JP4102744B2 - イオン交換フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの回路内を流れる流体中の不純物イオンを除去するイオン交換フィルタに関する。

燃料電池は、水素と大気中の酸素を電気化学的に反応させることによって電気を発生させるもので、次世代自動車などの高効率動力源として期待されている。

水素と酸素を反応させる燃料電池本体（燃料電池スタックとも呼ばれる）を冷却するために、燃料電池システムには冷却水の循環回路が設けられる。この循環回路内の配管等からイオンが冷却水中に溶出すると、電気伝導度が上がり、燃料電池本体の発電効率が落ちてしまう。このため循環回路には、冷却水中のイオンを除去するイオン交換フィルタが設けられる。

燃料電池本体を加湿する際にも、電気伝導度の低い純水を供給する必要がある。加湿用の純水の電気伝導度を下げるのにも、純水中のイオンを除去するイオン交換フィルタが設けられる。

燃料電池システムを搭載した自動車は自己発電して走行するため、発電した電力を効率良く走行に結び付けるのが望まれる。しかし、冷却水循環用のポンプの負荷が高いと、発電した電力がポンプに消費される率が大きくなってしまい、電力を効率良く走行に結び付けることができなくなる。ポンプに消費される電力を下げるべく、ポンプの負荷を下げるのには、回路中の圧力損失（あるいは通水抵抗）を低くすることが必要である。当然回路中に組み込まれるイオン交換フィルタにも圧力損失が低いことが要求される。

イオン交換フィルタの圧力損失を低くし過ぎると、イオン交換フィルタの本来の目的であるイオンを除去する性能（言い換えればイオンを交換するイオン交換効率）が十分でなくなる。イオン交換効率を高くするという事象、並びにイオン交換フィルタの圧力損失を低くするという事象は、互いに相反し、両立は困難である。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。

イオンを交換するという事象は、化学反応の反応速度と大きく関係があり、いわば自然現象である。イオン交換フィルタの物理的な構造だけでは、化学反応の反応速度を変化させることができない。１種類のイオン交換フィルタで、交換効率を高くすることと圧力損失を低くすることを両立させることは困難であると思われる。このため本発明者は、イオン交換フィルタに組み込まれる２種類のカートリッジを必要に応じて使い分け、これにより交換効率が高いイオン交換フィルタ又は圧力損失が低いイオン交換フィルタを得るようにした。

具体的には請求項１の発明は、燃料電池システムに用いられるイオン交換フィルタであって、流体の流入口（１４）及び流出口（１５）が形成されるケース（１３）と、前記ケース（１３）の内部に交換可能に設けられ、イオン交換樹脂が充填される２種類のカートリッジ（１１，１２）とを、備え、前記２種類のカートリッジ（１１，１２）を交換することによって、圧力損失が高く且つイオン交換効率が高い交換効率重視のイオン交換フィルタ（図４参照）、又は前記交換効率重視のイオン交換フィルタよりも圧力損失が低く且つイオン交換効率が低い圧力損失重視のイオン交換フィルタ（図５参照）を得ることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のイオン交換フィルタにおいて、交換効率重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジ（１１）は、イオン交換樹脂が充填される空間が円柱又は角柱形状に形成されるイオン交換樹脂収容部（１１ａ）を有し、前記円柱又は角柱形状の軸線方向の一端部（１７ａ）から他端部（１９）に向かって流体を流し、圧力損失重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジ（１２）は、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の筒形状に形成されるイオン交換樹脂収容部（１２ａ）を有し、前記中空の筒形状の外周部（２６）から内周部（２５）に向かって又は内周部（２５）から外周部（２６）に向かって流体を流すことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載のイオン交換フィルタにおいて、前記ケース（１３）の前記流入口（１４）及び／又は流出口（１５）には、オリフィス部（１６）が設けられ、前記交換効率重視のイオン交換フィルタ用カートリッジ（１１）における前記イオン交換樹脂収容部（１１ａ）の前記一端部（１７ａ）及び前記他端部（１９）には、流体を通水すると共に、イオン交換樹脂を封入するためのメッシュで覆われた穴（２０，２１）が形成され、前記圧力損失重視のイオン交換フィルタ用カートリッジ（１２）における前記イオン交換樹脂収容部（１２ａ）の前記内周部（２５）及び前記外周部（２６）には、流体を通水すると共に、イオン交換樹脂を封入するためのメッシュで覆われた穴（２５ａ，２６ａ）が形成されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ケースに組み込まれるカートリッジを交換するだけで、圧力損失が低い圧力損失重視のイオン交換フィルタ、又はイオン交換効率が高い交換効率重視のイオン交換フィルタを得ることができる。このため燃料電池システムに応じて最適なイオン交換フィルタを得ることができる。またケースを作り変える必要なく、同一のケースでカートリッジを交換するだけで性能の異なるイオン交換フィルタを得ることができるので、コスト面や性能変更の容易性という観点からもメリットがある。

