專利名稱：燃料電池以及燃料電池用空氣凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及，將大氣中含有污染物的空氣作為反應(yīng)氣體使用的燃料電池，特別是一種旨在將該污染物去除而使燃料電池長期保持較高輸出電壓的空氣凈化裝置。
現(xiàn)有技術(shù)燃料電池，是通過供給陽極的燃料氣體、與、供給陰極的含氧氣體發(fā)生反應(yīng)而發(fā)電的。燃料電池，可以使用由氫氣瓶供給的氫或城市燃?xì)饨?jīng)過改性而含有較多氫的改性氣體。而作為含氧氣體，一般是通過壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供給空氣。
燃料電池的電極，在固體高分子燃料電池和磷酸燃料電池等低溫型燃料電池中，一般是使導(dǎo)電性碳粉末的表面載有白金等貴金屬而制成。向燃料電池供給的空氣中，含有微量的氮氧化物(NO，NOx)、硫氧化物(SOx)、氨、硫化氫、有機(jī)溶劑蒸氣和焦油等有機(jī)物、以及一氧化碳(CO)等大氣污染成分。這些污染物，對于燃料電池的白金催化劑也是有害的。若將經(jīng)過燃料電池的空氣供給系統(tǒng)吸入的污染空氣直接供給陰極，會引起白金催化劑中毒，白金催化劑的活性逐漸降低，導(dǎo)致發(fā)電電壓降低。
為此，有人償試著使供給燃料電池的空氣從活性碳等過濾器中通過以減少污染物。此外，有人還提出使用三元催化劑槽減少污染物的方案(參照特開平9-180744號公報)。
在將活性碳或三元催化劑作為過濾器使用的場合，由于吸附污染物的能力低，因而要想充分發(fā)揮去除污染物的能力，就必須使氣體的空間速度足夠低。即，需要使用大量的活性碳或三元(效)催化劑，這將增加過濾器的壓力損失而導(dǎo)致壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)的電能消耗增加。此外，還會發(fā)生，因焦油等固態(tài)物質(zhì)或油狀成分附著在過濾器上，過濾器很快堵塞而必須屢屢進(jìn)行更換過濾器等問題。如上所述，目前的現(xiàn)狀是，還沒有對能夠使白金催化劑中毒的所有污染物具有足夠去除能力的吸附材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述問題，其目的是，提供一種，能夠?qū)⒁鹑剂想姵匕l(fā)電電壓降低的幾乎所有污染物高效率地去除、使得較高的發(fā)電電壓長期得以維持的燃料電池用空氣凈化裝置。
本發(fā)明的目的還在于，提供具有上述空氣凈化裝置的燃料電池。
為解決上述問題，本發(fā)明的燃料電池用空氣凈化裝置，作為一種設(shè)置在向燃料電池供給空氣的空氣流通路徑中的空氣凈化裝置，其特征是，具有至少將空氣中的污染物氧化的第1污染物去除機(jī)構(gòu)、以及、將污染物吸附去除的第2污染物去除機(jī)構(gòu)。
作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，可以使用氧化催化劑。即，第1污染物去除機(jī)構(gòu)，具有利用催化劑通過空氣中的氧將污染物氧化的能力，所說催化劑對于有機(jī)物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化氫、以及一氧化碳之中的至少一種具有氧化活性。
第1污染物去除機(jī)構(gòu)，還可以以，具有臭氧發(fā)生機(jī)構(gòu)、由產(chǎn)生的臭氧將污染物氧化，而構(gòu)成。
第2污染物去除機(jī)構(gòu)，最好是，以載有高錳酸鹽、堿鹽、堿性氫氧化物、以及堿性氧化物之中的至少一種的多孔體將污染物吸附去除。
本發(fā)明還提供具有如上所述的空氣凈化裝置的燃料電池。
根據(jù)本發(fā)明，能夠高效率去除空氣中的污染物，避免向燃料電池供給空氣時空氣中的污染物導(dǎo)致發(fā)電電壓降低。
附圖的簡要說明

圖1是示出具有本發(fā)明實(shí)施形式1中的空氣凈化裝置的燃料電池的框圖。
圖2是示出具有本發(fā)明實(shí)施形式2中的空氣凈化裝置的燃料電池的框圖。
圖3示出具有本發(fā)明實(shí)施形式2的變形例中的空氣凈化裝置的燃料電池的框圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施形式3中的空氣凈化裝置的框圖。
圖5是對實(shí)施形式3中空氣凈化裝置的污染物去除機(jī)構(gòu)的大體結(jié)構(gòu)加以展示的縱向剖視圖。
