(57)【要約】【課題】カソードに漏出した未消費の液体燃料および反応生成物を簡易に処理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、燃料電池３と燃料供給ライン３０と第１空気供給ライン４１と空気排出ライン４２とを備える。空気排出ライン４２には、第１分解装置２１と第２分解装置５７とが介在される。未消費の液体燃料および反応生成物は、第１分解装置２１において、活性ガスと接触し、分解される。未消費の活性ガスは、第２分解装置５７において、酸素を含む分解ガスに分解される。酸素を含む分解ガスは、第２還流ライン５８により、空気排出ライン４２から第１空気供給ライン４１へ還流される。【選択図】図１
2017199533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が消費される燃料電池と、
前記燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、
前記燃料電池に対して空気を供給する空気供給経路と、
未消費の空気とともに、未消費の液体燃料および反応生成物を、前記燃料電池から排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路に介在され、未消費の前記液体燃料および前記反応生成物を、活性ガスと接触させて、未消費の前記液体燃料および前記反応生成物を分解する第１分解手段と、
前記空気排出経路における前記第１分解手段よりも下流側に介在され、未消費の前記活性ガスを、酸素を含む分解ガスに分解する第２分解手段と、
その上流側端部が、前記空気排出経路における前記第２分解手段またはそれよりも下流側に接続され、その下流側端部が、前記空気供給経路に接続され、前記空気排出経路から前記空気供給経路へ、酸素を含む前記分解ガスを還流する還流経路とを備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料が消費される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を消費する固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。
【０００３】
例えば、液体燃料が供給されるアノードと、空気が供給されるカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置されている固体高分子形の燃料電池が提案されている。
【０００４】
このようなシステムでは、燃料電池のアノードに液体燃料が供給されるとともに、燃料電池のカソードに空気が供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）および（２）の電気化学反応が生じる。
【０００５】
（１）Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（アノードでの反応）
（２）Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−        （カソードでの反応）
また、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）が副反応を惹起し、反応生成物としてアンモニア（ＮＨ３）が生じる場合がある。
【０００６】
一方、このような燃料電池では、未消費の液体燃料が、アノードにおいて反応することなく電解質層を透過し、カソードに漏出する場合がある（クロスリーク現象）。
【０００７】
このような場合に、未消費の液体燃料が、外部へ排出されると、環境負荷を生じる場合がある。
【０００８】
そこで、未消費の液体燃料の外部への排出を抑制するために、燃料回収手段を備える燃料電池システムが提案されている。
【０００９】
具体的には、カソードから排出される未消費の液体燃料を回収し、再び燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−１３４９８１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、燃料電池システムでは、カソードから排出される未消費の液体燃料は、反応生成物を含んでいる場合がある。そのため、カソードから排出される未消費の液体燃料を、再び燃料電池に供給すると、反応効率の低下、および、燃料電池の損傷などを惹起する場合がある。
【００１２】
また、反応生成物を除去するために、吸着材を用いることも検討されるが、吸着材は定期的に交換する必要があり、手間がかかるという不具合がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、カソードに漏出した未消費の液体燃料および反応生成物を簡易に処理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】
【００１４】
本発明（１）は、液体燃料が消費される燃料電池と、前記燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、前記燃料電池に対して空気を供給する空気供給経路と、未消費の空気とともに、未消費の液体燃料および反応生成物を、前記燃料電池から排出する空気排出経路と、前記空気排出経路に介在され、未消費の前記液体燃料および前記反応生成物を、活性ガスと接触させて、未消費の前記液体燃料および前記反応生成物を分解する第１分解手段と、前記空気排出経路における前記第１分解手段よりも下流側に介在され、未消費の前記活性ガスを、酸素を含む分解ガスに分解する第２分解手段と、その上流側端部が、前記空気排出経路における前記第２分解手段またはそれよりも下流側に接続され、その下流側端部が、前記空気供給経路に接続され、前記空気排出経路から前記空気供給経路へ、酸素を含む前記分解ガスを還流する還流経路とを備える、燃料電池システムを含んでいる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料供給経路から燃料電池に供給され、クロスリーク現象により、空気排出経路に排出された未消費の液体燃料および反応生成物は、空気排出経路に介在される第１分解手段に供給される。そのため、第１分解手段において、未消費の液体燃料および反応生成物を活性ガスと接触させて、分解することができる。その結果、吸着材が不要であり、空気排出経路に排出された未消費の液体燃料および反応生成物を簡易に処理できる。
