JP2018037213A

JP2018037213A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2018037213A
Application number: JP2016168063A
Authority: JP
Inventors: 芳和井関; Yoshikazu Izeki; 良平岩崎; Ryohei Iwasaki; 純子山田; Junko Yamada
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-08

Abstract

【課題】反応生成物（アンモニアなど）を分解できるとともに、窒素酸化物（ＮＯＸ）などの発生を抑制することができ、さらに、システムの巨大化を抑制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は、液体燃料が供給される燃料電池３と、燃料電池３から排出され、液体燃料の反応により生成される反応生成物を含む排出液を、燃料電池３に還流するための還流ライン２４と、還流ライン２４に介在され、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに、排出液を分離するための気液分離器２７と、気液分離器２７において分離された気体を排出するための燃料側排気ライン２８と、燃料側排気ライン２８に介在され、気液分離器２７において分離された気体中の反応生成物をプラズマ処理するプラズマ反応装置６５とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。

従来、電解質層、電解質層の一方側に配置されたアノード、および、電解質層の他方側に配置されたカソードを有する燃料電池と、アノードに液体燃料を供給する燃料給排部と、カソードに空気を供給する空気給排部とを備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の燃料電池システムにおける燃料給排部は、アノードから排出される液体燃料を再びアノードに還流する還流管、還流管に介在される気液分離器、および、気液分離器で分離された窒素や水蒸気を排出するためのガス排出管を備える。また、空気給排部は、空気供給経路および空気排出経路を備える。

特許文献１に記載の燃料電池システムの燃料給排部では、還流管、気液分離器およびアノードを循環するクローズドラインが形成されており、かかるクローズドラインを液体燃料が循環する。また、気液分離器で分離された窒素や水蒸気は、ガス排出管を介して外部へ排出される。一方、空気給排部では、通常、酸素および水蒸気を含む空気を、空気供給経路からカソードに供給することにより、燃料電池が発電している。

一方、このような燃料電池システムでは、電気化学反応によって燃料が消費され、起電力が発生するとともに、反応生成物が生じ、排出液中に混入される場合がある。

例えば、液体燃料としてヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）が消費される場合には、窒素ガス（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とが生じる一方、ヒドラジンの分解反応による生成物（反応生成物）としてアンモニア（ＮＨ_３）が生じ、排出液中に混入される場合がある。

そして、排出液に混入される反応生成物（アンモニアなど）は、還流管に介在される気液分離器により分離され、ガス排出管を介して外気に開放される場合がある。また、排出液に混入される反応生成物（アンモニアなど）の一部が、アノード側から電解質膜を透過してカソード側に漏出（クロスリーク）し、空気とともに外気に開放される場合がある。

このような反応生成物（アンモニアなど）は、人体や地球環境に影響を及ぼす場合があるため、燃料電池システムにおいては、反応生成物（アンモニアなど）を分解処理することが要求される。具体的には、反応生成物がアンモニアである場合、気液分離器により分離されたアンモニアや、アノード側から電解質膜を透過してカソード側に漏出（クロスリーク）したアンモニアを分解処理することが要求される。

そのような方法としては、例えば、プラズマ反応器を用いてアンモニアを窒素および水素に分解する方法などが知られている。

より具体的には、例えば、プラズマ反応器と、そのプラズマ反応器の内側に配置された高電圧電極と、プラズマ反応器の外側に配置された接地電極と、アンモニアを含むガスをプラズマ反応器に供給するガス供給手段とを備える水素生成装置が、提案されている。このような水素生成装置では、プラズマ反応器にアンモニアを含むガスを供給するとともに、高電圧電極および接地電極の間で放電させることにより、アンモニアをプラズマとし、アンモニアを窒素および水素に分解することができる（例えば、特許文献２参照。）。

そこで、例えば、気液分離器のガス排出管をカソードの空気排出経路に接続し、その下流側において、空気排出経路にプラズマ分解装置を介在させ、気液分離器により分離されたアンモニアと、アノード側から電解質膜を透過してカソード側に漏出（クロスリーク）したアンモニアとをプラズマ分解することが検討される。

