JP4352652B2 - 燃料電池の流体浄化器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に供給される空気、燃料などの流体から不純物を除去するための浄化器と、この浄化器を備えた燃料電池発電設備とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、周知の通り、水素等と酸素の電気化学反応により電気を発生させるものである。この燃料電池に供給される燃料等の流体中に不純物が含まれていると、燃料電池の特性が低下し易くなる。例えば、燃料電池を長期間にわたって運転すると起電力が低下したり、寿命が短くなったりする。そこで、この燃料電池に供給される空気や燃料中の不純物を除去することが種々提案されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−２７７１３９には、昇温された燃焼触媒層に空気を通過させ、空気中の有機溶媒等の不純物を燃焼分解して除去することが記載されている。
【０００４】
特開２０００−３２７３０５には、燃料ガスの改質に用いられる空気を活性炭で吸着処理し、空気中のＳＯ_ｘ，ＮＯ_ｘ等の不純物を吸着除去することが記載されている。
【０００５】
特開２００１−３１３０５７には、イオン交換樹脂よりなるフィルタに空気や水素ガスを接触させて酸性ガスやアルカリ性ガス等の気体不純物を除去することが記載されている。
【０００６】
特開２００２−９３４５２には燃料ガス中の亜硫酸ガス等の不純物を溶融炭酸塩と接触させて除去することが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池に供給される燃料ガスや空気などの流体から不純物を効率良く除去することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明（請求項１）の燃料電池の流体浄化器は、燃料電池に供給される流体中の不純物を除去するための流体浄化器において、三次元構造体と、該三次元構造体に保持された不純物の分解又は吸着用の物質とを有する燃料電池の流体浄化器であって、該流体は気体であり、該三次元構造体は、ポリウレタンフォームであり、該三次元構造体の通気度は、ＪＩＳ Ｌ１００４−１９７２（綿織物試験方法）に基づくフラジール型試験機による通過空気量（ｃｍ ^３ ／ｃｍ ^２ ／ｓｅｃ）が１０ｍｍ厚さの測定で１５０以上であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明（請求項４）の燃料電池の流体浄化器は、燃料電池に供給される流体中の不純物を除去するための流体浄化器において、三次元構造体と、該三次元構造体に保持された不純物の分解又は吸着用の物質とを有する燃料電池の流体浄化器であって、該流体は、気体であり、該三次元構造体は、ポリウレタンフォームであり、該三次元構造体の通気度は、ＪＩＳ Ｌ１００４−１９７２（綿織物試験方法）に基づくフラジール型試験機による通過空気量（ｃｍ ^３ ／ｃｍ ^２ ／ｓｅｃ）が１０ｍｍ厚さの測定で１５０以上であり、該吸着用の物質は、アルカリ性物質を添着させた添着活性炭であることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の燃料電池発電設備は、燃料電池と、かかる本発明の流体浄化器とを有するものである。
【００１１】
かかる本発明の流体浄化器及び燃料電池発電設備によると、流体中の不純物が三次元構造体に保持された分解又は吸着用の物質によって分解又は吸着されて流体中から除去される。この分解又は吸着用の物質は三次元構造体に保持されているので、比表面積が大きく、不純物が効率よく分解又は吸着除去され、これにより燃料電池の特性維持、寿命延長などが実現される。
【００１２】
この三次元構造体は、ポリウレタンフォームである。この分解又は吸着用の物質は、活性炭などの吸着体粒子が好適である。この吸着体粒子は、三次元構造体にバインダー層を介して保持されていることが好ましく、特に吸着体粒子はその一部が該バインダー層に接し、残部は該バインダー層から露出していることが好ましい。
【００１３】
本発明の流体浄化器は、三次元構造体としてのポリウレタンフォームと、このポリウレタンフォームの骨格構造の表面及び内部に塗布された非溶剤系バインダー層と、該バインダー層に一部が接触して固着され残部が露出した、ポリウレタンフォームの平均骨格間距離の５０分の１以上、１．５分の１以下の平均粒径を有する吸着体粒子とを有することが特に好適であり、さらにこの流体浄化器の表層に非溶剤系バインダーが塗布されていてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明において、燃料電池としては固体高分子型燃料電池、アルカリ水溶液電解質型燃料電池、リン酸水溶液電解質型燃料電池、溶融炭酸塩電解質型燃料電池、固体酸化物電解質型燃料電池などのいずれのものであってもよい。この燃料電池は静置型であってもよく、車両搭載用などの可搬型のものであってもよい。
