(57)【要約】【課題】酸化剤ガスあるいは大気中に含まれる不純物を除去し、不純物による劣化を抑制し、耐久性を向上させた燃料電池発電装置を提供すること。【解決手段】酸化剤ガス中に含まれるアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルター９と、酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルター１１と、粉塵を除去する除塵フィルター１２と、これらを内包する筐体１３と、電解質１と、一対の電極２１、２２と、一対のセパレータ板４１、４２とからなる燃料電池５を備え、大気中に存在する可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物、さらに粉塵などの粒子状不純物を除去して、これらの燃料電池５への混入を防止するので、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン伝導性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。【選択図】図１
2005322506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも酸素を含む酸化剤ガス中に含まれるアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸化剤ガス中に含まれる酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルターと、前記酸化剤ガス中に含まれる粉塵を除去する除塵フィルターと、前記アルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸性不純物除去フィルターおよび前記除塵フィルターを内包する筐体と、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、他方に前記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からなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池を備えてなる燃料電池発電装置。
【請求項２】
大気中に含まれるアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルターと、前記大気中に含まれる酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルターと、前記大気中に含まれる粉塵を除去する除塵フィルターと、前記アルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸性不純物除去フィルターおよび前記除塵フィルターを内包する筐体と、前記不純物を除去した前記大気を供給して少なくとも水素を含む燃料ガスに含まれる一酸化炭素を酸化して除去する一酸化炭素除去器と、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に前記一酸化炭素除去器で前記一酸化炭素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からなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池を備えてなる燃料電池発電装置。
【請求項３】
ガスの流れに対して、最後段に除塵フィルターを配置する請求項１および２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
アルカリ性不純物除去フィルターと、酸性不純物除去フィルターの間にスペーサーを備えた請求項１および２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
アルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターの前段に粉塵を除去する粗フィルターを備えた請求項１および２記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
アルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターはコルゲート型またはハニカム型の構造体である請求項１および２記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
アルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターは、それぞれアルカリ性不純物を吸収する酸および酸性不純物を吸収するアルカリに、活性炭と、硬化剤を混練して、造粒した後、成型する化学吸着型のフィルターである請求項１および２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
アルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターは、繊維状の活性炭にそれぞれアルカリ性不純物を吸収する酸および酸性不純物を吸収するアルカリを添着した化学吸着型のフィルターである請求項１および２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
除塵フィルターは、帯電した繊維からなる不織布をプリーツ状にした構造体である請求項１および２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１０】
アルカリ性不純物除去フィルターと、酸性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターの周囲に緩衝材を備えた請求項１および２に記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス中に含まれる不純物および燃料ガス中の一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器に供給する大気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。
【背景技術】
【０００２】
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３を参照しながら説明する。図３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。
【０００３】
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。
【０００４】
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）。
