WO2010032332A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2010032332A1
WO2010032332A1 PCT/JP2008/067121 JP2008067121W WO2010032332A1 WO 2010032332 A1 WO2010032332 A1 WO 2010032332A1 JP 2008067121 W JP2008067121 W JP 2008067121W WO 2010032332 A1 WO2010032332 A1 WO 2010032332A1
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fuel cell
pressure
fuel
supplied
temperature
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PCT/JP2008/067121
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秀男 永長
信一 松本
治通 中西
英一 有川
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トヨタ自動車株式会社
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • a fuel cell has attracted attention as a power source excellent in operating efficiency and environmental performance.
  • a fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant.
  • a fuel cell using an anion exchange membrane (electrolyte membrane) that transmits anions is known. JP 2006-244961 A
  • An oxidant is supplied to the cathode side of a fuel cell using an anion exchange membrane, and a fuel containing a compound that reacts with anions to generate water is supplied to the anode side.
  • the fuel on the anode side reacts with the anion permeated from the cathode side to the anode side through the anion exchange membrane to produce water.
  • gaseous ammonia or aqueous ammonia is used as the fuel supplied to the anode side.
  • the interface (three-phase interface) of gaseous ammonia, a catalyst layer, and an anion exchange membrane is needed.
  • a compound similar to an anion exchange membrane called ionomer is applied to the catalyst layer.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique for reducing the concentration overvoltage of the anode and improving the power generation performance of the fuel cell without increasing the cost.
  • the fuel cell system includes a control unit that controls the pressure of the fuel supplied to the fuel cell from the fuel supply unit that supplies the fuel cell according to the temperature of the fuel cell.
  • the fuel cell system includes a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel containing liquefied ammonia and an oxidant, a fuel supply unit that supplies fuel to the fuel cell, and an oxidant that supplies the fuel cell.
  • Oxidant supply means temperature measurement means for measuring the temperature of the fuel cell
  • first control means for controlling the pressure of the fuel supplied from the fuel supply means to the fuel cell according to the temperature of the fuel cell, Prepare.
  • fuel containing liquefied ammonia is supplied to the fuel cell.
  • the temperature of the fuel supplied to the fuel cell depends on the temperature of the fuel cell. That is, when the temperature of the fuel cell is higher than the temperature of the fuel before being supplied to the fuel cell, when the fuel is supplied to the fuel cell, the temperature of the fuel rises to or near the temperature of the fuel cell. When the temperature of the fuel cell is lower than the temperature of the fuel before being supplied to the fuel cell, when the fuel is supplied to the fuel cell, the temperature of the fuel is lowered to or near the temperature of the fuel cell.
  • Ammonia is a gas at room temperature and pressure, but liquefies when pressurized.
  • the liquefaction pressure of ammonia depends on the temperature of ammonia. That is, when the temperature of ammonia rises, the liquefaction pressure of ammonia rises, and when the temperature of ammonia falls, the liquefaction pressure of ammonia falls.
  • the pressure of liquefied ammonia supplied to the fuel cell is lower than the liquefying pressure of ammonia, the liquefied ammonia changes from a liquid state to a gas state. For this reason, the concentration overvoltage of the anode in the fuel cell increases, and the power generation efficiency of the fuel cell decreases.
  • the pressure of the fuel supplied to the fuel cell is controlled so that the liquefied ammonia contained in the fuel supplied to the fuel cell can maintain a liquid state. That is, the temperature of the fuel cell is measured, and the pressure of the fuel supplied to the fuel cell is controlled according to the temperature of the fuel cell. Thereby, the liquefied ammonia contained in the fuel supplied to the fuel cell can be maintained in a liquid state in the fuel cell. As a result, the concentration overvoltage of the anode in the fuel cell is reduced, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.
  • the fuel cell system may further include second control means for controlling the pressure of the oxidant supplied from the oxidant supply means to the fuel cell.
  • the second control means adjusts the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell so that the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell and the pressure of the fuel supplied to the fuel cell become the same pressure. You may control.
  • the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell and the pressure of the fuel supplied to the fuel cell are controlled by controlling the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell from the oxidant supply means. Can be at the same pressure. Thereby, it becomes possible to suppress the damage of the electrolyte membrane in the fuel cell due to the imbalance between the pressure of the fuel in the fuel cell and the pressure of the oxidant.
  • the first control means may control the pressure of the fuel supplied to the fuel cell in accordance with a change in the temperature of the fuel cell.
  • the temperature of the fuel supplied to the fuel cell depends on the temperature of the fuel cell.
  • the second control means when there is a change in the pressure of the fuel supplied to the fuel cell, the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell and the fuel supplied to the fuel cell. You may control the pressure of the oxidizing agent supplied to a fuel cell so that the pressure after a change may become the same pressure.
  • the fuel cell system by controlling the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell from the oxidant supply unit, the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell and the change in the fuel supplied to the fuel cell are changed.
  • the pressure can be the same pressure. Thereby, it becomes possible to suppress the damage of the electrolyte membrane in the fuel cell due to the imbalance between the pressure of the fuel in the fuel cell and the pressure of the oxidant.
  • the fuel cell system includes a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel containing liquefied ammonia and an oxidant, a fuel supply unit that supplies fuel to the fuel cell, and an oxidant that supplies oxidant to the fuel cell.
  • Supply means By supplying the liquefied ammonia contained in the fuel to the fuel cell, the concentration overvoltage of the anode in the fuel cell is reduced, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.
  • the fuel cell system includes a first adjusting unit that adjusts a pressure of the fuel supplied from the fuel supplying unit to the fuel cell, and a first adjusting unit that adjusts the pressure of the oxidant supplied from the oxidant supplying unit to the fuel cell.
  • Two adjustment means may be further provided.
  • the second adjusting means is supplied to the fuel cell so that the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell and the pressure of the fuel supplied to the fuel cell become the same pressure. You may adjust the pressure of an oxidizing agent.
  • the pressure of the oxidant supplied to the fuel cell and the pressure of the fuel supplied to the fuel cell are adjusted by adjusting the pressure of the oxidant supplied from the oxidant supply means to the fuel cell. Can be at the same pressure. Thereby, it becomes possible to suppress the damage of the electrolyte membrane in the fuel cell due to the imbalance between the pressure of the fuel in the fuel cell and the pressure of the oxidant.
  • FIG. 1 Schematic of a fuel cell stack.
  • the figure which shows the structure of a fuel cell system.
  • the graph which showed the relationship between the liquefaction pressure of ammonia and the temperature of ammonia.
  • the flowchart which shows the flow of a process of a fuel cell system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell (FC) stack provided in the fuel cell system according to the present embodiment.
  • the fuel cell stack 1 has a stacked structure in which a plurality of fuel cells 2 are stacked, and separators (not shown) are arranged on both sides of each fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 has an anode internal passage 3, an anode catalyst electrode layer 4, an anion exchange membrane 5, a cathode catalyst electrode layer 6, and a cathode internal passage 7.
  • the fuel cell 2 may have a structure having a membrane electrode assembly (MEA) in which the cathode catalyst electrode layer 6, the anion exchange membrane 5, and the anode catalyst electrode layer 4 are integrated.
  • the anion exchange membrane 5 is an electrolyte membrane that transmits anions.
  • the anode catalyst electrode layer 4 and the cathode catalyst electrode layer 6 are disposed on both sides of the anion exchange membrane 5.
  • An anode internal passage 3 is connected to the anode catalyst electrode layer 4. Fuel flowing in from the inlet of the anode internal passage 3 is supplied to the anode catalyst electrode layer 4, and unreacted fuel is discharged from the anode catalyst electrode layer 4.
