JP2008212871A - 純水製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気脱イオン装置を用い、電気脱イオンによる純水製造と、イオン交換による純水製造とを実行できるようにすることを目的とする。
【解決手段】陽極３１と陰極３２との間にイオン交換膜３３，３４，３５，３４’を配置することにより、陰極室４１、陰極側濃縮室４２、脱塩室４３、陽極側濃縮室４４及び陽極室４５を設け、該陰極室４１に導電体３６を充填し、他の４室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を有する純水製造装置において、陰極室４１と陰極室側濃縮室４２とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜３３であり、通電を停止するか、または電流密度を１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下になるように通電制御した状態で前記脱塩室４３に被処理水を通水し、該脱塩室４３内のイオン交換体３７によってイオン交換して該脱塩室４３から純水を流出させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、不純物を含む市水、排水等を回収して純水を製造する純水製造装置に係り、特に、燃料電池システムの冷却水やプロセス用水として純水を供給する純水製造装置に関する。また、本発明は、この純水製造装置を用いた純水製造方法に関する。

燃料電池発電装置は、例えば都市ガス、ＬＰガス、メタノール等の原燃料ガスを、水蒸気改質して水素に富むガスに改質する改質器と、この改質器で得られた改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本体とを備えている。

改質器で生成した改質ガスは、燃料電池の負荷及び水素利用率に応じて、燃料電池内部で消費され、余剰の水素を含むガスはオフガス（燃料排ガス）として改質器へ導かれた上でバーナーで燃焼され、改質エネルギーとして消費されるように構成されることが多い。

第５図は、特開２００１−１７６５３５号の従来技術の欄に記載された、リン酸型燃料電池発電装置における水処理装置の基本的な系統図である。

燃料電池本体１は、リン酸電解質層を挟持する燃料極１ｂ及び空気極１ａからなる単位セルと、該単位セルを複数個重ねる毎に配設される冷却管を有する冷却板１ｃとを備えている。

改質器２は、原燃料供給系を経て供給される天然ガス等の原燃料を、水蒸気分離器５で分離されて水蒸気供給系を経て供給される水蒸気とともに、触媒層２ａの触媒の下で、バーナでのオフガス燃焼による燃焼熱により加熱して、水素に富むガスに改質して改質ガスを生成する。

改質器２で生成された上記改質ガスは、ＣＯ変成器４を有する改質ガス供給系を経由して燃料電池本体１の燃料極１ｂに供給される。燃料極１ｂから流出する、電池反応に寄与しなかった水素を含むオフガスは、オフガス供給系を経て改質器２のバーナに燃料として供給される。

また、改質器２のバーナへは、図示しない燃焼空気供給用のブロワが接続されている。改質器２から出た燃焼排ガスは、水回収用の凝縮器６へと送られ、水回収後、排出される。回収水は、回収水タンク７へ送られる。

また、燃料電池本体１には、空気極１ａに空気を供給するブロワ２３を備えた空気供給系と、電池反応後の水蒸気を含む空気を前記水回収用の凝縮器６へ供給する空気排出系とが接続されている。

燃料電池本体１の冷却板１ｃの冷却管には、燃料電池本体１の発電時に冷却水を循環するため、水蒸気分離器５、冷却水循環ポンプ２２を備えた冷却水循環系が接続されている。

前記水蒸気分離器５では、燃料電池本体１の冷却管から排出された水と蒸気との二相流を、水蒸気と冷却水とに分離する。ここで分離された水蒸気は、前記改質器２に向かう原燃料と混入するように送出される。その際、元圧の低い原燃料との混合を行うために、エゼクタポンプ３を使用している。このエゼクタポンプ３は、蒸気を駆動流体とするとともに、原燃料を被駆動流体とする。原燃料供給系は、一般に、図示しない脱硫器を備える。

上記のように、水蒸気改質には、純水が必要となる。また、りん酸型の燃料電池では、燃料電池の冷却水として、純水の加圧水を使用するのが一般的であり、その際、冷却水は、電気伝導度が低く、またシリカ等の鉱物系異物が少ない純水が使用される。

