JP2012221720A - Fuel cell system - Google Patents

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Shigeyuki Unoki
重幸 鵜木
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Kiichi Shibata
礎一 柴田
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation system having excellent power generation efficiency and durability obtained by suppressing voltage reduction and deterioration such as an electrolyte by efficiently removing ammonia contained in fuel gas.SOLUTION: A fuel cell 101 includes an electrolyte layer for fuel cell, and a pair of catalyst layers for fuel cell formed so as to sandwich the electrolyte layer for fuel cell. An ammonia remover 104 includes an electrolyte layer for ammonia remover, and a catalyst layer for ammonia remover formed on at least one of surfaces of the electrolyte layer for ammonia remover. The ammonia remover 104 removes ammonia by using fuel gas and oxidant gas.

Description

本発明は、原料ガスを水蒸気改質して生成した水素を含む燃料ガスを用いて発電する燃料電池システムに関し、特に窒素を含有する原料ガスを水蒸気改質して生成した水素を含む燃料ガスを用いて発電する燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system that generates power using a fuel gas containing hydrogen generated by steam reforming a raw material gas, and more particularly, a fuel gas containing hydrogen generated by steam reforming a raw material gas containing nitrogen. The present invention relates to a fuel cell system that generates electricity using the same.

燃料電池システムは、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを燃料電池で反応させて、電気と熱を作り出すシステムであり、燃料の持つ化学エネルギーを直接あるいは間接的に電気エネルギーに変換するため、高い発電効率を得ることができる。   A fuel cell system is a system that generates electricity and heat by reacting a fuel gas containing at least hydrogen and an oxidant gas containing at least oxygen in a fuel cell, and directly or indirectly generates chemical energy of the fuel. Since it is converted into energy, high power generation efficiency can be obtained.

燃料ガスは、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料ガスとし、原料ガス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。   The fuel gas is generally a hydrocarbon gas such as city gas mainly composed of methane, natural gas, LPG, naphtha, kerosene, light oil, methanol, ethanol, and dimethyl ether, and the raw material gas is a reforming catalyst. Produced by steam reforming, the main product is hydrogen.

しかしながら、原料ガス中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。   However, when nitrogen is contained in the raw material gas, hydrogen and nitrogen may react on the reforming catalyst to generate ammonia as a by-product.

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、燃料電池を構成する電解質層中のプロトンとアンモニアが結合することで、プロトン伝導を阻害し、燃料電池の電圧を低下させる場合がある。   When fuel gas containing ammonia is supplied to the fuel cell, protons in the electrolyte layer constituting the fuel cell and ammonia may be combined to inhibit proton conduction and lower the voltage of the fuel cell.

また、アンモニアが燃料電池のアノードやカソードを構成する触媒を被毒することで、触媒活性を低下させ、燃料電池の電圧を低下させる場合がある。   In some cases, ammonia poisons the catalyst constituting the anode or cathode of the fuel cell, thereby reducing the catalytic activity and lowering the voltage of the fuel cell.

さらに、アンモニアがアノード触媒を被毒することで、発電反応が阻害され、過酸化水素やラジカルの濃度の増加により、電解質などが劣化し、燃料電池の耐久性が低下する場合もある。   Furthermore, ammonia poisons the anode catalyst, thereby inhibiting the power generation reaction, and increasing the concentration of hydrogen peroxide and radicals may degrade the electrolyte and the like, thereby reducing the durability of the fuel cell.

そこで、従来は、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、燃料電池へ供給しないために、燃料ガス経路にアンモニアを吸着除去する吸着剤を備え、アンモニアを除去した燃料ガスを燃料電池へ供給する方法が開示されている。(例えば、特許文献1参照)。   Therefore, conventionally, in order not to supply ammonia, which is an impurity contained in the fuel gas generated by reforming, to the fuel cell, the fuel gas path is provided with an adsorbent for adsorbing and removing ammonia, and the fuel from which ammonia has been removed A method for supplying gas to a fuel cell is disclosed. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2008−293964号公報JP 2008-293964 A

しかしながら、前記従来の吸着剤によりアンモニアを吸着除去する方法では、アンモニアを回収した吸着剤を定期的に交換する必要があるだけでなく、アンモニアの吸着除去能力がアンモニア暴露時間に伴い低下するという課題があった。   However, in the method of adsorbing and removing ammonia by the conventional adsorbent, it is not only necessary to periodically exchange the adsorbent from which ammonia has been collected, but also the problem that the ability to adsorb and remove ammonia decreases with the exposure time of ammonia. was there.

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、アンモニア吸収剤を用いることなく、燃料ガス中に含まれるアンモニアを効率良く除去することにより、電圧低下や、電解質など
の劣化を抑制した発電効率と耐久性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
The present invention solves the above-described conventional problems, and efficiently removes ammonia contained in the fuel gas without using an ammonia absorbent, thereby suppressing voltage drop and electrolyte degradation. It aims to provide a fuel cell system with excellent durability.

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、電解質層と触媒層により構成されたアンモニア除去器を備え、燃料ガスと、酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去するものである。   In order to solve the above-described conventional problems, the fuel cell system of the present invention includes an ammonia remover composed of an electrolyte layer and a catalyst layer, and removes ammonia using a fuel gas and an oxidant gas. .

これにより、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去することで、アンモニアによる電圧低下や、電解質などの劣化を抑制することができる。   Thereby, by removing ammonia contained in the fuel gas, it is possible to suppress a voltage drop due to ammonia and deterioration of the electrolyte.

本発明の燃料電池システムによれば、アンモニアによる電圧低下や、電解質などの劣化を抑制するので、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   According to the fuel cell system of the present invention, since the voltage drop due to ammonia and the deterioration of the electrolyte and the like are suppressed, the power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 図1に示す燃料電池システムの燃料電池の概略構成を示す模式図1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell of the fuel cell system shown in FIG. 燃料電池におけるセルの概略構成を模式的に示す断面図Sectional drawing which shows the schematic structure of the cell in a fuel cell typically 本発明の実施の形態2に係る燃料電池の概略構成を示す模式図Schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.

第1の発明は、
原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成、供給する燃料ガス供給器と、
酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給器から供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガス中のアンモニアを除去するアンモニア除去器と、
を有している燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、燃料電池用電解質層と、前記燃料電池用電解質層を挟むように形成される一対の燃料電池用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、アンモニア除去器用電解質層と、前記アンモニア除去器用電解質層表面の少なくとも一方の面に形成されるアンモニア除去器用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、前記燃料ガスと、前記酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去することを特徴とする。
The first invention is
A fuel gas supply device for reforming the raw material gas to produce and supply a fuel gas containing hydrogen;
An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas containing oxygen;
A fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas supplied from the fuel gas supply device with the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device; and
An ammonia remover for removing ammonia in the fuel gas supplied from the fuel gas supplier;
A fuel cell system comprising:
The fuel cell has a fuel cell electrolyte layer and a pair of fuel cell catalyst layers formed so as to sandwich the fuel cell electrolyte layer,
The ammonia remover has an ammonia remover electrolyte layer and an ammonia remover catalyst layer formed on at least one surface of the ammonia remover electrolyte layer surface,
The ammonia remover removes ammonia using the fuel gas and the oxidant gas.

