JP4007725B2 - 燃料電池の冷却水循環装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却水循環装置に関し、移動体、とくに自動車に搭載された燃料電池の冷却水循環系に好適な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池はイオン導電体である電解質の両側に一対の電極を設け、一方の電極（通常、「空気極」と呼ばれている。）に酸化剤（酸素、空気等で、通常は空気または酸素リッチ空気）を供給し、他方の電極（通常、「燃料極」と呼ばれている。）に還元剤（水素または水素含有成分）を供給して電気化学的に発電する装置であり、水の電気分解の逆の原理を利用したものである。燃料極へは、一般に、アルコール、天然ガス等の燃料に水を混合して、あるいは、燃料を水で改質して水素が供給される。すなわち、燃料電池の基本原理としては、燃料電池中に通常複数積層配置された各セルの燃料極側に供給された燃料と水から水素が発生され、水素イオン（プロトン）が電解質を介して空気極側に移行されて空気極側に供給されてくる酸素との酸化反応が行われ、この電解質を介しての反応により、燃料極と空気極との間に起電力が発生するようになっている。
【０００３】
燃料電池は、一般に、用いる電解質の種類により、リン酸塩型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型などの幾つかの種類に分類される。近年では固体電解質に関する研究が進んできており、より小型化された燃料電池の実用化が期待されている。燃料電池の小型化が可能になる結果、移動体、たとえば電気自動車の電源として車載したり、移動用の可搬式電源として利用したり、家庭用の電源として利用することも可能となる。
【０００４】
燃料電池を用いた発電システムにおいては、燃料電池の作動温度が相当高温になることから（たとえば、約１０００℃と高温になることから）、通常、燃料電池を冷却水によって所定の温度以下に冷却する必要がある。
【０００５】
固定設置型の燃料電池を用いた大型の発電システムにおいては、冷却水系に関して幾つかの具体的な提案は見られるものの、小型の、とくに自動車に搭載した燃料電池（たとえば車載の燃料電池）については、今後開発が期待される技術であるという面もあり、具体的な構造の提案は殆どない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、とくに自動車に搭載された燃料電池の冷却水系について新規な構造を提案するものである。すなわち、本発明は、燃料電池発電システムを自動車に搭載した場合に発生する、あるいは発生が予想される各種問題を解消し得る技術、とくにその冷却水系についての新規な技術を提供するものである。
【０００７】
本発明を完成するに当たって、燃料電池発電システムを移動体に搭載する場合に、その冷却水系に発生する問題、あるいは発生が予想される問題について考察した。
【０００８】
まず、固定設置型の燃料電池では、必要に応じてその都度新しい冷却水を供給したり、古い冷却水を順次排出して新しい冷却水と置換したりすることが可能である。しかし、自動車に燃料電池を搭載する場合には、燃料電池冷却用の水は、基本的に循環使用する必要があり、冷却器あるいは冷却機構を伴った冷却水循環系に構成する必要がある。
【０００９】
このような冷却水循環系においては、高温の燃料電池を冷却した冷却水は、適当な冷却器等により所定の温度に冷却された後、再び燃料電池の冷却に供されるので、冷却水は長期間にわたって循環使用されることになる。
【００１０】
ところが、このように冷却水を長期間にわたって循環使用すると、たとえば燃料電池の匡体からの溶出イオンや、冷却水循環系に存在する各種ホースや配管、弁類等からの溶出物が冷却水中に混入し、使用中にそれら不純物の濃度が徐々に高くなる。不純物の濃度が高くなると、冷却効率が低下するばかりか、場合によっては配管の詰まりや腐蝕を招くおそれがあるので、冷却水中の不純物は極力除去されなければならない。
【００１１】
このような不純物を除去する装置として、一般にイオン交換樹脂を充填したイオン交換装置が知られている。しかし、イオン交換装置を、自動車に搭載した燃料電池発電システムの冷却水系に用いた例は見当たらない。また、一般的に知られているイオン交換装置では、そこに通水される被処理水の全量を処理対象としているが、上記のような燃料電池の冷却水循環系に仮にイオン交換装置を用いるとすれば、循環される冷却水の全量をその都度処理対象としなくてもよいことが考えられる。つまり、循環冷却水の一部を定常的に処理すれば、冷却水循環系の全量の冷却水中の不純物の量をあるレベル以下に保つことが可能であり、それでもって十分に用は足りると考えられる可能性が高い。通水の全量対象処理ではなく部分処理とすることは、イオン交換装置の小型化、充填イオン交換樹脂の長寿命化が可能になることから、現実的に有効な手法と考えることができる。
【００１２】
また、イオン交換装置に充填されたイオン交換樹脂は、遅かれ早かれ寿命に達し、再生または交換が必要になるものであるが、自動車に燃料電池発電システムを搭載する場合、イオン交換樹脂の再生装置まで搭載するのは非現実的であるから、イオン交換装置の交換性、より具体的には着脱性を必ず考慮しなければならない。
【００１３】
さらに、自動車への搭載を考える場合、スペース的に余裕の少ないエンジンルーム内に搭載することが考えられるが、その場合には、イオン交換装置の着脱の作業性まで考慮する必要がある。
【００１４】
