JP6418039B2 - 燃料電池用冷却液、燃料電池の冷却システム、及び燃料電池用冷却液の濾過装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用冷却液、燃料電池の冷却システム、及び燃料電池用冷却液の濾過装置に関する。

燃料電池の冷却システムでは、燃料電池本体に対して冷却回路を通じて冷却液を圧送するとともに、同冷却液との熱交換により、発電に伴い発熱する燃料電池本体が冷却される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４―１８５８３８号公報

ところで、一般に、冷却回路を構成する樹脂製ケーシングには、耐熱性を向上させるなどの目的から臭化カリウムが添加されているため、ケーシングの内壁から冷却液にカリウムイオンが溶け出す。その結果、冷却液中のカリウムイオン濃度が上昇することによって冷却液の導電率が上昇するとともに、燃料電池本体において発生した電流が冷却液を通じて外部に漏れ、ひいては燃料電池の発電効率の低下を招くおそれがある。

本発明の目的は、カリウムイオンに起因して冷却液の導電率が上昇することを抑制することのできる燃料電池用冷却液、燃料電池の冷却システム、及び燃料電池用冷却液の濾過装置を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池用冷却液は、添加剤が添加された冷却液であって、前記添加剤は、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する。
また、上記目的を達成するための燃料電池の冷却システムは、冷却回路を通じて冷却液を流通させることにより燃料電池本体を冷却するシステムであって、前記冷却液には、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する添加剤が添加されている。

これら上記構成の冷却液には、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する添加剤が添加されている。１８−クラウン−６−エーテルの環の大きさはカリウムイオンの大きさに合っているため、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する添加剤によって、冷却液に含まれるカリウムイオンが選択的且つ強固に吸着される。また、カリウムイオンを吸着することにより生じる金属錯体は導電性を有しないため、吸着されたカリウムイオンの分だけ冷却液の導電率が低下する。

また、上記目的を達成するための燃料電池用冷却液の濾過装置は、燃料電池本体を冷却する冷却液が流通する冷却回路に設けられ、冷却液に含まれるイオンを吸着して冷却液を濾過する装置であって、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基が結合された高分子母体によって形成された吸着材を備えている。

同構成によれば、冷却液が吸着材を通過する際に、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基によって、冷却液に含まれるカリウムイオンが選択的且つ強固に吸着される。また、カリウムイオンを吸着することにより生じる金属錯体は導電性を有しないため、吸着されたカリウムイオンの分だけ冷却液の導電率が低下する。

本発明によれば、カリウムイオンに起因して冷却液の導電率が上昇することを抑制することができる。

燃料電池の冷却システムの第１実施形態について冷却システム全体の略図。 同実施形態におけるイオン交換器の断面図。 １８−クラウン−６−エーテルとカリウムイオンとの反応式を示す図。 第２実施形態における濾過装置の断面図。 同実施形態における吸着材の模式図。 同実施形態における１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基が高分子母体に結合されている状態を示す図。 第３実施形態における吸着材の模式図。 第４実施形態における吸着フィルタの斜視図。 変形例における１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基が高分子母体に結合されている状態を示す図。

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図３を参照して、第１実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池の冷却回路９０には、冷却液を吸引して吐出するポンプ９１、燃料電池本体９２、及び外気との熱交換により冷却液を冷却する熱交換器９３が設けられている。また、冷却回路９０には、熱交換器９３を迂回する迂回路９４が設けられており、同迂回路９４の途中には、冷却液に含まれるイオンを吸着して除去するイオン交換器１０が設けられている。また、迂回路９４の下流端には、図示しない制御装置からの指令により開閉駆動される三方弁９５が設けられている。

図２に示すように、イオン交換器１０は、迂回路９４に対して着脱可能に取り付けられるものであり、粒状のイオン交換樹脂１５を収容するカートリッジ１１を備えている。カートリッジ１１は筒状のケース１２と、キャップ１３とを有している。ケース１２及びキャップ１３は硬質樹脂材料によって形成されている。ケース１２における冷却液流れ方向の上流側（同図の下側）の開口部には、冷却液の通過を許容する一方、イオン交換樹脂１５の通過を阻止する網１４が設けられている。また、ケース１２の冷却液流れ方向の下流側（同図の上側）の開口部は、キャップ１３によって覆われている。このキャップ１３には上記網１４と同様な網１４が設けられている。イオン交換樹脂１５は、例えばスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体である。

