JP2007222724A - 電気脱イオン装置の流量調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池における改質器や循環冷却水系に供給される水など、特に小流量の水を処理する小型の電気脱イオン装置の流量調整方法を提供する。
【解決手段】電気脱イオン装置１は、図示しない陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して脱塩室２と濃縮室（電極室）３とを形成してなる。被処理水Ｗを導入管路４から脱塩室２に流通すると、脱塩室２に連通した供給管路５から処理水Ｗ１が取り出されるとともに、濃縮室（電極室）３に連続した排出管路６から濃縮水Ｗ２が排出されるが、排出管路６に圧力変動型の定流量弁７が設置することで、濃縮水の排出量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気脱イオン装置の流量調整方法に関し、特に燃料電池における改質器や循環冷却水系に供給される水など、小流量の水を処理する小型の電気脱イオン装置の流量調整方法に関する。

従来、半導体製造工場、液晶製造工場、製薬工業、食品工業、電力工業等の各種の産業若しくは民生用の脱イオン水、又は研究施設等において使用される脱イオン水の製造には、電極（陽極，陰極）の間にアニオン交換膜及びカチオン交換膜を配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、脱塩室にイオン交換樹脂、イオン交換繊維又はグラフト交換体等からなるアニオン交換体及びカチオン交換体を混合して又は複層状に充填した電気脱イオン装置が多用されている。

電気脱イオン装置は、水解離によってＨ^＋イオンとＯＨ⁻イオンを生成させ、脱塩室内に充填されているイオン交換体を連続して再生することによって、効率的な脱塩処理が可能であり、従来から広く用いられてきたイオン交換樹脂装置のような薬品を用いた再生処理を必要とせず、完全な連続採水が可能で、高純度の水が得られるという優れた効果を発揮する。

このような電気脱イオン装置は、最近では種々の用途に利用されるようになってきており、例えば、図４に示すように、都市ガス等から水素を製造する燃料処理系を有する家庭用の固体高分子型燃料電池に利用されている。この固体高分子型燃料電池は、電解質（図示せず）を介して燃料極３１と空気極３２とが設けられた燃料電池本体３３、この燃料電池本体３３を冷却する冷却水を流通するための冷却水タンク３４及びポンプＰ１を有する。都市ガス等の燃料は、燃料処理系３５に導入され、改質器３５Ａで水素を主体とするガスに改質され、一酸化炭素変成器３５Ｂで一酸化炭素成分が変成され、更に一酸化炭素除去器３５Ｃで一酸化炭素が極めて低濃度に除去された後、燃料電池本体３３の加湿のために水分を含んだ状態で燃料極３１に送給される。

燃料極３１の排ガスは、ポンプＰ２、熱交換器３７，３８，３７’及び貯湯槽３９よりなる熱回収系で熱回収された後、更に放熱器４０で冷却され、気液分離器４２に導入される。この気液分離器４２の分離水（凝縮水）は、水処理装置３６に送給され、水素成分を含んだ分離ガスは改質器の原料として利用され、燃焼後水蒸気として系外へ排出される。この燃料処理系３５には、水処理装置３６から燃料処理や燃料ガスを加湿するための水蒸気の発生用の純水が導入される。

一方、空気極３２には空気が導入され、この空気中の酸素により燃料極３１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。この空気極３２に導入される空気を加湿するために、水処理装置３６から純水が導入されることがある。空気極３２の排ガスは、ポンプＰ２、熱交換器３７，３８，３７’及び貯湯槽３９よりなる熱回収系で熱回収された後、更に放熱器４０で冷却され、気液分離器４１に導入される。この気液分離器４１の分離水（凝縮水）は、水処理装置３６に送給され、分離ガスは排ガスとして系外に排出される。

そして、水処理装置３６で処理されて得られた純水は、一部が燃料処理系３５に送給され、残部は冷却水タンク３４に送給される。この冷却水タンク３４の冷却水は、ポンプＰ１により、燃料電池本体３３の冷却部から、熱回収系、放熱器４０を経て循環される。なお、水処理装置３６には、必要に応じ補給水として水道水が導入され、循環冷却水とともに処理される。

