(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体等に搭載される燃料電池システムの配管中に燃料電池と直列に介装されるイオン交換フィルタであって、
イオン交換樹脂を収装したイオン交換フィルタ本体に、
イオン交換樹脂を通る通水路と、
前記イオン交換樹脂をバイパスする通水路と、
前記イオン交換樹脂をバイパスする前記バイパス通水路側に介装され、前記両通水路を流れる媒体の分流比を決定するオリフィスと、を設け、
前記オリフィスの径が、前記イオン交換樹脂を通る通水路を塞いだ状態でイオン交換フィルタ本体の設計最大圧力損失となるように設定されることを特徴とするイオン交換フィルタ。
【請求項２】
前記イオン交換フィルタ本体が、燃料電池の純水加湿システムの配管中に設けられる請求項１に記載のイオン交換フィルタ。
【請求項３】
前記イオン交換フィルタ本体が、燃料電池の冷却システムの配管中に設けられる請求項１に記載のイオン交換フィルタ。
【請求項４】
前記イオン交換樹脂の充填部は、イオン交換樹脂と、イオン交換樹脂を通水路の軸方向に押圧する押圧手段とが一体化した着脱自在なカートリッジを構成し、前記イオン交換樹脂を挟んで両側のカートリッジ入口部分と押圧手段部分とにはイオン交換樹脂が流出しない程度の粗いメッシュを、また前記イオン交換樹脂の前記押圧手段部分側に設けた出口部分には純水加湿システムで許容し得る異物の大きさから決まる細かいメッシュを設ける請求項２に記載のイオン交換フィルタ。
【請求項５】
前記カートリッジ内の前記カートリッジ入口部分より上流側を経由して、前記イオン交換樹脂を通る通水路と前記バイパス通水路とが分岐し、前記分岐部分から前記バイパス通水路方向へ連通する部分には、純水加湿システムで許容し得る異物の大きさから決まる細かいメッシュを設ける請求項４に記載のイオン交換フィルタ。
【請求項６】
前記バイパス通水路方向へ連通する部分に設けた細かいメッシュは、前記カートリッジの入口部分に設けた粗いメッシュに対して直交する向きとなるように配置する請求項５に記載のイオン交換フィルタ。
【請求項７】
前記イオン交換フィルタ本体への入口部配管は、本体からの出口部配管よりも低い位置に設定する請求項１〜６のいずれか一つに記載のイオン交換フィルタ。
【請求項８】
イオン交換フィルタ本体から純水を排出するための配管と、圧力センサと、前記イオン交換フィルタ本体への入口部配管もしくは前記純水排出用の配管の切換えを行う手段と、を前記分岐部分近傍に設けた請求項７に記載のイオン交換フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の加湿システムや冷却システムに利用するイオン交換フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを車両などの移動体に適用する場合、冷却や加湿のために用いる媒体は循環使用することになるが、長期にわたって循環使用すると、燃料電池の筐体からのイオン溶出や、各種ホースや配管等からの溶出物等によって前記媒体中の不純物の濃度は徐々に高くなり、配管詰まりや腐食等を招くおそれがある。これら不純物を取り除くための装置として、一般にイオン交換樹脂を充填したイオン交換フィルタを使用する方法が知られている。
【０００３】
しかし、イオン交換フィルタも経時的に圧力損失（以下、圧損という）が増大し、限界値まで達した場合には交換する必要がある。イオン交換フィルタの圧損増大の原因としては、例えば、以下のようにイオン交換樹脂の破砕によるものが考えられる。
【０００４】
前記媒体としては、例えば純水のように導電率が低い媒体を使用するが、これらの媒体に不凍成分が含まれていない場合には、環境温度が氷点下域になると媒体が凍結してしまう。凍結による配管等の破裂を防ぐために、運転終了時に媒体をタンクなどに回収して配管から抜き差っても、イオン交換フィルタ内のイオン交換樹脂は含水性の物質であるので凍結する。運転時にはゼロ度以上の媒体を流すので解凍されるが、この凍結・解凍による体積の膨張・収縮によって、イオン交換樹脂は破砕してしまう。この凍結・解凍が繰り返され、破砕したイオン交換樹脂はフィルタ内に堆積することによってフィルタ内部の圧損が徐々に増大する。
