イオン除去装置
【課題】 流体中の複数種類のイオンを効率的に除去できるようにするとともに、複数のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるようにする。
【解決手段】 本発明は、ハウジング２２の入口Ｅから流入した流体のみが通過できるように、ハウジング２２内に収納されており、流体中の所定のイオンを除去する第１イオン除去ユニット２４と、第１のイオン除去ユニット２４を通過した流体のみが通過できるように、ハウジング２２内に収納されており、流体中の別種類のイオンを除去する第２イオン除去ユニット２６とを有し、第２イオン除去ユニット２６を通過した流体の液体成分が排液口Ｄから排出され、第２イオン除去ユニット２６を通過した流体の気体成分が排気口Ｈから排出される構成である。
【解決手段】 本発明は、ハウジング２２の入口Ｅから流入した流体のみが通過できるように、ハウジング２２内に収納されており、流体中の所定のイオンを除去する第１イオン除去ユニット２４と、第１のイオン除去ユニット２４を通過した流体のみが通過できるように、ハウジング２２内に収納されており、流体中の別種類のイオンを除去する第２イオン除去ユニット２６とを有し、第２イオン除去ユニット２６を通過した流体の液体成分が排液口Ｄから排出され、第２イオン除去ユニット２６を通過した流体の気体成分が排気口Ｈから排出される構成である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中に含まれる複数種類のイオンを除去するイオン除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記したイオン除去装置としては種々のものが提案されている。
例えば、特許文献１に記載されたイオン除去装置５０は、燃料電池５１の排出流体からイオンを除去する装置であり、図４に示すように、水が溜められた容器５２と、水に漬かるように容器５２内に収納されたイオン交換樹脂５４とを備えている。燃料電池５１の排出流体は、容器５２内の水に通されることで液体成分が水中に残留し、気体成分が泡となって容器５２から排出される。そして、水中に残留した液体成分中のイオンがイオン交換樹脂５４に吸着されることで、燃料電池５１の排出流体からイオンが除去される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記したイオン除去装置５０では、流体中の複数種類のイオン（例えば、陰イオン、陽イオン）を効率的に除去するのは難しい。例えば、イオン交換樹脂５４の交換性を考慮して、陰イオン用のイオン交換樹脂５４（樹脂Ａ）と、陽イオン用のイオン交換樹脂５４（樹脂Ｂ）を分離して配置する場合を考える。この場合、樹脂Ａ（陰イオン用）の位置にある陽イオンは樹脂Ｂ（陽イオン用）に吸着され難くなり、樹脂Ｂの位置にある陰イオンは樹脂Ａに吸着され難くなる。このため、総合的に、陰イオン、陽イオンの除去効率が低下する。
この点を改善するために、樹脂Ａと樹脂Ｂとを均等に混合して設置すると、例えば、樹脂Ｂがまだ使用できる状態で樹脂Ａが使用不能となった場合に、樹脂Ａと樹脂Ｂとを共に交換しなければならず経済的でない。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、流体中の複数種類のイオンを効率的に除去できるようにするとともに、複数のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるようにして経済性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、流体が流入する入口、前記流体の液体成分が排出される排液口、及び前記流体の気体成分が排出される排気口を備えるハウジングと、前記ハウジングの入口から流入した流体のみが通過できるように、そのハウジング内に収納されており、前記流体中の所定のイオンを除去する第１のイオン除去ユニットと、前記第１のイオン除去ユニットを通過した流体のみが通過できるように、前記ハウジング内に収納されており、前記流体中の別種類のイオンを除去する第２のイオン除去ユニットとを有しており、前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の液体成分が前記排液口から排出され、前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の気体成分が前記排気口から排出される構成であることを特徴とする。
【０００７】
本発明によると、流体が第１のイオン除去ユニットを通過する際にその流体中の所定のイオンが除去され、さらに第２のイオン除去ユニットを通過する際に別種類のイオンが除去される。そして、第２のイオン除去ユニットを通過した流体の液体成分が排液口から排出され、前記流体の気体成分が排気口から排出される。このように、流体は直列に設置された第１のイオン除去ユニットと第２のイオン除去ユニットを通過する構成のため、所定のイオンと別のイオン（複数種類のイオン）を効率的に除去できるようになる。
また、例えば、第２のイオン除去ユニットが使用できる状態で、第１のイオン除去ユニットが寿命となった場合でも、第１のイオン除去ユニットのみを交換できるようになる。したがって、各々のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるようになり、経済性が向上する。
【０００８】
請求項２の発明によると、イオン除去ユニットは、流体用の入口開口と出口開口とを備える容器と、前記容器内に充填された粒状のイオン交換樹脂とを有している。
請求項３の発明によると、容器の入口開口及び出口開口は、イオン交換樹脂の寸法よりも大きな寸法で形成されており、前記イオン交換樹脂の寸法よりも目が細かい網状シートにより覆われていることを特徴とする。
このように、容器の入口開口及び出口開口を網状シートで覆う構成のため、網状シートでイオン交換樹脂を保持でき、入口開口及び出口開口のサイズをイオン交換樹脂のサイズに関わり無く自由に設定できる。また、流体中の異物が容器内に入り込み難くなるため、イオン交換樹脂の保護、及びイオン交換樹脂の粒子空間を確保して目詰まりを防止できる。
【０００９】
請求項４の発明によると、第１のイオン除去ユニットの容器である第１容器は、中央に貫通孔を備える環状に形成されており、第２のイオン除去ユニットの容器である第２容器は、同じく中央に貫通孔を備える環状に形成された容器本体と、その容器本体の一端から前記貫通孔と同軸の状態で軸方向に突出する管体とを有しており、第１容器の貫通孔に第２容器の管体が下方から通されることで、前記第１容器と第２容器とが上下同軸に配置されて、前記第１容器の下端部の出口開口と前記第２容器の上端部の入口開口とが接続される構成であることを特徴とする。
上記構成により、第１のイオン除去ユニットと第２のイオン除去ユニットとの分離あるいは組付けが容易になり、それらのイオン除去ユニットの交換が簡単になる。
請求項５の発明によると、第１容器及び第２容器の内部空間は、網状シートによって周方向に仕切られていることを特徴とする。
このため、第１、第２容器の内部でイオン交換樹脂が周方向に移動し難くなり、振動等でイオン交換樹脂が周方向の一部分に偏って配置されるような不具合が生じない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、複数のイオン除去ユニットを直列に配置することで、流体中の複数種類のイオンを効率的に除去することができる。また、複数のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるため、経済性が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図３に基づいて、本発明の実施形態１に係るイオン除去装置について説明する。本実施形態に係るイオン除去装置は、燃料電池システムにおいて燃料電池の排出流体中に含まれるイオンを除去する装置である。図１は、本実施形態に係るイオン除去装置の縦断面図等であり、図２は、イオン除去装置で使用されるイオン除去ユニットの平面図（Ａ図）及び縦断面図（Ｂ図）である。また、図３は燃料電池システムの模式図である。
本実施形態に係るイオン除去装置２０の説明を行う前に、先ず、図３に基づいて燃料電池システム１の説明を行う。
＜燃料電池システム１の概要＞
燃料電池システム１は、図３に示すように、燃料電池１０と、その燃料電池１０に燃料ガスを供給するガス供給設備１８及び空気（酸素）を供給する空気供給設備（図示省略）等とにより構成されている。
燃料電池１０は、燃料ガスである水素と空気中の酸素との化学反応を発電に利用する電池であり、電解質膜１２を挟んでアノード電極１４（陰極）とカソード電極１６（陽極）とを備えている。アノード電極１４には、前記ガス供給設備１８によって水素ガスが供給される。また、カソード電極１６には、前記空気供給設備によって空気（酸素）が供給される。
