(57)【要約】【課題】外部から水素の供給を受けることなく継続して走行することが可能な輸送機器を提供する。【解決手段】輸送機器１は、アンモニア貯蔵手段１１と、水素生成装置１２と、燃料電池１３と、モータ１４と、バッテリ１５と、制御部１６とを備えている。水素生成装置１２は、アンモニアを分解して水素を生成し、燃料電池１３は水素生成装置１２から水素を供給されて発電する。モータ１４は、燃料電池１３が発電した電力の一部または全部を供給されて稼働する。バッテリ１５は、燃料電池１３が発電した電力の一部または全部を供給されて、モータ１４と水素生成装置１５に給電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア貯蔵手段と、
アンモニアを分解して水素含有ガスを製造する水素生成装置と、
前記水素生成装置が製造した水素含有ガスを使用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給されるモータと、
前記燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給されて、前記モータと前記水素生成装置に給電するバッテリと、
前記バッテリの充電量を監視して前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、
を備えており、
前記制御部が、前記水素生成装置の起動に必要な電力の最低量に対応する前記バッテリの充電量のしきい値と、前記水素生成装置の消費電力に対する水素生成量の関数と、前記燃料電池の水素消費量に対する出力電力の関数と、を記憶しており、
起動時の前記水素生成装置が、前記バッテリから電力を供給して起動することを特徴とする輸送機器。
【請求項２】
前記燃料電池の出力電力が、前記水素生成装置の消費電力より大であることを特徴とする請求項１記載の輸送機器。
【請求項３】
前記燃料電池の動作温度が、前記水素生成装置の動作温度以上であることを特徴とする請求項１または２記載の輸送機器。
【請求項４】
前記水素生成装置が、
アンモニアを分解してプラズマとするための、アンモニア供給口および水素出口を備えたプラズマ反応容器と、
前記バッテリに接続されたプラズマ発生用電源と、
当該プラズマ反応容器の水素出口側を区画する水素分離膜と、
を備えており、
前記水素分離膜が、前記プラズマ反応容器内でプラズマとなっているアンモニアから水素を分離して、前記水素出口側に通過させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の輸送機器。
【請求項５】
前記水素生成装置が、
前記プラズマ発生用電源に接続された高電圧電極を更に備えており、
前記水素分離膜は接地されており、
前記水素分離膜は、前記高電圧電極との間で放電してアンモニアをプラズマとすることを特徴とする請求項４記載の輸送機器。
【請求項６】
アンモニアを冷媒とする空調装置を更に備えることを特徴とする請求項１から５に記載の輸送機器。
【請求項７】
アンモニア貯蔵手段と、
前記アンモニア貯蔵手段から導入されるアンモニアをプラズマ放電によって分解して水素含有ガスを製造する水素生成装置と、
前記水素生成装置から供給される水素含有ガスを使用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給されるモータと、
前記燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給され、前記モータと前記水素生成装置に給電するバッテリと、
前記水素生成装置の起動に必要な電力の最低量に対応する前記バッテリの充電量のしきい値と、前記水素生成装置の消費電力に対する水素生成量の関数と、前記燃料電池の水素消費量に対する出力電力の関数と、を記憶しており、前記バッテリの充電量を監視して前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、
を備えている輸送機器の制御方法であって、
前記制御部が、
前記バッテリの充電量を監視する工程と、
前記バッテリの充電量が前記しきい値を下回った場合に、前記バッテリから前記水素生成装置に供給する電力を増加させる工程と、
