(57)【要約】【課題】燃料電池を冷却する冷媒中に含まれるイオンを除去するイオン交換器において、イオン交換器内に空気が滞留するのを抑制すること。【解決手段】イオン交換器１は、燃料電池２０の冷媒流路３０に備えられる。上流側の冷媒流路３６（３０）と接続する上流側接続孔７を含む天井６と、下流側の冷媒流路３７（３０）と接続する下流側接続孔９を含む底８とを有する容器と、前記容器内に充填され、冷媒中の不純物を吸着するイオン交換樹脂２とを備える。このイオン交換器１は、天井側６から底８側へ向けて、略重力方向に沿って冷媒を通過させる。天井６を傾斜させて、上流側接続孔７を天井６の重力方向の最高点を含む領域に配置することにより、空気（気泡）７０が天井６の傾斜に沿って移動し易くし、空気７０をイオン交換器１内の外部へ排出し易くする。【選択図】図２
2008027684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の冷媒流路に備えられるイオン交換器であって、
上流側の冷媒流路と接続する上流側接続孔を含む天井と、下流側の冷媒流路と接続する下流側接続孔を含む底とを有する容器と、
前記容器内に充填され、冷媒中の不純物を吸着するイオン交換樹脂と、を備え、
天井側から底側へ向けて、略重力方向に沿って冷媒を通過させるイオン交換器において、
前記天井を傾斜させて、前記上流側接続孔を天井の重力方向の最高点を含む領域に配置することを特徴とするイオン交換器。
【請求項２】
請求項１記載のイオン交換器において、
前記上流側の冷媒流路および前記下流側の冷媒流路は、バイパス流路であることを特徴とするイオン交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を冷却する冷媒中に含まれるイオンを除去するイオン交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発熱した燃料電池を冷却する方法として、燃料電池内に冷媒を循環させて冷却する方法が知られている。冷媒は、所定の配管を通って燃料電池内に供給され、燃料電池内の冷媒流路を通り、その後、燃料電池の外部へ排出されて、再び所定の配管内へ戻り、循環する。
【０００３】
このように冷媒が循環する際、冷媒中に配管等からイオンが溶出し、冷媒の導電率が高くなってしまうことが知られている。冷媒の導電率が高くなると、燃料電池で生じた電気が冷媒を通して流れ、漏電する恐れがある。その為、冷媒の導電率の上昇を防止する為に、イオン交換器を用いて、冷媒中のイオンを除去することが行われている。イオン交換器には、イオン交換樹脂が充填されている。このイオン交換器内に冷媒を通すことにより、冷媒中のイオンがイオン交換樹脂に吸着され、除去される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８５４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、冷媒の循環は、通常、所定のポンプによって行われる。ポンプによって冷媒を循環させると、僅かながら冷媒中に空気が混入する場合がある。空気が混入した冷媒が循環し、イオン交換器内を通過すると、空気がイオン交換器内に滞留してしまう場合がある。空気がイオン交換器内から排出されず、滞留すると、イオン交換器内を冷媒が通過し難くなり、イオン交換器の機能が低下し、問題であった。特に、略水平の天井を有するイオン交換器（例えば、特許文献１参照）においては、天井部分に空気が滞留し易く、問題であった。
【０００６】
