のエンドプレートの外側面と当接可能な端面と、
前記冷却媒体供給マニホールドと前記冷却媒体排出マニホールドとを繋ぐことができ、イオン交換体を有する冷却媒体のバイパス流路と、
前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体供給マニホールドに挿入される供給側挿入部と、
前記端面から突出して形成され、前記冷却媒体排出マニホールドに挿入される排出側挿入部と、
を備える、イオン交換装置。