JP4595315B2 - 燃料電池用水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池からの回収水を前処理装置及び電気脱イオン装置によって処理する燃料電池用水処理装置に関するものであり、特に燃料電池が固体高分子型燃料電池である場合に好適な燃料電池用水処理装置に関する。

Ｉ．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。前者の特開平９−１６１８３３号公報にあっては、燃料電池はリン酸型燃料電池であり、後者の特開２００１−２３２３９４号公報にあっては、燃料電池は固体高分子型燃料電池である。この固体高分子型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。このため、上記特開平９−１６１８３３号公報のようにリン酸型燃料電池排水を処理するタイプの水処理装置では、フッ素が除去されず、フッ素によって電気脱イオン装置内のイオン交換体が早期に劣化するおそれがある。

後者の特開２００１−２３２３９４号公報には、固体高分子型燃料電池の凝縮水を脱炭酸処理、逆浸透膜処理（ＲＯ処理）、及び電気脱イオン処理することが記載されている。

II．従来の電気脱イオン装置は、電極（陽極と陰極）同士の間に複数のカチオン交換膜とアニオン交換膜とを交互に配列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室にイオン交換樹脂を充填した構成を有する。この電気脱イオン装置にあっては陽極、陰極間に電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入させると共に、濃縮室に濃縮水を流通させて被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を製造する（例えば特開平１０−４３５５４号公報）。
特開平９−１６１８３３号公報 特開２００１−２３２３９４号公報 特開平１０−４３５５４号公報

Ｉ．本発明は、電気脱イオン装置と前処理装置とが一体とされた極めてコンパクトな燃料電池用水処理装置を提供することを第１の目的とする。

II．上記特開２００１−２３２３９４号公報では、その第００２９段落の通り、電気脱イオン装置の前段に設けたＲＯ装置によって溶解イオン成分の約９０％が除去されるが、それでもなお若干のフッ素イオンがＲＯ装置を通って電気脱イオン装置に流入し、電気脱イオン装置のイオン交換体を劣化させるおそれがある。

本発明は、その一態様において、電気脱イオン装置に流入する水からフッ素を十分に除去するよう改良された燃料電池用水処理装置を提供することを第２の目的とする。

III．従来の電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に複数の脱塩室と濃縮室とを交互に形成したものであるため、陰極と陽極との間の電気抵抗が大きく、両極間の印加電圧が高い。また、構造が複雑であり、製作に手間がかかる。

本発明は、その一態様において、構成が簡易で製作が容易であると共に、印加電圧が低くて済む電気脱イオン装置を備えた燃料電池用水処理装置を提供することを第３の目的とする。

IV．従来の電気脱イオン装置のエンドプレートやフレームを合成樹脂製とする場合、この合成樹脂はポリプロピレンや塩化ビニルなど耐熱性の低いものであった。このため、比較的温度の高い箇所（例えば、燃料電池の隣接部位）に配置することはできなかった。

本発明は、その一態様において、比較的温度の高い箇所にも配置することができる電気脱イオン装置を備えた燃料電池用水処理装置を提供することを第４の目的とする。

本発明（請求項１）の燃料電池用水処理装置は、燃料電池から回収された回収水を前処理装置で前処理した後、電気脱イオン装置で脱イオン処理する燃料電池用水処理装置において、該電気脱イオン装置及び前処理装置が略同一の厚さ及び高さの矩形箱型に構成され、該電気脱イオン装置及び前処理装置が一体化されることにより、全体として矩形箱型に構成されていることを特徴とするものである。

かかる本発明（請求項１）の燃料電池用水処理装置にあっては、前処理装置及び電気脱イオン装置が全体として矩形箱型となっており、小型でコンパクトなものとなる。

本発明では、前処理装置が、上流側より順次に配置された脱炭酸装置、フッ素吸着装置及び金属吸着装置よりなる水処理部を備えると共に、さらに、該水処理部に通水するためのポンプと、該水処理部及びポンプを制御する制御装置とを備え、これらの水処理部、ポンプ及び制御装置が矩形箱形のケーシング内に配置されていることが好ましい（請求項２）。このように構成した場合、燃料電池用水処理装置が高機能で小型且つコンパクトなものとなる。

また、請求項２の燃料電池用水処理装置にあっては、燃料電池回収水を脱炭酸処理、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。

