JP2011216342A

JP2011216342A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2011216342A
Application number: JP2010083588A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Watanabe; 秀信渡辺; Koji Terada; 興司寺田; Shigeji Otani; 茂史大谷
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP5490595B2

Abstract

【課題】システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、アノードに供給される液体燃料中（液体中）のアンモニア液濃度を精度よく取得することができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料循環ラインの一端から燃料電池のアノードにヒドラジン類を含む液体燃料が供給される。アノードから排出される気体および液体は、燃料循環ラインに排出される。燃料循環ラインの途中部には、気液分離器が介装されている。気液分離器内の圧力Ｐおよび気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度Ｃ_gasから、気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算され、この演算された分圧Ｐ_NH3、燃料循環ラインを流れる液体の温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、アノード３に供給される液体中のアンモニア液濃度が演算される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、燃料電池に液体燃料であるヒドラジン類を直接に供給するものが知られている。

燃料電池は、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードは、燃料循環ラインの途中に介装されている。すなわち、燃料循環ラインの一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環ラインから液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードには、空気が供給される。

アノードでは、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、電気化学反応による起電力が発生する。

このような燃料電池システムでは、液体燃料の熱分解や発電時の副次的反応により、アンモニア（ＮＨ_３）が発生する。発生したアンモニアが液体燃料中に溶解し、液体燃料中のアンモニアの濃度（以下「アンモニア液濃度」という。）が上昇すると、燃料電池の発電性能が低下する。また、アンモニアによる臭気が発生する。そのため、液体燃料中のアンモニア液濃度を常に監視して、アンモニア液濃度が一定濃度を超えないように、発電量を制御する必要がある。

特開２００９−１９９７７０号公報

液体燃料中のアンモニア液濃度は、赤外線液体成分濃度計などの液濃度センサを用いて検出することができる。しかしながら、液濃度センサは、大型かつ高価である。そのため、液濃度センサを燃料電池システムに採用すると、燃料電池システムのサイズが大型化し、そのコストが高くなる。また、液体燃料中には、アンモニアと比較して高濃度のヒドラジン類が含まれるので、液濃度センサを用いても、アンモニア液濃度を精度よく検出することは困難である。

本発明の目的は、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、アノードに供給される液体燃料中（液体中）のアンモニア液濃度を精度よく取得することができる、燃料電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードにヒドラジン類を含む液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該分離された液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、前記気液分離器内の圧力を検出する圧力センサと、前記気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサと、前記循環路を流れる液体の温度を検出する温度センサと、前記圧力センサにより検出される圧力および前記アンモニアガス濃度センサにより検出されるアンモニアガスの濃度から、前記気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧を演算する分圧演算手段と、前記分圧演算手段により演算された分圧、前記温度センサにより検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、気液分離器内で分離された液体中（前記アノードに供給される液体中）のアンモニアの濃度（アンモニア液濃度）を演算するアンモニア液濃度演算手段とを含むことを特徴としている。

この燃料電池システムでは、循環路の一端から燃料電池のアノードにヒドラジン類を含む液体燃料が供給される。アノードから排出される気体および液体（液体燃料を主として含む液体）は、循環路に排出される。循環路の途中部には、気液分離器が介装されている。アノードから循環路に排出される気体および液体は、気液分離器内において互いに分離され、その分離された液体が循環路に戻される。これにより、未反応の液体燃料は、循環路およびアノードを循環する。

そのため、液体燃料の熱分解や発電時の副次的反応により発生するアンモニアが液体燃料に溶解し、循環路およびアノードを循環する液体中のアンモニア液濃度が上昇すると、言い換えれば、その液体中の液体燃料の濃度が低下すると、燃料電池の発電性能が低下したり、アンモニアによる臭気が発生したりする。

そこで、アノードに供給される液体中のアンモニア液濃度を取得するために、気液分離器内の圧力を検出する圧力センサと、気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサと、循環路を流れる液体の温度を検出する温度センサとが設けられている。

そして、圧力センサにより検出される圧力およびアンモニアガス濃度センサにより検出されるアンモニアガスの濃度から、気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧が演算され、この演算された分圧、温度センサにより検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、アンモニア液濃度が演算される。

