JP2011090803A - イオン交換樹脂及びイオン交換樹脂の形状保持方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換器の容器に対して容易に着脱することができるイオン交換樹脂を提供する。
【解決手段】燃料電池システム用のイオン交換器１６の容器１７内に収容されて、冷却液のイオン交換に供されるイオン交換樹脂１８において、多数の粒子状または繊維状をなすイオン交換樹脂単体２６ａが集合された集合体２６を、容器１７の形状に適合するように、通水性を有する形状保持手段としての発泡体２７によって形状保持する。この発泡体２７は、集合体２６の表層部に設けることが好ましい。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムにおいて冷却液中の不純物イオンを除去するためのイオン交換器に使用されるイオン交換樹脂及びイオン交換樹脂の形状保持方法に関するものである。

燃料電池システムにおいては、発電にともなって発熱する燃料電池を冷却するために、ポンプにより冷却液を強制的に循環させる冷却回路が設けられている。この冷却回路の錆び等よって冷却水中に不純物イオンが冷却液に生成さると、冷却液の電気伝導度が上昇し、燃料電池で発電された電気が冷却液を通して外部に漏洩して、発電効率の低下を招くおそれがある。このような不具合を抑制するために、通常、冷却回路には、冷却液中の不純物イオンを除去するためのイオン交換器が設けられている。

従来、この種のイオン交換器に使用されるイオン交換樹脂としては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるような構成が提案されている。特許文献１に記載の従来構成においては、多数の粒子状のイオン交換樹脂が、布地等の通水性及び伸縮性を有する袋状のパック内に封入されている。そして、このパックがイオン交換器の容器内に収容された状態で、パックが冷却液の流れ方向に沿って収縮されることにより、そのパックが容器の内周面に密着されるようになっている。

また、特許文献２に記載の従来構成においては、シート状をなすイオン交換樹脂を積層して構成されている。そして、イオン交換樹脂の表面が冷却液の流れ方向に沿って配置されるように、そのイオン交換樹脂がイオン交換器の容器内に収容されている。

特開２００７−１２２９０６号公報 特開２００４−２９８６８６号公報

ところが、これらの従来の構成においては、以下のような問題があった。特許文献１に記載の従来構成においては、粒子状のイオン交換樹脂が袋状のパック内に封入されているため、パックの外形状が不安定で変形しやすい。よって、イオン交換樹脂が劣化して、新しいイオン交換樹脂と取り換えるような必要がある場合、パックの形状が定まらないために、イオン交換器の容器に対するパックの収容作業に手間がかかり、場合によってはイオン交換器の本体とその蓋体との間にパックが噛み込まれたりするおそれがあった。また、特許文献２に記載の従来構成においては、イオン交換樹脂がシート状のものを積層することによって構成されている。このため、粒子状のイオン交換樹脂を用いた構成に比較して、冷却液に対するイオン交換樹脂の接触表面積が少なくなって、イオン交換効率が低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、イオン交換器の容器に対して容易に着脱することができるとともに、イオン交換効率を向上させることができるイオン交換樹脂及びイオン交換樹脂の形状保持方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、イオン交換樹脂に関する発明は、燃料電池システム用のイオン交換器の容器内に収容されて、冷却液のイオン交換に供されるイオン交換樹脂であって、多数の粒子状または繊維状をなすイオン交換樹脂単体が集合された集合体を前記容器の形状に適合するように、通水性を有する形状保持手段によって形状保持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樹脂においては、全体がイオン交換器の容器に適合した形状に保持されている。このため、燃料電池システムにおいてイオン交換器の使用にともない、新しいイオン交換樹脂と取り換える必要が生じた場合、イオン交換器の容器に対してイオン交換樹脂を容易に着脱することができる。

しかも、この発明のイオン交換樹脂においては、粒子状または繊維状のイオン交換樹脂単体が用いられているため、シート状のイオン交換樹脂単体を用いた従来構成に比較して、冷却液に対するイオン交換樹脂単体の接触表面積が多くなる。よって、イオン交換樹脂全体のイオン交換効率を向上させることができる。

また、前記の構成において、前記形状保持手段を連泡性の発泡体により構成するとよい。
さらに、前記の構成において、前記形状保持手段を前記集合体の表層部に設けるとよい。

