JP5349284B2

JP5349284B2 - 燃料電池発電システムの水浄化装置

Info

Publication number: JP5349284B2
Application number: JP2009294660A
Authority: JP
Inventors: 仁平岡; 千晴竹内; 秀治吉田; 栄造松井; 秀則中林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP2011131182A

Description

本発明は、燃料電池発電システムの水浄化装置に関し、特に、燃料電池発電システムにおいて凝縮器から滴下する凝縮水を受けて純水化できる水浄化装置に関する。

一般に、燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させることで直接電気を高い効率で取り出すことができ、しかも、低騒音で有害ガスを出さないことから、環境性に優れた発電システムである。特に最近では、電解質に固体高分子形電解質膜や固体酸化物を用いたものが小型の家庭用燃料電池発電システムとして開発されている。

例えば特開２００８−１９８４００における燃料電池発電システムでは、燃料電池本体から排出される水蒸気を液化する凝縮器（コンデンサ）と、この凝縮器から滴下する凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、この凝縮水タンク内に溜った凝縮水を水浄化装置へ圧送するポンプとを備えており、その水浄化装置においては、容器底部へ上向きに圧送される凝縮水がイオン交換樹脂粒間を通って上昇するにつれて浄化され、純水が容器上部から溢れ出て純水タンクへ供水されるようになっている。

特開２００８−１９８４００（図１）

しかしながら、上記の凝縮水の水浄化システムにおいては、凝縮水タンク内に滴下する凝縮水が一定レベル以上貯留した場合にポンプを稼動して凝縮水を水浄化装置へ圧送するものであるため、凝縮水タンク，ポンプ及び液面センサーを含めたポンプ間欠駆動制御系を必要とし、システムの大型化及び高コスト化を招いている。

そこで、本発明の課題は、上記問題点を解決するものであり、燃料電池発電システムにおいて凝縮器から滴下する凝縮水を受けて純水化できる水浄化装置を提供することにある。

本発明は、燃料電池発電システム内の凝縮器から滴下する凝縮水を浄化して純水を純水タンクへ導出する燃料電池発電システムの水浄化装置において、有底外筒の底面から流れ変向空間を隔てて起立した導水管と、該導水管を底上げ支持して流れ変向空間を確保する下部通水器と、該下部通水器を収納底として有底外筒と導水管との間の収納空間に充填されたイオン交換樹脂粒と、収納空間を覆う上部通水器と、導水管の管上端部及び有底外筒の筒上端部を覆う蓋体とを備え、該蓋体は、凝縮水を、受け口を介して導水管の上部へ流す縦連通路と、上部通水器から溢れ出る純水を導出する導出路とを有し、
下部通水器は、導水管に接合されて底面に向けて広がっているとともに、複数の開口を有する円錐状通水板であって、該円錐状通水板のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きいことを特徴とする。

このような構成の水浄化装置においては、凝縮器から滴下する凝縮水が受け口、縦連通路、導水管を介して流れ変向空間に溜まることにより、導水管内の水位が上昇すると、流れ変向空間からの凝縮水が下部通水器を介して収納空間（イオン交換樹脂粒間）を上昇し、上部通水器から溢れた純水を導出路から導出できる。このため、凝縮水タンクやポンプを装備することなく、凝縮水を滴下式で純水化でき、システムの小型化及び低コスト化を実現できる。

ところで、燃料電池発電システムにおける凝縮水中には炭酸ガスが溶解しており、気泡が混入し易く、下部通水器に気体層が付着し、凝縮水の収納空間（イオン交換樹脂粒間）への進入を妨げることや、イオン交換樹脂粒間に入った気泡が凝縮水の流路を塞ぐことで、浄化作用の不完全化と浄化流量の低下を招くおそれがある。しかし、本発明では、下部通水器として円錐状通水板を用いているため、流れ変向空間に到達した凝縮水中の気泡は上向きに傾斜した円錐状通水板に沿って導水管内へ逃げ戻され易くなり、収納空間（イオン交換樹脂粒間）へは進入し難くなる。また、円錐状通水板は、下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなって流動抵抗が下がるため、流れ変向空間内の凝縮水が円錐状通水板の下位側にも行き渡って通過し、凝縮水が収納空間（イオン交換樹脂粒間）の底側全域へ進入するので、イオン交換樹脂粒が偏在的ではなく全体的に水浄化処理を行うことができ、滴下式の水浄化装置の水浄化効率を高めることができる。

そしてまた、円錐状通水板は導水管と一体的な樹脂成形品としても構成でき、部品点数の削減に寄与する。

別の下部通水器としては、導水管に接合されて底面に当接するとともに、複数の開口を有する通水筒であって、該通水筒のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きいものを採用できる。このような通水筒においても、流れ変向空間の気泡は通水筒に沿って浮上して逃げ戻されるため、通水筒の筒壁を通過し難い。また、凝縮水が通水筒の下位側にも行き渡って通過し易くなり、イオン交換樹脂粒が偏在的ではなく全体的に水浄化処理を行うことができ、滴下式の水浄化装置の水浄化効率を高めることができる。

