JP2011041874A - Water treatment device for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a water treatment device for a fuel cell which enables long-term operation of a fuel cell by inhibiting the propagation of bacteria caused by the long-term operation. <P>SOLUTION: The water treatment device for a fuel cell uses an ion exchange resin. In the ion exchange resin, ions of the ion exchange resin are substituted with at least one of silver ions, copper ions, and zinc ions by passing a solution containing at least one of silver, copper, and zinc therethrough. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオン交換樹脂を用いた燃料電池の水処理装置の技術に関する。   The present invention relates to a technology of a water treatment device for a fuel cell using an ion exchange resin.

燃料電池には、水素が必要であり、都市ガスや天然ガス等から水素を製造するためには、その改質工程において水が必要であり、純水が利用される。また、燃料電池の冷却や、固体高分子型燃料電池の高分子膜の加湿等にも純水が利用されている。   A fuel cell requires hydrogen, and in order to produce hydrogen from city gas, natural gas, or the like, water is required in the reforming process, and pure water is used. Pure water is also used for cooling the fuel cell and humidifying the polymer membrane of the polymer electrolyte fuel cell.

純水は、通常イオン交換樹脂を備える水処理装置を利用して不純物イオンを除去することにより製造される。水道水からの純水製造の他、燃料電池の発電反応により生じる凝縮水等を処理し、該処理水(純水)を燃料電池に循環する技術が種々提案(例えば、特許文献1参照)されている。   Pure water is usually produced by removing impurity ions using a water treatment apparatus equipped with an ion exchange resin. In addition to producing pure water from tap water, various techniques for treating condensed water generated by the power generation reaction of the fuel cell and circulating the treated water (pure water) to the fuel cell have been proposed (see, for example, Patent Document 1). ing.

燃料電池は長期運用を目標に開発が進められているため、その燃料電池に用いる水処理装置も同様に、長期運用が期待される。そして、燃料電池で利用する水は外気より取り込んだ空気と接触するため、設置環境によっては、その空気を経由して水処理装置内に細菌が混入し、増殖する可能性がある。水処理装置内で細菌が増殖すると、所望の水質が得られないだけでなく、閉塞を起こして安定した処理水を供給することができない可能性がある。   Since fuel cells are being developed with the goal of long-term operation, water treatment devices used for the fuel cells are also expected to operate for a long time. And since the water utilized with a fuel cell contacts with the air taken in from the outside air, depending on the installation environment, bacteria may enter the water treatment device via the air and grow. If the bacteria grow in the water treatment apparatus, not only the desired water quality cannot be obtained, but also there is a possibility that stable treatment water cannot be supplied due to clogging.

従来から、水処理装置内での細菌繁殖を抑制する方法はいくつか提案されている(例えば、非特許文献1及び特許文献2参照)。   Conventionally, several methods for suppressing bacterial propagation in a water treatment apparatus have been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 2).

非特許文献1では、OH型の陰イオン交換樹脂を用いることによって、細菌の繁殖を抑制する効果があることが示されている。そして、その理由は、OH型の陰イオン交換樹脂が強いアルカリ性を示すことによるものであるとしている。また、非特許文献1では、OH型とH型の混床樹脂は、OH型のイオン交換樹脂単独に比べより高い殺菌能力を有することが開示されている。その理由は、細菌が樹脂内を通過する際に、OH型とH型に無秩序に接し、大きなpH変化を受けるためであるとしている。   Non-Patent Document 1 shows that the use of an OH-type anion exchange resin has an effect of suppressing bacterial growth. The reason is that the OH type anion exchange resin exhibits strong alkalinity. Non-Patent Document 1 discloses that OH type and H type mixed bed resins have higher sterilization ability than OH type ion exchange resins alone. The reason is that, when bacteria pass through the resin, they are in random contact with the OH type and H type and undergo a large pH change.

特許文献2では、銀を担持した活性炭等の抗菌剤をイオン交換樹脂と混合することにより、細菌の繁殖を抑制する技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a technique for suppressing bacterial growth by mixing an antibacterial agent such as activated carbon supporting silver with an ion exchange resin.

特開平8−17457号公報JP-A-8-17457 特開平10−314727号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-314727

佐藤利夫ら、電気化学および工業物理化学、54(3)、1986年、269頁〜273頁Toshio Sato et al., Electrochemistry and Industrial Physical Chemistry, 54 (3), 1986, pp. 269-273

しかし、非特許文献1のようにOH型のイオン交換樹脂を水処理装置に用いても、燃料電池の発電反応等により生じる凝縮水には、炭酸が多く存在しており、該凝縮水が通水されれば、OH型のイオン交換樹脂は炭酸型に置換されることとなる。すなわち、初期の使用においては、イオン交換樹脂はOH型であるため、細菌の繁殖は抑制されるものの、長期の使用によってイオン交換樹脂は炭酸型となるため、細菌の繁殖を抑制することが困難となる。したがって、水処理装置の長期の使用においてはあまり有効でないと云える。また、非特許文献1のようにOH型とH型の混床樹脂を水処理装置に用いても、上記説明したように、OH型のイオン交換樹脂は炭酸型に置換されることとなるから、長期の使用においてはあまり有効ではないと云える。   However, even if an OH-type ion exchange resin is used in a water treatment apparatus as in Non-Patent Document 1, a large amount of carbonic acid is present in the condensed water generated by the power generation reaction of the fuel cell, and the condensed water does not pass through. If water is used, the OH type ion exchange resin is replaced with the carbonate type. That is, in the initial use, since the ion exchange resin is OH type, the propagation of bacteria is suppressed, but the ion exchange resin becomes a carbonic acid type by long-term use, so it is difficult to suppress the growth of bacteria. It becomes. Therefore, it can be said that it is not very effective in long-term use of the water treatment apparatus. Further, even if OH type and H type mixed bed resin is used in the water treatment apparatus as in Non-Patent Document 1, as described above, the OH type ion exchange resin is replaced with the carbonic acid type. It can be said that it is not very effective in long-term use.

