(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される原料ガスおよび酸化剤を利用して発電を行う燃料電池と、
前記酸化剤を送風を利用して前記燃料電池に供給するブロワと、
前記送風を利用して前記燃料電池に供給される酸化剤の通過する系路と、
前記系路において前記ブロワと前記燃料電池との間に設けられ、前記通過する酸化剤に含まれる浮遊イオンを除去するフィルタである不純物除去手段と、を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記系路において前記ブロワと前記燃料電池との間に設けられ、前記送風を利用して前記燃料電池に供給される前記酸化剤を加湿する加湿器を備え、
前記不純物除去手段は、前記系路において前記ブロワと前記加湿器との間に設けられている、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記フィルタは、イオン吸着性を有するフィルタである、請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
はじめに、従来の燃料電池システムの構成図である図３を参照しながら、従来の（固体高分子形）燃料電池システムの構成について説明する。
【０００３】
図３に示すように、従来の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤を用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの原料を改質し、水素リッチなガスを生成して燃料電池１に供給する改質器２と、燃料電池１に酸化剤を供給するためのブロワ３と、ブロワ３によって燃料電池１に供給される酸化剤を加湿するための加湿器４を備えている。
【０００４】
つぎに、従来の燃料電池システムの動作について説明する。
【０００５】
原料ガスは改質器２に送られ水素リッチなガスとなり、燃料電池１に供給される。一方、酸化剤は空気中に含まれる酸素をブロワ３により加湿器４に送り、加湿された後、燃料電池１へと供給される。
【０００６】
燃料電池１に供給された水素リッチな原料ガスと酸化剤が燃料電池１内での反応で水へと変化する過程において発電をすると同時に熱を発生するため、燃料電池１に冷却水回路５を設け、燃料電池１で発生する熱を冷却する。この際、燃料電池１から回収された熱は放熱器６において一定量の放熱をする事により燃料電池１が適正な温度となるように調節される。
【０００７】
燃料電池１で発電した電力は直流で出力されるため、インバーター７で交流電力に変換された後、負荷へと供給される。
【０００８】
なお、このように、発電に使用する酸化剤として空気中に含まれる酸素を使用するが、空気中から酸素のみを取り出すのは比較的困難なうえに多くのエネルギーを消費してしまうため、空気中から酸素のみを取り出すことはせず、空気中に含まれる酸素以外の成分も同時に燃料電池に供給するのが一般的である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システムにおいて長時間発電を継続した場合などに、燃料電池の発電能力が低下してしまうことがあった。
【００１０】
そこで、本発明者は、その原因の一つをつぎのように分析した。すなわち、酸素以外の成分も同時に燃料電池に供給すると、空気中に含まれる粒状物質や浮遊イオンなどの不純物も燃料電池内に供給される。このため、燃料電池システムにおいて長時間発電を継続した場合などには、空気中の不純物が燃料電池本体の内部に蓄積され、燃料電池の発電能力が低下してしまう。
【００１１】
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、たとえば長時間にわたっての燃料電池発電が継続された場合における発電能力の低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第一の本発明（請求項１に対応）は、供給される原料ガスおよび酸化剤を利用して発電を行う燃料電池と、
前記酸化剤を送風を利用して前記燃料電池に供給するブロワと、
前記送風を利用して前記燃料電池に供給される酸化剤の通過する系路と、
前記系路において前記ブロワと前記燃料電池との間に設けられ、前記通過する酸化剤に含まれる浮遊イオンを除去するフィルタである不純物除去手段と、を備えた、燃料電池システムである。
第二の本発明（請求項２に対応）は、前記系路において前記ブロワと前記燃料電池との間に設けられ、前記送風を利用して前記燃料電池に供給される前記酸化剤を加湿する加湿器を備え、
前記不純物除去手段は、前記系路において前記ブロワと前記加湿器との間に設けられている、第一の本発明の燃料電池システムである。
第三の本発明（請求項３に対応）は、前記フィルタは、イオン吸着性を有するフィルタである、第一の本発明の燃料電池システムである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。
