JP6996181B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、例えば特許文献１に記載されている技術が知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムは、水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池と、燃料ガスのアンモニアを吸着する吸着器と、アンモニアを改質して燃料ガスを発生する改質装置と、液体状態のアンモニアを貯留する貯留タンクと、貯留タンクと改質装置との間に設けられ、液体状態のアンモニアを改質装置に供給するポンプと、改質装置に空気を供給するポンプと、燃料電池に空気を供給するポンプとを備えている。

特開２０１１－１４６１７５号公報

ところで、燃料電池システムの吸着器は、吸着材に吸着されたアンモニアの量が多くなると性能が低下する。このため、吸着材からアンモニアを除去する（吸着材を再生する）必要がある。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池から排出されるガスを回収し、このガスに含まれる水素を吸着器内で吸着されたアンモニアに衝突させることにより、吸着器の吸着材を再生する。しかしながら、再生に熱量が必要となる吸着材が用いられる場合、吸着材を再生することが困難となる場合がある。この場合、吸着材を再生するためにヒータ等を用いて吸着材を加熱する必要があるので、システム効率が悪い。

本発明は、吸着材の再生に熱量が必要となる場合でも吸着材を再生することができると共に、システム効率の向上を図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する。

本発明の一側面に係る燃料電池システムは、液体状態のアンモニアを貯蔵するタンクと、タンクから供給された液体状態のアンモニアを気化させる気化器と、気化器により気化されたアンモニアを改質して改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを冷却する熱交換器と、熱交換器により冷却された改質ガスに含まれるアンモニアを吸着する吸着材を有し、燃料ガスを生成する複数の吸着器と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、改質器に空気を供給する空気供給部と、アンモニアを吸着した吸着材を再生する再生用ガスを複数の吸着器に供給する再生用ガス供給部と、熱交換器を通過した改質ガスの供給先を複数の吸着器のうち何れかの吸着器に切り替えると共に、再生用ガスの供給先を複数の吸着器のうち他の吸着器に切り替える切替弁と、切替弁を制御する制御部と、を備え、改質器は、気化器により気化されたアンモニアを水素に分解する改質触媒を含む改質層と、空気供給部から空気が供給されると共に、気化器により気化されたアンモニアを燃焼する燃焼触媒を含む燃焼層と、を有し、改質層と燃焼層とは、燃焼層で発生する熱が改質層に伝熱するように積層され、再生用ガスは、燃焼層で発生する熱を熱源とした流体であり、吸着器は、燃焼層で発生する熱を熱源とした再生用ガスを用いて吸着材を再生し、制御部は、複数の吸着器のうち何れかの吸着器に改質ガスが導入されて燃料ガスが生成されると共に、複数の吸着器のうち他の吸着器に再生用ガスが導入さて吸着材が再生されるように、切替弁を制御する。

この燃料電池システムでは、改質器の燃焼層で発生する熱を熱源とした再生用ガスを用いて吸着材を再生する。再生用ガスは、燃焼層におけるアンモニアの燃焼によって加熱されている。このように、加熱された再生用ガスが吸着器に導入されるので、再生に熱量が必要となる吸着材が用いられる場合であっても、吸着材を再生することができる。また、燃焼層におけるアンモニアの燃焼によって発生する熱を利用して吸着材を再生するので、システム効率の向上を図ることができる。

再生用ガス供給部は、改質器の燃焼層であり、再生用ガスは、燃焼層から排出される排出ガスであってもよい。この構成によれば、排出ガスが吸着器に導入されるので、再生に熱量が必要となる吸着材が用いられる場合であっても、吸着材を再生することができる。また、排出ガス自体を吸着材の再生に用いるので、システム構成の簡素化を図ることができる。

燃料電池システムは、改質器と吸着器との間に配置された他の熱交換器を更に備え、他の熱交換器は、改質器の燃焼層から排出される排出ガスと空気供給部から供給される空気とを熱交換することで空気を加熱し、再生用ガス供給部は、他の熱交換器であり、再生用ガスは、他の熱交換器を通過した空気であってもよい。この構成によれば、排出ガスによって加熱された空気が吸着器に導入されるので、再生に熱量が必要となる吸着材が用いられる場合であっても、吸着材を再生することができる。また、排出ガスからの廃熱を利用して空気が加熱されるので、システム効率の向上を図ることができる。

