(57)【要約】【課題】燃料ガス中に含まれるアンモニアを効率よく除去することにより、電圧低下や、電解質などの劣化を抑制した発電効率と耐久性に優れた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１０１は、燃料電池用電解質層と、燃料電池用電解質層を挟むように形成される一対の燃料電池用触媒層とを有し、アンモニア除去器１０４は、アンモニア除去器用電解質層と、アンモニア除去器用電解質層表面の少なくとも一方の面に形成されるアンモニア除去器用触媒層とを有し、アンモニア除去器１０４は、燃料ガスと、酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去する燃料電池システム。【選択図】図１
2012221720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成、供給する燃料ガス供給器と、
酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給器から供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガス中のアンモニアを除去するアンモニア除去器と、
を有している燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、燃料電池用電解質層と、前記燃料電池用電解質層を挟むように形成される一対の燃料電池用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、アンモニア除去器用電解質層と、前記アンモニア除去器用電解質層表面の少なくとも一方の面に形成されるアンモニア除去器用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、前記燃料ガスと、前記酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記アンモニア除去器用触媒層は、前記酸化剤ガスが供給される側にのみ形成されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量は、前記燃料電池用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量より少なくなるように構成されている、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒の粒径は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒の粒径より大きくなるように構成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率より大きくなるように構成されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用電解質層の厚さは、前記燃料電池用電解質層の厚さより薄くなるように構成されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アンモニア除去器は、ヒドロキシラジカルを発生する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガスは前記燃料ガス供給器から前記アンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給され、前記酸化剤ガスは前記酸化剤ガス供給器からアンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給されるように構成されていることを特徴とする、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池と前記アンモニア除去器は、一体構成されていることを特徴とする、
請求項１〜８のいずれか１項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、原料ガスを水蒸気改質して生成した水素を含む燃料ガスを用いて発電する燃料電池システムに関し、特に窒素を含有する原料ガスを水蒸気改質して生成した水素を含む燃料ガスを用いて発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、少なくとも水素を含む燃料ガスと、少なくとも酸素を含む酸化剤ガスとを燃料電池で反応させて、電気と熱を作り出すシステムであり、燃料の持つ化学エネルギーを直接あるいは間接的に電気エネルギーに変換するため、高い発電効率を得ることができる。
【０００３】
燃料ガスは、一般的にメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ、灯油、軽油、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの炭化水素系燃料を原料ガスとし、原料ガスを改質触媒で水蒸気改質することにより生成され、その主生成物は水素である。
【０００４】
しかしながら、原料ガス中に窒素が含まれると、改質触媒上で、水素と窒素が反応し、副生成物としてアンモニアを生成する場合がある。
【０００５】
アンモニアを含んだ燃料ガスが燃料電池に供給されると、燃料電池を構成する電解質層中のプロトンとアンモニアが結合することで、プロトン伝導を阻害し、燃料電池の電圧を低下させる場合がある。
【０００６】
また、アンモニアが燃料電池のアノードやカソードを構成する触媒を被毒することで、触媒活性を低下させ、燃料電池の電圧を低下させる場合がある。
【０００７】
さらに、アンモニアがアノード触媒を被毒することで、発電反応が阻害され、過酸化水素やラジカルの濃度の増加により、電解質などが劣化し、燃料電池の耐久性が低下する場合もある。
【０００８】
