(57)【要約】【課題】  燃料電池用イオン除去フィルタの全体の大きさを大きくすることなく、イオン交換樹脂と流体との接触面積を大きくとれる燃料電池用イオン除去フィルタを提供する。【解決手段】  燃料電池用イオン除去フィルタを、流体の流入口２及び流出口３を有するケース１と、ケース１の内部に設けられ、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の円筒形状に形成される容器５と、で構成する。流入口２から流入する流体を、中空の円筒形状の外周から内周に向かって又は内周から外周に向かって流す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中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を有するケースと、
前記ケースの内部に設けられ、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の円筒形状に形成される容器と、を備え、
前記流入口から流入する流体を、前記中空の円筒形状の外周から内周に向かって又は内周から外周に向かって流す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】
前記容器は、
前記流入口及び前記流出口の一方に接続され、複数の穴が形成された内筒と、
前記内筒の外側に設けられ、複数の穴が形成された外筒と、
前記外筒の軸線方向の両端部に設けられる一対の端板と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用イオン除去フィルタ。
【請求項３】
流体中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を有するケースと、
前記ケースの内部に設けられ、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の円筒形状に形成される容器と、を備え、
前記容器は、
前記流入口及び前記流出口の一方に接続され、複数の穴が形成された内筒と、
前記内筒の外側に設けられ、複数の穴が形成された外筒と、
前記外筒の軸線方向の両端部に設けられる一対の端板と、を有することを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の回路内を流れる流体の不純物を除去するための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（ＰＥＦＣ）用の冷却システム及び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、水素と大気中の酸素を電気化学的に反応させることによって電気を発生させる。発電効率が高く、また消費地に設置できるため送電損失がなく、しかもコージェネレーション（熱・電気併給）用としても適していることから、燃料電池には省エネルギー効果も期待できる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、水素（Ｈ2）が持っている化学エネルギーを、燃焼過程を経ずに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。
【０００４】
燃料電池本体を冷却するために冷却水の循環回路が設けられる。冷却回路中を冷却水が循環中に、冷却回路内の配管等からイオンが冷却水中に徐々に溶出する。冷却水中にイオンが溶出すると、電気伝導度が上がり、燃料電池本体の発電効率が落ちてしまう。このため燃料電池の冷却水の循環回路には、燃料電池用イオン除去フィルタが設けられる。
【０００５】
また燃料電池の改質器で燃料ガスから水素を生成する際に、より純度の高い水素をつくり出すために純水が必要になる。改質器で使われる水をクリーンにするためにも、燃料電池用イオン除去フィルタが設けられる。
【０００６】
従来の燃料電池用イオン除去フィルタは、図７に示されるように、筒状の容器内にイオン交換樹脂を充填して構成されていた。そして容器の一端から他端に向かってイオンを含んだ流体を流すことによって、流体中のイオンを除去していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の燃料電池用イオン除去フィルタでは、イオンの交換能力を向上させることができるという利点があるが、圧力損失が高くなってしまうという問題がある。圧力損失が高くなると、流体を循環させる循環用ポンプの負荷が高くなる。燃料電池自動車は自己発電して走行するので、発電した電力が循環用ポンプに奪われると、電力を効率良く走行に結びつけることができなくなる。
【０００８】
イオンの交換能力をあまり低減することなく、圧力損失を下げるには、イオン交換樹脂と流体との接触面積を大きくすることが有効である。ところが最近の機械分野、特に自動車分野においては、部品においても軽量化及び小型化が求められており、イオン交換樹脂と流体との接触面積も大きくしにくくなっている。
【０００９】
そこで本発明は、燃料電池用イオン除去フィルタの全体の大きさを大きくすることなく、イオン交換樹脂と流体との接触面積を大きくとれる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】
【００１０】
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。
【００１１】
上記課題を解決するために本発明者は、中空の円筒形状の空間内にイオン交換樹脂を充填し、中空の円筒形状の内周から外周に向かって又は外周から内周に向かって流体を流すようにした。
【００１２】
