JP2004327429A - 燃料電池および燃料電池用空気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気中に含まれるＮＯ_x、ＳＯ_x等の汚染物によって燃料電池の発電電圧が低下するため、空気中の汚染物を効率良く除去する燃料電池用空気浄化装置が求められていた。
【解決手段】第１の汚染物除去手段としてパラジウムをアルミナに担持したものをペレット状に成型したもの、および第２の汚染物除去手段として過マンガン酸カリをアルミナに担持してペレット状に成型したものと活性炭のペレットの混合物に空気を供給して浄化する。第１の汚染物除去手段としては、オゾンを発生させる手段を用いることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、大気中の汚染物を含む空気を反応ガスとして使用する燃料電池、特に、その汚染物を除去して燃料電池を長期に亘り高い出力電圧に維持するための空気浄化装置に関する。

燃料電池は、燃料極に供給された燃料ガスと、酸化剤極に供給された酸素含有ガスを反応させて発電を行う。燃料ガスは、水素ボンベから供給される水素や都市ガスを改質して水素を多く含むものとした改質ガスが用いられる。一方、酸素含有ガスは、一般には空気をコンプレッサーやブロアーで供給する。

燃料電池の電極は、固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池等の低温型燃料電池においては、導電性のカーボン粉末の表面に白金等の貴金属触媒が担時されたものが一般的である。燃料電池に供給される空気中には、微量の窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_x ）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、アンモニア、硫化水素、有機溶剤蒸気やタールなどの有機物、一酸化炭素（ＣＯ）などの大気汚染成分が含まれている。これらの汚染物は、燃料電池の白金触媒に対しても有害である。燃料電池の空気供給系で吸入した汚染空気を酸化剤極に直接供給すると、白金触媒が被毒して白金触媒の活性が徐々に低下し、発電電圧の低下を招く。
このため、燃料電池に供給する空気は、活性炭等のフィルターを通して汚染物を低減することが試みられている。また、三元触媒槽を用いて汚染物を低減することが提案されている（特許文献１参照）。
特開平９−１８０７４４号公報

活性炭や三元触媒をフィルターとして用いる場合、汚染物に対する吸着能力が低いため、汚染物に対して十分な除去能力を発揮するためには、ガスの空間速度を十分に遅くする必要がある。すなわち多量の活性炭や三元触媒が必要になり、フィルターの圧力損失が大きくなってコンプレッサーやブロアーの消費電力が大きくなる。また、タール等の固形または油状成分がフィルターに付着して詰まるので、しばしばフィルターを交換しなければならないという問題を生じる。このように白金触媒を被毒するすべての汚染物に対して十分な除去能力を有する吸着材は無いのが現状である。

本発明は、上記の課題を解決するもので、燃料電池の発電電圧の低下を招くほとんどの汚染物を効率良く除去して、高い発電電圧を長期間に亘って維持できる燃料電池用空気浄化装置を提供することを目的とする。
本発明は、またそのような空気浄化装置を備えた燃料電池を提供することをも目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池用空気浄化装置は、燃料電池に供給される空気流路に設置される空気浄化装置であり、少なくとも空気中の汚染物を酸化する第１の汚染物除去手段と、汚染物を吸着除去する第２の汚染物除去手段とを有することを特徴とする。

第１の汚染物除去手段としては、酸化触媒を用いることができる。すなわち、第１の汚染物除去手段は、触媒を用いて空気中の酸素によって汚染物を酸化する能力を有し、前記触媒は有機物、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、硫化水素、一酸化炭素の少なくとも１つに対して酸化活性を有する構成とする。
第１の汚染物除去手段は、オゾンを発生させる手段を具備し、発生させたオゾンで汚染物を酸化するように構成することもできる。

第２の汚染物除去手段は、過マンガン酸塩、アルカリ塩、アルカリ性水酸化物、およびアルカリ性酸化物の少なくとも１つを担持した多孔質体によって汚染物を吸着除去することが好ましい。
本発明は、また、上記のような空気浄化装置を備えた燃料電池を提供する。

