JP2005129334A - 燃料電池システムの水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水の蒸発損失を防止するための構造や製法さらにその品質管理が簡単になる燃料電池システムの水処理装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池１７で使用されずに残存する改質ガス中水素を、その流路途中に配置される気液分離装置２１で水分を除去した後に、燃焼部１８に導いて燃焼させ、その燃焼排ガスを排ガス流路１９に配置した潜熱回収熱交換器２０において結露させ、その結露イオン水を凝縮水タンク１２で貯水して、水の流入が常に有る状態としている。また、潜熱回収熱交換器２０で結露する燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリング２２により、溶解炭酸イオンが除去されて、凝縮水タンク１２に貯水される。このため、イオン混入量が小さい水が得られる。しかも、改質ガス供給部１６は、耐久信頼性に全く影響を及ぼさない脱イオン水だけを純水タンク１５によって供給されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムで用いる水を供給する水処理装置に関するものである。

従来の燃料電池システムの水処理装置としては、燃料電池冷却液の導電率管理装置に記載されるものがある（例えば、特許文献１参照）。図５に前記公報に記載された従来例を示す。循環ポンプ１により燃料電池２と熱交換器３との間でタンク４に貯水した冷却液を循環させる循環流路５と、この循環流路５から取り出した冷却液を導電率低減装置６を通して循環流路５に戻すバイパス流路７と、循環流路５からバイパス流路７への冷却液バイパス割合を調整するバルブ８と、冷却液に配置した導電率センサ９および温度センサ１０の信号に基づいてバルブ８により冷却液バイパス割合を制御する制御装置１１との構成が記載されている。
特開２００２−２１６８１７号公報（第２頁、図１）

しかしながら、従来の燃料電池システムの水処理装置は、同一水がその内部に形成した水流路を循環する閉回路であるため、水の損失が無い様にするための気密シール性に複雑な構造と製法さらに品質管理が必要という課題があった。また、補給水の供給に関する対応が出来ていないため、どこから補給水を供給してよいかわからないという第２の課題が有った。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、水の流入補給が常に有る状態となって、水の蒸発損失を防止するための構造や製法さらにその品質管理が簡単になる燃料電池システムの水処理装置に関するものである。

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの水処理装置は、イオン水を貯水する凝縮水タンクと、凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池と、を少なくとも有した燃料電池システムであり、凝縮水タンクは、燃料電池で使用されない改質ガス中水素を、燃焼部に導いて燃焼させた燃焼排ガスを、その排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器で結露させて得た結露水を貯水しており、燃焼部に導かれる燃料電池からの改質ガス中水素は、その流路途中に配置される気液分離装置で水分が除去されて燃焼部に導かれ、潜熱回収熱交換器からの燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより溶解炭酸イオンが除去されて凝縮水タンクに貯水される。

よって、水の流入補給が常に有る状態となり、水の蒸発損失を防止するための構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムの水処理装置は、燃料電池で使用されずに残存する改質ガス中水素を、燃焼部に導き燃焼させ、その燃焼排ガスを排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器において結露させ、その結露イオン水を凝縮水タンクで貯水しているので、水の流入補給が常に有る状態となり、水の蒸発損失を防止するための構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。さらに、燃焼部に導かれる改質ガス中水素は、その流路途中に配置される気液分離装置で水分が除去されて燃焼部に導かれるため、含有水分量の少ない水素系改質ガスが燃焼して、煤のでない安定した燃焼が実現でき、透明で奇麗な結露イオン水を凝縮水タンクで貯水することができる。

また、燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより、溶解炭酸イオンが除去されて、凝縮水タンクに貯水されるため、水中炭酸イオンがラシヒリングによって除去され、得られる水は、イオン負荷量が一層小さくなりイオン除去装置が長寿命となる。しかも、改質ガス供給部は脱イオン水が供給されるため、水質に纏わる耐久信頼性への影響が少ないという効果を有する。

