(57)【要約】【課題】  硫酸アンモニウムの析出による硫酸溶液の中和能力の低下を抑制す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（５）は、燃料ガスが供給される硫酸溶液を有する中和手段（４０）と、硫酸溶液を経由した燃料ガスを用いて発電する燃料電池（６０）と、を備え、硫酸溶液の硫酸濃度は５．５（ｍｏｌ／ｌ）以下であることを特徴とするものである。燃料電池システムによれば、硫酸溶液における硫酸アンモニウムの析出を抑制することができる。その結果、硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる。【選択図】      図２
2011181250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される硫酸溶液を有する中和手段と、
前記硫酸溶液を経由した前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、を備え、
前記硫酸溶液の硫酸濃度は５．５（ｍｏｌ／ｌ）以下であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記硫酸濃度は４．８±０．７（ｍｏｌ／ｌ）であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
原燃料を改質して、前記硫酸溶液へ導入される燃料ガスを生成する改質器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記改質器は、アンモニアおよびヒドラジンの少なくともいずれか一方を原燃料とする改質ガス発生装置であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガスに含まれる水蒸気が凝結した凝結水を前記硫酸溶液に導く流路を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか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】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
このような燃料電池に供給される燃料ガスにアンモニアが含まれた場合、燃料電池が劣化するおそれがある。そこで、特許文献１では、燃料ガスとして改質ガスを用いる燃料電池システムにおいて、改質ガスのアンモニアを中和させる硫酸溶液を有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】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−６７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムにおいては、アンモニアと硫酸との中和生成物である硫酸アンモニウムが硫酸溶液中に析出するおそれがある。この場合、硫酸溶液の中和能力が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、硫酸アンモニウムの析出による硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスが供給される硫酸溶液を有する中和手段と、硫酸溶液を経由した燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、を備え、硫酸溶液の硫酸濃度は５．５（ｍｏｌ／ｌ）以下であることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、硫酸溶液における硫酸アンモニウムの析出を抑制することができる。それにより、硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる。
【０００８】
上記構成において、硫酸濃度は４．８±０．７（ｍｏｌ／ｌ）であってもよい。この構成によれば、中和手段の容積を増加させることなく、硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる。
【０００９】
上記構成は、原燃料を改質して、硫酸溶液へ導入される燃料ガスを生成する改質器を備えていてもよい。上記構成において、改質器は、アンモニアおよびヒドラジンの少なくともいずれか一方を原燃料とする改質ガス発生装置であってもよい。
【００１０】
