JP2004281075A

JP2004281075A - 固体高分子形燃料電池用水処理装置

Info

Publication number: JP2004281075A
Application number: JP2003066897A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Aragai; 秀利新飼; Yoshiteru Misumi; 好輝三角; Hiroyuki Ikeda; 宏之池田
Original assignee: Saibu Gas Co Ltd; Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Saibu Gas Co Ltd; Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: JP4655451B2

Abstract

【課題】固体高分子形燃料電池における排ガスを排ガス凝縮器に供給し、生成した回収水を純水装置に通水し、得られた純水を再度燃料電池の用水として使用する固体高分子形燃料電池用水処理装置において、家庭用としても好適な小型化、省スペース化、コスト低減が可能な固体高分子形燃料電池用水処理装置を提供する。
【解決手段】排ガス凝縮器５０から純水装置４０の間に、回収水を脱炭酸処理するスイープ式膜脱気装置１０を設ける。また空気極２３（又は改質器３０）への送気ブロワ２３Ｂからの空気を一部分流して、膜脱気装置１０の通気部に給気することにより、スイープ空気用ブロワを省略する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子形燃料電池における排ガスを排ガス凝縮器に供給し、生成した凝縮水を純水装置に通水し、得られた純水を再度燃料電池の用水として使用する固体高分子形燃料電池用水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池には各種のものが提供されているが、このうち、りん酸形燃料電池は装置本体そのものが大きく、家庭用としては不向きである。これに対して、近年、装置本体を小型化できる固体高分子形燃料電池が家庭用として注目されてきている。
【０００３】
図４は、固体高分子形燃料電池装置の一般的な構成を示す系統図であって、電解質２１を介して燃料極２２及び空気極２３が設けられたセル２４と、このセル２４を冷却する冷却部２５が燃料電池本体２０内に配置されている。
【０００４】
天然ガス等の燃料は、改質器３０に導入され、後述の純水装置４０からの循環水で水素を主体とするガスに改質される。この改質器３０には、燃焼用空気が導入されると共に、燃料極２２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、更に図示しない変成器で一酸化炭素成分が変成された後、燃料極２２に導入される。改質器３０の燃焼排ガスは、排ガス凝縮器５０に送給される。
【０００５】
一方、空気極２３にはブロワ２３Ｂから空気が導入され、この空気により燃料極２２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２３の排ガスは排ガス凝縮器５０に送給される。なお、燃料極排ガスもこの凝縮器５０に送給される場合もある。
【０００６】
排ガス凝縮器５０で分離された凝縮水（以下「回収水」）は、回収水タンク６０を経てポンプ６０Ｐにより純水装置４０に送給され、純水になった水は電池冷却水タンク６１に送給される。また排ガスは系外へ排出される。
【０００７】
電池冷却水タンク６１内の水の一部は冷却水として燃料電池本体２０の冷却部２５に導入される。タンク６１内冷却水は、冷却部２５と電池冷却水タンク６１との間に形成される冷却水循環系を循環する他、一部は加湿水として燃料電池本体２０の空気極２３に送給され、残部は改質用水として改質器３０に送給される。
【０００８】
なお、回収水タンク６０又は純水装置４０には、必要に応じて補給水として市水が導入される。
【０００９】
固体高分子形燃料電池では、このように電気化学的反応によって電力を取り出した際に、水が発生する。また、改質器での燃料極排ガスの燃焼によっても水が生成し、燃焼排ガス中に水蒸気として含まれている。改質に使用する水を確保するために、これらの水蒸気を凝縮させて回収し、これを再利用している。