すなわち請求項１の発明は、流体中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（２）及び流出口（３）を有するケース（１）と、前記ケース（１）の内部に設けられ、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の円筒形状に形成される容器（５）と、を備え、前記流入口（２）から流入する流体を、前記中空の円筒形状の外周から内周に向かって又は内周から外周に向かって流すことを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタにより、上述した課題を解決する。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池用イオン除去フィルタにおいて、前記容器（５）は、前記流入口（２）及び前記流出口（３）の一方に接続され、複数の穴が形成された内筒（６）と、前記内筒（６）の外側に設けられ、複数の穴が形成された外筒（７）と、前記外筒（６）の軸線方向の両端部に設けられる一対の端板（８，９）と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、流体中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（２）及び流出口（３）を有するケース（１）と、前記ケース（１）の内部に設けられ、イオン交換樹脂が充填される空間が中空の円筒形状に形成される容器（５）と、を備え、前記容器（５）は、前記流入口（２）及び前記流出口（３）の一方に接続され、複数の穴が形成された内筒（６）と、前記内筒（６）の外側に設けられ、複数の穴が形成された外筒（７）と、前記外筒（７）の軸線方向の両端部に設けられる一対の端板（８，９）と、を有することを特徴とする燃料電池用イオン除去フィルタにより、上述した課題を解決する。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、中空の円筒形状の内周から外周に向かって又は外周から内周に向かって流体を流すことで、イオン交換樹脂と流体との接触面積を大きくとることがきる。このためイオン交換樹脂の交換能力をあまり低減することなく、且つ圧力損失を下げることができる。イオン交換樹脂に流体を流すことによって流体中のイオンを除去するという現象は、化学反応の反応速度と大きく関係があり、いわば自然現象である。効率的にイオンを除去するためには流体の流速が遅いことが好ましい。イオン交換樹脂と流体との接触面積が大きくなると流体の流速が遅くなり、効率的にイオンを除去することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、内筒、外筒及び一対の端板との間で中空の円筒形状の空間を形成することができる。また容器の外周から内周に向かって又は内周から外周に向かって流体の流れを形成することができる。
【００１７】
請求項１の発明は、請求項３の発明のように構成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下添付図面に基づいて本発明の燃料電池用イオン除去フィルタの実施形態を説明する。燃料電池用イオン除去フィルタは、特に限定されるものではないが、燃料電池本体を冷却する冷却回路や、燃料電池本体のイオン交換膜を加湿する加湿回路に組み込まれるのが一般的である。冷却水用の流体には水、あるいは耐凍結を考慮してエチレングリコールと水の溶液が使用され、加湿用の流体には純水が使用される。燃料電池用イオン除去フィルタは、これら水、エチレングリコール水、純水中のイオンを除去して導電率（電気伝導度）を低減させる。
【００１９】
イオン交換樹脂は、溶液中のイオンと結合あるいはイオン交換できる合成樹脂であり、酸性基、あるいは塩基性基をもつ。陽イオン交換樹脂は、固体の酸でスルホン基やカルボキシル基をもち、その官能基（分子の一部）の水素がイオンとなって放出され、周りの溶液中の陽イオンと入れ替わる。陰イオン交換樹脂は固体の塩基で、その水酸基が他の陰イオンと交換して放出され、陰イオンが樹脂に結合する。イオン交換樹脂の量、極性は、流体の流量、不純物の量に応じて様々に設定される。
【００２０】
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態における燃料電池用イオン除去フィルタの断面図を示す。ケース１は流体の流入口２及び流出口３とを有する。ケース１は円筒形状の外周部１ａと、外周部１ａの軸線方向の両端に固定された一対の円盤状の端部１ｂ，１ｂとで構成される。流入口２及び流出口３は端部１ｂ，１ｂに形成される。この実施形態ではケースを複数の部材から一体に構成しているが、ケースをケース本体とケース本体を覆うカバーとで構成し、カバーがケースに対して着脱可能にしてもよい。なお流入口２及び流出口３が形成されるものであれば、ケース１の形状、構造は特に限定されるものではない。
【００２１】
ケース１の内部には、イオン交換樹脂が充填される容器５が組み込まれる。図３及び図４は容器５の詳細図を示す。容器５は、内筒６と、内筒６の外側に内筒６と軸線が一致するように設けられる外筒７と、外筒７の軸線方向の両端部に設けられる一対の端板８，９とを備える。
【００２２】
内筒６の周囲には、流体の流出穴６ａが多数形成される。内筒６の上端部６ｂは上側の端板８よりも上方に突出し、その周囲にはシール部材１０が巻かれる。この内筒６の上端部６ｂはケース１の流出口３に接続される。外筒７の周囲にも、流体の流入穴７ａが多数形成される。一対の端板８，９は環状に形成される。底側の端板９は内筒６の下端と外筒７の下端とを接続し、上側の端板８は内筒６の上端と外筒７の上端とを接続する。
【００２３】
上側の端板８は、容器５内に充填されたイオン交換樹脂を押える機能を有し、外筒７及び内筒６に対してスライド可能となっている。端板８の上方には外筒７に固定された天板１２が設けられる。端板８天板１２との間には、イオン交換樹脂を押えるための力を付与するコイルスプリング１３が配置される。端板８の外周及び内周それぞれにはシール部材８ａ，８ｂが設けられる。このシール部材８ａ，８ｂは外筒７の内周及び内筒６の外周それぞれに接触して流体が漏れるのを防止する。下側の端板９には必要に応じて流体の流入口が形成される。
【００２４】
