JP5390783B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の冷媒回路に設けられる燃料電池用イオン交換器を含む燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池を冷媒によって直接冷却する冷却システムでは、冷媒を介した液絡現象を防止するために、冷媒に高度の電気的絶縁性が要求される。そのため、イオン交換樹脂が収納されたイオン交換器を冷却通路内に設け、前記冷却通路を循環する冷媒中の一定量をイオン交換器に循環させ、冷媒中のイオンをイオン交換樹脂に吸着させることによって、冷媒の電気的絶縁性を確保している。

前記イオン交換樹脂は、冷媒中のイオンを吸着することにより、徐々にイオン吸着能力が低下する特性を有する。イオン交換樹脂のイオン吸着能力が極度に低下した場合、冷媒中のイオンを充分に吸着することができなくなり、冷媒の電気的絶縁性を確保することが困難となって、液絡現象を発生する可能性が高くなる。このため、劣化したイオン交換樹脂（イオン交換器）を新たなイオン交換樹脂（イオン交換器）と定期的に交換するメンテナンスが必要となる。

この場合、イオン交換器と冷媒との交換タイミングは異なり、例えば、冷媒を交換することがなくイオン交換樹脂（イオン交換器）のみを交換することが好ましいと共に、シール機能が劣化するおそれがあるＯリング等のシール部材を前記イオン交換樹脂（イオン交換器）と一緒に交換することが望ましい。

この種のイオン交換器に関し、例えば、特許文献１には、冷媒の流入口が設けられたケーシングと冷媒の流出口が設けられた蓋とをボルトで締結することによって、前記ケーシングの内部に密封された収納部を形成し、イオン交換樹脂（樹脂体）が封入されたパックを前記収納部内に収納するイオン交換器の構造が開示されている。

また、本出願人の提案に係る特許文献２には、重量補機及び軽量補機を左右方向に振り分けて配置し、重量補機側にエア通路を、軽量補機側に水通路を配置することにより、重量補機と軽量補機とのアンバランスを解消して、回頭性や操縦安定性の最適化を図ることが可能な燃料電池自動車が開示されている。

この特許文献２の図１には、前記水通路を構成する水配管の供給側配管中であって、燃料電池スタックの横にイオン交換器を配置する点が開示されている。
特開２００７−１２２９０６号公報 特開２００１−７１７５３号公報

ところで、前記特許文献１に開示されたイオン交換器の構造を利用して、例えば、イオン交換器自体を交換可能とするためには、ケーシング側の冷媒の流入口と配管との間に周知の管継手を接続して着脱自在にすると共に、蓋側の冷媒の流出口と配管との間に周知の他の管継手を接続して着脱自在とすることが考えられる。

この場合、一般的には、周知の管継手を構成する継手本体側（配管チューブが挿入される継手本体側）に冷媒の流入口及び流出口の外周面を囲繞してシールするＯリングが設けられているため、継手本体の孔部奥側（内径の奥部側）に装着されたＯリングを外部に取り出した後、新たなＯリングを前記継手本体の孔部奥側（内径の奥部側）に装着するＯリングの交換作業が煩雑となる。

また、例えば、イオン交換器が泥等で汚れやすい燃料電池自動車の床下部位に配置された場合、継手本体の孔部奥側にはＯリング装着用の環状溝が形成されており、前記環状溝等を含む継手本体の孔部奥側に対して高圧の洗浄液等を吐出して洗浄作業を行うことが不便であると共に、前記洗浄液等が配管側の冷媒通路中に流入するという問題がある。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、シール部材を容易に交換することができると共に、冷媒の流体通路側に洗浄液が流入することがなく簡便に配管側の洗浄作業を遂行することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、冷媒を冷却する冷却器として機能するラジエータと、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとの間で冷媒を循環させる循環通路と、前記循環通路中に設けられ冷媒を所定流量で循環させるポンプと、前記循環通路から前記燃料電池スタックを迂回するように分岐する分岐通路と、を含んで構成される冷媒回路を有する燃料電池システムにおいて、有底略円筒状に形成されたハウジングを有するとともに、前記分岐通路の配管に交換可能に配設され、前記ハウジングの円筒部分が前記燃料電池スタックに対向するように配設されるイオン交換器と、前記イオン交換器側に配設され、冷媒が導入される部位及び導出される部位に設けられる第１のバルブと、前記配管と前記イオン交換器との着脱部位の配管側に設けられる第２のバルブと、前記イオン交換器に配設され、前記配管との着脱部位をシールするシール部材と、前記イオン交換器に対して前記分岐通路の配管を着脱自在に接続する継手機構と、を備え、前記循環通路を構成する配管の内径は、前記分岐通路を構成する配管の内径よりも大きく、前記イオン交換器は、前記イオン交換器のハウジングの軸方向に沿った両端部から所定長だけ突出する一対の支持部を介して、前記燃料電池スタックが固定されるフレームと同一のフレームに固定され、前記継手機構は、前記一対の支持部の上方の位置にそれぞれ設けられることを特徴とする。