  • a cathode internal passage 7 is connected to the cathode catalyst electrode layer 6. Air flowing in from the inlet of the cathode internal passage 7 is supplied to the cathode catalyst electrode layer 6, and unreacted air is discharged from the cathode catalyst electrode layer 6.
  • liquefied ammonia (NH 3 ) contained in the fuel is supplied to the anode catalyst electrode layer 4.
  • air (oxidant) containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode catalyst electrode layer 6.
  • the anion exchange membrane 5 may be any medium that can move hydroxide ions generated in the cathode catalyst electrode layer 6 to the anode catalyst electrode layer 4.
  • the anion exchange membrane 5 is a solid polymer membrane having anion exchange groups such as primary to tertiary amino groups, quaternary ammonium groups, pyridyl groups, imidazole groups, quaternary bilidium groups, and quaternary imidazolium groups (anion exchange membranes). Resin).
  • the solid polymer film is, for example, a hydrocarbon resin or a fluorine resin.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system according to the present embodiment.
  • the fuel cell system according to this embodiment includes a fuel cell stack 1, an air pump 10, a cathode pressure sensor 11, a cathode throttle valve 12, a fuel tank 13, an anode pressure adjustment valve 14, a check valve 15, An anode pressure sensor 16, a temperature sensor 17, a fuel circulation pump 18, and an electronic control unit (ECU) 19 are provided.
  • ECU electronice control unit
  • a cathode passage 20 for supplying air to the fuel cell stack 1 is connected to the fuel cell stack 1.
  • an air pump 10 corresponding to an oxidant supply means
  • a cathode pressure sensor 11 that measures the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 is connected to the cathode passage 20.
  • the air pump 10 and the cathode pressure sensor 11 are electrically connected to the electronic control unit 19.
  • the air pump 10 is driven according to a control signal from the electronic control unit 19. Further, another control device different from the electronic control unit 19 may control the driving of the air pump 10.
  • the air pump 10 is driven, air sucked from outside air is supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode pressure sensor 11 measures the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 in response to a control signal from the electronic control unit 19.
  • the cathode pressure sensor 11 may measure the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 continuously or at predetermined intervals.
  • Air pressure data measured by the cathode pressure sensor 11 is sent from the cathode pressure sensor 11 to the electronic control unit 19.
  • the electronic control unit 19 includes a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), an input / output interface, and the like.
  • the air pressure data sent to the electronic control unit 19 is recorded in a RAM provided in the electronic control unit 19.
  • a cathode discharge passage 21 for discharging air discharged from the fuel cell stack 1 to the outside air.
  • the cathode discharge passage 21 is provided with a cathode throttle valve 12 that adjusts the pressure of air supplied to the fuel cell stack 1. Since the back pressure of the air discharged from the fuel cell stack 1 is controlled by the cathode throttle valve 12, the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 is adjusted.
  • the cathode throttle valve 12 is electrically connected to the electronic control unit 19. The supply pressure of air to the fuel cell stack 1 is controlled by the opening degree of the cathode throttle valve 12.
  • the value of the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 is adjusted to a predetermined value by controlling the opening of the cathode throttle valve 12.
  • the opening degree of the cathode throttle valve 12 is controlled by a control signal from the electronic control unit 19.
  • the cathode throttle valve 12 and the electronic control unit 19 correspond to the second control means.
  • a cathode pressure adjusting valve may be provided in the cathode passage 20. You may make it adjust the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 with a cathode pressure regulation valve.
  • An anode passage 22 for supplying fuel to the fuel cell stack 1 is connected to the fuel cell stack 1.
  • a fuel tank 13 that supplies fuel to the fuel cell stack 1 through the anode passage 22 is connected to the anode passage 22.
  • the fuel supplied to the fuel cell stack 1 is stored in the fuel tank 13.
  • the fuel tank 13 is provided with a delivery valve for delivering the fuel accumulated in the fuel tank 13 to the anode passage 22. By opening the delivery valve, the fuel accumulated in the fuel tank 13 is delivered to the anode passage 22.
  • the delivery valve is electrically connected to the electronic control unit 19. The delivery valve is opened and closed by a control signal sent from the electronic control unit 19.
  • the anode passage 22 is provided with an anode pressure adjusting valve 14 for adjusting the pressure of the fuel supplied to the fuel cell stack 1.
  • the anode pressure regulating valve 14 is electrically connected to the electronic control unit 19.
  • the fuel supply pressure to the fuel cell stack 1 is controlled by the opening degree of the anode pressure regulating valve 14. That is, the value of the pressure of the fuel supplied to the fuel cell stack 1 is adjusted to a predetermined value by controlling the opening of the anode pressure adjusting valve 14.
  • the opening degree of the anode pressure regulating valve 14 is controlled by a control signal from the electronic control unit 19.
  • the anode pressure adjusting valve 14 and the electronic control unit 19 correspond to the first control means.
  • an anode throttle valve may be provided in the anode circulation passage 23.
  • the pressure of the fuel supplied to the fuel cell stack 1 may be adjusted by controlling the back pressure of the fuel discharged from the fuel cell stack 1.
  • the anode passage 22 is provided with a check valve 15 for preventing a back flow of fuel supplied to the fuel cell.
  • An anode pressure sensor 16 that measures the pressure of the fuel supplied to the fuel cell stack 1 is connected to the anode passage 22.
  • the anode pressure sensor 16 is electrically connected to the electronic control unit 19.
  • the anode pressure sensor 16 measures the pressure of the fuel supplied to the fuel cell stack 1 in accordance with a control signal from the electronic control unit 19.
  • the anode pressure sensor 16 may measure the pressure of the fuel supplied to the fuel cell stack 1 continuously or at predetermined intervals.
  • the fuel pressure data measured by the anode pressure sensor 16 is sent from the anode pressure sensor 16 to the electronic control unit 19.
  • the fuel pressure data sent to the electronic control unit 19 is recorded in a RAM provided in the electronic control unit 19.
  • the fuel cell stack 1 is connected to a temperature sensor 17 (corresponding to temperature measuring means) that measures the temperature of the fuel cell stack 1.
  • the temperature sensor 17 is electrically connected to the electronic control unit 19.
  • the temperature sensor 17 measures the temperature of the fuel cell stack 1 according to a control signal from the electronic control unit 19.
  • the temperature sensor 17 may measure the temperature of the fuel cell stack 1 continuously or at predetermined intervals.
  • the temperature data of the fuel cell stack 1 measured by the temperature sensor 17 is sent from the temperature sensor 17 to the electronic control unit 19.
  • the temperature data of the fuel cell stack 1 sent to the electronic control unit 19 is recorded in a RAM provided in the electronic control unit 19.
  • the anode circulation passage 23 for circulating the fuel discharged from the fuel cell stack 1 to the anode passage 22 is connected to the fuel cell stack 1.
  • a fuel circulation pump 18 is provided in the anode circulation passage 23. When the fuel circulation pump 18 is driven, the fuel discharged from the fuel cell stack 1 flows into the anode passage 22 through the anode circulation passage 23.
  • a separator for separating water from the fuel discharged from the fuel cell stack 1 may be provided in the anode circulation passage 23.
  • the water separated by the separator may be supplied to the cathode catalyst electrode layer 6. Further, the water separated by the separator may be discharged to the outside air.
  • a gas-liquid separator that separates nitrogen from the fuel discharged from the fuel cell stack 1 may be provided in the anode circulation passage 23. Nitrogen separated by the gas-liquid separator may be discharged to the outside air.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between ammonia liquefaction pressure (MPa) and ammonia temperature (deg (C) when ammonia is pressurized.
