JP7400524B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池は、水素などの燃料を化学反応させることによって電気エネルギーを生成することができ、副生成物が水のみである、クリーンなエネルギー供給源として様々な分野で期待されている。主な燃料である水素は、再生可能エネルギー由来の電力を利用して水分解することで得られ、電気エネルギー生成時の二酸化炭素排出量を大きく低減できる。しかしながら、水素は、液化温度が低いために輸送及び貯蔵が容易ではない。

水素はアンモニアから生成することができ、アンモニアは体積当たりの水素密度が水素よりも大きく、液化温度も低いことから、水素エネルギーキャリアとして注目されている。これらの理由から、アンモニアをエネルギー源とした発電システムの開発が進められており、特許文献１には、アンモニア分解部の温度をアンモニア分解温度以上に加熱する第一加熱手段を備える固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。

特開２０１７－８４５９２号公報

ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）は、一般的には６００℃～１０００℃という発電温度域まで昇温される。燃料極は酸化劣化すると発電特性が低下するおそれがある。そのため、ＳＯＦＣが発電温度域に到達するまでの起動時には、例えばアンモニアなどを供給することによって燃料極側を還元雰囲気に維持することが好ましい。しかしながら、発電時に水素を供給するために用いられる一般的なアンモニア分解部は体積が大きく、アンモニア分解部をアンモニア分解温度以上に加熱するまでに時間及びエネルギーを要する。そのため、アンモニア分解部の温度が低い起動時にアンモニアを供給すると、アンモニアが水素に分解されないままの状態で燃料電池スタックに流入し、燃料電池スタックが窒化するおそれがある。

そこで、本開示は、起動時にアンモニアの分解を促進可能な燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

本開示に係る燃料電池システムは、燃料極と、空気極とを含む燃料電池本体を備える。燃料電池システムは、アンモニアを接触させることによって燃料極に供給される水素を生成する第１触媒を含む起動時用の第１水素生成部を備える。燃料電池システムは、アンモニアを接触させることによって燃料極に供給される水素を生成する第２触媒を含む発電時用の第２水素生成部を備える。第２水素生成部は、燃料極から排出されたアノードオフガスの熱、空気極から排出されたカソードオフガスの熱、及びアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱と、第２触媒に接触するアンモニアの熱とを交換する。

第１水素生成部に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーは、第２水素生成部に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーよりも小さくてもよい。第１水素生成部は、第２水素生成部よりも小さい熱容量を有していてもよい。第１水素生成部は加熱器を含んでいてもよい。第１水素生成部の加熱器は第２水素生成部が所定の温度以上になった場合に停止されてもよい。第２水素生成部は、第１水素生成部よりも燃料電池本体に近い位置に配置されてもよい。燃料電池システムは、アノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼するオフガス燃焼部をさらに備え、第１水素生成部は、混合ガスの燃焼によって得られた排気ガスの熱と、第１触媒に接触するアンモニアの熱とを交換してもよい。第１水素生成部と第２水素生成部とは直列に配置されてもよい。

本開示に係る燃料電池システムの運転方法は、第１触媒に接触するアンモニアから生成された水素を燃料極に供給する起動工程を含む。燃料電池システムの運転方法は、起動工程の後、燃料極から排出されたアノードオフガスの熱、空気極から排出されたカソードオフガスの熱、及びアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱によって、第２触媒に接触するアンモニアから生成された水素を燃料極に供給する発電工程を含む。

本開示によれば、起動時にアンモニアの分解を促進可能な燃料電池システム、及び燃料電池システムの運転方法を提供することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。 第１水素生成部の一例を示す側面図である。 第２水素生成部の一例を示す断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。 ホットモジュールの一例を示す断面図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図である。

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

［燃料電池システム］
［第１実施形態］
まず、本実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池本体１０と、燃料供給部２０と、アノード排気管２６と、空気供給部３０と、カソード排気管３８と、第１水素生成部４０と、第２水素生成部５０と、空気熱交換器５７と、オフガス燃焼部６０と、インバータ８１と、操作部８２と、中央制御部８３と、筐体８４とを備える。また、燃料電池システム１はホットモジュール７０を備えており、ホットモジュール７０は、燃料電池本体１０と、第２水素生成部５０と、空気熱交換器５７とを含んでいる。

燃料電池本体１０は、燃料極１１と、空気極１２と、電解質１３とを含む。本実施形態に係る燃料電池本体１０は、ＳＯＦＣである。

燃料極１１は、例えば、Ｎｉ及びＮｉＯのようなＮｉ化合物の少なくともいずれか一方を含む。燃料極１１では、以下の反応式（１）に示されるように、水素が酸化され、水（水蒸気）を含むアノードオフガスが生成される。アノードオフガスには、通常、未反応の水素及びアンモニアも含まれる。燃料極１１には、供給マニホールド１１ａを介して水素が供給され、排気マニホールド１１ｂを介してアノードオフガスが排気される。
Ｈ_２＋Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ （１）

空気極１２は、電子伝導性を示す酸化物を含む。電子伝導性を示す酸化物は、例えば、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３）、又は、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）である。空気極１２では、下記反応式（２）に示されるように、酸素が還元され、酸素を含むカソードオフガスが生成される。カソードオフガスには、通常、空気中の窒素も含まれる。空気極１２には、供給マニホールド１２ａを介して酸素を含む空気が供給され、排気マニホールド１２ｂを介してカソードオフガスが排気される。
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－ （２）

