KR101325841B1 - 연료 전지용 수처리 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 전지로부터의 회수수를 전기 탈이온 장치에 의해 처리하는 연료 전지용 수처리 장치에 있어서, 전기 탈이온 장치에 유입하는 물로부터 불소를 충분히 제거하도록 개량된 콤팩트하고 일체형인 연료 전지용 수처리 장치가 제공된다. 전기 탈이온 장치(4)의 음극실로부터의 배수가 이송관(18)을 통해 기체 세척실(20)에 도입되는 동시에, 공기가 기체 세척실(20)에 취입되어, 세척된다. 기체 세척된 공기는 탈탄산실(30)의 하부에 취입된다. 탈탄산실(30) 내에 있어서 연료 전지 회수수가 이 공기와 접촉하여 탈탄산된 후, 펌프(62)를 통해 불소 제거실(70, 72, 74), 중금속 제거실(80, 82)을 순차 흘러, 전기 탈이온 장치(4)에 공급된다.

Description

연료 전지용 수처리 장치{WATER TREATMENT APPARATUS FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지로부터의 회수수(回收水)를 전처리 장치 및 전기 탈이온 장치에 의해 처리하는 연료 전지용 수처리 장치에 관한 것이며, 특히 연료 전지가 고체 고분자형 연료 전지인 경우에 적합한 연료 전지용 수처리 장치에 관한 것이다.
연료 전지로부터 배출되는 응축수 등의 물을 회수하여 처리하고, 연료 개질(改質) 장치(수증기 개질 장치)의 수원 등으로서 이용하기 위해, 이 회수수를 전기 탈이온 장치로 처리하는 것이 일본 공개 특허 평9-161833호 공보, 일본 공개 특허 제2001-232394호 공보 등에 기재되어 있다. 일본 공개 특허 제2001-232394호 공보에 있어서는, 연료 전지는 고체 고분자형 연료 전지이다. 이 고체 고분자형 연료 전지에 있어서는, 고체 전해질로서 불소계 양이온 교환막이 이용되고 있고, 연료 전지 배수중에는 미량의 불소 이온이 포함된다.
일본 특허 공개 제2001-232394호 공보의 제0029 단락과 같이, 전기 탈이온 장치의 전단에 설치한 RO 장치에 의해 용해 이온 성분의 약 90%가 제거되지만, 그래도 약간의 불소 이온이 RO 장치를 통과하여 전기 탈이온 장치에 유입되고, 전기 탈이온 장치의 이온 교환체를 열화시킬 우려가 있다.
종래의 전기 탈이온 장치는, 전극(양극과 음극)끼리의 사이에 복수의 양이온 교환막과 음이온 교환막을 교대로 배열하여 탈염실과 농축실을 교대로 형성하고, 탈염실에 이온 교환 수지를 충전한 구성을 갖는다. 이 전기 탈이온 장치에 있어서는 양극, 음극간에 전압을 인가하면서 탈염실에 피처리수를 유입시키는 동시에, 농축실에 농축수를 유통시켜 피처리수 중의 불순물 이온을 제거하고, 탈이온수를 제조한다(예컨대 일본 특허 공개 평10-43554호공보).
종래의 전기 탈이온 장치는, 음극과 양극 사이에 복수의 탈염실과 농축실을 교대로 형성한 것이기 때문에, 음극과 양극 사이의 전기 저항이 크고, 양극간의 인가 전압이 높다. 또한, 구조가 복잡하고, 제작에 시간이 걸린다.
종래의 전기 탈이온 장치의 엔드 플레이트나 프레임을 합성 수지제로 하는 경우, 이 합성 수지는 폴리프로필렌이나 염화비닐 등 내열성이 낮은 것이었다. 이 때문에 비교적 온도가 높은 지점(예컨대, 연료 전지의 인접 부위)에 배치할 수 없었다.
본 발명은, 전기 탈이온 장치와 전(前)처리 장치가 일체로 된 매우 콤팩트한 연료 전지용 수처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 전지용 수처리 장치는, 연료 전지로부터 회수된 회수수를 전처리 장치로 전처리한 후, 전기 탈이온 장치로 탈이온 처리하는 연료 전지용 수처리 장치에 있어서, 이 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치가 대략 동일한 두께 및 높이의 직사각형의 상자형으로 구성되고, 이 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치가 병렬 배치되어 연결됨으로써, 전체적으로 직사각형의 상자형으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 본 발명의 연료 전지용 수처리 장치에 있어서는, 전처리 장치 및 전기 탈이온 장치가 전체적으로 직사각형의 상자형으로 되어 있고, 소형으로 콤팩트한 것이 된다.
도 1은 실시형태에 따른 연료 전지용 수처리 장치의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지용 수처리 장치의 아래쪽으로부터 본 상태의 사시도이다.
도 3은 도 2의 케이싱의 프론트 커버를 개방한 상태의 사시도이다.
도 4는 도 3으로부터 불소 흡착 수지 및 금속 흡착 수지를 제거한 상태의 사시도이다.
도 5는 도 4의 구성을 도시하는 정면도이다.
도 6a 및 도 6b는 기체 세척실내의 프레임의 사시도이다.
도 7은 도 5 선 VII-VII를 따라 취한 단면도이다.
도 8은 탈탄산실내의 굴절판의 사시도이다.
