JP4292087B2 - Ion exchange resin life detection method and ion removal filter - Google Patents
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Description
本発明は、液体中のイオンを除去するイオン交換樹脂の寿命を検知する寿命検知方法及びイオン除去フィルタに関する。 The present invention relates to a lifetime detection method and an ion removal filter that detect the lifetime of an ion exchange resin that removes ions in a liquid.
次世代自動車の動力源として、あるいは家庭用電力源として、燃料電池が用いられてきている。燃料電池は水素と酸素とを化学反応させたときの化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。水素と酸素との化学反応は発熱反応なので、燃料電池の冷却ために水を循環させている。そのときに水道水のような電気を通す水では、燃料電池がショートしてしまう。このため水中のイオンを除去し、導電率(電気伝導度)を下げるべく、イオン交換樹脂が使用される。 Fuel cells have been used as power sources for next-generation automobiles or as household power sources. The fuel cell converts chemical energy when hydrogen and oxygen are chemically reacted into electric energy. Since the chemical reaction between hydrogen and oxygen is an exothermic reaction, water is circulated to cool the fuel cell. At that time, water that conducts electricity, such as tap water, causes the fuel cell to short-circuit. For this reason, an ion exchange resin is used in order to remove ions in water and lower the electrical conductivity (electrical conductivity).
また燃料電池には、水素と酸素を湿らせるための加湿用の水が供給される。加湿用の水の中にイオン成分が溶け込むと、水素と酸素との化学反応の妨げになる。このため、加湿用の水からもイオンが除去される。 The fuel cell is supplied with humidifying water for moistening hydrogen and oxygen. When an ionic component dissolves in humidifying water, it interferes with the chemical reaction between hydrogen and oxygen. For this reason, ions are also removed from the water for humidification.
上述のように燃料電池はイオンをきらうので、イオン交換樹脂によってイオンを除去する必要がある。イオン交換樹脂は、交換できるイオン量が決まっており、一定量の交換を行なうとそれ以上交換ができなくなり、導電率を下げる能力を失う。この状態がイオン交換樹脂の寿命とされる。イオンは目視することができず、しかもイオン交換樹脂は寿命がくると色が変化するわけではないので、イオン交換樹脂の寿命を判断するのは極めて困難である。 As described above, since the fuel cell does not accept ions, it is necessary to remove the ions with an ion exchange resin. The ion exchange resin has a predetermined amount of ions that can be exchanged. When a certain amount of exchange is performed, the ion exchange resin cannot be exchanged any more and loses the ability to lower the conductivity. This state is regarded as the life of the ion exchange resin. Ions cannot be visually observed, and since the color of the ion exchange resin does not change when the lifetime is reached, it is extremely difficult to determine the lifetime of the ion exchange resin.
水中の導電率を下げるのがイオン交換樹脂の目的である。現在最も一般的に行なわれている寿命検知方法は、導電率センサーを回路内に組み込み、該電気伝導率計でフィルタ後の水中の導電率を測定し、導電率が一定値以下に下がらないと、イオン交換樹脂の寿命だと捉える方法である(例えば特許文献1、段落0011参照)。 The purpose of the ion exchange resin is to lower the electrical conductivity in water. Currently, the most commonly used method for detecting the life is to incorporate a conductivity sensor into the circuit, measure the conductivity of the filtered water with the conductivity meter, and the conductivity does not drop below a certain value. This is a method of capturing the lifetime of the ion exchange resin (see, for example, Patent Document 1, paragraph 0011).
