(57)【要約】【課題】燃料電池システムを小型化する技術を提供する。【解決手段】燃料電池を備えた燃料電池システムであって、アミノ基を有するアミノ化合物をラジカル化して、触媒反応によりアミノ化合物を分解して水素を生成し、燃料電池に供給する水素生成部と、水素生成部に、アミノ化合物を供給する、アミノ化合物貯留部と、を備える、燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アミノ基を有するアミノ化合物をラジカル化して、触媒反応により前記アミノ化合物を分解して水素を生成し、前記燃料電池に供給する水素生成部と、
前記水素生成部に、前記アミノ化合物を供給する、アミノ化合物貯留部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アミノ化合物はアンモニアである、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アミノ化合物はヒドラジンである、燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムを備え、前記燃料電池システムにおいて生成される電力を利用して走行する車両であって、
前記燃料電池システムは、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムである、車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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】
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、アミノ基（−ＮＨ2）を有する、アンモニア等のアミノ化合物を分解して、水素を生成し、燃料電池に供給する方法が検討されている（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−４０６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、特許文献１に記載の分解器では、以下に示す（式１）の反応により、アンモニアを水素と窒素に分解して、燃料電池に供給している。
【０００５】
２ＮＨ3→３Ｈ2＋Ｎ2  ・・・(式１)
【０００６】
この分解反応は、平衡反応であり、低圧であるほど、また高温であるほど、右辺側へ進行する。アンモニアの分解反応は、吸熱反応であるため、触媒を用いない場合には１０００℃以上、好ましくは１２００℃以上に加熱する必要がある。そこで、特許文献１に記載の分解器では、触媒を利用して、アンモニアの分解反応を、低温化している。
【０００７】
しかしながら、触媒を利用しても、アンモニアを分解するためには、通常、４００〜８００℃に加熱する必要がある。このように高温にするためには、ヒーターを必要とし、また、断熱材も厚くする（例えば、厚さ２０ｃｍ程度）必要がある。そのため、燃料電池システムが、大きくなってしまう。しかしながら、燃料電池システムを、車両に搭載する場合には、車両の小型化のために、燃料電池システムを小型化することが要望されている。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の従来技術の課題に鑑みて、燃料電池システムを小型化する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］  燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アミノ基を有するアミノ化合物をラジカル化して、触媒反応により前記アミノ化合物を分解して水素を生成し、前記燃料電池に供給する水素生成部と、
前記水素生成部に、前記アミノ化合物を供給する、アミノ化合物貯留部と、
を備える、燃料電池システム。
【００１１】
本明細書中において、「アミノ基」とは、１価の基（−ＮＨ2）をいう。
【００１２】
この燃料電池システムによれば、アミノ基を有するアミノ化合物から水素を生成する場合に、アミノ化合物をラジカル化している。ラジカル化されたアミノ化合物は、反応性が高いため、ラジカル化しない場合に比べて、低温で、アミノ化合物を触媒反応により分解して、水素を生成することができる。したがって、水素生成部を加熱するためのヒーターを小型化したり、水素生成部を外気と断熱する断熱材を薄肉化したりして、燃料電池システムを小型化することができる。
【００１３】
［適用例２］  適用例１記載の燃料電池システムにおいて、
【００１４】
アンモニアは、常温で、圧縮により容易に液化するため、水素を生成するための水素源として用いると、例えば、ＬＰＧ用ボンベのような簡易な耐圧容器で貯蔵することができ、車載が容易になる。また、アンモニア１モルの分解により、１．５モルの水素が生成されるため、水素の回収効率が高い。さらに、アンモニアは安価であるため、燃料電池システムのコストを低減することができる。
【００１５】
［適用例３］  適用例１記載の燃料電池システムにおいて、前記アミノ化合物はヒドラジンである、燃料電池システム。
【００１６】
