(57)【要約】【課題】燃料電池の発電状態を安定化させつつ、システム効率を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、アンモニアガスを水素に分解して改質ガスを生成する改質部１４と、アンモニアガスを燃焼する燃焼部１５とを有する改質器５と、改質部１４により生成された改質ガスを水素と残ガスとに分離する水素分離器８と、水素分離器８により分離された水素と空気とを用いて発電を行う燃料電池１０と、水素分離器８と燃焼部１５の上流側とを接続し、水素分離器８から燃焼部１５に供給される残ガスが流れる残ガス流路３０と、改質部１４及び燃焼部１５に供給されるアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁１７，２０と、改質器５が起動されると、流量調整弁１７，２０を開くように制御し、その後流量調整弁２０を閉じるように制御する制御ユニット１２とを備える。【選択図】図１
2020087556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアガスを水素に分解して前記水素を含有した改質ガスを生成する改質部と、前記アンモニアガスを燃焼して前記アンモニアガスの燃焼熱を前記改質部に供給する燃焼部とを有する改質器と、
前記改質部に供給される前記アンモニアガスが流れる第１アンモニアガス流路と、
前記燃焼部に供給される前記アンモニアガスが流れる第２アンモニアガス流路と、
前記燃焼部に供給される酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、
前記改質部により生成された前記改質ガスを水素と残ガスとに分離する水素分離部と、
前記水素分離部により分離された前記水素と前記酸化性ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、
前記水素分離部と前記燃焼部の上流側とを接続し、前記水素分離部から前記燃焼部に供給される前記残ガスが流れる残ガス流路と、
前記第１アンモニアガス流路に配設され、前記改質部に供給される前記アンモニアガスの流量を調整する第１流量調整弁と、
前記第２アンモニアガス流路に配設され、前記燃焼部に供給される前記アンモニアガスの流量を調整する第２流量調整弁と、
前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記改質器が起動されると、前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁を開くように制御し、その後前記第２流量調整弁を閉じるように制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の発電量を検出する検出部を更に備え、
前記制御部は、前記第２流量調整弁を閉じるように制御した後、前記検出部により検出された前記燃料電池の発電量に応じて前記第１流量調整弁及び前記第２流量調整弁の開度を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質部の改質率をａとし、前記水素分離部の水素分離率をｂとし、前記改質部に供給される前記アンモニアガスの物質量をＮ（ｍｏｌ）とし、前記燃焼部で発生した燃焼熱に対する前記改質部での改質の吸熱に利用される熱の割合を有効熱効率ｃとしたときに、下記式が成り立つ請求項１または２記載の燃料電池システム。
【数４】
2020087556.tif 000006
【請求項４】
前記水素分離部と前記燃料電池との間には、前記水素分離部により分離された前記水素を冷却する冷却部が配置されている請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとしては、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、水素を消費して発電を行う燃料電池と、この燃料電池に供給するための水素含有の改質ガスを生成する熱交換型改質器とを主要構成要素として構成されている。熱交換型改質器は、改質触媒が担持され、炭化水素ガスと水蒸気とを触媒反応させることで水素ガスを含む改質ガスを生成する改質部と、燃焼用の酸化触媒が担持され、改質部が改質反応を行うための熱を供給する加熱部とを含んで構成されている。改質部には、炭化水素ガスを改質部に供給する原料ポンプが原料供給ラインを介して接続されている。