前記モータの回転数を上げる命令を外部から受信した場合に、前記バッテリから前記モータに供給する電力を増加させる工程と、
を備えていることを特徴とする輸送機器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを備えた輸送機器に関する。特に、アンモニアを原料とする水素生成装置と燃料電池を備えており、外部から水素の供給を受けることなく継続的に走行することが可能な輸送機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した輸送機器として、燃料電池車が実用化されている。燃料電池車は、水素を燃料として燃料電池で発電し、得られた電力でモータを駆動して走行する。一般的な燃料電池車は、高圧で水素を収容可能な水素タンクを搭載しており、専用の水素ステーションで水素の供給を受ける。現在燃料電池車が搭載している水素タンクは、７０ＭＰａの高圧に対応した圧力容器であり、水素タンクと予防安全のための各種の制御手段は通常の燃料タンク関連の装備よりも高価なものとなる。このような高価な装備は、燃料電池車が一般の輸送機器よりも高価なものとなる原因の一つとなっている。
【０００３】
水素ステーションで燃料電池車に供給する水素は、大部分が他の場所で製造され、液体水素又は圧縮ガスの形態で水素ステーションまで輸送され、水素ステーションで一時保管されている。水素の輸送手段や水素ステーションの開設には、多額の費用を要する。たとえば、水素を液体水素の形態で輸送する場合、容量を小さくすることができる反面、輸送時のエネルギー損失が大きいために輸送コストが増加する。水素の特性に由来する輸送と貯蔵のためのこれらの費用は高額であり、燃料電池車の普及を図る際の一つの解決すべき課題となる。
【０００４】
水素生成装置と燃料電池を車両に搭載し、車両内で水素の必要量を製造して燃料電池に供給することができれば、水素タンクを極めて小型化するか、あるいは全く搭載しないことができる。しかしながら、車両に搭載した水素生成装置が生成する水素のみで継続的に走行可能な燃料電池車は、これまで知られていない。
【０００５】
燃料電池を動力源とする輸送機器に水素生成装置を搭載する場合、燃料電池の発電量の効率の良い制御方法が必要となる。発電量の制御技術を開示した特許文献１から特許文献３を以下に示す。特許文献１には、電気自動車の電源として、燃料電池と二次電池である蓄電池を両方搭載し、車内を冷房する冷房装置の熱交換媒体に燃料電池の燃料を用いる技術が開示されている。具体的な燃料としては、メタノール、ジメチルエーテル、ブタンが使用される。
【０００６】
特許文献２には、燃料電池と、冷房装置の熱交換器と、燃料電池に対して燃料である水素を供給すると共に冷房装置の熱媒体管路を内部に導入し熱媒体と熱交換を行なう水素吸蔵合金内蔵タンクと、燃料電池の出力端子間に並列接続された二次電池と、制御手段を備えた、電気自動車に適用可能なコンバインドシステムが開示されている。コントローラは、燃料電池の出力が過剰な場合には二次電池を充電し、燃料電池の出力が不足する場合には二次電池を放電してモータの駆動電力と熱交換器の冷房出力とを同時に制御することを特徴とする。
【０００７】
特許文献３には、車両走行用のモータに対して発電装置及びバッテリから駆動電力を供給可能でかつバッテリに対し発電装置から充電電力を供給可能な車両に搭載される制御装置において、発電装置の出力を発電目標に従い制御する手段と、制御に先立ち車両の走行経路を予測する手段と、予測した走行経路に基づき発電目標を設定する手段と、を備える電気自動車用発電装置の制御装置が開示されている。特許文献３の制御装置は、運転者に固有の車両運転性向に応じて、必要となる電力を予想する技術も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−２６０６１２号公報
【特許文献２】特開平７−９９０５７号公報
【特許文献３】特開平９−９８５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これまで、燃料電池を動力源とする輸送機器は、外部から供給された水素を燃料に用いて走行していた。燃料となる水素の輸送と保管には費用がかかるため、輸送機器内で水素を生成することで、輸送および保管する水素の量をできるかぎり減らすことのできる輸送機器が求められてきた。
