JP2006286439A - Fuel cell generator - Google Patents

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Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Takayuki Urata
隆行 浦田
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Junji Morita
純司 森田
Kiichi Shibata
礎一 柴田
Norihiko Kawabata
徳彦 川畑
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell generator that is improved in durability, by removing impurities contained in the oxidizer gas and suppressing deterioration due to impurities. <P>SOLUTION: The fuel cell generator comprises a fuel cell, an oxidizer gas supply means 4, an oxidizer gas purifying means 5 for removing the impurities contained in the oxidizer gas, an oxidizer gas passage switching means 6 which discharges to the atmosphere for a certain time the impurities adsorbed by the oxidizer gas purifying means 5, before starting of power generation, and supplies the oxidizer gas purified by the oxidizer gas purifying means 5 to the fuel cell during power generation, and a heating means 7 for heating the oxidizer gas purifying means 5. Since, among the impurities adsorbed by the oxidant gas purifying means 5, the impurities which have the possibility of being desorbed are heated by the heating means 7, prior to the starting of power generation and are desorbed; and by switching them to the atmosphere side by the oxidizer gas passage switching means 6 and discharging to the atmosphere, the oxidizer gas, which contains no impurities, is supplied to the fuel cell at power generation, thereby the durability of the fuel cell generator can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化剤ガス中に含まれる不純物による燃料電池の電圧低下の抑制または耐久性の向上を図った燃料電池発電装置に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell power generator that suppresses a decrease in voltage of a fuel cell due to impurities contained in an oxidant gas or improves durability.

従来の一般的な固体高分子電解質型燃料電池の構成および動作について図３を参照しながら説明する。図３において１は水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸からなる固体高分子電解質であり、電解質１の両面には一対の電極としてアノード２１およびカソード２２が形成されている。アノード２１およびカソード２２は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層を備えている。また、アノード２１およびカソード２２の周囲にはガスの混合やリークを防止する一対のガスケットが配置され、アノード２１に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給および排出し、カソード２２に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対の導電性のセパレータ板３１および３２で狭持されている。   The configuration and operation of a conventional general solid polymer electrolyte fuel cell will be described with reference to FIG. In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte made of perfluorocarbon sulfonic acid having hydrogen ion conductivity. An anode 21 and a cathode 22 are formed as a pair of electrodes on both surfaces of the electrolyte 1. The anode 21 and the cathode 22 have a catalyst layer made of a mixture of a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on porous carbon and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and air permeability and electronic conductivity laminated on the catalyst layer. A gas diffusion layer having a property is provided. A pair of gaskets for preventing gas mixing and leakage are disposed around the anode 21 and the cathode 22, a fuel gas containing at least hydrogen is supplied to and discharged from the anode 21, and an oxidizing agent containing at least oxygen is supplied to the cathode 22. It is sandwiched between a pair of conductive separator plates 31 and 32 having gas flow paths for supplying and discharging gas.

以上の構成からなる単セルを複数積層締結したものをスタックとし、単セルまたはスタックを総称して燃料電池とする。   A stack obtained by laminating a plurality of single cells having the above configuration is referred to as a stack, and the single cell or the stack is collectively referred to as a fuel cell.

アノード２１およびカソード２２にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して電子負荷を接続すると、アノード２１に供給された燃料ガス中に含まれる水素はアノード２１と電解質１の界面で電子を放って水素イオンとなる（化１）。   When the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the anode 21 and the cathode 22, respectively, and an electronic load is connected, the hydrogen contained in the fuel gas supplied to the anode 21 releases electrons at the interface between the anode 21 and the electrolyte 1 to generate hydrogen. It becomes an ion (Chemical formula 1).

（化１）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
水素イオンは電解質１を通ってカソード２２へと移動し、カソード２２と電解質１の界面で電子を受け取り、カソード２２に供給された酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応し、水を生成する（化２）。 (Chemical formula 1)
H 2 → 2H + + 2e −
The hydrogen ions move to the cathode 22 through the electrolyte 1, receive electrons at the interface between the cathode 22 and the electrolyte 1, react with oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode 22, and generate water ( 2).

（化２）
１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応を（化３）に示す。 (Chemical formula 2)
1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
The total reaction is shown in (Chemical Formula 3).

（化３）
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
このとき電子負荷を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用することができる。また、一連の反応は発熱反応であるため、反応熱および発生するジュール熱を熱エネルギーとして利用することができる。 (Chemical formula 3)
H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
At this time, the flow of electrons flowing through the electronic load can be used as DC electrical energy. Further, since the series of reactions is an exothermic reaction, reaction heat and generated Joule heat can be used as heat energy.

燃料ガスは、原料ガスを改質して供給される。原料ガスは脱硫部に供給され、付臭剤などに含まれる硫黄化合物が吸着除去（脱硫）される。そして、燃料処理部で改質され水素を含む燃料ガスとなり、燃料電池のアノード２１に供給される。燃料処理部は、メタンなどを改質する改質器と、発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成器と、さらにＣＯを除去するＣＯ除去器を備えている。   The fuel gas is supplied by reforming the raw material gas. The raw material gas is supplied to the desulfurization section, and sulfur compounds contained in the odorant and the like are removed by adsorption (desulfurization). Then, it is reformed in the fuel processing unit to become a fuel gas containing hydrogen, and is supplied to the anode 21 of the fuel cell. The fuel processing unit includes a reformer that reforms methane and the like, a CO converter that converts generated carbon monoxide (CO), and a CO remover that further removes CO.

原料ガスにメタンを用いた場合、改質器では、水蒸気を伴って（化４）で示した反応が起こり、水素とともに約１０％のＣＯが発生する。   When methane is used as the source gas, in the reformer, the reaction shown in (Chemical Formula 4) occurs with water vapor, and about 10% of CO is generated together with hydrogen.

（化４）
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
その後、発生したＣＯは（化５）で示すようにＣＯ変成器で二酸化炭素に酸化され、約５０００ｐｐｍまで減少する。後流のＣＯ除去器ではＣＯだけでなく、燃料ガスの水素まで酸化してしまうので、ＣＯ変成器でできるだけＣＯ濃度を低下させる必要がある。 (Chemical formula 4)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2
Thereafter, the generated CO is oxidized to carbon dioxide by a CO converter as shown in (Chemical Formula 5) and reduced to about 5000 ppm. Since the downstream CO remover oxidizes not only CO but also hydrogen of the fuel gas, it is necessary to reduce the CO concentration as much as possible with the CO converter.

（化５）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
さらに残ったＣＯは（化６）で示すようにＣＯ除去器で空気中に含まれる酸素と反応して酸化され、その濃度は約１０ｐｐｍ以下まで低下する。 (Chemical formula 5)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Further, the remaining CO is oxidized by reacting with oxygen contained in the air in the CO remover as shown in (Chemical Formula 6), and its concentration is reduced to about 10 ppm or less.

（化６）
ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２
全反応式を（化７）に示す。 (Chemical formula 6)
CO + 1 / 2O 2 → CO 2
The overall reaction formula is shown in (Chemical Formula 7).