アンモニアガス濃度センサは、赤外線液体成分濃度計などの液濃度センサと比較して小型かつ安価である。また、気液分離器内で分離される気体は、主として窒素ガスおよびアンモニアガスであるので、アンモニアガスは、アンモニアガス濃度センサにより、液濃度センサによるアンモニア液濃度の検出の精度よりも高精度に検出することができる。

よって、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、液体燃料中のアンモニア液濃度を精度よく取得することができる。

前記燃料電池システムでは、前記カソードに供給される空気が流れる空気供給路と、前記カソードから外部に排出される空気が流れる排気路と、前記カソードに供給される空気の流量を調節するための空気流量調節器と、前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるバルブと、当該燃料電池システムが搭載される車両の走行速度を検出する車速センサと、前記分圧演算手段により演算されるアンモニアガスの分圧に基づいて、前記気液分離器内から外部に排出される気体中のアンモニアの量を演算するアンモニア排出量演算手段と、前記車速センサにより検出される車両の走行速度および前記アンモニア排出量演算手段により演算されたアンモニアの量に基づいて、前記気液分離器内から排出される気体中のアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量を演算する希釈空気必要量演算手段と、前記排気路を流通する空気の流量と前記希釈空気必要量演算手段により演算される希釈空気必要量とを比較し、その比較結果に基づいて、前記空気流量調節器および前記バルブの開閉を制御する制御手段とをさらに含むことが好適である。

この燃料電池システムでは、空気供給路からカソードに空気が供給され、カソードから排気路を通して外部に空気が排気される。カソードに供給される空気の流量は、空気流量調節器により調節される。また、気液分離器内で分離された気体の外部への排出を許容／阻止するために開閉されるバルブが備えられている。

そして、分圧演算手段により演算されるアンモニアガスの分圧に基づいて、気液分離器内から外部に排出される気体中のアンモニアの量が演算される。次いで、その演算されたアンモニアの量および車速センサにより検出される車両の走行速度に基づいて、気液分離器内から排出される気体中のアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量が演算される。つづいて、その演算された希釈空気必要量と排気路を流通する空気の流量との大小が比較され、その比較結果に基づいて、アンモニアガスを高濃度に含む気体が排出されないように、空気流量調節器およびバルブの開閉が制御される。

よって、アンモニアによる臭気の発生を良好に防止することができる。

本発明によれば、アンモニアガス濃度センサにより、気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度が検出され、その検出されたアンモニアガスの濃度に基づいて、アノードに供給される液体中のアンモニア液濃度が演算される。よって、システムサイズの大型化およびシステムコストの上昇を抑えながら、アンモニア液濃度を精度よく検出することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。図３は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア液濃度取得処理のフローチャートである。図４は、図２に示す制御部により実行されるアンモニアガス希釈処理のフローチャートである。図５は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア濃度制御のフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。

燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質体５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質体５は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。

アノード３には、燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、燃料循環ライン７の一端と他端との間に介装されている。具体的には、燃料流路６の一端は、燃料供給口８をなし、この燃料供給口８には、燃料供給ラインとしての燃料循環ライン７の一端９が接続されている。燃料流路６の他端は、燃料排出口１０をなし、この燃料排出口１０には、燃料排出ラインとしての燃料循環ライン７の他端１１が接続されている。

燃料循環ライン７の一端９および他端１１の近傍には、それぞれ燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が介装されている。

燃料循環ライン７の途中部には、燃料タンク１４から延びる燃料補給管１５が接続されている。燃料タンク１４には、ヒドラジン類が貯留されている。燃料補給管１５の途中部には、燃料補給ポンプ１６が介装されている。燃料補給ポンプ１６が駆動されることにより、燃料タンク１４から燃料補給管１５を通して燃料循環ライン７に液体燃料が供給される。

ヒドラジン類としては、無水ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、トリアザン（ＮＨ_２ＮＨＮＨ_２）、テトラザン（ＮＨ_２ＮＨＮＨＮＨ_２）などが例示される。