しかし、長期間燃料電池システムを作動させない場合など、水中に配管から多量のイオンが溶出するが、突発的に導電率が高い水がフィルタにきたときに、イオン交換樹脂が設定値どおりの性能を発揮しても、フィルタ後の導電率が高い場合がある。この場合、フィルタ後の水中の導電率を測定する寿命検知方法では、イオン交換樹脂にはまだ余力があるにも拘わらず、イオン交換樹脂の寿命であると判断してしまうことがある。また、水中の導電率を測定する導電率センサーは高価なので、コスト上のメリットも少ないという問題もある。 However, when the fuel cell system is not operated for a long period of time, a large amount of ions are eluted from the pipe in the water. However, when water with high conductivity suddenly comes into the filter, the ion exchange resin performs as set. Even if it exhibits, the conductivity after the filter may be high. In this case, in the life detection method for measuring the electrical conductivity in water after the filter, it may be determined that the ion exchange resin has a long life even though the ion exchange resin still has power. In addition, since the conductivity sensor for measuring the conductivity in water is expensive, there is also a problem that the merit in cost is small.
実験室レベルでは、回路中に一定量のイオンの試薬を加え、イオン交換樹脂がイオンを除去する状況を測定することで、イオン交換樹脂の寿命を正確に測定することができる。しかし、実際に車を使用した場合、イオンの発生量は車自体の周囲環境条件や走行条件で大きく異なる。このため一定条件でのイオン交換樹脂の寿命予測は不可能である。 At the laboratory level, the life of the ion exchange resin can be accurately measured by adding a certain amount of ion reagent to the circuit and measuring the state in which the ion exchange resin removes ions. However, when a car is actually used, the amount of ions generated varies greatly depending on the ambient environment conditions and running conditions of the car itself. For this reason, it is impossible to predict the lifetime of the ion exchange resin under certain conditions.
そこで本発明は、イオン交換樹脂の寿命を簡単に且つ的確に把握することができるイオン交換樹脂寿命検知方法及びイオン除去フィルタを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an ion exchange resin lifetime detection method and an ion removal filter that can easily and accurately grasp the lifetime of an ion exchange resin.
以下、本発明について説明する。本発明者は、イオン交換樹脂がイオン交換を行なうと、樹脂そのものが縮む性質を持っていることに着目した。そして、実験を行なう上で、イオン交換樹脂の寿命をイオン交換樹脂の縮みから検知すれば、イオン交換樹脂の寿命を簡単に且つ的確に把握することができることを知見した。 The present invention will be described below. The inventor has paid attention to the fact that the ion exchange resin undergoes ion exchange and the resin itself shrinks. In conducting the experiment, it was found that the lifetime of the ion exchange resin can be easily and accurately grasped by detecting the lifetime of the ion exchange resin from the shrinkage of the ion exchange resin.
すなわち請求項1の発明は、液体中のイオンを除去するイオン交換樹脂の寿命を検知する方法であって、前記イオン交換樹脂はイオン交換を行なうと体積が収縮する性質を利用して、前記イオン交換樹脂の体積の変化量を測定することにより、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とする。 That the invention of claim 1, a method for detecting the life of the ion exchange resin for removing ions in liquids, wherein the ion exchange resin by utilizing the property of shrinking in volume when the ion exchange, the ion The life of the ion exchange resin is detected by measuring the amount of change in the volume of the exchange resin.
請求項2の発明は、液体中のイオンを除去するイオン交換樹脂の寿命を検知する方法であって、容器内に充填されたイオン交換樹脂を押えると共に前記容器に対してスライド可能なスライド部材の位置の変化を利用して、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、液体中のイオンを除去するイオン交換樹脂の寿命を検知する方法であって、容器内に充填されたイオン交換樹脂を押える荷重を付与するスプリングの荷重の変化を利用して、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とする。
The invention of
また請求項4の発明は、液体中のイオンを除去するイオン除去フィルタであって、前記イオン交換樹脂はイオン交換を行なうことにより体積が収縮する性質を利用して、前記イオン交換樹脂の体積の変化量を測定することにより、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とする。 Further, the invention of claim 4 is an ion removal filter for removing ions in a liquid, wherein the ion exchange resin has a volume shrinkage due to ion exchange, and the volume of the ion exchange resin is reduced . The life of the ion exchange resin is detected by measuring the amount of change .
