JP2011009033A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、イオン回収機能を好適に持続可能なイオン交換器を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１０を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路１２０に設けられ、冷媒中のイオンを吸着し、イオン濃度を低減するイオン交換器１であって、イオンを吸着する粒状のイオン交換樹脂１１が集合してなるイオン交換樹脂集合体１０と、イオン交換樹脂集合体１０を収容するゴムホース２０と、ゴムホース２０の両端側にそれぞれ設けられ、イオン交換樹脂１１の流出を防止するフィルタ４０と、を備え、ゴムホース２０は、径方向内側に収縮する収縮力を有しており、イオン交換樹脂１１の体積が小さくなったとしても、収縮力を有するゴムホース２０が収縮し、ゴムホース２０とイオン交換樹脂集合体１０とは密着する。
【選択図】図３

Description

本発明は、イオン交換器に関する。

近年、燃料電池車等の電力源として注目されている燃料電池スタックは、発電すると発熱するので、燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させ、燃料電池スタックを適宜に冷却している。このように循環する冷媒においては、燃料電池スタックの液絡を防止するため、冷媒のイオン濃度を低くすることが要求される。そこで、冷媒が循環する冷媒回路にイオン交換器を取り付け、このイオン交換器により、イオンを吸着・回収し、冷媒のイオン濃度を低減、つまり、脱イオン化する技術が知られている（特許文献１、２参照）。

特開２００７−１２２９０６号公報 特開２００４−１６０３６６号公報

しかしながら、イオン交換器に充填される粒状のイオン交換樹脂（陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂）は、経時的に体積収縮してしまう。よって、イオン交換樹脂と、これを収容し、一般にポリプロピレン等から形成されるケースとの間に、隙間が形成されてしまう。このように隙間が形成された状態で冷媒が流通すると、イオン交換樹脂がケース内を浮遊するだけでなく、冷媒が前記隙間を優先的に流通してしまい、冷媒中のイオンがイオン交換樹脂に吸着・回収されず、イオン交換器がイオン回収機能を発揮しない虞がある。

そこで、本発明は、簡易な構成で、イオン回収機能を好適に持続可能なイオン交換器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料電池を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路に設けられ、冷媒中のイオンを吸着し、イオン濃度を低減するイオン交換器であって、イオンを吸着する粒状のイオン交換樹脂が集合してなるイオン交換樹脂集合体と、前記イオン交換樹脂集合体を収容するゴムホースと、前記ゴムホースの両端側にそれぞれ設けられ、前記イオン交換樹脂の流出を防止するフィルタと、を備え、前記ゴムホースは、径方向内側に収縮する収縮力を有しており、前記イオン交換樹脂の体積が小さくなったとしても、収縮力を有する前記ゴムホースが収縮し、前記ゴムホースと前記イオン交換樹脂集合体とは密着することを特徴とするイオン交換器である。

このようなイオン交換器によれば、粒状のイオン交換樹脂の体積が小さくなったとしても、これに対応して、収縮力を有するゴムホースが径方向内側に収縮するので、ゴムホースとイオン交換樹脂集合体とが密着し、イオン交換樹脂集合体とゴムホースとの間に隙間は形成されず、また、イオン交換樹脂がゴムホース内を浮遊することもない。
このように隙間が形成されないので、冷媒はイオン交換樹脂集合体内を流通し、イオン交換樹脂に良好に接触等し、冷媒中のイオンはイオン交換樹脂に吸着・回収される。よって、イオン交換器のイオン回収機能は好適に持続する。

また、ゴムホースの両端側にはフィルタがそれぞれ設けられているので、イオン交換樹脂がゴムホースの軸方向（冷媒の流通方向）において、外部に流出することはなく、ゴムホース内に拘束される。
さらに、収縮チューブ、収縮バンド等のゴムホースを径方向内側に押圧する押圧手段を使用せず、ゴムホース自体の収縮力を利用するので、部品点数が少なくなると共に、簡易な構成となり、製造容易となる。

また、前記イオン交換器において、前記ゴムホースの両端にそれぞれ設けられ、前記ゴムホースと他の機器とを接続し、前記ゴムホースよりも剛性の高いジョイントを備え、前記各フィルタは、前記各ジョイントにそれぞれ設けられていることを特徴とする。

このようなイオン交換器によれば、各フィルタは、ゴムホースよりも剛性の高いジョイントにそれぞれ設けられているので、各フィルタがゴムホースの軸方向において移動することはない。つまり、ゴムホースの径方向内側に収縮する収縮力によって、イオン交換樹脂集合体が、径方向内側に押され、軸方向外側に伸張しようとしても、イオン交換樹脂集合体はフィルタによって拘束され、イオン交換樹脂が外部に流出することはない。

