燃料電池システム
【課題】液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制す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、アンモニアおよびヒドラジンを所定濃度で含有する液体燃料が供給される燃料電池３と、液体燃料から揮発するアンモニアを検出するための検出手段としてのアンモニアセンサ５とを備える。このような燃料電池システム２によれば、液体燃料が漏出すると、その液体燃料からアンモニアが揮発し、そのアンモニアが検出手段により検出されるので、液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【解決手段】燃料電池システム２が、アンモニアおよびヒドラジンを所定濃度で含有する液体燃料が供給される燃料電池３と、液体燃料から揮発するアンモニアを検出するための検出手段としてのアンモニアセンサ５とを備える。このような燃料電池システム２によれば、液体燃料が漏出すると、その液体燃料からアンモニアが揮発し、そのアンモニアが検出手段により検出されるので、液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、電解質膜と、電解質膜を挟んで対向配置された燃料側電極および酸素側電極とが圧着されて得られる膜・電極接合体（ＭＥＡ）が、セパレータを介して複数積層されることによって、形成されている。
【０００３】
そして、燃料電池では、燃料側電極に燃料ガス（水素ガス）を供給するとともに、酸素側電極に酸素を供給することにより、各電極で電気化学反応を生じさせ、起電力を発生させている。
【０００４】
しかるに、このような燃料電池では、燃料電池から燃料ガス（水素ガス）が漏出する場合があり、そのような場合には、燃料ガス（水素ガス）の漏出を早期に検知することが要求されている。
【０００５】
そのような装置としては、例えば、移動体に搭載され、有害ガスの漏れを検出する検出装置であって、移動体の複数箇所に配設され、所定の有害ガスを検出するセンサと、そのセンサのうち、漏れの検出時に異なる出力が得られるべき複数のセンサの出力に基づき、各センサの出力が漏れに起因するか否かを判断する判断部とを備える検出装置が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
このような検出装置では、センサが水素ガスの他、一酸化炭素ガスなどにも反応する場合があるが、そのようなセンサを複数用い、それらの出力を比較することにより、誤判断を防止し、精度よく漏れを検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４９０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、近年では、燃料として、ガスではなく、液体燃料を使用する燃料電池システム、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムの開発が進められており、とりわけ、ヒドラジンを燃料とするヒドラジン形燃料電池が、注目されている。
【０００９】
そして、このような液体燃料を使用する燃料電池システムにおいても、その燃料の漏れの検出が求められている。
【００１０】
しかしながら、液体燃料は、ガスに比べて密度が高いため、少量の漏出の検知が困難であり、液体燃料の漏出が検知されるときには、長時間かけて多量の液体燃料が漏出しているので、多くの部品が劣化し、その取り替えを要するなど、手間およびコストがかかるという不具合がある。
【００１１】
本発明の目的は、液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制す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、アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料が供給される燃料電池と、前記液体燃料から揮発するアンモニアを検出するための検出手段とを備え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、液体燃料中のヒドラジンの消費により効率のよい発電を達成できる。一方、液体燃料が漏出すると、その液体燃料からアンモニアが揮発し、そのアンモニアが検出手段により検出される。
【００１４】
つまり、このような燃料電池システムによれば、漏出する液体燃料が少量であっても、その液体燃料からアンモニアガスを生じさせることができるので、漏出の早期において、漏出を容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【００１５】
さらには、このような燃料電池システムでは、揮発したアンモニアが臭気を生じるため、燃料電池システムの周囲に人間が配置されていれば、燃料電池の稼働中や、さらには、停止中においても、そのアンモニアの臭気により、液体燃料の漏出を早期に知覚することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記液体燃料中のアンモニアを分解するための分解手段と、前記液体燃料中のアンモニアが所定濃度となるように、前記分解手段を制御するための調整手段とを備えることが好適である。
【００１７】
この燃料電池システムにおいて、アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料を用いると、発電に伴って液体燃料中のヒドラジンが消費され、アンモニアが濃縮される。そして、アンモニアの濃度が高くなると、液体燃料が漏出した場合に、多量のアンモニアが揮発し、周辺に配置される設備や人間に対して、刺激を生じる場合がある。
【００１８】
一方、このような燃料電池システムでは、液体燃料中のアンモニアが、液体燃料中において所定濃度となるように分解されるので、アンモニアの濃縮を抑制することができ、刺激を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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。
【図２】図１のコントロールユニットにおいて実行されるアンモニア濃度調整の制御処理を表わすフロー図である。
【図３】図１のコントロールユニットにおいて実行される液体燃料の漏出検査の制御処理を表わすフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、図示しない空気給排部と、検出手段としてのアンモニアセンサ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、アンモニアおよびヒドラジンを所定濃度で含有する液体燃料が直接供給される、例えば、アニ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。
【００２４】
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、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。
【００２５】
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たアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（燃料電池セル）がセパレータ（後述する燃料供給部材１２および空気供給部材１７が兼用される）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２８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２８のうち、電動車両１の前後方向最前端に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。
【００２６】
電解質層８は、例えば、アニオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜から形成されている。
【００２７】
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とを備えている。
【００２８】
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、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。
【００２９】
燃料供給部材１２は、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、溝が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（溝が形成された表面）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。
【００３０】
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（上側）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（下側）に形成されている。
