JP7234663B2 - 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

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。

都市ガスを燃料として発電する燃料電池システムが普及し始めている。このような燃料電池システムは、燃料ガス供給部、水供給部、気化器、改質器、および、燃料電池本体を備える（例えば、特許文献１）。

燃料ガス供給部は、都市ガスを改質器に供給する。水供給部は、水を気化器に供給する。気化器は、水を気化させる。改質器は、気化器によって気化された水（水蒸気）によって都市ガスを水蒸気改質して水素を生成する。燃料電池本体は、改質器によって生成された水素を燃料として発電する。

特開２０１０－１７０９００号公報

ところで、近年、燃料電池システムの燃料としてアンモニアが注目されている。アンモニアは、燃焼させても二酸化炭素が発生しない。また、アンモニアは、輸送が容易であり、かつ、水素密度が高い。そこで、上記特許文献１のような燃料電池システムに、アンモニアを燃料として供給する構成が検討されている。

しかし、上記特許文献１のような燃料電池システムに、そのままアンモニアを供給すると、燃料電池本体から窒素酸化物が排気されるおそれがある。

本開示は、このような課題に鑑み、窒素酸化物の排気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、燃料極にアンモニアを供給するアンモニア供給部と、燃料極に窒素を供給する窒素供給部と、燃料極に水素を供給する水素供給部と、空気極に空気を供給する空気供給部と、燃料極から排気されるアノードオフガスと、空気極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と、オフガス燃焼器から排気された排気ガスの温度を調整する温度調整部と、オフガス燃焼器から排気された排気ガスが導入され、脱硝触媒が配される脱硝部と、を備え、アンモニア供給部は、脱硝部にアンモニアを供給する。

また、窒素供給部は、燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度未満である場合に、窒素を供給してもよい。

また、水素供給部は、燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度以上であり、発電下限温度より高い通常運転温度未満である場合に、水素を供給してもよい。

また、燃料電池システムは、空気を加熱する空気加熱器を備え、空気供給部は、空気加熱器によって加熱された空気を空気極に供給してもよい。

また、燃料電池システムは、燃料電池本体を収容する断熱容器を備えてもよい。

また、燃料電池システムは、オフガス燃焼器から排出される排気ガスが有する熱を回収する熱回収器を備えてもよい。

また、燃料電池システムは、オフガス燃焼器から排気された排気ガス、および、脱硝部から排気された排気ガスのいずれか一方または両方に含まれる窒素酸化物の濃度を測定する濃度測定部と、濃度測定部による測定結果に基づいて、アンモニア供給部が供給するアンモニアの量を制御するアンモニア制御部と、を備えてもよい。

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、燃料電池本体を構成する燃料極に窒素を供給し、燃料電池本体を構成する空気極に加熱された空気を供給する工程と、燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度以上であるか否かを判定する工程と、発電下限温度以上であると判定した場合に、燃料電池本体を構成する空気極に空気を供給し、燃料極へ供給するガスを窒素から水素に切り換える工程と、燃料電池本体の温度が、発電下限温度より高い通常運転温度以上であるか否かを判定する工程と、通常運転温度以上であると判定した場合に、燃料極へ供給するガスを水素からアンモニアに切り換える工程と、を含む。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る他の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池本体を構成する燃料極へ供給するガスをアンモニアから水素に切り換える工程と、燃料電池本体を構成する空気極へ供給するガスを第１温度の空気から第１温度未満の空気に切り換える工程と、燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度未満であるか否かを判定する工程と、発電下限温度未満であると判定した場合に、燃料極へ供給するガスを水素から窒素に切り換える工程と、を含む。

本開示によれば、窒素酸化物の排気を抑制することが可能となる。

第１の実施形態の燃料電池システムを説明する図である。 燃料電池システムの起動処理を説明するフローチャートである。 燃料電池システムの停止処理を説明するフローチャートである。 第２の実施形態の燃料電池システム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。

［第１の実施形態：燃料電池システム１００］
図１は、第１の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、アンモニア供給部１２０と、窒素供給部１３０と、水素供給部１４０と、空気供給ユニット１５０と、アノード排気管１６０と、カソード排気管１６２と、オフガス燃焼器１７０と、第１熱交換器１８０と、第２熱交換器１８２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、開閉弁１３４、１４４、ブロワ１５２ｃ、流量調整弁１５２ｄ、１５８、空気加熱器１５４、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。

