JP2005100681A - 固体高分子形燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着剤による吸着効果を高める。
【解決手段】燃料電池スタックを具備する固体高分子形燃料電池発電装置において、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤を燃料電池スタックのマニホールドに配置する。好ましくは、燃料ガスの温度が低いほど吸着剤による吸着効果が高くなる点に鑑み、燃料電池スタックを構成するセルの燃料流路よりも低温の燃料入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）１ａに、吸着剤を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤を有する燃料電池スタックを具備する固体高分子形燃料電池発電装置に関し、特には、吸着剤による吸着効果を高めることができる固体高分子形燃料電池発電装置に関する。

固体高分子形燃料電池発電装置は、単セルを多数積層した燃料電池スタックと、燃料電池スタックに必要量の反応ガス（水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガス）を供給するためのガス供給装置と、制御装置とを基本として構成される。酸化剤ガスは、一般に、ブロワ等によって送られる。定置型の固体高分子形燃料電池発電装置においては、一般に、燃料として、都市ガス、ＬＰＧなどのガス、または、灯油、ナフサなどの液体燃料が使用され、固体高分子形燃料電池発電装置に組み込まれた燃料改質系機器によって燃料から得られた改質ガス（水素を主成分とするガス）が、燃料ガスとして燃料電池スタックに供給される。改質系機器は、一般に、脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器などから構成される。燃料電池スタックからはＤＣ出力が得られる。ＡＣ出力が必要とされる場合には、燃料電池スタックから得られたＤＣ出力をＡＣ出力に変換するためのインバータが、固体高分子形燃料電池発電装置に組み込まれる。発電に伴って発生した熱は、湯として回収され、有効利用される。詳細には、貯湯槽に６０〜７０℃程度の湯が貯えられる。

燃料電池スタックに供給される反応ガス（燃料ガス＋酸化剤ガス）中に不純物が含まれていると、燃料電池スタックの電極触媒に吸着したり、燃料電池スタックの電解質中に取り込まれたりして、燃料電池スタックの出力が低下してしまう。燃料電池スタックの出力を低下させる不純物としては、例えば、大気中の有機溶剤ガス、窒素酸化物、硫黄酸化物などが知られている。燃料電池スタックの出力低下を抑制する方法として、特開平７−９４２００号公報には、燃料電池スタックに反応空気として供給される空気中の不純物（大気汚染物質）を予め吸着除去する方法が記載されている。また、特開２０００−３２７３０５号公報には、ＣＯ除去器に導入される空気が大気汚染物質を含んでいるとＣＯ除去触媒の性能が低下してしまう点に鑑み、ＣＯ除去空気中の不純物を予め除去する方法が記載されている。

また、従来から、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤（トラップ層）を有する燃料電池スタック（燃料電池）が知られている。この種の燃料電池スタック（燃料電池）の例としては、例えば特開２００２−５６８６１号公報に記載されたものがある。特開２００２−５６８６１号公報に記載された燃料電池スタック（燃料電池）では、燃料電池スタック（燃料電池）を構成するセル（セルユニット）の燃料流路（チャネル）に吸着剤（トラップ層）が配置されている。

特開平７−９４２００号公報 特開２０００−３２７３０５号公報 特開２００２−５６８６１号公報

固体高分子形燃料電池発電装置に搭載された燃料電池スタックの出力電圧の低下は、空気中の大気汚染物質を除去した場合であっても、固体高分子形燃料電池発電装置に搭載されていない燃料電池スタック単体の出力電圧の低下よりも大きくなることがある。本発明者は、その原因の究明と対策に取り組み、原因が燃料電池スタックに供給される燃料ガス中の微量不純物にあることを突き止め、それを除去することにより、固体高分子形燃料電池発電装置に搭載された燃料電池スタックの出力電圧を長期にわたって維持できることを見出した。

更に、本発明者は、燃料電池スタック内においては、燃料電池スタックを構成するセルの燃料流路を流れている改質ガス（燃料ガス）の温度よりも、セルの燃料流路の上流側に位置する燃料入口マニホールドを流れている改質ガス（燃料ガス）の温度が低くなる点を見出し、更に、改質ガス（燃料ガス）の温度が低いほど、吸着剤による吸着効果が高くなる点を見出した。

