燃料電池システム、ラジエータ、冷媒充填方法
【課題】燃料電池システムの初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制する。
【解決手段】燃料電池スタック３０を冷却する冷却系機器４０は、ラジエータ５０と、冷媒を循環させる供給流路４１及び排出流路４５と、ラジエータ５０と供給流路４１に介装された三方弁４２とを接続するバイパス流路４６と、バイパス流路４６に介装されたイオン交換器４７とを備えている。バイパス流路４６は、冷却系機器４０を循環する冷媒を、ラジエータ５０で熱交換を行わない経路でバイパスする。イオン交換器４７は、燃料電池スタック３０よりも低い位置に設けられている。ラジエータ５０とイオン交換器４７との間のバイパス流路４６ａは、下り勾配で形成されている。ラジエータ５０のバイパス用開口部５６は、供給用開口部５４及び排出用開口部５５よりも低い位置に設けられている。
【解決手段】燃料電池スタック３０を冷却する冷却系機器４０は、ラジエータ５０と、冷媒を循環させる供給流路４１及び排出流路４５と、ラジエータ５０と供給流路４１に介装された三方弁４２とを接続するバイパス流路４６と、バイパス流路４６に介装されたイオン交換器４７とを備えている。バイパス流路４６は、冷却系機器４０を循環する冷媒を、ラジエータ５０で熱交換を行わない経路でバイパスする。イオン交換器４７は、燃料電池スタック３０よりも低い位置に設けられている。ラジエータ５０とイオン交換器４７との間のバイパス流路４６ａは、下り勾配で形成されている。ラジエータ５０のバイパス用開口部５６は、供給用開口部５４及び排出用開口部５５よりも低い位置に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池により発電を行う燃料電池システムでは、通常、燃料電池の運転温度を制御する冷却装置が設けられる。冷却装置としては、図１５に示すように、燃料電池とラジエータとの間に冷媒、例えば、水を循環させるタイプのものが一般的である。こうした冷却装置においては、冷媒を循環させるための配管は、燃料電池と電気的に十分に絶縁されているので、燃料電池とグランドとの間の絶縁抵抗は、図１５に示すように、その間に相当する冷媒経路である区間Ｓ１，Ｓ２の冷媒の抵抗値で確保される。こうしたことから、冷却装置では、冷媒の導電率を、燃料電池とグランドとの距離に応じた所定値以下に常に抑制する必要がある。燃料電池とグランドとの距離が短くなれば、所定値は小さくなる。そこで、ラジエータのコアや配管などから冷媒に溶出したイオンを必要に応じて除去する技術が開発されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の技術は、冷却装置に冷媒を充填した後に行われる燃料電池システムの運転の中で、冷媒に溶出したイオンを除去するものである。ラジエータは、冷却水と接触する表面積が大きいため、他の配管等と比べて、イオンの溶出への影響が大きく、また、イオンの溶出は、大半が初期溶出である。したがって、特許文献１の技術では、燃料電池システムの配置の制約などから、燃料電池とグランドとの距離を長く確保できない場合には、燃料電池システムの初期使用時（初めて運転する時）において、冷媒の導電率を所定値以下にできないおそれがあった。このような場合、燃料電池システムの製造段階において、ラジエータの洗浄工程を設け、ラジエータの初期使用時におけるイオンの溶出を抑制する必要があった。かかる洗浄工程は、長時間を要するものであり、洗浄時間を短縮できる、または、洗浄工程を省略できる技術が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池システムの初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題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。
【０００７】
［適用例１］燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムであって、前記冷却系は、前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入するための注入口とを備えたラジエータと、前記コアを流通した冷媒を前記ラジエータから前記燃料電池に導く供給流路と、前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路と、前記冷媒の流通経路上に設けられ、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器とを備え、前記ラジエータ、前記供給流路、前記排出流路、前記イオン交換器及び前記燃料電池を、前記注入口から注入され前記冷却系に充填される前記冷媒の少なくとも一部が、前記コア、前記イオン交換器の順に流通してから、前記冷却系に充填される位置関係に配置した燃料電池システム。
【０００８】
かかる構成の燃料電池システムは、ラジエータの注入口から注入される冷媒の少なくとも一部が、コア、イオン交換器の順に流通してから、冷却系に充填される位置関係で、冷却系の構成機器等が配置されている。したがって、冷却系への冷媒の充填時において、コアから冷媒にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器で除去することができ、燃料電池システムの初期使用時の冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。しかも、燃料電池システムの製造工程において必ず必要となる冷媒の充填工程によって冷媒の導電率の上昇を抑制することができるので、効率的である。
【０００９】
［適用例２］前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つと、前記イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された適用例１記載の燃料電池システム。
［適用例３］前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つは、下り勾配で形成された適用例１または適用例２記載の燃料電池システム。
【００１０】
適用例２、適用例３の燃料電池システムは、注入口から注入され、コアを流通した冷媒を、燃料電池側よりもイオン交換器側に導きやすくなるので、冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００１１】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、更に、前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記コアをバイパスした経路で該供給流路に導くコアバイパス流路を備え、前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路上に設けられた燃料電池システム。
【００１２】
かかる構成の燃料電池システムにおいて、冷媒の流通経路は、コアと燃料電池との間を循環する経路と、イオン交換器と燃料電池との間を循環する経路とで構成される。つまり、冷媒は、コア及びイオン交換器の両方を流通することがないので、冷媒流通における圧損を抑制することができる。また、冷媒中のイオン濃度に応じて冷媒の流通経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器を長寿命化することができる。また、燃料電池システムの運転温度に応じて冷媒の流通経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器の耐熱性の範囲内で、冷媒中のイオン除去を行うことができる。
【００１３】
［適用例５］前記コアバイパス流路のうちの、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路と、該イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された適用例４記載の燃料電池システム。
［適用例６］前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路が、下り勾配で形成された適用例４または適用例５記載の燃料電池システム。
【００１４】
適用例５、適用例６の燃料電池システムは、注入口から注入され、コアを流通した冷媒を、コアバイパス流路を介してイオン交換器側に導きやすくなるので、冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００１５】
［適用例７］適用例４ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、前記コアバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部とを備え、前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置された燃料電池システム。
【００１６】
かかる構成の燃料電池システムは、第１のタンクの注入口から注入された冷媒を、コアを流通して、第２のタンクのバイパス用開口部に導くことが可能である。しかも、供給用開口部と排出用開口部とは、重力方向において、注入口とバイパス用開口部との間に配置されるので、つまり、バイパス用開口部が供給用開口部及び排出用開口部よりも下部に配置されるので、冷媒をバイパス用開口部を介してコアバイパス流路に導きやすく、その先に配置されたイオン交換器にも導きやすくなる。
【００１７】
［適用例８］適用例４ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部を備え、前記排出用開口部は、前記供給用開口部よりも重力方向において低い位置に設けられ、前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部が前記排出流路に接続された燃料電池システム。
【００１８】
かかる構成の燃料電池システムは、第１のタンクの注入口から注入された冷媒を、コアを流通して、第２のタンクの排出用開口部に導くことが可能である。しかも、排出用開口部は、供給用開口部よりも重力方向において低い位置に設けられているので、冷媒を、排出用開口部を介して排出流路に導きやすく、排出流路に接続されたコアバイパス流路及びその先に配置されたイオン交換器にも導きやすくなる。
【００１９】
［適用例９］適用例７または適用例８記載の燃料電池システムであって、更に、前記供給流路と前記コアバイパス流路との接続点に設けられ、前記コアと前記イオン交換器とを流れる前記冷媒の流量を調節する三方弁を備え、前記三方弁は、前記コアバイパス流路と、前記供給流路のうちの該三方弁よりも前記ラジエータ側の流路とを連通可能とする燃料電池システム。
【００２０】
かかる構成の燃料電池システムは、三方弁を、コアバイパス流路と、供給流路のうちの三方弁よりもラジエータ側の流路とを連通させた状態として、冷媒を注入すれば、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、供給用流路側から第１のタンク側へ空気が引き込まれるので、注入された冷媒が供給用開口部を介して供給流路側に流入しにくくなる。したがって、注入した冷媒を、コア、第２のタンク及びバイパス用開口部を介して、コアバイパス流路及びその先のイオン交換器に導きやすくすることができる。しかも、供給用流路から空気が引き込まれることから、イオン交換器に導かれた冷媒が、イオン交換器から三方弁を介してラジエータ側へ至る経路に導かれやすくなる。したがって、イオン交換器を流通する冷媒の量を増加させることができる。
【００２１】
［適用例１０］前記注入口は、該注入口の内側に、該注入口から注入される冷媒の流れ方向に交わる方向の流れ幅を狭める方向に突出した突起部を備えた適用例９記載の燃料電池システム。
【００２２】
かかる構成の燃料電池システムは、突起部により、注入する冷媒の流れ幅を狭めることができるので、注入した冷媒の流速を高めることができる。その結果、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、適用例９の効果を高めることができる。
【００２３】
［適用例１１］適用例４ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記排出流路は、前記コアバイパス流路における該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部と、前記燃料電池との間に、非電気的に動作する構造によって、前記ラジエータ側から前記燃料電池側に向かう方向への前記冷媒の流通を防ぎ、または、該冷媒の流通を遮断する逆流防止部を備えた燃料電池システム。
【００２４】
かかる構成の燃料電池システムにおいて、逆流防止部は、非電気的に動作する構造により、ラジエータ側から燃料電池側への冷媒の流通を防ぎ、または、冷媒の流通を遮断することができるので、冷却系への冷媒の充填作業時においても、動作することができる。したがって、冷媒充填作業時において、冷媒が、コアバイパス流路を経由しない経路、つまりイオン交換器を経由しない経路で排出用流路から燃料電池に流入することを防止する。したがって、コアを流通し、さらにイオン交換器を流通して充填される冷媒の量を増加させることができる。
【００２５】
［適用例１２］前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から該イオン交換器までの経路上の距離が、該接続点から該イオン交換器までの経路上の距離よりも短くなる位置に設けられた適用例４ないし適用例１１のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２６】
かかる構成の燃料電池システムは、コアバイパス流路と供給流路との接続点と反対側の端部からイオン交換器までの経路上の距離が短くなるので、コアを流通した冷媒をイオン交換器により導きやすくすることができる。
【００２７】