本発明の課題は、自動車に燃料電池発電システムを搭載する場合に最適な、新規な燃料電池の冷却水循環装置を提供するとともに、その場合に考えられる種々の問題を解消し、種々の要望を満たすことのできる燃料電池の冷却水循環装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置は、自動車に搭載した燃料電池の冷却水循環ラインに、イオン交換器内にイオン交換樹脂が充填され該充填されたイオン交換樹脂ごとイオン交換器を着脱自在に構成されたカートリッジ式イオン交換器を設け、該カートリッジ式イオン交換器内に、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の軸方向に押圧する押圧手段を設け、該カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置するとともに、該カートリッジ式イオン交換器の両端部に冷却水の入口と出口とを設けたことを特徴とするものからなる。また、本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置は、自動車に搭載した燃料電池の冷却水循環ラインに、イオン交換器内にイオン交換樹脂が充填され該充填されたイオン交換樹脂ごとイオン交換器を着脱自在に構成されたカートリッジ式イオン交換器を設け、該カートリッジ式イオン交換器内に、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の径方向内方に押圧する押圧手段を設け、該カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置するとともに、該カートリッジ式イオン交換器の両端部に冷却水の入口と出口とを設けたことを特徴とするものからなる。
【００１７】
前述の如く、循環される冷却水をその都度全量処理する必要はなく、冷却水系全体として不純物の濃度を所定レベル以下に抑えればよいと考えられることから、冷却水循環ラインとしては、カートリッジ式イオン交換器が設けられた脱塩ラインと、該脱塩ラインをバイパスするバイパスラインとを有する構成とすることができる。
【００１８】
カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置し、カートリッジ式イオン交換器がその両端部に冷却水の入口と出口とを有していることによって着脱が容易になる。
【００１９】
また、カートリッジ式イオン交換器には、エア抜きが設けられていることが好ましい。このエア抜きを、冷却水循環ラインのカートリッジ式イオン交換器の下流に連通させておくと、エアは、不都合を生じさせない下流側の冷却水中へと円滑に抜かれていく。
【００２０】
循環冷却水ライン中には、そのいずれかの部位に冷却器を設け、循環される冷却水を所定の温度にまで冷却する必要がある。カートリッジ式イオン交換器中に充填されているイオン交換樹脂の耐熱性を考えると、この冷却器は冷却水循環ラインのカートリッジ式イオン交換器の上流に設けられることが好ましい。また、脱塩ラインのカートリッジ式イオン交換器の上流に、上記冷却器を設置する、あるいは上記とは別の冷却器をさらに設けることも可能である。
【００２１】
カートリッジ式イオン交換器内には、イオン交換樹脂が充填されているが、このイオン交換樹脂の樹類は、除去対象不純物の種類に応じて適宜決めればよい。たとえば、イオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂およびそれらの混合樹脂の少なくとも１種からなればよい。また、充填されるイオン交換樹脂は、複数層に配置することもでき、複数種のイオン交換樹脂の混床式構成とすることもできる。
【００２２】
カートリッジ式イオン交換器の内部構造については、各種の態様を取り得る。
【００２３】
たとえば、カートリッジ式イオン交換器内の少なくともイオン交換樹脂の上流側にフィルターが設けられている構造、あるいは下流側にもフィルターが設けられている構造とできる。フィルターは、多孔質体等からなる。
【００２５】
さらに、カートリッジ式イオン交換器を、冷却機構一体型のイオン交換器から構成することも可能である。一体型の冷却機構としては、イオン交換器の外周部に構成することが可能であり、カートリッジ式イオン交換器内のイオン交換樹脂の上流側に構成することも可能である。
【００２６】
上記のような本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置においては、冷却水循環ラインに着脱自在なカートリッジ式イオン交換器が設けられるので、循環される冷却水がカートリッジ式イオン交換器により脱塩処理されて冷却水中の不純物としてのイオンが除去されるとともに、充填されているイオン交換樹脂が寿命に達したときには、カートリッジ式イオン交換器ごと交換され、場合によってはイオン交換樹脂のみが交換され、交換後には必要な冷却水の循環が継続される。着脱自在なカートリッジ式イオン交換器であるから、交換は極めて容易に行われる。
【００２７】
また、カートリッジ式イオン交換器を脱塩ラインに設け、分流されて脱塩ラインに通水されてくる一部の冷却水を処理し、残りはバイパスラインを通水させるようにすれば、冷却水全体としては所定レベル以下の不純物濃度に保ちつつ、カートリッジ式イオン交換器内に充填されたイオン交換樹脂への通水量を小さく抑えてその寿命を大幅に延長することが可能になり、カートリッジ式イオン交換器の交換頻度を低く抑えることができる。
【００２８】
さらに、後述の具体的な各実施態様に示すように、カートリッジ式イオン交換器の設置姿勢、入出口の位置、エア抜きや内部構造等を最適化することにより、自動車のエンジンルーム等のように余裕スペースの少ない設置場所であっても、着脱性、交換性、イオン交換器自身の性能等を良好に確保することが可能になる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る燃料電池の冷却水循環装置を示しており、１は、燃料電池、とくにその匡体を示している。燃料電池１には、冷却水循環ライン２により冷却水が循環され、匡体内が冷却される。この燃料電池１および冷却水循環ライン２は、本実施態様では自動車のエンジンルーム内に搭載されている。
【００３０】
冷却水循環ライン２には、主冷却器３が設けられており、燃料電池１の発熱部の温度がたとえば１０００℃程度であるとすると、この主冷却器３により、循環される冷却水は、たとえば１２５℃程度にまで冷却されることが好ましい。主冷却器３としては、専用の冷却器を設置してもよいが、自動車に搭載されているラジエータを利用することも可能である。
【００３１】