  • the vertical axis in FIG. 3 indicates the liquefaction pressure (MPa) of ammonia
  • the horizontal axis in FIG. 3 indicates the temperature of ammonia (deg C).
  • a curve A shown in FIG. 3 shows the liquefaction pressure of ammonia with respect to the temperature of ammonia.
  • the ammonia is maintained in a liquid state by setting the pressure on the ammonia to be equal to or higher than the liquefaction pressure of the ammonia as the temperature of the ammonia increases.
  • the ammonia is maintained in a liquid state by pressurizing the ammonia so as to be a straight line B shown in FIG. 3 as the temperature of the ammonia rises.
  • Data related to the graph shown in FIG. 3 may be recorded in a ROM provided in the electronic control unit 19.
  • liquefied ammonia is accumulated at a high pressure (for example, 0.85 MPa to 2.5 MPa).
  • the value of the pressure of liquefied ammonia in the fuel tank 13 is an example, and may be another value.
  • the pressure of the liquefied ammonia sent from the fuel tank 13 to the anode passage 22 is reduced by the anode pressure adjusting valve 14, and the liquefied ammonia after the pressure reduction is supplied to the fuel stack.
  • liquefied ammonia is supplied to the fuel cell stack 1 at a pressure equal to or higher than the liquefaction pressure of ammonia.
  • the electronic control unit 19 may adjust the supply pressure of ammonia with reference to the fuel pressure data measured by the anode pressure sensor 16.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a processing flow of the fuel cell system according to the present embodiment.
  • the fuel cell system according to the present embodiment executes the process of FIG. 4 when a start start process is performed on the fuel cell system.
  • the electronic control unit 19 may determine that there has been an instruction to start the fuel cell system and execute the processing of FIG.
  • the temperature sensor 17 starts measuring the temperature of the fuel cell stack 1 (S01).
  • the measurement of the temperature of the fuel cell stack 1 by the temperature sensor 17 is started by a start signal from the electronic control unit 19.
  • the electronic control unit 19 acquires the temperature data of the fuel cell stack 1 measured by the temperature sensor 17 from the temperature sensor 17.
  • the electronic control unit 19 determines the supply pressure of liquefied ammonia according to the temperature of the fuel cell stack 1 acquired from the temperature sensor 17 (S02).
  • the supply pressure of liquefied ammonia refers to the pressure of liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 1.
  • the temperature of the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 1 depends on the temperature of the fuel cell stack 1. That is, when the temperature of the fuel cell stack 1 is higher than the temperature of the liquefied ammonia before being supplied to the fuel cell stack 1, when the liquefied ammonia is supplied to the fuel cell stack 1, the temperature of the liquefied ammonia is Rise to or near 1 temperature.
  • the temperature of the liquefied ammonia is the temperature of the fuel cell stack 1. Decrease to or near temperature.
  • the supply pressure of liquefied ammonia is determined based on the temperature of the fuel cell stack 1.
  • the electronic control unit 19 may determine the supply pressure of ammonia with reference to the data relating to the graph shown in FIG.
  • the electronic control unit 19 determines the supply pressure of liquefied ammonia based on the straight line B shown in FIG. 3 .
  • the electronic control unit 19 determines the supply pressure of liquefied ammonia as 2 MPa.
  • 2 MPa is a pressure equal to or higher than the liquefaction pressure of ammonia, it is possible to supply ammonia to the fuel cell stack 1 in a liquid state.
  • Another example in which the electronic control unit 19 determines the supply pressure of liquefied ammonia will be described.
  • the electronic control unit 19 calculates the liquefaction pressure PMPa with respect to T ° C. with reference to the data relating to the graph of FIG.
  • a value obtained by adding a predetermined value to PMPa may be determined as the supply pressure of liquefied ammonia.
  • the electronic control unit 19 starts the supply of liquefied ammonia to the fuel cell stack 1 by controlling the delivery valve of the fuel tank 13 and the anode pressure regulating valve 14 (S03). In this case, the electronic control unit 19 opens the delivery valve of the fuel tank 13. Then, the electronic control unit 19 controls the anode pressure adjusting valve 14 so that the supply pressure of liquefied ammonia becomes the supply pressure determined according to the temperature of the fuel cell stack 1. The electronic control unit 19 may adjust the supply pressure of the liquefied ammonia by referring to the fuel pressure data measured by the anode pressure sensor 16.
  • the electronic control unit 19 starts the supply of air to the fuel cell stack 1 by controlling the air pump 10 and the cathode throttle valve 12 (S04). In this case, the electronic control unit 19 starts driving the air pump 10.
  • the electronic control unit 19 controls the cathode throttle valve 12 so that the supply pressure of air becomes equal to the supply pressure of liquefied ammonia.
  • the electronic control unit 19 controls the cathode throttle valve 12 so that the value of the supply pressure of air becomes the same value or the approximate value of the supply pressure of liquefied ammonia.
  • the air supply pressure refers to the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1.
  • the electronic control unit 19 may adjust the air supply pressure with reference to the air pressure data measured by the cathode pressure sensor 11.
  • the electronic control unit 19 acquires the temperature data of the fuel cell stack 1 measured by the temperature sensor 17 from the temperature sensor 17 (S05). The electronic control unit 19 determines whether there is a change in the temperature of the fuel cell stack 1 (S06). When there is no change in the temperature of the fuel cell stack 1 (NO in the process of S06), the electronic control unit 19 performs the process of step S05. On the other hand, when there is a change in the temperature of the fuel cell stack 1 (YES in the process of S06), the electronic control unit 19 determines the supply pressure of liquefied ammonia according to the temperature after the change of the fuel cell stack 1 (S07). ).
  • the electronic control unit 19 controls the anode pressure adjustment valve 14 so that the supply pressure of liquefied ammonia becomes the supply pressure determined according to the temperature after the change of the fuel cell stack 1 (S08).
  • the electronic control unit 19 may adjust the supply pressure of the liquefied ammonia by referring to the fuel pressure data measured by the anode pressure sensor 16.
  • the electronic control unit 19 controls the cathode throttle valve 12 so that the supply pressure of air becomes equal to the supply pressure of liquefied ammonia (S09). In other words, the electronic control unit 19 controls the cathode throttle valve 12 so that the value of the supply pressure of air becomes the same value or the approximate value of the supply pressure of liquefied ammonia.
  • the electronic control unit 19 may adjust the air supply pressure with reference to the air pressure data measured by the cathode pressure sensor 11. After the process of step S09, the electronic control unit 19 performs the process of step S05. When there is a command to end the operation of the fuel cell system, the processing shown in FIG. 4 ends.
  • liquefied ammonia is used as the fuel supplied to the fuel cell stack 1.
  • liquefied ammonia is used as the fuel to be supplied to the fuel cell stack 1
  • an electrochemical reaction in the anode catalyst electrode layer 4 can be efficiently performed without applying an ionomer to the anode catalyst electrode layer 4.
  • the concentration overvoltage of the anode catalyst electrode layer 4 can be reduced and the power generation performance of the fuel cell system can be improved without increasing the cost.
  • liquefied ammonia and air are supplied to the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell stack 1 As described above, in the electrochemical reaction in the anode catalyst electrode layer 4 and the cathode catalyst electrode layer 6, only nitrogen and water are generated, and carbon dioxide (CO 2 ) is not generated.
  • carbon dioxide CO 2
  • hydrocarbon fuel when hydrocarbon fuel is used, carbon dioxide is generated during power generation.
  • liquefied ammonia as the fuel, it becomes possible to suppress the generation of carbon dioxide during power generation of the fuel cell system. By suppressing the generation of carbon dioxide, it is possible to contribute to the prevention of global warming.
