(57)【要約】【課題】発電効率および耐久性に優れる燃料電池システム。【解決手段】燃料電池システム２に、電解質層８、アノード電極９およびカソード電極１０を有する燃料電池３と、アノード電極９に液体燃料を供給および排出する燃料給排部４と、カソード電極１０に空気を供給および排出する空気給排部５と、燃料給排部４および空気給排部５を制御するコントロールユニット２９とを備える。そして、液体燃料に、ヒドラジン類を含ませ、アノード電極に、ヒドラジン分解触媒と水素酸化触媒とを含ませ、コントロールユニット２９により、液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ以上１６ｋＰａ以下になるように、燃料給排部４を作動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層の一方側に配置されるアノード電極と、前記電解質層の他方側に配置されるカソード電極とを有する燃料電池と、
前記アノード電極に液体燃料を供給および排出する燃料給排部と、
前記カソード電極に空気を供給および排出する空気給排部と、
前記燃料給排部および前記空気給排部を制御する制御手段と
を備え、
前記液体燃料は、ヒドラジン類を含み、
前記アノード電極は、ヒドラジン分解触媒と水素酸化触媒とを含み、
前記制御手段は、前記液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ以上１６ｋＰａ以下になるように、前記燃料給排部を作動させる
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、詳しくは、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】
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、ヒドラジンを含有する液体燃料を使用する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
そのような燃料電池システムとしては、例えば、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノードおよびカソードを接合してなる膜電極接合体を備える燃料電池と、アノードに燃料を供給する燃料給排部と、カソードに空気を供給する空気給排部とを備える燃料電池システムが、知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
そのような燃料電池では、燃料側電極に液体燃料が供給されるとともに、酸素側電極に空気が供給されることによって、下記式（１）および（２）に示す電気化学反応が生じ、起電力が発生する。
【０００５】
（１）Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（燃料側電極での反応）
（２）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−        （酸素側電極での反応）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−１２２５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、燃料電池システムとしては、発電効率の向上が要求されており、さらには、使用に伴う性能低下の抑制（すなわち、耐久性）も要求されている。
【０００８】
本発明は、発電効率および耐久性に優れる燃料電池システムである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明［１］は、電解質層と、前記電解質層の一方側に配置されるアノード電極と、前記電解質層の他方側に配置されるカソード電極とを有する燃料電池と、前記アノード電極に液体燃料を供給および排出する燃料給排部と、前記カソード電極に空気を供給および排出する空気給排部と、前記燃料給排部および前記空気給排部を制御する制御手段とを備え、前記液体燃料は、ヒドラジン類を含み、前記アノード電極は、ヒドラジン分解触媒と水素酸化触媒とを含み、前記制御手段は、前記液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ以上１６ｋＰａ以下になるように、前記燃料給排部を作動させる、燃料電池システムを含んでいる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムでは、液体燃料がヒドラジン類を含み、また、アノード電極がヒドラジン分解触媒および水素酸化触媒を含んでいる。
【００１１】
このような燃料電池システムでは、アノード電極に液体燃料が供給されると、アノード電極において、ヒドラジン分解触媒が、下記式（３）に示すように、ヒドラジン類を窒素と水素とに分解する。
【００１２】
（３）Ｎ２Ｈ４→Ｎ２＋２Ｈ２
次いで、アノード電極において、水素酸化触媒が、下記式（４）に示すように、ヒドラジンの分解により生じた水素を酸化する。
【００１３】
（４）２Ｈ２＋４ＯＨ−→４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
このようにして生じた水は、電解質層を透過してカソード電極に漏出し、カソード電極に供給される空気を加湿する。
【００１４】
これにより、カソード電極において、下記式（５）に示す電気化学反応が生じる。
【００１５】
（５）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
つまり、燃料電池全体として下記式（６）に示す反応が連続的に生じて、燃料電池に起電力が発生する。
【００１６】
（６）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ
このような電気化学反応によれば、上記式（１）および上記式（２）で示されるような、ヒドラジンが直接酸化される電気化学反応に比べ、効率的に電力を取り出すことができる。
【００１７】
それに加えて、本発明の燃料電池システムでは、液体燃料の供給圧力が所定範囲になるように、制御手段が燃料給排部を作動させる。そのため、燃料電池の運転に伴って、上記式（３）〜（６）で示すように、Ｈ２やＮ２などの気体が発生しても、液体燃料中で気泡として滞留することを抑制でき、発電性能の低下を抑制することができ、さらに、燃料電池の損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池の単位セルを示す概略構成図である。
【図３】図３は、参考実施例１において、液体燃料の供給圧力を６ｋＰａ未満から６ｋＰａ以上に変化させたときのアノード電位およびカソード電位を示すグラフである。
【図４】図４は、参考実施例１において、液体燃料の供給圧力を６ｋＰａ以上から６ｋＰａ未満に変化させたときのアノード電位およびカソード電位を示すグラフである。
【図５】図５は、参考実施例１において、液体燃料の供給圧力を６ｋＰａ以上の範囲で変化させたときのアノード電位およびカソード電位を示すグラフである。
【図６】図６は、参考実施例１において、燃料電池の電圧（ＯＣＶ）と液体燃料の供給圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される固体高分子型燃料電池（アニオン交換型燃料電池）である。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２１】
燃料電池３は、膜電極接合体１１と、燃料供給部材１２と、酸素供給部材１７とを備える燃料電池セル（単位セル）が、複数積層されたスタック構造に形成されている。なお、図２では、複数の単位セルのうち１つだけを燃料電池３として表し、その他の単位セルについては省略している。
【００２２】
図２に示すように、膜電極接合体１１は、電解質層８と、アノード電極９と、カソード電極１０とを備えている。アノード電極９およびカソード電極１０は、電解質層８を挟んで対向配置される。
【００２３】
電解質層８は、アニオン成分が移動可能であって、アニオン交換膜から形成されている。アニオン交換膜としては、アニオン成分（例えば、水酸化物イオン（ＯＨ−）など）が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。
【００２４】
電解質層８の厚みは、例えば、５μｍ以上、好ましくは、１０μｍ以上であり、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、５０μｍ以下である。
【００２５】
アノード電極９は、電解質層８の一方側に配置される。アノード電極９の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下である。
【００２６】
なお、アノード電極９の詳細については後述する。
【００２７】
カソード電極１０は、電解質層８の他方側（電解質層８に対してアノード電極９の反対側）に配置される。カソード電極１０は、例えば、カソード触媒を含有している。カソード電極１０は、例えば、カソード触媒を担持した触媒担体（例えば、カーボンなどの多孔質物質など）により形成されている。また、触媒担体を用いずに、カソード触媒を、直接、カソード電極１０として形成してもよい。
【００２８】
カソード触媒としては、例えば、金属単体、遷移金属錯体などが挙げられる。
【００２９】
金属単体としては、例えば、白金族元素（ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ））、鉄族元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ））などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの周期表第１１（ＩＢ）族元素、さらには亜鉛（Ｚｎ）などが挙げられる。このような金属単体は、単独使用または２種以上併用することができる。
【００３０】
遷移金属錯体は、遷移金属元素（中心金属）に有機化合物が配位した金属錯体である。遷移金属元素としては、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）が挙げられる。このような遷移金属は、単独使用または２種以上併用することができる。
【００３１】
遷移金属元素に配位する有機化合物としては、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジン、ピペミド酸系化合物、アミノベンズイミダゾール、アミノアンチピリン、またはこれらの重合体が挙げられる。このような有機化合物は、単独使用または２種以上併用することができる。
【００３２】
カソード電極１０の厚みは、例えば、０．１μｍ以上、好ましくは、１μｍ以上、例えば、１００μｍ以下、好ましくは、１０μｍ以下である。
【００３３】
燃料供給部材１２は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面がアノード電極９に対向接触されている。燃料供給部材１２には、アノード電極９の全体に燃料を接触させるための燃料側流路１３が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。また、燃料供給部材１２には、その上流側端部および下流側端部に、燃料側流路１３に連通する供給口１５および排出口１４が形成されている。
【００３４】