そこで、従来は、改質して生成した燃料ガス中に含まれる不純物であるアンモニアを、燃料電池へ供給しないために、燃料ガス経路にアンモニアを吸着除去する吸着剤を備え、アンモニアを除去した燃料ガスを燃料電池へ供給する方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２９３９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の吸着剤によりアンモニアを吸着除去する方法では、アンモニアを回収した吸着剤を定期的に交換する必要があるだけでなく、アンモニアの吸着除去能力がアンモニア暴露時間に伴い低下するという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、アンモニア吸収剤を用いることなく、燃料ガス中に含まれるアンモニアを効率良く除去することにより、電圧低下や、電解質など
の劣化を抑制した発電効率と耐久性に優れた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】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、電解質層と触媒層により構成されたアンモニア除去器を備え、燃料ガスと、酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去するものである。
【００１３】
これにより、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去することで、アンモニアによる電圧低下や、電解質などの劣化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、アンモニアによる電圧低下や、電解質などの劣化を抑制するので、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図
【図２】図１に示す燃料電池システムの燃料電池の概略構成を示す模式図
【図３】燃料電池におけるセルの概略構成を模式的に示す断面図
【図４】本発明の実施の形態２に係る燃料電池の概略構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、
原料ガスを改質して水素を含む燃料ガスを生成、供給する燃料ガス供給器と、
酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給器から供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガス供給器から供給される燃料ガス中のアンモニアを除去するアンモニア除去器と、
を有している燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、燃料電池用電解質層と、前記燃料電池用電解質層を挟むように形成される一対の燃料電池用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、アンモニア除去器用電解質層と、前記アンモニア除去器用電解質層表面の少なくとも一方の面に形成されるアンモニア除去器用触媒層とを有し、
前記アンモニア除去器は、前記燃料ガスと、前記酸化剤ガスを用いてアンモニアを除去することを特徴とする。
【００１７】
この構成により、吸着などによるアンモニア除去とは異なり、前記アンモニア除去器の交換なしに、アンモニア除去性能を維持することが可能になり、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００１８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記アンモニア除去器用触媒層は、前記酸化剤ガスが供給される側にのみ形成されていることを特徴とする。
【００１９】
この構成により、前記アンモニア除去器の前記燃料ガスが供給される側に前記アンモニア除去器用触媒層が形成されていない状態でも、アンモニアを除去することが可能となり、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制する
ことができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上とアンモニア除去器コストの削減の両立を図ることができる。
【００２０】
第３の発明は、第１乃至２いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量は、前記燃料電池の前記燃料電池用触媒層に含まれる単位面積当たりの触媒量より少ないことを特徴とする。
【００２１】
この構成により、前記アンモニア除去器は、前記アンモニア除去器内で発生したラジカルを抑制する白金触媒が少ないことにより、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００２２】
第４の発明は、第１乃至３いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒の粒径は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒の粒径より大きいことを特徴とする。
【００２３】
この構成により、前記アンモニア除去器用触媒層の触媒は、前記燃料電池用触媒層に用いられる触媒と比較し、触媒の表面積が小さくなり、反応に有効に寄与する白金触媒が少なくなり、よって、前記アンモニア除去器内で発生したラジカルを抑制する効果が小さくなることにから、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００２４】
第５の発明は、第１乃至４いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率は、前記燃料電池用触媒層に含まれる触媒量に対する電解質量の比率より大きいことを特徴とする。
