(57)【要約】【課題】燃料電池発電装置のアンモニア除去器の長寿命化を図る。【解決手段】燃料処理部２から製造された燃料ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器４を備えた構成の燃料電池発電装置１１であって、燃料電池１に供給される燃料ガスの一部が、アンモニア除去器４を通過することなく燃料電池１に供給されるような構成としたものである。  これによって、アンモニア除去器４の消耗を抑え、寿命を延ばし、燃料電池１の出力低下、耐久性の低下が起こらない燃料電池発電装置１１を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に、前記燃料ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器を備えた燃料電池発電装置であって、
前記アノードに供給される前記燃料ガスの一部が、前記アンモニア除去器を通過することなく前記アノードに供給されるように構成された、燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記燃料ガス供給路に、前記アンモニア除去器を収容するアンモニア除去器収容部を備え、
前記アンモニア除去器収容部は、前記アンモニア除去器を通過することなく前記アンモニア除去器収容部を通過可能な前記燃料ガスの通路ができるように前記アンモニア除去器を収容している、請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記燃料ガス供給路は、２つの経路を有し、前記２つの経路のうちの一方のみに前記アンモニア除去器が設けられた、請求項１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、使用環境中に含まれる不純物による出力低下や耐久性の低下を生じない燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められており、それに対する一つの候補として燃料電池が注目を浴びている。燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）は、水素を含有する燃料ガス（水素リッチなガス）と、酸素を含有する空気等の酸化剤ガスとを電気化学反応（発電反応）させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。
【０００３】
また、この時発生する熱エネルギーを回収するために、燃料電池の冷却水流路に冷却水を流通させて熱を回収する構成となっている。
【０００４】
燃料ガスには、一般的にメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油、軽油、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの炭化水素系燃料を原燃料とし、原燃料を改質触媒で水蒸気改質することにより生成され、その主生成物は水素である。
【０００５】
しかしながら、原燃料に窒素が含まれると、改質触媒上で、水素と窒素が反応し、副生成物としてアンモニアを生成する場合がある。アンモニアを含んだ燃料ガスが燃料電池に供給されると、電池電圧が低下するという課題が発生していた。
【０００６】
そこで、改質して生成した燃料ガス中に含まれる不純物であるアンモニアを燃料電池に供給しないために、アンモニアをほぼ完全に除去するためのアンモニア除去手段を設けることで、燃料電池の出力低下や耐久性低下が生じない方法が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５３７４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の構成では、燃料電池に供給される水素中のアンモニアを除去し続けるためには、長期間運転でも除去可能な大容量のアンモニア除去器を備える必要があった。そのため、燃料電池発電装置の小型・低コスト化の観点で課題があった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、アンモニア除去器の消耗を抑え、寿命を延ばし、燃料電池の出力低下、耐久性の低下が起こらない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】
【００１０】
上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、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に、燃料ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器を備えた燃料電池発電装置であって、アノードに供給される燃料ガスの一部が、アンモニア除去器を通過することなくアノードに供給されるような構成としたもので
ある。
【００１１】
