JP4258798B2 - Fuel cell heat exchanger - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池冷却システムにおいて、冷却液中に溶出するイオンを取り除くことができる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の燃料電池の一例として、高分子膜型のスタックを有し、そのスタック内に反応制御のための純水が循環するものが存在する。この純水は、スタック内で温度上昇するため外部の熱交換器で熱交換して冷却される。この純水はスタックに直接接触するが、その際、純水に金属イオンが含まれると液を通して漏電し、電池の電圧低下を招くおそれがある。そのためこの冷却システムにおいて、溶出イオンを取り除く必要がある。
【０００３】
そこで従来、図１０に示す如く、燃料電池16から流出する冷却液を熱交換器17に供給して冷却し、さらに補助熱交換器18によって過冷却し、イオン交換器20で冷却液中のイオンを取り除きポンプ21を介し再び燃料電池16に供給していた。
なお、補助熱交換器18によって過冷却するのは、その補助熱交換器18によって冷却液温度を６０℃以下に下げ、イオン交換器20の熱交換樹脂の性能を保持するためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池冷却システムでは、熱交換器17の他に補助熱交換器18及びイオン交換器20を別個に設ける必要があり、装置全体が大型化する傾向にあった。
そこで、本発明はコンパクトで且つ配管等が簡略化された燃料電池冷却システムにおける熱交換器を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、並列された多数のチューブ(1) とフィン(2) とを有し、夫々のチューブ(1) の両端が一対のタンク(3) に連通されてなる熱交換器において、
前記タンク (3) にイオン交換材(4) を内装し、その熱交換器の内部を流通する冷却液(15)がイオン交換材(4) に接触して、冷却液(15)中の溶出イオンがそのイオン交換材(4) により除去されるように構成したことを特徴とする燃料電池用熱交換器である。
【０００６】
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
開孔(5) を有する仕切(6) を前記タンク(3) 内に設け、その仕切(6) の一方側の内部にイオン交換材(4) を内装し、前記冷却液(15)の一部がそのイオン交換材(4) を通り前記仕切(6) の他方側に流出するように構成し、
その仕切(6) の一方側に連通するチューブ(1) の冷却液(15)の流量が、仕切(6) の他方側のそれより少なくなるように構成して、その仕切(6) の一方側内の冷却液(15)の温度を、他方側のそれより低下させることとした燃料電池用熱交換器である。
【０００７】
請求項３に記載の本発明は、請求項２において、
前記タンク(3) の側壁にカートリッジ挿通孔(7) が設けられ、
外周に冷却液(15)の流入部(5a)を有すると共に、その端部に冷却液(15)の流出部(5b)を有するイオン分離カートリッジ(8) が、前記カートリッジ挿通孔(7) に着脱自在に挿通されるように構成された燃料電池用熱交換器である。
請求項４に記載の本発明は、請求項１において、
前記タンク(3) 内の少なくとも一部に、そのタンク(3) の内面に沿う断面凵状に内装されたイオン交換材(4) を有する燃料電池用熱交換器である。
【０００８】
請求項５に記載の本発明は、請求項４において、
断面凹字状に形成されたケーシング(9) 内に、イオン交換材(4) が内装され、そのケーシング(9) の一端面および側面に、冷却液(15)の出入口が開口された燃料電池用熱交換器である。
請求項６に記載の本発明は、請求項４または請求項５において、
前記タンク(3) の前記イオン交換材(4) が内装された部分の外面に、冷却フィン(10)が配置された燃料電池用熱交換器である。
請求項７に記載の本発明は、請求項１において、
前記タンク(3) の内面に接着剤を介して、前記イオン交換材(4) が設けられた燃料電池用熱交換器である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の燃料電池用熱交換器の一部破断説明図であり、図２はその要部縦断面図、図３はその要部組立説明図である。
この燃料電池用熱交換器は、公知の熱交換器の出口側のタンク３内にイオン交換材４を有するイオン分離カートリッジ８を設けたものである。熱交換器17は、多数のチューブ１とフィン２とが並列され、夫々のチューブ１の両端が一対のタンク３に連通されたものである。夫々のタンク３には、入口パイプ11及び出口パイプ12が突設されている。
【００１０】
下部側のタンク３には図２及び図３に示す如く、その左端寄り内面に仕切６が設けられている。この仕切６には開孔５が設けられ、仕切６に近いタンク３の長手方向端面にはカートリッジ連通孔７が設けられている。そして、このカートリッジ連通孔７及び開孔５にイオン分離カートリッジ８が挿通されるものである。イオン分離カートリッジ８は一端部に頭部22を有し、その頭部22の付根部にネジ部13が形成されている。そして筒状に形成されたイオン分離カートリッジ８の内部には、イオン交換材４が収納されている。
【００１１】
また、頭部22に近い位置に複数の流入部５ａが設けられ、イオン分離カートリッジ８の先端には流出部５ｂが設けられている。そしてイオン分離カートリッジ８のネジ部13がタンク３の側端に螺着すると共に、イオン分離カートリッジ８の先端よりの外周が仕切６の開孔５を貫通する。
