JP2020098699A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニアによる腐食を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料極１１２、および、空気極１１４を少なくとも有する燃料電池本体１１０と、空気極１１４に空気を供給する空気供給部１３２と、アンモニアの分解を促進する触媒が配され、アンモニアを含む燃料ガスと、空気極１１４から排気されたカソードオフガスとを熱交換させる燃料熱交換器１６０と、燃料熱交換器１６０によって熱交換された燃料ガスを燃料極１１２に供給する燃料供給部１２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。

近年、都市ガスに代えてアンモニアを燃料として発電する燃料電池システムが検討されている。例えば、特許文献１には、燃料電池本体と、アンモニアの供給源と燃料電池本体とを接続する供給路と、供給路に設けられた変換装置と、変換装置を迂回するバイパス路とを備えた燃料電池システムが開示されている。

特許文献１の技術では、変換装置によってアンモニアの一部が水素に変換され、水素およびアンモニアが燃料極に供給される。

特許第５１２００７５号公報

しかし、上記特許文献１のような燃料電池システムでは、アンモニアが通過する配管等がアンモニアによって腐食してしまうおそれがある。

本開示は、このような課題に鑑み、アンモニアによる腐食を抑制することが可能な燃料電池システムおよ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している。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る燃料電池システムは、燃料極、および、空気極を少なくとも有する燃料電池本体と、空気極に空気を供給する空気供給部と、アンモニアの分解を促進する触媒が配され、アンモニアを含む燃料ガスと、空気極から排気されたカソードオフガスとを熱交換させる燃料熱交換器と、燃料熱交換器によって熱交換された燃料ガスを燃料極に供給する燃料供給部と、を備える。

また、燃料熱交換器は、アンモニアを含む燃料ガスと、燃料極から排気されたアノードオフガスとを熱交換させてもよい。

また、燃料熱交換器は、アノードオフガスと熱交換された後の燃料ガスと、カソードオフガスとを熱交換させてもよい。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る燃料電池システムの運転方法は、アンモニアを含む燃料ガスを、アンモニアの分解を促進する触媒に接触させつつ、燃料電池本体を構成する空気極から排気されたカソードオフガスと熱交換させる工程と、燃料電池本体を構成する燃料極に、熱交換された燃料ガスを供給する工程と、を含む。

本開示によれば、アンモニアによる腐食を抑制することが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムを説明する図である。 図２（ａ）は、燃料熱交換器の概略図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩＢ矢示図である。 燃料電池システムの運転方法の処理の流れを説明するフローチャートである。 商用のルテニウム触媒によるアンモニアの反応率［％］と反応温度［℃］との関係を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態の燃料電池システム１００を説明する図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、１または複数の燃料電池本体１１０と、燃料供給部１２０と、空気供給ユニット１３０と、アノード排気管１４０と、カソード排気管１４２と、オフガス燃焼器１５０と、燃料熱交換器１６０と、空気熱交換器１８０と、断熱容器１９０と、熱回収器２００と、気液分離部２１０と、インバータ２２０と、操作部２３０と、中央制御部２４０と、筐体２５０と、換気部２６０とを含む。

なお、図１中、実線の矢印は、ガスおよび液体の流れを示す。図１中、破線の矢印は電力の流れを示す。また、理解を容易にするため、中央制御部２４０から、流量調整機構１２４、ブロワ１３２ｃ、流量調整弁１３２ｄ、１３８、空気加熱器１３４、および、インバータ２２０への信号の流れを省略する。

燃料電池本体（セルスタック）１１０は、燃料極１１２、空気極１１４、および、電解質１１６を含む。燃料極（アノード）１１２は、ＮｉおよびＮｉ化合物（例えば、ＮｉＯ）のいずれか一方または両方を含む。燃料極１１２には、供給マニホールド１１２ａと、排気マニホールド１１２ｂとが接続される。供給マニホールド１１２ａおよび排気マニホールド１１２ｂは、燃料電池本体１１０が生じる熱によって加熱される。

空気極（カソード）１１４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）、または、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）である。空気極１１４には、供給マニホールド１１４ａと、排気マニホールド１１４ｂとが接続される。供給マニホールド１１４ａおよび排気マニホールド１１４ｂは、燃料電池本体１１０が生じる熱によって加熱される。

電解質１１６は、燃料極１１２と空気極１１４との間に設けられる。電解質１１６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。

燃料供給部１２０は、後述する燃料熱交換器１６０によって熱交換された燃料ガス（つまり、水素を含むガス）を燃料極１１２に供給する。本実施形態において、燃料供給部１２０は、燃料供給管１２２と、流量調整機構１２４とを含む。燃料供給管１２２は、アンモニア供給源１０２と、燃料極１１２（供給マニホールド１１２ａ）とを接続する。アンモニア供給源１０２は、例えば、アンモニアを貯留する高圧容器（ボンベ）である。流量調整機構１２４は、燃料供給管１２２に設けられる。流量調整機構１２４は、例えば、マスフローコントローラ、または、ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ、または、回転翼式ポンプ）である。なお、流量調整機構１２４は、燃料熱交換器１６０を構成する第１触媒１６６の少なくとも一部、または、第２触媒１６８の少なくとも一部の温度が、所定温度（例えば、４００℃）以上である際、アンモニアを燃料熱交換器１６０に供給する。

