WO2006100716A1 - 燃料電池用水処理装置 - Google Patents

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WO2006100716A1
WO2006100716A1 PCT/JP2005/004936 JP2005004936W WO2006100716A1 WO 2006100716 A1 WO2006100716 A1 WO 2006100716A1 JP 2005004936 W JP2005004936 W JP 2005004936W WO 2006100716 A1 WO2006100716 A1 WO 2006100716A1
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chamber
fuel cell
water treatment
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Masayuki Miwa
Yoshiteru Misumi
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Kurita Water Industries Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell water treatment device that treats water recovered from a fuel cell with a pretreatment device and an electrodeionization device, and is particularly suitable when the fuel cell is a solid polymer fuel cell.
  • the present invention relates to a fuel cell water treatment device.
  • the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
  • a fluorine-based cation exchange membrane is used as a solid electrolyte, and the fuel cell wastewater contains a small amount of fluorine ions.
  • a conventional electrodeionization apparatus alternately forms a plurality of cation exchange membranes and ion exchange membranes between electrodes (anode and cathode) to alternately form a demineralization chamber and a concentration chamber.
  • the desalination chamber is filled with ion exchange resin.
  • water to be treated flows into the demineralization chamber while applying a voltage between the anode and the cathode, and the concentrated water is circulated through the concentration chamber to remove impurity ions in the water to be treated.
  • Deionized water is produced (for example, JP-A-10-43554).
  • a conventional electrodeionization apparatus is configured such that a plurality of demineralization chambers and concentration chambers are alternately formed between a cathode and an anode, and therefore, a bipolar electrode having a large electric resistance between the cathode and the anode.
  • the applied voltage between is high.
  • the structure is complicated and labor is required for production.
  • the end plate or frame of a conventional electrodeionization apparatus is made of a synthetic resin, the synthetic resin has low heat resistance such as polypropylene or vinyl chloride. For this reason, it cannot be placed in a location with relatively high temperature (for example, adjacent to the fuel cell).
  • An object of the present invention is to provide an extremely compact fuel cell water treatment device in which an electrodeionization device and a pretreatment device are combined.
  • the water treatment device for a fuel cell is a water treatment device for a fuel cell in which the water collected from the fuel cell is pretreated with a pretreatment device and then deionized with an electrodeionization device.
  • the electrodeionization device and the pretreatment device are configured in a rectangular box shape having substantially the same thickness and height, and the electrodeionization device and the pretreatment device are juxtaposed and connected as a whole. It is configured in a rectangular box shape.
  • the pretreatment device and the electrodeionization device are rectangular in shape as a whole, and are small and compact.
  • FIG. 1 is a flow chart of a fuel cell water treatment device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell water treatment device of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of the casing of FIG. 2 with the front cover opened.
  • FIG. 3 is also a perspective view of the state where the fluorine adsorbent resin and the metal adsorbed resin are removed.
  • FIG. 5 is a front view showing the configuration of FIG. 4.
  • FIG. 6a and FIG. 6b are perspective views of the frame in the air cleaning chamber.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view of a refracting plate in the decarbonation chamber.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of a filler.
  • FIG. 10 is a schematic longitudinal sectional view of an electrodeionization apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic exploded perspective view showing the electrodeionization apparatus of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic exploded perspective view showing the electrodeionization apparatus of FIG.
  • FIG. 13 is a schematic exploded perspective view showing the electrodeionization apparatus of FIG.
  • FIG. 14 is a perspective view of a flow path forming plate on the cathode side.
  • the pretreatment device includes a water treatment unit including a decarboxylation device, a fluorine adsorption device, and a metal adsorption device that are sequentially arranged from the upstream side, and further, the water treatment unit And a water treatment unit and a control device for controlling the pump.
  • a water treatment unit including a decarboxylation device, a fluorine adsorption device, and a metal adsorption device that are sequentially arranged from the upstream side, and further, the water treatment unit And a water treatment unit and a control device for controlling the pump.
  • These water treatment unit, pump and control device are arranged in a rectangular box-shaped casing. This water treatment apparatus for fuel cells is highly functional, small and compact.
  • the water treatment device for a fuel cell performs high-quality treated water by treating the recovered fuel cell water with an electrodeionization device after decarboxylation treatment, fluorine removal treatment and metal fluorine removal treatment. Can be produced.
  • This treated water is suitable for fuel cell fuel reforming and the like.
  • fluorine since fluorine is removed, deterioration of the ion exchange resin of the electrodeionization apparatus is prevented.
  • the decarboxylation apparatus performs decarboxylation treatment by blowing a gas into the raw water, and a cleansing apparatus for scavenging this gas is provided. It is arranged in the casing, and the air cleaning device is configured to receive the waste water of the electrodeionization device and clean the air by contacting the waste water and the gas.
  • This decarboxylation treatment is performed by blowing a gas into the raw water, and the configuration is simple.
  • the gas used for the decarbonation treatment is washed with water and the dust in the air (atmosphere) is dedusted, so that it does not contaminate the decarboxylated water.
  • This air cleaning treatment is to bring the electrodeionization device wastewater into contact with the gas, and can effectively use the drainage of the electrodeionization device.
  • the fluorine adsorbing portion and the metal adsorbing portion are partitioned by the partition plate provided in the casing, and the water flow in the fluorine adsorbing portion and the metal adsorbing portion is determined.
  • Road force It is good also as a structure extended along the partition plate provided in the said casing.
  • the partition plate and the partition plate may be made of a heat resistant synthetic resin.
  • the electrodeionization device and the pretreatment device are respectively provided with ports for water flow at the facing portions of the electrodeionization device and the pretreatment device.
  • the ports of both may face each other and communicate with each other.
  • a water channel for communicating the deionization processing unit and the port may be provided, and a flow rate adjusting member may be provided in the water channel.
  • a water quality measurement electrode may be provided in the water channel.
  • a cathode exchange membrane and a cation exchange membrane are arranged between a cathode and an anode respectively held on a plate, and a cation exchange membrane and a cathode arranged on the cathode side.
  • a demineralization chamber surrounded by a frame may be provided between the ion exchange membrane arranged on the side.
  • a first cation exchange membrane, an anion exchange membrane, and a second cation exchange membrane are arranged in this order from the cathode side to the anode side, and the space between the cathode and the first force thione exchange membrane is concentrated.
  • An anode chamber may be provided between the second cation exchange membrane and the anode.
  • This electrodeionization apparatus has one demineralization chamber, and a concentration chamber and a cathode chamber / concentration chamber are arranged on both sides of the demineralization chamber. The applied voltage between the electrodes is low.
  • This electrodeionization device has one demineralization chamber and produces a small amount of water per unit time, but it can be used practically for small fuel cells.
  • This electrodeionization apparatus can be assembled by sandwiching two frames, two cation exchange membranes and one ion exchange membrane between a pair of plates. Threading is easy.
  • the plate and frame of the electrodeionization apparatus may be made of heat-resistant synthetic resin!
  • the rectangular box-type casing of the electrodeionization apparatus and the pretreatment apparatus may be made of heat-resistant synthetic resin. Even if the electrodeionization apparatus configured in this way is arranged at a location where the temperature is relatively high, deformation of the plate, the frame, or the like, or elution of components from them can be prevented.
  • the heat-resistant synthetic resin may be syndiotactic polystyrene (SPS) or a polyacetanol resin.
  • FIG. 1 is a flowchart of a fuel cell water treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Fuel power The recovered water such as pond condensate is treated by the decarboxylation device 1, the fluorine adsorption removal device 2, the metal removal device 3 and the electrodeionization device 4, and the deionized water produced by the electrodeionization device 4 is fuel reformed. Supplied to a container.
  • the decarboxylation device 1 is of the air aeration type.
  • the aeration air is published in the air cleaning device 5 and purified, and then blown into the water in the decarbonation device 1. Drainage of the concentration chamber or electrode chamber force of the electrodeionization device 4 is introduced into the air cleaning device 5. The waste water from the air cleaning device 5 is discharged out of the system.