アンモニア供給部１２０は、燃料極１１２にアンモニアを供給する。本実施形態において、アンモニア供給部１２０は、アンモニア供給管１２２と、流量調整機構１２４とを含む。アンモニア供給管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、アンモニア供給管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。

窒素供給部１３０は、燃料極１１２に窒素を供給する。本実施形態において、窒素供給部１３０は、燃料電池本体１１０の温度が、所定の発電下限温度未満である場合に、燃料極１１２に窒素を供給する。発電下限温度は、燃料電池本体１１０が発電する最低温度である。発電下限温度は、例えば、２００℃以上４００℃未満である。

本実施形態において、窒素供給部１３０は、窒素供給管１３２と、開閉弁１３４と、分岐管１３６とを含む。窒素供給管１３２は、アンモニア供給管１２２における流量調整機構１２４と供給マニホールド１１２ａとの間と、窒素供給源１０４とを接続する。つまり、窒素供給管１３２は、アンモニア供給管１２２を介して、窒素供給源１０４と供給マニホールド１１２ａとを接続する。窒素供給源１０４は、例えば、窒素を貯留する高圧容器（例えば、１０ｋＰａＧ以上）、または、窒素が流れるユーティリティ配管である。

開閉弁１３４は、窒素供給管１３２に設けられる。分岐管１３６は、窒素供給管１３２における開閉弁１３４の下流側から分岐され、後述するアノード排気管１６０に接続される。また、窒素供給管１３２における開閉弁１３４の下流側、および、分岐管１３６には、所定開度に設定された流量調整弁（例えば、ニードル弁）、または、オリフィスが設けられる。

水素供給部１４０は、燃料極１１２に水素を供給する。本実施形態において、水素供給部１４０は、燃料電池本体１１０の温度が、上記発電下限温度以上であり、所定の通常運転温度未満である場合に水素を供給する。通常運転温度は、発電下限温度を上回り、燃料電池本体１１０が効率よく発電する温度である。通常運転温度は、例えば、６００℃以上８００℃以下である。

水素供給部１４０は、水素供給管１４２と、開閉弁１４４とを含む。水素供給管１４２は、アンモニア供給管１２２における流量調整機構１２４と供給マニホールド１１２ａとの間と、水素供給源１０６とを接続する。つまり、水素供給管１４２は、アンモニア供給管１２２を介して、水素供給源１０６と供給マニホールド１１２ａとを接続する。水素供給源１０６は、例えば、水素を貯留する高圧容器（例えば、１０ｋＰａＧ以上）、または、水素が流れるユーティリティ配管である。

開閉弁１４４は、水素供給管１４２に設けられる。また、水素供給管１４２における開閉弁１４４の下流側には、所定開度に設定された流量調整弁（例えば、ニードル弁）、または、オリフィスが設けられる。

空気供給ユニット１５０は、空気供給部１５２と、空気加熱器１５４と、分岐管１５６と、流量調整弁１５８とを含む。空気供給部１５２は、空気極１１４に空気を供給する。空気供給部１５２は、空気供給管１５２ａと、フィルタ１５２ｂと、ブロワ１５２ｃと、流量調整弁１５２ｄと、分岐管１５２ｅとを含む。空気供給管１５２ａは、一端が開放され、他端が後述する分岐管１５２ｅに接続される。つまり、空気供給管１５２ａは、分岐管１５２ｅ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１５２ｂは、空気供給管１５２ａに設けられる。フィルタ１５２ｂは、後述する筐体２５０内から空気供給管１５２ａ内に導入される空気を除塵する。ブロワ１５２ｃは、空気供給管１５２ａにおけるフィルタ１５２ｂの下流側に設けられる。ブロワ１５２ｃ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１５２ｄは、空気供給管１５２ａにおけるブロワ１５２ｃの下流側に設けられる。分岐管１５２ｅは、空気供給管１５２ａにおけるブロワ１５２ｃと流量調整弁１５２ｄとの間から分岐され、空気極１１４に接続される。

