(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024044140
(43)【公開日】2024-04-02
(54)【発明の名称】燃料電池システム、および、燃料電池システムの運転方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20240326BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20240326BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20240326BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240326BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/0432
H01M8/04746
H01M8/12 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022149512
(22)【出願日】2022-09-20
(71)【出願人】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大原 宏明
(72)【発明者】
【氏名】富樫 和沙
(72)【発明者】
【氏名】村本 知哉
(72)【発明者】
【氏名】三好 一雄
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB23
5H127AC02
5H127AC05
5H127BA01
5H127BA11
5H127BA21
5H127BA33
5H127BA57
5H127BB02
5H127BB07
5H127BB12
5H127BB18
5H127BB25
5H127BB28
5H127DB06
5H127DB47
5H127DB76
5H127DB79
5H127DB82
5H127GG04
5H127GG09
(57)【要約】
【課題】アンモニアによる腐食を抑制する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、密閉容器１１０と、密閉容器１１０内に設けられ、燃料極１２２、電解質１２６、および、空気極１２４を有する燃料電池本体１２０と、密閉容器１１０内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器１４０と、アンモニア分解器１４０と燃料極１２２とを連通する水素供給管１４２と、アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源１０２と、アンモニア分解器１４０とを連通する原料供給管１３２と、水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を原料供給管１３２に供給する水供給部２１０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池システム１００は、密閉容器１１０と、密閉容器１１０内に設けられ、燃料極１２２、電解質１２６、および、空気極１２４を有する燃料電池本体１２０と、密閉容器１１０内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器１４０と、アンモニア分解器１４０と燃料極１２２とを連通する水素供給管１４２と、アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源１０２と、アンモニア分解器１４０とを連通する原料供給管１３２と、水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を原料供給管１３２に供給する水供給部２１０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
密閉容器と、
前記密閉容器内に設けられ、燃料極、電解質、および、空気極を有する燃料電池本体と、
前記密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、
前記アンモニア分解器と前記燃料極とを連通する水素供給管と、
アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源と、前記アンモニア分解器とを連通する原料供給管と、
水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を前記原料供給管に供給する水供給部と、
を備える、燃料電池システム。
前記密閉容器内に設けられ、燃料極、電解質、および、空気極を有する燃料電池本体と、
前記密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、
前記アンモニア分解器と前記燃料極とを連通する水素供給管と、
アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源と、前記アンモニア分解器とを連通する原料供給管と、
水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を前記原料供給管に供給する水供給部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項2】
前記水供給部は、前記燃料電池本体の温度、前記アンモニア分解器の温度、前記水素供給管の温度、および、前記原料供給管の温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の前記供給水を前記原料供給管に供給する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記水供給部は、前記原料供給管における、水が凝縮しない温度となる領域に、前記供給水を供給する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記水供給部は、前記空気極から排気されたアノードオフガスを燃焼させた後の燃焼排ガスに含まれる水を前記供給水として供給する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記燃焼排ガスを冷却して水を生成する凝縮器を備え、
前記水供給部は、前記凝縮器によって生成された水を前記供給水として供給する、請求項４に記載の燃料電池システム。
前記水供給部は、前記凝縮器によって生成された水を前記供給水として供給する、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
密閉容器内に設けられ、燃料極、電解質、および、空気極を有する燃料電池本体と、前記密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、前記アンモニア分解器と前記燃料極とを連通する水素供給管と、アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源と、前記アンモニア分解器とを連通する原料供給管と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を前記原料供給管に供給する、燃料電池システムの運転方法。
水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を前記原料供給管に供給する、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】
本開示は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ＣＯ２を排出しない燃料としてアンモニアが注目されている。そこで、都市ガスに代えてアンモニアを燃料として発電する燃料電池システムが検討されている。例えば、特許文献１には、燃料電池本体と、アンモニアの供給源と燃料電池本体とを連通する供給路と、供給路に設けられた変換装置と、変換装置を迂回するバイパス路とを備えた燃料電池システムが開示されている。
【0003】
特許文献１の技術では、変換装置によってアンモニアの一部が水素に変換され、水素およびアンモニアが燃料極に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第５１２００７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、上記特許文献１のような燃料電池システムでは、アンモニアが通過する配管等がアンモニアによって腐食してしまうおそれがある。
【0006】