【００２５】
この構成により、前記アンモニア除去器用触媒層は、前記燃料電池用触媒層と比較し、電解質に被覆される割合が多くなり、反応に有効に寄与する白金触媒が少なくなり、よって、前記アンモニア除去器内で発生したラジカルを抑制する効果が小さくなることにから、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００２６】
第６の発明は、第１乃至５いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器の前記アンモニア除去器用電解質層の厚さは、前記燃料電池用電解質層の厚さより薄いことを特徴とする。
【００２７】
この構成により、前記アンモニア除去器のカソード側からアノード側へ透過する燃料ガス量は、前記燃料電池のカソード側からアノード側へ透過する燃料ガス量より多くなることから、ラジカルをより発生しやすくなる。そして、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解することで、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００２８】
第７の発明は、第１乃至６いずれかの発明において、
前記アンモニア除去器にて発生するラジカルは、ヒドロキシラジカルであることを特徴とする。
【００２９】
この構成により、反応性の高いヒドロキシラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００３０】
第８の発明は、第１乃至７いずれかの発明において、
前記燃料ガスは前記燃料ガス供給器から前記アンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給され、前記酸化剤ガスは前記酸化剤ガス供給器からアンモニア除去器を経由して前記燃料電池へ供給されるように構成されていることを特徴とする。
【００３１】
この構成により、前記燃料ガスは前記アンモニア除去器を通過してから前記燃料電池へ供給されることになり、前記アンモニア除去器が、燃料ガス中に含まれるアンモニアを除去し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００３２】
第９の発明は、第１乃至８いずれかの発明において、
前記燃料電池と前記アンモニア除去器は、一体構成されていることを特徴とする。
【００３３】
この構成により、前記燃料電池と前記アンモニア除去器とこれらを接続する配管を含む容積を小さくすることができ、よりコンパクトなシステムで、前記アンモニア除去器で発生したラジカルが、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解し、アンモニアによる燃料電池の電圧低下や、燃料電池中の電解質層などの劣化を抑制することができ、燃料電池システムの発電効率と耐久性の向上を図ることができる。
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、アンモニア除去器が、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解する形態を例示するものである。
【００３６】
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【００３７】
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、アノード４Ａと、カソード４Ｂと、燃料ガス経路１０１Ａと、酸化剤ガス経路１０１Ｂと、を有する燃料電池１０１、燃料ガス供給器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、燃料ガス経路１０４Ａと、酸化剤ガス経路１０４Ｂと、を有するアンモニア除去器１０４、出力制御器１０５、水供給器１０６、及び、原料ガス供給器１０７を備えている。そして、アンモニア除去器１０４は、燃料電池１０１と燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３との間に構成され、アンモニアを含む燃料ガス及び酸化剤ガスは、アンモニア除去器１０４を通過後、燃料電池１０１へ供給されるように構成されている。また、アンモニア除去器１０４は、燃料電池１０１と接続されている出力制御器１０５とは電気的に接続せずに構成されている。
【００３８】
ここで、アンモニアを含む燃料ガスとは、水素ガスを主成分とし、少なくともアンモニアを含む混合ガスをいう。
【００３９】
酸化剤ガス供給器１０３は、燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂおよびアンモニア除去器１０４の酸化剤ガス経路１０４Ｂに酸化剤ガスを供給するように構成されていれば、どのような形態であってもよく、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を用いることができる。
【００４０】
［燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の燃料電池１０１の構成について、図２を参照しながら説明する。
【００４１】
図２は、図１に示す燃料電池システム１００の燃料電池１０１の概略構成を示す模式図である。
【００４２】
図２に示すように、燃料電池１０１は、複数のセル２１がその厚み方向に積層されたセル積層体８０と、該セル積層体８０の両端に配置された端板８１、８２と、セル積層体８０と端板８１、８２をセル２１の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板８１とセル積層体８０の間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されていて、端板８２とセル積層体８０との間には、絶縁板及び集電板（いずれも図示せず）が配置されている。
