JP4629999B2 - 水処理システム及び燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は水処理システム及び燃料電池発電システムに関し、特に被処理水をイオン交換樹脂で浄化する水処理システム及びこの水処理システムで処理した水を使用する燃料電池発電システムに関するものである。

水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを導入し、電気化学的反応により発電し水を発生する燃料電池を高効率で長時間運転するためには燃料電池本体の温度を所定の温度（例えば固体高分子型燃料電池の場合は約９０℃）に保つことが必要である。所定の温度に保つ方法として、一般に、燃料電池本体内部に所定間隔をあけて積層した冷却板を配置し、この冷却板に冷却水を循環させる方法が用いられている。この循環冷却水の電気伝導度が高いと冷却板の間に短絡電流が流れて燃料電池に不都合が生じる。このような不都合の対策として、イオン交換樹脂を用いた水処理システムに冷却水を通して、冷却水の電気伝導度を所定の値以下に維持している。

ところで、イオン交換樹脂を用いて冷却水を浄化し続けると冷却水の電気伝導度が所定の値まで下がらなくなる、すなわちイオン交換樹脂が寿命に達する。寿命が尽きたイオン交換樹脂は交換する必要があるが、従来は、交換するには水処理システムの運転を停止していた（例えば図３（ａ）参照）。又は水処理システムの運転を停止させずに交換するには、イオン交換樹脂を並列に接続し、一方のイオン交換樹脂で冷却水を浄化してそのイオン交換樹脂が寿命に達したら冷却水の流れを切り替え、他方のイオン交換樹脂で冷却水を浄化しつつ寿命が尽きたイオン交換樹脂の交換を行なっていた（例えば図３（ｂ）参照）。

しかし、イオン交換樹脂を交換するために水処理システムの運転を停止すると燃料電池への冷却水の供給ができなくなり、燃料電池を連続運転することができない。また、イオン交換樹脂を並列に接続し、使用するイオン交換樹脂を切り替えて水処理を行なうと、使用されていなかったイオン交換樹脂塔内の水がよどんでいるため、切り替え直後の水を燃料電池へ供給することができず、燃料電池を連続運転することができなかった。

本発明は上述の課題に鑑み、水処理システムの運転を停止することなく寿命が尽きたイオン交換樹脂の交換をすることができ、また交換初期においても適切な電気伝導度の処理水を供給することができる水処理システム及びこの水処理システムで処理した水を使用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る水処理システムは、例えば図１に示すように、必要量の被処理水６７ｗを処理する水処理システム６０であって；被処理水６７ｗを浄化する第１のイオン交換樹脂６１Ａと；第１のイオン交換樹脂６１Ａと並列に配置された、被処理水６７ｗを浄化する第２のイオン交換樹脂６１Ｂと；第１のイオン交換樹脂６１Ａと第２のイオン交換樹脂６１Ｂの、いずれか一方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水６７ｗの大部分を流し、他方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水６７ｗの残りを流す被処理水６７ｗの流れと、他方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水６７ｗの大部分を流し、一方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水６７ｗの残りを流す被処理水６７ｗの流れとを切り替える切替手段６３と；イオン交換樹脂への被処理水６７ｗの導入を開始してから、イオン交換樹脂から導出された処理水６８ｗの電気伝導度を所定の値以下に維持することができる所定の累積時間経過後に、切替手段６３における被処理水６７ｗの流れを切り替える制御装置６９とを備える。また、請求項６に記載の発明に係る水処理システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の水処理システムにおいて、イオン交換樹脂から導出された処理水６８ｗの電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段６６を備え；制御装置６９が、イオン交換樹脂への被処理水６７ｗの導入を開始してから、イオン交換樹脂から導出された処理水６８ｗの電気伝導度を所定の値以下に維持することができる所定の累積時間経過後に、切替手段６３における被処理水６７ｗの流れを切り替えることに代えて、電気伝導度検出手段６６により検出される電気伝導度が所定の値以上のときに切替手段６３における被処理水６７ｗの流れを切り替えるように構成されている。

このように構成すると、複数のイオン交換樹脂が並列に配置されるので、水処理システムの運転を停止せずに寿命が尽きたイオン交換樹脂の交換ができ、かつ、並列に配置された複数のイオン交換樹脂のうち、いずれか一方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水の大部分を流し、他方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水の残りを流すので、イオン交換樹脂付近の水がよどむことがなく、イオン交換樹脂の交換初期においても適切な電気伝導度の処理水を供給することができる。なお「必要量」とは要求される処理水の量、換言すれば並列に配置されたイオン交換樹脂でそれぞれ浄化された処理水の合流後の流量を意味する。また「被処理水」とはイオン交換樹脂で浄化する前の水をいい、「処理水」とはイオン交換樹脂で浄化した後の水をいう。