【００１０】
本発明は、上記解決すべき課題に鑑みてなされたものであって、水素生成装置と燃料電池を搭載し、外部から水素の供給を受けることなく継続的に走行することが可能な輸送機器を提供することを、解決すべき課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記解決すべき課題を克服するために、本発明は、水素生成装置と燃料電池とを備えた輸送機器を提供する。本発明の輸送機器は、アンモニア貯蔵手段と、アンモニアを分解して水素含有ガスを製造する水素生成装置と、水素生成装置から供給される水素含有ガスを使用して発電する燃料電池と、燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給されるモータと、燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給され、モータと水素生成装置に給電するバッテリと、バッテリの充電量を監視して前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、を備えている。本発明の輸送機器の制御部は、水素生成装置の起動に必要な電力の最低量に対応するバッテリの充電量のしきい値と、水素生成装置の消費電力に対する水素生成量の関数と、燃料電池の水素消費量に対する出力電力の関数と、を記憶している。本発明の輸送機器は、起動時の水素生成装置が、バッテリから電力を供給して起動することを特徴とする。
【００１２】
本発明の輸送機器は、燃料電池の出力電力が、水素生成装置の消費電力より大であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の輸送機器は、燃料電池の動作温度が、水素生成装置の動作温度以上であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の輸送機器の水素生成装置は、アンモニアを分解してプラズマとするための、アンモニア供給口および水素出口を備えたプラズマ反応容器と、バッテリに接続されたプラズマ発生用電源と、プラズマ反応容器の水素出口側を区画する水素分離膜と、を備えている。本発明の水素生成装置は、水素分離膜が、プラズマ反応容器内でプラズマとなっているアンモニアから水素を分離して水素出口側に通過させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の輸送機器の水素生成装置は、プラズマ発生用電源に接続された高電圧電極を更に備えており、水素分離膜は接地されており、水素分離膜は、前記高電圧電極との間で放電してアンモニアをプラズマとすることを特徴とする。
【００１６】
本発明の輸送機器は、アンモニアを冷媒とする空調装置を更に備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明はさらに、輸送機器の制御方法を提供する。本発明の輸送機器は、アンモニア貯蔵手段と、アンモニア貯蔵手段から導入されるアンモニアをプラズマ放電によって分解して水素含有ガスを製造する水素生成装置と、水素生成装置から供給される水素含有ガスを使用して発電する燃料電池と、燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給されるモータと、燃料電池が発電した電力の一部または全部を供給されてモータと水素生成装置に給電するバッテリと、水素生成装置の起動に必要な電力の最低量に対応するバッテリの充電量のしきい値と、水素生成装置の消費電力に対する水素生成量の関数と、燃料電池の水素消費量に対する出力電力の関数と、を記憶しており、前記バッテリの充電量を監視して前記燃料電池の発電量を制御する制御部と、を備えている。本発明の制御方法は、制御部が、バッテリの充電量を監視する工程と、バッテリの充電量が前記しきい値を下回った場合にバッテリから水素生成装置に供給する電力を増加させる工程と、モータの回転数を上げる命令を外部から受信した場合に、バッテリから前記モータに供給する電力を増加させる工程と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の輸送機器は水素生成装置と燃料電池とを搭載しており、水素生成装置は燃料電池が発電しバッテリに充電した電力を用いて、輸送機器の稼働に必要十分な量の水素含有ガスを製造することができる。この結果、本発明の輸送機器は、高圧タンクである水素タンクが不要となる。
