(57)【要約】【課題】  消化ガスを燃料とする燃料電池システムを構成する燃料電池、改質装置等の寿命の短寿命化を抑制する。【解決手段】  本発明の空気清浄フィルタは、プレフィルタ３０２、ＨＥＰＡフィルタ３０４、アンモニアフィルタ３０６および硫化水素フィルタ３０８を含む。フィルタ収容器３１４の上部は開放されているが、通常は、蓋板３１６をネジなどで締結することにより、蓋がされている。フィルタ収容器３１４には、各フィルタを挿入可能な複数のスロットを形成する保持部材３２０が取り付けられている。フィルタ収容器３１４の各スロットには、空気取入口３１０側から順に、プレフィルタ３０２、ＨＥＰＡフィルタ３０４、アンモニアフィルタ３０６および硫化水素フィルタ３０８が挿入される。空気取入口３１０からに取り入れられた空気は、各フィルタにより不純物が除去された後、空気吐出口３１２から吐出される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに用いられる空気清浄フィルタであって、
プレフィルタと、
ＨＥＰＡフィルタと、
アンモニアガスを除去するアンモニアフィルタと、
硫化水素を除去する硫化水素フィルタと、
を備えることを特徴とする空気清浄フィルタ。
【請求項２】
前記プレフィルタ、前記ＨＥＰＡフィルタ、前記アンモニアフィルタ、前記硫化水素フィルタの順に、清浄化される空気が通過することを特徴とする請求項１に記載の空気清浄フィルタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の空気清浄フィルタを備え、
有機物がメタン発酵することにより発生する消化ガスを燃料として利用されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
家畜の飼育舎の近くに設置されることを特徴とする請求項３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、燃料電池システムおよび燃料電池システムで使用される空気を清浄化するフィルタに関する。より具体的には、本発明は、家畜糞尿から生成する消化ガスを燃料に用いる燃料電池システムおよびこの燃料電池システムで使用される空気清浄フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
家畜の飼育過程で生じる家畜糞尿を有効利用すべく、家畜糞尿がメタン発酵することにより得られる消化ガスまたはバイオガスを燃料とする固体高分子形燃料電池が開発されている。たとえば、消化ガスを改質して水素含有量70〜80%の含水素ガスを製造し、これを燃料ガスとして燃料電池のアノードに供給し、一方、空気を酸化剤として燃料電池のカソードに供給して発電する技術が知られている。
【特許文献１】特開２０００−６７８９５号公報
【特許文献２】特開２０００−９０９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
家畜の飼育舎の近くの空気には、家畜および家畜糞尿から発生する臭気成分であるアンモニア、硫化水素等の不純物が通常の環境に比べてより多く浮遊している。このため、これらの不純物が混じった空気を燃料電池システムに供給すると、燃料電池、改質装置等の寿命が短くなる原因となる。
【０００４】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、空気が供給される燃料電池および／改質装置の短寿命化を抑制するための空気清浄フィルタおよび空気が供給される燃料電池および／改質装置の短寿命化が抑制された燃料電池システムの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の空気清浄フィルタは、燃料電池システムに用いられる空気清浄フィルタであって、プレフィルタと、ＨＥＰＡフィルタと、アンモニアガスを除去するアンモニアフィルタと、硫化水素を除去する硫化水素フィルタと、を備えることを特徴とする。
【０００６】
プレフィルタとは、チリ、ゴミなどの比較的粗大な汚染物を除去するためのフィルタである。ＨＥＰＡとは、High Efficiency Particulate Air（＝「高効率に集塵された空気」）の略であり、ＨＥＰＡフィルタは、0.3μm程度の微粒子を99.97％除去することのできる高性能フィルタである。本発明の空気清浄フィルタにより、消化ガスが燃料として利用される燃料電池システムに供給される空気からアンモニアガス、硫化水素などの不純物が効率的に除去されるため、当該ガスの混入による燃料電池システムを構成する燃料電池や改質装置の短寿命化を抑制することができる。