（化７）
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２
燃料電池の動作温度域においてアノード２１に含まれる白金はＣＯにより被毒しその触媒活性が劣化するため、通常アノード２１には、白金−ルテニウムなどの耐ＣＯ性を有する触媒が用いられる。 (Chemical formula 7)
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2
Since platinum contained in the anode 21 is poisoned by CO and its catalytic activity deteriorates in the operating temperature range of the fuel cell, a catalyst having resistance to CO such as platinum-ruthenium is usually used for the anode 21.

また、酸化剤ガス中に不純物が存在すると、その不純物により、燃料電池の出力電圧が低下してしまう。例えば、塗料などに含まれるトルエンなどの有機物が不純物としてカソード２２に混入すると、触媒上で酸化剤ガス中に含まれる酸素と反応して、水素との反応を阻害するために一時的に燃料電池の出力電圧が低下する。また、排ガスなどに含まれている二酸化硫黄、温泉地などに多く含まれる硫化水素などの硫黄系化合物が不純物として混入すると、カソード２２に含まれる白金が被毒し、触媒活性が劣化してしまう。また、悪臭であるアンモニアが混入すると、酸性の電解質が中和されて、電解質のイオン伝導性が低下してしまう。また、大気塵などの粉塵が酸化剤ガス中に混入すると、セパレータ３１および３２のガス流路や、ガス拡散層などが目詰まりするために、ガスの拡散が阻害され一時的に電圧が低下することがある。したがって、酸化剤ガス中に含まれる燃料電池に悪影響を与える不純物を除去する必要がある。   In addition, when impurities are present in the oxidant gas, the output voltage of the fuel cell is lowered due to the impurities. For example, when an organic substance such as toluene contained in paint or the like is mixed into the cathode 22 as an impurity, the fuel cell temporarily reacts with oxygen contained in the oxidant gas on the catalyst to inhibit the reaction with hydrogen. Output voltage drops. Moreover, when sulfur compounds such as sulfur dioxide contained in exhaust gas and hydrogen sulfide contained in a lot of hot springs are mixed as impurities, platinum contained in the cathode 22 is poisoned and the catalytic activity is deteriorated. . Moreover, when ammonia which is offensive odor is mixed, the acidic electrolyte is neutralized and the ionic conductivity of the electrolyte is lowered. Further, when dust such as atmospheric dust is mixed in the oxidant gas, the gas flow paths of the separators 31 and 32, the gas diffusion layer, and the like are clogged, so that the gas diffusion is inhibited and the voltage temporarily decreases. Sometimes. Therefore, it is necessary to remove impurities that adversely affect the fuel cell contained in the oxidant gas.

従来は、例えば、三次元構造体にバインダーなどを用いて保持した活性炭などの吸着体粒子に空気中に含まれる不純物を吸着させて除去していた（特許文献１参照）。
特開２００３−２９７４１０号公報 Conventionally, for example, impurities contained in air are adsorbed and removed by adsorbent particles such as activated carbon held in a three-dimensional structure using a binder or the like (see Patent Document 1).
JP 2003-297410 A

しかしながら、前記従来の活性炭などの吸着体粒子に不純物を吸着させて除去する方法では、一旦吸着体に吸着されたトルエンなどの揮発性有機物は環境の温度変化などにより吸着体より脱着するために、酸化剤ガス中に不純物として混入し、電池電圧を一時的に低下させるという課題があった。   However, in the conventional method of adsorbing and removing impurities on adsorbent particles such as activated carbon, volatile organic substances such as toluene once adsorbed on the adsorbent are desorbed from the adsorbent due to environmental temperature changes, etc. There existed a subject that it mixes in an oxidizing agent gas as an impurity and reduces battery voltage temporarily.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電起動前に酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を一定時間大気に排出し、発電中は酸化剤ガス浄化手段で浄化された酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス流路切替手段と、酸化剤ガス浄化手段を加熱する加熱手段を備えることにより、揮発性有機物などの不純物の脱着による電池電圧の一時的な低下を防ぎ、耐久性に優れた燃料電池発電装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and discharges impurities adsorbed on the oxidant gas purification means to the atmosphere for a predetermined time before starting power generation, and the oxidant gas purified by the oxidant gas purification means during power generation. By providing oxidant gas flow path switching means for supplying the fuel cell to the fuel cell and heating means for heating the oxidant gas purification means, it is possible to prevent a temporary drop in battery voltage due to desorption of impurities such as volatile organic substances, and to be durable An object of the present invention is to provide a fuel cell power generator excellent in performance.

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池の発電起動前に酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を一定時間大気に排出し、発電中は前記酸化剤ガス浄化手段で浄化された酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス流路切替手段と、前記酸化剤ガス浄化手段を加熱する加熱手段を備えるものである。   In order to solve the conventional problem, the fuel cell power generator of the present invention exhausts impurities adsorbed to the oxidant gas purification means to the atmosphere for a certain period of time before starting the power generation of the fuel cell, and the oxidant gas during power generation. It comprises an oxidant gas flow path switching means for supplying the oxidant gas purified by the purification means to the fuel cell, and a heating means for heating the oxidant gas purification means.

これによって、環境の温度変化などにより脱着するおそれのある揮発性の有機物などの不純物を燃料電池の発電起動前に加熱手段により加熱して酸化剤ガス浄化手段より脱着させ、酸化剤ガス流路切替手段を切り替えて大気に排出するこができ、これらの不純物による発電中の電池電圧の低下を抑制することができる。   As a result, impurities such as volatile organic substances that may be desorbed due to environmental temperature changes, etc. are heated by the heating means before the power generation of the fuel cell is started and desorbed by the oxidant gas purification means, and the oxidant gas flow path is switched. The means can be switched and discharged to the atmosphere, and a decrease in battery voltage during power generation due to these impurities can be suppressed.

以上説明したように、本発明の燃料電池発電装置によれば、酸化剤ガス中に脱着するおそれのある揮発性の有機物などの不純物が存在しても、発電起動前にこれらの不純物を大気に排出するので、燃料電池の出力電圧の低下を抑制することができ、耐久性に優れた燃料電池発電装置を提供することができる。   As described above, according to the fuel cell power generation device of the present invention, even if impurities such as volatile organic substances that may be desorbed exist in the oxidant gas, these impurities are released into the atmosphere before power generation is started. Since it discharges | emits, the fall of the output voltage of a fuel cell can be suppressed, and the fuel cell power generator excellent in durability can be provided.

