JP2008027752A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which has the ammonia removal means and the capability to supply the stable power over a long period of time. <P>SOLUTION: The fuel cell system includes, at a minimum, a reformer 1 for generating the fuel gas from the supplied raw fuel through the steam reforming reaction, and a polymer electrolyte fuel cell 14 for generating the power from the supplied fuel gas through the electrochemical reaction, while ejecting the discharged fuel gas. Furthermore, the fuel cell system incorporates an ammonia pump 23 which extracts the ammonia from the fuel gas generated by the reformer, supplies the fuel gas with the ammonia extracted to the polymer electrolyte fuel cell, and mixes the extracted ammonia with the discharged fuel gas ejected from the polymer electrolyte fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池システムに関し、特に、高分子電解質形燃料電池に都市ガスを用いて生成した燃料ガスが供給されて発電する高分子電解質形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that generates power by supplying a fuel gas to a fuel cell, and more particularly, a polymer electrolyte fuel cell that generates power by supplying a fuel gas generated using city gas to a polymer electrolyte fuel cell. About the system.

従来から、エネルギーを有効に利用することが可能である小規模発電装置として、発電効率及び総合効率が高い燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に「燃料電池システム」という）が注目されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a “fuel cell system”) with high power generation efficiency and overall efficiency has attracted attention as a small-scale power generation apparatus that can effectively use energy.

燃料電池システムは、その発電部の本体として、燃料電池を備えている。この燃料電池としては、例えば、高分子電解質形燃料電池が好適に用いられる。ところで、この高分子電解質形燃料電池は、水素と酸素とを利用して発電する。しかし、通常、水素の供給手段は、インフラストラクチャーとして整備されてはいない。従って、高分子電解質形燃料電池システムにより電力を得るためには、その高分子電解質形燃料電池システムの設置場所において、水素を生成する必要がある。そのため、従来の高分子電解質形燃料電池システムでは、通常、高分子電解質形燃料電池に加えて、改質装置が配設されている。この改質装置では、都市ガス、プロパンガス、ナフサ、ガソリン、灯油等の炭化水素系の原燃料、又は、メタノール等のアルコール系の原燃料と水とが用いられることにより、水素を含む燃料ガスが生成される。この改質装置において生成された燃料ガスと、酸素を含む空気等の酸化剤ガスとの各々が、高分子電解質形燃料電池に供給されて、高分子電解質形燃料電池システムは所望の電力を出力する。   The fuel cell system includes a fuel cell as a main body of the power generation unit. As this fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell is preferably used. By the way, this polymer electrolyte fuel cell generates power using hydrogen and oxygen. However, the hydrogen supply means is not usually established as an infrastructure. Therefore, in order to obtain electric power from the polymer electrolyte fuel cell system, it is necessary to generate hydrogen at the place where the polymer electrolyte fuel cell system is installed. Therefore, in a conventional polymer electrolyte fuel cell system, a reformer is usually provided in addition to the polymer electrolyte fuel cell. In this reformer, hydrogen-containing fuel gas is obtained by using hydrocarbon-based raw fuel such as city gas, propane gas, naphtha, gasoline, kerosene, or alcohol-based raw fuel such as methanol and water. Is generated. Each of the fuel gas generated in the reformer and the oxidant gas such as oxygen-containing air is supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and the polymer electrolyte fuel cell system outputs desired power. To do.

ここで、従来の高分子電解質形燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」という）の構成及びその動作について概説する。   Here, the configuration and operation of a conventional polymer electrolyte fuel cell system (hereinafter simply referred to as “fuel cell system”) will be outlined.

図５は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of a conventional fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell and a reformer.

図５に示すように、従来の燃料電池システム３００は、改質装置１０１と、凝縮器１０２及び凝縮水タンク１０３と、凝縮器１０４及び凝縮水タンク１０５とを備えている。改質装置１０１は、原燃料としての都市ガスと水とを用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含む燃料ガスを生成する。凝縮器１０２及び１０４は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク１０３及び１０５は、水（凝縮水）を貯蔵する。   As shown in FIG. 5, the conventional fuel cell system 300 includes a reformer 101, a condenser 102 and a condensed water tank 103, and a condenser 104 and a condensed water tank 105. The reformer 101 generates a fuel gas containing hydrogen by advancing a steam reforming reaction using city gas and water as raw fuel. The condensers 102 and 104 convert water vapor into water (condensed water) with a predetermined cooling configuration using secondary cooling water. The condensed water tanks 103 and 105 store water (condensed water).

又、この従来の燃料電池システム３００は、空気供給装置１０６と、加湿器１０７と、凝縮器１０８と、凝縮水タンク１０９とを備えている。空気供給装置１０６は、酸化剤ガスとしての空気を、大気中から燃料電池システム３００の内部に導入する。加湿器１０７は、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。凝縮器１０８は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク１０９は、水（凝縮水）を貯蔵する。   The conventional fuel cell system 300 includes an air supply device 106, a humidifier 107, a condenser 108, and a condensed water tank 109. The air supply device 106 introduces air as an oxidant gas into the fuel cell system 300 from the atmosphere. The humidifier 107 humidifies air as an oxidant gas with a predetermined humidification configuration using primary cooling water. The condenser 108 converts water vapor into water (condensed water) with a predetermined cooling configuration using secondary cooling water. The condensed water tank 109 stores water (condensed water).

そして、この従来の燃料電池システム３００は、その発電部の本体として、高分子電解質形燃料電池１１０を備えている。この高分子電解質形燃料電池１１０は、燃料ガス流路１１０ａと、酸化剤ガス流路１１０ｂと、冷却水流路１１０ｃとを備えている。燃料電池システム３００の発電運転の際、燃料ガス流路１１０ａには、燃料ガスが供給される。酸化剤ガス流路１１０ｂには、酸化剤ガスとしての空気が供給される。冷却水流路１１０ｃには、一次冷却水が供給される。   The conventional fuel cell system 300 includes a polymer electrolyte fuel cell 110 as a main body of the power generation unit. The polymer electrolyte fuel cell 110 includes a fuel gas passage 110a, an oxidant gas passage 110b, and a cooling water passage 110c. During the power generation operation of the fuel cell system 300, fuel gas is supplied to the fuel gas passage 110a. Air as the oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path 110b. The primary cooling water is supplied to the cooling water channel 110c.

一方、図５に示すように、この従来の燃料電池システム３００は、上述した加湿器１０７に加えて、冷却水タンク１１１と、冷却水ポンプ１１２と、熱交換器１１３とを備えている。冷却水タンク１１１は、一次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ１１２は、所定の送水手段により、一次冷却水を送水する。加湿器１０７は、上述したように、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。熱交換器１１３は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。   On the other hand, as shown in FIG. 5, the conventional fuel cell system 300 includes a cooling water tank 111, a cooling water pump 112, and a heat exchanger 113 in addition to the humidifier 107 described above. The cooling water tank 111 stores primary cooling water. The cooling water pump 112 feeds the primary cooling water by a predetermined water feeding means. As described above, the humidifier 107 humidifies air as an oxidant gas with a predetermined humidification configuration using primary cooling water. The heat exchanger 113 cools the primary cooling water by a predetermined heat exchange configuration using the secondary cooling water.

又、この従来の燃料電池システム３００は、上述した凝縮器１０８，１０２，１０４及び熱交換器１１３に加えて、放熱器１１４と、冷却水タンク１１５と、冷却水ポンプ１１６とを備えている。放熱器１１４は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。冷却水タンク１１５は、二次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ１１６は、所定の送水手段により、二次冷却水を送水する。尚、上述したように、凝縮器１０８，１０２，１０４は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。熱交換器１１３は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。   The conventional fuel cell system 300 includes a radiator 114, a cooling water tank 115, and a cooling water pump 116 in addition to the condensers 108, 102, 104 and the heat exchanger 113 described above. The radiator 114 cools the secondary cooling water by a predetermined air cooling means. The cooling water tank 115 stores secondary cooling water. The cooling water pump 116 feeds the secondary cooling water by a predetermined water feeding means. As described above, the condensers 108, 102, and 104 convert water vapor into water (condensed water) by a predetermined cooling configuration using secondary cooling water. The heat exchanger 113 cools the primary cooling water by a predetermined heat exchange configuration using the secondary cooling water.

かかる従来の燃料電池システム３００では、改質装置１０１及び空気供給装置１０６から燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気が燃料ガス流路１１０ａ及び酸化剤ガス流路１１０ｂに供給される。すると、高分子電解質形燃料電池１１０では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池１１０は所望の電力を出力する。   In such a conventional fuel cell system 300, fuel gas and air as an oxidant gas are supplied from the reformer 101 and the air supply unit 106 to the fuel gas channel 110a and the oxidant gas channel 110b. Then, in the polymer electrolyte fuel cell 110, an electrochemical reaction using hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the air as the oxidant gas proceeds. As a result, the polymer electrolyte fuel cell 110 outputs desired power.

この燃料電池システム３００の発電運転の際、電気化学反応の進行に伴い生成される反応熱により、高分子電解質形燃料電池１１０の温度が上昇する。そのため、この従来の燃料電池システム３００では、冷却水ポンプ１１２により、冷却水タンク１１１に貯蔵されている一次冷却水が高分子電解質形燃料電池１１０の冷却水流路１１０ｃに供給される。又、冷却水ポンプ１１６により、冷却水タンク１１５に貯蔵されている二次冷却水が、凝縮器１０８，１０２，１０４を介して、熱交換器１１３に供給される。これにより、高分子電解質形燃料電池１１０の温度が好適に維持される。   During the power generation operation of the fuel cell system 300, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 110 rises due to reaction heat generated as the electrochemical reaction proceeds. Therefore, in this conventional fuel cell system 300, the cooling water pump 112 supplies the primary cooling water stored in the cooling water tank 111 to the cooling water flow path 110c of the polymer electrolyte fuel cell 110. Further, the secondary cooling water stored in the cooling water tank 115 is supplied to the heat exchanger 113 through the condensers 108, 102, and 104 by the cooling water pump 116. Thereby, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 110 is suitably maintained.

尚、高分子電解質形燃料電池１１０の燃料ガス流路１１０ａ及び酸化剤ガス流路１１０ｂから排出された排燃料ガス及び排空気は、凝縮器１０２及び１０８に供給される。凝縮器１０２及び１０８は、排燃料ガス及び排空気を除湿する。除湿された排燃料ガスは、改質装置１０１において水蒸気改質反応を進行させるために燃焼され、凝縮器１０４により更に除湿された後、燃料電池システム３００の外部に排気される。又、除湿された排空気は、燃料電池システム３００の外部に排気される。一方、凝縮器１０８，１０２，１０４から排出された水（凝縮水）は、凝縮水タンク１０９，１０３，１０５に貯蔵される。   The exhaust fuel gas and exhaust air discharged from the fuel gas channel 110 a and the oxidant gas channel 110 b of the polymer electrolyte fuel cell 110 are supplied to the condensers 102 and 108. The condensers 102 and 108 dehumidify exhaust fuel gas and exhaust air. The dehumidified exhaust fuel gas is burned in order to advance the steam reforming reaction in the reformer 101, further dehumidified by the condenser 104, and then exhausted outside the fuel cell system 300. The dehumidified exhaust air is exhausted to the outside of the fuel cell system 300. On the other hand, the water (condensed water) discharged from the condensers 108, 102, 104 is stored in the condensed water tanks 109, 103, 105.

ところで、都市ガスと水とが改質装置に供給され、その改質装置が水蒸気改質反応を進行させることにより燃料ガスを生成し、その燃料ガスが高分子電解質形燃料電池に供給されて発電する燃料電池システムでは、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下する場合がある。その理由は、改質装置で生成されるアンモニアにより、高分子電解質形燃料電池における膜電極接合体（通称、「ＭＥＡ」という）の性能が経時的に低下するからである。   By the way, city gas and water are supplied to the reformer, and the reformer generates a fuel gas by advancing the steam reforming reaction, and the fuel gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell to generate power. In such a fuel cell system, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell may deteriorate over time. The reason is that the performance of the membrane electrode assembly (commonly referred to as “MEA”) in the polymer electrolyte fuel cell deteriorates with time due to ammonia generated in the reformer.

