(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車等の移動体に搭載される燃料電池の回路内を流れる流体の不純物を除去する燃料電池用イオン除去フィルタであって、
流体の流入口及び流出口とを有するケースと、
該ケースに組み込まれ、イオン交換樹脂が充填される交換可能なカートリッジとを備え、
前記流体が前記複数のカートリッジを同時に通過できるように、前記複数のカートリッジは前記流体の流れに対して並列に配置され、
前記複数のカートリッジの下部に形成された流入孔それぞれが、前記ケースの前記イオン交換樹脂が充填されるスペースにおける前記流体の流れと直交する平面に形成されるとともに、前記ケースに設けた前記流入口に連結される流入通路に連結され、
前記複数のカートリッジの上端に形成された流出孔それぞれが、前記ケースに設けた前記流出口に連結される流出通路に連結され、
前記複数のカートリッジそれぞれには、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混合されることなく、陽イオン交換樹脂のみ又は陰イオン交換樹脂のみが充填され、
且つ、陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジ及び陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジが少なくとも一つ含まれることを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタ。
【請求項２】
自動車等の移動体に搭載される燃料電池の回路内を流れる流体の不純物を除去する燃料電池用イオン除去フィルタの製造方法であって、
複数のカートリッジそれぞれに、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合することなく、陽イオン交換樹脂のみ又は陰イオン交換樹脂のみを充填する工程と、
前記流体が前記複数のカートリッジを同時に通過できるように、前記複数のカートリッジは前記流体の流れに対して並列に配置され、陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジ及び陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジが少なくとも一つ含まれるように、前記複数のカートリッジを流体の流入口及び流出口を有し、前記複数のカートリッジの下部に形成された流入孔それぞれが、前記イオン交換樹脂が充填されるスペースにおける前記流体の流れと直交する平面に形成されるとともに、前記流入口に連結される流入通路に連結され、前記複数のカートリッジの上端に形成された流出孔それぞれが、前記流出口に連結される流出通路に連結されたケースに組み込む工程とを備えることを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の回路内を流れる流体の不純物を除去する燃料電池用イオン除去フィルタに関し、特に自動車等の移動体に搭載される固体高分子型燃料電池（ＰＦＰＣ）用の燃料電池用イオン除去フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃焼過程を経ずに水素(Ｈ2)が持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。小容量のものでは、従来のガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなど熱機関と比較するとエネルギー変換効率が高く、また低コストでコンパクト性に優れていることから、次世代自動車などの高効率動力源として期待されている。
【０００３】
燃料電池の回路内の冷却、あるいは固体高分子イオン交換膜及び改質器の加湿のために純水、エチレングリコール水等が用いられる。これらの流体が燃料電池の回路内を循環すると、外気及び構成部品等から不純物の導電性イオンが流体内に浸入するので、流体の純度が下がる。このため、流体の純度を保てるように、流体中の不純物を除去するイオン除去フィルタが回路内に組み込まれる。
【０００４】
イオン交換樹脂には、大別するとカチオン（陽イオン交換樹脂）とアニオン（陰イオン交換樹脂）の２種類がある。フィルタとして使用する場合には、カチオンとアニオンとをミックスして一つのケースに充填していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カチオンとアニオンをミックスする方法は、図１０に示されるように、まずカチオン３１とアニオン３２とを混ぜ合わせる工程（Ｓ１）と、その後、混合した大量のカチオンとアニオンとをケースに充填すべき量に応じて小分けする工程（Ｓ２）とを備える。
【０００６】
カチオン３１とアニオン３２との比率が例えば１：１とか２：１程度であれば、小分けした部分Ａ〜Ｃそれぞれにカチオン３１及びアニオン３２が前記比率で混合されることが多い。しかし、カチオン３１とアニオン３２との比率は、外気からのイオンの浸入、また構成部品から溶出するイオンにより大きく異なる。カチオン３１とアニオン３２の比率の差が大きい場合、例えばカチオン３１とアニオン３２との比率が１：１０の場合、大量に混合した後に小分けすると、小分けした部分Ａ’ではカチオンとアニオンの比率が１：１０で混合されるが、小分けした部分Ｂ’では比率が２：１０で混合されたり、小分けした部分Ｃでは比率が０：１０で混合されたりし、小分けした部分Ａ’〜Ｃ’に比率の偏りが生じ易くなる。カチオンとアニオンの比率が０：１０のカートリッジＣ’が充填されたフィルタを使用すると、流体中の陽イオンが全く除去できなくなってしまうことになる。
【０００７】
