JP2023179893A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転効率を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１００は、密閉容器１１０内に設けられ、燃料極１２２、空気極１２６、燃料ガス供給口１２４ａ、および、密閉容器の内部空間に臨むアノードオフガス排気口１２４ｂを有する燃料電池本体１２０と、密閉容器内に設けられるアンモニア分解器１５０と、密閉容器内に設けられ、燃料ガス供給口とアンモニア分解器とを連通する燃料管１５２と、アンモニアを含む原料ガスをアンモニア分解器に供給する燃料供給部１３０と、密閉容器内に設けられ、反応後ガスと酸素含有ガスとを熱交換させる熱交換器１８０と、密閉容器内に設けられ、熱交換器における酸素含有ガスの出口に接続され、開口が空気極に臨む酸素含有ガス供給管１９０と、酸素含有ガスを熱交換器に供給する酸素含有ガス供給部１６０と、熱交換器を通過する酸素含有ガスに水を供給する水供給部２０４と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等の炭化水素を燃料として用いる燃料電池システムが普及している。このような燃料電池システムとして、燃料電池セルから排気されるアノードオフガスおよびカソードオフガスが収容容器内で燃焼される開放系の燃料電池システムが開発されている。

開放系の燃料電池システムとして、例えば、特許文献１には、燃料電池セル、水を気化させる気化部、および、燃料を水蒸気改質する改質器が収容容器内に設けられる構成が提案されている。特許文献１の技術では、燃料電池セルの上方に気化部および改質器が設けられ、燃料電池セルの上端から排気されたアノードオフガスおよびカソードオフガスの燃焼熱によって、気化部および改質器が加熱される。

特開２０１９－１４５２３８号公報

ところで、近年、ＣＯ_２を排出しない燃料としてアンモニアが注目されている。このため、上記開放系の燃料電池システムの燃料として、炭化水素に代えてアンモニアを利用することが検討されている。アンモニアを燃料とする場合、燃料電池システムにおいて改質器は不要である。また、アンモニアは、単位水素発生量当たりの吸熱量が、炭化水素よりも小さい。このため、収容容器内において熱余りが生じ、燃料電池システムの運転効率が低下するという問題が生じる。

本開示は、このような課題に鑑み、運転効率を向上させることが可能な燃料電池システム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、密閉容器と、密閉容器内に設けられ、燃料極、空気極、燃料ガス供給口、および、密閉容器の内部空間に臨むアノードオフガス排気口を少なくとも有する燃料電池本体と、密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、密閉容器内に設けられ、燃料ガス供給口とアンモニア分解器とを連通する燃料管と、アンモニアを少なくとも含む原料ガスをアンモニア分解器に供給する燃料供給部と、密閉容器内に設けられ、酸素を少なくとも含む酸素含有ガスおよびカソードオフガスのうちのいずれか一方または両方ならびにアノードオフガスが反応することによって生じる反応後ガスと、酸素含有ガスとを熱交換させる熱交換器と、密閉容器内に設けられ、熱交換器における酸素含有ガスの出口に接続され、開口が空気極に臨む酸素含有ガス供給管と、酸素含有ガスを熱交換器に供給する酸素含有ガス供給部と、熱交換器を通過する酸素含有ガスに水を供給する水供給部と、を備える。

また、上記燃料電池システムは、熱交換器から排気された反応後ガスを冷却して水を生成する凝縮器を備え、水供給部は、凝縮器において生成された水を供給してもよい。

また、上記燃料電池システムは、水を水蒸気とする水蒸気生成部を備え、水供給部は、水蒸気生成部によって生成された水蒸気を供給してもよい。

また、アンモニア分解器は、アノードオフガス排気口に対向してもよい。

また、アンモニア分解器は、反応後ガスが有する熱を回収してもよい。

本開示によれば、運転効率を向上させることが可能となる。

図１は、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は、本実施形態に係る燃料電池システムに設けられるセンサ類を説明する図である。 図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの起動方法の処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの通常運転方法の処理の流れを示すフローチャートである。 図５は、本実施形態に係る燃料電池システムの停止方法の処理の流れを示すフローチャートである。

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、本実施形態に係る燃料電池システム１００を説明する図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１００に設けられるセンサ類を説明する図である。

図１、図２に示すように、燃料電池システム１００は、密閉容器１１０と、１または複数の燃料電池本体１２０と、燃料供給部１３０と、アンモニア分解器１５０と、燃料管１５２と、酸素含有ガス供給部１６０と、熱交換器１８０と、酸素含有ガス供給管１９０と、排気管１９２と、凝縮器２００と、ドレンタンク２０２と、水供給部２０４と、水供給管２０６と、水蒸気生成部２０８と、窒素供給部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、電池温度センサ２７０と、分解器温度センサ２７２と、水位センサ２７４と、排気ガスセンサ２７６と、を含む。

