JP2007193962A - 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６と、これらを内部に収納する直方体の筐体９と、筐体９の少なくとも二つの異なる面に配置され、酸化剤ガスを導入する複数の吸気口を備え、第一の吸気口９１は不純物ガス濃度の低い方向に面した側面に配置され、第二の吸気口９２は第一の吸気口９１とは異なる側面に配置され、一方向から不純物を多く含む酸化剤ガスが供給された場合でも、それ以外の複数の吸気口から吸気する不純物をあまり含まない酸化剤ガスでその不純物を希釈し、燃料電池の入口における不純物の濃度を低減させるので、不純物除去手段の寿命が確保され、結果として燃料電池の耐久性を向上させることができ、十分な信頼性を有する燃料電池発電装置を得ることができる。
【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７を参照しながら説明する。図７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、都市ガスなどの原料ガスを改質して供給される。原料ガスは脱硫部４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５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５は、メタンなどを改質する改質器５１と、発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成器５２と、さらにＣＯを除去するＣＯ除去器５３を備えている。

原料ガスにメタンを用いた場合、改質器５１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５２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５３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５２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５３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。

酸化剤ガスは、大気中に含まれる酸素をコンプレッサー、ポンプ、ファン、ブロワなどの酸化剤ガス供給手段６を用いて供給される。

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１が中和されて、電解質１のイオン伝導性が低下してしまう。また、大気塵などの粒状物質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（不純物ガスまたは粒状物質）を除去する必要がある。

従来は、例えば、酸化剤ガスの経路に設けた不純物除去手段７により酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去していた（特許文献１参照）。

また、燃料電池などを内蔵した筐体に吸気口と複数の排気口を設け、筐体内の空気を換気する構成が開示されている（特許文献２参照）。
特開平８−１３８７０３号公報 特開平１１−８６８９１号公報

しかしながら、この種の燃料電池発電装置は屋外に設置される場合があり、異なる複数
の設置場所で運転をさせたとき、設置場所によっては設計値のスペックの寿命に至る前に特性低下を起こすため、全ての燃料電池発電装置において十分な信頼性を得るには改善の余地があった。

本発明者らが鋭意検討した結果、燃料電池発電装置の設置場所に高濃度の不純物を噴出する排出源（例えば自動車、オートバイなど）が隣接して存在し、一時的にでも前記排出源から排出される不純物を燃料電池発電装置が吸気した場合、燃料電池発電装置の特性が低下してしまうことを見出した。これは、排出源から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物、硫黄酸化物、未燃炭化水素およびその他有機化合物などの不純物ガスが、燃料電池や燃料処理部に含まれる触媒を被毒したり、本来の反応を阻害したりするために起こるものと考えられる。

前記した従来の燃料電池発電装置の構成には設置場所や不純物に関する記載はなく、一方向の吸気口から酸化剤ガスを吸気する方法では、その方向から高濃度の不純物を含む酸化剤ガスが供給された場合、例えば、燃料電池発電装置が駐車場など高濃度の不純物を排出する排出源が隣接した場所に設置され、自動車などのアイドリング時に排出する高濃度の排ガスが不純物として、酸化剤ガス中に混入したとき、その不純物を希釈することができないために、一時的に電圧低下を引き起こしたり、不純物除去手段の寿命を短くさせたり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、高濃度の不純物を含む排ガスを排出する排出源が燃料電池発電装置の隣接する場所に置かれた場合でも、特性低下が十分に防止され、設計値に基づく特性を得ることのできる、十分な信頼性を有する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、燃料電池と酸化剤ガス供給手段を内部に収納する筐体の複数の面に配置された複数の吸気口を備え、複数の吸気口の内少なくとも一つの吸気口が酸化剤ガス中に含まれる不純物ガス濃度の低い方向に面した側面に配置される構成であり、本発明者らが鋭意検討した結果、前記本発明の目的を達成する上で前記構成は極めて有効であることを見出した。

