特開 2024-82777 燃料電池システム

(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】P2024082777

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0606 20160101AFI20240613BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20240613BHJP

   C01B 3/04 20060101ALI20240613BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0606

H01M8/0662

C01B3/04 B

C01B3/56 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196874

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103517

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 寛之

(74)【代理人】

【識別番号】100149607

【弁理士】

【氏名又は名称】宇田 新一

(72)【発明者】

【氏名】島村 遼一

(72)【発明者】

【氏名】松山 翔

(72)【発明者】

【氏名】内藤 一哉

(72)【発明者】

【氏名】倉田 怜

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 鉄也

【テーマコード（参考）】

4G140

5H127

【Ｆターム（参考）】

4G140FA02

4G140FB06

4G140FC01

4G140FD01

4G140FE02

5H127AB04

5H127AC15

5H127BA01

5H127BA21

5H127BA28

5H127BA57

(57)【要約】

【課題】省電力化を図ることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、アンモニアを貯留するアンモニアタンク２と、アンモニアタンク２から供給される前記アンモニアの一部を、窒素および水素に分解する第１プラズマリアクタ３と、第１プラズマリアクタ３から供給されるアンモニアの残部、窒素および水素の混合物から、アンモニアの残部を分離する分離膜４と、分離膜４から供給される前記アンモニアの残部を、窒素および水素に分解する第２プラズマリアクタ５と、分離膜４から供給される窒素および水素の混合物、および、第２プラズマリアクタ５から供給される窒素および水素の混合物が供給される燃料電池１００とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンモニアを貯留するアンモニアタンクと、
前記アンモニアタンクから供給される前記アンモニアの一部を、窒素および水素に分解する第１プラズマリアクタと、
前記第１プラズマリアクタから供給される前記アンモニアの残部、窒素および水素の混合物から、前記アンモニアの残部を分離する分離膜と、
前記分離膜から供給される前記アンモニアの残部を、窒素および水素に分解する第２プラズマリアクタと、
前記分離膜から供給される窒素および水素の混合物、および、前記第２プラズマリアクタから供給される窒素および水素の混合物が供給される燃料電池とを備える、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、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境保護の観点から、燃料電池の燃料として、水素燃料が注目されている。このような水素燃料は、例えば、燃料改質装置によって製造される。燃料改質装置では、アンモニアを、窒素および水素に分解し、分解された水素を抽出する。

【0003】

このような燃料改質装置として、例えば、アンモニアを、プラズマにより改質して、高濃度水素ガスを生成する改質器を備える燃料改質装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１８０５９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方、燃料改質において、省電力化が要求される。

【0006】

本発明は、省電力化を図ることができる燃料電池システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明［１］は、アンモニアを貯留するアンモニアタンクと、前記アンモニアタンクから供給される前記アンモニアの一部を、窒素および水素に分解する第１プラズマリアクタと、前記第１プラズマリアクタから供給される前記アンモニアの残部、窒素および水素の混合物から、前記アンモニアの残部を分離する分離膜と、前記分離膜から供給される前記アンモニアの残部を、窒素および水素に分解する第２プラズマリアクタと、前記分離膜から供給される窒素および水素の混合物、および、前記第２プラズマリアクタから供給される窒素および水素の混合物が供給される燃料電池とを備える、燃料電池システムである。

【0008】

このような構成によると、第１プラズマリアクタは、アンモニアタンクから供給されるアンモニアの一部を、窒素および水素に分解する。次いで、分離膜は、アンモニアの残部（第１プラズマリアクタにおいて未分解のアンモニア）を分離する。そして、第２プラズマリアクタは、分離膜から供給されるアンモニアの残部を、窒素および水素に分解する。このとき、第２プラズマリアクタにおけるアンモニアの残部の流量は、第１プラズマリアクタにおけるアンモニアの一部の流量よりも低くなる。そのため、第２プラズマリアクタにおいて、アンモニアの残部の滞留時間が長くなる。そうすると、第２プラズマリアクタは、第１プラズマリアクタよりも、低い電力でアンモニアの残部を分解できる。その結果、省電力化を図ることができる。そして、分離膜から供給される窒素および水素の混合物、および、第２プラズマリアクタから供給される窒素および水素の混合物は、燃料電池に供給される。