本発明によれば、空気中の汚染物を効率よく除去でき、燃料電池に空気を供給する場合に空気中の汚染物による発電電圧の低下を抑制することができる。

燃料電池は、電解質層とその両側に配置した電極で構成される。この燃料電池用電極は、反応ガスを供給するガス拡散層と実際に化学反応を起こす触媒層から構成される。触媒層は、カーボン粉末に白金などの貴金属触媒を担持したものが用いられる。
燃料電池は、燃料極に供給された燃料ガスと、酸化剤極に供給された酸素含有ガスを反応させて発電を行う。このうち酸素含有ガスは、一般には空気をコンプレッサーやブロアーで供給される。ところが、空気には触媒層の貴金属触媒を被毒する汚染物が微量に含まれている。

汚染物としては、窒素酸化物（ＮＯ、ＮＯ_x ）、硫黄酸化物（ＳＯ_x）、アンモニア、硫化水素、有機溶剤蒸気やタールなどの有機物、一酸化炭素（ＣＯ）など様々なものがある。窒素酸化物や硫黄酸化物は、自然界にももともと存在し、自動車や工場の排ガスにも含まれる。アンモニアや硫化水素は、浄化槽や汚泥から発生する。有機溶剤は、塗装や建材などから発生し、タールやＣＯやその他の有機物は、自動車や工場の排ガスに含まれる。また、火山の噴出物にも硫黄酸化物や硫化水素、ＣＯが含まれる。

これらの汚染物は、燃料電池の運転中に徐々に触媒表面に蓄積し、発電電圧を劣化させる。そこで、これらの汚染物を除去した空気を燃料電池に供給することが必要となる。固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池等の低温型燃料電池においては、これらの汚染物をｐｐｂオーダーまで低減しておくことが望ましい。これらの様々な汚染物を一度に効率よく除去することは難しい。特に、ＮＯは化学的な活性が低いため、通常の吸着材では除去することが難しい。

本発明の空気浄化装置は、空気中の汚染物を酸化する第１の汚染物除去手段と汚染物を吸着除去する第２の汚染物除去手段を備える。前記第１の汚染物除去手段は、これを加熱する手段を有することが好ましい。加熱手段としては、ヒーターを用いることができる。より好ましい加熱手段は、改質器または燃料電池の廃熱を利用するものである。
本発明の空気浄化装置は、好ましい実施の形態においては、第１の汚染物除去手段として、オゾンを発生させる手段を用い、発生するオゾンにより汚染物を酸化する。オゾンを発生させる手段は、高電圧の放電によってオゾンを発生させる手段が好ましい。

第１の汚染物除去手段として、オゾンを発生させる手段を用いた燃料電池の好ましい実施の形態では、外部から空気を取り入れる送風用ブロアーと、送風用ブロアーの上流または下流に位置し、空気中の埃を除去する除塵フィルターと、送風用ブロアーの下流に位置し、イオンを発生して空気中の塵を帯電させるとともに、オゾンを発生させる放電素子と、放電素子の下流に位置し、放電素子とは逆電荷を付与することによって、前記塵を吸着し、除去する集塵部と、放電素子の下流に位置し、前記オゾンと空気中の汚染物を反応させ、汚染物を酸化して吸着除去する汚染物除去手段とを備える。

実施の形態１
図１は、本発明による代表的な空気浄化装置を備えた燃料電池のブロック図である。
燃料電池３は、その燃料極１に燃料の水素ガスを供給する燃料供給手段１１、および大気中の空気を吸引して空気極（酸化剤極）２へ空気を供給するブロアー２１を有する。燃料供給手段１１は、例えば水素ボンベである。ブロアー２１から燃料電池の空気極に至る空気の流路２０には、順に第１の汚染物除去手段２２、空冷管２３、および第２の汚染物除去手段２４が備えられている。第１の汚染物除去手段２２は、触媒を含んでいる。第１の汚染物除去手段２２は、加熱手段２５として例えばヒーターを備え、触媒を２００〜５００℃に加熱するのが好ましい。空冷管２３は、第１の汚染物除去手段２２で加熱された空気を冷却する。

第１の汚染物除去手段２２は、触媒を用いて空気中の酸素によって汚染物を酸化するものである。ここに用いる触媒としては、有機物、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、硫化水素、一酸化炭素等に対して酸化活性を有するパラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属が有効である。これら貴金属をアルミナやジルコニア等の多孔質担体や金属表面に担持させることにより、貴金属を有効に利用できる。このようにして多孔質担体や金属に担持された貴金属からなる触媒をペレットまたはハニカム状に整形して容器に充填し、この中に空気を通過させることにより、空気中の汚染物のうち酸化数の低いものを高酸化数状態にすることができる。例えば、ＮＯやアンモニアをＮＯ₂に、ＳＯや硫化水素をＳＯ₂に、有機物やＣＯをＣＯ₂にそれぞれ酸化させる。

