(57)【要約】【課題】燃料電池の排ガス凝縮水を小型かつ簡素で運転操作が容易な水処理装置により効率的に処理して良好な水質の処理水を得、これを燃料電池の用水として再利用する。【解決手段】水処理装置において、燃料電池の排ガス凝縮水を、Ｈ型カチオン交換塔１、脱炭酸塔２、膜脱気装置３及びＯＨ形アニオン交換塔４の順で通水して処理する。膜脱気装置３に流通させた空気を脱炭酸塔２に供給する。脱炭酸処理を脱炭酸塔２と膜脱気装置３との２段処理で行うため、凝縮水の炭酸濃度を十分に低減して、後段の脱塩装置の負荷を軽減することができる。膜脱気装置３及び脱炭酸塔２に供給する気体を一系列で供給するため、気体供給のためのブロワが１台で足りる。【選択図】図１
2005310483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池における排ガス凝縮水を水処理装置に通水し、得られた処理水を再度燃料電池の用水として使用する燃料電池装置において、
該水処理装置は、
前記凝縮水と気体とを直接接触させて脱炭酸処理する脱炭酸塔と、
該脱炭酸塔の流出水を透過膜の一方の側に通し、気体を他方の側に流通させて脱炭酸処理する膜脱気装置とを備え、
該膜脱気装置に流通された気体を前記脱炭酸塔に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１において、前記水処理装置が、前記脱炭酸塔の上流側に設けられたＨ形カチオン交換塔と、前記膜脱気装置の下流側に設けられたアニオン交換樹脂を充填したイオン交換装置とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に係り、特に固体高分子型燃料電池等の燃料電池における排ガス凝縮水を水処理装置で処理して循環使用する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般家庭などに設置される固体高分子型燃料電池装置には、天然ガス、プロパンガスなどから水素を製造するための改質工程などにおいて水（純水）が必要である。純水は家庭で容易に手に入らないため、燃料電池装置においては、一般に、燃料電池本体で水素と酸素の反応により生じた水などを回収し、これを水処理装置で処理して再利用することが行われている。
【０００３】
図３は天然ガスなどから水素を製造する改質器と回収水の水処理装置とを有する固体高分子型燃料電池装置の一般的な構成を示す系統図であって、電解質２１を介して燃料極２２及び空気極２３が設けられたセル２４と、このセル２４を冷却する冷却部２５が燃料電池本体２０内に配置されている。
【０００４】
天然ガス等の燃料は、改質器３０に導入され、後述の水処理装置４０からの処理水で水素を主体とするガスに改質される。この改質器３０には、燃焼用空気が導入されると共に、燃料極２２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、更に図示しない変成器で一酸化炭素成分が変成された後、燃料極２２に導入される。改質器３０の燃焼排ガスは、凝縮器３１に送給される。
【０００５】
一方、空気極２３には空気が導入され、この空気により燃料極２２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２３の排ガスは凝縮器３１に送給される。なお、燃料極排ガスは凝縮器３１とは別の図示しない凝縮器に送給されて処理される場合もある。
【０００６】
凝縮器３１で分離された凝縮水（以下「排ガス凝縮水」又は「回収水」と称する場合がある。）は、凝縮水タンク３２を経て水処理装置４０に送給され、排ガスは系外へ排出される。凝縮水タンク３２には、必要に応じ補給水として市水が導入される。
【０００７】
また、前記冷却部２５には、冷却水タンク３３内の冷却水がポンプ３４により循環されている。この燃料電池本体２０の冷却水循環系には、必要に応じ補給水として水処理装置４０の処理水が送給される。