燃料電池の冷却には水以外の冷媒を用いる場合もあるが、少なくとも、改質器での改質用水蒸気として純水が消費される為、常時、純水を供給する必要がある。そのため、燃料電池の空気オフガスと改質器の燃焼排ガス中の水蒸気を、凝縮器により、凝縮水として回収した後、水純化装置に通水して純水化するのが一般的である。

この水純化装置としてイオン交換式水純化装置を用いる場合、一般的に電気伝導率が０．５〜１μＳ／ｃｍ以上になった時、２０００ｈ〜３０００ｈ程度の発電時間の間隔で水純化装置を交換する必要があり、煩雑な水純化装置の樹脂交換が必要となるとともに、樹脂再生コストが発生する問題があった。

そこで、第５図では、イオン交換式水純化装置に代えて、樹脂交換が不要な電気脱イオン装置１０を採用している。

この電気脱イオン装置１０の主要部は、イオン交換膜１０ｃにより、処理室１０ａと濃縮室１０ｂに分離されており、回収水タンク７からポンプ２０を介して導入された回収水の陰イオンおよび陽イオンは、それぞれアニオン交換膜およびカチオン交換膜を通過して濃縮室１０ｂに集まり、その後、濃縮排水として系外に排出されるように構成されている。その結果、処理室１０ａの出口側では連続的に純水が生成され、給水ポンプ２１により水蒸気分離器５へ送られる。

なお、処理室通水量を維持しつつ、純水供給量の変動に対応する目的で、ポンプ２０の吸込側へ処理水（純水）をリサイクルさせている。

この循環系に設けた逆止弁２４は、回収水タンク７中の回収水が、電気脱イオン装置１０を経由せずに、給水ポンプ２１を介して、直接、水蒸気分離器５に供給されるのを防止するためのものである。

濃縮排水は、処理室側通水量と比べて１／３程度と大幅に少ない為、濃縮室側系統にも、処理室側と同様に濃縮水循環ポンプ１０ｄを設けて、濃縮水をリサイクルさせることにより、濃縮室通水量を確保しながら、濃縮排水量を適正に確保するようにしている。

第５図においては、ミネラル除去装置９が電気脱イオン装置１０の入口側に設けられている。電気脱イオン装置１０はイオン交換膜を使用している為、電気脱イオン装置へ導入される処理水中のスケーリング物質は低濃度である必要があり、例えば、シリカは数ｐｐｍ以下が条件となっており、スケーリング物質除去のためにミネラル除去装置９が設けられる。

なお、この特開２００１−１７６５３５号の図２には、この電気脱イオン装置と並列にイオン交換式水純化装置を設け、電気脱イオン装置からの脱イオン水の水質が低下してきた場合にイオン交換式水純化装置に通水して水質悪化を回避する構成が記載されている。
特開２００１−１７６５３５号

上記第５図のように電気脱イオン装置において燃料電池発電装置回収水の水処理を行って純水を製造して燃料電池に供給する場合、燃料電池発電装置の運転立ち上げに際しては燃料電池発電装置からの排出水が無く純水を供給できない。上述のように電気脱イオン装置と並列にイオン交換式水純化装置を設けた場合には、このイオン交換式水純化装置によって純水を燃料電池発電装置に供給することが可能である。しかしながら、この場合には、電気脱イオン装置とイオン交換式水純化装置とを併設しなくてはならないため、設備が大掛りになると共に、コストも嵩む。

本発明は、電気脱イオン装置を用い、電気脱イオンによる純水製造と、イオン交換による純水製造とを実行できるようにすることを目的とする。

請求項１の純水製造装置は、陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を有する純水製造装置において、該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、通電を停止するか、または電流密度を１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下になるように通電制御した状態で前記脱塩室に被処理水を通水し、該脱塩室内のイオン交換体によってイオン交換して該脱塩室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転モードの実行手段を備えたことを特徴とする。

請求項２の純水製造装置は、請求項１において、前記脱塩室にイオン交換体としてアニオン交換体とカチオン交換体との混床が充填されており、又は、前記脱塩室に上流側からカチオン交換体とアニオン交換体とがこの順に交互に充填されていることを特徴とする。

