JP6257301B2

JP6257301B2 - イオン交換器

Info

Publication number: JP6257301B2
Application number: JP2013259218A
Authority: JP
Inventors: 薫加茂; 聡白柳; 正也小倉
Original assignee: Roki Co Ltd
Current assignee: Roki Co Ltd
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: US20150171440A1; EP2883843B1; JP2015112592A; EP2883843A1; US9614234B2

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、イオン交換器の内部で移動することができないことからイオン交換器の隅の方に充填されたイオン交換樹脂へ冷却液が流れにくく、イオン交換を効率的に進めることが難しいという問題を有していた。

このような問題を回避するために、下記特許文献に記載された発明のように、イオン交換器の内部でイオン交換樹脂を撹拌させてイオン交換樹脂を均質化してイオン交換樹脂の寿命まで効率的に不純物イオンの除去を行うことが知られている。

特開平８−１６４３８６号公報

特許文献１に記載されたイオン交換器は、下方に給水口と情報に吐水口とが形成された軟水化処理タンクと、軟水化処理タンクに充填されたイオン交換樹脂とを備え、軟水化処理タンク内の給水口と吐水口とイオン交換樹脂の間に配設され、イオン交換樹脂の粒径よりも小さい孔径の孔部を多数有する浮動板を備えている。

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、軟水化処理タンク内に原水を給水するとき、原水の水流により浮動板を上昇させながら浮動板の孔部から原水を噴出させてイオン交換樹脂を吹き上げ、イオン交換樹脂を撹拌しながらカラム状に凝集化させることができる。この結果、イオン交換樹脂全体を原水の軟水化に用いることができる。

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、浮動板がタンク内を上下動するので、異音が生じたり、浮動板が摩耗などにより損傷する可能性があり、特に燃料電池を自動車に搭載した場合に、自動車の走行に伴う振動による構造上の強度不足が懸念されるという問題があった。

また、従来、自動車に搭載されたイオン交換器は、イオン交換樹脂をタンク内に加圧して充填しているので、冷却液が流れにくく、圧力損失が高いものであったため冷却液を循環させるポンプの負担が大きくなるという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、充填されたイオン交換樹脂のイオン交換効率を向上させると共に、冷却液の流れによる圧力損失を低く抑えることができる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タンク部材と、前記タンク部材に形成されたイオン交換室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、前記イオン交換室は、前記タンク部材の軸方向に沿って延びるとともに、軸方向直交断面が円形状に形成され、前記流入口は、前記イオン交換室の接線方向に延びて形成され、前記排出口は、前記タンク部材の軸方向の一端面に形成され、前記タンク部材は、前記排出口から前記イオン交換室の底面に向かって延びる円筒部材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、前記円筒部材は、周壁に前記イオン交換樹脂よりも小径の複数の孔が形成されていると好適である。

また、本発明に係るイオン交換器において、前記円筒部材は、前記底面と所定の間隙を有して対向配置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、前記流入口は、前記イオン交換室の上端側に配設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、前記イオン交換樹脂の充填率は、前記イオン交換室の容積の８０％以下であると好適である。

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、イオン交換室が軸方向直交断面において円形状に形成されるとともに、冷却液の流入口がイオン交換室の接線方向に延びて形成されているので、冷却液の流入によってイオン交換樹脂がイオン交換室の内壁に沿って回転するため、イオン交換室内のイオン交換樹脂が一部に偏ることがなく、不純物イオンを効率的に除去することができるとともに、冷却液の流路を十分に確保することができるので、圧力損失の低下を図ることができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、イオン交換室に軸方向に延びる円筒部材を備えているので、上述したイオン交換樹脂の流路を確実に確保することができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、円筒部材の周壁に複数の孔が形成されているので、該孔を介して冷却液が排出口へ排出することが可能となり、より一層圧力損失の低下を図ることができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、円筒部材がイオン交換室の底面と所定の間隙を有して対向配置しているので、円筒部材の周壁の面積を十分に確保することができ、圧力損失の低下を図ることができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、流入口がイオン交換室の上端側に配設されているので、冷却液の流路を延ばすことができ、効率的に不純物イオンを除去することができる。

また、本発明に係るイオン交換器は、イオン交換樹脂の充填率がイオン交換室の容積の８０％以下であるので、イオン交換室内で円滑にイオン交換樹脂が回転することができると共に、冷却液の流路を十分に確保することができ、不純物イオンの除去の効率化と圧力損失の低減を両立させることができる。

本実施形態に係るイオン交換器の構成を説明するための斜視図。図１におけるＡ−Ａ断面図。図１におけるＢ−Ｂ断面図。本実施形態に係るイオン交換器のイオン交換樹脂の充填量と圧力損失の関係を表したグラフ。本実施形態に係るイオン交換器のイオン交換効率と破過率の関係を表したグラフ。

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の構成を説明するための斜視図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、図３は、図１におけるＢ−Ｂ断面図であり、図４は、本実施形態に係るイオン交換器のイオン交換樹脂の充填量と圧力損失の関係を表したグラフであり、図５は、本実施形態に係るイオン交換器のイオン交換効率と破過率の関係を表したグラフである。

図１に示すように、本実施形態に係るイオン交換器１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が形成されたタンク部材１０を備えている。

タンク部材１０は、鉛直方向に円形の貫通孔が形成され、該貫通孔の両端を蓋体１５，１６で閉塞することで、タンク部材１０の軸方向に沿って延びると共に、軸直交断面が円形状に形成されたイオン交換室１３が形成されている。