도 9는 충전물의 모식적인 사시도이다.
도 10은 실시형태에 따른 전기 탈이온 장치의 개략적인 종단면도이다.
도 11은 도 10의 전기 탈이온 장치를 도시하는 개략적인 분해 사시도이다.
도 12는 도 10의 전기 탈이온 장치를 도시하는 개략적인 분해 사시도이다.
도 13은 도 10의 전기 탈이온 장치를 도시하는 개략적인 분해 사시도이다.
도 14는 음극측의 유로 형성판의 사시도이다.
본 발명의 일 형태에서는 전처리 장치가, 상류측으로부터 순차 배치된 탈탄산 장치, 불소 흡착 장치 및 금속 흡착 장치로 이루어지는 수처리부를 구비하는 동시에, 또한 이 수처리부에 통수(通水)하기 위한 펌프와, 이 수처리부 및 펌프를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 이들의 수처리부, 펌프 및 제어 장치가 직사각형의 상자형 케이싱 내에 배치되어 있다. 이 연료 전지용 수처리 장치는, 고기능으로 소형이면서 콤팩트하다.
이 형태의 연료 전지용 수처리 장치는, 연료 전지 회수수를 탈탄산 처리, 불소 제거 처리 및 금속 불소 제거 처리한 후, 전기 탈이온 장치로 처리함으로써, 고수질의 처리수를 생산할 수 있다. 이 처리수는 연료 전지용 연료 개질 등에 적합하다. 이 연료 전지용 수처리 장치에 있어서는, 불소가 제거되기 때문에, 전기 탈이온 장치의 이온 교환 수지의 열화가 방지된다.
다른 일 형태의 연료 전지용 수처리 장치에 있어서, 탈탄산 장치는 원수(原水)중에 기체를 취입하여 탈탄산 처리하는 것이며, 이 기체를 세척하기 위한 기체 세척 장치가 상기 케이싱 내에 배치되어 있고, 이 기체 세척 장치는, 상기 전기 탈이온 장치의 배수(排水)를 받아들여, 이 배수와 기체를 접촉시켜 세척하도록 구성되어 있다.
이 탈탄산 처리는, 원수중에 기체를 취입하도록 하여 행해지는 것이고, 구성 이 간이하다. 또한 이 탈탄산 처리에 이용되는 기체는, 물로 세척되고, 공기(대기)중의 더스트가 제진 처리된 것이기 때문에, 탈탄산 처리수를 오염시키지 않는다.
이 기체 세척 처리는, 전기 탈이온 장치 배수와 기체를 접촉시키는 것이며, 전기 탈이온 장치의 배수를 유효하게 활용할 수 있다.
본 발명의 연료 전지용 수처리 장치에서는, 불소 흡착부 및 금속 흡착부가 이 케이싱에 설치된 구획판에 의해 구획 형성되어 있는 동시에, 이들 불소 흡착부 및 금속 흡착부의 물의 유로가, 상기 케이싱 내에 설치된 칸막이판을 따라 연속되어 있는 구성으로 하여도 좋다. 이 구획판 및 칸막이판은 내열성 합성 수지로 이루어져도 좋다.
본 발명의 연료 전지용 수처리 장치는, 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치에, 양자의 대면부에 각각 물 유통용 포트가 설치되어 있고, 이 전기 탈이온 장치와 전처리 장치가 연결됨으로써 양자의 이 포트가 대면하여 연통되어 있어도 좋다.
이 경우, 탈이온 처리부와 이 포트를 연통하기 위한 수로가 설치되어 있고, 이 수로에 유량 조정 부재가 설치되어도 좋다. 이 수로에 수질 측정용 전극이 설치되어 있어도 좋다.
이 전기 탈이온 장치는, 각각 플레이트에 유지된 음극과 양극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 배치되고, 음극측에 배치된 양이온 교환막과 양극측에 배치된 음이온 교환막 사이에, 주위가 프레임으로 둘러싸인 탈염실이 설치된 것이어도 좋다. 음극측으로부터 양극측을 향해 제1 양이온 교환막과, 음이온 교환막 과, 제2 양이온 교환막이 이 순서로 배치되고, 이 음극과 제1 양이온 교환막 사이가 농축실 겸 음극실이 되며, 제1 양이온 교환막과 이 음이온 교환막 사이가 탈염실이 되고, 이 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이가 농축실이 되며, 이 제2 양이온 교환막과 이 양극 사이가 양극실이 되어 있어도 좋다.
이 전기 탈이온 장치는, 탈염실이 1실이면서, 탈염실의 양측에는 각각 농축실과 음극실 겸 농축실이 배치되어 있기 때문에, 전극간 거리가 작고, 전극간의 인가 전압이 낮다. 이 전기 탈이온 장치는 탈염실이 1실이며, 단위 시간당 생산 수량이 적지만, 소형 연료 전지에는 충분히 실용할 수 있다.
이 전기 탈이온 장치는, 2개의 프레임과 2개의 양이온 교환막 및 1개의 음이온 교환막을 한 쌍의 플레이트 사이에 협지함으로써 조립할 수 있고, 구조 및 조립이 간단하다.