また、請求項２に記載の発明に係る水処理システムは、例えば図１に示すように、被処理水６７ｗを処理する水処理システムにおいて；被処理水を浄化する第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａと；第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａと並列に配置された、被処理水６７ｗを浄化する第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂと；第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａに、被処理水６７ｗを導入し導出する第１の流路６２Ａと；第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに、被処理水６７ｗを導入し導出する第２の流路６２Ｂと；第１の流路６２Ａと第２の流路６２Ｂとに配設された切替手段６３であって、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａと第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂのいずれか一方への被処理水６７ｗの流れを許し、他方への流れを閉止する切替手段６３と；第１と第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂと、切替手段６３との間の、第１の流路６２Ａと第２の流路６２Ｂに配設された連通管６４と；連通管６４に配設され、切替手段６３により流れを許されたイオン交換樹脂への流れの一部であって流れを許されたイオン交換樹脂への流量よりも少ない流量を、切替手段６３により流れの閉止されたイオン交換樹脂ユニットに通過させる絞り機構６５とを備える。

このように構成すると、絞り機構を用いてイオン交換樹脂に流れる被処理水の量に差を設けることができる。

また、請求項３に記載の発明に係る水処理システムは、例えば図１に示すように、請求項２に記載の水処理システムにおいて、絞り機構６５はボール弁又はオリフィスである。

このように構成すると、簡便な絞り機構を用いて各イオン交換樹脂に所定の割合で被処理水を流すことができる。

また、請求項４に記載の発明に係る水処理システムは、例えば図１に示すように、請求項２又は請求項３に記載の水処理システムにおいて、切替手段６３を制御する制御装置６９であって、流れを許されたイオン交換樹脂ユニットへの被処理水６７ｗの導入を開始してから所定の累積時間経過後に切替手段６３の流れの閉止を切り替える制御装置６９を備える。

このように構成すると、必要量の処理水の大部分を流すイオン交換樹脂の寿命が尽きる前に必要量の処理水の大部分を流すイオン交換樹脂を切り替えることができるので、水処理システムの運転を停止する必要がない。

また、請求項５に記載の発明に係る水処理システムは、例えば図１に示すように、請求項２又は請求項３に記載の水処理システムにおいて、イオン交換樹脂ユニットから導出された処理水６８ｗの電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段６６と；切替手段６３を制御する制御装置６９であって、電気伝導度検出手段６６により検出される電気伝導度が所定の値以上のときに切替手段６３の流れの閉止を切り替える制御装置６９とを備える。

このように構成すると、処理水の電気伝導度を検出して電気伝導度が所定の値以上のときに必要量の処理水の大部分を流すイオン交換樹脂を切り替えることができるので、電気伝導度が所定の値以上の処理水を要求先に供給することがない。

また、請求項７に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、水素に富む燃料ガスｇと酸素を含有する酸化剤ガスａとが供給され、電気化学的反応により発電する燃料電池３０と；燃料電池３０から排出される燃料ガスｐ及び酸化剤ガスｑを冷却し、水分を分離する気水分離部５０と；気水分離部５０で分離された水分５３ｗを被処理水６７ｗとして浄化する請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水処理システム６０とを備える。

このように構成すると、連続運転が可能な水処理システムを備えるので、燃料電池への処理水の供給が途絶えることがなく、連続運転が可能な燃料電池発電システムとなる。

本発明によれば、複数のイオン交換樹脂が並列に配置されるので水処理システムの運転を停止せずに寿命が尽きたイオン交換樹脂の交換ができ、かつ、並列に配置された複数のイオン交換樹脂のうち、いずれか一方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水の大部分を流し、他方のイオン交換樹脂に必要量の被処理水の残りを流すので、イオン交換樹脂付近の水がよどむことがなく、イオン交換樹脂の交換初期においても適切な電気伝導度の処理水を供給することができるため、連続運転が可能な水処理システムとなる。また、このような水処理システムを備える燃料電池発電システムを構築した場合は、燃料電池への処理水の供給が途絶えることがなく、連続運転が可能な燃料電池発電システムとなる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１及び図２中、破線は制御信号を表す。

図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１を説明するブロック図である。燃料電池発電システム１は、改質装置１０と、気液接触塔２０と、燃料電池３０と、冷却系統４０と、気水分離部５０と、水処理システム６０とを備えている。