空気供給ユニット１３０は、空気供給部１３２と、空気加熱器１３４と、分岐管１３６と、流量調整弁１３８とを含む。空気供給部１３２は、空気極１１４に空気を供給する。空気供給部１３２は、空気供給管１３２ａと、フィルタ１３２ｂと、ブロワ１３２ｃと、流量調整弁１３２ｄと、分岐管１３２ｅとを含む。空気供給管１３２ａは、一端が開放され、他端が後述する分岐管１３２ｅに接続される。つまり、空気供給管１３２ａは、分岐管１３２ｅを介して、空気供給源と供給マニホールド１１４ａとを接続する。

フィルタ１３２ｂは、空気供給管１３２ａに設けられる。フィルタ１３２ｂは、後述する筐体２５０内から空気供給管１３２ａ内に導入される空気を除塵する。ブロワ１３２ｃは、空気供給管１３２ａにおけるフィルタ１３２ｂの下流側に設けられる。ブロワ１３２ｃは、例えば、１０ｋＰａＧ以上の圧力で空気を空気極１１４（供給マニホールド１１４ａ）に供給する。流量調整弁１３２ｄは、空気供給管１３２ａにおけるブロワ１３２ｃの下流側に設けられる。分岐管１３２ｅは、空気供給管１３２ａにおけるブロワ１３２ｃと流量調整弁１３２ｄとの間から分岐され、空気極１１４に接続される。

空気加熱器１３４は、例えば、電気ヒータで構成される。空気加熱器１３４は、空気供給管１３２ａにおける流量調整弁１３２ｄの下流側に設けられる。空気加熱器１３４は、空気を、例えば、９００℃程度に加熱する。したがって、空気供給部１３２は、空気加熱器１３４によって加熱された空気を空気極１１４に供給する。

分岐管１３６は、空気供給管１３２ａにおけるブロワ１３２ｃと分岐管１３２ｅの分岐箇所との間から分岐され、後述するカソード排気管１４２に接続される。流量調整弁１３８は、分岐管１３６に設けられる。

上記したように、燃料供給部１２０によって、燃料供給管１２２にアンモニアを含む燃料ガスが供給されると、後述する燃料熱交換器１６０の通過過程で、アンモニアの一部が分解されて、水素が生成される（下記反応式（１））。また、燃料極１１２上においてもアンモニアが分解されて、下記反応式（１）に示すように水素が生成される。
ＮＨ_３ → ３／２Ｈ_２ ＋ １／２Ｎ_２ …反応式（１）
したがって、燃料極１１２に水素が供給されることになり、燃料極１１２において、下記反応式（２）に示す酸化反応が進行する。
Ｈ_２ ＋ Ｏ^２− → ２Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ …反応式（２）

また、上記したように、空気供給ユニット１３０によって空気極１１４に空気が供給されることにより、空気極１１４において、下記反応式（３）に示す還元反応が進行する。そして、酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質１１６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１１０が発電する。燃料電池本体１１０は、発電を開始すると、ジュール熱によって自体の温度が上昇する。
１／２Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｏ^２− …反応式（３）

そして、反応式（２）に示す酸化反応が進行した結果生じるアノードオフガス（水（水蒸気）、水素、および、アンモニアを含む）は、排気マニホールド１１２ｂを通じて排気される。また、反応式（３）に示す反応が進行した結果生じるカソードオフガス（酸素、窒素を含む）は、排気マニホールド１１４ｂを通じて排気される。

アノード排気管１４０は、排気マニホールド１１２ｂと後述するオフガス燃焼器１５０を接続する。カソード排気管１４２は、排気マニホールド１１４ｂとオフガス燃焼器１５０とを接続する。

オフガス燃焼器１５０は、燃料極１１２から排気されるアノードオフガスと、空気極１１４から排気されるカソードオフガスとを燃焼させる。オフガス燃焼器１５０は、例えば、ハニカム形状の触媒を含む。触媒は、水素の酸化（燃焼）を促進させる。オフガス燃焼器１５０は、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。

燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスおよびカソードオフガスと、燃料ガスとを熱交換させる。燃料熱交換器１６０は、燃料ガスを加熱する。燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスおよびカソードオフガスを冷却する。

図２は、燃料熱交換器１６０を説明する図である。図２（ａ）は、燃料熱交換器１６０の概略図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＩＩＢ矢示図である。図２（ａ）中、白抜き矢印は、燃料ガスの流れを示す。図２（ａ）、図２（ｂ）中、実線の矢印は、アノードオフガスの流れを示す。図２（ａ）中、破線の矢印は、カソードオフガスの流れを示す。また、図２（ａ）、図２（ｂ）中、クロスハッチングは、第１触媒１６６を示す。図２（ａ）中、ハッチングは、第２触媒１６８を示す。なお、本実施形態の図２（ａ）、図２（ｂ）では、垂直に交わるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示の通り定義している。