【００４３】
セル積層体８０には、セル２１の積層方向に延びるように、燃料ガス供給マニホールド３１、酸化剤ガス供給マニホールド３３、燃料ガス排出マニホールド３２、及び酸化剤ガス排出マニホールド３４が設けられている。なお、燃料ガス供給マニホールド３１には、燃料ガス供給経路４１が接続されていて、燃料ガス排出マニホールド３２には、燃料ガス排出経路４２が接続されている（図１参照）。また、酸化剤ガス供給マニホールド３３には、酸化剤ガス供給経路５１が接続されていて、酸化剤ガス排出マニホールド３４には、酸化剤ガス排出経路５２が接続されている（図１参照）。
【００４４】
［セルの構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０１のセル２１について、図３を参照しながら説明する。
【００４５】
図３は、図２に示す燃料電池１０１におけるセル２１の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図３においては、一部を省略している。
【００４６】
図３に示すように、セル２１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体５）と、ガスケット７と、アノードセパレータ６Ａと、カソードセパレータ６Ｂと、を備えている。
【００４７】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する電解質層（高分子電解質膜）１と、アノード４Ａと、カソード４Ｂと、を有している。電解質層１は、略４角形（ここでは、矩形）の形状を有しており、電解質層１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード４Ａとカソード４Ｂがそれぞれ設けられている。なお、電解質層１の周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。
【００４８】
アノード４Ａは、電解質層１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）
を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層２Ａと、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層３Ａと、を有している。アノード触媒層２Ａは、一方の主面が電解質層１と接触するように配置されていて、アノード触媒層２Ａの他方の主面には、アノードガス拡散層３Ａが配置されている。同様に、カソード４Ｂは、電解質層１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層２Ｂと、カソード触媒層２Ｂの上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層３Ｂと、を有している。カソード触媒層２Ｂは、一方の主面が電解質層１と接触するように配置されていて、カソード触媒層２Ｂの他方の主面には、カソードガス拡散層３Ｂが配置されている。
【００４９】
また、ＭＥＡ５のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの周囲には、電解質層１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット７が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、セル２１内でこれらのガスが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット７の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が設けられている。
【００５０】
また、ＭＥＡ５とガスケット７を挟むように、導電性のアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂが配設されている。これにより、ＭＥＡ５が機械的に固定され、複数のセル２１をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ５が電気的に接続される。なお、これらのアノードセパレータ６Ａとカソードセパレータ６Ｂは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。
【００５１】
アノードセパレータ６Ａのアノード４Ａと接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路８が設けられている。同様に、カソードセパレータ６Ｂのカソード４Ｂと接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路９が設けられている。なお、アノードセパレータ６Ａ及びカソードセパレータ６Ｂのそれぞれの周縁部には、燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路８及び酸化剤ガス流路９の形状は任意であり、例えば、セル２１の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていてもよく、ストレート形状に形成されていてもよい。
【００５２】
これにより、アノード４Ａ及びカソード４Ｂには、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。
【００５３】