【０００７】
上記空気清浄フィルタにおいて、プレフィルタ、ＨＥＰＡフィルタ、アンモニアフィルタ、硫化水素フィルタの順に、清浄化される空気が通過することにより、アンモニアガス、硫化水素などの不純物の除去効率をより高めることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、上述した空気清浄フィルタを備え、有機物がメタン発酵することにより発生する消化ガスを燃料として利用される。本発明の燃料電池システムは、家畜の飼育舎の近くに設置される場合に好適である。本発明の燃料電池システムは、上述した空気清浄フィルタを備えることにより、消化ガスが燃料として利用される燃料電池システムに供給される空気からアンモニアガス、硫化水素などの不純物が効率的に除去される。このため、当該ガスの混入による燃料電池システムを構成する燃料電池や改質装置の短寿命化を抑制することができる。
【０００９】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の空気清浄フィルタによれば、燃料電池および／改質装置の短寿命化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、実施形態に係る発電システム１０の全体構成を示す。牛、豚などの家畜から排出される家畜糞尿は、原料糟２０に貯蔵される。原料糟２０から、適量の家畜糞尿がメタン発酵糟３０に収容される。メタン発酵糟３０の中で、家畜糞尿を含む有機性廃棄物が嫌気性細菌の働きにより発酵し、メタンガスを含む消化ガスが発生する。なお、メタン発酵糟３０に残った固液成分は、消化液糟１９０に移設される。この固液成分は、スラリータンク２００の中で、乾燥および粉砕される。
【００１２】
メタン発酵糟３０で発生した消化ガスは、消化ガスホルダー４０に貯蔵される。消化ガスホルダー４０から供給される消化ガスは、脱硫塔５０で硫黄化合物が除去された後、脱アンモニア塔６０でアンモニアが除去される。続いて、メタン濃縮装置７０において、たとえば、消化ガスを気液接触させることにより、気相中の二酸化炭素を液相に優先的に溶解させて、消化ガス中のメタン濃度が高められる。なお、メタン濃縮装置７０で発生するオフガスはメタンガスを含むため、ボイラー１８０において灯油などの燃料とともに燃焼させて、燃焼エネルギーをメタン発酵糟３０の加温に用いることにより、エネルギー効率を高めることができる。
【００１３】
次に、メタン濃縮装置７０から送られる消化ガスを用いて、精製濃縮ガスホルダー８０において、メタンガスの精製および濃縮が行われる。このようにして、家畜糞尿を用いて生成されたメタンガスは、燃料電池システム１００に供給される。
【００１４】
燃料電池システム１００は、固体高分子形燃料電池などの燃料電池１１０、燃料電池１１０に供給する燃料を改質する改質装置１２０および制御装置１３０を含む。
【００１５】
改質装置１２０は、精製濃縮ガスホルダー８０から供給されるメタンガスから水蒸気改質により燃料電池１１０の発電に使用される水素を取り出す。
【００１６】
燃料電池１１０および改質装置１２０には、脱臭塔１４０で脱臭された後、空気清浄フィルタ３００を通して不純物が除去された空気が供給される。このため燃料電池システム１００を構成する燃料電池や改質装置の短寿命化が抑制される。特に、燃料電池システム１００が家畜の飼育舎の近くに設置されている場合には、空気中の不純物濃度が高くなるので、空気清浄フィルタ３００を備えることによる燃料電池や改質装置の短寿命化の抑制作用が顕著となる。
【００１７】
また、水処理装置１５０によって清浄処理された水は、燃料電池１１０に供給されるとともに、貯湯糟１６０に供給される。貯湯糟１６０に蓄えられた水は、ヒータにより加熱された後、メタン発酵糟３０が有する恒温槽に送られ、メタン発酵糟３０の温度調整に用いられる。
【００１８】