この第１の汚染物除去手段によって、汚染物の種類を大幅に減らすことができ、ＮＯ等の吸着除去しにくい汚染物を無くすことができる。
これらの触媒は２００〜５００℃に加熱しておくことで十分な酸化能を発揮する。汚染物の濃度が低い場合や触媒量に対して触媒を充填した容器を通過させる空気量が少ない場合には、常温でもよい。

第２の汚染物除去手段は、第１の汚染物除去手段によって酸化されて生成した、または第１の汚染物除去手段を通過した、高酸化数の汚染物を吸着除去するものである。過マンガン酸塩、アルカリ塩、アルカリ性水酸化物、およびアルカリ性酸化物からなる群より選択される少なくとも１つを多孔質体に担持したものからなる。
多孔質体としては、活性炭、アルミナ、ゼオライト、ジルコニア、シリカ等が有効である。過マンガン酸塩としては、過マンガン酸カリ、過マンガン酸ナトリウムがある。アルカリ塩としては、Ｋ₂ＣＯ₃、Ｎａ₂ＣＯ₃、ＮａＨＣＯ₃、ＣａＣＯ₃がある。アルカリ性水酸化物としては、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）₂、Ｍｇ（ＯＨ）₂がある。アルカリ性酸化物としては、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、ＣａＯ、ＭｇＯがある。
これらのうちのどの組み合わせでも様々な汚染物に対して有効であるが、特に、窒素酸化物の除去の場合には、アルミナに過マンガン酸カリを担持したものが有効である。硫黄酸化物に対しては、前記のアルミナに過マンガン酸カリを担持したもの、またはゼオライトにアルカリ性水酸化物を担持したものが有効である。

本発明の空気浄化装置を稼働させる場合、被浄化空気の空間速度（ＳＶ）は１万〜１０万ｈ^-1が望ましい。ＳＶは大きいほど吸着装置を小型にできる。しかし、吸着材の吸着性能が悪いと、ＳＶを小さくしないと浄化しきれない。燃料電池においては、多量の空気を浄化する必要があり、ＳＶが小さいと吸着装置が大型になるばかりでなく、圧損も大きくなるため、ブロアーの電力消費が大きくなる。燃料電池を用いた発電装置では、ブロアーの消費電力の増大は発電効率の低下を招く。
本発明は、酸化触媒を備える第１の汚染物除去手段と、高酸化数の汚染物を吸着除去する第２の汚染物除去手段とを有する構成により、１万〜１０万ｈ^-1程度の高いＳＶの条件下でも有効に空気を浄化することができる。

実施の形態２
第１の汚染物除去手段は、加熱されて温度が高い方が、汚染物の酸化活性が高い。加熱するためには、実施の形態１のように、ヒーター等を用いる方法もあるが、電力を消費するので経済的ではない。代わりに燃料電池システムの改質器や燃料電池の廃熱を利用して加熱することができる。その場合は、経済的に汚染物を除去できる。

図２に燃料電池システムの改質器の廃熱を利用した汚染物除去手段のブロック図を示す。燃料である都市ガスは、ブースター３１で昇圧されて改質器３２に送られる。改質器３２は、都市ガスに水蒸気を加えて水素を発生させる。この改質器３２で発生した水素は、燃料電池３の燃料極１に供給される。改質器３２は、燃料の一部をバーナーで燃やして６００℃程度に加熱されており、廃熱が発生する。この廃熱により第１の汚染物除去手段を４００℃程度まで加熱することができる。

一方、燃料電池３の空気極２に供給する空気は、ブロアー４１で取り込まれ、改質器３２と接続されている第１の汚染物除去手段４２で空気中の汚染物が酸化される。第１の汚染物除去手段４２は改質器３２の廃熱で加熱され、空気も１００℃〜２００℃程度に加熱される。空気は加湿器４３に送られ、加湿されると共に水分の蒸発熱によって冷やされる。適度に冷やされた空気は、第２の汚染物除去手段４４で汚染物が吸着除去されて燃料電池に送られる。

