JP2011104513A - 燃料電池用の電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、特許文献1〜3の電気式脱イオン水製造装置では、アニオン交換体の種類を十分に検討していないため、水の解離反応が起こるのに必要な電圧が高くなる、電圧異常が発生する場合があった。
燃料電池から回収した水を処理する燃料電池用の電気式脱イオン水製造装置であって、
イオン交換基として下記一般式(1)で表される第4級アンモニウム塩基を有するアニオン交換体と、カチオン交換体と、が充填された脱塩室と、
前記脱塩室を挟んで互いに平行となるように設けられた、陽極板及び陰極板と、
を備えた電気式脱イオン水製造装置に関する。
電気式脱イオン水製造装置は、燃料電池から回収した水を処理する燃料電池用のものであり、脱塩室と、脱塩室を挟むように脱塩室の両側に互いに平行となるようにそれぞれ設けられた陰極板及び陽極板と、を備える。脱塩室には、少なくとも、イオン交換基として下記一般式(1)で表される第4級アンモニウム塩基を有するアニオン交換体と、カチオン交換体と、が充填されている。
電気式脱イオン水製造装置の脱塩室内のアニオン交換体及びカチオン交換体の界面では、水の解離反応により水素イオン(H+)及び水酸化物イオン(OH-)が発生する。これらのイオンがアニオン交換体及びカチオン交換体とイオン結合を行うことによって、アニオン交換体及びカチオン交換体は再生される。
燃料電池から回収した凝縮水は高温となっている。このため、アニオン交換体の耐熱性が低い場合には、高温の凝縮水によってアニオン交換体が劣化する。これに対して、本発明の脱塩室に充填されたアニオン交換体は耐熱性に優れ、高温の凝縮水を脱塩室内に流した場合であってもアニオン交換体のイオン交換能は劣化しない。このため、長時間、安定して電気式脱イオン水製造装置を使用することができる。
脱塩室には、少なくとも、イオン交換基として下記一般式(1)で表される第4級アンモニウム塩基を有するアニオン交換体が充填される。
カチオン交換体としては特に限定されないが、カチオン交換膜、カチオン交換繊維、モノリス状カチオン交換体、カチオン交換樹脂を使用することができる。カチオン交換樹脂を使用する場合、ゲル形、MR形のいずれも用いることができる。モノリス状カチオン交換体は、上記(アニオン交換体)に記載のモノリス状アニオン交換体の製法と同様の製法によって製造することができる。
脱塩室は、中間イオン交換膜を設けない場合、カチオン交換膜、アニオン交換膜、及び枠体から構成されている。また、中間イオン交換膜を設ける場合、脱塩室は、カチオン交換膜、アニオン交換膜、中間イオン交換膜及び枠体から構成されている。
アニオン交換体及びカチオン交換体のうち、何れか一方が粒子状イオン交換樹脂、他方がイオン交換膜、イオン交換繊維、モノリス状イオン交換体の場合、イオン交換膜、イオン交換繊維、モノリス状イオン交換体の粒子状イオン交換樹脂に対向している面が実質的に境界面を構成する。
アニオン交換体及びカチオン交換体が共に、粒子状イオン交換樹脂から構成される場合、アニオン交換領域とカチオン交換領域の境界部分には中間膜が配置され、この中間膜が境界面を構成する。
陽極板の材料としては特に限定されないが、電気式脱イオン水製造装置の運転時に塩素が発生する場合があるため、耐塩素性を有するものが好ましい。陽極板の材料としては例えば、白金、パラジウム、イリジウム等の貴金属、あるいはこれらの貴金属をチタン等に被覆した網状あるいは板状の電極を用いることができる。
図7は、本発明の電気式脱イオン水製造装置を備えた発電装置の一例を表す図である。図7に示すように、この発電装置では、燃料極21、電解質膜24、空気極25、冷却部29を有する燃料電池を備える。この燃料電池の発電時には、空気極25及び冷却部29から水蒸気が発生する。
図2は、本実施例の電気式脱イオン水製造装置を示す図である。図2に示すように、この電気式脱イオン水製造装置では、陽極板7/陽極室5/アニオン交換膜2a/モノリス状アニオン交換体11からなるアニオン交換領域15/粒子状カチオン交換樹脂10が充填されたカチオン交換領域16/カチオン交換膜2b/陰極室6/陰極板8の順に配置されている。脱塩室3内には、モノリス状アニオン交換体11及び粒子状カチオン交換樹脂10が充填されている。
図3は、本実施例の電気式脱イオン水製造装置を示す図である。図3に示すように、この電気式脱イオン水製造装置では、陽極板7/陽極室5/アニオン交換膜2a/粒子状アニオン交換樹脂13が充填されたアニオン交換領域15/モノリス状カチオン交換体12からなるカチオン交換領域16/カチオン交換膜2b/陰極室6/陰極板8の順に配置されている。脱塩室3内には、モノリス状カチオン交換体12及び粒子状アニオン交換樹脂13が充填されている。
図4は、本実施例の電気式脱イオン水製造装置を示す図である。図4に示すように、この電気式脱イオン水製造装置では、陽極板7/陽極室5/アニオン交換膜2a/モノリス状アニオン交換体11からなるアニオン交換領域15/モノリス状カチオン交換体12からなるカチオン交換領域16/カチオン交換膜2b/陰極室6/陰極板8の順に配置されている。脱塩室3内には、モノリス状アニオン交換体11及びモノリス状カチオン交換体12が充填されている。