この構成により、吸着などによるアンモニア除去とは異なり、前記アンモニア除去器の交換なしに、アンモニア除去性能を維持することが可能になり、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, unlike ammonia removal by adsorption or the like, it is possible to maintain the ammonia removal performance without replacing the ammonia remover, remove ammonia contained in the fuel gas, and remove the ammonia contained in the fuel cell. The voltage drop and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell can be suppressed, and the power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

第2の発明は、第1の発明において、
前記アンモニア除去器用触媒層は、前記酸化剤ガスが供給される側にのみ形成されていることを特徴とする。
According to a second invention, in the first invention,
The ammonia removing device catalyst layer is formed only on a side to which the oxidizing gas is supplied.

この構成により、前記アンモニア除去器の前記燃料ガスが供給される側に前記アンモニア除去器用触媒層が形成されていない状態でも、アンモニアを除去することが可能となり、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制する
ことができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上とアンモニア除去器コストの削減の両立を図ることができる。
With this configuration, it is possible to remove ammonia even in a state where the catalyst layer for the ammonia remover is not formed on the side where the fuel gas is supplied to the ammonia remover, and the voltage drop of the fuel cell due to ammonia, Deterioration of the electrolyte layer and the like in the fuel cell can be suppressed, and both improvement in power generation efficiency and durability of the fuel cell system and reduction in the ammonia remover cost can be achieved.

第3の発明は、第1乃至2いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量は、前記燃料電池の前記燃料電池用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量より少ないことを特徴とする。
A third invention is the invention according to any one of the first to second inventions,
The catalyst amount per unit area contained in the ammonia remover catalyst layer of the ammonia remover is smaller than the catalyst amount per unit area contained in the fuel cell catalyst layer of the fuel cell.

この構成により、前記アンモニア除去器は、前記アンモニア除去器内で発生したラジカルを抑制する白金触媒が少ないことにより、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, the ammonia remover is more likely to generate radicals due to a small amount of platinum catalyst that suppresses radicals generated in the ammonia remover. And the radical generated in the ammonia remover decomposes the ammonia contained in the fuel gas, so that the voltage drop of the fuel cell due to ammonia and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell can be suppressed, The power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

第4の発明は、第1乃至3いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒の粒径は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒の粒径より大きいことを特徴とする。
According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions,
The particle size of the catalyst contained in the ammonia remover catalyst layer of the ammonia remover is larger than the particle size of the catalyst contained in the fuel cell catalyst layer.

この構成により、前記アンモニア除去器用触媒層の触媒は、前記燃料電池用触媒層に用いられる触媒と比較し、触媒の表面積が小さくなり、反応に有効に寄与する白金触媒が少なくなり、よって、前記アンモニア除去器内で発生したラジカルを抑制する効果が小さくなることにから、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, the catalyst of the catalyst layer for the ammonia remover has a smaller surface area of the catalyst than the catalyst used for the catalyst layer for the fuel cell, and the platinum catalyst that effectively contributes to the reaction. Since the effect of suppressing radicals generated in the ammonia remover is reduced, radicals are more easily generated. And the radical generated in the ammonia remover decomposes the ammonia contained in the fuel gas, so that the voltage drop of the fuel cell due to ammonia and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell can be suppressed, The power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

第5の発明は、第1乃至4いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率より大きいことを特徴とする。
According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions,
The ratio of the electrolytic mass with respect to the catalyst amount contained in the catalyst layer for the ammonia remover of the ammonia remover is larger than the ratio of the electrolytic mass with respect to the catalyst amount contained in the catalyst layer for the fuel cell.

この構成により、前記アンモニア除去器用触媒層は、前記燃料電池用触媒層と比較し、電解質に被覆される割合が多くなり、反応に有効に寄与する白金触媒が少なくなり、よって、前記アンモニア除去器内で発生したラジカルを抑制する効果が小さくなることにから、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, the catalyst layer for the ammonia remover has a higher ratio of being covered with the electrolyte than the catalyst layer for the fuel cell, and the platinum catalyst that effectively contributes to the reaction is reduced. Therefore, the ammonia remover Since the effect of suppressing the radicals generated inside becomes small, radicals are more easily generated. And the radical generated in the ammonia remover decomposes the ammonia contained in the fuel gas, so that the voltage drop of the fuel cell due to ammonia and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell can be suppressed, The power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

第6の発明は、第1乃至5いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用電解質層の厚さは、前記燃料電池用電解質層の厚さより薄いことを特徴とする。
A sixth invention is any one of the first to fifth inventions,
The ammonia remover electrolyte layer of the ammonia remover is thinner than the fuel cell electrolyte layer.

この構成により、前記アンモニア除去器のカソード側からアノード側へ透過する燃料ガス量は、前記燃料電池のカソード側からアノード側へ透過する燃料ガス量より多くなることから、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, the amount of fuel gas that permeates from the cathode side to the anode side of the ammonia remover is greater than the amount of fuel gas that permeates from the cathode side to the anode side of the fuel cell, so that radicals are more easily generated. . And the radical generated in the ammonia remover decomposes the ammonia contained in the fuel gas, so that the voltage drop of the fuel cell due to ammonia and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell can be suppressed, The power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

第7の発明は、第1乃至6いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器にて発生するラジカルは、ヒドロキシラジカルであることを特徴とする。
A seventh invention is any one of the first to sixth inventions,
The radical generated in the ammonia remover is a hydroxy radical.

この構成により、反応性の高いヒドロキシラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, highly reactive hydroxy radicals can decompose ammonia contained in the fuel gas and suppress the voltage drop of the fuel cell due to ammonia and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell. The power generation efficiency and durability of the system can be improved.

第8の発明は、第1乃至7いずれかの発明において、
前記燃料ガスは前記燃料ガス供給器から前記アンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給され、前記酸化剤ガスは前記酸化剤ガス供給器からアンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給されるように構成されていることを特徴とする。
According to an eighth invention, in any one of the first to seventh inventions,
The fuel gas is supplied from the fuel gas supply device to the fuel cell via the ammonia remover, and the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply device to the fuel cell via the ammonia removal device. It is comprised so that it may be comprised.

この構成により、前記燃料ガスは前記アンモニア除去器を通過してから前記燃料電池へ供給されることになり、前記アンモニア除去器が、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, the fuel gas passes through the ammonia remover and then is supplied to the fuel cell. The ammonia remover removes the ammonia contained in the fuel gas, and the fuel cell is made of ammonia. The voltage drop and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell can be suppressed, and the power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

第9の発明は、第1乃至8いずれかの発明において、
前記燃料電池と前記アンモニア除去器は、一体構成されていることを特徴とする。
According to a ninth invention, in any one of the first to eighth inventions,
The fuel cell and the ammonia remover are integrally configured.