【０００５】
【化１】
2005322506.tif 000003
【０００６】
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）。
【０００７】
【化２】
2005322506.tif 000004
【０００８】
全反応を（化３）に示す。
【０００９】
【化３】
2005322506.tif 000005
【００１０】
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。
【００１１】
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３を参照しながら説明する。図３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器７１と、発生する一酸化炭素（ＣＯ）を変成するＣＯ変成器７２と、さらにＣＯを除去するＣＯ除去器７３を備えている。
【００１２】
原料ガスにメタンを用いた場合、改質器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。
【００１３】
【化４】
2005322506.tif 000006
【００１４】
その後、発生したＣＯは（化５）で示すようにＣＯ変成器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変成器７２でできるだけＣＯ濃度を低下させる必要がある。
【００１５】
【化５】
2005322506.tif 000007
【００１６】
さらに残ったＣＯは（化６）で示すようにＣＯ除去器７３で空気中に含まれる酸素と反応して酸化され、その濃度は約１０ｐｐｍ以下まで低下する。
【００１７】
【化６】
2005322506.tif 000008
【００１８】
全反応式を（化７）に示す。
【００１９】
【化７】
2005322506.tif 000009
【００２０】
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。
【００２１】
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、電解質のイオン伝導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。
【００２２】
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。
【特許文献１】特開平６−８４５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
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、イオン伝導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。
【００２４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、大気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、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルターと、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルターと、さらに大気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物を除去する除塵フィルター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、イオン伝導性の低下を防ぎ、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。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
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、酸化剤ガスまたは大気中に含まれるアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸化剤ガスまたは前記大気中に含まれる酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルターと、前記酸化剤ガスまたは前記大気中に含まれる粉塵を除去する除塵フィルターと、前記アルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸性不純物除去フィルターおよび前記除塵フィルターを内包する筐体を備えるものである。
【００２６】
これによって、酸化剤ガスあるいは燃料ガス中に含まれる不純物を除去することができ、アンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物や、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物および粉塵などの粒子状不純物による触媒の被毒や、イオン伝導性の低下などを防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２７】
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、酸化剤ガスあるいは燃料ガス中に存在する可能性のある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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
第１の発明は、少なくとも酸素を含む酸化剤ガス中に含まれるアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸化剤ガス中に含まれる酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルターと、前記酸化剤ガス中に含まれる粉塵を除去する除塵フィルターと、前記アルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸性不純物除去フィルターおよび前記除塵フィルターを内包する筐体と、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、他方に前記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からなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池を備え、大気中に存在する可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物をアルカリ性不純物除去フィルターで除去し、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物を酸性不純物除去フィルターで除去し、さらに大気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物を除塵フィルターで除去して、これらの燃料電池への混入を防止するので、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン伝導性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。
