JPS62217569A

JPS62217569A - 燃料電池

Info

Publication number: JPS62217569A
Application number: JP61059292A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Takeu; 竹生　俊彦; Nobuyuki Funabashi; 信之船橋
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1987-09-25
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH0695460B2

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、電池反応温度を水を用いて冷７ＪＩする燃料
電池に係り、特に、電池の長寿命化及び燃料電池プラン
トを補給水不要とげることを図り得る様にした燃料電池
プラント水処理システムに関ザる。

（従来の技術）近年、公害要因が少なくエネルギー変換効率が高い元Ｔ
ｉ装置として、燃料電池の実用化が大きな１１１Ｊ持を
集めており、官民による燃ｆｉｌ電池の開発が強力に推
進されてきている。

この燃料電池は、通常？Ｕｉ界質を含浸したマトリック
スを挟んで一対の多孔質電極を配だすると共に、一方の
電極の背面に氷水等の燃料を接触させ、他方の電極の背
に酸素等の酸化剤を接触さＵ、この時に起こる電気化学
反応を利用して、上記電ＩＩｉ間から電気エネルギーを
取出す様にしたものであり、前記燃料と酸化剤が供給さ
れている限り高いＶｉｌり効率で電気エネルギーを取出
すことができるものである。

第２図は、現在最も研究開発が盛んに行なわれている水
素・酎累型燃料電池プラントのシステム例を表したフロ
ー図である。燃料電池本体１は、燃１！＋　４へ２と酸
素１ｆ！３とからなる。燃料電池の反応により発生する
熱を奪い、反応温度を制御する為、燃料電池本体１（よ
循環する冷ｆＪ］水により冷却される。冷却水系統には
冷却水ＶＪ環ポンプ４、及び冷Ｗ水気木分離器５が備え
られている。冷却水の一部は原水クンクロを経て水処理
装置７へ送られ、水質を向上した後内び燃料電池本体１
へ送られる。

燃料である水素は、改質器８に天然ガス等の炭化水素つ
と水蒸気１０を導入し、下記の化学反応式（例としてメ
タン（ＣＩ−１４＞の場合を示した）で表される改７Ｔ
反応を行なうことにより得られる。

Ｃｌ１ｑ　　　　　＋　　　　１−＋２０　　　　→　
　　３Ｈ２＋　　　Ｃ０次に一酸化炭素変成器１１にお
いて、下記化学反応式で表されるシフト反応を行なうこ
とにより、更に水素を１１１６゜ＣＯ＋　　　　　ｌｌ　　２　０　　　　　→　　　　
Ｈ２４−ＣＯ２改質反応及びシフト反応により、１ｇら
れるガスを改質ガス１２という。改質反応及びシフト反
応の為に過料に加えられた水蒸気１０は、燃料極２への
ガスの湿度が最適となる様に改￥′ｊ装置凝縮器１３及
び改質装置気水分画１器１４にＪ３いて除去され、改質
装置凝縮水１５となる。

一方、酸素極３には、酸化剤として空気１６が導入され
る。改質ガス１２と空気１６は、電気化学的に反応し、
電気を発生し、また、水を精製する。精製した水は、燃
料電池本体１から水蒸気として排出される。燃料極２及
び空気極３の下流には、夫々燃料極凝縮器１７、燃料極
気水分離器１８及び空気極凝縮器１９、空気極気水分離
器２０が備えられ、夫々において、燃料極凝縮水２１及
び空気極凝縮水２２が１９られる。燃わｌ補出ロガス２
３は、改質器８での改質反応に必要な熱を供給する図示
しないバーナの燃料となる。空気極出口ガス２４は、図
示しないターボコンプレッサのタービンへ導入され、動
力回収される。また、２５は、ブラン１−補給水である
原水である。

ところで、燃料電池の冷却方式には、水冷却方式と空気
冷却方式とがある。第２図は水冷ｗ方式の場合を示した
ものである。水冷却方式は、冷ｌＪ水系がコンパクトに
なり、廃熱の利用が容易という特徴を右するが、以下に
述べる燃料電池特有の問題も同時に持っている。

第１に、電池冷却水、の水質が低いと、電食により冷７
」１管が［１詰まりし、発電が不能となる為、電導度０
．４μ？ｌＪ／Ｃｒ７１以下、濁度１０ＰＰＢ以下とい
う超純水レベルの水質が要求される。

