JP2016064373A

JP2016064373A - イオン交換器

Info

Publication number: JP2016064373A
Application number: JP2014195521A
Authority: JP
Inventors: 正也小倉; Masaya Ogura; 聡白柳; Satoshi Shirayanagi
Original assignee: Roki Co Ltd
Current assignee: Roki Co Ltd
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: US9873066B2; US20160089618A1; JP6437259B2

Abstract

【課題】より容易にイオン交換樹脂の交換を行うことができると共に、交換作業に伴って、冷却液が漏れ出すことのないイオン交換器を提供する。
【解決手段】冷却液を導入する流入口と、前記冷却液を排出する排出口が形成されたケース部材と、前記ケース部材に着脱可能に収納されたカートリッジ部材と、前記カートリッジ部材に封入した複数の粒子状のイオン交換樹脂と、を備えるイオン交換器において、前記カートリッジ部材は、前記ケース部材の端部に着脱自在に係合する係合部を備え、前記ケース部材は、前記係合部と係合する被係合部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、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関する。

従来より、燃料電池システムにおいては、発電に伴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。この冷却回路は、冷却液が循環することから冷却回路中に錆などが生じると該錆などによって冷却液中に不純物イオンが生成されたり、冷却液の分解反応によって冷却液中に不純物イオンが生成される。この不純物イオンは、冷却液の電気伝導度を上昇させることが知られており、これによって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という問題がある。このような問題を回避するために、燃料電池システムの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。

このようなイオン交換器は内部にイオン交換樹脂を充填し、イオン交換樹脂に冷却液を通すことで冷却液中の不純物イオンを除去している。

また、イオン交換樹脂は、不純物イオンの除去を繰り返すことでイオン交換性能が落ちていくので、定期的なイオン交換樹脂の交換を行う必要がある。

このために、下記特許文献に記載された発明のように、フィルタカートリッジを交換する際には水が溢れないように冷却回路中の水を予め排出することや、イオン交換器の前後の配管を閉じることなく交換作業が行えるカートリッジ式のイオン交換器が知られている。

特開２００５−１４９８４２号公報

特許文献１に記載されたイオン交換器は、燃料電池スタックとラジエータとの間に形成された冷却回路に、冷却液からイオンを除去するイオン交換器を設けた冷却装置において、イオン交換器を交換可能なフィルタカートリッジと、フィルタカートリッジを収容する容器本体と、フィルタカートリッジ交換のための前記容器の開口部を閉塞する蓋部とで構成すると共に、前記イオン交換器をその容器本体の開口部が、冷却回路の最高液位部よりも高位置となるように設けられている。

このように、特許文献１に記載されたイオン交換器によれば、イオン交換器の容器開口部が冷却回路の最高液位部よりも高位置にあるので、フィルタカートリッジを交換する際に冷却液を排出したり、フィルタ前後の配管を閉じたりするまでもなく、容器に冷却液が入ったままフィルタカートリッジ交換が行え、作業が容易になる。

しかし、特許文献１に記載されたイオン交換器の構造によれば、蓋部に冷却液の排出口が形成されているので、フィルタカートリッジの交換に伴って蓋部を外した際に、排出口から冷却液が逆流してしまうという問題があり、また、フィルタカートリッジの交換の際に蓋部を外す必要があるため、まだ交換作業は煩雑となってしまうという問題もあった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、より容易にイオン交換樹脂の交換を行うことができると共に、交換作業に伴って、冷却液が漏れ出すことのないイオン交換器を提供することを目的とする。