また、特許文献2のように銀を担持した抗菌剤を混合したイオン交換樹脂を水処理装置に用いると、活性炭からの溶出物や破砕物が処理水中に混入し、燃料電池の発電性能に影響を与える結果となり、長期の運用にはあまり有効ではない。   Further, when an ion exchange resin mixed with an antibacterial agent supporting silver as in Patent Document 2 is used in a water treatment apparatus, the eluate and crushed material from activated carbon are mixed into the treated water, affecting the power generation performance of the fuel cell. As a result, it is not very effective for long-term operation.

本発明の目的は、燃料電池の長期の運用により生じる細菌の繁殖を抑制し、長期の運用を可能とする燃料電池の水処理装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a water treatment device for a fuel cell that suppresses bacterial growth caused by long-term operation of the fuel cell and enables long-term operation.

本発明は、イオン交換樹脂を用いた燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は、銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液を通液することによって、イオン交換樹脂のイオンを銀イオン、銅イオン及び亜鉛イオンのうち少なくともいずれか1つで置換したものである。   The present invention is a water treatment apparatus for a fuel cell using an ion exchange resin, wherein the ion exchange resin passes through a solution containing at least one of silver, copper, and zinc, thereby performing ion exchange. Resin ions are substituted with at least one of silver ions, copper ions, and zinc ions.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記イオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂を含み、前記溶液は、硝酸塩溶液、硫酸塩溶液、塩化物溶液、錯塩溶液のうち少なくともいずれか1つから選択されることが好ましい。   In the water treatment apparatus for a fuel cell, the ion exchange resin includes a cation exchange resin, and the solution is selected from at least one of a nitrate solution, a sulfate solution, a chloride solution, and a complex salt solution. It is preferable.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂を含み、前記溶液は、硝酸塩溶液、硫酸塩溶液、塩化物溶液、錯塩溶液のうち少なくともいずれか1つから選択されることが好ましい。   Further, in the water treatment apparatus for a fuel cell, the ion exchange resin includes a strong acid cation exchange resin, and the solution includes at least one of a nitrate solution, a sulfate solution, a chloride solution, and a complex salt solution. Preferably it is selected.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記イオン交換樹脂は陰イオン交換樹脂を含み、前記溶液は、錯塩溶液であることが好ましい。   In the water treatment apparatus for a fuel cell, it is preferable that the ion exchange resin includes an anion exchange resin, and the solution is a complex salt solution.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記陰イオン交換樹脂はトリメチルアンモニウム基を交換基とする強塩基性陰イオン交換樹脂であることが好ましい。   In the water treatment apparatus for a fuel cell, the anion exchange resin is preferably a strongly basic anion exchange resin having a trimethylammonium group as an exchange group.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記イオン交換樹脂に前記錯塩溶液を通水することによって、前記イオン交換樹脂のイオンを銀イオン、銅イオン及び亜鉛イオンのうち少なくともいずれか1つで置換後、還元処理により銀、銅又は亜鉛を前記イオン交換樹脂表面及び内部に析出させることが好ましい。   Moreover, in the water treatment apparatus of the fuel cell, by passing the complex salt solution through the ion exchange resin, the ions of the ion exchange resin are replaced with at least one of silver ions, copper ions, and zinc ions. Thereafter, it is preferable to deposit silver, copper or zinc on the surface and inside of the ion exchange resin by reduction treatment.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記強酸性陽イオン交換樹脂の架橋度は、12%以上であることが好ましい。   In the water treatment apparatus for a fuel cell, the degree of crosslinking of the strong acid cation exchange resin is preferably 12% or more.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂及び強塩基性イオン交換樹脂の混床樹脂を含み、前記強酸性陽イオン交換樹脂の平均粒径は、前記強塩基性イオン交換樹脂の平均粒径の80%以下であることが好ましい。   Further, in the water treatment apparatus of the fuel cell, the ion exchange resin includes a mixed bed resin of a strong acid cation exchange resin and a strongly basic ion exchange resin, and the average particle size of the strong acid cation exchange resin is It is preferably 80% or less of the average particle size of the strongly basic ion exchange resin.

また、前記燃料電池の水処理装置において、前記イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂を含み、初期状態の前記強酸性陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオン若しくは銀を含む錯イオンの割合が、下式(1)により求められる値(RAg)以下であることが好ましい。
Ag=37exp(−2.4pH)RAg +82exp(−2.0pH)RAg +110000exp(−2.3pH)RAg ・・・(1)
(ここで、CAgは燃料電池の水処理装置出口側処理水の所望銀濃度(但し、CAg=0.001〜10ppbの範囲)、pHは燃料電池の水処理装置入口側被処理水の水素イオン指数(但し、pH=4〜6の範囲)、RAgは、強酸性陽イオン交換樹脂の全交換容量(eq/L−R)に占める銀イオン若しくは銀を含む錯イオン(eq/L−R)の割合(%)である。)
In the water treatment apparatus for a fuel cell, the ion exchange resin includes a strong acid cation exchange resin, and silver ions or complex ions containing silver occupy the total exchange capacity of the strong acid cation exchange resin in an initial state. The ratio is preferably equal to or less than the value (R Ag ) determined by the following formula (1).
C Ag = 37 exp (−2.4 pH) R Ag 3 +82 exp (−2.0 pH) R Ag 2 +110,000 exp (−2.3 pH) R Ag (1)
(Where C Ag is the desired silver concentration of the water treatment device outlet side treated water of the fuel cell (where C Ag = 0.001 to 10 ppb), pH is the water to be treated on the fuel cell water treatment device inlet side) Hydrogen ion index (where pH = 4 to 6), R Ag is silver ion or complex ion containing silver (eq / L) in the total exchange capacity (eq / LR) of the strongly acidic cation exchange resin -R) (%)

本発明によれば、燃料電池の長期の運用により生じる細菌の繁殖を抑制し、長期の運用を可能とする燃料電池の水処理装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the water treatment apparatus of the fuel cell which suppresses the reproduction of the bacteria which arise by long-term operation of a fuel cell, and enables long-term operation can be provided.

