JP3979581B2

JP3979581B2 - Cooling water circulation supply system for fuel cell

Info

Publication number: JP3979581B2
Application number: JP2002166949A
Authority: JP
Inventors: 健牛尾; 光晴今関; 義郎下山; 輝明河▲さき▼
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004014324A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を冷却する燃料電池用の冷却水循環供給システムに関し、更に詳しくは、冷却水の電気伝導度を低く維持するためにイオン交換器を設けた燃料電池用の冷却水循環供給システムに関する。
【０００２】
一般に、燃料電池を直接冷却水を用いて冷却する冷却水循環供給システムにおいては、冷却水を介した液絡現象を防止するため、冷却水に高度な電気絶縁性が要求される。
そのためイオン交換器を冷却水の循環経路のバイパス経路に設けて、全循環流量のうちの一定割合の冷却水を前記イオン交換器のイオン交換樹脂層に通水・循環させ、冷却水中の電離イオンを冷却水から除去することによって冷却水の電気絶縁性を維持しており、その通水量をシステムの状況に応じて増減することも知られている。
【０００３】
冷却水の電気絶縁性を維持するために、イオン交換器に通水・循環させることが必要な流量は、その時点の冷却水の電気伝導度、及びシステム全体から発生するイオン量により決まる。
一般に、冷却水循環供給システム全体から発生するイオン量は、極力少なくなる様に材料仕様等が選定されているため、冷却水の温度が安定し電気伝導度が低い場合には、イオン交換器への通水量は少なくて済む。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却水の電気伝導度が液絡現象により問題が発生する領域内、又はそれに近い場合には速やかに電気伝導度を低下させる必要があるので大量の循環流量が必要となる。
また、冷却水（純水等）には温度上昇に伴い電気伝導度が上昇する特性があるため、システムを起動・暖機する過程での水温上昇に伴い電気伝導度が高くなるときには、問題が発生する領域に達しないように、冷却水を循環させる循環経路の循環流量を増加させることが必要となる。
【０００５】
さらに、イオン交換器に使用されるイオン交換樹脂は、一般に高温時に熱分解を起こし、イオン交換容量を減じてしまう性質があるため、電気伝導度に加えて通水温度も考慮した上でイオン交換器への通水・循環流量を制御するのがイオン交換樹脂の寿命の点からは望ましい。
また、従来技術として、冷却水の循環経路のバイパス経路に、イオン交換器と前記イオン交換器への通水量を制御可能な弁とを設け、前記循環経路に設けた電気伝導度検知手段からの電気出力信号に基づき前記弁の開閉制御を行うものがあるが、
▲１▼前記弁装置が大型化して重量が増加したり、
▲２▼弁を閉じたときに冷却水の電気伝導度が上昇するため頻繁に開閉を行う必要があり、前記弁の駆動電力消費量の増加や耐久性の問題を生じる虞があった。
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであって、燃料電池を迂回するバイパス経路に設けたイオン交換器への通水量を制御する弁を小型化でき、しかも前記弁の駆動電力の消費量低減や耐久性を向上できる燃料電池用の冷却水循環供給システムを提供することを目的とする。
【０００７】
前記課題を解決するためになされた請求項１に記載された燃料電池用の冷却水循環供給システムは、燃料電池に対して冷却水を循環させる循環経路および冷却水循環ポンプと、前記燃料電池を迂回するバイパス経路を設け、このバイパス経路に、冷却水の電気伝導度を低く維持するためのイオン交換器と、前記イオン交換器への通水量を制御する弁とを設け、冷却水を前記燃料電池へ循環供給して冷却する燃料電池用の冷却水循環供給システムにおいて、前記イオン交換器への通水量を制御する弁を、電磁弁とそれに並列なオリフィスとで構成し、イグニッションスイッチをオンにしたときの前記燃料電池の起動時に、前記電磁弁を開弁するとともに、前記冷却水循環ポンプの駆動を開始することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１に記載された発明によると、
（１）イオン交換器への必要な通水量を、従来のように通水量を制御する弁だけを介してイオン交換器へ供給するのではなく、並列に設けた電磁弁とオリフィスとで通水量を分担して供給するようにしたので、イオン交換器の従来の浄化機能を損なうことなくイオン交換器への通水量を制御する弁を小型・軽量で廉価な電磁弁で代用することができる。
（２）また、オリフィスを電磁弁と並列に設けたことにより、前記電磁弁が全閉状態のときでも定常運転時に必要なイオン交換器への通水量を確保することができるので、冷却水の電気伝導度が低く安定している。そのため、システムが長期間運転を停止した後の起動時や異常時等の冷却水中の電気伝導度が高いときのみ電磁弁を開くだけで電気伝導度を低く維持することができる。
その結果、電磁弁の開閉回数が少なくなるので、弁の駆動電力消費量が低減され、弁の耐久性が向上する。
（３）また、燃料電池の停止中は、停止状態（放置時間等）によって配管材料や燃料電池内部から冷却水中へ金属イオン等のイオン溶解成分が多く溶出して来る場合があるので、冷却水の電気伝導度は一般に高くなっている可能性がある。従って、燃料電池の起動時に電磁弁を開弁すれば電気伝導度を速やかに低くすることができる。
【０００９】
請求項２に記載された燃料電池用の冷却水循環供給システムは、燃料電池に対して冷却水を循環させる循環経路および冷却水循環ポンプと、前記燃料電池を迂回するバイパス経路を設け、このバイパス経路に、冷却水の電気伝導度を低く維持するためのイオン交換器と、前記イオン交換器への通水量を制御する弁とを設け、冷却水を前記燃料電池へ循環供給して冷却する燃料電池用の冷却水循環供給システムにおいて、前記イオン交換器への通水量を制御する弁を、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁で構成し、イグニッションスイッチをオンにしたときの前記燃料電池の起動時に、前記電磁弁を開弁するとともに、前記冷却水循環ポンプの駆動を開始することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２に記載された発明によると、
（１）イオン交換器への必要な通水量を、従来のように通水量を制御する弁だけを介してイオン交換器へ供給するのではなく、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁で供給するようにしたので、イオン交換器の従来の浄化機能を損なうことなく電磁弁周りの省スペース化が図れると共に、電磁弁の目詰まりを防止することができ、弁の信頼性を向上することができる。
（２）また、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁を設けたことにより、前記電磁弁が全閉状態のときでも定常運転時に必要なイオン交換器への通水量を確保することができるので、冷却水の電気伝導度が低く安定している。
そのため、システムが長期間運転を停止した後の起動時や異常時等の冷却水中の電気伝導度が高いときのみ電磁弁を開くだけで電気伝導度を低く維持することができる。