本発明によれば、配管側との着脱部位をシールするシール部材が交換可能に設けられたイオン交換器に設けられているため、前記シール部材をイオン交換器と一緒に交換することができ、従来技術のように配管側におけるシール部材の取り外し及び取り付け作業を省略することができる。この結果、本発明では、メンテナンス作業が簡略化されてメンテナンス性を向上させることができる。また、本発明によれば、イオン交換器の一端部に、配管と着脱自在に接続されるコネクタを有し、シール部材が、環状溝を介してコネクタの外周面に装着されることによって、前記シール部材の取り外し及び取り付けが容易となり、より一層メンテナンス性を向上させることができる。

本発明によれば、システム側の配管との着脱部位をシールするシール部材が交換可能なイオン交換器に設けられ、前記システム側の配管にはシール部材を装着するための環状溝等が何ら形成されていないため、例えば、イオン交換器を汚れやすい環境に配置した場合であっても、前記システム側の配管に対して高圧の洗浄液等を吐出して好適に洗浄作業を遂行することができる。この結果、本発明では、イオン交換器と一緒に交換された新たなシール部材に対し、洗浄された配管を接続することにより、良好なシール性を確保することができる。

さらに、本発明では、配管とイオン交換器との着脱部位の配管側に設けられる第２のバルブが、前記イオン交換器から抜脱したときに弁閉状態となるノーマルクローズタイプからなることにより、前記配管に対して高圧の洗浄液等を吐出して洗浄作業を遂行した際、前記洗浄液等が配管の冷媒通路中に流入することが好適に阻止される。この結果、本発明では、イオン交換器からシステム側の配管を離脱させた場合であっても前記配管からの洗浄液等の異物の流入が阻止された防水・防滴構造とすることにより、冷媒回路を流通する冷媒の特性を好適に保持することができる。

さらにまた、本発明では、イオン交換器に対してシステム側の配管を着脱自在に接続する継手機構が設けられ、前記継手機構は、前記イオン交換器及び前記配管のいずれか一方に設けられた雄コネクタといずれか他方に設けられた雌コネクタとを有するように構成されるとよい。

本発明によれば、イオン交換器と配管とを着脱自在に接続する継手機構として、雄コネクタ及び雌コネクタからなる簡素化された構成を採用することにより、異物の流入を好適に阻止すると共に、イオン交換器の交換作業を簡便にして交換時間の短縮化を達成することができる。

本発明では、シール部材を容易に交換することができると共に、冷媒の流体通路側に洗浄液が流入することがなく簡便に配管の洗浄作業を遂行することが可能な燃料電池システムを得ることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用イオン交換器が組み込まれた燃料電池システムを構成する冷媒回路の回路構成図、図２は、前記冷媒回路の概略構成平面図、図３は、前記冷媒回路の概略構成側面図、図４は、前記冷媒回路を構成する燃料電池スタック及びイオン交換器がフレーム上に固定された状態を示す斜視図である。

＜冷媒回路の構成＞
図１に示されるように、冷媒回路１０は、アノードに供給される燃料ガス（例えば、水素ガス）とカソードに供給される酸化剤ガス（例えば、空気）との電気化学反応により発電する燃料電池スタック１２と、冷媒を冷却する冷却器として機能するラジエータ１４と、前記燃料電池スタック１２と前記ラジエータ１４との間で冷媒を循環させる循環通路１６と、前記循環通路１６中に設けられ冷媒を所定流量で循環させるポンプ１８と、前記ラジエータ１４をバイパスさせるパイパス通路２０中に設けられ冷媒が流通する流路を前記循環通路１６又は前記バイパス通路２０のいずれか一方に切り換える流路切換弁２２とを含む。前記流路切換弁２２に代替して冷媒の流通量を制御する流量制御弁を用いてもよい。

なお、燃料電池スタック１２は、図６に示されるように、燃料電池自動車のフロアパネル２４下のセンタトンネル２６内に配置されると共に、後記するフレーム４４上に固定される。また、流路切換弁２２は、ラジエータ１４への冷媒の流通量を調整して燃料電池スタック１２へ供給される冷媒の温度を調整する温度制御機構であるサーモスタットバルブとして機能するものである。さらに、前記冷媒回路１０中を流通する冷媒としては、例えば、エチレングリコール、不凍液等の液体冷媒や、フロン（登録商標）等のフッ化炭素系冷媒が含まれる。

燃料電池スタック１２は、略直方体状からなるスタック本体を有し、前記スタック本体の前面（フロント側）には、前記スタック本体内へ冷媒を流通させて燃料電池スタック１２を冷却するための冷媒導入ポート３０ａ及び冷媒導出ポート３０ｂが設けられる。前記冷媒導入ポート３０ａと前記冷媒導出ポート３０ｂとの間には、循環通路１６の上流側から分岐して下流側に合流する分岐通路３２が設けられ、前記分岐通路３２には、例えば、カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂を充填したイオン交換器（燃料電池用イオン交換器）３４が設けられる。

なお、具体的には、図４に示されるように、燃料電池スタック１２の前面１２ａに設けられた複数の冷媒導入ポート３０ａに連通する一方の冷媒マニホールド３６ａと、複数の冷媒導出ポート３０ｂに連通する他方の冷媒マニホールド３６ｂがそれぞれ設けられ、前記一対の冷媒マニホールド３６ａ、３６ｂに対して前記循環通路１６がそれぞれ接続される。

