JP2019131454A - 燃料電池車用燃料製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】アンモニア燃料を用いる燃料電池車において、アンモニアを合成する方法及び合成装置を備えた燃料電池車システムの提供を課題とするものである。【解決手段】本発明にかかる燃料電池システムは、水タンク２、水素発生装置３、アンモニア分解装置４、窒素タンク５、アンモニア合成装置６、圧縮機７、アンモニアタンク８、窒素ガス分離抽出装置９及び熱交換器１０、燃料電池１１、受電装置１３及び運転制御部１４を備えたものであり、燃料電池停止時に外部電力を用いてアンモニアの分解反応で生じたまたは空気の分離抽出により生成した窒素ガスと水素発生装置３で生成した水素ガスをアンモニア合成装置６に導入してアンモニア合成を行い、これを圧縮機７により液化しアンモニアタンクに８に貯留することで、アンモニア燃料を分解した際に発生する窒素ガスのアンモニアリサイクル及び空気中の窒素ガスを用いてアンモニア燃料の製造・貯留を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車用燃料製造システムに関し、特にたとえば、アンモニアの分解によって得られる水素含有ガスを燃料とする燃料電池車及びアンモニアの分解で発生した窒素ガス又は空気中から分離抽出した窒素ガスを用いてアンモニア燃料を合成する燃料製造システムに関する。

電気自動車は、二次電池に充電した電気エネルギーを利用してモーターを駆動させる自動車であり、従来の内燃機関を利用した自動車に比べてCO_２を排出しないため環境面で優れており、現在急速に普及し始めている。

燃料電池は、燃料として水素と酸素を使用し、水（水蒸気）のみを排出するため、環境面において優れており、また高いエネルギー効率を実現できることからCO_２を排出しない発電システムとして普及し始めている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種燃料電池と比較して、60〜150℃という比較的低温での作動が可能であり、また最も出力密度が高いことから、燃料電池車においてはCO_２を排出しない動力発生部として採用されている。

燃料電池の発電に用いる燃料ガスは、改質器等において生成される。例えば、アンモニアを熱分解することによって得られる水素含有ガスを、燃料ガスとして燃料電池に供給する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４５７４８号公報

電気自動車の走行可能距離は電池性能に依存するが、充電を繰り返すと性能劣化に伴い走行可能距離の減少が生じるという問題がある。また、バッテリー自体が高価であるため、電池単体における走行可能距離の減少を回復するため電池交換を行うことや走行可能距離の長距離化を測るため電池の追加を行うことは、電気自動車の維持コストが大幅増加となり経済性に乏しくなるという問題もある。

また、燃料電池車では走行可能距離の長距離化のため水素燃料を搭載して車内で生成した電気エネルギーを駆動源としているが、燃料電池車に搭載されている水素タンクは高圧水素用で嵩高くかつ重いため、走行可能距離を延ばすべく水素ボンベを追加する場合、自動車内で重量増と車内スペースの減少という問題が発生する。

本発明は、前記の電池や水素ボンベを追加することなく走行可能距離を延ばす方策として水素ガスに比べて液体保管が容易な水素キャリアであるアンモニアを燃料とする燃料電池車を提供すること、及び燃料電池車に受電システムを組み込み、外部電力を利用し空気中またはアンモニア分解にて得られた窒素ガスを原料として自動車内でアンモニアを生成・液化・貯蔵するシステムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車用燃料製造システムは、「アンモニアを分解することによって水素含有ガスを生成するアンモニア分解装置と、アンモニアの分解反応により生成した水素ガス及び窒素ガスを冷却するための熱交換器と、空気からの窒素分離抽出により窒素ガスを生成する窒素ガス分離抽出装置と、前記アンモニアの分解反応または空気の分離抽出により生成する窒素ガスを貯留する窒素ガスタンクとを備え、水素ガスを生成する水素発生装置と当該水素発生装置に水を供給するための水タンクを備え、前記窒素ガスタンクから供給される窒素ガスと前記水素発生装置から供給される水素を原料としてアンモニアを合成するアンモニア合成装置と、合成したアンモニアを液化する圧縮機と、液化されたアンモニアを貯留するためのアンモニアタンクを備え（以下、以上の構成を「燃料ガス合成部」と称する）、水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池と、外部電力から電力供給を受けるための受電装置と、前記燃料電池で発電された電力または前記受電装置で受電した電力を蓄積しまたは放出するための二次電池及びキャパシターを備え、自動車駆動系を制御するためのDC/DCコンバーター及びインバーターを備え、自動車に動力を与えるモーター（以下、以上の構成を「発電・蓄電・駆動部」と称する）を備え、またこれら燃料電池車用燃料製造システムを制御するための運転制御部とからなる」ことを特徴とするものである。