酸素供給部材１７は、燃料供給部材１２と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面がカソード電極１０に対向接触されている。酸素供給部材１７には、カソード電極１０の全体に酸素（空気）を接触させるための酸素側流路１８が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。酸素側流路１８には、その上流側端部および下流側端部に、酸素側流路１８に連通する供給口１９および排出口２０が形成されている。
【００３５】
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料電池３のアノード電極９に液体燃料を供給し、また、アノード電極９から液体燃料を排出するために設けられている。
【００３６】
具体的には、燃料給排部４は、図１に示すように、燃料供給ユニット２１と、燃料排出ライン３１と、気液分離器２３と、還流ライン３２と、流圧調整弁２５と、圧力センサ２８とを備えている。
【００３７】
燃料供給ユニット２１は、アノード電極９に液体燃料を供給するように構成されている。燃料供給ユニット２１は、燃料タンク２２と、燃料供給ライン３０と、燃料供給ポンプ３３と、燃料供給弁３４とを備えている。
【００３８】
燃料タンク２２は、電動車両１の後側であって、燃料電池３よりも後方に配置されている。燃料タンク２２には、液体燃料が貯留されている。液体燃料は、ヒドラジン類を含む。
【００３９】
詳しくは、液体燃料は、ヒドラジン類と、水とを含有しており、好ましくは、ヒドラジン類と、水とからなる。つまり、液体燃料は、ヒドラジン類が水に溶解される水溶液である。
【００４０】
ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ２ＮＨ２）２ＣＯ２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２ＳＯ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３ＮＨＮＨ２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、ＣＨ３ＮＨＮＨＣＨ３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ２）２ＣＯ）などが挙げられる。
【００４１】
ヒドラジン類は、単独または２種類以上併用することができる。ヒドラジン類のなかでは、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられ、さらに好ましくは、水加ヒドラジンが挙げられる。
【００４２】
液体燃料に対するヒドラジン類の濃度は、例えば、０．１質量％以上、好ましくは、０．５質量％以上、例えば、２０質量％未満、好ましくは、１０質量％以下、さらに好ましくは、５質量％以下である。
【００４３】
しかるに、アノード電極９に供給された液体燃料が、電解質層８を透過してカソード電極１０に漏出すると、カソード電極１０において、液体燃料に含まれるヒドラジン類と酸素との反応によって、活性種（強い攻撃種）が生じ、燃料電池３の出力が低下する場合がある。
【００４４】
しかし、液体燃料に対するヒドラジン類の濃度が上記上限以下であると、例え、液体燃料が電解質層８を透過してカソード電極１０に漏出しても、ヒドラジン類と酸素との反応を抑制でき、燃料電池３の出力低下を抑制できる。また、液体燃料に対するヒドラジン類の濃度が上記下限以上であると、燃料電池３の発電反応に必要な水素量を十分に確保することができ、燃料電池３の出力性能を確実に確保できる。
【００４５】
また、液体燃料は、好ましくは、支持電解質として、アルカリ金属水酸化物を含有する。すなわち、液体燃料は、好ましくは、ヒドラジン類と、水と、アルカリ金属水酸化物とからなる。
【００４６】
アルカリ金属水酸化物としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどが挙げられる。これらは、単独使用または２種類以上併用することができる。アルカリ金属水酸化物として、好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。
【００４７】
液体燃料に対するアルカリ金属水酸化物の濃度は、例えば、１質量％以上、好ましくは、１．５質量％以上、より好ましくは、２質量％以上、さらに好ましくは、２．５質量％以上であり、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１５質量％以下、より好ましくは、１２質量％以下、さらに好ましくは、１０質量％以下である。
【００４８】
液体燃料がアルカリ金属水酸化物を上記の割合で含んでいれば、発電効率の向上を図ることができる。
【００４９】
燃料供給ライン３０は、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３）に液体燃料を輸送するための配管である。燃料供給ライン３０の上流側端部は、燃料タンク２２に接続されている。燃料供給ライン３０の下流側端部は、燃料側流路１３の供給口１５に接続されている（図２参照）。
【００５０】
燃料供給ポンプ３３は、燃料タンク２２と燃料電池３との間において、燃料供給ライン３０に設けられている。燃料供給ポンプ３３は、例えば、公知の送液ポンプである。
【００５１】
燃料供給弁３４は、燃料供給ポンプ３３と燃料タンク２２との間において、燃料供給ライン３０に設けられている。燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０を開閉するための公知の開閉弁である。
【００５２】
そして、燃料供給弁３４が燃料供給ライン３０を開放するとともに、燃料供給ポンプ３３が駆動することにより、液体燃料が、燃料タンク２２から燃料電池３の燃料側流路１３に供給される。
【００５３】
なお、燃料供給ユニット２１は、燃料タンク２２から燃料電池３に供給される液体燃料に含まれるヒドラジンを、水素に改質するための改質機を備えていない。
【００５４】