特開２０１３−１３４９８１号公報特開２０１４−０７００１２号公報

しかし、空気排出経路にプラズマ分解装置を介在させると、空気排出経路を通過する酸素が反応生成物（アンモニアなど）とともにプラズマ分解され、例えば、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）などが発生する場合がある。また、比較的多量のガスが空気排出経路を通過するため、そのガスの流量に応じたプラズマ分解装置を用いると、システムが巨大化するという不具合がある。

本発明の目的は、反応生成物（アンモニアなど）を分解できるとともに、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）などの発生を抑制することができ、さらに、システムの巨大化を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明［１］は、液体燃料が供給される燃料電池と、前記燃料電池から排出され、前記液体燃料の反応により生成される反応生成物を含む排出液を、前記燃料電池に還流するための還流経路と、前記還流経路に介在され、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに、排出液を分離するための気液分離器と、前記気液分離器において分離された気体を排出するための排気経路と、前記排気経路に介在され、前記気液分離器において分離された気体中の前記反応生成物をプラズマ処理するプラズマ処理手段とを備える、燃料電池システムを含んでいる。

本発明の燃料電池システムでは、液体燃料の反応により生成される反応生成物（アンモニアなど）が、還流経路に介在される気液分離器によって気体成分として分離された後、排気経路に介在されるプラズマ分解手段によってプラズマ分解される。

このような燃料電池システムにおいて、排気経路を通過するガスは、気液分離器によって分離された反応生成物（アンモニアなど）を比較的高濃度で含有し、酸素の含有量が低減されている。そのため、反応生成物（アンモニアなど）を分解できるとともに、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）などの発生を抑制することができる。さらに、このような燃料電池システムでは、反応生成物（アンモニアなど）を分解することによって、液体燃料に伴う反応生成物（アンモニアなど）の漏出（クロスリーク）を低減することもできる。

また、このような燃料電池システムにおいて、排気経路を通過するガスは、比較的少量であるため、ガスの流量に応じた比較的小さいプラズマ分解手段を用いることができ、システムの巨大化を抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態が搭載された電動車両の概略構成図である。図２は、図１に示される燃料電池システムに備えられるプラズマ発生装置の一実施形態を示す概略図である。

１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、モータ４２を動力源とし、燃料電池３およびバッテリ４４を電源としてモータ４２を駆動させる電動車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部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、燃料成分を含む液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、アニオン交換型燃料電池として構成されている。

燃料成分としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ヒドラジンなどのヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。

液体燃料としては、燃料成分をそのまま用いてもよいが、燃料成分を、燃料成分の種類に応じた溶媒（後述）で希釈して用いることができ、また、必要に応じて、電解質塩（後述）などの添加剤を添加することもできる。

燃料電池３は、燃料電池セル１１を備えている。なお、燃料電池３は、複数の燃料電池セル１１が積層されたスタック構造として構成されるが、図１においては、図解し易いように１つの燃料電池セル１１のみを示している。

燃料電池セル１１は、膜電極接合体１２と、燃料供給部材１３、空気供給部材１４とを備えている。

膜電極接合体１２は、電解質膜１５と、アノード電極１６と、カソード電極１７とを備えている。

電解質膜１５は、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。

アノード電極１６は、電解質膜１５の厚み方向一方側の表面に、薄層として配置されている。アノード電極１６は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１６は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

カソード電極１７は、電解質膜１５の厚み方向他方側の表面に、薄層として配置されている。カソード電極１７は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１７は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

燃料供給部材１３は、膜電極接合体１２の厚み方向一方側に配置されている。燃料供給部材１３は、気体不透過性の導電性材料から形成されている。燃料供給部材１３には、燃料流路１８が形成されている。