圖6是示出具有本發(fā)明實(shí)施形式4中的空氣凈化裝置的燃料電池的框圖。
圖7是示出具有本發(fā)明實(shí)施形式5中的空氣凈化裝置的燃料電池的框圖。
圖8是示出本發(fā)明實(shí)施例1、3和4以及對比例1和2的燃料電池的發(fā)電電壓隨時間變化的圖。
圖9是示出本發(fā)明實(shí)施例5以及6的燃料電池的發(fā)電電壓隨時間變化的圖。
發(fā)明的最佳實(shí)施形式燃料電池，由電解質(zhì)層以及配置在其兩側(cè)的電極構(gòu)成。該燃料電池電極，由供給反應(yīng)氣體的氣體擴(kuò)散層和實(shí)際發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的催化劑層構(gòu)成。催化劑層，可使用碳粉末上載有白金等貴金屬催化劑而成的。
燃料電池，是使供給陽極的燃料氣體、與、供給陰極的含氧氣體進(jìn)行反應(yīng)而發(fā)電的。其中的含氧氣體，一般是由壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供給的空氣。但是，空氣中含有微量會使貴金屬催化劑中毒的污染物。
作為污染物，有氮氧化物(NO，NOx)、硫氧化物(SOx)、氨、硫化氫、有機(jī)溶劑蒸汽和焦油等有機(jī)物、以及一氧化碳(CO)等各種各樣的污染物。氮氧化物和硫氧化物，在自然界中原本存在，汽車和工廠排放的廢氣中也存在。氨和硫化氫，產(chǎn)生于凈化槽和污泥。有機(jī)溶劑，產(chǎn)生于涂裝和建筑材料等，焦油和CO及其它有機(jī)物，存在于汽車和工廠排放的廢氣中。此外，火山的噴發(fā)物中也含有硫氧化物和硫化氫以及CO。
這些污染物，會在燃料電池的運(yùn)行過程中逐漸積蓄在催化劑表面，導(dǎo)致發(fā)電電壓降低。為此，將去除這些污染物后的空氣供給燃料電池是必要的。對于固體高分子型燃料電池或磷酸型燃料電池等低溫型燃料電池，以將這些污染物減少至ppb數(shù)量級為宜。要一次將上述各種各樣的污染物高效率地去除是困難的。特別是，NO的化學(xué)活性低，因而用通常的吸附材料很難去除。
本發(fā)明的空氣凈化裝置，在最佳實(shí)施形式中，具有將空氣中的污染物氧化的第1污染物去除機(jī)構(gòu)、以及、將污染物吸附去除的第2污染物去除機(jī)構(gòu)。所說第1污染物去除機(jī)構(gòu)，最好具有對其進(jìn)行加熱的機(jī)構(gòu)。作為加熱機(jī)構(gòu)，可采用加熱器。更好的加熱機(jī)構(gòu)，是對改性器或燃料電池的廢熱加以利用的機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的空氣凈化裝置，在另一個最佳實(shí)施形式中，作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，使用了臭氧發(fā)生機(jī)構(gòu)，以所產(chǎn)生的臭氧將污染物氧化。最好是，臭氧發(fā)生機(jī)構(gòu)，是通過高壓放電發(fā)生臭氧的機(jī)構(gòu)。
在作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)使用臭氧發(fā)生機(jī)構(gòu)的燃料電池的最佳實(shí)施形式中，具有從外部取入空氣的送風(fēng)用鼓風(fēng)機(jī)；位于送風(fēng)用鼓風(fēng)機(jī)的上游或下游，將空氣中的塵埃去除的除塵過濾器；位于送風(fēng)用鼓風(fēng)機(jī)的下游，產(chǎn)生離子使空氣中的塵埃帶電并能夠產(chǎn)生臭氧的放電元件；位于放電元件的下游，通過產(chǎn)生與放電元件相反的電荷，將所說塵埃吸附、去除的集塵部；位于放電元件的下游，使所說臭氧與空氣中的污染物發(fā)生反應(yīng)，將污染物氧化后吸附去除的污染物去除機(jī)構(gòu)。
實(shí)施形式1圖1是具有本發(fā)明所提供的典型空氣凈化裝置的燃料電池的框圖。
燃料電池3具有向從其陽極1供給燃料的氫氣的燃料供給機(jī)構(gòu)11、吸引大氣中的空氣而向陰極2供給空氣的鼓風(fēng)機(jī)21。燃料供給機(jī)構(gòu)11例如是氫氣瓶。在從鼓風(fēng)機(jī)21到燃料電池的陰極的空氣的流通路徑20中，依次具有第1污染物去除機(jī)構(gòu)22、空冷管23、以及第2污染物去除機(jī)構(gòu)24。第1污染物去除機(jī)構(gòu)22含有催化劑。第1污染物去除機(jī)構(gòu)22優(yōu)選具有例如作為加熱機(jī)構(gòu)25的加熱器，將催化劑加熱至200～500℃?？绽涔?3對被第1污染物去除機(jī)構(gòu)22加熱的空氣進(jìn)行冷卻。
