JP2008166052A

JP2008166052A - 水浄化装置及びそれを有する燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008166052A
Application number: JP2006352445A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shiraishi; 剛一白石
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】水タンクを分割し、回収された不純物濃度が相対的に高い水を収容する収容部と、浄化機構を通過した不純物濃度が相対的に低い水を収容する収容部とを分離することによって、不純物濃度が相対的に高い水を優先的に浄化機構を通過させて効率的に不純物を除去でき、不純物濃度が相対的に低い水を優先的に供給でき、浄化機構の通水量を抑制して小型化でき、製造が容易でコストを低くできる。
【解決手段】排水を回収するための回収管路及び浄化された水を供給する供給管路が接続された水タンクと、水を浄化する浄化機構とを有し、前記水タンクは、前記回収管路が接続され、不純物濃度が相対的に高い水を収容する回収側収容部、及び、前記供給管路が接続され、不純物濃度が相対的に低い水を収容する供給側収容部を備え、前記浄化機構は、前記回収側収容部と供給側収容部とを連結する収容部連結管路に配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、水浄化装置及びそれを有する燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、固体高分子電解質膜を冷却するために冷却水を循環させるシステムが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。また、固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を湿潤な状態に維持する必要があるので、空気流路に水を供給するシステムも提案されている。

ところで、空気流路に水を供給するシステムにおいては、不純物の混入が性能低下の要因の一つである。特に、金属イオンが固体高分子電解質膜やガス拡散電極に混入すると影響が大きい。このような不純物の混入源は、主として次の２つである。
（１）酸化剤としての空気中の不純物（塵埃（じんあい）、雨水、エアロゾル、海塩、黄砂、花粉等）
（２）燃料電池システムの構成部材からの溶出成分（配管、電極部材、ガスケット、接着剤等）
そのため、空気中の不純物を除去するフィルターを配設したり、構成部材の材料を溶出の少ない材料から選択するなどの対策が施されている。しかし、不純物を十分に低減することができないので、加温水中に溶け込んだ不純物を、活性炭等の吸着剤やイオン交換樹脂で除去する水浄化装置が併せて用いられている。

図２は従来の水浄化装置を示す図である。

図２（ａ）において、１０１は水タンクであり、回収管路１０５を通して図示されない燃料電池（ＦＣ）から回収された水を貯水する。なお、水タンク１０１に貯水された水は１０６で示されている。また、水タンク１０１には燃料電池に水を供給する供給管路１０４が接続されており、該供給管路１０４には給水ポンプ１０２及び浄化フィルタ１０３が配設されている。そして、水タンク１０１からの水は、浄化フィルタ１０３によって不純物が除去されて浄化された後、燃料電池に供給される。

また、図２（ｂ）に示される例においては、浄化フィルタ１０３が、供給管路１０４には配設されておらず、水を循環ポンプ１０８によって循環させる循環管路１０７に配設されている。
特開平９−１９６７８号公報特開平１０−２３３２２４号公報

しかしながら、前記従来の水浄化装置においては、水浄化装置が大型化したり、燃料電池に供給される水の不純物濃度が高くなったりしてしまう。図２（ａ）に示される例においては、燃料電池に供給されるすべての水を浄化フィルタ１０３を通過させるので、不純物のレベルを低く抑えることができる。しかしながら、十分に不純物を除去するには、不純物と浄化フィルタ１０３との接触確率の関係から、ＳＶ（ＳｐａｃｅＶｅｌｏｃｉｔｙ）を３０〔ｈｒ^-1〕程度以下にする必要があるため、水浄化装置が大型化してしまう。一方、図２（ｂ）に示される例においては、水浄化装置を小型化することができるが、一部の水しか浄化処理することができず、水タンク１０１に不純物が残留するために、燃料電池に供給される水の不純物濃度が高くなってしまう。