【００１９】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図である図１を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの構成について説明する。
【００２０】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、原料を改質して水素リッチな改質ガスを精製する改質器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するブロワ３と、ブロワ３によって供給される供給空気を加湿する加湿器４と、燃料電池１を冷却するための冷却水回路５と、燃料電池１から冷却水回路５により回収された熱を放熱するための放熱器６と、燃料電池で発電された直流電力を交流電力に変換するインバーター７と、酸化剤を供給するブロワ３から燃料電池１に酸化剤を供給するための酸化剤供給系路（送風を利用して供給される酸化剤の通過する系路）３０上に設けられたフィルター８とにより構成されている。
【００２１】
もちろん、酸化剤供給系路３０上に設けられたフィルター８は、従来の燃料電池システムが備えていない手段であり、本実施の形態の燃料電池システムに特有な手段である。
【００２２】
なお、上述の各手段の内、従来の燃料電池システム（図３参照）と同じ機能を有する手段には同一の符号を付与しており、それらの機能は従来の燃料電池システムの各手段の機能に準ずる。
【００２３】
つぎに、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。なお、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明しながら、本発明の不純物除去方法の一実施の形態についても説明する（以下の実施の形態についても同様である）。
【００２４】
原料ガスは改質器２に送られ、改質器２内部での反応により水素リッチな改質ガスへと変換された後、燃料電池１へと供給される。一方、燃料電池１において発電反応に利用される酸化剤はブロワ３により加湿器４に送られ、加湿器４内部において適正な水分量に加湿された後、燃料電池１へと供給される。
【００２５】
燃料電池１は発電反応により発熱するため、燃料電池１内に冷却水回路５を設け、内部に冷却水を循環させる事により、燃料電池１が発電を行う際に発生する熱を回収する。また、燃料電池１内を通過する事によって昇温された冷却水は冷却水回路上に設けられた放熱器６へと送られ、一定量の熱を空気中に放熱する事により所定の温度まで下げられた後、再び燃料電池１へと送られる。
【００２６】
前述したように、従来の燃料電池システムにおいては、ブロワ３により燃料電池１に供給される酸化剤には一般的に空気中に含まれる酸素が利用されるが、空気中の酸素のみを取り出すのは比較的困難な上に多くのエネルギーを必要とするため、通常は空気中に含まれる他の成分と同時に燃料電池１に供給される。このため空気中に含まれる粒子状物質や浮遊イオン等の不純物も酸化剤と同時に燃料電池１に供給されてしまう。
【００２７】
たとえば、ＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  ＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の場合、電解質が固体の薄膜ということで粒子状の物体が燃料電池本体内に入った場合、最悪、固体高分子膜の表面まで達する可能性があり、この際、状況によっては固体高分子膜の破損に繋がる恐れがある。また、固体高分子型燃料電池の場合、固体高分子膜と酸化剤流路の間には酸化剤を拡散させる目的で拡散層としてカーボンペーパーなどの多孔質材料を用いる場合が多く、この多孔質を介して酸化剤が固体高分子膜まで移動する。この際、酸化剤内部に細かい粒子状の物質が存在する場合、この粒子状物質が多孔質材料の内部にとどまることによって、酸化剤の移動を阻害し、最悪の場合酸化剤の供給不足を引き起こすきっかけともなる。
【００２８】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、酸化剤供給系路３０上に（すなわち、ブロワ３と加湿器４との間に）フィルター８を設けることにより、空気中に含まれる不純物を捕集し、燃料電池１内に不純物が進入することを抑制する。
【００２９】
なお、ブロワ３と加湿器４との間に（つまり、系路においてブロワ３よりも送風に関して風下側に）フィルター８を設けることによって、大気中に含まれていた不純物のみならず、燃料電池１側に飛散するブロワ３内部で使用される潤滑油などをも、効率よく捕集できる。このことから、たとえばブロワ３の供給空気吸入口にフィルターを設けるよりも、本実施の形態におけるように酸化剤供給系路３０にフィルター８を設けるほうが、より望ましいといえる（もちろん、供給空気吸入口と酸化剤供給系路３０の両方にフィルターを設けるなどしてもよい）。
