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JP3518112B2 - 燃料電池の水処理装置 - Google Patents

燃料電池の水処理装置

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JP3518112B2
JP3518112B2 JP31796095A JP31796095A JP3518112B2 JP 3518112 B2 JP3518112 B2 JP 3518112B2 JP 31796095 A JP31796095 A JP 31796095A JP 31796095 A JP31796095 A JP 31796095A JP 3518112 B2 JP3518112 B2 JP 3518112B2
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fuel cell
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iron
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Tokyo Gas Co Ltd
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Kurita Water Industries Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池の水処理装
置に係り、特に燐酸塩型燃料電池発電プラントにおける
水系内に発生する酸化鉄、溶存炭酸ガス、有機物及び微
量イオン状物質を薬品を使用することなく連続的に除去
して燃料電池の電池本体冷却水として再利用するための
処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図2は従来の小型燐酸塩型燃料電池1の
一般的な構成を示す系統図であって、電解質2を介して
燃料極3及び空気極4が設けられたセル5と、このセル
5を冷却する冷却部6が燃料電池本体7内に配置されて
いる。
【0003】天然ガス等の燃料は、配管10から導入さ
れ、改質器11で配管12からの水蒸気で水素を主体と
するガスに改質される。この改質器11には、配管1
3,13Aから燃焼用空気が導入されると共に、配管1
4から燃料極3の未反応燃料(水素を主体とする燃料極
排ガス)が導入され、改質反応の熱源となる。改質ガス
は、更に変成器15で一酸化炭素成分が変成された後、
配管16より燃料極3に導入される。改質器11の燃焼
排ガスは、配管17,18より凝縮器19に送給され
る。
【0004】一方、空気極4には、配管13,13Bを
経て空気が導入され、この空気により燃料極3に導入さ
れた改質ガスが電気化学的反応により酸化され、発電が
行われる。空気極4の排ガスは配管20,18より凝縮
器19に送給される。
【0005】凝縮器19で分離された凝縮水(以下「排
ガス凝縮水」と称する場合がある。)は、配管21より
水処理装置22に送給され、排ガスは配管19Aより系
外へ排出される。
【0006】改質器11で燃料の改質に用いられる水蒸
気は、水蒸気分離器23から、配管12を経て送給され
る。
【0007】また、前記冷却部6には、冷却水として、
水蒸気分離器23からの分離水が、配管24を経て送給
され、冷却部6で加熱された冷却排水は、配管27より
水蒸気分離器23に戻されるようになっており、これら
で電池本体冷却水系を構成している。この電池本体冷却
水系には、必要に応じ補給水としての水処理装置22の
処理水が、配管25を経て送給される。
【0008】なお、水処理装置22には、電池本体冷却
水系からのブローダウン水が、熱交換器28を備える配
管29より導入されて処理される。
【0009】このような比較的小型の燐酸塩型燃料電池
において、凝縮器19で得られる排ガス凝縮水中には改
質器11及び変成器15で生成する炭酸のほか、燐酸、
鉄等の不純物が含まれている。また、水蒸気分離器23
からのブローダウン水中にも、同様に系内の鉄、その他
の不純物が含まれる。一般に、燃料電池発電プラントの
系統配管には、炭素系鋼管が使用されており、このた
め、水処理装置22に回収される水には、多くの酸化
鉄、鉄イオン等が存在する。
【0010】一方、燃料電池1の冷却部6に供給される
冷却水は、電池本体冷却水系の絶縁及び防食の面から、
低電気伝導率であることが必要とされる。このため、凝
縮器19からの排ガス凝縮水及び電池本体冷却水系から
