JPH05315002A - 燃料電池発電装置の水処理システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】イオン交換樹脂の交換作業および交換時期の予
測が簡単且つ正確でイオン交換樹脂の無駄が無く、構成
が簡素なイオン交換式水処理装置を得る。 【構成】燃料電池１の空気オフガス１Ｇおよび燃料改質
器２の燃焼排ガス２Ｇ中の水蒸気を復水凝縮器５により
凝縮して得られる復水７に水道水を混合し、この混合水
８をイオン交換式水処理装置３１を通して低電気電導度
の補給水９とし、燃料電池または燃料改質器に補給する
ものであって、イオン交換式水処理装置が、混合水の流
入側に配された主イオン交換樹脂筒３２と、その後段に
直列に連結されて低電気電導度の補給水を吐出する小容
量の補助イオン交換樹脂筒３３と、この補助イオン交換
樹脂筒の上流側に連結された電導度監視手段としての電
導度センサ−３４とを含むものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、不純物を含む復水お
よび水道水をイオン交換式水処理装置によって浄化し、
燃料電池の冷却水または原燃料の改質反応水として補給
する燃料電池発電装置の水処理システム、ことにイオン
交換樹脂の詰め替え作業を容易化したイオン交換式水処
理装置を備えた水処理システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池を高効率で長時間運転するため
には、電池反応に伴う発熱を除熱して単位セルの積層体
（スタックと呼ぶ）内の温度分布を所定の運転温度（り
ん酸形燃料電池では１９０°C 前後）にできるだけ均一
に保持することが求められる。そこで、スタックは複数
の単位セルを１ブロックとしてブロック間に冷却板を積
層し、この冷却板に埋設された冷却パイプに冷却媒体と
しての冷却水を通流して冷却する水冷式の燃料電池が知
られている。また、水冷式燃料電池では異なる電位にあ
る冷却板間で冷却水による液絡が生ずることを防ぐた
め、冷却水はその電気電導度が極力低い（電気抵抗が高
い）ことが求められるので、冷却水の循環系にイオン交
換水を補給する水処理システムを設けたものが知られて
いる。

【０００３】図３は水冷式燃料電池の従来の水処理シス
テムを示す構成図である。図において、単位セルの積層
体からなる燃料電池（スタック）１の燃料電極には燃料
改質器２から燃料ガスが供給され、空気電極にはブロワ
１Ｂから反応空気が供給されることにより、一対の電極
間で水素と酸素が直接反応する電気化学反応に基づいて
発電が行われる。また、燃料電池には複数単位セル毎に
冷却板３が積層されており、冷却板３に埋設された複数
の冷却パイプが絶縁継手を介して外部に配された循環ポ
ンプ４Ｐおよび水蒸気分離器４を含む冷却水６の循環系
１０に連結される。水蒸気分離器４は燃料電池の運転温
度に対して所定温度低い冷却水６を包蔵しており、循環
ポンプ４Ｐにより冷却水６を冷却板３に循環することに
より、発電生成熱の排熱が行われ、燃料電池スタック１
の温度がその運転温度に保持される。また、空気電極か
ら排出される空気オフガス１Ｇ，および燃料改質器２の
バ−ナで燃料オフガス１Ｆ中の残存水素を燃焼させるこ
とにより生じた燃焼排ガス２Ｇには多量の発電生成水ま
たは燃焼生成水が含まれているので、空気オフガスおよ
び燃焼排ガスに水蒸気として含まれる水分を復水凝縮器
５で冷却して復水７として回収し、水処理システムに供
給するよう構成される。