空気加熱器１５４は、例えば、電気ヒータで構成される。空気加熱器１５４は、空気供給管１５２ａにおける流量調整弁１５２ｄの下流側に設けられる。空気加熱器１５４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１５２は、空気加熱器１５４によって加熱された空気を空気極１１４に供給する。空気加熱器１５４は、燃料電池本体１１０の起動処理の際に駆動される。

分岐管１５６は、空気供給管１５２ａにおけるブロワ１５２ｃと分岐管１５２ｅ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１６２に接続される。流量調整弁１５８は、分岐管１５６に設けられる。

上記したように、アンモニア供給部１２０によって、アンモニア供給管１２２にアンモニアが供給されると、アンモニア供給管１２２、後述する第１熱交換器１８０、および、供給マニホールド１１２ａ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１５０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１６０は、排気マニホールド１１２ｂと後述するオフガス燃焼器１７０を接続する。カソード排気管１６２は、排気マニホールド１１４ｂとオフガス燃焼器１７０とを接続する。

オフガス燃焼器１７０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１７０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１７０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。

第１熱交換器１８０は、アンモニア供給管１２２を通過するアンモニアと、アノード排気管１６０を通過するアノードオフガスとを熱交換させる。第１熱交換器１８０は、アンモニアを加熱する。第１熱交換器１８０は、アノードオフガスを冷却する。

第２熱交換器１８２は、分岐管１５２ｅを通過する空気と、カソード排気管１６２を通過するカソードオフガスとを熱交換させる。第２熱交換器１８２は、空気を加熱する。第２熱交換器１８２は、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、第１熱交換器１８０、第２熱交換器１８２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１７０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、開閉弁１３４、１４４、ブロワ１５２ｃ、流量調整弁１５２ｄ、１５８、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、操作部２３０から出力された信号および燃料電池本体１１０の温度に基づいて、開閉弁１３４を開閉制御する。中央制御部２４０は、燃料電池本体１１０の温度に基づいて、開閉弁１４４を開閉制御する。中央制御部２４０は、オフガス燃焼器１７０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１５８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１５４を駆動し、流量調整弁１５２ｄ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、アンモニア供給部１２０、窒素供給部１３０、水素供給部１４０、空気供給ユニット１５０、アノード排気管１６０、カソード排気管１６２、オフガス燃焼器１７０、第１熱交換器１８０、第２熱交換器１８２、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、窒素供給源１０４、水素供給源１０６、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。

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。以下、まず、燃料電池システム１００の起動処理について説明し、続いて、燃料電池システム１００の停止処理について説明する。

［燃料電池システム１００の運転方法：起動処理］
図２は、燃料電池システム１００の起動処理を説明するフローチャートである。起動処理は、ユーザによって為される、運転開始に対応した操作入力を受け付けると開始される。図２に示すように、起動処理は、窒素供給工程Ｓ１１０、第１判定工程Ｓ１２０、水素切換工程Ｓ１３０、第２判定工程Ｓ１４０、アンモニア切換工程Ｓ１５０を含む。以下、各工程について説明する。

［窒素供給工程Ｓ１１０］
中央制御部２４０は、開閉弁１３４を開弁する。また、中央制御部２４０は、ブロワ１５２ｃおよび空気加熱器１５４の駆動を開始する。これにより、燃料電池本体１１０を構成する燃料極１１２に窒素が供給（パージ）され、燃料電池本体１１０を構成する空気極１１４に加熱された空気が供給される。

［第１判定工程Ｓ１２０］
中央制御部２４０は、燃料電池本体１１０の温度を測定する不図示の温度測定部による測定結果に基づき、燃料電池本体１１０の温度が、発電下限温度以上であるか否かを判定する。そして、中央制御部２４０は、発電下限温度以上ではないと判定した場合には第１判定工程Ｓ１２０を繰り返す。一方、中央制御部２４０は、発電下限温度以上であると判定した場合には水素切換工程Ｓ１３０に処理を移す。

［水素切換工程Ｓ１３０］
中央制御部２４０は、開閉弁１３４を閉弁する。また、中央制御部２４０は、開閉弁１４４を開弁する。これにより、燃料極１１２へ供給するガスが窒素から水素に切り換わる。