本発明の目的は、イオン交換器内に空気が滞留するのを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るイオン交換器は、燃料電池の冷媒流路に備えられるイオン交換器であって、上流側の冷媒流路と接続する上流側接続孔を含む天井と、下流側の冷媒流路と接続する下流側接続孔を含む底とを有する容器と、前記容器内に充填され、冷媒中の不純物を吸着するイオン交換樹脂と、を備え、天井側から底側へ向けて、略重力方向に沿って冷媒を通過させるイオン交換器において、前記天井を傾斜させて、前記上流側接続孔を天井の重力方向の最高点を含む領域に配置することを特徴とする。天井に傾斜を形成し、かつ上流側接続孔を天井の重力方向の最高点を含む領域に配置することにより、イオン交換器内へ入った空気を上流側接続孔から排出し易くする。また、冷媒をイオン交換器の上方から下方へ向けて略重力方向に沿って流すことにより、イオン交換樹脂を押さえ付けることができ、イオン交換樹脂の浮き上がりを抑制出来る。
【０００８】
上記イオン交換器において、上流側の冷媒流路および下流側の冷媒流路は、バイパス流路であることが望ましい。燃料電池と接続し、燃料電池を冷却する冷媒流路において、バイパス流路は、冷媒の主たる流れを形成する流路と比較して、冷媒の流量が少ない。このように流量の少ない流路に、イオン交換器を設置することによって、イオン交換器による冷媒の圧力損失を低減することができる。また、イオン交換器内の空気を、冷媒の流れの向きに逆らって排出し易くなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、イオン交換器内に空気が滞留することを抑制することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係るイオン交換器１を備えた燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、水素ガスおよび酸化ガスを燃料として発電する燃料電池２０と、燃料電池２０と連絡し、燃料電池２０を冷却する為の冷媒を循環させる冷媒流路３０と、燃料電池で温められた冷媒を冷却するラジエータ４０と、冷媒中のイオンを除去する為のイオン交換器１とを備える。
【００１２】
燃料電池２０は、複数のセルを積層したスタックからなる。各セルは、イオン伝導性の電解質膜を含む。電解質膜は、例えば、フッ素系高分子膜からなる。電解質膜の一方の面上には、水素ガスが反応する電極であるアノードが形成されており、他方の面上には、酸化ガスが反応する電極であるカソードが形成されている。電極を備えた電解質膜（Membrane-Electrode Assembly，ＭＥＡ）は、カーボン、アルミニウム等の導電性材料からなる一対のセパレータによって挟持される。各セルのアノードには、図示されない水素ガス供給系より、水素ガスが供給され、かつ各セルのカソードには、図示されない酸化ガス供給系より酸化ガス（通常は、空気）が供給される。アノードでは、以下の（１）式で示される化学反応が進行し、水素からプロトンおよび電子が生成する。
【００１３】
Ｈ２  →  2Ｈ＋  ＋  2ｅ−    ・・・（１）
【００１４】
アノードで生成したプロトンは、電解質膜中を移動し、カソードへ到達する。また電子は、アノードとカソードとの間を連絡する所定の導体（外部回路）中を通り、カソードへ移動する。
【００１５】
これに対し、カソードでは、以下の（２）式で示される化学反応が進行する。酸素が電解質膜中を移動してきたプロトンと、電子と反応して水を生成する。
【００１６】
(1/2）Ｏ２    ＋  2Ｈ＋  ＋  2ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    ・・・（２)
【００１７】
上記（１）および（２）式の化学反応がアノードおよびカソードにおいて連続的に進行することにより、燃料電池２０が発電する。
【００１８】
燃料電池２０は、発電に伴って発熱する。その為、発熱した燃料電池２０は冷媒（冷却水）によって冷却される。燃料電池２０内には、冷媒を通過させる為の冷媒流路（図示せず）が備えられる。燃料電池２０内の冷媒流路は、例えば、燃料電池２０の各セルのセパレータ上に形成される。
【００１９】