本発明は、前記従来の水浄化装置の問題点を解決して、水タンクを分割し、回収された不純物濃度が相対的に高い水を収容する収容部と、浄化機構を通過した不純物濃度が相対的に低い水を収容する収容部とを分離することによって、不純物濃度が相対的に高い水を優先的に浄化機構を通過させて効率的に不純物を除去することができ、不純物濃度が相対的に低い水を優先的に供給することができ、浄化機構の通水量を抑制して小型化することができ、製造が容易でコストの低い水浄化装置及びそれを有する燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の水浄化装置においては、排水を回収するための回収管路及び浄化された水を供給する供給管路が接続された水タンクと、水を浄化する浄化機構とを有し、前記水タンクは、前記回収管路が接続され、不純物濃度が相対的に高い水を収容する回収側収容部、及び、前記供給管路が接続され、不純物濃度が相対的に低い水を収容する供給側収容部を備え、前記浄化機構は、前記回収側収容部と供給側収容部とを連結する収容部連結管路に配設される。

本発明の他の水浄化装置においては、さらに、前記水タンクは、前記回収側収容部と供給側収容部との水位差を調整する水位調整機構を備える。

本発明の更に他の水浄化装置においては、さらに、前記水位調整機構は、前記回収側収容部及び供給側収容部の水位又は水圧に応じて開閉する弁である。

本発明の更に他の水浄化装置においては、さらに、前記水タンクは、前記回収側収容部と供給側収容部との間に配設されたバッファ部を備える。

本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、直列に多数接続された燃料電池集合体と、前記水浄化装置とを有し、前記供給側収容部から供給された水を前記酸素極に噴射し、該酸素極から排出された水を回収して前記回収側収容部に戻す。

請求項１の構成によれば、不純物濃度が相対的に高い水を優先的に浄化機構を通過させて効率的に不純物を除去することができる。また、不純物濃度が相対的に低い水を優先的に供給することができるとともに、浄化機構の通水量を抑制して小型化することができる。さらに、製造が容易なので、コストを低減することができる。

請求項２の構成によれば、回収側収容部及び供給側収容部の水位の変動に適切に対応して、一方から他方へ水を流入させることができる。そのため、前記回収側収容部には常に水が収容され、常に浄化機構に通水することができるので、水の浄化を安定的に行うことができる。また、供給側収容部には常に水が収容されるので、必要とされる量の水を確実に供給することができる。

請求項３の構成によれば、弁を適切に制御することによって、回収側収容部及び供給側収容部の水の状態に適切に対応して、一方から他方へ水を流入させることができる。

請求項４の構成によれば、回収側収容部及び供給側収容部の水位の変動によって、回収側収容部から供給側収容部に水が流入する場合に、回収側収容部からの水がバッファ部の水によって希釈されるので、供給側収容部における水の不純物濃度の上昇を抑制することができる。また、供給側収容部から回収側収容部に水が流入する場合に、供給側収容部からの水がバッファ部の水によって希釈されるので、回収側収容部における水の不純物濃度の低下を抑制することができる。したがって、不純物濃度が高い水を浄化機構を通過させることができ、効率的に不純物を除去することができる。

請求項５の構成によれば、不純物濃度が低い水を燃料電池に供給するので、燃料電池の性能低下を抑制することができる。また、燃料電池の発電状況が変動しても、燃料電池に必要とされる量の水を確実に供給することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、１１は燃料電池装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と後述される蓄電手段としてのキャパシタユニット６３とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを移動する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、複数の図示されないセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路と空気とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。

この場合、セルモジュールは、導電可能に、かつ、燃料流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。

そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、酸化剤流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。

図には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段２１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段２１から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２２、及び、該第１燃料供給管路２２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２２には、燃料貯蔵手段元開閉弁２３、第１圧力センサ２７ａ、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６及び第３圧力センサ２７ｃが配設される。また、前記第１燃料供給管路２２には、第２燃料圧力調整弁２５ｂをバイパスするバイパス管路２２ａが接続され、該バイパス管路２２ａには第２圧力センサ２７ｂ及び起動用電磁弁２６ａが配設される。