加熱部には、冷却オフガスと燃料電池のアノードからのアノードオフガスとを混合するガス混合器が接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９０９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術においては、水素含有の改質ガス中に未分解の原料ガスが残存していると、燃料電池に不要なガスが供給されることになるため、燃料電池の発電状態が不安定になることがある。そこで、燃料電池の発電状態を安定化させつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させることが望まれている。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池の発電状態を安定化させつつ、システム効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、アンモニアガスを水素に分解して水素を含有した改質ガスを生成する改質部と、アンモニアガスを燃焼してアンモニアガスの燃焼熱を改質部に供給する燃焼部とを有する改質器と、改質部に供給されるアンモニアガスが流れる第１アンモニアガス流路と、燃焼部に供給されるアンモニアガスが流れる第２アンモニアガス流路と、燃焼部に供給される酸化性ガスが流れる酸化性ガス流路と、改質部により生成された改質ガスを水素と残ガスとに分離する水素分離部と、水素分離部により分離された水素と酸化性ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、水素分離部と燃焼部の上流側とを接続し、水素分離部から燃焼部に供給される残ガスが流れる残ガス流路と、第１アンモニアガス流路に配設され、改質部に供給されるアンモニアガスの流量を調整する第１流量調整弁と、第２アンモニアガス流路に配設され、燃焼部に供給されるアンモニアガスの流量を調整する第２流量調整弁と、第１流量調整弁及び第２流量調整弁を制御する制御部とを備え、制御部は、改質器が起動されると、第１流量調整弁及び第２流量調整弁を開くように制御し、その後第２流量調整弁を閉じるように制御する。
【０００７】
このような燃料電池システムにおいては、改質器が起動されると、第１流量調整弁及び第２流量調整弁が開くため、改質器の改質部及び燃焼部の両方にアンモニアガスが供給される。このため、燃焼部においてアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱が燃焼部から改質部に供給される。そして、改質部では、燃焼部からの燃焼熱により改質が行われることで、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、水素分離部によって水素と残ガスとに分離される。そして、分離された水素が燃料電池に供給され、燃料電池において発電が行われる。このように水素分離部により分離された水素が燃料電池に供給されるため、不要な未燃のアンモニアガスが燃料電池に供給されにくくなる。これにより、燃料電池の発電状態が安定化する。
【０００８】
改質器の起動期間が経過した後は、第２流量調整弁が閉じるため、燃焼部へのアンモニアガスの供給が停止する。しかし、水素分離部により分離された残ガスが残ガス流路を流れて燃焼部に供給されるため、燃焼部において残ガスが燃焼し、その燃焼熱が燃焼部から改質部に供給される。このため、改質部では、改質が継続される。このように水素分離部により分離された残ガスが燃焼部における燃焼用のガスとして利用されるため、燃焼部へのアンモニアガスの供給量が少なくて済む。これにより、燃料電池システムのシステム効率が向上する。
【０００９】
燃料電池システムは、燃料電池の発電量を検出する検出部を更に備え、制御部は、第２流量調整弁を閉じるように制御した後、検出部により検出された燃料電池の発電量に応じて第１流量調整弁及び第２流量調整弁の開度を制御してもよい。
【００１０】
このような構成では、改質器の起動期間が経過した後に、燃料電池の発電量が変化したときは、燃料電池の発電量に応じて改質部及び燃焼部へのアンモニアガスの供給量が調整されるため、燃料電池の発電状態が更に安定化する。
【００１１】
改質部の改質率をａとし、水素分離部の水素分離率をｂとし、改質部に供給されるアンモニアガスの物質量をＮ（ｍｏｌ）とし、燃焼部で発生した燃焼熱に対する改質部での改質の吸熱に利用される熱の割合を有効熱効率ｃとしたときに、下記式が成り立ってもよい。
【数１】
2020087556.tif 000003
【００１２】
このような構成では、改質器の起動期間が経過した後に、水素分離部により分離された残ガスが改質部での改質に有効利用されるため、燃料電池システムのシステム効率が一層向上する。
【００１３】
