(57)【要約】【課題】イオン回収機能を好適に持続可能なイオン交換器を提供する。【解決手段】燃料電池を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路に設けられ、冷媒中のイオンを吸着し、イオン濃度を低減するイオン交換樹脂を備えたイオン交換器１であって、冷媒が通過するゴムホース２０内に配設され、イオン交換樹脂が充填された管状のメッシュフィルタ１５を備え、メッシュフィルタ１５は、径方向の収縮力によりイオン交換樹脂に収縮力を付与しており、メッシュフィルタ１５は、らせん状に形成され、らせん状に形成されたメッシュフィルタ１５の両端部１５ａ，１５ｂを、ゴムホース２０内の冷媒の入口Ｓ１および出口Ｓ２に係止させた。【選択図】図２
2011009034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路に設けられ、冷媒中のイオンを吸着し、イオン濃度を低減するイオン交換樹脂を備えたイオン交換器であって、
前記冷媒が通過する冷媒配管内に配設され、前記イオン交換樹脂が充填された管状のメッシュフィルタを備え、
前記メッシュフィルタは、径方向の収縮力により前記イオン交換樹脂に収縮力を付与しており、
前記メッシュフィルタは、前記イオン交換樹脂が充填された状態でらせん状を呈しており、前記らせん状を呈するメッシュフィルタの両端部を、前記冷媒配管内の前記冷媒の入口および出口に係止させたことを特徴とするイオン交換器。
【請求項２】
前記両端部は、前記冷媒配管に接続される配管接続部材に係止されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換器。
【請求項３】
前記冷媒配管は、円筒状のゴムホースからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のイオン交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池車等の電力源として注目されている燃料電池スタックは、発電すると発熱するので、燃料電池スタックを経由するように冷媒を循環させ、燃料電池スタックを適宜に冷却している。このように循環する冷媒においては、燃料電池スタックの液絡を防止するため、冷媒のイオン濃度を低くすることが要求される。そこで、冷媒が循環する冷媒回路にイオン交換器を取り付け、このイオン交換器により、イオンを吸着・回収し、冷媒のイオン濃度を低減、つまり、脱イオン化する技術が知られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２２９０６号公報
【特許文献２】特開２００４−１６０３６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、イオン交換器に充填される粒状のイオン交換樹脂（陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂）は、経時的に体積収縮してしまう。よって、イオン交換樹脂と、これを収容し、一般にポリプロピレン等から形成されるケースとの間に、隙間が形成されてしまう。このように隙間が形成された状態で冷媒が流通すると、イオン交換樹脂がケース内を浮遊するだけでなく、冷媒が前記隙間を優先的に流通してしまい、冷媒中のイオンがイオン交換樹脂に吸着・回収されず、イオン交換器がイオン回収機能を発揮しない虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は、イオン回収機能を好適に持続可能なイオン交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路に設けられ、冷媒中のイオンを吸着し、イオン濃度を低減するイオン交換樹脂を備えたイオン交換器であって、前記冷媒が通過する冷媒配管内に配設され、前記イオン交換樹脂が充填された管状のメッシュフィルタを備え、前記メッシュフィルタは、径方向の収縮力により前記イオン交換樹脂に収縮力を付与しており、前記メッシュフィルタは、前記イオン交換樹脂が充填された状態でらせん状を呈しており、前記らせん状を呈するメッシュフィルタの両端部を、前記冷媒配管内の前記冷媒の入口および出口に係止させたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、管状のメッシュフィルタをらせん状に形成し、このらせん状のメッシュフィルタ内にイオン交換樹脂を充填し、このメッシュフィルタを冷媒配管内に配設（挿入）することにより、イオン交換樹脂がメッシュフィルタの収縮力により保持される。これにより、イオン交換樹脂の経時的な体積収縮時にも、収縮力を有するメッシュフィルタが径方向内側に収縮するので、メッシュフィルタとイオン交換樹脂との密着性が維持され、イオン交換樹脂とメッシュフィルタとの間に隙間が形成されることはなく、また、イオン交換樹脂がメッシュフィルタ内を浮遊することもない。このように隙間が形成されることがないので、冷媒はイオン交換樹脂内を流通し、イオン交換樹脂に良好に接触等し、冷媒中のイオンはイオン交換樹脂に吸着・回収される。よって、イオン交換器のイオン回収機能は好適に持続される。