［適用例１３］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記イオン交換器は、前記排出流路上に設けられ、更に、前記排出流路に並列的に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記イオン交換器をバイパスした経路で該ラジエータに導くラジエータバイパス流路を備えた燃料電池システム。
【００２８】
かかる構成の燃料電池システムにおいて、冷媒の循環経路は、イオン交換器を流通する経路と、イオン交換器をバイパスする経路とで構成される。したがって、冷媒中のイオン濃度に応じて冷媒の循環経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器を長寿命化することができる。また、イオン交換が不要な際には、イオン交換器に相当する圧損をなくすことができる。また、燃料電池システムの運転温度に応じて冷媒の流通経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器の耐熱性の範囲内で、冷媒中のイオン除去を行うことができる。
【００２９】
また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、適用例１４のラジエータ、適用例１５の冷媒充填方法としても実現することができる。
［適用例１４］燃料電池を液体状の冷媒により冷却するラジエータであって、前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、前記第１のタンクは、前記冷媒を前記ラジエータに注入するための注入口と、前記コアを流通した冷媒を前記燃料電池に導く供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、前記第２のタンクは、前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、前記コアをバイパスした経路で、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器を介して前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から流通する冷媒を再度、該燃料電池に導くバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部を備え、前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置されたラジエータ。
【００３０】
［適用例１５］燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムにおいて、前記冷却系に前記冷媒を充填する冷媒充填方法であって、前記冷却系は、前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入する注入口とを備えたラジエータと、前記燃料電池と前記ラジエータとの間で、前記冷媒を循環させる冷媒流路と、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器とを備え、前記注入口から前記冷媒を注入し、前記注入した冷媒の少なくとも一部を、前記コア、前記イオン交換器の順に流通させてから、前記冷媒を前記冷却系に充填する冷媒充填方法。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の構成を示すブロック図である。
【図２】ラジエータ５０の構成を説明するための斜視図である。
【図３】燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を示す説明図である。
【図４】バイパス流路４６におけるイオン交換器４７の位置関係を示す説明図である。
【図５】三方弁４２の初期状態の開閉状態を例示する説明図である。
【図６】図２に示したラジエータ５０のＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。
【図７】ラジエータ５０への冷媒の充填時の冷媒の水面レベルＷＬを示す説明図である。
【図８】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１２０の構成を示すブロック図である。
【図９】第２実施例としてのラジエータ１５０の構成を説明するための斜視図である。
【図１０】第２実施例としての燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を示す説明図である。
【図１１】第３実施例としての燃料電池システム２２０の構成を示すブロック図である。
【図１２】第４実施例としての燃料電池システム３２０の構成を示すブロック図である。
【図１３】変形例としてのラジエータ４５０の構成を示す説明図である。
【図１４】図１１に示したラジエータ４５０のＢ−Ｂ断面の一部を示す断面図である。
【図１５】従来例としての燃料電池冷却システムの構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム２０の概略構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム２０は、車両に動力源として搭載するものであり、図示するように、燃料電池スタック３０と、冷却系機器４０と、燃料ガス系機器７０と、酸化ガス系機器８０と、制御ユニット９０とを備えている。ただし、燃料電池システム２０の用途は特に限定するものではなく、種々の移動体に搭載するものや、工場や家屋での電源として固定設置されるものであってもよい。
【００３３】
燃料電池スタック３０は、本実施例においては、固体高分子型の燃料電池であり、発電体としての単セルを複数積層し、その積層方向の両脇に、出力端子を備える集電板（ターミナル）、絶縁板（インシュレータ）、エンドプレートを順次配置することによって形成される。ただし、燃料電池の形式は、固体高分子型に限らず、リン酸型燃料電池など種々の形式とすることができる。
【００３４】
冷却系機器４０は、燃料電池スタック３０との間で冷媒を循環させ、燃料電池スタック３０の運転温度を調節する。本実施例においては、冷媒として水を用いたが、冷媒は液体状のものであればよく、例えば、エチレングリコールなどを添加した不凍液などであってもよい。図１に示すように、冷却系機器４０は、ラジエータ５０、供給流路４１、三方弁４２、冷媒循環ポンプ４４、排出流路４５を備えている。ラジエータ５０は、冷媒と空気との間で熱交換して、冷媒の温度を低下させる。供給流路４１は、ラジエータ５０と燃料電池スタック３０との間を接続しており、その間には、三方弁４２と冷媒循環ポンプ４４とが介装されている。排出流路４５は、燃料電池スタック３０とラジエータ５０との間を接続している。
【００３５】
冷媒循環ポンプ４４を駆動させると、ラジエータ５０で熱交換された冷媒が供給流路４１を流通し、三方弁４２及び冷媒循環ポンプ４４を介して、燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０に供給された冷媒は、燃料電池スタック３０の内部に形成された冷媒供給マニホールド３１、冷媒流路３２、冷媒排出マニホールド３３を流通し、燃料電池スタック３０の熱を吸収して、排出流路４５に排出される。
【００３６】
また、冷却系機器４０は、バイパス流路４６とイオン交換器４７とを備えている。バイパス流路４６は、ラジエータ５０と三方弁４２との間を接続しており、その間にはイオン交換器４７が介装されている。ラジエータ５０とバイパス流路４６とは、排出流路４５によって燃料電池スタック３０からラジエータ５０に導かれる冷媒を、ラジエータ５０で熱交換を行わないで三方弁４２に導くことができる経路で接続されている（詳細は後述）。イオン交換器４７は、ラジエータ５０や供給流路４１，排出流路４５等の配管などから冷媒中に溶出した不純物イオンを除去して、冷媒の導電率を所定以下に抑制するために設けられる。
【００３７】
かかる冷却系機器４０において、三方弁４２は、通常、冷媒が供給流路４１のみを流通するように、逆に言えば、供給流路４１とバイパス流路４６との間が閉じられるように制御される。供給流路４１とバイパス流路４６との間が開かれ、冷却系機器４０を循環する冷媒の全部または一部がイオン交換器４７を介して循環するのは、主に、燃料電池システム２０の発電運転の立ち上げ時や立ち下げ時である。このような制御としているのは、一般的にイオン交換器４７は耐熱性が低いため、燃料電池スタック３０の温度が所定値以下に低い場合にのみ、イオン交換器４７に冷媒を流通させるためである。
【００３８】
ただし、耐熱性が高いイオン交換器４７を用いることができれば、予め定められた期間の経過ごとや、冷却系機器４０の経路内に設けた導電率計で検出された冷媒の導電率が予め定められた閾値よりも高くなったときなどに、イオン交換器４７に冷媒を流通させてもよい。冷媒の循環経路を上述のような構成にすることにより、冷媒がコア６０及びイオン交換器４７の両方を流通することがないので、冷媒流通における圧損を抑制することができる。また、限られた期間にのみ、冷媒をイオン交換器４７に流通させるので、イオン交換器４７を長寿命化することができる。
【００３９】
燃料ガス系機器７０は、水素タンク、水素遮断弁、インジェクタ、水素流路等を備えており（図示せず）、水素タンクに貯留された燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック３０に供給する。なお、燃料電池スタック３０の電気化学反応に供された排ガスは、循環利用してもよいし、連続的または間欠的に系外に排出してもよい。酸化ガス系機器８０は、コンプレッサ、空気流路等を備えており（図示せず）、コンプレッサによって外部から取り込んだ空気を酸化ガスとして燃料電池スタック３０に供給し、燃料電池スタック３０の電気化学反応に供した後、系外に排出する。
【００４０】
上述の各構成機器は、制御ユニット９０により制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求９１と燃料電池システム２０の各種センサ、例えば、温度センサや電圧センサなどからの信号を受けて、水素遮断弁、インジェクタ、コンプレッサ、冷媒循環ポンプ４４等の各種アクチュエータに駆動信号を出力し、燃料電池システム２０の運転全般を制御する。
【００４１】
Ａ−２．冷却系機器４０の詳細構成：
上述した燃料電池システム２０を構成する冷却系機器４０の詳細構成について説明する。図２は、ラジエータ５０の構成を説明するための斜視図である。図示するように、ラジエータ５０は、コア６０と、重力方向と交わる方向においてコア６０の両脇に配置された第１のタンク５１及び第２のタンク５２とを備えている。
【００４２】
第１のタンク５１は、系外から冷却系機器４０に冷媒を充填するための開口部である注入口５３と、供給流路４１と接続するための開口部である供給用開口部５４とを備えている。本実施例の注入口５３は、第１のタンク５１の重力方向と反対方向（Ｚ方向）の端面（上面）に突出して設けられており、その突出部の内部にＺ方向に沿って貫通孔が形成されている。通常は、注入口５３の開口部は、脱着可能なキャップにより封止されている。注入口５３がこのような位置に設けられているのは、注入口５３からの冷媒の注入作業の便を考慮したものであり、必ずしも、注入口５３を第１のタンク５１の上面に配置しなくてもよい。例えば、第１のタンク５１の側面であって、供給用開口部５４よりも重力方向において高い位置に開口部がＺ方向となるように設けてもよいし、配置上の制約がなければ、注入口５３は、供給用開口部５４よりも低い位置に設けてもよい。本実施例の供給用開口部５４は、第１のタンク５１の側面がＹ方向に円筒状に突出し、その内部にＹ方向に沿って貫通孔が形成されている。かかる円筒形状が供給流路４１と嵌合することで、供給用開口部５４と供給流路４１とが接続される。
【００４３】
第２のタンクは、排出流路４５と接続するための排出用開口部５５と、バイパス流路４６と接続するためのバイパス用開口部５６とを備えている。本実施例の排出用開口部５５及びバイパス用開口部５６は、第２のタンク５２の側面がＹ方向に円筒状に突出し、その内部にＹ方向に沿って貫通孔が形成されている。かかる円筒形状が排出流路４５、バイパス流路４６と勘合することで、排出用開口部５５と排出流路４５、バイパス用開口部５６とバイパス流路４６とがそれぞれ接続される。バイパス用開口部５６は、重力方向において排出用開口部５５よりも低い位置に設けられている。また、供給用開口部５４及び排出用開口部５５は、重力方向において、注入口５３とバイパス用開口部５６との間に設けられている。つまり、重力方向において、バイパス用開口部５６は、供給用開口部５４及び排出用開口部５５よりも低い位置に設けられている。
【００４４】
コア６０は、冷媒と空気との間で熱交換を行う部位である。具体的には、コア６０は、チューブ６１と放熱フィン６２とを備えている。チューブ６１は、第１のタンク５１と第２のタンク５２とを結ぶ方向（Ｘ方向）に沿った略長方形の断面形状を有しており、重力方向に沿って複数設けられている。各々のチューブ６１の−Ｘ方向の端部は、第１のタンク５１と接続され、Ｘ方向の端部は、第２のタンク５２と接続されている。隣り合うチューブ６１の間には、略波上の放熱フィン６２が接合されている。チューブ６１と放熱フィン６２との間には、Ｙ方向に貫通する複数の隙間６３が形成されている。
【００４５】
かかる構成のラジエータ５０において、燃料電池スタック３０で熱を吸収し、排出流路４５及び排出用開口部５５を介して第２のタンク５２に流入した冷媒は、チューブ６１を−Ｘ方向に流通する。ここで、隙間６３には、外気、例えば、燃料電池システム２０を搭載する車両の車速風や冷却ファンの駆動により生じた冷却風がＹ方向に流れる。このとき、冷媒は、チューブ６１及び放熱フィン６２を介して、隙間６３を流れる外気と熱交換を行い、冷却される。このようにして冷却された冷媒は、第１のタンク５１に導かれ、供給用開口部５４及び供給流路４１を介して、燃料電池スタック３０に流入し、再度、燃料電池スタック３０から熱を吸収する。
【００４６】