図２（ａ）に示すように、燃料熱交換器１６０は、本体１６２と、仕切板１６４ａ〜１６４ｃと、第１触媒１６６と、第２触媒１６８と、第１伝熱管１７０と、第２伝熱管１７２とを含む。

本体１６２は、矩形の筒形状である。なお、本体１６２は、円筒形状であってもよい。燃料ガスは、本体１６２を一端から他端に向かって流れる。本体１６２は、拡径部１６２ａと、同径部１６２ｂと、縮径部１６２ｃとを含む。拡径部１６２ａは、一端が燃料供給管１２２に接続され、他端が同径部１６２ｂに連続する。拡径部１６２ａは、一端から他端に向かうに従って内径が漸増する。同径部１６２ｂは、同径の筒形状である。同径部１６２ｂの一端は、拡径部１６２ａの他端に連続する。同径部１６２ｂの他端は、縮径部１６２ｃの一端に連続する。縮径部１６２ｃは、一端から他端に向かうに従って内径が漸減する。縮径部１６２ｃの一端は、同径部１６２ｂの他端に連続する。縮径部１６２ｃの他端は、燃料供給管１２２に接続される。

仕切板１６４ａ〜１６４ｃは、複数の孔が形成された板である。仕切板１６４ａに形成された孔の大きさは、後述する第１触媒１６６より小さい。仕切板１６４ｂに形成された孔の大きさは、第１触媒１６６、および、後述する第２触媒１６８より小さい。仕切板１６４ｃに形成された孔は、第２触媒１６８より小さい。仕切板１６４ａは、拡径部１６２ａと同径部１６２ｂとの間に配される。仕切板１６４ｂは、同径部１６２ｂに配される。仕切板１６４ｃは、同径部１６２ｂと縮径部１６２ｃとの間に配される。したがって、同径部１６２ｂ内は、仕切板１６４ａ〜１６４ｃによって、２つの空間ＳＡ、ＳＢに区画される。

第１触媒１６６および第２触媒１６８は、上記反応式（１）に示す反応を促進する触媒である。つまり、第１触媒１６６および第２触媒１６８は、アンモニアの分解を促進する。第１触媒１６６および第２触媒１６８は、粒形状である。

第１触媒１６６は、仕切板１６４ａ、１６４ｂによって区画される空間ＳＡ（燃料ガスの流れ方向の上流側に位置する空間）に配される（充填される）。第１触媒１６６は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）触媒である。第２触媒１６８は、仕切板１６４ｂ、１６４ｃによって区画される空間ＳＢ（燃料ガスの流れ方向の下流側に位置する空間）に配される（充填される）。第２触媒１６８は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）触媒である。つまり、第１触媒１６６は、第２触媒１６８の上流側に配される。換言すれば、第２触媒１６８は、第１触媒１６６の下流側に配される。

第１伝熱管１７０は、アノードオフガスが通過する配管である。第１伝熱管１７０は、入口マニホールド１７０ａと、複数の熱交換部１７０ｂと、出口マニホールド１７０ｃとを含む。入口マニホールド１７０ａは、アノード排気管１４０と、複数の熱交換部１７０ｂとを接続する。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、熱交換部１７０ｂは、少なくとも一部が空間ＳＡ（第１触媒１６６）内に配される。熱交換部１７０ｂは、延在部位１７０ｂａと、接続部位１７０ｂｂとを含む。延在部位１７０ｂａは、図２（ａ）、図２（ｂ）中、Ｚ軸方向に延在する部位である。つまり、延在部位１７０ｂａは、燃料ガスの流れ方向（図２（ａ）、図２（ｂ）中、Ｘ軸方向）と、直交する方向に延在する。接続部位１７０ｂｂは、延在部位１７０ｂａ同士を接続する。出口マニホールド１７０ｃは、アノード排気管１４０と、複数の熱交換部１７０ｂとを接続する。

第２伝熱管１７２は、カソードオフガスが通過する配管である。第２伝熱管１７２は、入口マニホールド１７２ａと、複数の熱交換部１７２ｂと、出口マニホールド１７２ｃとを含む。入口マニホールド１７２ａは、カソード排気管１４２と、複数の熱交換部１７２ｂとを接続する。

図２（ａ）に示すように、熱交換部１７２ｂは、少なくとも一部が空間ＳＢ（第２触媒１６８）内に配される。熱交換部１７２ｂは、延在部位１７２ｂａと、接続部位１７２ｂｂとを含む。延在部位１７２ｂａは、図２（ａ）中、Ｚ軸方向に延在する部位である。つまり、延在部位１７２ｂａは、燃料ガスの流れ方向（図２（ａ）中、Ｘ軸方向）と、直交する方向に延在する。接続部位１７２ｂｂは、延在部位１７２ｂａ同士を接続する。出口マニホールド１７２ｃは、カソード排気管１４２と、複数の熱交換部１７２ｂとを接続する。

