JP2006286439A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去し、不純物による劣化を抑制し、耐久性を向上させた燃料電池発電装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池と、酸化剤ガス供給手段４と、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５と、発電起動前に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し、発電中は酸化剤ガス浄化手段５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６と、酸化剤ガス浄化手段５を加熱する加熱手段７を備え、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。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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）。

（化１）
Ｈ_２→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）。

（化２）
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全反応を（化３）に示す。

（化３）
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
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。

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。

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。

（化４）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２
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。

（化５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２
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。

（化６）
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
全反応式を（化７）に示す。

（化７）
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ_２
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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（化８）
４ＮＯ_２＋２Ｃａ（ＯＨ）_２→Ｃａ（ＮＯ_２）_２＋Ｃａ（ＮＯ_３）_２＋Ｈ_２Ｏ
（化９）
ＳＯ_２＋Ｃａ（ＯＨ）_２→ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ＋１／２Ｈ_２Ｏ
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。

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。

（化１０）
ＮＨ_３＋Ｈ_３ＰＯ_４→（ＮＨ_４）_３ＰＯ_４
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／ｃｍ^２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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態の燃料電池発電装置の概略構成図 同装置の電池電圧特性図 従来の燃料電池発電装置の概略構成図

符号の説明

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

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。

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