燃料電池システムは、熱交換器に冷却水を供給する流路と、熱交換器を通過した冷却水を気化器に供給する流路と、を更に備え、熱交換器は、改質ガスと冷却水とを熱交換することで改質ガスを冷却し、気化器は、熱交換器を通過した冷却水と液体状態のアンモニアとを熱交換することで液体状態のアンモニアを気化させてもよい。この構成によれば、熱交換器において改質ガスの熱によって冷却水が加熱される。気化器においては、加熱された冷却水の熱によって、液体状態のアンモニアを気化する。このように、改質ガスからの廃熱を利用してアンモニアが気化されるので、システム効率の更なる向上を図ることができる。

燃料電池システムは、冷却水を燃料電池に供給する流路を更に備えてもよい。この構成によれば、燃料電池に冷却水が供給され、冷却水によって燃料電池が冷却される。したがって、燃料電池を冷却するための冷却系を別途設ける必要がないので、燃料電池システムのコストを低減することができる。

本発明によれば、吸着材の再生に熱量が必要となる場合でも吸着材を再生することができると共に、システム効率の向上を図ることが可能な燃料電池システムが提供される。

一実施形態に係る燃料電池システムを示すシステム構成図である。 図１の改質器を概略的に示す斜視図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 （ａ）は図２の改質器の改質層を概略的に示す図であり、（ｂ）は図２の改質器の燃焼層を概略的に示す図である。 図１の吸着器の構造を概略的に示す図である。 図１の燃料電池システムの変形例を示すシステム構成図である。 図１の燃料電池システムの他の変形例を示すシステム構成図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示すシステム構成図である。図１に示される燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車又は家庭用燃料電池に用いられ得る。燃料電池システム１は、アンモニアを貯蔵するタンク１０と、アンモニアを気化させる気化器２０と、気化されたアンモニアを改質して改質ガスを生成する改質器３０と、改質ガスを冷却する熱交換器４０と、改質ガスから燃料ガスを生成する複数の吸着器（第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂ）と、燃料ガスを用いて発電する燃料電池６０と、改質器３０に空気を供給する空気供給部７０と、複数の吸着器である第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂをそれぞれ切り替える切替弁８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄと、切替弁８０Ａ～８０Ｄを制御する制御部９０と、を備えている。

タンク１０は、アンモニアを液体状態で貯蔵するアンモニアタンクである。タンク１０は、例えば常温（２０℃～２５℃程度）且つ数気圧（８気圧～１０気圧程度）でアンモニアを貯蔵する。タンク１０では、アンモニアを気体ではなく液体状態で貯蔵するので、アンモニアを効率よく貯蔵することができる。これにより、燃料電池システム１の稼働時間を長くすることができる。また、タンク１０へのアンモニアの補充を容易に行うことができる。

気化器２０は、タンク１０の下流に設けられており、アンモニア供給管Ｌ１によってタンク１０と接続されている。気化器２０とタンク１０との間には、アンモニアを気化器２０内に導入するためのポンプＰ１が配置されている。気化器２０は、例えば液体状態のアンモニアを加熱することにより、液体状態のアンモニアを気化させる。

改質器３０は、気化器２０の下流に設けられており、アンモニアガス供給管Ｌ２を介して気化器２０と接続されている。アンモニアガス供給管Ｌ２は、改質器３０側において２つの管部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂに分岐している。一方の管部Ｌ２ａは後述する改質器３０の改質層３０ａに接続され、他方の管部Ｌ２ｂは後述する改質器３０の燃焼層３０ｂに接続されている。管部Ｌ２ａ上には、改質層３０ａに導入されるアンモニアガスの量を調整するインジェクタＩ１が設けられている。管部Ｌ２ｂ上には、燃焼層３０ｂに導入されるアンモニアガスの量を調整するインジェクタＩ２が設けられている。また、インジェクタＩ２の下流において、管部Ｌ２ｂは空気供給管Ｌ３を介して空気供給部７０と接続されている。なお、燃料電池システム１は、インジェクタＩ１，Ｉ２に代えてマスフローコントローラ等を備えてもよい。また、燃料電池システム１はインジェクタＩ１，Ｉ２を備えていなくてもよい。

