(57)【要約】【課題】高分子電解質膜の劣化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。【解決手段】０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに供給する燃料ガス供給器１０２と、酸化剤ガス供給器１０３と、燃料電池１０１と、アノード封止機構１０４と、制御器１１０と、を備え、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を作動して、アンモニアを含む燃料ガスを燃料ガス経路１０１Ａに供給させ、酸化剤ガスを酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給させて、燃料電池１０１で発電させ、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を停止して、燃料電池１０１の発電を停止させるとともに、アノード封止機構１０４により、燃料ガス経路１０１Ａにアンモニアを含む燃料ガスを封止させる、燃料電池システム。【選択図】図１
2012038639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記燃料ガス経路を封止するように構成されたアノード封止機構と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、
前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記アノード封止機構により、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止させる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記エアブリードガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガス及びエアブリードガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、
前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスを停止し、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器の作動を継続して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリードを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器を停止し、かつ、前記アノード封止機構により、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、
前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、
前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路を封止するように構成されたカソード封止機構と、
前記燃料電池の前記燃料ガス経路を封止するように構成されたアノード封止機構と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、
前記酸化剤ガス供給器を停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器の作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構を作動して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構を停止し、かつ、前記カソード封止機構により前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記アノード封止機構により、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止する、燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器と、
前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記エアブリードガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガス及びエアブリードガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、
前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスを停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器の作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構を作動して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリードガス及び前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構を停止し、かつ、前記アノード封止機構により前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記カソード封止機構により前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記アノード封止機構により、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アノード封止機構は、前記燃料ガス経路の入口に接続された燃料ガス供給経路に設けられ、該燃料ガス供給経路のガスの通流を許可／遮断する第１開閉弁と、前記燃料ガス経路の出口に接続された燃料ガス排出経路に設けられ、該燃料ガス排出経路のガスの通流を許可／遮断する第２開閉弁と、を有する、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】
前記カソード封止機構は、前記酸化剤ガス経路の入口に接続された酸化剤ガス供給経路に設けられ、該酸化剤ガス供給経路のガスの通流を許可／遮断する第３開閉弁と、前記酸化剤ガス経路の出口に接続された酸化剤ガス排出経路に設けられ、該酸化剤ガス排出経路のガスの通流を許可／遮断する第４開閉弁と、を有する、請求項３〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス供給器では、窒素を含む原料ガスと水が供給され、供給された前記原料ガスと前記水を改質反応により、前記燃料ガスが生成され、供給された前記窒素と前記燃料ガス中に含まれる水素が反応して、アンモニアが生成される、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】
０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記燃料ガス経路を封止するように構成されたアノード封止機構と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器が作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給し、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給して、前記燃料電池で発電させるステップ（Ａ）と、
前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器が停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記アノード封止機構が、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止するステップ（Ｂ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器をさらに備え、
前記ステップ（Ａ）では、前記燃料ガス供給器及び前記エアブリードガス供給器が作動して、前記アンモニアを含む燃料ガス及びエアブリードガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給し、前記酸化剤ガス供給器が作動して、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給して、前記燃料電池で発電させ、
前記ステップ（Ｂ）では、前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスが停止し、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器が作動を継続して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリードを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器が停止し、かつ、前記アノード封止機構が、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止する、請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、
前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、
前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、
前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路を封止するように構成されたカソード封止機構と、
前記燃料電池の前記燃料ガス経路を封止するように構成されたアノード封止機構と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器が作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させるステップ（Ｃ）と、
前記酸化剤ガス供給器が停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器が作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構が作動して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構が停止し、かつ、前記カソード封止機構が前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記アノード封止機構が、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止するステップ（Ｄ）と、を備える、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器と、