請求項３の純水製造装置は、陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を有する純水製造装置において、該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、少なくとも一方の濃縮室に被処理水を通水し、該濃縮室内のイオン交換体によってイオン交換して該濃縮室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転モードの実行手段を備えたことを特徴とする。

請求項４の純水製造装置は、請求項３において、前記イオン交換式純水製造運転モードの実行手段が通電停止するか、または電流密度を１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下に調整する通電制御手段を備えていることを特徴とする。

請求項５の純水製造装置は、請求項３又は４において、前記イオン交換式純水製造運転モードにあっては、被処理水が前記陰極側濃縮室に通水され、次いで前記陽極側濃縮室に通水されることを特徴とする。

請求項６の純水製造装置は、請求項３ないし５のいずれか１項において、前記陰極室側濃縮室及び前記陽極室側濃縮室の少なくとも一方に、イオン交換体としてアニオン交換体とカチオン交換体との混床が充填されており、又は、前記陰極室側濃縮室及び前記陽極室側濃縮室の少なくとも一方に、上流側からカチオン交換体とアニオン交換体とがこの順に交互に充填されていることを特徴とする。

請求項７の純粋製造装置は、請求項１ないし６のいずれか１項において、前記導電体は、カチオン交換体又は耐食性導電性金属体であることを特徴とする。

請求項８の純水製造方法は、陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を用いて純水を製造する方法において、該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、前記脱塩室に被処理水を通水し、該脱塩室内のイオン交換体によってイオン交換して該脱塩室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転を行うことを特徴とする。

請求項９の純水製造方法は、陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を用いて純水を製造する方法において、該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、少なくとも一方の濃縮室に被処理水を通水し、該濃縮室内のイオン交換体によってイオン交換して該濃縮室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転を行うことを特徴とする。

請求項１０の純水製造方法は、請求項８又は９において、前記イオン交換式純水製造運転が通電停止されているか、または電流密度が１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下になるように通電制御された状態で実行されることを特徴とする。

請求項１１の純水製造方法は、請求項８ないし１０のいずれか１項において、前記被処理水は、市水、井水、又は工業用水を除濁処理及び脱塩素処理した水であることを特徴とする。

請求項１２の純水製造方法は、請求項８ないし１１のいずれか１項において、前記電気脱イオン装置は燃料電池発電装置の回収水の純化用であり、該燃料電池発電装置の起動時に該電気脱イオン装置によってイオン交換式純水製造を行い、製造した純水を燃料電池発電装置に供給することを特徴とする。

請求項１，３の純水製造装置及び請求項８，９の純水製造方法によると、電気脱イオン装置に充填されたイオン交換体を利用して、イオン交換による純水製造を行うことができる。従って、電気脱イオン装置とイオン交換装置とを併設することなくイオン交換処理による純水を供給することができる。なお、通電量を規定量以下に抑えることによって被処理水中に含まれるスケール生成の原因となるイオンが陰極やイオン交換樹脂の表面付近に濃縮しづらいため、陰極やイオン交換樹脂へのスケールの付着を防止することができる。

この電気脱イオン装置では、陰極側濃縮室とは別個に陰極室が設けられ、両者がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜で隔てられているので、陰極側濃縮室から陰極室へのＣａイオンやＭｇイオンの移動が阻止されると共に、陰極室から陰極側濃縮室への水酸化物イオンや炭酸水素イオン等のアニオンの移動が阻止される。そのため、陰極室や陰極側濃縮室においてＣａイオンやＭｇイオンとアニオンとが会合してスケールが生成することが防止される。

このバイポーラ膜は、アニオン交換膜とカチオン交換膜とが貼り合わさった構造とされた複合膜の一種である。バイポーラ膜は、水の電気分解に用いる隔膜として、或いは、酸とアルカリの中和生成物である塩の水溶液から酸とアルカリを再生する際の分離膜等として従来より広く使用されている公知のイオン交換膜であり、種々の製造方法が提案されている。