以下、前記燃料ガス合成部に関し、その主要構成要素の概略を記す。

「水タンク」は、燃料電池から排出される水分及び外部補給を受けた水分を貯留するために設けられるものである。

「水素発生装置」は、車載の二次電池に蓄積された電気エネルギーまたは受電装置にて受電した電気エネルギーにより水を電気分解して水素ガスを発生させる装置である。

なお、高速充電器により外部電力を導入して直接水素を製造する場合において、数百アンペア―数百ボルトのハイパワーを用いる場合は、シリコン、SiC、GaN等からなるパワー半導体を用いた電気分解式水素発生装置を用いることができる。

「アンモニア分解装置」は、アンモニアガスを当該装置内に供給する供給部、アンモニア分解触媒を担持したセラミックス、アンモニア分解時に発生する水素ガスを分離するための水素分離管、当該水素分離管を透過して分離された水素ガスを熱交換器に導くための水素ガス配管、及び当該水素分離管内に残留した窒素ガスを排出するための窒素ガス配管を有する（以下、単に「触媒式分解装置」と称する）。

前記「触媒式分解装置」に用いるアンモニア分解触媒としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ru等の遷移金属系、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄの希土類系を用いることができる。遷移金属系は合金、窒化物、炭化物、酸化物、複合酸化物として用いることができ、希土類系は酸化物として用いることができ、遷移金属系および希土類系とも、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア等の高比表面積の担体に担持して用いることができる。

前記の水素透過金属管は、Pd及びその合金、V、Zr-Ni合金等の水素透過金属・合金のいずれかからなる水素透過金属管である。

なお、「アンモニア分解装置」としては、前記「触媒式分解装置」の他に大気圧プラズマを利用したアンモニア分解装置（以下、単に「プラズマ式分解装置」と称する）を用いることもできる。当プラズマ式分解装置は、接地電極を取り付けた外筒と当外筒内に水素分離膜を溶接した電極管を配置した構成からなるアンモニア分解装置である。

「窒素ガス分離抽出装置」は、中空糸などを利用して空気中からアンモニア合成原料となる窒素ガスを抽出する装置である。

「窒素ガスタンク」は、前記のアンモニア分解装置で生成した窒素ガス及び前記窒素ガス分離抽出装置により空気から分離抽出した窒素ガスを一時的に貯留するためのガスボンベである。

「アンモニア合成装置」は、前記水素発生装置で発生した水素ガスを当該装置内に導入するための導入部、窒素ガスを当該装置内に導入するための導入部、アンモニア合成触媒、アンモニア合成時に過熱するために用いられる電気式セラミックスヒーター、当該アンモニア合成触媒及び電気式セラミックスヒーターを格納する反応容器を有する。

前記「アンモニア合成触媒」に用いるアンモニア合成触媒としては、Ｍｏ、Ru等の遷移金属系を用いることができる。遷移金属系は、金属単体の他に合金、窒化物、炭化物、酸化物、複合酸化物、錯体として用いることができる。また、これらは、SrZrOx、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、C12A7（１２CaO・７Al2O3）エレクトライド等のセラミックス担体に担持して用いることができる。

「圧縮機」は、前記アンモニア合成装置で合成されたアンモニアガスを液化するための圧縮機である。また、アンモニア分解反応により生成する窒素ガスもしくは窒素ガス分離抽出装置により空気より抽出された窒素ガスを窒素ガスタンクに貯留するための圧縮機でもある。

「アンモニアタンク」は、前記圧縮機で液化されたアンモニア、または外部から補給された液化アンモニアを貯留するための容器である。

「熱交換器」は、触媒式分解装置で分解生成した高温の水素ガスと窒素ガスを、またはアンモニア合成装置で生成した高温アンモニアガスを冷却するための装置である。

前記、水素発生装置、触媒式アンモニア分解装置、プラズマ式アンモニア分解装置、窒素ガス分離抽出装置、窒素ガスタンク、アンモニア合成装置、アンモニアタンク、熱交換器は、各装置における水素ガス、窒素ガスもしくはアンモニアガスのいずれかの導入口または排出口において温度センサー及び圧力センサーを有する。

