(57)【要約】【課題】部品点数を低減し、構造を簡素化することができるとともに、イオン交換樹脂の利用効率を向上することができ、さらに、イオン交換機能が低下したイオン交換樹脂を容易に廃棄することができる燃料電池の冷却システムを提供する。【解決手段】燃料電池に冷却液を循環供給するための循環配管１２を接続する。この循環配管１２の内部に収容された冷却液に粒状のイオン交換樹脂Ｅを混入する。前記循環配管１２にイオン交換機能が低下して小径となったイオン交換樹脂Ｅｓを回収するための回収容器２３を装着する。回収容器２３は取付筒２１に対し取り外し可能に装着され、取付筒２１にはフィルタ２４が設けられ、このフィルタ２４によって小径のイオン交換樹脂Ｅｓが回収容器２３に回収される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該循環配管には冷却液を循環させるポンプを接続するとともに冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去する粒状のイオン交換樹脂を、該循環配管内に冷却液とともに循環可能に収容し、前記循環配管の管壁には、該循環配管の内部と外部を連通する開口を設け、該開口には回収容器を取り外し可能に装着し、同じく前記開口には所定粒径以下のイオン交換樹脂を選別するためのフィルタを設けたことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項２】
請求項１において、前記循環配管の開口には、該開口を開閉するための開閉弁が設けられていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記循環配管には連結筒が直列に接続され、該連結筒の外周壁に形成された開口に前記回収容器が設けられていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、前記循環配管又は連結筒の開口には、円筒状の取付筒が連結され、該取付筒の内部には、前記フィルタが収容され、前記取付筒に前記回収容器が取り付けられていることを特徴とする燃料電池の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却システムに係り、詳しくは燃料電池の発電の際に発電セルから発生する熱を熱交換により吸熱して冷却するための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、燃料電池内に多数枚積層された発電セルにより水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われると、発電セルが熱を発生する。これを放置すると、発電セルが過熱されて発電不能となる。このため、燃料電池には発電時に発電セルを冷却するために、一般的に冷却液方式の冷却システムが備えられている。この冷却システムとして、特許文献１に開示されたものが提案されている。この冷却システムを図６に基づいて説明すると、燃料電池１１には冷却液をポンプ１３により循環させる循環配管１２が接続されている。前記ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４はラジエータ１５と、ラジエータ１５に空気を吹き付けるための送風ファン１６とにより構成されている。
【０００３】
前記冷却液として水にエチレングリコール（不凍液）を含有した液体が用いられている。発電時に前記ポンプ１３が駆動されて燃料電池１１の内部に冷却液が供給されると、その冷却液により燃料電池１１の発電セルが冷却される。このとき、冷却液の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、ギ酸が生成され、このギ酸によりマイナスのイオンが生成される。又、ギ酸により冷却液の循環通路の内面が腐蝕されると、プラスのイオンも生成される。このようにして、冷却液はマイナスのイオンとプラスのイオンが混在した不純物イオンを含有する。このイオンは電荷をもっているので、冷却液に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却液の電気伝導度が高くなり、燃料電池１１で発電された電気が冷却液を媒体として外部に漏洩する虞がある。
【０００４】
上記の課題に対処するため、特許文献１においては、前記循環配管１２に対し前記ポンプ１３と並列にバイパス配管４１が接続されている。このバイパス配管４１には冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するためのイオン交換器４２が接続されている。このイオン交換器４２の内部には、イオン交換樹脂として、マイナスのイオンを吸着する粒子状のアニオンタイプのものと、プラスのイオンを吸着する粒子状のカチオンタイプのものとが収容されている。そして、イオン交換樹脂により不純物イオンを吸着除去して冷却液の電気伝導度が高くならないようになっている。
【０００５】
特許文献２にも上述した燃料電池用の冷却システムと同様の冷却システムが開示されている。
