(57)【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、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】
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１に記載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、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１に記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項４】
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１ないし３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５】
気液接触手段が、ライン注入された空気と凝縮水を噴射するスプレー手段を有する、請求項４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、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１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、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１に記載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、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１に記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項９】
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８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１０】
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９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１１】
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、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１１に記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項１３】
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１２に記載の燃料電池における水回収装置。
【請求項１４】
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１５】
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１４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１６】
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１５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１７】
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】
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１７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】
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１８のいずれかに記載の燃料電池における水回収装置。
【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（ＣＨ3 ＯＨ）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１００℃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、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。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 Electrodeionization）、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７−２８９９２１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、本発明の参考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、本参考態様ではメタノールが供給される。空気極側には、本参考態様では、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。
も含む。
【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４１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。本参考態様では、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、本参考態様では、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３１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、本発明の別の参考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に示した参考態様に準じるので、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参考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６１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に示した参考態様に準じるので、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４４を介して、脱塩処理後の凝縮水を直接的に燃料電池３１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参考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７３を介して燃料電池３１の空気極へと供給されている。
の種類も適宜選択することができる。
【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１１２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３８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１２２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１３３、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１３８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ＬＮＧ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】  本発明の参考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】  本発明の別の参考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参考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参考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参考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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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