(57)【要約】【課題】固体高分子形燃料電池システムに必要最小限のサイズの化学フィルタを搭載することで、空気フィルタの小型化及び燃料電池システム本体の省サイズ化、コストダウンを実現すること。【解決手段】水素生成器１４内の選択酸化器１４ｂに選択酸化用空気を供給する第２経路に、第２空気供給器１６と化学フィルタ１９と第２物理フィルタを備えることで、空気中の粉塵と酸性不純物やアルカリ性不純物を除去することが可能となり、最小限のフィルタサイズで選択酸化触媒の劣化を防止することができる。【選択図】図１
2014120315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水とを改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中の一酸化炭素を酸化させて燃料ガスを生成する選択酸化部と、を備えている水素生成器と、
燃料ガスと空気とを反応させて発電を行う燃料電池と、
第１空気供給器の動作により前記燃料電池に空気を供給するための第１経路と、
第２空気供給器の動作により前記選択酸化部に空気を供給するための第２経路と、
を備えている燃料電池システムであって、
前記第１経路には、空気中の異物を物理的に除去する第１物理フィルタが配置され、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタは配置されておらず、
前記第２経路には、空気中の異物を物理的に除去する第２物理フィルタと、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタと、が配置されている、
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素生成器は、可燃性ガスと空気とを用いて燃焼する燃焼器を有し、
第３空気供給器の動作により前記燃焼器に空気を供給するための第３経路には、空気中の異物を物理的に除去する第３物理フィルタが設けられ、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタは配置されないように構成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２経路は、前記第３経路から分岐して前記選択酸化部に接続するように構成されており、
前記第２物理フィルタと前記第３物理フィルタとは一体で構成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１物理フィルタと前記第２物理フィルタと前記第３物理フィルタとは一体で構成されている、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２経路は、前記第１経路から分岐して前記選択酸化部に接続されるように構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱と電気を供給する固体高分子形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を挟持した電極の一方に水素や水素リッチガスを供給し（以下、水素リッチガスを供給する方をアノード側と称す）、他方に酸素を含んだ空気などの酸化剤ガスを供給して（以下、酸化剤ガスを供給する方をカソード側と称す）、電気化学反応によって発電を行うものである。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料電池で発電した電力を需要家へ供給し電力負荷を賄うとともに、発電に伴う排熱を回収して蓄熱することで需要家の給湯負荷を賄う高効率なコージェネレーションシステムであり、普及のためのコストダウンを早急に進めることが強く求められている。
【０００４】
燃料電池の発電に必要な水素リッチガス（以下、燃料ガスと称す）を生成する方法の一つとして、燃料電池システムでは都市ガスやＬＰＧなどの炭化水素系の原料ガスやメタノールや灯油などの液体の炭化水素系原料を水蒸気とともに導入して改質する改質部を有する水素生成器を備えたものが一般的である。つまり、燃料電池システムの発電運転の際には、水蒸気を発生させるための水を供給することが必要不可欠である。
【０００５】
通常、燃料電池システムへ水を供給するための水の供給手段としては、水道が好適に用いられる。ただし、水道水中のカルシウムの堆積や塩素による配管の腐食等により、燃料電池システムの性能が経時的に劣化するため、これらの成分を除去する必要がある。そのため、従来の燃料電池システムには、イオン交換樹脂等を備える浄水器が設けられている。
【０００６】