燃料電池２０を冷却する為の冷媒は、冷媒流路３０を循環する。冷媒流路３０は、主たる流路を形成する配管３１，３２，３３，３４および３５を備える。配管３０はステンレス、アルミニウム等の金属材料や樹脂材料等の公知の材料からなる。配管３５は、燃料電池２０の冷媒入口２２と接続し、配管３１は、燃料電池２０の冷媒出口２１と接続する。冷媒流路３０は、配管３４および配管３５の間に、ポンプ５０を備える。ポンプ５０の駆動によって、配管３１，３２，３３，３４および３５からなる主たる流路を冷媒が循環する。配管３２および配管３３の間に、ラジエータ４０が備えられる。燃料電池２０内で温まった冷媒は、ラジエータ４０内を通過する際、放熱され、冷却される。
【００２０】
本実施形態において、冷媒流路３０は、バイバス流路を備える。バイパス流路とは、冷媒流路３０の内、上記の主たる冷媒流路よりも冷媒の流量が少ない流路である。バイパス流路は、バイパス配管３６およびバイパス配管３７からなる。バイパス配管３６は、一端が配管３１と配管３２との間に配置し、他端がイオン交換器１と接続する。またバイパス配管３７は、一端が配管３３と配管３４の間に配置し、他端がイオン交換器１と接続する。つまり、イオン交換器１は、バイパス配管３６およびバイパス配管３７の間に配置される。イオン交換器１は、圧力損失を低減する等の目的で、バイパス流路に設置されることが好ましい。
【００２１】
バイパス配管３７、配管３３および配管３４は、三方弁６０によって連絡している。配管３３の一端は、三方弁６０の第１入口と接続し、バイパス配管３７の一端は、三方弁６０の第２入口と接続する。また配管３４の一端は三方弁６０の出口と接続する。三方弁６０は電磁弁によって構成され、図示されない制御部（Electric Control Unit,ＥＣＵ）
によって制御される。三方弁６０を調節することにより、冷媒流路３０中を流れる冷媒の流量を調節することが出来、バイパス流路（バイパス配管３６および３７）およびイオン交換器１を流れる冷媒の流量を調節することが出来る。
【００２２】
例えば、配管３３と接続する三方弁６０の第１入口と、配管３４と接続する三方弁６０の出口を開いた状態にし、かつ、バイパス配管３７と接続する三方弁６０の第２入口を閉じた状態にすれば、冷媒は、ポンプ５０の駆動により、配管３５、燃料電池２０、配管３１、配管３２、ラジエータ４０、配管３３、および配管３４の順に循環する（図１中の矢印（実線）を参照）。
【００２３】
ところで、冷媒が循環する際、冷媒流路３０を構成する各配管や、燃料電池２０内部の冷媒流路を構成するセパレータ等からイオンが冷媒中に溶け出す。イオンの溶出は、通常、時間の経過と共に増加する。冷媒中に多くのイオンが溶出し、溶媒のイオン濃度が高くなると、冷媒の導電率も高くなる。冷媒の導電率が高くなると、燃料電池２０の電気が漏電する等の恐れがある。その為、冷媒中のイオンはイオン交換器１によって取り除かれる。
【００２４】
冷媒中のイオンを除去する為には、イオン交換器１内に冷媒を通す必要がある。本実施形態においては、イオン交換器１がバイパス流路に設置されている為、冷媒中のイオンを除去する為には、まずバイパス流路に冷媒を通す必要がある。バイパス流路に冷媒を通す為には、三方弁６０を作動させて、第２入口を開く必要がある。第２入口を適度に開くことによって、バイパス流路に冷媒を通すことが出来る（図１中の矢印（破線）を参照）。三方弁６０の開度を調節することにより、配管３１から配管３２へ向けて流れる冷媒を、途中で分岐させて、バイパス配管３６内へ導くことができる。なおイオン交換器１内を通過し、排出された冷媒は、バイパス配管３７を通り、三方弁６０を介して配管３３および配管３４内を流れる冷媒と合流する。
【００２５】