【０００５】
特許文献１には、媒体中の不純物を取り除くためにイオン交換フィルタを用い、さらにイオン交換フィルタをバイパスする回路を設置して媒体の一部のみをイオン交換処理するようにすることで、イオン交換フィルタの小型化を図る技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−０３５５１９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、イオン交換フィルタをバイパスする回路が、イオン交換フィルタの外部の配管で分岐させる構造になっているので、イオン交換フィルタとバイパスの分流比を設定する場合、イオン交換フィルタの圧損特性や、分流するバルブや配管の特性など、システムすべてについての検討、実験を行う必要があり、また、イオン交換フィルタを交換した際には、再び分流比の設定を行わなければならない。そして、これら検討、実験を行うためには長時間を要する。
【０００７】
前述した理由などにより、イオン交換フィルタの圧損の増大は避けられず、交換することを前提と考えれば、特許文献１のように、イオン交換フィルタ交換毎に分流比の検討を行うことは、効率的ではない。
【０００８】
そこで、本発明ではイオン交換フィルタとバイパスの分流比の設定を容易にし、イオン交換フィルタの交換を効率的に行うことを可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のイオン交換フィルタは、移動体等に搭載される燃料電池システムの配管中に燃料電池と直列に介装されるイオン交換フィルタであって、イオン交換樹脂を収装したイオン交換フィルタ本体に、イオン交換樹脂を通る通水路と、前記イオン交換樹脂をバイパスする通水路と、前記イオン交換樹脂をバイパスする前記バイパス通水路側に介装され、前記両通水路を流れる媒体の分流比を決定するオリフィスと、を設け、
前記両通水路を流れる媒体の分流比を決定するオリフィスと、を設け、前記オリフィスの径が、前記イオン交換樹脂を通る通水路を塞いだ状態でイオン交換フィルタ本体の設計最大圧力損失となるように設定される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、イオン交換樹脂を通る通水路とイオン交換樹脂をバイパスする通水路との分流比を決定するオリフィスを設けたので、イオン交換樹脂の圧損が上昇してイオン交換樹脂を通る流量が減少しても、イオン交換フィルタ全体としての流量は変化しない。これにより、システム全体の特性等を考慮せずにイオン交換フィルタ単体の条件のみで分流比を設定することが可能となるので、イオン交換樹脂の交換時に行う分流比の再設定が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本実施形態のイオン交換フィルタを適用するシステムの概略図である。
【００１３】
１は燃料電池スタック、２は燃料電池加湿用の純水タンク、３は純水タンクから純水を吸い上げ、燃料電池スタック１に流すポンプ、４は純水の流路を切換えるバルブ、５は純水循環ライン中の圧力を検出する圧力センサ、６はイオン交換フィルタ、７はイオン交換フィルタ６を迂回するバイパス通路、８は純水の導電率を検出する導電率計であり、これらは純水の流れる経路中に直列に配置される。
【００１４】
上記の要素で構成される純水加湿システムは、通常運転時には純水タンク２からポンプ３により吸い上げられた純水がイオン交換フィルタ６を通り、導電率計８で１０μＳ／ｃｍ以下程度の低い導電率であることを確認して燃料電池スタック１に流され、加湿を行う。余った純水は純水タンク２に戻される。また、燃料電池スタック１の空気極で反応により生成された水も純水タンク２に回収される。
【００１５】