また、前記イオン交換器において、前記ゴムホースは円筒状であることを特徴とする。

このようなイオン交換器によれば、ゴムホースが円筒状であるので、ゴムホースの収縮力は周方向において均等になり、イオン交換樹脂集合体は、全体的にゴムホースから径方向内側に押される。よって、イオン交換樹脂集合体は略円柱状になり、ゴムホースとイオン交換樹脂集合体とはさらに密着しやすくなり、冷媒がイオン交換樹脂集合体をさらに迂回しにくくなる。
また、イオン交換樹脂集合体は略円柱状になるから、輪切り断面方向において、粒状の熱交換樹脂は、均等に分布しやすくなり、輪切り断面方向における熱交換樹脂の密度はばらつきにくくなる。

本発明によれば、簡易な構成で、イオン回収機能を好適に持続可能なイオン交換器を提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係るイオン交換器の側面図である。 本実施形態に係るイオン交換器の側断面図であり、（ａ）はイオン交換樹脂の収縮前、（ｂ）は収縮後を示す。 本実施形態に係るイオン交換器の輪切り断面図であり、（ａ）は図３（ａ）のＸ１−Ｘ１線断面図であり、（ｂ）は図３（ｂ）のＸ２−Ｘ２線断面図である。 本実施形態に係るイオン交換器の側断面図であり、イオン交換樹脂の充填状況を示している。 変形例に係るイオン交換器の側断面図の要部である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０（燃料電池）と、燃料電池スタック１１０を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路１２０と、冷媒回路１２０に設けられたイオン交換器１と、を備えている。
なお、本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池車（移動体）に搭載されている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１及びカソード流路１１２が形成されている。

そして、水素が、水素タンク（図示しない）から、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ（図示しない）から、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と外部負荷（例えば走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。

また、各セパレータには、セルを適宜に冷却するために冷媒が流通する溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が、燃料電池スタック１１０の冷媒流路１１３として機能している。そして、冷媒流路１１３を冷媒が流通すると、発電に伴って自己発熱する燃料電池スタック１１０が適宜に冷却され、燃料電池スタック１１０が過昇温しないようになっている。

＜冷媒回路＞
冷媒回路１２０は、燃料電池スタック１１０の冷媒流路１１３を経由するように冷媒を循環させる回路であって、冷媒ポンプ１２１と、ラジエータ１２２と、ノーマルクローズ型の遮断弁１２３と、を備えている場合もある。
なお、冷媒は、例えば、エチレングリコールと、水と、導電率を調整したり、耐腐食性を高める添加剤との混合液からなる。

冷媒流路１１３の出口は、配管１２２ａ、ラジエータ１２２、配管１２２ｂ、冷媒ポンプ１２１、配管１２１ａを介して、冷媒流路１１３の入口に接続されている。
冷媒ポンプ１２１は、燃料電池スタック１１０及び／又はバッテリ（図示しない）を電源とし、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）からの指令に従って作動すると、冷媒が、燃料電池スタック１１０とラジエータ１２２との間で循環するようになっている。

配管１２１ａの途中は、配管１２３ａ、遮断弁１２３、配管１２３ｂ、イオン交換器１、配管１２３ｃを介して、配管１２２ａの途中に接続されている。すなわち、イオン交換器１は、配管１２３ａと配管１２３ｂと配管１２３ｃとを備えて構成され、冷媒流路１１３をバイパスするパイパス流路（冷媒回路１２０の一部）に設けられている。つまり、本実施形態では、イオン交換器１と燃料電池スタック１１０とは、冷媒の流れに対して並列で配置されている。
ただし、これに限定されず、直列で配置された構成、例えばイオン交換器１が配管１２２ａに設けられた構成や、ラジエータ１２２をバイパスするラジエータバイパス配管（図示しない）に設けられた構成でもよい。

＜イオン交換器の構成＞
次に、イオン交換器１の具体的構成について、図２〜図４を参照して説明する。
なお、図２〜図４では、分かりやすく説明するため、イオン交換樹脂１１等を大きく記載している。

イオン交換器１は、図２に示すように円柱状を呈しており、例えば、燃料電池車に略横置きされた状態で、つまり、フロアパネル（図示しない）と略平行な状態で配置されている。ただし、横置きに限定されるものではなく、縦置きであっても、斜め置きなど燃料電池システム１００のレイアウトに応じて適宜変更できる。

そして、イオン交換器１は、図３（ａ）に示すように、イオン交換樹脂集合体１０と、イオン交換樹脂集合体１０を収容するゴムホース２０と、ゴムホース２０の両端にそれぞれ設けられたジョイント３０、３０と、各ジョイント３０と一体成形されると共に、各ジョイント３０に設けられたフィルタ４０と、を備えている。
すなわち、ゴムホース２０の両端開口には、ジョイント３０、３０がそれぞれ差し込まれており、そして、ゴムホース２０の外周面を巻回するバンド２１によって、ゴムホース２０がジョイント３０から脱離しないようになっている。