燃料流路１８は、燃料供給部材１３の厚み方向他方面に形成されている。燃料流路１８は、燃料供給部材１３の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向（上下方向および厚み方向に対して直交する方向）に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。燃料流路１８は、アノード電極１６に向かい合っている。

空気供給部材１４は、膜電極接合体１２の厚み方向他方側に配置されている。空気供給部材１４は、気体不透過性の導電性材料から形成されている。空気供給部材１４には、空気流路１９が形成されている。

空気流路１９は、空気供給部材１４の厚み方向一方面に形成されている。空気流路１９は、空気供給部材１４の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。空気流路１９は、カソード電極１７に向かい合っている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料タンク２１、燃料供給ライン２２、第１ポンプ２３、第１弁２０、還流経路の一例としての還流ライン２４、調整タンク２５、第２ポンプ２６、気液分離器２７、第３ポンプ２９、排気経路の一例としての燃料側排気ライン２８、および、第２弁６０を備えている。

燃料タンク２１は、上記した液体燃料を貯蔵する。燃料タンク２１において、液体燃料は、好ましくは、燃料成分の種類に応じた溶媒に希釈されている。

溶媒としては、特に制限されないが、例えば、燃料成分がアルコール類である場合には、水などが挙げられ、燃料成分がヒドラジン類である場合には、水および／またはアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール）などの水系溶媒が挙げられる。これら溶媒は、単独使用または２種類以上併用することができる。溶媒として、好ましくは、水が挙げられる。

燃料タンク２１内における液体燃料の燃料成分濃度は、燃料成分の種類によっても異なるが、燃料成分がヒドラジンである場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、６０質量％以下、好ましくは、４０質量％以下である。

また、液体燃料は、好ましくは、添加剤として、電解質塩を含有している。

電解質塩としては、例えば、アルカリ金属水酸化物（すなわち、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、水酸化フランシウム）、アルカリ土類金属水酸化物（すなわち、水酸化カルシウム、水酸化ストロンチウム、水酸化バリウム、水酸化ラジウム）などが挙げられる。このような電解質塩は、単独使用または２種類以上併用することができる。電解質塩として、好ましくは、アルカリ金属水酸化物が挙げられ、さらに好ましくは、水酸化カリウムが挙げられる。

燃料タンク２１内における液体燃料の電解質塩濃度は、例えば、０．１ｍｏｌ／Ｌ以上、好ましくは、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上、例えば、５ｍｏｌ／Ｌ以下、好ましくは、３ｍｏｌ／Ｌ以下、さらに好ましくは、２ｍｏｌ／Ｌ以下である。

燃料供給ライン２２は、燃料タンク２１から調整タンク２５（後述）に液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２２の供給方向上流端は、燃料タンク２１に接続されており、供給方向下流端は、調整タンク２５（後述）に接続されている。

第１ポンプ２３は、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料流路１８に輸送するためのポンプである。第１ポンプ２３は、燃料供給ライン２２の途中に介在されている。第１ポンプ２３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挙げられる。

第１弁２０は、燃料供給ライン２２の途中に介在されており、具体的には、第１ポンプ２３の供給方向下流側に配置されている。第１弁２０としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。

還流ライン２４は、液体燃料を燃料電池３に還流するための還流管である。詳しくは、還流ライン２４は、燃料電池３の燃料流路１８に対して供給された液体燃料が反応して生成される水や、反応生成物（アンモニアなど）を含む排出液を、燃料電池３の燃料流路１８に還流するための還流管である。還流ライン２４の還流方向上流端（一端部）は、燃料流路１８の下流端（出口あるいは上端部）に接続されている。還流ライン２４の還流方向下流端（他端部）は、燃料流路１８の上流端（入口あるいは下端部）に接続されている。

これにより、還流ライン２４および燃料流路１８は、液体燃料が循環する循環（クロード）ラインを形成している。

調整タンク２５は、燃料タンク２１から供給される液体燃料が排出液（後述）により希釈された状態で、一時的に貯蔵するためのタンクである。調整タンク２５は、還流ライン２４の途中に介在されている。調整タンク２５の下端部には、燃料供給ライン２２の供給方向下流端が接続されている。

