JP4843907B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスおよび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５を参照しながら説明する。図５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。

次に、燃料処理部７を備えた一般的な燃料電池発電装置の構成および動作について図５を参照しながら説明する。図５においてメタンなどの炭化水素を含む原料ガスは脱硫部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部７１と、発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成部７２と、さらにＣＯを除去するＣＯ除去部７３を備えている。
原料ガスにメタンを用いた場合、改質部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変成部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変成部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。しかし、耐ＣＯ性の触媒においても燃料ガス中に含まれるＣＯ濃度は少なくとも１０ｐｐｍ以下に抑えなければならない。

また、燃料ガスあるいは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、電解質のイオン導電性が低下してしまう。アンモニアは、大気中からだけではなく、窒素が含まれた原料ガスを用いて、燃料処理部７で改質する際に、改質反応により窒素からアンモニアが合成されて混入する場合もある。したがって、燃料ガスあるいは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、燃料ガス中のアンモニアを除去するアンモニア除去装置および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、燃料ガス中および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、燃料ガスおよび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燃料ガスあるいは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、イオン導電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。

また、アンモニア除去装置に、吸着作用を利用したゼオライト、活性炭などの吸着剤を用いた場合、高濃度のアンモニアに暴露されたとき、吸着剤の寿命が著しく短くなり、寿命を確保するため吸着剤の体積を増加することにより、装置が大型化するなどの課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、酸化剤ガス中あるいは燃料ガス中に存在する可能性のあるアンモニア、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの水溶性の気体、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどの水溶性の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、およびシフト反応によりＣＯを生成する二酸化炭素などの不純物を除去する燃料ガスあるいは酸化剤ガス不純物除去手段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、イオン導電性の低下を防ぎ、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、シート状の隔膜と、前記隔膜を複数積層して、前記隔膜の隙間に燃料ガスあるいは酸化剤ガスと、水を含む吸収液を交互に供給排出して、前記隔膜を介して、前記燃料ガスあるいは前記酸化剤ガス中に含まれる水溶性の不純物を除去する燃料ガス不純物除去手段あるいは酸化剤ガス不純物除去手段を備え、前記燃料ガス不純物除去手段あるいは前記酸化剤ガス不純物除去手段を、燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように、燃料電池に積層して一体化したものである。

これによって、燃料ガスあるいは酸化剤ガス中に含まれる水溶性の不純物を除去することができ、不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。また、燃料電池と一体化するので、装置の小型化を図れるだけでなく、燃料電池の反応熱により不純物の水などの吸収液への溶解度が増し、除去性能を向上させることができる。

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、酸化剤ガス中あるいは燃料ガス中に存在する可能性のある水溶性の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、
シート状の隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記隔膜の隙間に少なくとも水素を含む燃料ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記隔膜を介して、前記燃料ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する燃料ガス不純物除去手段と、
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に不純物を除去した前記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と、を有している少なくとも一つのセルを有するとともに、発電時に発熱する燃料電池と、
を備え、
前記燃料ガス不純物除去手段は、前記燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように前記燃料電池に積層して前記燃料電池と一体化して構成されているものである。これにより、燃料ガス中に含まれるアンモニア、二酸化硫黄、二酸化窒素などの水溶性の気体およびシフト反応によりＣＯを生成する二酸化炭素などの不純物を除去することにより、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制するこ
とができる。また、燃料電池と一体化するので、装置の小型化を図れるだけでなく、燃料電池の反応熱により不純物の水などの吸収液への溶解度が増し、除去性能を向上させることができる。

第２の発明は、
シート状の隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記隔膜の隙間に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記隔膜を介して、前記酸化剤ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する酸化剤ガス不純物除去手段と、
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、他方に不純物を除去した前記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、を有する少なくとも一つのセルを有するとともに、発電時に発熱する燃料電池と、
を備え、
前記酸化剤ガス不純物除去手段は、前記燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように前記燃料電池に積層して前記燃料電池と一体化して構成されているものである。これにより、酸化剤ガス中に含まれるアンモニア、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの水溶性の気体、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどの水溶性の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、およびシフト反応によりＣＯを生成する二酸化炭素などの不純物を除去することにより、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。また、燃料電池と一体化するので、装置の小型化を図れるだけでなく、燃料電池の反応熱により不純物の水などの吸収液への溶解度が増し、除去性能を向上させることができる。