【００１２】
燃料電池１０のアノード電極１４とカソード電極１６に、それぞれ水素ガスと空気（酸素）とが供給されると、水素と酸素との化学反応により両電極１４，１６間に電圧が発生する。さらに、反応副産物として生成水が発生する。
前記生成水はアノード電極１４で消費されなかった水素ともに気液分離機能を備えるイオン除去装置２０に導かれ、このイオン除去装置２０内で後記するように複数のイオンが除去される。そして、イオンの除去後、イオン除去装置２０から排出された液体（生成水）が生成水タンク（図示省略）に導かれる。また、イオン除去装置２０から排出された気体（水素）は再び燃料ガスとしてアノード電極１４に送られる。
なお、カソード電極１６で消費されなかった空気（酸素）は大気に放出される。
【００１３】
＜イオン除去装置２０について＞
イオン除去装置２０は、燃料電池１０から排出された排出流体、即ち、生成水、水素、水蒸気、ミスト等の混合流体を水素と生成水等とに気液分離させる過程で、所定の陽イオンと陰イオンとを除去できるように構成されている。
イオン除去装置２０は、図１（Ａ）に示すように、陰イオンを除去する第１イオン除去ユニット２４と、陽イオンを除去する第２イオン除去ユニット２６と、それらのイオン除去ユニット２４，２６を収納するとともに、気液分離を行うためのハウジング２２とから構成されている。
ハウジング２２は、有底（天井）円筒形状のアッパハウジング２２１と、同じく有底円筒形状のロアハウジング２２２とを備えており、アッパハウジング２２１とロアハウジング２２２との開口部周縁にそれぞれ接続フランジ部２２１ｆ，２２２ｆが形成されている。そして、アッパハウジング２２１の接続フランジ部２２１ｆとロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆとがパッキン２２ｐを介して相互に連結されることで、ハウジング２２が閉じられた状態に保持される。
【００１４】
アッパハウジング２２１の上部側面には、接線方向から短管２２１ｅが接続されており、この短管２２１ｅの先端にハウジング２２の入口Ｅが形成されている。このように、短管２２１ｅが接線方向かアッパハウジング２２１に接続される構成のため、入口Ｅからハウジング２２内に入り込んだ流体はハウジング２２の側壁面に沿って旋回するようになる。
また、アッパハウジング２２１の天井部２２１ｕの中心には、短管状の突起２２１ｔが同軸に形成されており、この突起２２１ｔの先端（上端）にハウジング２２の排気口Ｈが形成されている。
ロアハウジング２２２は、底部２２２ｒが漏斗状に形成されており、その漏斗の短管部分２２２ｄの先端（下端）に排液口Ｄが設けられている。
ハウジング２２の材料としては、例えば、強度が高く及び耐蝕性に優れたステンレス等が使用される。
【００１５】
＜第１イオン除去ユニット２４について＞
第１イオン除去ユニット２４は、燃料電池１０から排出された排出流体中の陰イオンを除去するユニットであり、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１容器２４１と、その第１容器２４１に収納されたイオン交換樹脂２４８とから構成されている。
第１容器２４１は、中央に貫通孔２４１ｈを備える環状の容器である。第１容器２４１は、貫通孔２４１ｈを構成する管状の内周壁２４１ｅと、筒状の外周壁２４１ｒと、円板状の天井壁２４１ｕ及び底面壁２４１ｂとにより、内部空間が断面略角形となるように形成されている。そして、第１容器２４１の外周壁２４１ｒの外径寸法が、アッパハウジング２２１の内径寸法とほぼ等しい値に設定されている。
第１容器２４１の天井壁２４１ｕは、図２（Ｂ）に示すように、中心の貫通孔２４１ｈの部分が最も低くなるように、凹円錐面状に形成されている。また、天井壁２４１ｕには円周方向に等間隔（例えば、45°間隔）で排出流体（以下、流体という）が流入するための入口開口２４３が形成されており、それらの入口開口２４３がメッシュフィルタ２４４で外側から覆われている。ここで、本実施形態の第１容器２４１では、天井壁２４１ｕの面積に対する入口開口２４３の開口率は10％〜50％に設定されている。また、メッシュフィルタ２４４は、径寸法が約25μmの樹脂繊維により格子状（網状）に編まれたフィルタであり、格子目の寸法が約40μmに設定されている。
【００１６】
第１容器２４１の底面壁２４１ｂは、内周壁２４１ｅ及び外周壁２４１ｒに対して直角に形成されている。底面壁２４１ｂには円周方向に等間隔（例えば、45°間隔）で流体の出口開口２４５が形成されており、それらの出口開口２４５が第１容器２４１の内側から上記したメッシュフィルタ２４４によって覆われている。ここで、底面壁２４１ｂの面積に対する出口開口２４５の開口率は10％〜50％に設定されている。
また、第１容器２４１の外周壁２４１ｒの上部外周には、図１（Ｂ）に示すように、アッパハウジング２２１の内周面と第１容器２４１間をシールするオーリング２３を収納するリング溝２３ｍが形成されている。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ部拡大図である。
このため、ハウジング２２に流入した排出流体が第１容器２４１とそのハウジング２２の内周面との隙間から下方に漏れるようなことがない。
【００１７】
また、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈの上部内周には、その貫通孔２４１ｈに通される管体２７（後記する）と第１容器２４１間をシールするオーリング２８を収納するリング溝２８ｍ（図２（Ｂ）参照）が形成されている。このため、同様にハウジング２２に流入した排出流体が第１容器２４１の貫通孔２４１ｈと管体２７との隙間から下方に漏れるようなことがない。
さらに、第１容器２４１の内部空間は、図２（Ａ）の二点鎖線に示すように、区画用メッシュフィルタ２４７によって円周方向に複数区画（例えば、４区画）に仕切られている。区画用メッシュフィルタ２４７には、上記したメッシュフィルタ２４４よりも目の粗いフィルタが使用される。
ここで、メッシュフィルタ２４４及び区画用メッシュフィルタ２４７に使用される樹脂繊維としては、ポリアリレート樹脂の回りをポリエチレンナフタレート樹脂等で覆った二層構造の繊維が使用される。即ち、メッシュフィルタ２４４及び区画用メッシュフィルタ２４７が本発明の網状シートに相当する。
また、第１容器２４１の材料としてはポリプロピレン樹脂が好適に使用される。
【００１８】
第１容器２４１に収納されるイオン交換樹脂２４８は、陰イオンを吸着するアニオン交換樹脂であり、0.1mm〜0.5mm程度の粒状体である。アニオン交換樹脂２４８は、第１容器２４１の天井壁２４１ｕが開かれた状態で、その第１容器２４１内に充填される。そして、アニオン交換樹脂２４８の充填後に、第１容器２４１の天井壁２４１ｕが溶着等により塞がれる。前述のように、第１容器２４１の入口開口２４３及び出口開口２４５は格子目の寸法が約40μmのメッシュフィルタ２４４で覆われているため、第１容器２４１に収納されたアニオン交換樹脂２４８及びその破片が入口開口２４３及び出口開口２４５からこぼれ落ちることがない。また、第１容器２４１の内部空間は区画用メッシュフィルタ２４７によって仕切られているため、第１容器２４１内に充填されたアニオン交換樹脂２４８が振動等で円周方向に移動することがない。このため、第１容器２４１内でアニオン交換樹脂２４８が周方向一方に偏るようなことがない。
【００１９】
＜第２イオン除去ユニット２６について＞
第２イオン除去ユニット２６は、燃料電池１０から排出された排出流体中の陽イオンを除去するユニットであり、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第２容器２６２と、管体２７と、その第２容器２６２に収納されたイオン交換樹脂２６８とから構成されている。なお、管体２７は後記するように第２容器２６２と一体化されているため、第２容器２６２の本体と管体２７とを含めて第２容器２６２と呼ぶことにする。
第２容器２６２は、中央に貫通孔２６２ｈを備える環状の容器であり、その貫通孔２６２ｈに前述の管体２７が通されている。管体２７は、第２容器２６２を通過した流体の気体成分（水素）をハウジング２２の排気口Ｈまで導く管であり、その管体２７の基端部２７ｍ（下端部２７ｍ）が第２容器２６２の底面壁２６２ｂの内周端に固定されている。そして、第２容器２６２の貫通孔２６２ｈから上方に突出している管体２７の中央部分が第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに通され、その管体２７の先端部２７ｆがアッパハウジング２２１の短管状の突起２２１ｔに内側から嵌り込むようになっている（図１参照）。なお、管体２７の先端部２７ｆとハウジング２２の突起２２１ｔとの間には、オーリング２７ｘが装着されている。
