(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の動力源として用いら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端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方向に沿って一連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、
前記イオン交換樹脂が充填されるスペースの、流れの方向における長さ（Ｌ）が、流れと直交する方向の横幅（Ｄ）よりも小さい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】
前記流体が、前記イオン交換樹脂内を実質的な鉛直下方から鉛直上方に向けて流れ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】
前記カートリッジは、
前記イオン交換樹脂が充填されるカートリッジ本体と、
前記イオン交換樹脂の、前記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と、
前記一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタ間で、イオン交換樹脂に圧縮力を与えるための付勢部材とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用イオン除去フィルタ。
【請求項４】
前記カートリッジを構成する前記カートリッジ本体、前記イオン交換樹脂流出防止フィルタ、及び前記付勢部材が同一の樹脂材料からなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用イオン除去フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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・溶出するので、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】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の回路内に組み込まれるイオン除去フィルタは、新規な技術分野に属し、あまり開発が進んでいない。
【０００５】
そこで本発明は、燃料電池の回路内に組み込むのに適した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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００７】
請求項１の発明は、自動車の動力源として用いら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）の下端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（１９）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方向に沿って一連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、前記イオン交換樹脂（１９）が充填されるスペースの、流れの方向における長さ（Ｌ）が、流れと直交する方向の横幅（Ｄ）よりも小さい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。
【０００８】
燃料電池用イオン除去フィルタの入口及び出口は、回路内の配管とクランプやジョイント等を用いて接続される。イオン交換樹脂は使用により不純物を除去する能力が低下するため、定期的に交換する必要がある。この発明によれば、カートリッジを入れ替えるだけでイオン交換樹脂を容易に交換することができる。
【００１０】
この発明によれば、カートリッジ毎に樹脂の種類（例えば樹脂の材質、あるいは繊維状、粒状等の樹脂の性状）、樹脂の極性（例えば陽極、陰極）、樹脂の極性の比率（例えば陽極の樹脂と陰極の樹脂の混合比率）、流れる流量等を仕様変更することができる。このため、流体の流量、不純物の種類等の特性に応じてイオン交換樹脂を最適に組み合わせることができる。また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。ここで、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】
この発明によれば、流体が複数のカートリッジを同時に通過する。
【００１４】
イオン交換樹脂は流れの抵抗になるので、流体がイオン交換樹脂を通過すると圧力損失が生じる。イオン交換樹脂のＬ／Ｄ（Ｌ：流れの方向におけるイオン交換樹脂の長さ、Ｄ：流れと直交する方向におけるイオン交換樹脂の横幅）が大きいと圧力損失が大きくなる傾向がある。本発明によれば、Ｌ／Ｄを１以下に小さくすることができるので圧力損失を低くすることができる。
【００１５】
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、前記流体が、前記イオン交換樹脂（１９）内を実質的な鉛直下方から鉛直上方に向けて流れることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、流れの方向が鉛直下方から鉛直上方になるので、カートリッジ内に流体が溜まった状態でイオン交換樹脂を通過する。このため、流れと直交する方向におけるイオン交換樹脂の横幅全体を使用できるという利点がある。これに対し、例えば流れの方向を鉛直上方から鉛直下方にすると、特に流量が少ない場合、流体の流路が例えばイオン交換樹脂の中央部分にできてしまい、イオン交換樹脂の周囲部分を使用できないおそれがある。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池用イオン除去フィルタにおいて、前記カートリッジ（１１）は、前記イオン交換樹脂（１９）が充填されるカートリッジ本体（１５）と、前記イオン交換樹脂（１９）の、前記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、前記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）とを備えることを特徴とする。