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、一方向から不純物を多く含む酸化剤ガスが供給された場合、例えば、燃料電池発電装置が屋外の駐車場の近くに設置され、自動車などのアイドリング時に排出される高濃度の排ガスが不純物として、酸化剤ガス中に混入した場合でも、それ以外の異なる側面に配置された複数の吸気口から吸気する不純物をあまり含まない酸化剤ガスでその不純物を希釈し、燃料電池の入口における不純物の濃度を低減させるので、その不純物による燃料電池の電圧低下が軽減され、さらには不純物除去手段の負荷が軽減されるので、不純物除去手段の寿命が確保され、結果として燃料電池の耐久性を向上させることができ、十分な信頼性を有する燃料電池発電装置を得ることができる。

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セルを少なくとも一つ有する燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池と前記酸化剤ガス供給手段を内部に収納する直方体の筐体と、前記筐体の少なくとも二つの異なる面に配置され、前記酸化剤ガスを前記筐体外部から前記筐体内部へ前記酸化剤ガス供給手段に導入す
る複数の吸気口を備え、第一の吸気口は不純物ガス濃度の低い方向に面した側面に配置され、第二の吸気口は前記第一の吸気口とは異なる側面に配置され、一方向から不純物を多く含む酸化剤ガスが供給された場合でも、それ以外の複数の吸気口から吸気する不純物をあまり含まない酸化剤ガスでその不純物を希釈し、燃料電池の入口における不純物の濃度を低減させるので、その不純物による燃料電池の電圧低下が軽減され、さらには不純物除去手段の負荷が軽減されるので、不純物除去手段の寿命が確保され、結果として燃料電池の耐久性を向上させることができる。

第２の発明は、第一の吸気口は筐体の背面に配置され、隣接する外壁と前記背面を隔離して対面させることにより、排出源となる自動車などが置かれることの多い筐体の正面に、アイドリングなどにより排ガスが噴出された場合でも、最も不純物濃度の低い隣接する外壁と対面した筐体の背面に配置された吸気口より比較的新鮮な酸化剤ガスを吸入するので、排ガスなどの不純物が直接導入されることがなく、不純物が低減された酸化剤ガスを供給することができる。

第３の発明は、第一の吸気口は筐体の高さの半分より上の領域内に配置されることにより、筐体の正面や側面などに排出源となる自動車などが置かれ、アイドリングなどにより排ガスが噴出された場合でも、地上から３０ｃｍ程度の高さに位置する自動車の排気口などの排出源から十分に離れた筐体の上半分に配置された吸気口を介して比較的新鮮な酸化剤ガスを大気より吸入するので、排ガスなどの不純物が直接導入されることがなく、不純物が低減された酸化剤ガスを供給することができる。

第４の発明は、酸化剤ガス中に含まれる不純物ガスを除去する不純物ガス除去手段を備え、複数の吸気口から供給され不純物濃度が希釈された酸化剤ガス中に含まれる窒素酸化物や硫黄化合物などの酸性ガス、アンモニアなどのアルカリ性ガスあるいはトルエンなどの有機化合物を不純物ガス除去手段で長期間除去するので、これらの不純物ガスにより電池電圧が低下しない耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

第５の発明は、不純物ガス除去手段を酸化剤ガス供給手段の後流に配置するので、酸化剤ガス供給手段由来の不純物ガスも除去することができ、さらに耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

第６の発明は、不純物ガス除去手段を酸化剤ガス供給手段の前流に配置するので、酸化剤ガス中に含まれる不純物による腐食などの弊害を酸化剤ガス供給手段に与えず、耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

第７の発明は、不純物ガス除去手段は円筒空洞状であり、酸化剤ガスを円筒外周部から空洞内部へと通過させて、不純物ガスを除去するので、不純物ガス除去手段は前後左右四方の複数の吸気口から供給される酸化剤ガスを吸気することができ、酸化剤ガス中に含まれる不純物ガスを除去して、これらの不純物による燃料電池への影響を軽減させることができる。

また、円筒空洞状にすることで圧力損失を増大させることなく不純物ガス除去面積を大きくとれるので、除去容量が増え、不純物ガス除去手段の寿命を延命させることができる。

第８の発明は、酸化剤ガス中に含まれる粒状物質を除去する粒状物質除去手段を備え、複数の吸気口から供給され濃度が希釈された粒状物質を粒状物質除去手段で長期間除去するので、これらの粒状物質により電池電圧が低下しない耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