【００２０】
第２容器２６２は、図２（Ｂ）に示すように、貫通孔２６２ｈを構成する管状の内周壁２６２ｅと、筒状の外周壁２６２ｒと、円板状の天井壁２６２ｕ及び底面壁２６２ｂとにより、内部空間が断面略角形となるように形成されている。そして、第２容器２６２の外周壁２６２ｒの外径寸法が、アッパハウジング２２１の内径寸法とほぼ等しい値に設定されている。
また、第２容器２６２の外周壁２６２ｒの外周面には、高さ方向ほぼ中央位置にフランジ部２６２ｆが形成されている。第２容器２６２のフランジ部２６２ｆは、第２容器２６２及び第１容器２４１をハウジング２２に取付けるための部分であり、弾性体Ｍｄ（図１（Ａ）参照）に覆われた状態でロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆに設けられたリング凹部Ｍに収納される。そして、アッパハウジング２２１の接続フランジ部２２１ｆとロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆとが連結された状態で、第２容器２６２のフランジ部２６２ｆ、弾性体Ｍｄは両接続フランジ部２２１ｆ，２２２ｆ間に挟まれるようになる。
【００２１】
第２容器２６２の天井壁２６２ｕは、図２（Ｂ）示すように、第１容器２４１の底面壁２４１ｂと面接触可能なように、内周壁２６２ｅ及び外周壁２６２ｒに対して直角に形成されている。さらに、第２容器２６２の天井壁２６２ｕには、第１容器２４１の底面壁２４１ｂの出口開口２４５と重複する位置に入口開口２６５が形成されている。このため、第１容器２４１の出口開口２４５から流出した流体はそのまま第２容器２６２内に流入するようになる。第２容器２６２の入口開口２６５は、第２容器２６２の内側からメッシュフィルタ２４４によって覆われている。ここで、第２容器２６２の天井壁２６２ｕの面積に対する入口開口２６５の開口率は10％〜50％に設定されている。
第２容器２６２の底面壁２６２ｂは、図２（Ｂ）に示すように、中心の貫通孔２６２ｈ及び管体２７の基端部２７ｍの部分が最も高くなるように、凹円錐面状に形成されている。さらに、底面壁２６２ｂには円周方向に等間隔（例えば、45°間隔）で流体の出口開口２６３が形成されており、それらの出口開口２６３が第２容器２６２の内側からメッシュフィルタ２４４で覆われている。
【００２２】
ここで、第２容器２６２の底面壁２６２ｂの面積に対する出口開口２６３の開口率は10％〜50％に設定されている。また、底面壁２６２ｂの出口開口２６３は、管体２７の基端部２７ｍから可能な限り離れた位置に設置するのが好ましい。
第２容器２６２及び管体２７の材料には、第１容器２４１と同様にポリプロピレン樹脂が好適に使用される。
第２容器２６２に収納されるイオン交換樹脂２６８は、陽イオンを吸着するカチオン交換樹脂であり、0.1mm〜0.5mm程度の粒状体である。カチオン交換樹脂２６８は、第２容器２６２の天井壁２６２ｕが開かれた状態で、その第２容器２６２内に充填される。そして、カチオン交換樹脂２６８の充填後に、第２容器２６２の天井壁２６２ｕが溶着等により塞がれる。ここで、第２容器２６２の内部空間は、第１容器２４１と同様に、区画用メッシュフィルタ２４７によって仕切られている。
【００２３】
＜イオン除去装置２０の組立について＞
イオン除去装置２０を構成する第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６との組付けは、次のようにして行う。先ず、第１イオン除去ユニット２４の第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに対して、第２イオン除去ユニット２６の第２容器２６２の管体２７が挿入される。ここで、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈと第２容器２６２の管体２７との間には、円周方向の位置決め用に凹凸（図示省略）が形成されている。このため、第２容器２６２の管体２７を第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに挿入する際に、第１容器２４１に対して第２容器２６２が円周方向に位置ずれすることはない。また、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈと第２容器２６２の管体２７との間はオーリング２８によって確実にシールされる。そして、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに対する第２容器２６２の管体２７の挿入が完了した段階で、図２（Ｂ）に示すように、第１容器２４１の出口開口２４５と第２容器２６２の入口開口２６５とが接続される。この状態で、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６との組付が終了する。
なお、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈから第２容器２６２の管体２７を引き抜けば、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とを分離できる。
【００２４】
次に、組付け後の第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とがロアハウジング２２２にセットされる。即ち、第２イオン除去ユニット２６のフランジ部２６２ｆに弾性体Ｍｄが装着された状態で、そのフランジ部２６２ｆがロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆのリング凹部Ｍにセットされる。
次に、アッパハウジング２２１の突起２２１ｔに対して第２イオン除去ユニット２６の管体２７の先端部２７ｆが内側から嵌め込まれ、そのアッパハウジング２２１が第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とに被せられる。そして、アッパハウジング２２１の接続フランジ部２２１ｆがロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆにボルト等で連結されることで、ハウジング２２が閉じられる。このとき、両接続フランジ部２２１ｆ，２２２ｆ間に第２イオン除去ユニット２６のフランジ部２６２ｆが弾性体Ｍｄを介した状態で挟持されるため、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とはハウジング２２に対して固定される。この状態で、イオン除去装置２０の組立が完了する。
なお、アッパハウジング２２１とロアハウジング２２２との接続を解除することで、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とをハウジング２２から取外すことができる。
即ち、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とは相互に組付け、分離可能であり、ハウジング２２に対して取付け、取外し可能に構成されている。
【００２５】
＜イオン除去装置２０の動作について＞
次に、本実施形態に係るイオン除去装置２０の動作について説明する。
図１の白矢印で示すように、入口Ｅからハウジング２２内に流入した燃料電池１０の排出流体、即ち、生成水、水素、水蒸気、ミスト等の混合流体（以下、流体という）は、アッパハウジング２２１の側壁面に沿って旋回しながら第１イオン除去ユニット２４の入口開口２４３まで到達し、それらの入口開口２４３から第１容器２４１内に流入する。ここで、第１イオン除去ユニット２４の第１容器２４１とアッパハウジング２２１の側壁面との間はオーリング２３によってシールされているため、流体の一部がアッパハウジング２２１の側壁面を伝って排液口Ｄ側に落下するようなことがない。
また、第１イオン除去ユニット２４の入口開口２４３はメッシュフィルタ２４４によって覆われているため、流体中の異物はこのメッシュフィルタ２４４で除去され、第１容器２４１内に入り込むことがない。これによって、アニオン交換樹脂２４８が保護されるとともに、アニオン交換樹脂２４８間の空間が確保されて目詰まり等を防止できるようになる。なお、前記メッシュフィルタ２４４は入口開口２４３を第１容器２４１の外側から覆う構成のため、交換が容易である。
【００２６】
第１イオン除去ユニット２４の第１容器２４１内に流入した流体は、第１容器２４１内のアニオン交換樹脂２４８間を通過する過程で、その流体内の陰イオンがアニオン交換樹脂２４８に吸着される。即ち、流体の液体成分はアニオン交換樹脂２４８間を流れる過程で陰イオンが除去される。また、流体中のミスト等はアニオン交換樹脂２４８の粒子に衝突して凝集することで液化し、この状態で陰イオンが除去される。
