JP2005327571A - イオン交換樹脂カラムおよび燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換樹脂がイオン交換により体積収縮しても、イオン交換樹脂カラム内に空隙が形成されず、その結果、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞の恐れのないイオン交換樹脂カラムを提供する。また、該イオン交換樹脂カラムを備えた燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】溶液Ｓ１中のイオンとイオン交換を行うイオン交換樹脂１０４、１０５と、イオン交換樹脂１０４、１０５を収容し、溶液が通過するイオン交換器１０１と、イオン交換器の内壁に対し移動して、イオン交換樹脂を押す第１の通液性板１０２とを備えるイオン交換樹脂カラム。および、該イオン交換樹脂カラムと、原料燃料とイオン交換樹脂カラムを通過した溶液との改質反応により燃料ガスを生成する改質装置１と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する発電装置とを備える燃料電池発電システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イオン交換樹脂カラムおよび燃料電池発電システムに関し、特に、イオン交換樹脂の流動化を抑えたイオン交換樹脂カラムに関する。

都市ガス、ＬＰＧ（Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｇａｓ）、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ Ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油のような原料燃料から水素に富む燃料ガスを改質装置で生成し、生成した燃料ガスを燃料電池に供給して空気等の酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池発電システムにおいて、原料燃料の改質方法として水蒸気改質法またはオートサーマル法を用いる場合、原料燃料と共に改質用水を改質装置に供給する。改質装置に供給する改質用水は、固形物だけでなく、硫黄等改質触媒を被毒する不純物や塩素等の改質装置材料を腐食させる不純物、カルシウム等の流路を閉塞させる蒸発残留物質などの溶解性不純物を除去する水処理が必要がある。

従来の燃料電池発電システムでは、図４に示すように、改質用水Ｓ１の処理装置として、固形物フィルタ（不図示）と、ビーズ状の陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５とを混合充填した、いわゆる混床型イオン交換樹脂カラム３８７を直列に設置するのが一般的であった。なお、イオン交換樹脂カラム３８７は、上下にイオン交換樹脂の流出を防ぐための目皿１０３、１１０が設置され、目皿１０３、１１０の間の空間にビーズ状のイオン交換樹脂１０４、１０５が充填されるようになっていた。

しかし、イオン交換樹脂１０４、１０５はイオン交換により体積収縮する特性があるので、イオン交換樹脂１０４、１０５の充填において空隙がないように充填したとしても、その後の使用によりイオン交換樹脂カラム３８７内に空隙３１０が形成されてしまう。その結果、イオン交換樹脂カラム３８７内のイオン交換樹脂１０４、１０５が流動するようになるため、イオン交換樹脂１０４、１０５の粒径の元々小さいものや、流動に伴うイオン交換樹脂１０４、１０５間の摩擦により粉化してできたイオン交換樹脂１０４、１０５の欠片等が流出し、また、そのために目皿１０３、１１０を閉塞させる恐れがあった。特に、陽イオン交換樹脂１０４として強酸性型陽イオン交換樹脂を使用する場合、スルホン酸基として硫黄が含まれているので、流出した陽イオン交換樹脂１０４が改質触媒の硫黄被毒を引き起こすという問題があった。また、陽イオン交換樹脂１０４の比重が陰イオン交換樹脂１０５の比重より通常は大きいので、イオン交換樹脂カラム３８７内に空隙３１０が形成されると、比重の差に従い、陽イオン交換樹脂１０４が下部に、陰イオン交換樹脂１０５が上部にと分離してしまうことがある。このように分離してしまうと、混床型イオン交換樹脂カラム３８７としてのイオン交換性能が低下し、その結果、所定の水質が得られなくなるという問題もあった。

そこで本発明は、イオン交換樹脂がイオン交換により体積収縮しても、イオン交換樹脂カラム内に空隙が形成されず、その結果、イオン交換樹脂の粉化、流出や目皿の閉塞の恐れのないイオン交換樹脂カラムを提供することを目的とする。また、該イオン交換樹脂カラムを備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係るイオン交換樹脂カラムは、例えば図１に示すように、溶液Ｓ１中のイオンとイオン交換を行うイオン交換樹脂１０４、１０５と；イオン交換樹脂１０４、１０５を収容し、溶液Ｓ１が通過するイオン交換器１０１と；イオン交換器１０１の内壁に対し移動して、イオン交換樹脂１０４、１０５を押す第１の通液性板１０２とを備える。

このように構成すると、イオン交換によりイオン交換樹脂の体積が収縮しても、第１の通液性板が移動してイオン交換樹脂を押すので、イオン交換樹脂カラム内に空隙が形成されない。そのため、イオン交換樹脂が流動しないので、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞が防止され、イオン交換樹脂間の摩擦による粉化が抑制される。したがって、運転効率が安定し、また、メンテナンス期間を延ばすことができる。

また、請求項２に記載の発明に係るイオン交換樹脂カラムは、例えば図１に示すように、 溶液Ｓ１中のイオンとイオン交換を行うイオン交換樹脂１０４、１０５と；イオン交換樹脂１０４、１０５を収容し、溶液Ｓ１が通過するイオン交換器１０１と；イオン交換器１０１内に収容されるイオン交換樹脂１０４、１０５を、２以上の空間に区分する、通液性の区分材１０８ａ、１０８ｂとを備える。

このように構成すると、イオン交換樹脂が区分材で区分された小さな空間に収容されるので、イオン交換によりイオン交換樹脂が収縮しても、形成される空隙が小さく、イオン交換樹脂の流動が起こりにくい。そのため、イオン交換樹脂間の摩擦による粉化が抑制され、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞が防止される。したがって、運転効率が安定し、また、メンテナンス期間を延ばすことができる。

また、請求項３に記載の発明に係るイオン交換樹脂カラムは、例えば図２に示すように、請求項２に記載のイオン交換樹脂カラム２８７において、区分材が、通液性袋１０９である。