次に、図２～図４を参照して、改質器３０について説明する。図２は、図１の改質器を概略的に示す斜視図である。図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図４（ａ）は、図２の改質器の改質層を概略的に示す図であり、図４（ｂ）は、図２の改質器の燃焼層を概略的に示す図である。

改質器３０は、熱交換方式の改質器である。改質器３０は、気化したアンモニアを改質することで、水素を含有する改質ガスを生成する。図２～図４に示されるように、改質器３０は、気化器２０により気化されたアンモニアを水素に分解する改質触媒を含む複数の改質層３０ａと、気化器２０により気化されたアンモニアを燃焼する燃焼触媒を含む複数の燃焼層３０ｂと、２つのガス導入口３２ａ，３２ｂと、２つのガス排出口３３ａ，３３ｂと、を有している。改質層３０ａと燃焼層３０ｂとは、燃焼層３０ｂで発生する熱が改質層３０ａに伝熱するように、仕切り板３１を介して交互に積層されている。改質層３０ａと燃焼層３０ｂとは互いに独立した空間となっており、改質層３０ａに導入されたガスと燃焼層３０ｂに導入されたガスとは混合しない構成とされている。

ガス導入口３２ａ及びガス排出口３３ａは、複数の改質層３０ａのそれぞれに連通している。また、ガス導入口３２ｂ及びガス排出口３３ｂは、複数の燃焼層３０ｂのそれぞれに連通している。ガス導入口３２ａはアンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ａ（図１参照）に接続され、ガス導入口３２ｂはアンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ｂ（図１参照）に接続されている。ガス排出口３３ａは改質ガス供給管Ｌ４（図１参照）に接続され、ガス排出口３３ｂは排出ガス供給管Ｌ５（図１参照）に接続されている。

改質層３０ａの内部及び燃焼層３０ｂの内部には、例えばフィン構造体３４が配置されている。フィン構造体３４は、改質層３０ａの内部及び燃焼層３０ｂの内部を複数の流路に分割している。また、改質層３０ａ内には、改質触媒を担持するペレット状の改質触媒担持体３５ａが充填されている。燃焼層３０ｂ内には、燃焼触媒を担持するペレット状の燃焼触媒担持体３５ｂが充填されている。なお、改質層３０ａ内に改質触媒担持体３５ａを充填せず、改質層３０ａ内のフィン構造体３４に直接改質触媒を塗布してもよい。同様に、燃焼層３０ｂ内に燃焼触媒担持体３５ｂを充填せず、燃焼層３０ｂ内のフィン構造体３４に直接燃焼触媒を塗布してもよい。また、フィン構造体３４の形状は特に限定されず、適宜変更可能である。

改質層３０ａには、アンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ａからアンモニアガスが供給される。アンモニアガスは、ガス導入口３２ａを通過してそれぞれの改質層３０ａに導入される。改質層３０ａに導入されたアンモニアは、燃焼層３０ｂで発生した熱及び改質触媒によって水素及び窒素に分解される。より具体的には、下記の式のように、アンモニアの分解反応が起こり（吸熱反応）、水素がリッチな状態の改質ガスが生成される。なお、改質ガスには少量のアンモニアが含まれていてもよい。改質ガスに含まれる水素の比率は約７５％程度である。改質触媒としては、例えばルテニウム（Ｒｕ）又はロジウム（Ｒｈ）等が用いられ得る。それぞれの改質層３０ａで生成された改質ガスは、ガス排出口３３ａを通過して改質ガス供給管Ｌ４に供給される。
ＮＨ_３→３／２Ｈ_２＋１／２Ｎ_２