燃料電池１１０は、改質装置１２０で生成された水素と、空気清浄フィルタ３００で不純物が除去された空気とを電気化学反応させて、電気エネルギーを取り出す。燃料電池１１０としては、周知の固体高分子形燃料電池が適用可能であり、たとえば、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）を構成し、このＭＥＡのアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレートと、ＭＥＡのカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレートとで挟んでセルを構成し、さらに、このセル間に冷却プレートを介在させて複数積層することにより積層体を形成し、この積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより構成される。燃料電池１１０で発生した直流電力は、系統連系インバータ１７０によって交流電力（たとえば100V）に変換される。
【００１９】
制御装置１３０は、燃料電池システム１００の各種制御を実施する。つまり、制御装置１３０は、燃料電池１１０、改質装置１２０等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。
【００２０】
図２は、実施形態に係る空気清浄フィルタ３００の斜視図を示す。また、図３は、蓋板３１６を外した状態の空気清浄フィルタ３００の上面図を示す。空気清浄フィルタ３００は、フィルタ収容器３１４、蓋板３１６、プレフィルタ３０２、ＨＥＰＡフィルタ３０４、アンモニアフィルタ３０６および硫化水素フィルタ３０８を含む。
【００２１】
フィルタ収容器３１４の上部は開放されているが、通常は、蓋板３１６をネジなどで締結することにより、蓋がされている。メンテナンスやフィルタ交換時には、蓋板３１６を外すことにより容易に作業を行うことができる。フィルタ収容器３１４には、各フィルタを挿入可能な複数のスロットを形成する保持部材３２０が取り付けられている。フィルタ収容器３１４の各スロットには、空気取入口３１０側から順に、プレフィルタ３０２、ＨＥＰＡフィルタ３０４、アンモニアフィルタ３０６および硫化水素フィルタ３０８が挿入される。脱臭塔１４０で脱臭処理された空気は、空気取入口３１０からフィルタ収容器３１４の中に取り入れられる。プレフィルタ３０２、ＨＥＰＡフィルタ３０４、アンモニアフィルタ３０６、硫化水素フィルタ３０８の順に各フィルタで不純物が除去された後、空気吐出口３１２から吐出される。プレフィルタ３０２、ＨＥＰＡフィルタ３０４、アンモニアフィルタ３０６、硫化水素フィルタ３０８の順番で空気に含まれる不純物を除去することにより、空気の清浄化をより高めることができる。
【００２２】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、プレフィルタ３０２の斜視図および空気取り入れ方向の平面図をそれぞれ示す。プレフィルタ３０２は、不織布で形成され、ポリエステル系の短繊維を絡めて成形することにより得られる。プレフィルタ３０２により空気を供給するエアポンプなどの動作を損なうチリ、ゴミなどの比較的大きな不純物を除去することができる。
【００２３】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、ＨＥＰＡフィルタ３０４の斜視図および空気取り入れ方向の平面図をそれぞれ示す図である。ＨＥＰＡフィルタ３０４は、たとえば、波状に折り畳まれたポリエステル繊維からなるシート材料３３２を外枠３３０の内側に固定することにより形成される。図５（Ｂ）のシート材料３３２に関し、実線３３２ａは山折り部分を示し、点線３３２ｂは谷折り部分を示す。ＨＥＰＡフィルタ３０４は、燃料電池モジュールの拡散層を塞いでしまう可能性のある微小なホコリを除去する。また、後述するアンモニアフィルタ３０６および硫化水素フィルタ３０８に含まれる活性炭の微小な吸着口を保護することもできる。
【００２４】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、アンモニアフィルタ３０６の斜視図および空気取り入れ方向の平面図を示す図である。アンモニアフィルタ３０６は、活性炭繊維とポリエステル繊維とからなるシート材料で形成されたハニカム構造３３６を外枠３３４に固定することにより形成される。アンモニアフィルタ３０６には、アンモニアが硫化水素に比べて優先的に吸着する。アンモニアの吸着率を高めるために、酸などの吸着材料をアンモニアフィルタ３０６に含ませることが好適である。アンモニアフィルタ３０６により燃料電池に悪影響のあるアンモニアガスを吸着し除去することができる。