第１の汚染物除去手段を加熱する方法は、改質器の廃熱を利用する他、燃料電池の廃熱を利用することもできる。固体高分子型燃料電池では、燃料電池の動作温度を７０℃〜８０℃程度に維持するのため、セルを積層したスタックに冷却水をとおして冷却する。その加熱された冷却水により第１の汚染物除去手段を加熱するようにすれば、第１の汚染物除去手段を７０℃程度にすることができる。図３は燃料電池を冷却して高温になった冷却水により第１の汚染物除去手段４２を加熱するようにした例を示す。冷却水はポンプ４６により駆動されて燃料電池を通過した後、加熱装置４５に導入されて第１の汚染物除去手段４２を加熱する。図示しないが、加熱された冷却水は、貯湯装置内の水を加熱する熱交換器にも導入するようにされる。

実施の形態３
第１の汚染物除去手段として、オゾンによって汚染物を酸化し、その酸化した汚染物を第２の汚染物除去手段で吸着除去することもできる。この方法によると、第１の汚染物除去手段を加熱しなくとも、効率よく汚染物を酸化することができる。
図４に本実施の形態のオゾンを用いる汚染物除去手段のブロック図を示す。空気は、除塵フィルター５１、空気を取り込むブロアー５２、および汚染物除去手段５３を経て燃料電池１に供給される。本実施の形態では、第１の汚染物除去手段と第２の汚染物除去手段を一体化して汚染物除去手段５３とした。汚染物除去手段５３は、図５に示すように、放電素子５４、集塵部５５、および汚染物吸着部５６からなる。

放電素子５４は、高電圧などにより駆動されるものであり、オゾンを発生させる機能を有している。本実施の形態では、アルミナ基板に誘導電極と放電電極を形成した沿面放電式のオゾン発生電極を放電素子５４として用いる。
集塵部５５は、放電素子５４の下流に位置し、放電素子５４により帯電した塵を取るために、放電素子５４が塵に付与した電荷とは逆極性となるように帯電される。

汚染物吸着部５６は、過マンガン酸塩、アルカリ塩、アルカリ性水酸化物、およびアルカリ性酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１つを担持した多孔質担体よりなり、多孔質担体表面で空気中の汚染物をオゾンと反応させて酸化する機能と、酸化した汚染物を吸着除去する機能とを有している。この汚染物吸着部５６は、多孔質担体に吸着したオゾンの分解にともなって生成する、反応活性に富むラジカル酸素によって、汚染物を常温でも酸化する機能を発揮する。また、同時にオゾンも分解するために、燃料電池にオゾンが入ることはない。燃料電池にオゾンが入ると、燃料電池を構成する部材を腐食、分解するために望ましくない。

実施の形態４
実施の形態２では、第１の汚染物除去手段で加熱された高温の空気を加湿器に導入し、そこで加湿するとともに冷却するようにしている。その場合、加湿度合いが多すぎると、第２の汚染物除去手段で結露が発生する。結露により圧損が増大したり第２の汚染物除去手段が破壊されたりする。従って、加湿度合いを低くすることが望ましい。

図６は、加湿度合いを多くする場合の好ましい実施の形態を示す。第２の汚染物除去手段４４と燃料電池の空気極との間に熱交換器４５を挿入し、加湿器４３から出た空気をこの熱交換器４５により燃料電池に最適な温度まで冷やすようにする。この構成により、第２の汚染物除去手段の温度を高く設定することができる。これによって、第２の汚染物除去手段で結露するのを防止できる。
ブロアー４１からの空気を熱交換器４５通してこれを加熱すようにすれば、熱交換器４５の熱の有効利用を図れる。

実施の形態５
実施の形態２の構成において、加湿器４３による加湿度合いが不足する場合の好ましい実施の形態を図７に示す。第２の汚染物除去手段４４と燃料電池との間に、さらに第２の加湿器４６を有する例である。この構成により、第２の汚染物除去手段での結露を防止できるとともに、燃料電池へ加湿した空気を安定して供給することができる。