【００１０】
この回収水には炭酸ガス、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ等が溶存しているため、再利用に当っては、これらを純水装置によって除去している。また、回収水の水量は、外気温によって変化するため、回収水が不足する場合、市水等で水を補給しているが、補給水の市水についても溶存イオンや炭酸ガス等を除去することが必要となる。
【００１１】
このため、純水装置４０で凝縮水と補給水としての市水とを処理している。この純水装置４０としては、イオン交換樹脂によるイオン交換法により純水を製造する装置が用いられている。
【００１２】
従来、純水装置への負荷を削減して、イオン交換樹脂の使用量、再生頻度を低減する目的で、純水装置の上流側に脱炭酸塔を設置し、回収水中の炭酸成分を除去している（特開平９−１６１８３３号公報）。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−１６１８３３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池、特に、一般家庭に設置される固体高分子形燃料電池装置にあっては、装置全体が小型かつ簡素で、運転操作も簡便であることが望まれる。しかし、一般に使用されている脱炭酸塔では、十分な脱炭酸効率を得ることができず、後段の純水装置に対して、大きな陰イオン負荷を与えている。また、脱炭酸塔は小型化すると、脱炭酸性能が低下することから、燃料電池装置の小型化を阻害する要因となっている。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決し、固体高分子形燃料電池における排ガスを排ガス凝縮器に供給し、生成した凝縮水を純水装置に通水し、得られた純水を再度燃料電池の用水として使用するための固体高分子形燃料電池用水処理装置であって、家庭用としても好適な小型化、省スペース化、コスト低減が可能な固体高分子形燃料電池用水処理装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の固体高分子形燃料電池装置は、固体高分子形燃料電池における排ガスを排ガス凝縮器に供給し、生成した凝縮水（以下、回収水）を純水装置に通水し、得られた純水を再度燃料電池の用水として使用する固体高分子形燃料電池用水処理装置において、透過膜の一方の側に通水部を有し、他方の側に通気部を有する膜脱気部本体と、該通水部に回収水を供給する流入管と、該通水部から脱気処理水を排出する流出管と、該通気部に気体を供給する給気管と、該通気部から気体を排出する排気管とを有するスイープ式膜脱気装置を、前記排ガス凝縮器から純水装置までの間に設置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項２の固体高分子形燃料電池用水処理装置は、請求項１において、スイープ式膜脱気装置の通気部に、燃料電池装置内に設けられた空気極又は改質器へ送気ブロワにより送気される空気の一部を分流して給気する手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の固体高分子形燃料電池用水処理装置は、請求項１又は２において、前記スイープ式膜脱気装置を、通水部に回収水が水頭差により通水されるように、排ガス凝縮器よりも低位に配置したことを特徴とする。
【００１９】
請求項４の固体高分子形燃料電池用水処理装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、排ガス凝縮器から純水装置までの間に設置するスイープ式膜脱気装置を、排ガス凝縮器からの回収水を受けるために設置された回収水タンクの前流に設置したことを特徴とする。
【００２０】
請求項５の固体高分子形燃料電池用水処理装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、排ガス凝縮器から純水装置までの間に設置するスイープ式膜脱気装置を、排ガス凝縮器からの回収水を受けるために設置された回収水タンクの後流に設置すると共に、脱気処理水の一部を回収水タンクに返送させる配管を設けたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の固体高分子形燃料電池用水処理装置では、燃料電池の回収水をスイープ式膜脱気装置で脱炭酸処理することにより純水装置の負荷を軽減することができる。この膜脱気装置であれば、脱炭酸塔のような大型な装置を必要とすることなく、小型の装置で効率的な脱炭酸処理を行える。
