JP2005116184A - Water treatment device for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池からの回収水などの原水を電気脱イオン装置によって処理して燃料電池システムに供給するための燃料電池用水処理装置に関するものである。 The present invention relates to a water treatment device for a fuel cell for treating raw water such as recovered water from a fuel cell with an electrodeionization device and supplying it to a fuel cell system.
燃料電池から排出される凝縮水などの水を回収して処理し、燃料改質装置(水蒸気改質装置)の水源等として利用するために、この回収水を電気脱イオン装置で処理することが特開平9−161833号公報、特開2001−232394号公報等に記載されている。この燃料電池からの排ガスには、電気化学的に発生した水蒸気と炭酸ガスが含まれており、この排ガスを冷却し、気液分離して得られる凝縮水にも炭酸成分が含まれている。従って、この凝縮水をそのまま処理すると、この炭酸ガスもイオン交換樹脂の負荷となり、イオン交換樹脂の交換頻度を増大する原因となる。また、炭酸イオンは電気脱イオン装置では除去しにくいことがある。そのため、上記各公報の装置では、回収水を脱炭酸処理した後、電気脱イオン装置で処理している。 In order to recover and treat water such as condensed water discharged from the fuel cell and use it as a water source for a fuel reformer (steam reformer), the recovered water can be treated with an electrodeionization device. It is described in JP-A-9-161833, JP-A-2001-232394, and the like. The exhaust gas from the fuel cell contains electrochemically generated water vapor and carbon dioxide, and the condensed water obtained by cooling the exhaust gas and performing gas-liquid separation also contains a carbonic acid component. Therefore, if this condensed water is treated as it is, this carbon dioxide gas also becomes a load of the ion exchange resin, which causes an increase in the exchange frequency of the ion exchange resin. In addition, carbonate ions may be difficult to remove with an electrodeionization apparatus. Therefore, in the apparatus of each of the above publications, the recovered water is treated with an electrodeionization apparatus after being decarboxylated.
前者の特開平9−161833号公報にあっては、リン酸形燃料電池の排水を脱炭酸塔及び精密濾過膜分離で処理し、次いで電気脱イオン装置で処理している。 In the former Japanese Patent Laid-Open No. 9-161833, the waste water of a phosphoric acid fuel cell is treated by a decarbonation tower and a microfiltration membrane separation, and then treated by an electrodeionization apparatus.
後者の特開2001−232394号公報にあっては、固体高分子形燃料電池の排水を空気接触式又は気体膜透過式の脱炭酸手段で脱炭酸処理した後、逆浸透処理し、次いで電気脱イオン装置で処理している。なお、この固体高分子形燃料電池にあっては、固体電解質としてフッ素系陽イオン交換膜が用いられており、燃料電池排水中には微量ながらフッ素イオンが含まれる。従って、フッ素によって電気脱イオン装置内のイオン交換体が劣化することを防止するために、燃料電池用水処理装置には電気脱イオン装置の前段にフッ素除去手段が設けられることが望ましい。
上記の特開平9−161833号公報で採用している脱炭酸塔は容積が著しく大きい塔が必要である。上記特開2001−232394号公報で採用している気体膜透過式脱炭酸装置は、コスト高である。 The decarboxylation tower employed in the above-mentioned JP-A-9-161833 requires a tower having a remarkably large volume. The gas membrane permeation type decarboxylation apparatus employed in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-232394 is expensive.
本発明は、電気脱イオン装置に流入する水から炭酸を低コストにて除去するとともに、気体に混入している濁質、微生物などを除去して、脱炭酸装置以降の目詰りを防止することができる燃料電池用水処理装置を提供することを目的とする。 The present invention removes carbonic acid from the water flowing into the electrodeionization apparatus at low cost, and removes turbidity, microorganisms, etc. mixed in the gas to prevent clogging after the decarbonation apparatus. An object of the present invention is to provide a water treatment device for a fuel cell that can be used.