この場合、前記循環通路１６を構成する管路の内径（Ｄ１）は、分岐通路３２を構成する管路の内径（Ｄ２）よりも大きく設定され（Ｄ１＞Ｄ２）、予め設定された最低流量の冷媒が、前記分岐通路３２を介して、常時、イオン交換器３４を流通するように設けられている。

また、図１に示されるように、前記冷媒回路１０には、ポンプ１８を駆動させる駆動信号を導出すると共に、流路切換弁２２に対して弁切換信号（弁動作制御信号）を導出する制御手段として機能するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３８が設けられる。前記ＥＣＵ３８は、図示しないＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ、Ｉ／Ｏポート等を含むマイクロコンピュータからなる電子制御装置によって構成される。

＜イオン交換器の構成＞
イオン交換器３４は、有底略円筒状に形成されたハウジング３４ａを有し、閉塞されたハウジング３４ａ内の空間部には、図示しないイオン交換樹脂が収納される。前記イオン交換器３４の軸方向に沿った一端部側には、冷媒が導入されるインレットポート６４ａが設けられ、他端部側には、冷媒が導出されるアウトレットポート６４ｂが設けられる。

この場合、冷媒が前記イオン交換樹脂と接触することにより、前記冷媒中に含有されていたイオン（イオン溶解成分）が取り除かれた上でイオン交換器３４から導出される。前記イオン交換器３４から導出された冷媒は、分岐通路３２を介して循環通路１６と合流した後、再びポンプ１８によって循環駆動されて循環通路１６中を循環するように設けられる。

また、図１及び図８に示されるように、冷媒が導入されるイオン交換器３４のインレットポート６４ａと分岐通路３２を構成する配管（配管チューブ）６６との間には、前記インレットポート６４ａと配管６６とを着脱自在に接続する第１継手機構４０ａが設けられ、一方、冷媒が導出されるイオン交換器３４のアウトレットポート６４ｂと分岐通路３２を構成する配管（配管チューブ）６６との間には、前記アウトレットポート６４ｂと配管６６とを着脱自在に接続する第２継手機構４０ｂが設けられる。前記第１継手機構４０ａ及び前記第２継手機構４０ｂは、それぞれ同一構成からなり、後記するイオン交換器３４の配管接続構造において詳細に説明する。なお、前記配管６６は、システム側の配管として機能するものである。

＜冷媒回路中におけるイオン交換器の設置位置及び設置構造＞
次に、燃料電池スタック１２とイオン交換器３４との設置関係（配置関係）について、以下説明する。イオン交換器３４は、図２に示されるように、平面視して矩形状に形成された燃料電池スタック１２の軸線Ｃと並列に配置される。また、前記イオン交換器３４は、燃料電池自動車の進行方向と平行に横置きに配置されると共に、平面視して燃料電池スタック１２から右側の横方向に所定間隔離間し、燃料電池自動車の中心から外側に配置される。

さらに、イオン交換器３４は、図３に示されるように、燃料電池自動車の下方向（床下方向）で側面視して矩形状に形成された燃料電池スタック１２の底面と略面一となるように配置され、冷媒回路１０中において最下部に配置される。なお、イオン交換器３４は、燃料電池スタック１２の底面と略面一に限定されるものではなく、後記するように、イオン交換器３４の交換作業を容易に遂行するため、略面一の位置よりも下側に配置されることが好ましい（図３中の破線参照）。勿論、図３の位置であってもイオン交換器３４の交換作業は、十分に容易である。

図４に示されるように、イオン交換器３４は、ハウジング３４ａの軸方向に沿った両端部から所定長だけ突出する一対の支持部４２ａ、４２ｂを介して、燃料電池スタック１２が固定されるフレーム４４と同一のフレーム４４上に固定される。このフレーム４４は、燃料電池自動車の略中心に位置しフロントからリアに向かって直線状に延在するように設けられた直線部４６と、前記直線部４６と略直交する方向に向かって突出する突出部４８とを有する。前記フレーム４４の直線部４６には、その延在方向に沿って燃料電池スタック１２が固定され、また、前記フレーム４４の一対の突出部４８、４８には、前記燃料電池スタック１２と平行にイオン交換器３４の支持部４２ａ、４２ｂが複数のボルト５０を介してねじ締結される。

この場合、図５に示されるように、略円筒状に形成されたイオン交換器３４のハウジング３４ａの軸方向に沿った両端部には、軸方向に沿って所定長だけ突出する一対の支持部４２ａ、４２ｂが設けられ、下側から螺入されるボルト５０を介して前記支持部４２ａ、４２ｂとフレーム４４の側部とが固定される。前記イオン交換器３４の下方側には、イオン交換器３４の交換作業のところで後記する単一のアンダカバー５２が設けられる。このアンダカバー５２は、フレーム４４に対して下部側から螺入されるボルト５４等の締結部材を介して、燃料電池自動車のボデイの床下部に対して着脱自在に設けられる。なお、本実施形態では、前記アンダカバー５２をボルト５０によって締結しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図示しないクリップ等の取り換えが容易な締結部材であれば適宜置き換え可能である。

＜燃料電池自動車におけるイオン交換器の設置位置及び設置構造＞
図６は、フロアパネルとフレームとの間に配置された燃料電池スタック及びイオン交換器をフロント側からリア側に向かって見た正面図、図７は、図６の矢印Ｙ２方向から見た側面図である。