改質装置１０は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１１を有する。また、改質装置１０は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油のような原料燃料ｍ１を導入するノズル（不図示）と、水処理システム６０から送出される改質用水ｓを導入するノズル（不図示）と、改質反応により生成される燃料ガスとしての改質ガスｇを導出するノズル（不図示）とを有する。さらに、燃焼部１１に、燃料電池３０から排出されるアノードオフガスｐを導入するノズル（不図示）と、支燃剤ガスとしての酸素含有ガスである燃焼用空気ａ２を導入するノズル（不図示）と、燃焼排ガス（燃焼ガス）ｅを排出するノズル（不図示）とを有し、さらに、改質装置１０は、起動時や改質反応に必要な改質熱が不足するときの補助燃料として燃焼用に供給される燃焼燃料ｍ２を導入するノズル（不図示）とを有する。改質装置１０で生成された改質ガスｇを導出するノズル（不図示）は、燃料電池３０の燃料極３１と接続されている。

気液接触塔２０は、その下部に、気水分離器５１から送出された回収水５３ｗが入る回収水入口２０１と、導入された回収水を貯留する貯液部２４と、ポンプ８８によって回収水が導出される回収水導出口２０２と、酸化剤ガスａを導入する酸化剤ガス導入口２０４とを有する。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス導入口２０４は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガスａとして用いる。気液接触塔２０は、その上部に、酸化剤ガスａを燃料電池３０の空気極３２に向けて導出する酸化剤ガス導出口２０５と、水処理システム６０から戻った処理水６８ｗが、加湿用水として注入される加湿用水注入口２０６と、加湿用水注入口２０６に注入された処理水６８ｗを細かい水滴として気液接触塔２０内に散布する水分散器２１とを有する。気液接触塔２０は、その上部と下部の間に、注入された処理水６８ｗと酸化剤ガスａとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部２２と、充填部２２を支持する充填物支持板２３と、貯液部２４の水位を所定水位に保つために補給水Ｌを導入する補給水導入口２０３とを有する。補給水Ｌは、典型的には水道水が用いられる。

気液接触塔２０の酸化剤ガス出口２０５に、酸化剤ガスａを燃料電池３０に圧送するブロワ９８が接続される。ブロワ９８により気液接触塔２０内の酸化剤ガスａが吸引される。酸化剤ガス入口２０５から吸引された酸化剤ガスａと、加湿用水注入口２０６から注入された処理水６８ｗは、充填部２２にて向流接触する。ブロワ９８の出口は、燃料電池３０の空気極３２に接続される。酸化剤ガスａは、ブロワ９８にて昇圧され、燃料電池３０の空気極３２に供給される。

燃料電池３０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料極３１と空気極３２と冷却水流路３３とを有する。燃料極３１には、改質装置１０で生成され供給される改質ガスｇを導入するノズル（不図示）と、アノードオフガスｐを排出するノズル（不図示）が配置される。空気極３２には、気液接触塔２０から送出される酸化剤ガスａを導入するノズル（不図示）と、カソードオフガスｑを排出するノズル（不図示）が配置される。冷却水流路３３には、ポンプ４８から圧送される冷却流体としての冷却水４２ｗを導入するノズル（不図示）と、冷却水４２ｗを導出するノズル（不図示）が配置される。

燃料電池３０は、改質ガスｇと酸化剤ガスａとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は発熱反応であり、燃料電池３０を冷却するために冷却水流路３３に冷却水４２ｗを導入するように構成されている。ここで発生した熱が主に排熱となり、冷却水４２ｗ又は排出される排ガス（アノードオフガスｐ、カソードオフガスｑ）により燃料電池３０から搬出される。燃料電池３０の空気極３２から排出されたカソードオフガスｑを搬送する配管３５と、改質装置１０の燃焼部１１から排出された燃焼排ガスｅを搬送する配管１５とは分岐管にて合流し、排熱及び水分を保有するガスとしての混合排ガスｃを搬送する配管５５となる。配管５５は、混合排ガス熱交換器５２を経て気水分離器５１に至る。

冷却系統４０は、燃料電池３０で発生する熱を冷却水４２ｗを媒体として燃料電池３０から取り去り、取り去った熱を冷却水熱交換器４９を介して系外に放出し、放熱した冷却水４２ｗを再び燃料電池の冷却水流路３３に供給するように構成されている。冷却水流路３３から排出される冷却水４２ｗが流れる流路には、冷却水タンク４１とポンプ４８と冷却水熱交換器４９とが配置され、冷却水４２ｗの流路は、冷却流体流路として、これらの機器を経由して冷却水流路３３に戻る循環経路とされる。