第１の発明は、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板を有する少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガスに含まれる不純物を除去する酸化剤ガス浄化手段と、発電起動前に前記酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を一定時間大気に排出し、発電中は前記酸化剤ガス浄化手段で浄化された酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス流路切替手段と、前記酸化剤ガス浄化手段を加熱する加熱手段を備え、酸化剤ガス浄化手段に吸着された不純物のうち、脱着するおそれのある不純物を発電起動前に加熱手段で加熱して酸化剤ガス浄化手段より脱着させ、酸化剤ガス流路切替手段を大気側へ切り替えて、大気に排出して、発電時に燃料電池に不純物が含まれない酸化剤ガスを供給するので、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図ることができる。   A first invention is a gas flow path for supplying and discharging an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes, and an oxidant gas containing at least oxygen to the other of the electrodes A fuel cell comprising at least one cell having a pair of separator plates, an oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas, and an oxidant gas purification means for removing impurities contained in the oxidant gas. The oxidant gas flow that discharges impurities adsorbed to the oxidant gas purification means to the atmosphere for a predetermined time before power generation is started and supplies the oxidant gas purified by the oxidant gas purification means to the fuel cell during power generation. A path switching unit and a heating unit that heats the oxidant gas purification unit, and out of impurities adsorbed on the oxidant gas purification unit, impurities that may be desorbed are heated before power generation is started. The oxidant gas purifying means is heated and desorbed, the oxidant gas flow path switching means is switched to the atmosphere side, discharged to the atmosphere, and the oxidant gas containing no impurities is supplied to the fuel cell during power generation. The durability of the fuel cell power generator can be improved.

また、加熱手段で酸化剤ガス浄化手段を加熱して、吸着された不純物を脱着しやすくすることにより、酸化剤ガス浄化手段の吸着サイトが活性化され、酸化剤ガス浄化手段を再生することができ、酸化剤ガス浄化手段の長寿命化を図ることができる。   Also, by heating the oxidant gas purification means with the heating means to facilitate the desorption of the adsorbed impurities, the adsorption site of the oxidant gas purification means is activated and the oxidant gas purification means can be regenerated. Thus, the life of the oxidant gas purification means can be extended.

第２の発明は、特に、第１の発明の酸化剤ガス流路切替手段を、発電停止時にも酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を一定時間大気に排出するように切り替えることにより、発電中に酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物のうち、脱着するおそれのある不純物を発電停止時に脱着させて大気へ排出し、発電起動前にも発電停止時に脱着しきれなかった不純物や、停止中に吸着してしまった不純物を脱着させ、大気へ排出することができ、酸化剤ガス浄化手段を再生して、次に発電する時に燃料電池に不純物が含まれない酸化剤ガスを供給するので、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図ることができる。   The second aspect of the invention is particularly during power generation by switching the oxidant gas flow path switching means of the first aspect of the invention so that the impurities adsorbed on the oxidant gas purification means are discharged to the atmosphere for a certain time even when power generation is stopped. Among the impurities adsorbed on the oxidant gas purification means, impurities that may be desorbed are desorbed when the power generation is stopped and discharged to the atmosphere, and impurities that could not be desorbed when the power generation was stopped before the power generation was started, Impurities that have been adsorbed can be desorbed and discharged to the atmosphere, and the oxidant gas purification means is regenerated and oxidant gas that does not contain impurities is supplied to the fuel cell the next time power is generated. The durability of the battery power generator can be improved.

第３の発明は、特に、第１の発明の加熱手段が、発電起動前に酸化剤ガス浄化手段を一定時間加熱した後、前記酸化剤ガス浄化手段の加熱を停止して冷却することにより、酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を容易に脱着させることができ、短時間に酸化剤ガス浄化手段を再生することができる。   In the third aspect of the invention, in particular, the heating means of the first aspect of the invention heats the oxidant gas purification means for a certain period of time before starting power generation, and then stops and cools the heating of the oxidant gas purification means, Impurities adsorbed on the oxidant gas purification means can be easily desorbed, and the oxidant gas purification means can be regenerated in a short time.

また、短時間で再生できるので、酸化剤ガス供給手段が酸化剤ガスを供給するのに要するエネルギーを減らすことができ、発電の効率を向上させることができる。   Moreover, since it can reproduce | regenerate in a short time, the energy required for an oxidant gas supply means to supply oxidant gas can be reduced, and the efficiency of electric power generation can be improved.

第４の発明は、特に、第１の発明の加熱手段が、発電停止時に酸化剤ガス浄化手段を一定時間加熱することにより、発電停止後の余熱を利用して酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を脱着させ大気に排出することができ、酸化剤ガス浄化手段を再生して、次に発電する時に燃料電池に不純物が含まれない酸化剤ガスを供給するので、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図ることができる。   In the fourth aspect of the invention, in particular, the heating means of the first aspect of the invention is adsorbed to the oxidant gas purification means using the remaining heat after the power generation is stopped by heating the oxidant gas purification means for a certain time when the power generation is stopped. Impurities can be desorbed and discharged to the atmosphere, and the oxidant gas purification means is regenerated, and the oxidant gas that does not contain impurities is supplied to the fuel cell when power is next generated. Can be improved.

第５の発明は、特に、第１の発明の加熱手段が電気ヒーター、冷却水、燃料電池のオフガス、空気および燃焼排ガスの内、少なくとも一つを利用することを特徴とするので、燃料電池発電装置の系内で加熱供給源をまかなうことができ、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。   The fifth invention is particularly characterized in that the heating means of the first invention uses at least one of an electric heater, cooling water, fuel cell off-gas, air and combustion exhaust gas. A heating supply source can be provided in the system of the apparatus, and the energy efficiency of the entire system can be improved.

第６の発明は、特に、第１の発明の酸化剤ガス浄化手段は、酸化剤ガス中に含まれる有機物を吸着する活性炭を含む活性炭フィルターを有し、活性炭は比表面積が大きく、有機物などの不純物ガスを効率よく吸着し、また、加熱することにより、吸着した不純物ガスを脱着して、再生することができ、不純物を含む酸化剤ガスを浄化して燃料電池に供給するので、不純物による電池電圧の低下を抑制し、耐久性の向上を図ることができる。   In particular, the oxidant gas purifying means of the first invention has an activated carbon filter including activated carbon that adsorbs organic matter contained in the oxidant gas, and the activated carbon has a large specific surface area, such as organic matter. By efficiently adsorbing and heating the impurity gas, the adsorbed impurity gas can be desorbed and regenerated, and the oxidant gas containing impurities is purified and supplied to the fuel cell. It is possible to suppress a decrease in voltage and improve durability.

第７の発明は、特に、第１の発明の酸化剤ガス浄化手段は、アルカリ性ガスを吸着あるいは吸収する酸を添着した活性炭を含むアルカリ性ガス除去フィルターを有し、活性炭で有機物などの不純物を吸着して除去するだけでなく、悪臭成分であるアンモニアなどのアルカリ性ガスを吸着あるいは吸収することができ、アンモニアなどのアルカリ性不純物ガスによる、電池電圧の低下や、膜の劣化を抑制することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。   In the seventh invention, in particular, the oxidizing gas purification means of the first invention has an alkaline gas removal filter including activated carbon impregnated with an acid that adsorbs or absorbs alkaline gas, and adsorbs impurities such as organic substances with activated carbon. In addition to removing it, it can adsorb or absorb an alkaline gas such as ammonia, which is a malodorous component, and can suppress a decrease in battery voltage and deterioration of the film due to an alkaline impurity gas such as ammonia. The durability of the fuel cell power generator can be improved.