【００２５】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、硫化水素フィルタ３０８の斜視図および空気取り入れ方向の平面図を示す図である。硫化水素フィルタ３０８は、活性炭繊維とポリエステル繊維とからなるシート材料で形成されたハニカム構造３４０を外枠３３８に固定することにより形成される。硫化水素の吸着率を高めるために、アルカリなどの吸着材料を硫化水素フィルタ３０８に含ませることが好適である。硫化水素フィルタ３０８により、燃料電池に悪影響のある硫化水素を吸着し除去することができる。
【００２６】
（フィルタ性能評価）
図２に示した空気清浄フィルタ３００の空気取入口３１０にN2を主成分とする標準ガス（不純物としてNH3:10ppm、H2S:10ppmを含む）の流量を5L/min,10L/min,20L/minと徐々に増加させ、空気吐出口３１２の下流におけるNH3およびH2Sの濃度を測定した。具体的には、標準ガス流量5L/minで置換時間が3分経過した後に、空気吐出口３１２の下流のガスをガステック社製検知管（硫化水素用No.4LT（測定下限値0.1ppm））、およびガステック社製検知管（アンモニア用No.3L(測定下限1ppm）)に測定時間2分間内にそれぞれ２回吸引した。標準ガス流量を10L/minに上昇させた後、標準ガス流量10L/minで置換時間が2分経過した後に、空気吐出口３１２の下流のガスをガステック社製検知管（硫化水素用No.4LT（測定下限値0.1ppm））、およびガステック社製検知管（アンモニア用No.3L(測定下限1ppm）)に測定時間2分間内にそれぞれ２回吸引した。最後に、標準ガス流量を20L/minに上昇させた後、標準ガス流量20L/minで置換時間が2分経過した後に、空気吐出口３１２の下流のガスをガステック社製検知管（硫化水素用No.4LT（測定下限値0.1ppm））、およびガステック社製検知管（アンモニア用No.3L(測定下限1ppm）)に測定時間2分間内にそれぞれ２回吸引した。
【００２７】
（評価結果）
標準ガス流量5,10,20L/min時にともに、アンモニアおよび硫化水素の濃度は、測定下限未満であり、空気清浄フィルタ３００による不純物除去の効果が確認された。
【００２８】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００２９】
たとえば、上述の実施形態では、空気清浄フィルタ３００で清浄化された空気が燃料電池１１０および改質装置１２０に分岐して供給されているが、燃料電池１１０および改質装置１２０にそれぞれ専用の空気清浄フィルタを設けてもよい。
【００３０】
また、硫化水素濃度が十分低い環境下においては、硫化水素フィルタを省略することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施形態に係る発電システムの全体構成を示す図である。
【図２】実施形態に係る空気清浄フィルタの斜視図を示す図である。
【図３】蓋板を外した状態の空気清浄フィルタの上面図を示す図である。
【図４】プレフィルタの斜視図および空気取り入れ方向の平面図を示す図である。
【図５】ＨＥＰＡフィルタの斜視図および空気取り入れ方向の平面図を示す図である。
【図６】アンモニアフィルタの斜視図および空気取り入れ方向の平面図を示す図である。
【図７】硫化水素フィルタの斜視図および空気取り入れ方向の平面図を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  発電システム、２０  原料糟、３０  メタン発酵糟、４０  消化ガスホルダー、５０  脱硫塔、６０  脱アンモニア塔、７０  メタン濃縮装置、８０  精製濃縮ガスホルダー、１００  燃料電池システム、１１０  燃料電池、１２０  改質装置、１３０  制御装置。
【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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【図７】
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