そして、アニオン交換樹脂２４８間を通過した流体が第１容器２４１の出口開口２４５から排出され、そのまま第２イオン除去ユニット２６の入口開口２６５から第２容器２６２内に流入する。ここで、第１容器２４１の出口開口２４５及び第２容器２６２の入口開口２６５はメッシュフィルタ２４４で覆われているため、アニオン交換樹脂２４８の破片等の異物が第２容器２６２内に流入することはない。
【００２７】
第２イオン除去ユニット２６の第２容器２６２内に流入した流体は、第２容器２６２内のカチオン交換樹脂２６８間を通過する過程で、上記したように、その流体内の陽イオンがカチオン交換樹脂２６８に吸着される。
そして、カチオン交換樹脂２６８間を通過した流体が第２容器２６２の出口開口２６３から排出され、その流体の液体成分（生成水等）がロアハウジング２２２の底部２２２ｒに滴下してハウジング２２の排液口Ｄから排出される。また、前記流体の気体成分（水素）が第２容器２６２の出口開口２６３から管体２７の方向に吸引され、その管体２７を通ってハウジング２２の排気口Ｈから排出される。ここで、第２容器２６２の出口開口２６３はメッシュフィルタ２４４で覆われているため、カチオン交換樹脂２６８の破片等の異物が外部に流出することはない。
ハウジング２２の排気口Ｈから排出された流体の気体成分（水素）は、図３に示すように、水素ポンプＰ０によって再び燃料電池１０のアノード電極１４に送られる。このように、イオン除去が行われた後の気体成分（水素）を燃料電池１０に送るため、燃料電池１０の劣化を抑制できるようになる。
【００２８】
＜本実施形態に係るイオン除去装置２０の作用＞
本実施形態に係るイオン除去装置２０によると、流体が第１イオン除去ユニット２４を通過する際にその流体中の陰イオンが除去され、さらに第２イオン除去ユニット２６を通過する際に陽イオンが除去される。そして、第２イオン除去ユニット２６を通過した流体の液体成分が排液口Ｄから排出され、流体の気体成分が排気口Ｈから排出される。このように、流体は直列に設置された第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６を通過する構成のため、陰イオンと陽イオン（複数種類のイオン）を効率的に除去できるようになる。
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とは、相互に組付け、分離可能であり、ハウジング２２に対して取付け、取外し可能に構成されている。このため、例えば、第２イオン除去ユニット２６が使用できる状態で、第１イオン除去ユニット２４が寿命となった場合でも、第１イオン除去ユニット２４のみを交換できるようになる。したがって、各々のイオン除去ユニット２４，２６を寿命まで使用できるようになり、経済性が向上する。
また、第１、第２容器２４１，２６２の入口開口２４３，２６５及び出口開口２４５，２６３をメッシュフィルタ２４４で覆う構成のため、メッシュフィルタ２４４でイオン交換樹脂２４８，２６８を保持でき、入口開口２４３，２６５及び出口開口２４５，２６３のサイズをイオン交換樹脂２４８，２６８のサイズに関わり無く自由に設定できる。また、流体中の異物が第１、第２容器２４１，２６２内に入り込み難くなるため、イオン交換樹脂２４８，２６８の保護、及びイオン交換樹脂２４８，２６８の粒子空間を確保して目詰まりを防止できる。
【００２９】
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６との分離あるいは組付けが容易になり、それらのイオン除去ユニット２４，２６の交換が簡単になる。
また、第１容器２４１及び第２容器２６２の内部は、区画用メッシュフィルタ２４７によって周方向に仕切られているため、第１、第２容器２４１，２６２の内部でイオン交換樹脂２４８，２６８が周方向に移動し難くなり、振動等でイオン交換樹脂２４８，２６８が周方向の一部分に偏って配置されるような不具合が生じない。
さらに、流体の気液分離を行う過程でその流体のイオン除去を行えるため、気液分離器とイオン除去装置とを個別に設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。さらに、ミスト状の流体のイオン除去も可能になる。
【００３０】
＜変更例＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、第１イオン除去ユニット２４で陰イオンを除去し、第２イオン除去ユニット２６で陽イオンを除去する例を示したが、第１イオン除去ユニット２４で陽イオンを除去し、第２イオン除去ユニット２６で陰イオンを除去する構成でも可能である。
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とを上下に配置し、流体を上から下に流す例を示したが、流体を旋回させながら流す場合には第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６と円周方向に交互に配置することも可能である。
また、第２イオン除去ユニット２６の第２容器２６２と管体２７とを第２容器２６２の下端部で接続する例を示したが、第２容器２６２の上端部で接続することも可能である。
また、イオン除去ユニット２４，２６でイオン交換樹脂２４８，２６８を使用する例を示したが、イオン交換樹脂２４８，２６８の代わりにイオン中和剤（ＣａＣＯ3等）を使用することも可能である。
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とで異なる種類の陰イオンを除去することも可能であるし、同様に異なる種類の陽イオンを除去することも可能である。
さらに、本実施形態では、燃料電池１０のアノード電極１４側から排出される流体を受ける構成のイオン除去装置２０について説明したが、そのイオン除去装置２０でカソード電極１６側から排出される流体を受けるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１に係るイオン除去装置の縦断面図（Ａ図）及びＡ図のＢ部拡大図（Ｂ図）である。
【図２】イオン除去装置で使用されるイオン除去ユニットの平面図（Ａ図）及び縦断面図（Ｂ図）である。
【図３】燃料電池システムの模式図である。
【図４】従来のイオン除去装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
２２ ハウジング
Ｅ 入口
Ｈ 排気口
Ｄ 排液口
２４ 第１イオン除去ユニット
２６ 第２イオン除去ユニット
２７ 管体
２４１ 第１容器
２４３ 入口開口
２４５ 出口開口
２４４ メッシュフィルタ（網状シート）
２４７ 区画用メッシュフィルタ（網状シート）
２６２ 第２容器
２６５ 入口開口
２６３ 出口開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中に含まれる複数種類のイオンを除去するイオン除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記したイオン除去装置としては種々のものが提案されている。
例えば、特許文献１に記載されたイオン除去装置５０は、燃料電池５１の排出流体からイオンを除去する装置であり、図４に示すように、水が溜められた容器５２と、水に漬かるように容器５２内に収納されたイオン交換樹脂５４とを備えている。燃料電池５１の排出流体は、容器５２内の水に通されることで液体成分が水中に残留し、気体成分が泡となって容器５２から排出される。そして、水中に残留した液体成分中のイオンがイオン交換樹脂５４に吸着されることで、燃料電池５１の排出流体からイオンが除去される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記したイオン除去装置５０では、流体中の複数種類のイオン（例えば、陰イオン、陽イオン）を効率的に除去するのは難しい。例えば、イオン交換樹脂５４の交換性を考慮して、陰イオン用のイオン交換樹脂５４（樹脂Ａ）と、陽イオン用のイオン交換樹脂５４（樹脂Ｂ）を分離して配置する場合を考える。この場合、樹脂Ａ（陰イオン用）の位置にある陽イオンは樹脂Ｂ（陽イオン用）に吸着され難くなり、樹脂Ｂの位置にある陰イオンは樹脂Ａに吸着され難くなる。このため、総合的に、陰イオン、陽イオンの除去効率が低下する。