水素分離部と燃料電池との間には、水素分離部により分離された水素を冷却する冷却部が配置されていてもよい。このような構成では、燃料電池に供給される水素の温度を燃料電池の稼動温度に適した温度に設定することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の発電状態を安定化させつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示された水素分離器の構造を示す図である。
【図３】図１に示された制御ユニットにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図５】図４に示された制御ユニットにより実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図１において、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車に搭載される。燃料電池システム１は、アンモニアタンク２と、気化器３と、空気供給部４と、熱交換型の改質器５と、ヒータ６と、触媒７と、水素分離器８と、冷却器９、燃料電池１０と、温度センサ１１と、制御ユニット１２とを備えている。
【００１８】
アンモニアタンク２は、燃料であるアンモニア（ＮＨ３）を液体状態で貯蔵するタンクである。気化器３は、アンモニア流路１３を介してアンモニアタンク２と接続されている。気化器３は、ポンプ（図示せず）によりアンモニアタンク２から導出された液体状態のアンモニアを気化させて、アンモニアガスを生成する。
【００１９】
空気供給部４は、酸化性ガスである空気を改質器５及び燃料電池１０に供給する。空気供給部としては、例えば送風機等が用いられる。
【００２０】
改質器５は、気化器３により生成されたアンモニアガスを改質して、水素を含有した改質ガスを生成する。改質器５は、アンモニアガスを水素に分解する改質触媒１４ａを含む改質部１４と、アンモニアガスを燃焼する燃焼触媒１５ａを含み、アンモニアガスの燃焼熱を改質部１４に供給する燃焼部１５とを有している。改質触媒１４ａとしては、例えばルテニウム（Ｒｕ）またはロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。燃焼触媒１５ａとしては、例えば白金（Ｐｔ）またはロジウム（Ｒｈ）等が用いられる。
【００２１】
改質部１４及び燃焼部１５は、例えば仕切り板（図示せず）を介して積層されている。燃焼部１５で発生した燃焼熱は、仕切り板を通って改質部１４に伝わる。改質部１４及び燃焼部１５の数としては、１つずつであってもよいし、複数ずつであってもよい。改質部１４及び燃焼部１５の数が複数ずつである場合には、改質部１４及び燃焼部１５は交互に積層される。
【００２２】
改質部１４は、アンモニアガス流路１６（第１アンモニアガス流路）を介して気化器３と接続されている。アンモニアガス流路１６は、改質部１４に供給されるアンモニアガスが流れる流路である。アンモニアガス流路１６には、改質部１４に供給されるアンモニアガスの流量を調整する電磁式の流量調整弁１７（第１流量調整弁）が配設されている。
【００２３】
改質部１４には、アンモニアガスが導入される。改質部１４は、燃焼部１５で発生した燃焼熱及び改質触媒１４ａによってアンモニアを水素及び窒素に分解する。具体的には、下記式のように、燃焼熱により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。
ＮＨ３⇔３／２Ｈ２＋１／２Ｎ２
【００２４】
燃焼部１５は、アンモニアガス流路１８（第２アンモニアガス流路）を介して気化器３と接続されていると共に、空気流路１９（酸化性ガス流路）を介して空気供給部４と接続されている。アンモニアガス流路１８は、燃焼部１５に供給されるアンモニアガスが流れる流路である。空気流路１９は、燃焼部１５に供給される空気が流れる流路である。
【００２５】
アンモニアガス流路１８には、燃焼部１５に供給されるアンモニアガスの流量を調整する電磁式の流量調整弁２０（第２流量調整弁）が配設されている。空気流路１９は、アンモニアガス流路１８における流量調整弁２０と燃焼部１５との間の部分に接続されている。空気流路１９には、燃焼部１５に供給される空気の流量を調整する電磁式の流量調整弁２１が配設されている。
【００２６】
燃焼部１５には、アンモニアガス及び空気が導入される。燃焼部１５は、燃焼触媒１５ａによってアンモニアを酸化させることで、燃焼熱を発生させる。具体的には、下記式のように、一部のアンモニアと空気中の酸素とが化学反応し、アンモニアの酸化反応により燃焼熱が発生する（発熱反応）。このような発熱反応により、窒素及び水を含む燃焼ガスが生成される。なお、燃焼ガスには、少量のアンモニアが含まれていてもよい。