ここで、図２を用いてイオン交換器１の説明を行う。図２は、イオン交換器１の概略構成図である。イオン交換器１は、イオン交換樹脂２を充填したイオン交換室３と、イオン交換室３の上側に配置する上側整流室４と、イオン交換室３の下側に配置する下側整流室５とを備える。上側整流室４の天井６には、バイパス配管３６と接続する上流側接続孔７が備えられる。上側整流室４の天井６は、水平面に対して傾斜している。この傾斜した天井６の重力方向の最高点を含む領域に、上流側接続孔７が配置している。本実施形態において、この領域は、天井６の最も高い位置（頂点）である。これに対し、下側整流室５の底８には、バイパス配管３７と接続する下流側接続孔９が備えられる。下側整流室５の底８は、水平面に対して傾斜している。この傾斜した底８の最も低い位置に、下流側接続孔９が配置している。なお本実施形態において、上側整流室４の天井６は、イオン交換器１の天井となっており、下側整流室５の底８は、イオン交換器１の底となっている。
【００２６】
イオン交換室３は、上側支持板部材１１と、下側支持板部材１２と、側面部２３とによって囲まれた空間である。この空間内に、イオン交換樹脂２が充填される。イオン交換樹脂２としては、公知のものが用いられる。充填されるイオン交換樹脂２は、粒度の異なる２種類のものからなる。粒状のイオン交換樹脂２間には、冷媒が通過する隙間が備えられる。
【００２７】
上側支持板部材１１は、イオン交換室３と上側整流室４との間を隔て、また下側支持板部材１２は、イオン交換室３と下側整流室５との間を隔てる。イオン交換器１は、全体として１つの容器からなり、この容器の内部が、上側支持板部材１１および下側支持板部材１２によって仕切られ、上側整流室４、イオン交換室３および下側整流室５の３つの空間が形成される。上側支持板部材１１には、上側整流室４とイオン交換室３との間を連通する複数の導入路１３が備えられる。また下側支持板部材１２には、下側整流室５とイオン交換室３との間を連通する複数の排出路１４が備えられる。
【００２８】
イオン交換器１は、略重力方向に沿って配置される。イオン交換室３の天井となる上側支持板部材１１と、イオン交換室３の底となる下側支持板部材１２は、略水平に配置される。なおバイパス配管３６およびバイパス配管３７は、略重力方向に沿って配置されている。
【００２９】
バイパス配管３６内を通って来た冷媒は、バイパス配管３６の開口端と接続する上流側接続孔７より上側整流室４内へ入る。上側整流室４内へ入った冷媒は、上側支持板部材１１の各導入路１３を通ってイオン交換室３へ入る。イオン交換室３内に入った冷媒は、イオン交換樹脂２の表面と接触しつつ、イオン交換樹脂２間の隙間を通り、下側支持板部材１２側へ向けて下りながら移動する。この移動の際、冷媒中に含まれていたイオン等の不純物がイオン交換樹脂２に吸着され、除去される。なお冷媒が略重力方向に沿ってイオン交換器１の上側から下側へ向けて流れることにより、イオン交換室３内のイオン交換樹脂２が、下側支持板部材１２等に押し付けられ、イオン交換樹脂２の浮き上がりが防止される。なお、本明細書において、「略重力方向に沿って冷媒が通過する」とは、略重力方向に沿った冷媒流路３０の途中に設置されたイオン交換器１において、イオン交換樹脂２を充填したイオン交換室３内を冷媒が上方から下方へ向けて通過することを意味する。
【００３０】
下側支持板部材１２側へ至った冷媒は、各排出路１４を通って下側整流室５内へ入る。各排出路１４より下側整流室５内へ入った冷媒は、下側整流室５（イオン交換器１）の底８に沿って移動し、下流側接続孔９を通ってイオン交換器１の外部のバイパス配管３７へ排出される。なお排出された冷媒は、バイパス配管３７を通り、配管３４内の冷媒と合流する。
【００３１】
ところで、冷媒流路３０内に空気が混入する場合がある。空気は、例えば、ポンプ５０の駆動に伴って混入する。場合によっては、冷媒流路３０内に混入した空気がイオン交換器１内に入ることがある。仮に、イオン交換器１に空気が入り、滞留し続けると、空気が冷媒の流れを遮ってしまい、イオン交換器１内を通過する冷媒量が減少し、イオンを吸着する機能が低下する恐れがある。なお本実施形態のような、略重力方向に沿って上方から下方へ向けて冷媒を通過させるイオン交換器１においては、内部に入った空気（気泡）は冷媒の流れの向きに逆らって上昇しようとする為、通常、冷媒の流れに乗せてイオン交換器１の下方より空気（気泡）を排出することは困難である。