なお、氷点下域で車を止めておく場合には、純水加湿システムの純水の凍結による経路の配管、ポンプ３、イオン交換フィルタ６、燃料電池スタック１等の破損を防止するために、機関停止時にバルブ４をドレン側に切換えて、ポンプ３により経路中の純水を純水タンク２に回収する。そして再始動の際には、バルブ４をドレン側に開いたままにしておき、ポンプ３により純水をバルブ４のところまで通水したところでバルブ４をイオン交換フィルタ６側に切換え、燃料電池スタック１に純水を流す。この際、バルブ４の切換えタイミングは圧力センサ５の検出値に応じて定める。
【００１６】
また、ポンプ９によってラジエター１２と燃料電池スタック１との間で媒体を循環させる冷却システムにおいても、媒体は燃料電池スタック１内を通過するため、低導電率の媒体を使用し、冷却系統用イオン交換フィルタ１１が設けられる。冷却用媒体にはグリコール系の不凍液を使用できるが、不凍液を使用せずに純水を使用する場合には、加湿システムと同様のイオン交換フィルタ６を使用することができる。
【００１７】
次に、本実施形態のイオン交換フィルタ６について説明する。
【００１８】
本実施形態ではイオン交換フィルタ６と圧力センサ５、バルブ４、入口配管２３、排出配管２５は一体に構成されている。以下、これら一体化された部分をイオン交換フィルタ本体６０という。
【００１９】
図２にイオン交換フィルタ本体６０の外観図を示す。
【００２０】
イオン交換フィルタ６の上流側には純水を濾過する一次的な異物除去フィルタ２６が設けられ、異物除去フィルタ２６には配管の内圧を検出する圧力センサ５、ポンプ３で汲み上げられた純水が流れる入口配管２３、純水タンクにつながる排出配管２４、ソレノイド等により駆動され入口配管２３から入った純水の流路をイオン交換樹脂部２０もしくは排出配管２４のいずれかに切換えるバルブ４が設けられる。バルブ４の開閉は前述したように圧力センサ５の検出値に応じて制御され、例えば、圧力センサ５がフィルタ設計最大圧力を超えるような圧力を検知したときにはバルブ４を開いて純水を排出配管２４から排出し、システムの破損を防止する。また、運転終了時に凍結防止等のために開く場合もある。
【００２１】
なお、イオン交換樹脂部２０を迂回してイオン交換樹脂部２０の入口付近と出口付近とを連通するバイパス通路７がイオン交換樹脂部２０の入口付近から分岐しており、この分岐点付近には、イオン交換樹脂部２０とバイパス通路７の分流比を決めるオリフィス２１が介装されている。
【００２２】
イオン交換樹脂部２０もしくはバイパス通路７を通過した純水は合流して出口配管２５からユニット外へ出て導電率計８に向かう。
【００２３】
なお、入口配管２３とイオン交換フィルタ本体６０との接続部２３ａ、排出配管２４とイオン交換フィルタ本体６０との接続面２４ａは、出口配管２５とイオン交換フィルタ本体６０との接合面２５ａよりも低い位置に設定する。
【００２４】
これにより、凍結防止のために運転終了時に内部の純水を排出配管２４から抜く際に、イオン交換フィルタ本体６０の内部に純水が残留しにくくなる。また、運転開始時に入口配管２３から純水を導入する際に、エアが内部に溜まりにくくなる。
【００２５】
また、バルブ４、排出配管２４、圧力センサ５は、後述する異物溜まり部３７に近接するように設ける。
【００２６】
これにより、イオン交換フィルタ６への純水の出し入れを効率よく行うことができ、また、排水時に異物溜まり３７に溜まった異物を排出することができる。さらに、圧力センサ５で過大な圧力を検知したときに、速やかにバルブ４を開いて排出配管２４に切換えることによってシステムの破損を防止することができる。
【００２７】
図３は図２のイオン交換フィルタ６部分のＡ−Ａ矢視図である。
【００２８】
２２はイオン交換樹脂３８とイオン交換樹脂３８を押付けるピストン３１、バネ３２を一体化した内部カートリッジ、１９は内部カートリッジ２２交換用の蓋、２１はイオン交換樹脂部２０とバイパス通路７の流量比を決めるオリフィスである。流量比はオリフィス２１の開口部の径ｄによって決まる。開口部の径ｄの設定法については後述する。
【００２９】
