JP2018030082A - イオン交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却回路の製造直後において冷媒からのカチオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにするとともに、冷却回路の製造直後からある程度時間が経過した後において冷媒からのアニオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにする。
【解決手段】イオン交換器５のケース１０の下部には、流入孔１１及び流出孔１２が設けられる。ケース１０の内壁とチューブ部材１６の外壁との間の第１流路１４の上端部は、チューブ部材１６内の第２流路１５の上端部と繋がる。第１流路１４及び第２流路１５の下端部のうち、一方は流入孔１１に繋がり、他方は流出孔１２に繋がる。第１流路１４において、アニオン交換樹脂が装填される下段収容部１４ａの上端に隣接して、カチオン交換樹脂が装填される上段収容部１４ｂが設けられる。上段収容部１４ｂにおける容積及び冷媒の流通面積は、下段収容部１４ａにおける容積及び冷媒の流通面積よりも小さくされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオン交換器に関する。

車両等に燃料電池を搭載する場合、発電時における燃料電池の温度上昇を抑制することを目的に、その燃料電池を冷却するための冷媒を流す冷却回路が設けられる。
ところで、製造直後の新品の冷却回路においては、その冷却回路内の冷媒に対し配管等からイオン（カチオン）が溶出して冷媒中のイオンが多くなる。また、こうした冷媒に対するカチオンの溶出が時間の経過に従っておさまってゆくとしても、燃料電池を冷媒によって冷却するときに冷媒中の成分が加熱分解され、それに伴ってイオン（アニオン）が発生して冷媒中のイオンが多くなる。

これらのように冷媒中のイオンが多くなると、冷却回路における金属部分の腐食を招いたり、冷媒の電気電導率が上がって燃料電池の機能低下を招いたりするおそれがある。このため、冷却回路には冷媒に含まれるイオンを取り除くためのイオン交換器が設けられる。こうしたイオン交換器としては、例えば特許文献１、２に示されるものが知られている。

特許文献１、２のイオン交換器では、流入孔及び流出孔を備えたケース内にイオン交換樹脂が設けられており、流入孔からケース内に流入した冷媒がイオン交換樹脂を通過するとき、その冷媒に含まれるイオンがイオン交換樹脂によるイオン交換を通じて取り除かれ、イオンが取り除かれた後の冷媒はケースから流出孔を介して流出する。なお、上記イオン交換樹脂としては、カチオンを取り除くためのカチオン交換樹脂、及び、アニオンを取り除くためのアニオン交換樹脂があげられる。

特開２００２−１３６９６８号公報 特開平１０−１７４９６７号公報

上記イオン交換器では、イオン交換樹脂の装填量に限りがあることから、冷却回路の製造直後におけるカチオンの除去効率が必要レベルに達するようカチオン交換樹脂の装填量を定めると、アニオン交換樹脂の装填量が少なくなるため、ある程度の時間が経過して冷媒中のアニオンが多くなるとき、アニオンの除去効率が必要レベルに対し不足する。一方、ある程度の時間が経過して冷媒中のアニオンが多くなるときのアニオンの除去効率が必要レベルに達するようアニオン交換樹脂の装填量を定めると、カチオン交換樹脂の装填量が少なくなるため、冷却回路の製造直後であって冷媒へのカチオンの溶出量が多くなるとき、カチオンの除去効率が必要レベルに対し不足する。

本発明の目的は、冷却回路の製造直後において冷媒からのカチオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにするとともに、冷却回路の製造直後からある程度時間が経過した後において冷媒からのアニオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにすることができるイオン交換器を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するイオン交換器は、冷媒を流入させる流入孔及び同冷媒を流出させる流出孔が設けられているケースと、そのケース内に設けられて冷媒からイオンを除去するイオン交換樹脂と、を備える。上記流入孔及び上記流出孔は、ケースの上部と下部とのうちの一方に設けられている。上記ケース内には、上下方向に延びるようにチューブ部材が設けられている。ケースの内壁とチューブ部材の外壁との間の第１流路の端部がチューブ部材内の第２流路の端部と接続されており、第１流路と第２流路との互いに接続されていない方の端部のうちの一方が上記流入孔に繋がっているとともに他方が上記流出孔に繋がっている。第１流路の下部には、イオン交換樹脂としてアニオン交換樹脂が装填される下段収容部が設けられている。また、第１流路における下段収容部よりも上側の部分には、その下段収容部に隣接するとともにイオン交換樹脂としてカチオン交換樹脂が装填される上段収容部が設けられている。そして、上段収容部における容積及び冷媒の流通面積は、下段収容部における容積及び冷媒の流通面積よりも小さくされている。

