JPWO2011158495A1 - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

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Abstract

水素生成器（２）が、窒素ガス及び窒素化合物の少なくともいずれか一方を含むガスから水素含有ガスを生成するステップと、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップと、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップと、検知された水素含有ガスの温度が所定の閾値以上であるときに、水素生成器（２）から燃料電池（７）への水素含有ガスの供給を開始するステップと、を備える燃料電池システム（１００）の運転方法。

Description

本発明は、燃料電池システムの運転方法に関する。より詳しくは、燃料電池を介さずに水素生成装置と燃焼器とを連通するバイパス流路を備える燃料電池システムの運転方法に関する。
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である分散型の発電装置として、発電効率及び総合効率が共に高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下燃料電池システム）が注目されている。
この燃料電池システムは、発電部の本体として、燃料電池を備えている。燃料電池には、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体高分子型燃料電池、固体電解質型燃料電池などがある。なかでも、固体高分子型燃料電池は、発電運転の際の運転温度が比較的低く、燃料電池システムへの応用に適している。
固体高分子型燃料電池は、発電運転の際に水素を燃料として用いる。水素の供給設備は、一般的なインフラとして整備されていないため、通常、水素生成装置が燃料電池に併設される。水素生成装置により、ガス供給基地に接続されたガス配管及びＬＰＧガスボンベ等の既存のインフラから供給される原料を用いて、発電用の水素含有ガスが生成される。
水素生成装置では、水素生成法の１つである水蒸気改質法が用いられて水素が生成される。この水蒸気改質法では、天然ガス、プロパンガスなどの炭化水素系の原料ガスと水が混合され、改質触媒を備える改質器に供給される。すると、改質器では水蒸気改質反応が進行することにより、水素を含有する水素含有ガスが生成される。
水素の原料となる天然ガスは、窒素化合物を含むことがある。燃料電池の発電運転の際、窒素化合物を含む天然ガスが水素生成装置の改質器に供給されると、改質器が備える改質触媒上において、水蒸気改質反応により生成される水素と窒素との化学反応が進行することにより、アンモニアが生成されることが分かっている。
アンモニアは、固体高分子型燃料電池の発電性能を大幅に低減させることが知られている。燃料電池システムの発電運転の際に、天然ガスを原料として利用し、高濃度のアンモニアが生成する場合、水素生成装置で生成された水素含有ガスが固体高分子型燃料電池に供給される前に、その水素含有ガスに含まれるアンモニアを除去する必要がある。
特許文献１は、固体高分子型燃料電池の上流側にアンモニア除去器を設け、このアンモニア除去器により水素含有ガスが含有するアンモニアを除去し、このアンモニアが除去された水素含有ガスを固体高分子型燃料電池に供給する燃料電池システムを提案する。
図１４は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの一部を抜き出したブロック図である。図１４に示すように、燃料改質システム１で生成された水素含有ガスがセルスタック９に供給される流路の途中にアンモニア除去のためのバブリング槽２１を配設している。バブリング槽２１は、内部に貯水機能を有し、水中に水素含有ガスをバブリングすることで、気液接触により水素含有ガスからアンモニアを溶解除去する。アンモニアを除去した水素含有ガスは、セルスタック９に供給され、発電に利用される。
特許文献２は、燃料電池を介さずに水素生成装置と燃焼器とを連通するバイパス流路を備える燃料電池システムを開示する。
特開２００３−３１２４７号公報 特開２００７−２５４２５１号公報
しかしながら、従来の構成では、燃料電池を介さずに水素生成装置と燃焼器とを連通するバイパス流路を設けた燃料電池システムにおいて、アンモニア除去器を配設した場合の運転方法については、十分に検討がされていなかった。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、バイパス流路を設けた燃料電池システムにおいて、アンモニア除去器が配設される場合の運転方法を最適化することを目的とする。
本発明者らは、燃料電池を介さずに水素生成装置と燃焼器とを連通するバイパス流路を設けた燃料電池システムにおいて、アンモニア除去器が配設される場合の運転方法につき、鋭意検討を行った。その結果、以下の点に気づいた。
一般に、燃料電池システムでは、燃料電池に供給される水素含有ガスは、燃料電池から電力を得るために必要な露点に調整される。一方、アンモニア除去器は、一般に、液体の水にアンモニアを溶解させて除去するよう構成される。液体の水にアンモニアを溶解させる方法には、液体の水に水素含有ガスを通過させる方法、または、水素含有ガスを冷却し、凝縮した水にアンモニアを溶解させる方法等が例示されるが、いずれの方法でも水素含有ガスが水によって冷却されるという点で共通している。
ここで、アンモニア除去器を通過後の水素含有ガスの温度が低下し過ぎると、燃料電池に供給される水素含有ガスの露点も低下し過ぎてしまい、燃料電池から電力が得られなくなる可能性がある。
前記従来の課題を解決する為に、本発明の燃料電池システムの運転方法は、水素生成器が、窒素ガス及び窒素化合物の少なくともいずれか一方を含むガスから水素含有ガスを生成するステップと、前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップと、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップと、検知された水素含有ガスの温度が所定の閾値以上であるときに、前記水素生成器から燃料電池への水素含有ガスの供給を開始するステップと、を備える。
本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記構成を採用することにより、燃料電池から十分な発電電力を得やすくなるという効果を奏する。