電解質１３は、燃料極１１と空気極１２との間に設けられる。電解質１３では、上記反応式（１）で生成された酸素イオン（Ｏ^２－）が空気極１２から燃料極１１へ移動する。電解質１３は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）である。

燃料電池本体１０は、上記反応式（１）及び反応式（２）の反応によって発電する。燃料電池本体１０の発電温度域は、作動温度ともいわれ、種類にもよるが、６００℃～１０００℃程度である。燃料電池本体１０が発電を開始すると、ジュール熱によって燃料電池本体１０の温度が維持される。

燃料供給部２０は、後に詳述する第１水素生成部４０又は第２水素生成部５０によって生成された水素を含むガスを燃料極１１に供給する。燃料供給部２０は、燃料供給管２１と、アンモニア供給源２２と、流量調整機構２３と、バイパス配管２４と、流量調整機構２５とを含む。燃料供給管２１は、水素が燃料極１１に供給可能なように設けられており、アンモニア供給源２２と、燃料極１１の供給マニホールド１１ａとを接続する。燃料供給管２１には、アンモニア供給源２２と、流量調整機構２３と、第２水素生成部５０が設けられている。アンモニア供給源２２は、例えば、アンモニアを貯留するボンベなどの圧力容器である。

流量調整機構２３は、アンモニア供給源２２から第２水素生成部５０に供給されるアンモニアの流量を調整する。バイパス配管２４の一端は、燃料供給管２１におけるアンモニア供給源２２と流量調整機構２３との間に接続されており、バイパス配管２４の他端は、燃料供給管２１における流量調整機構２３と第２水素生成部５０との間に接続されている。バイパス配管２４には、流量調整機構２５及び第１水素生成部４０が設けられている。流量調整機構２５は、アンモニア供給源２２から第１水素生成部４０に供給されるアンモニアの流量を調整する。流量調整機構２３及び流量調整機構２５は、例えば、マスフローコントローラ、又はダイヤフラムポンプ若しくは回転翼式ポンプのようなポンプである。

アノード排気管２６は、燃料極１１で生成されたアノードオフガスを燃料電池本体１０内から排気する。アノード排気管２６は、排気マニホールド１１ｂと後に詳述するオフガス燃焼部６０とを接続する。アノード排気管２６には、第２水素生成部５０が設けられている。

空気供給部３０は、空気極１２に酸素を含む空気を供給する。空気供給部３０は、空気供給管３１と、バイパス配管３２と、フィルタ３３と、ブロワ３４と、流量調整弁３５、空気加熱器３６及び流量調整弁３７とを含む。

空気供給管３１は、酸素が空気極１２に供給可能なように設けられており、一端が開放され、他端が空気極１２の供給マニホールド１２ａに接続される。バイパス配管３２は、一端が空気供給管３１の流量調整弁３７及び空気熱交換器５７よりも空気の流れの上流側に接続され、他端が空気供給管３１の流量調整弁３７及び空気熱交換器５７よりも下流側に接続される。フィルタ３３及びブロワ３４は、空気供給管３１におけるバイパス配管３２の上流側の接続部よりもさらに上流側に設けられる。フィルタ３３は、空気供給管３１内に導入される空気を除塵する。ブロワ３４は、空気供給管３１におけるフィルタ３３の下流側に設けられる。ブロワ３４は、例えば、１０ｋＰａＧ以上の圧力で空気を空気極１２に供給する。

流量調整弁３５及び空気加熱器３６はバイパス配管３２に設けられる。すなわち、流量調整弁３５及び空気加熱器３６は、流量調整弁３７及び空気熱交換器５７と並列に配置される。流量調整弁３５は、空気加熱器３６よりも上流側に設けられ、空気加熱器３６を通過する空気の流量を調整する。空気加熱器３６は、電気式ヒーター又はガスバーナーなどの加熱器を含んでおり、空気極１２に供給される空気を、例えば９００℃程度に加熱する。したがって、空気加熱器３６によって加熱された空気は、バイパス配管３２を通過し、空気極１２に供給される。空気加熱器３６は、主に起動時において、燃料電池本体１０を昇温する役割を有する。なお、本実施形態において、起動時とは、燃料電池システム１の運転開始から燃料電池本体１０が発電温度域に到達するまでの間をいう。

カソード排気管３８は、空気極１２で生成されたカソードオフガスを燃料電池本体１０内から排気する。カソード排気管３８は、排気マニホールド１２ｂとオフガス燃焼器６５とを接続する。カソード排気管３８には、第２水素生成部５０と、空気熱交換器５７とが設けられている。

第１水素生成部４０は、バイパス配管２４に設けられ、アンモニアから水素を生成する。第１水素生成部４０では、好ましくは供給されるアンモニアの９０体積％以上、より好ましくは９９体積％以上が分解して水素が生成されることが好ましい。第１水素生成部４０は、主に起動時において用いられる。具体的には、第１水素生成部４０は、燃料電池システム１の運転開始から燃料電池本体１０が発電温度域に至るまでの間に水素を生成する。第１水素生成部４０は、発電時に水素を生成してもよいが、第１水素生成部４０の消費エネルギーを低減する観点から、起動時において水素を生成することが好ましい。なお、本実施形態において、発電時とは、燃料電池本体１０に、燃料供給部２０を通して供給された燃料ガス（水素含有ガス）から電気エネルギーを取り出している状態である。具体的には、燃料電池本体１０が発電温度域に達し、図示しない負荷と接続されている状態である。