第１の発明は、イオン水を貯水する凝縮水タンクと、凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池と、を少なくとも有した燃料電池システムであり、凝縮水タンクは、燃料電池で使用されない改質ガス中水素を、燃焼部に導いて燃焼させた燃焼排ガスを、その排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器で結露させて得た結露水を貯水しており、燃焼部に導かれる燃料電池からの改質ガス中水素は、その流路途中に配置される気液分離装置で水分が除去されて燃焼部に導かれ、潜熱回収熱交換器からの燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより溶解炭酸イオンが除去されて凝縮水タンクに貯水される。

よって、燃料電池で使用されずに残存する改質ガス中の水素を、燃焼部に導き燃焼させ、その燃焼排ガスを排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器において結露させ、その結露イオン水を凝縮水タンクで貯水しているので、水の流入補給が常に有る状態となり、水の蒸発損失を防止するための構造や製法さらにその品質管理が簡単になる。さらに、燃焼部に導かれる改質ガス中水素は、その流路途中に配置される気液分離装置で水分が除去されて燃焼部に導かれるため、含有水分量の少ない水素系改質ガスが燃焼して、煤のでない安定した燃焼が実現でき、透明で奇麗な結露イオン水を凝縮水タンクで貯水することができる。

また、燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより、溶解炭酸イオンが除去されて、凝縮水タンクに貯水されるため、水中炭酸イオンがラシヒリングによって除去され、得られる水は、イオン混入量が一層小さくなりイオン除去装置が長寿命となる。しかも、改質ガス供給部は脱イオン水が供給されるため、水質に纏わる耐久信頼性への影響が少ない。

第２の発明は、特に、第１の発明に記載の燃料電池システムにおいて、ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体である。ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体であるとしている。ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体を使用すると、反応面積が増加するとともに、通水抵抗および通風抵抗が減少して、焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置がさらに一層長寿命となる。

第３の発明に記載の発明は、特に、第１の発明に記載の燃料電池システムにおいて、ラシヒリングに下部から上部への上昇空気を流入したとしている。上昇空気により、燃焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンは、ラシヒリングによって一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置がさらに一層長寿命となる。

第４の発明に記載の発明は、特に、第３の発明に記載の燃料電池システムにおいて、上昇空気は、燃料電池の空気極に供給される空気の残りであるとしている。燃料電池の空気極に供給される空気の残りを使用すると、大風量の空気を簡単に供給することができ、焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置がさらに一層長寿命となる。また、燃料電池の空気極に供給される空気は、空気極で生成する水分を含んでいるため、ラシヒリングによってこの水分が回収され、燃焼排ガス結露水と一緒に凝縮水タンクに採取される利点も有る。

第５の発明に記載の発明は、特に、第３の発明に記載の燃料電池システムにおいて、上昇空気は、空気極の前流に配置された加湿器により増湿され、加湿器の後流に配置された凝縮熱交換器により水分を除去されてから上昇空気となっており、凝縮熱交換器により結露した水分は、凝縮水タンクに貯水される。得られる水は、イオン混合量が小さいため、イオン除去装置がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置がさらに長寿命となる。

第６の発明に記載の発明は、特に、第１の発明に記載の燃料電池システムにおいて、気液分離装置で分離された水分を、凝縮水タンクで貯水する。得られる水は、イオン混合量が小さいためイオン除去装置がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置がさらに長寿命となる。

第７の発明に記載の発明は、特に、第１の発明に記載の燃料電池システムにおいて、イオン除去装置を、端部に水流入部および水流出部を有する筒と、筒の内部空間両端に配置される多孔質板の間に充填された粒状のイオン交換樹脂を少なくとも有した構造体であり、多孔質板の１枚にほぼ全面に設けられている多数の貫通穴の総断面積が、水流入部および水流出部の水通過最小部断面積に対して０．５〜６倍の比率にすることで、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用される。このため、寿命が長いイオン除去装置を得ることができる。

