(57)【要約】【課題】  アンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  原燃料が供給されて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置１と、燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池１４と、を少なくとも備えており、前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプ２３を更に備えている。【選択図】  図１
2008027752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料が供給されて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置と、
燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池と、
を少なくとも備えており、
前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプを更に備えている、高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項２】
前記アンモニアポンプが、陽イオン交換体と、該陽イオン交換体を挟持する一対の導電性触媒層及び該一対の導電性触媒層を挟持する一対の導電性ガス拡散層を有する一対のガス拡散電極と、を少なくとも備えている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項３】
前記陽イオン交換体が、有機陽イオン交換体である、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項４】
前記有機陽イオン交換体が、パーフルオロスルホン酸膜である、請求項３記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項５】
前記陽イオン交換体が、無機陽イオン交換体である、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項６】
前記無機陽イオン交換体が、リン酸水溶液層である、請求項５記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項７】
前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア抽出側が、親水性官能基を備えている、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項８】
前記親水性官能基が、スルホン酸基である、請求項７記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項９】
前記親水性官能基が、ヒドロキシル基である、請求項７記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項１０】
前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア混合側が、疎水性官能基を備えている、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項１１】
前記高分子電解質形燃料電池から電力が供給されて前記アンモニアポンプにその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【請求項１２】
前記高分子電解質形燃料電池と前記アンモニアポンプとが、直接的又は間接的に一体化されている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池システムに関し、特に、高分子電解質形燃料電池に都市ガスを用いて生成した燃料ガスが供給されて発電する高分子電解質形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である小規模発電装置として、発電効率及び総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が好適に用いられる。ところで、この高分子電解質形燃料電池は、水素と酸素とを利用して発電する。しかし、通常、水素の供給手段は、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。従って、高分子電解質形燃料電池システムにより電力を得るためには、その高分子電解質形燃料電池システムの設置場所において、水素を生成する必要がある。そのため、従来の高分子電解質形燃料電池システムでは、通常、高分子電解質形燃料電池に加えて、改質装置が配設されている。この改質装置では、都市ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原燃料、又は、メタノール等のアルコール系の原燃料と水とが用いられることにより、水素を含む燃料ガスが生成される。この改質装置において生成された燃料ガスと、酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの各々が、高分子電解質形燃料電池に供給されて、高分子電解質形燃料電池システムは所望の電力を出力する。
【０００４】
ここで、従来の高分子電解質形燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」という）の構成及びその動作について概説する。
【０００５】
図５は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【０００６】
図５に示すように、従来の燃料電池システム３００は、改質装置１０１と、凝縮器１０２及び凝縮水タンク１０３と、凝縮器１０４及び凝縮水タンク１０５とを備えている。改質装置１０１は、原燃料としての都市ガスと水とを用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含む燃料ガスを生成する。凝縮器１０２及び１０４は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク１０３及び１０５は、水（凝縮水）を貯蔵する。
【０００７】
又、この従来の燃料電池システム３００は、空気供給装置１０６と、加湿器１０７と、凝縮器１０８と、凝縮水タンク１０９とを備えている。空気供給装置１０６は、酸化剤ガスとしての空気を、大気中から燃料電池システム３００の内部に導入する。加湿器１０７は、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。凝縮器１０８は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク１０９は、水（凝縮水）を貯蔵する。
【０００８】
そして、この従来の燃料電池システム３００は、その発電部の本体として、高分子電解質形燃料電池１１０を備えている。この高分子電解質形燃料電池１１０は、燃料ガス流路１１０ａと、酸化剤ガス流路１１０ｂと、冷却水流路１１０ｃとを備えている。燃料電池システム３００の発電運転の際、燃料ガス流路１１０ａには、燃料ガスが供給される。酸化剤ガス流路１１０ｂには、酸化剤ガスとしての空気が供給される。冷却水流路１１０ｃには、一次冷却水が供給される。
【０００９】
一方、図５に示すように、この従来の燃料電池システム３００は、上述した加湿器１０７に加えて、冷却水タンク１１１と、冷却水ポンプ１１２と、熱交換器１１３とを備えている。冷却水タンク１１１は、一次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ１１２は、所定の送水手段により、一次冷却水を送水する。加湿器１０７は、上述したように、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。熱交換器１１３は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。