本実施形態に係る燃料電池の水処理装置の構成の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of a structure of the water treatment apparatus of the fuel cell which concerns on this embodiment. 種々の水素イオン指数(pH)におけるRAgとCAgとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between RAg and CAg in various hydrogen ion exponents (pH).

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below. This embodiment is an example for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.

図1は、本実施形態に係る燃料電池の水処理装置の構成の一例を示す模式図である。図1に示す燃料電池の水処理装置10には、イオン交換樹脂が充填されたカートリッジが備えられている。カートリッジは1つ又は複数であってもよい。カートリッジに充填されるイオン交換樹脂は、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂、又は陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂との混床樹脂等である。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a water treatment apparatus for a fuel cell according to the present embodiment. The fuel cell water treatment device 10 shown in FIG. 1 includes a cartridge filled with an ion exchange resin. There may be one or more cartridges. The ion exchange resin filled in the cartridge is an anion exchange resin, a cation exchange resin, a mixed bed resin of an anion exchange resin and a cation exchange resin, or the like.

本実施形態に係る燃料電池の水処理装置10は、主に、燃料電池12に供給する水中の不純物イオンの除去を行うものである。燃料電池の水処理装置10により処理される水としては、水道水(市水)、純水、燃料電池12の発電反応により生じる凝縮水等が挙げられる。水中に含まれる不純物イオンとしては、例えば、炭酸イオン、炭酸水素イオン、塩化物イオン、硫酸イオン等が挙げられる。   The fuel cell water treatment device 10 according to the present embodiment mainly removes impurity ions in water supplied to the fuel cell 12. Examples of water to be treated by the fuel cell water treatment apparatus 10 include tap water (city water), pure water, and condensed water generated by the power generation reaction of the fuel cell 12. Examples of impurity ions contained in water include carbonate ions, hydrogen carbonate ions, chloride ions, and sulfate ions.

水道水等の市水は、被処理水ライン14から燃料電池の水処理装置10に供給される。また、燃料電池12から排出される凝縮水は、例えば、一旦凝縮水タンク16に貯留され、ポンプ18により、凝縮水ライン20から燃料電池の水処理装置10に供給される。そして、市水、凝縮水等は、燃料電池の水処理装置10のイオン交換樹脂に通液されて、水中の不純物イオンが除去されることとなる。   City water such as tap water is supplied to the water treatment device 10 of the fuel cell from the treated water line 14. Further, the condensed water discharged from the fuel cell 12 is temporarily stored in, for example, the condensed water tank 16 and is supplied from the condensed water line 20 to the water treatment device 10 of the fuel cell by the pump 18. And city water, condensed water, etc. are passed through the ion exchange resin of the water treatment apparatus 10 of a fuel cell, and the impurity ion in water will be removed.

不純物イオンが除去された処理水(純水)は、処理水ライン22から燃料電池12に供給される。そして、処理水は、例えば、燃料電池の冷却、固体高分子型燃料電池の場合には高分子膜の加湿等、固体酸化物型燃料電池の場合には、都市ガスなどを一酸化炭素(CO)と水素ガス(H)とに改質する工程等に利用される。 The treated water from which the impurity ions have been removed (pure water) is supplied from the treated water line 22 to the fuel cell 12. The treated water may be, for example, cooling of a fuel cell, humidification of a polymer membrane in the case of a solid polymer fuel cell, etc., and in the case of a solid oxide fuel cell, city gas or the like is converted into carbon monoxide (CO ) And hydrogen gas (H 2 ).

本実施形態で用いられるイオン交換樹脂は、銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液を通液させることで、イオン交換樹脂のイオンを銀イオン、銅イオン及び亜鉛イオンのうち少なくともいずれか1つで置換したもの(以下、銀型のイオン交換樹脂、銅型のイオン交換樹脂、亜鉛型のイオン交換樹脂と呼ぶ場合がある)が用いられる。そして、このような銀型のイオン交換樹脂、銅型のイオン交換樹脂、亜鉛型のイオン交換樹脂を用いることにより、燃料電池の水処理装置内に細菌が混入しても、その繁殖を抑制することができるため、長期の運用が可能となる。   The ion exchange resin used in the present embodiment is made to pass through a solution containing at least one of silver, copper, and zinc, so that ions of the ion exchange resin are at least of silver ions, copper ions, and zinc ions. Those substituted by any one (hereinafter may be referred to as a silver-type ion exchange resin, a copper-type ion exchange resin, or a zinc-type ion exchange resin) are used. By using such a silver-type ion exchange resin, a copper-type ion exchange resin, and a zinc-type ion exchange resin, even if bacteria are mixed in the water treatment device of the fuel cell, the propagation is suppressed. Long-term operation is possible.

イオン交換樹脂に銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液を通液させる(接触させる)時間、温度等は、銀型のイオン交換樹脂(銅型のイオン交換樹脂、亜鉛型のイオン交換樹脂)の全交換容量に占める銀イオン(銅イオン、亜鉛イオン)が所望の割合に達するような最適な条件を選択すればよい。   The time, temperature, and the like for allowing a solution containing at least one of silver, copper, and zinc to pass through (contact with) the ion exchange resin are silver type ion exchange resins (copper type ion exchange resin, zinc type What is necessary is just to select the optimal conditions so that the silver ion (copper ion, zinc ion) which occupies for the total exchange capacity of an ion exchange resin) may reach a desired ratio.