具体的に説明すると、都市ガスは、その製造過程において大気中から不可逆的に混入する窒素を含有している。都市ガスが含有する窒素の濃度は、通常、１％程度以下の濃度である。この窒素を含有する都市ガスが改質装置に供給されると、水蒸気改質反応が進行することにより生成される水素と窒素とが結合して、アンモニアが生成される。つまり、燃料電池システムの発電運転の際、改質装置は、数ｐｐｍ程度の濃度でアンモニアを含有する燃料ガスを高分子電解質形燃料電池に供給している。すると、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体における高分子電解質膜では、プロトンがアンモニウムイオンにより経時的に置換される。この置換反応により、膜電極接合体における高分子電解質膜のプロトン交換能力が、発電運転時間の経過と共に、除々に低下する。つまり、高分子電解質膜の性能が経時的に低下するので、膜電極接合体の性能が経時的に低下する。そして、この膜電極接合体の性能の経時的な低下により、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下する。このように、燃料ガスがアンモニアを含有している場合には、燃料電池システムの可逆的或いは不可逆的かつ経時的な発電性能の低下を引き起こす場合がある。   More specifically, city gas contains nitrogen which is irreversibly mixed from the atmosphere during the production process. The concentration of nitrogen contained in city gas is usually about 1% or less. When the city gas containing nitrogen is supplied to the reformer, hydrogen produced by the steam reforming reaction and nitrogen are combined to produce ammonia. That is, during the power generation operation of the fuel cell system, the reformer supplies a fuel gas containing ammonia at a concentration of several ppm to the polymer electrolyte fuel cell. Then, in the polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell, protons are replaced with ammonium ions over time. As a result of this substitution reaction, the proton exchange capacity of the polymer electrolyte membrane in the membrane electrode assembly gradually decreases with the elapse of the power generation operation time. That is, since the performance of the polymer electrolyte membrane decreases with time, the performance of the membrane electrode assembly decreases with time. The power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell decreases with time due to a decrease in the performance of the membrane electrode assembly over time. Thus, when the fuel gas contains ammonia, the fuel cell system may cause reversible or irreversible power generation performance degradation over time.

そこで、改質装置が生成した燃料ガスからアンモニアを除去する、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下することを防止する燃料電池システムの構成が、種々提案されている。   Therefore, various configurations of fuel cell systems have been proposed in which ammonia is removed from the fuel gas generated by the reformer, and the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell is prevented from decreasing with time.

例えば、燃料ガスを加湿する際、その燃料ガスが含有するアンモニアを水に溶解させ、イオン交換筒によりアンモニアを除去してその水を再利用する燃料電池システムの構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。   For example, when humidifying a fuel gas, a configuration of a fuel cell system is proposed in which ammonia contained in the fuel gas is dissolved in water, the ammonia is removed by an ion exchange cylinder, and the water is reused (for example, Patent Document 1).

又、例えば、燃料ガスが含有するアンモニアを電気分解により窒素と水素とに変換する燃料電池システムの構成や、アンモニアを電気泳動により窒素と水素とに変換する燃料電池システムの構成が提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。   In addition, for example, a configuration of a fuel cell system that converts ammonia contained in fuel gas into nitrogen and hydrogen by electrolysis and a configuration of a fuel cell system that converts ammonia into nitrogen and hydrogen by electrophoresis are proposed. (For example, refer to Patent Documents 2 and 3).

かかる燃料電池システムの構成によれば、改質装置が生成した燃料ガスからアンモニアが除去され、そのアンモニアが除去された燃料ガスが高分子電解質形燃料電池の燃料ガス流路に供給されるので、高分子電解質形燃料電池の発電性能が経時的に低下することはない。つまり、高分子電解質形燃料電池の発電性能が長期間に渡り確保されるので、燃料電池システムの発電性能が長期間に渡り確保される。
特開２００３−３１２４７号公報 特願２００４−１４５５５０号公報 特開２００５−３１７４１９号公報 According to the configuration of such a fuel cell system, ammonia is removed from the fuel gas generated by the reformer, and the fuel gas from which the ammonia has been removed is supplied to the fuel gas flow path of the polymer electrolyte fuel cell. The power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell does not deteriorate over time. That is, since the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell is ensured for a long period of time, the power generation performance of the fuel cell system is ensured for a long period of time.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-31247 Japanese Patent Application No. 2004-145550 JP 2005-317419 A

しかしながら、上記従来の提案において、燃料ガスが含有するアンモニアを水に溶解させ、イオン交換筒によりアンモニアを除去して水を再利用する構成では、そのイオン交換筒を定期的に再生又は交換する必要がある。又、イオン交換筒の価格は、通常、比較的高価である。更には、イオン交換筒を用いるアンモニア除去機構の構成は、通常、比較的複雑な構成である。従って、このイオン交換筒を用いる構成では、燃料電池システムを安価に構成することや、燃料電池システムのランニングコストを抑制することが困難である。   However, in the above conventional proposal, in the configuration in which the ammonia contained in the fuel gas is dissolved in water, the ammonia is removed by the ion exchange cylinder and the water is reused, it is necessary to periodically regenerate or replace the ion exchange cylinder. There is. Also, the price of the ion exchange cylinder is usually relatively high. Furthermore, the configuration of the ammonia removal mechanism using an ion exchange cylinder is usually a relatively complicated configuration. Therefore, in the configuration using this ion exchange cylinder, it is difficult to configure the fuel cell system at low cost and to suppress the running cost of the fuel cell system.

又、上記従来の提案において、燃料ガスが含有するアンモニアを電気分解或いは電気泳動により窒素と水素とに変換する構成では、燃料電池システムの内部に電気分解槽や電気泳動槽を配設する必要がある。これらの電気分解槽や電気泳動槽の価格は、通常、非常に高価である。更には、これらの電気分解槽や電気泳動槽を用いるアンモニア除去機構の構成は、通常、非常に複雑かつ大型な構成である。加えて、これらの電気分解槽や電気泳動槽を用いる構成では、燃料ガスからアンモニアを除去するために大電力が必要になる。   In the conventional proposal, in the configuration in which ammonia contained in the fuel gas is converted into nitrogen and hydrogen by electrolysis or electrophoresis, it is necessary to dispose the electrolysis tank or the electrophoresis tank inside the fuel cell system. is there. These electrolysis and electrophoresis tanks are usually very expensive. Furthermore, the structure of the ammonia removal mechanism using these electrolysis tanks and electrophoresis tanks is usually a very complicated and large structure. In addition, in the configuration using these electrolysis tanks and electrophoresis tanks, large electric power is required to remove ammonia from the fuel gas.

つまり、上記従来の提案では、一般家庭に普及させることが可能である、初期費用及び維持費用が安価でありかつ小規模な、省エネルギー性に優れる現実的な燃料電池システムを構築することは困難であった。   In other words, with the above conventional proposal, it is difficult to construct a realistic fuel cell system that can be spread to ordinary households, has low initial cost and maintenance cost, and is small and excellent in energy saving. there were.

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な発電効率に優れる燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and has a low initial cost and a low maintenance cost, and includes a power-saving ammonia removing means having a simple and small-scale configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell system excellent in power generation efficiency capable of supplying power stably over a period of time.

上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料が供給されて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置と、燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池と、を少なくとも備えており、前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプを更に備えている。   In order to solve the above-described conventional problems, a fuel cell system according to the present invention includes a reformer that supplies raw fuel and generates a fuel gas by a steam reforming reaction, and a fuel gas that is supplied by an electrochemical reaction. A polymer electrolyte fuel cell that generates electric power and discharges exhaust fuel gas, extracts ammonia from the fuel gas generated by the reformer, and extracts the fuel gas from which the ammonia has been extracted It further includes an ammonia pump that supplies the polymer electrolyte fuel cell and mixes the extracted ammonia with the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell.

かかる構成とすると、アンモニアポンプにより、燃料ガスが含有するアンモニアが、高分子電解質形燃料電池に供給されることなく、高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合される。これにより、高分子電解質形燃料電池の膜電極接合体の性能が長期間に渡り好適に確保されるので、長期間に渡り安定して電力を供給可能な燃料電池システムを提供することが可能になる。   With this configuration, the ammonia contained in the fuel gas is mixed with the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell without being supplied to the polymer electrolyte fuel cell by the ammonia pump. As a result, the performance of the membrane electrode assembly of the polymer electrolyte fuel cell is suitably ensured over a long period of time, so that it is possible to provide a fuel cell system capable of stably supplying power over a long period of time. Become.

この場合、前記アンモニアポンプが、陽イオン交換体と、該陽イオン交換体を挟持する一対の導電性触媒層及び該一対の導電性触媒層を挟持する一対の導電性ガス拡散層を有する一対のガス拡散電極と、を少なくとも備えている。   In this case, the ammonia pump includes a cation exchanger, a pair of conductive catalyst layers that sandwich the cation exchanger, and a pair of conductive gas diffusion layers that sandwich the pair of conductive catalyst layers. And at least a gas diffusion electrode.

かかる構成とすると、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を提供することができるので、初期費用及び維持費用が安価でありかつ発電効率に優れる燃料電池システムを提供することが可能になる。   With such a configuration, it is possible to provide a power-saving ammonia removal means having a simple and small-scale configuration, and therefore, it is possible to provide a fuel cell system with low initial cost and low maintenance cost and excellent power generation efficiency. It becomes possible.

この場合、前記陽イオン交換体が、有機陽イオン交換体である。   In this case, the cation exchanger is an organic cation exchanger.

かかる構成とすると、特殊な構成を有する陽イオン交換体を準備することなく、既に市販されている一般的な有機陽イオン交換体を利用して、アンモニアポンプを構成することができる。これにより、アンモニアポンプを安価に構成することが可能になる。   With such a configuration, an ammonia pump can be configured using a common organic cation exchanger that is already on the market without preparing a cation exchanger having a special configuration. This makes it possible to configure the ammonia pump at a low cost.

この場合、前記有機陽イオン交換体が、パーフルオロスルホン酸膜である。   In this case, the organic cation exchanger is a perfluorosulfonic acid membrane.

かかる構成とすると、高分子電解質形燃料電池の電解質膜として一般的に用いられているパーフルオロスルホン酸膜を利用するので、アンモニアポンプをより一層安価に構成することが可能になる。   With such a configuration, since the perfluorosulfonic acid membrane generally used as the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell is used, the ammonia pump can be configured at a lower cost.

又、上記の場合、前記陽イオン交換体が、無機陽イオン交換体である。   In the above case, the cation exchanger is an inorganic cation exchanger.

かかる構成としても、特殊な構成を有する陽イオン交換体を準備することなく、既に市販されている一般的な無機陽イオン交換体を利用して、アンモニアポンプを構成することができる。これにより、アンモニアポンプを安価に構成することが可能になる。   Even with such a configuration, an ammonia pump can be configured using a general inorganic cation exchanger that is already on the market without preparing a cation exchanger having a special configuration. This makes it possible to configure the ammonia pump at a low cost.

この場合、前記無機陽イオン交換体が、リン酸水溶液層である。   In this case, the inorganic cation exchanger is a phosphoric acid aqueous solution layer.

かかる構成とすると、リン酸形燃料電池の電解質層として一般的に用いられているリン酸水溶液層を利用するので、アンモニアポンプをより一層安価に構成することが可能になる。   With such a configuration, a phosphoric acid aqueous solution layer that is generally used as an electrolyte layer of a phosphoric acid fuel cell is used, so that the ammonia pump can be configured at a lower cost.

又、上記の場合、前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア抽出側が、親水性官能基を備えている。   In the above case, the ammonia extraction side of the pair of conductive gas diffusion layers has a hydrophilic functional group.

かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側に、燃料ガスが含有する水蒸気が結露し易くなる。これにより、アンモニアポンプにおいて、燃料ガスが含有するアンモニアを選択的にかつ確実にトラップすることが可能になる。   With this configuration, water vapor contained in the fuel gas is likely to condense on the ammonia extraction side in the pair of conductive gas diffusion layers. As a result, the ammonia contained in the fuel gas can be selectively and reliably trapped in the ammonia pump.