ＮＨ３＋３／４Ｏ２⇔１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ
【００２７】
ヒータ６は、改質器５を含む燃料電池システム１の起動時に、改質部１４及び燃焼部１５を加熱する。ヒータ６としては、例えば電熱ヒータ等が用いられる。なお、改質器５をヒータ６で直接加熱する代わりに、改質部１４及び燃焼部１５に供給されるアンモニアガスを加熱し、その熱で改質器５を加熱してもよい。
【００２８】
触媒７は、燃焼ガス流路２２を介して燃焼部１５と接続されている。燃焼ガス流路２２は、燃焼部１５により生成された燃焼ガスが流れる流路である。触媒７は、燃焼ガス流路２２を流れる燃焼ガスに含まれるアンモニアを除去する。触媒７としては、例えば白金（Ｐｔ）等が用いられる。触媒７によってアンモニアが除去された燃焼ガスは、大気中に排出される。
【００２９】
水素分離器８は、改質ガス流路２３を介して改質部１４と接続されている。改質ガス流路２３は、改質部１４により生成された改質ガスが流れる流路である。水素分離器８は、改質部１４により生成された改質ガスを水素と水素以外のガスを主成分とする残ガスとに分離する水素分離部である。改質ガスは、水素、窒素及び未燃のアンモニアを含んでいる。残ガスは、窒素及び未燃のアンモニアを含んでいる。また、残ガスは、少量の水素も含んでもよい。
【００３０】
水素分離器８は、例えば図２に示されるように、水素分離管２４と、この水素分離管２４の内部に配置されたパラジウム膜２５とを有している。水素分離管２４には、改質ガスが導入される改質ガス入口部２４ａと、水素が導出される水素出口部２４ｂと、残ガスが導出される残ガス出口部２４ｃとが設けられている。改質ガス入口部２４ａは、改質ガス流路２３と接続されている。パラジウム膜２５は、改質ガス中の水素のみが透過し、改質ガス中の窒素及びアンモニアは透過できない金属膜である。なお、水素分離器８としては、ＶまたはＮｂ等といった非Ｐｄ系の合金膜、あるいはシリカ等の多孔質無機膜系の分離膜を用いてもよい。
【００３１】
冷却器９は、水素流路２６を介して水素分離器８と接続されている。水素流路２６は、水素分離器８により分離された水素が流れる流路であり、水素分離管２４の水素出口部２４ｂと接続されている。冷却器９は、水素分離器８により分離された水素を冷却する冷却部である。冷却器９は、水素を燃料電池１０の稼動温度に適した温度（例えば１００℃〜２００℃程度）まで冷却する。冷却器９としては、例えば冷却水により熱交換を行う熱交換器等が用いられる。
【００３２】
燃料電池１０は、水素流路２７を介して冷却器９と接続されていると共に、空気流路２８を介して空気供給部４と接続されている。燃料電池１０は、冷却器９により冷却された水素と空気中の酸素とを化学反応させて、発電を行う。燃料電池１０としては、例えば固体高分子型の燃料電池（ＰＥＦＣ：polymerelectrolyte fuel cell）が用いられる。空気流路２８には、燃料電池１０に供給される空気の流量を調整する電磁式の流量調整弁２９が配設されている。
【００３３】
水素分離器８と改質器５の燃焼部１５の上流側とは、残ガス流路３０を介して接続されている。残ガス流路３０の一端は、水素分離管２４の残ガス出口部２４ｃに接続されている。残ガス流路３０の他端は、アンモニアガス流路１８における流量調整弁２０と燃焼部１５との間の部分に接続されている。残ガス流路３０は、水素分離器８から燃焼部１５に供給される残ガスが流れる流路である。残ガス流路３０には、水素分離器８から燃焼部１５に残ガスを送り込むポンプ３１が配設されている。なお、改質部１４の圧力を大気圧以上（例えば０．５ＭＰａ）にしておけば、ポンプ３１は不要である。
【００３４】
温度センサ１１は、改質器５の改質部１４の温度を検出するセンサである。温度センサ１１は、例えば改質触媒１４ａの温度を検出する。
【００３５】
制御ユニット１２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及び入出力インターフェース等により構成されている。制御ユニット１２は、温度センサ１１の検出信号に基づいて所定の処理を行い、流量調整弁１７，２０及び流量調整弁２１，２９を制御する制御部である。制御ユニット１２による制御処理については、後で詳述する。
【００３６】
ここで、改質部１４の改質率をａとし、水素分離器８の水素分離率をｂとし、改質部１４に供給されるアンモニアガスの物質量をＮ（ｍｏｌ）としたときに、改質ガス流路２３を流れる改質ガスの組成としては、Ｈ２：Ｎ×ａ×３／２、Ｎ２：Ｎ×ａ×１／２、ＮＨ３：Ｎ×（１−ａ）である。同様に、水素流路２６を流れる水素ガスの組成としては、Ｈ２：（Ｎ×ａ×３／２）×ｂである。同様に、残ガス流路３０を流れる残ガスの組成としては、Ｈ２：（Ｎ×ａ×３／２）×（１−ｂ）、Ｎ２：Ｎ×ａ×１／２、ＮＨ３：Ｎ×（１−ａ）である。
