JP4556410B2

JP4556410B2 - 燃料電池用水処理装置

Info

Publication number: JP4556410B2
Application number: JP2003344595A
Authority: JP
Inventors: 好輝三角; 昌之三輪
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP2005116184A

Description

本発明は燃料電池からの回収水などの原水を電気脱イオン装置によって処理して燃料電池システムに供給するための燃料電池用水処理装置に関するものである。

燃料電池から排出される凝縮水などの水を回収して処理し、燃料改質装置（水蒸気改質装置）の水源等として利用するために、この回収水を電気脱イオン装置で処理することが特開平９−１６１８３３号公報、特開２００１−２３２３９４号公報等に記載されている。この燃料電池からの排ガスには、電気化学的に発生した水蒸気と炭酸ガスが含まれており、この排ガスを冷却し、気液分離して得られる凝縮水にも炭酸成分が含まれている。従って、この凝縮水をそのまま処理すると、この炭酸ガスもイオン交換樹脂の負荷となり、イオン交換樹脂の交換頻度を増大する原因となる。また、炭酸イオンは電気脱イオン装置では除去しにくいことがある。そのため、上記各公報の装置では、回収水を脱炭酸処理した後、電気脱イオン装置で処理している。

前者の特開平９−１６１８３３号公報にあっては、リン酸形燃料電池の排水を脱炭酸塔及び精密濾過膜分離で処理し、次いで電気脱イオン装置で処理している。

後者の特開２００１−２３２３９４号公報にあっては、固体高分子形燃料電池の排水を空気接触式又は気体膜透過式の脱炭酸手段で脱炭酸処理した後、逆浸透処理し、次いで電気脱イオン装置で処理している。なお、この固体高分子形燃料電池にあっては、固体電解質としてフッ素系陽イオン交換膜が用いられており、燃料電池排水中には微量ながらフッ素イオンが含まれる。従って、フッ素によって電気脱イオン装置内のイオン交換体が劣化することを防止するために、燃料電池用水処理装置には電気脱イオン装置の前段にフッ素除去手段が設けられることが望ましい。
特開平９−１６１８３３号公報特開２００１−２３２３９４号公報

上記の特開平９−１６１８３３号公報で採用している脱炭酸塔は容積が著しく大きい塔が必要である。上記特開２００１−２３２３９４号公報で採用している気体膜透過式脱炭酸装置は、コスト高である。

本発明は、電気脱イオン装置に流入する水から炭酸を低コストにて除去するとともに、気体に混入している濁質、微生物などを除去して、脱炭酸装置以降の目詰りを防止することができる燃料電池用水処理装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池用水処理装置は、原水を脱炭酸処理する脱炭酸装置と、該脱炭酸装置からの処理水をフッ素吸着除去処理するフッ素吸着除去装置と、該フッ素吸着除去装置からの処理水を金属除去処理する金属除去装置と、洗気装置とを含む前処理手段と、該前処理手段からの水を脱イオン処理する電気脱イオン装置とを有する燃料電池用水処理装置であって、該脱炭酸装置は、原水中に気体を吹き込んで脱炭酸処理するものであり、該脱炭酸装置の前段に、該気体を浄化する該洗気装置が設けられており、該洗気装置は、該電気脱イオン装置の排水、あるいは燃料電池から発生する余剰凝縮水に気体を接触させて浄化するものであり、該前処理手段は、直方体形状のケーシング内を複数枚の仕切板で区画して該洗気装置、該脱炭酸装置、該フッ素吸着除去装置及び金属除去装置を配置してなるものであり、該ケーシングの正面が取り外し可能なフロントカバーとされており、該前処理手段と該電気脱イオン装置とが一体化されていることを特徴とするものである。

かかる燃料電池用水処理装置にあっては、燃料電池排水を脱炭酸処理、フッ素除去処理及び金属フッ素除去処理した後、電気脱イオン装置で処理することにより、高水質の処理水を生産することができる。この処理水は燃料電池用燃料改質等に好適である。この燃料電池用水処理装置にあっては、フッ素が除去されるので、電気脱イオン装置のイオン交換樹脂の劣化が防止される。

この脱炭酸処理は、原水中に気体を吹き込むようにして行われるものであり、構成が簡易である。また、この脱炭酸処理に用いられる気体は、水で洗気され、空気（大気）中のダストが除塵処理されたものであるので、脱炭酸処理水を汚染しない。