ヒドラジンは常温で液体であるため、例えば、断熱圧力容器を用いず、貯蔵することができ、車載がさらに容易になる。また、ヒドラジン１モルの分解により２モルの水素が生成されるため、水素の回収効率が高い。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを備える車両などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池車の構成：
Ａ２．燃料電池システムの構成：
Ａ２−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ２−２．水素製造器の構成：
Ａ３．実施例の効果：
Ｂ．変形例：
【００１９】
Ａ．実施例の構成：
Ａ１．燃料電池車の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００が搭載された燃料電池車１０００の構成を概略的に示す説明図である。燃料電池車１０００は、燃料電池システム１００と、ＥＣＵ４０と、２次電池５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、インバータ５４と、モータ５６と、を主に備える。燃料電池車１０００は、燃料電池２０を主電源、２次電池５０を補助電源として、モータ５６を駆動し、モータ５６の駆動力によって走行する車両である。本実施例における燃料電池車１０００が、請求項における車両に相当し、燃料電池システム１００が、請求項における燃料電池システムに相当する。
【００２０】
ＥＣＵ４０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、燃料電池車１０００の各部の動きを制御している。ＥＣＵ４０は、燃料電池車１０００に設けられた種々のセンサやスイッチから信号を受信すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２やインバータ５４に制御信号を出力して、モータ５６の運転を制御すると共に、後述するように、燃料電池システム１００の運転を制御する。
【００２１】
２次電池５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２を介して燃料電池２０と並列に接続されている。インバータ５４は、これらの直流電源から三相交流電源を生成して、モータ５６に供給し、モータ５６の回転数とトルクとを制御する。モータ５６は、その回転軸がギヤ、シャフトなど（図示せず）を介して車輪（図示せず）に結合されており、モータ５６の駆動によって、燃料電池車１０００に推進力を与える。
【００２２】
Ａ２．燃料電池システムの構成：
Ａ２−１．燃料電池システムの全体構成：
燃料電池システム１００は、燃料電池２０と、アンモニアボンベ２２と、アンモニア供給ポンプ２４と、水素製造器２６と、空気供給ポンプ２８と、を主に備える。燃料電池２０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、固体高分子型燃料電池を用いている。燃料電池２０は、膜電極接合体をセパレータを介在させて複数積層するスタック構造を有する。本実施例における燃料電池２０が、請求項における燃料電池に、アンモニアボンベ２２が請求項におけるアミノ化合物貯留部に、水素製造器２６が請求項における水素生成部に、それぞれ、相当する。
【００２３】
アンモニアボンベ２２は、耐圧容器であり、圧縮された液状のアンモニアが貯蔵されている。アンモニアボンベに貯蔵されたアンモニアは、アンモニアボンベ２２の出口に設けられたシャットバルブ（図示しない）、アンモニア供給ポンプ２４によって、圧力、および、供給量が調整されて、気化状態で、水素製造器２６に供給される。水素製造器２６は、後述するように、供給されたアンモニアを分解して水素と窒素を生成して、燃料電池２０のアノードに、燃料ガスとして供給する。本実施例において、燃料電池２０に供給された燃料ガスは、電気化学反応に供された後、配管を介して、外部に、アノード排ガスとして排出される。なお、アノード排ガスを、水素製造器２６と燃料電池２０とを接続する流路に導いて、再び電気化学反応に供する構成にしてもよい。本実施例におけるアンモニアが、請求項におけるアミノ化合物に、相当する。
【００２４】
一方、空気供給ポンプ２８は、大気中から取り込んだ空気を、燃料電池２０のカソードに、酸化ガスとして供給する。酸化ガスは、燃料電池２０において、電気化学反応に供された後、カソードから配管を介して外部に、カソード排ガスとして排出される。燃料電池２０のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も、カソード排ガスとともに排出される。
【００２５】
なお、燃料電池システム１００は、図示せざる冷却装置を備える。冷却装置は、燃料電池２０内部を通過するように形成された冷却水流路(図示しない)と、ラジエータ(図示しない)と、ポンプ（図示しない)とを備えている。ポンプを駆動することで、冷却水流路内で冷却水を循環させることができる。燃料電池２０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池２０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータで冷却することによって、燃料電池２０の内部温度を所定の範囲内に保つ。