この点を改善するために、樹脂Ａと樹脂Ｂとを均等に混合して設置すると、例えば、樹脂Ｂがまだ使用できる状態で樹脂Ａが使用不能となった場合に、樹脂Ａと樹脂Ｂとを共に交換しなければならず経済的でない。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、流体中の複数種類のイオンを効率的に除去できるようにするとともに、複数のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるようにして経済性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、流体が流入する入口、前記流体の液体成分が排出される排液口、及び前記流体の気体成分が排出される排気口を備えるハウジングと、前記ハウジングの入口から流入した流体のみが通過できるように、そのハウジング内に収納されており、前記流体中の所定のイオンを除去する第１のイオン除去ユニットと、前記第１のイオン除去ユニットを通過した流体のみが通過できるように、前記ハウジング内に収納されており、前記流体中の別種類のイオンを除去する第２のイオン除去ユニットとを有しており、前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の液体成分が前記排液口から排出され、前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の気体成分が前記排気口から排出される構成であることを特徴とする。
【０００７】
本発明によると、流体が第１のイオン除去ユニットを通過する際にその流体中の所定のイオンが除去され、さらに第２のイオン除去ユニットを通過する際に別種類のイオンが除去される。そして、第２のイオン除去ユニットを通過した流体の液体成分が排液口から排出され、前記流体の気体成分が排気口から排出される。このように、流体は直列に設置された第１のイオン除去ユニットと第２のイオン除去ユニットを通過する構成のため、所定のイオンと別のイオン（複数種類のイオン）を効率的に除去できるようになる。
また、例えば、第２のイオン除去ユニットが使用できる状態で、第１のイオン除去ユニットが寿命となった場合でも、第１のイオン除去ユニットのみを交換できるようになる。したがって、各々のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるようになり、経済性が向上する。
【０００８】
請求項２の発明によると、イオン除去ユニットは、流体用の入口開口と出口開口とを備える容器と、前記容器内に充填された粒状のイオン交換樹脂とを有している。
請求項３の発明によると、容器の入口開口及び出口開口は、イオン交換樹脂の寸法よりも大きな寸法で形成されており、前記イオン交換樹脂の寸法よりも目が細かい網状シートにより覆われていることを特徴とする。
このように、容器の入口開口及び出口開口を網状シートで覆う構成のため、網状シートでイオン交換樹脂を保持でき、入口開口及び出口開口のサイズをイオン交換樹脂のサイズに関わり無く自由に設定できる。また、流体中の異物が容器内に入り込み難くなるため、イオン交換樹脂の保護、及びイオン交換樹脂の粒子空間を確保して目詰まりを防止できる。
【０００９】
請求項４の発明によると、第１のイオン除去ユニットの容器である第１容器は、中央に貫通孔を備える環状に形成されており、第２のイオン除去ユニットの容器である第２容器は、同じく中央に貫通孔を備える環状に形成された容器本体と、その容器本体の一端から前記貫通孔と同軸の状態で軸方向に突出する管体とを有しており、第１容器の貫通孔に第２容器の管体が下方から通されることで、前記第１容器と第２容器とが上下同軸に配置されて、前記第１容器の下端部の出口開口と前記第２容器の上端部の入口開口とが接続される構成であることを特徴とする。
上記構成により、第１のイオン除去ユニットと第２のイオン除去ユニットとの分離あるいは組付けが容易になり、それらのイオン除去ユニットの交換が簡単になる。
請求項５の発明によると、第１容器及び第２容器の内部空間は、網状シートによって周方向に仕切られていることを特徴とする。
このため、第１、第２容器の内部でイオン交換樹脂が周方向に移動し難くなり、振動等でイオン交換樹脂が周方向の一部分に偏って配置されるような不具合が生じない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、複数のイオン除去ユニットを直列に配置することで、流体中の複数種類のイオンを効率的に除去することができる。また、複数のイオン除去ユニットを寿命まで使用できるため、経済性が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１〜図３に基づいて、本発明の実施形態１に係るイオン除去装置について説明する。本実施形態に係るイオン除去装置は、燃料電池システムにおいて燃料電池の排出流体中に含まれるイオンを除去する装置である。図１は、本実施形態に係るイオン除去装置の縦断面図等であり、図２は、イオン除去装置で使用されるイオン除去ユニットの平面図（Ａ図）及び縦断面図（Ｂ図）である。また、図３は燃料電池システムの模式図である。
本実施形態に係るイオン除去装置２０の説明を行う前に、先ず、図３に基づいて燃料電池システム１の説明を行う。
＜燃料電池システム１の概要＞
燃料電池システム１は、図３に示すように、燃料電池１０と、その燃料電池１０に燃料ガスを供給するガス供給設備１８及び空気（酸素）を供給する空気供給設備（図示省略）等とにより構成されている。
燃料電池１０は、燃料ガスである水素と空気中の酸素との化学反応を発電に利用する電池であり、電解質膜１２を挟んでアノード電極１４（陰極）とカソード電極１６（陽極）とを備えている。アノード電極１４には、前記ガス供給設備１８によって水素ガスが供給される。また、カソード電極１６には、前記空気供給設備によって空気（酸素）が供給される。
【００１２】
燃料電池１０のアノード電極１４とカソード電極１６に、それぞれ水素ガスと空気（酸素）とが供給されると、水素と酸素との化学反応により両電極１４，１６間に電圧が発生する。さらに、反応副産物として生成水が発生する。
前記生成水はアノード電極１４で消費されなかった水素ともに気液分離機能を備えるイオン除去装置２０に導かれ、このイオン除去装置２０内で後記するように複数のイオンが除去される。そして、イオンの除去後、イオン除去装置２０から排出された液体（生成水）が生成水タンク（図示省略）に導かれる。また、イオン除去装置２０から排出された気体（水素）は再び燃料ガスとしてアノード電極１４に送られる。
なお、カソード電極１６で消費されなかった空気（酸素）は大気に放出される。
【００１３】
＜イオン除去装置２０について＞
イオン除去装置２０は、燃料電池１０から排出された排出流体、即ち、生成水、水素、水蒸気、ミスト等の混合流体を水素と生成水等とに気液分離させる過程で、所定の陽イオンと陰イオンとを除去できるように構成されている。
イオン除去装置２０は、図１（Ａ）に示すように、陰イオンを除去する第１イオン除去ユニット２４と、陽イオンを除去する第２イオン除去ユニット２６と、それらのイオン除去ユニット２４，２６を収納するとともに、気液分離を行うためのハウジング２２とから構成されている。
ハウジング２２は、有底（天井）円筒形状のアッパハウジング２２１と、同じく有底円筒形状のロアハウジング２２２とを備えており、アッパハウジング２２１とロアハウジング２２２との開口部周縁にそれぞれ接続フランジ部２２１ｆ，２２２ｆが形成されている。そして、アッパハウジング２２１の接続フランジ部２２１ｆとロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆとがパッキン２２ｐを介して相互に連結されることで、ハウジング２２が閉じられた状態に保持される。
【００１４】
アッパハウジング２２１の上部側面には、接線方向から短管２２１ｅが接続されており、この短管２２１ｅの先端にハウジング２２の入口Ｅが形成されている。このように、短管２２１ｅが接線方向かアッパハウジング２２１に接続される構成のため、入口Ｅからハウジング２２内に入り込んだ流体はハウジング２２の側壁面に沿って旋回するようになる。
また、アッパハウジング２２１の天井部２２１ｕの中心には、短管状の突起２２１ｔが同軸に形成されており、この突起２２１ｔの先端（上端）にハウジング２２の排気口Ｈが形成されている。
ロアハウジング２２２は、底部２２２ｒが漏斗状に形成されており、その漏斗の短管部分２２２ｄの先端（下端）に排液口Ｄが設けられている。
ハウジング２２の材料としては、例えば、強度が高く及び耐蝕性に優れたステンレス等が使用される。
【００１５】
＜第１イオン除去ユニット２４について＞
第１イオン除去ユニット２４は、燃料電池１０から排出された排出流体中の陰イオンを除去するユニットであり、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１容器２４１と、その第１容器２４１に収納されたイオン交換樹脂２４８とから構成されている。
第１容器２４１は、中央に貫通孔２４１ｈを備える環状の容器である。第１容器２４１は、貫通孔２４１ｈを構成する管状の内周壁２４１ｅと、筒状の外周壁２４１ｒと、円板状の天井壁２４１ｕ及び底面壁２４１ｂとにより、内部空間が断面略角形となるように形成されている。そして、第１容器２４１の外周壁２４１ｒの外径寸法が、アッパハウジング２２１の内径寸法とほぼ等しい値に設定されている。