前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、をさらに備え、
前記ステップ（Ｄ）では、前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスが停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器が作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構が作動して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリード及び前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構が停止し、かつ、前記アノード封止機構が前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記カソード封止機構が前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記アノード封止機構が、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止する、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行い、反応により生じた熱を回収して湯水として貯湯槽に貯え、この湯水を外部への熱供給に有効利用するシステムである。
【０００３】
このような燃料電池システムに使用される水素ガス（燃料ガス）は、インフラが整備されていないので、通常、水素生成装置を備えている。水素生成装置に供給される原料ガスには、都市ガス（天然ガス）やＬＰガスといった炭化水素が用いられる。原料ガス中に、原料由来等の窒素が含有されていると、水素生成装置の改質触媒上でアンモニアが生成される場合がある。そして、生成されたアンモニアが、燃料電池内に供給されると、プロトンと結合して、その伝達が阻害され、電圧を低下させるという課題があった。
【０００４】
そこで、アンモニアによる燃料電池の性能低下を回避するために、アンモニア除去器を設けた固体高分子型燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池発電システムでは、アンモニア除去器により、水素リッチガス中のアンモニアを５ｐｐｂ以下に除去した後、固体高分子型燃料電池に供給することで、燃料電池の性能低下を回避している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、燃料電池内にアンモニアが供給された後に、当該アンモニアを燃料電池外に排出させると、高分子電解質膜の分解が促進されることを見出した。そして、本発明者等は、以下のメカニズムによって、高分子電解質膜の分解が促進されたものと推察した。
【０００７】
すなわち、アノードでは、カソードから高分子電解質膜を透過した酸素から過酸化水素が生成される。ところで、一般的に、過酸化水素は、アンモニアが存在している状態では、安定に存在することができることが知られている。
【０００８】
このため、燃料電池内に供給されたアンモニアが、燃料電池外に排出されると、過酸化水素は不安定になり、ラジカルが発生する。そして、発生したラジカルが、高分子電解質膜と反応して、膜分解が促進されると推察した。
【０００９】
そこで、本発明者等は、燃料電池内にアンモニアが供給されるのであれば、そのアンモニアを燃料電池内に留まった状態を維持することにより、高分子電解質膜の劣化を抑制できることを見出した。本発明は、このような知見からなされたものであり、高分子電解質膜の劣化を抑制することができる、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転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】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料ガス経路を封止するように構成されたアノード封止機構と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記アノード封止機構により、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止させる。
【００１１】
これにより、燃料電池内にアンモニアが供給される燃料電池システムにおいて、アンモニアを燃料電池内に留まった状態を維持することができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器をさらに備え、前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記エアブリードガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガス及びエアブリードガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスを停止し、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器の作動を継続して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリードガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器を停止し、かつ、前記アノード封止機構により、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止してもよい。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムは、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路を封止するように構成されたカソード封止機構と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、前記酸化剤ガス供給器を停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器の作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構を作動して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構を停止し、かつ、前記カソード封止機構により前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止する。
【００１４】
これにより、燃料電池内にアンモニアが供給される燃料電池システムにおいて、アンモニアを燃料電池内に留まった状態を維持することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器と、前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、をさらに備え、前記制御器は、前記燃料ガス供給器及び前記エアブリードガス供給器を作動して、前記アンモニアを含む燃料ガス及びエアブリードガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガス供給器を作動して、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させ、前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスを停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器の作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構を作動して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリード及び前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構を停止し、かつ、前記アノード封止機構により前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記カソード封止機構により前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止してもよい。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記アノード封止機構は、前記燃料ガス経路の入口に接続された燃料ガス供給経路に設けられ、該燃料ガス供給経路のガスの通流を許可／遮断する第１開閉弁と、前記燃料ガス経路の出口に接続された燃料ガス排出経路に設けられ、該燃料ガス排出経路のガスの通流を許可／遮断する第２開閉弁と、を有してもよい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記カソード封止機構は、前記酸化剤ガス経路の入口に接続された酸化剤ガス供給経路に設けられ、該酸化剤ガス供給経路のガスの通流を許可／遮断する第３開閉弁と、前記酸化剤ガス経路の出口に接続された酸化剤ガス排出経路に設けられ、該酸化剤ガス排出経路のガスの通流を許可／遮断する第４開閉弁と、を有してもよい。
【００１８】
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料ガス供給器では、窒素を含む原料ガスと水が供給され、供給された前記原料ガスと前記水を改質反応により、前記燃料ガスが生成され、供給された前記窒素と前記燃料ガス中に含まれる水素が反応して、アンモニアが生成されてもよい。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記燃料ガス経路を封止するように構成されたアノード封止機構と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器が作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給し、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給して、前記燃料電池で発電させるステップ（Ａ）と、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器が停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記アノード封止機構が、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止するステップ（Ｂ）と、を備える。