第８の発明は、特に、第１の発明の酸化剤ガス浄化手段は、酸性ガスを吸着あるいは吸収するアルカリを添着した活性炭を含む酸性ガス除去フィルターを有し、活性炭で有機物などの不純物を吸着して除去するだけでなく、排ガスなどに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物、あるいは温泉地などに発生する硫化水素などの酸性ガスを吸着あるいは吸収することができ、酸性不純物ガスによる電池電圧の低下や、白金などの触媒の被毒による電極劣化を抑制することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。   In the eighth invention, in particular, the oxidant gas purification means of the first invention has an acidic gas removal filter including activated carbon impregnated with an alkali that adsorbs or absorbs acidic gas, and adsorbs impurities such as organic substances with activated carbon. In addition, it can adsorb or absorb acidic gases such as nitrogen oxides and sulfur oxides contained in exhaust gas and hydrogen sulfide generated in hot springs. It is possible to suppress electrode deterioration due to reduction or poisoning of a catalyst such as platinum, and to improve the durability of the fuel cell power generator.

第９の発明は、特に、第１の発明の酸化剤ガス浄化手段は、粉塵を除去するプレフィルターと、アルカリ性ガスを除去するアルカリ性ガス除去フィルターと、酸性ガスを除去する酸性ガス除去フィルターと、粉塵を除去する除塵フィルターを備え、酸化剤ガス中に含まれる様々な不純物を除去するので、これら不純物による電池電圧の低下や、燃料電池の劣化を抑制することができ、燃料電池発電装置の耐久性を向上させることができる。   In the ninth aspect of the invention, in particular, the oxidizing gas purification means of the first aspect of the invention includes a pre-filter for removing dust, an alkaline gas removal filter for removing alkaline gas, an acidic gas removal filter for removing acidic gas, Equipped with a dust removal filter that removes dust and removes various impurities contained in the oxidant gas, so it is possible to suppress battery voltage drop and fuel cell degradation due to these impurities, and durability of the fuel cell power generator Can be improved.

第１０の発明は、特に、第１の発明または第９の発明の酸化剤ガス浄化手段は、酸性ガス除去フィルターと、アルカリ性ガス除去フィルターの間にスペーサーを備え、アルカリ性の酸性ガス除去フィルターと酸性のアルカリ性ガス除去フィルターのお互いの接触を防ぐので、中和による各フィルターの除去性能劣化を防ぐことができる。   According to a tenth aspect of the invention, in particular, the oxidizing gas purifying means of the first or ninth aspect comprises a spacer between the acidic gas removal filter and the alkaline gas removal filter, and the alkaline acidic gas removal filter and the acidic gas removal means are provided. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the removal performance of each filter due to neutralization.

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment.

（実施の形態１）
図１は、本発明の燃料電池発電装置の構成図を示すものである。図１において、１は水素イオン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマからなる膜状の固体高分子電解質であり、電解質１の両面には一対の電極、アノード２１およびカソード２２が形成されている。電解質１は、水分を取り込むことにより、電解質１内のスルフォン酸基の水素イオンが解離して電荷担体となり、スルフォン酸基がいくつか凝集して形成される逆ミセル構造の中を通過することで水素イオン伝導性を示す。含水率が下がると電解質１の導電率が低下するため、ガスを加湿して供給し、電解質１膜の乾燥を防ぐ方法をとった。 (Embodiment 1)
FIG. 1 shows a configuration diagram of a fuel cell power generator according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a membrane-shaped solid polymer electrolyte made of a perfluorocarbon sulfonic acid polymer having hydrogen ion conductivity. A pair of electrodes, an anode 21 and a cathode 22 are formed on both surfaces of the electrolyte 1. When the electrolyte 1 takes in moisture, the hydrogen ions of the sulfonic acid groups in the electrolyte 1 are dissociated to become charge carriers, and the electrolyte 1 passes through a reverse micelle structure formed by aggregation of several sulfonic acid groups. Shows hydrogen ion conductivity. Since the electrical conductivity of the electrolyte 1 decreases when the water content decreases, a method of preventing the drying of the electrolyte 1 film by supplying the gas with humidification was adopted.

アノード２１およびカソード２２は、多孔質カーボンに白金などの貴金属を担持した触媒および水素イオン伝導性を有する高分子電解質との混合物からなる触媒層と、触媒層の上に積層した通気性および電子伝導性を有するガス拡散層からなる。アノード２１には、耐ＣＯ性を有する白金−ルテニウムなどの合金触媒を用いた。また、ガス拡散層には撥水処理を施したカーボンペーパーあるいはカーボンクロスを用いた。   The anode 21 and the cathode 22 have a catalyst layer made of a mixture of a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on porous carbon and a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and air permeability and electronic conductivity laminated on the catalyst layer. It consists of a gas diffusion layer having properties. For the anode 21, an alloy catalyst such as platinum-ruthenium having CO resistance was used. Moreover, carbon paper or carbon cloth subjected to water repellent treatment was used for the gas diffusion layer.

そして、アノード２１およびカソード２２の周囲にガスの混合やリークを防止する一対のガスケットをそれぞれ配置し、さらに、アノード２１およびカソード２２にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給および排出するガス流路を有する一対の導電性のセパレータ板３１および３２を用いて狭持した。以上のように構成される単セルが発生する電圧は約０．７５Ｖであり、必要とする電圧分の複数の単セルを直列に積層（スタック）して所望出力の燃料電池を形成することができる。   A pair of gaskets for preventing gas mixing and leakage are arranged around the anode 21 and the cathode 22, respectively, and further, gas flow paths for supplying and discharging fuel gas and oxidant gas to the anode 21 and the cathode 22, respectively. The pair of conductive separator plates 31 and 32 having the pair was sandwiched. The voltage generated by the single cell configured as described above is about 0.75 V, and a plurality of single cells corresponding to the required voltage can be stacked in series to form a fuel cell with a desired output. it can.

また、セパレータ板３１および３２の両端には集電板と、絶縁板および端板を配置し、締結ロッドで固定した。そして、集電板に電子負荷および電圧検出部を接続し、一定電流を流したときの燃料電池の電圧を検出できる構成とした。   In addition, current collector plates, insulating plates, and end plates were disposed at both ends of the separator plates 31 and 32 and fixed with fastening rods. And it was set as the structure which can detect the voltage of a fuel cell when an electronic load and a voltage detection part are connected to the current collecting plate, and a fixed electric current is sent.

また、脱硫したメタン、エタン、プロパンおよびブタンを主成分とする都市ガス１３Ａなどを改質する改質器と、発生するＣＯを変成するＣＯ変成器と、残ったＣＯをさらに除去するＣＯ除去器からなる燃料処理部を備え、改質反応により生成した水素ガスを含む燃料ガスを燃料電池に供給する構成とした。   In addition, a reformer for reforming desulfurized methane, ethane, propane and butane as a main component such as city gas 13A, a CO converter for transforming generated CO, and a CO remover for further removing the remaining CO And a fuel gas containing hydrogen gas generated by the reforming reaction is supplied to the fuel cell.

