JP2003109642A - 水処理装置 - Google Patents

水処理装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池用水処理装置における電気脱イオン
装置への電力供給効率を高めると共に、設備費の低減、
設備規模の小型化を図る。 【解決手段】 燃料電池セルスタック３０から発生する
直流電圧を直流／交流変換することなく電気脱イオン装
置３４に印加する水処理装置４０。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電気脱イオン装置を
備える水処理装置に係り、特に、燃料電池用水処理装置
における電気脱イオン装置への電力供給方式の改善に関
する。
【０００２】
【従来の技術】リン酸型、固体高分子型等の燃料電池
は、環境汚染の問題が少なく、エネルギー変換効率が高
いことから、近年、その開発が盛んに行われている。
【０００３】図２は従来のリン酸塩型燃料電池１の一般
的な構成を示す系統図であって、電解質２を介して燃料
極３及び空気極４が設けられたセル５と、このセル５を
冷却する冷却部６が燃料電池本体７内に配置されてい
る。
【０００４】天然ガス等の燃料は、配管１０から導入さ
れ、改質器１１で配管１２からの水蒸気で水素を主体と
するガスに改質される。この改質器１１には、配管１
３，１３Ａから燃焼用空気が導入されると共に、配管１
４から燃料極３の未反応燃料（水素を主体とする燃料極
排ガス）が導入され、改質反応の熱源となる。改質ガス
は、更に変成器１５で一酸化炭素成分が変成された後、
配管１６より燃料極３に導入される。改質器１１の燃焼
排ガスは、配管１７，１８より凝縮器１９に送給され
る。
【０００５】一方、空気極４には、配管１３，１３Ｂを
経て空気が導入され、この空気により燃料極３に導入さ
れた改質ガスが電気化学的反応により酸化され、発電が
行われる。空気極４の排ガスは配管２０，１８より凝縮
器１９に送給される。
【０００６】凝縮器１９で分離された凝縮水は、配管２
１より水処理装置２２に送給され、排ガスは配管１９Ａ
より系外へ排出される。
【０００７】改質器１１で燃料の改質に用いられる水蒸
気は、水蒸気分離器２３から、配管１２を経て送給され
る。
【０００８】また、前記冷却部６には、冷却水として、
水蒸気分離器２３からの分離水が、配管２４を経て送給
され、冷却部６で加熱された冷却排水は、配管２７より
水蒸気分離器２３に戻されるようになっており、これら
で電池本体冷却水系を構成している。この電池本体冷却
水系には、必要に応じ補給水としての水処理装置２２の
処理水が、配管２５を経て送給される。
【０００９】なお、水処理装置２２には、電池本体冷却
水系からのブローダウン水が、熱交換器２８を備える配
管２９より導入されて処理される。
【００１０】このようなリン酸塩型燃料電池において、
凝縮器１９で得られる凝縮水中には改質器１１及び変成
器１５で生成する炭酸等の不純物が含まれている。ま
た、水蒸気分離器２３からのブローダウン水中にも、系
内の不純物が含まれる。
【００１１】一方、燃料電池１の冷却部６に供給される
冷却水は、電池本体冷却水系の絶縁及び防食の面から、
低電気伝導率であることが必要とされる。このため、凝
縮器１９からの排ガス凝縮水及び電池本体冷却水系から
のブローダウン水が回収され、この回収水を処理して電
池本体冷却水系に補給する水処理装置２２では、回収水
中の不純物等を除去すると共に、含有されるイオン成分
等を十分に低濃度に除去することが要求される。
【００１２】従来、燃料電池の水処理装置２２では、回
収水を、まず、メッシュストレーナーで処理して含有さ
れる系内不純物を除去した後、有機物除去の目的で活性
炭塔に通水し、最終的にイオン交換樹脂でイオン類を除
去して処理を行っているが、このイオン類の除去に、近
年、電気脱イオン装置が適用されるようになっていきて
いる。
【００１３】電気脱イオン装置は、アニオン交換膜とカ
チオン交換膜とが複数枚交互に配設され、アニオン交換
膜と隣接するカチオン交換膜との間が濃縮室、このカチ
オン交換膜と隣接するアニオン交換膜との間が希釈室、
このアニオン交換膜と隣接するカチオン交換膜との間が
濃縮室というように、希釈室と濃縮室とが交互に形成さ
れている。そして、希釈室内には、カチオン交換樹脂と