第９の発明は、粒状物質除去手段を酸化剤ガス供給手段の後流に配置するので、酸化剤ガス供給手段由来の粒状物質も除去することができ、さらに耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

第１０の発明は、粒状物質除去手段を酸化剤ガス供給手段の前流に配置するので、酸化剤ガス中に含まれる粒状物質による弊害を酸化剤ガス供給手段に与えず、耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

第１１の発明は、粒状物質除去手段は円筒空洞状であり、酸化剤ガスを円筒外周部から空洞内部へと通過させて、粒状物質を除去するので、粒状物質除去手段は前後左右四方の複数の吸気口から供給される酸化剤ガスを吸気することができ、酸化剤ガス中に含まれる粒状物質を除去して、これらの粒状物質による燃料電池への影響を軽減させることができる。

また、円筒空洞状にすることで圧力損失を増大させることなく粒状物質除去面積を大きくとれるので、除去容量が増え、粒状物質除去手段の寿命を延命させることができる。

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、ガスは加湿して供給し、電解質１膜などの乾燥を防いだ。

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、燃料ガスは、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５１と、発生するＣＯを変成するＣＯ変成器５２と、残ったＣＯをさらに除去するＣＯ除去器５３からなる燃料処理部５を用い、改質反応によ
り生成した水素ガスを含むガスを燃料電池に供給する構成とした。

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６を用い、流量制御手段により所定の流量で供給する構成とした。

酸化剤ガス供給手段６の後流には、粒状物質を除去する粒状物質除去手段７１と、不純物除去手段７２を配置した。粒状物質除去手段７１および不純物ガス除去手段７２により粒状物質および不純物ガスを除去して浄化された空気は、加湿器８へ供給、加湿されて燃料電池に到達する。

不純物ガス除去手段７２は、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からなる。

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６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６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。

粒状物質除去手段７１は、大気中に含まれる粉塵などの粒状物質や、酸化剤ガス供給手段６などから発生する粉塵などの粒状物質を除去するプレフィルターと、大気中に含まれる粉塵などの粒状物質や、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状物質を除去する除塵フィルターからなる。

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。

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状物質を効率よく除去することができる。

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、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。

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６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。

図１において９は筐体であり、上記構成の燃料電池、燃料処理部５、酸化剤ガス供給手段６および不純物除去手段７２などを内部に格納している。図２（ａ）および（ｂ）に筐体９の概略正面図および背面図をそれぞれ示す。筐体９の背面には酸化剤ガスとして外気を吸入する第一の吸気口９１が形成されている。第一の吸気口９１は、本発明の燃料電池発電装置のメインの吸気口であり、そのサイズ、配置などは図示したものに限定されるものではないが、内蔵される酸化剤ガス供給手段６または不純物ガス除去手段７２、粒状物質除去手段７１の近傍に配置されている。また、筐体９の背面に配置される第一の吸気口９１を複数の吸気口は複数に分割して配置してもよい。また、第二の吸気口９２は、第一の吸気口９１とは異なる面に配置され、図示した正面以外にも側面などに形成してもよく
、そのサイズ、配置、個数などは図示したものに限定されるものではない。また、筐体９の正面には燃料電池や燃料処理部５のオフガスを排出する排気口９ａが配置されている。

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、設置される環境に応じて様々な不純物が含まれている。例えば、自動車などの排ガスなどに含まれる窒素酸化物、硫黄酸化物、炭化水素、あるいは温泉や火山地区などに多く含まれる硫黄化合物、あるいは肥料やトイレなどの近くに含まれるアミン化合物、あるいは溶剤、塗料、建材などから発生する有機化合物などの不純物ガスや、土ぼこり、綿ぼこりなどの塵埃、あるいはオイルミストなどの粒状物質が存在する可能性がある。また、自動車などの移動排出源においてはアイドリング時など不定期に高濃度の不純物を排出する場合がある。

