(57)【要約】【課題】  気温にかかわらず燃料ガスの不純物濃度を低下させることができ、かつ良好なメンテナンス性を有す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、光触媒（５４）を備え、燃料ガスが供給される光触媒装置（５０，５１）と、光触媒装置を経由した燃料ガスを用いて発電する燃料電池（６０）と、光触媒装置への燃料ガスの供給を停止する燃料ガス停止手段（１１０ａ）と、燃料ガス停止手段によって燃料ガスの供給が停止された場合に、水蒸気を含むガスを光触媒装置に供給するガス供給手段（１１０ｄ）と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】      図２
2011181249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒を備え、燃料ガスが供給される光触媒装置と、
前記光触媒装置を経由した前記燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記光触媒装置への前記燃料ガスの供給を停止する燃料ガス停止手段と、
前記燃料ガス停止手段によって前記燃料ガスの供給が停止された場合に、水蒸気を含むガスを前記光触媒装置に供給するガス供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水蒸気を含むガスは、前記燃料ガスよりも高温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】
前記水蒸気を含むガスは、前記燃料電池の燃料オフガスを燃焼させたガスであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水蒸気を含むガスは、前記燃料電池の酸化剤オフガス中の酸素で前記燃料電池の燃料オフガスを燃焼させたガスであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
原燃料を改質して、前記光触媒装置へ供給される前記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１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質器は、アンモニアまたはヒドラジン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５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記光触媒装置は、第１光触媒装置および第２光触媒装置を含み、
前記燃料ガス停止手段および前記ガス供給手段は、前記第１光触媒装置を経由して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給しかつ前記水蒸気を含むガスを前記第２光触媒装置に供給する第１流路と、前記第２光触媒装置を経由して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給しかつ前記水蒸気を含むガスを前記第１光触媒装置に供給する第２流路と、を切替える流路切替手段であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記光触媒装置は、光触媒が付着した多孔体が前記燃料ガスの流動方向に沿って所定の間隔で複数設けられた構造を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記光触媒に酸素を供給する酸素供給手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記光触媒は、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｆｅ２ＴｉＯ３ＰｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＦｅＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＫＴａＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＮｉＯの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記光触媒は、Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｔ合金、Ｐｄ、Ｐｄ合金、Ｒｈ、Ｒｈ合金、Ｉｒ、Ｉｒ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金の少なくともいずれか一つを担持していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
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１〜１１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、ヒドラジン等が含まれている場合、燃料電池が劣化するおそれがある。特許文献１では、燃料ガスに含まれるアンモニアを水に溶解することによって燃料ガスのアンモニア濃度を減少させるアンモニア除去器を備え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２００５−１４５７４８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、氷点下時にアンモニア除去器の水が凍結するおそれがある。また、アンモニア除去器の水がアンモニアで飽和しないように管理する必要があることから、特許文献１の燃料電池システムのメンテナンス性は良好とはいえない。