また、燃料循環ライン７において、燃料補給管１５が接続される部分と燃料供給バルブ１２との間には、燃料循環ポンプ１７が介装されている。燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、液体燃料が燃料循環ライン７を燃料循環ポンプ１７から一端９に向かう方向に流れ、燃料供給口８から燃料流路６に液体燃料が供給される。燃料流路６に供給される液体燃料は、燃料流路６を流れ、燃料排出口１０から燃料循環ライン７に排出される。このように、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開けられた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、燃料流路６および燃料循環ライン７を液体燃料が循環する。

燃料循環ライン７にはさらに、燃料排出バルブ１３と燃料補給管１５が接続される部分との間に、気液分離器１８が介装されている。燃料排出口１０から燃料循環ライン７には、液体燃料を主として含む液体とともに気体が排出される。液体燃料および気体は、燃料循環ライン７から気液分離器１８内に流入する。そして、気液分離器１８内において、液体と気体とが互いに分離される。分離された液体は、燃料循環ライン７に戻される。

気液分離器１８には、ガス放出ライン１９が接続されている。ガス放出ライン１９には、ガス放出バルブ２０が介装されている。ガス放出バルブ２０が開かれると、気液分離器１８内のガスがガス放出ライン１９を通して大気に放出される。

カソード４には、気体流路２１が形成されている。気体流路２１の一端は、気体供給口２２をなし、この気体供給口２２には、エアコンプレッサ２３から延びる空気供給ライン２４が接続されている。気体流路２１の他端は、気体排出口２５をなし、この気体排出口２５には、一端が開放される気体排出ライン２６の他端が接続されている。気体排出ライン２６の途中部には、気体流路２１を流れる空気の圧力を調節するための圧力調節バルブ２７が介装されている。

図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、気液分離器１８内の圧力を検出する圧力センサ４１と、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサ４２と、気液分離器１８から燃料循環ライン７に流れる液体の温度を検出する温度センサ４３と、燃料電池２が発生する電流を検出する電流センサ４４とを備えている。

また、燃料電池システム１が搭載される自動車には、燃料電池２で発生した電力（電気エネルギー）を蓄えておくための二次電池５１と、自動車の走行速度（車速）を検出する車速センサ５２とが搭載されている。

そして、燃料電池システム１は、マイクロコンピュータにより構成される制御部４５を備えている。マイクロコンピュータには、ＣＰＵおよびメモリなどが含まれる。

制御部４５には、圧力センサ４１、アンモニアガス濃度センサ４２、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力が入力される。

制御部４５は、メモリに格納されたプログラムに従って、各センサ４１，４２，４３，４４，５２からの入力に基づいて、燃料補給ポンプ１６、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動を制御し、燃料供給バルブ１２、燃料排出バルブ１３およびガス放出バルブ２０の開閉を制御する。また、圧力調節バルブ２７の開度を制御する。

燃料電池システム１の運転時には、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれ、燃料循環ポンプ１７が駆動されて、アノード３の燃料流路６に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに、圧力調節バルブ２７の開度が調節されることにより、カソード４の気体流路２１に空気が供給される。

これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、液体燃料がヒドラジンである場合、アノード３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料循環ライン７に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、電解質体５を透過して、アノード３に移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）
この結果、アノード３とカソード４との間に、電気化学反応による起電力が発生する。

燃料補給ポンプ１６は、燃料循環ライン７に液体燃料を補給する必要が生じた時に駆動される。

ガス放出バルブ２０は、気液分離器１８内の圧力に応じて開閉され、通常の運転時には開かれている。

図３は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア液濃度取得処理のフローチャートである。

燃料電池システム１の運転中、制御部４５は、燃料循環ライン７を流れる液体中のアンモニアの濃度（アンモニア液濃度）を監視するために、図３に示すアンモニア液濃度取得処理を予め定める周期で実行する。

圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力は、制御部４５により、アンモニア液濃度取得処理の実行周期よりもかなり短い周期（たとえば、１０msec）で取得されている。アンモニアガス濃度センサ４２の出力は、制御部４５により、アンモニア液濃度取得処理の実行周期よりも長い周期（たとえば、３０sec）で取得されている。

そのため、アンモニア液濃度取得処理の開始時に、圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力は、常に取得されるが（ステップＳ１）、アンモニアガス濃度センサ４２の出力は、取得される場合と取得されない場合とがある。

アンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得された場合には（ステップＳ２のＹＥＳ）、その出力が表すガス濃度測定値Ｃ_gasと圧力センサ４１の出力が表す気液分離器１８内の圧力Ｐとに基づいて、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算される（ステップＳ３）。具体的には、演算式（３）に従って、アンモニアガスの分圧が演算される。

Ｐ_NH3［kPa］＝Ｃ_gas［％］×Ｐ［kPa］・・・（３）
つづいて、その演算されたアンモニアガスの分圧、温度センサ４３の出力が表す温度（気液分離器１８から燃料循環ライン７を流れる液体の温度）およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、アンモニア液濃度Ｃ_liqが演算される。たとえば、温度センサ４３の出力が表す温度が６０℃である場合、演算式（４）に基づいて、アンモニア液濃度Ｃ_liqが演算される。演算されたアンモニア液濃度Ｃ_liqは、液濃度演算値Ｃ_cとしてメモリに保持され、現在のアンモニア液濃度と決定される。

Ｐ_NH3［kPa］＝０．００１２×Ｃ_liq ^３＋０．０９０１×Ｃ_liq ^２
＋４．３９６２×Ｃ_liq−０．０１３８・・・（４）
その後、液濃度演算値Ｃ_cと後述する液濃度推定値Ｃ_eとの偏差が所定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ５）。液濃度推定値Ｃ_eが未だ演算（推定）されていない場合、液濃度演算値Ｃ_cと液濃度推定値Ｃ_eとの偏差は零であるとして、その偏差が所定値以上であるか否かの判断が否定され（ステップＳ５のＮＯ）、アンモニア液濃度取得処理が終了する。

その後、アンモニア液濃度取得処理が再び実行され、その開始時に、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得されなかった場合（ステップＳ２のＮＯ）、前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃ_cまたは液濃度推定値Ｃ_e（つまり、現在のアンモニア液濃度）、温度センサ４３の出力が表す温度（燃料循環ライン７を流れる液体の温度）およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの分圧が演算される。たとえば、温度センサ４３の出力が表す温度が６０℃である場合、前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃ_cまたは液濃度推定値Ｃ_eをアンモニア液濃度Ｃ_liqとして、前記の演算式（４）に従って、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算される（ステップＳ７）。

また、アンモニア液濃度Ｃ_liq、燃料循環ライン７を流れる液体の流量Ａ_fおよび温度センサ４３の出力が表す温度に基づいて、燃料電池で生成されるアンモニアの量であるアンモニア生成量Ｇ_NH3が演算される（ステップＳ８）。具体的には、演算式（５）に従って、アンモニア生成量Ｇ_NH3が演算される。なお、燃料循環ライン７を流れる液体の流量Ａ_fは、燃料循環ポンプ１７の駆動状態から取得することができる。

Ｇ_NH3［mol/min］＝α×Ｃ_liq×Ａ_f ・・・（５）
α：燃料循環ライン７を流れる液体の温度に応じた定数
さらに、電流センサ４４の出力が表す電流値Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎに基づいて、演算式（６）に従って、燃料電池２で生成される窒素ガスの量である生成窒素量Ｇ_N2が演算される（ステップＳ９）。

Ｇ_N2［mol/min］＝Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎ×６０・・・（６）
Ｆ：ファラデー定数
つづいて、演算式（４）に従って演算されたアンモニアガスの分圧Ｐ_NH3および演算式（６）に従って演算された生成窒素量Ｇ_N2に基づいて、演算式（７）に従って、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量Ｅ_NH3が演算される。

Ｅ_NH3［mol/min］＝（Ｐ_NH3／Ｐ_air）×Ｇ_N2 ・・・（７）
Ｐ_air：大気圧
そして、アンモニア生成量Ｇ_NH3からアンモニア排出量Ｅ_NH3が差し引かれ、その減算値から濃度変化量が求められて、この濃度変化量が前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃ_cまたは液濃度推定値Ｃ_eに加えられる（ステップＳ１０）。そして、その加算値が現在のアンモニア液濃度と決定され、アンモニア液濃度取得処理が終了する。