図３は、燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を示す説明図である。図３においては、冷媒循環ポンプ４４は、図示を省略している。冷却系機器４０では、図示するとおり、重力方向において、イオン交換器４７が燃料電池スタック３０よりも低い位置に配置されている。また、バイパス流路４６のうちの、ラジエータ５０とイオン交換器４７とを接続する経路をバイパス流路４６ａ、イオン交換器４７と三方弁４２とを接続する経路をバイパス流路４６ｂと呼ぶこととすると、バイパス流路４６ａは、燃料電池スタック３０よりも低い位置に配置されており、さらに、下り勾配で形成されている。また、バイパス流路４６ａは、重力方向において、排出流路４５よりも低い位置に配置されている。なお、図中の矢印は、冷却系機器４０の動作時の冷媒の流れを示している。
【００４７】
図４は、バイパス流路４６におけるイオン交換器４７の位置関係を示す説明図である。図示するように、バイパス流路４６の経路上において、イオン交換器４７は、ラジエータ５０のバイパス用開口部５６とイオン交換器４７との距離（バイパス流路４６ａの距離）が、イオン交換器４７と三方弁４２との距離（バイパス流路４６ｂの距離）よりも短くなる位置に配置されている。
【００４８】
図５は、三方弁４２の初期状態における開閉状態を例示している。ここでの初期状態とは、冷却系機器４０を製造段階において組み立てた後、未だ冷却系機器４０を運転していない状態をいう。図５では、三方弁４２として、ボール型を採用した場合の例を示しているが、三方弁４２の形式は特に限定するものではなく、例えば、ダイヤフラム式などを採用してもよい。図示するように、三方弁４２の初期状態は、イオン交換器４７に連通するバイパス流路４６ｂと、ラジエータ５０に連通する側の供給流路４１との開閉状態が開になっている。図中では、バイパス流路４６ｂと、燃料電池スタック３０側に連通する供給流路４１との開閉状態は開になっているが、当該開閉状態は、開閉のいずれかを問わない。
【００４９】
図６は、図２に示したラジエータ５０のＡ−Ａ断面の一部を示している。図中では、冷却系機器４０の製造・組み立て段階において、冷却系機器４０に冷媒を充填するための冷媒充填装置５９を注入口５３に接続した様子を示している。図示するように、注入口５３の内側には、注入口５３の側面に沿って第１のタンク５１の内側に向かう方向に突出した突起部５７が形成されている。本実施例では、突起部５７は、注入口５３から第１のタンク５１の方向（−Ｚ方向）に向かうほど、突起部５７の内側の開口面積が小さくなるように、テーパ形状に形成されている。ただし、突起部５７は、このようなテーパ形状を有していなくてもよく、冷媒充填装置５９によって、注入口５３から注入される冷媒の流れ幅（流れ方向に交わる方向の幅）を狭める方向に突出した形状であればよい。テーパ形状としているのは、より効果的に冷媒の流れ幅を狭めるためである。図中では、注入口５３から注入された冷媒ＲＥの流れ幅が突起部５７によって狭められている様子を示している。なお、突起部５７は、図示するように、注入口５３の−Ｚ方向側の開口部に設ける構成に限らず、注入口５３の内径に設けてもよい。
【００５０】
Ａ−３．効果：
上述した燃料電池システム２０の効果について説明する。以下に説明する本実施例の効果は、上述した燃料電池システム２０の構成に起因して、燃料電池システム２０の製造・組み立て段階における、冷却系機器４０への冷媒の充填時に得られる効果である。冷媒の充填は、冷却系機器４０の冷媒の経路内を減圧してから行ってもよいし、減圧を行わないで、冷媒を加圧して注入してもよい。図７は、ラジエータ５０の注入口５３から冷媒を注入し、冷却系機器４０に冷媒を充填している際の、ラジエータ５０における冷媒の水面レベルＷＬを示している。図中のＸ，Ｙ，Ｚ方向は、図２に示した方向に対応している。
【００５１】
注入口５３から冷媒の注入を開始すると、第１のタンク５１に冷媒が溜まり始める。そして、注入した冷媒が、次第にコア６０のチューブ６１を流通して、第２のタンク５２に溜まり始める。ここで、ラジエータ５０は、重力方向において、注入口５３とバイパス用開口部５６との間に、供給用開口部５４及び排出用開口部５５を備えているので、換言すれば、バイパス用開口部５６は、供給用開口部５４及び排出用開口部５５よりも低い位置に設けられているので、注入口５３から注入された冷媒は、供給用開口部５４や排出用開口部５５に流入するよりも、コア６０を流通してバイパス用開口部５６へ流入しやすくなる。このため、冷媒注入時の水面レベルＷＬは、図示するように、第１のタンク５１側の水面が、第２のタンク５２側の水面よりも高くなっている。このように、注入口５３から注入した冷媒は、コア６０を流通した後、バイパス用開口部５６に流入しやすくなるので、コア６０を流通した冷媒が、バイパス用開口部５６、バイパス流路４６を介してイオン交換器４７に流通しやすくなる。したがって、燃料電池システム２０の運転動作を初めて開始する前に（冷媒の充填時に）、コア６０にから冷媒中にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器４７で除去することができる。その結果、燃料電池システム２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。しかも、燃料電池システム２０の製造工程において必ず必要となる冷媒の充填工程によって冷媒の導電率の上昇を抑制することができるので、効率的である。なお、バイパス用開口部５６の位置が、重力方向において低いほど望ましいことは勿論である。
【００５２】
また、燃料電池システム２０は、図３に示したように、バイパス用開口部５６とイオン交換器４７との間のバイパス流路４６ａが下り勾配となっているので、コア６０を流通した冷媒を、バイパス流路４６ａを介してイオン交換器４７により導きやすくなる。また、重力方向において、イオン交換器４７が燃料電池スタック３０よりも低い位置に配置されているので、注入された冷媒を、燃料電池スタック３０側よりもイオン交換器４７側に導きやすくなる。その結果、コア６０を流通してイオン交換器４７に導かれる冷媒の量を増加させることができる。
【００５３】
また、燃料電池システム２０は、図４に示したように、バイパス流路４６の経路上において、イオン交換器４７は、ラジエータ５０のバイパス用開口部５６とイオン交換器４７との距離が、イオン交換器４７と三方弁４２との距離よりも短くなる位置に配置されている。したがって、コア６０を流通した冷媒をイオン交換器４７により導きやすくすることができる。
【００５４】
また、燃料電池システム２０では、図５に示したように、三方弁４２は、初期状態において、イオン交換器４７に連通するバイパス流路４６ｂと、ラジエータ５０に連通する側の供給流路４１との開閉状態が開になっている。かかる状態で注入口５３から冷媒を注入すれば、経路内を真空にしてから冷媒を注入する場合を除き、図６の矢印方向に示すように、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、供給流路４１側から供給用開口部５４を介して第１のタンク５１の−Ｚ方向に空気が引き込まれるので、注入された冷媒が供給用開口部５４から供給流路４１側に流入しにくくなる。したがって、冷媒をイオン交換器４７により導きやすくすることができる。しかも、供給流路４１から空気が引き込まれることから、イオン交換器４７に導かれた冷媒は、イオン交換器４７から三方弁４２を介してラジエータ５０側へ至る経路に導かれやすくなる。したがって、コア６０を流通してイオン交換器４７に導かれる冷媒の量を増加させることができる。
【００５５】
さらに、燃料電池システム２０では、図６に示したように、注入口５３の内部に、注入口５３から注入される冷媒の流れ幅を狭める方向に突出した突起部５７を備えている。したがって、注入された冷媒の流れ幅を狭めて、第１のタンク５１に流入する冷媒の流速を高めることができる。この結果、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、冷媒をイオン交換器４７にさらに導きやすくすることができる。
【００５６】
このように、ラジエータ５０、供給流路４１、排出流路４５、イオン交換器４７及び燃料電池スタック３０を、注入口５３からから注入され、冷却系機器４０に充填される冷媒の少なくとも一部が、コア６０を流通した後に、イオン交換器４７を流通して、冷却系機器４０に充填される位置関係で配置することにより、燃料電池システム２０の運転動作を初めて開始する前に（冷媒の充填時に）、コア６０から冷媒中にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器４７で除去することができる。その結果、燃料電池システム２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができるのである。上述した実施形態は、燃料電池スタック３０とラジエータ５０との距離が短い場合、例えば、燃料電池スタック３０とラジエータ５０とをエンジンルーム（車両前方のボンネット下部に設けられた空間）に搭載する場合には、冷媒の絶縁抵抗を十分に確保できない場合があるので、特に有効である。
【００５７】
コア６０、イオン交換器４７の順の経路で充填される冷媒の量は、冷媒の全体量の一部でよいが、効果的に冷媒の導電率の上昇を抑制するためには、全体量の２０〜３０％以上とすることが望ましい。燃料電池システム２０の初期運転時の冷媒の導電率の上昇を抑制できれば、その後冷媒中に溶出するイオンは、燃料電池システム２０の起動時に、イオン交換器４７を介して冷媒を循環させる運転を行うことにより、所定値以下に除去することができる。
【００５８】
Ｂ．第２実施例
本発明の第２実施例としての燃料電池システム１２０について説明する。燃料電池システム１２０の概略構成を図８に示す。第２実施例としての燃料電池システム１２０は、ラジエータの構成と、ラジエータ、排出流路及びバイパス流路の接続関係とが第１実施例と異なる。以下の説明においては、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同一の符号を図中に付して、説明を省略する。図８に示すように、燃料電池システム１２０においては、ラジエータ１５０は、供給流路４１と排出流路１４５とに接続され、バイパス流路１４６とは接続関係を有していない。バイパス流路１４６は、排出流路１４５の途中で分岐し、イオン交換器４７を介して三方弁４２に接続される。
【００５９】
ラジエータ１５０の構成を図９に示す。図示するように、第２のタンク１５２は、上述した燃料電池システム１２０における接続関係に起因して、排出用開口部１５５のみを備えている。つまり、第１実施例（図２）に示した供給用開口部５４を備えていない。ここで、排出用開口部１５５は、供給用開口部５４よりも重力方向において低い位置に設けられている。
【００６０】
燃料電池システム１２０における、燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を図１０に示す。バイパス流路１４６のうちの、排出流路１４５との分岐点とイオン交換器４７とを接続する経路をバイパス流路１４６ａ、イオン交換器４７と三方弁４２とを接続する経路をバイパス流路１４６ｂと呼ぶこととすると、図示するように、バイパス流路１４６ａは、下り勾配で形成されている。
【００６１】
かかる構成の燃料電池システム１２０は、排出用開口部１５５が供給用開口部５４よりも重力方向において低い位置にあるので、注入口５３から注入され、第１のタンク５１に溜まり始めた冷媒は、供給用開口部５４に流入するよりも、コア６０を流通して排出用開口部１５５に流入しやすくなる。ここで、排出用開口部１５５は、排出流路１４５と連通しているが、排出流路１４５は、燃料電池スタック３０に至る経路の途中で分岐してバイパス流路１４６と接続される。したがって、注入され、コア６０を流通した冷媒をイオン交換器４７に導きやすくなり、燃料電池システム２０の運転動作を初めて開始する前に（冷媒の充填時に）、コア６０にから冷媒中にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器４７で除去することができる。その結果、燃料電池システム２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００６２】
また、排出流路１４５から分岐するバイパス流路１４６ａは、下り勾配で形成されているので、注入口５３から注入され、コア６０を流通して排出用開口部１５５へ流入した冷媒を、燃料電池スタック３０よりもイオン交換器４７に導くやすくなる。なお、説明は省略するが、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同様の効果を奏することは勿論である。
【００６３】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例としての燃料電池システム２２０について説明する。燃料電池システム２２０の概略構成を図１１に示す。第３実施例としての燃料電池システム２２０は、ラジエータ、排出流路及びバイパス流路の接続関係とが第１実施例と異なる。以下の説明においては、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同一の符号を図中に付して、説明を省略する。図１１に示すように、燃料電池システム２２０においては、燃料電池スタック３０に接続された排出流路２４５は、三方弁２４８を介して、排出流路２４５ａと排出流路２４５ｂとに分岐している。排出流路２４５ａは、その経路上にイオン交換器２４７を備えており、ラジエータ５０のバイパス用開口部５６（図２参照）に接続される。排出流路２４５ｂは、ラジエータ５０の排出用開口部５５（図２参照）に接続される。
【００６４】
かかる燃料電池システム２２０は、通常、イオン交換器２４７をバイパスした排出流路２４５ｂによって、冷媒を循環させるが、燃料電池システム２２０の立ち上げ運転時などには、イオン交換器２４７を介した排出流路２４５ａによって、冷媒を循環させる。なお、排出流路２４５ｂは必須ではなく、イオン交換器２４７の耐熱性を確保できる場合や、圧損を抑制できる場合などでは、省略してもよい。
【００６５】