図６に示されるように、燃料電池スタック１２は、燃料電池自動車の車体フロアを構成するフロアパネル２４下のセンタトンネル２６内で、フロント側からリア側に沿って延在するフレーム４４上に固定される。前記フロアパネル２４の中央部には、運転席及び助手席との間で略台形状に上方に向かって突出することによってセンタコンソール５６が形成され、前記センタコンソール５６内に燃料電池スタック１２がフロント側からリア側に延在するように配設される。

前記フロアパネル２４は、中央部のセンタコンソール５６の両側に隣接し、一旦、下方側（フレーム４４側）に向かって傾斜した後、フレーム４４の上面に当接する手前で略コ字状に屈曲し、さらに上方に向かって僅かに立ち上がることによって形成される窪み部５８を有する。前記窪み部５８に連続する車幅方向には、シート真下に位置する凸部６０が形成され、図７に示されるように、助手席のシート真下の凸部６０内には、上方に向かって膨出形成されることにより、フレーム４４との間で所定間隔離間したスペース６２が設けられる。イオン交換器３４は、助手席シートの真下の位置にフロアパネル２４の凸部６０とフレーム４４とによって形成される前記スペース６２内に配置される。

なお、本実施形態では、平面視して燃料電池スタック１２の右横であって、助手席シートの下方にイオン交換器３４を配置しているが（図２及び図７参照）、これに限定されるものではなく、例えば、平面視して燃料電池スタック１２の左横であって、運転席シートの下方に設けられたスペース６２（図６参照）内にイオン交換器３４を配置するようにしてもよい。また、前記イオン交換器３４が設置されるスペース６２は、フロアパネル２４をフレーム４４に当接するように下方側に向かって膨出形成し、フロアパネル２４とフレーム４４との間で密封された空間部であってもよい。

燃料電池自動車の車室内でイオン交換器３４を設置するための特別のスペース（車室内側に向かって突出するスペース）を設けることがなく、シート下方に設けられ乗員にとって邪魔となることがないデッドスペース内にイオン交換器３４を配置することにより、車室内の有効スペースを広くとることができると共に、車室内のスペースを有効活用してレイアウトの自由度を増大させることができる。

また、燃料電池スタック１２とイオン交換器３４との間には、いわゆる隔壁として機能するフロアパネル２４の窪み部５８を介在させ、前記燃料電池スタック１２と前記イオン交換器３４とがそれぞれ区画された別個の室に配置される構造とすることにより、比較的高温に弱い特性（イオン交換樹脂のイオン吸着能力の低下）を有するイオン交換器３４の耐久性の劣化を抑制することができる。

この場合、イオン交換器３４が窪み部５８を間にして燃料電池スタック１２の近傍に配置されることにより、冷媒回路１０全体の配管長を短縮することができると共に、冷媒回路１０の配管全体の重量を軽減し、冷媒回路１０を流通する全体の冷媒量を減少させることができる。

＜イオン交換器の配管接続構造＞
図８（ａ）、（ｂ）は、継手機構を構成する雄コネクタと雌コネクタとの着脱動作を示す模式図、図９（ａ）、（ｂ）は、イオン交換器側に雌コネクタを設け、配管側に雄コネクタを設けた継手機構の変形例を示す模式図である。

イオン交換器３４の出入口であるインレットポート６４ａ（冷媒が導入される部位）及びアウトレットポート６４ｂ（冷媒が導出される部位）には、それぞれ、同一構成からなる第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂが設けられ、前記第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂは、それぞれ、雄コネクタ６８と雌コネクタ７０から構成される。図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、雄コネクタ６８には、ノーマルクローズタイプの第１のバルブからなる第１弁体７４が配設され、雌コネクタ７０には、ノーマルクローズタイプの第２のバルブからなる第２弁体１０２が配設され、外部に向かってそれぞれ突出する前記第１弁体７４の先端部と前記第２弁体１０２の先端部とが当接することにより、冷媒が流通する流体通路（冷媒通路）が開成するように設けられる。

以下、図８（ａ）、（ｂ）に基づいて、詳細に説明する。なお、前記第１継手４０ａ及び第２継手機構４０ｂは、それぞれ同一構成からなり、インレットポート６４ａ側とアウトレットポート６４ｂ側とでそれぞれ対称に配置されるため、アウトレットポート６４ｂ側の第２継手機構４０ｂを詳細に説明してインレットポート６４ａ側の第１継手機構４０ａの説明を省略する。

図８（ａ）に示されるように、第２継手機構４０ｂ（第１継手機構４０ａ）は、イオン交換器３４のアウトレットポート６４ｂ側（インレットポート６４ａ側）に設けられ前記イオン交換器３４の略円筒状のハウジング３４ａの一端部に連結される雄コネクタ６８と、配管６６側に設けられ配管チューブが接続される雌コネクタ７０とから構成される。