しかしながら、イオン交換樹脂等を備える浄水器によれば、水に含まれるカルシウムや塩素等の成分を十分に除去することが可能であるが、使用時間に応じてイオン交換樹脂等の浄水性能が劣化する。つまり、このイオン交換樹脂等を用いる構成では、浄水器を頻繁にメンテナンスする必要がある。これは、燃料電池システムのランニングコストを悪化させる要因となる。そのため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池で発電に伴って生成する水や、燃料電池や水素含有ガス供給部の加熱に利用される燃焼器から排出される水分を含んだガス（燃焼排ガス）を冷却して得られる凝縮水等を回収して利用する、水の自立供給形態が採られることが多い。
【０００７】
また、水素生成器には燃焼用ガスを燃焼させて改質部を加熱する燃焼部が備えられている。ここで燃焼用ガスとは、燃焼部で燃焼に利用するガスであり、原料ガス（液体の炭化水素系原料の場合は気化させたもの）や燃料ガス、さらには燃料電池で発電に利用されなかった水素を含むガス（以下、オフ燃料ガスと称す）のことを指す。また、燃焼部には燃焼用ガスを導入する燃焼用ガス経路の他に、燃焼空気を導入するための燃焼空気経路が接続されており、燃焼空気ファン等の送風機によって燃焼用ガスの流量に応じた空気が燃焼部に供給されるようになっている。
【０００８】
水素生成器で燃料ガスを生成する際には、改質部に炭化水素系原料と水とを導入し、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させることにより加熱して、吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給して改質反応を進行させる。更に水素生成器には、必要に応じて一酸化炭素低減部が備えられており、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させて、水素濃
度の高い燃料ガスとして燃料電池のアノード側に供給される。
【０００９】
また、燃料電池システムでは、燃料電池のカソード側には空気ブロワ等の送風機によって酸化剤ガスとして空気が供給されるようになっている（以下、適宜、カソード空気と称す）。
【００１０】
また、燃料電池システムで利用する空気、すなわち燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させるのに必要な空気や、燃料電池のカソード側に酸化剤ガスとして供給される空気は、燃料電池システムの外部から供給され、また、燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させることで発生した燃焼排ガス、および燃料電池のカソード側から排出される一部発電で酸素を消費された空気（以下、適宜、オフ酸化剤ガスと称す）は、燃料電池システムから外部に排出される。
【００１１】
この時、燃料電池システムで利用する空気、すなわち燃焼部で燃焼用ガスを燃焼させるのに必要な空気と、燃料電池のカソード側に酸化剤ガスとして供給される空気と、改質部で生成した燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させることを目的に一酸化炭素低減部に供給される空気には、各々の空気供給経路に空気供給器と空気中の不純物を除去する為のフィルタ（空気フィルタ）を設けることが一般的である。ところが、燃料電池システムで使用する上記３箇所の各空気フィルタは１年から数年程度で交換寿命を迎えるものであるため、各空気フィルタを交換する際には３箇所の交換作業が必要であり、作業に時間とコストを要していた。そのような課題を解決する為、上記３経路を接続し、経路の上流で１つの空気フィルタを介して各空気経路に空気を供給する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１２】
図６は、特許文献１に開示されている燃料電池システム内における空気フィルタと各空気ブロワ（空気供給器）接続状態を示す概略図である。
【００１３】
図６に示すように、燃焼空気ブロワ１１２と、ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１１４と、カソード空気ブロワ１１５の一次側を、筐体１１６の内部所要個所に設けた１つの共通の空気フィルタ１２０に接続してなる構成としている。具体的には、上記各空気ブロワ１１２、１１４、１１５のうち、最も容量が大きいカソード空気ブロワ１１５の吸込側に、上記空気フィルタ１２０を空気吸込管１２１を介して接続する。上記空気吸込管１２１には、途中位置より分岐させた分岐空気吸込管１２２を設け、分岐空気吸込管１２２の下流側に、各空気ブロワ１１２、１１４、１１５のうち２番目に容量が大きい燃焼空気ブロワ１１２の吸込側を接続する。更に、上記燃焼空気ブロワ１１２より改質器１０６のバーナ１０６ｂへ空気１１３を供給するための空気供給管１２３の途中位置より分岐させた分岐空気供給管１２４の下流側に、上記ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１１４の吸込側を接続した構成とする。
【００１４】