請求項5の発明は、液体中のイオンを除去するイオン除去フィルタであって、イオン交換樹脂が充填される容器と、前記容器内に充填されたイオン交換樹脂を押えると共に、前記容器に対してスライド可能なスライド部材と、前記スライド部材の位置の変化を検知する検知部と、を備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項6の発明は、液体中のイオンを除去するイオン除去フィルタであって、イオン交換樹脂が充填される容器と、前記容器内に充填されたイオン交換樹脂を押える荷重を付与するスプリングと、前記スプリングの荷重の変化を検知する検知部と、を備えることを特徴とする。
The invention of
以上説明したように本発明によれば、イオン交換樹脂はイオン交換を行なうと体積が収縮する性質を利用して、前記イオン交換樹脂の体積の変化量を測定することにより、イオン交換樹脂の寿命を検知するので、イオン交換樹脂の寿命を簡単に且つ的確に把握することができる。
As described above, according to the present invention, the ion exchange resin is measured by measuring the amount of change in the volume of the ion exchange resin by utilizing the property that the volume contracts when ion exchange is performed. Therefore, the lifetime of the ion exchange resin can be easily and accurately grasped.
以下添付図面に基づいて本発明のイオン除去フィルタの一実施形態を説明する。イオン除去フィルタは、水素及び酸素とを化学反応させる燃料電池の回路内に組み込まれ、特に限定されるものではないが、燃料電池を冷却する冷却回路や、燃料電池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。このイオン除去フィルタは、純水、エチレングリコール等の液体中のイオンを除去して導電率(電気伝導度)を低減させる。イオン除去フィルタ内のイオン交換樹脂の容量は、流れる流量、イオンの量に応じて様々に設定される。 Hereinafter, an embodiment of an ion removal filter of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The ion removal filter is incorporated in a circuit of a fuel cell that chemically reacts with hydrogen and oxygen, and is not particularly limited. However, a cooling circuit that cools the fuel cell or a humidification that humidifies the ion exchange membrane of the fuel cell. It is common to incorporate in a circuit. The ion removal filter removes ions in a liquid such as pure water or ethylene glycol to reduce the conductivity (electrical conductivity). The capacity of the ion exchange resin in the ion removal filter is variously set according to the flowing flow rate and the amount of ions.
図1は、本発明の一実施形態におけるイオン除去フィルタの断面図を示す。流体の流入口1及び流出口2とを有するケース3は、例えば流入口1側の下部ケース3bと、流出口2側の上部ケース3aと、円筒状の中間ケース3cとに3分割されている。ケース3には、イオン交換樹脂が充填される容器としてのカートリッジ5が交換可能に組み込まれる。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of an ion removal filter according to an embodiment of the present invention. A
図2及び図3はカートリッジ5の詳細図を示す。図2は斜視図を示し、図3は断面図を示す。カートリッジ5は、液体の流入孔11が多数空けられた外筒5aと、外筒5aの内側に配置され、液体の流入孔10が多数空けられた内筒5bと、内筒5bの軸線方向の一端側と外筒の軸線方向の一端側を接続する底部プレート5cと、内筒5b軸線方向の他端側と外筒5aの軸線方向の他端側を接続する上部プレート5dとを有する。内筒5bはケース3の流出口2に接続できるように上部プレート5dよりもその一部が突出している。
2 and 3 are detailed views of the
カートリッジ5の内筒5bと外筒5aとの間には、粒状のイオン交換樹脂が充填される。カートリッジ5には、充填されたイオン交換樹脂を押えるスライド部材としての環状のスライドプレート6がカートリッジ5に対してスライド可能に設けられる。スライドプレート6の外周及び内周それぞれには、外筒5aの内周及び内筒5bの外周それぞれに接触して液体が漏れるのを防止するシール部材7,8が設けられる。スライドプレート6と上部プレート5dとの間には、イオン交換樹脂を押える荷重を付与するコイルスプリング9が配置される。
A granular ion exchange resin is filled between the
