(57)【要約】【課題】アンモニアを効率よく分解することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池システム２は、ヒドラジンを含む燃料が供給される燃料電池３と、ヒドラジンを燃焼させるための燃焼装置３７と、燃料電池３から排出される排出液Ｃに含まれるアンモニアを、燃焼装置３７において発生する熱によって分解するアンモニア分解装置５１とを備えている。【選択図】図１
2014165042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドラジンを含む燃料が供給される燃料電池と、
前記ヒドラジンを燃焼させるための燃焼装置と、
前記燃料電池から排出される排出液に含まれるアンモニアを、前記燃焼装置において発生する熱によって分解するアンモニア分解装置と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
さらに、相対的に高濃度のヒドラジンを含む１次燃料を貯留する１次タンクと、
前記１次タンクに接続され、前記１次タンクから供給される１次燃料が希釈され、相対的に低濃度のヒドラジンを含む２次燃料を貯留する２次タンクと、
前記排出液から前記アンモニアを分離する分離装置と
を備え、
前記燃料電池において、供給側には、前記２次タンクが接続され、排出側には、前記分離装置が接続され、
前記アンモニア分解装置には、前記アンモニアが供給されるように前記分離装置が接続されるとともに、熱が供給されるように前記燃焼装置が接続され、
前記２次タンクには、燃焼により発生する水が供給されるように、前記燃焼装置が接続されている
ことを特徴とする、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、液体燃料が供給される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在まで、燃料電池としては、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの各種用途での使用が検討されている。
【０００３】
具体的には、燃料極としてのアノードと、酸素極としてのカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置される固体高分子形の燃料電池が知られている。そして、固体高分子膜がアニオン交換膜である場合には、燃料としてヒドラジン類を用いることが知られている。
【０００４】
一方、このような燃料電池では、燃料として、ヒドラジンが用いられることから、反応後の燃料電池から排出される排出物には、有害なアンモニアガスが含まれる場合がある。
【０００５】
このようなアンモニアガスを無害化するために、アンモニアガスと水蒸気とを、凝縮器によって凝縮し、凝縮されたアンモニア水と、窒素ガスとに分解することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０７０６９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかるに、上記した特許文献１に記載の燃料電池では、凝縮器を稼働させるためには多くの電力を必要とする。その電力は、外部からの供給か、もしくは、燃料電池で発生させて使用する必要があるため、非効率的である。また、凝縮器では、アンモニアガスを十分に除去しきれない場合や、反応したアンモニア水を定期的に回収処理する必要がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、アンモニアを効率よく分解することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、ヒドラジンを含む燃料が供給される燃料電池と、ヒドラジンを燃焼させるための燃焼装置と、燃料電池から排出される排出液に含まれるアンモニアを、燃焼装置において発生する熱によって分解するアンモニア分解装置とを備えている。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、ヒドラジンは、燃料電池に供給される。ヒドラジンが供給された燃料電池からは、アンモニアを含む排出液が排出される。排出されたアンモニアは、アンモニア分解装置に供給される。
【００１１】
また、ヒドラジンは、燃焼装置に供給され、燃焼され、これにより、燃焼装置において熱を発生する。
【００１２】
そして、アンモニアが供給されたアンモニア分解装置に、燃焼装置において発生する熱を供給することにより、アンモニアが分解される。
【００１３】
そのため、燃料に含まれるヒドラジンは、燃料電池によって電気エネルギを発生させることができながら、アンモニア分解装置内のアンモニアを分解させるための熱を発生させることができる。
【００１４】
その結果、アンモニアを分解させるための、アンモニア分解装置の熱源を別途用意する必要がなく、ヒドラジンを利用して、アンモニアを効率よく分解することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムでは、さらに、相対的に高濃度のヒドラジンを含む１次燃料を貯留する１次タンクと、１次タンクに接続され、１次タンクから供給される１次燃料が希釈され、相対的に低濃度のヒドラジンを含む２次燃料を貯留する２次タンクと、排出液からアンモニアを分離する分離装置とを備え、燃料電池において、供給側には、２次タンクが接続され、排出側には、分離装置が接続され、アンモニア分解装置には、アンモニアが供給されるように分離装置が接続されるとともに、熱が供給されるように燃焼装置が接続され、２次タンクには、燃焼により発生する水が供給されるように、燃焼装置が接続されていることが好適である。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、アンモニア分解装置に熱を供給するための燃焼装置からは、ヒドラジンが燃焼されることにより水が発生する。
