JP2011083744A - 冷却水供給装置のイオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換効率を向上し、イオン交換能力を向上でき、寿命を長くできる冷却水供給装置のイオン交換器を提供する。
【解決手段】蓋体２２の上面にバイパス配管１７の導入側管継手１７１、導出側管継手１７２を設け、導入側管継手１７１の開口部に導入筒部２４を連結する。蓋体２２の雄ネジ部２２ａに収容ケース２１の本体２１ａの上端部に形成された雌ネジ部２１ｃを取り外し可能に螺合する。収容ケース２１の本体２１ａの上部に形成された雌ネジ部２１ｄに区画ユニット２５の連結リング２８の雄ネジ部２８ａを取り外し可能に螺合する。区画ユニット２５の区画筒２６によって、収容ケース２１の内部に第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２を区画形成し、両室にイオン交換樹脂Ｅを収容する。連結筒部２９から第１収容室Ｒ１に流入された冷却水は、流路の長い第１収容室Ｒ１及び第２収容室Ｒ２内のイオン交換樹脂Ｅに順次接触されて、合流室Ｒ３に流入される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池の発電セルを冷却するための冷却水供給装置のイオン交換器に関する。

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惧れがある。このため、燃料電池には発電セルを冷却するために、一般的に冷却水方式の冷却システムが備えられている。前記冷却水として水にエチレングリコール（不凍液）を含有させたＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。その冷却水により燃料電池の発電セルが冷却されるとき、冷却水の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、酸（例えばギ酸等）が生成され、この酸によりマイナスのイオンが生成される。又、酸により冷却水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、冷却水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、冷却水に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却水の電気伝導度が高くなり、燃料電池で発電された電気が冷却水を媒体として外部に漏洩する虞がある。

上記の課題に対処するため、前記循環配管には冷却水に含まれる不純物イオンを除去するためのイオン交換樹脂を収容したイオン交換器が接続されている。そして、イオン交換樹脂により不純物イオンを除去して冷却水の電気伝導度が高くならないようになっている。

前記イオン交換器として利用することが可能な容器が特許文献１に開示されている。この容器は、図６に示すように、本体ケース５１の内部にイオン交換樹脂Ｅが収容されている。本体ケース５１の上端開口部に蓋板５２が嵌合されるとともに、前記蓋板５２には流体導入口５３及び流体導出口５４が設けられ、前記蓋板５２の下部には前記流体導出口５４に連通する導管５５が連結されている。前記導管５５の下端開口部には前記イオン交換樹脂Ｅが導管５５の内部に侵入するのを防止するためのフィルタ５６が設けられている。前記本体ケース５１の上端外周部に形成された雄ネジ部５１ａには、前記本体ケース５１の上端面に蓋板５２を締め付け固定するための締付リング５７が螺合されている。そして、前記流体導入口５３から本体ケース５１の内部に流入された流体（例えば冷却水）が粒状のイオン交換樹脂Ｅ間の隙間を通ってフィルタ５６から導管５５の内部に流入され、流体（冷却水）に含まれる不純物イオンがイオン交換樹脂Ｅによって除去されるようになっている。

特開２０００−３２５９５２号公報

上記従来の容器においては、前記本体ケース５１の中心部に内部が空洞の導管５５が収容されているので、この導管５５の下端開口部から導管５５内を上方向に流れる流体（冷却水）は、イオン交換樹脂と接触することはなく、このため、イオン交換効率が低下するという問題があった。又、本体ケース５１の内部に導管５５が収容されているため、イオン交換樹脂Ｅを収容する収容室の容積が減少し、その分、イオン交換樹脂Ｅの収容量が少なくなって、イオン交換器としての能力が低下するとともに、イオン交換樹脂の寿命が短くなるという問題があった。

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、イオン交換能力を向上できるとともに、イオン交換樹脂の寿命を長くすることができる冷却水供給装置のイオン交換器を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、被冷却体に冷却水を循環供給して被冷却体を冷却する冷却水供給装置のイオン交換器において、イオン交換樹脂を収容する収容室を有した有底筒状の収容ケースと、上記収容ケースの開口部に取り外し可能に嵌合され、かつ冷却水を前記収容室に導入する導入口及び収容室から導出する導出口を備えた蓋体と、前記収容室を、前記導入口に連通された第１収容室と、前記導出口に連通された第２収容室とに区画する区画板とを備えていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記導入口には、前記蓋体に収容ケースが装着された状態で、該導入口を開放するとともに、前記蓋体から収容ケースが取り外された状態で、前記導入口を閉鎖するための開閉弁が設けられ、前記導出口には、該導出口に接続された冷却水の配管から冷却水が第２収容室へ逆流するのを防止する逆止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、前記第１収容室内の導入側通路の通路断面積と、前記第２収容室内の導出側通路の通路断面積は同じに設定されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記区画板は有蓋円筒状に形成され、該区画板の上板の中心部には前記導入口を形成する導入筒部に連通される連結筒部が形成されていることを要旨とする。