本発明の燃料電池用水処理装置は、原水を脱炭酸処理する脱炭酸装置と、該脱炭酸装置からの処理水をフッ素吸着除去処理した後、金属除去処理する前処理手段と、該前処理手段からの水を脱イオン処理する電気脱イオン装置とを有する燃料電池用水処理装置であって、該脱炭酸装置は、原水中に気体を吹き込んで脱炭酸処理するものであり、該脱炭酸装置の前段に、該気体を浄化する洗気装置が設けられており、該洗気装置は、該電気脱イオン装置の排水、あるいは燃料電池から発生する余剰の凝縮水に気体を接触させて浄化するものであることを特徴とするものである。 A water treatment apparatus for a fuel cell according to the present invention includes a decarbonation apparatus that decarboxylates raw water, a pretreatment means that performs a metal adsorption treatment after treating the treated water from the decarbonation apparatus with a fluorine adsorption, and the pretreatment means. A water treatment device for a fuel cell having an electrodeionization device for deionizing water from the water, wherein the decarboxylation device blows a gas into raw water to perform a decarboxylation treatment. In the preceding stage, a gas cleaning device for purifying the gas is provided, and the gas cleaning device cleans the gas by contacting the drainage of the electrodeionization device or surplus condensed water generated from the fuel cell. It is characterized by being.
かかる燃料電池用水処理装置にあっては、燃料電池排水を脱炭酸処理、フッ素除去処理及び金属フッ素除去処理した後、電気脱イオン装置で処理することにより、高水質の処理水を生産することができる。この処理水は燃料電池用燃料改質等に好適である。この燃料電池用水処理装置にあっては、フッ素が除去されるので、電気脱イオン装置のイオン交換樹脂の劣化が防止される。 In such a water treatment device for fuel cells, it is possible to produce high-quality treated water by treating fuel cell wastewater with a decarbonation treatment, a fluorine removal treatment and a metal fluorine removal treatment, and then treating with an electrodeionization device. it can. This treated water is suitable for fuel cell fuel reforming and the like. In this fuel cell water treatment device, since fluorine is removed, deterioration of the ion exchange resin of the electrodeionization device is prevented.
この脱炭酸処理は、原水中に気体を吹き込むようにして行われるものであり、構成が簡易である。また、この脱炭酸処理に用いられる気体は、水で洗気され、空気(大気)中のダストが除塵処理されたものであるので、脱炭酸処理水を汚染しない。 This decarboxylation process is performed by blowing a gas into the raw water, and the configuration is simple. Moreover, since the gas used for this decarboxylation process is washed with water and dust in the air (atmosphere) is dedusted, the decarboxylation process water is not contaminated.
この洗気処理は、電気脱イオン装置排水と気体とを接触させるものであり、電気脱イオン装置の排水を有効活用することができる。 This air washing treatment is to bring the electrodeionization device wastewater into contact with the gas, and can effectively utilize the drainage of the electrodeionization device.
この洗気装置は、前記電気脱イオン装置の排水が導入されると共に該気体が水中に吹き込まれる中央室と、該中央室の下部に連通し、該中央室から水が移流する水流出室と、該水流出室の上部に設けられた水の溢流口と、を備えてなり、該中央室内の水面を脱した気体が前記脱炭酸装置に供給されるよう構成されていることが好ましい。 The air cleaning device includes a central chamber into which the drainage of the electrodeionization device is introduced and the gas is blown into water, a water outflow chamber that communicates with a lower portion of the central chamber, and into which water flows from the central chamber. And a water overflow port provided in the upper part of the water outflow chamber, and preferably configured so that a gas desorbed from the water surface in the central chamber is supplied to the decarboxylation device.
この洗気装置にあっては、該中央室内に該溢流口のレベルにまで水が貯溜される。このため、気体の吹き込み深さを設計通りとすることができ、十分に気体を浄化処理することができる。 In this air cleaning apparatus, water is stored in the central chamber up to the level of the overflow port. For this reason, the blowing depth of gas can be made as designed, and the gas can be sufficiently purified.
本発明の燃料電池用水処理装置によると、低コストにて脱炭酸が行われる。 According to the water treatment apparatus for a fuel cell of the present invention, decarboxylation is performed at low cost.