【０００８】
さらに、メッシュフィルタがらせん状に形成されることにより、イオン交換樹脂が充填されたメッシュフィルタが反力、つまりイオン交換樹脂が充填されたメッシュフィルタが冷媒配管内を押し広げるような押圧力が発生して、冷媒配管内において、メッシュフィルタの位置が固定される。
【０００９】
さらに、メッシュフィルタがらせん状に形成されることにより、冷媒配管内に冷媒が流通する際に、らせん状の旋回流が発生して、冷媒に対して遠心力が生じて、冷媒がイオン交換樹脂内を積極的に通過するため、イオン交換性能を向上することができる。
【００１０】
さらに、らせん状のメッシュフィルタの管の径を変化させることにより、冷媒配管内での圧力損失の大きさを可変にできるので、冷媒配管内を通る冷媒の流量調整機能を持たせることが可能となる。すなわち、メッシュフィルタの管の径を変化させることにより、冷媒をどのような流量で流せばよいのか、つまり冷媒中のイオンをどのくらいの割合で除去すればよいかということを任意に決めることができる。
【００１１】
また、前記両端部は、前記冷媒配管に接続される配管接続部材に係止されていることを特徴とする。
【００１２】
これによれば、冷媒配管を他の配管と接続するための配管接続部材（ジョイント）の端部が冷媒配管内の端部に挿入されることにより、冷媒配管内に挿入された配管接続部材の端部（端面）にメッシュフィルタの端部が当接して係止されるので、メッシュフィルタを冷媒配管内に容易に係止することが可能になる。
【００１３】
また、前記冷媒配管は、円筒状のゴムホースからなることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、ゴムホースが円筒状であるので、イオン交換樹脂を充填したメッシュフィルタに対して径方向への均等な収縮力が作用し、メッシュフィルタを安定して保持することができる。さらに、イオン交換器を湾曲させて配置するなど形状自由度や設置自由度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、イオン回収機能を好適に持続可能なイオン交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態のイオン交換器を示す外観斜視図である。
【図３】メッシュフィルタを示す斜視図である。
【図４】図２のＸ−Ｘ線断面図である。
【図５】図４のＡ部の拡大断面図を示し、（ａ）は収縮前の状態、（ｂ）は収縮後の状態である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０（燃料電池）と、燃料電池スタック１１０を経由するように冷媒を循環させる冷媒回路１２０と、冷媒回路１２０に設けられたイオン交換器１と、を備えている。なお、本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池車（移動体）に搭載されている。
【００１９】
燃料電池スタック１１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１１１及びカソード流路１１２が形成されている。
【００２０】
そして、水素が、水素タンク（図示しない）から、アノード流路１１１を介してアノードに供給され、酸素を含む空気が、外気を吸気するコンプレッサ（図示しない）から、カソード流路１１２を介してカソードに供給されると、アノード及びカソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電極反応が起こり、燃料電池スタック１１０が発電可能な状態となる。このように発電可能な状態の燃料電池スタック１１０と外部負荷（例えば走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１１０が発電するようになっている。
【００２１】