本開示は、このような課題に鑑み、アンモニアによる腐食を抑制することが可能な燃料電池システムおよ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している。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る燃料電池システムは、密閉容器と、密閉容器内に設けられ、燃料極、電解質、および、空気極を有する燃料電池本体と、密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、アンモニア分解器と燃料極とを連通する水素供給管と、アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源と、アンモニア分解器とを連通する原料供給管と、水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を原料供給管に供給する水供給部と、を備える。
【0008】
また、水供給部は、燃料電池本体の温度、アンモニア分解器の温度、水素供給管の温度、および、原料供給管の温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の供給水を原料供給管に供給してもよい。
【0009】
また、水供給部は、原料供給管における、水が凝縮しない温度となる領域に、供給水を供給してもよい。
【0010】
水供給部は、空気極から排気されたアノードオフガスを燃焼させた後の燃焼排ガスに含まれる水を供給水として供給してもよい。
【0011】
また、上記燃料電池システムは、燃焼排ガスを冷却して水を生成する凝縮器を備え、水供給部は、凝縮器によって生成された水を供給水として供給してもよい。
【0012】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る燃料電池システムの運転方法は、密閉容器内に設けられ、燃料極、電解質、および、空気極を有する燃料電池本体と、密閉容器内に設けられ、アンモニアの分解を促進する触媒が配されるアンモニア分解器と、アンモニア分解器と燃料極とを連通する水素供給管と、アンモニアを少なくとも含む原料ガスの供給源と、アンモニア分解器とを連通する原料供給管と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、水および水蒸気のうちのいずれか一方または両方である供給水を原料供給管に供給する。
【発明の効果】
【0013】
本開示によれば、アンモニアによる腐食を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0016】
また、以下の実施形態において、圧力は、絶対圧である。
【0017】
【0018】
図１、図２に示すように、燃料電池システム１００は、密閉容器１１０と、１または複数の燃料電池本体１２０と、燃料供給部１３０と、アンモニア分解器１４０と、水素供給管１４２と、酸素含有ガス供給部１５０と、アノード排気管１６０と、カソード排気管１６２と、オフガス燃焼器１７０と、熱交換器１８０と、凝縮器２００と、ドレンタンク２０２と、水供給部２１０と、水素供給部２２０と、窒素供給部２３０と、インバータ２４０と、操作部２４２と、中央制御部２５０と、筐体２６０と、換気部２６２と、電池温度センサ２７０と、分解器温度センサ２７２と、水位センサ２７４と、排気ガスセンサ２７６と、燃焼温度センサ２７８とを含む。
【0019】
【0020】
第１の実施形態に係る燃料電池システム１００は、アノードオフガスおよびカソードオフガスが密閉容器１１０外に設けられるオフガス燃焼器１７０内で反応する閉鎖系の燃料電池システム１００である。
【0021】
密閉容器１１０は、後述する燃料電池本体１２０、原料供給管１３２の一部、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、熱交換器１８０、気化器２１６を少なくとも収容する。密閉容器１１０は、燃料電池本体１２０から外部への伝熱を抑制する。密閉容器１１０は、断熱材で構成された容器、または、真空容器である。
【0022】
燃料電池本体（セルスタック）１２０は、燃料極１２２、空気極１２４、および、電解質１２６を有する。本実施形態において、燃料電池本体１２０は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料極１２２、すなわち、アノードは、ＮｉおよびＮｉ化合物（例えば、ＮｉＯ）のいずれか一方または両方を含む。燃料極１２２には、供給マニホールド１２２ａと、排気マニホールド１２２ｂとが連通される。供給マニホールド１２２ａおよび排気マニホールド１２２ｂは、燃料電池本体１２０が生じる熱によって加熱される。
【0023】
空気極１２４、すなわち、カソードは、例えば、電子伝導性を示す酸化物を含む。電子伝導性を示す酸化物は、例えば、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３）、または、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３）である。空気極１２４には、供給マニホールド１２４ａと、排気マニホールド１２４ｂとが連通される。供給マニホールド１２４ａおよび排気マニホールド１２４ｂは、燃料電池本体１２０が生じる熱によって加熱される。
【0024】
電解質１２６は、燃料極１２２と空気極１２４との間に設けられる。電解質１２６は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む。酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）である。
【0025】
燃料供給部１３０は、アンモニアを少なくとも含む原料ガスをアンモニア分解器１４０に供給する。本実施形態において、燃料供給部１３０は、原料供給管１３２と、流量調整機構１３４とを含む。
【0026】
原料供給管１３２は、原料ガスの供給源１０２と、アンモニア分解器１４０とを連通する。アンモニアの供給源１０２は、例えば、アンモニアを貯留する高圧容器（ボンベ）である。流量調整機構１３４は、原料供給管１３２に設けられる。流量調整機構１３４は、例えば、マスフローコントローラ、または、ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ、または、回転翼式ポンプ）である。流量調整機構１３４は、原料供給管１３２を流れるアンモニアの流量を調整する。
【0027】
アンモニア分解器１４０には、アンモニアの分解を促進する触媒が配される。触媒は、例えば、ニッケル系触媒、および、ルテニウム（Ｒｕ）系触媒のうちのいずれか一方または両方である。
【0028】
本実施形態において、アンモニア分解器１４０は、原料ガスと触媒とを接触させつつ、原料ガスおよび触媒と、後述するアノードオフガスおよびカソードオフガスとを熱交換させる。これにより、アンモニア分解器１４０において、アノードオフガスおよびカソードオフガスの顕熱が、原料ガスおよび触媒に伝達される。そうすると、アンモニア分解器１４０において、原料ガスおよび触媒は、例えば、４００℃以上８００以下に加熱される。これにより、アンモニア分解器１４０において、アンモニアが分解され、水素が生成される。
【0029】
水素供給管１４２は、供給マニホールド１２２ａを介して、アンモニア分解器１４０と燃料極１２２とを連通する。アンモニア分解器１４０によって生成された水素は、水素供給管１４２、供給マニホールド１２２ａを通じて、燃料極１２２に供給される。
【0030】
酸素含有ガス供給部１５０は、供給マニホールド１２４ａを介して、酸素含有ガスを空気極１２４に供給する。また、本実施形態において、酸素含有ガス供給部１５０は、オフガス燃焼器１７０に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスは、少なくとも酸素を含む。酸素含有ガスは、例えば、空気、酸素富化空気である。ここでは、酸素含有ガスが空気である場合を例に挙げる。
【0031】
本実施形態において、酸素含有ガス供給部１５０は、空気供給装置１５２と、空気加熱器１５４と、分岐管１５６と、流量調整弁１５８とを含む。空気供給装置１５２は、空気供給管１５２ａと、フィルタ１５２ｂと、ブロワ１５２ｃと、流量調整弁１５２ｄと、分岐管１５２ｅとを含む。空気供給管１５２ａは、一端が開放され、他端が後述する分岐管１５２ｅに連通される。つまり、空気供給管１５２ａは、分岐管１５２ｅを介して、空気供給源と供給マニホールド１２４ａとを連通する。
【0032】