純水は入口配管２３と連通する流路２８からオリフィス２１の設置された流路２７へと流入し、イオン交換樹脂部２０方向とバイパス通路７方向に分岐する。
【００３０】
イオン交換樹脂部２０を通過した純水と、バイパス通路７を通過した純水はともにイオン交換樹脂部出口２９に流入し、そこから出口配管２５へと流れる。
【００３１】
次に内部カートリッジ２２について図４を参照して説明する。図４は図３の内部カートリッジ２２部分だけを表したものである。
【００３２】
３０はイオン交換樹脂充填部であり、３１はバネ３２によってイオン交換樹脂３８を入口方向に押付けるピストンである。
【００３３】
内部カートリッジ２２のイオン交換樹脂充填部入口、ピストン３１、イオン交換樹脂部出口２９にはそれぞれ入口部メッシュ３４、ピストン部メッシュ３５、出口部メッシュ３６の３つのメッシュが設置されている。
【００３４】
入口部メッシュ３４とピストン部メッシュ３５はイオン交換樹脂３８が流出しない程度の粗いメッシュで、出口部メッシュ３６は加湿システムで許容される異物の大きさから決まる細かいメッシュとする。
【００３５】
加湿システムにおいて、異物除去のためのメッシュは通水する流路中のどこかに設ければよいが、必要以上に設けると圧損が増大してしまい、好ましくない。本実施形態では内部カートリッジ２２の樹脂出口２９に細かい出口部メッシュ３６を設けたので、前述した凍結破損等により細かく破砕されたイオン交換樹脂３８が粗いピストン部メッシュ３５を通過した場合でも、細かい出口部メッシュ３６で捕捉し、樹脂出口２９から流出することはない。
【００３６】
イオン交換樹脂３８が寿命になったときには内部カートリッジ２２を交換するが、このとき、イオン交換樹脂部出口２９に捕捉されている異物も同時に交換することができる。また、ピストン３１、バネ３２も内部カートリッジ２２に一体となっているので、内部カートリッジ２２交換時にバネ３２が飛び出すことがなく、容易に交換可能である。
【００３７】
また、オリフィス２１のバイパス通路７に向かう部分にも細かいメッシュ（バイパス部メッシュ）３３を設置する。これはバイパス通路７への異物の流入を防止するためである。仮に、異物がバイパス通路７を流れると、イオン交換樹脂部出口２９で出口部メッシュ３６により捕捉することができないので、そのまま燃料電池スタック１へと流れてしまう。しかし、本実施形態ではバイパス部メッシュ３３を設けることにより、イオン交換樹脂充填部３０の入口付近が異物溜まり部３７となり、内部カートリッジ２２交換時に異物除去も同時に行うことができる。
【００３８】
また、バイパス部メッシュ３３は入口部メッシュ３４と直交する向きで配置することとする。これにより、異物溜まり部３７に大きな異物が詰まった場合や、多量の異物が堆積した場合でも、イオン交換樹脂部２０とバイパス通路７の両方が同時に詰まることがなく、システムが停止するような事態を回避できる。
【００３９】
ここで、オリフィス２１の径ｄの設定法について図５〜図７を参照して説明する。
【００４０】
径ｄは、イオン交換樹脂部２０に純水が流れないようにした状態で、圧力損失がイオン交換フィルタ本体６０の設計最大圧力損失となるように設定する（図７）。これは、以下の理由による。
【００４１】
図５はイオン交換樹脂部２０、バイパス通路７、イオン交換フィルタ本体６０のそれぞれの流量とイオン交換樹脂３８の凍結回数との関係を表すテーブルである。
【００４２】
イオン交換フィルタ本体６０の流量は凍結回数によらず一定であるが、イオン交換樹脂部２０の流量は凍結回数が増加するにしたがって低下している。
【００４３】
これは、前述したようにイオン交換樹脂３８は凍結・解凍を繰り返すことによって徐々に破砕されて細かくなるので、イオン交換樹脂部２０の通水抵抗は増加して流量が減少するが、減少した分だけバイパス通路７の流量が増加するので、イオン交換フィルタ本体６０全体としては流量が変化しないからである。
【００４４】
図６はイオン交換樹脂部２０、イオン交換フィルタ本体６０のイオン交換効率と凍結回数の関係を表すテーブルである。
【００４５】
