JP6804848B2 - アンモニア分解方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンモニア分解方法に関し、詳しくは、燃料電池システムにおいて循環する液体燃料に含有されるアンモニアなどを分解するために有効なアンモニア分解方法に関する。

従来、火力発電所、汚水処理場などの各種施設から、有害なアンモニアを含むガスが、排出されている。また、例えば、ヒドラジン類を液体燃料とする燃料電池など、窒素化合物を消費する各種装置からも、アンモニアが生じる場合がある。

このようなアンモニアは、地球環境の観点から、通常、大気に放出される前に、無害化処理されることが要求されている。

アンモニアの処理方法としては、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１参照。）。

特開２０１４−０７００１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載される方法では、気体に含まれるアンモニアを分解することはできるが、液体に含まれるアンモニアを分解できないという不具合がある。

一方、ヒドラジン類を液体燃料とする燃料電池などにおいては、排出液（使用後の液体燃料）などの液体中にアンモニアが含まれる場合があり、液体中のアンモニアを処理できる処理方法が、要求されている。

この点、例えば、液体中のアンモニアを、活性炭などの吸着材に吸着させ、液体から除去する処理も検討されるが、吸着材の処理能力は十分ではなく、また、定期的に吸着材を交換する必要があるため、コストがかかるという不具合がある。

本発明の目的は、液体に含まれるアンモニアを、低コストかつ効率よく分解できるアンモニア分解方法を、提供することにある。

［１］本発明は、アンモニアを含有する溶液中において１対の電極を対向配置する準備工程と、前記電極に通電し、前記電極付近において前記溶液を沸騰させることによって前記電極間に気相を発生させるとともに、前記気相による絶縁破壊が生じる条件で、前記気相中にプラズマを発生させ、前記溶液中に含有されるアンモニアを分解する分解工程とを備えていることを特徴とする、アンモニア分解方法である。

このようなアンモニア分解方法では、通電により溶液中に気相（気泡）を生じさせるとともに、その気相（気泡）による絶縁破壊が溶液（すなわち、アンモニアを含む溶液）に生じる条件で、気相（気泡）中にプラズマを発生させる。このとき、溶液中に含有されるアンモニアが、気相（気泡）中に移動し、その気相（気泡）中において、アンモニアが分解される。

すなわち、このようなアンモニア分解方法によれば、アンモニアを含有する溶液中において、アンモニアを低コストかつ効率よく分解することができる。
［２］本発明は、さらに、前記分解工程では、１対の前記電極の対向面の直径が０．１〜１．０ｍｍ、周波数が２０ｋＨｚ以上、および、前記溶液のコンダクタンスが１０Ｓ／ｍ以下の条件のうち、少なくとも１つ以上の条件を満足することを特徴とする、上記［１］に記載のアンモニア分解方法である。

このようなアンモニア分解方法によれば、上記した条件のうち、少なくとも１つ以上の条件を満たしていることにより、より確実に、気相（気泡）による絶縁破壊を、アンモニアを含有する溶液に生じさせることができる。そのため、溶液中のアンモニアを確実に分解することができる。
［３］本発明は、さらに、液体燃料が供給および排出される燃料電池と、液体燃料が循環する燃料循環経路と、前記燃料循環経路に介在される循環燃料タンクとを備える燃料電池システムの前記循環燃料タンク内において実施することを特徴とする、上記［１］または［２］に記載のアンモニア分解方法である。

このようなアンモニア分解方法によれば、燃料電池システムにおいて、循環する液体燃料に含有されるアンモニアを、その液体燃料中で分解することができる。

そのため、液体燃料に含有されるアンモニアを効率よく分解することができ、燃料電池システムによって、効率よく発電することができる。

本発明のアンモニア分解方法では、アンモニアを含有する溶液中に通電することによって、溶液中に気相（気泡）を発生させ、かつ、その気相（気泡）による絶縁破壊が生じる条件で、気相中にプラズマを発生させる。これにより、溶液中のアンモニアを低コストかつ効率よく分解することができる。

図１は、本発明のアンモニア分解方法の一実施形態を実施するために用いられるアンモニア分解装置の概略図である。 図２は、図１に示すアンモニア分解装置が用いられる燃料電池システムの概略図である。