そして、このように形成されたセル２１がその厚み方向に積層されることにより、セル積層体８０が形成される。このとき、高分子電解質膜１等に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔（図示せず）等の各マニホールド孔がつながって、燃料ガス供給マニホールド３１等の各マニホールドが形成される（図２参照）。なお、燃料ガス供給マニホールド３１、燃料ガス流路８、及び燃料ガス排出マニホールド３２から燃料ガス経路１０１Ａが構成される。燃料ガス供給マニホールド３１の入口が燃料ガス経路１０１Ａの入口を構成し、燃料ガス排出マニホールド３２の出口が燃料ガス経路１０１Ａの出口を構成する。また、酸化剤ガス供給マニホールド３３、酸化剤ガス流路９、酸化剤ガス排出マニホールド３４から酸化剤ガス経路１０１Ｂが構成される。酸化剤ガス供給マニホールド３３の入口が酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口を構成し、酸化剤ガス排出マニホールド３４の出口が酸化
剤ガス経路１０１Ｂの出口を構成する。
【００５４】
［燃料ガス供給器の構成］
燃料ガス供給器１０２は、蒸発器１０２Ａ、及び、改質器１０２Ｂを有している。
【００５５】
蒸発器１０２Ａには、水供給経路６１を介して水供給器１０６が接続されている。水供給器１０６は、蒸発器１０２Ａに水の流量を調整して供給することができれば、どのような形態であってもよく、例えば、水の流量を調整する流量調整器であってもよい。流量調整器としては、流量調整弁単体やポンプ単体で構成されていてもよく、また、ポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。蒸発器１０２Ａは、水供給器１０６から供給された水を気化して、改質器１０２Ｂに水蒸気を供給するように構成されている。なお、本実施の形態１では、水供給器１０６から供給された水を蒸発器１０２Ａで気化された水（水蒸気）のうち、改質反応に用いられなかった余剰の水蒸気が、燃料ガスを加湿する。
【００５６】
また、蒸発器１０２Ａには、原料ガス供給経路６２を介して、原料ガス供給器１０７が接続されている。原料ガス供給器１０７は、蒸発器１０２Ａに原料ガスの流量を調整して供給することができればどのような形態であってもよく、例えば、流量調整弁単体やブースターポンプ単体で構成されていてもよく、また、ブースターポンプと流量調整弁との組合せで構成されていてもよい。これにより、原料ガス供給器１０７から原料ガス供給経路６２を介して蒸発器１０２Ａに原料ガスが供給され、蒸発器１０２Ａで加熱される。
【００５７】
改質器１０２Ｂは、原料ガスと水とを改質反応させて水素含有ガスを生成する改質触媒を有している。そして、改質器１０２Ｂでは、蒸発器１０２Ａから供給された原料ガスと水蒸気とが改質反応され、水素含有ガスが生成され、生成された水素含有ガスは、燃料ガスとして、燃料ガス供給経路４１に供給される。また、改質器１０２Ｂでは、改質反応により生成された水素が、原料ガス中に含まれている窒素と反応して、アンモニアが生成される。
【００５８】
なお、原料ガスとしては、例えば、エタン、プロパン等の炭化水素といった、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むものを使用することができる。本実施の形態１においては、都市ガス（天然ガス）やＬＰガスといったガスインフララインから供給されるガスが用いられる。なお、これらの原料ガス中には、原料由来等の窒素が含有されている。また、原料ガス供給器１０７には、メタンを主成分とする都市ガス（天然ガス）等に含まれる臭気成分（例えば、メルカプタン等）を除去する脱臭器を有するように構成されていてもよい。この場合、脱臭器は、活性炭やフィルターを有する構成としてもよく、臭気成分を吸着により除去するゼオライト系吸着剤を用いる構成としてもよく、或いは、水添脱硫触媒を用いる構成としてもよい。
【００５９】
また、本実施の形態１においては、原料ガス供給器１０７からの原料ガスを蒸発器１０２Ａに供給してから、改質器１０２Ｂに供給する形態を採用したが、これに限定されず、原料ガス供給器１０７から、原料ガス供給経路６２を介して、改質器１０２Ｂに直接原料ガスを供給する形態を採用してもよい。また、本実施の形態１においては、蒸発器１０２Ａを設ける形態を採用したが、これに限定されず、蒸発器１０２Ａを設けない形態を採用してもよい。この場合、改質器１０２Ｂ内で、水が気化して水蒸気となり、改質器１０２Ｂが蒸発器１０２Ａの機能を兼用する。
【００６０】
さらに、本実施の形態１においては、改質器１０２Ｂで生成された水素含有ガスが、燃料ガス供給経路４１に送出される構成としたが、これに限定されず、燃料ガス供給器１０２内に改質器１０２Ｂより送出された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するための変成
触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器や、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）や、メタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を通過した後の水素含有ガスが燃料ガス供給経路４１に送出される形態であってもよい。
【００６１】
ここで、例えば原料ガスにメタンを用いた場合の化学反応について説明する。改質器１０２Ｂでは、蒸発器１０２Ａからの水蒸気を伴って（化１）及び（化２）に示す反応が起こり、水素が発生する。
【００６２】
【化１】
2012221720.tif 000003
【００６３】
【化２】
2012221720.tif 000004
【００６４】
なお、改質器１０２Ｂで起こる全反応をまとめると（化３）に示す反応が行われる。
【００６５】
【化３】
2012221720.tif 000005
【００６６】
ところで、原料ガス中に窒素が含まれていると、改質器１０２Ｂの改質触媒上で生成した水素が、窒素と反応し、アンモニアが生成することがある（化４）。