이 전기 탈이온 장치의 플레이트 및 프레임은 내열성 합성 수지제여도 좋다. 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치의 직사각형의 상자형 케이싱이 내열성 합성 수지로 이루어져도 좋다. 이와 같이 구성된 전기 탈이온 장치는, 비교적 온도가 높은 지점에 배치하여도 플레이트 및 프레임 등의 변형, 또는 이들로부터의 성분의 용출 등이 방지된다.
내열성 합성 수지는, 신디오택틱 폴리스티렌(SPS) 또는 폴리아세탈 수지여도 좋다.
이하, 도면을 참조하여 바람직한 형태에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 연료 전지용 수처리 장치의 흐름도이다. 연료 전지의 응축수 등의 회수수는 탈탄산 장치(1), 불소 흡착 제거 장치(2), 금속 제거 장치(3) 및 전기 탈이온 장치(4)에 의해 처리되고, 전기 탈이온 장치(4)로 생성하는 탈이온수가 연료 개질기 등에 공급된다.
이 실시형태에서는, 탈탄산 장치(1)는 공기 폭기(曝氣) 방식의 것이다. 폭기용 공기는 기체 세척 장치(5)중에서 버블링되어 정화 처리된 후, 탈탄산 장치(1) 내의 수중에 취입된다. 이 기체 세척 장치(5)에는 전기 탈이온 장치(4)의 농축실 또는 전극실로부터의 배수가 도입되어 있다. 이 기체 세척 장치(5)의 배수는 계외(系外)로 배출된다.
이 기체 세척 장치(5)의 적합한 형태는 뒤에 상술한다.
이 탈탄산 장치(1)는, 후술의 도 8에 도시하는 대략 나선형의 굴절판(32)과, 이 굴절판(32)의 나선형 유로에 충전된 충전재를 구비한 것이다. 이 구성에 대해서도 뒤에 상술한다.
이 연료 전지용 수처리 장치에 있어서는, 연료 전지 회수수로부터 불소가 불소 흡착 제거 장치(2)에 의해 고도로 흡착 제거되기 때문에, 전기 탈이온 장치(4)의 이온 교환체가 불소에 의해 열화되는 것이 방지되고, 장기에 걸쳐 안정적으로 연료 전지 배수의 처리를 행하며, 연료 개질 장치의 수원 등으로서 이용할 수 있다.
또한, 탈탄산 장치(1)는 굴절판 및 충전재로 이루어지는 것이며, 소형이면서 탈탄산 특성에 우수하다. 이 때문에 전기 탈이온 장치(4)의 부하가 작다.
이 탈탄산 장치(1)에 공급되는 기체(공기)는, 기체 세척 장치(5)로 제진 처 리되어 있고, 원수(회수수)가 오염되는 것이 방지된다. 이 기체 세척 장치(5)는, 전기 탈이온 장치(4)의 배수에 의해 세척하는 것이며, 전기 탈이온 장치(4)의 배수가 유효하게 재이용된다.
이 연료 전지용 수처리 장치에 있어서는, 불소 흡착 제거 장치(2)로부터 세륨이온, 알루미늄이온 등의 금속 이온이 용출되어도, 금속 제거 장치(3)에 의해 제거된다. 이 때문에 전기 탈이온 장치(4)의 이온 교환체의 성능을 장기간에 걸쳐 높게 유지하는 것이 가능해진다.
다음에, 상기 기체 세척 장치, 탈탄산 장치, 불소 흡착 제거 장치 및 금속 제거 장치가 케이싱 내에 배치되어 이루어지는 전처리 장치와, 이 전처리 장치에 부설된 전기 탈이온 장치(4)를 구비하여 이루어지는 연료 전지용 수처리 장치에 대해서 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
도 2는, 이 연료 전지용 수처리 장치의 하측으로부터 본 상태의 사시도, 도 3은 이 케이싱의 프론트 커버를 개방한 상태의 사시도, 도 4는 도 3으로부터 불소 흡착 수지 및 금속 흡착 수지를 제거한 상태의 사시도, 도 5는 도 4의 구성을 도시하는 정면도, 도 6은 기체 세척실내의 프레임의 사시도, 도 7은 도 5의 선 VII-VII을 따라 취한 단면도, 도 8은 탈탄산실내의 굴절판의 사시도, 도 9는 충전물의 모식도이다.
이 연료 전지용 수처리 장치는, 상기한 바와 같이, 탈탄산 장치(1)를 갖는 직사각형의 상자형 전처리 장치(10)와, 직사각형의 상자형 전기 탈이온 장치(4)를 일체화한 것이다. 이 전처리 장치(10)의 케이싱(12)은 얕은 직사각형의 상자형의 것이고, 정면에 프론트 커버(14)가 부착되어 있다. 전처리 장치(10)의 높이 및 깊이와 전기 탈이온 장치(4)의 높이 및 깊이는 동일하며, 이들의 연결체는 전체적으로 직사각형의 상자형으로 되어 있다.
이 케이싱(12)은, 유리섬유를 혼입시킨 SPS(신디오택틱 폴리스티렌제)로 되어 있지만, 재료는 이것에 한정되지 않는다.
도 4, 도 5와 같이, 전기 탈이온 장치(4)의 농축실 겸 음극실로부터의 배수가 이송관(18)을 통해 기체 세척실(20)에 도입되고, 공기의 세정이 행해진다. 다른 한 쪽의 이송관(18)의 선단은, 케이싱(12)의 측벽면을 관통하여, 케이싱(12)의 측외면에 개방되어 있다.
