(57)【要約】 【課題】燃料電池システムに係り、特に、カソード極等に供給する空気の浄化技術を提供する。【解決手段】カソード極５ｂで生成した水（水蒸気）は、熱交換器２ｃにおいて凝縮分離され、ドレンタンク２ａに導かれる。一方、アノード極５ａ出のガス中の水分は、熱交換器６ｃにおいて凝縮分離されてドレンタンク６ａに導かれ、さらに配管Ｌ６１を介してドレンタンク２ａに導かれる。ドレンタンク２ａに貯められた水の一部は、配管Ｌ２３を介してドレンタンク３ａに供給される。  供給空気は、ドレンタンク３ａ流入前に粉塵フィルター３ｂにより粉塵が除去され、さらにタンク流入時にバブリングによる水との接触により。空気中の水溶性化学物質が除去される。浄化後の空気は、カソード極５ｂ、ＰＲＯＸ触媒層４ｃ及びブリードエアとしてアノード極５ａに供給される。【選択図】図２
2014107259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルスタックと、燃料処理装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
セルスタックのカソード極及びアノード極において得られるドレン水を回収するドレン回収装置と、
該ドレン回収装置出のドレン水を用いて、供給空気中の不純物を除去する供給空気浄化装置と、
該供給空気浄化装置で不純物を除去した空気を、セルスタックのカソード極に供給する浄化空気供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記供給空気浄化装置が、バブリング方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記供給空気浄化装置が、滴下式エアワッシャー方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記供給空気浄化装置が、スプレー式エアワッシャー方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
回収した前記ドレン回収装置出のドレン水中の不純物除去のための水処理装置を、さらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水処理装置が、イオン交換樹脂を用いた水処理装置であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムが、固体高分子形燃料電池システムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記浄化空気供給手段は、不純物を除去した空気を前記燃料処理装置のＰＲＯＸ触媒層に、さらに供給することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記浄化空気供給手段は、不純物を除去した空気を前記燃料処理装置と前記セルスタック間にブリードエアとして、さらに供給することを特徴とする請求項７又は８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係り、特に、カソード極等に供給する空気の浄化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７を参照して、従来の固体高分子形燃料電池システムは、発電系統１０１、燃料処理系統１０２、ドレン水回収系統１０３、供給空気浄化系統１０４を主要構成としている。発電系統１０１で生成又は凝縮分離した水を配管Ｌ１０１、Ｌ１０２によりドレン水回収系統１０３に導き、イオン交換樹脂１０５で純水にして配管Ｌ１０４、Ｌ１０５を介して発電系統１０１のスタック冷却、及び、燃料処理系統１０２の水蒸気改質のために供給する。
【０００３】
また、供給空気浄化系統１０４では、配管Ｌ１０６乃至Ｌ１０８を介して発電系統１０１及び燃料処理系統１０２に供給する空気を、浄化粉塵フィルター１０４ａ、化学吸着フィルタ（ケミカルフィルタ）１０４ｂにより浄化している。
燃料電池スタックは、供給空気中の化学物質（ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＮＨ３など）に対して影響を受けやすく、通常の大気中に含まれるレベルの濃度でも性能や耐久性が低下してしまう。このため、供給空気経路中に化学吸着フィルタ（ケミカルフィルタ）を装着することが一般的である。
【０００４】
しかしながら、定置用システムで求められる１０年程度の機器寿命を担保するフィルターを搭載すると、筺体スペースに占めるフィルタ体積が非常に大きくなってしまうため、現状商品ではフィルタを定期的（数年毎）に交換する運用がなされている。このことが、メンテナンスも含めた燃料電池システムのトータルコストを押し上げる一因となっている。
