JP2010129305A

JP2010129305A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2010129305A
Application number: JP2008301315A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Yanai; 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: JP5248287B2

Abstract

【課題】簡単な制御により、燃料電池から排出される液体燃料に含まれる気体を除去することのできる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】液体燃料が供給される燃料電池３と、燃料電池３から排出される液体燃料を、燃料電池３に還流させるための還流管２２と、還流管２２に介在され、液体燃料に含まれる気体を分離するための気液分離器２３と、気液分離器２３で分離された気体を排出するときに開閉するガス排出弁２７とを備える燃料電池システム２において、燃料電池３の定常運転時に、コントロールユニット６の制御により、ガス排出弁２７を間欠的に動作させる。これにより、気液分離器２３の内部圧力を開放する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料が供給される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来、液体燃料が供給される燃料電池として、例えば、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）、直接ジメチルエーテル形燃料電池（ＤＤＦＣ：Direct Dimethyl ether Fuel Cell）などが知られている。
液体燃料形燃料電池は、水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待されている。

液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、一般的に、液体燃料が供給される燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給ポンプと、燃料電池に空気を供給するためのエアコンプレッサとを備えている。
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、直接メタノール形燃料電池では、下記式（１）および（２）の通りとなる。

（１）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ （アノードでの反応）
（２）Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソードでの反応）
しかし、アノード側に発生するＣＯ₂ガスが液体燃料中に気泡として滞留すると、アノード電極における液体燃料との接触面が気泡に覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。

一方、近年では、液体燃料に含まれる気体を分離するための気液分離器を備える燃料電池システムが提案されている。
例えば、燃料電池と、液体燃料を加圧により燃料電池に送液するための第１ポンプユニットと、空気を燃料電池に供給するための第２ポンプユニットとを備える燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池は、電解質膜の両面に燃料極および空気極が接合されたＭＥＡ構造を有している。第１ポンプユニットは、燃料極に燃料を供給する燃料供給路を形成する燃料側セパレータを有している。第２ポンプユニットは、空気極に空気を供給する空気供給路を形成する部材（セパレータ）を有している。そして、燃料側セパレータと燃料極との接触面には、燃料極で発生するガスを分離するための気液分離部が形成されている。気液分離部のガス排出口には吸引機構が設けられ、この吸引機構により、効果的なガス排出が図られる。

また、例えば、電解質膜、燃料極および酸化剤極を有する燃料電池本体と、液体燃料が貯蔵される燃料貯蔵槽と、燃料貯蔵槽に接続され、流路を通じて液体燃料を燃料電池本体に輸送する燃料供給ポンプと、発熱部で発生する熱を液体燃料に供給する伝熱体と、熱が供給された液体燃料から生成する気泡を液体燃料から分離する気液分離器とを備える電子機器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−２９４３４８号公報特開２００７−５９３１２号公報

しかるに、特許文献１記載の燃料電池装置では、第１ポンプユニットによる液体燃料に対する加圧力と、吸引機構による液体燃料に対する吸引力とのバランスが適切に調整されないと、燃料の浪費、ガス排出効率の低下などの不具合を生じる。
また、特許文献２記載の電子機器では、燃料電池に供給される液体燃料に含まれる気泡は除去されるが、燃料極で生成する気体を除去することは困難である。

本発明の目的は、簡単な制御により、燃料電池から排出される液体燃料に含まれる気体を除去することのできる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、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る液体燃料を、前記燃料電池に還流させるための還流路と、前記還流路に介在され、液体燃料に含まれる気体を分離するための気液分離部と、前記気液分離部に設けられ、前記気液分離部内の圧力を開放するための圧力開放手段と、前記圧力開放手段を、前記燃料電池の定常運転時に間欠的に動作させるための制御手段とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、還流路が備えられているため、液体燃料は、燃料電池および還流路によりクローズされた系内を循環する。そして、還流路に介在された気液分離部では、燃料電池の定常運転時に圧力開放手段が間欠的に動作させられることにより、その内部圧力が開放される。これにより、クローズ系内を循環する液体燃料の圧力を低下させることができる。そのため、液体燃料に対する気体の溶解度が低下する。これにより、液体燃料に溶解する気体を気泡として発生させることができるので、気液分離部において気体を簡単に回収することができる。すなわち、圧力開放手段の間欠的な動作制御という簡単な制御により、液体燃料に含まれる気体を除去することができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記圧力開放手段による圧力開放以後に、前記燃料電池にかかる負荷の電力消費量を増加させることが好適である。
燃料電池の出力は、燃料電池にかかる負荷の電力消費量の増加に伴って増加する。また、液体燃料の圧力の増加速度は、燃料電池の出力の増加速度に伴って増加する。
この構成では、気液分離部の圧力開放以後に燃料電池にかかる負荷の電力消費量が増加するので、燃料電池の出力を瞬時に増加させることができる。そのため、圧力開放に伴い低下した液体燃料の圧力を、定常運転時における圧力まで短時間で増加させることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、気体の溶解度の低下により、液体燃料に溶解する気体を気泡として発生させることができるので、気液分離部において気体を簡単に回収することができる。すなわち、圧力開放手段の間欠的な動作制御という簡単な制御により、液体燃料に含まれる気体を除去することができる。

