JP2010205661A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】容器内に収容されたイオン交換樹脂全体を用いて、冷却水のイオン交換を効率的に行うことができるイオン交換器を提供する。
【解決手段】容器２１内に、燃料電池の冷却水のイオンを交換するためのイオン交換樹脂２４を収容する。容器２１には冷却水の入口２７及び出口２８を、互い違い等の非対応関係に配置する。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池の冷却システムにおいて、冷却水に含まれる不純物イオンを吸着して除去するためのイオン交換器に関するものである。

従来、この種のイオン交換器としては、例えば特許文献１に開示されるような構成が提案されている。この従来構成においては、図８に示すように、筒状の容器４１内に冷却水中のイオンを交換するための粒状のイオン交換樹脂４２が収容されている。容器４１の底面中央部には、容器４１内に冷却水を導入するための入口４３が形成されている。容器４１の上面中央部には、容器４１内から冷却水を導出するための出口４４が形成されている。そして、入口４３から容器４１内に流入する冷却水が前記イオン交換樹脂４２に接触することにより、冷却水に含まれる不純物イオンがイオン交換樹脂４２によって吸着して除去される。

特開２００５−３２７５７１号公報

ところが、この従来のイオン交換器においては、冷却水の入口４３と出口４４とが容器４１の底面中央部及び上面中央部に相互に対応する状態で形成されている。このため、図８に矢印で示すように、入口４３から容器４１内に流入する冷却水が出口４４に向かって直進的に流れて、容器４１内の底部外周縁の部分Ｐ，つまり隅部に位置するイオン交換樹脂４２には冷却水が接触しにくい。よって、容器４１内に収容されたイオン交換樹脂４２を満遍なく用いて、イオン交換を効率的に行うことができないという問題があった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、容器内に収容されたイオン交換樹脂全体を満遍なく用いて、冷却水のイオン交換を効率的に行うことができるイオン交換器を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は、燃料電池の冷却水中のイオンを交換するためのイオン交換樹脂を容器内に収容したイオン交換器において、前記容器に対する冷却水の入口及び出口を非対応関係に配置したことを特徴としている。

従って、この発明のイオン交換器においては、入口から容器内に流入する冷却水が、入口と非対応関係に配置された出口に向かって対流状や旋回状に流れる。よって、冷却水が容器内に収容されたイオン交換樹脂全体にわたって満遍なく接触して、冷却水のイオン交換を効率的に行うことができる。

また、前記の構成において、前記入口と出口とを互い違いに配置するとよい。このように構成した場合には、容器内において冷却水の対流を効果的に発生させることができて、冷却水のイオン交換を一層効率良く行うことができる。

前記の構成において、前記入口と出口とが対向しないように互い違いに配置することが好ましい。
さらに、前記の構成において、前記入口を構成する配管と出口を構成する配管とをオーバーラップして配置するとよい。

さらに、前記の構成において、前記容器を円筒状に形成し、前記入口及び出口を容器の軸線方向の異なる位置において容器の接線方向を指向するように配置するとよい。このように構成した場合には、入口から容器内に流入する冷却水に旋回流が発生して、冷却水を容器内のイオン交換樹脂全体にわたって満遍なく接触させることができ、冷却水のイオン交換を一層効率良く行うことができる。

以上のように、この発明によれば、容器内に収容されたイオン交換樹脂全体を用いて、冷却水のイオン交換を効率的に行うことができるという効果を発揮する。

この発明を具体化したイオン交換器を備える燃料電池の冷却システムを示す回路図。 第１実施形態のイオン交換器を示す断面図。 図２の３−３線における断面図。 第２実施形態のイオン交換器を示す断面図。 図４の５−５線における断面図。 第３実施形態のイオン交換器を示す断面図。 図６の７−７線における断面図。 従来のイオン交換器を示す断面図。

（第１実施形態）
以下に、この発明の第１実施形態を、図１〜図３に従って説明する。
図１に示すように、この実施形態の燃料電池の冷却システムにおいては、燃料電池１１に冷却水の循環配管１２が接続され、その循環配管１２中には冷却水を循環させるためのポンプ１３が設けられている。ポンプ１３の上流側の循環配管１２には、熱交換器１４が接続されている。この熱交換器１４はラジエータ１５と、そのラジエータ１５に空気を吹き付けるための送風ファン１６とにより構成されている。

