JP2009142713A - イオン交換器及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換樹脂板面内の利用率の偏りを低減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、内部にガスが流れるケーシング５０と、ケーシング５０の内部に配置され、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と、ガス流入口５０ｂからイオン交換樹脂板６０に流れるガス流を整流し、当該ガス流のイオン交換樹脂板６０面に対する流れ方向を変更する整流機構７０と、を有する。整流機構７０は、ガス流の強さに応じてイオン交換樹脂板６０面に対するガス流の流れ方向を変更する。
【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は、燃料電池により燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するものである。この燃料電池システムでは、以前より燃料電池から排出されたオフガスの一部を再利用して消費ガスを低減することが行われている。

上記オフガスには、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ため、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、上記燃料電池システムの配管系には、例えばイオン交換器が設置されている。イオン交換器は、ケーシング内に、オフガスを通過させて不純物を除去するイオン交換樹脂板を備えている。このイオン交換樹脂板は、通常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、板面がガス流路に垂直になるように設置されている。なお、イオン交換樹脂の関する技術は、例えば特許文献１〜３に記載されている。

特開２００７−９８１９８号公報 特開２００５−１２９３８１号公報 特開２００１−２８０１１９号公報

ところで、上述のようなイオン交換器のイオン交換樹脂板は、ガス流を滞らせないためにガス流の圧力損失を極力抑えるものが望まれる。このため、イオン交換樹脂板には、比較的板面積が広く板厚が薄いものを用いる必要がある。

しかしながら、一般的に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ほどガスが流入しやすいため、上述のように面積が広いイオン交換樹脂板が用いられると、ガス流出口に近い部分を通過するガス流量と、遠い部分を通過するガス流量との差が大きくなる。この結果、イオン交換樹脂板の一部分が集中的に利用され、イオン交換樹脂板全体の不純物の除去効率が低くなる。また、イオン交換樹脂板の一部分の利用が多くなると、例えばその一部分の劣化が集中的に進み、結果的にイオン交換樹脂板の耐久性が悪くなる。

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の偏りを低減するイオン交換器、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、内部にガスが流れるケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され、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、前記ガス流入口から流入したガス流のイオン交換樹脂板面に対する流れ方向を変更する整流機構と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、整流機構によりイオン交換樹脂板面に対するガス流の方向を変更できるので、イオン交換樹脂板の一部分が集中的に利用されることがなく、イオン交換樹脂板面内の利用率の偏りを低減できる。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、イオン交換樹脂板の耐久性を向上できる。

前記整流機構は、前記ガス流の強さに応じて前記イオン交換樹脂板面に対するガス流の流れ方向を変更するものであってもよい。かかる場合、ガス流の強さが変わる際にガス流の流れ方向を変更するので、より確実にイオン交換樹脂面内の利用率の偏りを低減できる。なお、ガス流の強さは、例えばガス流の流速の大きさや流量の大きさである。

前記整流機構は、ガス流の押圧力により動いてガス流に対する角度を変えてガス流の向きを変更する可動整流板を有していてもよい。かかる場合、上記ガス流の強さに応じたガス流の向きの変更を適正に行うことができる。

前記整流機構は、可動整流板を支持するばね部材を有し、前記可動整流板は、前記ばね部材の弾性により可動になっていてもよい。かかる場合、ガス流の向きの変更を簡単な機構で実現できる。

前記ガス流入口は、前記ケーシング内のイオン交換樹脂板の上流側の上流空間に対し、イオン交換樹脂板面と平行な一の方向に向けてガスを流入するように形成されており、前記可動整流板は、前記上流空間における前記ガス流入口の正面に設けられ、衝突するガス流の強さに応じて前記ガスの一の方向に対する傾き角度が変動して、ガス流の向きを変更するようにしてもよい。かかる場合、可動整流板が、ガス流の強さに対して応答性よく可動するので、イオン交換樹脂板面に対するガスの流れ方向の変更を好適に行うことができる。

前記可動整流板は、比較的ガス流が弱い場合に、前記一の方向に対する傾き角度が大きくなり、比較的ガス流の強い場合に、前記一の方向に対する傾き角度が小さくなるようにしてもよい。

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、イオン交換樹脂板面内の利用率の偏りを低減できるので、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耐久性を向上できる。

