JP2009117107A - イオン交換器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換樹脂板の面内の利用率を均一化できるイオン交換器を提供する。
【解決手段】ガス中の不純物を除去するイオン交換器３６において、ガス流入口５０ｂとガス流出口５０ｄを有し、内部にガス流路を形成するケーシング５０と、ガス流路の方向に板面を向けた状態でケーシング５０内に配置され、ガスを通過させて不純物を除去するイオン交換樹脂板６０を有している。イオン交換樹脂板６０は、ガス流出口５０ｄから相対的に遠い部分の樹脂密度がより低くなるように形成されている。イオン交換樹脂板６０は、複数の領域６０ａ〜６０ｊに分割されており、ガス流出口５０ｄから相対的に遠い領域がより密度の低い樹脂で形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオン交換器と、そのイオン交換器を備えた燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するための配管系が必要になる。この配管系には、通常、燃料電池から排出された水を含むオフガスの気液を分離する気液分離器が設けられている。例えばこの気液分離器により、オフガスから水を分離し、その後そのオフガスを再利用することが行われている。

ところで、上述のオフガスには、燃料電池や配管等から溶出した不純物が含まれていることがある。このオフガスを再利用するためには、含有する不純物を除去する必要がある。このため、例えば上記気液分離器に、不純物を吸着除去するイオン交換樹脂板を備えたものが提案されている（特許文献１、２参照）。イオン交換樹脂板は、例えば気液分離器のケーシングのガス流入口とガス流出口の間のガス流路に、当該ガス流路を塞ぐように設置されている。

特開２００６−１００２３９号公報 特開２００５−２８５７３５号公報（第５図）

しかしながら、上記気液分離器では、ガス流入口から多量に供給されたオフガスを、ガス流出口の負圧によりイオン交換樹脂板に通過させ、ガス流出口から排出するので、イオン交換樹脂板の面内において、ガス流出口から近い部分を通過するガス流量が多くなり、遠い部分を通過するガス流量が少なくなる傾向にある。この結果、イオン交換樹脂板の面内の利用率が偏り、イオン交換樹脂板全体の不純物の除去効率も低くなる。また、イオン交換樹脂板の一部のみの利用が増えると、イオン交換樹脂板全体の寿命にも影響を及ぼすことがある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、イオン交換樹脂板の面内の利用率を均一化できるイオン交換器、及びそのイオン交換器を備えた燃料電池システムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、ガス中の不純物を除去するイオン交換器であって、ガス流入口とガス流出口を有し、内部にガス流路を形成するケーシングと、前記ガス流路の方向に板面が向いた状態で前記ケーシング内に配置され、ガスを通過させて不純物を除去するイオン交換樹脂板と、を有し、前記イオン交換樹脂板は、前記ガス流出口から相対的に遠い部分の樹脂密度がより低くなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ガス流出口から相対的に遠い部分のイオン交換樹脂板の樹脂密度がより低くなっているので、ガス流出口から遠い部分のイオン交換樹脂板にガスが通過しやすくなる。これにより、イオン交換樹脂板面内の利用率の偏りが低減され、利用率の均一化が図られる。この結果、例えばイオン交換樹脂板全体の不純物の除去効率を向上できる。また、イオン交換樹脂板全体の寿命を延ばすことができる。

前記イオン交換樹脂板は、複数の領域に分割されており、ガス流出口から相対的に遠い位置の領域がより密度の低い樹脂で形成されるようにしてもよい。

前記ケーシングは、下から上に流れるガス流路を形成し、前記ガス流入口を通じて前記イオン交換樹脂板の下側の下部空間にガスを流入させ、前記ガス流出口を通じて前記イオン交換樹脂板の上側の上部空間からガスを流出させ、前記ガス流入口は、前記ケーシングの下部空間の一の側壁部に形成され、前記ガス流出口は、前記ケーシングの上部空間の上壁部であって、一の側壁部に隣接した位置に形成され、前記イオン交換樹脂板は、前記一の側壁部からその反対側の他の側壁部に近づくにつれて段階的に樹脂密度が低くなるように形成されていてもよい。

