特許 6604277 イオン交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6604277

(24)【登録日】2019年10月25日

(45)【発行日】2019年11月13日

(54)【発明の名称】イオン交換器

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20191031BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20191031BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 N

   !H01M8/10

【請求項の数】3

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-133276(P2016-133276)

(22)【出願日】2016年7月5日

(65)【公開番号】特開2018-6203(P2018-6203A)

(43)【公開日】2018年1月11日

【審査請求日】2018年8月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111095

【弁理士】

【氏名又は名称】川口 光男

(72)【発明者】

【氏名】山口 直樹

(72)【発明者】

【氏名】小塩 達也

(72)【発明者】

【氏名】中村 祥宜

(72)【発明者】

【氏名】服部 猛

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−２４９２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１７６９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１５９２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１７４９８２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムの冷却系に用いられるイオン交換器であって、
両端部がそれぞれ前記冷却系の所定の配管に接続可能に構成され、一方側から導入される冷却液を他方側へ通過させる略直線状の第１流路を有する連通管部と、
前記連通管部へ導入される冷却液の一部が前記連通管部から分岐して流れ、再び前記連通管部へ合流する第２流路を有し、該第２流路にイオン交換樹脂を収容した収容ケース部とを備え、
前記第２流路へ冷却液を導入させる導入手段が前記連通管部内に配置されているとともに、
前記連通管部が前記収容ケース部の下部に設けられており、
前記収容ケース部は、外筒部と、該外筒部の内部に収容された内筒部と、前記外筒部を塞ぐ着脱可能な蓋部とを備え、
前記内筒部は、その内部を２つのエリアに仕切る隔壁部を備え、該２つのエリアが前記内筒部の上部において連通することで、前記第２通路が逆Ｕ字状に屈曲して形成されていることを特徴とするイオン交換器。

【請求項2】

少なくとも冷却液の流通時において、前記第２流路の導入口近傍に、前記イオン交換樹脂が存在しない導入空間部が形成される構成となっていることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換器。

【請求項3】

前記導入手段として、前記第２流路の導入口に繋がる導入流路を形成する流路区画壁を備え、
前記流路区画壁は、前記第１流路の流路方向に沿って形成された横壁部と、該横壁部の下流側端部において前記流路方向と直交する方向に沿って形成された縦壁部と備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムの冷却系に用いられるイオン交換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムでは、燃料電池において水素と酸素が化学反応して発電が行われると、燃料電池が発熱する。このため、燃料電池システムには、冷却液を循環させて燃料電池を発電に最適な温度に維持する冷却系が設けられている。

【0003】

冷却系においては、冷却液の熱劣化による酸生成や配管部品等からのイオンの溶出により、冷却液中のイオン濃度が高くなると、冷却液の導電率が上昇する。その結果、冷却液を通じて燃料電池から外部へ漏電するおそれがある。ひいては燃料電池の発電効率が低下するおそれもある。

【0004】

そのため、従来より燃料電池システムの冷却系には、冷却液中のイオン濃度の上昇を抑制するべく、イオン交換器が設けられている。従来のイオン交換器は、イオン交換樹脂を充填したケース内に冷却液を通すことで、冷却液に含まれるイオンを除去する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

しかしながら、従来のイオン交換器では、導入される全ての冷却液がイオン交換樹脂充填部を通過していくため、圧力損失が非常に大きかった。このため、冷却液を循環させるポンプの負荷も大きくなるおそれがあった。

【0006】

これに対し、近年では、導入される冷却液の一部がイオン交換樹脂充填部を迂回して流れる迂回流路をケース内に備えたイオン交換器も見受けられる（例えば、特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１１−８３７４４号公報

【特許文献2】特開２０１２−１８７４３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、特許文献２に記載のイオン交換器では、冷却液が導入管から導出管へ至る内部流路が、全体としてＵ字状やクランク状に屈曲しているため、依然として圧力損失が大きくなるおそれがある。これは、迂回流路のみに着目しても同様である。また、ケース内に迂回流路を設けた場合には、イオン交換器が大型化するおそれがある。

【0009】

さらに、特許文献２に記載のイオン交換器では、内部流路（主にイオン交換樹脂充填部）の流路断面積が導入管と比べ非常に広くなっているため、イオン交換器の内部における冷却液の流速が著しく遅くなるおそれがある。