【００１７】
また、燃料電池には、適正な濃度のヒドラジンを供給する必要があるが、１次タンクに貯留される１次燃料としては、相対的に高濃度のヒドラジンを含むため、１次タンクから２次タンクに流入される１次燃料は、１次燃料が燃焼装置において発生させる水によって希釈されることにより、相対的に低濃度のヒドラジンを含む２次燃料が２次タンクに貯留される。そして、２次タンクに貯留される２次燃料が、燃料電池に供給される。
【００１８】
そのため、ヒドラジンを利用してアンモニアを効率よく分解することができながら、その分解に使用した燃焼装置から発生する水を利用して、１次燃料に含まれる高濃度のヒドラジンを希釈し、濃度を調整することができる。
【００１９】
その結果、各装置が相互に作用しあう高効率の燃料電池システムを構成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムによれば、アンモニアを効率よく分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
１．燃料電池システムの全体構成
図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００２３】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備え、さらには、原液タンク２１（後述）と分解調整部２６（後述）とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２４】
燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなど）を含む液体燃料、例えば、ヒドラジンそのもの、または、それのアルコール溶液や水溶液など、好ましくは、ヒドラジン水の水溶液が挙げられる。
【００２５】
燃料電池３は、電解質層８と、電解質層８の一方側に配置され、液体燃料が供給されるアノード９と、電解質層８の他方側に配置され、空気（酸素）が供給されるカソード１０とを有する単位セル（燃料電池セル）が、セパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層８を介してアノード９およびカソード１０が対向配置されてなる単位セルが複数積層されている。なお、図１では、積層される複数の単位セルのうち、１つだけを燃料電池３として示し、その他の単位セルについては省略している。
【００２６】
電解質層８は、例えば、アニオン成分またはカチオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜またはカチオン交換膜を用いて形成されている。
【００２７】
アノード９は、アノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料を供給するための燃料供給部材１２とを備えている。
【００２８】
アノード電極１１は、電解質層８の一方面に形成されている。
【００２９】
アノード電極１１の電極材料としては、例えば、アノード触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。
【００３０】
燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料を接触させながら通過させるためのアノード流路の一例としての燃料供給路１３が形成される。
【００３１】
燃料供給路１３には、液体燃料を燃料供給路１３内に流入させるための燃料供給口１４が一端側（下側）に形成され、液体燃料を燃料供給路１３から排出するための燃料排出口１５が他端側（上側）に形成されている。
【００３２】
カソード１０は、カソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素）を供給するための空気供給部材１７とを備えている。
【００３３】
カソード電極１６は、電解質層８の他方面に形成されている。
【００３４】
カソード電極１６の電極材料としては、例えば、カソード触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。
【００３５】
空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させながら通過させるためのカソード流路の一例としての空気供給路１８が形成される。
【００３６】
空気供給路１８には、空気を空気供給路１８内に流入させるための空気供給口１９が他端側（上側）に形成され、空気を空気供給路１８から排出するための空気排出口２０が一端側（下側）に形成されている。
【００３７】
また、このような燃料電池３において、複数の単位セルをそれぞれ区分する１つのセパレータは、上記燃料供給部材１２および上記空気供給部材１７を兼ね備える。換言すると、セパレータは、その一方側面において、燃料供給部材１２として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材１７として作用する。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料供給路１３に液体燃料を供給するために設けられている。
【００３８】
燃料給排部４は、液体燃料を燃料供給路１３に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（具体的には、燃料供給路１３）に還流するために還流管２２と、液体燃料を貯蔵するための２次タンクの一例としての循環燃料タンク２５と、分離装置の一例としての第１気液分離器４６とを備えている。
【００３９】
還流管２２は、その一端側が燃料電池３の燃料供給口１４に接続され、その他端側が燃料電池３の燃料排出口１５に接続されている。
【００４０】
