(57)【要約】【課題】簡易な構成により、優れた発電性能を確保することができ、低燃費化および低コスト化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が、電解質層８、電解質層８の一方側に配置され、液体燃料としてヒドラジン類が供給されるアノード９、および、電解質層８の他方側に配置され、空気が供給されるカソード１０を備える燃料電池３と、アノード９にヒドラジン類を供給する燃料給排部４と、カソードから排出されるヒドラジン類を回収する燃料回収装置４５とを備える。また、カソード１０に、ヒドラジン類の酸化を抑制できるカソード触媒を含有させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層、前記電解質層の一方側に配置され、液体燃料としてヒドラジン類が供給されるアノード、および、前記電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードを備える燃料電池と、
前記アノードにヒドラジン類を供給する燃料供給手段と、
前記カソードから排出されるヒドラジン類を回収する燃料回収手段とを備え、
前記カソードが、ヒドラジン類の酸化を抑制できるカソード触媒を含有す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、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、燃料が供給されるアノードと、空気が供給されるカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されている固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００４】
このような固体高分子形燃料電池では、アノードおよびカソードに、例えば、コバルトやニッケルなどを含む触媒を含有させることが知られており、また、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を用いることが知られている。
【０００５】
一方、このような燃料電池では、アノードに燃料が供給されるが、その供給された燃料が、アノードにおいて反応することなく電解質層を透過し、カソードに漏出する場合がある（クロスオーバー現象）。このような場合には、カソードに含有される触媒（カソード触媒）によって、燃料が酸化および分解されるため、発電性能が低下する場合があり、また、燃料を回収および再利用できなくなるため、燃料消費量が増加するという不具合がある。
【０００６】
そこで、固体高分子形燃料電池において、クロスオーバー現象を抑制する方法が種々検討されており、具体的には、例えば、パラジウム薄膜をアノードとし、固体高分子膜を電解質として用い、カソードを組み合わせて備えた脱水素タイプの固体高分子形燃料電池が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
このような固体高分子形燃料電池では、パラジウム薄膜をアノード極に使用しているため、クロスオーバー現象を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１７２９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載される固体高分子形燃料電池によっても、クロスオーバー現象を十分に抑制できない場合があり、このような場合には、上記したように、カソード触媒によって燃料が酸化および分解されるため、発電性能が低下する場合があり、また、燃料を回収および再利用できなくなるため、燃料消費量が増加するという不具合がある。
【００１０】
さらに、特許文献１に記載される固体高分子形燃料電池では、高価な貴金属であるパラジウムの薄膜が用いられるため、コストが高くなるという不具合がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、簡易な構成により、優れた発電性能を確保することができ、低燃費化および低コスト化を図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】
【００１２】
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、電解質層、前記電解質層の一方側に配置され、液体燃料としてヒドラジン類が供給されるアノード、および、前記電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードを備える燃料電池と、前記アノードにヒドラジン類を供給する燃料供給手段と、前記カソードから排出されるヒドラジン類を回収する燃料回収手段とを備え、前記カソードが、ヒドラジン類の酸化を抑制できるカソード触媒を含有することを特徴としている。
【００１３】
このような燃料電池システムでは、カソードが、ヒドラジン類の酸化を抑制できるカソード触媒を含有するため、クロスオーバー現象が惹起され、アノードに供給された液体燃料がカソードに漏出する場合にも、液体燃料が酸化および分解することを抑制できるので、優れた発電性能を確保することができる。
【００１４】
また、このような燃料電池システムでは、簡易な構成で、また、高価な貴金属などを用いることなく、カソードに漏出した液体燃料を燃料回収手段によって回収し、再利用できるので、低燃費化および低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成により、優れた発電性能を確保することができるとともに、低燃費化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
【図２】酸素側電極の活性測定の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１．燃料電池システムの全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
【００１８】
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。
【００１９】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料供給手段としての燃料給排部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。
【００２０】
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、ヒドラジン類が挙げられる。ヒドラジン類としては、例えば、無水ヒドラジン、例えば、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどが挙げられる。
【００２１】
また、燃料電池３の出力電圧は、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流は、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、後述する単位セル１つあたりの出力である。