다음에, 도 6을 참조하여 기체 세척실(20)의 구성에 대해서 상세히 설명한다. 도 6a, 도 6b는 서로 반대 방향으로부터 본 사시도이다. 도 6b에서는 기체 세척실(20) 내에 체류하고 있는 물이 나타나 있다.
이 기체 세척실(20)은, 케이싱(12)에 일체로 설치된 한 쌍의 상하 방향의 구획판(20a, 20b)(도 5) 사이에 형성되어 있다.
이 기체 세척실(20) 내에는, 에어 펌프(도시 생략)로부터 보내져 온 공기가 에어 튜브(21)를 통해 취입된다. 이 기체 세척실(20) 내에는 프레임(22)이 설치되어 있다. 이 프레임(22)은 둘레 프레임부(23), 현수판(24), 기립판(25)을 구비하고, 중앙실(26), 물 유출실(27), 및 공기의 유출실(28)이 형성되어 있다. 튜브(21)의 말단은 이 중앙실(26) 내에 삽입되어 있다. 물은 상기 이송관(18)을 통해 중앙실(26)에 도입된다. 중앙실(26)과 물 유출실(27) 사이에, 둘레 프레임 부(23)의 윗변으로부터 내려져 있는 현수판(24)이 설치되어 있고, 중앙실(26) 내의 물은 이 현수판(24)의 하단을 돌아 들어가 물 유출실(27)에 유체 이송되며, 이 물 유출실(27)의 상부로부터 일류구(溢流口)(29)를 통해 케이싱(12) 밖으로 유출된다. 중앙실(26) 및 물 유출실(27) 내에는, 이 일류구(29)의 하측 가장자리 레벨에까지 물이 저장되어 있고, 튜브(21)의 하단은 이 수중에 잠겨있다.
중앙실(26)과 공기 유출실(28)은, 둘레 프레임부(23)의 밑변으로부터 기립하는 기립판(25)에 의해 구획되어 있다.
튜브(21)로부터 수중에 취입된 공기는, 수면으로부터 이탈한 후, 이 기립판(25)의 상단을 돌아 들어가 공기 유출실(28)에 유입되고, 상기 공기 도입구(31)를 통해 탈탄산실(30) 내에 취입되며, 탈탄산에 이용된다.
기체 세척실(20)에서 세정된 공기는, 공기 도입구(31)로부터 탈탄산 장치가 설치된 탈탄산실(30)에 도입되고, 세정에 제공된 물은 케이싱(12)의 배면에 마련된 유출 구멍(도시 생략)으로부터 유출되며, 폐기된다.
이 탈탄산실(30) 내의 탈탄산 장치는, 대략 나선형의 굴절판(32)과, 충전물로 이루어진다. 탈탄산실(30) 내의 상부에는, 케이싱(12)의 배면 또는 상면의 피처리수 도입구(도시 생략)로부터 피처리수가 도입되어 있다. 탈탄산실(30) 내에 있어서, 공기 도입구(31)로부터의 공기가 굴절판(32) 둘레를 돌면서 올라가, 피처리수와 접촉하고, 탈탄산을 행한다.
굴절판(32)의 나선형 통로(34) 내에는 도 9에 모식적으로 도시하는 합성 수지 또는 금속제 와이어를 얽히게 한 랜덤의 삼차원 구조의 충전물(33)이 충전되고, 공기가 천천히 미세하게 분단되면서 굴절판을 따라 상승하여, 충분히 탈탄산이 되도록 구성되어 있다. 이 와이어의 직경은 0.05 내지 0.5 mm 정도가 적합하다. 충전물의 와이어간의 통로의 평균 직경은 2 내지 10 mm 특히 3 내지 7 mm 정도가 적합하다.
이 굴절판(32)은, 금속판에 슬릿을 넣어 절곡한 것을 다단 나선형으로 용접 등으로 연결한 것이나 신디오택틱 폴리스티렌 등의 플라스틱으로 일체 성형한 것이고, 나선의 축심부에는 가늘고 긴 칸막이판이 세로로 통과되어 있다. 나선의 1단당 높이는 5 내지 10 mm 정도가 적합하다.
이 실시형태에서는, 탈탄산실(30)이 직사각형상이기 때문에 굴절판(32)의 각 단을 구성하는 금속판(또는 플라스틱)이 사각형상으로 되어 있지만, 탈탄산실이 원통형이면, 굴절판은 스크류 나사형이 된다. 또한 본 명세서중에 있어서, 대략 나선형이란, 수학적인 나선 구조에 한하지 않고, 본 실시예와 같은 굴절형이나 이와 유사한 다각형적인 것, 더 나아가서는 절첩단형의 것을 포함한다.
또한, 탈탄산실(30)의 높이가 100 mm, 깊이 및 폭이 50 mm이며, 도시한 바와 같이 7단의 굴절판(32)이 배치되고, 평균 개구 직경이 약 5 mm의 충전물을 굴절형 유로에 충전하여 이루어지는 탈탄산 장치에, 수온 5℃, 탄산 농도 80 ppm의 물을 40 mL/min으로 통수하고, 공기를 2000 mL/min으로 산기한 바, 처리수의 탄산 농도는 10 ppm 이하가 되는 것이 확인되었다.