図5は、本実施例の電気式脱イオン水製造装置を示す図である。図5に示すように、この電気式脱イオン水製造装置では、陽極板7/陽極室5/アニオン交換膜2a/粒子状アニオン交換樹脂13が充填されたアニオン交換領域15/中間イオン交換膜17/粒子状カチオン交換樹脂10が充填されたカチオン交換領域16/カチオン交換膜2b/陰極室6/陰極板8の順に配置されている。この中間イオン交換膜17が、境界面14を構成する。
図6は、第1実施例の変形例を示す図である。図6に示すように、この電気式脱イオン水製造装置では、陽極板7/陽極室18aと陰極室18b/陰極板8との間に、脱塩室3と濃縮室18cとが交互に配置された構造を構成する点が第1実施例と異なる。脱塩室3は、陽極側から陰極側に向かって、アニオン交換膜2a/アニオン交換領域15/カチオン交換領域16/カチオン交換膜2bの順に配置されている。各脱塩室3内には境界面14が存在する。本実施例の電気式脱イオン水製造装置は、複数の脱塩室と濃縮室が設けられたものであるため、凝縮水中のイオン交換能を高めることができる。
図5に示す電気式脱イオン水製造装置を準備した。粒子状アニオン交換樹脂13には、イオン交換基として上記一般式(2)で表される第4級アンモニウム塩基を有する、PWA6(ローム・アンド・ハース社製)を用いた。また、粒子状カチオン交換樹脂10にはIR120B(ローム・アンド・ハース社製)、中間イオン交換膜17にはカチオン交換膜(アストム社製)を用いた。
図2に示す電気式脱イオン水製造装置を準備した。アニオン交換体として、モノリス状アニオン交換体11を80mL、アニオン交換領域に充填した以外は、実施例1と同様にして試験を行った。なお、モノリス状アニオン交換体11の体積は、モノリス状アニオン交換体11の外形部分が占める体積として測定した。
図8に示すように、アニオン交換体として、粒子状アニオン交換樹脂19 IRA402BL(ローム・アンド・ハース社製)を80mL、アニオン交換領域に充填した以外は、実施例1と同様にして試験を行った。この粒子状アニオン交換樹脂19は、イオン交換基として上記一般式(1)で表される第4級アンモニウム塩基を有さない。この後、実施例1と同様にして、領域20における電圧を測定した。この結果を表1に示す。
2a アニオン交換膜
2b カチオン交換膜
3 脱塩室
4 アニオン交換体
5 陽極室
6 陰極室
7 陽極板
8 陰極板
10 粒子状カチオン交換樹脂
11 モノリス状アニオン交換体
12 モノリス状カチオン交換体
13 粒子状アニオン交換樹脂
14 境界面
15 アニオン交換領域
16 カチオン交換領域
17 中間イオン交換膜
18a 陽極室
18b 陰極室
18c 濃縮室
19 粒子状アニオン交換樹脂
21 燃料極
22 改質器
23 凝縮器
24 イオン交換膜
25 空気極
26 電気式脱イオン水製造装置
28 処理タンク
29 冷却部
Claims (7)
- 前記一般式(1)において、前記R1〜R3はそれぞれ独立して炭素数が2以上5以下のアルキル基である請求項1に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 前記一般式(1)において、前記R1〜R3はエチル基である請求項1又は2に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 前記脱塩室において、カチオン交換体が充填されたカチオン交換領域と、アニオン交換体が充填されたアニオン交換領域の境界面は、前記陽極板及び陰極板に対して平行である請求項1〜3の何れか1項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 下記(a)〜(c)のうち何れか一つの形態となるように、前記脱塩室に前記カチオン交換体及びアニオン交換体が充填される請求項4に記載の電気式脱イオン水製造装置。
(a)前記カチオン交換体はモノリス状カチオン交換体、前記アニオン交換体は粒子状アニオン交換樹脂である形態、
(b)前記カチオン交換体は粒子状カチオン交換樹脂、前記アニオン交換体はモノリス状アニオン交換体である形態、
(c)前記カチオン交換体はモノリス状カチオン交換体、前記アニオン交換体はモノリス状アニオン交換体である形態。 - 前記電気式脱イオン水製造装置は、陽極板/陽極室/アニオン交換膜/アニオン交換領域/カチオン交換領域/カチオン交換膜/陰極室/陰極板の順に配置された構造を有する請求項4又は5に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 前記電気式脱イオン水製造装置は、陽極板/陽極室/アニオン交換膜/アニオン交換領域/中間イオン交換膜/カチオン交換領域/カチオン交換膜/陰極室/陰極板の順に配置された構造を有する請求項4又は5に記載の電気式脱イオン水製造装置。
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