さらに、前記の構成において、前記形状保持手段を前記集合体が収容される硬質ケースにより構成し、その硬質ケースには多数の通水孔を形成するとよい。
また、イオン交換樹脂の形状保持方法に関する発明は、多数の粒子状または繊維状をなすイオン交換樹脂単体を多数の小孔を有する成形容器内に充填し、その成形容器を発泡剤内に浸漬させることにより、発泡剤によって形状保持することを特徴とする。

この形状保持方法によれば、集合体が粒状をなす多数のイオン交換樹脂単体よりなるものであっても、イオン交換樹脂の成形が容易になる。

以上のように、この発明によれば、イオン交換器の容器に対して容易に着脱することができるとともに、イオン交換効率を向上させることができるという効果を発揮する。

燃料電池の冷却回路を示す図。 第１実施形態のイオン交換樹脂を示す一部省略正面図。 第１実施形態のイオン交換樹脂を備えた燃料電池システム用のイオン交換器を示す断面図。 図３のイオン交換樹脂を拡大して示す部分断面図。 （ａ）及び（ｂ）は同イオン交換樹脂の製造方法を順に示す断面図。 発泡直後の状態を示す断面図。 第２実施形態のイオン交換樹脂を示す部分断面図。 第３実施形態のイオン交換樹脂を示す断面図。

（第１実施形態）
以下に、この発明を具体化した第１実施形態を、図１〜図６に従って説明する。
図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池１１の内部には、図示しない燃料極、酸化剤極及び両極間に介在された固体電解質膜よりなる多数の発電セルが積層状態で収容されている。前記燃料極側には、水素ガスを燃料として供給するための図示しない水素ガス供給系が接続されている。酸化剤極側には、酸化剤として酸素ガスを含む空気を供給するための図示しない空気供給系が接続されている。そして、燃料電池１１内の各発電セルに供給される水素ガスと酸素ガスとが化学的に反応して、発電が行われる。

前記燃料電池１１には、その発電動作中に発電セルを冷却するための冷却回路１２が接続されている。冷却回路１２中には、冷却液を燃料電池１１を通って循環させるためのポンプ１３が接続されている。この冷却液としては、例えばエチレングリコールを含有して長寿命化を図ったロングライフクーラントが用いられている。冷却回路１２中には、加熱された冷却液を冷却するためのラジエータ１４が接続されている。

そして、前記ポンプ１３が駆動されることにより、燃料電池１１内の発電セルを通るように冷却液が循環されて、その発電セルが冷却される。この場合、冷却液中に含まれるエチレングリコールが加熱分解されて、冷却液内にマイナスの不純物イオンとプラスの不純物イオンとが生成される。これらの不純物イオンは電荷をもっているため、冷却液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液を通して外部に漏洩するおそれがある。このため、前記冷却回路１２に対してラジエータ１４と並列になるように、バイパス回路１５が接続されている。バイパス回路１５中には、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するためのイオン交換器１６が接続されている。そして、循環される冷却液の一部がバイパス回路１５内を流れる。

図３に示すように、前記イオン交換器１６は、容器１７を備え、その容器１７内には、冷却液のイオン交換に供されるイオン交換樹脂１８が脱着可能に収容されている。前記容器１７は、一端を開口した有底円筒状の容器本体１９と、その容器本体１９の開口部を開閉可能な蓋板２０とより構成されている。すなわち、容器本体１９の開口外周縁にはフランジ部１９ａが突設され、このフランジ部１９ａ上にシールリング２１を介して蓋板２０が接合されている。この状態で、蓋板２０からフランジ部１９ａに複数のボルト２２が螺合されることにより、蓋板２０が容器本体１９に閉鎖状態で固定される。前記容器１７の容器本体１９の底面中央部には、容器１７内に冷却液を流入させるための流入口２３が形成されている。蓋板２０の中央部には、容器１７内から冷却液を流出させるための流出口２４が形成されている。流入口２３及び流出口２４の内端には、後述する粒子状のイオン交換樹脂単体２６ａの粒径よりも細かい目の網体等よりなるフィルタ２５が配設されている。

図２及び図４に示すように、前記イオン交換樹脂１８は、多数の粒子状をなすイオン交換樹脂単体２６ａが集合された集合体２６を、通水性を有する形状保持手段としてのウレタン樹脂等の連泡性の発泡体２７により、イオン交換器１６の容器１７の内面の形状に適合するように形状保持して構成されている。つまり、イオン交換樹脂１８は、全体が容器１７内に収容可能な円柱形状となるように形状保持されている。この場合、連泡性の発泡体２７は、集合体２６の内層部に及ぶことなく、集合体２６の外周面及び両端面の表層部のみに設けられている。また、前記イオン交換樹脂単体２６ａとしては、マイナスのイオンを吸着するアニオンタイプのイオン交換樹脂単体と、プラスのイオンを吸着するカチオンタイプのイオン交換樹脂単体とが混在されている。

