(57)【要約】      （修正有）【課題】アンモニアの改質によって得られる燃料ガスを用いて容易に燃料電池を加湿することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム５は、水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池５０と、アンモニアを改質することによって燃料ガスを生成する改質器１２と、改質器１２への酸素とアンモニアとの供給量比を制御する供給量比制御手段と、を備える。燃料電池システム５の制御方法は、水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池５０とアンモニアを改質することによって燃料ガスを生成する改質器１２とを備える燃料電池システム５において、改質器１２への酸素とアンモニアとの供給量比を制御する供給量比制御ステップを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池と、
アンモニアを改質することによって前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御する供給量比制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段を備え、
前記供給量比制御手段は、前記湿潤状態検出手段の検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御す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】
前記供給量比制御手段は、前記湿潤状態検出手段の検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御す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】
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、
前記供給量比制御手段は、前記運転状態検出手段の検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記供給量比制御手段は、前記運転状態検出手段の検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記湿潤状態検出手段は、前記燃料ガスの露点を検出する露点センサであることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記湿潤状態検出手段は、燃料電池の電解質膜の膜抵抗を検出する抵抗センサであることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記湿潤状態検出手段は、前記燃料ガスの相対湿度を検出する湿度センサであることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記運転状態検出手段は、前記燃料電池の出力密度を検出する手段であることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記供給量比制御手段は、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を０．９０以下に制御する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】
水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池と、  アンモニアを改質することによって前記燃料ガスを生成する改質器と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御する供給量比制御ステップを含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出ステップを含み、
前記供給量比制御ステップにおいて、前記湿潤状態検出ステップにおける検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
前記供給量比制御ステップにおいて、前記湿潤状態検出ステップにおける検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出ステップを含み、
前記供給量比制御ステップにおいて、前記運転状態検出ステップにおける検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記供給量比制御ステップにおいて、前記運転状態検出ステップにおける検出結果に応じて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
前記湿潤状態検出ステップは、前記燃料ガスの露点を検出するステップであることを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１７】
前記湿潤状態検出ステップは、燃料電池の電解質膜の膜抵抗を検出するステップであることを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
前記湿潤状態検出ステップは、前記燃料ガスの相対湿度を検出するステップであることを特徴とする請求項１２または１３記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
前記運転状態検出ステップは、前記燃料電池の出力密度を検出するステップであることを特徴とする請求項１４または１５記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
