JP2020006292A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】洗浄期間と通常期間との両方で冷媒から効果的にイオンを取り除くことができる小型軽量なイオン交換器を提供する。【解決手段】イオン交換器５は、冷媒を流入させる流入口９及び同冷媒を流出させる流出口１０が形成されたハウジング８を備える。ハウジング８は、上方に向けて開口するものとされる。ハウジング８内における流入口９及び流出口１０よりも下部には、陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを配合したイオン交換樹脂１１が装填される。また、ハウジング８内における流入口９及び流出口１０よりも上部には上部カートリッジ１３が上方に向けて取り外しできるよう取り付けられる。上部カートリッジ１３には、ハウジング８の流入口９に繋がる第１流入部２５と同ハウジング８の流出口１０に繋がる第１流出部２８とが設けられているとともに、陽イオン交換樹脂及び強塩基性陰イオン交換樹脂を配合したイオン交換樹脂１２が装填される。【選択図】図２

Description

本発明は、イオン交換器に関する。

車両等に燃料電池を搭載する場合、発電時における燃料電池の温度上昇を抑制することを目的に、その燃料電池を冷却するための冷媒を流す冷却回路が設けられる。こうした冷却回路においては、冷媒中のイオンの濃度が高くなることによって、冷却回路における金属部分の腐食を招いたり、冷媒の電気電導率が上がって燃料電池の機能低下を招いたりするおそれがあるため、冷媒に含まれるイオンをイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて取り除くイオン交換器が設けられる。

上記イオン交換器は、冷媒を流入させる流入口及び同冷媒を流出させる流出口が設けられているハウジングと、そのハウジング内に装填されたイオン交換樹脂と、を備えている。そして、流入口を介してハウジング内に流入した冷媒が上記イオン交換樹脂を通過する際には同冷媒中のイオンがイオン交換樹脂によるイオン交換によって取り除かれ、同イオンが取り除かれた後の冷媒がハウジングから流出口を介して流出する。また、冷媒中のイオンとしては陽イオンと陰イオンとが存在するため、それらのイオンを冷媒中から取り除くことができるよう、上記イオン交換樹脂として特許文献１に示されるように陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂が用いられる。

ところで、上記冷却回路においては、製造直後の新品時から所定の期間（以下、洗浄期間という）が経過するまでは、同冷却回路内の冷媒に対し配管等からイオンが多く溶出する。また、燃料電池を冷媒によって冷却するときには、冷媒中の成分が加熱分解されてイオンが徐々に発生する。従って、冷却回路の製造直後から上記洗浄期間が経過して冷却回路内の冷媒に対する配管等からイオンの溶出がおさまると、冷媒の成分が加熱分解されて冷媒中に徐々にイオンが発生する期間（以下、通常期間という）に移行する。

上記冷却回路では、上述した洗浄期間及び通常期間の両方で冷媒中から効果的にイオンを取り除くことが望まれており、そうした要望に対応すべくイオン交換器のハウジング内に装填されるイオン交換樹脂の量や配合、詳しくは陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との量や配合を定めることが考えられる。

特開２００５−１１８０３号公報

上記冷却回路に設けられるイオン交換器では、冷媒から効果的にイオンを取り除きつつ、ハウジング内に装填するイオン交換樹脂の量を可能な限り少なくすることが、イオン交換器を小型軽量化するという観点で好ましい。

しかし、イオン交換器においては、上記通常期間中に冷却回路中の冷媒の温度がイオン交換樹脂の耐熱温度よりも高くなって同イオン交換樹脂が熱劣化した場合でも、イオン交換の機能が低下しないよう、ハウジング内にイオン交換樹脂を多めに装填するようにしており、そのことがイオン交換器の小型軽量化の妨げとなっている。

また、イオン交換樹脂における単位体積当たりのイオン交換の量（イオン交換容量）を高めれば、ハウジング内に装填されるイオン交換樹脂の量を少なく抑えられる。ただし、その場合には冷媒がイオン交換器を通過する際におけるイオン交換樹脂の冷媒に対する接触面積が少なくなるため、その冷媒の単位流量当たりのイオンの除去割合（イオン交換効率）が低下する。従って、上記洗浄期間において、冷却回路内の冷媒に対し配管等から多くのイオンが溶出するとき、イオン交換器によって冷媒からイオンを効果的に取り除くことができなくなるおそれがある。