次に、前記集合体２６の表層部に連泡性の発泡体２７を形成して、円柱状のイオン交換樹脂１８を製造する方法について説明する。
このイオン交換樹脂１８の製造時には、図５（ａ）に示すように、多数の粒子状のイオン交換樹脂単体２６ａを成形容器としての成形ドラム３１内に収容して、円柱状の集合体２６を形成する。この成形ドラム３１は、両端を開口した円筒状のドラム本体３２と、そのドラム本体３２の両端開口部に着脱可能に取り付けられた蓋体３３とから構成されている。ドラム本体３２及び蓋体３３には、多数の小孔３４が形成されている。前記ドラム本体３２及び蓋体３３の小孔３４の内周面も含む全表面には、フッ素樹脂あるいはシリコン樹脂よりなるコーティングが施されている。

そして、図５（ａ）に示すように、集合体２６を収容した成形ドラム３１をその中心軸線が横向きになった状態でＡ液槽３５内に配置して、成形ドラム３１内の集合体２６の外周表層部を発泡剤としてのＡ液槽３５内のＡ液３６に浸漬させる。このＡ液３６は、ポリオールを主成分とする溶液である。この状態で、成形ドラム３１をその軸線を中心に回転させることにより、集合体２６の外周表層部全体にＡ液３６を含ませる。続いて、図５（ｂ）に示すように、成形ドラム３１をその一端面が下向きになった状態でＡ液槽３５内に配置して、成形ドラム３１内の集合体２６の一端側表層部をＡ液槽３５内のＡ液３６に浸漬させる。このため、集合体２６の一端側表層部にＡ液３６を含ませる。さらに、成形ドラム３１をその他端面が下向きになった状態でＡ液槽３５内に配置して、成形ドラム３１内の集合体２６の他端側表層部をＡ液槽３５内のＡ液３６に浸漬させ、その集合体２６の他端側表層部にＡ液３６を含ませる。

次いで、集合体２６を収容した成形ドラム３１を、発泡剤としてのＢ液槽３７内のＢ液３８に対して、前記Ａ液３６を含ませた場合と同様に浸漬させて、集合体２６の表層部全体にＢ液３８を含ませる。このＢ液３８は、イソシアネートを主成分とする溶液である。

このようにすれば、Ａ液３６とＢ液３８とが反応して、ウレタン発泡が開始される。そして、発泡が開始された直後に、部屋３９内を急速減圧する。このようにすれば、発泡動作が促進され、その結果、連泡性で、かつ高い空隙率のウレタン発泡樹脂が得られる。このため、図６に示すように、集合体２６の表層部から成形ドラム３１の外表面にかけて連泡性のウレタン発泡体２７が形成され、その発泡体２７により集合体２６が円柱状に形状保持される。そして、成形ドラム３１の外表面側の発泡体２７を除去し、集合体２６を成形ドラム３１から抜き取る。この場合、成形ドラム３１の全表面にはフッ素樹脂あるいはシリコン樹脂よりなるコーティングが施されているため、発泡体２７は成形ドラム３１から容易に離脱する。その後、集合体２６の表面の余分な発泡体２７を研削等によって除去することにより、図２に示す形状のイオン交換樹脂１８が製造される。

次に、前記のように構成された燃料電池システムにおけるイオン交換器１６のイオン交換樹脂１８について作用を説明する。
さて、図３に示す燃料電池システムにおいて、燃料電池１１が運転されると、冷却回路１２内のポンプ１３が作動され、冷却液が冷却回路１２を介して燃料電池１１に供給される。そして、燃料電池１１の発電にともなって発生した熱が冷却液により吸収されて、燃料電池１１が冷却される。また、燃料電池１１からの吸熱により温度上昇した冷却液は、ラジエータ１４により冷却されて、燃料電池１１の冷却に再度使用される。

