(57)【要約】【課題】燃料電池装置の水自立を実現し、脱イオン処理に供給される水の炭酸イオン以外のイオンの濃度増加を緩和できる水処理装置を提供する。【解決手段】本発明の水処理装置１は、燃料電池装置から回収された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る第１の脱炭酸処理部１０と、電気式脱イオン処理装置２４を用いて第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水およびイオンの濃縮水を生成させる脱イオン処理部２０と、前記濃縮水を回収し、前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る第２の脱炭酸処理部３０と、前記第２の脱炭酸水の一部を前記第１の脱炭酸水に補給する補給部４０とを有する。【選択図】図１
2010137200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置から回収された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る第１の脱炭酸処理部と、
電気式脱イオン処理装置を用いて第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水およびイオンの濃縮水を生成させる脱イオン処理部と、
前記濃縮水を回収し、前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る第２の脱炭酸処理部と、
前記第２の脱炭酸水の一部を前記第１の脱炭酸水に補給する補給部とを有することを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記第１の脱炭酸処理部および／または前記第２の脱炭酸処理部が、曝気式脱炭酸塔を備える請求項１に記載の水処理装置。
【請求項３】
前記補給部は、第１の脱炭酸水を貯留する第１の貯水部と、第２の脱炭酸水を貯留する第２の貯水部とを備え、
第１の貯水部と第２の貯水部とは、同じ高さにオーバーフロー口が各々設けられ、かつ、第２の脱炭酸水の位置水頭が第１の脱炭酸水の位置水頭より大きくなったときのみ開放される逆止弁を介して接続されている請求項１または２に記載の水処理装置。
【請求項４】
燃料電池装置から回収された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る工程と、
第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水および濃縮水を生成させる工程と、
前記濃縮水を回収し、前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る工程と、
第２の脱炭酸水の一部を第１の脱炭酸水に補給する工程とを有することを特徴とする水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置から回収された凝縮水を処理するための水処理装置および水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への負荷抑制の観点から、燃料電池装置の普及が推し進められている。
家庭用等の燃料電池装置を用いた発電においては、水を使用する工程、例えば、水素を製造するために都市ガス（メタンガス）やプロパンガスを水蒸気改質する工程、電極接合体（ＭＥＡ）を構成するイオン交換膜の電気抵抗を下げるために加湿する工程、燃料電池装置を冷却する工程などを有している。これらの工程で使用する水には、導電率が低い純水が用いられている。
純水の供給源として水道水を用いると、純水化処理を必要とするため、燃料電池装置が大型化する上にコストが高くなる傾向にある。そのため、電池反応において生成した水や、水蒸気改質で消費されなかった水蒸気の凝縮水を使用して、外部から水を補給せずに水を自立化させることが検討されてきた。
通常、水蒸気改質では副反応によって二酸化炭素が発生するため、燃料電池装置から回収された水には、炭酸イオンが溶け込まれている。また、塩化物イオンやケイ酸イオンも溶け込まれている。