なお、フッ素吸着除去装置など、電気脱イオン装置の前段側に設けられた部材から、セリウム、アルミニウムイオンなどの金属イオンが溶出することがある。フッ素除去装置の後段かつ電気脱イオン装置の前段に金属除去装置を設けてあるので、電気脱イオン装置に流入する金属を減少させ、電気脱イオン装置のイオン交換体の性能を長期にわたって高く維持することができる。 Note that metal ions such as cerium and aluminum ions may be eluted from members provided on the front side of the electrodeionization apparatus such as a fluorine adsorption removal apparatus. Since the metal removal device is provided after the fluorine removal device and before the electrodeionization device, the amount of metal flowing into the electrodeionization device is reduced, and the ion exchanger performance of the electrodeionization device is maintained high over a long period of time. be able to.
第1図は実施の形態に係る燃料電池用水処理装置のフロー図である。燃料電池の凝縮水等の回収水は、脱炭酸装置1、フッ素吸着除去装置2、金属除去装置3及び電気脱イオン装置4によって処理され、電気脱イオン装置4で生成する脱イオン水が燃料改質器等に供給される。
FIG. 1 is a flowchart of a fuel cell water treatment apparatus according to an embodiment. The recovered water such as the condensed water of the fuel cell is treated by the decarboxylation device 1, the fluorine
この電気脱イオン装置は、陽極と陰極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とを配列して脱塩室と濃縮室とを形成し、脱塩室にイオン交換体を充填した構成のものであってもよい。この場合、陽極室と陰極室とが各々独立して設けられてもよく、これら電極室の少なくとも一方が濃縮室を兼用していてもよい。 This electrodeionization apparatus has a structure in which a cation exchange membrane and an anion exchange membrane are arranged between an anode and a cathode to form a desalting chamber and a concentrating chamber, and the desalting chamber is filled with an ion exchanger. It may be. In this case, the anode chamber and the cathode chamber may be provided independently, and at least one of these electrode chambers may also serve as the concentration chamber.
この実施の形態では、脱炭酸装置1は空気曝気方式のものである。曝気用の空気は、洗気装置5中でバブリングされて浄化処理された後、脱炭酸装置1内の水中に吹き込まれる。この洗気装置5へは電気脱イオン装置4の濃縮室あるいは電極室からの排水が導入されている。この洗気装置5の排水は系外に排出される。 In this embodiment, the decarboxylation device 1 is of the air aeration system. The air for aeration is bubbled in the air cleaning device 5 and purified, and then blown into the water in the decarbonation device 1. Drainage from the concentration chamber or electrode chamber of the electrodeionization device 4 is introduced into the air cleaning device 5. The waste water of the air cleaning device 5 is discharged out of the system.
この洗気装置5の好適な態様は後に詳述される。 A preferred embodiment of the air cleaning device 5 will be described in detail later.
この脱炭酸装置1は、後述の第8図に示す螺旋板32と、この螺旋板32の螺旋状流路に充填された充填材とを備えたものである。なお、この構成についても後に詳述する。
The decarbonation device 1 includes a
この燃料電池用水処理装置にあっては、燃料電池回収水からフッ素がフッ素吸着除去装置2によって高度に吸着除去されるため、電気脱イオン装置4のイオン交換体がフッ素によって劣化することが防止され、長期にわたって安定して燃料電池排水の処理を行い、燃料改質装置の水源等として利用することができる。
In this fuel cell water treatment device, fluorine is highly adsorbed and removed by the fluorine adsorption /
また、脱炭酸装置1は螺旋板及び充填材よりなるものであり、小型でありながら脱炭酸特性に優れる。このため、電気脱イオン装置4の負荷が小さい。 Further, the decarbonation device 1 is composed of a spiral plate and a filler, and is excellent in decarbonation characteristics while being small. For this reason, the load of the electrodeionization apparatus 4 is small.