【００２２】
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、液体燃料としてヒドラジン類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。
【００２３】
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。
【００２４】
アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極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とを有している。
【００２５】
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。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。
【００２６】
多孔質担体としては、例えば、カーボンなどの撥水性担体などが挙げられる。
【００２７】
アノード触媒としては、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。
【００２８】
これらアノード触媒は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００２９】
アノード電極１１は、例えば、上記電極材料の電極インクを調製し、公知の方法（例えば、スプレー法、ダイコーター法など）により電極インクを電解質層８の一方面に塗布し、所定の温度で乾燥させることにより、薄膜状の電極膜として電解質層８の一方面に接合される。
【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るための燃料供給路１３が形成される。
【００３１】
燃料供給路１３には、液体燃料をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。
【００３２】
カソード１０は、ヒドラジン類の酸化を抑制できるカソード触媒（後述）を含有する酸素側電極としてのカソード電極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とを有している。
【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】
多孔質担体としては、例えば、カーボンなどの撥水性担体などが挙げられる。
【００３６】
カソード触媒としては、ヒドラジン類の酸化を抑制できる触媒が挙げられ、具体的には、例えば、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ランタン（Ｌａ）などの金属単体およびそれらの合金などが挙げられる。
【００３７】
また、カソード触媒としては、上記金属の錯体なども挙げられる。
【００３８】
これらカソード触媒は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００３９】
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るための空気流路としての空気供給路１８が形成される。
【００４０】
空気供給路１８には、空気をカソード１０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、空気をカソード１０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。
【００４１】
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、アノード９に液体燃料（ヒドラジン類）を供給するために設けられている。
【００４２】
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２１と、燃料タンク２１から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、アノード９）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９）に還流するための還流路としての還流管２２とを備えている。
【００４３】
燃料タンク２１は、燃料電池３よりも後方、電動車両１の後側に配置されている。燃料タンク２１には、上記した液体燃料が貯蔵されている。
【００４４】
還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料排出口１４に接続されている。
これにより、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１４および燃料供給口１５）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１４（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１５（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１４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。
【００４５】
また、還流管２２の途中には、第１気液分離器２３が介在されている。
【００４６】
第１気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、第１気液分離器２３の内外を流通させる第１底部流通口２４が２つ形成されている。
【００４７】
また、第１気液分離器２３の上部側面には、第１気液分離器２３の内外を流通させる第１上部流通口２５が１つ形成されている。第１上部流通口２５および１対の第１底部流通口２４は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００４８】
第１気液分離器２３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、２つの第１底部流通口２４が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、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。
【００４９】
すなわち、２つの第１底部流通口２４それぞれに対して還流管２２が密嵌され、一方（上流側）の第１底部流通口２４に密嵌された上流側の還流管２２と、他方の（下流側）の第１底部流通口２４に密嵌された下流側の還流管２２とが第１気液分離器２３の中空部分を介して連通している。すなわち、第１気液分離器２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００５０】
第１上部流通口２５には、第１気液分離器２３で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。ガス排出管２６は、シール材（ガスケット）を介して第１上部流通口２５に接続されている。また、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。