なお、図１中、破線の矢印は、水の流れを示す。また、図１中、実線の矢印は、水以外の流体の流れを示す。図２中、実線の矢印は、信号の流れを示す。

本実施形態に係る燃料電池システム１００は、アノードオフガスおよびカソードオフガスが密閉容器１１０内で反応する開放系の燃料電池システム１００である。

密閉容器１１０は、後述する燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１５０、燃料管１５２、熱交換器１８０、酸素含有ガス供給管１９０、および、水蒸気生成部２０８を少なくとも収容する。密閉容器１１０は、燃料電池本体１２０から外部への伝熱を抑制する。密閉容器１１０は、断熱材で構成された容器、または、真空容器である。

燃料電池本体１２０は、セルスタックで構成される。燃料電池本体１２０は、燃料極１２２、マニホールド１２４、空気極１２６、および、電解質１２８を含む。

燃料極１２２、つまり、アノードは、ニッケル（Ｎｉ）およびニッケル化合物（例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ））のいずれか一方または両方を含む。燃料極１２２には、マニホールド１２４が接続される。

マニホールド１２４には、燃料ガス供給口１２４ａと、アノードオフガス排気口１２４ｂとが設けられる。燃料ガス供給口１２４ａには、燃料管１５２が接続される。アノードオフガス排気口１２４ｂは、密閉容器１１０の内部空間に臨む。つまり、アノードオフガス排気口１２４ｂは、密閉容器１１０内に臨む開口である。燃料極１２２は、マニホールド１２４の内部空間に露出する。マニホールド１２４は、燃料電池本体１２０が生じる熱によって加熱される。

空気極１２６、つまり、カソードは、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１２６は、密閉容器１１０の内部空間に露出する。

電解質１２８は、燃料極１２２と空気極１２６との間に設けられる。電解質１２８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１３０は、少なくともアンモニアを含む原料ガスをアンモニア分解器１５０に供給する。本実施形態において、燃料供給部１３０は、原料供給管１３２と、減圧弁１３４と、遮断弁１３６と、流量調整機構１３８と、水素発生器１４０とを含む。

原料供給管１３２は、アンモニアの供給源１０２と、アンモニア分解器１５０とを接続する。アンモニアの供給源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。減圧弁１３４は、原料供給管１３２におけるアンモニアの供給源１０２の下流側に設けられる。減圧弁１３４は、アンモニアの供給源１０２から供給されるアンモニアを減圧する。遮断弁１３６は、原料供給管１３２における減圧弁１３４の下流側に設けられる。遮断弁１３６は、原料供給管１３２に形成される流路を開閉する。流量調整機構１３８は、原料供給管１３２における遮断弁１３６の下流側に設けられる。流量調整機構１３８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。流量調整機構１３８は、原料供給管１３２を流れるアンモニアの流量を調整する。

水素発生器１４０は、原料供給管１３２における流量調整機構１３８の下流側に設けられる。水素発生器１４０は、アンモニアの分解を促進する触媒が収容された収容部と、触媒を加熱する電気ヒータとを含む。触媒は、例えば、ニッケル系触媒、および、ルテニウム（Ｒｕ）系触媒のうちのいずれか一方または両方である。水素発生器１４０（電気ヒータ）は、燃料電池システム１００を起動する際に動作する。本実施形態において、水素発生器１４０が有する触媒の量は、アンモニア分解器１５０が有する触媒よりも少ない。

アンモニア分解器１５０は、アンモニアの分解を促進する触媒が配される。本実施形態において、アンモニア分解器１５０は、アノードオフガス排気口１２４ｂに直接対向する。つまり、アンモニア分解器１５０とアノードオフガス排気口１２４ｂとの間には、遮蔽物が配されない。詳しくは後述するが、燃料ガス供給口１２４ａから排気されたアノードオフガスは、燃料ガス供給口１２４ａ（燃料電池本体１２０）の近傍において、密閉容器１１０内の雰囲気ガスである、カソードオフガスおよび空気のうちのいずれか一方または両方と反応（酸化反応、燃焼反応）して反応後ガスが生成される。このため、アンモニア分解器１５０には、この反応熱（燃焼熱）が直接伝達される。また、生成された反応後ガスは、アノードオフガス排気口１２４ｂから排気されたアノードオフガスの流れに伴い、アンモニア分解器１５０に衝突する。したがって、アンモニア分解器１５０は、反応熱および反応後ガスが有する顕熱によって、例えば、４００℃以上８００以下に加熱される。