以下、前記発電・蓄電・駆動部に関し、その主要構成要素の概略を記す。

「燃料電池」は、アンモニア分解装置で分解生成した水素含有ガスを燃料として発電する固体高分子型燃料電池（以下、単に「PEFC」と称する）であり、発電された電気は「インバーター」により交流変換されて直接駆動用モーターを作動させ、または「DC/DCコンバーター」を経由して「二次電池」もしくは「キャパシター」に蓄えられる。

「受電装置」は、外部より有線送電装置または無線送電装置により送電された電力を受電する装置である。当該受電装置にて受電された電力は、「DC/DCコンバーター」及び「インバーター」を経由して「二次電池」もしくは「キャパシター」に蓄えられ、または「モーター」を駆動させ、もしくは当受電された電力は前記「燃料ガス合成部」における各装置を作動させるために供給される。

「二次電池」は、前記燃料電池にて発電された電気または受電装置で受電した電
力を蓄える装置である。当蓄電装置にて蓄えられた電力は、「DC/DCコンバーター」及び「インバーター」を経由して「モーター」を駆動させ、もしくは前記「燃料ガス合成部」における各装置を作動させるために供給される。

「運転制御部」は、演算部としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、揮発記憶部としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えるマイクロコンピュータであり、燃料電池車の前記「燃料ガス合成部」及び「発電・蓄電・駆動部」における各構成装置を制御する装置である。

以上、上記構成により、本発明に係る燃料電池車用燃料製造システムは、水素含有ガスを燃料ガスとして発電するPEFCと、PEFC作動時にアンモニアを分解することによって水素燃料ガスと窒素ガスを生成するアンモニア分解装置と、PEFC停止時に外部電力を利用して空気中の窒素ガスを抽出する窒素ガス分離抽出装置と、PEFC作動時にアンモニア分解装置から発生する窒素ガスまたはPEFC停止時に窒素ガス分離抽出装置で分離抽出される窒素ガスを貯留する窒素ガスタンクと、当該窒素ガスタンクに貯留された窒素ガスと水素発生装置で発生した水素ガスを用いてアンモニアを合成するアンモニア合成装置とを備え、外部より補給されたアンモニアを分解した際に発生する窒素ガスのアンモニアリサイクル及び空気中の窒素ガスを用いてアンモニア燃料の創出を行うことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池車用燃料製造システムにおいて、「アンモニア分解装置」として「触媒式分解装置」を用いた場合、例えばアンモニア分解触媒にＲｕＯ_２／γ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒（酸化アルミニウム担持酸化ルテニウム触媒）を用いると、アンモニアの吸着熱により触媒層は急速に加熱され、触媒層温度を300〜500℃に維持した状態でアンモニアを当触媒層に接触させるとＲｕＯ_２触媒の分解作用により分解される。当アンモニア分解反応は発熱反応であるため、一旦反応が始まるとアンモニアを供給し続ける限り触媒層の温度は高温に保たれ、そのためアンモニア分解時に発生する窒素ガス及び水素ガスも同様の高温状態となって排出される。

前記の「触媒式分解装置」から排出される高温の窒素ガス及び水素ガスは、それぞれ専用の配管にて熱交換器に導入され、冷却される。冷却後の水素ガスは発電用燃料ガスとして燃料電池へ送られ、冷却後の窒素ガスは圧縮機に送られ、当該圧縮機により窒素ガスタンクに貯留される。

なお、熱交換器にて回収した熱エネルギーは、蓄熱器などに蓄熱し、適当な熱媒体を使用して当該アンモニア合成装置の加熱・保温に用いることができる。

また、本発明に係る燃料電池車用燃料製造システムにおいて、「プラズマ式分解装置」を用いた場合、大気圧プラズマ法では常温常圧下でアンモニアを分解できるため、当アンモニア分解装置からは常温の水素ガスと窒素ガスが排出される。

前記の「プラズマ式分解装置」から排出される窒素ガスは、窒素ガスは圧縮機に送られ、当該圧縮機により窒素ガスタンクに貯留される。

PEFC停止時には、受電装置にて外部電力を取り込み、当該電力により窒素ガス分離抽出装置を作動させ、空気から窒素ガスを抽出し、抽出された窒素ガスは圧縮機に送られ、当該圧縮機により窒素ガスタンクに貯留される。なお、当該窒素ガス分離抽出装置は、窒素ガス製造速度が1.0m³/hr以上であることが好ましい。