【００５１】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して第１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、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁２７は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号がガス排出弁２７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００５２】
還流管２２において第１気液分離器２３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に液体燃料を輸送するための燃料輸送手段としての第１燃料輸送ポンプ３４が介在されている。
【００５３】
第１燃料輸送ポンプ３４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。第１燃料輸送ポンプ３４は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、第１燃料輸送ポンプ３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第１燃料輸送ポンプ３４の駆動および停止を制御する。
【００５４】
また、還流管２２において、第１気液分離器２３と第１燃料輸送ポンプ３４との間には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を還流管２２へ供給するための燃料供給管３６が、接続されている。
【００５５】
具体的には、燃料供給管３６は、その一端側が、還流管２２における第１気液分離器２３と第１燃料輸送ポンプ３４との間に、還流管２２の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側が、燃料タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００５６】
また、燃料供給管３６の途中には、燃料供給弁３７が設けられている。
【００５７】
燃料供給弁３７は、燃料供給管３６を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁３７は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が燃料供給弁３７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３７の開閉を制御する。
【００５８】
また、燃料供給管３６において、燃料供給弁３７と燃料タンク２１との間（燃料供給弁３７の上流側）には、第２燃料輸送ポンプ３５が設けられている。
【００５９】
第２燃料輸送ポンプ３５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。第２燃料輸送ポンプ３５は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、第２燃料輸送ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２燃料輸送ポンプ３５の駆動および停止を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気をカソード１０に供給するための空気供給管４０と、カソード１０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４１とを備えている。
【００６０】
空気供給管４０は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、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４０の途中には、空気供給ポンプ４２が介在されている。
【００６１】
空気供給ポンプ４２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４２は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ４２に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給ポンプ４２の駆動および停止を制御する。
【００６２】
空気供給管４０において空気供給ポンプ４２の下流側には、空気供給弁４３が設けられている。
【００６３】
空気供給弁４３は、空気供給管４０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、空気供給弁４３は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が空気供給弁４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４３の開閉を制御する。
【００６４】
空気排出管４１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。
【００６５】
空気排出管４１には、空気排出弁４４が設けられている。
【００６６】
空気排出弁４４は、空気排出管４１を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、空気排出弁４４は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が空気排出弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気排出弁４４の開閉を制御する。
【００６７】
また、空気排出管４１において、空気排出弁４４と燃料電池３との間（空気排出弁４４の上流側）には、燃料回収手段としての燃料回収装置４５が設けられている。
【００６８】
燃料回収装置４５は、詳しくは後述するが、アノード９に供給された液体燃料（ヒドラジン類）がアノード９において反応することなく電解質層８を透過し、カソード１０に漏出する場合（すなわち、クロスオーバー現象が惹起される場合）に、その漏出した液体燃料をカソード１０から回収するための装置であって、第２気液分離器４６と、燃料還流管４７とを備えている。
【００６９】
第２気液分離器４６は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、第２気液分離器４６の内外を流通させる第２底部流通口４８が１つ形成されている。
【００７０】
また、第２気液分離器４６の上部側面には、第２気液分離器４６の内外を流通させる第２上部流通口４９が、互いに対向するように２つ形成されている。第２底部流通口４８および１対の第２上部流通口４９は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００７１】
