JP2006172972A - 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５と、発電停止時に酸化剤ガス流路に残留した酸化剤ガスを原料ガスで置換する原料ガス置換手段５０と、発電起動時に酸化剤ガス流路に残留した原料ガスを酸化剤ガスで置換する酸化剤ガス置換手段９と、酸化剤ガスに含まれる酸性不純物、アルカリ性不純物および粉塵を除去するフィルター１０２、１０３、１０４と、原料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを燃焼させるバーナー１２を備え、発電停止時に酸化剤ガス流路に封入した原料ガスを発電起動時に燃焼させるために置換する酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去して、置換する酸化剤ガス中に含まれる不純物が電極に吸着して発電時の電圧を低下させることを防ぐので、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劣化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４を参照しながら説明する。図４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３１および３２がそれぞれ配置され、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４１および４２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５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）。

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）。

全反応を（化３）に示す。

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。図４において、原料ガスは脱硫部６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７で改質され水素を含む燃料ガスとなり、燃料電池５のアノード２１に供給される。燃料処理部７は、メタンなどを改質する改質器７１と、発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成器７２と、さらにＣＯを除去するＣＯ除去器７３を備えている。

原料ガスにメタンを用いた場合、改質器７１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。

その後、発生したＣＯは（化５）で示すようにＣＯ変成器７２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７３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７２でできるだけＣＯ濃度を低下させる必要がある。

さらに残ったＣＯは（化６）で示すようにＣＯ除去器７３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。

全反応式を（化７）に示す。

燃料電池５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５の出力電圧が低下してしまう。例えば、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、アノード２１あるいはカソード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。したがって、酸化剤ガス中に含まれる燃料電池５の特性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、酸化剤ガス中のアンモニアを除去するアンモニア除去装置を備え、酸化剤ガス中のアンモニアを除去していた（特許文献１参照）。これにより、酸化剤ガス中にアンモニアが含まれていても、それを除去するのでアンモニアにより出力電圧が低下することを抑制することができる。
特開平６−８４５３７号公報

しかしながら、前記従来のアンモニア除去装置を用いてアンモニアだけを除去する方法では、アンモニア以外の不純物が酸化剤ガス中に含まれる場合、アンモニア除去装置で必ずしもそれらを除去することができず、触媒の被毒、イオン伝導性の低下などにより、燃料電池の出力電圧が低下す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、大気中に存在す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不純物除去フィルターと、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不純物除去フィルターと、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する除塵フィルターを備えることにより、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、燃料電池の発電停止時に酸化剤ガスを供給排出するガス流路に残留した酸化剤ガスを原料ガスで置換する原料ガス置換手段と、前記燃料電池の発電起動時に前記酸化剤ガス流路に残留した原料ガスを酸化剤ガスで置換する酸化剤ガス置換手段と、前記酸化剤ガス置換手段で置換する酸化剤ガスに含まれる酸性不純物、アルカリ性不純物および粉塵を除去するそれぞれ酸性不純物除去フィルター、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターと、酸化剤ガスで置換された原料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを燃焼させるバーナーを備えるものである。

これによって、燃料電池の発電起動時に酸化剤ガス流路にパージする酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去することができ、アンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物や、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および粉塵などの粒子状不純物による触媒の被毒や、イオン伝導性の低下などを防ぎ、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、酸化剤ガス中に存在する可能性のある不純物を除去するので、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とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、前記燃料電池の発電停止時に前記酸化剤ガスを供給排出するガス流路に残留した酸化剤ガスを原料ガスで置換する原料ガス置換手段と、前記燃料電池の発電起動時に前記酸化剤ガス流路に残留した原料ガスを酸化剤ガスで置換する酸化剤ガス置換手段と、前記酸化剤ガス置換手段で置換する酸化剤ガスに含まれる酸性不純物、アルカリ性不純物および粉塵を除去するそれぞれ酸性不純物除去フィルター、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターと、酸化剤ガスで置換された原料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを燃焼させるバーナーを備え、発電停止時に酸化剤ガスを供給排出するガス流路に封入した原料ガスを発電起動時に燃焼させるために置換する酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去して、置換する酸化剤ガス中に含まれる不純物が電極に吸着して発電時の電圧を低下させることを防ぐので、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、原料ガス中に含まれるメタンは地球温暖化係数が高いが、本発明の燃料電池発電装置は、原料ガスを燃焼させるバーナーを備えているので、発電停止時に酸化剤ガスを供給排出するガス流路に封入した原料ガスを大気に放出することなく、より温暖化係数の低い二酸化炭素と水に変換することができ、環境負荷を低減させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の酸化剤ガス置換手段は、発電時に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であり、発電停止時に酸化剤ガスを供給排出するガス流路に封入した原料ガスを発電起動時に燃焼させるために置換する酸化剤ガスを供給する手段として、発電時に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を兼用するので、構成が簡単となり、経済的であるばかりでなく、発電時に供給する酸化剤ガス中に含まれる酸性不純物、アルカリ性不純物および粉塵をそれぞれ酸性不純物除去フィルター、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターで浄化するので、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の発明において、原料ガスに、脱硫された都市ガスを用いることにより、都市ガスに含まれる硫黄系の付臭剤が、電極を被毒するのを防止することができ、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４の発明は、特に、第１の発明において、ガスの流れに対して、最後段に除塵フィルターを配置することにより、酸化剤ガスまたは空気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物だけでなく、前段の酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物除去フィルター自身から発生する粉塵、粒子状物質も除去することができる。