１．アンモニア分解方法およびアンモニア分解装置
本発明のアンモニア分解方法では、アンモニアを含有する溶液中で、プラズマを発生させることによって、アンモニア（ＮＨ_３、ＮＨ_４ ^＋）を、窒素（Ｎ_２）および水素（Ｈ_２）に分解する。

アンモニアを含有する溶液としては、特に制限されず、種々の溶液を用いることができる。例えば、アンモニアを含有する溶液において、溶媒としては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、水、ヒドラジン、無水ヒドラジン、ヒドラジン１水和物などのプロトン性極性溶媒、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）などの非プロトン性極性溶媒、例えば、トルエン、キシレン、イソホロン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸メチル、フタル酸ジメチルなどの低極性溶媒などが挙げられる。

また、アンモニアを含有する溶液において、アンモニア濃度は、例えば、０．００１モル％以上、好ましくは、０．０１モル％以上であり、例えば、１モル％以下、好ましくは、０．５９モル％以下である。

以下において、本発明のアンモニア分解方法の一実施形態を実施するために用いられるアンモニア分解装置について、図１を参照して説明する。

図１において、アンモニア分解装置１は、プラズマ反応容器２と、プラズマ発生装置３とを備えている。

プラズマ反応容器２は、密閉可能な耐熱耐圧容器であって、アンモニアを含有する溶液に対して安定な材料から形成されている。なお、容器２の形状およびサイズは、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。

プラズマ発生装置３は、電源４と、１対の電極５とを備えている。

電源４は、アンモニアを含有する溶液中にプラズマを発生させることができれば、特に制限されないが、例えば、公知のパルス電源などが挙げられる。パルス電源は、通常、パルス電圧、パルス幅およびパルス繰返し周波数を任意の値に調節可能であり、１対の電極５に、配線を介して電気的に接続されている。

１対の電極５は、例えば、板状、棒状などに形成されている。図１では、電極５は、棒状に形成されている。電極５を形成する電極材料としては、例えば、ニッケル、銅、ステンレス鋼、タングステンなどが挙げられ、好ましくは、タングステンが挙げられる。また、１対の電極５は、プラズマ反応容器２の周側面を貫通するように、プラズマ反応容器２に固定されており、プラズマ反応容器２内において、端面が向かい合うように、互いに所定間隔を隔てて対向配置されている。

１対の電極５の端面間の距離は、例えば、０．５ｍｍ以上、好ましくは、０．８ｍｍ以上であり、例えば、１．５ｍｍ以下、好ましくは、１．２ｍｍ以下である。

また、電極５の断面形状（すなわち、１対の電極５の対向面の形状）は、特に制限されないが、例えば、断面視略円形状、断面視略四角形状など、種々の形状が採用される。電極５の断面形状として、好ましくは、断面視略円形状が挙げられる。

電極５のサイズは、例えば、電極５が断面視略円形状である場合、その直径（すなわち、１対の電極５の対向面の直径）が、０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．２ｍｍ以上であり、１．０ｍｍである。また、例えば、電極５が断面視略四角形状である場合、その一辺の長さ（すなわち、１対の電極５の対向面の一辺の長さ）が、０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．２ｍｍ以上であり、１．０ｍｍである。

また、電極５の断面積（すなわち、１対の電極５の対向面の面積）が、０．００７ｍｍ^２以上、好ましくは、０．０３ｍｍ^２以上であり、例えば、１ｍｍ^２以下、好ましくは、０．８ｍｍ^２以下である。

電極５のサイズが上記範囲であれば、アンモニアを含む溶液内に良好に気相（気泡）を生じさせ、また、その気相（気泡）による絶縁破壊を、溶液に生じさせることができる。

以下において、アンモニア分解装置１を用いたプラズマ分解方法について、詳述する。

この方法では、まず、アンモニアを含有する溶液中において１対の電極５を対向配置する（準備工程）。

すなわち、図１が参照されるように、プラズマ反応容器２内に、アンモニアを含有する溶液を、注入する。または、アンモニアを含有する容器が貯留されているプラズマ反応容器２に、電極５を挿入し、固定する。

これにより、アンモニアを含有する溶液中において、１対の電極５が対向配置される。

次いで、この方法では、電極５に通電し、電極５付近において溶液を沸騰させることによって電極５間に気相（気泡）を発生させるとともに、その気相（気泡）による絶縁破壊が溶液に生じる条件で、気相（気泡）中にプラズマを発生させ、溶液中に含有されるアンモニアを分解する（分解工程）。

