除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システム
【課題】無重力空間や微小重力空間であっても、ガスから水を取り除くことが省スペースでできる除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池本体１１１から排出される酸素ガス１及び水素ガス２から水３を取り除く除水装置１４０であって、陽イオン交換樹脂からなる管状の除水管１４２Ａ，１４２Ｂと、除水管１４２Ａ，１４２Ｂを内部に配設されて除水管１４２Ａ，１４２Ｂの外面に上記ガス１，２を接触させるように流通させる除水容器１４１Ａ，１４１Ｂと、除水管１４２Ａ，１４２Ｂの内部に硫酸水溶液４を供給するタンク１４５及びポンプ１４７等と、硫酸水溶液４を貯留する液相室１４５ａを気相室１４５ｂと仕切るようにタンク１４５に設けられて硫酸水溶液４の体積変化に追従して液相室１４５ａの容積を変量させるダイヤフラム１４６等を備えている。
【解決手段】燃料電池本体１１１から排出される酸素ガス１及び水素ガス２から水３を取り除く除水装置１４０であって、陽イオン交換樹脂からなる管状の除水管１４２Ａ，１４２Ｂと、除水管１４２Ａ，１４２Ｂを内部に配設されて除水管１４２Ａ，１４２Ｂの外面に上記ガス１，２を接触させるように流通させる除水容器１４１Ａ，１４１Ｂと、除水管１４２Ａ，１４２Ｂの内部に硫酸水溶液４を供給するタンク１４５及びポンプ１４７等と、硫酸水溶液４を貯留する液相室１４５ａを気相室１４５ｂと仕切るようにタンク１４５に設けられて硫酸水溶液４の体積変化に追従して液相室１４５ａの容積を変量させるダイヤフラム１４６等を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、ガス透過性及び導電性を有する酸化極及び燃料極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルを複数積層したスタックを備えた燃料電池本体に対して、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池本体の上記酸化極へ供給すると共に、水素を含有する燃料ガスを燃料電池本体の上記燃料極へ供給することにより、酸化ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とを上記セルで電気化学的に反応させて、電気を発生させるようにしたものである。
【０００３】
このような燃料電池発電システムを、例えば、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合には、設置スペースのコンパクト化等を図るため、酸化ガスとして酸素ガスそのものを利用し、燃料ガスとして水素ガスそのものを利用するようにしている。このように酸素ガスそのものや水素ガスそのものを利用する場合には、上記燃料電池本体の上記セルで上記電気化学反応に寄与せずに当該燃料電池本体から排出される当該酸素ガスや当該水素ガスを有効に利用するため、当該燃料電池本体から排出された当該ガスを新たな前記ガスと共に当該燃料電池本体の上記セルへ供給して循環再利用するようにしている。
【０００４】
このとき、上記電気化学反応に伴って、前記燃料電池本体の前記セルにおいて水が生成し、当該燃料電池本体から上記ガスと共に排出されるため、当該ガスをそのまま循環再利用すると、当該ガス中の水が増え過ぎて、上記セルでの上記電気化学反応の障害になってしまうことから、上記燃料電池本体から排出された上記ガスに混在する上記水を除水装置により取り除いてから当該ガスを循環再利用するようにしている。
【０００５】
このような除水装置としては、比重差に基づいて重力を利用したポットタイプのものが一般的であるが、宇宙空間等のような無重力空間又は微小重力空間では使用することができないため、遠心分離によって前記ガスと水とを分離して当該ガスから水を取り除くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１５８１０８号公報
【特許文献２】特開平６−１０６０２１号公報
【特許文献３】特開平７−１０８１２８号公報
【特許文献４】特開昭６４−０５６１１８号公報
【特許文献５】特開２００７−０４４１１６号公報
【特許文献６】特開平２−０４０２１４号公報
【特許文献７】特開平６−３２５７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述したような遠心分離を利用した除水装置は、大掛かりな構造となってしまい、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合には、設置スペースの確保に難点があった。
【０００８】
このようなことから、本発明は、無重力空間や微小重力空間であっても、ガスに水が混在する混合体から水を取り除くことが省スペースでできる除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る除水装置は、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段とを備え、前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、前記混合体流通手段が、前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記混合体を接触させるように当該混合体を内部に流通させる除水容器を備え、前記水溶液流通手段が、前記除水用水溶液を前記除水管の内部に供給する水溶液供給手段と、前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
第二番目の発明に係る除水装置は、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段とを備え、前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、前記水溶液流通手段が、前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記除水用水溶液を接触させるように当該除水用水溶液を内部に流通させる除水容器と、前記除水用水溶液を前記除水容器の内部に供給する水溶液供給手段と、前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段とを備え、前記混合体流通手段が、前記混合体を前記除水管の内部に供給するものであることを特徴とする。
【００１１】
第三番目の発明に係る除水装置は、第一番目又は第二番目の発明において、前記液相室変量手段が、前記タンク内に移動可能に設けられたピストン、又は、可撓性を有する材料からなるダイヤフラム若しくはブラダであることを特徴とする。
【００１２】
第四番目の発明に係る除水装置は、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記除水用水溶液が、酸水溶液又はアルカリ水溶液であることを特徴とする。
【００１３】
また、前述した課題を解決するための、第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、前記燃料電池本体へ前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体へ前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えている燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体から排出された前記酸化ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方の当該ガスから水を取り除く第一番目から第四番目の発明のいずれかの除水装置を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第六番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記酸化ガスを前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスと共に当該燃料電池本体に供給する酸化ガス再利用手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第七番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目又は第六番目の発明において、前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記燃料ガスを前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスと共に当該燃料電池本体に供給する燃料ガス再利用手段を備えていることを特徴とする。
【００１６】
第八番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【００１７】
第九番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目から第八番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る除水装置によれば、浸透圧差によって、混合体中の水が隔離体を透過して除水用水溶液に取り込まれるので、重力に関係なくガスから水を取り除くことができる。このとき、除水用水溶液が上述したものからなるので、隔離体の他方側から一方側に漏出してしまうことはない。
【００１９】
このため、本発明に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体から排出された酸化ガスや燃料ガスに混在する水を重力に関係なく当該ガスから取り除くことができるので、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離を利用した大掛かりな機構を適用せずに済み、省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。
【図２】図１の除水装置の要部の概略構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の概略構成図である。
【図４】図３の除水装置の要部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００２２】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図、図２は、図１の除水装置の要部の概略構成図である。
【００２３】
図１に示すように、ガス透過性及び導電性を有する酸化極及び燃料極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルを複数積層したスタックを備えてなる燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口には、酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス１を供給する酸化ガス供給手段である酸素ガスボンベ１２１がバルブ１２２を介して連結されている。上記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、酸化ガス再利用手段であるブロア１２３の受入口に連絡している。このブロア１２３の送出口は、上記バルブ１２２と上記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口との間に接続されている。
【００２４】
前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス２を供給する燃料ガス供給手段である水素ガスボンベ１３１がバルブ１３２を介して連結されている。上記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、燃料ガス再利用手段であるブロア１３３の受入口に連絡している。このブロア１３３の送出口は、上記バルブ１３２と上記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口との間に接続されている。
【００２５】
前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口と前記ブロア１２３との間及び当該燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口と前記ブロア１３３との間には、除水装置１４０が配設されており、当該除水装置１４０は、以下のような構造となっている。
