(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードにヒドラジン類を含む液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、
前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該分離された液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、
前記気液分離器内の圧力を検出する圧力センサと、
前記気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサと、
前記循環路を流れる液体の温度を検出する温度センサと、
前記圧力センサにより検出される圧力および前記アンモニアガス濃度センサにより検出されるアンモニアガスの濃度から、前記気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧を演算する分圧演算手段と、
前記分圧演算手段により演算された分圧、前記温度センサにより検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、前記気液分離器内で分離された液体中のアンモニアの濃度を演算するアンモニア液濃度演算手段とを含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記カソードに供給される空気が流れる空気供給路と、
前記カソードから外部に排出される空気が流れる排気路と、
前記カソードに供給される空気の流量を調節するための空気流量調節器と、
前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるバルブと、
当該燃料電池システムが搭載される車両の走行速度を検出する車速センサと、
前記分圧演算手段により演算されるアンモニアガスの分圧に基づいて、前記気液分離器内から外部に排出される気体中のアンモニアの量を演算するアンモニア排出量演算手段と、
前記車速センサにより検出される車両の走行速度および前記アンモニア排出量演算手段により演算されたアンモニアの量に基づいて、前記気液分離器内から排出される気体中のアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量を演算する希釈空気必要量演算手段と、
前記排気路を流通する空気の流量と前記希釈空気必要量演算手段により演算される希釈空気必要量とを比較し、その比較結果に基づいて、前記空気流量調節器および前記バルブの開閉を制御する制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料電池に液体燃料であるヒドラジン類を直接に供給するものが知られている。
【０００３】
燃料電池は、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードは、燃料循環ラインの途中に介装されている。すなわち、燃料循環ラインの一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環ラインから液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードには、空気が供給される。
【０００４】
アノードでは、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【０００５】
このような燃料電池システムでは、液体燃料の熱分解や発電時の副次的反応により、アンモニア（ＮＨ３）が発生する。発生したアンモニアが液体燃料中に溶解し、液体燃料中のアンモニアの濃度（以下「アンモニア液濃度」という。）が上昇すると、燃料電池の発電性能が低下する。また、アンモニアによる臭気が発生する。そのため、液体燃料中のアンモニア液濃度を常に監視して、アンモニア液濃度が一定濃度を超えないように、発電量を制御する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１９９７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液体燃料中のアンモニア液濃度は、赤外線液体成分濃度計などの液濃度センサを用いて検出することができる。しかしながら、液濃度センサは、大型かつ高価である。そのため、液濃度センサを燃料電池システムに採用すると、燃料電池システムのサイズが大型化し、そのコストが高くなる。また、液体燃料中には、アンモニアと比較して高濃度のヒドラジン類が含まれるので、液濃度センサを用いても、アンモニア液濃度を精度よく検出することは困難である。
【０００８】