これにより、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１５および燃料供給口１４）が、燃料電池３の外部に設けられた還流管２２を介して密閉状態で連通する。したがって、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１５（上流側）から排出される液体燃料が、還流管２２を介して燃料供給口１４（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１５に戻ることにより、アノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。
【００４１】
循環燃料タンク２５は、還流管２２の途中に介在されている。
【００４２】
循環燃料タンク２５は、例えば、中空の容器からなり、上記した液体燃料が貯蔵されている。なお、循環燃料タンク２５に貯蔵されている液体燃料は、相対的に低濃度のヒドラジンを含む２次燃料（以下、低濃度液体燃料Ｂとする）である。循環燃料タンク２５の後側側面には、循環燃料タンク２５の内外を流通させる循環燃料タンク燃料流入口２７が形成されている。また、循環燃料タンク２５の上部上面には、循環燃料タンク２５の内外を流通させる循環燃料タンク循環燃料流入口２８が形成されている。また、循環燃料タンク２５の前側側面には、循環燃料タンク２５の内外を流通させる循環燃料タンク循環燃料流出口２９が形成されている。
【００４３】
循環燃料タンク燃料流入口２７、循環燃料タンク循環燃料流入口２８、および、循環燃料タンク循環燃料流出口２９は、循環燃料タンク２５の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００４４】
循環燃料タンク２５は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向下方において、循環燃料タンク循環燃料流入口２８と循環燃料タンク循環燃料流出口２９とが、それぞれ還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。
【００４５】
これによって、循環燃料タンク２５の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００４６】
また、循環燃料タンク２５には、詳しくは後述するが、その循環燃料タンク燃料流入口２７に、原液タンク２１（後述）に貯留された高濃度液体燃料Ａを希釈するための分解調整部２６（後述）の燃料供給管３１（後述）が接続されている。
【００４７】
また、還流管２２において循環燃料タンク２５の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の途中には、燃料電池３に低濃度液体燃料Ｂを輸送するための循環燃料輸送ポンプ３０が介在されている。すなわち、循環燃料タンク２５は、燃料電池３の供給側（燃料供給口１４側）に接続されている。
【００４８】
循環燃料輸送ポンプ３０としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。循環燃料輸送ポンプ３０は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が、循環燃料輸送ポンプ３０に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、循環燃料輸送ポンプ３０の駆動および停止を制御する。
【００４９】
第１気液分離器４６は、還流管２２において、燃料電池３の下流側、かつ、循環燃料タンク２５の上流側に介在されている。すなわち、第１気液分離器４６は、燃料電池３の排出側（燃料排出口１５側）に接続されている。
【００５０】
第１気液分離器４６は、例えば、中空の容器からなり、その前側側面には、第１気液分離器４６の内外を流通させる第１燃料流入口４７が形成されている。また、第１気液分離器４６の後側側面には、第１気液分離器４６の内外を流通させる第１気体流出口４８が形成されている。また、第１気液分離器４６の下部底面には、第１気液分離器４６の内外を流通させる第１液体流出口４９が形成されている。
【００５１】
第１燃料流入口４７、第１気体流出口４８、および、第１液体流出口４９は、第１気液分離器４６の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００５２】
第１気液分離器４６は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、第１燃料流入口４７と第１液体流出口４９とが、それぞれ還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。
【００５３】
これによって、第１気液分離器４６の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００５４】
また、第１気体流出口４８には、第１気液分離器４６で分離されたガス（気体）を排出するための第１ガス排出管５０が接続されている。第１ガス排出管５０は、その一端側（上流側）が第１気体流出口４８に接続され、その他端側（下流側）が大気に開放されている。また、第１ガス排出管５０の途中には、第１ガス排出弁５２が設けられている。
【００５５】
第１ガス排出弁５２は、コントロールユニット６３に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３からの制御信号が第１ガス排出弁５２に入力され、コントロールユニット６３が、第１ガス排出弁５２の開閉を制御する。
【００５６】
また、還流管２２において第１気液分離器４６の下流側、かつ、循環燃料タンク２５の上流側の途中には、燃料循環弁５３が設けられている。
【００５７】