その結果、電磁弁の開閉回数が少なくなるので、弁の駆動電力消費量が低減され、弁の耐久性が向上する。
（３）また、燃料電池の停止中は、停止状態（放置時間等）によって配管材料や燃料電池内部から冷却水中へ金属イオン等のイオン溶解成分が多く溶出して来る場合があるので、冷却水の電気伝導度は一般に高くなっている可能性がある。従って、燃料電池の起動時に電磁弁を開弁すれば電気伝導度を速やかに低くすることができる。
【００１５】
請求項３に記載された燃料電池用の冷却水循環供給システムは、前記電磁弁を、前記燃料電池の起動後における前記電気伝導度の増加時に開弁することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載された発明によると、前記電磁弁を、前記電気伝導度の増加時に開弁することで、電気伝導度を低く維持することができる。
【００１７】
請求項４に記載された燃料電池用の冷却水循環供給システムは、前記電磁弁を、前記燃料電池の起動後における前記冷却水の温度の上昇時に閉弁することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載された発明によると、前記電磁弁を、前記冷却水の温度の上昇時に閉弁することで、高温の冷却水がイオン交換器へ通水される量を減らすことができるので、イオン交換器に充填されているイオン交換樹脂の熱分解による性能劣化を低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１〜図４を参照して説明する。
尚、図１は、本発明に係る燃料電池用の冷却水循環供給システムの第一実施形態を示す全体の構成図、図２は、第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムを車両に搭載して、電磁弁及び流量制限用のオリフィスを用いてイオン交換器への通水量を制御する場合の一例を示す図である。
また、図３は、本発明に係る燃料電池用の冷却水循環供給システムの第二実施形態を示す全体の構成図、図４は、第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムで使用される電磁弁の構造を示す簡略図である。
【００２０】
最初に、第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムについて図１を参照して説明する。
本発明に係る第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システム１は、図１に示すように、
アノード極に供給される燃料ガスとカソード極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２には、前記燃料電池２内へ冷却水を通流させて燃料電池２を冷却するための冷却水の入口２ａと出口２ｂとが設けられている。
この冷却水の入口２ａと出口２ｂには、冷却水を循環させるための循環経路３が接続されている。
【００２１】
この循環経路３には、冷却水を循環するための冷却水循環ポンプ３ａと、冷却水を冷却する冷却器としてのラジエータ３ｂと、前記ラジエータ３ｂへの冷却水の通水量を調節して燃料電池２へ供給する冷却水の温度を調整する温度調整装置としてのサーモスタットバルブ３ｃとが順番に設けられている。
また、燃料電池２の入口２ａ近傍の循環経路３には、冷却水の電気伝導度を検知する電気伝導度検知手段としての電気伝導度センサ３ｅ及び冷却水の温度を検知する温度検知手段としての温度センサ３ｄが設けられている。
【００２２】
そして、燃料電池２ヘ供給する冷却水を冷却する必要がない場合（燃料電池２へ循環供給する冷却水が放熱を要求されない場合）には、直接燃料電池２へ冷却水を供給するため、循環経路３にはラジエータ３ｂの上流で分岐しサーモスタットバルブ３ｃに接続された第一バイパス経路４が設けられている。
また、冷却水の電気伝導度を低く維持するため、前記サーモスタットバルブ３ｃの下流側に設けられた前記燃料電池２への流れの一部又は前記燃料電池２からラジエータ３ｂへの流れの一部を迂回したバイパス経路である第二バイパス経路５には、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂を充填したイオン交換器５ａと、前記イオン交換器５ａへの通水量を制御する電磁弁５ｂと、前記電磁弁５ｂに対して並列に流量制限用のオリフィス５ｃが設けられている。尚、電磁弁５ｂはＯＮ−ＯＦＦ弁（２位置制御弁）である。
【００２３】
さらに電気伝導度センサ３ｅ及び／又は温度センサ３ｄの電気出力信号に基づいて前記電磁弁５ｂの開閉を制御する制御装置６が設けられている。ここで使用される制御装置６は、電気的制御回路、又は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ（又はＭＰＵ）及びＩ／Ｏ等を中心として構成されたマイクロコンピュータからなる電子制御装置である。
このように、循環経路３に冷却水の電気伝導度を検知する電気伝導度センサ３ｅ及び冷却水の温度を検知する温度センサ３ｄ設け、これらの電気出力信号に基づき電磁弁５ｂの開閉を制御するようにすれば、冷却水の電気伝導度を好適に維持し、イオン交換器の性能劣化を低減することができる。
【００２４】
次に、このように構成される第一実施形態の冷却水循環供給システム１を車両に搭載して、第二バイパス経路５に並列に設けた電磁弁５ｂ及び流量制限用のオリフィス５ｃを用いてイオン交換器５ａへの通水量を制御する場合の一例について図１及び図２を参照して説明する。尚、後記する第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムにおいても図２と同様な流量制御特性が得られる。
（１）イグニッションスイッチをＯＮすると、燃料電池２へ燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され燃料電池２で発電が開始（起動）する。
（２）このとき冷却水循環ポンプ３ａも駆動を開始する。
（３）燃料電池２の起動時は、第二バイパス経路５の電磁弁５ｂを開いてイオン交換器５ａへの通水量を増加させ、起動前に増加していた冷却水中のイオン溶解成分を除去する。このようにすることで冷却水の電気伝導度を簡単に低く維持することができる。
（４）燃料電池２の起動後、冷却水の温度が所定値以上、例えば４０℃以上になるか又は所定時間、例えば1分間、が経過したときは電磁弁５ｂを閉じる。
【００２５】
（５）次に、燃料電池２の発熱により冷却水の温度が上昇すると、サーモスタットバルブ３ｃが作動してラジエータ３ｂ側に冷却水が通水され、冷却水の放熱が開始される。サーモスタットバルブ３ｃの開度が制御されることで、冷却水の温度が燃料電池２の通常の作動温度（約８０℃）に制御される。
（６）冷却水の電気伝導度が所定値以下（冷却水が液絡を起こさない電気伝導度の上限値以下）である通常の状態では、電磁弁５ｂを閉じてイオン交換器５ａへの通水量を最低流量（常時必要な通水量）とし、常時発生する冷却水中のイオン溶解成分が冷却水から除去される。
（７）冷却水の電気伝導度が所定値を超えると電磁弁５ｂを開いてイオン交換器５ａへの通水量を増加させ、イオン溶解成分を冷却水から除去する能力を増加させる。このようにすることで電気伝導度を所定値以下に管理することができる。（８）外気温度が高いときなどに、図示しないアクセルを全開にして燃料電池２の発電量（発熱量）を増加させるとラジエータ３ｂの冷却性能を一時的に超えて、冷却水の温度が所定値、例えば８０℃以上に上昇する場合がある。