【００２６】
ＥＣＵ４０は、機能的には、燃料電池２０の運転を制御する運転制御部４２を備える。例えば、運転者が、車室内前部に設けられたインストルメントパネル（図示しない）上に設けられている始動スイッチ（図示しない）を操作すると、運転制御部４２は、始動スイッチからの信号に基づいて、アンモニアボンベ２２、アンモニア供給ポンプ２４、水素製造器２６、空気供給ポンプ２８等を制御して、燃料電池システム１００の運転を開始させる。また、運転制御部４２は、運転者の指示する運転状況に対応する負荷要求に応じて、燃料電池システム１００の運転を制御する。
【００２７】
Ａ２−２．水素製造器の構成：
図２は、水素製造器２６の構成を、概略的に示す説明図である。図２では、水素製造器２６の構成を明瞭に示すために、水素製造器２６を分解して概略的に示している。水素製造器２６は、図示するように、ガス入口２６１と、電流コネクタ２６２と、第１の電極２６３と、断熱カバー２６４と、第２の電極２６５と、絶縁シート２６６と、電流コネクタ２６７と、ガス出口２６８と、ペレット触媒２６９と、を備える。
【００２８】
第１の電極２６３は、円筒状を成し、第２の電極２６５は、棒状を成す。電流コネクタ２６２は、第１の電極２６３と同径のＯリング状を成し、電流コネクタ２６７は、第１の電極２６３と同径の円板状を成す。電流コネクタ２６７の中心には、第２の電極２６５が貫通される貫通孔２６７ｈが形成され、その周囲には、複数のガス孔２６７ｇが形成されている。また、絶縁シート２６６は、電流コネクタ２６７と同一形状を成す、絶縁性のシートである。断熱カバー２６４は、絶縁性を有する断熱材と、ヒーターとから成る。断熱カバー２６４は、第１の電極２６３の外周を覆うことによって、第１の電極２６３内の空間を通過する流体を、加熱すると共に、外気と断熱する。
【００２９】
本実施例において、ペレット触媒２６９は、触媒担体としてのアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）に、触媒としてのニッケル（Ｎｉ）を担持させたものである。本実施例において、触媒担体として、ペレット状を成す多孔質体を用いているが、その他、ハニカム形状を成す触媒担体を用いてもよい。なお、触媒担体としては、その他、シリカ（ＳｉＯ2）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の種々の誘電体を用いることができる。また、触媒としては、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属や、その酸化物、または、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ），ルテニウム（Ｒｕ）等の貴金属等を用いてもよい。
【００３０】
水素製造器２６において、第２の電極２６５が第１の電極２６３の内部空間の中心軸に一致するように配置されている。第１の電極２６３の一端には、電流コネクタ２６２を介してガス入口２６１が接続され、第１の電極２６３の他端には、絶縁シート２６６および電流コネクタ２６７を介してガス出口２６８が接続されている。絶縁シート２６６と電流コネクタ２６７とは重ね合わされた状態で、絶縁シート２６６の貫通孔２６６ｈおよび電流コネクタ２６７の貫通孔２６７ｈを、第２の電極２６５が貫通している。第１の電極２６３と第２の電極２６５との間の空間には、ペレット触媒２６９が充填されている。そして、第１の電極２６３の周囲を断熱カバー２６４で覆われている。
【００３１】
上記したように、電流コネクタ２６２と第１の電極２６３とが接触すると共に、電流コネクタ２６７と第２の電極２６５とが接触しているため、電流コネクタ２６２と電流コネクタ２６７に電源（図示しない）を接続すると、第１の電極２６３と第２の電極２６５間に電圧を印加することができる。
【００３２】
図３は、水素製造器２６におけるアンモニアの分解を説明するための模式図である。図示するように、水素製造器２６の第１の電極２６３と第２の電極２６５に電源３０を接続し（具体的には、図２に示す電流コネクタ２６２と、電流コネクタ２６７と、に電源３０を接続し）、第１の電極２６３と第２の電極２６５との間に、１〜１０ｋＶの電圧を印加する。そして、ガス入口２６１(図２)を介して、アンモニアガスを、第１の電極２６３の内部空間に供給する。
【００３３】
第１の電極２６３と第２の電極２６５との間には、直流電源が接続され、直流電圧が印加されている。そのため、第１の電極２６３と第２の電極２６５との間に供給されるアンモニアガスは、グロー放電により、ラジカル化される。ラジカル化されたアンモニア（以下、「アンモニアラジカル」ともいう。）は、以下に示す（式２）の反応により、水素と窒素に分解される。
【００３４】
２ＮＨ・3→３Ｈ2＋Ｎ2  ・・・(式２)
【００３５】
アンモニアラジカルは、不安定な状態なので、反応性が高いため、低温で、分解反応が進行する。また、アンモニアの分解反応は、平衡反応であるが、アンモニアラジカルの分解反応は、非平衡反応である。
【００３６】
