JP2000331703A

JP2000331703A - 燃料電池における水回収装置

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Publication number: JP2000331703A
Application number: JP11143501A
Authority: JP
Inventors: Makio Tamura; 真紀夫田村
Original assignee: Organo Corp; Japan Organo Co Ltd
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP4562103B2

Abstract

(57)【要約】【課題】システム全体の大型化等を抑えつつ、燃料電
池における水の回収利用を円滑にかつ効果的に行い、さ
らに、燃料電池に供給される空気を効率よく浄化して、
とくに車載及び可搬式として好適な、高性能の燃料電池
発電システムを提供する。【解決手段】固体高分子電解質を用いた燃料電池の酸
化反応により生成する水蒸気の少なくとも一部を凝縮手
段により凝縮水として液化し、凝縮水を燃料電池に使用
する水として再利用する水回収装置において、凝縮手段
からの水回収ラインに、凝縮水の少なくとも一部を脱塩
処理する手段を設け、該脱塩処理手段からの水回収ライ
ンを、脱塩処理された凝縮水を少なくとも燃料電池への
燃料供給系および／または燃料電池の固体高分子電解質
に供給するラインに構成したことを特徴とする燃料電池
における水回収装置、および、燃料電池の排ガス側から
脱塩処理手段までの間の排気・回収ラインに、燃料電池
の空気極へと供給される空気を燃料電池への供給前に水
蒸気または／および凝縮水に接触させる気液接触手段を
設けたことを特徴とする燃料電池における水回収装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池における
水回収装置に関し、特に車載及び可搬式の燃料電池に好
適な水回収装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池はイオン導電体である電解質の
両側に一対の電極を設け、一方の電極（通常、「空気
極」と呼ばれている。）に酸化剤（酸素、空気等で、通
常は空気または酸素リッチ空気）を供給し、他方の電極
（通常、「燃料極」と呼ばれている。）に還元剤（水素
または水素含有成分）を供給して電気化学的に発電する
装置であり、水の電気分解の逆の原理を利用したもので
ある。燃料極へは、一般に、アルコール、ＬＮＧ等の燃
料に水を混合して、あるいは、燃料を水で改質して水素
が供給される。すなわち、燃料電池の基本原理として
は、たとえば図１に燃料電池中に複数積層配置されたセ
ルのうちの一つを模式的に示すように、たとえば燃料と
してメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）が使用される場合、燃料
電池１の燃料極２側に供給されたメタノールと水から水
素が発生され、水素イオン（プロトン）が電解質３を介
して空気極４側に移行されて、空気極４側に供給されて
くる酸素との酸化反応により水が生成され、この電解質
を介しての反応により、燃料極２と空気極４との間に起
電力が発生するようになっている。

【０００３】燃料電池は、一般に、燃料供給方法や、用
いる電解質の種類によって、以下のように大別すること
ができる。燃料供給方法に関しては、燃料電池の燃料極
に水素を供給するに際し、たとえば図２に示すように、
燃料電池１１に供給する前段階で、燃料タンク１２から
のメタノール等からなる燃料に水を加えて改質器１３で
改質して水素を発生させた後燃料電池１１に供給する方
法と、たとえば図３に示すように、燃料タンク２２から
のメタノール等からなる燃料に水を加えてそれを直接燃
料電池２１に供給し、電極上で水素発生と酸化反応を同
時に行わせる直接法がある。現状では改質器＋燃料電池
の間接法の方が効率が優れているが、車載式や可搬式と
する場合、直接法の方が装置容積と重量の点でメリット
が大きいと考えられている。

【０００４】さらに、燃料電池は用いる電解質により幾
つかの種類に分類され、リン酸塩型、溶融炭酸塩型、固
体酸化物型、固体高分子型などが挙げられる。近年では
固体高分子電解質に関する研究が進み、作動温度が１０
０℃程度と低く、かつ、小型の燃料電池の実用化が期待
されている。小型・低温化が可能になる結果、電気自動
車の電源として車載したり、移動用の可搬式電源として
利用したり、家庭用の電源として利用することも可能と
なる。

【０００５】ところが、固体高分子電解質を用いた燃料
電池における、このような小型化の特徴を生かすために
は、従来型の燃料電池（リン酸型、溶融炭酸塩型、固体
酸化物型）とは違った課題が明らかになってきた。すな
わち、固体高分子電解質が、水素イオン（プロトン）に
対し導電性を保つことが必要であるが、そのためには固
体高分子電解質が常に水分を保有していなけれけばなら
ない。また、従来の燃料電池においてもそうであるが、
燃料供給側で（燃料極上で、あるいは改質器にて）水素
を発生させるためには、通常、水の供給が必要になる。
従来の据え置き型の燃料電池では、既存の水道等から適
当な処理をすることにより所望の水の供給が可能である
が、可搬式の場合、必ずしも水道等が有るとは限らない
ので、別の水源が必要になる。

【０００６】このような水の必要性に対し、リン酸型の
燃料電池においては、燃料電池の反応で生じた水蒸気の
凝縮水（回収水）を燃料電池の冷却等に利用する技術が
知られているが、固体高分子電解質を用いた燃料電池に
おいては、燃料電池からの回収水を利用する技術は必ず
しも確立されてはいない。