このように構成すると、イオン交換樹脂が通液性の袋に入れられているので、イオン交換樹脂の流動が起こりにくく、イオン交換樹脂間の摩擦による粉化が抑制され、また、イオン交換樹脂が袋に入れられているので、イオン交換樹脂の入れ替え等のときに、扱い易い。更に、固形の不純物がイオン交換樹脂カラムに流れ込んでも、前記袋の表面で捕捉されるので、イオン交換樹脂が固形の不純物により汚染されることがなくなる。

また、請求項４に記載の発明に係るイオン交換樹脂カラムは、例えば図１に示すように、請求項２に記載のイオン交換樹脂カラム１８７において、区分材が、イオン交換器１０１に対して移動可能な第２の通液性板１０８ａ、１０８ｂである。

このように構成すると、区分材としての第２の通液性板も移動するので、第２の通液性板により小さく区分されたイオン交換樹脂カラムの各空間内に空隙が形成されない。よって、イオン交換樹脂の流動が起こりにくく、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞が防止され、イオン交換樹脂間の摩擦による粉化が抑制される。

また、請求項５に記載の発明に係るイオン交換樹脂カラムは、例えば図１に示すように、 請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載のイオン交換樹脂カラム１８７において、イオン交換樹脂は、陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５との混合体である。

このように構成すると、イオン交換樹脂が流動しにくいイオン交換樹脂カラムでは、比重差による陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との分離が起こりにくいので、混床型イオン交換樹脂カラムとしてのイオン交換性能が低下しにくいイオン交換樹脂カラムとなる。

また、請求項６に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のイオン交換樹脂カラム８７と；原料燃料Ｆとイオン交換樹脂カラム８７を通過した溶液Ｗ２との改質反応により燃料ガスＨを生成する改質装置１と；燃料ガスＨと酸化剤ガスＧとの電気化学的反応により発電する燃料電池３０とを備える。

このように構成すると、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞が防止されるイオン交換樹脂カラムを備え、イオン交換樹脂カラムで処理された処理水を改質装置に供給するので、安定した水質の水を用いた改質反応により燃料ガスを生成することができる。よって、燃料ガスが安定的に生成される。該燃料ガスを燃料電池に供給して発電を行うことにより、運転効率の高い燃料電池発電システムとなる。また、イオン交換樹脂からイオン交換樹脂が流出しないので、イオン交換樹脂をろ過するためのフィルタが不要になり、あるいは、フィルタの清掃間隔を延ばせるので、メンテナンス間隔の長い燃料電池発電システムとなる。

本発明によれば、イオン交換樹脂がイオン交換により体積収縮しても、イオン交換樹脂カラム内に空隙が形成されず、その結果、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞の恐れのないイオン交換樹脂カラムを提供することができる。したがって、イオン交換樹脂カラムの運転効率が安定し、メンテナンス期間を延ばすことができる。また、該イオン交換樹脂カラムを燃料電池発電システムに備えることにより、安定した水質の水を用いた改質反応により安定的に燃料ガスが生成され、その結果、運転効率の高い、また、メンテナンス間隔の長い燃料電池発電システムが提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置等には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１（ａ）に本発明の第１の実施の形態であるイオン交換樹脂カラム１８７の模式的断面図を示す。イオン交換樹脂カラム１８７は、円筒形の容器であるイオン交換器１０１の中に、陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５とが収容されている。イオン交換器１０１には、円筒形の底面１０１ｂにイオン交換前の溶液Ｓ１の入口としての入口ノズル１０６と、円筒形の上面１０１ａにイオン交換後の溶液Ｓ２の出口としての出口ノズル１０７とが形成されている。イオン交換樹脂カラム１８７では、鉛直下側から上側へ溶液Ｓ１が流れる。ここで、イオン交換樹脂が存在する領域を流れる溶液は、イオン交換前の溶液Ｓ１とイオン交換後の溶液Ｓ２との混合物であるが、簡単のために溶液Ｓ１と記載する。溶液Ｓ１が下から上へ流れることにより、イオン交換器１０１の中に溶液が充満してガス溜りが生じないためイオン交換が効率よく行われる。しかし、溶液Ｓ１を上から下へ流す構成としてもよく、あるいは、イオン交換樹脂カラム１８７を横向きに置いてもよい。溶液Ｓ１を上から下へ流すことにより、イオン交換樹脂１０４、１０５の流動を抑えやすくなる。また、イオン交換器１０１は、円筒形であることにより、イオン交換器１０１内で溶液Ｓ１が均等に流れ易いので好適であるが、例えば、直方体、六角柱あるいは、ラグビーボール形などの円筒形以外の形状であってもよい。

イオン交換樹脂１０４、１０５は、目皿１０３の上に収容されている。目皿１０３は、イオン交換器１０１の内断面を横断する円形板であって、溶液Ｓ１が流通するための小孔が多数形成されている。目皿１０３は、網で構成してもよい。小孔あるいは網の目は、溶液Ｓ１に対する通液性を有するが、イオン交換樹脂１０４、１０５が流通しないように、イオン交換樹脂１０４、１０５の径より小さくし、典型的には０．２ｍｍ以下の直径を有する。イオン交換器１０１の底近くの、その下に入口ノズル１０６から流入した溶液Ｓ１がイオン交換器１０１の内断面に広がるためのスペースを有する位置で、目皿１０３はイオン交換器１０１に固定される。

イオン交換樹脂カラム１８７は、イオン交換樹脂１０４、１０５を上から押さえる第１の通液性板としての目皿１０２とイオン交換器１０１内に収容されるイオン交換樹脂１０４、１０５を上下に仕切る、上下方向に移動可能な２枚の第２の通液性板としての仕切板１０８ａ、１０８ｂを更に備える。このように、イオン交換樹脂１０４、１０５は、イオン交換器１０１内で流動しないようにびっしりと充填されるようになる。