【００２０】
これにより、燃料電池内にアンモニアが供給される燃料電池システムにおいて、アンモニアを燃料電池内に留まった状態を維持することができる。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器をさらに備え、前記ステップ（Ａ）では、前記燃料ガス供給器及び前記エアブリードガス供給器が作動して、前記アンモニアを含む燃料ガス及びエアブリードガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給し、前記酸化剤ガス供給器が作動して、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給して、前記燃料電池で発電させ、前記ステップ（Ｂ）では、前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスが停止し、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器が作動を継続して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリードを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器が停止し、かつ、前記アノード封止機構が、前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止してもよい。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアを含む燃料ガスを燃料電池の燃料ガス経路に供給する燃料ガス供給器と、前記燃料電池の酸化剤ガス経路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、電解質層と、アノードと、カソードと、前記アノードに前記アンモニアを含む燃料ガスを供給する前記燃料ガス経路と、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス経路と、を有する燃料電池と、前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路を封止するように構成されたカソード封止機構と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料ガス供給器及び前記酸化剤ガス供給器が作動して、前記アンモニアを含む燃料ガスを前記燃料電池の前記燃料ガス経路から前記アノードに供給させ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路から前記カソードに供給させて、前記燃料電池で発電させるステップ（Ｃ）と、前記酸化剤ガス供給器が停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器が作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構が作動して、前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構が停止し、かつ、前記カソード封止機構が前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止するステップ（Ｄ）と、を備える。
【００２３】
これにより、燃料電池内にアンモニアが供給される燃料電池システムにおいて、アンモニアを燃料電池内に留まった状態を維持することができる。
【００２４】
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法では、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の前記燃料ガス経路にエアブリードガスを供給するエアブリードガス供給器と、前記燃料ガス供給器から供給される前記アンモニアを含む燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に供給するように構成された燃料ガス分岐機構と、をさらに備え、前記ステップ（Ｄ）では、前記酸化剤ガス供給器及び前記エアブリードガスが停止して、前記燃料電池の発電を停止させるとともに、前記燃料ガス供給器が作動を継続し、かつ、前記燃料ガス分岐機構が作動して、前記燃料電池の前記燃料ガス経路内の前記エアーブリード及び前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路内の前記酸化剤ガスを掃気し、その後、前記燃料ガス供給器及び前記燃料ガス分岐機構が停止し、かつ、前記アノード封止機構が前記燃料電池の前記燃料ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止し、前記カソード封止機構が前記燃料電池の前記酸化剤ガス経路に前記アンモニアを含む燃料ガスを封止してもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池内にアンモニアが供給される燃料電池システムにおいて、アンモニアを燃料電池内に留まった状態を維持することにより、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】図２は、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である。
【図３】図３は、図２に示す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である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２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。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３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。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。
【図９】図９は、本発明の実施の形態４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。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの動作を模式的に示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、実験例で行った燃料電池システムの発電停止運転の条件を示す表である。
【図１２】図１２は、図１１に示す運転条件で燃料電池システムを運転し、運転中に測定した電圧と、排出水に含まれるフッ化物イオンの量を計測した結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００２８】
（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、アノード封止機構が、燃料電池内にアンモニアを含む燃料ガスを封止する形態を例示するものである。
【００２９】
［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。
【００３０】
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、アノード封止機構１０４、及び制御器１１０を備えている。そして、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を作動して、アンモニアを含む燃料ガスを燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａからアノード４Ａに供給させ、酸化剤ガスを燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂからカソード４Ｂに供給させて、燃料電池１０１で発電させ、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を停止して、燃料電池１０１の発電を停止させるとともに、アノード封止機構１０４により、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａにアンモニアを含む燃料ガスを封止させるように構成されている。
【００３１】
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。
【００３２】
燃料ガス供給器１０２は、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下の濃度のアンモニアを含む燃料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い。燃料ガス供給器１０２としては、例えば、アンモニアを含む燃料ガスを貯えるタンクと該タンクからアンモニアを含む燃料ガスを送出するポンプから構成されていてもよく、また、後述するように、原料ガスと水を用いて改質反応により燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスに含まれる水素と窒素が反応してアンモニアが生成される水素生成装置で構成されていてもよい。なお、燃料ガス供給器１０２は、燃料ガス中にアンモニアが０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下の濃度で含むように調整するために、アンモニアを貯えるタンクをさらに備えていてもよく、アンモニアを生成するように構成されたアンモニア生成器を備えていてもよい。
【００３３】
燃料ガス供給器１０２には、燃料ガス供給経路４１を介して、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａの入口が接続されている。燃料ガス供給経路４１の途中には、該燃料ガス供給経路４１内のガスの通流を許可／遮断する第１開閉弁４３が設けられている。また、燃料ガス経路１０１Ａの出口には、燃料ガス排出経路４２が接続されている。燃料ガス排出経路４２の途中には、該燃料ガス排出経路４２内のガスの通流を許可／遮断する第２開閉弁４４が設けられている。なお、第１開閉弁４３及び第２開閉弁４４からアノード封止機構１０４が構成される。また、第１開閉弁４３又は第２開閉弁４４としては、例えば、電磁弁等を用いることができる。さらに、本実施の形態１においては、アノード封止機構１０４を第１開閉弁４３及び第２開閉弁４４で構成したが、これに限定されず、燃料ガス経路１０１Ａを封止することができればどのような形態であってもよい。