冷却液は、主に凝固点硬化剤と希釈液とを有している。凝固点硬化剤は、氷点下での冷却液の凍結を抑制するためのものであり、例えばエチレングリコールが挙げられる。また、希釈液としては、イオン性物質が除去されたイオン交換水が挙げられる。また、冷却液には、１８−クラウン−６−エーテル分子からなる添加剤が添加されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
冷却液中には、燃料電池本体の運転に伴ってエチレングリコールが熱劣化することなどによりグリコール酸、蟻酸、及び酢酸などの陰イオンが発生する。また、冷却液中には、前述したように、ケーシングの内壁などから溶け出したカリウムイオンや他の金属イオン、トリメチルアミンやアンモニウムイオンなどの陽イオンが発生する。ここで、グリコール酸、蟻酸、酢酸などの有機酸や、トリメチルアミンやアンモニウムイオンなどのアミン系のイオンは、カリウムイオンや、その他の金属イオンに比べて、冷却液の導電率の上昇に対する寄与度合が数分の一と小さい。

冷却液に添加された１８−クラウン−６−エーテル分子の環の大きさはカリウムイオンの大きさに合っているため、図３に示すように、冷却液に含まれるカリウムイオン（Ｋ＋）が１８−クラウン−６−エーテル分子により選択的且つ強固に吸着される。また、カリウムイオンを吸着することにより生じる金属錯体は導電性を有しないため、吸着されたカリウムイオンの分だけ冷却液の導電率が低下する。したがって、カリウムイオンに起因して冷却液の導電率が上昇することを抑制することができる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池用冷却液、燃料電池の冷却システムによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）冷却液には、１８−クラウン−６−エーテル分子を含む添加剤が添加されている。したがって、カリウムイオンに起因して冷却液の導電率が上昇することを抑制することができる。

また、冷却液に含まれる添加剤によって冷却液中のカリウムイオンを吸着することができるため、イオン交換器１０によって除去すべき対象イオンの総量が少なくなる。このため、イオン交換樹脂１５の量を低減することが可能となる。したがって、イオン交換器１０の小型化及び軽量化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
以下、図４〜図６を参照して、第２実施形態について説明する。
本実施形態においては、第１実施形態において例示したイオン交換器１０に代えて、以下の濾過装置２０が設けられている。なお、本実施形態の冷却液には、１８−クラウン−６−エーテル分子を含む添加剤が添加されていない。

図４に示すように、濾過装置２０は、冷却液に含まれるカリウムイオンを吸着して冷却液を濾過する吸着材２１を備えている。
図５に示すように、吸着材２１は、スチレン２３とジビニルベンゼン２４との共重合体である高分子母体２２を繊維状に成形することにより形成された不織布である。不織布の繊維径は例えば０．１μｍ〜１００μｍである。また、図５及び図６に示すように、高分子母体２２には、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基２５がエーテル基を介して結合されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
冷却液が濾過装置２０の吸着材２１を通過する際に、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基２５によって、冷却液に含まれるカリウムイオンが選択的且つ強固に吸着される。また、カリウムイオンを吸着することにより生じる金属錯体は導電性を有しないため、吸着されたカリウムイオンの分だけ冷却液の導電率が低下する。したがって、カリウムイオンに起因して冷却液の導電率が上昇することを抑制することができる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池用冷却液の濾過装置によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（２）濾過装置２０は、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基２５が結合された高分子母体２２によって形成された吸着材２１を有している。したがって、カリウムイオンに起因して冷却液の導電率が上昇することを抑制することができる。

（３）吸着材２１はシート状に形成された不織布である。
第１実施形態において例示したイオン交換樹脂１５の場合、カートリッジ１１の網１４から粒状のイオン交換樹脂１５が流出するおそれがある。また、粒状のイオン交換樹脂１５同士は静電気によって互いに引きつけ合うことから、イオン交換樹脂１５を取り扱う工程が煩雑なものとなる。

この点、本実施形態の濾過装置２０によれば、吸着材２１がシート状に形成された不織布であるため、吸着材２１が流出するおそれがない。また、吸着材２１を取り扱う工程が容易なものとなる。

（４）高分子母体２２はスチレン２３とジビニルベンゼン２４との共重合体である。このため、高分子母体２２のイオン交換機能によって冷却液に含まれるイオンを除去することができる。