なお、イオン交換材４としては冷却液中の溶出イオンを吸着する公知のものを利用できる。例えば、三菱化学株式会社製のダイヤイオンＳＫＦ１１０や同ＳＫＦ１１０Ｈ，ＳＡＦ１２Ａ，ＳＡＦ１２ＡＯＨ，ＳＡＦ１０ＤＬ，ダイヤイオンＷＡ３０Ｃ（以上、商品名），その他のスチレン系のインオ交換樹脂を用いることができる。これは夫々球形のゲル型を有し、直径が０．４ｍｍ以上のものである。
【００１２】
このようなイオン交換材４を有するイオン分離カートリッジ８を仕切６の図において左側に装着することにより、仕切６よりも左側に位置するチューブ１内を通過して過冷却された冷却液15はイオン分離カートリッジ８の流入部５ａから流入し、イオン交換材４を通過してイオン分離カートリッジ８の流出部５ｂから流出する。そしてタンク３内で仕切６の右側を流通し、出口パイプ12からそれが流出する。
【００１３】
なお、仕切６の左側の小室内に流入する冷却液15は、イオン交換材４その他によって流通抵抗が大きくなるので、その小室に連通するチューブ１内の冷却液15の流速は仕切６の右側のそれよりも遅くなる。そのため、同一の冷却風がチューブ１及びフィン２の外面側に流通するとすれば、冷却液15はより温度の低いものとなる。そしてその温度が６０℃以下になくように調整され、イオン交換材４の能力を維持する。即ち、イオン交換材４は６０℃以上の冷却液15ではその性能低下が著しくなるものである。このように流量調整するには、イオン分離カートリッジ８における流入部５ａ，流出部５ｂの直径やイオン交換材４の充填量によって、適宜その流量調整が可能である。
【００１４】
次に、図４は下部側のタンク３に収納されるケーシング９であり、そのケーシング９内にイオン交換材４が収納されている。このケーシング９はタンク３の内面に整合する外周を有し、その内面側に流入部５ａが設けられ先端側に流出部５ｂが設けられている。このようなケーシング９は、タンク３内において図５の如く収納される。
なお、この例でも仕切６をタンク３内に設けることができる。
【００１５】
次に、図６は図５の構造においてさらにタンク３の外面に冷却フィン10を設け、イオン交換材４内を流通する冷却液をより冷却し、イオン交換材４の性能を保持するものである。
次に、図７は本発明のタンク３のさらに他の実施の形態であり、この例はタンク３の内面側にイオン交換材４が接着剤等を介して保持されたものである。
【００１６】
さらに図８はタンク３内にイオン交換材４が直接収納されたものである。この場合、イオン交換材４自体がタンク３の出口パイプから流出することを阻止するため、その出口パイプにフィルタを設ける。
このようにしてなる本発明の燃料電池用熱交換器は、図９として表される。即ち、熱交換器17内の一部に過冷却部が仕切６により設けられ、その仕切６に連通するイオン交換器20が熱交換器17内に設けられている。
【００１７】
【発明の作用・効果】
本発明の燃料電池用熱交換器は、タンク３にイオン交換材４を内装し、熱交換器の内部を流通する冷却液15がイオン交換材４に接触して、冷却液15中の溶出イオンがそのイオン交換材４により除去されるように構成したから、熱交換器自体に溶出イオン除去効果をもたせることができる。
【００１８】
上記構成において、開孔５を有する仕切６をタンク３内に設け、その仕切６の一方側の内部にイオン交換材４を内装し、冷却液15の一部がそのイオン交換材４を通り仕切６の他方側に流出するように構成することができる。この場合には、より効果的に溶出イオンを取り除くことができる。さらにイオン交換材４を通過する冷却水の温度をより低下させ、イオン交換能力を一定に保つことができる。
【００１９】
さらには上記構成において、イオン分離カートリッジ８をタンク３のカートリッジ連通孔７に着脱自在に挿通し、そのイオン分離カートリッジ８内にイオン交換材４を収納することができる。それによって、イオン交換材４のイオン除去能力が劣化したときそれを交換することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池用熱交換器の第１の実施の形態を示す一部破断正面図。
【図２】 同燃料電池用熱交換器の要部拡大図。
【図３】 同燃料電池用熱交換器のタンク３の分解斜視図。
【図４】 本発明の燃料電池用熱交換器に収納されるケーシング９の斜視略図。
【図５】 同ケーシング９の収納状態を示す説明図。
【図６】 同他の例を示すタンク３の斜視説明図。
【図７】 本発明の他の燃料電池用熱交換器の要部縦断面図。
【図８】 本発明のさらに他の燃料電池用熱交換器の要部縦断面図。
【図９】 図１〜図３における燃料電池用熱交換器を含む燃料電池冷却システムのブロック図。
【図１０】 従来型燃料電池冷却システムのブロック図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat exchanger capable of removing ions eluted in a coolant in a fuel cell cooling system.
[0002]
[Prior art]
As an example of a fuel cell for automobiles, there is one having a polymer membrane type stack in which pure water for reaction control circulates. Since this pure water rises in temperature in the stack, it is cooled by exchanging heat with an external heat exchanger. The pure water directly contacts the stack. At this time, if metal ions are contained in the pure water, the liquid may leak through the liquid, leading to a decrease in battery voltage. Therefore, it is necessary to remove the eluted ions in this cooling system.