【００１０】
又、この従来の燃料電池システム３００は、上述した凝縮器１０８，１０２，１０４及び熱交換器１１３に加えて、放熱器１１４と、冷却水タンク１１５と、冷却水ポンプ１１６とを備えている。放熱器１１４は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。冷却水タンク１１５は、二次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ１１６は、所定の送水手段により、二次冷却水を送水する。尚、上述したように、凝縮器１０８，１０２，１０４は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。熱交換器１１３は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。
【００１１】
かかる従来の燃料電池システム３００では、改質装置１０１及び空気供給装置１０６から燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気が燃料ガス流路１１０ａ及び酸化剤ガス流路１１０ｂに供給される。すると、高分子電解質形燃料電池１１０では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池１１０は所望の電力を出力する。
【００１２】
この燃料電池システム３００の発電運転の際、電気化学反応の進行に伴い生成される反応熱により、高分子電解質形燃料電池１１０の温度が上昇する。そのため、この従来の燃料電池システム３００では、冷却水ポンプ１１２により、冷却水タンク１１１に貯蔵されている一次冷却水が高分子電解質形燃料電池１１０の冷却水流路１１０ｃに供給される。又、冷却水ポンプ１１６により、冷却水タンク１１５に貯蔵されている二次冷却水が、凝縮器１０８，１０２，１０４を介して、熱交換器１１３に供給される。これにより、高分子電解質形燃料電池１１０の温度が好適に維持される。
【００１３】
尚、高分子電解質形燃料電池１１０の燃料ガス流路１１０ａ及び酸化剤ガス流路１１０ｂから排出された排燃料ガス及び排空気は、凝縮器１０２及び１０８に供給される。凝縮器１０２及び１０８は、排燃料ガス及び排空気を除湿する。除湿された排燃料ガスは、改質装置１０１において水蒸気改質反応を進行させるために燃焼され、凝縮器１０４により更に除湿された後、燃料電池システム３００の外部に排気される。又、除湿された排空気は、燃料電池システム３００の外部に排気される。一方、凝縮器１０８，１０２，１０４から排出された水（凝縮水）は、凝縮水タンク１０９，１０３，１０５に貯蔵される。
【００１４】
ところで、都市ガスと水とが改質装置に供給され、その改質装置が水蒸気改質反応を進行させることにより燃料ガスを生成し、その燃料ガスが高分子電解質形燃料電池に供給されて発電する燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下する場合がある。その理由は、改質装置で生成されるアンモニアにより、高分子電解質形燃料電池における膜電極接合体（通称、「ＭＥＡ」という）の性能が経時的に低下するからである。
【００１５】
具体的に説明すると、都市ガスは、その製造過程において大気中から不可逆的に混入する窒素を含有している。都市ガスが含有する窒素の濃度は、通常、１％程度以下の濃度である。この窒素を含有する都市ガスが改質装置に供給されると、水蒸気改質反応が進行することにより生成される水素と窒素とが結合して、アンモニアが生成される。つまり、燃料電池システムの発電運転の際、改質装置は、数ｐｐｍ程度の濃度でアンモニアを含有する燃料ガスを高分子電解質形燃料電池に供給している。すると、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体における高分子電解質膜では、プロトンがアンモニウムイオンにより経時的に置換される。この置換反応により、膜電極接合体における高分子電解質膜のプロトン交換能力が、発電運転時間の経過と共に、除々に低下する。つまり、高分子電解質膜の性能が経時的に低下するので、膜電極接合体の性能が経時的に低下する。そして、この膜電極接合体の性能の経時的な低下により、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下する。このように、燃料ガスがアンモニアを含有している場合には、燃料電池システムの可逆的或いは不可逆的かつ経時的な発電性能の低下を引き起こす場合がある。
【００１６】
そこで、改質装置が生成した燃料ガスからアンモニアを除去する、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下することを防止する燃料電池システムの構成が、種々提案されている。
【００１７】
例えば、燃料ガスを加湿する際、その燃料ガスが含有するアンモニアを水に溶解させ、イオン交換筒によりアンモニアを除去してその水を再利用する燃料電池システムの構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１８】
又、例えば、燃料ガスが含有するアンモニアを電気分解により窒素と水素とに変換する燃料電池システムの構成や、アンモニアを電気泳動により窒素と水素とに変換する燃料電池システムの構成が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
【００１９】
かかる燃料電池システムの構成によれば、改質装置が生成した燃料ガスからアンモニアが除去され、そのアンモニアが除去された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池の燃料ガス流路に供給されるので、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下することはない。つまり、高分子電解質形燃料電池の発電性能が長期間に渡り確保されるので、燃料電池システムの発電性能が長期間に渡り確保される。
【特許文献１】特開２００３−３１２４７号公報
【特許文献２】特願２００４−１４５５５０号公報
【特許文献３】特開２００５−３１７４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上記従来の提案において、燃料ガスが含有するアンモニアを水に溶解させ、イオン交換筒によりアンモニアを除去して水を再利用する構成では、そのイオン交換筒を定期的に再生又は交換する必要がある。又、イオン交換筒の価格は、通常、比較的高価である。更には、イオン交換筒を用いるアンモニア除去機構の構成は、通常、比較的複雑な構成である。従って、このイオン交換筒を用いる構成では、燃料電池システムを安価に構成することや、燃料電池システムのランニングコストを抑制することが困難である。
【００２１】
又、上記従来の提案において、燃料ガスが含有するアンモニアを電気分解或いは電気泳動により窒素と水素とに変換する構成では、燃料電池システムの内部に電気分解槽や電気泳動槽を配設する必要がある。これらの電気分解槽や電気泳動槽の価格は、通常、非常に高価である。更には、これらの電気分解槽や電気泳動槽を用いるアンモニア除去機構の構成は、通常、非常に複雑かつ大型な構成である。加えて、これらの電気分解槽や電気泳動槽を用いる構成では、燃料ガスからアンモニアを除去するために大電力が必要になる。
【００２２】
つまり、上記従来の提案では、一般家庭に普及させることが可能である、初期費用及び維持費用が安価でありかつ小規模な、省エネルギー性に優れる現実的な燃料電池システムを構築することは困難であった。
【００２３】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な発電効率に優れる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】