  • the decarboxylation apparatus 1 includes a substantially spiral refracting plate 32 shown in Fig. 8 to be described later, and a filler filled in the spiral flow path of the refracting plate 32. This configuration will also be described in detail later.
  • the fuel cell-recovered hydraulic fluorine is highly adsorbed and removed by the fluorine adsorption / removal device 2, so that it is deteriorated by the ion exchanger force S of the electrodeionization device 4 Therefore, the fuel cell wastewater can be treated stably over a long period of time and used as a water source for the fuel reformer.
  • the decarboxylation device 1 is composed of a refracting plate and a filler, and is excellent in decarburizing acid characteristics while being small. For this reason, the load of the electrodeionization apparatus 4 is small.
  • the gas (air) supplied to the decarboxylation device 1 is dust-removed by the air cleaning device 5, and the raw water (recovered water) is prevented from being contaminated.
  • This air cleaning device 5 is an electrodeionization device.
  • the waste water of 4 is drained, and the drainage of the electrodeionization device 4 is effectively reused.
  • FIG. 2 to FIG. 9 for a fuel cell water treatment device comprising the device 4 I will explain.
  • FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell water treatment device as viewed from below
  • Fig. 3 is a perspective view of the casing with the front cover opened
  • Fig. 4 is a fluorine diagram from Fig. 3.
  • FIG. 5 is a front view showing the configuration of FIG. 4
  • FIG. 6 is a perspective view of the frame in the air-cleaning chamber
  • FIG. 7 is FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view of the refracting plate in the decarbonation chamber
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the packing.
  • the water treatment apparatus for a fuel cell is obtained by integrating the rectangular box type pretreatment apparatus 10 having the decarboxylation apparatus 1 and the rectangular box type electric deionization apparatus 4.
  • the casing 12 of the pretreatment device 10 has a shallow rectangular box shape, and a front cover 14 is attached to the front surface.
  • the height and depth of the pretreatment device 10 and the height and depth of the electrodeionization device 4 are the same, and these coupling bodies are in the form of a rectangular box as a whole.
  • the casing 12 is made of SPS (syndiotactic polystyrene) mixed with glass fiber, but the material is not limited to this.
  • the waste water from the concentration chamber / cathode chamber of the electrodeionization apparatus 4 is introduced into the air cleaning chamber 20 through the transfer pipe 18 and the air is cleaned.
  • the leading end of the other transfer pipe 18 passes through the side wall surface of the casing 12 and opens to the outer surface on the side of the casing 12.
  • FIG. 6a and 6b are perspective views seen from opposite directions.
  • water staying in the flush chamber 20 is shown.
  • the air cleaning chamber 20 is formed between a pair of vertical partition plates 20a and 20b (Fig. 5) provided integrally with the casing 12.
  • the air supplied from an air pump (not shown) is blown into the air cleaning chamber 20 through an air tube 21.
  • a frame 22 is installed in the air cleaning chamber 20.
  • the frame 22 includes a surrounding frame portion 23, a hanging plate 24, and a rising plate 25, and a central chamber 26, a water outflow chamber 27, and an air outflow chamber 28 are formed.
  • the end of the tube 21 is inserted into the central chamber 26.
  • Water is introduced into the central chamber 26 via the transfer pipe 18.
  • a drooping plate 24 is provided between the central chamber 26 and the water outflow chamber 27.
  • the drooping plate 24 hangs down from the upper side of the surrounding frame portion 23. This water stream was transferred to spill chamber 27 It flows out of the casing 12 through the overflow port 29 from the upper part of the exit chamber 27.
  • water is accumulated up to the lower edge level of the overflow port 29, and the lower end of the tube 21 is submerged in this water!
  • the central chamber 26 and the air outflow chamber 28 are partitioned by a rising plate 25 that stands up from the bottom side of the surrounding frame portion 23.
  • the air cleaned in the cleaning chamber 20 was introduced from the air inlet 31 to the decarburizing acid chamber 30 where the decarboxylation device was installed, and the water used for cleaning was provided on the back surface of the casing 12. It flows out from the outflow hole (not shown) and is discarded.
  • the decarbonation device in the decarbonation chamber 30 includes a substantially spiral refracting plate 32 and a filler.
  • To-be-treated water is introduced into the upper part of the decarbonation chamber 30 from the treated water inlet (not shown) on the back surface or upper surface of the casing 12.
  • the air from the air inlet 31 rises while circling the refracting plate 32, contacts with the water to be treated, and decarboxylates.
  • the spiral passage 34 of the refracting plate 32 is filled with a random three-dimensional structure 33 entangled with a synthetic resin or metal wire, schematically shown in FIG. It is constructed so that it rises along the refracting plate while being severely divided and is sufficiently decarboxylated.
  • the diameter of this wire is preferably about 0.05 to 0.5 mm.
  • the average diameter of the path between the wires of the filler is preferably 2-10mm, especially 3-7mm.
  • the refracting plate 32 is formed by joining a metal plate with a slit and bending it into a multi-stage spiral by welding or the like, and integrally molding with a plastic such as syndiotactic polystyrene.
  • a long and narrow partition plate is vertically passed through the shaft center portion.
  • the height of the spiral per step is preferably about 5-10mm.
  • the metal plate (or plastic) constituting each step of the refracting plate 32 has a rectangular shape, but the decarbonation chamber has a cylindrical shape.
  • the refracting plate has a screw thread shape.
  • substantially spiral is not limited to a mathematical spiral structure, but is a refraction like the present embodiment or a polygonal shape similar thereto.
  • a folded step shape is also included.
  • the decarbonation chamber 30 has a height of 100 mm, a depth and a width of 50 mm, and as shown in the figure, a seven-stage refracting plate 32 is disposed, and a packing having an average opening diameter of about 5 mm is used as a refractive channel. It was found that when the water temperature was 5 ° C and the water concentration was 80ppm, the water was diffused at 40mLZmin and the air was diffused at 2000mLZmin, the carbon dioxide concentration of the treated water was less than lOppm. It was.
  • the decarboxylated water flows into the relay chamber 40 (Figs. 4 and 7) from the decarboxylation chamber 30 through the advection port 36 (Fig. 5) and from the relay chamber 40 to the advection port. 42 (Fig. 7) into the reservoir 50.
  • the relay chamber 40 is extended in the vertical direction behind the water storage chamber 50.
  • a water advection port 42 force S is provided at the upper part of the relay chamber 40.
  • the water level in the decarbonation chamber 30 is the height of the lower edge of the advection port 42.
  • the water level in the decarboxylation chamber is more than 50% of the chamber height.
  • float switches 52 and 54 for detecting the water level are provided in the water storage chamber 50. When both the float switches 52 and 54 are OFF, the pump 62 described below is stopped.
  • the back side of the pump installation chamber in which the pump 62 and its motor 64 are installed is double bottomed to form a control circuit installation chamber (not shown), and the motor 64 is electrically connected to the control circuit installation chamber.
  • a circuit board (not shown) on which the control circuit of the gas deionizer 4 is mounted is installed.
  • the pump 62 is a positive displacement pump so that the flow rate does not decrease even when the differential pressure of the electrodeionization device 4 or the like increases.
  • the water in the water storage chamber 50 is introduced into the lower portion of the first fluorine removal chamber 70 through the tube 60, the pump 62 driven by the motor 64, and the tube 66, and rises in the chamber 70. .
  • water is introduced into the upper part of the second fluorine removing chamber 72 from the upper part of the fluorine removing chamber 70 via the advection pipe 71 and descends in the chamber 72.
  • it is introduced into the lower part of the third fluorine removal chamber 74 through the advection port 73 and moves up in the chamber 74.
  • Each fluorine removal chamber 70, 72, 74 is filled with fluorine adsorption resin 76 (FIG. 3), and fluorine ions are adsorbed and removed.