[0003]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 10, the coolant flowing out from the fuel cell 16 is supplied to the heat exchanger 17 to be cooled, and further subcooled by the auxiliary heat exchanger 18, and the ions in the coolant are cooled by the ion exchanger 20. The fuel cell 16 was supplied again via the pump 21.
The reason why the auxiliary heat exchanger 18 is supercooled is that the auxiliary heat exchanger 18 lowers the coolant temperature to 60 ° C. or less and maintains the performance of the heat exchange resin of the ion exchanger 20.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional fuel cell cooling system, it is necessary to separately provide the auxiliary heat exchanger 18 and the ion exchanger 20 in addition to the heat exchanger 17, and the whole apparatus tends to increase in size.
Then, this invention makes it a subject to provide the heat exchanger in the fuel cell cooling system which was compact and piping etc. were simplified.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention as set forth in claim 1 includes a plurality of tubes (1) and fins (2) arranged in parallel, and both ends of each tube (1) are communicated with a pair of tanks (3). In the exchanger
The tank (3) is equipped with an ion exchange material (4), and the coolant (15) flowing through the heat exchanger comes into contact with the ion exchange material (4), and elution in the coolant (15) occurs. A heat exchanger for a fuel cell , characterized in that ions are removed by the ion exchange material (4).
[0006]
The present invention according to claim 2 is the method according to claim 1,
A partition (6) having an opening (5) is provided in the tank (3), an ion exchange material (4) is provided inside one side of the partition (6), and one of the coolant (15) is provided. Configured to flow through the ion exchange material (4) to the other side of the partition (6),
The flow rate of the coolant (15) in the tube (1) communicating with one side of the partition (6) is less than that on the other side of the partition (6), so that one of the partitions (6) This is a heat exchanger for a fuel cell in which the temperature of the coolant (15) in the side is made lower than that on the other side.