これら内筒６、外筒７及び一対の端板８，９によって、イオン交換樹脂が充填される中空の円筒形状の空間が形成される。例えば直径５００μｍ程度の粒状のイオン交換樹脂をこの空間に収容できるように、内筒６及び外筒７の回りには例えば１００μｍ程度のメッシュの網が張られる。
【００２５】
ケース１の下部の流入口２から流入する流体は、ケース１の底部と端板９との間の隙間、ケース１の内周面と外筒７との間の断面環状の通路を経由して、外筒７の複数の流入穴７ａからイオン交換樹脂が充填されている領域に流れ込む。イオン交換樹脂によりイオンが除去された流体は、内筒６の複数の流出穴６ａから内筒６内に流れ込み、その後、内筒の軸線方向（上方向）に移動し、ケース１の流出口３から流出する。なお流体をこれとは逆方向に、流出口３から流入口２に向かって流しても良い。
【００２６】
図５は容器５に収容されるイオン交換樹脂の全体形状を示す。図５中（Ａ）は平面形状を示し、図５中（Ｂ）は断面形状を示す。図５に示されるように、イオン交換樹脂の全体形状は中空の円筒形状に形成される。流体は中空の円筒形状のイオン交換樹脂の外周から内周に向かって通過する。イオン交換樹脂を通過した冷却水は、イオン交換樹脂の内周側を軸線方向に流れる。
【００２７】
本実施形態によれば、イオン交換樹脂の全体形状を中空の円筒形状に形成したので、イオン交換樹脂と流体との接触面積を大きくとることができ、流体の流速を遅くすることができる。したがって効率的にイオンを除去することができる。
【００２８】
イオン交換樹脂の全体形状を中空の円筒形状に形成した場合、イオン交換樹脂の外周面では流速が遅く、内側へ行くにしたがって流速が速くなる。ここでイオン交換樹脂の外周から内周に向かって流体を流すと、外周では除去される前のイオン濃度が高い流体が流れるので、流速を遅くして効率的にイオンを除去することができる。一方内周ではイオンが除去され、イオン濃度が低くなっている流体が流れるので、流速が速くてもかまわない。外周から内周に向かって、あるいは内周から外周に向かって、どちらに向かって流体を流してもよいが、このようなことから外周から内周に向かって流体を流すのが除去効率の面では理想的である。
【００２９】
図６は本発明の第２の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。この実施形態でも、ケース２１の内部に設けられる容器２２には、イオン交換樹脂が収容される中空の円筒形状の空間が形成される。
【００３０】
ケース２１は、流入口２３及び流出口２４が形成されたケース本体２５と、ケース本体２５に着脱可能に取り付けられる有底円筒状のカバー２６とから構成される。ケース本体２５の側面には流入口２３を構成する流入通路２７が形成され、ケース本体２５の下部には流出口２４を構成する流出通路２８が形成される。流入通路２７と流出通路２８との間には、流入通路２７から流入する流体が、イオン交換樹脂を経由せずに流出通路２８に流出できるようにバイパス通路２９が形成される。このバイパス通路２９には、流体の温度変化によってイオン交換樹脂に流れる流体の流量を調整する弁機構３４が設けられる。
【００３１】
容器２２は、内筒３０と、内筒３０の外側に軸線が一致するように設けられる外筒３１と、外筒３１の軸線方向の両端部に設けられる一対の端板３２，３３とを備える。内筒３０の下端が下側の端板３２よりも下方に突出し、流出通路２８に接続されている。内筒３０には流体が通過可能に複数の穴が形成され、外筒３１にも複数穴の穴が形成されている。外筒３１よりも外側が流入口２３に連通し、内筒３０よりも内側が流出口２４に連通している。
【００３２】
流入口２３から流入する流体は、イオン交換樹脂の外周から内周に向かって通過する。イオン交換樹脂を通過した冷却水は、イオン交換樹脂の内周側を軸線方向に流れ、流出口２４から流出する。
【００３３】
この実施形態の燃料電池用イオン除去フィルタは流体として冷却水中の不純物を除去するのに用いられる。バイパス通路２９に設けられる弁機構３４は、冷却水の温度変化によってイオン交換樹脂に流れる冷却水の流量を調整する。具体的には冷却水が低温時（始動時）には弁を閉じる方に移動させ、イオン交換樹脂に流れる冷却水の流量を大きくする。一方、高温時には弁を開ける方向に移動させ、イオン交換樹脂に流れる冷却水の流量を小さくする。燃料電池の始動時には、冷却水の温度が低く、且つ冷却水が滞留するため、冷却水に多量のイオンが溶出する。一方燃料電池の運転中には、冷却水の温度が高く、且つ冷却水中には少量のイオンしか溶出しない。弁機構３４が、始動時にイオン交換樹脂に多量の冷却水を流し、運転時にはイオン交換樹脂に少量の冷却水しか流さないので、燃料電池本体に悪影響を及ぼさないように効率的に冷却水中のイオンを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の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断面斜視図。
【図２】本発明の第１の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断面図。
【図３】容器の斜視図。
【図４】容器の斜視断面図。
【図５】容器に収容されるイオン交換樹脂の全体形状（図中（Ａ）は平面図を示し、図中（Ｂ）は断面図を示す）。
【図６】本発明の第２の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断面図。
【図７】従来の燃料電池用イオン除去フィルタを示す概念図。
【符号の説明】
【００３５】
１，２１・・・ケース
２，２３・・・流入口
３，２４・・・流出口
５，２２・・・容器
６，３０・・・内筒
６ａ・・・流出穴（穴）
７，３１・・・外筒
７ａ・・・流入穴（穴）
８，９，３２，３３・・・端板
【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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