フィルタ１５２ｂは、空気供給管１５２ａに設けられる。フィルタ１５２ｂは、後述する筐体２６０内から空気供給管１５２ａ内に導入される空気を除塵する。ブロワ１５２ｃは、空気供給管１５２ａにおけるフィルタ１５２ｂの下流側に設けられる。ブロワ１５２ｃは、例えば、１０ｋＰａＧ以上の圧力で空気を空気極１２４（供給マニホールド１２４ａ）に供給する。流量調整弁１５２ｄは、空気供給管１５２ａにおけるブロワ１５２ｃの下流側に設けられる。分岐管１５２ｅは、空気供給管１５２ａにおけるブロワ１５２ｃと流量調整弁１５２ｄとの間から分岐され、空気極１２４に連通される。
【0033】
空気加熱器１５４は、例えば、電気ヒータで構成される。空気加熱器１５４は、空気供給管１５２ａにおける流量調整弁１５２ｄの下流側に設けられる。空気加熱器１５４は、空気を、例えば、９００℃程度に加熱する。したがって、空気供給装置１５２は、空気加熱器１５４によって加熱された空気を空気極１２４に供給する。
【0034】
分岐管１５６は、空気供給管１５２ａにおけるブロワ１５２ｃと分岐管１５２ｅの分岐箇所との間から分岐され、後述するカソード排気管１６２に連通される。流量調整弁１５８は、分岐管１５６に設けられる。
【0035】
上記したように、燃料供給部１３０によって、原料供給管１３２にアンモニアを含む原料ガスが供給されると、アンモニア分解器１４０の通過過程で、アンモニアの一部が分解されて、水素が生成される（下記反応式（１））。また、燃料極１２２上においてもアンモニアが分解されて、下記反応式（１）に示すように水素が生成される。
ＮＨ３ → ３／２Ｈ２ ＋ １／２Ｎ２ …反応式（１）
したがって、燃料極１２２に水素が供給されることになり、燃料極１２２において、下記反応式（２）に示す酸化反応が進行する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２－ → ２Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ …反応式（２）
ＮＨ３ → ３／２Ｈ２ ＋ １／２Ｎ２ …反応式（１）
したがって、燃料極１２２に水素が供給されることになり、燃料極１２２において、下記反応式（２）に示す酸化反応が進行する。
Ｈ２ ＋ Ｏ２－ → ２Ｈ２Ｏ ＋ ２ｅ－ …反応式（２）
【0036】
また、上記したように、酸素含有ガス供給部１５０によって空気極１２４に空気が供給されることにより、空気極１２４において、下記反応式（３）に示す還元反応が進行する。そして、酸化物イオン（Ｏ２－）が電解質１２６を伝導（移動）することにより、燃料電池本体１２０が発電する。燃料電池本体１２０は、発電を開始すると、ジュール熱によって自体の温度が上昇する。
１／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ → Ｏ２－ …反応式（３）
１／２Ｏ２ ＋ ２ｅ－ → Ｏ２－ …反応式（３）
【0037】
そして、反応式（２）に示す酸化反応が進行した結果生じるアノードオフガス（水（水蒸気）、水素、および、アンモニアを含む）は、排気マニホールド１２２ｂを通じて排気される。また、反応式（３）に示す反応が進行した結果生じるカソードオフガス（酸素、窒素を含む）は、排気マニホールド１２４ｂを通じて排気される。
【0038】
アノード排気管１６０は、排気マニホールド１２２ｂとオフガス燃焼器１７０を連通する。カソード排気管１６２は、排気マニホールド１２４ｂとオフガス燃焼器１７０とを連通する。
【0039】
オフガス燃焼器１７０は、燃料極１２２から排気されるアノードオフガスと、空気極１２４から排気されるカソードオフガスとを燃焼させる。オフガス燃焼器１７０は、例えば、ハニカム形状の触媒を含む。触媒は、水素の酸化（燃焼）を促進させる。オフガス燃焼器１７０は、例えば、空間速度（ＳＶ値）が数千ｈｒ－１から数万ｈｒ－１程度となるように設計される。
【0040】
熱交換器１８０は、分岐管１５２ｅを通過する空気が有する熱と、アンモニア分解器１４０を通過したカソードオフガスが有する熱とを熱交換させる。熱交換器１８０は、例えば６００℃以上８００℃以下の所定の温度まで空気を加熱する。熱交換器１８０は、空気によりカソードオフガスを冷却する。
【0041】
凝縮器２００は、オフガス燃焼器１７０から排出される燃焼排ガスと、水（例えば、給水）とを熱交換させる。これにより、凝縮器２００において、燃焼排ガスが冷却され、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮して水（液）が生成される。一方、燃焼排ガスが有する顕熱によって加熱された水は、給湯として不図示の温水利用設備に供給されたり、不図示の熱交換器によって空冷されたりする。凝縮器２００は、例えば、ラジエータで構成される。
【0042】
ドレンタンク２０２は、凝縮器２００によって生じた水（ドレン）を貯留する。なお、燃料電池システム１００の起動前において、ドレンタンク２０２は、所定量の水を貯留する。ドレンタンク２０２には、不図示の排水弁が設けられる。排水弁が開弁されると、ドレンタンク２０２から水が排出される。
【0043】
水供給部２１０は、供給水を原料供給管１３２に供給する。本実施形態において、水供給部２１０は、供給水として、ドレンタンク２０２に貯留された水（液）を気化し、水蒸気として原料供給管１３２に供給する。
【0044】
本実施形態において、水供給部２１０は、ポンプ２１２と、水供給管２１４と、気化器２１６と、を含む。ポンプ２１２の吸入側は、ドレンタンク２０２に連通される。ポンプ２１２の吐出側は、水供給管２１４に連通される。水供給管２１４は、ポンプ２１２の吐出側と、原料供給管１３２における密閉容器１１０内に配される箇所とを連通する。気化器２１６は、水供給管２１４に設けられる。本実施形態において、気化器２１６は、密閉容器１１０内に設けられる。気化器２１６は、水を気化して水蒸気とする。
【0045】
なお、原料供給管１３２における水供給管２１４が連通される箇所の温度は、水が凝縮しない温度（例えば、０．１ＭＰａで６０℃）以上である。したがって、水供給部２１０によって供給された水蒸気（供給水）が、原料供給管１３２において水（液）に凝縮されてしまう事態を回避することができる。
【0046】
また、原料供給管１３２における水供給管２１４が連通される箇所の温度は、アンモニアによる窒化が開始される温度（例えば、０．１ＭＰａで２００℃以上３００℃以下の所定の温度）未満である。
【0047】
このように、原料供給管１３２に水蒸気を供給することにより、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材における水蒸気が接触する面に、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材を構成する金属の酸化皮膜を形成させることができる。例えば、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材が、鉄系材料（例えば、ステンレス鋼）で構成される場合、供給水の供給によって、鉄の酸化皮膜（酸化鉄の皮膜）を形成させることができる。
【0048】
原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材に酸化皮膜が形成されることにより、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材にアンモニアが直接接触してしまう事態を回避できる。このため、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材を構成する金属の、アンモニアによる窒化を防止することが可能となる。したがって、水供給部２１０は、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材の腐食を防止することができる。このため、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材を、安価な鉄系材料で構成することが可能となる。
【0049】
なお、原料供給管１３２の下流側の部材は、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、供給マニホールド１２２ａ、燃料極１２２、排気マニホールド１２２ｂ、アノード排気管１６０である。
【0050】
また、水供給部２１０は、燃料電池本体１２０の温度、アンモニア分解器１４０の温度、水素供給管１４２の温度、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の供給水を原料供給管１３２に供給する。
【0051】