上記構成によれば、冷却回路内の冷媒は、流入孔からケース内に流入して第１流路及び第２流路を流れる際、第１流路のイオン交換樹脂（カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂）によるイオン交換を通じてイオンが取り除かれ、その後にケースから流出孔を介して流出する。

冷却回路の製造直後においては、イオン交換器の第１流路における下段収容部にアニオン交換樹脂が装填されているとともに、上段収容部にカチオン交換樹脂が装填されている。上段収容部における冷媒の流通面積は下段収容部における冷媒の流通面積よりも小さいため、冷媒が上段収容部を通過する際、その上段収容部に装填されているカチオン交換樹脂に対し上記冷媒が効率よく当たるようになり、冷媒中のカチオンがカチオン交換樹脂によるイオン交換を通じて効果的に取り除かれる。従って、冷媒に対するカチオンの溶出量が多くなる冷却回路の製造直後において、冷媒からのカチオンの除去効率が必要レベルに対し不足することはない。

一方、冷却回路の製造直後からある程度の時間が経過すると、アニオン交換樹脂よりも比重の大きいカチオン交換樹脂が自重によって上段収容部から下段収容部に徐々に落下してゆき、それに伴って下段収容部内のアニオン交換樹脂の一部が上段収容部内に押し上げられてゆく。その結果、上段収容部と下段収容部とでカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが混ざり合う。アニオン交換樹脂は、上段収容部よりも容積の大きい下段収容部に装填されていたため、下段収容部に装填されていたカチオン交換樹脂よりも装填量が多く、上述したようにカチオン交換樹脂と混ざり合ったとしても、そのカチオン交換樹脂によって冷媒との当たり方が非効率的になることはない。従って、冷却回路の製造直後からある程度時間が経過して冷媒中のアニオンが多くなるとき、そのアニオンがカチオン交換樹脂よりも多量のアニオン交換樹脂によるイオン交換を通じて効果的に取り除かれる。このため、冷却回路の製造直後からある程度時間が経過して冷媒中のアニオンが多くなるとき、冷媒からのアニオンの除去効率が必要レベルに対し不足することはない。

なお、上記イオン交換器は、上記流入孔及び上記流出孔がケースの下部に設けられているものとすることが考えられる。この場合には、ケースをその上端部に同ケースの他の部分よりも小径となる小径部を備えたものとし、上記上段収容部を第１流路における上記小径部の内側に対応する部分に設けることが考えられる。

本発明によれば、冷却回路の製造直後に冷媒からのカチオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにするとともに、冷却回路の製造直後からある程度時間が経過した後に冷媒からのアニオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにすることができる。

イオン交換器が設けられる冷却回路の全体構成を示す略図。 イオン交換器の構造を示す略図。 カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂の装填態様を示す略図。 カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが混ざり合った状態を示す略図。

以下、イオン交換器の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池１を搭載した車両には、その燃料電池１を冷却するための冷媒を流す冷却回路２が設けられている。なお、こうした冷媒としては、エチレングリコールを含有した冷却水（ロングライフクーラント）等が用いられる。そして、冷却回路２では、ポンプ３の駆動により冷媒が循環するようになっている。

冷却回路２において、燃料電池１はポンプ３よりも下流側の部分に設けられており、同燃料電池１よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分にはラジエータ４が設けられている。そして、発電時に温度上昇する燃料電池１は、冷却回路２を循環して燃料電池１を通過する冷却水によって冷却される。燃料電池１の熱を奪って温度上昇した冷媒は、ラジエータ４を通過する際に外気によって冷却され、その後にポンプ３に流れる。

また、冷却回路２には、冷媒に含まれるイオンを取り除くためのイオン交換器５、及び、そのイオン交換器５に冷媒を流すためのバイパス配管６が設けられている。上記イオン交換器５はバイパス配管６の途中に設けられている。そして、バイパス配管６の一方の端部は、冷却回路２における燃料電池１よりも下流側かつラジエータ４よりも上流側の部分に接続されている。また、バイパス配管６のもう一方の端部は、冷却回路２におけるラジエータ４よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分にバルブ７を介して接続されている。

上記バルブ７は、燃料電池１を通過した冷媒をバイパス配管６（イオン交換器５）に流すか否かを定めるべく開閉動作する。詳しくは、バルブ７を閉じた状態のもとでは、上記冷媒がバイパス配管６に流れることなくラジエータ４側に流れる。一方、バルブ７を開くと、燃料電池１を通過した冷媒の一部がラジエータ４側に流れるのではなくバイパス配管６内に流れ込む。このようにバイパス配管６に流れ込んだ冷媒は、イオン交換器５を通過する際にイオンが除去され、その後に冷却回路２におけるラジエータ４よりも下流側かつポンプ３よりも上流側の部分に流れる。