燃料管１５２は、燃料ガス供給口１２４ａとアンモニア分解器１５０とを連通する。

酸素含有ガス供給部１６０は、酸素含有ガスを熱交換器１８０に供給する。酸素含有ガスは、少なくとも酸素を含む。酸素含有ガスは、例えば、空気、酸素富化空気である。ここでは、酸素含有ガスが空気である場合を例に挙げる。

本実施形態において、酸素含有ガス供給部１６０は、空気供給装置１６２と、空気供給管１６４と、流量調整弁１６６と、バイパス管１６８と、流量調整弁１７０と、空気加熱器１７２とを含む。

空気供給装置１６２は、後述するフィルタ２５２ａによって除塵された空気を昇圧する。空気供給装置１６２は、空気を、例えば、１０ｋＰａＧ以上の圧力に昇圧する。空気供給装置１６２は、例えば、ブロワ、ダイヤフラムポンプ、または、ファンである。空気供給装置１６２の吸入側は、フィルタに接続される。空気供給装置１６２の吐出側は、空気供給管１６４に接続される。空気供給管１６４は、空気供給装置１６２の吐出側と、熱交換器１８０の空気入口１８２ａとを接続する。流量調整弁１６６は、空気供給管１６４に設けられる。流量調整弁１６６は、空気供給管１６４を流れる空気の流量を調整する。

バイパス管１６８は、空気供給管１６４における空気供給装置１６２と流量調整弁１６６との間と、酸素含有ガス供給管１９０とを接続する。バイパス管１６８には、流量調整弁１７０および空気加熱器１７２が設けられる。流量調整弁１７０は、バイパス管１６８を流れる空気の流量を調整する。空気加熱器１７２は、バイパス管１６８における流量調整弁１７０の下流側に設けられる。空気加熱器１７２は、バイパス管１６８を流れる空気を、例えば、９００℃程度に加熱する。空気加熱器１７２は、例えば、電気ヒータである。空気加熱器１７２は、燃料電池システム１００を起動する際に動作する。

熱交換器１８０は、空気と、反応後ガスとを熱交換させる。これにより、反応後ガスの顕熱によって空気が加熱される。一方、反応後ガスは、空気によって徐熱される。熱交換器１８０は、空気流路１８２と、反応後ガス流路１８４とを含む。

空気流路１８２には、空気入口１８２ａと、空気出口１８２ｂとが形成される。空気入口１８２ａには、空気供給管１６４が接続される。空気出口１８２ｂ（酸素含有ガスの出口）には、酸素含有ガス供給管１９０が接続される。空気流路１８２には、空気入口１８２ａを通じて空気供給装置１６２から供給された空気が流れ、空気出口１８２ｂから排気される。

反応後ガス流路１８４には、反応後ガス入口１８４ａと、反応後ガス出口１８４ｂとが形成される。反応後ガス入口１８４ａは、密閉容器１１０の内部空間と連通する。つまり、反応後ガス入口１８４ａは、密閉容器１１０内に臨む開口である。反応後ガス出口１８４ｂには、排気管１９２が接続される。反応後ガス流路１８４には、反応後ガス入口１８４ａを通じて密閉容器１１０内で生じた反応後ガスが流れ、反応後ガス出口１８４ｂから排気される。

本実施形態において、空気流路１８２における空気の流れと、反応後ガス流路１８４における反応後ガスの流れとは、対向する。

酸素含有ガス供給管１９０は、熱交換器１８０における空気出口１８２ｂに接続され、開口が空気極１２６に臨む。本実施形態において、酸素含有ガス供給管１９０の先端側は、複数の分岐管１９０ａに分岐されている。そして、複数の分岐管１９０ａの先端に開口が形成される。これらの開口は、空気極１２６に対向する。

上記したように、燃料供給部１３０によって、原料供給管１３２にアンモニアを含む燃料ガスが供給されると、アンモニア分解器１５０の通過過程で、アンモニアの少なくとも一部が分解されて、水素が生成される（下記反応式（１））。また、燃料極１２２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１２２に水素が供給されることになり、燃料極１２２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、空気は、酸素含有ガス供給部１６０、熱交換器１８０、および、酸素含有ガス供給管１９０を通じて、空気極１２６に供給される。これにより、空気極１２６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１２８を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１２０が発電する。燃料電池本体１２０は、例えば、２００℃以上の所定の温度に到達すると、発電を開始し、この発電の際に生じるジュール熱によって燃料電池本体１２０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、燃料ガス供給口１２４ａを通じて密閉容器１１０内に排気される。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、密閉容器１１０内に排気される。そうすると、密閉容器１１０内において、カソードオフガスおよび空気のうちのいずれか一方または両方ならびにアノードオフガスが反応して、反応後ガスが生成される。こうして生成された反応後ガスは、熱交換器１８０の反応後ガス入口１８４ａを通じて、反応後ガス流路１８４に導かれる。