第２に、改質装置凝縮水１５には、メタノール等の有機
物が含まれるため、電池冷却水として回収する（こは、
水処夏甲を要する。

これらの２つの問題のうら、まず第１の問題について以
下に述べる。

第３図は、燃料電池本体１の構成例を斜視図にて示した
ものである。同図において、燃料電池の甲電池２６数枚
ｆ６に冷却板２７が挿入されている。

冷却板２７内にｔよ、細い冷却管２８が埋め込まれてい
る。また、各冷却板２７の間には、直列に積層された単
電池２６による電位差があるため、絶縁チューブ２９に
より電気的に絶縁されている・第４図は絶縁チューブ２
９周辺の詳細を断面図にて表したものである。絶縁チュ
ーブ２つの両端の絶縁継手３０ａ、３０ｂの間には、電
位差があるため、リーク電流による電食が起こり、金属
イオンが増加する。そして、冷７Ｊ］水中に金属イオン
、例えば鉄イオン或いは銅イオンが数１０ＰＰＢ以上含
まれていると、絶縁継手３０ａ、３０ｂ端部の細径部に
金属化合物が付看し、この付着物３１により１］詰まり
が生ずる。この１１詰Ｊ：りは、徐々に進行し、この結
果冷却水流量は徐々に減少し、電池の冷ｕ１が充分に行
なわれなくなる。更に発電を継続すると、電池温度は徐
々に上昇し、曳）がで電池温度制御不能となる。電池温
度が上昇り−るど、電池触媒の劣化、電池電解質の然発
による電池スｒ命の７ｊｆ縮、燃料と空気のクロスオー
バーによる電極の焼損が発生し、発電不能と４「る。故
に電池冷却水には、電導度０．４／ｌＵ／ｃｍ、濁Ｉｆ
ｆ　１０　ＰＰＢ以下という高い水質が要求されるが、
この様な高い水質を保持し、１つ長期に渡ってｒＩｔ￥
１することは列しいため、従来、燃料電池の寿命のラエ
１縮及び発電設備の信頼性低下は不可避の問題となって
いた。

次に第２の問題について）ホベる。

前記３種の凝縮木部ら、改質装置凝縮水１５、燃料極凝
縮水２１、空気極凝縮水２２の合二１は、第２図の改質
反応に必要イに水蒸気１０小よりも多い。これは、前記
の改質反応でメタンの水束原子が水素ガスとなり、電池
において水となるためである。１々に、前記３種の凝縮
水を回収して電池冷却水として利用可能ならば、燃料電
池プラントは、補給水が不要となる。

ところが、前記３種の凝縮水は、いずれも電導度が５〜
５０　ＩＩ　Ｕ　／　Ｃｍ　、濁度が５〜１５０ＰＰＢ
であり、電池冷ＫＩ水として使用する航に水処理を要す
る。また、改質槽凝縮水１５には、メタノール等の有機
物が含まれているが、例えばメタノールの場合、酸化に
Ｊ、リギ酸（＋−Ｉ　ＣＯＯト１）となり、配管・機器
を腐蝕する恐れがあり、電池冷却水として使用する前に
水処理を凹する。

第５図に第２図のシステムの電池冷却水系統の概略を示
す。同図にＪ３いて、河川水、地下水害の原水２５は原
水タンク６に貯蔵された後、水処理装置７でろ過・凝集
沈澱・イオン交換・脱炭酸等の処理を受け、純水となり
、燃料電池本体１へ供給される。電池冷却水の一部は、
ブローダウン３２として原水クンクロに戻され、水処理
装置７にて水質を向上した後、燃料電池本体１へ再び供
給される。

改質装置気水分離器１４にＪ３いて１ワられた改質装置
凝縮水１５は、燃料極気水分離器１８及び空気極気水分
離器２０にＪ３いて１ｑられた燃お１極凝縮水２１及び
空気極凝縮水２２と合流し、原水タンク６に回収される
。

同様のシステムを運転した結果、前記３種の凝縮水を回
収すると、電池冷却水水質を電導１η０゜４μぴ／ｃｍ
以下、濁度１０　））　Ｐ　Ｂ以下にまで処理すること
が難しいことが判明した。更に、一定の性能を保持する
ためには、ろ過装置・活性炭の逆洗・交換、イオン交換
樹脂の再生等のメンテナンスを高頻度で実施しなければ
ならないことも判明した。

なお、メタノール等の有機物は、ろ過・凝集沈澱・イオ
ン交換・脱炭酸といった処理方法では除去不可能であり
、他の処理方法が必要である。

従って、従来のシス、テムにおいては、凝縮水を電池冷
却水として回収することは困難であり、電池冷却水の補
給水が必要となるため、特に、水補給の困難な島・砂漠
・山間地・都市等での立地が難しくなってしまう。

（発明が解決しようとづる問題点）上記の様に、従来のシステムにＪ３いては、電池冷却水
の高い水質を維持することや、凝縮水を冷却水として回
収することが不可能であることから、燃わ１電池のか命
の短縮化による信頼性の低下、及び水補給の面から立地
地域が制限される等の問題点を右していた。