  • the pressure of air supplied to the fuel cell stack 1 is controlled to a pressure equivalent to the pressure of liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 1.
  • a pressure is equally applied to the fuel cells 2. Therefore, it becomes possible to suppress the breakage of the anion exchange membrane 5 due to the imbalance between the pressure of liquefied ammonia in the fuel cell stack 1 and the pressure of air.
  • the pressure of liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 1 is controlled according to the temperature of the fuel cell stack 1. For example, as the temperature of the fuel cell stack 1 increases, the supply pressure of liquefied ammonia is increased. Further, the supply pressure of liquefied ammonia is reduced as the temperature of the fuel cell stack 1 decreases. When the supply pressure of liquefied ammonia increases, the supply pressure of air also increases. When the supply pressure of air increases, the oxygen partial pressure in the air increases, so that the concentration overvoltage (diffusion polarization) of the cathode catalyst electrode layer 6 can be reduced.
  • the cathode catalyst electrode layer 6 as the oxygen partial pressure in the air increases, the opportunity for oxygen to react increases, so the concentration overvoltage of the cathode catalyst electrode layer 6 decreases. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved.
  • the fuel cell system according to the above embodiment may be modified as follows. That is, the fuel cell system according to the above embodiment may be modified so that ammonia in the anode flow path of the fuel cell system exists as a liquid at the design temperature of the fuel cell system.
  • the anode flow path of the fuel cell system is an ammonia flow path including the fuel cell tank 13, the anode passage 22 and the anode internal passage 3.
  • the design temperature of the fuel cell system is the maximum temperature of the fuel cell stack 1 during operation of the fuel cell system set in the design of the fuel cell system. What is necessary is just to obtain
  • This modification is a fuel cell system in which the pressure of liquefied ammonia sent from the fuel cell tank 13 to the anode passage 22 and the pressure of liquefied ammonia supplied from the anode passage 22 to the fuel cell stack 1 are equal to or higher than a predetermined pressure.
  • This predetermined pressure is a pressure at which the liquefied ammonia sent from the fuel cell tank 13 to the anode passage 22 and the liquefied ammonia supplied from the anode passage 22 to the fuel cell stack 1 maintain a liquid state at the design temperature of the fuel cell system. is there.
  • the pressure of the liquefied ammonia when the liquefied ammonia sent from the fuel cell tank 13 to the anode passage 22 and the liquefied ammonia supplied from the anode passage 22 to the fuel cell stack 1 exist in liquid form. Becomes a predetermined pressure.
  • the fuel cell system according to this modification has a fixed pressure adjustment valve instead of the pressure adjustment valve 14.
  • the fixed pressure adjustment valve adjusts the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 13 to a predetermined pressure.
  • the fixed pressure regulating valve provided in the fuel cell system according to this modification is set in advance so that the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 13 has a predetermined pressure. Therefore, even if the fixed pressure adjustment valve does not receive the control signal from the electronic control unit 19, the fixed pressure adjustment valve can adjust the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 13 to a predetermined pressure.
  • the fuel cell system according to the present modification has an anode flow path that can withstand the pressure of liquefied ammonia in the anode flow path when the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 13 is adjusted to a predetermined pressure.
  • the anode passage 22 is designed so that the anode passage 22 is not damaged even when the pressure of the liquefied ammonia delivered from the fuel cell tank 13 becomes a predetermined pressure.
  • the anode internal passage 3 is designed so that the anode internal passage 3 is not damaged even when the pressure of the liquefied ammonia supplied to the fuel cell tank 13 becomes a predetermined pressure.
  • the fuel cell system according to this modification may have a cathode fixed valve instead of the cathode throttle valve 12.
  • the cathode fixed valve controls the back pressure of the air discharged from the fuel cell stack 1, and adjusts the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 to a fixed value.
  • the fixed value is a value at which the pressure of air supplied to the fuel cell stack 1 is the same as the pressure of liquefied ammonia supplied to the fuel cell tank 13.