又、特許文献３においては、燃料電池の冷却回路に冷却液組成物を封入し、冷却系部品から初期に溶出したイオンが冷却液中に分散しているイオン交換樹脂により除去されるようにした冷却系が開示されている。そして、冷却液中で分散しているイオン交換樹脂は、冷却系のバイパス回路に設けられたフィルターにより回収されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１６１１１７号公報
【特許文献２】特開２００３−２４９２４９号公報
【特許文献３】特開２００６−５７９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１，２に開示された燃料電池の冷却システムは、前記循環配管１２に対しバイパス配管４１を接続し、このバイパス配管４１にイオン交換器４２を接続する構成をとっていたので、部品点数が多くなり、構造が複雑化して、製造及び組付作業が面倒になるという問題があった。
【０００８】
又、上記従来の冷却システムは、イオン交換器４２内のイオン交換樹脂の機能が低下した場合に、イオン交換器４２が新しいものと交換される。この際、イオン交換器４２内に封入されたイオン交換樹脂にはまだ使用可能なイオン交換樹脂も残留するため、使用可能なイオン交換樹脂が無駄に廃棄され、イオン交換樹脂の利用効率が低下するという問題があった。
【０００９】
さらに、特許文献３に開示された燃料電池の冷却系は、冷却液中で分散しているイオン交換樹脂を冷却系のバイパス回路に設けられたフィルターにより回収するようにしているので、バイパス回路が必要になって、構造が複雑化し、製造及び組付作業が面倒になるという問題があった。又、フィルターにより回収されたイオン交換樹脂の廃棄作業を行う場合には、バイパス回路を分断しなければならないので、非常に面倒であるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、部品点数を削減し、構造を簡素化して、製造及び組付作業を容易に行うことができるとともに、使用可能なイオン交換樹脂が無駄に廃棄されるのをなくして、イオン交換樹脂の利用効率を向上することができ、さらに、イオン交換機能が低下したイオン交換樹脂を容易に廃棄することができる燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池に冷却液の循環配管を接続し、該循環配管には冷却液を循環させるポンプを接続するとともに冷却液を冷却するための熱交換器を接続し、前記冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去する粒状のイオン交換樹脂を、該循環配管内に冷却液とともに循環可能に収容し、前記循環配管の管壁には、該循環配管の内部と外部を連通する開口を設け、該開口には回収容器を取り外し可能に装着し、同じく前記開口には所定粒径以下のイオン交換樹脂を選別するためのフィルタを設けたことを要旨とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記循環配管の開口には、該開口を開閉するための開閉弁が設けられていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記循環配管には連結筒が直列に接続され、該連結筒の外周壁に形成された開口に前記回収容器が設けられていることを要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記循環配管又は連結筒の開口には、円筒状の取付筒が連結され、該取付筒の内部には、前記フィルタが収容され、前記取付筒に前記回収容器が取り付けられていることを要旨とする。
【００１４】
（作用）
請求項１に記載の発明は、循環配管の内部の冷却液にイオン交換樹脂を混入し、該イオン交換樹脂を冷却液とともに循環するようにしたので、循環配管にバイパス配管や、このバイパス配管にイオン交換樹脂を封入したイオン交換器を設ける必要がない。このため、冷却システムの部品点数が削減されて、構造が簡素化され、製造及び組付作業が容易となって、コストを低減することができる。
【００１５】
又、イオン交換樹脂による冷却液内の不純物イオンの吸着作業が進行して、粒状のイオン交換樹脂が小径になる。そして、フィルタによって小径のイオン交換樹脂が回収容器内に選別されて移動される。このため、小径のイオン交換樹脂のみを無駄なく効率的に容器に回収することができ、イオン交換樹脂の利用効率を向上することができる。さらに、循環配管を分断することなく、循環配管の開口から回収容器を分離することにより、小径になってイオン交換機能が低下したイオン交換樹脂を容易に廃棄することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池の冷却システムの部品点数を削減し、構造を簡素化して、製造及び組付作業を容易に行うことができるとともに、使用可能なイオン交換樹脂が無駄に廃棄されるのをなくして、イオン交換樹脂の利用効率を向上することができ、さらに、イオン交換機能が低下したイオン交換樹脂を容易に廃棄することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池の冷却システムの略体回路図。
【図２】循環配管に設けられたイオン交換機能が低下したイオン交換樹脂の回収手段を示す拡大断面図。
【図３】図２の１−１線断面図。