【００２６】
図１，２Ａに示すように、前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、筒型をなす除水容器１４１Ａの一方の端面寄りの周面に連結されている。前記ブロア１２３の受入口は、上記除水容器１４１Ａの他方の端面寄りの周面に連結されている。上記除水容器１４１Ａの内部には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管１４２Ａが多数配設されており、当該除水管１４２Ａは、一端を当該除水容器１４１Ａの一端面に連結され、他端を当該除水容器１４１Ａの他端面に連結されている。上記除水容器１４１Ａの一端面の外部には、前記除水管１４２Ａの一端と連通する供給ヘッダ１４３Ａが取り付けられている。上記除水容器１４１Ａの他端面の外部には、前記除水管１４２Ａの他端と連通する回収ヘッダ１４４Ａが取り付けられている。
【００２７】
図１，２Ｂに示すように、前記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、筒型をなす除水容器１４１Ｂの一方の端面寄りの周面に連結されている。前記ブロア１３３の受入口は、上記除水容器１４１Ｂの他方の端面寄りの周面に連結されている。上記除水容器１４１Ｂの内部には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管１４２Ｂが多数配設されており、当該除水管１４２Ｂは、一端を当該除水容器１４１Ｂの一端面に連結され、他端を当該除水容器１４１Ｂの他端面に連結されている。上記除水容器１４１Ｂの一端面の外部には、前記除水管１４２Ｂの一端と連通する供給ヘッダ１４３Ｂが取り付けられている。上記除水容器１４１Ｂの他端面の外部には、前記除水管１４２Ｂの他端と連通する回収ヘッダ１４４Ｂが取り付けられている。
【００２８】
図１に示すように、除水用水溶液である硫酸水溶液４を液相室１４５ａに貯留するタンク１４５の内部には、耐酸性を有すると共に可撓性を有する材料（例えば、フッ素樹脂やフッ素樹脂をコーティングしたポリプロピレン等）からなる液相室変量手段であるダイヤフラム１４６が上記液相室１４５ａを気相室１４５ｂと仕切るように配設されており、当該タンク１４５は、上記液相室１４５ａ内が上記硫酸水溶液４で満たされ、上記気相室１４５ｂ内が窒素ガス等の緩衝ガス５で満たされている。
【００２９】
前記タンク１４５の前記液相室１４５ａは、ポンプ１４７を介して前記供給ヘッダ１４３Ｂに連結されている。前記回収ヘッダ１４４Ｂは、前記供給ヘッダ１４３Ａに連絡している。前記回収ヘッダ１４４Ａは、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａに連結されている。
【００３０】
このような本実施形態においては、前記除水容器１４１Ａ，１４１Ｂ等により、混合体流通手段を構成し、前記ポンプ１４７等により、水溶液供給手段を構成し、当該水溶液供給手段、前記タンク１４５、前記ダイヤフラム１４６等により、水溶液流通手段を構成している。
【００３１】
次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の作動を説明する。
【００３２】
前記ポンプ１４７を作動させると、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内から硫酸水溶液４が送出され、前記供給ヘッダ１４３Ｂを介して前記除水容器１４１Ｂ内の前記除水管１４２Ｂ内を流通して、前記回収ヘッダ１４４Ｂに一旦回収されてから、前記供給ヘッダ１４３Ａに送給され、前記除水容器１４１Ａ内の前記除水管１４２Ａ内を流通して、前記回収ヘッダ１４４Ａに回収された後、上記タンク１４５の上記液相室１４５ａ内に戻されて再貯留される。
【００３３】
他方、前記バルブ１２２を開放して前記酸素ガスボンベ１２１内の酸素ガス１を燃料電池本体１１１の酸化ガス供給口から前記スタックの内部へ送給すると共に、前記バルブ１３２を開放して前記水素ガスボンベ１３１内の水素ガス２を燃料電池本体１１１の燃料ガス供給口から前記スタックの内部へ送給すると、前記酸素ガス１が当該スタックの前記セルの酸化極へ送給されると共に、前記水素ガス２が当該スタックの前記セルの燃料極へ送給されることにより、当該ガス１，２が当該セルで電気化学的に反応して、電気を発生すると共に、水３を生成する。
【００３４】
前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸素ガス１は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記酸化ガス排出口から前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ａの内部に送給されて、前記除水管１４２Ａの外面（一方側）と接触するように当該除水容器１４１Ａの内部を流通することにより、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている上記除水管１４２Ａの内側と外側との浸透圧差によって、上記水３が当該除水管１４２Ａの内部に取り込まれて除水される。このとき、上記除水管１４２Ａ内を流通する硫酸水溶液４は、陽イオン交換樹脂を透過できないため、当該除水管１４２Ａ内から漏出することなく当該除水管１４２Ａ内を流通する。
【００３５】
また、前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記水素ガス２は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記燃料ガス排出口から前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ｂの内部に送給されて、前記除水管１４２Ｂの外面（一方側）と接触するように当該除水容器１４１Ｂの内部を流通することにより、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている上記除水管１４２Ｂの内側と外側との浸透圧差によって、上記水３が当該除水管１４２Ｂの内部に取り込まれて除水される。このとき、上記除水管１４２Ｂ内を流通する硫酸水溶液４は、陽イオン交換樹脂を透過できないため、上記除水管１４２Ｂ内から漏出することなく当該除水管１４２Ｂ内を流通する。
【００３６】
前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ａ内を流通することにより上記水３を取り除かれた上記酸素ガス１は、前記ブロア１２３により、当該除水容器１４１Ａから送出されて、前記酸素ガスボンベ１２１内から新たに送給された酸素ガス１と共に前記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００３７】
また、前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ｂ内を流通することにより上記水３を取り除かれた上記水素ガス２は、前記ブロア１３３により、当該除水容器１４１Ｂから送出されて、前記水素ガスボンベ１３１内から新たに送給された水素ガス２と共に前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００３８】
他方、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ内を流通して前記水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４は、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内に戻されて再び貯留される。ここで、当該硫酸水溶液４は、上記水３の上記取り込みによって、体積が次第に増加するものの、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、上記気相室１４５ｂの容積を縮小させるように前記緩衝ガス５を圧縮しながら上記液相室１４５ａの容積が体積変化に追従して拡大していくようになるので、気相を内部に取り込むことなく体積増加することができる。
【００３９】
したがって、本実施形態によれば、前記ガス１，２に水３が混在する混合体から当該水３を重力に関係なく取り除くことができるので、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離を利用した大掛かりな機構を適用せずに済み、省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化を図ることができる。
【００４０】
また、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、無重力空間や微小重力空間であっても、前記ポンプ１４７が気相を含むことなく硫酸水溶液４のみを送給することができるので、前記ポンプ１４７の吐出性能の低下を防止することができる。
【００４１】
なお、前記硫酸水溶液４は、上述したように、前記水３を取り込むことにより、体積が徐々に増加すると同時に、その硫酸濃度が次第に低下していくことから、前記除水管１４２Ａ，１４Ｂによる除水性能が徐々に低下するようになる。この除水性能の低下は、燃料電池本体１１１の発電性能や運転時間等によるが、通常、それほど大きな問題を生じることがない程度である。しかしながら、燃料電池本体１１１の発電性能や運転時間等によって、前記タンク１４５内の前記硫酸水溶液４の硫酸濃度の低下が大きくなってしまう場合には、例えば、前記タンク１４５を複数配設し、前記硫酸水溶液４の硫酸濃度が予め定められた下限値にまで低下したら、前記タンク１４５を切り換えて、フレッシュな硫酸水溶液４を新たに使用することにより、問題を生じることなく対応することが可能となる。
【００４２】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図３，４に基づいて説明する。図３は、燃料電池発電システムの概略構成図、図４は、図３の除水装置の要部の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００４３】
図３，４Ａに示すように、前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、混合体流通手段である角筒型の除水容器２４１Ａの一方の開口端面（図４Ａ中、左側）に連結されている。この除水容器２４１Ａの他方の開口端面（図４Ａ中、右側）は、前記ブロア１２３の受入口に連結されている。
【００４４】
前記除水容器２４１Ａ内の一方の開口端面側には、対向する一組の壁面（図４Ａにおいて、紙面垂直方向に位置する壁面）間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ａＡが、対向する他の組の壁面（図４Ａにおいて、上下方向に位置する壁面）間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられている。前記除水容器２４１Ａ内の他方の開口端面側には、対向する一組の壁面間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ｂＡが、対向する他の組の壁面間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられており、上記支持ステー２４８ａＡと上記支持ステー２４８ｂＡとは、当該除水容器２４１Ａの一方の開口端面と他方の開口端面とを結ぶ方向で同じ位置に位置しないように、対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で交互に位置している。
【００４５】
前記除水容器２４１Ａの内部には、水３を透過させることなく酸化ガス１を透過させる多孔質性のフッ素樹脂（例えば、米国ゴア社製「ゴアテックス（登録商標）」等）からなる分離膜２４９Ａが配設されており、当該分離膜２４９Ａは、当該除水容器２４１Ａの対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で蛇行するように前記支持ステー２４８ａＡ，２４８ｂＡに掛け渡されると共に、当該除水容器２４１Ａの壁面に周縁端が固着されている。
【００４６】