  • the cathode fixed valve provided in the fuel cell system according to this modification is preset so that the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 becomes a fixed value. Therefore, even if the cathode fixing valve does not receive the control signal from the electronic control unit 19, the cathode fixing valve can adjust the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 13 to a fixed value.
  • a cooling device for cooling the liquefied ammonia sent from the fuel tank 13 to the anode passage 22 is provided in the anode passage 22.
  • the cooling device provided in the anode passage 22 is electrically connected to the electronic control unit 19.
  • the electronic control unit 19 controls the cooling device by sending a control signal to the cooling device.
  • the electronic control unit 19 monitors the temperature of the fuel cell stack 1 so that the temperature of the fuel cell stack 1 does not exceed the design temperature of the fuel cell system. When the temperature of the fuel cell stack 1 exceeds the design temperature of the fuel cell system, the electronic control unit 19 may control the cooling device so as to lower the temperature of the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 1.
  • the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 13 is adjusted to a predetermined pressure.
  • liquefied ammonia can be supplied to the fuel cell stack 1 under a constant high pressure condition. That is, by adjusting the liquefied ammonia supplied to the fuel cell stack 13 to a predetermined pressure, the ammonia can be supplied to the fuel cell stack 1 in a liquid state.

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Abstract

　コストを増加させることなく、アノードの濃度過電圧を低減し、燃料電池の発電性能を向上させる。燃料電池システムは、液化アンモニアを含む燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に燃料を供給する燃料供給手段１３と、燃料電池１に酸化剤を供給する酸化剤供給手段１０と、燃料電池１の温度を測定する温度測定手段１７と、燃料電池１の温度に応じて、燃料供給手段１３から燃料電池１に供給される燃料の圧力を制御する制御手段と、を備える。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムに関する。
　近年、運転効率及び環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する。陽イオンや陰イオンを透過するイオン交換膜を用いた燃料電池がある。例えば、陰イオンを透過するアニオン交換膜（電解質膜）を用いた燃料電池が知られている。
特開２００６－２４４９６１号公報
　アニオン交換膜を用いた燃料電池のカソード側に酸化剤が供給され、陰イオンと反応して水を生成する化合物を含む燃料がアノード側に供給される。この場合、アニオン交換膜を介してカソード側からアノード側へ透過した陰イオンによってアノード側の燃料が反応し、水を生成する。
　アノード側に供給される燃料として気体のアンモニアやアンモニア水を使用する場合がある。気体のアンモニアを使用する場合には、気体のアンモニアと、触媒層と、アニオン交換膜との界面（三相界面）が必要となる。三相界面で気体のアンモニアを効率よく反応させるためには、アイオノマーと呼ばれるアニオン交換膜と同種の化合物を触媒層に塗布する。
　燃料として気体のアンモニアを使用する場合、アイオノマーの材料費が増加するとともに、触媒層にアイオノマーを塗布する工程が増加することにより、コストが増大する。また、燃料としてアンモニア水を使用する場合、アンモニア水には水が多く混入しているため、アノードの濃度過電圧が増大する。本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、コストを増加させることなく、アノードの濃度過電圧を低減し、燃料電池の発電性能を向上させる技術の提供を目的とする。
　上記課題を解決するため、燃料電池システムは、燃料電池の温度に応じて、燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段から燃料電池に供給される燃料の圧力を制御する制御手段を備える。
　詳細には、燃料電池システムは、液化アンモニアを含む燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、燃料電池の温度に応じて、燃料供給手段から燃料電池に供給される燃料の圧力を制御する第１の制御手段と、を備える。
　上記燃料電池システムでは、液化アンモニアを含む燃料が燃料電池に供給される。燃料電池に供給された燃料の温度は、燃料電池の温度に依存する。すなわち、燃料電池の温度が、燃料電池に供給される前の燃料の温度より高い場合、燃料が燃料電池に供給されると、燃料の温度は、燃料電池の温度又はその付近まで上昇する。燃料電池の温度が、燃料電池に供給される前の燃料の温度より低い場合、燃料が燃料電池に供給されると、燃料の温度は、燃料電池の温度又はその付近まで下降する。
　アンモニアは、常温・常圧では気体であるが、加圧されることにより液化する。アンモニアの液化圧力は、アンモニアの温度に依存する。すなわち、アンモニアの温度が上昇すればアンモニアの液化圧力は上昇し、アンモニアの温度が下降すればアンモニアの液化圧力は下降する。燃料電池に供給される液化アンモニアの圧力が、アンモニアの液化圧力よりも低い場合には、液化アンモニアは液体状態から気体状態となる。そのため、燃料電池内のアノードの濃度過電圧が上昇し、燃料電池の発電効率が下がる。
　上記燃料電池システムにおいては、燃料電池に供給された燃料に含まれる液化アンモニアが液体状態を維持できるように、燃料電池に供給される燃料の圧力を制御する。すなわち、燃料電池の温度を測定し、燃料電池の温度に応じて、燃料電池に供給される燃料の圧力を制御する。これにより、燃料電池に供給された燃料に含まれる液化アンモニアは、燃料電池内で液体状態を維持することが可能となる。その結果、燃料電池内のアノードの濃度過電圧が低減されるとともに、燃料電池の発電性能を向上させることが可能となる。
　また、上記燃料電池システムは、酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御する第２の制御手段を更に備えてもよい。そして、上記第２の制御手段は、燃料電池に供給される酸化剤の圧力と燃料電池に供給される燃料の圧力とが同圧となるように、燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御してもよい。上記燃料電池システムによれば、酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御することで、燃料電池に供給される酸化剤の圧力と燃料電池に供給される燃料の圧力とが同圧となるようにすることできる。これにより、燃料電池内の燃料の圧力と酸化剤の圧力との不均衡による燃料電池内の電解質膜の破損を抑制することが可能となる。
　また、上記燃料電池システムにおいて、第１の制御手段は、燃料電池の温度の変化に応じて、燃料電池に供給される燃料の圧力を制御してもよい。燃料電池に供給された燃料の温度は、燃料電池の温度に依存する。燃料電池の温度の変化に応じて、燃料電池に供給される燃料の圧力を制御することで、燃料電池に供給された燃料に含まれる液化アンモニアは、燃料電池内で液体状態を維持することが可能となる。
　また、上記燃料電池システムにおいて、第２の制御手段は、燃料電池に供給される燃料の圧力に変化があった場合、燃料電池に供給される酸化剤の圧力と燃料電池に供給される燃料の変化後の圧力とが同圧となるように、燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御してもよい。上記燃料電池システムによれば、酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御することで、燃料電池に供給される酸化剤の圧力と燃料電池に供給される燃料の変化後の圧力とが同圧となるようにすることできる。これにより、燃料電池内の燃料の圧力と酸化剤の圧力との不均衡による燃料電池内の電解質膜の破損を抑制することが可能となる。
　また、燃料電池システムは、液化アンモニアを含む燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備える。燃料に含まれる液化アンモニアが、燃料電池に供給されることにより、燃料電池内のアノードの濃度過電圧が低減されるとともに、燃料電池の発電性能を向上させることが可能となる。