【０００７】また、燃料電池においては、一般に酸化剤
として空気を利用する。しかしながら、空気中には多く
の汚染物質が含まれており、たとえフィルター等で濾過
した後に燃料電池に供給したとしても、燃料電池内を清
浄に保ち続けることは困難である。特に硝酸や亜硝酸、
塩酸等のガス状の不純物についてはフィルター等で除去
することは原理的に不可能であり、このようなガス状の
不純物についても除去可能な、簡便で有効な浄化手段が
望まれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、燃料
電池の周辺技術に関する実情、とくに固体高分子電解質
を用いた燃料電池の周辺技術に関する現状技術レベルに
鑑み、システム全体の大型化等を抑えつつ、燃料電池に
おける水の回収利用を円滑にかつ効果的に行い、さら
に、燃料電池に供給される空気を効率よく浄化して、と
くに車載及び可搬式として好適な、高性能の燃料電池発
電システムを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の燃料電池における水回収装置は、固体高分
子電解質を用いた燃料電池の酸化反応により生成する水
蒸気の少なくとも一部を凝縮手段により凝縮水として液
化し、凝縮水を燃料電池に使用する水として再利用する
水回収装置において、凝縮手段からの水回収ラインに、
凝縮水の少なくとも一部を脱塩処理する手段を設け、該
脱塩処理手段からの水回収ラインを、脱塩処理された凝
縮水を少なくとも燃料電池への燃料供給系および／また
は燃料電池の固体高分子電解質に供給するラインに構成
したことを特徴とするものからなる。

【００１０】この水回収装置においては、燃料電池の排
ガス側から脱塩処理手段までの間の排気・回収ライン
（つまり、排ガスラインと水回収ラインとを含む系）
に、燃料電池の空気極へと供給される空気を燃料電池へ
の供給前に水蒸気または／および凝縮水に接触させる気
液接触手段が設けられていることが好ましい。空気極へ
と供給される空気は、通常の大気の他、たとえば、空気
を原料として膜分離や吸着剤を用いて改質した、酸素濃
度の高い空気（酸素リッチ空気）も含む。

【００１１】この気液接触手段における気液接触を行わ
せるために、排気・回収ラインのいずれかの位置におい
て、燃料電池の空気極へと供給される空気の少なくとも
一部が、水蒸気または／および凝縮水中に供給される。
たとえば、排気・回収ラインへの空気の供給が、凝縮手
段から脱塩処理手段までの間の水回収ラインにて行われ
る。あるいは、排気・回収ラインへの空気の供給が、燃
料電池の排ガス側から凝縮手段までの間の排ガスライン
にて行われる。後者の空気供給では、燃料電池の空気極
へと供給される空気の少なくとも一部が、水蒸気を含む
排ガス中に供給され、排ガスが希釈される。このように
すれば、とくに、排ガス中の水蒸気を凝縮水として回収
する際の、ＣＯ₂等の濃度を低減することが可能にな
る。

【００１２】気液接触手段としては、空気を排気・回収
ラインの配管内にライン注入する手段と、ライン注入さ
れた空気を凝縮水と分離する気液分離手段とを含むもの
から構成できる。また、気液接触手段は、空気が注入さ
れた凝縮水を噴射するスプレー手段を有するものであっ
てもよい。

【００１３】また、気液接触手段は、燃料電池へと供給
される空気を凝縮水中にバブリングさせる手段に構成す
ることもできる。

【００１４】また、気液接触手段は、水蒸気または／お
よび凝縮水を拡散させつつ一方向に通過させるととも
に、対向流にて燃料電池へと供給される空気を通過させ
る充填層を含む手段（たとえば、充填塔）に構成するこ
ともできる。

【００１５】また、気液接触手段は、一面側に水蒸気ま
たは／および凝縮水が通過され、他面側に燃料電池へと
供給される空気が通過されるガス透過膜を有するものか
ら構成することもできる。

【００１６】さらに、気液接触手段は、実質的に凝縮手
段と一体に構成されていてもよい。つまり、容器状の凝
縮手段内で、気液接触を行わせつつ、水蒸気の凝縮も行
わせる。

【００１７】また、本発明においては、燃料電池反応よ
り発生する水を回収することが可能になるが、全ての条
件下で必要量の水が確保できるとは限らない。その場
合、外部より水の補給が必要になる。補給水として不純
物を含まない純水等が得られれば問題無いが、水道水等
の硬度成分やシリカ等の不純物を含有する水が利用され
る可能性も高い。そのような場合、外部からの補給水供
給ラインが、水回収ラインの脱塩処理手段の上流側に接
続されていることが好ましい。補給水が脱塩手段の上流
に混入する装置構成とすれば、脱塩手段を有効に利用す
ることが可能になり、補給水を脱塩するために格別の手
段を設ける必要はなくなる。

【００１８】脱塩処理手段としては、逆浸透膜装置、電
気透析装置、電気再生純水装置（CEDI: Continuous Ele
ctrodeionization）、イオン交換樹脂装置、蒸留装置、
キャパシタ脱塩装置の少なくとも一種から構成できる。
ここで、キャパシタ脱塩装置とは、電極間に被処理水を
通水しつつ直流電圧を印加し、多孔質電極上にイオンを
保持して脱塩し、一定時間後に電圧印加を停止しイオン
を脱着して濃縮水として取り出す装置である。また、脱
塩処理手段が、凝縮水の流れ方向に少なくとも二段に設
けられている構成とすることも可能である。このように
構成すれば、たとえば、一段目の脱塩処理手段からの凝
縮水と、二段目の脱塩処理手段からの凝縮水とが、燃料
電池への燃料供給系および燃料電池の固体高分子電解質
の一方と他方とに、それぞれ分けて供給されるようにす
ることが可能になり、回収水を、その性状に応じた最適
な部位に供給することが可能になる。