【発明の効果】

【0009】

本発明の燃料電池システムによれば、省電力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略図である。

【図2】図２は、第１プラズマリアクタのアンモニア分解率（アンモニアの一部の量）と、出力電力との関係、および、第２プラズマリアクタのアンモニア分解率（アンモニアの残部の量）と、出力電力との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜燃料電池システム＞
図１を参照して、本発明の燃料電池システムの一実施形態を詳述する。

【0012】

燃料電池システム１は、アンモニアタンク２と、第１プラズマリアクタ３と、アンモニア供給ライン１０と、分離膜４と、アンモニア含有混合物供給ライン１１と、第１アンモニア不含混合物供給ライン１２と、レギュレータ１３と、第２プラズマリアクタ５と、アンモニア残部供給ライン１４と、第２アンモニア不含混合物供給ライン１５と、制御部６と、燃料電池１００とを備える。また、燃料電池システム１は、図示しないポンプを、適宜の位置に備える。そして、ポンプの駆動により、後述するアンモンア、水素、および、窒素を供給可能としている。

【0013】

＜アンモニアタンク＞
アンモニアタンク２は、アンモニア（気体）を貯留するタンクである。

【0014】

また、アンモニアタンク２は、アンモニアとアンモニア以外のガス（例えば、窒素）と含む混合ガスを、貯留することもできる。このような場合には、アンモニアの濃度は、例えば、５％以上、また、例えば、２０％以下である。

【0015】

＜第１プラズマリアクタ＞
第１プラズマリアクタ３は、アンモニアタンク２から供給されるアンモニアの一部を、窒素および水素に分解する。詳しくは、第１プラズマリアクタ３は、第１プラズマリアクタ３を流れるアンモニアの全部のうち、一部（具体的には、第１プラズマリアクタ３を流れるアンモニアの、例えば、５０％超過、好ましくは、７０％以上、より好ましくは、８５％以上、また、例えば、９５％以下）を分解し、残部（具体的には、第１プラズマリアクタ３を流れるアンモニアの、例えば、５％以上、また、例えば、３０％以下、好ましくは、１５％以下、より好ましくは、５０％未満）を、分解しない。以下の説明において、アンモニアの残部とは、第１プラズマリアクタ３において未分解のアンモニアを意味する。

【0016】

第１プラズマリアクタ３は、ケーシング３０と、複数の電極３１とを備える。

【0017】

ケーシング３０は、中空の筒形状を有し、その長手方向が、アンモニアの流れ方向に沿うように、配置されている。複数の電極３１は、ケーシング３０内において、ケーシング３０の長手方向に沿って、配置されている。また、複数の電極３１は、ケーシング３０の長手方向に直交する方向に沿って、互いに間隔を隔てて配置されている。また、ケーシング３０内には、触媒（例えば、白金触媒）を配置することもできる。

【0018】

＜アンモニア供給ライン＞
アンモニア供給ライン１０は、アンモニアタンク２から、第１プラズマリアクタ３に、アンモニアを供給する。

【0019】

第１アンモニア供給ライン１０のアンモニア供給方向における上流側端部は、アンモニアタンク２に接続されている。第１アンモニア供給ライン１０のアンモニア供給方向における下流側端部は、第１プラズマリアクタ３に接続されている。

【0020】

＜分離膜＞
分離膜４は、第１プラズマリアクタ３から供給されるアンモニアの残部、窒素および水素の混合物（以下、アンモニア含有混合物と称する場合がある。）から、アンモニアの残部を分離する。分離膜４としては、アンモニアを分離できる膜であれば、特に限定されず、例えば、ゼオライト膜が挙げられる。

【0021】

＜アンモニア含有混合物供給ライン＞
アンモニア含有混合物供給ライン１１は、第１プラズマリアクタ３から、分離膜４に、アンモニア含有混合物を供給する。

【0022】

アンモニア含有混合物供給ライン１１のアンモニア含有混合物供給方向における上流側端部は、第１プラズマリアクタ３に接続されている。アンモニア含有混合物供給ライン１１のアンモニア含有混合物供給方向における下流側端部は、分離膜４に接続されている。

