JP2010055796A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から排出される排燃料の外部への無駄な排出を抑えて有効に利用すると共に、燃料電池に供給される燃料濃度を適正範囲に維持することができるにする。
【解決手段】この発明の燃料電池システムは、内燃機関と、燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池とを備えている。また、内燃機関と燃料電池との間には、燃料電池のアノード側から排出される排燃料を内燃機関に導入する導入経路が備えられている。更に、燃料電池から排出される排燃料を循環して燃料電池に供給する循環経路を有するシステムの場合には、導入経路内に排燃料が流入する状態と、排燃料が流入しない状態とを切り替える切替手段が備えられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

特許文献１には、水酸化物イオン伝導性を有するアニオン交換膜を用いたアルカリ型の燃料電池が開示されている。この燃料電池システムは、アノードから排出された生成水を含む燃料溶液を環流させてアノード側に循環供給する循環流路と、燃料溶液を環流させてカソード側に循環供給する循環流路とを有している。また、この燃料電池システムは、循環流路の途中に、循環する燃料溶液を一時的に貯留するための２つの燃料タンクを備えている。アノード側の循環流路及びカソード側の循環流路は両燃料タンクに接続する流路をそれぞれ含んでいるが、燃料電池の運転中は、循環流路に取り付けられた複数のバルブの切り替えによって、一方の燃料タンクのみからアノードに燃料溶液が供給され、他方の燃料タンクのみからカソードに燃料溶液が供給されるように調整される。

特許文献１の燃料電池システムにおいては、燃料溶液としてメタノール水溶液が用いられる。カソードでは薄いメタノール水溶液中の水と空気中の酸素とから水酸化物イオンが生成され、生成された水酸化物イオンはアニオン交換膜中を移動してアノードに到達する。アノードではメタノール中の水素と水酸化物イオンとにより水が生成される。

このような反応によりアノードからは未反応の燃料と共に生成水が排出されるため、排出された燃料溶液の濃度は低下し、燃料溶液の液量は増加している。従って、燃料電池の発電が続くに連れて、アノード側の燃料タンク内の燃料溶液は次第に増量し、その燃料濃度は次第に低下する。一方、カソード側での反応には水が使用される。従って、カソード側の燃料タンクの燃料溶液は次第に減少することとなる。

このため特許文献１のシステムでは、アノード側に燃料溶液を供給している燃料タンク内の濃度が所定値以下に低下した場合に、バルブの切り替えにより、アノード側の接続する燃料タンクと、カソード側に接続する燃料タンクとの接続とを切り替える。このとき、カソード側からアノード側へと接続が切り替えられる燃料タンク内の燃料溶液の液量は、カソードでの水の使用により少なくなっている。従って、この切り替えのタイミングで、アノード側に接続される燃料タンクに濃度の濃い燃料を追加することで、アノードに供給する燃料溶液の燃料濃度を高くすることができる。また、アノード側に接続することとなる燃料タンク内の液量の減少が十分でない場合には、アノード側への接続の切り替え前に、不要な燃料溶液を外部に排出させ、その後、燃料タンクの接続の切り替えと高濃度燃料の補充が行なわれる。

特開２００７−２９４２２７号公報 特開２００８−１０８６６７号公報

上記従来技術によれば、燃料タンクと循環経路の接続の切り替えにより、燃料の無駄な排出を抑えつつ、燃料タンクに濃度の濃い燃料を追加して燃料濃度を高くすることができる。しかしながら、上記従来技術においては、カソード側に接続している間に燃料タンクの液量が十分に減少しなかった場合には、アノード側へ接続が切り替えられる前に、その燃料タンク内の燃料溶液が排出される。この場合、燃料の一部が未使用のまま無駄に排出されることとなる。また、上記従来技術においては、カソードから排出されたオフガスは気液分離器を通過し、オフガス中の気体が外部に放出されて、主にメタノールと水とが回収されて循環経路により燃料タンクに戻される。しかしながら、気液分離器による分離では完全に燃料を分離しきれず、少量の燃料溶液が排出される。このように燃料溶液が排出されることは、燃料利用率の向上の観点からは好ましいものではない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池から排出される排燃料の外部への無駄な放出を抑えて有効に利用すると共に、燃料電池に供給される燃料濃度を適正範囲に維持することができるよう改良した燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
内燃機関と、
燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、
前記燃料電池のアノード側から排出される排燃料を前記内燃機関に導入する導入経路と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池から排出される排燃料を、循環して前記燃料電池に供給する循環経路と、
前記導入経路に配置され、前記導入経路内に前記排燃料が流入する状態と、前記排燃料が流入しない状態とを切り替える切替手段と、
を、更に備えることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、
前記排燃料中の燃料濃度を検出する濃度検出手段と、
前記燃料濃度が、基準濃度より低くなっているか否かを判別する濃度判別手段と、
前記燃料濃度が、前記基準濃度よりも低くなっていると判別された場合に、前記導入経路に排燃料が流入する状態となるように前記切替手段の切り替えを制御する制御手段と、
を、更に備えることを特徴とする。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記導入経路に配置され、前記導入経路内の前記排燃料を気化する第１気化手段を、更に備えることを特徴とする。

