JP4624021B2

JP4624021B2 - 燃料電池用ガス浄化ユニット

Info

Publication number: JP4624021B2
Application number: JP2004210125A
Authority: JP
Inventors: 亮史竹縄; 毅昭島田; 芳雄縫谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: JP2006032159A

Description

本発明は、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路に配設される燃料電池用ガス浄化ユニットに関するものである。

従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えている。アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。

このような燃料電池において、不純物が燃料電池内部に混入することを防止するために、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路（特に、空気供給流路）に燃料電池用ガス浄化ユニットを設けたものが知られている。

例えば、特許文献１には、フィルタで浄化ユニット塵埃を除去し、不純物吸着装置で有機物などを吸着する技術が提案されている。
特許文献２には、鉄錆、塩類を永久磁石や凝縮で捕捉する技術が提案されている。
特許文献３には、湿潤フィルタで塩類や粉塵を捕捉する技術が提案されている。
特許文献４には、イオン交換樹脂で酸性ガスを捕捉する技術が提案されている。
特許文献５には、粉塵や酸性ガスを静電フィルタで吸着し、光触媒で分解する技術が提案されている。
特許文献６には、水酸化ジルコニウムとその他の吸着剤の複合吸着剤で酸性ガスを吸着捕捉する技術が提案されている。
特開平７−９４２００号公報特開平８−２９８１３０号公報特開２００１−１８５１９３号公報特開２００１−３１３０５７号公報特開２００３−１３２９２８号公報特開２００３−３２０２４６号公報

しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
すなわち、大気中に存在する有機物のガス成分や有機ケイ素化合物（シロキサン）は燃料電池内の触媒電極を被毒させたり、電解質膜を劣化させたり、さらに、二酸化ケイ素となってガス拡散層に堆積して燃料電池を劣化させてしまう。これらの有機物を吸着剤等で捕捉する方法もあるが、化学的に吸着剤に固定することは困難で、吸着剤から脱離する可能性がある。また、高濃度の不純物が存在する場所では、吸着剤の容量を超えてしまい、捕捉性能が劣化する。酸化触媒を用いる方法では熱源が必要となり、また、光触媒を用いる方法では別途光源が必要であるため、エネルギー効率が低い。

従って、本発明は、燃料電池に供給される反応ガス中から不純物を効果的に除去することができる燃料電池用ガス浄化ユニットを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路（例えば、実施の形態における空気供給流路７）に配設される燃料電池用ガス浄化ユニットであって、前記反応ガス供給流路には、前記反応ガス中の不純物を分解する触媒（例えば、実施の形態における触媒１３）と、前記触媒の下流側に設けられ、前記触媒によって分解したときに生じる無機化合物を選択的に捕捉するフィルタ（例えば、実施の形態における無機物質捕集用フィルタ１２）とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記反応ガス供給流路を流通する反応ガス中の不純物のうち、シロキサン等の無機成分と有機成分とを含む化合物や無機成分と有機成分を含むガスが前記触媒により分解される。そして、前記触媒によって分解されたときに生じる二酸化ケイ素等の無機化合物を前記フィルタによって選択的に捕捉することができる。従って、前記反応ガス中に含まれている不純物や分解後に残留する無機化合物による燃料電池の劣化を防止することができる。これにより、燃料電池の寿命の向上を図ることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記反応ガスを加熱する加熱手段をさらに備えることを特徴とする。
この発明によれば、前記反応ガスを前記加熱手段により加熱することで、前記触媒の活性を高めることができ、前記反応ガス中に含まれる有機化合物や有機成分を含むガスの分解を促進することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記加熱手段は前記反応ガスを圧送する過給機であって、前記過給機は前記反応ガスを圧送する際に、前記反応ガスの温度を上昇させることを特徴とする。
この発明によれば、前記過給機で前記反応ガスを圧送する際に、前記反応ガスの温度を断熱圧縮により上昇させることができるので、前記反応ガスを介して前記触媒の温度を上昇させることができ、前記触媒の活性を高めることができる。従って、前記触媒を加熱する加熱手段を新たに設けなくても、前記過給機により触媒を加熱して有機成分を含む物質を分解させることができる。これにより、部品点数の増加を抑制でき、また、加熱手段を新たに設けて電力を供給しなくてもよいのでエネルギー効率を高めることができる。

請求項１に係る発明によれば、反応ガス中の有機化合物や有機成分を含むガスを前記触媒により分解し、前記反応ガス中に含まれている不純物や分解後に残留する無機化合物を前記フィルタにより捕捉することができるので、燃料電池の寿命の向上を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、前記触媒の活性を高めることができ、前記反応ガス中に含まれる有機化合物や有機成分を含むガスの分解を促進することができるので、燃料電池の寿命のさらなる向上を図ることができる。
請求項３に係る発明によれば、部品点数の増加を抑制でき、エネルギー効率を高めることができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池用ガス浄化ユニットを図面と共に説明する。図１は本発明の実施の形態における燃料電池用ガス浄化ユニットを備える燃料電池システムの概略構成図である。同図に示すように、燃料電池１は、ポリアリレン系電解質材料からなる固体高分子電解質膜２を燃料極（アノード）３と空気極（カソード）４とで両側から挟み込んで形成されたセルを備えている。