更に別の下部通水器としては、導水管に接合されて底面に向けて先細り状であるとともに、複数の開口を有する円錐状通水板であって、該円錐状通水板のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きいものを採用できる。このような円錐状通水板においても、流れ変向空間の気泡は導水管内へ逃げ戻され易くなり、収納空間（イオン交換樹脂粒間）へは進入し難くなる。また、円錐状通水板のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなっているため、凝縮水が円錐状通水板の下位側にも行き渡って通過するので、イオン交換樹脂粒が偏在的ではなく全体的に水浄化処理を行うことができ、滴下式の水浄化装置の水浄化効率を高めることができる。

そしてまた、底面に向けて先細り状の円錐状通水板は導水管と一体的な樹脂成形品としても構成でき、部品点数の削減に寄与する。

蓋体としては、凝縮水を溢流させる溢流路を有し、導出路は上部通水器から溢れ出る純水を導出可能なように溢流路よりも所定の落差だけ低い位置に設けられていることが望ましい。

凝縮水の滴下量が多くなり純水化処理能力が追い付かない場合は、滴下した凝縮水をそのまま溢流路を介して外部へ排出できる。特に、導出路は溢流路よりも所定の落差だけ低い位置に設けられているため、縦連通路内での凝縮水の水位は溢流路まで上昇可能であり、イオン交換樹脂粒による流動抵抗を超える押し込み圧を得ることができ、上部通水器から溢れた純水を導出路から導出できる。

本発明によれば、凝縮器から滴下する凝縮水を受けて純水化できる水浄化装置を提供でき、システムの小型化及び低コスト化を実現できる。

本発明に係る燃料電池発電システムの水浄化装置の実施例１を示す縦断面図である。同実施例における下部通水板を示す底面図である。本発明に係る燃料電池発電システムの水浄化装置の実施例２を示す縦断面図である。本発明に係る燃料電池発電システムの水浄化装置の実施例３を示す縦断面図である。

次に、本発明に係る燃料電池発電システムの水浄化装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

本例の水浄化装置１は、図１に示す如く、燃料電池発電システム内で燃料電池本体から排出される水蒸気を液化する凝縮器（図示せず）から滴下する４０〜５０°Ｃ程度の凝縮水Ｗ_１を浄化して純水Ｗ_２を生成するものである。

この水浄化装置１は、外筒２に底板部３を嵌め込んだ容器４と、底板部３の内周壁３ａにより凹状に区画された流れ変向空間Ｓを隔てて中央に起立した導水管５と、この導水管５の外周面下端側から内周壁３ａに渡されるように配置され、流れ変向空間Ｓを確保する下部通水器としてのステンレス製の下部円錐状通水板６と、この下部円錐状通水板６を収納底として外筒２と導水管５との間の収納空間に充填したイオン交換樹脂粒７と、この収納空間（イオン交換樹脂粒７）の上を覆うステンレス製の上部通水板８と、導水管５のうち上部通水板８から突出する管上端部５ａ及び外筒２の筒上端部２ａを覆う蓋体９を備えている。下部円錐状通水板６は、導水管５に嵌って（接合されて）内周壁３ａに渡され、上に凸（傾斜角１５°）の円錐状メッシュフィルタとなっており（底面に向けて広がる円錐状）、この下部円錐状通水板６は、図２に示す如く、導水管５に嵌る中心孔６ａから放射方向に沿う長スリット６ｂ及び短スリット６ｃを交互に有し、外周側（下位側）の通水開口率が内周側（上位側）の通水開口率よりも大きくなっている。なお、６ｄは下部円錐状通水板６を内周壁３ａ上に取り付けるための取付孔である。なお、傾斜角は１５°以上あれば十分である。

蓋体９は、凝縮水Ｗ_１を、受け口９ａを介して導水管５の上部へ流す（落とす）縦連通路９ｂと、この縦連通路９ｂに連通し受け口９ａ側から第１の方向（図示右方）へ凝縮水Ｗ_１をオーバーフローさせる溢流路９ｃと、上部通水板８から湧水的に溢れ出る純水Ｗ_２を第２の方向（図示左方）へ導出し純水タンク（図示せず）側へ送る導出路９ｄとを有している。そして、導出路９ｄは上部通水板８から溢れ出る純水Ｗ_２を導出可能なように溢流路９ｃよりも落差（水頭）Ｄ（例えば２０ｍｍ）だけ低くなるように設けられている。