本発明の燃料電池用水処理装置にあっては、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、この気体を洗気するための洗気装置が前記ケーシング内に配置されており、該洗気装置は、前記電気脱イオン装置の排水を受け入れ、この排水と気体とを接触させて洗気するよう構成されていることが望ましい（請求項３）。

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。

本発明の燃料電池用水処理装置では、フッ素吸着部及び金属吸着部が該ケーシングに設けられた区画板により区画形成されているとともに、これらフッ素吸着部及び金属吸着部の水の流路が、前記ケーシング内に設けられた仕切板に沿って延設されている構成としてもよい（請求項４）。そして、この区画板及び仕切板は耐熱性合成樹脂からなるのが好ましい（請求項５）。

本発明の燃料電池用水処理装置では、電気脱イオン装置及び前処理装置には、両者の対面部にそれぞれ水流通用のポートが設けられており、該電気脱イオン装置と前処理装置とが連結されることにより両者の該ポートが対面して連通されている構成としてもよい（請求項６）。

この請求項４〜６のように構成すれば、燃料電池用水処理装置がコンパクトで且つ十分な脱イオン特性を有したものとなる。

この場合、電気脱イオン装置には、脱イオン処理部と該ポートとを連通するための水路が設けられており、該水路に流量調整部材が設けられている構成としてもよい（請求項７）。また、該水路に水質測定用電極が設けられている構成としてもよい（請求項８）。

請求項７，８のように構成することにより、燃料電池用水処理装置の高機能化を図ることができる。

本発明では、該電気脱イオン装置は、それぞれプレートに保持された陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが配置され、陰極側に配置されたカチオン交換膜と陽極側に配置されたアニオン交換膜との間に、周囲がフレームで囲まれた脱塩室が設けられたものであることが好ましく（請求項９）、特に、該電気脱イオン装置にあっては、陰極側から陽極側に向って、第１のカチオン交換膜と、アニオン交換膜と、第２のカチオン交換膜とがこの順に配置され、該陰極と第１のカチオン交換膜との間が濃縮室兼陰極室とされ、第１のカチオン交換膜と該アニオン交換膜との間が脱塩室とされ、該アニオン交換膜と第２のカチオン交換膜との間が濃縮室とされ、該第２のカチオン交換膜と該陽極との間が陽極室とされていることが好ましい（請求項１０）。

この請求項１０の燃料電池用水処理装置に用いられている電気脱イオン装置は、脱塩室が１室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞれ濃縮室と陰極室兼濃縮室とが配置されているため、電極間距離が小さく、電極間の印加電圧が低い。この電気脱イオン装置は、脱塩室が１室であり、単位時間当たりの生産水量が少ないが、小型燃料電池には十分に実用することができる。

また、この電気脱イオン装置は、２個のフレームと２枚のカチオン交換膜及び１枚のアニオン交換膜とを１対のプレート間に挟持することにより組み立てることができ、構造及び組立てが簡単である。

この電気脱イオン装置のプレート及びフレームを耐熱性合成樹脂製とすることが好ましく（請求項１１）、また、電気脱イオン装置及び前処理装置の矩形箱型のケーシングが耐熱性合成樹脂よりなることが好ましい（請求項１２）。このように構成した場合、比較的温度の高い箇所に配置しても、プレート及びフレーム等の変形、あるいはそれらからの成分の溶出などが防止される。

なお、耐熱性合成樹脂としては、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）あるいはポリアセタール樹脂が好適である（請求項１３）。

上記の通り、本発明の燃料電池用水処理装置は、小型でコンパクトである。本発明の一態様にあっては、燃料電池からの水からフッ素がフッ素吸着除去装置によって高度に吸着除去されるため、電気脱イオン装置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うことができる。

本発明の一態様によると、燃料電池用水処理装置を比較的温度の高い箇所にも配置することができる。

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図に示す略螺旋状の屈折板３２と、この屈折板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は屈折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からセリウムイオン、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図は脱炭酸室内の屈折板の斜視図、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を有する矩形箱型の前処理装置１０と、矩形箱型の電気脱イオン装置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、浅い矩形箱型のものであり、正面にフロントカバー１４が取り付けられている。前処理装置１０の高さ及び奥行きと電気脱イオン装置４の高さ及び奥行きとは同一であり、これらの連結体は全体として矩形箱型となっている。