【００１９】燃料電池の固体高分子電解質を湿った状態
に保つために該固体高分子電解質へと脱塩処理後の凝縮
水を供給するに際しては、上記のような脱塩処理後の凝
縮水を直接固体高分子電解質へと供給することもでき、
また、燃料電池の空気極へ供給される空気を該凝縮水で
加湿することにより供給することもできる。後者の加湿
を介して固体高分子電解質へと水分を要求する場合にお
いては、上述の気液接触手段を有する場合、該気液接触
手段により洗浄された後の供給空気が十分に水分を含ん
でいるときには、この洗浄後の空気を燃料電池の空気極
へと供給し、それによって固体高分子電解質に水分を供
給することも可能である。

【００２０】上記のような気液接触手段に関しては、固
体高分子電解質を用いた燃料電池に限らず、他のあらゆ
るタイプの燃料電池、たとえば、リン酸塩型、溶融炭酸
塩型、固体酸化物型、固体高分子型の燃料電池にも有効
である。すなわち、本発明に係る燃料電池における水回
収装置は、燃料電池の酸化反応により生成する水蒸気の
少なくとも一部を凝縮手段により凝縮水として液化し、
凝縮水を燃料電池に使用する水として再利用する水回収
装置において、凝縮手段からの水回収ラインに、凝縮水
の少なくとも一部を脱塩処理する手段を設けるととも
に、燃料電池の排ガス側から脱塩処理手段までの間の排
気・回収ラインに、燃料電池の空気極へと供給される空
気を燃料電池への供給前に水蒸気または／および凝縮水
に接触させる気液接触手段を設けたことを特徴とするも
のからなる。

【００２１】固体高分子電解質を用いた燃料電池以外の
燃料電池においても、前述した固体高分子電解質を用い
た燃料電池の水回収装置におけるのと同等の構成を採用
することが好ましい。すなわち、排気・回収ラインへの
空気の供給は、凝縮手段から脱塩処理手段までの間の水
回収ラインにて行われるか、あるいは、燃料電池の排ガ
ス側から凝縮手段までの間の排ガスラインにて行われる
ようにする。気液接触手段としては、空気の配管内への
ライン注入手段およびライン注入された空気を凝縮水と
分離する気液分離手段とを含むもの、空気が注入された
凝縮水を噴射するスプレー手段を有するもの、燃料電池
へと供給される空気を凝縮水中にバブリングさせる手段
に構成したもの、水蒸気または／および凝縮水を拡散さ
せつつ一方向に通過させるとともに、対向流にて燃料電
池へと供給される空気を通過させる充填層を含む手段
（たとえば、充填塔）に構成したもの、一面側に水蒸気
または／および凝縮水が通過され、他面側に燃料電池へ
と供給される空気が通過されるガス透過膜を有するも
の、実質的に凝縮手段と一体に構成されたもの、等に構
成できる。

【００２２】また、外部からの補給水供給ラインが設け
られる場合には、前記同様に、該補給水供給ラインが水
回収ラインの脱塩処理手段の上流側に接続されているこ
とが好ましい。脱塩処理手段としては、逆浸透膜装置、
電気透析装置、電気再生純水装置、イオン交換樹脂装
置、蒸留装置、キャパシタ脱塩装置の少なくとも一種か
ら構成でき、凝縮水の流れ方向に少なくとも二段に設け
る構成とすることも可能である。

【００２３】なお、本発明における燃料電池への燃料供
給系としては、燃料に水を加えることにより水素を発生
させる改質器を有する構造に構成してもよく、燃料と水
を直接燃料電池に供給する系に構成してもよい。

【００２４】また、気液接触手段に供給される空気供給
ラインには、フィルタ等の一般的な不純物除去手段が設
けられていることが好ましく、上記気液接触手段に供給
される前に、機械的に除去できる異物を極力除去してお
くことが好ましい。

【００２５】凝縮手段としては特に限定しないが、車載
式や可搬式を考慮する場合、冷却用空気との間で熱交換
を行う手段からなることが好ましい。たとえば、空冷式
の手段や、ヒートポンプを用いて空気側に熱を逃がすよ
うにした手段に構成できる。

【００２６】上記のような本発明に係る燃料電池におけ
る水回収装置は、以下のような技術思想に基づいて完成
されたものであり、以下のような技術的利点を発揮でき
るものである。

【００２７】すなわち、燃料電池の燃料は水素やメタノ
ール等の炭化水素であるので、これらを酸化すれば当然
水が発生する。したがって、この水を凝縮して回収再利
用することができれば望ましい。しかしながら、この水
には燃料電池及びその周辺の配管から溶出する不純物
や、空気から取り込まれる不純物が溶解する。これらの
不純物が燃料電池における反応の触媒毒として作用した
り、電極を汚染、あるいは腐食することが考えられる。
したがって、本発明においては、何らかの脱塩手段を利
用して不純物を除去後に再利用することとするものであ
り、とくに従来、水の回収再利用の技術が確立されてい
なかった、固体高分子電解質を用いた燃料電池における
水の回収再利用の技術を提供するものである。