このときは電磁弁５ｂを閉じてイオン交換器５ａへの通水量を最低流量に抑えることによりイオン交換樹脂の熱分解による性能劣化を低減することができるとともに、燃料電池２の冷却に寄与しないイオン交換器５ａへの通水量を減少し、燃料電池２への冷却水量を増加させることで燃料電池２の冷却能力を確保することができる。
【００２６】
このような構成・作用を有する第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムによれば、
（１）イオン交換器５ａへの必要な通水量を、従来のように通水量を制御する弁だけを介してイオン交換器５ａへ供給するのではなく、並列に設けた電磁弁５ｂとオリフィス５ｃとで通水量を分担して供給するようにしたので、イオン交換器５ａの従来の浄化機能を損なうことなくイオン交換器５ａへの通水量を制御する弁を小型・軽量で廉価な電磁弁５ｂで代用することができる。
（２）また、オリフィス５ｃを電磁弁５ｂと並列に設けたことにより、前記電磁弁５ｂが全閉状態のときでも定常運転時に必要なイオン交換器５ａへの通水量を確保することができるので、冷却水の電気伝導度が低く安定している。そのため、システムが長期間運転を停止した後の起動時や異常時等の冷却水中の電気伝導度が高いときのみ電磁弁５ｂを開くだけで電気伝導度を低く維持することができる。その結果、電磁弁５ｂの開閉回数が少なくなるので、弁の駆動電力消費量が低減され、弁の耐久性が向上する。
【００２７】
次に、本発明に係る第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムについて図３及び図４を参照して説明する。第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システム１０と第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムとの構成の違いは、第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システム１０は、イオン交換器５ａを設けた第二バイパス経路５に、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁と流量制限用のオリフィスとを一体化した構造の電磁弁５ｂ′を設けた点である。
尚、第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムと同じ部材に付いては同じ符号を付して説明する。
【００２８】
最初に、第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システム１０で使用される電磁弁と流量制限用のオリフィスとを一体化した電磁弁５ｂ′の構造について図４を参照して説明する。
第二実施形態の冷却水循環供給システムで使用する電磁弁５ｂ′は、図４に示すように、プラグ１５をプランジャ１２を介して駆動させる駆動部５ｂ′１と冷却水を通流させる弁本体５ｂ′２とから主要部が構成される。
電磁弁５ｂ′は、直動型とパイロット型どちらでも使用できるが本実施形態では直動型を使用している。
駆動部５ｂ′１は、外部から電力を供給されて磁界を形成するコイル１１と、前記コイル１１の中心部に配設され、前記磁界により上下方向に駆動されるプランジャ１２と、前記プランジャ１２の上方で駆動部ケ−シング１４内に設けられプランジャ１２の駆動力を受けるバネ１３と、これらを内部に収容する駆動部ケーシング１４とから形成される。
一方、弁本体５ｂ′２は、前記プランジャ１２の下部に連設して設けられオリフィス通路１５ａを有するプラグ１５と、これらを収納するケーシング１６とから形成される。尚、オリフィス通路１５ａは、電磁弁５ｂ′のプラグ１５が全閉状態（入口側を閉鎖した位置）にあるときでも冷却水がプラグ１５のオリフィス通路１５ａの中を流れて通過できるようにするために設けられている。
【００２９】
このような構造の電磁弁５ｂ′を備えた第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システム１０を車両に搭載して、第二バイパス経路５に並列に設けた電磁弁５ｂ及び流量制限用のオリフィス５ｃを用いてイオン交換器５ａへの通水量を制御する場合の制御方法は、第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムと同一なので説明を省略する。
【００３０】
このような構成と作用を有する第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムによれば、
（１）イオン交換器５ａへの必要な通水量を、従来のように通水量を制御する弁だけを介してイオン交換器５ａへ供給するのではなく、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁５ｂ′で供給するようにしたので、イオン交換器５ａの従来の浄化機能を損なうことなく電磁弁５ｂ′周りの省スペース化が図れると共に、電磁弁５ｂ′の目詰まりを防止することができ、弁の信頼性を向上することができる。
（２）また、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁５ｂ′を設けたことにより、前記電磁弁５ｂ′が全閉状態のときでも定常運転時に必要なイオン交換器５ａへの通水量を確保することができるので、冷却水の電気伝導度が低く安定している。
そのため、システムが長期間運転を停止した後の起動時や異常時等の冷却水中の電気伝導度が高いときのみ電磁弁５ｂ′を開くだけで電気伝導度を低く維持することができる。その結果、電磁弁５ｂ′の開閉回数が少なくなるので、弁の駆動電力消費量が低減され、弁の耐久性が向上する。
【００３１】
以上、第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システム及び第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムについて説明したが、本発明に係る燃料電池用の冷却水循環供給システムはこれに限定されるものでなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で適宜変更して実施可能である。
例えば、電気伝導度検知手段及び温度検知手段の電気出力信号を組み合わせて複雑な制御条件で電磁弁の開閉制御を行うこともできる。
また、本実施形態では電磁弁としてＯＮ−ＯＦＦ弁（２位置制御弁）を使用しているが、イオン交換器への通水量を連続的に制御可能な電磁弁を用いることもできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上の構成と作用からなる本発明によれば、以下の効果を奏する。
１．請求項１に記載された発明によれば、
（１）イオン交換器への必要な通水量を、従来のように通水量を制御する弁だけを介してイオン交換器へ供給するのではなく、並列に設けた電磁弁とオリフィスとで通水量を分担して供給するようにしたので、イオン交換器の従来の浄化機能を損なうことなくイオン交換器への通水量を制御する弁を小型・軽量で廉価な電磁弁で代用することができる。