탈탄산 처리된 물은, 이 탈탄산실(30)로부터 유체 이송구(36)(도 5)를 통해 중계실(40)(도 4, 도 7)에 유입하고, 이 중계실(40)로부터 유체 이송구(42)(도 7) 를 통해 저수실(50)에 유입한다. 도 7과 같이, 이 중계실(40)은 저수실(50)의 배후측에 상하 방향으로 연결되어 있다. 이 중계실(40)의 상부에 물의 유체 이송구(42)가 마련되어 있다.
탈탄산실(30) 내의 수위는, 이 유체 이송구(42)의 하측 가장자리의 높이가 된다. 탈탄산실의 수위 높이는, 실제 높이의 50% 이상이다.
저수실(50) 내에는, 수위를 검지하기 위한 플롯 스위치(52, 54)가 설치되어 있다. 이 플롯 스위치(52, 54)가 모두 OFF인 경우에는, 다음에 설명하는 펌프(62)가 정지된다.
이 펌프(62) 및 그 모터(64)를 설치한 펌프 설치실의 배후측은 이중 바닥형으로 되어 제어 회로 설치실(도시 생략)이 형성되고, 이 제어 회로 설치실내에 모터(64)나 전기 탈이온 장치(4)의 제어 회로를 탑재한 회로 기판(도시 생략)이 설치되어 있다.
이 펌프(62)는, 전기 탈이온 장치(4) 등의 차압이 상승하여도 유량이 저하되지 않도록 하기 위해, 용적식 펌프로 되어 있다.
저수실(50) 내의 물은, 튜브(60), 모터(64)에 의해 구동되는 펌프(62) 및 튜브(66)를 통해 제1 불소 제거실(70)의 하부에 도입되고, 이 제1 불소 제거실(70) 내를 상승한다. 계속해서, 물은 이 불소 제거실(70)의 상부로부터 유체 이송관(71)을 통해 제2 불소 제거실(72)의 상부에 도입되고, 이 제2 불소 제거실(72) 내를 하강한다. 계속해서, 유체 이송구(73)를 통해 제3 불소 제거실(74)의 하부에 도입되고, 이 제3 불소 제거실(74) 내를 상승한다.
각 불소 제거실(70, 72, 74) 내에는 불소 흡착 수지(76)(도 3)가 충전되어 있고, 불소 이온이 흡착 제거된다. 불소 흡착 수지 대신에 규산알루미늄 등의 불소 흡착능을 갖는 알루미늄 화합물을 이용할 수도 있다.
제3 불소 제거실(74) 내의 상부에 도달한 물은, 유체 이송구(78)로부터 제1 금속 제거실(80)의 상부에 유체 이송하고, 이 제1 금속 제거실(80) 내를 하강한다. 계속해서, 유체 이송구(81)로부터 제2 금속 제거실(82)의 하부에 유입하고, 이 제2 금속 제거실(82) 내를 상승한다. 이 제2 금속 제거실(82)의 상부에 도달한 물은, 유체 이송구(84)를 통해 전기 탈이온 장치(4)에 도입된다. 또한 도시하지 않지만, 이 유체 이송구(84)를 덮도록 정밀 여과막이 배치되어, 수지의 파편이 전기 탈이온 장치(4)에 유입되지 않도록 구성되어 있다.
각 금속 제거실(80, 82)에는 금속 흡착 수지(86)가 충전되어 있고, 금속 이온이 흡착 제거된다.
이 전처리 장치(10)에 의해 탈탄산, 불소 제거 및 금속 제거된 물이 유체 이송구(84)를 통해 전기 탈이온 장치(4)에 도입된다.
이 케이싱(10) 내에는, 각 제거실(70, 72, 74, 80, 82)을 구획 형성하기 위해 칸막이판(90, 92, 94, 96, 98)이 상하 방향으로 연결되어 있고, 각 제거실(70, 72, 74, 80, 82)은 상하 방향으로 연장되어 있다.
칸막이판을 설치하여 각 제거실(70, 72, 74, 80, 82)을 상하로 가늘고 길게 연결함으로써, 통수선(通水線)속도를 예컨대 LV3(h-1)으로 높일 수 있다. 이에 따 라, 수지(76, 86)와 물과의 접촉 효율이 높아지고, 이온 제거 성능이 향상한다.
칸막이판은 케이싱(12)과 일체로 사출 성형하여도 좋고, 케이싱(12)에 별도 부착하여도 좋다.
튜브(66)는 칸막이판(90)을 관통하고 있고, 유체 이송관(71)은 칸막이판(92)을 관통하고 있다. 유체 이송구(73, 78, 81)는 칸막이판(94, 96, 98)에 마련되어 있다. 유체 이송구(84)는 케이싱(12)의 측벽에 형성되어 있다.
다음에, 전기 탈이온 장치(4)의 구성에 대해서 도 10 내지 도 15를 참조하여 상세히 설명한다.
이 전기 탈이온 장치는, 양극과 음극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막을 배열하여 탈염실과 농축실을 형성하고, 탈염실에 이온 교환체를 충전한 구성의 것이다. 또한 양극실과 음극실이 각각 독립적으로 설치되어도 좋지만, 이 실시형태에서는, 음극실이 농축실을 겸용하고 있다.