第３の発明は、
シート状の第一隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記第一隔膜の隙間に少なくとも水素を含む燃料ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記第一隔膜を介して、前記燃料ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する燃料ガス不純物除去手段と、
シート状の第二隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記第二隔膜の隙間に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記第二隔膜を介して、前記酸化剤ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する酸化剤ガス不純物除去手段と、
電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に不純物を除去した前記燃料ガスを供給排出し、他方に不純物を除去した前記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、を有している少なくとも一つのセルを有するとともに、発電時に発熱する燃料電池と、
を備え、
前記燃料ガス不純物除去手段及び前記酸化剤ガス不純物除去手段はそれぞれ、前記燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように前記燃料電池に積層して前記燃料電池と一体化して構成されているものである。これにより、燃料ガスあるいは酸化剤ガス中に含まれるアンモニア、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの水溶性の気体、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどの水溶性の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）およびシフト反応によりＣＯを生成する二酸化炭素などの不純物を除去することにより、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。また、燃料電池と一体化するので、装置の小型化を図れるだけでなく、燃料電池の反応熱により不純物の水などの吸収液への溶解度が増し、除去性能を向上させることができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明の燃料ガス不純物除去手段あるいは酸化剤ガス不純物除去手段に、燃料電池を冷却する冷却水を供給排出することにより、隔膜を介して、燃料ガスあるいは酸化剤ガスに含まれる水溶性の不純物を冷却水に溶解して除去するので、燃料電池発電装置全体で水を有効に利用することができ、経済的である。

以下本発明の実施例について、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、発電時に燃料電池が発熱するため、冷却水入口８１から冷却水を供給し、燃料電池を冷却し、冷却水出口８２から排出した。

また、酸化剤ガスは、大気からファンなどにより取り込み、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、本実施の形態では、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へ供給され、改質反応により水素を含む燃料ガスが生成される。燃料処理部は、メタンなどを改質する改質部と、発生するＣＯを変成するＣＯ変成部およびＣＯを除去するＣＯ除去部からなる。原料ガス中に不純物として空気（窒素）が含まれている場合、燃料処理部で改質する際に、改質反応により窒素からアンモニアが合成されて、燃料ガス中に混入する恐れがある。

また、燃料ガス中には、改質反応により生成した多量の二酸化炭素が含まれており、二酸化炭素自体は燃料電池に対して不活性であるが、二酸化炭素はシフト反応により一酸化炭素を生成するので、二酸化炭素は除去するか、その濃度を低下させる必要がある。
また、脱硫部が破損などにより原料ガスの脱硫が不十分な場合、燃焼により二酸化硫黄が合成されて、燃料ガス中に混入する恐れがある。

また、燃焼により二酸化窒素が、燃料ガス中に混入する恐れがある。

したがって、これらの不純物を除去するために燃料ガス側に燃料ガス不純物除去手段９を設け、燃料電池と積層して一体化した。生成された燃料ガスは、流量制御手段により所定の流量で、燃料ガス不純物供給手段９を経由して、燃料電池のアノード２１に供給される。燃料ガス不純物除去手段９は、複数の隔膜１０を有し、隔膜１０の内側１０１に、不純物を含んでいる可能性のある燃料ガスを供給排出し、隔膜１０の外側１０２には水などの吸収液を供給排出できる構造とした。

本実施の形態で用いた燃料ガス不純物除去手段９は、拡散スクラバー方式で、気体と粒子の拡散係数の相違を利用して、ガス成分のみを効率よく分離捕集する方法である。燃料ガス不純物除去手段９の隔膜１０には、多孔質テフロン（Ｒ）膜（孔径Φ０．１μｍ、気孔率７０％、膜厚０．１ｍｍ）を用い、１５０ｍｍ角のフレームの両方に隔膜１０をマウントしたユニットを５ｍｍ間隔で１０段程度積層して、燃料ガス不純物除去手段９を構成した。多孔質テフロン（Ｒ）膜は、撥水性のテフロン（Ｒ）膜に微小の穴が開いたものであり、表面張力の大きい水などの吸収液は透過させないが、気体は隔膜１０の穴を通じて容易に透過できる。隔膜１０に供給された燃料ガス中に含まれる水溶性の不純物ガス成分、アンモニア、二酸化硫黄、二酸化窒素、二酸化炭素などは、拡散して隔膜１０を透過し、反対側の水などの吸収液に捕集される。一方、拡散定数の大きい粒子はそのまま隔膜１０を通過する。