【０００４】ところで、冷却水６の電気伝導度が高い
と、前記冷却パイプを相互に連結する絶縁継手内の冷却
水を通して冷却板間に短絡電流が流れる液絡現象が発生
し、発電電力の一部が無駄に消費されることになる。そ
こで、冷却水６の電気電導度を１μＳ／ｃｍ以下に保持
するために冷却水の循環系に水処理システム１１が連結
される。すなわち、水処理システム１１は復水凝縮器５
で回収した復水７を補助水タンク１２に導いて水道水を
適度に加えた混合水８とし、混合水８をポンプ１３およ
び冷却器１４を介してイオン交換式水処理装置１５に送
り、得られた低電気電導度のイオン交換水９を補給水と
して冷却水６に加え、冷却水６の電気伝導度を１μＳ／
ｃｍ以下に保持するよう構成される。なお、補給水９の
供給量は、水蒸気分離器４内のスチ−ムを例えば改質反
応水として原燃料に添加して燃料改質器２に供給する際
生ずる不足分，または冷却水６をブロ−水として外部に
放出することにより生ずる不足分を補給する量に対応し
て制御される。

【０００５】図４は従来のイオン交換式水処理装置を示
すシステム構成図であり、イオン交換式水処理装置１５
は、イオン交換樹脂を充填したイオン交換樹脂筒１６
と、その吐出側に接続された電導度センサ−１７を備
え、入口弁１８を介して供給される混合水８中の不純物
をイオン交換処理して低電気電導度の補給水９とし、出
口弁１９を介して冷却水循環系１０に供給するととも
に、補給水９の電気電導度をを電導度センサ−１７で監
視し、電導度が例えば１μＳ／cmを越える状態になった
場合には、イオン交換樹脂が寿命に達したものと判断し
て弁１８および１９を閉じ、イオン交換樹脂筒１６内の
イオン交換樹脂の入替え作業を行うよう構成される。

【０００６】図５は異なる従来のイオン交換式水処理装
置を示すシステム構成図であり、イオン交換樹脂筒が１
６Ａ，１６Ｂ，および１６Ｃに３分割され、それぞれの
イオン交換水吐出側に電導度センサ−１７Ａ，１７Ｂ，
および１７Ｃが接続された点が前述のイオン交換式水処
理装置と異なっており、上流側のイオン交換樹脂筒から
順次イオン交換能力が低下する性質を有するイオン交換
樹脂筒それぞれについてそのイオン交換水の電導度の低
下を電導度センサ−で監視し、１段目の樹脂寿命，２段
目の樹脂寿命に対応する運転時間から最終段の樹脂寿命
を経験的に予測し、各段のイオン交換樹脂筒の樹脂交換
を行うことにより、１μＳ／cmを越える電導度の補給水
９を誤って冷却水循環系１０に供給しないよう構成され
る。

【０００７】図６はさらに異なる従来のイオン交換式水
処理装置を示すシステム構成図であり、図５における弁
１８および１９が三方切替え弁２２および２３に置き換
えられ、その反イオン交換樹脂筒側に予備イオン交換樹
脂筒１６Ｄを有するバイパス配管路２１が接続され、さ
らに補給水９が三方切替え弁２４を介して冷却水循環系
１０に供給されるとともに、三方切替え弁２３の吐出側
に電導度センサ−１７Ｃを接続するよう構成されてお
り、予備イオン交換樹脂筒１６Ｄを介して補給水を供給
した状態で、イオン交換樹脂筒１６Ａ，１６Ｂ，および
１６Ｃのイオン交換樹脂の交換作業を行える点が前述の
従来技術と異なっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】イオン交換樹脂筒によ
って浄水される水の電気電導度は、イオン交換樹脂の寿
命終期において急激に悪化する性質がある。したがっ
て、図４において補給水９の電気電導度を電導度センサ
−１７で監視した時点で電導度に異常が認められなくて
も、監視の休止期間，例えば休日等に電導度が悪化する
ことがある。また、イオン交換樹脂の交換作業を専門業
者に依頼することが多く、電導度に異常を認めてからイ
オン交換樹脂の交換作業が終了するまでに数日間を要す
ることが稀ではない。その結果、電導度の高い補給水９
が数日間冷却水循環系１０に供給されるという思わぬ不
都合が生じ、この間燃料電池で液絡が発生して発電電力
が無駄に消費されるという問題がある。

