(57)【要約】【課題】燃料電池に要求される電池要求電力を確実に確保できながら、排出される水素量の低減を図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に、ヒドラジン類を消費して発電し、発電するときの電気化学反応において水素が生成する燃料電池３と、ヒドラジン類を含む液体燃料を燃料電池３に供給する供給ユニット８と、燃料電池３の温度を調整する温度調整部１０と、バッテリ４７と、制御部６とを備える。そして、制御部６に、燃料電池システム２のシステム要求電力ＰＳを算出させ、システム要求電力ＰＳと、バッテリ４７の蓄電電力Ｐｂとに基づいて、燃料電池３の電池要求電力ＰＦＣを算出させ、液体燃料の供給量Ｓ、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃ、および、燃料電池３の温度Ｔのそれぞれを、電池要求電力ＰＦＣに対応した目標値となるように制御させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料成分中のヒドラジン類を消費して発電し、発電するときの電気化学反応において水素が生成する燃料電池と、
ヒドラジン類を含む液体燃料を前記燃料電池に供給する供給部と、
前記燃料電池の温度を調整する温度調整部と、
前記燃料電池が発電した電力を蓄電可能なバッテリと、
前記供給部および前記温度調整部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池システムのシステム要求電力を算出し、
前記システム要求電力と、前記バッテリの蓄電電力とに基づいて、前記燃料電池の電池要求電力を算出し、
前記供給部から前記燃料電池への前記液体燃料の供給量、前記液体燃料におけるヒドラジン類の濃度、および、前記燃料電池の温度のそれぞれを、前記電池要求電力に対応した目標値となるように制御することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記液体燃料の供給量の目標値、前記液体燃料におけるヒドラジン類の濃度の目標値、および、前記燃料電池の温度の目標値を含む動作モードを、異なる前記電池要求電力に対応するように、複数有しており、
前記複数の動作モードにおいて、対応する前記電池要求電力の上昇に伴なって、前記液体燃料の供給量の目標値および／または前記燃料電池の温度の目標値が、前記液体燃料におけるヒドラジン類の濃度の目標値よりも優先的に上昇され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、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、固体高分子型燃料電池として、電解質層と、ヒドラジンを含有する液体燃料が供給されるアノード電極と、酸素が供給されるカソード電極とを備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
そのような燃料電池では、アノード電極に液体燃料が供給されるとともに、カソード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。
【０００４】
（１）Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（アノード電極での反応）
（２）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−        （カソード電極での反応）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−４６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池では、耐久性の向上を図るには限度がある。
【０００７】
そこで、近年、燃料電池の耐久性の向上の観点から、アノード電極において、ヒドラジンを窒素と水素とに分解した後、水素を酸化または還元して、燃料電池に起電力を発生させる燃料電池が検討されている。
【０００８】
しかるに、そのような燃料電池では、ヒドラジンの分解により生成した水素の一部が酸化または還元されずに残存して、燃料電池から排出される場合がある。そこで、安全性の観点から、排出される水素量の低減を図ることが望まれている。
【０００９】
本発明は、燃料電池に要求される電池要求電力を確実に確保できながら、排出される水素量の低減を図ることができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明［１］は、車両に搭載される燃料電池システムであって、燃料成分中のヒドラジン類を消費して発電し、発電するときの電気化学反応において水素が生成する燃料電池と、ヒドラジン類を含む液体燃料を前記燃料電池に供給する供給部と、前記燃料電池の温度を調整する温度調整部と、前記燃料電池が発電した電力を蓄電可能なバッテリと、前記供給部および前記温度調整部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムのシステム要求電力を算出し、前記システム要求電力と、前記バッテリの蓄電電力とに基づいて、前記燃料電池の電池要求電力を算出し、前記供給部から前記燃料電池への前記液体燃料の供給量、前記液体燃料におけるヒドラジン類の濃度、および、前記燃料電池の温度のそれぞれを、前記電池要求電力に対応した目標値となるように制御する、燃料電池システムを含む。
【００１１】
しかるに、燃料電池により発電可能な電力（最大出力）は、供給部から燃料電池への液体燃料の供給量、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度、および、燃料電池の温度に依存する。そのような最大出力が、燃料電池に実際に要求される電池要求電力よりも過度に大きい場合、燃料電池に供給されるヒドラジン類が過剰となり、ひいては、ヒドラジン類の分解により生成する水素が過剰となる。そのため、ヒドラジン類の分解により生成した水素のうち過剰な水素が消費されずに残存し、燃料電池から排出される水素量が増加する。
