JP2007258026A - 燃料電池装置の水処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換樹脂装置などの水処理装置の交換時期を長くすることができ、良好な水質の処理水を安定的に供給することができる燃料電池装置の水処理システムを提供する。
【解決手段】水処理システム３は、燃料電池１の凝縮水が流通する凝縮水供給管路１１が接続した第１の水処理装置たる第１のイオン交換樹脂装置１２を備える。また、前記第１のイオン交換樹脂装置１２に並設して、市水供給管路１５が接続した第２の水処理装置たる第２のイオン交換樹脂装置１６が設けられている。そして、凝縮水供給管路１１と市水供給管路１５との間は、分岐管路２１により接続されていて、該分岐管路２１には、流量調整機構２２が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、不純物を含む凝縮水及び市水をイオン交換式水処理装置によって浄化し、燃料電池装置の冷却水又は原燃料の改質反応水等として供給する燃料電池装置の水処理システムに関する。

一般家庭等に設置される固体高分子型燃料電池装置には、天然ガス、プロパンガス又は灯油等から水素を製造するための改質工程などにおいて水（純水）が必要である。また、燃料電池スタック（発電部）の冷却や、固体高分子型燃料電池の場合には、固体高分子膜を加湿するためにも純水が必要である。この純水は家庭で容易に手に入らないため、燃料電池装置においては、燃料電池本体で水素と酸素との反応により生じた水を回収して凝縮し、この凝縮水を水処理装置で処理して再利用することが種々提案されている（特許文献１〜３参照）。これらの方法では、燃料電池の起動直後は凝縮水の発生が間に合わないため、一時的に市水を利用する必要がある。

そこで、これらの従来技術では、図４に示すように、市水と凝縮水との両方を一のイオン交換樹脂装置（水処理装置）で処理して、この処理水を燃料電池装置に供給するフローで水処理を行ったり、図５に示すように、市水と凝縮水とをそれぞれ別のイオン交換樹脂装置で処理して、これらの処理水を燃料電池装置に供給するフローで水処理を行ったりしている。
特開２００５−３１７３９２号公報 特開２０００−０９０９４８号公報 特開平５−３１５００２号公報

上述したような燃料電池装置の水処理においては、凝縮水の純度は非常に高いのに対して、市水の純度は低く、含有イオン濃度が非常に高い。これに起因して種々の問題が発生している。すなわち、図４に示すフローの場合、市水と凝縮水とを同じイオン交換樹脂装置で処理しているので、まず市水（１）を通水すると、イオン交換樹脂に多量のイオンが交換吸着される。続いて凝縮水（２）を通水すると、イオン交換樹脂装置中のイオン交換樹脂と被処理水である凝縮水とのイオン濃度に勾配が生ずる。この結果、イオン交換樹脂に交換吸着しているイオン（不純物）が、凝縮水側に溶出し、処理水の水質が却って低下するという問題がある。

また、図５に示すような、市水と凝縮水とをそれぞれ別のイオン交換樹脂装置で処理するフローの場合、市水に含有されるイオン性不純物の濃度が非常に高いため、市水用のイオン交換樹脂装置の容量を非常に大きくするか、市水用のイオン交換樹脂装置の交換頻度が非常に高くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、イオン交換樹脂装置等の水処理装置の交換時期を長くすることができ、良好な水質の処理水を安定的に供給することができる燃料電池装置の水処理システムを提供することを目的とする。

第１に本発明は、市水と燃料電池装置から排出される凝縮水とを被処理水として処理し、前記燃料電池装置に供給する燃料電池装置の水処理システムであって、凝縮水供給管路が接続した第１の水処理装置と、市水供給管路が接続した第２の水処理装置とを並設し、前記凝縮水供給管路に前記市水供給管路又は第２の水処理装置に連通する分岐管路を設け、前記市水の処理時には、該市水を前記第２の水処理装置に流通させて前記燃料電池装置に供給し、前記凝縮水の処理時には、該凝縮水を前記第１の水処理装置に流通させて前記燃料電池装置に供給するとともに、該凝縮水の一部を前記分岐管路から前記第２の水処理装置に流通させて排出するように制御することを特徴とする燃料電池装置の水処理システムを提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）によれば、市水浄化用と凝縮水浄化用とにそれぞれ水処理装置を独立して設けているので、イオン性の不純物が多く含まれる市水浄化用の第２の水処理装置に吸着した不純物が、凝縮水に溶出して処理水の水質が低下することを防止することができる。そして、凝縮水処理時には、高濃度でイオンを吸着した第２の水処理装置に、純度が高く、イオン濃度の低い凝縮水の余剰水を通水することで、第２の水処理装置に吸着したイオンを、それら第２の水処理装置と凝縮水とのイオン濃度の較差を利用してある程度除去することで、第２の水処理装置の長寿命化を図ることができる。