本例の水浄化装置１においては、凝縮器から滴下する凝縮水Ｗ_１が受け口９ａ、縦連通路９ｂ、導水管５を介して下方に流れ、流れ変向空間Ｓに溜ることにより導水管５内の水位が上昇し、その水圧により下部円錐状通水板６を介して、外筒２と導水管５との間のイオン交換樹脂粒７が充填された収納空間へ流れ込み、収納空間の水位が上昇する。このイオン交換樹脂粒７間の上昇流路は流動抵抗に伴う圧力損失が存在するものの、導出路９ｄは溢流路９ｃよりも落差Ｄだけ低い位置となるように設けられているため、縦連通路９ｂ内での凝縮水Ｗ_１の水位は溢流路９ｃまで上昇可能となる。それにより、イオン交換樹脂粒７による流動抵抗を超える押し込み圧を得ることができ、イオン交換樹脂粒７により生成された純水を効率よく導出路９ｄから導出できる。また、凝縮器から過剰な凝縮水Ｗ_１が滴下した場合は、この過剰水をイオン交換樹脂粒７間に透過させずに、縦連通路９ｂ内から溢流路９ｃを介して外部へオーバーフローでき、無駄な浄化処理を抑制することができる。このため、凝縮器から滴下する凝縮水を溜め置く凝縮水タンクやそこから水浄化装置へ凝縮水を圧送するポンプを装備する必要がなく、凝縮水を滴下式で純水化でき、システムの小型化及び低コスト化を実現できる。

ところで、燃料電池発電システムにおける凝縮水中には炭酸ガス等の溶存エアが溶解しており、図１に示す如く、気泡Ｂが混入し易く、下部通水器６に気体層が付着し、凝縮水の収納空間（イオン交換樹脂粒７間）への進入を妨げることや、また、イオン交換樹脂粒７間に入った気泡Ｂが凝縮水の流路を塞ぐことで、浄化作用の不完全化と浄化流量の低下を招き、溢流路９ｃから凝縮水の無駄なオーバーフローが発生するおそれがある。

本例においては、下部通水器として円錐状の下部円錐状通水板６を用いているため、流れ変向空間Ｓに到達した凝縮水中の気泡Ｂは下部円錐状通水板６に沿って導水管５内へ逃げ戻され易くなり、収納空間（イオン交換樹脂粒７間）へは進入し難くなる。また、下部円錐状通水板６は導水管５に嵌る中心孔６ａから放射方向に沿う長スリット６ｂ及び短スリット６ｃを交互に有し、下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなっており、流動抵抗が下がるため、流れ変向空間Ｓ内の凝縮水Ｗ_１が下部円錐状通水板６の下部側にも行き渡って通過し、凝縮水が収納空間の底側全域へ進入するので、イオン交換樹脂粒７が偏在的ではなく全体的に水浄化処理を行うことができ、滴下式の水浄化装置１の水浄化効率を高めることができる。

なお、下部円錐状通水板６は導水管５と一体的な樹脂成形品として構成できる。

図３は本発明に係る燃料電池発電システムの水浄化装置の実施例２を示す縦断面図で、図１に示す部分と同一部分には同一参照符号を付し、その説明は省略する。

本例の水浄化装置１１の実施例１に係る水浄化装置１と異なる点は下部通水器としての通水筒１６にあり、この通水筒１６は、上部側が導水管５に嵌って（接合されて）これを底上げして流れ変向空間Ｓ′を確保し下端が底板３に当接するメッシュフィルタである。この通水筒１６はその母線方向に沿う長スリット（図示せず）及び短スリット（図示せず）を交互に有し、下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなっている。

このような通水筒１６を用いても、気泡Ｂは外筒２と導水管５との間の収納空間（イオン交換樹脂粒７間）へ進入し難い。その効果は実施例１の場合よりも優れている。また、下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなっているため、流れ変向空間Ｓ′内の凝縮水Ｗ_１が通水筒１６の下部側にも行き渡って通過し、イオン交換樹脂粒７が偏在的ではなく全体的に水浄化処理を行うことができ、滴下式の水浄化装置１１の水浄化効率を高めることができる。

図４は本発明に係る燃料電池発電システムの水浄化装置の実施例３を示す縦断面図で、図１に示す部分と同一部分には同一参照符号を付し、その説明は省略する。

本例の水浄化装置２１の実施例１に係る水浄化装置１と異なる点は下部通水器としての底面に向けて先細り状の円錐状通水板（以下、下部逆円錐状通水板２６という。）にあり、この下部逆円錐状通水器２６は、上端部が導水管５に嵌ってこれを底上げして流れ変向空間Ｓ″を確保し下端が底板３の中央部分に当接するメッシュフィルタである。この下部逆円錐状通水板２６も下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなるように長短のスリット（図示せず）が形成されている。また、下部逆円錐状通水板２６は、その先端が導水管５の中心線が底面に当接する点に対して先細り状となるように設けられている。