[0007]
The present invention described in claim 3 provides the method according to claim 2,
A cartridge insertion hole (7) is provided on the side wall of the tank (3),
An ion separation cartridge (8) having an inflow portion (5a) for the cooling liquid (15) on the outer periphery and an outflow portion (5b) for the cooling liquid (15) at its end is provided in the cartridge insertion hole (7). A heat exchanger for a fuel cell configured to be detachably inserted.
The present invention according to claim 4 provides the method according to claim 1,
It is a heat exchanger for a fuel cell having an ion exchange material (4) housed in at least a part of the tank (3) in a cross-sectional shape along the inner surface of the tank (3).
[0008]
The present invention according to claim 5 is the invention according to claim 4,
A fuel cell in which an ion exchange material (4) is housed in a casing (9) formed in a concave shape in cross section, and an inlet / outlet of a coolant (15) is opened on one end face and side face of the casing (9) it is a use heat exchanger.
The present invention described in claim 6 provides the method according to claim 4 or claim 5,
A fuel cell heat exchanger in which cooling fins (10) are arranged on an outer surface of a portion of the tank (3) in which the ion exchange material (4) is internally provided.
The present invention described in claim 7 provides the method according to claim 1,
A fuel cell heat exchanger in which the ion exchange material (4) is provided on the inner surface of the tank (3) via an adhesive.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partially cutaway explanatory view of a heat exchanger for a fuel cell of the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an essential part thereof, and FIG.
This heat exchanger for a fuel cell is provided with an ion separation cartridge 8 having an ion exchange material 4 in a tank 3 on the outlet side of a known heat exchanger. The heat exchanger 17 has a large number of tubes 1 and fins 2 arranged in parallel, and both ends of each tube 1 communicated with a pair of tanks 3. Each tank 3 has an inlet pipe 11 and an outlet pipe 12 protruding therefrom.
[0010]
As shown in FIGS. 2 and 3, the lower tank 3 is provided with a partition 6 on the inner surface near the left end. An opening 5 is provided in the partition 6, and a cartridge communication hole 7 is provided on the end surface in the longitudinal direction of the tank 3 close to the partition 6. The ion separation cartridge 8 is inserted into the cartridge communication hole 7 and the opening 5. The ion separation cartridge 8 has a head portion 22 at one end portion, and a screw portion 13 is formed at the base portion of the head portion 22. An ion exchange material 4 is accommodated inside the ion separation cartridge 8 formed in a cylindrical shape.
[0011]
A plurality of inflow portions 5 a are provided near the head 22, and an outflow portion 5 b is provided at the tip of the ion separation cartridge 8. The threaded portion 13 of the ion separation cartridge 8 is screwed to the side end of the tank 3, and the outer periphery from the tip of the ion separation cartridge 8 passes through the opening 5 of the partition 6.
In addition, as the ion exchange material 4, the well-known thing which adsorb | sucks the elution ion in a cooling fluid can be utilized. For example, Diaion SKF110 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation, SKF110H, SAF12A, SAF12AOH, SAF10DL, Diaion WA30C (trade name), and other styrene-based ino-exchange resins can be used. Each has a spherical gel shape and has a diameter of 0.4 mm or more.
[0012]
By mounting the ion separation cartridge 8 having such an ion exchange material 4 on the left side in the drawing of the partition 6, the supercooled coolant 15 passing through the tube 1 located on the left side of the partition 6 is ionized. It flows in from the inflow portion 5 a of the separation cartridge 8, passes through the ion exchange material 4, and flows out from the outflow portion 5 b of the ion separation cartridge 8. And it distribute | circulates the right side of the partition 6 in the tank 3, and it flows out from the exit pipe 12. FIG.