【００２８】燃料電池反応により基本的に水は常に発生
するが、再利用に必要な量は発生する水の一部分であ
り、必ずしも全量を脱塩する必要はない。脱塩手段とし
ては前述の如くイオン交換樹脂、電気透析、電気再生式
純水装置、逆浸透膜、蒸留手段のいずれもが利用可能で
あるが、いずれの脱塩手段を用いる場合においても、循
環再利用される必要量と余剰量に分離後、必要量を脱塩
し余剰量は外部にドレンすることが望ましい。電気透析
や電気再生型純水装置、逆浸透膜装置、蒸留手段、キャ
パシタ脱塩装置においては、余剰量を濃縮液としてドレ
ンすることができる。イオン交換樹脂を用いた場合はイ
オン交換機能の消耗により適時再生されたイオン交換樹
脂に交換が必要となる。逆浸透膜装置は液体を加圧して
膜を透過させることにより濃縮水と脱塩水に分離するも
のであり、イオン交換樹脂がイオン交換機能の消耗によ
り適時交換が必要になるのに対し、基本的に連続使用が
可能である。電気透析や電気再生型純水装置はイオン交
換膜を隔膜として用い、直流電流を用いて濃縮水と脱塩
水を分離する方法であり、これらも基本的に連続使用が
可能である。いずれの脱塩手段においても、比較的高温
の６０℃から８０℃程度で利用できる耐熱仕様が望まし
い。このような耐熱仕様は、たとえば特開平７−２８９
９２１号公報や特開平１０−１５４０２号公報に記載さ
れているような耐熱イオン交換樹脂を、単独で、あるい
は電気再生型純水装置の充填剤として利用することによ
って達成可能である。

【００２９】このような脱塩手段が、固体高分子電解質
を用いた燃料電池の水回収装置において、凝縮手段から
の水回収ライン中に設けられ、脱塩処理された凝縮水
が、燃料電池の燃料供給系および／または燃料電池の固
体高分子電解質へと供給される。燃料に混入され直接燃
料電池へと供給される直接法および改質器を備えた間接
法のいずれの燃料供給系においても、循環再利用される
凝縮水中から脱塩処理により不純物が除去されているの
で、燃料電池における反応への悪影響が最小限に抑えら
れ、水素が効果的に発生されて効率のよい発電が行われ
ることになる。また、燃料電池の固体高分子電解質へと
供給される凝縮水中から不純物が除去されることによ
り、固体高分子電解質の性能低下を来すことなく、固体
高分子電解質を常時水分が付与された状態に保つことが
でき、水素イオンに対する望ましい導電性を常時維持し
て、効率の高い発電を行うことが可能になる。

【００３０】また、気液接触手段を備えた本発明に係る
燃料電池における水回収装置においては、燃料電池の空
気極へと供給される空気が、燃料電池への供給前に水蒸
気または／および凝縮水との接触により浄化され、空気
中の不純物が、洗われて水分側に取り込まれる。この不
純物が移行された水が、上記脱塩処理手段により脱塩処
理される。すなわち、脱塩処理手段の上流にて燃料電池
に供給される空気と脱塩前の水を気液接触させ、空気中
の不純物を水に溶解せしめた後、脱塩処理手段にて不純
物を除去することができる。換言すれば、凝縮水用の脱
塩処理手段が、循環再利用される凝縮水自身を脱塩処理
する手段として機能すると同時に、該凝縮水中に移行さ
れた供給空気中の不純物の除去手段としても機能し、実
質的に、水の浄化とともに空気の浄化を行うことができ
る。この空気の浄化により、燃料供給系や燃料電池内に
持ち込まれようとする、空気中の汚染物質、特にガス状
の汚染物質を可能な限り事前に除去することが可能にな
り、一層効率の高い発電を行うことが可能になる。ま
た、空気中の不純物の大半が燃料電池内に持ち込まれる
ことなく事前に除去されるので、たとえば上記脱塩処理
手段以外の空気の不純物除去手段が設けられる場合に
も、その不純物除去手段に対する負荷が大幅に軽減され
る。

【００３１】このように、本発明に基づいて燃料電池の
水回収装置に脱塩処理手段と気液接触手段とを組み込め
ば、燃料電池における循環再利用される水とともに供給
空気中の不純物の影響を最小限に抑えることが可能にな
り、きわめて効率のよい発電を行うことができるととも
に、燃料電池周りの大がかりな系統整備も不要で、車載
式や可搬式として最適なコンパクトな燃料電池システム
を構成できる。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態を、図面を参照して説明する。図４は、本発明の一
実施態様に係る燃料電池における水回収装置を示してい
る。図４において、３１は図１に示したと同様の基本構
成を有する燃料電池を示しており、内部に固体高分子電
解質３２を備え、その両側に燃料極側および空気極側の
電極３３、３４を有している。燃料極側には、燃料供給
ライン３５を介して、燃料、本実施態様ではメタノール
が供給される。空気極側には、本実施態様では、フィル
ター等の適当な異物除去手段を通した後の空気が空気供
給ライン３６を介して供給される。燃料電池３１におけ
る反応により、ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ（水蒸気）、Ｎ₂等を含
む排ガスが生成され、排ガスは排ガスライン３７を介し
て凝縮手段としてのコンデンサ３８に送られて、凝縮水
（Ｈ₂Ｏ）とＣＯ₂、Ｎ₂等の排ガスとに分離される。
コンデンサ３８自身の構造は、周知の熱交換器の構造を
採用すればよく、車載式や可搬式のシステムに構成する
場合には、水冷式よりもむしろ空冷式、あるいはヒート
ポンプを用いて空気との間で熱交換を行わせるようにし
たもの方が好ましい。

【００３３】コンデンサ３８からの凝縮水は、水回収ラ
イン３９を介してポンプ４０により脱塩処理手段として
の逆浸透膜装置（ＲＯ）４１に送られ、逆浸透膜装置４
１での脱塩処理により、循環再利用可能な浄化処理され
た水に生成される。本実施態様では、逆浸透膜装置４１
において、濃縮水は余剰水としてブローライン４２から
ブロー（ドレン）されている。逆浸透膜装置４１で脱塩
処理（浄化処理）された凝縮水は、本実施態様では、ラ
イン４３を介して燃料供給ライン３５中の燃料に混入さ
れるとともに、一部が、ライン４４を介して燃料電池３
１の固体高分子電解質３２へと供給されている。