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態における吸収塔型のアンモニア除去器の概略構成の一例を示す図である。 図３は、第１実施形態における気泡塔型のアンモニア除去器の概略構成の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの起動時の動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図６は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図７は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図８は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの起動時の動作の一例を示すフローチャートである。 図９は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１０は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１１は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１２は、第３実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１３は、第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。 図１４は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの一部を抜き出したブロック図である。
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。
（第１実施形態）
第１実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法は、水素生成器が、窒素ガス及び窒素化合物の少なくともいずれか一方を含むガスから水素含有ガスを生成するステップと、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップと、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップと、検知された水素含有ガスの温度が所定の閾値以上であるときに、水素生成器から燃料電池への水素含有ガスの供給を開始するステップと、を備える。
かかる構成では、燃料電池から発電電力が得られなくなる可能性を低減する。
上記燃料電池システムの運転方法において、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、水素含有ガスを水と接触させるステップであってもよい。
上記燃料電池システムの運転方法において、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、充填材の隙間に水と水素含有ガスとを通流させ、充填材の表面上で水素含有ガスと水とを接触させるステップであってもよい。
上記燃料電池システムの運転方法において、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、貯水部に貯留された水の中で水素含有ガスをバブリングするステップであってもよい。
燃料電池システムの起動開始時に貯水部に貯留されている水の温度は、燃料電池システムの発電運転時の温度よりも低い場合が多い。従って、燃料電池へ水素含有ガスの供給を開始する際の水素含有ガスの温度が低過ぎて、燃料電池から電力が得られない可能性がある。しかしながら、上記構成により燃料電池から電力が得られなくなる可能性が低減される。
上記燃料電池システムの運転方法において、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部及び分岐部と水素生成器との間の第１のガス流路の少なくとも一方を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップであってもよい。
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１を参照しつつ、第１実施形態にかかる燃料電池システムの装置構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、水素生成器２と、アンモニア除去器５と、燃料電池７と、制御器３０とを備えている。
水素生成器２は、原料ガスと水とを用いて水素含有ガスを生成する。原料ガスは、メタンガス、プロパンガスなどの炭化水素を含むガス等をいう。水素含有ガスは、Ｈ２ガスを含有するガスをいう。水素生成器２は、原料ガスと水から水素含有ガスを生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を有する改質器１１を備える。水素生成器２は、改質器１１の他、水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を低減するための変成器、ＣＯ除去器等を備えてもよい。この場合、変成器、あるいはＣＯ除去器と、アンモニア除去器５とが、第１のガス流路５７により連通される。水素生成器２は、水供給器８から供給される水を蒸発させる水蒸発器を備えてもよい。
アンモニア除去器５は、水素生成器２から排出される水素含有ガスに含まれるアンモニアを除去する。アンモニア除去器５の詳細な構成については後述する。
燃料電池７は、アンモニア除去器５から排出される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池７は、いずれの種類の燃料電池であってもよいが、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、及び溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。
制御器３０は、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度が所定の閾値以上であるときに、水素生成器２から燃料電池７への水素含有ガスの供給を開始する。制御器３０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部と、制御プログラムを記憶する記憶部とを備える。例えば、制御器３０は、マイクロコントローラ、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller) 等が例示される。また、演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御器３０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