上記構成は、燃料ガスに含まれる水蒸気が凝結した凝結水を硫酸溶液に導く流路を備えていてもよい。上記構成において、燃料電池は、固体高分子型燃料電池であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、硫酸アンモニウムの析出による硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】セルの模式的断面図である。
【図２】燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例１に係る燃料電池システム５について説明する。まず、燃料電池システム５に用いられる燃料電池６０について説明する。燃料電池６０は、複数のセル２００が積層されて構成されている。図１は、セル２００の模式的断面図である。セル２００は、電解質膜２０１、アノード触媒層２０２、カソード触媒層２０３、ガス拡散層２０４，２０５およびセパレータ２０６，２０７を備える。電解質膜２０１として、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。固体高分子電解質膜として、パーフルオロスルホン酸等の酸性官能基を有する電解質を用いることができる。
【００１５】
アノード触媒層２０２およびカソード触媒層２０３は、電解質膜２０１を挟持するように配置されている。アノード触媒層２０２は、水素のプロトン化を促進する触媒を含む導電性材料からなる。カソード触媒層２０３は、プロトンと酸素との反応を促進する触媒を含む導電性材料からなる。アノード触媒層２０２およびカソード触媒層２０３として、例えば白金を担持したカーボンが用いられる。
【００１６】
ガス拡散層２０４は、アノード触媒層２０２の電解質膜２０１と反対側に配置されている。ガス拡散層２０５は、カソード触媒層２０３の電解質膜２０１と反対側に配置されている。ガス拡散層２０４およびガス拡散層２０５は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維が用いられる。
【００１７】
セパレータ２０６，２０７は、ステンレス等の導電性材料から構成される。セパレータ２０６の電解質膜２０１側の面には、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路２０８が形成されている。セパレータ２０７の電解質膜２０１側の面には、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路２０９が形成されている。例えば、燃料ガス流路２０８および酸化剤ガス流路２０９は、セパレータ２０６，２０７の表面に形成された凹部からなる。
【００１８】
セル２００は、発電時に以下のように作動する。セル２００に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２０９を通ってガス拡散層２０５を拡散した後に、カソード触媒層２０３に到達する。セル２００に供給された燃料ガスは、燃料ガス流路２０８を通ってガス拡散層２０４を拡散した後に、アノード触媒層２０２に到達する。
【００１９】
アノード触媒層２０２に到達した燃料ガス中の水素（Ｈ２）は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜２０１を伝導して、カソード触媒層２０３に到達する。カソード触媒層２０３においては、酸化剤ガス中の酸素（Ｏ２）と電解質膜２０１を伝導したプロトンとから水（Ｈ２Ｏ）が生成されるとともに、電力が発生する。発生した電力は、外部に取り出される。発電に供されなかった燃料ガスは、燃料オフガスとしてセル２００から排出される。発電に供されなかった酸化剤ガスは、酸化剤オフガスとしてセル２００から排出される。以上のように、セル２００は発電時に作動する。
【００２０】
図２は、燃料電池システム５の構成を示す模式図である。燃料電池システム５は、燃料ガスとして改質ガスを使用する燃料電池システムである。図２を参照して、燃料電池システム５の構成および動作の概略について説明する。燃料電池システム５は、改質装置１０、２次電池２０ａ，２０ｂ、貯留タンク３０、中和装置４０、凝縮器５０、燃料電池６０、流路７０ａ〜７０ｈ、３方弁８０、開閉弁９０ａ〜９０ｄ、ポンプ１００ａ〜１００ｄ、断熱材１１０ａ，１１０ｂ、表示器１２０および制御装置１３０を備える。
【００２１】
改質装置１０は、原燃料を改質して改質ガスを発生する装置である。本実施例において、改質装置１０は、一例としてアンモニア（ＮＨ３）を原燃料として改質ガスを発生する。改質装置１０の構成は、アンモニアを原燃料として改質ガスを発生できる構成であれば、特に限定されない。本実施例の改質装置１０は、一例として、改質器１１および熱交換器１２を備える。