排気管１９２の一端は、熱交換器１８０の反応後ガス出口１８４ｂに接続される。排気管１９２の他端は、大気開放される。排気管１９２の他端は、筐体２５０外に配される。

凝縮器２００は、熱交換器１８０から排気され、排気管１９２を通過する、例えば、２００℃以上の反応後ガスと、水（例えば、給水）とを熱交換させる。これにより、反応後ガスが冷却され、反応後ガス中の水蒸気が凝縮して水（液）が生成される。一方、反応後ガスが有する顕熱によって加熱された水は、給湯と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空冷されたりする。凝縮器２００は、例えば、ラジエータで構成される。なお、凝縮器２００によって使用される給水は、反応後ガスから生成される水の５０％以上１００％以下である。

ドレンタンク２０２は、凝縮器２００によって生じた水（ドレン）を貯留する。なお、燃料電池システム１００の起動前において、ドレンタンク２０２は、所定量の水を貯留する。ドレンタンク２０２には、不図示の排水弁が設けられる。排水弁が開弁されると、ドレンタンク２０２から水が排出される。

水供給部２０４は、熱交換器１８０を通過する空気に水を供給する。水供給部２０４は、例えば、ポンプである。水供給部２０４の吸入側は、ドレンタンク２０２に接続される。水供給部２０４の吐出側は、水供給管２０６に接続される。

水供給管２０６は、水供給部２０４の吐出側と、熱交換器１８０の空気流路１８２とを接続する。

水蒸気生成部２０８は、水供給管２０６の途中に設けられる。本実施形態において、水蒸気生成部２０８は、密閉容器１１０内における、反応後ガス入口１８４ａの近傍に設けられる。水蒸気生成部２０８は、複数の直管部２０８ａと、複数の接続部２０８ｂとを有する配管である。直管部２０８ａは、反応後ガス入口１８４ａに対向して設けられる。接続部２０８ｂは、隣り合う直管部２０８ａ同士を接続する。水蒸気生成部２０８を通過する水は、密閉容器１１０内の反応後ガスと熱交換される。これにより、水が加熱され、水蒸気が生成される。水蒸気生成部２０８によって生成された水蒸気は、熱交換器１８０の空気流路１８２に供給される。

窒素供給部２１０は、窒素を原料供給管１３２に供給する。窒素供給部２１０は、燃料電池システム１００を起動する際に動作する。本実施形態において、窒素供給部２１０は、窒素供給管２１２と、減圧弁２１４と、遮断弁２１６と、流量調整弁２１８とを含む。

窒素供給管２１２は、窒素の供給源１０４と、原料供給管１３２における流量調整機構１３８と、水素発生器１４０との間を接続する。窒素の供給源１０４は、例えば、窒素を貯留する高圧容器（ボンベ）、または、ユーティリティ配管である。窒素の供給源１０４の供給圧は、例えば、１０ｋＰａＧ以上である。減圧弁２１４は、窒素供給管２１２における窒素の供給源１０４の下流側に設けられる。減圧弁２１４は、窒素の供給源１０４から供給される窒素を減圧する。遮断弁２１６は、窒素供給管２１２における減圧弁２１４の下流側に設けられる。遮断弁２１６は、窒素供給管２１２に形成される流路を開閉する。流量調整弁２１８は、窒素供給管２１２における遮断弁２１６の下流側に設けられる。流量調整弁２１８は、窒素供給管２１２を流れる窒素の流量を所定値に維持する。流量調整弁２１８は、例えば、ニードル弁、または、オリフィスである。

インバータ２２０は、燃料電池本体１２０の燃料極１２２および空気極１２６に接続される。インバータ２２０は、燃料電池本体１２０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１２０におけるセルスタックの積層数、燃料電池本体１２０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１２０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、起動、通常運転（発電）開始、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、遮断弁１３６、流量調整機構１３８、水素発生器１４０、空気供給装置１６２、流量調整弁１６６、１７０、空気加熱器１７２、水供給部２０４、遮断弁２１６、および、インバータ２２０を制御する。中央制御部２４０による制御については、後に詳述する。

筐体２５０は、密閉容器１１０、燃料供給部１３０の一部、酸素含有ガス供給部１６０、凝縮器２００、ドレンタンク２０２、水供給部２０４、窒素供給部２１０の一部、インバータ２２０、中央制御部２４０、換気部２６０を収容する。つまり、アンモニアの供給源１０２、減圧弁１３４、窒素の供給源１０４、減圧弁２１４、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。

電池温度センサ２７０は、燃料電池本体１２０の温度を計測する。分解器温度センサ２７２は、アンモニア分解器１５０の温度を計測する。水位センサ２７４は、ドレンタンク２０２の水位を計測する。排気ガスセンサ２７６は、凝縮器２００から排気された反応後ガスに含まれるアンモニアおよび水素の濃度を計測する。

