(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の冷却水回路に設けられるイオン交換器において、
前記冷却水回路の一部を構成する配管と、
前記配管の内部に設けられた静的撹拌器と、を備え、
前記静的撹拌器は、前記配管の軸線方向を中心として長方形の平板をねじった湾曲板状の複数のエレメントを有し、
複数の前記エレメントは、前記軸線方向において互いに隣り合って配置された第１エレメント及び第２エレメントを含み、
前記第１エレメント及び前記第２エレメントは互いに反対方向にねじられており、
前記第１エレメントの表面及び前記第２エレメントの表面はイオン吸着材によって形成されている、
燃料電池用イオン交換器。
【請求項２】
前記エレメントは前記湾曲板状の基材と同基材の表面に設けられた前記イオン吸着材とを有している、
請求項１に記載の燃料電池用イオン交換器。
【請求項３】
前記エレメントは前記イオン吸着材を前記湾曲板状に成形することによって形成されている、
請求項１に記載の燃料電池用イオン交換器。
【請求項４】
前記イオン吸着材には酸素吸収材が含まれている、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用イオン交換器。
【請求項５】
前記静的撹拌器を収容する配管の内周面がイオン吸着材によって形成されている、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用イオン交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却水回路に設けられるイオン交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、燃料電池本体を冷却するための冷却水が流通する冷却水回路が設けられている。また、冷却水回路には、冷却水に含まれる金属イオンなどをイオン交換樹脂に吸着させて除去するイオン交換器が設けられている。
【０００３】
従来、こうしたイオン交換器としては、カートリッジタイプのものがある（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載のイオン交換器は、筒状の周壁及び底壁を有するケースと、ケースの上部開口を閉塞する蓋とを備えている。ケースの周壁には、冷却水を内部に導入する導入ポートと冷却水を外部に導出する導出ポートとが上下に離間して設けられている。蓋の下面には、ケースの内部に収容される筒状部が一体形成されており、この筒状部の内壁には、イオン交換樹脂が充填されたカートリッジが着脱可能に取り付けられている。また、この筒状部には連通孔が形成されている。
【０００４】
特許文献１に記載のイオン交換器においては、導入ポートからケースの内部に導入された冷却水は、連通孔を通じて筒状部の内部に導入され、カートリッジの内部を通過する。このとき、冷却水に含まれる金属イオンなどがイオン交換樹脂に吸着される。こうしてイオンが除去された冷却水は、導出ポートを通じてケースの外部に導出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２３３４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したカートリッジタイプのイオン交換器の場合、イオン交換樹脂によるイオンの交換効率を高めようとしてカートリッジの内部にイオン交換樹脂を密に充填すると、冷却水がカートリッジを通過する際の圧力損失が増大することとなる。
【０００７】
また、カートリッジの他に同カートリッジを収容するケースや蓋が必要になるため、イオン交換器の体格や重量が大きくなる。更に、粒状のイオン交換樹脂をカートリッジの内部に充填する作業が必要となり、同作業が繁雑になるといった問題が生じる。
【０００８】
本発明の目的は、圧力損失の増大を抑制しつつ、冷却水に含まれるイオンを効果的に除去することのできる燃料電池用イオン交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための燃料電池用イオン交換器は、燃料電池の冷却水回路に設けられるものであり、前記冷却水回路の一部を構成する配管と、前記配管の内部に設けられた静的撹拌器と、を備え、前記静的撹拌器の表面はイオン吸着材によって形成されている。
【００１０】
同構成によれば、配管内の静的撹拌器（以下、撹拌器）を冷却水が通過する際に、冷却水が撹拌される。これにより、冷却水に含まれるイオンがイオン吸着材に衝突しやすくなり、イオン吸着材に吸着されやすくなる。
【００１１】
また、上記構成によれば、配管内には冷却水の流通する隙間が確保されているため、特許文献１に記載のカートリッジタイプのように流路断面の略全体がイオン交換樹脂によって塞がれる構成とは異なり、冷却水の流れが妨げられにくい。
【００１２】
また、上記構成によれば、イオン交換器全体を管状にすることが可能となるため、イオン交換器の体格や重量が大きくなることを容易に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、圧力損失の増大を抑制しつつ、冷却水に含まれるイオンを効果的に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】燃料電池用イオン交換器の一実施形態について、同イオン交換器が設けられる燃料電池の冷却水回路の概略図。