【００２２】
改質器１１および熱交換器１２は、この順に連結されている。改質器１１は、アンモニアを原燃料として改質ガスを発生する改質ガス発生装置である。改質器１１には、流路７０ａを介してエアが供給される。流路７０ａには、ポンプ１００ａが配置されている。ポンプ１００ａは制御装置１３０によって制御されて、エアを改質器１１へ圧送する。改質器１１とポンプ１００ａとの間の流路７０ａには、開閉弁９０ａが配置されている。開閉弁９０ａは、制御装置１３０によって制御される。また、改質器１１には、流路７０ｂを介してアンモニアが供給される。
【００２３】
改質器１１は、アンモニアの酸化を促進する第１触媒と、アンモニアを水素と窒素とに改質する第２触媒と、改質器１１を加熱するためのヒータ１３ａと、改質器１１の温度を検出するための温度センサ１４と、を備えている。ヒータ１３ａは、２次電池２０ａから電力供給を受ける。ヒータ１３ａは、制御装置１３０によって制御される。温度センサ１４は、改質器１１の温度を検出し、検出結果を制御装置１３０に伝える。改質器１１で発生した改質ガスは、熱交換器１２を通過した後、流路７０ｃに流入する。
【００２４】
熱交換器１２は、ヒータ１３ｂを備える。熱交換器１２は、流路７０ｂ内の液体アンモニアとヒータ１３ｂとの間で熱交換することによって、流路７０ｂ内の液体アンモニアを加熱する。また、熱交換器１２は、改質器１１から受熱することによって、流路７０ｂ内の液体アンモニアを加熱する。ヒータ１３ｂは、２次電池２０ｂから電力供給を受ける。ヒータ１３ｂは、制御装置１３０によって制御される。
【００２５】
貯留タンク３０は、液体状態のアンモニアを貯留するためのタンクである。貯留タンク３０と改質器１１とは、流路７０ｂによって接続されている。流路７０ｂの一部は、熱交換器１２内に配置されている。流路７０ｂには、ポンプ１００ｂが配置されている。ポンプ１００ｂは、制御装置１３０によって制御される。ポンプ１００ｂと貯留タンク３０との間の流路７０ｂには、開閉弁９０ｂが配置されている。開閉弁９０ｂは、制御装置１３０によって制御される。ポンプ１００ｂが作動し、開閉弁９０ｂが開になった場合、貯留タンク３０のアンモニアは、流路７０ｂを通過し、熱交換器１２において加熱されて気体状態のアンモニアになって、改質器１１に供給される。
【００２６】
中和装置４０は、硫酸貯留部４１と、加熱装置４２と、を備える。硫酸貯留部４１は、硫酸溶液を貯留するための容器である。本実施例においては、硫酸溶液として、水を溶媒とし硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を溶質とする硫酸水溶液を用いる。硫酸溶液の硫酸濃度は、後述する。なお、硫酸溶液は、不凍液を含んでいてもよい。この場合、硫酸溶液の凍結を抑制することができる。
【００２７】
硫酸貯留部４１と改質装置１０とは、流路７０ｃによって接続されている。流路７０ｃの下流側端部は、硫酸貯留部４１の底面近傍に配置されている。改質装置１０で発生した改質ガスは、流路７０ｃを通過して硫酸貯留部４１の硫酸溶液内に流入し、硫酸溶液と気液接触する。なお、流路７０ｃの下流側端部は、例えば、複数の気泡孔を有していてもよい。この場合、流路７０ｃを通過した改質ガスは、各気泡孔から気泡状になって排出される。流路７０ｃには、開閉弁９０ｃが配置されている。開閉弁９０ｃは、制御装置１３０によって制御される。
【００２８】
硫酸貯留部４１には、温度センサ４３、水位センサ４４およびペーハーセンサ４５が配置されている。温度センサ４３は、硫酸溶液の温度を検出し、検出結果を制御装置１３０に伝える。水位センサ４４は、硫酸溶液の水位を検出し、検出結果を制御装置１３０に伝える。水位センサ４４は、特に限定されず、例えば液面センサ等を用いることができる。ペーハーセンサ４５は、硫酸溶液のペーハー（ｐＨ）を検出し、検出結果を制御装置１３０に伝える。
【００２９】
加熱装置４２は、硫酸貯留部４１の硫酸溶液を加熱するための装置である。本実施例において、加熱装置４２は、一例として、ヒータ４６および２次電池４７を備える。ヒータ４６は、制御装置１３０によって制御されて、硫酸溶液を加熱する。２次電池４７は、ヒータ４６に電力を供給する。
【００３０】
凝縮器５０は、流路７０ｄを介して硫酸貯留部４１と接続されている。本実施例において、流路７０ｄは硫酸貯留部４１の上面に接続している。硫酸溶液を経由した改質ガスは、流路７０ｄを通過して凝縮器５０へ流入する。凝縮器５０は、硫酸溶液を経由した改質ガスに含まれる水蒸気を凝縮するための装置である。凝縮器５０によって凝縮された水は、凝縮器５０の凝縮水用排出口に接続した流路７０ｅへ流入する。
【００３１】