【０００６】
本発明は、気温にかかわらず燃料ガスの不純物濃度を低下させることができ、かつ良好なメンテナンス性を有す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、光触媒を備え、燃料ガスが供給される光触媒装置と、光触媒装置を経由した燃料ガスを用いて発電する燃料電池と、光触媒装置への燃料ガスの供給を停止する燃料ガス停止手段と、燃料ガス停止手段によって燃料ガスの供給が停止された場合に、水蒸気を含むガスを光触媒装置に供給するガス供給手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、光触媒を用いて改質ガスの不純物濃度を低下させることができる。この場合、不純物を除去するための水溶液等を用いなくてもよい。それにより、気温にかかわらず不純物を除去することができる。また、水蒸気を含むガスで光触媒の触媒活性を再生させることができる。この場合、不純物除去能の維持が容易である。それにより、本発明に係る燃料電池システムは、良好なメンテナンス性を有する。
【０００９】
上記構成において、水蒸気を含むガスは、燃料ガスよりも高温であってもよい。この場合、光触媒の再生効率が向上する。上記構成において、水蒸気を含むガスは、燃料電池の燃料オフガスを燃焼させたガスであってもよい。上記構成において、水蒸気を含むガスは、燃料電池の酸化剤オフガス中の酸素で燃料電池の燃料オフガスを燃焼させたガスであってもよい。この構成によれば、水蒸気を含むガスを生成するための装置が不要であるとともに、水蒸気を含むガスを加熱する装置も不要となる。それにより、燃料電池システムのシステム効率が向上するとともに、コストを抑制することができる。
【００１０】
上記構成は、原燃料を改質して、光触媒装置へ供給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、アンモニアまたはヒドラジンを原燃料とする改質ガス発生装置であってもよい。
【００１１】
上記構成において、光触媒装置は、第１光触媒装置および第２光触媒装置を含み、燃料ガス停止手段およびガス供給手段は、第１光触媒装置を経由して燃料ガスを燃料電池に供給しかつ水蒸気を含むガスを第２光触媒装置に供給する第１流路と、第２光触媒装置を経由して燃料ガスを燃料電池に供給しかつ水蒸気を含むガスを第１光触媒装置に供給する第２流路と、を切替える流路切替手段であってもよい。この構成によれば、改質ガス中の不純物除去と光触媒の再生とを両立することができる。
【００１２】
上記構成において、光触媒装置は、光触媒が付着した多孔体が燃料ガスの流動方向に沿って所定の間隔で複数設けられた構造を有していてもよい。この構成によれば、光触媒の利用効率を高めることができる。上記構成は、光触媒に酸素を供給する酸素供給手段を備えていてもよい。この場合、改質ガス中の不純物を酸化除去することができる。
【００１３】
上記構成において、光触媒は、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｆｅ２ＴｉＯ３ＰｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＦｅＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＫＴａＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＮｉＯの少なくともいずれか一つを含んでいてもよい。
【００１４】
上記構成において、光触媒は、Ａｕ、Ａｕ合金、Ｐｔ、Ｐｔ合金、Ｐｄ、Ｐｄ合金、Ｒｈ、Ｒｈ合金、Ｉｒ、Ｉｒ合金、Ｃｏ、Ｃｏ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金の少なくともいずれか一つを担持していてもよい。
【００１５】
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】
【００１６】
本発明によれば、気温にかかわらず燃料ガスの不純物濃度を低下させることができ、かつ良好なメンテナンス性を有す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】
【００１７】
【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。
【図３】制御装置の冷間始動時処理のフローチャートの一例を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、第１光触媒装置および第２光触媒装置の拡大断面図である。図４（ｂ）は、光触媒フィルタの拡大断面図である。図４（ｃ）は、光触媒の拡大断面図である。
【図５】改質ガスのアンモニア濃度の変化を説明するための模式図であり、図５（ａ）は第１光触媒装置の模式的断面図であり、図５（ｂ）は改質ガスのアンモニア濃度の変化を概念的に示すグラフである。
【図６】制御装置が第１流路と第２流路とを切替える処理のフローチャートの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２０６の電解質膜２０１側とは反対側の面には、冷却水が流動するための冷却水流路２１０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。セパレータ２０７の電解質膜２０１側とは反対側の面には、冷却水が流動するための冷却水流路２１１が形成されている。例えば、燃料ガス流路２０８、酸化剤ガス流路２０９、冷却水流路２１０，２１１は、セパレータ２０６，２０７の表面に形成された凹部からなる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、第１改質装置１０、２次電池２０、第２改質装置３０、貯留タンク４０、光触媒装置（第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１）、燃料電池６０、気液分離器７０、加湿モジュール８０、ラジエータ９０、流路１００a〜１００ｌ、３方弁１１０ａ〜１１０ｄ、開閉弁１２０ａ，１２０ｂ、ポンプ１３０ａ〜１３０ｅおよび制御装置１４０を備える。