以上の構成としてある燃料電池発電装置を運転すると、上記空気フィルタ１２０を通過する空気１１３が、上記カソード空気ブロワ１１５へは空気吸込管１２１を経て、又、上記燃焼空気ブロワ１１２へは上記空気吸込管１２１とその分岐空気吸込管１２２を経て、更に、上記ＣＯ選択酸化用空気ブロワ１１４へは、空気吸込管１２１と分岐空気吸込管１２２と燃焼空気ブロワ１１２と空気供給管１２３と分岐空気供給管１２４を経て、それぞれの空気ブロワ１１５、１１２、１１４の運転状況に応じた空気吸込量で吸入された後、該各空気ブロワ１１５、１１２、１１４よりそれぞれ対応する下流側の機器へ空気１１３の供給が行われるようになる。
【００１５】
すなわち、燃焼空気ブロワ１１２とＣＯ選択酸化用空気ブロワ１１４とカソード空気ブロワ１１５の一次側に、共通の１つの空気フィルタ１２０を設けるようにしてあるため、空気フィルタ１２０が交換寿命に達して交換作業を実施する場合は、燃料電池発電装置の
筐体１１６内にて上記空気フィルタ１２０が設置してある１個所に対してのみ交換作業を実施すればよいため、空気フィルタ１２０のメンテナンスに要する手間及び時間を削減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００９−２３０９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に開示されている燃料電池システムのような構成においては、１つの空気フィルタを介して各空気経路に空気を供給するため、フィルタサイズが大きくなるという課題を有していた。
【００１８】
一般的に、空気フィルタは除去したい異物や不純物の種類（例えば酸性不純物やアルカリ性不純物、粉塵等）ごとに専用のフィルタを設けることが必要であり、酸性不純物やアルカリ性不純物を除去する為には化学フィルタを、粉塵を除去する為には物理フィルタを用いる。特許文献１では上記フィルタの種類については言及されていないが、燃焼用空気、酸化剤ガス用空気、選択酸化用空気の全ての経路が接続されていることから、化学フィルタと物理フィルタの両方を搭載する必要があると考えられる。なお、酸性不純物やアルカリ性不純物を除去する化学フィルタは、粉塵を除去する物理フィルタに比べて高価であることから、特許文献１に開示されている空気フィルタはフィルタサイズが大きいだけでなく、高価なものになっていた。
【００１９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムに必要最小限のサイズの化学フィルタを搭載することが可能になり、空気フィルタの小型化及び燃料電池システム本体の省サイズ化、コストダウンを実現した固体高分子形燃料電池システムを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者らは鋭意研究を行った結果、化学フィルタは選択酸化用空気のみ設ければ、他の経路に設けなくても燃料電池システムの耐久性があることを見出した。したがって、特許文献１に開示されている空気フィルタには、本来化学フィルタが不要な燃焼用と酸化剤ガス用の空気も化学フィルタを通過することになるため、必要以上に化学フィルタが大きくなりコストアップになっていたが、本発明では燃料電池システムに搭載する化学フィルタのサイズを最小限にすることができるようになる為、燃料電池システムの省スペース化とコストダウンを実現することができる。
【００２１】
さらに、特許文献１の構成では、燃料電池システム筐体内の温度が高い場合に、カソード空気経路に設けた化学フィルタから有機物（例えば炭化水素成分）が脱着する場合があった。化学フィルタでは、空気中の有機物を共有結合による化学吸着とファンデルワールス力による物理吸着によって吸着しているが、物理吸着は比較的弱い為、燃料電池システム筐体内の温度が高くなると有機物を脱着してしまう。一般的な空気中に含まれる有機物の濃度はそれ程高くない為、化学フィルタを通過していない空気が燃料電池に継続的に供給され続けても触媒が被毒されることはほとんどない。しかしながら、ある一定期間燃料電池システムを運転させた状態において、燃料電池システム筐体内の温度が高くなると、カソード空気経路に設けた化学フィルタからそれまで吸着していた多量の濃度の有機物が一度に脱着することになり、高濃度の有機物によって燃料電池内の触媒が不可逆的に被毒されるという課題を有していることを見出した。
【００２２】
なお、選択酸化部の温度は高温（例えば１５０〜２００℃）な為、選択酸化用空気経路に設けた化学フィルタから高濃度の有機物が脱着しても、有機物は酸化される為、選択酸化触媒が不可逆的に被毒されることはない。