第８の発明に記載の発明は、特に、第７の発明に記載のイオン除去装置において、複数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置している。複数個の筒が直列にＵ字状に屈曲させながら配置されると、イオン水がイオン交換樹脂と均一に接蝕する回数が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命が一層長いイオン除去装置を得ることができる。

第９の発明に記載の発明は、特に、第７の発明に記載のイオン除去装置において、偶数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置し、水流入部からイオン水を上部から下部へ流入させ、水流出部へ脱イオン水を下部から上部へ流出させる。水流入部と水流出部が上部に有るため、水流入に伴うイオン交換樹脂の浮遊とこれによるイオン交換済み品と未交換品の混合が減少して、水流入部から水流出部の方へ順々にイオン交換される使用形態となる。これに加えて、筒が直列に配置されているため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れる機会が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命がさらに一層長いイオン除去装置を得ることができる。

第１０の発明に記載の発明は、特に、第７の発明に記載のイオン除去装置において、筒の全高さと断面積の比率が、０．４〜７．５である。筒の高さと断面積の比率が０．４〜７．５倍であると、筒の形状が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用され、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置が得られる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態の構成を示している。燃料電池システムは、イオン水を貯水する凝縮水タンク１２と、凝縮水タンク１２から供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置１３および水ポンプ１４と、イオン除去装置１３から供給される脱イオン水を貯水する純水タンク１５と、純水タンク１５から供給される脱イオン水と都市ガスにより水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部１６と、改質ガス供給部１６で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池１７を少なくとも有している。

構成と材料について具体的に説明する。凝縮水タンク１２と純水タンク１５は、ステンレスや樹脂内に水を貯水した水槽である。イオン除去装置１３は、ステンレスや樹脂の容器内に、イオン交換樹脂などを充填して、陽陰イオンを捕捉除去して脱イオン化する装置である。改質ガス供給部１６は、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒をステンレス容器に充填した装置であり、都市ガス（メタンが主成分）と水を約６５０℃で化学反応させて、８割の水素と２割の二酸化炭素を生成する様にしている。純水タンク１５から供給される純水は、この化学反応を進行させる役割を果す。なお、改質ガス供給部１６にはこの他にさらに、アルミナ担体に白金を担持した触媒を後流側に配置して、化学反応で微量発生する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する様にしている。

燃料電池１７は、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系水素イン伝導性電解質膜（記載せず）に、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持した構成の燃料極および空気極（いずれも記載せず）をその両側に備えた電池の集合体である。改質ガス供給部１６から燃料極へ供給させる水素と、送風機（記載せず）から空気極へ供給させる空気中の酸素により、電気化学反応が起こり発電する。燃料電池１７は、材料・構成の電池を多数積層した集合体であり、水素や酸素のガスが良好に流れて各電極に到達し易くしたガス流路（記載せず）と、発電により発生した熱を搬送し放熱するための水流路（記載せず）が、その内部に配置されている。

燃焼部１８は、システムの運転初期は都市ガスの燃焼が起こるが、安定運転になると、燃料電池１７で使用されずに残存する改質ガス中水素が導かれて、水素の燃焼が起こる構成である。そして、ここで発生する燃焼排ガスは、排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器２０において結露させられ、その結露イオン水を凝縮水タンク１２で貯水する構成としている。また、燃焼部１８は、改質ガス供給部１６を加熱して、その内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する構成となっている。

次に、運転動作について説明する。まず、運転開始のスイッチが入ると、燃焼部１８に、ガス供給管（記載せず）からの都市ガスと、ブロア（記載せず）からの空気が供給され、燃焼が始まる。そして、燃焼排ガスは、排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器２０において結露させられ、その結露イオン水が凝縮水タンク１２に貯水される。また、燃焼部１８は、改質ガス供給部１６を加熱して、その内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。改質ガス供給部１６の触媒が約６５０℃まで加熱されると、運転動作は第２段階の動作を行う。まず、改質ガス供給部１６は、純水タンク１５からの脱イオン水と、ガス供給管（記載せず）からの都市ガスの供給を受け、水素を主成分とする改質ガスを生成する。燃料電池１７は、生成した水素の供給を受け、空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。さらに、燃料電池１７で使用されずに残存する改質ガス中水素は、燃焼部１８に導かれて、水素の燃焼が起こる。