そこで本発明は、カチオンとアニオンとの比率の差が大きくても、カチオンとアニオンとの比率の偏りが生じ難い燃料電池用イオン除去フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照番号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものでない。
【０００９】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、自動車等の移動体に搭載される燃料電池の回路内を流れる流体の不純物を除去する燃料電池用イオン除去フィルタであって、流体の流入口（６）及び流出口（７）とを有するケース（９）と、該ケース（９）に組み込まれ、イオン交換樹脂（１９）が充填される交換可能なカートリッジ（１１）とを備え、前記流体が前記複数のカートリッジ（１１）を同時に通過できるように、前記複数のカートリッジ（１１）は前記流体の流れに対して並列に配置され、前記複数のカートリッジ（１１）の下部に形成された流入孔（１１ａ）それぞれが、前記ケース（９）の前記イオン交換樹脂が充填されるスペースにおける前記流体の流れと直交する平面に形成されるとともに、前記ケース（９）に設けた前記流入口（６）に連結される流入通路（１２）に連結され、前記複数のカートリッジ（１１）の上端に形成された流出孔（１１ｂ）それぞれが、前記ケース（９）に設けた前記流出口（７）に連結される流出通路（１３）に連結され、前記複数のカートリッジ（１１）それぞれには、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とが混合されることなく、陽イオン交換樹脂のみ又は陰イオン交換樹脂のみが充填され、且つ、陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジ及び陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジが少なくとも一つ含まれることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、複数のカートリッジを流体の流れに対して並列に配置することで、例えばカートリッジを流れの方向に直列に配置する場合に比べ流れの抵抗を減らすことができる。燃料電池用イオン除去フィルタは一般的には循環回路に設けられるので、カートリッジを並列に配置しても、流体が循環している間に全てのカートリッジに流体が流れる。このため直列に配列した場合と略同様に不純物を取り除くことができる。
【００１２】
また、本発明は、自動車等の移動体に搭載される燃料電池の回路内を流れる流体の不純物を除去する燃料電池用イオン除去フィルタの製造方法であって、複数のカートリッジ（１１…）それぞれに、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とを混合することなく、陽イオン交換樹脂のみ又は陰イオン交換樹脂のみを充填する工程と、前記流体が前記複数のカートリッジ（１１…）を同時に通過できるように、前記複数のカートリッジ（１１…）は前記流体の流れに対して並列に配置され、陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジ（１１）及び陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジ（１１）が少なくとも一つ含まれるように、前記複数のカートリッジ（１１…）を流体の流入口（６）及び流出口（７）を有し、前記複数のカートリッジ（１１…）の下部に形成された流入孔（１１ａ）それぞれが、前記イオン交換樹脂が充填されるスペースにおける前記流体の流れと直交する平面に形成されるとともに、前記流入口（６）に連結される流入通路（１２）に連結され、前記複数のカートリッジ（１１…）の上端に形成された流出孔（１１ｂ）それぞれが、前記流出口（７）に連結される流出通路（１３）に連結されるケース（９）に組み込む工程とを備えることを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタの製造方法としても構成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、カチオンとアニオンとの比率の差が大きくても、カチオンとアニオンとの比率の偏りが生じ難い燃料電池用イオン除去フィルタが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下添付図面に基づいて本発明の燃料電池用加湿システムの実施形態を説明する。図１は、本発明の燃料電池用イオン除去フィルタが組み込まれる燃料電池システム（例えば固体高分子型燃料電池（ＰＦＰＣ）システム）の回路図の一例を示す。この燃料電池システムはメタノールを燃料とし、改質器１においてメタノールを水素に改質し、改質した水素及び空気を燃料電池本体２に供給して電気化学反応を起こし、電池本体２で化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。そしてこの燃料電池システムは、主に電池本体２内で水素と酸素との電気化学反応を起こさせるための電池本体回路と、電池本体２の燃料極２ａに水素を供給できるように、メタノールに含まれるメタンガスと水蒸気を反応させてメタンガスを水素に改質するための改質回路と、電池本体２の空気極２ｂに空気を供給するための大気導入回路と、電池本体２を冷却したり、電池本体２内の固体高分子イオン交換膜の水分を維持したりするための冷却回路とを備える。
【００１５】
燃料電池用イオン除去フィルタ３ａは、例えば純水とエチレングリコールを混ぜた冷却水（図中ＥＧと表示）が循環する冷却回路に組み込まれ、冷却水中に含まれる不純物を除去する。また他の燃料電池用イオン除去フィルタ３ｂは、水素と酸素との反応後の純水が溜められた純水タンク４から改質器１へ純水が送られる回路に組み込まれ、純水中に含まれる不純物を除去する。燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂの容量は、流れる流量、不純物の量に応じて様々に設定される。なお、本発明の燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂが組み込まれる回路は、燃料電池の回路であればよく、これらの回路に限られるものではない。