　また、上記燃料電池システムは、燃料供給手段から燃料電池に供給される燃料の圧力を調整する第１の調整手段と、酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を調整する第２の調整手段を更に備えてもよい。また、上記燃料電池システムにおいて、第２の調整手段は、燃料電池に供給される酸化剤の圧力と燃料電池に供給される燃料の圧力とが同圧となるように記燃料電池に供給される酸化剤の圧力を調整してもよい。上記燃料電池システムによれば、酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を調整することで、燃料電池に供給される酸化剤の圧力と燃料電池に供給される燃料の圧力とが同圧となるようにすることできる。これにより、燃料電池内の燃料の圧力と酸化剤の圧力との不均衡による燃料電池内の電解質膜の破損を抑制することが可能となる。
　コストを増加させることなく、アノードの濃度過電圧を低減し、燃料電池の発電性能を向上させることが可能となる。
燃料電池スタックの概略図。 燃料電池システムの構成を示す図。 アンモニアの液化圧力とアンモニアの温度との関係を示したグラフ。 燃料電池システムの処理の流れを示すフロー図。
符号の説明
１・・・燃料電池（ＦＣ）スタック
２・・・燃料電池セル
３・・・アノード内部通路
４・・・アノード触媒電極層
５・・・アニオン交換膜
６・・・カソード触媒電極層
７・・・カソード内部通路
８・・・負荷
１０・・エアポンプ
１１・・カソード圧力センサ
１２・・カソード絞り弁
１３・・燃料タンク
１４・・圧力調整弁
１５・・逆止弁
１６・・アノード圧力センサ
１７・・温度センサ
１８・・燃料循環ポンプ
１９・・電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２０・・カソード通路
２１・・カソード排出通路
２２・・アノード通路
２３・・アノード循環通路
　以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。
　図１は、本実施形態に係る燃料電池システムが備える燃料電池（ＦＣ）スタックの概略図である。燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２を積層した積層構造であり、各燃料電池セル２の両側にはセパレータ（図示せず）が配置されている。燃料電池セル２は、アノード内部通路３、アノード触媒電極層４、アニオン交換膜５、カソード触媒電極層６及びカソード内部通路７を有する。また、燃料電池セル２は、カソード触媒電極層６、アニオン交換膜５及びアノード触媒電極層４を一体化させた膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する構造であってもよい。アニオン交換膜５は、陰イオンを透過する電解質膜である。アノード触媒電極層４及びカソード触媒電極層６は、アニオン交換膜５の両側に配置される。
　アノード触媒電極層４には、アノード内部通路３が接続されている。アノード内部通路３の入口から流入する燃料がアノード触媒電極層４に供給され、アノード触媒電極層４から未反応の燃料が排出される。カソード触媒電極層６には、カソード内部通路７が接続されている。カソード内部通路７の入口から流入する空気がカソード触媒電極層６に供給され、カソード触媒電極層６から未反応の空気が排出される。
　本実施形態に係る燃料電池システムの発電処理では、燃料に含まれる液化アンモニア（ＮＨ3）がアノード触媒電極層４に供給される。また、本実施形態に係る燃料電池システムの発電処理では、酸素（Ｏ2）を含む空気（酸化剤）がカソード触媒電極層６に供給される。アノード触媒電極層４に液化アンモニアが供給され、カソード触媒電極層６に空気が供給されると、燃料電池スタック１では電気化学反応が生じて、電気エネルギを発生する。
　アノード触媒電極層４に液化アンモニアが供給されると、液化アンモニアと、アニオン交換膜５を通過した水酸化物イオン（ＯＨ-）とが反応して、水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）が生成されるとともに、電子（ｅ-）が放出される。
　アノード触媒電極層４における電気化学反応を次式（１）に示す。
　（１）２ＮＨ3＋６ＯＨ-　→　Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ＋６ｅ-
　なお、式（１）の電気化学反応によって生成される水の多くは、アニオン交換膜５を通過するが、一部は燃料中に残る。
　カソード触媒電極層６に空気が供給されると、空気中の酸素と、アニオン交換膜５を通過した水と、アノード触媒電極層４から放出された電子とが反応して、水酸化物イオンが生成される。なお、必要に応じて、カソード触媒電極層６に水を供給するようにしてもよい。
　カソード触媒電極層６における電気化学反応を次式（２）に示す。
　（２）３Ｈ2Ｏ＋３／２Ｏ2＋６ｅ-　→　６ＯＨ-
　燃料電池スタック１では、アノード触媒電極層４から放出された電子が、外部回路等の負荷８を通ってカソード触媒電極層６に移動することにより発電が行われる。
　アノード触媒電極層４及びカソード触媒電極層６における電気化学反応を次式（３）に示す。
　（３）２ＮＨ3＋３／２Ｏ2　→　Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ
　アニオン交換膜５は、カソード触媒電極層６で生成される水酸化物イオンをアノード触媒電極層４に移動させることができる媒体であればよい。アニオン交換膜５は、例えば、１～３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基及び４級イミダゾリウム基等のアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）である。また、固体高分子膜は、例えば、炭化水素系樹脂及びフッ素系樹脂等である。
　図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１、エアポンプ１０、カソード圧力センサ１１、カソード絞り弁１２、燃料タンク１３、アノード圧力調整弁１４、逆止弁１５、アノード圧力センサ１６、温度センサ１７、燃料循環ポンプ１８及び電子制御ユニット（ＥＣＵ）１９を備える。
　燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１に空気を供給するためのカソード通路２０が接続されている。カソード通路２０には、カソード通路２０を通じて燃料電池スタック１に空気を供給するエアポンプ１０（酸化剤供給手段に相当）が接続されている。カソード通路２０には、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を計測するカソード圧力センサ１１が接続されている。
　エアポンプ１０及びカソード圧力センサ１１は、電子制御ユニット１９に電気的に接続されている。エアポンプ１０は、電子制御ユニット１９からの制御信号に応じて駆動する。また、電子制御ユニット１９とは異なる他の制御装置が、エアポンプ１０の駆動を制御してもよい。エアポンプ１０が駆動することにより、外気から吸入される空気が燃料電池スタック１に供給される。
　カソード圧力センサ１１は、電子制御ユニット１９からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を測定する。カソード圧力センサ１１は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を継続して又は所定間隔で測定してもよい。カソード圧力センサ１１により測定される空気の圧力のデータは、カソード圧力センサ１１から電子制御ユニット１９に送られる。電子制御ユニット１９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及び入出力インターフェース等で構成されている。電子制御ユニット１９に送られた空気の圧力のデータは、電子制御ユニット１９が備えるＲＡＭに記録される。
　燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から排出される空気を外気に排出するためのカソード排出通路２１が接続されている。カソード排出通路２１には、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を調整するカソード絞り弁１２が設けられている。カソード絞り弁１２により、燃料電池スタック１から排出される空気の背圧が制御されるため、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力が調整される。カソード絞り弁１２は、電子制御ユニット１９に電気的に接続されている。燃料電池スタック１への空気の供給圧力は、カソード絞り弁１２の開度によって制御される。すなわち、カソード絞り弁１２の開度が制御されることにより、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力の値が所定値に調整される。カソード絞り弁１２の開度の制御は、電子制御ユニット１９からの制御信号によって行われる。カソード絞り弁１２及び電子制御ユニット１９が、第２の制御手段に相当する。なお、カソード排出通路２１にカソード絞り弁１２を設けることに替えて、カソード通路２０にカソード圧力調整弁を設けてもよい。カソード圧力調整弁により、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を調整するようにしてもよい。
　燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１に燃料を供給するためのアノード通路２２が接続されている。アノード通路２２には、アノード通路２２を通じて燃料電池スタック１に燃料を供給する燃料タンク１３が接続されている。燃料タンク１３には、燃料電池スタック１に供給される燃料が蓄積されている。燃料タンク１３には、燃料タンク１３に蓄積されている燃料をアノード通路２２に送出するための送出弁が設けられている。送出弁を開くことにより、燃料タンク１３に蓄積されている燃料がアノード通路２２に送出される。送出弁は、電子制御ユニット１９に電気的に接続されている。電子制御ユニット１９から送られる制御信号により、送出弁の開閉が行われる。
　アノード通路２２には、燃料電池スタック１に供給される燃料の圧力を調整するためのアノード圧力調整弁１４が設けられている。アノード圧力調整弁１４は、電子制御ユニット１９に電気的に接続されている。燃料電池スタック１への燃料の供給圧力は、アノード圧力調整弁１４の開度によって制御される。すなわち、アノード圧力調整弁１４の開度が制御されることにより、燃料電池スタック１に供給される燃料の圧力の値が所定値に調整される。アノード圧力調整弁１４の開度の制御は、電子制御ユニット１９からの制御信号によって行われる。アノード圧力調整弁１４及び電子制御ユニット１９が、第１の制御手段に相当する。なお、アノード通路２２にアノード圧力調整弁１４を設けることに替えて、アノード循環通路２３にアノード絞り弁を設けてもよい。燃料電池スタック１から排出される燃料の背圧を制御することで、燃料電池スタック１に供給される燃料の圧力を調整するようにしてもよい。
