(57)【要約】【課題】容器内にイオン交換樹脂が充填された水処理装置において、容器流入水の偏流や壁流の発生を防止して、容器内のイオン交換樹脂のイオン交換容量を無駄なく有効に利用して容器充填量に見合うイオン交換容量を得、水処理装置のイオン交換樹脂の交換頻度を低減する。【解決手段】容器１１内部に水の短絡流防止用の流路板１２を設ける。一端側に流入口１１ａが設けられ、他端側に流出口１１ｂが設けられた筒状の容器１に、容器１内部の流路断面積が該容器の流れ方向断面積の１／２〜１／１００となるように前記流路板１２を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水が流通する流入口と流出口を有する容器と、該容器内部に充填されたイオン交換樹脂とを有する水処理装置において、
該容器内部に、水の短絡流防止用の流路板を設けたことを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
請求項１において、前記容器は筒状であり、一端側に前記流入口が設けられ、他端側に前記流出口が設けられており、
該容器内部の流路断面積の平均値が該容器の流れ方向断面積の１／２〜１／１００となるように前記流路板が設けられていることを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
請求項２において、前記容器内において水が前記流入口から流出口に向って螺旋状に流れるように前記流路板を設けたことを特徴とする水処理装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、ＳＶ２０ｈｒ−１以下の流量で運転されることを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内部にイオン交換樹脂を充填した水処理装置に係り、特に燃料電池からの回収水の処理等に好適な水処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、イオン交換樹脂を利用した水処理装置は、一般に、上部に原水の流入口又は処理水の流出口を有し、下部に処理水の流出口又は原水の流入口を有する円筒形の容器の内部にイオン交換樹脂を充填し、容器の上端から下端（あるいは下端から上端）方向に水を流通させることで、水中に溶解しているイオンを除去するものが一般的である。
【０００３】
このような水処理装置は、高純度な水の供給手段として、各種の分野に広く用いられているが、特に、燃料電池システムにおいて、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の水処理装置として有効に用いられている。
【０００４】
このようにイオン交換樹脂を容器内に充填した水処理装置においては、容器内に流入した水が、イオン交換樹脂層の中でその流れに偏りが生じたり（偏流）、イオン交換樹脂と容器の壁との間に多く流れたり（壁流）しやすい。その結果、容器に充填されたイオン交換樹脂の全量が有効に使用されないために、イオン交換樹脂の充填量から期待されるイオン交換容量よりも少ない量のイオンしか交換できないという問題があった。
【０００５】
即ち、例えば、図２（ａ）に示す如く、容器１内のイオン交換樹脂層２内に、水が流れ易い道ができることにより（図２の３の部分）、水流に偏りが生じ、イオン交換樹脂層２のうち、水の流れない部分（図２の４の部分）のイオン交換樹脂はイオン交換に使用されなくなる。また、図２（ｂ）に示す如く、容器１の内壁とイオン交換樹脂層２との間やその近傍部分にのみ水が流れることにより（壁流５）、イオン交換樹脂層２の中央部分６のイオン交換樹脂は、イオン交換に使われなくなる。このような場合には、容器１内に流入した水を、その水流の近傍部分のイオン交換樹脂で処理することになり、容器１内に充填されたイオン交換樹脂量に見合うイオン交換容量は得られなくなる。
【０００６】
このような水の偏流や壁流は、特に被処理水量が少量である場合に起こり易く、この場合には、容器内のイオン交換樹脂量に見合うイオン交換容量を使い切れないため、経済的ではない上に、イオン交換容量を残したまま、イオン交換樹脂を交換する必要が生じ、イオン交換樹脂の交換頻度が高くなってしまうという欠点がある。イオン交換樹脂の交換頻度を低減するために、イオン交換樹脂の充填量を増やすことも考えられるが、この場合には、イオン交換樹脂量が増大すると共に、装置が大型化し、実用的ではない。また、流入水の偏流や壁流の発生具合によって、装置毎（イオン交換樹脂の充填ロット毎）に寿命（イオン交換樹脂の交換までに到る時間）が異なることにより、装置の保守管理が煩雑となるという欠点もある。