本発明の燃料電池発電装置は、一般家庭や、店舗、工場などに設置されるが、このような環境の大気中には、溶剤、塗料、建材などから発生する様々な有機不純物ガスが存在している。これらの多くは活性炭などの吸着体により物理吸着することができるが、一般に揮発性が高いので、燃料電池が起動停止する周囲の環境温度により脱離し、吸着していた有機不純物ガスが脱着するおそれがある。   The fuel cell power generator of the present invention is installed in ordinary households, stores, factories, etc., but various organic impurity gases generated from solvents, paints, building materials, etc. exist in the atmosphere of such an environment. ing. Many of these can be physically adsorbed by an adsorbent such as activated carbon, but generally they are highly volatile, so they may be desorbed by the ambient temperature at which the fuel cell starts and stops, and the adsorbed organic impurity gases may be desorbed. There is.

本発明の実施の形態では、酸化剤ガスは、大気からファンやポンプおよび空気ブロワなどの酸化剤ガス供給手段４より取り込み、流量制御手段により所定の流量で供給され、酸化剤ガス供給手段４とカソード２２入口の間に配置した酸化剤ガス浄化手段５により、酸化剤ガス中に含まれる各種不純物が浄化された後、燃料電池のカソード２２に供給される構成とし、さらに、酸化剤ガス浄化手段５に吸着した有機不純物ガスを脱着させ、発電起動前に大気に排出する酸化剤ガス流路切替手段６と、酸化剤ガス浄化手段５に吸着した有機不純物ガスの脱着を促進させるための加熱手段７を配置した。   In the embodiment of the present invention, the oxidant gas is taken from the oxidant gas supply means 4 such as a fan, a pump and an air blower from the atmosphere, and is supplied at a predetermined flow rate by the flow rate control means. The oxidant gas purification means 5 disposed between the inlets of the cathode 22 purifies various impurities contained in the oxidant gas and then supplies them to the cathode 22 of the fuel cell. 5, an oxidant gas flow path switching unit 6 that desorbs the organic impurity gas adsorbed on 5 and discharges it to the atmosphere before starting power generation, and a heating unit that promotes desorption of the organic impurity gas adsorbed on the oxidant gas purification unit 5. 7 was placed.

上記構成によれば、酸化剤ガス浄化手段５に吸着された不純物のうち、脱着するおそれのある不純物を発電起動前に加熱手段７で加熱して酸化剤ガス浄化手段５より脱着させ、酸化剤ガス流路切替手段６を大気側へ切り替えて、大気に排出して、発電時に燃料電池に不純物が含まれない酸化剤ガスを供給するので、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図ることができる。   According to the above configuration, of the impurities adsorbed on the oxidant gas purification means 5, impurities that may be desorbed are heated by the heating means 7 before the start of power generation and desorbed from the oxidant gas purification means 5, thereby The gas flow path switching means 6 is switched to the atmosphere side, discharged to the atmosphere, and an oxidant gas containing no impurities is supplied to the fuel cell during power generation, so that the durability of the fuel cell power generator can be improved. it can.

また、加熱手段７で酸化剤ガス浄化手段５を加熱して、吸着された不純物を脱着しやすくすることにより、酸化剤ガス浄化手段５の吸着サイトが活性化され、酸化剤ガス浄化手段５を再生することができ、酸化剤ガス浄化手段５の長寿命化を図ることができる。また、加熱することにより、酸化剤ガス浄化手段５を短時間で再生することができるので、酸化剤ガス供給手段４が酸化剤ガスを供給するのに要するエネルギーを減らすことができ、発電の効率を向上させることができる。   Further, the oxidant gas purification means 5 is heated by the heating means 7 so that the adsorbed impurities are easily desorbed, whereby the adsorption site of the oxidant gas purification means 5 is activated, and the oxidant gas purification means 5 is activated. It can be regenerated and the life of the oxidant gas purification means 5 can be extended. Moreover, since the oxidant gas purification means 5 can be regenerated in a short time by heating, the energy required for the oxidant gas supply means 4 to supply the oxidant gas can be reduced, and the power generation efficiency can be reduced. Can be improved.

さらに、本発明の実施の形態は、発電停止後の余熱を利用して、酸化剤ガス流路切替手段６を、発電停止時にも酸化剤ガス浄化手段５に吸着した不純物を一定時間大気に排出するように切り替えることにより、発電中に酸化剤ガス浄化手段５に吸着した不純物のうち、脱着するおそれのある不純物を発電停止時に脱着させて大気へ排出し、発電起動前にも発電停止時に脱着しきれなかった不純物や、停止中に吸着してしまった不純物を脱着させ、大気へ排出することができ、酸化剤ガス浄化手段５を再生して、次に発電する時に燃料電池に不純物が含まれない酸化剤ガスを供給するので、燃料電池発電装置の耐久性の向上を図ることができる。   Furthermore, according to the embodiment of the present invention, the remaining heat after power generation is stopped, and the oxidant gas flow path switching unit 6 discharges impurities adsorbed on the oxidant gas purification unit 5 to the atmosphere for a certain period of time even when power generation is stopped. By switching so that impurities that are adsorbed to the oxidant gas purification means 5 during power generation are desorbed when the power generation is stopped and discharged to the atmosphere. Impurities that could not be exhausted and impurities that were adsorbed during stoppage can be desorbed and discharged to the atmosphere. When the oxidant gas purification means 5 is regenerated and the next power generation, the fuel cell contains impurities. Since the oxidant gas is supplied, the durability of the fuel cell power generator can be improved.

本発明の実施の形態の加熱手段７には、電気ヒーターを用いたが、電気ヒーター以外にもスタックを冷却する冷却水、燃料電池のオフガス、熱交換した空気および燃焼排ガスの内、少なくとも一つを利用することができ、燃料電池発電装置の系内で加熱供給源をまかなうので、システム全体のエネルギー効率を高めることができる。   The heating means 7 of the embodiment of the present invention uses an electric heater, but besides the electric heater, at least one of cooling water for cooling the stack, fuel cell off-gas, heat-exchanged air, and combustion exhaust gas is used. Since the heating supply source is provided within the fuel cell power generation system, the energy efficiency of the entire system can be increased.

また、大気中には有機不純物ガス以外にも、生ゴミ、トイレ、病院などから発生する悪臭に含まれるアンモニア、硫化水素、自動車などの排ガスに含まれる二酸化硫黄、二酸化窒素、工場などから排出される塩化水素、フッ化水素など様々な不純物が含まれている可能性がある。   In addition to organic impurity gases, the atmosphere emits ammonia, hydrogen sulfide, sulfur dioxide and nitrogen dioxide contained in exhaust gas from automobiles, etc., from plants, etc. There may be various impurities such as hydrogen chloride and hydrogen fluoride.