燃焼部１８に導かれる燃料電池１７からの改質ガス中水素は、その流路途中に配置される気液分離装置２１で水分が除去されて、燃焼部１８に導かれる。この水分除去で、含有水分量の少ない水素系改質ガスが燃焼部１８で燃焼して、煤のでない安定した燃焼が実現でき、透明で奇麗な結露イオン水を凝縮水タンク１２で貯水することができる。

水の流れについて説明する。燃焼部１８の排ガス流路１９に配置した潜熱回収熱交換器２０において結露する燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリング２２により、溶解炭酸イオンが除去されて、凝縮水タンク１２に貯水される。燃焼排ガス結露水に混合されている水中炭酸イオンが、ラシヒリング２２によって除去されるうえに、イオン混合量が非常に少ない水素燃焼の排ガス結露水であるため、得られる水は、イオン負荷量が一層小さくなり、イオン除去装置１３が長寿命となる。イオン除去装置１３および水ポンプ１４は、凝縮水タンク１２に貯水しているイオン水を脱イオンし、脱イオン水を純水タンク１５に貯水する。純水タンク１５に貯水された脱イオン水は、その大部分が改質ガス供給部１６に供給される。

この構成にすることで、燃料電池システムは、水の流入補給が常に有る状態となり、水の蒸発損失を防止するための構造や製法さらにその品質管理が簡単になる様にしている。

凝縮水タンク１２に滞留するイオン水の性状について説明する。得られるイオン水は、導電率が１０μＳ／ｃｍで、溶解炭酸イオンが１ｍｇ／Ｌの水である。この１０μＳ／ｃｍのイオン水は、水道水の１００μＳ／ｃｍと比較して、イオン量が１０分の１倍である。そのため、この様にして得られた水は、イオン除去装置１３の寿命となるまでの水処理可能量が、水道水での水処理可能量に対して１０倍の水処理可能量になった。そのため、ラシヒリング２２によって溶解炭酸イオンを除去した燃焼排ガス結露水を採取して、凝縮水タンク１２に滞留させると、得られる水は、イオン混入量が小さくなり、イオン除去装置１３が一層長寿命となる利点が生じた。また、燃料電池１７で使用されない改質ガス中水素は、燃焼部１８で燃焼するため、水素に関する安全性が向上した。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態は、ラシヒリング２２の形状である。ラシヒリング２２は、側面部に通気穴を有するリング体を使用すると、反応面積が増加するとともに、通水抵抗および通風抵抗が減少して、焼排ガス結露水に混合されている水中炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置１３がさらに一層長寿命となる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態を、図１に基づいて説明する。ラシヒリング２２に、下部から上部への上昇空気を流入している。燃焼排ガス結露水に混合されている水中炭酸イオンが、ラシヒリング２２の表面において、下部から上部への上昇空気を流入によって一層除去されるため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置１３がさらに長寿命となる。なお、下部から上部への上昇空気は、ラシヒリング２２と接蝕した後、ほぼ垂直に折れ曲がって水平方法の流れを形成している。一方、排ガス流路１９によって途中から逆Ｕ字状の流れとなって下部方向に向って流れる燃焼排ガスは、潜熱回収熱交換器２０と接蝕した後、ほぼ垂直に折れ曲がって水平方法の流れを形成している。この流れにすることで、ラシヒリング２２に下部から上部への上昇空気が流入し易い様にしている。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態は、上昇空気の供給源である。上昇空気の供給源として、燃料電池１７の空気極２４に供給される空気の残りを使用すると、大風量の空気を簡単に供給することができ、焼排ガス結露水に混合されている水中炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置１３がさらに一層長寿命となる。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態は、凝縮水タンク１２に貯水されるイオン水のさらなる供給方法であり、図１でその構成を説明する。燃料電池１７の空気極２４に供給される空気は、燃料電池１７の耐久信頼向上のために、その前流に配置された加湿器２５により増湿される。