この洗気処理は、電気脱イオン装置排水と気体とを接触させるものであり、電気脱イオン装置の排水を有効活用することができる。

この洗気装置は、前記電気脱イオン装置の排水が導入されると共に該気体が水中に吹き込まれる中央室と、該中央室の下部に連通し、該中央室から水が移流する水流出室と、該水流出室の上部に設けられた水の溢流口と、を備えてなり、該中央室内の水面を脱した気体が前記脱炭酸装置に供給されるよう構成されていることが好ましい。

この洗気装置にあっては、該中央室内に該溢流口のレベルにまで水が貯溜される。このため、気体の吹き込み深さを設計通りとすることができ、十分に気体を浄化処理することができる。

本発明の燃料電池用水処理装置によると、低コストにて脱炭酸が行われる。

なお、フッ素吸着除去装置など、電気脱イオン装置の前段側に設けられた部材から、セリウム、アルミニウムイオンなどの金属イオンが溶出することがある。フッ素除去装置の後段かつ電気脱イオン装置の前段に金属除去装置を設けてあるので、電気脱イオン装置に流入する金属を減少させ、電気脱イオン装置のイオン交換体の性能を長期にわたって高く維持することができる。

第１図は実施の形態に係る燃料電池用水処理装置のフロー図である。燃料電池の凝縮水等の回収水は、脱炭酸装置１、フッ素吸着除去装置２、金属除去装置３及び電気脱イオン装置４によって処理され、電気脱イオン装置４で生成する脱イオン水が燃料改質器等に供給される。

この電気脱イオン装置は、陽極と陰極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とを配列して脱塩室と濃縮室とを形成し、脱塩室にイオン交換体を充填した構成のものであってもよい。この場合、陽極室と陰極室とが各々独立して設けられてもよく、これら電極室の少なくとも一方が濃縮室を兼用していてもよい。

この実施の形態では、脱炭酸装置１は空気曝気方式のものである。曝気用の空気は、洗気装置５中でバブリングされて浄化処理された後、脱炭酸装置１内の水中に吹き込まれる。この洗気装置５へは電気脱イオン装置４の濃縮室あるいは電極室からの排水が導入されている。この洗気装置５の排水は系外に排出される。

この洗気装置５の好適な態様は後に詳述される。

この脱炭酸装置１は、後述の第８図に示す螺旋板３２と、この螺旋板３２の螺旋状流路に充填された充填材とを備えたものである。なお、この構成についても後に詳述する。

この燃料電池用水処理装置にあっては、燃料電池回収水からフッ素がフッ素吸着除去装置２によって高度に吸着除去されるため、電気脱イオン装置４のイオン交換体がフッ素によって劣化することが防止され、長期にわたって安定して燃料電池排水の処理を行い、燃料改質装置の水源等として利用することができる。

また、脱炭酸装置１は螺旋板及び充填材よりなるものであり、小型でありながら脱炭酸特性に優れる。このため、電気脱イオン装置４の負荷が小さい。

この脱炭酸装置１に供給される気体（空気）は、洗気装置５で除塵処理されており、原水（回収水）が汚染されることが防止される。この洗気装置５は、電気脱イオン装置４の排水によって洗気するものであり、電気脱イオン装置４の排水が有効に再利用される。

この燃料電池用水処理装置にあっては、フッ素吸着除去装置２からセリウム、アルミニウムイオンなどの金属イオンが溶出しても、金属除去装置３により除去される。このため、電気脱イオン装置４のイオン交換体の性能を長期にわたって高く維持することが可能となる。

次に、上記洗気装置、脱炭酸装置、フッ素吸着除去装置及び金属除去装置がケーシング内に配置されてなる前処理装置と、この前処理装置に付設された電気脱イオン装置４とを備えてなる燃料電池用水処理装置について第２図〜第９図を参照して説明する。

第２図は、この燃料電池用水処理装置の下方から見上げた状態の斜視図、第３図はこのケーシングのフロントカバーを開けた状態の斜視図、第４図は第３図からフッ素吸着樹脂及び金属吸着樹脂を取り除いた状態の斜視図、第５図は第４図の構成を示す正面図、第６図は洗気室内のフレームの斜視図、第7図は第５図のVII−VII線断面図、第８図は脱炭酸室内の螺旋板の斜視図、第９図は充填物の模式図である。

この燃料電池用水処理装置は、前記の通り、脱炭酸装置１を有する前処理装置１０と、電気脱イオン装置４とを一体化したものである。この前処理装置１０のケーシング１２は、浅い直方体形状のものであり、正面にフロントカバー１４が取り付けられている。