上記した構成の本発明の実施の形態の燃料電池発電装置によれば、燃料電池発電装置の設置場所に高濃度の不純物を噴出する排出源（例えば自動車、オートバイなど）が隣接して存在し、一時的にでも前記排出源から排出される不純物を燃料電池発電装置が吸気しても、特性低下が十分に防止され、十分な信頼性を得ることができる。

図３は本発明の実施例の燃料電池発電装置の側面図であり、かつ、屋外の一般家庭などの外壁に隣接して設置した場合の概略位置関係を示す図である。図示した設置状況は一例であり、図示したものに限定されるものではない。図３において、本発明の実施の形態の燃料電池発電装置は、建物の外壁に沿って設置され、筐体９の背面は外壁と対面して配置される。燃料電池発電装置の背面と外壁は防火上の理由から隔離して配置され、隔離距離Ａは１００ｍｍ以上である。背面と外壁の間には不純物を発生する排出源などが存在することがなく、正面など他の側面に比べて不純物ガスの濃度は極めて低い。本発明の燃料電池発電装置は、第一の吸気口９１を背面に備え、外気は少なくとも背面の第一の吸気口９１から吸入されるので、正面から自動車などの排出源が置かれた場合であっても、背面から新鮮な空気を吸入することができる。

また、第一の吸気口９１以外の吸気口９２は筐体９の側面あるいは正面などに配置されるが、自動車のマフラーなどの排出源の高さｙより十分に高い、筐体９の高さの半分より上の領域（高さＢ）に位置するので、排出源から高濃度の不純物が排出された場合であっても、拡散することにより吸気口９２に達するまでにその濃度は十分に希釈される。吸気口９２の配置、形状、サイズは図示したものに限定されず、その個数も複数であってもその効果は同様であり、筐体９に吸気口９１および９２が複数あることにより、一方向から一時的に排出される不純物を希釈することができ、燃料電池発電装置の特性低下を十分に防止することができる。

筐体９の正面から自動車のマフラーなどの排出源までの距離ｘにおける筐体９の表面の実際の不純物濃度と、内部に吸い込まれ十分に希釈された後の酸化剤ガス供給手段６の直後の実際の不純物濃度を測定した。排出源として高濃度の窒素酸化物を排出するディーゼル車を用いたときの各二酸化窒素の濃度の測定結果を図４に示す。図４より、不純物の濃度は距離ｘが近くなるほど高くなり、ほぼ距離の二乗に反比例していた。また、内部に取り込まれた不純物は複数の吸気口９１および９２から取り込まれた空気により希釈され、４分の１程度に希釈されていることが判った。吸気口９１および９２の配置、形状、サイズによりその希釈率は変化したが、最低でも半分には希釈されることも判った。

また、このときの電池電圧は低下することなく一定の値を示しており、不純物が燃料電池まで達していないことを確認した。

したがって、本発明の実施例の燃料電池発電装置の構成によれば、一方向から不純物を
多く含む酸化剤ガスが供給された場合、例えば、燃料電池発電装置が屋外の駐車場の近くに設置され、自動車などのアイドリング時に排出される高濃度の排ガスが不純物として、酸化剤ガス中に混入した場合でも、それ以外の異なる側面に配置された複数の吸気口９１および９２から吸気する不純物をあまり含まない酸化剤ガスでその不純物を希釈し、燃料電池の入口における不純物の濃度を低減させるので、その不純物による燃料電池の電圧低下が軽減され、さらには不純物除去手段７２の負荷が軽減されるので、不純物除去手段７２の寿命が確保され、結果として燃料電池の耐久性を向上させることができ、十分な信頼性を有する燃料電池発電装置を得ることができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の燃料電池発電装置の概略構成図である。実施の形態１の燃料電池発電装置と異なる点は、粒状物質除去手段７１および不純物ガス除去手段７２を酸化剤ガス供給手段６の前流に配置した点であり、それ以外の構成は実施の形態１と同じである。

粒状物質除去手段７１および不純物ガス除去手段７２を酸化剤ガス供給手段６の前流に配置するので、酸化剤ガス中に含まれる粒状物質や不純物による腐食などの弊害を酸化剤ガス供給手段６に与えず、耐久性に優れた燃料電池発電装置を得ることができる。