以下に、本発明の実施例を具体的に説明する。
《実施例１》
第１の汚染物除去手段として、パラジウムをアルミナに担持したものをペレット状に成型したもの（田中貴金属工業（株）製ＫＤ３０１）２００ｍｌをステンレス鋼製の円筒形の容器に入れ、周囲にヒーターを取り付け、３５０℃に加熱するようにした。この円筒形の容器の上部および下部に空気の入口管および出口管をそれぞれ接続した。
第２の汚染物除去手段として、過マンガン酸カリをアルミナに添加してペレット状に成型したものと活性炭のペレットとの混合物（ニッタ（株）製ＣＰブレンドセレクト）６００ｍｌをステンレス鋼製の円筒形の容器に入れた。この円筒形の容器の上部および下部に空気の入口管および出口管をそれぞれ接続した。

本実施例の空気浄化装置は、第１の汚染物除去手段から出た空気を空冷管にて常温付近まで冷やし、次いで第２の汚染物除去手段に入れるように構成した。この空気浄化装置にブロアーにて空気を１時間あたり６０００Ｌ供給し、浄化を行った。
空気浄化装置に入れる前の空気には、汚染物としてＮＯ_xが５０ｐｐｂ、ＳＯ_xが１０ｐｐｂ、ＣＯが１ｐｐｍ含まれていた。これを本発明の空気浄化装置にて浄化を行ったところ、汚染物はすべて１ｐｐｂ以下（検出下限以下）に低減できた。なお、第１の汚染物除去手段でのＳＶは約３万ｈ^-1、第２の汚染物除去手段でのＳＶは約１万ｈ^-1であった。

また、燃料電池を設置している周囲で汚染物が発生したことを想定し、空気に汚染物としてアンモニア１ｐｐｍ、硫化水素１ｐｐｍ、有機物としてトルエン１ｐｐｍを混入させ、本発明の空気浄化装置にて浄化を行った。その結果、汚染物はすべて１ｐｐｂ以下（検出下限以下）に低減できた。
第１の汚染物除去手段をヒーターで加熱せずに室温で運転した場合には、トルエンの除去能力がやや低下し、出口側で約５ｐｐｂ検出された。混入させるトルエンの濃度を０．１ｐｐｍまで下げると、出口側でトルエンは検出されなかった。

次に、本発明の空気浄化装置にて浄化を行った空気を燃料電池に供給した。燃料電池は、１２ｃｍ角の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）（ジャパンゴアテックス（株）製ＰＲＩＭＥＡ）を、黒鉛板にガス流路を切削して形成したセパレータ板で挟み、これを８０セル積層して燃料電池スタックを構成したものを用いた。
スタックの温度は７０℃に設定し、活物質として燃料極側には水素ガスを露点７０℃に加湿し、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ²の時に利用率８０％となる量を供給した。酸化剤極側には本発明の空気浄化装置にて浄化を行った空気を露点７０℃に加湿して供給した。空気の供給量は６０００Ｌ／ｈとした。これは電流密度２００ｍＡ／ｃｍ²の時に利用率４０％となる量である。この状態で電流密度２００ｍＡ／ｃｍ²で発電を行った。

図８に本実施例の電池ａの発電電圧の経時変化を示す。図８には比較例１として空気浄化装置を用いない電池ｄの発電電圧の経時変化も併せて示す。本実施例は、比較例と比べて高い発電電圧を維持できることがわかる。
空気に汚染物としてアンモニア１ｐｐｍ、硫化水素１ｐｐｍ、有機物としてトルエン１ｐｐｍを混入させた場合も、同様に高い発電電圧が維持できた。

本実施例では、第１の汚染物除去手段として、パラジウムをアルミナに担持したものをペレット状に成型したものを用いたが、パラジウムの代わりに白金を担持したもの（田中貴金属工業（株）製ＫＴ３０１）を用いても同様の結果が得られた。また、パラジウムの代わりにルテニウムやロジウムを担持したもの（田中貴金属工業（株）製特注品）を用いた場合には、トルエンの除去能力がやや低下し、出口側で約１０ｐｐｂ検出されたが、それ以外は同様の結果が得られた。

《比較例１》
実施例１と同様に燃料電池スタックを構成した。この燃料電池スタックは、空気浄化装置を用いずに実施例１と同様の条件で発電を行った。図８に比較例１の電池ｄの発電電圧の経時変化を示す。発電電圧は、実施例１と比べて低く、時間と共に低下した。