図示は省略するが、ラジエータ５０とイオン交換器２４７との間の排出流路２４５ａと、イオン交換器２４７とは、燃料電池スタック３０よりも重力方向において低い位置に配置されている。また、ラジエータ５０とイオン交換器２４７との間の排出流路２４５ａは、下り勾配で形成されている。かかる構成の燃料電池システム２２０は、第１実施例と同様に、注入し、コア６０を流通した冷媒をバイパス用開口部５６に導きやすく、また、上述した排出流路２４５ａ、イオン交換器２４７、燃料電池スタック３０の位置関係などにより、当該冷媒をイオン交換器２４７に導きやすい。したがって、燃料電池システム２２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００６６】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例としての燃料電池システム３２０について説明する。燃料電池システム３２０の概略構成を図１２に示す。第４実施例としての燃料電池システム３２０は、ラジエータ、排出流路及びバイパス流路の接続関係とが第２実施例と異なる。以下の説明においては、第２実施例と異なる点についてのみ説明し、第２実施例と同様の構成については、第２実施例と同一の符号を図中に付して、説明を省略する。図１２に示すように、燃料電池システム３２０においては、燃料電池スタック３０に接続された排出流路３４５は、三方弁３４８を介して、排出流路３４５ａと排出流路３４５ｂとに分岐している。排出流路３４５ｂは、三方弁３４９を介して、ラジエータ１５０の排出用開口部１５５（図９参照）に接続される。排出流路３４５ａは、その経路上にイオン交換器３４７を備えており、三方弁３４９に接続される。
【００６７】
かかる燃料電池システム３２０は、通常、イオン交換器３４７をバイパスした排出流路３４５ｂによって、冷媒を循環させるが、燃料電池システム２２０の立ち上げ運転時などには、イオン交換器３４７を介した排出流路３４５ａによって、冷媒を循環させる。なお、排出流路３４５ｂは必須ではなく、イオン交換器３４７の耐熱性を確保できる場合や、圧損を抑制できる場合などでは、省略してもよい。
【００６８】
図示は省略するが、三方弁３４９とイオン交換器３４７との間の排出流路３４５ａと、イオン交換器３４７とは、燃料電池スタック３０よりも重力方向において低い位置に配置されている。また、ラジエータ１５０とイオン交換器３４７との間の排出流路３４５ａは、下り勾配で形成されている。かかる構成の燃料電池システム３２０は、第２実施例と同様に、注入し、コア６０を流通した冷媒を排出用開口部１５５に導きやすく、また、上述した排出流路３４５ａ、イオン交換器３４７、燃料電池スタック３０の位置関係などにより、当該冷媒をイオン交換器３４７に導きやすい。したがって、燃料電池システム３２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００６９】
Ｅ．変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｅ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、燃料電池システム２０を構成するラジエータ５０は、重力方向と交わる方向に冷媒が流れる、いわゆるサイドフロー方式の構成について示したが、このような構成に限られるものではない。例えば、ラジエータは、重力方向に冷媒が流れる、いわゆるダウンフロー方式としてもよい。
【００７０】
ダウンフロー方式としてのラジエータの具体例をラジエータ４５０として図１３に示す。図示するように、ラジエータ４５０は、コア４６０と、重力方向においてコア４６０の両脇に配置された第１のタンク４５１及び第２のタンク４５２とを備えている。第１のタンク４５１は、その上面に注入口４５３を備え、その側面に供給用開口部４５４を備えている。第２のタンク４５２は、その側面に排出用開口部４５５とバイパス用開口部４５６とを備えている。コア４６０は、第１のタンク４５１と第２のタンク４５２とを接続する複数のチューブ４６１と、隣り合うチューブ４６１間に配置された放熱フィン４６２とを備えている。
【００７１】
これらの構成については、第１実施例と同様であるため、詳しい説明は省略するが、注入口４５３、供給用開口部４５４、排出用開口部４５５及びバイパス用開口部４５６の位置関係は、第１実施例と同様となっている。このような構成とすれば、ラジエータ内の冷媒の流れ方向に限らず、第１実施例と同様の効果を奏する。第２ないし第４実施例においても、同様に、ダウンフロー方式を採用できることは勿論である。
【００７２】
また、図１３に示したラジエータ４５０のＢ−Ｂ断面を図１４に示す。このようにダウンフロー方式のラジエータ４５０においても、注入口４５３の内側に突起部４５７を設ければ、上述の実施形態と同様に、注入された冷媒の流れ幅を狭めて、コア４６０に流入する冷媒の流速を高めることができ、冷媒をイオン交換器４７にさらに導きやすくすることができる。
【００７３】
Ｅ−２．変形例２：
第１実施例の構成に加えて、非電気的に動作する構造によって、冷媒がラジエータ５０側から燃料電池スタック３０側へ流れることを防止する、または、冷媒の流通自体を遮断する手段を排出流路４５に設けてもよい。かかる手段としては、例えば、逆止弁やピンチなどを用いることができる。冷媒がラジエータ５０側から燃料電池スタック３０側へ流れない方向に、排出流路４５に逆止弁を介装すれば、注入口５３から注入された冷媒が、排出流路１４５から燃料電池スタック３０に流入しないので、コア６０を流通した後、イオン交換器４７を流通して、冷却系機器４０に充填される冷媒の量を増加させることができる。
【００７４】
また、排出流路４５にピンチを介装し、冷媒の充填作業時に当該ピンチを閉めれば、同様の効果が得られる。なお、非電気的に動作する構造を採用するのは、燃料電池システム２０を組み立てて、初めて運転を開始する前に、冷媒を冷却系機器４０に充填するためである。第２実施例の構成に加えて、排出流路１４５とバイパス流路１４６との分岐点と、燃料電池スタック３０との間の排出流路１４５に逆止弁等を介装する場合、第３実施例の構成に加えて、排出流路２４５ｂに逆止弁等を介装する場合、第４実施例の構成に加えて、三方弁３４８と三方弁３４９との間の排出流路３４５ｂに逆止弁等を介装する場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、燃料電池システムとしての構成の他、ラジエータ、冷媒の注入方法としても実現することができる。
【符号の説明】
【００７６】
２０，１２０，２２０，３２０…燃料電池システム
３０…燃料電池スタック
３１…冷媒供給マニホールド
３２…冷媒流路
３３…冷媒排出マニホールド
４０…冷却系機器
４１…供給流路
４２，２４８，３４８，３４９…三方弁
４４…冷媒循環ポンプ
４５，１４５，２４５，２４５ａ，２４５ｂ，３４５，３４５ａ，３４５ｂ…排出流路
４６，４６ａ，４６ｂ，１４６，１４６ａ，１４６ｂ…バイパス流路
４７，２４７，３４７…イオン交換器
５０，１５０，４５０…ラジエータ
５１，４５１…第１のタンク
５２，１５２，４５２…第２のタンク
５３，４５３…注入口
５４，４５４…供給用開口部
５５，１５５，４５５…排出用開口部
５６，４５６…バイパス用開口部
５７，４５７…突起部
５９…冷媒充填装置
６０，４６０…コア
６１，４６１…チューブ
６２，４６２…放熱フィン
６３…隙間
７０…燃料ガス系機器
８０…酸化ガス系機器
９０…制御ユニット
９１…出力要求
ＲＥ…冷媒
ＷＬ…水面レベル
Ｓ１，Ｓ２…区間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池により発電を行う燃料電池システムでは、通常、燃料電池の運転温度を制御する冷却装置が設けられる。冷却装置としては、図１５に示すように、燃料電池とラジエータとの間に冷媒、例えば、水を循環させるタイプのものが一般的である。こうした冷却装置においては、冷媒を循環させるための配管は、燃料電池と電気的に十分に絶縁されているので、燃料電池とグランドとの間の絶縁抵抗は、図１５に示すように、その間に相当する冷媒経路である区間Ｓ１，Ｓ２の冷媒の抵抗値で確保される。こうしたことから、冷却装置では、冷媒の導電率を、燃料電池とグランドとの距離に応じた所定値以下に常に抑制する必要がある。燃料電池とグランドとの距離が短くなれば、所定値は小さくなる。そこで、ラジエータのコアや配管などから冷媒に溶出したイオンを必要に応じて除去する技術が開発されている（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、特許文献１の技術は、冷却装置に冷媒を充填した後に行われる燃料電池システムの運転の中で、冷媒に溶出したイオンを除去するものである。ラジエータは、冷却水と接触する表面積が大きいため、他の配管等と比べて、イオンの溶出への影響が大きく、また、イオンの溶出は、大半が初期溶出である。したがって、特許文献１の技術では、燃料電池システムの配置の制約などから、燃料電池とグランドとの距離を長く確保できない場合には、燃料電池システムの初期使用時（初めて運転する時）において、冷媒の導電率を所定値以下にできないおそれがあった。このような場合、燃料電池システムの製造段階において、ラジエータの洗浄工程を設け、ラジエータの初期使用時におけるイオンの溶出を抑制する必要があった。かかる洗浄工程は、長時間を要するものであり、洗浄時間を短縮できる、または、洗浄工程を省略できる技術が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１１０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池システムの初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題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。
【０００７】
［適用例１］燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムであって、前記冷却系は、前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入するための注入口とを備えたラジエータと、前記コアを流通した冷媒を前記ラジエータから前記燃料電池に導く供給流路と、前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路と、前記冷媒の流通経路上に設けられ、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器とを備え、前記ラジエータ、前記供給流路、前記排出流路、前記イオン交換器及び前記燃料電池を、前記注入口から注入され前記冷却系に充填される前記冷媒の少なくとも一部が、前記コア、前記イオン交換器の順に流通してから、前記冷却系に充填される位置関係に配置した燃料電池システム。
【０００８】
かかる構成の燃料電池システムは、ラジエータの注入口から注入される冷媒の少なくとも一部が、コア、イオン交換器の順に流通してから、冷却系に充填される位置関係で、冷却系の構成機器等が配置されている。したがって、冷却系への冷媒の充填時において、コアから冷媒にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器で除去することができ、燃料電池システムの初期使用時の冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。しかも、燃料電池システムの製造工程において必ず必要となる冷媒の充填工程によって冷媒の導電率の上昇を抑制することができるので、効率的である。
【０００９】
［適用例２］前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つと、前記イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された適用例１記載の燃料電池システム。
［適用例３］前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つは、下り勾配で形成された適用例１または適用例２記載の燃料電池システム。
【００１０】
適用例２、適用例３の燃料電池システムは、注入口から注入され、コアを流通した冷媒を、燃料電池側よりもイオン交換器側に導きやすくなるので、冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００１１】
［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、更に、前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記コアをバイパスした経路で該供給流路に導くコアバイパス流路を備え、前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路上に設けられた燃料電池システム。
【００１２】
かかる構成の燃料電池システムにおいて、冷媒の流通経路は、コアと燃料電池との間を循環する経路と、イオン交換器と燃料電池との間を循環する経路とで構成される。つまり、冷媒は、コア及びイオン交換器の両方を流通することがないので、冷媒流通における圧損を抑制することができる。また、冷媒中のイオン濃度に応じて冷媒の流通経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器を長寿命化することができる。また、燃料電池システムの運転温度に応じて冷媒の流通経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器の耐熱性の範囲内で、冷媒中のイオン除去を行うことができる。
【００１３】
［適用例５］前記コアバイパス流路のうちの、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路と、該イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された適用例４記載の燃料電池システム。
［適用例６］前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路が、下り勾配で形成された適用例４または適用例５記載の燃料電池システム。
【００１４】
適用例５、適用例６の燃料電池システムは、注入口から注入され、コアを流通した冷媒を、コアバイパス流路を介してイオン交換器側に導きやすくなるので、冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００１５】
