JP2013233499A - イオン交換器およびこれを含む燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換器における交換作業を簡便に行うことができるようにする。
【解決手段】イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄと、該イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄが収容されるケース４７ｅと、該ケース４７ｅの蓋４７ｆと、を有し、イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄは蓋４７ｆに取り外し可能な状態で固定されている。このようなイオン交換器４７は、例えば反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、当該燃料電池に接続される配管に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオン交換器およびこれを含む燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システム等において用いられるイオン交換器の構造の改良に関する。

イオン交換器は、例えば燃料電池の冷却系において冷却媒体（冷却水）の不純物を除去する機器などとして利用されている。イオン交換器のイオン交換樹脂はイオン交換性の基をもつ高分子電解質からなる網状構造の樹脂であり、イオン交換によって吸着したイオンを樹脂の表面だけでなく内部にも入り込ませる。例えば燃料電池システムの配管部品等から溶出した不純物中には金属イオンやフッ素イオンが含まれている場合があり、これらイオンは金属の腐食や燃料電池の機能低下を招くおそれがあるが、このようなイオン交換樹脂によればイオンを吸着して除去することが可能である。

このようなイオン交換器は、定期的に交換されなければならない。従来のイオン交換器には、ケースとイオン交換樹脂とが一体となった当該イオン交換器をケースごと交換するものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−０６７３６９号公報

しかしながら、イオン交換器の交換時、当該イオン交換器と他の冷却系部品が繋がった部分を遮断しなければならないため、交換時の作業性が芳しくないという問題がある。

すなわち、イオン交換器を交換する際には、冷却水がこぼれないようにするために、例えば、イオン交換器と他の冷却系部品とがつながった部分をホースクリップで一時的に止めておくといったことが行われているものの、それでもイオン交換器内やホース内の冷却水がこぼれてしまうことがあり、そうした場合にはこぼれた水量分の冷却水を補充する手間も生じる。こういった事情から、イオン交換器内の冷却水がこぼれないように注意しながらの作業が必要であり、このことが交換作業を繁雑なものとし、作業の簡便さや効率性の向上を妨げているという実情がある。

そこで、本発明は、当該イオン交換器における交換作業を簡便に行うことができるようにしたイオン交換器およびこれを含む燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のイオン交換器は、イオン交換樹脂カートリッジと、該イオン交換樹脂カートリッジが収容されるケースと、該ケースの蓋と、を有し、イオン交換樹脂カートリッジは蓋に取り外し可能な状態で固定されている、というものである。

このようなイオン交換器によれば、蓋を取り外すと同時にイオン交換樹脂カートリッジが取り出せるため、他部品との接続部分を遮断しなくても冷却媒体をこぼすことなくイオン交換樹脂カートリッジを交換することができる。このため、イオン交換器をケースごと交換する必要がなく、当該イオン交換器と他の冷却系部品とが繋がった部分を遮断しなくて済むことから、イオン交換器における交換作業が簡便なものとなる。

また、本発明では、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、当該燃料電池に接続される配管に、上述のごときイオン交換器が配置されていることを特徴としている。このような燃料電池システムが燃料電池車両に搭載されていることも好ましい。この場合、イオン交換器が燃料電池車両の機関室内の上部付近に搭載されていることが好ましい。

本発明によれば、当該イオン交換器における交換作業を簡便に行うことができるようになる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明に係るイオン交換器の構造例を示す断面図である。 本発明に係るイオン交換器の構造例を示す分解斜視図である。 燃料電池システムにおける冷媒配管系の一例を示す図である。 イオン交換器の配置例を示す燃料電池車両の前部分の図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図５に本発明にかかるイオン交換器の実施形態を示す。本発明にかかるイオン交換器４７は、イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄと、該イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄが収容されるケース４７ｅと、該ケース４７ｅの蓋４７ｆと、を有しているもので（図２、図３参照）、例えば燃料電池車両ＦＣＨＶに搭載された燃料電池システム１において利用される（図１等参照）。以下では、本発明の一実施形態における燃料電池システム１の全体構成について説明し、その後、イオン交換器４７の構造等について説明する。

図１に本実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒（冷却媒体）を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系（図示省略）と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れるガス供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れるガス排出路１２と、を有している。ガス供給流路１１には、エアクリーナー（フィルタ）１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４が設けられている。ガス排出路１２には、マフラー１８が設けられており、酸化オフガスはこれらを通り、排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れるガス供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）をガス供給流路２２の合流点Ａに戻すための水素オフガス循環ライン２３と、水素オフガス循環ライン２３内の水素オフガスをガス供給流路２２に圧送するポンプ２４と、を有している。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。

水素供給源２１は、例えば高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁等の弁を開くと、ガス供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。

冷媒配管系（冷却系）５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４の冷却水の通流を設定する三方弁４５と、冷却配管４６と、イオン交換器４７を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

制御部７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、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、ポンプ２４の解凍制御など、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。制御部７は、ガス系統（酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４）や冷媒配管系５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

続いて、イオン交換器４７の構成について説明する（図２、図３参照）。

本実施形態では、冷媒配管系５の冷却配管４６にイオン交換器４７を設けており、このイオン交換器４７を、循環する冷媒（例えば冷却水）中の不純物を除去する装置（不純物除去装置）として機能させている。冷却配管４６は、冷媒流路４１とバイパス流路４４とを接続する配管によって形成されている（図４等参照）。イオン交換器４７の内部にはイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄが充填されている。イオン交換器４７のケース４７ｅには、イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄを交換する際に開閉ないし着脱することが可能な蓋４７ｆが設けられている。ケース４７ｅと蓋４７ｆは、それぞれケーシングの下部、上部を構成している。これらケース４７ｅと蓋４７ｆは、例えば、ケース４７ｅの本体に埋め込まれたボルトや圧入されたナット（いずれも図示省略）等を利用して締結される。ケース４７ｅの材質は例えばＳＵＳ３０４である。