前記冷却水として水にエチレングリコール（不凍液）を含有した液体が用いられている。そして、前記燃料電池１１内に多数枚積層された図示しない発電セルにより、水素ガスと酸素ガスとが反応して発電が行われる際に、発電セルから発生する熱と、冷却水の熱との温度差により熱交換されて、発電セルが冷却される。この冷却により、発電セルが過熱して発電不能に陥るおそれが防止される。

図１に示すように、前記循環配管１２には、バイパス配管１７がラジエータ１５及びポンプ１３に対して並列に接続されている。バイパス配管１７には、イオン交換器１８が接続されている。そして、循環配管１２内に循環される冷却水の一部がバイパス配管１７を介して、イオン交換器１８を通過することにより、冷却水に含まれる不純物イオンが除去される。

すなわち、前記循環配管１２内の冷却水に含まれるエチレングリコールが加熱分解されると、ギ酸が生成され、このギ酸によりマイナスのイオンが生成される。また、ギ酸と循環配管１２の内面とが反応されると、プラスのイオンも生成される。このようにして、冷却水はマイナスのイオンとプラスのイオンと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、冷却水に含まれる不純物イオンの濃度が高くなるほど、冷却水の電気伝導度が高くなり、燃料電池１１で発電された電気が冷却水を媒体として外部に漏洩しやすくなる。このような不具合を解消するために、イオン交換器１８により、冷却水に含まれる不純物イオンが除去して、冷却水の電気伝導度の高まりを抑制する。

次に、前記イオン交換器１８の構成について詳細に説明する。
図２及び図３に示すように、イオン交換器１８の容器２１は、上面を開口した有底円筒状をなすとともに、その軸線が垂直方向を向く容器本体２２と、その容器本体２２の開口に着脱可能に取り付けられたほぼ円板状の蓋体２３とを備えている。容器２１内には、冷却水のイオンを交換するための粒状のイオン交換樹脂２４が収容されている。この場合、イオン交換樹脂２４として、マイナスのイオンを吸着するアニオン系樹脂と、プラスのイオンを吸着するカチオン系樹脂とが混在するように収容されている。

図２及び図３に示すように、前記容器本体２２の底面中央部付近には、容器２１内に冷却水を導入するための入口２７が形成されている。蓋体２３の上面中央部付近には、容器２１内から冷却水を導出するための出口２８が形成されている。この場合、この入口２７と出口２８とは容器２１内に大きく突出するように形成され、それらの内端部２７ａ，２８ａが対向しないように配置されるとともに、入口２７を構成する配管と出口２８を構成する配管とが容器２１内において上下方向に所定量オーバーラップして配置されるように構成されている。従って、前記入口２７と出口２８とは、上下方向及び水平方向において非対応関係になるように互い違いに配置されている。

図２に示すように、前記入口２７及び出口２８の内端部２７ａ，２８ａには、網目状のフィルタ２９，３０が取り付けられている。そして、これらのフィルタ２９，３０により、入口２７及び出口２８内へのイオン交換樹脂２４の流入，すなわち容器２１外へのイオン交換樹脂２４の流出が防止されている。

さて、図１に示す燃料電池１１の冷却システムにおいて、ポンプ１３により冷却水が循環配管１２内で循環されるとき、その冷却水の一部がバイパス配管１７を介して、イオン交換器１８の入口２７から容器２１内に導入される。なお、図示しないが、イオン交換器１８の上流側におけるバイパス配管には、絞り弁が設けられていて、その絞り弁の作用により循環配管１２内の冷却水の一部のみがバイパス配管１７内に導入されるようになっている。この場合、図２及び図３に示すように、冷却水の入口２７と出口２８とが、上下方向及び水平方向の双方において互い違いで非対応関係になるとともに、所定量オーバーラップした状態に配置されている。このため、図２に矢印で示すように、容器２１内において冷却水が、入口２７の内端部２７ａから上方へ流れた後に下方へ反転して流れ、出口２８の内端部２８ａに向かって乱流を含む対流状に流れる。よって、冷却水が容器２１内に収容されたイオン交換樹脂２４全体にわたって満遍なく接触し、そのイオン交換樹脂２４全体を用いて冷却水に含まれる不純物イオンが同樹脂２４に吸着されて除去される。