主冷却器３からの冷却水は、循環ポンプ４によって吸引、圧送される。本実施態様では、循環ポンプ４の下流側で、冷却水循環ライン２は脱塩ライン５と、該脱塩ライン５をバイパスするバイパスライン６とに分岐されており、脱塩ライン５とバイパスライン６は下流側で再び合流している。脱塩ライン５とバイパスライン６とに分流される冷却水の流量比は、たとえば１：３〜１：３０程度に設定される。この流量比の設定は厳密に行う必要はなく、循環される冷却水が部分的にある量脱塩ライン５を流れればよい。したがって、流量比の設定は、脱塩ライン５における比較的大きな圧力損失と、バイパスライン６における小さな圧力損失との冷却水循環装置自身における圧力損失差を利用して、初期の機械的設計のままなりゆき任せに行うことが可能である。あるいは、脱塩ライン５とバイパスライン６との分岐部に絞りや、流量調整弁を設けて、より精度良く割り振ることも可能である。
【００３２】
上記脱塩ライン５に、着脱自在なカートリッジ式イオン交換器７が設けられている。カートリッジ式イオン交換器７内にはイオン交換樹脂が充填されており、通水されてくる冷却水を脱塩処理する。充填されるイオン交換樹脂としては、アニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂およびそれらの混合樹脂の少なくとも１種から構成でき、イオン交換樹脂は、複数層、とくに異種の樹脂の層を複数層配置した混床式の構成として充填することもできる。このカートリッジ式イオン交換器７は、本実施態様では横置きに設置されており、その両端部に冷却水の入口７ａと出口７ｂとを有している。
【００３３】
本実施態様では、脱塩ライン５のカートリッジ式イオン交換器７の上流側に、該脱塩ライン５を通水されてきた冷却水をカートリッジ式イオン交換器７に流入する前に冷却する副冷却器８が設けられている。この副冷却器８は、カートリッジ式イオン交換器７内に充填されているイオン交換樹脂が耐熱性の高いものである場合には、省略することが可能である。副冷却器８による冷却によって、カートリッジ式イオン交換器７へと流入される冷却水の温度は、充填されているイオン交換樹脂の耐熱性の点からみて、十分に低い温度（たとえば６０℃以下）にまで低下される。
【００３４】
横置きに設置されたカートリッジ式イオン交換器７には、たとえば図２に示すように、エア抜き９が設けられていることが好ましい。エア抜き９は、横置きのカートリッジ式イオン交換器７の上壁、つまり、充填されているイオン交換樹脂１０の上方に設ければよく、カートリッジ式イオン交換器７内でイオン交換樹脂１０の上方に集まってくるエアがエア抜き９を介して脱気される。エア抜き９は、カートリッジ式イオン交換器７の下流の冷却水循環ライン２に配管１１を介して連通され、抜かれたエアは冷却水循環ライン２中に逃がされる。配管１１の接続先は、脱塩ライン５中の位置、脱塩ライン５とバイパスライン６の合流後の位置のいずれであってもよい。また、エア抜き配管はイオン交換器に内蔵してもよい。
【００３５】
カートリッジ式イオン交換器７の入口７ａ側、出口７ｂ側、およびエア抜き９側は、着脱自在な手段によって各配管に接続されている。着脱自在な手段としては、単なる合フランジ構成の他、実質的にワンタッチ式の公知のジョイント機構を採用できる。
【００３６】
このように構成された本実施態様に係る燃料電池の冷却水循環装置においては、冷却水循環ライン２を循環される冷却水により、燃料電池１が所望の温度に冷却される。装置が自動車に搭載され、冷却水は実質的に交換されることなくそのまま循環使用されるので、循環冷却水中には、燃料電池１の匡体や循環系の配管類等からの溶出物が不純物として混入し、その濃度が徐々に高くなろうとする。
【００３７】
しかし、冷却水循環ライン２の脱塩ライン５中には、カートリッジ式イオン交換器７が設けられているので、循環される冷却水が連続的に脱塩処理され、冷却水中の不純物が除去される。循環される冷却水は、脱塩ライン５とバイパスライン６とに分流され、実際に脱塩処理されるのは脱塩ライン５においてのみとなるが、燃料電池１の冷却に用いられる冷却水にはそれ程厳しい不純物の管理は不要であることから、部分的な冷却水の脱塩処理であっても、循環される冷却水全体として、十分に低い不純物濃度に維持される。その結果、所望の良好な燃料電池１の冷却性能が確保されるとともに、冷却水循環ライン２の配管閉塞や配管内への不純物の堆積等の不具合の発生が防止される。
【００３８】
また、カートリッジ式イオン交換器７を脱塩ライン５に設け、循環される冷却水の全量のうち部分的な量のみ連続的に脱塩処理するようにしているので、カートリッジ式イオン交換器７内のイオン交換樹脂１０の寿命を適切に延ばすことができ、カートリッジ式イオン交換器７の交換頻度を低減することができる。
【００３９】
さらに、イオン交換器７がカートリッジ式で着脱自在に構成されているので、交換も極めて容易に行われる。とくに本実施態様では、カートリッジ式イオン交換器７が横置きに設置されており、その両端部に入口７ａと出口７ｂを有しているので、狭いエンジンルーム内であっても、開いたボンネット等に阻害されることなく、入口７ａ部や出口７ｂ部、エア抜き９部における着脱作業を容易に行うことが可能になる。
【００４０】
カートリッジ式イオン交換器７の内部構造としては、各種の態様に構成できる。
【００４７】
また、図３に、本発明における、カートリッジ式イオン交換器内に設けられ、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の軸方向に押圧する押圧手段の一態様を示す。本実施態様では、カートリッジ式イオン交換器５１内に、フィルター５２ａ、５２ｂが設けられるとともに、その間にイオン交換樹脂５３が充填されている。そして、一方のフィルター５２ａの側方に、多孔板５４と、該多孔板５４をフィルター５２ａ方向に付勢する（つまり、カートリッジ式イオン交換器５１の軸方向に押圧する）ばね５５が設けられている。
【００４８】
このような構成においては、使用中にイオン交換樹脂５３に体積変化（とくに収縮）が生じた場合にも、ばね５５と多孔板５４からなる軸方向への押圧手段により、フィルター５２ａを介してイオン交換樹脂５３は軸方向に圧縮するように押圧されるので、イオン交換樹脂５３の適切な充填状態が維持され、不適切な冷却水のショートパスが生じることが防止される。したがって、安定した脱塩処理が継続される。
【００４９】