【０００９】また、図５の構成とすることにより最終段
のイオン交換樹脂筒１６Ｃの残存寿命を予測できるの
で、イオン交換樹脂の交換作業を早めに手配することが
可能になる。しかしながら、イオン交換樹脂筒が通常同
じ大きさに３分割されるため最終段のイオン交換樹脂筒
１６Ｃ中のイオン交換樹脂を使い残した状態で交換作業
を行うという無駄が発生する。さらに、イオン交換樹脂
筒および導電度センサ−を３組必要とするため、イオン
交換式水処理装置が大型化するという問題も発生する。

【００１０】一方、図６のように予備イオン交換樹脂筒
１６Ｄを有するバイパス配管路２１を設けることによ
り、補給水９の供給を停止せずにイオン交換樹脂の交換
作業を行うことが可能になるが、予備イオン交換樹脂筒
は常時使用しないために水が淀んでおり、使用初期には
質の悪い水が補給水９として冷却水循環系１０に供給さ
れるという問題が発生するとともに、これを回避するた
めに三方切替え弁２４を追加し、質の悪い水を外部に排
水した後補給水の給水を開始する煩わしい操作が必要に
なるとともに、イオン交換式水処理装置の構成が益々複
雑化する。

【００１１】この発明の目的は、イオン交換樹脂の交換
作業および交換時期の予測が簡単且つ正確でイオン交換
樹脂の無駄が無く、装置の構成が簡素なイオン交換式水
処理装置を得ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、燃料電池の空気オフガスおよび
燃料改質器の燃焼排ガス中の水蒸気を復水凝縮器により
凝縮して得られる復水に水道水を混合し、この混合水を
イオン交換式水処理装置を通して低電気電導度の補給水
とし、前記燃料電池または燃料改質器に補給するものに
おいて、前記混合水の流入側に配された主イオン交換樹
脂筒と、その後段に直列に連結されて低電気電導度の補
給水を吐出する小容量の補助イオン交換樹脂筒と、この
補助イオン交換樹脂筒の上流側に接続された電導度監視
手段とを含むイオン交換式水処理装置を備えてなるもの
とする。

【００１３】また、補助イオン交換樹脂筒が、少なくと
も電導度監視手段が電導度の悪化を指示した後主イオン
交換樹脂筒の樹脂交換を終了する迄の期間、低電気電導
度の補給水を吐出し得る量のイオン交換樹脂を包蔵して
なるものとする。さらに、イオン交換式水処理装置が、
補給水の吐出を停止することなく、主イオン交換樹脂筒
または補助イオン交換樹脂筒を任意に選択し、イオン交
換樹脂の詰め替えを可能にするバイパス配管路、たとえ
ば混合水を主イオン交換樹脂筒側とバイパス管側とに切
り換える三方切替え弁と、補給水の吐出を前記バイパス
管側と補助イオン交換樹脂筒側とに切り換える三方切替
え弁と、主イオン交換樹脂筒と補助イオン交換樹脂筒と
の間に直列に連結された一対の止め弁と、この一対の止
め弁の中間点と前記パイパス管とに連通する分岐管とか
らなるバイパス配管路を備えてなるものとする。

【００１４】

【作用】この発明の構成において、燃料電池発電装置の
水処理システムが、混合水の流入側に配された主イオン
交換樹脂筒と、その後段に直列に連結されて低電気電導
度の補給水を吐出する小容量の補助イオン交換樹脂筒
と、この補助イオン交換樹脂筒の上流側に連結された電
導度監視手段とを含むイオン交換式水処理装置を備える
よう構成したことにより、補助イオン交換樹脂筒に、少
なくとも電導度監視手段が電導度の低下を指示した後主
イオン交換樹脂筒の樹脂交換を終了する迄の期間低電気
電導度の補給水を吐出し得る量のイオン交換樹脂を充填
しておくことにより、交換時期の遅れにより電導度の高
い補給水を冷却水循環系に供給することによる液絡の発
生を防止し、かつ補助イオン交換樹脂筒内のイオン交換
樹脂の使い残しを最小限に抑える機能が得られる。ま
た、主イオン交換樹脂筒には、あらかじめ定まる寿命期
間に対応する量のイオン交換樹脂を一つのイオン交換樹
脂筒に充填して装置の構成を簡素化できるとともに、電
導度センサ−も一つで済むのでイオン交換式水処理装置
を小型化でき、したがってその設置スペ−スを縮小する
機能が得られる。