アニオン交換樹脂との混床樹脂が充填されており、希釈
室に流入したイオンはその親和力、濃度及びイオン強度
に基いてイオン交換樹脂と反応し、電位の傾きの方向に
樹脂中を移動し、更に膜を横切って移動し、すべての室
において電荷の中和が保たれる。そして、膜のイオン選
択的透過特性のため、及び電位の傾きの方向性のため
に、イオンは希釈室では減少し、隣りの濃縮室では濃縮
される。即ち、カチオンはカチオン交換膜を透過して、
また、アニオンはアニオン交換膜を透過して、それぞれ
濃縮室内に濃縮される。このため、希釈室から脱イオン
水が回収される。このような電気脱イオン装置は、イオ
ン交換樹脂のように再生を必要とせず、完全な連続採水
が可能で、極めて高純度の水が得られるという優れた効
果を奏する。導電性を良くするために、濃縮室内に希釈
室と同様に混床樹脂を充填することも可能である。
【００１４】ところで、燃料電池を電源として使用する
場合、図３に示す如く、燃料電池セルスタック３０から
の直流電流をインバーター３１で交流電流に変換した
後、使用場所３２に送給する。このため、従来、燃料電
池の水処理装置として電気脱イオン装置を採用する場
合、インバーター３１で交流に変換された電流を電圧交
換器を備える直流電源装置３３で直流に変換して電気脱
イオン装置３４に印加している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ように燃料電池セルスタック３０で発生した直流電流を
交流に変換し、これを再び直流に変換して電気脱イオン
装置３４に印加する従来の方法では、直流／交流変換時
の電力のロスが生じ、効率が悪い。しかも、直流電源装
置３３を必要とし、そのため、設備規模、装置設置スペ
ース、初期設備投資金額の面で難があった。
【００１６】本発明は、このように燃料電池の水処理装
置として電気脱イオン装置を適用する場合の直流／交流
変換による電力のロスや直流電源装置を設置することに
よる不具合を解消する水処理装置を提供することを目的
とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の水処理装置は、
電気脱イオン装置を備えた水処理装置において、該電気
脱イオン装置の電源が燃料電池セルスタックから発生す
る電力であって、該電力が直流電圧を直流／交流変換す
ることなく、前記電気脱イオン装置に印加されるように
したことを特徴とする。
【００１８】本発明においては、燃料電池セルスタック
から発生する電力を直流／交流変換することなく、電気
脱イオン装置に印加するため、直流電源装置は不要であ
り、また、直流／交流変換時の電力のロスも生じない。
【００１９】本発明の水処理装置は、特に、燃料電池か
らの発生水や燃料電池設備における利用水を処理する水
処理装置として好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の水
処理装置を詳細に説明する。
【００２１】図１は本発明の水処理装置の実施の形態を
示す燃料電池用水処理装置の構成図である。
【００２２】本発明の水処理装置では、燃料電池セルス
タックから発生する電力を直流／交流変換することな
く、電気脱イオン装置に印加するが、燃料電池で発生し
た直流電圧は、そのままでは電気脱イオン装置に印加す
るには高すぎることが多いため、次のようにして電圧を
調整して印加するのが好ましい。
【００２３】 図１（ａ）に示す如く、燃料電池セル
スタック３０からの直流電圧をインバーター３１で直流
／交流変換する前に取り出し、電圧変換器３５で降圧し
て水処理装置４０の電気脱イオン装置３４に印加する。
図１（ｂ）に示す如く、燃料電池セルスタック３０
からの直流電圧を取り出すに当たり、切替器３６を用い
て、電気脱イオン装置３４で必要とする直流電圧値に応
じた電圧を供給できる燃料電池単セル数を選択し、その
積層体から水処理装置４０の電気脱イオン装置３４に電
力を供給する。
【００２４】即ち、切替器３６は、図４に示す如く、電
力を取り出す燃料電池単セル３０ａの数を選択して切り
替えるためのものであり、例えば、電気脱イオン装置３
４で必要とする電圧が４０Ｖであり、燃料電池セルスタ
ック３０の１つの単セル３０ａで発生する電圧が０．５
Ｖであれば、８０セル積層体から電圧を印加すれば良い