【００１２】
一方、上記の構成によれば、制御部が、燃料電池の電池要求電力を算出し、供給部から燃料電池への液体燃料の供給量、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度、および、燃料電池の温度のそれぞれを、算出した電池要求電力に対応した目標値となるように制御する。
【００１３】
そのため、燃料電池により発電可能な電力（最大出力）を電池要求電力に近づけることができながら、電池要求電力を確実に確保することができる。その結果、電気化学反応において水素が消費されずに残存することを抑制でき、燃料電池から排出される水素量の低減を図ることができる。
【００１４】
本発明［２］は、前記制御部は、前記液体燃料の供給量の目標値、前記液体燃料におけるヒドラジン類の濃度の目標値、および、前記燃料電池の温度の目標値を含む動作モードを、異なる前記電池要求電力に対応するように、複数有しており、前記複数の動作モードにおいて、対応する前記電池要求電力の上昇に伴なって、前記液体燃料の供給量の目標値および／または前記燃料電池の温度の目標値が、前記液体燃料におけるヒドラジン類の濃度の目標値よりも優先的に上昇される、上記［１］に記載の燃料電池システムを含む。
【００１５】
しかるに、ヒドラジン類の濃度を上昇させると、液体燃料の供給量および燃料電池の温度のそれぞれを上昇させた場合よりも、燃料電池から排出される水素量が増加しやすい。
【００１６】
一方、上記の構成によれば、複数の動作モードにおいて、対応する電池要求電力の上昇に伴なって、液体燃料の供給量の目標値および／または燃料電池の温度の目標値が、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度の目標値よりも優先的に上昇される。
【００１７】
そのため、電池要求電力を確実に確保できながら、燃料電池から排出される水素量の低減を確実に図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される電池要求電力を確実に確保できながら、排出される水素量の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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に示す燃料電池システムが実行する動作モードの選択制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、モータ４５を動力源とし、燃料電池３およびバッテリ４７を選択的に電源として、モータ４５を駆動させるハイブリッド車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。
【００２１】
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、温度調整部１０と、制御部６と、動力部７とを備える。
【００２２】
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、燃料成分中のヒドラジン類を消費して発電する。燃料電池３は、カチオン交換型燃料電池およびアニオン交換型燃料電池のいずれとしても構成できるが、好ましくは、アニオン交換型燃料電池として構成される。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２３】
燃料電池３は、セルスタック１１を備える。
【００２４】
セルスタック１１は、複数の膜電極接合体１２と、複数のセパレータ１３とが交互に積層されることにより構成されている。以下の燃料電池３の説明において、複数の膜電極接合体１２と複数のセパレータ１３との積層方向を、積層方向と記載する。
【００２５】
各膜電極接合体１２は、電解質膜１４と、アノード電極１５と、カソード電極１６とを備える。
【００２６】
電解質膜１４は、アニオン交換形またはカチオン交換形の高分子電解質膜から形成され、好ましくは、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成される。
【００２７】
アノード電極１５は、電解質膜１４の一方側に配置され、電解質膜１４の積層方向一方側の表面に薄層として積層されている。アノード電極１５は、アノード触媒を含有し、例えば、アノード触媒を担持した触媒担体により形成されている。
【００２８】
アノード触媒は、例えば、ヒドラジン分解触媒としてのＰｔＮｉ合金と、水素酸化触媒としてのＰｔ単体とを含有し、好ましくは、ＰｔＮｉ合金およびＰｔ単体からなる。
【００２９】
ＰｔＮｉ合金は、白金（Ｐｔ）とニッケル（Ｎｉ）との合金である。
【００３０】
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ｍｏｌ数に対して、例えば、１ｍｏｌ％以上、好ましくは、５ｍｏｌ％以上、例えば、７０ｍｏｌ％以下、好ましくは、６０ｍｏｌ％以下である。
【００３１】
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ｍｏｌ数に対して、例えば、３０ｍｏｌ％以上、好ましくは、４０ｍｏｌ％以上、例えば、９９ｍｏｌ％以下、好ましくは、９５ｍｏｌ％以下である。
【００３２】
Ｐｔ単体は、白金の金属単体である。
【００３３】
Ｐｔ単体の含有割合は、ＰｔＮｉ合金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。
【００３４】
このようなアノード触媒は、例えば、触媒担体に担持される。触媒担体として、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。なお、アノード電極１５は、触媒担体を用いずに、アノード触媒から直接形成することもできる。