【００２９】
第２の発明は、大気中に含まれるアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルターと、前記大気中に含まれる酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルターと、前記大気中に含まれる粉塵を除去する除塵フィルターと、前記アルカリ性不純物除去フィルターと、前記酸性不純物除去フィルターおよび前記除塵フィルターを内包する筐体と、前記不純物を除去した前記大気を供給して少なくとも水素を含む燃料ガスに含まれる一酸化炭素を酸化して除去する一酸化炭素除去器と、電解質と、前記電解質を挟む一対の電極と、前記電極の一方に前記一酸化炭素除去器で前記一酸化炭素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からなる少なくとも一つのセルを備えた燃料電池を備え、一酸化炭素除去器で除去する際に大気中から取り込む空気中に存在する可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物をアルカリ性不純物除去フィルターで除去し、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物を酸性不純物除去フィルターで除去し、さらに大気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物を除塵フィルターで除去して、燃料ガス中にこれらの不純物が混入して起こる触媒の被毒や、イオン伝導性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。
【００３０】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、ガスの流れに対して、最後段に除塵フィルターを配置することにより、酸化剤ガスまたは空気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物だけでなく、前段のアルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルター自身から発生する粉塵、粒子状物質も除去することができる。
【００３１】
第４の発明は、第１の発明または第２の発明のアルカリ性不純物除去フィルターと、酸性不純物除去フィルターの間にスペーサーを備え、アルカリ性不純物除去フィルターと酸性不純物除去フィルターを接触させないので、アルカリ性不純物除去フィルターに添着した酸と酸性不純物除去フィルターに添着したアルカリが中和反応を起こして互いの除去性能が劣化するのを防止することができる。
【００３２】
第５の発明は、第１の発明または第２の発明のアルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターの前段に粉塵を除去する粗フィルターを備え、各種フィルターより前段に配置される空気供給装置などから発生する粉塵や粒子状物質を粗フィルターで除去するので、アルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターの除去性能を保持するだけでなく、除塵フィルターの負荷を軽減するので除塵フィルターの寿命を延ばすことができる。
【００３３】
第６の発明は、第１の発明または第２の発明のアルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターをコルゲート型またはハニカム型の構造体とすることにより、反応面積を大きくすることができる。また、導入する酸化剤ガスまたは空気のフィルターによる圧力損失を下げることができ、フィルターの目詰まりも抑制するので、空気供給装置などの負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。
【００３４】
第７の発明は、第１の発明または第２の発明のアルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターに、それぞれアルカリ性不純物を吸収する酸および酸性不純物を吸収するアルカリに、活性炭と、硬化剤を混練して、造粒した後、成型する化学吸着型のフィルターを用いることにより、単に吸着するのではなく、不純物と酸またはアルカリを反応させてフィルター上に固定するので、濃度や温度により脱着するようなことがなくなり、脱着した高濃度の不純物が燃料電池に混入して電池性能を劣化させることを防ぐことができる。また、多孔質な活性炭を用いるので、トルエン、メチルエチルケトン、トリクロロエチレンなどの有機溶剤も吸着することができ、これらの不純物による電池性能の低下も抑制することができる。
【００３５】
第８の発明は、第１の発明または第２の発明のアルカリ性不純物除去フィルターおよび酸性不純物除去フィルターに、繊維状の活性炭にそれぞれアルカリ性不純物を吸収する酸および酸性不純物を吸収するアルカリを添着した化学吸着型のフィルターを用いることにより、単に吸着するのではなく、不純物と添着物質を反応させてフィルター上に固定するので、濃度や温度により脱着するようなことがなくなり、脱着した不純物が燃料電池に混入して電池性能を劣化させることを防ぐことができる。また、多孔質な活性炭を用いるので、トルエン、メチルエチルケトン、トリクロロエチレンなどの有機溶剤も吸着することができ、これらの不純物による電池性能の低下も抑制することができる。また、繊維状の活性炭を用いることにより、軽量化を図ることができるだけでなく、形状やサイズの自由度が増し、かけや割れといった破損をなくすことができる。
【００３６】
第９の発明は、第１の発明または第２の発明の除塵フィルターに、帯電した繊維からなる不織布をプリーツ状にした構造体を用いることにより、静電気を帯びた繊維一本一本がクーロン力や誘起力の作用により、空気中に浮遊するミクロの粉塵を効率よく取り込むことができる。
【００３７】
第１０の発明は、第１の発明または第２の発明のアルカリ性不純物除去フィルターと、酸性不純物除去フィルターおよび除塵フィルターの周囲に緩衝材を備え、緩衝材を介して筐体に収納して気密よく固定するので、フィルター周囲からの回りこみなどによる未反応ガスの漏れを防止することができる。