第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、
前記燃料電池に供給させる燃料が貯蔵された燃料貯蔵手段に接続し、前記燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を、前記燃料電池に供給するための燃料電池用供給経路と、
前記燃料貯蔵手段に接続し、前記燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を、前記内燃機関に供給するための内燃機関用供給経路と、
を、更に備えることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記内燃機関用供給経路に配置され、前記燃料貯蔵手段内に液体状態で貯蔵された前記燃料を気化する第２気化手段を、更に備えることを特徴とする。

第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明において、
前記内燃機関に接続し、前記内燃機関の排ガスが排出される排気経路と、
前記排気経路に配置され、前記排ガスを浄化する触媒と、
を、更に備えることを特徴とする。

第８の発明は、第７の発明において、前記燃料電池に供給される燃料は、窒素原子を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池のアノード側から排出される排燃料を、内燃機関に導入することができる。これにより、アノード側から排出される排燃料中に燃料が含まれている場合にも、その燃料を内燃機関の燃料または助燃剤として用いることができる。従って、排燃料中の燃料の有効利用を図ることができる。また、排燃料を内燃機関で燃焼させることにより、複雑な分離装置等を必要とせずに、排燃料を浄化して外部に排出することができる。このように燃料電池から排出される燃料を有効に利用して適切に処理することができるため、燃料電池の排燃料を適切なタイミングで燃料電池外部に排出することができ、燃料電池に供給される燃料の濃度を発電に適した濃度範囲に維持することができる。

第２の発明によれば、燃料電池から排出される排燃料を循環して燃料電池に供給させることができ、燃料の循環利用を図ることができる。また、必要に応じて切替手段を切り替えることにより、導入経路を介して排燃料を内燃機関側に導入させることができる。従って、ある程度循環利用した後の排燃料を内燃機関で処理する等の制御を行なうことができ、循環する排燃料の燃料濃度を適正な範囲に維持しつつ、有効に燃料を利用することができる。

第３の発明によれば、循環する排燃料の燃料濃度が基準濃度以下に低下した場合に、排燃料を内燃機関に導入することができる。従って、燃料電池に供給される燃料の濃度を発電に適した濃度範囲に確実に維持することができる。

第４の発明によれば、燃料電池からの排燃料を内燃機関に導入する際、気化して導入することができる。燃料電池からの排燃料は、例えば反応生成物である生成水を含む水溶液である場合のように、その気化熱が大きいものである場合がある。このような場合、気化手段によって気化した状態で内燃機関に導入するようにできることで、内燃機関での熱損失を小さくすることができる。

第５の発明によれば、内燃機関および燃料電池へは、同一の燃料貯蔵手段から燃料を供給することができる。従って、２つの燃料貯蔵手段を設置する必要がなく、省スペース化を図ることができる。

第６の発明によれば、燃料貯蔵手段に液体の状態で燃料が保存されているような場合にも、気化手段により燃料を気化して内燃機関に供給することができ、内燃機関での熱損失を小さくすることができ、燃料電池と内燃機関との燃料が同一の燃料タンクに貯蔵される場合にも、その供給時に内燃機関に適した状態で燃料を供給することができる。

第７の発明によれば、内燃機関で燃焼させた後の排ガスを触媒装置で処理できる。従って、燃料電池から排出された排燃料が完全に内燃機関で燃焼されなかった場合にも、触媒により確実に浄化して、排出することができる。

第８の発明によれば、内燃機関の燃焼によりＮＯｘが発生する場合にも、確実に下流の触媒により浄化することができる。従って、燃料電池の燃料として窒素を含む燃料を用いる場合にも、排燃料を内燃機関に導入することで確実に処理することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示す燃料電池システムは、ハイブリットシステムを基本とする車両等の移動体に搭載されて用いられる。即ち、この燃料電池システムは燃料電池２と内燃機関４とを有するものであり、このシステムが搭載された車両においては、燃料電池２と内燃機関４とが駆動力源とされる。

燃料電池２には、燃料溶液を循環供給するための循環経路１０が接続している。循環経路１０には、後述するように、燃料電池２に供給されて反応に供された後、燃料電池２から排出された生成水や未反応の燃料等を含む排燃料が、未使用の燃料と混合して循環する。従って、以下この実施の形態においては、循環経路１０を流通しているのが、排燃料がまだ混合していない未使用の燃料のみであるか、未使用の燃料に排燃料が混合したものであるかに関わらず、循環経路１０を環流する燃料を「燃料溶液」と称することとする。