第１水素生成部４０は、第２水素生成部５０よりも分解可能なアンモニアガス流量が少なくてもよい。還元雰囲気を維持するために供給される燃料ガスは発電に寄与しないため、起動時に必要なアンモニアガス流量は発電時よりも少なくてもよく、第１水素生成部４０は第２水素生成部５０よりもその用途から小型に設計することが可能である。詳細には、第１水素生成部４０に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーは、第２水素生成部５０に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーよりも小さくてもよい。これにより、第１水素生成部４０を第２水素生成部５０よりも容易に小型化することができる。第１水素生成部４０及び第２水素生成部５０に供給されるアンモニアが分解される上記割合は、９５体積％であってもよく、９９体積％でもよい。

さらに具体的には、第１水素生成部４０は、第２水素生成部５０よりも小さい熱容量を有していてもよい。また、第１水素生成部４０は、例えば、第２水素生成部５０よりもアンモニア分解量あたりの装置体積が小さくてもよい。これにより、小さいエネルギーであっても、第１水素生成部４０の昇温時のヒートロスを少なくすることができる。具体的には、第２水素生成部５０の体積に対する第１水素生成部４０の体積は、３０％以下であってもよく、２０％以下であってもよく、１０％以下であってもよい。例えば、燃料電池本体１０の定格運転出力が１ｋＷ－ＤＣであり、第２水素生成部５０の体積に対する第１水素生成部４０の体積が１０％であり、第１水素生成部４０が４００Ｗのヒーターを有している場合、１５分～３０分程度で供給されるアンモニアの９９体積％以上を水素に分解することができる。また、第１水素生成部４０の外表面積は、例えば、第２水素生成部５０の外表面積よりも小さくすることも可能である。これにより、第１水素生成部４０内の温度が低下するのを抑制することができる。第１水素生成部４０は、図２に示すように、反応容器４１と、加熱器４２とを含む。

反応容器４１は、内部が中空の円筒状をしている。反応容器４１の形状は、円筒状に限定されず、例えば、矩形状などであってもよい。反応容器４１の上流側の供給口、及び下流側の排出口にはバイパス配管２４が接続されており、反応容器４１の上流側のバイパス配管２４と下流側のバイパス配管２４とは連通している。反応容器４１の内部の空間には粒子形状の図示しない第１触媒が収容されており、第１触媒はアンモニア供給源２２から供給されたアンモニアが接触可能なように配置されている。具体的には、第１触媒は、アンモニアを含むガスが粒子間を通過可能なように設けられている。なお、第１触媒は、アンモニアが接触可能なように配置されていれば、ハニカム形状等であってもよい。

加熱器４２は、第１水素生成部４０を素早く加熱することができ、第２水素生成部５０よりも短時間で水素が生成可能な温度まで昇温することができる。加熱器４２は、反応容器４１の外表面を被覆している。具体的には、加熱器４２は、反応容器４１の外表面と接するように螺旋状に巻き付けられた電熱線を含んでおり、電熱線に電流を通して生じたジュール熱により、反応容器４１を加熱することができる。加熱器４２は、螺旋状に巻き付けられた電熱線に代えて、シート状に加工された電気式ヒーターを含んでいてもよく、ガスバーナーなどであってもよい。第１水素生成部４０の加熱器４２は第２水素生成部５０が所定の温度以上になった場合に停止されてもよい。なお、所定の温度は、例えば、第２水素生成部５０が水素を生成可能になる４００℃以上８００℃以下程度の温度である。

バイパス配管２４を通じて反応容器４１の供給口からアンモニアが供給されると、アンモニアは第１触媒に接触しながら反応容器４１の排出口に向かって流れる。第１触媒は、アンモニアを接触させることによって燃料極１１に供給される水素を生成する。すなわち、第１触媒は、アンモニアの分解を促進する。したがって、反応容器４１内でアンモニアから水素が生成され、生成された水素は反応容器４１の排出口を通って排出される。

第１触媒は、アンモニアから水素を生成することができれば、特に限定されず、公知の触媒を使用することができ、例えば、ルテニウム触媒及びニッケル触媒のいずれか少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。反応容器４１内の温度は、触媒の種類にもよるが、アンモニアを第１触媒に接触させることによって水素を高い効率で生成可能な温度であればよい。反応容器４１内の温度は、例えば、４００℃以上８００℃以下である。反応容器４１内の温度は、供給口側から排出口側まで温度が均一であってもよい。また、反応容器４１内の温度は、供給口側と排出口側で温度が異なっていてもよく、排出口側の温度が供給口側の温度よりも高くてもよい。

第２水素生成部５０は、主に、発電時において、アンモニアから水素を生成する。第２水素生成部５０では、好ましくは供給されるアンモニアの９０体積％以上、より好ましくは９９体積％以上が分解して水素が生成されることが好ましい。第２水素生成部５０は、主に発電時において用いられる。具体的には、第２水素生成部５０は、燃料電池本体１０が発電温度域に至った場合に水素を生成する。なお、第２水素生成部５０は、水素生成可能な温度にまで昇温されれば、起動時において水素を生成してもよい。

第２水素生成部５０は、燃料供給管２１、アノード排気管２６、及びカソード排気管３８に設けられる。第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱、及び空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換する。図３及び図４に示すように、第２水素生成部５０は、本体５１と、第２触媒５２と、仕切板５３と、第１伝熱管５４と、第２伝熱管５５とを含む。第２水素生成部５０は、エネルギー効率の観点から、電気式ヒーターのような加熱器を含んでいなくてもよい。