【０００８】
従来、このような燃料電池装置の水処理装置としては、一般に、イオン交換樹脂を充填したカラムが適用されており、回収水（排ガス凝縮水）をイオン交換樹脂でイオン交換処理することにより純水化して循環使用している。
【０００９】
しかし、イオン交換樹脂は、そのイオン交換能が飽和に達した場合には、これを交換又は再生する必要があり、このことが燃料電池の長期連続運転の障害となっている。
【００１０】
本発明者らが燃料電池の水処理装置の原水（回収水、即ち排ガス凝縮水）中のイオン成分について調査した結果、この原水中に占める主たるイオン負荷成分は全炭酸（遊離炭酸ガス、炭酸水素イオン、炭酸イオン）であり、特に全回収水に７０ｍｇ／Ｌ程度含まれる遊離炭酸ガスを事前に除去すれば、イオン交換樹脂の交換頻度を大幅に削減できることを知見した。
【００１１】
このような理由から、リン酸形燃料電池においては、回収水中の遊離炭酸ガスを除去するために、比較的安価であることから、一般に脱炭酸塔が用いられている（特開平９−１６１８３３号公報）。
【００１２】
しかし、脱炭酸塔処理水中の遊離炭酸ガス濃度は概ね５ｍｇ／Ｌと、他のイオン成分の濃度が概ね０．１ｍｇ／Ｌ未満であるのに比べかなり高く、イオン交換樹脂への負荷低減には不十分である。
【００１３】
燃料電池、特に、一般家庭に設置される固体高分子型燃料電池装置にあっては、装置全体が小型かつ簡素で、運転操作も簡便であることが望まれることから、燃料電池装置の水処理装置にあっても、小型かつ簡素で運転操作が簡便であり、良好な水質の処理水を得ることができるものが望まれている。
【特許文献１】特開平９−１６１８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、燃料電池の排ガス凝縮水を水処理装置で処理して循環使用する燃料電池装置であって、小型かつ簡素で運転操作が簡便であり、良好な水質の処理水を得ることができる水処理装置を備える燃料電池装置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】
【００１５】
本発明の燃料電池装置は、燃料電池における排ガス凝縮水を水処理装置に通水し、得られた処理水を再度燃料電池の用水として使用する燃料電池装置において、該水処理装置は、前記凝縮水と気体とを直接接触させて脱炭酸処理する脱炭酸塔と、該脱炭酸塔の流出水を透過膜の一方の側に通し、気体を他方の側に流通させて脱炭酸処理する膜脱気装置とを備え、該膜脱気装置に流通された気体を前記脱炭酸塔に供給するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る水処理装置では、脱炭酸処理を脱炭酸塔と膜脱気装置との２段処理で行うため、排ガス凝縮水中の全炭酸によるイオン負荷成分を十分に低減することができる。このため、後段の脱塩装置を小型化することができ、また、イオン交換樹脂の交換頻度を低減することができるため、運転操作も容易となる。また、膜脱気装置及び脱炭酸塔に供給する気体は、膜脱気装置を経て脱炭酸塔へと一系列で供給するため、気体供給のためのブロワは１台で良く、各々に気体を供給する場合に比べて供給量も半分で足りるため、ブロワを小型化することができる。
【００１７】
なお、前述の特開平９−１６１８３３号公報に記載される装置は、排ガス凝縮水を脱炭酸塔で脱炭酸処理し、その後膜濾過装置で酸化鉄を除去し、次いで吸着装置で鉄イオンを吸着除去し、その後電気透析器で脱塩処理するものである。この特開平９−１６１８３３号公報の第［００２０］段落には、吸着装置の後段に膜脱気装置を設けて良い旨の記載があるが、この装置では、脱炭酸塔と膜脱気装置との間にブローダウン水の合流、膜濾過装置、吸着装置などが介在するものであり、脱炭酸塔流出水のｐＨは、介在したこれらの処理により通常は変動し、膜脱気装置の前で改めてｐＨ調整が必要となる。即ち、脱炭酸処理のためには、水中の炭酸イオン、重炭酸イオンを炭酸に変化させてから炭酸を除去するために、ｐＨを５．５以下、通常４〜５に調整するが、脱炭酸塔と膜脱気装置との間にいくつもの処理を行うと、このｐＨが変動するため、後段の膜脱気装置の入口側で再度ｐＨ調整する必要がある。