燃料循環弁５３は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が燃料循環弁５３に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、燃料循環弁５３の開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気を空気供給路１８に供給するための空気供給管５６と、空気供給路１８から排出される空気を外部に排出するための空気排出管５７とを備えている。
【００５８】
空気供給管５６は、その一端側（上流側）が大気に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給管５６の途中には、空気供給ポンプ５８が介在されている。
【００５９】
空気供給ポンプ５８としては、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが用いられる。空気供給ポンプ５８は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ５８に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、空気供給ポンプ５８の駆動および停止を制御する。
【００６０】
空気供給管５６において空気供給ポンプ５８の下流側には、空気供給弁５９が設けられている。
【００６１】
空気供給弁５９は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が空気供給弁５９に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、空気供給弁５９の開閉を制御する。
【００６２】
空気排出管５７は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
【００６３】
空気排出管５７には、空気排出弁６０が設けられている。
【００６４】
空気排出弁６０は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が空気排出弁６０に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、空気排出弁６０の開閉を制御する。
（４）制御部
制御部６は、燃料電池システム２のコントロールユニット６３を備えている。
【００６５】
コントロールユニット６３は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
（５）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギを電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ６４と、モータ６４に電気的に接続されるインバータ６５と、モータ６４による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ６６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６７とを備えている。
【００６６】
モータ６４は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ６４としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。
【００６７】
インバータ６５は、モータ６４と燃料電池３との間に配置されている。インバータ６５は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ６５は、配線により、燃料電池３およびモータ６４にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット６３と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。
【００６８】
動力用バッテリ６６としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度のニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ６６は、インバータ６５と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ６４に電力を供給可能とされている。
【００６９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６７は、動力用バッテリ６６と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６７は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ６６の入出力電力を調整する機能を有している。
【００７０】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６７は、図示しないが、コントロールユニット６３と電気的に接続されており、これにより、コントロールユニット６３から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。
【００７１】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６７は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ６６にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ６５に電気的に接続されている。