［第２判定工程Ｓ１４０］
中央制御部２４０は、温度測定部による測定結果に基づき、燃料電池本体１１０の温度が、通常運転温度以上であるか否かを判定する。そして、中央制御部２４０は、通常運転温度以上ではないと判定した場合には第２判定工程Ｓ１４０を繰り返す。一方、中央制御部２４０は、通常運転温度以上であると判定した場合にはアンモニア切換工程Ｓ１５０に処理を移す。

［アンモニア切換工程Ｓ１５０］
中央制御部２４０は、開閉弁１４４を閉弁する。また、中央制御部２４０は、流量調整機構１２４を駆動させ、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。つまり、アンモニア切換工程Ｓ１５０は、燃料極１１２へ供給するガスを水素からアンモニアに切り換える工程である。また、中央制御部２４０は、空気加熱器１５４を停止して、流量調整弁１５２ｄを閉弁する。

このように、起動処理が実行されることにより、通常運転が開始される。

［燃料電池システム１００の運転方法：停止処理］
図３は、燃料電池システム１００の停止処理を説明するフローチャートである。停止処理は、ユーザによって為される、運転停止に対応した操作入力を受け付けると開始される。図３に示すように、停止処理は、水素切換工程Ｓ２１０、判定工程Ｓ２２０、窒素切換工程Ｓ２３０、停止判定工程Ｓ２４０、停止工程Ｓ２５０を含む。以下、各工程について説明する。

［水素切換工程Ｓ２１０］
中央制御部２４０は、開閉弁１４４を開弁する。また、中央制御部２４０は、流量調整機構１２４の駆動を停止する。これにより、燃料極１１２へ供給されるガスがアンモニアから水素に切り換わる。

［判定工程Ｓ２２０］
中央制御部２４０は、温度測定部による測定結果に基づき、燃料電池本体１１０の温度が、発電下限温度未満であるか否かを判定する。そして、中央制御部２４０は、発電下限温度未満ではないと判定した場合には判定工程Ｓ２２０を繰り返す。一方、中央制御部２４０は、発電下限温度未満であると判定した場合には窒素切換工程Ｓ２３０に処理を移す。

［窒素切換工程Ｓ２３０］
中央制御部２４０は、開閉弁１３４を開弁する。また、中央制御部２４０は、開閉弁１４４を閉弁する。これにより、燃料極１１２へ供給されるガスが水素から窒素に切り換わる。また、中央制御部２４０は、ブロワ１５２ｃの駆動を停止する。

［停止判定工程Ｓ２４０］
中央制御部２４０は、燃料電池本体１１０の温度が所定の停止温度以下であるか否かを判定する。停止温度は、例えば、常温（２５℃）である。そして、中央制御部２４０は、停止温度以下ではないと判定した場合には停止判定工程Ｓ２４０を繰り返す。一方、中央制御部２４０は、停止温度以下であると判定した場合には停止工程Ｓ２５０に処理を移す。

［停止工程Ｓ２５０］
中央制御部２４０は、開閉弁１３４を閉弁し、ブロワ１５２ｃの駆動を停止する。

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１７０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１７０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、窒素供給部１３０を備える。これにより、燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法において、窒素供給部１３０は、燃料電池本体１１０が常温以上であり発電下限温度未満の間に燃料極１１２に窒素を供給することができる。したがって、常温以上であり発電下限温度未満の間に燃料極１１２に空気を供給する従来技術と比較して、燃料電池システム１００は、燃料極１１２の劣化（酸化）を防止することが可能となる。

また、燃料電池システム１００は、水素供給部１４０を備える。これにより、燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法において、水素供給部１４０は、燃料電池本体１１０が発電下限温度以上であり通常運転温度未満の間に燃料極１１２に水素を供給することができる。したがって、アノードオフガスにアンモニアが残存してしまう事態を回避することが可能となる。このため、燃料電池本体１１０が発電下限温度以上であり通常運転温度未満の間に燃料極１１２にアンモニアを供給する比較例と異なり、燃料電池システム１００は、オフガス燃焼器１７０から窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生してしまう事態を回避することができる。