【００３４】上記構成においては、燃料供給系に対し、
逆浸透膜装置４１で脱塩処理された凝縮水を直接燃料中
に混入させて燃料電池３１へと送る直接法に構成した
が、図５に示すように、改質器４５を介在させ、この改
質器４５あるいはその直前に供給する間接法を適用する
構成としてもよい。

【００３５】図６は、本発明の別の実施態様に係る燃料
電池における水回収装置を示している。図６において
は、図４に示した装置に比べ、脱塩処理手段としてイオ
ン交換樹脂装置５１が用いられており、該イオン交換樹
脂装置５１の上流側で余剰水がブローライン５２を介し
てブローされている。その他の構成は図４に示した実施
態様に準じるので、図４に付したのと同一の符号を付す
ことにより説明を省略する。

【００３６】脱塩処理手段としては、上記以外にも、電
気透析装置、電気再生式純水装置、蒸留装置、キャパシ
タ脱塩装置を用いることができる。図７は、本発明のさ
らに別の実施態様に係る燃料電池における水回収装置を
示しており、脱塩処理手段として電気再生式純水装置６
１を用いた例を示している。図７においては、図４に示
した装置同様、濃縮水は余剰水としてブローライン６２
からブロー（ドレン）されている。その他の構成は図４
に示した実施態様に準じるので、図４に付したのと同一
の符号を付すことにより説明を省略する。

【００３７】また、上記の各態様においては、ライン４
４を介して、脱塩処理後の凝縮水を直接的に燃料電池３
１の固体高分子電解質３２へと供給するようにしたが、
たとえば図８に示すように、脱塩処理後の凝縮水を空気
供給ライン３６あるいはその空気供給系の適当な部位に
ライン４６を介して供給し、空気を加湿した後その加湿
空気を燃料電池３１の空気極側へと供給し、それによっ
て固体高分子電解質３２を湿らすようにしてもよい。

【００３８】上記のように構成された各実施態様に係る
水回収装置においては、凝縮手段からの凝縮水が脱塩処
理され、脱塩処理により浄化された水が燃料供給系また
は／および固体高分子電解質３２へと供給される。燃料
供給系に浄化された水が供給されることにより、燃料電
池３１や改質器４５において、効率よく水素が発生さ
れ、燃料電池３１の発電効率が向上する。また、固体高
分子電解質３２に常時浄化された水が供給されることに
より、固体高分子電解質３２の良好な導電性が常時確保
され、このタイプの燃料電池３１の発電効率が一層向上
する。

【００３９】本発明においては、上記のような凝縮水の
浄化機能に加え、供給空気の浄化機能も同時に付与でき
る。図９は、本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電
池における水回収装置を示している。図９に示す装置に
おいては、図４に示した装置に比べ、水回収ライン３９
の、脱塩処理手段としての逆浸透膜装置４１までの部位
に、燃料電池３１の空気極へと供給される空気を燃料電
池３１への供給前に水蒸気または／および凝縮水（この
場合、主として凝縮水）に接触させる気液接触手段が設
けられている。本実施態様では、気液接触手段は、凝縮
水を一時的に溜める凝縮水タンク７１からなっており、
その内部上部空間にライン７２を介して供給された空気
が、下部の凝縮水と意図的に接触されたのち、ライン７
３を介して燃料電池３１の空気極へと供給されている。

【００４０】また、本実施態様では、使用されるべき水
が不足する場合を考慮して、補給水供給ライン７４が設
けられており、逆浸透膜装置４１へと送られる水と供給
空気との接触機会を増大させるべく、水の一部循環ライ
ン７５も付加されている。

【００４１】このような気液接触手段としての凝縮水タ
ンク７１を設けることにより、供給空気中の不純物、と
くに、事前の機械式フィルター等では除去し切れなかっ
たガス状の不純物が、水との接触により水側に捕捉また
は溶解され、燃料電池３１の空気極へと供給される空気
が浄化される。したがって、不純物の極めて少ない状態
で燃料電池３１における発電反応が行われ、効率が向上
する。また、空気中の不純物が混入した水は、前述の水
浄化手段としての逆浸透膜装置４１で浄化されるので、
一つの逆浸透膜装置４１でありながら、実質的に、前述
した循環再利用される水の浄化と、供給空気の浄化との
両機能を果たすことになる。したがって、システム全体
としてコンパクトな構成を維持しつつ、燃料電池３１の
発電性能が大幅に向上されることになる。

【００４２】気液接触手段としては、上記のような単な
るタンク構成の他、空気側から水側への不純物の移行効
果（洗浄効果）をより向上するために、たとえば次のよ
うな各種態様を採ることができる。

【００４３】図１０に示す態様では、水回収ライン３９
に供給空気のライン８１が合流されて供給空気が凝縮水
中にライン注入され、凝縮水タンク８２内に向けてノズ
ル８３によりスプレー噴射されている。このような構成
においては、水回収ライン３９の配管内での気液接触に
加え、スプレー噴射による気液接触が行われ、供給空気
中の不純物がより効果的に水側に移行され、燃料電池へ
と送られる空気が一層確実に浄化される。