［イオン交換樹脂集合体］
イオン交換樹脂集合体１０は、複数のイオン交換樹脂１１（陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂）が集合して構成され、円筒状を呈するゴムホース２０の径方向内側への収縮力（矢印Ａ１参照）によって、略円柱状を呈している。
イオン交換樹脂１１は、粒状を呈しており、脱イオンすべきイオン種（陽イオン、陰イオン）に対応して、所定の配合比で、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混合されたものである。なお、このようなイオン交換樹脂１１は、使用に伴って、経時的に体積が小さくなり、収縮する（図３（ｂ）参照）。

［ゴムホース］
ゴムホース２０は、円筒状を呈すると共に（図４（ａ）参照）、若干径方向外側に伸ばされた状態で、つまり、やや拡径した状態で、イオン交換樹脂集合体１０を収容しており、ゴムホース２０自体が、径方向内側に収縮する収縮力を有している（矢印Ａ１参照）。ただし、ゴムホース２０は、この他に例えば、正六角形筒状でもよい。
また、このようなゴムホース２０は、ゴムホース２０自体からのイオン溶出を防止するため、例えばシリコーンブレードから形成される。

これにより、ゴムホース２０は、イオン交換樹脂集合体１０を径方向内側に圧縮し、イオン交換樹脂集合体１０の外形を円柱状に形成しつつ、イオン交換樹脂集合体１０と密着している。すなわち、ゴムホース２０の内周面とイオン交換樹脂集合体１０の外周面との間に、隙間（スペース）は形成されてない。よって、ゴムホース２０内を流通する冷媒が、イオン交換樹脂集合体１０をバイパス（迂回）することはなく、イオン交換樹脂集合体１０内を流通し、イオン交換樹脂１１で好適に脱イオンされるようになっている。

また、ゴムホース２０は円筒状であるから、ゴムホース２０の収縮力は周方向において均等になり、イオン交換樹脂集合体１０は、全体的にゴムホースから径方向内側に押される。よって、イオン交換樹脂集合体１０は前記したように略円柱状となり、ゴムホース２０とイオン交換樹脂集合体１０とは良好に密着している。

これと同時に、イオン交換樹脂集合体１０は、周方向において径方向内側に均等に圧縮されているから、イオン交換樹脂集合体１０の輪切り断面方向におけるイオン交換樹脂１１の密度は略等しくなり、冷媒が、イオン交換樹脂集合体１０内の全体を流通しやすくなり、効率的に脱イオンされる。

そして、使用に伴って、イオン交換樹脂１１の体積が小さくなったとしても、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、前記収縮力を有するゴムホース２０が、径方向内側に収縮することで（矢印Ａ２参照）、体積が小さくなったイオン交換樹脂１１を圧縮・集合させ、イオン交換樹脂集合体１０を形成し、ゴムホース２０とイオン交換樹脂集合体１０とが密着するようになっている。

すなわち、イオン交換樹脂１１が体積収縮したとしても、ゴムホース２０とイオン交換樹脂集合体１０との間に隙間は形成されず、冷媒が、イオン交換樹脂集合体１０内を流通し、イオン交換樹脂１１で脱イオンされるようになっている。つまり、イオン交換樹脂１１が体積収縮したとしても、イオン交換器１のイオン回収機能は好適に持続されるように設計されている。

ここで、ゴムホース２０に径方向内側の収縮力を付与する一方法について、図５を参照して説明する。
図５に示すように、ゴムホース２０から左側のジョイント３０を取り外し、ゴムホース２０の左端に、空気を所定圧力で吐出するノズル５１を差し込む。そして、空気が漏れないように、右側のジョイント３０の開口を、適宜な治具（図示しない）で塞いだ後、ノズル５１から空気を吐出し、ゴムホース２０を所定に膨らませ、径方向外側に広げる（矢印Ａ３参照）。

その後、膨らんでいるゴムホース２０内に、ノズル５１からイオン交換樹脂１１を流し込み、ゴムホース２０内にイオン交換樹脂１１を充填する。イオン交換樹脂１１を所定量に充填した後、ノズル５１を取り外し、左側のジョイント３０をゴムホース２０の左端に差し込む。

［ジョイント］
図３に戻って説明を続ける。
ジョイント３０、３０は、ゴムホース２０（イオン交換器１）と、配管１２３ｂ、１２３ｃ（他の機器）とを接続するためのものである。このようなジョイント３０は、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＡＢＳ（アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン）等から形成されており、ジョイント３０の剛性は、ゴムホース２０の剛性よりも高く設計されている。