【００２２】
また、スイープ式膜脱気装置を採用したので、通常の膜脱気装置で必要な減圧装置が不要となり、小型化、騒音低減に好都合である。
【００２３】
請求項２の装置では、膜脱気装置のスイープ空気用のブロワを省略することができる。即ち、燃料電池では空気極へ酸素源として空気を送給する必要があり、また、改質器にも燃料用空気を送るため、各々送気用ブロワが設けられている。このブロワの排気側に枝管を分岐し、膜脱気装置の通気部への給気管と連絡させることにより、膜脱気装置にスイープ空気としての空気を送ることができる。スイープ空気の送給量は、この枝管に設けた弁の開度で調整することができる。
【００２４】
請求項３の装置では、スイープ式膜脱気装置に水頭差を利用して回収水を給水するため、この給水のためのポンプを省略することができる。この給水のための水頭差は、凝縮器内の下部に溜まった凝縮水の水位、あるいは、凝縮器から排出された凝縮水を一旦受ける受槽がある場合にはこの受槽の水位より、膜脱気装置の処理水流出管の最高部が低位置になるように膜脱気装置を配置することにより、容易に得ることができる。
【００２５】
請求項４、請求項５の装置では、排ガス凝縮器からの回収水が回収水タンクに一旦受けられるが、回収水は回収水タンクの前流（上流）側に設置した膜脱気装置を経て脱気水として回収水タンクに供給されるので、あるいは、回収水タンクの後流（下流）側に設置した膜脱気装置の脱気水の一部が回収水タンクに供給されるので、回収水タンクの回収水は炭酸が除去された水となり、ｐＨが上昇している。回収水タンクの水は、例えば余剰となった場合など必要により排水するが、ｐＨが上昇しているので、中和剤を添加することなく系外に排出することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の固体高分子形燃料電池用水処理装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１，２，３は本発明の固体高分子形燃料電池用水処理装置の実施形態を示す系統図である。図１，２，３において、図４に示す部材と同一機能を有する部材には、同一符号を付してある。
【００２８】
図１は、タンク前流設置方式であり、固体高分子形燃料電池装置の排ガス凝縮器５０からの回収水を、配管５１を通して膜脱気装置１０に導入している。
【００２９】
本発明において膜脱気装置１０は、膜脱気部本体内部が透過膜により通水部と通気部とに仕切られ、通水部に回収水を通水すると共に、通気部に気体を通気して、通水部の回収水中の気体を透過膜を透過させて通気部に拡散させることにより脱気するスイープ式膜脱気装置である。
【００３０】
膜脱気装置１０では、燃料電池装置内に設けられた空気極２３又は改質器３０へ送気ブロワ２３により送気される空気を、配管１３を通して導入し、脱炭酸処理を行った回収水を、配管５２を通して回収水タンク６０に回収している。通気部に導入された空気は配管１４より排気される。このように脱炭酸処理されて回収された水は、ｐＨが向上し、回収水タンク６０内の回収水が過剰となった際に、オーバーフロー配管１５を通して排水する。
【００３１】
図２はタンク後流設置方式であり、固体高分子形燃料電池装置の排ガス凝縮器５０からの回収水を、配管５１を通して回収水タンク６０に回収している。
【００３２】
タンクからポンプ６０Ｐによって、送水された回収水は、流入管１１を通して、膜脱気装置１０に導入される。膜脱気装置１０では、給気管１３を通して導入された空気により、脱炭酸処理され、流出管１２を通して純水装置４０に供給される。
【００３３】
図３は、図２で脱炭酸処理する際に、回収水が過剰となり、排水される場合、回収水タンク６０内の回収水のｐＨが低く、排水基準への適合が必要となる際、配管１６を通して、膜脱気水の一部を回収水タンク６０にリターンさせ、タンク内のｐＨを向上させる方法を示している。
【００３４】
また、図１において、水頭差を利用して凝縮水を膜脱気装置１０に通水するためには、凝縮器５０内の下部に溜った凝縮水の水位よりも、膜脱気装置１０の脱気処理水流出配管５２の最高位置が低位であれば良い。このため、膜脱気装置１０は、凝縮器５０の直下或いはその近傍の低位置に設置されることが好ましい。