【図４】フィルタの取付構造を示す拡大断面図。
【図５】この発明の別の実施形態を示す要部の縦断面図。
【図６】従来の燃料電池の冷却システムを示す略体回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を電気自動車の燃料電池の冷却システムとして具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示す燃料電池１１の内部には図示しないが発電セルが多層に積層されて介在されている。前記燃料極側には、水素ガスを燃料として供給するための水素ガス供給系が接続されている。前記酸化剤極側には、酸化剤として酸素ガスを含む空気を供給するための空気供給系が接続されている。そして、燃料電池１１内の各発電セルに供給された水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われるようになっている。
【００１９】
前記燃料電池１１の発電セルの冷却を行うための冷却液を循環させる循環配管１２が接続され、該循環配管１２にはポンプ１３が接続されている。この実施形態では、前記冷却液として水にエチレングリコールを含有した液体が用いられている。前記ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、高温の冷却液を冷却するための熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４は循環配管１２に接続されたラジエータ１５と、ラジエータ１５に空気を吹き付けて高温の冷却液を冷却するための電動モータにより駆動される送風ファン１６とにより構成されている。
【００２０】
図２に示すように、前記循環配管１２の内部には、冷却液に含まれる不純物イオンを吸着除去するための粒子状をなす多数のイオン交換樹脂Ｅが収容され、冷却液とともに循環配管１２内を循環するようになっている。
【００２１】
前記循環配管１２の途中には、イオン交換が進行した粒径の小さいイオン交換樹脂Ｅｓのみを該循環配管１２の外部に排出するための回収装置が設けられている。以下、この回収装置について説明する。
【００２２】
図２及び図３に示すように、図１及び図２に示すように、循環配管１２の途中には、円筒状の連結筒１８が直列に連結されている。この連結筒１８の両端開口部には継手１９，２０が溶接によって連結され、該継手１９，２０は前記循環配管１２の端部に接続されている。前記連結筒１８の底部１８ａには取付孔１８ｂが形成され、該取付孔１８ｂには円筒状をなす取付筒２１の上端部が嵌入され、該取付筒２１の外周面と前記連結筒１８の底部１８ａの外表面は、溶接部２２によって連結されている。前記取付筒２１の内部通路によって、前記連結筒１８の管壁に開口Ｋが形成されている。前記取付筒２１の外周面には、フランジ部２１ａが一体に形成されている。該フランジ部２１ａの下方の取付筒２１の外周面に形成された雄ネジ部２１ｂには、イオン交換作用が進行して小径となった粒状のイオン交換樹脂Ｅｓの回収容器２３が装着されている。該回収容器２３の上板に一体形成された円筒状のボス部２３ａの内周面には雌ネジ部２３ｂが形成され、該雌ネジ部２３ｂが前記取付筒２１の雄ネジ部２１ｂに螺合され、前記取付筒２１に回収容器２３が取り外し可能に連結されている。前記ボス部２３ａと取付筒２１との間には、図示しないシールが介在されている。
【００２３】
図４に示すように、前記取付筒２１の内周面にはフランジ部２１ｃが一体に形成され、該フランジ部２１ｃの下面にはステンレススチール製のフィルタ２４の外周縁が接触され、取付筒２１の下部内周面に形成された雌ネジ部２１ｄに雄ネジ部２５ａを有する取付リング２５を螺合することにより前記フィルタ２４を取付筒２１に取り付けている。前記取付リング２５の下面には回動操作用の工具を係合する孔２５ｂが複数箇所に形成されている。
【００２４】
前記フィルタ２４の網目のサイズは、新品のイオン交換樹脂Ｅの粒径よりも小さく、かつ使用後の小さいイオン交換樹脂Ｅｓのサイズよりも大きくなるように設定されている。このフィルタ２４によって前記循環配管１２内を循環する冷却液に混入されたイオン交換樹脂Ｅのうち、小さくなったイオン交換樹脂Ｅｓを下方に通過させ、前記回収容器２３内に回収するようにしている。
【００２５】
図１に示すように、前記循環配管１２の途中には、循環配管１２内の冷却液を外部に排出するための排出管２６が設けられ、開閉弁２７によって開閉されるようになっている。前記ラジエータ１５には循環配管１２内の冷却液の交換作業を行う際に、開放して新しい冷却液を循環配管１２内に注入するための供給口２８が蓋２９によって開閉可能に設けられている。
【００２６】
次に、前記のように構成した燃料電池１１の冷却システムの動作について説明する。
制御コントローラ（図示略）からの起動信号及び各種の制御信号により燃料電池１１が起動されると、燃料電池１１に供給された水素ガスと酸素ガスが反応して発電が行われる。発電された直流電流は、インバータにより交流電流に変換され、電気自動車の走行用のモータの駆動に用いられる。
【００２７】