上記のように構成された燃料熱交換器１６０を備えることで、燃料ガスは、まず、第１触媒１６６（空間ＳＡ）を通過する。空間ＳＡには、第１伝熱管１７０の熱交換部１７０ｂが配されている。このため、燃料ガスは、空間ＳＡの通過過程において、アノードオフガスと熱交換される。換言すれば、燃料ガスは、第１触媒１６６に接触しつつ、アノードオフガスと熱交換される。したがって、この際、燃料ガスに含まれるアンモニアの一部は、第１触媒１６６によって水素に分解される。

そして、空間ＳＡを通過した燃料ガス（一部のアンモニアが水素に分解されたガス）は、第２触媒１６８（空間ＳＢ）を通過する。空間ＳＢには、第２伝熱管１７２の熱交換部１７２ｂが配されている。このため、燃料ガスは、空間ＳＢの通過過程において、カソードオフガスと熱交換される。換言すれば、燃料ガスは、第２触媒１６８に接触しつつ、カソードオフガスと熱交換される。したがって、この際、燃料ガスに含まれるアンモニアは、第２触媒１６８によって水素に分解される。

つまり、燃料熱交換器１６０は、まず、アノードオフガスと燃料ガスとを熱交換させ、続いて、アノードオフガスと熱交換された後の燃料ガスと、カソードオフガスとを熱交換させる。

例えば、燃料電池本体１１０の定格運転出力が１ｋＷ−ＤＣである場合、水素利用率８０％、空気利用率３５％、セル電圧０．７３Ｖの条件において、アンモニアの供給量は、８．１ＮＬ／ｍｉｎ程度である。この場合、燃料極１１２の入口（供給マニホールド１１２ａ）において、燃料電池本体１１０の運転温度（例えば、７６０℃程度）まで水素を昇温させるには、２５０Ｗ程度の熱が必要となる。また、アンモニアを１００％水素に分解させるには、３７０Ｗ程度の熱が必要となる。つまり、アンモニアを１００％水素に分解させ、かつ、燃料電池本体１１０の運転温度まで昇温させて、燃料極１１２に供給するには、６２０Ｗ程度の熱が必要となる。

一方、アノードオフガスの排気温度が８５０℃程度であり、１５０℃まで熱回収する場合、アノードオフガスの顕熱は、３００Ｗ程度である。カソードオフガスの排気温度が８５０℃程度であり、１５０℃まで熱回収する場合、カソードオフガスの顕熱は、１１００Ｗ程度である。

つまり、アノードオフガスの顕熱のみでは、アンモニアを１００％水素に分解させ、かつ、燃料電池本体１１０の運転温度まで昇温して、燃料極１１２に供給することはできない。なお、アンモニアを５０％分解するには、アノードオフガスの顕熱のみで足りる。

そこで、燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスの顕熱に加えて、カソードオフガスの顕熱を、燃料ガスに与える。つまり、燃料熱交換器１６０は、まずアノードオフガスの顕熱で燃料ガスを昇温し、かつ、燃料ガスに含まれるアンモニアの一部を分解させる。そして、燃料熱交換器１６０は、カソードオフガスの顕熱によって、燃料ガスに含まれるアンモニアを目的とする分解率（例えば、１００％）まで分解させる。

また、本体１６２は、目的とする分解率を達成するために必要な量の第１触媒１６６および第２触媒１６８を収容する。さらに、燃料熱交換器１６０は、仕切板１６４ａが２００℃未満になるように、第１伝熱管１７０の設置位置が設計される。

空気熱交換器１８０は、分岐管１３２ｅを通過する空気が有する熱と、燃料熱交換器１６０（第２伝熱管１７２）を通過した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１８０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１８０は、空気によりカソードオフガスを冷却する。

断熱容器１９０は、燃料電池本体１１０、燃料熱交換器１６０、空気熱交換器１８０を収容する。断熱容器１９０は、燃料電池本体１１０から外部への伝熱を抑制する。断熱容器１９０は、断熱材で構成された容器、または、真空容器である。

熱回収器２００は、オフガス燃焼器１５０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２００は、例えば、ラジエータで構成される。熱回収器２００によって回収された熱（温水）は、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空冷されたりする。

気液分離部２１０は、熱回収器２００から排出された混合物を気液分離する。気液分離部２１０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２１０によって分離された気体は、外部に排気される。

インバータ２２０は、燃料電池本体１１０の燃料極１１２および空気極１１４に接続される。インバータ２２０は、燃料電池本体１１０から出力された直流電流を交流電流に変換して負荷に供給する。インバータ２２０は、燃料電池本体１１０におけるセルスタックの積層数、燃料電池本体１１０の数、負荷の接続方式（直列、または、並列）、負荷の電圧（１００Ｖ、２００Ｖ等）に基づいて、設計される。なお、燃料電池本体１１０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２２０の前段に昇圧器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が設けられる。

操作部２３０は、タッチパネル、または、ハードスイッチで構成される。操作部２３０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２４０に出力する。操作入力は、例えば、運転（発電）開始、運転停止等である。

中央制御部２４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路（制御基板、または、ＰＬＣ（programmable logic controller））で構成される。中央制御部２４０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部２４０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１００全体を管理および制御する。