【００１５】また、イオン交換式水処理装置が、補給水
の吐出を停止することなく、主イオン交換樹脂筒または
補助イオン交換樹脂筒を任意に選択し、イオン交換樹脂
の詰め替えを可能にするバイパス配管路、ことに予備イ
オン交換樹脂筒を持たないバイパス配管路を備えるよう
構成すれば、補給水の供給を停止することなくイオン交
換樹脂の交換作業を効率よく行えるとともに、予備イオ
ン交換樹脂筒に水が停滞することにより質の悪い補給水
を冷却水循環系に供給する不都合を排除する機能が得ら
れる。

【００１６】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置の
水処理システムを示すシステム構成図であり、従来技術
と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重
複した説明を省略する。図において、イオン交換式水処
理装置３１は、混合水８の入口弁１８側に配された主イ
オン交換樹脂筒３２と、その後段に直列に連結されて低
電気電導度の補給水９を吐出する小容量の補助イオン交
換樹脂筒３３と、この補助イオン交換樹脂筒の上流側に
接続された電導度監視手段としての電導度センサ−３４
とで構成され、電導度センサ−３４により例えば１μＳ
／cm以下の低電導度に管理された補給水９は出口弁１９
を介して燃料電池１の冷却水循環系１０に補給される。
なお、イオン交換式水処理装置３１は入口弁１８，冷却
器１４，およびポンプ１３を介して混合水８を包蔵した
補助水タンク１２に連結され、全体として水処理システ
ムを構成する。

【００１７】また、主イオン交換樹脂筒３２はイオン交
換式水処理装置の運転中に混合水８のイオン交換処理を
継続して行うものであり、充填されるイオン交換樹脂３
９は、あらかじめ定まる交換周期中例えば１μＳ／cm以
下の低電気電導度の補給水９を吐出し得る量が充填され
る。一方、補助イオン交換樹脂筒３３は電導度センサ−
３４が主イオン交換樹脂筒３２が寿命に達したことを検
知した時点から、イオン交換樹脂３９の交換作業が終了
するまでの期間混合水８のイオン交換処理を受け持つも
のであり、イオン交換樹脂の充填量は、上記イオン交換
樹脂の交換待ち日数に、例えば休日など導電度監視の休
止日数を加えた数日間イオン交換機能を持続できる量に
限定され、したがって補助イオン交換樹脂筒を小型に形
成することができる。なお、主イオン交換樹脂筒３２は
一つに纏めてその数を減らしてもよく、また任意の大き
さに分割して集積度を高め、省スペ−ス化するよう構成
してもよい。ただしこの場合、導電度センサ−３４は主
イオン交換樹脂筒の分割数に関係なく補助イオン交換樹
脂筒３３の上流側に一つ設け、主イオン交換樹脂筒の最
後段の分割イオン交換樹脂筒の寿命を監視すればよく、
これにより、イオン交換式水処理装置の構成を簡素化す
ることができる。

【００１８】上述のように構成されたイオン交換式水処
理装置において、電導度センサ−３４により主イオン交
換樹脂筒３２の寿命を検知し、イオン交換樹脂の交換作
業の手配が行われるが、この時点以後交換作業の開始時
点までの数日間補助イオン交換樹脂筒３３がイオン交換
作業を受け持つので、この間低電導度の補給水９を継続
して冷却水循環系１０に供給することができる。また、
イオン交換樹脂３９の交換作業は主イオン交換樹脂筒，
補助イオン交換樹脂筒ともに一括して行うことにより、
補助イオン交換樹脂筒が再びイオン交換樹脂交換の待機
状態となるが、補助イオン交換樹脂筒に充填されるイオ
ン交換樹脂量がイオン交換樹脂の交換待ち日数に対応し
た量に限定されているので、交換による無駄が少なく、
イオン交換樹脂のイオン交換能力を有効に活用すること
ができる。