  • fluorine adsorption resin 76 FOG. 3
  • An aluminum compound having fluorine adsorption ability such as aluminum silicate can be used instead of the fluorine adsorption resin.
  • the water reaching the upper part of the chamber 82 is introduced into the electrodeionization apparatus 4 through the advection port 84.
  • a microfiltration membrane is disposed so as to cover the advection port 84 so that the debris of the resin does not flow into the electrodeionization device 4.
  • Each metal removal chamber 80, 82 is filled with a metal adsorption resin 86, and metal ions are adsorbed and removed.
  • the water decarboxylated, fluorine-removed and metal-removed by the pretreatment device 10 is the advection port 8
  • partition plates 90, 92, 94, 96, 98 force S are extended in the vertical direction in order to partition each removal chamber 70, 72, 74, 80, 82, Each room 70, 72, 74, 80, 8
  • the water passage speed can be increased to, for example, LV3 (h-).
  • LV3 h-
  • the contact efficiency between fats 76 and 86 and water is increased, and ion removal performance is improved.
  • the partition plate may be injection-molded integrally with the casing 12, or may be separately attached to the casing 12.
  • the tube 66 passes through the partition plate 90, and the advection pipe 71 passes through the partition plate 92.
  • the advection ports 73, 78, 81 are provided in the partition plates 94, 96, 98.
  • the advection port 84 is formed in the side wall of the casing 12.
  • a cation exchange membrane and a ion exchange membrane are arranged between an anode and a cathode to form a desalting chamber and a concentration chamber, and an ion exchanger is placed in the desalting chamber. It has a filled configuration.
  • the anode chamber and the cathode chamber may be provided independently, but in this embodiment, the cathode chamber also serves as the concentration chamber.
  • FIG. 10 is a schematic longitudinal sectional view of this electrodeionization apparatus
  • FIG. 11 is this electrodeionization device
  • FIG. 12 and FIG. 13 are an enlarged exploded perspective view of a part of this electrodeionization apparatus
  • FIG. 14 is a perspective view of the flow path forming plate on the cathode side.
  • a heat-resistant first cation exchange membrane 103, An on-exchange membrane 104 and a second cation-exchange membrane 103 ′ are arranged one by one, and a concentration chamber / cathode chamber 105 is formed between the cathode 101 and the first cation-exchange membrane 103, and the first A desalination chamber 107 is formed between the cation exchange membrane 103 and the ion exchange membrane 104, and a concentration chamber 110 is formed between the ion exchange membrane 104 and the second cation exchange membrane 103 ′.
  • An anode chamber 106 is formed between the second cation exchange membrane 103 ′ and the anode 102.
  • Cathode 101 and anode 102 are held by heat-resistant synthetic resin (preferably SPS) plates 120 and 150, and the surroundings of desalting chamber 107 and concentration chamber 110 are made of heat-resistant synthetic resin (preferably made of SPS). ) Frame 130, 140.
  • heat-resistant synthetic resin preferably SPS
  • the concentrating chamber 110 is filled with a key-exchange resin (not shown), and the concentrating and cathodic chamber 105 and the anode chamber 106 are filled with a cation-exchanged resin (not shown), respectively.
  • the ion-exchange resin filled in the concentration chamber / cathode chamber 105, the concentration chamber 110, and the anode chamber 106 is a mixture of a key-exchange resin, a key-exchange resin, and a force thio-exchange resin. May be.
  • the desalting chamber 107 is filled with a cation exchange resin and a cation exchange resin in a mixed state.
  • a raw water inlet is provided at one end of the desalting chamber 107, and a deionized water outlet is provided at the other end.
  • a portion of the deionized water is collected and introduced into the anode chamber 106.
  • the effluent from the anode chamber 106 flows into the concentrating chamber 110 at one end and flows out from the other end.
  • the effluent water from the concentration chamber 110 flows into the concentration chamber / cathode chamber 105 from one end side and is discharged as waste water from the other end side.
  • C1— in the desalination chamber moves only to the concentration chamber 110 and does not move to the anode chamber 106. For this reason, the C1— concentration in the anode chamber 106 is only C1— present in the deionized water, and the C1 generated by the anodic oxidation in the anode chamber 106 is extremely small. Therefore, cation exchange in the anode chamber 106
  • the cathode chamber also serves as the concentration chamber, the electrical conductivity of the electrode water in the cathode chamber is high.
  • the water flow direction in the concentration chamber / cathode chamber 105, the concentration chamber 110, and the anode chamber 106 may be parallel flow water or counter flow water with the desalting chamber 107, but is preferably upward flow water. This is because each chamber 105, 106 has a gas such as H or O due to direct current, and a small amount of C1 or the like in some cases.
  • the plates 120 and 150 are recessed with the central part of the plate facing the cation membranes 103 and 103 'recessed, and a thin plate, film-like or film-like cathode 101 or anode 102 is formed on the bottom of the recess. It is provided. The inside of this recess is a concentration chamber / cathode chamber 105 or an anode chamber 106.
  • the frames 130 and 140 have a frame shape, and the inside of the frame becomes the desalination chamber 107 or the concentration chamber 110.
  • the frames 130 and 140 are provided with ridges 131, 132 and 141, 142 extending up and down by 107, 110 force in each chamber.
  • the flow path forming plates 160 and 170 are arranged outside the plates 120 and 150.
  • Raw water introduction holes 161, 121, and 103 a for introducing raw water into the desalting chamber 107 are provided in the thickness direction above the flow path forming plate 160, the plate 120, and the cation membrane 103. This They are arranged so that they are concentric with each other, 161, 121, 103ai.
  • holes 103b, 122, 162 for taking out deionized water from the demineralization chamber 107 are coaxial, and a recess is formed in the lower part of the frame 130. It is provided to overlap with 132.
  • the flow path forming plate 160, the plate 120, the cation membrane 103, the frame 130, the ion membrane 104, the frame 140, the cation membrane 103, the plate 150 and the flow path forming plate 170 include deionized water.
  • To sort the anode chamber 106 [to guide this [to, co-reciprocal] [coaxial] [163, 123, 103c, 133, 104c, 143, 103 'c, 153, 173 force in the thickness direction
  • Holes 155 and 175 for guiding the deionized water to the anode chamber 106 are provided in the thickness direction below the plate 150 and the flow path forming plate 170. Hole 155 faces anode chamber 106.
  • a groove 174 that communicates the holes 173 and 175 is provided on the outward plate surface of the flow path forming plate 170.
  • holes 156, 176 for taking out the anode chamber outflow water are coaxially provided in the thickness direction.
  • a groove 177 for communicating the hole 176 with a hole 178 provided in the lower portion is provided on the outward plate surface of the flow path forming plate 170.
  • the frame 140, the cation membrane 103, and the plate 150 are provided with holes 148, 103 ′ d, and 158 coaxially with the hole 178.
  • the hole 148 faces the recess 142 at the bottom of the frame 140.
  • a hole 149 for allowing the drainage of the concentrating chamber drain to penetrate the concave portion 141 at the top of the frame 140 is provided in the thickness direction.
  • holes 104e, 139, 103e, 129, and 169 for taking out the drainage of the concentration chamber are provided coaxially with the holes 149 in the thickness direction.
  • holes 167 and 127 for guiding the drainage of the concentrating chamber to the concentrating chamber / cathode chamber 105 are coaxially penetrated in the thickness direction.
  • holes 128 and 168 for allowing drainage to flow out of the concentration chamber / cathode chamber 105 are coaxially penetrated in the thickness direction.
  • a flow channel groove (hereinafter abbreviated as a groove) 180 that is continuous with the water extraction hole 162 is provided.
  • the groove 180 rises upward and branches into grooves 181, 182 on the way.
  • the groove 181 extends downward, and its lower end communicates with the hole 163.
  • the groove 182 extends upward so as to extend the groove 180 and reaches the vicinity of the upper end of the flow path forming plate 160.
