(57)【要約】【課題】簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料極と、空気極と、燃料極及び空気極の間に配置された固体酸化物電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池と、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質手段と、固体酸化物形燃料電池の燃料極側から排出されるアノードオフガス、及び、固体酸化物形燃料電池の空気極側から排出されるカソードオフガスを燃焼させる燃焼手段と、燃焼手段からの排気ガスと熱交換して、固体酸化物形燃料電池の空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、固体酸化物形燃料電池及び加熱手段の間に配置され、加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、を備え、改質手段は、燃焼手段によって発生する燃焼熱により原料ガスを水蒸気改質させる燃料電池システム。【選択図】図１
2020119907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記空気極の間に配置された固体酸化物電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池と、
原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質手段と、
前記固体酸化物形燃料電池の前記燃料極側から排出されるアノードオフガス、及び、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極側から排出されるカソードオフガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段からの排気ガスと熱交換して、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記加熱手段の間に配置され、前記加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、
を備え、
前記改質手段は、前記燃焼手段によって発生する燃焼熱により前記原料ガスを水蒸気改質させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記被毒元素は、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材を備える請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記吸着材の形状は、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状である請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器の少なくともガス流通方向下流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器のガス流通方向上流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、を備え、前記フィルターのガス流通方向上流側に、前記容器と前記フィルターとにより形成された空間を有し、かつ、ガス流通方向上流において、前記加熱手段により加熱された酸素を含むガスが流通する空気供給経路と接続されており、前記フィルターの孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、前記空気供給経路の断面積Ｃとは、Ａ×Ｂ＞Ｃの式を満たす関係にある請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記吸着材は、前記空気極の材料と同じである請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記吸着材は、ペロブスカイト型酸化物である請求項３〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）システムを構成する機器、部材等には、一般に、クロム（Ｃｒ）を含む合金鋼（ステンレス鋼）が用いられる。通常６００℃以上の温度で作動するＳＯＦＣでは、クロムを含むステンレス鋼が高温に曝されることで、Ｃｒ（ＶＩ）の酸化物が生成することがある。Ｃｒ（ＶＩ）の酸化物は、例えば、ＳＯＦＣの空気極とつながる配管等において生成し、酸素を含むガスとともに空気極に運ばれ、空気極の材料にドープされているストロンチウム（Ｓｒ）等と反応し、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）等として析出する。すなわち、電極材は、徐々にクロム被毒される。析出により空気極に被毒化合物が増えると、空気極の電気抵抗が増大し、電極性能が低下する。また、生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、空気極でＣｒ（ＩＩＩ）の化合物に還元され、空気極の三相界面に蓄積する。空気極の三相界面は、酸素分子がイオン化されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる還元反応が起こる電極反応の活性場であるため、Ｃｒ（ＩＩＩ）の化合物が蓄積すると、電極反応の活性場が失活し、発電特性が低下する。
【０００３】
上記のようなＳＯＦＣの性能低下を招くクロム被毒の問題を解決するための方法としては、以下の方法が報告されている。
例えば、特許文献１には、燃料電池設備において、予熱器よりも下流側の酸化ガス供給系統にクロム捕捉器を設けることで、予熱後の酸化ガスに含まれるクロム蒸気を捕捉し、セルスタックのクロム被毒を抑制する方法が開示されている。