【００３５】
カソード電極１６は、電解質膜１４の他方側に配置され、電解質膜１４の積層方向他方側の表面に薄層として積層されている。カソード電極１６は、カソード触媒を含有し、例えば、カソード触媒を担持した触媒担体により形成されている。
【００３６】
カソード触媒として、例えば、金属単体、遷移金属錯体、遷移金属錯体の焼成体、導電性高分子とカーボンとからなるカーボンコンポジットに遷移金属が担持された複合体などが挙げられる。
【００３７】
金属単体として、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。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。
【００３８】
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、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。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。
【００３９】
遷移金属元素に配位する有機化合物として、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。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。
【００４０】
導電性高分子として、上記の有機化合物と重複する化合物もあるが、例えば、ポリアミン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。導電性高分子は、単独使用または２種以上併用することができる。
【００４１】
このようなカソード触媒は、例えば、触媒担体に担持される。触媒担体として、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。なお、カソード電極１６は、触媒担体を用いずに、カソード触媒から直接形成することもできる。
【００４２】
各セパレータ１３は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。複数のセパレータ１３のうち、膜電極接合体１２の積層方向一方側に隣接配置されるセパレータ１３には、燃料流路１７が形成され、膜電極接合体１２の積層方向他方側に隣接配置されるセパレータ１３には、空気流路１８が形成されている。
【００４３】
燃料流路１７は、セパレータ１３の積層方向他方面の中央に配置されている。燃料流路１７は、セパレータ１３の積層方向他方面から積層方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。
【００４４】
空気流路１８は、セパレータ１３の積層方向一方面の中央に配置されている。空気流路１８は、セパレータ１３の積層方向一方面から積層方向他方へ凹む凹溝であり、上下方向に延びる略直線形状に形成されている。
【００４５】
そして、燃料流路１７は、アノード電極１５に向かい合っている。空気流路１８は、カソード電極１６に向かい合っている。なお、膜電極接合体１２とセパレータ１３との間には、図示しないガス拡散層が介在されている。
【００４６】
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、供給部の一例としての供給ユニット８と、排出ライン９と、気液分離器３４と、還流ライン２７とを備える。
【００４７】
供給ユニット８は、ヒドラジン類を含む液体燃料を燃料電池３（より具体的には、アノード電極１５）に供給する。供給ユニット８は、燃料タンク２１と、電解液タンク２２と、調整タンク２３と、第１燃料供給ライン２４と、電解液供給ライン２５と、第２燃料供給ライン２６と、を備える。
【００４８】
燃料タンク２１は、ヒドラジン類を含む液体燃料を貯蔵する。
【００４９】
詳しくは、液体燃料は、ヒドラジン類が水により溶解される水溶液であって、ヒドラジン類と、水とを含有する。
【００５０】
ヒドラジン類として、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。
【００５１】
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。
【００５２】
燃料タンク２１内における液体燃料のヒドラジン類の濃度は、例えば、５質量％以上、好ましくは、２０質量％以上、例えば、６０質量％以下、好ましくは、４０質量％以下である。
【００５３】
電解液タンク２２は、電解質の水溶液すなわち電解液を貯蔵する。
【００５４】
電解質として、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの金属水酸化物などが挙げられる。電解質は、単独使用または２種以上併用することができる。電解質のなかでは、好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。
【００５５】
電解液タンク２２内における電解液の電解質濃度は、例えば、１０質量％以上、好ましくは、２０質量％以上、例えば、４０質量％以下、好ましくは、３０質量％以下である。
【００５６】
調整タンク２３は、燃料電池３の近傍に配置されている。調整タンク２３には、燃料タンク２１からの液体燃料が希釈された状態で貯蔵されている。
【００５７】
調整タンク２３内における液体燃料の燃料成分濃度は、後述するように、燃料電池３に要求される電池要求電力ＰＦＣに応じて適宜調整される。
【００５８】
第１燃料供給ライン２４は、燃料タンク２１から調整タンク２３へ液体燃料を供給するための配管である。第１燃料供給ライン２４の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。第１燃料供給ライン２４の供給方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。第１燃料供給ライン２４には、ポンプ２９とバルブ３０とが設けられている。