雄コネクタ６８は、第１コネクタ本体７２の一端部から一部が突出可能に設けられると共に、前記第１コネクタ本体７２の軸方向に沿って変位自在に配設された第１弁体７４と、前記第１コネクタ本体７２の中間部に固定される第１係止部材８０と、一端部が前記第１係止部材８０に係着され他端部が前記第１弁体７４に係着さればね力によって前記第１弁体７４の先端部を第１コネクタ本体７２の一端部から突出する方向に押圧する第１ばね部材８２とを有する。

前記第１コネクタ本体７２の一端部の内面には第１着座部９０が形成され、前記第１着座部９０に対して第１弁体７４が着座することにより、前記アウトレットポート６４ｂが閉塞された弁閉状態となる。

この場合、前記第１コネクタ本体７２の軸方向に沿った一端部側の外周面には、環状溝を介して第１シールリング９２が装着され、前記第１コネクタ本体７２が後記する第２コネクタ本体９４の開口部９６に装着されたとき、前記第１シールリング９２によって第１コネクタ本体７２と第２コネクタ本体９４との連結部位（着脱部位）が液密乃至気密にシールされる（図８（ｂ）参照）。

前記第１シールリング９２は、イオン交換器３４側の雄コネクタ６８に設けられ、配管６６側である雌コネクタ７９との着脱部位をシールするシール部材として機能するものである。

なお、本実施形態では、図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、イオン交換器３４側に雄コネクタ６８を設け、配管６６側に雌コネクタ７０を設けているが、これに限定されるものではなく、例えば、図９（ａ）、（ｂ）に示される第２継手機構４０ｄ（第１継手機構４０ｃ）の変形例のように、内壁に第１シールリング９２が装着された雌コネクタ７０をイオン交換器３４側に設け、配管６６側に雄コネクタ６８を設けるように構成してもよい。

また、前記第１弁体７４には、環状溝を介して第２シールリング９８が装着され、前記第１弁体７４が第１着座部９０に着座して弁閉状態となったとき、前記第２シールリング９８によって着座部位がシールされることにより、アウトレットポート６４ｂ側からの冷媒の漏出を好適に阻止することができる。

換言すると、イオン交換器３４のアウトレットポート６４ｂから配管６６が取り外されて雄コネクタ６８から雌コネクタ７０が離脱された際、第１弁体７４が第１着座部９０に着座して弁閉状態になると共に、着座部位をシールする前記２シールリング９８によってアウトレットポート６４ｂ側からの冷媒の導出が確実に阻止される。

前記雌コネクタ７０は、第１コネクタ本体７２が挿通可能な開口部９６を有する略円筒状の第２コネクタ本体９４と、前記第２コネクタ本体９４の貫通孔に沿って変位自在に配設され前記第２コネクタ本体９４の中間部の隔壁に形成された第２着座部１００に着座する第２弁体１０２と、前記第２コネクタ本体９４の中間部に固定される第２係止部材１０６とを含む。

なお、雌コネクタ７０の内壁を構成する開口部９６は、従来技術に係る図示しない管継手のようにＯリングを装着するための環状溝等が何ら形成されていない円筒面からなり、後記するように高圧洗浄によって前記開口部９６を好適に洗浄することができる。

さらに、前記雌コネクタ７０は、一端部が前記第２係止部材１０６に係着され他端部が前記第２弁体１０２に係着されて、ばね力によって前記第２弁体１０２を第２コネクタ本体９４の開口部９６側に向かって押圧する第２ばね部材１０８を有する。

さらに、前記第２弁体１０２には、環状溝を介して第３シールリング１１６が装着され、前記第２弁体１０２が第２着座部１００に着座して弁閉状態となったとき、前記第３シールリング１１６によって着座部位がシールされることにより、配管６６側からの冷媒の漏出を好適に阻止することができる。

換言すると、イオン交換器３４のアウトレットポート６４ｂから配管６６が取り外されて雄コネクタ６８から雌コネクタ７０が離脱された際、第２弁体１０２が第２着座部１００に着座して弁閉状態になると共に、着座部位をシールする前記３シールリング１１６によって配管６６側からの冷媒の導出が確実に阻止される。

このように、雄コネクタ６８及び雌コネクタ７０にそれぞれ配設された第１弁体７４及び第２弁体１０２は、雄コネクタ６８と雌コネクタ７０とが相互に取り外された通常の状態（コネクタ間の連結が解除された通常の状態）においてそれぞれ弁閉状態となるノーマルクローズタイプのバルブによって構成される。

なお、第１弁体７４、第２弁体１０２、第１ばね部材８２及び第２ばね部材１０８、ゴム製材料によって形成された第１シールリング９２、第２シールリング９８及び第３シールリング１１６を除いた第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂの全構成要素（配管６６を含む）は、所定の強度を有し、導電率が低くイオンが導出しにくい材料（例えば、樹脂製材料、セラミック材料等）によって形成されるとよい。

図８（ａ）に示す状態から第２コネクタ本体９４の開口部９６に沿って第１コネクタ本体７２を挿通させ前記雄コネクタ６８と雌コネクタ７０とが装着される際、図８（ｂ）に示されるように、同軸上に対向配置された第１弁体７４の先端部と第２弁体１０２の先端部とが相互に当接し、前記第１弁体７４と第２弁体１０２の当接状態が保持されたまま第１コネクタ本体７２は第１ばね部材８２のばね力に抗して第２コネクタ本体側に向かって接近する方向に変位すると共に、第２コネクタ本体９４は第２ばね部材１０８のばね力に抗して第１コネクタ本体７２側に向かって接近する方向に変位する。