また、図４に、本発明における、カートリッジ式イオン交換器内に設けられ、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の径方向内方に押圧する押圧手段の一態様を示す。本実施態様では、カートリッジ式イオン交換器６１内に、フィルター６２ａ、６２ｂが設けられるとともに、その間に、内部に加圧気体を封入した図５に示すような可撓性の円筒体６３が横置きに配置されており、円筒体６３の内部にイオン交換樹脂６４が充填されている。封入される加圧気体の圧力としては、２ｋｇ／ｃｍ2 程度でよい。
【００５０】
このような構成においては、可撓性の円筒体６３によりイオン交換樹脂６４の形態が保持されるとともに、イオン交換樹脂６４に体積変化が生じる場合にも、円筒体６３が封入気体の圧力によって適当にイオン交換樹脂６４を径方向内方に向けて押圧するため、イオン交換樹脂６４の形態が適切な形態に保持され続ける。したがって、安定した脱塩処理が継続される。
【００５７】
さらに本発明においては、とくに充填するイオン交換樹脂の耐熱性が比較的低い場合、あるいはカートリッジ式イオン交換器の入口に到達するまでに冷却水を十分に冷却し切れないような場合に、カートリッジ式イオン交換器を、冷却機構一体型のイオン交換器として構成することも可能である。
【００５８】
たとえば図６に示すように、カートリッジ式イオン交換器９１を、内部にフィルター９２ａ、９２ｂを設け、その間にイオン交換樹脂９３を充填したイオン交換器９４の周囲を冷却水のジャケット構造９５に構成し、該ジャケット９５内に循環冷却水とは別の専用の冷却水を通水する冷却機構を設けた構成とすることができる。
【００５９】
あるいは図７に示すように、カートリッジ式イオン交換器１０１の内部を、循環冷却水通水方向に上流側の冷却機構部１０２と下流側のイオン交換樹脂充填部１０３とに分け、冷却機構部１０２をたとえば蛇行する冷却ジャケット部１０４に構成して、その内部に多孔質フィルター１０５を設けその多孔質フィルター１０５中を通水される循環冷却水を冷却するとともに、イオン交換樹脂充填部１０３にはイオン交換樹脂１０６を充填し、その下流側にフィルター１０７を配置して、イオン交換樹脂１０６を通過する冷却水を脱塩処理するように構成できる。冷却機構部１０２で十分に冷却された冷却水が脱塩処理されるので、イオン交換樹脂１０６の耐熱性に関する問題が解消される。
【００６０】
このように、カートリッジ式イオン交換器自身の構造については各種の態様を採り得る。着脱自在なカートリッジ式イオン交換器である限り、自動車上において容易に交換することが可能となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置によれば、自動車に搭載された燃料電池発電システムにおいて、冷却水中の不純物を適切に除去可能で、その除去手段、つまりイオン交換器を容易に交換可能な、最適な冷却水循環装置を構成することができる。したがって、自動車に搭載されたシステムでありながら、常に安定した冷却系を確保でき、それによって安定した燃料電池の作動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施態様に係る燃料電池の冷却水循環装置の概略全体構成図である。
【図２】 図１の装置に用いられる横置き型のカートリッジ式イオン交換器の一例を示す概略構成図である。
【図３】 カートリッジ式イオン交換器の別の例を示す概略構成図である。
【図４】 カートリッジ式イオン交換器のさらに別の例を示す概略構成図である。
【図５】 図４のカートリッジ式イオン交換器における円筒体の斜視図である。
【図６】 冷却機構一体型のカートリッジ式イオン交換器の一例を示す概略構成図である。
【図７】 冷却機構一体型のカートリッジ式イオン交換器の別の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 冷却水循環ライン
３ 冷却器（主冷却器）
４ 循環ポンプ
５ 脱塩ライン
６ バイパスライン
７、５１、６１ 横置き型のカートリッジ式イオン交換器
７ａ 入口
７ｂ 出口
８ 冷却器（副冷却器）
９ エア抜き
１０、５３、６４ イオン交換樹脂
１１ 配管
５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ フィルター
５４ 多孔板
５５ ばね
６３ 円筒体
９１、１０１ 冷却機構一体型カートリッジ式イオン交換器
９２ａ、９２ｂ、１０７ フィルター
９３、１０６ イオン交換樹脂
９４ イオン交換器
９５、１０４ ジャケット
１０２ 冷却機構部
１０３ イオン交換樹脂充填部
１０５ 多孔質フィルター
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却水循環装置に関し、移動体、とくに自動車に搭載された燃料電池の冷却水循環系に好適な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池はイオン導電体である電解質の両側に一対の電極を設け、一方の電極（通常、「空気極」と呼ばれている。）に酸化剤（酸素、空気等で、通常は空気または酸素リッチ空気）を供給し、他方の電極（通常、「燃料極」と呼ばれている。）に還元剤（水素または水素含有成分）を供給して電気化学的に発電する装置であり、水の電気分解の逆の原理を利用したものである。燃料極へは、一般に、アルコール、天然ガス等の燃料に水を混合して、あるいは、燃料を水で改質して水素が供給される。すなわち、燃料電池の基本原理としては、燃料電池中に通常複数積層配置された各セルの燃料極側に供給された燃料と水から水素が発生され、水素イオン（プロトン）が電解質を介して空気極側に移行されて空気極側に供給されてくる酸素との酸化反応が行われ、この電解質を介しての反応により、燃料極と空気極との間に起電力が発生するようになっている。
【０００３】
燃料電池は、一般に、用いる電解質の種類により、リン酸塩型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型などの幾つかの種類に分類される。近年では固体電解質に関する研究が進んできており、より小型化された燃料電池の実用化が期待されている。燃料電池の小型化が可能になる結果、移動体、たとえば電気自動車の電源として車載したり、移動用の可搬式電源として利用したり、家庭用の電源として利用することも可能となる。