【００５９】
ポンプ２９は、例えば、公知の送液ポンプであって、燃料タンク２１内の液体燃料を調整タンク２３に輸送する。ポンプ２９は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ２９の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００６０】
バルブ３０は、第１燃料供給ライン２４において、調整タンク２３とポンプ２９との間に設けられている。バルブ３０は、例えば、公知の開閉弁であって、第１燃料供給ライン２４を開閉する。バルブ３０は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。バルブ３０の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００６１】
電解液供給ライン２５は、電解液タンク２２から調整タンク２３へ電解液を供給するための配管である。電解液供給ライン２５の供給方向上流端は、電解液タンク２２の下端部に接続されている。電解液供給ライン２５の供給方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。電解液供給ライン２５には、ポンプ３１とバルブ３２とが設けられている。
【００６２】
ポンプ３１は、例えば、公知の送液ポンプであって、電解液タンク２２内の電解液を調整タンク２３に輸送する。ポンプ３１は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３１の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００６３】
バルブ３２は、電解液供給ライン２５において、調整タンク２３とポンプ３１との間に設けられている。バルブ３２は、例えば、公知の開閉弁であって、電解液供給ライン２５を開閉する。バルブ３２は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。バルブ３０の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００６４】
第２燃料供給ライン２６は、調整タンク２３から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。第２燃料供給ライン２６の供給方向上流端は、調整タンク２３に接続されている。第２燃料供給ライン２６の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料流路１７の下端部（供給口）に接続されている。第２燃料供給ライン２６には、ポンプ３３が設けられている。
【００６５】
ポンプ３３は、例えば、公知の送液ポンプであって、調整タンク２３内の液体燃料を燃料電池３に輸送する。ポンプ３３は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３３の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００６６】
排出ライン９は、燃料電池３から液体燃料を排出液として排出させる。排出ライン９は、排出液を燃料電池３から気液分離器３４へ輸送するための配管である。排出ライン９の排出方向上流端は、燃料電池３の燃料流路１７の上端部（排出口）に接続されている。排出ライン９の排出方向下流端は、気液分離器３４の下端部に接続されている。
【００６７】
気液分離器３４は、排出ライン９と還流ライン２７との間に介在されている。気液分離器３４は、排出液からガス（気体）を分離する。気液分離器３４は、例えば、中空の容器からなる。気液分離器３４の下端部には、排出ライン９の排出方向下流端が接続されている。また、気液分離器３４の上部には、排気ライン２８が接続されている。
【００６８】
排気ライン２８は、気液分離器３４において分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２８の排気方向上流端は、気液分離器３４に接続されている。排気ライン２８の排気方向下流端は、大気開放されている。
【００６９】
還流ライン２７は、気液分離器３４においてガスが分離された排出液を、気液分離器３４から調整タンク２３に還流するための配管である。還流ライン２７の還流方向上流端は、気液分離器３４の下端部に接続されている。還流ライン２７の還流方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。これにより、調整タンク２３から、第２燃料供給ライン２６、燃料流路１７、排出ライン９、気液分離器３４および還流ライン２７を順次介して調整タンク２３に戻る循環ラインが形成される。
【００７０】
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。
【００７１】
空気供給ライン４１は、酸素を含む空気を燃料電池３（より具体的には、カソード電極１６）に供給する。空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気流路１８の上端部（供給口）に接続されている。空気供給ライン４１には、ポンプ４３が設けられている。
【００７２】
ポンプ４３は、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプである。ポンプ４３は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ４３の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００７３】