この場合、前記燃料貯蔵手段２１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図に示される例においては、燃料貯蔵手段２１が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２２は、各燃料貯蔵手段２１に接続される部分で複数本に分割され、途中で合流して１本になっている。前記燃料貯蔵手段２１は、単数であってもよいし、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。

そして、燃料電池スタック１１の水素ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第１燃料排出管路３０を通って燃料電池スタック１１外に排出される。前記第１燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第１燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。さらに、前記第１燃料排出管路３０における燃料電池スタック１１と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の水素ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記第１燃料排出管路３０における燃料電池スタック１１と吸引循環ポンプ３６との間には、第２燃料排出管路３８が接続され、該第２燃料排出管路３８には水素起動排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第２燃料排出管路３８の出口端は排気マニホールド１３に接続されている。

さらに、前記第１燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、他端が前記第２燃料排出管路３８に接続された第３燃料排出管路３８ａが接続されている。そして、該第３燃料排出管路３８ａには、燃料電池スタック１１内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁３７ａが配設されている。また、前記第１燃料排出管路３０には、外気導入電磁弁３５及びエアフィルタ３５ａが接続され、燃料電池スタック１１の停止時に外気を導入することができるようになっている。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記燃料供給電磁弁２６、起動用電磁弁２６ａ、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２３は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ５３を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン５１に吸引され、該空気供給ファン５１から、空気供給管路５２及び吸気マニホールド１２を通って、燃料電池スタック１１の酸化剤流路としての酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン５１は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ５３は、空気に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド１３、凝縮器１４、出口側排気マニホールド５４及び排気口５５を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド１３には燃料電池スタック１１から排出された直後の空気の温度を検出するスタック排気温度検出器５６が配設され、出口側排気マニホールド５４には凝縮器１４から排出された直後の空気の温度を検出する凝縮器排気温度検出器５７が配設されている。

また、前記空気供給管路５２には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル４７が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド１３の端部に配設された凝縮器１４は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器１４によって凝縮された水は凝縮水排出管路４１を通って水タンク４３に回収される。なお、前記凝縮水排出管路４１には排水ポンプ４２が配設され、前記水タンク４３にはレベルゲージ４５が取り付けられている。また、燃料電池システムは、水タンク４３に貯水された水を浄化するために、後述される水浄化装置を有する。

そして、前記水タンク４３内の水は、給水管路４６を通って水供給ノズル４７に供給される。なお、前記給水管路４６には、給水ポンプ４４が配設されている。ここで、前記排水ポンプ４２及び給水ポンプ４４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路４１、排水ポンプ４２、水タンク４３、給水ポンプ４４及び給水管路４６は、水循環システムとして機能する。

さらに、燃料電池スタック１１の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置６１、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット６３が並列に接続されている。該キャパシタユニット６３は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、インバータ装置６１は、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３が並列に接続されて、前記インバータ装置６１に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック１１が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６３に電流が自動的に供給される。

なお、６２は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を備えるＩＧＢＴユニットであり、キャパシタユニット６３の充電を制御する制御回路である。

そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット６３に供給され、該キャパシタユニット６３が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記キャパシタユニット６３が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック１１が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット６３に供給される。

このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット６３が常時充電され、前記燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６３に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン５１、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ４２、給水ポンプ４４、水浄化装置等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

次に、水浄化装置の構成を詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

図１に示されるように、水タンク４３は、内部に配設された仕切板７５によって２分割され、２つの収容部Ａ及びＢを有する。収容部Ａは、不純物濃度が相対的に高い水を収容する回収側収容部であり、回収された水を水タンク４３に戻す回収管路として機能する凝縮水排出管路４１が接続されている。また、収容部Ｂは、不純物濃度が相対的に低い水を収容する供給側収容部であり、水タンク４３からの水を供給する供給管路として機能する給水管路４６が接続されている。そして、収容部Ａ及びＢを連結するように収容部連結管路７１が接続され、該収容部連結管路７１には水浄化用ポンプ７２及び浄化フィルタ７３が配設されている。該浄化フィルタ７３は、水に含まれる塵埃、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記水浄化用ポンプ７２及び浄化フィルタ７３は、水を浄化する浄化機構として作用する。