　アノード通路２２には、燃料電池に供給される燃料の逆流を防止する逆止弁１５が設けられている。アノード通路２２には、燃料電池スタック１に供給される燃料の圧力を測定するアノード圧力センサ１６が接続されている。アノード圧力センサ１６は、電子制御ユニット１９に電気的に接続されている。アノード圧力センサ１６は、電子制御ユニット１９からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１に供給される燃料の圧力を測定する。アノード圧力センサ１６は、燃料電池スタック１に供給される燃料の圧力を継続して又は所定間隔で測定してもよい。アノード圧力センサ１６により測定される燃料の圧力のデータは、アノード圧力センサ１６から電子制御ユニット１９に送られる。電子制御ユニット１９に送られた燃料の圧力のデータは、電子制御ユニット１９が備えるＲＡＭに記録される。
　燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１の温度を測定する温度センサ１７（温度測定手段に相当）が接続されている。温度センサ１７は、電子制御ユニット１９に電気的に接続されている。温度センサ１７は、電子制御ユニット１９からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１の温度を測定する。温度センサ１７は、燃料電池スタック１の温度を継続して又は所定間隔で測定してもよい。温度センサ１７により測定される燃料電池スタック１の温度のデータは、温度センサ１７から電子制御ユニット１９に送られる。電子制御ユニット１９に送られた燃料電池スタック１の温度のデータは、電子制御ユニット１９が備えるＲＡＭに記録される。
　燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から排出される燃料をアノード通路２２に循環させるためのアノード循環通路２３が接続されている。アノード循環通路２３には、燃料循環ポンプ１８が設けられている。燃料循環ポンプ１８が駆動することにより、燃料電池スタック１から排出される燃料は、アノード循環通路２３を通じてアノード通路２２に流入する。
　アノード循環通路２３に、燃料電池スタック１から排出される燃料から水を分離する分離器を設けてもよい。分離器により分離された水は、カソード触媒電極層６に供給されるようにしてもよい。また、分離器により分離された水は、外気に排出されるようにしてもよい。アノード循環通路２３に、燃料電池スタック１から排出される燃料から窒素を分離する気液分離器を設けてもよい。気液分離器により分離された窒素は、外気に排出されるようにしてもよい。
　燃料タンク１３には、液化アンモニアを含む燃料が蓄積されている。アンモニアの液化は、温度と圧力で決定される。すなわち、アンモニアが液体状態を維持できる最低圧力は温度に応じて変化する。図３は、アンモニアを加圧した場合におけるアンモニアの液化圧力（MPa）とアンモニアの温度（deg C）との関係を示したグラフである。図３の縦軸はアンモニアの液化圧力（MPa）を示しており、図３の横軸はアンモニアの温度（deg C）を示している。図３に示す曲線Ａは、アンモニアの温度に対するアンモニアの液化圧力を示している。
　図３に示すように、アンモニアの温度が上昇すると、アンモニアの液化圧力も上昇する。この場合、アンモニアの温度の上昇に応じて、アンモニアに対する加圧をアンモニアの液化圧力以上とすることにより、アンモニアは液体状態を維持する。例えば、アンモニアの温度の上昇に応じて、図３に示す直線Ｂとなるようにアンモニアを加圧することで、アンモニアは液体状態を維持する。電子制御ユニット１９が備えるＲＯＭに、図３に示すグラフに関するデータを記録しておいてもよい。
　燃料タンク１３には、高圧（例えば、０．８５MPa～２．５MPa）で液化アンモニアが蓄積されている。燃料タンク１３内における液化アンモニアの圧力の値は、例示であって、他の値であってもよい。燃料タンク１３からアノード通路２２に送出される液化アンモニアの圧力がアノード圧力調整弁１４により減圧され、減圧後の液化アンモニアが燃料スタックに供給される。本実施形態に係る燃料電池システムでは、アンモニアの液化圧力以上の圧力で、燃料電池スタック１に液化アンモニアが供給される。電子制御ユニット１９は、アノード圧力センサ１６により測定される燃料の圧力のデータを参照して、アンモニアの供給圧力を調整してもよい。
　次に、本実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの処理の流れを示すフロー図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して始動開始の処理が行われた場合に図４の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがＯＮにされた場合、電子制御ユニット１９は、燃料電池システムの始動開始の指令があったと判断し、図４の処理を実行してもよい。
　温度センサ１７は、燃料電池スタック１の温度の測定を開始する（Ｓ０１）。温度センサ１７による燃料電池スタック１の温度の測定の開始は、電子制御ユニット１９からの開始信号によって行われる。電子制御ユニット１９は、温度センサ１７によって測定される燃料電池スタック１の温度のデータを温度センサ１７から取得する。
　電子制御ユニット１９は、温度センサ１７から取得した燃料電池スタック１の温度に応じて、液化アンモニアの供給圧力を決定する（Ｓ０２）。液化アンモニアの供給圧力とは、燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアの圧力をいう。燃料電池スタック１に供給された液化アンモニアの温度は、燃料電池スタック１の温度に依存する。すなわち、燃料電池スタック１の温度が、燃料電池スタック１に供給される前の液化アンモニアの温度より高い場合、液化アンモニアが燃料電池スタック１に供給されると、液化アンモニアの温度は、燃料電池スタック１の温度又はその付近まで上昇する。燃料電池スタック１の温度が、燃料電池スタック１に供給される前の液化アンモニアの温度より低い場合、液化アンモニアが燃料電池スタック１に供給されると、液化アンモニアの温度は、燃料電池スタック１の温度又はその付近まで下降する。本実施形態では、燃料電池スタック１の温度に基づいて、液化アンモニアの供給圧力を決定する。
　電子制御ユニット１９は、図３に示すグラフに関するデータを参照して、アンモニアの供給圧力を決定してもよい。ここで、電子制御ユニット１９が、図３に示す直線Ｂに基づいて、液化アンモニアの供給圧力を決定する例を説明する。例えば、燃料電池スタック１の温度が４０℃である場合、電子制御ユニット１９は、液化アンモニアの供給圧力を２MPaと決定する。図３に示すように、２MPaはアンモニアの液化圧力以上の圧力であるため、アンモニアを液体状態で燃料電池スタック１に供給することが可能となる。また、電子制御ユニット１９が、液化アンモニアの供給圧力を決定する他の例について説明する。燃料電池スタック１の温度がＴ℃である場合、電子制御ユニット１９は、図３のグラフに関するデータを参照して、Ｔ℃に対する液化圧力ＰMPaを算出する。そして、ＰMPaに所定値を加算した値を液化アンモニアの供給圧力として決定してもよい。
　図４の説明に戻る。電子制御ユニット１９は、燃料タンク１３の送出弁及びアノード圧力調整弁１４を制御することにより、燃料電池スタック１への液化アンモニアの供給を開始する（Ｓ０３）。この場合、電子制御ユニット１９は、燃料タンク１３の送出弁を開く。そして、電子制御ユニット１９は、液化アンモニアの供給圧力が燃料電池スタック１の温度に応じて決定された供給圧力となるように、アノード圧力調整弁１４を制御する。電子制御ユニット１９は、アノード圧力センサ１６により測定される燃料の圧力のデータを参照して、液化アンモニアの供給圧力を調整してもよい。
　電子制御ユニット１９は、エアポンプ１０及びカソード絞り弁１２を制御することにより、燃料電池スタック１への空気の供給を開始する（Ｓ０４）。この場合、電子制御ユニット１９は、エアポンプ１０の駆動を開始する。そして、電子制御ユニット１９は、空気の供給圧力が液化アンモニアの供給圧力と同等の圧力となるように、カソード絞り弁１２を制御する。換言すれば、電子制御ユニット１９は、空気の供給圧力の値が液化アンモニアの供給圧力の値と同値或いは近似値となるように、カソード絞り弁１２を制御する。ここで、空気の供給圧力とは、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力をいう。電子制御ユニット１９は、カソード圧力センサ１１により測定される空気の圧力のデータを参照して、空気の供給圧力を調整してもよい。
　電子制御ユニット１９は、温度センサ１７によって測定される燃料電池スタック１の温度のデータを温度センサ１７から取得する（Ｓ０５）。電子制御ユニット１９は、燃料電池スタック１の温度に変化があるかを判定する（Ｓ０６）。燃料電池スタック１の温度に変化がない場合（Ｓ０６の処理でＮＯ）、電子制御ユニット１９は、ステップＳ０５の処理を行う。一方、燃料電池スタック１の温度に変化がある場合（Ｓ０６の処理でＹＥＳ）、電子制御ユニット１９は、燃料電池スタック１の変化後の温度に応じて、液化アンモニアの供給圧力を決定する（Ｓ０７）。
　電子制御ユニット１９は、液化アンモニアの供給圧力が燃料電池スタック１の変化後の温度に応じて決定された供給圧力となるように、アノード圧力調整弁１４を制御する（Ｓ０８）。電子制御ユニット１９は、アノード圧力センサ１６により測定される燃料の圧力のデータを参照して、液化アンモニアの供給圧力を調整してもよい。
　電子制御ユニット１９は、空気の供給圧力が液化アンモニアの供給圧力と同等の圧力となるように、カソード絞り弁１２を制御する（Ｓ０９）。換言すれば、電子制御ユニット１９は、空気の供給圧力の値が液化アンモニアの供給圧力の値と同値或いは近似値となるように、カソード絞り弁１２を制御する。電子制御ユニット１９は、カソード圧力センサ１１により測定される空気の圧力のデータを参照して、空気の供給圧力を調整してもよい。ステップＳ０９の処理の後、電子制御ユニット１９は、ステップＳ０５の処理を行う。燃料電池システムの動作終了の指令があった場合、図４に示す処理は終了する。
　本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に供給する燃料として液化アンモニアを使用する。燃料電池スタック１に供給する燃料として液化アンモニアを使用する場合、アノード触媒電極層４にアイオノマーを塗布する必要がなくなる。すなわち、アノード触媒電極層４に供給される液化アンモニアの一部及びアノード触媒電極層４の電気化学反応で生成される水の一部が、アノード触媒電極層４ではアンモニウムイオン（ＮＨ4 +）及び水素イオン（Ｈ+）として存在する。そのため、アニオン交換膜５を通過する水酸化物イオンのアノード触媒電極層４への移動が促進される。これにより、アノード触媒電極層４にアイオノマーを塗布せずとも、アノード触媒電極層４における電気化学反応を効率的に行うことが可能となる。これにより、コストを増加させることなく、アノード触媒電極層４の濃度過電圧を低減するとともに、燃料電池システムの発電性能を向上させることが可能となる。