銀型のイオン交換樹脂(銅型のイオン交換樹脂、亜鉛型のイオン交換樹脂)の全交換容量に占める銀イオン(銅イオン、亜鉛イオン)の割合は、0.01%以上〜90%未満の範囲が好ましく、0.1%以上〜70%以下の範囲であることがより好ましい。銀型のイオン交換樹脂(銅型、亜鉛型も同様)の全交換容量に占める銀イオンの割合が0.01%未満であると、燃料電池の水処理装置内に混入した細菌の繁殖を十分に抑制することができない場合があり、90%以上であると、燃料電池の水処理装置から排出される処理水中への銀イオン(銅イオン、亜鉛イオン)の溶出量が多くなる場合がある。これは、燃料電池の凝縮水には、炭酸が多く含まれ、酸性を示す場合があり、このような酸性の水、すなわち水素イオンの多い水を銀型、銅型若しくは亜鉛型のイオン交換樹脂に通水すると、イオン交換基に吸着している銀イオン、銅イオン若しくは亜鉛イオンと交換反応を起こすためであると考えられる。そして、溶出した銀イオン等が含まれる処理水が燃料電池に供給されると、長期の運用に影響を及ぼす可能性がある。   The proportion of silver ions (copper ions, zinc ions) in the total exchange capacity of the silver type ion exchange resin (copper type ion exchange resin, zinc type ion exchange resin) is 0.01% or more and less than 90%. The range is preferable, and the range of 0.1% to 70% is more preferable. If the proportion of silver ions in the total exchange capacity of the silver-type ion exchange resin (similar to copper and zinc types) is less than 0.01%, the bacteria mixed in the water treatment device of the fuel cell are sufficiently propagated. If it is 90% or more, the elution amount of silver ions (copper ions, zinc ions) into the treated water discharged from the water treatment device of the fuel cell may increase. This is because the condensed water of a fuel cell contains a lot of carbonic acid and may show acidity. Such acidic water, that is, water containing a large amount of hydrogen ions, is a silver-type, copper-type or zinc-type ion exchange resin. It is thought that this is because an exchange reaction occurs with silver ions, copper ions or zinc ions adsorbed on the ion exchange group when the water is passed through. If treated water containing eluted silver ions or the like is supplied to the fuel cell, it may affect long-term operation.

銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液として、イオン交換樹脂が陽イオン交換樹脂である場合には、硝酸塩溶液(硝酸銀溶液、硝酸銅溶液、硝酸亜鉛溶液等)、硫酸塩溶液(硫酸銀溶液、硫酸銅溶液、硫酸亜鉛溶液等)、塩化物溶液(塩化銀溶液、塩化銅溶液、塩化亜鉛溶液等)、錯塩溶液(銀錯塩溶液、銅錯塩溶液、亜鉛錯塩溶液等)のうち少なくともいずれか1つから選択されることが好ましい。   When the ion exchange resin is a cation exchange resin as a solution containing at least one of silver, copper and zinc, a nitrate solution (a silver nitrate solution, a copper nitrate solution, a zinc nitrate solution, etc.), a sulfate solution (Silver sulfate solution, copper sulfate solution, zinc sulfate solution, etc.), chloride solution (silver chloride solution, copper chloride solution, zinc chloride solution, etc.), complex salt solution (silver complex salt solution, copper complex salt solution, zinc complex salt solution, etc.) Preferably, at least one of them is selected.

また、銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液として、イオン交換樹脂が強酸性陽イオン交換樹脂である場合には、硝酸塩溶液、硫酸塩溶液、塩化物溶液、錯塩溶液のうち少なくともいずれか1つから選択されることが好ましい。   Further, as a solution containing at least one of silver, copper and zinc, when the ion exchange resin is a strong acid cation exchange resin, a nitrate solution, a sulfate solution, a chloride solution, or a complex salt solution It is preferable that at least any one is selected.

さらに、イオン交換樹脂に強酸性イオン交換樹脂を用いる場合は、その架橋度は12%以上であることが好ましい。強酸性イオン交換樹脂の架橋度が12%未満であると、燃料電池の水処理装置から排出される処理水中に銀イオン(銅イオン、亜鉛イオン)が溶出する場合がある。   Furthermore, when a strongly acidic ion exchange resin is used as the ion exchange resin, the degree of crosslinking is preferably 12% or more. When the degree of crosslinking of the strongly acidic ion exchange resin is less than 12%, silver ions (copper ions, zinc ions) may be eluted in the treated water discharged from the water treatment device of the fuel cell.

また、銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液として、イオン交換樹脂が陰イオン交換樹脂である場合には、錯塩溶液であることが好ましい。また、不純物イオンの除去性能の点で、陰イオン交換樹脂はトリメチルアンモニウム基を交換基とする強塩基性陰イオン交換樹脂であることが好ましい。   When the ion exchange resin is an anion exchange resin as a solution containing at least one of silver, copper and zinc, a complex salt solution is preferable. Further, from the viewpoint of impurity ion removal performance, the anion exchange resin is preferably a strongly basic anion exchange resin having a trimethylammonium group as an exchange group.