燃焼層３０ｂには、アンモニアガス供給管Ｌ２の管部Ｌ２ｂからアンモニアガス及び空気が供給される。アンモニアガス及び空気は、ガス導入口３２ｂを通過してそれぞれの燃焼層３０ｂに導入される。燃焼層３０ｂでは、アンモニアを酸化させることで熱を発生させる。より具体的には、下記の式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、そのアンモニアの酸化反応により熱が発生する（発熱反応）。この反応により、窒素、酸素、及び水を含む排出ガスが生成される。燃焼触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）又はロジウム（Ｒｈ）等が用いられ得る。それぞれの燃焼層３０ｂで生成された排出ガスは、ガス排出口３３ｂを通過して排出ガス供給管Ｌ５に供給される。
ＮＨ_３＋３／４Ｏ_２→１／２Ｎ_２＋３／２Ｈ_２Ｏ

なお、改質器３０は、燃料電池システム１の起動運転時にアンモニアを分解するための熱を発生させるヒータ部を有していてもよい。

図１に戻り、熱交換器４０は、改質器３０の下流に設けられており、改質ガス供給管Ｌ４を介して改質器３０と接続されている。熱交換器４０には、改質器３０の改質層３０ａで生成された改質ガスが導入される。また、熱交換器４０には、冷却水が供給される。熱交換器４０では、改質ガスと冷却水とを熱交換することにより、改質ガスを冷却する。冷却水は、改質ガスによって加熱される。これにより、熱交換器４０を通過した改質ガスは、５００℃～６００℃程度から３０℃～１００℃程度まで冷却される。

冷却水は、冷却水供給管（流路）Ｌ６を介して熱交換器４０に導入される。冷却水供給管Ｌ６上には、冷却水を冷却するためのラジエータ１００及び冷却水を熱交換器４０に向けて送り出すポンプＰ２が配置されている。熱交換器４０を通過して加熱された冷却水は、冷却水供給管（流路）Ｌ７を介して気化器２０に導入される。熱交換器４０によって加熱された冷却水の熱は、気化器２０において液体状態のアンモニアを効率よく気化させるために利用される。気化器２０を通過した冷却水は冷却水供給管Ｌ７上のラジエータ１００によって冷却され、再び熱交換器４０に導入される。すなわち、冷却水は、冷却水供給管Ｌ６及び冷却水供給管Ｌ７を介して、熱交換器４０、気化器２０、及びラジエータ１００の間を循環している。

第１吸着器５０Ａは、熱交換器４０の下流に設けられており、改質ガス供給管Ｌ８を介して熱交換器４０と接続されている。第１吸着器５０Ａは、改質ガスに含まれる少量のアンモニアを除去することにより、高純度の水素ガスである燃料ガスを生成する。燃料ガスに含まれる水素ガスの比率は、約７５％程度である。第１吸着器５０Ａで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管Ｌ９を介して燃料電池６０に導入される。

図５に示されるように、第１吸着器５０Ａは、改質ガスに含まれるアンモニアを吸着するための吸着材５１を有している。吸着材５１は、例えば多数の細孔を有する多孔体であり、静電相互作用等によってアンモニアを細孔に吸着させる。また、吸着材５１は化学的結合によってアンモニアを吸着してもよい。吸着材５１としては、例えば活性炭の多孔体、アルミナ、又はゼオライト等が用いられ得る。

再び図１に戻り、第２吸着器５０Ｂは、第１吸着器５０Ａと同様に熱交換器４０の下流に設けられており、改質ガス供給管Ｌ８を介して熱交換器４０と接続されている。第２吸着器５０Ｂは、第１吸着器５０Ａに対して並列に配置されている。第２吸着器５０Ｂは、第１吸着器５０Ａと同様に吸着材５１を有しており、改質ガスに含まれるアンモニアを除去することにより、高純度の水素ガスである燃料ガスを生成する。第２吸着器５０Ｂで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管Ｌ９を介して燃料電池６０に導入される。