【００１９】
本発明の輸送機器の燃料電池は、水素生成装置から供給される水素を用いて、輸送機器の走行と、水素生成装置の稼働の両方に十分な電力を発電することができる。水素生成装置は安定して稼働し、燃料電池は発電を継続することができる。すなわち、本発明の輸送機器は、自立運転が可能である。
【００２０】
本発明の輸送機器は、モータが燃料電池とバッテリの両方から電力を供給される。モータの稼働条件を急激に変動させる場合であっても、バッテリから必要な電力を供給することができるので、応答遅れを生じることなく、稼働条件の変動に迅速に対応できる。たとえば、輸送機器の急加速でモータの出力を急激に変動させる場合でも、必要なエネルギーの増加に対応することができる。
【００２１】
本発明の輸送機器は、燃料電池の動作温度が、水素生成装置の動作温度以上であることにより、水素生成装置から供給する水素含有ガスの冷却手段が不要となる。これにより消費電力量を低減することができる、また、水素生成装置と燃料電池を、輸送車両内の限られた空間内に、容易に設置することができる。
【００２２】
本発明の輸送機器の水素生成装置を，プラズマ反応容器と、プラズマ発生用電源と、水素分離部とから構成することによって、常温大気圧の条件下で水素分離膜と高電圧電極との間で放電を行って水素を含む原料をプラズマとし、水素含有ガスを製造することができる。本発明の水素生成装置が常温大気圧で稼働するプラズマ水素生成装置であることにより、他の種類の水素生成装置であれば必要となる昇温手段が不要となって、システム全体をより簡易に構成できると同時に、より少ないエネルギーでの運転が可能となる。
【００２３】
本発明の輸送機器は、バッテリの充電状況に応じて、水素生成量を調整することで、燃料電池の発電制御を容易且つ効率よく行うことができる。
【００２４】
本発明の輸送機器の水素生成装置は、アンモニアを冷媒とする空調装置を備えることにより、全体の熱効率をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に従った輸送機器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に従った輸送機器の起動手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に従った輸送機器の運転条件の変更手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に従った水素生成装置の鉛直方向断面の模式的な図である。
【図５】本発明の他の実施形態の水素生成装置の鉛直方向断面の模式的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の好適な実施の形態を列記する。
（１）本発明において、輸送機器とは、自動車、フォークリフト、船舶、自動二輪車、飛行機等の動力源を備えており自立走行が可能である機器または、エレベータ、ベルトコンベアなどの機器のことである。
（２）本発明における燃料電池システムとは、アンモニアを供給されて電力を供給するシステムである。燃料電池システムは、水素生成装置と、燃料電池と、バッテリ（蓄電池）を含んでいる。
（３）本発明の水素生成装置とは、アンモニアを原料として水素を生成する装置のことを指す。最も好適な形態の水素生成装置は、プラズマ反応容器と、プラズマ発生用電源と、高電圧電極と、接地電極となる水素分離部とを備えており、高電圧電極と水素分離部との間の放電によってアンモニアをプラズマとし、水素分離部で水素のみを透過させて分離するプラズマ水素生成装置である。
（４）プラズマ水素生成装置に準じる水素生成装置として、触媒を用いてアンモニアを分解して水素を取り出す水素生成装置、およびプラズマ反応と触媒による反応を組み合わせた水素生成装置が適用可能である。