【０００４】
燃料電池を用いた発電システムにおいては、燃料電池の作動温度が相当高温になることから（たとえば、約１０００℃と高温になることから）、通常、燃料電池を冷却水によって所定の温度以下に冷却する必要がある。
【０００５】
固定設置型の燃料電池を用いた大型の発電システムにおいては、冷却水系に関して幾つかの具体的な提案は見られるものの、小型の、とくに自動車に搭載した燃料電池（たとえば車載の燃料電池）については、今後開発が期待される技術であるという面もあり、具体的な構造の提案は殆どない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、とくに自動車に搭載された燃料電池の冷却水系について新規な構造を提案するものである。すなわち、本発明は、燃料電池発電システムを自動車に搭載した場合に発生する、あるいは発生が予想される各種問題を解消し得る技術、とくにその冷却水系についての新規な技術を提供するものである。
【０００７】
本発明を完成するに当たって、燃料電池発電システムを移動体に搭載する場合に、その冷却水系に発生する問題、あるいは発生が予想される問題について考察した。
【０００８】
まず、固定設置型の燃料電池では、必要に応じてその都度新しい冷却水を供給したり、古い冷却水を順次排出して新しい冷却水と置換したりすることが可能である。しかし、自動車に燃料電池を搭載する場合には、燃料電池冷却用の水は、基本的に循環使用する必要があり、冷却器あるいは冷却機構を伴った冷却水循環系に構成する必要がある。
【０００９】
このような冷却水循環系においては、高温の燃料電池を冷却した冷却水は、適当な冷却器等により所定の温度に冷却された後、再び燃料電池の冷却に供されるので、冷却水は長期間にわたって循環使用されることになる。
【００１０】
ところが、このように冷却水を長期間にわたって循環使用すると、たとえば燃料電池の匡体からの溶出イオンや、冷却水循環系に存在する各種ホースや配管、弁類等からの溶出物が冷却水中に混入し、使用中にそれら不純物の濃度が徐々に高くなる。不純物の濃度が高くなると、冷却効率が低下するばかりか、場合によっては配管の詰まりや腐蝕を招くおそれがあるので、冷却水中の不純物は極力除去されなければならない。
【００１１】
このような不純物を除去する装置として、一般にイオン交換樹脂を充填したイオン交換装置が知られている。しかし、イオン交換装置を、自動車に搭載した燃料電池発電システムの冷却水系に用いた例は見当たらない。また、一般的に知られているイオン交換装置では、そこに通水される被処理水の全量を処理対象としているが、上記のような燃料電池の冷却水循環系に仮にイオン交換装置を用いるとすれば、循環される冷却水の全量をその都度処理対象としなくてもよいことが考えられる。つまり、循環冷却水の一部を定常的に処理すれば、冷却水循環系の全量の冷却水中の不純物の量をあるレベル以下に保つことが可能であり、それでもって十分に用は足りると考えられる可能性が高い。通水の全量対象処理ではなく部分処理とすることは、イオン交換装置の小型化、充填イオン交換樹脂の長寿命化が可能になることから、現実的に有効な手法と考えることができる。
【００１２】
また、イオン交換装置に充填されたイオン交換樹脂は、遅かれ早かれ寿命に達し、再生または交換が必要になるものであるが、自動車に燃料電池発電システムを搭載する場合、イオン交換樹脂の再生装置まで搭載するのは非現実的であるから、イオン交換装置の交換性、より具体的には着脱性を必ず考慮しなければならない。
【００１３】
さらに、自動車への搭載を考える場合、スペース的に余裕の少ないエンジンルーム内に搭載することが考えられるが、その場合には、イオン交換装置の着脱の作業性まで考慮する必要がある。
【００１４】
本発明の課題は、自動車に燃料電池発電システムを搭載する場合に最適な、新規な燃料電池の冷却水循環装置を提供するとともに、その場合に考えられる種々の問題を解消し、種々の要望を満たすことのできる燃料電池の冷却水循環装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置は、自動車に搭載した燃料電池の冷却水循環ラインに、イオン交換器内にイオン交換樹脂が充填され該充填されたイオン交換樹脂ごとイオン交換器を着脱自在に構成されたカートリッジ式イオン交換器を設け、該カートリッジ式イオン交換器内に、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の軸方向に押圧する押圧手段を設け、該カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置するとともに、該カートリッジ式イオン交換器の両端部に冷却水の入口と出口とを設けたことを特徴とするものからなる。また、本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置は、自動車に搭載した燃料電池の冷却水循環ラインに、イオン交換器内にイオン交換樹脂が充填され該充填されたイオン交換樹脂ごとイオン交換器を着脱自在に構成されたカートリッジ式イオン交換器を設け、該カートリッジ式イオン交換器内に、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の径方向内方に押圧する押圧手段を設け、該カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置するとともに、該カートリッジ式イオン交換器の両端部に冷却水の入口と出口とを設けたことを特徴とするものからなる。
【００１７】
前述の如く、循環される冷却水をその都度全量処理する必要はなく、冷却水系全体として不純物の濃度を所定レベル以下に抑えればよいと考えられることから、冷却水循環ラインとしては、カートリッジ式イオン交換器が設けられた脱塩ラインと、該脱塩ラインをバイパスするバイパスラインとを有する構成とすることができる。
【００１８】
カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置し、カートリッジ式イオン交換器がその両端部に冷却水の入口と出口とを有していることによって着脱が容易になる。