この構成により、前記燃料電池と前記アンモニア除去器とこれらを接続する配管を含む容積を小さくすることができ、よりコンパクトなシステムで、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。   With this configuration, the volume including the fuel cell, the ammonia remover, and the piping connecting them can be reduced, and the radical generated in the ammonia remover is contained in the fuel gas in a more compact system. Ammonia can be decomposed to suppress the voltage drop of the fuel cell due to ammonia and the deterioration of the electrolyte layer in the fuel cell, and the power generation efficiency and durability of the fuel cell system can be improved.

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と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the same components as those of the above-described embodiments will be denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムは、アンモニア除去器が、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解する形態を例示するものである。
(Embodiment 1)
The fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention exemplifies a mode in which the ammonia remover decomposes ammonia contained in the fuel gas.

[燃料電池システムの構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100は、アノード4Aと、カソード4Bと、燃料ガス経路101Aと、酸化剤ガス経路101Bと、を有する燃料電池101、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、燃料ガス経路104Aと、酸化剤ガス経路104Bと、を有するアンモニア除去器104、出力制御器105、水供給器106、及び、原料ガス供給器107を備えている。そして、アンモニア除去器104は、燃料電池101と燃料ガス供給器102及び酸化剤ガス供給器103との間に構成され、アンモニアを含む燃料ガス及び酸化剤ガスは、アンモニア除去器104を通過後、燃料電池101へ供給されるように構成されている。また、アンモニア除去器104は、燃料電池101と接続されている出力制御器105とは電気的に接続せずに構成されている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes a fuel cell 101 having an anode 4A, a cathode 4B, a fuel gas path 101A, and an oxidant gas path 101B. An ammonia remover 104, an output controller 105, a water supplier 106, and a source gas supplier 107 having a gas supplier 102, an oxidant gas supplier 103, a fuel gas path 104A, and an oxidant gas path 104B. I have. The ammonia remover 104 is configured between the fuel cell 101, the fuel gas supply device 102, and the oxidant gas supply device 103. The fuel gas and the oxidant gas containing ammonia pass through the ammonia remover 104, It is configured to be supplied to the fuel cell 101. The ammonia remover 104 is configured without being electrically connected to the output controller 105 connected to the fuel cell 101.

ここで、アンモニアを含む燃料ガスとは、水素ガスを主成分とし、少なくともアンモニアを含む混合ガスをいう。   Here, the fuel gas containing ammonia refers to a mixed gas containing hydrogen gas as a main component and containing at least ammonia.

酸化剤ガス供給器103は、燃料電池101の酸化剤ガス経路101Bおよびアンモニア除去器104の酸化剤ガス経路104Bに酸化剤ガスを供給するように構成されていれば、どのような形態であってもよく、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。   The oxidant gas supply unit 103 may have any form as long as the oxidant gas supply unit 103 is configured to supply the oxidant gas path 101B of the fuel cell 101 and the oxidant gas path 104B of the ammonia remover 104 to each other. For example, fans such as a blower and a sirocco fan can be used.

[燃料電池の構成]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池システム100の燃料電池101の構成について、図2を参照しながら説明する。
[Configuration of fuel cell]
Next, the configuration of the fuel cell 101 of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG.

図2は、図1に示す燃料電池システム100の燃料電池101の概略構成を示す模式図である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the fuel cell 101 of the fuel cell system 100 shown in FIG.

図2に示すように、燃料電池101は、複数のセル21がその厚み方向に積層されたセル積層体80と、該セル積層体80の両端に配置された端板81、82と、セル積層体80と端板81、82をセル21の積層方向において締結する締結具(図示せず)と、を有する。また、端板81とセル積層体80の間には、絶縁板及び集電板(いずれも図示せず)が配置されていて、端板82とセル積層体80との間には、絶縁板及び集電板(いずれも図示せず)が配置されている。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 101 includes a cell stack 80 in which a plurality of cells 21 are stacked in the thickness direction, end plates 81 and 82 disposed at both ends of the cell stack 80, and a cell stack. And a fastener (not shown) that fastens the body 80 and the end plates 81 and 82 in the stacking direction of the cells 21. Further, an insulating plate and a current collector plate (both not shown) are arranged between the end plate 81 and the cell laminate 80, and an insulating plate is provided between the end plate 82 and the cell laminate 80. And a current collector plate (both not shown) are arranged.

セル積層体80には、セル21の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド31、酸化剤ガス供給マニホールド33、燃料ガス排出マニホールド32、及び酸化剤ガス排出マニホールド34が設けられている。なお、燃料ガス供給マニホールド31には、燃料ガス供給経路41が接続されていて、燃料ガス排出マニホールド32には、燃料ガス排出経路42が接続されている(図1参照)。また、酸化剤ガス供給マニホールド33には、酸化剤ガス供給経路51が接続されていて、酸化剤ガス排出マニホールド34には、酸化剤ガス排出経路52が接続されている(図1参照)。   The cell stack 80 is provided with a fuel gas supply manifold 31, an oxidant gas supply manifold 33, a fuel gas discharge manifold 32, and an oxidant gas discharge manifold 34 so as to extend in the stacking direction of the cells 21. A fuel gas supply path 41 is connected to the fuel gas supply manifold 31, and a fuel gas discharge path 42 is connected to the fuel gas discharge manifold 32 (see FIG. 1). Further, an oxidant gas supply path 51 is connected to the oxidant gas supply manifold 33, and an oxidant gas discharge path 52 is connected to the oxidant gas discharge manifold 34 (see FIG. 1).

[セルの構成]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池システム100における燃料電池101のセル21について、図3を参照しながら説明する。
[Cell structure]
Next, the cell 21 of the fuel cell 101 in the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG.

図3は、図2に示す燃料電池101におけるセル21の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図3においては、一部を省略している。   FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the cell 21 in the fuel cell 101 shown in FIG. In FIG. 3, a part is omitted.

図3に示すように、セル21は、MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体5)と、ガスケット7と、アノードセパレータ6Aと、カソードセパレータ6Bと、を備えている。   As shown in FIG. 3, the cell 21 includes an MEA (Membrane-Electrode-Assembly: membrane-electrode assembly 5), a gasket 7, an anode separator 6A, and a cathode separator 6B.

MEA5は、水素イオンを選択的に輸送する電解質層(高分子電解質膜)1と、アノード4Aと、カソード4Bと、を有している。電解質層1は、略4角形(ここでは、矩形)の形状を有しており、電解質層1の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード4Aとカソード4Bがそれぞれ設けられている。なお、電解質層1の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔(図示せず)等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。   The MEA 5 includes an electrolyte layer (polymer electrolyte membrane) 1 that selectively transports hydrogen ions, an anode 4A, and a cathode 4B. The electrolyte layer 1 has a substantially quadrangular (here, rectangular) shape, and an anode 4A and a cathode 4B are provided on both surfaces of the electrolyte layer 1 so as to be located inward from the peripheral edge thereof. ing. In the peripheral portion of the electrolyte layer 1, manifold holes such as fuel gas supply manifold holes (not shown) are provided so as to penetrate in the thickness direction.