【0010】

このため、冷却液にエアが混入している場合に、該エアが押し流されず、イオン交換器内に滞留してしまい、イオン交換樹脂の機能低下や冷却液の劣化など種々の不具合が発生するおそれがある。

【0011】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムの冷却系において、圧力損失の低減等を図ることのできるイオン交換器を提供することを主たる目的の一つとしている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。

【0013】

手段１．燃料電池システムの冷却系に用いられるイオン交換器であって、
両端部がそれぞれ前記冷却系の所定の配管に接続可能に構成され、一方側から導入される冷却液を他方側へ通過させる略直線状の第１流路を有する連通管部と、
前記連通管部へ導入される冷却液の一部が前記連通管部から分岐して流れ、再び前記連通管部へ合流する第２流路を有し、該第２流路にイオン交換樹脂を収容した収容ケース部とを備え、
前記第２流路へ冷却液を導入させる導入手段が前記連通管部内に配置されているとともに、
前記連通管部が前記収容ケース部の下部に設けられており、
前記収容ケース部は、外筒部と、該外筒部の内部に収容された内筒部と、前記外筒部を塞ぐ着脱可能な蓋部とを備え、
前記内筒部は、その内部を２つのエリアに仕切る隔壁部を備え、該２つのエリアが前記内筒部の上部において連通することで、前記第２通路が逆Ｕ字状に屈曲して形成されていることを特徴とするイオン交換器。

【0014】

上記手段１によれば、上記連通管部（第１流路）を備えることにより、イオン交換器へ導入される冷却液の一部をイオン交換樹脂充填部を介さず真っ直ぐに通過させ、最短距離でイオン交換器から導出することができる。結果として、圧力損失を極めて小さくすることができる。

【0015】

また、圧力損失を低減するために、イオン交換樹脂充填部を迂回する迂回流路を収容ケース部内に設ける必要もなく、さらに連通管部の長さも短くできるため、イオン交換器の小型化を図ることができる。

【0016】

尚、上記手段１において、「略直線状」とは、Ｕ字状やＬ字状に屈曲し、圧力損失が著しく大きくなるものを含まない趣旨であり、完全な直線に限定されず、冷却液を円滑に流すことができる程度に緩やかに湾曲又は屈曲した形状を含む。

【0017】

さらに、本手段では、冷却液の一部が連通管部から分岐して流れる第２流路を備え、ここにイオン交換樹脂を収容し、冷却液に含まれるイオンを除去する構成となっている。本手段では、上記第１流路を備えているため、圧力損失の増大等を考慮することなく、第２流路を細くかつ長く形成することが可能となる。これにより、第２流路の流路断面積を大きくすることなく、より多くのイオン交換樹脂を収容することができる。結果として、イオンの交換効率の低下抑制を図ると共に、第２流路を通過する冷却液の流速の低下抑制を図ることができる。

【0018】

上記「発明が解決しようとする課題」でも述べたように、冷却液の流速が低下すると、冷却液にエアが混入している場合に、該エアが押し流されず、イオン交換器内に滞留してしまうおそれがある。特に上から下へ、エアの浮力と反対方向に冷却液が流れる区間が存在する場合には、エアの浮力が冷却液の流れに勝り、冷却液の流れに乗せてエアを排出することが困難となる。結果として、イオン交換樹脂の機能低下や冷却液の劣化など種々の不具合が発生するおそれがある。

【0019】

具体的には、例えばエアの圧力によって冷却液の流れが遮られ、イオン交換樹脂の一部に冷却液が流れないおそれがある。これにより、イオン交換効率の低下、冷却液中のイオン濃度の上昇、イオン交換樹脂の劣化度合いの偏りなどの不具合が発生するおそれがある。また、エアが介在することで冷却液が適切に流れず、冷却系のポンプの動作が不安定となったり、イオン交換器内に蒸気が発生し、樹脂材料等により構成される部品の劣化が早くなるなどの不具合が発生するおそれがある。