第１弁体７４及び第２弁体１０２が先端部での当接状態を保持しながら第１コネクタ本体７２及び第２コネクタ本体９４が相互に接近する方向に向かって変位することにより、前記雄コネクタ６８と雌コネクタ７０とが相互に嵌着される。この雄コネクタ６８及び雌コネクタ７０の嵌着状態では、図８（ｂ）に示されるように、前記第１弁体７４が第１着座部９０から離間して弁開状態となり、一方、第２弁体１０２が第２着座部１００から離間して弁開状態となる。

従って、第１弁体７４と第１着座部９０との間に間隙が形成されると共に、第２弁体１０２と第２着座部１００との間に間隙が形成され、図８（ｂ）の矢印で示されるように、両方の間隙を通じてアウトレットポート６４ｂと配管６６とが連通状態となる。この結果、雌コネクタ７０と雄コネクタ６８とを接続することにより、第１弁体７４及び第２弁体１０２がそれぞれ弁開状態となって冷媒を流体通路に沿って円滑に流通させることができる。

なお、イオン交換器３４側の雄コネクタ６８から配管６６側の雌コネクタ７０を取り外した後、例えば、図示しない棒部材や治具等を第２コネクタ本体９４の開口部９６から挿入して第２弁体１０２の先端部を押圧し、強制的に前記第２弁体１０２を第２着座部１００から離間させた弁開状態とすることにより、配管６６中に残存する冷媒を好適に外部に排出することができる。この場合、イオン交換器３４は、冷媒回路１０中において最下部に配置されているため、冷媒の円滑且つ迅速な排水性が得られ、冷媒の排出作業を効率的に遂行することができる。

＜冷媒回路の作用効果＞
次に、前記した冷媒回路１０の作用効果について説明する。
図示しないイグニッションスイッチをオン状態にすると、燃料電池スタック１２へ燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）とがそれぞれ供給され、燃料電池スタック１２で発電が開始される。同時に、ＥＣＵ３８から駆動信号がポンプ１８に導入され、ポンプ１８も駆動を開始し、循環通路１６に沿って冷媒が流通する。この場合、循環通路１６から分岐する分岐通路３２を介して冷媒がイオン交換器３４内に導入され、冷媒中のイオン溶解成分が図示しないイオン交換樹脂によって除去（吸着）される。

燃料電池スタック１２の発熱によって冷媒の温度が所定温度以上に上昇した場合、例えば、ＥＣＵ３８からの弁切換信号に基づいて流路切換弁２２の弁位置を切り換えてラジエータ１４側に冷媒を導入し、前記ラジエータ１４による放熱作用によって冷媒を冷却するようにしてもよい。

本実施形態では、燃料電池スタック１２に連通する循環通路１６から分岐する分岐通路３２中にイオン交換器３４を配置して、前記燃料電池スタック１２と前記イオン交換器３４とを並列に配設することにより、冷媒回路１０中を循環する冷媒の全流量がイオン交換器３４内に供給されることがなく、冷媒が第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂの第１弁体７４及び第２弁体１０２によって開成された流体通路（図８（ｂ）の矢印参照）に沿って流通するときの圧力損失を抑制することができる利点がある。

従って、本実施形態では、イオン交換器３４に付設された第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂ（第１弁体７４及び第２弁体１０２）による圧力損失を極力抑制して、冷媒を圧送するポンプ１８の小型・軽量化を図ることができる。

なお、本実施形態では、燃料電池自動車に搭載された車載用のイオン交換器３４について説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば、燃料電池自動車以外の他の部材の所定位置に配置された定置用のイオン交換器３４であってもよい。

＜イオン交換器の交換作業＞
イオン交換器３４内に収納された図示しないイオン交換樹脂は、冷媒中のイオンを吸着することにより、徐々にイオン吸着能力が低下する特性を有するため、劣化したイオン交換樹脂（イオン交換器３４）を新たなイオン交換樹脂（イオン交換器３４）と定期的に交換するメンテナンスが必要となる。以下に、イオン交換器３４の交換作業について説明する。

図１０は、フレームからアンダカバーを取り外した状態の一部省略分解斜視図である。
図１０に示されるように、燃料電池自動車のボデイの下部側（床下側）に設けられた単一のアンダカバー５２を固定しているボルト５４等を緩めて前記アンダカバー５４を取り外すことにより、前記ボデイの下部側からイオン交換器３４を露呈させる。

この場合、本実施形態では、イオン交換器３４は、燃料電池スタック１２と同一のフレーム４４上に固定されていると共に、燃料電池自動車のボデイの下方向で前記燃料電池自動車の中心から外側に配置されており、前記イオン交換器３４の真下に位置するアンダカバー５２を取り外すことにより、前記イオン交換器３４が外部に露呈した取り外し可能な状態となる。

続いて、支持部４２ａ、４２ｂを介してイオン交換器３４をフレーム４４に取り付けている複数のボルト５０を緩めて前記イオン交換器３４を前記フレーム４４から取り外した後、第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂの雄コネクタ６８から雌コネクタ７０を離脱させることによって前記イオン交換器３４のインレットポート６４ａ及びアウトレットポート６４ｂから配管６６をそれぞれ取り外す。