特許文献２には、空気極の材料として、ある特定の組成のペロブスカイト構造を有するセラミックスを用いることで、触媒のクロム被毒を抑制する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４９９３３４６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
クロム被毒の問題を解決するための方法としては、簡便かつ安価な方法であることが望ましい。
この点に関し、特許文献１に記載された方法では、酸化ガス供給系統の最下流（即ち、セルスタックの手前）で酸化ガス中のクロム蒸気を分別した後、電界印加によりトラップしているため、ＳＯＦＣシステムや構造が複雑になる。また、特許文献２に記載された方法のように、空気極の材料として、特定の組成を有する材料を選択することは、材料上の制約が大きいため、使用条件の制約やコスト高につながり、好ましいとはいえない。
【０００６】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための具体的な手段には、以下の形態が含まれる。
＜１＞  燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記空気極の間に配置された固体酸化物電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に供給される酸素を含むガスを加熱する加熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池及び前記加熱手段の間に配置され、前記加熱手段によって加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段と、を備える燃料電池システム。
【０００８】
本形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池と、燃料電池の空気極に供給される酸化ガスを加熱する加熱手段との間に、加熱手段によって加熱された酸化ガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段が配置されている。本形態に係る燃料電池システムによれば、加熱された酸素を含むガス（以下、「酸素含有ガス」ともいう。）が配管等を流通することで生成した、空気極を被毒する元素（被毒元素）を含むガスは、被毒元素除去手段に送られるため、酸素含有ガス中の被毒元素は、空気極に供給される前に除去される。
したがって、本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素を含むガスが空気極に供給されることを防止するために、必ずしも加熱された酸化ガスと接触する全ての機器及び部材を、被毒元素を含まない材料に変更したり、空気極の被毒を抑制するために、空気極の材料を被毒され難い特定の材料に変更したりすることを要しないので、従来の方法よりも簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。また、本形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素除去手段は、吸着による除去であるため、複雑な装置を必要とせず、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。
【０００９】
＜２＞  前記被毒元素は、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素である＜１＞に記載の燃料電池システム。
【００１０】
本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素として、クロム、硫黄、及びホウ素からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素が、被毒元素除去手段によって吸着除去される。クロム、硫黄、及びホウ素はいずれも、空気極を被毒し得る元素である。
一般に、加熱された酸化ガスが流通する配管等の部材には、クロムを含むステンレス鋼が用いられる。このステンレス鋼が高温に曝されると、三酸化クロム（ＣｒＯ３）、クロム酸（Ｈ２ＣｒＯ４）等のＣｒ（ＶＩ）の酸化物が生成することがある。生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、酸化ガスとともに空気極に運ばれ、空気極の材料にドープされているストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）等と反応し、クロム酸ストロンチウム（ＳｒＣｒＯ４）、クロム酸カルシウム（ＣａＣｒＯ４）等として析出する。これらの化合物が空気極で析出して増えると、空気極の電気抵抗が増大し、電極性能が低下する。また、生成したＣｒ（ＶＩ）の酸化物は、空気極で酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ３）等のＣｒ（ＩＩＩ）の化合物に還元され、空気極の三相界面に蓄積する。空気極の三相界面は、酸素分子がイオン化されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる還元反応が起こる電極反応の活性場であり、Ｃｒ（ＩＩＩ）の化合物が蓄積すると電極反応の活性場が失活し、発電特性が低下する。
また、空気中に含まれる不純物由来の硫黄、及びシステムを構成する機器、部材等の材料由来のホウ素は、空気極の触媒を劣化させることがある。
本形態に係る燃料電池システムでは、これらの被毒元素が、空気極の手前で被毒元素除去手段によって除去されるため、電池性能及び耐久性の低下が効果的に抑制される。
また、ホウ素が空気極の手前で除去されるため、加熱された酸化ガスが流通する配管の接合等に用いるガラスとして、ホウ素を含む結晶化ガラスを用いることが可能となる。また、硫黄が空気極の手前で除去されるため、酸化ガスへの硫黄の混入を防止する特殊なフィルターを設置する必要がない。