【0020】

これに対し、本手段では、第２流路内にイオン交換樹脂が存在することで、さらにエアが排出されやすくなっている。通常、冷却液の流速が速ければ速いほど、エアは排出されやすく、エアの粒が小さければ小さいほど、エアは排出されやすい。この点、本手段では、第２流路内にイオン交換樹脂が存在することで、冷却液が第２流路を通過する際には、粒状のイオン交換樹脂の狭い隙間を通ることとなるため、冷却液の流速が上がると共に、エアが小さい粒に細分化される。

【0021】

尚、一般に冷却液中にエアが混入している場合には、ラジエータに付設されるリザーブタンク等を介してエア抜きが可能であるため、イオン交換器内にエアを滞留させずに押し流すことができれば、特段の不具合は生じにくい。

【0022】

加えて、本手段では、第２流路（イオン交換樹脂充填部）へ冷却液を導入させる導入手段が連通管部内に配置されている。これにより、第２流路へ冷却液を導入しやすくなり、イオンの交換効率の向上を図ることができる。また、イオン交換器の大型化を抑制することができる。
また、連通管部が収容ケース部の下部にあるため、イオン交換樹脂（カートリッジ）の交換作業を行う際に、収容ケース部内に冷却液が残留せず、交換作業が行いやすくなる。

【0023】

手段２．少なくとも冷却液の流通時において、前記第２流路の導入口近傍に、前記イオン交換樹脂が存在しない導入空間部が形成される構成となっていることを特徴とする手段１に記載のイオン交換器。

【0024】

冷却液を連通管部から第２流路へ導入する際には、上記導入手段によって冷却液の流れが強制的に曲げられるため、位置によって冷却液の流速や圧力などに差が生じるおそれがある。そのため、仮に導入空間部が形成されず、第２流路の導入口までイオン交換樹脂が充填されていると、冷却液がイオン交換樹脂充填部の導入面に対し均一に導入されないおそれがある。

【0025】

これに対し、上記手段２によれば、上記導入空間部が形成されることで、該導入空間部内において冷却液がより均一化されるため、イオン交換樹脂充填部の導入面に対し、より均一に冷却液を導入することができる。

【0026】

また、仮に導入空間部が形成されず、第２流路の導入口までイオン交換樹脂が充填されている構成では、冷却液中にエアが混入している場合に、該エアが第２流路（イオン交換樹脂充填部）に導入されずに、連通管部内（第２流路の導入口付近）に滞留してしまうおそれがある。

【0027】

これに対し、上記手段２によれば、上記導入空間部が形成されることで、該導入空間部内にエアを集めた上で冷却液の水圧によりイオン交換樹脂充填部に対しエアを導入することができる。

【0028】

手段３．前記導入手段として、前記第２流路の導入口に繋がる導入流路を形成する流路区画壁を備え、
前記流路区画壁は、前記第１流路の流路方向に沿って形成された横壁部と、該横壁部の下流側端部において前記流路方向と直交する方向に沿って形成された縦壁部と備えていることを特徴とする手段１又は２に記載のイオン交換器。

【0029】

上記手段３によれば、第１流路に冷却液が流れる際に、第２流路の導出口近傍に負圧を生じさせることができる。これにより、第２流路を流れる冷却液の流速を上げると共に、第２流路からの冷却液の導出効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】燃料電池システムの冷却系を示す概略構成図である。

【図2】イオン交換器を示す分解斜視図である。

【図3】冷却液が流れていない状態のイオン交換器を示す断面図である。

【図4】冷却液が流れている状態のイオン交換器を示す断面図である。

【図5】別の実施形態に係るイオン交換器を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係るイオン交換器は、例えば燃料電池自動車における燃料電池システムの冷却系に用いられるものである。図１は、後述するイオン交換器１が取付けられる燃料電池システムの冷却系５０を示す概略構成図である。

【0032】

同図に示すように、冷却系５０においては、冷却液を循環させる流路が、主に燃料電池５１の導入口５１ａとラジエータ５２の導出口５２ｂとを接続する上流側配管５３と、燃料電池５１の導出口５１ｂとラジエータ５２の導入口５２ａとを接続する下流側配管５４と、ラジエータ５２と並列に上流側配管５３と下流側配管５４とに接続されたバイパス配管５５とからなる。