上記発明（請求項１）においては、前記第２の水処理装置としてイオン交換樹脂装置を用いるのが好ましい（請求項２）。かかる発明（請求項２）によれば、高濃度に不純物イオンを交換吸着した第２の水処理装置としてのイオン交換樹脂装置に純度の高い凝縮水の余剰水を通水することで、第２の水処理装置のイオン交換樹脂に交換吸着したイオンを除去してイオン交換樹脂のコンディショニングを行うことができ、第２の水処理装置の長寿命化を図ることができる。

上記発明（請求項１，２）においては、前記第１の水処理装置としてイオン交換樹脂装置又は電気脱イオン装置を用いることが好ましい。また、上記発明（請求項１〜３）においては、前記分岐管路に流量調整機構が設けられており、前記分岐管路から前記第２の水処理装置に供給される凝縮水の量が規定されているのが好ましい（請求項４）。

上記発明（請求項４）によれば、第２の水処理装置の再生に使用した凝縮水は排出することになるので、その量を最小限に抑え、燃料電池装置に供給する水を確保することができる。

上記発明（請求項１〜４）においては、前記凝縮水を前記第２の水処理装置に連続的に若しくは断続的に供給し、又は前記凝縮水の前記第２の水処理装置への供給方法が、連続的供給若しくは断続的供給に切替可能であることが好ましい（請求項５）。

本発明の燃料電池装置の水処理システムによれば、イオン交換樹脂等の水処理装置の交換期間が長く、良好な水質の処理水を安定的に供給することができる。

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係る水処理システムを説明する。図１は本実施形態に係る水処理システムを適用可能な燃料電池システムを示すフロー図である。

図１において、燃料電池１は、水素（２Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）との反応により水（２Ｈ_２Ｏ）を生成することで、そのエネルギー状態の差から起電力を生じるシステムである。この燃料電池１で発生した水を凝縮器２で回収して、この凝縮水Ｗのうち燃料電池１における必要量（処理水量：Ｑ）のみを被処理水として水処理システム３で処理し、この処理水Ｗ１を燃料電池１で再利用することで循環利用する。また、燃料電池１では常に水が生成されているので、凝縮器２での凝縮水の回収率が十分に高ければ、処理水量（Ｑ）より多く凝縮水Ｗが回収されるので余剰水Ｗ２が発生することになる。この余剰水Ｗ２は排水として排出される。一方、燃料電池１の起動時には凝縮水Ｗは存在しない。したがって、水道水等の市水Ｗ０を供給する必要がある。

図２は、上述した燃料電池装置の水処理システム３を示すフロー図である。図２において、水処理システム３は、燃料電池１の凝縮水が流通する凝縮水供給管路１１が接続された第１の水処理装置たる第１のイオン交換樹脂装置１２と、この第１のイオン交換樹脂装置１２から連続する第１の処理水排出管路１３とを備える。なお、１４は、第１の処理水排出管路１３に設けられた逆止弁である。そして、この第１の処理水排出管路１３から供給される処理水が燃料電池１、燃料改質器等の燃料電池装置Ｅの各所に供給される。

また、第１のイオン交換樹脂装置１２に並設して、市水供給管路１５が接続された第２の水処理装置たる第２のイオン交換樹脂装置１６が設けられている。この第２のイオン交換樹脂装置１６には、第２の処理水排出管路１７が接続されている。この第２の処理水排出管路１７は分岐していて、一方は処理水供給管路１７Ａとして第１の処理水排出管路１３に合流し、他方は排出管路１７Ｂとして外部に開放している。なお、市水供給管路１５、処理水供給管路１７Ａ及び排出管路１７Ｂのそれぞれには、第１の開閉弁１８、第２の開閉弁１９及び第３の開閉弁２０が設けられていて、図示しない制御機構により制御可能となっている。