【００１９】図２はこの発明の異なる実施例になるイオ
ン交換式水処理装置を示すシステム構成図であり、イオ
ン交換式水処理装置３１が、補給水９の吐出を停止する
ことなく、主イオン交換樹脂筒３２または補助イオン交
換樹脂筒３３を任意に選択し、イオン交換樹脂３９の詰
め替えを可能にするバイパス配管路４１を備えた点が前
述の実施例と異なっている。バイパス配管路４１は、混
合水８を主イオン交換樹脂筒３２側とバイパス管４２側
とに切り換える三方切替え弁４３と、補給水９の吐出を
バイパス管４２側と補助イオン交換樹脂筒３３側とに切
り換える三方切替え弁４４と、主イオン交換樹脂筒と補
助イオン交換樹脂筒との間に直列に連結された一対の止
め弁４５，４６と、この一対の止め弁の中間点とパイパ
ス管４２とに連通する分岐管４７とで構成され、電導度
センサ−３４は止め弁４５の上流側に接続される。

【００２０】このように構成されたバイパス配管路４１
を有するイオン交換式水処理装置において、通常運転時
には、三方切替え弁４３および４４をイオン交換樹脂筒
側に切換えるとともに、止め弁４５および４６を開くこ
とにより、混合水８は主イオン交換樹脂筒３２または補
助イオン交換樹脂筒３３でイオン交換処理される。また
主イオン交換樹脂筒中のイオン交換樹脂を交換する場合
には、三方切替え弁４３をバイパス管４２側に切換える
とともに、止め弁４５を閉じることにより、混合水はバ
イパス管４２および分岐管４７を通って補助イオン交換
樹脂筒３３でイオン交換処理され、三方切替え弁４４を
通って冷却水循環系１０に補給水９を供給できるので、
この間に主イオン交換樹脂筒中のイオン交換樹脂を交換
することができる。

【００２１】さらに、補助イオン交換樹脂筒３３中のイ
オン交換樹脂の交換は、止め弁４６を閉じ、三方切替え
弁４４をバイパス管４２側にすることにより、混合水８
は主イオン交換樹脂筒３２で浄化され、分岐管４７，バ
イパス管４２および三方切替え弁４４を通って冷却水循
環系１０に供給されるので、この間に補助イオン交換樹
脂筒３３のイオン交換樹脂を交換することができる。ま
た、バイパス配管路４１がイオン交換樹脂筒を持たず、
かつ交換作業中にも供給水が通流されるので、水の停滞
が無く、質の悪い水を冷却水循環系に供給するという不
都合を排除することができる。

【００２２】

【発明の効果】この発明は前述のように、燃料電池発電
装置の水処理システムが、混合水の流入側に配された主
イオン交換樹脂筒と、その後段に直列に連結されて低電
気電導度の補給水を吐出する小容量の補助イオン交換樹
脂筒と、この補助イオン交換樹脂筒の上流側に連結され
た電導度監視手段とを含むイオン交換式水処理装置を備
えるよう構成した。その結果、補助イオン交換樹脂筒
に、少なくとも電導度監視手段が電導度の低下を指示し
た後主イオン交換樹脂筒の樹脂交換を終了する迄の期間
低電気電導度の補給水を吐出し得る量のイオン交換樹脂
を充填しておくことにより、従来技術で問題になった、
交換時期の遅れにより電導度の高い補給水が冷却水循環
系に供給されて液絡が発生する事態を防止し、かつ補助
イオン交換樹脂筒内のイオン交換樹脂の使い残しを最小
限に抑えることが可能になり、したがって燃料電池発電
装置のランニングコストを低減できる水処理システムを
提供することができる。

【００２３】また、主イオン交換樹脂筒には、あらかじ
め定まる寿命期間に対応する量のイオン交換樹脂を一つ
のイオン交換樹脂筒に充填できるとともに、電導度セン
サ−も一つで済むのでイオン交換式水処理装置の構成を
簡素化でき、したがってその設置スペ−スを縮小し、燃
料電池発電装置のイニシャルコストを低減できる水処理
システムを提供することができる。