循環経路１０は、燃料サーバ１２、経路１４、１６、１８、及び三方弁２０（切替手段）を含んで構成される。循環経路１０に設置された燃料サーバ１２は内部に循環ポンプ（図示せず）を含み、循環経路１０の燃料溶液を燃料電池２に所定の圧力で供給する。経路１４は、燃料サーバ１２と燃料電池２の燃料導入口（図示せず）との間を接続し、燃料サーバ１２から燃料溶液を燃料電池２に供給する。経路１６と経路１８とは、三方弁２０により連結して燃料電池２の燃料排出口（図示せず）と燃料サーバ１２との間を接続している。これにより燃料電池２から排出される燃料溶液を、再び燃料サーバ１２に流入させることができる。経路１６には、燃料溶液の燃料濃度に応じた出力を発する濃度センサ２２が設置されている。

燃料サーバ１２には燃料供給経路２４（燃料電池用供給経路）が接続している。燃料供給経路２４にはバルブ２６が取り付けられている。燃料供給経路２４の上流側端部は燃料タンク３０（燃料貯蔵手段）に接続している。燃料タンク３０内部には、燃料としてのアンモニア（ＮＨ_３）が液体状態で貯蔵されている。

一方、燃料タンク３０には、内燃機関４に燃料を供給するための燃料供給経路３２（内燃機関用供給経路）が接続している。燃料供給経路３２には、バルブ３４、気化器３６（第２気化手段）、及び流量制御器３８が取り付けられている。気化器３６は、内燃機関４の排熱を利用して、燃料供給経路３２内から気化器３６に流入する液体燃料を気化して、再び下流側の燃料供給経路３２内に排出する。

燃料供給経路３２の下流側端部は、内燃機関４内に空気を取り込むための吸気経路４０に連通している。また内燃機関４には、内燃機関４内で燃焼した後の排気ガスを排出するための排気経路４２が接続している。排気経路４２には触媒装置４４が取り付けられている。触媒装置４４は、アンモニアにより排ガス中に含まれるＮＯｘを還元することができる。

循環経路１０の一部である経路１６、１８とを連結する三方弁２０には、更に、導入経路４６の一端が取り付けられている。つまり三方弁２０により、燃料溶液が、経路１６から経路１８側へ流入する状態と、導入経路４６側へ流入する状態とが切り替えられる。導入経路４６の他端は、内燃機関４側の燃料供給経路３２に設置された流量制御器３８に接続している。導入経路４６には、導入経路４６内を流通する燃料溶液を、内燃機関４の排熱を利用して気化する気化器４８（第１気化手段）が取り付けられている。

この燃料電池システムは、制御装置５０を有している。制御装置５０は、例えば、濃度センサ２２の信号の入力を受けて燃料溶液中の燃料濃度を検出するなど、各種センサに電気的に接続されて燃料電池２の運転状態に関する必要な情報を検出する。また、制御装置５０は、三方弁２０、バルブ２６、３４、流量制御器３８等に電気的に接続され、これらに制御信号を出力することで開閉や切り替え等を制御する。

ところで、燃料電池２は、膜―電極接合体（ＭＥＡ）がセパレータを介して複数積層されて構成されている。図２は、燃料電池２内に積層されたＭＥＡとその両側のセパレータについて説明するための図である。図２に示すように、ＭＥＡは、アニオン交換膜である電解質膜５２を有している。電解質膜５２の両側にはそれぞれ、アノード極５４とカソード極５６とが形成されている。アノード極５４及びカソード極５６のそれぞれは、触媒が担持された担体から構成される触媒層と、この触媒層にそれぞれ燃料および空気を均一に供給するための拡散層とを有している。アノード極５４とカソード極５６との積層方向の両外側には、セパレータ５８、６０が配置されている。図２では１のＭＥＡのみを示しているが、実際には、セパレータ５８、６０の外側にも他のＭＥＡが配置されるような形で、複数のＭＥＡがセパレータを介して積層された構造となっている。

セパレータ５８、６０のアノード極５４に接する面には、アノード極５４に燃料溶液を流通させるためのアノード流路が形成され、カソード極５６に接する面には、カソード極５６に加湿された空気を供給するためのカソード流路が形成されている。各アノード流路は、燃料電池２を貫通して形成された燃料供給用又は排出用のマニホールドに接続している。循環経路１０から燃料電池２に供給される燃料溶液は、マニホールドを介して各アノード流路に流入し、アノード流路から排出される反応生成物を含む燃料溶液（排燃料）は、マニホールドを介して循環経路１０に流出する。同様に、各カソード流路は、燃料電池２を貫通して形成された空気供給又は排出用のマニホールドに接続している。燃料電池２外部の空気供給系（図示せず）から供給される加湿された空気は、マニホールドを介してカソード流路に流入し、カソード流路から排出される空気オフガスは、マニホールドを介して燃料電池２外部に排出される。