また、各セパレータには、セルを適宜に冷却するために冷媒が流通する溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が、燃料電池スタック１１０の冷媒流路１１３として機能している。そして、冷媒流路１１３を冷媒が流通すると、発電に伴って自己発熱する燃料電池スタック１１０が適宜に冷却され、燃料電池スタック１１０が過昇温しないようになっている。
【００２２】
冷媒回路１２０は、燃料電池スタック１１０の冷媒流路１１３を経由するように冷媒を循環させる回路であって、冷媒ポンプ１２１と、ラジエータ１２２と、ノーマルクローズ型の遮断弁１２３と、を備えている場合もある。なお、冷媒は、例えば、エチレングリコールと、水と、導電率を調整したり、耐腐食性を高める添加剤との混合液からなる。
【００２３】
冷媒流路１１３の出口は、配管１２２ａ、ラジエータ１２２、配管１２２ｂ、冷媒ポンプ１２１、配管１２１ａを介して、冷媒流路１１３の入口に接続されている。冷媒ポンプ１２１は、燃料電池スタック１１０及び／又はバッテリ（図示しない）を電源とし、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）からの指令に従って作動すると、冷媒が、燃料電池スタック１１０とラジエータ１２２との間で循環するようになっている。
【００２４】
配管１２１ａの途中は、配管１２３ａ、遮断弁１２３、配管１２３ｂ、イオン交換器１、配管１２３ｃを介して、配管１２２ａの途中に接続されている。すなわち、イオン交換器１は、配管１２３ａと配管１２３ｂと配管１２３ｃとを備えて構成され、冷媒流路１１３をバイパスするパイパス流路（冷媒回路１２０の一部）に設けられている。つまり、本実施形態では、イオン交換器１と燃料電池スタック１１０とは、冷媒の流れに対して並列で配置されている。ただし、これに限定されず、直列で配置された構成、例えばイオン交換器１が配管１２２ａに設けられた構成や、ラジエータ１２２をバイパスするラジエータバイパス配管（図示しない）に設けられた構成でもよい。
【００２５】
次に、イオン交換器１の具体的構成について、図２〜図５を参照して説明する。なお、図５では、分かりやすく説明するため、イオン交換樹脂１１等を大きく記載している。
【００２６】
イオン交換器１は、図２に示すように円柱状を呈しており、例えば、燃料電池車に略横置きされた状態で、つまり、フロアパネル（図示しない）と略平行な状態で配置されている。ただし、横置きに限定されるものではなく、縦置きであっても、斜め置きなど燃料電池システム１００のレイアウトに応じて適宜変更できる。
【００２７】
そして、イオン交換器１は、粒状のイオン交換樹脂１１（図５（ａ）参照）が充填されたメッシュフィルタ１５と、イオン交換樹脂１１が充填されたメッシュフィルタ１５を収容するゴムホース２０と、ゴムホース２０の両端にそれぞれ設けられたジョイント３０、３０（配管接続部材）と、を備えている。すなわち、ゴムホース２０の両端開口には、ジョイント３０、３０がそれぞれ差し込まれており、そして、ゴムホース２０の外周面を巻回するバンド２１によって、ゴムホース２０がジョイント３０から脱離しないようになっている。
【００２８】
図３に示すように、メッシュフィルタ１５は、管の周面全体がメッシュ状に形成されたものであり、一定のピッチＰ（図４参照）でらせん状に形成されている。また、メッシュフィルタ１５は、径方向内側に収縮力を有する材料で形成されており、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）などのゴム材料を挙げることができる。なお、ＥＰＤＭは、冷媒中にイオン溶出が少ないゴムである。また、ＥＰＤＭなどのゴムに限定されるものではなく、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）など、またはＳＵＳ（ステンレス鋼）などのメッシュであってもよい。
【００２９】
なお、メッシュフィルタ１５のひとつの網目（格子）の大きさは、後記する粒状のイオン交換樹脂１１が網目から外部に流出しない大きさ（目開き）に設定され、さらにイオン交換樹脂が経時的な変化によって体積が収縮したとしてもその網目から流出しない大きさ（目開き）に設定されている。また、メッシュフィルタ１５の端面は、イオン交換樹脂１１が流出しないように閉塞されている。
【００３０】