次に、イオン交換器５の構造について説明する。
図２に示すように、イオン交換器５は、冷媒を流入させる流入孔１１及び同冷媒を流出させる流出孔１２が設けられているケース１０と、上記バイパス配管６（図１）に繋がって冷媒を流す冷媒管８と、を備えている。上記ケース１０は、上端部が閉塞された円筒状に形成されており、下端部において水平方向に延びている上記冷媒管８に対し一体的に形成されている。また、ケース１０における冷媒管８との隔壁１０ａには、上記流入孔１１及び上記流出孔１２が形成されている。

ケース１０内には上下方向に延びるチューブ部材１６が設けられている。このチューブ部材１６の下端部は、ケース１０の隔壁１０ａに形成された上記流出孔１２と連通している。また、隔壁１０ａにおける流出孔１２よりも冷媒管８内の冷媒の流れ方向（図２の左から右に向う方向）の上流側には、冷媒管８内とケース１０内とを連通する上記流入孔１１が位置している。また、冷媒管８における流入孔１１と流出孔１２との間の部分には、冷媒管８内の他の部分よりも冷媒の流通面積が小さい縮径部１３が設けられている。

イオン交換器５において、ケース１０の内壁とチューブ部材１６の外壁との間は冷媒を流すための第１流路１４となっており、チューブ部材１６内は冷媒を流すための第２流路１５となっている。そして、第１流路１４と第２流路１５とは、それぞれの上端部で互いに接続されている。また、第１流路１４と第２流路１５における互いに接続されていない方の端部（下端部）のうち、一方（この例では第１流路１４の下端部）が流入孔１１に繋がっており、他方（この例では第２流路１５の下端部）が流出孔１２に繋がっている。

第１流路１４の下部には、冷媒からイオンを除去するためのイオン交換樹脂が装填される下段収容部１４ａが設けられている。この下段収容部１４ａには、上記イオン交換樹脂として、冷媒からアニオン（イオン）を除去するためのアニオン交換樹脂１７が装填される。なお、第１流路１４における下段収容部１４ａの下側には、冷媒の通過を許容する一方でイオン交換樹脂の通過を禁止するメッシュ３１が設けられている。

また、第１流路１４における下段収容部１４ａよりも上側の部分には、その下段収容部１４ａに隣接するように上段収容部１４ｂが設けられている。この上段収容部１４ｂには、上記イオン交換樹脂として、冷媒からカチオン（イオン）を除去するためのカチオン交換樹脂１８が装填される。なお、上段収容部１４ｂ内にはチューブ部材１６の上端部が位置しており、その上端部には冷媒の通過を許容する一方でイオン交換樹脂の通過を禁止するメッシュ２１が設けられている。

ケース１０は、その上端部に同ケース１０の他の部分よりも小径となる小径部１０ｂを備えており、上段収容部１４ｂは第１流路１４における上記小径部１０ｂの内側に対応する部分に設けられている。これにより、上段収容部１４ｂにおける容積及び冷媒の流通面積が、下段収容部１４ａにおける容積及び冷媒の流通面積よりも小さくされている。

次に、イオン交換器５の作用について説明する。
冷却回路２内の冷媒は、バイパス配管６を通過するに当たり、そのバイパス配管６の途中に設けられたイオン交換器５の冷媒管８に流入する。そして、冷媒管８を流れる冷媒は、縮径部１３を通過して下流に流れるものと、縮径部１３を通過せずにイオン交換器５のケース１０内を通って縮径部１３の下流に流れるものとに分かれる。このようにケース１０内を通る冷媒の流量は、縮径部１３における冷媒の流通面積の大きさによって定められている。

縮径部１３を通過しない冷媒として、流入孔１１からケース１０内に流入した冷媒は、メッシュ３１を通過した後に第１流路１４を下から上に流れ、その後にメッシュ２１を通過して第２流路１５を上から下に流れる。上記冷媒は、第１流路１４を通過する際、イオン交換樹脂（アニオン交換樹脂１７及びカチオン交換樹脂１８）によるイオン交換を通じてイオン（カチオン、アニオン）が取り除かれ、その後にケース１０から流出孔１２を介して冷媒管８に流出する。

図３に示すように、冷却回路２の製造直後においては、イオン交換器５の第１流路１４における下段収容部１４ａに粒状のアニオン交換樹脂１７が装填されているとともに、上段収容部１４ｂに粒状のカチオン交換樹脂１８が装填されている。上段収容部１４ｂにおける冷媒の流通面積は下段収容部１４ａにおける冷媒の流通面積よりも小さいため、冷媒が上段収容部１４ｂを通過する際、その上段収容部１４ｂに装填されているカチオン交換樹脂１８に対し上記冷媒が効率よく当たるようになり、冷媒中のカチオンがカチオン交換樹脂１８によるイオン交換を通じて効果的に取り除かれる。従って、冷媒に対するカチオンの溶出量が多くなる冷却回路２の製造直後において、冷媒からのカチオンの除去効率が必要レベルに対し不足することはない。