ところで、このシステムにおいて、燃料電池２と内燃機関４とは、共に、燃料タンク３０から供給されるアンモニアを燃料としている。燃料電池２の通常の運転中は、循環経路１０内に燃料溶液としてアンモニア水溶液が循環し、アノード流路からアノード極５４にアンモニア水溶液が供給される。一方、図示しない空気供給系を介して、カソード極５６には加湿された空気が供給される。その結果、カソード極５６の機能により、一部の酸素と水とが、次式（１）のように反応し、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成される。
１/２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻ ・・・・（１）

生成された水酸化物イオンは、電解質膜５２を通過してアノード極５４に到達する。アノード極５４には、燃料であるアンモニア水溶液由来のアンモニウムイオン（ＮＨ_４ ^＋）が存在するため、次式（２）のような反応が起きる。
２ＮＨ_４ ^＋＋８ＯＨ⁻ → ８Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２＋６ｅ⁻ ・・・（２）

式（２）に示されるように、アノード極５４では燃料から、水と窒素とが生成される。生成された水の一部は、電解質膜５２を逆拡散してカソード極５６側に到達し、カソード極５６での反応に用いられる。しかしながら、残りの生成水の多くは未使用のアンモニア水溶液と混ざり、アノード流路、排出用のマニホールドを介して循環経路１０の経路１６に排出される。従って、経路１６に排出された燃料溶液は、経路１４側から燃料電池２に流入したときと比べて、生成水によってその濃度が低下し、その体積が増加した状態となっている。

従って、循環経路１０によって燃料溶液を循環利用して運転を続けると、循環経路１０内の燃料溶液の濃度は次第に低下し、また、その体積は次第に増加する。一方、燃料電池２の発電性能を高く維持するためには、燃料溶液を発電に適正な範囲に維持する必要がある。従って、燃料溶液の濃度が低下した場合、高濃度の燃料（アンモニア）を燃料タンク３０から燃料サーバ１２に供給する。しかし、燃料の循環利用により燃料濃度の低下した状態では、生成水によって燃料溶液の体積が増大した状態となっている。従って、燃料を追加するため、濃度の低下した燃料溶液の一部又は全てを循環経路１０から外に排出する。

この燃料電池システムは、循環経路１０からの燃料溶液排出のため、循環経路１０の経路１６の端部に三方弁２０が設置され、三方弁２０に経路１８及び導入経路４６が接続された構造を有している。経路１８は循環経路１０を構成するものであり、一方、導入経路４６は、内燃機関４に燃料を供給するための流量制御器３８に接続している。三方弁２０を切り替えることで、経路１６から経路１８への循環方向へ燃料溶液が流れ導入経路４６へは燃料溶液が流入しない状態と、経路１８へは燃料溶液が流入せず導入経路４６側に燃料溶液が流入する状態とを切り替えることができる。

この燃料電池システムでは、通常は、三方弁２０は循環経路１０側に設定され、燃料溶液は経路１６から経路１８に流入し循環経路１０内を流通する。一方、燃料濃度が低下した場合には三方弁２０が切り替えられる。これにより燃料溶液は、経路１６から経路１８への流入が禁止され、経路１６から導入経路４６側に排出される。その結果、燃料サーバ１２内の燃料溶液の液量が次第に低下することとなる。燃料サーバ１２内の燃料溶液の液量が十分に低下した後、バルブ２６が開放されて燃料タンク３０から燃料供給経路２４を介して、燃料サーバ１２内に燃料である液体アンモニアが供給される。

一方、内燃機関４は、通常運転中、燃料タンク３０から燃料供給経路３２を介して燃料としてのアンモニアが供給される。より具体的に、燃料タンク３０内の燃料は、バルブ３４の開閉により供給量が調整された状態で、まず気化器３６を通過することで気化されて流量制御器３８に流入する。流量制御器３８からは、燃料の供給量が制御されて、吸気経路４０に噴射される。燃料は、吸気経路４０内の空気と混合され、この混合気が必要なタイミングで内燃機関４の各気筒に供給される。より具体的に、このシステムでは、内燃機関４の気筒内に供給される混合気中のアンモニア濃度が、燃焼に適した濃度範囲（例えば１５〜２８vol％）となるように、流量制御器３８による燃料の噴射量が制御される。

上記のように三方弁２０が導入経路４６側に切り替えられると、燃料電池２から排出される燃料溶液が、導入経路４６から流量制御器３８に流入する。この際、燃料溶液は、気化器４８を通過することで、気化されている。この場合にも、流量制御器３８において混合気のアンモニア濃度が、この内燃機関４の燃焼に適した濃度範囲になるように調整される。具体的には、燃料電池２から排出される燃料溶液は、濃度センサ２２により燃料濃度（即ち、アンモニア濃度）を検出することができる。従って、検出された燃料濃度と、導入経路４６側から流入する燃料溶液の量、燃料供給経路３２からのアンモニアの量とから、流量制御器３８では、内燃機関４に供給される混合気のアンモニア濃度が適正な濃度範囲となるように調整され、吸気経路４０に噴射される。