空気排出ライン４２は、燃料電池３から空気を排出させる。空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気流路１８の下端部（排出口）に接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。
【００７４】
（４）温度調整部
温度調整部１０は、燃料電池３の温度を調整する。より詳しくは、燃料電池３は、発電によって発熱するため、温度調整部１０は、燃料電池３を冷却して燃料電池３の温度を調整する。
【００７５】
温度調整部１０は、ラジエータ３５と、熱媒供給ライン３７と、熱媒還流ライン３８と、ラジエータファン３６とを備える。
【００７６】
ラジエータ３５は、電動車両１の前端部に配置されている。ラジエータ３５は、熱媒体（例えば、冷却水など）の熱を放熱するように構成され、その内部を熱媒体が通過可能である。
【００７７】
ラジエータファン３６は、ラジエータ３５と向かい合うように配置され、駆動することにより、ラジエータ３５に向かって送風可能である。ラジエータファン３６は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ラジエータファン３６の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００７８】
熱媒供給ライン３７は、熱媒体を燃料電池３に供給する。熱媒供給ライン３７は、ラジエータ３５から燃料電池３へ熱媒体を供給するための配管である。熱媒供給ライン３７の供給方向上流端は、ラジエータ３５に接続されている。熱媒供給ライン３７の供給方向下流端は、燃料電池３の図示しない熱媒体流路の供給口に接続されている。熱媒供給ライン３７には、ポンプ３９が設けられている。
【００７９】
ポンプ３９は、例えば、公知の送液ポンプであって、ラジエータ３５内の熱媒体を燃料電池３に輸送する。ポンプ３９は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３９の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００８０】
熱媒還流ライン３８は、燃料電池３から排出された熱媒体をラジエータ３５に還流する。熱媒還流ライン３８は、燃料電池３からラジエータ３５へ熱媒体を還流するための配管である。熱媒還流ライン３８の還流方向上流端は、燃料電池３の図示しない熱媒体流路の排出口に接続されている。熱媒還流ライン３８の還流方向下流端は、ラジエータ３５に接続されている。
【００８１】
（５）制御部
制御部６は、ＥＣＵ４４を備える。
【００８２】
ＥＣＵ４４は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、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。
【００８３】
（６）動力部
動力部７は、モータ４５と、インバータ４６と、バッテリ４７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８とを備える。
【００８４】
モータ４５は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。モータ４５は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ４５は、燃料電池３またはバッテリ４７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４５として、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
【００８５】
インバータ４６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。インバータ４６は、配線により、燃料電池３とモータ４５との間に電気的に接続されている。インバータ４６として、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などが挙げられる。
【００８６】
バッテリ４７は、燃料電池３が発電した電力を蓄電可能である。バッテリ４７は、燃料電池３とモータ４５との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ４７として、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。バッテリ４７は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ４５に電力を供給可能である。
【００８７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、配線により、燃料電池３とインバータ４６との間に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８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４７の入出力電力を調整する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００８８】
２．発電動作
次に、電動車両１における発電について説明する。
【００８９】
電動車両１が起動されると、図１に示すように、ＥＣＵ４４の制御により、バルブ３０が開放され、第１燃料供給ライン２４のポンプ２９、第２燃料供給ライン２６のポンプ３３、および、空気供給ライン４１のポンプ４３が駆動される。
【００９０】
すると、調整タンク２３内の液体燃料は、第２燃料供給ライン２６を介して燃料電池３の燃料流路１７に供給される。なお、燃料タンク２１内の液体燃料は、第１燃料供給ライン２４を介して、逐次、バルブ３０の開閉動作、および、ポンプ２９の駆動および停止により、調整タンク２３に供給される。また、電解液タンク２２内の電解液は、電解液供給ライン２５を介して、逐次、バルブ３２の開閉動作、および、ポンプ３１の駆動および停止により、調整タンク２３に供給される。