別の観点による本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、上記イオン交換器を有し、前記イオン交換器によって、前記燃料電池から排出されたオフガス中の不純物を除去していることを特徴とする。

上記燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガス中に含まれる燃料ガスを燃料電池に戻すための循環流路を有し、前記イオン交換器は、前記循環流路に設けられ、燃料オフガスから不純物を除去していてもよい。

本発明によれば、イオン交換樹脂板の面内の利用率を均一化できるので、例えばイオン交換樹脂板全体の不純物の除去効率を向上できる。また、例えばイオン交換樹脂板の寿命を延ばすことができる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るイオン交換器が適用される燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタ３５が設けられている。

循環流路３２には、水素オフガスから水を分離する、本実施の形態に係るイオン交換器の機能を有する気液分離器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。気液分離器３６には、気液分離器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、気液分離器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。なお、気液分離器３６の構成の詳細は後述する。

制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の電力を消費する負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。

制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及びインジェクタ３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。

次に、気液分離器３６について説明する。図２は、気液分離器３６の構成の概略を示す縦断面の説明図である。

気液分離器３６は、例えば図２に示すように全体が略筒状のケーシング５０を有し、その内部に気液分離室が形成されている。ケーシング５０の一の側面側（図２の左側）の側壁部５０ａの下部には、水や不純物を含んだ水素オフガスが流入するガス流入口５０ｂが形成され、燃料電池１０側の循環流路３２が接続されている。また、ケーシング５０の上壁部５０ｃには、水等が分離された水素オフガスが流出するガス流出口５０ｄが形成され、水素ポンプ３７側の循環流路３２が接続されている。ガス流出口５０ｄは、例えばケーシング５０の一の側壁部５０ａ寄りの側壁部５０ａに隣接した位置に形成されている。かかる構成により、ケーシング５０内には、概して下から上に流れるガス流路が形成される。

ケーシング５０の中央部には、水素オフガス中の細かい粒子状の水分や不純物を除去するイオン交換樹脂板６０が設けられている。このイオン交換樹脂板６０は、水素オフガスを通過させ、その水素オフガス内の水分を捕集したり、イオン化した不純物を水素イオンと交換する機能を有する。

イオン交換樹脂板６０は、例えばケーシング５０内のガス流路を塞ぐような略円板形状に形成されている。イオン交換樹脂板６０は、上下方向のガス流路に対し直角の水平に設置されている。イオン交換樹脂板６０によって、ケーシング５０内は、ガス流入口５０ｂ側の下部空間Ｓ１と、ガス流出口５０ｄ側の上部空間Ｓ２に分けられている。

イオン交換樹脂板６０は、例えば図３に示すように略格子状の複数の領域６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅ、６０ｆ、６０ｇ、６０ｈ、６０ｉ、６０ｊに分割されている。イオン交換樹脂板６０の各領域６０ａ〜６０ｊは、仕切り板６１によって仕切られている。イオン交換樹脂板６０の各領域６０ａ〜６０ｊの樹脂密度は、ガス流出口５０ｄから遠くなるにつれて段階的に小さくなるように設定されている。つまり、図２に示すように、領域６０ａ，６０ｂ、領域６０ｃ，６０ｄ、領域６０ｅ，６０ｆ、領域６０ｇ，６０ｈ、領域６０ｉ，６０ｊの順にガス流出口５０ｄからの距離が遠くなるので、この順に樹脂密度が小さく設定される。したがって、領域６０ａ、６０ｂの樹脂密度ρ１、領域６０ｃ、６０ｄの樹脂密度ρ２、領域６０ｅ、６０ｆの樹脂密度ρ３、領域６０ｇ、６０ｈの樹脂密度ρ４、領域６０ｉ、６０ｊの樹脂密度ρ５とすると、ρ１＞ρ２＞ρ３＞ρ４＞ρ５となっている。

