JP2012115784A - 水処理システムおよびこれを用いた燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】水処理システムのイオン交換能を向上させる。
【解決手段】水処理システム７０は、貯水タンク４２、イオン交換樹脂７２が収納された容器７４、容器７４の上端に接続された供給路７６、容器７４の下端に接続された主排出路７８、容器７４の上端に接続された副排出路８０、および、第１ポンプ８２を備えている。第１ポンプ８２が作動すると、貯水タンク４２内の水４０ａは、供給路７６を通って容器７４内に供給され、容器７４内をイオン交換樹脂７２の上方から下方に流れ、主排出路７８を通って貯水タンク４２に回収される。容器７４内の空気は、副排出路８０から排気される。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、水処理システムおよびこれを用いた燃料電池発電システムに関する。

水を浄化（純水化）する方法として、イオン交換樹脂が収納された容器内を通水させる方法が広く用いられている。例えば、特許文献１には、燃料電池発電スタックを冷却するために循環される冷却水を、イオン交換樹脂を用いて浄化する水処理システムが開示されている。

このような水処理システムは、図４に示したように、イオン交換樹脂１７２が収納された容器１７４、容器１７４の上端に接続された第１配管１７６、および、容器１７４の下端に接続された第２配管１７８を備えている。水処理システムは、水を一方の配管から容器１７４内に供給し、容器１７４内を通水させ、他方の配管から排出させて、水を浄化する。

特開２００９−８７６０９号公報

一般的には、イオン交換効率を上げるために、水を第２配管１７８から容器１７４内に供給し、容器１７４内を水で満たし、第１配管１７６を通して排出する。しかし、容器１７４内において水を下方から上方に流すと、イオン交換樹脂１７２の粒子が浮遊・流動しやすい。そうすると、イオン交換能が発揮されにくい。また、特開２０１０−１１３８８５号公報に記載されたように、容器１７４内での細菌の繁殖を抑制するために、容器１７４内の通水量を増加させる手段が用いられるが、通水量を増加させると、給水の停止時に空気が容器１７４内にインリークするおそれがある。

一方、特許文献１には、水を第１配管１７６から容器１７４内に供給し、第２配管１７８を通して排出する水処理システムが開示されている。しかし、容器１７４内において水を上方から下方に流すと、空気が容器１７４内に残ったり、容器１７４内に供給された水の中に気泡が生じやすい。そうすると、イオン交換効率が低下してしまう。特許文献１には、容器１７４内に気液分離装置を設けている旨が開示されているが、気液分離装置を設けると、水処理システムが大型化・高コスト化してしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、イオン交換能・交換効率を向上させる水処理システムおよびこれを用いた燃料電池発電システムを提供することである。

上記の課題を達成するために、本発明の実施形態に係る水処理システムは、容器と、前記容器内に収納されたイオン交換樹脂と、前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内に水を供給する供給路と、前記イオン交換樹脂の下方から前記容器内の水を排出させる主排出路と、前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内の空気および水を排出させる前記副排出路とを備えたことを特徴とする。

また、上記の課題を達成するために、本発明の実施形態に係る燃料電池発電システムは、容器と、前記容器内に収納されたイオン交換樹脂と、前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内に水を供給する供給路と、前記イオン交換樹脂の下方から前記容器内の水を排出させる主排出路と、前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内の空気および水を排出させる前記副排出路とを備えた水処理システムを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、水処理システムのイオン交換能・交換効率を向上できる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る水処理システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る水処理システムの概略構成図である。 従来の水処理システムの部分概略断面図である。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る水処理システムおよび燃料電池発電システムについて、図１ないし図３を用いて説明する。
まず、本実施形態に係る燃料電池発電システムの概要について、図１を用いて説明する。図１は、家庭用の燃料電池発電システムの概略構成図である。

本実施形態に係る燃料電池発電システム１は、例えば、住宅の屋外に設置され、都市ガスやＬＰガスを用いて発電を行い、家庭用の電力を供給する発電システムである。家庭用の燃料電池発電システムは、発電で生じた排熱を用いて給湯を行うコジェネレーションシステムの役割も果たす。このような燃料電池発電システムを利用する家庭では、商用電力系統からの電力のみを使用し、かつ、給湯ボイラからの給湯のみを使用する家庭に比べ、省エネ効果が大きい。