【００２３】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る固体高分子形燃料電池システムは、原料と水とを改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中の一酸化炭素を酸化させて燃料ガスを生成する選択酸化部と、を備えている水素生成器と、燃料ガスと空気とを反応させて発電を行う燃料電池と、第１空気供給器の動作により前記燃料電池に空気を供給するための第１経路と、第２空気供給器の動作により前記選択酸化部に空気を供給するための第２経路と、を備えている燃料電池システムであって、前記第１経路には、空気中の異物を物理的に除去する第１物理フィルタが配置され、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタは配置されておらず、前記第２経路には、空気中の異物を物理的に除去する第２物理フィルタと、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタと、が配置されている、ことを特徴とするものである。
【００２４】
これによって、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタが必要な選択酸化部にのみ化学フィルタを配置することが可能となり、選択酸化部に供給される空気量に対応した大きさの化学フィルタを搭載すれば良くなることから、燃料電池システムに搭載する化学フィルタのサイズを最小限にすることができるようになる為、コストダウンを実現することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の固体高分子形燃料電池システムによれば、必要最小限の化学フィルタを搭載することが可能になり、化学フィルタを含めた空気フィルタの小型化及び燃料電池システム本体の省サイズ化、コストダウンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図
【図２】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図
【図６】従来の燃料電池システムの概略図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
第１の発明は、原料と水とを改質反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質部と、前記改質ガス中の一酸化炭素を酸化させて燃料ガスを生成する選択酸化部と、を備えている水素生成器と、燃料ガスと空気とを反応させて発電を行う燃料電池と、第１空気供給器の動作により前記燃料電池に空気を供給するための第１経路と、第２空気供給器の動作により前記選択酸化部に空気を供給するための第２経路と、を備えている燃料電池システムであって、前記第１経路には、空気中の異物を物理的に除去する第１物理フィルタが配置され、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタは配置されておらず、前記第２経路には、空気中の異物を物理的に除去する第２物理フィルタと、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタと、が配置されている、ことを特徴とするものである。
【００２８】
これによって、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタが必要な選択酸化部にのみ化学フィルタを配置することが可能となり、選択酸化部に供給される空気量に対応した大きさの化学フィルタを搭載すれば良くなることから、燃料電池システムに搭載する化学フィルタのサイズを最小限にすることができるようになる為、固体高分子形燃料電池システムの省スペース化とコストダウンを実現することができる。
【００２９】
第２の発明は、特に、第１の発明の固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記水素生成器は、可燃性ガスと空気とを用いて燃焼する燃焼器を有し、第３空気供給器の動作により前記燃焼器に空気を供給するための第３経路には、空気中の異物を物理的に除去する第３物理フィルタが設けられ、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタは配置されないように構成されていることにより、燃焼器を有する水素生成器において、燃焼器に供給される空気経路に高価な化学フィルタを搭載せず、安価な物理フィルタのみ搭載すれば良くなり、燃焼用空気経路のフィルタのコストダウンを実現できる。
【００３０】
第３の発明は、特に、第２の発明の固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記第２経路は、前記第３経路から分岐して前記選択酸化部に接続するように構成されており、前記第２物理フィルタと前記第３物理フィルタとは一体で構成されていることにより、本来であれば化学フィルタ、第１物理フィルタ、第２物理フィルタ、第３物理フィルタと計４つの空気フィルタが必要な所が、第２物理フィルタと第３物理フィルタを兼用することで、化学フィルタ一つと物理フィルタ２つの計３つの空気フィルタに削減することができるため、フィルタそのものとフィルタ間の接続経路の部品数削減を実現できる。
【００３１】