第５の発明は、特に、第１の発明において、ガスの流れに対して、酸性不純物除去フィルターの後段にアルカリ性不純物除去フィルターを配置することにより、アルカリ性不純物除去フィルターが酸性不純物の二酸化窒素を酸性不純物除去フィルターで除去が困難な一酸化窒素に還元するのを防止するので、二酸化窒素を効率よく酸性不純物除去フィルターで除去することができ、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６の発明は、特に、第１の発明において、酸性不純物除去フィルターと、アルカリ性不純物除去フィルターの間にスペーサーを備え、酸性不純物除去フィルターとアルカリ性不純物除去フィルターを接触させないので、酸性不純物除去フィルターに添着したアルカリとアルカリ性不純物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。

第７の発明は、特に、第１の発明において、酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物除去フィルターの前段に粉塵を除去する粗フィルターを備え、各種フィルターより前段に配置される酸化剤ガス供給手段などから発生する粉塵や粒子状物質を粗フィルターで除去するので、酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物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。

第８の発明は、特に、第１の発明において、酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物除去フィルターをコルゲート型または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または空気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、酸化剤ガス置換手段あるいは酸化剤ガス供給手段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。

第９の発明は、特に、第１の発明において、酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物除去フィルターに、それぞれ酸性不純物を吸収するアルカリおよびアルカリ性不純物を吸収する酸をそれぞれ添着した活性炭からなる化学吸着型のフィルターを用いることにより、単に吸着するのではなく、不純物とアルカリまたは酸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。

第１０の発明は、特に、第１の発明において、除塵フィルターに、帯電した繊維からなる不織布を用いることにより、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により、空気中に浮遊するミクロの粉塵を効率よく捕集することができる。

第１１の発明は、特に、第１の発明において、酸性不純物除去フィルターと、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターの周囲に緩衝材を備え、緩衝材を介して筐体に収納して気密よく固定するので、フィルター周囲からの回りこみなどによる未反応ガスの漏れを防止することができる。

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４１および４２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４１および４２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、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８より取り込み、流量制御手段により所定の流量で燃料電池のカソード２２に供給した。

また、本発明の実施の形態の原料ガスとしてメタン、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を用いた。脱硫された原料ガスは、水とともに燃料処理部７へ供給され、改質反応により水素を含む燃料ガスとなる。燃料処理部７は、メタンなどを改質する改質器７１と、発生するＣＯを変成するＣＯ変成器７２および残ったＣＯをさらに除去するＣＯ除去器７３からなる。

また、脱硫器６の直後および燃料電池５の酸化剤ガスの入口部にそれぞれ切替弁を設け、発電停止時に酸化剤ガス流路に残留した酸化剤ガスを脱硫器６で脱硫した原料ガスで置換する原料ガス置換手段５０を備えた。

さらに、燃料電池５の酸化剤ガスの入口部に、発電起動時に酸化剤ガス流路に残留した原料ガスを大気中に放出せず、燃焼するために酸化剤ガスで置換するファンやポンプおよび空気ブロワなどの酸化剤ガス置換手段９を備え、酸化剤ガスである大気中に含まれる様々な不純物を除去するためにフィルター１０を設けた。実際、原料ガスを置換するのに必要な酸化剤ガスの量は、発電に用いる酸化剤ガスの量と比べて少量であるので、流量に合わせてフィルター１０のサイズを酸化剤ガスのフィルター１１のサイズよりも小さくした。

大気中には生ゴミ、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。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ので、このような環境においても、十分耐えなければならない。