【００３７】
アンモニアを分解して水素を生成するためには、改質部１４で下記の反応を進行させる必要がある。この反応は吸熱反応である。
ＮＨ３改質：ＮＨ３⇔１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２−46kJ/mol（吸熱）
【００３８】
アンモニアの改質に必要な熱を供給するためには、燃焼部１５でアンモニアあるいは／及び水素と酸素との触媒反応により熱を発生させ、この熱を熱源として利用する。
ＮＨ３燃焼：ＮＨ３＋３／４Ｏ２⇔１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋315kJ/mol（発熱）
Ｈ２燃焼  ：Ｈ２＋１／２Ｏ２⇔Ｈ２Ｏ＋284kJ/mol（発熱）
【００３９】
そこで、改質部１４及び水素分離器８は、改質部１４の改質率をａとし、水素分離器８の水素分離率をｂとし、改質部１４に供給されるアンモニアガスの物質量をＮ（ｍｏｌ）とし、燃焼部１５で発生した燃焼熱に対する改質部１４での改質の吸熱に利用される熱の割合を有効熱効率ｃとしたときに、下記式が成り立つように構成されている。
【数２】
2020087556.tif 000004
【００４０】
つまり、改質部１４での改質の吸熱に利用される熱を残ガスの燃焼熱で除した値は、有効熱効率ｃ以上である。この場合には、水素分離器８により分離された残ガスを効率良く燃焼部１５における燃焼用のガスとして利用することができる。なお、有効熱効率ｃは、改質器５の断熱性及び熱抵抗等といった改質器５の設計によって決まる。
【００４１】
図３は、制御ユニット１２により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。なお、本処理は、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされると実行され、イグニッションスイッチがＯＦＦされると終了する。また、本処理の実行前は、流量調整弁１７，２０及び流量調整弁２１，２９は、何れも全閉状態となっている。
【００４２】
図３において、制御ユニット１２は、まず温度センサ１１の検出値を取得する（手順Ｓ１０１）。続いて、制御ユニット１２は、温度センサ１１により検出された改質部１４の温度が起動温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。起動温度は、改質器５が起動されて、改質部１４及び燃焼部１５においてアンモニアが空気と反応して燃焼可能になる温度である。起動温度は、例えば２００℃程度である。
【００４３】
制御ユニット１２は、改質部１４の温度が起動温度以上でないと判断したときは、手順Ｓ１０１を再度実行する。制御ユニット１２は、改質部１４の温度が起動温度以上であると判断したときは、流量調整弁１７，２０及び流量調整弁２１，２９を所定の開度で開くように制御する（手順Ｓ１０３）。これにより、改質部１４にアンモニアガスが供給され、燃焼部１５にアンモニアガス及び空気が供給され、燃料電池１０に空気が供給される。
【００４４】
続いて、制御ユニット１２は、温度センサ１１の検出値を取得する（手順Ｓ１０４）。続いて、制御ユニット１２は、温度センサ１１により検出された改質部１４の温度が定常動作温度以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０５）。定常動作温度は、改質部１４を定常動作させる温度である。定常動作温度は、起動温度よりも高い温度（例えば４００℃〜５００℃程度）である。
【００４５】
制御ユニット１２は、改質部１４の温度が定常動作温度以上でないと判断したときは、手順Ｓ１０４を再度実行する。制御ユニット１２は、改質部１４の温度が定常動作温度以上であると判断したときは、流量調整弁１７を開いたまま流量調整弁２０を全閉するように制御する（手順Ｓ１０６）。これにより、改質部１４へのアンモニアガスの供給は継続するが、燃焼部１５へのアンモニアガスの供給は停止する。
【００４６】
以上において、イグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮされると、燃料電池システム１の運転が開始される。すると、ヒータ６により改質器５の改質部１４及び燃焼部１５が加熱されるため、改質部１４及び燃焼部１５の温度が上昇する。そして、改質部１４の温度が起動温度に達すると、流量調整弁１７，２０及び流量調整弁２１，２９が所定の開度で開弁するため、改質部１４にアンモニアガスが供給されると共に、燃焼部１５にアンモニアガス及び空気が供給される。また、燃料電池１０に空気が供給される。