本実施形態において、中央制御部２４０は、操作部２３０から出力された信号に基づき、流量調整機構１２４、ブロワ１３２ｃ、流量調整弁１３２ｄ、１３８、および、インバータ２２０を制御する。

中央制御部２４０は、所定の流量のアンモニアが燃料極１１２に供給されるように、流量調整機構１２４を制御する。中央制御部２４０は、オフガス燃焼器１５０が触媒の活性温度（または、耐熱温度）に維持されるように、流量調整弁１３８の開度を調整する。中央制御部２４０は、燃料電池本体１１０が通常運転温度に到達するように、空気加熱器１３４を駆動し、流量調整弁１３２ｄの開度を調整する。中央制御部２４０は、燃料電池本体１１０の発電出力、および、負荷に基づいて、インバータ２２０を制御する。

筐体２５０は、燃料電池本体１１０、燃料供給部１２０、空気供給ユニット１３０、アノード排気管１４０、カソード排気管１４２、オフガス燃焼器１５０、燃料熱交換器１６０、空気熱交換器１８０、断熱容器１９０、熱回収器２００、気液分離部２１０、インバータ２２０、中央制御部２４０、換気部２６０を収容する。つまり、アンモニア供給源１０２、および、操作部２３０は、筐体２５０外に配される。

筐体２５０は、吸気口２５２および排気口２５４が形成される。吸気口２５２には、フィルタ２５２ａが設けられる。フィルタ２５２ａは、大気中のダストを除塵する。

換気部２６０は、例えば、ファンで構成される。換気部２６０は、筐体２５０内の空気を、排気口２５４を通じて外部に排気する。これにより、吸気口２５２を通じて外部から筐体２５０内に大気（空気）が導入される。つまり、換気部２６０は、筐体２５０内を換気する。換気部２６０は、筐体２５０内の温度が所定の温度（例えば、５０℃程度）になるように、筐体２５０内を換気する。

［燃料電池システム１００の運転方法］
続いて、燃料電池システム１００の運転方法について説明する。図３は、燃料電池システム１００の運転方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図３に示すように、燃料電池システム１００の運転方法は、第１熱交換工程Ｓ１１０、第２熱交換工程Ｓ１２０、供給工程Ｓ１３０を含む。以下、各工程について説明する。

［第１熱交換工程Ｓ１１０］
第１熱交換工程Ｓ１１０は、燃料熱交換器１６０において、燃料極１１２から排気されたアノードオフガスと、燃料ガスとを熱交換させる工程である。つまり、第１熱交換工程Ｓ１１０は、アンモニアを含む燃料ガスを第１触媒１６６に接触させつつ、アノードオフガスと熱交換させる工程である。第１熱交換工程Ｓ１１０を遂行することにより、燃料ガスに含まれるアンモニアの一部が分解され、水素およびアンモニアを含む燃料ガスが生成される。

［第２熱交換工程Ｓ１２０］
第２熱交換工程Ｓ１２０は、燃料熱交換器１６０において、空気極１１４から排気されたカソードオフガスと、燃料ガスとを熱交換させる工程である。つまり、第２熱交換工程Ｓ１２０は、アンモニアを含む燃料ガスを第２触媒１６８に接触させつつ、カソードオフガスと熱交換させる工程である。第２熱交換工程Ｓ１２０を遂行することにより、燃料ガスに含まれるアンモニアが分解されて水素が生成される。

［供給工程Ｓ１３０］
供給工程Ｓ１３０は、燃料熱交換器１６０によって熱交換された燃料ガス（水素）を燃料極１１２に供給する工程である。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、燃料電池本体１１０の燃料としてアンモニアを用いる。これにより、燃料として炭化水素を用いる従来技術と比較して、水素を生成するための吸熱量を低減することができる。炭化水素を用いる従来技術では、オフガス燃焼器において、アノードオフガスおよびカソードオフガスに加えて、燃料を添加して燃焼させることで得られた熱を、燃料電池本体１１０の熱源としていた。しかし、燃料電池システム１００は、燃料としてアンモニアを用いるため、オフガス燃焼器１５０に燃料を添加する必要がなくなる。これにより、オフガス燃焼器１５０において二酸化炭素および窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生する事態を回避することが可能となる。

また、炭化水素を用いる従来技術と比較して、燃料電池システム１００は、水蒸気が不要となる。このため、炭化水素を用いる従来技術とは異なり、気化器および水蒸気改質器が不要となる。

また、燃料電池システム１００は、燃料熱交換器１６０を備える。これにより、燃料電池システム１００は、アンモニアの分解専用の加熱器を備えずとも、アンモニアを水素に分解することができる。したがって、燃料供給管１２２のうち、燃料熱交換器１６０と供給マニホールド１１２ａとを接続する箇所、および、供給マニホールド１１２ａの窒化を防止することが可能となる。このため、燃料供給管１２２のうち、燃料熱交換器１６０と供給マニホールド１１２ａとを接続する箇所、および、供給マニホールド１１２ａを鉄系材料（例えば、ステンレス鋼）で構成しても、これらの腐食を防止することができる。