アノード4Aは、電解質層1の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒(電極触媒)
を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層2Aと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層3Aと、を有している。アノード触媒層2Aは、一方の主面が電解質層1と接触するように配置されていて、アノード触媒層2Aの他方の主面には、アノードガス拡散層3Aが配置されている。同様に、カソード4Bは、電解質層1の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒(電極触媒)を担持したカーボン粉末(導電性炭素粒子)からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層2Bと、カソード触媒層2Bの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層3Bと、を有している。カソード触媒層2Bは、一方の主面が電解質層1と接触するように配置されていて、カソード触媒層2Bの他方の主面には、カソードガス拡散層3Bが配置されている。
The anode 4A is provided on one main surface of the electrolyte layer 1, and is a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst).
An anode catalyst layer 2A including a catalyst-supported carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting the catalyst, a polymer electrolyte attached to the catalyst-supported carbon, an anode gas diffusion layer 3A having both gas permeability and conductivity, have. The anode catalyst layer 2A is arranged such that one main surface is in contact with the electrolyte layer 1, and the anode gas diffusion layer 3A is arranged on the other main surface of the anode catalyst layer 2A. Similarly, the cathode 4B is provided on the other main surface of the electrolyte layer 1, and is attached to the catalyst-supporting carbon and the catalyst-supporting carbon made of carbon powder (conductive carbon particles) supporting a platinum-based metal catalyst (electrode catalyst). A cathode catalyst layer 2B containing the polymer electrolyte, and a cathode gas diffusion layer 3B provided on the cathode catalyst layer 2B and having both gas permeability and conductivity. The cathode catalyst layer 2B is disposed such that one main surface is in contact with the electrolyte layer 1, and the cathode gas diffusion layer 3B is disposed on the other main surface of the cathode catalyst layer 2B.

また、MEA5のアノード4A及びカソード4Bの周囲には、電解質層1を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット7が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル21内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット7の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔(図示せず)等の各マニホールド孔が設けられている。   A pair of fluorine rubber doughnut-shaped gaskets 7 are disposed around the anode 4A and the cathode 4B of the MEA 5 with the electrolyte layer 1 interposed therebetween. This prevents fuel gas and oxidant gas from leaking out of the battery, and prevents these gases from being mixed with each other in the cell 21. Note that manifold holes such as a fuel gas supply manifold hole (not shown) including through holes in the thickness direction are provided at the peripheral edge of the gasket 7.

また、MEA5とガスケット7を挟むように、導電性のアノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bが配設されている。これにより、MEA5が機械的に固定され、複数のセル21をその厚み方向に積層したときには、MEA5が電気的に接続される。なお、これらのアノードセパレータ6Aとカソードセパレータ6Bは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。   In addition, a conductive anode separator 6A and a cathode separator 6B are disposed so as to sandwich the MEA 5 and the gasket 7. Thereby, MEA 5 is mechanically fixed, and when a plurality of cells 21 are stacked in the thickness direction, MEA 5 is electrically connected. The anode separator 6A and the cathode separator 6B can be made of a metal having excellent thermal conductivity and conductivity, graphite, or a mixture of graphite and resin. For example, carbon powder and binder (solvent ) And a mixture obtained by injection molding, or a surface of a titanium or stainless steel plate plated with gold can be used.

アノードセパレータ6Aのアノード4Aと接触する一方の主面(以下、内面という)には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路8が設けられている。同様に、カソードセパレータ6Bのカソード4Bと接触する一方の主面(以下、内面という)には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路9が設けられている。なお、アノードセパレータ6A及びカソードセパレータ6Bのそれぞれの周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔(図示せず)等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路8及び酸化剤ガス流路9の形状は任意であり、例えば、セル21の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート形状に形成されていてもよい。   A groove-like fuel gas flow path 8 through which fuel gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) of the anode separator 6A that contacts the anode 4A. Similarly, a groove-like oxidant gas flow path 9 through which an oxidant gas flows is provided on one main surface (hereinafter referred to as an inner surface) that contacts the cathode 4B of the cathode separator 6B. In addition, each manifold hole such as a fuel gas supply manifold hole (not shown) is provided in the peripheral edge of each of the anode separator 6A and the cathode separator 6B so as to penetrate in the thickness direction. The fuel gas flow path 8 and the oxidant gas flow path 9 may have any shape. For example, the fuel gas flow path 8 and the oxidant gas flow path 9 may be formed in a serpentine shape or a straight shape when viewed from the thickness direction of the cell 21. Good.

これにより、アノード4A及びカソード4Bには、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。   Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode 4A and the cathode 4B, respectively, and these gases react to generate electricity and heat.

そして、このように形成されたセル21がその厚み方向に積層されることにより、セル積層体80が形成される。このとき、高分子電解質膜1等に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔(図示せず)等の各マニホールド孔がつながって、燃料ガス供給マニホールド31等の各マニホールドが形成される(図2参照)。なお、燃料ガス供給マニホールド31、燃料ガス流路8、及び燃料ガス排出マニホールド32から燃料ガス経路101Aが構成される。燃料ガス供給マニホールド31の入口が燃料ガス経路101Aの入口を構成し、燃料ガス排出マニホールド32の出口が燃料ガス経路101Aの出口を構成する。また、酸化剤ガス供給マニホールド33、酸化剤ガス流路9、酸化剤ガス排出マニホールド34から酸化剤ガス経路101Bが構成される。酸化剤ガス供給マニホールド33の入口が酸化剤ガス経路101Bの入口を構成し、酸化剤ガス排出マニホールド34の出口が酸化
剤ガス経路101Bの出口を構成する。
And the cell laminated body 80 is formed by laminating | stacking the cell 21 formed in this way in the thickness direction. At this time, each manifold hole such as a fuel gas supply manifold hole (not shown) provided in the polymer electrolyte membrane 1 or the like is connected to form each manifold such as the fuel gas supply manifold 31 (see FIG. 2). . The fuel gas supply manifold 31, the fuel gas passage 8, and the fuel gas discharge manifold 32 constitute a fuel gas path 101A. The inlet of the fuel gas supply manifold 31 constitutes the inlet of the fuel gas path 101A, and the outlet of the fuel gas discharge manifold 32 constitutes the outlet of the fuel gas path 101A. The oxidant gas supply manifold 33, the oxidant gas flow path 9, and the oxidant gas discharge manifold 34 constitute an oxidant gas path 101B. The inlet of the oxidant gas supply manifold 33 constitutes the inlet of the oxidant gas path 101B, and the outlet of the oxidant gas discharge manifold 34 constitutes the outlet of the oxidant gas path 101B.

[燃料ガス供給器の構成]
燃料ガス供給器102は、蒸発器102A、及び、改質器102Bを有している。
[Configuration of fuel gas supply unit]
The fuel gas supply unit 102 includes an evaporator 102A and a reformer 102B.