第４，５図の通り、電気脱イオン装置４の濃縮室あるいは電極室からの排水が移送管１８を介して洗気室２０に導入され、空気の洗浄が行なわれる。

次に、第６図を参照して洗気室２０の構成について詳細に説明する。なお、第６図（ａ）、（ｂ）は互いに反対方向から見た斜視図である。第６図（ｂ）では、洗気室２０内に滞留している水が示されている。

この洗気室２０は、ケーシング１２に一体に設けられた１対の上下方向の仕切板２０ａ、２０ｂ（第５図）間に形成されている。

この洗気室２０内には、エアポンプ（図示略）から送気されてきた空気がエアチューブ２１を介して吹き込まれる。この洗気室２０内にはフレーム２２が設置されている。該フレーム２２は、囲枠部２３、垂下板２４、立上板２５を備え、中央室２６、水流出室２７、及び空気流出室２８が形成されている。チューブ２１の末端は該中央室２６内に差し込まれている。水は前記移送管１８を介して中央室２６に導入される。中央室２６と水流出室２７との間に、囲枠部２３の上辺から垂下する垂下板２４が設けられており、中央室２６内の水はこの垂下板２４の下端を回り込んで水流出室２７に移流し、この水流出室２７の上部から溢流口２９を介してケーシング１２外ヘ流出する。中央室２６及び水流出室２７内には、この溢流口２９の下縁レベルにまで水が溜まっており、チューブ２１の下端はこの水中に没している。

中央室２６と空気流出室２８とは、囲枠部２３の底辺から起立する立上板２５によって区画されている。

チューブ２１から水中に吹き込まれた空気は、水面から離脱した後、該立上板２５の上端を回り込んで空気流出室２８に流入し、前記空気導入口３１を介して脱炭酸室３０内に吹き込まれ、脱炭酸に用いられる。

洗気室２０で洗浄された空気は、空気導入口３１から脱炭酸装置が設置された脱炭酸室３０へ導入され、洗浄に供された水はケーシング１２の背面に設けられた流出孔（図示略）から流出し、廃棄される。

この脱炭酸室３０内の脱炭酸装置は、螺旋板３２と、充填物とからなる。

脱炭酸室３０内の上部には、ケーシング１２の背面又は上面の被処理水導入口（図示略）から被処理水が導入されている。脱炭酸室３０内において、空気導入口３１からの空気が螺旋板３２を周回しながら立ち登り、被処理水と接触し、脱炭酸を行う。

なお、螺旋板３２の螺旋状通路３４内には第９図に模式的に示す、合成樹脂又は金属製ワイヤを絡ませたランダムな三次元構造の充填物３３が充填され、空気がゆっくりと且つ細かく分断されながら螺旋板に沿って上昇し、十分に脱炭酸が行われるよう構成されている。このワイヤの径は０．０５〜０．５ｍｍ程度が好適である。充填物のワイヤ間の通路の平均径は２〜１０ｍｍ特に３〜７ｍｍ程度が好適である。

この螺旋板３２は、金属板にスリットを入れて折曲したものを多段に溶接等により連結したものであり、螺旋の軸心部には細長い仕切板が縦通されている。螺旋の１段当りの高さは５〜１０ｍｍ程度が好適である。

この実施の形態では、脱炭酸室３０が直方体形状であるため、螺旋板３２の各段を構成する金属板が方形状となっているが、脱炭酸室が円筒形であれば、螺旋板はスクリュ螺子状とされる。

なお、脱炭酸室３０の高さが１００ｍｍ、奥行き及び幅が５０ｍｍであり、図示の通り７段の螺旋板３２が配置され、平均開口径が約５ｍｍの充填物を螺旋流路に充填してなる脱炭酸装置に、水温５℃、炭酸濃度８０ｐｐｍの水を４０ｍＬ／ｍｉｎで通水し、空気を２０００ｍＬ／ｍｉｎで散気したところ、処理水の炭酸濃度は１０ｐｐｍ以下となることが認められた。

脱炭酸処理された水は、この脱炭酸室３０から移流口３６（第５図）を介して中継室４０（第４，７図）に流入し、この中継室４０から移流口４２（第７図）を介して貯水室５０へ流入する。第７図の通り、この中継室４０は貯水室５０の背後側に上下方向へ延設されている。この中継室４０の上部に水の移流口４２が設けられている。

貯水室５０内には、水位を検知するためのフロートスイッチ５２，５４が設けられている。なお、このフロートスイッチ５２，５４のいずれもがＯＦＦの場合には、次に説明するポンプ６２が停止される。