本発明の目的は、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、アノードに供給される液体燃料中（液体中）のアンモニア液濃度を精度よく取得することができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードにヒドラジン類を含む液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該分離された液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、前記気液分離器内の圧力を検出する圧力センサと、前記気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサと、前記循環路を流れる液体の温度を検出する温度センサと、前記圧力センサにより検出される圧力および前記アンモニアガス濃度センサにより検出されるアンモニアガスの濃度から、前記気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧を演算する分圧演算手段と、前記分圧演算手段により演算された分圧、前記温度センサにより検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、気液分離器内で分離された液体中（前記アノードに供給される液体中）のアンモニアの濃度（アンモニア液濃度）を演算するアンモニア液濃度演算手段とを含むことを特徴としている。
【００１０】
この燃料電池システムでは、循環路の一端から燃料電池のアノードにヒドラジン類を含む液体燃料が供給される。アノードから排出される気体および液体（液体燃料を主として含む液体）は、循環路に排出される。循環路の途中部には、気液分離器が介装されている。アノードから循環路に排出される気体および液体は、気液分離器内において互いに分離され、その分離された液体が循環路に戻される。これにより、未反応の液体燃料は、循環路およびアノードを循環する。
【００１１】
そのため、液体燃料の熱分解や発電時の副次的反応により発生するアンモニアが液体燃料に溶解し、循環路およびアノードを循環する液体中のアンモニア液濃度が上昇すると、言い換えれば、その液体中の液体燃料の濃度が低下すると、燃料電池の発電性能が低下したり、アンモニアによる臭気が発生したりする。
【００１２】
そこで、アノードに供給される液体中のアンモニア液濃度を取得するために、気液分離器内の圧力を検出する圧力センサと、気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサと、循環路を流れる液体の温度を検出する温度センサとが設けられている。
【００１３】
そして、圧力センサにより検出される圧力およびアンモニアガス濃度センサにより検出されるアンモニアガスの濃度から、気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧が演算され、この演算された分圧、温度センサにより検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、アンモニア液濃度が演算される。
【００１４】
アンモニアガス濃度センサは、赤外線液体成分濃度計などの液濃度センサと比較して小型かつ安価である。また、気液分離器内で分離される気体は、主として窒素ガスおよびアンモニアガスであるので、アンモニアガスは、アンモニアガス濃度センサにより、液濃度センサによるアンモニア液濃度の検出の精度よりも高精度に検出することができる。
【００１５】
よって、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、液体燃料中のアンモニア液濃度を精度よく取得することができる。
【００１６】
前記燃料電池システムでは、前記カソードに供給される空気が流れる空気供給路と、前記カソードから外部に排出される空気が流れる排気路と、前記カソードに供給される空気の流量を調節するための空気流量調節器と、前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるバルブと、当該燃料電池システムが搭載される車両の走行速度を検出する車速センサと、前記分圧演算手段により演算されるアンモニアガスの分圧に基づいて、前記気液分離器内から外部に排出される気体中のアンモニアの量を演算するアンモニア排出量演算手段と、前記車速センサにより検出される車両の走行速度および前記アンモニア排出量演算手段により演算されたアンモニアの量に基づいて、前記気液分離器内から排出される気体中のアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量を演算する希釈空気必要量演算手段と、前記排気路を流通する空気の流量と前記希釈空気必要量演算手段により演算される希釈空気必要量とを比較し、その比較結果に基づいて、前記空気流量調節器および前記バルブの開閉を制御する制御手段とをさらに含むことが好適である。
【００１７】
この燃料電池システムでは、空気供給路からカソードに空気が供給され、カソードから排気路を通して外部に空気が排気される。カソードに供給される空気の流量は、空気流量調節器により調節される。また、気液分離器内で分離された気体の外部への排出を許容／阻止するために開閉されるバルブが備えられている。
【００１８】
そして、分圧演算手段により演算されるアンモニアガスの分圧に基づいて、気液分離器内から外部に排出される気体中のアンモニアの量が演算される。次いで、その演算されたアンモニアの量および車速センサにより検出される車両の走行速度に基づいて、気液分離器内から排出される気体中のアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量が演算される。つづいて、その演算された希釈空気必要量と排気路を流通する空気の流量との大小が比較され、その比較結果に基づいて、アンモニアガスを高濃度に含む気体が排出されないように、空気流量調節器およびバルブの開閉が制御される。
【００１９】