蒸発器102Aには、水供給経路61を介して水供給器106が接続されている。水供給器106は、蒸発器102Aに水の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、水の流量を調整する流量調整器であってもよい。流量調整器としては、流量調整弁単体やポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。蒸発器102Aは、水供給器106から供給された水を気化して、改質器102Bに水蒸気を供給するように構成されている。なお、本実施の形態1では、水供給器106から供給された水を蒸発器102Aで気化された水(水蒸気)のうち、改質反応に用いられなかった余剰の水蒸気が、燃料ガスを加湿する。   A water supply device 106 is connected to the evaporator 102 </ b> A via a water supply path 61. The water supply device 106 may be in any form as long as the water flow rate can be adjusted and supplied to the evaporator 102A. For example, the water supply device 106 may be a flow rate adjustment device that adjusts the flow rate of water. The flow rate regulator may be constituted by a single flow rate adjustment valve or a single pump, or may be constituted by a combination of a pump and a flow rate adjustment valve. The evaporator 102A is configured to vaporize the water supplied from the water supplier 106 and supply water vapor to the reformer 102B. In the first embodiment, of the water (steam) vaporized by the evaporator 102A from the water supplied from the water supplier 106, excess steam that has not been used for the reforming reaction humidifies the fuel gas. To do.

また、蒸発器102Aには、原料ガス供給経路62を介して、原料ガス供給器107が接続されている。原料ガス供給器107は、蒸発器102Aに原料ガスの流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよく、例えば、流量調整弁単体やブースターポンプ単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。これにより、原料ガス供給器107から原料ガス供給経路62を介して蒸発器102Aに原料ガスが供給され、蒸発器102Aで加熱される。   In addition, a raw material gas supply unit 107 is connected to the evaporator 102 </ b> A via a raw material gas supply path 62. The source gas supply unit 107 may be in any form as long as the source gas flow rate can be supplied to the evaporator 102A by adjusting the flow rate of the source gas. For example, the source gas supply unit 107 may be constituted by a single flow rate adjustment valve or a single booster pump. Moreover, it may be configured by a combination of a booster pump and a flow rate adjusting valve. As a result, the source gas is supplied from the source gas supply unit 107 to the evaporator 102A via the source gas supply path 62, and is heated by the evaporator 102A.

改質器102Bは、原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質触媒を有している。そして、改質器102Bでは、蒸発器102Aから供給された原料ガスと水蒸気とが改質反応され、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路41に供給される。また、改質器102Bでは、改質反応により生成された水素が、原料ガス中に含まれている窒素と反応して、アンモニアが生成される。   The reformer 102B has a reforming catalyst that generates a hydrogen-containing gas by reforming the raw material gas and water. In the reformer 102B, the raw material gas supplied from the evaporator 102A and the water vapor undergo a reforming reaction to generate a hydrogen-containing gas, and the generated hydrogen-containing gas is used as a fuel gas as a fuel gas supply path 41. To be supplied. In the reformer 102B, hydrogen produced by the reforming reaction reacts with nitrogen contained in the raw material gas to produce ammonia.

なお、原料ガスとしては、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。本実施の形態1においては、都市ガス(天然ガス)やLPガスといったガスインフララインから供給されるガスが用いられる。なお、これらの原料ガス中には、原料由来等の窒素が含有されている。また、原料ガス供給器107には、メタンを主成分とする都市ガス(天然ガス)等に含まれる臭気成分(例えば、メルカプタン等)を除去する脱臭器を有するように構成されていてもよい。この場合、脱臭器は、活性炭やフィルターを有する構成としてもよく、臭気成分を吸着により除去するゼオライト系吸着剤を用いる構成としてもよく、或いは、水添脱硫触媒を用いる構成としてもよい。   In addition, as source gas, what contains the organic compound which uses carbon and hydrogen as a structural element at least, such as hydrocarbons, such as ethane and propane, can be used, for example. In the first embodiment, gas supplied from a gas infrastructure line such as city gas (natural gas) or LP gas is used. These source gases contain nitrogen derived from the source. In addition, the source gas supply unit 107 may be configured to include a deodorizer that removes odorous components (for example, mercaptans) contained in city gas (natural gas) mainly composed of methane. In this case, the deodorizer may have a configuration having activated carbon or a filter, a configuration using a zeolite-based adsorbent that removes odorous components by adsorption, or a configuration using a hydrodesulfurization catalyst.

また、本実施の形態1においては、原料ガス供給器107からの原料ガスを蒸発器102Aに供給してから、改質器102Bに供給する形態を採用したが、これに限定されず、原料ガス供給器107から、原料ガス供給経路62を介して、改質器102Bに直接原料ガスを供給する形態を採用してもよい。また、本実施の形態1においては、蒸発器102Aを設ける形態を採用したが、これに限定されず、蒸発器102Aを設けない形態を採用してもよい。この場合、改質器102B内で、水が気化して水蒸気となり、改質器102Bが蒸発器102Aの機能を兼用する。   In the first embodiment, the source gas from the source gas supply unit 107 is supplied to the evaporator 102A and then supplied to the reformer 102B. However, the present invention is not limited to this, and the source gas is used. A mode in which the source gas is directly supplied from the supplier 107 to the reformer 102B via the source gas supply path 62 may be adopted. Further, in Embodiment 1, the form in which the evaporator 102A is provided is adopted, but the present invention is not limited to this, and a form in which the evaporator 102A is not provided may be adopted. In this case, water is vaporized into steam in the reformer 102B, and the reformer 102B also functions as the evaporator 102A.

さらに、本実施の形態1においては、改質器102Bで生成された水素含有ガスが、燃料ガス供給経路41に送出される構成としたが、これに限定されず、燃料ガス供給器102内に改質器102Bより送出された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成
触媒(例えば、銅−亜鉛系触媒)を有する変成器や、酸化触媒(例えば、ルテニウム系触媒)や、メタン化触媒(例えば、ルテニウム系触媒)を有する一酸化炭素除去器を通過した後の水素含有ガスが燃料ガス供給経路41に送出される形態であってもよい。
Furthermore, in the first embodiment, the hydrogen-containing gas generated in the reformer 102B is sent to the fuel gas supply path 41. However, the present invention is not limited to this, and the hydrogen gas is generated in the fuel gas supply device 102. A shifter having a shift catalyst (for example, a copper-zinc based catalyst) for reducing carbon monoxide in the hydrogen-containing gas sent from the reformer 102B, an oxidation catalyst (for example, a ruthenium based catalyst), methane, The hydrogen-containing gas after passing through the carbon monoxide remover having the fluorination catalyst (for example, ruthenium-based catalyst) may be sent to the fuel gas supply path 41.

ここで、例えば原料ガスにメタンを用いた場合の化学反応について説明する。改質器102Bでは、蒸発器102Aからの水蒸気を伴って(化1)及び(化2)に示す反応が起こり、水素が発生する。   Here, for example, a chemical reaction when methane is used as the source gas will be described. In the reformer 102B, the reactions shown in (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2) occur with the water vapor from the evaporator 102A, and hydrogen is generated.

なお、改質器102Bで起こる全反応をまとめると(化3)に示す反応が行われる。   In addition, the reaction shown in (Chemical Formula 3) is performed by summing up all reactions that occur in the reformer 102B.