目皿１０２は、イオン交換器１０１の内断面を横断する円形板で、溶液Ｓ２が流通するための小孔が多数形成されている。目皿１０２は、網で構成してもよい。小孔あるいは網の目は、溶液Ｓ２に対する通液性を有するが、イオン交換樹脂１０４、１０５は流通しないように、イオン交換樹脂１０４、１０５の径より小さくする。目皿１０２の外径はイオン交換器１０１の内断面より僅かに小さく形成されており、イオン交換器１０１の内壁に沿って上下に移動可能である。ここで、「僅かに小さく」とは、イオン交換器１０１の内面との間にすき間を有するが、そのすき間がイオン交換樹脂１０４、１０が流通できない程度の大きさのすき間であることをいう。

目皿１０２は、比重が溶液Ｓ２よりも大きい材料で形成し、かつ、厚肉として、重量のある板とする。例えば、ステンレス鋼などの耐食性の高い金属製板とする。あるいは、網で形成してもよいが、その場合には、例えば、溶液Ｓ２の流れを妨害しないように周縁部に、錘を付加する。目皿１０２を重くすることにより、溶液Ｓ２の上向きの流れに逆らって、重力によりイオン交換樹脂１０４、１０５を下方へ抑えることができる。ここで、イオン交換器１０１内の溶液Ｓ１が上方から下方へ流れるときには、目皿１０２を重くしなくても、溶液Ｓ２に押されて目皿１０２はイオン交換樹脂１０４、１０５を押さえる働きをする。

あるいは、図１（ｂ）に示すように、イオン交換器１０１の内壁面から半径方向内側にリブ１１１を形成し、リブ１１１と目皿１０２との間に弾性体１１２を配置してもよい。すなわち、リブ１１１は、イオン交換樹脂１０４、１０５を新たに充填したときの目皿１０２の位置より、弾性体１１２を押し縮めた厚さ分だけ高い位置に設置する。そこで、弾性体１１２が元の形状に延びようとする力で目皿１０２を下方に押し、イオン交換樹脂１０４、１０５の体積減少に伴い、目皿を下方に移動させる。弾性体１１２としては、弦巻ばね、板ばね、大きく弾性変形する材質で形成したブロックなどが用いられる。このように構成すると、目皿１０２の重量を特に重くする必要がなく、目皿１０２は仕切板１０８ａ、１０８ｂと同等のものを用いることができ、目皿１０２と仕切板１０８ａ、１０８ｂとで互換性が得られる。また、リブ１１１と弾性体１１２とは、イオン交換樹脂カラム１８７内の流路断面の外縁に設置されるので、溶液Ｓ２の流通をほとんど妨げない。

また、図１（ｃ）に示すように、リブ１１１を形成しないで、イオン交換器１０１の上面１０１ａから弾性体１１３で目皿１０２を下方に押してもよい。イオン交換樹脂１０４、１０５を新たに充填したときの目皿１０２の位置とイオン交換器１０１の上面１０１ａとの間には、目皿１０２を通過した溶液Ｓ２が出口ノズル１０７から流出するのに集まるための空間が設けられており、上面１０１ａと目皿１０２との間隔が長くなるので、弾性体１１３は厚く（長く）形成し易い弦巻ばねが好適に用いられる。ただし、他のばねでもブロックでもよい。

図１（ａ）に戻り、イオン交換樹脂カラム１８７の説明を続ける。目皿１０２、１０３間のイオン交換樹脂１０４、１０５を上下に区分する仕切板１０８ａ、１０８ｂが備えられる。仕切板１０８ａ、１０８ｂは、イオン交換器１０１の内断面を横断する円形板で、溶液Ｓ１が流通するための小孔が多数形成されている。仕切板１０８ａ、１０８ｂは、網で構成してもよい。小孔あるいは網の目は、溶液Ｓ１に対する通液性を有するが、イオン交換樹脂１０４、１０５が流通しないように、イオン交換樹脂１０４、１０５の径より小さくする。仕切板１０８ａ、１０８ｂの外径はイオン交換器１０１の内断面より僅かに小さく形成されており、イオン交換器１０１の内壁に沿って上下に移動可能である。仕切板１０８ａ、１０８ｂは、目皿１０２、１０３間を３等分する位置に配置されている。仕切板１０８ａ、１０８ｂの配置される位置は、必ずしも目皿１０２、１０３間を３等分する位置でなくてもよいが、仕切板１０８ａ、１０８ｂで区切られるイオン交換樹脂１０４、１０５を収容する空間の大きさが等しくなる方が好ましい。また、イオン交換樹脂カラム１８７は２枚の仕切板１０８ａ、１０８ｂを備えるが、仕切板はなくてもよいし、仕切板の枚数は１枚でもよく、３枚でも、４枚でも、５枚以上でもよい。イオン交換樹脂１０４、１０５が細かく（薄く）仕切板で区切られると、イオン交換樹脂１０４、１０５の流動がより抑えられるので好適である。ただし、仕切板１０８ａ、１０８ｂの枚数が増えることにより、同じイオン交換器１０１内でイオン交換樹脂１０４、１０５を収容する空間は減少する。そこで、通常はイオン交換樹脂１０４、１０５の収容される空間を２（仕切板を１枚）とし、好ましくは空間を３（仕切板を２枚）、より好ましくは空間を４（仕切板を３枚）とする。