その際、前述したように、第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂに設けられた第１弁体７４及び第２弁体１０２がそれぞれノーマルクローズタイプのバルブによって構成されているため、前記第１弁体７４及び第２弁体１０２がそれぞれ第１着座部９０及び第２着座部１００に着座した弁閉状態となり（図８（ａ）参照）、冷媒回路１０中に残存する冷媒が外部に漏出することが防止される。このため、作業者は、冷媒によって被水（例えば、液体冷媒の場合）することがなく、イオン交換器３４に接続されている配管６６を簡便に取り外すことができる。

すなわち、イオン交換器３４のインレットポート６４ａ及びアウトレットポート６４ｂから配管６６を取り外す際、取り外された配管６６側の雌コネクタ７０の第２弁体１０２が弁閉状態となって配管６６中に残存する冷媒の外部への漏出が阻止されると共に、イオン交換器３４側に接続された雄コネクタ６８の第１弁体７４が弁閉状態となってイオン交換器３４内に残存する冷媒の外部への漏出が阻止される。このことは、インレットポート６４ａ側及びアウトレットポート６４ｂ側に設けられた第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂにおいてそれぞれ同様である。

このようにしてイオン交換器３４がフレーム４４から離間可能となり配管６６が取り外された後、作業者は、アンダカバー５２が取り外された燃料電池自動車の床下開口部を通じて性能が劣化したイオン交換器３４を前記燃料電池自動車の外部に単独で取り出すことができる。さらに、前記床下開口部を通じて、冷媒が予め所定量だけ充填されている新たなイオン交換器３４をボルト５０によってフレーム４４に固定すると共に、第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂの雌コネクタ７０を雄コネクタ６８に装着する配管接続を行う。

本実施形態では、配管６６側（雌コネクタ７０）との着脱部位をシールする第１シールリング９２が交換可能に配設されたイオン交換器３４側（雄コネクタ６８）に設けられているため、前記第１シールリング９２をイオン交換器３４と一緒に交換することができ、従来技術のように配管側におけるＯリングの取り外し及び取り付け作業を省略することができる。この結果、本実施形態では、メンテナンス作業が簡略化されてメンテナンス性を向上させることができる。

また、本実施形態では、配管６６側（雌コネクタ７０）との着脱部位をシールする第１シールリング９２が交換可能に配設されたイオン交換器３４側（雄コネクタ６８）に設けられ、前記着脱部位を構成する雌コネクタ７０の開口部９６には、Ｏリングを装着するための環状溝等が何ら形成されていない円筒面によって構成されている。

従って、本実施形態では、例えば、イオン交換器３４を汚れやすい環境に配置した場合であっても、前記着脱部位である雌コネクタ７０の開口部９６に対して高圧の洗浄液等を吐出して好適に洗浄作業を遂行することができる。この結果、本実施形態では、イオン交換器３４と一緒に交換された新たな第１シールリング９２を有する雄コネクタ６８に対し、洗浄された雌コネクタ７０を接続することにより、良好なシール性を確保することができる。

さらに、本実施形態では、配管６６側の雌コネクタ７０に、イオン交換器３４から抜脱したときに弁閉状態となるノーマルクローズタイプの第２弁体１０２（他のバルブ）が配設されることにより、雌コネクタ７０の開口部９６内に対して高圧の洗浄液等を吐出して洗浄作業を遂行した際、前記洗浄液等が配管６６側の流体通路中に流入することが好適に阻止される。この結果、本実施形態では、イオン交換器３４の雄コネクタ６８から配管６６側の雌コネクタ７０を離脱させた場合であっても前記雌コネクタ７０からの洗浄液等の異物の流入が阻止された防水・防滴構造とすることにより、冷媒回路１０を流通する冷媒の特性を好適に保持することができる。

さらにまた、本実施形態では、イオン交換器３４に対して配管６６を着脱自在に接続する第１継手機構４０ａ（４０ｃ）及び第２継手機構４０ｂ（４０ｄ）が設けられ、前記第１継手機構４０ａ（４０ｃ）及び第２継手機構４０ｂ（４０ｄ）は、前記イオン交換器３４及び前記配管６６のいずれか一方に設けられた雄コネクタ６８といずれか他方に設けられた雌コネクタ７０とを有するように構成される（図８及び図９参照）。

従って、本実施形態では、イオン交換器３４と配管６６とを着脱自在に接続する第１継手機構４０ａ（４０ｃ）及び第２継手機構４０ｂ（４０ｄ）として、雄コネクタ６８及び雌コネクタ７０からなる簡素化された構成を採用することにより、異物の流入を好適に阻止すると共に、イオン交換器３４の交換作業を簡便にして交換時間の短縮化を達成することができる。

またさらに、本実施形態では、第１継手機構４０ａ及び第２継手機構４０ｂの第１弁体７４及び第２弁体１０２がそれぞれノーマルクローズタイプのバルブによって構成され、イオン交換器３４のインレットポート６４ａ及びアウトレットポート６４ｂからそれぞれ配管６６を取り外した際、イオン交換器３４側の第１弁体７４及び配管６６側の第２弁体１０２がそれぞれ弁閉状態となって、前記イオン交換器３４のインレットポート６４ａ、アウトレットポート６４ｂ及び前記インレットポート６４ａ、アウトレットポート６４ｂに接続される配管６６の接続部位が確実且つ瞬時に閉塞されることにより、イオン交換器３４内の冷媒及び配管６６内に残存する冷媒が外部に漏出することを好適に阻止することができる。