　本実施形態に係る燃料電池システムの発電処理の際、燃料電池スタック１に液化アンモニア及び空気を供給する。上述したように、アノード触媒電極層４及びカソード触媒電極層６における電気化学反応では、窒素及び水が生成されるのみで、二酸化炭素（ＣＯ2）は生成されない。一方、炭化水素系燃料を使用した場合、発電時に二酸化炭素が生成される。燃料として液化アンモニアを使用することで、燃料電池システムの発電時における二酸化炭素の発生を抑制することが可能となる。二酸化炭素の発生を抑制することで、地球温暖化防止に寄与することが可能となる。
　本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力は、燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアの圧力と同等の圧力に制御される。これにより、燃料電池セル２には、均等に圧力が加えられる。そのため、燃料電池スタック１内の液化アンモニアの圧力と空気の圧力との不均衡によるアニオン交換膜５の破損を抑制することが可能となる。
　本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度に応じて、燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアの圧力が制御される。例えば、燃料電池スタック１の温度の上昇に応じて、液化アンモニアの供給圧力を増加する。また、燃料電池スタック１の温度の下降に応じて、液化アンモニアの供給圧力を減少する。液化アンモニアの供給圧力が増加した場合、空気の供給圧力も増加する。空気の供給圧力が増加した場合、空気中の酸素分圧が増加するため、カソード触媒電極層６の濃度過電圧（拡散分極）を低減することが可能となる。すなわち、カソード触媒電極層６では、空気中の酸素分圧が高くなるにつれて、酸素が反応する機会が増大するため、カソード触媒電極層６の濃度過電圧は低減する。その結果、燃料電池システムの発電効率を向上させることが可能となる。
　〈変形例〉
　上記実施形態に係る燃料電池システムを、以下のように変形してもよい。すなわち、燃料電池システムのアノード流路におけるアンモニアが、燃料電池システムの設計温度で液体として存在するように、上記実施形態に係る燃料電池システムを変形してもよい。ここで、燃料電池システムのアノード流路は、燃料電池タンク１３、アノード通路２２及びアノード内部通路３を含むアンモニアの流通経路である。また、燃料電池システムの設計温度は、燃料電池システムの設計で設定される燃料電池システムの運転中の燃料電池スタック１の最高温度である。燃料電池システムの設計温度は、実験又はシミュレーションで求めておけばよい。
　本変形例は、燃料電池タンク１３からアノード通路２２に送出される液化アンモニアの圧力及びアノード通路２２から燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアの圧力が所定圧力以上となるように、燃料電池システムを変形する。この所定圧力は、燃料電池システムの設計温度において、燃料電池タンク１３からアノード通路２２に送出される液化アンモニア及びアノード通路２２から燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアが液体状態を維持する圧力である。すなわち、燃料電池システムの設計温度において、燃料電池タンク１３からアノード通路２２に送出される液化アンモニア及びアノード通路２２から燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアが液体で存在する場合における液化アンモニアの圧力が所定圧力となる。
　本変形例に係る燃料電池システムは、圧力調整弁１４に換えて、固定圧力調整弁を有する。固定圧力調整弁は、燃料電池スタック１３に供給される液化アンモニアを所定圧力に調整する。本変形例に係る燃料電池システムが備える固定圧力調整弁は、燃料電池スタック１３に供給される液化アンモニアが所定圧力となるように予め設定されている。したがって、電子制御ユニット１９からの制御信号を固定圧力調整弁が受け取らずとも、固定圧力調整弁は、燃料電池スタック１３に供給される液化アンモニアを所定圧力に調整することが可能である。
　また、本変形例に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１３に供給される液化アンモニアを所定圧力に調整した場合に、アノード流路における液化アンモニアの圧力に耐えることができるように、アノード流路が設計されている。すなわち、燃料電池タンク１３から送出される液化アンモニアの圧力が所定圧力となる場合でも、アノード通路２２が破損等を起こさないように、アノード通路２２は設計されている。また、燃料電池タンク１３に供給される液化アンモニアの圧力が所定圧力となる場合でも、アノード内部通路３が破損等を起こさないように、アノード内部通路３が設計されている。
　また、本変形例に係る燃料電池システムは、カソード絞り弁１２に換えて、カソード固定弁を有してもよい。カソード固定弁は、燃料電池スタック１から排出される空気の背圧を制御し、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を固定値の圧力に調整する。ここで、固定値は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力が、燃料電池タンク１３に供給される液化アンモニアの圧力と同圧となる値である。本変形例に係る燃料電池システムが備えるカソード固定弁は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力が固定値となるように予め設定されている。したがって、電子制御ユニット１９からの制御信号をカソード固定弁が受け取らずとも、カソード固定弁は、燃料電池スタック１３に供給される空気の圧力を固定値の圧力に調整することが可能である。
　本変形例に係る燃料電池システムは、燃料タンク１３からアノード通路２２に送出された液化アンモニアを冷却するための冷却装置をアノード通路２２に設ける。アノード通路２２に設けられた冷却装置は、電子制御ユニット１９と電気的に接続されている。電子制御ユニット１９は、冷却装置に制御信号を送ることにより、冷却装置を制御する。電子制御ユニット１９は、燃料電池スタック１の温度が燃料電池システムの設計温度を超えないように、燃料電池スタック１の温度を監視する。燃料電池スタック１の温度が燃料電池システムの設計温度を超えた場合、電子制御ユニット１９は、燃料電池スタック１に供給される液化アンモニアの温度を下げるように、冷却装置を制御してもよい。
　本変形例に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の温度が燃料電池システムの設計温度以下の場合であっても、燃料電池スタック１３に供給される液化アンモニアを所定圧力に調整する。これにより、燃料電池スタック１の温度が上昇した場合であっても、常時高圧の条件下で、液化アンモニアを燃料電池スタック１に供給することができる。すなわち、燃料電池スタック１３に供給される液化アンモニアを所定圧力に調整することにより、アンモニアを液体状態で燃料電池スタック１に供給することが可能となる。

Claims (6)

  1. 　液化アンモニアを含む燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
    　前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、
    　前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
    　前記燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、
    　前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給手段から前記燃料電池に供給される燃料の圧力を制御する第１の制御手段と、を備える、
    　燃料電池システム。
  2. 　前記酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御する第２の制御手段を更に備え、
    　前記第２の制御手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力と前記燃料電池に供給される燃料の圧力とが同圧となるように、前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記第１の制御手段は、前記燃料電池の温度の変化に応じて、前記燃料電池に供給される燃料の圧力を制御する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記第２の制御手段は、前記燃料電池に供給される燃料の圧力に変化があった場合、前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力と前記燃料電池に供給される燃料の変化後の圧力とが同圧となるように、前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　液化アンモニアを含む燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電を行う燃料電池と、
    　前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段と、
    　前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、を備える、
    　燃料電池システム。
  6. 　前記燃料供給手段から前記燃料電池に供給される燃料の圧力を調整する第１の調整手段と、
    　前記酸化剤供給手段から燃料電池に供給される酸化剤の圧力を調整する第２の調整手段を更に備え、
    　前記第２の調整手段は、前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力と前記燃料電池に供給される燃料の圧力とが同圧となるように、前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力を調整する請求項５に記載の燃料電池システム。
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