第４の発明は、第２〜３いずれか１つの発明の固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記第１物理フィルタと前記第２物理フィルタと前記第３物理フィルタとは一体で構成されていることにより、本来であれば化学フィルタ、第１物理フィルタ、第２物理フィルタ、第３物理フィルタと計４つの空気フィルタが必要な所が、第１物理フィルタ、第２物理フィルタ、第３物理フィルタを１つの物理フィルタに集約することで、化学フィルタ１つと物理フィルタ１つの計２つの空気フィルタに削減することができるため、フィルタそのものとフィルタ間の接続経路の部品数削減を実現できる。
【００３２】
第５の発明は、第１〜２いずれか１つの発明の固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記第２経路は、前記第１経路から分岐して前記選択酸化部に接続されるように構成されていることにより、本来であれば化学フィルタ、第１物理フィルタ、第２物理フィルタ、第３物理フィルタと計４つの空気フィルタが必要な所が、第１物理フィルタと第２物理フィルタを兼用することで、化学フィルタ一つと物理フィルタ２つの計３つの空気フィルタに削減することができるため、フィルタそのものとフィルタ間の接続経路の部品数削減を実現できる。
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００３４】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００３６】
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１１、水素生成器１４、第１空気供給器１５、第１物理フィルタ２１、第２空気供給器１６、化学フィルタ１９、第２物理フィルタ２２、制御装置１０２と、を備えている。
【００３７】
制御装置１０２は、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御装置１０２は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御装置１０２は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。
【００３８】
なお、制御装置１０２は、単独の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御装置１０２は、マイクロコンピュータで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、論理回路等によって構成されていてもよい。
【００３９】
燃料電池１１は、アノードとカソードを有している（いずれも図示せず）。燃料電池１１では、燃料ガス流路１１Ａに供給された燃料ガスが、燃料ガス流路１１Ａを通流する間に、アノードに供給される。また、酸化剤ガス流路１１Ｂに供給されたカソード空気が、酸化剤ガス流路１１Ｂを通流する間に、カソードに供給される。そして、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給されたカソード空気とが、反応して電気と熱が発生する。
【００４０】
ここで、発生した電気は、図示されない電力調整器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。また、発生した熱は、図示されない熱媒体流路を通流する熱媒体が回収する。熱媒体が回収した熱は、例えば、水を加熱するのに使用することができる。また、本実施の形態１においては、燃料電池１１は、高分子電解質形燃料電池や固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。さらに、燃料電池１１の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
水素生成器１４は、燃料電池１１に燃料ガス（水素を含有したガス）をその流量を調整しながら供給するものであり、改質器１４ａと選択酸化器１４ｂとを有している。また、水素生成器１４は、燃料電池１１（正確には、燃料電池１１の燃料ガス流路１１Ａの入口）が接続されている。
【００４２】
改質器１４ａには、原料供給器及び水蒸気供給器が接続されていて（それぞれ、図示せず）、原料及び水蒸気が、それぞれ、改質器１４ａに供給される。原料としては、メタンを主成分とする天然ガスやＬＰガス等を用いることができる。
【００４３】
また、改質器１４ａは、改質触媒を有している。改質触媒としては、例えば、原料と水蒸気とから水素含有ガスを発生させる水蒸気改質反応を触媒することができれば、どの様な物質を使用してもよく、例えば、アルミナ等の触媒担体にルテニウム（Ｒｕ）を担持させたルテニウム系触媒や同様の触媒担体にニッケル（Ｎｉ）を担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。