第２気液分離器４６は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向前方、かつ、電動車両１の上下方向下方において、２つの第２上部流通口４９が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、空気排出管４１に接続されることにより、空気排出管４１に介装されている。
【００７２】
すなわち、２つの第２上部流通口４９それぞれに対して空気排出管４１が密嵌され、一方（上流側）の第２上部流通口４９に密嵌された上流側の空気排出管４１と、他方の（下流側）の第２上部流通口４９に密嵌された下流側の空気排出管４１とが第２気液分離器４６の中空部分を介して連通している。
【００７３】
燃料還流管４７は、第２気液分離器４６によって分離された液体燃料（ヒドラジン類）を燃料給排部４（燃料タンク２１）に還流させるために設けられており、その一方側（上流側）端部が、シール材（ガスケット）を介して、第２気液分離器４６の第２底部流通口４８に接続されている。また、燃料還流管４７の他方側端部（下流側端部）は、シール材（ガスケット）を介して、燃料タンク２１に接続されている。
【００７４】
また、燃料還流管４７の途中には、燃料還流弁５０が設けられている。
【００７５】
燃料還流弁５０は、燃料還流管４７を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料還流弁５０は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が燃料還流弁５０に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料還流弁５０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の制御手段としてのコントロールユニット２９を備えている。
【００７６】
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。
（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３１と、モータ３１に電気的に接続されるインバータ３２と、モータ３１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ３３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とを備えている。
【００７７】
モータ３１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３１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。
【００７８】
インバータ３２は、モータ３１と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３２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３２は、配線により、燃料電池３およびモータ３１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２９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。
【００７９】
動力用バッテリ３３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３３は、インバータ３２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３１に電力を供給可能とされている。
【００８０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、動力用バッテリ３３と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０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３３の入出力電力を調整する機能を有している。
【００８１】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、図示しないが、コントロールユニット２９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（出力電圧）を制御する。
【００８２】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ３３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３２に電気的に接続されている。
【００８３】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０からモータ３１への電力は、インバータ３２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３１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２９の制御により、燃料供給弁３７が開かれ、第１燃料輸送ポンプ３４および第２燃料輸送ポンプ３５が駆動されることにより、燃料タンク２１に貯留される液体燃料が、燃料供給管３６および還流管２２を順次通過し、アノード９に供給される。一方、空気供給弁４３が開かれ、空気供給ポンプ４２が駆動されることにより、空気が空気供給管４０を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３７は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００８４】
アノード９では、液体燃料が、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。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。
【００８５】
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、起電力が発生するとともに、この電気化学反応によって、液体燃料中にガス（気泡）が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、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）。
【００８６】
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。
【００８７】
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）。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に送電され、動力部７では、インバータ３２およびモータ３１、および／または、動力用バッテリ３３に送電される。そして、モータ３１では、インバータ３２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３３では、その電力が充電される。