【００３２】
本実施形態に係るイオン交換器１は、上流側接続孔７へ向けて漸次、高くなる傾斜した天井６を備える為、内部に空気７０（気泡）が入っても、空気７０を天井６の傾斜に沿わせて上昇させ、上流側接続孔７を通してバイパス配管３６内へ容易に排出させることが出来る（図２における矢印（破線）を参照）。
【００３３】
なお、冷媒流路３０に混入した空気は、例えば、ラジエータ４０に付属するリザーブタンク４１に備えられた所定の栓４２を開放することによって、取り除くことができる（図１中の矢印（白抜）を参照）。
【００３４】
以下、他の実施形態に係るイオン交換器１００について、図３を用いて説明する。図３は、イオン交換器１００の概略構成図である。図３において、図２のイオン交換器１と同様の構成については、同符号を用いて示した。イオン交換器１００は、イオン交換樹脂２を充填したイオン交換室３と、イオン交換室３の上側に配置する上側整流室１０４と、イオン交換室３の下側に配置する下側整流室１０５とを備える。上側整流室１０４は、天井１０６の略中央にバイパス配管３６と接続する上流側接続孔７を有する。天井１０６は、上流側接続孔７へ向けて傾斜し、上流側接続孔７の位置で最も高くなるように設定されている。これに対し、下側整流室１０５は、底１０８の略中央にバイパス配管３７と接続する下流側接続孔９を有する。底１０８は、下流側接続孔９へ向けて傾斜し、下流側接続孔９の位置で最も低くなるように設定されている。イオン交換器１００において、天井１０６に空気（気泡）７０が一時的に滞留しても、天井１０６は上流側接続孔７へ向けて傾斜している為、空気７０は天井１０６の傾斜に沿って上昇し、冷媒の流れの向きに逆らって上流側接続孔７へ入り、バイパス配管３６から排出される（図３中の矢印（破線）を参照）。
【００３５】
更に、他の実施形態において、イオン交換器１，１００を用いてイオンの除去を行う場合、冷媒流路３０の途中に、冷媒中のイオン濃度（導電率）を検出する為のセンサを設置し、このセンサの検出値に基づいて、三方弁６０を作動させてバイパス流路へ冷媒を導入し、イオンの除去を開始してもよい。この場合、所定の制御部（ＥＣＵ）において、予め定められた所定の閾値と、センサの検出値とが比較される。比較の結果、検出値が閾値を超える場合、制御部は、三方弁６０に対して作動させる為の指令を出す。
【００３６】
上記実施形態においては、冷媒流路３０に混入した空気（気泡）を、ラジエータ４０に付属するリザーブタンク４１から除去したが、他の実施形態においては、イオン交換器において行ってもよい。例えば、イオン交換器の天井に空気を抜く為の栓を設け、その栓の開閉により空気の除去を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】イオン交換器を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】イオン交換器の概略構成図である。
【図３】他の実施形態に係るイオン交換器の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１，１００  イオン交換器、２  イオン交換樹脂、３  イオン交換室、４，１０４  上側整流室、５，１０５  下側整流室、６，１０６  天井、７  上流側接続孔、８，１０８  底、９  下流側接続孔、１０  燃料電池システム、１１  上側支持板部材、１２  下側支持板部材、１３  導入路、１４  排出路、２０  燃料電池、２１  冷媒出口、２２  冷媒入口、３０  冷媒流路、４０  ラジエータ、４１  リザーブタンク、４２  栓、５０  ポンプ、６０  三方弁、７０  空気（気泡）。
【図１】
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【図２】
2008027684.tif 000004
【図３】
2008027684.tif 000005