【００１６】
しかも、本発明の燃料電池システムによれば、未消費の活性ガスは、空気排出経路に介在される第２分解手段に供給され、第２分解手段において、酸素を含む分解ガスに分解される。そして、酸素を含む分解ガスは、空気排出経路から空気供給経路へ還流する還流経路に供給される。そのため、酸素を含む分解ガスを空気供給経路に還流することで再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態（酸素供給ラインの上流側端部を第１空気供給ラインに接続し、下流側端部をオゾン発生装置に接続する形態）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。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態（酸素供給ラインの上流側端部を大気開放し、下流側端部をオゾン発生装置に接続する形態）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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．燃料電池システムの全体構成（第１実施形態）
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。
【００１９】
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、液体燃料が消費され、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチ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。
【００２０】
燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。
【００２１】
なお、以下において、燃料電池３に供給される液体燃料を供給液、一方、燃料電池３から排出される液体燃料を排出液として、それぞれ区別する。
【００２２】
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（図示せず）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の前後方向途中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。
【００２３】
電解質層８は、例えば、アニオン成分またはカチオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜またはカチオン交換膜を用いて形成されている。
【００２４】
アノード９は、アノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料（供給液）を供給するための燃料供給部材１２とを有している。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、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、溝の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（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料（供給液）を接触させるための燃料供給路１３が形成される。
【００２７】
燃料供給路１３には、液体燃料（供給液）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（下側）に形成され、液体燃料（排出液）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（上側）に形成されている。
【００２８】
カソード１０は、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とを有している。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、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、溝の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（溝の形成された表面）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流路としての空気供給路１８が形成される。
【００３２】
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（上側）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（下側）に形成されている。
【００３３】
また、このような燃料電池３において、複数の単位セル２８をそれぞれ区分する１つのセパレータは、上記燃料供給部材１２および上記空気供給部材１７を兼ね備える。換言すると、セパレータは、その一方側面において、燃料供給部材１２として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材１７として作用する。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯留するための燃料タンク２２と、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に対して、供給液を供給する燃料供給経路としての燃料供給ライン３０と、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出液を排出する燃料排出経路としての燃料排出ライン３１と、燃料排出ライン３１から燃料供給ライン３０へ排出液を輸送する第１還流ライン３２とを備えている。
【００３４】