本発明に係るイオン交換器は、冷却液を導入する流入口と、前記冷却液を排出する排出口が形成されたケース部材と、前記ケース部材に着脱可能に収納されたカートリッジ部材と、前記カートリッジ部材に封入した複数の粒子状のイオン交換樹脂と、を備えるイオン交換器において、前記カートリッジ部材は、前記ケース部材の端部に着脱自在に係合する係合部を備え、前記ケース部材は、前記係合部と係合する被係合部を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記被係合部は、前記ケース部材の軸方向に沿って延びる鉛直溝と、前記鉛直溝の一端から前記ケース部材の周方向に沿って延びる外周溝とからなると好適である。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記カートリッジ部材は、前記複数の粒子状のイオン交換樹脂を封入する有底筒状のカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体と一体に溶着されると共に、前記係合部が形成された閉塞部材とを備えると好適である。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記閉塞部材は、前記イオン交換樹脂と対向する面に前記排出口に向かって傾斜する斜面を備えると好適である。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記カートリッジ部材は、外周面に周方向に沿って取り付けられるシール部材を備えると好適である。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記流入口は、前記ケース部材の下方に形成され、前記排出口は、前記ケース部材の上方に形成されると好適である。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記カートリッジ部材は、前記イオン交換樹脂を保持する保持枠を備えると好適である。

上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明に係るイオン交換器は、カートリッジ部材は、ケース部材の端部に着脱自在に係合する係合部を備え、該係合部がケース部材に形成された被係合部と係合しているので、蓋部を取り外す作業が生ずることが無く、より容易にカートリッジ部材の交換作業を行うことができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、被係合部がケース部材の軸方向に沿って延びる鉛直溝と、鉛直溝の一端からケース部材の周方向に沿って延びる外周溝とからなるので、カートリッジ部材に形成された係合部を鉛直溝に沿って挿入すると共に、外周溝に沿って回転させることで容易な作業でカートリッジ部材を確実に固定することができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、カートリッジ部材が、複数の粒子状のイオン交換樹脂を封入する有底筒状のカートリッジ本体と、カートリッジ本体と一体に溶着される閉塞部材を備えているので、確実にイオン交換樹脂の交換が可能且つ着脱容易なカートリッジ部材を構成することができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、閉塞部材が排出口に向かって傾斜する斜面を備えているので、イオン交換器の下方から流入した冷却液をより円滑に排出口へ向かって流すことができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、カートリッジ部材の外周面に周方向に沿ってシール部材が取り付けられているので、イオン交換樹脂の交換とシール部材の交換を同時に行うことができ、交換作業に伴うシール部材の交換を確実に行うと共に、シール部材の破損を防止することができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、流入口がケース部材の下方に、排出口がケース部材の上方に形成されているので、カートリッジ部材の交換の際に、流入口及び排出口に接続された配管を外すことなく、カートリッジ部材の交換作業を行うことができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、イオン交換樹脂を保持する保持枠を備えているので、流入口及び排出口からイオン交換樹脂が漏出することを防止することができる。

本実施形態に係るイオン交換器を備える燃料電池用冷却回路を示す回路図。本実施形態に係るイオン交換器の斜視図。本実施形態に係るイオン交換器の分解図。本実施形態に係るイオン交換器の構造を説明するための斜視断面図。本実施形態に係るイオン交換器の断面図。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係るイオン交換器を備える燃料電池用冷却回路を示す回路図であり、図２は、本実施形態に係るイオン交換器の斜視図であり、図３は、本実施形態に係るイオン交換器の分解図であり、図４は、本実施形態に係るイオン交換器の構造を説明するための斜視断面図であり、図５は、本実施形態に係るイオン交換器の断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るイオン交換器１０は、燃料電池１の冷却回路に接続されている。冷却回路は、空気と改質された燃料ガスが導入され、電気化学反応により直流電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１に接続され、燃料電池１を冷却するための冷却液循環回路５と、この冷却液循環回路５の中に設けられ、熱交換を行うためのラジエータ２と、ラジエータ２を経由せずに冷却液を循環させるためのバイパス回路４と、バイパス回路４中に設けられ、冷却液中のイオンを除去するイオン交換器１０と、冷却液の温度変化によってイオン交換器１０に流れる冷却液の流量を調整する弁機構３とを備えている。

冷却液循環回路５には、冷却液を燃料電池１とラジエータ２の間を循環させるための循環ポンプが設けられる。燃料電池１から冷却液に加えられた熱は、ラジエータ２によって大気に放熱される。

弁機構３は、低温時はイオン交換器に流れる冷却液の流量を大きくする一方、ラジエータ２側に流れる冷却液の流量を小さくする。また、高温時にはラジエータ２側に流れる冷却液の流量を大きくする一方、イオン交換器１０側に流れる冷却液の流量を小さくする。

