(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドラジン類を含む液体燃料が供給される燃料電池と、
前記燃料電池から排出される前記液体燃料を含む排出液を、貯留する排出液貯留部と、
ヒドラジン類と発熱反応して前記液体燃料を無害化するための処理剤を、提供する処理剤提供部と、
前記処理剤提供部から、前記処理剤を前記排出液貯留部に供給するための第１供給手段と、
前記処理剤提供部から、前記燃料電池の温度上昇が必要なときに、前記処理剤を前記燃料電池に供給するための第２供給手段と
を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２供給手段は、前記液体燃料に対して、前記処理剤を直接供給す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、ヒドラジン類を含む液体燃料が用いられる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液体燃料を直接供給する直接液体燃料形燃料電池の開発が進められており、例えば、液体燃料として、メタノールやヒドラジンなどが知られている。
【０００３】
燃料電池は、その温度が最適運転温度（例えば、固体高分子形燃料電池では、８０℃程度）のときに、発電効率が最大となるが、燃料電池の温度が最適運転温度よりも低いと、その発電効率が低下する。
【０００４】
よって、燃料電池の温度が最適運転温度より低い温度である起動時には、燃料電池の温度を最適運転温度まで急速に上昇させる必要がある。とりわけ、直接液体燃料形燃料電池では、水素ガスなどの気体燃料とは異なり、液体燃料を直接供給するので、温度上昇に時間がかかり、起動時の発電効率を上昇させにくいという不具合がある。
【０００５】
そのため、例えば、燃料室へメタノールを供給するメタノールタンクから、液体燃料電地の起動時に、メタノールを空気室に供給して、空気極でメタノールを直接燃焼させることにより、液体燃料電池の温度を急速に上昇させて、短時間で、最適運転温度で運転することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−３０７９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、ヒドラジン類は還元性であることから、液体燃料としてヒドラジン類が含まれる場合には、そのヒドラジン類を無害化する必要がある。
【０００７】
また、ヒドラジン類を含む液体燃料についても、上記したような、起動時の発電効率の上昇が望まれている。
【０００８】
一方、起動時の発電効率を上昇させるための装置や、無害化するための装置を、それぞれ装備すると、装置が複雑化・大型化し、さらには、コストの上昇が不可避となる。
【０００９】
本発明の目的は、液体燃料の無害化と、燃料電池の発電効率の上昇とを、簡易な構成により、同時に達成することができ、装置の小型化およびコストの低減化を図ることのできる、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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、ヒドラジン類を含む液体燃料が供給される燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記液体燃料を含む排出液を、貯留する排出液貯留部と、ヒドラジン類と発熱反応して前記液体燃料を無害化するための処理剤を、提供する処理剤提供部と、前記処理剤提供部から、前記処理剤を前記排出液貯留部に供給するための第１供給手段と、前記処理剤提供部から、前記燃料電池の温度上昇が必要なときに、前記処理剤を前記燃料電池に供給するための第２供給手段とを備えていることを特徴としている。
【００１１】
この燃料電池システムによれば、第１供給手段により、処理剤提供部から排出液貯留部に処理剤を供給すれば、排出液貯留部においては、処理剤がヒドラジン類と発熱反応して、排出液に含まれている液体燃料を無害化することができる。また、第２供給手段により、処理剤提供部から燃料電池に処理剤を供給すれば、燃料電池においては、処理剤がヒドラジン類と発熱反応して、燃料電池の温度が上昇する。
【００１２】
つまり、この燃料電池システムでは、共通の処理剤提供部から、第１供給手段および／または第２供給手段により、排出液貯留部および／または燃料電池に、処理剤を供給することにより、液体燃料の無害化と、燃料電池の温度上昇とを、簡易な構成により、同時に達成することができる。
【００１３】