そこで、特許文献１では、燃料電池装置から回収された水を脱炭酸処理し、さらに電気式脱イオン処理装置によって脱イオン処理して、純水化する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２３２３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載の方法では、燃料電池装置から回収された水の使用効率を高めるために、電気式脱イオン処理装置にて生成した濃縮水を、燃料電池装置から回収された水を脱炭酸処理に供給する配管に戻して再利用している。
しかしながら、濃縮水を繰り返し循環させた場合、濃縮水中の炭酸イオンについては脱炭酸処理により除去することは可能であるものの、炭酸イオン以外のイオンについては濃度が次第に高くなる。そのため、稼働時間が長くなるにつれて、電気式脱イオン装置の負荷が次第に大きくなり、消費電力量が増加する。特に、ケイ酸イオンの濃度が高くなると、消費電力量の増加は顕著になる。燃料電池装置の付帯装置の消費電力量が多いと、燃料電池装置の発電効率が低くなるため、炭酸イオン以外のイオン濃度の増加は問題である。
そのため、特許文献１に記載の方法では、濃縮水を系外に排出する流路を設けて、適宜、濃縮水を脱炭酸処理に供給する流路から切り替えて濃縮水の一部を廃棄していた。また、この濃縮水の廃棄によって燃料電池装置に供給する水の量が不足するため、水道水を純水化処理したものを補給する手段を有していた。したがって、燃料電池装置の水の自立化を実現できていなかった。
そこで、本発明は、燃料電池装置の水自立を実現し、脱イオン処理に供給される水の炭酸イオン以外のイオンの濃度増加を緩和できる水処理装置および水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、以下の構成を包含する。
［１］  燃料電池装置から回収された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る第１の脱炭酸処理部と、
電気式脱イオン処理装置を用いて第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水およびイオンの濃縮水を生成させる脱イオン処理部と、
前記濃縮水を回収し、前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る第２の脱炭酸処理部と、
前記第２の脱炭酸水の一部を前記第１の脱炭酸水に補給する補給部とを有することを特徴とする水処理装置。
［２］  前記第１の脱炭酸処理部および／または前記第２の脱炭酸処理部が、曝気式脱炭酸塔を備える［１］に記載の水処理装置。
［３］  前記補給部は、第１の脱炭酸水を貯留する第１の貯水部と、第２の脱炭酸水を貯留する第２の貯水部とを備え、
第１の貯水部と第２の貯水部とは、同じ高さにオーバーフロー口が各々設けられ、かつ、第２の脱炭酸水の位置水頭が第１の脱炭酸水の位置水頭より大きくなったときのみ開放される逆止弁を介して接続されている［１］または［２］に記載の水処理装置。
［４］  燃料電池装置から回収された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る工程と、
第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水および濃縮水を生成させる工程と、
前記濃縮水を回収し、前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る工程と、
第２の脱炭酸水の一部を第１の脱炭酸水に補給する工程とを有することを特徴とする水処理方法。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の水処理装置および水処理方法は、燃料電池装置の水自立を実現し、脱イオン処理に供給される水の炭酸イオン以外のイオンの濃度増加を緩和できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の水処理装置の一実施形態例について説明する。
図１に、本実施形態例の水処理装置を示す。この水処理装置１は、燃料電池装置から凝縮された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る第１の脱炭酸処理部１０と、第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水および濃縮水を生成させる脱イオン処理部２０と、濃縮水を前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る第２の脱炭酸処理部３０と、第２の脱炭酸水の一部を第１の脱炭酸水に補給する補給部４０とを有する。