도 10은 이 전기 탈이온 장치의 모식적인 종단면도, 도 11은 이 전기 탈이온 장치의 분해 사시도, 도 12 및 도 13은 이 전기 탈이온 장치의 일부의 확대 분해 사시도, 도 14는 음극측의 유로 형성판의 사시도이다.
도 12, 도 13에서는 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 도시가 생략되어 있다.
도 10에 개략적으로 도시되는 바와 같이, 이 전기 탈이온 장치(4)에 있어서는, 음극(101)과 양극(102) 사이에, 각각 내열성의 제1 양이온 교환막(103)과, 음이온 교환막(104)과, 제2 양이온 교환막(103')을 1개씩 배치하고, 음극(101)과 제1 양이온 교환막(103) 사이에 농축실 겸 음극실(105)을 형성하며, 제1 양이온 교환막(103)과 음이온 교환막(104) 사이에 탈염실(107)을 형성하고, 음이온 교환막(104)과 제2 양이온 교환막(103') 사이에 농축실(110)을 형성하며, 제2 양이온 교환막(103')과 양극(102) 사이에 양극실(106)을 형성하고 있다.
음극(101) 및 양극(102)은 내열성 합성 수지제(바람직하게는 SPS제)의 플레이트(120, 150)에 유지되고, 탈염실(107) 및 농축실(110)의 주위는 내열성 합성 수지제(바람직하게는 SPS제)의 프레임(130, 140)에 의해 둘러싸여 있다.
농축실(110)에는 음이온 교환 수지(도시 생략)가 충전되어 있고, 농축실 겸 음극실(105) 및 양극실(106)에는 각각 양이온 교환 수지(도시 생략)가 충전되어 있다. 이 농축실 겸 음극실(105), 농축실(110) 및 양극실(106)에 충전되는 이온 교환 수지는 음이온 교환 수지나 음이온 교환 수지와 양이온 교환 수지를 혼합한 것이어도 좋다. 탈염실(107)에는 양이온 교환 수지와 음이온 교환 수지가 혼합 상태로써 충전되어 있다.
탈염실(107)의 일단측에는 원수의 유입구가 마련되고, 타단측에는 탈이온수의 유출구가 마련되어 있다. 탈이온수의 일부는 분취되고, 양극실(106)에 도입된다. 양극실(106)의 유출수는 농축실(110)에 그 일단측으로부터 유입하고, 타단측으로부터 유출한다. 농축실(110)의 유출수는, 농축실 겸 음극실(105)에 그 일단측으로부터 유입하고, 타단측으로부터 배수로서 배출된다.
음극(101)과 양극(102) 사이에 전압을 인가한 상태로써 원수로서 전처리 장치의 유체 이송구(84)(도 4, 도 5 참조)로부터의 물을 탈염실(107)에 도입하면, 원 수중의 양이온은 제1 양이온 교환막(103)을 투과하고, 음극 전극수에 혼입하여 배출된다. 원수중의 음이온은 음이온 교환막(104)을 투과하여 농축실(110)에 이동하고, 농축실 유출수에 혼입하여 농축실 겸 음극실(105)을 경유하여 배출된다.
이 전기 탈이온 장치에 있어서는, 음극(101)과 양극(102) 사이에 각각 1개의 농축실 겸 음극실(105), 탈염실(107), 농축실(110) 및 양극실(106)만이 배치되어 있고, 음극(101)과 양극(102)의 거리가 작다. 이 때문에 전극(101, 102)간의 인가 전압이 낮아도 충분히 전극(101, 102)간에 전류를 흘려 탈이온 처리할 수 있다.
탈염실내의 Cl-는 농축실(110)에만 이동하고, 양극실(106)에는 이동하지 않는다. 이 때문에 양극실(106) 내의 Cl- 농도는 탈이온수중에 존재하는 Cl-으로만 되고, 양극실(106)에서 양극 산화에 의해 생기는 Cl2가 현저하게 적다. 이 때문에 양극실(106) 내의 양이온 교환 수지(108)나, 양극실(106)을 향하는 제2 양이온 교환막(103')의 열화가 방지된다.
음극실이 농축실을 겸하고 있기 때문에, 음극실내의 전극수의 전기 전도도가 높다. 이에 의해서도 전극(101, 102)간의 인가 전압이 낮아도 전극(101, 102)간에 충분히 전류를 흘리는 것이 가능해진다.
농축실 겸 음극실(105), 농축실(110) 및 양극실(106)에서의 통수 방향은 탈염실(107)과 병류 통수라도 향류(向流) 통수라도 좋지만, 상승류 통수인 것이 바람직하다. 이것은, 각 실(105, 106)에는 직류 전류에 의해 H2나 O2, 경우에 따라서는 소량의 Cl2 등의 기체가 발생하기 때문에, 상승류로 통수하여 기체의 배출을 촉진시켜 편류를 막기 위해서이다.
다음에, 도 11 내지 도 13을 참조하여 각 플레이트 및 프레임의 구성에 대해서 설명한다. 플레이트(120, 150)는 양이온막(103, 103')에 대치하는 쪽의 판 중앙부가 오목한 오목부로 되어 있고, 이 오목부 바닥면에 박판, 필름형 내지는 막상의 음극(101) 또는 양극(102)이 설치되어 있다. 이 오목부 내가 농축실 겸 음극실(105) 또는 양극실(106)로 되어 있다.