のブローダウン水が回収され、この回収水を処理して電
池本体冷却水系に補給する水処理装置22では、回収水
中の不純物等を除去すると共に、含有されるイオン成分
等を十分に低濃度に除去することが要求される。
【0011】従来、燃料電池の水処理装置22では、回
収水を、まず、メッシュストレーナーで処理して含有さ
れる系内不純物を除去した後、有機物除去の目的で活性
炭塔に通水し、最終的にイオン交換樹脂でイオン類を除
去して処理している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の水処理装置
では、回収水中の酸化鉄により、メッシュストレーナー
が早期に閉塞する上に、後段の活性炭塔も詰まり易く、
これらを頻繁に交換する必要がある。また、活性炭塔で
捕捉されずに、活性炭塔の流出水中に存在する鉄イオン
は、後段のイオン交換樹脂の表面をコーティングする上
に、回収水の温度が比較的高温(45℃程度)であるこ
とから、イオン交換樹脂の劣化も著しく、イオン交換樹
脂の交換頻度も高い。
【0013】従って、このように、メッシュストレーナ
ー、活性炭、イオン交換樹脂の交換を頻繁に行う必要が
あることから、作業効率、処理効率も悪い上に、コスト
高となるという欠点がある。
【0014】このような問題を解決するためには、大型
の脱炭酸塔を用いて脱炭酸処理すると共に、塩素等の強
酸化剤を注入することにより回収水中の鉄イオンを完全
に酸化し、更に、凝集濾過等によりこれを除去した後、
イオン交換樹脂により残存イオンを除去する必要がある
が、この場合には、装置設備が大型かつ複雑化する上に
薬剤コストも嵩み、コンパクト化及び低コスト化が要求
される燃料電池には不適当である。
【0015】本発明は上記従来の問題点を解決し、燃料
電池の水処理装置に回収された回収水中に、高濃度で溶
存する炭酸ガス、酸化鉄及び鉄イオン等を、コンパクト
な装置により、薬品を用いることなく、低コストで連続
的かつ効率的に処理して、低電気伝導率の電池本体冷却
水を得ることが可能な燃料電池の水処理装置を提供する
ことを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池の水処
理装置は、燃料を改質器で水蒸気改質して得られる改質
ガスと空気とを燃料電池本体に導入して電気化学的に発
電するとともに、該燃料電池本体に冷却水を通水し、こ
の冷却排水を水蒸気分離器に導いて前記水蒸気改質用の
水蒸気を発生させるようにした燃料電池に用いられる水
処理装置において、前記改質器から排出される燃焼排ガ
スの凝縮水と、燃料電池の空気極から排出される排ガス
の凝縮水とを回収し、これらの凝縮水中の溶存炭酸ガス
を除去する脱炭酸手段と、この脱炭酸された凝縮水と、
電池本体冷却水系からのブローダウン水とを受け入れる
回収水槽と、この回収水槽の流出水中の酸化鉄を除去す
る膜濾過装置と、この膜濾過装置の流出水中の微量イオ
ンを分離するイオン交換樹脂を内蔵する電気透析器とを
備えてなることを特徴とする。
【0017】本発明では、脱炭酸手段で排ガス凝縮水中
の炭酸ガスを除去し、更に、この脱炭酸処理水とブロー
ダウン水とを混合した回収水中の酸化鉄(コロイダル状
鉄)及び有機物を膜濾過装置で除去する。従って、本発
明によれば、燃料電池の回収水中に存在し、運転管理
上、更には、イオン交換樹脂等の交換頻度増大でコスト
面においても問題となっていたコロイダル状鉄を効率的
に除去すると共に、後段の電気透析器のイオン交換樹脂
の負荷となる炭酸ガスを効率良く除去できる。このよう
に、脱炭酸後、コロイダル状鉄を効率的に除去した後、
残存する微量イオンを電気透析器で電気的に脱イオンす
ることにより、電気透析器内での酸化鉄の発生、発生し
た酸化鉄による性能低下を防止し、効率的な水処理を行
って、低電気伝導率の高水質処理水を得ることができ
る。特に、膜濾過装置と電気透折器との間に、膜濾過装
置の流出水中に残留する鉄イオンを選択的に吸着除去す
る吸着装置を設けることにより、膜濾過装置で酸化鉄及
び有機物を除去した後、鉄イオン(イオン状鉄)をも除
去することができるので、電気透折器内での酸化鉄の発
生、発生した酸化鉄による性能低下をより一層防止する
ことができる。
【0018】本発明によれば、装置構成のコンパクト化
及び処理コストの低廉化を図ることができ、従来の燃料
電池の構成部材の材質を変えることなく所定の処理水質
を安定に得ることが可能である。
【0019】本発明の燃料電池の水処理装置で得られる
処理水は最終処理水として、水蒸気分離器の冷却水供給