第1污染物去除機(jī)構(gòu)22，是利用催化劑通過空氣中的氧將污染物氧化的機(jī)構(gòu)。作為這里的催化劑，采用對于有機(jī)物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化氫、一氧化碳等具有氧化活性的鈀、白金、釕、銠等貴金屬是有效的。通過將這些貴金屬設(shè)置在氧化鋁或氧化鋯等多孔性載體或金屬表面上，可使貴金屬得到有效利用。將上述設(shè)置于多孔性載體或金屬上的貴金屬構(gòu)成的催化劑整形為顆?；蚍涓C狀后填充于容器中，使空氣從中通過，便可使空氣中污染物之中的氧化數(shù)較低者變成高氧化數(shù)狀態(tài)。例如，可將NO氧化為NO2，將SO或硫化氫氧化為SO2，將有機(jī)物或CO氧化為CO2。
通過該第1污染物去除機(jī)構(gòu)，能夠大幅度減少污染物的種類，不再存在NO等難以吸附去除的污染物。
這些催化劑被加熱至200～500℃，可充分發(fā)揮氧化能。在污染物濃度較低和相對于催化劑量所通過充填有催化劑的容器的空氣量較少等場合，也可以是常溫。
第2污染物去除機(jī)構(gòu)，是用來將通過第1污染物去除機(jī)構(gòu)氧化而產(chǎn)生的、或者、從第1污染物去除機(jī)構(gòu)中通過的高氧化數(shù)污染物吸附去除的機(jī)構(gòu)。是向多孔體中擔(dān)載從高錳酸鹽、堿鹽、堿性氫氧化物、以及堿性氧化物中選擇的至少一種而成。
作為多孔體，采用活性碳、氧化鋁、沸石、氧化鋯、二氧化硅等是有效的。作為高錳酸鹽，有高錳酸鉀、高錳酸鈉。作為堿鹽，有K2CO3、Na2CO3、NaHCO3、CaCO3。作為堿性氫氧化物，有KOH、NaOH、Ca(OH)2、Mg(OH)2。作為堿性氧化物，有K2O、Na2O、CaO、MgO。
它們之間的任何組合對于各種各樣的污染物均會有效，但特別是就去除氮氧化物而言，向氧化鋁中擔(dān)載高錳酸鉀者是有效的。對于硫氧化物，向上述氧化鋁中擔(dān)載高錳酸鉀、或者向沸石中擔(dān)載堿性氫氧化物是有效的。
在本發(fā)明空氣凈化裝置工作時，被凈化空氣的空間速度(SV)以1萬～10萬h-1為宜。雖然SV越高吸附裝置的體積可以越小，但若吸附材料的吸附性能差，則不降低SV便無法凈化干凈。對于燃料電池，需要將大量空氣凈化，若SV較低，則不僅吸附裝置體積要變大，而且壓力損失也會增大，因而鼓風(fēng)機(jī)的電能消耗增加。作為使用燃料電池的發(fā)電裝置，鼓風(fēng)機(jī)電能消耗的增加將導(dǎo)致發(fā)電效率降低。
作為本發(fā)明，由于以具有，具有氧化催化劑的第1污染物去除機(jī)構(gòu)、以及、可將高氧化數(shù)污染物吸附去除的第2污染物去除機(jī)構(gòu)，而構(gòu)成，因此，即使在1萬～10萬h-1這種較高SV的條件下也能夠有效地將空氣凈化。
實(shí)施形式2第1污染物去除機(jī)構(gòu)加熱的溫度越高，污染物的氧化活性也越高。作為加熱的方法，雖然有如實(shí)施形式1那樣采用諸如加熱器等方法，但由于要消耗電能，因而不夠經(jīng)濟(jì)。利用燃料電池系統(tǒng)的改性器或燃料電池的廢熱進(jìn)行加熱，則能夠經(jīng)濟(jì)地將污染物去除。
圖2示出對燃料電池系統(tǒng)的改性器的廢熱加以利用的污染物去除機(jī)構(gòu)的框圖。作為燃料的城市燃?xì)?，?jīng)增壓器31增壓后被送入改性器32。改性器32，向城市燃?xì)庵屑尤胨羝援a(chǎn)生氫。將該改性器32所產(chǎn)生的氫，供給燃料電池3的陽極1。對于改性器32，是以燃燒器燃燒一部分燃料將其加熱到600℃左右的，因而能夠產(chǎn)生廢熱。通過該廢熱，能將第1污染物去除機(jī)構(gòu)加熱至400℃。
另一方面，用來供給燃料電池3的陰極2的空氣，由鼓風(fēng)機(jī)41取入，在與改性器32相連的第1污染物去除機(jī)構(gòu)42中，空氣中的污染物被氧化。對第1污染物去除機(jī)構(gòu)42，以改性器32的廢熱進(jìn)行加熱，空氣也被加熱至100℃～200℃左右?？諝膺M(jìn)入加濕器43，被加濕的同時因水分的蒸發(fā)熱而被冷卻。適度冷卻的空氣，經(jīng)第2污染物去除機(jī)構(gòu)44將污染物吸附去除后被送往燃料電池。