【００２４】さらに、イオン交換式水処理装置が、補給
水の吐出を停止することなく、主イオン交換樹脂筒また
は補助イオン交換樹脂筒を任意に選択し、イオン交換樹
脂の詰め替えを可能にするバイパス配管路、ことに予備
イオン交換樹脂筒を持たないバイパス配管路を備えるよ
う構成すれば、補給水の供給を停止することなくイオン
交換樹脂の交換作業を効率よく行えるとともに、従来技
術で問題になった、予備イオン交換樹脂筒に水が停滞し
て質の悪い補給水が冷却水循環系に供給されるという不
都合を排除でき、したがって液絡による電力の無駄な消
費をほぼ完全に阻止できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例になる燃料電池発電装置の水
処理システムを示すシステム構成図

【図２】この発明の異なる実施例になるイオン交換式水
処理装置を示すシステム構成図

【図３】水冷式燃料電池の従来の水処理システムを示す
構成図

【図４】従来のイオン交換式水処理装置を示すシステム
構成図

【図５】異なる従来のイオン交換式水処理装置を示すシ
ステム構成図

【図６】さらに異なる従来のイオン交換式水処理装置を
示すシステム構成図

【符号の説明】

１ 燃料電池 １Ｇ 空気オフガス ２ 燃料改質器 ２Ｇ 燃焼排ガス ３ 冷却板 ４ 水蒸気分離器 ５ 復水凝縮器 ６ 冷却水 ７ 復水 ８ 混合水 ９ 補給水 １０ 冷却水循環系 １１ 水処理システム １２ 補助水タンク １５ イオン交換式水処理装置 １６ イオン交換樹脂筒 １７ 電導度センサ− ２１ バイパス配管路 ３１ イオン交換式水処理装置 ３２ 主イオン交換樹脂筒 ３３ 補助イオン交換樹脂筒 ３４ 電気電導度監視手段（電導度センサ−） ３９ イオン交換樹脂 ４１ バイパス配管路 ４２ バイパス管 ４３ 三方切替え弁 ４４ 三方切替え弁 ４５ 止め弁 ４６ 止め弁 ４７ 分岐管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の空気オフガスおよび燃料改質器
   の燃焼排ガス中の水蒸気を復水凝縮器により凝縮して得
   られる復水に水道水を混合し、この混合水をイオン交換
   式水処理装置を通して低電気電導度の補給水とし、前記
   燃料電池または燃料改質器に補給するものにおいて、前
   記混合水の流入側に配された主イオン交換樹脂筒と、そ
   の後段に直列に連結されて低電気電導度の補給水を吐出
   する小容量の補助イオン交換樹脂筒と、この補助イオン
   交換樹脂筒の上流側に連結された電導度監視手段とを含
   むイオン交換式水処理装置を備えてなることを特徴とす
   る燃料電池発電装置の水処理システム。
2. 【請求項２】補助イオン交換樹脂筒が、少なくとも電導
   度監視手段が電導度の悪化を指示した後，主イオン交換
   樹脂筒の樹脂交換を終了する迄の期間低電気電導度の補
   給水を吐出し得る量のイオン交換樹脂を包蔵してなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の水処
   理システム。
3. 【請求項３】イオン交換式水処理装置が、補給水の吐出
   を停止することなく、主イオン交換樹脂筒または補助イ
   オン交換樹脂筒を任意に選択し、イオン交換樹脂の詰め
   替えを可能にするバイパス配管路を備えてなることを特
   徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置の水処理シス
   テム。
4. 【請求項４】バイパス配管路が、混合水を主イオン交換
   樹脂筒側とバイパス管側とに切り換える三方切替え弁
   と、補給水の吐出を前記バイパス管側と補助イオン交換
   樹脂筒側とに切り換える三方切替え弁と、主イオン交換
   樹脂筒と補助イオン交換樹脂筒との間に直列に連結され
   た一対の止め弁と、この一対の止め弁の中間点と前記パ
   イパス管とに連通する分岐管とからなり、前記一対の止
   め弁の主イオン交換樹脂筒側に電気伝導度監視手段を設
   けてなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池発電
   装置の水処理システム。