配管に送給され、一部は、燃料電池本体の冷却部の冷却
水として使用され、残部は燃料電池の燃料改質用の水蒸
気発生源として使用される。
【0020】本発明においては、溶存炭酸ガスを更に高
度に除去するために、吸着装置の後段に膜脱気装置を設
け、吸着装置の流出水を膜脱気装置で脱炭酸処理した
後、電気透析器で処理するようにしても良い。
【0021】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明を詳
細に説明する。
【0022】図1は本発明の燃料電池の水処理装置の一
実施例を示す系統図である。
【0023】図1において、31は燃料電池水槽(回収
水槽)であり、上部に設けられた脱炭酸塔(脱炭酸手
段)32を経て配管33より前記排ガス凝縮水が導入さ
れる。この脱炭酸塔32は充填材層34を有し、充填材
の表面で凝縮水と配管35を経て燃料電池水槽31に導
入される空気とが向流接触することで、凝縮水中の溶存
炭酸ガスが除去され、排ガスは配管36より系外へ排出
される。なお、この脱炭酸用の空気としては、燃料電池
の空気極の高温の排ガスを用いても良い。
【0024】この燃料電池水槽31には、配管37より
前記ブローダウン水が導入され、脱炭酸塔32で脱炭酸
処理された排ガス凝縮水とブローダウン水とは、この燃
料電池水槽31からポンプP1 を備える配管38を経て
貯水槽39に移送される。
【0025】この貯水槽39内の水は、ポンプP2 を備
える配管40及び配管40A,40Bを経て、並列配置
されたMF(精密濾過)膜分離装置(膜濾過装置)41
A,41Bに導入されて膜濾過され、酸化鉄、即ち、コ
ロイダル状鉄及び有機物が除去される。
【0026】このMF膜分離装置41A,41Bの流出
水(膜濾過水)は、配管42A,42B及び配管42を
経てキレート樹脂塔(吸着装置)44に導入され、更に
残留する鉄イオン、即ちイオン状鉄が吸着除去される。
なお、MF膜分離装置41A,41Bの濃縮水は、配管
43A,43B及び43を経て系外へ排出される。
【0027】キレート樹脂塔44の流出水は、鉄分が十
分に除去されたものであるが、保安フィルター45を経
て、配管46A,46Bよりイオン交換膜及びイオン交
換樹脂を装填した電気透析器(以下「CDI」と略称す
る。)47に導入され脱イオン処理される。
【0028】即ち、CDIは、アニオン交換膜とカチオ
ン交換膜とが複数枚交互に配設され、アニオン交換膜と
隣接するカチオン交換膜との間が濃縮室、このカチオン
交換膜と隣接するアニオン交換膜との間が希釈室、この
アニオン交換膜と隣接するカチオン交換膜との間が濃縮
室というように、希釈室と濃縮室とが交互に形成されて
いる(前記配管46Aは、CDIの希釈室に、配管46
BはCDIの濃縮室に連結されている。)。そして、希
釈室内には、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂との
混床樹脂が充填されており、希釈室に流入したイオンは
その親和力、濃度及び移動度に基いてイオン交換樹脂と
反応し、電位の傾きの方向に樹脂中を移動し、更に膜を
横切って移動し、すべての室において電荷の中和が保た
れる。そして、膜の半浸透特性のため、及び電位の傾き
の方向性のために、イオンは希釈室では減少し、隣りの
濃縮室では濃縮される。即ち、カチオンはカチオン交換
膜を透過して、また、アニオンはアニオン交換膜を透過
して、それぞれ濃縮室内に濃縮される。このため、希釈
室から脱イオン水が回収される。このようなCDIは、
イオン交換樹脂のように再生を必要とせず、完全な連続
採水が可能で、極めて高純度の水が得られるという優れ
た効果を奏する。導電性を良くする為、濃縮室内に希釈
室と同様に混床樹脂を充填することも可能である。
【0029】CDI47の希釈室から得られる、アニオ
ン及びカチオンが除去された脱イオン水は配管48よ
り、燃料電池水槽31に循環され、そこから必要に応じ
て配管50より電池本体冷却水系へ補給される。
【0030】一方、CDI47の濃縮室から得られる濃
縮水は、配管49より系外へ排出される。
【0031】本実施例においては、凝縮水中に高濃度に
溶存し、後段のイオン交換樹脂の負荷となる炭酸ガスが
脱炭酸塔34で効率的に除去される。また、回収水中に
含有される有機物や、コロイダル状鉄(酸化鉄)はMF
膜分離装置41A,41Bで効率的に除去され、更に、
イオン状鉄(鉄イオン)は、キレート樹脂塔で除去され
るため、CDI47には、鉄分、その他の不純物が十分
に低減された水が導入される。このため、CDI47に
おいては、イオン交換樹脂の劣化等を引き起こすことな