燃料排出ライン３１は、燃料電池３（具体的には、燃料側流路１３）から排出される液体燃料を輸送するための配管である。燃料排出ライン３１の上流側端部は、燃料側流路１３の排出口１４に接続されている（図２参照）。燃料排出ライン３１の下流側端部は、気液分離器２３の下部に接続されている。
【００５５】
気液分離器２３は、燃料排出ライン３１と還流ライン３２との間に介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなる。気液分離器２３の下部には、燃料排出ライン３１の下流側端部が接続されている。また、気液分離器２３の上部には、ガス排出管２６が接続されている。
【００５６】
ガス排出管２６は、気液分離器２３で分離されたガス（気体）を電動車両１から排出するための配管である。ガス排出管２６の上流側端部は、気液分離器２３の上部に接続されている。ガス排出管２６の下流側端部は大気開放されている。ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。
【００５７】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３内の圧力を開放するための弁であって、例えば、公知の開閉弁が用いられる。
【００５８】
還流ライン３２は、気液分離器２３で分離された液体燃料を、気液分離器２３から燃料供給ライン３０に輸送するための配管である。還流ライン３２の上流側端部は、気液分離器２３の下部に接続されている。還流ライン３２の下流側端部は、燃料供給ポンプ３３と燃料供給弁３４との間において、燃料供給ライン３０に接続されている。これにより、燃料供給ライン３０、燃料電池３（燃料側流路１３）、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および還流ライン３２は、クローズドライン（閉流路）を形成する。
【００５９】
そして、燃料電池３から排出された液体燃料は、燃料排出ライン３１を介して、気液分離器２３に流入した後、ガスが分離され、還流ライン３２を介して燃料供給ライン３０に戻される。
【００６０】
流圧調整弁２５は、燃料電池３と気液分離器２３との間において、燃料排出ライン３１に設けられている。
【００６１】
流圧調整弁２５は、燃料排出ライン３１を任意の開度に調整するための調整弁であって、例えば、バタフライ式、スライド式などの公知の絞り弁が挙げられる。
【００６２】
流圧調整弁２５は、詳しくは後述するが、後述するコントロールユニット２９に電気的に接続されており、コントロールユニット２９によって開度が調整可能とされている。
【００６３】
圧力センサ２８は、燃料電池３に対する液体燃料の供給圧力（入り圧）を検出するためのセンサである。圧力センサ２８としては、特に制限されず、公知の圧力センサが用いられる。
【００６４】
圧力センサ２８は、詳しくは後述するが、後述するコントロールユニット２９に電気的に接続されており、圧力センサ２８により検知される供給圧力（入り圧）が、コントロールユニット２９に入力可能とされている。
【００６５】
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３のカソード電極１０に酸素（空気）を供給し、また、カソード電極１０から酸素（空気）を排出するために設けられている。
【００６６】
より具体的には、空気給排部５は、空気供給ユニット２４と、空気排出ライン４２とを備えている。
【００６７】
空気供給ユニット２４は、カソード電極１０に酸素（空気）を供給するように構成されている。空気供給ユニット２４は、空気供給ライン４１と、空気供給ポンプ４３と、空気供給弁４４とを備えている。
【００６８】
空気供給ライン４１は、電動車両１の外部から燃料電池３（具体的には、酸素側流路１８）に空気を送るための配管である。空気供給ライン４１の上流側端部は、大気中に開放されている。空気供給ライン４１の下流端部は、酸素側流路１８の供給口１９に接続されている（図２参照）。
【００６９】
空気供給ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に設けられている。空気供給ポンプ４３は、例えば、公知のガスポンプである。
【００７０】
空気供給弁４４は、空気供給ポンプ４３と燃料電池３との間において、空気供給ライン４１に設けられている。空気供給弁４４は、空気供給ライン４１を開閉するための公知の開閉弁である。
【００７１】
このような空気給排部５では、空気供給弁４４が空気供給ライン４１を開放するとともに、空気供給ポンプ４３が駆動することにより、空気が、電動車両１の外部から燃料電池３の酸素側流路１８に供給される。
【００７２】
空気排出ライン４２は、燃料電池３（具体的には、酸素側流路１８）から排出される空気を送るための配管である。空気排出ライン４２の上流側端部は、酸素側流路１８の排出口２０に接続されている。空気排出ライン４２の下流側端部は、ドレンとされる。
【００７３】
そして、燃料電池３から排出された空気は、空気排出ライン４２を介して、電動車両１の外部に排出される。
【００７４】
（４）制御部
制御部６は、制御手段の一例としてのコントロールユニット２９を備えている。コントロールユニット２９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。
【００７５】
コントロールユニット２９は、燃料供給ユニット２１および空気供給ユニット２４に電気的に接続されており、燃料供給ユニット２１および空気供給ユニット２４を制御可能としている。
【００７６】
より具体的には、コントロールユニット２９は、燃料供給ユニット２１の燃料供給ポンプ３３および燃料供給弁３４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２９は、燃料供給ポンプ３３の駆動および停止を適宜制御するとともに、燃料供給弁３４の開閉を適宜制御する。