（２）また、オリフィスを電磁弁と並列に設けたことにより、前記電磁弁が全閉状態のときでも定常運転時に必要なイオン交換器への通水量を確保することができるので、冷却水の電気伝導度が低く安定している。そのため、システムが長期間運転を停止した後の起動時や異常時等の冷却水中の電気伝導度が高いときのみ電磁弁を開くだけで電気伝導度を低く維持することができる。
その結果、電磁弁の開閉回数が少なくなるので、弁の駆動電力消費量が低減され、弁の耐久性が向上する。
（３）また、前記電磁弁を、前記燃料電池の起動時に開弁することで電気伝導度を簡単に低く維持することができる。
２．請求項２に記載された発明によれば、
（１）イオン交換器への必要な通水量を、従来のように通水量を制御する弁だけを介してイオン交換器へ供給するのではなく、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁で供給するようにしたので、イオン交換器の従来の浄化機能を損なうことなく電磁弁周りの省スペース化が図れると共に、電磁弁の目詰まりを防止することができ、弁の信頼性を向上することができる。
（２）また、全閉状態のときでもオリフィス機能を持つ電磁弁を設けたことにより、前記電磁弁が全閉状態のときでも定常運転時に必要なイオン交換器への通水量を確保することができるので、冷却水の電気伝導度が低く安定している。
そのため、システムが長期間運転を停止した後の起動時や異常時等の冷却水中の電気伝導度が高いときのみ電磁弁を開くだけで電気伝導度を低く維持することができる。その結果、電磁弁の開閉回数が少なくなるので、弁の駆動電力消費量が低減され、弁の耐久性が向上する。
（３）また、前記電磁弁を、前記燃料電池の起動時に開弁することで電気伝導度を簡単に低く維持することができる。
３．請求項３に記載された発明によれば、前記電磁弁を、前記電気伝導度の増加時に開弁することで、電気伝導度を低く維持することができる。
４．請求項４に記載された発明によれば、前記電磁弁を、前記冷却水の温度の上昇時に閉弁することで、イオン交換器に充填されているイオン交換樹脂の熱分解による性能劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用の冷却水循環供給システムの第一実施形態を示す全体の構成図である。
【図２】第一実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムを車両に搭載して、電磁弁及び流量制限用のオリフィスを用いてイオン交換器への通水量を制御する場合の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用の冷却水循環供給システムの第二実施形態を示す全体の構成図である。
【図４】第二実施形態の燃料電池用の冷却水循環供給システムで使用される電磁弁の構造を示す簡略図である。
【符号の説明】
１，１０燃料電池用の冷却水循環供給システム
２燃料電池
３循環経路
３ｄ温度センサ（温度検知手段）
３ｅ電気伝導度センサ（電気伝導度検知手段）
５第二バイパス通路（バイパス経路）
５ａイオン交換器
５ｂ，５ｂ′ 電磁弁
５ｃオリフィス
６制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling water circulation supply system for a fuel cell that cools the fuel cell, and more particularly to a cooling water circulation supply system for a fuel cell provided with an ion exchanger in order to keep the electrical conductivity of the cooling water low. .
[0002]
Generally, in the cooling water circulation supply system for cooling with direct cooling water to the fuel cell, in order to prevent the liquid絡現elephant through the cooling water, high electrical insulating properties to the cooling water is required.
Therefore, an ion exchanger is provided in the bypass path of the cooling water circulation path, and a certain percentage of the total circulation flow rate is passed through and circulated through the ion exchange resin layer of the ion exchanger, so that ionized ions in the cooling water are supplied. It is also known that the electrical insulation of the cooling water is maintained by removing the water from the cooling water, and the amount of water flow is increased or decreased depending on the system conditions.
[0003]
In order to maintain the electrical insulation of the cooling water, the flow rate that needs to be passed and circulated through the ion exchanger is determined by the electrical conductivity of the cooling water at that time and the amount of ions generated from the entire system.
In general, the material specifications are selected so that the amount of ions generated from the entire cooling water circulation supply system is minimized, so if the temperature of the cooling water is stable and the electrical conductivity is low, There is little water flow.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the electrical conductivity of the cooling water is within or close to the region where the problem occurs due to the liquid junction phenomenon, it is necessary to quickly decrease the electrical conductivity, so a large amount of circulating flow is required.