本実施例において、流路７０ｅの下流側は２つの流路に分岐し、一端は硫酸貯留部４１に接続し、他端は開放されている。この流路７０ｅの分岐点には、３方弁８０が配置されている。３方弁８０は、制御装置１３０によって制御されて、凝縮水の流動先を硫酸貯留部４１側と開放側との間で切替える。硫酸貯留部４１側へ流入した凝縮水は、硫酸溶液に供給される。開放側へ流入した凝縮水は、燃料電池システム５の外部へ排出される。
【００３２】
凝縮器５０と燃料電池６０とは、流路７０ｆを介して接続されている。流路７０ｆは、燃料電池６０の前述した燃料ガス流路２０８に連通している。それにより、改質ガスは、流路７０ｆを流動した後、燃料電池６０の燃料ガス流路２０８を流動して、燃料電池６０の発電に供される。流路７０ｆには、開閉弁９０ｄが配置されている。開閉弁９０ｄは、制御装置１３０によって制御される。
【００３３】
燃料電池６０の前述した酸化剤ガス流路２０９は、流路７０ｇを介してポンプ１００ｃに接続されている。ポンプ１００ｃは、制御装置１３０によって制御されて、酸化剤ガスとしてエアを燃料電池６０へ圧送する。燃料電池６０に供給されたエアは、酸化剤ガス流路２０９を流動して、燃料電池６０の発電に供される。
【００３４】
なお、燃料電池６０の酸化剤オフガス排出口は、外気に開放されている。それにより、酸化剤オフガスは、燃料電池システム５の外部へ排気される。一方、本実施例において、燃料電池６０の燃料オフガスは、燃料ガスとして再利用されている。具体的には、燃料電池６０の燃料オフガス排出口は、流路７０ｈを介して、流路７０ｆの開閉弁９０ｄと燃料電池６０との間の部分に接続されている。流路７０ｈには、ポンプ１００ｄが配置されている。ポンプ１００ｄは、制御装置１３０によって制御されて、燃料オフガスを圧送する。
【００３５】
断熱材１１０ａは、熱交換器１２と硫酸貯留部４１との間の流路７０ｃの外周に配置されている。断熱材１１０ａによって、流路７０ｃの外気との熱交換が抑制されている。断熱材１１０ｂは、流路７０ｄおよび流路７０ｆの外周に配置されている。断熱材１１０ｂによって、流路７０ｄおよび流路７０ｆの外気との熱交換が抑制されている。
【００３６】
表示器１２０は、制御装置１３０によって制御されて、所定の情報を表示する。本実施例においては、表示器１２０は、ペーハーセンサ４５の検出結果を表示する。表示器１２０として、例えばディスプレイ等を用いることができる。
【００３７】
制御装置１３０は、演算部としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、揮発記憶部としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えるマイクロコンピュータである。制御装置１３０は、ヒータ、弁、ポンプ等の各被制御部の動作を統合的に制御する。
【００３８】
続いて、制御装置１３０の制御処理の詳細について説明する。本実施例において、制御装置１３０は、燃料電池６０の発電を開始する前に、冷間始動時処理を行う。冷間始動時処理は、燃料電池システム５の始動から改質装置１０が改質ガスを発生できる状態になるまでの間に行われる処理である。
【００３９】
冷間始動時処理において制御装置１３０は、まず、ヒータ１３ａおよびヒータ１３ｂを作動させる。改質器１１の第１触媒は、ヒータ１３ａの熱によって加熱される。熱交換器１２は、ヒータ１３ｂの熱によって加熱される。
【００４０】
制御装置１３０は、温度センサ１４の検出結果に基づいて改質器１１の温度が第１温度になったと判定した場合、流路７０ａが開になるように開閉弁９０ａを制御するとともに、ポンプ１００ａを作動させる。それにより、改質器１１にはエアが供給される。また、制御装置１３０は、流路７０ｂが開になるように開閉弁９０ｂを制御するとともに、ポンプ１００ｂを作動させる。それにより、貯留タンク３０に貯留されている液体状態のアンモニアは、熱交換器１２においてヒータ１３ａの熱と熱交換することによって加熱されて気化した後、改質器１１に流入する。第１温度は、第１触媒の触媒活性を発現させることができる温度であれば特に限定されない。本実施例においては、一例として、２００℃〜３００℃を第１温度に用いる。
【００４１】
改質器１１においては、エアとアンモニアとが混同され、第１触媒によって活性化されることによって、下記式（１）の酸化反応が生じる。このときの反応熱によって、改質器１１はさらに加熱される。
【００４２】
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３１６．５６ｋＪ／ｍｏｌ・・・（１）
【００４３】