＜第３実施形態＞
以下、図７を参照して、第３実施形態について説明する。
図７に示すように、本実施形態においては、吸着材２１が粒状に形成されている。吸着材２１の粒径は例えば１００μｍ〜５００μｍである。そして、吸着材２１は、第１実施形態と同様なカートリッジ１１内に収容される。

この場合、第２実施形態の効果（２）、（４）と同様な効果を奏することができる。
＜第４実施形態＞
以下、図８を参照して、第４実施形態について説明する。

図８に示すように、本実施形態の濾過装置２０の内部には、菊花形の吸着フィルタ３０が収容される。
すなわち、第３実施形態において例示した粒状の吸着材２１を粉砕したものに対して、結合材、安定剤、及び可塑剤を混合するとともに、加熱ロールにより加熱及び加圧することによって例えば厚さ０．３ｍｍ〜１ｍｍのシート３１が成形される。ここで、結合材としては例えば塩化ビニルが好ましい。また、安定剤としては例えばステアリン酸鉛が好ましい。また、可塑剤としてはヂオクチル・フタレートが好ましい。

そして、シート３１を襞折りすることにより、上記吸着フィルタ３０が形成される。
この場合、第２実施形態の効果（２）〜（４）と同様な効果を奏することができる。
＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。

・第１実施形態において例示した冷却液に対して、燃料電池本体９２を構成するステンレス鋼やアルミニウムなどの腐食を抑制するための腐食抑制剤などの他の添加剤を添加することもできる。

・第２実施形態において、第１実施形態において例示した冷却液を用いることもできる。
・第２実施形態において、冷却回路９０における濾過装置２０の上流側または下流側に第１実施形態のイオン交換器１０を設けることもできる。

・第３実施形態において、カートリッジ１１内に吸着材２１に加えて第１実施形態において例示した粒状のイオン交換樹脂１５を収容することもできる。
・第４実施形態において、吸着材２１、結合材、安定剤、及び可塑剤によって成形されたシートの強度が不足するおそれがある場合には、同シートと、熱可塑性樹脂などによって形成された不織布とを張り合わせることにより２層構造シートを形成し、同シートによって吸着フィルタ３０を形成すればよい。また、熱可塑性樹脂などによって形成された不織布に対して吸着材２１を塗工することによってシートを形成し、同シートによって吸着フィルタ３０を形成することもできる。

・高分子母体２２に結合される官能基２５は、６つのエーテル基を有する完全な１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有するものに限定されず、例えば図９に示すように、１つのエーテル基がアミノ基によって置換された官能基２６であってもよい。この場合であっても、カリウムイオン（Ｋ＋）を選択的且つ強固に吸着することができる。

・高分子母体２２はスチレン２３とジビニルベンゼン２４との共重合体に限定されず、その他の高分子母体であってもよい。

１０…イオン交換器、１１…カートリッジ、１２…ケース、１３…キャップ、１４…網、１５…イオン交換樹脂、２０…濾過装置、２１…吸着材、２２…高分子母体、２３…スチレン、２４…ジビニルベンゼン、２５，２６…官能基、３０…吸着フィルタ（吸着材）、３１…シート、９０…冷却回路、９１…ポンプ、９２…燃料電池本体、９３…熱交換器、９４…迂回路、９５…三方弁。

Claims (5)

1. 添加剤が添加された燃料電池用冷却液であって、
   前記添加剤は、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する分子を含む、
   燃料電池用冷却液。
2. 冷却回路を通じて冷却液を流通させることにより燃料電池本体を冷却する燃料電池の冷却システムであって、
   前記冷却液には、１８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する分子を含む添加剤が添加されている、
   燃料電池の冷却システム。
3. 燃料電池本体を冷却する冷却液が流通する冷却回路に設けられ、冷却液に含まれるイオンを吸着して冷却液を濾過する装置であって、
   １８−クラウン−６−エーテル骨格構造を有する官能基が結合された高分子母体によって形成された吸着材を備えている、
   燃料電池用冷却液の濾過装置。
4. 前記吸着材はシート状に形成されている、
   請求項３に記載の燃料電池用冷却液の濾過装置。
5. 前記吸着材は粒状に形成されている、
   請求項３に記載の燃料電池用冷却液の濾過装置。