【００２４】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料が供給されて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置と、燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池と、を少なくとも備えており、前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプを更に備えている。
【００２５】
かかる構成とすると、アンモニアポンプにより、燃料ガスが含有するアンモニアが、高分子電解質形燃料電池に供給されることなく、高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合される。これにより、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体の性能が長期間に渡り好適に確保されるので、長期間に渡り安定して電力を供給可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。
【００２６】
この場合、前記アンモニアポンプが、陽イオン交換体と、該陽イオン交換体を挟持する一対の導電性触媒層及び該一対の導電性触媒層を挟持する一対の導電性ガス拡散層を有する一対のガス拡散電極と、を少なくとも備えている。
【００２７】
かかる構成とすると、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を提供することができるので、初期費用及び維持費用が安価でありかつ発電効率に優れる燃料電池システムを提供することが可能になる。
【００２８】
この場合、前記陽イオン交換体が、有機陽イオン交換体である。
【００２９】
かかる構成とすると、特殊な構成を有する陽イオン交換体を準備することなく、既に市販されている一般的な有機陽イオン交換体を利用して、アンモニアポンプを構成することができる。これにより、アンモニアポンプを安価に構成することが可能になる。
【００３０】
この場合、前記有機陽イオン交換体が、パーフルオロスルホン酸膜である。
【００３１】
かかる構成とすると、高分子電解質形燃料電池の電解質膜として一般的に用いられているパーフルオロスルホン酸膜を利用するので、アンモニアポンプをより一層安価に構成することが可能になる。
【００３２】
又、上記の場合、前記陽イオン交換体が、無機陽イオン交換体である。
【００３３】
かかる構成としても、特殊な構成を有する陽イオン交換体を準備することなく、既に市販されている一般的な無機陽イオン交換体を利用して、アンモニアポンプを構成することができる。これにより、アンモニアポンプを安価に構成することが可能になる。
【００３４】
この場合、前記無機陽イオン交換体が、リン酸水溶液層である。
【００３５】
かかる構成とすると、リン酸形燃料電池の電解質層として一般的に用いられているリン酸水溶液層を利用するので、アンモニアポンプをより一層安価に構成することが可能になる。
【００３６】
又、上記の場合、前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア抽出側が、親水性官能基を備えている。
【００３７】
かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側に、燃料ガスが含有する水蒸気が結露し易くなる。これにより、アンモニアポンプにおいて、燃料ガスが含有するアンモニアを選択的にかつ確実にトラップすることが可能になる。
【００３８】
この場合、前記親水性官能基が、スルホン酸基である。
【００３９】
かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側において、燃料ガスが含有する水蒸気を確実に結露させることが可能になる。
【００４０】
又、この場合、前記親水性官能基が、ヒドロキシル基である。
【００４１】
かかる構成としても、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側において、燃料ガスが含有する水蒸気を確実に結露させることが可能になる。
【００４２】
又、上記の場合、前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア混合側が、疎水性官能基を備えている。
【００４３】
かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア混合側において、アンモニアを含有する水が気化し易くなる。これにより、アンモニアポンプにおいて、燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガスに確実に混合することが可能になる。
【００４４】
又、上記の場合、前記高分子電解質形燃料電池から電力が供給されて前記アンモニアポンプにその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている。
【００４５】
かかる構成とすると、アンモニアポンプにその駆動用電力を供給するための電源等を配設する必要がなくなるので、燃料電池システムを小型化することが可能になる。又、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能になる。
【００４６】
更に、上記の場合、前記高分子電解質形燃料電池と前記アンモニアポンプとが、直接的又は間接的に一体化されている。
【００４７】
かかる構成とすると、高分子電解質形燃料電池とアンモニアポンプとが直接的又は間接的に一体化されているので、最も簡単でありかつコンパクトな構成の燃料電池システムを提供することが可能になる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明は、以上に述べたような手段において実施され、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な発電効率に優れる燃料電池システムを提供することが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５０】
（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成及びその動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５１】
図１は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。
【００５２】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、改質装置１と、本発明を特徴付けるアンモニアポンプ２３と、凝縮器４及び凝縮水タンク５と、凝縮器６及び凝縮水タンク７とを備えている。改質装置１は、原燃料としての都市ガスと水とを用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含む燃料ガスを生成する。アンモニアポンプ２３は、電気泳動を利用することにより燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガス側に直接的に移動させて、その移動させたアンモニアを排燃料ガスに混合させる。尚、このアンモニアポンプ２３の内部構成とその動作については、後に詳細に説明する。又、凝縮器４及び６は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク５及び７は、水（凝縮水）を貯蔵する。そして、燃料電池システム１００では、改質装置１の燃料ガス排出口とアンモニアポンプ２３の燃料ガス導入口とが、配管２ａにより相互に接続されている。又、アンモニアポンプ２３の燃料ガス排出口と後述する高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの一端とが、配管２ｂにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの他端とアンモニアポンプ２３の排燃料ガス導入口とが、配管３ｂにより相互に接続されている。又、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス排出口と凝縮器４の排燃料ガス導入口とが、配管３ａにより相互に接続されている。又、凝縮器４の排燃料ガス排出口及び凝縮水排出口と改質装置１の排燃料ガス導入口及び凝縮水タンク５の凝縮水導入口とが、所定の配管により相互に接続されている。更には、改質装置１の排燃焼ガス排出口と凝縮器６の排燃焼ガス導入口とが所定の配管により相互に接続され、凝縮器６の凝縮水排出口と凝縮水タンク７の凝縮水導入口とが所定の配管により相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、燃料ガスの給排系統が構成されている。