改質ガス供給管Ｌ８上には、切替弁８０Ａが設けられている。切替弁８０Ａは、例えば三方弁であり、熱交換器４０と第１吸着器５０Ａとの接続、及び、熱交換器４０と第２吸着器５０Ｂとの接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ａは、熱交換器４０から供給される改質ガスが第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに導入されるように、改質ガス供給管Ｌ８を切り替える。

燃料ガス供給管Ｌ９上には、切替弁８０Ｂが設けられている。切替弁８０Ｂは、例えば三方弁であり、第１吸着器５０Ａと燃料電池６０との接続、及び、第２吸着器５０Ｂと燃料電池６０との接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ｂは、第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂから供給される燃料ガスが燃料電池６０に導入されるように、燃料ガス供給管Ｌ９を切り替える。

また、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂは、排出ガス供給管Ｌ５を介して改質器３０の燃焼層３０ｂと接続されている。改質器３０の燃焼層３０ｂから排出された高温の排出ガスは、排出ガス供給管Ｌ５を介して第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに供給される。燃焼層３０ｂから排出された排出ガスの温度は、例えば５００℃～６００℃程度である。第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂは、吸着材５１に吸着されたアンモニアの量が多くなると性能が低下する。このため、吸着材５１からアンモニアを除去する（吸着材５１を再生する）必要がある。燃料電池システム１では、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガスの熱を用いて第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの吸着材５１を再生する。すなわち、燃料電池システム１では、燃焼層３０ｂは、アンモニアを吸着した吸着材５１を再生する再生用ガスを第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂに供給する再生用ガス供給部として機能する。第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂを通過した排出ガスは、排出管Ｌ１０を介して燃料電池システム１の外部に排出される。なお、再生用ガスは燃焼層３０ｂで発生する熱を熱源とした流体であり、ここでは排出ガスが再生用ガスとして用いられる。

排出ガス供給管Ｌ５上には、切替弁８０Ｃが設けられている。切替弁８０Ｃは、例えば三方弁であり、改質器３０の燃焼層３０ｂと第１吸着器５０Ａとの接続、及び、改質器３０の燃焼層３０ｂと第２吸着器５０Ｂとの接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ｃは、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出された排出ガスが第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに導入されるように、排出ガス供給管Ｌ５を切り替える。

このように、切替弁８０Ａ，８０Ｃは、熱交換器４０を通過した改質ガスの供給先を複数の吸着器のうち何れかの吸着器に切り替えると共に、排出ガス（再生用ガス）の供給先を複数の吸着器のうち他の吸着器に切り替える。

排出管Ｌ１０上には、切替弁８０Ｄが設けられている。切替弁８０Ｄは、例えば三方弁であり、第１吸着器５０Ａと燃料電池システム１の外部との接続、及び、第２吸着器５０Ｂと燃料電池システム１の外部との接続を切り替える。すなわち、切替弁８０Ｄは、第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂから排ガスが燃料電池システム１の外部に排出されるように、排出管Ｌ１０を切り替える。

切替弁８０Ａ～８０Ｄは、制御部９０によって制御される。制御部９０は、複数の吸着器のうち何れかの吸着器に改質ガスが導入されて燃料ガスが生成されると共に、複数の吸着器のうち他の吸着器に排出ガス（再生用ガス）が導入されて吸着材５１が再生されるように、切替弁８０Ａ～８０Ｄを制御する。

例えば、制御部９０は、切替弁８０Ａによって熱交換器４０と第１吸着器５０Ａとを接続し、改質ガスを第１吸着器５０Ａに導入して燃料ガスを生成する場合には、切替弁８０Ｃによって改質器３０の燃焼層３０ｂと第２吸着器５０Ｂとを接続し、排出ガスを第２吸着器５０Ｂに導入して第２吸着器５０Ｂの吸着材５１を再生する。このとき、制御部９０は、第１吸着器５０Ａと燃料電池６０とが接続されるように切替弁８０Ｂを制御する。すなわち、制御部９０は、第１吸着器５０Ａで生成された燃料ガスが燃料電池６０に導入されるように切替弁８０Ｂを切り替える。また、制御部９０は、第２吸着器５０Ｂを通過した排出ガスが外部に排出されるように、切替弁８０Ｄを制御する。

