(57)【要約】【課題】燃料電池本体の発電効率を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１００は、密閉容器１１０と、密閉容器１１０内に設けられ、燃料極１２２および空気極１２４を少なくとも有する燃料電池本体１２０と、密閉容器１１０内に設けられ、燃料極１２２に接続されたアンモニア分解器１４０と、を備える。これにより、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１２０からの放熱を受けることによってアンモニアを分解することができる。したがって、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１２０の発電効率を向上させることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に設けられ、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、
前記密閉容器内に設けられ、前記燃料極に接続されたアンモニア分解器と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記アンモニア分解器は、前記燃料電池本体の上方に配される請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アンモニア分解器は、
アンモニアの流れ方向が異なる複数の管体が連続してなる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記管体の外面に設けられ、前記燃料電池本体と対向する平板形状の受熱板をさらに有する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アンモニア分解器は、前記燃料電池本体の側面および上面を囲繞する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料極から排気されるアノードオフガスと、アンモニアとを熱交換させるアノード熱交換器と、
前記アノード熱交換器によって熱交換されたアンモニアを前記アンモニア分解器に供給する燃料供給部と、
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。
【請求項７】
前記空気極から排気されるカソードオフガスと、空気とを熱交換させるカソード熱交換器と、
前記カソード熱交換器によって熱交換された空気を前記空気極に供給する空気供給部と、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、都市ガスに代えてアンモニアを燃料として発電する燃料電池システムが検討されている。例えば、特許文献１には、アンモニアを酸素で一部燃焼させ、この燃焼熱で残りのアンモニアを水素に分解して燃料電池本体に供給する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２８２７５５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、上記特許文献１の技術は、アンモニアを燃焼させるため、燃料電池本体に供給する全アンモニアに対して発電効率が低いという課題がある。
【０００５】
本開示は、このような課題に鑑み、燃料電池本体の発電効率を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、密閉容器と、密閉容器内に設けられ、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、密閉容器内に設けられ、燃料極に接続されたアンモニア分解器と、を備える。
【０００７】
また、アンモニア分解器は、燃料電池本体の上方に配されてもよい。
【０００８】
また、アンモニア分解器は、アンモニアの流れ方向が異なる複数の管体が連続してなってもよい。
【０００９】
また、管体の外面に設けられ、燃料電池本体と対向する平板形状の受熱板をさらに有してもよい。
【００１０】
また、アンモニア分解器は、燃料電池本体の側面および上面を囲繞してもよい。
【００１１】
また、燃料極から排気されるアノードオフガスと、アンモニアとを熱交換させるアノード熱交換器と、アノード熱交換器によって熱交換されたアンモニアをアンモニア分解器に供給する燃料供給部と、を備えてもよい。
【００１２】
また、空気極から排気されるカソードオフガスと、空気とを熱交換させるカソード熱交換器と、カソード熱交換器によって熱交換された空気を空気極に供給する空気供給部と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、燃料電池本体の発電効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを説明する図である。