調整タンク２５において、液体燃料は、上記した燃料タンク２１における液体燃料と同様、好ましくは、燃料成分の種類に応じた溶媒に希釈されている。

調整タンク２５内における液体燃料の燃料成分濃度は、燃料タンク２１内における液体燃料の燃料成分濃度よりも低い。より具体的には、調整タンク２５内における液体燃料の燃料成分濃度は、電動車両１の走行状態に応じて調整されるが、電動車両１が一定の速度で走行している場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１５質量％以下である。

また、液体燃料は、上記した燃料タンク２１における液体燃料と同様、好ましくは、添加剤として、電解質塩を含有している。

調整タンク２５内における液体燃料の電解質塩濃度は、例えば、０．１ｍｏｌ／Ｌ以上、好ましくは、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上、例えば、５ｍｏｌ／Ｌ以下、好ましくは、３ｍｏｌ／Ｌ以下、さらに好ましくは、２ｍｏｌ／Ｌ以下である。

第２ポンプ２６は、調整タンク２５内の液体燃料を燃料流路１８に輸送（供給）するためのポンプである。第２ポンプ２６は、還流ライン２４の途中に介在されており、詳しくは、還流ライン２４における調整タンク２５より還流（供給）方向下流側に配置されている。第２ポンプ２６としては、上記した第１ポンプ２３と同様の送液ポンプが挙げられる。

気液分離器２７は、中空の容器からなり、燃料電池３の燃料流路１８から排出された排出液を、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに分離するために、還流ライン２４の途中に介在されている。詳しくは、気液分離器２７は、還流ライン２４における調整タンク２５より還流（供給）方向上流側に配置されている。また、気液分離器２７の上端部には、燃料側排気ライン２８の上流側端部が接続されている。

第３ポンプ２９は、気液分離器２７内の液体燃料を調整タンク２５に輸送（供給）するためのポンプである。第３ポンプ２９は、還流ライン２４の途中に介在されており、詳しくは、還流ライン２４における気液分離器２７より還流（供給）方向下流側、かつ、調整タンク２５より還流（供給）方向上流側に配置されている。第３ポンプ２９としては、上記した第１ポンプ２３と同様の送液ポンプが挙げられる。

燃料側排気ライン２８は、気液分離器２７で分離された気体を排気するための配管である。燃料側排気ライン２８の排気方向上流端は、気液分離器２７の上端部に接続されている。燃料側排気ライン２８の排気方向下流端は、空気排出ライン３４（後述）の流れ方向途中に接続されており、気液分離器２７において分離された気体を、空気排出ライン３４（後述）を介して排気可能としている。

第２弁６０は、燃料側排気ライン２８の途中に介在されている。第２弁６０としては、上記した第１弁２０と同様の開閉弁が挙げられる。

また、燃料側排気ライン２８における第２弁６０の上流側には、プラズマ処理手段の一例としてのプラズマ反応装置６５が介在されている。

プラズマ反応装置６５は、気液分離器２７において分離された気体中の反応生成物（アンモニアなど）をプラズマ処理（分解）するための装置であって、特に制限されず、公知のプラズマ分解装置を用いることができる。プラズマ反応装置６５としては、例えば、誘電体バリア放電型プラズマ反応器などが挙げられる。

より具体的には、プラズマ反応装置６５は、例えば、図２が参照されるように、燃料側排気ライン２８に介在され、石英などの誘電体からなる円筒二重管７０と、円筒二重管７０の内筒７０ａの内径に沿って配置される円筒状の第１電極７１と、円筒二重管７０の外筒７０ｂの外径に沿って配置される円筒状の第２電極７２と、それら第１電極７１および第２電極７２に接続される高電圧パルス電源７３とを備えている。