【００１１】
＜３＞  前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材を備える＜１＞又は＜２＞に記載の燃料電池システム。
【００１２】
＜４＞  前記吸着材の形状は、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状である＜３＞に記載の燃料電池システム。
【００１３】
本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素除去手段が、被毒元素を吸着する吸着材を備える態様を有している。そのため、吸着材の組成、材質、形状、大きさ、孔径等を選択することで、目的に応じた被毒元素除去手段を設計することができ、自由度が高い。なお、吸着材の形状としては、球状、柱状、繊維状、及び粉砕状からなる群より選ばれる少なくとも１種の形状が一般的である。
【００１４】
＜５＞  前記被毒元素除去手段は、前記被毒元素を吸着する吸着材と、前記吸着材を収容する容器と、前記容器の少なくともガス流通方向下流側に配置され、前記吸着材の飛散を防止するフィルターと、を備える＜４＞に記載の燃料電池システム。
【００１５】
本形態に係る燃料電池システムでは、被毒元素除去手段は、吸着材を収容する容器の少なくともガス流通方向下流側に、吸着材の飛散を防止するフィルターを備えているため、酸素含有ガスの流通による吸着材の飛散を防止することができる。
【００１６】
＜６＞  前記吸着材は、前記空気極の材料と同じである＜３＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１７】
＜７＞  前記吸着材は、ペロブスカイト型酸化物である＜３＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【００１８】
本形態に係る燃料電池システムでは、吸着材が、空気極の材料と同じである態様が好ましい。また、本形態に係る燃料電池システムでは、吸着材が、ペロブスカイト型酸化物である態様がより好ましい。ペロブスカイト型酸化物は、空気極の材料として一般に用いられる材料である。これらの態様によれば、より安価に被毒元素除去手段を製造することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡便かつ安価に、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下を抑制することが可能な燃料電池システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素吸着除去器を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
【００２２】
本発明の燃料電池システムの一実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【００２３】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１２と、改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１４と、酸素を含むガス（空気）を加熱する加熱手段である熱交換器１６と、加熱された酸素を含むガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８と、を備えている。
【００２４】
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、酸素含有ガスを加熱する加熱手段である熱交換器１６と、燃料電池１４のカソードとの間に、加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着除去する被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８が配置されているので、カソードを被毒する元素（被毒元素）のカソードへの混入が抑制されるため、被毒元素による電池性能及び耐久性の低下が抑制される。
【００２５】
（改質器）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する改質器１２を備えている。改質器１２は、例えば、改質部２０とバーナ又は燃焼触媒を配置した燃焼部２２とにより構成されている。
【００２６】
改質部２０は、ガス流通方向上流にて原料ガス供給経路３０と接続しており、ガス流通方向下流にて改質ガス供給経路３２と接続している。原料ガス供給経路３０は、原料ガス及び水蒸気の混合ガスを改質器１２に供給する。そのため、原料ガス供給経路３０を通じて、メタン（ＣＨ４）等の原料ガス及び水蒸気の混合ガスが改質部２０に供給され、改質部２０にて原料ガスが水蒸気改質された後、生成された改質ガスが改質ガス供給経路３２を通じて、燃料電池１４に供給される。
【００２７】
原料ガス供給経路３０内を流通する原料ガスとしては、水蒸気改質が可能なガスであれば特に限定されず、例えば、炭化水素ガスが挙げられる。炭化水素ガスとしては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガス等が例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、特にメタンが好ましい。なお、炭化水素ガスとしては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスを含む天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。
【００２８】
原料ガス供給経路３０内を流通する水蒸気は、気化器１０にて生成される。気化器１０では、外部より供給された水を気化して水蒸気を生成する。水を気化するための熱としては、燃焼排ガス等を用いてもよい。