そのため、液体燃料の無害化と、燃料電池の発電効率の上昇とを同時に達成しつつ、装置の小型化およびコストの低減化を図ることができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２供給手段では、前記液体燃料に含まれるヒドラジン類の濃度に対応して、前記処理剤の供給量が調整されることが好適である。
【００１５】
ヒドラジン類は、例えば、寒冷地などでは、凍結防止のために、液体燃料において高濃度に調整する場合がある。そのような場合には、第２供給手段では、液体燃料に含まれるヒドラジン類の濃度に対応して、処理剤の供給量が調整されるので、寒冷地などにおいても、燃料電池の効率のよい温度上昇を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記第２供給手段は、前記液体燃料に対して、前記処理剤を直接供給することが好適である。
【００１７】
処理剤を液体燃料に直接供給することで、さらに効率よく、燃料電池の温度を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、液体燃料の無害化と、燃料電池の発電効率の上昇とを同時に達成しつつ、装置の小型化およびコストの低減化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【００２０】
燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料給排部３、空気給排部４および処理剤供給部５を備えている。
（Ａ）燃料電池
燃料電池２は、直接液体燃料形燃料電池から構成され、具体的には、ヒドラジン類を含む液体燃料を燃料とする、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）などから構成され、さらに具体的には、再表０３／０５６６４９号公報や特開２００６−２４４９６０号公報に記載される燃料電池などから構成される。
【００２１】
具体的には、燃料電池２は、膜・電極接合体６と、膜・電極接合体６を挟んで対向配置されるアノード供給路７およびカソード供給路８とを備えている。
【００２２】
膜・電極接合体６は、例えば、カチオン交換膜やアニオン交換膜などの電解質膜の一方の面にアノード電極が圧着され、他方の面にカソード電極が圧着されることにより、１つの発電単位（単セル）として形成されている。
【００２３】
そして、複数の膜・電極接合体６が、アノード供給路７およびカソード供給路８を備えるセパレータを介して積層されることにより、燃料電池２は、膜・電極接合体６がスタックされた積層構造体として構成されている。
【００２４】
なお、図１では、便宜上、複数の膜・電極接合体６、アノード供給路７およびカソード供給路８のうち、それぞれ１つだけ示している。
（Ｂ）燃料給排部
燃料給排部３は、液体燃料を貯留する燃料タンク９と、燃料タンク９から液体燃料を燃料電池２に供給するための燃料供給管１０と、燃料電池２から排出される液体燃料を含む排出液を貯留する、排出液貯留部としての処理タンク１１と、燃料電池２から排出される排出液を処理タンク１１に供給するための燃料排出管１２とを備えている。
【００２５】
燃料タンク９には、ヒドラジン類を含む液体燃料が貯留されている。ヒドラジン類を含む液体燃料としては、例えば、無水ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）などのヒドラジン、トリアザン（ＮＨ２ＮＨＮＨ２）、テトラザン（ＮＨ２ＮＨＮＨＮＨ２）などのヒドラジン類の水溶液が挙げられ、好ましくは、無水ヒドラジン、水加ヒドラジンの水溶液が挙げられる。
【００２６】
燃料供給管１０は、その上流側端部が、燃料タンク９の燃料流出口（図示せず）に接続され、その下流側端部が、アノード供給路７の燃料流入口（図示せず）に接続されるように、燃料タンク９と燃料電池２との間に介在されている。
【００２７】
燃料供給管１０の途中には、液体燃料の供給量を調整するための燃料供給弁１３が介在されている。
【００２８】
燃料調整弁１３は、発電電流や外気温に応じて、液体燃料の供給量を調整して、例えば、液体燃料がヒドラジン類の水溶液である場合、そのヒドラジン類の濃度が、通常、１〜１０重量％、好ましくは、４〜６重量％に調整する。
【００２９】
また、寒冷地などでは、液体燃料の凍結を防止するために、そのヒドラジン類の濃度が、通常よりも高濃度、例えば、３０〜１００重量％（１００重量％の場合は原液）、好ましくは、５０〜７０重量％に調整する。
【００３０】
処理タンク１１は、アノード供給路７の通過後の液体燃料、つまり、燃料電池２において発電に供されずに残存するヒドラジン類や、発電により生じた水や窒素などが含まれている排出液が、一時的に貯留される。
【００３１】