く、更に残留する微量イオンを高度に除去して高水質処
理水を得ることができる。
【0032】図1に示す装置は本発明の一実施例を示す
ものであって、本発明はその要旨を超えない限り、何ら
図示のものに限定されるものではない。
【0033】例えば、凝縮水の脱炭酸手段としては、充
填材層のないスプレー塔や貯水式の散気塔であっても良
い。また、真空脱気塔や膜脱気塔であっても良い。
【0034】また、回収水中の酸化鉄を除去する膜濾過
装置としては、MF膜分離装置の他、UF(限外濾過)
膜分離装置、セラミックス膜分離装置等を用いることが
できる。更に、膜濾過装置の流出水中に残留する鉄イオ
ンを吸着除去する吸着装置としては、キレート樹脂塔の
他、ゲル型のNa型カチオン交換樹脂塔を用いても良い
が、高選択性であることから、キレート樹脂塔が好適で
ある。即ち、キレート樹脂は選択性が高く、燃料電池の
回収水中のイオン負荷の大半を占める炭酸イオンが負荷
とならないため、キレート樹脂塔は小容量で足りる。従
って、キレート樹脂塔をカートリッジ化して交換を容易
にすることもできる。
【0035】また、本発明においては、溶存炭酸ガスを
更に高度に除去するために、吸着装置の後段に、膜脱気
装置を適用しても良い。
【0036】
【実施例】以下に、実験例及び実施例を挙げて本発明を
より具体的に説明する。
【0037】実験例1 MF膜分離装置によるFe除去効果を調べる実験を行っ
た。
【0038】MF膜分離装置(MF膜孔径0.1μm)
により、145L/hrの通水条件でコロイダル状鉄及
びイオン状鉄を含む各水質の水の処理を行い、そのMF
膜分離装置入口水及び出口水のFe濃度からFe除去率
を求め、結果を表1に示した。
【0039】
【表1】
【0040】表1より、MF膜分離装置では、MF膜の
孔径よりも小さい粒径のコロイダル鉄及びイオン状鉄は
除去できないが、前処理としての除去効果は十分である
ことがわかる。
【0041】実験例2 MF膜分離装置及びキレート樹脂塔によるFe除去効果
を調べる実験を行った。
【0042】コロイダル鉄及びイオン状鉄を含む各水質
の水を、実験例1と同様にしてMF膜分離装置で処理し
た後、MF膜分離装置の膜濾過水を更にキレート樹脂
(バイエル社製「レバチットTP207」)を20L充
填したキレート樹脂塔に145L/hrで通水処理し、
MF膜分離装置入口水及びキレート樹脂塔出口水のFe
濃度からFe除去率を求め、結果を表2に示した。
【0043】
【表2】
【0044】表2より、MF膜分離装置及びキレート樹
脂塔で処理することにより、コロイダル状鉄及びイオン
状鉄を高度に除去できることが明らかである。
【0045】実験例3 CDIによる処理効果を調べる実験を行った。
【0046】また、CDIとしては、ポリエチレン系の
アニオン交換膜及びカチオン交換膜(1枚当り約300
cm2 )を各10枚交互に配列し、H形強酸性アニオン
交換樹脂とOH形強塩基性アニオン交換樹脂を容積比4
0:60で混合した混床樹脂約0.9Lを各希釈室に充
填したものを用い、通水条件は下記の通りとした。
【0047】 給 水 量 :145L/hr 処理水流量 :120L/hr 濃縮水流量 :75L/hr 濃縮排水量 :2.5L/hr 印加電圧及び電流:表3に示す。
【0048】水 温 :40℃ CDIの入口水水質及びCO2 濃度及び電気伝導率と処
理水電気伝導率を表3に示す。
【0049】
【表3】
【0050】表3より、CDIに通水することで、高水
質処理水が得られることがわかる。特に、脱炭酸処理後
の水中に残存する炭酸ガスは、CDIのイオン交換樹脂
の負荷になるが、CDIの印加電圧を増加して電流量を
増加させることにより、溶存炭酸ガスの変動にも効率良
く対応して、これを高度に除去することができることが
明らかである。
【0051】実施例1 図1に示す装置により、燃料電池の回収水の処理を行っ
た。
【0052】なお、脱炭酸塔としてはラシヒリング充填
層を設け、この充填層に排ガス凝縮水を125L/hr
で通水した。この脱炭酸処理水とブローダウン水とが混
合されて導入される貯水槽内の回収水の水質は下記の通
りであった。
【0053】回収水水質 電気伝導率:8.5 μs/cm pH :5.8 Mアルカリ:<2 mg−CaCO3 /L Fe :1.16 mg−Fe/L Ca :0.01 mg−Ca/L Na :0.07 mg−Na/L PO4 :0.076mg−PO4 /L Cl :0.027mg−Cl/L SO4 :0.014mg−SO4 /L SiO2 :0.023mg−SiO2 /L TOC :0.29 mg−C/L この回収水中に存在する鉄のコロイダル状鉄/イオン状