前記のPEFC作動時に窒素ガスタンクに貯留された窒素ガス、もしくはPEFC停止時に当タンクに貯留された窒素ガスは、前記アンモニア合成装置に導入されてアンモニアへと変換される。例えば、ガス流上流側に導電性セラミックスヒーターを下流側にＣ１２Ａ７エレクトライドの担体にRuを担持したアンモニア合成触媒を配置したアンモニア合成装置を用いた場合、PEFC停止時において受電装置にて外部電力を取り込み、当該セラミックスヒーターを作動させて窒素ガス及び水素ガスを300℃〜500℃程度に加熱し、加熱されたこれらガスによりアンモニア合成触媒を加熱し、当合成触媒の表面上で窒素ガスと水素ガスによるアンモニア合成反応を生じさせることでアンモニアを生成することができる。

前記のアンモニア合成装置で生成したアンモニアガスは高温であるため、熱交換器にて冷却後圧縮機により液化され、アンモニアタンクに貯留することができる。

なお、熱交換器にて回収したアンモニアガスの熱エネルギーは、蓄熱器などに蓄熱し、適当な熱媒体を使用して当該アンモニア合成装置の加熱・保温に用いることができる。

本発明に係る燃料製造システムによれば、アンモニアの分解によって得られる水素含有ガスを燃料として用いることができる燃料電池車を提供することが可能であり、またアンモニア分解による水素含有ガスを取り出すプロセスにおいて排出される高温窒素ガスを用いてアンモニアを再合成することにより、もしくは空気から分離抽出した窒素ガスを用いてアンモニアを合成することにより、燃料電池車内で燃料電池用アンモニア燃料を生成・液化・貯蔵する燃料製造システムを提供することができる。さらに、アンモニア分解反応で生じた高温の水素ガス及び窒素ガスから、もしくはアンモニア合成反応に於いて生成した高温のアンモニアガスから熱回収し、当回収熱を利用してアンモニア合成装置の加熱・保温を行うことで、当該燃料製造システムの省エネ化を図ることができる。

また、本発明に係る燃料製造システムによれば水素ガスタンクのような高圧ガスタンクを不要とし、自動車内でアンモニア燃料を製造・貯蔵することから、新たな燃料タンクを追加することなく、走行可能距離の長距離化を図ることができる。例えば、前出非特許文献１において既存の燃料電池車では水素ガス5.0kg（約2500mol）を収納するために内容積122.4Lの圧力ボンベが必要であるのに対して、これと同量の水素ガスを発生するに必要なアンモニアの量は約1670mol（28.4ｋｇ（分子量：17g/mol））であり、液体アンモニアの沸点付近での密度は0.68g/cm3（-34℃）であるため、液化アンモニアタンクの必要容積は約42Lとなり、水素ガスタンクに比べてコンパクト化が可能となる。

本実施形態の燃料電池車の燃料製造システム構成を示す構成図である。 触媒式アンモニア分解装置の概略図である。 触媒式アンモニア分解装置を３段積層した場合の主要部の正面図（水素ガス流通路側から見た図）である。 図３の積層した触媒式アンモニア分解装置の主要部の背面図（アンモニア導入管を配置している側から見た図）である。 図３の積層した触媒式アンモニア分解装置において図２におけるＸ−Ｘ線断面図である。 本実施形態の燃料電池車の燃料製造システムにおける窒素ガスの分離抽出から貯留までのフロー図である。 アンモニア合成装置の外観図である。 アンモニア合成装置の縦断面図である。 本実施形態の燃料電池車の燃料製造システムにおけるアンモニア合成から生成アンモニアの貯留までのフロー図である。

以下、本発明の最良の実施形態である燃料電池車用燃料製造システム及び燃料電池車用燃料製造システム制御方法について、図１乃至図９に基づいて説明する。ここで、図１は本実施形態の燃料電池車のシステム構成を示す構成図であり、図２は図１の燃料電池車用燃料製造システムを構成する触媒式アンモニア分解装置の概略図であり、図３は図２の触媒式アンモニア分解装置を３段積層した場合の主要部の正面図であり、図４は図３の積層した触媒式アンモニア分解装置の主要部の背面図であり、図５は図３の積層した触媒式アンモニア分解装置において図２におけるＸ−Ｘ線断面図であり、図６は本実施形態の燃料電池車の燃料製造システムにおける窒素ガスの分離抽出から貯留までのフロー図であり、図７はアンモニア合成装置の外観図であり、図８は図７における縦断面図であり、図９は本実施形態の燃料電池車の燃料製造システムにおけるアンモニア合成から生成アンモニアの貯留までのフロー図である。