燃料電池発電システム１は、燃料電池発電スタック（以下、単に「スタック」と省略する。）１０、燃料供給路２０、改質器２２、空気供給路３０、空気加湿器３２、冷却水循環路４０、熱交換器５０、排熱回収水路６０、水処理システム７０、および、制御装置（図示省略）などを備えている。燃料電池発電システム１は、スタック１０において、燃料供給路２０から供給される燃料中の水素と空気供給路３０から供給される空気中の酸素とを反応させて発電を行う。

都市ガスやＬＰガスなどの原燃料２０ａは、制御装置およびブロア２４により流量が制御されて燃料電池発電システム１内に取り入れられる。原燃料２０ａは、改質器２２により水素リッチな改質ガス２０ｂに改質された後、スタック１０に供給される。

大気中の空気３０ａは、制御装置およびブロア３４により流量が制御されて燃料電池発電システム１内に取り入れられる。空気３０ａは、空気加湿器３２により加熱・加湿された後、スタック１０に供給される。

家庭用のスタック１０には、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）が採用されている。スタック１０は、セパレータに狭持された膜電極複合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）（図示省略）が複数積層されてなる。膜電極複合体は、アノードとカソードとで狭持された一価の陽イオン交換型の電解質膜からなる。

セパレータ（図示省略）には、改質ガス２０ｂをアノードに供給するためのガス供給溝、および、湿潤空気３０ｂをカソードに供給するための空気供給溝が形成されている。また、セパレータには、スタック１０を冷却する冷却水が流れる冷却水供給溝が形成されている。

スタック１０は、アノードに供給された改質ガス２０ｂ中の水素とカソードに供給された空気３０ｂ中の酸素とを反応させて発電を行う。スタック１０で発電された直流電気は、インバータ９０により交流電気に変換され、商用電力系統１００と合わせて家庭での電力負荷１０２に供給される。

燃料電池発電システム１は、上述したとおり、冷却水循環路４０、熱交換器５０、および、排熱回収水路６０を備えている。冷却水循環路４０には、燃料電池発電スタック１０を冷却する冷却水４０ａが流れる。排熱回収水路６０には、冷却水４０ａを介してスタック１０の排熱を回収する排熱回収水６０ａが流れる。

貯水タンク４２に蓄えられた冷却水４０ａは、ポンプ４４によりスタック１０に供給され、冷却水供給溝を通過することによりスタック１０を冷却する。スタック１０を冷却した冷却水４０ａは、熱交換器５０において排熱回収水６０ａに冷却された後、貯水タンク４２に回収される。貯水タンク４２は、水と空気を分離して冷却水４０ａ中の気泡を除去する気抜き機能（図示省略）を備えている。また、貯水タンク４２の上面には、貫通孔４２ａが形成されている。

排熱回収水路６０は、燃料電池発電システム１の外部に設置された貯湯槽（図示省略）まで延びている。熱交換器５０において冷却水４０ａを介してスタック１０の排熱を回収した排熱回収水６０ａは、貯湯槽に蓄えられ、家庭での給湯として利用される。

スタック１０内での電流リークを防ぐために、冷却水４０ａには、通常、純水が用いられるが、冷却水４０ａが長期間使用されると、不純物がスタック１０などから冷却水４０ａに溶出したり、貫通孔４２ａから冷却水４０ａに混入して、冷却水４０ａが徐々に汚染されてしまう。そのため、燃料電池発電システム１は、上述したとおり、水処理システム７０を備えている。水処理システム７０は、冷却水循環路４０を循環する冷却水４０ａを浄化（純水化）する役割を果たす。

本実施形態に係る水処理システム７０の構成について、図２を用いて説明する。図２は、水処理システムの概略構成図である。

水処理システム７０は、貯水タンク４２、イオン交換樹脂７２が収納された容器７４、供給路７６、主排出路７８、副排出路８０、および、第１ポンプ８２などを備えている。水処理システム７０は、貯水タンク４２に蓄えられた冷却水４０ａを、供給路７６を通して容器７４内に送り、イオン交換樹脂７２により浄化した後、主排出路７８および副排出路８０を通して貯水タンク４２に回収する。