本実施形態において、イオン交換樹脂として陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂(特に、トリメチルアンモニウム基を交換基とする強塩基性イオン交換樹脂)を用いる場合、上記イオン交換樹脂に銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液として錯塩溶液を通液(接触)させ、イオン交換樹脂のイオンを銀イオン、銅イオン及び亜鉛イオンのうち少なくともいずれか1つで置換後、銀イオン、銅イオン、亜鉛イオンを還元処理し、イオン交換樹脂の表面及び内部に銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを析出させてもよい。このように、イオン交換後還元処理をすることにより、銀、銅、亜鉛を析出させたイオン交換樹脂を用いても、燃料電池の水処理装置内に混入した細菌の繁殖を抑制することができる。その結果、燃料電池用の水処理装置の長期の運用が可能となる。   In the present embodiment, when a cation exchange resin or an anion exchange resin (particularly a strongly basic ion exchange resin having a trimethylammonium group as an exchange group) is used as the ion exchange resin, silver, copper and zinc are used as the ion exchange resin. A complex salt solution is passed (contacted) as a solution containing at least one of the above, and the ion of the ion exchange resin is replaced with at least one of silver ion, copper ion and zinc ion, and then silver ion, copper ion Ions and zinc ions may be reduced to deposit at least one of silver, copper and zinc on the surface and inside of the ion exchange resin. Thus, by carrying out the reduction treatment after ion exchange, it is possible to suppress the growth of bacteria mixed in the water treatment device of the fuel cell even when using an ion exchange resin in which silver, copper and zinc are deposited. . As a result, long-term operation of the water treatment device for fuel cells becomes possible.

還元処理は、Hガス等の還元性ガスをイオン交換樹脂に接触させることにより行ってもよいが、還元ガスを用いた還元処理は、比較的高温で長時間の処理が必要である。そのため、比較的温和で短時間の処理が可能な、湿式による還元処理が好ましい。湿式による還元処理は、例えば、イオン交換樹脂に還元剤を溶解させた溶液を通水(接触)させることにより行われる。 The reduction treatment may be performed by bringing a reducing gas such as H 2 gas into contact with the ion exchange resin, but the reduction treatment using the reducing gas requires a treatment at a relatively high temperature for a long time. For this reason, a reduction treatment by a wet method, which is relatively mild and can be performed in a short time, is preferable. The wet reduction treatment is performed, for example, by passing (contacting) a solution obtained by dissolving a reducing agent in an ion exchange resin.

還元剤としては、ヒドラジン、過酸化水素、アスコルビン酸、アルコルビン酸ナトリウム、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム等を使用することができる。   As the reducing agent, hydrazine, hydrogen peroxide, ascorbic acid, sodium ascorbate, formaldehyde, formic acid, sodium formate, sodium borohydride and the like can be used.

銀、銅、亜鉛を析出させる際の、還元剤含有溶液との接触時間、温度、pH等は、析出させるイオン種、還元剤の種類等により、適宜設定されるものである。なお、1回の銀イオン、銅イオン、亜鉛イオンのイオン交換及び還元処理で、銀、銅、亜鉛の析出量が不足する場合には、所望の析出量となるまで、イオン交換及び還元処理を繰り返し行うことが好ましい。   The contact time, temperature, pH, and the like with the reducing agent-containing solution when silver, copper, and zinc are precipitated are appropriately set depending on the ion species to be deposited, the type of the reducing agent, and the like. In addition, when the amount of silver, copper, and zinc deposited is insufficient in one ion exchange and reduction treatment of silver ions, copper ions, and zinc ions, the ion exchange and reduction treatment is performed until the desired amount of precipitation is reached. It is preferable to repeat.

本実施形態において、強酸性陽イオン交換樹脂及び強塩基性イオン交換樹脂の混床樹脂を用いる場合、強酸性陽イオン交換樹脂の平均粒径は、強塩基性陰イオン交換樹脂の平均粒径の80%以下であることが好ましい。これは、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂とは比重が違うため(一般的に、陽イオン交換樹脂の方が陰イオン交換樹脂より比重が大きい)、上記範囲外の粒径の強酸性陽イオン交換樹脂を用いると、水処理装置の搬送、設置、運転等に伴う振動によって、両イオン交換樹脂が分離してしまい、燃料電池に供給する水中の不純物イオンを十分に除去できない場合がある。   In this embodiment, when using a mixed acid resin of strong acidic cation exchange resin and strong basic ion exchange resin, the average particle size of strong acid cation exchange resin is the average particle size of strong basic anion exchange resin. It is preferable that it is 80% or less. This is because the specific gravity of cation exchange resin and anion exchange resin is different (generally, the specific gravity of cation exchange resin is larger than that of anion exchange resin). When ion exchange resin is used, both ion exchange resins may be separated due to vibration associated with transportation, installation, operation, etc. of the water treatment apparatus, and impurity ions in the water supplied to the fuel cell may not be sufficiently removed.

本実施形態において、強酸性陽イオン交換樹脂を用いる場合、初期状態の強酸性陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオン若しくは銀を含む錯イオンの割合が、下式(1)により求められる値(RAg)以下であることが好ましい。なお、式(1)は、種々の水素イオン指数(pH)におけるRAgとCAgとの関係を示す図2から算出したものである。
Ag=37exp(−2.4pH)RAg +82exp(−2.0pH)RAg +110000exp(−2.3pH)RAg ・・・(1)
(ここで、CAgは燃料電池の水処理装置出口側処理水の所望銀濃度(但し、CAg=0.001〜10ppbの範囲)、pHは燃料電池の水処理装置入口側被処理水の水素イオン指数(但し、pH=4〜6の範囲)、RAgは、強酸性陽イオン交換樹脂の全交換容量(eq/L−R)に占める銀イオン若しくは銀を含む錯イオン(eq/L−R)の割合(%)である。)
In the present embodiment, when a strong acid cation exchange resin is used, the ratio of silver ions or complex ions containing silver to the total exchange capacity of the strong acid cation exchange resin in the initial state is obtained by the following equation (1). It is preferable that it is below a value (R Ag ). Equation (1) is calculated from FIG. 2 showing the relationship between R Ag and C Ag at various hydrogen ion exponents (pH).
C Ag = 37 exp (−2.4 pH) R Ag 3 +82 exp (−2.0 pH) R Ag 2 +110,000 exp (−2.3 pH) R Ag (1)
(Where C Ag is the desired silver concentration of the water treatment device outlet side treated water of the fuel cell (where C Ag = 0.001 to 10 ppb), pH is the water to be treated on the fuel cell water treatment device inlet side) Hydrogen ion index (where pH = 4 to 6), R Ag is silver ion or complex ion containing silver (eq / L) in the total exchange capacity (eq / LR) of the strongly acidic cation exchange resin -R) (%)