【００７２】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６７からモータ６４への電力は、インバータ６５において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ６４に供給される。
２．燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット６３の制御により、循環燃料輸送ポンプ３０が駆動されることによって、循環燃料タンク２５に貯蔵される低濃度液体燃料Ｂが、循環燃料タンク循環燃料流出口２９から、還流管２２を介して、アノード９の燃料供給路１３に供給される。
【００７３】
一方、コントロールユニット６３の制御により、空気供給弁５９および空気排出弁６０が開かれ、空気供給ポンプ５８が駆動されることによって、空気が空気供給管５６を介して、カソード１０の空気供給路１８に供給される。
【００７４】
アノード９では、低濃度液体燃料Ｂが、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。
【００７５】
一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。
【００７６】
そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。この電気化学反応は、低濃度液体燃料Ｂにヒドラジンが含まれているので、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１１での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−            （カソード電極１６での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ              （燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極１１では、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）とカソード電極１６での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して、窒素（Ｎ２（ガス））および水（Ｈ２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ−）が発生する（上記式（１）参照）。
【００７７】
また、上記した（１）で示される反応では、実際には、窒素（Ｎ２（ガス））および水（Ｈ２Ｏ）に加えて、アンモニア（ＮＨ３）が副生する。
【００７８】
そして、上記と同様、アノード電極１１で発生した電子（ｅ−）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極１６に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ−）が、電流となる。
【００７９】
一方、カソード電極１６では、電子（ｅ−）と、外部からの供給もしくは燃料電池３での反応で生成した水（Ｈ２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成する（上記式（２）参照）。
【００８０】
そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。
【００８１】
このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。
【００８２】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６７に送電され、動力部７では、インバータ６５およびモータ６４、および／または、動力用バッテリ６６に送電される。そして、モータ６４では、インバータ６５により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ６６では、その電力が充電される。
【００８３】
また、燃料給排部４では、燃料供給路１３から排出される未反応のヒドラジンを含む排出液（以下、排出液Ｃとする）が、還流管２２（燃料電池３の下流側、かつ、第１気液分離器４６の上流側の還流管２２）を通過して、第１燃料流入口４７から第１気液分離器４６に流入する。
【００８４】
第１気液分離器４６では、排出液Ｃの液面レベルが、第１燃料流入口４７、および、第１気体流出口４８よりも下方位置に保持される排出液Ｃの排出液溜まり７１が、第１気液分離器４６の中空部分に生じるとともに、排出液Ｃに含まれるガス（上記式（１）の反応により生成する窒素（Ｎ２）やアンモニア（ＮＨ３）など）の一部が排出液溜まり７１の上方空間へ分離される。
【００８５】
その一方で、排出液溜まり７１の一部が、第１液体流出口４９から、第１気液分離器４６の下流側の還流管２２に流出する。そして、コントロールユニット６３の制御により、燃料循環弁５３が開かれることにより、還流管２２に流出する排出液Ｃは、還流管２２（第１気液分離器４６の下流側、かつ、循環燃料タンク２５の上流側の還流管２２）を通過して、循環燃料タンク循環燃料流入口２８から循環燃料タンク２５に流入し、貯蔵される。
【００８６】
また、燃料循環弁５３の開閉は、循環燃料タンク２５の液面レベルが所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で燃料循環弁５３が開かれるように制限されている。
【００８７】
その後、循環燃料タンク２５に流入される排出液Ｃは、分解調整部２６（後述）によって、その濃度が調整されることにより、低濃度液体燃料Ｂとして調製され、循環燃料タンク２５に貯留される。
【００８８】
そして、循環燃料タンク２５に貯留される低濃度液体燃料Ｂは、循環燃料輸送ポンプ３０の駆動により、還流管２２を通過して、再び燃料供給路１３に流入する。
【００８９】