【００３４】
酸化剤ガス供給器１０３は、燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂ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。酸化剤ガス供給器１０３には、酸化剤ガス供給経路５１を介して、燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂの入口が接続されている。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂの出口には、酸化剤ガス排出経路５２が接続されている。なお、酸化剤ガス供給器１０３は、酸化剤ガス経路１０１Ｂへの酸化剤ガスの供給を遮断するように構成されていることが好ましいが、酸化剤ガス供給経路５１の途中に酸化剤ガスの通流を遮断する開閉弁を設けることで代用してもよい。また、酸化剤ガス排出経路５２の途中に、該酸化剤ガス排出経路５２内のガスの通流を許可／遮断する開閉弁を設けてもよい。
【００３５】
制御器１１０は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、通信部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。なお、制御器１１０は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム１００の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。
【００３６】
［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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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）。
【００４０】
［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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
ＭＥＡ５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１と、アノード４Ａと、カソード４Ｂと、を有している。高分子電解質膜（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、高分子電解質膜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、高分子電解質膜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。
【００４４】
アノード４Ａは、高分子電解質膜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、一方の主面が高分子電解質膜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、高分子電解質膜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、一方の主面が高分子電解質膜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。
【００４５】
また、ＭＥＡ５のアノード４Ａ及びカソード４Ｂの周囲には、高分子電解質膜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。
【００４６】
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、これらのセパレータ６Ａ、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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作について、図１乃至図４を参照しながら説明する。
【００５１】
図４は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
【００５２】
図４に示すように、まず、例えば、予め燃料電池システム１００の起動時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の起動処理を指示したような場合に、制御器１１０は、起動指令を出力する（ステップＳ１０１）。ついで、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を作動させる（ステップＳ１０２）。
【００５３】
これにより、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路４１を介して、燃料ガス経路１０１Ａにアンモニアを含む燃料ガスが供給され、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路５１を介して、酸化剤ガス経路１０１Ｂに酸化剤ガスが供給される。燃料ガス経路１０１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間に、燃料電池１０１のアノード４Ａに供給される。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する間に、燃料電池１０１のカソード４Ｂに供給される。
【００５４】
そして、燃料電池１０１では、アノード４Ａに供給された燃料ガスと、カソード４Ｂに供給された酸化剤ガスが、電気化学的に反応して、電気が発生する（発電が行われる）。なお、発生した電力は、図示されない出力制御器によって、昇圧されて直流電流から交流電流に変換されて、外部負荷に出力される。
【００５５】
ここで、上述したように、アノード４Ａでは、カソード４Ｂから高分子電解質膜１を透過した酸素から過酸化水素が生成される。しかしながら、アノード４Ａには、濃度が０．１〜４０ｐｐｍのアンモニアが供給されている。このため、アノード４Ａで生成された過酸化水素は、アンモニアによって安定状態が維持され、高分子電解質膜１の劣化が抑制される。
【００５６】
アノード４Ａで未利用の燃料ガスは、オフ燃料ガスとして燃料ガス排出経路４２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。また、カソード４Ｂで未利用の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして酸化剤ガス排出経路５２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
【００５７】
次に、例えば、予め燃料電池システム１００の停止時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の停止処理を指示したような場合に、制御器１１０は、停止指令を出力する（ステップＳ１０３）。ついで、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を停止させる（ステップＳ１０４）。これにより、燃料ガス経路１０１Ａへの燃料ガスの供給が停止し、酸化剤ガス経路１０１Ｂへの酸化剤ガスの供給が停止して、燃料電池１０１での発電が停止する。
【００５８】
次に、制御器１１０は、アノード封止機構１０４を作動させる（ステップＳ１０５）。具体的には、制御器１１０は、第１開閉弁４３及び第２開閉弁４４の弁体を閉止させる。これにより、アンモニアを含む燃料ガスが、燃料ガス経路１０１Ａ内に封止される。このため、燃料電池システム１００の停止後でも、アノード４Ａには、アンモニアが存在するので、発電中に生成した過酸化水素を安定な状態に維持することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００５９】
このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１０１のアノード４Ａにアンモニアが、燃料電池システム１００の発電運転時（起動運転時を含む）のみならず、運転停止後にも存在するので、アノード４Ａで生成した過酸化水素を安定な状態に維持することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００６０】
（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、アノードにエアブリードガスを供給する形態を例示するものである。
【００６１】
［燃料電池システムの構成］
図５は、本発明の実施の形態２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。
【００６２】
図５に示すように、本発明に係る実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス供給器１０２が、水素生成装置で構成されていて、エアブリードガス供給器１０５を備えている点が異なる。
【００６３】
燃料ガス供給器１０２は、蒸発器１０２Ａと改質器１０２Ｂ、及び燃焼器１０２Ｃを有している。燃焼器１０２Ｃには、燃料ガス排出経路４２の下流端が接続されている。また、燃焼器１０２Ｃには、燃焼空気供給経路を介して燃焼空気供給器（いずれも図示せず）が接続されている。そして、燃焼器１０２Ｃでは、燃焼用燃料と燃焼用空気が供給され、これらが燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器１０２Ｂや蒸発器１０２Ａを加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム１００外に排出される。なお、燃焼用燃料としては、例えば、原料ガスや改質器１０２Ｂで生成された水素含有ガスが挙げられる。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。なお、改質器１０２Ｂ内の改質触媒の組成等を適宜設定することにより、生成されるアンモニアが、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下となるように改質器１０２Ｂが構成されていることが好ましい。また、燃料ガス供給器１０２で、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下のアンモニアが生成されないような場合には、アンモニアを貯えるタンクをさらに備えていてもよく、アンモニアを生成するように構成されたアンモニア生成器を備えていてもよい。
【００６７】