この場合、前記親水性官能基が、スルホン酸基である。   In this case, the hydrophilic functional group is a sulfonic acid group.

かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側において、燃料ガスが含有する水蒸気を確実に結露させることが可能になる。   With this configuration, water vapor contained in the fuel gas can be reliably condensed on the ammonia extraction side of the pair of conductive gas diffusion layers.

又、この場合、前記親水性官能基が、ヒドロキシル基である。   In this case, the hydrophilic functional group is a hydroxyl group.

かかる構成としても、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア抽出側において、燃料ガスが含有する水蒸気を確実に結露させることが可能になる。   Even with such a configuration, it is possible to reliably condense the water vapor contained in the fuel gas on the ammonia extraction side in the pair of conductive gas diffusion layers.

又、上記の場合、前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア混合側が、疎水性官能基を備えている。   In the above case, the ammonia mixing side of the pair of conductive gas diffusion layers has a hydrophobic functional group.

かかる構成とすると、一対の導電性ガス拡散層におけるアンモニア混合側において、アンモニアを含有する水が気化し易くなる。これにより、アンモニアポンプにおいて、燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガスに確実に混合することが可能になる。   With this configuration, water containing ammonia is easily vaporized on the ammonia mixing side in the pair of conductive gas diffusion layers. Thereby, in the ammonia pump, the ammonia contained in the fuel gas can be reliably mixed with the exhaust fuel gas.

又、上記の場合、前記高分子電解質形燃料電池から電力が供給されて前記アンモニアポンプにその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている。   In the above case, the apparatus further includes a power supply system which is supplied with electric power from the polymer electrolyte fuel cell and supplies driving power to the ammonia pump.

かかる構成とすると、アンモニアポンプにその駆動用電力を供給するための電源等を配設する必要がなくなるので、燃料電池システムを小型化することが可能になる。又、燃料電池システムの構成を簡素化することが可能になる。   With this configuration, it is not necessary to provide a power source or the like for supplying driving power to the ammonia pump, so that the fuel cell system can be reduced in size. In addition, the configuration of the fuel cell system can be simplified.

更に、上記の場合、前記高分子電解質形燃料電池と前記アンモニアポンプとが、直接的又は間接的に一体化されている。   Furthermore, in the above case, the polymer electrolyte fuel cell and the ammonia pump are integrated directly or indirectly.

かかる構成とすると、高分子電解質形燃料電池とアンモニアポンプとが直接的又は間接的に一体化されているので、最も簡単でありかつコンパクトな構成の燃料電池システムを提供することが可能になる。   With such a configuration, since the polymer electrolyte fuel cell and the ammonia pump are directly or indirectly integrated, it is possible to provide a fuel cell system having the simplest and most compact configuration.

本発明は、以上に述べたような手段において実施され、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給可能な発電効率に優れる燃料電池システムを提供することが可能になるという効果を奏する。   The present invention is implemented in the means as described above, has low initial cost and maintenance cost, and is stable for a long period of time with a power-saving ammonia removing means having a simple and small-scale configuration. Thus, there is an effect that it is possible to provide a fuel cell system that can supply power and has excellent power generation efficiency.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（実施の形態１）
先ず、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成及びその動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。 (Embodiment 1)
First, the configuration and operation of the fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図１では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。   FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention, which includes a polymer electrolyte fuel cell and a reformer. FIG. 1 shows only the components necessary for explaining the present invention, and the other components are not shown.

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、改質装置１と、本発明を特徴付けるアンモニアポンプ２３と、凝縮器４及び凝縮水タンク５と、凝縮器６及び凝縮水タンク７とを備えている。改質装置１は、原燃料としての都市ガスと水とを用いる水蒸気改質反応を進行させることにより、水素を含む燃料ガスを生成する。アンモニアポンプ２３は、電気泳動を利用することにより燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガス側に直接的に移動させて、その移動させたアンモニアを排燃料ガスに混合させる。尚、このアンモニアポンプ２３の内部構成とその動作については、後に詳細に説明する。又、凝縮器４及び６は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク５及び７は、水（凝縮水）を貯蔵する。そして、燃料電池システム１００では、改質装置１の燃料ガス排出口とアンモニアポンプ２３の燃料ガス導入口とが、配管２ａにより相互に接続されている。又、アンモニアポンプ２３の燃料ガス排出口と後述する高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの一端とが、配管２ｂにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの他端とアンモニアポンプ２３の排燃料ガス導入口とが、配管３ｂにより相互に接続されている。又、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス排出口と凝縮器４の排燃料ガス導入口とが、配管３ａにより相互に接続されている。又、凝縮器４の排燃料ガス排出口及び凝縮水排出口と改質装置１の排燃料ガス導入口及び凝縮水タンク５の凝縮水導入口とが、所定の配管により相互に接続されている。更には、改質装置１の排燃焼ガス排出口と凝縮器６の排燃焼ガス導入口とが所定の配管により相互に接続され、凝縮器６の凝縮水排出口と凝縮水タンク７の凝縮水導入口とが所定の配管により相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、燃料ガスの給排系統が構成されている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes a reformer 1, an ammonia pump 23 that characterizes the present invention, a condenser 4, a condensed water tank 5, and a condenser 6. And a condensed water tank 7. The reformer 1 generates a fuel gas containing hydrogen by advancing a steam reforming reaction using city gas and water as raw fuel. The ammonia pump 23 moves the ammonia contained in the fuel gas directly to the exhaust fuel gas side by using electrophoresis, and mixes the moved ammonia into the exhaust fuel gas. The internal configuration and operation of the ammonia pump 23 will be described in detail later. Moreover, the condensers 4 and 6 convert water vapor into water (condensed water) with a predetermined cooling configuration using secondary cooling water. The condensed water tanks 5 and 7 store water (condensed water). In the fuel cell system 100, the fuel gas discharge port of the reformer 1 and the fuel gas introduction port of the ammonia pump 23 are connected to each other by a pipe 2a. Further, a fuel gas discharge port of the ammonia pump 23 and one end of a fuel gas flow path 14a of the polymer electrolyte fuel cell 14 to be described later are connected to each other by a pipe 2b. The other end of the fuel gas passage 14a of the polymer electrolyte fuel cell 14 and the exhaust fuel gas inlet of the ammonia pump 23 are connected to each other by a pipe 3b. The exhaust fuel gas outlet of the ammonia pump 23 and the exhaust fuel gas inlet of the condenser 4 are connected to each other by a pipe 3a. Further, the exhaust fuel gas discharge port and the condensed water discharge port of the condenser 4 and the exhaust fuel gas introduction port of the reformer 1 and the condensed water introduction port of the condensed water tank 5 are connected to each other by a predetermined pipe. . Further, the exhaust combustion gas discharge port of the reformer 1 and the exhaust combustion gas introduction port of the condenser 6 are connected to each other by a predetermined pipe, and the condensed water discharge port of the condenser 6 and the condensed water of the condensed water tank 7 are connected. The introduction port is connected to each other by a predetermined pipe. Thereby, in the fuel cell system 100, a fuel gas supply / discharge system is configured.

又、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、空気供給装置８と、加湿器１０と、凝縮器１２と、凝縮水タンク１３とを備えている。空気供給装置８は、酸化剤ガスとしての空気を、大気中から燃料電池システム１００の内部に導入する。加湿器１０は、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。凝縮器１２は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。凝縮水タンク１３は、水（凝縮水）を貯蔵する。そして、燃料電池システム１００では、空気供給装置８の空気排出口と加湿器１０の空気導入口とが、配管９ａにより相互に接続されている。又、加湿器１０の空気排出口と後述する高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂの一端とが、配管９ｂにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂの他端と凝縮器１２の排空気導入口とが、配管１１により相互に接続されている。更には、凝縮器１２の凝縮水排出口と凝縮水タンク１３の凝縮水導入口とが、所定の配管により相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、酸化剤ガスの給排系統が構成されている。   In addition, the fuel cell system 100 according to the first embodiment includes an air supply device 8, a humidifier 10, a condenser 12, and a condensed water tank 13. The air supply device 8 introduces air as an oxidant gas into the fuel cell system 100 from the atmosphere. The humidifier 10 humidifies air as an oxidant gas with a predetermined humidification configuration using primary cooling water. The condenser 12 converts water vapor into water (condensed water) with a predetermined cooling configuration using secondary cooling water. The condensed water tank 13 stores water (condensed water). In the fuel cell system 100, the air discharge port of the air supply device 8 and the air introduction port of the humidifier 10 are connected to each other by a pipe 9a. An air outlet of the humidifier 10 and one end of an oxidant gas flow path 14b of the polymer electrolyte fuel cell 14 described later are connected to each other by a pipe 9b. Further, the other end of the oxidant gas flow path 14 b of the polymer electrolyte fuel cell 14 and the exhaust air inlet of the condenser 12 are connected to each other by a pipe 11. Furthermore, the condensed water discharge port of the condenser 12 and the condensed water introduction port of the condensed water tank 13 are connected to each other by a predetermined pipe. Thus, in the fuel cell system 100, an oxidant gas supply / discharge system is configured.

そして、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、発電部の本体として、高分子電解質形燃料電池１４を備えている。この高分子電解質形燃料電池１４は、燃料ガス流路１４ａと、酸化剤ガス流路１４ｂと、冷却水流路１４ｃとを備えている。燃料電池システム１００の発電運転の際、燃料ガス流路１４ａには、燃料ガスが供給される。酸化剤ガス流路１４ｂには、酸化剤ガスとしての空気が供給される。冷却水流路１４ｃには、一次冷却水が供給される。すると、高分子電解質形燃料電池１４では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する所定の電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池１４は所望の電力を出力する。   The fuel cell system 100 according to the first embodiment includes a polymer electrolyte fuel cell 14 as a main body of the power generation unit. The polymer electrolyte fuel cell 14 includes a fuel gas channel 14a, an oxidant gas channel 14b, and a cooling water channel 14c. During the power generation operation of the fuel cell system 100, fuel gas is supplied to the fuel gas passage 14a. Air as the oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path 14b. The primary cooling water is supplied to the cooling water passage 14c. Then, in the polymer electrolyte fuel cell 14, a predetermined electrochemical reaction using hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the air as the oxidant gas proceeds. Thereby, the polymer electrolyte fuel cell 14 outputs desired electric power.

一方、図１に示すように、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、上述した加湿器１０に加えて、冷却水タンク１５と、冷却水ポンプ１６と、熱交換器１７とを備えている。冷却水タンク１５は、一次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ１６は、所定の送水手段により、一次冷却水を送水する。加湿器１０は、上述したように、一次冷却水を用いる所定の加湿構成により、酸化剤ガスとしての空気を加湿する。熱交換器１７は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。そして、この燃料電池システム１００では、冷却水タンク１５の冷却水排出口と冷却水ポンプ１６の冷却水導入口とが、配管１８ａにより相互に接続されている。又、冷却水ポンプ１６の冷却水排出口と高分子電解質形燃料電池１４の冷却水流路１４ｃの一端とが、配管１８ｂにより相互に接続されている。又、高分子電解質形燃料電池１４の冷却水流路１４ｃの他端と加湿器１０の冷却水導入口とが、配管１８ｃにより相互に接続されている。更には、加湿器１０の冷却水排出口と熱交換器１７の冷却水導入口とが、配管１８ｄにより相互に接続されている。そして、熱交換器１７の冷却水排出口と冷却水タンク１５の冷却水導入口とが、配管１８ｅにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、一次冷却水の循環系統が構成されている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 according to the first embodiment includes a cooling water tank 15, a cooling water pump 16, and a heat exchanger 17 in addition to the humidifier 10 described above. ing. The cooling water tank 15 stores primary cooling water. The cooling water pump 16 feeds the primary cooling water by a predetermined water feeding means. As described above, the humidifier 10 humidifies air as an oxidant gas with a predetermined humidification configuration using primary cooling water. The heat exchanger 17 cools the primary cooling water by a predetermined heat exchange configuration using the secondary cooling water. In the fuel cell system 100, the cooling water discharge port of the cooling water tank 15 and the cooling water introduction port of the cooling water pump 16 are connected to each other by a pipe 18a. The cooling water discharge port of the cooling water pump 16 and one end of the cooling water flow path 14c of the polymer electrolyte fuel cell 14 are connected to each other by a pipe 18b. The other end of the cooling water flow path 14c of the polymer electrolyte fuel cell 14 and the cooling water inlet of the humidifier 10 are connected to each other by a pipe 18c. Furthermore, the cooling water discharge port of the humidifier 10 and the cooling water introduction port of the heat exchanger 17 are connected to each other by a pipe 18d. And the cooling water discharge port of the heat exchanger 17 and the cooling water introduction port of the cooling water tank 15 are mutually connected by the piping 18e. Thereby, in the fuel cell system 100, the circulation system of the primary cooling water is configured.