内燃機関４では燃料であるアンモニアが燃焼され、燃焼後の排ガスは排気経路４２に排気される。その後、排ガスは触媒装置４４により浄化された後、外部に放出される。ここで、内燃機関４内における混合気中のアンモニアガスと酸素との燃焼反応は次式（３）による。
４ＮＨ_３＋３Ｏ_２ → ２Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（３）

また、アンモニアは１分子中に窒素原子を含む。このため、次式（４）、（５）に示すように、アンモニアガスと酸素とからＮＯｘが発生する場合がある。
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２ → ４ＮＯ＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（４）
４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ２ＮＯ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（５）

このようにして生成したＮＯｘは、次式（６）、（７）に示すように、内燃機関４内で未反応のアンモニアガスと更に反応させることができる。
６ＮＯ＋４ＮＨ_３ → ５Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ ・・・（６）
６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３ → ７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ ・・・（７）

このように、燃料電池２からの燃料溶液の排出時、流量制御器３８を介して内燃機関４に供給することで、燃料電池２から排出された燃料溶液中のアンモニアを、内燃機関４で燃料として利用して、燃焼させることができる。またアンモニアからＮＯｘが発生したとしても、このＮＯｘとアンモニアとが更に反応することでＮＯｘの処理も可能となる。従って、燃料電池２から排出される排燃料を適切に処理することができる。

また、内燃機関４の排ガスは排気通路４２に排出され、排気通路４２に配置された触媒装置４４を通過する。ここで触媒装置４４は、次式（８）、（９）のように、排ガス中のＮＯｘを、ＮＨ_３により還元することができる。
４ＮＯ+４ＮＨ_３+Ｏ_２ → ４Ｎ_２+６Ｈ_２Ｏ ・・・（８）
２ＮＯ_２+４ＮＨ_３+Ｏ_２ → ３Ｎ_２+６Ｈ_２Ｏ ・・・（９）
これにより、例えば排ガス中に未燃焼のアンモニアやＮＯｘが残留している場合にも、触媒により浄化することができる。

従って、燃料電池２から燃料がそのまま外部に排出されるのを確実に防止することができる。また、同時に、燃料電池２から排出された燃料溶液中の燃料を内燃機関４での燃料として利用することができる。従って、燃料電池２の循環経路１０から燃料溶液を排出する場合にも、燃料溶液中に残る燃料を有効利用することができ、燃料の無駄な排出を抑制することができる。

図３、図４は、この発明の実施の形態において制御装置５０が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３に示すルーチンは一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図３のルーチンにおいて、まず、フラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１２）。フラグは、後述する処理において、循環経路１０から導入経路４６側に燃料溶液を排出する処理が行なわれている場合にＯＮとされるフラグである。ステップＳ１２においてフラグ＝ＯＦＦであることが認められない場合、即ち、フラグがＯＮとなっている場合には、現在、燃料溶液の排出処理中であるため、一旦、今回の処理が終了する。

一方、ステップＳ１２においてフラグ＝ＯＦＦであることが認められた場合、次に、循環経路１０内の燃料濃度が検出される（Ｓ１４）。燃料濃度は、濃度センサ２２の出力が制御装置５０に入力されこれに基づいて検出される。

次に、燃料濃度が第１基準濃度より低いか否かが判別される（Ｓ１６）。ここで、第１基準濃度は、循環経路１０内の燃料溶液の燃料濃度が低下し、導入経路４６側への燃料溶液の排出が必要となっているか否かを判断する判断の基準となる値であり、従って、燃料電池２の発電に適した燃料濃度範囲の下限値付近の値である。なお、第１基準濃度は、燃料電池の性能や運転条件等を考慮して、適した値が実験等により求められ、制御装置５０に記憶されている。

ステップＳ１６において燃料濃度＜第１基準濃度の成立が認められない場合には、燃料溶液の現段階での排出が不要であるため、一旦今回の処理は終了する。一方、ステップＳ１６において、燃料濃度＜第１基準濃度の成立が認められた場合、まず、フラグがＯＮとされる（Ｓ１８）。

次に、ステップＳ２０において、図４に示される燃料溶液の排出処理ルーチンの実行が開始される。図４に示される、燃料溶液の排出処理ルーチンにおいては、まず、三方弁２０が切り替えられる（Ｓ１０２）。三方弁２０は、制御装置５０からの制御信号によって、循環経路１０の経路１８側から、内燃機関４側、即ち導入経路４６側に切り替えられる。これにより、燃料電池２から排出路１６に排出された燃料溶液は、三方弁２０を介して導入経路４６を通過し、気化器４８において気化された後、流量制御器３８に流入する。流量制御器３８において、燃料タンク３０から供給された純燃料と混合されて、その供給量が適正な濃度範囲になるように調整された状態で、吸気経路４０に噴射される。吸気経路４０において、燃料と空気とが混合して混合気が内燃機関４内に導入されて燃焼されることとなる。