（作用）
この発明は、収容ケースのイオン交換樹脂を収容する収容室が区画板によって導入側通路を兼用する第１収容室と、導出側通路を兼用する第２収容室とに区画されている。このため、導入口から導入側通路に流入した冷却水が第１収容室内のイオン交換樹脂と接触して、冷却水に含まれる不純物イオンがイオン交換樹脂によって除去される。引き続き、冷却水は導出側通路に流入され、第２収容室内のイオン交換樹脂に接触して、冷却水に含まれる不純物イオンがイオン交換樹脂によって除去される。このため、イオン交換樹脂の収容部を通る冷却水の流路が長くなり、イオン交換効率が向上する。

又、この発明は、第１収容室及び第２収容室内にイオン交換樹脂が収容されるので、その収容量を多くすることができ、イオン交換能力が向上して、イオン交換樹脂の交換までの寿命を長くすることができる。

本発明によれば、イオン交換効率を向上することができるとともに、イオン交換能力を向上して、寿命を長くすることができる。

この発明を、電気自動車の燃料電池の冷却システムのイオン交換器に具体化した一実施形態を示す縦断面図。 イオン交換器を構成する蓋体、区画ユニット及び開閉弁の分解斜視図。 イオン交換器の構成部品の分離縦断面図。 燃料電池の冷却システムを示す略体回路図。 この発明のイオン交換器の別の実施形態を示す縦断面図。 従来の流体のイオン交換を行うための容器の縦断面図。

以下、本発明を電気自動車の燃料電池における冷却システムのイオン交換器として具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図４に示す被冷却体としての燃料電池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。

前記燃料電池１１には発電が行われている状態で、発電セル冷却用の冷却水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、前記冷却水として水にエチレングリコールを含有したＬＬＣ（ロングライフクーラント）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、前記燃料電池１１内で発電セルの冷却に用いられた高温の冷却水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水を冷却するために電動モータにより駆動される送風ファン１６とを備えている。

前記循環配管１２には、前記ポンプ１３と並列にバイパス配管１７が接続されている。このバイパス配管１７には冷却水に含まれる不純物イオンを除去するためのイオン交換器１８が接続されている。

次に、図１〜図３に基づいて、前記イオン交換器１８について説明する。
図１に示すように、前記イオン交換器１８の収容ケース２１の本体２１ａは、有底円筒状に形成され、その本体２１ａの上端開口部には、短円筒状をなす大径筒部２１ｂが一体に形成されている。該大径筒部２１ｂの内周面に形成されたネジ部２１ｃには、有蓋短円筒状をなす蓋体２２の外周面に形成されたネジ部２２ａが螺合されている。前記蓋体２２の下端縁と、大径筒部２１ｂの内周面との間にはシールリング２３が介在されている。

前記蓋体２２の上板２２ｂには、前記バイパス配管１７を接続するための導入側管継手１７１及び導出側管継手１７２が一体に成形されている。図１に示すように、前記蓋体２２の上板２２ｂの中心部には、前記導入側管継手１７１と連通する導入筒部２４が一体に成形されている。前記収容ケース２１の内部には、区画ユニット２５が収容されている。この区画ユニット２５は、図２に示すように、有蓋円筒状をなす区画板としての区画筒２６と、該区画筒２６の上部外周面に複数の連結板部２７によって連結された円筒状の連結リング２８とを備えている。そして、前記連結リング２８が、図１に示すように前記本体２１ａの上端開口部に雄ネジ部２８ａ及び雌ネジ部２１ｄを介して連結されることにより、前記収容ケース２１に区画ユニット２５が取り付けられている。

図２に示すように、前記区画筒２６の外周面と前記連結リング２８の内周面との間には、連通路３１が形成されている。前記区画筒２６の蓋板２６ａの中心部には、前記導入筒部２４の内部に挿入される連結筒部２９が一体に成形され、それらの間には、図１に示すように、シールリング３０が介在されている。前記区画筒２６の内部にはイオン交換樹脂Ｅの第１収容室Ｒ１が形成され、導入側管継手１７１内の冷却水は、前記導入筒部２４及び連結筒部２９内の通路から第１収容室Ｒ１内に導入されるようになっている。