分解工程において、アンモニアを含有する溶液中に沸騰による気相（気泡）を発生させ、かつ、その気相（気泡）による絶縁破壊を溶液に生じさせる条件として、具体的には、以下に示す条件（ａ）〜（ｃ）の内、少なくとも１つ以上の条件を満足することが挙げられる。

（ａ）電極サイズ
１対の電極５のサイズを、上記した範囲とする。具体的には、電極５が断面視略円形状である場合、その直径（すなわち、１対の電極５の対向面の直径）を、例えば、０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．２ｍｍ以上とし、また、例えば、１．０ｍｍ以下とする。

電極５のサイズが上記範囲であれば、より確実に、アンモニアを含有する溶液に気相（気泡）を発生させ、その気相（気泡）による絶縁破壊を溶液に生じさせることができる。そのため、溶液中のアンモニアを確実に分解することができる。

（ｂ）周波数
電極５（パルス電源）による通電条件のうち、パルスの繰返し周波数を、適切な範囲に調整する。

具体的には、パルスの繰返し周波数は、例えば、２０ｋＨｚ以上であり、例えば、１００ｋＨｚ以下、好ましくは、５０ｋＨｚ以下である。

パルスの繰返し周波数が上記範囲であれば、より確実に、アンモニアを含有する溶液に気相（気泡）を発生させ、その気相（気泡）による絶縁破壊を溶液に生じさせることができる。そのため、溶液中のアンモニアを確実に分解することができる。

（ｃ）溶液のコンダクタンス
アンモニアを含有する溶液のコンダクタンス（電流の流れやすさ）を、適切な範囲に調整する。

具体的には、アンモニアを含有する溶液のコンダクタンスは、例えば、０．０１Ｓ／ｍ以上、好ましくは、０．０５Ｓ／ｍ以上であり、例えば、１０Ｓ／ｍ以下、好ましくは、５Ｓ／ｍ以下である。

アンモニアを含有する溶液のコンダクタンスが上記範囲であれば、より確実に、アンモニアを含有する溶液に気相（気泡）を発生させ、その気相（気泡）による絶縁破壊を溶液に生じさせることができる。そのため、溶液中のアンモニアを確実に分解することができる。

なお、コンダクタンスを調整する方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができ、具体的には、例えば、酸、アルカリなどの公知の添加剤を添加し、溶液の導電性を向上させる方法や、例えば、イオン吸着樹脂などにより溶液中のイオンを除去し、導電性を低下させる方法などが挙げられる。

また、このアンモニア分解方法では、上記（ａ）〜（ｃ）の条件のうち、少なくとも１つ以上の条件を満たしていればよいが、好ましくは、上記（ａ）〜（ｃ）の条件を全て満たすことが挙げられる。上記（ａ）〜（ｃ）の条件を全て満たしていれば、とりわけ確実に、アンモニアを含有する溶液に気相（気泡）を発生させ、その気相（気泡）による絶縁破壊を溶液に生じさせることができる。そのため、溶液中のアンモニアを確実に分解することができる。

なお、上記（ａ）〜（ｃ）を除く条件は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。

具体的には、アンモニアを含有する溶液の量は、例えば、１０ｍＬ以上、好ましくは、２０ｍＬ以上であり、例えば、１００Ｌ以下、好ましくは、５０Ｌ以下である。

また、電極５（パルス電源）による通電条件のうち、パルス電圧は、例えば、１ｋＶ以上、好ましくは、３ｋＶ以上であり、例えば、２０ｋＶ以下、好ましくは、１５ｋＶ以下である。

また、パルス幅は、例えば、０．１μｓ以上、好ましくは、１μｓ以上であり、例えば、１０μｓ以下、好ましくは、５μｓ以下である。

また、照射時間（通電時間）は、例えば、５分以上、好ましくは、３０分以上であり、例えば、６時間以下、好ましくは、２時間以下である。

そして、このような条件で通電することにより、アンモニアを含む溶液が沸騰し、その溶液中に気相（気泡）が生じるとともに、その気相（気泡）による絶縁破壊が溶液に生じる。このとき、溶液中のアンモニアが、気相（気泡）中に移動し、気体化（アンモニアガス化）される。