【０００７】
第１の脱炭酸処理部１０は、第１の脱炭酸室１１と、燃料電池装置から第１の脱炭酸室１１に凝縮水を供給するための第１の配管１２を備える。
第２の脱炭酸処理部３０は、第２の脱炭酸室３１と、脱イオン処理部２０から第２の脱炭酸室３１に濃縮水を供給するための第５の配管３２を備える。
【０００８】
本実施形態例では、一つの曝気式脱炭酸塔Ａの内部に鉛直方向に沿って仕切り板Ｂが設けられて、２つの室に分割されている。曝気式脱炭酸塔Ａの一方の室は第１の脱炭酸室１１に、他方の室は第２の脱炭酸室３１にされている。したがって、第１の脱炭酸室１１には凝縮水が、第２の脱炭酸室３１には濃縮水が、互いに混合されずに通過するようになっている。
ここで、曝気式脱炭酸塔とは、脱炭酸処理する水に空気を通して、水中の炭酸ガスを空気に含ませるものである。
【０００９】
第１の脱炭酸室１１の下部には、上方に向けて空気を噴出させる空気噴出ノズル１１ａと、空気噴出ノズル１１ａに空気を供給するための空気供給管１１ｂとが設けられている。第１の脱炭酸室１１の上部には、第１の脱炭酸室１１の内部の空気を外部に排出させるための排出口１１ｃが設けられている。
【００１０】
同様に、第２の脱炭酸室３１の下部には、上方に向けて空気を噴出させる空気噴出ノズル３１ａと、空気噴出ノズル３１ａに空気を供給するための空気供給管３１ｂとが設けられている。また、第２の脱炭酸室３１の上部には、第２の脱炭酸室３１の内部の空気を外部に排出させるための排出口３１ｃが設けられている。
【００１１】
第１の脱炭酸室１１および第２の脱炭酸室３１では、流下する水（凝縮水または濃縮水）に空気を向流で接触させることで曝気して、脱炭酸処理を行う。
【００１２】
補給部４０は貯水タンクＣが仕切り板Ｄによって仕切られて設けられた第１の貯水室４１および第２の貯水室４２と、水平に配置され、第１の貯水室４１および第２の貯水室４２を同じ高さで接続する逆止弁４３とを備える。
【００１３】
第１の貯水室４１は第１の脱炭酸室１１の下方に設けられて接続されている。したがって、第１の脱炭酸水は第１の貯水室４１に貯留されるようになっている。第２の貯水室４２は第２の脱炭酸室３１の下方に設けられて接続されている。したがって、第２の脱炭酸水は第２の貯水室４２に貯留されるようになっている。
【００１４】
第１の貯水室４１の上部および第２の貯水室４２の上部には、各々、内部の脱炭酸水の一部を外部に溢れ出させるためのオーバーフロー口４１ａ，４２ａが設けられている。第１の貯水室４１のオーバーフロー口４１ａと第２の貯水室４２のオーバーフロー口４２ａとは、同じ高さに配置されている。
【００１５】
逆止弁４３は、第２の脱炭酸水の位置水頭が第１の脱炭酸水の位置水頭より大きくなったときのみ開放される弁である。
【００１６】
上記補給部４０では、第２の脱炭酸水の位置水頭が第１の脱炭酸水の位置水頭より大きくなったときに、逆止弁４３が開放されて、第２の貯水室４２から第１の貯水室４１に第２の脱炭酸水が流出するようになっている。
また、第１の貯水室４１中の第１の脱炭酸水と第２の貯水室４２中の脱炭酸水との液面高さが同じになっているとき、第１の脱炭酸水の位置水頭が第２の脱炭酸水の位置水頭より大きくなっているときには、逆止弁４３が開放されないから、第１の貯水室４１から第２の貯水室４２に第１の脱炭酸水が流出することはない。
【００１７】
上記の補給部４０では、第１の貯水室４１への第１の脱炭酸水の供給量が減少して、または、第１の貯水室４１中の第１の脱炭酸水の消費量が増加して、燃料電池装置で必要な水量に対して第１の脱炭酸水が不足したときに、第２の脱炭酸水を第１の脱炭酸水に補給できるようになっている。
【００１８】
上記補給部４０において、逆止弁４３を、第２の脱炭酸水の位置水頭が第１の脱炭酸水の位置水頭より所定量大きくなった状態のみ開放される弁にすると、第２の脱炭酸水を断続的に第１の脱炭酸水に添加するようになる。
【００１９】
脱イオン処理部２０は、第１の貯水室４１に接続された第２の配管２１と、第２の配管２１の下流側に接続されたポンプ２２と、ポンプ２２の吐出側に接続された第３の配管２３と、第３の配管２３の下流側に接続された電気式脱イオン処理装置２４と、電気式脱イオン処理装置２４によって生成された脱イオン水を排出させる第４の配管２５とを備える。
【００２０】