本発明の目的は、洗浄期間と通常期間との両方で冷媒から効果的にイオンを取り除くことができる小型軽量なイオン交換器を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するイオン交換器は、冷媒を流入させる流入口及び同冷媒を流出させる流出口が設けられているハウジングと、そのハウジング内に装填されたイオン交換樹脂と、を備える。そして、流入口を介してハウジング内に流入した冷媒が上記イオン交換樹脂を通過する際には同冷媒中のイオンがイオン交換によって取り除かれ、同イオンが取り除かれた後の冷媒がハウジングから流出口を介して流出する。上記ハウジングは、上方に向けて開口するものとされる。ハウジング内における流入口及び流出口よりも下部には、上記冷媒が通過するイオン交換樹脂として、陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを配合したものが装填されている。また、ハウジング内における流入口及び流出口よりも上部には、イオン交換樹脂を装填可能なカートリッジが上方に向けて取り外しできるよう取り付けられる。このカートリッジには、ハウジングの流入口に繋がって冷媒を流入させる流入部と同ハウジングの流出口に繋がって冷媒を流出させる流出部とが設けられているとともに、上記冷媒が通過するイオン交換樹脂として陽イオン交換樹脂及び強塩基性陰イオン交換樹脂を配合したものが装填されている。

イオン交換樹脂のうち、弱塩基性陰イオン交換樹脂は、強塩基性陰イオン交換樹脂と比較してイオン交換できるイオンの種類に限りがあるものの、耐熱温度が強塩基性陰イオン交換樹脂よりも高く、且つ、単位体積当たりのイオン交換の量（イオン交換容量）が強塩基性陰イオン交換樹脂よりも大きい。このため、ハウジングに装填されるイオン交換樹脂のうち弱塩基性陰イオン交換樹脂の割合を多くすれば、イオン交換樹脂全体として量を少なくすることができ、イオン交換器の小型軽量化を実現するうえで有利である。

しかし、仮にイオン交換樹脂のうちの陰イオン交換樹脂を弱塩基性イオン交換樹脂のみにしてイオン交換樹脂全体の量を少なくすると、冷媒がイオン交換器を通過する際におけるイオン交換樹脂の冷媒に対する接触面積が少なくなるため、その冷媒の単位流量当たりのイオンの除去割合（イオン交換効率）が低下する。従って、イオン交換器が設けられる冷却回路の製造直後からの所定の期間（洗浄期間）において、同冷却回路内の冷媒に対し配管等から多くのイオンが溶出するとき、イオン交換器によって冷媒からイオンを効果的に取り除くことができなくなるおそれがある。

上記構成によれば、ハウジング内における流入口及び流出口よりも上部に取り付けられたカートリッジには、強塩基性陰イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂が装填されているため、冷却回路の製造直後の新品時からの上記洗浄期間において、冷媒からイオンを効果的に取り除くことができる。また、ハウジング内における流入口及び流出口よりも下部には、弱塩基性陰イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂が装填されているため、上記洗浄期間後の通常期間において冷媒からイオンを効果的に取り除きつつ、ハウジング内に装填されるイオン交換樹脂の量を少なくすることができる。すなわち、耐熱温度が高く且つイオン交換容量が大きい弱塩基性陰イオン交換樹脂を用いている分、上記通常期間中における冷媒からの効果的なイオンの除去を維持するために、ハウジング内に装填されるイオン交換樹脂の量を多くしなくてもよくなる。

また、強塩基性陰イオン交換樹脂は、弱塩基性陰イオン交換樹脂と比較して耐熱温度が低く且つイオン交換容量が小さいため、比較的短い周期で新しいものに取り替える必要が生じるが、そうした取り替えをカートリッジごと行うことができる。すなわち、カートリッジをハウジング内から上方に向けて取り外し、その後に新しい強塩基性陰イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂が装填された別のカートリッジをハウジング内に上方から落とし込んで取り付けることにより、強塩基性陰イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂が新しいものに取り替えられる。従って、比較的短い周期で取り替える必要がある強塩基性陰イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂を、カートリッジごと新しいものに容易に取り替えることができる。

イオン交換器が設けられる冷却回路の全体構成を示す略図。 イオン交換器の構造を示す断面図。 （ａ）は図２の管部を上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は同管部を下方から見た状態を示す底面図、（ｃ）は（ａ）の管部を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。 （ａ）は上部カートリッジを上方から見た状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の上部カートリッジを矢印Ｂ−Ｂ方向から見た状態を示す断面図。 （ａ）は下部カートリッジを上方から見た状態を示す平面図。（ｂ）は下部カートリッジを水平方向から見た状態を示す側面図。 強酸性陽イオン交換樹脂の化学式を示す図。 強塩基性陰イオン交換樹脂の化学式を示す図。 弱塩基性陰イオン交換樹脂の化学式を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は、イオン交換器のイオン交換効率の推移を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、イオン交換器のイオン交換効率の推移を示すグラフ。 イオン交換器におけるイオン交換樹脂全体の量を比較して示すグラフ。