燃料極３に燃料ガスとして水素ガスを供給し、空気極４に酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、燃料極３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過して空気極４まで移動して、空気極４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、図１では説明を簡略化するために単セルのみを示しているが、実際の燃料電池１は複数のセルを積層したスタックとなっている。

燃料電池システムは、高圧燃料タンク等の燃料供給装置５を備え、燃料供給流路６を介して燃料電池１を構成する各セルの燃料極３に燃料ガスを供給する。
また、燃料電池システムは、空気供給装置であるコンプレッサ（過給機）８を備え、コンプレッサ８により圧縮された空気を、空気供給流路７を介して燃料電池１を構成する各セルの空気極４に供給する。

空気供給流路７には、コンプレッサ８の上流側にフィルタ１１が配設されている。そして、コンプレッサ８の下流側には、空気中の有機成分を分解する触媒１３と、フィルタ１２と、空気を加湿する加湿器９とが順次配設されている。フィルタ１２はフィルタ１１よりも細かいピッチの繊維状エレメントから構成されている。フィルタ１１は比較的大きい塵埃を捕集するためのものであり、フィルタ１２はより小さい微粒子や無機物質を捕集するためのものである。これについては詳細を後述する。

図２は図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有する触媒とフィルタを示す概略斜視図である。同図に示すように、触媒１３（この場合は触媒１３ａ）は外形を略円筒状とされ、内部に多数の微細な孔１８が形成している。また、フィルタ１２は略円盤状に形成され、繊維状のエレメントから構成されている。

このように構成された燃料電池用ガス浄化ユニットの作用について説明する。まず、反応ガスである空気が空気供給流路７に流入すると、フィルタ１１により空気中の塵埃が捕捉される。ついで、前記空気はコンプレッサ８により燃料電池１側に圧送される。このとき、空気の温度は断熱圧縮により上昇する。
このように、コンプレッサ８の回転数を制御することで、空気の温度を調整することができる。そして、触媒１３に供給される空気の温度を高くすることで、触媒１３の活性を高めることができる。一方、前記空気の温度を低くすると、コンプレッサ８での消費電力を低減できるとともに、フィルタ１２や触媒１３の耐久性を高めることができる。従って、これらの点をバランスさせるように、コンプレッサ８の回転数の制御が行われる。

そして、空気供給流路７を流通する空気中の不純物のうち、シロキサン等の無機成分と有機成分とを含む化合物や無機成分と有機成分とを含む成分を含むガスが前記触媒１３により分解される。上述のように、空気の温度は上昇しているので、前記触媒１３は空気により加熱され、活性を高めることができ、分解を促進することができる。また、触媒１３は多数の微細な孔１８を有しているので、空気が触媒１３に接触する面積を大きくすることができ、より多量の成分が分解される。

その後、前記触媒１３によって分解されたときに生じる二酸化ケイ素等の無機化合物を前記フィルタ１２によって捕捉することができる。このように、有機不純物や分解後に残留する無機化合物を除去された空気は、加湿器９により適度な湿度に加湿された状態で燃料電池１の空気極４に供給される。

ここで、触媒１３の成分としては、コンプレッサ８から供給される空気の温度で高い活性を有するものが好ましい。以下、具体的に述べる。金属系では、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇの微粒子、もしくはそれらの金属の合金微粒子を好ましく用いることができる。また、酸化物系では、ＰｄＯ、ＲｕＯ_２、Ａｇ_２Ｏ、Ｃｏ_２Ｏ、ＰｔＯ_２、ＮｉＯ_２、ＭｎＯ_２、ＣｕＯ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｖ_２Ｏ_５、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、ＷＯ_３等を好ましく用いることができる。特に、金属系の触媒、もしくはＰｄＯ_２、ＰｔＯ_２、ＲｕＯ_２を用いると、より低温での活性化を図ることができる点で好ましい。

また、フィルタ１２の材質としては、コンプレッサ８により加熱された空気の熱に対する耐久性を有するものが望ましく、金属焼結体、金属メッシュ、金属マット、あるいは、ガラス繊維、セラミックスフィルタを好ましく用いることができる。

このように、本実施の形態では、空気中の有機化合物や有機成分を含むガスを前記触媒１３により分解し、前記空気中に含まれている不純物や分解後に残留する無機化合物を前記フィルタ１２により捕捉することができるので、燃料電池１の寿命の向上を図ることができる。また、前記触媒１３を加熱するヒータ等の加熱手段を新たに設けなくても、コンプレッサ８により触媒１３を加熱して有機成分を含む物質を分解させることができる。これにより、部品点数の増加を抑制でき、また、加熱手段を新たに設けて電力を供給しなくてもよいのでエネルギー効率を高めることができる。
なお、フィルタ１２をコンプレッサ８の下流に設置しているので、コンプレッサ８の排気圧力を利用できる。このため、コンプレッサ８の上流側に配置した場合の吸引力を利用するよりもコンプレッサ８の負荷を軽減することが可能である。