【0033】

バイパス配管５５にはイオン交換器１が設置され、バイパス配管５５と上流側配管５３との接続部位には三方弁（三方電磁弁）６０が設置されている。また、三方弁６０と燃料電池５１の間の上流側配管５３には、冷却液を循環させるためのポンプ６１が設置されている。尚、三方弁６０の切換制御やポンプ６１の駆動制御など、冷却系５０に係る各種制御は図示しない制御ユニットにより行われる。

【0034】

ここで、まず燃料電池５１の構成について説明する。一般的な燃料電池（固体高分子型燃料電池）は、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを有する。発電セルは、電解質膜の両側に、それぞれ触媒層とガス拡散層とからなるアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を配設した膜電極複合体（ＭＥＡ）が一対のセパレータにより挟持されてなる。

【0035】

各発電セルのアノードには燃料ガス（例えば水素ガス）が供給され、カソードには酸化ガス（例えば空気）が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは電解質膜を通過して、カソードで酸素と化学反応を起こす。この化学反応によって発電が行われる。

【0036】

各発電セルは発電に伴って発熱する。燃料電池５１（燃料電池スタック）には、各発電セルに対し冷却液を流通させるための流路（図示略）が形成されており、上記導入口５１ａから内部に導入された冷却液によって発電セルが冷却される。そして、熱交換を終えた冷却液は上記導出口５１ｂから排出される。

【0037】

尚、本実施形態では、冷却液として水にエチレングリコール（不凍液）を含有させたＬＬＣ（ロングライフクーラント）が用いられている。このため、冷却液により燃料電池５１の発電セルが冷却されるとき、冷却液の中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、酸（例えばギ酸等）が生成され、この酸によりマイナスのイオンが生成される。また、酸により冷却液の循環流路（配管５３，５４，５５等）の内面が腐蝕されると、プラスのイオンも生成される。このようにして、冷却液はマイナスのイオンとプラスのイオンが混在した不純物イオンを含有する。このイオンは電荷をもっているので、冷却液に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却液の導電率が上昇する。その結果、冷却液を通じて燃料電池５１から外部へ漏電するおそれがある。

【0038】

一方、ラジエータ５２は、図示しない送風ファンによって空気を吹き付けて、燃料電池５１によって温められた冷却液を冷却するためのものである。冷却液はラジエータ５２内を通過する際に放熱され、冷却される。本実施形態では、燃料電池５１の温度が最適温度（例えば６５℃）となるように冷却液の流れが制御されている。

【0039】

三方弁６０は、冷却液が流れる流路を切換えるためのものである。より詳しくは、燃料電池５１の温度が最適温度を下回っている場合には、三方弁６０の第１入口（ラジエータ５２側）が閉じられ、第２入口（バイパス配管５５側）及び出口（ポンプ６１側）が開かれる。これにより、冷却液はポンプ６１の駆動により燃料電池５１とバイパス配管５５との間を循環する。これに対し、燃料電池５１の温度が最適温度を上回ると、三方弁６０の第１入口及び出口が開かれ、第２入口が閉じられる。これにより、冷却液はポンプ６１の駆動により燃料電池５１とラジエータ５２との間を循環し、燃料電池５１の冷却が図られる。

【0040】

従って、燃料電池５１の温度が最適温度を下回っている場合には、常に冷却系５０内のすべての冷却液がバイパス配管５５を通って循環することとなる。この際、冷却液がイオン交換器１を通過することにより、冷却液に含まれる不純物イオンが一部除去される。これにより、冷却液の導電率の上昇を抑制している。

【0041】

以下、イオン交換器１の構成について図２〜図４を参照して詳しく説明する。図２はイオン交換器１を示す分解斜視図である。図３は冷却液が流れていない状態のイオン交換器を示す断面図であり、図４は冷却液が流れている状態のイオン交換器を示す断面図である。

【0042】

イオン交換器１は、バイパス配管５５と接続される連通管部２と、該連通管部２と一体形成された外筒部３と、該外筒部３の内部に収容される内筒部４と、外筒部３を塞ぐ蓋部５とを備えてなる。外筒部３、内筒部４及び蓋部５により本実施形態における収容ケース部が構成される。