よって、アンモニアによる臭気の発生を良好に防止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、アンモニアガス濃度センサにより、気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度が検出され、その検出されたアンモニアガスの濃度に基づいて、アノードに供給される液体中のアンモニア液濃度が演算される。よって、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、アンモニア液濃度を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア液濃度取得処理のフローチャートである。
【図４】図４は、図２に示す制御部により実行されるアンモニアガス希釈処理のフローチャートである。
【図５】図５は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア濃度制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【００２４】
燃料電池システム１は、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。
【００２５】
燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質体５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質体５は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。
【００２６】
アノード３には、燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、燃料循環ライン７の一端と他端との間に介装されている。具体的には、燃料流路６の一端は、燃料供給口８をなし、この燃料供給口８には、燃料供給ラインとしての燃料循環ライン７の一端９が接続されている。燃料流路６の他端は、燃料排出口１０をなし、この燃料排出口１０には、燃料排出ラインとしての燃料循環ライン７の他端１１が接続されている。
【００２７】
燃料循環ライン７の一端９および他端１１の近傍には、それぞれ燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が介装されている。
【００２８】
燃料循環ライン７の途中部には、燃料タンク１４から延びる燃料補給管１５が接続されている。燃料タンク１４には、ヒドラジン類が貯留されている。燃料補給管１５の途中部には、燃料補給ポンプ１６が介装されている。燃料補給ポンプ１６が駆動されることにより、燃料タンク１４から燃料補給管１５を通して燃料循環ライン７に液体燃料が供給される。
【００２９】
ヒドラジン類としては、無水ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、トリアザン（ＮＨ２ＮＨＮＨ２）、テトラザン（ＮＨ２ＮＨＮＨＮＨ２）などが例示される。
【００３０】
また、燃料循環ライン７において、燃料補給管１５が接続される部分と燃料供給バルブ１２との間には、燃料循環ポンプ１７が介装されている。燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、液体燃料が燃料循環ライン７を燃料循環ポンプ１７から一端９に向かう方向に流れ、燃料供給口８から燃料流路６に液体燃料が供給される。燃料流路６に供給される液体燃料は、燃料流路６を流れ、燃料排出口１０から燃料循環ライン７に排出される。このように、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開けられた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、燃料流路６および燃料循環ライン７を液体燃料が循環する。
【００３１】
燃料循環ライン７にはさらに、燃料排出バルブ１３と燃料補給管１５が接続される部分との間に、気液分離器１８が介装されている。燃料排出口１０から燃料循環ライン７には、液体燃料を主として含む液体とともに気体が排出される。液体燃料および気体は、燃料循環ライン７から気液分離器１８内に流入する。そして、気液分離器１８内において、液体と気体とが互いに分離される。分離された液体は、燃料循環ライン７に戻される。
【００３２】
気液分離器１８には、ガス放出ライン１９が接続されている。ガス放出ライン１９には、ガス放出バルブ２０が介装されている。ガス放出バルブ２０が開かれると、気液分離器１８内のガスがガス放出ライン１９を通して大気に放出される。
【００３３】
カソード４には、気体流路２１が形成されている。気体流路２１の一端は、気体供給口２２をなし、この気体供給口２２には、エアコンプレッサ２３から延びる空気供給ライン２４が接続されている。気体流路２１の他端は、気体排出口２５をなし、この気体排出口２５には、一端が開放される気体排出ライン２６の他端が接続されている。気体排出ライン２６の途中部には、気体流路２１を流れる空気の圧力を調節するための圧力調節バルブ２７が介装されている。
【００３４】
図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【００３５】