【００３１】
カソード１０は、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とを備えている。
【００３２】
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。
【００３３】
カソード電極１６の電極材料としては、例えば、アノード電極１１の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。
【００３４】
空気供給部材１７は、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、溝が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（溝が形成された表面）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供給路１８が形成される。
【００３５】
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（下側）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（上側）に形成されている。
【００３６】
なお、単位セル２８は、具体的には、まず、電解質層８の両面にアノード電極１１およびカソード電極１６がそれぞれ形成された膜・電極接合体３２が作製され、その膜・電極接合体３２の両側に燃料供給部材１２および空気供給部材１７がそれぞれ対向配置されることにより、形成されている。
【００３７】
また、燃料供給部材１２および空気供給部材１７は、一方面に燃料供給路１３が形成され、他方面に空気供給路１８が形成される１つの部材（セパレータ）として形成されている。
（２）燃料給排部
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の燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９の燃料供給路１３）に還流するための還流管２２とを備えている。
【００３８】
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、アンモニアおよびヒドラジンを所定濃度で含有する液体燃料が貯蔵されている。
【００３９】
液体燃料において、アンモニアの濃度は、液体燃料の総量に対して、アンモニアが、例えば、２５〜１２５ｐｐｍ（０．００２５〜０．０１２５質量％）、好ましくは、２５〜５０ｐｐｍ（０．００２５〜０．００５質量％）であり、水加ヒドラジンが、上記濃度のアンモニアを除く量、具体的には、例えば、９９．９８７５〜９９．９９７５質量％、好ましくは、９９．９９７５〜９９．９９５質量％である。
【００４０】
液体燃料中のアンモニアの濃度が２５〜１２５ｐｐｍであれば、後述するように、液体燃料から揮発するアンモニアの濃度が、例えば、大気（空気）中において、５〜２５ｐｐｍとなる。
【００４１】
なお、液体燃料中のアンモニア濃度が２５ｐｐｍ未満では、漏出された液体燃料から揮発するアンモニアを、アンモニアセンサ５（後述）により検出できない場合や、そのアンモニアの臭気を知覚できない場合がある。
【００４２】
一方、液体燃料中のアンモニア濃度が１２５ｐｐｍを超過すると、漏出された液体燃料から揮発するアンモニアが、過度に臭気を生じて、安全性が低下する場合がある。
【００４３】
液体燃料中のアンモニア濃度を上記範囲とするには、特に制限されないが、例えば、燃料電池３の稼働前に、予め、上記アンモニア濃度となるようにヒドラジンにアンモニアを添加した液体燃料を、燃料タンク２１に供給する。また、燃料電池３の稼働中には、後述するように、ヒドラジンの分解によりアンモニアが生成するため、後述するように、アンモニア分解装置５０によって、アンモニア濃度を調整する。
【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）を介して燃料排出口１４に接続されている。これにより、燃料電池３と燃料給排部４とには、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】
還流管２２の途中には、気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる下部流通口２４が２つ形成されている。また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４６】
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つの下部流通口２４が還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。
【００４７】
２つの下部流通口２４と還流管２２とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。これにより、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。
【００４８】
上部流通口２５には、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。
【００４９】
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、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４２（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４２（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４２（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００５０】
また、気液分離器２３には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を気液分離器２３および還流管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。つまり、燃料供給管３０の上流側端部は、燃料タンク２１と、シール材（ガスケットなど）を介して接続され、燃料供給管３０の下流側端部は、気液分離器２３と、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００５１】
燃料供給管３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ４１が介在されている。
【００５２】
燃料供給ポンプ４１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。燃料供給ポンプ４１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ４１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止を制御する。
【００５３】
燃料供給管３０において燃料供給ポンプ４１の下流側には、燃料供給弁３１が設けられている。
【００５４】
燃料供給弁３１は、燃料供給管３０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３１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給弁３１の開閉を制御する。
【００５５】
また、還流管２２において、燃料電池３の下流側かつ気液分離器２３の上流側には、燃料還流ポンプ２９が、介在されている。
【００５６】
燃料還流ポンプ２９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。燃料還流ポンプ２９は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料還流ポンプ２９に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料還流ポンプ２９の駆動および停止を制御する。
【００５７】
また、還流管２２において、燃料還流ポンプ２９の下流側かつ気液分離器２３の上流側には、液体燃料中のアンモニアを分解するための分解手段としてのアンモニア分解装置５０、および、液体燃料中のアンモニアが所定濃度となるようにアンモニア分解装置５０を制御するための調整手段としての濃度センサ５１が、順次介在されている。
【００５８】
アンモニア分解装置５０は、燃料還流ポンプ２９の下流側かつ濃度センサ５１の上流側において、還流管２２に介装されている。
【００５９】
アンモニア分解装置５０としては、アンモニアを分解できれば、特に制限されないが、例えば、触媒反応装置、電気分解装置、オゾン反応装置、中和装置など、公知のアンモニア分解装置が用いられる。アンモニア分解装置５０は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、アンモニア分解装置５０に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、アンモニア分解装置５０の駆動および停止を制御する。