次に、循環経路１０側からの燃料溶液の排出が完了したか否かが判別される（Ｓ１０４）。ここでは、ステップＳ１０２における三方弁２０の切り替え開始からの経過時間が、排出基準時間に達したか否かにより判別される。排出基準時間は、燃料サーバ１２の容量や、第１基準濃度の値等を考慮して予め実験等により定められ制御装置５０に記憶された値であり、排出基準時間の経過により燃料サーバ１２内の液量が十分に低下していると判断できる基準となる時間である。

ステップＳ１０４において排出の完了が認められない場合、ステップＳ１０４の判別は一定時間ごとに繰り返し行なわれ、ステップＳ１０４において排出完了が認められるまで、三方弁２０は導入経路４６側を開くように切り替えられた状態が継続される。

一方、ステップＳ１０４において、排出完了が認められた場合、三方弁２０は、再び、導入経路４６を閉じて、循環経路１０側に切り替えられる（Ｓ１０６）。これにより燃料電池２から排出される燃料溶液は再び、経路１６から経路１８に流入し、循環経路１０を環流することとなる。

次に、燃料供給経路２４に設置されたバルブ２６が開放される（Ｓ１０８）。バルブ２６は、制御装置５０からの信号により開放され、これにより、燃料タンク３０から燃料サーバ１２に燃料としての液体アンモニアの供給が開始される。

次に、循環経路１０内を循環する燃料溶液の燃料濃度が検出される（Ｓ１１０）。燃料濃度は、濃度センサ２２の出力に基づいて制御装置５０により検出される。次に検出された燃料濃度が、第２基準濃度より高いか否かが判別される（Ｓ１１２）。ここで、第２基準濃度は、燃料タンク３０からの燃料供給を停止するか否かを判断する基準となる値であり、従って、燃料電池２の運転に適した濃度範囲の上限値に近い値である。第２基準濃度は、燃料電池２の性能や運転条件等を考慮して予め実験等により求められ、制御装置５０に記憶されている。

ステップＳ１１２において、燃料濃度＞第２基準濃度の成立が認められない場合には、成立が認められるまでの間、ステップＳ１１２の判別が定期的に繰り返され、バルブ２６が開放された状態のまま燃料タンク３０から燃料サーバ１２への燃料の供給が継続される。

一方、ステップＳ１１２において、燃料濃度＞第２基準濃度の成立が認められた場合、バルブ２６が閉じられる（Ｓ１１４）。バルブ２６は制御装置５０からの制御信号により閉弁される。これにより、燃料タンク３０から燃料サーバ１２への燃料供給は終了する。その後、フラグがＯＦＦとされ（Ｓ１１８）、排出制御ルーチンが終了する。

以上説明したように、この実施の形態によれば、燃料電池２の循環経路１０を流れる燃料溶液の濃度が低下した場合に、内燃機関４側に燃料を排出することができる。従って、循環する燃料濃度を発電に適した範囲に維持することができる。また、排出する燃料は、内燃機関４により燃焼された後、更に触媒装置４４により浄化されて外部に放出される。従って、燃料の外部への漏出を抑えることができる。また、排燃料を内燃機関４に流入させて燃焼させることにより、排燃料中の燃料をも内燃機関４の燃料として利用している。従って、燃料の無駄な消費を防ぎ、システム全体としての燃料利用率を向上させることができる。

なお、この実施の形態においては、循環経路１０により燃料溶液を循環して燃料電池２に供給し、燃料溶液の燃料濃度が第１基準濃度以下に低下した場合にのみ、循環経路１０から内燃機関４側へ燃料溶液を排出する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。例えば、燃料電池２に循環経路１０を設けず、常に、一定濃度に調整した燃料を供給し、燃料電池２から排出される燃料は、全て、内燃機関４側にそのまま流入させて、燃焼させるものであってもよい。このように常に燃料を内燃機関４に排出する構造としても、排燃料は内燃機関４において燃料又は助燃剤として利用することができるため、燃料の無駄はなく、また、制御やシステムを簡略化することができる。

また、内燃機関４に燃料を供給するために、別途、燃料の供給系（燃料供給経路３２、気化器３６、流量制御器３８等）を設けて、供給経路３２からの純燃料と燃料電池２からの排燃料を混合して内燃機関４に供給する場合について説明した。しかし、別途供給系を配置せず、内燃機関４に供給させる燃料の全てが、燃料電池２を通過したものとなるような構成としてもよい。但し、この場合には燃料電池２に供給される燃料溶液の燃料濃度が燃料電池２の発電に適した範囲となり、かつ、内燃機関４に供給される混合気中の燃料濃度が燃焼に適した範囲となるように、燃料電池２に供給される燃料の濃度設定を行なうことが望まれる。

また、燃料排出処理において、燃料サーバ１２への燃料供給を燃料溶液排出直後のタイミングで、バルブ２６の開くことにより行なう場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、燃料サーバ１２内の圧力が一定となるように調整し、循環経路１０から内燃機関４への燃料溶液排出処理の直後以外のタイミングにも燃料を供給するようにしてもよい。このような処理は例えば、燃料電池２の運転において、燃料が微量に減少するような燃料を用いる場合や、上記のように循環経路１０を設けずに、燃料電池２の排燃料を常に内燃機関４に供給するような場合、あるいは循環経路１０からの燃料溶液の排出頻度が多くなる場合などには特に有効である。