これにより、アンモニア除去器の消耗を抑え、寿命を延ばし、燃料電池の出力低下、耐久性の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池発電装置は、比較的安価で単純な構成で、燃料電池の出力低下や耐久性低下を抑制する燃料電池発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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模式図
【図２】本発明の実施の形態１におけるアンモニア除去器収容部を示す側面断面図
【図３】本発明の実施の形態１におけるアンモニア除去器収容部を示す正面断面図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池発電装置の模式図
【図５】本発明の実施の形態２におけるアンモニア除去器収容部を示す側面断面図
【図６】本発明の実施の形態２におけるアンモニア除去器収容部を示す正面断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路に、燃料ガスに含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器を備えた燃料電池発電装置であって、燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの一部が、アンモニア除去器を通過することなく燃料電池に供給されるように構成された燃料電池発電装置である。
【００１５】
本構成により、燃料電池の出力や耐久性に影響を及ぼす可能性のある不純物を含んだ燃料ガスを燃料電池のアノード側に供給する発電装置において、燃料電池に供給する燃料ガスの一部がアンモニア除去器を通過し、残りがアンモニア除去器を通過することがなく燃料電池に供給されるので、燃料電池アノード側に侵入するアンモニアの濃度を低下させることができる。また、全ての燃料ガスが常時、アンモニア除去器を通過する場合と比較して、アンモニア除去器の寿命を延ばすことができる。
【００１６】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電装置において、燃料ガス供給路にアンモニア除去器を収容するアンモニア除去器収容部を備え、アンモニア除去器収容部は、アンモニア除去器を通過することなくアンモニア除去器収容部を通過可能な燃料ガスの通路ができるようにアンモニア除去器を収容している、燃料電池発電装置である。
【００１７】
本構成により、簡易な構成でアンモニア除去器を通過する燃料ガスとアンモニア除去器を通過しない燃料ガスを合流させることが可能となる。
【００１８】
第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池発電装置において、燃料ガス供給路は、２つの経路を有し、２つの経路のうちの一方のみにアンモニア除去器が設けられた、燃料電池発電装置である。
【００１９】
本構成により、アンモニア除去器を通過するガスとアンモニア除去器を通過しないガスを明確に区分することが可能となり、スタックに流入するアンモニア量を確実に低下させることができる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、以下の全ての図において、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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池発電装置の概略構成図を示すものである。図２は、本発明の実施の形態１におけるアンモニア除去器収容部を示す側面断面図である。図３は、本発明の実施の形態１におけるアンモニア除去器収容部を示す正面断面図である。
【００２２】
図１において、燃料電池発電装置１１は、燃料電池１と、燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給する燃料処理部２と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段３と、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器４と、アンモニア除去器４を収容するアンモニア除去器収容部５と、アンモニア除去器４とアンモニア除去器４を収容するアンモニア除去器収容部５の間の空間で構成される隙間６と、アンモニア除去器４が設けられている第一燃料ガス供給路７と、酸化剤ガス供給路８、を備えた構成となっている。
【００２３】
以上のように構成された燃料電池発電装置１１について、以下その動作、作用を説明する。
【００２４】
燃料電池１は、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質からなる電解質膜と、電解質膜を挟むように設けられたカソードおよびアノードで構成される燃料電池セルを複数積層して締結したスタックで構成される。
【００２５】