反対に、制御部９０は、切替弁８０Ａによって熱交換器４０と第２吸着器５０Ｂとを接続し、改質ガスを第２吸着器５０Ｂに導入して燃料ガスを生成する場合には、切替弁８０Ｃによって改質器３０の燃焼層３０ｂと第１吸着器５０Ａとを接続し、排出ガスを第１吸着器５０Ａに導入して第１吸着器５０Ａの吸着材５１を再生する。このとき、制御部９０は、第２吸着器５０Ｂで生成された燃料ガスが燃料電池６０に導入されるように切替弁８０Ｂを制御する。また、制御部９０は、第１吸着器５０Ａを通過した排出ガスが外部に排出されるように、切替弁８０Ｄを制御する。このように、制御部９０が一方の吸着器で燃料ガスを生成している間に他方の吸着器の吸着材５１を再生するように切替弁８０Ａ～８０Ｄを制御することにより、燃料電池６０に燃料ガスを継続して供給することができる。

燃料電池６０は、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの下流に設けられており、燃料ガス供給管Ｌ９を介して第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂと接続されている。また、燃料電池６０は、空気供給管Ｌ１１を介して空気供給部７０と接続されている。燃料電池６０は、第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂから供給された燃料ガスと、空気供給管Ｌ１１を介して空気供給部７０から供給された空気とを用いて発電を行う。燃料電池６０としては、例えば固体高分子形の燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer electrolyte Fuel Cell）が用いられ得る。なお、燃料電池６０は固体高分子形に限定されず、固体酸化物形又はアルカリ形の燃料電池等であってもよい。

空気供給部７０には、空気供給管Ｌ３，Ｌ１１が接続されている。空気供給部７０は、空気供給管Ｌ３，Ｌ１１を介して、それぞれ改質器３０、燃料電池６０に空気を供給する。

以上説明したように、燃料電池システム１では、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガスを用いて吸着材５１を再生する。排出ガスは、燃焼層３０ｂにおけるアンモニアの燃焼によって加熱されている。このように、加熱された排出ガスが第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに導入されるので、再生に熱量が必要となる吸着材５１が用いられる場合であっても、吸着材５１を再生することができる。また、燃焼層３０ｂにおけるアンモニアの燃焼によって発生する廃熱を利用して吸着材５１を再生するので、システム効率の向上を図ることができる。

また、燃料電池システム１では、再生用ガス供給部は改質器３０の燃焼層３０ｂであり、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガス自体を吸着材５１の再生に用いるので、システム構成の簡素化を図ることができる。

また、燃料電池システム１は、熱交換器４０に冷却水を供給する冷却水供給管（流路）Ｌ６と、熱交換器４０を通過した冷却水を気化器２０に供給する冷却水供給管（流路）Ｌ７と、を更に備え、熱交換器４０は、改質ガスと冷却水とを熱交換することで改質ガスを冷却し、気化器２０は、熱交換器４０を通過した冷却水と液体状態のアンモニアとを熱交換することで液体状態のアンモニアを気化させる。この構成によれば、熱交換器４０において改質ガスの熱によって冷却水が加熱される。気化器２０においては、加熱された冷却水の熱によって、液体状態のアンモニアを気化する。このように、改質ガスからの廃熱を利用してアンモニアが気化されるので、システム効率の更なる向上を図ることができる。

また、燃料電池システム１の改質器３０は、気化されたアンモニアを水素に分解する改質触媒を含む改質層３０ａと、気化されたアンモニアを燃焼する燃焼触媒を含む燃焼層３０ｂと、を有しており、改質層３０ａと燃焼層３０ｂとは互いに独立した空間である。このような改質器３０では、燃焼層３０ｂのみにアンモニアを酸化させるための空気が導入され、改質ガスを生成する改質層３０ａにはアンモニアのみが導入される。したがって、空気中に含まれる窒素及びアルゴン等の不純物が改質ガスに混入することを抑制できる。よって、改質ガス及び燃料ガスに含まれる水素の比率を高めることができる。その結果、燃料電池６０の出力を十分に得ることができる。また、アルゴン等の不純物によって燃料電池６０の電極等が劣化することを抑制できる。