【００７７】
また、コントロールユニット２９は、空気供給ユニット２４の空気供給ポンプ４３および空気供給弁４４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２９は、空気供給ポンプ４３の駆動および停止を適宜制御するとともに、空気供給弁４４の開閉を適宜制御する。また、コントロールユニット２９は、ガス排出弁２７にも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２９は、ガス排出弁２７の開閉を適宜制御する。
【００７８】
さらに、コントロールユニット２９は、圧力センサ２８および流圧調整弁２５に電気的に接続されている（図１の破線参照）。そして、詳しくは後述するが、圧力センサ２８により検知される圧力が、コントロールユニット２９に入力される。そして、入力された圧力に基づいて、コントロールユニット２９は、流圧調整弁２５の開度を適宜制御する。
【００７９】
（５）動力部
動力部７は、モータ３７と、インバータ３８と、バッテリ４０と、コンバータ３６とを備えている。
【００８０】
モータ３７は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ３７は、電動車両１の前側であって、燃料電池３よりも前方に配置されている。
【００８１】
インバータ３８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る。インバータ３８は、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。
【００８２】
バッテリ４０は、モータ３７による回生エネルギーを蓄電する。バッテリ４０は、インバータ３８と燃料電池３との間の配線により接続される。これにより、バッテリ４０は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３７に電力を供給可能である。
【００８３】
コンバータ３６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の電力およびバッテリ４０の入出力電力を調整する機能を有している。コンバータ３６は、バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。コンバータ３６は、コントロールユニット２９と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット２９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の出力を制御する。
【００８４】
また、コンバータ３６は、配線により、燃料電池３およびバッテリ４０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３８に電気的に接続されている。これにより、コンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８において直流電力から交流電力に変換され、モータ３７に供給される。
【００８５】
２．アノード電極の詳細
図２に示すように、アノード電極９は、アノード触媒として、ヒドラジン分解触媒と、水素酸化触媒とを含有している。
【００８６】
ヒドラジン分解触媒は、ヒドラジン類を分解し、水素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、ＰｔＮｉ合金が挙げられる。
【００８７】
ＰｔＮｉ合金は、白金（Ｐｔ）とニッケル（Ｎｉ）との合金である。
【００８８】
ＰｔＮｉ合金における白金の含有割合は、白金およびニッケルの総モル数に対して、例えば、１モル％以上、好ましくは、５モル％以上、例えば、７０モル％以下、好ましくは、６０モル％以下である。
【００８９】
ＰｔＮｉ合金におけるニッケルの含有割合は、白金およびニッケルの総モル数に対して、例えば、３０モル％以上、好ましくは、４０モル％以上、例えば、９９モル％以下、好ましくは、９５モル％以下である。
【００９０】
このようなＰｔＮｉ合金は、好ましくは、触媒担体に担持される。つまり、アノード電極９は、好ましくは、ＰｔＮｉ合金を担持した触媒担体（以下、ＰｔＮｉ担持担体とする。）を含有する。
【００９１】
触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。カーボンとしては、例えば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラックなどが挙げられる。カーボンブラックのなかでは、好ましくは、ケッチェンブラックが挙げられる。これらカーボンブラックは、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００９２】
ＰｔＮｉ担持担体の平均一次粒子径は、例えば、０．００１μｍ以上、好ましくは、０．００５μｍ以上、例えば、０．１μｍ以下、好ましくは、０．０５μｍ以下である。なお、平均一次粒子径は、透過電子顕微鏡により測定できる。
【００９３】
ＰｔＮｉ担持担体の比表面積は、例えば、１００ｍ２／ｇ以上、好ましくは、３００ｍ２／ｇ以上、例えば、１２００ｍ２／ｇ以下、好ましくは、１０００ｍ２／ｇ以下である。なお、比表面積は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８３０（２０１３）に準拠したキャリアガス法により測定される。
【００９４】
このようなＰｔＮｉ合金を調製するには、例えば、ニッケルの塩と、白金錯体と、必要により触媒担体とを、上記の割合となるように混合して、触媒原料を調製する。
【００９５】
ニッケルの塩としては、例えば、無機塩（例えば、硫酸塩、硝酸塩、塩化物、りん酸塩など）、有機酸塩（例えば、酢酸塩、しゅう酸塩など）などが挙げられ、好ましくは、無機塩、さらに好ましくは、硝酸塩が挙げられる。ニッケルの塩は、単独使用または２種以上併用することができる。