前記供給量比制御ステップにおいて、前記改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を０．９０以下に制御することを特徴とする請求項１１〜１９のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
【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。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
燃料電池の発電に用いる燃料ガスは、改質器等において生成される。例えば、アンモニアを熱分解することによって得られる水素含有ガスを、燃料ガスとして燃料電池に供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【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】
ところで、固体高分子電解質膜は、含水量が低下するとイオン伝導性が低下する。したがって、固体高分子電解質膜は適度に含水している必要がある。特許文献１の技術では、改質器におけるアンモニアの熱分解反応において水が生成しないため、燃料ガスに水が含まれない。したがって、アンモニアの熱分解によって得られる燃料ガスでは固体高分子電解質膜を加湿することができない。この場合、発電効率が低下するおそれがある。
【０００６】
本発明は、アンモニアの改質によって得られる燃料ガスを用いて容易に燃料電池を加湿することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法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、水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池と、アンモニアを改質することによって燃料ガスを生成する改質器と、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御する供給量比制御手段と、を備え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おいては、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御することによって、アンモニアの改質によって得られる燃料ガスを用いて容易に燃料電池を加湿することができる。
【０００８】
燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段を備え、供給量比制御手段は、湿潤状態検出手段の検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御してもよい。この場合、燃料電池の湿潤状態に応じて、容易に燃料電池を加湿することができる。供給量比制御手段は、湿潤状態検出手段の検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御してもよい。
【０００９】
燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段を備え、供給量比制御手段は、運転状態検出手段の検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御してもよい。この場合、燃料電池の運転状態に応じて、容易に燃料電池を加湿することができる。供給量比制御手段は、運転状態検出手段の検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御してもよい。
【００１０】
湿潤状態検出手段は、燃料ガスの露点を検出する露点センサであってもよい。湿潤状態検出手段は、燃料電池の電解質膜の膜抵抗を検出する抵抗センサであってもよい。湿潤状態検出手段は、燃料ガスの相対湿度を検出する湿度センサであってもよい。運転状態検出手段は、燃料電池の出力密度を検出する手段であってもよい。供給量比制御手段は、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を０．９０以下に制御してもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池とアンモニアを改質することによって前記燃料ガスを生成する改質器とを備える燃料電池システムにおいて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御する供給量比制御ステップを含む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の制御方法によれば、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御することによって、アンモニアの改質によって得られる燃料ガスを用いて容易に燃料電池を加湿することができる。
【００１２】
燃料電池の湿潤状態を検出する湿潤状態検出ステップを含み、供給量比制御ステップにおいて、湿潤状態検出ステップにおける検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御してもよい。この場合、燃料電池の湿潤状態に応じて、容易に燃料電池を加湿することができる。供給量比制御ステップにおいて、湿潤状態検出ステップにおける検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御してもよい。