燃料電池システム１は、気液分離器１８内の圧力を検出する圧力センサ４１と、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサ４２と、気液分離器１８から燃料循環ライン７に流れる液体の温度を検出する温度センサ４３と、燃料電池２が発生する電流を検出する電流センサ４４とを備えている。
【００３６】
また、燃料電池システム１が搭載される自動車には、燃料電池２で発生した電力（電気エネルギー）を蓄えておくための二次電池５１と、自動車の走行速度（車速）を検出する車速センサ５２とが搭載されている。
【００３７】
そして、燃料電池システム１は、マイクロコンピュータにより構成される制御部４５を備えている。マイクロコンピュータには、ＣＰＵおよびメモリなどが含まれる。
【００３８】
制御部４５には、圧力センサ４１、アンモニアガス濃度センサ４２、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力が入力される。
【００３９】
制御部４５は、メモリに格納されたプログラムに従って、各センサ４１，４２，４３，４４，５２からの入力に基づいて、燃料補給ポンプ１６、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動を制御し、燃料供給バルブ１２、燃料排出バルブ１３およびガス放出バルブ２０の開閉を制御する。また、圧力調節バルブ２７の開度を制御する。
【００４０】
燃料電池システム１の運転時には、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれ、燃料循環ポンプ１７が駆動されて、アノード３の燃料流路６に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに、圧力調節バルブ２７の開度が調節されることにより、カソード４の気体流路２１に空気が供給される。
【００４１】
これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
【００４２】
具体的には、液体燃料がヒドラジンである場合、アノード３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料循環ライン７に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質体５を透過して、アノード３に移動する。
【００４３】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
この結果、アノード３とカソード４との間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【００４４】
燃料補給ポンプ１６は、燃料循環ライン７に液体燃料を補給する必要が生じた時に駆動される。
【００４５】
ガス放出バルブ２０は、気液分離器１８内の圧力に応じて開閉され、通常の運転時には開かれている。
【００４６】
図３は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア液濃度取得処理のフローチャートである。
【００４７】
燃料電池システム１の運転中、制御部４５は、燃料循環ライン７を流れる液体中のアンモニアの濃度（アンモニア液濃度）を監視するために、図３に示すアンモニア液濃度取得処理を予め定める周期で実行する。
【００４８】
圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力は、制御部４５により、アンモニア液濃度取得処理の実行周期よりもかなり短い周期（たとえば、１０msec）で取得されている。アンモニアガス濃度センサ４２の出力は、制御部４５により、アンモニア液濃度取得処理の実行周期よりも長い周期（たとえば、３０sec）で取得されている。
【００４９】
そのため、アンモニア液濃度取得処理の開始時に、圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力は、常に取得されるが（ステップＳ１）、アンモニアガス濃度センサ４２の出力は、取得される場合と取得されない場合とがある。
【００５０】
アンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得された場合には（ステップＳ２のＹＥＳ）、その出力が表すガス濃度測定値Ｃgasと圧力センサ４１の出力が表す気液分離器１８内の圧力Ｐとに基づいて、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの分圧ＰNH3が演算される（ステップＳ３）。具体的には、演算式（３）に従って、アンモニアガスの分圧が演算される。
【００５１】
ＰNH3［kPa］＝Ｃgas［％］×Ｐ［kPa］    ・・・（３）
つづいて、その演算されたアンモニアガスの分圧、温度センサ４３の出力が表す温度（気液分離器１８から燃料循環ライン７を流れる液体の温度）およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、アンモニア液濃度Ｃliqが演算される。たとえば、温度センサ４３の出力が表す温度が６０℃である場合、演算式（４）に基づいて、アンモニア液濃度Ｃliqが演算される。演算されたアンモニア液濃度Ｃliqは、液濃度演算値Ｃcとしてメモリに保持され、現在のアンモニア液濃度と決定される。