【００２９】
燃焼部２２は、ガス流通方向上流にてカソードオフガス経路４０及びアノードオフガス経路４２が接続されており、ガス流通方向下流側にて排気経路４４と接続している。
燃焼部２２は、燃料電池１４の空気極（カソード）側から排出され、カソードオフガス経路４０を通じて供給された酸素含有ガスと、燃料電池１４の燃料極（アノード）側から排出され、アノードオフガス経路４２を通じて供給された未反応の水素ガスとの混合ガスを燃焼させ、改質部２０内の改質用触媒を加熱する。燃焼部２２からの排気は、排気経路４４を通じて排出される。また、燃焼部２２を別途設けずに、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃料電池１４を経た直後に燃焼させ、燃焼の火炎を改質部２０に直接当てることにより、改質部２０内の改質用触媒を加熱してもよい。
【００３０】
排気経路４４及び空気供給経路３６は、燃料電池１４のカソードに供給される酸素含有ガスを加熱する加熱手段である熱交換器１６とそれぞれ接続されている。
熱交換器１６では、排気経路４４を流通する排気ガスと、空気供給経路３６を流通する酸素含有ガスと、の間で熱交換を行なう。これにより、排気経路４４を流通する排気ガスは、冷却された後に排出され、空気供給経路３６を流通する酸素含有ガスは、燃料電池１４の作動温度に適した温度に加熱された後に、燃料電池１４のカソードに供給される。
【００３１】
改質部２０で起こる水蒸気改質は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のためには熱の供給が必要である。そのため、燃焼部２２で発生する燃焼熱により改質部２０を加熱することが好ましい。
【００３２】
原料ガスの一例であるメタンを水蒸気改質させた場合、改質部２０にて、以下の式（ａ）の反応が進行し、一酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２・・・（ａ）
【００３３】
改質部２０内に設置される改質用触媒としては、水蒸気改質反応の触媒となるものであれば、特に限定されない。改質用触媒としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）等を触媒金属として含む水蒸気改質用触媒が好ましい。
【００３４】
改質部２０に供給される原料ガス（好ましくは、メタン）の炭素原子数（Ａ）と水蒸気の分子数（Ｂ）との比（Ａ：Ｂ）は、水蒸気改質を効率良く行なう観点から、１：１．５〜３．０が好ましく、１：２．０〜２．５がより好ましい。
【００３５】
また、燃焼部２２は、水蒸気改質を効率良く行なう観点から、改質部２０を、６００℃〜８００℃に加熱することが好ましく、６００℃〜７００℃に加熱することがより好ましい。
【００３６】
（燃料電池）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、改質器１２から供給された改質ガスを用いて発電を行なう燃料電池１４を備えている。
燃料電池１４は、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、アノード及びカソードの間に配置された固体酸化物電解質と、を備え、アノードに供給される改質ガスと、カソードに供給される酸素含有ガスとを用いて発電を行なう固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
燃料電池１４は、アノードと固体酸化物電解質とカソードとを備える燃料電池セルである。燃料電池１４は、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。
【００３７】
燃料電池１４のカソード（図示せず）には、空気供給経路３６を通じて酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスがカソードに供給されることにより、以下の式（ｂ）に示す反応が起こり、その際、酸素イオンが固体酸化物電解質（図示せず）の内部を移動する。
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・（ｂ）
【００３８】
燃料電池１４のアノード（図示せず）には、改質ガス供給経路３２を通じて、水素を含む改質ガスが供給される。固体酸化物電解質の内部を移動する酸素イオンから、アノードと固体酸化物電解質との界面にて、水素又は一酸化炭素が電子を受け取ることにより、それぞれ以下の式（ｃ）又は（ｄ）に示す反応が起こる。
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−・・・（ｃ）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−・・・（ｄ）
【００３９】
上記式（ｂ）に示すように、燃料電池１４での改質ガスの電気化学的な反応により、固体酸化物形燃料電池では、主に水蒸気が生成される。また、アノードで生成された電子は、外部回路を通じてカソードに移動する。このようにして電子がアノードからカソードに移動することにより、燃料電池１４にて発電が行なわれる。
【００４０】
燃料電池１４のアノードは、例えば、多孔質で、イオン伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質と固体間反応を起こし難い材料で形成されていることが好ましい。アノードの材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）／ニッケル金属の多孔質サーメット、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）／ニッケル金属の多孔質サーメット等が好ましい。アノードは、上記材料を２種以上混合した混合材料で形成されていてもよい。
【００４１】