［フィルタ］
フィルタ４０は、ゴムホース２０の軸方向（冷媒の流通方向）におけるイオン交換樹脂１１の外部への流出を防止するものであり、インサート成形によって、ジョイント３０に設けられると共に、ジョイント３０と一体成形されている。このようなフィルタ４０は、円板状を呈すると共に、フィルタ４０には、冷媒の流通を許可し、かつ、体積収縮したとしてもイオン交換樹脂１１の通過を許可しない複数の連通孔４１が形成されている。

そして、このようなフィルタ４０が、前記したように剛性の高いジョイント３０に一体で設けられている、つまり、ジョイント３０に固定され、ゴムホース２０の軸方向に移動しないことより、径方向内側に圧縮され、軸方向に伸張しようとするイオン交換樹脂集合体１０が、フィルタ４０、４０間で好適に拘束されるようになっている。
すなわち、フィルタ４０の厚さ等に基づく剛性は、軸方向外側に延在しようとするイオン交換樹脂集合体１０の圧力で、変形しない程度に設定されることが望ましい。

＜イオン交換器の作用、効果＞
このようなイオン交換器１によれば、次の作用効果を得る。
使用に伴ってイオン交換樹脂１１の体積が小さくなったとしても、これに対応して、ゴムホース２０が径方向内側に収縮し、イオン交換樹脂集合体１０とゴムホース２０との間に隙間が形成されない。これにより、冷媒がイオン交換樹脂集合体１０内を流通し、イオン交換器１のイオン回収機能は好適に持続する。

また、ゴム製の収縮チューブ等を備えず、ゴムホース２０自体の収縮力を利用した簡易な構成であるので、部品点数が増加することもなく、容易に製造できる。
ただし、イオン交換樹脂１１の収縮に対応したゴムホース２０の収縮を確実とするべく、ゴムホース２０の外周面に例えば所定間隔でゴムバンドを巻回する構成としてもよい。

さらに、フィルタ４０は、剛性の高いジョイント３０に固定されているので、圧縮により軸方向外側に伸張しようとするイオン交換樹脂集合体１０を好適に拘束できる。
さらにまた、ゴムホース２０は円筒状であるので、輪切り断面方向におけるイオン交換樹脂１１の密度を均一にでき、冷媒が輪切り断面全体を流通すると共に、冷媒からイオンを効率的に吸着・回収できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更できる。
例えば、図６に示すように、ジョイント３０と、フィルタ４０とを別部品とする構成としてもよい。この場合において、フィルタ４０をジョイント３０に対して軸方向でスライド自在に設け、さらに、フィルタ４０をゴムホース２０側に付勢する複数の皿ばね４２（付勢ばね）を備えることが好ましい。なお、フィルタ４０は、ジョイント３０に取り付けられたリング板４３によって、ジョイント３０から脱落しないようになっている。

このような構成にすれば、径方向内側への圧縮により、軸方向外側に伸張しようとするイオン交換樹脂集合体１０の軸方向外向きの圧力に対応して、フィルタ４０がスライドすることになるから、複数の皿ばね４２のばね力を適宜設定することにより、収縮前後におけるイオン交換樹脂１１の密度を略一定とすることもできる。

前記した実施形態では、燃料電池システム１００が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、定置型の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。

１ イオン交換器
１０ イオン交換樹脂集合体
１１ イオン交換樹脂
２０ ゴムホース
３０ ジョイント
４０ フィルタ
１１０ 燃料電池スタック（燃料電池）

Claims (3)

1. 燃料電池を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路に設けられ、冷媒中のイオンを吸着し、イオン濃度を低減するイオン交換器であって、
   イオンを吸着する粒状のイオン交換樹脂が集合してなるイオン交換樹脂集合体と、
   前記イオン交換樹脂集合体を収容するゴムホースと、
   前記ゴムホースの両端側にそれぞれ設けられ、前記イオン交換樹脂の流出を防止するフィルタと、
   を備え、
   前記ゴムホースは、径方向内側に収縮する収縮力を有しており、
   前記イオン交換樹脂の体積が小さくなったとしても、収縮力を有する前記ゴムホースが収縮し、前記ゴムホースと前記イオン交換樹脂集合体とは密着する
   ことを特徴とするイオン交換器。
2. 前記ゴムホースの両端にそれぞれ設けられ、前記ゴムホースと他の機器とを接続し、前記ゴムホースよりも剛性の高いジョイントを備え、
   前記各フィルタは、前記各ジョイントにそれぞれ設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換器。
3. 前記ゴムホースは円筒状である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換器。

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