請求項２の発明によれば、交換効率重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジをイオン交換効率を高くする場合に好適に用いることができ、圧力損失重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジを圧力損失を低くする場合に好適に用いることができる。

請求項３の発明によれば、オリフィス部の径、流体が通水する穴の径を変えることにより、微妙にイオン交換フィルタの圧力損失及びイオン交換効率を変えることができる。

以下添付図面に基づいて本発明のイオン交換フィルタの一実施形態を説明する。イオン交換フィルタは、燃料電池本体（以下燃料電池スタックという）を冷却する冷却回路や、燃料電池スタックのイオン交換膜を加湿する加湿回路に組み込まれるのが一般的である。冷却水用の流体には水、あるいは耐凍結を考慮してエチレングリコールと水の混合溶液が使用される。加湿用の流体には純水が使用される。イオン交換フィルタは、これら水、エチレングリコール水、純水中のイオンを除去して電気伝導度を低減させる。

図１はイオン交換フィルタが用いられる燃料電池システムの一例を示す。この燃料電池システムは、燃料電池スタックのイオン交換膜を加湿する純水加湿システム１と、燃料電池スタックを冷却する冷却システム２とを有する。純水加湿システム１では、純水タンク３から純水をポンプ４で吸い上げ、イオン交換フィルタ５を通過させて電気伝導度を下げ、燃料電池スタック６に供給し、内部のイオン交換膜を加湿する。余った純水は純水タンクに戻される。燃料電池スタック６の空気極で反応により生成した水も純水タンクに回収される。

冷却システム２では、ポンプ７が燃料電池スタック６とラジエータ８との間で冷却液を循環させる。ラジエータ８により放熱された冷却液が燃料電池スタック６に供給され、また燃料電池スタック６を冷却した後の冷却液がラジエータ８に供給される。電気伝導度の低い冷却液を得るために冷却システム２にはイオン交換フィルタ９が設けられる。

本実施形態のイオン交換フィルタは、純水加湿システム１及び冷却システム２のいずれにも設けられて良いが、以下冷却システム２に設けられている例について説明する。

図２及び図３はイオン交換フィルタに交換可能に組み込まれる２種類のカートリッジの模式図を示す。図２は交換効率重視のイオン交換フィルタに組み込まれるカートリッジ１１を示し、図３は圧力損失重視のイオン交換フィルタに組み込まれるカートリッジ１２を示す。カートリッジ１１が組み込まれる交換効率重視のイオン交換フィルタは、圧力損失重視のイオン交換フィルタよりも圧力損失が高く且つイオン交換効率が高い。一方、カートリッジ１２が組み込まれる圧力損失重視のイオン交換フィルタは、交換効率重視のイオン交換フィルタよりも圧力損失が低く且つイオン交換効率が低い。

図２に示される交換効率重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジ１１は、循環回路中の不純物が多く、その不純物の除去を最優先に行なわないと燃料電池システムが機能しない状態や、そのような機種（あるいは車種）に用いられる。このカートリッジ１１は、イオン交換樹脂が充填される空間が円柱又は角柱形状に形成されるイオン交換樹脂収容部１１ａを有し、円柱又は角柱形状の軸線方向の一端部から他端部に向かって流体を流す。このカートリッジ１１では、圧力損失が高くなるが、流入する流体中に含まれる不純物イオンと除去される不純物イオンとの比であるイオン交換効率が高くなる。

図３に示される圧力損失重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジ１２は、循環回路中の不純物が少なく、不純物の除去よりも低圧損であることを最優先に考えないと、燃料電池システムとして機能しない状態や、そのような機種（あるいは車種）に用いられる。例えば冷却回路中に大流量流すためイオン交換フィルタを低圧損に保つ場合に用いられる。このカートリッジ１２は、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の筒形状に形成されるイオン交換樹脂収容部１２ａを有し、中空の筒形状の外周部から内周部に向かって又は内周部から外周部に向かって流体を流す。このカートリッジ１２では、圧力損失が低くなるが、イオン交換効率も低くなる。

カートリッジ１１，１２内に充填されるイオン交換樹脂は、溶液中のイオンと結合あるいはイオン交換できる合成樹脂であり、酸性基、あるいは塩基性基をもつ。陽イオン交換樹脂は、固体の酸でスルホン基やカルボキシル基をもち、その官能基（分子の一部）の水素がイオンとなって放出され、周りの溶液中の陽イオンと入れ替わる。陰イオン交換樹脂は固体の塩基で、その水酸基が他の陰イオンと交換して放出され、陰イオンが樹脂に結合する。イオン交換樹脂の量、極性は、流体の流量、不純物の量に応じて様々に設定される。