本実施形態の燃料電池車用燃料製造システム１は、図１に示す通り、アンモニア分解装置４及び窒素ガス分離抽出装置９を備え、アンモニアの分解反応により生成した水素ガス及び窒素ガスを冷却するための熱交換器１０を備え、アンモニアの分解反応または空気の分離抽出により生成する窒素ガスを貯留する窒素ガスタンク５を備え、水タンク２と水素発生装置３を備え、窒素ガスタンク５から供給される窒素ガスと水素発生装置３から供給される水素ガスによりアンモニアを合成するアンモニア合成装置６と合成したアンモニアを液化する圧縮機７及び液化されたアンモニアを貯留するためのアンモニアタンク８を備え、アンモニア分解反応で生成した水素ガスを利用して発電する燃料電池１１及び外部電力から電力供給を受けるための受電装置１３を備え、当燃料電池１１及び受電装置１３で得た電力を蓄積しまたは放出するための二次電池１２及びキャパシター１８を備え、自動車駆動系を制御するためのDC/DCコンバーター１５及びインバーター１６を備え、また自動車に動力を与えるモーター１７を備え、またこれら燃料電池車用燃料製造システムを制御するための運転制御部１４を具備している。なお、図１内の棒線に関して、両矢印付きの点線は運転制御部と各装置との間の信号線を、片矢印付き棒線は物質（水、窒素ガス、水素ガス、アンモニアガス、液体アンモニア）の流れを、矢印無しの棒線は電気配線を、それぞれ示している。また、図1において水、水素ガス、窒素ガス、アンモニアガス及び液体アンモニアを移動させるためのポンプ及び各装置（水素発生装置、アンモニア分解装置（触媒式分解装置、プラズマ式分解装置）、窒素ガス分離抽出装置、アンモニア合成装置、窒素ガスタンク及びアンモニアタンク）における温度センサー、圧力センサー等も本システムには組み込まれているが、図１〜図９のうち図８を除く各図において記載を省略している。

本実施形態の燃料電池車用燃料製造システムにおいて、窒素ガスの分離抽出から貯留までの過程を以下に説明する。

PEFC作動時においてアンモニア分解装置４として触媒式アンモニア分解装置（以下、単に「触媒式分解装置４a」と称する）を用いる場合、触媒式分解装置４aは図２に示すように、アンモニアガス供給管４６と、水素透過金属で形成された触媒管にアンモニア分解触媒であるＲｕＯ_２／γ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒（酸化アルミニウム担持酸化ルテニウム触媒）４１と構造材（図省略）を充填した水素分離管４２と、水素分離管４２から水素透過金属を透過した水素ガスを排出するための水素ガス排出路４３を備え、触媒式分解装置４aから発生した水素ガスを集め熱交換器１０へ送るための水素ガス排出路連結部４４と、アンモニア分解後水素ガス分離管４２内に残留している窒素ガスを集め熱交換器１０へ送るための窒素ガス排出路４５を具備する。また、当該触媒式分解装置４aは、図３〜図５に示すように複数個（本図では３個）連結して使用することもできる。

前記触媒式分解装置４aを用いる場合、アンモニアガスは図２に示す触媒式分解装置４aのアンモニアガス供給管４６を通り水素分離管４２に導入され、水素分離管４２内に充填されているアンモニア分解触媒４１にて水素ガスと窒素ガスに分解された後、分解生成された水素ガスは水素分離管４２から水素透過金属を透過して水素ガス排出路４３に移動し、その後水素ガスは集められ水素ガス排出路連結部４４を経由して熱交換器１０へと移動する。一方、アンモニア分解後水素分離管４２内に残留している窒素ガスは、窒素ガス排出路４５を経由して熱交換器１０へ移動する。

前記のＲｕＯ_２／γ−Ａｌ_２Ｏ_３触媒はアンモニア合成触媒の一例であり、他の触媒を用いることもできる。また前記の水素透過金属は、Pd及びその合金、V、Zr-Ni合金等の水素透過金属のいずれかである。

PEFC作動時に、前記触媒式分解装置４aにより生成した水素ガス及び窒素ガスは、一旦熱交換器１０に導入され冷却された後、水素ガスは燃料電池１１に送られ、窒素ガスは圧縮機７にて圧縮され窒素ガスタンク５に貯留される。