この脱炭酸装置1に供給される気体(空気)は、洗気装置5で除塵処理されており、原水(回収水)が汚染されることが防止される。この洗気装置5は、電気脱イオン装置4の排水によって洗気するものであり、電気脱イオン装置4の排水が有効に再利用される。 The gas (air) supplied to the decarbonation device 1 is dust-removed by the air cleaning device 5, and the raw water (recovered water) is prevented from being contaminated. This air washing device 5 is for washing with the drainage of the electrodeionization device 4, and the drainage of the electrodeionization device 4 is effectively reused.
この燃料電池用水処理装置にあっては、フッ素吸着除去装置2からセリウム、アルミニウムイオンなどの金属イオンが溶出しても、金属除去装置3により除去される。このため、電気脱イオン装置4のイオン交換体の性能を長期にわたって高く維持することが可能となる。
In this fuel cell water treatment device, even if metal ions such as cerium and aluminum ions are eluted from the fluorine
次に、上記洗気装置、脱炭酸装置、フッ素吸着除去装置及び金属除去装置がケーシング内に配置されてなる前処理装置と、この前処理装置に付設された電気脱イオン装置4とを備えてなる燃料電池用水処理装置について第2図〜第9図を参照して説明する。 Next, a pretreatment device in which the air cleaning device, the decarbonation device, the fluorine adsorption removal device, and the metal removal device are arranged in a casing, and an electrodeionization device 4 attached to the pretreatment device are provided. A fuel cell water treatment apparatus will be described with reference to FIGS.
第2図は、この燃料電池用水処理装置の下方から見上げた状態の斜視図、第3図はこのケーシングのフロントカバーを開けた状態の斜視図、第4図は第3図からフッ素吸着樹脂及び金属吸着樹脂を取り除いた状態の斜視図、第5図は第4図の構成を示す正面図、第6図は洗気室内のフレームの斜視図、第7図は第5図のVII−VII線断面図、第8図は脱炭酸室内の螺旋板の斜視図、第9図は充填物の模式図である。 FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell water treatment device as viewed from below, FIG. 3 is a perspective view of the casing with the front cover opened, and FIG. FIG. 5 is a front view showing the configuration of FIG. 4, FIG. 6 is a perspective view of the frame in the air-cleaning chamber, and FIG. 7 is a line VII-VII in FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view, FIG. 8 is a perspective view of a spiral plate in the decarbonation chamber, and FIG. 9 is a schematic view of a filler.
この燃料電池用水処理装置は、前記の通り、脱炭酸装置1を有する前処理装置10と、電気脱イオン装置4とを一体化したものである。この前処理装置10のケーシング12は、浅い直方体形状のものであり、正面にフロントカバー14が取り付けられている。
As described above, the fuel cell water treatment apparatus is obtained by integrating the pretreatment apparatus 10 having the decarbonation apparatus 1 and the electrodeionization apparatus 4. The
第4,5図の通り、電気脱イオン装置4の濃縮室あるいは電極室からの排水が移送管18を介して洗気室20に導入され、空気の洗浄が行なわれる。
As shown in FIGS. 4 and 5, the waste water from the concentration chamber or electrode chamber of the electrodeionization device 4 is introduced into the
次に、第6図を参照して洗気室20の構成について詳細に説明する。なお、第6図(a)、(b)は互いに反対方向から見た斜視図である。第6図(b)では、洗気室20内に滞留している水が示されている。
Next, the structure of the
この洗気室20は、ケーシング12に一体に設けられた1対の上下方向の仕切板20a、20b(第5図)間に形成されている。
The