Cooling water (pure water, etc.) has a characteristic that the electrical conductivity increases as the temperature rises, so there is a problem when the electrical conductivity increases as the water temperature rises during the process of starting and warming up the system. It is necessary to increase the circulation flow rate of the circulation path through which the cooling water is circulated so as not to reach the region where it occurs.
[0005]
In addition, ion exchange resins used in ion exchangers generally have the property of causing thermal decomposition at high temperatures and reducing the ion exchange capacity. Therefore, ion exchange is considered in consideration of the water flow temperature in addition to the electrical conductivity. It is desirable from the viewpoint of the life of the ion exchange resin to control the water flow and circulation flow rate to the vessel.
Further, as a conventional technique, an ion exchanger and a valve capable of controlling the amount of water flow to the ion exchanger are provided in the bypass path of the cooling water circulation path, and the electric conductivity detection means provided in the circulation path is provided. There are those that control the opening and closing of the valve based on the electrical output signal,
(1) The valve device becomes larger and its weight increases.
{Circle around (2)} Since the electrical conductivity of the cooling water increases when the valve is closed, it is necessary to frequently open and close it, which may cause an increase in driving power consumption of the valve and a problem of durability.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and can reduce the size of a valve that controls the amount of water flow to an ion exchanger provided in a bypass path that bypasses a fuel cell, and further, driving power of the valve. An object of the present invention is to provide a cooling water circulation supply system for a fuel cell that can reduce consumption and improve durability.
[0007]
The cooling water circulation supply system for a fuel cell according to claim 1, which has been made to solve the above problem, bypasses the fuel cell, a circulation path for circulating the cooling water to the fuel cell, and a cooling water circulation pump. A bypass path is provided, and an ion exchanger for maintaining the electrical conductivity of the cooling water at a low level and a valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger are provided in the bypass path, and the cooling water is supplied to the fuel cell. In a cooling water circulation supply system for a fuel cell that circulates and cools, a valve that controls the amount of water flow to the ion exchanger is composed of a solenoid valve and an orifice parallel to the solenoid valve, and the ignition switch is turned on. When starting the fuel cell, the solenoid valve is opened and the driving of the cooling water circulation pump is started .
[0008]
According to the invention described in claim 1,
(1) Rather than supplying the necessary water flow to the ion exchanger to the ion exchanger only through a valve that controls the water flow as in the prior art, the water flow is made by an electromagnetic valve and an orifice provided in parallel. Therefore, a small, lightweight and inexpensive solenoid valve can be used as a valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger without impairing the conventional purification function of the ion exchanger.
(2) Since the orifice is provided in parallel with the solenoid valve, it is possible to ensure the amount of water flow to the ion exchanger necessary for steady operation even when the solenoid valve is in the fully closed state. Electrical conductivity is low and stable. Therefore, the electrical conductivity can be kept low only by opening the solenoid valve only when the electrical conductivity in the cooling water is high at the time of startup or abnormality after the system has been stopped for a long time.
As a result, the number of times of opening and closing the electromagnetic valve is reduced, so that the driving power consumption of the valve is reduced and the durability of the valve is improved.
(3) In addition, when the fuel cell is stopped, a large amount of ion-dissolved components such as metal ions may elute from the piping material or inside the fuel cell into the cooling water depending on the stopped state (such as leaving time). The electrical conductivity of can generally be high. Therefore, if the solenoid valve is opened when the fuel cell is started, the electrical conductivity can be lowered quickly.
[0009]
A cooling water circulation supply system for a fuel cell according to claim 2 is provided with a circulation path and a cooling water circulation pump for circulating cooling water to the fuel cell, and a bypass path that bypasses the fuel cell. And an ion exchanger for maintaining the electrical conductivity of the cooling water low, and a valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger, and for cooling the fuel cell by circulatingly supplying the cooling water to the fuel cell. In the cooling water circulation supply system, the valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger is configured by an electromagnetic valve having an orifice function even in the fully closed state , and the fuel cell is started when the ignition switch is turned on. Sometimes, the solenoid valve is opened, and the driving of the cooling water circulation pump is started .
[0010]
According to the invention described in claim 2,
(1) A solenoid valve having an orifice function even when it is in a fully closed state, instead of supplying the necessary amount of water to the ion exchanger to the ion exchanger only through a valve for controlling the amount of water flow as in the prior art. As a result, the space around the solenoid valve can be saved without impairing the conventional purification function of the ion exchanger, and the clogging of the solenoid valve can be prevented and the reliability of the valve is improved. be able to.
(2) Further, by providing a solenoid valve having an orifice function even in the fully closed state, it is possible to ensure the amount of water flow to the ion exchanger necessary for steady operation even when the solenoid valve is in the fully closed state. As a result, the electrical conductivity of the cooling water is low and stable.
Therefore, the electrical conductivity can be kept low only by opening the solenoid valve only when the electrical conductivity in the cooling water is high at the time of startup or abnormality after the system has been stopped for a long time.
As a result, the number of times of opening and closing the electromagnetic valve is reduced, so that the driving power consumption of the valve is reduced and the durability of the valve is improved.
(3) In addition, when the fuel cell is stopped, a large amount of ion-dissolved components such as metal ions may elute from the piping material or inside the fuel cell into the cooling water depending on the stopped state (such as leaving time). The electrical conductivity of can generally be high. Therefore, if the solenoid valve is opened when the fuel cell is started, the electrical conductivity can be lowered quickly.
[0015]
Cooling water circulation supply system for a fuel cell according to claim 3, the solenoid valve, characterized in that the valve opening when an increase of the electric conductivity after activation of the fuel cell.
[0016]
According to the invention described in claim 3 , the electrical conductivity can be kept low by opening the electromagnetic valve when the electrical conductivity is increased.