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２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。
【００６８】
また、本実施の形態２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２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。
【００６９】
さらに、本実施の形態２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。
【００７０】
燃料ガス供給経路４１の途中には、エアブリードガス供給経路７１を介して、エアブリードガス供給器１０５が接続されている。エアブリードガス供給器１０５は、エアブリードガス供給経路７１および燃料ガス供給経路４１を介して、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａにエアブリードガス（ここでは、空気）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。
【００７１】
また、エアブリードガス供給経路７１の途中には、第５開閉弁７２が設けられている。第５開閉弁７２は、エアブリードガス供給経路７１内のガスの通流を許可／遮断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、電磁弁等を用いることができる。なお、エアブリードガス供給器１０５が、エアブリードガス供給経路７１への酸化剤ガスの供給を遮断するように構成されていれば、第５開閉弁７２を設けなくてもよい。
また、エアブリードガス供給経路７１の途中には、エアブリードガス供給経路７１内のガスの逆流を防止するための逆止弁（図示せず）が設けられている。
【００７２】
これにより、エアブリードガス供給器１０５からエアブリードガス供給経路７１及び燃料ガス供給経路４１を介して、燃料ガス経路１０１Ａにエアブリードガスが供給される。燃料ガス経路１０１Ａに供給されたエアブリードガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間に、アノード４Ａに供給される。そして、アノード４Ａに供給されたエアブリードガスは、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに供給される燃料ガス中に含まれる一酸化炭素と反応して、二酸化炭素を生成し、アノード４Ａの一酸化炭素による被毒を抑制する。
【００７３】
また、酸化剤ガス供給経路５１の途中には、第３開閉弁５３が設けられていて、酸化剤ガス排出経路５２の途中には、第４開閉弁５４が設けられている。第３開閉弁５３は、酸化剤ガス供給経路５１内のガスの通流を許可／遮断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、電磁弁等を用いることができる。同様に、第４開閉弁５４は、酸化剤ガス排出経路５２内のガスの通流を許可／遮断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、電磁弁等を用いることができる。
【００７４】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の動作について、図５及び図６を参照しながら説明する。
【００７５】
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
【００７６】
図４に示すように、まず、例えば、予め燃料電池システム１００の起動時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の起動処理を指示したような場合に、制御器１１０は、起動指令を出力する（ステップＳ２０１）。ついで、制御器１１０は、第１開閉弁４３、第２開閉弁４４、第３開閉弁５３、第４開閉弁５４、及び第５開閉弁７２を開放させる。（ステップＳ２０２）
次に、制御器１１０は、水供給器１０６及び原料ガス供給器１０７を作動させる（ステップＳ２０３）とともに、燃料ガス供給器１０２の燃焼器１０２Ｃへ燃焼用燃料と燃焼用空気を供給させる。
【００７７】
これにより、燃焼器１０２Ｃでは、供給された燃焼用燃料と燃焼用空気が燃焼して、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、改質器１０２Ｂや蒸発器１０２Ａを加熱した後、燃焼排ガス経路（図示せず）を通流して燃料電池システム１００外に排出される。また、水供給器１０６及び原料ガス供給器１０７から、燃料ガス供給器１０２の蒸発器１０２Ａに水及び窒素を含む原料ガスが供給される。蒸発器１０２Ａでは、水が気化されて水蒸気が発生し、窒素を含む原料ガスが加熱される。発生した水蒸気と加熱された原料ガスは、改質器１０２Ｂに供給される。改質器１０２Ｂでは、供給された原料ガスと水蒸気（水）が改質反応して、水素含有ガスが生成される。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、０．１ｐｐｍ以上、かつ、４０ｐｐｍ以下の濃度のアンモニアが生成される。そして、燃料ガス供給器１０２の改質器１０２Ｂで生成された水素含有ガス（燃料ガス）及びアンモニアが、燃料ガス供給経路４１に送出される。
【００７８】
次に、制御器１１０は、エアブリードガス供給器１０５及び酸化剤ガス供給器１０３を作動させる（ステップＳ２０４）。
【００７９】
これにより、エアブリードガス供給器１０５からエアブリードガス供給経路７１を介して燃料ガス供給経路４１にエアブリードガスが供給される。燃料ガス供給経路４１に供給されたエアブリードガスは、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路４１に送出されたアンモニアを含む燃料ガスとともに、燃料ガス供給経路４１を通流して、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに供給される。
【００８０】
また、燃料電池１０１の酸化剤ガス経路１０１Ｂには、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路５１を介して酸化剤ガスが供給される。燃料ガス経路１０１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間に、燃料電池１０１のアノード４Ａに供給される。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する間に、燃料電池１０１のカソード４Ｂに供給される。
【００８１】
そして、燃料電池１０１では、アノード４Ａに供給された燃料ガスと、カソード４Ｂに供給された酸化剤ガスが、電気化学的に反応して、電気が発生する（発電が行われる）。なお、発生した電力は、図示されない出力制御器によって、昇圧されて直流電流から交流電流に変換されて、外部負荷に出力される。
【００８２】
ここで、上述したように、アノード４Ａでは、カソード４Ｂから高分子電解質膜１を透過した酸素から過酸化水素が生成される。しかしながら、アノード４Ａには、濃度が０．１〜４０ｐｐｍのアンモニアが供給されている。このため、アノード４Ａで生成された過酸化水素は、アンモニアによって安定状態が維持され、高分子電解質膜１の劣化が抑制される。
【００８３】
アノード４Ａで未利用の燃料ガスは、オフ燃料ガスとして燃料ガス排出経路４２を通流して、燃料ガス供給器１０２の燃焼器１０２Ｃへ供給される。また、カソード４Ｂで未利用の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして酸化剤ガス排出経路５２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
【００８４】
次に、例えば、予め燃料電池システム１００の停止時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の停止処理を指示したような場合に、制御器１１０は、停止指令を出力する（ステップＳ２０５）。ついで、制御器１１０は、酸化剤ガス供給器１０３及びエアブリードガス供給器１０５を停止させ（ステップＳ２０６）、第３開閉弁５３、第４開閉弁５４、及び第５開閉弁７２を閉止させる（ステップＳ２０７）。これにより、酸化剤ガス経路１０１Ｂへの酸化剤ガスの供給が停止して、燃料電池１０１での発電が停止するとともに、燃料ガス供給経路４１を介して燃料ガス経路１０１Ａへのエアブリードガスの供給が停止される。
【００８５】
次に、制御器１１０は、図示されない時計部からエアブリードガス供給器１０５を停止してから経過した時間Ｔを取得し（ステップＳ２０８）、ステップＳ２０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ１を経過したか否かを判断する（ステップＳ２０９）。ここで、所定の時間Ｔ１は、燃料ガス経路１０１Ａへ供給される、アンモニアを含む燃料ガスの流量によって変動するが、燃料ガス経路１０１Ａ内に存在すエアブリードガス（空気；酸素）が、燃料ガス経路１０１Ａ外に排出される（燃料ガス経路１０１Ａ内に存在するエアブリードガスがアンモニアを含む燃料ガスでパージされる）までにかかる時間をいう。
【００８６】
なお、所定に時間Ｔ１は、燃料ガス経路１０１Ａ内に酸素が残存しないようにする観点から、燃料ガス供給経路４１の第１開閉弁４３よりも下流側から燃料ガス排出経路４２の第２開閉弁４４までの経路内にエアブリードガス（空気；酸素）が、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることが好ましい。また、同様の観点から、燃料ガス供給経路４１のエアブリードガス供給経路７１との接続部分よりも下流側から燃料ガス排出経路４２の第２開閉弁４４までの経路内にエアブリードガス（空気；酸素）が、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることがより好ましい。
【００８７】
制御器１１０は、ステップＳ２０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ１を経過していない場合（ステップＳ２０９でＮｏ）には、ステップＳ２０８に戻り、所定の時間Ｔ１を経過するまで、ステップＳ２０８及びステップＳ２０９を繰り返す。一方、制御器１１０は、ステップＳ２０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ１を経過した場合（ステップＳ２０９でＹｅｓ）には、ステップＳ２１０に進む。
【００８８】
ステップＳ２１０では、制御器１１０は、水供給器１０６及び原料ガス供給器１０７を停止させる。これにより、燃料ガス供給器１０２へ水及び窒素を含む原料ガスの供給が停止され、燃料ガスの生成が停止する。