【００３０】
かくして、燃料電池１内部の電解質に不純物が吸着することによる燃料電池１の性能低下を抑制し、長期間、性能を低下させることなく燃料電池システムの運転を継続することができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、燃料電池１の冷却のために冷却水回路５、冷却水を放熱するための放熱器６を設ける構成としたが、燃料電池１を一定の温度に冷却することのできる構造であればよく、ブロワ３を用いて燃料電池１に供給される酸化剤を用いて燃料電池１を冷却する構成としても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００３２】
したがって、本実施の形態によれば、酸化剤を供給する酸化剤供給系路上に不純物除去手段を設けることにより、燃料電池内部に不純物が侵入するのを防止し、燃料電池システムを長期間、性能を低下させることなく運転を継続できるようにすることができる。
【００３３】
（実施の形態２）
はじめに、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図である図２を参照しながら、本実施の形態の燃料電池システムの構成について説明する。
【００３４】
本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、原料を改質して水素リッチな改質ガスを精製する改質器２と、酸化剤としての空気を燃料電池１に供給するとともにその空気の供給によって生じる送風で自己冷却を行うブロワ３’と、ブロワ３’によって供給される供給空気を加湿する加湿器４と、燃料電池１を冷却するための冷却水回路５と、燃料電池１から冷却水回路５により回収された熱を放熱するための放熱器６と、燃料電池で発電された直流電力を交流電力に変換するインバーター７と、酸化剤を供給するブロワ３’から燃料電池１に酸化剤を供給するための酸化剤供給系路３０’上に設けられたフィルター８とにより構成されている。
【００３５】
もちろん、送風で自己冷却を行うブロワ３’、および酸化剤供給系路３０’上に設けられたフィルター８は、従来の燃料電池システムが備えていない手段であり、本実施の形態の燃料電池システムに特有な手段である。
【００３６】
なお、上述の各手段の内、従来の燃料電池システム（図３参照）と同じ機能を有する手段には同一の符号を付与しており、それらの機能は従来の燃料電池システムの各手段の機能に準ずる。
【００３７】
つぎに、本実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００３８】
原料ガスは改質器２に送られ、改質器２内部での反応により水素リッチな改質ガスへと変換された後、燃料電池１へと供給される。一方、燃料電池１において発電反応に利用される酸化剤はブロワ３’により加湿器４に送られ、加湿器４内部において適正な水分量に加湿された後、燃料電池１へと供給される。
【００３９】
燃料電池１は発電反応により発熱するため、燃料電池１内に冷却水回路５を設け、内部に冷却水を循環させる事により、燃料電池１が発電を行う際に発生する熱を回収する。また、燃料電池１内を通過する事によって昇温された冷却水は冷却水回路上に設けられた放熱器６へと送られ、一定量の熱を空気中に放熱する事により所定の温度まで下げられた後、再び燃料電池１へと送られる。
【００４０】
前述したように、従来の燃料電池システムにおいては、ブロワ３により燃料電池１に供給される酸化剤には一般的に空気中に含まれる酸素が利用されるが、空気中の酸素のみを取り出すのは比較的困難な上に多くのエネルギーを必要とするため、通常は空気中に含まれる他の成分と同時に燃料電池１に供給される。このため空気中に含まれる粒子状物質や浮遊イオン等の不純物も酸化剤と同時に燃料電池１に供給されてしまう。
【００４１】
のみならず、従来の燃料電池システムにおいては、酸化剤を供給するブロワ３は一般に摩擦面を有するため酸化剤を供給することによって発熱し、冷却を行わずに長時間運転すると運転状態に異常をきたしてしまうこともある。
【００４２】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムにおいては、酸化剤供給用のブロワ３’が酸化剤を供給する際に供給する酸化剤がブロワ３’内部を通過させることによって酸化剤の供給を行うと同時にブロワ３’の冷却を行うことで、他の冷却手段を設けることなく長時間連続してブロワ３’を運転する。
【００４３】
なお、このように送風を利用してブロワ３’の冷却を行う場合には、前述した燃料電池１側に飛散するブロワ３’の潤滑油の量はより多くなる。したがって、ブロワ３’と加湿器４との間にフィルター８を設けることによる効果は、本実施の形態においてより顕著となるわけである。