【００５２】
ＰNH3［kPa］＝０．００１２×Ｃliq３＋０．０９０１×Ｃliq２
＋４．３９６２×Ｃliq−０．０１３８    ・・・（４）
その後、液濃度演算値Ｃcと後述する液濃度推定値Ｃeとの偏差が所定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ５）。液濃度推定値Ｃeが未だ演算（推定）されていない場合、液濃度演算値Ｃcと液濃度推定値Ｃeとの偏差は零であるとして、その偏差が所定値以上であるか否かの判断が否定され（ステップＳ５のＮＯ）、アンモニア液濃度取得処理が終了する。
【００５３】
その後、アンモニア液濃度取得処理が再び実行され、その開始時に、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得されなかった場合（ステップＳ２のＮＯ）、前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃcまたは液濃度推定値Ｃe（つまり、現在のアンモニア液濃度）、温度センサ４３の出力が表す温度（燃料循環ライン７を流れる液体の温度）およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの分圧が演算される。たとえば、温度センサ４３の出力が表す温度が６０℃である場合、前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃcまたは液濃度推定値Ｃeをアンモニア液濃度Ｃliqとして、前記の演算式（４）に従って、アンモニアガスの分圧ＰNH3が演算される（ステップＳ７）。
【００５４】
また、アンモニア液濃度Ｃliq、燃料循環ライン７を流れる液体の流量Ａfおよび温度センサ４３の出力が表す温度に基づいて、燃料電池で生成されるアンモニアの量であるアンモニア生成量ＧNH3が演算される（ステップＳ８）。具体的には、演算式（５）に従って、アンモニア生成量ＧNH3が演算される。なお、燃料循環ライン７を流れる液体の流量Ａfは、燃料循環ポンプ１７の駆動状態から取得することができる。
【００５５】
ＧNH3［mol/min］＝α×Ｃliq×Ａf    ・・・（５）
α：燃料循環ライン７を流れる液体の温度に応じた定数
さらに、電流センサ４４の出力が表す電流値Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎに基づいて、演算式（６）に従って、燃料電池２で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2が演算される（ステップＳ９）。
【００５６】
ＧN2［mol/min］＝Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎ×６０    ・・・（６）
Ｆ：ファラデー定数
つづいて、演算式（４）に従って演算されたアンモニアガスの分圧ＰNH3および演算式（６）に従って演算された生成窒素量ＧN2に基づいて、演算式（７）に従って、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量ＥNH3が演算される。
【００５７】
ＥNH3［mol/min］＝（ＰNH3／Ｐair）×ＧN2    ・・・（７）
Ｐair：大気圧
そして、アンモニア生成量ＧNH3からアンモニア排出量ＥNH3が差し引かれ、その減算値から濃度変化量が求められて、この濃度変化量が前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃcまたは液濃度推定値Ｃeに加えられる（ステップＳ１０）。そして、その加算値が現在のアンモニア液濃度と決定され、アンモニア液濃度取得処理が終了する。
【００５８】
その後、アンモニア液濃度取得処理が再び実行され、その開始時にアンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得されて（ステップＳ２のＹＥＳ）、液濃度演算値Ｃcがメモリに保持され、現在のアンモニア液濃度と決定されると（ステップＳ３，Ｓ４）、液濃度演算値Ｃcと前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度推定値Ｃeとの偏差が所定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ５）。そして、液濃度演算値Ｃcと液濃度推定値Ｃeとの偏差が所定値以上であれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、その偏差に応じて、燃料循環ライン７を流れる液体の温度に応じた定数αが補正され、アンモニア液濃度取得処理が終了する。以降、定数αが新たに補正されるまで、前記の演算式（５）に従った演算において、その補正後の定数αが用いられる。
【００５９】
以上のように、燃料電池システム１では、燃料循環ライン７の一端９から燃料電池２のアノード３にヒドラジン類を含む液体燃料が供給される。アノード３から排出される気体および液体（液体燃料を主として含む液体）は、燃料循環ライン７に排出される。燃料循環ライン７の途中部には、気液分離器１８が介装されている。アノード３から燃料循環ライン７に排出される気体および液体は、気液分離器１８内において互いに分離され、その分離された液体が燃料循環ライン７に戻される。これにより、未反応の液体燃料は、燃料循環ライン７およびアノード３を循環する。