そして、凝縮水供給管路１１と市水供給管路１５との間は、分岐管路２１により接続されている。この分岐管路２１には、逆止弁２２が設けられることにより、凝縮水供給管路１１側から市水供給管路１５側にのみ流通可能となっている。さらに、分岐管路２１には、オリフィス、チューブコイル、ニードルバルブ等の流量調整機構２２が設けられていて、凝縮水供給管路１１から所定量、又は所定の比率で凝縮水が供給される構成となっている。

上述したような燃料電池装置の水処理システムにおいて、第１のイオン交換樹脂装置１２及び第２のイオン交換樹脂装置１６には、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂とのミックス樹脂を充填するのが一般的であり、凝縮水及び市水の性状によりカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂との混合比率を任意に設定することができる。また、第１のイオン交換樹脂装置１２及び第２のイオン交換樹脂装置１６の樹脂容量は、市水を浄化する第２のイオン交換樹脂１６の方が大きいのが一般的であるが、凝縮水及び市水の性状と交換頻度を考慮して適切な容量を適宜設定することができる。

このような構成を有する本実施形態に係る燃料電池装置の水処理システムにつき、その作用を説明する。燃料電池装置の起動直後等には、凝縮水は存在しないため、図２に示すように、市水Ｗ０を第２のイオン交換樹脂装置１６で浄化して燃料電池装置Ｅに供給する。すなわち、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９は開成しており、第３の開閉弁２０は閉鎖した状態で第２のイオン交換樹脂装置１６に市水を供給すると、市水Ｗ０は、第２のイオン交換樹脂装置１６でイオン性の不純物が除去された処理水Ｗ１として供給管路１７Ａから第１の処理水排出管路１３を経由して燃料電池装置Ｅに供給される。

次に、燃料電池装置の起動から所定時間が経過して定常状態となったら、市水Ｗ０の供給を止めて、図３に示すように、凝縮水Ｗを第１のイオン交換樹脂装置１２で浄化して燃料電池装置Ｅに供給する。すなわち、凝縮水Ｗは、凝縮器２における凝縮水の回収効率が十分に高ければ、燃料電池装置Ｅで必要とされる量（処理水量：Ｑ）以上を回収できる。そこで、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９は閉鎖し、第３の開閉弁２０が開成した状態で凝縮水Ｗを供給すると、凝縮水Ｗは、凝縮第１のイオン交換樹脂装置１２でイオン性の不純物を除去された処理水Ｗ１として第１の処理水排出管路１３を経由して燃料電池装置Ｅに供給される。

また、余剰水Ｗ２は、分岐管路２１から市水供給管路１５を経由して第２のイオン交換樹脂装置１６に供給される。このとき、市水Ｗ０中には多量のイオン性の不純物が含まれるので、第２のイオン交換樹脂装置１６内のイオン交換樹脂は、多量のイオンが交換吸着されているのに対し、凝縮水は非常に純度が高いので、第２のイオン交換樹脂装置１６内のイオン交換樹脂と凝縮水との間のイオン濃度に大きな勾配が生じる。このため、イオン交換樹脂に交換吸着しているイオン（不純物）が凝縮水Ｗ側に溶出し、これによりイオン交換樹脂がコンディショニングされる。そして、この凝縮水浄化工程において、第２のイオン交換樹脂装置１６から排出された処理水Ｗ３は、凝縮水Ｗよりも不純物を多く含むため、排出管路１７Ｂから排出される。

このとき、第１のイオン交換樹脂１２及び第２のイオン交換樹脂１６に通水する水量比は、凝縮水の回収量に応じて適宜設定すればよいが、第２のイオン交換樹脂１６側への通水量を多くしても、それに見合う効果の向上が得られないばかりか、燃料電池装置Ｅでの必要量Ｑを確保できなくなるため、例えば、９９／１とすればよい。したがって、そのような流量比となるように流量調整機構２２を設定すればよい。なお、凝縮水を、分岐管路２１を介して、連続的に第２のイオン交換樹脂装置１６に供給するようにしてもよいし、断続的に第２のイオン交換樹脂装置１６に供給するようにしてもよいし、凝縮水の第２のイオン交換樹脂装置１６への供給方法が、連続的供給又は断続的供給に切替可能にしてもよい。