また、この一価カチオン選択透過性カチオン交換膜も従来より公知であり、電解質水溶液の濃縮もしくは分離、脱塩水の製造等に広く用いられている。

この一価カチオン選択透過性カチオン交換膜は、
（１）カチオン交換膜の表面部を緻密な構造（例えば、表層部を架橋度の高い層又は固定イオン濃度の高い層）にする；
（２）カチオン交換膜の表面にイオン交換基を含まない電気的に中性の薄層を形成する；
（３）カチオン交換膜の表面に陰イオン交換性の薄層（以下、反対電荷層と称することがある）を形成する：
などの方法を単独で用いることにより、またはこれらの方法を併用することにより、二価以上のカチオンを膜面からほとんど透過させずに一価のカチオンを選択的に透過させるものである。本発明では、このうち（３）の方法により一価のカチオンを選択的に透過させるものを用いることが好ましい。

このような一価カチオン選択透過性カチオン交換膜としては、例えば、カチオン交換膜の少なくとも一側面に、第４級アンモニウム塩基と、３個以上のビニルベンジル基を有するビニル化合物との重合体による薄層を形成したものが挙げられる。この基材となるカチオン交換膜は、特に制限されるものではなく、カチオン交換選択性の高いものが好ましい。一価カチオン選択透過性カチオン交換膜としては、例えば、アストム社製のＣＭＳ（商品名）等を用いることができる。

なお、イオン交換処理運転を行うことにより、電気脱イオン装置のイオン交換体にはナトリウムイオン、塩素イオン等のカチオンやアニオンが蓄積してくるが、これらのイオンは、その後、電気脱イオン装置を電気脱イオン処理運転したときに除去され、イオン交換体が再生される。

イオン交換処理による純水製造のために被処理水が通水される脱塩室ないし濃縮室は、上流側からカチオン交換体とアニオン交換体とを交互に充填するのが好ましい。交互積層方式の長所については、後に詳述する。

＜第１の実施の形態＞
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。第１図は実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。

陰極３１と陽極３２との間に、バイポーラ膜３３と、第１のカチオン交換膜３４と、アニオン交換膜３５と、第２のカチオン交換膜３４’とを１枚ずつ配置し、陰極３１とバイポーラ膜３３との間に陰極室４１を形成し、バイポーラ膜３３と第１のカチオン交換膜３４との間に陰極側濃縮室４２を形成し、第１のカチオン交換膜３４とアニオン交換膜３５との間に脱塩室４３を形成し、アニオン交換膜３５と第２のカチオン交換膜３４’との間に陽極側濃縮室４４を形成し、第２のカチオン交換膜３４’と陽極３２との間に陽極室４５を形成している。

このバイポーラ膜３３は、陰極３１側のアニオン交換膜３３Ａと陽極３２側のカチオン交換膜３３Ｂとが貼り合わさった構造となっている。

なお、本発明で用いるバイポーラ膜としては、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを有し、水電解効率が高いものであればよく、特に制限はない。

陰極側濃縮室４２及び陽極室４５にはカチオン交換樹脂３８が充填されている。陽極側濃縮室４４にはアニオン交換樹脂３９が充填されている。

陰極室４１には導電体３６が充填されている。なお、陰極室４１内ではイオン交換する必要がなく、また、水電解により発生する電解ガスを上部に逃がすだけのスペースが陰極室４１内に存在すればよいため、陰極室４１に充填する導電体としては、耐食性導電性金属等の導電体、例えばステンレスであってもよい。また、導電体の形状としては、通電抵抗が大きくならないものであれば特に限定されず、粒状、多孔体、繊維状等であってもよく、中でもステンレス製繊維が好適に用いられる。

脱塩室４３にはカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを混合したイオン交換樹脂３７が混床型にて充填されている。但し、カチオン交換樹脂３８とアニオン交換樹脂３９を交互に配置した積層型でも構わない。

脱塩室４３の一端側には原水（凝縮水）の流入口が設けられ、他端側には脱イオンされて生成した純水の流出口が設けられている。

この実施の形態では、脱塩室４３から流出した純水の主要部を純水として得、一部を分取し、それぞれ陰極室４１、陰極側濃縮室４２、陽極側濃縮室４４及び陽極室４５に通水する。