カソードは、電解質膜の一方の面に形成され、白金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置されたカーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成される。
【００２６】
アノードは、電解質膜のもう一方の面に、カソードと対向するように同じく形成され、白金ルテニウム合金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置された、カーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成される。
【００２７】
カソードおよびアノードの形成された電解質膜は樹脂製の枠体に固定され、さらに、その枠体を、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路、および、燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されたカーボンと樹脂で構成された一対の平板状セパレータで挟持して、燃料電池セルが構成されている。
【００２８】
燃料処理部２は、メタンを主成分とする都市ガスなどの炭化水素ガスを原燃料として用い、水蒸気改質反応により生成される水素含有ガス（燃料ガス）を製造し、燃料電池のアノード側に供給する構成となっている。ここで都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭等に供給されるガスをいう。
【００２９】
この都市ガス中には、微量の窒素が含まれており、窒素と生成した水素とが反応し、アンモニアが生成される。従って、燃料処理部２から製造される燃料ガス中には、微量のアンモニアが含まれている。このアンモニアが燃料電池に供給されると、アノードやカソードの触媒を被毒して、出力低下や耐久性低下などの悪影響を与える。
【００３０】
酸化剤ガス供給手段３は、酸化剤ガスとして大気を用い、ブロワで燃料電池１のカソードに少なくとも酸素を含む酸化剤ガスを供給する構成となっている。
【００３１】
アンモニア除去器４は、燃料ガス中に含まれ、燃料電池１に悪影響を与えるアンモニアを除去することができる構成である。アンモニア除去器４は、燃料ガスに含まれるアンモ
ニア濃度を極低濃度化することができる。すなわち、燃料ガス中のアンモニア濃度を、後述する燃料電池発電に影響を及ぼさない不純物濃度に比べて、十分に低下させることができる。
【００３２】
このアンモニア除去器４としては、アンモニアを吸着除去するフィルタ−状の吸着剤であり、吸着剤の種類として、ここでは活性炭を用いる。アンモニアを含有する燃料ガスを吸着剤中に通流し、その過程で燃料ガス中のアンモニアが吸着剤に吸着されるように構成する。
【００３３】
図２および図３に示すように、アンモニア除去器収容部５は、アンモニア除去器４を固定し、燃料ガスがアンモニア除去器４を通過するように構成している外枠部材である。
【００３４】
また、ここでは、アンモニア除去器４とアンモニア除去器収容部５の間に一部、隙間６を意図的に設けるように構成することによって、燃料ガスの一部が、アンモニア除去器４を通過することなく、アンモニア除去器収容部５を通過して燃料電池１に供給されるように構成している。
【００３５】
なお、燃料ガス中に含まれるアンモニアが、ある程度高濃度の場合には、燃料電池の発電に悪影響を及ぼすが、低濃度の場合には、燃料電池の発電に悪影響を及ぼさないことが知られている。
【００３６】
この燃料電池発電に影響を及ぼさないアンモニア濃度は、電流密度や、ガス露点、ガス利用率、発電温度、１回の起動から停止までの連続発電時間、起動停止方法などの運転条件、触媒層の白金量や高分子膜厚みやガス拡散層のガス透気度などの材料条件、に依存する。
【００３７】
したがって、事前に実験的に燃料電池発電装置１１を作動させて、燃料電池発電に影響を及ぼさないアンモニア濃度を設定することができる。
【００３８】
すなわち、アンモニア除去器４の寿命を考慮しつつ、アンモニア除去器４を通過する大気の割合と、アンモニア除去器４を通過しない大気の割合を事前に設定することによって、燃料電池１に供給される燃料ガス中に含まれるアンモニア濃度について、燃料電池発電に悪影響を及ぼさないアンモニア濃度を設定することができる。
【００３９】
本実施の形態１において、燃料処理部２から製造されたアンモニア濃度５ｐｐｍを含有する燃料ガスをアンモニア除去器４に通流させた場合、アンモニア濃度は０．１ｐｐｂに低減される。
【００４０】
ここで、燃料電池１は１．２５ｐｐｂまでのアンモニアに対して発電に悪影響を受けないように設計し、アンモニア除去器４を通過する燃料ガスと、アンモニア除去器４を通過しない燃料ガスとの比率が４：１となるように隙間６を設計することで、燃料電池１に供給される燃料ガス中のアンモニア濃度を、１．０８ｐｐｂまで低減できる。これにより、燃料電池に影響を及ぼすことなく、アンモニア除去器４の寿命を延ばすことができる。
【００４１】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池に供給される燃料ガスの一部が、アンモニア除去器４を通過することなく燃料電池１に供給されるように構成することによって、燃料電池１に供給されるアンモニア濃度を低下させることができるので、燃料電池の出力低下および耐久性の低下を抑制することができる。