本発明は、この様な問題点を解決づるために１呈案され
たもので、その目的は、電池冷ｕ１水の水質を高く維持
し、電池冷却管の目詰まりを防止し、燃料電池を長″Ｒ
命化し、発電設備としての信頼性を向上させ、また、凝
縮水を電池冷却水として使用可能に回収し、燃料電池プ
ラントのプラントとし、水補給が困難な島・砂漠・山間地・都
市での立地を容易にし、更に、改質装置凝縮水に含まれ
るメタノール等の有機物を除去可能として、配管・機器
の腐蝕を防止し得る様な燃料電池ブラント水処理システ
ムを提供することである。

［発明の構成］（問題点を解決づるための手段）本発明の燃料電池プラント水処理シス）−ムは、１次及
び２次の水処理装置を直列に段煮し、水質の低い原水と
回収した凝縮水とを１次水処理装青で１次処理し、この
１次処理水と水質の高いブローダウンを２次水処理装首
で２次処理する様にしたものである。

（作用）本発明（４、以上の様な構成をず了することにより、２
次Ｉｔ　Ｉｌ装置は常に純水のみを処理ザるため、燃料
電池本体へ常に良質の冷却水を供給可能であり、電池冷
ＩＡ質の目詰まりを防止でさ、且つ各種１疑縮水を電池
冷ｆＪｉ水どして使用できる。

また、改’ｌ’Ｊ　装ｆＬｖＩ凝縮水を他の凝縮水と別
系統とし、メタノール等の有機物処理装置で有機物を処
理した後、他の凝縮水及び原水と混合する様にすれば、
改ｆｆｉ　ｇ　’Ｊｌｉ凝縮水を電池冷７ＪＩ水として
使用でさ、メタノール等の有機物により、配管・礪器を
腐蝕する恐れもない。

（実施例）以上説明した様な本発明の一実論例を第１図を用いて具
体的に説明する。

第１図は、本実施例を表す電池冷１（Ｊ水系統の概略フ
ロー図であり、第２図、第５図と同一部分には、同一符
号をイ・１している。同図において、原水２５は、１次
水貯蔵タンク３３に貯蔵された後、１次水処理装謂３４
にてろ過・凝集沈澱・イオン交換・Ｉｌｑ炭酸・吸容の
処理を順次受けて純水３５どなる。純水は、２次水貯蔵
タンク３６に貯蔵された後、２次水処理装置３７にてろ
過・吸容イオン交換・脱気の処理を受け、良質な冷却水
となる。

燃料電池本体１の冷加に使用された冷Ｌ）水の一部は、
ブローグラン３２として２次水貯蔵タンク３６に房され
、純水３５と温合され、再び２次水処理装置３７で処理
を受け、更に、良質な冷ｌＪｌ水となる。

燃ｉｌｌ　を本凝縮水２１及び空気極凝縮水２２は、合
流し、１次水貯蔵タンク３３に戻された後、１次水処理
装置３４で処理さ礼、電池冷却水として回収される。

改質装置凝縮水１５は、燃料極凝縮水２１及び空気極凝
縮水２２と別系統とし、過酸化水素及び紫外線照射装置
を用いたメタノール笠有機物処〕−！装置３８にて、メ
タノール等の有機物を分解した侵、１次水貯蔵タンク３
３に戻され、１次処理装置３４で処理され、電池冷却水
として回収される。

従って、本実施例によれば、２次水処理装置３７は、常
に純水のみを処理するため、燃料電池本体１へ常に良質
の冷！、１１水、即ち、電導度０．４μ？Ｊ／ｃｍ、１
Ｗ３１Ｑ１０ＰＰＢ以下の冷却水を供給することができ
る。故に冷ｕ１木管の目詰まりは防止され、燃料電池の
長寿命化及び長期連続発電運転が可能となり、発Ｍ設備
としての信頼性を向上でさる。、なお、処理水の純度が
増すため、従来に比べてろ過装首・活性炭の逆洗・交換
、イオン交換樹脂の再生秀のメンテナンスの頻度を低減
できる刊点しある。

また、改質装置凝縮水１５中のメタノール等の有機物を
メタノール等有機物処理装置３８にて処理し、３種の凝
縮水を１次水処理装置３４で処理する様にしたことによ
り、電池冷ｆＪ１水として充分に純度の高い水質にて凝
縮水を回収できる。これににす、燃料電池プラントは、
補給水不要のクローズドシスアムとなり、水補給が困５
！ｔ［’、′ｃ島・砂漠・山間部及び都市等の立地が容
易となる。