  • the upper end of the groove 183 and the side surface of the flow path forming plate 160 communicate with each other through a small hole 183 for taking out deionized water.
  • an electrode 184 for measuring the quality of deionized water (in this embodiment, electric conductivity) is provided.
  • orifices 185 and 186 for adjusting the flow rate are respectively installed.
  • a groove 189 for guiding the concentrated chamber effluent water from the hole 169 to the hole 167 extends vertically.
  • Stainless steel outer plates 191, 192 (Fig. 2) on both sides of the laminated body of these flow path forming plates 160, 170, plate rods 120, 150, frames 130, 140 and membranes 10, 3, 103 ', 104 4) S is completed by tightening with bolts (not shown). When the outer plates 191 or 192 forces S overlap the grooves 175, 177, 180-183, 189, the grooves become flow paths.
  • the cathode-side outer plate 191 is provided with a raw water introduction hole and a drainage discharge hole (not shown) coaxially with the holes 161 and 168, respectively.
  • the raw water introduction hole is coaxially arranged with the advection port 84 of the casing 12 and communicates when the casing 12 and the electrodeionization device 4 are connected.
  • the drainage hole is arranged coaxially with the front end surface of the transfer pipe 18 of the casing 12 and communicates when the casing 12 and the electrodeionization device 4 are connected.
  • the raw water (pretreated water) from the advection port 84 flows in the order of the holes 161, 121, 103a, the desalting chamber 107, the holes 103b, 122, 162, and the groove 180 to become deionized water.
  • a part (for example, 50 to 98%) is taken out through the groove 182 and the small hole 183 and supplied to the fuel cell.
  • the remainder is groove 811, hole 163, 123, 103c, 133, 104c, 143, 103 'c, 153, 173, groove 174, hole 175, 155, anode chamber 106, hole 156, 176, groove 177, hole 178 , 158, 103 'd, 148, concentration chamber 110 , Holes 149, 104 e, 139, 103 e, 129, 169, groove 189, holes 167, 127, concentration chamber / cathode chamber 105, holes 128, 168 in this order, and fed into the transfer pipe 18. In this way, water flows as shown in FIG.
  • the above embodiment is an example of the present invention, and the present invention can take forms other than those shown in the drawings.
  • the drainage of the electrodeionization device 4 is supplied to the cleaning chamber 20, but the condensed water generated in the fuel cell system may be supplied.

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Abstract

　燃料電池からの回収水を電気脱イオン装置によって処理する燃料電池用水処理装置において、電気脱イオン装置に流入する水からフッ素を十分に除去するよう改良されたコンパクトで一体型の燃料電池用水処理装置が提供される。電気脱イオン装置４の陰極室からの排水が移送管１８を介して洗気室２０に導入されると共に、空気が洗気室２０に吹き込まれ、洗気される。洗気された空気は脱炭酸室３０の下部に吹き込まれる。室３０内において燃料電池回収水がこの空気と接触して脱炭酸された後、ポンプ６２を介してフッ素除去室７０，７２，７４、重金属除去室８０，８２を順次に流れ、電気脱イオン装置４に供給される。

Description

明 細 書
燃料電池用水処理装置
発明の分野
[0001] 本発明は燃料電池からの回収水を前処理装置及び電気脱イオン装置によって処 理する燃料電池用水処理装置に関するものであり、特に燃料電池が固体高分子型 燃料電池である場合に好適な燃料電池用水処理装置に関する。
発明の背景
[0002] 燃料電池から排出される凝縮水などの水を回収して処理し、燃料改質装置 (水蒸 気改質装置)の水源等として利用するために、この回収水を電気脱イオン装置で処 理することが特開平 9— 161833号公報、特開 2001— 232394号公報等に記載され ている。特開 2001— 232394号公報にあっては、燃料電池は固体高分子型燃料電 池である。この固体高分子型燃料電池にあっては、固体電解質としてフッ素系陽ィォ ン交換膜が用いられており、燃料電池排水中には微量ながらフッ素イオンが含まれる
[0003] 特開 2001— 232394号公報の第 0029段落の通り、電気脱イオン装置の前段に設 けた RO装置によって溶解イオン成分の約 90%が除去されるが、それでもなお若干 のフッ素イオンカ¾0装置を通って電気脱イオン装置に流入し、電気脱イオン装置の イオン交換体を劣化させるおそれがある。
[0004] 従来の電気脱イオン装置は、電極（陽極と陰極）同士の間に複数のカチオン交換 膜とァ-オン交換膜とを交互に配列して脱塩室と濃縮室とを交互に形成し、脱塩室 にイオン交換榭脂を充填した構成を有する。この電気脱イオン装置にあっては陽極、 陰極間に電圧を印加しながら脱塩室に被処理水を流入させると共に、濃縮室に濃縮 水を流通させて被処理水中の不純物イオンを除去し、脱イオン水を製造する（例え ば特開平 10-43554号公報)。
[0005] 従来の電気脱イオン装置は、陰極と陽極との間に複数の脱塩室と濃縮室とを交互 に形成したものであるため、陰極と陽極との間の電気抵抗が大きぐ両極間の印加電 圧が高い。また、構造が複雑であり、製作に手間が力かる。 [0006] 従来の電気脱イオン装置のエンドプレートやフレームを合成樹脂製とする場合、こ の合成樹脂はポリプロピレンや塩ィ匕ビニルなど耐熱性の低 、ものであった。このため 、比較的温度の高い箇所 (例えば、燃料電池の隣接部位）に配置することはできなか つた o