冷却水熱交換器４９は、冷却水４２ｗが保有する燃料電池３０から取り去った熱と冷却水４２ｗより温度が低い外部流体４３ｗの熱とを熱交換するように構成され、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。外部流体４３ｗは貯湯タンク（不図示）に導かれるように構成されていてもよい。この場合は、燃料電池３０で放出された熱が貯湯タンク（不図示）に温水として蓄えられ有効利用される。

気水分離部５０は、水分を含んだ混合排ガスｃから凝縮水を分離するように構成され、気水分離器５１と混合排ガス熱交換器５２とを備えている。気水分離器５１は、混合排ガス熱交換器５２により冷却された混合排ガスｃから、凝縮水を分離する。気水分離器５１には分離された回収水５３ｗを気液接触塔２０に導入する配管が接続され、回収水５３ｗは回収水導入口２０１から気液接触塔２０に導入されるように構成されている。さらに気水分離器５１には、凝縮水５３ｗが分離した後の混合排ガスである排出ガスｃ２を大気（系外）に放出する配管５８が接続される。なお、気水分離部５０は、気水分離器５１と混合排ガス熱交換器５２とを備えているが、これらの機器の代わりに、水蒸気を透過する水蒸気透過膜を用いた水分並びに熱の交換器、すなわち、全熱交換形熱交換器を用いてもよい。全熱交換形熱交換器では、水蒸気透過膜を挟んだ２流体の間で、水蒸気透過膜を介した熱の交換と、水蒸気分圧の高い流体から低い流体への水分の移動が行なわれる。そこで、高温でかつ水分を含む混合排ガスｃを冷却すると共に、水分を回収することができる。

水処理システム６０は、被処理水を浄化するイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂと、被処理水及び処理水を流す流路６２Ａ、６２Ｂと、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂの水の流れを切り替える切替手段６３と、並列に配置された流路６２Ａ、６２Ｂ間を連通する連通管６４と、連通管６４を流れる水の流路を絞る絞り機構６５と、処理水の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段６６と、切替手段６３の動作の制御及び電気伝導度検出手段６６で検出された処理水の電気伝導度の値を受け取る制御装置６９とを備える。

イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂは、気水分離器５１で回収した水分や気液接触塔２０で酸化剤ガスａの加湿に使われた水及び補給された水を被処理水として導入し、イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂ内のイオン交換樹脂に被処理水に含まれる汚染物質を吸着させ、浄化した処理水６８ｗを燃料電池３０の冷却水流路３３に供給するように構成されている。処理水６８ｗは、酸化剤ガスａを前処理するために気液接触塔２０に導入されるように構成されていてもよく、改質用水ｓとして改質装置１０に導入されるように構成されていてもよい。本実施の形態では、配管９５が分岐され、燃料電池３０の冷却水流路３３と気液接触塔２０と改質装置１０とに処理水６８ｗを供給している。この場合、冷却水流路３３と気液接触塔２０と改質装置１０とに供給する水量の合計が、水処理システム６０が被処理水６７ｗを処理することとなる「必要量」になる。イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂには、それぞれ被処理水を導入し浄化後の処理水を導出する流路６２Ａ、６２Ｂが接続されている。

流路６２Ａ、６２Ｂは、イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂに被処理水を導入し、浄化後の処理水を導出するように構成されている。流路６２Ａ、６２Ｂは、並列に配置され、イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂを挟んでそれぞれの上流側同士及び下流側同士が接続されている。本実施の形態では、イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂの下流側の流路６２Ａ、６２Ｂに仕切弁９６Ａ、９６Ｂがそれぞれ設けられている。仕切弁９６Ａ、９６Ｂは、寿命が尽きたイオン交換樹脂を交換する際に、イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂへの処理水の流入を遮断し、イオン交換樹脂の交換を容易にする。

切替手段６３は、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂより上流側の流路６２Ａ、６２Ｂ同士が接続される箇所に配置され、被処理水の流れをいずれか一方（例えば、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ側）へ許し、他方（例えば、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂ側）への流れを閉止するように構成されている。切替手段６３は、典型的には三方弁が用いられる。切替手段６３には、制御装置６９から送信される切替信号ｉ１を受け取るためのケーブルが配線され、切替手段６３は切替信号ｉ１を受信して被処理水の流れを切り替えるように構成されている。なお、切替手段６３は、三方弁以外に、並列に配置された流路６２Ａ、６２Ｂにそれぞれ二方弁を設けて被処理水の流れをいずれか一方（例えば、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ側）へ許し他方（例えば、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂ側）への流れを閉止するように構成してもよい。