中央制御部２４０は、運転中において、電池温度センサ２７０によって計測される燃料電池本体１２０の温度が燃料電池本体１２０の発電効率が最大となる温度となるように、水供給部２０４の出力、発電負荷、空気供給装置１６２のうち、いずれか１または複数を制御する。燃料電池本体１２０の発電効率が最大となる温度は、例えば、６００℃以上８００℃以下である。

また、中央制御部２４０は、運転中において、分解器温度センサ２７２によって計測されるアンモニア分解器１５０の温度が、アンモニアの分解効率が最大となる温度となるように、流量調整機構１３８、空気供給装置１６２、水供給部２０４の出力、および、燃料電池本体１２０の発電出力のうちのいずれか１または複数を制御する。アンモニアの分解効率が最大となる温度は、例えば、７００℃以上８００℃以下である。

中央制御部２４０は、運転中において、水位センサ２７４によって計測されるドレンタンク２０２の水位が所定範囲内となるように、ドレンタンク２０２に設けられた排水弁を開閉制御する。水位センサ２７４によって計測されるドレンタンク２０２の水位が所定範囲の下限値未満である場合、中央制御部２４０は、水供給部２０４の動作を停止する。

また、中央制御部２４０は、運転中において、排気ガスセンサ２７６によって計測されるアンモニアの濃度が規制値以下となるように、流量調整機構１３８を制御する。中央制御部２４０は、運転中において、排気ガスセンサ２７６によって計測される水素の濃度が所定値を超えると、インバータ２２０を制御して燃料電池本体１２０による発電を停止する。所定値は、爆発範囲を基準に決定され、例えば、２５％ＬＥＬ（爆発下限濃度）である。

また、中央制御部２４０は、起動時において、水素発生器１４０および空気加熱器１７２を動作させる。

［燃料電池システム１００の起動方法］
続いて、燃料電池システム１００の起動方法について説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の起動方法の処理の流れを示す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の起動方法は、窒素パージ開始処理Ｓ１１０、昇温処理Ｓ１１２、分解温度判定処理Ｓ１１４、窒素パージ終了処理Ｓ１１６、アンモニア供給開始処理Ｓ１１８、ＯＣＶ判定処理Ｓ１２０、アンモニア増加処理Ｓ１２２、第１燃料電池温度判定処理Ｓ１２４、切換処理Ｓ１２６、第２燃料電池温度判定処理Ｓ１２８、および、発電負荷判定処理Ｓ１３０を含む。以下、各処理について説明する。なお、起動前において、遮断弁１３６、２１６、流量調整弁１６６、１７０は閉弁されており、空気供給装置１６２および水供給部２０４は停止されている。

［窒素パージ開始処理Ｓ１１０］
中央制御部２４０は、流量調整弁１７０を開弁して、空気供給装置１６２を起動する。また、中央制御部２４０は、遮断弁２１６を開弁して、窒素パージを開始する。

［昇温処理Ｓ１１２］
中央制御部２４０は、水素発生器１４０および空気加熱器１７２を動作させる。

［分解温度判定処理Ｓ１１４］
中央制御部２４０は、水素発生器１４０の温度がアンモニアの分解温度に到達したか否かを判定する。そして、水素発生器１４０の温度がアンモニアの分解温度未満である場合（Ｓ１１４におけるＮＯ）、アンモニアの分解温度に到達するまで、中央制御部２４０は、分解温度判定処理Ｓ１１４を繰り返す。水素発生器１４０の温度がアンモニアの分解温度に到達したら（Ｓ１１４におけるＹＥＳ）、中央制御部２４０は、窒素パージ終了処理Ｓ１１６に処理を移す。

［窒素パージ終了処理Ｓ１１６］
中央制御部２４０は、遮断弁２１６を閉弁して窒素パージを終了する。

［アンモニア供給開始処理Ｓ１１８］
中央制御部２４０は、遮断弁１３６を開弁して、アンモニアの供給を開始する。

［ＯＣＶ判定処理Ｓ１２０］
中央制御部２４０は、燃料電池本体１２０のＯＣＶ（開回路電圧）が安定したか否かを判定する。そして、燃料電池本体１２０のＯＣＶがまだ安定していない場合（Ｓ１２０におけるＮＯ）、ＯＣＶが安定するまで、中央制御部２４０は、ＯＣＶ判定処理Ｓ１２０を繰り返す。燃料電池本体１２０のＯＣＶが安定したら（Ｓ１２０におけるＹＥＳ）、中央制御部２４０は、アンモニア増加処理Ｓ１２２に処理を移す。