以下、イオン交換器の一実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池１を搭載した車両には、その燃料電池１を冷却するための冷媒を流す冷却回路２が設けられている。なお、こうした冷媒としては、エチレングリコールを含有した冷却水（ロングライフクーラント）等が用いられる。そして、冷却回路２では、ポンプ３の駆動により冷媒が循環するようになっている。

冷却回路２において、燃料電池１はポンプ３よりも下流側の部分に設けられており、同燃料電池１よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分にはラジエータ４が設けられている。そして、発電時に温度上昇する燃料電池１は、冷却回路２を循環して燃料電池１を通過する冷却水によって冷却される。燃料電池１の熱を奪って温度上昇した冷媒は、ラジエータ４を通過する際に外気によって冷却され、その後にポンプ３に流れる。

また、冷却回路２には、冷媒に含まれるイオンを取り除くためのイオン交換器５、及び、そのイオン交換器５に冷媒を流すためのバイパス配管６が設けられている。上記イオン交換器５はバイパス配管６の途中に設けられている。そして、バイパス配管６の一方の端部は、冷却回路２における燃料電池１よりも下流側かつラジエータ４よりも上流側の部分に接続されている。また、バイパス配管６のもう一方の端部は、冷却回路２におけるラジエータ４よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分にバルブ７を介して接続されている。

上記バルブ７は、燃料電池１を通過した冷媒をバイパス配管６（イオン交換器５）に流すか否かを定めるべく開閉動作する。詳しくは、バルブ７を閉じた状態のもとでは、上記冷媒がバイパス配管６に流れることなくラジエータ４側に流れる。一方、バルブ７を開くと、燃料電池１を通過した冷媒の一部がラジエータ４側に流れるのではなくバイパス配管６内に流れ込む。このようにバイパス配管６に流れ込んだ冷媒は、イオン交換器５を通過する際にイオンが除去され、その後に冷却回路２におけるラジエータ４よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分に流れる。

次に、イオン交換器５について説明する。
図２に示すように、イオン交換器５は、上下方向に延びるとともに上方に向けて開口しているハウジング８を備えている。このハウジング８の上下方向中央部における図中の左右方向一方側（図中の左側）の部分には、バイパス配管６（図１）におけるイオン交換器５よりも上流側の部分に繋がってハウジング８内に冷媒を流入させる流入口９が形成されている。また、ハウジング８の上下方向中央部における図中の左右方向他方側（図２の右側）の部分には、ハウジング８内の冷媒を流出させる流出口１０が形成されている。この流出口１０は、バイパス配管６（図１）におけるイオン交換器５よりも下流側の部分と繋がっている。

ハウジング８内における流入口９及び流出口１０よりも上部には、イオン交換樹脂１１を装填可能な上部カートリッジ１３が設けられている。この上部カートリッジ１３の下側には管部１６が固定されている。管部１６には、ハウジング８内で流入口９と流出口１０とを繋ぐよう水平方向に延びる通路１６ａが形成されている。上部カートリッジ１３は、管部１６と共に、ハウジング８に対しその開口から上方に向けて取り外すことが可能となっている。

また、ハウジング８内における流入口９及び流出口１０よりも下部には、イオン交換樹脂１２を装填可能な下部カートリッジ１５が設けられている。下部カートリッジ１５は、管部１６の下側に配置されており、管部１６及び上部カートリッジ１３とは別体となっている。なお、ハウジング８に対し下部カートリッジ１５を上述したように設けることにより、ハウジング８内における流入口９及び流出口１０よりも下部にイオン交換樹脂１２が装填された状態となる。

イオン交換器５では、ハウジング８内を流れる冷媒が上部カートリッジ１３及び下部カートリッジ１５を通過するようになっており、その際に上部カートリッジ１３及び下部カートリッジ１５に装填されたイオン交換樹脂１１，１２によるイオン交換を通じて冷媒中のイオンが取り除かれるようになっている。

図３において、（ａ）は図２の管部１６を上方から見た状態を示しており、（ｂ）は同管部１６を下方から見た状態を示しており、（Ｃ）は（ａ）の管部１６を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態の断面を示している。図３（ａ）に示すように、管部１６の中央部には同管部１６の上面で開口する挿入孔１７が形成されており、管部１６における挿入孔１７よりも左側の部分には同管部１６の上面で開口する第１連通孔１８が形成されている。また、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、管部１６における右側の部分には同管部１６の下面で開口する第２連通孔１９が形成されており、管部１６における左端の部分には同管部１６の下面で開口するスリット２０が形成されている。

図２に示すように、管部１６の通路１６ａは、上述した挿入孔１７、第１連通孔１８、第２連通孔１９、及びスリット２０と連通している。通路１６ａにおける流入口９と流出口１０との間の部分には、冷媒の流通面積が他の部分よりも小さい縮径部２４が形成されている。そして、上記第１連通孔１８は縮径部２４よりも上記流入口９寄りの部分に位置しており、上記挿入孔１７は縮径部２４よりも上記流出口１０寄りの部分に位置している。また、上記スリット２０は縮径部２４よりも上記流入口９寄りの部分であって同流入口９に隣接する部分に位置しており、上記第２連通孔１９は縮径部２４よりも上記流出口１０寄りの部分に位置している。