燃料電池スタック１１から排出され、凝縮器１４によって凝縮されて回収された水は、凝縮水排出管路４１を通って収容部Ａに流入して収容される。また、収容部Ｂに収容されている水は、給水ポンプ４４により、給水管路４６を通って燃料電池スタック１１に供給される。さらに、水浄化用ポンプ７２は、連続的に作動し、収容部Ａ内に収容された水を浄化フィルタ７３を通過させ、水中の不純物を除去する、すなわち、浄化する。そして、浄化フィルタ７３を通過して不純物が除去された水は、収容部Ｂに流入して収容される。

ここで、燃料電池スタック１１から回収された水には、不可避的に不純物が含まれている。例えば、空気流路に供給される空気中に含まれる塵埃、雨水、エアロゾル、海塩、黄砂、花粉等が不純物として含まれてしまう。また、例えば、配管、電極部材、ガスケット、接着剤等の燃料電池スタック１１を構成する各種の部材から溶出した成分が不純物として含まれてしまう。そのため、収容部Ａ内に収容された水は、不純物濃度が相対的に高いものとなる。一方、収容部Ｂに収容された水は、浄化フィルタ７３を通過して不純物が除去されたものであるので、不純物濃度が相対的に低いものとなる。

ところで、燃料電池スタック１１に供給される水の量及び燃料電池スタック１１から回収される水の量は、燃料電池スタック１１の発電状況に応じて変動する。すなわち、発電量が多いときには増加し、発電量が少ないときには減少する。

これに対し、収容部Ａから浄化フィルタ７３を通過して収容部Ｂに流入する水の量は一定である。しかし、前記浄化フィルタ７３は、比較的小型のものであり、一度に多量の水を浄化することができず、通水流量が制限されている。また、水浄化用ポンプ７２も、比較的小型のものであり、吐出水量は、浄化フィルタ７３の通水流量に対応する程度である。すなわち、浄化機構はキャパシティが小さく設定されている。そして、収容部Ａから浄化フィルタ７３を通過して収容部Ｂに流入する水の量は、燃料電池スタック１１に供給される水の量及び燃料電池スタック１１から回収される水の量の最大値よりも小さくなっている。

したがって、収容部Ａ及びＢ内の水量を示す水位Ｌ_A及びＬ_Bは、図４に示されるように、変動する。なお、供給水量は燃料電池スタック１１に供給される水の量であり、浄化水量は収容部Ａから浄化フィルタ７３を通過して収容部Ｂに流入する水の量である。また、仕切板７５は、その高さが水タンク４３内における天井面までの高さよりも低く設定されているので、収容部Ａ又はＢの一方の水位Ｌ_A又はＬ_Bが上昇して仕切板７５の高さを超えた場合には、仕切板７５を超えて他方へ水が流入する。

なお、収容部Ａから仕切板７５を超えて収容部Ｂに水が流入した場合、浄化されていない水が混入することになるので、収容部Ｂに収容されている水の不純物濃度は、増加するが、収容部Ａに収容されている燃料電池スタック１１から回収されたままの水の不純物濃度よりは、低く維持される。そのため、収容部Ｂには常に水が収容されるので、燃料電池スタック１１の発電状況が変動しても、燃料電池スタック１１に必要とされる量の水を確実に供給することができる。

このように、本実施の形態においては、水タンク４３を分割し、燃料電池スタック１１から回収された不純物濃度が高い水を収容する収容部Ａと、浄化機構を通過した不純物濃度が低い水を収容する収容部Ｂとが分離されている。そのため、不純物濃度が高い水を浄化機構を通過させるので、効率的に不純物を除去することができる。また、不純物濃度が低い水を燃料電池スタック１１に供給するので、燃料電池スタック１１の性能低下を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図５は本発明の第２の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図、図６は本発明の第２の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