第１容器２４１の天井壁２４１ｕは、図２（Ｂ）に示すように、中心の貫通孔２４１ｈの部分が最も低くなるように、凹円錐面状に形成されている。また、天井壁２４１ｕには円周方向に等間隔（例えば、45°間隔）で排出流体（以下、流体という）が流入するための入口開口２４３が形成されており、それらの入口開口２４３がメッシュフィルタ２４４で外側から覆われている。ここで、本実施形態の第１容器２４１では、天井壁２４１ｕの面積に対する入口開口２４３の開口率は10％〜50％に設定されている。また、メッシュフィルタ２４４は、径寸法が約25μmの樹脂繊維により格子状（網状）に編まれたフィルタであり、格子目の寸法が約40μmに設定されている。
【００１６】
第１容器２４１の底面壁２４１ｂは、内周壁２４１ｅ及び外周壁２４１ｒに対して直角に形成されている。底面壁２４１ｂには円周方向に等間隔（例えば、45°間隔）で流体の出口開口２４５が形成されており、それらの出口開口２４５が第１容器２４１の内側から上記したメッシュフィルタ２４４によって覆われている。ここで、底面壁２４１ｂの面積に対する出口開口２４５の開口率は10％〜50％に設定されている。
また、第１容器２４１の外周壁２４１ｒの上部外周には、図１（Ｂ）に示すように、アッパハウジング２２１の内周面と第１容器２４１間をシールするオーリング２３を収納するリング溝２３ｍが形成されている。ここで、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ部拡大図である。
このため、ハウジング２２に流入した排出流体が第１容器２４１とそのハウジング２２の内周面との隙間から下方に漏れるようなことがない。
【００１７】
また、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈの上部内周には、その貫通孔２４１ｈに通される管体２７（後記する）と第１容器２４１間をシールするオーリング２８を収納するリング溝２８ｍ（図２（Ｂ）参照）が形成されている。このため、同様にハウジング２２に流入した排出流体が第１容器２４１の貫通孔２４１ｈと管体２７との隙間から下方に漏れるようなことがない。
さらに、第１容器２４１の内部空間は、図２（Ａ）の二点鎖線に示すように、区画用メッシュフィルタ２４７によって円周方向に複数区画（例えば、４区画）に仕切られている。区画用メッシュフィルタ２４７には、上記したメッシュフィルタ２４４よりも目の粗いフィルタが使用される。
ここで、メッシュフィルタ２４４及び区画用メッシュフィルタ２４７に使用される樹脂繊維としては、ポリアリレート樹脂の回りをポリエチレンナフタレート樹脂等で覆った二層構造の繊維が使用される。即ち、メッシュフィルタ２４４及び区画用メッシュフィルタ２４７が本発明の網状シートに相当する。
また、第１容器２４１の材料としてはポリプロピレン樹脂が好適に使用される。
【００１８】
第１容器２４１に収納されるイオン交換樹脂２４８は、陰イオンを吸着するアニオン交換樹脂であり、0.1mm〜0.5mm程度の粒状体である。アニオン交換樹脂２４８は、第１容器２４１の天井壁２４１ｕが開かれた状態で、その第１容器２４１内に充填される。そして、アニオン交換樹脂２４８の充填後に、第１容器２４１の天井壁２４１ｕが溶着等により塞がれる。前述のように、第１容器２４１の入口開口２４３及び出口開口２４５は格子目の寸法が約40μmのメッシュフィルタ２４４で覆われているため、第１容器２４１に収納されたアニオン交換樹脂２４８及びその破片が入口開口２４３及び出口開口２４５からこぼれ落ちることがない。また、第１容器２４１の内部空間は区画用メッシュフィルタ２４７によって仕切られているため、第１容器２４１内に充填されたアニオン交換樹脂２４８が振動等で円周方向に移動することがない。このため、第１容器２４１内でアニオン交換樹脂２４８が周方向一方に偏るようなことがない。
【００１９】
＜第２イオン除去ユニット２６について＞
第２イオン除去ユニット２６は、燃料電池１０から排出された排出流体中の陽イオンを除去するユニットであり、図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、第２容器２６２と、管体２７と、その第２容器２６２に収納されたイオン交換樹脂２６８とから構成されている。なお、管体２７は後記するように第２容器２６２と一体化されているため、第２容器２６２の本体と管体２７とを含めて第２容器２６２と呼ぶことにする。
第２容器２６２は、中央に貫通孔２６２ｈを備える環状の容器であり、その貫通孔２６２ｈに前述の管体２７が通されている。管体２７は、第２容器２６２を通過した流体の気体成分（水素）をハウジング２２の排気口Ｈまで導く管であり、その管体２７の基端部２７ｍ（下端部２７ｍ）が第２容器２６２の底面壁２６２ｂの内周端に固定されている。そして、第２容器２６２の貫通孔２６２ｈから上方に突出している管体２７の中央部分が第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに通され、その管体２７の先端部２７ｆがアッパハウジング２２１の短管状の突起２２１ｔに内側から嵌り込むようになっている（図１参照）。なお、管体２７の先端部２７ｆとハウジング２２の突起２２１ｔとの間には、オーリング２７ｘが装着されている。
【００２０】
第２容器２６２は、図２（Ｂ）に示すように、貫通孔２６２ｈを構成する管状の内周壁２６２ｅと、筒状の外周壁２６２ｒと、円板状の天井壁２６２ｕ及び底面壁２６２ｂとにより、内部空間が断面略角形となるように形成されている。そして、第２容器２６２の外周壁２６２ｒの外径寸法が、アッパハウジング２２１の内径寸法とほぼ等しい値に設定されている。
また、第２容器２６２の外周壁２６２ｒの外周面には、高さ方向ほぼ中央位置にフランジ部２６２ｆが形成されている。第２容器２６２のフランジ部２６２ｆは、第２容器２６２及び第１容器２４１をハウジング２２に取付けるための部分であり、弾性体Ｍｄ（図１（Ａ）参照）に覆われた状態でロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆに設けられたリング凹部Ｍに収納される。そして、アッパハウジング２２１の接続フランジ部２２１ｆとロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆとが連結された状態で、第２容器２６２のフランジ部２６２ｆ、弾性体Ｍｄは両接続フランジ部２２１ｆ，２２２ｆ間に挟まれるようになる。
【００２１】
第２容器２６２の天井壁２６２ｕは、図２（Ｂ）示すように、第１容器２４１の底面壁２４１ｂと面接触可能なように、内周壁２６２ｅ及び外周壁２６２ｒに対して直角に形成されている。さらに、第２容器２６２の天井壁２６２ｕには、第１容器２４１の底面壁２４１ｂの出口開口２４５と重複する位置に入口開口２６５が形成されている。このため、第１容器２４１の出口開口２４５から流出した流体はそのまま第２容器２６２内に流入するようになる。第２容器２６２の入口開口２６５は、第２容器２６２の内側からメッシュフィルタ２４４によって覆われている。ここで、第２容器２６２の天井壁２６２ｕの面積に対する入口開口２６５の開口率は10％〜50％に設定されている。
第２容器２６２の底面壁２６２ｂは、図２（Ｂ）に示すように、中心の貫通孔２６２ｈ及び管体２７の基端部２７ｍの部分が最も高くなるように、凹円錐面状に形成されている。さらに、底面壁２６２ｂには円周方向に等間隔（例えば、45°間隔）で流体の出口開口２６３が形成されており、それらの出口開口２６３が第２容器２６２の内側からメッシュフィルタ２４４で覆われている。
【００２２】
ここで、第２容器２６２の底面壁２６２ｂの面積に対する出口開口２６３の開口率は10％〜50％に設定されている。また、底面壁２６２ｂの出口開口２６３は、管体２７の基端部２７ｍから可能な限り離れた位置に設置するのが好ましい。
第２容器２６２及び管体２７の材料には、第１容器２４１と同様にポリプロピレン樹脂が好適に使用される。
第２容器２６２に収納されるイオン交換樹脂２６８は、陽イオンを吸着するカチオン交換樹脂であり、0.1mm〜0.5mm程度の粒状体である。カチオン交換樹脂２６８は、第２容器２６２の天井壁２６２ｕが開かれた状態で、その第２容器２６２内に充填される。そして、カチオン交換樹脂２６８の充填後に、第２容器２６２の天井壁２６２ｕが溶着等により塞がれる。ここで、第２容器２６２の内部空間は、第１容器２４１と同様に、区画用メッシュフィルタ２４７によって仕切られている。
【００２３】
＜イオン除去装置２０の組立について＞