ケーシング５０の他の側面側（図２の右側）の側壁部５０ｅには、湾曲形状に傾斜した内壁面５０ｆが形成されている。内壁面５０ｆは、上部に行くにつれて次第に広がるように傾斜している。また、内壁面５０ｆは、下端が後述する液溜め部５０ｇの開口部５０ｈに通じている。

ケーシング５０の他の側面側（図２の右側）の下部には、分離或いは回収された水を一時的に溜める液溜め部５０ｇが形成されている。内壁面５０ｃの下端とケーシング５０の底部５０ｉにより開口部５０ｈが形成されており、液溜め部５０ｇには、その開口部５０ｈから水が流入する。液溜め部５０ｇは、例えばケーシング５０の底面の一部が下に凸に湾曲して形成されており、所定量の水を溜めることができる。液溜め部５０ｇの排出側には、上述の排出流路３８が接続されている。

次に、以上のように構成された気液分離器３６の作用について説明する。例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われると、燃料電池１０から循環流路３２を通じて、気液分離器３６に水を含む水素オフガスが送られる。水を含む水素オフガスは、ガス流入口５０ｂからケーシング５０内に流入され、例えばケーシング５０内の下部空間Ｓ１において、水素オフガスに含まれていた水は、重力により落下し、図２に示すようにケーシング５０の底面を通って液溜め部５０ｇに貯留される。

水が分離された水素オフガスは、水素ポンプ３７のあるガス流出口５０ｄの負圧により、下部空間Ｓ１からイオン交換樹脂板６０を通過し、上部空間Ｓ２に流れ出る。このときイオン交換樹脂板６０により、例えば水素オフガス中の細かい粒子状の水分や不純物が捕集され、除去される。また、ガス流出口５０ｄから離れるほどイオン交換樹脂板６０の樹脂密度が低くなっているので、ガス流出口５０ｄから離れるほどイオン交換樹脂板６０による圧損が小さく、ガス流出口５０ｄから遠い位置のイオン交換樹脂板６０にも十分に水素オフガスが通過する。この結果、イオン交換樹脂板６０の全面において、通過するガスの流量がほぼ同じになる。つまり、イオン交換樹脂板６０の各領域６０ａ〜６０ｊを通過するガスの流量がほぼ同じになり、イオン交換樹脂板６０の全面において偏りなく水分と不純物が除去される。

上部空間Ｓ２に流出した水素オフガスは、ガス流出口５０ｄから循環流路３２に排出される。

また、液溜め部５０ｇに貯留された水Ｈは、例えば所定量溜まると、適宜排出流路３８から排出される。

以上の実施の形態によれば、イオン交換樹脂板６０は、ガス流出口５０ｄから相対的に遠い部分の樹脂密度がより低くなるように形成されているので、ガス流出口５０ｄからより遠い部分のイオン交換樹脂板６０にガスが通過しやすくなり、イオン交換樹脂板６０のガス流出口５０ｄから遠い部分にもガスが十分に通過する。これにより、イオン交換樹脂板６０の面内の利用率の偏りが低減され、利用率の均一化が図られる。この結果、例えばイオン交換樹脂板６０の全体の不純物の除去効率を向上できる。また、例えばイオン交換樹脂板６０全体の寿命を延ばすことができる。

また、上記実施の形態では、イオン交換樹脂板６０は、複数の領域６０ａ〜６０ｊに分割されており、ガス流出口５０ｄから相対的に遠い領域ほど密度の低い樹脂で形成されるようにしたので、イオン交換樹脂板６０の樹脂密度を段階的に変えることができる。また、このイオン交換樹脂板６０の樹脂密度の段階的な変化を簡単に付けることができる。