[0007] 本発明は、電気脱イオン装置と前処理装置とがー体とされた極めてコンパクトな燃 料電池用水処理装置を提供することを目的とする。
[0008] 本発明の燃料電池用水処理装置は、燃料電池から回収された回収水を前処理装 置で前処理した後、電気脱イオン装置で脱イオン処理する燃料電池用水処理装置 にお 1、て、該電気脱イオン装置及び前処理装置が略同一の厚さ及び高さの矩形箱 型に構成され、該電気脱イオン装置及び前処理装置が並置されて連結されることに より、全体として矩形箱型に構成されていることを特徴とするものである。
[0009] かかる本発明の燃料電池用水処理装置にあっては、前処理装置及び電気脱ィォ ン装置が全体として矩形箱型となっており、小型でコンパクトなものとなる。
図面の簡単な説明
[0010] [図 1]実施の形態に係る燃料電池用水処理装置のフロー図である。
[図 2]第 1図の燃料電池用水処理装置の下方力 見上げた状態の斜視図である。
[図 3]第 2図のケーシングのフロントカバーをあけた状態の斜視図である。
圆 4]第 3図力もフッ素吸着榭脂及び金属吸着榭脂を取り除いた状態の斜視図であ る。
[図 5]第 4図の構成を示す正面図である。
[図 6]第 6a図及び第 6b図は洗気室内のフレームの斜視図である。
[図 7]第 5図の VII-VII線断面図である。
[図 8]脱炭酸室内の屈折板の斜視図である。
[図 9]充填物の模式的な斜視図である。
[図 10]実施の形態に係る電気脱イオン装置の概略的な縦断面図である。
[図 11]図 10の電気脱イオン装置を示す概略的な分解斜視図である。
[図 12]図 10の電気脱イオン装置を示す概略的な分解斜視図である。
[図 13]図 10の電気脱イオン装置を示す概略的な分解斜視図である。 [図 14]陰極側の流路形成板の斜視図である。
発明の好ましレヽ態様の詳細な説明
[0011] 本発明の一態様では、前処理装置が、上流側より順次に配置された脱炭酸装置、 フッ素吸着装置及び金属吸着装置よりなる水処理部を備えると共に、さらに、該水処 理部に通水するためのポンプと、該水処理部及びポンプを制御する制御装置とを備 え、これらの水処理部、ポンプ及び制御装置が矩形箱形のケーシング内に配置され ている。この燃料電池用水処理装置は、高機能で小型且つコンパクトである。
[0012] この態様の燃料電池用水処理装置は、燃料電池回収水を脱炭酸処理、フッ素除 去処理及び金属フッ素除去処理した後、電気脱イオン装置で処理することにより、高 水質の処理水を生産することができる。この処理水は燃料電池用燃料改質等に好適 である。この燃料電池用水処理装置にあっては、フッ素が除去されるので、電気脱ィ オン装置のイオン交換樹脂の劣化が防止される。
[0013] 別の一態様の燃料電池用水処理装置にあっては、脱炭酸装置は、原水中に気体 を吹き込んで脱炭酸処理するものであり、この気体を洗気するための洗気装置が前 記ケーシング内に配置されており、該洗気装置は、前記電気脱イオン装置の排水を 受け入れ、この排水と気体とを接触させて洗気するよう構成されて ヽる。
[0014] この脱炭酸処理は、原水中に気体を吹き込むようにして行われるものであり、構成 が簡易である。また、この脱炭酸処理に用いられる気体は、水で洗気され、空気 (大 気）中のダストが除塵処理されたものであるので、脱炭酸処理水を汚染しない。
[0015] この洗気処理は、電気脱イオン装置排水と気体とを接触させるものであり、電気脱 イオン装置の排水を有効活用することができる。
[0016] 本発明の燃料電池用水処理装置では、フッ素吸着部及び金属吸着部が該ケーシ ングに設けられた区画板により区画形成されているとともに、これらフッ素吸着部及び 金属吸着部の水の流路力 前記ケーシング内に設けられた仕切板に沿って延設さ れている構成としてもよい。この区画板及び仕切板は、耐熱性合成樹脂からなっても よい。
[0017] 本発明の燃料電池用水処理装置は、電気脱イオン装置及び前処理装置に、両者 の対面部にそれぞれ水流通用のポートが設けられており、該電気脱イオン装置と前 処理装置とが連結されることにより両者の該ポートが対面して連通されていてもよい。
[0018] この場合、脱イオン処理部と該ポートとを連通するための水路が設けられており、該 水路に流量調整部材が設けられていてもよい。該水路に水質測定用電極が設けら れていてもよい。
[0019] 該電気脱イオン装置は、それぞれプレートに保持された陰極と陽極との間にカチォ ン交換膜とァ-オン交換膜とが配置され、陰極側に配置されたカチオン交換膜と陽 極側に配置されたァ-オン交換膜との間に、周囲がフレームで囲まれた脱塩室が設 けられたものであってもよい。陰極側から陽極側に向って、第 1のカチオン交換膜と、 ァニオン交換膜と、第 2のカチオン交換膜とがこの順に配置され、該陰極と第 1の力 チオン交換膜との間が濃縮室兼陰極室とされ、第 1のカチオン交換膜と該ァ-オン 交換膜との間が脱塩室とされ、該ァ-オン交換膜と第 2のカチオン交換膜との間が濃 縮室とされ、該第 2のカチオン交換膜と該陽極との間が陽極室とされていてもよい。
[0020] この電気脱イオン装置は、脱塩室が 1室であり、且つこの脱塩室の両側にはそれぞ れ濃縮室と陰極室兼濃縮室とが配置されているため、電極間距離が小さぐ電極間 の印加電圧が低い。この電気脱イオン装置は、脱塩室が 1室であり、単位時間当たり の生産水量が少ないが、小型燃料電池には十分に実用することができる。
[0021] この電気脱イオン装置は、 2個のフレームと 2枚のカチオン交換膜及び 1枚のァ-ォ ン交換膜とを 1対のプレート間に挟持することにより組み立てることができ、構造及び 糸且立てが簡単である。
[0022] この電気脱イオン装置のプレート及びフレームは耐熱性合成樹脂製であってもよ!/ヽ 。電気脱イオン装置及び前処理装置の矩形箱型のケーシングが耐熱性合成樹脂よ りなってもよい。このように構成された電気脱イオン装置は、比較的温度の高い箇所 に配置しても、プレート及びフレーム等の変形、あるいはそれらからの成分の溶出な どが防止される。
[0023] 耐熱性合成樹脂は、シンジォタクチックポリスチレン (SPS)ある ヽはポリアセターノレ 榭脂であってもよい。
[0024] 以下、図面を参照して好ましい形態について説明する。
[0025] 第 1図は本発明の一形態に係る燃料電池用水処理装置のフロー図である。燃料電 池の凝縮水等の回収水は、脱炭酸装置 1、フッ素吸着除去装置 2、金属除去装置 3 及び電気脱イオン装置 4によって処理され、電気脱イオン装置 4で生成する脱イオン 水が燃料改質器等に供給される。
[0026] この実施の形態では、脱炭酸装置 1は空気曝気方式のものである。曝気用の空気 は、洗気装置 5中でパブリングされて浄化処理された後、脱炭酸装置 1内の水中に吹 き込まれる。この洗気装置 5へは電気脱イオン装置 4の濃縮室あるいは電極室力 の 排水が導入されて 、る。この洗気装置 5の排水は系外に排出される。
[0027] この洗気装置 5の好適な態様は後に詳述される。
[0028] この脱炭酸装置 1は、後述の第 8図に示す略螺旋状の屈折板 32と、この屈折板 32 の螺旋状流路に充填された充填材とを備えたものである。この構成についても後に 詳述する。
[0029] この燃料電池用水処理装置にあっては、燃料電池回収水力 フッ素がフッ素吸着 除去装置 2によって高度に吸着除去されるため、電気脱イオン装置 4のイオン交換体 力 Sフッ素によって劣化することが防止され、長期にわたって安定して燃料電池排水の 処理を行い、燃料改質装置の水源等として利用することができる。
[0030] また、脱炭酸装置 1は屈折板及び充填材よりなるものであり、小型でありながら脱炭 酸特性に優れる。このため、電気脱イオン装置 4の負荷が小さい。
[0031] この脱炭酸装置 1に供給される気体 (空気）は、洗気装置 5で除塵処理されており、 原水（回収水）が汚染されることが防止される。この洗気装置 5は、電気脱イオン装置
4の排水によって洗気するものであり、電気脱イオン装置 4の排水が有効に再利用さ れる。
[0032] この燃料電池用水処理装置にあっては、フッ素吸着除去装置 2からセリウムイオン、 アルミニウムイオンなどの金属イオンが溶出しても、金属除去装置 3により除去される 。このため、電気脱イオン装置 4のイオン交換体の性能を長期にわたって高く維持す ることが可能となる。