作為對第1污染物去除機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱的方法，除了可以利用改性器的廢熱之外，還可以利用燃料電池的廢熱。在固體高分子型燃料電池中，為了使燃料電池的工作溫度維持70℃～80℃左右，使冷卻水流經(jīng)電池元件層疊而成的組件進(jìn)行冷卻。若設(shè)計(jì)成以該被加熱的冷卻水對第1污染物去除機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，則能夠使第1污染物去除機(jī)構(gòu)達(dá)到70℃左右。圖3中示出了通過冷卻燃料電池而成為高溫的冷卻水而加熱第1污染物去除機(jī)構(gòu)42的例子。冷卻水由泵46驅(qū)動通過燃料電池后，導(dǎo)入加熱裝置45而加熱第1污染物去除機(jī)構(gòu)42。雖圖中未示，被加熱的冷卻水也導(dǎo)入加熱熱水儲存裝置內(nèi)的水的熱交換器中。
實(shí)施形式3作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，也可以以臭氧氧化污染物，以第2污染物去除機(jī)構(gòu)將該被氧化的污染物吸附去除。按照這種方法，即使不對第1污染物去除機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱，也能夠高效率地將污染物氧化。
圖4示出本實(shí)施形式的利用臭氧的污染物去除機(jī)構(gòu)的框圖?？諝饨?jīng)由除塵過濾器51、用來取入空氣的鼓風(fēng)機(jī)52、以及污染物去除機(jī)構(gòu)53被供給燃料電池1。在本實(shí)施形式中，將第1污染物去除機(jī)構(gòu)和第2污染物去除機(jī)構(gòu)一體化而作為污染物去除機(jī)構(gòu)53。污染物去除機(jī)構(gòu)53如圖5所示，由放電元件54、集塵部55、以及污染物吸附部56構(gòu)成。
放電元件54，是在高電壓等下工作的，具有產(chǎn)生臭氧的功能。在本實(shí)施形式中，是將在氧化鋁底板上形成感應(yīng)電極與放電電極而成的沿面放電式臭氧發(fā)生電極作為放電元件54使用的。
集塵部55，相對于放電元件54位于下游，為了收集因放電元件54而帶電的塵埃，而帶電為與放電元件54賦予塵埃的電荷極性相反。
污染物吸附部56，由載有從高錳酸鹽、堿鹽、堿性氫氧化物、以及堿性氧化物之中選擇的至少一種的多孔性載體構(gòu)成，具有在多孔性載體的表面使空氣中的污染物與臭氧發(fā)生反應(yīng)而氧化的功能、以及、將氧化的污染物吸附去除的功能。該污染物吸附部56，通過隨著吸附于多孔性載體上的臭氧分解而生成的、具有很強(qiáng)反應(yīng)活性的氧自由基，發(fā)揮著即使在常溫下也能夠?qū)⑽廴疚镅趸墓δ?。此外，由于與此同時臭氧也分解，因而不會有臭氧進(jìn)入燃料電池內(nèi)。若臭氧進(jìn)入燃料電池內(nèi)，會使構(gòu)成燃料電池的部件被腐蝕、分解，因此，應(yīng)當(dāng)避免。
實(shí)施形式4在實(shí)施形式2中，在第1污染物去除機(jī)構(gòu)加熱的高溫空氣導(dǎo)入加濕器，在此進(jìn)行加濕并冷卻。這時，加濕程度過度時，在第2污染物去除機(jī)構(gòu)上產(chǎn)生結(jié)露。由于結(jié)露而增大壓力損失或破壞第2污染物去除機(jī)構(gòu)。因此，優(yōu)選希望加濕程度較低。
圖6示出了加濕程度較多場合的優(yōu)選實(shí)施例。熱交換器45插入第2污染物去除機(jī)構(gòu)44和燃料電池的陰極之間，從加濕器43出來的空氣通過該熱交換器45而冷卻到燃料電池最適宜的溫度。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，第2污染物去除機(jī)構(gòu)的溫度能設(shè)定得較高。因此，能防止第2污染物去除機(jī)構(gòu)的結(jié)露。
來自鼓風(fēng)機(jī)41的空氣通過熱交換器45而將其加熱時，謀求有效地利用熱交換器45的熱。
實(shí)施形式5圖7示出了在實(shí)施形式2的構(gòu)成中，加濕器43的加濕程度不足時的優(yōu)選實(shí)施例，是在第2污染物去除機(jī)構(gòu)44和燃料電池之間還具有第2加濕器46的例子。根據(jù)該構(gòu)成，能防止第2污染物去除機(jī)構(gòu)的結(jié)露，并向燃料電池穩(wěn)定地供給加濕后的空氣。