その後、アンモニア液濃度取得処理が再び実行され、その開始時にアンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得されて（ステップＳ２のＹＥＳ）、液濃度演算値Ｃ_cがメモリに保持され、現在のアンモニア液濃度と決定されると（ステップＳ３，Ｓ４）、液濃度演算値Ｃ_cと前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度推定値Ｃ_eとの偏差が所定値以上であるか否かが判断される（ステップＳ５）。そして、液濃度演算値Ｃ_cと液濃度推定値Ｃ_eとの偏差が所定値以上であれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、その偏差に応じて、燃料循環ライン７を流れる液体の温度に応じた定数αが補正され、アンモニア液濃度取得処理が終了する。以降、定数αが新たに補正されるまで、前記の演算式（５）に従った演算において、その補正後の定数αが用いられる。

以上のように、燃料電池システム１では、燃料循環ライン７の一端９から燃料電池２のアノード３にヒドラジン類を含む液体燃料が供給される。アノード３から排出される気体および液体（液体燃料を主として含む液体）は、燃料循環ライン７に排出される。燃料循環ライン７の途中部には、気液分離器１８が介装されている。アノード３から燃料循環ライン７に排出される気体および液体は、気液分離器１８内において互いに分離され、その分離された液体が燃料循環ライン７に戻される。これにより、未反応の液体燃料は、燃料循環ライン７およびアノード３を循環する。

そのため、液体燃料の熱分解や発電時の副次的反応により発生するアンモニアが液体燃料に溶解し、燃料循環ライン７およびアノード３を循環する液体中のアンモニア液濃度が上昇すると、言い換えれば、その液体中の液体燃料の濃度が低下すると、燃料電池２の発電性能が低下したり、アンモニアによる臭気が発生したりする。

そこで、アノード３に供給される液体中のアンモニア液濃度を取得するために、気液分離器１８内の圧力Ｐを検出する圧力センサ４１と、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサ４２と、燃料循環ライン７を流れる液体の温度を検出する温度センサ４３とが設けられている。

そして、圧力センサ４１により検出される圧力Ｐおよびアンモニアガス濃度センサ４２により検出されるアンモニアガスの濃度Ｃ_gasから、気液分離器１８内におけるアンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算され、この演算された分圧Ｐ_NH3、温度センサ４３により検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、液濃度演算値Ｃ_cが演算される。

アンモニアガス濃度センサ４２は、赤外線液体成分濃度計などの液濃度センサと比較して小型かつ安価である。また、気液分離器１８内で分離される気体は、主として窒素ガスおよびアンモニアガスであるので、アンモニアガスは、アンモニアガス濃度センサ４２により、液濃度センサによるアンモニア液濃度の検出の精度よりも高精度に検出することができる。

また、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が制御部４５により取得されない期間には、燃料電池２で生成される窒素ガスの量である生成窒素量Ｇ_N2、および気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量Ｅ_NH3が演算される。そして、アンモニア生成量Ｇ_NH3からアンモニア排出量Ｅ_NH3が差し引かれ、その減算値から濃度変化量が求められて、この濃度変化量が前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度演算値Ｃ_cまたは液濃度推定値Ｃ_eに加えられることにより、液濃度推定値Ｃ_eが現在のアンモニア液濃度として取得される。

そのため、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が制御部４５により取得されない期間においても、アンモニア液濃度を取得することができ、アンモニア液濃度に応じた適切なシステム制御を実行することができる。

また、アンモニアガス濃度センサ４２の出力が制御部４５により新たに取得されて、液濃度演算値Ｃ_cが新たに演算されると、液濃度演算値Ｃ_cと前回のアンモニア液濃度取得処理で演算された液濃度推定値Ｃ_eと偏差が求められ、その偏差が所定値以上であれば、液濃度推定値Ｃ_eを演算する際に用いられる定数αが補正される。その結果、液濃度推定値Ｃ_eの推定精度が向上するので、アンモニア液濃度をより精度よく取得することができる。

図４は、図２に示す制御部により実行されるアンモニアガス希釈処理のフローチャートである。

燃料電池システム１の運転中、制御部４５により、図４に示すアンモニアガス希釈処理が予め定める周期で実行される。

アンモニアガス希釈処理では、まず、圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力が取得される（ステップＳ１１）。