【００６０】
そのため、液体燃料の熱分解や発電時の副次的反応により発生するアンモニアが液体燃料に溶解し、燃料循環ライン７およびアノード３を循環する液体中のアンモニア液濃度が上昇すると、言い換えれば、その液体中の液体燃料の濃度が低下すると、燃料電池２の発電性能が低下したり、アンモニアによる臭気が発生したりする。
【００６１】
そこで、アノード３に供給される液体中のアンモニア液濃度を取得するために、気液分離器１８内の圧力Ｐを検出する圧力センサ４１と、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサ４２と、燃料循環ライン７を流れる液体の温度を検出する温度センサ４３とが設けられている。
【００６２】
そして、圧力センサ４１により検出される圧力Ｐおよびアンモニアガス濃度センサ４２により検出されるアンモニアガスの濃度Ｃgasから、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの分圧ＰNH3が演算され、この演算された分圧ＰNH3、温度センサ４３により検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、液濃度演算値Ｃcが演算される。
【００６３】
アンモニアガス濃度センサ４２は、赤外線液体成分濃度計などの液濃度センサと比較して小型かつ安価である。また、気液分離器１８内で分離される気体は、主として窒素ガスおよびアンモニアガスであるので、アンモニアガスは、アンモニアガス濃度センサ４２により、液濃度センサによるアンモニア液濃度の検出の精度よりも高精度に検出することができる。
【００６４】
よって、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、液体燃料中のアンモニア液濃度を精度よく取得することができる。
【００６５】
また、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が制御部４５により取得されない期間には、燃料電池２で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2、および気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量ＥNH3が演算される。そして、アンモニア生成量ＧNH3からアンモニア排出量ＥNH3が差し引かれ、その減算値から濃度変化量が求められて、この濃度変化量が前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃcまたは液濃度推定値Ｃeに加えられることにより、液濃度推定値Ｃeが現在のアンモニア液濃度として取得される。
【００６６】
そのため、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が制御部４５により取得されない期間においても、アンモニア液濃度を取得することができ、アンモニア液濃度に応じた適切なシステム制御を実行することができる。
【００６７】
また、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が制御部４５により新たに取得されて、液濃度演算値Ｃcが新たに演算されると、液濃度演算値Ｃcと前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度推定値Ｃeと偏差が求められ、その偏差が所定値以上であれば、液濃度推定値Ｃeを演算する際に用いられる定数αが補正される。その結果、液濃度推定値Ｃeの推定精度が向上するので、アンモニア液濃度をより精度よく取得することができる。
【００６８】
図４は、図２に示す制御部により実行されるアンモニアガス希釈処理のフローチャートである。
【００６９】
燃料電池システム１の運転中、制御部４５により、図４に示すアンモニアガス希釈処理が予め定める周期で実行される。
【００７０】
アンモニアガス希釈処理では、まず、圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力が取得される（ステップＳ１１）。
【００７１】
次に、直近のアンモニア液濃度取得処理で取得（演算）されたアンモニア液濃度（液濃度演算値Ｃcまたは液濃度推定値Ｃe）をアンモニア液濃度Ｃliqとして、前記の演算式（４）に従って、アンモニアガスの分圧ＰNH3が演算される（ステップＳ１２）。
【００７２】
なお、アンモニアガス希釈処理の開始時にアンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得された場合には、その出力が表すガス濃度測定値Ｃgasと圧力センサ４１の出力が表す気液分離器１８内の圧力Ｐとに基づいて、前記の演算式（３）に従って、アンモニアガスの分圧ＰNH3が演算されてもよい。
【００７３】
次いで、電流センサ４４の出力が表す電流値Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎに基づいて、前記の演算式（６）に従って、燃料電池２で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2が演算される。そして、アンモニアガスの分圧ＰNH3および生成窒素量ＧN2に基づいて、前記の演算式（７）に従って、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量ＥNH3が演算される（ステップＳ１３）。