［適用例７］適用例４ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、前記コアバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部とを備え、前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置された燃料電池システム。
【００１６】
かかる構成の燃料電池システムは、第１のタンクの注入口から注入された冷媒を、コアを流通して、第２のタンクのバイパス用開口部に導くことが可能である。しかも、供給用開口部と排出用開口部とは、重力方向において、注入口とバイパス用開口部との間に配置されるので、つまり、バイパス用開口部が供給用開口部及び排出用開口部よりも下部に配置されるので、冷媒をバイパス用開口部を介してコアバイパス流路に導きやすく、その先に配置されたイオン交換器にも導きやすくなる。
【００１７】
［適用例８］適用例４ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部を備え、前記排出用開口部は、前記供給用開口部よりも重力方向において低い位置に設けられ、前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部が前記排出流路に接続された燃料電池システム。
【００１８】
かかる構成の燃料電池システムは、第１のタンクの注入口から注入された冷媒を、コアを流通して、第２のタンクの排出用開口部に導くことが可能である。しかも、排出用開口部は、供給用開口部よりも重力方向において低い位置に設けられているので、冷媒を、排出用開口部を介して排出流路に導きやすく、排出流路に接続されたコアバイパス流路及びその先に配置されたイオン交換器にも導きやすくなる。
【００１９】
［適用例９］適用例７または適用例８記載の燃料電池システムであって、更に、前記供給流路と前記コアバイパス流路との接続点に設けられ、前記コアと前記イオン交換器とを流れる前記冷媒の流量を調節する三方弁を備え、前記三方弁は、前記コアバイパス流路と、前記供給流路のうちの該三方弁よりも前記ラジエータ側の流路とを連通可能とする燃料電池システム。
【００２０】
かかる構成の燃料電池システムは、三方弁を、コアバイパス流路と、供給流路のうちの三方弁よりもラジエータ側の流路とを連通させた状態として、冷媒を注入すれば、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、供給用流路側から第１のタンク側へ空気が引き込まれるので、注入された冷媒が供給用開口部を介して供給流路側に流入しにくくなる。したがって、注入した冷媒を、コア、第２のタンク及びバイパス用開口部を介して、コアバイパス流路及びその先のイオン交換器に導きやすくすることができる。しかも、供給用流路から空気が引き込まれることから、イオン交換器に導かれた冷媒が、イオン交換器から三方弁を介してラジエータ側へ至る経路に導かれやすくなる。したがって、イオン交換器を流通する冷媒の量を増加させることができる。
【００２１】
［適用例１０］前記注入口は、該注入口の内側に、該注入口から注入される冷媒の流れ方向に交わる方向の流れ幅を狭める方向に突出した突起部を備えた適用例９記載の燃料電池システム。
【００２２】
かかる構成の燃料電池システムは、突起部により、注入する冷媒の流れ幅を狭めることができるので、注入した冷媒の流速を高めることができる。その結果、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、適用例９の効果を高めることができる。
【００２３】
［適用例１１］適用例４ないし適用例１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記排出流路は、前記コアバイパス流路における該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部と、前記燃料電池との間に、非電気的に動作する構造によって、前記ラジエータ側から前記燃料電池側に向かう方向への前記冷媒の流通を防ぎ、または、該冷媒の流通を遮断する逆流防止部を備えた燃料電池システム。
【００２４】
かかる構成の燃料電池システムにおいて、逆流防止部は、非電気的に動作する構造により、ラジエータ側から燃料電池側への冷媒の流通を防ぎ、または、冷媒の流通を遮断することができるので、冷却系への冷媒の充填作業時においても、動作することができる。したがって、冷媒充填作業時において、冷媒が、コアバイパス流路を経由しない経路、つまりイオン交換器を経由しない経路で排出用流路から燃料電池に流入することを防止する。したがって、コアを流通し、さらにイオン交換器を流通して充填される冷媒の量を増加させることができる。
【００２５】
［適用例１２］前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から該イオン交換器までの経路上の距離が、該接続点から該イオン交換器までの経路上の距離よりも短くなる位置に設けられた適用例４ないし適用例１１のいずれか記載の燃料電池システム。
【００２６】
かかる構成の燃料電池システムは、コアバイパス流路と供給流路との接続点と反対側の端部からイオン交換器までの経路上の距離が短くなるので、コアを流通した冷媒をイオン交換器により導きやすくすることができる。
【００２７】
［適用例１３］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、前記イオン交換器は、前記排出流路上に設けられ、更に、前記排出流路に並列的に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記イオン交換器をバイパスした経路で該ラジエータに導くラジエータバイパス流路を備えた燃料電池システム。
【００２８】
かかる構成の燃料電池システムにおいて、冷媒の循環経路は、イオン交換器を流通する経路と、イオン交換器をバイパスする経路とで構成される。したがって、冷媒中のイオン濃度に応じて冷媒の循環経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器を長寿命化することができる。また、イオン交換が不要な際には、イオン交換器に相当する圧損をなくすことができる。また、燃料電池システムの運転温度に応じて冷媒の流通経路を切り替える構成とすれば、イオン交換器の耐熱性の範囲内で、冷媒中のイオン除去を行うことができる。
【００２９】
また、本発明は、燃料電池システムとしての構成のほか、適用例１４のラジエータ、適用例１５の冷媒充填方法としても実現することができる。
［適用例１４］燃料電池を液体状の冷媒により冷却するラジエータであって、前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、前記第１のタンクは、前記冷媒を前記ラジエータに注入するための注入口と、前記コアを流通した冷媒を前記燃料電池に導く供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、前記第２のタンクは、前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、前記コアをバイパスした経路で、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器を介して前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から流通する冷媒を再度、該燃料電池に導くバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部を備え、前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置されたラジエータ。
【００３０】
［適用例１５］燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムにおいて、前記冷却系に前記冷媒を充填する冷媒充填方法であって、前記冷却系は、前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入する注入口とを備えたラジエータと、前記燃料電池と前記ラジエータとの間で、前記冷媒を循環させる冷媒流路と、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器とを備え、前記注入口から前記冷媒を注入し、前記注入した冷媒の少なくとも一部を、前記コア、前記イオン交換器の順に流通させてから、前記冷媒を前記冷却系に充填する冷媒充填方法。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の構成を示すブロック図である。
【図２】ラジエータ５０の構成を説明するための斜視図である。
【図３】燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を示す説明図である。
【図４】バイパス流路４６におけるイオン交換器４７の位置関係を示す説明図である。
【図５】三方弁４２の初期状態の開閉状態を例示する説明図である。
【図６】図２に示したラジエータ５０のＡ−Ａ断面の一部を示す断面図である。
【図７】ラジエータ５０への冷媒の充填時の冷媒の水面レベルＷＬを示す説明図である。
【図８】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１２０の構成を示すブロック図である。
【図９】第２実施例としてのラジエータ１５０の構成を説明するための斜視図である。
【図１０】第２実施例としての燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を示す説明図である。
【図１１】第３実施例としての燃料電池システム２２０の構成を示すブロック図である。
【図１２】第４実施例としての燃料電池システム３２０の構成を示すブロック図である。
【図１３】変形例としてのラジエータ４５０の構成を示す説明図である。
【図１４】図１１に示したラジエータ４５０のＢ−Ｂ断面の一部を示す断面図である。
【図１５】従来例としての燃料電池冷却システムの構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム２０の概略構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム２０の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム２０は、車両に動力源として搭載するものであり、図示するように、燃料電池スタック３０と、冷却系機器４０と、燃料ガス系機器７０と、酸化ガス系機器８０と、制御ユニット９０とを備えている。ただし、燃料電池システム２０の用途は特に限定するものではなく、種々の移動体に搭載するものや、工場や家屋での電源として固定設置されるものであってもよい。
【００３３】
燃料電池スタック３０は、本実施例においては、固体高分子型の燃料電池であり、発電体としての単セルを複数積層し、その積層方向の両脇に、出力端子を備える集電板（ターミナル）、絶縁板（インシュレータ）、エンドプレートを順次配置することによって形成される。ただし、燃料電池の形式は、固体高分子型に限らず、リン酸型燃料電池など種々の形式とすることができる。
【００３４】
冷却系機器４０は、燃料電池スタック３０との間で冷媒を循環させ、燃料電池スタック３０の運転温度を調節する。本実施例においては、冷媒として水を用いたが、冷媒は液体状のものであればよく、例えば、エチレングリコールなどを添加した不凍液などであってもよい。図１に示すように、冷却系機器４０は、ラジエータ５０、供給流路４１、三方弁４２、冷媒循環ポンプ４４、排出流路４５を備えている。ラジエータ５０は、冷媒と空気との間で熱交換して、冷媒の温度を低下させる。供給流路４１は、ラジエータ５０と燃料電池スタック３０との間を接続しており、その間には、三方弁４２と冷媒循環ポンプ４４とが介装されている。排出流路４５は、燃料電池スタック３０とラジエータ５０との間を接続している。
【００３５】
冷媒循環ポンプ４４を駆動させると、ラジエータ５０で熱交換された冷媒が供給流路４１を流通し、三方弁４２及び冷媒循環ポンプ４４を介して、燃料電池スタック３０に供給される。燃料電池スタック３０に供給された冷媒は、燃料電池スタック３０の内部に形成された冷媒供給マニホールド３１、冷媒流路３２、冷媒排出マニホールド３３を流通し、燃料電池スタック３０の熱を吸収して、排出流路４５に排出される。
【００３６】
また、冷却系機器４０は、バイパス流路４６とイオン交換器４７とを備えている。バイパス流路４６は、ラジエータ５０と三方弁４２との間を接続しており、その間にはイオン交換器４７が介装されている。ラジエータ５０とバイパス流路４６とは、排出流路４５によって燃料電池スタック３０からラジエータ５０に導かれる冷媒を、ラジエータ５０で熱交換を行わないで三方弁４２に導くことができる経路で接続されている（詳細は後述）。イオン交換器４７は、ラジエータ５０や供給流路４１，排出流路４５等の配管などから冷媒中に溶出した不純物イオンを除去して、冷媒の導電率を所定以下に抑制するために設けられる。
【００３７】
かかる冷却系機器４０において、三方弁４２は、通常、冷媒が供給流路４１のみを流通するように、逆に言えば、供給流路４１とバイパス流路４６との間が閉じられるように制御される。供給流路４１とバイパス流路４６との間が開かれ、冷却系機器４０を循環する冷媒の全部または一部がイオン交換器４７を介して循環するのは、主に、燃料電池システム２０の発電運転の立ち上げ時や立ち下げ時である。このような制御としているのは、一般的にイオン交換器４７は耐熱性が低いため、燃料電池スタック３０の温度が所定値以下に低い場合にのみ、イオン交換器４７に冷媒を流通させるためである。
【００３８】
ただし、耐熱性が高いイオン交換器４７を用いることができれば、予め定められた期間の経過ごとや、冷却系機器４０の経路内に設けた導電率計で検出された冷媒の導電率が予め定められた閾値よりも高くなったときなどに、イオン交換器４７に冷媒を流通させてもよい。冷媒の循環経路を上述のような構成にすることにより、冷媒がコア６０及びイオン交換器４７の両方を流通することがないので、冷媒流通における圧損を抑制することができる。また、限られた期間にのみ、冷媒をイオン交換器４７に流通させるので、イオン交換器４７を長寿命化することができる。