そして、このような状態において、アンモニアを含む溶液は、プラズマ発生装置３により通電されているため、気相（気泡）中のアンモニアガスが、プラズマ処理され、窒素および水素に分解される。

つまり、このようなアンモニア分解方法では、通電により溶液中に気相（気泡）を生じさせるとともに、その気相による絶縁破壊を溶液に生じさせる条件で、気相（気泡）中にプラズマを発生させる。このとき、溶液中に含有されるアンモニアが、気相（気泡）中に移動し、その気相（気泡）中において、アンモニアが分解される。

このようなアンモニア分解方法によれば、アンモニアを含有する溶液中において、アンモニアを低コストかつ効率よく分解することができる。

また、上記した条件（ａ）〜（ｃ）のうち、少なくとも１つ以上の条件を満たしていることにより、アンモニアを含有する溶液中に、気相による絶縁破壊を確実に生じさせることができる。そのため、溶液中のアンモニアを確実に分解することができる。

そのため、このようなアンモニア分解方法は、種々の産業分野において用いることができ、とりわけ、ヒドラジン類を液体燃料とする燃料電池において、好適に用いることができる。

２．燃料電池システムの全体構成
以下において、上記のアンモニア分解方法が用いられる燃料電池システムについて、図２を参照して詳述する。

図２において、電動車両５１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５２を搭載している。

燃料電池システム５２は、燃料電池５３と、燃料給排部５４と、図示しない空気給排部と、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５３は、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５１の中央下側に配置されている。

燃料電池５３に供給され、また、燃料電池５３から排出される液体燃料としては、例えば、ヒドラジン類（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。

なお、以下において、燃料電池５３に供給される液体燃料を供給液とし、燃料電池５３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。

また、燃料電池５３の出力電圧は、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流は、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。

燃料電池５３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２では、積層される複数の単位セル２８のうち、電動車両５１の前後方向最前端に配置される単位セル２８だけを拡大して示し、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。

電解質層８は、例えば、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。

アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極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。

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。

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。

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。

カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極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。

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。

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。

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。

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。

また、このような燃料電池５３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５４は、アノード９に液体燃料を供給するために設けられている。

供給液が貯留される燃料タンク３５と、燃料タンク３５から燃料電池５３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）へ、供給液を輸送する燃料供給ライン３７と、燃料供給ライン３７に介在される循環燃料タンク４１と、その循環燃料タンク４１に接続され、燃料電池５３（具体的には、アノード９の燃料排出口１４）から、排出液を循環燃料タンク４１に排出させる燃料排出ライン３８と、燃料排出ライン３８に介在される気液分離器５６とを備えている。

燃料タンク３５は、液体燃料に耐性のある材質、具体的には、ステンレス板などの金属材料などから、例えば、箱状などに形成されている。

燃料供給ライン３７は、その上流側端部が、燃料タンク３５に接続されるとともに、下流側端部が、燃料電池５３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されており、その流れ方向途中において、循環燃料タンク４１が介在されている。

より具体的には、燃料供給ライン３７は、燃料タンク３５および循環燃料タンク４１間を接続する第１供給ライン３９と、循環燃料タンク４１および燃料電池５３間を接続する第２供給ライン４２とを備えている。

第１供給ライン３９は、その上流側端部が、燃料タンク３５に接続されるとともに、下流側端部が、循環燃料タンク４１に接続されている。

また、第１供給ライン３９の流れ方向途中には、第１供給ポンプ４３および燃料供給弁４４が設けられている。

第１供給ポンプ４３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。第１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いる（図２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、第１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供給ポンプ４３の駆動および停止を制御する。

また、燃料供給弁４４は、第１供給ライン３９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いる（図２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４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁４４の開閉を制御する。

このような第１供給ライン３９により、燃料タンク３５から、液体燃料（１次（高濃度）供給液）が、循環燃料タンク４１へ供給される。

第２供給ライン４２は、その上流側端部が、循環燃料タンク４１に接続されるとともに、下流側端部が、燃料電池５３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されている。

また、第２供給ライン４２の流れ方向途中には、第２供給ポンプ４５が設けられている。

第２供給ポンプ４５としては、上記した公知の送液ポンプが用いられる。第２供給ポンプ４５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２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、第２供給ポンプ４５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２供給ポンプ４５の駆動および停止を制御する。