連通管６４は、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂの上流側かつ切替手段６３の下流側に、並列に配置された流路６２Ａ、６２Ｂ間を連通するように構成されている。連通管６４は、切替手段６３により流れを許されなかった側のイオン交換樹脂ユニットに、水を流すことが可能なように構成されている。連通管６４には、絞り機構６５が配設されている。

絞り機構６５は、連通管６４を流れる水量を絞り、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂを流れる被処理水の流量に大小の差をつけることができるように構成されている。絞り機構６５は、典型的には、流れ方向が変わっても絞られる流量に差を生じないオリフィス又はボール弁が用いられる。絞り機構６５としてオリフィスが用いられる場合は、寿命が尽きたイオン交換樹脂を交換する際に連通管６４を流れる水を遮断することができるように、絞り機構６５とは別に連通管６４に仕切弁（不図示）を設けることが好ましい。絞り機構６５としてボール弁を用いる場合は、弁を閉止して連通管６４を流れる水を遮断することが可能であるから別途仕切弁を設けなくても寿命が尽きたイオン交換樹脂を交換することが容易になり、またボール弁の開度を調整することにより連通管６４を流れる水量を調節できるため好適である。絞り機構６５を交換可能にするという観点にたてば、絞り機構６５の両側にフランジを介して仕切弁を設けることが好ましい。

電気伝導度検出手段６６は、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂから導出された浄化後の処理水６８ｗであって、合流後の処理水６８ｗの電気伝導度を検出することができるように構成されている。電気伝導度検出手段６６には、検出した処理水６８ｗの電気伝導度の値を電気伝導度信号ｉ２として制御装置６９に送信するためのケーブルが配線され、電気伝導度検出手段６６は、検出した処理水６８ｗの電気伝導度の値を電気伝導度信号ｉ２として制御装置６９に送信するように構成されている。

制御装置６９は、電気伝導度検出手段６６から電気伝導度信号ｉ２を受信し、電気伝導度信号ｉ２に基づいて切替手段６３に切替信号ｉ１を送信するように構成されている。また、制御装置６９はタイマーを内蔵し、流れを許されたイオン交換樹脂ユニットへの被処理水６７ｗの導入を開始してから所定の累積時間経過後に切替手段６３に切替信号ｉ１を送信するように構成されていてもよい。

引き続き図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１の作用について説明する。
改質装置１０では、原料燃料ｍ１と改質剤ｓとが導入されて改質反応が行なわれ、燃料電池３０の燃料極３１に供給される水素に富む燃料ガスとしての改質ガスｇが生成される。水蒸気改質方式における改質反応は吸熱反応であり、反応に必要な熱は、燃焼用空気ａ２と燃焼燃料ｍ２又はアノードオフガスｐが導入されて燃焼される燃焼部１１から供給されている。燃焼部１１からは、燃焼に伴い燃焼排ガスｅが排出される。燃焼排ガスｅは、配管１５を流れて配管５５に流入する。

気液接触塔２０では、燃料電池３０の空気極３２に供給される酸化剤ガスａが加湿される。水処理システム６０で浄化された処理水６８ｗが水分散器２１から散布され、散布水と気液接触塔２０の下部から導入された酸化剤ガスａとが向流接触して酸化剤ガスａが加湿される。水分散器２１から散布される水は水処理システム６０のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂで浄化された処理水６８ｗが利用されるので、酸化剤ガスａに含まれる不純物は非常に少ない。酸化剤ガスａに触れても気化しなかった処理水は、貯液部２４に貯留され、気水分離器５１から回収された回収水５３ｗと共にポンプ８８により水処理システム６０へ送液される。気液接触塔２０で加湿された酸化剤ガスａは、ブロワ９８により燃料電池３０の空気極３２へと送られる。

改質装置１０で生成された燃料ガスとしての改質ガスｇと気液接触塔２０で加湿された酸化剤ガスａとは燃料電池３０に導入される。燃料電池３０では、燃料極３１に導入された改質ガスｇと空気極３２に導入された酸化剤ガスａとの電気化学的反応により発電し、水が生成される。一般に、炭化水素の改質ガスを燃料とする燃料電池発電の場合、改質ガス中の水素の７０〜８０％が消費され、残りの水素がアノードオフガスｐとして排出される。燃料極３１から排出されたアノードオフガスｐは改質装置１０の燃焼部１１に導かれ、バーナー燃料として用いられる。空気極５２からは水分を含んだカソードオフガスｑが排出され、カソードオフガスｑは、配管３５を流れて配管５５に流入し、燃焼排ガスｅと合流する。