【００４２】
また、燃料ガスの一部が、アンモニア除去器４を通過することなく、燃料電池１に供給
されるように構成することができるので、アンモニア除去器４の消耗を抑え、アンモニア除去器４の寿命を延ばすことが可能となる。
【００４３】
さらに、本実施の形態においては、アンモニア除去器収容部５はアンモニア除去器４を通過することなくアンモニア除去器収容部５を通過可能な燃料ガスの通路ができるように構成することによって、アンモニア除去器４を備えた燃料ガス供給路とアンモニア除去器４を備えていない燃料ガス供給路の２経路に分ける必要がなくなり、燃料電池発電装置１１の構成が比較的簡素化された状態で、本発明の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、電解質膜、カソード、および、アノードを構成する材料は前記した材料に限定されるものではなく、運転条件などに応じて適宜選択されることが好ましい。
【００４５】
なお、酸化剤ガス供給手段３と燃料電池１の間に、供給する酸化剤ガスの露点を調整するため、カソード出口から排出されたオフ酸化剤ガスと全熱交換する加湿器を備えることもできる。
【００４６】
なお、吸着剤は前記した材料に限定されるものではない。アンモニアを除去可能な材料としては、例えば、固体酸、活性炭、ゼオライト、モレキュラーシーブからなる群から１種類以上を適宜、選択すればよい。アンモニアを含有する燃料ガスを吸着剤中に通流し、その過程で燃料ガス中のアンモニアが吸着剤に吸着されるように構成すればよい。
【００４７】
なお、上述のアンモニア濃度は一例にすぎず、本実施の形態１は上記の設定値に限定するものではない。すなわち、燃料電池１の運転条件や材料条件によって発電に悪影響を受けないアンモニア濃度は異なる。
【００４８】
またアンモニア除去器４の設計仕様により、除去可能なアンモニア濃度も異なる。従って、燃料処理部２から製造される燃料ガスに含まれるアンモニア濃度や、燃料電池１の仕様、アンモニア除去器４の仕様によって、アンモニア除去器４を通過する燃料ガスと、アンモニア除去器４を通過しない燃料ガスとの比率とは、適宜設定すればよい。
【００４９】
なお、アンモニア除去器４を通過する燃料ガスの割合と、アンモニア除去器４を通過しない燃料ガスの割合を設定する方法としては、例えば、アンモニア除去器４とアンモニア除去器収容部５の間に設けた隙間６の大きさを適宜、変化させることによって実現可能である。
【００５０】
なお、アンモニア除去器４に比べて隙間６の圧力損失がかなり小さいため、隙間６を通過する燃料ガスの割合が大きすぎて流量割合調整が困難な場合がある。この場合には、例えば、隙間６の流路断面積を小さくする、隙間６に障害物を設ける、などをして隙間６を流れるガスの圧力損失を適宜大きくすることによって、アンモニア除去器４を通過する燃料ガスとの流量割合調整が容易になる。
【００５１】
（実施の形態２）
図４は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池発電装置の概略構成図を示すものである。図５は、本発明の実施の形態２におけるアンモニア除去器収容部を示す側面断面図である。図６は、本発明の実施の形態２におけるアンモニア除去器収容部を示す正面断面図である。
【００５２】
図４において、燃料電池発電装置１１は、燃料電池１と、燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給する燃料処理部２と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段３と、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去するアンモニア除去器４と、アンモニア除去
器４を収容するアンモニア除去器収容部５と、アンモニア除去器４が設けられている第一燃料ガス供給路７と、酸化剤ガス供給路８と、アンモニア除去器４が設けられていない第二燃料ガス供給路９と、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９を流れる燃料ガスの比率を調節する流量調節器１０を備え、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９が燃料電池１の上流側で合流する構成となっている。
【００５３】
流量調節器１０は、開度を調節することができるガスバルブであって、第二燃料ガス供給路９を通過する燃料ガスの流量を調節することができるような構成となっている。
【００５４】
図５および図６に示すように、アンモニア除去器収容部５は、アンモニア除去器４を固定し、燃料ガスがアンモニア除去器４を通過するように構成している外枠部材である。またここでは、アンモニア除去器収容部５は、実施の形態１の隙間６を形成しないようにアンモニア除去器４を配置している。
【００５５】