【００２６】
第１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。原燃料としては、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、炭化水素等を用いることができる。本実施例の第１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。第１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。本実施例において、第１改質装置１０は、一例として、第１触媒装置１１、第１改質器１２および第１熱交換器１３を備える。
【００２７】
第１触媒装置１１、第１改質器１２および第１熱交換器１３は、この順に連通している。本実施例においては、第１触媒装置１１と第１改質器１２との間には、後述する第２改質装置３０が配置されている。第１触媒装置１１と第１改質器１２とは、連結流路１４によって連通されている。この連結流路１４は、第２改質装置３０の第２熱交換器３２内を挿通している。
【００２８】
第１触媒装置１１は、エア用のガス供給口であるガス供給口１５ａと、アンモニア用のガス供給口であるガス供給口１５ｂと、を備える。また、第１触媒装置１１は、アンモニアの酸化を促進する触媒と、触媒を加熱するためのヒータ１６ａと、を備える。すなわち、第１触媒装置１１は、電気加熱式触媒（ＥＨＣ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｈｅａｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ））方式の触媒装置である。
【００２９】
ヒータ１６ａは、２次電池２０から電力供給を受ける。ヒータ１６ａは、制御装置１４０によって制御される。第１触媒装置１１には、温度センサ１７ａが配置されている。温度センサ１７ａは第１触媒装置１１の温度を検出し、検出結果を制御装置１４０に伝える。
【００３０】
第１改質器１２は、アンモニアを水素と窒素とに改質する触媒を備える。改質の結果得られる改質ガスの成分は、主に水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）である。改質ガスの他の成分は、改質反応に寄与しなかったアンモニア、第１触媒装置１１に供給されるエアに含まれるアルゴン（Ａｒ）、二酸化炭素（ＣＯ２）等である。この改質ガスは、第１熱交換器１３を通過した後、第１熱交換器１３に設けられたガス排出口１８から排出される。
【００３１】
第１改質器１２には温度センサ１７ｂが配置されている。温度センサ１７ｂは第１改質器１２の温度を検出し、検出結果を制御装置１４０に伝える。
【００３２】
第１熱交換器１３は、ヒータ１６ｂを備える。第１熱交換器１３は、後述する流路１００ａ内の液体アンモニアとヒータ１６ｂとの間で熱交換するための熱交換器である。また、第１熱交換器１３は、第１改質器１２から受熱することによって、流路１００ａ内の液体アンモニアを加熱する。ヒータ１６ｂは、２次電池２０から電力供給を受ける。ヒータ１６ｂは、制御装置１４０によって制御される。２次電池２０は、ヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂに電力を供給できるものであれば、特に限定されない。
【００３３】
第２改質装置３０は、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスから水蒸気を含むガスを生成する装置である。このようなガスを発生できる装置であれば、第２改質装置３０の構成は、特に限定されない。本実施例において、第２改質装置３０は、一例として、第２改質器３１および第２熱交換器３２を備える。第２改質器３１および第２熱交換器３２は、この順に連通している。
【００３４】
第２改質器３１は、酸化剤オフガス用のガス供給口であるガス供給口３３ａと燃料オフガス用のガス供給口であるガス供給口３３ｂとを備える。また、第２改質器３１は、燃焼触媒を備えている。この場合、第２改質器３１に流入した燃料オフガスは、燃焼触媒によって活性化され、酸化剤オフガス中の酸素を用いて燃焼する。この燃焼によって発生した水蒸気を含む水蒸気含有ガスは、第２熱交換器３２に流入する。第２改質器３１から第２熱交換器３２に流入した水蒸気含有ガスは、第２熱交換器３２に設けられたガス排出口３４から排出される。
【００３５】
第２熱交換器３２は、第２改質器３１から流入した水蒸気含有ガスと、第１触媒装置１１から第１改質器１２へ向けて連結流路１４を流動するガスと、の間で熱交換するための熱交換器である。また、第２熱交換器３２は、第２改質器３１における燃焼熱を受け取る。この熱交換によって、連結流路１４内のガスは加熱される。それにより、第１改質装置１０の改質反応は促進される。
【００３６】
貯留タンク４０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４０と第１触媒装置１１のガス供給口１５ｂとは、流路１００ａによって接続されている。流路１００ａの途中は、第１熱交換器１３内に配置されている。流路１００ａには、流路１００ａ内のアンモニアを圧送するためのポンプ１３０ａが配置されている。ポンプ１３０ａと貯留タンク４０との間の流路１００ａには、開閉弁１２０ａが配置されている。ポンプ１３０ａおよび開閉弁１２０ａは、制御装置１４０によって制御される。
【００３７】