このようにして、低濃度液体燃料Ｂが、クローズドライン（還流管２２、第１気液分離器４６、循環燃料タンク２５、および、燃料供給路１３）を循環する。
【００９０】
一方、空気給排部５では、コントロールユニット６３の制御により、空気排出弁６０が開かれ、カソード１０から排出される空気（反応に寄与した酸素を除く空気）が、空気排出管５７を介して、外部へ排出される。
３．原液タンクおよび濃度調整分解部
燃料電池システム２は、さらに、液体燃料を貯蔵するための１次タンクの一例としての原液タンク２１と、分解調整部２６とを備えている。
（１）原液タンク
原液タンク２１は、例えば、中空の容器からなり、上記した液体燃料が貯蔵されている。なお、原液タンク２１に貯蔵されている液体燃料は、相対的に高濃度のヒドラジンを含む１次燃料（以下、高濃度液体燃料Ａとする）である。原液タンク２１は、燃料電池３よりも後方であって、電動車両１の後側に配置されている。原液タンク２１には、燃料が供給されるための燃料供給口（図示せず）が形成されている。また、原液タンク２１の後側側面には、原液タンク２１の内外を流通させる燃焼用燃料流出口２３が形成されている。また、原液タンク２１の下部底面には、原液タンク２１の内外を流通させる原液タンク燃料流出口２４が形成されている。
【００９１】
燃料供給口（図示せず）、燃焼用燃料流出口２３、および、原液タンク燃料流出口２４は、原液タンク２１の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
（２）分解調整部
分解調整部２６は、第１気液分離器４６で分解されたガス（気体）を無害化し、排出するとともに、原液タンク２１の高濃度液体燃料Ａのヒドラジンの濃度を調整し、その高濃度液体燃料Ａを循環燃料タンク２５に供給するために設けられている。分解調整部２６は、原液タンク２１に貯留された高濃度液体燃料Ａを循環燃料タンク２５に供給するための燃料供給管３１と、燃焼分解機構３５と、原液タンク２１に貯留された高濃度液体燃料Ａを燃焼装置３７（後述）に供給するための燃焼用燃料供給管４５と、高濃度液体燃料Ａの燃焼により発生した燃焼液Ｄ（後述）を循環燃料タンク２５に供給するための燃焼液供給管３６と、燃焼液Ｄ（後述）を気体と液体とに分離する第２気液分離器３８とを備えている。
【００９２】
燃料供給管３１は、その一端側（上流側）が、原液タンク燃料流出口２４に接続されるとともに、その他端側（下流側）が、循環燃料タンク燃料流入口２７に接続されている。
【００９３】
また、燃料供給管３１の途中には、燃料供給弁３２が設けられている。
【００９４】
燃料供給弁３２は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が燃料供給弁３２に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、燃料供給弁３２の開閉を制御する。
【００９５】
また、燃料供給管３１において、燃料供給弁３２と原液タンク２１との間には、燃料輸送ポンプ３３が設けられている。
【００９６】
燃料輸送ポンプ３３としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。燃料輸送ポンプ３３は、コントロールユニット６３（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３（後述）からの制御信号が、燃料輸送ポンプ３３に入力され、コントロールユニット６３（後述）が、燃料輸送ポンプ３３の駆動および停止を制御する。
【００９７】
燃焼分解機構３５は、高濃度液体燃料Ａを燃焼させる燃焼装置３７と、アンモニアを窒素と水素とに分解するアンモニア分解装置５１とを備えている。
【００９８】
燃焼装置３７は、高濃度液体燃料Ａを燃焼させることができ、熱を発生させることができれば、特に制限されないが、例えば、バーナやストーブなど、公知の燃焼装置から構成されている。燃焼装置３７は、コントロールユニット６３に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３からの制御信号が燃焼装置３７に入力され、コントロールユニット６３が、燃焼装置３７の駆動および停止を制御する。
【００９９】
燃焼装置３７の前側側面には、燃焼装置３７の内外流通させる燃焼装置流入口７４が形成されている。また、燃焼装置３７の後側側面には、燃焼装置３７の内外を流通させる燃焼装置流出口７５が形成されている。
【０１００】
分解装置流入口７６、および、分解装置流出口７７は、燃焼装置３７の内部を介して、互いに流通可能とされている。
【０１０１】
アンモニア分解装置５１は、熱を加えることでアンモニアを分解することができれば、特に制限されないが、例えば、触媒を用い、熱を加えることでアンモニアを分解することのできるアンモニア分解装置から構成されている。触媒は、例えば、コージェライトなどからなるハニカム状のモノリス担体など、公知の触媒担体を用いて構成されている。公知の触媒担体に担持される触媒元素としては、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）などの酸化触媒元素が挙げられる。これらは、単独または２種類以上併用してもよい。アンモニア分解装置５１は、燃焼分解機構３５において、燃焼装置３７で発生する熱を受け取り可能なように、燃焼装置３７の内側に配置されており、第１ガス排出管５０の途中において、第１ガス排出弁５２の下流側に介在されている。
【０１０２】
アンモニア分解装置５１の前側側面には、アンモニア分解装置５１の内外を流通させる分解装置流入口７６が形成されている。また、アンモニア分解装置５１の後側側面には、アンモニア分解装置５１の内外を流通させる分解装置流出口７７が形成されている。
【０１０３】
分解装置流入口７６、および、分解装置流出口７７は、アンモニア分解装置５１の内部を介して互いに流通可能とされている。
【０１０４】