これにより、メッシュフィルタ１５は、イオン交換樹脂１１（イオン交換樹脂集合体１０）を径方向内側に圧縮するので、イオン交換樹脂集合体１０とメッシュフィルタ１５との密着性を維持できる。すなわち、メッシュフィルタ１５の内周面とイオン交換樹脂集合体１０の外周面との間に、隙間（スペース）は形成されず、イオン交換樹脂１１がメッシュフィルタ１５内で浮遊することがない。
【００３１】
図４および図５に示すように、イオン交換樹脂の集合体（イオン交換樹脂集合体）１０は、複数のイオン交換樹脂１１（陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂）が集合して構成され、らせん状に形成されたメッシュフィルタ１５内に充填されている（図５参照）。
【００３２】
イオン交換樹脂１１は、粒状を呈しており、脱イオンすべきイオン種（陽イオン、陰イオン）に対応して、所定の配合比で、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混合されたものである。
【００３３】
このようなイオン交換樹脂１１は、使用に伴って、経時的に体積が小さくなり、収縮するが（図５（ａ）→図５（ｂ）参照）、メッシュフィルタ１５が有する収縮力Ｆ１（図５（ａ）参照）により、イオン交換樹脂１１の体積が小さくなったとしても、イオン交換樹脂集合体１０とメッシュフィルタ１５の内周面との間に隙間が形成されないようになっている。
【００３４】
なお、メッシュフィルタ１５は、もともと、らせん状に形成されたものにイオン交換樹脂１１を充填するものに限定されず、例えば直線状の管からなるメッシュフィルタ１５にイオン交換樹脂１１を充填したものをらせん状に巻いて形成したものであってもよい。
【００３５】
ゴムホース２０は、円筒状を呈すると共に、イオン交換樹脂１１が充填された、らせん状のメッシュフィルタ１５を収容し、ゴムホース２０自体が、径方向内側に収縮する収縮力Ｆ２（図５（ａ）参照）を有している。ただし、ゴムホース２０は、円筒状に限定されるものではなく、正六角形筒状等でもよい。また、このようなゴムホース２０は、ゴムホース２０自体からのイオン溶出を防止するため、例えばメッシュフィルタ１５と同様なＥＰＤＭなどのゴム材料で形成されている。
【００３６】
これにより、ゴムホース２０は、イオン交換樹脂１１が充填されたメッシュフィルタ１５を径方向内側に圧縮する収縮力Ｆ２を有し、ゴムホース２０の内周面とメッシュフィルタ１５とが密着して、メッシュフィルタ１５がゴムホース２０内で安定して保持されるようになっている。また、ゴムホース２０は円筒状であるから、ゴムホース２０の収縮力によってメッシュフィルタ１５の周面が均等に押圧される。
【００３７】
図２および図４に示すように、ジョイント３０、３０は、ゴムホース２０と、配管１２３ｂ、１２３ｃ（他の機器）とを接続するためのものである。このようなジョイント３０は、例えば、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＡＢＳ（アクリルニトリル・ブタジエン・スチレン）等から形成されており、ジョイント３０の剛性は、ゴムホース２０の剛性よりも高く設計されている。
【００３８】
また、各ジョイント３０は、ゴムホース２０内の端部に差し込まれる接続部３０ａと、前記接続部３０ａとは反対側に形成され、配管１２３ｂ（１２３ｃ）に差し込まれる接続部３０ｂを有している。各ジョイント３０をゴムホース２０の両端部の冷媒の入口Ｓ１および出口Ｓ２（図４参照）に差し込むことによって、イオン交換樹脂１１が充填されたメッシュフィルタ１５の端部１５ａ，１５ｂ（図４参照）が、管状の接続部３０ａの端部（端面）３０ａ１に当接し、メッシュフィルタ１５がゴムホース２０内において軸方向に移動することなく保持される。
【００３９】
このようなイオン交換器１によれば、次の作用効果を得る。
使用に伴ってイオン交換樹脂１１の体積が小さくなったとしても、これに対応して、メッシュフィルタ１５が径方向内側に収縮するので、イオン交換樹脂集合体１０とメッシュフィルタ１５との密着性が維持され、イオン交換樹脂集合体１０とメッシュフィルタ１５との間に隙間は形成されず、また、イオン交換樹脂１１がメッシュフィルタ１５内を浮遊することもない。これにより、冷媒がメッシュフィルタ１５内の各イオン交換樹脂１１を流通したときに、イオン交換樹脂１１に良好に接触等し、冷媒中のイオンがイオン交換樹脂１１に吸着、回収される。よって、イオン交換器１のイオン回収機能を好適に持続させることができる。
【００４０】
さらに、メッシュフィルタ１５がらせん状に形成されているので、イオン交換樹脂１１が充填されたメッシュフィルタ１５が反力Ｆ３（図５（ａ）参照）、つまりイオン交換樹脂１１が充填されたメッシュフィルタ１５がゴムホース２０内を押し広げるような押圧力が発生して、ゴムホース２０内におけるメッシュフィルタ１５の位置が固定される。