【００４７】
これにより、燃焼部１５においてアンモニアの燃焼熱が発生し、その燃焼熱が改質部１４に供給される。このため、改質部１４において改質が開始され、水素を含む改質ガスが生成される。改質ガスは、水素分離器８によって水素と残ガスとに分離される。水素は、冷却器９により冷却された後、燃料電池１０に供給される。そして、燃料電池１０において、水素と空気中の酸素とを用いて発電が行われる。また、窒素及び未燃のアンモニアを含む残ガスは、ポンプ３１によって燃焼部１５に戻される。
【００４８】
その後、改質部１４の温度が定常動作温度に達すると、流量調整弁１７は開弁したままの状態であるが、流量調整弁２０は閉弁するため、燃焼部１５へのアンモニアガスの供給が停止する。これにより、燃焼部１５では、残ガスのみの燃焼熱が発生する。そして、残ガスの燃焼熱が改質部１４に供給されるため、改質部１４において改質が継続される。
【００４９】
ここで、例えば改質部１４の改質率ａが９０％であり、水素分離器８の水素分離率ｂが８７％であり、有効熱効率ｃが５０％である場合、改質部１４に供給されるＮＨ３の物質量が１．０ｍｏｌであり、燃焼部１５に供給されるＮＨ３の物質量が０ｍｏｌであるとき、改質部１４から出力されるＨ２、Ｎ２、ＮＨ３の物質量は、それぞれ１．３５ｍｏｌ、０．４５ｍｏｌ、０．１０ｍｏｌである。このとき、改質部１４の改質吸熱は、４１．４ｋＪである。
【００５０】
また、水素分離器８により分離されたＨ２の物質量は１．１７ｍｏｌである。水素分離器８により分離された残ガスに含まれるＨ２、Ｎ２、ＮＨ３の物質量は、それぞれ０．１７６ｍｏｌ、０．４５ｍｏｌ、０．１０ｍｏｌである。このとき、燃焼部１５の燃焼発熱は、８１．５ｋＪである。従って、改質部１４の改質吸熱／残ガスの燃焼熱は、０．５０８（＝４１．４ｋＪ／８１．５ｋＪ）である。つまり、改質部１４の改質吸熱／残ガスの燃焼熱の割合は５０．８％で、有効熱効率ｃとほぼ同じ値となり、熱バランスが取れた状態となる。
【００５１】
以上のように本実施形態にあっては、改質器５が起動されると、流量調整弁１７，２０が開くため、改質器５の改質部１４及び燃焼部１５の両方にアンモニアガスが供給される。このため、燃焼部１５においてアンモニアガスが燃焼し、その燃焼熱が燃焼部１５から改質部１４に供給される。そして、改質部１４では、燃焼部１５からの燃焼熱により改質が行われることで、水素を含有した改質ガスが生成される。改質ガスは、水素分離器８によって水素と残ガスとに分離される。そして、分離された水素が燃料電池１０に供給され、燃料電池１０において発電が行われる。このように水素分離器８により分離された水素が燃料電池１０に供給されるため、不要な未燃のアンモニアガスが燃料電池１０に供給されにくくなる。これにより、燃料電池１０の発電状態が安定化する。
【００５２】
改質器５の起動期間が経過した後は、流量調整弁２０が閉じるため、燃焼部１５へのアンモニアガスの供給が停止する。しかし、水素分離器８により分離された残ガスが残ガス流路３０を流れて燃焼部１５に供給されるため、燃焼部１５において残ガスが燃焼し、その燃焼熱が燃焼部１５から改質部１４に供給される。このため、改質部１４では、改質が継続される。このように水素分離器８により分離された残ガスが燃焼部１５における燃焼用のガスとして利用されるため、燃焼部１５へのアンモニアガスの供給量が少なくて済む。これにより、燃料電池システム１のシステム効率が向上する。
【００５３】
また、本実施形態では、改質部１４の改質率をａとし、水素分離器８の水素分離率をｂとし、改質部１４に供給されるアンモニアガスの物質量をＮ（ｍｏｌ）とし、燃焼部１５で発生した燃焼熱に対する改質部１４での改質の吸熱に利用される熱の割合を有効熱効率ｃとしたときに、下記式が成り立つ。
【数３】
2020087556.tif 000005
【００５４】
従って、改質器５の起動期間が経過した後に、水素分離器８により分離された残ガスが改質部１４での改質に有効利用されるため、燃料電池システム１のシステム効率が一層向上する。
【００５５】
また、本実施形態では、水素分離器８と燃料電池１０との間に、水素分離器８により分離された水素を冷却する冷却器９が配置されているので、燃料電池１０に供給される水素の温度を燃料電池１０の稼動温度に適した温度に設定することができる。
【００５６】
また、本実施形態では、改質器５の起動時に、燃焼部１５にアンモニアガスが供給されると共に、改質された水素ガスの一部も燃焼部１５に供給されるため、改質器５の起動時間を短縮することができる。
【００５７】