１．燃料電池システムの全体構成
図１は、本発明の一実施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。
電動車両１は、燃料電池を動力源とする車両であって、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、制御手段としてのコントロールユニット６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される、例えば、アニ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。

燃料電池３に供給される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（水加ヒドラジン、無水ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。
また、燃料電池３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、後述する単位セル１つあたりの出力である。

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とを有する燃料電池セル（単位セル）が、絶縁材料からなるセパレータ（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が複数積層されている。なお、図１では、複数の単位セルのうち１つだけを燃料電池３として表し、その他の単位セルについては省略している。

電解質層８は、例えば、アニオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜を用いて形成されている。
アニオン交換膜としては、アニオン成分（例えば、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）など）が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。

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。

多孔質担体としては、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。
触媒としては、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶＩＩＩ）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。
アノード電極１１は、例えば、上記電極材料の電極インクを調製し、公知の方法（例えば、スプレー法、ダイコーター法など）により電極インクを電解質層８の一方面に塗布し、所定の温度で乾燥させることにより、薄膜状の電極膜として電解質層８の一方面に接合される。

燃料供給部材１２は、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、カソード電極１６と、カソード電極１６に空気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。
カソード電極１６は、例えば、アノード電極１１と同様の方法により、薄膜状の電極膜として電解質層８の他方面に接合される。これにより、電解質層８、アノード電極１１およびカソード電極１６は、電解質層８の一方面に薄膜状のアノード電極１１が接合され、電解質層８の他方面に薄膜状のカソード電極１６が接合されてなる膜・電極接合体を形成している。

空気供給部材１７は、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が一端側に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が他端側に形成されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２１と、燃料タンク２１から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、アノード９）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９）に還流するための還流路としての還流管２２とを備えている。

燃料タンク２１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２１には、液体燃料として、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯蔵されている。
還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料排出口１４に接続されている。シール材を介して接続されることにより、還流管２２は、燃料排出口１４および燃料供給口１５それぞれに対して密嵌されている。これにより、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１４および燃料供給口１５）が、燃料電池３の外部に設けられた還流管２２を介して密閉状態で連通する。したがって、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１４（上流側）から排出される液体燃料が、還流管２２を介して燃料供給口１５（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１４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。

還流管２２の途中には、気液分離部としての気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その底部には、気液分離器２３の内外を流通させる１対の底部流通口２４が形成されている。
また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。上部流通口２５および１対の底部流通口２４は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。

気液分離器２３は、燃料電池３よりも後ろ上方において、１対の底部流通口２４が還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。
１対の底部流通口２４と還流管２２とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。これにより、１対の底部流通口２４それぞれに対して還流管２２が密嵌され、一方（上流側）の底部流通口２４に密嵌された上流側の還流管２２と、他方の（下流側）の底部流通口２４に密嵌された下流側の還流管２２とが気液分離器２３の中空部分を介して連通している。すなわち、気液分離器２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。

上部流通口２５には、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が接続されている。ガス排出管２６は、シール材（ガスケット）を介して上部流通口２５に接続されている。これにより、ガス排出管２６は、上部流通口２５に対して密嵌されている。また、ガス排出管２６の途中には、圧力開放手段としてのガス排出弁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６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６からの制御信号がガス排出弁２７に入力可能とされる。
還流管２２において気液分離器２３の上流側であってアノード９の下流側（つまり、上流側の還流管２２）の途中には、クローズドライン内の圧力（アノード圧力）を測定するための圧力センサ４５が設けられている。圧力センサ４５は、コントロールユニット６に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、圧力センサ４５で測定されたアノード圧力が、コントロールユニット６に入力可能とされる。

還流管２２において気液分離器２３の下流側であってアノード９の上流側（つまり、下流側の還流管２２）の途中には、燃料供給ポンプ２９が介在されている。
燃料供給ポンプ２９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２９は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、燃料供給ポンプ２９に入力可能とされる。