本実施の形態においては、仕切板７５の下部に水位調整機構としての差圧弁７６が配設されている。該差圧弁７６は、収容部Ａ及びＢ内の水量を示す水圧の差が規定値を超えると開放し、収容部Ａ又はＢの一方から他方への水の流入を許容する。なお、前記規定値は任意に設定することができる。

したがって、収容部Ａ内の水量が収容部Ｂ内の水量に比較して増加し、収容部Ａ内の水圧Ｐ_Aが収容部Ｂ内の水圧Ｐ_Bよりも規定値を超えて大きくなると、一方の差圧弁７６が開放して、収容部Ａ内の水が収容部Ｂに流入する。また、収容部Ｂ内の水量が収容部Ａ内の水量に比較して増加し、収容部Ｂ内の水圧Ｐ_Bが収容部Ａ内の水圧Ｐ_Aよりも規定値を超えて大きくなると、他方の差圧弁７６が開放して、収容部Ｂ内の水が収容部Ａに流入する。

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態においては、仕切板７５に差圧弁７６が配設されているので、前記規定値を適切な値に設定することによって、収容部Ａ及びＢ内の水位の変動に適切に対応して、一方から他方へ水を流入させることができる。そのため、収容部Ａには常に水が収容され、常に浄化フィルタ７３に通水することができるので、水の浄化を安定的に行うことができる。また、収容部Ｂには常に水が収容されるので、燃料電池スタック１１の発電状況が変動しても、燃料電池スタック１１に必要とされる量の水を確実に供給することができる。

さらに、本実施の形態における水浄化装置及び燃料電池システムは、前記第１の実施の形態における水浄化装置及び燃料電池システムと同様の効果も奏するものである。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図７は本発明の第３の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図、図８は本発明の第３の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

本実施の形態においては、仕切板７５の下部にフロート７７ａを備えた水位調整機構としての開閉弁７７が配設されている。該開閉弁７７は、収容部Ａ及びＢ内の水量を示す水位Ｌ_A及びＬ_Bが規定値未満になると開放し、収容部Ａ及びＢの一方から他方への水の流入を許容する。なお、前記規定値は任意に設定することができる。

したがって、収容部Ｂ内の水量が減少し、収容部Ｂ内の水位Ｌ_Bが規定値未満になると、一方の開閉弁７７が開放して、収容部Ａ内の水が収容部Ｂに流入する。また、収容部Ａ内の水量が減少し、収容部Ａ内の水位Ｌ_Aが規定値未満になると、他方の開閉弁７７が開放して、収容部Ｂ内の水が収容部Ａに流入する。

このように、本実施の形態においては、水位Ｌ_A及びＬ_Bが規定値未満になると開放する開閉弁７７が仕切板７５に配設されているので、前記規定値を適切な値に設定することによって、収容部Ａ及びＢ内の水位の変動に適切に対応して、一方から他方へ水を流入させることができる。そのため、収容部Ａには常に水が収容され、常に浄化フィルタ７３に通水することができるので、水の浄化を安定的に行うことができる。また、収容部Ｂには常に水が収容されるので、燃料電池スタック１１の発電状況が変動しても、燃料電池スタック１１に必要とされる量の水を確実に供給することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図９は本発明の第４の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図、図１０は本発明の第４の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

本実施の形態においては、収容部連結管路７１に加えて収容部Ａ及びＢを連結するように第２収容部連結管路７８が接続され、該第２収容部連結管路７８には水位調整機構としての水制御弁７９が配設されている。また、収容部Ａ及びＢには、収容部Ａ及びＢ内の水位、圧力等の水の状態を各々検知する状態検知センサＳ_A及びＳ_Bが配設されている。そして、前記制御装置は、状態検知センサＳ_A及びＳ_Bの検知出力に基づいて収容部Ａ及びＢ内の水位、圧力等の水の状態を判断し、水制御弁７９を開閉させる。例えば、収容部Ａ又はＢの一方の水位Ｌ_A又はＬ_Bが規定値以下になったと判断すると、水制御弁７９を開放して収容部Ａ又はＢの一方から他方への水の流入を許容する。なお、前記規定値は任意に設定することができる。