イオン除去装置２０を構成する第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６との組付けは、次のようにして行う。先ず、第１イオン除去ユニット２４の第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに対して、第２イオン除去ユニット２６の第２容器２６２の管体２７が挿入される。ここで、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈと第２容器２６２の管体２７との間には、円周方向の位置決め用に凹凸（図示省略）が形成されている。このため、第２容器２６２の管体２７を第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに挿入する際に、第１容器２４１に対して第２容器２６２が円周方向に位置ずれすることはない。また、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈと第２容器２６２の管体２７との間はオーリング２８によって確実にシールされる。そして、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈに対する第２容器２６２の管体２７の挿入が完了した段階で、図２（Ｂ）に示すように、第１容器２４１の出口開口２４５と第２容器２６２の入口開口２６５とが接続される。この状態で、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６との組付が終了する。
なお、第１容器２４１の貫通孔２４１ｈから第２容器２６２の管体２７を引き抜けば、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とを分離できる。
【００２４】
次に、組付け後の第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とがロアハウジング２２２にセットされる。即ち、第２イオン除去ユニット２６のフランジ部２６２ｆに弾性体Ｍｄが装着された状態で、そのフランジ部２６２ｆがロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆのリング凹部Ｍにセットされる。
次に、アッパハウジング２２１の突起２２１ｔに対して第２イオン除去ユニット２６の管体２７の先端部２７ｆが内側から嵌め込まれ、そのアッパハウジング２２１が第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とに被せられる。そして、アッパハウジング２２１の接続フランジ部２２１ｆがロアハウジング２２２の接続フランジ部２２２ｆにボルト等で連結されることで、ハウジング２２が閉じられる。このとき、両接続フランジ部２２１ｆ，２２２ｆ間に第２イオン除去ユニット２６のフランジ部２６２ｆが弾性体Ｍｄを介した状態で挟持されるため、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とはハウジング２２に対して固定される。この状態で、イオン除去装置２０の組立が完了する。
なお、アッパハウジング２２１とロアハウジング２２２との接続を解除することで、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とをハウジング２２から取外すことができる。
即ち、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とは相互に組付け、分離可能であり、ハウジング２２に対して取付け、取外し可能に構成されている。
【００２５】
＜イオン除去装置２０の動作について＞
次に、本実施形態に係るイオン除去装置２０の動作について説明する。
図１の白矢印で示すように、入口Ｅからハウジング２２内に流入した燃料電池１０の排出流体、即ち、生成水、水素、水蒸気、ミスト等の混合流体（以下、流体という）は、アッパハウジング２２１の側壁面に沿って旋回しながら第１イオン除去ユニット２４の入口開口２４３まで到達し、それらの入口開口２４３から第１容器２４１内に流入する。ここで、第１イオン除去ユニット２４の第１容器２４１とアッパハウジング２２１の側壁面との間はオーリング２３によってシールされているため、流体の一部がアッパハウジング２２１の側壁面を伝って排液口Ｄ側に落下するようなことがない。
また、第１イオン除去ユニット２４の入口開口２４３はメッシュフィルタ２４４によって覆われているため、流体中の異物はこのメッシュフィルタ２４４で除去され、第１容器２４１内に入り込むことがない。これによって、アニオン交換樹脂２４８が保護されるとともに、アニオン交換樹脂２４８間の空間が確保されて目詰まり等を防止できるようになる。なお、前記メッシュフィルタ２４４は入口開口２４３を第１容器２４１の外側から覆う構成のため、交換が容易である。
【００２６】
第１イオン除去ユニット２４の第１容器２４１内に流入した流体は、第１容器２４１内のアニオン交換樹脂２４８間を通過する過程で、その流体内の陰イオンがアニオン交換樹脂２４８に吸着される。即ち、流体の液体成分はアニオン交換樹脂２４８間を流れる過程で陰イオンが除去される。また、流体中のミスト等はアニオン交換樹脂２４８の粒子に衝突して凝集することで液化し、この状態で陰イオンが除去される。
そして、アニオン交換樹脂２４８間を通過した流体が第１容器２４１の出口開口２４５から排出され、そのまま第２イオン除去ユニット２６の入口開口２６５から第２容器２６２内に流入する。ここで、第１容器２４１の出口開口２４５及び第２容器２６２の入口開口２６５はメッシュフィルタ２４４で覆われているため、アニオン交換樹脂２４８の破片等の異物が第２容器２６２内に流入することはない。
【００２７】
第２イオン除去ユニット２６の第２容器２６２内に流入した流体は、第２容器２６２内のカチオン交換樹脂２６８間を通過する過程で、上記したように、その流体内の陽イオンがカチオン交換樹脂２６８に吸着される。
そして、カチオン交換樹脂２６８間を通過した流体が第２容器２６２の出口開口２６３から排出され、その流体の液体成分（生成水等）がロアハウジング２２２の底部２２２ｒに滴下してハウジング２２の排液口Ｄから排出される。また、前記流体の気体成分（水素）が第２容器２６２の出口開口２６３から管体２７の方向に吸引され、その管体２７を通ってハウジング２２の排気口Ｈから排出される。ここで、第２容器２６２の出口開口２６３はメッシュフィルタ２４４で覆われているため、カチオン交換樹脂２６８の破片等の異物が外部に流出することはない。
ハウジング２２の排気口Ｈから排出された流体の気体成分（水素）は、図３に示すように、水素ポンプＰ０によって再び燃料電池１０のアノード電極１４に送られる。このように、イオン除去が行われた後の気体成分（水素）を燃料電池１０に送るため、燃料電池１０の劣化を抑制できるようになる。
【００２８】
＜本実施形態に係るイオン除去装置２０の作用＞
本実施形態に係るイオン除去装置２０によると、流体が第１イオン除去ユニット２４を通過する際にその流体中の陰イオンが除去され、さらに第２イオン除去ユニット２６を通過する際に陽イオンが除去される。そして、第２イオン除去ユニット２６を通過した流体の液体成分が排液口Ｄから排出され、流体の気体成分が排気口Ｈから排出される。このように、流体は直列に設置された第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６を通過する構成のため、陰イオンと陽イオン（複数種類のイオン）を効率的に除去できるようになる。
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とは、相互に組付け、分離可能であり、ハウジング２２に対して取付け、取外し可能に構成されている。このため、例えば、第２イオン除去ユニット２６が使用できる状態で、第１イオン除去ユニット２４が寿命となった場合でも、第１イオン除去ユニット２４のみを交換できるようになる。したがって、各々のイオン除去ユニット２４，２６を寿命まで使用できるようになり、経済性が向上する。
また、第１、第２容器２４１，２６２の入口開口２４３，２６５及び出口開口２４５，２６３をメッシュフィルタ２４４で覆う構成のため、メッシュフィルタ２４４でイオン交換樹脂２４８，２６８を保持でき、入口開口２４３，２６５及び出口開口２４５，２６３のサイズをイオン交換樹脂２４８，２６８のサイズに関わり無く自由に設定できる。また、流体中の異物が第１、第２容器２４１，２６２内に入り込み難くなるため、イオン交換樹脂２４８，２６８の保護、及びイオン交換樹脂２４８，２６８の粒子空間を確保して目詰まりを防止できる。
【００２９】
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６との分離あるいは組付けが容易になり、それらのイオン除去ユニット２４，２６の交換が簡単になる。
また、第１容器２４１及び第２容器２６２の内部は、区画用メッシュフィルタ２４７によって周方向に仕切られているため、第１、第２容器２４１，２６２の内部でイオン交換樹脂２４８，２６８が周方向に移動し難くなり、振動等でイオン交換樹脂２４８，２６８が周方向の一部分に偏って配置されるような不具合が生じない。