【００１５】
この燃料電池に供給される燃料は、水素、石炭ガス、天然ガス、その他の各種の炭化水素ガス、これらの改質ガスなどのガス燃料が好適である。
【００１６】
燃料と反応させる酸化剤ガスは酸素、空気、酸素富化空気などのいずれでもよい。
【００１７】
この燃料や空気等のガス中に含まれる不純物としては、ＳＯ_ｘ，ＮＯ_ｘ，Ｈ_２Ｓ、ベンゼンやトルエンなどの炭化水素や各種の揮発性有機化合物などが例示される。
【００１８】
燃料電池に供給される流体中から不純物を除去する本発明の流体浄化器は、上記の通り、三次元構造体と、該三次元構造体に保持された、不純物の分解又は吸着用の物質とを有する。
【００１９】
三次元構造体としてはポリウレタンフォームを用いる。発泡時コントロールにより通気度を上げたり、骨格間距離を任意に設定したりすることができ、また発泡後爆発処理やアルカリ処理等の物理的、化学的処理により通気度を上げたりすることができる点においてポリウレタンフォームが最も使用に便利であり、軟質ポリウレタンフォーム、又は発泡膜を除去した網状ポリウレタンフォーム等が好ましい。また金属化ポリウレタンフォームを使用することもできる。
【００２０】
三次元構造体の通気度はＪＩＳ Ｌ１００４−１９７２（綿織物試験方法）に基づくフラジール型試験機による通過空気量（ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓｅｃ）が１０ｍｍ厚さの測定で１５０以上、好ましくは２５０以上であるものを使用する。通過空気量は５０Ｌ／ｍｉｎ〜５００Ｌ／ｍｉｎ程度が好ましい。
【００２１】
この三次元構造体に保持させる吸着用の物質としては、吸着体粒子としては、活性炭、ゼオライト、イオン交換樹脂、活性白土、活性アルミナ、粉体シリカゲル等の各種吸着体の粒子を使用目的に応じて任意に選択、使用できるが、汎用性のある点では活性炭が一般的である。活性炭としてはＢＥＴ比表面積が５００ｍ^２／ｇ以上とくに１０００〜２０００ｍ^２／ｇ程度のものが好ましい。吸着能を考えると比表面積は大きい程よいが、比表面積を大きくすると吸着体の硬度が下がる傾向にあり、吸着体の種類によっては発塵要因となる可能性が出てくる。
【００２２】
請求項４の燃料電池の流体浄化器では、燃料電池のイオン交換膜や電極に担持された触媒の被毒要因につながり、起電力低下となる大気中の硫黄系化合物を高効率で除去する目的で炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどのアルカリ性物質を添着させた添着活性炭を用いる。
【００２３】
この吸着体粒子は、不純物を分解する触媒を担持してもよい。なお、この触媒は、吸着体粒子を介することなく直接に三次元構造体に担持されてもよい。
【００２４】
本発明の流体浄化器としては、三次元構造体にバインダー層を介して上記の吸着体粒子を保持させたものが好適であり、特に吸着体粒子の一部が該バインダー層に接触し、残部がバインダー層から露出しているものが好適である。このように吸着体粒子がバインダー層から露出していると、吸着体粒子と流体とが直接的に接触するようになり、不純物除去効果が高いものとなる。
【００２５】
この場合、吸着体粒子の平均粒径は、三次元構造体の平均骨格間距離（孔径）の５０分の１以上、１．５分の１以下であることが好ましい。また、吸着体粒子の粒度分布は、その９５重量％以上が平均粒径の５分の１〜５倍、特に２分の１〜２倍のものが好適である。
【００２６】
この吸着体粒子の平均粒径が三次元構造体の平均孔径の５０分の１（２％）以上、１．５分の１（６７％）以下であると、三次元構造体の内部にまで吸着体粒子が分散固着し、しかも従来品よりも吸着能力が高い吸着材が得られる。なお、通気性の維持及び吸着絶対量の増加という点を考慮すれば、平均粒径を孔径の１０分の１（１０％）以上、２分の１（５０％）以下とするのが一層好ましい。
【００２７】
平均粒径が孔径の１．５分の１（６７％）以上の場合は、吸着体粒子を表面からスプレーしても三次元構造体の骨格構造の内部にまで侵入させることが困難で、基材の表面近くに付着するものが大部分であり、かつその付着力も弱いので、付着した吸着体粒子は脱落し易い。これは吸着体粒子の大きさに比し三次元構造体との付着部分の面積が相対的に小さくなるためではないかと思われる。但しこの場合は後述する表層のバインダー塗布処理により吸着体粒子の固着性を改善することが可能である。
【００２８】