なお、加湿器２５によって増湿される水分は、純水タンク１５から溢れた水を貯水している冷却水タンク２７に配置された水循環流路２８から供給されている。そして、空気極２４を加湿して残って空気は、加湿器２５の後流に配置された凝縮熱交換器２６により水分が除去され、その結露水を、凝縮水タンク１２に貯水している。得られる水は、イオン混合量が小さいためイオン除去装置１２がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置１２がさらに長寿命となる。

（実施の形態６）
本発明の第６の実施の形態は、凝縮水タンク１２に貯水されるイオン水のさらなる供給方法であり、図１において、気液分離装置２１で分離された水分を、凝縮水タンク１２で貯水している。そのため、得られる水は、イオン混合量が小さいためイオン除去装置１３がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置１３がさらに長寿命となる。

（実施の形態７）
本発明の第７の実施の形態は、イオン除去装置１３の構成であり、その構成図を図２に示す。

この構成は、改質ガス供給部１６に供給する脱イオン水の流量が非常に少なく、例えば、０．３〜１ｋＷの燃料電池システムにおいて、１ＫＷの発電を得るためには脱イオン水を２０ｍＬ／分の流量で供給するだけでよいことから、考案した構成である。

イオン除去装置１３は、前流側の筒３２と後流側の筒３３で構成され、前流側の筒３２の上部には水流入部３４が、後流側の筒３３の上部には水流出部３５が少なくとも配置され、筒３２、３３がその下部において流通した構成である。前流側の筒３２の内部空間には、その上下に多孔質板３６ａ、３６ｂが配置され、多孔質板３６ａ、３６ｂの間にはイオン交換樹脂３７ａが充填されている。一方、後流側の筒３３の内部空間にも、その上下に多孔質板３６ｃ、３６ｄが配置され、多孔質板３６ｃ、３６ｄの間にはイオン交換樹脂３７ｂが充填されている。多孔質板３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、穴（記載せず）が全面に渡って多数開いており、その１枚にほぼ全面に設けられている穴の総断面積は、水流入部３４および水流出部３５の水通過最小断面積の０．５〜６倍である。なお、イオン交換樹脂３７ａ、３７ｂの充填層の上下には、その粒子径より僅かに小さ目の穴を全面に有したポリプロピレン製通気板（記載せず）が配置されている。このポリプロピレン製通気板は、多孔質板３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄに設けられている穴と比較して、通気穴の穴径とその数が圧倒的に大きいので、圧力損失が非常に小さくしかも水流れをコントロールすることがほとんどない材料であり、筒３２、３３からイオン交換樹脂３１ａ、３１ｂが流出しない役割をなしている。

イオン除去装置１３における水の流れについて説明する。水流入部３４から前流側の筒３２に流入したイオン水は、多孔質板３６ａの穴を通過し、イオン交換樹脂３７ａと接触してイオン交換をされて脱イオン水となり、多孔質板３６ｂの穴を通過する。そして、前流側の筒３２の下部から後流側の筒３３の下部へと移動する。後流側の筒３３の下部から流入した水は、さらに、多孔質板３６ｄの穴を通過してイオン交換樹脂３７ｂと接蝕し、多孔質板３７ｃの穴を通過したのちに水流出部３５から外に流出する。