図４において、（ａ）は上部カートリッジ１３を上方から見た状態を示しており、（ｂ）は（ａ）の上部カートリッジ１３を矢印Ｂ−Ｂ方向から見た状態を示している。上部カートリッジ１３は、上下方向に延びる円筒状の外壁２１と、その外壁２１の内部で上下方向に延びるとともに同外壁２１に支持されたチューブ部材２２と、を備えている。チューブ部材２２は外壁２１の中心線に沿って延びており、その外壁２１との間にはイオン交換樹脂１１（図２）を装填することが可能となっている。外壁２１の下側の開口部には冷媒を通過させることが可能なメッシュ２３が設けられており、そのメッシュ２３の中心部を上記チューブ部材２２の下端部が貫通している。

図２に示すように、上部カートリッジ１３の下側に管部１６が固定された状態では、チューブ部材２２の下端部が管部１６の挿入孔１７に挿入されており、チューブ部材２２の内部が管部１６の通路１６ａにおける縮径部２４よりも下流側の部分と連通している。更に、この状態のもとでは、上部カートリッジ１３におけるメッシュ２３と管部１６の上面との間の部分が、上部カートリッジ１３の下端（外壁２１の下側の開口）と管部１６の第１連通孔１８とを繋ぐ第１流入部２５となる。この第１流入部２５は、管部１６における第１連通孔１８及び通路１６ａを介してハウジング８の流入口９に繋がっており、同流入口９から上部カートリッジ１３（外壁２１）内に冷媒を流入させるためのものである。

上部カートリッジ１３における外壁２１の上端の開口には冷媒を通過させることが可能なメッシュ２６が設けられており、そのメッシュ２６の中心部をチューブ部材２２の上端部が貫通している。外壁２１の上端部には同外壁２１の上端の開口を閉塞するキャップ２７が固定されており、キャップ２７の内側には上記チューブ部材２２の上端が位置している。このチューブ部材２２の内部は、管部１６の通路１６ａを介してハウジング８の流出口１０に繋がっており、上部カートリッジ１３内の冷媒を流出させる第１流出部２８となっている。また、キャップ２７は、ハウジング８の上端部に対しボルト締結によって取り付けられており、そのボルト締結を解除することによってハウジング８の上端部から取り外すことが可能となっている。

図５において、（ａ）は下部カートリッジ１５を上方から見た状態を示しており、（ｂ）は下部カートリッジ１５を側方から見た状態を示している。下部カートリッジ１５は、上下方向に延びる円筒状の外壁３１を備えている。外壁３１の外径は、ハウジング８（図２）の内径よりも僅かに小さい値となっている。また、外壁２１における図５（ａ）及び図５（ｂ）の左端は、外壁３１の上端から下端に亘って延びる平坦部３３となっている。この外壁３１の内側には、イオン交換樹脂１２（図２）を装填することが可能となっている。また、外壁２１の下側の開口部には冷媒を通過させることが可能なメッシュ３２が設けられている一方、外壁２１の上側の開口部には冷媒を通過させることが可能なメッシュ３６が設けられている。更に、外壁２１の上端には、上方に突出する把持部３１ａが形成されている。

図２に示すように、下部カートリッジ１５は、ハウジング８内における管部１６の下側に配置されているため、ハウジング８から上部カートリッジ１３及び管部１６を取り外すことにより、ハウジング８に対しその開口から上方に向けて取り外すことが可能となる。そうしたハウジング８からの下部カートリッジ１５の取り外しは、外壁２１の上端に形成されている把持部３１ａ（図５）を工具等で把持して引き上げることによって容易に行うことが可能となる。

下部カートリッジ１５が管部１６の下側に配置された状態では、外壁３１の上端が管部１６の下面に当接することにより、外壁３１の平坦部３３とハウジング８の内壁との間の部分が管部１６のスリット２０に対応して位置して同スリット２０と連通する。更に、下部カートリッジ１５のメッシュ３２とハウジング８の内側底面との間には隙間があり、その隙間に対し外壁３１の平坦部３３とハウジング８の内壁との間の部分が連通している。そして、下部カートリッジ１５における外壁３１の平坦部３３とハウジング８の内壁との間の部分は、下部カートリッジ１５（外壁３１）内に冷媒を流入させる第２流入部３４となっている。この第２流入部３４は、管部１６のスリット２０及び通路１６ａを介してハウジング８の流入口９に繋がるとともに、メッシュ３２とハウジング８の内側底面との間の隙間、及び同メッシュ３２を介して下部カートリッジ１５の外壁３１における下端の開口に繋がっている。

