(57)【要約】  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。
2010032332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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】
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。
【特許文献１】特開２００６−２４４９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池スタックの概略図。
【図２】燃料電池システムの構成を示す図。
【図３】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。
【図４】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】
【００１８】
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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-【００２５】
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【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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）。【００４８】
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。【００４９】
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。【００５０】
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。【００５１】
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。【００５２】
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。【００５３】
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。【００５４】
〈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。【００５５】
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。【００５６】
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。【００５７】
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。【００５８】
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。【００５９】
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。【００６０】
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。
【図１】
2010032332.tif 000003
【図２】
2010032332.tif 000004
【図３】
2010032332.tif 000005
【図４】
2010032332.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月22日(2010.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化アンモニア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、
前記燃料電池に前記液化アンモニアを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池に前記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前記液化アンモニアの圧力を、前記液化アンモニアが液体状態を維持する圧力に制御する第１の制御手段と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤供給手段から前記燃料電池に供給される前記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前記酸化剤の圧力と前記燃料電池に供給される前記液化アンモニア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前記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。
【請求項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前記液化アンモニア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。
【請求項４】
前記第２の制御手段は、前記燃料電池に供給される前記液化アンモニアの圧力に変化があった場合、前記燃料電池に供給される前記酸化剤の圧力と前記燃料電池に供給される前記液化アンモニア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前記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。
【請求項５】
液化アンモニア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、
前記燃料電池に前記液化アンモニア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、
前記燃料供給手段から前記燃料電池に供給される前記液化アンモニアの圧力を、前記液化アンモニアが液体状態を維持する圧力に制御する第１の調整手段と、
を備える、
燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤供給手段から燃料電池に供給される前記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前記酸化剤の圧力と前記燃料電池に供給される前記液化アンモニア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前記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。
【国際調査報告】
2010032332.tif 000007
2010032332.tif 000008
2010032332.tif 000009
2010032332.tif 000010