[0013]
Note that the flow rate of the coolant 15 flowing into the small chamber on the left side of the partition 6 is increased by the ion exchange material 4 and the like, so the flow rate of the coolant 15 in the tube 1 communicating with the small chamber is on the right side of the partition 6. It will be slower than that. Therefore, if the same cooling air flows through the outer surfaces of the tubes 1 and the fins 2, the coolant 15 has a lower temperature. And it adjusts so that the temperature may not be 60 degrees C or less, and the capability of the ion exchange material 4 is maintained. In other words, the performance of the ion exchange material 4 is markedly lowered when the coolant 15 is 60 ° C. or higher. In order to adjust the flow rate in this way, the flow rate can be appropriately adjusted according to the diameter of the inflow portion 5a and the outflow portion 5b in the ion separation cartridge 8 and the filling amount of the ion exchange material 4.
[0014]
Next, FIG. 4 shows a casing 9 stored in the tank 3 on the lower side, and the ion exchange material 4 is stored in the casing 9. The casing 9 has an outer periphery aligned with the inner surface of the tank 3, and an inflow portion 5 a is provided on the inner surface side, and an outflow portion 5 b is provided on the distal end side. Such a casing 9 is accommodated in the tank 3 as shown in FIG.
In this example as well, the partition 6 can be provided in the tank 3.
[0015]
Next, FIG. 6 is provided with cooling fins 10 on the outer surface of the tank 3 in the structure of FIG. 5 to further cool the coolant flowing through the ion exchange material 4 and maintain the performance of the ion exchange material 4. .
Next, FIG. 7 shows still another embodiment of the tank 3 of the present invention. In this example, the ion exchange material 4 is held on the inner surface side of the tank 3 via an adhesive or the like.
[0016]
Further, FIG. 8 shows that the ion exchange material 4 is directly stored in the tank 3. In this case, in order to prevent the ion exchange material 4 itself from flowing out of the outlet pipe of the tank 3, a filter is provided at the outlet pipe.
The heat exchanger for a fuel cell of the present invention thus configured is represented as FIG. That is, a supercooling section is provided in a part of the heat exchanger 17 by the partition 6, and an ion exchanger 20 communicating with the partition 6 is provided in the heat exchanger 17.
[0017]
[Operation and effect of the invention]
In the heat exchanger for a fuel cell of the present invention , the ion exchanger 4 is housed in the tank 3, the coolant 15 flowing through the heat exchanger contacts the ion exchanger 4, and the eluted ions in the coolant 15 Therefore, the heat exchanger itself can have the effect of removing the eluted ions.
[0018]
In the above configuration, the partition 6 having the opening 5 is provided in the tank 3, the ion exchange material 4 is provided inside one side of the partition 6, and a part of the coolant 15 is partitioned through the ion exchange material 4. 6 can flow out to the other side. In this case, eluted ions can be removed more effectively. Furthermore, the temperature of the cooling water passing through the ion exchange material 4 can be further lowered, and the ion exchange capacity can be kept constant.
[0019]
Furthermore, in the above configuration, the ion separation cartridge 8 can be detachably inserted into the cartridge communication hole 7 of the tank 3, and the ion exchange material 4 can be accommodated in the ion separation cartridge 8. Thereby, when the ion removal capability of the ion exchange material 4 deteriorates, it can be exchanged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway front view showing a first embodiment of a heat exchanger for a fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the fuel cell heat exchanger.
FIG. 3 is an exploded perspective view of a tank 3 of the fuel cell heat exchanger.
FIG. 4 is a schematic perspective view of a casing 9 housed in a heat exchanger for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view showing a storage state of the casing 9;
FIG. 6 is a perspective explanatory view of a tank 3 showing another example.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of an essential part of another heat exchanger for a fuel cell of the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal sectional view of an essential part of still another heat exchanger for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 9 is a block diagram of a fuel cell cooling system including a heat exchanger for a fuel cell in FIGS.
FIG. 10 is a block diagram of a conventional fuel cell cooling system.