また、燃料ガス不純物除去手段９の通気抵抗は非常に少なく、０．１〜０．５ｍ／秒程度の燃料ガスを処理できることがわかった。

上記構成の燃料電池発電装置を用いて、燃料ガス不純物除去手段９の性能について検討した。

まず、比較例としてアノード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、アノード２１に１ｐｐｍのアンモニアを添加した燃料ガスを供給し、同様の発電試験を行ったところ、約１０時間後に電池電圧は０．７４Ｖに低下した。アンモニアの添加を中断すると、電池電圧は、やや回復したが、正常時の０．７５Ｖには戻らず、アンモニアが燃料電池に不可逆な劣化を与えていることが判った。

次に、アノード２１側に燃料ガス不純物除去手段９を取り付け、１ｐｐｍのアンモニアを添加した燃料ガスを供給し、同様の発電試験を行ったところ、電池電圧は低下することなく、安定した値を示した。これらの試験により、本実施例の燃料ガス不純物除去手段９がアンモニアを効率よく除去することが判った。

同様にして、二酸化硫黄、二酸化窒素およびこれらの混合系についても発電試験を行った結果、電池電圧は低下することなく安定して発電することがわかった。

また、燃料ガス不純物除去手段９を取り付けると、燃料ガス不純物除去手段９がない場合に比べて、電池電圧がやや上昇して安定した値を示した。これは燃料ガス中に含まれる二酸化炭素が燃料ガス不純物除去手段９により除去されることにより、水素の分圧が上昇したためであると考えられる。二酸化炭素の濃度が減るので、シフト反応で発生するＣＯを削減することができる。

したがって、本実施の形態の燃料ガス不純物除去手段９は、アンモニア、二酸化硫黄、二酸化窒素および二酸化炭素などの不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上することができる。

また、燃料ガス不純物除去手段９を燃料電池に積層しないで、離して設けた場合も同様に、発電試験を行い、不純物の除去性能を確認したところ、わずかに電圧が低下した。これは、燃料ガス不純物除去手段９が低温で水などの吸収液への溶解度がやや低いため、除去し切れなかった不純物が電圧を低下させたからであることがわかった。したがって、本発明は、燃料ガス不純物除去手段９を燃料電池に積層して一体化しているので、燃料電池の反応熱により、不純物の水などの吸収液への溶解度が高まり、不純物の除去性能が向上できる。

（実施の形態２）
図２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。図２おいて、実施の形態１と異なる点は、燃料ガスでなく、酸化剤ガスに含まれる不純物を除去する酸化剤ガス不純物除去手段１１を備えたところである。それ以外の構成は実施の形態１と同じである。

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、フッ化水素などの水溶性の気体、建築材や、接着剤などに含まれるホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどの水溶性の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、およびシフト反応によりＣＯを生成する二酸化炭素などの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。

したがって、これらの不純物を除去する酸化剤ガス不純物除去手段１１を設け、燃料電池と積層して一体化した。酸化剤ガスは、流量制御手段により所定の流量で、酸化剤ガス不純物除去手段１１を経由して、燃料電池のカソード２２に供給される。酸化剤ガス不純物除去手段１１は、第一の実施の形態と同様に、複数の隔膜１２を有し、隔膜１２の内側１２１に、不純物を含んでいる可能性のある酸化剤ガスを供給排出し、隔膜１２の外側に水などの吸収液を供給排出できる構造とした。隔膜１２に供給された酸化剤ガス中に含まれる可能性のある水溶性の不純物ガス成分、アンモニア、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの水溶性の気体、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどの水溶性の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、およびシフト反応によりＣＯを生成する二酸化炭素などを捕集することができる。