純水供給効率を上げるためには、被処理水（前処理した市水等）の補給工程はできるだけ短時間で済ませて通常運転工程に戻すことが望ましい。従って、補給工程における被処理水の脱塩室への通水速度は高い方が好ましく、例えばＳＶ２０［ｈ^−１］以上であることが好ましい。ただしＳＶ１００［ｈ^−１］を超過すると、被処理水の脱塩が十分に行われなくなってしまうので、ＳＶは２０〜１００［ｈ^−１］であることが好ましい。

このような通水速度で被処理水を脱塩室に供給するにあたり、脱塩室内のイオン交換樹脂は混床型や積層型であるので、被処理水の脱塩室への通水方向は下向流であることが好ましい。上向流で通水してしまうと、混床型や積層型に充填していた樹脂の配置が崩れてしまう恐れがあるので好ましくない。

各室４１〜４５の流入口及び流出口には、弁を有した配管が接続され、この弁の開閉や流路切替により各室への通水が制御される。この弁の制御手段と、通電制御手段とによって、純水製造装置の運転実行手段が構成されている。この運転実行手段は、手動操作されてもよく、コンピュータ等によって操作されてもよい。

この電気脱イオン装置では、イオン交換樹脂の充填構造を積層型にすることにより、通電時の電気抵抗が小さくなるので、処理効率が向上し、装置の小型化を図ることができる。そのため混床型より積層型の方がより好ましい。また、この場合、積層型のアニオン樹脂、カチオン樹脂混合の各層は純粋なアニオン樹脂層やカチオン樹脂層であることが好ましいが、電圧が上がり過ぎない程度であればアニオンリッチの樹脂層やカチオンリッチの樹脂層であっても構わない。

また、積層型の場合、上流側からカチオン交換樹脂→アニオン交換樹脂→カチオン交換樹脂→アニオン交換樹脂→・・・の順番にする方が好ましい。アニオン交換樹脂が最上流であると、イオン交換処理運転モードにおいて生成したＯＨイオンが被処理水中に含まれるＭｇイオンと反応して、アニオン交換樹脂中にＭｇ(ＯＨ)_２スケールが生成する恐れがあるからである。

次に、この装置の運転モードについて説明する。
＜電気脱イオン処理運転モード＞
この電気脱イオン処理運転モードの一態様にあっては、通電した状態にて原水（凝縮水）を脱塩室４３に導入し、純水として取り出す。上記の通り、この純水の主要部を純水として得、一部を分取し、それぞれ陰極室４１、陰極側濃縮室４２、陽極側濃縮室４４及び陽極室４５に通水する。原水中のカチオンは第１のカチオン交換膜３４を透過して陰極側濃縮室４２に移動し、濃縮室流出水に混入して排出される。原水中のアニオンはアニオン交換膜３５を透過して陽極側濃縮室４４に移動し、濃縮室流出水に混入して排出される。
＜イオン交換処理運転モード＞
この電気脱イオン装置を用い、イオン交換処理によって純水を製造するには、第２図の通り、通電を停止するかもしくは電流密度が１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下となるように通電制御した状態で、被処理水を脱塩室４３に通水し、その流出水を純水として得る。電流密度が１０００ｍＡ／ｄｍ^２を超過するとイオン交換膜の表面にスケール発生の原因となるイオンが凝縮すると推定され、これによりイオン交換膜の表面にスケールが付着する恐れがあるので好ましくない。同様の理由で電流密度は６００ｍＡ/ｄｍ^２以下であることがより好ましい。ただし通電を停止するのが確実にスケール発生を防止できる上に、通電量の制御が簡易となるため最も好ましい。

＜交互運転＞
上記のイオン交換による純水製造運転を行った後、電気脱イオンによる純水製造運転に戻る。これにより、イオン交換樹脂を電気的に再生することができる。

この電気脱イオン運転モードの途中で、燃料電池発電装置の純水保有量が低下してきた場合には、イオン交換運転を行って純水を補給し、次いで電気脱イオン運転モードに戻る。

＜燃料電池発電装置の純水供給システムとしての利用＞
この場合、電気脱イオン装置の現場据え付けに先立って、電気脱イオン装置を試運転し、各室のイオン交換樹脂を再生して電気脱イオン装置を立ち上げておくことが好ましい。