なお、熱交換器１０にて回収した生成水素ガス及び窒素ガスの熱エネルギーは、蓄熱器などに蓄積し、適当な熱媒体を使用してアンモニア合成装置の加熱・保温に用いることができる。

PEFC作動時において、アンモニア分解装置４として前記プラズマ式分解装置４b（図省略）を用いる場合、当該装置により生成した水素ガス及び窒素ガスは常温であるため、当該水素ガスは熱交換器１０を熱交換なく経由して燃料電池１１に送られ、当該窒素ガスも同様に熱交換なく熱交換器１０を経由し圧縮機７により圧縮され窒素ガスタンク５に貯留される。

PEFC停止時において、窒素ガス分離抽出装置９を用いる場合、受電装置１３にて外部電力を受電し、当該外部電力により窒素ガス分離抽出装置９を作動させて空気から常温で窒素ガスを抽出し、抽出された窒素ガスは圧縮機７により圧縮され窒素ガスタンク５に貯留される。

当該窒素ガス分離抽出装置９は、窒素ガス製造速度が1.0m³/hr以上が好ましく、通常の乗用車の場合は1.5〜2.5m3/hrがより好ましい。また、窒素ガス分離抽出方法は装置サイズの制約により中空糸を利用する分離方法が好ましい。但し、自動車の種類や大きさにより窒素ガスタンクの大きさが異なるため、大型乗用車やバス・トラック等では前記窒素ガス製造速度及び窒素ガス分離抽出方法に囚われる必要はない。

本実施形態の燃料電池車の燃料製造システムにおける窒素ガスの分離抽出から貯留までの操作フロー例について図６を用いて説明する。

アンモニアタンクに取り付けた温度センサーと圧力センサーにより当該アンモニアタンクの温度と圧力を検出して（ステップS1）アンモニアタンク中の充填状況を把握する。

アンモニアタンクが液体アンモニアで満充填されていると判断される場合は、アンモニアの合成は行わず、また液体アンモニアで満充填されていないと判断される場合は、ステップS３以降の手順にてアンモニア燃料の原料となる窒素ガスの製造プロセスを実施する（ステップS2）。

ステップS3にてPEFCを作動させる場合、水素ガス燃料を製造する必要があるため、触媒式分解装置4aもしくはプラズマ式分解装置4bでアンモニアを分解し、水素ガス燃料とアンモニア原料である窒素ガスを得る。また、同ステップにてPEFCを作動させない場合は、窒素ガス分離抽出装置９を作動させて空気中の窒素ガスを分離抽出する。

その後、前記プロセスを経て得られた窒素ガスは、窒素ガスタンクに取り付けた温度センサーと圧力センサーにより当該窒素ガスタンク５の温度と圧力を検出しながら（ステップS4）、当窒素ガスタンク５が満充填状態になるまで（ステップS5）窒素ガスを充填する。

なお、窒素ガスタンク５に充填できず余った窒素ガスは、燃料電池車外に排出する。

次に、本実施形態の燃料電池車用燃料製造システムにおいて、PEFC停止中に行われるアンモニアの合成からアンモニアの貯留までの過程を以下に説明する。

アンモニア合成装置６は、図７、８に示すように、筐体６１の片側に水素ガス導入口６２及び窒素ガス導入口６３を備え、反対側にアンモニアガス排出口６４を備え、筐体６１内において原料ガスの流れ方向上流側より耐熱性多孔質体６７１、電気式セラミックスヒーター６５、耐熱性多孔質体６７２、アンモニア合成触媒６６、耐熱性多孔質体６７３を配置し、当該セラミックスヒーター６５の外周に断熱材６９を配置し、これら耐熱性多孔質体６７１〜耐熱性多孔質体６７３までのアンモニア合成部材セットの上流側及び下流側両端をストッパー６８で固定した構造を有し、水素ガス導入口６２には温度センサー６２１及び圧力センサー６２２、窒素ガス導入口６３には温度センサー６３１及び圧力センサー６３２を備え、筐体６１の外部には熱交換器１０にて回収した熱エネルギーを蓄積した蓄熱器（図省略）と当該アンモニア合成装置との間を循環する熱媒体が流通可能な流路７０を備えた、電気加熱式アンモニア合成装置である。