また平均粒径が孔径の５０分の１（２％）以下の場合には、三次元構造体に付着する吸着体量が著しく少なくなる。これは細かい吸着体粒子が三次元構造体に塗布されたバインダーをうすくカバーしてしまい、それ以上付着することがないので固着絶対量が減少するためと考えられる。その結果吸着材全体としての吸着能力が小さくなり従来法（吸着体粒子とバインダーを混合付着させる方法）による吸着材と同程度の吸着能力しか示さなくなる。
【００２９】
バインダーも各種のものを適宜選択、使用することができるが、接着力が強く、かつ吸着体粒子の細孔の目詰まりを生じにくいものが好ましく、この観点からは固形分が多く揮発成分が少ないもの、即ち固形分が３０重量％以上、好ましくは５０重量％以上で、有機溶剤は５０重量％以下、好ましくは０％のものが好適である。また、吸着性能への影響を考えると非溶剤系バインダーの方が好適に使用することができる。
【００３０】
具体例を挙げれば、湿気硬化型反応性ウレタン系ホットメルト、アクリル又はウレタン系エマルジョンバインダーが使用できる。また、ＮＣＯ過剰のウレタン系プレポリマー、より好ましくはＭＤＩ（メチレンジイソシアネート）ベースのウレタン系プレポリマーを使用する。ＭＤＩベースのプレポリマーの方がＴＤＩ（トリレンジイソシアネート）ベースのものより遊離イソシアネートが発生し難く、吸着体粒子への吸着が少なく、かつ製造工程における衛生面からも問題が少ない。
【００３１】
ＮＣＯ過剰のウレタン系プレポリマーをバインダーとする場合、そのままでは粘度が高すぎる時には、必要最小限の有機溶剤を加えて塗布し、乾燥温風によって大部分の有機溶剤をとばした後、吸着体粒子を付着させれば、加工性を容易にしつつ、溶剤吸着を防止できるため有利である。
【００３２】
バインダーの塗布は、含浸槽に基材を含浸させた後余分のバインダーをロールで絞り取る方法、スプレーやコーターで表面に塗布した後ロールで絞り込み内部まで行きわたらせる方法等がある。このようにしてあらかじめバインダーを塗布した三次元構造体に吸着体粒子を付着させる為には、吸着体流動床浸漬、粉体スプレー、又は篩落下等の方法を用いる。
【００３３】
粉体スプレー、又は篩落下による方法を用いる場合は、三次元構造体を反転せしめる等の方法により三次元構造体の両面から吸着体粒子をスプレー又は落下させることにより均等な付着を行うことができる。
【００３４】
吸着体粒子付着時及び／又は付着後、三次元構造体を振動させることにより、吸着体粒子の三次元構造体内部への侵入及び三次元構造体骨格への確実な付着を助けることができる。
【００３５】
さらに吸着体粒子付着後、一組又は複数組のロールの間を通し、軽く圧縮することにより三次元構造体骨格への付着を助けることができる。この際ロール間隔を三次元構造体の厚さの９０〜６０％とするのが適当である。
【００３６】
バインダーを固化する為には、それぞれのバインダーに適した方法を用いればよいが、ウレタン系プレポリマーを使用した場合は加熱水蒸気でキュアーすることができ、工程が単純でかつ大きな固着力が得られる。また吸着体の一部がバインダーで被覆された場合も、ウレタンの硬化時の炭酸ガス発生により皮膜に微細気孔があくため、吸着力の低下が少ない。
【００３７】
吸着体粒子が三次元構造体から脱落することを防止するために、三次元構造体に吸着体粒子を付着させた後、バインダーを固化させる前に、さらにその上からバインダーを塗布し、その後、これらのバインダーを固化させてもよい。これにより、吸着体粒子を極めて強固に三次元構造体に保持させることができる。
【００３８】
この場合、基材表層に固着している吸着体粒子はその表面が全部バインダーで被覆されることになり、三次元構造体に対する固着力は増加するが、その部分の吸着体粒子の吸着能力は低下する。しかし三次元構造体内層に固着された大部分の吸着体粒子は三次元構造体表層に塗布されたバインダーの影響を受けることなく吸着材全体としての吸着能力はそれ程低下しない。
【００３９】
塗布される表層の厚さは、塗布するバインダー量により任意にコントロールすることができるので、表層の吸着体粒子の固着力増加と吸着材全体の吸着能力低下の状態を勘案して適宜定めればよい。三次元構造体の厚さが厚ければ厚い程表層塗布による吸着能力低下の割合は小さくなる。表層に塗布するバインダーは当初三次元構造体全体に塗布するバインダーと同じものでも良いが、例えば当初全体に塗布するバインダーには柔軟なものを用いて三次元構造体の柔軟性を阻害せぬようにし、表層に塗付するバインダーには強固な固着力を有する剛性のものを使用して組合わせ効果を得ることができる。また皮膜に欠陥（ピンホール等）が生じ易いエマルジョンタイプのバインダーをあえて使用することも、通気性の点では有利である。
【００４０】