燃焼器３は、水素生成器２を加熱する。燃焼器３は、例えば、アンモニア除去器５から排出されるガス及び燃料電池７から排出されるオフガス等を燃焼させて水素生成器２を加熱する。
水供給器８は、水素生成器２に水を供給する。水供給器８には例えば水ポンプが用いられる。
原料ガス供給器１２は、水素生成器２に原料ガスを供給する。原料ガス供給器１２には例えばブースターポンプが用いられる。
原料ガス流路５２は、原料ガスの供給源、例えば、ガス供給基地に接続されたガス配管及びＬＰＧガスボンベ等の既存のインフラ、と改質器１１とを連通する。原料ガス供給器１２は、原料ガス流路５２に設けられる。
改質水流路５３は、改質水の供給源（例えば、水道インフラ）と改質器１１とを連通する。水供給器８は、改質水流路５３に設けられる。
水流路５４は、アンモニア除去に用いられる水の供給源、例えば、水道インフラ、水タンク等、とアンモニア除去器５とを連通する。
排水流路５５は、アンモニア除去器５からの排水を燃料電池システム１００の外部へと排出する。
第１のガス流路５７は、改質器１１とアンモニア除去器５とを連通する。改質器１１から排出されるガスは第１のガス流路５７を通ってアンモニア除去器５に供給される。第１のガス流路５７は、さらに、アンモニア除去器５と燃料電池７とを連通する。すなわち、第１のガス流路５７は、水素生成器２と燃料電池７とを連通するガス流路である。第１のガス流路５７は、アンモニア除去器５の内部のガス流路を含みうる。
第２のガス流路５８は、アンモニア除去器５と燃料電池７との間の第１のガス流路５７の分岐部Ｘから分岐し、分岐部Ｘと燃焼器３とを連通する。すなわち、第２のガス流路５８は、燃料電池７を介さずに水素生成器２と燃焼器３とを連通する、バイパス流路である。
オフガス流路５９は、燃料電池７のアノード側のガス排出口と第２のガス流路５８とを連通する。
分岐部Ｘと燃料電池７との間の第１のガス流路５７には、第１弁３１が設けられる。第２のガス流路５８には、第２弁３２が設けられる。第１弁３１と第２弁３２とは、例えば電磁式の開閉弁が用いられる。
燃焼排ガス流路５１は、大気開放されており、燃焼器３の燃焼排ガスを燃料電池システム外部へと排出する。
図１では、アンモニア除去器５の下流側の第１のガス流路５７において、第２のガス流路５８が分岐しているが、アンモニア除去器５から直接、第２のガス流路５８が分岐していてもよい。この場合、第２のガス流路５８は、アンモニア除去器５に接続されることで、間接的に第１のガス流路５７に連通する。すなわち、アンモニア除去器５は分岐部Ｘ、及び分岐部Ｘと水素生成器２との間の第１のガス流路５７の少なくともいずれか一方であれば、いずれの箇所に設けられていてもよい。
アンモニア除去器５は、例えば、水素含有ガスを水と接触させることで、水素含有ガスに含まれるアンモニアを水に吸収させて除去する構成とすることができる。具体的には、吸収塔型のアンモニア除去器、気泡塔型のアンモニア除去器、及び凝縮器型のアンモニア除去器等が好適に用いられるが、これらは例示であって、水素含有ガスと水とを接触させてアンモニアを除去する構成であれば、いずれの構成であっても構わない。
図２は、第１実施形態における吸収塔型のアンモニア除去器の概略構成の一例を示す図である。
アンモニア除去器５を吸収塔型とした場合、図２（ａ）に示すように、アンモニア除去器５の内部には、例えば、充填材固定具５ｂの上に充填材５ａ（例えば、プラスチックビーズ等）が充填される。充填材固定具５ｂは、例えば図２（ｂ）に示すように、充填材５ａよりも径の小さな穴が多数設けられている。
燃料電池システム１００の動作時には、アンモニア除去器５の上部の開口部を通じて水流路５４から水が供給される。水は充填材５ａの表面上を流れ落ち、充填材固定具５ｂの穴を通過して、アンモニア除去器５の下部の開口部を通じて水タンク１４へと排出される。水素生成器２から排出された水素含有ガスは、第１のガス流路５７を介してアンモニア除去器５の下部の開口部からアンモニア除去器５の内部へと供給される。水素含有ガスは充填材５ａの空隙を通って上昇し、アンモニア除去器５の上部の開口部から排出される。排出された水素含有ガスは、第１のガス流路５７を介して燃料電池７へと供給される。
吸収塔型のアンモニア除去器では、充填材５ａの表面上で、水と水素含有ガスとが接触し、水素含有ガスに含まれるアンモニアが水に吸収されて除去される。
水タンク１４は、アンモニア除去器５において水素含有ガスと接触した水が貯えられるタンクである。水タンク１４は、排水流路５５と接続される。水タンク１４内の水は、排水弁５５ａを開放することで、適宜、燃料電池システム１００の外部へ排出される。
水供給器１３は、水タンク１４に貯えられた水をアンモニア除去器５に供給するための機器である。水供給器１３を動作させることで水タンク１４内の水が水素含有ガス中のアンモニア除去に再利用される。水供給器１３には、例えば、ポンプが用いられる。
水流路５４には、イオン交換樹脂などを用いた浄水器が設けられてもよい。また、水タンク４に燃料電池システム外部から水を供給するための水供給流路が接続されていてもよい。
図３は、第１実施形態における気泡塔型のアンモニア除去器の概略構成の一例を示す図である。
アンモニア除去器５を気泡塔型とした場合、図３に示すように、アンモニア除去器５の内部に貯水部５ｃが設けられる。アンモニア除去器５の側面中段にある開口部を通じて水流路５４から水が供給される。貯水部５ｃに貯留された水は、アンモニア除去器５の側面下方にある開口部を通じて排出される。アンモニア除去器５の上端面にある開口部は、第１のガス流路５７を介して水素生成器２と連通しており、該開口部から貯水部５ｃの底部付近まで、管が形成されている。気泡塔型のアンモニア除去器を用いる場合において、水流路５４は、燃料電池システム外部の水道インフラに直接接続されていてもよいし、図２と同様に、アンモニア除去器から排出される水を再利用してアンモニア除去器に供給する構成としてもよい。
また、図３には図示してないが、図２の形態と同様に、水流路５４に水供給器が、排水流路５５に排水弁が設けられる。水供給器及び排水弁は、それぞれ所定のタイミングで適宜動作し、アンモニア除去器５への水供給及び排水のそれぞれが実行される。