処理タンク１１には、処理後の排出液を排出するためのドレン管１４、および、そのドレン管１４に設けられ、ドレン管１４を開閉するためのドレン弁１５が設けられている。
【００３２】
燃料排出管１２は、その上流側端部が、アノード供給路７の燃料流出口（図示せず）に接続され、その下流側端部が、処理タンク１１の排出液流入口（図示せず）に接続されるように、燃料電池２と処理タンク１１との間に介在されている。
【００３３】
燃料排出管１２の途中には、排出液の排出量を調整するための燃料排出弁１６が介在されている。また、燃料排出管１２におけるアノード供給路７の燃料流出口と燃料排出弁１６との間には、排出液の温度を検知するための温度センサ１７が設けられている。温度センサ１７は、赤外線センサなどの公知の水温計が採用される。
（Ｃ）空気給排部
空気給排部４は、空気（酸素）をカソード供給路８に供給するための空気供給管１８と、カソード供給路８から排出される排空気（発電により生成される水などを含む）を排出するための空気排出管１９とを備えている。
【００３４】
空気供給管１８は、上流側端部が大気に開放され、下流側端部がカソード供給路８の空気流入口（図示せず）に接続されるように、配置されている。空気供給管１８の途中には、空気供給ポンプ２０が介在されている。
【００３５】
空気供給ポンプ２０は、大気中の空気を、空気供給管１８に流入させるためのポンプであって、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプから構成されている。
【００３６】
空気排出管１９は、その上流側端部がカソード供給路８の空気流出口（図示せず）に接続され、その下流側端部が大気に開放されている。
（Ｄ）処理剤供給部
処理剤供給部５は、処理剤を提供する処理剤提供部２１と、処理剤提供部２１から処理剤を処理タンク１１に供給するための、第１供給手段としての処理側供給管２２と、処理剤提供部２１から処理剤を燃料供給管１０に供給するための、第２供給手段としての燃料電池側供給管２３とを備えている。
【００３７】
処理剤提供部２１では、ヒドラジン類と発熱反応する処理剤が用意される。処理剤としては、ヒドラジン類と発熱反応する酸化剤、例えば、過酸化水素、オゾンなどが用いられる。
【００３８】
処理剤が過酸化水素である場合には、処理剤提供部２１は、具体的には、過酸化水素を貯留する処理剤タンクから構成される。過酸化水素は、例えば、３０〜９０重量％水溶液、好ましくは、５０〜１００重量％水溶液（１００重量％の場合は原液）として調製され、処理剤タンクに貯留される。
【００３９】
なお、処理剤が過酸化水素である場合には、燃料電池２での発熱反応を促進するために、膜・電極接合体６のアノード電極側に、銅を担持させることが好適である。
【００４０】
処理剤がオゾンである場合には、処理剤提供部２１は、具体的には、オゾン発生器から構成される。オゾン発生器は、コロナ放電方式のオゾン発生器など、公知のオゾン発生器が採用される。
【００４１】
処理側供給管２２は、その上流側端部が、処理剤提供部２１の処理剤流出口（図示せず）に接続され、その下流側端部が、処理タンク１１の処理剤流入口（図示せず）に接続されるように、処理剤提供部２１と処理タンク１１との間に介在されている。
【００４２】
処理側供給管２２は、処理剤の供給量を調整するための処理側供給弁２４を備えている。処理側供給弁２４は、処理側供給管２２の途中に介在されている。
【００４３】
燃料電池側供給管２３は、その上流側端部が、処理剤提供部２１の処理剤流出口（図示せず）に接続され、その下流側端部が、燃料供給管１０における燃料供給弁１３と燃料電池２との間に接続されるように、処理剤提供部２１と燃料供給管１０との間に介在されている。
【００４４】
燃料電池側供給管２３は、処理剤の供給量を調整するための燃料電池側供給弁２５を備えている。燃料電池側供給弁２５は、燃料電池側供給管２３の途中に介在されている。
（Ｅ）制御部
燃料電池システム１は、各部を制御するための制御部２６を備えている。制御部２６は、例えば、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。
【００４５】
制御部２６は、例えば、空気供給ポンプ２０と接続され、空気供給ポンプ２０の送風量を調整している。また、制御部２６は、燃料供給弁１３、燃料排出弁１６、処理側供給弁２４、燃料電池側供給弁２５、ドレン弁１５（接続図示せず）などの各弁と接続され、それらの開閉および開度を調整している。また、制御部２６は、温度センサ１７と接続され、温度センサ１７により検知される温度をモニタしている。
【００４６】
また、燃料電池システム１では、図示しないが、燃料供給管１０、燃料排出管１２、処理側供給管２２、燃料電池側供給管２３には、燃料電池システム１のスケールやレイアウトにより、適宜、送液ポンプが介在されている。制御部２６は、それら送液ポンプに接続され、それら送液ポンプの送液量を調整している。