制御装置１３０は、改質器１１に流入するアンモニアの流量が徐々に増大するようにポンプ１００ｂを制御する。そして、制御装置１３０は、温度センサ１４の検出結果に基づいて改質器１１の温度が第２温度（＞第１温度）になったと判定した場合、ヒータ１３ａを停止させる。第２温度は、改質器１１において下記式（２）の改質反応が進行する温度であれば、特に限定されない。本実施例においては、一例として、７００℃〜８００℃を第２温度に用いる。制御装置１３０は、ヒータ１３ａを停止してから所定時間経過後にヒータ１３ｂを停止させる。所定時間は、改質器１１の熱が熱交換器１２に伝導するのに必要な時間であれば、特に限定されない。
【００４４】
ＮＨ３→１／２Ｎ２+３／２Ｈ２−４６．１９ｋＪ／ｍｏｌ・・・（２）
【００４５】
なお、ヒータ１３ａおよびヒータ１３ｂを停止した後においても、改質器１１にはアンモニアおよびエアが供給され続ける。このとき、改質器１１においては、オートサーマル改質（自己熱交換改質）によって式（１）の酸化反応が継続する。熱交換器１２は、改質器１１から受熱することによって、流路７０ｂのアンモニアを気化させる。改質器１１に流入したアンモニアの一部は、改質器１１において、エアとの間で式（１）の酸化反応を生じる。改質器１１において式（１）の酸化反応を生じなかったアンモニアは、式（２）の改質反応によって改質ガスになる。
【００４６】
また、制御装置１３０は、温度センサ４３の検出結果に基づいて、硫酸溶液が凍結しているか否かを判定する。硫酸溶液が凍結していると判定された場合には、制御装置１３０は、ヒータ４６を作動させる。それにより、硫酸溶液は融解する。以上のように、冷間始動時処理は行われる。
【００４７】
次いで、制御装置１３０は、燃料電池６０の発電を開始させる。具体的には、制御装置１３０は、流路７０ｃが開になるように開閉弁９０ｃを制御するとともに、流路７０ｆが開になるように開閉弁９０ｄを制御する。また、制御装置１３０は、ポンプ１００ｃおよびポンプ１００ｄを作動させる。
【００４８】
流路７０ｃが開になった場合、改質装置１０からの改質ガスは、流路７０ｃを通過して、硫酸貯留部４１の硫酸溶液に供給される。硫酸溶液においては、改質ガスのアンモニアが硫酸と反応して中和される。その結果、硫酸溶液を経由した改質ガスのアンモニア濃度は、硫酸溶液を経由する前のアンモニア濃度に比較して、低下する。
【００４９】
なお、本実施例において、改質器１１で発生した改質ガスは、熱交換器１２を通過した後に硫酸貯留部４１の硫酸溶液に供給されている。これにより、改質器１１で発生した改質ガスの熱を例えば流路７０ｂ内のアンモニアに伝熱させることによって、改質ガスの温度を低下させている。それにより、硫酸溶液に流入する改質ガスの温度が、例えば改質ガスの熱によって硫酸溶液を沸騰させる程高温になることを抑制している。
【００５０】
流路７０ｆが開になった場合、硫酸溶液を経由した改質ガスは、流路７０ｄを通過して凝縮器５０に流入する。凝縮器５０を経由した改質ガスは、流路７０ｆを通過して燃料電池６０に供給される。また、ポンプ１００ｃが作動した場合、エアは、流路７０ｇを通過して燃料電池６０に供給される。燃料電池６０においては、供給された改質ガスに含まれる水素とエアに含まれる酸素とが反応して、発電が行われる。
【００５１】
また、ポンプ１００ｄが作動した場合、燃料オフガスは、流路７０ｈを通過して流路７０ｆへ供給される。一方、酸化剤オフガスは、燃料電池６０から燃料電池システム５の外部へ排出される。
【００５２】
なお、制御装置１３０は、例えば燃料電池システム５の始動開始後、燃料電池６０の発電開始後等の種々の時期に、ペーハーセンサ４５の検出結果を表示器１２０に表示させる。それにより、燃料電池システム５は、硫酸溶液のペーハーをユーザに報知することができる。その結果、ユーザは、硫酸溶液の劣化状態を判断することができる。それにより、ユーザは、例えば、硫酸溶液のペーハーが所定の値よりアルカリ側になった場合に、硫酸溶液の交換時期が到来したと判断することができる。なお、制御装置１３０は、ペーハーセンサ４５の検出結果が所定の値よりアルカリ側になった場合、燃料電池６０の発電開始を禁止する制御、燃料電池６０の発電を停止させる制御等を行ってもよい。
【００５３】
また、制御装置１３０は、例えば燃料電池システム５の始動開始後、燃料電池６０の発電開始後等の種々の時期に、水位センサ４４の検出結果に基づいて、３方弁８０を制御する。具体的には、制御装置１３０は、水位センサ４４の検出結果に基づいて、硫酸溶液の水位が基準値以下であるか否かを判定する。硫酸溶液の水位が基準値以下と判定された場合、制御装置１３０は、凝縮器５０からの凝縮水が硫酸貯留部４１に流入するように３方弁８０を制御する。