【００４４】
改質器１４ａで生成された水素含有ガスは、水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器（図示せず）や、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）や、メタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する選択酸化器１４ｂを通過した後、燃料電池１１に送出される。
【００４５】
選択酸化器１４ｂの上流には、第２経路２６を構成する第２空気供給器１６、化学フィルタ１９、第２物理フィルタ２２が接続されており、選択酸化用の空気が選択酸化器１４
ｂに供給されるようになっている。選択酸化用の空気は、最初に第２物理フィルタ２２を通過することで空気中の粉塵が除去され、次に化学フィルタ１９を通過することで酸性不純物やアルカリ性不純物を除去されることで、選択酸化器１４ｂ内の選択酸化触媒の劣化を防止することができる。また、第２経路２６内の第２空気供給器１６よりも上流側に化学フィルタ１９と、第２物理フィルタ２２を接続することで、粉塵による管路圧損の増加や閉塞を防止することができる為、第２空気供給器１６の操作量増加に伴う消費電力の増加や故障を抑制できる。
【００４６】
なお、選択酸化器１４ｂに選択酸化用の空気を供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。第２空気供給器１６、化学フィルタ１９、第２物理フィルタ２２の接続順序は本実施の形態が望ましいが、選択酸化器１４ｂ内の選択酸化触媒の劣化防止を第１目的とする場合においては、接続順序を変更してもよい。
【００４７】
燃料電池１１の酸化剤ガス流路１１Ｂの上流には、第１経路を構成する第１空気供給器１５と第１物理フィルタ２１が接続されており、燃料電池１１にカソード空気が供給されるようになっている。カソード用の空気は、第１物理フィルタ２１を通過することで空気中の粉塵が除去されることで、燃料電池１１内の触媒の劣化を防止することができる。また、第１経路２５内の第１空気供給器１５よりも上流側に第１物理フィルタ２１を接続することで、粉塵による管路圧損の増加や閉塞を防止することができる為、第１空気供給器１５の操作量増加に伴う消費電力の増加や故障を抑制できる。
【００４８】
なお、第１空気供給器１５は、燃料電池１１にカソード空気をその流量を調整しながら供給することができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。第１空気供給器１５、第１物理フィルタ２１の接続順序は本実施の形態が望ましいが、燃料電池１１内の触媒の劣化防止を第１目的とする場合においては、接続順序を変更してもよい。
【００４９】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用について説明する。なお、燃料電池システム１００の起動動作、発電動作、および停止動作は、一般的な燃料電池システムと同様に行われるので、その詳細な説明は省略する。また、本実施の形態１においては、制御装置１０２が、燃料電池システム１００を構成する各機器を制御するものとして説明する。
【００５０】
燃料電池システム１００が発電動作中には、燃料電池１１には、水素生成器１４で生成した燃料ガスと第１空気供給器１５によってカソード空気が供給される。燃料電池１１で利用されなかった水素を含むオフ燃料ガスと、燃料電池１１で一部が発電によって利用され酸素濃度が低下したオフカソード空気は、燃料電池１１外へ排出される。
【００５１】
燃料電池１１に燃料ガスを供給する水素生成器１４の改質器１４ａには、原料と水蒸気が供給され、７００℃程度に加熱して、吸熱反応である改質反応に必要な熱を供給して改質反応を進行させる。このとき一酸化炭素が１０％程度発生するので、下流の変成部（図示せず）で触媒温度を２００℃〜３００℃程度に制御して発熱反応を伴いながら水性ガスシフト反応を進行させ、一酸化炭素濃度を０．５％以下程度にまで低減させる。
【００５２】
続いて水素含有ガスは、選択酸化器１４ｂに供給される。選択酸化器１４ｂには、選択酸化用の空気を供給するために第２空気供給器１６、化学フィルタ１９、第２物理フィルタ２２が接続されており、１００℃〜２００℃程度に触媒温度を制御して、少量の空気を導入して一酸化炭素を触媒上で発熱反応を伴いながら酸化反応させて、その濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低減する。その結果、水素生成器の出口では、水素濃度７０％〜７５
％程度の水素含有ガスが得られ、これが燃料ガスとして燃料電池のアノード側に供給される。
【００５３】
以上のように、本実施の形態１で示した燃料電池システムでは、選択酸化器１４ｂに供給される選択酸化用の空気は、最初に第２物理フィルタ２２を通過することで空気中の粉塵が除去され、次に化学フィルタ１９を通過することで酸性不純物やアルカリ性不純物を除去されることで、選択酸化器１４ｂ内の選択酸化触媒の劣化を防止することができる。