なお、このケーシング１２は、ガラス繊維を混入させたＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン製）とされているが、材料はこれに限定されない。

第４，５図の通り、電気脱イオン装置４の濃縮室兼陰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。なお、もう一方の移送管１８の先端は、ケーシング１２の側壁面を貫通し、ケーシング１２の側外面に開放している。

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対の上下方向の区画板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、略螺旋状の屈折板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からの空気が屈折板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、屈折板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屈折板に沿って上昇し、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。

この屈折板３２は、金属板にスリットを入れて折曲したものを多段螺旋状に溶接等により連結したものやシンジオタクチックポリスチレンなどのプラスチックで一体成形したものであり、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、屈折板３２の各段を構成する金属板（又はプラスチック）が方形状となっているが、脱炭酸室が円筒形であれば、屈折板はスクリュ螺子状とされる。なお、本明細書中において、略螺旋状とは、数学的な螺旋構造に限らず、本実施例のような屈折状やこれに類する多角形的なもの、さらには折り返し段状のものを含む。

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段の屈折板３２が配置され、平均開口径が約５ｍｍの充填物を屈折状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。

なお、脱炭酸室３０内の水位は、この移流口４２の下縁の高さとなる。脱炭酸室の水位高は、室高さの５０％以上である。

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。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。

なお、このポンプ６２及びそのモータ６４を設置したポンプ設置室の背後側は二重底状とされて制御回路設置室（図示略）が形成され、この制御回路設置室内にモータ６４や電気脱イオン装置４の制御回路を搭載した回路基板（図示略）が設置されている。

このポンプ６２は、電気脱イオン装置４等の差圧が上昇しても流量が低下しないようにするために、容積式ポンプとされている。

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。

なお、このように仕切板を設けて各室７０，７２，７４，８０，８２を上下に細長く延設することにより、通水線速を例えばＬＶ３（ｈ^−１）と高くすることができる。これにより、樹脂７６，８６と水との接触効率が高くなり、イオン除去性能が向上する。

仕切板はケーシング１２と一体に射出成形しても良いし、ケーシング１２に別途取り付けても良い。

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。

次に、電気脱イオン装置４の構成について第１０図〜第１５図を参照して詳細に説明する。

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る。なお、陽極室と陰極室とが各々独立して設けられてもよいが、この実施の形態では、陰極室が濃縮室を兼用している。

第１０図はこの電気脱イオン装置の模式的な縦断面図、第１１図はこの電気脱イオン装置の分解斜視図、第１２図及び第１３図はこの電気脱イオン装置の一部の拡大分解斜視図、第１４図は陰極側の流路形成板の斜視図である。

なお、第１２，１３図ではカチオン交換膜及びアニオン交換膜の図示が省略されている。

第１０図に概略的に示される通り、この電気脱イオン装置４にあっては、陰極１０１と陽極１０２との間に、それぞれ耐熱性の第１のカチオン交換膜１０３と、アニオン交換膜１０４と、第２のカチオン交換膜１０３’とを１枚ずつ配置し、陰極１０１と第１のカチオン交換膜１０３との間に濃縮室兼陰極室１０５を形成し、第１のカチオン交換膜１０３とアニオン交換膜１０４との間に脱塩室１０７を形成し、アニオン交換膜１０４と第２のカチオン交換膜１０３’との間に濃縮室１１０を形成し、第２のカチオン交換膜１０３’と陽極１０２との間に陽極室１０６を形成している。

陰極１０１及び陽極１０２は耐熱性合成樹脂製（好ましくはＳＰＳ製）のプレート１２０，１５０に保持され、脱塩室１０７及び濃縮室１１０の周囲は耐熱性合成樹脂製（好ましくはＳＰＳ製）のフレーム１３０，１４０によって囲まれている。

濃縮室１１０にはアニオン交換樹脂（図示略）が充填されており、濃縮室兼陰極室１０５及び陽極室１０６にはそれぞれカチオン交換樹脂（図示略）が充填されている。この濃縮室兼陰極室１０５、濃縮室１１０及び陽極室１０６に充填されるイオン交換樹脂は、アニオン交換樹脂やアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合したものであってもよい。脱塩室１０７にはカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とが混合状態にて充填されている。