【００６０】
濃度センサ５１は、アンモニア分解装置５０の下流側かつ気液分離器２３の上流側において、還流管２２に介装されている。
【００６１】
濃度センサ５１としては、液体燃料中のアンモニア濃度を検出できれば、特に制限されず、赤外線分光法式センサなどの公知の濃度センサが用いられる。濃度センサ５１は、コントロールユニット４２（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、濃度センサ５１で検出された液体燃料中のアンモニア濃度が、コントロールユニット４２（後述）に入力信号として入力される。
【００６２】
なお、詳しくは後述するが、その入力信号に基づいて、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、アンモニア分解装置５０に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、アンモニア分解装置５０の駆動および停止を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）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（図示せず）とを備えている。
【００６３】
空気供給管（図示せず）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（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。
【００６４】
これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。
【００６５】
空気排出管（図示せず）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。
（４）検出手段（アンモニアセンサ）
アンモニアセンサ５は、電動車両１において、液体燃料から揮発するアンモニアを検出するために設けられている。具体的には、アンモニアセンサ５は、電動車両１の前後方向中央の下部において、燃料電池３の上側に１つ配置されている。
【００６６】
このようなアンモニアセンサ５は、コントロールユニット４２（後述）と電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００６７】
アンモニアセンサ５としては、特に制限されず、可燃ガスセンサなどの公知のアンモニア検出装置が用いられる。そして、アンモニアセンサ５は、電動車両１の車体構造内における大気（空気）中にアンモニアが存在することを検出して、コントロールユニット４２（後述）に出力する。
【００６８】
アンモニアセンサ５の検出限界は、例えば、大気（空気）中のアンモニアとして、例えば、０．０５〜１ｐｐｍ以下、好ましくは、０．０５〜０．１ｐｐｍ以下である。
（５）制御部
制御部６は、調整手段としてのコントロールユニット４２を備えている。
【００６９】
コントロールユニット４２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。
【００７０】
このようなコントロールユニット４２は、ガス排出弁２７の開閉、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止、燃料供給弁３１の開閉、燃料還流ポンプ２９の駆動および停止、アンモニア分解装置５０の駆動および停止、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を、それぞれ制御する。
【００７１】
また、制御部６は、さらに、報知器５２を備えている。
【００７２】
報知器５２としては、例えば、ブザーなどが用いられ、コントロールユニット４２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４２からの制御信号が、報知器５２に入力され、コントロールユニット４２が、報知器５２の駆動および停止を制御する。
【００７３】
具体的には、詳しくは後述するが、アンモニアセンサ５によりアンモニアが検出されると、その検出がコントロールユニット４２に入力され、その入力に基づいて、コントロールユニット４２は、報知器５２に報知信号を出力する。そして、その報知信号に基づいて、報知器５２が、液体燃料の漏出を報知する。また、図示しないが、コントロールユニット４２は、インストルメントパネルに、液体燃料の漏出を表示させる。
（６）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３７と、モータ３７に電気的に接続されるインバータ３８と、モータ３７による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ４０と、動力用バッテリ４０に電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。
【００７４】
モータ３７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３７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用いられる。
【００７５】
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、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。
【００７６】
動力用バッテリ４０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４０は、インバータ３８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３７に電力を供給可能とされている。
【００７７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力を調整する。
【００７８】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット４２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４２から出力される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。
【００７９】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ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。
【００８０】
これにより、ＤＣ／ＤＣ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三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３７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４２の制御により、燃料供給弁３１が開かれ、燃料還流ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１が駆動されることにより、液体燃料が還流管２２を介してアノード９に供給される。一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３１は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。すなわち、液体燃料中のヒドラジンが、下記式（１）〜（３）で示すように反応する。
（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）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）。
【００８３】
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。
【００８４】
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）。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
なお、ヒドラジンの分解反応においては、上記式（３）のように、窒素および水を生じる他、副生成物として、アンモニアを生じる。
【００８８】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８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４０では、その電力が充電される。
【００８９】