【００９１】
また、燃料給排部４では、アノード９から排出される液体燃料が、還流管２２（燃料電池３の下流側、かつ、第１気液分離器２３の上流側の還流管２２）を通過して、上流側の第１底部流通口２４から第１気液分離器２３に流入する。第１気液分離器２３では、水位が第１上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の第１液溜まり３９が、第１気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、第１液溜まり３９に含まれるガス（例えば、液体燃料がヒドラジンである場合に上記式（１）の反応により生成する窒素（Ｎ２）など）の一部が第１液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、第１液溜まり３９の一部が、下流側の第１底部流通口２４から、第１気液分離器２３の下流側の還流管２２に流出する。
【００９２】
このとき、還流管２２に流出する液体燃料は、ガス（気泡）、具体的には、第１気液分離器２３において上方空間へ分離されたガスの残部のガス（気泡）を含有する。
【００９３】
還流管２２に流出する液体燃料は、還流管２２（燃料電池３の上流側、かつ、第１気液分離器２３の下流側の還流管２２）を通過して、再び燃料供給路１３に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流管２２、第１気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、第１気液分離器２３で分離されたガスは、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。
【００９４】
一方、空気給排部５では、空気排出弁４４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４１および第２気液分離器４６を介して、外気に排出される。
３．クロスオーバー現象および液体燃料の再利用
上記のような発電では、アノード９に供給された液体燃料（ヒドラジン類）が、アノード９において反応することなく電解質層８を透過し、カソード１０に漏出する場合がある（クロスオーバー現象）。
【００９５】
このような場合において、カソード１０に含有されるカソード触媒として、ヒドラジン類の酸化を抑制できない触媒、例えば、コバルト（Ｃｏ金属）、ニッケル（Ｎｉ金属）およびそれらの錯体などを用いると、その触媒によって、下記式（４）および下記式（５）が参照されるように、液体燃料が酸化および分解される場合がある。
（４）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ            （カソード電極１６での副反応）
（５）  ２Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２ＮＨ３＋２Ｈ２Ｏ（カソード電極１６での副反応）
そして、カソード１０において液体燃料が酸化および分解されると、発電性能が低下する場合があり、また、液体燃料を回収および再利用できなくなるため、燃料消費量が増えるという不具合がある。
【００９６】
一方、上記した燃料電池システム２では、カソード１０において、カソード触媒として、ヒドラジン類を酸化させない触媒が用いられている。
【００９７】
そのため、クロスオーバー現象が惹起され、アノード９に供給された液体燃料が、カソード１０に漏出する場合にも、その液体燃料が酸化および分解することを抑制できるので、優れた発電性能を確保することができる。
【００９８】
また、上記した燃料電池システム２では、カソードに漏出した液体燃料を、燃料回収装置４５によって回収し、再利用できる。
【００９９】
具体的には、クロスオーバー現象が惹起され、アノード９に供給された液体燃料が、カソード１０に漏出する場合には、その液体燃料は、カソード１０から排出される空気とともに、空気排出管４１（燃料電池３の下流側、かつ、第２気液分離器４６の上流側の空気排出管４１）を通過して、上流側の第２上部流通口４９から第２気液分離器４６に流入する。
【０１００】
第２気液分離器４６では、水位が第２上部流通口４９よりも下方位置に保持される液体燃料の第２液溜まり５２が、第２上部流通口４９の中空部分に生じるとともに、第２液溜まり５２に含まれるガス（例えば、カソード１０から排出される空気など）の一部が第２液溜まり５２の上方空間へ分離される。分離されたガスは、空気排出弁４４が開かれることにより、空気とともに、空気排出管４１を介して外部へ排出される。
【０１０１】
一方、コントロールユニット２９の制御により、燃料還流弁５０が開かれることにより、第２液溜まり５２の一部が、第２底部流通口４８から、燃料還流管４７に流出し、再び燃料タンク２１に流入する。燃料タンク２１に流入された液体燃料は、再び燃料電池３に供給され、再利用される。
【０１０２】
なお、このとき、燃料還流弁５０が開かれることにより生じる圧力によって、液体燃料が燃料タンク２１に還流されるが、圧力不足により十分に還流させることができない場合などには、例えば、空気排出弁４４の開度を調整し、圧力を調整することができる。
【０１０３】
また、燃料還流弁５０の開閉は、第２気液分離器４６の水面が第２上部流通口４９まで達しないように制御されており、具体的には、例えば、第２気液分離器４６の水位が所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料還流弁５０が開かれる。
【０１０４】
なお、上記した説明では、燃料還流管４７を第２気液分離器４６および燃料タンク２１に接続させ、クロスオーバー現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、燃料タンク２１に還流させたが、例えば、燃料還流管４７を第２気液分離器４６および還流管２２に接続させ、クロスオーバー現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、還流管２２に還流させることができる。また、例えば、燃料還流管４７を第２気液分離器４６および燃料供給管３６に接続させ、クロスオーバー現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、燃料供給管３６に還流させることもできる。
【０１０５】
また、例えば、燃料還流管４７を備えることなく、第２気液分離器４６によって回収された液体燃料を、例えば、手動操作によって燃料タンク２１に戻すこともでき、さらには、回収された液体燃料を、燃料タンク２１に戻すことなく、他の用途に供することもできる。
４．作用効果
このような燃料電池システム２では、カソード１０が、ヒドラジン類の酸化を抑制できるカソード触媒を含有するため、クロスオーバー現象が惹起され、アノード９に供給された液体燃料がカソード１０に漏出する場合にも、液体燃料が酸化および分解することを抑制できるので、優れた発電性能を確保することができる。
【０１０６】