【００６７】
【化４】
2012221720.tif 000006
【００６８】
アンモニアは、プロトンと結合して陽イオンとなり、プロトン伝導性の電解質層１では、プロトンをトラップして電解質層１中のプロトン伝導度を低下させる物質となる。
【００６９】
また、アンモニアが燃料電池１０１のアノード４Ａやカソード４Ｂを構成する触媒を被毒すると、触媒活性が低下し、電池電圧を低下させたりする場合がある。
【００７０】
さらに、アンモニアがアノード４Ａのアノード触媒を被毒すると、発電反応が阻害され、過酸化水素やラジカルの濃度が増加し、電解質層１などが劣化して、耐久性を低下させる場合がある。
【００７１】
［アンモニア除去器の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００のアンモニア除去器１０４の構成について説明する。
【００７２】
アンモニア除去器１０４は、燃料電池１０１と同様の構成をしている。ただし、アンモニア除去器１０４は、必ずしも出力制御器１０５（昇圧と、直流電流から交流電流への変換をし、外部負荷に出力する機器）と接続する必要が無いことから、端板とセル積層体の間の、集電板は必ずしも配置する必要は無い。
【００７３】
また、セル積層体のセル数は、アンモニアを除去するために必要なセル数を満たしていれば良く、必ずしも燃料電池１０１と同じ構成でなくても良い。
【００７４】
さらに、セルを構成する、ＭＥＡ、セパレータに関しても、アンモニアを除去するために十分な量のラジカルを発生すれば良く、必ずしも燃料電池１０１と同じ構成でなくても良い。
【００７５】
ここで、アンモニア除去器１０４のラジカル発生機構について説明する。アノード４Ａへ供給された水素は（化５）に示した反応によりプロトンを生成し、酸化剤ガス中の酸素と（化６）に示した反応を起こし、過酸化水素を発生させる。
【００７６】
【化５】
2012221720.tif 000007
【００７７】
【化６】
2012221720.tif 000008
【００７８】
この過酸化水素がプロトンと（化７）に示した反応を起こし、ヒドロキシラジカルを発生させる。
【００７９】
【化７】
2012221720.tif 000009
【００８０】
ヒドロキシラジカルは、水酸基に対応するラジカル（・ＯＨ）であり、反応性が高く、アンモニアを分解することができる（化８）。
【００８１】
【化８】
2012221720.tif 000010
【００８２】
したがって、アンモニア除去器１０４で発生したヒドロキシラジカルは、燃料ガス中に含まれるアンモニアを分解して除去することができ、燃料電池１０１へのアンモニアの供給を抑制できることから、アノード４Ａのアノード触媒の被毒による発電反応が阻害や、電解質層１の劣化を抑制することができる。
【実施例】
【００８３】
実施例１から６にて行なった、実施の形態１にて作製した燃料電池の燃料電池用電解質層の厚さ、燃料電池用触媒層に含まれる単位面積あたりの触媒量、触媒の粒径、電解質の比率を表１に示す。
【００８４】
【表１】
2012221720.tif 000011
【００８５】
また、アンモニア除去器のアンモニア除去器用電解質層の厚さ、アンモニア除去器用触
媒層に含まれる単位面積あたりの触媒量、触媒の粒径、電解質の比率を表２に示す。
【００８６】
【表２】
2012221720.tif 000012
【００８７】
なお、燃料電池は同じものを用い、アンモニア除去器のみを交換し、発電後２４ｈの電圧にて電圧の評価とした。
【００８８】
また、アンモニア除去器入口で測定した燃料ガスのアンモニア濃度は１０ｐｐｍであった。
【比較例】
【００８９】
比較例１から２にて行なった、実施の形態１にて作製したアンモニア除去器のアンモニア除去器用電解質層の厚さ、アンモニア除去器用触媒層に含まれる単位面積あたりの触媒量、触媒の粒径、電解質の比率を表３に示す。
【００９０】
なお、燃料電池は同じものを用い、アンモニア除去器のみを交換し、発電後２４ｈの電圧にて電圧の評価とした。
【００９１】
また、アンモニア除去器入口で測定した燃料ガスのアンモニア濃度は１０ｐｐｍであった。
【００９２】
【表３】
2012221720.tif 000013
【００９３】
以上により、燃料電池スタック電圧を評価した結果を表４に示す。
【００９４】
【表４】
2012221720.tif 000014
【００９５】
実施例１のアンモニア除去器は、表４より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【００９６】
このことは、アンモニア除去器で発生したラジカルがアンモニアを分解することで、燃料電池へのアンモニア供給を抑制したものと考えられる。
【００９７】
実施例２のアンモニア除去器は、表４より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【００９８】
さらに、アノードのみ触媒層が形成された比較例２と比較し、実施例２のみ電圧が上昇していることから、カソードのみに触媒層形成された場合でも、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【００９９】
このことにより、アンモニア除去器でラジカルを発生させるためには、カソード触媒層の形成が不可欠であると考えられる。
【０１００】
実施例３のアンモニア除去器は、表４より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【０１０１】
さらに、実施例１と比較し、実施例３の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用触媒層中の触媒量は、少ない方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。
【０１０２】