（Ｆ）燃料電池システムの運転
次に、燃料電池システム１の運転について詳述する。
【００４７】
燃料電池システム１を運転するには、制御部２６により、空気供給ポンプ２０を稼動させるとともに、燃料供給弁１３および燃料排出弁１６を開放する。なお、燃料電池システム１の運転前は、すべての弁は閉鎖されており、空気供給ポンプ２０は停止している。
【００４８】
すると、空気供給ポンプ２０の稼動により、空気（酸素）が、空気供給管１８から燃料電池２に供給された後、空気排出管１９から排出される。具体的には、空気（酸素）は、カソード供給路８に供給され、積層構造体とされた各膜・電極接合体６のカソード電極（図示せず）と接触した後、空気排出管１９から排出される。
【００４９】
また、燃料供給弁１３および燃料排出弁１６の開放により、液体燃料が、燃料供給管１０から燃料電池２に供給された後、燃料排出管１２から排出される。具体的には、液体燃料は、アノード供給路７に供給され、積層構造体とされた各膜・電極接合体６のアノード電極（図示せず）と接触した後、燃料排出管１２から排出される。
【００５０】
そして、各膜・電極接合体６では、例えば、電解質膜がアニオン交換膜である場合には、理想的には、下記反応式（１）〜（３）で示す電気化学的反応により、起電力が生じ、その結果、燃料電池２での発電が実施される。
（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）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ            （膜・電極接合体全体での反応）
そして、燃料排出管１２から排出された排出液の温度が、温度センサ１７により検知され、制御部２６に入力される。その後、排出液は、処理タンク１１に貯留される。
【００５１】
制御部２６では、排出液の温度をモニタしており、排出液の温度が、燃料電池２の最適運転温度（例えば、６０〜９０℃）より、大幅に低い、例えば、−３０〜３０℃、好ましくは、−３０〜０℃の温度の場合であることを検知した場合には、燃料電池２の温度上昇が必要であると判断して、燃料電池側供給弁２５を開放する。
【００５２】
すると、処理剤が、処理剤提供部２１から燃料電池側供給管２３を介して燃料供給管１０に供給される。処理剤は、燃料供給管１０において、液体燃料に対して直接供給されるので、液体燃料に含まれるヒドラジン類と効率よく発熱反応（下記反応式（４）および（５）参照）しながら、アノード供給路７に供給される。それによって、燃料電池２の温度が、最適運転温度となるまで、急速に上昇する。
【００５３】
そのため、上記のような低温となるとき、具体的には、燃料電池システム１の起動時や一時停止時から、燃料電池システム１の最適運転まで、燃料電池システム１をすばやく立ち上げることができる。
【００５４】
なお、制御部２６では、排出液の温度が、燃料電池２の最適運転温度より少し低い、例えば、０〜６０℃、好ましくは、３０〜６０℃の温度の場合であることを検知した場合には、燃料電池２の過熱を防止すべく、燃料電池側供給弁２５を閉鎖する。
【００５５】
また、制御部２６では、液体燃料に含まれるヒドラジン類の濃度に対応して、燃料電池側供給弁２５の開度を調整しており、それによって、燃料電池側供給管２３から燃料供給管１０に供給される処理剤の供給量が調整されている。
【００５６】
具体的には、ヒドラジン類を含む液体燃料は、上記したように、寒冷地などでは、液体燃料の凍結を防止するために、そのヒドラジン類の濃度が、通常よりも高濃度に調整されている。そのため、そのように高濃度のヒドラジン類を含む液体燃料が用いられる場合には、制御部２６では、燃料電池側供給弁２５の開度を、通常の開度よりも大きくなるように制御して、燃料電池側供給管２３から燃料供給管１０に供給される処理剤の供給量を増加させている。そうすれば、発熱反応がより多く促進され、寒冷地においても、燃料電池２の急速な温度上昇を図ることができる。
【００５７】
そして、処理タンク１１に貯留される排出液は、適宜のタイミング、例えば、処理タンク１１に設けられる液面レベル計（図示せず）が、排出液の液面が所定レベルであることを検知したとき、あるいは、液体燃料の供給量が、所定量に到達したときなどのタイミングにおいて、無害化処理される。
【００５８】
無害化処理では、制御部２６において、上記タイミングの到来を検知したときに、処理側供給弁２４を、所定時間、開放する。すると、所定量の処理剤が、処理剤提供部２１から処理側供給管２２を介して処理タンク１１に供給される。
【００５９】
処理剤が供給されると、処理タンク１１においては、例えば、処理剤が過酸化水素である場合には、下記反応式（４）に示す発熱反応が生じて、ヒドラジン類を含む液体燃料が無害化される。