【００１６】
図２及び図３は、本発明の一実施形態における燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂを示す。図２はカバー５を取り外した状態の分解斜視図を示し、図３は断面図を示す。この図に示すように、燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂは、流体の流入口６及び流出口７とを有するケース９と、該ケース９に組み込まれ、イオン交換樹脂が充填される交換可能な複数の（この実施形態では４つの）カートリッジ１１…とを備える。この図２ではカートリッジ１１…の一つが抜かれた状態を示している。
【００１７】
ケース９は、カートリッジ１１…が組み込まれるケース本体８と、ケース本体８に着脱自在に取り付けられるカバー５とで構成される。カバー５をケース本体８から外し、カートリッジ１１…を入れ替えるだけでイオン交換樹脂も交換される。ケース本体８の下部には、流入口６が形成され、カバー５には流出口７が形成される。これら流入口６及び流出口７は、ジョイントやクランプを介して回路中の配管に接続される。流体はケース９下部の流入口６からケース９内に流入し、下から上に向かって流れ、カバー５の流出口７から流出する。
【００１８】
ケース本体８には例えば円筒状のカートリッジ収納空間８ａ…が、カートリッジ１１…の数に応じて複数形成される。カートリッジ収納空間８ａ…の下部が流入口に連結される流入通路１２に連結され（図３参照）、カートリッジ収納空間８ａ…の上部がカバー５に設けた流出口７に連結される流出通路１３に連結される。ケース本体８とカバー５とはボルト等の締結手段によって着脱自在に組み合わされる。ケース９の内部は、ケース本体８又はカバー５に設けたシール部材１４によってシールされる。またケース本体８は、流入通路１２が設けられた本体下部ケース８ｂと、カートリッジ１１…が挿入される本体中央部ケース８ｃとに分割されている。
【００１９】
複数のカートリッジ収納空間８ａ…それぞれには複数のカートリッジ１１…が交換可能に収納される。複数のカートリッジ１１…は、流体が複数のカートリッジ１１…を同時に通過できるように、流体の流れに対して並列に配置されている。すなわち、複数のカートリッジ１１…の下部の流入孔１１ａ…それぞれが、流入口６に連結される流入通路１２に連結され、且つ複数のカートリッジ１１…の流出孔１１ｂ…それぞれが、流出口７に連結される流出通路１３に連結される。
【００２０】
カートリッジ１１は、イオン交換樹脂１９が充填される例えば略円筒状のカートリッジ本体１５と、イオン交換樹脂１９の、流体の流れ方向における両端に設けられた一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６，１６と、一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６，１６間で、イオン交換樹脂に圧縮力を与えるための付勢部材１７とを備える（図９も参照）。
【００２１】
カートリッジ本体１５の外周の上端及び下端には、カートリッジ本体１５の外周とカートリッジ収納空間８ａを構成する壁面との間に設けられた隙間に流体が流れるのを防止するために、シール部材１８，１８が取り付けられる。
【００２２】
図４及び図５は、４個のカートリッジを組み合わせた他の例を示す。複数のカートリッジ１１…は４個に限られることはなく、流れる流体及び不純物に応じて、この例に示されるように、４個、５個等種々に組み合わせて使用してもよい。
【００２３】
カートリッジ１１に充填されるイオン交換樹脂１９は、例えばＯＨ基、Ｈ基、Ｎａ基、Ｃｌ基のいずれか一つを捕まえている樹脂からなり、流体中の不純物がこれらの基と置き換わることで不純物を除去する。各カートリッジ１１に収納されるイオン交換樹脂の種類については後述する。
【００２４】
イオン交換樹脂１９の上端及び下端に設けられるイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６，１６は、流体は流すがイオン交換樹脂１９が流出するのを防止する程度の粗さを有する。このイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６は、流体通路が形成された円板状のプレート２１と、プレート２１に貼られた濾過フィルタとで構成される。プレート２１の流体通路の面積を変化させることで、カートリッジ１１を流れる流体の流量が調整される。
【００２５】
上側のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６はカートリッジ本体１５に固定され、下側のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６はカートリッジ本体１５内にスライド可能に配置される。また上側のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６には、カバー５でカートリッジ１１をケース本体８の所定位置で押さえられるように、シリコン等のゴムラバーからなる弾性部材２２が取り付けられる（図２参照）。
【００２６】
イオン交換樹脂に圧縮力を与えるための付勢部材１７は、コイルばね、板ばね等からなり、スライド可能な下側のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６をイオン交換樹脂に向かって付勢する。
【００２７】