図４は、交換効率重視のイオン交換フィルタの断面図を示す。２種類のカートリッジで共通のケース１３は、流体の流入口１４及び流出口１５とを有する。ケース１３は、有底円筒形状のケース本体１３ａと、ボルト等の接合手段を用いてケース本体１３ａに着脱自在な蓋部１３ｂとで構成される。流入口１４はケース本体１３ａの底に形成され、流出口１５は蓋部１３ｂに形成される。蓋部１３ｂの流出口１５には径を狭めたオリフィス部１６が形成される。

ケース１３の内部には、イオン交換樹脂が充填されるカートリッジ１１が組み込まれる。このカートリッジ１１は、円柱形状のイオン交換樹脂収容部１１ａを有し、有底円筒状のカートリッジ本体１７と、カートリッジ本体１７内にスライド可能に設けられる円盤状の端部１９と、カートリッジ本体１７の上端部に設けられる天板１８とを備える。

イオン交換樹脂収容部１１ａの一端部を構成するカートリッジ本体１７の下端部１７ａには、流体を通水する流入穴２０が複数形成される。流入穴２０はイオン交換樹脂を封入すべく、イオン交換樹脂よりも網目の小さいメッシュで覆われる。このメッシュには例えば直径５００μｍ程度の粒状のイオン交換樹脂を封入できるように、１００μｍ程度の網目を有するものが用いられる。

イオン交換樹脂収容部１１ａの他端部を構成する端部１９にも、流体を通水する流出穴２１が複数形成される。この流出穴２１もイオン交換樹脂を封入すべく、イオン交換樹脂よりも網目の小さいメッシュで覆われる。

端部１９は、カートリッジ１１内に充填されたイオン交換樹脂を押える機能を有し、カートリッジ本体１７に対してスライド可能となっている。端部１９天板１８との間には、イオン交換樹脂を押えるための力を付与するコイルスプリング２２が配置される。端部１９の外周にはシール部材２３が設けられる。天板１８の中央には、蓋部１３ｂの流出口１５内に嵌り込む管状突起１８ａが形成される。

これらカートリッジ本体１７及び端部１９によって、イオン交換樹脂が充填される中空の円筒形状のイオン交換樹脂収容部１１ａが形成される。ケース１３の下部の流入口１４から流入する流体は、ケース１３の底部とカートリッジ本体１７の下端部１７ａとの間の隙間を経由して、下端部１７ａの複数の流入穴２０からイオン交換樹脂収容部１１ａ内に流れ込む。イオン交換樹脂によりイオンが除去された流体は、イオン交換樹脂収容部１１ａを上方向に移動し、端部１９の流出穴２１から流出し、その後天板１８の管状突起１８ａからケース１３の流出口１５に流れ込み、オリフィス部１６を経由して流出する。なお流体をこれとは逆方向に、流出口１５から流入口１４に向かって流しても良い。

図５は、圧力損失重視のイオン交換フィルタの断面図を示す。ケース１３は交換効率重視のイオン交換フィルタと同一なので同一の符号を附してその説明を省略する。

ケース１３の内部には、イオン交換樹脂が充填されるカートリッジ１２が組み込まれる。このカートリッジ１２は、中空の円筒形状のイオン交換樹脂収容部１２ａを有し、イオン交換樹脂収容部１２ａの内周部を構成する内筒２５と、外周部を構成し、内筒２５の外側に軸線が一致するように設けられる外筒２６と、内筒２５及び外筒２６の軸線方向の両端部に設けられる一対の端部２７，２８とを備える。

内筒２５の周囲には、流体を通水する流出穴２５ａが複数形成される。流出穴２５ａはイオン交換樹脂を封入すべく、イオン交換樹脂よりも網目の小さいメッシュで覆われる。メッシュには、例えば直径５００μｍ程度の粒状のイオン交換樹脂を封入できるように、例えば１００μｍ程度の網目を有するものが用いられる。内筒２５の上端部２５ｂは上側の端部２８よりも上方に突出し、流出口１５内に嵌り込む。

外筒２６の周囲にも、流体を通水する流入穴２６ａが複数形成される。この流入穴２６ａもイオン交換樹脂を封入すべく、イオン交換樹脂よりも網目の小さいメッシュで覆われる。

一対の端部２７，２８は環状に形成される。底側の端部２７は内筒２５の下端と外筒２６の下端とを接続し、上側の端部２８は内筒２５の上端と外筒２６の上端とを接続する。下側の端部２７にも流体を通水する流入穴２７ａが形成され、この流入穴２７ａもメッシュで覆われる。