【００９１】
燃料流路１７に供給された液体燃料は、アノード電極１５に供給され、アノード電極１５と接触しながら燃料流路１７内を下側から上側へ流れた後、排出液として排出ライン９へ排出される。
【００９２】
また、電動車両１の外部から空気は、空気供給ライン４１を介して燃料電池３の空気流路１８に供給される。空気流路１８に供給された空気は、カソード電極１６に供給され、カソード電極１６の積層方向他方面と接触しながら空気流路１８内を上側から下側へ流れた後、空気排出ライン４２へ排出される。
【００９３】
このとき、燃料電池３では、ヒドラジン類がヒドラジンである場合、アノード電極１５において、下記（Ａ）および（Ｂ）に示す電気化学反応が生じ、カソード電極１６において、下記（Ｃ）に示す電気化学反応が生じる。そして、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発電される。
【００９４】
（Ａ）Ｎ２Ｈ４→Ｎ２＋２Ｈ２（アノード電極１５での反応）
（Ｂ）２Ｈ２＋４ＯＨ−→４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（アノード電極１５での反応）
（Ｃ）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−（カソード電極１６での反応）
（Ｄ）Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
つまり、アノード電極１５では、ヒドラジンが窒素と水素とに分解されて、窒素および水素が生成した後（Ａ）、その水素が酸化される（Ｂ）。また、カソード電極１６では、酸素が還元される（Ｃ）。
【００９５】
これら反応により、ヒドラジン類（Ｎ２Ｈ４）が消費されるとともに、水（Ｈ２Ｏ）および窒素（Ｎ２）が生成され、起電力（ｅ−）が発生する。発生した起電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって変圧され、インバータ４６により三相交流電力に変換された後、モータ４５に供給されて、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリ４７に蓄電される。
【００９６】
そして、燃料電池３から排出ライン９に排出された排出液は、気液分離器３４に流入し、ガス成分（例えば、水素ガス、窒素ガスなど）と、液体成分（例えば、ヒドラジン類が溶解する水溶液など）とに分離される。ガス成分は、排気ライン２８を介して電動車両１の外部に排出される。液体成分は、還流ライン２７を介して、調整タンク２３に供給される。
【００９７】
３．発電動作における制御
次に、燃料電池システム２の発電動作における制御について説明する。
【００９８】
燃料電池システム２では、上記した発電動作において、燃料電池３により発電可能な電力（最大出力）が、燃料電池３に要求される電池要求電力に対して過度に大きくならないように、燃料電池システム２における動作条件が適宜調節される。
【００９９】
以下、図１および図２を参照して、より具体的に説明する。
【０１００】
電動車両１が起動されると、バッテリ４７に蓄電されている電力量（蓄電電力ＰＢ）が、逐次、ＥＣＵ４４のＲＡＭに記録される。
【０１０１】
次いで、ＥＣＵ４４は、燃料電池システム２のシステム要求電力Ｐｓを算出する（Ｓ１）。
【０１０２】
システム要求電力Ｐｓ（単位：ｋＷ）は、例えば、ユーザからの出力要求（例えば、アクセル開度など）に応じて算出される出力要求電力に、燃料電池システム２の消費電力を加えることにより算出される。
【０１０３】
次いで、ＥＣＵ４４は、システム要求電力Ｐｓと、バッテリの蓄電電力ＰＢとに基づいて、燃料電池３の電池要求電力ＰＦＣを算出する（Ｓ２）。
【０１０４】
例えば、まず、バッテリの蓄電電力ＰＢをＣＰＵに読み込み、蓄電電力ＰＢを所定の閾値（例えば、バッテリ４７の全容量の４０％）と比較して、バッテリ４７への充電の要否を判断する。
【０１０５】
蓄電電力ＰＢが所定の閾値以下であり、バッテリ４７の充電が必要である場合、システム要求電力Ｐｓに、バッテリ４７への必要充電量を加えて、燃料電池３の電池要求電力ＰＦＣを算出する。一方、蓄電電力ＰＢが所定の閾値を超過し、バッテリ４７への充電が不要である場合、システム要求電力Ｐｓが、燃料電池３の電池要求電力ＰＦＣであると判断する。
【０１０６】
次いで、ＥＣＵ４４が、供給ユニット８から燃料電池３への液体燃料の供給量Ｓ、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃ、および、燃料電池３の温度Ｔのそれぞれを、電池要求電力ＰＦＣに対応した目標値となるように制御する（Ｓ３〜Ｓ５）。
【０１０７】
より具体的には、制御部６は、液体燃料の供給量Ｓの目標値、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃの目標値、および、燃料電池の温度Ｔの目標値を含む動作モードを、異なる電池要求電力ＰＦＣに対応するように、複数有している。
【０１０８】
複数の動作モードの数は、例えば、２以上、好ましくは、４以上、例えば、２０以下、好ましくは、１０以下である。
【０１０９】
複数の動作モードのそれぞれには、異なる電池要求電力ＰＦＣに対応するように、電流値の範囲が割り当てられている。
【０１１０】
また、各動作モードが割り当てられる電力値の範囲の大きさ（電力値の範囲における上限値と下限値との差）は、例えば、０ｋＷ以上、好ましくは、１ｋＷ以上、例えば、１００ｋＷ以下、好ましくは、５０ｋＷ以下である。
【０１１１】
そして、複数の動作モードは、例えば、割り当てられる電力値の範囲が互いに重なることなく順次連続するように設定される。
【０１１２】