燃料電池１４の固体酸化物電解質の材料としては、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等が挙げられる。安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、イットリア部分安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等が挙げられる。また、固体酸化物電解質の材料としては、ペロブスカイト型酸化物（例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ））も挙げられる。
【００４２】
燃料電池１４のカソードは、例えば、多孔質で、電子伝導率が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質と固体間反応を起こし難い材料で形成されていることが好ましい。カソードの材料としては、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物等が挙げられる。ＬａＭｎＯ３系酸化物の具体例としては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（ＬＣＭ）等が挙げられる。ＬａＣｏＯ３系酸化物としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｆｅ０．８Ｃｏ０．２Ｏ３等のＬＳＣＦが挙げられる。また、カソードの材料としては、Ａ１−ｘＢｘＣ１−ｙＤｙＯ３−ｚ［Ａ：ランタン（Ｌａ）、Ｂ：ストロンチウム（Ｓｒ）又はカルシウム（Ｃａ）、Ｃ：コバルト（Ｃｏ）、Ｄ：及び鉄（Ｆｅ）］で表されるペロブスカイト型酸化物も好ましく用いられる。カソードは、上記材料を２種以上混合した混合材料で形成されていてもよい。
【００４３】
（被毒元素除去器）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、熱交換器１６と燃料電池１４のカソードとの間に、熱交換器１６で加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着除去する、被毒元素除去手段である被毒元素除去器１８が配置されている。
【００４４】
燃料電池１４のカソードに供給される酸素含有ガスは、燃料電池１４に供給される前に、熱交換器１６にて燃料電池１４の作動温度に適した温度（６００℃以上）に加熱される。加熱された酸素含有ガスが流通する機器、配管等では、燃料電池１４のカソードを被毒し得る被毒元素を含む材料が用いられているため、高温に加熱された酸素含有ガスと接触すると、被毒元素を含むガスが発生し、カソードに供給される酸素含有ガス中に混入する場合がある。
【００４５】
被毒元素除去器１８は、ガス流通方向上流において、熱交換器１６により加熱された酸素含有ガスが流通する空気供給経路３４と接続されており、ガス流通方向下流において、燃料電池１４のカソードに供給される空気供給経路３６と接続されている。そのため、熱交換器１６で加熱された酸素含有ガスが空気供給経路３４を流通することで生成した、被毒元素を含む酸素含有ガスは、被毒元素除去器１８に送られ、被毒元素除去器１８にて被毒元素が除去された後に、空気供給経路３６を通じて燃料電池１４のカソードに供給される。
したがって、本実施形態に係る燃料電池システム１では、カソードへの被毒元素の混入が抑制され、電池性能及び耐久性の低下を抑制することができる。
【００４６】
被毒元素除去器１８により被毒元素が除去された後であって、燃料電池１４のカソードに供給される前に、流通するガス中に被毒元素が混入する可能性を低減する観点から、被毒元素除去器１８よりもガス流通方向下流側の空気供給経路３６の長さは、ガス流通方向上流側の空気供給経路３４の長さよりも短いこと、即ち、被毒元素除去器１８は、熱交換器１６及び燃料電池１４のカソードの間において、燃料電池１４のカソードにより近い場所に配置されていることが好ましい。
【００４７】
空気供給経路３６の材料は、コストを抑える観点から、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。
【００４８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システムにおける被毒元素除去器１８について、図２を参照しながら説明する。
【００４９】
図２に示す被毒元素除去器１８は、加熱された酸素含有ガス中の被毒元素を吸着する球状の吸着材５０と、複数の吸着材５０を収容する円筒形の容器６０と、吸着材５０の飛散を防止するフィルター７０と、を備えている。また、被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向上流側及びガス流通方向下流側に、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられている。
【００５０】
図２に示す被毒元素除去器１８では、空気供給経路３４を通じて供給された被毒元素を含む酸素含有ガスが、吸着材５０が充填された容器６０内を流れることで、酸素含有ガス中の被毒元素が吸着材５０に吸着され、除去される。
被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側及びガス流通方向下流側には、フィルター７０が設けられているため、酸素含有ガスの流通による吸着材５０の飛散が防止される。
被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向上流側に、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられているため、空気供給経路３４を通じて供給された被毒元素を含む酸素含有ガスは、その空間内に広がった後、容器内を流通する。また、被毒元素除去器１８には、フィルター７０のガス流通方向下流側にも、容器６０とフィルター７０とにより形成された空間が設けられているため、被毒元素を含む酸素含有ガスが吸着材５０全体に行き渡る。