前記除水容器２４１Ａ内の他方の開口端面側の、前記分離膜２４９Ａの一方の開口端面側の面側には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管２４２Ａが当該除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面間を結ぶ方向に沿って長手方向を向けるようにして多数配設されており、当該除水管２４２Ａは、一端を当該除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の一方面にそれぞれ連結され、他端を当該除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の他方面にそれぞれ連結されている。
【００４７】
前記除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の一方面には、前記除水管２４２Ａの一端と連通する供給ヘッダ２４３Ａが取り付けられている。前記除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の他方面には、前記除水管２４２Ａの他端と連通する回収ヘッダ２４４Ａが取り付けられている。
【００４８】
図３，４Ｂに示すように、前記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、混合体流通手段である角筒型をなす除水容器２４１Ｂの一方の開口端面（図４Ｂ中、左側）に連結されている。この除水容器２４１Ｂの他方の開口端面（図４Ｂ中、右側）は、前記ブロア１３３の受入口に連結されている。
【００４９】
前記除水容器２４１Ｂ内の一方の開口端面側には、対向する一組の壁面（図４Ｂにおいて、紙面垂直方向に位置する壁面）間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ａＢが、対向する他の組の壁面（図４Ｂにおいて、上下方向に位置する壁面）間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられている。前記除水容器２４１Ｂ内の他方の開口端面側には、対向する一組の壁面間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ｂＢが、対向する他の組の壁面間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられており、上記支持ステー２４８ａＢと上記支持ステー２４８ｂＢとは、当該除水容器２４１Ｂの一方の開口端面と他方の開口端面とを結ぶ方向で同じ位置に位置しないように、対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で交互に位置している。
【００５０】
前記除水容器２４１Ｂの内部には、水３を透過させることなく水素ガス２を透過させる多孔質性のフッ素樹脂（例えば、米国ゴア社製「ゴアテックス（登録商標）」等）からなる分離膜２４９Ｂが配設されており、当該分離膜２４９Ｂは、当該除水容器２４１Ｂの対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で蛇行するように前記支持ステー２４８ａＢ，２４８ｂＢに掛け渡されると共に、当該除水容器２４１Ｂの壁面に周縁端が固着されている。
【００５１】
前記除水容器２４１Ｂ内の他方の開口端面側の、前記分離膜２４９Ｂの一方の開口端面側の面側には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管２４２Ｂが当該除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面間を結ぶ方向に沿って長手方向を向けるようにして多数配設されており、当該除水管２４２Ｂは、一端を当該除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の一方面にそれぞれ連結され、他端を当該除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の他方面にそれぞれ連結されている。
【００５２】
前記除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の一方面には、前記除水管２４２Ｂの一端と連通する供給ヘッダ２４３Ｂが取り付けられている。前記除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の他方面には、前記除水管２４２Ｂの他端と連通する回収ヘッダ２４４Ｂが取り付けられている。
【００５３】
図３に示すように、前記供給ヘッダ２４３Ｂには、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａが前記ポンプ１４７を介して連結されている。前記回収ヘッダ２４４Ｂは、前記供給ヘッダ２４３Ａに連絡している。前記回収ヘッダ２４４Ａは、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａに連結されている。
【００５４】
つまり、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００は、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００において、前記除水装置１４０に代えて、上述したような構造を有する除水装置２４０を適用するようにしたものなのである。
【００５５】
このような本実施形態に係る燃料電池発電システム２００の作動を次に説明する。
【００５６】
前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記ポンプ１４７を作動させて、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内から硫酸水溶液４を送出し、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１２２を開放して前記酸素ガスボンベ１２１から酸素ガス１を送出すると共に、前記バルブ１３２を開放して前記水素ガスボンベ１３１から水素ガス２を送出すると、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、上記ガス１，２が前記セルで電気化学的に反応して、電気を発生すると共に、水３を生成する。
【００５７】
前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸素ガス１は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した前記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記酸化ガス排出口から前記除水装置２４０の前記除水容器２４１Ａの一方の開口端面側より内部に送給される。
【００５８】
前記除水容器２４１Ａの内部に一方の開口端面側から送給された上記混合体は、上記酸素ガス１が、前記分離膜２４９Ａを透過して、当該除水容器２４１Ａの他方の開口端面側から送出される一方、上記水３が、前記分離膜２４９Ａを透過できずに、その流速により、前記除水管２４２Ａへ案内されるように当該分離膜２４９Ａ面上を当該除水容器２４１Ａの他方の開口端面側へ移動して、当該除水管２４２Ａの外面（一方側）と接触し、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている当該除水管２４２Ａの内側と外側との浸透圧差によって、当該除水管２４２Ａの内部に取り込まれる。
【００５９】
これにより、前記酸素ガス１は、水３が取り除かれて、前記ブロア１２３により、上記除水容器２４１Ａから送出され、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記酸素ガスボンベ１２１内から新たに送給された酸素ガス１と共に前記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００６０】
また、前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記水素ガス２は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記燃料ガス排出口から前記除水装置２４０の前記除水容器２４１Ｂの一方の開口端面側より内部に送給される。
【００６１】
前記除水容器２４１Ｂの内部に一方の開口端面側から送給された上記混合体は、上記水素ガス２が、前記分離膜２４９Ｂを透過して、当該除水容器２４１Ｂの他方の開口端面側から送出される一方、上記水３が、前記分離膜２４９Ｂを透過できずに、その流速により、前記除水管２４２Ｂへ案内されるように当該分離膜２４９Ｂ面上を当該除水容器２４１Ｂの他方の開口端面側へ移動して、前記除水管２４２Ｂの外面（一方側）と接触し、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている当該除水管２４２Ｂの内側と外側との浸透圧差によって、当該除水管２４２Ｂの内部に取り込まれる。
【００６２】
これにより、前記水素ガス２は、水３が取り除かれて、前記ブロア１３３により、上記除水容器２４１Ｂから送出され、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記水素ガスボンベ１３１内から新たに送給された水素ガス２と共に前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００６３】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の除水装置１４０においては、前記ガス１，２に水３が混在する混合体から前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂだけで当該水３を分離回収するようにしたが、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００の除水装置２４０においては、前記ガス１，２に水３が混在する混合体から前記分離膜２４９Ａ，２４９Ｂで分離されて案内されてきた当該水３を前記除水管２４２Ａ，２４２Ｂで回収するようにしたのである。
【００６４】
このため、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００の除水装置２４０においては、内部に前記硫酸水溶液４を流通させるために比較的嵩張ってしまう前記除水管２４２Ａ，２４２Ｂの数を前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の除水装置１４０の場合よりも少なくすることができる。
【００６５】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、さらに省スペース化を図ることができ、設置スペースの確保のさらなる容易化を図ることができる。
【００６６】
［他の実施形態］
なお、前述した各実施形態においては、タンク１４５の内部をダイヤフラム１４６によって液相室１４５ａと気相室１４５ｂとに仕切るようにしたが、他の実施形態として、例えば、タンクの内部の液相室を気相と仕切るように当該タンクの内部にピストンを移動可能に設けることや、可撓性を有する材料からなるブラダをタンクの内部に設けて、ブラダの内部を気相室とし、タンクとブラダとの間を液相室とすることも可能である。
【００６７】
また、前述した各実施形態においては、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂ内を流通して水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４を前記タンク１４５の液相室１４５ａ内に再び貯留して再利用する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、各種条件によっては、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂ内を流通して水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４を前記タンク１４５の液相室１４５ａ内に戻すことなく後処理して系外へ排出してしまうようにすることも可能である。
【００６８】
また、前述した各実施形態においては、酸素ガス１中の水３を取り除く前記除水容器１４１Ａ，２４１Ａと水素ガス２中の水３を取り除く前記除水容器１４１Ｂ，２４１Ｂとに同一のタンク１４５内の硫酸水溶液４を同一のポンプ１４７で供給するようにした除水装置１４０，２４０の場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、酸素ガス１中の水３を取り除く前記除水容器に供給する硫酸水溶液４を貯留するタンクと、水素ガス２中の水３を取り除く前記除水容器に供給する硫酸水溶液４を貯留するタンクとをそれぞれ個別に設けて、各タンクから各除水容器に個別のポンプによりそれぞれ独立して供給するようにした除水装置を適用することも可能である。