図３は図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有するフィルタの変形例を示す概略斜視図である。同図に示すフィルタ１２ｂ（１２）は、空気供給流路７を横断するように配設される本体部１９と、該本体部１９から上流側に突出する円筒状の突出部２０とを有する構成となっている。前記突出部２０は、その先端面２０ａを密閉形成されているとともに、その側面２０ｂに隙間を形成した構成となっている。このようにフィルタ１２ｂを構成することで、空気供給流路７を流通する空気は、突出部２０の先端面２０ａを迂回して、側面２０ｂを介して本体部１９に流入する。従って、空気に対するフィルタ１２ｂの接触面積を増大させることができるため、分解された無機物質や微粒子の捕捉効果を高めることができる。

図４は図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有するフィルタの他の変形例を示す概略斜視図である。同図に示すフィルタ１２ｃ（１２）は、空気供給流路７よりも拡径してなる本体部２１と、該本体部２１内に設けられる略円筒形状の突出部２２とを有している。本体部２１および突出部２２は、空気供給流路７と軸心を一致するように配設されてなる。そして、突出部２２は、その先端面２２ａを密閉形成されているとともに、その側面２２ｂに隙間を形成した構成となっている。このようにすると、空気供給流路７を流通する空気は、突出部２２の先端面２２ａを迂回して、側面２２ｂを介して突出部２２内に流入する。従って、空気に対するフィルタ１２ｃの接触面積を増大させることができるため、分解された無機物質や微粒子の捕捉効果を高めることができる。

図５は図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有するフィルタの他の変形例を示す概略斜視図である。同図に示すフィルタ１２ｄ（１２）は、空気供給流路７よりも拡径してなる本体部２３と、該本体部２３内に設けられる略円筒形状の突出部２４とを有している。本体部２３および突出部２４は、空気供給流路７と軸心を直交するように配設されてなる。そして、突出部２４は、その先端面２４ａを密閉形成されているとともに、その側面２４ｂに隙間を形成した構成となっている。このようにすると、空気供給流路７を流通する空気は、突出部２４の先端面２４ａを迂回して、側面２４ｂを介して突出部２４内に流入する。従って、空気に対するフィルタ１２ｄの接触面積を増大させることができるため、分解された無機物質や微粒子の捕捉効果を高めることができる。

図６は図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有する触媒の変形例を示す概略斜視図である。図７は図６に示す触媒の断面説明図である。これらの図に示す触媒１３ｂ（１３）は、その外形を略円筒状に形成されている。そして、触媒１３ｂの内部は薄壁１４により格子状に区画され、この区画された部位が空気流路１７を形成している。また、触媒１３ｂの両端面は、断面視で千鳥状になるように、格子状に区画された部位を遮断部１５、１６により交互に閉塞している。従って、空気流路１７を形成する部位において、互いに対向する端面のいずれか一方が遮断部１５または１６により閉塞されることになる。このように触媒１３ｂを形成することで、触媒１３ｂに流通する空気は、遮断部１５または１６を迂回するように流通することになる。従って、空気の触媒１３ｂに対する接触面積を増大させることができるため、分解反応を促進することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池用ガス浄化ユニットを空気供給流路のみに設けた場合について説明したが、これに限らず、水素供給流路に設けてもよいし、それぞれの流路に設けてもよい。また、実施の形態では、反応ガスである空気を圧送する過給機を加熱手段として用いたが、触媒を加熱する加熱手段を別に用いてもよい。また、常温でも十分な活性を有する触媒であれば、加熱手段を設けなくてもよい。また、実施の形態では、過給機の上流側にフィルタを設けたが、該フィルタは必ずしも必須ではない。例えば水素供給流路に燃料電池用ガス浄化ユニットを設ける場合には、前記フィルタを設けなくてもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池用ガス浄化ユニットを備える燃料電池システムの概略構成図である。図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有する触媒とフィルタを示す概略斜視図である。図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有するフィルタの変形例を示す概略斜視図である。図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有するフィルタの他の変形例を示す概略斜視図である。図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有するフィルタの他の変形例を示す概略斜視図である。図１の燃料電池用ガス浄化ユニットの有する触媒の変形例を示す概略斜視図である。図６に示す触媒の断面説明図である。

符号の説明

１…燃料電池
６…燃料供給流路（反応ガス供給流路）
７…空気供給流路（反応ガス供給流路）
１１…塵埃捕集用フィルタ（フィルタ）
１２…無機物質捕集用フィルタ（フィルタ）
１３…触媒

Claims

燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路に配設される燃料電池用ガス浄化ユニットであって、
前記反応ガス供給流路には、
前記反応ガス中の不純物を分解する触媒と、
前記触媒の下流側に設けられ、前記触媒によって分解したときに生じる無機化合物を選択的に捕捉するフィルタとを備えることを特徴とする燃料電池用ガス浄化ユニット。
前記反応ガスを加熱する加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス浄化ユニット。
前記加熱手段は前記反応ガスを圧送する過給機であって、前記過給機は前記反応ガスを圧送する際に、前記反応ガスの温度を上昇させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス浄化ユニット。