［アンモニア増加処理Ｓ１２２］
中央制御部２４０は、流量調整機構１３８を調整して、アンモニアの供給量を増加させる。また、中央制御部２４０は、インバータ２２０を制御して発電負荷を上昇させる。

［第１燃料電池温度判定処理Ｓ１２４］
中央制御部２４０は、電池温度センサ２７０の計測値を参照し、燃料電池本体１２０の温度が４００℃に到達したか否かを判定する。そして、燃料電池本体１２０の温度が４００℃未満である場合（Ｓ１２４におけるＮＯ）、４００℃に到達するまで、中央制御部２４０は、第１燃料電池温度判定処理Ｓ１２４を繰り返す。燃料電池本体１２０の温度が４００℃に到達したら（Ｓ１２４におけるＹＥＳ）、中央制御部２４０は、切換処理Ｓ１２６に処理を移す。

［切換処理Ｓ１２６］
中央制御部２４０は、流量調整弁１６６を開弁し、流量調整弁１７０を閉弁する。また、中央制御部２４０は、空気加熱器１７２の動作を停止する。

［第２燃料電池温度判定処理Ｓ１２８］
中央制御部２４０は、電池温度センサ２７０の計測値を参照し、燃料電池本体１２０の温度が６００℃に到達したか否かを判定する。そして、燃料電池本体１２０の温度が６００℃未満である場合（Ｓ１２８におけるＮＯ）、６００℃に到達するまで、中央制御部２４０は、第２燃料電池温度判定処理Ｓ１２８を繰り返す。燃料電池本体１２０の温度が６００℃に到達したら（Ｓ１２８におけるＹＥＳ）、中央制御部２４０は、発電負荷判定処理Ｓ１３０に処理を移す。

［発電負荷判定処理Ｓ１３０］
中央制御部２４０は、発電負荷が発電負荷指令に到達したか否かを判定する。そして、発電負荷が発電負荷指令に到達していない場合（Ｓ１３０におけるＮＯ）、発電負荷指令に到達するまで、中央制御部２４０は、発電負荷判定処理Ｓ１３０を繰り返す。発電負荷が発電負荷指令に到達したら（Ｓ１３０におけるＹＥＳ）、中央制御部２４０は、水素発生器１４０の動作を停止して、通常運転に移行する。

［燃料電池システム１００の通常運転方法］
続いて、燃料電池システム１００の通常運転方法について説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の通常運転方法の処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、燃料電池システム１００の通常運転方法は、負荷制御処理Ｓ２１０、および、温度制御処理Ｓ２１２を含む。

［負荷制御処理Ｓ２１０］
中央制御部２４０は、発電負荷指令に基づき、インバータ２２０を制御して発電負荷を制御する。また、中央制御部２４０は、発電負荷に応じて、流量調整機構１３８および流量調整弁１６６を制御する。

［温度制御処理Ｓ２１２］
また、中央制御部２４０は、電池温度センサ２７０の計測値を参照し、燃料電池本体１２０が６００℃以上８００以下に維持されるように、流量調整弁１６６および水供給部２０４を制御する。

［燃料電池システム１００の停止方法］
続いて、燃料電池システム１００の停止方法について説明する。図５は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の停止方法の処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すように、燃料電池システム１００の停止方法は、降温処理Ｓ３１０、発電電力停止処理Ｓ３１２、燃料電池温度判定処理Ｓ３１４、アンモニア供給停止処理Ｓ３１６、窒素パージ開始処理Ｓ３１８、水素発生器停止処理Ｓ３２０、および、窒素パージ終了処理Ｓ３２２を含む。以下、各処理について説明する。

［降温処理Ｓ３１０］
中央制御部２４０は、流量調整弁１６６を制御して、空気の供給量を所定流量に変更する。また、中央制御部２４０は、水供給部２０４を停止する。中央制御部２４０は、水素発生器１４０を動作させる。また、中央制御部２４０は、発電負荷を所定速度で低減させ、また、発電負荷に基づき流量調整機構１３８を制御して、アンモニアの供給流量を低減させる。

［発電電力停止処理Ｓ３１２］
中央制御部２４０は、発電負荷指令を停止し、インバータ２２０からの発電出力を停止させる。

［燃料電池温度判定処理Ｓ３１４］
中央制御部２４０は、電池温度センサ２７０の計測値を参照し、燃料電池本体１２０の温度が２００℃以下に到達したか否かを判定する。そして、燃料電池本体１２０の温度が２００℃超である場合（Ｓ３１４におけるＮＯ）、２００℃以下に到達するまで、中央制御部２４０は、燃料電池温度判定処理Ｓ３１４を繰り返す。燃料電池本体１２０の温度が２００℃以下に到達したら（Ｓ３１４におけるＹＥＳ）、中央制御部２４０は、アンモニア供給停止処理Ｓ３１６に処理を移す。