《比較例２》
汚染物除去手段として、実施例１の第２の汚染物除去手段のみを用いた電池ｅについて、実施例１と同様の条件で発電を行った。空気浄化装置に入れる前の空気には、汚染物としてＮＯ_xが５０ｐｐｂ、ＳＯ_xが１０ｐｐｂ、ＣＯが１ｐｐｍ含まれていた。汚染物除去手段の出口ではＮＯ_xが４０ｐｐｂ、ＳＯ_xが５ｐｐｂ含まれていた。図８に示すように、発電電圧は、実施例１と比べて低く、時間と共に低下した。

《実施例２》
第１の汚染物除去手段として、パラジウムをＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金からなるハニカム状の担体に担持したもの（田中貴金属工業（株）製ＭＨ８０Ａ、体積２７７ｍｌ）をステンレス鋼製の円筒形の容器に入れた。容器の周囲にヒーターを取り付け、容器を２００℃に加熱した。この円筒形の容器の上部および下部に空気の入口管および出口管をそれぞれ接続した。

第２の汚染物除去手段として、水酸化カルシウム、炭酸カリウム、硫酸カルシウム、および活性炭を混合してハニカム状に成型したもの（（株）長峰製作所製ＮＣハニカム、体積６００ｍｌ）をステンレス鋼製の角型容器に入れた。この容器の上部および下部に空気の入口管および出口管をそれぞれ接続した。
本実施例の空気浄化装置は、第１の汚染物除去手段から出た空気を空冷管にて常温付近まで冷やし、次いで第２の汚染物除去手段に入れるように構成した。この空気浄化装置に実施例１と同様にブロアーにて空気を供給し、浄化を行った。その結果、空気中の汚染物としてＮＯ_x、ＳＯ_x、およびＣＯがすべて１ｐｐｂ以下（検出下限以下）に低減できた。

《実施例３》
図２に示す実施の形態２の構成で燃料電池に空気を供給した。
第１の汚染物除去手段として、パラジウムをアルミナに担持したものをペレット状に成型したもの（田中貴金属工業（株）製ＫＤ３０１）２００ｍｌをステンレス鋼製の直方体の容器に入れた。この容器を改質器に接触させて改質器の廃熱で加熱できるようにした。この容器の入口にはブロアーで空気を１時間あたり６０００Ｌ供給した。出口の空気の温度は１５０℃に達した。
第１の汚染物除去手段から出た空気は、加湿器に入れて加湿と同時に冷却を行った。加湿器は、スポンジ状のステンレス鋼製多孔体が水を吸い上げ、そこに空気を通すことで加湿を行った。加湿器によって空気の露点は６０℃に加湿され、温度は８０℃に下がった。

第２の汚染物除去手段として、過マンガン酸カリをアルミナに担持してペレット状に成型したものと活性炭のペレットとの混合物（ニッタ（株）製ＣＰブレンドセレクト）６００ｍｌをステンレス鋼製の円筒形の容器に入れた。この円筒形の容器の上部および下部に空気の入口管および出口管をそれぞれ接続した。
空気浄化装置に入れる前の空気には、汚染物としてＮＯ_xが５０ｐｐｂ、ＳＯ_xが１０ｐｐｂ、ＣＯが１ｐｐｍ含まれていたが、第２の汚染物除去手段の出口では、汚染物はすべて１ｐｐｂ以下（検出下限以下）に低減できた。
実施例１と同様に燃料電池を構成し、浄化を行った空気を燃料電池に供給し、発電を行った。
図８に本実施例の電池ｂの発電電圧の経時変化を示す。実施例１と同様に高い発電電圧を維持できた。

《実施例４》
図４に示す実施の形態３の構成で燃料電池に空気を供給した。
ステンレス鋼製の円筒形の容器内に、図５に示すように、放電素子５４、集塵部５５、および汚染物吸着部５６を取り付けた。
放電素子５４は、アルミナ基板に誘導電極と放電電極を形成した沿面放電式のオゾン発生電極を用い、３万ボルトの電圧を印加した。集塵部５５は、ポリプロピレン製のメッシュに導電性炭素塗料を塗布したもので、集塵部５５には、放電素子５４に電圧を印加する電源回路のアースを取り付けた。
汚染物吸着部５６は、水酸化カリウムと二酸化マンガンと活性炭を混合してハニカム状に成型したもので構成した。