燃料電池３０における電気化学的反応は発熱を伴うため、冷却水流路３３を流れる冷却水４２ｗを介して燃料電池３０外に熱が搬出される。搬出された熱は冷却水熱交換器４９にて外部流体４３ｗと熱交換されることにより放出される。燃料電池３０の排熱の有効利用の観点から、外部流体４３ｗに放出された熱は、貯湯槽（不図示）に貯留されて利用されるのが好ましい。

冷却水４２ｗは、冷却水タンク４１に貯留されている水がポンプ４８により冷却水流路３３へ送られている。冷却水４２ｗは、所定の電気伝導度を維持するために冷却水タンク４１から適宜ブローされる。ブローにより不足した冷却水４２ｗは、水処理システム６０のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂで浄化された処理水６８ｗが補充される。処理水６８ｗは所定の値以下の電気伝導度なので、冷却水４２ｗに補充しても冷却水４２ｗの電気伝導度が高くなりすぎることはない。したがって、燃料電池３０を構成するセル間に冷却水４２ｗを介して燃料電池３０に不具合が生じるほどの短絡電流が流れることがない。冷却水４２ｗの電気伝導度の値としては１μＳ／ｃｍ以下であることが好ましい。

燃料電池３０の空気極３２から排出されるカソードオフガスｑと改質装置１０の燃焼部１１から排出される燃焼排ガスｅとの混合排ガスｃは、配管５５を流れて気水分離部５０へ導入される。気水分離部５０では、まず混合排ガス熱交換器５２において混合排ガスｃと外部流体５９ｗとの間で熱交換が行なわれ、混合排ガスｃが冷却される。冷却された混合排ガスｃは気水分離器５１に導かれ、水分が分離回収される。水分が分離された排出ガスｃ２は配管５８を流れて系外に放出される。一方、気水分離器５１で回収された水分は、回収水５３ｗとして気液接触塔２０の貯液部２４に導かれ、酸化剤ガスａと接触した後の散布水及び補給された水道水と混合される。

気水分離器５１で回収された回収水５３ｗ、酸化剤ガスａと接触した後の散布水及び補給された水道水とで混合された水は、被処理水６７ｗとして気液接触塔２０の貯液部２４から水処理システム６０へポンプ８８で圧送される。水処理システム６０へ導入された被処理水６７ｗは、切替手段である三方弁６３に流入し、全流量が第１の流路６２Ａ側へ流れ、第２の流路６２Ｂ側へは流れない。第１の流路６２Ａを流れる被処理水６７ｗは、大部分が第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａへ流入し、残りの流量が連通管６４を通って第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂへ流入する。この場合においては、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａに流れる流量が第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに流れる流量よりも多いため、両ユニットに同じ量のイオン交換樹脂が充填されている場合は、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａに充填されているイオン交換樹脂が早く寿命に達する。

充填されたイオン交換樹脂が寿命に達するまでに要する時間をあらかじめ把握しておけば、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａに被処理水６７ｗの大部分が流れ始めてから所定時間経過後に制御装置６９からの切替信号ｉ１を三方弁６３が受信して流れ方向を切り替え、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに被処理水６７ｗの大部分が流れるようにすることにより、処理水６８ｗの電気伝導度を所定の値以下に維持することができる。ここで処理水６８ｗの電気伝導度の所定の値は１μＳ／ｃｍ未満であることが好ましい。

このとき、被処理水６７ｗの大部分を流すイオン交換樹脂ユニットを第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａから第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに切り替えても、切り替える前の第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂへの被処理水６７ｗ・処理水６８ｗの流れが継続してあったから、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂ内の水がよどんでいることはなく、切り替え直後においても適切な電気伝導度を有する処理水６８ｗを導出することができる。したがって、寿命が尽きたイオン交換樹脂を交換する際にも水処理システム６０の運転を停止する必要がなく、ひいては燃料電池発電システム１を停止する必要もない。

三方弁６３を切り替えるタイミングは、制御装置６９内のタイマーで所定の累積時間を計測して決定する以外に、混合された処理水６８ｗの電気伝導度を電気伝導度検出手段６６で検出して随時電気伝導度信号ｉ２として制御装置６９に送信し、送信する電気伝導度信号ｉ２が所定の値になったら制御装置６９から切替信号ｉ１を三方弁６３に送信して三方弁６３を切り替えてもよい。混合した処理水６８ｗの電気伝導度の値に基づいて三方弁６３を切り替える場合は、安定した電気伝導度を有する処理水６８ｗを冷却系統４０や気液接触塔２０等へ供給することができる。

寿命が尽きた第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａのイオン交換樹脂を交換するときは、連通管６４に設置された絞り機構であるボール弁６５と仕切弁９６Ａとを閉止する。ボール弁６５と仕切弁９６Ａとを閉止すると第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａには被処理水６７ｗ・処理水６８ｗが流入してこないため、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ内のイオン交換樹脂の詰め替え、又はイオン交換樹脂ユニット本体の交換を容易に行なうことができる。