上述したような固体高分子型燃料電池では、電気化学的反応を固体のイオン交換膜を介して行うため、燃料となる水素の移動には、高純度な水が必要不可欠である。また、燃料ガスから水素を発生させる改質器にも高純度の水が必要である。更には、燃料電池本体の冷却水系にも高純度の水が必要とされる。

燃料電池では、電気化学的反応によって電力を取り出した際に、発熱するとともに水蒸気が発生するため、使用水量を低減するために、この燃料電池内部で発生した水蒸気を凝縮させて回収し、これを再利用しているが、この凝縮水には炭酸ガス、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｕ等が溶存しているため、水処理によって取り除く必要がある。また、凝縮水の水量は、外気温によって変化するため、装置内部で必要とする高純度水の量に対して不足が生じることがあることから、水道水等で適時水を補給する必要がある。そして、この水道水についても溶存イオンや炭酸ガス等を除去する必要がある。

このため、水処理装置３６で凝縮水を処理して循環再利用するとともに、この水処理装置３６で水道水を処理して不足水量分を補給している。電気脱イオン装置は、このような水処理装置３６として、長期間連続して使用できることから、定期的に薬品による再生操作の必要なイオン交換樹脂装置よりも電気脱イオン装置を利用することが開示されている（特許文献１，２参照）。
特開２００５−１０３４９２号公報 特開平１０−２４２８６号公報

これらの文献に記載された電気脱イオン装置は、いずれも純水（処理水）と同時に濃縮水（排水）を排出するものであり、処理水と濃縮水との割合はほぼ一定であり、処理水と濃縮水の水量バランスが崩れると処理水質が悪化する場合があるので、濃縮水の流量調整をオリフィスやニードルバルブ等を使用して行っていた。

しかしながら、前述したような家庭用燃料電池においては、５Ｌ／ｈ以下と被処理水の水量自体が少ない上に外部からの水補給を最小限に抑制するため、燃料電池で必要な純水を発電の際に発生する水分で賄うとすると、水処理装置では高い水回収率が要求され、その結果、排出される濃縮水の量は非常に少なく設定される。このような小流量の濃縮水を前述したようにオリフィスやニードルバルブで流量調整する場合には流路断面積を非常に狭くする必要がある。その結果、流路に異物などが混入するとオリフィスやニードルバルブの箇所でそれが挟まり流量低下やさらには閉塞を起こしたりし、この結果、処理水と濃縮水の水量バランスが崩れ、所定の水質が得られなくなるという問題点があった。

この対策として、オリフィスやニードルバルブの前段にフィルタを設けることが考えられるが、流路面積が非常に小さいことから、非常に目の細かいフィルタを採用する必要があり、フィルタ自身の寿命が短く、またコンパクト化にも支障があるという問題点がある。さらに、フィルタ自身に逆洗機構を設けることも考えられるが、装置が複雑になるだけでなく、フィルタの目が非常に細かいため十分な逆洗効果を期待できない等実用的でない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池における改質器や循環冷却水系に供給される水など、特に小流量の水を処理する小型の電気脱イオン装置の流量調整方法を提供することを目的とする。

第一に、本発明の電気脱イオン装置の流量調整方法は、陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、該濃縮室及び脱塩室にイオン交換体を充填してなり、５Ｌ／ｈ以下の流量の被処理水を脱塩室に透過させることにより脱塩処理して処理水を得るとともに濃縮水を排出する電気脱イオン装置の流量調整方法であって、前記被処理水の流通箇所に定流量弁を設けて流量を制御することを特徴とする（請求項１）。

定流量弁は、流路を狭めることにより流量を調整するものであるので、流路に異物等が混入すると流路が狭まり流量の低下を招きやすいが、そうすると定流量弁の弁体は流路を拡大する方向に可動するため、上記発明（請求項１）によれば、異物等が除去されやすくなっている。