さらに、流体の気液分離を行う過程でその流体のイオン除去を行えるため、気液分離器とイオン除去装置とを個別に設ける必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。さらに、ミスト状の流体のイオン除去も可能になる。
【００３０】
＜変更例＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、第１イオン除去ユニット２４で陰イオンを除去し、第２イオン除去ユニット２６で陽イオンを除去する例を示したが、第１イオン除去ユニット２４で陽イオンを除去し、第２イオン除去ユニット２６で陰イオンを除去する構成でも可能である。
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とを上下に配置し、流体を上から下に流す例を示したが、流体を旋回させながら流す場合には第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６と円周方向に交互に配置することも可能である。
また、第２イオン除去ユニット２６の第２容器２６２と管体２７とを第２容器２６２の下端部で接続する例を示したが、第２容器２６２の上端部で接続することも可能である。
また、イオン除去ユニット２４，２６でイオン交換樹脂２４８，２６８を使用する例を示したが、イオン交換樹脂２４８，２６８の代わりにイオン中和剤（ＣａＣＯ3等）を使用することも可能である。
また、第１イオン除去ユニット２４と第２イオン除去ユニット２６とで異なる種類の陰イオンを除去することも可能であるし、同様に異なる種類の陽イオンを除去することも可能である。
さらに、本実施形態では、燃料電池１０のアノード電極１４側から排出される流体を受ける構成のイオン除去装置２０について説明したが、そのイオン除去装置２０でカソード電極１６側から排出される流体を受けるようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態１に係るイオン除去装置の縦断面図（Ａ図）及びＡ図のＢ部拡大図（Ｂ図）である。
【図２】イオン除去装置で使用されるイオン除去ユニットの平面図（Ａ図）及び縦断面図（Ｂ図）である。
【図３】燃料電池システムの模式図である。
【図４】従来のイオン除去装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
２２ ハウジング
Ｅ 入口
Ｈ 排気口
Ｄ 排液口
２４ 第１イオン除去ユニット
２６ 第２イオン除去ユニット
２７ 管体
２４１ 第１容器
２４３ 入口開口
２４５ 出口開口
２４４ メッシュフィルタ（網状シート）
２４７ 区画用メッシュフィルタ（網状シート）
２６２ 第２容器
２６５ 入口開口
２６３ 出口開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流入する入口、前記流体の液体成分が排出される排液口、及び前記流体の気体成分が排出される排気口を備えるハウジングと、
前記ハウジングの入口から流入した流体のみが通過できるように、そのハウジング内に収納されており、前記流体中の所定のイオンを除去する第１のイオン除去ユニットと、
前記第１のイオン除去ユニットを通過した流体のみが通過できるように、前記ハウジング内に収納されており、前記流体中の別種類のイオンを除去する第２のイオン除去ユニットとを有しており、
前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の液体成分が前記排液口から排出され、前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の気体成分が前記排気口から排出される構成であることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたイオン除去装置であって、
イオン除去ユニットは、
流体用の入口開口と出口開口とを備える容器と、
前記容器内に充填された粒状のイオン交換樹脂と、
を有していることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたイオン除去装置であって、
容器の入口開口及び出口開口は、イオン交換樹脂の寸法よりも大きな寸法で形成されており、前記イオン交換樹脂の寸法よりも目が細かい網状シートにより覆われていることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載されたイオン除去装置であって、
第１のイオン除去ユニットの容器である第１容器は、中央に貫通孔を備える環状に形成されており、
第２のイオン除去ユニットの容器である第２容器は、同じく中央に貫通孔を備える環状に形成された容器本体と、その容器本体の一端から前記貫通孔と同軸の状態で軸方向に突出する管体とを有しており、
第１容器の貫通孔に第２容器の管体が下方から通されることで、前記第１容器と第２容器とが上下同軸に配置されて、前記第１容器の下端部の出口開口と前記第２容器の上端部の入口開口とが接続される構成であることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたイオン除去装置であって、
第１容器及び第２容器の内部空間は、網状シートによって周方向に仕切られていることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項１】
流体が流入する入口、前記流体の液体成分が排出される排液口、及び前記流体の気体成分が排出される排気口を備えるハウジングと、
前記ハウジングの入口から流入した流体のみが通過できるように、そのハウジング内に収納されており、前記流体中の所定のイオンを除去する第１のイオン除去ユニットと、
前記第１のイオン除去ユニットを通過した流体のみが通過できるように、前記ハウジング内に収納されており、前記流体中の別種類のイオンを除去する第２のイオン除去ユニットとを有しており、
前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の液体成分が前記排液口から排出され、前記第２のイオン除去ユニットを通過した流体の気体成分が前記排気口から排出される構成であることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたイオン除去装置であって、
イオン除去ユニットは、
流体用の入口開口と出口開口とを備える容器と、
前記容器内に充填された粒状のイオン交換樹脂と、
を有していることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたイオン除去装置であって、
容器の入口開口及び出口開口は、イオン交換樹脂の寸法よりも大きな寸法で形成されており、前記イオン交換樹脂の寸法よりも目が細かい網状シートにより覆われていることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載されたイオン除去装置であって、
第１のイオン除去ユニットの容器である第１容器は、中央に貫通孔を備える環状に形成されており、
第２のイオン除去ユニットの容器である第２容器は、同じく中央に貫通孔を備える環状に形成された容器本体と、その容器本体の一端から前記貫通孔と同軸の状態で軸方向に突出する管体とを有しており、
第１容器の貫通孔に第２容器の管体が下方から通されることで、前記第１容器と第２容器とが上下同軸に配置されて、前記第１容器の下端部の出口開口と前記第２容器の上端部の入口開口とが接続される構成であることを特徴とするイオン除去装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたイオン除去装置であって、
第１容器及び第２容器の内部空間は、網状シートによって周方向に仕切られていることを特徴とするイオン除去装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−３４６５８１（Ｐ２００６−３４６５８１Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７６２８９（Ｐ２００５−１７６２８９）
【出願日】平成１７年６月１６日（２００５．６．１６）
【出願人】（０００２４１５００）トヨタ紡織株式会社 (2,945)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２８日（２００６．１２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１６日（２００５．６．１６）
【出願人】（０００２４１５００）トヨタ紡織株式会社 (2,945)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]