【００４４】
かくして、燃料電池１に不純物が進入するのを抑制し、長期間、性能を低下させることなく燃料電池システムの運転を継続することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、燃料電池１の冷却のために冷却水回路５、冷却水を放熱するための放熱器６を設ける構成としたが、燃料電池１を一定の温度に冷却することのできる構造であればよく、ブロワ３’を用いて燃料電池１に供給される酸化剤を用いて燃料電池１を冷却する構成としても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００４６】
したがって、本実施の形態によれば、酸化剤供給手段により供給される酸化剤を酸化剤供給手段内部を通過させることにより新たに冷却手段を設けることなく酸化剤供給手段の冷却を行うことができ、酸化剤供給手段内部を酸化剤が通過する際に酸化剤供給手段内部で使用されている油分等を捕集した場合でも酸化剤供給系路上に設けた不純物除去手段により酸化剤に含まれる不純物を除去することで燃料電池内部に不純物が侵入するのを防止し、燃料電池システムを長期間、性能を低下させることなく運転を継続できるようにすることができる。
【００４７】
なお、（１）ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒｓ、粒状物質）、（２）ＮＯｘ、（３）ＳＯｘ、（４）浮遊イオンのそれぞれに対して好ましいフィルターの具体的な材料・種類について以下に述べる。
【００４８】
（１）ＰＭに対しては、一般的に使われている濾紙などを使ったフィルターを使用するのがよい。たとえば、コーディライト、窒化珪素（ＳｉＣ）などの材料を使ったウォールスルーフィルター（モノリスと呼ばれる蜂の巣構造の穴を交互に目詰めし、壁を濾過に使用）、もしくはセラミクスなどの素材繊維を布状に織り込んだもの、短繊維をマット状にしたもの、泡構造（フォーム状）にしたものなどが考えられる。
【００４９】
（２）ＮＯｘに対しては、単独での浄化機能を持つフィルターは難しく、上述したＰＭ用のフィルターと組合わせて使用するのがよい。触媒（Ｐｔなど）による酸化還元反応を利用するフィルターがあり、ディーゼルエンジン車などに使用されている。触媒部でＮＯｘのうちＮＯ（一酸化窒素）をＮＯ2に変化させ、このＮＯ2を後段に配した上述のＰＭ用フィルターに送ることでフィルター内に補修されているＰＭ（ほとんどが炭素）を燃焼させＣＯ2に変化させることでＮＯｘ、ＰＭを同時に除去する方法等がある。ただし、後段のフィルター上での燃焼反応に３５０℃程度の温度が必要であることと燃焼反応で酸素が減少してしまうことがある。
【００５０】
（３）ＳＯｘに対しては、活性炭等のフィルターを使用するのがよい。
【００５１】
（４）浮遊イオンに対しては、イオンを溶融させる液体などを供給する湿式フィルターを使用するのがよい。もちろん、燃料電池に使用されている固体電解質などのイオン吸着性の有る材料を使用してもよい。
【００５２】
以上においては、本実施の形態１〜２に関して詳細に説明した。
【００５３】
なお、本発明の不純物除去手段は、上述の本実施の形態において説明されたようにフィルタであるが、本発明に関連する発明の不純物除去手段は、たとえば電気集塵装置、純水散水装置、および遠心分離装置の何れかを利用する手段であってもよい。
【００５４】
要するに、本発明または本発明に関連する発明の燃料電池システムは、供給される原料ガスおよび酸化剤を利用して発電を行う燃料電池と、酸化剤を送風を利用して供給するブロワと、送風を利用して供給される酸化剤の通過する系路と、通過する酸化剤に含まれる不純物を除去するための不純物除去手段と、を備えた燃料電池システムである。
【００５５】
もちろん、供給される原料ガスおよび酸化剤を利用して発電を行うステップと、酸化剤を送風を利用して供給するステップと、送風を利用して供給される酸化剤を通過させるステップと、通過する酸化剤に含まれる不純物を除去するステップと、を備えた不純物除去方法は、本発明に関連する発明である。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように、本発明は、たとえば長時間にわたっての燃料電池発電が継続された場合における発電能力の低下を抑制することができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図
【図３】従来の燃料電池システムの構成図
【符号の説明】
１  燃料電池
２  改質器
３  ブロワ
３０  酸化剤供給系路
４  加湿器
５  冷却水回路
６  放熱器
７  インバーター
８  フィルター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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