【００１３】
燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出ステップを含み、供給量比制御ステップにおいて、運転状態検出ステップにおける検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を制御してもよい。この場合、燃料電池の運転状態に応じて、容易に燃料電池を加湿することができる。供給量比制御ステップにおいて、運転状態検出ステップにおける検出結果に応じて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を所定範囲内に制御してもよい。
【００１４】
湿潤状態検出ステップは、燃料ガスの露点を検出するステップであってもよい。湿潤状態検出ステップは、燃料電池の電解質膜の膜抵抗を検出するステップであってもよい。湿潤状態検出ステップは、燃料ガスの相対湿度を検出するステップであってもよい。運転状態検出ステップは、燃料電池の出力密度を検出するステップであってもよい。供給量比制御ステップにおいて、改質器への酸素とアンモニアとの供給量比を０．９０以下に制御してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法によれば、アンモニアの改質によって得られる燃料ガスを用いて容易に燃料電池を加湿することができる、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】露点センサの検出結果に応じてＡｉｒ／ＮＨ３比を制御する場合のフローチャートの一例を示す図である。
【図４】燃料電池の電流密度と発電電圧との関係を示す図である。
【図５】燃料電池の出力密度を考慮した場合のＡｉｒ／ＮＨ３比を示す図である。
【図６】燃料電池の出力密度を考慮した場合のフローチャートの一例を示す図である。
【図７】湿潤状態検出手段の他の例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
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５０について説明する。燃料電池５０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、ガス拡散層２０５およびセパレータ２０６，２０７を備える。電解質膜２０１として、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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および冷却水流路２１１は、セパレータ２０６，２０７の表面に形成された凹部からなる。
【００２２】
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。
【００２３】
アノード触媒層２０２に到達した燃料ガス中の水素（Ｈ２）は、触媒を介して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、触媒を介して、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。
【００２４】
図２は、燃料電池システム５の構成を示すブロック図である。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２０、貯留タンク３０、ＮＨ３処理装置４０、燃料電池５０、水素回収装置６０、ラジエータ７０、加湿モジュール８０、弁９１，９２、ポンプ１０１〜１０５、制御装置１１０、露点センサ１２１、電流センサ１２２、および電圧センサ１２３を備える。
【００２５】
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、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、触媒装置１１、改質器１２および熱交換器１３を備える。
【００２６】
触媒装置１１、改質器１２および熱交換器１３は、この順に連結されている。触媒装置１１は、アンモニアの酸化を促進させる触媒と、触媒を加熱するためのヒータ１６ａと、を備える。すなわち、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。ヒータ１６ａの電力供給源は、２次電池２０である。
【００２７】
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。熱交換器１３は、ヒータ１６ｂを備える。熱交換器１３は、貯留タンク３０から触媒装置１１に供給される液体アンモニアとの間で熱交換する熱交換器である。ヒータ１６ｂの電力供給源は、２次電池２０である。
【００２８】
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と触媒装置１１とを接続する流路は、途中で熱交換器１３内を通過する。貯留タンク３０と触媒装置１１とを接続する流路には、弁９１とポンプ１０１とが設けられている。
【００２９】
ＮＨ３処理装置４０は、改質装置１０で発生した改質ガス中のアンモニアを処理する装置である。例えば、ＮＨ３処理装置４０は、改質ガス中のアンモニアを除去するためのアンモニア吸着材を備える。水素回収装置６０は、燃料電池５０の燃料オフガスから水素を回収する装置である。具体的には、水素回収装置６０は、水素分離膜を有している。水素分離膜は、水素を選択的に透過する膜である。水素分離膜としては、特に限定されないが、一例としてパラジウム合金系の水素分離膜を用いることができる。
【００３０】