なお、燃料供給ライン３０と燃料排出ライン３１との間には、燃料電池３が介在されており、また、燃料排出ライン３１と第１還流ライン３２との間には、第１気液分離器２３（後述）が介在されている。
【００３５】
燃料タンク２２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２２には、液体燃料として、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯留されている。
【００３６】
燃料供給ライン３０の一方側（上流側）端部は、燃料タンク２２に接続されている。また、燃料供給ライン３０の他方側（下流側）端部は、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給口１５）に接続されている。
【００３７】
また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、燃料供給ライン３０の下流側には、燃料供給ポンプ３３が介在されており、また、その上流側には、燃料供給弁３４が設けられている。
【００３８】
燃料供給ポンプ３３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３３は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ３３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給ポンプ３３の駆動および停止を制御する。
【００３９】
また、燃料供給弁３４は、燃料供給ライン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３４は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３４の開閉を制御する。
【００４０】
このような燃料供給ポンプ３３の駆動、および、燃料供給弁３４の開閉により、燃料タンク２２から、液体燃料（供給液）が、燃料電池３へ供給される。
【００４１】
燃料排出ライン３１の一方側（上流側）端部は、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料排出口１４）に接続されている。また、燃料排出ライン３１の他方側（下流側）端部は、第１気液分離器２３に接続されている。
【００４２】
このような燃料排出ライン３１により、排出液が燃料電池３から排出され、第１気液分離器２３に輸送される。
【００４３】
第１気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その底部（底面）には、第１気液分離器２３の内外を流通させる第１底部流通口２４が２つ形成されている。
【００４４】
また、第１気液分離器２３の上部（上面）には、第１気液分離器２３の内外を流通させる第１上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４５】
第１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つの第１底部流通口２４が、それぞれ、燃料排出ライン３１および第１還流ライン３２（後述）に接続されている。
【００４６】
第１上部流通口２５には、第１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の上流側端部が接続されている。
【００４７】
ガス排出管２６の下流側端部は大気開放されている。また、ガス排出管２６の流れ方向途中には、ガス排出弁２７が設けられている。
【００４８】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して第１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２９（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２９（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２９（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００４９】
第１還流ライン３２の一方側（上流側）端部は、第１気液分離器２３の第１底部流通口２４に接続されている。また、第１還流ライン３２の他方側（下流側）端部は、燃料供給ライン３０の流れ方向途中部分（燃料供給ポンプ３３と燃料供給弁３４との間）に接続されている。
【００５０】
これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、第１気液分離器２３および第１還流ライン３２を介して、燃料供給ライン３０に輸送される。そして、燃料供給ライン３０内において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料と混合され、供給液として、燃料電池３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。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給する空気供給経路としての第１空気供給ライン４１と、燃料電池３（カソード１０）から空気を排出するための空気排出経路としての空気排出ライン４２とを備えている。
【００５１】
第１空気供給ライン４１の一方側（上流側）端部は、大気開放されている。また、第１空気供給ライン４１の他方側（下流側）端部は、燃料電池３（具体的には、カソード１０の空気供給口１９）に接続されている。
【００５２】
第１空気供給ライン４１の流れ方向途中には、第１空気供給ポンプ４３が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁４４が設けられている。
【００５３】
第１空気供給ポンプ４３としては、特に制限されず、公知のガスポンプが用いられる。第１空気供給ポンプ４３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、第１空気供給ポンプ４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第１空気供給ポンプ４３の駆動および停止を制御する。