このようなプラズマ反応装置６５では、高電圧パルス電源７３が、第１電極７１および第２電極７２に対してパルス電圧を印加すると、誘電体バリア放電現象によって、内筒７０ａと外筒７０ｂとの間隙（ギャップ）に、プラズマが生じる。

なお、詳しくは後述するが、高電圧パルス電源７３の稼働条件（印加電圧、パルス周波数）は、プラズマ反応装置６５に対する気体の供給量や、内筒７０ａと外筒７０ｂとの間隙（ギャップ）の長さ、さらには、反応生成物の種類などに応じて、適宜設定される。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気供給経路の一例としての空気供給ライン３３と、エアポンプ３５と、第３弁３６と、空気排出ライン３４と、第４弁３７とを備えている。

空気供給ライン３３は、空気流路１９内に空気を供給するための配管である。空気供給ライン３３の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン３３の供給方向下流端は、空気流路１９の上流端（入口あるいは上端部）に接続されている。

エアポンプ３５は、大気中の空気を空気流路１９に輸送するための送気ポンプである。エアポンプ３５は、空気供給ライン３３の途中に介在されている。エアポンプ３５としては、例えば、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、エアコンプレッサなどの圧縮式ポンプが挙げられる。

第３弁３６は、空気供給ライン３３の途中に介在されている。詳しくは、第３弁３６は、空気供給ライン３３において、エアポンプ３５の供給方向下流側に配置されている。第３弁３６としては、上記した第１弁２０と同様の開閉弁が挙げられる。

空気排出ライン３４は、空気流路１９から空気を排出するための配管である。空気排出ライン３４の排出方向上流端は、空気流路１９の下流端（出口あるいは下端部）に接続されている。空気排出ライン３４の排出方向下流端は、大気開放されている。

第４弁３７は、空気排出ライン３４の途中に介在されている。第４弁３７としては、上記した第１弁２０と同様の開閉弁が挙げられる。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ４１を備えている。

ＥＣＵ４１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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。ＥＣＵ４１は、各弁（第１弁２０、第２弁６０、第３弁３６および第４弁３７のそれぞれ）と、各ポンプ（第１ポンプ２３、第２ポンプ２６、第３ポンプ２９およびエアポンプ３５のそれぞれ）とに電気的に接続されており、それらを制御する。

また、ＥＣＵ４１は、プラズマ反応装置６５の高電圧パルス電源７３に電気的に接続されており、高電圧パルス電源７３の稼働条件（印加電圧の大きさ、パルス周波数など）を、適宜する。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ４２と、インバータ４３と、バッテリ４４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５とを備えている。

モータ４２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ４２は、燃料電池３またはバッテリ４４から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ４２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。

インバータ４３は、配線により、燃料電池３とモータ４２との間に電気的に接続されている。インバータ４３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。インバータ４３としては、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などが挙げられる。

バッテリ４４は、燃料電池３とモータ４２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ４４としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。バッテリ４４は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ４２に電力を供給可能である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、配線により、燃料電池３とインバータ４３との間に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、ＥＣＵ４１にも電気的に接続されており、ＥＣＵ４１の制御により、燃料電池３の出力電圧を昇圧または降圧し、燃料電池３の電力およびバッテリ４４の入出力電力を調整する。

２．発電動作
次いで、燃料電池システム２における発電について説明する。

燃料電池システム２が作動しているときには、ＥＣＵ４１の制御により、すべての弁（第１弁２０、第２弁６０、第３弁３６および第４弁３７）が開放され、すべてのポンプ（第１ポンプ２３、第２ポンプ２６、第３ポンプ２９およびエアポンプ３５）が駆動されている。

燃料タンク２１内の液体燃料は、ＥＣＵ４１の制御によって第１ポンプ２３の送液量が調整されることにより、調整タンク２５内の液体燃料の燃料成分濃度を調整するように、燃料供給ライン２２を介して、逐次、調整タンク２５に供給される。