【００３９】
燃料ガス系機器７０は、水素タンク、水素遮断弁、インジェクタ、水素流路等を備えており（図示せず）、水素タンクに貯留された燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック３０に供給する。なお、燃料電池スタック３０の電気化学反応に供された排ガスは、循環利用してもよいし、連続的または間欠的に系外に排出してもよい。酸化ガス系機器８０は、コンプレッサ、空気流路等を備えており（図示せず）、コンプレッサによって外部から取り込んだ空気を酸化ガスとして燃料電池スタック３０に供給し、燃料電池スタック３０の電気化学反応に供した後、系外に排出する。
【００４０】
上述の各構成機器は、制御ユニット９０により制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求９１と燃料電池システム２０の各種センサ、例えば、温度センサや電圧センサなどからの信号を受けて、水素遮断弁、インジェクタ、コンプレッサ、冷媒循環ポンプ４４等の各種アクチュエータに駆動信号を出力し、燃料電池システム２０の運転全般を制御する。
【００４１】
Ａ−２．冷却系機器４０の詳細構成：
上述した燃料電池システム２０を構成する冷却系機器４０の詳細構成について説明する。図２は、ラジエータ５０の構成を説明するための斜視図である。図示するように、ラジエータ５０は、コア６０と、重力方向と交わる方向においてコア６０の両脇に配置された第１のタンク５１及び第２のタンク５２とを備えている。
【００４２】
第１のタンク５１は、系外から冷却系機器４０に冷媒を充填するための開口部である注入口５３と、供給流路４１と接続するための開口部である供給用開口部５４とを備えている。本実施例の注入口５３は、第１のタンク５１の重力方向と反対方向（Ｚ方向）の端面（上面）に突出して設けられており、その突出部の内部にＺ方向に沿って貫通孔が形成されている。通常は、注入口５３の開口部は、脱着可能なキャップにより封止されている。注入口５３がこのような位置に設けられているのは、注入口５３からの冷媒の注入作業の便を考慮したものであり、必ずしも、注入口５３を第１のタンク５１の上面に配置しなくてもよい。例えば、第１のタンク５１の側面であって、供給用開口部５４よりも重力方向において高い位置に開口部がＺ方向となるように設けてもよいし、配置上の制約がなければ、注入口５３は、供給用開口部５４よりも低い位置に設けてもよい。本実施例の供給用開口部５４は、第１のタンク５１の側面がＹ方向に円筒状に突出し、その内部にＹ方向に沿って貫通孔が形成されている。かかる円筒形状が供給流路４１と嵌合することで、供給用開口部５４と供給流路４１とが接続される。
【００４３】
第２のタンクは、排出流路４５と接続するための排出用開口部５５と、バイパス流路４６と接続するためのバイパス用開口部５６とを備えている。本実施例の排出用開口部５５及びバイパス用開口部５６は、第２のタンク５２の側面がＹ方向に円筒状に突出し、その内部にＹ方向に沿って貫通孔が形成されている。かかる円筒形状が排出流路４５、バイパス流路４６と勘合することで、排出用開口部５５と排出流路４５、バイパス用開口部５６とバイパス流路４６とがそれぞれ接続される。バイパス用開口部５６は、重力方向において排出用開口部５５よりも低い位置に設けられている。また、供給用開口部５４及び排出用開口部５５は、重力方向において、注入口５３とバイパス用開口部５６との間に設けられている。つまり、重力方向において、バイパス用開口部５６は、供給用開口部５４及び排出用開口部５５よりも低い位置に設けられている。
【００４４】
コア６０は、冷媒と空気との間で熱交換を行う部位である。具体的には、コア６０は、チューブ６１と放熱フィン６２とを備えている。チューブ６１は、第１のタンク５１と第２のタンク５２とを結ぶ方向（Ｘ方向）に沿った略長方形の断面形状を有しており、重力方向に沿って複数設けられている。各々のチューブ６１の−Ｘ方向の端部は、第１のタンク５１と接続され、Ｘ方向の端部は、第２のタンク５２と接続されている。隣り合うチューブ６１の間には、略波上の放熱フィン６２が接合されている。チューブ６１と放熱フィン６２との間には、Ｙ方向に貫通する複数の隙間６３が形成されている。
【００４５】
かかる構成のラジエータ５０において、燃料電池スタック３０で熱を吸収し、排出流路４５及び排出用開口部５５を介して第２のタンク５２に流入した冷媒は、チューブ６１を−Ｘ方向に流通する。ここで、隙間６３には、外気、例えば、燃料電池システム２０を搭載する車両の車速風や冷却ファンの駆動により生じた冷却風がＹ方向に流れる。このとき、冷媒は、チューブ６１及び放熱フィン６２を介して、隙間６３を流れる外気と熱交換を行い、冷却される。このようにして冷却された冷媒は、第１のタンク５１に導かれ、供給用開口部５４及び供給流路４１を介して、燃料電池スタック３０に流入し、再度、燃料電池スタック３０から熱を吸収する。
【００４６】
図３は、燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を示す説明図である。図３においては、冷媒循環ポンプ４４は、図示を省略している。冷却系機器４０では、図示するとおり、重力方向において、イオン交換器４７が燃料電池スタック３０よりも低い位置に配置されている。また、バイパス流路４６のうちの、ラジエータ５０とイオン交換器４７とを接続する経路をバイパス流路４６ａ、イオン交換器４７と三方弁４２とを接続する経路をバイパス流路４６ｂと呼ぶこととすると、バイパス流路４６ａは、燃料電池スタック３０よりも低い位置に配置されており、さらに、下り勾配で形成されている。また、バイパス流路４６ａは、重力方向において、排出流路４５よりも低い位置に配置されている。なお、図中の矢印は、冷却系機器４０の動作時の冷媒の流れを示している。
【００４７】
図４は、バイパス流路４６におけるイオン交換器４７の位置関係を示す説明図である。図示するように、バイパス流路４６の経路上において、イオン交換器４７は、ラジエータ５０のバイパス用開口部５６とイオン交換器４７との距離（バイパス流路４６ａの距離）が、イオン交換器４７と三方弁４２との距離（バイパス流路４６ｂの距離）よりも短くなる位置に配置されている。
【００４８】
図５は、三方弁４２の初期状態における開閉状態を例示している。ここでの初期状態とは、冷却系機器４０を製造段階において組み立てた後、未だ冷却系機器４０を運転していない状態をいう。図５では、三方弁４２として、ボール型を採用した場合の例を示しているが、三方弁４２の形式は特に限定するものではなく、例えば、ダイヤフラム式などを採用してもよい。図示するように、三方弁４２の初期状態は、イオン交換器４７に連通するバイパス流路４６ｂと、ラジエータ５０に連通する側の供給流路４１との開閉状態が開になっている。図中では、バイパス流路４６ｂと、燃料電池スタック３０側に連通する供給流路４１との開閉状態は開になっているが、当該開閉状態は、開閉のいずれかを問わない。
【００４９】
図６は、図２に示したラジエータ５０のＡ−Ａ断面の一部を示している。図中では、冷却系機器４０の製造・組み立て段階において、冷却系機器４０に冷媒を充填するための冷媒充填装置５９を注入口５３に接続した様子を示している。図示するように、注入口５３の内側には、注入口５３の側面に沿って第１のタンク５１の内側に向かう方向に突出した突起部５７が形成されている。本実施例では、突起部５７は、注入口５３から第１のタンク５１の方向（−Ｚ方向）に向かうほど、突起部５７の内側の開口面積が小さくなるように、テーパ形状に形成されている。ただし、突起部５７は、このようなテーパ形状を有していなくてもよく、冷媒充填装置５９によって、注入口５３から注入される冷媒の流れ幅（流れ方向に交わる方向の幅）を狭める方向に突出した形状であればよい。テーパ形状としているのは、より効果的に冷媒の流れ幅を狭めるためである。図中では、注入口５３から注入された冷媒ＲＥの流れ幅が突起部５７によって狭められている様子を示している。なお、突起部５７は、図示するように、注入口５３の−Ｚ方向側の開口部に設ける構成に限らず、注入口５３の内径に設けてもよい。
【００５０】
Ａ−３．効果：
上述した燃料電池システム２０の効果について説明する。以下に説明する本実施例の効果は、上述した燃料電池システム２０の構成に起因して、燃料電池システム２０の製造・組み立て段階における、冷却系機器４０への冷媒の充填時に得られる効果である。冷媒の充填は、冷却系機器４０の冷媒の経路内を減圧してから行ってもよいし、減圧を行わないで、冷媒を加圧して注入してもよい。図７は、ラジエータ５０の注入口５３から冷媒を注入し、冷却系機器４０に冷媒を充填している際の、ラジエータ５０における冷媒の水面レベルＷＬを示している。図中のＸ，Ｙ，Ｚ方向は、図２に示した方向に対応している。
【００５１】
注入口５３から冷媒の注入を開始すると、第１のタンク５１に冷媒が溜まり始める。そして、注入した冷媒が、次第にコア６０のチューブ６１を流通して、第２のタンク５２に溜まり始める。ここで、ラジエータ５０は、重力方向において、注入口５３とバイパス用開口部５６との間に、供給用開口部５４及び排出用開口部５５を備えているので、換言すれば、バイパス用開口部５６は、供給用開口部５４及び排出用開口部５５よりも低い位置に設けられているので、注入口５３から注入された冷媒は、供給用開口部５４や排出用開口部５５に流入するよりも、コア６０を流通してバイパス用開口部５６へ流入しやすくなる。このため、冷媒注入時の水面レベルＷＬは、図示するように、第１のタンク５１側の水面が、第２のタンク５２側の水面よりも高くなっている。このように、注入口５３から注入した冷媒は、コア６０を流通した後、バイパス用開口部５６に流入しやすくなるので、コア６０を流通した冷媒が、バイパス用開口部５６、バイパス流路４６を介してイオン交換器４７に流通しやすくなる。したがって、燃料電池システム２０の運転動作を初めて開始する前に（冷媒の充填時に）、コア６０にから冷媒中にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器４７で除去することができる。その結果、燃料電池システム２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。しかも、燃料電池システム２０の製造工程において必ず必要となる冷媒の充填工程によって冷媒の導電率の上昇を抑制することができるので、効率的である。なお、バイパス用開口部５６の位置が、重力方向において低いほど望ましいことは勿論である。
【００５２】
また、燃料電池システム２０は、図３に示したように、バイパス用開口部５６とイオン交換器４７との間のバイパス流路４６ａが下り勾配となっているので、コア６０を流通した冷媒を、バイパス流路４６ａを介してイオン交換器４７により導きやすくなる。また、重力方向において、イオン交換器４７が燃料電池スタック３０よりも低い位置に配置されているので、注入された冷媒を、燃料電池スタック３０側よりもイオン交換器４７側に導きやすくなる。その結果、コア６０を流通してイオン交換器４７に導かれる冷媒の量を増加させることができる。
【００５３】
また、燃料電池システム２０は、図４に示したように、バイパス流路４６の経路上において、イオン交換器４７は、ラジエータ５０のバイパス用開口部５６とイオン交換器４７との距離が、イオン交換器４７と三方弁４２との距離よりも短くなる位置に配置されている。したがって、コア６０を流通した冷媒をイオン交換器４７により導きやすくすることができる。
【００５４】
また、燃料電池システム２０では、図５に示したように、三方弁４２は、初期状態において、イオン交換器４７に連通するバイパス流路４６ｂと、ラジエータ５０に連通する側の供給流路４１との開閉状態が開になっている。かかる状態で注入口５３から冷媒を注入すれば、経路内を真空にしてから冷媒を注入する場合を除き、図６の矢印方向に示すように、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、供給流路４１側から供給用開口部５４を介して第１のタンク５１の−Ｚ方向に空気が引き込まれるので、注入された冷媒が供給用開口部５４から供給流路４１側に流入しにくくなる。したがって、冷媒をイオン交換器４７により導きやすくすることができる。しかも、供給流路４１から空気が引き込まれることから、イオン交換器４７に導かれた冷媒は、イオン交換器４７から三方弁４２を介してラジエータ５０側へ至る経路に導かれやすくなる。したがって、コア６０を流通してイオン交換器４７に導かれる冷媒の量を増加させることができる。
【００５５】
さらに、燃料電池システム２０では、図６に示したように、注入口５３の内部に、注入口５３から注入される冷媒の流れ幅を狭める方向に突出した突起部５７を備えている。したがって、注入された冷媒の流れ幅を狭めて、第１のタンク５１に流入する冷媒の流速を高めることができる。この結果、ベルヌーイ効果及びエゼクタ効果によって、冷媒をイオン交換器４７にさらに導きやすくすることができる。
【００５６】
このように、ラジエータ５０、供給流路４１、排出流路４５、イオン交換器４７及び燃料電池スタック３０を、注入口５３からから注入され、冷却系機器４０に充填される冷媒の少なくとも一部が、コア６０を流通した後に、イオン交換器４７を流通して、冷却系機器４０に充填される位置関係で配置することにより、燃料電池システム２０の運転動作を初めて開始する前に（冷媒の充填時に）、コア６０から冷媒中にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器４７で除去することができる。その結果、燃料電池システム２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができるのである。上述した実施形態は、燃料電池スタック３０とラジエータ５０との距離が短い場合、例えば、燃料電池スタック３０とラジエータ５０とをエンジンルーム（車両前方のボンネット下部に設けられた空間）に搭載する場合には、冷媒の絶縁抵抗を十分に確保できない場合があるので、特に有効である。
【００５７】