このような冷却回路によれば、始動時にはイオン交換器１０に流れる冷却液の流量を大きくするので、冷却液循環回路５の内部に溶出した多くのイオンを除去することができる。また、運転時にはラジエータ２側に流れる冷却液の流量を大きくするので、燃料電池１の大きな発熱を除去することができる。したがって、燃料電池１に悪影響を及ぼさない範囲でイオン交換器１０に流れる冷却液の量を調整することができる。

図２に示すように、本実施形態に係るイオン交換器１０は、冷却回路に接続して冷却液を導入する流入口１１と、冷却液を冷却回路へ排出する排出口１２が形成されたケース部材１３と、該ケース部材１３に組み付けられたカートリッジ部材２０とを備えている。

図３に示すように、ケース部材１３は、有底筒状に形成され内部にカートリッジ部材２０が収容可能に形成されている。また、ケース部材１３の開口部の外周縁には、ケース部材１３の軸方向に沿って延びる鉛直溝１４と、鉛直溝１４の一端からケース部材１３の周方向に沿って延びる外周溝１５とからなるＬ字状の溝の被係合部１６が形成されている。

カートリッジ部材２０は、有底筒状のカートリッジ本体２２と、カートリッジ本体２２の開口部を閉塞するようにカートリッジ本体２２と一体に溶着された閉塞部材２３とを備えている。閉塞部材２３には、ケース部材１３の被係合部１６と係合する係合部としての突起２１が形成されている。なお、閉塞部材２３は、カートリッジ本体２２に振動溶着によって溶着されていると好適である。

また、閉塞部材２３は、ケース部材１３に組み付けた際に排出口１２と対向するように開口２４が形成されており、該開口２４から冷却液を排出口１２を介して冷却液循環回路５側に排出する。さらに、開口２４の上方には、周方向に沿って取り付けられたシール部材２５を備えている。シール部材２５は、ゴムなどの弾性体からなる所謂Ｏリングなどが好適に用いられる。

図４に示すように、カートリッジ本体２２の内部には、複数の粒子状のイオン交換樹脂３０が封入されている。さらに、カートリッジ本体２２の上端及び下端には、上端保持枠２７及び下端保持枠２８が取り付けらえており、イオン交換樹脂３０が流入口１１又は排出口１２から漏出しないように構成されている。なお、上端保持枠２７及び下端保持枠２８は、放射状のリブによって扇状の開口を画成しており、該開口にはイオン交換樹脂３０よりも小さな目のメッシュ部材が取り付けられている。このように、上端保持枠２７及び下端保持枠２８は、開口を介して冷却液を流通させると共に、イオン交換樹脂３０の保持を実現している。

なお、カートリッジ本体２２，閉塞部材２３及び上端保持枠２７並びに下端保持枠２８は、合成樹脂によって構成されると好適である。この場合、金属を用いていないため、使用後のカートリッジ部材２０の廃棄が容易となる。

さらに、図５に示すように、閉塞部材２３のイオン交換樹脂３０と対向する下面は、排出口１２に向かって傾斜する斜面２６が形成されている。このように構成することで、流入口１１から流入した冷却液を円滑に排出口１２へ導くと共に、冷却液に混入したエアを円滑に排出口１２へ導くことでエア抜け性を向上させることが可能となる。また、開口２４の上方にシール部材２５が配置されているので、イオン交換器１０の外部に冷却液が漏出することを防止している。なお、開口２４の下方には、シール部材を設けていないが、これは、開口２４から流れ出た冷却液の多くは、排出口１２を介して冷却液循環回路５に排出されるが、その余の冷却液は、カートリッジ部材２０とケース部材１３の間を通ってケース部材１３の下端に至り、流入口１１から再びカートリッジ部材２０の内部に流入するため、この冷却液が外部に漏出することはないように構成されている。

このように構成されたイオン交換器１０は、カートリッジ部材２０を回転させて係合部２１を外周溝１５に沿って移動させるだけでカートリッジ部材２０の係合を解除することができるので、容易にカートリッジ部材２０の着脱を可能とし、蓋部の着脱という作業を行うことなくイオン交換樹脂３０の交換をより容易に行うことが可能となる。