鉄組成は、回収水の温度やpHによっても異なるが、そ
の比率は、コロイダル状鉄/イオン状鉄=40%/60
%で、ほぼ300〜600μg−Fe/Lのイオン状鉄
が存在しており、後段のCDIのイオン交換樹脂の許容
量:100μg−Fe/Lを大幅に超えている。
【0054】この回収水を、実験例1,2と同様の条件
でMF膜分離装置及びキレート樹脂塔に順次通水した
後、実験例3と同様の条件でCDIに通水した。ただ
し、CDIの印加電圧及び電流は各々90V及び0.6
Aとした。
【0055】得られた処理水(CDI処理水)の水質は
以下の通りであり、本発明によれば高水質処理水が得ら
れることが明らかである。
【0056】処理水水質 Fe :0.003 mg−Fe/L Ca :0.0033mg−Ca/L Na :0.0004mg−Na/L PO4 :0.005 mg−PO4 /L Cl :0.0007mg−Cl/L SO4 :0.014 mg−SO4 /L SiO2 :0.003 mg−SiO2 /L TOC :0.098 mg−C/L なお、CDIの入口水と出口水(処理水)の電気伝導率
及びCO2 濃度は下記表4の通りであり、CDIによる
処理効果が十分に発揮されていることが明らかである。
【0057】
【表4】
【0058】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の燃料電池の
水処理装置によれば、燃料電池の水処理装置に回収され
た回収水中に、高濃度で溶存する炭酸ガス、有機物、酸
化鉄及び鉄イオンを、コンパクトな装置により、薬品を
用いることなく、低コストで連続的かつ効率的に処理し
て、低電気伝導率の冷却用水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の水処理装置の一実施例を示
す系統図である。
【図2】従来の小型燐酸塩型燃料電池1の一般的な構成
を示す系統図である。
【符号の説明】 1 燃料電池 2 電解質 3 燃料極 4 空気極 6 冷却部 11 改質器 15 変成器 19 凝縮器 22 水処理装置 23 水蒸気分離器 31 燃料電池水槽 32 脱炭酸塔 39 貯水槽 41A,41B MF膜分離装置 44 キレート樹脂塔 45 保安フィルター 47 CDI
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿座上 文夫 東京都新宿区西新宿3丁目4番7号 栗 田工業株式会社内 (72)発明者 出口 智章 東京都新宿区西新宿3丁目4番7号 栗 田工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−92315(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 - 8/06

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料を改質器で水蒸気改質して得られる
    改質ガスと空気とを燃料電池本体に導入して電気化学的
    に発電するとともに、該燃料電池本体に冷却水を通水
    し、この冷却排水を水蒸気分離器に導いて前記水蒸気改
    質用の水蒸気を発生させるようにした燃料電池に用いら
    れる水処理装置において、 前記改質器から排出される燃焼排ガスの凝縮水と、燃料
    電池の空気極から排出される排ガスの凝縮水とを回収
    し、これらの凝縮水中の溶存炭酸ガスを除去する脱炭酸
    手段と、 この脱炭酸された凝縮水と、前記電池本体冷却水系から
    のブローダウン水とを受け入れる回収水槽と、 この回収水槽の流出水中の酸化鉄を除去する膜濾過装置
    と、 この膜濾過装置の流出水中の微量イオンを分離するイオ
    ン交換樹脂を内蔵する電気透析器とを備えてなることを
    特徴とする燃料電池の水処理装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記膜濾過装置と電
    気透折器との間に、該膜濾過装置の流出水中に残留する
    鉄イオンを選択的に吸着除去する吸着装置を備えること
    を特徴とする燃料電池の水処理装置。
  3. 【請求項3】 請求項において、吸着装置の後段に、
    膜脱気装置が設けられていることを特徴とする燃料電池
    の水処理装置。
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