本体５１は、内部が中空であり、アンモニアを含むガスの流れ方向の上流側の一端と下流側の他端とが燃料供給管２１に接続されている。本体５１は矩形状であり、本体５１内の空間は、燃料供給管２１と接続される端部から中心部に向かうにしたがってサイズが大きくなるように構成されている。なお、矩形状の本体５１を例として説明しているが、本体５１の形状は特に限定されず、例えば円筒形状であってもよい。本体５１内の空間には、第２触媒５２が収容されている。

第２触媒５２は、アンモニアを接触させることによって水素を生成する。すなわち、第２触媒５２は、アンモニアの分解を促進する。第２触媒５２は、上述した第１触媒と同様の触媒を使用することができる。第２触媒５２は粒形状であり、仕切板５３によって、上流側に位置する空間ＳＡと、下流側に位置する空間ＳＢとに区画されて収容される。仕切板５３は、複数の孔が形成された板であり、第２触媒５２が通過して漏れ出ないように第２触媒５２の大きさよりも小さい孔が設けられている。空間ＳＡ及び空間ＳＢには、同一の触媒を配置してもよく、異なる触媒を配置してもよい。本体５１内の空間に同一の種類の触媒を配置する場合には、空間ＳＡと空間ＳＢとを区画する仕切板５３はなくてもよい。空間ＳＡと空間ＳＢに異なる種類の触媒を配置する場合には、例えば、空間ＳＡにはルテニウム触媒を配置し、空間ＳＢにはニッケル触媒を配置してもよい。

第１伝熱管５４は、アノードオフガスが通過する配管であり、第１伝熱管５４の両端は燃料供給管２１に接続されている。第１伝熱管５４は、入口マニホールド５４ａと、熱交換部５４ｂと、出口マニホールド５４ｃとを含む。入口マニホールド５４ａは、アノード排気管２６と、熱交換部５４ｂとを接続する。熱交換部５４ｂは、少なくとも一部が空間ＳＡ（第２触媒５２）内に配される。熱交換部５４ｂは、触媒との接触面積が大きくなるように、複数のＵ字状配管が連なって形成されている。出口マニホールド５４ｃは、アノード排気管２６と、熱交換部５４ｂとを接続する。アノードオフガスは、図の実線の矢印で示すように、入口マニホールド５４ａから出口マニホールド５４ｃに向かって熱交換部５４ｂを通過する。

第２伝熱管５５は、カソードオフガスが通過する配管であり、第２伝熱管５５の両端はカソード排気管３８に接続されている。第２伝熱管５５は、入口マニホールド５５ａと、熱交換部５５ｂと、出口マニホールド５５ｃとを含む。入口マニホールド５５ａは、カソード排気管３８と、熱交換部５５ｂとを接続する。熱交換部５５ｂは、少なくとも一部が空間ＳＢ（第２触媒５２）内に配される。熱交換部５５ｂは、触媒との接触面積が大きくなるように、複数のＵ字状配管が連なって形成されている。出口マニホールド５５ｃは、カソード排気管３８と、熱交換部５５ｂとを接続する。カソードオフガスは、図の破線の矢印で示すように、入口マニホールド５５ａから出口マニホールド５５ｃに向かって熱交換部５５ｂを通過する。

発電時において、アンモニアを含むガスは、図の白抜き矢印で示すように、供給口を通って第２水素生成部５０に供給される。空間ＳＡを通過するアンモニアを含むガスは、アノードオフガスと熱交換され、第２触媒５２との接触により、アンモニアの一部から水素が生成される。空間ＳＡを通過後、空間ＳＢを通過するガスは、カソードオフガスと熱交換され、第２触媒５２との接触により、残りのアンモニアから水素が生成される。第２水素生成部５０で生成された水素を含むガスは、図の白抜き矢印で示すように、排出口を通って第２水素生成部５０から排出される。

空気熱交換器５７は、空気供給管３１を通過する空気が有する熱と、第２水素生成部５０の下流のカソード排気管３８を通過するカソードオフガスが有する熱とを熱交換させる。空気熱交換器５７は、例えば６００℃以上８００℃以下の所定の温度まで空気を加熱する。空気熱交換器５７は、空気供給管３１を通過する空気によりカソードオフガスを冷却する。

オフガス燃焼部６０は、アノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼する。オフガス燃焼部６０は、図１に示すように、空気供給管６１と、フィルタ６２と、ブロワ６３と、流量調整弁６４と、オフガス燃焼器６５と、熱回収器６６と、気液分離部６７とを含んでいる。

空気供給管６１は、酸素がオフガス燃焼器６５に供給可能なように設けられており、一端が開放され、他端がオフガス燃焼器６５の供給口に接続される。空気供給管６１には、フィルタ６２と、ブロワ６３と、流量調整弁６４とが上流側からこの順番で設けられている。フィルタ６２で除塵された空気は、ブロワ６３によって、空気供給管６１を通じてオフガス燃焼器６５に供給される。カソードオフガス又はアノードオフガスの温度が高いと触媒の活性温度を上回るおそれがあるため、オフガス燃焼器６５が触媒の活性温度又は耐熱温度を超えないように、流量調整弁６４の開度が調整される。