また、酸化剤ガス不純物除去手段１１の通気抵抗も非常に少なく、０．１〜０．５ｍ／秒程度の酸化剤ガスを処理できることがわかった。

上記構成の燃料電池発電装置を用いて、酸化剤ガス不純物除去手段１１の性能について検討した。

カソード２２に１ｐｐｍの二酸化硫黄を添加した酸化剤ガスを供給し、実施の形態１と同様の発電試験を行ったところ、約１０時間で電池電圧は０．７４Ｖに低下した。二酸化硫黄の添加を中断しても、電池電圧は、回復することはなく、二酸化硫黄が燃料電池に不可逆な劣化を与えていることが判った。これは、二酸化硫黄や硫化水素などの硫黄系化合物が触媒に含まれる白金と強く吸着するため、触媒が被毒して活性が落ちてしまうためである。

次に、カソード２２側に酸化剤ガス不純物除去手段１１を取り付け、１ｐｐｍの二酸化硫黄を添加した酸化剤ガスを供給し、同様の発電試験を行ったところ、電池電圧は低下することなく、安定した値を示した。これらの試験により、本実施例の酸化剤ガス不純物除去手段１１が二酸化硫黄を効率よく除去することが判った。

同様にして、酸化剤ガス不純物除去手段１１を取り付けた状態で、アンモニア、硫化水素、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、二酸化炭素についても同様の発電試験を行った結果、電池電圧は低下することなく安定して発電することがわかった。

したがって、本実施の形態の酸化剤ガス不純物除去手段１１は、水溶性の不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を抑制し、燃料電池発電装置の耐久性を向上することができる。

また、酸化剤ガス不純物除去手段１１を燃料電池に積層しないで、離して設けた場合も同様に、発電試験を行い、不純物の除去性能を確認したところ、わずかに電圧が低下した。これは、酸化剤ガス不純物除去手段１１が低温で水などの吸収液への溶解度がやや低いため、除去し切れなかった不純物が電圧を低下させたからであることがわかった。したがって、本発明は、酸化剤ガス不純物除去手段１１を燃料電池に積層して一体化しているので、燃料電池の反応熱により、不純物の水などの吸収液への溶解度が高まり、不純物の除去性能が向上できる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の燃料電池発電装置の概略構成図である。図３において、実施の形態１と異なる点は、燃料ガス不純物除去手段９だけでなく、酸化剤ガス不純物除去手段１１も備え、燃料電池と積層して一体化したところである。それ以外の構成は実施の形態１と同じである。

燃料ガスは、流量制御手段により所定の流量で、燃料ガス不純物供給手段９を経由して、燃料電池のアノード２１に供給される。燃料ガス不純物除去手段９は、複数の第一隔膜１３を有し、第一隔膜１３の内側１０１に、不純物を含んでいる可能性のある燃料ガスを供給排出し、第一隔膜１３の外側１０２には水などの吸収液を供給排出できる構造とした。

また、酸化剤ガスは、流量制御手段により所定の流量で、酸化剤ガス不純物除去手段１１を経由して、燃料電池のカソード２２に供給される。酸化剤ガス不純物除去手段１１は、複数の第二隔膜１４を有し、第二隔膜１４の内側１２１に、不純物を含んでいる可能性のある酸化剤ガスを供給排出し、第二隔膜１４の外側に水などの吸収液を供給排出できる構造とした。

また、イオン交換樹脂手段と、活性炭フィルタを備え、燃料ガス不純物除去手段あるいは酸化剤ガス不純物除去手段から排出される不純物が含まれた吸収液を、イオン交換樹脂手段および活性炭フィルタを通流させる構成とした。

本実施例によれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスに含まれる可能性のある水溶性の不純物を除去した清浄な燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料電池に供給するので、長期間安定して発電することができ、より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。

また、イオン交換樹脂手段や、活性炭フィルタにより不純物を除去して吸収液を再生することにより、燃料ガス不純物供給手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１に供給する水を循環させることができ、この水に不純物を溶解して除去するので、燃料電池発電装置全体で水を有効に利用することができ、経済的である。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の燃料電池発電装置の概略構成図である。図４において、実施の形態３と異なる点は、燃料ガス不純物除去手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１の第一隔膜１３または第二隔膜１４を介して、不純物を溶解させる水などの吸収液として、燃料電池を冷却する冷却水を用いるところである。