【００４１】
さらに、メッシュフィルタ１５がらせん状に形成されているので、ゴムホース２０内に冷媒が流通する際に、らせん状の旋回流が発生して、冷媒に遠心力が生じて、冷媒がメッシュフィルタ１５内のイオン交換樹脂１１を積極的に通過することになるため、イオン交換性能を向上することが可能になる。
【００４２】
さらに、らせん状のメッシュフィルタ１５の管の径Ｒ（図４参照）を変化させることにより、ゴムホース２０内での圧力損失の大きさを可変にできる。すなわち、径（直径）Ｒを拡大することによりゴムホース２０内の圧力損失を増加でき、径Ｒを縮小することにより圧力損失を減少できるので、ゴムホース２０内を通る冷媒の流量調整機能を持たせることが可能となる。換言すると、メッシュフィルタ１５の管の径Ｒを変化させることにより、冷媒中のイオンの除去割合を任意に決めることができる。
【００４３】
さらに、各ジョイント３０をゴムホース２０の両端部の入口Ｓ１および出口Ｓ２に差し込むことで、メッシュフィルタ１５の両端部１５ａ，１５ｂがジョイント３０の端部３０ａ１に当接して係止されるので、メッシュフィルタ１５をゴムホース２０内に容易に係止することが可能になる。なお、ジョイント３０の端部３０ａ１のメッシュフィルタ１５が当接する位置に突起を設けて、メッシュフィルタ１５がより確実に係止されるようにしてもよい。
【００４４】
さらに、ゴムホース２０を円筒状に形成することにより、イオン交換樹脂１１を充填したメッシュフィルタ１５の周面に対して径方向内側への均等な収縮力Ｆ２（図５（ａ）参照）が作用し、メッシュフィルタ１５を安定して保持することができる。
【００４５】
さらに、イオン交換器１を湾曲させて配置することが可能になり、イオン交換器１の形状自由度や設置自由度を高めることができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、メッシュフィルタ１５に収縮力を与えるゴムホース２０を例に挙げて説明したが、ゴムホース２０内でのメッシュフィルタ１５の保持を確実にするために、ゴムホース２０の外周面に例えば所定間隔でゴムバンドを巻回する構成としてもよい。
【００４７】
また、メッシュフィルタ１５のピッチＰを変更することにより、イオン交換樹脂１１の搭載量を変更することができる。これにより、燃料電池システム１００で必要なイオン交換樹脂１１の搭載量を、ピッチＰの変更によってレイアウト内に収めることが可能になる。なお、メッシュフィルタ１５の管の断面積（直径Ｒ）を変更することによっても同様である。
【００４８】
また、メッシュフィルタ１５のピッチＰを変更することにより、燃料電池システム１００で必要なイオン交換器１の出口の浄化度合い（イオン除去効率）に合うようにピッチＰを合わせることが可能になる。また、メッシュフィルタ１５の管の断面積を変更することによっても同様である。
【００４９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、次のように変更できる。例えば、ゴムホース２０内に、メッシュフィルタ１５の端部１５ａ，１５ｂを軸方向内方に付勢する付勢ばねを設けてもよい。これにより、イオン交換樹脂の体積収縮によってメッシュフィルタが軸方向に縮んだとしても、付勢ばねによって端部１５ａ，１５ｂがそれぞれ対向する方向へ押圧されるので、メッシュフィルタ１５がゴムホース２０内で移動するのを防止することができる。
【００５０】
なお、前記した実施形態では、燃料電池システム１００が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、定置型の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１      イオン交換器
１０    イオン交換樹脂集合体
１１    イオン交換樹脂
１５    メッシュフィルタ
１５ａ，１５ｂ  端部
２０    ゴムホース（冷媒配管）
３０    ジョイント（配管接続部材）
３０ａ１  端部
１１０  燃料電池スタック（燃料電池）
１２０  冷媒回路
Ｓ１    入口
Ｓ２    出口
【図１】
2011009034.tif 000003
【図２】
2011009034.tif 000004
【図３】
2011009034.tif 000005
【図４】
2011009034.tif 000006
【図５】
2011009034.tif 000007