イオン交換効率とはイオンを除去する効率のことであり、下式（１）のように表される。
【００４６】
イオン交換効率＝（イオン交換樹脂に流れる流量におけるイオン交換効率）×（イオン交換樹脂に流れる分流比）          ・・・（１）
イオン交換樹脂３８には、純水の流量が少なくなるほどイオン交換効率が向上するという特性がある。また、図５に示したように、凍結回数が増加するにしたがってイオン交換樹脂部２０の流量は減少する。
【００４７】
したがって、凍結回数が増加するとイオン交換樹脂部２０を通過する純水の流量は減少するのでイオン交換樹脂部２０のイオン交換効率は向上する。
【００４８】
また、イオン交換樹脂部２０を通過する純水の流量は減少、つまり分流比は減少するので、式（１）に示したようにイオン交換樹脂部２０のイオン交換効率とイオン交換樹脂部２０の分流比の積で表されるイオン交換フィルタ本体６０のイオン交換効率は変化しない。
【００４９】
上記のように、凍結を繰り返すことによってイオン交換樹脂部２０の流量、イオン交換効率は変化するものの、イオン交換フィルタ本体６０の流量、イオン交換効率は変化しないので、燃料電池システム全体を考慮せずに、イオン交換樹脂部２０とバイパス通路７との間の分流比を決定することが可能である。
【００５０】
したがって、凍結・解凍の繰り返しにより、イオン交換樹脂部２０には純水が流れなくなり、バイパス通路７のみを流れることになった場合であってもイオン交換フィルタ本体６０の設計最大圧力損失を超えないようにオリフィス２１の径ｄの初期設定を行えばよいので、イオン交換樹脂部２０に純水が流れないようにした状態で、イオン交換フィルタ本体６０の圧力損失が設計最大圧力損失となるようにオリフィス２１の径ｄを設定する。
【００５１】
以上により、本実施形態ではイオン交換フィルタ本体６０内にイオン交換樹脂部２０とこれを迂回するバイパス通路７とを設け、分流比を決定するオリフィス２１の径ｄを、イオン交換樹脂部２０に純水が流れない状態でイオン交換フィルタ本体６０の圧力損失が設計最大圧力損失となるように設定するので、イオン交換樹脂部２０の圧力損失が増大して、仮に純水がイオン交換樹脂部２０を流れなくなっても、圧力損失が設計最大圧力損失を超えることがない。
【００５２】
イオン交換フィルタ６、バイパス通路７、入口配管２３、排出配管２４、排出配管２４からの排出およびイオン交換フィルタ６への通水を切換えるバルブ４、出口配管２５、圧力センサ５を一体化したので、コンパクトで低コストになるとともに、イオン交換樹脂部２０とバイパス通路７との間の初期分流比を決定するオリフィス２１の径ｄを純水加湿システム全体を考慮せずにイオン交換フィルタ本体６０単体で設定できる。
【００５３】
イオン交換樹脂３８とこれを押付けるピストン３１、バネ３２とを一体化してカートリッジ２２としたので、イオン交換樹脂３８が寿命になった際の交換作業が容易である。
【００５４】
カートリッジ２２の入口と出口には粗いメッシュ３４、３５を、カートリッジ２２からバイパス通路７への通路とカートリッジ２２から出口配管２５への出口部分には細かいメッシュ３３、３６を設け、バイパス通路７への分岐点を、流路２７を経由する構造としたので、異物がバイパス通路７に流入することが防止でき、また、必要以上に圧力損失を上昇させることなく異物をカートリッジ２２内に捕捉することができ、カートリッジ２２交換時に同時に異物の除去も行える。
【００５５】
異物除去フィルタ２６と排出配管２４の接合面２４ａを出口配管２５の接合面２５ａよりも低い位置に設定したので、運転終了時に純水加湿システム内の純水を抜く際に、内部に純水が残留し難い。また、運転再開時に水を導入した際に、内部にエアが溜まりにくい。
【００５６】
バイパス通路７に分岐する直前の異物溜まり部３７付近にバルブ４と排出配管２４と圧力センサ５を設けたので、イオン交換フィルタ６内の純水を排出したり導入したりする際の効率がよく、排出する際に異物溜まり部３７の異物を排出することができる。また、イオン交換フィルタの入口部付近に過大な圧力がかかったときに、速やかにバルブ４を開いて純水を逃がし、純水加湿システムの破損を防止することができる。