【００８９】
次に、制御器１１０は、アノード封止機構１０４を作動させる（ステップＳ２１１）。具体的には、制御器１１０は、第１開閉弁４３及び第２開閉弁４４の弁体を閉止させる。これにより、アンモニアを含む燃料ガスが、燃料ガス経路１０１Ａ内に封止される。このため、燃料電池システム１００の停止後でも、アノード４Ａには、アンモニアが存在するので、発電中に生成した過酸化水素を安定な状態に維持することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【００９０】
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であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【００９１】
なお、本実施の形態２においては、エアブリードガス供給器１０５を設ける形態を採用したが、これに限定されず、酸化剤ガス供給器１０３が、エアブリードガス供給器１０５を兼用する形態を採用してもよい。具体的には、酸化剤ガス供給経路５１の途中にエアブリードガス供給経路７１の上流端を接続して、酸化剤ガス供給経路５１を通流する酸化剤ガスの一部が、燃料ガス供給経路４１を介して、燃料ガス経路１０１Ａに供給するように構成すればよい。
【００９２】
また、本実施の形態２においては、第３開閉弁５３及び第４開閉弁５４を設ける形態を採用したが、これに限定されず、第３開閉弁５３及び／又は第４開閉弁５４を設けない形態を採用してもよい。
【００９３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムは、カソード封止機構が、燃料電池内にアンモニアを含む燃料ガスを封止する形態を例示するものである。
【００９４】
［燃料電池システムの構成］
図７は、本発明の実施の形態３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。
【００９５】
図７に示すように、本発明に係る実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る１００と基本的構成は同じであるが、燃料ガス分岐機構１０８と、カソード封止機構１０９と、を備えている点が異なる。また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、エアブリードガス供給器１０５、エアブリードガス供給経路７１、及び第５開閉弁７２が設けられていない点も異なる。
【００９６】
具体的には、燃料ガス分岐機構１０８は、燃料ガス分岐流路１０８Ａと第６開閉弁１０８Ｂを有している。燃料ガス分岐流路１０８Ａは、燃料ガス供給経路４１と酸化剤ガス供給経路５１を接続するように設けられている。第６開閉弁１０８Ｂは、燃料ガス分岐流路１０８Ａの途中に設けられている。第６開閉弁１０８Ｂとしては、燃料ガス分岐流路１０８Ａ内のガスの通流を許可／遮断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、電磁弁等を用いることができる。
【００９７】
また、カソード封止機構１０９は、酸化剤ガス供給経路５１に設けられた第３開閉弁５３と、酸化剤ガス排出経路５２に設けられた第４開閉弁５４から構成される。なお、本実施の形態３においては、カソード封止機構１０９は、第３開閉弁５３及び第４開閉弁５４で構成したが、これに限定されず、酸化剤ガス経路１０１Ｂを封止することができればどのような形態であってもよい。
【００９８】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の動作について、図７及び図８を参照しながら説明する。
【００９９】
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
【０１００】
図８に示すように、まず、例えば、予め燃料電池システム１００の起動時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の起動処理を指示したような場合に、制御器１１０は、起動指令を出力する（ステップＳ３０１）。ついで、制御器１１０は、第１開閉弁４３、第２開閉弁４４、第３開閉弁５３、及び第４開閉弁５４を開放させる（ステップＳ３０２）とともに、第６開閉弁１０８Ｂを閉止させる（ステップＳ３０３）。
【０１０１】
次に、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２及び酸化剤ガス供給器１０３を作動させる（ステップＳ３０４）。
【０１０２】
これにより、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路４１を介して、燃料ガス経路１０１Ａにアンモニアを含む燃料ガスが供給され、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路５１を介して、酸化剤ガス経路１０１Ｂに酸化剤ガスが供給される。燃料ガス経路１０１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間に、燃料電池１０１のアノード４Ａに供給される。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する間に、燃料電池１０１のカソード４Ｂに供給される。
【０１０３】
そして、燃料電池１０１では、アノード４Ａに供給された燃料ガスと、カソード４Ｂに供給された酸化剤ガスが、電気化学的に反応して、電気が発生する（発電が行われる）。なお、発生した電力は、図示されない出力制御器によって、昇圧されて直流電流から交流電流に変換されて、外部負荷に出力される。
【０１０４】
ここで、上述したように、アノード４Ａでは、カソード４Ｂから高分子電解質膜１を透過した酸素から過酸化水素が生成される。しかしながら、アノード４Ａには、濃度が０．１〜４０ｐｐｍのアンモニアが供給されている。このため、アノード４Ａで生成された過酸化水素は、アンモニアによって安定状態が維持され、高分子電解質膜１の劣化が抑制される。
【０１０５】
アノード４Ａで未利用の燃料ガスは、オフ燃料ガスとして燃料ガス排出経路４２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。また、カソード４Ｂで未利用の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして酸化剤ガス排出経路５２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
【０１０６】
次に、例えば、予め燃料電池システム１００の停止時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の停止処理を指示したような場合に、制御器１１０は、停止指令を出力する（ステップＳ３０５）。ついで、制御器１１０は、酸化剤ガス供給器１０３を停止させ（ステップＳ３０６）、第６開閉弁１０８Ｂを開放させる（ステップＳ３０７）。
【０１０７】
これにより、酸化剤ガス経路１０１Ｂへの酸化剤ガスの供給が停止して、燃料電池１０１での発電が停止する。また、燃料ガス供給経路４１を通流するアンモニアを含む燃料ガスの一部が、燃料ガス分岐流路１０８Ａを通流して、酸化剤ガス供給経路５１に供給される。酸化剤ガス供給経路５１に供給されたアンモニアを含む燃料ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給される。
【０１０８】
次に、制御器１１０は、図示されない時計部から第６開閉弁１０８Ｂを開放してから経過した時間Ｔを取得し（ステップＳ３０８）、ステップＳ３０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ２を経過したか否かを判断する（ステップＳ３０９）。ここで、所定の時間Ｔ２は、燃料ガス経路１０１Ａへ供給される、アンモニアを含む燃料ガスの流量によって変動するが、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に存在す酸化剤ガスが、酸化剤ガス経路１０１Ｂ外に排出される（酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に存在する酸化剤ガスが、アンモニアを含む燃料ガスでパージされる）までにかかる時間をいう。
【０１０９】
なお、所定に時間Ｔ２は、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に酸化剤ガスが残存しないようにする観点から、酸化剤ガス供給経路５１の第３開閉弁５３よりも下流側から酸化剤ガス排出経路５２の第４開閉弁５４までの経路内に酸化剤ガスが、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることが好ましい。また、同様の観点から、酸化剤ガス供給経路５１の燃料ガス分岐流路１０８Ａとの接続部分よりも下流側から酸化剤ガス排出経路５２の第４開閉弁５４までの経路内に酸化剤ガスが、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることがより好ましい。
【０１１０】
制御器１１０は、ステップＳ３０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ２を経過していない場合（ステップＳ３０９でＮｏ）には、ステップＳ３０８に戻り、所定の時間Ｔ２を経過するまで、ステップＳ３０８及びステップＳ３０９を繰り返す。一方、制御器１１０は、ステップＳ３０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ２を経過した場合（ステップＳ３０９でＹｅｓ）には、ステップＳ３１０に進む。
【０１１１】
ステップＳ３１０では、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２を停止させるとともに、第６開閉弁１０８Ｂを閉止させる。これにより、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス経路１０１Ａ及び酸化剤ガス経路１０１Ｂへの燃料ガスの供給が停止する。
【０１１２】
次に、制御器１１０は、アノード封止機構１０４及びカソード封止機構１０９を作動させる（ステップＳ３１１）。具体的には、制御器１１０は、第１開閉弁４３、第２開閉弁４４、第３開閉弁５３、及び第４開閉弁５４の弁体を閉止させる。これにより、アンモニアを含む燃料ガスが、燃料ガス経路１０１Ａ及び酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に封止される。このため、燃料電池システム１００の停止後でも、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に封止されたアンモニアが、クロスリークやカソード４Ｂ内に存在する水に溶解して、溶解したアンモニウムイオンが高分子電解質膜１を介してアノード４Ａに移動する。このようにして、アノード４Ａには、アンモニアが存在するので、発電中に生成した過酸化水素を安定な状態に維持することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【０１１３】
このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内の酸化剤ガスを、アンモニアを含む燃料ガスでパージするので、燃料電池システム１００の停止処理をより迅速に行うことができる。
【０１１４】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムは、アノードにエアブリードガスを供給し、カソード封止機構が、燃料電池内にアンモニアを含む燃料ガスを封止する形態を例示するものである。
【０１１５】
［燃料電池システムの構成］
図９は、本発明の実施の形態４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。
【０１１６】
図９に示すように、本発明に係る実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、実施の形態３に係る１００と基本的構成は同じであるが、エアブリードガス供給器１０５を備えている点が異なる。
【０１１７】
具体的には、燃料ガス供給経路４１の途中には、エアブリードガス供給経路７１を介して、エアブリードガス供給器１０５が接続されている。エアブリードガス供給器１０５は、エアブリードガス供給経路７１および燃料ガス供給経路４１を介して、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａにエアブリードガス（ここでは、空気）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。
【０１１８】
また、エアブリードガス供給経路７１の途中には、第５開閉弁７２が設けられている。第５開閉弁７２は、エアブリードガス供給経路７１内のガスの通流を許可／遮断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、電磁弁等を用いることができる。なお、エアブリードガス供給器１０５が、エアブリードガス供給経路７１への酸化剤ガスの供給を遮断するように構成されていれば、第５開閉弁７２を設けなくてもよい。
また、エアブリードガス供給経路７１の途中には、エアブリードガス供給経路７１内のガスの逆流を防止するための逆止弁（図示せず）が設けられている。
【０１１９】
これにより、エアブリードガス供給器１０５からエアブリードガス供給経路７１及び燃料ガス供給経路４１を介して、燃料ガス経路１０１Ａにエアブリードガスが供給される。燃料ガス経路１０１Ａに供給されたエアブリードガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間に、アノード４Ａに供給される。そして、アノード４Ａに供給されたエアブリードガスは、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに供給される燃料ガス中に含まれる一酸化炭素と反応して、二酸化炭素を生成し、アノード４Ａの一酸化炭素による被毒を抑制する。
【０１２０】
［燃料電池システムの動作］
次に、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００の動作について、図９及び図１０を参照しながら説明する。
【０１２１】
図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１００の動作を模式的に示すフローチャートである。
【０１２２】
図１０に示すように、まず、例えば、予め燃料電池システム１００の起動時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の起動処理を指示したような場合に、制御器１１０は、起動指令を出力する（ステップＳ４０１）。ついで、制御器１１０は、第１開閉弁４３、第２開閉弁４４、第３開閉弁５３、第４開閉弁５４、第５開閉弁７２を開放させる（ステップＳ４０２）とともに、第６開閉弁１０８Ｂを閉止させる（ステップＳ４０３）。
【０１２３】
次に、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２、酸化剤ガス供給器１０３、及びエアブリードガス供給器１０５を作動させる（ステップＳ４０４）。
【０１２４】
これにより、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路４１を介して、燃料ガス経路１０１Ａにアンモニアを含む燃料ガスが供給され、酸化剤ガス供給器１０３から酸化剤ガス供給経路５１を介して、酸化剤ガス経路１０１Ｂに酸化剤ガスが供給される。燃料ガス経路１０１Ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路１０１Ａを通流する間に、燃料電池１０１のアノード４Ａに供給される。また、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂを通流する間に、燃料電池１０１のカソード４Ｂに供給される。
【０１２５】
さらに、エアブリードガス供給器１０５からエアブリードガス供給経路７１を介して燃料ガス供給経路４１にエアブリードガスが供給される。燃料ガス供給経路４１に供給されたエアブリードガスは、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス供給経路４１に送出されたアンモニアを含む燃料ガスとともに、燃料ガス供給経路４１を通流して、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａに供給される。
【０１２６】
そして、燃料電池１０１では、アノード４Ａに供給された燃料ガスと、カソード４Ｂに供給された酸化剤ガスが、電気化学的に反応して、電気が発生する（発電が行われる）。なお、発生した電力は、図示されない出力制御器によって、昇圧されて直流電流から交流電流に変換されて、外部負荷に出力される。
【０１２７】
ここで、上述したように、アノード４Ａでは、カソード４Ｂから高分子電解質膜１を透過した酸素から過酸化水素が生成される。しかしながら、アノード４Ａには、濃度が０．１〜４０ｐｐｍのアンモニアが供給されている。このため、アノード４Ａで生成された過酸化水素は、アンモニアによって安定状態が維持され、高分子電解質膜１の劣化が抑制される。
【０１２８】
アノード４Ａで未利用の燃料ガスは、オフ燃料ガスとして燃料ガス排出経路４２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。また、カソード４Ｂで未利用の酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして酸化剤ガス排出経路５２を通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
【０１２９】
次に、例えば、予め燃料電池システム１００の停止時間になった場合や、使用者が図示されないリモコンを操作して燃料電池システム１００の停止処理を指示したような場合に、制御器１１０は、停止指令を出力する（ステップＳ４０５）。ついで、制御器１１０は、酸化剤ガス供給器１０３及びエアブリードガス供給器１０５を停止させ（ステップＳ４０６）、第５開閉弁７２を閉止させ、第６開閉弁１０８Ｂを開放させる（ステップＳ４０７）。
【０１３０】
これにより、酸化剤ガス経路１０１Ｂへの酸化剤ガスの供給が停止して、燃料電池１０１での発電が停止するとともに、燃料ガス供給経路４１を介して燃料ガス経路１０１Ａへのエアブリードガスの供給が停止される。また、燃料ガス供給経路４１を通流するアンモニアを含む燃料ガスの一部が、燃料ガス分岐流路１０８Ａを通流して、酸化剤ガス供給経路５１に供給される。酸化剤ガス供給経路５１に供給されたアンモニアを含む燃料ガスは、酸化剤ガス経路１０１Ｂに供給される。
【０１３１】
次に、制御器１１０は、図示されない時計部から第６開閉弁１０８Ｂを開放してから経過した時間Ｔを取得し（ステップＳ４０８）、ステップＳ４０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ２を経過したか否かを判断する（ステップＳ４０９）。ここで、所定の時間Ｔ３は、燃料ガス経路１０１Ａへ供給される、アンモニアを含む燃料ガスの流量によって変動するが、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に存在す酸化剤ガスが、酸化剤ガス経路１０１Ｂ外に排出される（酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に存在する酸化剤ガスが、アンモニアを含む燃料ガスでパージされる）までにかかる時間、または、燃料ガス経路１０１Ａ内に存在すエアブリードガス（空気；酸素）が、燃料ガス経路１０１Ａ外に排出される（燃料ガス経路１０１Ａ内に存在するエアブリードガスがアンモニアを含む燃料ガスでパージされる）までにかかる時間のうち、遅い方の時間をいう。
【０１３２】
なお、所定に時間Ｔ３は、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に酸化剤ガスが残存しないようにする観点から、酸化剤ガス供給経路５１の第３開閉弁５３よりも下流側から酸化剤ガス排出経路５２の第４開閉弁５４までの経路内に酸化剤ガスが、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることが好ましい。また、同様の観点から、酸化剤ガス供給経路５１の燃料ガス分岐流路１０８Ａとの接続部分よりも下流側から酸化剤ガス排出経路５２の第４開閉弁５４までの経路内に酸化剤ガスが、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることがより好ましい。
【０１３３】
また、所定の時間Ｔ３は、燃料ガス経路１０１Ａ内に酸素が残存しないようにする観点から、燃料ガス供給経路４１の第１開閉弁４３よりも下流側から燃料ガス排出経路４２の第２開閉弁４４までの経路内にエアブリードガス（空気；酸素）が、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることが好ましい。また、同様の観点から、燃料ガス供給経路４１のエアブリードガス供給経路７１との接続部分よりも下流側から燃料ガス排出経路４２の第２開閉弁４４までの経路内にエアブリードガス（空気；酸素）が、当該経路から排出されるまでにかかる時間であることがより好ましい。
【０１３４】