【0043】

連通管部２は、全体として直線状に形成された略円筒状をなす。連通管部２は、その中心軸線Ｃ１が略水平方向に沿うようにバイパス配管５５に対し接続される。

【0044】

連通管部２は、その長手方向一端部において上流側のバイパス配管５５ａを接続可能な導入側継手部２ａを備え、長手方向他端部において下流側のバイパス配管５５ｂを接続可能な導出側継手部２ｂを備えている。導入側継手部２ａの開口部が連通管部２の導入口を構成し、導出側継手部２ｂの開口部が連通管部２の導出口を構成する。

【0045】

外筒部３は、連通管部２から上方へ突出形成されており、上面が開口した有底円筒状をなす。但し、連通管部２と外筒部３は開口部９を介して内部で連通している。

【0046】

連通管部２の中心軸線Ｃ１と外筒部３の中心軸線Ｃ２は直交しており、イオン交換器１がバイパス配管５５に取付けられた状態では、外筒部３の中心軸線Ｃ２が略鉛直方向に沿った状態となる。

【0047】

連通管部２内には、上記開口部９に対応して流路区画壁１０が設けられている。本実施形態の流路区画壁１０は連通管部２と一体形成されている。

【0048】

流路区画壁１０は、連通管部２の導入口から導入される冷却液を導出口へ通過させる第１流路１１と、冷却液の一部が分岐して流れる後述の第２流路１２とに流路を分岐させるためのものである。つまり、流路区画壁１０が設けられることにより、第２流路１２の導入口に繋がる導入流路１３が連通管部２内に形成されることとなる。従って、流路区画壁１０（導入流路１３）により本実施形態における導入手段が構成される。

【0049】

流路区画壁１０は、連通管部２の中心軸線Ｃ１に沿って形成された略水平板状の横壁部１０ａと、該横壁部１０ａの下流側端部から外筒部３の中心軸線Ｃ２に沿って上方（開口部９側）へ突出形成された略平板状の縦壁部１０ｂと備え、全体として断面略Ｌ字状に形成されている。但し、横壁部１０ａと縦壁部１０ｂの連接部における導入流路１３側の面は、冷却液が第２流路１２へ流れやすくなるように略円弧状の湾曲面となっている。

【0050】

内筒部４は、全体として略円筒状をなし、その中心軸線Ｃ３が外筒部３の中心軸線Ｃ２と重なるように外筒部３内に収容されている。

【0051】

内筒部４には、その内部を２つのエリアに仕切る隔壁部１５が形成されている。隔壁部１５は、連通管部２の中心軸線Ｃ１と直交しかつ中心軸線Ｃ３を含む平面に沿って形成されている。但し、隔壁部１５の上端部は、内筒部４の上端部よりも低い位置に設けられており、２つのエリアは内筒部４の上部において連通している。

【0052】

一方、隔壁部１５の下端部は内筒部４の下端部よりも下方へ突出しており、内筒部４が外筒部３に収容された状態で、流路区画壁１０の縦壁部１０ｂの上端部と係合するように構成されている。

【0053】

これにより、連通管部２の開口部９が上流側と下流側とに２つに仕切られた状態となる。そして、連通管部２と内筒部４は、内筒部４の上流側の下開口部４ａ及び連通管部２の上流側の開口部９ａを介して連通した状態となると共に、内筒部４の下流側の下開口部４ｂ及び連通管部２の下流側の開口部９ｂを介して連通した状態となる。

【0054】

かかる構成により、連通管部２から導入流路１３を介して冷却液の一部が導入され、内筒部４の内部を通り、再び連通管部２へ戻る全体として逆Ｕ字状に屈曲した第２流路１２が形成されることとなる。ここで、内筒部４の上流側の下開口部４ａにより第２流路１２の導入口が構成され、内筒部４の下流側の下開口部４ｂにより第２流路１２の導出口が構成される。

【0055】

内筒部４（第２流路１２）には、冷却液に含まれる不純物イオンをイオン交換により除去可能な粒状のイオン交換樹脂１６が収容されている。イオン交換樹脂１６は公知のものであり、本実施形態ではマイナスのイオンを吸着するアニオン交換樹脂と、プラスのイオンを吸着するカチオン交換樹脂とが混在するように収容されている。