前記問題点に鑑み、本発明は、吸着剤による吸着効果を高めることができる固体高分子形燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤を有する燃料電池スタックを具備する固体高分子形燃料電池発電装置において、前記吸着剤を前記燃料電池スタックのマニホールドに配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、前記吸着剤を前記燃料電池スタックの燃料ガス入口マニホールドに配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置が提供される。

好ましくは、燃料ガスが燃料電池スタックの反応部に供給される前に、活性炭、ゼオライトなどによって燃料ガス中の不純物を吸着除去する。原燃料ガスを改質して運転する固体高分子形燃料電池発電装置においては、燃料電池スタックの反応部にとって有害な不純物が改質系機器において生成されるおそれがあるため、不純物を吸着するための吸着剤を燃料電池スタックの反応部の直前に配置するのが望ましい。

不純物を吸着除去するための吸着剤を反応容器に入れて、燃料電池スタックの手前に配置してもよい。燃料電池スタックの内部に吸着剤を配置することができれば、固体高分子形燃料電池発電装置の余分な容積増加を抑制し、固体高分子形燃料電池発電装置を小型化することができる。固体高分子形燃料電池発電装置を小型化するために、吸着剤を保持した容器をセルと共に燃料電池スタックに積層することが可能である。あるいは、吸着剤を燃料電池スタックの各セルの流路に配置することが可能である。

燃料電池スタック（燃料電池）内においては、燃料電池スタック（燃料電池）を構成するセル（セルユニット）の燃料流路（チャネル）を流れている改質ガス（燃料ガス）の温度よりも、セル（セルユニット）の燃料流路（チャネル）の上流側に位置する燃料ガス入口マニホールドを流れている改質ガス（燃料ガス）の温度が低くなり、また、改質ガス（燃料ガス）の温度が低いほど、吸着剤による吸着効果が高くなる点に鑑み、請求項１及び２に記載の固体高分子形燃料電池発電装置では、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤が、燃料電池スタックのマニホールドに配置されている。詳細には、例えば、吸着剤が燃料電池スタックの燃料ガス入口マニホールドに配置されている。そのため、特開２００２−５６８６１号公報に記載された燃料電池スタック（燃料電池）のように、燃料電池スタック（燃料電池）を構成するセル（セルユニット）の燃料流路（チャネル）内に吸着剤が配置される場合よりも、吸着剤による吸着効果を高めることができる。

図１は本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックの第１の実施形態の概略構成図である。図１において、１ａは燃料入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）、２ａは冷却水入口マニホールド、３ａはエア入口マニホールド（酸化剤ガス入口マニホールド）である。１ｂは燃料出口マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）、２ｂは冷却水出口マニホールド、３ｂはエア出口マニホールド（酸化剤ガス出口マニホールド）である。

図１に示すように、第１の実施形態の燃料電池スタックでは、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤が、燃料電池スタックを構成するセルの燃料流路内に配置されるのではなく、燃料電池スタックのマニホールドに配置されている。詳細には、吸着剤が、燃料電池スタックの燃料入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）１ａに充填されている。好ましくは、燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤として、活性炭、ゼオライトなどが用いられる。

図１に示した第１の実施形態の燃料電池スタックでは、酸化剤ガス中の不純物を除去するための吸着剤がエア入口マニホールド（酸化剤ガス入口マニホールド）３ａに配置されていないが、第１の実施形態の燃料電池スタックの変形例では、酸化剤ガス中の不純物を除去するための吸着剤をエア入口マニホールド（酸化剤ガス入口マニホールド）３ａに配置することも可能である。

第１の実施形態およびその変形例の燃料電池スタックでは、上述したように、吸着剤が燃料電池スタックの燃料入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）１ａに配置されているため、特開２００２−５６８６１号公報に記載された燃料電池スタックのように、燃料入口マニホールドではなく、セルの燃料流路内に吸着剤が配置される場合よりも、吸着剤による吸着効果を高めることができる。