【図２】アンモニア分解器の一例を説明する図である。
【図３】図３Ａは、第１の変形例のアンモニア分解器の上面図である。図３Ｂは、管体および受熱板の鉛直断面図である。
【図４】第２の変形例のアンモニア分解器を説明する図である。
【図５】第３の変形例のアンモニア分解器を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
［燃料電池システム１００］
図１は、本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、密閉容器１１０と、燃料電池本体１２０と、燃料供給部１３０と、アンモニア分解器１４０と、空気供給部１５０と、アノード排気管１６０と、カソード排気管１７０と、アノード熱交換器１８０と、カソード熱交換器１９０とを含む。なお、本実施形態の図１をはじめとする以下の図では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図１中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。
【００１７】
密閉容器１１０は、内部に空間（以下、「発電室１１２」と称する。）が形成された容器である。密閉容器１１０は、断熱材で構成された容器、または、真空容器である。つまり、密閉容器１１０は、断熱容器である。発電室１１２には、燃料電池本体１２０が設けられる。密閉容器１１０は、燃料電池本体１２０から外部への伝熱を抑制する。
【００１８】
燃料電池本体（セルスタック）１２０は、燃料極１２２、空気極１２４、および、電解質１２６を含む。燃料極（アノード）１２２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１２２には、供給マニホールド１２２ａと、排気マニホールド１２２ｂとが接続される。
【００１９】
空気極（カソード）１２４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）ＭｎＯ３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３）、または、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３）である。空気極１２４には、供給マニホールド１２４ａが接続される。
【００２０】
電解質１２６は、燃料極１２２と空気極１２４との間に設けられる。電解質１２６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。
【００２１】
また、燃料電池本体１２０は、後述する燃料供給管１３２、空気供給管１５２、アノード排気管１６０を介してのみ密閉容器１１０と接触する。
【００２２】
燃料供給部１３０は、後述するアンモニア分解器１４０にアンモニア（ＮＨ３）を供給する。本実施形態において、燃料供給部１３０は、燃料供給管１３２と、流量調整機構１３４とを含む。燃料供給管１３２は、アンモニアの供給源と、アンモニア分解器１４０とを接続する。アンモニアの供給源は、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１３４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。
【００２３】
アンモニア分解器１４０は、燃料供給部１３０によって供給されたアンモニアを分解する。アンモニア分解器１４０では、下記反応式（１）に示す反応が進行し、アンモニアが分解されて、水素が生成される。
ＮＨ３  →  ３／２Ｈ２  ＋  １／２Ｎ２      …反応式（１）
【００２４】
アンモニア分解器１４０は、発電室１１２に設けられる。本実施形態において、アンモニア分解器１４０は、燃料電池本体１２０の上方（図１中、−Ｚ軸方向）に配される。アンモニア分解器１４０は、燃料供給部１３０と燃料極１２２（供給マニホールド１２２ａ）とに接続される。したがって、アンモニア分解器１４０によって生成された水素が燃料極１２２に供給される。アンモニア分解器１４０については、後に詳述する。
【００２５】
空気供給部１５０は、空気供給管１５２と、ブロワ１５４とを含む。空気供給管１５２は、一端が開放され、他端が空気極１２４（供給マニホールド１２４ａ）に接続される。ブロワ１５４は、空気供給管１５２に設けられる。ブロワ１５４は、吸入側が空気供給管１５２の開放端側に接続される。ブロワ１５４は、吐出側が空気供給管１５２の供給マニホールド１２４ａ側に接続される。ブロワ１５４は、空気ＡＲを空気極１２４に供給する。