【００３５】
なお、膜脱気装置１０への凝縮水の通水のための水頭差ΔＨは、用いる膜脱気装置１０の仕様によっても異なるが、一般的には、５〜４０ｃｍ程度、例えば１０ｃｍ程度の水頭差があれば十分である。
【００３６】
このように、凝縮水を膜脱気装置１０で脱気処理することにより、純水装置４０の負荷を軽減することができる。従って、この膜脱気装置１０への凝縮水の通水を、水頭差を利用して行うことにより、膜脱気装置１０の給水ポンプが不要となる。
【００３７】
また、スイープ空気用空気を空気極２３への送気用ブロワ２３Ｂから分流して給気することにより、給気ブロワも不要となる。このため、膜脱気装置１０の付帯設備が大幅に削減され、装置全体の小型化、省スペース化、低コスト化を図ることができる。
【００３８】
この膜脱気装置１０の脱気処理水は、回収水タンク６０を経て純水装置４０で処理された後、電池冷却水タンク６１に一旦貯留され、従来と同様、燃料電池本体２０の冷却部２５の冷却水として、また、空気極２３の加湿水として、更には改質器３０の改質用水として利用される。
【００３９】
この純水装置４０の構成としては特に制限はなく、一般的には、イオン交換装置や電気脱塩装置等を備えるものが用いられるが、いずれの場合においても、膜脱気装置１０での脱気処理により純水装置４０の負荷が軽減され、長期に亘り良好な処理水を安定に得ることができる。
【００４０】
なお、図１，２，３に示す固体高分子形燃料電池用水処理装置は、本発明の固体高分子形燃料電池装置の実施形態の一例を示すものであって、本発明はその要旨を超えない限り、何ら図示のものに限定されるものではない。
【００４１】
図１では燃料電池本体２０の空気極２３への送気用ブロワ２３Ｂの排気側から空気を分流して膜脱気装置１０の通気部に給気しているが、前述の如く、燃料電池装置には、改質器３０に燃焼用空気を導入するための送気用ブロワ（図示せず）が設けられているため、この改質器３０への送気用ブロワの排気側から空気を分流して膜脱気装置の通気部に給気しても良い。
【００４２】
また、図１では、凝縮器５０からの回収水を直接膜脱気装置１０に通水して脱気処理しているが、凝縮器からの回収水を一旦受槽で受けた後、膜脱気装置に通水して脱気処理することもできる。この場合には、この受槽の水位よりも、膜脱気装置の脱気処理水排出配管の最高部が低位置となるように配置すればよい。
【００４３】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４４】
実施例１
炭酸ガス濃度１５０ｍｇ／Ｌの、固体高分子形燃料電池の排ガス凝縮水を原水として、１．２Ｌ／ｈの流量で、径０．７５インチ×長さ５インチ（１２２．５ｍｍ）の脱気膜を備えるスイープ式膜脱気装置に通水し、スイープ空気の流入空気量を７．２Ｌ／ｈにして脱気処理を行ったところ、得られた脱気処理水の炭酸ガス濃度は６ｍｇ／Ｌであった。
【００４５】
この膜脱気装置の脱気処理水流出配管の最高位置が燃料電池の凝縮器の水位に対して１５ｃｍ下方に位置するように、ΔＨ＝１０ｃｍの水頭差を設けて設置したところ、ポンプでの加圧を必要とすることなく凝縮器からの凝縮水の通水を行うことができた。また、燃料電池本体の空気極への送気ブロワの許容送気量は４０００Ｌ／ｈであり、一方で空気極で必要とされる空気量は３２８０Ｌ／ｈであるため、脱気のための膜脱気装置への７．２Ｌ／ｈの給気は、何ら支障なく行うことができた。
【００４６】
このように水頭差を利用して凝縮器の凝縮水を膜脱気装置に給水すると共に、空気極への送気用ブロワから空気を分流して給気を行って膜脱気処理を行ったところ、炭酸ガス濃度１５０ｍｇ／Ｌの凝縮水を安定に膜脱気処理して、炭酸ガス濃度１〜６ｍｇ／Ｌの脱気処理水を得ることができた。
【００４７】
比較例１