ところで、冷却液中に含まれるエチレングリコールが加熱等によって分解されると、マイナス及びプラスの不純物イオンが生成される。この不純物イオンを含んだ冷却液の一部が冷却回路１２からバイパス回路１５に流れて、イオン交換器１６の流入口２３から容器１７内に流入する。そして、容器１７内に流入した冷却液は、容器１７内に収容されたイオン交換樹脂１８の集合体２６内及び発泡体２７内を通過した後、流出口２４からバイパス回路１５に流出して、冷却回路１２に戻される。このとき、イオン交換樹脂１８におけるアニオンタイプ及びカチオンタイプのイオン交換樹脂単体２６ａにより、冷却液に含まれるマイナス及びプラスの不純物イオンがイオン交換により除去される。従って、不純物イオンの生成にともなって冷却液の電気伝導度が高くなることを防止でき、燃料電池１１で発電された電気が冷却液を通して外部に漏洩するおそれを抑制することができる。

そして、燃料電池１１の運転にともなってイオン交換器１６が長期間使用されると、イオン交換樹脂１８のイオン交換樹脂単体２６ａが劣化して、新しいイオン交換樹脂１８と取り換える必要がある。この場合には、容器１７のボルト２２を緩めて、容器本体１９から蓋板２０を取り外すと、容器本体１９の開口部が開放される。よって、この状態で容器本体１９内に対してイオン交換樹脂１８を新旧交換することができる。

この時、イオン交換樹脂１８がイオン交換器１６の容器１７の形状に適合するように形状保持されている。よって、粒子状のイオン交換樹脂単体を袋状のパック内に封入した従来構成のイオン交換樹脂とは異なり、イオン交換樹脂の外形状が不安定になることはなく、従って外形状の変形を生じることはなく、イオン交換器１６の容器１７に対するイオン交換樹脂１８の交換にともなう着脱作業を容易に行うことができる。

従って、この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） このイオン交換樹脂１８においては、多数の粒子状をなすイオン交換樹脂単体２６ａが集合された集合体２６を、イオン交換器１６の容器１７の形状に適合するように、通水性を有する連泡性の発泡体２７によって形状保持している。このため、イオン交換樹脂１８の全体が、イオン交換器１６の容器１７に適合した形状に保持される。よって、イオン交換樹脂１８を新旧交換する場合は、イオン交換樹脂１８をイオン交換器１６の容器１７に対して容易に着脱できる。

（２） このイオン交換樹脂１８においては、粒子状のイオン交換樹脂単体２６ａが用いられている。このため、シート状のイオン交換樹脂単体を用いた従来構成に比較して、冷却液に対するイオン交換樹脂単体２６ａの接触表面積が広くなって、イオン交換樹脂１８全体のイオン交換効率を向上させることができる。

（３） このイオン交換樹脂１８においては、形状保持手段として連泡性の発泡体２７が用いられている。このため、イオン交換樹脂単体２６ａを封入するためのパックやカートリッジ等を必要とせず、形状保持手段の構造を簡略化することができるとともに、通水性を確保することができる。

（４） このイオン交換樹脂１８においては、形状保持のための発泡体２７が集合体２６の表層部に設けられている。このため、集合体２６の表層部を除く内部のイオン交換樹脂単体２６ａの表面が発泡体２７によって被覆されることはなく、イオン交換効率が低下するおそれを抑制することができる。しかも、表層部の発泡体２７は連泡性であるため、空隙率が高い。従って、発泡体２７は冷却液をスムーズに通過させるだけではなく、発泡体２７による表層部のイオン交換樹脂単体２６ａの表面被覆度合いを少なくでき、イオン交換効率の低下を抑えることができる。

（５） イオン交換樹脂単体２６ａを多数の小孔３４を有する成形ドラム３１内に充填し、その成形ドラム３１をＡ液３６及びＢ液３８内に浸漬させることにより、発泡体２７によって集合体２６を形状保持するようにしている。従って、集合体２６が粒状をなす多数のイオン交換樹脂単体２６ａよりなるものであっても、イオン交換樹脂１８の成形は容易である。

（６） しかも、発泡体２７の発泡過程において、その周囲を強制減圧させるために、大きな発泡が連続して形成される。このため、連泡性で、かつ、空隙率の高い発泡体２７が形成され、発泡体２７における冷却液の通水抵抗を低くできるとともに、イオン交換樹脂単体２６ａに対する被覆面積を小さくできる。従って、高いイオン交換効率を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、この発明を具体化したイオン交換樹脂の第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実施形態のイオン交換樹脂１８においては、図７に示すように、前記第１実施形態の粒子状のイオン交換樹脂単体２６ａに代えて、繊維状のイオン交換樹脂単体２６ｂが用いられている。そして、多数の繊維状のイオン交換樹脂単体２６ｂの集合体２６を、イオン交換器１６の容器１７の形状に適合するように、通水性を有する形状保持手段としての連泡性の発泡体２７によって形状保持することにより、イオン交換樹脂１８が構成されている。