上記発明（請求項１）においては、前記定流量弁を濃縮水の排出流路に設けることが好ましい（請求項２）。濃縮水には電気脱イオン処理の際に副生するガス（酸素，水素）が含まれるため、上記発明（請求項２）によれば、濃縮水が気液混合流体となり定流量弁の流路の洗浄効果が期待できる。また、濃縮水は系外に排出されるため、上記発明（請求項２）によれば、万一定流量弁から不純物の溶出があっても処理水質に影響を与えることがない。

上記発明（請求項１，２）においては、前記定流量弁が、圧力変動対応型定流量弁であることが好ましい（請求項３）。この圧力変動対応型定流量弁は、流路に異物等が混入して１次圧力が大きくなると、バネ等の弾性部材により、弁体を押し上げて圧を減少させるものであるので、上記発明（請求項３）によれば、異物等を容易に除去することができる。

上記発明（請求項１〜３）においては、前記電気脱イオン装置の運転を定期的に停止して被処理水の流通を遮断することが好ましい（請求項４）。定流量弁は、水の流れが止まると水圧が最小となり弁体が全開することから、上記発明（請求項４）によれば、電気脱イオン装置の運転を定期的に停止することで、異物等が挟まるのを未然に防止することができる。

また、第二に、本発明の電気脱イオン装置の流量調整方法は、陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、該濃縮室及び脱塩室にイオン交換体を充填してなり、５Ｌ／ｈ以下の流量の被処理水を脱塩室に透過させることにより脱塩処理して処理水を得るとともに濃縮水を排出する電気脱イオン装置の流量調整方法であって、前記被処理水の流通箇所にチューブコイルを設けて流量を制御することを特徴とする（請求項５）。

このチューブコイルは、流路長さを稼ぐことにより、その流通抵抗により流量を制御するものであるので、流路断面積を比較的広く採ることができるため、上記発明（請求項５）によれば、流路に異物等が混入しても挟まりにくくなっている。

上記発明（請求項５）においては、前記チューブコイルを濃縮水の排出流路に設けることが好ましい（請求項６）。濃縮水には、電気脱イオン処理の際に副生するガス（酸素，水素）が含まれるため、上記発明（請求項６）によれば、濃縮水が気液混合流体となり、チューブコイルの洗浄効果が期待できる。また、濃縮水は系外に排出されるため、万一チューブコイルから不純物の溶出があったとしても処理水質に影響を与えることがない。

上記発明（請求項５，６）においては、前記チューブコイルのチューブ内径が０．３〜１．０ｍｍで、コイル曲率半径が２〜２５ｍｍφであることが好ましい（請求項７）。上記発明（請求抗７）によれば、このようなものを用いることにより、流量の調整と異物の除去の両機能を持たせることができる。

本発明の電気脱イオン装置の流量調整方法によれば、電気脱イオン装置の被処理水の流通箇所に定流量弁、又はチューブコイルを設けて流量を制御しているので、流路に異物等が混入してもこれを通過させて排出することができるので、異物等が除去されやすくなっており、これにより小型電気脱イオン装置から良好な水質の処理水を得ることが可能となる。

〔第１の実施形態〕
以下添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気脱イオン装置の流量調整方法を示す概略図である。

図１において、電気脱イオン装置１は、図示しない陰極と陽極との間にアニオン交換膜(図示せず)とカチオン交換膜（図示せず）とを配列して脱塩室２と濃縮室（電極室）３とを形成してなり、被処理水Ｗを導入管路４から脱塩室２に流通すると、脱塩室２に連続した供給管路５から処理水Ｗ１が取り出されるとともに、濃縮室（電極室）３に連続した排出管路６から濃縮水Ｗ２が排出される。そして、排出管路６には、圧力変動対応型の定流量弁７が設置されている。