【０００７】
このような課題に対して、特開２００３−１５１５９１号公報には、容器内のイオン交換樹脂のうち、容器上部の流入口側のイオン交換樹脂は水面より上部に位置させることにより、流入水がイオン交換樹脂に直接接触するようにしたものが提案されているが、十分な効果は得られていない。また、特開２００２−３６１２４２号公報には、容器内を隔壁で仕切り、流路を蛇行させることで、水とイオン交換樹脂の接触時間を稼ぐようにしたものが提案されているが、この装置は部品点数が多いため、コストの面で必ずしも有効とは言えなかった。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３６１２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記のような課題を解決して、容器流入水の偏流や壁流の発生を防止して、容器内のイオン交換樹脂のイオン交換容量を無駄なく使用し、水処理装置の長期使用を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明（請求項１）の水処理装置は、水が流通する流入口と流出口を有する容器と、容器内部に充填されたイオン交換樹脂とを有する水処理装置において、該容器内部に、水の短絡流防止用の流路板を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の水処理装置は、請求項１において、前記容器は筒状であり、一端側に前記流入口が設けられ、他端側に前記流出口が設けられており、該容器内部の流路断面積の平均値が該容器の流れ方向断面積の１／２〜１／１００となるように前記流路板が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の水処理装置は、請求項２において、前記容器内において水が前記流入口から流出口に向って螺旋状に流れるように前記流路板を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の水処理装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、ＳＶ２０ｈｒ−１以下の流量で運転されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水処理装置では、容器内部に、水の短絡流防止用の流路板が設けられているため、容器内に流入した水の偏流や壁流が防止され、水は容器内のイオン交換樹脂層全体に接触するように流通するようになる。このため、イオン交換樹脂のイオン交換容量を無駄なく有効に利用することができ、容器充填量に見合うイオン交換容量を得て、イオン交換樹脂の交換頻度を低減することができる。また、イオン交換樹脂の全体を効率的に使用することで、水処理装置の小型化を図ることができる。更に、水処理装置の装置毎（イオン交換樹脂の充填ロット毎）の寿命のばらつきを抑制することができ、装置の保守管理も容易となる。
【００１４】
本発明の水処理装置は、特に、一端側に流入口が設けられ、他端側に流出口が設けられた筒状の容器に、容器内部の流路断面積の平均値が該容器の流れ方向断面積の１／２〜１／１００となるように前記流路板が設けられていることが好ましく（請求項２）、特に、容器内において水が流入口から流出口に向って螺旋状に流れるように前記流路板が設けられていることが好ましい（請求項３）。
【００１５】
このような本発明の水処理装置は、処理水量（流入水量）が少なく、偏流や壁流が起こり易い水処理装置、具体的には、ＳＶ２０ｈｒ−１以下の流量で運転される水処理装置として有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面を参照して本発明の水処理装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の水処理装置の実施の形態を示す図であって、（ａ）図は容器内に設けられた螺旋状の流路板を示す内部透視斜視図であり、（ｂ）図は水処理装置の断面図（（ａ）図のｂ−ｂ線に沿う断面図）である。なお、（ａ）図においては、容器は一点鎖線で示してある。
【００１８】