容器７４は、例えば円柱状に形成されていて、起立して設置されている。容器７４内には、例えば粒子状のイオン交換樹脂７２が収納されている。通常、製造時には、容器７４内の全てにイオン交換樹脂７２が充填されるが、使用により、容器７４内に流水されると、イオン交換樹脂７２がより充填され、図２に示したように、容器７４内の上方に空きができる。

供給路７６を構成する配管は、貯水タンク４２の下面から容器７４の上面まで延びている。本実施形態では、第１ポンプ８２は、供給路７６に設けられていて、第１ポンプ８２が作動すると、貯水タンク４２に蓄えられた冷却水４０ａは、イオン交換樹脂７２の上方から容器７４内に供給される。

イオン交換樹脂７２は、高温に弱いため、供給路７６の第１ポンプ８２と容器７４との間には、容器７４内に供給される冷却水４０ａを冷却する熱交換器８４が設けられている。

主排出路７８を構成する配管は、容器７４の下面から貯水タンク４２の下面まで延びている。第１ポンプ８２が作動すると、イオン交換樹脂７２により浄化された冷却水４０ａは、容器７４内から排出され、貯水タンク４２に回収される。

主排出路７８には、主排出路７８の通水量を制限する主排出流量制限手段７８ａが設けられている。本実施形態では、主排出流量制限手段７８ａは、例えばオリフィスである。

さらに、水処理システム７０は、副排出路８０を備えている。副排出路８０を構成する配管は、容器７４の上面から貯水タンク４２の下面まで延びている。第１ポンプ８２が作動すると、容器７４内の空気および冷却水４０ａは、容器７４内から排出され、貯水タンク４２に回収される。

副排出路８０には、副排出路８０の通水量を制限する副排出流量制限手段８０ａが設けられている。本実施形態では、副排出流量制限手段８０ａは、例えばオリフィスである。

本実施形態に係る水処理システムの作用・効果について、図２を用いて説明する。

第１ポンプ８２を作動させると、貯水タンク４２内の冷却水４０ａが供給路７６を通って容器７４内に供給される。容器７４内に供給された冷却水４０ａは、容器７４内を上方から下方に流れ、イオン交換樹脂７２により浄化される。浄化された冷却水４０ａは、主排出路７８を通って貯水タンク４２に回収される。

主排出路７８の通水量は、容器７４内が冷却水４０ａで満たされるように、主排出流量制限手段７８ａにより制限されている。水処理システム７０の初動時には、容器７４内は空気で満たされているが、第１ポンプ８２を作動させると、容器７４内に冷却水４０ａが供給され、容器７４内の水位が徐々に上昇する。これに伴って、容器７４内の空気は、副排出路８０を通って貯水タンク４２に排出される。容器７４内が冷却水４０ａで満たされると、容器７４内の冷却水４０ａは、主排出路７８および副排出路８０を通って貯水タンク４２に排出される。

ここで、容器７４内の冷却水４０ａが主排出路７８を優先的に通水されるように、副排出流量制限手段８０ａは、主排出流量制限手段７８ａに比べて、通水量を制限する。例えば、副排出流量制限手段８０ａは、主排出流量制限手段７８ａに比べて、オリフィスの孔径が小さく設計されている。

本実施形態に係る水処理システム７０によれば、冷却水４０ａがイオン交換樹脂７２の上方から供給されるため、イオン交換樹脂の粒子が浮遊・流動しにくい。その結果、イオン交換樹脂７２のイオン交換能が発揮されやすい。

また、本実施形態によれば、主排出流量制限手段７８ａおよび副排出路８０が設けられている。主排出流量制限手段７８ａが主排出路７８の通水量を制限することにより、冷却水４０ａが容器７４内に貯まる。加えて、容器７４内の空気が副排出路８０を通って排気される。そのため、容器７４内が冷却水４０ａで満たされる。その結果、空気が容器７４内に残らず、容器７４内の冷却水４０ａ中に気泡が生じにくいため、イオン交換効率が向上する。