この圧力変動対応型の定流量弁７は、筐体内に形成された流路を水圧に応じて弁体を挿脱することで流量を制御するものであり、この弁体は圧縮コイルバネ等の弾性部材により日常時は、流路を開成する方向に付勢されていて、上流側の水圧が増加すると圧縮コイルバネの弾性力に抗して弁体が流路を狭めて流量の増加を抑制する一方、上流側の水圧が減少すると圧縮コイルバネの弾性力により弁体が押し戻されて流路を復元して流量の減少を抑制する機能を有する。これにより水圧の変化によらずに一定の流量に調整できる。このような定流量弁７は、例えば特許２５７１３３５号公報に開示されている。上述したような定流量弁７は、低溶出性の材料製のものが好ましく、さらに高温で使用されることもあるため、耐熱性のエンジニアリングプラスチック製のものが好ましいが、入手性、加工性、コスト等を考慮して種々の材料を用いることができる。

前記構成につきその作用について説明する。電気脱イオン装置１により被処理水Ｗを処理すると、被処理水Ｗは脱塩室２を通過することでイオン性の不純物は濃縮室３側に除去され、供給管路５から処理水（純水）Ｗ１が取り出されて、図４に示す家庭用燃料電池システムの冷却水系や燃料系に循環再利用される。一方、濃縮室３に流入した水は、濃縮水Ｗ２として排出管路６から排出される。

上述したような電気脱イオン装置１の流量調整方法において、被処理水Ｗの流量は５Ｌ／ｈ以下、特に０．５〜３．０Ｌ／ｈであり、処理水Ｗ１の流量は０．５〜２．５Ｌ／ｈであり、濃縮水Ｗ２の流量は０．０２〜０．５Ｌ／ｈであり、処理水Ｗ１：濃縮水Ｗ２の流量の比は９０：１０〜９９：１の範囲内となっている。

このとき定流量弁７の弁体は圧縮コイルバネの弾性力に抗して所定の分だけ流路を狭めることで上記流量が維持されるように設定されている。このため、流路よりも大きな異物等の固形物が排出管路６に流入すると、弁体と流路との間に挟まって流量を低下させる。しかしながら、本実施形態においては排出管路６の流量が低下すると、上流側の水圧が低下するため、圧縮コイルバネの弾性力が水圧に勝るため、その圧力の減少に応じて弁体が開成して、流路断面積が拡大するため、異物等の固形物が濃縮水Ｗ２とともに外部に排出される。これにより、０．０２〜０．５Ｌ／ｈと非常に小流量であっても濃縮水Ｗ２の流量を制御可能となっている。

特に電気脱イオン装置１の運転を定期的に停止して被処理水Ｗの流通を遮断するようにすることで、定流量弁７の上流側の水圧が最小となり、弁体が全開になるため、異物等の固形物を排出管路６から外部に排出しやすくなるため好ましい。

さらに、特に電気脱イオン装置１の特性上、濃縮水Ｗ２には水の電気分解で発生する酸素ガス、水素ガスが含まれており、排出管路６中で気泡となるので、定流量弁７の弁体の開成による洗浄効果を高めることができる。

上述したような本実施形態の電気脱イオン装置の流量調整方法によれば、１年以上連続運転しても濃縮水Ｗ２の流量の低下は認められず、電気脱イオン装置１から供給される処理水Ｗ１の水質を良好なものに維持することができる。

〔第２の実施形態〕
次に本発明の第２の実施形態に係る電気脱イオン装置の流量調整方法について図２に基づいて説明する。第２の実施形態は前述した第１の実施形態において、濃縮水Ｗ２の排出管路６に定流量弁７の代わりにチューブコイル１１を設けた以外同様の構成を有する。

このチューブコイル１１は、流径に対して流路長さを大きくすることで、その流通抵抗により流路を制御するものであり、流路断面積を広く採ることができるため、流路に異物等が混入しても挟まりにくい。上述したようなチューブコイル１１としては、チューブ内径が０．３〜１．０ｍｍで、コイルの曲率半径が２〜２５ｍｍφのものを用いるのが好ましい。チューブ内径が０．３ｍｍ未満では異物などの除去性能が十分でない一方、１．０ｍｍを超えるとコイル長さを長くとる必要があるため効率的でない。また、コイルの曲率半径が２ｍｍφ未満では異物等の除去性能が十分でない一方、２５ｍｍφを超えても水処理装置を小型化するニーズに反し、意味がない。上述したようなチューブコイル１１としては、低溶出性の材料製のものが好ましく、さらに高温で使用されることもあるため、耐熱性のエンジニアリングプラスチック製のものが好ましいが、入手性、加工性、コスト等を考慮して種々の材料を用いることができる。