このような第２供給ライン４２により、液体燃料（２次供給液）が、循環燃料タンク４１から燃料電池５３に供給される。

循環燃料タンク４１は、例えば、中空の容器からなり、燃料供給ライン３７に介在するように備えられている。具体的には、循環燃料タンク４１の側壁面における上部に、第１供給ライン３９が接続され、また、底面に、第２供給ライン４２が接続されている。

また、循環燃料タンク４１の上面には、燃料排出ライン３８の下流側端部が接続されている。

燃料排出ライン３８は、その上流側端部が、燃料電池５３（具体的には、アノード９の燃料排出口１４）に接続されるとともに、下流側端部が、循環燃料タンク４１に接続されており、その流れ方向途中において、気液分離器５６が介在されている。

より具体的には、燃料排出ライン３８は、燃料電池５３および気液分離器５６間を接続する第１排出ライン５７と、気液分離器５６および循環燃料タンク４１間を接続する第２排出ライン５８とを備えている。

第１排出ライン５７は、その上流側端部が、燃料電池５３（具体的には、アノード９の燃料排出口１４）に接続されるとともに、下流側端部が、気液分離器５６に接続されている。

このような第１排出ライン５７により、燃料電池５３から、液体燃料（排出液）が、気液分離器５６へ供給される。

第２排出ライン５８は、その上流側端部が、気液分離器５６に接続されるとともに、下流側端部が、循環燃料タンク４１に接続されている。

このような第２排出ライン５８により、液体燃料（排出液）が、気液分離器５６から循環燃料タンク４１に供給される。

気液分離器５６は、例えば、中空の容器からなり、燃料排出ライン３８に介在するように備えられている。具体的には、気液分離器５６の側壁面に、第１排出ライン５７が接続され、また、底面に、第２排出ライン５８が接続されている。

これにより、燃料電池５３から排出される排出液が、第１排出ライン５７を介して、気液分離器５６に輸送され、気体成分と液体成分とに分離される。その後、液体成分（排出液）が、第２排出ライン５８を介して、循環燃料タンク４１に輸送される。そして、液体成分（排出液）が、燃料タンク３５から輸送された液体燃料（１次供給液）と混合され、濃度調整された後、供給液（２次供給液）として、燃料電池５３に戻る（還流する）。このようにして、液体燃料がアノード９を循環する燃料循環経路（クローズドライン（閉流路））が形成される。

また、気液分離器５６の側壁面における上部には、気液分離器５６の内外を流通させる上部流通口２５が形成されている。

上部流通口２５には、気液分離器５６で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。

より具体的には、ガス排出管２６は、その上流側端部が、気液分離器５６の上部流通口２５に接続されており、また、下流側端部が、大気に開放されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器５６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２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。

また、燃料給排部５４には、上記したアンモニア分解装置１が、備えられている。

より具体的には、液体燃料が、アノード９を循環する燃料循環経路（循環燃料タンク４１、第２供給ライン４２、燃料供給路１３、第１排出ライン５７、気液分離器５６および第２排出ライン５８）を循環する場合、後述するように、液体燃料は、アンモニアを含有する場合がある。

そこで、液体燃料（すなわち、アンモニアを含有する溶液）が貯留される循環燃料タンク４１を、アンモニア分解装置１のプラズマ反応容器２として兼用し、その周壁面に、１対の電極５を固定する。また、循環燃料タンク４１（プラズマ反応容器２）の近傍に、電源４を設け、その電源４と電極５とを配線により接続して、プラズマ発生装置３とする。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム５２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出管（図示せず）とを備えている。

空気供給管（図示せず）は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給管（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。

これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、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、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。

空気排出管（図示せず）は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
（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。

コントロールユニット２９は、電動車両５１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。

制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、第１供給ポンプ４３、第２供給ポンプ４５などの駆動および停止、燃料供給弁４４やガス排出弁２７の開閉などを、適宜制御する。
（５）動力部
動力部７は、燃料電池５３から出力される電気エネルギを電動車両５１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ３１と、モータ３１に電気的に接続されるインバータ３２と、モータ３１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ３３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０とを備えている。

モータ３１は、燃料電池５３よりも前方、電動車両５１の前側に配置されている。モータ３１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。