【００３８】
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。
【００３９】
（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。
【００４０】
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。
【００４１】
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３１および３２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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、酸化剤ガスは、大気からファンやポンプおよび空気ブロワなどの空気供給装置より取り込み、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。
【００４４】
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。
【００４５】
したがって、空気供給装置とカソード２２入口の間に酸化剤ガス中に含まれる不純物を除去する各種フィルターを配置した。フィルターは、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、空気供給装置などから発生する粉塵などの粒子状物質を除去する粗フィルター８と、大気中に含まれている可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルター９と、スペーサー１０と、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルター１１と、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、前段のアルカリ性不純物除去フィルター９および酸性不純物除去フィルター１１自身から発生する粉塵などの粒子状物質を除去する除塵フィルター１２からなり、これらフィルターは、筐体１３内に収納され、クリーンな大気をカソード２２に導くように配管されている。
【００４６】
また、スペーサー１０は、腐食しない樹脂などの材料で構成し、圧力損失が上がらないように通気口を形成した。また、スペーサー１０は、アルカリ性不純物除去フィルター９と酸性不純物除去フィルター１１を接触させないので、アルカリ性不純物除去フィルター９に添着した酸と酸性不純物除去フィルター１１に添着したアルカリが中和反応を起こして互いの除去性能が劣化するのを防止することができる。
【００４７】
また、アルカリ性不純物除去フィルター９と、酸性不純物除去フィルター１１および除塵フィルター１２の周囲には緩衝材を設け、緩衝材を介して筐体１３に収納した。これにより、気密性が向上し、処理する酸化剤ガスがフィルター周囲から回りこむために起こる不純物のリークを防止することができ、各種フィルターの除去性能を向上させることができる。
【００４８】
大気より取り込まれた酸化剤ガスは、最初に粗フィルター８を通過し、次いでアルカリ性不純物除去フィルター９、スペーサー１０を介して、酸性不純物除去フィルター１１を通って、最後に除塵フィルター１２を通って、含まれる各種不純物の濃度を低減させる。
【００４９】
粗フィルター８は、ポリプロピレンなどからなる繊維を帯電させた後、不織布に織ったものを用いた。粗フィルター８は、静電気を帯びた繊維一本一本が酸化剤ガス中に含まれる粉塵だけでなく、前段に配置される空気供給装置などから発生する粉塵や粒子状物質も除去する。また、アルカリ性不純物除去フィルター９および酸性不純物除去フィルター１１の除去性能を保持するだけでなく、除塵フィルター１２の負荷を軽減するので除塵フィルター１２の寿命を延ばすことができる。
【００５０】
アルカリ性不純物除去フィルター９は、繊維状の活性炭シートにアルカリ性不純物の吸収剤として一定濃度に調整したリン酸溶液を含浸させ、分離して、乾燥して、さらにシートをコルゲート型に加工した。リン酸は活性炭繊維の表面に固定され、アンモニアなどのアルカリ性不純物と（化８）で示すように反応して生成したリン酸アンモニウムを活性炭繊維の表面に固定して化学吸着させる。
【００５１】
【化８】
2005322506.tif 000010
【００５２】
したがって、単に吸着するのではなく、不純物と添着物質を反応させてアルカリ性不純物除去フィルター９上に固定するので、濃度や温度により脱着するようなことがなくなり、脱着した不純物が燃料電池に混入して電池性能を劣化させることを防ぐことができる。また、多孔質な活性炭を用いるので、トルエン、メチルエチルケトン、トリクロロエチレンなどの有機溶剤も吸着することができ、これらの不純物による電池性能の低下も抑制することができる。また、繊維状の活性炭を用いることにより、軽量化を図ることができるだけでなく、形状やサイズの自由度が増し、かけや割れといった破損をなくすことができる。また、コルゲート型の構造体とすることにより、反応面積を大きくすることができる。また、導入する酸化剤ガスのアルカリ性不純物除去フィルター９による圧力損失を下げることができ、アルカリ性不純物除去フィルター９の目詰まりも抑制するので、空気供給装置などの負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。
【００５３】
酸性不純物除去フィルター１１は、酸性不純物を吸収するアルカリとして水酸化カルシウムを用い、活性炭と、硬化剤を混練して、造粒した後、ハニカム型に成型して得た。硬化剤には焼石膏を用いた。焼石膏は水と混合すると硫酸カルシウムとなり、凝結硬化する。水酸化カルシウムは、二酸化窒素や、二酸化硫黄などの酸性不純物とそれぞれ（化９）および（化１０）で示すように反応してそれぞれ硝酸カルシウムおよび硫酸カルシウムをフィルター１１上に固定して化学吸着させる。
【００５４】
【化９】
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【００５５】
【化１０】
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【００５６】
したがって、単に吸着するのではなく、不純物とアルカリを反応させて酸性不純物除去フィルター１１上に固定するので、濃度や温度により脱着するようなことがなくなり、脱着した高濃度の不純物が燃料電池に混入して電池性能を劣化させることを防ぐことができる。また、多孔質な活性炭を用いるので、トルエン、メチルエチルケトン、トリクロロエチレンなどの有機溶剤も吸着することができ、これらの不純物による電池性能の低下も抑制することができる。また、ハニカム型の構造体とすることにより、反応面積を大きくすることができる。また、導入する酸化剤ガスの酸性不純物除去フィルター１１による圧力損失を下げることができ、酸性不純物除去フィルター１１の目詰まりも抑制するので、空気供給装置などの負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。