水処理装置に用いられるイオン交換樹脂が、式(1)により求められる値(RAg)を超えた場合には、燃料電池の水処理装置から排出される処理水中に銀イオンが所望の濃度以上に溶出し易くなる。 When the ion exchange resin used in the water treatment apparatus exceeds the value (R Ag ) obtained by the equation (1), the silver ions in the treated water discharged from the water treatment apparatus of the fuel cell exceed a desired concentration. Elution easily.

以上のように、本実施形態の燃料電池の水処理装置では、燃料電池の水処理装置内に細菌が混入しても、イオン交換樹脂に吸着された銀イオン、銅イオン、亜鉛イオンの殺菌作用により、細菌の繁殖を抑制することができるため、水処理装置の長期の運用が可能となる。すなわち、燃料電池の発電反応により生じる凝縮水を、本実施形態の燃料電池の水処理装置によって処理し、該処理水を燃料電池に供給して再利用すれば、長期的に安定した燃料電池の運転が可能となる。なお、凝縮水を循環利用する場合には、凝縮水中に含まれるガスを大気に放出した後、水処理装置10により処理して、燃料電池12に供給することが好ましい。   As described above, in the fuel cell water treatment device of the present embodiment, even if bacteria are mixed in the fuel cell water treatment device, the sterilization action of silver ions, copper ions, and zinc ions adsorbed on the ion exchange resin Thus, since the growth of bacteria can be suppressed, the water treatment apparatus can be operated for a long time. That is, if the condensed water generated by the power generation reaction of the fuel cell is processed by the water treatment device of the fuel cell of the present embodiment, and the treated water is supplied to the fuel cell and reused, the fuel cell can be stabilized for a long time. Driving is possible. When the condensed water is circulated and used, it is preferable that the gas contained in the condensed water is discharged to the atmosphere, then processed by the water treatment device 10 and supplied to the fuel cell 12.

燃料電池12では、燃料ガス(例えば都市ガス)及び空気(酸素を含んでいる)が、それぞれ燃料供給ライン24、空気供給ライン26から燃料電池12に供給されて、発電が行われる。そして、燃料電池12は、高温で発電が行われるため、例えば、熱交換器28により発電排熱と、凝縮水及び水道水とを熱交換して温水を供給することも可能である。   In the fuel cell 12, fuel gas (for example, city gas) and air (containing oxygen) are supplied to the fuel cell 12 from the fuel supply line 24 and the air supply line 26, respectively, and electricity is generated. Since the fuel cell 12 generates power at a high temperature, for example, the heat exchanger 28 can also supply hot water by exchanging the generated exhaust heat with condensed water and tap water.

以下、実施例及び比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, although an example and a comparative example are given and the present invention is explained more concretely in detail, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1,2)
図1に示す装置を用いて、固体酸化物型燃料電池から排出される凝縮水の水処理を行った。凝縮水中に溶解しているCO濃度は約16ppmであり、塩化物イオン濃度は約100ppbであり、凝縮水のpHは5であった。カートリッジに充填するイオン交換樹脂は、トリメチルアンモニウム基を交換基とする強塩基性陰イオン交換樹脂30mLと強酸性陽イオン交換樹脂10mLとを混床充填したイオン交換樹脂を使用した。実施例1,2の強塩基性陰イオン交換樹脂は、OH型の強塩基性陰イオン交換樹脂(Amberjet4002(OH))を用いた。また、実施例1の強酸性陽イオン交換樹脂は、架橋度が12%の陽イオン交換樹脂(Amberjet1024(H))を用い、この樹脂に0.15ppbのAgNO水溶液を1500mL通液して、Ag型に変換し、陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオンの割合を9%に調整したものである。実施例2の強酸性陽イオン交換樹脂は、架橋度が12%の陽イオン交換樹脂(Amberjet1024(H))を用い、この樹脂に10g/LのAgNO水溶液を1500mL通液して、Ag型に変換し、陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオンの割合を90%以上に調整したものである。
(Examples 1 and 2)
The apparatus shown in FIG. 1 was used to treat the condensed water discharged from the solid oxide fuel cell. The concentration of CO 2 dissolved in the condensed water was about 16 ppm, the concentration of chloride ions was about 100 ppb, and the pH of the condensed water was 5. As the ion exchange resin filled in the cartridge, an ion exchange resin in which 30 mL of a strongly basic anion exchange resin having a trimethylammonium group as an exchange group and 10 mL of a strongly acidic cation exchange resin was mixed and packed was used. As the strongly basic anion exchange resin of Examples 1 and 2, an OH type strongly basic anion exchange resin (Amberjet 4002 (OH)) was used. In addition, the strongly acidic cation exchange resin of Example 1 uses a cation exchange resin (Amberjet 1024 (H)) having a crosslinking degree of 12%, and 1500 mL of a 0.15 ppb AgNO 3 aqueous solution is passed through the resin. This is converted to Ag type, and the proportion of silver ions in the total exchange capacity of the cation exchange resin is adjusted to 9%. The strongly acidic cation exchange resin of Example 2 uses a cation exchange resin (Amberjet 1024 (H)) having a crosslinking degree of 12%, and 1500 mL of a 10 g / L AgNO 3 aqueous solution is passed through the resin to obtain an Ag type. The ratio of silver ions in the total exchange capacity of the cation exchange resin is adjusted to 90% or more.