【０００５】
なお、燃料電池システムの空気フィルタに関する技術としては、空気プロワの振動で粉塵を離脱させる方式（例えば特許文献１）や、パッケージ面を空気フィルタとする方式（例えば特許文献２）などが提案されているが、いずれもフィルタ性能やパッケージ強度などが不十分であることから実用化されていない。また、これらは空気中の粉塵除去を目的とする技術に関し、化学物質（ＳＯＸ,ＮＯＸ,ＮＨ３等）除去を目的とするものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−８４２４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１００７２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、燃料電池システム以外の空気浄化に関しては、水溶性化学物質に対して純水を利用した滴下式またはスプレー式のエアワッシャー方式（純水との接触により空気中の化学物質を除去する方式）を採用する例がある。
しかしながら、純度の高い水を外部から調達する必要があり、システム構成の複雑化およびコストアップが課題となる。
上記課題に鑑み、本発明はケミカルフィルタを必要しない空気浄化手段を備えた燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、
（１）セルスタックと、燃料処理装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
セルスタックのカソード極及びアノード極において得られるドレン水を回収するドレン回収装置と、
該ドレン回収装置出のドレン水を用いて、供給空気中の不純物を除去する供給空気浄化装置と、
該供給空気浄化装置で不純物を除去した空気を、セルスタックのカソード極に供給する浄化空気供給手段と、
を備えて成ることを特徴とする。
【０００９】
（２）上記（１）の発明において、前記供給空気浄化装置が、バブリング方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする。
【００１０】
（３）上記（１）の発明において、前記供給空気浄化装置が、滴下式エアワッシャー方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする。
【００１１】
（４）上記（１）の発明において、前記供給空気浄化装置が、スプレー式エアワッシャー方式により供給空気中の不純物を除去する手段を備えて成ることを特徴とする。
【００１２】
（５）上記各発明において、回収した前記ドレン回収装置出のドレン水中の不純物除去のための水処理装置を、さらに備えたことを特徴とする。
【００１３】
（６）上記発明において、前記水処理装置が、イオン交換樹脂を用いた水処理装置であることを特徴とする。
【００１４】
（７）上記各発明において、前記燃料電池システムが、固体高分子形燃料電池システムであることを特徴とする。
【００１５】
（８）上記発明において、前記浄化空気供給手段は、不純物を除去した空気を前記燃料処理装置のＰＲＯＸ触媒層に、さらに供給することを特徴とする。
【００１６】
（９）上記発明において、前記浄化空気供給手段は、不純物を除去した空気を前記燃料処理装置と前記セルスタック間にブリードエアとして、さらに供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
一般に燃料電池システムにおいては、原料ガス中の硫黄系不純物が除去されている、配管等に溶出の少ない材料が用いられている（ＰＥＦＣの場合）などの理由により、反応過程で生成するドレン水の純度が比較的高い（一般的には、10μS/cm以下）ため、空気中の不純物除去の用途に資する水となりうる。
【００１８】
本発明によれば、従来余剰として捨てられていたドレン水を供給用空気の不純物除去に利用することにより、従来必要とされたケミカルフィルタの定期的交換が不要になるため、定期交換部品の材料コスト、メンテナンスコストの低減化が可能となる。特に、稼動温度が低いため空気中の化学物質が問題となる、固体高分子形燃料電池システムのコストダウンに有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一の実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）システム１の系統ブロック構成を示す図である。