蓋４７ｆは、燃料電池車両ＦＣＨＶに取り付けられた状態のイオン交換器４７において、ケース４７ｅの重力方向上側に取り付けられており、当該蓋４７ｆをケース４７ｅから取り外したとしても該ケース４７ｅから冷却水がこぼれないようになっている。

ケース４７ｅには、冷却配管４６が接続される出入口ポート４７ｇが設けられている（図２、図３参照）。出入口ポート４７ｇは、ケース４７ｅに一体形成されている。

また、ケース４７ｅには、車体へ直接固定するための車体固定部として機能するブラケット４７ｎが一体形成されている（図３参照）。このようなブラケット４７ｎによれば、燃料電池車両ＦＣＨＶの車体の振動を逃がしてイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄ等の振動を抑えることが可能である。

イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄはイオン交換性の基をもつ高分子電解質からなる網状構造のイオン交換樹脂４７ｈを含むカートリッジであり、イオン交換によってイオンを吸着する機能を有している。例えば本実施形態におけるイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄはカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを有しているものである。イオン交換樹脂４７ｈは通常粒子状であるが繊維状のものを使用することもできる。本実施形態のイオン交換樹脂カートリッジは、着脱可能な上部のイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃと下部のイオン交換樹脂カートリッジ４７ｄとからなる。着脱可能とするための構成は特に限定されないが、本実施形態ではイオン交換樹脂カートリッジ４７ｄの外周に形成した爪部材４７ｊとこれら爪部材４７ｊに係止する弾性を有するフック部材４７ｋとからなる構成としている（図３参照）。

ここで、本実施形態におけるイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄは、ケース４７ｅの蓋４７ｆに取り外し可能な状態で固定されている。このようなイオン交換器４７によれば、蓋４７ｆを取り外すだけでケース４７ｅからイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄを取り出すことが可能である。このため、他部品との接続部分を遮断する手間（例えば、当該イオン交換器４７の出入口ポート４７ｇに接続された冷却配管４６をホースクリップで一時的に止めておくといった手間）をかけずとも、冷却媒体をこぼすことなくイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄを交換することができる。

このようにイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄを蓋４７ｆに取り外し可能な状態で固定するための具体的な構造は特に限定されないが、例えば本実施形態では、上部のイオン交換樹脂カートリッジ４７ｃと下部のイオン交換樹脂カートリッジ４７ｄとの間にイオン交換樹脂４７ｈを挟み込み、樹脂を含むカートリッジを構成したうえで、当該イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄをイオン交換樹脂４７ｈごと蓋４７ｆの下側からねじ込んでその一部（例えば蓋４７ｆの筒状部分４７ｉ）で保持させる構造としている。イオン交換樹脂４７ｈの上面と下面には、メッシュ４７ｍを配している。例えば一方のメッシュ４７ｍは、ケース４７ｅにインサート成形されていてもよい。メッシュ４７ｍの目の粗さは、イオン交換樹脂４７ｈが落ちない程度ならばよい。さらに、この蓋４７ｆをケース４７ｅに取り付けて締結することにより、イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄはケース４７ｅ内に収容された状態となる（図２参照）。このような構造とした本実施形態の場合、交換時には当該イオン交換樹脂カートリッジ４７ｃ，４７ｄのみを交換し、ケース４７ｅと蓋４７ｆはそのまま流用する（引き続き使用する）ことができる。

また、本実施形態のイオン交換器４７は、重力方向縦向きに取り付けられている。冷却水は、該イオン交換器４７の上側面からケース４７ｅ内に流入し、上から下へとイオン交換樹脂４７ｈを通過し、出入口ポート４７ｇと同じ方向の下側面からケース４７ｅの外へ流出する。なお、これとは逆に、イオン交換樹脂４７ｈの下側から上側へと冷却水を通過させるようにしてもよい。

ちなみに、上述したイオン交換器４７は、燃料電池車両ＦＣＨＶの例えば前方上部に収容されていることが好ましい（図５参照）。イオン交換器４７を機関室内の上部付近（例えばボンネットフードＢの真下のような位置）など、外部から取り扱いやすい場所に配置しておけば、当該イオン交換器４７を交換する作業、再生剤を供給する作業のいずれも行いやすい。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では燃料電池システム１の冷媒配管系５のイオン交換器４７に本発明を適用した場合について説明したが、上述した構造や構成はその他の部位におけるイオン交換器にも応用することは可能である。その他のイオン交換器としては、例えば燃料ガス配管系４の水素オフガス循環ライン（循環路）２３に設けられている、気液分離器３１やイオン交換樹脂３２などを含む不純物除去装置３０がある（図１参照）。

本発明は、燃料電池システムの冷却系等に配置されるイオン交換器に適用して好適である。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、５…冷媒配管系（冷却系）、４６…冷却配管（配管）、４７…イオン交換器、４７ｃ，４７ｄ…イオン交換樹脂カートリッジ、４７ｅ…ケース、４７ｆ…蓋、ＦＣＨＶ…燃料電池車両

Claims (4)

1. イオン交換樹脂カートリッジと、
   該イオン交換樹脂カートリッジが収容されるケースと、
   該ケースの蓋と、
   を有し、
   前記イオン交換樹脂カートリッジは前記蓋に取り外し可能な状態で固定されている、イオン交換器。
2. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、
   当該燃料電池に接続される配管に、請求項１に記載のイオン交換器が配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料電池車両に搭載されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記イオン交換器が前記燃料電池車両の機関室内の上部付近に搭載されている、請求項３に記載の燃料電池システム。

Images