第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１は、改質ガスのアンモニア濃度を低下させるための装置である。第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１の詳細は後述する。第１熱交換器１３のガス排出口１８と第１光触媒装置５０と燃料電池６０とは、流路１００ｂによって接続されている。ガス排出口１８と第２光触媒装置５１と燃料電池６０とは、流路１００ｃによって接続されている。
【００３８】
本実施例においては、流路１００ｂおよび流路１００ｃの光触媒装置を挟んだ上流部分は合流してガス排出口１８に接続され、下流部分は合流して燃料電池６０の前述した燃料ガス流路２０８に連通している。この上流部分の合流点には３方弁１１０ａが配置され、下流部分の合流点には３方弁１１０ｂが配置されている。３方弁１１０ａおよび３方弁１１０ｂは、制御装置１４０に制御されて、流路１００ｂおよび流路１００ｃを切替える。それにより、第１改質装置１０から燃料電池６０に向けて供給される改質ガスの経由先を第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１の間で切替えることができる。
【００３９】
第１光触媒装置５０は、流路１００ｄを介してポンプ１３０ｂに接続されている。第２光触媒装置５１は、流路１００ｅを介してポンプ１３０ｂに接続されている。ポンプ１３０ｂは、制御装置１４０によって制御されて、流路１００ｄおよび流路１００ｅにエアを圧送する。
【００４０】
本実施例において、流路１００ｄおよび流路１００ｅの上流部分は合流してポンプ１３０ｂに接続している。この合流点には３方弁１１０ｃが配置されている。３方弁１１０ｃは、制御装置１４０に制御されて、流路１００ｄおよび流路１００ｅを切替える。
【００４１】
第１光触媒装置５０と第２熱交換器３２のガス排出口３４とは、流路１００ｆによって接続されている。第２光触媒装置５１とガス排出口３４とは、流路１００ｇによって接続されている。本実施例において、流路１００ｆおよび流路１００ｇの上流部分は合流している。この合流点には、３方弁１１０ｄが配置されている。３方弁１１０ｄは、制御装置１４０に制御されて、流路１００ｆおよび流路１００ｇを切替える。なお、流路１００ｆおよび流路１００ｇの上流部分の合流している部分の流路途中には、流路１００ｆおよび流路１００ｇ内に滞留した水を燃料電池システム５の外部に排出するためのドレインが設けられている。
【００４２】
燃料電池６０には、流路１００ｂまたは流路１００ｃを通過した改質ガスが供給される。また、燃料電池６０には、流路１００ｈを介して、ポンプ１３０ｃから酸化剤ガスとしてのエアが供給される。流路１００ｈは、燃料電池６０の前述した酸化剤ガス流路２０９に連通している。ポンプ１３０ｃは、制御装置１４０によって制御される。
【００４３】
燃料電池６０の燃料オフガスは、流路１００ｉを通過して第２改質器３１のガス供給口３３ｂに流入する。流路１００ｉには、流路１００ｉ内の燃料オフガスを圧送するためのポンプ１３０ｄが配置されている。ポンプ１３０ｄは、制御装置１４０によって制御される。
【００４４】
燃料電池６０の酸化剤オフガスは、流路１００ｊを通過して気液分離器７０に流入する。流路１００ｊには、酸化剤オフガスの流量を制御するための開閉弁１２０ｂが配置されている。開閉弁１２０ｂは、制御装置１４０によって制御される。
【００４５】
気液分離器７０は、酸化剤オフガスに含まれる水蒸気を分離除去するための装置である。気液分離器７０によって水蒸気が除去された酸化剤オフガスは、流路１００ｋを通過して、第２改質器３１のガス供給口３３ａに流入する。
【００４６】
加湿モジュール８０は、燃料電池６０に供給される酸化剤ガスを加湿するための装置である。本実施例の加湿モジュール８０は、一例として、酸化剤オフガスに含まれる水蒸気を利用して酸化剤ガスを加湿する。具体的には、加湿モジュール８０は、流路１００ｈおよび流路１００ｊに介装されている。加湿モジュール８０は、流路１００ｈ内のエアに、流路１００ｊを介して取り入れた酸化剤オフガス中の水蒸気を混合することによって、酸化剤ガスを加湿する。
【００４７】
ラジエータ９０は、燃料電池６０の冷却水を冷却するための装置である。ラジエータ９０と燃料電池６０とは、冷却水が循環するための流路１００ｌによって接続されている。流路１００ｌは、燃料電池６０の前述した冷却水流路２１０，２１１に連通している。流路１００ｌには、流路１００ｌ内の冷却水を循環させるためのポンプ１３０ｅが配置されている。ポンプ１３０ｅは、制御装置１４０によって制御される。
【００４８】
制御装置１４０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１４０は、ヒータ１６ａ，１６ｂ、３方弁１１０ａ〜１１０ｄ、開閉弁１２０ａ，１２０ｂ、ポンプ１３０ａ〜１３０ｅ、第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１の動作を制御する。
【００４９】
続いて、制御装置１４０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１４０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の始動から第１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。
【００５０】
冷間始動時処理において、制御装置１４０は、まずヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂを作動させる。それにより、第１触媒装置１１および第１熱交換器１３は加熱される。制御装置１４０は、温度センサ１７ａの検出結果に基づいて、第１触媒装置１１の触媒の温度が第１温度になったか否かを判定する。第１触媒装置１１の触媒の温度が第１温度になったと判定された場合、制御装置１４０は、開閉弁１２０ａを開に制御するとともに、ポンプ１３０ａを作動させる。第１温度は、第１触媒装置１１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。本実施例おいては、一例として、２００℃〜３００℃を第１温度に用いる。