【0056】

内筒部４の下開口部４ａ，４ｂには網目状のメッシュ１７が取付けられている。メッシュ１７は、冷却液の通過を許容する一方、イオン交換樹脂１６の通過を阻止するためのものである。

【0057】

内筒部４は、その上開口部４ｃの周縁が蓋部５の内面（裏面）に対し所定の接着手段により固定されている。これにより、内筒部４と蓋部５が一体となって、イオン交換樹脂１６が内部に封入された１つの交換カートリッジとして取り扱い可能となる。また、蓋部５の内面によって第２流路１２の一部が構成されることとなる。

【0058】

一方、蓋部５は外筒部３に対し着脱可能に固定されている。本実施形態では、外筒部３の上開口部３ａの周縁に形成されたフランジ部３ｂに対しパッキン１９を介して複数のボルト２０により締結されている。

【0059】

次に上記のように構成された本実施形態のイオン交換器１の作用について説明する。

【0060】

上流側のバイパス配管５５ａを介して連通管部２に導入された冷却液は、流路区画壁１０により分岐され、その一部が導入流路１３を介して第２流路１２へ導かれる。残りの冷却液は、第１流路１１を介して導出口へ導かれ、下流側のバイパス配管５５ｂへ排出される。

【0061】

尚、図４に示すように、本実施形態では、冷却液の流通時に、内筒部４内においてイオン交換樹脂１６が下流側に押し流され、第２流路１２の導入口（内筒部４の下開口部４ａ）近傍にイオン交換樹脂１６が存在しない導入空間部２５が形成されるように構成されている。従って、導入流路１３によって上方へ流れを曲げられた冷却水は、第２流路１２の導入口（内筒部４の下開口部４ａ）を介して、まず導入空間部２５へ入ることとなる。

【0062】

冷却液の流れが導入流路１３によって強制的に曲げられる構成の下、仮に導入空間部２５が形成されず、第２流路１２の導入口までイオン交換樹脂１６が充填されている場合には、イオン交換樹脂１６の導入面に対し冷却液が均一に導入されないおそれがある。また、冷却液にエアが混入している場合には、該エアが第２流路１２に導入されずに、導入流路１３に滞留してしまうおそれがある。

【0063】

これに対し、本実施形態では、導入空間部２５が形成されることで、該導入空間部２５内において冷却液がより均一化されるため、イオン交換樹脂１６の導入面に対し、より均一に冷却液を導入することができる。また、冷却液にエアが混入している場合には、導入空間部２５内にエアを集めることができ、より確実にイオン交換樹脂１６にエアを導入することができる。

【0064】

導入空間部２５を通過した冷却液はイオン交換樹脂１６の隙間を通り、第２流路１２に沿って上方へ向け流れる。この際、冷却液にエアが混入している場合には、該エアはイオン交換樹脂１６の間を通過可能な大きさに細分化され、押し流される。

【0065】

その後、冷却液は第２流路１２に沿って隔壁部１５の上端部でＵターンして、第２流路１２の導出口（内筒部４の下開口部４ｂ）に向け下方へ流れる。この移動の間に、冷却液に含まれる不純物イオンはイオン交換樹脂１６によって除去される。

【0066】

そして、冷却液は第２流路１２の導出口から連通管部２へ排出される。このようにして連通管部２に排出された冷却液は、連通管部２内の冷却液と合流し、連通管部２の導出口へ導かれ、下流側のバイパス配管５５ｂへ排出される。

【0067】

尚、本実施形態では、流路区画壁１０の縦壁部１０ｂが第１流路１１の流路方向に対し直交するように形成されている。このため、第１流路１１に冷却液が流れる際に、第２流路１２の導出口近傍に負圧を生じさせることができる。これにより、第２流路１２を流れる冷却液の流速を上げると共に、第２流路１２の導出口からの冷却液の導出効率を向上させることができる。

【0068】

以上詳述したように、本実施形態によれば、連通管部２（第１流路１１）を備えることにより、イオン交換器１へ導入される冷却液の一部を内筒部４（イオン交換樹脂１６の充填部）を介さず真っ直ぐに通過させ、最短距離でイオン交換器１から導出することができる。結果として、圧力損失を極めて小さくすることができる。