ラジエータ７０は、燃料電池５０の冷却水を冷却する装置である。ラジエータ７０と燃料電池５０とは、冷却水が循環するための流路によって接続されている。この流路には、冷却水を循環させるためのポンプ１０３が配置されている。なお、この流路は、燃料電池５０の冷却水流路２１０，２１１（図１参照）と連通している。
【００３１】
加湿モジュール８０は、燃料電池５０に供給される酸化剤ガスを加湿する装置である。本実施例においては、加湿モジュール８０は、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。なお、燃料電池５０の酸化剤オフガス出口と加湿モジュール８０との間には、酸化剤ガスの流量を制御するための弁９２が配置されている。
【００３２】
制御装置１１０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１６ａ、ヒータ１６ｂ、弁９１，９２、ポンプ１０１〜１０５の動作を制御する。露点センサ１２１は、ＮＨ３処理装置４０と燃料電池５０との間に配置され、燃料ガスの露点を検出し、その結果を制御装置１１０に与える。電流センサ１２２は、燃料電池５０の発電電流を検出し、その結果を制御装置１１０に与える。電圧センサ１２３は、燃料電池５０の発電電圧を検出し、その結果を制御装置１１０に与える。
【００３３】
続いて、燃料電池システム５の起動処理について説明する。起動処理は、燃料電池システム５の始動から改質装置１０が改質ガスを発生するまでの間に行われる処理である。起動処理において、制御装置１３０はヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂを作動させる。それにより、触媒装置１１および熱交換器１３が加熱される。
【００３４】
ヒータ１６ａの熱によって、触媒装置１１の触媒の温度が第１温度になった場合、制御装置１３０は、弁９１を開に制御するとともに、貯留タンク３０のアンモニアが所定量で触媒装置１１に供給されるように、ポンプ１０１を制御する。また、制御装置１３０は、エアが所定量で触媒装置１１に供給されるように、ポンプ１０２を制御する。第１温度は、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。本実施例においては、一例として、第１温度を２００℃〜３００℃の任意の温度とする。
【００３５】
弁９１が開に制御されかつポンプ１０１が作動した場合、貯留タンク３０の液体状態のアンモニアは、熱交換器１３においてヒータ１６ｂの熱と熱交換することによって加熱されて気化した後、触媒装置１１に流入する。触媒装置１１においては、ポンプ１０１によって導入されたアンモニアとポンプ１０２によって導入されたエアとが混合され、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（反応熱は化学便覧（日本化学会編）を出典とする）。このときの反応熱は、触媒装置１１に隣接する改質器１２に伝導して改質器１２を加熱する。
ＮＨ３＋３／４Ｏ２→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２Ｏ＋３１６．６２ｋＪ／ｍｏｌ・・・（１）
【００３６】
制御装置１３０は、改質器１２の温度が第２温度になった場合、ヒータ１６ａを停止させる。第２温度は、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（反応熱は化学便覧（日本化学会編）を出典とする）。本実施例においては、一例として、第２温度を７００℃〜８００℃の任意の温度とする。その後、制御装置１３０は、ヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂを停止させる。以上の工程によって、起動処理が行われる。
ＮＨ３→１／２Ｎ２+３／２Ｈ２−４６．１１ｋＪ／ｍｏｌ・・・（２）
【００３７】
なお、ヒータ１６ａおよびヒータ１６ｂを停止した後においても、触媒装置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、触媒装置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１３は、触媒装置１１から受熱した改質器１２から受熱することによって、熱交換器１３内を流動する液体アンモニアを気化させる。触媒装置１１に流入したアンモニアの一部は、触媒装置１１において、エアとの間で式（１）の酸化反応を生じる。触媒装置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、改質器１２に流入し、改質器１２において式（２）の改質反応によって改質ガスになる。
【００３８】
改質ガスは、熱交換器１３を通過した後に、ＮＨ３処理装置４０に導入される。ＮＨ３処理装置４０においては、改質ガスからアンモニアが除去される。アンモニアが除去された改質ガスは、燃料ガスとして燃料電池５０の燃料ガス流路２０８（図１を参照）に供給される。露点センサ１２１は、燃料電池５０に供給される燃料ガスの露点を検出し、その検出結果を制御装置１１０に送る。したがって、露点センサ１２１が湿潤状態検出手段として機能する。
【００３９】
続いて、燃料電池システム５の定常処理について説明する。定常処理は、上記の起動処理完了後に行われる。起動処理完了後、制御装置１１０は、燃料電池５０の酸化剤ガス流路２０９に所定量のエアが供給されるように、ポンプ１０５を制御する。それにより、燃料電池５０において発電が行われる。
【００４０】