【００６９】
このような場合には、前述した各実施形態の場合よりも設置スペースを要してしまうものの、何らかの原因で前記除水管に損傷を生じて漏出を生じてしまったときでも、酸素ガス１と水素ガス２とのクロスリークを生じることがないので、前述した各実施形態の場合よりも安全性の確保を容易に実現することができる。
【００７０】
また、前述した各実施形態においては、除水管の内部に硫酸水溶液４を供給する一方、除水容器の内部に前記ガス１，２を流通させることにより、当該ガス１，２中の水３を硫酸水溶液４で除去する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、除水管の内部に前記ガス１，２を供給する一方、除水容器の内部に硫酸水溶液４を流通させることにより、当該ガス１，２中の水３を硫酸水溶液４で除去するようにすることも可能である。
【００７１】
また、前述した各実施形態においては、除水用水溶液として硫酸水溶液４を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燐酸水溶液や硝酸水溶液や酢酸等のような酸水溶液を始めとした、陽イオンとしてプロトン（Ｈ+）を生じる化合物を含有する水溶液であれば、前述した各実施形態の場合と同様に除水用水溶液として適用することが可能である。
【００７２】
また、前述した各実施形態においては、陽イオン交換樹脂からなる除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂを適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、陰イオン交換樹脂からなる管状の除水管を適用することも可能である。ただし、この場合には、除水用水溶液として、前記硫酸水溶液４に代えて、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のようなアルカリ水溶液を始めとした、陰イオンとしてヒドロキシイオン（ＯＨ-）を生じる化合物を含有する水溶液を適用する必要がある。
【００７３】
また、前述した各実施形態においては、隔離体として、管状をなす除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂを適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、隔離体として、シート状をなす除水膜を適用し、除水容器の内部を一方側と他方側とに仕切るように当該除水膜を配設し、前記ガス１，２に水３が混在する混合体を当該除水膜の一方側の面に接触させるように上記除水容器の一方側に流通させ、除水用水溶液を上記除水膜の他方側の面に接触させるように上記除水容器の他方側に流通させることにより、上記混合体から水３を取り除くことも可能である。
【００７４】
しかしながら、前述した各実施形態のように、隔離体として、管状をなす除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂを適用すると、シート状をなす除水膜を適用した場合よりも表面積を大きくして省スペース化を図ることができるので、非常に好ましい。
【００７５】
また、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された酸素ガス１及び水素ガス２の両方から水３を取り除く除水装置１４０，２４０を備えた燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体１１１から排出された酸素ガス１及び水素ガス２のいずれか一方だけから水３を分離する燃料電池発電システムの場合には、酸素ガス１の排出系統及び水素ガス２の排出系統のいずれか一方にだけ適用することも可能である。このとき、水素ガス２の排出系統よりも酸素ガス１の排出系統の方が水３を多く排出するため、酸素ガス１の排出系統に設ける方が好ましい。
【００７６】
また、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２から水３を取り除いて燃料電池本体１１１に再び供給して再利用できるようにした燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２を当該燃料電池本体１１１に再び供給することなく燃焼等の後処理を施して系外へ排出する燃料電池発電システムの場合であっても、前述した各実施形態の場合と同様に適用することも可能である。
【００７７】
また、前述した各実施形態においては、酸化ガスとして酸素ガス１を利用して、燃料ガスとして水素ガス２を利用するようにした燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、酸化ガスとして空気を利用して、燃料ガスとして灯油や天然ガスを改質した改質ガスを利用する燃料電池発電システムであっても、燃料電池本体から排出された上記ガスに混在する水を取り除く必要がある場合には、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することも可能である。
【００７８】
また、前述した各実施形態においては、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小で無重力又は微小重力の閉鎖空間で利用する燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、車両に搭載する移動用の燃料電池発電システムや、家庭等に設置する定置用の燃料電池発電システムであっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することも可能である。なお、このような場合には、前述した各実施形態におけるダイヤフラム１４６等のような液相室を気相と仕切るようにタンク１４５に設ける液相室変量手段を省略することが可能となる。
【００７９】
また、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２から水３を分離する除水装置１４０．２４０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く場合であれば、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る除水装置は、重力に関係なくガスから水を取り除くことができることから、例えば、これを燃料電池発電システムに利用すれば、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離を利用した大掛かりな機構を適用せずに済み、省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化を図ることができるので、産業上、極めて有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 酸素ガス
２ 水素ガス
３ 水
４ 硫酸水溶液
５ 緩衝ガス
１００ 燃料電池発電システム
１１１ 燃料電池本体
１２１ 酸素ガスボンベ
１２２ バルブ
１２３ ブロア
１３１ 水素ガスボンベ
１３２ バルブ
１３３ ブロア
１４０ 除水装置
１４１Ａ，１４１Ｂ 除水容器
１４２Ａ，１４２Ｂ 除水管
１４３Ａ，１４３Ｂ 供給ヘッダ
１４４Ａ，１４４Ｂ 回収ヘッダ
１４５ タンク
１４５ａ 液相室
１４５ｂ 気相室
１４６ ダイヤフラム
１４７ ポンプ
２００ 燃料電池発電システム
２４０ 除水装置
２４１Ａ，２４１Ｂ 除水容器
２４２Ａ，２４２Ｂ 除水管
２４３Ａ，２４３Ｂ 供給ヘッダ
２４４Ａ，２４４Ｂ 回収ヘッダ
２４８ａＡ，２４８ａＢ，２４８ｂＡ，２４８ｂＢ 支持ステー
２４９Ａ，２４９Ｂ 分離膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電システムは、ガス透過性及び導電性を有する酸化極及び燃料極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルを複数積層したスタックを備えた燃料電池本体に対して、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池本体の上記酸化極へ供給すると共に、水素を含有する燃料ガスを燃料電池本体の上記燃料極へ供給することにより、酸化ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とを上記セルで電気化学的に反応させて、電気を発生させるようにしたものである。
【０００３】
このような燃料電池発電システムを、例えば、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合には、設置スペースのコンパクト化等を図るため、酸化ガスとして酸素ガスそのものを利用し、燃料ガスとして水素ガスそのものを利用するようにしている。このように酸素ガスそのものや水素ガスそのものを利用する場合には、上記燃料電池本体の上記セルで上記電気化学反応に寄与せずに当該燃料電池本体から排出される当該酸素ガスや当該水素ガスを有効に利用するため、当該燃料電池本体から排出された当該ガスを新たな前記ガスと共に当該燃料電池本体の上記セルへ供給して循環再利用するようにしている。
【０００４】
このとき、上記電気化学反応に伴って、前記燃料電池本体の前記セルにおいて水が生成し、当該燃料電池本体から上記ガスと共に排出されるため、当該ガスをそのまま循環再利用すると、当該ガス中の水が増え過ぎて、上記セルでの上記電気化学反応の障害になってしまうことから、上記燃料電池本体から排出された上記ガスに混在する上記水を除水装置により取り除いてから当該ガスを循環再利用するようにしている。
【０００５】
このような除水装置としては、比重差に基づいて重力を利用したポットタイプのものが一般的であるが、宇宙空間等のような無重力空間又は微小重力空間では使用することができないため、遠心分離によって前記ガスと水とを分離して当該ガスから水を取り除くようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１５８１０８号公報
【特許文献２】特開平６−１０６０２１号公報
【特許文献３】特開平７−１０８１２８号公報
【特許文献４】特開昭６４−０５６１１８号公報
【特許文献５】特開２００７−０４４１１６号公報
【特許文献６】特開平２−０４０２１４号公報
【特許文献７】特開平６−３２５７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述したような遠心分離を利用した除水装置は、大掛かりな構造となってしまい、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小な閉鎖空間で利用する場合には、設置スペースの確保に難点があった。
【０００８】
このようなことから、本発明は、無重力空間や微小重力空間であっても、ガスに水が混在する混合体から水を取り除くことが省スペースでできる除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る除水装置は、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段とを備え、前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、前記混合体流通手段が、前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記混合体を接触させるように当該混合体を内部に流通させる除水容器を備え、前記水溶液流通手段が、前記除水用水溶液を前記除水管の内部に供給する水溶液供給手段と、前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
第二番目の発明に係る除水装置は、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段とを備え、前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、前記水溶液流通手段が、前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記除水用水溶液を接触させるように当該除水用水溶液を内部に流通させる除水容器と、前記除水用水溶液を前記除水容器の内部に供給する水溶液供給手段と、前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段とを備え、前記混合体流通手段が、前記混合体を前記除水管の内部に供給するものであることを特徴とする。