また、このような燃料電池システム２では、簡易な構成で、また、高価な貴金属などを用いることなく、カソード１０に漏出した液体燃料を、燃料回収装置４５によって回収し、再利用できるので、低燃費化および低コスト化を図ることができる。
【実施例】
【０１０７】
次に、本発明を参考実施例および参考比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の参考実施例によって限定されるものではない。
【０１０８】
参考実施例１
＜分散液の調製＞
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液（濃度０．０１３ｍｏｌ／Ｌ）８．３ｍＬ（硝酸ランタン換算で１．１×１０-４ｍｏｌ）に、カーボン担体（ライオン社製、ＥＣＰ−６００ＪＤ（ケチェンブラック））０．０５ｇを配合した。なお、このとき、ランタンの質量割合は、カーボン担体およびランタンの総量に対して、０．２３質量％であった。
【０１０９】
その後、ホモジナイザー（タイテック製、ＶＰ−０５０）を出力１０〜２０％で稼動させ、約３分間攪拌し、分散液（スラリー）を得た。
＜予備凍結＞
分散液を、大気圧下、液体窒素（−１９６℃）で３０分間冷却し、凍結させた。
＜真空凍結乾燥＞
真空凍結乾燥器（Ｌａｂｃｏｎｃｏ製、ＦＺ−１２型）にて、表１に示す乾燥プログラムに従って温度操作し、溶剤を昇華させた。これにより、乾燥物を得た。
【０１１０】
【表１】
2013134981.tif 000003
【０１１１】
＜焼成＞
ガスフロー焼成炉（ラウンドサイエンス製）にて、乾燥物を、Ｈ２／Ａｒ混合気体（Ｈ２／Ａｒ＝１０／９０（体積比））の存在下において、８００℃で５時間焼成した。これにより、Ｌａを担持するカーボンからなるカソード触媒を得た。
【０１１２】
参考実施例２
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸銅（Ｃｕ（ＮＯ３）２・３Ｈ２Ｏ）水溶液（濃度０．０２７ｍｏｌ／Ｌ）８．７４ｍＬ（硝酸銅換算で２．４×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１１３】
参考実施例３
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸マンガン（Ｍｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ）水溶液（濃度０．０３１ｍｏｌ／Ｌ）８．８１ｍＬ（硝酸マンガン換算で２．７×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１１４】
参考実施例４
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸鉄（Ｆｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏ）水溶液（濃度０．０３ｍｏｌ／Ｌ）８．９５ｍＬ（硝酸鉄換算で２．７×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１１５】
参考実施例５
市販品のＡｇ担持カーボン（ＥＴＥＫ社製）を用意し、これをカソード触媒とした。
【０１１６】
参考比較例１
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸ロジウム（Ｒｈ（ＮＯ３）３）水溶液（濃度０．１ｍｏｌ／Ｌ）４．３３ｍＬ（硝酸ロジウム換算で４．３×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１１７】
参考比較例２
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸コバルト（Ｃｏ（ＮＯ３）２）水溶液（濃度０．０６ｍｏｌ／Ｌ）４．４２ｍＬ（硝酸コバルト換算で２．７×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１１８】
参考比較例３
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸ニッケル（Ｎｉ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ）水溶液（濃度０．０２４ｍｏｌ／Ｌ）１０．６５ｍＬ（硝酸ニッケル換算で２．６×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１１９】
参考比較例４
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、ジニトロジアミン白金硝酸水溶液（濃度０．１ｍｏｌ／Ｌ）５．９７ｍＬ（ジニトロジアミン白金硝酸換算で６．０×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１２０】
参考比較例５
硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）水溶液に代えて、硝酸パラジウム（Ｐｄ（ＮＯ３）２）水溶液（濃度０．１ｍｏｌ／Ｌ）１．４１ｍＬ（硝酸パラジウム換算で１．４×１０−４ｍｏｌ）を用いた以外は、参考実施例１と同様して、カソード触媒を得た。
【０１２１】
（評価）
各参考実施例および各参考比較例において得られたカソード触媒からなる酸素側電極について、それぞれのテストピースを作製して、活性を測定した。
＜テストピースの作成＞
各参考実施例および各参考比較例において得られたカソード触媒０．００５ｇ、純粋4ｍＬ、および、２−プロパノール０．７５ｍＬを混合し、超音波分散器にて１０分間分散処理した。
【０１２２】
次いで、得られた分散液に、テトラヒドロフラン０．２３ｍＬおよびアイオノマー２０μＬの混合溶液を加え、さらに超音波分散器にて１０分間分散処理した。
【０１２３】
その後、得られた分散液をマイクロピペットにて４０μＬ取り、電気化学活性評価用の作用電極上に滴下し、室温にて約１時間乾燥させた。これにより、各参考実施例および各参考比較例のテストピースを得た。
＜活性測定＞
各テストピースを用い、また、電解液として１ＭのＫＯＨと１Ｍ水加ヒドラジンとの混合液を用いて、ヒドラジンの酸化活性を評価した。
【０１２４】
測定条件を以下に示す。
電位幅；−０．１３Ｖ〜  ０．２２Ｖ  （ｖｓ．  水素可逆電位（ＲＨＥ））
走査速度；５ｍＶ／ｓ
測定温度；６０℃
参照電極；Ｚｎ／ＺｎＯ（０．４３Ｖ  ｖｓ．ＲＨＥ（６０℃）／１ＭＫＯＨ）
補助電極；Ｐｔワイヤー
サイクル数；６サイクル
活性評価の結果を、図２に示す。
【０１２５】
図２に示すように、各参考実施例のカソード触媒は、ヒドラジン酸化電流が低く、すなわち、ヒドラジン類の酸化を抑制できることが確認された。一方、各参考比較例のカソード触媒は、ヒドラジン酸化電流が高く、すなわち、ヒドラジン類を酸化させることが確認された。
【符号の説明】
【０１２６】
１      電動車両
２      燃料電池システム
３      燃料電池
４      燃料給排部
８      電解質層
９      アノード
１０    カソード
４５    燃料回収装置
【図１】
2013134981.tif 000004
【図２】
2013134981.tif 000005