このような下部逆円錐状通水板２６においても、流れ変向空間Ｓ″の気泡Ｂは導水管５内へ逃げ戻され易くなり、外筒２と導水管５との間の収納空間（イオン交換樹脂粒７間）へは進入し難くなる。また、下部逆円錐状通水板２６は下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きくなっているため、流れ変向空間Ｓ″内の凝縮水Ｗ_１が下部逆円錐状通水板２６の下位側にも行き渡って通過し、イオン交換樹脂粒７が偏在的ではなく全体的に水浄化処理を行うことができ、滴下式の水浄化装置２１の水浄化効率を高めることができる。

なお、下部逆円錐状通水板２６は導水管５と一体的な樹脂成形品として構成できる。

１，１１，２１…燃料電池発電システムの水浄化装置
２…外筒
２ａ…筒上端部
３…底板部
３ａ…内周壁
４…容器
５…導水管
５ａ…管上端部
６…下部円錐状通水板
６ａ…中心孔
６ｂ…長スリット
６ｃ…短スリット
６ｄ…取付孔
１６…通水筒
２６…下部逆円錐状通水板
７…イオン交換樹脂粒
８…上部通水板
９…蓋体
９ａ…受け口
９ｂ…縦連通路
９ｃ…溢流路
９ｄ…導出路
Ｂ…気泡
Ｄ…落差
Ｓ，Ｓ′，Ｓ″…流れ変向空間
Ｗ_１…凝縮水
Ｗ_２…純水

Claims

燃料電池発電システム内の凝縮器から滴下する凝縮水を浄化して純水を純水タンクへ導出する燃料電池発電システムの水浄化装置において、有底外筒の底面から流れ変向空間を隔てて起立した導水管と、該導水管を底上げ支持して前記流れ変向空間を確保する下部通水器と、該下部通水器を収納底として前記有底外筒と前記導水管との間の収納空間に充填されたイオン交換樹脂粒と、前記収納空間を覆う上部通水器と、前記導水管の管上端部及び前記有底外筒の筒上端部を覆う蓋体とを備え、該蓋体は、前記凝縮水を、受け口を介して前記導水管の上部へ流す縦連通路と、前記上部通水器から溢れ出た純水を導出する導出路とを有し、前記下部通水器は、前記導水管に接合されて前記底面に向けて広がっているとともに、複数の開口を有する円錐状通水板であって、該円錐状通水板のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きいことを特徴とする燃料電池発電システムの水浄化装置。
燃料電池発電システム内の凝縮器から滴下する凝縮水を浄化して純水を純水タンクへ導出する燃料電池発電システムの水浄化装置において、有底外筒の底面から流れ変向空間を隔てて起立した導水管と、該導水管を底上げ支持して前記流れ変向空間を確保する下部通水器と、該下部通水器を収納底として前記有底外筒と前記導水管との間の収納空間に充填されイオン交換樹脂粒と、前記収納空間を覆う上部通水器と、前記導水管の管上端部及び前記有底外筒の筒上端部を覆う蓋体とを備え、該蓋体は、前記凝縮水を、受け口を介して前記導水管の上部へ流す縦連通路と、前記上部通水器から溢れ出た純水を導出する導出路とを有し、前記下部通水器は、前記導水管に接合されて前記底面に当接するとともに、複数の開口を有する通水筒であって、該通水筒のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きいことを特徴とする燃料電池発電システムの水浄化装置。
燃料電池発電システム内の凝縮器から滴下する凝縮水を浄化して純水を純水タンクへ導出する燃料電池発電システムの水浄化装置において、有底外筒の底面から流れ変向空間を隔てて起立した導水管と、該導水管を底上げ支持して前記流れ変向空間を確保する下部通水器と、該下部通水器を収納底として前記有底外筒と前記導水管との間の収納空間に充填したイオン交換樹脂粒と、前記収納空間を覆う上部通水器と、前記導水管の管上端部及び前記有底外筒の筒上端部を覆う蓋体とを備え、該蓋体は、前記凝縮水を、受け口を介して前記導水管の上部へ流す縦連通路と、前記上部通水器から溢れ出た純水を導出する導出路とを有し、前記下部通水器は、前記導水管に接合されて前記底面に向けて先細り状であるとともに、複数の開口を有する円錐状通水板であって、該円錐状通水板のうち下位側の通水開口率が上位側の通水開口率よりも大きいことを特徴とする燃料電池発電システムの水浄化装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池発電システムの水浄化装置において、前記蓋体は、前記凝縮水を溢流させる溢流路を有し、前記導出路は前記上部通水器から溢れ出る純水を導出可能なように前記溢流路よりも所定の落差だけ低い位置に設けられていることを特徴とする燃料電池発電システムの水浄化装置。