又、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、上述した凝縮器１２，４，６及び熱交換器１７に加えて、放熱器１９と、冷却水タンク２０と、冷却水ポンプ２１とを備えている。放熱器１９は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。冷却水タンク２０は、二次冷却水を貯蔵する。冷却水ポンプ２１は、所定の送水手段により、二次冷却水を送水する。尚、上述したように、凝縮器１２，４，６は、二次冷却水を用いる所定の冷却構成により、水蒸気を水（凝縮水）に変換する。又、熱交換器１７は、二次冷却水を用いる所定の熱交換構成により、一次冷却水を冷却する。そして、燃料電池システム１００では、冷却水タンク２０の冷却水排出口と冷却水ポンプ２１の冷却水導入口とが、配管２２ａにより相互に接続されている。又、冷却水ポンプ２１の冷却水排出口と凝縮器１２の冷却水導入口と、この凝縮器１２の冷却水排出口と凝縮器４の冷却水導入口と、この凝縮器４の冷却水排出口と凝縮器６の冷却水導入口と、この凝縮器６の冷却水排出口と熱交換器１７の冷却水導入口との各々が、配管２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅにより各々相互に接続されている。更には、熱交換器１７の冷却水排出口と放熱器１９の冷却水導入口とが、配管２２ｆにより相互に接続されている。そして、放熱器１９の冷却水排出口と冷却水タンク２０の冷却水導入口とが、配管２２ｇにより相互に接続されている。これにより、燃料電池システム１００において、二次冷却水の循環系統が構成されている。   Further, the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 includes a radiator 19, a cooling water tank 20, and a cooling water pump 21 in addition to the condensers 12, 4, 6 and the heat exchanger 17 described above. I have. The radiator 19 cools the secondary cooling water by a predetermined air cooling means. The cooling water tank 20 stores secondary cooling water. The cooling water pump 21 feeds the secondary cooling water by a predetermined water feeding means. Note that, as described above, the condensers 12, 4, and 6 convert water vapor into water (condensed water) by a predetermined cooling configuration using secondary cooling water. Further, the heat exchanger 17 cools the primary cooling water by a predetermined heat exchange configuration using the secondary cooling water. In the fuel cell system 100, the cooling water discharge port of the cooling water tank 20 and the cooling water introduction port of the cooling water pump 21 are connected to each other by a pipe 22a. Further, the cooling water discharge port of the cooling water pump 21, the cooling water introduction port of the condenser 12, the cooling water discharge port of the condenser 12, the cooling water introduction port of the condenser 4, and the cooling water discharge of the condenser 4 The outlet, the cooling water inlet of the condenser 6, and the cooling water outlet of the condenser 6 and the cooling water inlet of the heat exchanger 17 are connected to each other by pipes 22b, 22c, 22d, and 22e, respectively. ing. Furthermore, the cooling water discharge port of the heat exchanger 17 and the cooling water introduction port of the radiator 19 are connected to each other by a pipe 22f. And the cooling water discharge port of the radiator 19 and the cooling water introduction port of the cooling water tank 20 are mutually connected by the piping 22g. Thus, in the fuel cell system 100, a secondary cooling water circulation system is configured.

かかる燃料電池システム１００では、その発電運転の際、改質装置１からアンモニアポンプ２３にアンモニアを含有する燃料ガスが供給される。すると、アンモニアポンプ２３は、電気泳動を利用することにより燃料ガスが含有するアンモニアを排燃料ガス側に直接的に移動させて、その移動させたアンモニアを排燃料ガスに混合させる。その一方で、アンモニアポンプ２３は、アンモニアを除去した燃料ガスを高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａに供給する。つまり、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、改質装置１で生成されたアンモニアが、高分子電解質形燃料電池１４に供給されることなく、高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスと共に凝縮器４に供給される。そして、凝縮器４を通過して改質装置１が内蔵する図１では図示されない燃焼器に供給されたアンモニアは、排燃料ガスと共に、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。   In the fuel cell system 100, during the power generation operation, the reformer 1 supplies the ammonia pump 23 with the fuel gas containing ammonia. Then, the ammonia pump 23 moves the ammonia contained in the fuel gas directly to the exhaust fuel gas side by utilizing electrophoresis, and mixes the moved ammonia with the exhaust fuel gas. On the other hand, the ammonia pump 23 supplies the fuel gas from which the ammonia has been removed to the fuel gas flow path 14 a of the polymer electrolyte fuel cell 14. That is, in the fuel cell system 100 according to the first embodiment, ammonia generated by the reformer 1 is discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 without being supplied to the polymer electrolyte fuel cell 14. It is supplied to the condenser 4 together with the exhausted fuel gas. Then, the ammonia that has passed through the condenser 4 and is supplied to the combustor (not shown in FIG. 1) built in the reformer 1 is burned together with the exhaust fuel gas in order to advance the steam reforming reaction.

アンモニアポンプ２３から排出された燃料ガスは、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａに供給される。この際、高分子電解質形燃料電池１４には、その動作原理上、加湿された燃料ガスが供給される必要がある。しかし、水蒸気改質反応によれば、改質装置１に供給される水の一部が、燃料ガス中に水蒸気として残留する。つまり、改質装置１から供給される燃料ガスは、その改質装置１において、ある程度の加湿度にまで自動的に加湿されている。従って、通常は、改質装置１で生成され、アンモニアポンプ２３を通過した燃料ガスは、特に加湿されることなく、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａに直接供給される。尚、アンモニアポンプ２３から排出された燃料ガスの露点と高分子電解質形燃料電池１４が要求する燃料ガスの露点との差分を補償する必要がある場合には、加湿器１０に加えて、燃料ガスを加湿するための加湿器を別途設ける。   The fuel gas discharged from the ammonia pump 23 is supplied to the fuel gas channel 14 a of the polymer electrolyte fuel cell 14. At this time, the polymer electrolyte fuel cell 14 needs to be supplied with humidified fuel gas in view of its operating principle. However, according to the steam reforming reaction, part of the water supplied to the reformer 1 remains as steam in the fuel gas. That is, the fuel gas supplied from the reformer 1 is automatically humidified to a certain degree of humidification in the reformer 1. Therefore, normally, the fuel gas generated by the reformer 1 and passed through the ammonia pump 23 is directly supplied to the fuel gas flow path 14a of the polymer electrolyte fuel cell 14 without being particularly humidified. When it is necessary to compensate for the difference between the dew point of the fuel gas discharged from the ammonia pump 23 and the dew point of the fuel gas required by the polymer electrolyte fuel cell 14, in addition to the humidifier 10, the fuel gas A humidifier is provided separately to humidify.

尚、改質装置１に代えて、例えば、水素ボンベの如き水素貯蔵装置が配設される場合には、アンモニアポンプ２３を配設する必要はない。しかしながら、実用的な連続発電設備としての燃料電池システムを構築する場合には、都市ガス、プロパンガス、ガソリン等の連続的に入手可能な原燃料を用いて燃料ガスを製造する必要がある。従って、通常は、水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置１が配設される。そして、原燃料として都市ガスが用いられる場合には、改質装置１においてアンモニアが生成されるため、アンモニアポンプ２３を配設する必要がある。これにより、高分子電解質形燃料電池１４をアンモニアに起因する悪影響から保護することが可能になる。   In place of the reformer 1, for example, when a hydrogen storage device such as a hydrogen cylinder is provided, it is not necessary to provide the ammonia pump 23. However, when constructing a fuel cell system as a practical continuous power generation facility, it is necessary to produce fuel gas using continuously available raw fuel such as city gas, propane gas, and gasoline. Therefore, normally, the reformer 1 that generates fuel gas by the steam reforming reaction is provided. When city gas is used as the raw fuel, ammonia is generated in the reformer 1, and therefore an ammonia pump 23 must be provided. This makes it possible to protect the polymer electrolyte fuel cell 14 from adverse effects caused by ammonia.

一方、かかる燃料電池システム１００では、その発電運転の際、空気供給装置８から高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂに酸化剤ガスとしての空気が供給される。この際、高分子電解質形燃料電池１４には、燃料ガスの場合と同様にして、加湿された空気が供給される必要がある。そこで、燃料電池システム１００では、空気供給装置８から供給される空気が加湿器１０により加湿される。そして、加湿器１０により加湿された空気が、高分子電解質形燃料電池１４の酸化剤ガス流路１４ｂに供給される。尚、加湿器１０は、通常、水蒸気透過性の透湿膜を備える膜加湿器である。この加湿器１０は、高分子電解質形燃料電池１４から排出された一次冷却水を熱源及び水源として、空気供給装置８から供給される空気を所望の加湿度にまで加湿する。   On the other hand, in the fuel cell system 100, air as an oxidant gas is supplied from the air supply device 8 to the oxidant gas flow path 14 b of the polymer electrolyte fuel cell 14 during the power generation operation. At this time, the polymer electrolyte fuel cell 14 needs to be supplied with humidified air as in the case of the fuel gas. Therefore, in the fuel cell system 100, the air supplied from the air supply device 8 is humidified by the humidifier 10. The air humidified by the humidifier 10 is supplied to the oxidant gas flow path 14 b of the polymer electrolyte fuel cell 14. In addition, the humidifier 10 is a film | membrane humidifier normally provided with a water-permeable moisture-permeable film. The humidifier 10 humidifies the air supplied from the air supply device 8 to a desired humidity by using the primary cooling water discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 as a heat source and a water source.

燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気が燃料ガス流路１４ａ及び酸化剤ガス流路１４ｂに供給されると、高分子電解質形燃料電池１４では、燃料ガスが有する水素と酸化剤ガスとしての空気が有する酸素とを利用する所定の電気化学反応が進行する。これにより、高分子電解質形燃料電池１４は、所望の電力を出力する。この際、所定の電気化学反応の進行に伴い生成される反応熱により、高分子電解質形燃料電池１４の温度が上昇する。そこで、燃料電池システム１００では、冷却水ポンプ１６の送水動作により、冷却水タンク１５に貯蔵されている一次冷却水が、高分子電解質形燃料電池１４の冷却水流路１４ｃに連続的に供給される。これにより、高分子電解質形燃料電池１４の温度が適温（通常、６０〜８０℃）に保たれる。尚、高分子電解質形燃料電池１４から排出された、温度上昇した一次冷却水は、改質器１０において、空気供給装置８から供給される空気の加湿のために利用される。加湿器１０から排出された一次冷却水は、熱交換器１７において二次冷却水により冷却された後、冷却水タンク１５に戻される。   When air as a fuel gas and an oxidant gas is supplied to the fuel gas channel 14a and the oxidant gas channel 14b, in the polymer electrolyte fuel cell 14, hydrogen contained in the fuel gas and air as the oxidant gas are supplied. A predetermined electrochemical reaction using oxygen having proceeds. Thereby, the polymer electrolyte fuel cell 14 outputs desired electric power. At this time, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 14 increases due to the reaction heat generated as the predetermined electrochemical reaction proceeds. Therefore, in the fuel cell system 100, the primary cooling water stored in the cooling water tank 15 is continuously supplied to the cooling water flow path 14c of the polymer electrolyte fuel cell 14 by the water supply operation of the cooling water pump 16. . Thereby, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 14 is maintained at an appropriate temperature (usually 60 to 80 ° C.). Note that the primary cooling water whose temperature has risen discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 is used in the reformer 10 for humidifying the air supplied from the air supply device 8. The primary cooling water discharged from the humidifier 10 is cooled by the secondary cooling water in the heat exchanger 17 and then returned to the cooling water tank 15.