【0023】

＜第１アンモニア不含混合物供給ライン＞
第１アンモニア不含混合物供給ライン１２は、分離膜４から、燃料電池１００に、分離膜４によって分離された窒素および水素の混合物（以下、アンモニア不含混合物と称する場合がある。）を供給する。

【0024】

第１アンモニア不含混合物供給ライン１２のアンモニア不含混合物供給方向における上流側端部は、分離膜４に接続されている。第１アンモニア不含混合物供給ライン１２のアンモニア不含混合物供給方向における下流側端部は、燃料電池１００に接続されている。

【0025】

＜レギュレータ＞
レギュレータ１３は、分離膜４に対して、圧力を加えることによって、分離膜４の分離性能を向上させるための弁であって、第１アンモニア不含混合物供給ライン１２に介在されている。

【0026】

＜第２プラズマリアクタ＞
第２プラズマリアクタ５は、第１プラズマリアクタ３よりも消費電力が低い小型のプラズマリアクタである。

【0027】

第２プラズマリアクタ５は、分離膜４から供給されるアンモニアの残部を、窒素および水素に分解する。

【0028】

第２プラズマリアクタ５は、第１プラズマリアクタ３と同様に、ケーシング３０と、複数の電極３１とを備える。また、ケーシング３０内には、触媒（例えば、白金触媒）を配置することもできる。

【0029】

＜アンモニア残部供給ライン＞
アンモニア残部供給ライン１４は、分離膜４から、第２プラズマリアクタ５に、アンモニアの残部を供給する。

【0030】

アンモニア残部供給ライン１４のアンモニア供給方向における上流側端部は、分離膜４に接続されている。アンモニア残部供給ライン１４のアンモニア供給方向における下流側端部は、第２プラズマリアクタ５に接続されている。

【0031】

＜第２アンモニア不含混合物供給ライン＞
第２アンモニア不含混合物供給ライン１５は、第２プラズマリアクタ５から、燃料電池１００に、第２プラズマリアクタ５によって分解されたアンモニア不含混合物を供給する。

【0032】

第２アンモニア不含混合物供給ライン１５のアンモニア不含混合物供給方向における上流側端部は、第２プラズマリアクタ５に接続されている。第２アンモニア不含混合物供給ライン１５のアンモニア不含混合物供給方向における下流側端部は、燃料電池１００に接続されている。

【0033】

＜制御部＞
制御部６は、燃料電池システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、演算処理部およびメモリなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。制御部６は、図１において破線で示すように、第１プラズマリアクタ３と、第２プラズマリアクタ５と、レギュレータ１３と、ポンプ（図示せず）とに接続されている。これにより、制御部６は、第１プラズマリアクタ３と、第２プラズマリアクタ５と、レギュレータ１３と、ポンプ（図示せず）とを適宜制御している。

【0034】

＜燃料電池＞
燃料電池１００としては、例えば、燃料電池自動車、および、家庭用燃料電池が挙げられる。

【0035】

燃料電池１００には、分離膜４から供給されるアンモニア不含混合物、および、第２プラズマリアクタ５から供給されるアンモニア不含混合物が供給される。

【0036】

＜燃料電池システムの動作＞
燃料電池システム１の動作は、制御部６によって制御される。

【0037】

燃料電池システム１では、まず、第１プラズマリアクタ３において、アンモニアタンク２に貯留されたアンモニアを分解する。

【0038】

第１プラズマリアクタ３において、アンモニアタンク２に貯留されたアンモニアを分解するには、制御部６は、アンモニア供給ライン１０に介在するポンプ（図示せず）を駆動する。これにより、アンモニアタンク２から、アンモニア供給ライン１０を介して、第１プラズマリアクタ３に、アンモニアを供給する。

【0039】

第１プラズマリアクタ３に供給するアンモニアの流量は、例えば、１Ｌ／分以上、好ましくは、１０Ｌ／分以上、また、例えば、５０Ｌ／分以下、好ましくは、３０Ｌ／分以下である。