また、供給マニホールド１１２ａにアンモニアが供給されてしまうと、供給マニホールド１１２ａにおいて、上記反応式（１）に示すアンモニアの分解反応（吸熱反応）が進行する。そうすると、燃料電池本体１１０の温度が低下してしまう。しかし、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料熱交換器１６０を備えるため、供給マニホールド１１２ａに供給されるアンモニアを低減する（ほとんどなくす）ことができる。つまり、燃料電池システム１００は、供給マニホールド１１２ａにおけるアンモニアの分解を低減することが可能となる。これにより、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１１０の温度低下を抑制することができる。したがって、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１１０の発電電圧（発電電力）の低下を抑制することが可能となる。

また、アンモニアによる鉄系材料の窒化は、３００℃程度から進行することが知られている。そこで、燃料熱交換器１６０は、仕切板１６４ａが３００℃未満（好ましくは２００℃未満）になるように、第１伝熱管１７０の設置位置が設計される。これにより、燃料熱交換器１６０は、本体１６２の窒化を抑制することが可能となる。

また、燃料熱交換器１６０は、まず、アノードオフガスと燃料ガスとを熱交換させ、続いて、アノードオフガスと熱交換された後の燃料ガスと、カソードオフガスとを熱交換させる。これにより、燃料熱交換器１６０において、カソードオフガスの顕熱を余剰させることができる。したがって、燃料熱交換器１６０を通過した後のカソードオフガスの顕熱で、空気極１１４に供給される空気を加熱（昇温）することが可能となる。つまり、燃料電池システム１００は、燃料熱交換器１６０および空気熱交換器１８０を備える構成により、アノードオフガスの顕熱およびカソードオフガスの顕熱で、アンモニアの分解と空気の加熱とを行うことができる。

また、第１伝熱管１７０および第２伝熱管１７２は、延在部位１７０ｂａおよび延在部位１７２ｂａが、アンモニアの流通方向と直交する方向に延在するように本体１６２内に配される。これにより、燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスおよびカソードオフガスと、アンモニアとを直交流（クロスフロー）とすることができる。したがって、燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスおよびカソードオフガスと、アンモニアとを効率よく熱交換させることが可能となる。

また、第１伝熱管１７０は、入口マニホールド１７０ａを備え、第２伝熱管１７２は、入口マニホールド１７２ａを備える、これにより、第１伝熱管１７０は、熱交換部１７０ｂごとのアノードオフガスの流量の偏りを低減することができる。同様に、第２伝熱管１７２は、熱交換部１７２ｂごとのカソードオフガスの流量の偏りを低減することができる。

また、燃料電池システム１００は、空気加熱器１３４を備える。これにより、燃料電池本体１１０を内部から昇温することが可能となる。したがって、燃料電池本体１１０の起動処理を短時間で行うことができる。

また、燃料電池システム１００は、オフガス燃焼器１５０を備える。これにより、アノードオフガスに残存する水素を酸化（燃焼）させることができる。また、熱回収器２００は、オフガス燃焼器１５０で生じた燃焼排ガスの顕熱を回収することが可能となる。

また、燃料供給部１２０によって燃料電池本体１１０に水素が供給されている間（通常運転温度である間）、燃料電池本体１１０からの放熱によってオフガス燃焼器１５０の温度が触媒の活性温度を上回るおそれがある。そこで、燃料電池システム１００は、流量調整弁１３８および中央制御部２４０を備える。中央制御部２４０は、オフガス燃焼器１５０が触媒の活性温度（または、耐熱温度）に維持されるように、流量調整弁１３８の開度を調整する。これにより、オフガス燃焼器１５０において、触媒の劣化を抑制することが可能となる。

また、燃料電池システム１００は、空気熱交換器１８０を備える。これにより、空気加熱器１３４に投入されるエネルギーを削減することができる。

また、燃料電池システム１００は、断熱容器１９０を備える。これにより、燃料電池本体１１０で生じた熱の輻射による外部への流出を抑制することができる。また、輻射熱を受けた燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスの顕熱およびカソードオフガスの顕熱に加えて、燃料電池本体１１０の輻射熱を燃料ガス（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１８０は、カソードオフガスの顕熱のみならず、燃料電池本体１１０の輻射熱を空気に伝達することができる。

また、燃料電池システム１００は、筐体２５０を備える。これにより、風雨、塵などから燃料電池本体１１０等を保護することができる。

［燃料熱交換器１６０の設計］
続いて、燃料熱交換器１６０の設計について説明する。図４は、商用のルテニウム触媒によるアンモニアの反応率［％］と反応温度［℃］との関係を説明する図である。図４中、破線は、平衡反応率［％］を示す。図４中、三角は、空間速度が１０００ｈｒ^−１の場合のアンモニアの反応率［％］を示す。図４中、丸は、空間速度が２０００ｈｒ^−１の場合のアンモニアの反応率［％］を示す。図４中、四角は、空間速度が５０００ｈｒ^−１の場合のアンモニアの反応率［％］を示す。

図４に示すように、アンモニアの平衡反応率（平衡分解率）は、反応温度が高いほど大きい。例えば、反応温度が２００℃である場合、アンモニアの平衡反応率は、７５％程度である。反応温度が４００℃である場合、アンモニアの平衡反応率は、９９％程度である。