電気式脱イオン処理装置２４は、イオン交換体が内蔵された装置であって、電気泳動と電気透析とが組み合わされて、第１の炭酸水が脱イオンされた脱イオン水と、イオンの濃縮水を生成させるものである。
【００２１】
図２に、電気式脱イオン処理装置の一例を示す。この例の電気式脱イオン処理装置５０は、陽極５１ａを具備する陽極室５１、陰極５２ａを具備する陰極室５２、陽極室５１と陰極室５２との間に設けられた脱塩室５３を備えるものが挙げられる。
陽極室５１にはカチオン交換樹脂が充填され、陰極室５２および脱塩室５３には、アニオン交換樹脂が充填されている。
陽極室５１または陰極室５２と、脱塩室５３とは、アニオン交換膜５４によって仕切られている。
本実施形態例においては、脱塩室５３に第３の配管２３が接続されて第１の脱炭酸水が導入されるようになっている。また、脱塩室５３から流出した脱イオン水の一部は陰極室５２、陽極室５１を経て、第５の配管３２を介して濃縮水として排出されるようになっている。
【００２２】
上記水処理装置１を用いた水処理方法について説明する。
本実施形態例における水処理方法は、燃料電池装置から回収された凝縮水を脱炭酸処理して第１の脱炭酸水を得る工程と、第１の脱炭酸水を脱イオン処理して脱イオン水および濃縮水を生成させる工程と、前記濃縮水を回収し、前記凝縮水とは別に脱炭酸処理して第２の脱炭酸水を得る工程と、第２の脱炭酸水の一部を第１の脱炭酸水に補給する工程とを有する。
以下、具体的に説明する。
【００２３】
まず、燃料電池装置から回収された凝縮水を、第１の配管１２を介して第１の脱炭酸室１１の上部に供給し、第１の脱炭酸室１１の下部に向かって流下させる。それと同時に、空気供給管１１ｂによって供給した空気を、空気噴出ノズル１１ａを用いて第１の脱炭酸室１１の下部より上方に向けて噴出させる。これにより、凝縮水と空気とを向流で接触させて脱炭酸処理して、第１の脱炭酸水を得る。炭酸ガスを含んだ空気は、排出口１１ｃを介して第１の脱炭酸室１１の外部に排出させる。
【００２４】
次いで、第１の脱炭酸水を第１の貯水室４１に貯留する。第１の脱炭酸水の液面高さがオーバーフロー口４１ａに達すると、第１の脱炭酸水の一部はオーバーフロー口４１ａから溢れ出て排出される。
【００２５】
次いで、第１の貯水室４１中の第１の脱炭酸水を、ポンプ２２を用い、第２の配管２１および第３の配管２３を介して、電気式脱イオン処理装置２４に供給する。そして、電気式脱イオン処理装置２４を常法に従って使用し、第１の脱炭酸水を脱イオン処理して、脱イオン水と濃縮水とを生成させる。
【００２６】
本実施形態例の電気式脱イオン処理装置２４に上記電気式脱イオン処理装置５０を用いた場合には、以下のように脱イオン処理する。
すなわち、第３の配管２３を介して脱塩室５３に第１の脱炭酸水を導入して、脱塩室５３内のアニオン交換体でアニオンを捕捉する。それと共に、陽極５１ａと陰極５２ａとを直流電圧で印加することで、アニオン交換体で捕捉したアニオンを陽極５１ａ側に誘引させ、さらに、アニオン交換膜５４を通過させて陽極室５１内に移動させる。このように、脱塩室５３にて第１の脱炭酸水を脱イオン処理することで脱イオン水を得る。また、陽極室５１においては、アニオンが移動してくるため、イオン濃度が向上して濃縮水が生成する。
【００２７】
得られた脱イオン水は、第４の配管２５を介して、燃料電池装置に供給される。ただし、脱イオン水の一部は、陰極室５２を経て、陽極室５１を通過するようになっており、濃縮水用の水として使用される。
濃縮水は、第５の配管３２を介して、第２の脱炭酸室３１に供給される。
【００２８】
次いで、濃縮水を第２の脱炭酸室３１の下部に向かって流下させる。それと同時に、空気供給管３１ｂによって供給した空気を、空気噴出ノズル３１ａを用いて第２の脱炭酸室３１の下部より上方に向けて噴出させる。これにより、濃縮水と空気とを向流で接触させて脱炭酸処理して、第２の脱炭酸水を得る。炭酸ガスを含んだ空気は、排出口３１ｃを介して第２の脱炭酸室３１の外部に排出させる。
【００２９】
次いで、第２の脱炭酸水を第２の貯水室に貯留する。第２の脱炭酸水の液面高さがオーバーフロー口４２ａに達すると、第２の脱炭酸水の一部はオーバーフロー口４２ａから溢れ出て排出される。
【００３０】
第１の貯水室４１中の第１の脱炭酸水と第２の貯水室４２中の第２の脱炭酸水とが共にオーバーフロー口４１ａ，４２ａから流出している際には、液面高さが同じになるため、第１の脱炭酸水と第２の脱炭酸水の位置水頭が等しくなり、逆止弁４３は閉止した状態になる。したがって、第２の脱炭酸水は第１の脱炭酸水に添加されない。