【００１９】
また、カートリッジ式イオン交換器には、エア抜きが設けられていることが好ましい。このエア抜きを、冷却水循環ラインのカートリッジ式イオン交換器の下流に連通させておくと、エアは、不都合を生じさせない下流側の冷却水中へと円滑に抜かれていく。
【００２０】
循環冷却水ライン中には、そのいずれかの部位に冷却器を設け、循環される冷却水を所定の温度にまで冷却する必要がある。カートリッジ式イオン交換器中に充填されているイオン交換樹脂の耐熱性を考えると、この冷却器は冷却水循環ラインのカートリッジ式イオン交換器の上流に設けられることが好ましい。また、脱塩ラインのカートリッジ式イオン交換器の上流に、上記冷却器を設置する、あるいは上記とは別の冷却器をさらに設けることも可能である。
【００２１】
カートリッジ式イオン交換器内には、イオン交換樹脂が充填されているが、このイオン交換樹脂の樹類は、除去対象不純物の種類に応じて適宜決めればよい。たとえば、イオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂およびそれらの混合樹脂の少なくとも１種からなればよい。また、充填されるイオン交換樹脂は、複数層に配置することもでき、複数種のイオン交換樹脂の混床式構成とすることもできる。
【００２２】
カートリッジ式イオン交換器の内部構造については、各種の態様を取り得る。
【００２３】
たとえば、カートリッジ式イオン交換器内の少なくともイオン交換樹脂の上流側にフィルターが設けられている構造、あるいは下流側にもフィルターが設けられている構造とできる。フィルターは、多孔質体等からなる。
【００２５】
さらに、カートリッジ式イオン交換器を、冷却機構一体型のイオン交換器から構成することも可能である。一体型の冷却機構としては、イオン交換器の外周部に構成することが可能であり、カートリッジ式イオン交換器内のイオン交換樹脂の上流側に構成することも可能である。
【００２６】
上記のような本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置においては、冷却水循環ラインに着脱自在なカートリッジ式イオン交換器が設けられるので、循環される冷却水がカートリッジ式イオン交換器により脱塩処理されて冷却水中の不純物としてのイオンが除去されるとともに、充填されているイオン交換樹脂が寿命に達したときには、カートリッジ式イオン交換器ごと交換され、場合によってはイオン交換樹脂のみが交換され、交換後には必要な冷却水の循環が継続される。着脱自在なカートリッジ式イオン交換器であるから、交換は極めて容易に行われる。
【００２７】
また、カートリッジ式イオン交換器を脱塩ラインに設け、分流されて脱塩ラインに通水されてくる一部の冷却水を処理し、残りはバイパスラインを通水させるようにすれば、冷却水全体としては所定レベル以下の不純物濃度に保ちつつ、カートリッジ式イオン交換器内に充填されたイオン交換樹脂への通水量を小さく抑えてその寿命を大幅に延長することが可能になり、カートリッジ式イオン交換器の交換頻度を低く抑えることができる。
【００２８】
さらに、後述の具体的な各実施態様に示すように、カートリッジ式イオン交換器の設置姿勢、入出口の位置、エア抜きや内部構造等を最適化することにより、自動車のエンジンルーム等のように余裕スペースの少ない設置場所であっても、着脱性、交換性、イオン交換器自身の性能等を良好に確保することが可能になる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る燃料電池の冷却水循環装置を示しており、１は、燃料電池、とくにその匡体を示している。燃料電池１には、冷却水循環ライン２により冷却水が循環され、匡体内が冷却される。この燃料電池１および冷却水循環ライン２は、本実施態様では自動車のエンジンルーム内に搭載されている。
【００３０】
冷却水循環ライン２には、主冷却器３が設けられており、燃料電池１の発熱部の温度がたとえば１０００℃程度であるとすると、この主冷却器３により、循環される冷却水は、たとえば１２５℃程度にまで冷却されることが好ましい。主冷却器３としては、専用の冷却器を設置してもよいが、自動車に搭載されているラジエータを利用することも可能である。
【００３１】
主冷却器３からの冷却水は、循環ポンプ４によって吸引、圧送される。本実施態様では、循環ポンプ４の下流側で、冷却水循環ライン２は脱塩ライン５と、該脱塩ライン５をバイパスするバイパスライン６とに分岐されており、脱塩ライン５とバイパスライン６は下流側で再び合流している。脱塩ライン５とバイパスライン６とに分流される冷却水の流量比は、たとえば１：３〜１：３０程度に設定される。この流量比の設定は厳密に行う必要はなく、循環される冷却水が部分的にある量脱塩ライン５を流れればよい。したがって、流量比の設定は、脱塩ライン５における比較的大きな圧力損失と、バイパスライン６における小さな圧力損失との冷却水循環装置自身における圧力損失差を利用して、初期の機械的設計のままなりゆき任せに行うことが可能である。あるいは、脱塩ライン５とバイパスライン６との分岐部に絞りや、流量調整弁を設けて、より精度良く割り振ることも可能である。
【００３２】
上記脱塩ライン５に、着脱自在なカートリッジ式イオン交換器７が設けられている。カートリッジ式イオン交換器７内にはイオン交換樹脂が充填されており、通水されてくる冷却水を脱塩処理する。充填されるイオン交換樹脂としては、アニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂およびそれらの混合樹脂の少なくとも１種から構成でき、イオン交換樹脂は、複数層、とくに異種の樹脂の層を複数層配置した混床式の構成として充填することもできる。このカートリッジ式イオン交換器７は、本実施態様では横置きに設置されており、その両端部に冷却水の入口７ａと出口７ｂとを有している。
【００３３】
本実施態様では、脱塩ライン５のカートリッジ式イオン交換器７の上流側に、該脱塩ライン５を通水されてきた冷却水をカートリッジ式イオン交換器７に流入する前に冷却する副冷却器８が設けられている。この副冷却器８は、カートリッジ式イオン交換器７内に充填されているイオン交換樹脂が耐熱性の高いものである場合には、省略することが可能である。副冷却器８による冷却によって、カートリッジ式イオン交換器７へと流入される冷却水の温度は、充填されているイオン交換樹脂の耐熱性の点からみて、十分に低い温度（たとえば６０℃以下）にまで低下される。