オフガス燃焼器６５は、燃料極１１から排気されるアノードオフガスと、空気極１２から排気されるカソードオフガスと、空気とを含む混合ガスを燃焼させる。これにより、アノードオフガスに残存する水素を燃焼させることができる。オフガス燃焼器６５は電気式ヒーター又はガスバーナーなどの加熱器を含んでいるため、混合ガスを起動時から燃焼させることができる。オフガス燃焼器６５は、水素の燃焼を促進させる触媒を含んでいてもよく、触媒を含んでいなくてもよい。オフガス燃焼器６５が触媒を含む場合、触媒の形状は特に限定されず、粒状であってもよく、ハニカム形状であってもよい。オフガス燃焼器６５は、例えば、空間速度（ＳＶ値）が数千ｈｒ－１から数万ｈｒ－１程度となるように設計される。アノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱は、第１水素生成部４０において、第１触媒に接触するアンモニアの熱とを交換してもよい。

熱回収器６６は、オフガス燃焼器６５から排出される排気ガスが有する熱（顕熱）を回収する。熱回収器６６は、例えば、水冷式のラジエータであってもよく、空冷式のラジエータであってもよい。熱回収器６６によって回収された熱は、水又は空気などの媒体を介して、不図示の温水利用設備に供給されたり、不図示の熱交換器によって熱交換されたりする。

気液分離部６７は、熱回収器６６から排出された混合物を気液分離する。混合物には、オフガス燃焼器６５で燃焼して生成された水が含まれる。気液分離部６７によって分離された廃液（ドレン）は外部に排出される。また、気液分離部６７によって分離された気体は、外部に排気される。

ホットモジュール７０は、上述のように、燃料電池本体１０と、第２水素生成部５０と、空気熱交換器５７とを含んでいる。ホットモジュール７０は、図５に示すように、底板７１と、カバー７２と、断熱材７３とを備えていてもよい。金属製又はセラミック製の底板７１の上には燃料電池本体１０が載置され、底板７１とカバー７２とによって区画された空間内に燃料電池本体１０が配置されるように底板７１にカバー７２が固定されている。カバー７２の外表面は断熱材７３で覆われており、燃料電池本体１０の熱がホットモジュール７０の外部へ流出するのを抑制している。

底板７１の燃料電池本体１０とは反対側には、第２水素生成部５０及び空気熱交換器５７が配置されており、底板７１と断熱材７３とによって区画された空間内に第２水素生成部５０及び空気熱交換器５７が配置されている。これにより、第２水素生成部５０及び空気熱交換器５７の熱がホットモジュール７０の外部への流出するのを抑制している。

また、第２水素生成部５０及び空気熱交換器５７は底板７１に取り付けられている。第２水素生成部５０及び空気熱交換器５７は、燃料電池本体１０と熱的に接続されており、燃料電池本体１０の熱を有効に利用可能なように構成されている。これにより、第２水素生成部５０は、アノード及びカソードオフガスの顕熱のみならず、燃料電池本体１０の輻射熱を燃料極１１に供給されるアンモニアに伝達することが可能となる。同様に、空気熱交換器５７は、カソードオフガスの顕熱のみならず、燃料電池本体１０の輻射熱を空気極１２に供給される空気に伝達することが可能となる。なお、断熱材７３による熱の移動は小さい方が好ましいが、完全にゼロである必要はない。

第２水素生成部５０は、第１水素生成部４０よりも燃料電池本体１０に近い位置に配置される。すなわち、発電時において、第２水素生成部５０が燃料電池本体１０から受ける輻射熱は、第１水素生成部４０が燃料電池本体１０から受ける輻射熱よりも大きくなるように配置される。これにより、燃料電池本体１０の輻射熱によって第２水素生成部５０を効果的に加熱することができる。第１水素生成部４０はホットモジュール７０の外側に配置される。これにより、ホットモジュール７０自体の大きさを小さくし、ホットモジュール７０の外表面積を小さくすることができるため、ホットモジュール７０から逃げ出す熱の量を低減することができる。したがって、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。

ホットモジュール７０の外側に配置された燃料供給管２１、バイパス配管２４、第１水素生成部４０、アノード排気管２６、バイパス配管３２、空気加熱器３６、カソード排気管３８、オフガス燃焼器６５などは高温になるおそれがある。そのため、燃料供給管２１、バイパス配管２４、第１水素生成部４０、アノード排気管２６、バイパス配管３２、空気加熱器３６、カソード排気管３８、及びオフガス燃焼器６５からなる群より選択される少なくとも１以上の要素が図示しない断熱材によって覆われていてもよい。これにより、各要素内の温度が低下するのを抑制することができる。

インバータ８１は、燃料電池本体１０の燃料極１１及び空気極１２に接続される。インバータ８１は、燃料電池本体１０から出力された直流電流を交流電流に変換して図示しない負荷に供給する。インバータ８１は、燃料電池本体１０におけるセルの積層数、直列又は並列などの負荷の接続方式、１００Ｖ又は２００Ｖなどの負荷の電圧に基づいて設計される。なお、燃料電池本体１０から出力される電圧が負荷の電圧より低い場合、インバータ８１の前段に昇圧器（ＤＣ－ＤＣコンバータ）が設けられる。

操作部８２は、タッチパネル、又は、ハードスイッチを含む。操作部８２は、ユーザによる操作入力を受け付けると、受け付けた操作入力の種類に応じた信号を中央制御部８３に出力する。操作入力は、例えば、運転開始、運転停止等である。

中央制御部８３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む半導体集積回路で構成される。ＣＰＵを動作させるためのプログラム及びパラメータ等は、ＲＯＭ（Read Only Memory）から読み出される。中央制御部８３は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して燃料電池システム１全体を管理及び制御する。

本実施形態において、中央制御部８３は、操作部８２から出力された信号に基づき、流量調整機構２３、流量調整機構２５、ブロワ３４、流量調整弁３５、空気加熱器３６、流量調整弁３７、加熱器４２、ブロワ６３、流量調整弁６４、オフガス燃焼器６５の加熱器、及びインバータ８１を制御する。