【００５４】
一方、アンモニア硫酸溶液の水位が基準値以下と判定されなかった場合、すなわち、硫酸溶液の水位が基準値より大きい場合、制御装置１３０は、凝縮器５０からの凝縮水が燃料電池システム５の外部へ排出されるように、３方弁８０を制御する。このように、制御装置１３０によって３方弁８０が制御されることによって、硫酸貯留部４１の硫酸溶液の水位を調整することができる。
【００５５】
ここで、例えば、燃料電池システム５の停止後に流路７０ｃ内の改質ガスの温度が低下した場合、改質ガスに含まれる水蒸気が凝結した凝結水が流路７０ｃ内に滞留するおそれがある。この凝結水は、未改質のアンモニアを含んでいる。また、流路７０ｄ内においても、凝結水が滞留するおそれがある。この場合、改質ガスの流れが滞留した凝結水によって抑制されるおそれがある。
【００５６】
そこで、燃料電池システム５は、凝結水を硫酸溶液に導く流路を備えている。本実施例においては、流路７０ｃおよび流路７０ｄが、改質ガス流動用の流路としての機能の他に、凝結水を硫酸溶液に導く流路としての機能を備えている。例えば、流路７０ｃの硫酸貯留部４１側の端部は、流路７０ｃの改質装置１０側の端部よりも下側に位置している。この場合、流路７０ｃ内の凝結水は、改質装置１０側の端部よりも硫酸貯留部４１側の端部から流出し易くなる。それにより、流路７０ｃ内の凝結水は、硫酸溶液に導かれる。また、流路７０ｄの硫酸貯留部４１側の端部は、流路７０ｄの凝縮器５０側の端部よりも下側に位置している。それにより、流路７０ｄ内の凝結水は、硫酸溶液に導かれる。
【００５７】
なお、流路７０ｃおよび流路７０ｄのいずれか一方が、凝結水を硫酸溶液に導く流路としての機能を備えていてもよい。また、燃料電池システム５は、流路７０ｃおよび流路７０ｄとは別に、凝結水を硫酸溶液に導く流路を備えていてもよい。燃料電池システム５が凝結水を硫酸溶液に導く流路を備えていることによって、流路内における凝結水の滞留を抑制することができる。また、凝結水に含まれているアンモニアを硫酸溶液で中和することができる。
【００５８】
本実施例に係る燃料電池システム５によれば、燃料電池６０に供給される改質ガスに含まれるアンモニアを中和装置４０の硫酸溶液で中和することができる。それにより、燃料電池６０の例えば電解質膜２０１の官能基が改質ガスに含まれるアンモニアによって劣化する等の不具合を抑制することができる。その結果、改質ガスのアンモニアによる燃料電池６０の発電不良の発生を抑制することができる。
【００５９】
なお、燃料電池システム５は、改質ガスのアンモニア濃度を検出するアンモニア濃度センサを例えば流路７０ｃに備えていてもよい。この場合、制御装置１３０は、アンモニア濃度センサの検出結果に基づいて、硫酸溶液に流入したアンモニアの総量を算出し、算出結果を表示器１２０に表示してもよい。また、制御装置１３０は、この算出されたアンモニアの総量に基づいて、硫酸溶液の交換時期を算出し、硫酸溶液の交換時期が到来した場合には、表示器１２０にその旨を表示してもよい。
【００６０】
硫酸溶液の交換時期は、特に限定されない。例えば、燃料電池システム５が車両に搭載されている場合には、硫酸溶液の交換時期を車両のオイル交換時期（例えば、走行距離１万ｋｍ毎、１年毎等）と同じにしてもよい。この場合、ユーザの利便性を図ることができる。
【００６１】
また、硫酸貯留部４１の硫酸溶液量は、特に限定されない。硫酸溶液量が多すぎると硫酸貯留部４１の容積が大きくなり、ひいては燃料電池システム５の車両への搭載性が悪化する、燃料電池システム５の設置場所の自由度が低下する等のおそれが生じる。硫酸貯留部４１の容積が少なすぎると、硫酸溶液の交換サイクルが早くなってしまう等のおそれが生じる。そこで、例えば硫酸貯留部４１の容積と硫酸溶液の交換サイクルとのバランスを考慮して、好適な硫酸溶液の貯留量を決定すればよい。例えば、車両の年間平均走行距離である１万ｋｍの２倍〜３倍の走行距離に対応したアンモニア量を中和できる量を、硫酸溶液の貯留量とすればよい。
【００６２】
続いて、硫酸溶液の硫酸濃度について説明する。まず、硫酸溶液において、中和反応の結果、硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＳＯ４）が生じる。この硫酸アンモニウムが硫酸溶液内においてイオンとして存在せずに析出した場合、硫酸アンモニウムの粘度が上昇するおそれがある。この場合、改質ガスの通気で生じる気泡が大径化するため、改質ガス中のアンモニアの中和が完了しなくなるおそれがある。
【００６３】