燃料電池システム１００の動作時には、貯水部５ｃに水が貯留され、管の下端から水素含有ガスが排出され、水素含有ガスが水中を気泡となって上昇する（バブリング）。水から出た水素含有ガスは、アンモニア除去器５の側面上方にある開口部から第１のガス流路５７を介して燃料電池７へと供給される。
気泡塔型のアンモニア除去器では、水素含有ガスが貯留水中で形成する気泡の界面において水と水素含有ガスとが接触し、水素含有ガスに含まれるアンモニアが水に吸収されて除去される。
［動作］
図４は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの起動時の動作プログラムの一例を示すフローチャートである。該動作プログラムは、制御器３０の制御により実行される（以下、変形例や他の実施形態についても同様である）。
燃料電池システム１００が起動されると（スタート）、第１弁３１が閉止されると共に第２弁３２が開放される（ステップＳ１０１）。原料ガス供給器１２が動作され、水素生成器２（改質器１１）へと原料ガスが供給される。水素生成器２（改質器１１）から排出されたガス（起動の初期は原料ガスであり、水素生成器２の温度が上昇すると共に水素含有ガスとなる）は、アンモニア除去器５を通過し、第２のガス流路５８を介して燃焼器３に供給される。燃焼器３は、該ガスを燃焼させることで、水素生成器２（改質器１１）を加熱する。
所定時間が経過するなどして、水素生成器２の温度が十分に上昇すると、水供給器８から水が水素生成器２（改質器１１）へと供給され、水素生成器２の水素生成運転が開始される（ステップＳ１０２）。これにより、水素生成器２が、窒素ガス及び窒素化合物の少なくともいずれか一方を含むガスから水素含有ガスを生成する。
水素生成器２の温度が上昇すると共に、水素生成器２（改質器１１）から排出されるガスの温度も上昇する。高温のガスがアンモニア除去器５の内部を通流することで、アンモニア除去器５の温度も上昇する。水素含有ガスがアンモニア除去器５の内部を通流することで、水素含有ガス中のアンモニアが除去される。
その後、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度が検知され、検知された水素含有ガスの温度が所定の閾値以上になるまで待機され（ステップＳ１０３でＮＯ）、この閾値以上になると（ステップＳ１０３でＹＥＳ）、第１弁３１が開放され、第２弁３２が閉止される（ステップＳ１０４）。ここで、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度の検知は、当該ガスの温度を直接的に検知することにより行われてもよいし、間接的に検知してもよい。間接的に検知する方法としては、改質器１１の温度を検知することで、間接的にアンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知する方法であってもよいし、改質器１１において水素含有ガスの生成を開始してからの経過時間により間接的にアンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知する方法であってもよい。
また、所定の閾値は、燃料電池が発電するのに必要なガス温度の下限値以上の温度であることが好ましい。この下限値は、燃料電池から電力を得るのに必要な露点として定義される。
アンモニア除去器５から排出された水素含有ガスは、第１のガス流路５７を介して燃料電池７に供給され、燃料電池７における発電が開始される（ステップＳ１０５）。
以上により、燃料電池システム１００の起動動作が完了する（エンド）。
本実施形態にかかる燃料電池システムでは、起動時にバイパス流路（本実施形態では第２のガス流路５８）を介して水素含有ガスが燃焼器に供給されている間に、アンモニア除去器５を通過する水素含有ガスによりアンモニア除去器が昇温される。よって、燃料電池システムの発電開始時において、燃料電池に供給される水素含有ガスは、アンモニア除去器において起動時に水素含有ガスにより加熱された水と接触する。これにより、本実施の形態の燃料電池システムは、発電開始時における電解質のイオン伝導性が、分岐部よりも下流の第１のガス流路にアンモニア除去器を設けた場合に比べ、向上する。
［第１変形例］
実施の形態１の第１変形例の燃料電池システムの運転方法において、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップである。
図５は、第１実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
図１の燃料電池システム１００における運転方法は、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部と水素生成器との間の第１のガス流路を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去するものであったのに対し、図５の燃料電池システム１００Ａにおける運転方法は、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部において、第１のガス流路を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去する点が異なっている。
すなわち、図５に例示されているように、燃料電池システム１００Ａでは、アンモニア除去器５が、水素生成器２と燃料電池７とを連通する第１のガス流路５７から、水素生成器２を加熱するための燃焼器３に接続される第２のガス流路５８が分岐する分岐部Ｘに設けられている。
本変形例の燃料電池システム１００Ａにおいて、上記以外の構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図５とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
また、本変形例の燃料電池システム１００Ａは、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に図４に示すように動作するので、その説明を省略する。
［第２変形例］
第１実施形態の第２変形例の燃料電池システムの運転方法において、水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部と燃料電池との間の第１のガス流路上を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップである。
図６は、第１実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