下面，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行具體的說明。
實(shí)施例1作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，將氧化鋁上載有鈀而成的材料成形為顆粒狀(田中貴金屬工業(yè)(株式會社)制造，KD301)，將其200ml放入不銹鋼制造的圓筒形容器中，周圍安裝加熱器，加熱至350℃。在該圓筒形容器的上部和下部分別連接空氣的進(jìn)口管和出口管。
作為第2污染物去除機(jī)構(gòu)，將氧化鋁中添加高錳酸鉀后成形為顆粒狀者與活性碳顆粒的混合物(ニッタ(株式會社)制造，CPブレンドセレクト)600ml放入不銹鋼制造的圓筒形容器中，在該圓筒形容器的上部和下部分別連接空氣進(jìn)口管和出口管。
本實(shí)施例空氣凈化裝置，將從第1污染物去除機(jī)構(gòu)出來的空氣以空冷管冷卻至常溫附近，然后送入第2污染物去除機(jī)構(gòu)而構(gòu)成。向該空氣凈化裝置以鼓風(fēng)機(jī)每小時供給6000L的空氣進(jìn)行凈化。
進(jìn)入空氣凈化裝置之前的空氣中，作為污染物含有50ppb的NOx、10ppb的SOx、1ppm的CO。將其以本發(fā)明的空氣凈化裝置進(jìn)行凈化的結(jié)果，所有污染物均能夠減少至1ppb以下(檢測下限以下)。第1污染物去除機(jī)構(gòu)中的SV約為3萬h-1，第2污染物去除機(jī)構(gòu)中的SV約為1萬h-1。
此外，假定燃料電池安裝位置的周圍產(chǎn)生了污染物，為此，作為污染物向空氣中混入1ppm的氨、1ppm的硫化氫，作為有機(jī)物混入1ppm的甲苯，以本發(fā)明的空氣凈化裝置進(jìn)行凈化。其結(jié)果，所有污染物均能夠減少到1ppb以下(檢測下限以下)。
在對第1污染物去除機(jī)構(gòu)不以加熱器進(jìn)行加熱而使之在室溫下運(yùn)行的場合，甲苯的去除能力稍有降低，在出口側(cè)檢測出約5ppb。當(dāng)使混入的甲苯的濃度降低至0.1ppm時，在出口側(cè)未檢測到甲苯。
之后，將經(jīng)過本發(fā)明空氣凈化裝置凈化的空氣供給燃料電池。燃料電池使用的是這樣一種燃料電池，即，將12cm見方的電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)(ジヤパンゴアテックス(株式會社)制造，PRIMEA)，以石墨板上切削出氣體通路而成的隔板夾在中間，將其80單元電池層疊起來而構(gòu)成燃料電池組件。
組件的溫度設(shè)定為70℃，作為活性物質(zhì)，對于陽極，將氫氣加濕至露點(diǎn)為70℃，按照電流密度200mA/cm2時的利用率達(dá)到80％的量供給之。對于陰極，將經(jīng)過本發(fā)明空氣凈化裝置凈化的空氣加濕至露點(diǎn)為70℃后供給之?？諝獾墓┙o量為6000L/h。這是使電流密度200mA/cm2時的利用率為40％的量。在這種狀態(tài)下，以200mA/cm2的電流密度進(jìn)行發(fā)電。
圖8示出本實(shí)施例的電池a的發(fā)電電壓隨時間變化的曲線。在圖8中，作為對比例1，還將未使用空氣凈化裝置的電池d的發(fā)電電壓隨時間變化的曲線一并示出。由圖可知，與對比例相比，本實(shí)施例能夠維持較高的發(fā)電電壓。
即使在作為污染物向空氣中混入1ppm的氨、1ppm的硫化氫，作為有機(jī)物混入1ppm的甲苯的場合，也同樣能夠維持較高的發(fā)電電壓。
本實(shí)施例中，作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，使用的是將氧化鋁上載有鈀而成的材料成形為顆粒狀的，但在使用替代鈀而載有白金(田中貴金屬工業(yè)(株式會社)制造，KT301)的場合，也得到了同樣的結(jié)果。此外，在替代鈀而載有釕或銠(田中貴金屬工業(yè)(株式會社)制造，特殊訂貨)的場合，甲苯的去除能力稍有降低，在出口側(cè)檢測出約10ppb，但除此之外得到的結(jié)果相同。
對比例1與實(shí)施例1同樣地構(gòu)成燃料電池組件，不使用空氣凈化裝置而以與實(shí)施例1同樣的條件進(jìn)行發(fā)電。圖8示出對比例1的電池d的發(fā)電電壓隨時間變化的曲線。發(fā)電電壓低于實(shí)施例1，并隨著時間降低。