【００７４】
その後、気液分離器１８からガス放出ライン１９を通して外部に排出されるアンモニアガスを臭気が生じない程度に希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量Ｄairが演算される（ステップＳ１４）。そのために、臭気を生じない程度のアンモニアガスの目標濃度Ｃdが設定されて、希釈空気必要量Ｄairは、その目標濃度Ｃd、アンモニア排出量ＥNH3および車速センサ５２の出力が表す車速に応じた希釈係数Ｋ１に基づいて、演算式（８）に従って演算される。車速が大きいほど、自動車の走行により生じる風（走行風）が大きいので、希釈係数Ｋ１は、車速が大きいほど大きな値に設定される。
【００７５】
Ｄair［mol/min］＝ＥNH3／Ｃd／Ｋ１    ・・・（８）
そして、希釈空気必要量Ｄairと圧力調節バルブ２７の開度から取得されるカソード４からの排気量との大小が比較される（ステップＳ１５）。
【００７６】
希釈空気必要量Ｄairが排気量以下であれば（ステップＳ１５のＮＯ）、アンモニアガス希釈処理は直ちに終了される。
【００７７】
希釈空気必要量Ｄairが排気量よりも大きい場合には（ステップＳ１５のＹＥＳ）、二次電池５１のＳＯＣが予め定められる閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ１６）。
【００７８】
二次電池５１のＳＯＣが閾値よりも大きければ（ステップＳ１６のＹＥＳ）、自動車の駆動力を二次電池５１からの放電により補うようにして、燃料循環ポンプ１７の送液能力および圧力調節バルブ２７の開度が下げられて、燃料電池２における発電量が低下（ダウン）される（ステップＳ１７）。その結果、発電時の副次的反応により発生するアンモニアの量が抑制される。
【００７９】
燃料電池２における発電量を低下させた後、希釈空気必要量Ｄairと排気量との大小が再び比較される（ステップＳ１８）。
【００８０】
希釈空気必要量Ｄairが排気量以下であれば（ステップＳ１８のＮＯ）、アンモニアガス希釈処理は直ちに終了される。
【００８１】
依然として、希釈空気必要量Ｄairが排気量よりも大きい場合には（ステップＳ１８のＹＥＳ）、エアコンプレッサ２３の能力が上げられて、カソード４からの排気量が増大（アップ）される（ステップＳ１９）。このとき、圧力調節バルブ２７は、気体排出ライン２６からの空気の排出を阻害しないような開度とされる。また、最初の希釈空気必要量Ｄairと排気量との大小比較（ステップＳ１５）の後に、二次電池５１のＳＯＣが閾値以下であると判定された場合には（ステップＳ１６のＮＯ）、燃料電池２における発電量が低下されることなく、カソード４からの排気量が増大される（ステップＳ１９）。
【００８２】
その後、希釈空気必要量Ｄairと排気量との大小が再び比較される（ステップＳ２０）。
【００８３】
希釈空気必要量Ｄairが排気量以下であれば（ステップＳ２０のＮＯ）、アンモニアガス希釈処理は直ちに終了される。
【００８４】
依然として、希釈空気必要量Ｄairが排気量よりも大きい場合には（ステップＳ２０のＹＥＳ）、ガス放出バルブ２０が閉じられて、気液分離器１８からの排気が停止され（ステップＳ２１）、アンモニアガス希釈処理が終了される。
【００８５】
このように、アンモニアガスの分圧ＰNH3および生成窒素量ＧN2に基づいて、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量ＥNH3が演算される。次いで、臭気を生じない程度のアンモニアガスの目標濃度Ｃdが設定されて、その目標濃度Ｃd、アンモニア排出量ＥNH3および車速センサ５２の出力が表す車速に応じた希釈係数Ｋ１に基づいて、気液分離器１８からガス放出ライン１９を通して外部に排出されるアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量Ｄairが演算される。
つづいて、その演算された希釈空気必要量Ｄairとカソード４からの排気量との大小が比較され、その比較結果に基づいて、アンモニアガスを高濃度に含む気体が排出されないように、圧力調節バルブ２７およびガス放出バルブ２０が制御される。
【００８６】
よって、アンモニアによる臭気の発生を良好に防止することができる。
【００８７】
図５は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア濃度制御のフローチャートである。
【００８８】
燃料電池システム１の運転中、制御部４５により、図４に示すアンモニア濃度制御が予め定める周期で実行される。
【００８９】
アンモニア濃度制御では、まず、圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力が取得される（ステップＳ３１）。
【００９０】
次に、直近のアンモニア液濃度取得処理で取得（演算）されたアンモニア液濃度（液濃度演算値Ｃcまたは液濃度推定値Ｃe）が予め定める閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ３２）。
【００９１】
アンモニア液濃度が閾値以下であれば（ステップＳ３２のＮＯ）、アンモニア濃度制御は直ちに終了される。
【００９２】