本発明の実施の形態では、酸化剤ガス浄化手段５は、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、酸化剤ガス供給手段などから発生する粉塵などの粒子状物質を除去するプレフィルターと、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物を除去する酸性ガス除去フィルターと、大気中に含まれている可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物を除去するアルカリ性ガス除去フィルターと、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、前段の酸性ガス除去フィルターおよびアルカリ性ガス除去フィルター自身から発生する粉塵などの粒子状物質を除去する除塵フィルターと、酸性ガス除去フィルターと、アルカリ性ガス除去フィルターが接触しないように設けたスペーサーからなり、これらのフィルターは、筐体内に収納され、クリーンな大気をカソード２２に導くように配管されている。   In the embodiment of the present invention, the oxidant gas purification means 5 includes a prefilter that removes particulate matter such as dust contained in the atmosphere, and particulate matter such as dust generated from the oxidant gas supply means. , Acid gas removal filters that remove acidic impurities such as hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, hydrogen chloride, and hydrogen fluoride, and alkaline impurities such as ammonia and trimethylamine that may be present in the atmosphere Alkaline gas removal filter, particulate matter such as dust contained in the atmosphere, dust removal filter that removes particulate matter such as dust generated from acid gas removal filter and alkaline gas removal filter in the previous stage, and acid gas removal It consists of a spacer provided so that the filter does not come into contact with the alkaline gas removal filter. Luo filter, is housed in a casing, which is a pipe to direct the clean air to the cathode 22.

また、酸性ガス除去フィルターと、アルカリ性ガス除去フィルターおよび除塵フィルターの周囲には緩衝材を設け、緩衝材を介して筐体に収納した。これにより、気密性が向上し、処理する酸化剤ガスがフィルター周囲から回りこむために起こる不純物のリークを防止することができ、各種フィルターの除去性能を向上させることができる。   In addition, a buffer material was provided around the acid gas removal filter, the alkaline gas removal filter, and the dust removal filter, and the buffer material was stored in the housing via the buffer material. Thereby, airtightness improves, the leak of the impurity which arises because the oxidant gas to process flows around from the filter periphery can be prevented, and the removal performance of various filters can be improved.

また、スペーサーは、腐食しない樹脂などの材料で構成し、圧力損失が上がらないように通気口を形成した。また、スペーサーは、酸性ガス除去フィルターとアルカリ性ガス除去フィルターを接触させないので、酸性ガス除去フィルターに添着したアルカリとアルカリ性ガス除去フィルターに添着した酸が中和反応を起こして互いの除去性能が劣化するのを防止することができる。   The spacer was made of a material such as a resin that does not corrode, and a vent was formed so as not to increase pressure loss. In addition, since the spacer does not contact the acid gas removal filter and the alkaline gas removal filter, the alkali attached to the acid gas removal filter and the acid attached to the alkaline gas removal filter cause a neutralization reaction and the mutual removal performance deteriorates. Can be prevented.

大気より取り込まれた酸化剤ガスは、最初にプレフィルターを通過し、次いで酸性ガス除去フィルター、スペーサーを介して、アルカリ性ガス除去フィルターを通って、最後に除塵フィルターを通って、含まれる各種不純物の濃度を低減させる。   The oxidant gas taken in from the atmosphere first passes through the pre-filter, then passes through the acid gas removal filter and spacer, passes through the alkaline gas removal filter, and finally passes through the dust removal filter. Reduce concentration.

プレフィルターは、ポリプロピレンなどからなる繊維を帯電させた後、不織布に織ったものを用いた。プレフィルターは、静電気を帯びた繊維一本一本が酸化剤ガス中に含まれる粉塵だけでなく、前段に配置される酸化剤ガス供給手段４から発生する粉塵や粒子状物質も除去する。また、酸性ガス除去フィルター、アルカリ性ガス除去フィルターの除去性能を保持するだけでなく、除塵フィルターの負荷を軽減するので除塵フィルターの寿命を延ばすことができる。   As the prefilter, a fiber made of polypropylene or the like was charged and then woven into a nonwoven fabric. The prefilter removes not only dust in which each of the electrostatically charged fibers is contained in the oxidant gas, but also dust and particulate matter generated from the oxidant gas supply means 4 arranged in the preceding stage. In addition to maintaining the removal performance of the acid gas removal filter and alkaline gas removal filter, the load of the dust removal filter is reduced, so the life of the dust removal filter can be extended.

酸性ガス除去フィルターは、酸性不純物を吸収するアルカリとして水酸化カルシウムを用い、活性炭と、硬化剤を混練して、造粒した後、ハニカム型に成型して得た。硬化剤には焼石膏を用いた。焼石膏は水と混合すると硫酸カルシウムとなり、凝結硬化する。水酸化カルシウムは、二酸化窒素や、二酸化硫黄などの酸性不純物とそれぞれ（化８）および（化９）で示すように反応してそれぞれ硝酸カルシウムおよび硫酸カルシウムをフィルター上に固定して化学吸着させる。   The acid gas removal filter was obtained by using calcium hydroxide as an alkali that absorbs acidic impurities, kneading activated carbon and a curing agent, granulating, and molding into a honeycomb type. Calcined gypsum was used as the curing agent. When calcined gypsum is mixed with water, it becomes calcium sulfate and hardens. Calcium hydroxide reacts with acidic impurities such as nitrogen dioxide and sulfur dioxide as shown in (Chemical Formula 8) and (Chemical Formula 9), respectively, to fix calcium nitrate and calcium sulfate on the filter and chemically adsorb them.

（化８）
４ＮＯ２＋２Ｃａ（ＯＨ）２→Ｃａ（ＮＯ２）２＋Ｃａ（ＮＯ３）２＋Ｈ２Ｏ
（化９）
ＳＯ２＋Ｃａ（ＯＨ）２→ＣａＳＯ４・１／２Ｈ２Ｏ＋１／２Ｈ２Ｏ
したがって、単に吸着するのではなく、不純物とアルカリを反応させてフィルター上に固定するので、濃度や温度により脱着するようなことがなくなり、脱着した高濃度の不純物が燃料電池に混入して電池性能を劣化させることを防ぐことができる。また、多孔質な活性炭を用いるので、トルエン、メチルエチルケトン、トリクロロエチレンなどの有機溶剤も吸着することができ、これらの不純物による電池性能の低下も抑制することができる。また、ハニカム型の構造体とすることにより、反応面積を大きくすることができる。また、導入する酸化剤ガスのフィルターによる圧力損失を下げることができ、フィルターの目詰まりも抑制するので、酸化剤ガス供給手段４の負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。 (Chemical Formula 8)
4NO 2 + 2Ca (OH) 2 → Ca (NO 2 ) 2 + Ca (NO 3 ) 2 + H 2 O
(Chemical 9)
SO 2 + Ca (OH) 2 → CaSO 4 · 1 / 2H 2 O + 1 / 2H 2 O
Therefore, instead of simply adsorbing, impurities and alkali are reacted and fixed on the filter, so there is no desorption depending on the concentration or temperature, and the desorbed high-concentration impurities are mixed into the fuel cell. Can be prevented from deteriorating. Moreover, since porous activated carbon is used, organic solvents, such as toluene, methyl ethyl ketone, and trichloroethylene, can also be adsorbed, and the deterioration of battery performance due to these impurities can be suppressed. In addition, the reaction area can be increased by using a honeycomb structure. In addition, the pressure loss due to the filter of the oxidant gas to be introduced can be reduced, and the clogging of the filter can be suppressed, so that the load of the oxidant gas supply means 4 is not affected and the power generation efficiency is kept high. be able to.