コア６０、イオン交換器４７の順の経路で充填される冷媒の量は、冷媒の全体量の一部でよいが、効果的に冷媒の導電率の上昇を抑制するためには、全体量の２０〜３０％以上とすることが望ましい。燃料電池システム２０の初期運転時の冷媒の導電率の上昇を抑制できれば、その後冷媒中に溶出するイオンは、燃料電池システム２０の起動時に、イオン交換器４７を介して冷媒を循環させる運転を行うことにより、所定値以下に除去することができる。
【００５８】
Ｂ．第２実施例
本発明の第２実施例としての燃料電池システム１２０について説明する。燃料電池システム１２０の概略構成を図８に示す。第２実施例としての燃料電池システム１２０は、ラジエータの構成と、ラジエータ、排出流路及びバイパス流路の接続関係とが第１実施例と異なる。以下の説明においては、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同一の符号を図中に付して、説明を省略する。図８に示すように、燃料電池システム１２０においては、ラジエータ１５０は、供給流路４１と排出流路１４５とに接続され、バイパス流路１４６とは接続関係を有していない。バイパス流路１４６は、排出流路１４５の途中で分岐し、イオン交換器４７を介して三方弁４２に接続される。
【００５９】
ラジエータ１５０の構成を図９に示す。図示するように、第２のタンク１５２は、上述した燃料電池システム１２０における接続関係に起因して、排出用開口部１５５のみを備えている。つまり、第１実施例（図２）に示した供給用開口部５４を備えていない。ここで、排出用開口部１５５は、供給用開口部５４よりも重力方向において低い位置に設けられている。
【００６０】
燃料電池システム１２０における、燃料電池スタック３０及び冷却系機器４０を構成する機器の重力方向における位置関係を図１０に示す。バイパス流路１４６のうちの、排出流路１４５との分岐点とイオン交換器４７とを接続する経路をバイパス流路１４６ａ、イオン交換器４７と三方弁４２とを接続する経路をバイパス流路１４６ｂと呼ぶこととすると、図示するように、バイパス流路１４６ａは、下り勾配で形成されている。
【００６１】
かかる構成の燃料電池システム１２０は、排出用開口部１５５が供給用開口部５４よりも重力方向において低い位置にあるので、注入口５３から注入され、第１のタンク５１に溜まり始めた冷媒は、供給用開口部５４に流入するよりも、コア６０を流通して排出用開口部１５５に流入しやすくなる。ここで、排出用開口部１５５は、排出流路１４５と連通しているが、排出流路１４５は、燃料電池スタック３０に至る経路の途中で分岐してバイパス流路１４６と接続される。したがって、注入され、コア６０を流通した冷媒をイオン交換器４７に導きやすくなり、燃料電池システム２０の運転動作を初めて開始する前に（冷媒の充填時に）、コア６０にから冷媒中にイオンを初期溶出させ、その溶出したイオンをイオン交換器４７で除去することができる。その結果、燃料電池システム２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００６２】
また、排出流路１４５から分岐するバイパス流路１４６ａは、下り勾配で形成されているので、注入口５３から注入され、コア６０を流通して排出用開口部１５５へ流入した冷媒を、燃料電池スタック３０よりもイオン交換器４７に導くやすくなる。なお、説明は省略するが、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同様の効果を奏することは勿論である。
【００６３】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例としての燃料電池システム２２０について説明する。燃料電池システム２２０の概略構成を図１１に示す。第３実施例としての燃料電池システム２２０は、ラジエータ、排出流路及びバイパス流路の接続関係とが第１実施例と異なる。以下の説明においては、第１実施例と異なる点についてのみ説明し、第１実施例と同様の構成については、第１実施例と同一の符号を図中に付して、説明を省略する。図１１に示すように、燃料電池システム２２０においては、燃料電池スタック３０に接続された排出流路２４５は、三方弁２４８を介して、排出流路２４５ａと排出流路２４５ｂとに分岐している。排出流路２４５ａは、その経路上にイオン交換器２４７を備えており、ラジエータ５０のバイパス用開口部５６（図２参照）に接続される。排出流路２４５ｂは、ラジエータ５０の排出用開口部５５（図２参照）に接続される。
【００６４】
かかる燃料電池システム２２０は、通常、イオン交換器２４７をバイパスした排出流路２４５ｂによって、冷媒を循環させるが、燃料電池システム２２０の立ち上げ運転時などには、イオン交換器２４７を介した排出流路２４５ａによって、冷媒を循環させる。なお、排出流路２４５ｂは必須ではなく、イオン交換器２４７の耐熱性を確保できる場合や、圧損を抑制できる場合などでは、省略してもよい。
【００６５】
図示は省略するが、ラジエータ５０とイオン交換器２４７との間の排出流路２４５ａと、イオン交換器２４７とは、燃料電池スタック３０よりも重力方向において低い位置に配置されている。また、ラジエータ５０とイオン交換器２４７との間の排出流路２４５ａは、下り勾配で形成されている。かかる構成の燃料電池システム２２０は、第１実施例と同様に、注入し、コア６０を流通した冷媒をバイパス用開口部５６に導きやすく、また、上述した排出流路２４５ａ、イオン交換器２４７、燃料電池スタック３０の位置関係などにより、当該冷媒をイオン交換器２４７に導きやすい。したがって、燃料電池システム２２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００６６】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例としての燃料電池システム３２０について説明する。燃料電池システム３２０の概略構成を図１２に示す。第４実施例としての燃料電池システム３２０は、ラジエータ、排出流路及びバイパス流路の接続関係とが第２実施例と異なる。以下の説明においては、第２実施例と異なる点についてのみ説明し、第２実施例と同様の構成については、第２実施例と同一の符号を図中に付して、説明を省略する。図１２に示すように、燃料電池システム３２０においては、燃料電池スタック３０に接続された排出流路３４５は、三方弁３４８を介して、排出流路３４５ａと排出流路３４５ｂとに分岐している。排出流路３４５ｂは、三方弁３４９を介して、ラジエータ１５０の排出用開口部１５５（図９参照）に接続される。排出流路３４５ａは、その経路上にイオン交換器３４７を備えており、三方弁３４９に接続される。
【００６７】
かかる燃料電池システム３２０は、通常、イオン交換器３４７をバイパスした排出流路３４５ｂによって、冷媒を循環させるが、燃料電池システム２２０の立ち上げ運転時などには、イオン交換器３４７を介した排出流路３４５ａによって、冷媒を循環させる。なお、排出流路３４５ｂは必須ではなく、イオン交換器３４７の耐熱性を確保できる場合や、圧損を抑制できる場合などでは、省略してもよい。
【００６８】
図示は省略するが、三方弁３４９とイオン交換器３４７との間の排出流路３４５ａと、イオン交換器３４７とは、燃料電池スタック３０よりも重力方向において低い位置に配置されている。また、ラジエータ１５０とイオン交換器３４７との間の排出流路３４５ａは、下り勾配で形成されている。かかる構成の燃料電池システム３２０は、第２実施例と同様に、注入し、コア６０を流通した冷媒を排出用開口部１５５に導きやすく、また、上述した排出流路３４５ａ、イオン交換器３４７、燃料電池スタック３０の位置関係などにより、当該冷媒をイオン交換器３４７に導きやすい。したがって、燃料電池システム３２０の初期使用時における冷媒の導電率の上昇を抑制することができる。
【００６９】
Ｅ．変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｅ−１．変形例１：
上述の実施形態においては、燃料電池システム２０を構成するラジエータ５０は、重力方向と交わる方向に冷媒が流れる、いわゆるサイドフロー方式の構成について示したが、このような構成に限られるものではない。例えば、ラジエータは、重力方向に冷媒が流れる、いわゆるダウンフロー方式としてもよい。
【００７０】
ダウンフロー方式としてのラジエータの具体例をラジエータ４５０として図１３に示す。図示するように、ラジエータ４５０は、コア４６０と、重力方向においてコア４６０の両脇に配置された第１のタンク４５１及び第２のタンク４５２とを備えている。第１のタンク４５１は、その上面に注入口４５３を備え、その側面に供給用開口部４５４を備えている。第２のタンク４５２は、その側面に排出用開口部４５５とバイパス用開口部４５６とを備えている。コア４６０は、第１のタンク４５１と第２のタンク４５２とを接続する複数のチューブ４６１と、隣り合うチューブ４６１間に配置された放熱フィン４６２とを備えている。
【００７１】
これらの構成については、第１実施例と同様であるため、詳しい説明は省略するが、注入口４５３、供給用開口部４５４、排出用開口部４５５及びバイパス用開口部４５６の位置関係は、第１実施例と同様となっている。このような構成とすれば、ラジエータ内の冷媒の流れ方向に限らず、第１実施例と同様の効果を奏する。第２ないし第４実施例においても、同様に、ダウンフロー方式を採用できることは勿論である。
【００７２】
また、図１３に示したラジエータ４５０のＢ−Ｂ断面を図１４に示す。このようにダウンフロー方式のラジエータ４５０においても、注入口４５３の内側に突起部４５７を設ければ、上述の実施形態と同様に、注入された冷媒の流れ幅を狭めて、コア４６０に流入する冷媒の流速を高めることができ、冷媒をイオン交換器４７にさらに導きやすくすることができる。
【００７３】
Ｅ−２．変形例２：
第１実施例の構成に加えて、非電気的に動作する構造によって、冷媒がラジエータ５０側から燃料電池スタック３０側へ流れることを防止する、または、冷媒の流通自体を遮断する手段を排出流路４５に設けてもよい。かかる手段としては、例えば、逆止弁やピンチなどを用いることができる。冷媒がラジエータ５０側から燃料電池スタック３０側へ流れない方向に、排出流路４５に逆止弁を介装すれば、注入口５３から注入された冷媒が、排出流路１４５から燃料電池スタック３０に流入しないので、コア６０を流通した後、イオン交換器４７を流通して、冷却系機器４０に充填される冷媒の量を増加させることができる。
【００７４】
また、排出流路４５にピンチを介装し、冷媒の充填作業時に当該ピンチを閉めれば、同様の効果が得られる。なお、非電気的に動作する構造を採用するのは、燃料電池システム２０を組み立てて、初めて運転を開始する前に、冷媒を冷却系機器４０に充填するためである。第２実施例の構成に加えて、排出流路１４５とバイパス流路１４６との分岐点と、燃料電池スタック３０との間の排出流路１４５に逆止弁等を介装する場合、第３実施例の構成に加えて、排出流路２４５ｂに逆止弁等を介装する場合、第４実施例の構成に加えて、三方弁３４８と三方弁３４９との間の排出流路３４５ｂに逆止弁等を介装する場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態における本発明の構成要素のうち、独立クレームに記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略、または、組み合わせが可能である。また、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、燃料電池システムとしての構成の他、ラジエータ、冷媒の注入方法としても実現することができる。
【符号の説明】
【００７６】
２０，１２０，２２０，３２０…燃料電池システム
３０…燃料電池スタック
３１…冷媒供給マニホールド
３２…冷媒流路
３３…冷媒排出マニホールド
４０…冷却系機器
４１…供給流路
４２，２４８，３４８，３４９…三方弁
４４…冷媒循環ポンプ
４５，１４５，２４５，２４５ａ，２４５ｂ，３４５，３４５ａ，３４５ｂ…排出流路
４６，４６ａ，４６ｂ，１４６，１４６ａ，１４６ｂ…バイパス流路
４７，２４７，３４７…イオン交換器
５０，１５０，４５０…ラジエータ
５１，４５１…第１のタンク
５２，１５２，４５２…第２のタンク
５３，４５３…注入口
５４，４５４…供給用開口部
５５，１５５，４５５…排出用開口部
５６，４５６…バイパス用開口部
５７，４５７…突起部
５９…冷媒充填装置
６０，４６０…コア
６１，４６１…チューブ
６２，４６２…放熱フィン
６３…隙間
７０…燃料ガス系機器
８０…酸化ガス系機器
９０…制御ユニット
９１…出力要求
ＲＥ…冷媒
ＷＬ…水面レベル
Ｓ１，Ｓ２…区間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムであって、
前記冷却系は、
前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入するための注入口とを備えたラジエータと、
前記コアを流通した冷媒を前記ラジエータから前記燃料電池に導く供給流路と、
前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路と、
前記冷媒の流通経路上に設けられ、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器と
を備え、
前記ラジエータ、前記供給流路、前記排出流路、前記イオン交換器及び前記燃料電池を、前記注入口から注入され前記冷却系に充填される前記冷媒の少なくとも一部が、前記コア、前記イオン交換器の順に流通してから、前記冷却系に充填される位置関係に配置した
燃料電池システム。
【請求項２】
前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つと、前記イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つは、下り勾配で形成された請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
更に、前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記コアをバイパスした経路で該供給流路に導くコアバイパス流路を備え、
前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路上に設けられた
燃料電池システム。
【請求項５】