図１の燃料電池システム１００における運転方法は、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部と水素生成器との間の第１のガス流路を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去するものであったのに対し、図６の燃料電池システム１００Ｂにおける運転方法は、水素生成器と燃料電池とを連通する第１のガス流路から、水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部と燃料電池との間の第１のガス流路を流れる水素含有ガス中のアンモニアを除去する点が異なっている。
すなわち、図６に例示されているように、燃料電池システム１００Ｂでは、アンモニア除去器５が、水素生成器２と燃料電池７とを連通する第１のガス流路５７から、水素生成器２を加熱するための燃焼器３に接続される第２のガス流路５８が分岐する分岐部Ｘと、燃料電池７との間に設けられている。
本変形例の燃料電池システム１００Ｂにおいて、上記以外の構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図６とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
また、本変形例の燃料電池システム１００Ａは、実施の形態１の燃料電池システム１００と同様に図４に示すように動作するので、その説明を省略する。
なお、本変形例では、第１のガス流路５７から第２のガス流路５８が分岐する分岐部Ｘと燃料電池７との間にアンモニア除去器５が配設されるが、この場合、第１弁３１を開放するまでは改質器１１から排出される高温の水素含有ガスがアンモニア除去器５を通流しない。
従って、燃料電池７に水素含有ガスの供給を開始する迄、アンモニア除去器５が加熱されず、燃料電池７に水素含有ガスの供給を開始した際に、温度が低すぎる水素含有ガスが燃料電池７に流入し、燃料電池７より電力が得られない可能性がある。
そこで、アンモニア除去器５を加熱するために、電気ヒータ等の加熱器がアンモニア除去器５に設けられ、燃料電池７へと水素含有ガスの供給が開始される前に加熱器によりアンモニア除去器５が加熱されるよう構成するのが好ましい。
（第２実施形態）
第２実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の燃料電池システムの運転方法において、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップが、前記アンモニア除去器の下流側のガス流路を流れる前記水素含有ガスの温度を検知するステップである。
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態及びその変形例の少なくともいずれか一つの燃料電池システムの運転方法と同様であってもよい。
［装置構成］
図７は、第２実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図７を参照しつつ、第２実施形態にかかる燃料電池システムの装置構成について説明する。
図７に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、温度検知器３３を備えている。
温度検知器３３は、アンモニア除去器５の下流側の第１のガス流路５７を流れる水素含有ガスの温度を検知する。温度検知器３３は、例えば熱電対等からなり、アンモニア除去器５の下流側の第１のガス流路５７に設けられている。温度検知器３３は、制御器３０と通信可能に接続され、検知したガスの温度を制御器３０へと送る。
本実施形態の燃料電池システム２００において、上記以外の構成は、図１に示す燃料電池システム１００と同様とすることができる。よって、図１と図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
［動作］
図８は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの起動時の動作プログラムの一例を示すフローチャートである。
燃料電池システム２００が起動されると（スタート）、第１弁３１が閉止されると共に第２弁３２が開放され（ステップＳ１０１）水素生成運転が開始される（ステップＳ１０２）。ステップＳ２０１及びＳ２０２は、図４におけるステップＳ１０１及びＳ１０２と同様であるので、詳細な説明を省略する。
その後、温度検知器３３により、アンモニア除去器５の下流側の第１のガス流路５７を流れる水素含有ガスの温度が検知され、検知された温度が第１の温度以上になるまで待機され（ステップＳ２０３でＮＯ）、閾値以上になると（ステップＳ２０３でＹＥＳ）、第１弁３１が開放され、第２弁３２が閉止される（ステップＳ２０４）。
アンモニア除去器５から排出された水素含有ガスは、第１のガス流路５７を介して燃料電池７に供給され、燃料電池７における発電が開始される（ステップＳ２０５）。
以上により、燃料電池システム１００の起動動作が完了する（エンド）。
本実施形態では、温度検知器３３により、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度が検知される。よって、例えばアンモニア除去器５の昇温が完了し、水素生成器２において燃料電池７に供給するのに適した温度の水素含有ガスが安定してアンモニア除去器５から排出されていることが確認された後で燃料電池による発電が開始される。よって、本実施形態では、燃料電池システムの発電開始時における水素含有ガスの加湿状態をより適切な状態にすることができる。
［第１変形例］
実施の形態２の第１変形例の燃料電池システムの運転方法において、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップは、アンモニア除去器の温度を検知するステップである。
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態、その変形例、及び第２実施形態のいずれかの燃料電池システムの運転方法と同様であってもよい。
図９は、第２実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
温度検知器３３は、アンモニア除去器５の温度を検知する。温度検知器３３は、例えば熱電対等からなり、アンモニア除去器５に設けられている。温度検知器３３は、制御器３０と通信可能に接続され、検知したアンモニア除去器５の温度を制御器３０へと送る。