また、空間速度は、ガスの流量／触媒の充填量で算出される。したがって、空間速度が大きいほど、ルテニウム触媒の充填量は少ないといえる。このため、反応温度が等しい場合、空間速度が大きいほど、アンモニアの反応率が下がる。例えば、図４に示すように、空間速度が１０００ｈｒ^−１であり、反応温度が３００℃である場合、アンモニアの反応率は、３０％程度である。空間速度が２０００ｈｒ^−１であり、反応温度が３００℃である場合、アンモニアの反応率は、２５％程度である。空間速度が５０００ｈｒ^−１であり、反応温度が３００℃である場合、アンモニアの反応率は、１０％程度である。

また、図４に示すように、空間速度が２０００ｈｒ^−１であり、反応温度が２００℃である場合、アンモニアの反応率（分解率）は、０％程度である。空間速度が２０００ｈｒ^−１であり、反応温度が２５０℃である場合、アンモニアの反応率は、５％程度である。空間速度が２０００ｈｒ^−１であり、反応温度が３５０℃である場合、アンモニアの反応率は、７５％程度である。空間速度が２０００ｈｒ^−１であり、反応温度が４００℃である場合、アンモニアの反応率は、９９％程度である。

したがって、第１触媒１６６および第２触媒１６８として、ルテニウム触媒を採用する場合、空間速度が２０００ｈｒ^−１以下となるように第１触媒１６６および第２触媒１６８を本体１６２に充填すれば、４００℃でアンモニアを１００％程度分解することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、燃料電池本体１１０が、排気マニホールド１１４ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、燃料電池本体１１０は、排気マニホールド１１４ｂを備えずともよい。この場合、燃料熱交換器１６０は、第２伝熱管１７２を備えず、燃料電池本体１１０の近傍に配される。かかる構成であっても、燃料熱交換器１６０は、燃料ガスと、空気極から排気されたカソードオフガス（対流熱）とを熱交換させることができる。

また、図４に示すルテニウム触媒よりもアンモニアの分解率が高い触媒を、第１触媒１６６および第２触媒１６８として採用し、目的とする分解率を達成できる空間速度が５０００ｈｒ^−１以上である場合、燃料熱交換器１６０は、第１伝熱管１７０および第２伝熱管１７２を備えず、燃料電池本体１１０の近傍に配されてもよい。この場合、本体１６２の径は、１インチ以下であってもよい。かかる構成であっても、燃料熱交換器１６０は、燃料ガスと、空気極から排気されたカソードオフガス（対流熱）とを熱交換させることができる。

また、上記実施形態において、空気供給部１３２が、ブロワ１３２ｃを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、空気供給部１３２は、ブロワ１３２ｃに代えて、ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ）、または、ファンを備えてもよい。

また、上記実施形態において、１のブロワ１３２ｃが空気極１１４およびオフガス燃焼器１５０に空気を供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、燃料電池システム１００は、２台のブロワを備えてもよい。この場合、一方のブロワは、空気極１１４に空気を供給する。また、他方のブロワは、オフガス燃焼器１５０に空気を供給する。

また、上記実施形態において、流量調整弁１３２ｄ、１３８を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、流量調整弁１３２ｄ、１３８に代えて、マスフローコントローラを備えてもよい。

また、上記実施形態において、空気加熱器１３４によって加熱された空気が供給マニホールド１１４ａに供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、空気加熱器１３４によって加熱された空気は、断熱容器１９０内に供給されてもよい。この場合、燃料電池本体１１０は外部から加熱（昇温）される。また、断熱容器１９０内に伝熱抵抗体（シースヒータ）を備えてもよい。

また、上記実施形態において、オフガス燃焼器１５０は、ハニカム形状の触媒を含む構成を例に挙げて説明した。しかし、触媒の形状に限定はない。例えば、触媒は、粒状であってもよい。また、オフガス燃焼器１５０は、触媒を備えずともよい。

また、上記実施形態において、燃料熱交換器１６０が、燃料ガスと、アノードオフガスおよびカソードオフガスとを熱交換させる構成を例に挙げて説明した。しかし、燃料熱交換器１６０は、燃料ガスと、カソードオフガスとを熱交換させてもよい。また、燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスおよびカソードオフガスに加えて、オフガス燃焼器１５０で生じた燃焼排ガスと、燃料ガスとを熱交換させてもよい。これにより、燃料熱交換器１６０は、カソードオフガスの温度低下を抑制することができ、空気熱交換器１８０においてカソードオフガスによって加熱される空気の温度を上昇させることが可能となる。

また、上記実施形態において、燃料熱交換器１６０は、アノードオフガスと熱交換された後の燃料ガスと、カソードオフガスとを熱交換させる構成を例に挙げて説明した。しかし、燃料熱交換器１６０は、まず、カソードオフガスと燃料ガスとを熱交換させ、続いて、アノードオフガスと燃料ガスとを熱交換させてもよい。