更に、メタ２ノール四有機物処理装置３８を設置Ｊるこ
とにＪ、す、仮に排水を行なう場合でも、排水の１１カ
化、＋′、Ｃ，的Ｍ　ｌｒ’、　Ｖ２求ｆ社（［３０Ｄ
　）　ハｆｆｔ＜　、！、’ｍ境汚染の恐れはない。

また、２次水処理装置３７は常に純水のみを処理するた
め、フィルターの洗浄・交換、イオン交換樹脂の再生・
交換といった保守の幀度が少ない。

更に、改質装置凝縮水ラインと他の凝縮水ラインを分Ｈ
１シたことにより、メタノール等有機物処理装ｒ１１３
８の容伍を最小限とすることができ、機）Ｓを小型化で
きる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
過酸化水素及び紫外線照射装置を用いたメタノール等有
機物処理装置に代るものとして活性汚泥装置、接触酸化
処理装置Ｎ、次亜塩素酸すトリウム（ＮａＣｌ　Ｏ＞及
びニッケル触媒を用いた処理装置を用いても、メタノー
ル等の有機物を処理することができる。

また、本発明において、回収する凝縮水は、前記のムの
に限定されヂ、例えば、燃料極凝縮水及び空気極凝縮水
のみを回収して冷却水として使用する構成も可能であり
、モの様な場合には、改７１装冒凝縮水のメタノール等
の有機物処理装置を設けむくとら充分な効果をＩ＋′７
られること【よ言うまでもない。

［発明の効果１以上説明した様に、本発明によれば、２塁の水処理装δ
を設置し、上流では原水及び各秤凝縮水の処理を、下流
では上流の処理水及び電池冷却水を処理する様に構成し
たことにより、電池冷ｆＪＩ水の水質を＾く推持して燃
料電池を良スを命化し、発電設圃１としての（３頼性を
向上させ、また、凝縮水を電池冷ｕ１水として使用可能
に回収して燃料電池プラントを補給水不要のプラントと
し、水補給が困難な、θ・砂漠・山間地・都市での立地
を容易にし、更に、改質装置凝縮水に含まれるメタノー
ル等の有機物を除去可能として、配管・Ｉａ器の腐蝕を
防止し１！？る様な優れた燃Ｆｌ電池プラント水処理シ
スｊムを提供でさる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示ず電池冷却水系統のフロ
ー図、第２図は燃料電池プラントのフロー図、第３図は
燃料電池本体の構成例を表した斜視図、第４図は冷却水
系統の絶縁デユープ周辺の詳細を示す断面図、第５図は
第２図の電池冷ｍ水系統の〕１］−図である。１・・・燃料電池本体、２・・・燃２Ｎ極、３・・・空
気極、４・・・冷？、ＩＩ水循環ポンプ、５・・・冷却
水気水分離器、６・・・原水タンク、７・・・水処理装
置、８・・・改質器、９・・・天然ガス等の炭化水素、
１０・・・水蒸気、１１・・・−酸化炭素変成器、１２
・・・改質ガス、１３・・・改質装置凝縮器、１４・・
・改質装置気水分離器、１５・・・改質装置凝縮水、１
Ｇ・・・空気、１７・・・燃料極凝縮器、１８・・・燃
料＊気水分Ｉｔｌｌｌ器、１９・・・空気極凝縮器、２
０・・・空気極気水分離器、２１・・・燃料極凝縮水、
２２・・・空気極凝縮水、２３・・・燃籾極出ロガス、
２４・・・空気極用１］ガス、２５・・・原水、２Ｇ・
・・＋１ｉ電池、２７・・・冷ＩＪＩ板、２８・・・冷
ＪＪｌ管、２つ・・・絶縁チューブ、３０・・・絶縁継
手、３１・・・付着物、３２・・・ブローダウン、３３
・・・１次水貯蔵タンク、３４・・・１次水処理装置、
３５・・・純水、３Ｇ・・・２次水貯蔵タンク、３７・
・・２次水処理装置、３Ｂ・・・メタノール等有機物処
理装置。第　３　図ｚ９第４図ｓ５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）プラント補給水である原水及び各種凝縮水の処理
を行なう上流の１次水処理装置と、この１次水処理装置
における１次処理後の処理水及び電池冷却水を処理する
下流の２次水処理装置とを直列に設置して成ることを特
徴とする燃料電池プラント水処理システム。
（２）各種凝縮水が、回収水にある改質装置凝縮水、燃
料極凝縮水、及び空気極凝縮水である特許請求の範囲第
１項記載の燃料電池プラント水処理システム。
（３）改質装置凝縮水が、燃料極凝縮水及び空気極凝縮
水と別系統とされ、改質装置凝縮水に含まれるメタノー
ル等有機物処理装置で処理した後他の凝縮水及び原水と
混合されるものである特許請求の範囲第２項記載の燃料
電池プラント水処理システム。