それ以外の構成は、実施の形態１と同様の構成であり、詳細な説明は省略する。なお、図４〜図６において、実施の形態１と同じ構成部品には、同じ番号を付与している。
【００５６】
本構成により、流量調節器１０をあらかじめ調節しておくことにより、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９を流れる燃料ガスの割合（流量比率）を、正確に安定的に制御することが可能となる。
【００５７】
本構成において、第一燃料ガス供給路７を通過する燃料ガスの割合と、第二燃料ガス供給路９を通過する燃料ガスの割合を事前に設定することによって、燃料電池１に供給される燃料ガス中に含まれるアンモニア濃度について、燃料電池発電に悪影響を及ぼさないアンモニア濃度を設定することができる。
【００５８】
本実施の形態２において、燃料処理部２から製造されたアンモニア濃度２０ｐｐｍを含有する燃料ガスをアンモニア除去器４に通流させた場合、アンモニア濃度は０．４ｐｐｂに低減される。
【００５９】
ここで、燃料電池１は、８ｐｐｂまでのアンモニアに対して発電に悪影響を受けないように設計し、第一燃料ガス供給路７を通過する燃料ガスと、第二燃料ガス供給路９を通過する燃料ガスとの比率が２：１となるように流量調節器１０を制御することで、燃料電池１に供給される燃料ガス中のアンモニア濃度を、６．９３ｐｐｂまで低減することができる。
【００６０】
これにより、燃料電池に影響を及ぼすことなく、アンモニア除去器４の寿命を延ばすことができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態においては、燃料電池に供給される燃料ガスの一部が、アンモニア除去器４を通過することなく燃料電池１に供給されるように構成することによって、燃料電池１に供給されるアンモニア濃度を低下させることができるので、燃料電池の出力低下および耐久性の低下を抑制することができる。
【００６２】
また、燃料ガスの一部が、アンモニア除去器４を通過することなく、燃料電池１に供給されるように構成することができるので、アンモニア除去器４の消耗を抑え、寿命を延ばすことが可能となる。
【００６３】
さらに、本実施の形態においては第二燃料ガス供給路９を追加することによって、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９を流れるガスの割合（流量比率）を、より正確
に安定的に制御することが可能となり、燃料電池の出力低下や耐久性低下を抑制することができる。
【００６４】
なお本実施の形態２では、第二燃料ガス供給路９にだけ、流量調節器１０を配置する構成を説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち例えば、第一燃料ガス供給路７にだけ、流量調節器１０を配置する構成であってもよい。
【００６５】
さらに、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９の両方に、流量調節器１０を配置する構成であってもよい。流量調節器を複数配置するほうが、更に正確に安定的に流量比率を制御することが可能となる。
【００６６】
また、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９の分流地点にガス分流供給器を配置して、第一燃料ガス供給路７と第二燃料ガス供給路９を流れる燃料ガスの割合（流量比率）を制御してもよい。
【００６７】
なお、上述のアンモニア濃度は一例にすぎず、本実施の形態２は上記の設定値に限定するものではない。すなわち、燃料電池１の運転条件や材料条件によって発電に悪影響を受けないアンモニア濃度は異なる。
【００６８】
またアンモニア除去器４の設計仕様により、除去可能なアンモニア濃度も異なる。従って、燃料処理部２の性能や燃料電池１の仕様、アンモニア除去器４の仕様によって、第一燃料ガス供給路７を通過する燃料ガスと、第二燃料ガス供給路９を通過する燃料ガスとの比率は、適宜設定すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池発電装置は、アンモニア除去器の消耗を抑え、寿命を延ばすことが可能となるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電装置、家庭用のコジェネレーションなどの駆動源として使用される燃料電池等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【００７０】
１  燃料電池
２  燃料処理部
３  酸化剤ガス供給手段
４  アンモニア除去器
５  アンモニア除去器収容部
６  隙間
７  第一燃料ガス供給路
８  酸化剤ガス供給路
９  第二燃料ガス供給路
１０  流量調節器
１１  燃料電池発電装置
【図１】
2017050044.tif 000003
【図２】
2017050044.tif 000004
【図３】
2017050044.tif 000005
【図４】
2017050044.tif 000006
【図５】
2017050044.tif 000007
【図６】
2017050044.tif 000008