【００５４】
空気供給弁４４は、第１空気供給ライン４１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、空気供給弁４４は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４４の開閉を制御する。
【００５５】
また、詳しくは後述するが、第１空気供給ライン４１の空気供給弁４４よりも下流側には、酸素供給ライン４５（後述）の上流側端部、および、第２還流ライン５８（後述）の下流側端部が、接続されている。
【００５６】
空気排出ライン４２の一方側（上流側）端部は、燃料電池３（具体的には、カソード１０の空気排出口２０）に接続されている。また、空気排出ライン４２の他方側（下流側）端部は、ドレンとされる。
【００５７】
また、空気排出ライン４２の流れ方向途中には、第１分解手段としての第１分解装置２１が介在されている。
【００５８】
第１分解装置２１は、未消費の液体燃料（クロスリーク燃料（後述））および反応生成物（後述）を、活性ガス（オゾン）と接触させて、酸素を含む分解ガスと水とに分解する装置である。なお、活性ガスとしては、反応生成物（後述）に対して分解活性を有し、酸素原子を含有するガスであって、例えば、オゾンが挙げられる。以下において、活性ガスがオゾンの場合を例として詳述する。
【００５９】
第１分解装置２１は、未消費の液体燃料（クロスリーク燃料（後述））および反応生成物（後述）が滞留される第２気液分離器４９と、オゾンを発生させるオゾン発生装置４７と、オゾン発生装置４７から第２気液分離器４９にオゾンを供給するための活性ガス供給ライン４８とを備えている。
【００６０】
第２気液分離器４９は、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される空気中の液体成分（クロスリーク燃料（後述）など）を分離するために、空気排出ライン４２に介在されている。
【００６１】
具体的には、第２気液分離器４９は、未消費の液体燃料（クロスリーク燃料（後述））および反応生成物（後述）を滞留させ、それらを活性ガス（オゾン）により分解するための反応器であって、例えば、中空の容器からなり、その内部には、カソード電極１６における副反応生成物（過酸化水素など）（後述）が貯留されている。また、第２気液分離器４９は、その上部（上面）には、第２気液分離器４９の内外を流通させる第２上部流通口５０が１つ形成されている。また、第２上部流通口５０には、活性ガス供給ライン４８（後述）の下流側端部が接続されている。
【００６２】
また、第２気液分離器４９の底部（底面）には、第２気液分離器４９の内外を流通させる第２底部流通口５１が１つ形成されている。また、第２底部流通口５１には、液体排出ライン５３（後述）の上流側端部が接続されている。
【００６３】
さらに、第２気液分離器４９の側面の上部には、第２気液分離器４９の内外を流通させる側面流通口５２が、互いに対向するように２つ形成されている。なお、第２上部流通口５０、第２底部流通口５１、および、１対の側面流通口５２は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００６４】
そして、２つの側面流通口５２が、それぞれ、空気排出ライン４２に接続（介在）されることにより、第２気液分離器４９は、空気排出ライン４２に介装されている。
【００６５】
オゾン発生装置４７は、酸素からオゾンを発生させる装置であって、例えば、紫外線照射型オゾン発生器、放電型オゾン発生器などの公知のオゾン発生装置が採用される。
【００６６】
オゾン発生装置４７に酸素を供給する方法としては、特に制限されず、例えば、オゾン発生装置４７に酸素を供給するための酸素供給ライン４５の一方側（上流側）端部を空気供給ライン４１に接続するとともに、他方側（下流側）端部をオゾン発生装置４７に接続する。これにより、空気供給ライン４１中の酸素が、酸素供給ライン４５を介して、オゾン発生装置４７に供給可能とされる。
【００６７】
活性ガス供給ライン４８は、オゾン発生装置４７で生じたオゾンを、第２気液分離器４９に供給するためのラインである。具体的には、活性ガス供給ライン４８の一方側（上流側）端部は、オゾン発生装置４７に接続されている。また、活性ガス供給ライン４８の他端側（下流側）端部は、第２気液分離器４９の第２上部流通口５０に接続されている。
【００６８】
また、活性ガス供給ライン４８の流れ方向途中には、ポンプ（図示せず）および弁（図示せず）が設けられており、オゾンの供給の開始および停止が切り替え可能とされ、また、オゾンの供給量が調整可能とされている。
【００６９】
また、第１分解装置２１は、液体排出ライン５３を備えている。
【００７０】
液体排出ライン５３は、第２気液分離器４９で分離され、後述するように処理された液体を排出するためのラインである。液体排出ライン５３の一方側（上流側）端部は、第２気液分離器４９（第２底部流通口５１）に接続されている。また、液体排出ライン５３の他方側（下流側）端部は、大気開放されている。
【００７１】
また、液体排出ライン５３の流れ方向途中には、液体排出弁５４が介在され、また、その下流側には、フィルタ５５が介在されている。
【００７２】
液体排出弁５４は、液体排出ライン５３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、液体排出弁５４は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、液体排出弁５４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、液体排出弁５４の開閉を制御する。
【００７３】
フィルタ５５は、液体排出ライン５３を通過する液体に含有される不純物や添加物を除去するために備えられている。フィルタ５５としては、公知のフィルタが採用される。
【００７４】
また、空気排出ライン４２における第１分解装置２１（第２気液分離器４９）の下流側には、第２分解手段としての第２分解装置５７が介在されている。
【００７５】