さらに、イオン交換室１３には、図示しない複数の粒子状のイオン交換樹脂がイオン交換室１３の容積の概略８０％以下の充填率で充填されている。この充填率が８０％を超えると、後述するイオン交換樹脂の分散を行う空間を十分に確保することができなくなることから、圧力損失が高くなってしまうため、充填率の上限を概略８０％と設定している。

なお、充填率の上限を概略８０％とした理由は、図４に示すように容積が９００ｍｌのイオン交換室にイオン交換樹脂の充填量を変更した場合、充填する樹脂量が８００ｍｌを超えると圧力損失が急激に上昇していることから、充填率を８８．８％以下好ましくは、概略８０％以下と設定した。

排出口１２は、タンク部材１０の上方端に取り付けられた蓋体１６に形成されており、イオン交換室１３には、排出口１２からイオン交換室１３の底面１４に向かって垂下して延びる円筒部材２０を備えている。

円筒部材２０は、内部を冷却水が流通可能なように中空に形成された筒状の部材であり、周壁面には、複数の孔２１が形成されている。この複数の孔２１には、該孔２１を覆うようにメッシュ２３が設けられている。メッシュ２３は複数の孔が形成されており、該孔はイオン交換室１３に充填されているイオン交換樹脂よりも小径に形成されており、複数の孔２１からイオン交換樹脂が排出口１２を介して外部に漏洩することを防止している。なお、このメッシュ２３はステンレス製であるため、強度が高く、メッシュ２３自体の破損が効果的に防止される。

図３に示すように、円筒部材２０の末端２２から底面１４までの距離Ｌが所定の間隙となるように円筒部材２０の末端２２が底面１４に対向配置されている。この円筒部材２０の末端２２から底面１４までの距離Ｌは、求められる圧力損失やイオン交換率に応じて適宜変更可能であるが、距離Ｌは小さく設定した方が圧力損失が低下する。しかし、末端２２が底面１４と当接してしまうとイオン交換樹脂の詰まりが生じるため、この詰りが生じない程度に間隙を形成する必要がある。

また、円筒部材２０は所定の間隙を有して軸方向に沿って形成されているため、表面積を大きく確保することができ、円筒部材２０の周壁面の孔２１を冷却液が通過する場合の圧力損失を下げることができる。

図２に示すように、流入口１１は、イオン交換室１３の接線方向に延びて形成されている。さらに、図３に示すように、流入口１１は、イオン交換室１３の上端側に配設されている。このように流入口１１を配置することで、流入口１１から導入された冷却液は、その流入による勢いによってイオン交換室１３の内壁に沿って螺旋状に旋回しながら排出口１２に向かう流路を形成することができる。

また、イオン交換室１３に充填されるイオン交換樹脂は、イオン交換室１３の容積の概略８０％以下の充填率で充填されているので、冷却液の上述した螺旋状の流路によってイオン交換樹脂を撹拌されるため、冷却液にイオン交換樹脂を均等に接触させることができ、充填したイオン交換樹脂を均一に使用することでイオン交換効率が向上し、効率的に不純物の除去を図ることが可能となる。

さらに、イオン交換樹脂は、上述したように冷却液の流路に沿って撹拌されることで分散するので、イオン交換樹脂の間隔を十分に確保することができ、冷却液が流れ易くなることからイオン交換器１の圧力損失を低く抑えることが可能となる。

［実施例］
図５は、本実施形態に係るイオン交換器１の実施例と、従来のイオン交換樹脂を加圧して充填した比較例について、イオン交換効率と破過率を比較したグラフである。

図５から明らかなように、実施例は、イオン交換樹脂が破過するまで初期の効率を維持することができ、破過率が１００％までイオン交換反応が進んでいることから、実施例はイオン交換樹脂が効率的に不純物の除去を行っていることがわかる。

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１では、流入口１１をイオン交換室１３の上端側に配置した場合について説明を行ったが、流入口１１の配置位置はこれに限られず、イオン交換室１３の接線方向に配置されていればどの高さに設置しても構わない。

さらに、本実施形態に係るイオン交換器１では、排出口１２をタンク部材１０の上端面に形成した場合について説明したが、排出口１２は冷却液が排出される位置であればタンク部材１０のどこに形成しても構わないし、イオン交換室１３に配置した円筒部材２０を備えなくとも構わない。また、メッシュ２３はステンレス製である場合について説明を行ったが、これに限られず例えば合成樹脂で構成しても構わない。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イオン交換器，１０タンク部材，１１流入口，１２排出口，１３イオン交換室，１４底面，１５，１６蓋体，２０円筒部材，２１孔，２２末端。

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タンク部材と、
前記タンク部材に形成されたイオン交換室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、
前記イオン交換室は、前記タンク部材の軸方向に沿って延びるとともに、軸方向直交断面が円形状に形成され、
前記流入口は、前記イオン交換室の接線方向に延びて形成され、
前記排出口は、前記タンク部材の軸方向の一端面に形成され、
前記タンク部材は、前記排出口から前記イオン交換室の底面に向かって延びる円筒部材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、
前記円筒部材は、周壁に前記イオン交換樹脂よりも小径の複数の孔が形成されてい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、
前記円筒部材は、前記底面と所定の間隙を有して対向配置されることを特徴とするイオン交換器。
請求項１から３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、前記イオン交換室の上端側に配設され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、
前記イオン交換樹脂の充填率は、前記イオン交換室の容積の８０％以下であることを特徴とするイオン交換器。