【００２６】
上記したように、アンモニア分解器１４０によって、燃料極１２２に水素が供給されると、燃料極１２２において、下記反応式（２）に示す酸化反応が進行する。
Ｈ２  ＋  Ｏ２−  →  ２Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−      …反応式（２）
【００２７】
また、上記したように、空気供給部１５０によって空気極１２４に空気ＡＲが供給されることにより、空気極１２４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（Ｏ２−）が電解質１２６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１２０が発電する。燃料電池本体１２０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。
１／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２−      …反応式（３）
【００２８】
アノード排気管１６０は、排気マニホールド１２２ｂと後段の設備（例えば、オフガス燃焼器）とを接続する。カソード排気管１７０は、密閉容器１１０に形成された下部開口１１０ａと、後段の設備とを接続する。
【００２９】
上記反応式（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ＡＸ（水（水蒸気）、および、水素を含む）は、排気マニホールド１２２ｂ、および、アノード排気管１６０を通じて後段の設備に排気される。
【００３０】
また、上記反応式（３）に示す反応が進行した結果生じるカソードオフガスＣＸ（酸素、窒素を含む）は、空気極１２４から排気される。そして、カソードオフガスＣＸは、発電室１１２、下部開口１１０ａ、および、カソード排気管１７０を通じて後段の設備に排気される。
【００３１】
アノード熱交換器１８０は、燃料供給管１３２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ＡＸとを熱交換させる。アノード熱交換器１８０は、アンモニアを加熱する。アノード熱交換器１８０は、アノードオフガスＡＸを冷却する。したがって、燃料供給部１３０は、アノード熱交換器１８０によって熱交換されたアンモニアをアンモニア分解器１４０に供給する。
【００３２】
カソード熱交換器１９０は、空気供給管１５２を通過する空気ＡＲと、カソード排気管１７０を通過するカソードオフガスＣＸとを熱交換させる。カソード熱交換器１９０は、空気ＡＲを加熱する。カソード熱交換器１９０は、カソードオフガスＣＸを冷却する。したがって、空気供給部１５０は、カソード熱交換器１９０によって熱交換された空気ＡＲを空気極１２４に供給する。
【００３３】
[アンモニア分解器１４０]
続いて、アンモニア分解器１４０について説明する。図２は、アンモニア分解器１４０の一例を説明する図である。図２に示すように、アンモニア分解器１４０は、管体１４２で構成される。具体的に説明すると、管体１４２は、複数の延在部１４４と、折り返し部１４６とを含む。延在部１４４は、管体１４２のうち、直線状に延在する部位である。折り返し部１４６は、管体１４２のうち、２つの延在部１４４を接続する部位である。折り返し部１４６は、湾曲形状、もしくは、屈曲形状である。つまり、アンモニア分解器１４０は、Ｕ字管である。
【００３４】
アンモニア分解器１４０の一端は、燃料供給管１３２に連続する。アンモニア分解器１４０の他端は供給マニホールド１２４ａに接続される。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、発電室１１２に設けられたアンモニア分解器１４０を備える。これにより、アンモニア分解器１４０は、燃料電池本体１２０の輻射熱によってアンモニアを分解することができる。したがって、アンモニア分解器１４０は、燃料供給部１３０によって供給されたアンモニアを消費することなく、上記反応式（１）に示す吸熱反応（アンモニアの分解反応）を遂行させることが可能となる。つまり、燃料電池システム１００は、燃料電池本体１２０によって供給されたアンモニアを構成する水素をすべて燃料極１２２に供給することができる。このため、燃料電池システム１００は、アンモニアを一部燃焼させて分解する従来技術と比較して、燃料電池本体１２０の発電効率を向上させることが可能となる。
【００３６】
また、アンモニア分解器１４０は、燃料電池本体１２０の発熱を吸収することができる。これにより、燃料電池システム１００は、密閉容器１１０を介して外部に廃棄される熱を低減することが可能となる。
【００３７】
