JP6459661B2

JP6459661B2 - 燃料電池の冷却システム

Info

Publication number: JP6459661B2
Application number: JP2015049653A
Authority: JP
Inventors: 純子大平
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-03-12
Also published as: JP2016170962A

Description

本発明は、燃料電池本体を冷却する冷却液が流通する冷却回路と、冷却液に含まれるイオンをイオン交換樹脂に吸着させて除去するイオン交換器と、を備える燃料電池の冷却システムに関する。

燃料電池においては、発電に伴い発熱する燃料電池本体を冷却液により冷却する冷却システムが設けられている（例えば特許文献１参照）。この冷却システムは、冷却液が流通する冷却回路と、冷却回路に設けられたイオン交換器とを備えている。こうしたイオン交換器によれば、冷却回路の管壁などから冷却液中に溶け出すイオンをイオン交換器に収容されたイオン交換樹脂に吸着させて除去することができ、冷却液の導電率の上昇を抑制することができるとされている。

特開２０１４―１８５８３８号公報

ところで、交換用の冷却液を市販する際、ユーザーが冷却液を誤飲するおそれがある。そこで、こうしたユーザーによる冷却液の誤飲を防ぐために、微量の安息香酸デナトニウムを苦味剤として冷却液に添加することが考えられる。

ところが、安息香酸デナトニウムは、冷却液中において、分子量が４４６．５９と大きいデナトニウムイオン（カチオン）と、安息香酸イオン（アニオン）とに電離する。しかしながら、従来のイオン交換器においては、冷却液に含まれるデナトニウムイオンを早期に除去することができない。そのため、冷却液の導電率を上昇させる一因となっている。

本発明の目的は、イオン交換樹脂の交換容量を確保しつつ、デナトニウムイオンを早期に除去することができる燃料電池用イオン交換器を備えた燃料電池の冷却システム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の冷却システムは、燃料電池本体を冷却する冷却液が流通する冷却回路と、前記冷却回路に設けられ、冷却液に含まれるイオンをイオン交換樹脂に吸着させて除去するイオン交換器と、を備える。前記冷却液には安息香酸デナトニウムが添加されており、前記イオン交換樹脂はスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体からなり、その架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下のものを含む。

発明者は、架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下であるイオン交換樹脂を用いることにより、イオン交換樹脂の交換容量を確保しつつ、デナトニウムイオンの交換効率を高い状態にすることができることを実験により見出した。

本発明によれば、イオン交換樹脂の交換容量を確保しつつ、デナトニウムイオンを早期に除去することができる。

燃料電池の冷却システムの一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。イオン交換樹脂の架橋度と、デナトニウムイオンの交換効率及び総イオン交換容量との関係を示すグラフ。燃料電池の冷却システムの変形例について冷却システム全体の略図。

以下、図１〜図３を参照して、一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。

本実施形態のイオン交換樹脂１５は、スチレンとジビニルベンゼンとの共重合体であって、その架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下である。また、好ましくは、架橋度が６．０％以上であり、７．０％以下である。

架橋度とは、イオン交換樹脂１５の全材料に占めるジビニルベンゼン（ＤＶＢ）の重量比率である。架橋度が大きくなるほどイオン交換樹脂１５の分子の網目、すなわちミクロポアが小さくなり、総イオン交換容量は大きくなる。総イオン交換容量（以下、交換容量と略称する。）とは、湿潤状態における単位樹脂量あたりのイオン交換にかかわる全てのイオン交換基の数である。

次に、本実施形態の作用について説明する。
従来一般の燃料電池用イオン交換器においては、冷却回路９０の管壁などから冷却液中に溶け出すイオンを除去する目的から、架橋度が１０％以上のイオン交換樹脂が用いられている。前述したように、デナトニウムイオンは冷却液に含まれる他のイオンに比べて分子量が大きい。そのため、架橋度が１０％以上のイオン交換樹脂の場合、樹脂の粒内にデナトニウムイオンが入り込みにくい。また、イオン交換樹脂の表面にデナトニウムイオンが吸着されると、同デナトニウムイオンによって、他のデナトニウムイオンがイオン交換樹脂の粒内に移動することが妨げられる。これらのことから、イオン交換樹脂によるデナトニウムイオンの交換効率は低いものとなる。

発明者は、互いに異なる複数の架橋度のイオン交換樹脂１５を用いて、イオン交換樹脂１５によるデナトニウムイオンの交換効率と、イオン交換樹脂１５の交換容量とをそれぞれ測定した。この測定結果を図３に示す。

図３に実線にて示すように、イオン交換樹脂１５の架橋度が２％から７％までの範囲内においては、架橋度が大きいほどデナトニウムイオンの交換効率が高くなる。また、架橋度が７％から１２％までの範囲内においては、架橋度が大きくなるほどデナトニウムイオンの交換効率が低くなる。また、架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下においては、デナトニウムイオンの交換効率が４０％以上になる。特に、架橋度が６．０％以上であり、７．０％以下においては、デナトニウムイオンの交換効率が４４％以上になる。

また、架橋度が２％から１２％までの範囲内においては、架橋度が大きいほどイオン交換樹脂１５の交換容量は大きくなる。特に、架橋度が架橋度が６．０％以上においては、デナトニウムイオンの交換容量が１．５ｍｅｑ／ｍｌ−Ｒ以上になる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池用イオン交換器及び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）イオン交換樹脂１５はスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体であって、その架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下であり、好ましくは、架橋度が６．０％以上であり、７．０％以下である。

こうした構成によれば、イオン交換樹脂１５の交換容量を確保しつつ、デナトニウムイオンを早期に除去することができる。特に、架橋度が６．０％以上であり、７．０％以下であるイオン交換樹脂１５を用いた場合には、イオン交換樹脂１５の交換容量を更に大きくすることができるとともに、デナトニウムイオンを一層早期に除去することができる。

＜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。
・イオン交換器１０は、カートリッジ１１を収容するとともに迂回路９４にそれぞれ接続されるポートを有するハウジングを備えるものであってもよい。

・イオン交換樹脂１５として、架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下であるものに加えて、架橋度が８．５％よりも大きいものを混合して用いることもできる。この場合、架橋度が８．５％よりも大きいイオン交換樹脂１５によって冷却液に含まれる他のイオンを効果的に除去することができる。

・図４に示すように、迂回路９４におけるイオン交換器１０（以下、上流側イオン交換器１０と称する。）の下流側に、架橋度が８．５％よりも大きいイオン交換樹脂１５を収容する下流側イオン交換器２０を設けることもできる。この場合、上流側イオン交換器１０により冷却液に含まれるデナトニウムイオンを除去するとともに、下流側イオン交換器２０により冷却液に含まれる他のイオンを効果的に除去することができる。

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…下流側イオン交換器、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

燃料電池本体を冷却する冷却液が流通する冷却回路と、前記冷却回路に設けられ、冷却液に含まれるイオンをイオン交換樹脂に吸着させて除去するイオン交換器と、を備える燃料電池の冷却システムであって、
前記冷却液には安息香酸デナトニウムが添加されており、
前記イオン交換樹脂としてスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体からなり、その架橋度が４．５％以上であり、８．５％以下のものを含む上流側イオン交換器と、前記イオン交換樹脂としてスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体からなり、その架橋度が８．５％よりも大きいものを含むとともに前記冷却回路における前記上流側イオン交換器の下流側に設けられている下流側イオン交換器とを備えている
燃料電池の冷却システム。