冷却回路２の製造直後からある程度の時間が経過すると、アニオン交換樹脂１７よりも比重の大きいカチオン交換樹脂１８が自重によって上段収容部１４ｂから下段収容部１４ａに徐々に落下してゆき、それに伴って下段収容部１４ａ内のアニオン交換樹脂１７の一部が上段収容部１４ｂ内に押し上げられてゆく。その結果、上段収容部１４ｂと下段収容部１４ａとでカチオン交換樹脂１８とアニオン交換樹脂１７とが混ざり合う。

図４は、カチオン交換樹脂１８とアニオン交換樹脂１７とが混ざり合った状態を示している。アニオン交換樹脂１７は、上段収容部１４ｂよりも容積の大きい下段収容部１４ａに装填されていたため、上段収容部１４ｂに装填されていたカチオン交換樹脂１８よりも装填量が多く、上述したようにカチオン交換樹脂１８と混ざり合ったとしても、そのカチオン交換樹脂１８によって冷媒との当たり方が非効率的になることはない。従って、冷却回路２の製造直後からある程度時間が経過して冷媒中のアニオンが多くなるとき、そのアニオンがカチオン交換樹脂１８よりも多量のアニオン交換樹脂１７によるイオン交換を通じて効果的に取り除かれる。このため、冷却回路２の製造直後からある程度時間が経過して冷媒中のアニオンが多くなるとき、冷媒からのアニオンの除去効率が必要レベルに対し不足することはない。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）冷却回路２の製造直後に冷媒からのカチオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにするとともに、冷却回路２の製造直後からある程度時間が経過した後に冷媒からのアニオンの除去効率が必要レベルに対し不足しないようにすることができる。

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。
・流入孔及び流出孔がケースの上部に設けられているイオン交換器に適用することも可能である。この場合、第１流路と第２流路とが下端部にて互いに接続される。更に、第１流路の上端部が流入孔に接続されるとともに第２流路の上端部が流出孔される。そして、第１流路内において下段収容部の上端に隣接して上段収容部が設けられる。

・第１流路と第２流路との互いに接続されていない方の端部における流入孔及び流出孔に対する接続態様は上記実施形態と逆であってもよい。すなわち、流入孔と第２流路とが接続される一方、流出孔と第１流路とが接続されていてもよい。

１…燃料電池、２…冷却回路、３…ポンプ、４…ラジエータ、５…イオン交換器、６…バイパス配管、７…バルブ、８…冷媒管、１０…ケース、１０ａ…隔壁、１０ｂ…小径部、１１…流入孔、１２…流出孔、１３…縮径部、１４…第１流路、１４ａ…下段収容部、１４ｂ…上段収容部、１５…第２流路、１６…チューブ部材、１７…アニオン交換樹脂、１８…カチオン交換樹脂、２１…メッシュ、３１…メッシュ。

Claims (2)

1. 冷媒を流入させる流入孔及び同冷媒を流出させる流出孔が設けられているケースと、前記ケース内に設けられて前記冷媒からイオンを除去するイオン交換樹脂と、を備えるイオン交換器において、
   前記流入孔及び前記流出孔は前記ケースの上部と下部とのうちの一方に設けられており、
   前記ケース内には上下方向に延びるようにチューブ部材が設けられており、
   前記ケースの内壁と前記チューブ部材の外壁との間の第１流路の端部が前記チューブ部材内の第２流路の端部と接続されており、
   前記第１流路と前記第２流路との互いに接続されていない方の端部のうちの一方が前記流入孔に繋がっているとともに他方が前記流出孔に繋がっており、
   前記第１流路の下部には前記イオン交換樹脂としてアニオン交換樹脂が装填される下段収容部が設けられており、
   前記第１流路における前記下段収容部よりも上側の部分には、その下段収容部に隣接するとともに前記イオン交換樹脂としてカチオン交換樹脂が装填される上段収容部が設けられており、
   前記上段収容部における容積及び冷媒の流通面積は、前記下段収容部における容積及び冷媒の流通面積よりも小さくされている
   ことを特徴とするイオン交換器。
2. 前記流入孔及び前記流出孔は前記ケースの下部に設けられており、前記ケースはその上端部に同ケースの他の部分よりも小径となる小径部を備えており、前記上段収容部は前記第１流路における前記小径部の内側に対応する部分に設けられている請求項１に記載のイオン交換器。

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