本変形例の燃料電池システム２００Ａにおいて、上記以外の構成は、図７に示す燃料電池システム２００と同様とすることができる。よって、図９と図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
本変形例の燃料電池システム２００Ａの起動時の動作は、図８において、ステップＳ２０３におけるアンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップが、温度検知器３３によりアンモニア除去器５の温度を検知するステップとなる点以外は、燃料電池システム２００の起動時の動作と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。
本変形例では、温度検知器３３により、アンモニア除去器５の温度が検知される。よって、例えばアンモニア除去器５の昇温が完了し、水素生成器２において燃料電池７に供給するのに適した温度の水素含有ガスが安定してアンモニア除去器５から排出されていることが確認された後で燃料電池による発電が開始される。よって、本実施形態では、燃料電池システムの発電開始時における水素含有ガスの加湿状態をより適切な状態にすることができる。
［第２変形例］
第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態の第２変形例の燃料電池システムの運転方法において、アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップが、アンモニア除去器の温度を検知するステップである。
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態及びその変形例、ならびに第２実施形態のいずれかの燃料電池システムと同様に構成されていてもよい。
図１０は、第２実施形態の第２変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。
温度検知器３３は、アンモニア除去器５の温度を検知する。温度検知器３３は、例えば熱電対等からなり、アンモニア除去器５に設けられている。温度検知器３３は、制御器３０と通信可能に接続され、検知したアンモニア除去器５の温度を制御器３０へと送る。
本変形例の燃料電池システム２００Ｂにおいて、上記以外の構成は、図６に示す燃料電池システム１００Ｂと同様とすることができる。よって、図１０と図６とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
本変形例の燃料電池システム２００Ｂの起動時の動作は、第２実施形態の第１実施形態にかかる燃料電池システム２００Ａの起動時の動作と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。
本変形例でも、第１実施形態の第２変形例と同様、アンモニア除去器５を加熱するために、電気ヒータ等の加熱器がアンモニア除去器５に設けられるのが好ましい。
本変形例でも、温度検知器３３により、アンモニア除去器５の温度が検知される。よって、例えばアンモニア除去器５の昇温が完了し、水素生成器２において燃料電池７に供給するのに適した温度の水素含有ガスが安定してアンモニア除去器５から排出されていることが確認された後で燃料電池による発電が開始される。よって、本実施形態では、燃料電池システムの発電開始時における水素含有ガスの加湿状態をより適切な状態にすることができ、燃料電池システムの発電開始時において電力が得られない可能性が低減する。
（第３実施形態）
第３実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態及び第２実施形態の少なくともいずれか一方にかかる燃料電池システムの運転方法において、水素生成器から燃料電池への水素含有ガスの供給を開始する前にアンモニア除去器内部の水を加熱するステップを備える。
かかる構成では、水素含有ガスの供給を開始する前にアンモニア除去器内部の水を加熱するステップを設けない場合に比べ、燃料電池システムの発電開始時における水素含有ガスの加湿状態をより改善することができる。
上記燃料電池システムの運転方法において、アンモニア除去器内部の前記水を加熱するステップは、アンモニア除去器に設けられた加熱器によりアンモニア除去器内部の水を加熱するステップであってもよい。
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態及びその変形例、ならびに第２実施形態及びこれらの変形例のいずれかの燃料電池システムの運転方法と同様であってもよい。
図１１は、第３実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１１を参照しつつ、第３実施形態にかかる燃料電池システムの装置構成について説明する。
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池システム３００は、加熱器６を備えている。
加熱器６は、アンモニア除去器５に設けられ、アンモニア除去器５の内部の水を加熱する。加熱器６は、例えば、外部電源に接続された電熱ヒータ等からなる。加熱器６は、制御器３０と通信可能に接続され、制御器３０により制御されてもよい。
本実施形態の燃料電池システム３００において、上記以外の構成は、図７に示す燃料電池システム２００と同様とすることができる。よって、図１１と図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
本実施形態における燃料電池システムの起動時の動作は、図８において、ステップＳ２０５において水素生成器２から燃料電池７への水素含有ガスの供給を開始する前、すなわち例えば、ステップＳ２０１より前、ステップＳ２０１とステップＳ２０２との間、及びステップＳ２０２とステップＳ２０３との間において、加熱器６によりアンモニア除去器５の内部にある水を加熱するステップが追加される点以外は、燃料電池システム２００の起動時の動作と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。
本実施形態では、起動時に加熱器６によりアンモニア除去器５が加熱されるため、アンモニア除去器５を通過する水素含有ガスの加湿状態が改善する。従って、本実施形態では、加熱手段を設けない場合に比べ、燃料電池システムの発電開始時における水素含有ガスの加湿状態をより改善することができる。