図３は、水蒸気の供給率と皮膜窒化率との関係を示す図である。図３中、縦軸は、皮膜窒化率［％］を示す。図３中、横軸は、水蒸気の供給率［ｍｏｌ％］を示す。皮膜窒化率は、酸化皮膜が酸化鉄である場合の窒化率の平均値である。水蒸気の供給率は、アンモニア分解器１４０に供給されるアンモニアの供給量に対する、水供給部２１０によって供給される水蒸気（水）の供給量のモル比率（水蒸気の供給量／アンモニアの供給量）である。また、図３中、黒い丸は、４００℃、０．１ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。図３中、白い丸は、６００℃、０．１ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。図３中、黒い三角は、７００℃、０．１ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。図３中、白い三角は、８００℃、０．１ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。
【0052】
図３に示すように、０．１ＭＰａにおいて、温度に拘わらず、水蒸気の供給率が大きくなるほど、皮膜窒化率は低下する。また、０．１ＭＰａにおいて、温度が高くなるにつれて、皮膜窒化率を低下させるために必要な水蒸気の供給率は大きくなる。
【0053】
図３中、黒い丸に示すように、４００℃、０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が１ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。また、図３中、白い丸で示すように、６００℃、０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が４ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。図３中、黒い三角で示すように、７００℃、０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が７ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。また、図３中、白い三角で示すように、８００℃、０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が２０ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。
【0054】
したがって、水供給部２１０は、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度が４００℃であり、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の圧力が０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が１ｍｏｌ％以上となるように、供給水を供給する。
【0055】
また、水供給部２１０は、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度が６００℃であり、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の圧力が０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が４ｍｏｌ％以上となるように、供給水を供給する。
【0056】
水供給部２１０は、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度が７００℃であり、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の圧力が０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が７ｍｏｌ％以上となるように、供給水を供給する。
【0057】
また、水供給部２１０は、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度が８００℃であり、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の圧力が０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が２０ｍｏｌ％以上となるように、供給水を供給する。
【0058】
このように、水供給部２１０が、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２のそれぞれの温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の供給水を原料供給管１３２に供給することにより、原料供給管１３２および原料供給管１３２の下流側の部材を構成する金属の、アンモニアによる窒化を確実に防止することができる。
【0059】
なお、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２それぞれの温度のうちの最高温度として、設計値が参照されてもよいし、実測値が参照されてもよい。
【0060】
また、水供給部２１０は、最高温度に拘わらず、水蒸気の供給率が２５ｍｏｌ％以下となるように、供給水を供給する。これにより、水供給部２１０は、燃料電池本体１２０の発電効率が低下してしまう事態を回避することが可能となる。
【0061】
また、上記したように、水供給部２１０は、ドレンタンク２０２に貯留された水を供給水として供給する。ドレンタンク２０２に貯留された水は、燃料電池本体１２０が運転されることによって生じる。したがって、ドレンタンク２０２に貯留された水を用いることにより、窒化防止のための水のコストを削減することができる。
【0062】
図１に戻って説明すると、水素供給部２２０は、燃料電池システム１００を起動する際に、原料供給管１３２に水素を供給する。本実施形態において、水素供給部２２０は、配管２２２と、流量調整機構２２４とを含む。配管２２２は、水素の供給源１０４と、原料供給管１３２とを連通する。水素の供給源１０４は、例えば、水素を貯留する高圧容器（ボンベ）である。流量調整機構２２４は、配管２２２に設けられる。流量調整機構２２４は、例えば、マスフローコントローラ、または、ポンプである。流量調整機構２２４は、配管２２２を流れる水素の流量を調整する。
【0063】
窒素供給部２３０は、燃料電池システム１００を起動する際および停止する際に、配管２２２およびアノード排気管１６０に窒素を供給する。本実施形態において、窒素供給部２３０は、配管２３２ａ、２３２ｂと、流量調整機構２３４ａ、２３４ｂとを含む。配管２３２ａは、窒素の供給源１０６と、配管２２２とを連通する。配管２３２ｂは、窒素の供給源１０６と、カソード排気管１６２とを連通する。窒素の供給源１０６は、例えば、窒素を貯留する高圧容器（ボンベ）、または、ユーティリティ配管である。窒素の供給源１０６の供給圧は、例えば、１０ｋＰａＧ以上である。
【0064】
流量調整機構２３４ａは、配管２３２ａに設けられる。流量調整機構２３４ａは、配管２３２ａを流れる窒素の流量を調整する。流量調整機構２３４ｂは、配管２３２ｂに設けられる。流量調整機構２３４ｂは、配管２３２ｂを流れる窒素の流量を調整する。流量調整機構２３４ａ、２３４ｂは、例えば、マスフローコントローラ、または、ポンプである。
【0065】
インバータ２４０は、燃料電池本体１２０の燃料極１２２および空気極１２４に接続される。インバータ２４０は、燃料電池本体１２０から出力された直流電流を交流電流に変換して負荷に供給する。インバータ２４０は、燃料電池本体１２０におけるセルスタックの積層数、燃料電池本体１２０の数、負荷の接続方式（直列、または、並列）、負荷の電圧（１００Ｖ、２００Ｖ等）に基づいて、設計される。なお、燃料電池本体１２０から出力される電圧が負荷の電圧より低い場合、インバータ２４０の前段に昇圧器（ＤＣ－ＤＣコンバータ）が設けられる。
【0066】
操作部２４２は、タッチパネル、または、ハードスイッチで構成される。操作部２４２は、ユーザによる操作入力を受け付けると、受け付けた操作入力の種類に応じた信号を中央制御部２５０に出力する。操作入力は、例えば、運転（発電）開始、運転停止等である。
【0067】
中央制御部２５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路（制御基板、または、ＰＬＣ（programmable logic controller））で構成される。中央制御部２５０は、ＲＯＭからＣＰＵを動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部２５０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して燃料電池システム１００全体を管理および制御する。