【００１８】
これに対して、本発明では、脱炭酸塔の流出水を直接膜脱気装置に供給するので、脱炭酸塔の前でｐＨ調整を行えば良く、膜脱気装置の入口側で再度ｐＨ調整することは不要である。
【００１９】
本発明に係る水処理装置では、特に、Ｈ型カチオン交換塔、脱炭酸塔、膜脱気装置、及びアニオン交換樹脂を充填したイオン交換装置の順で通水して処理を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池の排ガス凝縮水を小型かつ簡素で運転操作が容易な水処理装置により、効率的に処理して良好な水質の処理水を得、これを燃料電池の用水として再利用することができる。このように、水処理装置が小型かつ簡素で運転操作が容易であるため、本発明の燃料電池装置もまた、小型かつ簡素で運転操作が容易なものとなり、排ガス凝縮水を効率的に処理して良好な水質の処理水を用水として循環再利用することにより、長期に亘り安定運転を継続することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に図面を参照して本発明の燃料電池装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２２】
図１，２は本発明の実施の形態に係る燃料電池装置に適用される水処理装置を示す系統図である。
【００２３】
図１の水処理装置は、Ｈ形カチオン交換塔１、脱炭酸塔２、膜脱気装置３及びＯＨ形アニオン交換塔４で主に構成される。図２の水処理装置は、ＯＨ形アニオン交換塔４の代りに電気脱イオン装置５を用いた点が図１に示す水処理装置と異なり、その他は同様の構成とされ、図１におけると同様に処理が行われる。
【００２４】
図１の水処理装置において、燃料電池から回収された排ガス凝縮水は、配管１１よりまずＨ形カチオン交換塔１に導入されカチオン交換処理されることにより水中のカチオンが除去される。このカチオン交換処理でＨ形カチオン交換樹脂から水素イオンが水中に放出されるため、Ｈ形カチオン交換塔１の流出水はｐＨ酸性となる。このように液性が酸性となることにより、水中の炭酸成分は炭酸ガスに変化し、後段の脱炭酸塔２及び膜脱気装置３で除去し易くなる。脱炭酸塔２及び膜脱気装置３での効率的な脱炭酸処理のために、Ｈ形カチオン交換塔１の出口水（脱炭酸塔２の入口水）のｐＨは４〜５程度であることが好ましい。
【００２５】
Ｈ形カチオン交換塔１の流出水は次いで脱炭酸塔２に導入される。脱炭酸塔２に導入された水は、塔上部から充填材層２Ａに散水され、塔下部から導入された空気と充填材の表面で気液接触することにより水中の炭酸ガスが除去される。脱炭酸処理水は下部水槽２Ｂに貯留され、送水ポンプ６により配管１３を経て膜脱気装置３に送給される。一方、脱炭酸塔２の排ガスは配管１８より系外へ排出される。
【００２６】
膜脱気装置３は、一般に、多数の中空糸脱気膜を筒体に充填したものであり、中空糸膜の外側に原水を、中空糸膜の内側に空気を供給し、膜を介して原水中の炭酸ガス等のガス成分を空気側に拡散させて除去するものである。この膜脱気装置３で更に脱炭酸処理された水は、次いで配管１４よりＯＨ形アニオン交換塔４に導入されてアニオン交換処理され、水中のアニオンが除去される。このＯＨ形アニオン交換塔４の流出水は、Ｈ形カチオン交換塔１でカチオンが除去され、脱炭酸塔２及び膜脱気装置３で炭酸成分が除去され、更にＯＨ形アニオン交換塔４でアニオンが除去された純水であり、処理水として配管１５より燃料電池の改質器３０等へ戻され、再利用される。