脱塩室１０７の一端側には原水の流入口が設けられ、他端側には脱イオン水の流出口が設けられている。脱イオン水の一部は分取され、陽極室１０６に導入される。陽極室１０６の流出水は濃縮室１１０へその一端側から流入し、他端側から流出する。濃縮室１１０の流出水は、濃縮室兼陰極室１０５へその一端側から流入し、他端側から排水として排出される。

陰極１０１と陽極１０２との間に電圧を印加した状態にて原水として前処理装置の移流口８４（第４，５図参照）からの水を脱塩室１０７に導入すると、原水中のカチオンは第１のカチオン交換膜１０３を透過し、陰極電極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１０４を透過して濃縮室１１０に移動し、濃縮室流出水に混入して濃縮室兼陰極室１０５を経て排出される。

この電気脱イオン装置にあっては、陰極１０１と陽極１０２との間にそれぞれ１個の濃縮室兼陰極室１０５、脱塩室１０７、濃縮室１１０及び陽極室１０６のみが配置されており、陰極１０１と陽極１０２との距離が小さい。そのため、電極１０１，１０２間の印加電圧が低くても十分に電極１０１，１０２間に電流を流して脱イオン処理することができる。

また、脱塩室内のＣｌ⁻は濃縮室１１０にのみ移動し、陽極室１０６へは移動しない。このため、陽極室１０６内のＣｌ⁻濃度は脱イオン水中に存在するＣｌ⁻のみとなり、陽極室１０６で陽極酸化により生じるＣｌ_２が著しく少ない。そのため、陽極室１０６内のカチオン交換樹脂１０８や、陽極室１０６に臨む第２のカチオン交換膜１０３’の劣化が防止される。

なお、陰極室が濃縮室を兼ねていることから、陰極室内の電極水の電気伝導度が高い。これによっても、電極１０１，１０２間の印加電圧が低くても電極１０１，１０２間に十分に電流を流すことが可能となる。

濃縮室兼陰極室１０５、濃縮室１１０及び陽極室１０６での通水方向は、脱塩室１０７と並流通水でも向流通水でもよいが、上昇流通水であることが望ましい。これは、各室１０５，１０６には、直流電流によってＨ_２やＯ_２、場合によっては少量のＣｌ_２等の気体が発生するので、上昇流で通水し気体の排出を促進させ偏流を防ぐためである。

次に、第１１図〜第１３図を参照して各プレート及びフレームの構成について説明する。プレート１２０，１５０は、カチオン膜１０３，１０３’に対峙する側の板央部が凹んだ凹所となっており、この凹所底面に薄板、フィルム状ないしは膜状の陰極１０１又は陽極１０２が設けられている。この凹所内が濃縮室兼陰極室１０５又は陽極室１０６となっている。

フレーム１３０，１４０は枠状であり、枠の内側が脱塩室１０７又は濃縮室１１０となっている。フレーム１３０，１４０には、各室１０７，１１０から上下に延在する凹部１３１，１３２及び１４１，１４２が設けられている。

この実施の形態では、プレート１２０，１５０の外側に流路形成板１６０，１７０が配置されている。

流路形成板１６０、プレート１２０及びカチオン膜１０３の上部には、原水を脱塩室１０７に導入するための原水導入孔１６１，１２１，１０３ａが厚み方向に貫設されている。これらの孔１６１，１２１，１０３ａは同軸状に、且つフレーム１３０の上部の凹部１３１に重なり合うように設けられている。

カチオン膜１０３、プレート１２０及び流路形成板１６０の下部には、脱塩室１０７から脱イオン水を取り出すための孔１０３ｂ，１２２，１６２が同軸状、且つフレーム１３０の下部の凹部１３２に重なり合うように設けられている。

流路形成板１６０、プレート１２０、カチオン膜１０３、フレーム１３０、アニオン膜１０４、フレーム１４０、カチオン膜１０３’、プレート１５０及び流路形成板１７０には、脱イオン水の一部を分取して陽極室１０６に導くために、互いに同軸状に孔１６３，１２３，１０３ｃ，１３３，１０４ｃ，１４３，１０３’ｃ，１５３，１７３が厚み方向に貫設されている。プレート１５０及び流路形成板１７０の下部には、この脱イオン水を陽極室１０６に導くための孔１５５，１７５が厚み方向に貫設されている。孔１５５は陽極室１０６に臨んでいる。流路形成板１７０の外向き板面には、孔１７３，１７５を連通する溝１７４が設けられている。