上側の端部２８は、カートリッジ１２内に充填されたイオン交換樹脂を押える機能を有し、外筒２６及び内筒２５に対してスライド可能となっている。端部２８の上方には外筒２６に固定された天板２９が設けられる。端部２８天板２９との間には、イオン交換樹脂を押えるための力を付与するコイルスプリング３０が配置される。端部２８の外周及び内周それぞれにはシール部材が設けられる。

これら内筒２５、外筒２６及び一対の端部２７，２８によって、イオン交換樹脂が充填される中空の円筒形状のイオン交換樹脂収容部が形成される。ケース１３の下部の流入口１４から流入する流体は、ケース１３の底部と端部２７との間の隙間、ケース１３の内周面とカートリッジ１２の外周部との間の断面環状の通路を経由して、外筒２６の複数の流入穴２６ａからイオン交換樹脂収容部１２ａ内に流れ込む。イオン交換樹脂によりイオンが除去された流体は、内筒２５の複数の流出穴２５ａから内筒２５内に流れ込み、その後、内筒２５の軸線方向（上方向）に移動し、ケース１３の流出口１５からオリフィス部１６を経由して流出する。なお流体をこれとは逆方向に、流出口１５から流入口１４に向かって流しても良い。

本実施形態のイオン交換フィルタによれば、ケースに組み込まれる２種類のカートリッジ１１，１２を交換するだけで、圧力損失が低い圧力損失重視のイオン交換フィルタ、又はイオン交換効率が高い交換効率重視のイオン交換フィルタを得ることができる。またこれら２種類のカートリッジ１１，１２はその内部構造が大きく異なっているため、微妙な圧力損失やイオン交換効率を変えることが難しい。しかし、ケース１３のオリフィス部１６の径、あるいはカートリッジ１１，１２に流体が通水する穴２０，２１，２５ａ，２６ａの径を変えることにより、微妙にイオン交換フィルタの圧力損失及びイオン交換効率を変えることができる。

なお本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えばカートリッジの種類は上記２種類に限られず、圧力損失及びイオン交換効率が異なる第３の種類のカートリッジが用いられても良い。またカートリッジの具体的な構造は流体の流れ方を変えない範囲で種々変更可能である。さらにオリフィス部は流出口に限られず、流入口に設けられても良い。

イオン交換フィルタが用いられる燃料電池システムの一例を示す図。 交換効率重視のイオン交換フィルタに組み込まれるカートリッジの模式図。 圧力損失重視のイオン交換フィルタに組み込まれるカートリッジを示す模式図（図中（Ａ）は平面図を示し、図中（Ｂ）は断面図を示す）。 交換効率重視のイオン交換フィルタの断面図。 圧力損失重視のイオン交換フィルタの断面図。

符号の説明

１１…効率重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジ
１１ａ…イオン交換樹脂収容部
１２…圧力損失重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジ
１２ａ…イオン交換樹脂収容部
１３…ケース
１４…流入口
１５…流出口
１６…オリフィス部
１７ａ…カートリッジの下端部（一端部）
１９…端部（他端部）
２０，２１，２５ａ，２６ａ…穴
２５…内筒（内周部）
２６…外筒（外周部）

Claims (3)

1. 燃料電池システムに用いられるイオン交換フィルタであって、
   流体の流入口及び流出口が形成されるケースと、
   前記ケースの内部に交換可能に設けられ、イオン交換樹脂が充填される２種類のカートリッジとを、備え、
   前記２種類のカートリッジを交換することによって、圧力損失が高く且つイオン交換効率が高い交換効率重視のイオン交換フィルタ、又は前記交換効率重視のイオン交換フィルタよりも圧力損失が低く且つイオン交換効率が低い圧力損失重視のイオン交換フィルタを得ることを特徴とするイオン交換フィルタ。
2. 交換効率重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジは、イオン交換樹脂が充填される空間が円柱又は角柱形状に形成されるイオン交換樹脂収容部を有し、前記円柱又は角柱形状の軸線方向の一端部から他端部に向かって流体を流し、
   圧力損失重視のイオン交換フィルタ用のカートリッジは、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の筒形状に形成されるイオン交換樹脂収容部を有し、前記中空の筒形状の外周部から内周部に向かって又は内周部から外周部に向かって流体を流すことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換フィルタ。
3. 前記ケースの前記流入口及び／又は流出口には、オリフィス部が設けられ、
   前記交換効率重視のイオン交換フィルタ用カートリッジにおける前記イオン交換樹脂収容部の前記一端部及び前記他端部には、流体を通水すると共に、イオン交換樹脂を封入するためのメッシュで覆われた穴が形成され、
   前記圧力損失重視のイオン交換フィルタ用カートリッジにおける前記イオン交換樹脂収容部の前記内周部及び前記外周部には、流体を通水すると共に、イオン交換樹脂を封入するためのメッシュで覆われた穴が形成されることを特徴とする請求項２に記載のイオン交換フィルタ。

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