（５）プラズマ水素生成装置が製造する水素含有ガスは、水素分離膜により水素濃度が９９．９９％以上となっている。
（６）制御部は輸送機器の起動時に、以下の内容の制御を行う。
−  アンモニア貯蔵手段から導入するアンモニアの流量を制御する。
−  バッテリから水素生成装置に、水素生成装置の起動のための電力の供給量を制御する。さらに、水素生成装置のプラズマ発生用電源の周波数と電圧を設定してプラズマ反応器のプラズマ消費電力を制御し、水素の製造量を制御する。
−  燃料電池からモータに電力を供給する。
−  バッテリの充電量を確認し、記憶しているしきい値以下の場合に、水素生成装置に供給する電力を増加させ、プラズマ反応器のプラズマ消費電力を増加させる。
−  バッテリの充電量がしきい値に達するまで充電を継続する。
（７）制御部は、稼働中の燃料電池システムの発電量を一時的に超えるモータへの給電要求を受け取ったとき、以下の内容の制御を行う。
−  バッテリからモータに供給する電力を増やす。すなわち、バッテリからモータに給電する。
−  アンモニア貯蔵手段から導入するアンモニアの流量を増加させる。
−  バッテリから水素生成装置に、水素生成装置の起動のための電力の供給量を増加させる。さらに、水素生成装置のプラズマ発生用電源の周波数と電圧を再設定してプラズマ反応器のプラズマ消費電力を増やし、水素の製造量を増加させる。
−  燃料電池からモータに供給する電力を増やす。
−  バッテリの充電量を確認し、記憶しているしきい値以下の場合に、水素生成装置に供給する電力を増加させ、プラズマ反応器のプラズマ消費電力を増加させて、水素製造量を増やす。
−  バッテリの充電量がしきい値に達するまで、充電を行う。
（８）本発明の燃料電池に最も好適に用いられる燃料電池は、固体高分子形燃料電池である。その他、各種の燃料電池が適用可能である。
（９）本発明の燃料電池システムとモータとを接続する電源供給路には、燃料電池およびバッテリの直流の出力電圧を交流に変換するインバータ、及び燃料電池およびバッテリの直流電圧を昇圧するためのＤＣＤＣコンバータ等の電力変換機器が接続されている。
【００２７】
以下、本発明の好適な輸送機器の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
図１から図３を参照して、本発明の輸送機器とその運転方法を説明する。図１に示した輸送機器１は、アンモニア貯蔵手段１１であるタンクと、水素生成装置１２と、燃料電池１３と、モータ１４と、バッテリ１５と、制御部１６とを備えている。
【００２９】
制御部１６は、アンモニア貯蔵手段１１と、水素生成装置１２と、燃料電池１３と、モータ１４と、バッテリ１５と、開閉弁１７と、それぞれ通信線によって通信可能な状態で接続されている。制御部１６は、水素生成装置１２の起動に必要充分な電力の最低量に対応するバッテリ１５の充電量のしきい値と、水素生成装置１２の消費電力に対する水素生成量の関数と、燃料電池１３の水素消費量に対する出力電力の関数と、を記憶している。
【００３０】
アンモニア貯蔵手段１１と水素生成装置１２との間はアンモニア導入路２１で接続されており、アンモニア導入路２１上には、開閉弁１７が設けられていて、水素生成装置１２に導入するアンモニアの流量を制御することができる。開閉弁１７は好適には電磁弁である。制御部１６が、開閉弁１７の開閉量を制御してアンモニアの導入量を制御し、水素生成装置１２の水素含有ガスの生成量を制御する。
【００３１】
水素生成装置１２は、アンモニア導入路２１を通じて導入された所定の量のアンモニアを分解して水素含有ガスを生成する。生成した水素含有ガスが、水素供給路２２から燃料電池１３に導入されると、直後に発電が開始される。
【００３２】
燃料電池１３は、水素生成装置１２から供給される水素含有ガスと、図示されないファンから供給される空気に含まれる酸素とを使用して発電する。燃料電池１３は、動作温度が１００℃以下の固体高分子形燃料電池が最も好適に適用される。燃料電池１３には、発電した電力の一部又は全部を一部をモータ１４に供給する第一の電力供給路２３及び発電した電力の一部又は全部をバッテリ１５に供給する第二の電力供給路２４が接続されている。制御部１６は、制御線３３によって燃料電池１３の発電量を監視し、燃料電池１３に対して、第一の電力供給路２３への給電量と、第二の電力供給路２４への給電量とを命令する。