陽イオン交換樹脂１０４としては、平均粒径０．６ｍｍ程度、密度１．２ｇ／ｍｌ程度のＨ^＋型ビーズ状強酸性陽イオン交換樹脂が好適に用いられる。

陰イオン交換樹脂１０５としては、平均粒径０．６ｍｍ程度、密度１．１ｇ／ｍｌ程度のＯＨ⁻型ビーズ状強塩基性陰イオン交換樹脂が好適に用いられる。

なお、図１（ｄ）に示すように、イオン交換樹脂カラム１８７は、目皿１０２の上方にイオン交換器１０１に固定した目皿１１０を更に備えてもよい。目皿１１０を備えることにより、設計値以上の大量の溶液Ｓ１をイオン交換樹脂カラム１８７に流通した場合において、溶液Ｓ１に目皿１０２が押し上げられたとしても、押し上げられる量を制限することが可能になる。そのために、目皿１０２が傾斜した結果としてイオン交換樹脂１０４、１０５が出口ノズル１０７を通じて流出することが防止される。

続いて、イオン交換樹脂カラム１８７の作用について説明する。溶液Ｓ１は、入口ノズル１０６よりイオン交換器１０１内に流入する。イオン交換器１０１に流入した溶液Ｓ１には、種々のイオン化した物質、すなわちイオンを含んでいる。イオンとは、ナトリウムＮａ^＋、マグネシウムＭｇ^＋＋、鉄Ｆｅ^＋＋等の金属類を代表とする陽イオンと、塩素Ｃｌ⁻、Ｆ⁻等の陰イオンである。

イオン交換器１０１に流入した溶液Ｓ１は、目皿１０３の下部の空間でイオン交換器１０１の断面に広がり、目皿１０３の小孔を流通して、陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５とが混在する空間に入る。そこで、溶液Ｓ１は、陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５とのすき間をすり抜けながら、上方に流れる。そのときに、溶液Ｓ１は陽イオン交換樹脂１０４および陰イオン交換樹脂１０５と接触し、溶液Ｓ１中のイオンがイオン交換樹脂１０４、１０５とイオン交換し、除去される。具体的には、イオンの内、陽イオンは陽イオン交換樹脂１０４に捕捉され、Ｈ^＋イオンに交換されて、陰イオンは陰イオン交換樹脂１０５に捕捉され、ＯＨ⁻イオンに交換されて、Ｈ^＋イオンとＯＨ⁻イオンとが中和して水（Ｈ_２Ｏ）になる。このように、溶液Ｓ１中のイオンは、陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５に捕捉され、溶液Ｓ１から除去される。イオンが除去された溶液Ｓ２は、クリーンな溶液として供される。典型的には、溶液Ｓ１は原水であり、溶液Ｓ２は純水である。なお、溶液Ｓ１としては、上記の例に限られず、いかなる溶液を用いてもよい。

陽イオン交換樹脂１０４と陰イオン交換樹脂１０５とは、イオン交換することにより体積が減少する。イオン交換樹脂１０４、１０５の体積が減少すると、目皿１０２が下方に移動し、イオン交換樹脂１０４、１０５が存在する目皿１０２、１０３間の容積が減少する。特に、イオン交換樹脂１０４、１０５の間に仕切板１０８ａ、１０８ｂが配置されると、仕切板１０８ａ、１０８ｂも上側のイオン交換樹脂１０４、１０５により下方に押され、下側に移動するので、僅かな空間の累積のためにより大きな空間が形成されることも防止される。よって、イオン交換樹脂１０４、１０５が流動する空間が形成されない。したがって、イオン交換樹脂１０４、１０５が流動しない。そのために、小さな粒径のイオン交換樹脂１０４、１０５が混在しても、目皿１０３および仕切板１０８ａ、１０８ｂの小孔より流出することがない。また、イオン交換樹脂１０４、１０５の流動によるイオン交換樹脂１０４、１０５間の摩擦のために粉化することがない。したがって、イオン交換された溶液Ｓ２にイオン交換樹脂が流出することもなく、目皿１０２あるいは仕切板１０８ａ、１０８ｂの目詰まりも生じない。

ここで、目皿１０２あるいは仕切板１０８ａ、１０８ｂが「移動」するとは、イオン交換樹脂１０４、１０５の経時的な体積減少に伴い、下方に極僅かずつ移動する場合を含んでおり、必ずしも目に見える移動を指すのではない。前述のように、弾性体１１２、１１３により押されて、僅かずつ移動する場合も、「移動」に含まれる。

イオン交換された溶液Ｓ２は、目皿１０２の小孔を流通し、出口ノズル１０７を通じてイオン交換樹脂カラム１８７から流出する。前述のように、溶液Ｓ２には、イオン交換樹脂１０４、１０５が含まれないので、後段での使用において、イオン交換樹脂１０４、１０５による障害が発生することがない。

次に、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態であるイオン交換樹脂カラム２８７について説明をする。図２は、イオン交換樹脂カラム２８７の模式的断面図である。イオン交換樹脂カラム２８７においては、イオン交換樹脂１０４、１０５は、いくつかの通液性の袋１０９に分けて詰められた上で、イオン交換器１０１に収容されている。イオン交換樹脂１０４、１０５は、袋１０９に詰められることにより、流動することがなくなる。逆に言うと、イオン交換樹脂１０４、１０５が動かないように、きつく袋１０９に詰める。

イオン交換樹脂カラム２８７では、溶液Ｓ１とのイオン交換の結果、イオン交換樹脂１０４、１０５の体積が減少しても、イオン交換樹脂１０４、１０５が袋１０９に詰められているので、形成される空隙は袋の中のイオン交換樹脂１０４、１０５により生ずるものだけで小さく、流動することがほとんどない。したがって、イオン交換樹脂１０４、１０５の粉化が生じず、小さな粒径のイオン交換樹脂１０４、１０５が流出せず、すなわちイオン交換樹脂１０４、１０５が溶液Ｓ２と共に流出することがなく、目皿１１０が目詰まりすることもない。