【００３４】
横置きに設置されたカートリッジ式イオン交換器７には、たとえば図２に示すように、エア抜き９が設けられていることが好ましい。エア抜き９は、横置きのカートリッジ式イオン交換器７の上壁、つまり、充填されているイオン交換樹脂１０の上方に設ければよく、カートリッジ式イオン交換器７内でイオン交換樹脂１０の上方に集まってくるエアがエア抜き９を介して脱気される。エア抜き９は、カートリッジ式イオン交換器７の下流の冷却水循環ライン２に配管１１を介して連通され、抜かれたエアは冷却水循環ライン２中に逃がされる。配管１１の接続先は、脱塩ライン５中の位置、脱塩ライン５とバイパスライン６の合流後の位置のいずれであってもよい。また、エア抜き配管はイオン交換器に内蔵してもよい。
【００３５】
カートリッジ式イオン交換器７の入口７ａ側、出口７ｂ側、およびエア抜き９側は、着脱自在な手段によって各配管に接続されている。着脱自在な手段としては、単なる合フランジ構成の他、実質的にワンタッチ式の公知のジョイント機構を採用できる。
【００３６】
このように構成された本実施態様に係る燃料電池の冷却水循環装置においては、冷却水循環ライン２を循環される冷却水により、燃料電池１が所望の温度に冷却される。装置が自動車に搭載され、冷却水は実質的に交換されることなくそのまま循環使用されるので、循環冷却水中には、燃料電池１の匡体や循環系の配管類等からの溶出物が不純物として混入し、その濃度が徐々に高くなろうとする。
【００３７】
しかし、冷却水循環ライン２の脱塩ライン５中には、カートリッジ式イオン交換器７が設けられているので、循環される冷却水が連続的に脱塩処理され、冷却水中の不純物が除去される。循環される冷却水は、脱塩ライン５とバイパスライン６とに分流され、実際に脱塩処理されるのは脱塩ライン５においてのみとなるが、燃料電池１の冷却に用いられる冷却水にはそれ程厳しい不純物の管理は不要であることから、部分的な冷却水の脱塩処理であっても、循環される冷却水全体として、十分に低い不純物濃度に維持される。その結果、所望の良好な燃料電池１の冷却性能が確保されるとともに、冷却水循環ライン２の配管閉塞や配管内への不純物の堆積等の不具合の発生が防止される。
【００３８】
また、カートリッジ式イオン交換器７を脱塩ライン５に設け、循環される冷却水の全量のうち部分的な量のみ連続的に脱塩処理するようにしているので、カートリッジ式イオン交換器７内のイオン交換樹脂１０の寿命を適切に延ばすことができ、カートリッジ式イオン交換器７の交換頻度を低減することができる。
【００３９】
さらに、イオン交換器７がカートリッジ式で着脱自在に構成されているので、交換も極めて容易に行われる。とくに本実施態様では、カートリッジ式イオン交換器７が横置きに設置されており、その両端部に入口７ａと出口７ｂを有しているので、狭いエンジンルーム内であっても、開いたボンネット等に阻害されることなく、入口７ａ部や出口７ｂ部、エア抜き９部における着脱作業を容易に行うことが可能になる。
【００４０】
カートリッジ式イオン交換器７の内部構造としては、各種の態様に構成できる。
【００４７】
また、図３に、本発明における、カートリッジ式イオン交換器内に設けられ、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の軸方向に押圧する押圧手段の一態様を示す。本実施態様では、カートリッジ式イオン交換器５１内に、フィルター５２ａ、５２ｂが設けられるとともに、その間にイオン交換樹脂５３が充填されている。そして、一方のフィルター５２ａの側方に、多孔板５４と、該多孔板５４をフィルター５２ａ方向に付勢する（つまり、カートリッジ式イオン交換器５１の軸方向に押圧する）ばね５５が設けられている。
【００４８】
このような構成においては、使用中にイオン交換樹脂５３に体積変化（とくに収縮）が生じた場合にも、ばね５５と多孔板５４からなる軸方向への押圧手段により、フィルター５２ａを介してイオン交換樹脂５３は軸方向に圧縮するように押圧されるので、イオン交換樹脂５３の適切な充填状態が維持され、不適切な冷却水のショートパスが生じることが防止される。したがって、安定した脱塩処理が継続される。
【００４９】
また、図４に、本発明における、カートリッジ式イオン交換器内に設けられ、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の径方向内方に押圧する押圧手段の一態様を示す。本実施態様では、カートリッジ式イオン交換器６１内に、フィルター６２ａ、６２ｂが設けられるとともに、その間に、内部に加圧気体を封入した図５に示すような可撓性の円筒体６３が横置きに配置されており、円筒体６３の内部にイオン交換樹脂６４が充填されている。封入される加圧気体の圧力としては、２ｋｇ／ｃｍ2 程度でよい。
【００５０】
このような構成においては、可撓性の円筒体６３によりイオン交換樹脂６４の形態が保持されるとともに、イオン交換樹脂６４に体積変化が生じる場合にも、円筒体６３が封入気体の圧力によって適当にイオン交換樹脂６４を径方向内方に向けて押圧するため、イオン交換樹脂６４の形態が適切な形態に保持され続ける。したがって、安定した脱塩処理が継続される。
【００５７】
さらに本発明においては、とくに充填するイオン交換樹脂の耐熱性が比較的低い場合、あるいはカートリッジ式イオン交換器の入口に到達するまでに冷却水を十分に冷却し切れないような場合に、カートリッジ式イオン交換器を、冷却機構一体型のイオン交換器として構成することも可能である。
【００５８】
たとえば図６に示すように、カートリッジ式イオン交換器９１を、内部にフィルター９２ａ、９２ｂを設け、その間にイオン交換樹脂９３を充填したイオン交換器９４の周囲を冷却水のジャケット構造９５に構成し、該ジャケット９５内に循環冷却水とは別の専用の冷却水を通水する冷却機構を設けた構成とすることができる。
【００５９】