また、燃料給排部４では、燃料還流ポンプ２９の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料が、還流管２２を通過して上流側の下部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の下部流通口２４から還流管２２に流出する。還流管２２に流出する液体燃料は、再び燃料供給口１５から燃料供給路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、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、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。
【００９０】
上記したように、燃料電池３において液体燃料を用いて発電させる場合には、その液体燃料が、例えば、シール材（ガスケットなど）の破損などにより、燃料電池３や、還流管２２、気液分離器２３などの外側へ漏出する場合がある。
【００９１】
そのような場合に、長時間かけて多量の液体燃料が漏出すると、多くの部品が劣化し、その取り替えを要するなど、手間およびコストがかかるという不具合がある。そのため、液体燃料の漏出を、早期に検知する必要がある。
【００９２】
そこで、この燃料電池システム２では、燃料電池３からの液体燃料の漏出を、下記に示す方法により、検査する。
３．漏出検査
この漏出検査では、詳しくは後述するように、アンモニアセンサ５によって、液体燃料の漏出が検査されるが、そのような場合、好ましくは、液体燃料中のアンモニア濃度が、上記した所定範囲となるように調整される。
【００９３】
図２は、図１のコントロールユニット４２において実行されるアンモニア濃度調整の制御処理を表わすフロー図である。
【００９４】
この処理は、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。処理がスタートされると、まず、電動車両１の走行中、すなわち、燃料電池３の発電中において、濃度センサ５１によって、液体燃料中のアンモニア濃度を検出する（ステップＳ１）。
【００９５】
そして、検出された液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、１２５ｐｐｍ）を超過するか否かが、コントロールユニット４２において判断される（ステップＳ２）。
【００９６】
液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、１２５ｐｐｍ）を超過しない場合には（ステップＳ２のＮＯ）、引き続き、液体燃料中のアンモニア濃度が継続的に検出される（ステップＳ１）。
【００９７】
一方、液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、１２５ｐｐｍ）以下を超過したことが検出されると（ステップＳ２のＹＥＳ）、コントロールユニット４２は、アンモニア分解装置５０を駆動させる（ステップＳ３）。
【００９８】
このとき、アンモニア分解装置５０によって、還流管２２内を還流する液体燃料に含有されるアンモニアを分解し、液体燃料中のアンモニア濃度を低下させる。また、それとともに、液体燃料中のアンモニア濃度を検出する（ステップＳ４）。
【００９９】
そして、検出されるアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、２５ｐｐｍ）未満であるか否かが、コントロールユニット４２において判断される（ステップＳ５）。
【０１００】
液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、２５ｐｐｍ）未満でない場合には（ステップＳ５のＮＯ）、引き続き、液体燃料中のアンモニア濃度が継続的に検出される（ステップＳ４）。
【０１０１】
一方、液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、２５ｐｐｍ）未満であることが検出されると（ステップＳ５のＹＥＳ）、コントロールユニット４２は、アンモニア分解装置５０を停止させる（ステップＳ６）。
【０１０２】
その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に連続的に実行される。
【０１０３】
これにより、液体燃料中のアンモニア濃度は、所定範囲、具体的には、例えば、２５〜１２５ｐｐｍの範囲に制御される。
【０１０４】
そして、このような割合でアンモニアを含有する液体燃料の漏出が、アンモニアセンサ５によって検査される。
【０１０５】
図３は、図１のコントロールユニット４２において実行される液体燃料の漏出検査の制御処理を表わすフロー図である。
【０１０６】
この処理は、上記したアンモニア濃度調整の制御処理と同様、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。
【０１０７】
処理がスタートされると、まず、電動車両１の走行中、すなわち、燃料電池３の発電中において、アンモニアセンサ５によって、電動車両１の車体構造内における大気（空気）中のアンモニア濃度を検出する（ステップＳ７）。
【０１０８】
そして、検出された空気（大気）中のアンモニア濃度が、所定濃度（図３では、５ｐｐｍ）を超過するか否かが、コントロールユニット４２において判断される（ステップＳ８）。
【０１０９】
空気（大気）中のアンモニア濃度が、所定濃度（図３では、５ｐｐｍ）を超過しない場合には（ステップＳ８のＮＯ）、液体燃料の漏出がないと判断され、引き続き、空気（大気）中のアンモニア濃度が継続的に検出される（ステップＳ７）。
【０１１０】
一方、大気（空気）中のアンモニア濃度が、所定濃度（図３では、５ｐｐｍ）を超過することが検出されると（ステップＳ８のＹＥＳ）、液体燃料の漏出があり、その漏出された液体燃料から揮発されたアンモニアが検出されたものと判断される。
【０１１１】
そのため、このような場合には、コントロールユニット４２により、例えば、報知器５２を駆動させ、その漏出を周囲に知覚させるとともに、燃料電池システム２を停止させる。
４．作用効果
このような燃料電池システム２では、液体燃料中のヒドラジンの消費により効率のよい発電を達成できる。一方、液体燃料が漏出すると、その液体燃料からアンモニアガスが揮発し、そのアンモニアがアンモニアセンサ５により検出される。
【０１１２】
つまり、このような燃料電池システム２によれば、漏出する液体燃料が少量であっても、その液体燃料からアンモニアガスを生じさせることができるので、漏出の早期において、漏出を容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【０１１３】
さらには、このような燃料電池システム２では、揮発したアンモニアが臭気を生じるため、燃料電池システム２の周囲に人間が配置されていれば、燃料電池３の稼働中や、さらには、停止中においても、そのアンモニアの臭気により、液体燃料の漏出を早期に知覚することができる。
【０１１４】
また、この燃料電池システム２において、アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料を用いると、発電に伴って液体燃料中のヒドラジンが消費され、アンモニアが濃縮される。そして、アンモニアの濃度が高くなると（例えば、１２５ｐｐｍを超過すると）、液体燃料が漏出した場合に、多量のアンモニアが揮発し、周辺に配置される設備や人間に対して、刺激を生じる場合がある。
【０１１５】
一方、このような燃料電池システム２では、液体燃料中のアンモニアが、液体燃料中において所定濃度（例えば、２５〜１２５ｐｐｍ）となるように分解されるので、アンモニアの濃縮を抑制することができ、刺激を低減することができる。
【０１１６】
なお、上記した説明では、アンモニアセンサ５を、電動車両１の前後方向中央の下部において、燃料電池３の上側に１つ配置したが、アンモニアセンサ５の数および位置は特に制限されず、車種の形状や大きさに応じて、例えば、図１において破線で示すように、電動車両１の前後方向中央の上部や、車室内など、さらに、図示しないが、電動車両１の前後方向前部、後部などに配置してもよく、さらには、アンモニアセンサ５を複数配置することもできる。
【０１１７】
また、上記した説明では、液体燃料中のアンモニア濃度を所定範囲（２５〜１２５ｐｐｍ）とするため、燃料電池３の稼働前に、予め、上記アンモニア濃度となるようにヒドラジンにアンモニアを添加した液体燃料を、燃料タンク２１に供給したが、例えば、燃料タンク２１には、アンモニアを添加することなく、液体燃料を供給することができる。
【０１１８】
そのような場合には、液体燃料中には、上記したように、燃料電池３の稼働中において、ヒドラジンの分解により生成するアンモニアが含有され、また、その濃度が、アンモニア分解装置５０によって、調整される。
【符号の説明】
【０１１９】
１ 電動車両
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
５ アンモニアセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、電解質膜と、電解質膜を挟んで対向配置された燃料側電極および酸素側電極とが圧着されて得られる膜・電極接合体（ＭＥＡ）が、セパレータを介して複数積層されることによって、形成されている。
【０００３】