現場据え付け後、上記第２図のように通水して純水を製造し、この純水を用いて燃料電池発電装置を起動させる。起動後は、電気脱イオン装置を電気脱イオン運転する。

この起動時に電気脱イオン装置に供給する被処理水としては、市水、井水、工業用水等を前処理したものが好適であり、前処理としては少なくとも脱塩素処理と除濁処理を行うのが好ましく、具体的には例えば活性炭処理と、精密濾過又は限外濾過等の膜濾過とを行う。

この電気脱イオン装置では、陰極側濃縮室４２とは別個に陰極室４１が設けられ、両者がバイポーラ膜３３で隔てられているので、陰極側濃縮室４２から陰極室４１へのＣａイオンやＭｇイオンなどのカチオンの移動が阻止されると共に、陰極室４１から陰極側濃縮室４２への水酸化物イオンや炭酸水素イオンなどのアニオンの移動が阻止される。そのため、陰極室４１や陰極側濃縮室４２においてＣａイオンやＭｇイオン等と水酸化物イオン等とが会合してスケールが生成することが防止される。

＜第２の実施の形態＞
第３図は、第１図の電気脱イオン装置を用いた、別のイオン交換処理運転モードの運転例を示す系統図である。

第３図では、被処理水を陰極側濃縮室４２に通水し、陰極側濃縮室４２の流出水を純水として得ている。被処理水を脱塩室３７に通水しないのは、脱塩室３７のイオン交換樹脂を汚さないためである。

第３図のイオン交換処理運転モードの運転例によると、被処理水中のＣａイオンやＭｇイオンなどのカチオンが陰極側濃縮室４２内のカチオン交換樹脂３８に捕獲される。

なお、第４図に示す通り、陰極側濃縮室４２から流出した純水を、さらに陽極側濃縮室４４に通水してもよい。これにより、純水中のアニオンが陽極側濃縮室４４内のアニオン交換樹脂３９によって捕獲される。但し、このように２室に通水すると、圧力損失が大きく、ポンプにかかる負荷が大きくなるので、２室に通水するのは必要な場合だけとするのが好ましい。

また、第３図では、陰極側濃縮室４２内にカチオン交換樹脂３８が充填されているが、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を交互に配置した積層型で充填されてもよく、混床型にて充填されてもよい。この場合、被処理水を陰極側濃縮室４２の１室に通水することにより、アニオン及びカチオンが除去される。

上記実施の形態ではバイポーラ膜３３を用いたが、バイポーラ膜３３に代えて一価カチオン選択透過性カチオン交換膜を用いてもよい。この場合にあっても、イオン交換処理運転モードにおいて脱塩室４３、陰極室側濃縮室４２及び陽極室側濃縮室４４の少なくとも一室に被処理水を通水するときに、陰極側濃縮室４２から陰極室４１へのＣａイオンやＭｇイオンなどのカチオンの移動が阻止されると共に、陰極室４１から陰極側濃縮室４２への水酸化物イオンや炭酸水素イオンなどのアニオンの移動が阻止される。そのため、陰極室４１や陰極側濃縮室４２においてＣａイオンやＭｇイオン等と水酸化物イオン等とが会合してスケールが生成することが防止される。なお、ナトリウムイオン等の一価のカチオンは、この一価カチオン選択透過性カチオン交換膜を透過することができる。

現在ボイラーの供給水処理には、補給水処理として主に軟水器が、復水処理として純水装置が用いられている。本発明はこの両方の装置の機能を１台で具備することが可能である。すなわちボイラー用水補給時には市水を当発明で浄化処理した純水を補給し、ボイラー運転時での復水浄化でも本発明で純水を補給することが可能である。本発明を適用すれば、装置が小型化でき、また軟水器のための塩水補給、純水装置からの酸アルカリ再生廃水処理が不要になりこの結果環境負荷低減に貢献できる。