なお、上述の説明では、アンモニア除去器５が分岐部Ｘと水素生成器２との間の第１のガス流路５７に設けられていたが、アンモニア除去器５に加熱器６を設けた上で、第１実施形態の第１変形例のようにアンモニア除去器５を分岐部Ｘに設けてもよいし、第１実施形態の第２変形例のようにアンモニア除去器５を分岐部Ｘと燃料電池７との間の第１のガス流路５７に設けてもよい。
また、上述の説明では、温度検知器３３がアンモニア除去器５の下流側の第１のガス流路５７に設けられていたが、第２実施形態の第１変形例及び第２変形例のように、温度検知器３３がアンモニア除去器５に設けられ、温度検知器３３がアンモニア除去器５の温度を検知してもよい。
［第１変形例］
第３実施形態の第１変形例の燃料電池システムの運転方法において、アンモニア除去器内部の前記水を加熱するステップは、回収水タンク内部の水を加熱するステップと、回収水タンクからアンモニア除去器へと加熱された水を供給するステップとを備えていてもよい。
ここで、回収水は、燃料電池発電ユニットから排出されるガス中の水を回収することで得られる水をいう。燃料電池発電ユニットには、燃料電池のみならず、燃焼器等も含まれる。すなわち、燃料電池発電ユニットから排出されるガスには、酸化剤オフガス、燃料オフガス、燃焼排ガス等が含まれる。
本変形例の燃料電池システムの運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態及びその変形例、第２実施形態及びその変形例、ならびに第３実施形態のいずれかの燃料電池システムの運転方法と同様であってもよい。
図１２は、第３実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１２を参照しつつ、第３実施形態の第１変形例にかかる燃料電池システムの装置構成について説明する。
図１２に示すように、本変形例の燃料電池システム３００Ａは、加熱器６と、回収水タンク１５と、凝縮器１６とを備えている。
加熱器６は、回収水タンク１５に設けられ、回収水タンク１５の内部の水を加熱する。加熱器６は、例えば、外部電源に接続された電熱ヒータ等からなる。加熱器６は、制御器３０と通信可能に接続され、制御器３０により制御されてもよい。回収水タンク１５の中の水はアンモニア除去器５へと供給されるため、加熱器６はアンモニア除去器５の中の水を間接的に加熱するものといえる。
回収水タンク１５は、凝縮器１６から供給される回収水を貯留するタンクである。回収水タンク１５は、水流路５４を介して回収水をアンモニア除去器５へと供給する。
凝縮器１６は、燃焼器３から排出される排ガス中の水を凝縮させる。
凝縮器１６は、燃料電池７から排出されるガス中の水を凝縮させるものであってもよい。この場合には例えば、凝縮器１６はオフガス流路５９に設けられる。あるいは、凝縮器１６が、燃焼排ガス流路５１及びオフガス流路５９の両方に設けられてもよい。
本変形例の燃料電池システム３００Ａにおいて、上記以外の構成は、図７に示す燃料電池システム２００と同様とすることができる。よって、図１２と図７とで共通する構成要素については、同一の符号及び名称を付して説明を省略する。
本変形例における燃料電池システムの起動時の動作は、図８において、ステップＳ２０５において水素生成器２から燃料電池７への水素含有ガスの供給を開始する前、すなわちステップＳ２０４より前に、加熱器６により回収水タンク１５の内部の水を加熱するステップと、回収水タンク１５からアンモニア除去器５へと加熱された水を供給するステップとが追加される点以外は、燃料電池システム２００の起動時の動作と同様とすることができる。よって、詳細な説明を省略する。
なお、上述の説明では、回収水タンク１５の内部の水を加熱する加熱器６が、回収水タンク１５に設けられていたが、例えば燃料電池７を冷却する冷却水を貯留するための冷却水タンク及び、この冷却水タンクと回収水タンク１５との間で水を循環するための水循環経路を備える場合には、冷却水タンク及び冷却水が循環する冷却水循環経路の少なくともいずれか一方に加熱器６を備えていてもよい。この場合、ステップＳ２０４より前に加熱器６を動作させるとともに水循環経路内で水を循環させることで回収水タンク１５内の水を昇温させ、この昇温した回収水タンク１５の水をアンモニア除去器５に供給する形態を採用しても構わない。
（第４実施形態）
第４実施形態にかかる燃料電池システムの運転方法は、第１実施形態ないし第３実施形態の少なくともいずれか一方にかかる燃料電池システムの運転方法において、アンモニア除去器内部の水を前記水素生成器に供給するステップを備える。
かかる構成では、アンモニア生成により消費される水素量が低減するので、アンモニア除去器内の水を水素生成器に供給しない場合に比べ、水素の生成効率が向上する。
図１３は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図である。第４実施形態の燃料電池システム４００は、第２実施形態の燃料電池システム２００において、水供給器８と改質水流路５３と排水流路５５とを削除して、アンモニア除去器５と改質器１１とを連通する排水供給流路５６を設け、排水供給流路５６に水供給器１０を配設したものである。燃料電池システム４００および燃料電池システム２００において共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して説明を省略する。
排水供給流路５６は、アンモニア除去器５から排出される水を改質器１１に供給するための流路である。図２に示す吸収塔型のアンモニア除去器、図３に示す気泡塔型のアンモニア除去器等を採用する場合には、図２および図３において排水流路５５が接続されている位置に排水供給流路５６を接続することができる。
水供給器１０は、例えば水ポンプにより構成され、アンモニア除去器５の内部に滞留している水を吸出して、改質器１１へと供給する。
改質器１１の内部では、窒素と水素が反応してアンモニアが発生する反応と、アンモニアが分解して窒素と水素が発生する反応とが化学平衡の状態にある。改質器１１に供給される水にアンモニアが含まれると、アンモニア濃度の上昇により、化学平衡は、アンモニアが分解して窒素と水素が発生する方向へと傾く。よって、燃料電池システムにおいて発生するアンモニアの絶対量を抑制することができる。
なお、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、アンモニア除去器５から排出される水に含まれるアンモニアを除去する第２のアンモニア除去器をさらに備える形態を採用した場合、本実施形態では、第２のアンモニア除去器の容量及び交換頻度の少なくとも一方を低減できる。第２のアンモニア除去器としては、例えば、イオン交換樹脂を充填した容器が用いられる。