（０．５×８０＝４０Ｖ）。また、電気脱イオン装置３
４で必要な電圧が６０Ｖであれば、１２０セル積層体か
ら電圧を印加すれば良い（０．５×１２０＝６０Ｖ）。
【００２５】電圧変換器３５も切替器３６も、従来の直
流電源装置に比べて非常に安価でコンパクトであること
から、燃料電池及び水処理装置全体の設備費及び設備規
模の低減を図ることができる。また、直流／交流変換
後、交流／直流変換することによる電力のロスの問題も
全くなく、電気脱イオン装置への電力供給効率も良好で
ある。
【００２６】本発明の水処理装置は、電気脱イオン装置
の電力供給を燃料電池セルスタックで行うものであれば
良く、その適用対象には特に制限はないが、本発明の水
処理装置は、燃料電池からの発生水や燃料電池設備にお
ける利用水、即ち、燃料電池の空気極において酸素と水
素が反応して発生する水や、燃料電池セルスタックの冷
却水、改質器へ供給される水蒸気用の水を処理するため
の水処理装置として好適である。
【００２７】
【実施例】以下に２００ｋＷ出力のリン酸塩型燃料電池
に本発明の水処理装置を適用した場合と、従来装置との
比較結果を示す。用いた電気脱イオン装置の必要電力は
概ね直流で６０Ｖ×０．１Ａである。
【００２８】図３に示す如く、直流電源装置で変換して
電気脱イオン装置に電力を供給する従来装置において、
燃料電池セルから電気脱イオン装置に供給した電力は表
１に示す通りであり、また、直流電源装置の寸法は表１
に示す通りであった。
【００２９】これに対して、図１（ａ），（ｂ）に示す
如く、燃料電池セルの電力を変換することなく、電圧変
換器又は切替器で電圧調整して電気脱イオン装置に電力
供給した場合の燃料電池セルからの供給電力及び必要と
される機器の寸法は表１に示す通りであった。
【００３０】
【表１】
【００３１】表１より明らかなように、直流／交流変換
することなく電気脱イオン装置に電力を供給する場合
は、当該電気脱イオン装置の設計電力とほぼ同等である
のに対して、直流／交流変換した場合には、電気脱イオ
ン装置の設計電力よりも若干多い電力が必要となる。
【００３２】また、電気脱イオン装置への電力供給に必
要な機器も、電圧変換器又は切替器であれば、直流電源
装置に比べて非常にコンパクトであり、設備全体を大幅
に小型化することができる。
【００３３】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の水処理装置
によれば、燃料電池セルスタックから発生する電力を直
流／交流変換することなく、電気脱イオン装置に印加す
るため、直流電源装置は不要であり、また、直流／交流
変換時の電力のロスも生じない。
【００３４】このため、燃料電池用水処理装置における
電気脱イオン装置への電力供給効率を高めると共に、設
備費の低減、設備規模の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す燃料電池用水処理装
置の構成図である。
【図２】リン酸塩型燃料電池の一般的な構成を示す系統
図である。
【図３】従来の燃料電池用水処理装置の構成図である。
【図４】燃料電池セルスタックの切替器を示す構成図で
ある。
【符号の説明】
１ 燃料電池 ２ 電解質 ３ 燃料極 ４ 空気極 ６ 冷却部 １１ 改質器 １５ 変成器 １９ 凝縮器 ２２ 水処理装置 ２３ 水蒸気分離器 ３０ 燃料電池セルスタック ３１ インバーター ３２ 使用場所 ３３ 直流電源装置 ３４ 電気脱イオン装置 ３５ 電圧変換器 ３６ 切替器 ４０ 水処理装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気脱イオン装置を備えた水処理装置に
    おいて、該電気脱イオン装置の電源が燃料電池セルスタ
    ックから発生する電力であって、該電力が直流電圧を直
    流／交流変換することなく、前記電気脱イオン装置に印
    加されるようにしたことを特徴とする水処理装置。
  2. 【請求項２】 請求項１の水処理装置が、燃料電池から
    の発生水及び燃料電池設備における利用水のいずれかを
    処理するための水処理装置であることを特徴とする水処
    理装置。
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