そして、燃料電池では、燃料側電極に燃料ガス（水素ガス）を供給するとともに、酸素側電極に酸素を供給することにより、各電極で電気化学反応を生じさせ、起電力を発生させている。
【０００４】
しかるに、このような燃料電池では、燃料電池から燃料ガス（水素ガス）が漏出する場合があり、そのような場合には、燃料ガス（水素ガス）の漏出を早期に検知することが要求されている。
【０００５】
そのような装置としては、例えば、移動体に搭載され、有害ガスの漏れを検出する検出装置であって、移動体の複数箇所に配設され、所定の有害ガスを検出するセンサと、そのセンサのうち、漏れの検出時に異なる出力が得られるべき複数のセンサの出力に基づき、各センサの出力が漏れに起因するか否かを判断する判断部とを備える検出装置が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
このような検出装置では、センサが水素ガスの他、一酸化炭素ガスなどにも反応する場合があるが、そのようなセンサを複数用い、それらの出力を比較することにより、誤判断を防止し、精度よく漏れを検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１４９０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、近年では、燃料として、ガスではなく、液体燃料を使用する燃料電池システム、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムの開発が進められており、とりわけ、ヒドラジンを燃料とするヒドラジン形燃料電池が、注目されている。
【０００９】
そして、このような液体燃料を使用する燃料電池システムにおいても、その燃料の漏れの検出が求められている。
【００１０】
しかしながら、液体燃料は、ガスに比べて密度が高いため、少量の漏出の検知が困難であり、液体燃料の漏出が検知されるときには、長時間かけて多量の液体燃料が漏出しているので、多くの部品が劣化し、その取り替えを要するなど、手間およびコストがかかるという不具合がある。
【００１１】
本発明の目的は、液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制す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、アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料が供給される燃料電池と、前記液体燃料から揮発するアンモニアを検出するための検出手段とを備え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、液体燃料中のヒドラジンの消費により効率のよい発電を達成できる。一方、液体燃料が漏出すると、その液体燃料からアンモニアが揮発し、そのアンモニアが検出手段により検出される。
【００１４】
つまり、このような燃料電池システムによれば、漏出する液体燃料が少量であっても、その液体燃料からアンモニアガスを生じさせることができるので、漏出の早期において、漏出を容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【００１５】
さらには、このような燃料電池システムでは、揮発したアンモニアが臭気を生じるため、燃料電池システムの周囲に人間が配置されていれば、燃料電池の稼働中や、さらには、停止中においても、そのアンモニアの臭気により、液体燃料の漏出を早期に知覚することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記液体燃料中のアンモニアを分解するための分解手段と、前記液体燃料中のアンモニアが所定濃度となるように、前記分解手段を制御するための調整手段とを備えることが好適である。
【００１７】
この燃料電池システムにおいて、アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料を用いると、発電に伴って液体燃料中のヒドラジンが消費され、アンモニアが濃縮される。そして、アンモニアの濃度が高くなると、液体燃料が漏出した場合に、多量のアンモニアが揮発し、周辺に配置される設備や人間に対して、刺激を生じる場合がある。
【００１８】
一方、このような燃料電池システムでは、液体燃料中のアンモニアが、液体燃料中において所定濃度となるように分解されるので、アンモニアの濃縮を抑制することができ、刺激を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、液体燃料の漏出が少量であっても、その漏出を、漏出の早期において、容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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。
【図２】図１のコントロールユニットにおいて実行されるアンモニア濃度調整の制御処理を表わすフロー図である。
【図３】図１のコントロールユニットにおいて実行される液体燃料の漏出検査の制御処理を表わすフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、図示しない空気給排部と、検出手段としてのアンモニアセンサ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、アンモニアおよびヒドラジンを所定濃度で含有する液体燃料が直接供給される、例えば、アニ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。
【００２４】
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、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。
【００２５】
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たアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（燃料電池セル）がセパレータ（後述する燃料供給部材１２および空気供給部材１７が兼用される）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２８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２８のうち、電動車両１の前後方向最前端に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。
【００２６】
電解質層８は、例えば、アニオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜から形成されている。
【００２７】
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とを備えている。
【００２８】
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、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。
【００２９】
燃料供給部材１２は、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、溝が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（溝が形成された表面）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。
【００３０】
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（上側）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（下側）に形成されている。
【００３１】
カソード１０は、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とを備えている。
【００３２】
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。
【００３３】
カソード電極１６の電極材料としては、例えば、アノード電極１１の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。
【００３４】
空気供給部材１７は、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、溝が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（溝が形成された表面）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供給路１８が形成される。
【００３５】
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（下側）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（上側）に形成されている。