また、この発明は、実施の形態に説明したように、燃料溶液を循環経路１０によりある程度循環利用した後、内燃機関４側に排出するように制御する場合にも、その排出のタイミングが燃料溶液の燃料濃度により判断されるものに限るものではない。このような排出のタイミングは、燃料電池２の出力や継続運転時間等に基づいて判断することもできる。また、この発明によれば、排燃料中の燃料は内燃機関４内で有効に利用することができるため、燃料溶液の燃料濃度が発電可能な濃度範囲の限界値以下に低下するまで使用せずに排出しても良い。従って、燃料溶液を循環利用する場合であっても、ある程度燃料を循環した段階で内燃機関４に排出されるように設定すればよく、切り替えのための制御を省略、あるいは簡略化することができる。

また、この実施の形態では、燃料溶液の内燃機関４側への排出を開始した後、基準時間経過により排出終了を判断し、再び三方弁２０を切り替える場合について説明した。しかし、この発明において排出の終了の判断もこれに限るものではなく、例えば燃料溶液の燃料濃度がある程度上昇した段階で燃料溶液の排出を終了するようにすることもできる。

また、例えば、制御装置５０による制御により三方弁２０を切り替えることで循環経路１０側と内燃機関４側への切り替えを行なうものに限らず、例えば三方弁２０に替えて、自動的に一定時間ごとに切り替わるような弁を用いることもできる。これにより切り替えのための制御を省略することができる。

また、この実施の形態においては、循環経路１０側と内燃機関４側への燃料溶液の流入を、三方弁２０により切り替える場合について説明した。しかし、この発明において、循環経路１０側と内燃機関４側への切り替えは、三方弁２０に限るものではなく、他の手段により切り替えるものであってもよい。また、内燃機関４側に燃料溶液を排出する場合に循環経路１０側に燃料溶液が流入しないようにするものに限らず、例えば、内燃機関４側に一部の燃料溶液を排出させると同時に、残りの燃料溶液を循環経路１０側に流通させるようなものを用いてもよい。

また、この発明においては、例えば、内燃機関４の燃料がガソリンである場合など、内燃機関４の燃料と燃料電池２の燃料とが異なるものであってもよい。この場合にも、燃料電池２の排燃料を内燃機関４内に導入して燃焼させることで、助燃剤として効果的に利用することができる。従って、内燃機関４と燃料電池２とで燃料が異なる場合であっても、燃料電池２の燃料の無駄な排出を抑えることができる。

また、この実施の形態では、燃料電池２の燃料と内燃機関４の燃料とを同一とし、燃料が同一のタンクに貯蔵されている場合について説明した。これにより、燃料を貯蔵するためのタンクスペースが節約できる。しかし、この発明はこれに限るものではなく、同じ燃料を用いる場合であっても、異なるタンクから燃料電池２と内燃機関４のそれぞれに供給するものであってもよい。

また、この実施の形態においては、燃料タンク３０に液体で燃料を貯蔵できることで、より多くの燃料を小さなタンクに貯蔵することができ、更なる省スペース化を図ることができる。また、内燃機関４へは気化器３６を経由して気体で供給することができる。これにより、内燃機関４において液体燃料の気化熱のための熱損失を抑えることができ、燃料の貯蔵状態に関わらず、燃料電池２内燃機関４それぞれに適した状態で燃料の供給を行なうことができる。しかしながら、この発明において、燃料の貯蔵状態は液体に限定されるものではない。また、燃料を気化する気化器３６を有するものに限るものでもなく、貯蔵された状態のまま内燃機関４に燃料が供給されるものであってもよい。

また、同様に、この実施の形態においては、燃料電池２から排出された燃料溶液を気化器４８により気化して内燃機関４に供給する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、燃料溶液を直接内燃機関４に供給するものであってもよい。

また、気化器３６、気化器４８共に、内燃機関４の排熱を利用する場合について説明したが、この発明はこれに限るものでもなく、燃料電池２の排熱を利用するなど、他の方法により燃料又は燃料溶液を気化するものであってもよい。

更に、この実施の形態では、内燃機関４の下流に触媒装置４４が配置されている場合について説明した。これにより、内燃機関４から排出される排ガスに燃料やＮＯｘが含まれていたとしても、触媒装置４４で確実に処理することができる。従って、燃料電池２の排燃料処理のための特別な機構を設置することなく、確実に燃料電池２からの排燃料を浄化して排出することができる。但し、この発明においては、内燃機関４において排燃料を燃焼させることにより燃料電池２の排燃料中の燃料成分を極低濃度に浄化することができるため、このように触媒装置４４を配置しないものであってもよい。また、実施の形態では、燃料としてアンモニアを用いているため、アンモニアを吸蔵し、アンモニアによりＮＯｘを還元可能な脱硝触媒を触媒装置４４として用いる場合について説明した。しかし、アンモニア以外の燃料を用いる場合や、内燃機関４と燃料電池２とで異なる燃料を用いる場合には、それぞれの燃料により排ガスに含まれ得る成分を浄化するのに適した触媒を設置することが望ましい。