【００４４】図１１に示す態様では、水回収ライン３９
中に設けられた凝縮水タンク９１の底部から空気がライ
ン９２を介して供給され、供給された空気は、凝縮水タ
ンク９１内に一時的に収容された凝縮水中をバブリング
されながら、上部空間へと浮上して抜け、そこからライ
ン９３を介して燃料電池へと送られる。バブリングによ
る気液接触であるから、空気中の不純物の水側への移行
も効率よく行われ、良好に浄化された空気が燃料電池に
供給されることになる。

【００４５】図１２に示す態様では、水回収ライン３９
中に充填塔１０１が設けられ、充填塔１０１内に、多孔
質や複数の斜板等からなる気液接触手段としての充填層
１０２が設けられている。この充填層１０２に対し、凝
縮水が上方から下方に向けて流下され、その流れに対し
対向流にて下方から上方に向けて供給空気が通される。
充填層１０２では、水膜の面積が増大されたり、噴霧状
にされたりして、水と空気との接触面積や接触機会が増
大されるから、供給空気中の不純物がより効果的に水側
に移行され、燃料電池へと送られる空気が一層確実に浄
化される。

【００４６】図１３に示す態様では、水回収ライン３９
の凝縮水タンク１１１の上流側に、ガス透過膜１１２等
を備えた膜分離装置１１３が設けられ、ガス透過膜１１
２の一面側に凝縮水が、他面側に供給空気が対向流にて
流通されている。ガス透過膜１１２としては、空気中の
不純物が水側に移行できればどのような材質、形態（均
質膜、多孔質膜）のものでも使用可能である。特に、中
空糸形状のガス透過膜がコンパクトで膜面積を稼げるの
で望ましい。このような膜分離装置１１３を有する構成
では、とくに供給空気中の不純物のうちガス成分が効果
的に凝縮水側に移行され、より酸素リッチな空気に調製
して燃料電池に供給することが可能になり、燃料電池に
おける酸化反応の効率を向上することが可能になる。

【００４７】上記の各態様においては、気液接触のため
の空気の供給を、コンデンサから脱塩処理手段までの水
回収ラインに対して行ったが、この空気の供給は、基本
的に、水蒸気を含むライン中で行ってもよい。要は、燃
料電池で生成される水分で、空気を洗浄して空気中の不
純物をできるだけ水分側（水蒸気および／または凝縮
水）に移行させ、その水分を脱塩処理手段で脱塩処理し
て循環再利用される水として回収できればよい。たとえ
ば、図１４に示すように、燃料電池３１とコンデンサ３
８との間の排ガスライン３７にライン１２１を介して空
気をライン注入し、水蒸気や他の排ガスと混合した状態
でコンデンサ３８に送って凝縮させ、凝縮水や水蒸気を
含む水成分と空気との混合状態にて、水回収ライン１２
２から凝縮水タンク１２３までの間で気液接触させるよ
うにしてもよい。場合によっては、凝縮水タンク１２３
の入口にスプレーノズル１２４を設けてさらに気液接触
の機会を増大させることもできる。また、気液接触に利
用する水の量を十分に確保するために、気液接触手段へ
水の循環ライン１２５を設けておくことが好ましい。気
液接触により不純物の除去された空気はライン１２６を
介して燃料電池３１に送られる。

【００４８】このような構成においては、気液接触はも
ちろんのこと、コンデンサ３８の上流側での空気供給に
より、燃料電池からの排ガスを希釈する効果が得られ
る。したがって、たとえば、排ガス中のＣＯ₂成分の分
圧を大幅に低下させることが可能になり、循環再利用さ
れる回収水中のＣＯ₂成分の量を大幅に低下させること
が可能になる。なお、図１４に示す態様では、補給水供
給ライン１２７も設けられている。また、脱塩処理手段
として電気再生式純水装置１２８を用いた構成を示して
いるが、前述の如く他の手段であってもよい。

【００４９】さらに本発明においては、気液接触手段
を、実質的に凝縮手段と一体になった手段として構成す
ることも可能である。たとえば図１５に示すように、熱
交換器として構成されているコンデンサ１３１への、燃
料電池３１からの排ガスライン１３２に、ブロワ１３
３、フィルタ１３４を介して空気をライン１３５を介し
てライン注入し、排ガスライン１３２の配管中で気液接
触させるとともにコンデンサ１３１内で気液接触させ、
コンデンサ１３１から不要な排ガスをライン１３６を介
して排気し、浄化された空気をライン１３７を介して燃
料電池３１に供給するとともに、余剰空気をライン１３
８を介して排出することにより燃料電池３１への空気供
給量を調整できるようにした構成を採用できる。この実
施態様では、脱塩処理手段として逆浸透膜装置１３９が
採用されているが、前述の如く他の手段であってもよ
い。また、図１５に示した装置では、余剰空気の排出調
整を行うためにライン１３６、１３８の２つを設けてあ
るが、いずれか一方を削除することも可能である。さら
に、図１５に示した装置では、気液接触手段への水の循
環ライン１４０が設けられている。

【００５０】このように、気液接触手段の構成自身は、
実質的に自由に設計することが可能である。また、上述
の気液接触手段を有する各実施態様に係る装置では、脱
塩処理後の水の一部をライン４４を介して燃料電池３１
の固体高分子電解質側に供給するように構成したが、気
液接触手段により洗浄された空気が十分な量の水分を含
んでいる場合には、この加湿空気を燃料電池３１の空気
極側へと供給してそれによって固体高分子電解質を十分
に湿らすことも可能であり、その場合には、ライン４４
を省略することも可能である。さらに、上述の気液接触
手段を有する各実施態様に係る装置では、燃料電池３１
の種類を固体高分子電解質を備えた電池として説明した
が、気液接触手段を設けることの技術思想は、他のあら
ゆるタイプの燃料電池にも適用し得ることは前述した通
りである。