【００３６】
なお、単位セル２８は、具体的には、まず、電解質層８の両面にアノード電極１１およびカソード電極１６がそれぞれ形成された膜・電極接合体３２が作製され、その膜・電極接合体３２の両側に燃料供給部材１２および空気供給部材１７がそれぞれ対向配置されることにより、形成されている。
【００３７】
また、燃料供給部材１２および空気供給部材１７は、一方面に燃料供給路１３が形成され、他方面に空気供給路１８が形成される１つの部材（セパレータ）として形成されている。
（２）燃料給排部
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の燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９の燃料供給路１３）に還流するための還流管２２とを備えている。
【００３８】
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、アンモニアおよびヒドラジンを所定濃度で含有する液体燃料が貯蔵されている。
【００３９】
液体燃料において、アンモニアの濃度は、液体燃料の総量に対して、アンモニアが、例えば、２５〜１２５ｐｐｍ（０．００２５〜０．０１２５質量％）、好ましくは、２５〜５０ｐｐｍ（０．００２５〜０．００５質量％）であり、水加ヒドラジンが、上記濃度のアンモニアを除く量、具体的には、例えば、９９．９８７５〜９９．９９７５質量％、好ましくは、９９．９９７５〜９９．９９５質量％である。
【００４０】
液体燃料中のアンモニアの濃度が２５〜１２５ｐｐｍであれば、後述するように、液体燃料から揮発するアンモニアの濃度が、例えば、大気（空気）中において、５〜２５ｐｐｍとなる。
【００４１】
なお、液体燃料中のアンモニア濃度が２５ｐｐｍ未満では、漏出された液体燃料から揮発するアンモニアを、アンモニアセンサ５（後述）により検出できない場合や、そのアンモニアの臭気を知覚できない場合がある。
【００４２】
一方、液体燃料中のアンモニア濃度が１２５ｐｐｍを超過すると、漏出された液体燃料から揮発するアンモニアが、過度に臭気を生じて、安全性が低下する場合がある。
【００４３】
液体燃料中のアンモニア濃度を上記範囲とするには、特に制限されないが、例えば、燃料電池３の稼働前に、予め、上記アンモニア濃度となるようにヒドラジンにアンモニアを添加した液体燃料を、燃料タンク２１に供給する。また、燃料電池３の稼働中には、後述するように、ヒドラジンの分解によりアンモニアが生成するため、後述するように、アンモニア分解装置５０によって、アンモニア濃度を調整する。
【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）を介して燃料排出口１４に接続されている。これにより、燃料電池３と燃料給排部４とには、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】
還流管２２の途中には、気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる下部流通口２４が２つ形成されている。また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４６】
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つの下部流通口２４が還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。
【００４７】
２つの下部流通口２４と還流管２２とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。これにより、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。
【００４８】
上部流通口２５には、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。
【００４９】
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、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４２（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４２（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４２（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００５０】
また、気液分離器２３には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を気液分離器２３および還流管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。つまり、燃料供給管３０の上流側端部は、燃料タンク２１と、シール材（ガスケットなど）を介して接続され、燃料供給管３０の下流側端部は、気液分離器２３と、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００５１】
燃料供給管３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ４１が介在されている。
【００５２】
燃料供給ポンプ４１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。燃料供給ポンプ４１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ４１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止を制御する。
【００５３】
燃料供給管３０において燃料供給ポンプ４１の下流側には、燃料供給弁３１が設けられている。
【００５４】
燃料供給弁３１は、燃料供給管３０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３１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給弁３１の開閉を制御する。
【００５５】
また、還流管２２において、燃料電池３の下流側かつ気液分離器２３の上流側には、燃料還流ポンプ２９が、介在されている。
【００５６】
燃料還流ポンプ２９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。燃料還流ポンプ２９は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料還流ポンプ２９に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料還流ポンプ２９の駆動および停止を制御する。
【００５７】
また、還流管２２において、燃料還流ポンプ２９の下流側かつ気液分離器２３の上流側には、液体燃料中のアンモニアを分解するための分解手段としてのアンモニア分解装置５０、および、液体燃料中のアンモニアが所定濃度となるようにアンモニア分解装置５０を制御するための調整手段としての濃度センサ５１が、順次介在されている。
【００５８】
アンモニア分解装置５０は、燃料還流ポンプ２９の下流側かつ濃度センサ５１の上流側において、還流管２２に介装されている。
【００５９】
アンモニア分解装置５０としては、アンモニアを分解できれば、特に制限されないが、例えば、触媒反応装置、電気分解装置、オゾン反応装置、中和装置など、公知のアンモニア分解装置が用いられる。アンモニア分解装置５０は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、アンモニア分解装置５０に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、アンモニア分解装置５０の駆動および停止を制御する。
【００６０】
濃度センサ５１は、アンモニア分解装置５０の下流側かつ気液分離器２３の上流側において、還流管２２に介装されている。
【００６１】
濃度センサ５１としては、液体燃料中のアンモニア濃度を検出できれば、特に制限されず、赤外線分光法式センサなどの公知の濃度センサが用いられる。濃度センサ５１は、コントロールユニット４２（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、濃度センサ５１で検出された液体燃料中のアンモニア濃度が、コントロールユニット４２（後述）に入力信号として入力される。
【００６２】
なお、詳しくは後述するが、その入力信号に基づいて、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、アンモニア分解装置５０に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、アンモニア分解装置５０の駆動および停止を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）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（図示せず）とを備えている。