【図２】同実施形態のイオン交換器の軸線方向に沿った断面図。
【図３】同実施形態のエレメントの板厚方向に沿った断面図。
【図４】同実施形態の作用を説明する図であって、図２の部分拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１〜図４を参照して、一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池の冷却水回路９０には、冷却水を吸引して吐出するポンプ９１、燃料電池本体９２、及び外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器９３が設けられている。また、冷却水回路９０には、熱交換器９３を迂回する迂回路９４が設けられており、同迂回路９４の途中には、冷却水に含まれるイオンを吸着して除去するイオン交換器１０が設けられている。また、迂回路９４の下流端には、三方弁９５が設けられている。
【００１６】
図２に示すように、イオン交換器１０は、例えばポリプロピレンなどの硬質樹脂材料によって形成され、迂回路９４の一部を構成する円管状の配管１１と、同配管１１の内部に設けられた静的撹拌器（以下、撹拌器２０）とを備えている。配管１１の上流側の端部及び下流側の端部には、迂回路９４の一部を構成するゴム製の接続ホース３１，３２がそれぞれ外嵌して接続されている。また、接続ホース３１，３２の外周面にはクリップ３３が外嵌されており、クリップ３３によって配管１１と接続ホース３１，３２とが接続状態にて締結されている。したがって、配管１１は接続ホース３１，３２に対して着脱可能に接続されている。
【００１７】
撹拌器２０は、軸線方向において互いに隣り合って配置された湾曲板状の第１エレメント２１及び第２エレメント２２を有している。なお、本実施形態では、第１エレメント２１及び第２エレメント２２が２つずつ設けられており、これらエレメント２１，２２は配管１１の内周面に接着剤を介して固定されている。
【００１８】
エレメント２１，２２は、配管１１の軸線方向を中心として長方形の平板をそれぞれ１８０°ねじった形状を有している。また、第１エレメント２１及び第２エレメント２２は互いに反対方向にねじられている。また、上記軸線方向における第１エレメント２１の端面２１１は配管１１の径方向（同図の上下方向）に沿って延びている。また、上記軸線方向における第２エレメント２２の端面２２１は配管１１の径方向のうち第１エレメント２１の端面２１１に直交する方向（同図の紙面に直交する方向）に沿って延びている。
【００１９】
図３に示すように、エレメント２１，２２は、例えばポリプロピレンなどの硬質樹脂材料からなる前記湾曲板状の基材２３と同基材２３の表面に接着剤を介して貼着されたシート状のイオン吸着材２４とを有している。したがって、撹拌器２０の表面はイオン吸着材２４によって形成されている。
【００２０】
ちなみに、イオン吸着材２４は、イオン交換樹脂を粉砕したものに対して、結合材、安定剤、及び可塑剤を混合したものを加熱ロールにより加熱しつつ加圧することによってシート状に成形されたものである。ここで本実施形態のイオン交換樹脂は、スチレンとジビニルベンゼンとの共重合体である高分子母体に対して、例えばスルホン酸基及び第４級アンモニウム基を有する官能基を導入することによって形成されている。また、結合材、安定剤、及び可塑剤としては、例えば塩化ビニル、ステアリン酸塩、及びジオクチルフタレートがそれぞれ採用されている。
【００２１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図４に実線または破線の矢印にて示すように、配管１１内において冷却水はエレメント２１，２２の湾曲面に沿って旋回しながら流れる。ここで、第１エレメント２１から第２エレメント２２に冷却水が流入する際には、冷却水の流れが分割されるとともに、冷却水の旋回方向が反転される。また、同様にして、第２エレメント２２から第１エレメント２１に冷却水が流入する際には、冷却水の流れが分割されるとともに、冷却水の旋回方向が反転される。このように撹拌器２０を冷却水が通過する際に、冷却水が撹拌されることとなる。これにより、冷却水に含まれるイオンがエレメント２１，２２の表面のイオン吸着材２４に衝突しやすくなり、イオン吸着材２４に吸着されやすくなる。
【００２２】
また、配管１１内には冷却水の流通する隙間が確保されているため、特許文献１に記載のカートリッジタイプのように流路断面の略全体がイオン交換樹脂によって塞がれる構成とは異なり、冷却水の流れが妨げられにくい。
【００２３】
以上説明した本実施形態に係る燃料電池用イオン交換器によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）イオン交換器１０は、冷却水回路９０の一部を構成する配管１１と、配管１１の内部に設けられた静的撹拌器２０とを備え、静的撹拌器２０の表面がイオン吸着材２４によって形成されている。このため、圧力損失の増大を抑制しつつ、冷却水に含まれるイオンを効果的に除去することができる。
【００２４】
また、イオン交換器１０全体を迂回路９４の一部を構成する配管１１の内部に収めることで、イオン交換器１０の体格や重量が大きくなることを容易に抑制することができる。