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を備えた燃料電池システム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などの調圧装置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や不純物を除去する、本実施の形態に係るイオン交換器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。イオン交換器３６には、イオン交換器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、イオン交換器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、イオン交換器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、及び調圧装置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、イオン交換器３６について説明する。図２は、イオン交換器３６の構成の概略を示す縦断面の説明図である。

イオン交換器３６は、例えば図２に示すように上下面が閉鎖された略筒状のケーシング５０を有している。ケーシング５０の一方の側面側（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が形成されている。このガス流入口５０ｂには、燃料電池１０側の循環流路３２が通じている。このガス流出口５０ｂからは、一の方向としての水平方向に向けて水素オフガスが流入される。また、ケーシング５０の他方の側面側（図２の右側）の側壁部５０ｃの上部には、水素オフガスが流出するガス流出口５０ｄが形成されている。このガス流出口５０ｄは、水素ポンプ３７側の循環流路３２に通じている。かかる構成により、ケーシング５０内には、ガス流入口５０ｂからガス流出口５０ｄに向かって流れるガス流路が形成される。

ケーシング５０内には、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、その水素オフガス中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、ガス流入口５０ｂとガス流出口５０ｄの間のガス流路に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側の上流空間としての下部空間Ｓ１と、ガス流出口５０ｄ側の上部空間Ｓ２に分けられている。

下部空間Ｓ１には、整流機構７０が設けられている。整流機構７０は、例えば可動整流板７１と、ばね部材７２と、基台７３を有している。可動整流板７１は、例えばガス流入口５０ｂの正面に設けられ、ガス流入口５０ｂから流入したガス流が直接当たるようになっている。ケーシング５０の底面には、基台７３が取り付けられ、その基台７３には、ばね部材７２が立設されている。可動整流板７１は、そのばね部材７２の上端部に支持されている。

可動整流板７１は、例えば無荷重時（ガス流停止時）にガス流入口５０ｂ側の先端側が低く、その反対側の後端側が高くなるように、水平方向に対しほぼ垂直に傾いた状態で支持されている。可動整流板７１は、ガス流入口５０ｂから流入したガス流の圧力を受けることにより、ばね部材７２の弾性力に抗して回動して傾き角度θを変動できる。これにより、ガス流入口５０ｂからイオン交換樹脂板６０に流れるガス流を整流し、当該ガス流のイオン交換樹脂板６０面に対する流れ方向をガス流の強さに応じて変更できる。つまり、可動整流板７１により、ガス流の強さに応じて、ガスをイオン交換樹脂板６０面内の異なる部分に向けて流すことができる。

ケーシング５０の下部空間Ｓ１に面する側壁部５０ｃには、湾曲形状に傾斜した内壁面５０ｅが形成されている。内壁面５０ｅ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。

ケーシング５０の側壁部５０ｃ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５０ｆが形成されている。液溜め部５０ｆ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５０ｆの排出側には、上述の排出流路３８が接続されている。かかる構成により、イオン交換器３６は、水素オフガス中の水分を分離する気液分離器としての機能も有する。

次に、以上のように構成されたイオン交換器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、図２に示すイオン交換器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内に水平方向に流入され、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Ｈは、重力により落下し、ケーシング５０の底面を通って液溜め部５０ｆに貯留される。

下部空間Ｓ１に水平方向に流入した水素オフガスは、可動整流板７１に衝突し、可動整流板７１によりイオン交換樹脂板６０側の上方向に向きが変えられる。このとき、ガス流の押圧力により、可動整流板７１の傾き角度θが定まる。したがって、ガス流の強さに応じて、イオン交換樹脂板６０面に対するガス流の向きが変えられる。ガス流が弱い場合には、図３に示すようにばね部材７２の弾性力に抗する力が弱いので、可動整流板７１があまり押されず、傾き角度θが大きくなり、ガス流入口５０ｂ側に近い部分のイオン交換樹脂板６０に水素オフガスが流される。また、ガス流が強い場合には、図４に示すようにばね部材７２の弾性力に抗する力が強いので、可動整流板７１が大きく押されて、傾き角度θが小さくなり、ガス流入口５０ｂ側から遠い部分のイオン交換樹脂板６０に水素オフガスが流される。このように、ガス流の強さが変わる度に、イオン交換樹脂板６０面内のガスの流入場所が変更される。