プレート１５０及び流路形成板１７０の上部には、陽極室流出水を取り出すための孔１５６，１７６が同軸的に厚み方向に貫設されている。流路形成板１７０の外向き板面には、この孔１７６と、下部に設けられた孔１７８とを連通するための溝１７７が設けられている。フレーム１４０、カチオン膜１０３’及びプレート１５０には、該孔１７８と同軸に孔１４８，１０３’ｄ及び１５８が同軸状に設けられている。孔１４８はフレーム１４０の下部の凹部１４２に臨んでいる。

フレーム１４０の上部の凹部１４１に臨んで、濃縮室排水を流出させるための孔１４９が厚み方向に貫設されている。

アニオン膜１０４、フレーム１３０、カチオン膜１０３、プレート１２０及び流路形成板１６０の上部には、この濃縮室排水を取り出すための孔１０４ｅ，１３９，１０３ｅ，１２９，１６９が該孔１４９と同軸的に厚み方向に貫設されている。

流路形成板１６０の下部には、この濃縮室排水を濃縮室兼陰極室１０５に導くための孔１６７，１２７が同軸的に厚み方向に貫設されている。

プレート１２０及び流路形成板１６０の上部には、濃縮室兼陰極室１０５から排水を流出させるための孔１２８，１６８が同軸的に厚み方向に貫設されている。

第１４図に示す通り、流路形成板１６０の外向き面には、脱塩室１０７からの脱イオン水の取出用孔１６２に連なる流路溝（以下、溝と略）１８０が設けられている。この溝１８０は上方に立ち上がり、途中で溝１８１，１８２に分岐している。溝１８１は、下向きに延在し、その下端は孔１６３に連通している。

溝１８２は、溝１８０を延長するように上方に延在し、流路形成板１６０の上端近傍にまで達している。この溝１８３の上端と流路形成板１６０の側面とは、脱イオン水の取り出し用小孔１８３を介して連通している。

なお、この溝１８０の途中には、脱イオン水の水質（この実施の形態では電気伝導度）を測定するための電極１８４が設けられている。溝１８１及び１８２には、それぞれ、流量調整用のオリフィス１８５，１８６が設置されている。

流路形成板１６０の外向き面には、濃縮室流出水を孔１６９から孔１６７に導くための溝１８９が上下方向に延設されている。

これらの流路形成板１６０，１７０、プレート１２０，１５０、フレーム１３０，１４０及び膜１０３，１０３’，１０４の積層体の両側にステンレス製のアウタープレート１９１，１９２（第２図参照）が配置され、ボルト（図示略）によって緊締されることにより、電気脱イオン装置４が完成する。各溝１７５，１７７、１８０〜１８３、１８９にアウタープレート１９１又は１９２が重なることにより、各溝が流路となる。

なお、陰極側のアウタープレート１９１には、上記の孔１６１，１６８とそれぞれ同軸に原水導入用の孔と排水取出用の孔（図示略）が設けられる。この原水導入用の孔は前記ケーシング１２の移流口８４と同軸配置されており、ケーシング１２と電気脱イオン装置４とが連結された際に連通する。排水取出用の孔は、ケーシング１２の移送管１８の先端面と同軸配置されており、ケーシング１２と電気脱イオン装置４とが連結された際に連通する。

各孔及び溝を流れる水の流れについて概略的に説明すると、次の通りである。

移流口８４からの原水（前処理された水）は、孔１６１，１２１，１０３ａ、脱塩室１０７、孔１０３ｂ，１２２，１６２、溝１８０の順に流れて脱イオン水となる。その一部（例えば５０〜９８％）は溝１８２、小孔１８３を介して取り出され、燃料電池へ供給される。残部は、溝１８１、孔１６３，１２３，１０３ｃ，１３３，１０４ｃ，１４３，１０３’ｃ，１５３，１７３、溝１７４、孔１７５，１５５、陽極室１０６、孔１５６，１７６、溝１７７、孔１７８，１５８，１０３’ｄ，１４８、濃縮室１１０、孔１４９，１０４ｅ，１３９，１０３ｅ，１２９，１６９、溝１８９、孔１６７，１２７、濃縮室兼陰極室１０５、孔１２８，１６８の順に流れ、前記移送管１８へ送り込まれる。このようにして、前記第１０図に示した通りに水が流れるようになる。