【0068】
本実施形態において、中央制御部２５０は、操作部２４２から出力された信号に基づき、流量調整機構１３４、２２４、２３４ａ、２３４ｂ、ブロワ１５２ｃ、流量調整弁１５２ｄ、１５８、空気加熱器１５４、水供給部２１０（ポンプ２１２）、および、インバータ２４０を制御する（図２参照）。中央制御部２５０による制御については、後に詳述する。
【0069】
筐体２６０は、密閉容器１１０、燃料供給部１３０の一部、酸素含有ガス供給部１５０、アノード排気管１６０、カソード排気管１６２、オフガス燃焼器１７０、凝縮器２００、ドレンタンク２０２、水供給部２１０、水素供給部２２０の一部、窒素供給部２３０の一部、インバータ２４０、中央制御部２５０、換気部２６２を収容する。つまり、アンモニアの供給源１０２、水素の供給源１０４、窒素の供給源１０６、および、操作部２４２は、筐体２６０外に配される。
【0070】
筐体２６０は、吸気口２６０ａおよび排気口２６０ｂが形成される。吸気口２６０ａには、フィルタ２６０ｃが設けられる。フィルタ２６０ｃは、大気中のダストを除塵する。
【0071】
換気部２６２は、例えば、ファンで構成される。換気部２６２は、筐体２６０内の空気を、排気口２６０ｂを通じて外部に排気する。これにより、吸気口２６０ａを通じて外部から筐体２６０内に大気（空気）が導入される。つまり、換気部２６２は、筐体２６０内を換気する。換気部２６２は、筐体２６０内の温度が所定の温度（例えば、５０℃程度）になるように、筐体２６０内を換気する。
【0072】
電池温度センサ２７０は、燃料電池本体１２０の温度を計測する。分解器温度センサ２７２は、アンモニア分解器１４０の温度を計測する。水位センサ２７４は、ドレンタンク２０２の水位を計測する。排気ガスセンサ２７６は、凝縮器２００から排気された燃焼排ガスに含まれるアンモニアおよび水素の濃度を計測する。燃焼温度センサ２７８は、オフガス燃焼器１７０の温度を計測する。
【0073】
中央制御部２５０は、所定の流量のアンモニアがアンモニア分解器１４０に供給されるように、流量調整機構１３４を制御する。
【0074】
中央制御部２５０は、運転中において、電池温度センサ２７０によって計測される燃料電池本体１２０の温度が燃料電池本体１２０の発電効率が最大となる温度となるように、発電負荷、および、空気供給装置１５２のうちのいずれか一方または両方を制御する。燃料電池本体１２０の発電効率が最大となる温度は、例えば、６００℃以上８００℃以下である。
【0075】
また、中央制御部２５０は、運転中において、分解器温度センサ２７２によって計測されるアンモニア分解器１４０の温度が、アンモニアの分解効率が最大となる温度となるように、流量調整機構１３４、空気供給装置１５２、および、燃料電池本体１２０の発電出力のうちのいずれか１または複数を制御する。アンモニアの分解効率が最大となる温度は、例えば、７００℃以上８００℃以下である。
【0076】
中央制御部２５０は、運転中において、水位センサ２７４によって計測されるドレンタンク２０２の水位が所定範囲内となるように、ドレンタンク２０２に設けられた排水弁を開閉制御する。
【0077】
また、中央制御部２５０は、運転中において、排気ガスセンサ２７６によって計測されるアンモニアの濃度が規制値以下となるように、流量調整機構１３４を制御する。中央制御部２５０は、運転中において、排気ガスセンサ２７６によって計測される水素の濃度が所定値を超えると、インバータ２４０を制御して燃料電池本体１２０による発電を停止する。所定値は、爆発範囲を基準に決定され、例えば、２５％ＬＥＬ（爆発下限濃度）である。
【0078】
また、中央制御部２５０は、運転中において、燃焼温度センサ２７８によって計測されるオフガス燃焼器１７０の温度が触媒の活性温度（または、耐熱温度）に維持されるように、流量調整弁１５８の開度を調整する。
【0079】
また、中央制御部２５０は、運転中において、燃料電池本体１２０の発電出力、および、負荷に基づいて、インバータ２４０を制御する。
【0080】
また、中央制御部２５０は、起動時において、流量調整機構２２４、２３４ａ、２３４ｂを開く。中央制御部２５０は、起動時において、燃料電池本体１２０が通常運転温度に到達するように、空気加熱器１５４を駆動し、流量調整弁１５２ｄの開度を調整する。また、中央制御部２５０は、停止時において、流量調整機構２３４ａ、２３４ｂを開く。
【0081】
［燃料電池システム１００の運転方法］
続いて、燃料電池システム１００の運転方法について説明する。図４は、燃料電池システム１００の運転方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図４に示すように、燃料電池システム１００の運転方法は、供給処理Ｓ１１０を含む。
続いて、燃料電池システム１００の運転方法について説明する。図４は、燃料電池システム１００の運転方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図４に示すように、燃料電池システム１００の運転方法は、供給処理Ｓ１１０を含む。
【0082】
供給処理Ｓ１１０は、水供給部２１０によって、原料供給管１３２に供給水を供給する処理である。例えば、中央制御部２５０は、水供給部２１０によって供給される供給水の量が、下限値以上、上限値以下となるように、ポンプ２１２を制御する。下限値は、上記燃料電池本体１２０の温度、アンモニア分解器１４０の温度、水素供給管１４２の温度、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度に基づいて決定される水蒸気の供給率に対応する値である。上限値は、水蒸気の供給率２５ｍｏｌ％に対応する値である。
【0083】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１００およびこれを用いた燃料電池システム１００の運転方法は、アンモニアによる腐食を抑制することが可能となる。
【0084】
【0085】
図５、図６に示すように、燃料電池システム３００は、密閉容器３１０と、１または複数の燃料電池本体３２０と、燃料供給部３３０と、アンモニア分解器３５０と、水素供給管３５２と、酸素含有ガス供給部３６０と、熱交換器３８０と、酸素含有ガス供給管３９０と、排気管３９２と、凝縮器４００と、ドレンタンク４０２と、水導入部４０４と、水導入管４０６と、水蒸気生成部４０８と、窒素供給部４１０と、インバータ４２０と、操作部４３０と、中央制御部４４０と、筐体４５０と、換気部４６０と、電池温度センサ４７０と、分解器温度センサ４７２と、水位センサ４７４と、排気ガスセンサ４７６と、水供給部２１０と、を含む。
【0086】
【0087】
また、上記燃料電池システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0088】
本実施形態に係る燃料電池システム３００は、アノードオフガスおよびカソードオフガスが密閉容器３１０内で反応する開放系の燃料電池システム３００である。
【0089】
密閉容器３１０は、後述する燃料電池本体３２０、アンモニア分解器３５０、水素供給管３５２、熱交換器３８０、酸素含有ガス供給管３９０、および、水蒸気生成部４０８を少なくとも収容する。密閉容器３１０は、燃料電池本体３２０から外部への伝熱を抑制する。密閉容器３１０は、断熱材で構成された容器、または、真空容器である。
【0090】
燃料電池本体３２０は、セルスタックで構成される。燃料電池本体３２０は、燃料極１２２、マニホールド３２４、空気極１２４、および、電解質１２６を含む。
【0091】
本実施形態において、燃料極１２２には、マニホールド３２４が連通される。また、本実施形態において、空気極１２４は、密閉容器３１０の内部空間に露出する。
【0092】
マニホールド３２４には、燃料ガス供給口３２４ａと、アノードオフガス排気口３２４ｂとが設けられる。燃料ガス供給口３２４ａには、水素供給管３５２が連通される。アノードオフガス排気口３２４ｂは、密閉容器３１０の内部空間に臨む。つまり、アノードオフガス排気口３２４ｂは、密閉容器３１０内に臨む開口である。燃料極１２２は、マニホールド３２４の内部空間に露出する。マニホールド３２４は、燃料電池本体３２０が生じる熱によって加熱される。
【0093】
燃料供給部３３０は、アンモニアを少なくとも含む原料ガスをアンモニア分解器３５０に供給する。本実施形態において、燃料供給部３３０は、原料供給管３３２と、減圧弁３３４と、遮断弁３３６と、流量調整機構３３８と、水素発生器３４０とを含む。
【0094】