また、この実施の形態においては、燃料としてアンモニアを利用する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、アルカリ型燃料電池に使用可能な、可燃性の他の燃料を用いることもできる。可燃性の他の燃料としては、同一分子内に１つ以上のアミノ基を含む化合物や、同一分子内に１つ以上の水酸基を含む化合物であることが好ましい。また、これらの化合物は、同一分子内に１以上４以下の炭素原子を含むことが好ましい。これらの化合物としては、例えば、メチルアミン、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ｔ−ブチルアミンといった第１級アミン、ジメチルアミン、ジエチルアミンといった第２級アミン、ヒドラジン、エチレンジアミン、１，１−ジメチルヒドラジン、トリメチレンジアミンといったジアミン、メタノール、エタノール、ブタノールといった第１級アルコールや、エチレングリコール等のジオールも挙げられる。更に、例えば、２−アミノエタノール、３−アミノプロパノール、１−アミノ−２−プロパノール、４−アミノブタノールといったヒドロキシルアミンも挙げられる。これらの燃料のうちでも、アンモニア、メタノール、エタノールおよびヒドラジンは入手が容易であると同時に、アノードに燃料を循環供給するシステムに容易に組み込むことができることから好ましい。このように可燃性の燃料を用いることにより、燃料電池２からの排燃料を内燃機関４側に導入した場合に、内燃機関４の燃料として直接使用するか、あるいは、助燃剤と利用することができる。但し、他の燃料を使用する場合には、それに応じて、燃料電池２に供給する燃料溶液の濃度範囲及び内燃機関４の燃焼に適した濃度範囲を設定することが望まれる。

また、この実施の形態においては、燃料電池システムが、燃料電池２と内燃機関４とを駆動力源とするハイブリットを基本とする車両に搭載される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、内燃機関と燃料電池とを有する他のシステムに搭載することができる。具体的には、例えば、内燃機関４のトルクのみを駆動力とする車両に搭載し、燃料電池２の出力を補機等に利用するものに適用するものであってもよい。このような場合にも、燃料電池２から排出される排燃料を、内燃機関４に導入して燃焼させる構造とすることにより、排燃料を有効に処理することができる。

なお、例えば、この実施の形態において、図３のステップS１４が実行されることにより、この発明の「濃度検出手段」が実現し、ステップＳ１６が実行されることにより、この発明の「濃度判別手段」が実現し、ステップＳ１０２が実行されることにより「制御手段」が実現する。

この発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を説明するための図である。 この発明の実施の形態１の燃料電池内に積層された膜−電極接合体について説明するための図である。 この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するための図である。 この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するための図である。

符号の説明

２ 燃料電池
４ 内燃機関
１０ 循環経路
２０ 三方弁
２２ 濃度センサ
２４ 燃料供給経路
３０ 燃料タンク
３２ 燃料供給経路
３６ 気化器
３８ 流量制御器
４０ 吸気経路
４２ 排気経路
４４ 触媒装置
４６ 導入経路
４８ 気化器
５０ 制御装置

Claims (8)

1. 内燃機関と、
   燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、
   前記燃料電池のアノード側から排出される排燃料を前記内燃機関に導入する導入経路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から排出される排燃料を、循環して前記燃料電池に供給する循環経路と、
   前記導入経路に配置され、前記導入経路内に前記排燃料が流入する状態と、前記排燃料が流入しない状態とを切り替える切替手段と、
   を、更に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。
3. 前記排燃料中の燃料濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記燃料濃度が、基準濃度より低くなっているか否かを判別する濃度判別手段と、
   前記燃料濃度が、前記基準濃度よりも低くなっていると判別された場合に、前記導入経路に排燃料が流入する状態となるように前記切替手段の切り替えを制御する制御手段と、
   を、更に備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記導入経路に配置され、前記導入経路内の前記排燃料を気化する第１気化手段を、更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池に供給させる燃料が貯蔵された燃料貯蔵手段に接続し、前記燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を、前記燃料電池に供給するための燃料電池用供給経路と、
   前記燃料貯蔵手段に接続し、前記燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を、前記内燃機関に供給するための内燃機関用供給経路と、
   を、更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記内燃機関用供給経路に配置され、前記燃料貯蔵手段内に液体状態で貯蔵された前記燃料を気化する第２気化手段を、更に備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記内燃機関に接続し、前記内燃機関の排ガスが排出される排気経路と、
   前記排気経路に配置され、前記排ガスを浄化する触媒と、
   を、更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池に供給される燃料は、窒素原子を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。

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