【0069】

また、圧力損失を低減するために、内筒部４（イオン交換樹脂１６の充填部）を迂回する迂回流路を外筒部３内に設ける必要もなく、さらに連通管部２の長さも短くできるため、イオン交換器１の小型化を図ることができる。

【0070】

さらに、本実施形態では、冷却液の一部が連通管部２から分岐して流れる第２流路１２を備え、ここにイオン交換樹脂１６を収容し、冷却液に含まれるイオンを除去する構成となっている。本実施形態では、連通管部２（第１流路１１）を備えているため、圧力損失の増大等を考慮することなく、第２流路１２を細くかつ長く形成することが可能となる。これにより、第２流路１２の流路断面積を大きくすることなく、より多くのイオン交換樹脂１６を収容することができる。結果として、イオンの交換効率の低下抑制を図ると共に、第２流路１２を通過する冷却液の流速の低下抑制を図ることができる。

【0071】

また、このように第２流路１２を細長くして冷却液の流速を速めることで、冷却液に混入したエアを排出しやすくなる。特に本実施形態では、冷却液が第２流路１２を通過する際に、冷却液が粒状のイオン交換樹脂１６の狭い隙間を通ることで、冷却液の流速が上がると共に、エアが小さい粒に細分化されるため、さらにエアが排出されやすくなる。

【0072】

加えて、本実施形態では、第２流路１２へ冷却液を導入させる流路区画壁１０（導入流路１３）が連通管部２内に配置されている。これにより、第２流路１２へ冷却液を導入しやすくなり、イオンの交換効率の向上を図ることができる。また、イオン交換器１の大型化を抑制することができる。

【0073】

また、本実施形態では、連通管部２が外筒部３の下部に設けられているため、イオン交換樹脂カートリッジ（内筒部４及び蓋部５）の交換作業を行う際に、外筒部３内に冷却液が残留せず、交換作業が行いやすくなる。

【0074】

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

【0075】

（ａ）上記実施形態では、本発明を燃料電池自動車における燃料電池システムの冷却系に用いられるイオン交換器として具体化したが、これに限らず、例えば工場や一般家庭の発電用の燃料電池システムの冷却系に用いられるイオン交換器として具体化してもよい。

【0076】

（ｂ）イオン交換器１の取付位置など、冷却系５０の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えばラジエータ５２やバイパス配管５５への冷却液の流量を制御可能な冷却系にイオン交換器１を取付けた構成としてもよい。また、バイパス配管５５から分岐した第２のバイパス配管を設け、該第２のバイパス配管にイオン交換器１を取付けた構成としてもよい。

【0077】

（ｃ）上記実施形態では、直線状に形成された略円筒状の連通管部２を採用しているが、連通管部の構成は、これに限定されるものではない。例えば冷却液を円滑に流すことができる程度に緩やかに湾曲又は屈曲した形状の連通管部を採用してもよい。

【0078】

（ｄ）上記実施形態では、第２流路１２へ冷却液を導入させる導入手段として、流路区画壁１０が連通管部２に一体形成されている。導入手段は、これに限定されるものではなく、他の構成を採用してもよい。

【0079】

例えば図５に示すように、連通管部２から流路区画壁１０を省略すると共に、内筒部４とは異なる内筒部３０を採用した構成としてもよい。内筒部３０は、有底円筒状をなし、外筒部３内に収容されている。但し、内筒部３０の下端部は開口部９を介して連通管部２に突出している。

【0080】

内筒部３０には、その内部を２つのエリアに仕切る隔壁部３１が形成されている。隔壁部３１の上端部は、内筒部３０の上端部よりも低い位置に設けられており、２つのエリアは内筒部３０の上部において連通している。一方、隔壁部３１の下端部は内筒部３０の底部３２に連接されている。

【0081】

連通管部２内に露出した内筒部３０の外周面には、上流側において側面開口部３３ａが形成され、下流側において側面開口部３３ｂが形成されている。側面開口部３３ａ，３３ｂには網目状のメッシュ３４が取付けられている。