對比例2對于作為污染物去除機(jī)構(gòu)只使用實(shí)施例1的第2污染物去除機(jī)構(gòu)的電池e，以與實(shí)施例1同樣的條件進(jìn)行發(fā)電。進(jìn)入空氣凈化裝置之前的空氣中，作為污染物含有50ppb的NOx、10ppb的SOx、1ppm的CO。在污染物去除機(jī)構(gòu)的出口處，含有40ppb的NOx、5ppb的SOx。如圖8所示，發(fā)電電壓低于實(shí)施例1，并隨著時間降低。
實(shí)施例2作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，將Fe-Cr-Al合金制成的蜂窩狀載體載有鈀者(田中貴金屬工業(yè)(株式會社)制造，MH80A，體積277ml)放入不銹鋼制造的圓筒形容器中，周圍安裝加熱器加熱至200℃。在該圓筒形容器的上部和下部分別連接空氣進(jìn)口管和出口管。
作為第2污染物去除機(jī)構(gòu)，將氫氧化鈣、碳酸鉀、硫酸鈣、以及活性碳混合后成形為蜂窩狀((株式會社)長峰制作所制造，NC蜂窩，體積600ml)放入不銹鋼制造的棱柱形容器中，在該容器的上部和下部分別連接空氣進(jìn)口管和出口管。
本實(shí)施例的空氣凈化裝置，將從第1污染物去除機(jī)構(gòu)出來的空氣以空冷管冷卻至常溫附近，然后送入第2污染物去除機(jī)構(gòu)。與實(shí)施例1同樣地以鼓風(fēng)機(jī)向該空氣凈化裝置供給空氣進(jìn)行凈化的結(jié)果，作為空氣中的污染物，NOx、SOx、以及CO均能夠減少到1ppb以下(檢測下限以下)。
實(shí)施例3以圖2所示實(shí)施形式2的結(jié)構(gòu)向燃料電池供給空氣。
作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，將氧化鋁上載有鈀而成的材料成形為顆粒狀(田中貴金屬工業(yè)(株式會社)制造，KD301)，將其200ml放入不銹鋼制造的長方體容器中，使該容器與改性器接觸而能夠被改性器的廢熱加熱。向該容器的入口以鼓風(fēng)機(jī)每小時供給6000L的空氣。出口處空氣溫度達(dá)到150℃。
從第1污染物去除機(jī)構(gòu)出來的空氣進(jìn)入加濕器，在進(jìn)行加濕的同時冷卻。加濕器，是使不銹鋼制造的海綿狀多孔體吸入水，靠空氣從中通過而對其進(jìn)行加濕的。通過加濕器將空氣加濕至露點(diǎn)為60℃。溫度降低至80℃。
作為第2污染物去除機(jī)構(gòu)，將氧化鋁中擔(dān)載高錳酸鉀后成形而成的顆粒與活性碳顆粒的混合物(ニツタ(株式會社)制造，CPブレンドセレクト)600ml放入不銹鋼制造的圓筒形容器中，在該圓筒形容器的上部和下部分別連接空氣進(jìn)口管和出口管。
進(jìn)入空氣凈化裝置之前的空氣中，作為污染物曾含有50ppb的NOx、10ppb的SOx、1ppm的CO，但在第2污染物去除機(jī)構(gòu)的出口，所有污染物均能夠減少至1ppb以下(檢測下限以下)。
與實(shí)施例1同樣地構(gòu)成燃料電池，將經(jīng)過凈化的空氣供給燃料電池進(jìn)行發(fā)電。
圖8示出本實(shí)施例的電池b的發(fā)電電壓隨時間變化的曲線。與實(shí)施例1同樣，可維持較高的發(fā)電電壓。
實(shí)施例4以圖4所示實(shí)施形式3的結(jié)構(gòu)向燃料電池供給空氣。
如圖5所示，在不銹鋼制造的容器內(nèi)安裝了放電元件54、集塵部55、以及污染物吸附部56。
放電元件54，使用的是在氧化鋁底板上形成感應(yīng)電極和放電電極而成的、沿面放電式臭氧發(fā)生電極，對其施加3萬伏的電壓。集塵部55，是在聚丙烯制造的網(wǎng)上涂布導(dǎo)電性碳素涂料而成，集塵部55上，安裝了用來在放電元件54上施加電壓的電源電路的地線。
污染物吸附部56，由氫氧化鉀和二氧化錳和活性碳混合后成形為蜂窩狀而構(gòu)成。
與實(shí)施例1同樣每小時供給6000L空氣的結(jié)果，緊挨著放電元件54的下游處的臭氧濃度為0.3ppm，污染物吸附部出口處殘余臭氧的濃度在0.01～0.03ppm的范圍內(nèi)。
進(jìn)入空氣凈化裝置之前的空氣中，作為污染物曾含有50ppb的NOx、10ppb的SOx、1ppm的CO，但在污染物去除機(jī)構(gòu)的出口，所有污染物均能夠減少至1ppb以下(檢測下限以下)。
與實(shí)施例1同樣地構(gòu)成燃料電池，將經(jīng)過凈化的空氣供給燃料電池進(jìn)行發(fā)電。