以下、実施例及び比較例について説明する。この実施例では、５室構造の電気脱イオン装置を用い、第１図に示す通水方式で電気脱イオンによる純水製造を行い、第４図に示す通水方式で市水浄化（イオン交換処理）を行った。

なお、電気脱イオン装置において、脱塩室４３の厚さを５ｍｍとし、その他の４室４１，４２，４４，４５の厚さを２．５ｍｍとした。また、各交換膜３３，３４，３４’、３５の高さを２００ｍｍとした。

［実施例］
１）電気脱イオン装置の立ち上げ
抵抗率１ＭΩ・ｃｍの純水を２．３Ｌ／ｈで脱塩室４３に供給し、脱塩室出口水のうち２Ｌ／ｈを生産水として得た。また残りの０．３Ｌ／ｈを４等分し、残りの各室に供給し、各出口水は排水した。電極に０．１Ａの直流電流を印加して通水を開始し、生産水が１６ＭΩ・ｃｍに達した時点で立ち上げ完了とした。

２）市水浄化（イオン交換処理）
必要な市水浄化を、陰極側濃縮室４２に充填したカチオン交換樹脂３８及び陽極側濃縮室４４に充填したイオン交換樹脂３９で行った。

まず、市水を活性炭で脱塩素後、精密フィルターで除濁し、０．３Ｌ／ｈで陰極側濃縮室４２に供給した。次いで、この陰極側濃縮室４２の出口水を陽極側濃縮室４４に供給した。この陽極側濃縮室４４の出口水の抵抗率を測定したところ概ね５ＭΩ・ｃｍと良好な水質であり、約１．０Ｌの純水が得られた。なお市水を浄化している間は、通電を停止した。

３）模擬凝縮水浄化（電気脱イオン処理）
原水として、燃料電池から得られる凝縮水の模擬水を作成し、２）で市水を浄化した電気脱イオン装置にて電気脱イオン処理した。模擬液は塩化ナトリウムと炭酸ガスを純水に溶解し、電気伝導率が１ｍＳ／ｍ程度になるように調製した。

模擬水は脱塩室４３に供給し、直流電圧印加も含めて、上記１）の立ち上げ時と同様の条件で通水し、処理した。この結果１５ＭΩ・ｃｍの水質を得ることができた。

模擬凝縮水の通水を約１週間継続させた。この間、良好な水質の純水を得た。

４）市水浄化、模擬凝縮水浄化の繰り返し
工程３）模擬凝縮水浄化の後、工程２）市水浄化と工程３）模擬凝縮水浄化を交互に実施し、延べ５回繰り返した。５回繰り返すことで、市水浄化で得られる純水の量は徐々に低下したが、５回目で得られた純水量は１回目の概ね７５％程度であり実用的であった。

なお、模擬凝縮水を浄化して得られた純水水質はほぼ一定の１５ＭΩ・ｃｍ程度と良好であり、また電気脱イオン機能は良好で、連続して純水を得ることができた。

さらに、試験を継続したが、陰極室４１、陰極３１表面、陰極側濃縮室４２内のイオン交換膜表面等へのスケールの析出は確認されなかった。

［比較例］
バイポーラ膜３３をカチオン交換膜に代えたこと以外は実施例と同じ構成の電気脱イオン装置を用い、同容量の市水、模擬凝縮水を供給して性能を調べた。

この結果、模擬凝縮水を浄化して得られた純水水質はほぼ一定の１５ＭΩ・ｃｍ程度と良好であり、また電気脱イオン機能は良好で、連続して純水を得ることができた。

しかしながら、試験を継続したところ、陰極室内の陰極表面にスケールの析出が確認された。

実施の形態に係る電気式脱イオン装置の概略的な縦断面図である。 図１の電気脱イオン装置を用いたイオン交換方式による純水製造運転例を示す系統図である。 図１の電気脱イオン装置を用いたイオン交換方式による別の純水製造運転例を示す系統図である。 図１の電気脱イオン装置を用いたイオン交換方式によるさらに別の純水製造運転例を示す系統図である。 従来例に係る燃料電池発電装置の系統図である。

