JPH0221572A - 燃料電池水冷却系の高温浄化システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、リン酸型等の燃料電池水冷却系の高温浄化シ
ステムに関する。

（従来の技術） リン酸型の燃料電池は、発電効率や安全性からセル内温
度を水冷却系により１５０〜１９０℃に制御する必要が
ある。このため発電時の反応熱を、セル内に設けた冷却
管に加圧冷却水を通すことにより除去している。前記冷
却管は耐リン酸性、加工性。

熱伝導性から鋼管が適用される。しかし、運転中鋼管か
ら溶出する微量銅イオンが、循環する水冷却系を経て、
電極側の冷却管入口に酸化銅を主成分とするスケールを
析出し、冷却管を閉塞させる不具合が生じている。

実プラントでは、上記重金属イオンの析出による閉塞事
故を防止するため、イオン交換樹脂を用いた低温浄化系
をもうけ、冷却水の一部を浄化している。

しかしイオン交換樹脂を用いる低温浄化は、冷却水（１
５０〜１９０℃）を熱交換器および水冷クーラーに通し
てイオン交換樹脂の耐熱温度（約６０℃）以下まで冷却
しなければならず、熱交換器による熱損失を生ずる。つ
まり、処理流量に比例して熱損失が増大し、発電効率が
低下するので流量増加に限界があり前記のように冷却水
の一部（約１０％程度）を浄化するに過ぎない。したが
って現行浄化法では銅イオンを充分除去できず、前記冷
却管閉塞事故を完全に防止することは固壁である。この
ため高温熱水下で重金属イオンを吸着除去できる高温吸
着ろ材を用いた高温浄化システムが適用できれば冷却不
要で熱損失がほとんどないため冷却水の全量を浄化でき
、よってスケール付着による冷却管閉塞事故を完全に防
ぐことが可能である。

高温吸着ろ材は、高温熱水条件下で重金属イオンを吸着
除去できる酸化チタン、酸化ジルコニウム、マグネタイ
トなどの金属酸化物を単独に成形あるいは担持体に担持
させるろ相比処理により粒状、繊持状、ブロック状など
にしたものである。

高温吸着ろ材は、水処理に用いられるイオン交換樹脂に
比べ耐熱性の特徴を有しているが、装置容量やる材消費
量に関係するろ材の飽和吸着量あるいは貫流吸着容量は
イオン交換樹脂より大幅に劣るのが普通である。

（発明が解決しようとする課題） 従って、使用済高温吸着ろ材の交換頻度を一定（例えば
１回／年又は２回／年程度）とすると貫流吸着容量から
イオン交換樹脂より大量のる材を充填する必要がある。

充填された高温吸着ろ材はそのま＼廃棄物になり、ろ材
消費量およびランニングコストの増大にもつながる。こ
れらはいずれも高温浄化の実用を阻む要因になっている
。

本発明の目的は、高温熱水と接触する金属材料からの金
属溶出を抑制することにより、高温吸着ろ材の使用量又
は消費量を減少させた燃料電池水冷却系の高温浄化シス
テムを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明による燃料電池水冷却系の高温浄化システムは、
燃料電池セルを介して冷却水を循環させる水冷却系に、
高温吸着ろ材を充填した高温浄化装置と鉄イオン注入装
置とを直列に介在させている。

（作　用） 本発明による高温浄化システムは、冷却水となる原水へ
適量の鉄イオンを注入することにより、金属溶出を抑制
し原水重金属濃度を減少させ、高温吸着ろ材の消費量お
び廃棄物量を大幅に少くすると共に、浄化システムの処
理性能をさらに向上させるものである。

ここで高温吸着ろ材の消消量を減少させる方法としでは
次の２つがある。

■　高温吸着ろ材の貫流吸着容量を向上させる。

■　熱水中の重合ｆｉＡ′ＩＡ度を下げる。

上記■については、前記のごとく高温吸着ろ材の貫流吸
着量に吸着材の種類に差があり、絶対値に限界もあるの
で改善へ大きな効果は期待できない。■については重金
属濃度を下げる方法を見出すことができれば、ろ材の消
費量改善に効果が期待できる。

発明者らは１重金肩濃度を下げる方法、すなわち高温熱
水に接触する前記鋼冷却管など金属材料の腐食溶出を抑
制する方法について検討した結果、金属の腐食、特に銅
については、高温熱水中の鉄イオンが大きな影響を及ぼ
すことを確かめた。そして適量の鉄イオンを高温冷却水
中に注入することにより金属の腐食溶出、つまり重金属
濃度を抑制できることを確認した。この場合、重要な要
件となるのは、金属腐食溶出を抑制すると同時に鉄スケ
ールが付着しない範囲内に鉄濃度を制御することである
。この適量鉄濃度については１例えば鋼管の場合約５〜
２０　ｐρｂが制御範囲である。

高温冷却水への鉄イオン注入法としては以下の２つがあ
る。

■　鉄化合物を用いて調製した鉄イオン溶液を規定量注
入する。

■　鉄および鉄合金を用いて熱純水などにより溶出させ
た鉄イオンを注入する。

上記（１）の方法は、所定量の鉄イオンを正確に注入で
きるが鉄イオンと同時に陰イオン（ｓｏ４２−ＣＱ−、
ＮＯ３−ｅｔｃ）も混入するので導電率、ｐＨなどへの
影響が考えられる。一方■は、鉄イオン注入精度は良く
ないが酸基の陰イオンを含まないので■のような影響は
ない。いずれの方法も一長一短をもっているが、実用上
どちらを選んでも大きな障害はない。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は１本発明実施例の系統図で、スチームセパレー
ター１で蒸気を分離した後の熱水は一部をブローダウン
水２として分岐し次いで水処理により純水とした給水３
と合流して循環ポンプ４に送られる。循環ポンプ４を出
た熱水の一部（例えばポンプ流量の１０％程度は低温浄
化システム５に送られ処理される。低温浄化システム５
は前述のごとく熱損失が大きなイオン交換樹脂を用いた
システムである。低温浄化システム５を出た浄化水は循
環ポンプ４に送られる。