また、冷却水を撹拌させるためのモータなどの駆動源が不要であるため、イオン交換器１０の構成を簡易なものとすることができる。
【００２５】
（２）撹拌器２０は、湾曲板状のエレメント２１，２２を有しており、エレメント２１，２２は配管１１の軸線方向を中心として長方形の平板をねじった形状を有している。このため、エレメント２１，２２の構成が簡単なものとなり、エレメント２１，２２を容易に形成することができる。
【００２６】
（３）撹拌器２０は、軸線方向において互いに隣り合って配置された第１エレメント２１及び第２エレメント２２を有し、第１エレメント２１及び第２エレメント２２は互いに反対方向にねじられている。
【００２７】
こうした構成によれば、冷却水が第１エレメント２１または第２エレメント２２を通過する毎に冷却水の回転方向が反転されるため、冷却水を効果的に撹拌することができる。このため、冷却水に含まれるイオンの除去効率を高めることができる。
【００２８】
（４）エレメント２１，２２は湾曲板状の基材２３と基材２３の表面に設けられたイオン吸着材２４とを有している。
こうした構成によれば、予め湾曲板状に成形された基材２３の表面に対してシート状のイオン吸着材２４を貼着することにより、全体として湾曲板状のエレメント２１，２２を形成することができる。このため、エレメント２１，２２を容易に形成することができる。また、基材２３によって剛性を容易に確保することができることから、エレメント２１，２２の剛性を容易に確保することができる。
【００２９】
＜変形例＞
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。
・上記イオン交換器１０を冷却水回路９０の主通路に設けるようにしてもよい。この場合、冷却水回路９０の迂回路９４を省略することができる。
【００３０】
・イオン吸着材２４に活性炭などの酸素吸収材を添加することもできる。一般に、燃料電池の冷却水にはエチレングリコールが含まれている。そのため、燃料電池の運転に伴い高温となったエチレングリコールが冷却水に含まれる酸素によって酸化されると、グリコール酸イオンやギ酸イオンが生成されることとなり、冷却水の導電率を上昇させる一因となっている。これに対して、上述したように、イオン吸着材２４に活性炭などの酸素吸収材を添加すれば、冷却水に含まれる酸素が酸素吸収材によって吸収され、冷却水に含まれるエチレングリコールの酸化分解反応を抑制することができる。したがって、グリコール酸イオンやギ酸イオンの生成を抑制することができ、冷却水の導電率の上昇を抑制することができる。
【００３１】
なお、この場合、例えば、イオン交換樹脂を粉砕したものに対して、結合材、安定剤、及び可塑剤に加えて、活性炭を粉砕したものを混合し、この混合されたものを加熱ロールにより加熱しつつ加圧してシート状に成形すればよい。
【００３２】
・例えば、キレート剤などのイオン交換樹脂以外のイオン吸着材によってエレメント２１，２２の表面を形成することもできる。
・第１エレメント２１及び第２エレメント２２を３つずつ、あるいは４つずつ設けることもできる。また、第１エレメント２１及び第２エレメント２２を１つずつ設けることもできる。
【００３３】
・エレメント２１，２２のねじれ角度を１８０°以外の角度に変更することもできる。
・第１エレメント２１及び第２エレメント２２のいずれか一方のみによって撹拌器を構成することもできる。この場合、複数の第１エレメント２１または複数の第２エレメント２２を配管１１の軸線方向において互いに隣り合うように配置することもできる。
【００３４】
・イオン吸着材２４を形成するイオン交換樹脂の組成は、上記実施形態において例示した組成に限定されない。要するに、イオンを吸着することができるものであればイオン交換樹脂の組成を適宜変更することができる。
【００３５】
・配管１１の内周面をイオン吸着材２４によって形成してもよい。この場合、撹拌器２０の表面に加えて、配管１１の内周面がイオン吸着材２４によって形成されるため、冷却水に含まれるイオンがイオン吸着材２４に更に衝突しやすくなり、冷却水に含まれるイオンの除去効率を一層高めることができる。
【００３６】
・イオン吸着材はシート状のものに限定されない。他に例えば、基材２３の表面に液状のイオン吸着材を塗工にて形成するようにしてもよい。
・イオン吸着材自体を湾曲板状に成形することによって湾曲板状のエレメントを形成するようにしてもよい。
【００３７】
・撹拌器２０は上記実施形態または上記変形例において例示したエレメントを有するものに限定されない。要するに、冷却水を撹拌する作用を奏する形状であれば撹拌器の形状を任意に変更することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０…イオン交換器、１１…配管、２０…静的撹拌器、２１…第１エレメント、２２…第２エレメント、２３…基材、２４…イオン吸着材、３１，３２…接続ホース、３３…クリップ、９０…冷却水回路、９１…ポンプ、９２…燃料電池、９３…熱交換器、９４…迂回路、９５…三方弁。
【図１】
0006578783.tif 000002
【図２】
0006578783.tif 000003
【図３】
0006578783.tif 000004
【図４】
0006578783.tif 000005