また、燃料電池システム１００は、空気加熱器１５４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１７０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１７０で生じた燃焼排ガス（排気ガス）の顕熱を回収することが可能となる。

また、水素供給部１４０によって燃料電池本体１１０に水素が供給されている間（発電下限温度以上であり通常運転温度未満の間）、燃料電池本体１１０は、アンモニアが供給されている間よりも発電量が少ない。このため、燃料電池本体１１０に水素が供給されている間、アノードオフガスに含まれる水素量は、アンモニアが供給されている間より多い。そこで、燃料電池システム１００は、流量調整弁１５８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１７０において、混合ガス（アノードオフガス、カソードオフガス、および、空気）が爆発範囲外となるように、流量調整弁１５８の開度を調整する。これにより、オフガス燃焼器１７０において、混合ガスが爆発してしまう事態を回避することが可能となる。

また、アンモニア供給部１２０によって燃料電池本体１１０にアンモニア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１７０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１５８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１７０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１５８の開度を調整する。これにより、オフガス燃焼器１７０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、第１熱交換器１８０を備える。これにより、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可能となる。

また、燃料電池システム１００は、第２熱交換器１８２を備える。これにより、空気加熱器１５４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で生じた熱の外部への流出を抑制することができる。また、第１熱交換器１８０は、アノードオフガスの顕熱のみならず、燃料電池本体１１０の輻射熱をアンモニアに伝達することが可能となる。同様に、第２熱交換器１８２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。

［第２の実施形態：燃料電池システム３００］
図４は、第２の実施形態の燃料電池システム３００を説明する図である。図４に示すように、燃料電池システム３００は、１または複数の燃料電池本体１１０と、アンモニア供給部３２０と、窒素供給部１３０と、水素供給部１４０と、空気供給ユニット１５０と、アノード排気管１６０と、カソード排気管１６２と、オフガス燃焼器１７０と、第１熱交換器１８０と、第２熱交換器１８２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３４０と、筐体２５０と、換気部２６０と、脱硝部３５０と、温度調整部３６０と、濃度測定部３７０とを含む。

なお、図４中、実線の矢印は、ガスおよび液体の流れを示す。図４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、３２４、開閉弁１３４、１４４、ブロワ１５２ｃ、流量調整弁１５２ｄ、１５８、空気加熱器１５４、インバータ２２０、および、温度調整部３６０への信号の流れを省略する。

また、なお、上記燃料電池システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。

アンモニア供給部３２０は、燃料極１１２および脱硝部３５０にアンモニアを供給する。アンモニアは、脱硝部３５０において還元剤として機能する。本実施形態において、アンモニア供給部３２０は、アンモニア供給管１２２、３２２と、流量調整機構１２４、３２４とを含む。アンモニア供給管３２２は、アンモニア供給源１０２と脱硝部３５０とを接続する。詳細に説明すると、アンモニア供給管３２２は、アンモニア供給源１０２と、オフガス燃焼器１７０と脱硝部３５０とを接続する配管１７２（温度調整部３６０の下流側）とを接続する。流量調整機構３２４は、アンモニア供給管３２２に設けられる。流量調整機構３２４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。

脱硝部３５０は、配管１７２を介して、オフガス燃焼器１７０に接続される。脱硝部３５０は、オフガス燃焼器１７０から排気された排気ガスが導入される。脱硝部３５０には、脱硝触媒が配される。脱硝触媒は、例えば、担体が酸化チタンであり、活性金属がバナジウム（Ｖ）である。脱硝触媒は、例えば、商用のガス焚用脱硝触媒である。脱硝部３５０は、ハニカム形状である。これにより、脱硝部３５０は、圧力損失を低減することができる。脱硝部３５０における脱硝触媒の充填率は、空間速度が５０００ｈｒ^－１から２００００ｈｒ^－１程度となるように設計される。