次に、直近のアンモニア液濃度取得処理で取得（演算）されたアンモニア液濃度（液濃度演算値Ｃ_cまたは液濃度推定値Ｃ_e）をアンモニア液濃度Ｃ_liqとして、前記の演算式（４）に従って、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算される（ステップＳ１２）。

なお、アンモニアガス希釈処理の開始時にアンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得された場合には、その出力が表すガス濃度測定値Ｃ_gasと圧力センサ４１の出力が表す気液分離器１８内の圧力Ｐとに基づいて、前記の演算式（３）に従って、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算されてもよい。

次いで、電流センサ４４の出力が表す電流値Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎに基づいて、前記の演算式（６）に従って、燃料電池２で生成される窒素ガスの量である生成窒素量Ｇ_N2が演算される。そして、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3および生成窒素量Ｇ_N2に基づいて、前記の演算式（７）に従って、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量Ｅ_NH3が演算される（ステップＳ１３）。

その後、気液分離器１８からガス放出ライン１９を通して外部に排出されるアンモニアガスを臭気が生じない程度に希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量Ｄ_airが演算される（ステップＳ１４）。そのために、臭気を生じない程度のアンモニアガスの目標濃度Ｃ_dが設定されて、希釈空気必要量Ｄ_airは、その目標濃度Ｃ_d、アンモニア排出量Ｅ_NH3および車速センサ５２の出力が表す車速に応じた希釈係数Ｋ１に基づいて、演算式（８）に従って演算される。車速が大きいほど、自動車の走行により生じる風（走行風）が大きいので、希釈係数Ｋ１は、車速が大きいほど大きな値に設定される。

Ｄ_air［mol/min］＝Ｅ_NH3／Ｃ_d／Ｋ１・・・（８）
そして、希釈空気必要量Ｄ_airと圧力調節バルブ２７の開度から取得されるカソード４からの排気量との大小が比較される（ステップＳ１５）。

希釈空気必要量Ｄ_airが排気量以下であれば（ステップＳ１５のＮＯ）、アンモニアガス希釈処理は直ちに終了される。

希釈空気必要量Ｄ_airが排気量よりも大きい場合には（ステップＳ１５のＹＥＳ）、二次電池５１のＳＯＣが予め定められる閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ１６）。

二次電池５１のＳＯＣが閾値よりも大きければ（ステップＳ１６のＹＥＳ）、自動車の駆動力を二次電池５１からの放電により補うようにして、燃料循環ポンプ１７の送液能力および圧力調節バルブ２７の開度が下げられて、燃料電池２における発電量が低下（ダウン）される（ステップＳ１７）。その結果、発電時の副次的反応により発生するアンモニアの量が抑制される。

燃料電池２における発電量を低下させた後、希釈空気必要量Ｄ_airと排気量との大小が再び比較される（ステップＳ１８）。

希釈空気必要量Ｄ_airが排気量以下であれば（ステップＳ１８のＮＯ）、アンモニアガス希釈処理は直ちに終了される。

依然として、希釈空気必要量Ｄ_airが排気量よりも大きい場合には（ステップＳ１８のＹＥＳ）、エアコンプレッサ２３の能力が上げられて、カソード４からの排気量が増大（アップ）される（ステップＳ１９）。このとき、圧力調節バルブ２７は、気体排出ライン２６からの空気の排出を阻害しないような開度とされる。また、最初の希釈空気必要量Ｄ_airと排気量との大小比較（ステップＳ１５）の後に、二次電池５１のＳＯＣが閾値以下であると判定された場合には（ステップＳ１６のＮＯ）、燃料電池２における発電量が低下されることなく、カソード４からの排気量が増大される（ステップＳ１９）。

その後、希釈空気必要量Ｄ_airと排気量との大小が再び比較される（ステップＳ２０）。

希釈空気必要量Ｄ_airが排気量以下であれば（ステップＳ２０のＮＯ）、アンモニアガス希釈処理は直ちに終了される。

依然として、希釈空気必要量Ｄ_airが排気量よりも大きい場合には（ステップＳ２０のＹＥＳ）、ガス放出バルブ２０が閉じられて、気液分離器１８からの排気が停止され（ステップＳ２１）、アンモニアガス希釈処理が終了される。