また、上記実施形態において、燃料熱交換器１６０が仕切板１６４ａ〜１６４ｃを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、仕切板１６４ａ〜１６４ｃは、必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、燃料熱交換器１６０は、第１触媒１６６および第２触媒１６８を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、燃料熱交換器１６０は、第１触媒１６６または第２触媒１６８を備えていればよい。つまり、燃料熱交換器１６０は、仕切板１６４ｂを備えず、本体１６２内に第１触媒１６６または第２触媒１６８を収容すればよい。換言すれば、燃料熱交換器１６０は、本体１６２と、本体１６２内に収容された第１触媒１６６または第２触媒１６８と、本体１６２内に収容された熱交換部１７０ｂ、１７２ｂとを備えてもよい。

また、上記実施形態において、燃料熱交換器１６０の本体１６２は、拡径部１６２ａおよび縮径部１６２ｃを備える構成を例に挙げて説明した。これにより、燃料熱交換器１６０は、同径部１６２ｂ（触媒充填部）における燃料ガスの流量の偏りを低減することができる。しかし、拡径部１６２ａおよび縮径部１６２ｃは、必須の構成ではない。また、拡径部１６２ａおよび縮径部１６２ｃに代えて、燃料熱交換器１６０は、整流板を備えてもよい。

また、上記実施形態において、第１伝熱管１７０は、３つの熱交換部１７０ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、熱交換部１７０ｂの数に限定はない。第１伝熱管１７０は、１つまたは２つの熱交換部１７０ｂを備えてもよいし、４つ以上の熱交換部１７０ｂを備えてもよい。なお、第１伝熱管１７０が１つの熱交換部１７０ｂを備える場合、入口マニホールド１７０ａおよび出口マニホールド１７０ｃを省略することができる。

同様に、第２伝熱管１７２は、３つの熱交換部１７２ｂを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、熱交換部１７２ｂの数に限定はない。第２伝熱管１７２は、１つまたは２つの熱交換部１７２ｂを備えてもよいし、４つ以上の熱交換部１７２ｂを備えてもよい。カソードオフガスは、アノードオフガスより高温である。このため、空間ＳＢにおけるアンモニアの分解反応の反応速度は、空間ＳＡよりも大きい。したがって、燃料熱交換器１６０は、第１触媒１６６より少量の第２触媒１６８を備えてもよい。この場合、延在部位１７２ｂａを延在部位１７０ｂａより短くする、もしくは、熱交換部１７２ｂを熱交換部１７０ｂよりも少なくするとよい。なお、第２伝熱管１７２が１つの熱交換部１７２ｂを備える場合、入口マニホールド１７２ａおよび出口マニホールド１７２ｃを省略することができる。

また、上記実施形態において、延在部位１７０ｂａ、１７２ｂａは、燃料ガスの流れ方向（図２（ａ）、図２（ｂ）中、Ｘ軸方向）と、直交する方向に延在する構成を例に挙げて説明した。しかし、延在部位１７０ｂａ、１７２ｂａは、燃料ガスの流れ方向と、交差していればよい。

また、第１触媒１６６を収容する第１収容部と、第２触媒１６８を収容する第２収容部とが別体に構成された燃料熱交換器であってもよい。この場合、第１触媒１６６と第２触媒１６８とは、連通管で接続される。また、連通管内には、第１触媒１６６または第２触媒１６８が収容される。

また、上記実施形態において、熱回収器２００が、水で熱を回収するラジエータで構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、熱回収器２００は、空気で熱を回収（空冷）する熱交換器で構成されてもよい。

また、上記実施形態において、インバータ２２０が、筐体２５０内に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、インバータ２２０は、筐体２５０外に設けられてもよい。

また、直射日光に曝される場所に燃料電池システム１００を設置する場合、筐体２５０における直射日光が曝される箇所に遮光板を設置してもよい。これにより、筐体２５０内の高温化を抑制することが可能となる。

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に利用することができる。

１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池本体
１１２ 燃料極
１１４ 空気極
１２０ 燃料供給部
１３２ 空気供給部
１６０ 燃料熱交換器

Claims (4)

1. 燃料極、および、空気極を少なくとも有する燃料電池本体と、
   前記空気極に空気を供給する空気供給部と、
   アンモニアの分解を促進する触媒が配され、アンモニアを含む燃料ガスと、前記空気極から排気されたカソードオフガスとを熱交換させる燃料熱交換器と、
   前記燃料熱交換器によって熱交換された前記燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料供給部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記燃料熱交換器は、前記アンモニアを含む燃料ガスと、前記燃料極から排気されたアノードオフガスとを熱交換させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料熱交換器は、前記アノードオフガスと熱交換された後の前記燃料ガスと、前記カソードオフガスとを熱交換させる請求項２に記載の燃料電池システム。
4. アンモニアを含む燃料ガスを、前記アンモニアの分解を促進する触媒に接触させつつ、燃料電池本体を構成する空気極から排気されたカソードオフガスと熱交換させる工程と、
   前記燃料電池本体を構成する燃料極に、熱交換された前記燃料ガスを供給する工程と、
   を含む燃料電池システムの運転方法。

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