以下、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに被処理水の大部分が流れている状態において、三方弁６３を切り替えてから所定の累積時間が経過するか、合流した処理水６８ｗの電気伝導度が所定の値に達した場合は、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａから第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに被処理水６７ｗの大部分の流れを切り替えたときと同様の動作を行ない、被処理水６７ｗの大部分の流れを切り替えてイオン交換樹脂の交換を行なう。これにより水処理システム６０の連続運転、ひいては燃料電池発電システム１の連続運転が可能になる。

水処理システム６０で浄化された処理水６８ｗは、配管９５を通って、冷却系統４０と気液接触塔２０と改質装置１０とに分配・供給される。冷却系統４０に流入した処理水６８ｗは冷却水タンク４１に貯留されていた冷却水４２ｗと混合され、冷却水流路３３に流入して燃料電池３０を冷却する。気液接触塔２０に流入した処理水６８ｗは水分散器２１から散布され、酸化剤ガスａと向流接触して酸化剤ガスａを加湿する。改質装置１０に流入した処理水６８ｗは改質用水ｓとして原料燃料ｍ１と混合され、改質装置１０内での改質反応により改質ガスｇが生成される。

図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１を構成する水処理システム６０の変形例を説明するブロック図である。図２に示す変形例では、切替手段６３が、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂより下流側の流路６２Ａ、６２Ｂ同士が接続される箇所に配置され、切替手段６３は、イオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂを通過し浄化された処理水６８ｗのいずれか一方からの流れを許し、他方からの流れを閉止するように構成されている。また、連通管６４は、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂの下流側かつ切替手段６３の上流側に、並列に配置された流路６２Ａ、６２Ｂ間を連通するように構成されている。すなわち、連通管６４は、切替手段６３がイオン交換樹脂ユニットの上流側又は下流側のいずれに配置されていても、切替手段６３とイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂとの間の流路６２Ａ、６２Ｂ間を連通するように配置される。

上記のように構成される本発明の実施の形態に係る水処理システムの変形例では、以下のような水の流れで被処理水６７ｗが浄化される。気液接触塔２０（図１参照）の貯液部２４（図１参照）からポンプ８８（図１参照）で圧送され、水処理システム６０に導入された被処理水６７ｗは、並列に配置されたイオン交換樹脂ユニット６１Ａ、６１Ｂに略同じ流量が流れ込み、処理水６８ｗが流路６２Ａ、６２Ｂにそれぞれ導出される。導出された処理水６８ｗは合流して配管９５に流れ込もうとするが、第２の流路６２Ｂ側の三方弁６３が閉止されているため、処理水６８ｗはここを通過することができない。したがって、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂから導出された処理水６８ｗは連通管６４を流れ、絞り機構６５を通過して第１の流路６２Ａに合流し、配管９５に流れ込む。これにより、被処理水６７ｗの大部分が第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａを流れ、残りの被処理水６７ｗが第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂを流れる。

第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａに被処理水の大部分が流れている状態において、所定の累積時間が経過するか、合流した処理水６８ｗの電気伝導度が所定の値に達した場合は、三方弁６３は、制御装置６９から切替信号ｉ１を受信して、被処理水６７ｗの大部分の流れを第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａから第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂへ切り替える。被処理水６７ｗの大部分の流れを切り替えた後、ボール弁６５と仕切弁９６Ａを閉止して第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａ内のイオン交換樹脂の交換を行なう。その後、第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに被処理水の大部分が流れている状態において、三方弁６３を切り替えてから所定の累積時間が経過するか、合流した処理水６８ｗの電気伝導度が所定の値に達した場合は、第１のイオン交換樹脂ユニット６１Ａから第２のイオン交換樹脂ユニット６１Ｂに被処理水６７ｗの大部分の流れを切り替えたときと同様の動作を行ない、被処理水６７ｗの大部分の流れを切り替えてイオン交換樹脂の交換を行なう。

以上の説明では、イオン交換樹脂ユニットは２台を並列に設置されるものとして説明したが３台以上並列に設置してもよい。この場合も、１台のイオン交換樹脂ユニットとこれ以外のイオン交換樹脂ユニットに流れる水量に大小の差をつけることはいうまでもない。