又、かかる燃料電池システム１００では、一次冷却水を冷却するために、冷却水ポンプ２１の送水動作により、冷却水タンク２０に貯蔵されている二次冷却水が、凝縮器１２，４，６を介して熱交換器１７に連続的に供給される。すると、熱交換器１７では、加湿器１０から供給される一次冷却水が、冷却水タンク２０から供給される二次冷却水により冷却される。そして、熱交換器１７において一次冷却水との熱交換により温度上昇した二次冷却水は、冷却水ポンプ２１の送水動作により、放熱器１９に連続的に供給される。放熱器１９は、所定の空冷手段により、二次冷却水を冷却する。これにより、燃料電池システム１００において、一次冷却水及び二次冷却水の温度が適温に保たれる。放熱器１９により冷却された二次冷却水は、その後、冷却水タンク２０に戻される。   In the fuel cell system 100, the secondary cooling water stored in the cooling water tank 20 is supplied to the condensers 12, 4, 6 by the water supply operation of the cooling water pump 21 in order to cool the primary cooling water. To the heat exchanger 17 continuously. Then, in the heat exchanger 17, the primary cooling water supplied from the humidifier 10 is cooled by the secondary cooling water supplied from the cooling water tank 20. The secondary cooling water whose temperature has been increased by heat exchange with the primary cooling water in the heat exchanger 17 is continuously supplied to the radiator 19 by the water supply operation of the cooling water pump 21. The radiator 19 cools the secondary cooling water by a predetermined air cooling means. Thereby, in the fuel cell system 100, the temperature of the primary cooling water and the secondary cooling water is maintained at an appropriate temperature. The secondary cooling water cooled by the radiator 19 is then returned to the cooling water tank 20.

このように、実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、その良好な発電状態が確実に確保されるよう、高分子電解質形燃料電池１４の温度が一次冷却水により直接的に制御される。又、この燃料電池システム１００では、その良好な発電状態が確実に確保されるよう、高分子電解質形燃料電池１４の温度が二次冷却水により間接的に制御される。これにより、燃料電池システム１００において、高分子電解質形燃料電池１４の発電状態が適切に維持される。   As described above, in the fuel cell system 100 according to Embodiment 1, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 14 is directly controlled by the primary cooling water so as to ensure the favorable power generation state. Further, in the fuel cell system 100, the temperature of the polymer electrolyte fuel cell 14 is indirectly controlled by the secondary cooling water so as to ensure a good power generation state. Thereby, in the fuel cell system 100, the power generation state of the polymer electrolyte fuel cell 14 is appropriately maintained.

一方、燃料電池システム１００の発電運転の際、高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスは、アンモニアポンプ２３を通過する際にアンモニアと混合された後、凝縮器４に供給される。凝縮器４により除湿されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、その後、改質装置１に供給される。そして、アンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置１に内蔵された図示されない燃焼器において、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。改質装置１から排出された排燃焼ガスは、凝縮器６に供給される。凝縮器６により除湿された排燃焼ガスは、燃料電池システム１００の外部に排気される。尚、凝縮器４及び６から排出された凝縮水は、凝縮水タンク５及び７に貯蔵される。   On the other hand, during the power generation operation of the fuel cell system 100, the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 is mixed with ammonia when passing through the ammonia pump 23 and then supplied to the condenser 4. . The exhaust fuel gas containing ammonia dehumidified by the condenser 4 is then supplied to the reformer 1. The exhaust fuel gas containing ammonia is combusted in a combustor (not shown) built in the reformer 1 in order to advance the steam reforming reaction. Exhaust combustion gas discharged from the reformer 1 is supplied to the condenser 6. The exhaust combustion gas dehumidified by the condenser 6 is exhausted to the outside of the fuel cell system 100. The condensed water discharged from the condensers 4 and 6 is stored in the condensed water tanks 5 and 7.

又、燃料電池システム１００の発電運転の際、高分子電解質形燃料電池１４から排出された排空気は、凝縮器１２に供給される。凝縮器１２により除湿された排空気は、燃料電池システム１００の外部に排気される。凝縮器１２から排出された凝縮水は、凝縮水タンク１３に貯蔵される。   Further, during the power generation operation of the fuel cell system 100, exhaust air discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 is supplied to the condenser 12. The exhaust air dehumidified by the condenser 12 is exhausted to the outside of the fuel cell system 100. The condensed water discharged from the condenser 12 is stored in the condensed water tank 13.

尚、凝縮水タンク５，７，１３に貯蔵された凝縮水は、図１では図示しない凝縮水の再生系統において、濾過、イオン交換等の浄水処理が施される。この浄水処理が施された凝縮水は、冷却水タンク１５に供給される。そして、この浄水処理が施された凝縮水は、高分子電解質形燃料電池１４を冷却するための一次冷却水としてや、空気供給装置８から供給される空気を加湿するために利用される。又は、この浄水処理が施された凝縮水は、改質装置１において、水蒸気改質反応を進行させるために利用される。   The condensed water stored in the condensed water tanks 5, 7 and 13 is subjected to water purification treatment such as filtration and ion exchange in a condensed water regeneration system (not shown in FIG. 1). The condensed water subjected to this water purification treatment is supplied to the cooling water tank 15. The condensed water subjected to the water purification treatment is used as primary cooling water for cooling the polymer electrolyte fuel cell 14 or for humidifying the air supplied from the air supply device 8. Alternatively, the condensed water that has been subjected to the water purification treatment is used in the reformer 1 to advance the steam reforming reaction.

次に、本発明を特徴付けるアンモニアポンプの構成及びその動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。   Next, the configuration and operation of an ammonia pump characterizing the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図２は、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの構成を模式的に示す構成図である。ここで、図２（ａ）は本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの分解斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。尚、図２では、アンモニアポンプの特徴的な構成を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。   FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing the configuration of the ammonia pump according to Embodiment 1 of the present invention. Here, FIG. 2 (a) is an exploded perspective view of the ammonia pump according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 (b) is a sectional view taken along the line IIb-IIb shown in FIG. 2 (a). is there. In FIG. 2, only the components necessary for explaining the characteristic configuration of the ammonia pump are shown, and the other components are not shown.

図２（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、このアンモニアポンプ２３の構成は、一般的な高分子電解質形燃料電池積層体（通常、単に「スタック」という）の単電池（通常、単に「セル」という）の構成と基本的に同様である。即ち、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプ２３は、導電性セパレータ２３ａと、膜電極接合体２３ｂと、導電性セパレータ２３ｃとを備えている。これらの導電性セパレータ２３ａ、膜電極接合体２３ｂ、導電性セパレータ２３ｃは、各々、略平板状の形状を有している。又、これらの導電性セパレータ２３ａ、膜電極接合体２３ｂ、導電性セパレータ２３ｃは、各々、アンモニアポンプ２３の主面Ａ側から見た場合、矩形状の同一形状を有している。そして、これらの導電性セパレータ２３ａ、膜電極接合体２３ｂ、及び、導電性セパレータ２３ｃがこの順で積層され、所定の締結手段により締結されて、アンモニアポンプ２３が構成されている。   As is apparent from FIGS. 2A and 2B, the ammonia pump 23 has a structure of a unit cell (usually, simply “stack”) of a general polymer electrolyte fuel cell stack (usually simply “stack”). This is basically the same as the configuration of “cell”. That is, as shown in FIGS. 2A and 2B, the ammonia pump 23 according to Embodiment 1 of the present invention includes a conductive separator 23a, a membrane electrode assembly 23b, and a conductive separator 23c. ing. Each of the conductive separator 23a, the membrane electrode assembly 23b, and the conductive separator 23c has a substantially flat plate shape. The conductive separator 23a, the membrane electrode assembly 23b, and the conductive separator 23c each have the same rectangular shape when viewed from the main surface A side of the ammonia pump 23. The conductive separator 23a, the membrane electrode assembly 23b, and the conductive separator 23c are stacked in this order, and are fastened by a predetermined fastening means to constitute the ammonia pump 23.

具体的には、導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃは、ジグザグ状の燃料ガス流路Ｐａ及びジグザグ状の排燃料ガス流路Ｐｂを備えている。そして、燃料ガス流路Ｐａの図２では下方に配管２ａが燃料ガスを供給可能に接続され、燃料ガス流路Ｐａの図２では上方に配管２ｂが燃料ガスを排出可能に接続されている。又、排燃料ガス流路Ｐｂの図２では上方に配管３ｂが排燃料ガスを供給可能に接続され、排燃料ガス流路Ｐｂの図２では下方に配管３ａが排燃料ガスを排出可能に接続されている。これらの燃料ガス流路Ｐａと排燃料ガス流路Ｐｂとは、アンモニアポンプ２３の完成体において、膜電極接合体２３ｂにより隔離されている。従って、アンモニアポンプ２３においては、燃料ガス流路Ｐａに燃料ガスが供給され、排燃料ガス流路Ｐｂに排燃料ガスが供給される場合であっても、燃料ガスと排燃料ガスとが混合されることはない。   Specifically, the conductive separators 23a and 23c include a zigzag fuel gas passage Pa and a zigzag exhaust fuel gas passage Pb. In FIG. 2 of the fuel gas flow path Pa, the pipe 2a is connected to the lower side so as to be able to supply the fuel gas, and in FIG. Further, in FIG. 2 of the exhaust fuel gas flow path Pb, the pipe 3b is connected so as to be able to supply the exhaust fuel gas, and in FIG. 2 of the exhaust fuel gas flow path Pb, the pipe 3a is connected so that the exhaust fuel gas can be discharged downward. Has been. The fuel gas flow path Pa and the exhaust fuel gas flow path Pb are separated from each other by the membrane electrode assembly 23b in the completed ammonia pump 23. Therefore, in the ammonia pump 23, even when the fuel gas is supplied to the fuel gas passage Pa and the exhaust fuel gas is supplied to the exhaust fuel gas passage Pb, the fuel gas and the exhaust fuel gas are mixed. Never happen.

一方、図２（ｂ）に示すように、膜電極接合体２３ｂは、一枚の陽イオン交換体ａと、一対のガス拡散電極ｂ及びｃとを備えている。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, the membrane electrode assembly 23b includes a single cation exchanger a and a pair of gas diffusion electrodes b and c.

陽イオン交換体ａは、有機陽イオン交換体、又は、無機陽イオン交換体により構成されている。ここで、有機陽イオン交換体としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜が用いられる。又、無機陽イオン交換体としては、例えば、リン酸水溶液層が用いられる。   The cation exchanger a is composed of an organic cation exchanger or an inorganic cation exchanger. Here, as the organic cation exchanger, for example, a perfluorosulfonic acid membrane is used. Moreover, as an inorganic cation exchanger, a phosphoric acid aqueous solution layer is used, for example.

ガス拡散電極ｂは、主に白金カーボンからなる導電性触媒層ｂ１と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性ガス拡散層ｂ２とを備えている。同様にして、ガス拡散電極ｃは、主に白金カーボンからなる導電性触媒層ｃ１と、電気伝導性及びガス透過性を有する炭素繊維からなる導電性ガス拡散層ｃ２とを備えている。ここで、導電性ガス拡散層ｂ２には、親水処理が施されていることがより望ましい。この親水処理としては、例えば、プラズマ処理、賦活処理等の親水処理が挙げられる。これらの親水処理により、導電性ガス拡散層ｂ２の表面には、ヒドロキシル基等に代表される親水性官能基が構築される。又、導電性ガス拡散層ｂ２に親水性を付与するためには、その導電性ガス拡散層ｂ２にパーフルオロスルホン酸重合体を含浸させてもよい。この含浸処理により、導電性ガス拡散層ｂ２は、スルホン酸基を備える導電性ガス拡散層となる。   The gas diffusion electrode b includes a conductive catalyst layer b1 mainly made of platinum carbon and a conductive gas diffusion layer b2 made of carbon fibers having electrical conductivity and gas permeability. Similarly, the gas diffusion electrode c includes a conductive catalyst layer c1 mainly made of platinum carbon and a conductive gas diffusion layer c2 made of carbon fibers having electrical conductivity and gas permeability. Here, it is more desirable that the conductive gas diffusion layer b2 is subjected to a hydrophilic treatment. Examples of the hydrophilic treatment include hydrophilic treatment such as plasma treatment and activation treatment. By these hydrophilic treatments, hydrophilic functional groups represented by hydroxyl groups and the like are constructed on the surface of the conductive gas diffusion layer b2. In order to impart hydrophilicity to the conductive gas diffusion layer b2, the conductive gas diffusion layer b2 may be impregnated with a perfluorosulfonic acid polymer. By this impregnation treatment, the conductive gas diffusion layer b2 becomes a conductive gas diffusion layer having a sulfonic acid group.