また、燃料電池本体１２０は、上部が下部と比較して高温になる。したがって、上記したように、アンモニア分解器１４０が燃料電池本体１２０の上方に配される構成により、燃料電池システム１００は、効率よくアンモニアを水素に分解することが可能となる。
【００３８】
また、上記したようにアンモニア分解器１４０は、Ｕ字管で構成される。これにより、アンモニア分解器１４０は、アンモニアの滞留時間を長くすることができる。したがって、アンモニア分解器１４０は、アンモニアの分解効率を向上させることが可能となる。
【００３９】
また、燃料電池本体１２０は、燃料供給管１３２、空気供給管１５２、アノード排気管１６０を介してのみ密閉容器１１０と接触する。これにより、燃料電池本体１２０から密閉容器１１０外へ不要に放熱されてしまう事態を回避することが可能となる。
【００４０】
また、燃料電池システム１００は、アノード熱交換器１８０を備える。これにより、アンモニア分解器１４０に供給される前にアンモニアを予熱することができる。したがって、アンモニア分解器１４０におけるアンモニアの分解効率を向上させることが可能となる。
【００４１】
また、燃料電池システム１００は、カソード熱交換器１９０を備える。これにより、燃料電池システム１００は、空気ＡＲを予熱することができる。したがって、燃料電池本体１２０の発電効率を向上させることが可能となる。
【００４２】
［第１の変形例］
図３は、第１の変形例のアンモニア分解器２４０を説明する図である。図３Ａは、第１の変形例のアンモニア分解器２４０の上面図である。図３Ｂは、管体１４２および受熱板２４６の鉛直断面図である。
【００４３】
図３Ａに示すように、アンモニア分解器２４０は、管体１４２（延在部１４４、折り返し部１４６）と、受熱板２４６とを含む。アンモニア分解器２４０は、燃料電池本体１２０の上方に配される。なお、上記アンモニア分解器１４０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。
【００４４】
受熱板２４６は、延在部１４４の外面に設けられる。受熱板２４６は、平板形状の部材である。受熱板２４６は、燃料電池本体１２０と対向する。具体的に説明すると、受熱板２４６は、延在部１４４の外面と、当該延在部１４４に隣接する延在部１４４の外面とを接続する。
【００４５】
このように、受熱板２４６を備える構成により、アンモニア分解器２４０は、燃料電池本体１２０からの輻射熱を効率よく受熱することができる。したがって、アンモニア分解器２４０は、アンモニア分解器１４０と比較して、アンモニアを効率よく分解することが可能となる。
【００４６】
[第２の変形例]
図４は、第２の変形例のアンモニア分解器３４０を説明する図である。図４に示すように、アンモニア分解器３４０は、本体３４２と、仕切板３４４とを含む。アンモニア分解器３４０は、燃料電池本体１２０の上方に配される。また、図４中、実線の矢印は、アンモニアの流れを示す。
【００４７】
本体３４２は、燃料供給管１３２より流路断面積が大きい容器である。第２の変形例において、本体３４２は、矩形形状の容器である。本体３４２は、入口３４２ａと、出口３４２ｂとが形成される。入口３４２ａは、燃料供給管１３２に接続される。出口３４２ｂは、供給マニホールド１２４ａに接続される。
【００４８】
仕切板３４４は、本体３４２内に設けられる。仕切板３４４は、入口３４２ａと、出口３４２ｂとの間に設けられる。仕切板３４４の図４中、Ｚ軸方向の両端は、本体３４２に接続される。また、仕切板３４４の図４中、−Ｘ軸方向の一端は、本体３４２に接続される。仕切板３４４の図４中、＋Ｘ軸方向の他端は、本体３４２から離隔する。
【００４９】
したがって、燃料供給管１３２から供給されたアンモニアは、入口３４２ａを通じて、本体３４２内に導かれる。そして、アンモニアは、仕切板３４４と本体３４２との間を通過し、出口３４２ｂを通じて供給マニホールド１２４ａに導入される。
【００５０】
このように、第２の変形例のアンモニア分解器３４０は、流路断面積が大きい容器である本体３４２を備える。これにより、アンモニア分解器３４０は、アンモニアの滞留時間を長くすることができる。
【００５１】
また、アンモニア分解器３４０は、本体３４２を矩形形状の容器とすることにより、燃料電池本体１２０と対向する面を備えることができる。これにより、アンモニア分解器３４０は、燃料電池本体１２０からの輻射熱を効率よく受熱することができる。したがって、アンモニア分解器３４０は、アンモニアの分解効率を向上させることが可能となる。
【００５２】
[第３の変形例]
図５は、第３の変形例のアンモニア分解器４４０を説明する図である。図５に示すように、アンモニア分解器４４０は、本体４４２と、水素供給管４４４とを含む。なお、本実施形態の図５では、垂直に交わるＸ軸（水平方向）、Ｙ軸（水平方向）、Ｚ軸（鉛直方向）を図示の通り定義している。また、図５中、実線の矢印は、ガスの流れを示す。