アルカリ性ガス除去フィルターは、繊維状の活性炭シートにアルカリ性不純物の吸収剤として一定濃度に調整したリン酸溶液を含浸させ、分離して、乾燥して、さらにシートをコルゲート型に加工した。リン酸は活性炭繊維の表面に固定され、アンモニアなどのアルカリ性不純物と（化１０）で示すように反応して生成したリン酸アンモニウムを活性炭繊維の表面に固定して化学吸着させる。   For the alkaline gas removal filter, a fibrous activated carbon sheet was impregnated with a phosphoric acid solution adjusted to a certain concentration as an absorbent for alkaline impurities, separated and dried, and the sheet was further processed into a corrugated type. Phosphoric acid is fixed on the surface of the activated carbon fiber, and ammonium phosphate generated by reacting with an alkaline impurity such as ammonia as shown in (Chemical Formula 10) is fixed on the surface of the activated carbon fiber and chemically adsorbed.

（化１０）
ＮＨ３＋Ｈ３ＰＯ４→（ＮＨ４）３ＰＯ４
したがって、単に吸着するのではなく、不純物と添着物質を反応させてフィルター上に固定するので、濃度や温度により脱着するようなことがなくなり、脱着した不純物が燃料電池に混入して電池性能を劣化させることを防ぐことができる。また、多孔質な活性炭を用いるので、トルエン、メチルエチルケトン、トリクロロエチレンなどの有機溶剤も吸着することができ、これらの不純物による電池性能の低下も抑制することができる。また、繊維状の活性炭を用いることにより、軽量化を図ることができるだけでなく、形状やサイズの自由度が増し、かけや割れといった破損をなくすことができる。また、コルゲート型の構造体とすることにより、反応面積を大きくすることができる。また、導入する酸化剤ガスのフィルターによる圧力損失を下げることができ、フィルターの目詰まりも抑制するので、酸化剤ガス供給手段４などの負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。 (Chemical formula 10)
NH 3 + H 3 PO 4 → (NH 4 ) 3 PO 4
Therefore, it does not simply adsorb, but reacts with impurities and adhering substances and is fixed on the filter, so there is no desorption depending on the concentration or temperature, and the desorbed impurities are mixed into the fuel cell, degrading cell performance. Can be prevented. Moreover, since porous activated carbon is used, organic solvents, such as toluene, methyl ethyl ketone, and trichloroethylene, can also be adsorbed, and the deterioration of battery performance due to these impurities can be suppressed. Further, by using fibrous activated carbon, not only can the weight be reduced, but the degree of freedom in shape and size can be increased, and breakage such as cracks and cracks can be eliminated. In addition, the reaction area can be increased by using a corrugated structure. In addition, the pressure loss due to the filter of the oxidant gas to be introduced can be reduced and the clogging of the filter is suppressed, so that the load on the oxidant gas supply means 4 etc. is not affected and the power generation efficiency is kept high. can do.

除塵フィルターは、ポリプロピレンなどからなる繊維を帯電させた後、プレフィルターより目付量を増やして織った不織布をプリーツ状にして、枠に固定して作製した。静電気を帯びた繊維一本一本がクーロン力や誘起力の作用で、空気中に浮遊するミクロの粉塵を引き付け吸着するので、大気中の粉塵などの粒子状物質および前段の酸性ガス除去フィルターやアルカリ性ガス除去フィルター自身から発生する粉塵などの粒子状物質を効率よく除去することができる。   The dust removal filter was prepared by charging a fiber made of polypropylene or the like, then increasing the basis weight of the prefilter to form a woven nonwoven fabric in a pleated shape and fixing it to a frame. Each electrostatically charged fiber attracts and adsorbs microscopic dust suspended in the air by the action of Coulomb force and induced force, so particulate matter such as dust in the atmosphere and acid gas removal filter in the previous stage Particulate matter such as dust generated from the alkaline gas removal filter itself can be efficiently removed.

上記のフィルター構成により、大気中に存在する可能性のある各種有機ガス不純物、アンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物、さらに大気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物を除去して、燃料電池への混入を防止するので、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン伝導性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。   With the above filter configuration, various organic gas impurities that may exist in the atmosphere, alkaline impurities such as ammonia and trimethylamine, acidic impurities such as hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen dioxide, hydrogen chloride, and hydrogen fluoride, and the atmosphere Removes particulate impurities such as dust contained in the fuel cell to prevent its entry into the fuel cell, preventing poisoning of the catalyst and ion conductivity due to these impurities, and suppressing a decrease in battery voltage. be able to.

また、フィルター全体の通気抵抗も非常に少なく、フィルターによる圧力損失は１００Ｐａ程度であり、酸化剤ガス供給手段４などの負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。   Further, the ventilation resistance of the entire filter is very small, the pressure loss due to the filter is about 100 Pa, and the power generation efficiency can be kept high without affecting the load of the oxidant gas supply means 4 and the like.

上記構成の燃料電池発電装置を用いて、加熱手段７で酸化剤ガス浄化手段５より脱着した有機不純物ガスを酸化剤ガス流路切替手段６を用いて、燃料電池のカソード２２に供給しない場合と、供給した場合について電圧の挙動を確認した。   When the fuel cell power generation apparatus having the above configuration is used, the organic impurity gas desorbed from the oxidant gas purification means 5 by the heating means 7 is not supplied to the cathode 22 of the fuel cell by using the oxidant gas flow path switching means 6. The behavior of the voltage was confirmed when supplied.

まず、発電起動前に加熱手段７の電気ヒーターを通電して酸化剤ガス浄化手段５を一定時間加熱し、吸着していた有機不純物ガスを脱離させ、酸化剤ガス流路切替手段６を大気排気側へ切り替え、酸化剤ガス供給手段４で大気を導入し、脱着した有機不純物ガスを大気へと放出した。加熱手段７は一定時間加熱後、停止し冷却した。   First, before the power generation is started, the electric heater of the heating means 7 is energized to heat the oxidant gas purification means 5 for a certain period of time to desorb the adsorbed organic impurity gas, and the oxidant gas flow path switching means 6 is set to the atmosphere. Switching to the exhaust side, the atmosphere was introduced by the oxidant gas supply means 4, and the desorbed organic impurity gas was released to the atmosphere. The heating means 7 was stopped and cooled after heating for a certain time.