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。 脱炭酸室内の屈折板の斜視図である。 充填物の模式的な斜視図である。 実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。 図１０の電気脱イオン装置を示す概略的な分解斜視図である。 図１０の電気脱イオン装置を示す概略的な分解斜視図である。 図１０の電気脱イオン装置を示す概略的な分解斜視図である。 陰極側の流路形成板の斜視図である。

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 屈折板
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
１０１ 陰極
１０２ 陽極
１０３，１０３’ カチオン交換膜
１０４ アニオン交換膜
１０５ 濃縮室兼陰極室
１０７ 濃縮室兼陽極室
１０７ 脱塩室
１２０，１５０ プレート
１２０，１３０ フレーム
１６０，１７０ 流路形成板
１７４，１７７，１８１，１８２，１８３，１８９ 溝
１８４ 電気伝導度計の電極
１８５，１８６ オリフィス

Claims (13)

1. 燃料電池から回収された回収水を前処理装置で前処理した後、電気脱イオン装置で脱イオン処理する燃料電池用水処理装置において、
   該電気脱イオン装置及び前処理装置が略同一の厚さ及び高さの矩形箱型に構成され、該電気脱イオン装置及び前処理装置が一体化されることにより、全体として矩形箱型に構成されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
2. 請求項１において、該前処理装置が、上流側より順次に配置された脱炭酸装置、フッ素吸着装置及び金属吸着装置よりなる水処理部を備えると共に、さらに、該水処理部に通水するためのポンプと、該水処理部及びポンプを制御する制御装置とを備え、これらの水処理部、ポンプ及び制御装置が矩形箱形のケーシング内に配置されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
3. 請求項２において、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、
   この気体を洗気するための洗気装置が前記ケーシング内に配置されており、
   該洗気装置は、前記電気脱イオン装置の排水を受け入れ、この排水と気体とを接触させて洗気するよう構成されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、該フッ素吸着部及び金属吸着部が該ケーシングに設けられた区画板により区画形成されているとともに、これらフッ素吸着部及び金属吸着部の水の流路が、前記ケーシング内に設けられた仕切板に沿って延設されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
5. 請求項４において、前記区画板及び仕切板が耐熱性合成樹脂よりなることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、該電気脱イオン装置及び前処理装置には、両者の対面部にそれぞれ水流通用のポートが設けられており、該電気脱イオン装置と前処理装置とが連結されることにより両者の該ポートが対面して連通されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
7. 請求項６において、該電気脱イオン装置には、その内部の脱イオン処理部と該ポートとを連通するための水路が設けられており、該水路に流量調整部材が設けられていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
8. 請求項６において、該電気脱イオン装置には、その内部の脱イオン処理部と該ポートとを連通するための水路が設けられており、該水路に水質測定用電極が設けられていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
   該電気脱イオン装置は、
   それぞれプレートに保持された陰極と陽極との間にカチオン交換膜とアニオン交換膜とが配置され、
   陰極側に配置されたカチオン交換膜と陽極側に配置されたアニオン交換膜との間に、周囲がフレームで囲まれた脱塩室が設けられたものである
   ことを特徴とする燃料電池用水処理装置。
10. 請求項９において、該電気脱イオン装置にあっては、陰極側から陽極側に向って、第１のカチオン交換膜と、アニオン交換膜と、第２のカチオン交換膜とがこの順に配置され、
    該陰極と第１のカチオン交換膜との間が濃縮室兼陰極室とされ、
    第１のカチオン交換膜と該アニオン交換膜との間が脱塩室とされ、
    該アニオン交換膜と第２のカチオン交換膜との間が濃縮室とされ、
    該第２のカチオン交換膜と該陽極との間が陽極室とされていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
11. 請求項９又は１０において、前記プレート及びフレームは耐熱性合成樹脂よりなることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
12. 請求項１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及び前処理装置の
    矩形箱型のケーシングが耐熱性合成樹脂よりなることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
13. 請求項５，１１及び１２のいずれか１項において、前記耐熱性合成樹脂は、シンジオタクチックポリスチレン又はポリアセタール樹脂であることを特徴とする燃料電池用水処理装置。

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