このように、本実施の形態においては、収容部Ａ及びＢ内の水の状態に基づいて開閉する水制御弁７９が収容部Ａ及びＢを連結する第２収容部連結管路７８に配設されているので、前記水制御弁７９を適切に制御することによって、収容部Ａ及びＢ内の水の状態に適切に対応して、一方から他方へ水を流入させることができる。そのため、収容部Ａには常に水が収容され、常に浄化フィルタ７３に通水することができるので、水の浄化を安定的に行うことができる。また、収容部Ｂには常に水が収容されるので、燃料電池スタック１１の発電状況が変動しても、燃料電池スタック１１に必要とされる量の水を確実に供給することができる。

次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、第１〜第４の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第４の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１１は本発明の第５の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図、図１２は本発明の第５の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

本実施の形態において、水タンク４３は、内部に配設された第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂによって３分割され、２つの収容部Ａ及びＢ、並びに、収容部Ａと収容部Ｂとの間の収容部としてのバッファ部Ｃを有する。そして、第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂの下部にフロート７７ａを備えた開閉弁７７が配設されている。該開閉弁７７は、収容部Ａ及びＢ内の水量を示す水位Ｌ_A及びＬ_Bが規定値未満になると開放し、バッファ部Ｃから収容部Ａ及びＢへの水の流入を許容する。なお、前記規定値は任意に設定することができる。

したがって、収容部Ｂ内の水量が減少し、収容部Ｂ内の水位Ｌ_Bが規定値未満になると、一方の開閉弁７７が開放して、バッファ部Ｃ内の水が収容部Ｂに流入する。また、収容部Ａ内の水量が減少し、収容部Ａ内の水位Ｌ_Aが規定値未満になると、他方の開閉弁７７が開放して、バッファ部Ｃ内の水が収容部Ａに流入する。

また、第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂは、その高さが水タンク４３内における天井面までの高さよりも低く設定されている。そのため、収容部Ａ及びＢの水位Ｌ_A及びＬ_Bが上昇して第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂの高さを超えた場合には、収容部Ａ及びＢ内の水が第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂを超えてバッファ部Ｃ内へ流入する。

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１及び３の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態においては、収容部Ａと収容部Ｂとの間にバッファ部Ｃが形成されているので、収容部Ａ及びＢ内の水位Ｌ_A及びＬ_Bの変動によって、収容部Ａから収容部Ｂに水が流入する場合に、収容部Ａからの水がバッファ部Ｃ内の水によって希釈されるので、収容部Ｂ内における水の不純物濃度の上昇を抑制することができる。したがって、不純物濃度が高い水を燃料電池スタック１１に供給することがないので、燃料電池スタック１１の性能低下を抑制することができる。

また、収容部Ａ及びＢ内の水位Ｌ_A及びＬ_Bの変動によって、収容部Ｂから収容部Ａに水が流入する場合に、収容部Ｂからの水がバッファ部Ｃ内の水によって希釈されるので、収容部Ａ内における水の不純物濃度の低下を抑制することができる。したがって、不純物濃度が高い水を浄化機構を通過させることができ、効率的に不純物を除去することができる。

さらに、本実施の形態における水浄化装置及び燃料電池システムは、前記第３の実施の形態における水浄化装置及び燃料電池システムと同様の効果も奏するものである。

次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。なお、第１〜第５の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１〜第５の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図１３は本発明の第６の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図、図１４は本発明の第６の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