イオン交換樹脂カラム２８７では、下流側の目皿として、イオン交換器１０１に固定された目皿１１０を備える。よって、製作精度の要求される、イオン交換樹脂カラム１８７の目皿１０２（図１参照）の製作が不要となる。加えて、イオン交換樹脂カラム２８７において、イオン交換樹脂１０４、１０５を詰めた袋１０９の収容される空間を上下に区分する仕切板を備えてもよい。その際、区分された空間にイオン交換樹脂１０４、１０５を詰めた袋１０９が１だけ収容されるようにしてもよいし、複数収容されてもよい。あるいは、移動可能な目皿１０２（図１参照）を備えてもよい。移動可能な目皿１０２（図１参照）を備えると、袋１０９によるイオン交換樹脂１０４、１０５の流動防止効果に加え、全体として下方に抑えられるので、更に、イオン交換樹脂１０４、１０５の流動が防止される。更に、イオン交換樹脂カラム２８７において、イオン交換樹脂１０４、１０５を詰めた袋１０９の収容される空間を上下に区分する、移動可能な仕切板１０８ａ、１０８ｂ（図１参照）を備えると、更にイオン交換樹脂１０４、１０５の流動が抑えられる。

次に、図３の模式的ブロック図を参照して、本発明の第３の実施の形態である燃料電池発電システムについて説明する。燃料電池発電システムは、改質装置１と、燃料電池３０と、気液接触塔７０と、冷却水熱交換器１０と、燃料ガス熱交換器１６と、気液分離器４５、８９と、ブロワ８４と、ポンプ８２ａ、８５ａ、１８と、本発明によるイオン交換樹脂カラム（例えば、図１に示すイオン交換樹脂カラム１８７）を用いた純水装置８６とを備える。

改質装置１は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油のような原料燃料Ｆを導入するノズル（不図示）と、純水装置８６から送出される改質装置供給水Ｗ２を導入するノズル（不図示）と、燃料電池３０から排出されるアノードオフガスＡを導入するノズル（不図示）と、空気４を導入するノズル（不図示）と、改質装置１にて生成される燃料ガスとしての改質ガスＨを導出するノズル（不図示）と、燃焼排ガスＥ２を排出するノズル（不図示）とを有し、更に、改質装置１は、起動時や改質反応に必要な改質熱が不足する時に燃焼させる補助燃料としての燃焼燃料５を導入するノズル（不図示）とを有する。改質装置１で生成された改質ガスＨを導出するノズル（不図示）は、配管３に連通し、燃料ガス熱交換器１６、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２と接続されている。なお、２つの機器等が「接続される」とは、配管を介して接続される場合を含む。

燃料電池３０は、例えば積層型の固体高分子形燃料電池を使用することができ、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する。空気極３３には、気液接触塔７０から送出される酸化剤ガスＧを導入するノズル（不図示）と、カソードオフガスＥ１を排出するノズル（不図示）が配置される。冷却水流路３１には、ポンプ１８から圧送され供給される冷却水としてのスタック冷却水Ｃを導入するノズル（不図示）と、スタック冷却水Ｃを流出するノズル（不図示）が配置される。燃料極３２には、改質装置１で生成されて供給される改質ガスＨを導入するノズル（不図示）と、アノードオフガスＡを排出するノズル（不図示）が配置される。

燃料電池３０は、改質ガスＨと酸化剤ガスＧとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は、発熱反応であり、冷却するためにスタック冷却水Ｃが導入されている。なお、固体高分子形燃料電池を用いる場合には、プロトン交換膜（不図示）の電気伝導度を高く維持するために空気極３３に供給する酸化剤ガスＧを所定の露点まで加湿する必要がある。要求される酸化剤ガスＧの露点は使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、５０〜８０℃の範囲であるのが一般的である。

燃料電池３０の空気極３３から排出されたカソードオフガスＥ１を搬送する配管２２と、改質装置１から排出された燃焼排ガスＥ２を搬送する配管６とは分岐管にて合流し、排熱及び水分を保有するガスとしての混合ガスＥを搬送する配管６３となる。配管６３は、混合ガス熱交換器８３に連接し、更に、気液分離器８９を経て、系外９０への排気口（不図示）に至る。なお、混合ガス熱交換器８３と気液分離器８９との間に、冷却器９１を備え、気液分離器８９に送られる混合ガスＥの温度を更に低下させてもよい。

燃料電池３０の燃料極３２から排出されたアノードオフガスＡを搬送する配管２１は、改質装置１に連接し、アノードオフガスＡは改質装置１で原料燃料Ｆと純水（改質装置供給水）Ｗ２との改質反応の反応熱を供給するために燃焼される。燃料電池３０での電気化学的反応では、改質ガスＨ中の水素が総て消費されることはなく、水素が残留しているので、その水素を燃焼させて、改質反応に要求される熱を供給するためである。

燃料電池３０の冷却水流路３１には、スタック冷却水Ｃが流れ、燃料電池３０を冷却しつつ、改質ガスＨと酸化剤ガスＧとの電気化学的反応により発生した熱を吸収する。冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水Ｃが流れる流路には、冷却水熱交換器１０と燃料ガス熱交換器１６とポンプ１８とが、この順序で配置され、冷却水Ｃの流路は、これらの機器を経由して冷却水流路３１に戻る循環経路とされる。これらの装置は、配管２３により接続されている。なお、ポンプ１０８は、スタック冷却水Ｃを圧送して循環させるもので、燃料ガス熱交換器１６と燃料電池３０との間でなくても、循環するスタック冷却水Ｃの経路上に配置されればよい。

冷却水熱交換器１０は、スタック冷却水Ｃと排熱回収用の液体との熱交換する熱交換器であり、燃料電池３０で温度上昇したスタック冷却水Ｃの温度を下げる。温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。スタック冷却水Ｃから排熱回収用の液体へ排熱を回収し、排熱回収用の液体を熱源として利用する。なお、冷却水熱交換器１０では、排熱を回収しなくてもよく、スタック冷却水Ｃと空気などの気体で熱交換してもよい。