そこで、本実施例において、硫酸溶液の硫酸濃度は、硫酸アンモニウムの析出が抑制されるような濃度に設定されている。この硫酸溶液の硫酸濃度は、以下のように算出される。まず、硫酸溶液にＬ（ｍｏｌ）のアンモニアが流入したとする。このアンモニアを中和するのに必要な硫酸は、Ｌ／２（ｍｏｌ）である。また、この中和反応で生成される硫酸アンモニウムは、Ｌ／２（ｍｏｌ）である。硫酸アンモニウムの分子量は１３２．１４（ｇ／ｍｏｌ）であることから、中和反応で生成される硫酸アンモニウムの質量は、６６．０７×Ｌ（ｇ）である。
【００６４】
この中和反応で生成される６６．０７×Ｌ（ｇ）の硫酸アンモニウムが水に溶解限度まで溶解した飽和溶液における水の体積を求める。その結果得られた水の体積と、６６．０７×Ｌ（ｇ）の硫酸アンモニウムを生成するのに必要なＬ／２（ｍｏｌ）に相当する硫酸の体積と、の和によって硫酸溶液（本実施例では、硫酸水溶液）の体積を求める。この硫酸溶液は、溶媒（水）中から析出しない最大量の硫酸アンモニウムを生成させる硫酸量を含んでいることになる。したがって、この硫酸溶液の体積で、硫酸のモル数であるＬ／２（ｍｏｌ）を除することによって、硫酸アンモニウムが析出しない硫酸濃度の限界値を求めることができる。
【００６５】
但し、硫酸アンモニウムの水に対する溶解限度は温度によって変化することから、硫酸アンモニウムが析出しない硫酸濃度の限界値も温度によって変化する。一方、硫酸溶液は、通常０℃〜１００℃の温度で使用される。したがって、本実施例においては、硫酸溶液の温度が０℃のときにおいて硫酸アンモニウムが析出しない硫酸濃度の限界値および１００℃のときにおいて硫酸アンモニウムが析出しない硫酸濃度の限界値を求めることにする。
【００６６】
化学便覧（日本化学会編）によると、水に無水硫酸アンモニウムが飽和溶解した飽和溶液１００（ｇ）中における無水硫酸アンモニウムの質量は、０℃において４１．３５（ｇ）であり、１００℃において５０．２４（ｇ）である。
【００６７】
したがって、６６．０７×Ｌ（ｇ）の硫酸アンモニウムによって飽和状態となった飽和溶液の質量（水と硫酸アンモニウムの合計質量）Ｘ（ｇ）は、０℃においては、４１．３５（ｇ）：１００（ｇ）＝６６．０７×Ｌ（ｇ）：Ｘ（ｇ）の比例式に基づいて算出でき、１００℃においては、５０．２４（ｇ）：１００（ｇ）＝６６．０７×Ｌ（ｇ）：Ｘ（ｇ）の比例式に基づいて算出できる。その結果、０℃におけるＸの値は、６６．０７×Ｌ／４１．３５×１００（ｇ）と算出され、１００℃におけるＸの値は、６６．０７×Ｌ／５０．２４×１００（ｇ）と算出される。
【００６８】
このＸの値から、硫酸アンモニウムの質量である６６．０７×Ｌ（ｇ）を差し引くことによって、硫酸アンモニウムで飽和した飽和溶液中の水の質量を求めることができる。すなわち、０℃における飽和溶液中の水の質量は、６６．０７×Ｌ／４１．３５×１００−６６．０７×Ｌ＝９３．７１・・・×Ｌ（ｇ）となる。また、１００℃における飽和溶液中の水の質量は、６６．０７×Ｌ／５０．２４×１００−６６．０７×Ｌ＝６５．４４・・・×Ｌ（ｇ）となる。なお、数字に付された「・・・」は、数字が続いていることを意味している（以下、同様）。
【００６９】
ここで、水の密度は約１（ｇ／ｃｍ３）であり、水の温度変化に伴う体積変化は微小量であることから、水の質量値を水の体積値とみなすこととする。その結果、０℃における飽和溶液中の水の体積は、９３．７１・・・×Ｌ（ｃｍ３）となり、１００℃における飽和溶液中の水の体積は、６５．４４・・・×Ｌ（ｃｍ３）となる。すなわち、６６．０７×Ｌ（ｇ）の硫酸アンモニウムが溶解限度まで溶解した溶媒の体積は、０℃においては９３．７１・・・×Ｌ（ｃｍ３）であり、１００℃においては６５．４４・・・×Ｌ（ｃｍ３）である。
【００７０】
ところで、硫酸１ｍｏｌ当たりの質量は、化学便覧（日本化学会編）によると、９８．０８（ｇ／ｍｏｌ）である。よって、硫酸アンモニウムの生成に必要な硫酸のｍｏｌ数であるＬ／２（ｍｏｌ）に相当する硫酸の質量は、９８．０８×Ｌ／２（ｇ）である。また、硫酸の密度は、化学便覧（日本化学会編）によると、１．８２５５（ｇ／ｃｍ３）である。よって、Ｌ／２（ｍｏｌ）の硫酸の体積は、９８．０８×Ｌ／２（ｇ）÷１．８２５５（ｇ／ｃｍ３）＝２６．８６・・・×Ｌ（ｃｍ３）と算出される。
【００７１】
０℃のときに６６．０７×Ｌ（ｇ）の硫酸アンモニウムが溶解限度まで溶解した飽和溶液中の溶媒（水）の体積と、Ｌ／２（ｍｏｌ）の硫酸体積と、の和を計算すると、９３．７１・・・×Ｌ＋２６．８６・・・×Ｌ＝１２０．５７・・・×Ｌ（ｃｍ３）＝０．１２０５７・・・×Ｌ（ｌ）が得られる。１００℃のときに６６．０７×Ｌ（ｇ）の硫酸アンモニウムが溶解限度まで溶解した飽和溶液中の溶媒（水）の体積と、Ｌ／２（ｍｏｌ）の硫酸体積と、の和を計算すると、６５．４４・・・×Ｌ＋２６．８６・・・×Ｌ＝９２．３０・・・×Ｌ（ｃｍ３）＝０．０９２３・・・×Ｌ（ｌ）が得られる。