【図２】ＰＥＦＣシステム１の全体構成を示す図である。
【図３（ａ）】ＰＥＦＣシステム１の燃料処理系統Ａ及び発電系統Ｂを示す図である。
【図３（ｂ）】同じくドレン回収系統Ｃ１を示す図である。
【図３（ｃ）】同じくドレン供給系統Ｃ２、Ｃ３を示す図である。
【図３（ｄ）】同じく空気浄化・供給系統Ｄ（Ｄ１、Ｄ２）を示す図である。
【図４】第二の実施形態に係る空気浄化装置２０の構成を示す図である。
【図５】第三の実施形態に係る空気浄化装置３０の構成を示す図である。
【図６（ａ）】第四の実施形態に係るドレン回収・供給系統Ｃ４０の構成を示す図である。
【図６（ｂ）】ドレン回収・供給系統Ｃ４０の変形態様Ｃ４０’の構成を示す図である。
【図７】従来の水蒸気改質システムにおける同上の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の各実施形態について、図１乃至６を参照してさらに詳細に説明する。各図において同一構成については同一符号を用いて示し、重複説明を省略する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
【００２１】
（第一の実施形態）
＜全体構成＞
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）システム１（以下、適宜、燃料電池システム１と略記する）は、原料ガスを改質する燃料処理系統Ａと、改質ガスと空気中の酸素の電気化学反応により電力を取り出す発電系統Ｂと、反応に伴い発生する水（ドレン）を回収して再度システムに供給するドレン回収・供給系統Ｃと、システムに供給する空気（酸素）をドレン水回収・供給系統Ｃの水を用いて浄化する空気浄化・供給系統Ｄと、各系統間及び系統内の各要素間を結ぶ配管群と、により構成されている。
【００２２】
図２は、燃料電池システム１の各系統詳細構成を示し、図３（ａ）〜図３（ｄ）は全体構成中の系統別区分を表した図である。
＜燃料処理系統Ａ＞
図３（ａ）を参照して、燃料処理系統Ａは，原料ガス中の硫黄成分を除去する脱硫器４ｅと、原料ガスを目的ガス組成に改質する水蒸気改質触媒層４ａ、シフト触媒層４ｂ及びＰＲＯＸ触媒層４ｃと、水蒸気改質反応のための熱を供給する燃焼バーナ４ｄと、を備えた燃料処理装置４により構成されている。
改質触媒層４ａには、原料ガスを水蒸気改質する触媒、例えばＲｕ系金属触媒が充填されている。シフト触媒層４ｂには白金触媒などが充填されており、改質ガス中に含まれるＣＯガスをシフト反応（２）によりＣＯ２に変成する。ＰＲＯＸ触媒層４ｃにはＲｕ系などのＣＯ選択除去触媒が充填されており、改質ガス中のＣＯ濃度を選択酸化反応（３）により１０ｐｐｍ以下に下げる。
【００２３】
脱硫器４ｅを通過したＣＨ４を主成分とする原料ガス（都市ガス）は、改質触媒層４ａにおいて水（水蒸気）と混合された後、改質反応（１）により水素を主成分とするガスに改質される。改質触媒層４ａにはＲｕ系金属触媒等が充填されている。また、供給水蒸気として、後述するドレン回収・供給系統Ｃからの回収水が用いられる。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  →ＣＯ＋３Ｈ２・・・・（１）
【００２４】
改質ガスに含まれるＣＯガスは、シフト触媒層４ｂにおいてシフト反応（２）によりＣＯ２に変成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・・（２）
シフト触媒層４ｂ出のガスは、ＰＲＯＸ触媒層４ｃにおいて、選択酸化反応（３）によりガス中のＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に下げられる。反応（３）に用いられる空気（酸素）として、後述する空気浄化・供給系統Ｄからの空気が用いられる。
２ＣＯ＋Ｏ２→ＣＯ２・・・・（３）
【００２５】
＜発電系統Ｂ＞
発電系統Ｂは，水素イオン透過性高分子電解質５ｃを介してアノード極（燃料極）５ａ、カソード極（空気極）５ｂを配置した単セルを、セパレータ（図示せず）により区画して複数枚積層したセルスタック（以下、適宜スタックと略記）５により構成されている。なお、同図では便宜的に単セル部分のみ表示している。
【００２６】
スタック５において、燃料処理装置４出の改質ガスは配管Ｌ１４を介してブリードエアを添加され、アノード極５ａに導かられる。なお、残留ＣＯ濃度低下のためのブリードエアとして、後述する空気浄化系統Ｄからの空気が用いられる。