また、複数の動作モードにおいて、対応する電力値の範囲（電池要求電力）が上昇すると、その上昇に伴なって、液体燃料の供給量Ｓの目標値、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃの目標値、および、燃料電池の温度Ｔの目標値の群からなる目標値のうち少なくとも１つの目標値が上昇され、好ましくは、液体燃料の供給量Ｓの目標値および／または燃料電池の温度Ｔの目標値が、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃの目標値よりも優先的に上昇する。
【０１１３】
また、ＥＣＵ４４のＲＯＭには、複数の動作モードに対応する複数の動作モード情報が格納されており、各動作モード情報は、対応する動作モードにおいて目標値として設定される、液体燃料の供給量Ｓ、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃ、および、燃料電池の温度Ｔが含まれる。
【０１１４】
そのような液体燃料の供給量Ｓの目標値は、例えば、比較的流量が大きい大供給量ＳＨと、比較的流量が小さい小供給量ＳＬとに分類できる。
【０１１５】
液体燃料の大供給量ＳＨは、例えば、１５Ｌ／分以上、好ましくは、２０Ｌ／分以上、さらに好ましくは、２５Ｌ／分以上、例えば、５０Ｌ／分以下、好ましくは、４０Ｌ／分以下である。
【０１１６】
液体燃料の小供給量ＳＬは、例えば、１Ｌ／分以上、好ましくは、５Ｌ／分以上、例えば、２５Ｌ／分未満、好ましくは、２０Ｌ／分未満、さらに好ましくは、１５Ｌ／分未満である。
【０１１７】
なお、液体燃料の供給量Ｓの目標値は、ゼロであってもよい。この場合、燃料電池３に対する液体燃料の供給は停止されている。
【０１１８】
また、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃの目標値は、例えば、比較的濃度が高い高濃度ＣＨと、比較的濃度が低い低濃度ＣＬとに分類できる。
【０１１９】
ヒドラジン類の高濃度ＣＨは、例えば、２．０質量％を超過し、好ましくは、３．０質量％以上、さらに好ましくは、３．５質量％以上、例えば、６０質量％以下、好ましくは、１０質量％以下である。
【０１２０】
液体燃料の低濃度ＣＬは、例えば、０質量％以上、好ましくは、１質量％以上、例えば、５．０質量％以下、好ましくは、３．５質量％未満、さらに好ましくは、３．０質量％未満、とりわけ好ましくは、２．５質量％以下、特に好ましくは、２．０質量％以下である。
【０１２１】
また、燃料電池の温度Ｔの目標値は、例えば、比較的温度が高い高温度ＴＨと、比較的温度が低い低温度ＴＬとに分類できる。
【０１２２】
燃料電池の高温度ＴＨは、例えば、６０℃を超過し、好ましくは、７０℃以上、さらに好ましくは、７５℃以上、例えば、９０℃以下、好ましくは、８５℃以下である。
【０１２３】
燃料電池の低温度ＴＬは、例えば、０℃以上、好ましくは、４０℃以上、例えば、７５℃未満、好ましくは、７０℃未満、さらに好ましくは、６５℃以下、とりわけ好ましくは、６０℃以下である。
【０１２４】
そして、各動作モードに対応する動作モード情報（液体燃料の供給量Ｓの目標値、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃの目標値、および、燃料電池の温度Ｔの目標値）は、好ましくは、上記した大供給量ＳＨおよび小供給量ＳＬのいずれか一方の目標値と、上記した高濃度ＣＨおよび低濃度ＣＬのいずれか一方の目標値と、上記した高温度ＴＨおよび低温度ＴＬのいずれか一方の目標値との組み合わせを含む。
【０１２５】
本実施形態では、制御部６が有する複数の動作モードは、対応する電力値の範囲が小さいものから順に、例えば、バッテリ出力モード、アイドリングモード、燃料ストイキモード、および、最大出力モードを有している。
【０１２６】
バッテリ出力モードは、複数の動作モードのうち対応する電力値が最も小さい動作モードであって、対応する電力値の範囲は１ｋＷ未満である。
【０１２７】
バッテリ出力モードの動作モード情報では、例えば、液体燃料の供給量Ｓの目標値がゼロ（供給停止）である。なお、バッテリ出力モードでは、液体燃料の供給が停止されているため、ヒドラジン類の濃度Ｃの目標値および燃料電池の温度Ｔの目標値は特に制限されない。
【０１２８】
アイドリングモードは、バッテリ出力モードよりも大きな電力値に対応しており、対応する電力値の範囲は１ｋＷ以上５ｋＷ未満である。アイドリングモードの動作モード情報では、例えば、液体燃料の供給量Ｓの目標値が小供給量ＳＬであり、ヒドラジン類の濃度Ｃの目標値が低濃度ＣＬであり、燃料電池の温度Ｔの目標値が低温度ＴＬである。
【０１２９】
燃料ストイキモードは、アイドリングモードよりも大きな電力値に対応しており、対応する電力値の範囲は５ｋＷ以上１０ｋＷ未満である。燃料ストイキモードの動作モード情報では、例えば、液体燃料の供給量Ｓの目標値が大供給量ＳＨであり、ヒドラジン類の濃度Ｃの目標値が低濃度ＣＬであり、燃料電池の温度Ｔの目標値が低温度ＴＬである。
【０１３０】
最大出力モードは、複数の動作モードのうち対応する電力値が最も大きい動作モードであって、対応する電力値の範囲は１０ｋＷ以上である。最大出力モードの動作モード情報では、例えば、液体燃料の供給量Ｓの目標値が大供給量ＳＨであり、ヒドラジン類の濃度Ｃの目標値が高濃度ＣＨであり、燃料電池の温度Ｔの目標値が高温度ＴＨである。
【０１３１】
そして、ＥＣＵ４４は、上記したＳ２において算出された電池要求電力ＰＦＣに基づいて、複数の動作モードから適切な動作モードを選択する。
【０１３２】
これによって、ＥＣＵ４４は、液体燃料の供給量Ｓ、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃ、および、燃料電池の温度Ｔのそれぞれを、電池要求電力ＰＦＣに対応した目標値となるように制御する。
【０１３３】
具体的には、ＥＣＵ４４は、まず、電池要求電力ＰＦＣがバッテリ出力モードに対応する電力値の範囲（１ｋＷ未満）か否かを判断する（Ｓ３）。