また、カートリッジ部材２０には、シール部材２５が取り付けられているので、古いシール部材２５をイオン交換樹脂の交換に伴って同時に交換することができるので、交換作業の際のシール部材２５の破損や交換忘れを防止することが可能となる。

なお、本実施形態に係るイオン交換器１０は、冷却回路において、排出口１２の位置が最高液位となるように組み付けると好適である。このように配置することで、カートリッジ部材２０を取り出した時に排出口１２から逆流する冷却液が回路外へ漏出することを防止することができる。また、最高液位となるように配置できない場合であっても、流出口１１及び排出口１２に弁機構によって冷却液の流通を封止する機構を設けることでカートリッジ部材２０の交換に伴う冷却液の漏出を防止することができる。

以上説明したように、上述した本実施形態に係るイオン交換器１０では、被係合部１６と係合部２１の係合によってカートリッジ部材２０を固定した場合について説明を行ったが、別途ビス等を用いた締結手段や、クリップなどを用いた固定手段を設けても構わない。この場合、振動によるカートリッジ部材２０の脱落などを確実に防止することが可能となる。

また、本実施形態に係るイオン交換器１０では、係合部２１と被係合部１６とを突起と溝で形成した場合について説明を行ったが、係合部２１と被係合部１６のいずれか一方に雌ねじを形成し、いずれか他方に雄ねじを形成して係合部２１と被係合部１６を互いに螺合させても構わない。また、被係合部１６と係合部２１の係合をビスで互いに締結することで係合させても構わない。

また、上述した本実施形態に係るイオン交換器１０では、閉塞部材２３を振動溶着によってカートリッジ本体２２に溶着した場合について説明を行ったが、溶着の方法はこれに限られず、例えば、熱溶着等を適用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１燃料電池，２ラジエータ，３弁機構，４バイパス回路，５冷却液循環回路，１０イオン交換器，１１流出口，１２排出口，１３ケース部材，１４鉛直溝，１５外周溝，１６被係合部，２０カートリッジ部材，２１係合部，２２カートリッジ本体，２３閉塞部材，２４開口，２５シール部材，２６斜面，２７上端保持枠，２８下端保持枠，３０イオン交換樹脂。

Claims

冷却液を導入する流入口と、前記冷却液を排出する排出口が形成されたケース部材と、
前記ケース部材に着脱可能に収納されたカートリッジ部材と、前記カートリッジ部材に封入した複数の粒子状のイオン交換樹脂と、を備えるイオン交換器において、
前記カートリッジ部材は、前記ケース部材の端部に着脱自在に係合する係合部を備え、
前記ケース部材は、前記係合部と係合する被係合部を備えることを特徴とするイオン交換器。
請求項１に記載のイオン交換器において、
前記被係合部は、前記ケース部材の軸方向に沿って延びる鉛直溝と、前記鉛直溝の一端から前記ケース部材の周方向に沿って延びる外周溝とからなることを特徴とするイオン交換器。
請求項１又は２に記載のイオン交換器において、
前記カートリッジ部材は、前記複数の粒子状のイオン交換樹脂を封入する有底筒状のカートリッジ本体と、前記カートリッジ本体と一体に溶着されると共に、前記係合部が形成された閉塞部材とを備えることを特徴とするイオン交換器。
請求項３に記載のイオン交換器において、
前記閉塞部材は、前記イオン交換樹脂と対向する面に前記排出口に向かって傾斜する斜面を備えることを特徴とするイオン交換器。
請求項１から４のいずれか１項に記載のイオン交換器において、
前記カートリッジ部材は、外周面に周方向に沿って取り付けられるシール部材を備えることを特徴とするイオン交換器。
請求項１から５のいずれか１項に記載のイオン交換器において、
前記流入口は、前記ケース部材の下方に形成され、
前記排出口は、前記ケース部材の上方に形成されることを特徴とするイオン交換器。
請求項１から６のいずれか１項に記載のイオン交換器において、
前記カートリッジ部材は、前記イオン交換樹脂を保持する保持枠を備えることを特徴とするイオン交換器。