次に、図６を参照して、変形例に係る燃料電池システム２について説明する。図６は、図１の燃料電池システムの変形例を示すシステム構成図である。図６に示されるように、燃料電池システム２は、燃料電池システム１と同様に、タンク１０と、気化器２０と、改質器３０と、熱交換器４０と、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂと、燃料電池６０と、空気供給部７０と、複数の切替弁８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄと、制御部９０と、を備えている。

燃料電池システム２が燃料電池システム１と相違する点は、熱交換器４０に加え、改質器の下流に設けられた他の熱交換器４１を更に備える点である。熱交換器４１は、排出ガス供給管Ｌ５を介して改質器３０の燃焼層３０ｂと接続されている。熱交換器４１には、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガスが導入される。また、熱交換器４１は、空気供給管Ｌ１２を介して空気供給部７０と接続されている。熱交換器４１には、空気供給部７０から空気が供給される。熱交換器４１では、排出ガスと空気とを熱交換することにより、導入された空気を加熱する。加熱された空気は、空気供給管Ｌ１３を介して第１吸着器５０Ａ又は第２吸着器５０Ｂに供給される。改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガスにより加熱された空気は、改質器３０の燃焼層３０ｂで発生する熱を熱源とした再生用ガスとして用いられる。すなわち、燃料電池システム２では、熱交換器４１は、アンモニアを吸着した吸着材５１を再生する再生用ガスを第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂに供給する再生用ガス供給部として機能する。熱交換器４１を通過した排出ガスは、排出管Ｌ１４を介して燃料電池システム２の外部に排出される。

以上説明したように、変形例に係る燃料電池システム２では、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガスによって空気を加熱し、加熱された空気によって吸着材５１を再生する。このように、燃料電池システム２においては、加熱された空気を用いて吸着材５１を再生するので、再生に熱量が必要となる吸着材５１が用いられる場合であっても、吸着材５１を再生することができる。また、排出ガスからの廃熱を利用して空気が加熱されるので、システム効率の向上を図ることができる。

また、排出ガスの熱によって空気を加熱し、加熱された空気によって吸着材５１を再生することにより、排出ガスに含まれる水が第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂに供給されることを抑制できる。したがって、排出ガスに含まれる水によって吸着材５１の性能が劣化することを抑制できる。

次に、図７を参照して変形例に係る燃料電池システム３について説明する。図７は、図１の燃料電池システム１の他の変形例を示すシステム構成図である。図７に示されるように、変形例に係る燃料電池システム３は、燃料電池システム１と同様に、タンク１０と、気化器２０と、改質器３０と、熱交換器４０と、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂと、燃料電池６０と、空気供給部７０と、複数の切替弁８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄと、制御部９０と、を備えている。

燃料電池システム３が燃料電池システム１と相違する点は、冷却水を燃料電池６０に供給する冷却水供給管（流路）Ｌ１５を更に備える点である。ラジエータ１００及びポンプＰ２は、冷却水供給管Ｌ１５上に設けられている。燃料電池６０を通過した冷却水は、冷却水供給管Ｌ６を介して熱交換器４０に導入される。すなわち、冷却水は、冷却水供給管Ｌ６，Ｌ７，Ｌ１５を介して、燃料電池６０、熱交換器４０、気化器２０、及びラジエータ１００の間を循環している。

以上説明したように、変形例に係る燃料電池システム３においても、改質器３０の燃焼層３０ｂから排出される排出ガスを用いて吸着材５１を再生する。したがって、燃料電池システム３においても、燃料電池システム１と同様の効果を得ることができる。