図２記載のイオン除去装置１３の試作を行った。前流側の筒３２と後流側の筒３３は、各々が内径５７ｍｍで高さ４３６ｍｍのステンレス製の筒である。水流入部３４および水流出部３５は、前述寸法の筒にかん合して取り付けられた蓋と、蓋の中央部に垂直に取り付けられた内径４．３５ｍｍのパイプとから構成されるステンレス製の構造体である。そして、内径４．３５ｍｍパイプより水の流入もしくは流出が行われ、その水通過最小部断面積は１５ｍｍ２である。多孔質板３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄは、径０．６ｍｍの穴を全面に渡って多数開けたステンレス板（径５７ｍｍで厚み１ｍｍ）であり、その数を変化させることで、水流入部３４および水流出部３５の水通過最小部断面積との比率を変化させている。イオン交換樹脂３７ａ、３７ｂは、陽イオンと陰イオンをイオン交換する材料であり、前流側の筒３２に１リットル、後流側の筒３３に１リットル、全部で２リットル充填されている。イオン交換樹脂３７ａ、３７ｂは、粒の大きさが約０．２ｍｍ前後であったため、その充填層の上下に、径０．１ｍｍの穴を開穴率５割で開けたポリプロピレン製通気板（径５７ｍｍで厚み２ｍｍ）を配置している。前流側の筒３２の下部から後流側の筒３３の下部へと、水が移動する部分は、最小部空間が５×５０ｍｍである。この構造とすることで、同一形状に作製された多孔質板３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄにおいてその１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）と、同一形状に作製された水流入部３４および水流出部３５における水通過最小断面積（Ｓ２）の比率（Ｓ１／Ｓ２）が、圧力損失および水処理可能量を大きく変化する様になっている。そこで、この両者の断面積の比率（Ｓ１／Ｓ２）を変化させて、圧力損失および水処理可能量がどの様に変化するかの検討を行った。

図３は、このイオン除去装置１３の効果特性図である。この効果特性において横軸は、同一形状に作製された多孔質板３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄにおいて、その１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）と、同一形状に作製された水流入部３４と水流出部３５における水通過最小部断面積（Ｓ２）との比率（Ｓ１／Ｓ２）である。縦軸は、イオン除去装置１３の圧力損失および水処理可能量である。圧力損失は、２０ｍＬ／分の水を流した際の圧力差を測定した値である。水処理可能量は、１００μＳ／ｃｍのイオン水を水流入部３４から流入した際に、水流出部３５から１μＳ以下／ｃｍの水が何リットル流出したかを測定した値である。この水処理可能量を超えると、１μＳ以上／ｃｍの水が流出して、その間に充填した２リットルのイオン交換樹脂３７ａ、３７ｂが寿命となっていることを意味する。なお、試験に用いた１００μＳ／ｃｍのイオン水は、凝縮水タンク１２に滞留している実際のイオン水（１０μＳ／ｃｍ）に対して、イオン量を１０倍濃くした水である。そのため、実際のイオン水を流した場合は、図３記載の水処理可能量に対して１０倍の水処理可能量になるとして取り扱ってよい。

図３より、比率（Ｓ１／Ｓ２）が０．５未満の場合は、多孔質板に設けられている穴の総断面積が小さいため、圧力損失が大きくなることがわかる。一方、比率（Ｓ１／Ｓ２）が６を超えると、多孔質板に設けられている穴の総断面積が大き過ぎるため、水の片流れが起こって一部分のイオン交換樹脂しか利用されず、残りの大部分のイオン交換樹脂は未使用状態となって、水処理可能量が小さくなり脱イオン水の供給寿命が短いことがわかる。これに対して、この比率（Ｓ１／Ｓ２）が０．５〜６倍の時に、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置１３が得られることがわかる。これは、多孔質板に設けられている穴の総断面積が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用されるためである。

（実施の形態８）
本発明の第８の実施の形態を、図２に基づいて説明する。図２に記載した様に、イオン除去装置１３は、前流側の筒３２と後流側の筒３３が、直列にＵ字状に屈曲させながら配置されている。２個の筒が直列にＵ字状に屈曲させながら配置されると、イオン水がイオン交換樹脂と均一に接蝕する回数が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命が一層長いイオン除去装置１３を得ることができる。なお例えば、筒を３個にすると、Ｕ字状と逆Ｕ字状という水流れとなり、イオン水がイオン交換樹脂と均一に接蝕する回数がさらに増え、接蝕する時間もさらに長くなって、寿命がさらに一層長いイオン除去装置１３を得ることができる。