第２分解装置５７は、未消費の活性ガス（オゾン）を、酸素を含む分解ガス（酸素ガス）に分解するための装置であって、例えば、活性炭による吸着分解器、例えば、公知の触媒（二酸化マンガンなど）による触媒分解器などの公知のオゾン分解装置が採用される。
【００７６】
また、空気排出ライン４２における第２分解装置５７の下流側には、オゾン濃度を測定するための公知のオゾン濃度計（図示せず）が設けられており、第２分解装置５７から排出されるガス中のオゾン濃度が測定可能とされている。
【００７７】
また、空気排出ライン４２における第２分解装置５７よりも下流側には、還流経路としての第２還流ライン５８が接続されている。
【００７８】
第２還流ライン５８は、第２分解装置５７で生じた酸素を含む分解ガスを、空気排出ライン４２から第１空気供給ライン４１に還流するラインである。
【００７９】
第２還流ライン５８の一方側（上流側）端部は、空気排出ライン４２における第２分解装置５７よりも下流側に接続されている。また、第２還流ライン５８の他方側（下流側）端部は、第１空気供給ライン４１における酸素供給ライン４５の接続部分よりも下流側に接続されている。
【００８０】
また、空気排出ライン４２と第２還流ライン５８との接続部分には、三方バルブ４６が介在されている。
【００８１】
三方バルブ４６は、空気排出ライン４２と第２還流ライン５８とのガス流量を調整するための流量調整バルブであって、公知のバルブが用いられる。また、三方バルブ４６は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、三方バルブ４６に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、三方バルブ４６の開度を調整する。
【００８２】
具体的には、三方バルブ４６の開度に応じて、酸素を含む分解ガスの一部は、空気排出ライン４２を介して、外部に排出される。一方、酸素を含む分解ガスの残部（外部に排出されない酸素を含む分解ガス）は、第２還流ライン５８を介して、空気排出ライン４２から第１空気供給ライン４１に還流される。
（４）制御部
制御部６は、コントロールユニット２９を備えている。
【００８３】
コントロールユニット２９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。
【００８４】
制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、燃料供給ポンプ３３および第１空気供給ポンプ４３などの駆動および停止や、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７、空気供給弁４４、三方バルブ４６および液体排出弁５４などの開閉および開度などを、適宜制御する。
（５）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ーを蓄電するための動力用バッテリ４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。
【００８５】
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挙げられる。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、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機能を有している。
【００８９】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット２９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２９から出力される出力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。
【００９０】
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。
【００９１】
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２９の制御により、燃料供給弁３４が開かれ、燃料供給ポンプ３３が駆動されることにより、燃料タンク２２に貯留される液体燃料（供給液）が、燃料供給ライン３０を介して、アノード９に供給される。一方、空気供給弁４４が開かれ、第１空気供給ポンプ４３が駆動されることにより、空気が第１空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００９２】
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。
【００９３】
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。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（３）〜（５）の通りとなる。
（３）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−（アノード電極１１での反応）
（４）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−              （カソード電極１６での反応）
（５）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ      （燃料電池３全体での反応）
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極１１では、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）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、二酸化炭素（ＣＯ２）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（３）参照）。
【００９４】
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。
【００９５】
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（４）参照）。