このように、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3および生成窒素量Ｇ_N2に基づいて、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量Ｅ_NH3が演算される。次いで、臭気を生じない程度のアンモニアガスの目標濃度Ｃ_dが設定されて、その目標濃度Ｃ_d、アンモニア排出量Ｅ_NH3および車速センサ５２の出力が表す車速に応じた希釈係数Ｋ１に基づいて、気液分離器１８からガス放出ライン１９を通して外部に排出されるアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量Ｄ_airが演算される。
つづいて、その演算された希釈空気必要量Ｄ_airとカソード４からの排気量との大小が比較され、その比較結果に基づいて、アンモニアガスを高濃度に含む気体が排出されないように、圧力調節バルブ２７およびガス放出バルブ２０が制御される。

図５は、図２に示す制御部により実行されるアンモニア濃度制御のフローチャートである。

燃料電池システム１の運転中、制御部４５により、図４に示すアンモニア濃度制御が予め定める周期で実行される。

アンモニア濃度制御では、まず、圧力センサ４１、温度センサ４３、電流センサ４４および車速センサ５２の出力が取得される（ステップＳ３１）。

次に、直近のアンモニア液濃度取得処理で取得（演算）されたアンモニア液濃度（液濃度演算値Ｃ_cまたは液濃度推定値Ｃ_e）が予め定める閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ３２）。

アンモニア液濃度が閾値以下であれば（ステップＳ３２のＮＯ）、アンモニア濃度制御は直ちに終了される。

アンモニア液濃度が閾値よりも大きい場合には、そのアンモニア液濃度をアンモニア液濃度Ｃ_liqとして、燃料循環ライン７を流れる液体の流量Ａ_fおよび温度センサ４３の出力が表す温度（燃料循環ライン７を流れる液体の温度）に基づいて、前記の演算式（５）に従って、燃料電池２におけるアンモニア生成量Ｇ_NH3が演算される（ステップＳ３３）。

次に、アンモニア液濃度Ｃ_liq、アンモニア生成量Ｇ_NH3および燃料循環ライン７を流れる液体中に含まれることが許容される上限のアンモニア濃度（目標アンモニア液濃度）Ｃ_maxに基づいて、演算式（９）に従って、アンモニア排出量の目標値Ｅ_dが演算（設定）される（ステップＳ３４）。

Ｅ_d［mol/min］＝Ｇ_NH3＋Ｋ２／（Ｃ_max−Ｃ_liq）・・・（９）
Ｋ２：予め定められた係数
つづいて、車速が大きいほど、自動車の走行により生じる風（走行風）が大きく、気液分離器１８から排出されるアンモニアガスが希釈されるので、これを考慮して、車速センサ５２の出力が表す車速Ｖに応じて、演算式（１０）に従って、目標値Ｅ_dが目標値Ｅ_d’に補正される（ステップＳ３５）。

Ｅ_d’［mol/min］＝Ｖ×Ｋ３×Ｅ_d ・・・（１０）
Ｋ３：予め定められた係数
その後、前記の演算式（４）に従って、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算される（ステップＳ３６）。

なお、アンモニア濃度制御の開始時にアンモニアガス濃度センサ４２の出力が取得された場合には、その出力が表すガス濃度測定値Ｃ_gasと圧力センサ４１の出力が表す気液分離器１８内の圧力Ｐとに基づいて、前記の演算式（３）に従って、アンモニアガスの分圧Ｐ_NH3が演算されてもよい。

次いで、前記の演算式（６）に従って、生成窒素量Ｇ_N2が演算され、さらに前記の演算式（７）に従って、気液分離器１８から外部に排出されるアンモニアの量であるアンモニア排出量Ｅ_NH3が演算される（ステップＳ３７）。

そして、アンモニア排出量Ｅ_NH3と目標値Ｅ_d’との大小が比較される（ステップＳ３８）。

アンモニア排出量Ｅ_NH3が目標値Ｅ_d’以上であれば、（ステップＳ３８のＮＯ）、燃料循環ライン７を流れる液体中のアンモニア濃度（アンモニア液濃度）を目標アンモニア液濃度Ｃ_max以下に低減するのに十分なアンモニア排出量Ｅ_NH3が確保されていると判断されて、アンモニア濃度制御は終了される。