この洗気室20内には、エアポンプ(図示略)から送気されてきた空気がエアチューブ21を介して吹き込まれる。この洗気室20内にはフレーム22が設置されている。該フレーム22は、囲枠部23、垂下板24、立上板25を備え、中央室26、水流出室27、及び空気流出室28が形成されている。チューブ21の末端は該中央室26内に差し込まれている。水は前記移送管18を介して中央室26に導入される。中央室26と水流出室27との間に、囲枠部23の上辺から垂下する垂下板24が設けられており、中央室26内の水はこの垂下板24の下端を回り込んで水流出室27に移流し、この水流出室27の上部から溢流口29を介してケーシング12外ヘ流出する。中央室26及び水流出室27内には、この溢流口29の下縁レベルにまで水が溜まっており、チューブ21の下端はこの水中に没している。
The air supplied from an air pump (not shown) is blown into the
中央室26と空気流出室28とは、囲枠部23の底辺から起立する立上板25によって区画されている。
The
チューブ21から水中に吹き込まれた空気は、水面から離脱した後、該立上板25の上端を回り込んで空気流出室28に流入し、前記空気導入口31を介して脱炭酸室30内に吹き込まれ、脱炭酸に用いられる。
The air blown into the water from the
洗気室20で洗浄された空気は、空気導入口31から脱炭酸装置が設置された脱炭酸室30へ導入され、洗浄に供された水はケーシング12の背面に設けられた流出孔(図示略)から流出し、廃棄される。
The air cleaned in the
この脱炭酸室30内の脱炭酸装置は、螺旋板32と、充填物とからなる。
The decarbonation device in the
脱炭酸室30内の上部には、ケーシング12の背面又は上面の被処理水導入口(図示略)から被処理水が導入されている。脱炭酸室30内において、空気導入口31からの空気が螺旋板32を周回しながら立ち登り、被処理水と接触し、脱炭酸を行う。
To-be-treated water is introduced into the upper part of the
なお、螺旋板32の螺旋状通路34内には第9図に模式的に示す、合成樹脂又は金属製ワイヤを絡ませたランダムな三次元構造の充填物33が充填され、空気がゆっくりと且つ細かく分断されながら螺旋板に沿って上昇し、十分に脱炭酸が行われるよう構成されている。このワイヤの径は0.05〜0.5mm程度が好適である。充填物のワイヤ間の通路の平均径は2〜10mm特に3〜7mm程度が好適である。
The
この螺旋板32は、金属板にスリットを入れて折曲したものを多段に溶接等により連結したものであり、螺旋の軸心部には細長い仕切板が縦通されている。螺旋の1段当りの高さは5〜10mm程度が好適である。
The
この実施の形態では、脱炭酸室30が直方体形状であるため、螺旋板32の各段を構成する金属板が方形状となっているが、脱炭酸室が円筒形であれば、螺旋板はスクリュ螺子状とされる。
In this embodiment, since the
なお、脱炭酸室30の高さが100mm、奥行き及び幅が50mmであり、図示の通り7段の螺旋板32が配置され、平均開口径が約5mmの充填物を螺旋流路に充填してなる脱炭酸装置に、水温5℃、炭酸濃度80ppmの水を40mL/minで通水し、空気を2000mL/minで散気したところ、処理水の炭酸濃度は10ppm以下となることが認められた。
The
脱炭酸処理された水は、この脱炭酸室30から移流口36(第5図)を介して中継室40(第4,7図)に流入し、この中継室40から移流口42(第7図)を介して貯水室50へ流入する。第7図の通り、この中継室40は貯水室50の背後側に上下方向へ延設されている。この中継室40の上部に水の移流口42が設けられている。
The decarboxylated water flows into the relay chamber 40 (FIGS. 4 and 7) from the
貯水室50内には、水位を検知するためのフロートスイッチ52,54が設けられている。なお、このフロートスイッチ52,54のいずれもがOFFの場合には、次に説明するポンプ62が停止される。
In the
貯水室50内の水は、チューブ60、モータ64によって駆動されるポンプ62及びチューブ66を介して第1のフッ素除去室70の下部に導入され、該室70内を上昇する。次いで、水は、このフッ素除去室70の上部から移流管71を介して第2のフッ素除去室72の上部に導入され、該室72内を下降する。次いで、移流口73を介して第3のフッ素除去室74の下部に導入され、該室74内を上昇する。
The water in the
各フッ素除去室70,72,74内にはフッ素吸着樹脂76(第3図)が充填されており、フッ素イオンが吸着除去される。なお、フッ素吸着樹脂の代わりに珪酸アルミナなどのフッ素吸着能を有するアルミナ化合物を用いることもできる。
Each
第3のフッ素除去室74内の上部に達した水は、移流口78から第1の金属除去室80の上部に移流し、該室80内を下降する。次いで、移流口81から第2の金属除去室82の下部に流入し、該室82内を上昇する。該室82の上部に到達した水は、移流口84を介して電気脱イオン装置4に導入される。なお、図示はしないが、この移流口84を覆うように精密濾過膜が配置され、樹脂の破片が電気脱イオン装置4に流入しないよう構成されている。
The water that has reached the upper part in the third
各金属除去室80,82には金属吸着樹脂86が充填されており、金属イオンが吸着除去される。
Each
このように、この前処理装置10によって脱炭酸、フッ素除去及び金属除去された水が移流口84を介して電気脱イオン装置4に導入される。