図1に示すように、ケース3の流入口1から流入する液体は、カートリッジ5の外筒5aとケース3の内周面との間の断面環状の通路12を経由して、カートリッジ5の外筒5aの複数の流入孔11からイオン交換樹脂が充填されている領域に流れ込む。イオン交換樹脂によりイオンが除去された流体は、内筒5bの複数の流入孔10から内筒5b内に流れ込み、その後、流出口2から流出する。なお、流体をこれとは逆方向に、流出口2から流入口1に向かって流しても良い。
As shown in FIG. 1, the liquid flowing in from the inlet 1 of the
イオン交換樹脂は、交換できるイオン量が決まっており、一定量の交換を行なうとそれ以上交換ができなくなり、導電率を下げる能力を失う。この状態がイオン交換樹脂の寿命とされる。イオン交換樹脂は、イオン交換を行なうことにより縮むという性質を持っている。イオン交換樹脂の寿命がくると、イオン交換樹脂は体積比で例えば10%程度収縮する。本実施形態では、イオン交換樹脂がイオン交換を行なうことにより縮む性質を利用して、イオン交換樹脂の寿命を検知する。 The ion exchange resin has a predetermined amount of ions that can be exchanged. When a certain amount of exchange is performed, the ion exchange resin cannot be exchanged any more and loses the ability to lower the conductivity. This state is regarded as the life of the ion exchange resin. Ion exchange resins have the property of shrinking when ion exchange is performed. When the lifetime of the ion exchange resin comes, the ion exchange resin shrinks by about 10% in volume ratio, for example. In the present embodiment, the lifetime of the ion exchange resin is detected by utilizing the property that the ion exchange resin shrinks by performing ion exchange.
粒状のイオン交換樹脂は細長い筒状のカートリッジ5に充填されているので、イオン交換樹脂が収縮するのに伴い、イオン交換樹脂が充填されている領域がカートリッジ5の高さ方向に比較的長い量収縮する。これにより、イオン交換樹脂の天面に配置されるスライドプレート6が、カートリッジ5に対してスライドして、その位置を変化する。図1に示すように、カートリッジ5のスライドプレート6近傍には、スライドプレート6の位置の変化を検知すべく、マイクロスイッチ等の検知部13が設けられる。この検知部13は、スライドプレート6が所定量以上その位置を変化すると、スライドプレート6の位置の変化を検知し、電気的にON又はOFFになる電気信号を発生する。この電気信号は、イオン交換樹脂の寿命を検知する信号として用いられ、検知部13から計器等に伝えられる。なお検知部13は、スライドプレートの位置の変化を検知できるものであれば、特にマイクロスイッチに限定されるものではなく、光センサー等の各種のセンサーを用いることができる。
Since the granular ion exchange resin is filled in the elongated
図4は、検知部の他の例を示す。この例では、カートリッジに検知部14としての可視窓が設けられていて、スライドプレートの位置をカートリッジの外側から目視できるようになっている。このように目視により、スライドプレート6の所定量以上の位置の変化を検知し、イオン交換樹脂の寿命としてもよい。検知部14以外の構造は、上記実施形態のイオン除去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。また、スライドプレートの位置をケース3の外側から直接視認できるように、ケース3にも可視窓を設けてもよい。また必要に応じて、可視窓の近傍に目盛りを記し、該目盛りからスライドプレート6の所定量以上の位置の変化、ひいてはイオン交換樹脂の寿命が検知できるようにしてもよい。
FIG. 4 shows another example of the detection unit. In this example, the cartridge is provided with a visible window as the
イオン交換樹脂が収縮するのに伴い、イオン交換樹脂を押える荷重を付与するコイルスプリング9は、徐々に伸びてその付与する荷重が小さくなる。上記マイクロスイッチによる検知、可視窓による検知以外に、コイルスプリング9のこのような荷重の変化を検知部としてのひずみゲージ等で測定し、変換した電気信号をイオン交換樹脂の寿命を検知する信号として用いてもよい。なおひずみゲージ等の検知部14は、コイルスプリング9に設けられてもよいし、スライドプレート6に設けられてもよい。
As the ion exchange resin contracts, the
また本実施形態のイオン除去フィルタは、自動車や家庭用の燃料電池用に限られることなく、ワイヤーカットマシンのイオン除去フィルタに適用することもできる。 Moreover, the ion removal filter of this embodiment can also be applied to the ion removal filter of a wire cut machine, without being limited to automobiles and household fuel cells.