PEFC停止時において、受電装置１３にて外部電力を受電し、当該電力により水素発生装置３を作動させ水タンク２の水を利用して水素ガスを発生し、また当該受電した電力を用いてアンモニア合成装置６のセラミックスヒーター６５を作動させ、前記の水素ガスを導入口６２より、また窒素ガスタンク５に貯留された窒素ガスを導入口６３よりアンモニア合成装置６に導入し、当該ガスを当該セラミックスヒーター６５により200℃〜500℃の温度範囲内で設定した温度に加熱し、加熱されたこれらガスを当該セラミックスヒーター６５の下流側に配置されたアンモニア合成触媒６６に接触させ、アンモニア合成触媒６６を触媒活性が得られる200℃〜500℃付近に加熱しアンモニア合成反応を生じさせ、アンモニアガスを生成する。

前記アンモニア合成装置６においては、アンモニア分解装置４に触媒式分解装置４aを用いた場合、当該触媒式分解装置４aで発生した高温の窒素ガス及び水素ガスについて熱交換器１０により熱交換した熱媒体をアンモニア合成装置９の流路７０に流通させることで当該アンモニア合成装置９の加熱・保温を行うことができる。

アンモニア合成装置６への窒素ガスと水素ガスの供給量は、窒素ガスタンクの温度センサーと圧力センサー（両者装置図省略）、水素発生装置の水素ガス排出口における温度センサーと圧力センサー（両者装置図省略）及びアンモニア合成装置６における水素ガス導入口６２に取り付けられた温度センサー６２１と圧力センサー６２２、窒素ガス導入口６３に取り付けられた温度センサー６３１と圧力センサー６３２からの温度データと圧力データにより、運転制御部１４にて窒素と水素とのモル供給量比（窒素（N_２）/水素（H_２））を１/３の割合となるように窒素ガス供給ポンプ及び水素ガス供給ポンプを制御することで調整を行うができる。

アンモニア合成触媒６６にて合成された高温アンモニアガスは、排出口６４より排出され、熱交換器１０にて冷却後圧縮機７にて液化され、液化アンモニアとしてアンモニアタンク８に貯留される（図１に於いてアンモニア合成装置６から熱交換器１０までの物質経路矢印及び熱交換器１０からアンモニアタンク８までの物質経路矢印は省略）。

なお、熱交換器１０にて回収された生成アンモニアガスの熱エネルギーは、蓄熱器などに蓄積し、適当な熱媒体を使用してアンモニア合成装置の加熱・保温に用いることができる。

本実施形態の燃料電池車の燃料製造システムにおけるアンモニアの合成からアンモニアの貯留までの過程における操作フロー例について図９を用いて説明する。

窒素ガスタンクに取り付けた温度センサーと圧力センサーにより当該窒素ガスタンクの温度と圧力を検出して（ステップS11）窒素ガスタンク中の充填状況を把握する。ここで、例えば窒素ガスの充填率が５%未満である場合（ステップS12）は、PEFC停止中であるため、窒素ガス分離抽出装置９を作動させて窒素ガスを製造し、窒素ガスタンクに充填する操作を行う。なお、前記のアンモニア合成開始条件である窒素ガスタンク内の充填率は任意に設定することができる。

前記に於いて窒素ガスタンク内の充填率が5％以上である場合（ステップS12）、アンモニア合成装置６における水素ガス導入口６２に取り付けられた温度センサー６２１と圧力センサー６２２、窒素ガス導入口６３に取り付けられた温度センサー６３１と圧力センサー６３２より温度と圧力を検出し（ステップS13）、運転制御部１４により窒素と水素とのモル供給量比（窒素（N_２）/水素（H_２））が１/３の割合となるようにアンモニアガス供給ポンプ及び水素ガス供給ポンプの流量調整を行う（ステップS14）。なお、ステップ S14における窒素ガスと窒素ガスの流量調整は、前記のとおり窒素ガスタンクの温度センサーと圧力センサー、水素発生装置の水素ガス排出口における温度センサーと圧力センサーからの温度データと圧力データも使用して行う。

その後、前記プロセスを経て得られた高温アンモニアガスは、圧縮機により液化され、アンモニアタンク８に貯留される。なお、当アンモニア合成は、アンモニアタンク８が満充填状態になるまでステップS11〜ステップS15のプロセスを繰り返し実施する。

アンモニアタンク８が満充填状態に達した場合、アンモニア合成を停止する（ステップS15）。また、アンモニアタンク８が満充填状態になる前にPEFCが作動した場合も、アンモニア合成を停止する。