[0017]
Cooling water circulation supply system for a fuel cell according to claim 4, the solenoid valve, characterized in that the valve closing during the rise in temperature of the cooling water after the start of the fuel cell.
[0018]
According to the invention described in claim 4 , since the solenoid valve is closed when the temperature of the cooling water rises, the amount of high-temperature cooling water that is passed to the ion exchanger can be reduced. The performance deterioration due to the thermal decomposition of the ion exchange resin filled in the ion exchanger can be reduced.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a cooling water circulation supply system for a fuel cell according to the present invention. FIG. 2 shows the cooling water circulation supply system for a fuel cell according to the first embodiment in a vehicle. It is a figure which shows an example in the case of carrying and controlling the amount of water flow to an ion exchanger using the solenoid valve and the orifice for flow restriction.
3 is an overall configuration diagram showing a second embodiment of the cooling water circulation supply system for a fuel cell according to the present invention, and FIG. 4 is used in the cooling water circulation supply system for the fuel cell of the second embodiment. It is a simplified diagram showing the structure of the electromagnetic valve.
[0020]
First, a cooling water circulation supply system for a fuel cell according to a first embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the coolant circulation supply system 1 for a fuel cell according to the first embodiment of the present invention is
In the fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction between the fuel gas supplied to the anode electrode and the oxidant gas supplied to the cathode electrode, cooling water is passed through the fuel cell 2 to cool the fuel cell 2. There are provided an inlet 2a and an outlet 2b for cooling water.
A circulation path 3 for circulating the cooling water is connected to the inlet 2a and the outlet 2b of the cooling water.
[0021]
The circulation path 3 includes a cooling water circulation pump 3a for circulating the cooling water, a radiator 3b as a cooler for cooling the cooling water, and a flow rate of the cooling water to the radiator 3b to adjust the flow rate of the cooling water. A thermostat valve 3c as a temperature adjusting device for adjusting the temperature of the cooling water supplied to is sequentially provided.
Further, in the circulation path 3 near the inlet 2a of the fuel cell 2, an electric conductivity sensor 3e as an electric conductivity detecting means for detecting electric conductivity of the cooling water and a temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water. A temperature sensor 3d is provided.
[0022]
When there is no need to cool the cooling water supplied to the fuel cell 2 (when the cooling water supplied to the fuel cell 2 is not required to dissipate heat), the cooling water is directly supplied to the fuel cell 2 so The path 3 is provided with a first bypass path 4 that branches upstream from the radiator 3b and is connected to the thermostat valve 3c.
In order to keep the electric conductivity of the cooling water low, a part of the flow to the fuel cell 2 provided on the downstream side of the thermostat valve 3c or a part of the flow from the fuel cell 2 to the radiator 3b is used. In the second bypass path 5 which is a bypassed bypass path, an ion exchanger 5a filled with a cation exchange resin and an anion exchange resin, an electromagnetic valve 5b for controlling the amount of water flow to the ion exchanger 5a, and the electromagnetic valve An orifice 5c for restricting the flow rate is provided in parallel with 5b. The electromagnetic valve 5b is an ON-OFF valve (two-position control valve).
[0023]
Further, a control device 6 is provided for controlling the opening / closing of the electromagnetic valve 5b based on the electrical output signal of the electrical conductivity sensor 3e and / or the temperature sensor 3d. The control device 6 used here is an electronic control device comprising an electric control circuit or a microcomputer mainly composed of RAM, ROM, CPU (or MPU), I / O, and the like.
As described above, the electrical conductivity sensor 3e for detecting the electrical conductivity of the cooling water and the temperature sensor 3d for detecting the temperature of the cooling water are provided in the circulation path 3, and the opening and closing of the electromagnetic valve 5b is controlled based on these electrical output signals. By doing so, the electrical conductivity of the cooling water can be suitably maintained , and the performance deterioration of the ion exchanger can be reduced .
[0024]
Next, the cooling water circulation supply system 1 according to the first embodiment configured as described above is mounted on a vehicle, and ions are generated using an electromagnetic valve 5b and a flow restriction orifice 5c provided in parallel with the second bypass path 5. An example in the case of controlling the water flow rate to the exchanger 5a will be described with reference to FIGS. Note that a flow rate control characteristic similar to that shown in FIG. 2 can also be obtained in a cooling water circulation supply system for a fuel cell according to a second embodiment described later.
(1) When the ignition switch is turned on, fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell 2 and power generation starts (starts up) in the fuel cell 2.
(2) At this time, the cooling water circulation pump 3a also starts to drive.
(3) When the fuel cell 2 is started, the electromagnetic valve 5b of the second bypass path 5 is opened to increase the amount of water flowing to the ion exchanger 5a, and the ion-dissolved component in the cooling water that has increased before the start-up is removed. To do. By doing in this way, the electrical conductivity of cooling water can be easily maintained low.
(4) After the fuel cell 2 is started, the solenoid valve 5b is closed when the temperature of the cooling water reaches a predetermined value or higher, for example, 40 ° C. or higher, or a predetermined time, for example, 1 minute elapses.
[0025]
(5) Next, when the temperature of the cooling water rises due to the heat generated by the fuel cell 2, the thermostat valve 3c is actuated to allow the cooling water to flow to the radiator 3b side, and the heat dissipation of the cooling water is started. By controlling the opening degree of the thermostat valve 3c, the temperature of the cooling water is controlled to the normal operating temperature (about 80 ° C.) of the fuel cell 2.
(6) In a normal state where the electrical conductivity of the cooling water is equal to or lower than a predetermined value (less than the upper limit value of the electrical conductivity at which the cooling water does not cause a liquid junction), the electromagnetic valve 5b is closed and the flow to the ion exchanger 5a is performed. The amount of water is set to the minimum flow rate (the amount of water that is always required), and ion-dissolved components in the cooling water that are constantly generated are removed from the cooling water.