イオン交換樹脂１９は使用しているうちに、痩せてくる（すなわち樹脂の粒が小さくなる）現象が生じる。これによりイオン交換樹脂１９がすかすかになり、その内部に空間が生じる。本実施形態によれば、付勢部材１７によってイオン交換樹脂１９に圧縮力を与えているので、イオン交換樹脂に空間が生じるのを防止することができる。また燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂを自動車等の移動体に搭載した場合にも、振動によりイオン交換樹脂１９ががさつくのを防止することができる。
【００２８】
図６は、複数のカートリッジ１１…に充填されるイオン交換樹脂１９の種類を示す。この例では例えば、カートリッジＡに陽イオン交換樹脂（カチオン）のみを充填し、カートリッジＢに陰イオン交換樹脂(アニオン)のみを充填し、カートリッジＣに陰イオン交換樹脂（アニオン）のみを充填している。すなわち本実施形態では、複数のカートリッジ１１を陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジＡと陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジＢ，Ｃとに分け、フィルタ全体としては陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジＡ及び陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジＢ，Ｃが少なくとも一つ含まれるようにしている。陽イオン交換樹脂の充填量と陰イオン交換樹脂の充填量との比率は、外気からのイオンの浸入、また構成部品から溶出するイオン等により適宜設定される。
【００２９】
本実施形態によれば、あらかじめ陽イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジと陰イオン交換樹脂のみが充填されるカートリッジとに分け、これらのカートリッジをイオン除去フィルタに組み込んでいる。このため、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を混合した後、小分けする場合のように、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との比率の差が大きくても、カートリッジに陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂が全く含まれなくなることがない。
【００３０】
図７は、複数のカートリッジ１１…に充填されるイオン交換樹脂１９の種類の他の例を示す。この例では例えば、カートリッジＡに陽イオン交換樹脂（カチオン）のみを充填し、カートリッジＢに陰イオン交換樹脂（アニオン）のみを充填し、カートリッジＣに陰イオン交換樹脂（アニオン）のみを充填し、カートリッジＤに陰イオン交換樹脂（アニオン）のみを充填している。この例のように、陽イオン交換樹脂の充填量と陰イオン交換樹脂の充填量との比率は様々に設定される。
【００３１】
図８は、複数のカートリッジ１１…に充填されるイオン交換樹脂１９の種類のさらに他の例を示す。例えば陽イオン交換樹脂の比率が小さいと陽イオン交換樹脂が充填されるカートリッジも小さくなり、カートリッジＡに並列に流体を流すと流れの抵抗によってカートリッジＡに流体が流れ難くなるおそれがある。このような場合は、陽イオン交換樹脂が充填されるカートリッジＡと、並列に接続されたカートリッジＢ〜Ｄとを直列に接続してもよい。
【００３２】
図９は、燃料電池用イオン除去フィルタに組み込まれるカートリッジの他の例を示す。この例のカートリッジ１１も、イオン交換樹脂１９が充填される略円筒状のカートリッジ本体１５と、イオン交換樹脂の、流体の流れ方向における両端に設けられた一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６，１６と、一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６，１６間で、イオン交換樹脂１９に圧縮力を与えるための付勢部材１７とを備える。カートリッジ本体１５、イオン交換樹脂流出防止フィルタ１６の構成は上述のカートリッジと略同様な構成なので同一の符号を附してその説明を省略する。この例では付勢部材１７としてコイルばねの代わりに板ばねが使用されている。このように、付勢部材１７はイオン交換樹脂に圧縮力を与えることができればコイルばね等に限られることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の燃料電池用イオン除去フィルタが組み込まれる燃料電池システムを示す図。
【図２】本発明の一実施形態における燃料電池用イオン除去フィルタを示す分解斜視図。
【図３】カバーを取り付けた図２の燃料電池用イオン除去フィルタの断面図。
【図４】燃料電池用イオン除去フィルタの他の例を示す分解斜視図。
【図５】カバーを取り付けた図４の燃料電池用イオン除去フィルタの断面図。
【図６】複数のカートリッジに充填されるイオン交換樹脂の種類を示す図。
【図７】複数のカートリッジに充填されるイオン交換樹脂の種類の他の例を示す図。
【図８】複数のカートリッジに充填されるイオン交換樹脂の種類のさらに他の例を示す図。
【図９】燃料電池用イオン除去フィルタに組み込まれるカートリッジの他の例を示す図。
【図１０】従来の陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂をミックスする方法を示す工程図。
【符号の説明】
【００３４】
６…流入口
７…流出口
９…ケース
１１…カートリッジ
１９…イオン交換樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
0004815105.tif 000009
【図９】
0004815105.tif 000010
【図１０】
0004815105.tif 000011