【００２７】
図１の水処理装置では、脱炭酸処理のために脱炭酸塔２及び膜脱気装置３に供給する空気を、配管１６よりまず膜脱気装置３に供給し、膜脱気装置３を流通した空気を配管１７より脱炭酸塔２に供給する。このように、膜脱気装置３を流通した後の空気を脱炭酸塔２に供給するようにすることにより、空気供給のためのブロワを１台で兼用することができ、脱炭酸塔２と膜脱気装置３との各々に空気を供給する場合に比べて、ブロワ設置台数、ブロワの運転のための消費電力、空気供給量を半減することができる。このため、装置を小型化、低コスト化すると共に運転コストを低減することができる。
【００２８】
なお、この脱炭酸のための気体としては、炭酸ガス濃度の低いものであれば良く、空気に限らず、窒素ガス等を用いることも可能である。また、空気極からの排ガスを用いることも可能である。特に、一般家庭用燃料電池装置にあっては空気を用いるのが実用的である。
【００２９】
本発明に係る水処理装置では、燃料電池から回収された排ガス凝縮水の脱炭酸処理を脱炭酸塔と膜脱気装置との２段処理で行うため、凝縮水中の炭酸成分を高度に除去することができる。これら脱炭酸塔及び膜脱気装置による処理条件には特に制限はなく、導入される排ガス凝縮水の水質と目的とする脱炭酸効率に応じて適宜決定されるが、この２段脱炭酸処理による脱炭酸効果を良好なものとするために、前段の脱炭酸塔において、脱炭酸塔に流入する水の炭酸成分のうちの６０〜８０％程度を除去するように、空気流量、原水流量等の処理条件を設定することが好ましい。
【００３０】
また、前述の如く、効率的な脱炭酸処理のためには、脱炭酸処理される水はｐＨ酸性であることが好ましく、このために、水処理装置に導入された排ガス凝縮水はまずＨ形カチオン交換樹脂でカチオン交換処理することが好ましい。このように予めカチオン交換処理を行うため、脱炭酸塔及び膜脱気装置で脱炭酸処理した水は、図１に示す如く、ＯＨ形アニオン交換塔４でアニオン交換処理を行えば良いが、この脱炭酸処理後の処理は、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂と混合して充填した混床式イオン交換塔であっても良く、また、図２に示す如く、電気脱イオン装置５を適用しても良い。
【００３１】
図２においては、膜脱気装置３からの脱炭酸処理水は配管１４Ａ，１４Ｂより電気脱イオン装置５の脱塩室と濃縮室とにそれぞれ供給され、脱塩室から脱塩処理水が得られる。濃縮室から配管１９より流出する濃縮水は、一部が水回収率向上のために配管１９Ｂより濃縮室の入口側へ循環され、残部は配管１９Ａより系外へ排出される。
【００３２】
電気脱イオン装置５は、長期に亘り連続使用が可能であることから、一般家庭用燃料電池装置に有効である。
【００３３】
なお、燃料電池装置の水処理装置で処理される排ガス凝縮水、即ち、燃料電池から回収される排ガス凝縮水には、燃料電池空気極排ガス凝縮水、同燃料極排ガス凝縮水、改質器燃焼排ガス凝縮水などが含まれる。この中で、炭酸成分を多量に含むものは燃料極排ガス凝縮水、改質器燃焼排ガス凝縮水であり、特に改質器燃焼排ガス凝縮水は炭酸成分を多量に含む。燃料電池装置では、一般に、これらの排ガス凝縮水を凝縮水タンクに集めて水処理装置で処理した後循環再利用するが、本発明においては、これらの凝縮水が混合される前に、特に炭酸成分を多く含む凝縮水のみを脱炭酸処理しても良く、全ての回収凝縮水を混合して脱炭酸処理しても良い。例えば、炭酸成分を多く含む排ガス凝縮水のみを脱炭酸処理する場合には、図２の水処理装置において、この炭酸成分を多く含む排ガス凝縮水（例えば燃料極排ガス凝縮水と改質器燃焼排ガス凝縮水）のみをＨ形カチオン交換塔１、脱炭酸塔２及び膜脱気装置３に通水し、電気脱イオン装置５の入口で膜脱気装置３の流出水と他の排ガス凝縮水（例えば空気極排ガス）とを混合して電気脱イオン装置５で処理する方法が考えられる。このようにすることにより、炭酸成分を多く含む排ガス凝縮水については脱炭酸及び脱塩処理を行い、その他の排ガス凝縮水についても脱塩処理を行って良好な水質の処理水を得ることができる。