図１の水処理装置１０は、容器１１と、この容器１１内に設けられた水の短絡流防止用の流路板１２とを有し、更に図示しないイオン交換樹脂が流路板１２間の空隙部分に充填されている。
【００１９】
容器１１は、両端に端面板１１Ａ，１１Ｂを有する角筒型の容器であり、上部端面板１１Ａには原水の流入口１１ａが設けられている。一方、下部端面板１１Ｂには処理水の流出口１１ｂが設けられている。
【００２０】
容器１１内に設けられた流路板１２は、容器１１内を螺旋状に周回するように設けられた螺旋板１２Ａと、この螺旋板１２Ａの折り返し部分の間を仕切る仕切板１２Ｂとで構成される。この仕切板１２Ｂは螺旋板１２Ａの中央部の螺旋軸心線方向に貫いて延在している。これにより、容器１１内の水は、螺旋板１２Ａに沿って螺旋状に容器１１内を流れるように構成されている。
【００２１】
従って、容器１１上部の流入口１１ａより容器１１内に流入した原水は、螺旋板１２Ａに沿って容器１１内を螺旋状に流下し、この間に、図示しないイオン交換樹脂と満遍なく接触し、処理水が容器１１下部の流出口１１ｂより排出される。
【００２２】
容器内の流路板は、容器内に流入した水が容器内のイオン交換樹脂の全体と十分に接触できるように設けられていれば良く、何ら図示の螺旋状流路板に限定されるものではないが、このような螺旋状の流路板であれば、少ない部品数でイオン交換樹脂の有効利用に有利な流路を形成することができ、好ましい。
【００２３】
このような流路により容器内に形成される流路の大きさについては特に制限はなく、容器の流入口と流出口との間で、過度に大きな差圧が生じないように、かつ、容器内のイオン交換樹脂に流入水が十分に接触するように設計されるが、容器内部の流路断面積Ｂの平均値が、角筒型容器１１の端面板１１Ａ，１１Ｂと平行方向の断面積Ａ（図３（ａ））の１／２〜１／１００、特に１／４〜１／２０となるように形成されることが好ましい。この範囲を超えて容器の流れ方向断面積が大きいと、本発明に従って容器内に流路板を設けたことによる効果を十分に得ることができず、逆に小さいと、差圧が大きくなりすぎて安定処理が困難となる。
【００２４】
なお、ここで、容器内部の流路断面積Ｂとは図３（ｂ）に示す如く、容器内部の流路板により形成される流路における、水の流れ方向に直交する断面の断面積であり、例えば、図１の水処理装置であれば、上下の螺旋板１２Ａ，１２Ａと仕切板１２Ｂと容器１１内壁とで囲まれた部分の水の流れ方向に直交する断面の断面積に相当する。
【００２５】
この断面積は、流入口１１ａ、流入口１１ｂでは漸減しているので、本発明においては、平均値を用いる。  
この流路断面積Ｂの平均値は、
流路容積／流路長さ
で算出される値であり、ここで、流路容積は容器容積にほぼ等しく、流路長さは、流路の中心線を結んだ長さである。
【００２６】
容器及び流路板（螺旋板、仕切板）の構成材料については、特に燃料電池システム等の用途にあっては、処理水質として高純度が要求されることから、低溶出性の材料が好ましく、入手性、加工性、コストなどを考慮してさまざまな材料が適用できる。また、場合によっては高温条件で使用されるケースもあるため、耐熱性エンジニアリングプラスチックスなどが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２７】
流路板は、容器と一体化させて設けられたものであっても良く、別部材として容器内に挿入して設けられたものであっても良い。ただし、流路板を容器とを別体として設ける場合、容器内の流路での差圧が大きいと、流路と容器内壁との間に水が優先的に流れる（ショートカット）ことにより、流入水とイオン交換樹脂との接触効率が悪くなる場合がある。このため、これらを一体化させない場合には、容器内部の流路断面積を大きくして、差圧を低減させるなど、ショートカットが起こらないような工夫が必要である。
【００２８】
なお、図１に示す水処理装置は、本発明の水処理装置の実施の形態の一例であって、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。
【００２９】
例えば、図１では、角筒型の容器にイオン交換樹脂を充填した水処理装置を示したが、容器形状は円筒型であっても良い。
【００３０】