また、燃料電池システム３は、冷却水を燃料電池６０に供給する冷却水供給管Ｌ１５を更に備えている。これにより、燃料電池６０に冷却水が供給され、冷却水によって燃料電池６０が冷却される。したがって、燃料電池６０を冷却するための冷却系を別途設ける必要がないので、燃料電池システム３のコストを低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、上記の実施形態では、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの２つの吸着器を備える例について説明したが、吸着器の数は３つ以上であってもよい。例えば、燃料電池システムが３つの吸着器を備える場合には、２つの吸着器によって燃料ガスを生成し、他の１つの吸着器の吸着材５１を再生してもよい。また、１つの吸着器によって燃料ガスを生成し、他の２つの吸着器の吸着材５１を再生してもよい。

また、上記の実施形態では、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの切り替えを行うために４つの切替弁８０Ａ～８０Ｄを用いる例について説明したが、第１吸着器５０Ａ及び第２吸着器５０Ｂの切り替えを行うための切替弁の構成は特に限定されず、適宜変更可能である。また、切替弁８０Ａ～８０Ｄは三方弁でなくてもよい。

また、上記の実施形態では、燃料電池システム１が冷却水供給管Ｌ６，Ｌ７、ラジエータ１００、及びポンプＰ２を含む冷却系を備える例について説明したが、燃料電池システム１はこのような冷却系を備えていなくてもよい。

１，２，３…燃料電池システム、１０…タンク、２０…気化器、３０…改質器、３０ａ…改質層、３０ｂ…燃焼層（再生用ガス供給部）、４０…熱交換器、４１…熱交換器（他の熱交換器、再生用ガス供給部）、５０Ａ…第１吸着器（吸着器）、５０Ｂ…第２吸着器（吸着器）、５１…吸着材、６０…燃料電池、７０…空気供給部、８０Ａ，８０Ｂ，８０Ｃ，８０Ｄ…切替弁、９０…制御部、Ｌ６，Ｌ７，Ｌ１５…冷却水供給管（流路）。

Claims (3)

1. 液体状態のアンモニアを貯蔵するタンクと、
   前記タンクから供給された液体状態のアンモニアを気化させる気化器と、
   前記気化器により気化されたアンモニアを改質して改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器により冷却された前記改質ガスに含まれる前記アンモニアを吸着する吸着材を有し、燃料ガスを生成する複数の吸着器と、
   前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記改質器に空気を供給する空気供給部と、
   前記アンモニアを吸着した吸着材を再生する再生用ガスを複数の吸着器に供給する再生用ガス供給部と、
   前記熱交換器を通過した前記改質ガスの供給先を前記複数の吸着器のうち何れかの吸着器に切り替えると共に、前記再生用ガスの供給先を前記複数の吸着器のうち他の吸着器に切り替える切替弁と、
   前記切替弁を制御する制御部と、
   を備え、
   前記改質器は、
   前記気化器により気化されたアンモニアを水素に分解する改質触媒を含む改質層と、
   前記空気供給部から前記空気が供給されると共に、前記気化器により気化されたアンモニアを燃焼する燃焼触媒を含む燃焼層と、を有し、
   前記改質層と前記燃焼層とは、前記燃焼層で発生する熱が前記改質層に伝熱するように積層され、
   前記再生用ガス供給部は、前記改質器の前記燃焼層であり、
   前記再生用ガスは、前記燃焼層で発生する熱を熱源とした流体として、前記燃焼層から排出される窒素、酸素及び水を含む排出ガスであり、
   前記制御部は、前記複数の吸着器のうち何れかの吸着器に前記改質ガスが導入されて前記燃料ガスが生成されると共に、前記複数の吸着器のうち他の吸着器に前記再生用ガスが導入されて前記吸着材が再生されるように、前記切替弁を制御する、燃料電池システム。
2. 前記熱交換器に冷却水を供給する流路と、
   前記熱交換器を通過した冷却水を前記気化器に供給する流路と、を更に備え、
   前記熱交換器は、前記改質ガスと冷却水とを熱交換することで前記改質ガスを冷却し、 前記気化器は、前記熱交換器を通過した冷却水と前記液体状態のアンモニアとを熱交換することで前記液体状態のアンモニアを気化させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却水を前記燃料電池に供給する流路を更に備える、請求項２に記載の燃料電池システム。

Images