ポンプ１０４は、制御装置１１０の指示に従って、燃料オフガスを水素回収装置６０に供給する。水素回収装置６０は、取り入れた燃料オフガスを水素分離膜に供給し、水素分離膜を通過したガスを回収することによって、燃料オフガスから水素を回収して燃料電池５０の燃料ガス流路２０８（図１参照）に再度供給する。また、水素回収装置６０は、水素が除去された燃料オフガスを燃料電池システム５の外部へ排気する。
【００４１】
制御装置１１０は、弁９２を開に制御する。それにより、酸化剤オフガスに含まれる水が加湿モジュール８０に導入される。加湿モジュール８０は、酸化剤オフガスに含まれる水を利用して酸化剤ガスを加湿する。ポンプ１０３は、制御装置１１０の指示に従って、冷却水を循環させる。それにより、ラジエータ７０によって冷却水が冷却される。その結果、燃料電池５０が所定の温度に維持される。
【００４２】
ここで、改質装置１０において、上記式（１）のアンモニアの酸化反応が行われずに上記式（２）のアンモニアの熱分解反応だけが行われるとする。この場合、燃料電池５０に供給される燃料ガスに水蒸気が含まれなくなる。それにより、燃料電池５０の電解質膜２０１が乾燥して発電効率が低下するおそれがある。一方で、燃料ガスに水蒸気を含ませるために上記式（１）のアンモニアの酸化反応が多く行われると、上記式（１）では水素が生成されないため、アンモニアの利用効率が低下する。そこで、改質装置１０に供給されるＡｉｒ／ＨＮ３比を制御することによって、アンモニアの利用効率を維持しつつ、電解質膜２０１の湿潤状態を制御する。
【００４３】
本実施例においては、制御装置１１０は、燃料ガスの露点温度が所定温度範囲内に入るように、Ａｉｒ／ＮＨ３比を制御する。それにより、フラッディングを抑制しつつ、電解質膜２０１の乾燥を抑制することができる。なお、Ａｉｒ／ＮＨ３比は、ポンプ１０１およびポンプ１０２への制御指令値を用いて制御することができる。したがって、制御装置１１０およびポンプ１０１，１０２が改質装置１０への酸素とアンモニアとの供給量比を制御するための供給量比制御手段として機能する。
【００４４】
一例として、燃料ガス温度が８０℃の場合において、燃料ガスの露点温度は、４５℃付近から５０℃付近であることが好ましい。なお、この露点温度範囲は、燃料電池５０の種類、規格等におうじて適宜変更される。ここで、Ａｉｒ／ＮＨ３比を制御することによって、燃料ガス中の水蒸気割合を制御することができる。燃料ガス中の水蒸気割合が制御できれば、燃料ガスの相対湿度を制御することができ、併せて燃料ガスの露点温度を制御することができる。表１に、露点温度を４５℃および５０℃に制御する場合のＡｉｒ／ＮＨ３比を示す。表１に示すように、燃料ガスの温度が８０℃の場合において、Ａｉｒ／ＮＨ３比を０．６２に制御することによって燃料ガスの露点温度を４５℃に制御することができるとともに、Ａｉｒ／ＮＨ３比を０．９０に制御することによって燃料ガスの露点温度を５０℃に制御することができる。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
次に、改質装置１０におけるオートサーマル改質について考察する。改質装置１０におけるオートサーマル改質を維持するためには、改質装置１０における発熱量を吸熱量より大きく制御する必要がある。改質装置１０における発熱量は、上記式（１）のアンモニアの酸化反応熱量と、改質ガスが熱交換器１３における熱交換によって放熱する放熱量とを含む。改質装置１０における吸熱量は、上記式（２）のアンモニアの熱分解反応熱量と、改質装置１０に供給されるエアおよびアンモニアが昇温時に吸熱する際の吸熱量とを含む。
【００４７】
表２は、改質装置１０に供給される成分および改質装置１０から排出される成分の比熱を示す。表２の比熱と、上記式（１）の反応熱量と、上記式（２）の反応熱量とに基づいて、改質装置１０における発熱量と吸熱量とが等しくなるＡｉｒ／ＮＨ３比が求まる。表３〜表５は、改質装置１０における吸熱量を示す。表３は、アンモニアおよびエアの温度が、熱交換器１３において−３３℃から７５０℃に上昇する場合の吸熱量を示す。表４は、アンモニアの気化潜熱および分解反応時の吸熱量を示す。表５は、吸熱量合計を示す。
【００４８】
表６〜表８は、改質装置１０における発熱量を示す。表６は、改質ガス中の成分の温度が７５０℃から８０℃に低下する場合の放熱量（発熱量）を示す。表７は、アンモニアの酸化反応時の発熱量を示す。表８は、発熱量合計を示す。表９は、改質装置１０における吸熱量と発熱量とが等しくなる場合のＡｉｒ／ＮＨ３比を示す。Ａｉｒ／ＮＨ３比を０．６００とすることによって、改質装置１０における発熱量と吸熱量とを平衡させることができる。
【００４９】
【表２】
2011146174.tif 000004
【００５０】
【表３】
2011146174.tif 000005
【００５１】
【表４】
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【００５２】
【表５】
2011146174.tif 000007
【００５３】
【表６】
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【００５４】
【表７】
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【００５５】
【表８】
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【００５６】
【表９】
2011146174.tif 000011
【００５７】
なお、改質装置１０からの放熱量を考慮して、Ａｉｒ／ＮＨ３比を制御してもよい。表１０〜表１６は、改質装置１０における発熱量のうち１割がシステム外部に放出される場合の結果を示す。表１０〜表１２は、改質装置１０における吸熱量を示し、表１３〜表１５は、改質装置１０における発熱量を示す。表１０は、アンモニアおよびエアの温度が、熱交換器１３において−３３℃から７５０℃に上昇する場合の吸熱量を示す。表１１は、アンモニアの気化潜熱および分解反応時の吸熱量を示す。表１２は、吸熱量合計を示す。