実施例１と同様に１時間あたり６０００Ｌの空気を供給したところ、放電素子５４の直後のオゾン濃度は０．３ｐｐｍ、汚染物吸着部の出口の残存オゾンの濃度は０．０１〜０．０３ｐｐｍの範囲であった。
空気浄化装置に入れる前の空気には、汚染物としてＮＯ_xが５０ｐｐｂ、ＳＯ_xが１０ｐｐｂ、ＣＯが１ｐｐｍ含まれていた。しかし、汚染物除去手段の出口では、汚染物はすべて１ｐｐｂ以下（検出下限以下）に低減できた。
実施例１と同様に燃料電池を構成し、浄化を行った空気を燃料電池に供給し、発電を行った。
図８に本実施例の電池ｃの発電電圧の経時変化を示す。実施例１と同様に高い発電電圧を維持できた。

《実施例５》
図６に示す実施の形態４の構成で燃料電池に空気を供給した。
第１および第２の汚染物除去手段、ならびに加湿器は実施例３と同じである。熱交換器は、一対のステンレス鋼製の流路が互いに接触して熱交換する構成とした。
実施例３と同条件で浄化装置を運転したところ、燃料電池の空気極入り口での空気の露点は６５℃、温度は７０℃であった。空気浄化装置に導入する前の空気には、汚染物として、ＮＯ_xが５０ｐｐｂ、ＳＯ_xが１０ｐｐｂ、ＣＯが１ｐｐｍ含まれていた。しかし、第２の汚染物除去手段を通過後の空気中の汚染物は、すべて１ｐｐｂ（検出下限）であった。
実施例１と同様に燃料電池を構成し、浄化を行った空気を燃料電池に供給し、発電を行った。
図９に本実施例の電池ｆの発電電圧の経時変化を示す。実施例１と同様に高い発電電圧を維持できた。

《実施例６》
図７に示す実施の形態５の構成で燃料電池に空気を供給した。
第１および第２の汚染物除去手段、ならびに加湿器は実施例３と同じである。第２の加湿器段は、高分子電解質膜（デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ１１７）の両側に流路を構成し、一方の流路に第２の汚染物除去手段から出た空気を流し、他方の流路に燃料電池の冷却水（温水）を流した。

実施例３と同条件で運転したところ、燃料電池の空気極入り口での空気の露点は７０℃、温度は７０℃であった。空気浄化装置に導入する前の空気には、汚染物として、ＮＯ_xが５０ｐｐｂ、ＳＯ_xが１０ｐｐｂ、ＣＯが１ｐｐｍ含まれていた。しかし、第２の汚染物除去手段を通過後の空気中の汚染物は、すべて１ｐｐｂ（検出下限）であった。
実施例１と同様に燃料電池を構成し、浄化を行った空気を燃料電池に供給し、発電を行った。
図８に本実施例の電池ｇの発電電圧の経時変化を示す。実施例１と同様に高い発電電圧を維持できた。

本発明によれば、空気中の汚染物を効率よく除去できるので、空気を酸化剤として取り入れる燃料電池に有用である。

本発明の実施の形態１における空気浄化装置を備えた燃料電池を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における空気浄化装置を備えた燃料電池を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２の変形例における空気浄化装置を備えた燃料電池を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３における空気浄化装置を示すブロック図である。 実施の形態３における空気浄化装置の汚染物除去手段の概略構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態４における空気浄化装置を備えた燃料電池を示すブロック図である。 実施の形態５における空気浄化装置を備えた燃料電池を示すブロック図である。 本発明の実施例１、３および４並びに比較例１および２の燃料電池の発電電圧の経時変化を示す図である。 本発明の実施例５および６の燃料電池の発電電圧の経時変化を示す図である。

符号の説明

１ 燃料極
２ 空気極
３ 燃料電池
１１ 水素供給手段
２０ 空気供給路
２１ ブロアー
２２ 第１の汚染物除去手段
２３ 空冷管
２４ 第２の汚染物除去手段

Claims (14)