【００５１】
開閉弁１２０ａが開になりポンプ１３０ａが作動した場合、貯留タンク４０の液体状態のアンモニアは、第１熱交換器１３においてヒータ１６ｂによって加熱されて気化した後、ガス供給口１５ｂから第１触媒装置１１に流入する。
【００５２】
第１触媒装置１１においては、ガス供給口１５ａから流入したエアとガス供給口１５ｂから流入したアンモニアとが混合され、第１触媒装置１１の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。このときの反応熱は、第１触媒装置１１に隣接する第２改質装置３０および第２熱交換器３２を伝導して第１改質器１２を加熱することに利用される。
【００５３】
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３１６．５６ｋＪ／ｍｏｌ・・・（１）
【００５４】
制御装置１４０は、第１触媒装置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１３０ａを制御する。制御装置１４０は、温度センサ１７ｂの検出結果に基づいて、第１改質器１２の温度が第２温度（＞第１温度）になったか否かを判定する。第１改質器１２の温度が第２温度になったと判定された場合、制御装置１４０はヒータ１６ａを停止させる。第２温度は、第１改質器１２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１４０は、ヒータ１６ａを停止してから所定時間経過後にヒータ１６ｂを停止させる。所定時間は、第１改質器１２の熱が第１熱交換器１３に伝導するのに必要な時間であれば、特に限定されない。以上のように、冷間始動時処理は行われる。なお、冷間始動時処理が終了した後は、制御装置１４０は、図示しないエアポンプを制御して、第１改質装置１０へのエア流入を停止する。
【００５５】
ＮＨ３→１／２Ｎ２+３／２Ｈ２−４６．１９ｋＪ／ｍｏｌ・・・（２）
【００５６】
図３は、制御装置１４０の冷間始動時処理のフローチャートの一例を示す図である。まず、制御装置１４０は、ヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂを作動させる（ステップＳ１０）。次いで、制御装置１４０は、第１触媒装置１１の温度センサ１７ａの検出結果に基づいて、第１触媒装置１１の触媒の温度が第１温度であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。なお、制御装置１４０は、触媒の温度が第１温度であると判定されるまで、ステップＳ２０を繰り返し実行する。
【００５７】
ステップＳ２０において、触媒の温度が第１温度であると判定された場合、制御装置１４０は、アンモニアが第１触媒装置１１に供給されるように、開閉弁１２０ａを制御する（ステップＳ３０）。
【００５８】
次いで、制御装置１４０は、第１改質器１２の温度センサ１７ｂの検出結果に基づいて、第１改質器１２の温度が第２温度（＞第１温度）であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。なお、制御装置１４０は、第１改質器１２の温度が第２温度であると判定されるまで、ステップＳ４０を繰り返し実行する。
【００５９】
ステップＳ４０において、第１改質器１２の温度が第２温度であると判定された場合、制御装置１４０は、ヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂを停止させる（ステップＳ５０）。次いで、制御装置１４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００６０】
冷間始動時処理が終了した後、制御装置１４０は、燃料電池６０の発電を開始する。まず、制御装置１４０は、ポンプ１３０ｂ〜ポンプ１３０ｅを作動させる。また、制御装置１４０は、流路１００ｂ、流路１００ｄおよび流路１００ｇ（以下、これらの流路を第１流路と称する）と、流路１００ｃ、流路１００ｅおよび流路１００ｆ（以下、これらの流路を第２流路と称する）と、が切替わるように、３方弁１１０ａ〜１１０ｄを制御する。
【００６１】
第１流路に切替えられた場合、第１改質装置１０からの改質ガスは第１光触媒装置５０を経由して燃料電池６０に供給される。また、燃料電池６０にはポンプ１３０ｃによって圧送されたエアが供給される。それにより、燃料電池６０は発電する。また、ポンプ１３０ｂからのエアは第１光触媒装置５０に供給され、第２改質装置３０からの水蒸気含有ガスは第２光触媒装置５１に供給される。
【００６２】
第２流路に切替えられた場合、第１改質装置１０からの改質ガスは第２光触媒装置５１を経由して燃料電池６０に供給される。また、燃料電池６０にはポンプ１３０ｃによって圧送されたエアが供給される。それにより、燃料電池６０は発電する。また、ポンプ１３０ｂからのエアは第２光触媒装置５１に供給され、第２改質装置３０からの水蒸気含有ガスは第１光触媒装置５０に供給される。
【００６３】
すなわち、本実施例において、３方弁１１０ａ〜１１０ｄおよび制御装置１４０は、第１流路と第２流路とを切替える流路切替手段としての機能を有する。また、３方弁１１０ａは、第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１への改質ガス（燃料ガス）の供給を停止する燃料ガス停止手段としての機能を有する。また、３方弁１１０ｄは、光触媒装置への改質ガス（燃料ガス）の供給が停止された場合に、水蒸気含有ガスを光触媒装置に供給するガス供給手段としての機能を有する。