実施例４のアンモニア除去器は、表４より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【０１０３】
さらに、実施例１と比較し、実施例４の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用触媒層中の触媒粒径は、大きい方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。
【０１０４】
実施例５のアンモニア除去器は、表４より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【０１０５】
さらに、実施例１と比較し、実施例５の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用触媒層中の電解質比率は、大きい方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。
【０１０６】
実施例６のアンモニア除去器は、表４より、触媒層が形成されておらずアンモニア除去器の機能が無い比較例１と比較し、電圧が上昇していることから、アンモニアによる電圧低下を抑制する効果があると考えられる。
【０１０７】
さらに、実施例１と比較し、実施例６の電圧がより上昇していることから、アンモニア除去器用電解質層中の厚さは、薄い方がアンモニアによる電圧低下を抑制する効果が大きいと考えられる。
【０１０８】
なお、本発明は、以上に例示した実施の形態は、本明細書の趣旨から容易に改変できる様々な形態に適用できる。
【０１０９】
また、本発明は、このような窒素を含む炭化水素系ガスを改質し、水素を生成する燃料処理器を備えた様々な燃料電池システムに適用できる。
【０１１０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、アンモニア除去器と燃料電池が、一体形成されている形態を例示するものである。
【０１１１】
［燃料電池の構成］
本実施の形態２に係るアンモニア除去器一体型燃料電池２０２の構成について、図４を参照しながら説明する。
【０１１２】
図４は、図１に示す燃料電池システム１００において、アンモニア除去器１０４と燃料電池１０１が一体形成されたアンモニア除去器一体型燃料電池２０２の概略構成を示す模式図である。
【０１１３】
図４に示すように、アンモニア除去器一体型燃料電池２０２は、燃料ガス供給経路４１、酸化剤ガス供給経路５１の側から、端板８３、絶縁板８５、複数のセル２１がその厚み方向に積層されたセル積層体８９、絶縁板８６、集電板９１、複数のセル２１がその厚み方向に積層されたセル積層体８０、集電板９２、絶縁板８７、端板８４の順に配置されており、これらを積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。
【０１１４】
アンモニア除去器一体型燃料電池２０２において、アンモニア除去器部の燃料ガス排出経路は、燃料電池部の燃料ガス供給経路へ繋がっており、また、アンモニア除去器部の酸化剤ガス排出経路は、燃料電池部の酸化剤ガス供給経路へ繋がっている。
【０１１５】
このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、本実施の形態１よりも、コンパクトなシステムに構成することができる。
【０１１６】
本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによれば、燃料ガス中に含まれるアンモニアだけでなく、酸化剤ガス中に含まれるアンモニアも分解することができるので、酸化剤ガスである大気中にアンモニアが含まれる場合でも、アンモニアを分解し、アンモニアによる電圧低下を抑制することができ、さらに燃料電池発電システムの発電効率の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
以上のように、本発明にかかる燃料電池発電システムは、窒素を含有する原料ガスを用いて燃料ガスを生成して発電する燃料電池システムに有効であり、燃料ガス中のアンモニアによる影響を受けにくく、発電効率の向上が要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステム等の用途に適用できる。
【符号の説明】
【０１１８】
１  高分子電解質膜（電解質層）
２Ａ  アノード触媒層
２Ｂ  カソード触媒層
３Ａ  アノードガス拡散層
３Ｂ  カソードガス拡散層
４Ａ  アノード
４Ｂ  カソード
５  ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
６Ａ  アノードセパレータ
６Ｂ  カソードセパレータ
７  ガスケット
８  燃料ガス流路
９  酸化剤ガス流路
２１  セル
３１  燃料ガス供給マニホールド
３２  燃料ガス排出マニホールド
３３  酸化剤ガス供給マニホールド
３４  酸化剤ガス排出マニホールド
４１  燃料ガス供給経路
４２  燃料ガス排出経路
５１  酸化剤ガス供給経路
５２  酸化剤ガス排出経路
６１  水供給経路
６２  原料ガス供給経路
８０  セル積層体
８１  端板
８２  端板
８３  端板
８４  端板
８５  絶縁板
８６  絶縁板
８７  絶縁板
８９  セル積層体
１００  燃料電池システム
１０１  燃料電池
１０１Ａ  燃料ガス経路
１０１Ｂ  酸化剤ガス経路
１０２  燃料ガス供給器
１０２Ａ  蒸発器
１０２Ｂ  改質器
１０３  酸化剤ガス供給器
１０４  アンモニア除去器
１０４Ａ  燃料ガス経路
１０４Ｂ  酸化剤ガス経路
１０５  出力制御器
１０６  水供給器
１０７  原料ガス供給器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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