アンモニア排出量Ｅ_NH3が目標値Ｅ_d’未満である場合には（ステップＳ３８のＹＥＳ）、二次電池５１のＳＯＣが予め定められる閾値よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ３９）。

二次電池５１のＳＯＣが閾値よりも大きければ（ステップＳ３９のＹＥＳ）、自動車の駆動力を二次電池５１からの放電により補うようにして、燃料循環ポンプ１７の送液能力が上げられるなど、燃料電池２における発電量を低下（ダウン）させるための制御が行われた後（ステップＳ４０）、アンモニア濃度制御は終了される。その結果、発電時の副次的反応により発生するアンモニアの量が抑制される。

二次電池５１のＳＯＣが閾値以下であれば（ステップＳ３９のＮＯ）、燃料循環ポンプ１７の送液能力が下げられるなど、燃料電池２における発電量を増加（アップ）させるための制御が行われた後（ステップＳ４１）、アンモニア濃度制御は終了される。燃料電池２における発電量が増加されると、燃料電池２のアノード３で生成される窒素ガスの量が増えるとともに、アノード３から排出されるアンモニアガスの量が増えるので、アンモニア液濃度が低下する。

このように、アンモニア排出量Ｅ_NH3が目標値Ｅ_d’よりも大きい場合には、燃料電池２における発電量が低下されることにより、発電時の副次的反応により発生するアンモニアの量が抑制される。その結果、燃料循環ライン７を流れる液体におけるアンモニア液濃度を低減することができ、燃料電池２における発電性能の低下を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、燃料電池システム１が自動車に搭載された場合を例にとったが、燃料電池システム１は、自動車に限らず、自動車以外の車両、飛行機、宇宙ロケットなどに搭載されてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１燃料電池システム
２燃料電池
３アノード
４カソード
７燃料循環ライン（循環路）
９一端
１１他端
１８気液分離器
２０ガス放出バルブ（バルブ）
２３エアコンプレッサ（空気流量調節器）
２４空気供給ライン（空気供給路）
２６気体排出ライン（排気路）
２７圧力調節バルブ
４１圧力センサ
４２アンモニアガス濃度センサ
４３温度センサ
４５制御部（分圧演算手段、アンモニア液濃度演算手段、アンモニア排出量演算手段、希釈空気必要量演算手段、制御手段）
５２車速センサ

Claims

アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードにヒドラジン類を含む液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、
前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該分離された液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、
前記気液分離器内の圧力を検出する圧力センサと、
前記気液分離器内におけるアンモニアガスの濃度を検出するアンモニアガス濃度センサと、
前記循環路を流れる液体の温度を検出する温度センサと、
前記圧力センサにより検出される圧力および前記アンモニアガス濃度センサにより検出されるアンモニアガスの濃度から、前記気液分離器内におけるアンモニアガスの分圧を演算する分圧演算手段と、
前記分圧演算手段により演算された分圧、前記温度センサにより検出される温度およびアンモニアの蒸気圧−液濃度特性に基づいて、前記気液分離器内で分離された液体中のアンモニアの濃度を演算するアンモニア液濃度演算手段とを含む、燃料電池システム。
前記カソードに供給される空気が流れる空気供給路と、
前記カソードから外部に排出される空気が流れる排気路と、
前記カソードに供給される空気の流量を調節するための空気流量調節器と、
前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるバルブと、
当該燃料電池システムが搭載される車両の走行速度を検出する車速センサと、
前記分圧演算手段により演算されるアンモニアガスの分圧に基づいて、前記気液分離器内から外部に排出される気体中のアンモニアの量を演算するアンモニア排出量演算手段と、
前記車速センサにより検出される車両の走行速度および前記アンモニア排出量演算手段により演算されたアンモニアの量に基づいて、前記気液分離器内から排出される気体中のアンモニアガスを希釈するために必要な空気の量である希釈空気必要量を演算する希釈空気必要量演算手段と、
前記排気路を流通する空気の流量と前記希釈空気必要量演算手段により演算される希釈空気必要量とを比較し、その比較結果に基づいて、前記空気流量調節器および前記バルブの開閉を制御する制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。