イオン交換樹脂板６０に流入した水素オフガスは、不純物が除去され、上部空間Ｓ２側に流出する。その後水素オフガスは、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５０ｆ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、整流機構７０によりイオン交換樹脂板６０面に対するガス流の方向を変更できるので、イオン交換樹脂板６０の一部分が集中的に利用されることがなく、イオン交換樹脂板６０面内の利用率の偏りを低減できる。この結果、例えばイオン交換樹脂板６０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６０の耐久性を向上できる。

また、整流機構７０は、ガス流の強さに応じてイオン交換樹脂板６０面に対するガス流の流れ方向を変更するので、ガス流の強さが変わる際に、ガス流の向きが変更され、より確実にイオン交換樹脂面６０内の利用率の偏りを低減できる。

さらに、整流機構７０は、ガス流の圧力により動いてガス流の向きを変更する可動整流板７１を有するので、ガス流の強さに応じたガス流の流れ方向の変更を適正に行うことができる。

整流機構７０は、可動整流板７１を支持するばね部材７２を有し、可動整流板７１は、ばね部材７２の弾性により可動になっているので、ガス流の向きの変更を簡単な機構で実現できる。

また、以上の実施の形態では、ガス流入口５０ｂが、ケーシング５０内の下部空間Ｓ１に対し、イオン交換樹脂板６０面と平行な水平方向に向けてガスを流入するように形成され、可動整流板７１は、下部空間Ｓ１のガス流入口５０ｂの正面に設けられ、衝突するガス流の強さに応じて水平方向に対する傾き角度θが変動して、ガス流の向きを変更するようになっている。かかる構成によれば、可動整流板７１が、ガス流の強さに対して応答性よく可動し、イオン交換樹脂板６０面に対するガスの流れ方向の変更を好適に行うことができる。

可動整流板７１は、比較的ガス流が弱い場合に、傾き角度θが大きくなり、比較的ガス流の強い場合に、傾き角度θが小さくなるようにしたので、イオン交換樹脂板６０面の広範囲に渡りガスを流すことができる。

また、本実施の形態では、上記イオン交換器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における整流機構７０は、イオン交換樹脂板６０面に対するガス流の流れ方向を変更できるものであれば、他の構成を有するものであってもよい。また、以上の実施の形態では、気液分離器の機能を有するイオン交換器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に設けられるイオン交換器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。 イオン交換器の構成の概略を示す断面図の説明図である。 比較的弱いガス流のときのイオン交換器の状態を示す説明図である。 比較的強いガス流のときのイオン交換器の状態を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３６ イオン交換器
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
７０ 整流機構
７１ 可動整流板
７２ ばね部材

Claims (8)

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、内部にガスが流れるケーシングと、
   前記ケーシングの内部に配置され、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、
   前記ガス流入口から流入したガス流のイオン交換樹脂板面に対する流れ方向を変更する整流機構と、を有することを特徴とする、イオン交換器。
2. 前記整流機構は、前記ガス流の強さに応じて前記イオン交換樹脂板面に対するガス流の流れ方向を変更することを特徴とする、請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記整流機構は、ガス流の押圧力により動いてガス流に対する角度を変えてガス流の向きを変更する可動整流板を有することを特徴とする、請求項２に記載のイオン交換器。
4. 前記整流機構は、可動整流板を支持するばね部材を有し、
   前記可動整流板は、前記ばね部材の弾性により可動になっていることを特徴とする、請求項３に記載のイオン交換器。
5. 前記ガス流入口は、前記ケーシング内のイオン交換樹脂板の上流側の上流空間に対し、イオン交換樹脂板面と平行な一の方向に向けてガスを流入するように形成されており、
   前記可動整流板は、前記上流空間における前記ガス流入口の正面に設けられ、衝突するガス流の強さに応じて前記ガスの一の方向に対する傾き角度が変動して、ガス流の向きを変更することを特徴とする、請求項４に記載のイオン交換器。
6. 前記可動整流板は、比較的ガス流が弱い場合に、前記一の方向に対する傾き角度が大きくなり、比較的ガス流の強い場合に、前記一の方向に対する傾き角度が小さくなることを特徴とする、請求項５に記載のイオン交換器。
7. 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１〜６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。
8. 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７に記載の燃料電池システム。

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