ところで、原料ガス中に窒素が含まれていると、改質器102Bの改質触媒上で生成した水素が、窒素と反応し、アンモニアが生成することがある(化4)。   By the way, when nitrogen is contained in the raw material gas, hydrogen produced on the reforming catalyst of the reformer 102B may react with nitrogen to produce ammonia (Chemical Formula 4).

アンモニアは、プロトンと結合して陽イオンとなり、プロトン伝導性の電解質層1では、プロトンをトラップして電解質層1中のプロトン伝導度を低下させる物質となる。   Ammonia binds to protons to become cations, and the proton conductive electrolyte layer 1 becomes a substance that traps protons and lowers the proton conductivity in the electrolyte layer 1.

また、アンモニアが燃料電池101のアノード4Aやカソード4Bを構成する触媒を被毒すると、触媒活性が低下し、電池電圧を低下させたりする場合がある。   In addition, when ammonia poisons the catalyst constituting the anode 4A and the cathode 4B of the fuel cell 101, the catalyst activity may be reduced and the battery voltage may be lowered.

さらに、アンモニアがアノード4Aのアノード触媒を被毒すると、発電反応が阻害され、過酸化水素やラジカルの濃度が増加し、電解質層1などが劣化して、耐久性を低下させる場合がある。   Further, when ammonia poisons the anode catalyst of the anode 4A, the power generation reaction is inhibited, the concentration of hydrogen peroxide and radicals increases, the electrolyte layer 1 and the like deteriorate, and the durability may be lowered.

[アンモニア除去器の構成]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池システム100のアンモニア除去器104の構成について説明する。
[Configuration of ammonia remover]
Next, the configuration of the ammonia remover 104 of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 will be described.

アンモニア除去器104は、燃料電池101と同様の構成をしている。ただし、アンモニア除去器104は、必ずしも出力制御器105(昇圧と、直流電流から交流電流への変換をし、外部負荷に出力する機器)と接続する必要が無いことから、端板とセル積層体の間の、集電板は必ずしも配置する必要は無い。   The ammonia remover 104 has the same configuration as the fuel cell 101. However, the ammonia remover 104 does not necessarily need to be connected to the output controller 105 (a device that boosts and converts direct current to alternating current and outputs it to an external load). It is not always necessary to arrange the current collector plate between the two.

また、セル積層体のセル数は、アンモニアを除去するために必要なセル数を満たしていれば良く、必ずしも燃料電池101と同じ構成でなくても良い。   Further, the number of cells in the cell stack only needs to satisfy the number of cells necessary for removing ammonia, and does not necessarily have the same configuration as the fuel cell 101.

さらに、セルを構成する、MEA、セパレータに関しても、アンモニアを除去するために十分な量のラジカルを発生すれば良く、必ずしも燃料電池101と同じ構成でなくても良い。   Furthermore, regarding the MEA and separator constituting the cell, a sufficient amount of radicals may be generated to remove ammonia, and the configuration is not necessarily the same as that of the fuel cell 101.

ここで、アンモニア除去器104のラジカル発生機構について説明する。アノード4Aへ供給された水素は(化5)に示した反応によりプロトンを生成し、酸化剤ガス中の酸素と(化6)に示した反応を起こし、過酸化水素を発生させる。   Here, the radical generation mechanism of the ammonia remover 104 will be described. Hydrogen supplied to the anode 4A generates protons by the reaction shown in (Chemical Formula 5) and causes the reaction shown in (Chemical Formula 6) with oxygen in the oxidant gas to generate hydrogen peroxide.

この過酸化水素がプロトンと(化7)に示した反応を起こし、ヒドロキシラジカルを発生させる。   This hydrogen peroxide causes the reaction shown in (Chemical Formula 7) with protons to generate hydroxy radicals.

ヒドロキシラジカルは、水酸基に対応するラジカル(・OH)であり、反応性が高く、アンモニアを分解することができる(化8)。   A hydroxy radical is a radical (.OH) corresponding to a hydroxyl group, has high reactivity, and can decompose ammonia (Chemical Formula 8).

したがって、アンモニア除去器104で発生したヒドロキシラジカルは、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解して除去することができ、燃料電池101へのアンモニアの供給を抑制できることから、アノード4Aのアノード触媒の被毒による発電反応が阻害や、電解質層1の劣化を抑制することができる。   Accordingly, the hydroxy radical generated in the ammonia remover 104 can be decomposed and removed from the ammonia contained in the fuel gas, and the supply of ammonia to the fuel cell 101 can be suppressed. The power generation reaction due to poisoning can be inhibited and deterioration of the electrolyte layer 1 can be suppressed.

実施例1から6にて行なった、実施の形態1にて作製した燃料電池の燃料電池用電解質層の厚さ、燃料電池用触媒層に含まれる単位面積あたりの触媒量、触媒の粒径、電解質の比率を表1に示す。   The thickness of the electrolyte layer for the fuel cell of the fuel cell produced in Example 1 performed in Examples 1 to 6, the amount of catalyst per unit area contained in the catalyst layer for the fuel cell, the particle size of the catalyst, The electrolyte ratio is shown in Table 1.

また、アンモニア除去器のアンモニア除去器用電解質層の厚さ、アンモニア除去器用触
媒層に含まれる単位面積あたりの触媒量、触媒の粒径、電解質の比率を表2に示す。
Table 2 shows the thickness of the electrolyte layer for the ammonia remover of the ammonia remover, the amount of catalyst per unit area contained in the catalyst layer for the ammonia remover, the particle size of the catalyst, and the ratio of the electrolyte.

なお、燃料電池は同じものを用い、アンモニア除去器のみを交換し、発電後24hの電圧にて電圧の評価とした。   The same fuel cell was used, only the ammonia remover was replaced, and the voltage was evaluated at a voltage of 24 h after power generation.

また、アンモニア除去器入口で測定した燃料ガスのアンモニア濃度は10ppmであった。   Further, the ammonia concentration of the fuel gas measured at the inlet of the ammonia remover was 10 ppm.

比較例Comparative example

比較例1から2にて行なった、実施の形態1にて作製したアンモニア除去器のアンモニア除去器用電解質層の厚さ、アンモニア除去器用触媒層に含まれる単位面積あたりの触媒量、触媒の粒径、電解質の比率を表3に示す。   The thickness of the electrolyte layer for the ammonia remover of the ammonia remover produced in Embodiment 1 performed in Comparative Examples 1 and 2, the amount of catalyst per unit area contained in the catalyst layer for the ammonia remover, and the particle size of the catalyst The ratio of the electrolyte is shown in Table 3.

なお、燃料電池は同じものを用い、アンモニア除去器のみを交換し、発電後24hの電圧にて電圧の評価とした。   The same fuel cell was used, only the ammonia remover was replaced, and the voltage was evaluated at a voltage of 24 h after power generation.

また、アンモニア除去器入口で測定した燃料ガスのアンモニア濃度は10ppmであった。   Further, the ammonia concentration of the fuel gas measured at the inlet of the ammonia remover was 10 ppm.