アンモニア分解装置５１は、分解装置流入口７６と分解装置流出口７７とが、それぞれ第１ガス排出管５０に接続されることにより、第１ガス排出管５０に介装されている。
【０１０５】
燃焼用燃料供給管４５は、その一端側（上流側）が燃焼用燃料流出口２３に接続されるとともに、その他端側（下流側）が燃焼装置流入口７４に接続されている。
【０１０６】
燃焼液供給管３６は、その一端側（上流側）が、燃焼装置流出口７５に接続されるとともに、その他端側（下流側）が、燃料供給管３１における燃料供給弁３２と循環燃料タンク２５との間に接続されている。
【０１０７】
第２気液分離器３８は、例えば、中空の容器からなり、その上部上面には、第２気液分離器３８の内外を流通させる第２燃料流入口３９が形成されている。また、第２気液分離器３８の後側側面には、第２気液分離器３８の内外を流通させる第２気体流出口４０が形成されている。また、第２気液分離器３８の下部底面には、第２気液分離器３８の内外を流通させる第２液体流出口４１が形成されている。
【０１０８】
第２燃料流入口３９、第２気体流出口４０、および、第２液体流出口４１は、第２気液分離器３８の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【０１０９】
第２気液分離器３８は、燃焼分解機構３５の燃焼装置３７と、循環燃料タンク２５との間において、第２燃料流入口３９と第２液体流出口４１とが、それぞれ燃焼液供給管３６に接続されることにより、燃焼液供給管３６に介装されている。
【０１１０】
これによって、第２気液分離器３８の中空部分が、燃焼液供給管３６の一部を形成している。
【０１１１】
第２気体流出口４０には、第２気液分離器３８で分離されたガス（気体）を排出するための第２ガス排出管４２が接続されている。第２ガス排出管４２は、その一端側（上流側）が第２気体流出口４０に接続され、その他端側（下流側）が大気に開放されている。また、第２ガス排出管４２の途中には、第２ガス排出弁４３が設けられている。
【０１１２】
第２ガス排出弁４３は、コントロールユニット６３に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３からの制御信号が第２ガス排出弁４３に入力され、コントロールユニット６３が、第２ガス排出弁４３の開閉を制御する。
【０１１３】
また、燃焼液供給管３６において、第２気液分離器３８の下流側には、濃度調整弁５４が、介在されている。
【０１１４】
濃度調整弁５４は、コントロールユニット６３に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３からの制御信号が濃度調整弁５４に入力され、コントロールユニット６３が、濃度調整弁５４の開閉を制御する。
【０１１５】
また、燃焼液供給管３６において、第２気液分離器３８の下流側、かつ、濃度調整弁５４の上流側には、濃度調整ポンプ４４が介在されている。
【０１１６】
濃度調整ポンプ４４としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。濃度調整ポンプ４４は、コントロールユニット６３に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット６３からの制御信号が、濃度調整ポンプ４４に入力され、コントロールユニット６３が、濃度調整ポンプ４４の駆動および停止を制御する。
４．液体燃料の濃度調整、および、アンモニアの分解
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット６３の制御により、燃料供給弁３２が開かれ、燃料輸送ポンプ３３が駆動されることによって、原液タンク２１に貯蔵される高濃度液体燃料Ａが、原液タンク燃料流出口２４から、燃料供給管３１内に流入される。
【０１１７】
また、原液タンク２１に貯蔵される高濃度液体燃料Ａは、燃焼用燃料流出口２３から燃焼用燃料供給管４５を介して、燃焼装置流入口７４から分解燃焼装置３５の燃焼装置３７に供給され、コントロールユニット６３の制御により、燃焼装置３７が駆動されることによって、燃焼される。このとき、燃焼装置３７では、高濃度液体燃料Ａがヒドラジンを含んでいるため、下記式（４）の通りとなる。
（４）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ            （燃焼装置３７での反応）
すなわち、高濃度液体燃料Ａが供給された燃焼装置３７では、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）の燃焼により、酸素（Ｏ２）と反応して、窒素（Ｎ２）および水（Ｈ２Ｏ）が生成する（上記式（４）参照）。
【０１１８】
このようにして、燃焼装置３７において燃焼し、高濃度液体燃料Ａが分解されることにより発生する水（以下、燃焼液Ｄとする）とガス（窒素（Ｎ２）など）は、燃焼装置流出口７５から燃焼液供給管３６を介して、第２燃料流入口３９から第２気液分離器３８に流入される。
【０１１９】
第２気液分離器３８では、液面レベルが第２気体流出口４０よりも下方位置に保持される燃焼液Ｄの燃焼液溜まり７０が、第２気液分離器３８の中空部分に生じるとともに、燃焼液溜まり７０に含まれるガス（窒素（Ｎ２）など）の一部が燃焼液溜まり７０の上方空間へ分離される。
【０１２０】
第２気液分離器３８で分離されたガス（窒素（Ｎ２）など）は、コントロールユニット６３の制御により、第２ガス排出弁４３が開かれることによって、第２気体流出口４０から、第２ガス排出管４２を介して外部へ排出される。
【０１２１】
その一方で、燃焼液溜まり７０の一部は、コントロールユニット６３の制御により、濃度調整弁５４が開かれ、濃度調整ポンプ４４が駆動されることによって、第２液体流出口４１から燃焼液供給管３６を介して、燃料供給管３１内に流入する。
【０１２２】