【００１１】
第三番目の発明に係る除水装置は、第一番目又は第二番目の発明において、前記液相室変量手段が、前記タンク内に移動可能に設けられたピストン、又は、可撓性を有する材料からなるダイヤフラム若しくはブラダであることを特徴とする。
【００１２】
第四番目の発明に係る除水装置は、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記除水用水溶液が、酸水溶液又はアルカリ水溶液であることを特徴とする。
【００１３】
また、前述した課題を解決するための、第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、前記燃料電池本体へ前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体へ前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段とを備えている燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体から排出された前記酸化ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方の当該ガスから水を取り除く第一番目から第四番目の発明のいずれかの除水装置を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第六番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目の発明において、前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記酸化ガスを前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスと共に当該燃料電池本体に供給する酸化ガス再利用手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第七番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目又は第六番目の発明において、前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記燃料ガスを前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスと共に当該燃料電池本体に供給する燃料ガス再利用手段を備えていることを特徴とする。
【００１６】
第八番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【００１７】
第九番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第五番目から第八番目の発明のいずれかにおいて、前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る除水装置によれば、浸透圧差によって、混合体中の水が隔離体を透過して除水用水溶液に取り込まれるので、重力に関係なくガスから水を取り除くことができる。このとき、除水用水溶液が上述したものからなるので、隔離体の他方側から一方側に漏出してしまうことはない。
【００１９】
このため、本発明に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体から排出された酸化ガスや燃料ガスに混在する水を重力に関係なく当該ガスから取り除くことができるので、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離を利用した大掛かりな機構を適用せずに済み、省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。
【図２】図１の除水装置の要部の概略構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の概略構成図である。
【図４】図３の除水装置の要部の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００２２】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図、図２は、図１の除水装置の要部の概略構成図である。
【００２３】
図１に示すように、ガス透過性及び導電性を有する酸化極及び燃料極により、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んだセルを複数積層したスタックを備えてなる燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口には、酸化ガスである濃度９９％以上の酸素ガス１を供給する酸化ガス供給手段である酸素ガスボンベ１２１がバルブ１２２を介して連結されている。上記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、酸化ガス再利用手段であるブロア１２３の受入口に連絡している。このブロア１２３の送出口は、上記バルブ１２２と上記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口との間に接続されている。
【００２４】
前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口には、燃料ガスである濃度９９％以上の水素ガス２を供給する燃料ガス供給手段である水素ガスボンベ１３１がバルブ１３２を介して連結されている。上記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、燃料ガス再利用手段であるブロア１３３の受入口に連絡している。このブロア１３３の送出口は、上記バルブ１３２と上記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口との間に接続されている。
【００２５】
前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口と前記ブロア１２３との間及び当該燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口と前記ブロア１３３との間には、除水装置１４０が配設されており、当該除水装置１４０は、以下のような構造となっている。
【００２６】
図１，２Ａに示すように、前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、筒型をなす除水容器１４１Ａの一方の端面寄りの周面に連結されている。前記ブロア１２３の受入口は、上記除水容器１４１Ａの他方の端面寄りの周面に連結されている。上記除水容器１４１Ａの内部には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管１４２Ａが多数配設されており、当該除水管１４２Ａは、一端を当該除水容器１４１Ａの一端面に連結され、他端を当該除水容器１４１Ａの他端面に連結されている。上記除水容器１４１Ａの一端面の外部には、前記除水管１４２Ａの一端と連通する供給ヘッダ１４３Ａが取り付けられている。上記除水容器１４１Ａの他端面の外部には、前記除水管１４２Ａの他端と連通する回収ヘッダ１４４Ａが取り付けられている。
【００２７】
図１，２Ｂに示すように、前記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、筒型をなす除水容器１４１Ｂの一方の端面寄りの周面に連結されている。前記ブロア１３３の受入口は、上記除水容器１４１Ｂの他方の端面寄りの周面に連結されている。上記除水容器１４１Ｂの内部には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管１４２Ｂが多数配設されており、当該除水管１４２Ｂは、一端を当該除水容器１４１Ｂの一端面に連結され、他端を当該除水容器１４１Ｂの他端面に連結されている。上記除水容器１４１Ｂの一端面の外部には、前記除水管１４２Ｂの一端と連通する供給ヘッダ１４３Ｂが取り付けられている。上記除水容器１４１Ｂの他端面の外部には、前記除水管１４２Ｂの他端と連通する回収ヘッダ１４４Ｂが取り付けられている。
【００２８】
図１に示すように、除水用水溶液である硫酸水溶液４を液相室１４５ａに貯留するタンク１４５の内部には、耐酸性を有すると共に可撓性を有する材料（例えば、フッ素樹脂やフッ素樹脂をコーティングしたポリプロピレン等）からなる液相室変量手段であるダイヤフラム１４６が上記液相室１４５ａを気相室１４５ｂと仕切るように配設されており、当該タンク１４５は、上記液相室１４５ａ内が上記硫酸水溶液４で満たされ、上記気相室１４５ｂ内が窒素ガス等の緩衝ガス５で満たされている。
【００２９】
前記タンク１４５の前記液相室１４５ａは、ポンプ１４７を介して前記供給ヘッダ１４３Ｂに連結されている。前記回収ヘッダ１４４Ｂは、前記供給ヘッダ１４３Ａに連絡している。前記回収ヘッダ１４４Ａは、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａに連結されている。
【００３０】
このような本実施形態においては、前記除水容器１４１Ａ，１４１Ｂ等により、混合体流通手段を構成し、前記ポンプ１４７等により、水溶液供給手段を構成し、当該水溶液供給手段、前記タンク１４５、前記ダイヤフラム１４６等により、水溶液流通手段を構成している。
【００３１】
次に、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の作動を説明する。
【００３２】
前記ポンプ１４７を作動させると、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内から硫酸水溶液４が送出され、前記供給ヘッダ１４３Ｂを介して前記除水容器１４１Ｂ内の前記除水管１４２Ｂ内を流通して、前記回収ヘッダ１４４Ｂに一旦回収されてから、前記供給ヘッダ１４３Ａに送給され、前記除水容器１４１Ａ内の前記除水管１４２Ａ内を流通して、前記回収ヘッダ１４４Ａに回収された後、上記タンク１４５の上記液相室１４５ａ内に戻されて再貯留される。
【００３３】
他方、前記バルブ１２２を開放して前記酸素ガスボンベ１２１内の酸素ガス１を燃料電池本体１１１の酸化ガス供給口から前記スタックの内部へ送給すると共に、前記バルブ１３２を開放して前記水素ガスボンベ１３１内の水素ガス２を燃料電池本体１１１の燃料ガス供給口から前記スタックの内部へ送給すると、前記酸素ガス１が当該スタックの前記セルの酸化極へ送給されると共に、前記水素ガス２が当該スタックの前記セルの燃料極へ送給されることにより、当該ガス１，２が当該セルで電気化学的に反応して、電気を発生すると共に、水３を生成する。
【００３４】
前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸素ガス１は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記酸化ガス排出口から前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ａの内部に送給されて、前記除水管１４２Ａの外面（一方側）と接触するように当該除水容器１４１Ａの内部を流通することにより、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている上記除水管１４２Ａの内側と外側との浸透圧差によって、上記水３が当該除水管１４２Ａの内部に取り込まれて除水される。このとき、上記除水管１４２Ａ内を流通する硫酸水溶液４は、陽イオン交換樹脂を透過できないため、当該除水管１４２Ａ内から漏出することなく当該除水管１４２Ａ内を流通する。
【００３５】