【００５４】
また、燃料電池１１にカソード空気を供給する第１空気供給器１５の上流には第１物理フィルタ２１を配置し、カソード用の空気は、第１物理フィルタ２１を通過することで空気中の粉塵が除去されることで、燃料電池１１内の触媒の劣化を防止することができる。
【００５５】
さらに、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタが必要な選択酸化部にのみ化学フィルタを配置することが可能となり、選択酸化部に供給される空気量に対応した大きさの化学フィルタを搭載すれば良くなることから、燃料電池システムに搭載する化学フィルタのサイズを最小限にすることができるようになる為、コストダウンを実現することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、第１の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。
【００５７】
図２に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、実施の形態１に係る燃料電池システムと基本的に同じであるが、水素生成器１４内に燃焼器１４ｃを有し、燃焼器１４ｃに燃焼用空気を供給する第３空気供給器１７と第３物理フィルタを備えている点が異なる。
【００５８】
以上のように構成された燃料電池システム１００の動作および作用を以下に説明する。
【００５９】
水素生成器１４は、燃料電池１１に燃料ガス（水素を含有したガス）をその流量を調整しながら供給するものであり、改質器１４ａと選択酸化器１４ｂと燃焼器１４ｃとを有している。また、水素生成器１４は、燃料電池１１（正確には、燃料電池１１の燃料ガス流路１１Ａの入口）が接続されている。燃焼器１４ｃには、燃料電池１１で利用されなかった水素を含むオフ燃料ガス（図示せず）が燃焼用ガスとして供給され、第３空気供給器１７から供給される空気と共に燃焼させることにより改質器１４ａを７００℃程度に加熱している。
【００６０】
燃焼器１４ｃに燃焼用空気を供給する第３経路２７には、第３空気供給器１７と第３物理フィルタ２３が接続されており、燃焼器１４ｃに燃焼用空気が供給されるようになっている。燃焼器１４ｃに燃焼用空気を供給する第３空気供給器１７の上流には第３物理フィルタ２３を配置し、燃焼用空気は第３物理フィルタ２３を通過することで空気中の粉塵が除去されることから、粉塵による管路圧損の増加や閉塞を防止することができる為、第３空気供給器１７の操作量増加に伴う消費電力の増加や故障を抑制できる。
【００６１】
なお、本実施の形態１においては、燃焼器１４ｃを燃料電池１１からオフ燃料ガスが燃焼用ガスとして供給されるように構成したが、これに限定されず、燃焼器１４ｃに燃焼用ガス供給器から燃焼用ガスが別途供給されるように構成してもよい。
【００６２】
第３空気供給器１７は、燃焼器１４ｃに燃焼用空気をその流量を調整しながら供給する
ことができれば、どのような構成であってもよく、例えば、ファンやブロワ等のファン類で構成されていてもよい。
【００６３】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、第２の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。
【００６４】
図３に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、実施の形態１に係る燃料電池システムと基本的に同じであるが、第２経路２６が第３経路２７から分岐して選択酸化器１４ｂに接続され、第２物理フィルタと第３物理フィルタが一体となった第４物理フィルタ３１を備えている点が異なる。
【００６５】
以上のように構成された燃料電池システム１００の動作および作用を以下に説明する。
【００６６】
第３空気供給器１７の上流側に第４物理フィルタ３１が接続され、第３空気供給器１７の下流側に燃焼器１４ｃが接続されることで、第４物理フィルタ３１を通過した空気が燃焼器１４ｃに供給される。さらに、第３空気供給器１７から燃焼器１４ｃにつながる経路の途中から分岐した第２経路２６に化学フィルタ１９、第２空気供給器１６が接続されており、化学フィルタ１９、第２空気供給器１６を経た空気が選択酸化器１４ｂに供給される。選択酸化器１４ｂに供給される選択酸化用の空気は、最初に第４物理フィルタ３１を通過することで空気中の粉塵が除去され、次に化学フィルタ１９を通過することで酸性不純物やアルカリ性不純物を除去されることで、選択酸化器１４ｂ内の選択酸化触媒の劣化を防止することができる。また、第２空気供給器１６に供給される空気は第４物理フィルタ３１を通過している為、第２空気供給器１６内の物理フィルタを廃止することができ、部品点数を削減することが可能となる。