【００５３】
又、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、空気供給装置８と、加湿器１０と、凝縮器１２と、凝縮水タンク１３とを備えている。空気供給装置８は、酸化剤ガスとしての空気を、大気中から燃料電池システム１００の内部に導入する。加湿器１０は、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。凝縮器１２は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク１３は、水（凝縮水）を貯蔵する。そして、燃料電池システム１００では、空気供給装置８の空気排出口と加湿器１０の空気導入口とが、配管９ａにより相互に接続されている。又、加湿器１０の空気排出口と後述する高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂの一端とが、配管９ｂにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂの他端と凝縮器１２の排空気導入口とが、配管１１により相互に接続されている。更には、凝縮器１２の凝縮水排出口と凝縮水タンク１３の凝縮水導入口とが、所定の配管により相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、酸化剤ガスの給排系統が構成されている。
【００５４】
そして、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、発電部の本体として、高分子電解質形燃料電池１４を備えている。この高分子電解質形燃料電池１４は、燃料ガス流路１４ａと、酸化剤ガス流路１４ｂと、冷却水流路１４ｃとを備えている。燃料電池システム１００の発電運転の際、燃料ガス流路１４ａには、燃料ガスが供給される。酸化剤ガス流路１４ｂには、酸化剤ガスとしての空気が供給される。冷却水流路１４ｃには、一次冷却水が供給される。すると、高分子電解質形燃料電池１４では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する所定の電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池１４は所望の電力を出力する。
【００５５】
一方、図１に示すように、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、上述した加湿器１０に加えて、冷却水タンク１５と、冷却水ポンプ１６と、熱交換器１７とを備えている。冷却水タンク１５は、一次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ１６は、所定の送水手段により、一次冷却水を送水する。加湿器１０は、上述したように、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。熱交換器１７は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。そして、この燃料電池システム１００では、冷却水タンク１５の冷却水排出口と冷却水ポンプ１６の冷却水導入口とが、配管１８ａにより相互に接続されている。又、冷却水ポンプ１６の冷却水排出口と高分子電解質形燃料電池１４の冷却水流路１４ｃの一端とが、配管１８ｂにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１４の冷却水流路１４ｃの他端と加湿器１０の冷却水導入口とが、配管１８ｃにより相互に接続されている。更には、加湿器１０の冷却水排出口と熱交換器１７の冷却水導入口とが、配管１８ｄにより相互に接続されている。そして、熱交換器１７の冷却水排出口と冷却水タンク１５の冷却水導入口とが、配管１８ｅにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、一次冷却水の循環系統が構成されている。
【００５６】
又、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、上述した凝縮器１２，４，６及び熱交換器１７に加えて、放熱器１９と、冷却水タンク２０と、冷却水ポンプ２１とを備えている。放熱器１９は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。冷却水タンク２０は、二次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ２１は、所定の送水手段により、二次冷却水を送水する。尚、上述したように、凝縮器１２，４，６は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。又、熱交換器１７は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。そして、燃料電池システム１００では、冷却水タンク２０の冷却水排出口と冷却水ポンプ２１の冷却水導入口とが、配管２２ａにより相互に接続されている。又、冷却水ポンプ２１の冷却水排出口と凝縮器１２の冷却水導入口と、この凝縮器１２の冷却水排出口と凝縮器４の冷却水導入口と、この凝縮器４の冷却水排出口と凝縮器６の冷却水導入口と、この凝縮器６の冷却水排出口と熱交換器１７の冷却水導入口との各々が、配管２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅにより各々相互に接続されている。更には、熱交換器１７の冷却水排出口と放熱器１９の冷却水導入口とが、配管２２ｆにより相互に接続されている。そして、放熱器１９の冷却水排出口と冷却水タンク２０の冷却水導入口とが、配管２２ｇにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、二次冷却水の循環系統が構成されている。
【００５７】
かかる燃料電池システム１００では、その発電運転の際、改質装置１からアンモニアポンプ２３にアンモニアを含有する燃料ガスが供給される。すると、アンモニアポンプ２３は、電気泳動を利用することにより燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガス側に直接的に移動させて、その移動させたアンモニアを排燃料ガスに混合させる。その一方で、アンモニアポンプ２３は、アンモニアを除去した燃料ガスを高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａに供給する。つまり、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、改質装置１で生成されたアンモニアが、高分子電解質形燃料電池１４に供給されることなく、高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスと共に凝縮器４に供給される。そして、凝縮器４を通過して改質装置１が内蔵する図１では図示されない燃焼器に供給されたアンモニアは、排燃料ガスと共に、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。
【００５８】