【００３３】
バッテリ１５には、燃料電池１３から電力の供給を受ける第二の電力供給路２４が接続されている。バッテリ１５には、その他に、モータ１４に電力を供給する第三の電力供給路２５と、水素生成装置１２に電力を供給する第四の電力供給路２６とが接続されている。制御部１６は、制御線３１によってバッテリ１５の充電量を監視し、第三の電力供給路２５からモータに供給する給電量と、第四の電力供給路２６から水素生成装置１２に供給する給電量とを命令する。なお、第一の電力供給路から第四の電力供給路には、インバータ、ＤＣＤＣコンバータ等の図示されない電力変換機器が接続されている。
【００３４】
通常運転時の制御部１６は、必要な発電量を得るための制御に加えて、バッテリ１５が常時しきい値以上に充電されるための制御を行っている。制御部１６は、常時バッテリ１５の充電量を入力し、記憶しているしきい値と比較する。比較の結果、充電量が一時的にしきい値を下回っていると判定した場合、制御部１６は、水素含有ガスの生成量を増やすために、水素生成装置１２に供給するアンモニアを増やすように開閉弁１７を制御し、バッテリ１５から水素生成装置１２への給電量を増加させる。水素生成装置１２の水素含有ガスの生成量は速やかに増え、これに伴って燃料電池１３の発電量が増えて、バッテリ１６の充電量が回復する。一連の制御によって、バッテリ１５の充電量は水素生成装置１２への給電量の増加によって一時的に減少するが、燃料電池１３の発電量とバッテリ１６への給電量は、バッテリから水素生成装置１２への給電量を直ちに上回るため、バッテリ１６の充電量は速やかに回復する。
【００３５】
輸送機器１を起動する方法について、図２を参照して説明する。起動は、制御部１６にモータ１４の起動命令が入力されることによって開始される。制御部１６は、バッテリ１５からモータ１４に電力を供給する（ステップＳ１）と同時に、発電を開始する。アンモニア貯蔵手段１１と水素生成装置１２との間の開閉弁１７を開放して、アンモニアを水素生成装置１２に供給する（ステップＳ２）。制御部１６は、バッテリ１５から水素生成装置１２への電力の供給を開始し（ステップＳ３）、水素生成装置１２は運転を開始して水素を生成する（ステップＳ４）。水素生成装置１２から供給された水素によって燃料電池１３が起動して発電を開始する（ステップＳ５）、燃料電池１３からモータに電力が供給される（ステップＳ６）。ここで、制御部１６は、バッテリ１５の充電量がしきい値以下であるか否かを確認し（ステップＳ７）、しきい値以下である場合、以下の制御を行う。制御部１６は、モータ１４と水素生成装置１２の稼働に必要な発電量に加えて、バッテリ１５を充電するために必要な発電量を特定し、全ての発電に必要な水素生成量を算出する。そして算出した水素生成量に対応する水素生成装置１２への給電量とアンモニアの供給量とを算出し、アンモニア供給量を再設定し（ステップＳ８）、水素生成装置への給電量を再設定し（ステップＳ９）、バッテリ１５への充電を開始する（ステップＳ１０）。以上の制御によって、輸送機器の起動が完了し、通常運転が開始する。
【００３６】
通常運転時の輸送機器１の運転条件を変更する方法について、図３を参照して説明する。ここでは、燃料電池１３の発電量を一時的に超える給電要求が入力された場合を例に挙げる。制御部１６は、バッテリ１５から、不足している電力を給電する（ステップＳ１１）。そしてアンモニア貯蔵手段１１と水素生成装置１２との間の開閉弁１７の開閉量を増やし、アンモニアの供給量を増やす（ステップＳ１２）。バッテリ１５から水素生成装置１２への給電量を増やし（ステップＳ１４）、水素の生成量を増加させる（ステップＳ１３）。水素生成装置１２から供給された水素によって燃料電池１３の発電量が増加する（ステップＳ１５）。制御部１６は、バッテリ１５の充電量がしきい値以上であるか否かを確認し（ステップＳ１６）、しきい値以下である場合、起動時と同様に以下の制御を行う。すなわち制御部１６は、モータ１４の駆動のための発電量に加えて、バッテリ１５を充電するために必要な発電量を特定し、発電に必要な水素生成量を算出する。そして算出した水素生成量に対応する水素生成装置１２への給電量とアンモニアの供給量とを算出し、アンモニア供給量を再設定し（ステップＳ１７）、水素生成装置への給電量を再設定し（ステップＳ１８）、バッテリ１５への充電を開始する。以上の制御によって、輸送機器の運転条件に速やかに対応するとともに、バッテリ１５にも充分に充電が行われる。