(7) When the electric conductivity of the cooling water exceeds a predetermined value, the electromagnetic valve 5b is opened to increase the amount of water flowing to the ion exchanger 5a, thereby increasing the ability to remove ion-dissolved components from the cooling water. By doing in this way, electrical conductivity can be managed below to a predetermined value. (8) When the outside air temperature is high and the accelerator (not shown) is fully opened to increase the power generation amount (heat generation amount) of the fuel cell 2, the cooling performance of the radiator 3b is temporarily exceeded, and the cooling water temperature is predetermined. The value may rise to, for example, 80 ° C. or higher.
At this time, by closing the electromagnetic valve 5b and suppressing the amount of water flowing to the ion exchanger 5a to the minimum flow rate, it is possible to reduce performance deterioration due to thermal decomposition of the ion exchange resin, and ions that do not contribute to cooling of the fuel cell 2 The cooling capacity of the fuel cell 2 can be ensured by decreasing the amount of water flow to the exchanger 5a and increasing the amount of cooling water to the fuel cell 2.
[0026]
According to the cooling water circulation supply system for the fuel cell of the first embodiment having such a configuration and action,
(1) The necessary water flow amount to the ion exchanger 5a is not supplied to the ion exchanger 5a only through the valve for controlling the water flow amount as in the prior art, but the electromagnetic valve 5b and the orifice 5c provided in parallel. Since the water flow amount is shared and supplied, the valve for controlling the water flow amount to the ion exchanger 5a without impairing the conventional purification function of the ion exchanger 5a is a small, light and inexpensive solenoid valve 5b. Can be substituted.
(2) Since the orifice 5c is provided in parallel with the electromagnetic valve 5b, it is possible to ensure the amount of water flow to the ion exchanger 5a required during steady operation even when the electromagnetic valve 5b is in a fully closed state. The electric conductivity of cooling water is low and stable. Therefore, the electrical conductivity can be kept low only by opening the solenoid valve 5b only when the electrical conductivity in the cooling water is high at the time of startup after the system has been stopped for a long period of time or when it is abnormal. As a result, since the number of times of opening and closing the electromagnetic valve 5b is reduced, the driving power consumption of the valve is reduced, and the durability of the valve is improved.
[0027]
Next, a cooling water circulation supply system for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The difference in configuration between the cooling water circulation supply system 10 for the fuel cell of the second embodiment and the cooling water circulation supply system 10 for the fuel cell of the first embodiment is that the cooling water circulation supply system 10 for the fuel cell of the second embodiment is The second bypass path 5 provided with the ion exchanger 5a is provided with an electromagnetic valve 5b 'having a structure in which an electromagnetic valve having an orifice function and an orifice for restricting the flow rate are integrated even in a fully closed state. .
In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated about the same member as the cooling water circulation supply system for fuel cells of 1st embodiment.
[0028]
First, the structure of the electromagnetic valve 5b 'in which the electromagnetic valve used in the fuel cell cooling water circulation supply system 10 of the second embodiment and the flow restricting orifice are integrated will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4, the electromagnetic valve 5 b ′ used in the cooling water circulation supply system of the second embodiment includes a drive unit 5 b ′ that drives the plug 15 via the plunger 12 and a valve body 5 b that allows the cooling water to flow. The main part is composed of '2.
The solenoid valve 5b 'can be either a direct acting type or a pilot type, but in this embodiment, a direct acting type is used.
The drive unit 5b'1 is provided with a coil 11 that is supplied with electric power from the outside to form a magnetic field, a plunger 12 that is disposed in the center of the coil 11 and is driven in the vertical direction by the magnetic field, and the plunger 12 A spring 13 is provided in the drive unit casing 14 and receives the driving force of the plunger 12, and a drive unit casing 14 that houses these springs 13 therein.
On the other hand, the valve body 5b'2 is formed of a plug 15 provided continuously with the lower portion of the plunger 12 and having an orifice passage 15a, and a casing 16 for housing them. The orifice passage 15a allows the coolant to flow through the orifice passage 15a of the plug 15 even when the plug 15 of the electromagnetic valve 5b 'is in the fully closed state (position where the inlet side is closed). Is provided.
[0029]
The cooling water circulation supply system 10 for the fuel cell according to the second embodiment having the electromagnetic valve 5b ′ having such a structure is mounted on the vehicle, and the electromagnetic valve 5b provided in parallel with the second bypass path 5 and the flow rate limiting device. The control method in the case of controlling the amount of water flow to the ion exchanger 5a using the orifice 5c is the same as the cooling water circulation supply system for the fuel cell according to the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
[0030]
According to the cooling water circulation supply system for the fuel cell of the second embodiment having such a configuration and action,
(1) A necessary amount of water flow to the ion exchanger 5a is not supplied to the ion exchanger 5a only through a valve for controlling the water flow amount as in the prior art, but has an orifice function even in a fully closed state. Since the electromagnetic valve 5b 'supplies the air, the space around the electromagnetic valve 5b' can be saved and the clogging of the electromagnetic valve 5b 'can be prevented without impairing the conventional purification function of the ion exchanger 5a. And the reliability of the valve can be improved.
(2) Further, by providing the solenoid valve 5b 'having the orifice function even in the fully closed state, the amount of water flow to the ion exchanger 5a necessary for steady operation even when the solenoid valve 5b' is in the fully closed state. Therefore, the electrical conductivity of the cooling water is low and stable.
For this reason, the electrical conductivity can be kept low only by opening the solenoid valve 5b 'only when the electrical conductivity in the cooling water is high at the time of startup or abnormality after the system has been stopped for a long period of time. As a result, the number of times of opening and closing the electromagnetic valve 5b 'is reduced, so that the amount of driving power consumed by the valve is reduced and the durability of the valve is improved.