以上詳述したとおり、本実施形態に係る燃料電池装置の水処理システムは、凝縮水供給管路１１が接続された第１のイオン交換樹脂装置１２と、市水供給管路１５が接続された第２のイオン交換樹脂装置１６とを並設し、前記凝縮水供給管路１１に市水供給管路１５に連通する分岐管路２１を設け、市水Ｗ０の処理時には、この市水Ｗ０を第２のイオン交換樹脂装置１６を流通させて燃料電池装置に供給し、凝縮水Ｗの処理時には、この凝縮水Ｗを第１のイオン交換樹脂装置１２に流通させて前記燃料電池装置に供給するとともに、この凝縮水Ｗの一部を分岐管路２１から第１の水処理装置１２を流通して排出するように制御しているので、市水Ｗ０の処理時には、第２のイオン交換樹脂装置１６中のイオン交換樹脂に多量のイオン性の不純物が交換吸着するが、純度の高い凝縮水Ｗを流通することで、イオン交換樹脂をある程度コンディショニングすることができるので、劣化しやすい第２のイオン交換樹脂装置１６の交換頻度を大幅に少なくすることができる。

さらに、燃料電池から十分な量の凝縮水が排出されているときは、第２のイオン交換樹脂装置１６に通水されないが、本実施形態のように凝縮水Ｗを通水することで、第２のイオン交換樹脂装置１６のスライムの発生等の予防効果や、保存水中への有機成分の溶出による汚染の防止効果も期待することができる。

特に、本実施形態においては、分岐管路２１に流量調整機構２３が設けられており、分岐管路２１から第２のイオン交換樹脂装置１６に供給される凝縮水の量を規定しているので、第１のイオン交換樹脂装置１２の処理水量を確保することができ、凝縮水を効果的に利用することができるようになっている。なお、凝縮水を、分岐管路２１を介して、連続的に第２のイオン交換樹脂装置１６に供給するようにしてもよいし、断続的に第２のイオン交換樹脂装置１６に供給するようにしてもよいし、凝縮水の第２のイオン交換樹脂装置１６への供給方法が、連続的供給又は断続的供給に切替可能にしてもよい。

以上、本発明の燃料電池装置の水処理システムの一実施形態について添付図面を参照して説明してきたが、本発明は上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、第１及び第２の水処理装置は、イオン交換樹脂法によるものに限らず、イオン交換樹脂と活性炭とを組み合わせたものや、イオン交換フィルター等も適用可能である。特に、第１の水処理装置としては、特開２００１−２３２３９４号公報等に記載されているような小型の電気脱イオン装置を用いることもできる。

本発明の一実施形態に係る水処理システムを適用可能な燃料電池システムを示すフロー図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の水処理システムの市水処理時のフロー図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の水処理システムの凝縮処理時のフロー図である。 従来の燃料電池装置の水処理システムの一例を示すフロー図である。 従来の燃料電池装置の水処理システムの他の例を示すフロー図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…凝縮器
３…水処理システム
１１…凝縮水供給管路
１２…第１のイオン交換樹脂装置（第１の水処理装置）
１３…第１の処理水排出管路
１５…市水供給管路
１６…第２のイオン交換樹脂装置（第２の水処理装置）
１７…第２の処理水排出管路
２１…分岐管路
２３…流量調整機構
Ｗ…被処理水
Ｗ０…市水
Ｗ１…処理水
Ｅ…燃料電池装置

Claims (5)

1. 市水と燃料電池装置から排出される凝縮水とを被処理水として処理し、前記燃料電池装置に供給する燃料電池装置の水処理システムであって、
   凝縮水供給管路が接続された第１の水処理装置と、市水供給管路が接続された第２の水処理装置とを並設し、
   前記凝縮水供給管路に前記市水供給管路又は第２の水処理装置に連通する分岐管路を設け、
   前記市水の処理時には、該市水を前記第２の水処理装置に流通させて前記燃料電池装置に供給し、
   前記凝縮水の処理時には、該凝縮水を前記第１の水処理装置に流通させて前記燃料電池装置に供給するとともに、該凝縮水の一部を前記分岐管路から前記第２の水処理装置に流通させて排出するように制御することを特徴とする燃料電池装置の水処理システム。
2. 前記第２の水処理装置が、イオン交換樹脂装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置の水処理システム。
3. 前記第１の水処理装置が、イオン交換樹脂装置又は電気脱イオン装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置の水処理システム。
4. 前記分岐管路に流量調整機構が設けられており、
   前記分岐管路から前記第２の水処理装置に供給される凝縮水の量が規定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置の水処理システム。
5. 前記凝縮水を前記第２の水処理装置に連続的に若しくは断続的に供給し、又は前記凝縮水の前記第２の水処理装置への供給方法が、連続的供給若しくは断続的供給に切替可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池装置の水処理システム。
   

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