また、前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記水素ガス２は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記燃料ガス排出口から前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ｂの内部に送給されて、前記除水管１４２Ｂの外面（一方側）と接触するように当該除水容器１４１Ｂの内部を流通することにより、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている上記除水管１４２Ｂの内側と外側との浸透圧差によって、上記水３が当該除水管１４２Ｂの内部に取り込まれて除水される。このとき、上記除水管１４２Ｂ内を流通する硫酸水溶液４は、陽イオン交換樹脂を透過できないため、上記除水管１４２Ｂ内から漏出することなく当該除水管１４２Ｂ内を流通する。
【００３６】
前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ａ内を流通することにより上記水３を取り除かれた上記酸素ガス１は、前記ブロア１２３により、当該除水容器１４１Ａから送出されて、前記酸素ガスボンベ１２１内から新たに送給された酸素ガス１と共に前記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００３７】
また、前記除水装置１４０の前記除水容器１４１Ｂ内を流通することにより上記水３を取り除かれた上記水素ガス２は、前記ブロア１３３により、当該除水容器１４１Ｂから送出されて、前記水素ガスボンベ１３１内から新たに送給された水素ガス２と共に前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００３８】
他方、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ内を流通して前記水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４は、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内に戻されて再び貯留される。ここで、当該硫酸水溶液４は、上記水３の上記取り込みによって、体積が次第に増加するものの、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、上記気相室１４５ｂの容積を縮小させるように前記緩衝ガス５を圧縮しながら上記液相室１４５ａの容積が体積変化に追従して拡大していくようになるので、気相を内部に取り込むことなく体積増加することができる。
【００３９】
したがって、本実施形態によれば、前記ガス１，２に水３が混在する混合体から当該水３を重力に関係なく取り除くことができるので、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離を利用した大掛かりな機構を適用せずに済み、省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化を図ることができる。
【００４０】
また、前記タンク１４５内が前記液相室１４５ａと前記気相室１４５ｂとに前記ダイヤフラム１４６で区分けされていることから、無重力空間や微小重力空間であっても、前記ポンプ１４７が気相を含むことなく硫酸水溶液４のみを送給することができるので、前記ポンプ１４７の吐出性能の低下を防止することができる。
【００４１】
なお、前記硫酸水溶液４は、上述したように、前記水３を取り込むことにより、体積が徐々に増加すると同時に、その硫酸濃度が次第に低下していくことから、前記除水管１４２Ａ，１４Ｂによる除水性能が徐々に低下するようになる。この除水性能の低下は、燃料電池本体１１１の発電性能や運転時間等によるが、通常、それほど大きな問題を生じることがない程度である。しかしながら、燃料電池本体１１１の発電性能や運転時間等によって、前記タンク１４５内の前記硫酸水溶液４の硫酸濃度の低下が大きくなってしまう場合には、例えば、前記タンク１４５を複数配設し、前記硫酸水溶液４の硫酸濃度が予め定められた下限値にまで低下したら、前記タンク１４５を切り換えて、フレッシュな硫酸水溶液４を新たに使用することにより、問題を生じることなく対応することが可能となる。
【００４２】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る除水装置及びこれを利用する燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図３，４に基づいて説明する。図３は、燃料電池発電システムの概略構成図、図４は、図３の除水装置の要部の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００４３】
図３，４Ａに示すように、前記燃料電池本体１１１の酸化ガス排出口は、混合体流通手段である角筒型の除水容器２４１Ａの一方の開口端面（図４Ａ中、左側）に連結されている。この除水容器２４１Ａの他方の開口端面（図４Ａ中、右側）は、前記ブロア１２３の受入口に連結されている。
【００４４】
前記除水容器２４１Ａ内の一方の開口端面側には、対向する一組の壁面（図４Ａにおいて、紙面垂直方向に位置する壁面）間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ａＡが、対向する他の組の壁面（図４Ａにおいて、上下方向に位置する壁面）間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられている。前記除水容器２４１Ａ内の他方の開口端面側には、対向する一組の壁面間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ｂＡが、対向する他の組の壁面間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられており、上記支持ステー２４８ａＡと上記支持ステー２４８ｂＡとは、当該除水容器２４１Ａの一方の開口端面と他方の開口端面とを結ぶ方向で同じ位置に位置しないように、対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で交互に位置している。
【００４５】
前記除水容器２４１Ａの内部には、水３を透過させることなく酸化ガス１を透過させる多孔質性のフッ素樹脂（例えば、米国ゴア社製「ゴアテックス（登録商標）」等）からなる分離膜２４９Ａが配設されており、当該分離膜２４９Ａは、当該除水容器２４１Ａの対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で蛇行するように前記支持ステー２４８ａＡ，２４８ｂＡに掛け渡されると共に、当該除水容器２４１Ａの壁面に周縁端が固着されている。
【００４６】
前記除水容器２４１Ａ内の他方の開口端面側の、前記分離膜２４９Ａの一方の開口端面側の面側には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管２４２Ａが当該除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面間を結ぶ方向に沿って長手方向を向けるようにして多数配設されており、当該除水管２４２Ａは、一端を当該除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の一方面にそれぞれ連結され、他端を当該除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の他方面にそれぞれ連結されている。
【００４７】
前記除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の一方面には、前記除水管２４２Ａの一端と連通する供給ヘッダ２４３Ａが取り付けられている。前記除水容器２４１Ａの対向する一組の壁面の他方面には、前記除水管２４２Ａの他端と連通する回収ヘッダ２４４Ａが取り付けられている。
【００４８】
図３，４Ｂに示すように、前記燃料電池本体１１１の燃料ガス排出口は、混合体流通手段である角筒型をなす除水容器２４１Ｂの一方の開口端面（図４Ｂ中、左側）に連結されている。この除水容器２４１Ｂの他方の開口端面（図４Ｂ中、右側）は、前記ブロア１３３の受入口に連結されている。
【００４９】
前記除水容器２４１Ｂ内の一方の開口端面側には、対向する一組の壁面（図４Ｂにおいて、紙面垂直方向に位置する壁面）間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ａＢが、対向する他の組の壁面（図４Ｂにおいて、上下方向に位置する壁面）間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられている。前記除水容器２４１Ｂ内の他方の開口端面側には、対向する一組の壁面間を橋渡す支持手段である支持ステー２４８ｂＢが、対向する他の組の壁面間に所定の間隔で複数位置するように取り付けられており、上記支持ステー２４８ａＢと上記支持ステー２４８ｂＢとは、当該除水容器２４１Ｂの一方の開口端面と他方の開口端面とを結ぶ方向で同じ位置に位置しないように、対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で交互に位置している。
【００５０】
前記除水容器２４１Ｂの内部には、水３を透過させることなく水素ガス２を透過させる多孔質性のフッ素樹脂（例えば、米国ゴア社製「ゴアテックス（登録商標）」等）からなる分離膜２４９Ｂが配設されており、当該分離膜２４９Ｂは、当該除水容器２４１Ｂの対向する他の組の壁面間を結ぶ方向で蛇行するように前記支持ステー２４８ａＢ，２４８ｂＢに掛け渡されると共に、当該除水容器２４１Ｂの壁面に周縁端が固着されている。
【００５１】
前記除水容器２４１Ｂ内の他方の開口端面側の、前記分離膜２４９Ｂの一方の開口端面側の面側には、陽イオン交換樹脂（例えば、米国デュポン社製「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子株式会社製「フレミオン（登録商標）」等）からなる隔離体である管状の除水管２４２Ｂが当該除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面間を結ぶ方向に沿って長手方向を向けるようにして多数配設されており、当該除水管２４２Ｂは、一端を当該除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の一方面にそれぞれ連結され、他端を当該除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の他方面にそれぞれ連結されている。
【００５２】
前記除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の一方面には、前記除水管２４２Ｂの一端と連通する供給ヘッダ２４３Ｂが取り付けられている。前記除水容器２４１Ｂの対向する一組の壁面の他方面には、前記除水管２４２Ｂの他端と連通する回収ヘッダ２４４Ｂが取り付けられている。
【００５３】
図３に示すように、前記供給ヘッダ２４３Ｂには、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａが前記ポンプ１４７を介して連結されている。前記回収ヘッダ２４４Ｂは、前記供給ヘッダ２４３Ａに連絡している。前記回収ヘッダ２４４Ａは、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａに連結されている。
【００５４】
つまり、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００は、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００において、前記除水装置１４０に代えて、上述したような構造を有する除水装置２４０を適用するようにしたものなのである。
【００５５】
このような本実施形態に係る燃料電池発電システム２００の作動を次に説明する。
【００５６】
前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記ポンプ１４７を作動させて、前記タンク１４５の前記液相室１４５ａ内から硫酸水溶液４を送出し、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１２２を開放して前記酸素ガスボンベ１２１から酸素ガス１を送出すると共に、前記バルブ１３２を開放して前記水素ガスボンベ１３１から水素ガス２を送出すると、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、上記ガス１，２が前記セルで電気化学的に反応して、電気を発生すると共に、水３を生成する。
【００５７】