実施例1、2共にイオン交換樹脂への被処理水の通水は下向流で行った。そして、10日間運転後、イオン交換樹脂により処理された処理水をサンプリングし、銀イオン濃度、塩化物イオン濃度を測定し、細菌の有無を調べた。その結果を表1にまとめた。   In both Examples 1 and 2, the water to be treated was passed through the ion exchange resin in a downward flow. After 10 days of operation, the treated water treated with the ion exchange resin was sampled, the silver ion concentration and the chloride ion concentration were measured, and the presence or absence of bacteria was examined. The results are summarized in Table 1.

(比較例)
比較例は、Ag型に変換していない強酸性陽イオン交換樹脂を用いたこと以外は、実施例1と同様とした。
(Comparative example)
The comparative example was the same as Example 1 except that a strongly acidic cation exchange resin not converted to Ag type was used.

Figure 2011041874
Figure 2011041874

表1から判るように、Ag型に変換した強酸性陽イオン交換樹脂を用いた実施例1,2では、10日間運転後でも細菌はほとんど発生していなかったが、Ag型に変換していない強酸性陽イオン交換樹脂を用いた比較例では、細菌の発生が観察された。また、陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオンの割合を90%以上に調整した実施例2では、処理水に銀イオンが約1000ppb含まれていたが、陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオンの割合を9%に調整した実施例1では、処理水中の銀イオンを10ppb以下に抑制することができた。なお、実施例1,2及び比較例において、処理水中の塩化物イオン濃度は10ppb以下であり、塩化物イオンを十分に除去することができた。   As can be seen from Table 1, in Examples 1 and 2 using the strongly acidic cation exchange resin converted to Ag type, bacteria were hardly generated even after 10 days of operation, but not converted to Ag type. In a comparative example using a strongly acidic cation exchange resin, generation of bacteria was observed. In Example 2 in which the ratio of silver ions in the total exchange capacity of the cation exchange resin was adjusted to 90% or more, the treated water contained about 1000 ppb of silver ions, but the total exchange capacity of the cation exchange resin In Example 1 in which the proportion of silver ions in the water was adjusted to 9%, the silver ions in the treated water could be suppressed to 10 ppb or less. In Examples 1 and 2 and the comparative example, the chloride ion concentration in the treated water was 10 ppb or less, and the chloride ions could be sufficiently removed.

Ag=37exp(−2.4pH)RAg +82exp(−2.0pH)RAg +110000exp(−2.3pH)RAgの式に、pH5、CAg10ppbを当てはめると、RAgが9.4%となる。すなわち、pHが5である被処理水を処理して、処理水中の銀イオン濃度を10ppb以下とするには、陰イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオンの割合を9.4%以下とする必要がある。そして、上記実施例1は上記の式から算出される値以下であることを満たしている。したがって、実施例1の方が実施例2より、長期の運用に適したものであることがわかる。 To C Ag = 37exp (-2.4pH) wherein the R Ag 3 + 82exp (-2.0pH) R Ag 2 + 110000exp (-2.3pH) R Ag, Applying pH5, C Ag 10ppb, R Ag is 9. 4%. That is, in order to treat the water to be treated having a pH of 5 so that the silver ion concentration in the treated water is 10 ppb or less, the ratio of silver ions in the total exchange capacity of the anion exchange resin is 9.4% or less. There is a need to. And the said Example 1 is satisfy | filling that it is below the value calculated from said formula. Therefore, it can be seen that Example 1 is more suitable for long-term operation than Example 2.

(実施例3,4)
実施例3では、架橋度が8%の強酸性陽イオン交換樹脂(Amberjet1024(H))を用い、この樹脂に0.27ppbのAgNO水溶液を1500mL通液して、Ag型に変換し、陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオンの割合を9%に調整したことが以外は、実施例1と同様に試験を行った。そして、10日間運転後、イオン交換樹脂により処理された処理水をサンプリングし、銀イオン濃度を測定し、また、細菌の有無を調べた。その結果を表2にまとめた。
(Examples 3 and 4)
In Example 3, a strongly acidic cation exchange resin (Amberjet 1024 (H)) having a crosslinking degree of 8% was used, and 1500 mL of 0.27 ppb AgNO 3 aqueous solution was passed through this resin to convert it into an Ag type, The test was performed in the same manner as in Example 1 except that the ratio of silver ions in the total exchange capacity of the ion exchange resin was adjusted to 9%. After 10 days of operation, the treated water treated with the ion exchange resin was sampled, the silver ion concentration was measured, and the presence or absence of bacteria was examined. The results are summarized in Table 2.

Figure 2011041874
Figure 2011041874

表2から判るように、架橋度が8%の強酸性陽イオン交換樹脂を用いた実施例3は、架橋度が12%の強酸性陽イオン交換樹脂を用いた実施例1と比較して、処理水中への銀イオンの溶出が増加した。したがって、処理水中への銀イオンの溶出を抑制するためには、架橋度が12%以上の強酸性陽イオン交換樹脂を用いることが好ましいことがわかった。   As can be seen from Table 2, Example 3 using a strongly acidic cation exchange resin having a crosslinking degree of 8% was compared with Example 1 using a strongly acidic cation exchange resin having a crosslinking degree of 12%. The elution of silver ions into the treated water increased. Therefore, in order to suppress the elution of silver ions into the treated water, it has been found that it is preferable to use a strongly acidic cation exchange resin having a crosslinking degree of 12% or more.