【００６３】
空気供給管（図示せず）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（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。
【００６４】
これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。
【００６５】
空気排出管（図示せず）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。
（４）検出手段（アンモニアセンサ）
アンモニアセンサ５は、電動車両１において、液体燃料から揮発するアンモニアを検出するために設けられている。具体的には、アンモニアセンサ５は、電動車両１の前後方向中央の下部において、燃料電池３の上側に１つ配置されている。
【００６６】
このようなアンモニアセンサ５は、コントロールユニット４２（後述）と電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００６７】
アンモニアセンサ５としては、特に制限されず、可燃ガスセンサなどの公知のアンモニア検出装置が用いられる。そして、アンモニアセンサ５は、電動車両１の車体構造内における大気（空気）中にアンモニアが存在することを検出して、コントロールユニット４２（後述）に出力する。
【００６８】
アンモニアセンサ５の検出限界は、例えば、大気（空気）中のアンモニアとして、例えば、０．０５〜１ｐｐｍ以下、好ましくは、０．０５〜０．１ｐｐｍ以下である。
（５）制御部
制御部６は、調整手段としてのコントロールユニット４２を備えている。
【００６９】
コントロールユニット４２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。
【００７０】
このようなコントロールユニット４２は、ガス排出弁２７の開閉、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止、燃料供給弁３１の開閉、燃料還流ポンプ２９の駆動および停止、アンモニア分解装置５０の駆動および停止、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を、それぞれ制御する。
【００７１】
また、制御部６は、さらに、報知器５２を備えている。
【００７２】
報知器５２としては、例えば、ブザーなどが用いられ、コントロールユニット４２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４２からの制御信号が、報知器５２に入力され、コントロールユニット４２が、報知器５２の駆動および停止を制御する。
【００７３】
具体的には、詳しくは後述するが、アンモニアセンサ５によりアンモニアが検出されると、その検出がコントロールユニット４２に入力され、その入力に基づいて、コントロールユニット４２は、報知器５２に報知信号を出力する。そして、その報知信号に基づいて、報知器５２が、液体燃料の漏出を報知する。また、図示しないが、コントロールユニット４２は、インストルメントパネルに、液体燃料の漏出を表示させる。
（６）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３７と、モータ３７に電気的に接続されるインバータ３８と、モータ３７による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ４０と、動力用バッテリ４０に電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。
【００７４】
モータ３７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３７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用いられる。
【００７５】
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、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。
【００７６】
動力用バッテリ４０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４０は、インバータ３８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３７に電力を供給可能とされている。
【００７７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ４０の入出力電力を調整する。
【００７８】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット４２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４２から出力される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。
【００７９】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ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。
【００８０】
これにより、ＤＣ／ＤＣ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三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ３７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４２の制御により、燃料供給弁３１が開かれ、燃料還流ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１が駆動されることにより、液体燃料が還流管２２を介してアノード９に供給される。一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３１は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。すなわち、液体燃料中のヒドラジンが、下記式（１）〜（３）で示すように反応する。
（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）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）。
【００８３】
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。
【００８４】
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）。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
なお、ヒドラジンの分解反応においては、上記式（３）のように、窒素および水を生じる他、副生成物として、アンモニアを生じる。
【００８８】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８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４０では、その電力が充電される。
【００８９】
また、燃料給排部４では、燃料還流ポンプ２９の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料が、還流管２２を通過して上流側の下部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の下部流通口２４から還流管２２に流出する。還流管２２に流出する液体燃料は、再び燃料供給口１５から燃料供給路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、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、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。
【００９０】
上記したように、燃料電池３において液体燃料を用いて発電させる場合には、その液体燃料が、例えば、シール材（ガスケットなど）の破損などにより、燃料電池３や、還流管２２、気液分離器２３などの外側へ漏出する場合がある。
【００９１】
そのような場合に、長時間かけて多量の液体燃料が漏出すると、多くの部品が劣化し、その取り替えを要するなど、手間およびコストがかかるという不具合がある。そのため、液体燃料の漏出を、早期に検知する必要がある。
【００９２】
そこで、この燃料電池システム２では、燃料電池３からの液体燃料の漏出を、下記に示す方法により、検査する。
３．漏出検査