アンモニアポンプ２３から排出された燃料ガスは、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａに供給される。この際、高分子電解質形燃料電池１４には、その動作原理上、加湿された燃料ガスが供給される必要がある。しかし、水蒸気改質反応によれば、改質装置１に供給される水の一部が、燃料ガス中に水蒸気として残留する。つまり、改質装置１から供給される燃料ガスは、その改質装置１において、ある程度の加湿度にまで自動的に加湿されている。従って、通常は、改質装置１で生成され、アンモニアポンプ２３を通過した燃料ガスは、特に加湿されることなく、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａに直接供給される。尚、アンモニアポンプ２３から排出された燃料ガスの露点と高分子電解質形燃料電池１４が要求する燃料ガスの露点との差分を補償する必要がある場合には、加湿器１０に加えて、燃料ガスを加湿するための加湿器を別途設ける。
【００５９】
尚、改質装置１に代えて、例えば、水素ボンベの如き水素貯蔵装置が配設される場合には、アンモニアポンプ２３を配設する必要はない。しかしながら、実用的な連続発電設備としての燃料電池システムを構築する場合には、都市ガス、プロパンガス、ガソリン等の連続的に入手可能な原燃料を用いて燃料ガスを製造する必要がある。従って、通常は、水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置１が配設される。そして、原燃料として都市ガスが用いられる場合には、改質装置１においてアンモニアが生成されるため、アンモニアポンプ２３を配設する必要がある。これにより、高分子電解質形燃料電池１４をアンモニアに起因する悪影響から保護することが可能になる。
【００６０】
一方、かかる燃料電池システム１００では、その発電運転の際、空気供給装置８から高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂに酸化剤ガスとしての空気が供給される。この際、高分子電解質形燃料電池１４には、燃料ガスの場合と同様にして、加湿された空気が供給される必要がある。そこで、燃料電池システム１００では、空気供給装置８から供給される空気が加湿器１０により加湿される。そして、加湿器１０により加湿された空気が、高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂに供給される。尚、加湿器１０は、通常、水蒸気透過性の透湿膜を備える膜加湿器である。この加湿器１０は、高分子電解質形燃料電池１４から排出された一次冷却水を熱源及び水源として、空気供給装置８から供給される空気を所望の加湿度にまで加湿する。
【００６１】
燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気が燃料ガス流路１４ａ及び酸化剤ガス流路１４ｂに供給されると、高分子電解質形燃料電池１４では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する所定の電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池１４は、所望の電力を出力する。この際、所定の電気化学反応の進行に伴い生成される反応熱により、高分子電解質形燃料電池１４の温度が上昇する。そこで、燃料電池システム１００では、冷却水ポンプ１６の送水動作により、冷却水タンク１５に貯蔵されている一次冷却水が、高分子電解質形燃料電池１４の冷却水流路１４ｃに連続的に供給される。これにより、高分子電解質形燃料電池１４の温度が適温（通常、６０〜８０℃）に保たれる。尚、高分子電解質形燃料電池１４から排出された、温度上昇した一次冷却水は、改質器１０において、空気供給装置８から供給される空気の加湿のために利用される。加湿器１０から排出された一次冷却水は、熱交換器１７において二次冷却水により冷却された後、冷却水タンク１５に戻される。
【００６２】
又、かかる燃料電池システム１００では、一次冷却水を冷却するために、冷却水ポンプ２１の送水動作により、冷却水タンク２０に貯蔵されている二次冷却水が、凝縮器１２，４，６を介して熱交換器１７に連続的に供給される。すると、熱交換器１７では、加湿器１０から供給される一次冷却水が、冷却水タンク２０から供給される二次冷却水により冷却される。そして、熱交換器１７において一次冷却水との熱交換により温度上昇した二次冷却水は、冷却水ポンプ２１の送水動作により、放熱器１９に連続的に供給される。放熱器１９は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。これにより、燃料電池システム１００において、一次冷却水及び二次冷却水の温度が適温に保たれる。放熱器１９により冷却された二次冷却水は、その後、冷却水タンク２０に戻される。
【００６３】
このように、実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、その良好な発電状態が確実に確保されるよう、高分子電解質形燃料電池１４の温度が一次冷却水により直接的に制御される。又、この燃料電池システム１００では、その良好な発電状態が確実に確保されるよう、高分子電解質形燃料電池１４の温度が二次冷却水により間接的に制御される。これにより、燃料電池システム１００において、高分子電解質形燃料電池１４の発電状態が適切に維持される。
【００６４】
一方、燃料電池システム１００の発電運転の際、高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスは、アンモニアポンプ２３を通過する際にアンモニアと混合された後、凝縮器４に供給される。凝縮器４により除湿されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、その後、改質装置１に供給される。そして、アンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置１に内蔵された図示されない燃焼器において、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。改質装置１から排出された排燃焼ガスは、凝縮器６に供給される。凝縮器６により除湿された排燃焼ガスは、燃料電池システム１００の外部に排気される。尚、凝縮器４及び６から排出された凝縮水は、凝縮水タンク５及び７に貯蔵される。
【００６５】
又、燃料電池システム１００の発電運転の際、高分子電解質形燃料電池１４から排出された排空気は、凝縮器１２に供給される。凝縮器１２により除湿された排空気は、燃料電池システム１００の外部に排気される。凝縮器１２から排出された凝縮水は、凝縮水タンク１３に貯蔵される。
【００６６】
尚、凝縮水タンク５，７，１３に貯蔵された凝縮水は、図１では図示しない凝縮水の再生系統において、濾過、イオン交換等の浄水処理が施される。この浄水処理が施された凝縮水は、冷却水タンク１５に供給される。そして、この浄水処理が施された凝縮水は、高分子電解質形燃料電池１４を冷却するための一次冷却水としてや、空気供給装置８から供給される空気を加湿するために利用される。又は、この浄水処理が施された凝縮水は、改質装置１において、水蒸気改質反応を進行させるために利用される。
【００６７】
次に、本発明を特徴付けるアンモニアポンプの構成及びその動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００６８】
図２は、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの構成を模式的に示す構成図である。ここで、図２（ａ）は本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの分解斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。尚、図２では、アンモニアポンプの特徴的な構成を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。