Claims (7)

並列された多数のチューブ(1) とフィン(2) とを有し、夫々のチューブ(1) の両端が一対のタンク(3) に連通されてなる熱交換器において、
前記タンク (3) にイオン交換材(4) を内装し、その熱交換器の内部を流通する冷却液(15)がイオン交換材(4) に接触して、冷却液(15)中の溶出イオンがそのイオン交換材(4) により除去されるように構成したことを特徴とする燃料電池用熱交換器。In a heat exchanger having a large number of tubes (1) and fins (2) arranged in parallel and having both ends of each tube (1) communicated with a pair of tanks (3),
The tank (3) is equipped with an ion exchange material (4), and the coolant (15) flowing through the heat exchanger comes into contact with the ion exchange material (4), and elution in the coolant (15) occurs. A heat exchanger for a fuel cell , characterized in that ions are removed by the ion exchange material (4). 請求項１において、
開孔(5) を有する仕切(6) を前記タンク(3) 内に設け、その仕切(6) の一方側の内部にイオン交換材(4) を内装し、前記冷却液(15)の一部がそのイオン交換材(4) を通り前記仕切(6) の他方側に流出するように構成し、
その仕切(6) の一方側に連通するチューブ(1) の冷却液(15)の流量が、仕切(6) の他方側のそれより少なくなるように構成して、その仕切(6) の一方側内の冷却液(15)の温度を、他方側のそれより低下させることとした燃料電池用熱交換器。In claim 1,
A partition (6) having an opening (5) is provided in the tank (3), an ion exchange material (4) is provided inside one side of the partition (6), and one of the coolant (15) is provided. Configured to flow through the ion exchange material (4) to the other side of the partition (6),
The flow rate of the coolant (15) in the tube (1) communicating with one side of the partition (6) is less than that on the other side of the partition (6), so that one of the partitions (6) A fuel cell heat exchanger in which the temperature of the coolant (15) in the side is made lower than that on the other side. 請求項２において、
前記タンク(3) の側壁にカートリッジ挿通孔(7) が設けられ、
外周に冷却液(15)の流入部(5a)を有すると共に、その端部に冷却液(15)の流出部(5b)を有するイオン分離カートリッジ(8) が、前記カートリッジ挿通孔(7) に着脱自在に挿通されるように構成された燃料電池用熱交換器。In claim 2,
A cartridge insertion hole (7) is provided on the side wall of the tank (3),
An ion separation cartridge (8) having an inflow portion (5a) for the cooling liquid (15) on the outer periphery and an outflow portion (5b) for the cooling liquid (15) at its end is provided in the cartridge insertion hole (7). A fuel cell heat exchanger configured to be detachably inserted. 請求項１において、
前記タンク(3) 内の少なくとも一部に、そのタンク(3) の内面に沿う断面凵状に内装されたイオン交換材(4) を有する燃料電池用熱交換器。In claim 1,
A heat exchanger for a fuel cell , having an ion exchange material (4) housed in at least part of the tank (3) in a cross-sectional shape along the inner surface of the tank (3). 請求項４において、
断面凹字状に形成されたケーシング(9) 内に、イオン交換材(4) が内装され、そのケーシング(9) の一端面および側面に、冷却液(15)の出入口が開口された燃料電池用熱交換器。In claim 4,
A fuel cell in which an ion exchange material (4) is housed in a casing (9) formed in a concave shape in cross section, and an inlet / outlet of a coolant (15) is opened on one end face and side face of the casing (9) use heat exchanger. 請求項４または請求項５において、
前記タンク(3) の前記イオン交換材(4) が内装された部分の外面に、冷却フィン(10)が配置された燃料電池用熱交換器。In claim 4 or claim 5,
A fuel cell heat exchanger in which cooling fins (10) are arranged on an outer surface of a portion of the tank (3) where the ion exchange material (4) is internally provided. 請求項１において、
前記タンク(3) の内面に接着剤を介して、前記イオン交換材(4) が設けられた燃料電池用熱交換器。In claim 1,
A fuel cell heat exchanger in which the ion exchange material (4) is provided on the inner surface of the tank (3) via an adhesive.
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