上記したように、脱硝部３５０には、アンモニアが供給される。したがって、脱硝部３５０は、下記反応式（４）～反応式（６）に示すように、アンモニアによって窒素酸化物を還元することができる。
４ＮＯ ＋ ４ＮＨ_３ ＋ Ｏ_２ → ４Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ …反応式（４）
２ＮＯ_２ ＋ ４ＮＨ_３ ＋ Ｏ_２ → ３Ｎ_２ ＋ ６Ｈ_２Ｏ …反応式（５）
ＮＯ ＋ ＮＯ_２ ＋ ２ＮＨ_３ → ２Ｎ_２ ＋ ３Ｈ_２Ｏ …反応式（６）

温度調整部３６０は、オフガス燃焼器１７０から排気された排気ガスの温度を調整する。温度調整部３６０は、配管１７２に設けられる。温度調整部３６０は、熱交換器（冷却器）で構成される。熱交換器は、例えば、ラジエータである。本実施形態において、温度調整部３６０は、中央制御部３４０によって、脱硝部３５０が所定の活性温度となるように排気ガスの温度を調整する。なお、活性温度は、活性金属に応じて決定される温度である。活性温度は、２００℃以上６００℃以下であり、例えば、３００℃以上４００℃以下の所定の温度である。

濃度測定部３７０は、脱硝部３５０から排気された排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定する。本実施形態において、濃度測定部３７０は、脱硝部３５０と気液分離部２１０とを接続する配管３５２における熱回収器２００の上流側を流れる排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定する。

中央制御部３４０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３４０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３４０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３００全体を管理および制御する。

中央制御部３４０は、中央制御部２４０と同様に、操作部２３０から出力された信号に基づき、流量調整機構１２４、開閉弁１３４、１４４、ブロワ１５２ｃ、流量調整弁１５２ｄ、１５８、および、インバータ２２０を制御する。

また、本実施形態において、中央制御部３４０は、アンモニア制御部として機能する。具体的に説明すると、中央制御部３４０は、濃度測定部３７０による測定結果に基づいて、アンモニア供給部３２０が脱硝部３５０に供給するアンモニアの量を制御する。中央制御部３４０は、濃度測定部３７０によって測定された窒素酸化物の濃度が所定の閾値未満となるように、流量調整機構３２４を制御する。なお、閾値は、条例で定められる値である。閾値は、例えば、１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下の所定の値である。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム３００は、脱硝部３５０を備える。したがって、燃料電池システム３００は、燃料電池本体１１０の運転温度が低い（例えば、６００℃未満）場合等のアノードオフガスにアンモニアが残存する際に、オフガス燃焼器１７０において生じる窒素酸化物を除去することができる。

また、上記したように、燃料電池システム３００は、温度調整部３６０を備える。これにより、燃料電池システム３００は、脱硝部３５０の温度を活性温度に維持することができる。したがって、脱硝部３５０は、窒素酸化物を効率よく分解（除去）することが可能となる。

また、上記したように、燃料電池システム３００は、濃度測定部３７０および中央制御部３４０（アンモニア制御部）を備える。これにより、燃料電池システム３００は、外部に排気される排気ガス中の窒素酸化物の濃度を閾値未満にすることができる。

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、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、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。

また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、空気供給部１５２が、ブロワ１５２ｃを備える構成を例に挙げて説明した。しかし、空気供給部１５２は、ブロワ１５２ｃ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、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、１のブロワ１５２ｃが空気極１１４およびオフガス燃焼器１７０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１７０に空気を供給する。

また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、流量調整弁１５２ｄ、１５８を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、流量調整弁１５２ｄ、１５８に代えて、マスフローコントローラを備えてもよい。

また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、空気加熱器１５４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１５４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、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、オフガス燃焼器１７０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１７０は、触媒を備えずともよい。

また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、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、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、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、上記第１の実施形態の停止判定工程Ｓ２４０において、燃料電池本体１１０の温度が停止温度以下であるか否かを判定する場合を例に挙げて説明した。しかし、停止判定工程Ｓ２４０において、燃料電池本体１１０は、窒素切換工程Ｓ２３０を開始してから所定の冷却時間経過したか否かを判定してもよい。なお、冷却時間は、燃料電池本体１１０の温度が停止温度に到達するまでの時間である。