一方、冷却システムのポンプ１３が起動されると、循環配管１２内の冷却液が図１の矢印方向に循環され、熱交換器１４によって冷却された冷却液が燃料電池１１内に供給され、燃料電池１１の発電により生じた熱が冷却液により吸熱されて、燃料電池１１が冷却される。吸熱して高温となった冷却液は再び熱交換器１４により冷却されて、燃料電池１１の冷却に再利用される。
【００２８】
循環配管１２内の冷却液は燃料電池１１内の発電セルが発生する熱により加熱されることになるので、該冷却液に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて不純物イオンが生成される。この不純物イオンは、イオン交換樹脂Ｅにより除去される。
【００２９】
循環配管１２内のイオン交換樹脂Ｅによる不純物イオンの除去が進行すると、粒状のイオン交換樹脂Ｅは粒径が小さくなり、小径のイオン交換樹脂Ｅｓとなる。この小径のイオン交換樹脂Ｅｓは、循環配管１２内の冷却液の流速が遅いときや、冷却システムが停止されて、冷却液が静止した状態において、図２〜図４に示すフィルタ２４の網目から下方に移動し、回収容器２３に回収される。なお、回収容器２３内に移動されたイオン交換樹脂Ｅｓも僅かではあるが、イオン交換機能を発揮する。
【００３０】
前記回収容器２３内のイオン交換樹脂Ｅｓの廃棄に際しては、燃料電池１１及びポンプ１３が停止された後、前記開閉弁２７が開放されて、排出管２６から循環配管１２内の冷却液が排出される。この状態で、図２に示す取付筒２１から回収容器２３が取り外され、回収容器２３内の小径のイオン交換樹脂Ｅｓが廃棄される。空の回収容器２３は、図２に示す取付筒２１に装着される。そして、図１に示す前記開閉弁２７が閉鎖されるとともに、蓋２９が開放されて、供給口２８から新しい冷却液及び回収されたイオン交換樹脂Ｅの不足分が循環配管１２内に供給される。
【００３１】
上記実施形態の燃料電池の冷却システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、燃料電池１１の冷却液を循環させる循環配管１２内にイオン交換樹脂Ｅを冷却液とともに循環するように収容したので、背景技術で述べたバイパス配管４１及びイオン交換器４２を省略することができ、燃料電池１１の冷却システムの部品点数を削減して、構造を簡素化することができる。
【００３２】
（２）上記実施形態では、前記循環配管１２の途中にイオン交換機能が低下した小径のイオン交換樹脂Ｅｓの回収容器２３を設けたので、循環配管１２内においてその小径のイオン交換樹脂Ｅｓを容易に回収することができる。
【００３３】
（３）上記実施形態では、取付筒２１内のフィルタ２４によって小径のイオン交換樹脂Ｅｓのみを回収するようにしたので、イオン交換機能が高い大径のイオン交換樹脂Ｅが無駄に廃棄されるのを防止して、イオン交換樹脂Ｅの利用効率を向上することができる。
【００３４】
（４）上記実施形態では、循環配管１２から連結筒１８を分離すことなく、連結筒１８に溶接された取付筒２１から回収容器２３を分離することにより、該回収容器２３内の小径のイオン交換樹脂Ｅｓを容易に廃棄することができる。
【００３５】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図５に示すように、前記連結筒１８を角筒状にするとともに、その連結筒１８の内部に該連結筒１８の平板状の底部１８ａに近接するように回動軸３１を支持し、該回動軸３１に開閉板３２を連結し、外部の開閉操作レバー３３により開閉板３２が開閉動作されるようにする。そして、前記開閉操作レバー３３を回動操作することにより、開閉板３２を前記取付筒２１の開口Ｋを閉鎖する位置と、二点鎖線で示す開放位置との間で位置切換え可能にする。又、前記回収容器２３の底部に排出管３５を接続し、該排出管３５に開閉弁３６を設けてもよい。
【００３６】
この実施形態においては、回収容器２３に回収された小径のイオン交換樹脂Ｅｓを廃棄する場合に、前記開閉板３２によって取付筒２１の上端開口縁を閉状態にすることにより、循環配管１２内の冷却液が取付筒２１の内部を通って外部に排出されるを防止する。このため、回収容器２３の小径のイオン交換樹脂Ｅｓの廃棄作業を、循環配管１２内の冷却液を排出することなく、容易に行うことができる。又、開閉板３２を閉鎖するとともに、前記開閉弁３６を開放した状態で、回収容器２３内の冷却液を外部に排出し、この状態で回収容器２３を取付筒２１から取り外すこともできる。さらに、前記排出管２６及び開閉弁２７を省略し、前記排出管３５及び開閉弁３６により循環配管１２内の冷却液を排出するようにしてもよい。
【００３７】
・前記網目状のフィルタ２４に代えて、例えば多数のワイヤーを互いに平行に所定のピッチで配設したフィルタを用いてもよい。
・前記実施形態では、本発明を電気自動車の燃料電池システムに具体化したが、生産工場、一般家庭の発電用の燃料電池システムの冷却システムに具体化してもよい。
【符号の説明】
【００３８】
Ｅ，Ｅｓ…イオン交換樹脂、Ｋ…開口、１１…燃料電池、１２…循環配管、１３…ポンプ、１４…熱交換器、１８…連結筒、２１…取付筒、２３…回収容器、２４…フィルタ、３２…開閉弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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