本実施形態では、アンモニアを含有する水が水素生成器に供給されるので、反応平衡により水素生成器におけるアンモニア生成量が、アンモニア除去器内の水を水素生成器に供給しない場合に比べ、減少する。従って、本実施形態では、アンモニア生成により消費される水素量が低減するので、アンモニア除去器内の水を水素生成器に供給しない場合に比べ、水素の生成効率が向上する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、バイパス流路を設けた燃料電池システムにおいて、アンモニア除去器が配設される場合の運転方法を最適化できるので有用である。
１ 燃料改質システム
２ 水素生成器
３ 燃焼器
５ アンモニア除去器
５ａ 充填材
５ｂ 充填材固定具
５ｃ 貯水部
６ 加熱器
７ 燃料電池
８ 水供給器
９ セルスタック
１０ 水供給器
１１ 改質器
１２ 原料ガス供給器
１３ 水供給器
１４ 水タンク
１５ 回収水タンク
１６ 凝縮器
２１ バブリング槽
３０ 制御器
３１ 第１弁
３２ 第２弁
３３ 温度検知器
５１ 燃焼排ガス流路
５２ 原料ガス流路
５３ 改質水流路
５４ 水流路
５５ 排水流路
５５ａ 排水弁
５６ 排水供給流路
５７ 第１のガス流路
５８ 第２のガス流路
５９ オフガス流路
１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
３００ 燃料電池システム
４００ 燃料電池システム

Claims (13)

  1. 水素生成器が、窒素ガス及び窒素化合物の少なくともいずれか一方を含むガスから水素含有ガスを生成するステップと、
    前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップと、
    アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップと、
    検知された水素含有ガスの温度が所定の閾値以上であるときに、前記水素生成器から燃料電池への水素含有ガスの供給を開始するステップと、を備える
    燃料電池システムの運転方法。
  2. 前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、前記水素含有ガスを水と接触させるステップである、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
  3. 前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、充填材の隙間に前記水と前記水素含有ガスとを通流させ、前記充填材の表面上で前記水素含有ガスと前記水とを接触させるステップである、請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  4. 前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、貯水部に貯留された前記水の中で前記水素含有ガスをバブリングするステップである、請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  5. 前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、前記水素生成器と前記燃料電池とを連通する第１のガス流路から、前記水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部及び前記分岐部と前記水素生成器との間の前記第１のガス流路の少なくとも一方を流れる前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップである、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
  6. アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップは、前記アンモニア除去器の下流側のガス流路を流れる前記水素含有ガスの温度を検知するステップである、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
  7. アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップは、前記アンモニア除去器の温度を検知するステップである、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
  8. 前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップは、前記水素生成器と前記燃料電池とを連通する第１のガス流路から、前記水素生成器を加熱するための燃焼器に接続される第２のガス流路が分岐する分岐部と前記燃料電池との間の前記第１のガス流路上を流れる前記水素含有ガス中のアンモニアを除去するステップである、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
  9. アンモニアを除去した後の水素含有ガスの温度を検知するステップは、前記アンモニア除去器の温度を検知するステップである、請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
  10. 前記水素生成器から前記燃料電池への水素含有ガスの供給を開始する前に前記アンモニア除去器内部の前記水を加熱するステップを備える、請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
  11. 前記アンモニア除去器内部の前記水を加熱するステップは、前記アンモニア除去器に設けられた加熱器により前記アンモニア除去器内部の前記水を加熱するステップである、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
  12. 前記アンモニア除去器内部の前記水を加熱するステップは、
    回収水タンク内部の水を加熱するステップと、
    前記回収水タンクから前記アンモニア除去器へと加熱された水を供給するステップとを備える、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
  13. 前記アンモニア除去器内部の水を前記水素生成器に供給するステップを備える
    請求項１乃至１２のいずれかに記載燃料電池システムの運転方法。
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