圖8示出本實(shí)施例的電池c的發(fā)電電壓隨時間變化的曲線。與實(shí)施例1同樣，可維持較高的發(fā)電電壓。
實(shí)施例5用圖6所示實(shí)施形式4的構(gòu)成向燃料電池供給空氣。
第1和第2污染物去除機(jī)構(gòu)以及加濕器和實(shí)施例3相同。熱交換器是相互接觸于一對不銹鋼制的流路而進(jìn)行熱交換的結(jié)構(gòu)。
在和實(shí)施例3同樣的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)凈化裝置時，燃料電池的陰極入口的空氣的露點(diǎn)為65℃，溫度為70℃。導(dǎo)入空氣凈化裝置之前的空氣中，作為污染物，含有50ppb的NOx、10ppb的SOx、1ppm的CO。但是，通過第2污染物去除機(jī)構(gòu)后的空氣中的污染物均能夠減少至1ppb(檢測下限)。
和實(shí)施例1同樣，構(gòu)成燃料電池，向燃料電池供給凈化后的空氣，進(jìn)行發(fā)電。
圖9示出了本實(shí)施例的電池f的發(fā)電電壓的隨時間變化的圖。和實(shí)施例1一樣，可以維持高發(fā)電電壓。
實(shí)施例6用圖7所示實(shí)施形式5的構(gòu)成向燃料電池供給空氣。
第1和第2污染物去除機(jī)構(gòu)以及加濕器和實(shí)施例3相同。第2加濕器用高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司制Nafion117)在兩側(cè)構(gòu)成流路，一方的流路流過從第2污染物去除機(jī)構(gòu)出來的空氣，另一方的流路流過燃料電池的冷卻水(熱水)。
在和實(shí)施例3同樣的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)凈化裝置時，燃料電池的陰極入口的空氣的露點(diǎn)為70℃，溫度為70℃。導(dǎo)入空氣凈化裝置之前的空氣中，作為污染物，含有50ppb的NOx、10ppb的SOx、1ppm的CO。但是，通過第2污染物去除機(jī)構(gòu)后的空氣中的污染物均能夠減少至1ppb(檢測下限)。
和實(shí)施例1同樣，構(gòu)成燃料電池，向燃料電池供給凈化后的空氣，進(jìn)行發(fā)電。
圖8示出了本實(shí)施例的電池g的發(fā)電電壓的隨時間變化的圖。和實(shí)施例1一樣，可以維持高發(fā)電電壓。
根據(jù)本發(fā)明，能夠高效率去除空氣中的污染物，因此，對于取入空氣作為氧化劑的燃料電池具有實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，是具備陽極、陰極、隔離上述兩電極的電解質(zhì)層、向上述陽極供給燃料的燃料供給機(jī)構(gòu)、向上述陰極供給空氣的空氣供給機(jī)構(gòu)及設(shè)置在上述空氣供給機(jī)構(gòu)的空氣供給路徑中的空氣凈化裝置的燃料電池，所說空氣凈化裝置，具有至少將空氣中的污染物氧化的第1污染物去除機(jī)構(gòu)、以及、將污染物吸附去除的第2污染物去除機(jī)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1的燃料電池，其特征是，第1污染物去除機(jī)構(gòu)，具有通過空氣中的氧將污染物氧化的催化劑，所說催化劑對于選自有機(jī)物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化氫、以及一氧化碳之中的至少一種具有氧化活性。
3.如權(quán)利要求2的燃料電池，其特征是，上述催化劑是選自Pd、Pt、Ru、以及Rh之中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1的燃料電池，其特征是，還具有加熱上述第1污染物去除機(jī)構(gòu)的加熱機(jī)構(gòu)，上述燃料供給機(jī)構(gòu)是對城市燃?xì)膺M(jìn)行改性的改性器，上述加熱機(jī)構(gòu)以用上述改性器的廢熱來加熱第1污染物去除機(jī)構(gòu)的方式構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1的燃料電池，其特征是，還具有加熱上述第1污染物去除機(jī)構(gòu)的加熱機(jī)構(gòu)，及循環(huán)冷卻上述燃料電池用的冷卻水的機(jī)構(gòu)，上述加熱機(jī)構(gòu)以通過和燃料電池?zé)峤粨Q過的冷卻水來加熱上述第1污染物去除機(jī)構(gòu)的方式來構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1的燃料電池，其特征是，第1污染物去除機(jī)構(gòu)，具有產(chǎn)生臭氧的臭氧產(chǎn)生裝置，用上述臭氧產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的臭氧來氧化上述污染物。