下部カートリッジ１５がハウジング８内に配置された状態では、外壁３１の上端が管部１６の下面に当接することにより、下部カートリッジ１５における外壁３１の上端の開口が管部１６のスリット２０に対し遮断される一方、下部カートリッジ１５の上端における管部１６の下面との間の部分を介して同管部１６の第２連通孔１９と連通する。そして、下部カートリッジ１５の上端における管部１６の下面との間の部分は、管部１６の第２連通孔１９及び通路１６ａを介してハウジング８の流出口１０に繋がっており、下部カートリッジ１５（外壁３１）内の冷媒を流出させる第２流出部３５となっている。

次に、イオン交換樹脂１１，１２について説明する。
イオン交換器５においては、流入口９を介してハウジング８内に流入した冷媒が、上部カートリッジ１３内のイオン交換樹脂１１、及び、下部カートリッジ１５内のイオン交換樹脂１２を通過する際に同冷媒中のイオンがイオン交換を通じて取り除かれ、同イオンが取り除かれた後の冷媒がハウジング８から流出口１０を介して流出する。また、冷媒中のイオンとしては陽イオンと陰イオンとが存在するため、それらのイオンを冷媒中から取り除くことができるよう、上記イオン交換樹脂１１，１２として陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂が用いられる。ちなみに、上記陽イオン交換樹脂としては図６に示す強酸性陽イオン交換樹脂が用いられる一方、上記陰イオン交換樹脂としては図７に示す強塩基性陰イオン交換樹脂及び図８に示す弱塩基性陰イオン交換樹脂が用いられる。

冷却回路２においては、製造直後の新品時から所定の期間（洗浄期間）が経過するまでは、同冷却回路２内の冷媒に対し配管等からイオンが多く溶出する。また、燃料電池１を冷媒によって冷却するときには、冷媒中の成分が加熱分解されてイオンが徐々に発生する。従って、冷却回路２の製造直後から上記洗浄期間が経過して冷却回路２内の冷媒に対する配管等からイオンの溶出がおさまると、冷媒の成分が加熱分解されて冷媒中に徐々にイオンが発生する期間（通常期間）に移行する。イオン交換器５では、上述した洗浄期間及び通常期間の両方において冷媒中から効果的にイオンを取り除くため、上記イオン交換樹脂１１，１２の種類、量、及び配合が定められている。

詳しくは、イオン交換樹脂１１としては、強酸性陽イオン交換樹脂及び強塩基性陰イオン交換樹脂を配合したものが用いられている。また、イオン交換樹脂１２としては、強酸性陽イオン交換樹脂及び弱塩基性陰イオン交換樹脂を配合したものが用いられている。なお、強酸性陽イオン交換樹脂についてはイオン交換樹脂１１，１２全体に対するモル当量を３０〜４０％とすることが好ましい。また、強塩基性陰イオン交換樹脂についてはイオン交換樹脂１１，１２全体に対するモル当量を５０〜６０％とすることが好ましく、弱塩基性陰イオン交換樹脂についてはイオン交換樹脂１１，１２全体に対するモル当量を８〜３０％とすることが好ましい。

次に、イオン交換器５の作用について説明する。
イオン交換樹脂１１，１２において、弱塩基性陰イオン交換樹脂は、強塩基性陰イオン交換樹脂と比較してイオン交換できるイオンの種類に限りがあるものの、耐熱温度が強塩基性陰イオン交換樹脂よりも高く、且つ、単位体積当たりのイオン交換の量（イオン交換容量）が強塩基性陰イオン交換樹脂よりも大きい。このため、イオン交換樹脂１１，１２において、弱塩基性陰イオン交換樹脂の割合を多くすれば、イオン交換樹脂１１，１２全体としては量を少なくすることができ、イオン交換器５の小型軽量化を実現するうえで有利である。

しかし、仮にイオン交換樹脂１１，１２において、陰イオン交換樹脂を弱塩基性イオン交換樹脂のみにしてイオン交換樹脂１１，１２全体の量を少なくすると、冷媒がイオン交換器５を通過する際におけるイオン交換樹脂１１，１２の冷媒に対する接触面積が少なくなるため、その冷媒の単位流量当たりのイオンの除去割合（イオン交換効率）が低下する。従って、イオン交換器５が設けられる冷却回路２の上記洗浄期間において、同冷却回路２内の冷媒に対し配管等から多くのイオンが溶出するとき、イオン交換器５によって冷媒からイオンを効果的に取り除くことができなくなるおそれがある。