原料供給管３３２は、アンモニアの供給源１０２と、アンモニア分解器３５０とを連通する。減圧弁３３４は、原料供給管３３２におけるアンモニアの供給源１０２の下流側に設けられる。減圧弁３３４は、アンモニアの供給源１０２から供給されるアンモニアを減圧する。遮断弁３３６は、原料供給管３３２における減圧弁３３４の下流側に設けられる。遮断弁３３６は、原料供給管３３２に形成される流路を開閉する。流量調整機構３３８は、原料供給管３３２における遮断弁３３６の下流側に設けられる。流量調整機構３３８は、例えば、マスフローコントローラ、または、ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ、または、回転翼式ポンプ）である。流量調整機構３３８は、原料供給管３３２を流れるアンモニアの流量を調整する。
【0095】
水素発生器３４０は、原料供給管３３２における流量調整機構３３８の下流側に設けられる。水素発生器３４０は、アンモニアの分解を促進する触媒が収容された収容部と、触媒を加熱する電気ヒータとを含む。触媒は、例えば、ニッケル系触媒、および、ルテニウム系触媒のうちのいずれか一方または両方である。水素発生器３４０（電気ヒータ）は、燃料電池システム３００を起動する際に動作する。本実施形態において、水素発生器３４０が有する触媒の量は、アンモニア分解器３５０が有する触媒よりも少ない。
【0096】
アンモニア分解器３５０には、アンモニアの分解を促進する触媒が配される。本実施形態において、アンモニア分解器３５０は、アノードオフガス排気口３２４ｂに直接対向する。つまり、アンモニア分解器３５０とアノードオフガス排気口３２４ｂとの間には、遮蔽物が配されない。詳しくは後述するが、燃料ガス供給口３２４ａから排気されたアノードオフガスは、燃料ガス供給口３２４ａ（燃料電池本体３２０）の近傍において、密閉容器３１０内の雰囲気ガスである、カソードオフガスおよび空気のうちのいずれか一方または両方と反応（酸化反応、燃焼反応）して反応後ガスが生成される。このため、アンモニア分解器３５０には、この反応熱（燃焼熱）が直接伝達される。また、生成された反応後ガスは、アノードオフガス排気口３２４ｂから排気されたアノードオフガスの流れに伴い、アンモニア分解器３５０に衝突する。したがって、アンモニア分解器３５０は、反応熱および反応後ガスが有する顕熱によって、例えば、４００℃以上８００以下に加熱される。
【0097】
水素供給管３５２は、マニホールド３２４を介して、燃料極１２２とアンモニア分解器３５０とを連通する。
【0098】
酸素含有ガス供給部３６０は、酸素含有ガスを熱交換器３８０に供給する。酸素含有ガスは、少なくとも酸素を含む。酸素含有ガスは、例えば、空気、酸素富化空気である。ここでは、酸素含有ガスが空気である場合を例に挙げる。
【0099】
本実施形態において、酸素含有ガス供給部３６０は、空気供給装置３６２と、空気供給管３６４と、流量調整弁３６６と、バイパス管３６８と、流量調整弁３７０と、空気加熱器３７２とを含む。
【0100】
空気供給装置３６２は、後述するフィルタ４５２ａによって除塵された空気を昇圧する。空気供給装置３６２は、空気を、例えば、１０ｋＰａＧ以上の圧力に昇圧する。空気供給装置３６２は、例えば、ブロワ、ダイヤフラムポンプ、または、ファンである。空気供給装置３６２の吸入側は、フィルタに連通される。空気供給装置３６２の吐出側は、空気供給管３６４に連通される。空気供給管３６４は、空気供給装置３６２の吐出側と、熱交換器３８０の空気入口１８２ａとを連通する。流量調整弁３６６は、空気供給管３６４に設けられる。流量調整弁３６６は、空気供給管３６４を流れる空気の流量を調整する。
【0101】
バイパス管３６８は、空気供給管３６４における空気供給装置３６２と流量調整弁３６６との間と、酸素含有ガス供給管３９０とを連通する。バイパス管３６８には、流量調整弁３７０および空気加熱器３７２が設けられる。流量調整弁３７０は、バイパス管３６８を流れる空気の流量を調整する。空気加熱器３７２は、バイパス管３６８における流量調整弁３７０の下流側に設けられる。空気加熱器３７２は、バイパス管３６８を流れる空気を、例えば、９００℃程度に加熱する。空気加熱器３７２は、例えば、電気ヒータである。空気加熱器３７２は、燃料電池システム３００を起動する際に動作する。
【0102】
熱交換器３８０は、空気と、反応後ガスとを熱交換させる。これにより、反応後ガスの顕熱によって空気が加熱される。一方、反応後ガスは、空気によって徐熱される。熱交換器３８０は、空気流路３８２と、反応後ガス流路３８４とを含む。
【0103】
空気流路３８２には、空気入口３８２ａと、空気出口３８２ｂとが形成される。空気入口３８２ａには、空気供給管３６４が接続される。空気出口３８２ｂ（酸素含有ガスの出口）には、酸素含有ガス供給管３９０が接続される。空気流路３８２には、空気入口３８２ａを通じて空気供給装置３６２から供給された空気が流れ、空気出口３８２ｂから排気される。
【0104】
反応後ガス流路３８４には、反応後ガス入口３８４ａと、反応後ガス出口３８４ｂとが形成される。反応後ガス入口３８４ａは、密閉容器３１０の内部空間と連通する。つまり、反応後ガス入口３８４ａは、密閉容器３１０内に臨む開口である。反応後ガス出口３８４ｂには、排気管３９２が接続される。反応後ガス流路３８４には、反応後ガス入口３８４ａを通じて密閉容器３１０内で生じた反応後ガスが流れ、反応後ガス出口３８４ｂから排気される。
【0105】
本実施形態において、空気流路３８２における空気の流れと、反応後ガス流路３８４における反応後ガスの流れとは、対向する。
【0106】
酸素含有ガス供給管３９０は、熱交換器３８０における空気出口３８２ｂに接続され、開口が空気極１２４に臨む。本実施形態において、酸素含有ガス供給管３９０の先端側は、複数の分岐管３９０ａに分岐されている。そして、複数の分岐管３９０ａの先端に開口が形成される。これらの開口は、空気極１２４に対向する。
【0107】
上記したように、燃料供給部３３０によって、原料供給管３３２にアンモニアを含む燃料ガスが供給されると、アンモニア分解器３５０の通過過程で、アンモニアの少なくとも一部が分解されて、水素が生成される（上記反応式（１））。また、燃料極１２２上においてもアンモニアが分解されて、上記反応式（１）に示すように水素が生成される。したがって、燃料極１２２に水素が供給されることになり、燃料極１２２において、上記反応式（２）に示す酸化反応が進行する。
【0108】
また、上記したように、空気は、酸素含有ガス供給部３６０、熱交換器３８０、および、酸素含有ガス供給管３９０を通じて、空気極１２４に供給される。これにより、空気極１２４において、上記反応式（３）に示す還元反応が進行する。そして、酸化物イオンが電解質１２６を伝導することにより、燃料電池本体３２０が発電する。燃料電池本体３２０は、例えば、４００℃以上の所定の温度に到達すると、発電を開始し、この発電の際に生じるジュール熱によって燃料電池本体３２０自体の温度が上昇する。
【0109】
そして、上記反応式（２）に示す酸化反応が進行した結果生じるアノードオフガス（水（水蒸気）、水素、および、アンモニアを含む）は、燃料ガス供給口３２４ａを通じて密閉容器３１０内に排気される。また、上記反応式（３）に示す反応が進行した結果生じるカソードオフガス（酸素、窒素を含む）は、密閉容器３１０内に排気される。そうすると、密閉容器３１０内において、カソードオフガスおよび空気のうちのいずれか一方または両方ならびにアノードオフガスが反応して、反応後ガスが生成される。こうして生成された反応後ガスは、熱交換器３８０の反応後ガス入口３８４ａを通じて、反応後ガス流路３８４に導かれる。
【0110】
排気管３９２の一端は、熱交換器３８０の反応後ガス出口３８４ｂに接続される。排気管３９２の他端は、大気開放される。排気管３９２の他端は、筐体４５０外に配される。
【0111】
凝縮器４００は、熱交換器３８０から排気され、排気管３９２を通過する、例えば、４００℃以上の反応後ガスと、水（例えば、給水）とを熱交換させる。これにより、反応後ガスが冷却され、反応後ガス中の水蒸気が凝縮して水（液）が生成される。一方、反応後ガスが有する顕熱によって加熱された水は、給湯として不図示の温水利用設備に供給されたり、不図示の熱交換器によって空冷されたりする。凝縮器４００は、例えば、ラジエータで構成される。なお、凝縮器４００によって使用される給水は、反応後ガスから生成される水の５０％以上３００％以下である。
【0112】
ドレンタンク４０２は、凝縮器４００によって生じた水（ドレン）を貯留する。なお、燃料電池システム３００の起動前において、ドレンタンク４０２は、所定量の水を貯留する。ドレンタンク４０２には、不図示の排水弁が設けられる。排水弁が開弁されると、ドレンタンク４０２から水が排出される。
【0113】