【００１８】
イオン交換樹脂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がすかすかになり、その内部に空間が生じる。空間が生じると、例えば陽極と陰極とが混合されたイオン交換樹脂の陽極と陰極とが比重差によって分離してしまう。本発明によれば、一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタによってイオン交換樹脂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、ひいてはイオン交換樹脂が例えば陰極と陽極とに分離す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ががさつくのを防止することができる。さらに、例えば流体がイオン交換樹脂内を実質的な鉛直下方から鉛直上方に向けて流れる場合にも、イオン交換樹脂ががさつくのを防止することができる。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項３に記載の燃料電池用イオン除去フィルタにおいて、前記カートリッジ（１１）を構成する前記カートリッジ本体（１５）、前記イオン交換樹脂流出防止フィルタ（１６）、及び前記付勢部材（１７）が同一の樹脂材料からなることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、カートリッジ構成部品が同一材料なのでリサイクル性に優れたカートリッジが得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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３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。
【００２４】
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。
【００２５】
ケース本体８には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。
【００２６】
カバー５にはエア抜き用のプラグ２０が設けられる。ケース９内に最初に流体を流すときは、プラグ２０を空けてエアを抜く。
【００２７】
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…の下部の流入口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…の流出口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。
【００２８】
カートリッジ１１は、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、イオン交換樹脂に圧縮力を与えるための付勢部材１７とを備える（図６も参照）。
【００２９】
円筒状カートリッジ本体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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）。
【００３３】
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。
【００３４】
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。空間が生じると、例えば陽極と陰極とが混合されたイオン交換樹脂の陽極と陰極とが比重差によって分離してしまう。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、ひいてはイオン交換樹脂が例えば陰極と陽極とに分離す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。
【００３５】
図４はケース内のイオン交換樹脂１９が充填されるスペース及びイオン交換樹脂内の流体の流れを示す。図中（Ａ）は従来一般のイオン交換樹脂を横置きにした例を示し、図中（Ｂ）は本実施形態の並列に複数分割したイオン交換樹脂を示す。本実施形態では、イオン交換樹脂が充填されるスペースの、流れの方向における長さ（Ｌ）が、流れと直交する方向の横幅（Ｄ）よりも小さく設定されている。従来一般のイオン交換樹脂を横置きにした例で横方向に流体を流すと、Ｌ／Ｄが例えば２．７６程度になる。これに対し、本実施形態のようにイオン交換樹脂を横置きにし、複数に分割して上下方向に流体を流すと、Ｌ／Ｄが１以下になる。
【００３６】
イオン交換樹脂１９は流れの抵抗になるので、流体がイオン交換樹脂１９を通過すると圧力損失が生じる。イオン交換樹脂１９のＬ／Ｄが大きいと圧力損失が大きくなる傾向がある。本実施形態のように、Ｌ／Ｄを１以下に小さくすることで圧力損失を小さくすることができる。
【００３７】