また、仮にイオン交換樹脂１１，１２のうちの陰イオン交換樹脂を強塩基性イオン交換樹脂のみにしたとすると、強塩基性陰イオン交換樹脂の上記イオン交換容量が弱塩基性陰イオン交換樹脂よりも小さい分、強塩基性陰イオン交換樹脂を多くしなければならなくなる。更に、強塩基性陰イオン交換樹脂は、弱塩基性陰イオン交換樹脂と比較して耐熱温度が低いことから、強塩基性陰イオン交換樹脂が熱劣化してもイオン交換性能が低下しないよう多めにしなければならなくなる。これらの結果、イオン交換樹脂１１，１２のうちの陰イオン交換樹脂を強塩基性イオン交換樹脂のみとした場合には、イオン交換樹脂１１、１２全体の量が多くなることは避けられず、それに伴いイオン交換器５の小型軽量化が妨げられる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）はそれぞれ、仮にイオン交換樹脂１１，１２のうちの陰イオン交換樹脂を強塩基性イオン交換樹脂のみとした場合の上記洗浄期間及び上記通常期間に亘るイオン交換器５における上記イオン交換効率の推移を示している。

なお、図９（ａ）においては、横軸がイオン交換器５によって冷媒から除去されたイオンの積算値（以下、吸着量という）とされており、その吸着量の増加に対する上記イオン交換効率の要求値の推移を太線で表すとともに、上記イオン交換効率の実測値の上記吸着量の推移を細線で表している。また、図９（ｂ）においては、横軸が時間とされており、その時間の経過に対する上記イオン交換効率の要求値の推移を太線で表すとともに、上記イオン交換効率の実測値の推移を細線で表している。なお、図９（ｂ）におけるタイミングＴ０〜Ｔ１の期間は冷却回路２の製造直後の新品時からの上記洗浄期間を表しており、タイミングＴ１以降は上記通常期間を表している。また、図９（ａ）においては、破線で示す位置で、洗浄期間から通常期間に切り替わっている。

図９（ａ）及び図９（ｂ）から分かるように、上記イオン交換効率の要求値（太線）に関しては、上記洗浄期間（図９（ｂ）のＴ０〜Ｔ１）で大きい値とされている一方、上記通常期間（図９（ｂ）のＴ１〜）では小さい値とされている。これは、上記洗浄期間中には冷却回路２内の冷媒に対し配管等からイオンが多く溶出し、上記通常期間中には冷却回路２内の冷媒に対する配管等からイオンの溶出がおさまる一方、冷媒の成分が加熱分解されて冷媒中に徐々にイオンが発生するためである。

こうしたイオン交換効率の要求値（太線）に対し、イオン交換効率の実測値（細線）は、特に上記通常期間中（図９（ｂ）のＴ１〜）において比較的余裕を持った状態（太線に対し図９の上方に乖離した状態）で推移する。これは、イオン交換樹脂１１，１２の陰イオン交換樹脂を強塩基性イオン交換樹脂のみとした場合、上記洗浄期間中の上記イオン交換容量を必要な値に維持したり、上記通常期間中（図９（ｂ）のＴ１〜）における冷媒の温度上昇時に上記イオン交換性能を必要な値に維持したりするため、強塩基性陰イオン交換樹脂を多めにしていることが関係している。すなわち、このように強塩基性陰イオン交換樹脂を多めにすることにより、上記通常期間中（図９（ｂ）のＴ１〜）においてイオン交換器５のスペックが上記イオン交換効率の点で過剰となるためである。

一方、本実施形態のイオン交換器５における上記洗浄期間及び上記通常期間に亘る上記イオン交換効率の推移は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すものとなる。なお、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）の横軸は、図９（ａ）及び図９（ｂ）と同様、イオン交換器５が冷媒から除去したイオンの積算値（吸着量）及び時間とされている。そして、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）においても、上記吸着量の増加及び上記時間の経過に対する上記イオン交換効率の要求値の推移を太線で表すとともに、上記吸着量の増加及び上記時間の経過に対する上記イオン交換効率の実測値の推移を細線で表している。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）から分かるように、本実施形態のイオン交換器５では、図９（ａ）及び図９（ｂ）の例と比較して、イオン交換効率の実測値（細線）がイオン交換効率の要求値（太線）に対し近い位置で、すなわち太線に対し図１０の上方への乖離が少ない状態で推移する。特に、上記通常期間中（図１０（ｂ）のＴ１〜）においては、上記イオン交換効率の実測値（細線）が上記イオン交換効率の目標値（太線）に対し大幅に近い位置で推移する。これは、本実施形態のイオン交換器５では、ハウジング８内に装填されるイオン交換樹脂１１，１２に、強酸性陽イオン交換樹脂、強塩基性陰イオン交換樹脂、及び弱塩基性陰イオン交換樹脂が含まれているためである。