【００９６】
白金錯体としては、例えば、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸、ジクロロ白金（ＩＩ）酸などが挙げられ、好ましくは、ヘキサクロロ白金（ＩＶ）酸が挙げられる。白金錯体は、単独使用または２種以上併用することができる。
【００９７】
混合方法としては、特に制限されず、例えば、湿式混合、乾式混合などの公知の方法が挙げられ、好ましくは、湿式混合が挙げられる。
【００９８】
ニッケルの塩と白金錯体とを湿式により混合するには、必要により触媒担体が分散された水に、ニッケルの塩と白金錯体とを溶解して撹拌する。
【００９９】
混合時間（撹拌時間）としては、例えば、５時間以上、好ましくは、１０時間以上、例えば、５０時間以下、好ましくは、４０時間以下である。
【０１００】
次いで、触媒原料を、必要により乾燥させた後、焼成する。具体的には、触媒原料を、例えば、不活性ガス（例えば、窒素ガス、アルゴンガスなど）や、還元ガス（例えば、窒素ガスおよび水素ガスの混合ガス）の雰囲気下において焼成する。好ましくは、不活性ガス雰囲気下において、触媒原料を焼成する。
【０１０１】
焼成条件としては、焼成温度が、例えば、４００℃以上、好ましくは、５００℃以上、例えば、１５００℃以下、好ましくは、１０００℃以下、さらに好ましくは、９００℃以下である。
【０１０２】
しかるに、ヒドラジンの分解反応では、アンモニアに分解される場合と、窒素および水素に分解される場合がある。焼成温度が上記範囲内であると、ヒドラジンの分解反応において、窒素および水素に分解される選択性の向上を図ることができ、水素を効率よく生成することができる。
【０１０３】
焼成時間は、例えば、１５分以上、好ましくは、３０分以上、例えば、５時間以下、好ましくは、３時間以下である。なお、触媒原料は、一段階または多段階で焼成することができる。
【０１０４】
これによって、触媒原料が焼成されて、ＰｔＮｉ合金（ＰｔＮｉ担持担体）が調製される。
【０１０５】
水素酸化触媒としては、水素を酸化できる触媒であれば、特に制限されないが、例えば、白金の金属単体（Ｐｔ単体）などが挙げられる。
【０１０６】
このようなＰｔ単体は、好ましくは、上記の触媒担体に担持される。つまり、アノード電極９は、好ましくは、Ｐｔ単体を担持した触媒担体（以下、Ｐｔ単体担持担体とする。）を含有する。
【０１０７】
Ｐｔ単体担持担体の平均一次粒子径は、例えば、０．００１μｍ以上、好ましくは、０．００３μｍ以上、例えば、０．１μｍ以下、好ましくは、０．０５μｍ以下である。
【０１０８】
Ｐｔ単体担持担体の比表面積は、例えば、１００ｍ２／ｇ以上、好ましくは、３００ｍ２／ｇ以上、例えば、１２００ｍ２／ｇ以下、好ましくは、１０００ｍ２／ｇ以下である。
【０１０９】
Ｐｔ単体担持担体を調製するには、上記の白金錯体と触媒担体とを、上記と同様に混合した後、焼成する。
【０１１０】
アノード触媒において、水素酸化触媒の含有割合は、ヒドラジン分解触媒１質量部に対して、例えば、０．１質量部以上、好ましくは、０．５質量部以上、例えば、１０質量部以下、好ましくは、５質量部以下である。
【０１１１】
水素酸化触媒の含有割合は、ヒドラジン分解触媒および水素酸化触媒の総質量に対して、例えば、９質量％以上、好ましくは、３３質量％以上、例えば、９０質量％以下、好ましくは、８３質量％以下である。
【０１１２】
水素酸化触媒の含有割合は、アノード電極９の総質量に対して、例えば、５質量％以上、好ましくは、２５質量％以上、例えば、８０質量％以下、好ましくは、７０質量％以下である。
【０１１３】
また、アノード電極９は、さらに、アイオノマーを含有してもよい。アイオノマーは、例えば、炭化水素系アイオノマー、フッ素系アイオノマー、ウレタン系アイオノマーなどが挙げられ、好ましくは、炭化水素系アイオノマーが挙げられる。アイオノマーは、単独使用または２種以上併用することができる。
【０１１４】
また、アイオノマーの含有割合は、アノード触媒（ヒドラジン分解触媒および水素酸化触媒の混合物）１質量部に対して、例えば、０．１質量部以上、好ましくは、０．３質量部以上、例えば、１．０質量部以下、好ましくは、０．８質量部以下である。
【０１１５】
このようなアノード電極９を調製するには、まず、ヒドラジン分解触媒および水素酸化触媒を、上記の割合で混合する。
【０１１６】
混合方法としては、特に制限されず、例えば、湿式混合、乾式混合などの公知の方法が挙げられ、好ましくは、湿式混合が挙げられる。混合装置としては、例えば、ボールミルなどの公知の混合機が挙げられる。
【０１１７】
以上によって、ヒドラジン分解触媒および水素酸化触媒を含有するカソード触媒が調製される。
【０１１８】
次いで、カソード触媒と、必要に応じてアイオノマーとを溶媒中に分散させて分散液（カソード電極インク）を調製する。
【０１１９】
溶媒としては、例えば、アルコール類（例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールなど）、エーテル類（例えば、テトラヒドロフランなど）などの有機溶媒、例えば、水などが挙げられる。これら溶媒は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【０１２０】
次いで、その分散液を、電解質層８の一方の表面に塗布して乾燥する。これによって、電解質層８の一方の表面に定着したアノード電極９が調製される。
【０１２１】
３．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２９の制御により、空気供給弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４３が駆動されることにより、空気が空気供給ライン４１を介して酸素側流路１８に供給される。また、燃料供給弁３４が開かれ、燃料供給ポンプ３３が駆動され、さらに、流圧調整弁２５が所定の開度で開かれる（詳細は後述）ことにより、燃料タンク２２に貯留される液体燃料が、燃料供給ライン３０を介して、燃料側流路１３に供給される。