【０１３４】
そして、電池要求電力ＰＦＣが１ｋＷ未満である場合（Ｓ３のＹｅｓ）、バッテリ出力モードに対応する動作モード情報を、ＲＯＭからＣＰＵに読み込む。
【０１３５】
その後、バッテリ出力モードの動作モード情報（液体燃料供給停止）に基づいて、供給ユニット８を制御し、ポンプ２９およびポンプ３３の駆動を停止するとともに、バルブ３０を閉鎖する。また、ＥＣＵ４４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８を制御することにより、バッテリ４７から電池要求電力ＰＦＣを確保する。
【０１３６】
以上によって、バッテリ出力モードが実行される。
【０１３７】
なお、上記したＳ２において、バッテリ４７の充電が必要であると判断された場合、電池要求電力ＰＦＣは、通常１ｋＷを超過するため、バッテリ出力モードは選択されない。
【０１３８】
一方、電池要求電力ＰＦＣが１ｋＷ以上である場合（Ｓ３のＮｏ）、ＥＣＵ４４は、電池要求電力ＰＦＣがアイドリングモードに対応する電力値の範囲（１ｋＷ以上５ｋＷ未満）か否かを判断する（Ｓ４）。
【０１３９】
そして、電池要求電力ＰＦＣが１ｋＷ以上５ｋＷ未満である場合（Ｓ４のＹｅｓ）、アイドリングモードに対応する動作モード情報を、ＲＯＭからＣＰＵに読み込む。
【０１４０】
そして、アイドリングモードの動作モード情報（小供給量ＳＬ、低濃度ＣＬ、低温度ＴＬ）に基づいて、供給ユニット８および温度調整部１０を制御する。
【０１４１】
詳しくは、まず、ＥＣＵ４４は、適宜、バルブ３０およびバルブ３２の開閉と、ポンプ２９およびポンプ３１の駆動および停止とを制御して、調整タンク２３内の液体燃料のヒドラジン類の濃度が低濃度ＣＬとなるように、調整タンク２３において、燃料タンク２１からの液体燃料と、電解液タンク２２からの電解液とを混合する。
【０１４２】
また、ＥＣＵ４４は、適宜、ラジエータファン３６およびポンプ３９の駆動および停止を制御して、燃料電池３の温度Ｔが低温度ＴＬとなるように調整する。
【０１４３】
そして、ＥＣＵ４４は、ポンプ３３の吐出量が小供給量ＳＬとなるように、ポンプ３３を駆動させる。
【０１４４】
以上によって、アイドリングモードが実行され、燃料電池３により電池要求電力ＰＦＣが確保される。
【０１４５】
一方、電池要求電力ＰＦＣが５ｋＷ以上である場合（Ｓ４のＮｏ）、ＥＣＵ４４は、電池要求電力ＰＦＣが燃料ストイキモードに対応する電力値の範囲（５ｋＷ以上１０ｋＷ未満）か否かを判断する（Ｓ５）。
【０１４６】
そして、電池要求電力ＰＦＣが５ｋＷ以上１０ｋＷ未満である場合（Ｓ５のＹｅｓ）、燃料ストイキモードに対応する動作モード情報を、ＲＯＭからＣＰＵに読み込む。
【０１４７】
次いで、燃料ストイキモードの動作モード情報（大供給量ＳＨ、低濃度ＣＬ、低温度ＴＬ）に基づいて、供給ユニット８および温度調整部１０を制御する。
【０１４８】
詳しくは、ＥＣＵ４４は、上記と同様にして、調整タンク２３内の液体燃料のヒドラジン類の濃度を低濃度ＣＬに調整し、かつ、燃料電池３の温度Ｔを低温度ＴＬに調整する。そして、ＥＣＵ４４は、ポンプ３３の吐出量が大供給量ＳＨとなるように、ポンプ３３を駆動させる。
【０１４９】
以上によって、燃料ストイキモードが実行され、燃料電池３により電池要求電力ＰＦＣが確保される。
【０１５０】
一方、電池要求電力ＰＦＣが１０ｋＷ以上である場合（Ｓ５のＮｏ）、最大出力モードに対応する動作モード情報を、ＲＯＭからＣＰＵに読み込む。
【０１５１】
そして、最大出力モードの動作モード情報（大供給量ＳＨ、高濃度ＣＨ、高温度ＴＨ）に基づいて、供給ユニット８および温度調整部１０を制御する。
【０１５２】
詳しくは、ＥＣＵ４４は、上記と同様にして、調整タンク２３内の液体燃料のヒドラジン類の濃度を高濃度ＣＨに調整し、燃料電池３の温度Ｔを高温度ＴＨに調整する。そして、ＥＣＵ４４は、ポンプ３３の吐出量が大供給量ＳＨとなるように、ポンプ３３を駆動させる。
【０１５３】
以上によって、最大出力モードが実行され、燃料電池３により電池要求電力ＰＦＣが確保される。
【０１５４】
４．作用効果
燃料電池システム２によれば、ＥＣＵ４４が、燃料電池３の電池要求電力ＰＦＣを算出し、供給ユニット８から燃料電池３への液体燃料の供給量Ｓ、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度Ｃ、および、燃料電池３の温度Ｔのそれぞれを、算出した電池要求電力ＰＦＣに対応した目標値となるように制御する。
【０１５５】
そのため、燃料電池３により発電可能な電力（最大出力）を電池要求電力ＰＦＣに近づけることができながら、電池要求電力ＰＦＣを確実に確保することができる。
【０１５６】
その結果、電気化学反応において水素が消費されずに残存することを抑制でき、燃料電池３から排出される水素量の低減を図ることができる。
【０１５７】
より具体的には、燃料電池３から排出ライン９に排出される排出液における水素濃度は、例えば、０体積％以上、例えば、４体積％以下、好ましくは、１体積％以下である。
【０１５８】
また、制御部６は、異なる電池要求電力ＰＦＣに対応する複数の動作モードを有している。そして、複数の動作モードにおいて、好ましくは、対応する電池要求電力ＰＦＣの上昇に伴なって、液体燃料の供給量Ｓの目標値および／または燃料電池３の温度Ｔの目標値が、液体燃料におけるヒドラジン類の濃度の目標値よりも優先的に上昇される。
【０１５９】
そのため、電池要求電力ＰＦＣを確実に確保できながら、燃料電池３から排出される水素量（とりわけ、排出液における水素濃度）の低減を確実に図ることができる。
【符号の説明】
【０１６０】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
６      制御部
８      供給ユニット
１０    温度調整部
４７    バッテリ
【図１】
2019149279.tif 000003
【図２】
2019149279.tif 000004