アンモニア液濃度が閾値よりも大きい場合には、そのアンモニア液濃度をアンモニア液濃度Ｃliqとして、燃料循環ライン７を流れる液体の流量Ａfおよび温度センサ４３の出力が表す温度（燃料循環ライン７を流れる液体の温度）に基づいて、前記の演算式（５）に従って、燃料電池２におけるアンモニア生成量ＧNH3が演算される（ステップＳ３３）。
【００９３】
次に、アンモニア液濃度Ｃliq、アンモニア生成量ＧNH3および燃料循環ライン７を流れる液体中に含まれることが許容される上限のアンモニア濃度（目標アンモニア液濃度）Ｃmaxに基づいて、演算式（９）に従って、アンモニア排出量の目標値Ｅdが演算（設定）される（ステップＳ３４）。
【００９４】
Ｅd［mol/min］＝ＧNH3＋Ｋ２／（Ｃmax−Ｃliq）    ・・・（９）
Ｋ２：予め定められた係数
つづいて、車速が大きいほど、自動車の走行により生じる風（走行風）が大きく、気液分離器１８から排出されるアンモニアガスが希釈されるので、これを考慮して、車速センサ５２の出力が表す車速Ｖに応じて、演算式（１０）に従って、目標値Ｅdが目標値Ｅd’に補正される（ステップＳ３５）。
【００９５】
Ｅd’［mol/min］＝Ｖ×Ｋ３×Ｅd    ・・・（１０）
Ｋ３：予め定められた係数
その後、前記の演算式（４）に従って、アンモニアガスの分圧ＰNH3が演算される（ステップＳ３６）。
【００９６】
なお、アンモニア濃度制御の開始時にアンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得された場合には、その出力が表すガス濃度測定値Ｃgasと圧力センサ４１の出力が表す気液分離器１８内の圧力Ｐとに基づいて、前記の演算式（３）に従って、アンモニアガスの分圧ＰNH3が演算されてもよい。
【００９７】
次いで、前記の演算式（６）に従って、生成窒素量ＧN2が演算され、さらに前記の演算式（７）に従って、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量ＥNH3が演算される（ステップＳ３７）。
【００９８】
そして、アンモニア排出量ＥNH3と目標値Ｅd’との大小が比較される（ステップＳ３８）。
【００９９】
アンモニア排出量ＥNH3が目標値Ｅd’以上であれば、（ステップＳ３８のＮＯ）、燃料循環ライン７を流れる液体中のアンモニア濃度（アンモニア液濃度）を目標アンモニア液濃度Ｃmax以下に低減するのに十分なアンモニア排出量ＥNH3が確保されていると判断されて、アンモニア濃度制御は終了される。
【０１００】
アンモニア排出量ＥNH3が目標値Ｅd’未満である場合には（ステップＳ３８のＹＥＳ）、二次電池５１のＳＯＣが予め定められる閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ３９）。
【０１０１】
二次電池５１のＳＯＣが閾値よりも大きければ（ステップＳ３９のＹＥＳ）、自動車の駆動力を二次電池５１からの放電により補うようにして、燃料循環ポンプ１７の送液能力が上げられるなど、燃料電池２における発電量を低下（ダウン）させるための制御が行われた後（ステップＳ４０）、アンモニア濃度制御は終了される。その結果、発電時の副次的反応により発生するアンモニアの量が抑制される。
【０１０２】
二次電池５１のＳＯＣが閾値以下であれば（ステップＳ３９のＮＯ）、燃料循環ポンプ１７の送液能力が下げられるなど、燃料電池２における発電量を増加（アップ）させるための制御が行われた後（ステップＳ４１）、アンモニア濃度制御は終了される。燃料電池２における発電量が増加されると、燃料電池２のアノード３で生成される窒素ガスの量が増えるとともに、アノード３から排出されるアンモニアガスの量が増えるので、アンモニア液濃度が低下する。
【０１０３】
このように、アンモニア排出量ＥNH3が目標値Ｅd’よりも大きい場合には、燃料電池２における発電量が低下されることにより、発電時の副次的反応により発生するアンモニアの量が抑制される。その結果、燃料循環ライン７を流れる液体におけるアンモニア液濃度を低減することができ、燃料電池２における発電性能の低下を防止することができる。
【０１０４】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【０１０５】
たとえば、燃料電池システム１が自動車に搭載された場合を例にとったが、燃料電池システム１は、自動車に限らず、自動車以外の車両、飛行機、宇宙ロケットなどに搭載されてもよい。
【０１０６】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
３    アノード
４    カソード
７    燃料循環ライン（循環路）
９    一端
１１  他端
１８  気液分離器
２０  ガス放出バルブ（バルブ）
２３  エアコンプレッサ（空気流量調節器）
２４  空気供給ライン（空気供給路）
２６  気体排出ライン（排気路）
２７  圧力調節バルブ
４１  圧力センサ
４２  アンモニアガス濃度センサ
４３  温度センサ
４５  制御部（分圧演算手段、アンモニア液濃度演算手段、アンモニア排出量演算手段、希釈空気必要量演算手段、制御手段）
５２  車速センサ
【図１】
0005490595.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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