【００３７】
本実施形態に好適に使用される水素生成装置１２について、図４を参照して説明する。水素生成装置１２は、プラズマ反応器４３と、このプラズマ反応器４３の中に収容された接地電極４５と、プラズマ反応器４３の外側に接して配置された高電圧電極４７とを備えている、プラズマ水素生成装置である。プラズマ反応器４３は石英製であり、円筒形に形成されている。接地電極４５は、円筒形の水素分離膜５２と、水素分離膜５２の両端を支持する円盤状の支持体５３とを備えている。水素分離膜５２の好適な素材は、パラジウム合金の薄膜である。
【００３８】
高電圧電極４７は、バッテリ１５に第四の電力供給路２６を介して接続されたプラズマ発生用電源４２に接続されており、高電圧が印加される。プラズマ反応器４３の内壁に対して水素分離膜５２が同心円状に配置されるように、プラズマ反応器４３と支持体５３との間にはＯリング５４が嵌め合わされている。この結果、プラズマ反応器４３の内壁と水素分離膜５２との間には、一定の間隔が維持された放電空間４４が形成されている。また、水素分離膜５２の内側には、水素分離膜５２と支持体５３とでとり囲まれて閉空間となっている内室４６が形成されている。高電圧電極４７は、プラズマ反応器４３および水素分離膜５２と同心円状に配置されている。アンモニア貯蔵手段１１からアンモニア導入路２１を経由して導入されるアンモニアガスは、水素生成装置１２のプラズマ反応器４３の中の放電空間４４に供給される。
【００３９】
水素分離膜５２と高電圧電極４７とが対向しており、且つその間に石英製のプラズマ反応器４３を配置したことで、プラズマ反応器４３が誘電体として機能して、高電圧電極４７に高電圧を印加すると水素分離膜５２との間で誘電体バリア放電を発生させることができる。高電圧電極４７に高電圧を印加するプラズマ発生用電源４２は、波形保持時間が１０μｓと極めて短い電圧を印加することができる。高電圧電極４７に印可する電圧と周波数とを制御することで、プラズマ反応器のプラズマ消費電力を制御することができる。
【００４０】
水素生成装置１２を使用した水素の製造は、所定の流量で放電空間４４にアンモニアガスを供給し、接地電極として機能する水素分離膜５２と、高電圧電極４７との間で誘電体バリア放電を発生させて、放電空間４４の中にアンモニアの大気圧非平衡プラズマを発生させる事で行われる。アンモニアの大気圧非平衡プラズマから発生した水素は、水素原子の形態で水素分離膜５２に吸着し、水素分離膜５２の中を拡散しながら通過し、水素分離膜５２を通過後に再結合して水素分子となって内室４６に移動する。このようにして、水素のみが分離される。水素生成装置１２は、アンモニア１ｋｇから水素０．１９３ｋｇを生成することができる。
【００４１】
ここに述べた水素生成装置１２は、常温大気圧で動作する。またアンモニアを用いた場合、アンモニアに含まれる水素のほぼ１００％を水素として分離して内室４６に導入することが可能である。この結果、得られる水素含有ガスは、水素濃度が９９．９９％以上の高純度の水素ガスとなる。
【実施例】
【００４２】
本発明の輸送機器１を、燃料電池自動車によって具現化した実施例について説明する。本実施例の燃料電池自動車は、水素１ｋｇで２２．４ｋＷｈの発電を行うことができる燃料電池１３を備えている。本実施例の水素生成装置１２は、プラズマ反応器４３と、このプラズマ反応器４３の中に収容された水素分離膜５２として機能する接地電極４５と、プラズマ反応器４３の外側に接して配置された高電圧電極４７とを備えたプラズマ水素生成装置である。
【００４３】
本実施例の燃料電池自動車に搭載しているアンモニア貯蔵手段１１は、容量１３Ｌ（１３×１０−３ｍ３）のアンモニアボンベ５本で構成されている。アンモニアボンベは、それぞれ５ｋｇのアンモニアを貯蔵することができる。
【００４４】