In this way, the water decarboxylated, fluorine-removed and metal-removed by the pretreatment device 10 is introduced into the electrodeionization device 4 through the
このケーシング10内には、各除去室70,72,74,80,82を区画形成するために仕切板90,92,94,96,98が上下方向に延設されており、各室70,72,74,80,82は上下方向に延在している。チューブ66は仕切板90を貫通しており、移流管71は仕切板92を貫通している。移流口73,78,81は仕切板94,96,98に設けられている。移流口84はケーシング12の側壁に穿設されている。
In the casing 10,
なお、上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態をもとりうる。たとえば、上記実施形態においては電気脱イオン装置4の排水を洗気室20に供給しているが、燃料電池システムにおいて発生する凝縮水を供給するようにしてもよい。
In addition, the said embodiment is an example of this invention and this invention can take forms other than illustration. For example, in the above embodiment, the drainage of the electrodeionization device 4 is supplied to the
10 前処理装置
12 ケーシング
18 移送管
20 洗気室
20a,20b 仕切板
21 空気吹込用チューブ
22 フレーム
23 囲枠部
24 垂下板
25 立上板
26 中央室
27 水流出室
28 空気流出室
29 溢流口
30 脱炭酸室
32 螺旋板
33 充填物
50 貯留室
62 ポンプ
70,72,74 フッ素除去室
76 フッ素吸着樹脂
80,82 金属除去室
86 金属吸着樹脂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10
Claims (2)
該脱炭酸装置は、原水中に気体を吹き込んで脱炭酸処理するものであり、
該脱炭酸装置の前段に、該気体を浄化する洗気装置が設けられており、
該洗気装置は、該電気脱イオン装置の排水、あるいは燃料電池から発生する余剰凝縮水に気体を接触させて浄化するものであることを特徴とする燃料電池用水処理装置。 A decarbonation apparatus for decarboxylating raw water, a pretreatment means for removing metal after treatment of the treated water from the decarbonation apparatus by fluorine adsorption, and an electrodeionization treatment for deionizing water from the pretreatment means. A water treatment device for a fuel cell having an ion device,
The decarboxylation device is for decarboxylation by blowing gas into raw water,
A scrubber for purifying the gas is provided upstream of the decarbonator,
The water cleaning device for a fuel cell is characterized in that the air cleaning device purifies the waste water of the electrodeionization device or surplus condensed water generated from the fuel cell by bringing the gas into contact therewith.
前記電気脱イオン装置の排水が導入されると共に該気体が水中に吹き込まれる中央室と、
該中央室の下部に連通し、該中央室から水が移流する水流出室と、
該水流出室の上部に設けられた水の溢流口と、
を備えてなり、該中央室内の水面を脱した気体が前記脱炭酸装置に供給されることを特徴とする燃料電池用水処理装置。 The air cleaning device according to claim 1,
A central chamber into which drainage of the electrodeionization apparatus is introduced and the gas is blown into water;
A water outflow chamber that communicates with the lower portion of the central chamber and from which water is transferred;
An overflow port provided in the upper part of the water outflow chamber;
The fuel cell water treatment device is characterized in that the gas desorbed from the water surface in the central chamber is supplied to the decarboxylation device.
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