上記弱塩基性陰イオン交換樹脂は、上記強塩基性陰イオン交換樹脂と比較して耐熱温度が高いため、上記通常期間中の冷媒の温度上昇時にイオン交換性能を必要な値に維持するために多めにする必要はない。また、上記弱塩基性陰イオン交換樹脂は、上記強塩基性陰イオン交換樹脂と比較して上記イオン交換容量が大きいため、上記通常期間中に冷媒からイオンを効果的に取り除くために必要な量が少なくてすむ。従って、イオン交換樹脂１２に上記弱塩基性陰イオン交換樹脂を含めることにより、ハウジング８に装填されるイオン交換樹脂全体の量を少なくし、上記通常期間中（図１０（ｂ）のＴ１〜）におけるイオン交換効率の実測値（細線）を目標値（太線）に近づけることができる。その結果、本実施形態のイオン交換器５では、図９（ａ）及び図９（ｂ）の例のように、イオン交換器５のスペックがイオン交換効率の点で過剰となることはなくなる。

一方、上記強塩基性陰イオン交換樹脂は、上記弱塩基性陰イオン交換樹脂と比較して上記イオン交換容量が小さい分、上記弱塩基性陰イオン交換樹脂と同等のイオン交換性能を得るためにはハウジング８内に多く装填する必要がある。そして、そのように強塩基性陰イオン交換樹脂を多くすれば、イオン交換器５を冷媒が通過する際におけるイオン交換樹脂の冷媒に対する接触面積が大きくなる。このため、イオン交換樹脂１１に強塩基性陰イオン交換樹脂を含めることにより、冷媒がイオン交換器５を通過する際におけるイオン交換樹脂の冷媒に対する接触面積を大きくすることができ、上記洗浄期間中に上記接触面積が小さいことに伴う上記イオン交換効率の低下が生じることを抑制できる。

従って、本実施形態のイオン交換器５では、イオン交換樹脂１１，１２に強酸性陽イオン交換樹脂、強塩基性陰イオン交換樹脂、及び弱塩基性陰イオン交換樹脂を含めることにより、上記洗浄期間と上記通常期間との両方で冷媒からイオンを効果的に取り除きつつ、ハウジング８内に装填されるイオン交換樹脂１１，１２の量を少なくすることができる。

なお、図１１において、「Ａ」はイオン交換樹脂１１，１２のうちの陰イオン交換樹脂を強塩基性イオン交換樹脂のみと仮定した場合（図９（ａ）及び図９（ｂ））のイオン交換樹脂１１，１２全体の量（搭載容量）を示している。また、図１１の「Ｂ」は本実施形態（図１０（ａ）及び図１０（ｂ））のイオン交換器５におけるイオン交換樹脂１１，１２全体の量（搭載容量）を示している。図１１から分かるように、本実施形態のイオン交換器５では、イオン交換樹脂１１，１２全体の量を少なくすることができ、その分の小型軽量化を実現することができる。

また、強塩基性陰イオン交換樹脂は、弱塩基性陰イオン交換樹脂と比較して耐熱温度が低く且つイオン交換容量が小さいため、比較的短い周期で新しいものに取り替える必要がある。こうした強塩基性陰イオン交換樹脂の取り替えは、イオン交換樹脂１１を上部カートリッジ１３ごと新しいものに取り替えることによって行われる。すなわち、ハウジング８の上端部に対するキャップ２７のボルト締結を解除して同キャップ２７をハウジング８から取り外す。このように上端が開口されたハウジング８内から上部カートリッジ１３及び管部１６を上方に向けて取り外す。その後、新しいイオン交換樹脂１１が装填された別の上部カートリッジ１３及び管部１６をハウジング８内に上方から落とし込み、キャップ２７をハウジング８に対しボルト締結することにより、新しい上部カートリッジ１３及び管部１６がハウジング８内に取り付けられる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）イオン交換器５によって上記洗浄期間と上記通常期間との両方で冷媒から効果的にイオンを取り除くことができ、且つ、イオン交換器５の小型軽量化を実現することができる。

（２）イオン交換樹脂１２に含まれる弱塩基性陰イオン交換樹脂は、酸性環境下にあるときに十分なイオン交換性能を発揮するものである。イオン交換樹脂１１，１２には陽イオン交換樹脂として強酸性陽イオン交換樹脂が含まれているが、この強酸性陽イオン交換樹脂は冷媒中のイオン交換の際に水素イオン（プロトン）を生じさせるため、それに伴って冷媒が酸性寄りとなる傾向がある。その結果、弱塩基性陰イオン交換樹脂が酸性環境下におかれるようになり、同弱塩基性陰イオン交換樹脂のイオン交換性能を十分に発揮させることができるようになる。