【００３４】
なお、本発明が適用される燃料電池の形式は任意であり、リン酸形燃料電池でも良いが、本発明は特に、一般家庭などに設置される小規模燃料電池としての固体高分子型燃料電池への適用が好適である。即ち、リン酸形燃料電池では反応温度は２００℃程度になるが、固体高分子型燃料電池では８０℃程度の反応で良く、冷却水循環系には水蒸気分離器が不要となるなど、装置が簡素化、小型化され、一般家庭用小規模燃料電池として好適である。
【実施例】
【００３５】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３６】
実施例１
図１に示す水処理装置により、出力１ｋＷの固体高分子型燃料電池から回収された、遊離炭酸ガス濃度７４ｍｇ／Ｌの排ガス凝縮水の処理を行った。
【００３７】
Ｈ形カチオン交換塔、脱炭酸塔、膜脱気装置及びＯＨ形アニオン交換塔の仕様及び処理条件は次の通りである。
［Ｈ形カチオン交換塔］
Ｈ形カチオン交換樹脂０．５Ｌ充填
［脱炭酸塔］
ポールリング充填塔
［膜脱気装置］
ポリプロピレン製中空糸膜１本
［ＯＨ形アニオン交換塔］
ＯＨ形アニオン交換樹脂１．０Ｌ充填
【００３８】
排ガス凝縮水は１．５Ｌ／ｈｒで通水処理し、膜脱気装置及び脱炭酸塔には、空気を１０Ｌ／ｈｒで連続的に供給した。脱炭酸塔入口水のｐＨは４．２、膜脱気装置入口水のｐＨは５．２であった。
【００３９】
その結果、脱炭酸塔出口水の遊離炭酸ガス濃度は２２．０ｍｇ／Ｌ、膜脱気装置出口水の遊離炭酸ガス濃度は４．２ｍｇ／Ｌであった。Ｈ形カチオン交換塔及びＯＨ形アニオン交換塔のイオン交換能は１２ヶ月で飽和に達し、処理水の水質が悪化した。
【００４０】
この結果から、本実施例では、イオン交換樹脂の交換又は再度頻度は１２ヶ月に１回であることが分かる。
【００４１】
比較例１
実施例１で用いたものと同様の膜脱気装置の後段にＨ形カチオン交換樹脂０．５ＬとＯＨ形アニオン交換樹脂１．０Ｌとを混合して充填した混床式イオン交換塔を設け、排ガス凝縮水を膜脱気装置及び混床式イオン交換塔で処理したこと以外は実施例１と同様にして処理を行った。膜脱気装置入口水のｐＨは４．６であった。
【００４２】
その結果、膜脱気装置の出口水の遊離炭酸ガス濃度は５．８ｍｇ／Ｌであり、混床式イオン交換塔のイオン交換樹脂は、９．７ヶ月で飽和に達し、処理水の水質が悪化した。
【００４３】
この結果から、本比較例では、イオン交換樹脂の交換又は再度頻度は９．７ヶ月に１回であり、実施例１に比べて頻繁にイオン交換樹脂を交換又は再生する必要があることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置に適用される水処理装置の一例を示す系統図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池装置に適用される水処理装置の他の例を示す系統図である。
【図３】固体高分子型燃料電池装置の一般的な構成を示す系統図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  Ｈ形カチオン交換塔
２  脱炭酸塔
３  膜脱気装置
４  ＯＨ形アニオン交換塔
５  電気脱イオン装置
２０  燃料電池本体
２１  電解質
２２  燃料極
２３  空気極
２５  冷却部
３０  改質器
３１  凝縮器
３２  凝縮水タンク
３３  冷却水タンク
４０  水処理装置
【図１】
2005310483.tif 000003
【図２】
2005310483.tif 000004
【図３】
2005310483.tif 000005