フィルター１０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粗フィルター１０１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不純物除去フィルター１０２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不純物除去フィルター１０３と、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、前段の酸性不純物除去フィルター１０２およびアルカリ性不純物除去フィルター１０３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１０４と、酸性不純物除去フィルター１０２と、アルカリ性不純物除去フィルター１０３が接触しないように設けたスペーサー１０５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、酸性不純物除去フィルター１０２と、アルカリ性不純物除去フィルター１０３および除塵フィルター１０４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、同様にして、酸化剤ガス供給手段８とカソード２２入口の間に酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去するフィルター１１を配置した。フィルター１１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粗フィルター１１１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不純物除去フィルター１１２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不純物除去フィルター１１３と、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、前段の酸性不純物除去フィルター１１２およびアルカリ性不純物除去フィルター１１３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１１４と、酸性不純物除去フィルター１１２とアルカリ性不純物除去フィルター１１３が接触しないように設けたスペーサー１１５からなり、これらは、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、スペーサー１０５および１１５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１０５は、酸性不純物除去フィルター１０２および１１２とアルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３を接触させないので、酸性不純物除去フィルター１０２および１１２に添着したアルカリとアルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３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。

また、酸性不純物除去フィルター１０２および１１２と、アルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３および除塵フィルター１０４および１１４の周囲には緩衝材を設け、緩衝材を介して筐体内に収納した。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。

大気より取り込まれた酸化剤ガスは、最初に粗フィルター１０１および１１１を通過し、次いで酸性不純物除去フィルター１０２および１１２、スペーサー１０５および１１５を介して、アルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３を通って、最後に除塵フィルター１０４および１１４を通って、含まれる各種不純物の濃度を低減させる。

粗フィルター１０１および１１１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。粗フィルター１０１および１１１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置換手段９あるいは酸化剤ガス供給手段８などから発生する粉塵や粒子状物質も除去する。また、酸性不純物除去フィルター１０２および１１２、アルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３の除去性能を保持するだけでなく、除塵フィルター１０４および１１４の負荷を軽減するので除塵フィルター１０４および１１４の寿命を延ばすことができる。

酸性不純物除去フィルター１０２および１１２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１１上に固定して化学吸着させる。

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１０２および１１２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１０２および１１２による圧力損失を下げることができ、フィルター１０２および１１２の目詰まりも抑制するので、酸化剤ガス置換手段９あるいは酸化剤ガス供給手段８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。

アルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３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。

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１０３および１１３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１０３および１１３による圧力損失を下げることができ、フィルター１０３および１１３の目詰まりも抑制するので、酸化剤ガス置換手段９あるいは酸化剤ガス供給手段８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１０４および１１４は、ポリプロピレンなどからなる繊維を帯電させた後、粗フィルター１０１および１１１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不純物除去フィルター１０２および１１２やアルカリ性不純物除去フィルター１０３および１１３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５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、各種フィルターの性能を確認した。

まず、アノード２１に不純物を含まない清浄な燃料ガス、カソード２２にも不純物を含まない清浄な酸化剤ガスを露点がそれぞれ６５℃、７０℃となるように加湿して所定量供給した。燃料ガスには約２０％の二酸化炭素が含まれている。そして、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。この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。

次に、発電を停止するためにアノード２１に燃料ガスを供給したまま、カソード２２への酸化剤ガスの供給を停止し、切替弁を動作させてカソード２２に脱硫した原料ガスを供給し、酸化剤ガス流路に残留した酸化剤ガスを原料ガスで置換した。そして、電池電圧が下がり、カソード２２の電位が十分に低くなったら、燃料ガスおよび原料ガスの供給を停止し、酸化剤ガス流路および燃料ガス流路に外部から大気が流入しないようそれぞれ入口と出口を封止した。燃料電池５の温度が下がり、内部が結露すると内圧が小さくなり負圧となるため、停止中時々アノード２１およびカソード２２に原料ガスを少量注入した。
次に、発電を起動するために酸化剤ガス置換手段９を動作させて、カソード２２に酸化剤ガスを供給して、酸化剤ガス流路に残留している原料ガスを置換した。

酸化剤ガス流路から排出される原料ガスは極めて少量であるが、原料ガス中に含まれるメタンは地球温暖化係数が高く、環境負荷が高い。温暖化係数とは、温室効果ガスの地球温暖化に対する効果を示す指標であり、同一重量にして、メタンは二酸化炭素の２１倍負荷が高い。

本発明の実施の形態では、カソード２２の出口に切替弁が設けられており、起動時にカソード２２から排出される原料ガスを燃焼するバーナー１２が備えられている。置換された原料ガスは供給された酸化剤ガスとともにバーナー１２に送られ、燃焼してメタンよりも地球温暖化係数が低い二酸化炭素に変換される。よって、本発明の燃料電池発電装置を用いれば環境負荷の低減をすることができる。