循環ポンプ４で加圧され上記低温浄化システム５へ分取
した残りの熱水は、粒子フィルタ６に導入され、熱水中
に含まれるクラッド分を除去する。

粒子フィルタには焼結合金エレメント、テフロンクロス
などの耐熱機械フィルタあるいは磁石を用いた磁気フィ
ルタが適用される０粒子フィルタ６を経た熱水は全量が
高温浄化装置７に導入される。

高温浄化装置７の内部には高温熱水条件下で重金属イオ
ンを吸着除去できる酸化チタン、酸化ジルコニウム、マ
グネタイトなどの金属酸化物を単独に成形あるいは担持
体に担持させるる相比処理により粒状、繊維状、ブロッ
ク状などにした高温吸着ろ材８が充填されている。高温
浄化装置７に導入された熱水は、充填されている高温吸
着ろ材８により、前記銅イオン又はその他イオンなどの
金属腐食生成物が吸着除去される。清浄となった熱水は
高温浄化装置７を出て鉄イオン注入装置９に入る。鉄イ
オン注入装置９では所定量の鉄イオンが注入され、規定
濃度の鉄イオン（例えば１〜１０Ｐρｂ）を含む熱水が
冷却水として燃料電池セル１０に導入される。

冷却水として導入された熱水は、燃料電池セル１０に設
けられている冷却鋼管に接するが、その熱水接触面には
前記注入された鉄イオンにより保護皮膜が形成され、銅
の腐食を抑制する。

発電による生成熱は熱水の蒸発潜熱により冷却され、燃
料電池セル１０を出る時は水蒸気を含む二相流熱水とな
り、もとのスチームセパレーター１に戻る。スチームセ
パレーター１においては上記二相流の水魚気分をスチー
ム１１として分離し、燃料改質および加熱源として使用
される。

第２図は、鉄イオン注入装置９の一例を示す。

この鉄イオン注入装置９は、鉄溶液注入によるもので、
鉄溶液貯槽１２に貯えである鉄化合物水溶液１３を定量
ポンプ１４により規定量を逆止弁１５を通して熱水ライ
ンに注入する。鉄化合物水溶液１３を注入された熱水は
混合槽１６に入り、内部に設けられているバッフル板１
７により充分に混合・混和された後、混合槽１６から流
出し、鉄イオンを含有した高温冷却水として使用される
。

第３図は、鉄イオン注入装置９の他の例を示す。

本例の鉄イオン注入装置９は鉄あるいは鉄合金を熱水で
溶出させるものである。すなわち、熱水は調整バルブ１
８およびバイパスバルブ１９を開として二方に分岐する
。調整バルブ１８を出た熱水は鉄溶出カラム２０に導入
され、繊維状２粒状あるいはブロック状などに成型され
た鉄および鉄合金充填物２１に接触させ、鉄イオンを溶
出させる。一定量の溶出鉄イオンを含む熱水は鉄溶出カ
ラム２０から流出し、溶出鉄イオン系流量計２２を経て
、バイパスバルブ１９からのバイパス熱水と合流する。

合流した熱水は冷却水流量計２３を経て鉄イオンを含有
した高温冷却水として使用される。なお、鉄溶出カラム
２０からの鉄溶出量は、はぼ一定なので、調整バルブ１
８、およびバイパスバルブ１９の開度を調整し、鉄溶出
カラムおよびバイパスに流れる熱水の比率を変えること
により任意の鉄イオン濃度（例えば１〜１０ρｐｂ）に
制御することができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、鉄イオン注入による鉄イ
オン又は鉄イオンから生成する活性鉄化合物の金属表面
への吸着あるいは保護皮膜形成により防食作用を顕わし
、高温水冷却系の銅冷却管など構成金属材料からの金属
溶出を抑制する。

この金属溶出抑制作用により溶出金属濃度が低下し高温
浄化装置の破過時間又は運転時間を大幅にのばすことが
可能となる。また高温吸着ろ材の消費量およびろ材廃棄
物量の著しい減少が実現でき工業的効果が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料電池水冷却系の高温浄化シス
テムの一実施例を示す系統図、第２図は第１図の鉄イオ
ン注入装置の一例を示すフロー図、第３図は第１図の鉄
イオン注入装置の他の例を示すフロー図である。 １ニスチームセパレーター、２ニブローダウン水３：給
水、　　　　　　　　４：循環ポンプ５：低温浄化シス
テム、　　　６：粒子フィルタ７：高温浄化装置、　　
　　８：高温吸着ろ材９：鉄イオン注入装置、　　１０
：燃料電池セル１１ニスチーム、　　　　　　１２：鉄
溶液貯槽１３：鉄化合物水溶液、１４：定量ポンプ１５
：逆止弁、　　　　　　　１６：混合槽１７：バッフル
板、　　　　　１８　：　、ｉｌｌ！！バルブ１９：バ
イパスバルブ、　　　２０：鉄溶出カラム２１：鉄およ
び鉄合金充填物 ２２：溶出鉄イオン系流量計 ２３：冷却水流量計 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　第子丸　　　健

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃料電池セルを介して冷却水を循環させる水冷却系に、
   高温吸着ろ材を充填した高温浄化装置と鉄イオン注入装
   置とを直列に介在させたことを特徴とする燃料電池水冷
   却系の高温浄化システム。