さらに、何かの原因により、容器７４内に空気が入ったとしても、その空気は、水処理システム７０の初動時と同様に、副排出路８０を通って排気される。そのため、本実施形態によれば、上述した従来の水処理システム（特許文献１参照）のように、容器７４内に気液分離装置を設けなくても、良好なイオン交換能を得られ、水処理システム７０を小型化・低コスト化できる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る水処理システムおよび燃料電池発電システムについて、図３を用いて説明する。図３は、水処理システムの概略構成図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であるため、重複部分には同一符号を付して、その部分の構成の説明を省略する。

本実施形態では、副排出路８０の一端は、第１の実施形態と同様に、容器７４の上端に接続されている。一方、副排出路８０の一端は、主排出路７８に連結されている。主排出流量制限手段７８ａは、容器７４と連結点８６との間に設けられている。

第１の実施形態では、第１ポンプ８２は、供給路７６に設けられている。一方、本実施形態では、第１ポンプ８２に代わって、第２ポンプ８８が、主排出路７８の連結点８６と貯水タンク４２との間に設けられている。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［他の実施形態］
上記の実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、本発明に係る水処理システム７０は、燃料電池発電システム１に適用されるものに限られない。

また、上記の実施形態では、主排出流量制限手段７８ａおよび副排出流量制限手段８０ａを設けることにより、主排出路７８と副排出路８０との通水量を調節しているが、主排出路７８および副排出路８０に互いに径の異なる配管を用いることにより、主排出路７８と副排出路８０との通水量を調節しても良い。

また、上記の実施形態では、主排出流量制限手段７８ａおよび副排出流量制限手段８０ａは、オリフィスであるが、流量を調節可能な弁でも良い。

さらに、第２の実施形態では、第２ポンプ８８が、主排出路７８の連結点８６と貯水タンク４２との間に設けられているが、主排出路７８と副排出路８０とに別個のポンプを設けても良い。

１…燃料電池発電システム、１０…燃料電池発電スタック、２０…燃料供給路、２０ａ…原燃料、２０ｂ…改質ガス、２２…改質器、２４…ブロア、３０…空気供給路、３０ａ…空気、３０ｂ…湿潤空気、３２…空気加湿器、３４…ブロア、４０…冷却水循環路、４０ａ…冷却水、５０…熱交換器、６０…排熱回収水路、６０ａ…排熱回収水、７０…水処理システム、７２…イオン交換樹脂、７４…容器、７６…供給路、７８…主排出路、７８ａ…主排出流量制限手段、８０…副排出路、８０ａ…副排出流量制限手段、８２…第１ポンプ、８４…熱交換器、８６…主排出路と副排出路との連結点、８８…第２ポンプ、９０…インバータ、１００…商用電力系統、１０２…電力負荷

Claims (10)

1. 容器と、
   前記容器内に収納されたイオン交換樹脂と、
   前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内に水を供給する供給路と、
   前記イオン交換樹脂の下方から前記容器内の水を排出させる主排出路と、
   前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内の空気および水を排出させる前記副排出路と、
   を備えた水処理システム。
2. 前記主排出路に前記主排出路の通水量を制限する主排出流量制限手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の水処理システム。
3. 前記主排出流量制限手段はオリフィスであることを特徴とする請求項２に記載の水処理システム。
4. 前記副排出路に前記副排出路の通水量を制限する副排出流量制限手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の水処理システム。
5. 前記副排出流量制限手段はオリフィスであることを特徴とする請求項４に記載の水処理システム。
6. 前記主排出路の通水量が前記副排出路の通水量に比べて大きいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の水処理システム。
7. 前記供給路を介して前記容器内に供給する水を貯める貯水タンクを備え、前記容器内から排出された水が前記主排出路および前記副排出路を介して前記貯水タンクに回収されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の水処理システム。
8. 前記供給路に第１のポンプが設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の水処理システム。
9. 前記副排出路が前記主排出路に連結されていて、前記主排出路の当該連結部分の下流側に第２のポンプが設けられていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の水処理システム。
10. 容器と、
    前記容器内に収納されたイオン交換樹脂と、
    前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内に水を供給する供給路と、
    前記イオン交換樹脂の下方から前記容器内の水を排出させる主排出路と、
    前記イオン交換樹脂の上方から前記容器内の空気および水を排出させる前記副排出路と、
    を備えた水処理システムを具備したことを特徴とする燃料電池発電システム。

Images