インバータ３２は、モータ３１と燃料電池５３との間に配置されている。インバータ３２は、燃料電池５３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３２は、配線により、燃料電池５３およびモータ３１にそれぞれ電気的に接続されている。

動力用バッテリ３３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３３は、インバータ３２と燃料電池５３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池５３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３１に電力を供給可能とされている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、動力用バッテリ３３と燃料電池５３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、燃料電池５３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池５３の電力および動力用バッテリ３３の入出力電力を調整する機能を有している。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０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２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５３の出力（出力電圧）を制御する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、配線により、燃料電池５３および動力用バッテリ３３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３２に電気的に接続されている。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０からモータ３１への電力は、インバータ３２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３１に供給される。

３．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５２では、コントロールユニット２９の制御により、燃料供給弁４４が開かれ、第１供給ポンプ４３および第２供給ポンプ４５が駆動されることにより、燃料タンク３５に貯留される供給液が燃料供給ライン３７を介して、具体的には、第１供給ライン３９、循環燃料タンク４１および第２供給ライン４２を順次通過し、アノード９に供給される。一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁４４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。

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。

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、電解質層８がアニオン交換膜であり、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（２） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（３） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池５３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極１１では、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）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、窒素（Ｎ_２（ガス））および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

また、上記した（１）で示される反応では、実際には、窒素（Ｎ_２（ガス））および水（Ｈ_２Ｏ）に加えて、アンモニア（ＮＨ_３、ＮＨ_４ ^＋）が副生する。

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。

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５３での反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（２）参照）。

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（１）参照）が生じる。

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５３全体として、上記式（３）で示される反応が生じて、燃料電池５３に起電力が発生する。

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に送電され、動力部７では、インバータ３２およびモータ３１、および／または、動力用バッテリ３３に送電される。そして、モータ３１では、インバータ３２により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両５１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ３３では、その電力が充電される。

また、燃料給排部５４では、アノード９から排出される排出液（使用後および未反応の液体燃料、副生する窒素ガス（Ｎ_２）およびアンモニア（ＮＨ_３、ＮＨ_４ ^＋）を含む。）が、第１排出ライン５７を介して、気液分離器５６に流入する。

気液分離器５６では、排出液による液溜まりが、気液分離器５６の中空部分に生じるとともに、排出液に含まれるガス（窒素ガス（Ｎ_２）など）の一部が、液溜まりの上方空間へ分離される。

このようにして、気液分離器５６において、排出液が、液体燃料と気体とに分離される。

なお、気液分離器５６において分離された気体は、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。

一方、気液分離器５６において分離された液体燃料は、第２排出ライン５８を介して、循環燃料タンク４１に流入し、供給液（２次供給液）として循環され、再度、燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。

また、２次供給液の循環使用に伴って、液体燃料中の燃料濃度が低くなる場合には、気液分離器５６において分離され、循環燃料タンク４１に流入した液体燃料は、燃料供給弁４４の開閉によって燃料タンク３５から輸送された液体燃料（１次（高濃度）供給液）と混合され、濃度調整された後、供給液（２次供給液）として、再度、燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。

このようにして、液体燃料が、燃料循環経路（循環燃料タンク４１、第２供給ライン４２、燃料供給路１３、第１排出ライン５７、気液分離器５６および第２排出ライン５８）を循環する。

４．燃料電池システムにおけるアンモニア分解
上記式（３）で示したように、燃料電池システム５２では、液体燃料がヒドラジンである場合、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）および酸素（Ｏ_２）の反応により、窒素ガス（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。

また、この反応では、窒素ガス（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）に加えて、アンモニア（ＮＨ_３、ＮＨ_４ ^＋）が副生し、アンモニアが、液体燃料に含有される。

そこで、この燃料電池システム５２では、上記したアンモニア分解方法を、燃料循環経路（クローズドライン）に介在される循環燃料タンク４１内において実施する。

より具体的には、燃料電池５３における化学反応によってアンモニアが生成された場合、アンモニアを含んだ液体燃料（すなわち、アンモニアを含有する溶液）は、循環燃料タンク４１内に貯留される。

このとき、燃料電池システム５２には、循環燃料タンク４１をプラズマ反応容器２として兼用するアンモニア分解装置１が設けられており、液体燃料（すなわち、アンモニアを含有する溶液）中において、１対の電極５が対向配置されている。