したがって、被毒元素除去器１８は、吸着材５０による被毒元素の吸着効率が良い。
被毒元素が除去された酸素含有ガスは、空気供給経路３６を通じて、燃料電池１４のカソードに供給される。
【００５１】
吸着材５０は、被毒元素との反応性が高く、６００℃付近の高温で安定であり、かつ、吸着した被毒元素を放出しないことが好ましい。このような吸着材としては、例えば、Ａ１−ｘＢｘＣ１−ｙＤｙＯ３−ｚ［Ａ：ランタン（Ｌａ）、Ｂ：ストロンチウム（Ｓｒ）又はカルシウム（Ｃａ）、Ｃ：コバルト（Ｃｏ）、Ｄ：及び鉄（Ｆｅ）］で表されるペロブスカイト型酸化物が挙げられる。ペロブスカイト型酸化物は、その組成によって、特定の被毒元素を選択的に吸着し得る。例えば、ランタン、サマリウム（Ｓｍ）、ストロンチウム、コバルト、鉄等を構成元素として含むペロブスカイト型酸化物は、クロム、硫黄、及びホウ素を吸着し得る。
その他、クロム、硫黄、及びホウ素を吸着し得る吸着材としては、燃料電池１４のカソードの材料と同様の材料を用いた吸着材が挙げられる。
吸着材５０は、燃料電池１４のカソードの材料と同じであることが好ましい。吸着材５０をカソードの材料と同じにすると、カソードで反応してしまう被毒元素を先にトラップできるため、燃料電池１４を保護できると同時に、安価な材料での製造が可能となる。
【００５２】
吸着材５０の形状は、特に限定されず、球状、柱状、繊維状、粉砕状等の飛散し難い形状が挙げられる。これらの中でも、吸着材５０の形状としては、被毒元素を含むガスとの接触面積が大きく、かつ、圧力損失を生じ難いという観点から、粉砕状が好ましい。例えば、吸着材５０としてペロブスカイト型酸化物を用いる場合には、加圧によるペレット成形性が良好であるため、ペレット状に加圧成形した後、粒子状に粉砕することで、飛散し難い粉砕状の吸着材を得ることができる。
吸着材５０は、ハニカム構造を有していてもよい。吸着材５０がハニカム構造を有していると、被毒元素を含むガスとの接触面積が大きくなるため、被毒元素の吸着効率が高まる。また、圧力損失を生じ難い。
吸着材５０の大きさは、特に限定されず、圧力損失、容器６０からの飛散等を考慮し、適宜設定するとよい。
【００５３】
容器６０は、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、日新製鋼（株）のＮＣＡ−１（耐高温酸化用フェライト系ステンレス、クロム−アルミ合金）が挙げられる。
【００５４】
容器６０における吸着材５０の充填密度は、被毒元素の吸着効率、圧力損失等を考慮し、適宜設定することができる。
【００５５】
フィルター７０は、吸着材５０が飛散することを防止している。フィルター７０は、被毒元素除去器１８のガス流通方向下流側（空気供給経路３６側）に配置されていてもよく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）に配置されていてもよく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）及びガス流通方向下流側の両方に配置されていてもよい。フィルター７０は、被毒元素除去器１８の少なくともガス流通方向下流側（空気供給経路３６側）に配置されていることが好ましく、被毒元素除去器１８のガス流通方向上流側（空気供給経路３４側）及びガス流通方向下流側の両方に配置されていることがより好ましい。
【００５６】
フィルター７０は、金網状に成形されたメッシュフィルターであることが好ましい。また、フィルター７０は、カソードを被毒し得る被毒元素を含まない材料で形成されているか、カソードを被毒し得る被毒元素を含んでいても、６００℃以上の高温で揮発しない材料で形成されていることが好ましい。
【００５７】
フィルター７０のメッシュサイズは、吸着材５０を捕捉できればよく、特に限定されない。吸着材５０を的確に捕捉する観点からは、フィルター７０の孔径は、吸着材５０の最小外径よりも小さいことが好ましい。
フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとは、Ａ×Ｂ＞Ｃの式を満たす関係にあることが好ましい。フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとが、上記の式を満たす関係にあると、フィルター７０による圧力損失が生じ難い。また、一般に、燃料電池システムは、流通するガスをシステム全体に循環させるためのブロアを備えているが、フィルター７０の孔の面積Ａ及び孔の数Ｂと、ガス供給経路３４の断面積Ｃとが、上記の式を満たす関係にあると、フィルター７０に圧がかかり難くなるため、ブロア、ひいては燃料電池システム全体に負担が生じ難い。
【００５８】
上記の実施形態では、燃料電池システムが燃料電池スタックを１つ備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池システムが燃料電池スタックを複数備える場合にも適用することができる。複数の燃料電池スタックの空気供給経路が直列に接続されている場合には、例えば、複数ある燃料電池スタックの各々が、ガス流通方向上流側に被毒元素除去器を備えていてもよいし、複数ある燃料電池スタックのうち、ガス流通方向最上流に配置された燃料電池スタックのガス流通方向上流側にのみ被毒元素除去器を備えていてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１・・・燃料電池システム、１０・・・気化器、１２・・・改質器、１４・・・燃料電池、１６・・・熱交換器、１８・・・被毒元素除去器、２０・・・改質部、２２・・・燃焼部、３０・・・原料ガス供給経路、３２・・・改質ガス供給経路、３４、３６・・・空気供給経路、４０・・・カソードオフガス経路、４２・・・アノードオフガス経路、４４・・・排気経路、５０・・・吸着材、６０・・・容器、７０・・・フィルター
【図１】
2020119907.tif 000003
【図２】
2020119907.tif 000004