10 水処理装置、12 燃料電池、14 被処理水ライン、16 凝縮水タンク、18 ポンプ、20 凝縮水ライン、22 処理水ライン、24 燃料供給ライン、26 空気供給ライン、28 熱交換器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Water treatment apparatus, 12 Fuel cell, 14 To-be-treated water line, 16 Condensed water tank, 18 Pump, 20 Condensed water line, 22 Treated water line, 24 Fuel supply line, 26 Air supply line, 28 Heat exchanger.

Claims (9)

イオン交換樹脂を用いた燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は、銀、銅及び亜鉛のうち少なくともいずれか1つを含む溶液を通液することによって、イオン交換樹脂のイオンを銀イオン、銅イオン及び亜鉛イオンのうち少なくともいずれか1つで置換したものであることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   A water treatment apparatus for a fuel cell using an ion exchange resin, wherein the ion exchange resin passes through a solution containing at least one of silver, copper, and zinc to thereby remove ions of the ion exchange resin. A water treatment device for a fuel cell, wherein the water treatment device is substituted with at least one of silver ions, copper ions, and zinc ions. 請求項1記載の燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は陽イオン交換樹脂を含み、前記溶液は、硝酸塩溶液、硫酸塩溶液、塩化物溶液、錯塩溶液のうち少なくともいずれか1つから選択されることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   2. The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the ion exchange resin includes a cation exchange resin, and the solution is at least one of a nitrate solution, a sulfate solution, a chloride solution, and a complex salt solution. A water treatment device for a fuel cell, wherein the water treatment device is selected from the two. 請求項1記載の燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂を含み、前記溶液は、硝酸塩溶液、硫酸塩溶液、塩化物溶液、錯塩溶液のうち少なくともいずれか1つから選択されることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   2. The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the ion exchange resin includes a strong acid cation exchange resin, and the solution is at least one of a nitrate solution, a sulfate solution, a chloride solution, and a complex salt solution. A water treatment device for a fuel cell, wherein the water treatment device is selected from any one of the above. 請求項1記載の燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は陰イオン交換樹脂を含み、前記溶液は、錯塩溶液であることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the ion exchange resin includes an anion exchange resin, and the solution is a complex salt solution. 請求項4記載の燃料電池の水処理装置であって、前記陰イオン交換樹脂はトリメチルアンモニウム基を交換基とする強塩基性陰イオン交換樹脂であることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   5. The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 4, wherein the anion exchange resin is a strongly basic anion exchange resin having a trimethylammonium group as an exchange group. 請求項2,4又は5記載の燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂に前記錯塩溶液を通水することによって、イオン交換樹脂のイオンを銀イオン、銅イオン及び亜鉛イオンのうち少なくともいずれか1つで置換後、還元処理により銀、銅又は亜鉛を前記イオン交換樹脂表面及び内部に析出させることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 2, 4 or 5, wherein the ion of the ion exchange resin is converted into silver ions, copper ions and zinc ions by passing the complex salt solution through the ion exchange resin. A water treatment apparatus for a fuel cell, wherein silver, copper, or zinc is deposited on the surface and inside of the ion exchange resin by reduction after substitution with at least one of them. 請求項3記載の燃料電池の水処理装置であって、前記強酸性陽イオン交換樹脂の架橋度は、12%以上であることを特徴とする燃料電池の水処理装置。   The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 3, wherein the cross-linking degree of the strong acid cation exchange resin is 12% or more. 請求項1記載の燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂及び強塩基性イオン交換樹脂の混床樹脂を含み、
前記強酸性陽イオン交換樹脂の平均粒径は、前記強塩基性イオン交換樹脂の平均粒径の80%以下であることを特徴とする燃料電池の水処理装置。
The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the ion exchange resin includes a mixed bed resin of a strongly acidic cation exchange resin and a strongly basic ion exchange resin,
An average particle size of the strongly acidic cation exchange resin is 80% or less of an average particle size of the strongly basic ion exchange resin.
請求項1記載の燃料電池の水処理装置であって、前記イオン交換樹脂は強酸性陽イオン交換樹脂を含み、初期状態の前記強酸性陽イオン交換樹脂の全交換容量に占める銀イオン若しくは銀を含む錯イオンの割合が、下式(1)により求められる値(RAg)以下であることを特徴とする燃料電池の水処理装置。
Ag=37exp(−2.4pH)RAg +82exp(−2.0pH)RAg
+110000exp(−2.3pH)RAg ・・・(1)
(ここで、CAgは燃料電池の水処理装置出口側処理水の所望銀濃度(但し、CAg=0.001〜10ppbの範囲)、pHは燃料電池の水処理装置入口側被処理水の水素イオン指数(但し、pH=4〜6の範囲)、RAgは、強酸性陽イオン交換樹脂の全交換容量(eq/L−R)に占める銀イオン若しくは銀を含む錯イオン(eq/L−R)の割合(%)である。)
The water treatment apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the ion exchange resin includes a strong acid cation exchange resin, and silver ions or silver occupying the total exchange capacity of the strong acid cation exchange resin in an initial state. A water treatment apparatus for a fuel cell, wherein a ratio of complex ions to be contained is not more than a value (R Ag ) obtained by the following formula (1).
C Ag = 37 exp (−2.4 pH) R Ag 3 +82 exp (−2.0 pH) R Ag 2
+ 110,000exp (−2.3pH) R Ag (1)
(Where C Ag is the desired silver concentration of the water treatment device outlet side treated water of the fuel cell (where C Ag = 0.001 to 10 ppb), pH is the water to be treated on the fuel cell water treatment device inlet side Hydrogen ion index (where pH = 4 to 6), R Ag is silver ion or complex ion containing silver (eq / L) in the total exchange capacity (eq / LR) of the strongly acidic cation exchange resin -R) (%)
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