水導入部４０４は、熱交換器３８０を通過する空気に水を導入する。水導入部４０４は、例えば、ポンプである。水導入部４０４の吸入側は、ドレンタンク４０２に連通される。水導入部４０４の吐出側は、水導入管４０６に連通される。
【0114】
水導入管４０６は、水導入部４０４の吐出側と、熱交換器３８０の空気流路３８２とを連通する。
【0115】
水蒸気生成部４０８は、水導入管４０６の途中に設けられる。本実施形態において、水蒸気生成部４０８は、密閉容器３１０内における、反応後ガス入口３８４ａの近傍に設けられる。水蒸気生成部４０８は、複数の直管部４０８ａと、複数の接続部４０８ｂとを有する配管である。直管部４０８ａは、反応後ガス入口３８４ａに対向して設けられる。接続部４０８ｂは、隣り合う直管部４０８ａ同士を連通する。水蒸気生成部４０８を通過する水は、密閉容器３１０内の反応後ガスと熱交換される。これにより、水が加熱され、水蒸気が生成される。水蒸気生成部４０８によって生成された水蒸気は、熱交換器３８０の空気流路３８２に導入される。
【0116】
窒素供給部４１０は、窒素を原料供給管３３２に供給する。窒素供給部４１０は、燃料電池システム３００を起動する際に動作する。本実施形態において、窒素供給部４１０は、窒素供給管４１２と、減圧弁４１４と、遮断弁４１６と、流量調整弁４１８とを含む。
【0117】
窒素供給管４１２は、窒素の供給源１０６と、原料供給管３３２における流量調整機構３３８と、水素発生器３４０との間を連通する。減圧弁４１４は、窒素供給管４１２における窒素の供給源１０６の下流側に設けられる。減圧弁４１４は、窒素の供給源１０６から供給される窒素を減圧する。遮断弁４１６は、窒素供給管４１２における減圧弁４１４の下流側に設けられる。遮断弁４１６は、窒素供給管４１２に形成される流路を開閉する。流量調整弁４１８は、窒素供給管４１２における遮断弁４１６の下流側に設けられる。流量調整弁４１８は、窒素供給管４１２を流れる窒素の流量を所定値に維持する。流量調整弁４１８は、例えば、ニードル弁、または、オリフィスである。
【0118】
インバータ４２０は、燃料電池本体３２０の燃料極１２２および空気極１２４に接続される。インバータ４２０は、燃料電池本体３２０から出力された直流電流を交流電流に変換して負荷に供給する。インバータ４２０は、燃料電池本体３２０におけるセルスタックの積層数、燃料電池本体３２０の数、負荷の接続方式（直列、または、並列）、負荷の電圧（３００Ｖ、４００Ｖ等）に基づいて、設計される。なお、燃料電池本体３２０から出力される電圧が負荷の電圧より低い場合、インバータ４２０の前段に昇圧器（ＤＣ－ＤＣコンバータ）が設けられる。
【0119】
操作部４３０は、タッチパネル、または、ハードスイッチで構成される。操作部４３０は、ユーザによる操作入力を受け付けると、受け付けた操作入力の種類に応じた信号を中央制御部４４０に出力する。操作入力は、例えば、起動、通常運転（発電）開始、停止等である。
【0120】
中央制御部４４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路（制御基板、または、ＰＬＣ（programmable logic controller））で構成される。中央制御部４４０は、ＲＯＭからＣＰＵを動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出す。中央制御部４４０は、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して燃料電池システム３００全体を管理および制御する。
【0121】
本実施形態において、中央制御部４４０は、操作部４３０から出力された信号に基づき、遮断弁３３６、流量調整機構３３８、水素発生器３４０、空気供給装置３６２、流量調整弁３６６、３７０、空気加熱器３７２、水導入部４０４、遮断弁４１６、インバータ４２０、および、水供給部２１０（ポンプ２１２）を制御する（図６参照）。中央制御部４４０による制御については、後に詳述する。
【0122】
筐体４５０は、密閉容器３１０、燃料供給部３３０の一部、酸素含有ガス供給部３６０、凝縮器４００、ドレンタンク４０２、水導入部４０４、窒素供給部４１０の一部、インバータ４２０、中央制御部４４０、換気部４６０、および、水供給部２１０を収容する。つまり、アンモニアの供給源１０２、減圧弁３３４、窒素の供給源１０６、減圧弁４１４、および、操作部４３０は、筐体４５０外に配される。
【0123】
筐体４５０は、吸気口４５２および排気口４５４が形成される。吸気口４５２には、フィルタ４５２ａが設けられる。フィルタ４５２ａは、大気中のダストを除塵する。
【0124】
換気部４６０は、例えば、ファンで構成される。換気部４６０は、筐体４５０内の空気を、排気口４５４を通じて外部に排気する。これにより、吸気口４５２を通じて外部から筐体４５０内に大気（空気）が導入される。つまり、換気部４６０は、筐体４５０内を換気する。換気部４６０は、筐体４５０内の温度が所定の温度（例えば、５０℃程度）になるように、筐体４５０内を換気する。
【0125】
電池温度センサ４７０は、燃料電池本体３２０の温度を計測する。分解器温度センサ４７２は、アンモニア分解器３５０の温度を計測する。水位センサ４７４は、ドレンタンク４０２の水位を計測する。排気ガスセンサ４７６は、凝縮器４００から排気された反応後ガスに含まれるアンモニアおよび水素の濃度を計測する。
【0126】
中央制御部４４０は、運転中において、電池温度センサ４７０によって計測される燃料電池本体３２０の温度が燃料電池本体３２０の発電効率が最大となる温度となるように、水導入部４０４の出力、発電負荷、空気供給装置３６２のうち、いずれか１または複数を制御する。燃料電池本体３２０の発電効率が最大となる温度は、例えば、６００℃以上８００℃以下である。
【0127】
また、中央制御部４４０は、運転中において、分解器温度センサ４７２によって計測されるアンモニア分解器３５０の温度が、アンモニアの分解効率が最大となる温度となるように、流量調整機構３３８、空気供給装置３６２、水導入部４０４の出力、および、燃料電池本体３２０の発電出力のうちのいずれか１または複数を制御する。アンモニアの分解効率が最大となる温度は、例えば、７００℃以上８００℃以下である。
【0128】
中央制御部４４０は、運転中において、水位センサ４７４によって計測されるドレンタンク４０２の水位が所定範囲内となるように、ドレンタンク４０２に設けられた排水弁を開閉制御する。
【0129】
また、中央制御部４４０は、運転中において、排気ガスセンサ４７６によって計測されるアンモニアの濃度が規制値以下となるように、流量調整機構３３８を制御する。中央制御部４４０は、運転中において、排気ガスセンサ４７６によって計測される水素の濃度が所定値を超えると、インバータ４２０を制御して燃料電池本体３２０による発電を停止する。所定値は、爆発範囲を基準に決定され、例えば、４５％ＬＥＬ（爆発下限濃度）である。
【0130】
また、中央制御部４４０は、起動時において、水素発生器３４０および空気加熱器３７２を動作させる。
【0131】
また、本実施形態において、水供給部２１０は、供給水を原料供給管３３２に供給する。本実施形態において、水供給部２１０は、供給水として、ドレンタンク４０２に貯留された水（液）を気化し、水蒸気として原料供給管３３２に供給する。
【0132】
本実施形態において、水供給部２１０は、ポンプ２１２と、水供給管２１４と、気化器２１６と、を含む。ポンプ２１２の吸入側は、ドレンタンク４０２に連通される。ポンプ２１２の吐出側は、水供給管２１４に連通される。水供給管２１４は、ポンプ２１２の吐出側と、原料供給管３３２における密閉容器３１０内に配される箇所とを連通する。気化器２１６は、水供給管２１４に設けられる。本実施形態において、気化器２１６は、密閉容器３１０内に設けられる。気化器２１６は、水を気化して水蒸気とする。
【0133】
また、本実施形態において、中央制御部４４０は、水供給部２１０によって供給される供給水の量が、下限値以上、上限値以下となるように、ポンプ２１２を制御する。
【0134】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム３００は、アンモニアによる腐食を抑制することが可能となる。
【0135】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【0136】
例えば、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、燃料電池本体１２０、３２０として、固体酸化物形燃料電池を例に挙げた。しかし、燃料電池本体１２０、３２０の種類に限定はない。例えば、燃料電池本体１２０、３２０は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のうちのいずれか１または複数であってもよい。