【００３１】
第１の貯水室４１への第１の脱炭酸水の供給量の減少または第１の貯水室４１中の第１の脱炭酸水の消費量の増加によって、第１の貯水室４１中の第１の脱炭酸水の貯水量が減少した際には、第１の脱炭酸水の液面が第２の脱炭酸水よりも低くなる。そのため、第１の脱炭酸水よりも第２の脱炭酸水の位置水頭が大きくなり、逆止弁４３は、第２の脱炭酸水によって押し込まれて開放された状態になる。したがって、第２の脱炭酸水が第１の脱炭酸水に添加されるようになる。
【００３２】
第２の脱炭酸水の液面が第１の脱炭酸水よりも低くなった際には、第２の脱炭酸水よりも第１の脱炭酸水の位置水頭が大きくなる。しかし、逆止弁４３は、第１の脱炭酸水の押し込みによっても開放されないから、第１の脱炭酸水が第２の脱炭酸水に添加されることはない。
【００３３】
上記工程を連続的に行うことにより、脱イオン水を連続的に生成させることができる。特に、脱イオン処理部２０から流出した濃縮水を第２の脱炭酸処理部３０によって第２の脱炭酸水とし、その第２の脱炭酸水を補給部４０によって第１の脱炭酸水に補給するため、外部から水を補給しなくても、充分な量の脱イオン水を確保できる。そのため、水の自立化を実現できる。
【００３４】
また、上記水処理装置１では、凝縮水の脱炭酸処理を第１の脱炭酸処理部１０にて行い、濃縮水の脱炭酸処理を第２の脱炭酸処理部３０にて行うため、脱炭酸処理にて凝縮水と濃縮水とが混ざることはない。また、補給部４０によって、第２の脱炭酸水を必要最低限の量だけ第１の脱炭酸水に添加するようになっている。したがって、上記水処理装置１では、濃縮水の全量を第１の脱炭酸水に添加しないため、濃縮水を循環利用しているにもかかわらず、電気式脱イオン処理装置２４に供給される水の炭酸イオン以外のイオンの濃度増加を緩和できる。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態例に限定されない。例えば、上記実施形態例では、一つの脱炭酸塔を２分割して使用していたが、凝縮水専用の脱炭酸塔と濃縮水専用の脱炭酸塔とを別々に備えてもよい。しかし、コストの面からは、一つの脱炭酸塔を２分割して使用することが好ましい。
【００３６】
同様に、上記実施形態例では、一つの貯水タンクを２分割して使用していたが、第１の脱炭酸水専用の貯水タンクと、第２の脱炭酸水専用の貯水タンクとを別々に備えてもよい。しかし、コストの面からは、一つの貯水タンクを２分割して使用することが好ましい。
【００３７】
補給部４０は、逆止弁４３を用いたものに限らない。例えば、第１の貯水室、第２の貯水室、第１の貯水室と第２の貯水室とを接続する電磁式開閉弁、第１の貯水室に取り付けたレベル計を備えたものであってもよい。この場合、レベル計によって測定した液面高さが規定下限値以下になった際に、第１の貯水室と第２の貯水室との間に設けた電磁式開閉弁を開放して第２の脱炭酸水を添加し、液面高さが規定上限値以上になった際に、電磁式開閉弁を閉止して第２の脱炭酸水の添加を停止する。さらに、電磁式開閉弁の代わりにポンプを用いてもよい。
【００３８】
脱炭酸処理においては、曝気式脱炭酸塔の他に、例えば、中空糸膜を用いて炭酸ガスを分離する方法などを適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の水処理装置の一実施形態例を示す模式図である。
【図２】図１の水処理装置に使用される電気式脱イオン処理装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  水処理装置
１０  第１の脱炭酸処理部
１１  第１の脱炭酸室
１１ａ  空気噴出ノズル
１１ｂ  空気供給管
１１ｃ  排出口
１２  第１の配管
２０  脱イオン処理部
２１  第２の配管
２２  ポンプ
２３  第３の配管
２４  電気式脱イオン処理装置
３０  第２の脱炭酸処理部
３１  第２の脱炭酸室
３１ａ  空気噴出ノズル
３１ｂ  空気供給管
３１ｃ  排出口
３２  第５の配管
４０  補給部
４１  第１の貯水室
４１ａ  オーバーフロー口
４２  第２の貯水室
４２ａ  オーバーフロー口
４３  逆止弁
５０  電気式脱イオン処理装置
５１  陽極室
５１ａ  陽極
５２  陰極室
５２ａ  陰極
５３  脱塩室
５４  アニオン交換膜
【図１】
2010137200.tif 000003
【図２】
2010137200.tif 000004