【００５３】
本体４４２は、燃料電池本体１２０の側面および上面を囲繞する。具体的に説明すると、本体４４２は、２つの容器４４２ａと、２つの容器４４２ｂと、容器４４２ｃとが接続されてなる。容器４４２ａは、図５中、Ｘ軸方向に亘って延在する矩形形状の容器である。容器４４２ａは、燃料電池本体１２０の図５中、Ｙ軸方向に位置する側面と対向する。容器４４２ｂは、図５中、Ｙ軸方向に亘って延在する矩形形状の容器である。容器４４２ｂは、燃料電池本体１２０の側面と対向する。容器４４２ｂは、燃料電池本体１２０の図５中、Ｘ軸方向に位置する側面と対向する。容器４４２ｃは、図５中、ＸＹ軸方向に亘って設けられる。容器４４２ｃは、燃料電池本体１２０の上面と対向する。また、本体４４２は、燃料電池本体１２０と離隔して設けられる。
【００５４】
水素供給管４４４は、２つの容器４４２ｂのうち、一方の容器４４２ｂの下部と供給マニホールド１２２ａとを接続する。また、燃料供給管１３２は、他方の容器４４２ｂの下部に接続される。
【００５５】
このように、第３の変形例のアンモニア分解器４４０は、本体４４２を備える。これにより、アンモニア分解器４４０は、アンモニアの滞留時間を長くすることができる。
【００５６】
また、アンモニア分解器４４０は、燃料電池本体１２０の側面および上面を囲繞する本体４４２を有する。これにより、アンモニア分解器４４０は、燃料電池本体１２０からの放熱が外部に逃げる領域を削減することができる。つまり、アンモニア分解器４４０は、燃料電池本体１２０からの放熱（輻射熱）をほとんどすべて受熱することが可能となる。このため、アンモニア分解器４４０は、アンモニアの分解効率を向上させることができる。
【００５７】
また、アンモニア分解器４４０は、燃料電池本体１２０と離隔して設けられる。これにより、燃料電池本体１２０の短絡を防止することが可能となる。
【００５８】
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。
【００５９】
例えば、上記実施形態において、アンモニア分解器１４０が燃料電池本体１２０の上方に配される構成を例に挙げて説明した。しかし、アンモニア分解器１４０は、少なくとも密閉容器１１０内（発電室１１２）に配されていればよい。例えば、アンモニア分解器１４０は、燃料電池本体１２０の側方に配されてもよい。
【００６０】
また、上記実施形態において、アンモニア分解器１４０が、Ｕ字管で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、アンモニア分解器１４０の形状に限定はない。アンモニア分解器１４０は、アンモニアの流れ方向が異なる複数の管体が連続してなればよい。例えば、アンモニア分解器１４０は、螺旋状の管体であってもよい。
【００６１】
また、上記実施形態において、燃料電池システム１００がアノード熱交換器１８０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、アノード熱交換器１８０は必須の構成ではない。同様に、上記実施形態において、燃料電池システム１００がカソード熱交換器１９０を備える構成を例に挙げて説明した。しかし、カソード熱交換器１９０は、必須の構成ではない。
【００６２】
また、上記第１の変形例において、受熱板２４６が延在部１４４と延在部１４４との間に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、受熱板２４６は、管体１４２の外面に設けられ、かつ、燃料電池本体１２０と対向していればよい。例えば、受熱板２４６は、複数の延在部１４４に亘って管体１４２の外面に設けられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本開示は、燃料電池システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１００  燃料電池システム
１１０  密閉容器
１２０  燃料電池本体
１２２  燃料極
１２４  空気極
１３０  燃料供給部
１４０  アンモニア分解器
１４２  管体
１５０  空気供給部
１８０  アノード熱交換器
１９０  カソード熱交換器
２４０  アンモニア分解器
２４６  受熱板
３４０  アンモニア分解器
４４０  アンモニア分解器
【図１】
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【図２】
2020087532.tif 000004
【図３】
2020087532.tif 000005
【図４】
2020087532.tif 000006
【図５】
2020087532.tif 000007