【００６４】
なお、第１流路に切替えられたとき、３方弁１１０ｂによって、第２光触媒装置５１と燃料電池６０とは遮断状態になっている。また、第２流路に切替えられたとき、３方弁１１０ｂによって、第１光触媒装置５０と燃料電池６０とは遮断状態になっている。それにより、第２改質装置３０からの水蒸気含有ガスが第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１を経由して燃料電池６０に流入することは、抑制されている。
【００６５】
続いて、第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１の詳細について説明する。図４（ａ）は、第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１の拡大断面図である。第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１は、それぞれ光触媒フィルタ５２および光照射部５３を有する。本実施例において、第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１は、それぞれ複数段の光触媒フィルタ５２を備えている。
【００６６】
複数の光触媒フィルタ５２は、第１改質装置１０からの改質ガスの流動方向に沿って所定の間隔を空けて配置されている。各光触媒フィルタ５２の間には、少なくとも１つの光照射部５３が配置されている。なお、上記改質ガスと、第２改質装置３０からの水蒸気含有ガスとは、逆方向に流動する。
【００６７】
光照射部５３は、制御装置１４０によって制御されて、光触媒フィルタ５２に光を照射する。光照射部５３は、光触媒フィルタ５２の後述する光触媒５４の活性力を発揮させるための光を照射できるものであれば、特に限定されない。光照射部５３として、例えば、紫外線ランプ、ナトリウムランプ、水銀ランプ、白熱灯、白色蛍光灯等の光源を用いることができる。なお、光照射部５３の照射する光の波長は、光触媒５４を効率的に励起させるために、例えば３００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長であることが好ましい。このような波長であれば、紫外線であってもよく、可視光であってもよい。
【００６８】
なお、本実施例において、制御装置１４０は、第１流路に切替えられた場合および第２流路に切替えられた場合のいずれにおいても、第１光触媒装置５０の光照射部５３および第２光触媒装置５１の光照射部５３に光照射を行わせる。但し、光触媒５４への光照射のタイミングは、これに限られない。例えば、制御装置１４０は、第１光触媒装置５０の光照射部５３の光照射を第１流路の場合にのみ行わせ、第２光触媒装置５１の光照射部５３の光照射を第２流路の場合にのみ行わせてもよい。
【００６９】
図４（ｂ）は、光触媒フィルタ５２の拡大断面図である。光触媒フィルタ５２は、光触媒５４が付着した多孔体５５からなる。本実施例において、光触媒５４は、多孔体５５の両面のうち、改質ガスが最初に供給される側の面に配置されている。但し、光触媒５４の多孔体５５への付着箇所は、特に限定されず、例えば、多孔体５５のいずれの箇所に付着していてもよい。
【００７０】
光触媒５４として、改質ガス中のアンモニアの酸化還元を促進する光触媒を用いることができる。このような光触媒として、例えば、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｆｅ２ＴｉＯ３ＰｂＯ、Ｖ２Ｏ５、ＦｅＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｎＯ２、ＫＴａＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＺｎＯ、ＮｉＯの少なくともいずれか一つを含むものを用いることができる（Ｔｉ：チタン、Ｆｅ：鉄、Ｗ：タングステン、Ｐｂ：鉛、Ｖ：バナジウム、Ｂｉ：ビスマス、Ｎｂ：ニオブ、Ｚｒ：ジルコニウム、Ｓｎ：錫、Ｋ：カリウム、Ｔａ：タンタル、Ｃａ：カルシウム、Ｓｒ：ストロンチウム、Ｚｎ：亜鉛、Ｎｉ：ニッケル）。また、これらの光触媒は、ヒドラジンの酸化還元を促進することもできる。
【００７１】
多孔体５５は、ガス透過性を有している。多孔体５５として、例えば、改質ガス中のアンモニアを吸着する性質を有するものを用いることが好ましい。この場合、光触媒５４による酸化還元を免れたアンモニアがあった場合においても、この酸化還元を免れたアンモニアを多孔体５５で捕捉することができる。多孔体５５として、例えば、ゼオライト、アルミナ、シリカ等からなる多孔質のセラミックスや、このような多孔質のセラミックスをコルゲート加工したものをハニカム材の表面に配置したもの等を用いることができる。これらの材質からなる多孔体５５は、物理吸着によってアンモニアを吸着する。また、ゼオライトは表面に−ＯＨ基を有するため、ゼオライトを成分に含む多孔体５５は、物理吸着に加えて化学吸着によってもアンモニアを吸着することができる。
【００７２】
なお、このようなアンモニアを吸着する性質を有する多孔体５５は、ヒドラジンを吸着することもできる。多孔体５５におけるヒドラジンの吸着メカニズムおよび脱離メカニズムは、アンモニアの場合と同様である。
【００７３】
図４（ｃ）は、光触媒５４の拡大断面図である。本実施例において、光触媒５４は、アンモニアの酸化還元を促進する触媒として作用する金属５６または金属５６の合金を担持している。金属５６として、例えばＡｕ（金）、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）の少なくともいずれか一つが用いられる。なお、金属５６および金属５６の合金の粒径は、特に限定されないが、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍであれば、触媒機能を十分に発揮することができる。なお、これらの金属５６および金属５６の合金は、ヒドラジンの酸化還元を促進する触媒としての作用も有している。