図５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に繊維状で陽のイオン交換樹脂を充填し、カートリッジＢに粒状で陰のイオン交換樹脂を充填し、カートリッジＣに粒状で陰のイオン交換樹脂を充填している。カートリッジ１１…を複数並列に配列することで、カートリッジ１１毎に樹脂の種類（例えば繊維状、粒状等の樹脂の性状）、樹脂の極性（例えば陽極、陰極）、樹脂の極性の比率（例えば陽極の樹脂と陰極の樹脂の混合比率）、流れる流量等を仕様変更することができる。このため、流体の流量、不純物の種類等の特性に応じてイオン交換樹脂１９を最適に組み合わせることができる。例えば繊維状の樹脂は、不純物を除去する効率がいい半面、コストがかかる。粒状のものはコスト的には有利であるが、不純物を除去する効率が劣る。これらを総合的に考慮してカートリッジ１１に充填するイオン交換樹脂１９を決定することができる。
【００３８】
図６はカートリッジを構成する部品及びその材質を示す。この図に示すように、カートリッジを構成するカートリッジ本体１５、一対のイオン交換樹脂流出防止フィルタ１６、樹脂スプリングの下方に設けられるカットフィルタ２５、及び付勢部材１７が同一の樹脂材料、例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなる。本実施形態によれば、イオン交換樹脂及びＯリング以外のカートリッジ構成部品が優れた同一材料のＰＰからなるで、リサイクル性に優れたカートリッジが得られる。
【００３９】
図７はイオン交換樹脂１９…内を流体が流れる方向を示す。図中（Ａ）は上から下に流した比較例を示し、図中（Ｂ）は下から上に流した本実施形態の例を示す。この図に示すように、本実施形態では、流体がイオン交換樹脂内を実質的な鉛直下方から鉛直上方に向けて流れている。
【００４０】
本実施形態によれば、流体の流れの方向が下から上になるので、カートリッジ内に徐々に流体が溜まり（図中（Ｂ−１）及び（Ｂ−２）参照）、流体が溜まった状態で流体がイオン交換樹脂を通過する。このため、流れと直交する方向におけるイオン交換樹脂１９の横幅全体を使用できるという利点がある。これに対し、例えば図中（Ａ）に示すように、流れの方向を上から下にすると、特に流量が少ない場合、流体の流路が例えばイオン交換樹脂１９の中央部分にできてしまい、イオン交換樹脂の周囲部分を使用できないおそれがある。
【００４１】
図８もイオン交換樹脂内を流体が流れる方向を示す。図中（Ａ）は水平方向に流した比較例を示し、図中（Ｂ）は下から上に流した本実施形態の例を示す。図中（Ａ）に示すように流体を水平方向に流すと、流量が少ない場合、イオン交換樹脂１９の上部を流体が流れないことがあり、イオン交換樹脂１９の上部を使用できないおそれがある。
【００４２】
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としてコイルスプリング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スプリング等に限られることはない。
【００４３】
なお本発明は上記実施形態に限られることはなく、その範囲を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば複数のカートリッジ１１…は３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、４個、５個等種々に組み合わせて使用してもよい。図１０及び図１１は一例として、４個のカートリッジを組み合わせた例を示す。また、燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂのカートリッジ１１…以外の空間、例えば流入通路１２又は流出通路１３を大きくすることで、燃料電池用イオン除去フィルタ３ａ，３ｂを回路中のタンクと一体に構成してもよい。さらに、流入口６及び流出口７は、ケース本体８及びカバー５のそれぞれに設けられなくても、どちらか一方のみに設けられても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、燃料電池用イオン除去フィルタを、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カートリッジとで構成したので、カートリッジを入れ替えるだけでイオン交換樹脂を容易に交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【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】上記燃料電池用イオン除去フィルタの断面図。
【図４】ケース内のイオン交換樹脂が充填されるスペース及びイオン交換樹脂内の流体の流れを示す（図中（Ａ）は従来一般のイオン交換樹脂を横置きにした例を示し、図中（Ｂ）は本実施形態の並列に複数分割したイオン交換樹脂を示す。）
【図５】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６】カートリッジを構成する部品及びその材質を示す図。
【図７】イオン交換樹脂内を流体が流れる方向を示す図（図中（Ａ）は上から下に流した比較例を示し、図中（Ｂ）は下から上に流した本実施形態の例を示す）。
【図８】イオン交換樹脂内を流体が流れる方向を示す図（図中（Ａ）は水平方向に流した比較例を示し、図中（Ｂ）は下から上に流した本実施形態の例を示す）。
【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】４個のカートリッジを組み合わせた燃料電池用イオン除去フィルタを示す分解斜視図。
【図１１】上記４個のカートリッジを組み合わせた燃料電池用イオン除去フィルタ断面図。
【符号の説明】
６…流入口
７…流出口
９…ケース
１１…カートリッジ
１１ａ…カートリッジの流入口
１１ｂ…カートリッジの流出口
１３…流出通路
１５…カートリッジ本体
１６…イオン交換樹脂流出防止フィルタ
１７…付勢部材
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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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