[0031]
As described above, the coolant circulation supply system for the fuel cell according to the first embodiment and the coolant circulation supply system for the fuel cell according to the second embodiment have been described. However, the coolant circulation supply system for the fuel cell according to the present invention is limited to this. However, the present invention can be appropriately modified and implemented without departing from the technical scope of the present invention.
For example, the opening / closing control of the electromagnetic valve can be performed under complicated control conditions by combining the electrical output signals of the electrical conductivity detection means and the temperature detection means.
In this embodiment, an ON-OFF valve (two-position control valve) is used as the electromagnetic valve, but an electromagnetic valve capable of continuously controlling the amount of water flow to the ion exchanger can also be used.
[0032]
【The invention's effect】
According to the present invention having the above configuration and operation, the following effects can be obtained.
1. According to the invention described in claim 1,
(1) Rather than supplying the necessary water flow to the ion exchanger to the ion exchanger only through a valve that controls the water flow as in the prior art, the water flow is made by an electromagnetic valve and an orifice provided in parallel. Therefore, a small, lightweight and inexpensive solenoid valve can be used as a valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger without impairing the conventional purification function of the ion exchanger.
(2) Since the orifice is provided in parallel with the solenoid valve, it is possible to ensure the amount of water flow to the ion exchanger necessary for steady operation even when the solenoid valve is in the fully closed state. Electrical conductivity is low and stable. Therefore, the electrical conductivity can be kept low only by opening the solenoid valve only when the electrical conductivity in the cooling water is high at the time of startup or abnormality after the system has been stopped for a long time.
As a result, the number of times of opening and closing the electromagnetic valve is reduced, so that the driving power consumption of the valve is reduced and the durability of the valve is improved.
(3) Further, the electric conductivity can be easily kept low by opening the electromagnetic valve when the fuel cell is started.
2. According to the invention described in claim 2,
(1) A solenoid valve having an orifice function even when it is in a fully closed state, instead of supplying the necessary amount of water to the ion exchanger to the ion exchanger only through a valve for controlling the amount of water flow as in the prior art. As a result, the space around the solenoid valve can be saved without impairing the conventional purification function of the ion exchanger, and the clogging of the solenoid valve can be prevented and the reliability of the valve is improved. be able to.
(2) Further, by providing a solenoid valve having an orifice function even in the fully closed state, it is possible to ensure the amount of water flow to the ion exchanger necessary for steady operation even when the solenoid valve is in the fully closed state. As a result, the electrical conductivity of the cooling water is low and stable.
Therefore, the electrical conductivity can be kept low only by opening the solenoid valve only when the electrical conductivity in the cooling water is high at the time of startup or abnormality after the system has been stopped for a long time. As a result, the number of times of opening and closing the electromagnetic valve is reduced, so that the driving power consumption of the valve is reduced and the durability of the valve is improved.
(3) Further, the electric conductivity can be easily kept low by opening the electromagnetic valve when the fuel cell is started.
3 . According to the invention described in claim 3 , the electrical conductivity can be kept low by opening the electromagnetic valve when the electrical conductivity is increased.
4 . According to the invention described in claim 4 , the solenoid valve is closed when the temperature of the cooling water rises, thereby reducing performance deterioration due to thermal decomposition of the ion exchange resin filled in the ion exchanger. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a first embodiment of a coolant circulation supply system for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 shows an example of a case where the cooling water circulation supply system for a fuel cell according to the first embodiment is mounted on a vehicle and the amount of water flow to the ion exchanger is controlled using an electromagnetic valve and an orifice for restricting the flow rate. FIG.
FIG. 3 is an overall configuration diagram showing a second embodiment of a coolant circulation supply system for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 4 is a simplified diagram showing a structure of an electromagnetic valve used in a cooling water circulation supply system for a fuel cell according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
1,10 Cooling water circulation supply system for fuel cell 2 Fuel cell 3 Circulation path 3d Temperature sensor (temperature detection means)
3e Electrical conductivity sensor (electrical conductivity detection means)
5 Second bypass passage (bypass route)
5a Ion exchanger 5b, 5b 'Solenoid valve 5c Orifice 6 Control device

Claims

A circulation path for circulating the cooling water to the fuel cell and a cooling water circulation pump ; a bypass path for bypassing the fuel cell; and an ion exchanger for maintaining a low electrical conductivity of the cooling water in the bypass path; A cooling water circulation supply system for a fuel cell that is provided with a valve that controls the amount of water flow to the ion exchanger and that circulates and supplies cooling water to the fuel cell to cool the fuel cell.
A valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger is composed of a solenoid valve and an orifice parallel thereto ,
A cooling water circulation supply system for a fuel cell , wherein the electromagnetic valve is opened and driving of the cooling water circulation pump is started when the fuel cell is started up when an ignition switch is turned on .

A circulation path for circulating the cooling water to the fuel cell and a cooling water circulation pump ; a bypass path for bypassing the fuel cell; and an ion exchanger for maintaining a low electrical conductivity of the cooling water in the bypass path; A cooling water circulation supply system for a fuel cell that is provided with a valve that controls the amount of water flow to the ion exchanger and that circulates and supplies cooling water to the fuel cell to cool the fuel cell.
The valve for controlling the amount of water flow to the ion exchanger is constituted by a solenoid valve having an orifice function even when fully closed ,
A cooling water circulation supply system for a fuel cell , wherein the electromagnetic valve is opened and driving of the cooling water circulation pump is started when the fuel cell is started up when an ignition switch is turned on .

The cooling water circulation supply system for a fuel cell according to claim 1 or 2 , wherein the electromagnetic valve is opened when the electrical conductivity increases after the fuel cell is started .

The cooling water circulation supply system for a fuel cell according to claim 1 or 2 , wherein the electromagnetic valve is closed when the temperature of the cooling water rises after the fuel cell is started .