調整タンク２５内の液体燃料は、ＥＣＵ４１の制御によって第２ポンプ２６の送液量が調整されることにより、還流ライン２４を介して燃料電池３の燃料流路１８に供給される。

燃料流路１８に供給された液体燃料は、アノード電極１６と接触しながら燃料流路１８内を下側から上側へ流れて、還流ライン２４（還流ライン２４における燃料電池３より還流（排出）方向下流側部分）を介して気液分離器２７に排出される。

気液分離器２７では、液体燃料に含有される気体が上方空間へ分離される。そして、気体が分離された（すなわち、脱気された）液体燃料は、第３ポンプ２９の駆動により、還流ライン２４を介して調整タンク２５へ排出される。

続いて、調整タンク２５に排出された液体燃料は、燃料流路１８において一部が反応して消費され、燃料成分濃度が薄くなるため、燃料タンク２１から液体燃料が逐次供給されて、燃料成分濃度が調整された後、液体燃料は燃料流路１８に還流（供給）される。

一方、空気は、電動車両１の外部から、ＥＣＵ４１の制御により、エアポンプ３５の送風量が調整されながら、空気供給ライン３３を介して、燃料電池３の空気流路１９に供給される。

空気流路１９に供給された空気は、カソード電極１７と接触しながら空気流路１９内を上側から下側へ流れて空気排出ライン３４へ排出される。

このとき、燃料電池３では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（１）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１６での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１７での反応）
（３）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
なお、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式（４）〜（６）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（４）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ （アノード電極１６での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１７での反応）
（６）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
これらの反応により、アノード電極１６において燃料成分（Ｎ_２Ｈ_４またはＣＨ_３ＯＨ）が消費され、カソード電極１７において酸素（Ｏ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が消費されるとともに、アノード電極１６において、水（Ｈ_２Ｏ）および気体（Ｎ_２またはＣＯ_２）が生成され、起電力（ｅ⁻）が発生される。発生した起電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５によって変圧され、インバータ４３により三相交流電力に変換された後、モータ４２に供給されて、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリ４４に蓄電される。

３．反応生成物の分解処理
上記の発電動作において、燃料電池３から還流ライン２４を介して気液分離器２７に排出された排出液は、電気化学反応において残存した燃料成分と、電気化学反応により生成される水およびそれに溶解（溶存）する気体成分（Ｎ_２やＣＯ_２など）とを含んでおり、さらに、排出液は、液体燃料の分解などにより生じる反応生成物（副生成物）を含んでいる。

より具体的には、例えば、液体燃料としてヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）が消費される場合には、排出液は、電気化学反応により生成される水およびそれに溶解（溶存）する気体成分（窒素）の他、さらに、反応生成物として、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）の分解により生じるアンモニア（ＮＨ_３）を含んでいる。

このようにして排出液に含有される反応生成物（アンモニアなど）は、気液分離器２７において気体として液体燃料から分離され、上方空間へ分離される。

換言すれば、気液分離器２７において分離された気体は、反応生成物（アンモニアなど）を含有している。

分離された気体における反応生成物（アンモニアなど）の濃度は、比較的高濃度であり、気体の総量に対して、例えば、０．００１体積％以上、好ましくは、０．００５体積％以上であり、例えば、５体積％以下、好ましくは、１体積％以下である。

そして、上記のように分離された気体は、通常、大気開放される。しかし、その気体に含まれる反応生成物（アンモニアなど）は、大気開放されることによって、人体や地球環境に影響を及ぼす場合がある。

そのため、この燃料電池システム２においては、気体を大気開放する前に、気体に含まれる反応生成物（アンモニアなど）を分解処理する。

より具体的には、この燃料電池システム２では、気液分離器２７により分離された気体（反応生成物を含む。）は、燃料側排気ライン２８を介して、その燃料側排気ライン２８に介在されているプラズマ反応装置６５（内筒７０ａと外筒７０ｂとの間（図２参照））に供給される。

このとき、プラズマ反応装置６５に対する気体の供給量は、比較的少量であり、例えば、１Ｌ／ｍｉｎ以上、好ましくは、１０Ｌ／ｍｉｎ以上であり、例えば、３００Ｌ／ｍｉｎ以下、好ましくは、２５０Ｌ／ｍｉｎ以下である。