[0033] 次に、上記洗気装置、脱炭酸装置、フッ素吸着除去装置及び金属除去装置がケ 一シング内に配置されてなる前処理装置と、この前処理装置に付設された電気脱ィ オン装置 4とを備えてなる燃料電池用水処理装置について第 2図一第 9図を参照し て説明する。
[0034] 第 2図は、この燃料電池用水処理装置の下方から見上げた状態の斜視図、第 3図 はこのケーシングのフロントカバーを開けた状態の斜視図、第 4図は第 3図からフッ素 吸着榭脂及び金属吸着榭脂を取り除いた状態の斜視図、第 5図は第 4図の構成を 示す正面図、第 6図は洗気室内のフレームの斜視図、第 7図は第 5図の VII— VII線断 面図、第 8図は脱炭酸室内の屈折板の斜視図、第 9図は充填物の模式図である。
[0035] この燃料電池用水処理装置は、前記の通り、脱炭酸装置 1を有する矩形箱型の前 処理装置 10と、矩形箱型の電気脱イオン装置 4とを一体化したものである。この前処 理装置 10のケーシング 12は、浅い矩形箱型のものであり、正面にフロントカバー 14 が取り付けられて ヽる。前処理装置 10の高さ及び奥行きと電気脱イオン装置 4の高さ 及び奥行きとは同一であり、これらの連結体は全体として矩形箱型となっている。
[0036] このケーシング 12は、ガラス繊維を混入させた SPS (シンジオタクチックポリスチレン 製）とされているが、材料はこれに限定されない。
[0037] 第 4, 5図の通り、電気脱イオン装置 4の濃縮室兼陰極室からの排水が移送管 18を 介して洗気室 20に導入され、空気の洗浄が行なわれる。もう一方の移送管 18の先 端は、ケーシング 12の側壁面を貫通し、ケーシング 12の側外面に開放している。
[0038] 次に、第 6図を参照して洗気室 20の構成について詳細に説明する。第 6a図、第 6b 図は互いに反対方向から見た斜視図である。第 6b図では、洗気室 20内に滞留して いる水が示されている。
[0039] この洗気室 20は、ケーシング 12に一体に設けられた 1対の上下方向の区画板 20a 、 20b (第 5図）間に形成されている。
[0040] この洗気室 20内には、エアポンプ（図示略）から送気されてきた空気がエアチュー ブ 21を介して吹き込まれる。この洗気室 20内にはフレーム 22が設置されている。該 フレーム 22は、囲枠部 23、垂下板 24、立上板 25を備え、中央室 26、水流出室 27、 及び空気流出室 28が形成されている。チューブ 21の末端は該中央室 26内に差し 込まれている。水は前記移送管 18を介して中央室 26に導入される。中央室 26と水 流出室 27との間に、囲枠部 23の上辺から垂下する垂下板 24が設けられており、中 央室 26内の水はこの垂下板 24の下端を回り込んで水流出室 27に移流し、この水流 出室 27の上部から溢流口 29を介してケーシング 12外へ流出する。中央室 26及び 水流出室 27内には、この溢流口 29の下縁レベルにまで水が溜まっており、チューブ 21の下端はこの水中に没して!/、る。
[0041] 中央室 26と空気流出室 28とは、囲枠部 23の底辺から起立する立上板 25によって 区画されている。
[0042] チューブ 21から水中に吹き込まれた空気は、水面から離脱した後、該立上板 25の 上端を回り込んで空気流出室 28に流入し、前記空気導入口 31を介して脱炭酸室 3 0内に吹き込まれ、脱炭酸に用いられる。
[0043] 洗気室 20で洗浄された空気は、空気導入口 31から脱炭酸装置が設置された脱炭 酸室 30へ導入され、洗浄に供された水はケーシング 12の背面に設けられた流出孔（ 図示略)から流出し、廃棄される。
[0044] この脱炭酸室 30内の脱炭酸装置は、略螺旋状の屈折板 32と、充填物とからなる。
[0045] 脱炭酸室 30内の上部には、ケーシング 12の背面又は上面の被処理水導入口（図 示略)から被処理水が導入されている。脱炭酸室 30内において、空気導入口 31から の空気が屈折板 32を周回しながら立ち登り、被処理水と接触し、脱炭酸を行う。
[0046] 屈折板 32の螺旋状通路 34内には第 9図に模式的に示す、合成樹脂又は金属製 ワイヤを絡ませたランダムな三次元構造の充填物 33が充填され、空気がゆっくりと且 つ細力べ分断されながら屈折板に沿って上昇し、十分に脱炭酸が行われるよう構成さ れている。このワイヤの径は 0. 05-0. 5mm程度が好適である。充填物のワイヤ間 の通路の平均径は 2— 10mm特に 3— 7mm程度が好適である。
[0047] この屈折板 32は、金属板にスリットを入れて折曲したものを多段螺旋状に溶接等に より連結したものやシンジオタクチックポリスチレンなどのプラスチックで一体成形した ものであり、螺旋の軸心部には細長い仕切板が縦通されている。螺旋の 1段当りの高 さは 5— 10mm程度が好適である。
[0048] この実施の形態では、脱炭酸室 30が直方体形状であるため、屈折板 32の各段を 構成する金属板 (又はプラスチック）が方形状となっているが、脱炭酸室が円筒形で あれば、屈折板はスクリュ螺子状とされる。なお、本明細書中において、略螺旋状と は、数学的な螺旋構造に限らず、本実施例のような屈折状やこれに類する多角形的 なもの、さらには折り返し段状のものを含む。
[0049] なお、脱炭酸室 30の高さが 100mm、奥行き及び幅が 50mmであり、図示の通り 7 段の屈折板 32が配置され、平均開口径が約 5mmの充填物を屈折状流路に充填し てなる脱炭酸装置に、水温 5°C、炭酸濃度 80ppmの水を 40mLZminで通水し、空 気を 2000mLZminで散気したところ、処理水の炭酸濃度は lOppm以下となること が認められた。
[0050] 脱炭酸処理された水は、この脱炭酸室 30から移流口 36 (第 5図）を介して中継室 4 0 (第 4, 7図）に流入し、この中継室 40から移流口 42 (第 7図）を介して貯水室 50へ 流入する。第 7図の通り、この中継室 40は貯水室 50の背後側に上下方向へ延設さ れて 、る。この中継室 40の上部に水の移流口 42力 S設けられて 、る。
[0051] 脱炭酸室 30内の水位は、この移流口 42の下縁の高さとなる。脱炭酸室の水位高 は、室高さの 50%以上である。
[0052] 貯水室 50内には、水位を検知するためのフロートスィッチ 52, 54が設けられている 。このフロートスィッチ 52, 54のいずれもが OFFの場合には、次に説明するポンプ 6 2が停止される。
[0053] このポンプ 62及びそのモータ 64を設置したポンプ設置室の背後側は二重底状とさ れて制御回路設置室（図示略)が形成され、この制御回路設置室内にモータ 64ゃ電 気脱イオン装置 4の制御回路を搭載した回路基板（図示略)が設置されている。
[0054] このポンプ 62は、電気脱イオン装置 4等の差圧が上昇しても流量が低下しないよう にするために、容積式ポンプとされている。
[0055] 貯水室 50内の水は、チューブ 60、モータ 64によって駆動されるポンプ 62及びチュ ーブ 66を介して第 1のフッ素除去室 70の下部に導入され、該室 70内を上昇する。 次いで、水は、このフッ素除去室 70の上部から移流管 71を介して第 2のフッ素除去 室 72の上部に導入され、該室 72内を下降する。次いで、移流口 73を介して第 3のフ ッ素除去室 74の下部に導入され、該室 74内を上昇する。
[0056] 各フッ素除去室 70, 72, 74内にはフッ素吸着榭脂 76 (第 3図）が充填されており、 フッ素イオンが吸着除去される。フッ素吸着樹脂の代わりに珪酸アルミニウムなどのフ ッ素吸着能を有するアルミニウム化合物を用いることもできる。 [0057] 第 3のフッ素除去室 74内の上部に達した水は、移流口 78から第 1の金属除去室 8 0の上部に移流し、該室 80内を下降する。次いで、移流口 81から第 2の金属除去室 82の下部に流入し、該室 82内を上昇する。該室 82の上部に到達した水は、移流口 84を介して電気脱イオン装置 4に導入される。なお、図示はしないが、この移流口 84 を覆うように精密濾過膜が配置され、榭脂の破片が電気脱イオン装置 4に流入しな ヽ よう構成されている。
[0058] 各金属除去室 80, 82には金属吸着榭脂 86が充填されており、金属イオンが吸着 除去される。
[0059] この前処理装置 10によって脱炭酸、フッ素除去及び金属除去された水が移流口 8
4を介して電気脱イオン装置 4に導入される。
[0060] このケーシング 10内には、各除去室 70, 72, 74, 80, 82を区画形成するために 仕切板 90, 92, 94, 96, 98力 S上下方向に延設されており、各室 70, 72, 74, 80, 8