燃料ガス熱交換器１６は、スタック冷却水Ｃと、改質装置１から送出される改質ガスＨとを熱交換する熱交換器で、燃料電池３０に供給される改質ガスＨとスタック冷却水Ｃを同じ温度にする。燃料ガス熱交換器１６には、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、改質ガスＨとの流路には、フィンを設けた管を備える多管式熱交換器とする。燃料ガス熱交換器１６の改質ガスＨの出口ノズル（不図示）は、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２に接続される。燃料ガス熱交換器１６のスタック冷却水Ｃの出口ノズル（不図示）は、燃料電池３０の冷却水流路３１に接続される。

気液分離器４５は、改質ガスＨ中の水分を分離する装置で、気液分離器４５には分離された回収水Ｒ１を気液接触塔７０に導入する配管４２が接続される。また、気液分離器８９は、混合排ガスＥ中の水分を分離する装置で、気液分離器８９には分離された回収水Ｒ２を気液接触塔７０に導入する配管６７が接続される。

気液接触塔７０は、その下部に、気液分離器４５、８９から送出された回収水Ｒ１、Ｒ２が入る回収水入口７３と、導入された回収水Ｒ１、Ｒ２を回収水Ｗ１として貯留する貯液部７１と、回収水Ｗ１をポンプ８２ａ、８５ａの吸い込み口に供給するための回収水出口７４と、所定の水位レベルを超える回収水Ｗ１が溢れ出て流れ込む溢流管７５と、回収水Ｗ１が溢流管７５に溢れて流れ込む溢流口７６とを有する。更に溢流口７６の上方には酸化剤ガスＧが入り込む酸化剤ガス入口７２を有する。所定の水位レベルとは、溢流口７６が設定された水位レベルである。回収水Ｗ１は溢流管７５から気液接触塔７０の系外に流れ出る。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガスＧとして用いる。

気液接触塔７０は、その上部に、酸化剤ガスＧが燃料電池３０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、混合ガス熱交換器８３から戻った、循環する回収水である循環水Ｗ３が注入される回収水注入口７８と、回収水注入口７８に注入された循環水Ｗ３を細かい水滴として気液接触塔７０内に撒き散らす水分散器７９とを有する。

気液接触塔７０は、その上部と下部の間に、注入された循環水Ｗ３と酸化剤ガスＧとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とを有する。

回収水吸引口７４の先には、ポンプ８２ａ及び混合ガス熱交換器８３を経て、気液接触塔７０上部の水分散器７９に至る配管８２が接続される。このように、貯液部７１から回収水吸引口７４、ポンプ８２ａ、混合ガス熱交換器８３、回収水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を経て貯液部７１に循環水Ｗ３（回収水Ｗ１）を循環する循環経路が構成される。

混合ガス熱交換器８３は、温度差の比較的少ない、混合ガスＥである気体と循環水Ｗ３である液体との熱交換をするので、プレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、混合ガスＧの流路にフィンを備えた多管式熱交換器が用いられる。

回収水吸引口７４からの配管８２には、ポンプ８２ａへの流路中で分岐管６５が設けられ、分岐された配管８５にポンプ８５ａが接続され、気液接触塔７０内の回収水Ｗ１の一部を改質装置供給水Ｗ２用として純水装置８６に送る。純水装置８６はイオン交換樹脂カラム８７を備えており、回収水Ｗ１を純水に精製する。純水装置８６の出口ノズル（不図示）は、改質装置１に接続されており、純水に精製された改質装置供給水Ｗ２が改質装置１に送られる。また、イオン交換樹脂（不図示）が改質装置供給水Ｗ２に混入することを防止するために、イオン交換樹脂カラム８７の下流側にフィルタ８８を設置してもよい。ただし、前述のように、本発明に係るイオン交換樹脂カラム８７では、イオン交換樹脂の流出が防止されているので、フィルタ８８を設置しなくてもよく、あるいは、フィルタを設置しても、フィルタの清掃等の手間が少なくてすむ。酸化剤ガスＧに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂カラム８７の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。

本実施の形態では、ポンプ８５ａを用いて改質装置供給水Ｗ１を純水装置８６へ送っているが、これに代えて、ポンプ８２ａの下流側に純水装置８６の入口とを連結する分岐管６５を設け、循環する循環水Ｗ３の一部を分岐して改質装置供給水Ｗ１として純水装置８６へ送ることもできる。この場合には、改質装置供給水Ｗ２用のポンプ８５ａを省き構成部材を削減することができる。しかし、ポンプ８２ａとポンプ８５ａの２台のポンプを備えることで、酸化剤ガスＧの加湿用の循環水Ｗ３の循環量と、改質装置供給水Ｗ２の供給量との調整がスムースに行われ、また、システムとしての信頼性も向上する。

気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７に、配管６６が連接され、酸化剤ガスＧを燃料電池３０に圧送するブロワ８４に接続される。ブロワ８４により気液接触塔７０内の酸化剤ガスＧが吸引される。酸化剤ガス入口７２から吸引された酸化剤ガスＧと、回収水注入口７８から注入された循環水Ｗ３は、充填部８０にて向流接触する。ブロワ８４の出口は、配管６６を介して燃料電池３０の空気極３３に接続される。ブロワ８４にて酸化剤ガスＧを昇圧して、燃料電池３０の空気極３３に供給する。

また、気液接触塔７０内の貯液部７１は、酸化剤ガス入口７２により大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器４５、８９とのレベル差によって気液分離器４５、８９から回収水Ｒ１、Ｒ２を貯液部７１へ導入することができる。したがって、回収水Ｒ１、Ｒ２を液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。さらに、余剰の回収水Ｗ１は、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部７１内に配置する溢流管７５の底部排出口から燃料電池発電システムの系外へ排出できる利点もある。