【００７４】
図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照して、第１流路に切替えられたとき、第１光触媒装置５０には、第１改質装置１０からの改質ガスが流路１００ｂを介して供給され、流路１００ｄを介してポンプ１３０ｂからエアが供給される。第１光触媒装置５０に供給された改質ガスは、各段の光触媒フィルタ５２を順番に通過する。このとき、光照射部５３からの照射を受けた光触媒５４によって活性化されることによって、アンモニアは変質する。
【００７５】
具体的には、アンモニアは、光触媒５４の界面上で、ＮＨ２（ラジカル）、Ｈ＋およびｅ−に解離すると考えられる。この解離は、光触媒５４によって促進されると考えられる。ＮＨ２は、酸化されて、窒素になると考えられる。Ｈ＋は、光触媒５４に担持された金属５６の表面において、ｅ−と結合することによって還元されて、水素になると考えられる。この還元反応は、金属５６の触媒作用によって促進されると考えられる。
【００７６】
このようなメカニズムによって、改質ガス中のアンモニアの少なくとも一部は、例えば窒素や水等の電解質膜２０１にとって無害な物質に変質する。酸化還元を免れたアンモニアは、例えば多孔体５５の細孔に吸着される。また、改質ガスに炭素や硫黄等の不純物が含まれている場合、この不純物も光触媒フィルタ５２によって吸着される。具体的には、この不純物は、光触媒５４や金属５６の表面に付着すると考えられる。
【００７７】
また、第１流路に切替えられたとき、流路１００ｄを経由して第１光触媒装置５０に供給されたエアは、各段の光触媒フィルタ５２を順次通過する。この場合、光触媒フィルタ５２に吸着されている炭素、窒素等の不純物の酸化が促進されて除去される。
【００７８】
このようにして、第１流路に切替えられたとき、第１光触媒装置５０において改質ガス中のアンモニアが吸着されたり、酸化還元されることによって、改質ガスのアンモニア濃度を減少させることができる。また、改質ガス中の炭素、硫黄等の不純物を光触媒フィルタ５２によって吸着することができる。それにより、改質ガスの不純物濃度を減少させることができる。
【００７９】
さらに、第１流路に切替えられたとき、第２光触媒装置５１には、第２改質装置３０から水蒸気含有ガスが流路１００ｇを介して供給される。このガスは、第２光触媒装置５１の各段の光触媒フィルタ５２を、第１改質装置１０からの改質ガス流動時とは逆の順番に通過して、第２光触媒装置５１から排気される。
【００８０】
この場合、水蒸気によって、光触媒フィルタ５２が浄化される。それにより、多孔体５５の細孔、光触媒５４等に付着しているアンモニア、炭素、硫黄等の異物は引き剥がされたり、水蒸気に溶けたりすることによって、除去される。その結果、光触媒フィルタ５２の性能低下を抑制できる。すなわち、光触媒フィルタ５２を再生することができる。また、第２改質装置３０からの水蒸気含有ガスは燃料電池６０に供給される改質ガスよりも高温のため、光触媒フィルタ５２の浄化は促進されている。すなわち、光触媒フィルタ５２の再生能力を向上させることができる。さらに、紫外線によって光触媒５４が超親水化現象を生じることによって、光触媒５４に付着している異物を、光触媒５４から剥がれ易くすることができる。
【００８１】
一方、第２流路に切替えられたとき、第２光触媒装置５１には、第１改質装置１０からの改質ガスが流路１００ｃを介して供給され、流路１００ｅを介してポンプ１３０ｂからエアが供給される。この場合、第１流路に切替えられたときと同様のメカニズムによって、改質ガスのアンモニア濃度を減少させることができる。また、改質ガスの炭素、硫黄等の不純物濃度を減少させることができる。
【００８２】
また、第２流路に切替えられたとき、第１光触媒装置５０には、流路１００ｆを介して第２改質装置３０から水蒸気含有ガスが供給される。この水蒸気含有ガスは、第１光触媒装置５０の各段の光触媒フィルタ５２を、第１改質装置１０からの改質ガス流動時とは逆の順番に通過して、第１光触媒装置５０から排出される。この場合、第１流路に切替えられたときと同様のメカニズムによって、光触媒フィルタ５２を浄化することができる。
【００８３】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、改質ガスのアンモニア濃度の変化を説明するための模式図である。具体的には、図５（ａ）は、第１光触媒装置５０の模式的断面図であり、図５（ｂ）は、改質ガスのアンモニア濃度の変化を概念的に示すグラフである。改質ガスが各段の光触媒フィルタ５２を通過する毎に、改質ガスのアンモニアの一部は光触媒５４によって酸化還元され、一部は多孔体５５に吸着される。その結果、改質ガスのアンモニア濃度は、改質ガスが各段の光触媒フィルタ５２を通過する毎に減少していく。
【００８４】
なお、第１流路と第２流路とが切替わるタイミングは、特に限定されない。本実施例においては、制御装置１４０は、光触媒装置のアンモニアの吸着量または異物の付着量と相関関係を有する指標に基づいて、第１流路と第２流路とが切替わるように、３方弁１１０ａ〜１１０ｄを制御する。この場合、光触媒装置の再生を効率的に行うことができる。
【００８５】
このような指標の例として、改質ガス流量の積算値、光触媒装置の質量変化量、燃料電池６０の発電時間、燃料電池システム５を搭載した車両の走行距離等が挙げられる。改質ガス流量の積算値が大きいほど、光触媒装置のアンモニアの吸着量および異物の付着量は多くなる。光触媒装置の質量変化量と光触媒装置のアンモニアの吸着量および異物の付着量とは、比例する。燃料電池６０の発電時間が長いほど、光触媒装置のアンモニアの吸着量および異物の付着量は多くなる。車両の走行距離が大きいほど燃料電池６０の発電時間が長くなることから、光触媒装置のアンモニアの吸着量および異物の付着量も多くなる。