［アンモニア供給停止処理Ｓ３１６］
中央制御部２４０は、遮断弁１３６を閉弁して、アンモニアの供給を停止する。

［窒素パージ開始処理Ｓ３１８］
中央制御部２４０は、遮断弁２１６を開弁して、窒素パージを開始する。

［水素発生器停止処理Ｓ３２０］
中央制御部２４０は、水素発生器１４０および空気供給装置１６２の動作を停止する。

［窒素パージ終了処理Ｓ３２２］
中央制御部２４０は、水素発生器停止処理Ｓ３２０を実行してから所定時間経過したら、遮断弁２１６を閉弁して窒素パージを終了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、開放系の燃料電池システム１００であり、また、密閉容器１１０内にアンモニア分解器１５０を備える。アンモニア分解器１５０は、反応熱および反応後ガスの顕熱によって直接加熱される。したがって、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、反応熱および反応後ガスの顕熱でアンモニアを水素に分解することができる。これにより、アンモニア分解器１５０は、効率よくアンモニアを分解することが可能となる。また、アンモニア分解器１５０は、反応熱および反応後ガスが有する顕熱を回収することになる。したがって、アンモニア分解器１５０は、密閉容器１１０内の熱余りを低減することができる。

また、燃料電池システム１００は、熱交換器１８０を通過する空気に水蒸気を供給する水供給部２０４を備える。これにより、水蒸気が密閉容器１１０内に供給されることになる。したがって、水供給部２０４は、密閉容器１１０内の雰囲気ガスの熱容量を増加させることができる。このため、水供給部２０４は、密閉容器１１０内の温度を平均的に低下させることが可能となる。また、水供給部２０４は、空気のみを通過させる場合と比較して、熱交換器１８０の空気流路１８２を通過するガス（空気と水蒸気との混合ガス）の量を増加させることができる。これにより、熱交換器１８０は、反応後ガスを効率よく冷却することが可能となる。したがって、水供給部２０４は、密閉容器１１０内の温度をさらに低下させることができる。

また、上記したように、アンモニア分解器１５０は、アノードオフガス排気口１２４ｂに対向する。アノードオフガスの反応（酸化反応、燃焼反応）は、アノードオフガス排気口１２４ｂの近傍で進行する。したがって、アンモニア分解器１５０が、アノードオフガス排気口１２４ｂに対向することにより、アンモニア分解器１５０は、反応熱および反応後ガスの顕熱によって直接加熱される。このため、アンモニア分解器１５０は、さらに効率よくアンモニアを分解することができる。

また、上記したように、燃料電池システム１００は、凝縮器２００を備える。これにより、燃料電池システム１００は、密閉容器１１０内の温度を低下させるために水供給部２０４が供給する水を循環させることができる。したがって、燃料電池システム１００は、外部から水を供給する機構を省略できる。

また、上記したように、燃料電池システム１００は、水蒸気生成部２０８を備え、水供給部２０４は、水蒸気生成部２０８によって生成された水蒸気を熱交換器１８０に供給する。これにより、水供給部２０４の圧力変動を抑制することができる。

また、上記したように、水蒸気生成部２０８は、密閉容器１１０内における、反応後ガス入口１８４ａの近傍に設けられる。反応後ガス入口１８４ａの近傍は、雰囲気温度が相対的に高い。したがって、水蒸気生成部２０８は、効率よく水蒸気を生成することができる。

また、燃料電池システム１００は、アンモニア分解器１５０に加えて、水素発生器１４０を備える。これにより、起動の際、通常運転の際、停止の際のいずれの期間であっても、燃料電池システム１００は、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、燃料電池システム１００は、空気加熱器１７２を備える。これにより、燃料電池本体１２０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１２０の起動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、密閉容器１１０を備える。これにより、燃料電池本体１２０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、原料供給管１３２、アンモニア分解器１５０、燃料管１５２、バイパス管１６８、酸素含有ガス供給管１９０、および、水蒸気生成部２０８は、反応後ガスの顕熱に加えて、燃料電池本体１２０の輻射熱を回収することができる。

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１２０等を保護することができる。

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、凝縮器２００が水を用いて反応後ガスを冷却する場合を例に挙げた。しかし、凝縮器２００が用いる冷媒に限定はない。例えば、凝縮器２００は、空気で反応後ガスを冷却してもよい。また、凝縮器２００が冷媒として水を用いる場合、加熱された水を他のラジエータで冷却してもよい。