【００６９】
図２（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、このアンモニアポンプ２３の構成は、一般的な高分子電解質形燃料電池積層体（通常、単に「スタック」という）の単電池（通常、単に「セル」という）の構成と基本的に同様である。即ち、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプ２３は、導電性セパレータ２３ａと、膜電極接合体２３ｂと、導電性セパレータ２３ｃとを備えている。これらの導電性セパレータ２３ａ、膜電極接合体２３ｂ、導電性セパレータ２３ｃは、各々、略平板状の形状を有している。又、これらの導電性セパレータ２３ａ、膜電極接合体２３ｂ、導電性セパレータ２３ｃは、各々、アンモニアポンプ２３の主面Ａ側から見た場合、矩形状の同一形状を有している。そして、これらの導電性セパレータ２３ａ、膜電極接合体２３ｂ、及び、導電性セパレータ２３ｃがこの順で積層され、所定の締結手段により締結されて、アンモニアポンプ２３が構成されている。
【００７０】
具体的には、導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃは、ジグザグ状の燃料ガス流路Ｐａ及びジグザグ状の排燃料ガス流路Ｐｂを備えている。そして、燃料ガス流路Ｐａの図２では下方に配管２ａが燃料ガスを供給可能に接続され、燃料ガス流路Ｐａの図２では上方に配管２ｂが燃料ガスを排出可能に接続されている。又、排燃料ガス流路Ｐｂの図２では上方に配管３ｂが排燃料ガスを供給可能に接続され、排燃料ガス流路Ｐｂの図２では下方に配管３ａが排燃料ガスを排出可能に接続されている。これらの燃料ガス流路Ｐａと排燃料ガス流路Ｐｂとは、アンモニアポンプ２３の完成体において、膜電極接合体２３ｂにより隔離されている。従って、アンモニアポンプ２３においては、燃料ガス流路Ｐａに燃料ガスが供給され、排燃料ガス流路Ｐｂに排燃料ガスが供給される場合であっても、燃料ガスと排燃料ガスとが混合されることはない。
【００７１】
一方、図２（ｂ）に示すように、膜電極接合体２３ｂは、一枚の陽イオン交換体ａと、一対のガス拡散電極ｂ及びｃとを備えている。
【００７２】
陽イオン交換体ａは、有機陽イオン交換体、又は、無機陽イオン交換体により構成されている。ここで、有機陽イオン交換体としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が用いられる。又、無機陽イオン交換体としては、例えば、リン酸水溶液層が用いられる。
【００７３】
ガス拡散電極ｂは、主に白金カーボンからなる導電性触媒層ｂ１と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性ガス拡散層ｂ２とを備えている。同様にして、ガス拡散電極ｃは、主に白金カーボンからなる導電性触媒層ｃ１と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性ガス拡散層ｃ２とを備えている。ここで、導電性ガス拡散層ｂ２には、親水処理が施されていることがより望ましい。この親水処理としては、例えば、プラズマ処理、賦活処理等の親水処理が挙げられる。これらの親水処理により、導電性ガス拡散層ｂ２の表面には、ヒドロキシル基等に代表される親水性官能基が構築される。又、導電性ガス拡散層ｂ２に親水性を付与するためには、その導電性ガス拡散層ｂ２にパーフルオロスルホン酸重合体を含浸させてもよい。この含浸処理により、導電性ガス拡散層ｂ２は、スルホン酸基を備える導電性ガス拡散層となる。
【００７４】
又、導電性ガス拡散層ｃ２には、疎水処理が施されていることがより望ましい。この疎水処理により、導電性ガス拡散層ｃ２の表面には、メチル基等に代表される疎水性官能基が構築される。尚、導電性ガス拡散層ｃ２が、ポリテトラフルオロエチレンが含侵された炭素繊維からなる場合、疎水処理を省略することができる。ポリテトラフルオロエチレン及び炭素繊維からなる導電性ガス拡散層ｃ２は、撥水性を備えているからである。
【００７５】
そして、陽イオン交換体ａの一方の主面における所定の領域には、その陽イオン交換体ａに導電性触媒層ｂ１が接触した状態で、ガス拡散電極ｂが接合されている。又、陽イオン交換体ａの他方の主面における所定の領域には、その陽イオン交換体ａに導電性触媒層ｃ１が接触した状態で、ガス拡散電極ｃが接合されている。これにより、アンモニアポンプ２３において、膜電極接合体２３ｂが構成されている。
【００７６】
本実施の形態では、アンモニアポンプ２３の導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃは、高分子電解質形燃料電池１４における導電性セパレータの構成と同様にして、金属又はカーボンを主原料とする導電性材料により各々構成されている。又、膜電極接合体２３ｂは、高分子電解質形燃料電池１４における膜電極接合体と同様の構成を有している。そして、本実施の形態では、膜電極接合体２３ｂにおける陽イオン交換体ａの周囲が導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃの周縁部により挟持され、かつ膜電極接合体２３ｂにおけるガス拡散電極ｂ及びｃの所定領域が導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃの所定領域により導電状態で挟持されて、アンモニアポンプ２３が構成されている。
【００７７】
かかるアンモニアポンプ２３では、燃料電池システム１００の発電運転の際、改質装置１から燃料ガス流路Ｐａにアンモニアを含有する燃料ガスが供給される。一方、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス流路Ｐｂには、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａから排出された排燃料ガスが供給される。この際、図２（ｂ）に示すように、アンモニアポンプ２３の導電性セパレータ２３ａと導電性セパレータ２３ｃとの間には、電圧が印加される。アンモニアポンプ２３を駆動するための駆動用電力は、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池１４から供給される。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、高分子電解質形燃料電池１４から電力が供給されてアンモニアポンプ２３にその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている。尚、アンモニアポンプ２３の導電性セパレータ２３ａと導電性セパレータ２３ｃとの間に印加される電圧値は、陽イオン交換体ａの膜厚によっても異なるが、概ね１Ｖ程度の電圧値である。つまり、アンモニアポンプ２３の陽イオン交換体ａにおいてアンモニウムイオンが電気泳動可能であり、その一方で陽イオン交換体ａにおいて水の電気分解が進行しない程度の所定の電圧が、導電性セパレータ２３ａと導電性セパレータ２３ｃとの間に印加される。
【００７８】
すると、アンモニアポンプ２３では、燃料ガスが含有する水蒸気が結露して概ね湿潤状態とされた膜電極接合体２３ｂの導電性ガス拡散層ｂ２において、燃料ガスが含有するアンモニアの水への溶解が進行する。この際、アンモニアは水に対して極めて溶解し易いため、燃料ガスが含有するアンモニアは選択的に水に溶解する。つまり、アンモニアポンプ２３の導電性ガス拡散層ｂ２において、燃料ガスが含有するアンモニアが選択的にトラップされる。一方、水に対する水素の溶解度は、極めて低い。そのため、燃料ガスが含有する水素は、水に殆ど溶解することなく、アンモニアポンプ２３から排出される。そして、燃料ガスが含有するアンモニアが水に溶解することにより、化学式（１）に示すように、アンモニウムイオンと水酸化物イオンとが生成される。
【００７９】
ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ→ＮＨ4+＋ＯＨ-  ・・・（１）