1…流入口
2…流出口
3…ケース
5…カートリッジ(容器)
6…スライドプレート(スライド部材)
9…コイルスプリング(スプリング)
13…検知部
14…検知部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
6 ... Slide plate (slide member)
9 ... Coil spring (spring)
13 ...
Claims (6)
前記イオン交換樹脂はイオン交換を行なうことにより体積が収縮する性質を利用して、前記イオン交換樹脂の体積の変化量を測定することにより、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とするイオン交換樹脂の寿命検知方法。 A method for detecting the lifetime of an ion exchange resin that removes ions in a liquid,
The ion-exchange resin by utilizing the property of shrinking volume by ion exchange, by measuring the amount of change in volume of the ion-exchange resin, and detecting the life of the ion-exchange resin How to detect the life of ion exchange resin.
容器内に充填されたイオン交換樹脂を押えると共に前記容器に対してスライド可能なスライド部材の位置の変化を利用して、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とするイオン交換樹脂の寿命検知方法。 A method for detecting the lifetime of an ion exchange resin that removes ions in a liquid,
The life of the ion exchange resin is characterized in that the life of the ion exchange resin is detected by using a change in the position of a slide member that is slidable with respect to the container while pressing the ion exchange resin filled in the container. Detection method.
容器内に充填されたイオン交換樹脂を押える荷重を付与するスプリングの荷重の変化を利用して、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とするイオン交換樹脂の寿命検知方法。 A method for detecting the lifetime of an ion exchange resin that removes ions in a liquid,
A method for detecting a life of an ion exchange resin, comprising: detecting a life of the ion exchange resin by using a change in a load of a spring that applies a load for pressing the ion exchange resin filled in a container.
前記イオン交換樹脂はイオン交換を行なうことにより体積が収縮する性質を利用して、前記イオン交換樹脂の体積の変化量を測定することにより、前記イオン交換樹脂の寿命を検知することを特徴とするイオン除去フィルタ。 An ion removal filter for removing ions in a liquid,
The ion-exchange resin by utilizing the property of shrinking volume by ion exchange, by measuring the amount of change in volume of the ion-exchange resin, and detecting the life of the ion-exchange resin Ion removal filter.
イオン交換樹脂が充填される容器と、
前記容器内に充填されたイオン交換樹脂を押えると共に、前記容器に対してスライド可能なスライド部材と、
前記スライド部材の位置の変化を検知する検知部と、を備えることを特徴とするイオン除去フィルタ。 An ion removal filter for removing ions in a liquid,
A container filled with ion exchange resin;
While holding down the ion exchange resin filled in the container, a slide member that is slidable with respect to the container,
An ion removal filter comprising: a detection unit that detects a change in the position of the slide member.
イオン交換樹脂が充填される容器と、
前記容器内に充填されたイオン交換樹脂を押える荷重を付与するスプリングと、
前記スプリングの荷重の変化を検知する検知部と、を備えることを特徴とするイオン除去フィルタ。 An ion removal filter for removing ions in a liquid,
A container filled with ion exchange resin;
A spring for applying a load for pressing the ion-exchange resin filled in the container;
An ion removal filter comprising: a detection unit that detects a change in the load of the spring.
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