従って、この第１実施形態においては、以下の効果がある。
（１） この実施形態のイオン交換器１８においては、入口と出口とが対応するように配置された従来構成とは異なり、冷却水が容器内において入口から出口に向かって直進的に流れることはない。従って、容器内の底部外周縁の部分（隅部）に収容されたイオン交換樹脂に冷却水が接触し難いという不具合が発生するおそれはない。よって、冷却水のイオン交換を効率良く行うことができる。

（２） しかも、そのための構成は、冷却水の入口２７と出口２８とが、上下方向及び水平方向の双方において互い違いで非対応関係になるとともに、所定量オーバーラップした状態に配置されただけであるため、部品点数が増えることはない。このため、構成は簡単である。

（第２実施形態）
次に、この発明を具体化したイオン交換器の第２実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

さて、この第２実施形態においては、図４及び図５に示すように、有底円筒状の容器本体２２の下端外周に入口２７が接線方向に指向するように形成されている。また、蓋体２３の外周には、出口２８が入口２７と異なる位置において接線方向に指向するように形成されている。入口２７及び出口２８には、それぞれイオン交換樹脂２４の流出を防止するためのフィルタ２５，２６が設けられている。

従って、この実施形態のイオン交換器１８においては、図４及び図５に矢印で示すように、入口２７から容器２１内に流入する冷却水が、旋回流を生じながら上方の出口２８に流れる。

よって、この第２実施形態においても、前記第１実施形態の場合とほぼ同様に、冷却水を容器２１内のイオン交換樹脂２４全体にわたって満遍なく接触させることができ、冷却水のイオン交換を効率良く行うことができる。

（第３実施形態）
次に、この発明を具体化したイオン交換器の第３実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

さて、この第３実施形態においては、図６及び図７に示すように、容器２１の容器本体２２が有底四角筒状に形成されるとともに、蓋体２３が四角板状に形成されている。そして、入口２７が容器本体２２の底部において１つの隅角部に近接する位置に形成されるとともに、出口２８が蓋体２３において入口２７と対角線方向における反対側の隅角部に近接する位置に形成されている。

従って、この第３実施形態においても、前記第１実施形態に記載の効果とほぼ同様の効果を得ることができる。さらに、この第３実施形態においては、以下の効果がある。
（３） イオン交換器の容器２１が四角筒状をなしているため、同一幅の円筒状の容器２１と比較して大量のイオン交換樹脂２４を収容できる。そして、入口２７及び出口２８が四角の隅部に位置しているため、この大量のイオン交換樹脂２４に対して冷却水を満遍なく接触させることができる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 前記各実施形態において、容器２１の形状を任意に変更すること。例えば、容器２１を楕円筒状，六角筒状に構成すること。

・ 前記各実施形態においては、円筒状等の筒状をなす容器２１をその中心線（軸線）が垂直になるように設置したが、中心線（軸線）が水平になるように設置すること。
・ 図４に示す前記第２実施形態において、容器２１の形状を四角筒等の角筒状に構成し、入口２７及び出口２８を容器２１の内壁面の延長方向を指向するように構成すること。

１１…燃料電池、１２…冷却水の循環配管、１４…熱交換器、１７…バイパス配管、１８…イオン交換器、２１…容器、２２…容器本体、２３…蓋体、２４…イオン交換樹脂、２７…入口、２８…出口。

Claims (5)

1. 燃料電池の冷却水中のイオンを交換するためのイオン交換樹脂を容器内に収容したイオン交換器において、
   前記容器に対する冷却水の入口及び出口を非対応関係に配置したことを特徴とするイオン交換器。
2. 前記入口と出口とを互い違いに配置したことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記入口と出口とが対向しないように互い違いに配置したことを特徴とする請求項２に記載のイオン交換器。
4. 前記入口を構成する配管と出口を構成する配管とをオーバーラップして配置したことを特徴とする請求項２または３に記載のイオン交換器。
5. 前記容器を円筒状に形成し、前記入口及び出口を容器の軸線方向の異なる位置において容器の接線方向を指向するように配置したことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換器。

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