次に、酸化剤ガス流路切替手段６をカソード２２側へ切り替え、実際に使用される燃料電池発電装置の周囲環境温度を想定し、本来は停止している加熱手段７を作動させ、酸化剤ガス浄化手段５の温度を上昇させて、カソード２２に酸化剤ガスを加湿して所定量供給した。約２０％の二酸化炭素が含まれている燃料ガスをアノード２１に供給し、セル温度約７０℃、燃料ガス利用率約７５％、酸化剤ガス利用率約４０％とし、電子負荷により電極面積に対して約０．２Ａ／ｃｍ２の一定電流を流したとき、燃料電池に接続した電圧検出部で検出した電池電圧は約０．７５Ｖで安定していた。 Next, the oxidant gas flow path switching means 6 is switched to the cathode 22 side, the ambient temperature of the fuel cell power generator actually used is assumed, the heating means 7 that is originally stopped is operated, and the oxidant gas The temperature of the gas purification means 5 was raised, and the oxidant gas was humidified and supplied to the cathode 22 in a predetermined amount. A fuel gas containing about 20% carbon dioxide is supplied to the anode 21 so that the cell temperature is about 70 ° C., the fuel gas utilization rate is about 75%, and the oxidant gas utilization rate is about 40%. On the other hand, when a constant current of about 0.2 A / cm 2 was passed, the cell voltage detected by the voltage detector connected to the fuel cell was stable at about 0.75 V.

一方、発電起動前の加熱を止め、有機不純物ガスが吸着している酸化剤ガス浄化手段５を同様にして加熱し、酸化剤ガス流路切替手段６をカソード２２側にして、再び発電を行ったとき、電圧が大きく振動し、最大で電池電圧がは約０．７４Ｖまで低下した。試験結果を図２にしめす。図２より、発電起動前に加熱手段７により酸化剤ガス浄化手段５に吸着された有機不純物ガスを脱着させることにより、発電中の電圧の有機不純物ガスによる低下や振動を抑制できることが判った。   On the other hand, heating before starting power generation is stopped, the oxidant gas purification means 5 on which the organic impurity gas is adsorbed is heated in the same manner, and the oxidant gas flow path switching means 6 is set to the cathode 22 side to generate power again. The voltage oscillated greatly and the battery voltage dropped to about 0.74 V at the maximum. The test results are shown in FIG. From FIG. 2, it was found that by reducing the organic impurity gas adsorbed to the oxidant gas purification means 5 by the heating means 7 before starting the power generation, it is possible to suppress a decrease in voltage and vibration due to the organic impurity gas during power generation.

本発明の燃料電池発電装置は、不純物による劣化の抑制または耐久性の向上という効果を有し、高分子型固体電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。   The fuel cell power generator of the present invention has an effect of suppressing deterioration due to impurities or improving durability, and is useful for a power generator and a device using a polymer solid electrolyte membrane.

また、悪臭、排気ガスなど不純物が存在する可能性のある屋外に設置される定置用燃料電池コジェネレーションシステムに有用である。   Moreover, it is useful for a stationary fuel cell cogeneration system installed outdoors where impurities such as bad odor and exhaust gas may exist.

本発明の実施の形態の燃料電池発電装置の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generator according to an embodiment of the present invention. 同装置の電池電圧特性図Battery voltage characteristics of the device 従来の燃料電池発電装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a conventional fuel cell power generator

符号の説明Explanation of symbols

１ 電解質
４ 酸化剤ガス供給手段
５ 酸化剤ガス浄化手段
６ 酸化剤ガス流路切替手段
７ 加熱手段
２１ 電極（アノード）
２２ 電極（カソード）
３１、３２ セパレータ板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 4 Oxidant gas supply means 5 Oxidant gas purification means 6 Oxidant gas flow path switching means 7 Heating means 21 Electrode (anode)
22 electrode (cathode)
31, 32 Separator plate

Claims (10)

電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に少なくとも水素を含む燃料ガスを供給排出し、他方に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対のセパレータ板を有する少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガスに含まれる不純物を除去する酸化剤ガス浄化手段と、発電起動前に前記酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を一定時間大気に排出し、発電中は前記酸化剤ガス浄化手段で浄化された酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス流路切替手段と、前記酸化剤ガス浄化手段を加熱する加熱手段を備えてなる燃料電池発電装置。 A pair of separator plates having an electrolyte, a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, and a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas containing at least hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas containing at least oxygen to the other A fuel cell comprising at least one cell, oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas, oxidant gas purification means for removing impurities contained in the oxidant gas, and Oxidant gas flow path switching means for discharging impurities adsorbed on the oxidant gas purification means to the atmosphere for a certain period of time, and supplying the oxidant gas purified by the oxidant gas purification means to the fuel cell during power generation, A fuel cell power generator comprising heating means for heating the oxidant gas purification means. 酸化剤ガス流路切替手段は、発電停止時に酸化剤ガス浄化手段に吸着した不純物を一定時間大気に排出する請求項１に記載の燃料電池発電装置。 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the oxidant gas flow path switching unit discharges impurities adsorbed by the oxidant gas purification unit to the atmosphere for a predetermined time when power generation is stopped. 加熱手段は、発電起動前に酸化剤ガス浄化手段を一定時間加熱した後、前記酸化剤ガス浄化手段の加熱を停止して冷却する請求項１に記載の燃料電池発電装置。 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the heating unit heats the oxidant gas purification unit for a predetermined time before power generation is started, and then stops the heating of the oxidant gas purification unit and cools it. 加熱手段は、発電停止時に酸化剤ガス浄化手段を一定時間加熱する請求項１に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the heating means heats the oxidant gas purification means for a predetermined time when power generation is stopped. 加熱手段は、電気ヒーター、冷却水、燃料電池のオフガス、空気、燃焼排ガスの内、少なくとも一つを利用することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。 2. The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the heating means uses at least one of an electric heater, cooling water, off-gas of the fuel cell, air, and combustion exhaust gas. 酸化剤ガス浄化手段は、酸化剤ガス中に含まれる有機物を吸着する活性炭を含む活性炭フィルターを有する請求項１に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the oxidant gas purification means includes an activated carbon filter including activated carbon that adsorbs organic substances contained in the oxidant gas. 酸化剤ガス浄化手段は、アルカリ性ガスを吸着あるいは吸収する酸を添着した活性炭を含むアルカリ性ガス除去フィルターを有する請求項１に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the oxidant gas purification means includes an alkaline gas removal filter including activated carbon impregnated with an acid that adsorbs or absorbs the alkaline gas. 酸化剤ガス浄化手段は、酸性ガスを吸着あるいは吸収するアルカリを添着した活性炭を含む酸性ガス除去フィルターを有する請求項１に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1, wherein the oxidant gas purification means includes an acid gas removal filter including activated carbon impregnated with an alkali that adsorbs or absorbs the acid gas. 酸化剤ガス浄化手段は、粉塵を除去するプレフィルターと、アルカリ性ガスを除去するアルカリ性ガス除去フィルターと、酸性ガスを除去する酸性ガス除去フィルターと、粉塵を除去する除塵フィルターを備えてなる請求項１に記載の燃料電池発電装置。 The oxidant gas purification means includes a pre-filter for removing dust, an alkaline gas removal filter for removing alkaline gas, an acid gas removal filter for removing acid gas, and a dust removal filter for removing dust. The fuel cell power generator described in 1. 酸化剤ガス浄化手段は、酸性ガス除去フィルターと、アルカリ性ガス除去フィルターの間にスペーサーを備えてなる請求項１または９に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to claim 1 or 9, wherein the oxidant gas purification means includes a spacer between the acid gas removal filter and the alkaline gas removal filter.
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