前記構成につきその作用について説明する。電気脱イオン装置１により被処理水Ｗを処理すると、処理水Ｗは脱塩室２を通過することで、イオン性の不純物は濃縮室３側に除去され、供給管路５から処理水（純水）Ｗ１が取り出されて、図４に示す家庭用燃料電池システムの冷却水系や燃料系に循環再利用される。一方、濃縮室３に流入された水は、濃縮水Ｗ２として排出管路６から排出される。

上述したような電気脱イオン装置１の流量調整方法において、被処理水Ｗ、処理水Ｗ１、濃縮水Ｗ２の流量及び処理水Ｗ１：濃縮水Ｗ２の比は、前述した第１の実施形態と同じである。

このときチューブコイル１１の流通抵抗により上記流量が維持される。そして、異物等の固形物が排出管路６に流入したとしてもチューブコイル１１の径（流路断面積）が大きく設定されているので、異物等の固形物は濃縮水Ｗ２とともに外部に排出される。これにより、０．０２〜０．５Ｌ／ｈと非常に小流量であっても濃縮水Ｗ２の流量を制御可能となっている。

上述したような本実施形態の電気脱イオン装置の流量調整方法によれば、１年以上連続運転しても濃縮水Ｗ２の流量の低下は認められず、電気脱イオン装置１により処理水Ｗ１の水質を良好なものに維持することができる。

〔第３の実施形態〕
さらに、本発明の第３の実施形態に係る電気脱イオン装置の流量調整方法について図３に基づいて説明する。第３の実施形態は、上述した第１の実施形態において、濃縮水Ｗ２の排出管路６に定流量弁７を有するとともに、被処理水Ｗの導入管路４にも定流量弁２１を有する以外同様の構成を有する。

定流量弁７と定流量弁２１とは、制御流量が異なるものであり、定流量弁２１の方が定流量弁７より大きく、例えば、定流量弁２１による制御流量は５Ｌ／ｈ以下、特に０．５〜３．０Ｌ／ｈであるのに対し、定流量弁７による制御流量は０．０２〜０．５Ｌ／ｈとなっている。

前記構成につきその作用について説明する。導入管路４には定流量弁２１が設けられているので電気脱イオン装置１には所定の流量の被処理水Ｗが流入し、脱塩室２を通過することで、イオン性の不純物は濃縮室３側に除去され、供給管路５から処理水（純水）Ｗ１が取り出されて、図４に示す家庭用燃料電池システムの冷却水系や燃料系に循環再利用される。一方、濃縮室３に流入した水は、濃縮水Ｗ２として排出管路６から排出される。

上述したような電気脱イオン装置１の流量調整方法において、被処理水Ｗ、処理水Ｗ１、濃縮水Ｗ２の流量及び処理水Ｗ１：濃縮水Ｗ２の比は、上述した第１の実施形態と同じである。

このとき定流量弁７の弁体は圧縮コイルバネの弾性力に抗して所定の分だけ流路を狭めることで上記流量が維持される。このため、流路よりも大きな異物等の固形物が排出管路６に流入すると、弁体と流路との間に挟まって流量を低下させる。しかしながら、本実施形態においては排出管路６の流量が低下すると、上流側の水圧が低下するため、圧縮コイルバネの弾性力が水圧に勝り、その圧力の減少に応じて弁体が開成して、流路断面積が拡大する。そのため、異物等の固形物が濃縮水Ｗ２とともに外部に排出される。これにより、０．０２〜０．５Ｌ／ｈと非常に小流量であっても濃縮水Ｗ２の流量を制御可能となっている。