【００９６】
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（３）参照）が生じる。
【００９７】
また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（６）〜（８）の通りとなる。
（６）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１１での反応）
（７）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−          （カソード電極１６での反応）
（８）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ            （燃料電池３全体での反応）
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（５）または上記式（８）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。
【００９８】
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ーが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。一方、動力用バッテリ４０では、その電力が充電される。
【００９９】
なお、カソード電極１６では、下記式（９）で示されるように、副反応生成物として、過酸化水素が発生する。
（９）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ２
３．未消費の液体燃料と反応生成物との処理、および、未消費の活性ガスの再利用
上記のような燃料電池３では、液体燃料が副反応を惹起し、反応生成物を生じる場合がある。
【０１００】
具体的には、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１０）が参照されるように、ヒドラジンが副反応を惹起し、反応生成物としてアンモニアが生じる場合がある。なお、このようなアンモニアは、通常、液体燃料中に溶解される。
（１０）  ２Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２ＮＨ３＋２Ｈ２Ｏ
また、燃料電池３では、アノード９に供給されたヒドラジンが、アノード９において反応することなく電解質層８を透過し、カソード１０に漏出する場合がある（クロスリーク現象）。
【０１０１】
このとき、上記のように生じたアンモニアも、ヒドラジンとともに、カソード１０に漏出（クロスリーク）する。このような場合、漏出したヒドラジンを回収し、再利用することも検討されるが、ヒドラジンがアンモニアなどを含む場合、そのヒドラジンを再利用すると、反応効率の低下や燃料電池３の損傷を惹起する場合がある。
【０１０２】
そこで、この燃料電池システム２では、以下に示すように、漏出した未消費のヒドラジン（クロスリーク燃料）を分解する。
【０１０３】
すなわち、この燃料電池システム２では、未消費の空気とともに、未消費のヒドラジン（クロスリーク燃料）と、アンモニア（ヒドラジンの副反応生成物）と、過酸化水素（カソード電極１６における副反応生成物）とが、カソード１０から空気排出ライン４２を通過して、上流側の側面流通口５２から第２気液分離器４９に流入する。
【０１０４】
また、この燃料電池システム２では、第１空気供給ライン４１中の空気（酸素）が、酸素供給ライン４５を介して、オゾン発生装置４７に供給される。そして、オゾン発生装置４７において、オゾン（活性ガス）が発生する。
【０１０５】
発生したオゾンは、活性ガス供給ライン４８を介して、第２上部流通口５０から第２気液分離器４９に供給される。これにより、未消費のヒドラジン（クロスリーク燃料）およびアンモニアは、オゾンと接触する。
【０１０６】
なお、オゾンは、活性ガス供給ライン４８のポンプ（図示せず）および弁（図示せず）により流量調整され、未消費のヒドラジン（クロスリーク燃料）およびアンモニアに対して過剰になるようにして、供給される。
【０１０７】
そして、第２気液分離器４９において、過酸化水素存在下において、下記式（１１）および（１２）の化学反応が生じ、未消費のヒドラジン（クロスリーク燃料）およびアンモニアは、分解され、これにより、水が得られる。
（１１）  Ｎ２Ｈ４＋２Ｏ３→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋Ｏ２
（１２）  ２ＮＨ３＋Ｏ３→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
その結果、水を含む第２液溜まり５６が、第２気液分離器４９の中空部分に生じるとともに、第２液溜まり５６に含まれるガス（窒素、酸素、未消費のオゾン）が、第２液溜まり５６の上方空間へ分離される。第２液溜まり５６の水位は、１対の側面流通口５２よりも下方位置に保持される。その一方で、第２液溜まり５６の一部が、コントロールユニット２９の制御により、液体排出弁５４が開かれることにより、液体排出ライン５３を介して、外部へ排出される。
【０１０８】
また、第２液溜まり５６の上方に分離されたガス（窒素、酸素、未消費のオゾン）は、空気排出ライン４２を介して、第２分解装置５７に供給される。そして、第２分解装置５７において、未消費のオゾンは、酸素を含む分解ガス（酸素ガス）に分解される。
【０１０９】
次いで、コントロールユニット２９の制御によって、三方バルブ４６の開度が調整され、酸素ガスの一部は、第２還流ライン５８を介して、第１空気供給ライン４１に供給され、再度、燃料電池３に供給される。
【０１１０】
このようにして、酸素ガスが、クローズドライン（第２還流ライン５８、第１空気供給ライン４１、燃料電池３、空気排出ライン４２、第２気液分離器４９および第２分解装置５７）を循環する。
【０１１１】
一方、酸素ガスの残部（第１空気供給ライン４１に供給されない酸素ガス）は、空気排出ライン４２を介して、外部に排出される。
【０１１２】