制御器１１０は、ステップＳ４０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ３を経過していない場合（ステップＳ４０９でＮｏ）には、ステップＳ４０８に戻り、所定の時間Ｔ３を経過するまで、ステップＳ４０８及びステップＳ４０９を繰り返す。一方、制御器１１０は、ステップＳ４０８で取得した時間Ｔが、所定の時間Ｔ３を経過した場合（ステップＳ４０９でＹｅｓ）には、ステップＳ４１０に進む。
【０１３５】
ステップＳ４１０では、制御器１１０は、燃料ガス供給器１０２を停止させるとともに、第６開閉弁１０８Ｂを閉止させる。これにより、燃料ガス供給器１０２から燃料ガス経路１０１Ａ及び酸化剤ガス経路１０１Ｂへの燃料ガスの供給が停止する。
【０１３６】
次に、制御器１１０は、アノード封止機構１０４及びカソード封止機構１０９を作動させる（ステップＳ４１１）。具体的には、制御器１１０は、第１開閉弁４３、第２開閉弁４４、第３開閉弁５３、及び第４開閉弁５４の弁体を閉止させる。これにより、アンモニアを含む燃料ガスが、燃料ガス経路１０１Ａ及び酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に封止される。このため、燃料電池システム１００の停止後でも、酸化剤ガス経路１０１Ｂ内に封止されたアンモニアが、クロスリークやカソード４Ｂ内に存在する水に溶解して、溶解したアンモニウムイオンが高分子電解質膜１を介してアノード４Ａに移動する。このようにして、アノード４Ａには、アンモニアが存在するので、発電中に生成した過酸化水素を安定な状態に維持することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができる。
【０１３７】
このように構成された本実施の形態４に係る燃料電池システム１００であっても、実施の形態３に係る燃料電池システム１００と同様の作用効果を奏する。
【０１３８】
［実験例］
次に、本発明に至った実験例について説明する。
【０１３９】
まず、実施の形態４で説明した燃料電池システム１００を構築し、図１１に示す運転条件で燃料電池システム１００の発電停止運転を行った。具体的には、発電工程７時間及び停止工程７時間を１サイクルとして、７サイクル行った。ここで、本実験例においては、発電工程は、制御器１１０に起動指令が入力されてから停止指令が入力されるまでをいい、停止工程は、制御器１１０に停止指令が入力されてから次の起動指令が入力されるまでをいう。そして、７サイクル目の発電を開始してから１時間後の電圧を評価電圧とし、７サイクル目の発電中に燃料ガス経路１０１Ａ及び酸化剤ガス経路１０１Ｂから排出される水に含まれるフッ化物イオンの量をイオンクロマトグラフィにて計測した。その結果を１２に示す。
【０１４０】
図１１は、本実験例で行った燃料電池システム１００の発電停止運転の条件を示す表である。なお、アノード４Ａに供給されるアノード供給ガス（燃料ガス）としては、水素ガスを使用し、アンモニアが、所定の濃度になるように調整した。また、停止工程におけるアンモニアの濃度が０ｐｐｍとは、アンモニアを含む燃料ガスを、アンモニアを含まない燃料ガスでパージすることで、燃料ガス経路１０１Ａ内のアンモニアの濃度を０ｐｐｍとした。同様に、停止工程におけるエアブリードガスの濃度が０％とは、エアブリードガスを含む燃料ガスを、エアブリードガスを含まない燃料ガスでパージすることで、燃料ガス経路１０１Ａ内のエアブリードガスの濃度を０％とした。また、実施例４の停止工程におけるカソード４Ｂに供給するカソード供給ガスは、図９に示すように、燃料ガス供給経路４１を通流する燃料ガスの一部を燃料ガス分岐流路１０８Ａから酸化剤ガス供給経路５１に供給することで、カソード４Ｂ（酸化剤ガス経路１０１Ｂ）に供給するようにし、その他の例では、酸化剤ガス供給器１０３を停止後、カソード封止機構１０９を作動して、カソード４Ｂ（酸化剤ガス経路１０１Ｂ）を封止した。さらに、比較例２及び比較例３の碇止工程におけるアノード封止機構１０４の停止とは、アノード封止機構１０４を作動せず、アノード４Ａ（燃料ガス経路１０１Ａ）を開放状態にしたことを示す。
【０１４１】
図１２は、図１１に示す運転条件で燃料電池システム１００を運転し、運転中に測定した電圧と、排出水に含まれるフッ化物イオンの量を計測した結果を示す表である。なお、図１２においては、比較例１の燃料電池システム１００で測定した電圧を基準として、その基準電圧と各実施例及び比較例の燃料電池システム１００で測定した電圧との差を示している。また、比較例１の燃料電池システム１００で計測したフッ素イオン濃度を基準にして、各実施例及び比較例の燃料電池システム１００で計測したフッ素イオン濃度を比較した倍率を示している。
【０１４２】
図１２に示すように、実施例１の燃料電池システム１００は、アノード供給ガス中にアンモニアが含有されていない比較例１の燃料電池システム１００と比較して、電圧及びフッ素イオン濃度が同程度であった。また、停止工程中にアンモニアが供給されていない比較例２の燃料電池システム１００は、比較例１の燃料電池システム１００と比較して、フッ素イオン濃度が１０倍と高くなっていた。
【０１４３】
このため、燃料電池１０１にアンモニアを含む燃料ガスが供給される燃料電池システム１００では、停止工程中にも、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａ内にアンモニアが存在する（留まっている）ことにより、発電中に生成した過酸化水素を安定な状態に維持することができ、高分子電解質膜１の劣化を抑制することができることが示唆された。
【０１４４】
また、停止工程中にアノード封止機構１０４を作動させずに、燃料ガス経路１０１Ａを開放した比較例３の燃料電池システム１００と実施例１の燃料電池システム１００との比較により、燃料電池システム１００の停止工程中は、アノード封止機構１０４により、燃料ガス経路１０１Ａを封止することが好ましいことが示唆された。
【０１４５】
さらに、停止工程中もエアブリードガスを供給した比較例４の燃料電池システム１００と実施例１の燃料電池システム１００との比較により、燃料電池システム１００の停止工程中は、エアブリードガスの供給を停止することが好ましいことが示唆された。なお、比較例４の燃料電池システム１００における高分子電解質膜１の劣化は、以下の理由によるものと推察する。すなわち、停止工程中に積極的にエアブリードガス（酸素）を供給することにより、アノード４Ａで過酸化水素の生成が促進される。そして、燃料ガス経路１０１Ａ内に封止されたアンモニアによって安定に維持することができる濃度以上の過酸化水素が燃料電池１０１内に存在することになり、ラジカルが発生し、高分子電解質膜１を分解したものと推察する。
【０１４６】
一方、実施例２の燃料電池システム１００と比較例５の燃料電池システム１００との比較により、燃料ガス経路１０１Ａに供給する燃料ガス中に含まれるアンモニアは、０．１ｐｐｍ以上であることが好ましいことがわかる。なお、比較例５の燃料電池システム１００における高分子電解質膜１の劣化は、以下の理由によるものと推察する。すなわち、比較例５の燃料電池システム１００では、燃料ガス中に含まれるアンモニアの濃度が低いため、高分子電解質膜１からアンモニアが抜けて、過酸化水素が不安定になり、高分子電解質膜１を分解したもの、又は、生成した過酸化水素を安定な状態に維持するのに充分なアンモニアが供給されていないため、過酸化水素が高分子電解質膜１を分解したもの、と推察する。
【０１４７】
また、実施例３の燃料電池システム１００と比較例６の燃料電池システム１００との比較により、燃料ガス経路１０１Ａに供給する燃料ガス中に含まれるアンモニアは、４０ｐｐｍ以下であることが好ましいことがわかる。なお、比較例６の燃料電池システム１００における電圧の低下は、以下の理由によるものと推察する。すなわち、比較例６の燃料電池システム１００では、アンモニア濃度が高すぎるため、アンモニアが、アノード触媒層２Ａ中の触媒を被毒し、電圧が低下したものと推察する。
【０１４８】
このように、燃料電池システム１００の燃料ガス経路１０１Ａに供給する燃料ガス中に含まれるアンモニアは、高分子電解質膜１の劣化を抑制する観点から、０．１ｐｐｍ以上であることが好ましく、電圧の低下を抑制する観点から、４０ｐｐｍ以上であることが好ましい。
【０１４９】
さらに、実施例４の燃料電池システム１００と実施例１の燃料電池システム１００及び比較例１の燃料電池システム１００と比較して、電圧及びフッ素イオン濃度が同程度であった。このため、アンモニアを含む燃料ガスを酸化剤ガス経路１０１Ｂに封止した場合であっても、燃料ガス経路１０１Ａに封止した場合と同様に、高分子電解質膜１の劣化を抑制できることが示唆された。
【０１５０】
これらの結果により、本発明者等は、燃料電池１０１の燃料ガス経路１０１Ａにアンモニアを含む燃料ガスが供給されるのであれば、そのアンモニアを燃料電池１０１内に留まった状態を維持することにより、高分子電解質膜１の劣化を抑制できることを見出し、本発明を想到した。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、高分子電解質膜の劣化を抑制することが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
【符号の説明】
【０１５２】
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
４３  第１開閉弁
４４  第２開閉弁
５１  酸化剤ガス供給経路
５２  酸化剤ガス排出経路
５３  第３開閉弁
５４  第４開閉弁
６１  水供給経路
６２  原料ガス供給経路
７１  エアブリードガス供給経路
７２  第５開閉弁
８０  セル積層体
８１  端板
８２  端板
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
１０２Ｃ  燃焼器
１０３  酸化剤ガス供給器
１０４  アノード封止機構
１０５  エアブリードガス供給器
１０６  水供給器
１０７  原料ガス供給器
１０８  燃料ガス分岐機構
１０８Ａ  燃料ガス分岐流路
１０８Ｂ  第６開閉弁
１０９  カソード封止機構
１１０  制御器
【図１】
2012038639.tif 000003
【図２】
2012038639.tif 000004
【図３】
2012038639.tif 000005
【図４】
2012038639.tif 000006
【図５】
2012038639.tif 000007
【図６】
2012038639.tif 000008
【図７】
2012038639.tif 000009
【図８】
2012038639.tif 000010
【図９】
2012038639.tif 000011
【図１０】
2012038639.tif 000012
【図１１】
2012038639.tif 000013
【図１２】
2012038639.tif 000014