2は上下方向に延在して 、る。
[0061] 仕切板を設けて各室 70, 72, 74, 80, 82を上下に細長く延設することにより、通水 線速を例えば LV3 (h— と高くすることができる。これにより、榭脂 76, 86と水との接 触効率が高くなり、イオン除去性能が向上する。
[0062] 仕切板はケーシング 12と一体に射出成形しても良いし、ケーシング 12に別途取り 付けても良い。
[0063] チューブ 66は仕切板 90を貫通しており、移流管 71は仕切板 92を貫通している。
移流口 73, 78, 81は仕切板 94, 96, 98に設けられている。移流口 84はケーシング 12の側壁に穿設されている。
[0064] 次に、電気脱イオン装置 4の構成について第 10図一第 15図を参照して詳細に説 明する。
[0065] この電気脱イオン装置は、陽極と陰極との間にカチオン交換膜とァ-オン交換膜と を配列して脱塩室と濃縮室とを形成し、脱塩室にイオン交換体を充填した構成のもの である。なお、陽極室と陰極室とが各々独立して設けられてもよいが、この実施の形 態では、陰極室が濃縮室を兼用している。
[0066] 第 10図はこの電気脱イオン装置の模式的な縦断面図、第 11図はこの電気脱ィォ ン装置の分解斜視図、第 12図及び第 13図はこの電気脱イオン装置の一部の拡大 分解斜視図、第 14図は陰極側の流路形成板の斜視図である。
[0067] 第 12, 13図ではカチオン交換膜及びァ-オン交換膜の図示が省略されている。
[0068] 第 10図に概略的に示される通り、この電気脱イオン装置 4にあっては、陰極 101と 陽極 102との間に、それぞれ耐熱性の第 1のカチオン交換膜 103と、ァ-オン交換 膜 104と、第 2のカチオン交換膜 103'とを 1枚ずつ配置し、陰極 101と第 1のカチォ ン交換膜 103との間に濃縮室兼陰極室 105を形成し、第 1のカチオン交換膜 103と ァ-オン交換膜 104との間に脱塩室 107を形成し、ァ-オン交換膜 104と第 2のカチ オン交換膜 103'との間に濃縮室 110を形成し、第 2のカチオン交換膜 103'と陽極 1 02との間に陽極室 106を形成している。
[0069] 陰極 101及び陽極 102は耐熱性合成樹脂製 (好ましくは SPS製)のプレート 120, 150に保持され、脱塩室 107及び濃縮室 110の周囲は耐熱性合成樹脂製 (好ましく は SPS製）のフレーム 130, 140によって囲まれている。
[0070] 濃縮室 110にはァ-オン交換榭脂（図示略)が充填されており、濃縮室兼陰極室 1 05及び陽極室 106にはそれぞれカチオン交換榭脂（図示略)が充填されている。こ の濃縮室兼陰極室 105、濃縮室 110及び陽極室 106に充填されるイオン交換榭脂 は、ァ-オン交換榭脂ゃァ-オン交換樹脂と力チオン交換榭脂を混合したものであ つてもよい。脱塩室 107にはカチオン交換樹脂とァユオン交換榭脂とが混合状態に て充填されている。
[0071] 脱塩室 107の一端側には原水の流入口が設けられ、他端側には脱イオン水の流 出口が設けられている。脱イオン水の一部は分取され、陽極室 106に導入される。陽 極室 106の流出水は濃縮室 110へその一端側力 流入し、他端側から流出する。濃 縮室 110の流出水は、濃縮室兼陰極室 105へその一端側から流入し、他端側から 排水として排出される。
[0072] 陰極 101と陽極 102との間に電圧を印加した状態にて原水として前処理装置の移 流口 84 (第 4, 5図参照）からの水を脱塩室 107に導入すると、原水中のカチオンは 第 1のカチオン交換膜 103を透過し、陰極電極水に混入して排出される。原水中の ァ-オンはァ-オン交換膜 104を透過して濃縮室 110に移動し、濃縮室流出水に混 入して濃縮室兼陰極室 105を経て排出される。
[0073] この電気脱イオン装置にあっては、陰極 101と陽極 102との間にそれぞれ 1個の濃 縮室兼陰極室 105、脱塩室 107、濃縮室 110及び陽極室 106のみが配置されており 、陰極 101と陽極 102との距離が小さい。そのため、電極 101, 102間の印加電圧が 低くても十分に電極 101, 102間に電流を流して脱イオン処理することができる。
[0074] 脱塩室内の C1—は濃縮室 110にのみ移動し、陽極室 106へは移動しない。このため 、陽極室 106内の C1—濃度は脱イオン水中に存在する C1—のみとなり、陽極室 106で 陽極酸ィ匕により生じる C1が著しく少ない。そのため、陽極室 106内のカチオン交換
2
榭脂 108や、陽極室 106に臨む第 2のカチオン交換膜 103 'の劣化が防止される。
[0075] 陰極室が濃縮室を兼ねていることから、陰極室内の電極水の電気伝導度が高い。
これによつても、電極 101, 102間の印加電圧が低くても電極 101, 102間に十分に 電流を流すことが可能となる。
[0076] 濃縮室兼陰極室 105、濃縮室 110及び陽極室 106での通水方向は、脱塩室 107 と並流通水でも向流通水でもよいが、上昇流通水であることが望ましい。これは、各 室 105, 106には、直流電流によって Hや O、場合によっては少量の C1等の気体
2 2 2 が発生するので、上昇流で通水し気体の排出を促進させ偏流を防ぐためである。
[0077] 次に、第 11図一第 13図を参照して各プレート及びフレームの構成について説明す る。プレート 120, 150は、カチオン膜 103, 103'に対畤する側の板央部が凹んだ凹 所となっており、この凹所底面に薄板、フィルム状ないしは膜状の陰極 101又は陽極 102が設けられて 、る。この凹所内が濃縮室兼陰極室 105又は陽極室 106となって いる。
[0078] フレーム 130, 140は枠状であり、枠の内側が脱塩室 107又は濃縮室 110となって ヽる。フレーム 130, 140に ίま、各室 107, 110力ら上下に延在する 咅 131, 132 及び 141, 142が設けられている。
[0079] この実施の形態では、プレート 120, 150の外側に流路形成板 160, 170が配置さ れている。
[0080] 流路形成板 160、プレート 120及びカチオン膜 103の上部には、原水を脱塩室 10 7に導入するための原水導入孔 161, 121, 103aが厚み方向に貫設されている。こ れらの:?し 161, 121, 103aiま同軸状【こ、且つフレーム 130の上咅の 咅 【こ重な り合うように設けられている。
[0081] カチオン膜 103、プレート 120及び流路形成板 160の下部には、脱塩室 107から 脱イオン水を取り出すための孔 103b, 122, 162が同軸状、且つフレーム 130の下 部の凹部 132に重なり合うように設けられている。
[0082] 流路形成板 160、プレート 120、カチオン膜 103、フレーム 130、ァ-オン膜 104、 フレーム 140、カチオン膜 103，、プレート 150及び流路形成板 170には、脱イオン 水のー咅を分取して陽極室 106【こ導くため【こ、互!ヽ【こ同軸状【こ孑し 163, 123, 103c , 133, 104c, 143, 103 ' c, 153, 173力 ^厚み方向に貫設されて! /、る。プレート 150 及び流路形成板 170の下部には、この脱イオン水を陽極室 106に導くための孔 155 , 175が厚み方向に貫設されている。孔 155は陽極室 106に臨んでいる。流路形成 板 170の外向き板面には、孔 173, 175を連通する溝 174が設けられている。
[0083] プレート 150及び流路形成板 170の上部には、陽極室流出水を取り出すための孔 156, 176が同軸的に厚み方向に貫設されている。流路形成板 170の外向き板面に は、この孔 176と、下部に設けられた孔 178とを連通するための溝 177が設けられて いる。フレーム 140、カチオン膜 103，及びプレート 150には、該孔 178と同軸に孔 1 48, 103 ' d及び 158が同軸状に設けられている。孔 148はフレーム 140の下部の凹 部 142に臨んでいる。
[0084] フレーム 140の上部の凹部 141に臨んで、濃縮室排水を流出させるための孔 149 が厚み方向に貫設されて 、る。
[0085] ァ-オン膜 104、フレーム 130、カチオン膜 103、プレート 120及び流路形成板 16
0の上部には、この濃縮室排水を取り出すための孔 104e, 139, 103e, 129, 169 が該孔 149と同軸的に厚み方向に貫設されて 、る。