中央制御部８３は、所定の流量のアンモニアが燃料極１１に供給されるように、流量調整機構２３及び流量調整機構２５の調整を制御する。中央制御部８３は、起動時に第１水素生成部４０で水素が生成され、発電時に第２水素生成部５０で水素が生成されるように、加熱器４２の起動又は停止、並びに流量調整機構２３及び流量調整機構２５の流量調節を制御する。中央制御部８３は、燃料電池本体１０が発電温度域に到達するように、ブロワ３４及び空気加熱器３６を駆動し、流量調整弁３５及び流量調整弁３７の開度を調節する。中央制御部８３は、オフガス燃焼器６５が触媒の活性温度又は耐熱温度に維持されるように、ブロワ６３の駆動、及び流量調整弁６４の開度を調節する。中央制御部８３は、燃料電池本体１０の発電出力、及び、負荷に基づいて、インバータ８１を制御する。

筐体８４は、燃料供給部２０、アノード排気管２６、空気供給部３０、カソード排気管３８、第１水素生成部４０、オフガス燃焼器６５、ホットモジュール７０、インバータ８１、中央制御部８３を収容する。すなわち、アンモニア供給源２２、熱回収器６６、気液分離部６７及び操作部８２は、筐体８４の外側に配置される。これにより、風雨、塵などから燃料電池本体１０等を保護することができる。

次に、第１実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。燃料電池システム１の運転方法は、起動工程と、発電工程とを含む。

起動工程は、燃料電池システム１の起動時に実施される工程である。起動工程は、加熱された空気を空気極１２に供給する工程と、第１触媒に接触するアンモニアから生成された水素を燃料極１１に供給する工程と、オフガスを燃焼する工程とを含む。

加熱された空気を空気極１２に供給する工程では、まず、空気加熱器３６が加熱される。次に、空気供給管３１に設けられた流量調整弁３７が閉じられた状態で、バイパス配管３２に設けられた流量調整弁３５が開かれる。そして、ブロワ３４を起動することによってバイパス配管３２に空気が流れ、この空気は空気加熱器３６を通過することにより加熱される。加熱された空気は、バイパス配管３２から空気供給管３１に戻り、空気極１２に供給される。燃料電池本体１０の温度は起動時には発電温度域に達しておらず、燃料電池本体１０には負荷が接続されていないため、空気極１２に供給された空気はカソードオフガスとしてカソード排気管３８からそのまま排出される。カソードオフガスは、第２水素生成部５０を通過して熱を交換した後、空気熱交換器５７を通過して熱交換する。空気熱交換器５７を通過したカソードオフガスは、オフガス燃焼器６５に導かれる。

第１触媒に接触するアンモニアから生成された水素を燃料極１１に供給する工程では、まず、第１水素生成部４０が加熱される。次に、燃料供給管２１に設けられた流量調整機構２３が閉じられた状態で、バイパス配管２４に設けられた流量調整機構２５が開かれ、アンモニア供給源２２からアンモニアが第１水素生成部４０に供給される。第１水素生成部４０に供給されるアンモニアの流量は、燃料電池本体１０の発電量が１ｋＷ－ＤＣの場合、例えば約３Ｌ／ｍｉｎである。反応容器４１内には、第１触媒が収容されており、加熱器４２によって反応容器４１が加熱されているため、第１水素生成部４０を通過するアンモニアから水素が生成される。生成された水素は、第１水素生成部４０から、第２水素生成部５０を通過し、燃料極１１に供給される。起動時には燃料電池本体１０に負荷が接続されていないため、燃料極１１に供給された水素は、燃料電池本体１０の発電に寄与せず、そのままアノードオフガスとしてアノード排気管２６から排出される。アノードオフガスは、第２水素生成部５０を通過して熱を交換するとともに、オフガス燃焼器６５に導かれる。

オフガスを燃焼する工程では、まず、オフガス燃焼器６５が加熱される。オフガス燃焼部６０では、カソード排気管３８を通じて供給されたカソードオフガス、及びアノード排気管２６を通じて供給されたアノードオフガス、空気供給管６１を通じて供給された空気を含むガスを燃焼し、アノードオフガスに残存する水素を燃焼させる。

発電工程は、燃料電池システム１の発電時に実施される工程である。すなわち、発電工程は、起動工程の後に実施される。

燃料電池本体１０の温度が発電温度域に達すると、カソードオフガス及びアノードオフガスの加熱によって、第２水素生成部５０がアンモニアから水素を効率的に生成可能な温度に達する。発電工程では、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱、及び空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱によって、第２触媒５２に接触するアンモニアから生成された水素を、燃料極１１に供給する。燃料電池本体１０の温度が発電温度域に達すると、燃料電池本体１０に負荷が接続され、燃料電池本体１０が発電する。

発電時には、第１水素生成部４０の加熱器４２による反応容器４１の加熱は不要であるため、加熱器４２の加熱が停止される。また、燃料供給管２１に設けられた流量調整機構２３が開かれ、バイパス配管２４に設けられた流量調整機構２５が閉じられる。すなわち、アンモニア供給源２２から供給されるアンモニアの流路がバイパス配管２４から燃料供給管２１に切り替えられ、第１水素生成部４０へのアンモニアの供給が停止される。