本発明によれば、燃料電池発電装置全体で水を有効に利用することができ、経済的である。

また、燃料電池の冷却水以外に、加湿された燃料ガスあるいは酸化剤ガスの燃料電池からのオフガスを凝縮させる燃料電池オフガス凝縮手段を備え、燃料電池オフガス凝縮手段で凝縮した水を燃料ガス不純物除去手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１に供給排出した場合も、燃料電池発電装置全体で水を有効に利用することができ、経済的である。

また、あるいは、燃料ガスを生成する燃料処理部と、燃料処理部の排ガスを凝縮させる排ガス凝縮手段を備え、排ガス凝縮手段で凝縮した水を燃料ガス不純物除去手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１に供給排出した場合も、燃料電池発電装置全体で水を有効に利用することができ、経済的である。

また、燃料ガス不純物除去手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１に酸性溶液を供給排出することにより、単なる水を用いた場合に比べて、アンモニアなどのアルカリ性不純物を長期間にわたり安定して除去することができる。

また、燃料ガス不純物除去手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１にアルカリ性溶液を供給排出することにより、単なる水を用いた場合に比べて、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素、二酸化炭素などの酸性不純物を長期間にわたり安定して除去することができる。

また、燃料ガス不純物除去手段９あるいは酸化剤ガス不純物除去手段１１を酸性溶液を供給排出する第一不純物除去部と、アルカリ性溶液を供給排出する第二不純物除去部で構成した場合、アルカリ性不純物と、酸性不純物を同時に除去することができ、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン導電性の低下を防ぎ、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得ることができる。

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 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 本発明の実施の形態３の燃料電池発電装置の概略構成図 本発明の実施の形態４の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
９ 燃料ガス不純物除去手段
１０、１２ 隔膜
１１ 酸化剤ガス不純物除去手段
１３ 第一隔膜
１４ 第二隔膜
２１ 電極（アノード）
２２ 電極（カソード）
４１、４２ セパレータ板

Claims (4)

1. シート状の隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記隔膜の隙間に少なくとも水素を含む燃料ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記隔膜を介して、前記燃料ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する燃料ガス不純物除去手段と、
   電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に不純物を除去した前記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と、を有している少なくとも一つのセルを有するとともに、発電時に発熱する燃料電池と、
   を備え、
   前記燃料ガス不純物除去手段は、前記燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように前記燃料電池に積層して前記燃料電池と一体化して構成されている、燃料電池発電装置。
2. シート状の隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記隔膜の隙間に少なくとも酸素を含む酸化剤ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記隔膜を介して、前記酸化剤ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する酸化剤ガス不純物除去手段と、
   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、他方に不純物を除去した前記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、を有する少なくとも一つのセルを有するとともに、発電時に発熱する燃料電池と、
   を備え、
   前記酸化剤ガス不純物除去手段は、前記燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように前記燃料電池に積層して前記燃料電池と一体化して構成されている、燃料電池発電装置。
3. シート状の第一隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記第一隔膜の隙間に少なくとも水素を含む燃料ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記第一隔膜を介して、前記燃料ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する燃料ガス不純物除去手段と、
   シート状の第二隔膜を複数積層して構成されるとともに、前記第二隔膜の隙間に少なく
   とも酸素を含む酸化剤ガスと少なくとも水を含む吸収液とを交互に供給排出して、前記第二隔膜を介して、前記酸化剤ガス中に含まれる水溶性の不純物を前記吸収液に溶解させて除去する酸化剤ガス不純物除去手段と、
   電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に不純物を除去した前記燃料ガスを供給排出し、他方に不純物を除去した前記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、を有している少なくとも一つのセルを有するとともに、発電時に発熱する燃料電池と、
   を備え、
   前記燃料ガス不純物除去手段及び前記酸化剤ガス不純物除去手段はそれぞれ、前記燃料電池の反応熱を前記吸収液に伝えるように前記燃料電池に積層して前記燃料電池と一体化して構成されている、燃料電池発電装置。
4. 前記燃料ガス不純物除去手段あるいは前記酸化剤ガス不純物除去手段に前記燃料電池を冷却する冷却水を供給排出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池発電装置。
   

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