【０１２２】
すると、液体燃料がアノード電極９と接触しながら燃料側流路１３を通過する。これにより、アノード電極９において、下記（Ａ）および（Ｂ）に示す電気化学反応が生じる。
【０１２３】
（Ａ）Ｎ２Ｈ４→Ｎ２＋２Ｈ２（アノード電極９での反応）
（Ｂ）２Ｈ２＋４ＯＨ−→４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（アノード電極９での反応）
また、液体燃料が燃料側流路１３を通過するときに、液体燃料の一部が、電解質層８を透過して、カソード電極１０に漏出する。その液体燃料には、上記（Ｂ）に示す反応により生じた水が含有されている。そのため、カソード電極１０に漏出した液体燃料に含まれる水が、酸素側流路１８を通過する空気を加湿する。
【０１２４】
そして、加湿された空気は、カソード電極１０と接触しながら酸素側流路１８を通過する。これにより、カソード電極１０において、下記（Ｃ）に示す電気化学反応が生じる。
【０１２５】
（Ｃ）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−（カソード電極１０での反応）
つまり、燃料電池３全体として下記式（Ｄ）に示す反応が連続的に生じて、燃料電池３に起電力が発生する。
【０１２６】
（Ｄ）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
４．コントロールユニットによる制御
上記の電気化学反応では、上記式（Ａ）で示されるように、アノード電極９に供給されるヒドラジン類が、水素と窒素とに分解される。
【０１２７】
このような場合、燃料電池３の運転を継続すると、液体燃料中に水素ガスおよび窒素ガスのマイクロバブルが発生し、アノード電極９の近傍に滞留してイオン伝導を阻害し、発電性能の低下を惹起する場合がある。
【０１２８】
そこで、上記の燃料電池システム２では、コントロールユニット２９の制御によって、液体燃料の供給圧力が所定値になるように、燃料給排部４を制御する。
【０１２９】
具体的には、まず、上記したように、燃料電池３の運転時において、燃料供給弁３４を開状態として、燃料供給ポンプ３３を駆動させることにより、燃料電池３の燃料側流路１３に対して、液体燃料を供給する。
【０１３０】
液体燃料の供給速度（供給量）は、単位セルあたり、例えば、１．０ｍＬ／ｍｉｎ以上、好ましくは、３．０ｍＬ／ｍｉｎ以上であり、例えば、２０ｍＬ／ｍｉｎ以下、好ましくは、１５ｍＬ／ｍｉｎ以下である。
【０１３１】
また、この燃料電池システム２では、液体燃料を供給するときの供給圧力（入り圧）を、圧力センサ２８によって測定しながら、コントロールユニット２９の制御によって、供給圧力が所定値となるように流圧調整弁２５の開度を調整する。
【０１３２】
すなわち、この燃料電池システム２では、燃料供給弁３４の開度、および、燃料供給ポンプ３３の駆動を維持して、液体燃料の供給速度を維持しながら、流圧調整弁２５により燃料排出ライン３１の開度を調整して、背圧を制御する。これにより、燃料電池３に対する液体燃料の供給圧力を調整することができる。
【０１３３】
液体燃料の供給圧力は、６ｋＰａ以上、好ましくは、７ｋＰａ以上であり、１６ｋＰａ以下、好ましくは、１４ｋＰａ以下、より好ましくは、１２ｋＰａ以下、さらに好ましくは、８ｋＰａ以下である。
【０１３４】
液体燃料の供給圧力が、上記下限を上回っていれば、マイクロバブルの滞留を抑制して、発電性能の低下を抑制することができる。また、液体燃料の供給圧力が、上記上限を下回っていれば、電解質膜８に過剰な負荷がかかることを抑制でき、さらに、液体燃料が電解質膜８を透過すること（クロスリーク）を抑制できるため、燃料電池３の損傷を抑制することができる。
【０１３５】
つまり、このような燃料電池システム２によれば、液体燃料の供給圧力が上記の所定範囲に調整されているため、燃料電池３の運転に伴って、上記式（３）〜（６）で示すように、Ｈ２やＮ２などの気体が発生しても、液体燃料中で気泡として滞留することを抑制でき、発電性能の低下を抑制することができ、さらに、燃料電池３の損傷を抑制することができる。
【０１３６】
５．作用効果
上記した燃料電池システム２では、液体燃料が、ヒドラジン類を含む。また、アノード電極９は、ヒドラジン分解触媒および水素酸化触媒を含んでいる。
【０１３７】
このような燃料電池システム２では、アノード電極９に液体燃料が供給されると、アノード電極９において、ヒドラジン分解触媒が、上記式（Ａ）に示すように、ヒドラジン類を窒素と水素とに分解する。そのため、燃料電池システム２では、ヒドラジン類を水素に改質するための改質機が必要ない。
【０１３８】
次いで、アノード電極９において、水素酸化触媒が、上記式（Ｂ）に示すように、ヒドラジンの分解により生じた水素を酸化する。
【０１３９】
また、液体燃料には、上記（Ｂ）に示す反応により生じた水が含有される。そのため、その液体燃料がカソード電極１０に漏出すると、液体燃料に含まれる水が、酸素側流路１８を通過する空気を加湿する。
【０１４０】
これにより、カソード電極１０において、上記式（Ｃ）に示す電気化学反応が生じる。
【０１４１】
つまり、燃料電池３全体として上記式（Ｄ）に示す反応が連続的に生じて、燃料電池に起電力が発生する。
【０１４２】
このような電気化学反応によれば、下記式（Ｅ）および下記式（Ｆ）で示されるような、ヒドラジンが直接酸化される電気化学反応に比べ、効率的に電力を取り出すことができる。
【０１４３】
（Ｅ）Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（アノード電極９での反応）