【００８６】
本実施例の制御装置１４０は、一例として、燃料電池６０の発電時間に基づいて、第１流路と第２流路とが切替わるように３方弁１１０ａ〜１１０ｄを制御する。具体的には、制御装置１４０は、所定の発電時間毎に第１流路と第２流路とが切替わるように３方弁１１０ａ〜１１０ｄを制御する。
【００８７】
図６は、制御装置１４０が第１流路と第２流路とを切替える処理のフローチャートの一例を示す図である。なお、制御装置１４０は図６のフローチャートを所定周期毎に繰り返し実行する。まず、制御装置１４０は、切替条件が満たされたか否かを判定する（ステップＳ１００）。本実施例においては、制御装置１４０は、前回の切替時から起算した燃料電池６０の発電時間が所定時間になった場合に、切替条件が満たされたと判定する。なお、制御装置１４０は、切替条件が満たされたと判定されるまで、ステップＳ１００を繰り返し実行する。
【００８８】
ステップＳ１００において切替条件が満たされたと判定された場合、制御装置１４０は、第１流路と第２流路とが切替わるように３方弁１１０ａ〜１１０ｄを制御する（ステップＳ１１０）。次いで、制御装置１４０は、フローチャートの実行を終了する。
【００８９】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システム５によれば、光触媒５４を用いて改質ガスの不純物濃度を低下させることができる。この場合、不純物を除去するための水溶液等を用いなくてもよい。それにより、気温にかかわらず不純物を除去することができる。また、水溶液用のタンク等を管理しなくてもよい。それにより、本実施例に係る燃料電池システム５は、良好なメンテナンス性を有する。
【００９０】
また、燃料ガスの流入を停止させた状態で水蒸気含有ガスを用いて光触媒５４を浄化することができることから、光触媒５４を再生させることができる。それにより、光触媒５４の不純物除去能を維持することができる。このように、不純物除去能の維持が容易であることから、良好なメンテナンス性を実現できる。さらに、第１流路と第２流路とを所定の時間間隔で切替えることによって、改質ガス中の不純物除去と光触媒５４の再生とを両立することができる。
【００９１】
また、燃料電池６０の燃料オフガスを酸化剤オフガス中の酸素で燃焼させることによって高温の水蒸気含有ガスを生成していることから、水蒸気含有ガスを生成するための装置が不要であるとともに、水蒸気含有ガスを加熱する装置も不要となる。それにより、燃料電池システム５のシステム効率が向上するとともに、コストを抑制することができる。さらに、第２改質装置３０の燃焼熱を第１改質装置１０の加熱に用いていることから、第１改質装置１０を加熱するためのヒータ等を設けなくてもよい。それにより、コストを抑制することができる。
【００９２】
また、燃料電池システム５によれば、第１光触媒装置５０および第２光触媒装置５１は複数段の光触媒フィルタ５２を備え、改質ガスは各段の光触媒フィルタ５２を順次通過している。この場合、例えば、光触媒フィルタ５２一段のみで同程度の効果を発揮させようとする場合に比較して、各段の光触媒フィルタ５２の容積を小さくすることができる。その結果、光照射部５３からの光を光触媒フィルタ５２全体に照射することが容易になる、改質ガスを光触媒フィルタ５２全体に行き渡らせることが容易になる等の利点が得られる。その結果、光触媒５４の利用効率を高めることができる。また、改質ガス中のアンモニアが、光触媒装置内における酸化過程で窒素に成り切らずに、例えばＮＨ２ＮＯＸ、Ｎ２Ｈ３ＮＯＸ等の窒素酸化物となって光触媒装置から排出されることを抑制することができる。
【００９３】
なお、第１改質装置１０は、アンモニアに代えてヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を原燃料に用いてもよい。この場合においても、改質ガス中のヒドラジンは、アンモニアの場合と同様のメカニズムによって、光触媒装置において、吸着されたり、酸化還元されたりする。それにより、原燃料としてアンモニアを用いる場合と同様の効果が得られる。
【００９４】
また、第１改質装置１０は、アンモニアに代えて炭化水素系燃料を原燃料に用いてもよい。この場合、第１改質装置１０は、炭化水素系燃料と水蒸気との改質反応によって、水素ガスを生成することができる。なお、第１改質装置１０が炭化水素系燃料を原燃料に用いる場合、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。よって、第１改質装置１０の原燃料として炭化水素系燃料を用いる場合においても、原燃料としてアンモニアを用いる場合と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９５】
５  燃料電池システム
１０  第１改質装置
１１  第１触媒装置
１２  第１改質器
１３  第１熱交換器
２０  ２次電池
３０  第２改質装置
３１  第２改質器
３２  第２熱交換器
４０  貯留タンク
５０  第１光触媒装置
５１  第２光触媒装置
５２  光触媒フィルタ
５３  光照射部
５４  光触媒
５５  多孔体
５６  金属
６０  燃料電池
７０  気液分離器
８０  加湿モジュール
９０  ラジエータ
１００  流路
１１０  ３方弁
１２０  開閉弁
１３０  ポンプ
１４０  制御装置
【図１】
2011181249.tif 000003
【図２】
2011181249.tif 000004
【図３】
2011181249.tif 000005
【図４】
2011181249.tif 000006
【図５】
2011181249.tif 000007
【図６】
2011181249.tif 000008