アノード極５ａでは電気化学反応（４）が行われ、発生する水素イオン（Ｈ＋）が電解質５ｃ内部を移動する。カソード極５ｂでは電気化学反応（５）がそれぞれ行われる。反応（５）により放出される電子（ｅ−）の両電極間を結ぶ外部配線を介しての移動により、電流が取り出される。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−・・・・（４）
Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ・・・・（５）
【００２７】
＜ドレン回収・供給系統Ｃ＞
図３（ｂ）、図３（ｃ）を参照して、ドレン回収・供給系統Ｃは、システム内で生成する水を回収するドレン回収系統Ｃ１と、回収した水を燃料処理装置４及びスタック５に供給するドレン供給系統Ｃ２と、回収した水を空気浄化・供給系統Ｄの空気浄化装置３に供給する供給系統Ｃ３と、により構成されている。
【００２８】
図３（ｂ）を参照して、ドレン回収系統Ｃ１は、ドレンタンク２ａ及び熱交換器２ｃを備え、カソード極５ｂにおいて反応（５）に伴い発生する水（ドレン）を回収するドレン回収装置２と、ドレンタンク６ａ及び熱交換器６ｃを備え、アノード極５ａ出の燃料オフガスに含まれる水（ドレン）を回収するドレン回収装置６と、を主要構成として備えている。ドレンタンク２ａ、６内部にはそれぞれ水位センサ２ｂ、６ｂが配設されており、後述するように回収貯留水の水位を一定範囲内に調整可能に構成されている。
【００２９】
図３（ｃ）を参照して、ドレン供給系統Ｃ２は、ドレンタンク２ａと燃料処理装置４とを結ぶ配管Ｌ２１と、配管Ｌ２１から分岐してスタック５に至る配管Ｌ２２と、配管Ｌ２１経路中に介装されるイオン交換樹脂を充填した水処理装置７と、により構成されている。また、供給系統Ｃ３はドレンタンク２ａと空気浄化・供給系統Ｄのドレンタンク３ａとを結ぶ配管Ｌ２３と、配管Ｌ２３経路中に介装される電磁弁２ｄと、により構成されている。
【００３０】
以上の構成によりドレン水回収・供給系統Ｃにおいて、カソード極５ｂで生成した水（水蒸気）は熱交換器２ｃにおいて凝縮分離され、ドレンタンク２ａに導かれる。凝縮分離後の排気は、排気口８を介して外部に放出される。一方、アノード極５ａ出のガス中の水分は、熱交換器６ｃにおいて凝縮分離されてドレンタンク６ａに導かれ、さらに配管Ｌ６１を介してドレンタンク２ａに導かれる。分離後の残留水素を含む燃料オフガスは燃焼バーナ４ｄに送られ、改質触媒層４ａの加熱用に供される。
【００３１】
ドレンタンク２ａに貯められた水の一部は、水処理装置７を通過して所定の基準値以下の電気伝導度に処理され、改質触媒層４ａに供給される改質水及びスタック５の冷却用循環水として供される。なお、スタック５冷却用循環水は熱交換器５ｄにて排熱回収され、不図示の貯湯タンクに温水として貯湯される。
また、残りの一部は、配管Ｌ２３を介して空気浄化・供給系統Ｄのドレンタンク３ａに供給される。なお、ドレンタンク２ａ、３ａの水位調整はそれぞれ水位センサ２ｂ、３ｅにより行われ、両タンクの水位が一定範囲になるように、電磁弁２ｄ、３ｄ、６ｄの開閉制御が行われる。
【００３２】
＜空気浄化・供給系統Ｄ＞
図３（ｄ）を参照して、空気浄化・供給系統Ｄは浄化系統Ｄ１及び供給系統Ｄ２により構成されている。浄化系統Ｄ１は、粉塵フィルター３ｂと、空気ブロア３ｃと、供給配管Ｌ１１と、空気浄化用のドレンタンク３ａと、を備えた空気浄化装置３を主要構成とする。
また、供給系統Ｄ２は、空気浄化装置３とＰＲＯＸ触媒層４ｃとを結ぶ配管Ｌ１２と、空気浄化装置３とカソード極５ｂとを結ぶ配管Ｌ１３と、空気浄化装置３とＰＲＯＸ触媒層出のガス配管Ｌ４２とを結ぶ配管Ｌ１４と、により構成されている。
【００３３】
以上の構成により空気浄化・供給系統Ｄにおいては、外部から空気ブロア３ｃによりドレンタンク３ａに取り込まれる。その際、タンク流入前に粉塵フィルター３ｂにより空気中の粉塵が除去され、さらにタンクに流入時にバブリングによる水との接触により、空気中の水溶性化学物質が除去されて系内に取り込まれる。
【００３４】
化学物質を除去された浄化後空気は、カソード極５ｂ、ＰＲＯＸ触媒層４ｃ及びブリードエアとしてアノード極５ａに供給され、上述の各反応に供されることになる。
以上のドレン回収、空気浄化フローにより、回収ドレン水を利用した供給空気の浄化が実現される。
【００３５】
（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、空気浄化装置の構成である。図４を参照して、第一の実施形態の空気浄化装置３がバブリング方式の空気浄化であるのに対して、本実施形態に係る空気浄化装置２０は滴下式のエアワッシャー方式を用いていることである。このため、ドレンタンク３ａ内部に滴下エレメント２２を備えている。さらに、ドレンタンク２ａから滴下エレメント２２へのドレン滴下量を制御するため、電磁弁に替えて連絡配管Ｌ２３経路中にポンプ２１を備えている。その他の構成は燃料電池システム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００３６】