炭酸ガス濃度１５０ｍｇ／Ｌの、固体高分子形燃料電池の排ガス凝縮水を原水として、直胴部長さ１９０ｍｍの脱炭酸塔で、流入空気量１０５０Ｌ／ｈ、原水流量１．２Ｌ／ｈで処理したところ、処理水炭酸ガス濃度は２５ｍｇ／Ｌであった。また、その流入空気量を８００Ｌ／ｈに落とした場合、処理水炭酸ガス濃度は５０ｍｇ／Ｌであった。また、燃料電池本体の空気極送気用ブロワで許容される空気量４０００Ｌ／ｈで、１．２Ｌ／ｈの原水量で処理したところ炭酸ガス濃度が１０ｍｇ／Ｌとなった。直胴部の長さは８００ｍｍの脱炭酸塔により必要であり、燃料電池装置が大型化することが確認された。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の固体高分子形燃料電池用水処理装置によれば、燃料電池の排ガス凝縮器からの回収水に含まれる炭酸ガス濃度を、９５％程度低減することが可能であり、後段に設けられた純水装置の負荷を大幅に軽減することが可能である。
【００４９】
また、脱炭酸処理に必要な空気を、燃料電池装置内に設けられた空気極又は改質器への送気ブロワから供給することにより、専用の給気ブロワを省略することができ、装置の小型化、省スペース化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において、スイープ式膜脱気装置を、回収水タンクの前流に設置するタンク前流設置方式を採用した固体高分子形燃料電池用水処理装置の実施形態を示す系統図である。
【図２】本発明において、スイープ式膜脱気装置を、回収水タンクの後流に設置するタンク後流設置方式を採用した固体高分子形燃料電池用水処理装置の実施形態を示す系統図である。
【図３】スイープ式膜脱気装置を、回収水タンクの後流に設置するタンク後流設置方式を採用した固体高分子形燃料電池用水処理装置において、タンク内回収水のｐＨ向上を目的にリターンラインを付加した系統図である。
【図４】固体高分子形燃料電池装置の一般的な構成を示す系統図である。
【符号の説明】
１０膜脱気装置
１１膜脱気装置流入管
１２膜脱気装置流出管
１３膜脱気装置入スイープ空気給気管
１４膜脱気装置出スイープ空気排気管
１５回収水タンクオーバーフロー配管
１６脱気処理水リターン配管
２０燃料電池本体
２１電解質
２２燃料極
２３空気極
２３Ｂ空気極ブロワ
２４セル
２５冷却部
３０改質器
４０純水装置
５０排ガス凝縮器
５１排ガス凝縮器出回収水配管
５２回収水タンク入回収水配管（脱気処理水洗出配管）
６０回収水タンク
６０Ｐ送水ポンプ
６１電池冷却水タンク

Claims

固体高分子形燃料電池における排ガスを排ガス凝縮器に供給し、生成した凝縮水（以下、回収水）を純水装置に通水し、得られた純水を再度燃料電池の用水として使用する固体高分子形燃料電池用水処理装置において、
透過膜の一方の側に通水部を有し、他方の側に通気部を有する膜脱気部本体と、該通水部に回収水を供給する流入管と、該通水部から脱気処理水を排出する流出管と、該通気部に気体を供給する給気管と、該通気部から気体を排出する排気管とを有するスイープ式膜脱気装置を、前記排ガス凝縮器から純水装置までの間に設置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池用水処理装置。
請求項１において、前記スイープ式膜脱気装置の通気部に、燃料電池装置内に設けられた空気極又は改質器へ送気ブロワにより送気される空気の一部を分流して給気する手段を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池用水処理装置。
請求項１又は２において、前記スイープ式膜脱気装置を、前記通水部に回収水が水頭差により通水されるように、前記排ガス凝縮器よりも低位に配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池用水処理装置。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記排ガス凝縮器から純水装置までの間に設置するスイープ式膜脱気装置を、該排ガス凝縮器からの回収水を受けるために設置された回収水タンクの前流に設置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池用水処理装置。
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記排ガス凝縮器から純水装置までの間に設置するスイープ式膜脱気装置を、該排ガス凝縮器からの回収水を受けるために設置された回収水タンクの後流に設置すると共に、脱気処理水の一部を該回収水タンクに返送させる配管を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池用水処理装置。