【0040】

次いで、制御部６は、第１プラズマリアクタ３に電圧を印加する（第１プラズマリアクタ３において、プラズマを発生させる）。これにより、第１プラズマリアクタ３において、アンモニアを、窒素および水素に分解する。

【0041】

第１プラズマリアクタ３の出力電力は、例えば、２００Ｗ以上、また、例えば、４０００Ｗ以下である。

【0042】

第１プラズマリアクタ３は、第１プラズマリアクタ３を流れるアンモニアの全部のうち、一部を分解し、残部を分解しない。

【0043】

そして、アンモニアの残部を含むアンモニア含有混合物は、アンモニア含有混合物供給ライン１１を介して、第１プラズマリアクタ３から分離膜４に供給される。

【0044】

分離膜４では、アンモニア含有混合物を、アンモニア不含混合物（窒素および水素の混合物）と、アンモニアの残部とに分離する。

【0045】

このとき、制御部６が、レギュレータ１３を制御し、分離膜４に対して、圧力を加えることによって、ポンプによらず、上記分離を実施できる。

【0046】

分離されたアンモニア不含混合物は、第１アンモニア不含混合物供給ライン１２を介して、分離膜４から燃料電池１００に供給される。

【0047】

一方、分離されたアンモニアの残部は、分離膜４から、アンモニア残部供給ライン１４を介して、第２プラズマリアクタ５に、供給される。

【0048】

第２プラズマリアクタ５に供給するアンモニアの流量は、第１プラズマリアクタ３において、アンモニアの一部が分解されているため、第１プラズマリアクタ３に供給するアンモニアの流量よりも低くなる。詳しくは、第１プラズマリアクタ３によって、アンモニアの一部が分解され、分離膜４によって、アンモニア以外のガスが分離されるため、第２プラズマリアクタ５には、アンモニアの残部のみが供給される。そうすると、第２プラズマリアクタ５に供給するアンモニアの流量は、第１プラズマリアクタ３におけるアンモニアの全部の流量（混合ガスを用いる場合には、混合ガスの流量）から、アンモニアの一部の流量（混合ガスを用いる場合には、アンモニアの一部の流量およびアンモニア以外の気体の流量）を差し引いた流量となる。

【0049】

第２プラズマリアクタ５に供給するアンモニアの流量は、例えば、０．１Ｌ／分以上、好ましくは、１Ｌ／分未満である。

【0050】

次いで、制御部６は、第２プラズマリアクタ５に電圧を印加する（第２プラズマリアクタ５において、プラズマを発生させる）。これにより、第２プラズマリアクタ５において、アンモニアの残部を、窒素および水素に分解する。

【0051】

第２プラズマリアクタ５の出力電力は、上記した第１プラズマリアクタ３の出力電力よりも低く、例えば、２０Ｗ以上、また、例えば、４００Ｗ未満、好ましくは、２００Ｗ未満である。

【0052】

その後、窒素および水素（アンモニア不含混合物）は、第２アンモニア不含混合物供給ライン１５を介して、第２プラズマリアクタ５から、燃料電池１００に供給される。

【0053】

＜作用効果＞
燃料電池システム１によれば、省電力化を図ることができる。

【0054】

詳しくは、第１プラズマリアクタ３は、アンモニアタンク２から供給されるアンモニアの一部を、窒素および水素に分解する。次いで、分離膜４は、アンモニアの残部（第１プラズマリアクタ３において未分解のアンモニア）を分離する。そして、第２プラズマリアクタ５は、分離膜４から供給されるアンモニアの残部を、窒素および水素に分解する。このとき、第２プラズマリアクタ５におけるアンモニアの残部の流量は、第１プラズマリアクタ３におけるアンモニアの全部の流量（混合ガスを用いる場合には、混合ガスの流量）から、アンモニアの一部の流量（混合ガスを用いる場合には、アンモニアの一部の流量およびアンモニア以外の気体の流量）を差し引いた流量となるため、第１プラズマリアクタ３におけるアンモニアの流量よりも低くなる。そのため、第２プラズマリアクタ５において、アンモニアの残部の滞留時間が長くなる。そうすると、第２プラズマリアクタ５は、第１プラズマリアクタ３よりも、低い電力でアンモニアの残部を分解できる。その結果、省電力化を図ることができる。詳しくは、第１プラズマリアクタ３を用いて、アンモニアの一部を分解するとともに、第２プラズマリアクタ５を用いて、アンモニアの残部を分解する場合における第１プラズマリアクタ３の出力電力および第２プラズマリアクタ５の出力電力は、第１プラズマリアクタ３のみを用いて、アンモニアのすべてを分解する場合における第１プラズマリアクタ３の出力電力よりも低くなる。そして、この燃料電池システム１によれば、分離膜４から供給されるアンモニア不含混合物、および、第２プラズマリアクタから供給されるアンモニア不含混合物は、燃料電池に供給される。