一方、アンモニアポンプ２３の膜電極接合体２３ｂにおける導電性触媒層ｂ１上では、化学式（２）に示すように、水素の解離反応が進行する。
【００８０】
（１／２）Ｈ2→Ｈ+＋ｅ-  ・・・（２）
又、アンモニアポンプ２３における膜電極接合体２３ｂの燃料ガス流路Ｐａ側では、化学式（３）に示すように、プロトンと水酸化物イオンとの中和反応が進行する。
【００８１】
Ｈ+＋ＯＨ-→Ｈ2Ｏ  ・・・（３）
つまり、アンモニアポンプ２３では、膜電極接合体２３ｂの燃料ガス流路Ｐａ側において、図２（ｂ）に示すように、見かけ上、化学式（４）に示す化学反応が進行する。
【００８２】
ＮＨ3＋（１／２）Ｈ2→ＮＨ4+＋ｅ-  ・・・（４）
尚、燃料電池システム１００の構成によっては、アンモニアポンプ２３におけるガス拡散電極ｂの導電性ガス拡散層ｂ２で燃料ガスが含有する水蒸気が結露するため、高分子電解質形燃料電池１４に供給される燃料ガスの露点が低下する場合がある。この場合には、燃料ガスの露点を適切に補償するために、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４との間に加湿器を配設すればよい。
【００８３】
一般的に、陽イオン交換体ａでは、アンモニウムイオンに対する親和性がプロトンに対する親和性よりも遙かに大きい。従って、アンモニアポンプ２３において、膜電極接合体２３ｂの燃料ガス流路Ｐａ側で水に溶解したアンモニア（アンモニウムイオン）は、陽イオン交換体ａの中に容易に取り込まれる。そして、この取り込まれたアンモニウムイオンは、陽イオン交換体ａの末端基を順次置換して、アンモニアポンプ２３における膜電極接合体２３ｂの排燃料ガス流路Ｐｂ側に到達する。すると、アンモニアポンプ２３では、膜電極接合体２３ｂのガス拡散電極ｃにおける導電性触媒層ｃ１において、化学式（５）に示すように、アンモニウムイオンの還元反応が進行する。これにより、アンモニウムイオンがアンモニアに戻される。
【００８４】
ＮＨ4+＋ｅ-→ＮＨ3＋（１／２）Ｈ2  ・・・（５）
アンモニアポンプ２３において、膜電極接合体２３ｂのガス拡散電極ｃにおける導電性触媒層ｃ１で生成されたアンモニアは、その導電性触媒層ｃ１に隣接する導電性ガス拡散層ｃ２に移動する。すると、アンモニアポンプ２３では、導電性ガス拡散層ｃ２に移動したアンモニアが、排燃料ガス流路Ｐｂに供給される排燃料ガスに混合される。アンモニアを含有する排燃料ガスは、その後、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス流路Ｐｂから排出される。アンモニアポンプ２３から排出されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、凝縮器４に供給され、この凝縮器４において除湿される。この除湿されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置１の燃焼器に供給される。そして、このアンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置１の燃焼器において、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。
【００８５】
尚、化学式（２）に示すように、アンモニアポンプ２３では、水素の解離反応が進行することにより、燃料ガスが含有する水素の一部が消費される。又、アンモニアポンプ２３では、化学式（５）に示すように、アンモニアの生成と同時に水素が生成される。この生成された水素は、アンモニアや排燃料ガスと共に凝縮器４に供給された後、改質装置１の燃焼器において燃焼される。従って、一見すると、本発明によれば、燃料電池システム１００の発電効率が悪化するように思われる。しかしながら、アンモニアポンプ２３において燃料ガスから抽出されるアンモニアの濃度は、数ｐｐｍ程度の濃度である。そのため、アンモニアポンプ２３における水素の消費量は、極めて少量である。従って、燃料電池システム１００の発電効率が実質的に悪化することはない。
【００８６】
このように、本発明では、アンモニアポンプ２３により、改質装置１で生成されたアンモニアが、連続的にかつ選択的にトラップされる。そして、改質装置１で生成されたアンモニアは、高分子電解質形燃料電池１４に供給されることなく、その高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスに混合される。即ち、本発明では、アンモニアポンプ２３は、電気化学的なケミカルポンプとしてのアンモニアポンプとして機能する。その結果、本発明によれば、高分子電解質形燃料電池１４が備える高分子電解質膜の性能を長期間に渡り好適に維持することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池１４の発電性能が長期間に渡り好適に維持されるので、燃料電池システム１００の発電性能が長期間に渡り好適に維持される。
【００８７】
又、本発明では、アンモニアポンプ２３が高分子電解質形燃料電池１４の単電池の構成と基本的に同様に構成されている。そのため、アンモニアポンプ２３の構成を単純な構成とすることが可能になると共に、燃料ガスからアンモニアを抽出してこれを排燃料ガスに混合させる際の消費電力を抑制することが可能になる。加えて、本発明によれば、アンモニアポンプ２３を定期的に再生させる必要はない。又、本発明によれば、アンモニアポンプ２３を定期的に交換する必要はない。これらにより、アンモニアポンプ２３を安価に構成することが可能になると共に、アンモニアポンプ２３のランニングコストを抑えることが可能になる。つまり、燃料電池システム１００を安価に提供することが可能になると共に、そのランニングコストを抑えることが可能になる。
【００８８】
更には、本発明によれば、アンモニアポンプ２３を小型化することができる。従って、燃料電池システム１００が大型化することを防止することが可能になる。これにより、燃料電池システム１００を一般家庭に向けて幅広く普及させることが可能になる。又、本発明によれば、移動用や携帯用等の燃料電池システム１００にも、アンモニアポンプ２３を設けることが可能になる。これにより、燃料電池システム１００の利便性を更に向上させることが可能になる。
【００８９】
尚、アンモニアポンプ２３の構成は、図２に示す構成に限定されることはない。即ち、アンモニアポンプ２３は、改質装置１に供給される都市ガスの窒素含有濃度や、燃料電池システム１００の定格出力等の指標に応じて、適切に構成される。かかる構成とすることにより、本実施の形態により得られる効果と同様の効果を得ることが可能になる。
【００９０】
（実施の形態２）
図３は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図３では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。又、図３では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００９１】
図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００は、基本的には、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様の構成を備えている。しかしながら、この燃料電池システム２００の構成は、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが一体化されている点で、燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム２００の構成及びその動作と燃料電池システム１００の構成及びその動作とは同様である。
【００９２】