以下、本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の第２の実施形態について説明する。図２は第２の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置の概略構成図である。図２において、１１は脱硫器、１２は改質器、１３はＣＯ変成器、１４はＣＯ除去器、１５は不純物吸着器、１６は燃料電池スタックである。第２の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置においても、上述した第１の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置と同様に、固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタック１６の燃料入口マニホールド１ａ（図１参照）に吸着剤が配置されている。そのため、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置とほぼ同様の効果を奏することができる。

更に、第２の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置では、吸着剤が、図１に示したように、燃料電池スタック１６の燃料入口マニホールド１ａに配置されるのみならず、図２に示すように、ＣＯ除去器１４と燃料電池スタック１６との間に配置された不純物吸着器１５にも充填されている。そのため、ＣＯ除去器１４と燃料電池スタック１６との間に吸着剤が配置されない場合よりも、燃料電池スタック１６における出力低下を低減することができる。詳細には、ＣＯ除去器１４と燃料電池スタック１６との間に吸着剤が配置されない場合には、燃料電池スタック１６における出力低下が１セル当たり２０μＶ／ｈであったが、ＣＯ除去器１４と燃料電池スタック１６との間に吸着剤を配置することにより、燃料電池スタック１６における出力低下を１セル当たり１０μＶ／ｈに改善することができた。

以下、本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の第３の実施形態について説明する。図３は第３の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックなどの概略構成図である。第３の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置においても、上述した第１の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置と同様に、固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタック１６の燃料入口マニホールド１ａ（図１参照）に吸着剤が配置されている。そのため、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置とほぼ同様の効果を奏することができる。

更に、第３の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置では、吸着剤が、図１に示したように、燃料電池スタック１６の燃料入口マニホールド１ａに配置されるのみならず、図３に示すように、燃料電池スタック（反応部）１６に対して積層された不純物吸着器１５にも充填されている。つまり、第３の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置では、改質ガス（燃料ガス）中の不純物が、まず最初に、図３に示した不純物吸着器１５に充填された吸着剤によって吸着され、次いで、そこで吸着されなかった残りの不純物が、図１に示した燃料入口マニホールド１ａに配置された吸着剤によって吸着される。

以下、本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の第４の実施形態について説明する。図４は第４の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックの概略構成図である。図４において、太線は燃料ガス流路を示している。第４の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置においても、上述した第１の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置と同様に、固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックの燃料入口マニホールド１ａ（図１参照）に吸着剤が配置されている。そのため、第１の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置とほぼ同様の効果を奏することができる。

更に、第４の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置では、吸着剤が、図１に示したように、燃料電池スタックの燃料入口マニホールド１ａに配置されるのみならず、図４に示すように、各セルの燃料ガス流路、詳細には、燃料ガス流路の入口側にも充填されている。つまり、第４の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置では、燃料ガス中の不純物が、まず最初に、図１に示した燃料入口マニホールド１ａに配置された吸着剤によって吸着され、次いで、そこで吸着されなかった残りの不純物が、図４に示した各セルの燃料ガス流路に充填された吸着剤によって吸着される。

本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックの第１の実施形態の概略構成図である。 第２の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置の概略構成図である。 第３の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックなどの概略構成図である。 第４の実施形態の固体高分子形燃料電池発電装置の一部を構成する燃料電池スタックの概略構成図である。

符号の説明

１ａ 燃料入口マニホールド（燃料ガス入口マニホールド）
２ａ 冷却水入口マニホールド
３ａ エア入口マニホールド（酸化剤ガス入口マニホールド）
１ｂ 燃料出口マニホールド（燃料ガス出口マニホールド）
２ｂ 冷却水出口マニホールド
３ｂ エア出口マニホールド（酸化剤ガス出口マニホールド）

Claims (2)

1. 燃料ガス中の不純物を除去するための吸着剤を有する燃料電池スタックを具備する固体高分子形燃料電池発電装置において、前記吸着剤を前記燃料電池スタックのマニホールドに配置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。
2. 前記吸着剤を前記燃料電池スタックの燃料ガス入口マニホールドに配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電装置。

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