そのため、上記した条件、すなわち、溶液中に気泡を発生させる条件で、電極５に通電し、溶液中にプラズマを発生させることにより、溶液中に含有されるアンモニアを分解することができる。

このようなアンモニア分解方法によれば、燃料電池システム５２において、循環する液体燃料に含有されるアンモニアを、その液体燃料中で分解することができる。

そのため、液体燃料に含有されるアンモニアを効率よく分解することができ、燃料電池システム５２によって、効率よく発電することができる。

次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。なお、「部」および「％」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。

実施例１
図１に示すアンモニア分解装置を用意した。なお、プラズマ反応容器の容量は、５０〜１００ｍＬとし、電極として、断面視略円形状（直径１ｍｍ）のタングステン電極を用いた。

また、アンモニアを含有する溶液として、アンモニアを含有するヒドラジン溶液を用いた。なお、ヒドラジン溶液には、水酸化カリウムを添加しており、そのコンダクタンスは０．０８Ｓ／ｍであった。

次いで、アンモニアを含有するヒドラジン溶液５０ｍＬを、プラズマ反応容器に入れ、アンモニア含有量をイオンクロマトグラフ分析により測定した。その結果、処理前のヒドラジン溶液において、アンモニア（ＮＨ_４ ^＋）含有量は、８６９０．７ｐｐｍであった。

そして、アルゴン雰囲気下において、電源を、パルス電圧５ｋＶ、周波数２０ｋＨｚ、パルス幅２μｓ、照射時間６０分の条件で作動させ、ヒドラジン溶液中で電極に通電し、溶液中に気泡を生じさせるとともに、その気泡による絶縁破壊を生じさせ、その気泡中にプラズマを発生させた。また、操作中、反応容器を、チラーで２０〜３０℃に冷却した。

その後、電源を切り、上記の処理後のヒドラジン溶液中のアンモニア含有量をイオンクロマトグラフ分析により測定した。その結果、処理後のヒドラジン溶液において、アンモニア（ＮＨ_４ ^＋）含有量は、４５６９．５ｐｐｍであり、アンモニア低減率は４７％であった。

実施例２
実施例１の方法において、通電時の周波数を１５ｋＨｚに変更し、また、アンモニアを含有するヒドラジン溶液に水酸化カリウムを添加して、コンダクタンスを１．０Ｓ／ｍとした。さらに、空気雰囲気下においてヒドラジン溶液中で電極に通電し、プラズマを発生させた。その他の条件は実施例１と同様に実施した。

なお、電極として、断面視略円形状（直径１ｍｍ）のタングステン電極を用いた。

その結果、溶液中に気泡が発生し、アンモニアが分解された。

処理前のヒドラジン溶液中のアンモニア含有量は、８６９０．７ｐｐｍであり、処理後のヒドラジン溶液中のアンモニア含有量が、４０００ｐｐｍであり、アンモニア低減率は６５％であった。

１ アンモニア分解装置
２ プラズマ反応容器
３ プラズマ発生装置
４ 電源
５ 電極

Claims (2)

1. アンモニアを含有する溶液中において１対の電極を対向配置する準備工程と、
   前記電極に通電し、前記電極付近において前記溶液を沸騰させることによって前記電極間に気相を発生させるとともに、前記気相による絶縁破壊が生じる条件で、前記気相中にプラズマを発生させ、前記溶液中に含有されるアンモニアを分解する分解工程と
   を備え、
   前記溶液が、溶媒としてヒドラジン類を含有し、
   前記分解工程では、
   １対の前記電極の対向面の直径が０．１〜１．０ｍｍ、
   周波数が２０ｋＨｚ以上、および、
   前記溶液のコンダクタンスが１０Ｓ／ｍ以下
   の条件のうち、少なくとも１つ以上の条件を満足する
   ことを特徴とする、アンモニア分解方法。
2. 液体燃料が供給および排出される燃料電池と、液体燃料が循環する燃料循環経路と、前記燃料循環経路に介在される循環燃料タンクとを備える燃料電池システムの前記循環燃料タンク内において、前記分解工程が実施され、
   前記液体燃料が、アンモニアを含有し、溶媒としてヒドラジン類を含有する前記溶液である
   ことを特徴とする、請求項１に記載のアンモニア分解方法。

Images