続いて、図３に示す燃料電池発電システムの作用を説明する。
改質装置１では、原料燃料Ｆと純水である改質装置供給水Ｗ２との改質反応により、水素を主成分とする水素含有ガスとしての改質ガスＨを生成する。通常、改質装置供給水Ｗ２が必要量以上に供給されるので、改質ガスＨは水分を多く含む。改質装置１は、さらに空気４(燃焼用空気)と、燃料極３２から排出されるアノードオフガスＡを、燃焼部(不図示)に導入して燃焼させ、原料燃料Ｆの改質反応のための改質熱を発生させ、燃焼排ガスＥ２を排出する。改質装置１で生成された改質ガスＨは、燃料ガス熱交換器１６に送出され、燃料ガス熱交換器１６でスタック冷却水Ｃにより冷却され、温度及び露点が適宜調整される。燃料ガス熱交換器１６に入る前の改質ガスＨの温度は、６５〜１００℃、燃料ガス熱交換器１６を出る改質ガスＨの温度は、５０〜７０℃である。冷却された改質ガスＨでは、水分が凝縮し、気液分離器４５において回収水Ｒ１が分離される。気液分離器４５で回収水Ｒ１が分離された改質ガスＨは、燃料電池３０の燃料極３２に供給される。

気液接触塔７０に吸引された酸化剤ガスＧは、充填部８０へ導かれ、充填部８０を通過中に循環水Ｗ３と気液接触し、循環水Ｗ３によって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。洗浄、昇温、加湿が終了した酸化剤ガスＧは、気液接触塔７０から流出する。なお、気液接触塔７０に入る酸化剤ガスＧの温度は、５〜４０℃であり、気液接触塔７０を流出する酸化剤ガスＧの温度は、５０〜６５℃である。気液接触塔７０を流出した酸化剤ガスＧは、ブロワ８４によって昇圧され、燃料電池３０の空気極３３に供給される。

燃料電池３０は、空気極３３に供給された酸化剤ガスＧと、燃料極３２に供給された改質ガスＨとの、電気化学的反応により電力を出力し、燃料極３２からアノードオフガスＡを、空気極３３からカソードオフガスＥ１を排出する。なお、改質ガスＨは水素を主成分としており、酸化剤ガスＧとの電気化学的反応で、水分を多く生じ、オフガスとして排出する。燃料極３２から排出されたアノードオフガスＡは改質装置１に送出され、改質反応の改質熱を発生させるために燃焼される。改質装置１は、アノードオフガスＡの燃焼により発生する燃焼排ガスＥ２を排出する。燃焼排ガスＥ２とカソードオフガスＥ１と混合し、水分を含む混合ガスＥとなる。

混合ガスＥは、混合ガス熱交換器８３へ供給される。混合ガス熱交換器８３では、混合ガスＥ中の顕熱及び潜熱の一部が、熱交換により、気液接触塔７０から供給された循環水Ｗ３に回収される。混合ガス熱交換器８３に入る前の混合ガスＥの温度は、６０〜８０℃であり、混合ガス熱交換器８３を出る混合ガスＥの温度は、３５〜５５℃である。また、この場合の混合ガス熱交換器８３に入る前の循環水Ｗ３の温度は、３０〜５０℃であり、混合ガス熱交換器８３を出る循環水Ｗ３の温度は、５５〜７０℃である。混合ガス熱交換器８３にて冷却された混合ガスＥ中に凝縮した水分は回収水Ｒ２として気液分離器８９で分離される。水分が分離された混合ガスＥは、系外９０に排ガスとして放出される。なお、冷却器９１で混合ガスＥを更に冷却すると、より多くの水分が凝縮するので、気液分離器８９で回収される水分量が増加する。

スタック冷却水Ｃは、燃料ガス熱交換器１６で改質ガスＨと温度調整した後に、ポンプ１８へ導かれ、ポンプ１８により昇圧される。昇圧されたスタック冷却水Ｃは、燃料電池３０の冷却水流路３１に送られ、燃料電池３０を冷却し、改質ガスＨと酸化剤ガスＧとの電気化学的反応により発生した熱を吸収する。冷却水流路３１を出たスタック冷却水Ｃは、冷却水熱交換器１０に導入される。冷却水熱交換器１０で、排熱回収用の液体と熱交換することにより、スタック冷却水Ｃは冷却される。温度が低下したスタック冷却水Ｃは、再び燃料ガス熱交換器１６へ送られる。ここで、燃料電池３０の電気化学的反応で生じた熱を排熱回収用の液体で回収することにより、熱として利用できるので、燃料電池発電システムの全体としての効率が高くなる。

燃料ガス熱交換器１６で冷却された改質ガスＨ中に凝縮し気液分離器４５によって分離された回収水Ｒ１は、気液接触塔７０に導入される。混合ガス熱交換器８３で冷却された混合ガスＥ中に凝縮し気液分離器８９によって分離された回収水Ｒ２は、気液接触塔７０に導入される。これらの導入された回収水Ｒ１、Ｒ２は、一緒になって回収水Ｗ１として気液接触塔７０の貯液部７１に貯留される。燃料電池発電システムでは回収水Ｗ１を利用することで、外部からの水の供給が不要となり、燃料電池発電システムの水自立が達成される。なお、回収水Ｗ１は、シリカ等の蒸発残留物をほとんど含まないので、改質装置供給水Ｗ２及び酸化剤ガスＧを加湿する水（循環する回収水Ｗ３）として、極めて好適である。

気液接触塔７０内の回収水Ｗ１は、回収水吸引口７４からポンプ８２ａにより吸い込まれ、加圧された後、混合ガス熱交換器８３で混合ガスＥにより加熱される。加熱された循環水Ｗ３は、気液接触塔７０に注入され、水分散器７９によって充填部８０に分散して撒かれ、そこで酸化剤ガスＧと気液接触し、酸化剤ガスＧを加湿、昇温、洗浄する。一方、循環水Ｗ３は、酸化剤ガスＧによって脱炭酸され、冷却される。脱炭酸され、冷却された循環水Ｗ３は、再び貯液部７１に戻り、貯留される。したがって、貯液部７１に貯留される回収水Ｗ１は、脱炭酸されたものとなる。なお、循環水Ｗ３の脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガスＧに混入するが、炭酸ガスが燃料電池３０内の空気極触媒(不図示)に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池３０の劣化や寿命に影響することはない。