又、導電性ガス拡散層ｃ２には、疎水処理が施されていることがより望ましい。この疎水処理により、導電性ガス拡散層ｃ２の表面には、メチル基等に代表される疎水性官能基が構築される。尚、導電性ガス拡散層ｃ２が、ポリテトラフルオロエチレンが含侵された炭素繊維からなる場合、疎水処理を省略することができる。ポリテトラフルオロエチレン及び炭素繊維からなる導電性ガス拡散層ｃ２は、撥水性を備えているからである。   Further, it is more desirable that the conductive gas diffusion layer c2 is subjected to a hydrophobic treatment. By this hydrophobic treatment, a hydrophobic functional group represented by a methyl group or the like is constructed on the surface of the conductive gas diffusion layer c2. When the conductive gas diffusion layer c2 is made of carbon fiber impregnated with polytetrafluoroethylene, the hydrophobic treatment can be omitted. This is because the conductive gas diffusion layer c2 made of polytetrafluoroethylene and carbon fiber has water repellency.

そして、陽イオン交換体ａの一方の主面における所定の領域には、その陽イオン交換体ａに導電性触媒層ｂ１が接触した状態で、ガス拡散電極ｂが接合されている。又、陽イオン交換体ａの他方の主面における所定の領域には、その陽イオン交換体ａに導電性触媒層ｃ１が接触した状態で、ガス拡散電極ｃが接合されている。これにより、アンモニアポンプ２３において、膜電極接合体２３ｂが構成されている。   And the gas diffusion electrode b is joined to the predetermined area | region in one main surface of the cation exchanger a in the state which the electroconductive catalyst layer b1 contacted the cation exchanger a. In addition, a gas diffusion electrode c is joined to a predetermined region on the other main surface of the cation exchanger a in a state where the conductive catalyst layer c1 is in contact with the cation exchanger a. Thereby, in the ammonia pump 23, the membrane electrode assembly 23b is comprised.

本実施の形態では、アンモニアポンプ２３の導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃは、高分子電解質形燃料電池１４における導電性セパレータの構成と同様にして、金属又はカーボンを主原料とする導電性材料により各々構成されている。又、膜電極接合体２３ｂは、高分子電解質形燃料電池１４における膜電極接合体と同様の構成を有している。そして、本実施の形態では、膜電極接合体２３ｂにおける陽イオン交換体ａの周囲が導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃの周縁部により挟持され、かつ膜電極接合体２３ｂにおけるガス拡散電極ｂ及びｃの所定領域が導電性セパレータ２３ａ及び２３ｃの所定領域により導電状態で挟持されて、アンモニアポンプ２３が構成されている。   In the present embodiment, the conductive separators 23a and 23c of the ammonia pump 23 are each composed of a conductive material mainly composed of metal or carbon, similarly to the configuration of the conductive separator in the polymer electrolyte fuel cell 14. Has been. The membrane electrode assembly 23 b has the same configuration as the membrane electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell 14. In the present embodiment, the periphery of the cation exchanger a in the membrane electrode assembly 23b is sandwiched between the peripheral edges of the conductive separators 23a and 23c, and the gas diffusion electrodes b and c in the membrane electrode assembly 23b are predetermined. The region is sandwiched in a conductive state by a predetermined region of the conductive separators 23a and 23c, and the ammonia pump 23 is configured.

かかるアンモニアポンプ２３では、燃料電池システム１００の発電運転の際、改質装置１から燃料ガス流路Ｐａにアンモニアを含有する燃料ガスが供給される。一方、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス流路Ｐｂには、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａから排出された排燃料ガスが供給される。この際、図２（ｂ）に示すように、アンモニアポンプ２３の導電性セパレータ２３ａと導電性セパレータ２３ｃとの間には、電圧が印加される。アンモニアポンプ２３を駆動するための駆動用電力は、本実施の形態では、高分子電解質形燃料電池１４から供給される。つまり、本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、高分子電解質形燃料電池１４から電力が供給されてアンモニアポンプ２３にその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている。尚、アンモニアポンプ２３の導電性セパレータ２３ａと導電性セパレータ２３ｃとの間に印加される電圧値は、陽イオン交換体ａの膜厚によっても異なるが、概ね１Ｖ程度の電圧値である。つまり、アンモニアポンプ２３の陽イオン交換体ａにおいてアンモニウムイオンが電気泳動可能であり、その一方で陽イオン交換体ａにおいて水の電気分解が進行しない程度の所定の電圧が、導電性セパレータ２３ａと導電性セパレータ２３ｃとの間に印加される。   In the ammonia pump 23, the fuel gas containing ammonia is supplied from the reformer 1 to the fuel gas flow path Pa during the power generation operation of the fuel cell system 100. On the other hand, the exhaust fuel gas discharged from the fuel gas passage 14 a of the polymer electrolyte fuel cell 14 is supplied to the exhaust fuel gas passage Pb of the ammonia pump 23. At this time, as shown in FIG. 2B, a voltage is applied between the conductive separator 23a and the conductive separator 23c of the ammonia pump 23. In the present embodiment, driving power for driving the ammonia pump 23 is supplied from the polymer electrolyte fuel cell 14. That is, the fuel cell system 100 according to the present embodiment further includes a power supply system that is supplied with power from the polymer electrolyte fuel cell 14 and supplies the driving power to the ammonia pump 23. The voltage value applied between the conductive separator 23a and the conductive separator 23c of the ammonia pump 23 is approximately 1V, although it varies depending on the film thickness of the cation exchanger a. That is, the ammonium ion can be electrophoresed in the cation exchanger a of the ammonia pump 23, while a predetermined voltage that does not cause electrolysis of water in the cation exchanger a is conductive with the conductive separator 23a. Applied between the conductive separator 23c.

すると、アンモニアポンプ２３では、燃料ガスが含有する水蒸気が結露して概ね湿潤状態とされた膜電極接合体２３ｂの導電性ガス拡散層ｂ２において、燃料ガスが含有するアンモニアの水への溶解が進行する。この際、アンモニアは水に対して極めて溶解し易いため、燃料ガスが含有するアンモニアは選択的に水に溶解する。つまり、アンモニアポンプ２３の導電性ガス拡散層ｂ２において、燃料ガスが含有するアンモニアが選択的にトラップされる。一方、水に対する水素の溶解度は、極めて低い。そのため、燃料ガスが含有する水素は、水に殆ど溶解することなく、アンモニアポンプ２３から排出される。そして、燃料ガスが含有するアンモニアが水に溶解することにより、化学式（１）に示すように、アンモニウムイオンと水酸化物イオンとが生成される。   Then, in the ammonia pump 23, dissolution of the ammonia contained in the fuel gas into the water proceeds in the conductive gas diffusion layer b2 of the membrane electrode assembly 23b in which the water vapor contained in the fuel gas is condensed to be in a substantially wet state. To do. At this time, since ammonia is very easily dissolved in water, the ammonia contained in the fuel gas is selectively dissolved in water. That is, ammonia contained in the fuel gas is selectively trapped in the conductive gas diffusion layer b2 of the ammonia pump 23. On the other hand, the solubility of hydrogen in water is very low. Therefore, the hydrogen contained in the fuel gas is discharged from the ammonia pump 23 without being almost dissolved in water. Then, when ammonia contained in the fuel gas is dissolved in water, ammonium ions and hydroxide ions are generated as shown in chemical formula (1).

ＮＨ3＋Ｈ2Ｏ→ＮＨ4 +＋ＯＨ- ・・・（１）
一方、アンモニアポンプ２３の膜電極接合体２３ｂにおける導電性触媒層ｂ１上では、化学式（２）に示すように、水素の解離反応が進行する。 NH 3 + H 2 O → NH 4 + + OH - ··· (1)
On the other hand, on the conductive catalyst layer b1 in the membrane electrode assembly 23b of the ammonia pump 23, as shown in the chemical formula (2), the hydrogen dissociation reaction proceeds.

（１／２）Ｈ2→Ｈ+＋ｅ- ・・・（２）
又、アンモニアポンプ２３における膜電極接合体２３ｂの燃料ガス流路Ｐａ側では、化学式（３）に示すように、プロトンと水酸化物イオンとの中和反応が進行する。 (1/2) H 2 → H + + e − (2)
Further, on the fuel gas flow path Pa side of the membrane electrode assembly 23b in the ammonia pump 23, as shown in the chemical formula (3), a neutralization reaction between protons and hydroxide ions proceeds.

Ｈ+＋ＯＨ-→Ｈ2Ｏ ・・・（３）
つまり、アンモニアポンプ２３では、膜電極接合体２３ｂの燃料ガス流路Ｐａ側において、図２（ｂ）に示すように、見かけ上、化学式（４）に示す化学反応が進行する。 H + + OH − → H 2 O (3)
That is, in the ammonia pump 23, on the fuel gas flow path Pa side of the membrane electrode assembly 23b, as shown in FIG. 2B, a chemical reaction apparently expressed by the chemical formula (4) proceeds.

ＮＨ3＋（１／２）Ｈ2→ＮＨ4 +＋ｅ- ・・・（４）
尚、燃料電池システム１００の構成によっては、アンモニアポンプ２３におけるガス拡散電極ｂの導電性ガス拡散層ｂ２で燃料ガスが含有する水蒸気が結露するため、高分子電解質形燃料電池１４に供給される燃料ガスの露点が低下する場合がある。この場合には、燃料ガスの露点を適切に補償するために、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４との間に加湿器を配設すればよい。 NH 3 + (1/2) H 2 → NH 4 + + e − (4)
Depending on the configuration of the fuel cell system 100, the water vapor contained in the fuel gas may condense in the conductive gas diffusion layer b2 of the gas diffusion electrode b in the ammonia pump 23, so that the fuel supplied to the polymer electrolyte fuel cell 14 Gas dew point may be reduced. In this case, a humidifier may be disposed between the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14 in order to appropriately compensate for the dew point of the fuel gas.

一般的に、陽イオン交換体ａでは、アンモニウムイオンに対する親和性がプロトンに対する親和性よりも遙かに大きい。従って、アンモニアポンプ２３において、膜電極接合体２３ｂの燃料ガス流路Ｐａ側で水に溶解したアンモニア（アンモニウムイオン）は、陽イオン交換体ａの中に容易に取り込まれる。そして、この取り込まれたアンモニウムイオンは、陽イオン交換体ａの末端基を順次置換して、アンモニアポンプ２３における膜電極接合体２３ｂの排燃料ガス流路Ｐｂ側に到達する。すると、アンモニアポンプ２３では、膜電極接合体２３ｂのガス拡散電極ｃにおける導電性触媒層ｃ１において、化学式（５）に示すように、アンモニウムイオンの還元反応が進行する。これにより、アンモニウムイオンがアンモニアに戻される。   In general, in the cation exchanger a, the affinity for ammonium ions is much greater than the affinity for protons. Therefore, in the ammonia pump 23, ammonia (ammonium ions) dissolved in water on the fuel gas flow path Pa side of the membrane electrode assembly 23b is easily taken into the cation exchanger a. The captured ammonium ions sequentially replace the terminal groups of the cation exchanger a and reach the exhaust fuel gas flow path Pb side of the membrane electrode assembly 23b in the ammonia pump 23. Then, in the ammonia pump 23, as shown in the chemical formula (5), the reduction reaction of ammonium ions proceeds in the conductive catalyst layer c1 in the gas diffusion electrode c of the membrane electrode assembly 23b. Thereby, ammonium ion is returned to ammonia.