本実施例の燃料電池自動車に搭載した水素生成装置１２の、消費電力と水素生成量の関係を以下の表１に示す。この関係を示す関数は、制御部１６が記憶しており、水素生成量の制御に用いられる。水素生成装置１２は、原料のアンモニアを毎分１．３９リットル（１気圧、０℃の標準状態で換算した体積）で供給した場合、供給された電力に比例して水素を生成することができる。たとえば、消費電力１００Ｗ当たり毎分５．５７リットルの水素を生成する。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
また、実施例に適用した燃料電池１３である固体高分子形燃料電池の水素供給量と発電量の関係の一例を、以下の表２に示す。この関係を示す関数は、制御部１６が記憶しており、燃料電池の発電量の制御に用いられる。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
制御部１６は、モータ１４の電力供給量と出力の関係を記憶している。図３で示したように、モータ１４の出力の増加要求に対応する場合には、バッテリ１５から必要な電力を供給し（図３のステップＳ１１）、燃料電池１３の発電量を増加させる工程を行う（図３のステップＳ１２からステップＳ１５）。ここで制御部１６は、燃料電池１３の発電量を、モータ１４の出力への対応と水素生成装置１２への電力供給量の増加の両方に対応した量に増加させて、一時的に減少しているバッテリ１５の充電量をしきい値以上に維持する。制御部１６は、常時バッテリ１５の充電量を監視し、アンモニア供給量の再設定と水素生成装置への電力供給量を調整することによって、水素の生成量を制御し、これにより発電量を効率よく制御している。
【００４９】
アンモニアは自然冷媒であり、広範囲の温度帯（−５０℃〜９０℃）に対応でき、しかも単位動力あたりに得られる熱量が高いという特徴がある。自然冷媒は人工的につくりだしたものでなく、自然界にもともとある物質であるため、オゾン層破壊係数  （ＯＤＰ）  がゼロであり、代替フロンと比べても地球温暖化係数（ＧＷＰ）が非常に低く、アンモニアは燃料電池自動車などの走行時に環境汚染物質を排出しない輸送機器には適した空調用の冷媒である。
【００５０】
本実施例で説明した輸送機器１の構成とその運転方法は、適宜変更が可能である。水素生成装置１２の変形例を図５に示す。変形例では、プラズマ反応器４３の中に収容された電極５５は、プラズマ発生用電源４２に接続しており、高電圧電極５５となる。従って、円筒形の水素分離膜６２および水素分離膜６２を支持する支持体６３は高電圧電極として機能する。プラズマ反応器４３の外側に接して配置された電極５７は接地しており、接地電極５７となる。水素分離膜６２と接地電極５７は、実施例と同様に誘電体バリア放電を発生させ、水素分離膜６２は、プラズマに曝されることで水素を分離することができる。
【００５１】
また例えば、水素生成装置を、アンモニア流路が開口部を有する溝として形成された流路面を有する板状の誘電体と、誘電体の裏面に対向する電極と、誘電体の溝を閉鎖するように配置された水素分離膜とから構成することもできる。このような平板を組み合わせた水素生成装置は、燃料電池セルの燃料極が対向するように配置することで、直接水素を燃料電池に導入することが可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１    輸送機器
１１    アンモニア貯蔵手段（タンク）
１２    水素生成装置
１３    燃料電池
１４    モータ
１５    バッテリ
１６    制御部
１７    開閉弁
２１    アンモニア導入路
２２    水素供給路
２３    第一の電力供給路
２４    第二の電力供給路
２５    第三の電力供給路
２６    第四の電力供給路
３１，３２，３３，３４，３５，３６    制御線
４２    プラズマ発生用電源
４３    プラズマ反応器
４５、５７    接地電極
４７、５５    高電圧電極
５２、６２    水素分離膜
５３、６３    支持体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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