貯水室５０内の水は、チューブ６０、モータ６４によって駆動されるポンプ６２及びチューブ６６を介して第１のフッ素除去室７０の下部に導入され、該室７０内を上昇する。次いで、水は、このフッ素除去室７０の上部から移流管７１を介して第２のフッ素除去室７２の上部に導入され、該室７２内を下降する。次いで、移流口７３を介して第３のフッ素除去室７４の下部に導入され、該室７４内を上昇する。

各フッ素除去室７０，７２，７４内にはフッ素吸着樹脂７６（第３図）が充填されており、フッ素イオンが吸着除去される。なお、フッ素吸着樹脂の代わりに珪酸アルミナなどのフッ素吸着能を有するアルミナ化合物を用いることもできる。

第３のフッ素除去室７４内の上部に達した水は、移流口７８から第１の金属除去室８０の上部に移流し、該室８０内を下降する。次いで、移流口８１から第２の金属除去室８２の下部に流入し、該室８２内を上昇する。該室８２の上部に到達した水は、移流口８４を介して電気脱イオン装置４に導入される。なお、図示はしないが、この移流口８４を覆うように精密濾過膜が配置され、樹脂の破片が電気脱イオン装置４に流入しないよう構成されている。

各金属除去室８０，８２には金属吸着樹脂８６が充填されており、金属イオンが吸着除去される。

このように、この前処理装置１０によって脱炭酸、フッ素除去及び金属除去された水が移流口８４を介して電気脱イオン装置４に導入される。

このケーシング１０内には、各除去室７０，７２，７４，８０，８２を区画形成するために仕切板９０，９２，９４，９６，９８が上下方向に延設されており、各室７０，７２，７４，８０，８２は上下方向に延在している。チューブ６６は仕切板９０を貫通しており、移流管７１は仕切板９２を貫通している。移流口７３，７８，８１は仕切板９４，９６，９８に設けられている。移流口８４はケーシング１２の側壁に穿設されている。

なお、上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態をもとりうる。たとえば、上記実施形態においては電気脱イオン装置４の排水を洗気室２０に供給しているが、燃料電池システムにおいて発生する凝縮水を供給するようにしてもよい。

実施の形態に係る燃料電池用水処理装置のフロー図である。第１図の燃料電池用水処理装置の下方から見上げた状態の斜視図である。第２図のケーシングのフロントカバーをあけた状態の斜視図である。第３図からフッ素吸着樹脂及び金属吸着樹脂を取り除いた状態の斜視図である。第４図の構成を示す正面図である。洗気室内のフレームの斜視図である。第５図のVII−VII線断面図である。脱炭酸室内の螺旋板の斜視図である。充填物の模式的な斜視図である。

符号の説明

１０前処理装置
１２ケーシング
１８移送管
２０洗気室
２０ａ，２０ｂ仕切板
２１空気吹込用チューブ
２２フレーム
２３囲枠部
２４垂下板
２５立上板
２６中央室
２７水流出室
２８空気流出室
２９溢流口
３０脱炭酸室
３２螺旋板
３３充填物
５０貯留室
６２ポンプ
７０，７２，７４フッ素除去室
７６フッ素吸着樹脂
８０，８２金属除去室
８６金属吸着樹脂

Claims

原水を脱炭酸処理する脱炭酸装置と、該脱炭酸装置からの処理水をフッ素吸着除去処理するフッ素吸着除去装置と、該フッ素吸着除去装置からの処理水を金属除去処理する金属除去装置と、洗気装置とを含む前処理手段と、
該前処理手段からの水を脱イオン処理する電気脱イオン装置とを有する燃料電池用水処理装置であって、
該脱炭酸装置は、原水中に気体を吹き込んで脱炭酸処理するものであり、
該脱炭酸装置の前段に、該気体を浄化する該洗気装置が設けられており、
該洗気装置は、該電気脱イオン装置の排水、あるいは燃料電池から発生する余剰凝縮水に気体を接触させて浄化するものであり、
該前処理手段は、直方体形状のケーシング内を複数枚の仕切板で区画して該洗気装置、該脱炭酸装置、該フッ素吸着除去装置及び金属除去装置を配置してなるものであり、該ケーシングの正面が取り外し可能なフロントカバーとされており、
該前処理手段と該電気脱イオン装置とが一体化されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
請求項１において、前記脱炭酸装置は、螺旋状通路と、該脱炭酸装置の上部及び下部に設けられた被処理水導入口及び移流口と、該脱炭酸装置の下部及び上部に設けられた空気導入口及び流出口とを有することを特徴とする燃料電池用水処理装置。