프레임(130, 140)은 프레임형이며, 프레임의 내측이 탈염실(107) 또는 농축실(110)로 되어 있다. 프레임(130, 140)에는 각 실(107, 110)로부터 상하로 연장하는 오목부(131, 132 및 141, 142)가 마련되어 있다.
이 실시형태에서는, 플레이트(120, 150)의 외측에 유로 형성판(160, 170)이 배치되어 있다.
유로 형성판(160), 플레이트(120) 및 양이온막(103)의 상부에는, 원수를 탈염실(107)에 도입하기 위한 원수 도입 구멍(161, 121, 103a)이 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다. 이들의 구멍(161, 121, 103a)은 동축형이면서, 프레임(130) 상부의 오목부(131)에 중첩되도록 마련되어 있다.
양이온막(103), 플레이트(120) 및 유로 형성판(160)의 하부에는 탈염실(107)로부터 탈이온수를 취출하기 위한 구멍(103b, 122, 162)이 동축형이면서, 프레임(130)의 하부의 오목부(132)에 중첩되도록 마련되어 있다.
유로 형성판(160), 플레이트(120), 양이온막(103), 프레임(130), 음이온막(104), 프레임(140), 양이온막(103'), 플레이트(150) 및 유로 형성판(170)에는, 탈이온수의 일부를 분취하여 양극실(106)에 유도하기 위해, 서로 동축형으로 구멍(163, 123, 103c, 133, 104c, 143, 103'c, 153, 173)이 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다. 플레이트(150) 및 유로 형성판(170)의 하부에는, 이 탈이온수를 양극실(106)에 유도하기 위한 구멍(155, 175)이 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다. 구멍(155)은 양극실(106)을 향하고 있다. 유로 형성판(170)의 외향판면에는 구멍(173, 175)을 연통하는 홈(174)이 마련되어 있다.
플레이트(150) 및 유로 형성판(170)의 상부에는, 양극실 유출수를 취출하기위한 구멍(156, 176)이 동축에 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다. 유로 형성판(170)의 외향판면에는, 이 구멍(176)과, 하부에 마련된 구멍(178)을 연통하기 위한 홈(177)이 마련되어 있다. 프레임(140), 양이온막(103') 및 플레이트(150)에는, 이 구멍(178)과 동축에 구멍(148, 103'd 및 158)이 동축형으로 마련되어 있다. 구멍(148)은 프레임(140) 하부의 오목부(142)로 향하고 있다.
프레임(140) 상부의 오목부(141)를 향하여, 농축실 배수를 유출시키기 위한 구멍(149)이 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다.
음이온막(104), 프레임(130), 양이온막(103), 플레이트(120) 및 유로 형성판(160)의 상부에는, 이 농축실 배수를 취출하기 위한 구멍(104e, 139, 103e, 129, 169)이 이 구멍(149)과 동축에 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다.
유로 형성판(160)의 하부에는, 이 농축실 배수를 농축실 겸 음극실(105)에 유도하기 위한 구멍(167, 127)이 동축에 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다.
플레이트(120) 및 유로 형성판(160)의 상부에는, 농축실 겸 음극실(105)로부터 배수를 유출시키기 위한 구멍(128, 168)이 동축에 두께 방향으로 관통하여 마련되어 있다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 유로 형성판(160)의 외향면에는, 탈염실(107)로부터의 탈이온수의 취출용 구멍(162)에 연속되는 유로홈(이하, 홈으로 약칭)(180)이 마련되어 있다. 이 홈(180)은 위쪽으로 상승하고, 도중에 홈(181, 182)에 분기되어 있다. 홈(181)은 하향으로 연장되고, 그 하단은 구멍(163)에 연통되어 있다.
홈(182)은, 홈(180)을 연장하도록 위쪽으로 연장하고, 유로 형성판(160)의 상단 근방에까지 도달하고 있다. 이 홈(183)의 상단과 유로 형성판(160)의 측면은 탈이온수의 취출용 작은 구멍(183)을 통해 연통되어 있다.
또한, 이 홈(180) 도중에는, 탈이온수의 수질(이 실시형태에서는 전기 전도도)을 측정하기 위한 전극(184)이 설치되어 있다. 홈(181 및 182)에는, 각각 유량 조정용 오리피스(185, 186)가 설치되어 있다.
유로 형성판(160)의 외향면에는, 농축실 유출수를 구멍(169)으로부터 구멍(167)으로 유도하기 위한 홈(189)이 상하 방향으로 연결되어 있다.
이들의 유로 형성판(160, 170), 플레이트(120, 150), 프레임(130, 140) 및 막(103, 103', 104) 적층체의 양측에 스테인리스제의 외측 플레이트(191, 192)(도 2 참조)가 배치되고, 볼트(도시 생략)에 의해 강하게 체결됨으로써, 전기 탈이온 장치(4)가 완성된다. 각 홈(175, 177, 180 내지 183, 189)에 외측 플레이트(191 또는 192)가 중복됨으로써, 각 홈이 유로가 된다.