【００５８】
表１３〜表１５は、改質装置１０における発熱量を示す。表１３は、改質ガス中の成分の温度が７５０℃から８０℃に低下する場合の放熱量（発熱量）を示す。表１４は、アンモニアの酸化反応時の発熱量を示す。表１５は、発熱量合計を示す。表１６は、改質装置１０における発熱量のうち１割がシステム外部に放出される場合にオートサーマル改質が成立するためのＡｉｒ／ＮＨ３比を示す。Ａｉｒ／ＮＨ３比を０．７２０とすることによって、オートサーマル改質を成立させることができる。
【００５９】
【表１０】
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【００６０】
【表１１】
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【００６１】
【表１２】
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【００６２】
【表１３】
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【００６３】
【表１４】
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【００６４】
【表１５】
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【００６５】
【表１６】
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【００６６】
表１７は、露点温度およびオートサーマル改質に基づくＡｉｒ／ＮＨ３比を整理して示す表である。表１７に示すように、燃料ガス温度８０度の条件下では、露点温度を４５℃から５０℃に制御するためには、Ａｉｒ／ＮＨ３比を０．６２から０．９０に制御すればよい。なお、熱収支が±０の場合のＡｉｒ／ＮＨ３比＝０．６０も許容される。
【００６７】
【表１７】
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【００６８】
なお、アンモニアの酸化反応効率または熱分解反応効率が変動すると、Ａｉｒ／ＮＨ３比を制御しても、所望の露点温度が得られない場合がある。そこで、露点センサ１２１の検出結果に応じて、Ａｉｒ／ＮＨ３比をフィードバック制御してもよい。図３は、露点センサ１２１の検出結果に応じてＡｉｒ／ＮＨ３比を制御する場合のフローチャートの一例を示す図である。図３のフローチャートは、例えば、定常処理の途中で周期的に実行される。図３に示すように、制御装置１１０は、露点センサ１２１の検出結果を取得する（ステップＳ１）。それにより、制御装置１１０は、燃料ガスの露点温度を検出することができる。
【００６９】
次に、制御装置１１０は、燃料ガスの露点温度が４５℃以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２において、露点温度が４５℃以上であると判定されなかった場合、制御装置１１０は、Ａｉｒ／ＮＨ３比が上昇するように、ポンプ１０１，１０２を制御する（ステップＳ３）。それにより、燃料ガス中の水蒸気成分量を増加させることができる。その後、制御装置１１０は、ステップＳ２を再度実行する。ステップＳ２において露点温度が４５℃以上であると判定された場合、制御装置１１０は、露点温度が５０℃以下であるか否かを判定する（ステップＳ４）。
【００７０】
ステップＳ４において、露点温度が５０℃以下であると判定されなかった場合、制御装置１１０は、Ａｉｒ／ＮＨ３比が低下するように、ポンプ１０１，１０２を制御する（ステップＳ５）。それにより、燃料ガス中の水蒸気成分量を減少させることができる。その後、制御装置１１０は、ステップＳ４を再度実行する。ステップＳ４において、露点温度が５０℃以下であると判定された場合、制御装置１１０は、フローチャートの実行を終了する。図３のフローチャートによれば、燃料ガスの露点温度を所定範囲に制御することができる。
【００７１】
続いて、Ａｉｒ／ＮＨ３比を制御するに際して燃料電池５０の出力を考慮する場合について説明する。図４は、燃料電池５０の電流密度と発電電圧との関係を示す図である。図４において、横軸は電流密度を示し、縦軸は発電電圧を示す。図４に示すように、発電電圧は、電流密度が低くなると高くなり、電流密度が高くなると低くなる。したがって、燃料電池５０の出力密度が低い場合には、燃料電池５０の発電効率が高くなって損失が小となる。この場合、燃料電池５０の発熱量は少なくなる。その結果、フラッディングが発生しやすくなる。一方で、燃料電池５０の出力密度が高い場合には、燃料電池５０の発電効率が低くなって損失が大となる。この場合、燃料電池５０の発熱量が多くなる。その結果、電解質膜２０１が乾きやすくなる。
【００７２】
そこで、燃料電池５０の出力密度が所定値以下である場合に、Ａｉｒ／ＮＨ３比を低めに設定して発電に伴う生成水量を低下させてもよい。この場合、フラッディング発生による水素ガスの拡散阻害を抑制することができる。燃料電池５０の出力密度が所定値以上である場合に、Ａｉｒ／ＮＨ３比を高めに設定して発電に伴う生成水量を増加させてもよい。この場合、電解質膜２０１の乾燥を抑制することができる。
【００７３】