従って、この第２実施形態においても、前記第１実施形態の（１）〜（６）に記載の効果とほぼ同様の効果を得ることができる。また、この実施形態においては、さらに以下の効果を有する。

（７） 第２実施形態においては、イオン交換樹脂単体２６ｂが繊維状であるため、表面積が増えて、イオン交換能力が向上するとともに、軽量化が可能になる。
（第３実施形態）
次に、この発明を具体化したイオン交換樹脂の第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８に示すように、多数の粒子状をなすイオン交換樹脂単体２６ａが集合された集合体２６を、イオン交換器１６の容器１７内に着脱可能な硬質ケース４１内に収容して形状保持することにより、イオン交換樹脂１８が構成されている。従って、この第３実施形態においては、硬質ケース４１が形状保持手段を構成する。硬質ケース４１は、一端を開口した合成樹脂よりなる円筒状のケース本体４２と、そのケース本体４２の開口部に着脱可能に取り付けられた合成樹脂よりなる蓋体４３とから構成されている。ケース本体４２及び蓋体４３には、多数の通水孔４４が形成されている。この硬質ケース４１は、通水孔４４を有する金属薄板により構成してもよい。

従って、この第３実施形態においても、前記第１実施形態の（１）及び（２）に記載の効果とほぼ同様な効果を得ることができる。
また、この第３実施形態のイオン交換樹脂１８においては、以下の効果がある。

（８） 第３実施形態においては、硬質ケース４１内に多数のイオン交換樹脂単体２６ａよりなる集合体２６を収容するという簡単な作業によって、イオン交換樹脂１８を構成することができる。よって、成形装置等の特別の装置を必要とせず、イオン交換樹脂１８を容易に製造することができる。

（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。
・ 前記第３実施形態において、粒子状のイオン交換樹脂単体２６ａに代えて、繊維状のイオン交換樹脂単体２６ｂを用いること。

・ 前記各実施形態において、イオン交換器１６の容器１７の形状を角筒状に変更し、形状保持されたイオン交換樹脂１８も容器１７と同形の角柱状に変更すること。
・ イオン交換樹脂単体２６ａの形状保持手段としての発泡体２７をイオン交換樹脂の集合体２６の表層部だけではなく、全体に設けること。

・ 前記第１，第２実施形態における成形ドラム３１を金網等の網材により構成すること。
・ 前記第１，第２実施形態においては、Ａ液３６及びＢ液３８を浸漬により集合体２６に保持させたが、Ａ液３６及びＢ液３８の少なくとも一方をスプレーにより集合体２６に保持させること。

１１…燃料電池、１２…冷却回路、１６…イオン交換器、１７…容器、１８…イオン交換樹脂、１９…容器本体、２０…蓋板、２３…流入口、２４…流出口、２６…集合体、２６ａ…粒子状のイオン交換樹脂単体、２６ｂ…繊維状のイオン交換樹脂単体、２７…形状保持手段としての発泡体、３４…小孔、４１…形状保持手段としての硬質ケース、４４…通水孔。

Claims (5)

1. 燃料電池システム用のイオン交換器の容器内に収容されて、冷却液のイオン交換に供されるイオン交換樹脂であって、
   多数の粒子状または繊維状をなすイオン交換樹脂単体が集合された集合体を前記容器の形状に適合するように、通水性を有する形状保持手段によって形状保持したことを特徴とするイオン交換樹脂。
2. 前記形状保持手段を連泡性の発泡体により構成したことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換樹脂。
3. 前記形状保持手段を前記集合体の表層部に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のイオン交換樹脂。
4. 前記形状保持手段を前記集合体が収容される硬質ケースにより構成し、その硬質ケースには多数の通水孔を形成したことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換樹脂。
5. 多数の粒子状または繊維状をなすイオン交換樹脂単体を多数の小孔を有する成形容器内に充填し、その成形容器を発泡剤内に浸漬させることにより、発泡剤によって形状保持することを特徴とするイオン交換樹脂の形状保持方法。

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