従って、本実施形態では、冷媒回路１０中の冷媒を外部に漏出させることがなくそのままの状態として、使用済みのイオン交換器３４（イオン交換樹脂）を新たなイオン交換器３４（イオン交換樹脂）と交換するだけでよく、交換作業に付随する冷媒排出作業及びエア抜き作業を不要とすることができる。さらに、本実施形態では、新たなイオン交換器３４に、既に所定量の冷媒が充填済みであるため、冷媒の再充填作業等も不要となる。

この結果、本実施形態では、従来技術と比較して、イオン交換器３４の交換作業に付随する種々の作業が不要となり、イオン交換器３４の交換作業を簡便にして交換時間を短縮することができる。

またさらに、本実施形態では、冷媒回路１０中の冷媒を捨てることがなくそのままの状態でイオン交換器３４の交換作業を遂行することができるため、冷媒の有効利用を図ることができると共に、冷媒コストを削減してメンテナンス費用を低減することができる。

またさらに、本実施形態では、燃料電池自動車の下部側に設けられた単一のアンダカバー５２を取り外すだけで、燃料電池スタック１２と並列に配置されたイオン交換器３４が交換可能な状態となり、例えば、イオン交換器３４が収容された筐体の取り外し作業や、冷媒排出作業及び冷媒の再注入作業等が不要となり、従来技術と比較して、より一層、イオン交換器３４の交換作業を簡便にして交換時間を短縮することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用イオン交換器が組み込まれた冷媒回路の回路構成図である。 前記冷媒回路の概略構成平面図である。 前記冷媒回路の概略構成側面図である。 前記冷媒回路を構成する燃料電池スタック及びイオン交換器がフレーム上に固定された状態を示す斜視図である。 図４の矢印Ｙ１方向からみた図であって、イオン交換器のフレームに対する取付構造を示す側面図である。 フロアパネルとフレームとの間に配置された燃料電池スタック及びイオン交換器を、フロント側からリア側に向かって見た正面図である。 図６の矢印Ｙ２方向から見た側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、継手機構を構成する雄コネクタと雌コネクタとの着脱動作を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、イオン交換器側に雌コネクタを設け、配管側に雄コネクタを設けた継手機構の変形例を示す模式図である。 フレームからアンダカバーを取り外した状態の一部省略分解斜視図である。

符号の説明

１０ 冷媒回路
１２ 燃料電池スタック
３４ イオン交換器（燃料電池用イオン交換器）
４０ａ、４０ｂ 継手機構
６４ａ インレットポート
６４ｂ アウトレットポート
６６ 配管
６８ 雄コネクタ
７０ 雌コネクタ
７４ 第１弁体（第１のバルブ）
９２ 第１シールリング（シール部材）
１０２ 第２弁体（第２のバルブ）

Claims (5)

1. 反応ガスが供給されることで発電する燃料電池スタックと、冷媒を冷却する冷却器として機能するラジエータと、前記燃料電池スタックと前記ラジエータとの間で冷媒を循環させる循環通路と、前記循環通路中に設けられ冷媒を所定流量で循環させるポンプと、前記循環通路から前記燃料電池スタックを迂回するように分岐する分岐通路と、を含んで構成される冷媒回路を有する燃料電池システムにおいて、
   有底略円筒状に形成されたハウジングを有するとともに、前記分岐通路の配管に交換可能に配設され、前記ハウジングの円筒部分が前記燃料電池スタックに対向するように配設されるイオン交換器と、
   前記イオン交換器側に配設され、冷媒が導入される部位及び導出される部位に設けられる第１のバルブと、
   前記配管と前記イオン交換器との着脱部位の配管側に設けられる第２のバルブと、
   前記イオン交換器に配設され、前記配管との着脱部位をシールするシール部材と、
   前記イオン交換器に対して前記分岐通路の配管を着脱自在に接続する継手機構と、
   を備え、
   前記循環通路を構成する配管の内径は、前記分岐通路を構成する配管の内径よりも大きく、
   前記イオン交換器は、前記イオン交換器のハウジングの軸方向に沿った両端部から所定長だけ突出する一対の支持部を介して、前記燃料電池スタックが固定されるフレームと同一のフレームに固定され、
   前記継手機構は、前記一対の支持部の上方の位置にそれぞれ設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２のバルブは、前記イオン交換器から抜脱したときに弁閉状態となるノーマルクローズタイプからなることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記継手機構は、前記イオン交換器及び前記配管のいずれか一方に設けられた雄コネクタといずれか他方に設けられた雌コネクタとを有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記イオン交換器に前記雄コネクタが設けられ、
   前記雄コネクタの外周の環状溝に前記シール部材が介装されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記イオン交換器の真下にはアンダーカバーが位置しており、前記アンダーカバーを外すことで前記イオン交換器が外部に露呈することを特徴とする燃料電池システム。

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