【００７２】
したがって、硫酸アンモニウムが析出しない硫酸濃度の限界値は、０℃においては、（Ｌ／２）（ｍｏｌ）÷（０．１２０５７・・・×Ｌ）（ｌ）によって算出され、その値は約４．１（ｍｏｌ／ｌ）となる。また、１００℃においては、（Ｌ／２）（ｍｏｌ）÷（０．０９２３・・・×Ｌ）（ｌ）によって算出され、その値は約５．５（ｍｏｌ／ｌ）となる。すなわち、硫酸溶液の温度が０℃のとき、硫酸濃度が約４．１（ｍｏｌ／ｌ）以下であれば、硫酸アンモニウムは溶解限度以下しか生成されないことになることから、硫酸アンモニウムは析出しない。硫酸溶液の温度が１００℃のとき、硫酸濃度が約５．５（ｍｏｌ／ｌ）以下であれば、硫酸アンモニウムは溶解限度以下しか生成されないことから、硫酸アンモニウムは析出しない。
【００７３】
そこで、本実施例に係る硫酸溶液の硫酸濃度は、５．５（ｍｏｌ／ｌ）以下の所定濃度に設定されている。この場合、硫酸溶液における硫酸アンモニウムの析出を抑制することができる。それにより、硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる。
【００７４】
所定濃度は、５．５（ｍｏｌ／ｌ）以下であれば特に限定されない。硫酸濃度が小さいほど、硫酸アンモニウムの析出をより抑制することができる。例えば、硫酸濃度が４．１（ｍｏｌ／ｌ）以下の場合、硫酸溶液の温度が０℃以上の温度範囲において、硫酸アンモニウムは析出しない。したがって、この場合、０℃以上の温度範囲における硫酸アンモニウムの析出を阻止することができる。硫酸濃度が４．１（ｍｏｌ／ｌ）よりも小さい場合、さらに０℃よりも低温における硫酸アンモニウムの析出を抑制することができる。
【００７５】
しかしながら、硫酸濃度を小さくするために、例えば、硫酸溶液量は変更せずに、硫酸溶液の硫酸量を少なくした場合、硫酸溶液全体としての中和能力が低下するおそれがある。一方、硫酸濃度を小さくするために、例えば、硫酸溶液の硫酸量は変更せずに、水等の溶媒の量を増やした場合、硫酸貯留部４１の容積が大きくなることから、中和装置４０の容積も大きくなってしまう。その結果、燃料電池システム５の車両への搭載性が低下するとともに、燃料電池システム５の設置場所の自由度が小さくなってしまう。
【００７６】
そこで、硫酸溶液の硫酸濃度は、４．８±０．７（ｍｏｌ／ｌ）であることが好ましい。この場合、中和装置４０の容積を増加させることなく、中和能力の低下を抑制することができる。
【００７７】
なお、改質装置１０はアンモニアを原燃料に用いているが、これに限られない。例えば、改質装置１０は、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を原燃料に用いてもよい。この場合においても、改質反応の副生成物としてアンモニアが生成されることがある。したがって、ヒドラジンを原燃料に用いる場合においても、燃料電池システム５によれば、アンモニアによる発電不良の発生を抑制することができるとともに、硫酸溶液における中和能力の低下を抑制することができる。あるいは、改質装置１０は、アンモニアおよびヒドラジンを原燃料に用いてもよい。
【００７８】
あるいは、改質装置１０は、炭化水素系燃料を原燃料に用いてもよい。この場合においても、改質反応の副生成物としてアンモニアが生成されることがある。したがって、炭化水素燃料を原燃料に用いる場合においても、燃料電池システム５によれば、アンモニアによる発電不良の発生を抑制することができるとともに、硫酸溶液の中和能力の低下を抑制することができる。但し、アンモニアおよびヒドラジンは炭化水素系燃料に比較して低圧で液化することから、アンモニアおよびヒドラジンの少なくともいずれか一方を原燃料に用いる場合の方が炭化水素系燃料を原燃料に用いる場合に比較して、原燃料の貯蔵性および運搬性は向上する。
【符号の説明】
【００７９】
５  燃料電池システム
１０  改質装置
１１  改質器
１２  熱交換器
１３  ヒータ
１４  温度センサ
２０  ２次電池
３０  貯留タンク
４０  中和装置
４１  硫酸貯留部
４２  加熱装置
４３  温度センサ
４４  水位センサ
４５  ペーハーセンサ
４６  ヒータ
４７  ２次電池
５０  凝縮器
６０  燃料電池
７０  流路
８０  ３方弁
９０  開閉弁
１００  ポンプ
１１０  断熱材
１２０  表示器
１３０  制御装置
２００  セル
【図１】
2011181250.tif 000003
【図２】
2011181250.tif 000004