【００５１】本発明においては、脱塩処理手段は、逆浸
透膜装置、電気透析装置、電気再生純水装置、イオン交
換樹脂装置、蒸留装置、キャパシタ脱塩装置の中から、
目標とする仕様に応じて、実質的に自由に選択すること
ができるが、さらに、脱塩処理手段を、凝縮水の流れ方
向に二段以上に設置することが可能である。この技術思
想は、燃料電池側あるいは燃料供給系側に要求される最
適な水の状態に応じて、それぞれ、その要求仕様に応じ
た最適な供給水に処理しようとするものである。したが
って、要求される処理水に応じて、二段以上に設置され
る脱塩処理手段の種類も適宜選択することができる。

【００５２】たとえば図１６に、脱塩処理手段を二段に
設置する場合の一実施形態を示す。図１６に示す態様に
おいては、燃料電池１４１は固体高分子電解質を用いた
ものに構成されており、燃料電池１４１からの水蒸気を
含む排ガスは、凝縮手段としてのコンデンサ１４２で凝
縮されて排ガスと凝縮水とに分離され、凝縮水は気液接
触手段１４３で供給空気を洗浄した後、第１段目の脱塩
処理手段としての逆浸透膜装置１４４に供給されてい
る。逆浸透膜装置１４４で脱塩処理された水の一部は、
本実施態様では、燃料電池１４１の固体高分子電解質へ
と供給されており、残りは、第２段目の脱塩処理手段と
しての電気再生純水装置１４５に供給されている。電気
再生純水装置１４５で脱塩処理された水は、本実施態様
では、燃料電池１４１の燃料供給系１４６へと供給され
ている。１４７は気液接触手段への水の循環ラインを示
している。第１段目と第２段目の脱塩処理手段による処
理水の供給先は、逆にすることも可能であり、使用する
脱塩処理手段の種類と、燃料電池側あるいは燃料供給系
側の要求仕様に応じて各処理水の供給先を決定すればよ
い。たとえば、図１６に示した実施態様では、逆浸透膜
装置１４４で異物の除去された水が燃料電池１４１の固
体高分子電解質へと供給され、電気再生純水装置１４５
でさらにＣＯ₂等の不純ガス成分の除去された水が燃料
供給系へと供給される。

【００５３】脱塩処理手段を三段以上に設けるケースは
少ないと考えられるが、要求仕様の異なる水が三種以上
ある場合には、このような構成を採ることも可能であ
る。

【００５４】なお、本発明に係る燃料電池の燃料として
は、前述のメタノール以外にも、各種アルコールやＬＮ
Ｇ等、周知の各種燃料を使用することができる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
電池における水回収装置によれば、固体高分子電解質を
用いた燃料電池において、燃料電池から生じる水を効率
よく浄化して循環再利用できるようになり、燃料電池シ
ステムをコンパクトに構成しつつ、効率の高い発電を行
うことができる。また、燃料電池自身で生じる水を効果
的に再利用できるので、車載式や可搬式として好適な燃
料電池システムを提供できる。

【００５６】また、本発明に係る気液接触手段を有する
水回収装置とすることにより、燃料電池の型式にかかわ
らず、浄化された望ましい空気を燃料電池自身や燃料供
給系に供給できるようになり、燃料電池の性能の一層の
向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池の原理を示す概略構成図である。