（３）比較的短い周期で新しいものに取り替える必要がある強塩基性陰イオン交換樹脂の取り替えについては、イオン交換樹脂１１を上部カートリッジ１３ごと新しいものに取り替えることによって実現されるため、強塩基性陰イオン交換樹脂の取り替えを容易に行うことができる。

（４）強塩基性陰イオン交換樹脂を含むイオン交換樹脂１２については、ハウジング８内に対し取り外し可能に取り付けられる下部カートリッジ１５に装填されているため、必要に応じて、下部カートリッジ１５ごとイオン交換樹脂１２を新しいものに取り替えることにより、強塩基性陰イオン交換樹脂を新しいものに取り替えることができる。強塩基性陰イオン交換樹脂については、新しいものに取り替える周期が弱塩基性陰イオン交換樹脂と比較して長くなる。ただし、冷却回路２を新品に取り替えた場合などには、その取り替え後に洗浄期間を再び迎えることになるため、弱塩基性陰イオン交換樹脂を新しいものに取り替えておく必要がある。こうした弱塩基性陰イオン交換樹脂の新しいものへの取り替えを、上述した下部カートリッジ１５ごとの取り替えを通じて容易に行うことができる。

（５）下部カートリッジ１５をハウジング８に対しその開口から上方に向けて取り外すことは、下部カートリッジ１５における外壁２１の上端に形成されている把持部３１ａを工具等で把持して引き上げることによって容易に行うことができるため、下部カートリッジ１５の交換が容易になる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・イオン交換器５のハウジング８は、鉛直方向に対し管部１６における通路１６ａの中心線周りに傾いていてもよい。

・イオン交換樹脂１１，１２に含める陽イオン交換樹脂は必ずしも強酸性陽イオン交換樹脂である必要はなく、イオン交換樹脂１１，１２に強酸性陽イオン交換樹脂以外の陽イオン交換樹脂を含めるようにしてもよい。なお、イオン交換樹脂１１，１２に含める陽イオン交換樹脂を強酸性陽イオン交換樹脂とした場合でも、冷媒（エチレングリコール）が熱分解してグリコール酸が生成されることによって冷媒が酸性に傾いたり、冷媒が冷却回路２の周辺雰囲気（大気）に含まれる二酸化炭素と触れることによって酸性に傾いたりする。このため、強酸性陽イオン交換樹脂以外の陽イオン交換樹脂を用いる場合であっても、イオン交換樹脂１２に含まれる弱塩基性陰イオン交換樹脂を酸性環境下におくことはできる。

・イオン交換樹脂１２については、必ずしもハウジング８の下部に取り外し可能に取り付けられる下部カートリッジ１５に装填されている必要はなく、ハウジング８内の下部に対し直接的に装填されていてもよい。

１…燃料電池、２…冷却回路、３…ポンプ、４…ラジエータ、５…イオン交換器、６…バイパス配管、７…バルブ、８…ハウジング、９…流入口、１０…流出口、１１…イオン交換樹脂、１２…イオン交換樹脂、１３…上部カートリッジ、１５…下部カートリッジ、１６…管部、１６ａ…通路、１７…挿入孔、１８…第１連通孔、１９…第２連通孔、２０…スリット、２１…外壁、２２…チューブ部材、２３…メッシュ、２４…縮径部、２５…第１流入部、２６…メッシュ、２７…キャップ、２８…第１流出部、３１…外壁、３１ａ…把持部、３２…メッシュ、３３…平坦部、３４…第２流入部、３５…第２流出部、３６…メッシュ。

Claims (1)

1. 冷媒を流入させる流入口及び同冷媒を流出させる流出口が設けられているハウジングと、そのハウジング内に装填されたイオン交換樹脂とを備えており、前記流入口を介して前記ハウジング内に流入した冷媒が前記イオン交換樹脂を通過する際に同冷媒中のイオンをイオン交換によって取り除き、同イオンが取り除かれた後の冷媒を前記ハウジングから前記流出口を介して流出させるイオン交換器において、
   前記ハウジングは、上方に向けて開口するものであり、
   前記ハウジング内における前記流入口及び前記流出口よりも下部には、前記冷媒が通過するイオン交換樹脂として、陽イオン交換樹脂と弱塩基性陰イオン交換樹脂とを配合したものが装填されており、
   前記ハウジング内における前記流入口及び前記流出口よりも上部には、イオン交換樹脂を装填可能なカートリッジが上方に向けて取り外しできるよう取り付けられており、
   前記カートリッジには、前記ハウジングの前記流入口に繋がって前記冷媒を流入させる流入部と同ハウジングの前記流出口に繋がって前記冷媒を流出させる流出部とが設けられているとともに、前記冷媒が通過するイオン交換樹脂として陽イオン交換樹脂及び強塩基性陰イオン交換樹脂を配合したものが装填されていることを特徴とするイオン交換器。