【0082】

そして、内筒部３０の底部３２と連通管部２の内壁部との間に第１流路３５が形成される。一方、連通管部２から側面開口部３３ａを介して冷却液の一部が導入され、内筒部３０の内部を通り、側面開口部３３ｂを介して再び連通管部２へ戻る第２流路３６が形成される。内筒部３０（第２流路３６）にはイオン交換樹脂３７が収容されている。本実施形態においては、第２流路３６の導入口を構成する側面開口部３３ａにより導入手段が構成される。

【0083】

また、連通管部２内への内筒部３０の突出量を調節可能な構成とし、これにより第２流路３６へ導入される冷却液の流量を調節可能な構成としてもよい。

【0084】

（ｅ）上記実施形態に係る流路区画壁１０は、第１流路１１の流路方向に沿って形成された横壁部１０ａと、該横壁部１０ａの下流側端部において前記流路方向と直交する方向に沿って形成された縦壁部１０ｂと備え、全体として断面略Ｌ字状に形成されている。

【0085】

これに限らず、例えば冷却液が第２流路１２の導入口に向け流れやすくなるように断面略円弧状に湾曲した流路区画壁を設けた構成としてもよい。

【0086】

（ｆ）上記実施形態では、冷却液の流通時に、内筒部４内においてイオン交換樹脂１６が下流側に押し流され、第２流路１２の導入口（内筒部４の下開口部４ａ）近傍にイオン交換樹脂１６が存在しない導入空間部２５が形成される構成となっている。

【0087】

これに限らず、内筒部４の下開口部４ａよりも下流側にメッシュ１７を取付け、冷却液の流通前より予め導入空間部が形成されている構成を採用してもよい。

【0088】

（ｇ）イオン交換樹脂１６が収容される収容ケース部としての外筒部３、内筒部４及び蓋部５の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、他の構成を採用してもよい。

【0089】

また、外筒部３や内筒部４を円筒形状ではなく、楕円筒状や四角形筒状に構成してもよい。

【0090】

また、上記実施形態では、内筒部４が蓋部５の内面に対し所定の接着手段により固定され、内筒部４と蓋部５が一体となって、イオン交換樹脂１６が内部に封入された１つの交換カートリッジとして取り扱い可能な構成となっている。

【0091】

これに限らず、例えば内筒部４と蓋部５とが着脱自在に構成され、カートリッジ交換時には内筒部４のみ交換する、又は、内筒部４内のイオン交換樹脂１６のみ交換する構成としてもよい。また、内筒部４と蓋部５が組付けられることなく、それぞれ別々に取り扱う構成としてもよい。

【0092】

また、蓋部５と外筒部３の組付け構成も上記実施形態に限定されるものではなく、他の構成を採用してもよい。例えば外筒部３の外周部に雄ネジ部を形成し、蓋部５の内側に雌ネジ部を形成し、両者を螺合する構成としてもよい。

【0093】

（ｈ）上記実施形態では、連通管部２の中心軸線Ｃ１が略水平方向に沿い、外筒部３の中心軸線Ｃ２（内筒部４の中心軸線Ｃ３）が略鉛直方向に沿うように、イオン交換器１が設置される構成となっている。

【0094】

これに限らず、例えば連通管部２の中心軸線Ｃ１が略鉛直方向に沿い、外筒部３の中心軸線Ｃ２（内筒部４の中心軸線Ｃ３）が略水平方向に沿うように、イオン交換器１が設置される構成としてもよい。

【0095】

また、連通管部２の中心軸線Ｃ１が略水平方向に沿い、外筒部３の中心軸線Ｃ２（内筒部４の中心軸線Ｃ３）が略水平方向に沿うように、イオン交換器１が設置される構成としてもよい。

【0096】

また、連通管部２の中心軸線Ｃ１や、外筒部３の中心軸線Ｃ２（内筒部４の中心軸線Ｃ３）が水平方向や鉛直方向に対して傾斜するように、イオン交換器１が設置される構成としてもよい。

【符号の説明】

【0097】

１…イオン交換器、２…連通管部、３…外筒部、４…内筒部、５…蓋部、１０…流路区画壁、１０ａ…横壁部、１０ｂ…縦壁部、１１…第１流路、１２…第２流路、１３…導入流路、１５…隔壁部、１６…イオン交換樹脂、１７…メッシュ、２５…導入空間部、５０…冷却系、５１…燃料電池、５２…ラジエータ、５５…バイパス配管。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】