本発明の流体浄化器を用いて流体を燃料電池に供給する場合、流体浄化器の上流側にＨＥＰＡフィルタやＵＬＰＡフィルタなどのフィルタを配置してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によると、燃料電池に供給される流体中から不純物が効率よく除去されるので、燃料電池発電設備の出力を長期にわたり高く維持することができ、また燃料電池の寿命延長を図ることも可能となる。

Claims (11)

1. 燃料電池に供給される流体中の不純物を除去するための流体浄化器において、三次元構造体と、該三次元構造体に保持された不純物の分解又は吸着用の物質とを有する燃料電池の流体浄化器であって、
   該流体は気体であり、
   該三次元構造体は、ポリウレタンフォームであり、
   該三次元構造体の通気度は、ＪＩＳ Ｌ１００４−１９７２（綿織物試験方法）に基づくフラジール型試験機による通過空気量（ｃｍ ^３ ／ｃｍ ^２ ／ｓｅｃ）が１０ｍｍ厚さの測定で１５０以上であることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
2. 請求項１において、前記物質は吸着体粒子であることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
3. 請求項２において、吸着体粒子は、椰子柄活性炭、木質活性炭、石油ピッチ系球状活性炭、ペレット状成型活性炭、天然ゼオライト、合成ゼオライト、活性白土、界面活性剤、陽イオン又は陰イオン交換樹脂、陽イオン又は陰イオン交換繊維、キレート樹脂、キレート化合物、無機系陽イオン又は陰イオン吸着剤、無機系合成化学脱臭剤から選ばれる１種又は２種以上を用いた吸着体粒子であることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
4. 燃料電池に供給される流体中の不純物を除去するための流体浄化器において、三次元構造体と、該三次元構造体に保持された不純物の分解又は吸着用の物質とを有する燃料電池の流体浄化器であって、
   該流体は、気体であり、
   該三次元構造体は、ポリウレタンフォームであり、
   該三次元構造体の通気度は、ＪＩＳ Ｌ１００４−１９７２（綿織物試験方法）に基づくフラジール型試験機による通過空気量（ｃｍ ^３ ／ｃｍ ^２ ／ｓｅｃ）が１０ｍｍ厚さの測定で１５０以上であり、
   該吸着用の物質は、アルカリ性物質を添着させた添着活性炭であることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
5. 請求項１において、前記不純物の分解用の物質は、多孔質吸着体に中和反応を利用して対象ガス成分を化学的に分解除去する化合物を担持させたもの、及び、多孔質吸着体に貴金属又は卑金属からなる酸化又は還元触媒を担持させたものや酸化チタンの光励起触媒を担持又はコーティングさせたものから選ばれる１種又は２種以上を用いたものであることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
6. 請求項２又は３において、該吸着体粒子はバインダー層を介して三次元構造体に保持されていることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
7. 請求項６において、該吸着体粒子はその一部が該バインダー層に接し、残部は該バインダー層から露出していることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、該流体浄化器は、該三次元構造体としてのポリウレタンフォームと、このポリウレタンフォームの表面及び内部に塗布された有機溶剤を含まないバインダーよりなるバインダー層と、該バインダー層に一部が接触して固着され残部が露出した、ポリウレタンフォームの平均骨格間距離の５０分の１以上、１．５分の１以下の平均粒径を有する吸着体粒子とを有することを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、該流体浄化器は、該三次元構造体としてのポリウレタンフォームと、このポリウレタンフォームの表面及び内部に塗布された有機溶剤を含まないバインダーよりなるバインダー層と、該バインダー層に一部が接触して固着され残部が露出した、ポリウレタンフォームの平均骨格間距離の５０分の１以上、１．５分の１以下の平均粒径を有する吸着体粒子とを有し且つ該バインダー層及び該バインダー層に接触している吸着体粒子の表面に対してバインダーが塗布してあることを特徴とする燃料電池の流体浄化器。
10. 燃料電池と、該燃料電池に供給される流体の浄化器とを有する燃料電池発電設備において、この流体浄化器が請求項１ないし８のいずれか１項に記載の流体浄化器であることを特徴とする燃料電池発電設備。
11. 請求項１０において、該流体浄化器は該燃料電池に供給される燃料ガス又は空気の浄化器であることを特徴とする燃料電池発電設備。