これにより、第２気液分離器３８から燃料供給管３１に流入される燃焼液Ｄは、原液タンク２１から燃料供給管３１に流入された高濃度液体燃料Ａを希釈する。希釈された高濃度液体燃料Ａ、すなわち低濃度液体燃料Ｂは、循環燃料タンク燃料流入口２７から循環燃料タンク２５に流入し、貯蔵される。
【０１２３】
燃料供給弁３２および濃度調整弁５４の開閉は、図示しない循環燃料タンク２５内に設けられる濃度センサの検知に基づいて、循環燃料タンク２５内のヒドラジンの濃度を一定に保つように制御されており、また、循環燃料タンク２５の液面レベルが所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料供給弁３２および濃度調整弁５４が閉じられるように制御されている。
【０１２４】
なお、還流管２２における低濃度液体燃料Ｂの循環において、排出液Ｃのヒドラジンの濃度は、上記式（１）において水（Ｈ２Ｏ）が発生するため、低濃度液体燃料Ｂのヒドラジンの濃度よりも相対的に薄い。そのような場合には、燃料供給弁３２のみを開き、高濃度液体燃料Ａを循環燃料タンク２５に流入させることで、循環燃料タンク２５内のヒドラジンの濃度を調整する。
【０１２５】
また、第１気液分離器４６で分離されたガス（アンモニアなど）は、コントロールユニット６３の制御により、第１ガス排出弁５２が開かれることによって、第１気体流出口４８から第１ガス排出管５０を介して、分解装置流入口７６からアンモニア分解装置５１に流入する。このとき、ガスに含まれるアンモニアは、無害化処理される。その反応は、下記式（５）の通りとなる。
（５）  ４ＮＨ３＋３Ｏ２→２Ｎ２＋６Ｈ２Ｏ          （アノード電極１１での反応）
すなわち、アンモニアガスが供給されたアンモニア分解装置５１では、アンモニア（ＮＨ３）を、触媒と接触させ、燃焼装置３７において、高濃度液体燃料Ａが燃焼されることにより発生する熱が加えられることにより、アンモニア（ＮＨ３）は、窒素（Ｎ２）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）とに分解され、分解装置流出口７７から第１ガス排出管５０を介して、外部へ排出される。
【０１２６】
なお、アンモニア分解装置５１の反応により副生された水蒸気を必要により凝縮させ、燃焼液Ｄと合わせて循環燃料タンク２５内のヒドラジンの濃度調整に用いてもよい。
５．作用効果
上記のような燃料電池システム２によれば、図１に示すように、循環燃料タンク２５に貯蔵される相対的に低濃度のヒドラジンを含む低濃度液体燃料Ｂは、循環燃料タンク循環燃料流出口２９から還流管２２を介して、燃料電池３（アノード９の燃料供給路１３）に供給される。低濃度液体燃料Ｂが供給された燃料電池３からは、アンモニアを含む排出液Ｃが排出される。排出液Ｃは、還流管２２を介して、第１燃料流入口４７から第１気液分離器４６に流入する。第１気液分離器４６によって、排出液Ｃからは、アンモニアガスが分離され、そのアンモニアガスは、第１気体流出口４８から第１ガス排出管５０を介して、分解装置流入口７６からアンモニア分解装置５１に供給される。
【０１２７】
また、相対的に高濃度のヒドラジンを含む高濃度液体燃料Ａは、燃焼用燃料流出口２３から燃焼用燃料供給管４５を介して、燃焼装置流入口７４から燃焼装置３７に供給され、燃焼される。これにより、燃焼装置３７において熱を発生する。
【０１２８】
そして、アンモニア分解装置５１は、燃焼装置３７内に配置されているため、アンモニアが供給されたアンモニア分解装置５１に、燃焼装置３７において発生する熱を供給することができ、アンモニアが分解される。
【０１２９】
そのため、燃料に含まれるヒドラジンは、燃料電池３によって電気エネルギを発生させることができながら、アンモニア分解装置５１内のアンモニアを分解させるための熱を発生させることができる。
【０１３０】
その結果、アンモニアを分解させるための、アンモニア分解装置５１の熱源を別途用意する必要がなく、ヒドラジンを利用して、アンモニアを効率よく分解することができる。
【０１３１】
また、この燃料電池システム２によれば、図１に示すように、アンモニア分解装置５１に熱を供給するための燃焼装置３７からは、原液タンク２１から供給される相対的に高濃度のヒドラジンを含む高濃度液体燃料Ａが燃焼されることで、その反応により発生する水を含む燃焼液Ｄが発生する。
【０１３２】
また、燃料電池３には、適正な濃度のヒドラジンを供給する必要があるが、原液タンク２１に貯留される高濃度液体燃料Ａは、相対的に高濃度のヒドラジンを含む。なお、燃焼装置３７は、燃焼液供給管３６を介して燃料供給管３１と接続されている。そのため、原液タンク２１内の高濃度液体燃料Ａは、原液タンク燃料流出口２４から燃料供給管３１を介して、循環燃料タンク燃料流入口２７から循環燃料タンク２５に流入するときに、燃焼装置３７において発生する燃焼液Ｄによって希釈することができる。これにより、高濃度液体燃料Ａは、相対的に低濃度のヒドラジンを含む低濃度液体燃料Ｂとして調製され、循環燃料タンク２５に貯留される。そして、循環燃料タンク２５に貯留される低濃度液体燃料Ｂが、燃料電池３に供給される。
【０１３３】
従って、ヒドラジンを利用してアンモニアを効率よく分解することができながら、その分解に使用した燃焼装置３７から発生する燃焼液Ｄを利用して、高濃度液体燃料Ａに含まれる高濃度のヒドラジンを希釈し、濃度を調整することができる。
【０１３４】
その結果、各装置が相互に作用しあう高効率の燃料電池システム２を構成することができる。
【符号の説明】
【０１３５】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
２１    原液タンク
２５    循環燃料タンク
３７    燃焼装置
４６    第２気液分離器
５１    アンモニア分解装置
Ａ      高濃度液体燃料
Ｂ      低濃度液体燃料
Ｃ      排出液
Ｄ      燃焼液
【図１】
2014165042.tif 000003