以上で説明した本発明の実施の形態に係る水処理システム６０によれば、水処理システム６０の運転を停止することなく寿命が尽きたイオン交換樹脂を交換することができる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システム１によれば、連続運転が可能な水処理システム６０を備えるので燃料電池発電システム１を連続運転することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを説明するブロック図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを構成する水処理システムの変形例を説明するブロック図である。 従来の水処理システムを説明するブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電システム
１０ 改質装置
２０ 気液接触塔
３０ 燃料電池
４０ 冷却系統
５０ 気水分離部
６０ 水処理システム
６１Ａ、６１Ｂ イオン交換樹脂ユニット
６２Ａ、６２Ｂ 流路
６３ 切替手段
６４ 連通管
６５ 絞り機構
６６ 電気伝導度検出手段
６７ｗ 被処理水
６８ｗ 処理水
６９ 制御装置
ａ 酸化剤ガス
ｇ 改質ガス
ｐ アノードオフガス
ｑ カソードオフガス

Claims (7)

1. 必要量の被処理水を処理する水処理システムであって；
   前記被処理水を浄化する第１のイオン交換樹脂と；
   前記第１のイオン交換樹脂と並列に配置された、前記被処理水を浄化する第２のイオン交換樹脂と；
   前記第１のイオン交換樹脂と第２のイオン交換樹脂の、いずれか一方のイオン交換樹脂に前記必要量の被処理水の大部分を流し、他方のイオン交換樹脂に前記必要量の被処理水の残りを流す前記被処理水の流れと、前記他方のイオン交換樹脂に前記必要量の被処理水の大部分を流し、前記一方のイオン交換樹脂に前記必要量の被処理水の残りを流す前記被処理水の流れとを切り替える切替手段と；
   前記イオン交換樹脂への前記被処理水の導入を開始してから、前記イオン交換樹脂から導出された処理水の電気伝導度を所定の値以下に維持することができる所定の累積時間経過後に、前記切替手段における前記被処理水の流れを切り替える制御装置とを備える；
   水処理システム。
2. 被処理水を処理する水処理システムにおいて；
   前記被処理水を浄化する第１のイオン交換樹脂ユニットと；
   前記第１のイオン交換樹脂ユニットと並列に配置された、前記被処理水を浄化する第２のイオン交換樹脂ユニットと；
   前記第１のイオン交換樹脂ユニットに、前記被処理水を導入し導出する第１の流路と；
   前記第２のイオン交換樹脂ユニットに、前記被処理水を導入し導出する第２の流路と；
   前記第１の流路と第２の流路とに配設された切替手段であって、前記第１のイオン交換樹脂ユニットと第２のイオン交換樹脂ユニットのいずれか一方への前記被処理水の流れを許し、他方への流れを閉止する切替手段と；
   前記第１と第２のイオン交換樹脂ユニットと、前記切替手段との間の、前記第１の流路と第２の流路に配設された連通管と；
   前記連通管に配設され、前記切替手段により流れを許されたイオン交換樹脂への流れの一部であって前記流れを許されたイオン交換樹脂への流量よりも少ない流量を、前記切替手段により流れの閉止されたイオン交換樹脂ユニットに通過させる絞り機構とを備える；
   水処理システム。
3. 前記絞り機構はボール弁又はオリフィスである；
   請求項２に記載の水処理システム。
4. 前記切替手段を制御する制御装置であって、前記流れを許されたイオン交換樹脂ユニットへの前記被処理水の導入を開始してから所定の累積時間経過後に前記切替手段の流れの閉止を切り替える制御装置を備える；
   請求項２又は請求項３に記載の水処理システム。
5. 前記イオン交換樹脂ユニットから導出された処理水の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段と；
   前記切替手段を制御する制御装置であって、前記電気伝導度検出手段により検出される電気伝導度が所定の値以上のときに前記切替手段の流れの閉止を切り替える制御装置とを備える；
   請求項２又は請求項３に記載の水処理システム。
6. 前記イオン交換樹脂から導出された処理水の電気伝導度を検出する電気伝導度検出手段を備え；
   前記制御装置が、前記イオン交換樹脂への前記被処理水の導入を開始してから、前記イオン交換樹脂から導出された処理水の電気伝導度を所定の値以下に維持することができる所定の累積時間経過後に、前記切替手段における前記被処理水の流れを切り替えることに代えて、前記電気伝導度検出手段により検出される電気伝導度が所定の値以上のときに前記切替手段における前記被処理水の流れを切り替えるように構成された；
   請求項１に記載の水処理システム。
7. 水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとが供給され、電気化学的反応により発電する燃料電池と；
   前記燃料電池から排出される前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを冷却し、水分を分離する気水分離部と；
   前記気水分離部で分離された水分を被処理水として浄化する請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水処理システムとを備える；
   燃料電池発電システム。

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