第２水素生成部５０へは、第１水素生成部４０よりも多くのアンモニアが第２水素生成部５０に供給される。第２水素生成部５０へ供給されるアンモニアの流量は、燃料電池本体１０の発電量が１ｋＷ－ＤＣの場合、例えば約１０Ｌ／ｍｉｎである。アンモニア供給源２２から供給されたアンモニアは、第２水素生成部５０に供給され、アンモニアから水素が生成される。第２水素生成部５０で生成された水素は、燃料極１１に供給される。

また、燃料電池本体１０の温度が発電温度域に達すると、燃料電池本体１０の発熱量でホットモジュール７０内の温度を維持できる。そのため、空気加熱器３６の加熱は停止され、空気供給部３０のバイパス配管３２に設けられた流量調整弁３５が閉じられ、空気供給管３１に設けられた流量調整弁３７が開かれる。これにより、空気の流路が、バイパス配管３２から空気供給管３１に切り替えられ、空気熱交換器５７によって加熱された空気を空気極１２に供給することができる。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１及び燃料電池システム１の運転方法によれば、第１水素生成部４０で生成された水素が起動時に燃料極１１に供給されるため、起動時にアンモニアの分解を促進することができる。

［第２実施形態］
次に、図６を用い、第２実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。第１実施形態に係る燃料電池システム１では、第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱及び空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換している。一方、第２実施形態に係る燃料電池システム１では、第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換する。

具体的には、第１実施形態に係る燃料電池システム１では、第２水素生成部５０が燃料供給管２１、アノード排気管２６、及びカソード排気管３８に設けられていた。一方、第２実施形態に係る燃料電池システム１では、第２水素生成部５０が燃料供給管２１及びアノード排気管２６に設けられている。また、第１実施形態に係る燃料電池システム１では空気熱交換器５７が使用されていたが、第２実施形態では空気熱交換器５７に代えて空気熱交換器５８が使用されている。第１実施形態の空気熱交換器５７はカソード排気管３８における第２水素生成部５０の下流側に設けられていたが、第２実施形態では第２水素生成部５０はカソード排気管３８に設けられておらず、空気熱交換器５８がカソード排気管３８に設けられている。

空気熱交換器５８は、空気供給管３１を通過する空気が有する熱と、カソード排気管３８を通過するカソードオフガスが有する熱とを熱交換させる。空気熱交換器５８は、例えば６００℃以上８００℃以下の所定の温度まで空気を加熱する。空気熱交換器５８は、空気供給管３１を通過する空気によりカソードオフガスを冷却する。

本実施形態に係る燃料電池システム１では、第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換する。本実施形態に係る燃料電池システム１においても、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同様に、第１水素生成部４０で生成された水素が起動時に燃料極１１に供給されるため、起動時にアンモニアの分解を促進することができる。

なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１では、第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換している。しかしながら、第２水素生成部５０は、空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換してもよい。また、第２水素生成部５０は、アノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換してもよい。また、第２水素生成部５０は、これらの組み合わせであってもよい。すなわち、第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱、空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱、及びアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換してもよい。

次に、燃料電池システム１及び燃料電池システムの運転方法の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料極１１と、空気極１２とを含む燃料電池本体１０を備える。燃料電池システム１は、アンモニアを接触させることによって燃料極１１に供給される水素を生成する第１触媒を含む起動時用の第１水素生成部４０を備える。燃料電池システム１は、アンモニアを接触させることによって燃料極１１に供給される水素を生成する第２触媒５２を含む発電時用の第２水素生成部５０を備える。第２水素生成部５０は、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱、空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱、及びアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱と、第２触媒５２に接触するアンモニアの熱とを交換する。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法は、第１触媒に接触するアンモニアから生成された水素を燃料極１１に供給する起動工程を含む。燃料電池システム１の運転方法は、起動工程の後、燃料極１１から排出されたアノードオフガスの熱、空気極１２から排出されたカソードオフガスの熱、及びアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱によって、第２触媒５２に接触するアンモニアから生成された水素を燃料極１１に供給する発電工程を含む。

本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、起動時には、第１水素生成部４０によって生成された水素が燃料極１１に供給される。そのため、起動時に燃料極１１が酸化雰囲気下に置かれても、燃料極１１の触媒が酸化されるのを抑制することができる。

また、起動時には、第１水素生成部４０によって生成された水素が燃料極１１に供給される。そのため、燃料極１１には水素を主成分とするガスが供給されるため、起動時に、毒性のあるアンモニアが排気されるのを抑制することができる。また、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、アンモニアが燃焼した後の窒素酸化物を処理する特別な装置を別途設ける必要がなくなる。

また、発電時には、第２水素生成部５０によって生成された水素が燃料極１１に供給される。そのため、燃料電池本体１０及び燃料供給管２１などのように高温になる部分が、アンモニアによって窒化されるおそれを低減することができる。

また、第２水素生成部５０は、熱交換機能を有しているため、発電時には、電気式ヒーターのような加熱器で加熱しなくても、アンモニアから水素を生成することができる。したがって、電気式ヒーターのみで加熱した場合と比較し、燃料電池システム１の消費エネルギーを低減させることができる。

また、発電時用の第２水素生成部５０が熱交換機能のみを有し、電気ヒーターのような加熱器を有しない場合には、第２水素生成部５０がアンモニアを分解可能な温度まで昇温するのに例えば２０時間といった長い時間を要する場合がある。一方、燃料電池システム１は、起動時用の第１水素生成部４０を備え、起動時において燃料極１１に水素を供給することができる。第１水素生成部４０は簡易な構成とすることが可能であるため、燃料電池システム１のメンテナンスを容易にすることができる。