（実施の形態９）
本発明の第９の実施の形態を、図２に基づいて説明する。図２に記載した様に、イオン除去装置１３は、前流側の筒３３と後流側の筒３４という偶数個の筒が、直列にＵ字状に屈曲させながら配置されており、水流入部３４からイオン水を上部から下部へ流入させ、水流出部３５へ脱イオン水を下部から上部へ流出させる流れとなっている。水流入部３４と水流出部３５が上部に有るため、水流入に伴うイオン交換樹脂の浮遊とこれによるイオン交換済み品と未交換品の混合が減少して、水流入部３４から水流出部３５の方へ順々にイオン交換される使用形態となる。これに加えて、筒が直列に配置されているため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れる機会が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命がさらに一層長いイオン除去装置を得ることができる。

（実施の形態１０）
本発明の第１０の実施の形態を、図４に基づいて説明する。図４は、このイオン除去装置１３の効果特性図である。横軸は、イオン除去装置１３における、筒の合計高さと断面積の比率である。縦軸は、この形状のイオン除去装置１３の圧力損失および水処理可能量である。

実験に用いたイオン除去装置１３は、筒３２を１本だけ使用してここにイオン交換樹脂３７ａを２リットル充填し、水流入部３４を筒３２の下部位置に設け、水流出部３５を筒３２の上部位置に設けた構成で行った。この構成の場合、下部位置に配置した水流入部３４から筒３２に流入したイオン水は、下から上への流れとなって流れ、多孔質板３６ａの穴を通過し、イオン交換樹脂３７ａと接触してイオン交換をされて脱イオン水となり、多孔質板３６ｂの穴を通過し、上部位置の水流出部３５から流出する水流れになる。Ｕ字状に屈曲する水流れが無いので、エアがみに強い構成となる利点が有る。

図４（ａ）は、多孔質板３６ａおよび３６ｂにおいてその１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）と、同一形状に作製された水流入部３４と水流出部３５における水通過最小部断面積（Ｓ２）と、の比率（Ｓ１／Ｓ２）を０．５とした場合の効果特性である。図４（ｂ）は、同比率（Ｓ１／Ｓ２）を２．０とした場合の効果特性である。図４（ｃ）は、同比率（Ｓ１／Ｓ２）を６．０とした場合の効果特性である。

イオン交換樹脂３７ａは、筒３２の内部に２リットル充填されており、筒の高さと筒の断面積の比率を変化させたイオン除去装置１３をそれぞれ試作して行った。筒の高さ（Ｈ）と断面積（Ｓ）の比率（Ｈ／Ｓ）は、筒の形状を表現する指標であり、比率（Ｈ／Ｓ）値が小さいことは筒が横長形状となることを意味し、比率（Ｈ／Ｓ）が大きいことは筒が縦長形状となることを意味する。圧力損失や水処理可能量は、前述の第７実施例と同じ方法で測定している。圧力損失は、２０ｍＬ／分の水を流した際の圧力差を測定した値である。水処理可能量は、１００μＳ／ｃｍのイオン水（水道水を使用）を水流入部３４から２０ｍＬ／分で流入した際に、水流出部３５から１μＳ以下／ｃｍの水が何リットル流出したかを測定した値である。この水処理可能量を超えると、１μＳ以上／ｃｍの水が流出して、その間に充填した２リットルのイオン交換樹脂３７ａが寿命となっていることを意味する。

図４より、筒の高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）が０．４未満の場合は、筒が横長形状となるため、水の片流れが起こって一部分のイオン交換樹脂しか利用されず、残りの大部分のイオン交換樹脂は未使用状態となって、水処理可能量が小さくなり脱イオン水の供給寿命が短いことがわかる。一方、筒の高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）が７．５を超えると、筒が縦長形状となるため、圧力損失が大きくなることがわかる。これに対して、この比率（Ｈ／Ｓ）が０．４〜７．５倍の時に、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置２１が得られることがわかる。これは、筒の形状が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用されるためである。