또한, 음극측의 외측 플레이트(191)에는, 상기의 구멍(161, 168)과 각각 동축에 원수 도입용 구멍과 배수 취출용 구멍(도시 생략)이 마련된다. 이 원수 도입용 구멍은 상기 케이싱(12)의 유체 이송구(84)와 동축 배치되어 있고, 케이싱(12)과 전기 탈이온 장치(4)가 연결되었을 때에 연통한다. 배수 취출용 구멍은, 케이싱(12)의 이송관(18)의 선단면과 동축 배치되어 있고, 케이싱(12)과 전기 탈이온 장치(4)가 연결되었을 때에 연통한다.
각 구멍 및 홈을 흐르는 물의 흐름에 대해서 개략적으로 설명하면, 다음과 같다.
유체 이송구(84)로부터의 원수(전처리된 물)는, 구멍(161, 121, 103a), 탈염실(107), 구멍(103b, 122, 162), 홈(180)의 순으로 흘러 탈이온수가 된다. 그 일부(예컨대 50 내지 98%)는 홈(182), 작은 구멍(183)을 통해 취출되고, 연료 전지에 공급된다. 나머지부는 홈(181), 구멍(163, 123, 103c, 133, 104c, 143, 103'c, 153, 173), 홈(174), 구멍(175, 155), 양극실(106), 구멍(156, 176), 홈(177), 구멍(178, 158, 103'd, 148), 농축실(110), 구멍(149, 104e, 139, 103e, 129, 169), 홈(189), 구멍(167, 127), 농축실 겸 음극실(105), 구멍(128, 168) 순으로 흐르고, 상기 이송관(18)에 보내진다. 이와 같이 하여, 상기 도 10에 도시한 바와 같이 물이 흐르게 된다.
상기 실시형태는 본 발명의 일례이며, 본 발명은 도시 이외의 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 상기 실시형태에 있어서는 전기 탈이온 장치(4)의 배수를 기체 세척실(20)에 공급하고 있지만, 연료 전지 시스템에 있어서 발생하는 응축물을 공급하도록 하여도 좋다.

Claims (15)

  1. 연료 전지로부터 회수된 회수수를 전처리 장치로 전처리한 후, 전기 탈이온 장치로 탈이온 처리하는 연료 전지용 수처리 장치에 있어서,
    상기 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치가 동일한 두께 및 높이의 직사각형의 상자형으로 구성되고, 상기 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치가 병렬 배치되어 연결됨으로써, 전체적으로 직사각형의 상자형으로 구성되어 있는 것이고,
    상기 전처리 장치가 상류측으로부터 순차 배치된 탈탄산 장치, 불소 흡착 장치 및 금속 흡착 장치로 이루어지는 수처리부를 포함하고, 상기 수처리부에 통수하기 위한 펌프와, 상기 수처리부 및 펌프를 제어하는 제어 장치를 포함하며, 이들 수처리부, 펌프 및 제어 장치가 직사각형의 상자형 케이싱 내에 배치되어 있는 것이고,
    상기 불소 흡착 장치 및 금속 흡착 장치가 상기 케이싱에 설치된 구획판에 의해 구획 형성되어 있고, 이들 불소 흡착 장치 및 금속 흡착 장치의 물의 유로가, 상기 케이싱 내에 설치된 칸막이판을 따라 연속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 탈탄산 장치는, 원수 중에 기체를 취입하여 탈탄산 처리하는 것이며,
    이 기체를 세척하기 위한 기체 세척 장치가 상기 케이싱 내에 배치되어 있고,
    상기 기체 세척 장치는, 상기 전기 탈이온 장치의 배수를 받아들이며, 이 배수와 기체를 접촉시켜 세척하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 구획판 및 칸막이판이 내열성 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치에는, 양자의 대면부에 각각 물 유통용 포트가 설치되어 있고, 상기 전기 탈이온 장치와 전처리 장치가 연결됨으로써 양자의 상기 포트가 대면하여 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치에는, 그 내부의 탈이온 처리부와 상기 포트를 연통시키기 위한 수로가 설치되어 있고, 상기 수로에 유량 조정 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치에는, 그 내부의 탈이온 처리부와 상기 포트를 연통하기 위한 수로가 마련되어 있고, 상기 수로에 수질 측정용 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기 탈이온 장치는,
    각각 플레이트에 유지된 음극과 양극 사이에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 배치되고,
    음극측에 배치된 양이온 교환막과 양극측에 배치된 음이온 교환막 사이에, 주위가 프레임으로 둘러싸인 탈염실이 설치된 것인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치에 있어서는, 음극측으로부터 양극측을 향해, 제1 양이온 교환막과, 음이온 교환막과, 제2 양이온 교환막이 이 순서로 배치되고,
    상기 음극과 제1 양이온 교환막 사이가 농축실 겸 음극실이 되며,
    제1 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이가 탈염실이 되고,
    상기 음이온 교환막과 제2 양이온 교환막 사이가 농축실이 되며,
    상기 제2 양이온 교환막과 상기 양극 사이가 양극실이 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 플레이트 및 프레임은 내열성 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 전기 탈이온 장치 및 전처리 장치의 직사각형의 상자형 케이싱이 내열성 합성 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  13. 제5항에 있어서, 상기 내열성 합성 수지는 신디오택틱 폴리스티렌 또는 폴리아세탈수지인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 내열성 합성 수지는 신디오택틱 폴리스티렌 또는 폴리아세탈 수지인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 내열성 합성 수지는 신디오택틱 폴리스티렌 또는 폴리아세탈 수지인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 수처리 장치.
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