また、回収水Ｗ１の一部は、改質装置供給水Ｗ２として使用される。回収水Ｗ１は、回収水吸引口７４からポンプ８５ａにより吸い込まれ、純水装置８６に圧送される。純水装置８６のイオン交換樹脂カラム８７にてイオン交換され、イオン化された物質が除去されることにより純水に精製された改質装置供給水Ｗ２は、改質装置１に供給され、燃料改質反応に用いられる。ここで、回収水Ｗ１が予め脱炭酸されているので、イオン交換樹脂カラム８７内に収容されているイオン交換樹脂（不図示）の寿命を延ばすことができる。また、前述のとおりにイオン交換樹脂が流出することが防止され、イオン交換樹脂カラム下流のフィルタ８８の清掃期間を延ばすことができる。あるいは、イオン交換樹脂カラムからイオン交換樹脂が流出しないので、イオン交換樹脂をろ過するためのフィルタが不要になる。したがって、純水装置８６のメンテナンス期間を延ばすことができる。更に、イオン交換樹脂の流出や目皿の閉塞が防止されるイオン交換樹脂カラム８７を備え、イオン交換樹脂カラム８７で処理された改質装置供給水Ｗ２を改質装置１に供給するので、安定した水質の純水を用いた改質反応により改質ガスＨを生成することができる。よって、改質ガスＨが安定的に生成される。安定的に供給される改質ガスＨを燃料電池３０に供給して発電を行うことにより、運転効率の高い燃料電池発電システムとなる。

なお、燃料電池発電システムの構成は図３に示したものには限られず、種々の構成がある。いずれの燃料電池発電システムにおいても、本発明に係るイオン交換樹脂カラムを備えることにより、改質供給水としての純水を製造する純水装置において、イオン交換樹脂が流出しないので、メンテナンス期間が延長されるという効果、および、安定した水質の純水が安定的に改質装置に供給されるので、燃料電池システムの運転効率が高くなるという効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態であるイオン交換樹脂カラムの模式的断面図である。 本発明の第２の実施の形態であるイオン交換樹脂カラムの模式的断面図である。 燃料電池発電システムを説明する模式的ブロック図である。 従来のイオン交換樹脂カラムの模式的断面図である。

符号の説明

１ 改質装置
３ 改質ガス（燃料ガス）配管
４ 空気
５ 燃焼燃料
６ 燃焼排ガス配管
１０ 冷却水熱交換器
１６ 燃料ガス熱交換器
１８ ポンプ
２１〜２３ 配管
３０ 燃料電池
３１ 冷却水流路
３２ 燃料極
３３ 空気極
４５、８９ 気液分離器
６５ 分岐管
６６ 配管
７０ 気液接触塔
７１ 貯液部
７２ 酸化剤ガス入口
７３ 回収水入口
７４ 回収水吸引口
７５ 溢流管
７６ 溢流口
７７ 酸化剤ガス出口
７８ 回収水注入口
７９ 水分散器
８０ 充填部
８１ 充填物支持板
８２、８５ 配管
８２ａ、８５ａ ポンプ
８３ 混合ガス熱交換器
８４ ブロワ
８６ 純水装置
８７ イオン交換樹脂カラム
８８ フィルタ
９０ 系外
９１ 冷却器
１０１ イオン交換器
１０２、１０３、１１０ 目皿
１０４ 陽イオン交換樹脂
１０５ 陰イオン交換樹脂
１０６ 入口ノズル
１０７ 出口ノズル
１０８ａ、ｂ 仕切板
１０９ 袋
１１１ リブ
１１２、１１３ 弾性体
１８７、２８７、３８７ イオン交換樹脂カラム
３１０ 空間
Ａ アノードオフガス
Ｃ スタック冷却水
Ｅ 混合ガス
Ｅ１ カソードオフガス
Ｅ２ 燃焼排ガス
Ｆ 原料燃料
Ｇ 酸化剤ガス
Ｈ 改質ガス（燃料ガス）
Ｒ１、Ｒ２ 回収水
Ｓ１、Ｓ２ 溶液
Ｗ１ 回収水
Ｗ２ 改質装置供給水
Ｗ３ 循環水

Claims (6)

1. 溶液中のイオンとイオン交換を行うイオン交換樹脂と；
   前記イオン交換樹脂を収容し、溶液が通過するイオン交換器と；
   前記イオン交換器の内壁に対し移動して、前記イオン交換樹脂を押す第１の通液性板とを備える；
   イオン交換樹脂カラム。
2. 溶液中のイオンとイオン交換を行うイオン交換樹脂と；
   前記イオン交換樹脂を収容し、溶液が通過するイオン交換器と；
   前記イオン交換器内に収容される前記イオン交換樹脂を、2以上の空間に区分する、通液性の区分材とを備える；
   イオン交換樹脂カラム。
3. 前記区分材が、通液性袋である；
   請求項２に記載のイオン交換樹脂カラム。
4. 前記区分材が、前記イオン交換器に対して移動可能な第２の通液性板である；
   請求項２に記載のイオン交換樹脂カラム。
5. 前記イオン交換樹脂は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との混合体である；
   請求項１乃至請求項４のいずれか1項に記載のイオン交換樹脂カラム。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のイオン交換樹脂カラムと；
   原料燃料と前記イオン交換樹脂カラムを通過した溶液との改質反応により燃料ガスを生成する改質装置と；
   前記燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える；
   燃料電池発電システム。
   
   

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