以上により、燃料電池スタック電圧を評価した結果を表4に示す。   The results of evaluating the fuel cell stack voltage as described above are shown in Table 4.

実施例1のアンモニア除去器は、表4より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例1と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   From Table 4, the ammonia remover of Example 1 suppresses the voltage drop due to ammonia because the voltage is increased compared to Comparative Example 1 in which the catalyst layer is not formed and the function of the ammonia remover is not provided. It is thought that there is an effect to do.

このことは、アンモニア除去器で発生したラジカルがアンモニアを分解することで、燃料電池へのアンモニア供給を抑制したものと考えられる。   This is presumably because the radical generated in the ammonia remover decomposes ammonia to suppress the supply of ammonia to the fuel cell.

実施例2のアンモニア除去器は、表4より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例1と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   From Table 4, the ammonia remover of Example 2 has a higher voltage than Comparative Example 1 in which the catalyst layer is not formed and the ammonia remover has no function. It is thought that there is an effect to do.

さらに、アノードのみ触媒層が形成された比較例2と比較し、実施例2のみ電圧が上昇していることから、カソードのみに触媒層形成された場合でも、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   Furthermore, compared with Comparative Example 2 in which the catalyst layer is formed only on the anode, the voltage is increased only in Example 2, so that even when the catalyst layer is formed only on the cathode, the effect of suppressing the voltage drop due to ammonia is suppressed. It is believed that there is.

このことにより、アンモニア除去器でラジカルを発生させるためには、カソード触媒層の形成が不可欠であると考えられる。   Thus, it is considered that the formation of a cathode catalyst layer is indispensable for generating radicals with an ammonia remover.

実施例3のアンモニア除去器は、表4より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例1と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   From Table 4, the ammonia remover of Example 3 suppresses the voltage drop due to ammonia because the voltage is increased compared to Comparative Example 1 in which the catalyst layer is not formed and the function of the ammonia remover is not provided. It is thought that there is an effect to do.

さらに、実施例1と比較し、実施例3の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用触媒層中の触媒量は、少ない方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。   Furthermore, compared with Example 1, since the voltage of Example 3 is further increased, it is considered that the smaller the amount of catalyst in the catalyst layer for the ammonia remover, the greater the effect of suppressing the voltage drop due to ammonia. .

実施例4のアンモニア除去器は、表4より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例1と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   From Table 4, the ammonia remover of Example 4 has a higher voltage than that of Comparative Example 1 in which the catalyst layer is not formed and the ammonia remover has no function. It is thought that there is an effect to do.

さらに、実施例1と比較し、実施例4の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用触媒層中の触媒粒径は、大きい方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。   Furthermore, compared with Example 1, since the voltage of Example 4 has risen more, it is thought that the larger the catalyst particle size in the catalyst layer for ammonia remover, the greater the effect of suppressing the voltage drop due to ammonia. It is done.

実施例5のアンモニア除去器は、表4より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例1と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   From Table 4, the ammonia remover of Example 5 is suppressed in voltage drop due to ammonia because the voltage is increased compared to Comparative Example 1 in which the catalyst layer is not formed and the function of the ammonia remover is not provided. It is thought that there is an effect to do.

さらに、実施例1と比較し、実施例5の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用触媒層中の電解質比率は、大きい方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。   Furthermore, compared with Example 1, since the voltage of Example 5 is rising more, it is thought that the effect which suppresses the voltage drop by ammonia is large, so that the electrolyte ratio in the catalyst layer for ammonia removal devices is large. .

実施例6のアンモニア除去器は、表4より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例1と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。   From Table 4, the ammonia remover of Example 6 suppresses the voltage drop due to ammonia because the voltage is increased compared to Comparative Example 1 in which the catalyst layer is not formed and the function of the ammonia remover is not provided. It is thought that there is an effect to do.

さらに、実施例1と比較し、実施例6の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用電解質層中の厚さは、薄い方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。   Furthermore, compared with Example 1, since the voltage of Example 6 is rising more, it is thought that the thinner one in the electrolyte layer for ammonia removers has a larger effect of suppressing the voltage drop due to ammonia. .

なお、本発明は、以上に例示した実施の形態は、本明細書の趣旨から容易に改変できる様々な形態に適用できる。   In addition, this invention is applicable to the various form which embodiment described above can be changed easily from the meaning of this specification.

また、本発明は、このような窒素を含む炭化水素系ガスを改質し、水素を生成する燃料処理器を備えた様々な燃料電池システムに適用できる。   Further, the present invention can be applied to various fuel cell systems including a fuel processor that reforms a hydrocarbon-based gas containing nitrogen and generates hydrogen.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムは、アンモニア除去器と燃料電池が、一体形成されている形態を例示するものである。
(Embodiment 2)
The fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention exemplifies a form in which an ammonia remover and a fuel cell are integrally formed.

[燃料電池の構成]
本実施の形態2に係るアンモニア除去器一体型燃料電池202の構成について、図4を参照しながら説明する。
[Configuration of fuel cell]
The configuration of the ammonia remover-integrated fuel cell 202 according to the second embodiment will be described with reference to FIG.

図4は、図1に示す燃料電池システム100において、アンモニア除去器104と燃料電池101が一体形成されたアンモニア除去器一体型燃料電池202の概略構成を示す模式図である。   FIG. 4 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ammonia remover integrated fuel cell 202 in which the ammonia remover 104 and the fuel cell 101 are integrally formed in the fuel cell system 100 shown in FIG.

図4に示すように、アンモニア除去器一体型燃料電池202は、燃料ガス供給経路41、酸化剤ガス供給経路51の側から、端板83、絶縁板85、複数のセル21がその厚み方向に積層されたセル積層体89、絶縁板86、集電板91、複数のセル21がその厚み方向に積層されたセル積層体80、集電板92、絶縁板87、端板84の順に配置されており、これらを積層方向において締結する締結具(図示せず)と、を有する。   As shown in FIG. 4, the ammonia remover integrated fuel cell 202 includes an end plate 83, an insulating plate 85, and a plurality of cells 21 in the thickness direction from the fuel gas supply path 41 and the oxidant gas supply path 51 side. The stacked cell stack 89, the insulating plate 86, the current collector 91, the cell stack 80 in which the plurality of cells 21 are stacked in the thickness direction, the current collector 92, the insulating plate 87, and the end plate 84 are arranged in this order. And a fastener (not shown) for fastening them in the stacking direction.

アンモニア除去器一体型燃料電池202において、アンモニア除去器部の燃料ガス排出経路は、燃料電池部の燃料ガス供給経路へ繋がっており、また、アンモニア除去器部の酸化剤ガス排出経路は、燃料電池部の酸化剤ガス供給経路へ繋がっている。   In the ammonia remover integrated fuel cell 202, the fuel gas discharge path of the ammonia remover section is connected to the fuel gas supply path of the fuel cell section, and the oxidant gas discharge path of the ammonia remover section is the fuel cell. Connected to the oxidant gas supply path.

このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池システム100は、本実施の形態1よりも、コンパクトなシステムに構成することができる。   The fuel cell system 100 according to the second embodiment configured as described above can be configured as a more compact system than the first embodiment.

本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによれば、燃料ガス中に含まれるアンモニアだけでなく、酸化剤ガス中に含まれるアンモニアも分解することができるので、酸化剤ガスである大気中にアンモニアが含まれる場合でも、アンモニアを分解し、アンモニアによる電圧低下を抑制することができ、さらに燃料電池発電システムの発電効率の向上を図ることができる。   According to the fuel cell power generation system of the embodiment of the present invention, not only the ammonia contained in the fuel gas but also the ammonia contained in the oxidant gas can be decomposed. Even when ammonia is contained, ammonia can be decomposed, voltage drop due to ammonia can be suppressed, and power generation efficiency of the fuel cell power generation system can be improved.

以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、窒素を含有する原料ガスを用いて燃料ガスを生成して発電する燃料電池システムに有効であり、燃料ガス中のアンモニアによる影響を受けにくく、発電効率の向上が要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステム等の用途に適用できる。   As described above, the fuel cell power generation system according to the present invention is effective for a fuel cell system that generates power by generating fuel gas using a raw material gas containing nitrogen, and is hardly affected by ammonia in the fuel gas. It can be applied to uses such as a fuel cell using a polymer type solid electrolyte, a fuel cell device, and a stationary fuel cell cogeneration system, where improvement in power generation efficiency is desired.

1 高分子電解質膜(電解質層)
2A アノード触媒層
2B カソード触媒層
3A アノードガス拡散層
3B カソードガス拡散層
4A アノード
4B カソード
5 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)
6A アノードセパレータ
6B カソードセパレータ
7 ガスケット
8 燃料ガス流路
9 酸化剤ガス流路
21 セル
31 燃料ガス供給マニホールド
32 燃料ガス排出マニホールド
33 酸化剤ガス供給マニホールド
34 酸化剤ガス排出マニホールド
41 燃料ガス供給経路
42 燃料ガス排出経路
51 酸化剤ガス供給経路
52 酸化剤ガス排出経路
61 水供給経路
62 原料ガス供給経路
80 セル積層体
81 端板
82 端板
83 端板
84 端板
85 絶縁板
86 絶縁板
87 絶縁板
89 セル積層体
100 燃料電池システム
101 燃料電池
101A 燃料ガス経路
101B 酸化剤ガス経路
102 燃料ガス供給器
102A 蒸発器
102B 改質器
103 酸化剤ガス供給器
104 アンモニア除去器
104A 燃料ガス経路
104B 酸化剤ガス経路
105 出力制御器
106 水供給器
107 原料ガス供給器
1 Polymer electrolyte membrane (electrolyte layer)
2A Anode catalyst layer 2B Cathode catalyst layer 3A Anode gas diffusion layer 3B Cathode gas diffusion layer 4A Anode 4B Cathode 5 MEA (Membrane-Electrode-Assembly: Membrane-electrode assembly)
6A Anode separator 6B Cathode separator 7 Gasket 8 Fuel gas flow path 9 Oxidant gas flow path 21 Cell 31 Fuel gas supply manifold 32 Fuel gas discharge manifold 33 Oxidant gas supply manifold 34 Oxidant gas discharge manifold 41 Fuel gas supply path 42 Fuel Gas discharge path 51 Oxidant gas supply path 52 Oxidant gas discharge path 61 Water supply path 62 Raw material gas supply path 80 Cell stack 81 End plate 82 End plate 83 End plate 84 End plate 85 Insulating plate 86 Insulating plate 87 Insulating plate 89 Cell stack 100 Fuel cell system 101 Fuel cell 101A Fuel gas path 101B Oxidant gas path 102 Fuel gas supply 102A Evaporator 102B Reformer 103 Oxidant gas supply 104 Ammonia remover 104A Fuel gas path 104B Acid Containing gas path 105 output controller 106 water supplying device 107 raw material gas supply unit

Claims (9)

原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成、供給する燃料ガス供給器と、
酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給器から供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガス中のアンモニアを除去するアンモニア除去器と、
を有している燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、燃料電池用電解質層と、前記燃料電池用電解質層を挟むように形成される一対の燃料電池用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、アンモニア除去器用電解質層と、前記アンモニア除去器用電解質層表面の少なくとも一方の面に形成されるアンモニア除去器用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、前記燃料ガスと、前記酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去する、
燃料電池システム。
A fuel gas supply device for reforming the raw material gas to produce and supply a fuel gas containing hydrogen;
An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas containing oxygen;
A fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas supplied from the fuel gas supply device with the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply device; and
An ammonia remover for removing ammonia in the fuel gas supplied from the fuel gas supplier;
A fuel cell system comprising:
The fuel cell has a fuel cell electrolyte layer and a pair of fuel cell catalyst layers formed so as to sandwich the fuel cell electrolyte layer,
The ammonia remover has an ammonia remover electrolyte layer and an ammonia remover catalyst layer formed on at least one surface of the ammonia remover electrolyte layer surface,
The ammonia remover removes ammonia using the fuel gas and the oxidant gas;
Fuel cell system.
前記アンモニア除去器用触媒層は、前記酸化剤ガスが供給される側にのみ形成されている、
請求項1に記載の燃料電池システム。
The catalyst layer for the ammonia remover is formed only on the side to which the oxidant gas is supplied,
The fuel cell system according to claim 1.
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量は、前記燃料電池用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量より少なくなるように構成されている、
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
The catalyst amount per unit area contained in the ammonia remover catalyst layer of the ammonia remover is configured to be smaller than the catalyst amount per unit area contained in the fuel cell catalyst layer.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒の粒径は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒の粒径より大きくなるように構成されている、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The particle size of the catalyst contained in the ammonia remover catalyst layer of the ammonia remover is configured to be larger than the particle size of the catalyst contained in the fuel cell catalyst layer.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率より大きくなるように構成されている、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The ratio of the electrolysis mass with respect to the catalyst amount contained in the ammonia remover catalyst layer of the ammonia remover is configured to be larger than the ratio of the electrolysis mass with respect to the catalyst amount contained in the fuel cell catalyst layer.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4.
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用電解質層の厚さは、前記燃料電池用電解質層の厚さより薄くなるように構成されている、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The ammonia remover electrolyte layer of the ammonia remover is configured to be thinner than the fuel cell electrolyte layer.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5.
前記アンモニア除去器は、ヒドロキシラジカルを発生する、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The ammonia remover generates hydroxy radicals;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6.
前記燃料ガスは前記燃料ガス供給器から前記アンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給され、前記酸化剤ガスは前記酸化剤ガス供給器からアンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給されるように構成されていることを特徴とする、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel gas is supplied from the fuel gas supply device to the fuel cell via the ammonia remover, and the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply device to the fuel cell via the ammonia removal device. It is configured so that,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7.
前記燃料電池と前記アンモニア除去器は、一体構成されていることを特徴とする、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The fuel cell and the ammonia remover are configured integrally.
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8.
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