図５は、燃料電池５０の出力密度を考慮した場合のＡｉｒ／ＮＨ３比を示す図である。図５において、横軸は燃料電池５０の出力密度を示し、縦軸はＡｉｒ／ＮＨ３比を示す。図５に示すように、燃料電池５０の出力密度が高い場合には、Ａｉｒ／ＮＨ３比を高くすることによって、燃料ガスの露点温度を高く制御することが好ましい。例えば、燃料電池５０の出力密度が１．２ｋＷ／ｃｍ２の場合には、燃料ガスの露点温度が４９．２℃〜５０．０℃になるようにＡｉｒ／ＮＨ３比を０．８５〜０．９０に制御することが好ましい。また、燃料電池５０の出力密度が低い場合には、Ａｉｒ／ＮＨ３比を低くすることによって、燃料ガスの露点温度を低く制御することが好ましい。例えば、燃料電池５０の出力密度が０．２ｋＷ／ｃｍ２の場合には、燃料ガスの露点温度が４４．５℃〜４５．６℃になるようにＡｉｒ／ＮＨ３比を０．６０〜０．６５に制御することが好ましい。
【００７４】
図６は、燃料電池５０の出力密度を考慮した場合のフローチャートの一例を示す図である。図６のフローチャートは、例えば、定常処理の途中で周期的に実行される。図６に示すように、制御装置１１０は、電流センサ１２２から燃料電池５０の発電電流を取得するとともに、電圧センサ１２３から燃料電池５０の発電電圧を取得する（ステップＳ１１）。それにより、制御装置１１０は、燃料電池５０の出力密度を検出することができる。
【００７５】
次に、制御装置１１０は、ステップＳ１１で取得した出力密度に対応する露点温度範囲を検出する（ステップＳ１２）。この場合の露点温度範囲として、図５の関係を用いることができる。次いで、制御装置１１０は、露点センサ１２１の検出結果を取得する（ステップＳ１３）。それにより、制御装置１１０は、燃料ガスの露点温度を検出することができる。
【００７６】
次に、制御装置１１０は、露点温度がステップＳ１２で求めた露点温度範囲の下限以上であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、露点温度が露点温度範囲の下限以上であると判定されなかった場合、制御装置１１０は、Ａｉｒ／ＮＨ３比が上昇するように、ポンプ１０１，１０２を制御する（ステップＳ１５）。それにより、燃料ガスの水蒸気成分量を増加させることができる。その後、制御装置１１０は、ステップＳ１４を再度実行する、ステップＳ１４において、露点温度が露点温度範囲の下限以上であると判定された場合、制御装置１１０は、露点温度が露点温度範囲の上限以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００７７】
ステップＳ１６において、露点温度が露点温度範囲の上限以下であると判定されなかった場合、制御装置１１０は、Ａｉｒ／ＮＨ３比が低下するように、ポンプ１０１，１０２を制御する（ステップＳ１７）。それにより、燃料ガスの水蒸気成分量を低下させることができる。その後、制御装置１１０は、ステップＳ１６を再度実行する。ステップＳ１７において、露点温度が露点温度範囲の上限以下であると判定された場合、制御装置１１０は、フローチャートの実行を終了する。図６のフローチャートによれば、燃料ガスの露点温度を最適範囲に制御することができる。
【００７８】
なお、上記実施例においては、燃料電池５０の湿潤状態を検出するための湿潤状態検出手段として露点センサを用いたが、それに限られない。例えば、図７（ａ）８に示すように、燃料ガスまたは燃料オフガスの相対湿度を検出する湿度センサ１２４を、湿潤状態検出手段として用いてもよい。また、酸化剤ガスまたは酸化剤オフガスの相対湿度を検出する湿度センサを湿潤状態検出手段として用いてもよい。また、図７（ｂ）に示すように、燃料電池５０の電解質膜２０１の膜抵抗を検出する抵抗センサ１２５を湿潤状態検出手段として用いてもよい。
【００７９】
また、上記実施例においては、燃料電池５０の出力として出力密度に着目したが、それに限られない。例えば、燃料電池５０の発電時の電流密度、発電電圧等を燃料電池５０の出力としてもよい。
【００８０】
また、燃料電池５０の湿潤状態は、燃料電池５０の出力だけで決まらない場合がある。例えば、燃料電池５０の湿潤状態は、燃料電池５０の温度、ストイキ比等の影響を受けることがある。燃料電池５０は、温度が高いと乾燥しやすくなり、温度が低いとフラッディングが生じやすくなる。また、ストイキ比が高いと燃料電池５０への供給ガス量が増加するため乾燥しやすくなり、ストイキ比が低いと燃料電池５０への供給ガス量が不足してフラッディングが生じやすくなる。
【００８１】
したがって、必ずしも、燃料電池５０の出力だけで燃料電池５０の湿潤状態を判断することができない場合がある。そこで、あらかじめ燃料電池５０の運転状態と湿潤状態との関係のマップを作成しておき、このマップに基づいて燃料電池５０の湿潤状態を判断してＡｉｒ／ＮＨ３比を制御してもよい。または、燃料電池５０の出力に対する湿潤状態をあらかじめ計測（または、設計時にシミュレーション等で予測）しておき、その結果に基づいて、Ａｉｒ／ＮＨ３比を制御してもよい。なお、燃料電池５０の温度は、冷却水温度で代用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
５  燃料電池システム
１０  改質装置
１１  触媒装置
１２  改質器
１３  熱交換器
１６  ヒータ
２０  ２次電池
３０  貯留タンク
４０  ＮＨ３処理装置
５０  燃料電池
６０  水素回収装置
７０  ラジエータ
８０  加湿モジュール
１１０  制御装置
２００  セル
【図１】
2011146174.tif 000020
【図２】
2011146174.tif 000021
【図３】
2011146174.tif 000022
【図４】
2011146174.tif 000023
【図５】
2011146174.tif 000024
【図６】
2011146174.tif 000025
【図７】
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