特に、本実施形態のように導入管路４にも定流量弁２１を設けることで、電気脱イオン装置１への水の供給量も制御できるため、処理水（純水）Ｗ１と濃縮水Ｗ２の量をより正確に制御することができる。なお、場合によっては脱塩室２に連続した供給管路５に定流量弁を設けてもよい。

特に電気脱イオン装置１の運転を定期的に停止して被処理水Ｗの流通を遮断するようにすることで、定流量弁７の上流側の水圧が最小となり、弁体が全開になるため、異物等の固形物を排出管路６から外部に排出しやすくするのが好ましい。

さらに、特に電気脱イオン装置１の特性上、濃縮水Ｗ２には水の電気分解で発生する酸素ガス、水素ガスが含まれており、排出管路６中で気泡となるので、定流量弁７の弁体の開成による洗浄効果を高めることができる。

上述したような本実施形態の電気脱イオン装置の流量調整方法によれば、１年以上連続運転しても濃縮水Ｗ２の流量の低下は認められず、電気脱イオン装置１により処理水Ｗ１の水質を良好なものに維持することができる。

以上本発明の第１〜第３の実施形態について添付図面を参照して説明してきたが、本発明は前記実施形態に限らず、種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態においては、排出管路６又は導入管路４に定流量弁２１を設けているが、場合によっては脱塩室２に連続した供給管路５に定流量弁を設けてもよく、いずれか１箇所であっても複数箇所であってもよい。また、チューブコイル１１の設置についても同様である。

本発明の第１の実施形態に係る電気脱イオン装置の流量調整方法を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る電気脱イオン装置の流量調整方法を示すフロー図である。 本発明の第３の実施形態に係る電気脱イオン装置の流量調整方法を示すフロー図である。 電気脱イオン装置の使用例である、家庭用燃料電池システムを示すフロー図である。

符号の説明

１…電気脱イオン装置
２…脱塩室
３…濃縮室
４…導入管路（流通箇所）
５…供給管路（流通箇所）
６…排出管路（流通箇所）
７…定流量弁
１１…チューブコイル
２１…定流量弁
Ｗ…被処理水
Ｗ１…処理水（純水）
Ｗ２…濃縮水

Claims (7)

1. 陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、該濃縮室及び脱塩室にイオン交換体を充填してなり、５Ｌ／ｈ以下の流量の被処理水を脱塩室に透過させることにより脱塩処理して処理水を得るとともに濃縮水を排出する電気脱イオン装置の流量調整方法であって、
   前記被処理水の流通箇所に定流量弁を設けて流量を制御することを特徴とする電気脱イオン装置の流量調整方法。
2. 前記定流量弁を濃縮水の排出流路に設けることを特徴とする請求項１に記載の電気脱イオン装置の流量調整方法。
3. 前記定流量弁が、圧力変動対応型定流量弁であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気脱イオン装置の流量調整方法。
4. 前記電気脱イオン装置の運転を定期的に停止して被処理水の流通を遮断することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気脱イオン装置の流量調整方法。
5. 陰極と陽極との間にアニオン交換膜とカチオン交換膜とを配列して濃縮室と脱塩室とを形成し、該濃縮室及び脱塩室にイオン交換体を充填してなり、５Ｌ／ｈ以下の流量の被処理水を脱塩室に透過させることにより脱塩処理して処理水を得るとともに濃縮水を排出する電気脱イオン装置の流量調整方法であって、
   前記被処理水の流通箇所にチューブコイルを設けて流量を制御することを特徴とする電気脱イオン装置の流量調整方法。
6. 前記チューブコイルを濃縮水の排出流路に設けることを特徴とする請求項５に記載の電気脱イオン装置の流量調整方法。
7. 前記チューブコイルのチューブ内径が０．３〜１．０ｍｍで、コイル曲率半径が２〜２５ｍｍφであることを特徴とする請求項５又は６に記載の電気脱イオン装置の流量調整方法。
   

Images