あるいは図７に示すように、カートリッジ式イオン交換器１０１の内部を、循環冷却水通水方向に上流側の冷却機構部１０２と下流側のイオン交換樹脂充填部１０３とに分け、冷却機構部１０２をたとえば蛇行する冷却ジャケット部１０４に構成して、その内部に多孔質フィルター１０５を設けその多孔質フィルター１０５中を通水される循環冷却水を冷却するとともに、イオン交換樹脂充填部１０３にはイオン交換樹脂１０６を充填し、その下流側にフィルター１０７を配置して、イオン交換樹脂１０６を通過する冷却水を脱塩処理するように構成できる。冷却機構部１０２で十分に冷却された冷却水が脱塩処理されるので、イオン交換樹脂１０６の耐熱性に関する問題が解消される。
【００６０】
このように、カートリッジ式イオン交換器自身の構造については各種の態様を採り得る。着脱自在なカートリッジ式イオン交換器である限り、自動車上において容易に交換することが可能となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池の冷却水循環装置によれば、自動車に搭載された燃料電池発電システムにおいて、冷却水中の不純物を適切に除去可能で、その除去手段、つまりイオン交換器を容易に交換可能な、最適な冷却水循環装置を構成することができる。したがって、自動車に搭載されたシステムでありながら、常に安定した冷却系を確保でき、それによって安定した燃料電池の作動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施態様に係る燃料電池の冷却水循環装置の概略全体構成図である。
【図２】 図１の装置に用いられる横置き型のカートリッジ式イオン交換器の一例を示す概略構成図である。
【図３】 カートリッジ式イオン交換器の別の例を示す概略構成図である。
【図４】 カートリッジ式イオン交換器のさらに別の例を示す概略構成図である。
【図５】 図４のカートリッジ式イオン交換器における円筒体の斜視図である。
【図６】 冷却機構一体型のカートリッジ式イオン交換器の一例を示す概略構成図である。
【図７】 冷却機構一体型のカートリッジ式イオン交換器の別の例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 冷却水循環ライン
３ 冷却器（主冷却器）
４ 循環ポンプ
５ 脱塩ライン
６ バイパスライン
７、５１、６１ 横置き型のカートリッジ式イオン交換器
７ａ 入口
７ｂ 出口
８ 冷却器（副冷却器）
９ エア抜き
１０、５３、６４ イオン交換樹脂
１１ 配管
５２ａ、５２ｂ、６２ａ、６２ｂ フィルター
５４ 多孔板
５５ ばね
６３ 円筒体
９１、１０１ 冷却機構一体型カートリッジ式イオン交換器
９２ａ、９２ｂ、１０７ フィルター
９３、１０６ イオン交換樹脂
９４ イオン交換器
９５、１０４ ジャケット
１０２ 冷却機構部
１０３ イオン交換樹脂充填部
１０５ 多孔質フィルター
Claims (13)
- 自動車に搭載した燃料電池の冷却水循環ラインに、イオン交換器内にイオン交換樹脂が充填され該充填されたイオン交換樹脂ごとイオン交換器を着脱自在に構成されたカートリッジ式イオン交換器を設け、該カートリッジ式イオン交換器内に、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の軸方向に押圧する押圧手段を設け、該カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置するとともに、該カートリッジ式イオン交換器の両端部に冷却水の入口と出口とを設けたことを特徴とする燃料電池の冷却水循環装置。
- 自動車に搭載した燃料電池の冷却水循環ラインに、イオン交換器内にイオン交換樹脂が充填され該充填されたイオン交換樹脂ごとイオン交換器を着脱自在に構成されたカートリッジ式イオン交換器を設け、該カートリッジ式イオン交換器内に、充填されているイオン交換樹脂をイオン交換器の径方向内方に押圧する押圧手段を設け、該カートリッジ式イオン交換器を横置きに設置するとともに、該カートリッジ式イオン交換器の両端部に冷却水の入口と出口とを設けたことを特徴とする燃料電池の冷却水循環装置。
- 冷却水循環ラインが、前記カートリッジ式イオン交換器が設けられた脱塩ラインと、該脱塩ラインをバイパスするバイパスラインとを有する、請求項１または２の燃料電池の冷却水循環装置。
- カートリッジ式イオン交換器にエア抜きが設けられている、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- エア抜きが、冷却水循環ラインのカートリッジ式イオン交換器の下流に連通されている、請求項４の燃料電池の冷却水循環装置。
- 冷却水循環ラインのカートリッジ式イオン交換器の上流に冷却器が設けられている、請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- 脱塩ラインのカートリッジ式イオン交換器の上流に冷却器が設けられている、請求項３ないし６のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- イオン交換樹脂がアニオン交換樹脂、カチオン交換樹脂およびそれらの混合樹脂の少なくとも１種からなる、請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- イオン交換樹脂が複数層に配置されている、請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- カートリッジ式イオン交換器内の少なくともイオン交換樹脂の上流側にフィルターが設けられている、請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- カートリッジ式イオン交換器が、冷却機構一体型のイオン交換器からなる、請求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池の冷却水循環装置。
- 一体型の冷却機構がイオン交換器の外周部に構成されている、請求項１１の燃料電池の冷却水循環装置。
- 一体型の冷却機構がイオン交換樹脂の上流側に構成されている、請求項１１の燃料電池の冷却水循環装置。
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