また、図６に、粒状物質除去手段７１よび不純物ガス除去手段７２の概略構成図を示す。図６（ａ）において、粒状物質除去物質７１および不純物ガス除去手段７２は同心円の二重の円筒空洞状であり、酸化剤ガスを円筒外周部から空洞内部へと通過させて、粒状物質および不純物ガスを除去するので、粒状物質除去手段７１および不純物ガス除去手段７２は前後左右四方の複数の吸気口から供給される酸化剤ガスを吸気することができ、酸化剤ガス中に含まれる粒状物質および不純物ガスを除去して、これらの不純物による燃料電池への影響を軽減させることができる。

また、円筒空洞状にすることで圧力損失を増大させることなく不純物ガス除去面積を大きくとれるので、除去容量が増え、粒状物質除去手段７１および不純物ガス除去手段７２の寿命を延命させることができる。必要に応じて、プリーツ状に形成し、さらに面積を増大させることもできる。

また、図６（ｂ）に示したように、不純物ガス除去手段７２は必ずしも空洞状に形成する必要ななく、前段に配置する粒状物質除去手段７１を円筒空洞状に形成し、空洞内部を通過して粒状物質が除去された酸化剤ガスを不純物ガス除去手段７２に通過させて不純物ガスを除去する構成でもよい。

本発明の実施の形態２の特長は、円筒空洞状にすることで前後左右四方の複数の吸気口から供給される酸化剤ガスを吸気し、一方向からくる高濃度の不純物を希釈することができる構造を有する点である。

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の燃料電池発電装置の概略構成図 （ａ）同装置の筐体の外観正面図（ｂ）同外観背面図 同装置の筐体の外観側面図および設置状態図 同装置の内部および外部の二酸化窒素濃度を示す特性図 本発明の実施の形態２の燃料電池発電装置の概略構成図 （ａ）同装置の粒状物質除去手段と不純物ガス除去手段の構成図（ｂ）別の形態の構成図 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）
３１、３２ セパレータ板
６ 酸化剤ガス供給手段
７１ 粒状物質除去手段
７２ 不純物ガス除去手段
９ 筐体
９１ 第一の吸気口
９２ 第二の吸気口

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セルを少なくとも一つ有する燃料電池と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池と前記酸化剤ガス供給手段を内部に収納する直方体の筐体と、前記筐体の少なくとも二つの異なる面に配置され、前記酸化剤ガスを前記筐体外部から前記筐体内部へ前記酸化剤ガス供給手段に導入する複数の吸気口を備え、第一の吸気口は不純物ガス濃度の低い方向に面した側面に配置され、第二の吸気口は前記第一の吸気口とは異なる側面に配置される燃料電池発電装置。
2. 第一の吸気口は筐体の背面に配置され、隣接する外壁と前記背面を隔離して対面させる請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 第一の吸気口は筐体の高さの半分より上の領域内に配置される請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 酸化剤ガス中に含まれる不純物ガスを除去する不純物ガス除去手段を備えてなる請求項１に記載の燃料電池発電装置。
5. 不純物ガス除去手段を酸化剤ガス供給手段の後流に配置する請求項１および４に記載の燃料電池発電装置。
6. 不純物ガス除去手段を酸化剤ガス供給手段の前流に配置する請求項１および４に記載の燃料電池発電装置。
7. 不純物ガス除去手段は円筒空洞状であり、酸化剤ガスを円筒外周部から空洞内部へと通過させて、不純物ガスを除去する請求項１、４および６に記載の燃料電池発電装置。
8. 酸化剤ガス中に含まれる粒状物質を除去する粒状物質除去手段を備えてなる請求項１に記載の燃料電池発電装置。
9. 粒状物質除去手段を酸化剤ガス供給手段の後流に配置する請求項１および８に記載の燃料電池発電装置。
10. 粒状物質除去手段を酸化剤ガス供給手段の前流に配置する請求項１および８に記載の燃料電池発電装置。
11. 粒状物質除去手段は円筒空洞状であり、酸化剤ガスを円筒外周部から空洞内部へと通過させて、粒状物質を除去する請求項１、８および１０に記載の燃料電池発電装置。

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