具体的には、この燃料電池システム２００は、高分子電解質形燃料電池１４とアンモニアポンプ２３とを備えている。燃料電池システム２００において、高分子電解質形燃料電池１４とアンモニアポンプ２３とは一体化されている。そして、この燃料電池システム２００では、改質装置１の燃料ガス排出口とアンモニアポンプ２３の燃料ガス導入口とが、配管２により相互に接続されている。又、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス排出口と凝縮器４の排燃料ガス導入口とが、配管３により相互に接続されている。尚、アンモニアポンプ２３の燃料ガス排出口には、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの一端が直接接続されている。アンモニアポンプ２３の排燃料ガス導入口には、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの他端が直接接続されている。
【００９３】
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムのアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の構成を模式的に示す構成図である。ここで、図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の外観斜視図である。又、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。尚、図４では、アンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の特徴的な構成を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。又、図４では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００９４】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態では、アンモニアポンプ２３の構成が高分子電解質形燃料電池１４の単電池の構成と同様であることを利用して、適切な設計により、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とを備える接合体２４が構成されている。この接合体２４において、高分子電解質形燃料電池１４は、高分子電解質形燃料電池積層体１４ｄと、集電板１４ｅ，１４ｅと、締結端板１４ｆ，１４ｆとを備えている。又、この接合体２４においては、高分子電解質形燃料電池１４に隣接して、アンモニアポンプ２３及び締結端板１４ｇが配設されている。そして、本実施の形態では、締結端板１４ｇとアンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが、その順で積層され、所定の締結手段により締結されて、接合体２４が構成されている。
【００９５】
尚、本実施の形態では、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが直接的に一体化されている形態について説明したが、この形態に限定されることはない。例えば、アンモニアポンプ２３と高分子電解質型燃料電池１４とを熱的に分離するために、所定の断熱板を介してそれらを間接的に一体化する形態としてもよい。又、例えば、高分子電解質型燃料電池１４からアンモニアポンプ２３への熱伝導率を制御するために、所定の緩衝板を介してそれらを間接的に一体化する形態としてもよい。
【００９６】
かかる構成としても、アンモニアポンプ２３により、改質装置１で生成されたアンモニアが、連続的にかつ選択的にトラップされる。そして、改質装置１で生成されたアンモニアは、高分子電解質形燃料電池１４に供給されることなく、その高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスに混合される。その結果、高分子電解質形燃料電池１４が備える高分子電解質膜の性能を長期間に渡り好適に維持することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池１４の発電性能が長期間に渡り好適に維持されるので、燃料電池システム２００の発電性能が長期間に渡り好適に維持される。
【００９７】
又、本実施の形態によれば、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが一体化されているので、燃料電池システム２００を最もコンパクトに構成することが可能になる。これにより、燃料電池システム２００をより一層小型化することが可能になる。
【００９８】
更には、本実施の形態によれば、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが一体化されているので、アンモニアポンプ２３を高分子電解質形燃料電池１４により適温に加熱することができる。これにより、アンモニアポンプ２３において、燃料ガスが含有するアンモニアを効果的にトラップすることができる。従って、燃料電池システム２００の発電性能をより一層長期間に渡り好適に維持することが可能になる。
【００９９】
尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明に係る燃料電池システムは、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給することが可能な発電効率に優れる燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの構成を模式的に示す構成図である。尚、図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの分解斜視図である。又、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の構成を模式的に示す構成図である。尚、図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の外観斜視図である。又、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。
【図５】図５は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  改質装置
２  配管
２ａ，２ｂ  配管
３  配管
３ａ，３ｂ  配管
４  凝縮器
５  凝縮水タンク
６  凝縮器
７  凝縮水タンク
８  空気供給装置
９ａ，９ｂ  配管
１０  加湿器
１１  配管
１２  凝縮器
１３  凝縮水タンク
１４  高分子電解質形燃料電池
１４ａ  燃料ガス流路
１４ｂ  酸化剤ガス流路
１４ｃ  冷却水流路
１４ｄ  高分子電解質形燃料電池積層体
１４ｅ  集電板
１４ｆ  締結端板
１４ｇ  締結端板
１５  冷却水タンク
１６  冷却水ポンプ
１７  熱交換器
１８ａ〜１８ｅ  配管
１９  放熱器
２０  冷却水タンク
２１  冷却水ポンプ
２２ａ〜２２ｇ  配管
２３  アンモニアポンプ
２３ａ  導電性セパレータ
２３ｂ  膜電極接合体
２３ｃ  導電性セパレータ
２４  接合体
１０１  改質装置
１０２  凝縮器
１０３  凝縮水タンク
１０４  凝縮器
１０５  凝縮水タンク
１０６  空気供給装置
１０７  加湿器
１０８  凝縮器
１０９  凝縮水タンク
１１０  高分子電解質形燃料電池
１１０ａ  燃料ガス流路
１１０ｂ  酸化剤ガス流路
１１０ｃ  冷却水流路
１１１  冷却水タンク
１１２  冷却水ポンプ
１１３  熱交換器
１１４  放熱器
１１５  冷却水タンク
１１６  冷却水ポンプ
１００〜３００  燃料電池システム
Ａ  主面
Ｐａ  燃料ガス流路
Ｐｂ  排燃料ガス流路
ａ  陽イオン交換体
ｂ  ガス拡散電極
ｂ１  導電性触媒層
ｂ２  導電性ガス拡散層
ｃ  ガス拡散電極
ｃ１  導電性触媒層
ｃ２  導電性ガス拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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