7.如權(quán)利要求1的燃料電池，其特征是，第2污染物去除機(jī)構(gòu)，以載有選自高錳酸鹽、堿鹽、堿性氫氧化物、以及堿性氧化物之中的至少一種的多孔體將污染物吸附去除。
8.如權(quán)利要求7的燃料電池，其特征是，多孔體，選自活性碳、氧化鋁、沸石、以及二氧化硅之中的至少一種。
9.如權(quán)利要求1的燃料電池，其特征是，第1污染物去除機(jī)構(gòu)是產(chǎn)生離子而使空氣中的塵埃帶電并產(chǎn)生臭氧的放電元件，還具有位于第1污染物去除機(jī)構(gòu)的下游，與上述放電元件賦予上述塵埃的電荷極性相反而帶電，來吸附上述塵埃的集塵部。
10.一種燃料電池，是具備陽極、陰極、隔離上述兩電極的電解質(zhì)層、向上述陽極供給燃料的燃料供給機(jī)構(gòu)、向上述陰極供給空氣的空氣供給機(jī)構(gòu)及設(shè)置在上述空氣供給機(jī)構(gòu)的空氣供給路徑中的空氣凈化裝置的燃料電池，上述空氣供給機(jī)構(gòu)含有從外部取入空氣到上述空氣供給路徑中的送風(fēng)用鼓風(fēng)機(jī)；上述空氣凈化裝置具有位于所說送風(fēng)用鼓風(fēng)機(jī)的上游或下游，將所說空氣中的塵埃去除的除塵過濾器；位于所說送風(fēng)用鼓風(fēng)機(jī)的下游，產(chǎn)生離子使所說空氣中的塵埃帶電并能夠產(chǎn)生臭氧的放電元件；位于所說放電元件的下游，與所說放電元件賦予的電荷極性相反而帶電，將所說塵埃吸附的集塵部；位于所說放電元件的下游，使所說臭氧與空氣中的污染物發(fā)生反應(yīng)，將污染物氧化后吸附去除的污染物去除機(jī)構(gòu)。
11.一種空氣凈化裝置，是設(shè)置在向燃料電池供給的空氣的流通路徑中的空氣凈化裝置，其特征是，上述空氣凈化裝置，具有至少將空氣中的污染物氧化的第1污染物去除機(jī)構(gòu)、以及、將污染物吸附去除的第2污染物去除機(jī)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11的燃料電池用空氣凈化裝置，其特征是，第1污染物去除機(jī)構(gòu)，在存在催化劑的情況下具有通過空氣中的氧將污染物氧化的能力，所說催化劑對于選自有機(jī)物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化氫、以及一氧化碳之中的至少一種具有氧化活性。
13.如權(quán)利要求11的燃料電池用空氣凈化裝置，其特征是，第1污染物去除機(jī)構(gòu)，具有產(chǎn)生臭氧的能力，以所說臭氧將污染物氧化。
14.如權(quán)利要求11的燃料電池用空氣凈化裝置，其特征是，第2污染物去除機(jī)構(gòu)，以載有選自高錳酸鹽、堿鹽、堿性氫氧化物、以及堿性氧化物之中的至少一種的多孔體將污染物吸附去除。
全文摘要
公開了一種裝備在供給燃料電池空氣的流通路徑中的燃料電池用空氣凈化裝置。該空氣凈化裝置具有，將空氣中的污染物氧化的第1污染物去除機(jī)構(gòu)、以及、將污染物吸附去除的第2污染物去除機(jī)構(gòu)。第1污染物去除機(jī)構(gòu)，包括將空氣中的污染物氧化的、通過氧氣將污染物氧化的催化劑，催化劑對于從有機(jī)物、氮氧化物、硫氧化物、氨、硫化氫、一氧化碳中所選擇的至少一種具有氧化活性。作為第1污染物去除機(jī)構(gòu)，也可以包括臭氧發(fā)生裝置。第2污染物去除機(jī)構(gòu)，是以載有從高錳酸鹽、堿鹽、堿性氫氧化物、以及堿性氧化物中選擇的至少一種的多孔體將污染物吸附去除的。
文檔編號H01M8/06GK1543002SQ20041003432
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者武部安男, 仁, 內(nèi)田誠, 羽藤一仁 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社