ガス流入口５０ｂは、ケーシング５０の下部空間Ｓ１の側壁部５０ａに形成され、ガス流出口５０ｄは、ケーシング５０の上部空間Ｓ２の上壁部５０ｃであって、側壁部５０ａに隣接した位置に形成され、イオン交換樹脂板６０は、側壁部５０ａからその反対側の側壁部５０ｅに近づくにつれて段階的に樹脂密度が低くなるように形成されている。かかる構成において特にイオン交換樹脂板６０の全面におけるガス流量が均一化され、イオン交換樹脂板６０の利用率の均一化が図られる。

また、本実施の形態では、上記気液分離器３６を燃料電池システム１に適用したので、当該燃料電池システム１において燃料電池１０から排出された水素オフガスの不純物の除去を効率的に行い、水素オフガスの再利用を効率的に行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態では、イオン交換樹脂板６０が１０個の領域６０ａ〜６０ｊに分割されていたが、その数や形状は、任意に選択できる。また、イオン交換樹脂板６０が複数の領域に分割されていなくてもよく、かかる場合、イオン交換樹脂板６０の樹脂密度が徐々に連続的に変化していくようにしてもよい。また、以上の実施の形態における気液分離器３６のケーシング５０のガス流入口５０ｂ、ガス流出口５０ｄなどの構成は、本実施の形態の例に限られず、他のものであってもよい。また、以上の実施の形態では、イオン交換器の機能を有する気液分離器３６について説明したが、本発明は、気液分離器と別体のイオン交換器や、気液分離器以外の装置と兼用のイオン交換器にも適用できる。

以上の実施の形態では、燃料電池システム１において循環流路３２に設けられる気液分離器３６を例に採って説明したが、燃料電池システムの他の流路に設けられるイオン交換器に、本発明を適用してもよい。また、上記実施の形態において、ガスが、不純物を含む水素オフガスであったが、他の種類のガスであっても本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。

燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 気液分離器の構成の概略を示す断面図の説明図である。 イオン交換樹脂板の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３６ 気液分離器
５０ ケーシング
５０ｂ ガス流入口
５０ｄ ガス流出口
６０ イオン交換樹脂板
６０ａ〜６０ｊ 領域

Claims (5)

1. ガス中の不純物を除去するイオン交換器であって、
   ガス流入口とガス流出口を有し、内部にガス流路を形成するケーシングと、
   前記ガス流路の方向に板面が向いた状態で前記ケーシング内に配置され、ガスを通過させて不純物を除去するイオン交換樹脂板と、を有し、
   前記イオン交換樹脂板は、前記ガス流出口から相対的に遠い部分の樹脂密度がより低くなるように形成されていることを特徴とする、イオン交換器。
2. 前記イオン交換樹脂板は、複数の領域に分割されており、ガス流出口から相対的に遠い位置の領域がより密度の低い樹脂で形成され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。
3. 前記ケーシングは、下から上に流れるガス流路を形成し、前記ガス流入口を通じて前記イオン交換樹脂板の下側の下部空間にガスを流入させ、前記ガス流出口を通じて前記イオン交換樹脂板の上側の上部空間からガスを流出させ、
   前記ガス流入口は、前記ケーシングの下部空間の一の側壁部に形成され、
   前記ガス流出口は、前記ケーシングの上部空間の上壁部であって、一の側壁部に隣接した位置に形成され、
   前記イオン交換樹脂板は、前記一の側壁部からその反対側の他の側壁部に近づくにつれて段階的に樹脂密度が低くなるように形成され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。
4. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   請求項１〜３のいずれかに記載のイオン交換器を有し、
   前記イオン交換器によって、前記燃料電池から排出されたオフガス中の不純物を除去していることを特徴とする、燃料電池システム。
5. 燃料電池から排出された燃料オフガス中に含まれる燃料ガスを燃料電池に戻すための循環流路を有し、
   前記イオン交換器は、前記循環流路に設けられ、燃料オフガスから不純物を除去していることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。

Images