また、第１水素生成部４０又は第２水素生成部５０によってアンモニアから水素が生成されるため、水素ボンベなどのような水素を供給するのに必要な装置を別途設ける必要がない。そのため、燃料電池システム１の構成を簡素にすることができ、燃料電池システム１のメンテナンスを容易にすることができる。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１及び燃料電池システム１の運転方法によれば、起動時にアンモニアの分解を促進することができる。

第１水素生成部４０に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーは、第２水素生成部５０に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーよりも小さくてもよい。これにより、第１水素生成部４０を第２水素生成部５０よりも容易に小型化することができる。

第１水素生成部４０は、第２水素生成部５０よりも小さい熱容量を有していてもよい。これにより、小さいエネルギーであっても、第１水素生成部４０の温度を、さらに容易に昇温することができる。

第１水素生成部４０は、加熱器４２を含んでいてもよい。これにより、第１水素生成部４０を素早く加熱することができるため、短時間で水素が生成可能な温度まで昇温することができる。

第１水素生成部４０の加熱器４２は第２水素生成部５０が所定の温度以上になった場合に停止されてもよい。第２水素生成部５０が所定の温度以上となった場合には、第２水素生成部５０で水素の生成が可能になる。第２水素生成部５０は、高温のアノード又はカソードオフガスを使用して水素の生成に必要な温度を維持することができるため、第１水素生成部４０は加熱されなくてもよい。したがって、第１水素生成部４０の加熱を停止することにより、燃料電池システム１の消費エネルギーを低減することができる。

第２水素生成部５０は、第１水素生成部４０よりも燃料電池本体１０に近い位置に配置されてもよい。これにより、燃料電池本体１０の輻射熱によって第２水素生成部５０を加熱することができるまた、第１水素生成部４０をホットモジュール７０の外側に配置してもよい。これにより、ホットモジュール７０自体の大きさを小さくし、ホットモジュール７０の表面積を小さくすることができるため、ホットモジュール７０から逃げ出す熱の量を低減することができる。したがって、燃料電池システム１のエネルギー効率を向上させることができる。

燃料電池システム１は、アノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼するオフガス燃焼部６０をさらに備えてもよい。これにより、アノードオフガスに残存する水素を燃焼させることができる。また、第１水素生成部４０は、混合ガスの燃焼によって得られた排気ガスの熱と、第１触媒に接触するアンモニアの熱とを交換してもよい。オフガス燃焼部６０は、カソードオフガス及びアノードオフガスを燃料電池本体１０の起動時から燃焼するため、起動時であっても、第１水素生成部４０で必要な少なくとも一部の熱を供給することができる。このような熱交換器を使用すれば、第１水素生成部４０を素早く加熱するとともに、起動時に時間をかけることなく、オフガス燃焼部６０の熱エネルギーを有効利用することができる。

第１水素生成部４０と第２水素生成部５０とは直列に配置されてもよい。これにより、起動時において、第１水素生成部４０で加熱されて生成された水素が、第２水素生成部５０に供給されることから、第２水素生成部５０の加熱を促進することができる。そのため、燃料電池本体１０をより早く起動させることができる。なお、起動時において、第１水素生成部４０と第２水素生成部５０とは並列に配置されてもよい。

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正又は変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池本体
１１ 燃料極
１２ 空気極
４０ 第１水素生成部
４２ 加熱器
５０ 第２水素生成部
６０ オフガス燃焼部

Claims (8)

1. 燃料極と、空気極とを含む燃料電池本体と、
   アンモニアを接触させることによって前記燃料極に供給される水素を生成する第１触媒を含む起動時用の第１水素生成部と、
   アンモニアを接触させることによって前記燃料極に供給される水素を生成する第２触媒を含み、前記燃料極から排出されたアノードオフガスの熱、前記空気極から排出されたカソードオフガスの熱、及び前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱と、前記第２触媒に接触するアンモニアの熱とを交換する発電時用の第２水素生成部と、
   を備え、
   前記第２水素生成部は、前記第１水素生成部よりも前記燃料電池本体に近い位置に配置される、燃料電池システム。
2. 前記第１水素生成部に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーは、前記第２水素生成部に供給されるアンモニアが分解され、水素が生成される温度を維持するのに要するエネルギーよりも小さい、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１水素生成部は、前記第２水素生成部よりも小さい熱容量を有する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１水素生成部は加熱器を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１水素生成部の前記加熱器は前記第２水素生成部が所定の温度以上になった場合に停止される、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼するオフガス燃焼部をさらに備え、
   前記第１水素生成部は、前記混合ガスの燃焼によって得られた前記排気ガスの熱と、前記第１触媒に接触するアンモニアの熱とを交換する、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記第１水素生成部と前記第２水素生成部とは直列に配置される、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料極と空気極とを含む燃料電池本体と、第１触媒を含む第１水素生成部と、第２触媒を含む第２水素生成部とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記第１触媒に接触するアンモニアから生成された水素を前記燃料極に供給する起動工程と、
   前記起動工程の後、前記燃料極から排出されたアノードオフガスの熱、前記空気極から排出されたカソードオフガスの熱、及び前記アノードオフガスと前記カソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼して得られた排気ガスの熱からなる群より選択される少なくとも１以上の熱によって、前記第２触媒に接触するアンモニアから生成された水素を前記燃料極に供給する発電工程と、
   を含み、
   前記第２水素生成部は、前記第１水素生成部よりも前記燃料電池本体に近い位置に配置される、前記燃料電池システムの運転方法。

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