【００６７】
なお、本実施の形態では第２空気供給器１６と第３空気供給器１７の２つを用いる構成としたが、第２空気供給器１６を廃止して第３空気供給器１７のみを用いる構成としても良い。その際、第２空気供給器１６には流量調整弁やオリフィス等を用いて適切な流量が流れるように調整する必要がある。
【００６８】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、第２の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。
【００６９】
図４に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第１物理フィルタ、第２物理フィルタ、第３物理フィルタが一体となった第５物理フィルタ３２を備えている点が異なる。
【００７０】
以上のように構成された燃料電池システム１００の動作および作用を以下に説明する。
【００７１】
第５物理フィルタ３２を通過した空気が、第１経路２５、第２経路２６、第３経路２７全ての経路に供給される。各々の経路に備えていた物理フィルタを１つの物理フィルタに集約できる為、部品点数を削減することが出来る。
【００７２】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である
。なお、第２の実施の形態と同様の構成要素については、図１と同一番号を付して説明を省略する。
【００７３】
図５に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態２に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、第２経路２６が第１経路２５から分岐して選択酸化器１４ｂに接続され、第１物理フィルタと第２物理フィルタが一体となった第６物理フィルタ３３を備えている点が異なる。
【００７４】
以上のように構成された燃料電池システム１００の動作および作用を以下に説明する。
【００７５】
第１空気供給器１５の上流側に第６物理フィルタ３３が接続され、第１空気供給器１５の下流側に燃焼器１４ｃが接続されることで、第６物理フィルタ３３を通過した空気が燃焼器１４ｃに供給される。さらに、第１空気供給器１５から燃焼器１４ｃにつながる経路の途中から分岐した第２経路２６に化学フィルタ１９、第２空気供給器１６が接続されており、化学フィルタ１９、第２空気供給器１６を経た空気が選択酸化器１４ｂに供給される。選択酸化器１４ｂに供給される選択酸化用の空気は、最初に第６物理フィルタ３３を通過することで空気中の粉塵が除去され、次に化学フィルタ１９を通過することで酸性不純物やアルカリ性不純物を除去されることで、選択酸化器１４ｂ内の選択酸化触媒の劣化を防止することができる。また、第２空気供給器１６に供給される空気は第６物理フィルタ３３を通過している為、第２空気供給器１６内の物理フィルタを廃止することができ、部品点数を削減することが可能となる。
【００７６】
なお、本実施の形態では第１空気供給器１５と第２空気供給器１６の２つを用いる構成としたが、第２空気供給器１６を廃止して第１空気供給器１５のみを用いる構成としても良い。その際、第２空気供給器１６には流量調整弁やオリフィス等を用いて適切な流量が流れるように調整しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の固体高分子形燃料電池システムでは、空気中の異物を化学的に除去する化学フィルタが必要な選択酸化部にのみ化学フィルタを配置することが可能となり、選択酸化部に供給される空気量に対応した大きさの化学フィルタを搭載すれば良くなることから、燃料電池システムに搭載する化学フィルタのサイズを最小限にすることができるようになる為、様々な形態の燃料電池システムに適用できる。
【符号の説明】
【００７８】
１１  燃料電池
１１Ａ  燃料ガス流路
１１Ｂ  酸化剤ガス流路
１４  水素生成器
１４ａ  改質器
１４ｂ  選択酸化器
１４ｃ  燃焼器
１５  第１空気供給器
１６  第２空気供給器
１７  第３空気供給器
１９  化学フィルタ
２１  第１物理フィルタ
２２  第２物理フィルタ
２３  第３物理フィルタ
２５  第１経路
２６  第２経路
２７  第３経路
３１  第４物理フィルタ
３２  第５物理フィルタ
３３  第６物理フィルタ
１００  燃料電池システム
１０６  改質器
１０６ｂ  バーナ
１１２  燃焼空気ブロワ
１１３  空気
１１４  ＣＯ選択酸化用空気ブロワ
１１５  カソード空気ブロワ
１１６  筐体
１２０  空気フィルタ
１２１  空気吸込管
１２２  分岐空気吸込管
１２３  空気供給管
１２４  分岐空気供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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