前記コアバイパス流路のうちの、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路と、該イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路が、下り勾配で形成された請求項４または請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、
前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、
前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、前記コアバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部とを備え、
前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置された
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項４ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、
前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、
前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部を備え、
前記排出用開口部は、前記供給用開口部よりも重力方向において低い位置に設けられ、
前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部が前記排出流路に接続された
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の燃料電池システムであって、
更に、前記供給流路と前記コアバイパス流路との接続点に設けられ、前記コアと前記イオン交換器とを流れる前記冷媒の流量を調節する三方弁を備え、
前記三方弁は、前記コアバイパス流路と、前記供給流路のうちの該三方弁よりも前記ラジエータ側の流路とを連通可能とする
燃料電池システム。
【請求項１０】
前記注入口は、該注入口の内側に、該注入口から注入される冷媒の流れ方向に交わる方向の流れ幅を狭める方向に突出した突起部を備えた請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項４ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記排出流路は、前記コアバイパス流路における該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部と、前記燃料電池との間に、非電気的に動作する構造によって、前記ラジエータ側から前記燃料電池側に向かう方向への前記冷媒の流通を防ぎ、または、該冷媒の流通を遮断する逆流防止部を備えた
燃料電池システム。
【請求項１２】
前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から該イオン交換器までの経路上の距離が、該接続点から該イオン交換器までの経路上の距離よりも短くなる位置に設けられた請求項４ないし請求項１１のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記イオン交換器は、前記排出流路上に設けられ、
更に、前記排出流路に並列的に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記イオン交換器をバイパスした経路で該ラジエータに導くイオン交換バイパス流路を備えた
燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料電池を液体状の冷媒により冷却するラジエータであって、
前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、
前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクと
を備え、
前記第１のタンクは、
前記冷媒を前記ラジエータに注入するための注入口と、
前記コアを流通した冷媒を前記燃料電池に導く供給流路に接続する開口部である供給用開口部と
を備え、
前記第２のタンクは、
前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、
前記コアをバイパスした経路で、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器を介して前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から流通する冷媒を再度、該供給流路に導くバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部と
を備え、
前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置された
ラジエータ。
【請求項１５】
燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムにおいて、前記冷却系に前記冷媒を充填する冷媒充填方法であって、
前記冷却系は、
前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入する注入口とを備えたラジエータと、
前記燃料電池と前記ラジエータとの間で、前記冷媒を循環させる冷媒流路と、
前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器と
を備え、
前記注入口から前記冷媒を注入し、
前記注入した冷媒の少なくとも一部を、前記コア、前記イオン交換器の順に流通させてから、前記冷媒を前記冷却系に充填する
冷媒充填方法。
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムであって、
前記冷却系は、
前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入するための注入口とを備えたラジエータと、
前記コアを流通した冷媒を前記ラジエータから前記燃料電池に導く供給流路と、
前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路と、
前記冷媒の流通経路上に設けられ、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器と
を備え、
前記ラジエータ、前記供給流路、前記排出流路、前記イオン交換器及び前記燃料電池を、前記注入口から注入され前記冷却系に充填される前記冷媒の少なくとも一部が、前記コア、前記イオン交換器の順に流通してから、前記冷却系に充填される位置関係に配置した
燃料電池システム。
【請求項２】
前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つと、前記イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ラジエータから前記イオン交換器に至る経路の少なくとも１つは、下り勾配で形成された請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
更に、前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記コアをバイパスした経路で該供給流路に導くコアバイパス流路を備え、
前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路上に設けられた
燃料電池システム。
【請求項５】
前記コアバイパス流路のうちの、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路と、該イオン交換器とは、前記燃料電池よりも重力方向において低い位置に配置された請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から、前記イオン交換器に至る経路が、下り勾配で形成された請求項４または請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、
前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、
前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、前記コアバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部とを備え、
前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置された
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項４ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ラジエータは、前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクとを備え、
前記第１のタンクは、前記注入口と、前記供給流路に接続する開口部である供給用開口部とを備え、
前記第２のタンクは、前記排出流路に接続する開口部である排出用開口部を備え、
前記排出用開口部は、前記供給用開口部よりも重力方向において低い位置に設けられ、
前記コアバイパス流路は、該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部が前記排出流路に接続された
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８記載の燃料電池システムであって、
更に、前記供給流路と前記コアバイパス流路との接続点に設けられ、前記コアと前記イオン交換器とを流れる前記冷媒の流量を調節する三方弁を備え、
前記三方弁は、前記コアバイパス流路と、前記供給流路のうちの該三方弁よりも前記ラジエータ側の流路とを連通可能とする
燃料電池システム。
【請求項１０】
前記注入口は、該注入口の内側に、該注入口から注入される冷媒の流れ方向に交わる方向の流れ幅を狭める方向に突出した突起部を備えた請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項４ないし請求項１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記排出流路は、前記コアバイパス流路における該コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部と、前記燃料電池との間に、非電気的に動作する構造によって、前記ラジエータ側から前記燃料電池側に向かう方向への前記冷媒の流通を防ぎ、または、該冷媒の流通を遮断する逆流防止部を備えた
燃料電池システム。
【請求項１２】
前記イオン交換器は、前記コアバイパス流路と前記供給流路との接続点と反対側の端部から該イオン交換器までの経路上の距離が、該接続点から該イオン交換器までの経路上の距離よりも短くなる位置に設けられた請求項４ないし請求項１１のいずれか記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記イオン交換器は、前記排出流路上に設けられ、
更に、前記排出流路に並列的に接続され、前記燃料電池側から前記ラジエータ側に流通する冷媒を、前記イオン交換器をバイパスした経路で該ラジエータに導くイオン交換バイパス流路を備えた
燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料電池を液体状の冷媒により冷却するラジエータであって、
前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、
前記コアの両脇に配置された、第１のタンクと第２のタンクと
を備え、
前記第１のタンクは、
前記冷媒を前記ラジエータに注入するための注入口と、
前記コアを流通した冷媒を前記燃料電池に導く供給流路に接続する開口部である供給用開口部と
を備え、
前記第２のタンクは、
前記冷媒を前記燃料電池から前記ラジエータに導く排出流路に接続する開口部である排出用開口部と、
前記コアをバイパスした経路で、前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器を介して前記供給流路に接続され、前記燃料電池側から流通する冷媒を再度、該供給流路に導くバイパス流路に接続する開口部であるバイパス用開口部と
を備え、
前記供給用開口部と前記排出用開口部とは、重力方向において、前記注入口と前記バイパス用開口部との間に配置された
ラジエータ。
【請求項１５】
燃料電池と、該燃料電池を液体状の冷媒により冷却する冷却系とを備えた燃料電池システムにおいて、前記冷却系に前記冷媒を充填する冷媒充填方法であって、
前記冷却系は、
前記冷媒と熱交換を行って該冷媒を冷却するコアと、該冷媒を前記冷却系の系外から注入する注入口とを備えたラジエータと、
前記燃料電池と前記ラジエータとの間で、前記冷媒を循環させる冷媒流路と、
前記冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器と
を備え、
前記注入口から前記冷媒を注入し、
前記注入した冷媒の少なくとも一部を、前記コア、前記イオン交換器の順に流通させてから、前記冷媒を前記冷却系に充填する
冷媒充填方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１００５９５（Ｐ２０１１−１００５９５Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５３６９７（Ｐ２００９−２５３６９７）
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月５日（２００９．１１．５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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