【００５７】
除塵フィルター１２は、ポリプロピレンなどからなる繊維を帯電させた後、粗フィルター８より目付量を増やして織った不織布をプリーツ状にして、枠に固定して作製した。静電気を帯びた繊維一本一本がクーロン力や誘起力の作用で、空気中に浮遊するミクロの粉塵を引き付け吸着するので、大気中の粉塵などの粒子状物質および前段のアルカリ性不純物除去フィルター９や酸性不純物除去フィルター１１自身から発生する粉塵などの粒子状物質を効率よく除去することができる。
【００５８】
上記のフィルター構成により、大気中に存在する可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物、さらに大気中に含まれる粉塵などの粒子状不純物を除去して、燃料電池５への混入を防止するので、これらの不純物による触媒の被毒や、イオン伝導性の低下を防ぎ、電池電圧の低下を抑制することができる。
【００５９】
また、フィルター全体の通気抵抗も非常に少なく、フィルターによる圧力損失は１００Ｐａ程度であり、空気供給装置などの負荷に影響を及ぼさず、発電効率を高い状態のまま保持することができる。
【００６０】
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７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７は、メタンなどを改質する改質器７１と、発生するＣＯを変成するＣＯ変成器７２および残ったＣＯをさらに除去するＣＯ除去器７３からなる。ＣＯ除去器７３は、大気中よりファンやポンプおよび空気ブロワなどの空気供給装置を用いて空気を導入し、燃料ガス中に含まれるＣＯと空気中の酸素を反応させて、二酸化炭素としてＣＯを除去する。
【００６１】
したがって、前述したように大気中には様々な不純物が含まれている可能性があり、これらの不純物を除去するためにＣＯ除去器７３の空気導入部に大気を浄化する各種フィルターを設けた。実際、発電に用いるカソード２２に流す酸化剤ガスの流量と比べて、ＣＯを酸化するのに必要な空気量は少量であるので、流量に合わせてフィルターサイズを酸化剤ガスのフィルターサイズよりも小さくした。
【００６２】
フィルターは、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、空気供給装置などから発生する粉塵などの粒子状物質を除去する粗フィルター１４と、大気中に含まれている可能性のあるアンモニア、トリメチルアミンなどのアルカリ性不純物を除去するアルカリ性不純物除去フィルター１５と、スペーサー１６と、硫化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素、塩化水素、フッ化水素などの酸性不純物を除去する酸性不純物除去フィルター１７と、大気中に含まれる粉塵などの粒子状物質や、前段のアルカリ性不純物除去フィルター１５および酸性不純物除去フィルター１７自身から発生する粉塵などの粒子状物質を除去する除塵フィルター１８からなり、これらフィルターは、筐体１９内に収納され、クリーンな大気をＣＯ除去器７３に導くように配管されている。
【００６３】
また、アルカリ性不純物除去フィルター１５と、酸性不純物除去フィルター１７および除塵フィルター１８の周囲には緩衝材を設け、緩衝材を介して筐体１９に収納した。これにより、気密性が向上し、処理する酸化剤ガスがフィルター周囲から回りこむために起こる不純物のリークを防止することができ、各種フィルターの除去性能を向上させることができる。
【００６４】
上記構成の燃料電池発電装置を用いて、各種フィルターの性能を確認した。
【００６５】
まず、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／ｃｍ２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。
【００６６】
次に、カソード２２に１ｐｐｍのアンモニア、０．０４ｐｐｍの二酸化硫黄および０．０６ｐｐｍの二酸化窒素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、電圧がふらつきながら徐々に低下し、約１０時間後に電池電圧は０．７４Ｖまで低下した。
【００６７】
次に、カソード２２側にフィルターを取り付け、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、またふらつくことなく安定した値を示した。試験結果を図２にしめす。これらの試験により、本実施例のフィルターが酸化剤ガス中に含まれる不純物を効率よく除去することが判った。
【００６８】
次に、カソード２２に不純物を含まない清浄な酸化剤ガスを供給し、アノード２１に燃料処理部７を用いて生成した燃料ガスを供給した。燃料処理部７のＣＯ除去器７３には不純物を含まない清浄な空気を供給した。このときの電池電圧はふらつくことなく安定していた。
【００６９】
次に、ＣＯ除去器７３に供給する空気中に１ｐｐｍのアンモニア、０．０４ｐｐｍの二酸化硫黄および０．０６ｐｐｍの二酸化窒素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、電圧がふらつきながら徐々に低下した。
【００７０】
次に、ＣＯ除去器７３の前にフィルターを取り付け、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、またふらつくことなく安定した値を示した。
【００７１】
したがって、本実施の形態のフィルターがＣＯ除去器７３から取り込まれる大気中に含まれる不純物を効率よく除去することが判った。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池発電装置の概略構成図
【図２】同装置の電池電圧特性図
【図３】従来の燃料電池発電装置の概略構成図
【符号の説明】
【００７５】
１  電解質
２１  電極（アノード）
２２  電極（カソード）
４１、４２  セパレータ板
７３  一酸化炭素除去器
８、１４  粗フィルター
９、１５  アルカリ性不純物除去フィルター
１０、１６  スペーサー
１１、１７  酸性不純物除去フィルター
１２、１８  除塵フィルター
１３、１９  筐体
【図１】
2005322506.tif 000013
【図２】
2005322506.tif 000014
【図３】
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