この漏出検査では、詳しくは後述するように、アンモニアセンサ５によって、液体燃料の漏出が検査されるが、そのような場合、好ましくは、液体燃料中のアンモニア濃度が、上記した所定範囲となるように調整される。
【００９３】
図２は、図１のコントロールユニット４２において実行されるアンモニア濃度調整の制御処理を表わすフロー図である。
【００９４】
この処理は、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。処理がスタートされると、まず、電動車両１の走行中、すなわち、燃料電池３の発電中において、濃度センサ５１によって、液体燃料中のアンモニア濃度を検出する（ステップＳ１）。
【００９５】
そして、検出された液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、１２５ｐｐｍ）を超過するか否かが、コントロールユニット４２において判断される（ステップＳ２）。
【００９６】
液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、１２５ｐｐｍ）を超過しない場合には（ステップＳ２のＮＯ）、引き続き、液体燃料中のアンモニア濃度が継続的に検出される（ステップＳ１）。
【００９７】
一方、液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、１２５ｐｐｍ）以下を超過したことが検出されると（ステップＳ２のＹＥＳ）、コントロールユニット４２は、アンモニア分解装置５０を駆動させる（ステップＳ３）。
【００９８】
このとき、アンモニア分解装置５０によって、還流管２２内を還流する液体燃料に含有されるアンモニアを分解し、液体燃料中のアンモニア濃度を低下させる。また、それとともに、液体燃料中のアンモニア濃度を検出する（ステップＳ４）。
【００９９】
そして、検出されるアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、２５ｐｐｍ）未満であるか否かが、コントロールユニット４２において判断される（ステップＳ５）。
【０１００】
液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、２５ｐｐｍ）未満でない場合には（ステップＳ５のＮＯ）、引き続き、液体燃料中のアンモニア濃度が継続的に検出される（ステップＳ４）。
【０１０１】
一方、液体燃料中のアンモニア濃度が、所定濃度（図２では、２５ｐｐｍ）未満であることが検出されると（ステップＳ５のＹＥＳ）、コントロールユニット４２は、アンモニア分解装置５０を停止させる（ステップＳ６）。
【０１０２】
その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に連続的に実行される。
【０１０３】
これにより、液体燃料中のアンモニア濃度は、所定範囲、具体的には、例えば、２５〜１２５ｐｐｍの範囲に制御される。
【０１０４】
そして、このような割合でアンモニアを含有する液体燃料の漏出が、アンモニアセンサ５によって検査される。
【０１０５】
図３は、図１のコントロールユニット４２において実行される液体燃料の漏出検査の制御処理を表わすフロー図である。
【０１０６】
この処理は、上記したアンモニア濃度調整の制御処理と同様、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。
【０１０７】
処理がスタートされると、まず、電動車両１の走行中、すなわち、燃料電池３の発電中において、アンモニアセンサ５によって、電動車両１の車体構造内における大気（空気）中のアンモニア濃度を検出する（ステップＳ７）。
【０１０８】
そして、検出された空気（大気）中のアンモニア濃度が、所定濃度（図３では、５ｐｐｍ）を超過するか否かが、コントロールユニット４２において判断される（ステップＳ８）。
【０１０９】
空気（大気）中のアンモニア濃度が、所定濃度（図３では、５ｐｐｍ）を超過しない場合には（ステップＳ８のＮＯ）、液体燃料の漏出がないと判断され、引き続き、空気（大気）中のアンモニア濃度が継続的に検出される（ステップＳ７）。
【０１１０】
一方、大気（空気）中のアンモニア濃度が、所定濃度（図３では、５ｐｐｍ）を超過することが検出されると（ステップＳ８のＹＥＳ）、液体燃料の漏出があり、その漏出された液体燃料から揮発されたアンモニアが検出されたものと判断される。
【０１１１】
そのため、このような場合には、コントロールユニット４２により、例えば、報知器５２を駆動させ、その漏出を周囲に知覚させるとともに、燃料電池システム２を停止させる。
４．作用効果
このような燃料電池システム２では、液体燃料中のヒドラジンの消費により効率のよい発電を達成できる。一方、液体燃料が漏出すると、その液体燃料からアンモニアガスが揮発し、そのアンモニアがアンモニアセンサ５により検出される。
【０１１２】
つまり、このような燃料電池システム２によれば、漏出する液体燃料が少量であっても、その液体燃料からアンモニアガスを生じさせることができるので、漏出の早期において、漏出を容易に検知することができ、漏出による損傷を抑制することができる。
【０１１３】
さらには、このような燃料電池システム２では、揮発したアンモニアが臭気を生じるため、燃料電池システム２の周囲に人間が配置されていれば、燃料電池３の稼働中や、さらには、停止中においても、そのアンモニアの臭気により、液体燃料の漏出を早期に知覚することができる。
【０１１４】
また、この燃料電池システム２において、アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料を用いると、発電に伴って液体燃料中のヒドラジンが消費され、アンモニアが濃縮される。そして、アンモニアの濃度が高くなると（例えば、１２５ｐｐｍを超過すると）、液体燃料が漏出した場合に、多量のアンモニアが揮発し、周辺に配置される設備や人間に対して、刺激を生じる場合がある。
【０１１５】
一方、このような燃料電池システム２では、液体燃料中のアンモニアが、液体燃料中において所定濃度（例えば、２５〜１２５ｐｐｍ）となるように分解されるので、アンモニアの濃縮を抑制することができ、刺激を低減することができる。
【０１１６】
なお、上記した説明では、アンモニアセンサ５を、電動車両１の前後方向中央の下部において、燃料電池３の上側に１つ配置したが、アンモニアセンサ５の数および位置は特に制限されず、車種の形状や大きさに応じて、例えば、図１において破線で示すように、電動車両１の前後方向中央の上部や、車室内など、さらに、図示しないが、電動車両１の前後方向前部、後部などに配置してもよく、さらには、アンモニアセンサ５を複数配置することもできる。
【０１１７】
また、上記した説明では、液体燃料中のアンモニア濃度を所定範囲（２５〜１２５ｐｐｍ）とするため、燃料電池３の稼働前に、予め、上記アンモニア濃度となるようにヒドラジンにアンモニアを添加した液体燃料を、燃料タンク２１に供給したが、例えば、燃料タンク２１には、アンモニアを添加することなく、液体燃料を供給することができる。
【０１１８】
そのような場合には、液体燃料中には、上記したように、燃料電池３の稼働中において、ヒドラジンの分解により生成するアンモニアが含有され、また、その濃度が、アンモニア分解装置５０によって、調整される。
【符号の説明】
【０１１９】
１ 電動車両
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
５ アンモニアセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料が供給される燃料電池と、
前記液体燃料から揮発するアンモニアを検出するための検出手段と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記液体燃料中のアンモニアを分解するための分解手段と、
前記液体燃料中のアンモニアが所定濃度となるように、前記分解手段を制御するための調整手段と
を備え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。
【請求項１】
アンモニアおよびヒドラジンを含有する液体燃料が供給される燃料電池と、
前記液体燃料から揮発するアンモニアを検出するための検出手段と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記液体燃料中のアンモニアを分解するための分解手段と、
前記液体燃料中のアンモニアが所定濃度となるように、前記分解手段を制御するための調整手段と
を備え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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−４８０６７（Ｐ２０１３−４８０６７Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６５０２（Ｐ２０１１−１８６５０２）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
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