図１に示すように、前記収容ケース２１の本体２１ａの内周面と、前記区画筒２６の外周面との間にイオン交換樹脂Ｅの第２収容室Ｒ２が形成されている。前記連通路３１によって、第２収容室Ｒ２内の冷却水を前記蓋体２２の内部に形成された合流室Ｒ３に導くようになっている。前記第１収容室Ｒ１は、横断面が円形の冷却水の導入側通路Ｔ１としての機能を兼用し、前記第２収容室Ｒ２は、横断面がドーナッツ状の導出側通路Ｔ２としての機能を兼用している。前記導入側通路Ｔ１及び導出側通路Ｔ２の通路断面積は同じに設定されている。そして、第１収容室Ｒ１及び第２収容室Ｒ２内にイオン交換樹脂Ｅが収容されている。

図１に示すように、前記連結筒部２９の下端開口部には、前記第１収容室Ｒ１内のイオン交換樹脂Ｅが導入側管継手１７１側に流出するのを阻止するフィルタ３２が設けられている。前記連通路３１の下端開口部にも、前記第２収容室Ｒ２内のイオン交換樹脂Ｅが連通路３１を通して合流室Ｒ３に流出するのを防止するためのフィルタ３２が配設されている。前記イオン交換樹脂Ｅとして、マイナスのイオンを吸着するアニオンタイプのものと、プラスのイオンを吸着するカチオンタイプのものとが混在するように収容されている。

前記導入筒部２４の内部には、開閉弁３３が配設されている。この開閉弁３３は、図１及び図２に示すように、弁座３４、弁板３５、該弁板３５に連結された連結ロッド３６、該連結ロッド３６に連結された流路３７ａを有するバネ受板３７及びコイルバネ３８により構成されている。そして、開閉弁３３のバネ受板３７の下面が、前記コイルバネ３８の付勢力に抗して、上方向に移動され、弁座３４から弁板３５が離隔され、図１に示すように開閉弁３３が開路状態となる。又、前記導入筒部２４に連結筒部２９が挿入されていない図３に示す状態においては、コイルバネ３８の付勢力により、弁板３５が弁座３４の弁孔３４ａを閉鎖し、前記導入側管継手１７１内の冷却水が導入筒部２４から外部に流出しないようにしている。

図１に示すように、前記蓋体２２の上板２２ｂには、前記合流室Ｒ３内の冷却水を導出側管継手１７２へ導くための導出口４１が形成されている。該導出口４１には、導出側管継手１７２内の冷却水が合流室Ｒ３に逆流するのを防止するための逆止弁４２が設けられている。

さて、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。

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内の冷却水が図４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水が燃料電池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水により吸熱されて、燃料電池１１が冷却される。吸熱して高温となった冷却水は再び熱交換器１４により冷却されて、燃料電池１１の冷却に再利用される。

循環配管１２内の冷却水は燃料電池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、該冷却水に含まれるエチレングリコールが加熱分解される場合があり、このような場合には、プラス、マイナスの不純物イオンが生成される。冷却水の一部がバイパス配管１７を経て図１に示すようにイオン交換器１８の導入筒部２４及び連結筒部２９から第１収容室Ｒ１に流入して、下方に流れ、区画筒２６の下端縁２６ｂをＵターン（迂回）するようにして第２収容室Ｒ２に流れる。前記区画筒２６の下端縁２６ｂは、横断面が曲線（例えば半円弧）に形成され、冷却水のＵターンがスムーズに行われるようになっている。そして、第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２内のイオン交換樹脂Ｅ（アニオンタイプ及びカチオンタイプ）によりマイナス及びプラスの不純物イオンが除去される。

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、前記収容ケース２１の本体２１ａの内部に区画ユニット２５を収容し、該区画ユニット２５の区画筒２６によって収容ケース２１の内部に第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２を形成し、第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２にそれぞれイオン交換樹脂Ｅを収容した。このため、導入側管継手１７１から導入筒部２４、連結筒部２９を介して第１収容室Ｒ１内に流入された冷却水に含まれる不純物イオンが第１収容室Ｒ１（導入側通路Ｔ１）内のイオン交換樹脂Ｅによって除去された後、第２収容室Ｒ２（導出側通路Ｔ２）内のイオン交換樹脂Ｅによって除去される。従って、冷却液が素通りする通路はなく、多量のイオン交換樹脂Ｅが収容された第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２においてイオン交換でき、イオン交換能力と効率を向上することができる。

（２）上記実施形態では、収容ケース２１の内部に区画ユニット２５の区画筒２６によって、第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２を区画形成して、両室にイオン交換樹脂Ｅを収容するようにしたので、イオン交換樹脂Ｅの収容量を多くすることができ、イオン交換器１８として、高いイオン交換能力が得られるとともに、イオン交換樹脂Ｅの新旧交換までの寿命を長くすることができる。