本実施の形態において、水タンク４３は、内部に配設された第１仕切板７５ａ、第２仕切板７５ｂ及び第３仕切板７５ｃによって４分割され、２つの収容部Ａ及びＢ、並びに、収容部Ａと収容部Ｂとの間の収容部としての第１バッファ部Ｃ１及び第２バッファ部Ｃ２を有する。すなわち、バッファ部Ｃが第３仕切板７５ｃによって２分割され、第１バッファ部Ｃ１及び第２バッファ部Ｃ２になっている。そして、前記第３仕切板７５ｃの高さは、第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂの高さよりも低くに設定されている。その他の点の構成については、前記第５の実施の形態と同様である。

したがって、収容部Ｂ内の水量が減少し、収容部Ｂ内の水位Ｌ_Bが規定値未満になると、一方の開閉弁７７が開放して、第２バッファ部Ｃ２内の水が収容部Ｂに流入する。また、収容部Ａ内の水量が減少し、収容部Ａ内の水位Ｌ_Aが規定値未満になると、他方の開閉弁７７が開放して、第１バッファ部Ｃ１内の水が収容部Ａに流入する。

また、収容部Ａ及びＢ内の水位Ｌ_A及びＬ_Bが上昇して第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂの高さを超えた場合には、収容部Ａ及びＢ内の水が第１仕切板７５ａ及び第２仕切板７５ｂを超えて第１バッファ部Ｃ１及び第２バッファ部Ｃ２内へ流入する。

さらに、第１バッファ部Ｃ１又は第２バッファ部Ｃ２の一方の水位が第３仕切板７５ｃの高さを超えた場合には、第３仕切板７５ｃを超えて他方へ水が流入する。

なお、その他の点の構成及び動作については、前記第５の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施の形態においては、バッファ部Ｃが第１バッファ部Ｃ１と第２バッファ部Ｃ２とに分割されているので、前記第５の実施の形態における水浄化装置及び燃料電池システムが奏する効果が増大する。

なお、本実施の形態においては、バッファ部Ｃが２分割された例について説明したが、バッファ部Ｃは３分割以上に分割することもできる。すなわち、水タンク４３は、５分割以上に分割することもできる。

また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

さらに、本実施の形態においては、多数の燃料電池をセパレータを挟んで積層した燃料電池スタックに適用した場合について説明したが、燃料電池を多数直列に接続した燃料電池集合体であれば、どのような構造のものにも適用してもよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図である。従来の水浄化装置を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。本発明の第２の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。本発明の第３の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図である。本発明の第３の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。本発明の第４の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図である。本発明の第４の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。本発明の第５の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図である。本発明の第５の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。本発明の第６の実施の形態における水浄化装置の構成を示す図である。本発明の第６の実施の形態における水浄化装置の動作を示す表である。

符号の説明

１１燃料電池スタック
４１凝縮水排出管路
４３水タンク
４６給水管路
７１収容部連結管路
７２水浄化用ポンプ
７３浄化フィルタ
７６差圧弁
７７開閉弁
７９水制御弁

Claims

排水を回収するための回収管路及び浄化された水を供給する供給管路が接続された水タンクと、
水を浄化する浄化機構とを有する水浄化装置であって、
前記水タンクは、前記回収管路が接続され、不純物濃度が相対的に高い水を収容する回収側収容部、及び、前記供給管路が接続され、不純物濃度が相対的に低い水を収容する供給側収容部を備え、
前記浄化機構は、前記回収側収容部と供給側収容部とを連結する収容部連結管路に配設されることを特徴とする水浄化装置。
前記水タンクは、前記回収側収容部と供給側収容部との水位差を調整する水位調整機構を備える請求項１に記載の水浄化装置。
前記水位調整機構は、前記回収側収容部及び供給側収容部の水位又は水圧に応じて開閉する弁である請求項２に記載の水浄化装置。
前記水タンクは、前記回収側収容部と供給側収容部との間に配設されたバッファ部を備える請求項１に記載の水浄化装置。
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、直列に多数接続された燃料電池集合体と、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の水浄化装置とを有する燃料電池システムであって、
前記供給側収容部から供給された水を前記酸素極に噴射し、該酸素極から排出された水を回収して前記回収側収容部に戻すことを特徴とする燃料電池システム。