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。図４において、本実施形態の燃料電池システム１は、上記の第１実施形態における構成に加え、発電量検出部４１を備えている。発電量検出部４１は、燃料電池１０の発電量を検出する。発電量検出部４１は、燃料電池１０の発電量として、例えば燃料電池１０の出力電力または出力電圧を検出する。
【００５８】
また、燃料電池システム１は、上記の第１実施形態における制御ユニット１２に代えて、制御ユニット４２を備えている。制御ユニット４２は、温度センサ１１及び発電量検出部４１の検出信号に基づいて所定の処理を行い、流量調整弁１７，２０及び流量調整弁２１，２９を制御する制御部である。
【００５９】
図５は、制御ユニット４２により実行される制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。図５において、制御ユニット４２は、上記の制御ユニット１２と同様に、図２に示された手順Ｓ１０１〜Ｓ１０６を実行する。
【００６０】
制御ユニット４２は、手順Ｓ１０６を実行した後、発電量検出部４１により検出された燃料電池１０の発電量が変化したかどうかを判断する（手順Ｓ１０７）。制御ユニット４２は、燃料電池１０の発電量が変化していないと判断したときは、手順Ｓ１０７を再度実行する。制御ユニット４２は、燃料電池１０の発電量が変化したと判断したときは、燃料電池１０の発電量に応じて流量調整弁１７，２０の開度を変更するように制御する（手順Ｓ１０８）。これにより、改質部１４及び燃焼部１５に供給されるアンモニアガスの流量が変化する。
【００６１】
例えば、制御ユニット４２は、燃料電池１０の発電量が増加したときは、流量調整弁１７，２０の開度を大きくするように制御する。これにより、改質部１４及び燃焼部１５に供給されるアンモニアガスの流量が増加するため、改質が促進される。制御ユニット４２は、燃料電池１０の発電量が減少したときは、流量調整弁１７，２０の開度を小さくするように制御する。これにより、改質部１４及び燃焼部１５に供給されるアンモニアガスの流量が減少するため、改質が抑制される。
【００６２】
そして、制御ユニット４２は、手順Ｓ１０８を実行した後、手順Ｓ１０７を再度実行する。
【００６３】
このように本実施形態では、改質器５の起動期間が経過した後に、燃料電池１０の発電量が変化したときは、燃料電池１０の発電量に応じて改質部１４及び燃焼部１５へのアンモニアガスの供給量が調整されるため、燃料電池１０の発電状態が更に安定化する。また、改質部１４及び燃焼部１５へのアンモニアガスの供給量が変わることで、燃焼部１５の燃焼発熱と改質部１４の改質吸熱との熱バランスが崩れたときでも、熱バランスの調整が可能となる。
【００６４】
なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、温度センサ１１により検出された改質部１４の温度が定常動作温度以上であるときに、流量調整弁２０を閉じるように制御しているが、特にその形態には限られず、例えば改質器５が起動されてから所定時間経過後に、流量調整弁２０を閉じるように制御してもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、酸化性ガスとして空気を使用しているが、特にその形態には限られず、酸化性ガスとして酸素を使用してもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、固体高分子型の燃料電池１０が使用されているが、燃料電池１０のタイプとしては、特に固体高分子型には限られず、固体酸化物型またはアルカリ型等であってもよい。固体酸化物型の燃料電池１０が使用される場合には、水素分離器８と燃料電池１０との間に冷却器９を配置しなくてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１…燃料電池システム、５…改質器、８…水素分離器（水素分離部）、９…冷却器（冷却部）、１０…燃料電池、１２…制御ユニット（制御部）、１４…改質部、１５…燃焼部、１６…アンモニアガス流路（第１アンモニアガス流路）、１７…流量調整弁（第１流量調整弁）、１８…アンモニアガス流路（第２アンモニアガス流路）、１９…空気流路（酸化性ガス流路）、２０…流量調整弁（第２流量調整弁）、３０…残ガス流路、４１…発電量検出部（検出部）、４２…制御ユニット（制御部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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