1. 燃料極、空気極、前記両電極を隔離する電解質層、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給手段、前記空気極に空気を供給する空気供給手段、および前記空気供給手段の空気供給路に設けられた空気浄化装置を具備する燃料電池であって、前記空気浄化装置が、空気中の汚染物を酸化する第１の汚染物除去手段と、汚染物を吸着除去する第２の汚染物除去手段とを有することを特徴とする燃料電池。
2. 第１の汚染物除去手段が、空気中の酸素によって汚染物を酸化する触媒を含み、前記触媒が、有機物、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、硫化水素、および一酸化炭素からなる群より選ばれる少なくとも１つに対して酸化活性を有する請求項１記載の燃料電池。
3. 前記触媒が、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、およびＲｈからなる群より選ばれる少なくとも１つである請求項２記載の燃料電池。
4. 前記第１の汚染物除去手段を加熱する加熱手段をさらに具備し、前記燃料供給手段が都市ガスを改質する改質器であり、前記加熱手段が前記改質器の廃熱を利用して前記第１の汚染物除去手段を加熱するように構成された請求項１記載の燃料電池。
5. 前記第１の汚染物除去手段を加熱する加熱手段、および前記燃料電池を冷却するための冷却水を循環させる手段をさらに具備し、前記加熱手段が燃料電池と熱交換した冷却水により前記第１の汚染物除去手段を加熱するように構成された請求項１記載の燃料電池。
6. 第１の汚染物除去手段が、オゾンを発生させるオゾン発生装置を含み、前記オゾン発生装置で発生したオゾンで汚染物を酸化する請求項１記載の燃料電池。
7. 第２の汚染物除去手段が、過マンガン酸塩、アルカリ塩、アルカリ性水酸化物、およびアルカリ性酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１つを担持した多孔質体によって汚染物を吸着除去する請求項１記載の燃料電池。
8. 前記多孔質体が、活性炭、アルミナ、ゼオライト、およびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つである請求項７記載の燃料電池。
9. 第１の汚染物除去手段が、イオンを発生して空気中の塵を帯電させるとともにオゾンを発生する放電素子であり、第１の汚染物除去手段の下流に位置し、前記塵に前記放電素子が付与した電荷とは逆極性に帯電されて前記塵を吸着する集塵部をさらに備える請求項１記載の燃料電池。
10. 燃料極、空気極、前記両電極を隔離する電解質層、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給手段、前記空気極に空気を供給する空気供給手段、および前記空気供給手段の空気供給路に設けられた空気浄化装置を具備する燃料電池であって、前記空気供給手段が、前記空気供給路に外部から空気を取り入れる送風用ブロアーを含み、前記空気浄化装置が、前記送風用ブロアーの上流または下流に位置し、前記空気中の埃を除去する除塵フィルターと、前記送風用ブロアーの下流に位置し、イオンを発生して前記空気中の塵を帯電させるとともに、オゾンを発生させる放電素子と、前記放電素子の下流に位置し、前記放電素子が付与する電荷とは逆極性に帯電されて前記塵を吸着する集塵部と、前記放電素子の下流に位置し、前記オゾンと空気中の汚染物を反応させ、汚染物を酸化して吸着除去する汚染物除去手段とを備えたことを特徴とする燃料電池。
11. 燃料電池に供給される空気の流路に設置される空気浄化装置であって、前記空気浄化装置が、少なくとも空気中の汚染物を酸化する第１の汚染物除去手段と、汚染物を吸着除去する第２の汚染物除去手段とを具備することを特徴とする燃料電池用空気浄化装置。
12. 第１の汚染物除去手段が、触媒存在下で空気中の酸素によって汚染物を酸化する能力を有し、前記触媒が、有機物、窒素酸化物、硫黄酸化物、アンモニア、硫化水素、および一酸化炭素からなる群より選ばれる少なくとも１つに対して酸化活性を有する請求項１１記載の燃料電池用空気浄化装置。
13. 第１の汚染物除去手段が、オゾンを発生させる能力を有し、前記オゾンで汚染物を酸化する請求項１１記載の燃料電池用空気浄化装置。
14. 第２の汚染物除去手段が、過マンガン酸塩、アルカリ塩、アルカリ性水酸化物、およびアルカリ性酸化物からなる群より選ばれる少なくとも１つを担持した多孔質体によって汚染物を吸着除去する請求項１１記載の燃料電池用空気浄化装置。

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