第１の電極２６３内で、生成された水素ガス及び窒素ガスは、図２に示す絶縁シート２６６のガス孔２６６ｇおよび電流コネクタ２６７のガス孔２６７ｇを通過して、ガス出口２６８を介して、燃料電池２０に供給される。本実施例において、水素製造器２６に供給されたアンモニアガスは、全て、ラジカル化されており、アンモニアラジカルは反応性が高いため、大部分のアンモニアガスが分解されて、水素ガスと窒素ガスが生成され、燃料電池２０に供給される。なお、分解されなかったアンモニアラジカルは、水素製造器２６と燃料電池２０との間に設けられたトラップ（図示しない）により、回収される。
【００３７】
Ａ３．実施例の効果：
上記したように、アンモニアの分解反応は、平衡反応であり、高温であるほど分解反応が促進される。アンモニアの分解反応は、吸熱反応であるため、アンモニアの分解反応を促進するためには、触媒を用いても、４００〜８００℃に加熱する必要がある。それに対して、本実施例の燃料電池システム１００によれば、水素を製造する水素製造器２６において、アンモニアをラジカル化して、触媒反応により、分解させている。アンモニアラジカルの分解反応は、非平衡反応であり、アンモニアラジカルは、反応性が高いため、低温にて、分解反応が進む。
【００３８】
従って、アンモニアを用いて水素を生成する場合に、従来のように、４００〜８００℃に加熱して、分解反応を促進させる必要がない。そのため、ヒーターを、従来よりも小型化することができ、また、断熱材も薄肉化することができる。従って、燃料電池システムのサイズを小型化することが可能となり、燃料電池車１０００の小型化に資することができる。また、水素製造器２６を加熱するために用いられるヒーターを小型化することにより、アンモニアの分解に用いられる電力を抑制することができる。
【００３９】
また、本実施例において、水素源となるアミノ化合物としてアンモニアを用いている。アンモニアは、常温で、圧縮により容易に液化するため、簡易な耐圧容器で貯蔵することができ、車載が容易になる。また、アンモニア１モルの分解により、１．５モルの水素が生成されるため、水素の回収効率が高い。さらに、アンモニアは安価であるため、燃料電池システム１００のコストを低減することができる。
【００４０】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４１】
（１）上記した実施例では、水素を生成するための水素源としてのアミノ化合物として、アンモニアを例に挙げて説明したが、アンモニアに限定されない。例えば、アニリン等の芳香族アミンや、メチルアミン、エチルアミン等の脂肪族アミンや、ヒドラジン、ポリアミドアミンデンドリマー等の種々の（−ＮＨ2）基を有するアミノ化合物を用いて水素を生成することができる。（−ＮＨ2）基を有するアミノ化合物の分解反応は、吸熱反応であるため、分解するためには、加熱する必要がある。そのため、アミノ化合物を水素源として、水素を生成する場合に、本発明を適用すると、上記した実施例と同様に、燃料電池システムを小型化することができる。また、例えば、ヒドラジンは常温で液体であるため、例えば、断熱圧力容器を用いず、貯蔵することができ、ヒドラジンを用いると、車載がさらに容易になる。
【００４２】
（２）上記した実施例では、水素製造器２６において、第１の電極２６３と第２の電極２６５間に電圧を印加することによって、アンモニアをラジカル化しているが、アンモニアをラジカル化する方法は、上記した実施例に限定されず、種々の公知の方法を適用可能である。例えば、水素製造器において、アンモニアに強い磁場をかけることによってラジカル化するようにしてもよい。また、水素製造器の構成は、上記した実施例に限定されず、例えば、パルスコロナ型、無声放電型等、種々の公知の低温プラズマ反応装置を用いることができる。
【００４３】
（３）上記した実施例では、断熱カバー２６４として、ヒーター機能を有するものを例示したが、例えば、燃料電池２０の運転に伴う発熱を利用して、水素製造器２６に供給されるアンモニアを加熱することも可能である。燃料電池２０の運転に伴う発熱を利用すれば、さらに、アンモニアの分解に用いられる電力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００が搭載された燃料電池車１０００の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】水素製造器２６の構成を概略的に示す説明図である。
【図３】水素製造器２６におけるアンモニアの分解を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
２０…燃料電池
２２…アンモニアボンベ
２４…アンモニア供給ポンプ
２６…水素製造器
２８…空気供給ポンプ
３０…電源
４０…ＥＣＵ
４２…運転制御部
５４…インバータ
５６…モータ
１００…燃料電池システム
２６１…ガス入口
２６２…電流コネクタ
２６３…第１の電極
２６４…断熱カバー
２６５…第２の電極
２６６…絶縁シート
２６６ｇ、２６７ｇ…ガス孔
２６６ｈ、２６７ｈ…貫通孔
２６７…電流コネクタ
２６８…ガス出口
２６９…ペレット触媒
１０００…燃料電池車
【図１】
2009272214.tif 000003
【図２】
2009272214.tif 000004
【図３】
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