【0055】

また、この燃料電池システム１によれば、アンモニアのすべてを確実に分解できるため、未分解のアンモニアが、燃料電池１００に供給されることを抑制できる。その結果、燃料電池１００の劣化を抑制できる。

【0056】

次いで、燃料電池システム１によれば、省電力化を図る点について、より具体的な例を挙げて、詳述する。

【0057】

具体的には、この燃料電池システム１を用いて、まず、アンモニアタンク２から、第１プラズマリアクタ３に、アンモニアおよび窒素を含む混合ガス（具体的には、アンモニア１０％および窒素９０％の混合ガス）を、流量２０Ｌ／分で、供給する。

【0058】

第１プラズマリアクタ３では、混合ガスにおけるアンモニアの一部が、窒素および水素に分解される。

【0059】

第１プラズマリアクタ３のアンモニア分解率（アンモニアの一部の量）と、出力電力との関係を図２に関数Ａとして示す。

【0060】

関数Ａによれば、第１プラズマリアクタ３のアンモニア分解率が９０％（アンモニアの全部に対するアンモニアの一部が９０％）の場合には、出力電力は、３６４５Ｗとなる。

【0061】

そして、第１プラズマリアクタ３のアンモニア分解率が９０％である場合において、アンモニアの残部は、アンモニアの全部に対して、１０％である。

【0062】

このようなアンモニアの残部は、分離膜４によって、分離され、第２プラズマリアクタ５に供給される。

【0063】

このとき、第２プラズマリアクタ５におけるアンモニアの残部の流量は、第１プラズマリアクタ３における混合ガスの流量２０Ｌ／分から、アンモニアの一部の流量（１．８Ｌ／分）および窒素の流量（１８Ｌ／分）を差し引いた０．２Ｌ／分となる。

【0064】

そして、流量が０．２Ｌ／分である場合において、第２プラズマリアクタ５のアンモニア分解率（アンモニアの残部の量）と、出力電力との関係を図２に関数Ｂとして示す。

【0065】

関数Ｂによれば、アンモニアの残部のすべてを分解する（アンモニア分解率１００％）場合には、出力電力は、１９８Ｗとなる。

【0066】

以上より、第１プラズマリアクタ３のアンモニア分解率が９０％である場合には、第１プラズマリアクタ３の出力電力が３６４５Ｗであり、第２プラズマリアクタ５の出力電力が１９８Ｗである。つまり、第１プラズマリアクタ３の出力電力および第２プラズマリアクタ５の出力電力の総量が、３９４３Ｗであるとわかる。

【0067】

一方、関数Ａによれば、第１プラズマリアクタ３のみを用いて、アンモニアのすべてを分解する場合には、第１プラズマリアクタ３の出力電力が、４０５０Ｗであるとわかる。この電力は、第１プラズマリアクタ３のアンモニア分解率が９０％である場合の電力と比べて、高いとわかる。

【0068】

このことから、第１プラズマリアクタ３を用いて、アンモニアの一部を分解するとともに、第２プラズマリアクタ５を用いて、アンモニアの残部を分解すれば、省電力化を図ることができるとわかる。

【符号の説明】

【0069】

１ 燃料電池システム
２ アンモニアタンク
３ 第１プラズマリアクタ
４ 分離膜
５ 第２プラズマリアクタ
１００ 燃料電池

【図1】

【図2】