（Ｆ）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−        （カソード電極１０での反応）
それに加えて、上記した燃料電池システム２によれば、液体燃料の供給圧力が所定範囲になるように、コントロールユニット２９が燃料給排部４を作動させる。そのため、燃料電池３の運転に伴って、上記式（３）〜（６）で示すように、Ｈ２やＮ２などの気体が発生しても、液体燃料中で気泡として滞留することを抑制でき、発電性能の低下を抑制することができ、さらに、燃料電池３の損傷を抑制することができる。
【実施例】
【０１４４】
次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。なお、「部」および「％」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値（「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値（「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。
【０１４５】
製造例１（膜電極接合体の製造）
以下に示すように、電解質膜の一方面にアノード電極を形成し、また、電解質膜の他方面にカソード電極を形成することにより、膜電極接合体を製造した。
（１）電解質膜
電解質膜として、イオン交換膜（商品名Ｎａｆｉｏｎ、Ｄｕ  ｐｏｎｔ社製）を、９×９ｃｍサイズに切り出した。
（２）アノード電極
水、１−プロパノールおよび２−プロパノールの混合溶剤１５０ｇと、アイオノマーとしてのＮａｆｉｏｎ溶液（シグマアルドリッチ、２７４７０４（５質量％））１００ｇとを混合した。次いで、得られた混合液２５ｇと、アノード触媒としてのＮｉＰｔ合金／炭素０．６２２ｇおよびＰｔ単体／炭素０．０７８ｇと、バインダー樹脂（ネオフロンＮＤ−１１０、ダイキン社製）０．５４６ｇとを混合し、さらに、上記の混合溶剤７．３３ｇを添加して、アノード触媒インクを得た。得られたアノード触媒インクを、電解質膜の一方面に、５ｃｍ×５ｃｍ、担持密度２．１８ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布し、１４０℃で１０分加熱した後、１ＭＰａで３分保持し、アノード電極を得た。
（３）カソード電極
水およびエタノールの混合溶剤１５０ｇと、アイオノマーとしてのＮａｆｉｏｎ溶液（シグマアルドリッチ、２７４７０４（５質量％））１００ｇとを混合した。次いで、得られた混合液１７．５０ｇに、水およびエタノールの混合溶剤７．５０ｇを添加し、さらに混合した。その後、得られた混合液と、カソード触媒としてのＰｔ単体／炭素１．０００ｇとを混合し、さらに、上記の混合溶剤５．５０ｇを添加して、カソード触媒インクを得た。得られたカソード触媒インクを、電解質膜の他方面に、５ｃｍ×５ｃｍ、担持密度１．００ｍｇ／ｃｍ２となるように塗布し、室温において３．２５ＭＰａで３０秒保持し、カソード電極を得た。
【０１４６】
参考実施例１
燃料電池評価セル（ラボセル、ダイハツ工業社製）に、製造例１で得られた膜電極接合体をセットして、アノード電極に液体燃料（２％水加ヒドラジン、１．５ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）を７．８ｍＬ／ｍｉｎの流速で供給した。
【０１４７】
また、カソード電極に空気を０．３６ｍＬ／ｍｉｎの流速で供給した。
【０１４８】
そして、開放電位を維持しながら、流圧調整弁の開度を調整することにより、液体燃料の供給圧力を制御した。
【０１４９】
このような運転における、燃料電池のアノード電位およびカソード電位と、液体燃料の供給圧力との関係を、図３〜図５に示す。また、燃料電池の電圧（ＯＣＶ）と、液体燃料の供給圧力との関係を、図６に示す。
【０１５０】
また、測定条件（セル温度および背圧）を以下に示す。
セル温度；８０℃
アノード配管温度：８０℃
カソード配管温度：８０℃
カソード加湿温度：５０℃
背圧；アノード：０ｋＰａ、カソード：０ｋＰａ
（考察）
図３および図４が参照されるように、液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ未満では、アノード電位およびカソード電位が安定せず、発電性能に劣ることが観察された。一方、液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ以上であれば、アノード電位およびカソード電位が安定すると観察された。
【０１５１】
これに対して、図５が参照されるように、液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ以上であれば、供給圧力を変化させても、アノード電位およびカソード電位は安定状態を維持できると観察された。
【０１５２】
これらは、液体燃料の供給圧力が６ｋＰａ以上であれば、燃料電池の使用に伴って発生する気泡（水素ガスおよび窒素ガスのマイクロバブル）をパージすることができ、その結果、気泡の滞留によるアノード電位およびカソード電位の不安定化を抑制できるためと推察される。
【符号の説明】
【０１５３】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
４      燃料給排部
５      空気給排部
８      電解質層
９      アノード電極
１０    カソード電極
２９    コントロールユニット
【図１】
2019102392.tif 000003
【図２】
2019102392.tif 000004
【図３】
2019102392.tif 000005
【図４】
2019102392.tif 000006
【図５】
2019102392.tif 000007
【図６】
2019102392.tif 000008