ＮＨ4 +＋ｅ-→ＮＨ3＋（１／２）Ｈ2 ・・・（５）
アンモニアポンプ２３において、膜電極接合体２３ｂのガス拡散電極ｃにおける導電性触媒層ｃ１で生成されたアンモニアは、その導電性触媒層ｃ１に隣接する導電性ガス拡散層ｃ２に移動する。すると、アンモニアポンプ２３では、導電性ガス拡散層ｃ２に移動したアンモニアが、排燃料ガス流路Ｐｂに供給される排燃料ガスに混合される。アンモニアを含有する排燃料ガスは、その後、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス流路Ｐｂから排出される。アンモニアポンプ２３から排出されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、凝縮器４に供給され、この凝縮器４において除湿される。この除湿されたアンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置１の燃焼器に供給される。そして、このアンモニアを含有する排燃料ガスは、改質装置１の燃焼器において、水蒸気改質反応を進行させるために燃焼される。 NH 4 + + e − → NH 3 + (1/2) H 2 (5)
In the ammonia pump 23, the ammonia generated in the conductive catalyst layer c1 in the gas diffusion electrode c of the membrane electrode assembly 23b moves to the conductive gas diffusion layer c2 adjacent to the conductive catalyst layer c1. Then, in the ammonia pump 23, the ammonia moved to the conductive gas diffusion layer c2 is mixed with the exhaust fuel gas supplied to the exhaust fuel gas flow path Pb. The exhaust fuel gas containing ammonia is then discharged from the exhaust fuel gas flow path Pb of the ammonia pump 23. The exhaust fuel gas containing ammonia discharged from the ammonia pump 23 is supplied to the condenser 4 and dehumidified in the condenser 4. The exhausted fuel gas containing the dehumidified ammonia is supplied to the combustor of the reformer 1. The exhaust fuel gas containing ammonia is combusted in the combustor of the reformer 1 in order to advance the steam reforming reaction.

尚、化学式（２）に示すように、アンモニアポンプ２３では、水素の解離反応が進行することにより、燃料ガスが含有する水素の一部が消費される。又、アンモニアポンプ２３では、化学式（５）に示すように、アンモニアの生成と同時に水素が生成される。この生成された水素は、アンモニアや排燃料ガスと共に凝縮器４に供給された後、改質装置１の燃焼器において燃焼される。従って、一見すると、本発明によれば、燃料電池システム１００の発電効率が悪化するように思われる。しかしながら、アンモニアポンプ２３において燃料ガスから抽出されるアンモニアの濃度は、数ｐｐｍ程度の濃度である。そのため、アンモニアポンプ２３における水素の消費量は、極めて少量である。従って、燃料電池システム１００の発電効率が実質的に悪化することはない。   As shown in the chemical formula (2), in the ammonia pump 23, a part of hydrogen contained in the fuel gas is consumed as the hydrogen dissociation reaction proceeds. In the ammonia pump 23, as shown in the chemical formula (5), hydrogen is generated simultaneously with the generation of ammonia. The generated hydrogen is supplied to the condenser 4 together with ammonia and exhaust fuel gas, and then burned in the combustor of the reformer 1. Therefore, at first glance, according to the present invention, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 seems to deteriorate. However, the concentration of ammonia extracted from the fuel gas in the ammonia pump 23 is about several ppm. Therefore, the consumption of hydrogen in the ammonia pump 23 is very small. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 100 is not substantially deteriorated.

このように、本発明では、アンモニアポンプ２３により、改質装置１で生成されたアンモニアが、連続的にかつ選択的にトラップされる。そして、改質装置１で生成されたアンモニアは、高分子電解質形燃料電池１４に供給されることなく、その高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスに混合される。即ち、本発明では、アンモニアポンプ２３は、電気化学的なケミカルポンプとしてのアンモニアポンプとして機能する。その結果、本発明によれば、高分子電解質形燃料電池１４が備える高分子電解質膜の性能を長期間に渡り好適に維持することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池１４の発電性能が長期間に渡り好適に維持されるので、燃料電池システム１００の発電性能が長期間に渡り好適に維持される。   As described above, in the present invention, the ammonia generated in the reformer 1 is trapped continuously and selectively by the ammonia pump 23. The ammonia produced by the reformer 1 is mixed with the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 without being supplied to the polymer electrolyte fuel cell 14. That is, in the present invention, the ammonia pump 23 functions as an ammonia pump as an electrochemical chemical pump. As a result, according to the present invention, the performance of the polymer electrolyte membrane provided in the polymer electrolyte fuel cell 14 can be suitably maintained over a long period of time. As a result, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell 14 is suitably maintained over a long period of time, so that the power generation performance of the fuel cell system 100 is suitably maintained over a long period of time.

又、本発明では、アンモニアポンプ２３が高分子電解質形燃料電池１４の単電池の構成と基本的に同様に構成されている。そのため、アンモニアポンプ２３の構成を単純な構成とすることが可能になると共に、燃料ガスからアンモニアを抽出してこれを排燃料ガスに混合させる際の消費電力を抑制することが可能になる。加えて、本発明によれば、アンモニアポンプ２３を定期的に再生させる必要はない。又、本発明によれば、アンモニアポンプ２３を定期的に交換する必要はない。これらにより、アンモニアポンプ２３を安価に構成することが可能になると共に、アンモニアポンプ２３のランニングコストを抑えることが可能になる。つまり、燃料電池システム１００を安価に提供することが可能になると共に、そのランニングコストを抑えることが可能になる。   In the present invention, the ammonia pump 23 is basically configured in the same manner as the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell 14. For this reason, the ammonia pump 23 can be configured in a simple manner, and power consumption when ammonia is extracted from the fuel gas and mixed with the exhausted fuel gas can be suppressed. In addition, according to the present invention, it is not necessary to periodically regenerate the ammonia pump 23. Further, according to the present invention, it is not necessary to periodically replace the ammonia pump 23. As a result, the ammonia pump 23 can be configured at low cost, and the running cost of the ammonia pump 23 can be suppressed. That is, the fuel cell system 100 can be provided at a low cost and the running cost can be suppressed.

更には、本発明によれば、アンモニアポンプ２３を小型化することができる。従って、燃料電池システム１００が大型化することを防止することが可能になる。これにより、燃料電池システム１００を一般家庭に向けて幅広く普及させることが可能になる。又、本発明によれば、移動用や携帯用等の燃料電池システム１００にも、アンモニアポンプ２３を設けることが可能になる。これにより、燃料電池システム１００の利便性を更に向上させることが可能になる。   Furthermore, according to the present invention, the ammonia pump 23 can be reduced in size. Therefore, it is possible to prevent the fuel cell system 100 from becoming large. As a result, the fuel cell system 100 can be widely spread to general households. In addition, according to the present invention, the ammonia pump 23 can be provided also in the fuel cell system 100 such as mobile and portable. Thereby, the convenience of the fuel cell system 100 can be further improved.

尚、アンモニアポンプ２３の構成は、図２に示す構成に限定されることはない。即ち、アンモニアポンプ２３は、改質装置１に供給される都市ガスの窒素含有濃度や、燃料電池システム１００の定格出力等の指標に応じて、適切に構成される。かかる構成とすることにより、本実施の形態により得られる効果と同様の効果を得ることが可能になる。   The configuration of the ammonia pump 23 is not limited to the configuration shown in FIG. That is, the ammonia pump 23 is appropriately configured according to an index such as the nitrogen content concentration of the city gas supplied to the reformer 1 and the rated output of the fuel cell system 100. With this configuration, it is possible to obtain the same effect as that obtained by the present embodiment.

（実施の形態２）
図３は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。尚、図３では、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。又、図３では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。 (Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention, which includes a polymer electrolyte fuel cell and a reformer. In FIG. 3, only the components necessary for explaining the present invention are shown, and the other components are not shown. In FIG. 3, the same components as those of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals.

図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００は、基本的には、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成と同様の構成を備えている。しかしながら、この燃料電池システム２００の構成は、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが一体化されている点で、燃料電池システム１００の構成とは異なっている。尚、その他の点については、燃料電池システム２００の構成及びその動作と燃料電池システム１００の構成及びその動作とは同様である。   As shown in FIG. 3, the fuel cell system 200 according to Embodiment 2 of the present invention basically has the same configuration as the configuration of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1. However, the configuration of the fuel cell system 200 is different from the configuration of the fuel cell system 100 in that the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14 are integrated. In other respects, the configuration and operation of the fuel cell system 200 and the configuration and operation of the fuel cell system 100 are the same.

具体的には、この燃料電池システム２００は、高分子電解質形燃料電池１４とアンモニアポンプ２３とを備えている。燃料電池システム２００において、高分子電解質形燃料電池１４とアンモニアポンプ２３とは一体化されている。そして、この燃料電池システム２００では、改質装置１の燃料ガス排出口とアンモニアポンプ２３の燃料ガス導入口とが、配管２により相互に接続されている。又、アンモニアポンプ２３の排燃料ガス排出口と凝縮器４の排燃料ガス導入口とが、配管３により相互に接続されている。尚、アンモニアポンプ２３の燃料ガス排出口には、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの一端が直接接続されている。アンモニアポンプ２３の排燃料ガス導入口には、高分子電解質形燃料電池１４の燃料ガス流路１４ａの他端が直接接続されている。   Specifically, the fuel cell system 200 includes a polymer electrolyte fuel cell 14 and an ammonia pump 23. In the fuel cell system 200, the polymer electrolyte fuel cell 14 and the ammonia pump 23 are integrated. In the fuel cell system 200, the fuel gas discharge port of the reformer 1 and the fuel gas introduction port of the ammonia pump 23 are connected to each other by a pipe 2. Further, the exhaust fuel gas outlet of the ammonia pump 23 and the exhaust fuel gas inlet of the condenser 4 are connected to each other by a pipe 3. Note that one end of the fuel gas flow path 14 a of the polymer electrolyte fuel cell 14 is directly connected to the fuel gas discharge port of the ammonia pump 23. The other end of the fuel gas passage 14 a of the polymer electrolyte fuel cell 14 is directly connected to the exhaust fuel gas inlet of the ammonia pump 23.

図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムのアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の構成を模式的に示す構成図である。ここで、図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の外観斜視図である。又、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。尚、図４では、アンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の特徴的な構成を説明するために必要となる構成要素のみを示しており、その他の構成要素については、図示を省略している。又、図４では、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。   FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a joined body of an ammonia pump and a polymer electrolyte fuel cell in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. Here, FIG. 4A is an external perspective view of a joined body of an ammonia pump and a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line IVb-IVb shown in FIG. In FIG. 4, only the components necessary for explaining the characteristic configuration of the assembly of the ammonia pump and the polymer electrolyte fuel cell are shown, and the other components are not shown. is doing. In FIG. 4, the same components as those of the fuel cell system 100 according to Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals.

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態では、アンモニアポンプ２３の構成が高分子電解質形燃料電池１４の単電池の構成と同様であることを利用して、適切な設計により、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とを備える接合体２４が構成されている。この接合体２４において、高分子電解質形燃料電池１４は、高分子電解質形燃料電池積層体１４ｄと、集電板１４ｅ，１４ｅと、締結端板１４ｆ，１４ｆとを備えている。又、この接合体２４においては、高分子電解質形燃料電池１４に隣接して、アンモニアポンプ２３及び締結端板１４ｇが配設されている。そして、本実施の形態では、締結端板１４ｇとアンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが、その順で積層され、所定の締結手段により締結されて、接合体２４が構成されている。   As shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), in the present embodiment, the configuration of the ammonia pump 23 is the same as that of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell 14, and an appropriate By the design, a joined body 24 including the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14 is configured. In this joined body 24, the polymer electrolyte fuel cell 14 includes a polymer electrolyte fuel cell stack 14d, current collecting plates 14e and 14e, and fastening end plates 14f and 14f. In the joined body 24, an ammonia pump 23 and a fastening end plate 14 g are disposed adjacent to the polymer electrolyte fuel cell 14. In the present embodiment, the fastening end plate 14g, the ammonia pump 23, and the polymer electrolyte fuel cell 14 are stacked in that order, and fastened by a predetermined fastening means to constitute the joined body 24. .