また、上記第２の実施形態において、アンモニア供給部３２０が流量調整機構３２４を含む場合を例に挙げた。しかし、オフガス燃焼器１７０から排気される排気ガス中の窒素酸化物の濃度が予め分かっている場合、アンモニア供給部３２０は、流量調整機構３２４に代えて、流量が固定されたバルブを備えてもよい。なお、この場合、バルブの開度は、脱硝部３５０から排気される排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度が閾値未満となるように設定されるとよい。

また、上記第２の実施形態において、濃度測定部３７０が、脱硝部３５０から排気された排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定する場合を例に挙げた。しかし、濃度測定部３７０は、オフガス燃焼器１７０から排気された排気ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定してもよい。この場合、アンモニア制御部として機能する中央制御部３４０は、アンモニアと窒素酸化物とのモル比（アンモニア／窒素酸化物）が０．８以上１．０以下の範囲内となるように流量調整機構３２４を制御するとよい。これにより、脱硝部３５０においてアンモニアが消費されずに外部に排気されてしまう事態を回避することが可能となる。

また、アンモニア供給管１２２、第１熱交換器１８０等、アンモニアの通過箇所であって、アンモニアの分解が為される温度範囲となる箇所には、上記反応式（１）に示す反応の進行を促進する触媒を備えてもよい。

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 アンモニア供給部
１３０ 窒素供給部
１４０ 水素供給部
１５２ 空気供給部
１５４ 空気加熱器
１７０ オフガス燃焼器
１９０ 断熱容器
２００ 熱回収器
３００ 燃料電池システム
３２０ アンモニア供給部
３４０ 中央制御部（アンモニア制御部）
３５０ 脱硝部
３６０ 温度調整部
３７０ 濃度測定部

Claims (9)

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、
   前記燃料極にアンモニアを供給するアンモニア供給部と、
   前記燃料極に窒素を供給する窒素供給部と、
   前記燃料極に水素を供給する水素供給部と、
   前記空気極に空気を供給する空気供給部と、
   前記燃料極から排気されるアノードオフガスと、前記空気極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と、
   前記オフガス燃焼器から排気された排気ガスの温度を調整する温度調整部と、
   前記オフガス燃焼器から排気された排気ガスが導入され、脱硝触媒が配される脱硝部と、
   を備え、
   前記アンモニア供給部は、前記脱硝部にアンモニアを供給する燃料電池システム。
2. 前記窒素供給部は、前記燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度未満である場合に、窒素を供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素供給部は、前記燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度以上であり、前記発電下限温度より高い通常運転温度未満である場合に、水素を供給する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 空気を加熱する空気加熱器を備え、
   前記空気供給部は、前記空気加熱器によって加熱された空気を前記空気極に供給する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池本体を収容する断熱容器を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記オフガス燃焼器から排出される排気ガスが有する熱を回収する熱回収器を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記オフガス燃焼器から排気された排気ガス、および、前記脱硝部から排気された排気ガスのいずれか一方または両方に含まれる窒素酸化物の濃度を測定する濃度測定部と、
   前記濃度測定部による測定結果に基づいて、前記アンモニア供給部が供給するアンモニアの量を制御するアンモニア制御部と、
   を備える請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池本体を構成する燃料極に窒素を供給し、前記燃料電池本体を構成する空気極に加熱された空気を供給する工程と、
   前記燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度以上であるか否かを判定する工程と、
   前記発電下限温度以上であると判定した場合に、前記燃料電池本体を構成する空気極に空気を供給し、前記燃料極へ供給するガスを前記窒素から水素に切り換える工程と、
   前記燃料電池本体の温度が、前記発電下限温度より高い通常運転温度以上であるか否かを判定する工程と、
   前記通常運転温度以上であると判定した場合に、前記燃料極へ供給するガスを前記水素からアンモニアに切り換える工程と、
   を含む燃料電池システムの運転方法。
9. 燃料電池本体を構成する燃料極へ供給するガスをアンモニアから水素に切り換える工程と、
   前記燃料電池本体を構成する空気極へ供給するガスを第１温度の空気から前記第１温度未満の空気に切り換える工程と、
   前記燃料電池本体の温度が、所定の発電下限温度未満であるか否かを判定する工程と、
   前記発電下限温度未満であると判定した場合に、前記燃料極へ供給するガスを前記水素から窒素に切り換える工程と、
   を含む燃料電池システムの運転方法。

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