【0137】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、水供給部２１０が水蒸気を原料供給管１３２、３３２に供給する場合を例に挙げた。しかし、水供給部２１０は、液体の水を供給水として原料供給管１３２、３３２に供給してもよい。この場合、水供給部２１０は、原料供給管１３２、３３２において、水が凝縮しない温度（例えば、０．１ＭＰａで１００℃）以上の箇所に水を供給する。これにより、水供給部２１０によって供給された水を、原料供給管１３２において水蒸気とすることができる。また、この場合、気化器２１６を省略することが可能となる。
【0138】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、水供給部２１０が、原料供給管１３２、３３２における密閉容器１１０、３１０内に配される箇所に供給水を供給する場合を例に挙げた。しかし、水供給部２１０は、原料供給管１３２、３３２における、水が凝縮しない温度の領域であれば、密閉容器１１０、３１０外の領域に供給水を供給してもよい。例えば、水供給部２１０は、第２の実施形態の燃料電池システム３００を起動時において、原料供給管３３２における水素発生器３４０の下流側に供給水を供給してもよい。
【0139】
また、上記実施形態において、水供給部２１０が、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２それぞれの温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の供給水を原料供給管１３２に供給する場合を例に挙げた。しかし、水供給部２１０は、最高温度に加えて、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の圧力に基づいて、供給水の供給量を決定してもよい。
【0140】
図７は、異なる圧力における、水蒸気の供給率と皮膜窒化率との関係を示す図である。図７中、縦軸は、皮膜窒化率［％］を示す。図７中、横軸は、水蒸気の供給率［ｍｏｌ％］を示す。図７中、黒い三角は、７００℃、０．１ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。図７中、黒い四角は、７００℃、０．２ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。図７中、白い四角は、７００℃、０．６ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。図７中、白い三角は、７００℃、１．１ＭＰａの際の水蒸気の供給率と、皮膜窒化率との関係を示す。
【0141】
図７に示すように、圧力に拘わらず、水蒸気の供給率が大きくなるほど、皮膜窒化率は低下する。また、７００℃において、圧力が高くなるにつれて、皮膜窒化率を低下させるために必要な水蒸気の供給率は小さくなる。
【0142】
図７中、黒い三角で示すように、７００℃、０．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が７ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。図７中、黒い四角で示すように、７００℃、０．２ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が６．５ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。図７中、白い四角で示すように、７００℃、０．６ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が５．２ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。図７中、白い三角で示すように、７００℃、１．１ＭＰａである場合、水蒸気の供給率が４．５ｍｏｌ％以上であると、皮膜窒化率は０％となる。
【0143】
したがって、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の圧力Ｐが、０．１ＭＰａ超である場合、水供給部２１０は、下記式（４）を用いて算出された水蒸気の供給率Ｐとなるように供給水を供給する。
水蒸気の供給率Ｐ ＝ α × 水蒸気の供給率Ｐ０．１ …式（４）
上記式（４）において、供給率Ｐ０．１は、上記第１の実施形態において説明した、最高温度によって決定される水蒸気の供給率の下限値である。また、αは、１以下の係数である。αは、例えば、下記式（５）を用いて算出できる。
α ＝ －０．１０４ × ｌｎ（圧力Ｐ）＋０．４３７ …式（５）
水蒸気の供給率Ｐ ＝ α × 水蒸気の供給率Ｐ０．１ …式（４）
上記式（４）において、供給率Ｐ０．１は、上記第１の実施形態において説明した、最高温度によって決定される水蒸気の供給率の下限値である。また、αは、１以下の係数である。αは、例えば、下記式（５）を用いて算出できる。
α ＝ －０．１０４ × ｌｎ（圧力Ｐ）＋０．４３７ …式（５）
【0144】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、燃料電池システム１００、３００が凝縮器２００、４００を備える場合を例に挙げた。しかし、凝縮器２００、４００は必須の構成ではない。いずれにせよ、水供給部２１０は、空気極１２４から排気されたアノードオフガスを燃焼させた後の燃焼排ガスに含まれる水を供給水として供給することができればよい。例えば、燃料電池システム１００、３００は、凝縮器２００、４００に代えて、燃焼排ガスから水を取り出す分離膜を備えていてもよい。この場合であっても、燃料電池システム１００、３００は、アンモニアによる腐食を抑制することが可能となる。
【0145】
また、上記第１の実施形態において、水供給部２１０が、燃料電池本体１２０、アンモニア分解器１４０、水素供給管１４２、および、原料供給管１３２の温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の供給水を原料供給管１３２に供給する場合を例に挙げた。同様に、第２の実施形態において、水供給部２１０が、燃料電池本体３２０、アンモニア分解器３５０、水素供給管３５２、および、原料供給管３３２の温度のうちの最高温度に基づいて決定される量以上の供給水を原料供給管３３２に供給する場合を例に挙げた。しかし、水供給部２１０が供給する供給水の量に限定はない。例えば、水供給部２１０は、予め定めれられた量（上限値（例えば、０．１ＭＰａの場合、水蒸気の供給率２５ｍｏｌ％に対応する値）の供給水を供給してもよい。
【0146】
また、上記第１の実施形態において、水供給部２１０が、原料供給管１３２における、水が凝縮しない温度の領域に、供給水を供給する場合を例に挙げた。同様に、第２の実施形態において、水供給部２１０が、原料供給管３３２における、水が凝縮しない温度の領域に、供給水を供給する場合を例に挙げた。しかし、水供給部２１０は、原料供給管１３２、３３２に供給水を供給できれば、供給箇所に限定はない。
【0147】
本開示は、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギーへのアクセスを確保する」、目標８「すべての人々のための包摂的かつ持続可能な経済成長、雇用およびディーセント・ワークを推進する」、目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」、目標１３「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」に貢献することができる。
【符号の説明】
【0148】
１００ 燃料電池システム
１０２ 供給源
１１０ 密閉容器
１２０ 燃料電池本体
１２２ 燃料極
１２４ 空気極
１２６ 電解質
１３２ 原料供給管
１４０ アンモニア分解器
１４２ 水素供給管
２００ 凝縮器
２１０ 水供給部
３００ 燃料電池システム
３１０ 密閉容器
３２０ 燃料電池本体
３３２ 原料供給管
３５０ アンモニア分解器
３５２ 水素供給管
４００ 凝縮器
１０２ 供給源
１１０ 密閉容器
１２０ 燃料電池本体
１２２ 燃料極
１２４ 空気極
１２６ 電解質
１３２ 原料供給管
１４０ アンモニア分解器
１４２ 水素供給管
２００ 凝縮器
２１０ 水供給部
３００ 燃料電池システム
３１０ 密閉容器
３２０ 燃料電池本体
３３２ 原料供給管
３５０ アンモニア分解器
３５２ 水素供給管
４００ 凝縮器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】