外部に排出される酸素ガスにおけるオゾンの濃度は、空気排出ライン４２に備えられたオゾン濃度計（図示せず）によって測定され、例えば、０．１０ｐｐｍ以下、好ましくは、０．０６ｐｐｍ以下である。
【０１１３】
また、酸素供給ライン４５におけるオゾン発生装置４７の上流側には、圧力計（図示せず）が設けられている。
【０１１４】
また、第１空気供給ライン４１における第２還流ライン５８の接続部分よりも下流側には、圧力計（図示せず）が設けられている。
【０１１５】
また、コントロールユニット２９の制御によって、酸素供給ライン４５におけるオゾン発生装置４７の上流側の圧力が、第１空気供給ライン４１における第２還流ライン５８の接続部分よりも下流側の圧力よりも高くなるように、調整されている。
４．作用効果
燃料電池システム２によれば、燃料供給ライン３０から燃料電池３に供給され、クロスリーク現象により、空気排出ライン４２に排出された未消費の液体燃料および反応生成物は、空気排出ライン４２に介在される第１分解装置２１に供給される。そのため、第１分解装置２１において、未消費の液体燃料および反応生成物を活性ガスと接触させて、分解することができる。その結果、吸着材が不要であり、空気排出ライン４２に排出された未消費の液体燃料および反応生成物を簡易に処理できる。
【０１１６】
しかも、燃料電池システム２によれば、未消費の活性ガスは、空気排出ライン４２に介在される第２分解装置５７に供給され、第２分解装置５７において、酸素を含む分解ガスに分解される。そして、酸素を含む分解ガスは、空気排出ライン４２から第１空気供給ライン４１へ還流する第２還流ライン５８に供給される。そのため、酸素を含む分解ガスを第１空気供給ライン４１に還流することで再利用することができる。
５．第２実施形態
図２は、本発明の燃料電池システムの第２実施形態を示す概略構成図である。
【０１１７】
なお、以下の第２実施形態において、上記した各部に対応する部材については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１１８】
上記した説明では、酸素供給ライン４５の上流側端部を第１空気供給ライン４１に接続し、下流側端部をオゾン発生装置４７に接続したが、酸素供給ライン４５の配管方法は、上記に限定されず、例えば、酸素供給ライン４５の上流側端部を大気開放し、下流側端部をオゾン発生装置４７に接続することもできる。
【０１１９】
より具体的には、図２に示すように、第２実施形態では、酸素供給ライン４５の一方側（上流側）端部は、大気開放されている。また、酸素供給ライン４５の他方側（下流側）端部は、オゾン発生装置４７に接続されている。
【０１２０】
また、酸素供給ライン４５の流れ方向途中には、第２空気供給ポンプ６１が設けられ、その下流側には、酸素供給弁６２が設けられている。
【０１２１】
第２空気供給ポンプ６１としては、特に制限されず、公知のガスポンプが用いられる。第２空気供給ポンプ６１は、コントロールユニット２９に電気的に接続されており、コントロールユニット２９からの制御信号が、第２空気供給ポンプ６１に入力され、コントロールユニット２９が、第２空気供給ポンプ６１の駆動および停止を制御する。
【０１２２】
酸素供給弁６２は、酸素供給ライン４５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、酸素供給弁６２は、コントロールユニット２９に電気的に接続されており、コントロールユニット２９からの制御信号が、酸素供給弁６２に入力され、コントロールユニット２９が、酸素供給弁６２の開閉を制御する。
【０１２３】
そして、第２実施形態では、コントロールユニット２９の制御により、酸素供給弁６２が開かれ、第２空気供給ポンプ６１が駆動されることにより、酸素供給ライン４５を介して、酸素がオゾン発生装置４７に供給される。
【０１２４】
このような燃料電池システム２によれば、第２空気供給ポンプ６１が駆動されることにより、酸素供給ライン４５を介して、酸素がオゾン発生装置４７に供給されるので、オゾン発生装置４７に供給する酸素の流量を、より簡便に調整できる。
６．変形例
第１実施形態および第２実施形態では、液体燃料として、ヒドラジンを例示したが、液体燃料が、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルであっても、同様である。
【０１２５】
また、第１実施形態および第２実施形態では、活性ガスとして、オゾンを例示したが、活性ガスの種類は特に制限されない。活性ガスとして、好ましくは、オゾンが挙げられる。
【０１２６】
また、第１実施形態では、酸素供給ライン４５の上流側端部は、第１空気供給ライン４１に接続されるが、酸素供給ライン４５の上流側端部は、第１空気供給ポンプ４３接続されてもよい（図示せず）。
【０１２７】
また、第１実施形態および第２実施形態では、第２還流ライン５８の上流側端部は、空気排出ライン４２における第２分解装置５７よりも下流側に接続されるが、第２還流ライン５８の上流側端部は、第２分解装置５７に接続されてもよい（図示せず）。
【０１２８】
また、第１実施形態および第２実施形態では、第２還流ライン５８の下流側端部は、第１空気供給ライン４１における空気供給弁４４と燃料電池３との間に接続されているが、第２還流ライン５８の下流側端部は、第１空気供給ポンプ４３よりも上流側に接続されてもよい（図示せず）。
【０１２９】
また、第１実施形態および第２実施形態において、第１空気供給ライン４１における酸素供給ライン４５の接続部分よりも下流側であり、第２還流ライン５８の接続部分よりも上流側に、加湿装置を設けることができる（図示せず）。
【０１３０】
また、第１実施形態および第２実施形態では、燃料電池システム２は、電動車両１の燃料電池システム２として搭載されているが、これに限定されず、燃料電池システム２は、工業用、家庭用の燃料電池システム２としても設置することもできる。
【符号の説明】
【０１３１】
１      電動車両
２      燃料電池システム
３      燃料電池
２１    第１分解装置
３０    燃料供給ライン
３１    燃料排出ライン
４１    第１空気供給ライン
４２    空気排出ライン
５７    第２分解装置
５８    第２還流ライン
【図１】
2017199533.tif 000003
【図２】
2017199533.tif 000004