前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記酸素ガス１は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した前記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記酸化ガス排出口から前記除水装置２４０の前記除水容器２４１Ａの一方の開口端面側より内部に送給される。
【００５８】
前記除水容器２４１Ａの内部に一方の開口端面側から送給された上記混合体は、上記酸素ガス１が、前記分離膜２４９Ａを透過して、当該除水容器２４１Ａの他方の開口端面側から送出される一方、上記水３が、前記分離膜２４９Ａを透過できずに、その流速により、前記除水管２４２Ａへ案内されるように当該分離膜２４９Ａ面上を当該除水容器２４１Ａの他方の開口端面側へ移動して、当該除水管２４２Ａの外面（一方側）と接触し、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている当該除水管２４２Ａの内側と外側との浸透圧差によって、当該除水管２４２Ａの内部に取り込まれる。
【００５９】
これにより、前記酸素ガス１は、水３が取り除かれて、前記ブロア１２３により、上記除水容器２４１Ａから送出され、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記酸素ガスボンベ１２１内から新たに送給された酸素ガス１と共に前記燃料電池本体１１１の酸化ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００６０】
また、前記セルで上記電気化学反応に寄与しなかった前記水素ガス２は、前記セルで上記電気化学反応に伴って生成した上記水３と混合体となって、前記燃料電池本体１１１の前記燃料ガス排出口から前記除水装置２４０の前記除水容器２４１Ｂの一方の開口端面側より内部に送給される。
【００６１】
前記除水容器２４１Ｂの内部に一方の開口端面側から送給された上記混合体は、上記水素ガス２が、前記分離膜２４９Ｂを透過して、当該除水容器２４１Ｂの他方の開口端面側から送出される一方、上記水３が、前記分離膜２４９Ｂを透過できずに、その流速により、前記除水管２４２Ｂへ案内されるように当該分離膜２４９Ｂ面上を当該除水容器２４１Ｂの他方の開口端面側へ移動して、前記除水管２４２Ｂの外面（一方側）と接触し、内部（他方側）に前記硫酸水溶液４を流通させている当該除水管２４２Ｂの内側と外側との浸透圧差によって、当該除水管２４２Ｂの内部に取り込まれる。
【００６２】
これにより、前記水素ガス２は、水３が取り除かれて、前記ブロア１３３により、上記除水容器２４１Ｂから送出され、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記水素ガスボンベ１３１内から新たに送給された水素ガス２と共に前記燃料電池本体１１１の燃料ガス受入口に再び供給されて再利用される。
【００６３】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の除水装置１４０においては、前記ガス１，２に水３が混在する混合体から前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂだけで当該水３を分離回収するようにしたが、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００の除水装置２４０においては、前記ガス１，２に水３が混在する混合体から前記分離膜２４９Ａ，２４９Ｂで分離されて案内されてきた当該水３を前記除水管２４２Ａ，２４２Ｂで回収するようにしたのである。
【００６４】
このため、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００の除水装置２４０においては、内部に前記硫酸水溶液４を流通させるために比較的嵩張ってしまう前記除水管２４２Ａ，２４２Ｂの数を前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の除水装置１４０の場合よりも少なくすることができる。
【００６５】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、さらに省スペース化を図ることができ、設置スペースの確保のさらなる容易化を図ることができる。
【００６６】
［他の実施形態］
なお、前述した各実施形態においては、タンク１４５の内部をダイヤフラム１４６によって液相室１４５ａと気相室１４５ｂとに仕切るようにしたが、他の実施形態として、例えば、タンクの内部の液相室を気相と仕切るように当該タンクの内部にピストンを移動可能に設けることや、可撓性を有する材料からなるブラダをタンクの内部に設けて、ブラダの内部を気相室とし、タンクとブラダとの間を液相室とすることも可能である。
【００６７】
また、前述した各実施形態においては、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂ内を流通して水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４を前記タンク１４５の液相室１４５ａ内に再び貯留して再利用する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、各種条件によっては、前記除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂ内を流通して水３を取り込んだ前記硫酸水溶液４を前記タンク１４５の液相室１４５ａ内に戻すことなく後処理して系外へ排出してしまうようにすることも可能である。
【００６８】
また、前述した各実施形態においては、酸素ガス１中の水３を取り除く前記除水容器１４１Ａ，２４１Ａと水素ガス２中の水３を取り除く前記除水容器１４１Ｂ，２４１Ｂとに同一のタンク１４５内の硫酸水溶液４を同一のポンプ１４７で供給するようにした除水装置１４０，２４０の場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、酸素ガス１中の水３を取り除く前記除水容器に供給する硫酸水溶液４を貯留するタンクと、水素ガス２中の水３を取り除く前記除水容器に供給する硫酸水溶液４を貯留するタンクとをそれぞれ個別に設けて、各タンクから各除水容器に個別のポンプによりそれぞれ独立して供給するようにした除水装置を適用することも可能である。
【００６９】
このような場合には、前述した各実施形態の場合よりも設置スペースを要してしまうものの、何らかの原因で前記除水管に損傷を生じて漏出を生じてしまったときでも、酸素ガス１と水素ガス２とのクロスリークを生じることがないので、前述した各実施形態の場合よりも安全性の確保を容易に実現することができる。
【００７０】
また、前述した各実施形態においては、除水管の内部に硫酸水溶液４を供給する一方、除水容器の内部に前記ガス１，２を流通させることにより、当該ガス１，２中の水３を硫酸水溶液４で除去する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、除水管の内部に前記ガス１，２を供給する一方、除水容器の内部に硫酸水溶液４を流通させることにより、当該ガス１，２中の水３を硫酸水溶液４で除去するようにすることも可能である。
【００７１】
また、前述した各実施形態においては、除水用水溶液として硫酸水溶液４を適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、燐酸水溶液や硝酸水溶液や酢酸等のような酸水溶液を始めとした、陽イオンとしてプロトン（Ｈ+）を生じる化合物を含有する水溶液であれば、前述した各実施形態の場合と同様に除水用水溶液として適用することが可能である。
【００７２】
また、前述した各実施形態においては、陽イオン交換樹脂からなる除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂを適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、陰イオン交換樹脂からなる管状の除水管を適用することも可能である。ただし、この場合には、除水用水溶液として、前記硫酸水溶液４に代えて、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のようなアルカリ水溶液を始めとした、陰イオンとしてヒドロキシイオン（ＯＨ-）を生じる化合物を含有する水溶液を適用する必要がある。
【００７３】
また、前述した各実施形態においては、隔離体として、管状をなす除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂを適用した場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、隔離体として、シート状をなす除水膜を適用し、除水容器の内部を一方側と他方側とに仕切るように当該除水膜を配設し、前記ガス１，２に水３が混在する混合体を当該除水膜の一方側の面に接触させるように上記除水容器の一方側に流通させ、除水用水溶液を上記除水膜の他方側の面に接触させるように上記除水容器の他方側に流通させることにより、上記混合体から水３を取り除くことも可能である。
【００７４】
しかしながら、前述した各実施形態のように、隔離体として、管状をなす除水管１４２Ａ，１４２Ｂ，２４２Ａ，２４２Ｂを適用すると、シート状をなす除水膜を適用した場合よりも表面積を大きくして省スペース化を図ることができるので、非常に好ましい。
【００７５】
また、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された酸素ガス１及び水素ガス２の両方から水３を取り除く除水装置１４０，２４０を備えた燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体１１１から排出された酸素ガス１及び水素ガス２のいずれか一方だけから水３を分離する燃料電池発電システムの場合には、酸素ガス１の排出系統及び水素ガス２の排出系統のいずれか一方にだけ適用することも可能である。このとき、水素ガス２の排出系統よりも酸素ガス１の排出系統の方が水３を多く排出するため、酸素ガス１の排出系統に設ける方が好ましい。
【００７６】
また、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２から水３を取り除いて燃料電池本体１１１に再び供給して再利用できるようにした燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２を当該燃料電池本体１１１に再び供給することなく燃焼等の後処理を施して系外へ排出する燃料電池発電システムの場合であっても、前述した各実施形態の場合と同様に適用することも可能である。
【００７７】
また、前述した各実施形態においては、酸化ガスとして酸素ガス１を利用して、燃料ガスとして水素ガス２を利用するようにした燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、酸化ガスとして空気を利用して、燃料ガスとして灯油や天然ガスを改質した改質ガスを利用する燃料電池発電システムであっても、燃料電池本体から排出された上記ガスに混在する水を取り除く必要がある場合には、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することも可能である。
【００７８】
また、前述した各実施形態においては、宇宙空間等のような外部と遮断されてしまう狭小で無重力又は微小重力の閉鎖空間で利用する燃料電池発電システム１００，２００の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、車両に搭載する移動用の燃料電池発電システムや、家庭等に設置する定置用の燃料電池発電システムであっても、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することも可能である。なお、このような場合には、前述した各実施形態におけるダイヤフラム１４６等のような液相室を気相と仕切るようにタンク１４５に設ける液相室変量手段を省略することが可能となる。
【００７９】
また、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１１から排出された前記ガス１，２から水３を分離する除水装置１４０．２４０の場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く場合であれば、前述した各実施形態の場合と同様にして適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る除水装置は、重力に関係なくガスから水を取り除くことができることから、例えば、これを燃料電池発電システムに利用すれば、無重力空間や微小重力空間であっても、遠心分離を利用した大掛かりな機構を適用せずに済み、省スペース化を図って、設置スペースの確保の容易化を図ることができるので、産業上、極めて有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１ 酸素ガス