また、図１では、容器上部に原水の流入口を設け、容器下部に処理水の流出口を設けたものを示したが、これに限らず、容器上部に処理水の流出口を設け、容器下部に原水の流入口を設けても良い。ただし、容器内に充填するイオン交換樹脂として、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂との混合イオン交換樹脂を用いる場合は、容器上部に原水の流入口を設け、容器下部に処理水流出口を設け、下向流通水とするのが一般的である。
【００３１】
また、流入口及び流出口は、容器上端面及び下端面のどの位置であっても良く、場合によっては、容器側面の上部と下部にそれぞれ設けられていても良い。
【００３２】
このような本発明の水処理装置は、処理水量（流入水量）が少なく、偏流や壁流が起こり易い水処理装置、例えば、ＳＶ２０ｈｒ−１以下、具体的にはＳＶ１〜１２ｈｒ−１の流量で運転される水処理装置として有効である。
【００３３】
このような用途としては、燃料電池から排出される凝縮水を回収して処理し、燃料改質装置に再利用するための水処理装置が挙げられるが、本発明の水処理装置の用途は何ら燃料電池システムに限らず、小流量の純水製造プロセス等、様々な用途に適用可能である。
【００３４】
図４（ａ），（ｂ）は、本発明の水処理装置を燃料電池の凝縮水の処理に適用した場合の実施例を示す系統図であり、（ａ）図では、燃料電池凝縮水を貯水槽２１を経てポンプＰで取り出すと共に、必要に応じて水道水等の外部補給水をバルブＶの開度を調整することにより補給し、これらを本発明の水処理装置１０に導入して処理し、処理水（純水）を処理水槽２２を経て燃料電池へ送給する。この処理水槽２２は、レベルスイッチＬＳを有し、レベルスイッチＬＳからの水量の情報が制御部２３に入力され、この水量情報に基いて、制御部２３から、ポンプＰの作動制御信号とバルブＶの開度制御信号が出力され、必要量の水が水処理装置１０で処理されるように構成されている。
【００３５】
（ｂ）図は、本発明の水処理装置１０を電気脱イオン装置２４の前処理装置として用いた例であり、燃料電池凝縮水を貯水槽２１を経てポンプＰで取り出して本発明の水処理装置１０に導入して処理し、水処理装置１０の処理水を更に電気脱イオン装置２４で処理し、電気脱イオン装置２４の処理水（純水）を処理水槽２２を経て燃料電池へ送給する。この処理水槽２２は、レベルスイッチＬＳを有し、レベルスイッチＬＳからの水量の情報が制御部２３に入力され、この水量情報に基いて、制御部２３から、ポンプＰの作動制御信号が出力され、必要量の水が水処理装置１０及び電気脱イオン装置２４で処理されるように構成されている。なお、この（ｂ）図の場合においても、（ａ）図と同様に水道水等の外部補給水を補給して燃料電池凝縮水と共に処理するようにしても良い。
【００３６】
いずれの場合であっても、本発明の水処理装置によれば、容器に流入した水は、容器内の流路板に案内されて、容器内のイオン交換樹脂層全体に接触するように容器内を流通するため、イオン交換樹脂のイオン交換容量を無駄なく有効に利用することができ、容器充填量に見合うイオン交換容量を得て、イオン交換樹脂の交換頻度を低減することができる。また、イオン交換樹脂を効率的に使用することで、水処理装置の小型化を図ることができる。更に、水処理装置の装置毎（イオン交換樹脂の充填ロット毎）の寿命のばらつきを抑制することができ、装置の保守管理も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の水処理装置の実施の形態を示す図であって、（ａ）図は容器内に設けられた螺旋状の流路板を示す内部透視斜視図であり、（ｂ）図は水処理装置の断面図（（ａ）図のｂ−ｂ線に沿う断面図）である。
【図２】（ａ）図は従来の水処理装置における容器流入水の偏流を示す説明図であり、（ｂ）図は従来の水処理装置における容器流入水の壁流を示す説明図である。
【図３】（ａ）図は本発明の水処理装置における容器の流れ方向断面積Ａを示す説明図であり、（ｂ）図は本発明の水処理装置における容器内部の流路断面積ａを示す説明図である。
【図４】本発明の水処理装置を燃料電池から排出される凝縮水の処理プロセスに適用した例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  水処理装置
１１  容器
１２  流路板
１２Ａ  螺旋板
１２Ｂ  仕切板
２１  貯水槽
２２  処理水槽
２３  制御部
２４  電気脱イオン装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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