なお、燃料ガス流路に残留した原料ガスはアノード２１の出口から再び燃料処理部７に戻され、改質用の原料ガスとして用いられ、大気中に放出されることはない。

次に、アノード２１およびカソード２２にそれぞれ所定量の燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して再び発電を行った。このとき、起動前に酸化剤ガス流路に残留した原料ガスを置換するために供給した酸化剤ガスをフィルター１０で不純物を除去した場合と、しない場合とで起動後の発電電圧の値とその安定性について調べた。

酸化剤ガスに１ｐｐｍのアンモニア、０．０４ｐｐｍの二酸化硫黄および０．０６ｐｐｍの二酸化窒素を添加して供給したとき、フィルターでこれらの不純物を除去した場合としない場合を比較すると、フィルターがない場合、電圧がふらつきながら徐々に低下し、約１０時間後に電池電圧は０．７４Ｖまで低下した。試験結果を図２にしめす。図２より、本実施の形態のフィルター１０が起動前に供給する酸化剤ガス中に含まれる不純物を効率よく除去し、カソード２２を汚染することなく安定した発電を継続することが判った。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２であり、実施の形態１と異なる点は、酸化剤ガス置換手段９を、発電時に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段８と兼用するところである。それ以外の点は実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

本発明の実施の形態２によれば、発電停止時に酸化剤ガスを供給排出するガス流路に封入した原料ガスを発電起動時に燃焼させるために置換する酸化剤ガスを供給する手段として、発電時に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段８を兼用するので、構成が簡単となり、経済的であるばかりでなく、発電時に供給する酸化剤ガス中に含まれる酸性不純物、アルカリ性不純物および粉塵をそれぞれ酸性不純物除去フィルター、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターからなるフィルター１１を共用化することができ、さらに構成が簡単となり、経済的であるばかりでなく、交換などのメンテナンス性が向上する。

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１における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 本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の概略構成図 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
２１ 電極（アノード）
２２ 電極（カソード）
４１、４２ セパレータ板
５ 燃料電池
８ 酸化剤ガス供給手段
９ 酸化剤ガス置換手段
５０ 原料ガス置換手段
１０２、１１２ 酸性不純物除去フィルター
１０３、１１３ アルカリ性不純物除去フィルター
１０４、１１４ 除塵フィルター
１０５、１１５ スペーサー
１２ バーナー

Claims (11)

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とからなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池と、前記燃料電池の発電停止時に前記酸化剤ガスを供給排出するガス流路に残留した酸化剤ガスを原料ガスで置換する原料ガス置換手段と、前記燃料電池の発電起動時に前記酸化剤ガス流路に残留した原料ガスを酸化剤ガスで置換する酸化剤ガス置換手段と、前記酸化剤ガス置換手段で置換する酸化剤ガスに含まれる酸性不純物、アルカリ性不純物および粉塵を除去するそれぞれ酸性不純物除去フィルター、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターと、酸化剤ガスで置換された原料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを燃焼させるバーナーを備えてなる燃料電池発電装置。
2. 酸化剤ガス置換手段は、発電時に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段である請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 原料ガスは、脱硫された都市ガスである請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. ガスの流れに対して、最後段に除塵フィルターを配置する請求項１に記載の燃料電池発電装置。
5. ガスの流れに対して、酸性不純物除去フィルターの後段にアルカリ性不純物除去フィルターを配置する請求項１に記載の燃料電池発電装置。
6. 酸性不純物除去フィルターと、アルカリ性不純物除去フィルターの間にスペーサーを備えた請求項１に記載の燃料電池発電装置。
7. 酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物除去フィルターの前段に粉塵を除去する粗フィルターを備えた請求項１に記載の燃料電池発電装置。
8. 酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ性不純物除去フィルターはコルゲート型またはハニカム型の構造体である請求項１に記載の燃料電池発電装置。
9. 酸性不純物除去フィルターおよびアルカリ酸性不純物除去フィルターは、それぞれ酸性不純物を吸収するアルカリおよびアルカリ性不純物を吸収する酸をそれぞれ添着した活性炭からなる化学吸着型のフィルターである請求項１に記載の燃料電池発電装置。
10. 除塵フィルターは、帯電した繊維からなる不織布からなる請求項１に記載の燃料電池発電装置。
11. 酸性不純物除去フィルターと、アルカリ性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターの周囲に緩衝材を備えた請求項１に記載の燃料電池発電装置。

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