【図２】改質器を用いた間接法の燃料電池の原理を示す
概略構成図である。

【図３】直接法の燃料電池の原理を示す概略構成図であ
る。

【図４】本発明の一実施態様に係る燃料電池における水
回収装置の概略構成図である。

【図５】本発明の別の実施態様に係る燃料電池における
水回収装置の概略構成図である。

【図６】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池に
おける水回収装置の概略構成図である。

【図７】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池に
おける水回収装置の概略構成図である。

【図８】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池に
おける水回収装置の概略構成図である。

【図９】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池に
おける水回収装置の概略構成図である。

【図１０】本発明における気液接触手段の一例を示す水
回収装置の部分概略構成図である。

【図１１】本発明における気液接触手段の別の例を示す
水回収装置の部分概略構成図である。

【図１２】本発明における気液接触手段のさらに別の例
を示す水回収装置の部分概略構成図である。

【図１３】本発明における気液接触手段のさらに別の例
を示す水回収装置の部分概略構成図である。

【図１４】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池
における水回収装置の概略構成図である。

【図１５】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池
における水回収装置の概略構成図である。

【図１６】本発明のさらに別の実施態様に係る燃料電池
における水回収装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１、１１、２１、３１、１４１燃料電池２、３３燃料極３電解質４、３４空気極１２、２２燃料タンク１３、４５改質器３２固体高分子電解質３５燃料供給ライン３６空気供給ライン３７、１３２排ガスライン３８、１４２凝縮手段としてのコンデンサ３９、１２２水回収ライン４０ポンプ４１、１３９脱塩処理手段としての逆浸透膜装置４２、５２、６２ブローライン４３燃料供給系へのライン４４固体高分子電解質へのライン４６加湿用の水供給ライン５１脱塩処理手段としてのイオン交換樹脂装置６１、１２８脱塩処理手段としての電気再生式純水装
置７１、８２、９１、１１１、１２３凝縮水タンク７２、８１、９２、１２１、１３５空気供給ライン７３、９３、１２６、１３７燃料電池への空気供給ラ
イン７４、１２７補給水供給ライン７５水の一部循環ライン８３、１２４スプレーノズル１０１充填塔１０２充填層１１２ガス透過膜１１３膜分離装置１２５、１４０、１４７気液接触手段への水の循環ラ
イン１３１気液接触手段と一体化されたコンデンサ１３３ブロワ１３４フィルタ１３６排ガス排出ライン１３８余剰空気排出ライン１４３気液接触手段１４４第１段目の脱塩処理手段としての逆浸透膜装置１４５第２段目の脱塩処理手段としての電気再生式純
水装置１４６燃料供給系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質を用いた燃料電池の酸
化反応により生成する水蒸気の少なくとも一部を凝縮手
段により凝縮水として液化し、凝縮水を燃料電池に使用
する水として再利用する水回収装置において、凝縮手段
からの水回収ラインに、凝縮水の少なくとも一部を脱塩
処理する手段を設け、該脱塩処理手段からの水回収ライ
ンを、脱塩処理された凝縮水を少なくとも燃料電池への
燃料供給系および／または燃料電池の固体高分子電解質
に供給するラインに構成したことを特徴とする燃料電池
における水回収装置。
【請求項２】燃料電池の排ガス側から脱塩処理手段ま
での間の排気・回収ラインに、燃料電池の空気極へと供
給される空気を燃料電池への供給前に水蒸気または／お
よび凝縮水に接触させる気液接触手段が設けられてい
る、請求項１の燃料電池における水回収装置。
【請求項３】排気・回収ラインへの空気の供給が、凝
縮手段から脱塩処理手段までの間の水回収ラインにて行
われる、請求項２の燃料電池における水回収装置。
【請求項４】排気・回収ラインへの空気の供給が、燃
料電池の排ガス側から凝縮手段までの間の排ガスライン
にて行われる、請求項２の燃料電池における水回収装
置。
【請求項５】気液接触手段が、空気を排気・回収ライ
ンの配管内にライン注入する手段と、ライン注入された
空気を凝縮水と分離する気液分離手段とを含む、請求項
２ないし４のいずれかに記載の燃料電池における水回収
装置。
【請求項６】気液接触手段が、空気が注入された凝縮
水を噴射するスプレー手段を有する、請求項２ないし４
のいずれかに記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項７】気液接触手段が、燃料電池へと供給され
る空気を凝縮水中にバブリングさせる手段からなる、請
求項２の燃料電池における水回収装置。
【請求項８】気液接触手段が、水蒸気または／および
凝縮水を拡散させつつ一方向に通過させるとともに、対
向流にて燃料電池へと供給される空気を通過させる充填
層を含む手段からなる、請求項２の燃料電池における水
回収装置。
【請求項９】気液接触手段が、一面側に水蒸気または
／および凝縮水が通過され、他面側に燃料電池へと供給
される空気が通過されるガス透過膜を有する、請求項２
の燃料電池における水回収装置。
【請求項１０】気液接触手段が、実質的に凝縮手段と
一体に構成されている、請求項２の燃料電池における水
回収装置。
【請求項１１】外部からの補給水供給ラインが、水回
収ラインの脱塩処理手段の上流側に接続されている、請
求項１ないし１０のいずれかに記載の燃料電池における
水回収装置。
【請求項１２】脱塩処理手段が、逆浸透膜装置、電気
透析装置、電気再生純水装置、イオン交換樹脂装置、蒸
留装置、キャパシタ脱塩装置の少なくとも一種からな
る、請求項１ないし１１のいずれかに記載の燃料電池に
おける水回収装置。
【請求項１３】脱塩処理手段が、凝縮水の流れ方向に
少なくとも二段に設けられている、請求項１ないし１２
のいずれかに記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項１４】一段目の脱塩処理手段からの凝縮水
と、二段目の脱塩処理手段からの凝縮水とが、燃料電池
への燃料供給系および燃料電池の固体高分子電解質の一
方と他方とに、それぞれ分けて供給される、請求項１３
の燃料電池における水回収装置。
【請求項１５】燃料電池の固体高分子電解質へと供給
される脱塩処理後の凝縮水が、燃料電池の空気極へ供給
される空気を該凝縮水で加湿することにより供給され
る、請求項１４の燃料電池における水回収装置。
【請求項１６】燃料電池の酸化反応により生成する水
蒸気の少なくとも一部を凝縮手段により凝縮水として液
化し、凝縮水を燃料電池に使用する水として再利用する
水回収装置において、凝縮手段からの水回収ラインに、
凝縮水の少なくとも一部を脱塩処理する手段を設けると
ともに、燃料電池の排ガス側から脱塩処理手段までの間
の排気・回収ラインに、燃料電池の空気極へと供給され
る空気を燃料電池への供給前に水蒸気または／および凝
縮水に接触させる気液接触手段を設けたことを特徴とす
る燃料電池における水回収装置。
【請求項１７】燃料電池への燃料供給系が、燃料に水
を加えることにより水素を発生させる改質器を有する、
請求項１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池におけ
る水回収装置。
【請求項１８】燃料電池への燃料供給系が、燃料と水
を直接燃料電池に供給する系に構成されている、請求項
１ないし１６のいずれかに記載の燃料電池における水回
収装置。
【請求項１９】気液接触手段に供給される空気供給ラ
インにフィルタが設けられている、請求項２ないし１８
のいずれかに記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項２０】凝縮手段が冷却用空気との間で熱交換
を行う手段からなる、請求項１ないし１９のいずれかに
記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項２１】燃料電池が車載または可搬式のものか
らなる、請求項１ないし１９のいずれかに記載の燃料電
池における水回収装置。