【００５７】
第２実施形態について図８を参照して説明する。
【００５８】
本実施形態のシステムは、第１実施形態の異物除去フィルタ２６の上端付近と下端付近とにヒーター４０を設けた構成とする。
【００５９】
ヒーター４０は、氷点下域から燃料電池システムを運転する場合等に使用する。これにより、前回運転終了時に純水タンク２に回収できずにイオン交換フィルタ本体６０内に残留し、凍結した純水を速やかに解凍することができる。
【００６０】
イオン交換フィルタ６、バイパス通路７、異物除去フィルタ２６、オリフィス２１は、ステンレス等のように熱伝達率が高くイオン溶出が少ない材質とする。これにより、効率の良い解凍およびイオン交換樹脂３８の寿命低減の防止が可能となる。
【００６１】
また、イオン交換樹脂３８を内臓する内部カートリッジ２２は、ポリプロピレン等のように熱伝達率が低く、イオン溶出の少ない材質とする。イオン交換樹脂３８は高温になると樹脂機能が破壊されやすくなる特性があるが、熱伝達率の低いカートリッジ２２内にイオン交換樹脂３８を封入することによりヒーター４０の熱を伝達しにくくし、樹脂機能の破壊を防止できる。また、イオン溶出が少なければイオン交換樹脂３８の寿命の短縮を防止できる。
【００６２】
以上により、本実施形態ではイオン交換フィルタ本体６０にヒーター４０を設け、イオン交換フィルタ６、バイパス通路７、フィルタ部２６、オリフィス２１等をステンレス等のように熱伝達率が低くイオン溶出の少ない材質とし、イオン交換樹脂３８を充填する内部カートリッジ２２を熱伝達率が低くイオン溶出の少ない材質としたので、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、ヒーター４０による解凍を速やかに行うとともに、熱によるイオン交換樹脂３８の破壊を防止することができる。また、イオンの溶出が少ないので、イオン交換樹脂３８の寿命の短縮を防止することができる。
【００６３】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、燃料電池システム内の媒体中の不純物ならびに異物の除去に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１実施形態のイオン交換フィルタ本体を表す図である。
【図３】イオン交換フィルタの断面図である。
【図４】内部カートリッジを表す図である。
【図５】純水の流量と凍結回数の関係を表すテーブルである。
【図６】イオン交換効率と凍結回数の関係を表すテーブルである。
【図７】圧力損失と凍結回数の関係を表すテーブルである。
【図８】第２実施形態のイオン交換フィルタ本体を表す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１    燃料電池スタック
２    純水タンク
３    ポンプ
４    バルブ
５    圧力センサ
６    イオン交換フィルタ
７    バイパス
８    導電率計
２０  イオン交換樹脂部
２１  オリフィス
２２  内部カートリッジ
２３  入口配管
２４  排出配管
２５  出口配管
２６  異物除去フィルタ
２９  イオン交換樹脂部出口
３０  イオン交換樹脂充填部
３１  ピストン
３２  バネ
３３  バイパス方向へのメッシュ
３４  カートリッジ入口部メッシュ
３５  カートリッジ出口部メッシュ
３６  出口部メッシュ
３７  異物溜まり部
３８  イオン交換樹脂
４０  ヒーター
６０  イオン交換フィルタ本体
【図１】
0004746837.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004746837.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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