そして、この燃料電池システム２では、気体がプラズマ反応装置６５に供給されると、ＥＣＵ４１の制御により、高電圧パルス電源７３が稼働される。

高電圧パルス電源７３の稼働条件（印加電圧、パルス周波数）は、プラズマ反応装置６５に対する気体の供給量（滞留時間）や、内筒７０ａと外筒７０ｂとの間隙（ギャップ）の長さ、さらには、反応生成物の種類などに応じて、適宜設定される。

より具体的には、例えば、反応生成物がアンモニアであり、プラズマ反応装置６５における気体の供給量が上記範囲であり、プラズマ反応装置６５におけるギャップ長さが、０．５〜３ｍｍである場合、印加電圧の大きさは、例えば、３ｋＶ以上、好ましくは、４ｋＶ以上であり、例えば、１０ｋＶ以下、好ましくは、８ｋＶ以下である。また、印加電圧のパルス周波数は、例えば、４００Ｈｚ以上、好ましくは、６００Ｈｚ以上であり、例えば、５０００Ｈｚ以下、好ましくは、４０００Ｈｚ以下である。

これにより、誘電体バリア放電現象によって、内筒７０ａと外筒７０ｂとの間隙（ギャップ）に、プラズマが生じ、その間隙を通過する気体（反応生成物を含む。）が分解処理される。

例えば、反応生成物がアンモニア（ＮＨ_３）である場合、アンモニアは、プラズマ反応装置６５において、窒素（Ｎ_２）および水素（Ｈ_２）に分解される。

そして、分解された反応生成物は、燃料側排気ライン２８を介して空気排出ライン３４に導入され、空気排出ライン３４を通過する空気と混合された後、空気排出ライン３４の下流側端部から大気開放される。

また、空気排出ライン３４を通過する空気と、上記のように分解された反応生成物との混合気体が、液体成分（水など）を含有する場合には、必要に応じて、空気排出ライン３４に気液分離器（図示せず）を介在させる。これにより、空気排出ライン３４を通過する空気と、上記のように分解された反応生成物との混合気体を、再度、気液分離することができる。

４．作用効果
この燃料電池システム２では、液体燃料の反応により生成される反応生成物（アンモニアなど）が、燃料側排気ライン２８に介在される気液分離器２７によって気体成分として分離された後、燃料側排気ライン２８に介在されるプラズマ反応装置６５によってプラズマ分解される。

このような燃料電池システム２において、燃料側排気ライン２８を通過するガスは、気液分離器２７によって分離された反応生成物（アンモニアなど）を比較的高濃度で含有し、酸素の含有量が低減されている。そのため、反応生成物（アンモニアなど）を分解できるとともに、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）などの発生を抑制することができる。さらに、このような燃料電池システム２では、反応生成物（アンモニアなど）を分解することによって、液体燃料に伴う反応生成物（アンモニアなど）の漏出（クロスリーク）を低減することもできる。

また、このような燃料電池システム２において、燃料側排気ライン２８を通過するガスは、比較的少量であるため、ガスの流量に応じた比較的小さいプラズマ分解手段を用いることができ、システムの巨大化を抑制することができる。

２燃料電池システム
３燃料電池
２４還流ライン
２５調整タンク
２８排気ライン
６５プラズマ反応装置

Claims

液体燃料が供給される燃料電池と、
前記燃料電池から排出され、前記液体燃料の反応により生成される反応生成物を含む排出液を、前記燃料電池に還流するための還流経路と、
前記還流経路に介在され、液体燃料を含む液体と、反応生成物を含む気体とに、排出液を分離するための気液分離器と、
前記気液分離器において分離された気体を排出するための排気経路と、
前記排気経路に介在され、前記気液分離器において分離された気体中の前記反応生成物をプラズマ処理するプラズマ処理手段と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。