符号の説明

３１ 陰極
３２ 陽極
３３ バイポーラ膜
３４ 第１のカチオン交換膜
３４’ 第２のカチオン交換膜
３５ アニオン交換膜
３６ 導電体
３７ イオン交換樹脂
３８ カチオン交換樹脂
３９ アニオン交換樹脂
４１ 陰極室
４２ 陰極室側濃縮室
４３ 脱塩室
４４ 陽極室側濃縮室
４５ 陽極室

Claims (12)

1. 陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を有する純水製造装置において、
   該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、
   通電を停止するか、または電流密度を１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下になるように通電制御した状態で前記脱塩室に被処理水を通水し、該脱塩室内のイオン交換体によってイオン交換して該脱塩室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転モードの実行手段を備えたことを特徴とする純水製造装置。
2. 請求項１において、前記脱塩室にイオン交換体としてアニオン交換体とカチオン交換体との混床が充填されており、又は、前記脱塩室に上流側からカチオン交換体とアニオン交換体とがこの順に交互に充填されていることを特徴とする純水製造装置。
3. 陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を有する純水製造装置において、
   該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、
   少なくとも一方の濃縮室に被処理水を通水し、該濃縮室内のイオン交換体によってイオン交換して該濃縮室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転モードの実行手段を備えたことを特徴とする純水製造装置。
4. 請求項３において、前記イオン交換式純水製造運転モードの実行手段が通電停止するか、または電流密度を１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下に調整する通電制御手段を備えていることを特徴とする純水製造装置。
5. 請求項３又は４において、前記イオン交換式純水製造運転モードにあっては、被処理水が前記陰極側濃縮室に通水され、次いで前記陽極側濃縮室に通水されることを特徴とする純水製造装置。
6. 請求項３ないし５のいずれか１項において、前記陰極室側濃縮室及び前記陽極室側濃縮室の少なくとも一方に、イオン交換体としてアニオン交換体とカチオン交換体との混床が充填されており、又は、前記陰極室側濃縮室及び前記陽極室側濃縮室の少なくとも一方に、上流側からカチオン交換体とアニオン交換体とがこの順に交互に充填されていることを特徴とする純水製造装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、前記導電体は、カチオン交換体又は耐食性導電性金属体であることを特徴とする純水製造装置。
8. 陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を用いて純水を製造する方法において、
   該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、
   前記脱塩室に被処理水を通水し、該脱塩室内のイオン交換体によってイオン交換して該脱塩室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転を行うことを特徴とする純水製造方法。
9. 陽極と陰極との間にイオン交換膜を配置することにより、少なくとも陰極室、陰極側濃縮室、脱塩室及び陽極側濃縮室を設け、該陰極室に導電体を充填し、該陰極側濃縮室、該脱塩室及び該陽極側濃縮室にイオン交換体を充填してなる電気脱イオン装置を用いて純水を製造する方法において、
   該陰極室と該陰極室側濃縮室とを区画するイオン交換膜がバイポーラ膜又は一価カチオン選択透過性カチオン交換膜であり、
   少なくとも一方の濃縮室に被処理水を通水し、該濃縮室内のイオン交換体によってイオン交換して該濃縮室から純水を流出させるイオン交換式純水製造運転を行うことを特徴とする純水製造方法。
10. 請求項８又は９において、前記イオン交換式純水製造運転が通電停止されているか、または電流密度が１０００ｍＡ／ｄｍ^２以下になるように通電制御された状態で実行されることを特徴とする純水製造方法。
11. 請求項８ないし１０のいずれか１項において、前記被処理水は、市水、井水、又は工業用水を除濁処理及び脱塩素処理した水であることを特徴とする純水製造方法。
12. 請求項８ないし１１のいずれか１項において、前記電気脱イオン装置は燃料電池発電装置の回収水の純化用であり、
    該燃料電池発電装置の起動時に該電気脱イオン装置によってイオン交換式純水製造を行い、製造した純水を燃料電池発電装置に供給することを特徴とする純水製造方法。

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