２ 水素ガス
３ 水
４ 硫酸水溶液
５ 緩衝ガス
１００ 燃料電池発電システム
１１１ 燃料電池本体
１２１ 酸素ガスボンベ
１２２ バルブ
１２３ ブロア
１３１ 水素ガスボンベ
１３２ バルブ
１３３ ブロア
１４０ 除水装置
１４１Ａ，１４１Ｂ 除水容器
１４２Ａ，１４２Ｂ 除水管
１４３Ａ，１４３Ｂ 供給ヘッダ
１４４Ａ，１４４Ｂ 回収ヘッダ
１４５ タンク
１４５ａ 液相室
１４５ｂ 気相室
１４６ ダイヤフラム
１４７ ポンプ
２００ 燃料電池発電システム
２４０ 除水装置
２４１Ａ，２４１Ｂ 除水容器
２４２Ａ，２４２Ｂ 除水管
２４３Ａ，２４３Ｂ 供給ヘッダ
２４４Ａ，２４４Ｂ 回収ヘッダ
２４８ａＡ，２４８ａＢ，２４８ｂＡ，２４８ｂＢ 支持ステー
２４９Ａ，２４９Ｂ 分離膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、
陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、
前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、
前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段と
を備え、
前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、
前記混合体流通手段が、前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記混合体を接触させるように当該混合体を内部に流通させる除水容器を備え、
前記水溶液流通手段が、
前記除水用水溶液を前記除水管の内部に供給する水溶液供給手段と、
前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、
前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段と
を備えている
ことを特徴とする除水装置。
【請求項２】
ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、
陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、
前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、
前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段と
を備え、
前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、
前記水溶液流通手段が、
前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記除水用水溶液を接触させるように当該除水用水溶液を内部に流通させる除水容器と、
前記除水用水溶液を前記除水容器の内部に供給する水溶液供給手段と、
前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、
前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段と
を備え、
前記混合体流通手段が、前記混合体を前記除水管の内部に供給するものである
ことを特徴とする除水装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の除水装置において、
前記液相室変量手段が、前記タンク内に移動可能に設けられたピストン、又は、可撓性を有する材料からなるダイヤフラム若しくはブラダである
ことを特徴とする除水装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の除水装置において、
前記除水用水溶液が、酸水溶液又はアルカリ水溶液である
ことを特徴とする除水装置。
【請求項５】
酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、
前記燃料電池本体へ前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池本体へ前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と
を備えている燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体から排出された前記酸化ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方の当該ガスから水を取り除く請求項１から請求項４のいずれか一つの請求項に記載の除水装置を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記酸化ガスを前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスと共に当該燃料電池本体に供給する酸化ガス再利用手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記燃料ガスを前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスと共に当該燃料電池本体に供給する燃料ガス再利用手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか一つの請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項５から請求項８のいずれか一つの請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項１】
ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、
陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、
前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、
前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段と
を備え、
前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、
前記混合体流通手段が、前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記混合体を接触させるように当該混合体を内部に流通させる除水容器を備え、
前記水溶液流通手段が、
前記除水用水溶液を前記除水管の内部に供給する水溶液供給手段と、
前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、
前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段と
を備えている
ことを特徴とする除水装置。
【請求項２】
ガスに水が混在する混合体から当該水を取り除く除水装置であって、
陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂からなる隔離体と、
前記隔離体の一方側に前記混合体を接触させるように流通させる混合体流通手段と、
前記隔離体の他方側に除水用水溶液を接触させるように流通させる水溶液流通手段と
を備え、
前記隔離体が陽イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陽イオンとしてプロトンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が陰イオン交換樹脂からなるとき、前記除水用水溶液が、陰イオンとしてヒドロキシイオンを生じる化合物を含有するものであり、
前記隔離体が、前記イオン交換樹脂からなる管状の除水管であり、
前記水溶液流通手段が、
前記除水管を内部に配設されて当該除水管の外面に前記除水用水溶液を接触させるように当該除水用水溶液を内部に流通させる除水容器と、
前記除水用水溶液を前記除水容器の内部に供給する水溶液供給手段と、
前記水溶液供給手段で供給する前記除水用水溶液を貯留すると共に前記除水管と接触した前記除水用水溶液を再び貯留するタンクと、
前記除水用水溶液を貯留する液相室を気相と仕切るように前記タンクに設けられて当該除水用水溶液の体積変化に追従して当該液相室の容積を変量させる液相室変量手段と
を備え、
前記混合体流通手段が、前記混合体を前記除水管の内部に供給するものである
ことを特徴とする除水装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の除水装置において、
前記液相室変量手段が、前記タンク内に移動可能に設けられたピストン、又は、可撓性を有する材料からなるダイヤフラム若しくはブラダである
ことを特徴とする除水装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の除水装置において、
前記除水用水溶液が、酸水溶液又はアルカリ水溶液である
ことを特徴とする除水装置。
【請求項５】
酸素を含有する酸化ガスと水素を含有する燃料ガスとを電気化学的に反応させて電気を発生させる燃料電池本体と、
前記燃料電池本体へ前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池本体へ前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と
を備えている燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体から排出された前記酸化ガス及び前記燃料ガスの少なくとも一方の当該ガスから水を取り除く請求項１から請求項４のいずれか一つの請求項に記載の除水装置を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記酸化ガスを前記酸化ガス供給手段からの前記酸化ガスと共に当該燃料電池本体に供給する酸化ガス再利用手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体から排出されて前記除水装置で水を取り除かれた前記燃料ガスを前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスと共に当該燃料電池本体に供給する燃料ガス再利用手段を備えている
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか一つの請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記酸化ガス供給手段が、濃度９９％以上の酸素ガスを供給するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項５から請求項８のいずれか一つの請求項に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料ガス供給手段が、濃度９９％以上の水素ガスを供給するものである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３２２９７（Ｐ２０１２−２３２２９７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３５５２９（Ｐ２０１２−１３５５２９）
【出願日】平成２４年６月１５日（２０１２．６．１５）
【分割の表示】特願２００７−３１９２００（Ｐ２００７−３１９２００）の分割
【原出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１５日（２０１２．６．１５）
【分割の表示】特願２００７−３１９２００（Ｐ２００７−３１９２００）の分割
【原出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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