尚、本実施の形態では、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが直接的に一体化されている形態について説明したが、この形態に限定されることはない。例えば、アンモニアポンプ２３と高分子電解質型燃料電池１４とを熱的に分離するために、所定の断熱板を介してそれらを間接的に一体化する形態としてもよい。又、例えば、高分子電解質型燃料電池１４からアンモニアポンプ２３への熱伝導率を制御するために、所定の緩衝板を介してそれらを間接的に一体化する形態としてもよい。   In the present embodiment, the embodiment in which the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14 are directly integrated has been described. However, the present invention is not limited to this embodiment. For example, in order to thermally separate the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14, they may be integrated indirectly via a predetermined heat insulating plate. Further, for example, in order to control the thermal conductivity from the polymer electrolyte fuel cell 14 to the ammonia pump 23, they may be integrated indirectly via a predetermined buffer plate.

かかる構成としても、アンモニアポンプ２３により、改質装置１で生成されたアンモニアが、連続的にかつ選択的にトラップされる。そして、改質装置１で生成されたアンモニアは、高分子電解質形燃料電池１４に供給されることなく、その高分子電解質形燃料電池１４から排出された排燃料ガスに混合される。その結果、高分子電解質形燃料電池１４が備える高分子電解質膜の性能を長期間に渡り好適に維持することが可能になる。これにより、高分子電解質形燃料電池１４の発電性能が長期間に渡り好適に維持されるので、燃料電池システム２００の発電性能が長期間に渡り好適に維持される。   Even in such a configuration, the ammonia generated in the reformer 1 is continuously and selectively trapped by the ammonia pump 23. The ammonia produced by the reformer 1 is mixed with the exhaust fuel gas discharged from the polymer electrolyte fuel cell 14 without being supplied to the polymer electrolyte fuel cell 14. As a result, the performance of the polymer electrolyte membrane provided in the polymer electrolyte fuel cell 14 can be suitably maintained over a long period of time. As a result, the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell 14 is suitably maintained over a long period of time, so that the power generation performance of the fuel cell system 200 is suitably maintained over a long period of time.

又、本実施の形態によれば、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが一体化されているので、燃料電池システム２００を最もコンパクトに構成することが可能になる。これにより、燃料電池システム２００をより一層小型化することが可能になる。   Further, according to the present embodiment, since the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14 are integrated, the fuel cell system 200 can be configured most compactly. As a result, the fuel cell system 200 can be further reduced in size.

更には、本実施の形態によれば、アンモニアポンプ２３と高分子電解質形燃料電池１４とが一体化されているので、アンモニアポンプ２３を高分子電解質形燃料電池１４により適温に加熱することができる。これにより、アンモニアポンプ２３において、燃料ガスが含有するアンモニアを効果的にトラップすることができる。従って、燃料電池システム２００の発電性能をより一層長期間に渡り好適に維持することが可能になる。   Furthermore, according to the present embodiment, since the ammonia pump 23 and the polymer electrolyte fuel cell 14 are integrated, the ammonia pump 23 can be heated to an appropriate temperature by the polymer electrolyte fuel cell 14. . Thereby, the ammonia contained in the fuel gas can be effectively trapped in the ammonia pump 23. Therefore, the power generation performance of the fuel cell system 200 can be suitably maintained for a longer period of time.

尚、その他の点については、実施の形態１の場合と同様である。   Other points are the same as those in the first embodiment.

本発明に係る燃料電池システムは、初期費用及び維持費用が安価であり、単純かつ小規模な構成を有する省電力型のアンモニア除去手段を備えた、長期間に渡り安定して電力を供給することが可能な発電効率に優れる燃料電池システムとして、産業上の利用可能性を備えている。   The fuel cell system according to the present invention has a low initial cost and a low maintenance cost, and stably supplies power over a long period of time with a power-saving ammonia removing means having a simple and small-scale configuration. As a fuel cell system with excellent power generation efficiency, it has industrial applicability.

図１は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention, which includes a polymer electrolyte fuel cell and a reformer. 図２は、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの構成を模式的に示す構成図である。尚、図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るアンモニアポンプの分解斜視図である。又、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing the configuration of the ammonia pump according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2A is an exploded perspective view of the ammonia pump according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIb-IIb shown in FIG. 図３は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram schematically showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention, which includes a polymer electrolyte fuel cell and a reformer. 図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムにおけるアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の構成を模式的に示す構成図である。尚、図４（ａ）は、本発明の実施の形態２に係るアンモニアポンプと高分子電解質形燃料電池との接合体の外観斜視図である。又、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。FIG. 4 is a configuration diagram schematically showing a configuration of a joined body of an ammonia pump and a polymer electrolyte fuel cell in the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4 (a) is an external perspective view of a joined body of an ammonia pump and a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line IVb-IVb shown in FIG. 図５は、高分子電解質形燃料電池と改質装置とを備える従来の燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of a conventional fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell and a reformer.

符号の説明Explanation of symbols

１ 改質装置
２ 配管
２ａ，２ｂ 配管
３ 配管
３ａ，３ｂ 配管
４ 凝縮器
５ 凝縮水タンク
６ 凝縮器
７ 凝縮水タンク
８ 空気供給装置
９ａ，９ｂ 配管
１０ 加湿器
１１ 配管
１２ 凝縮器
１３ 凝縮水タンク
１４ 高分子電解質形燃料電池
１４ａ 燃料ガス流路
１４ｂ 酸化剤ガス流路
１４ｃ 冷却水流路
１４ｄ 高分子電解質形燃料電池積層体
１４ｅ 集電板
１４ｆ 締結端板
１４ｇ 締結端板
１５ 冷却水タンク
１６ 冷却水ポンプ
１７ 熱交換器
１８ａ〜１８ｅ 配管
１９ 放熱器
２０ 冷却水タンク
２１ 冷却水ポンプ
２２ａ〜２２ｇ 配管
２３ アンモニアポンプ
２３ａ 導電性セパレータ
２３ｂ 膜電極接合体
２３ｃ 導電性セパレータ
２４ 接合体
１０１ 改質装置
１０２ 凝縮器
１０３ 凝縮水タンク
１０４ 凝縮器
１０５ 凝縮水タンク
１０６ 空気供給装置
１０７ 加湿器
１０８ 凝縮器
１０９ 凝縮水タンク
１１０ 高分子電解質形燃料電池
１１０ａ 燃料ガス流路
１１０ｂ 酸化剤ガス流路
１１０ｃ 冷却水流路
１１１ 冷却水タンク
１１２ 冷却水ポンプ
１１３ 熱交換器
１１４ 放熱器
１１５ 冷却水タンク
１１６ 冷却水ポンプ
１００〜３００ 燃料電池システム
Ａ 主面
Ｐａ 燃料ガス流路
Ｐｂ 排燃料ガス流路
ａ 陽イオン交換体
ｂ ガス拡散電極
ｂ１ 導電性触媒層
ｂ２ 導電性ガス拡散層
ｃ ガス拡散電極
ｃ１ 導電性触媒層
ｃ２ 導電性ガス拡散層

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reformer 2 Piping 2a, 2b Piping 3 Piping 3a, 3b Piping 4 Condenser 5 Condensed water tank 6 Condenser 7 Condensed water tank 8 Air supply device 9a, 9b Piping 10 Humidifier 11 Piping 12 Condenser 13 Condensed water tank DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Polymer electrolyte fuel cell 14a Fuel gas flow path 14b Oxidant gas flow path 14c Cooling water flow path 14d Polymer electrolyte fuel cell laminated body 14e Current collecting plate 14f Fastening end plate 14g Fastening end plate 15 Cooling water tank 16 Cooling water Pump 17 Heat exchanger 18a to 18e Piping 19 Radiator 20 Cooling water tank 21 Cooling water pump 22a to 22g Piping 23 Ammonia pump 23a Conductive separator 23b Membrane electrode assembly 23c Conductive separator 24 Junction 101 Reforming device 102 Condenser 103 Condensed water tank 104 Condenser 105 Condensed water tank 10 6 Air Supply Device 107 Humidifier 108 Condenser 109 Condensed Water Tank 110 Polymer Electrolyte Fuel Cell 110a Fuel Gas Channel 110b Oxidant Gas Channel 110c Cooling Water Channel 111 Cooling Water Tank 112 Cooling Water Pump 113 Heat Exchanger 114 Heat Dissipation 115 Cooling water tank 116 Cooling water pump 100-300 Fuel cell system A Main surface Pa Fuel gas flow path Pb Exhaust fuel gas flow path a Cation exchanger b Gas diffusion electrode b1 Conductive catalyst layer b2 Conductive gas diffusion layer c Gas diffusion electrode c1 conductive catalyst layer c2 conductive gas diffusion layer

Claims (12)

原燃料が供給されて水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する改質装置と、
燃料ガスが供給されて電気化学反応により電力を発生させかつ排燃料ガスを排出する高分子電解質形燃料電池と、
を少なくとも備えており、
前記改質装置で生成された燃料ガスからアンモニアを抽出し、該アンモニアが抽出された燃料ガスを前記高分子電解質形燃料電池に供給し、かつ前記抽出したアンモニアを前記高分子電解質形燃料電池から排出された排燃料ガスに混合するアンモニアポンプを更に備えている、高分子電解質形燃料電池システム。 A reformer for supplying raw fuel and generating fuel gas by a steam reforming reaction;
A polymer electrolyte fuel cell that is supplied with fuel gas, generates electric power by an electrochemical reaction, and discharges exhaust fuel gas; and
At least,
Ammonia is extracted from the fuel gas generated by the reformer, the fuel gas from which the ammonia has been extracted is supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and the extracted ammonia is extracted from the polymer electrolyte fuel cell. A polymer electrolyte fuel cell system further comprising an ammonia pump for mixing with the discharged exhaust gas. 前記アンモニアポンプが、陽イオン交換体と、該陽イオン交換体を挟持する一対の導電性触媒層及び該一対の導電性触媒層を挟持する一対の導電性ガス拡散層を有する一対のガス拡散電極と、を少なくとも備えている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The ammonia pump has a cation exchanger, a pair of conductive catalyst layers that sandwich the cation exchanger, and a pair of conductive gas diffusion layers that sandwich the pair of conductive catalyst layers. And a polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1. 前記陽イオン交換体が、有機陽イオン交換体である、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 2, wherein the cation exchanger is an organic cation exchanger. 前記有機陽イオン交換体が、パーフルオロスルホン酸膜である、請求項３記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 3, wherein the organic cation exchanger is a perfluorosulfonic acid membrane. 前記陽イオン交換体が、無機陽イオン交換体である、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 2, wherein the cation exchanger is an inorganic cation exchanger. 前記無機陽イオン交換体が、リン酸水溶液層である、請求項５記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 5, wherein the inorganic cation exchanger is a phosphoric acid aqueous solution layer. 前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア抽出側が、親水性官能基を備えている、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 2, wherein the ammonia extraction side of the pair of conductive gas diffusion layers has a hydrophilic functional group. 前記親水性官能基が、スルホン酸基である、請求項７記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 7, wherein the hydrophilic functional group is a sulfonic acid group. 前記親水性官能基が、ヒドロキシル基である、請求項７記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 7, wherein the hydrophilic functional group is a hydroxyl group. 前記一対の導電性ガス拡散層の前記アンモニア混合側が、疎水性官能基を備えている、請求項２記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 2, wherein the ammonia mixing side of the pair of conductive gas diffusion layers has a hydrophobic functional group. 前記高分子電解質形燃料電池から電力が供給されて前記アンモニアポンプにその駆動用電力を供給する電力供給系統を更に備えている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池システム。   The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, further comprising a power supply system that is supplied with electric power from the polymer electrolyte fuel cell and supplies driving power to the ammonia pump. 前記高分子電解質形燃料電池と前記アンモニアポンプとが、直接的又は間接的に一体化されている、請求項１記載の高分子電解質形燃料電池システム。

The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the polymer electrolyte fuel cell and the ammonia pump are integrated directly or indirectly.

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