以上の構成により空気浄化装置２０では、粉塵フィルター３ｂにより粉塵除去された空気がドレンタンク３ａに導かれ、その際、滴下エレメント２２に浸透する水との接触により。水溶性化学物質が除去されて系内に取り込まれる。
【００３７】
（第三の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が上述の各実施形態と異なる点は、空気浄化装置の構成である。図５を参照して、本実施形態に係る空気浄化装置３０は、スプレー式のエアワッシャー方式を用いていることである。このため、ドレンタンク３ａ内部の空気導入部にノズル噴射口３１を備えている。さらに、ノズル噴射量を制御するため、電磁弁に替えて連絡配管Ｌ２３経路中にポンプ３２を備えている。その他の構成は燃料電池システム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００３８】
以上の構成により空気浄化装置３０では、粉塵フィルター３ｂにより粉塵除去された空気がドレンタンク３ａに導かれ、その際、ノズル噴射口３１から噴射されるドレン水との接触により不純物の除去が行われる。
【００３９】
なお、第二、第三の実施形態のスプレー式又は滴下式のエアワッシャー方式によれば、第一の実施形態のバブリング方式と比較して空気供給経路の圧損が減り、補機動力を小さくすることができる等の特徴がある。
【００４０】
（第四の実施形態）
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、ドレン回収・供給系統の構成である。すなわち図６（ａ）を参照して、本実施形態に係るドレン回収・供給系統Ｃ４０は、連絡配管Ｌ４１の経路中にイオン交換樹脂を充填した水処理装置４２を備えている。その他の構成は燃料電池システム１と同様であるので、重複説明を省略する。
【００４１】
以上の構成により本実施形態では、水処理装置４２通過後にドレンタンク３ａに供給されるため、カソード極５ｂ等に供給される水の純度をさらに高めることができる。
本実施形態は、原料ガス中の不純物の影響によりドレン水の純度が低い場合や、極めて高い不純物除去が求められる場合に有効である。
【００４２】
なお、本実施形態では水処理装置４２を連絡配管Ｌ４１経路中に配設する例を示したが、図６（ｂ）に示すように水処理装置７通過後の配管Ｌ２１から分岐する配管Ｌ４２を設けて、水処理装置７通過後のドレン水をドレンタンク３ａに導く態様とすることもできる。これにより、水処理装置を複数配置する必要がなくなるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、固体高分子形燃料電池システムのみならず、広く燃料電池システム一般に適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・・燃料電池システム
２、６・・・・ドレン回収装置
２ａ、３ａ、６ａ・・・ドレンタンク
２ｂ、３ｅ、６ｂ・・・水位センサ
２ｃ、５ｄ、６ｃ・・・熱交換器
２ｄ、６ｄ、３ｄ・・・電磁弁
３、２０、３０・・・・空気浄化装置
３ｂ・・・粉塵フィルター
３ｃ・・・空気ブロア
４・・・・燃料処理装置
４ａ・・・改質触媒層
４ｂ・・・シフト触媒層
４ｃ・・・ＰＲＯＸ触媒層
４ｄ・・・燃焼バーナ
４ｅ・・・脱硫器
５・・・・スタック
５ａ・・・アノード極
５ｂ・・・カソード極
５ｃ・・・電解質
７、４２・・・・水処理装置
２１、３２・・・ポンプ
２２・・・滴下エレメント
３１・・・ノズル噴射口
Ａ・・・・燃料処理系統
Ｂ・・・・発電系統
Ｃ、Ｃ４０・・・・ドレン回収・供給系統
Ｄ・・・・空気浄化・供給系統
【図１】
2014107259.tif 000003
【図２】
2014107259.tif 000004
【図３（ａ）】
2014107259.tif 000005
【図３（ｂ）】
2014107259.tif 000006
【図３（ｃ）】
2014107259.tif 000007
【図３（ｄ）】
2014107259.tif 000008
【図４】
2014107259.tif 000009
【図５】
2014107259.tif 000010
【図６（ａ）】
2014107259.tif 000011
【図６（ｂ）】
2014107259.tif 000012
【図７】
2014107259.tif 000013