なお、窒素ガスタンク内の窒素ガスの充填率が５%未満（ステップS12）で窒素ガス製造過程を省略したい場合または車内に窒素ガスタンクを設けることができない場合、窒素ガス分離抽出装置９とアンモニア合成装置６を同時に作動させて、窒素ガス分離抽出装置９から直接窒素ガスをアンモニア合成装置６に導入することでもアンモニア合成を行うことができる。

以上、アンモニアの合成からアンモニアの貯留までの過程を示したが、当該プロセスは自動車のサイズや使用される状況により様々なパターンがあり、前記のプロセスに囚われる必要はない。

１ 燃料電池車システム
２ 水タンク
３ 水素発生装置
４ アンモニア分解装置
５ 窒素ガスタンク
６ アンモニア合成装置
７ 圧縮機
８ アンモニアタンク
９ 窒素ガス分離抽出装置
１０ 熱交換器
１１ 燃料電池
１２ 二次電池
１３ 受電装置
１４ 運転制御部
１５ DC/DCコンバーター
１６ インバーター
１７ モーター
１８ キャパシター
４１ アンモニア分解触媒
４２ 水素分離管
４３ 水素ガス排出路
４４ 水素ガス排出路連結部
４５ 窒素ガス排出路
４６ アンモニアガス供給管４６
６１ 筐体
６２ 水素ガス導入口
６３ 窒素ガス導入口
６４ アンモニアガス排出口
６５ セラミックスヒーター
６６ 電気式アンモニア合成触媒
６７１、６７２、６７３ 耐熱性多孔質体
６８ ストッパー
６９ 断熱材
７０ 熱媒体流通路

Claims (5)

1. 水素含有ガスを燃料ガスとして用いて発電する固体高分子型の燃料電池と、アンモニアを分解することによって前記燃料ガスを生成するアンモニア分解装置と、アンモニアの分解反応により生成した水素ガス及び窒素ガスを冷却するための熱交換器と、空気の分離抽出により窒素ガスを生成する窒素ガス分離抽出装置と、前記アンモニアの分解反応または空気からの分離抽出により生成する窒素ガスを貯留する窒素ガスタンクとを備え、
   また、水素ガスを生成する水素発生装置と当該水素発生装置に水を供給するための水タンクを備え、
   また、前記窒素ガスタンクから供給される窒素ガスと前記水素発生装置から供給される水素ガスを原料としてアンモニアを合成するアンモニア合成装置と、合成したアンモニアを液化する圧縮機と、液化されたアンモニアを貯留するためのアンモニアタンクを備え、
   また、外部から電力供給を受けるための受電装置と、前記燃料電池で発電された電力または前記受電装置で受電した電力を蓄積しまたは放出するための二次電池及びキャパシターを備え、
   また、自動車駆動系を制御するためのDC/DCコンバーター及びインバーターを備え、
   また自動車に動力を与えるモーターを備え、
   またこれら燃料電池システムを制御するための運転制御部を備えていることを特徴とする燃料電池車用燃料製造システム。
2. 前記アンモニア分解装置で発生した窒素ガスまたは窒素ガス分離抽出装置により空気から抽出した窒素ガスと水素発生装置により生成した水素を用い、燃料電池停止時に、前記受電装置にて受電した電力を用いて自動車内でアンモニア燃料を製造することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車用燃料製造システム。
3. 前記アンモニア合成において、アンモニア合成装置に供給する水素ガス及び窒素ガスの供給量を、アンモニア合成装置における窒素ガス導入口と水素ガス導入口付近の温度と圧力及び水素発生装置における水素ガス排出口付近での温度と圧力及び窒素ガスタンクの窒素ガス排出口での温度と圧力を検出した結果に応じて制御することを特徴とする請求項１、２記載の燃料電池車用燃料製造システム。
4. 前記アンモニア分解反応で発生した高温水素ガス及び窒素ガスから、もしくはアンモニア合成反応で生成した高温アンモニアガスから熱交換器にて媒質へ熱交換し、当該媒質をアンモニア合成装置に導き当該合成装置を加熱または保温することを特徴とする請求項１〜３の燃料電池車用燃料製造システム。
5. 前記アンモニア合成装置への水素ガスと窒素ガスの供給量比制御手段が、当合成装置への窒素と水素のモル供給量比（窒素/水素）を１/３に制御することを特徴とする請求項１〜４の燃料電池車用燃料製造システム。

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