筒の高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）が０．４〜７．５倍の時に、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置１３が得られることは、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に記載した様に、多孔質板３６ａおよび３６ｂの１枚に設けられている穴の総断面積と、同一形状に作製された水流入部３４と水流出部３５における水通過最小部断面積との比率を０．５〜６．０倍としても、成立することがわかる。

なお、イオン交換樹脂３７ａ、３７ｂを、前流側の筒３２が１リットルで後流側の筒３３が１リットルとしてその量を合計で２リットル充填し、筒の合計高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）を変化させたイオン除去装置１３でも、同様な効果が得られることは言うまでもない。

本発明の燃料電池システムの水処理装置は、定置式や移動式の燃料電池システムに用いる水処理装置として有用である。

本発明の実施形態１〜６における燃料電池システムの水処理装置の構成図 本発明の実施形態７〜１０における燃料電池システムの水処理装置の構成図 本発明の実施形態７における効果特性図 （ａ）本発明の実施形態１０における効果特性図（Ｓ１／Ｓ２＝０．５）（ｂ）本発明の実施形態１０における効果特性図（Ｓ１／Ｓ２＝２．０）（ｃ）本発明の実施形態１０における効果特性図（Ｓ１／Ｓ２＝６．０） 従来の燃料電池システムの水処理装置の構成図

符号の説明

１２ 凝縮水タンク
１３ イオン除去装置
１４ 水ポンプ
１５ 純水タンク
１６ 改質ガス供給部
１７ 燃料電池
１８ 燃焼部
１９ 排ガス流路
２０ 潜熱回収熱交換器
２１ 気液分離装置
２２ ラシヒリング
２４ 空気極
２５ 加湿器
２６ 凝縮熱交換器
３２、３３ 筒
３４ 水流入部
３５ 水流出部
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ 多孔質板
３７ａ、３７ｂ イオン交換樹脂

Claims (10)

1. イオン水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、前記イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、前記純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、前記改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池を少なくとも有した燃料電池システムであり、前記凝縮水タンクは、前記燃料電池で使用されない改質ガス中水素を燃焼部に導いて、燃焼させた燃焼排ガスをその排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器で結露させて得た結露水を貯水しており、前記燃焼部に導かれる前記燃料電池からの改質ガス中水素は、その流路途中に配置される気液分離装置で水分が除去されて前記燃焼部に導かれ、前記潜熱回収熱交換器からの燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより溶解炭酸イオンが除去されて前記凝縮水タンクに貯水される燃料電池システムの水処理装置。
2. ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体である請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
3. ラシヒリングに、下部から上部への上昇空気を流入した請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
4. 上昇空気は、燃料電池の空気極に供給される空気の残りである請求項３記載の燃料電池システムの水処理装置。
5. 上昇空気は、前記空気極の前流に配置された加湿器により増湿され、前記加湿器の後流に配置された凝縮熱交換器により水分を除去されてから上昇空気となっており、前記凝縮熱交換器により結露した水分は、凝縮水タンクに貯水される請求項３記載の燃料電池システムの水処理装置。
6. 気液分離装置で分離された水分を、凝縮水タンクで貯水する請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
7. イオン除去装置は、端部に水流入部および水流出部を有する筒と、前記筒の内部空間両端に配置される多孔質板の間に充填された粒状のイオン交換樹脂を少なくとも有した構造体であり、前記多孔質板の１枚にほぼ全面に設けられている多数の貫通穴の総断面積が、前記水流入部および水流出部の水通過最小部断面積に対して０．５〜６倍の比率であるとした請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
8. 複数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置した請求項７記載の燃料電池システムの水処理装置。
9. 偶数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置し、水流入部からイオン水を上部から下部へ流入させ、水流出部へ脱イオン水を下部から上部へ流出させる請求項７記載の燃料電池システムの水処理装置。
10. 筒の全高さと断面積の比率が、０．４〜７．５であるとした請求項７記載の燃料電池システムの水処理装置。

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