[0086] 流路形成板 160の下部には、この濃縮室排水を濃縮室兼陰極室 105に導くための 孔 167, 127が同軸的に厚み方向に貫設されている。
[0087] プレート 120及び流路形成板 160の上部には、濃縮室兼陰極室 105から排水を流 出させるための孔 128, 168が同軸的に厚み方向に貫設されている。
[0088] 第 14図に示す通り、流路形成板 160の外向き面には、脱塩室 107からの脱イオン 水の取出用孔 162に連なる流路溝 (以下、溝と略） 180が設けられている。この溝 18 0は上方に立ち上がり、途中で溝 181, 182に分岐している。溝 181は、下向きに延 在し、その下端は孔 163に連通している。
[0089] 溝 182は、溝 180を延長するように上方に延在し、流路形成板 160の上端近傍に まで達している。この溝 183の上端と流路形成板 160の側面とは、脱イオン水の取り 出し用小孔 183を介して連通している。
[0090] なお、この溝 180の途中には、脱イオン水の水質 (この実施の形態では電気伝導度 )を測定するための電極 184が設けられている。溝 181及び 182には、それぞれ、流 量調整用のオリフィス 185, 186が設置されている。
[0091] 流路形成板 160の外向き面には、濃縮室流出水を孔 169から孔 167に導くための 溝 189が上下方向に延設されて 、る。
[0092] これらの流路形成板 160, 170、プレー卜 120, 150、フレーム 130, 140及び膜 10 3, 103 ' , 104の積層体の両側にステンレス製のアウタープレート 191, 192 (第 2図 参照）が配置され、ボルト（図示略）によって緊締されることにより、電気脱イオン装置 4力 S完成する。各溝 175, 177、 180—183, 189にアウタープレート 191又 ίま 192力 S 重なることにより、各溝が流路となる。
[0093] なお、陰極側のアウタープレート 191には、上記の孔 161, 168とそれぞれ同軸に 原水導入用の孔と排水取出用の孔（図示略)が設けられる。この原水導入用の孔は 前記ケーシング 12の移流口 84と同軸配置されており、ケーシング 12と電気脱イオン 装置 4とが連結された際に連通する。排水取出用の孔は、ケーシング 12の移送管 18 の先端面と同軸配置されており、ケーシング 12と電気脱イオン装置 4とが連結された 際に連通する。
[0094] 各孔及び溝を流れる水の流れについて概略的に説明すると、次の通りである。
[0095] 移流口 84からの原水（前処理された水）は、孔 161, 121, 103a,脱塩室 107、孔 103b, 122, 162、溝 180の順に流れて脱イオン水となる。その一部（例えば 50— 9 8%)は溝 182、小孔 183を介して取り出され、燃料電池へ供給される。残部は、溝 1 81、孔 163, 123, 103c, 133, 104c, 143, 103 ' c, 153, 173、溝 174、孔 175, 155、陽極室 106、孔 156, 176、溝 177、孔 178, 158, 103 ' d, 148、濃縮室 110 、孔 149, 104e, 139, 103e, 129, 169、溝 189、孔 167, 127、濃縮室兼陰極室 105、孔 128, 168の順に流れ、前記移送管 18へ送り込まれる。このようにして、前 記第 10図に示した通りに水が流れるようになる。
上記実施の形態は本発明の一例であり、本発明は図示以外の形態をもとりうる。た とえば、上記実施形態においては電気脱イオン装置 4の排水を洗気室 20に供給して いるが、燃料電池システムにお ヽて発生する凝縮水を供給するようにしてもょ ヽ。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料電池から回収された回収水を前処理装置で前処理した後、電気脱イオン装置 で脱イオン処理する燃料電池用水処理装置にお!、て、
該電気脱イオン装置及び前処理装置が略同一の厚さ及び高さの矩形箱型に構成 され、該電気脱イオン装置及び前処理装置が並置されて連結されることにより、全体 として矩形箱型に構成されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[2] 請求項 1において、該前処理装置が、上流側より順次に配置された脱炭酸装置、フ ッ素吸着装置及び金属吸着装置よりなる水処理部を備えると共に、さらに、該水処理 部に通水するためのポンプと、該水処理部及びポンプを制御する制御装置とを備え 、これらの水処理部、ポンプ及び制御装置が矩形箱形のケーシング内に配置されて Vヽることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[3] 請求項 2において、該脱炭酸装置は、原水中に気体を吹き込んで脱炭酸処理する ものであり、
この気体を洗気するための洗気装置が前記ケーシング内に配置されており、 該洗気装置は、前記電気脱イオン装置の排水を受け入れ、この排水と気体とを接 触させて洗気するよう構成されていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[4] 請求項 1にお 、て、該フッ素吸着部及び金属吸着部が該ケーシングに設けられた 区画板により区画形成されているとともに、これらフッ素吸着部及び金属吸着部の水 の流路が、前記ケーシング内に設けられた仕切板に沿って延設されていることを特 徴とする燃料電池用水処理装置。
[5] 請求項 4にお ヽて、前記区画板及び仕切板が耐熱性合成樹脂よりなることを特徴と する燃料電池用水処理装置。
[6] 請求項 1において、該電気脱イオン装置及び前処理装置には、両者の対面部にそ れぞれ水流通用のポートが設けられており、該電気脱イオン装置と前処理装置とが 連結されることにより両者の該ポートが対面して連通されていることを特徴とする燃料 電池用水処理装置。
[7] 請求項 6において、該電気脱イオン装置には、その内部の脱イオン処理部と該ポー トとを連通するための水路が設けられており、該水路に流量調整部材が設けられて ヽることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[8] 請求項 6において、該電気脱イオン装置には、その内部の脱イオン処理部と該ポー トとを連通するための水路が設けられており、該水路に水質測定用電極が設けられ ていることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[9] 請求項 1において、
該電気脱イオン装置は、
それぞれプレートに保持された陰極と陽極との間にカチオン交換膜とァ-オン交換 膜とが配置され、
陰極側に配置されたカチオン交換膜と陽極側に配置されたァ-オン交換膜との間 に、周囲がフレームで囲まれた脱塩室が設けられたものである
ことを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[10] 請求項 9において、該電気脱イオン装置にあっては、陰極側から陽極側に向って、 第 1のカチオン交換膜と、ァ-オン交換膜と、第 2のカチオン交換膜とがこの順に配 置され、
該陰極と第 1のカチオン交換膜との間が濃縮室兼陰極室とされ、
第 1のカチオン交換膜と該ァ-オン交換膜との間が脱塩室とされ、
該ァ-オン交換膜と第 2のカチオン交換膜との間が濃縮室とされ、
該第 2のカチオン交換膜と該陽極との間が陽極室とされていることを特徴とする燃 料電池用水処理装置。
[11] 請求項 9において、前記プレート及びフレームは耐熱性合成樹脂よりなることを特 徴とする燃料電池用水処理装置。
[12] 請求項 1にお!、て、前記電気脱イオン装置及び前処理装置の
矩形箱型のケーシングが耐熱性合成樹脂よりなることを特徴とする燃料電池用水処 理装置。
[13] 請求項 5にお 、て、前記耐熱性合成樹脂は、シンジオタクチックポリスチレン又はポ リアセタール榭脂であることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
[14] 請求項 11にお 、て、前記耐熱性合成樹脂は、シンジオタクチックポリスチレン又は ポリアセタール樹脂であることを特徴とする燃料電池用水処理装置。 請求項 12において、前記耐熱性合成樹脂は、シンジオタクチックポリスチレン又は ポリアセタール樹脂であることを特徴とする燃料電池用水処理装置。
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