（３）上記実施形態では、前記導入筒部２４の内部に開閉弁３３を設けるとともに、合流室Ｒ３と導出側管継手１７２を連通する導出口４１に逆止弁４２を設けた。このため、イオン交換器１８の長期使用によるイオン交換樹脂Ｅの劣化に伴い、図３に示すように、蓋体２２から収容ケース２１を取り外した場合、弁板３５と逆止弁４２とが閉じられ、このため、導入側管継手１７１及び導出側管継手１７２内の冷却水が外部に流出することはない。従って、収容ケース２１及び区画ユニット２５を未使用のイオン交換樹脂Ｅを収容した新しいものと容易に交換することができる。

（４）上記実施形態では、前記導入側通路Ｔ１の通路断面積と、導出側通路Ｔ２の通路断面積とを同じに設定したので、導入側通路Ｔ１及び導出側通路Ｔ２を流れる冷却水の流速がほぼ一定となり、このためイオン交換樹脂Ｅによるイオン交換効率を向上することができる。

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、蓋体２２にネジ部２１ｃ，２２ａを介して収容ケース２１を着脱可能に連結する。蓋体２２の上板２２ｂにバイパス配管１７に接続される導入側管継手１７１、導出側管継手１７２を一体に成形し、その上板２２ｂの裏面に、前記導入側管継手１７１、導出側管継手１７２と対応するようにフィルタ３２を設ける。又、前記上板２２ｂの裏面に収容ケース２１の収容室を、第１及び第２収容室Ｒ１，Ｒ２に区画するための平板状の区画板４３を形成する。さらに、前記導入側管継手１７１、導出側管継手１７２に電動又は手動により開閉される開閉弁４４，４５を設けるようにしてもよい。

この実施形態においては、前記開閉弁４４，４５によって導入側管継手１７１、導出側管継手１７２を閉鎖した状態で、前記蓋体２２から収容ケース２１を取り外し、収容ケース２１内の使用済みのイオン交換樹脂Ｅが新しいものと交換される。この実施形態においては、部品点数を低減して、構造を簡素化し、材料及び製造コストを削減することができる。

・図１に示す前記開閉弁３３及び逆止弁４２を省略してもよい。この場合には、図４に示す循環配管１２内の冷却水を図示しないドレン孔から排出した状態で、前記蓋体２２から収容ケース２１を取り外すことにより、イオン交換樹脂Ｅの交換が行われる。

・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、あるいはその他の電気機器の冷却水供給装置のイオン交換器として具体化してもよい。

前記実施形態から把握される技術的思想について説明する。
請求項１において、前記区画板は前記収容ケースの開口部に取り外し可能に取り付けられ、前記第１収容室の入口及び第２収容室の出口には、第１及び第２収容室に収容されたイオン交換樹脂が外部に流出するのを防止するフィルタが設けられていることを特徴とする冷却水供給装置のイオン交換器。

Ｅ…イオン交換樹脂、Ｒ１…第１収容室、Ｒ２…第２収容室、Ｔ１…導入側通路、Ｔ２…導出側通路、１８…イオン交換器、２１…収容ケース、２２…蓋体、２２ｂ…上板、２４…導入筒部、２９…連結筒部、３２…フィルタ、３３，４４，４５…開閉弁、４１…導出口、４２…逆止弁、４３…区画板。

Claims (4)

1. 被冷却体に冷却水を循環供給して被冷却体を冷却する冷却水供給装置のイオン交換器において、
   イオン交換樹脂を収容する収容室を有した有底筒状の収容ケースと、
   上記収容ケースの開口部に取り外し可能に嵌合され、かつ冷却水を前記収容室に導入する導入口及び収容室から導出する導出口を備えた蓋体と、
   前記収容室を、前記導入口に連通された第１収容室と、前記導出口に連通された第２収容室とに区画する区画板とを備えていることを特徴とする冷却水供給装置のイオン交換器。
2. 請求項１において、前記導入口には、前記蓋体に収容ケースが装着された状態で、該導入口を開放するとともに、前記蓋体から収容ケースが取り外された状態で、前記導入口を閉鎖するための開閉弁が設けられ、前記導出口には、該導出口に接続された冷却水の配管から冷却水が第２収容室へ逆流するのを防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする冷却水供給装置のイオン交換器。
3. 請求項１又は２において、前記第１収容室内の導入側通路の通路断面積と、前記第２収容室内の導出側通路の通路断面積は同じに設定されていることを特徴とする冷却水供給装置のイオン交換器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記区画板は有蓋円筒状に形成され、該区画板の上板の中心部には前記導入口を形成する導入筒部に連通される連結筒部が形成されていることを特徴とする冷却水供給装置のイオン交換器。

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