（４）  Ｎ２Ｈ４＋Ｈ２Ｏ２→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ        １９．６５Ｋｃａｌ／ｍｏｌ
また、例えば、処理剤がオゾンである場合には、下記反応式（５）に示す発熱反応が生じて、ヒドラジン類を含む液体燃料が無害化される。
（５）  Ｎ２Ｈ４＋２／３Ｏ３→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ      ４４Ｋｃａｌ／ｍｏｌ
そして、制御部２６では、処理側供給弁２４の開放から所定時間を経過したタイミングで、ドレン弁１５を一時的に開放して、無害化処理された排出液を、ドレン管１４を介して大気に放出する。
【００６０】
制御部２６では、排出液の無害化処理を、上記したタイミング毎にバッチ処理する。
（Ｇ）燃料電池システムの作用効果
このように、この燃料電池システム１では、処理側供給管２２により、処理剤提供部２１から処理タンク１１に処理剤を供給すれば、処理タンク１１においては、処理剤がヒドラジン類と発熱反応して、排出液に含まれている液体燃料を無害化することができる。
【００６１】
また、燃料電池側供給管２３により、処理剤提供部２１から燃料電池２に処理剤を供給すれば、燃料電池２においては、処理剤がヒドラジン類と発熱反応して、燃料電池２の温度が上昇する。
【００６２】
つまり、この燃料電池システム１では、共通の処理剤提供部２１から、処理側供給管２２および／または燃料電池側供給管２３により、処理タンク１１および／または燃料電池２に、処理剤を供給することにより、液体燃料の無害化と、燃料電池２の温度上昇とを、簡易な構成により、同時に達成することができる。
【００６３】
そのため、液体燃料の無害化と、燃料電池２の発電効率の上昇とを同時に達成しつつ、装置の小型化およびコストの低減化を図ることができる。
（Ｈ）燃料電池システムの応用例
上記した燃料電池システム１は、例えば、図１の仮想線で示すように、電動車両３１に搭載することができる。
【００６４】
この電動車両３１では、燃料電池２が前後方向中央に配置され、燃料給排部３および処理剤供給部５が、燃料電池２に対して後方に配置され、空気給排部４が燃料電池２に対して前方に配置されている。
【００６５】
また、空気供給管１８の上流側端部および空気排出管１９の下流側端部が、電動車両３１のフロント部分から開放されている。また、ドレン管１４の下流側端部が、電動車両３１のリヤ部分の下方から開放されている。
【００６６】
この電動車両３１には、フロント部分において、動力部として、インバータ３２およびモータ３３を搭載している。インバータ３２は、配線により、燃料電池２およびモータ３３にそれぞれ電気的に接続されている。
【００６７】
インバータ３２では、燃料電池２で発電された直流電力を交流電力に変換しており、モータ３３は、インバータ３２によって変換された直流電力により駆動される。
【００６８】
この電動車両３１では、上記した燃料電池システム１を搭載しているので、車両の小型化を図りつつ、廃燃料の排出時における液体燃料の無害化と、電動車両３１の運転開始時およびアイドリングストップ時における燃料電池２の発電効率の上昇とを同時に達成することができる。
（Ｉ）他の形実施形態
上記の説明では、処理剤を、処理剤提供部２１から燃料電池側供給管２３を介して燃料供給管１０に供給し、処理剤を、燃料供給管１０において液体燃料に混合しつつ、その後、燃料電池２に供給するようにしているが、例えば、燃料電池側供給管２３を、燃料供給管１０ではなく、燃料電池２のアノード供給路７に接続して、処理剤を、処理剤提供部２１から燃料電池側供給管２３を介してアノード供給路７に直接供給することもできる。
【００６９】
また、上記の説明では、制御部２６では、温度センサ１７から入力される排出液の温度に基づいて、燃料電池側供給弁２５の開閉を制御しているが、例えば、単位時間あたりの発電量に基づいて、燃料電池側供給弁２５の開閉を制御することもできる。そのような場合には、制御部２６は、最適運転時の単位時間あたりの発電量を１００％として、その発電量が、５％以下、さらには、３０％以下である場合に、燃料電池側供給弁２５を開放し、また、その発電量が、５％未満である場合に、燃料電池側供給弁２５を閉鎖する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００７１】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
１１  処理タンク
２１  処理剤提供部
２２  処理側供給管
２３  燃料電池側供給管
【図１】
0005215017.tif 000002