また、上記実施形態において、燃料電池システム１００が凝縮器２００を備える場合を例に挙げた。しかし、凝縮器２００は、必須の構成ではない。

また、上記実施形態において、水蒸気生成部２０８が、密閉容器１１０内における、反応後ガス入口１８４ａの近傍に設けられる場合を例に挙げた。しかし、水蒸気生成部２０８は、水を水蒸気とすることができれば、設置位置に限定はない。水蒸気生成部２０８は、例えば、熱交換器１８０の反応後ガス流路１８４内に設けられてもよい。この場合、水蒸気生成部２０８は、反応後ガス流路１８４を通過する反応後ガスの顕熱と水とを熱交換する。また、水蒸気生成部２０８は、例えば、密閉容器１１０外の排気管１９２における凝縮器２００の上流側に設けられてもよい。この場合、水蒸気生成部２０８は、排気管１９２を通過する反応後ガスの顕熱と水とを熱交換する。

また、上記実施形態において、燃料電池システム１００が水蒸気生成部２０８を備える構成を例に挙げた。しかし、水蒸気生成部２０８は、必須の構成ではない。この場合、熱交換器１８０の空気流路１８２には、水（液体）が供給される。

また、上記実施形態において、アンモニア分解器１５０がアノードオフガス排気口１２４ｂに対向する場合を例に挙げた。しかし、アンモニア分解器１５０は、密閉容器１１０内に設けられていれば、設置位置に限定はない。

また、上記実施形態において、燃料電池システム１００が水素発生器１４０を備える構成を例に挙げた。しかし、水素発生器１４０は、必須の構成ではない。この場合、アンモニア分解器１５０に電気ヒータが設けられる。そして、燃料電池システム１００を起動する際、および、停止する際には、電気ヒータが動作される。

また、上記実施形態において、燃料電池システム１００が窒素供給部２１０を備える場合を例に挙げた。しかし、酸化雰囲気であっても劣化しない燃料電池本体１２０である場合には、窒素供給部２１０を省略することができる。この場合、窒素パージに代えて、空気パージを行う。

また、燃料電池システム１００の起動方法において、燃料電池本体１２０を外部から加熱（昇温）してもよい。また、密閉容器１１０内に伝熱抵抗体（シースヒータ）を備えてもよい。

また、電池温度センサ２７０に代えて、反応後ガス入口１８４ａの近傍の温度を計測する入口温度センサを備えてもよい。ただし、水蒸気生成部２０８が、反応後ガス入口１８４ａの近傍に設けられる場合、入口温度センサは、水蒸気生成部２０８によって熱交換される前の反応後ガスの温度を計測するとよい。

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、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」、目標８「すべての人々のための包摂的かつ持続可能な経済成長、雇用およびディーセント・ワークを推進する」、目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」、目標１３「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」に貢献することができる。

１００ 燃料電池システム
１１０ 密閉容器
１２０ 燃料電池本体
１２２ 燃料極
１２４ａ 燃料ガス供給口
１２４ｂ アノードオフガス排気口
１２６ 空気極
１２８ 電解質
１３０ 燃料供給部
１５０ アンモニア分解器
１５２ 燃料管
１６０ 酸素含有ガス供給部
１８０ 熱交換器
１８２ 空気流路
１８２ｂ 空気出口
１８４ｂ 反応後ガス出口
１９０ 酸素含有ガス供給管
２００ 凝縮器
２０４ 水供給部
２０８ 水蒸気生成部

Claims (5)

1. 密閉容器と、
   前記密閉容器内に設けられ、燃料極、空気極、燃料ガス供給口、および、前記密閉容器の内部空間に臨むアノードオフガス排気口を少なくとも有する燃料電池本体と、
   前記密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、
   前記密閉容器内に設けられ、前記燃料ガス供給口と前記アンモニア分解器とを連通する燃料管と、
   アンモニアを少なくとも含む原料ガスを前記アンモニア分解器に供給する燃料供給部と、
   前記密閉容器内に設けられ、酸素を少なくとも含む酸素含有ガスおよびカソードオフガスのうちのいずれか一方または両方ならびにアノードオフガスが反応することによって生じる反応後ガスと、前記酸素含有ガスとを熱交換させる熱交換器と、
   前記密閉容器内に設けられ、前記熱交換器における前記酸素含有ガスの出口に接続され、開口が前記空気極に臨む酸素含有ガス供給管と、
   前記酸素含有ガスを前記熱交換器に供給する酸素含有ガス供給部と、
   前記熱交換器を通過する前記酸素含有ガスに水を供給する水供給部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記熱交換器から排気された前記反応後ガスを冷却して水を生成する凝縮器を備え、
   前記水供給部は、前記凝縮器において生成された水を供給する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 水を水蒸気とする水蒸気生成部を備え、
   前記水供給部は、前記水蒸気生成部によって生成された水蒸気を供給する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記アンモニア分解器は、前記アノードオフガス排気口に対向する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記アンモニア分解器は、前記反応後ガスが有する熱を回収する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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