還流管２２において気液分離器２３と燃料供給ポンプ２９との間（つまり、下流側の還流管２２における燃料供給ポンプ２９の上流側）には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を還流管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。燃料供給管３０の途中には、燃料供給弁３１が設けられている。なお、燃料供給管３０と燃料タンク２１とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。

燃料供給弁３１は、燃料供給管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３１は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、燃料供給弁３１に入力可能とされる。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気をカソード１０に供給するための空気供給管３２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３３とを備えている。

空気供給管３２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３２の途中には、空気供給ポンプ３４が介在されている。
空気供給ポンプ３４としては、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが用いられる。空気供給ポンプ３４は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、空気供給ポンプ３４に入力可能とされる。

空気供給管３２において空気供給ポンプ３４の下流側には、空気供給弁３５が設けられている。
空気供給弁３５は、空気供給管３２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３５は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、空気供給弁３５に入力可能とされる。

空気排出管３３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）コントロールユニット
コントロールユニット６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で構成されている。コントロールユニット６のＲＯＭには、後述する電流計４１からの入力信号（電流計４１での測定値）と、燃料電池３の発電により液体燃料中に生成するガス（気体）の量との関係が示される制御マップが記憶されている。

制御マップには、例えば、燃料電池３による１０〜４００Ａの発電により、アノード９には、毎分７〜２８０Ｌの気体が生成すると記録されている。また、コントロールユニット６には、タイマ３６が内蔵されている。
（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を電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ３７と、電動車両１の電装機器に電力を供給するための補機用バッテリ３８と、モータ３７による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ４６とを備えている。

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。
補機用バッテリ３８としては、例えば、定格電圧が燃料電池３の出力電圧よりも低い鉛蓄電池、具体的には、定格電圧１２Ｖの鉛蓄電池、定格電圧２４Ｖの鉛蓄電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、補機用バッテリ３８からの電力供給対象としては、例えば、ヘッドライト、カーオーディオ、エアコンディショナーなど、車両に搭載される電装機器（補機）として一般的なものが挙げられる。

動力用バッテリ４６としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度のニッケル水素電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ４６からの電力供給対象としては、例えば、モータ３７が挙げられる。
また、動力部７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３９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４６の入出力電力を調整する機能を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３９の正極側入力端子には、カソード１０に接続された正極配線４０が接続されている。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９の負極側入力端子には、アノード９に接続された負極配線４２が接続されている。
正極配線４０および負極配線４２からなる１対の配線には、電流計４１が直列に接続されている。電流計４１は、コントロールユニット６に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、燃料電池３からＤＣ／ＤＣコンバータ３９に流れる電流値が測定され、その電気信号がコントロールユニット６に入力可能とされる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９に入力可能とされる。
なお、図示を省略するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９には、上記した電装機器が、補機用バッテリ３８を介さずに直接接続されていてもよい。

そして、モータ３７および動力用バッテリ４６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９に対して並列に電気接続されている。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９の機能により、燃料電池３で発生した起電力をモータ３７もしくは動力用バッテリ４６に、またはモータ３７および動力用バッテリ４６に同時に供給することができる。
また、補機用バッテリ３８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４７を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９に並列に電気接続されている。

モータ３７とＤＣ／ＤＣコンバータ３９との間におけるＤＣ／ＤＣコンバータ４７の接続部分の下流側には、インバータ４３が直列に接続されている。インバータ４３としては、直流電力を交流電力に変換可能な機器であれば、特に限定されず、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。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９からモータ３７への電力は、インバータ４３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、燃料供給弁３１が開かれ、燃料供給ポンプ２９が駆動されることにより、液体燃料が還流管２２を介してアノード９に供給される。一方、空気供給弁３５が開かれ、空気供給ポンプ３４が駆動されることにより、空気が空気供給管３２を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３１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、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。

（１）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（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）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（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（ＣＨ_３ＯＨ）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（ＣＯ_２）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）。

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３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３全体として上記式（３）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。

そして、動力部７では、発生した起電力が、正極配線４０および負極配線４２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３９に送電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９の動作により、モータ３７および／または動力用バッテリ４６に送電される。そして、モータ３７では、インバータ４３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１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４６では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９で降圧された電力が受電され、その電力が充電される。

また、燃料給排部４では、燃料供給ポンプ２９の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料が、上流側の還流管２２に流入し、上流側の還流管２２を通過して上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、液位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり４４が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり４４に含まれるガス（気体）が液溜まり４４の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり４４の一部が、下流側の底部流通口２４から下流側の還流管２２に流出する。下流側の還流管２２に流出する液体燃料は、下流側の還流管２２を通過して、再び燃料供給路１３に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流管２２、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、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。

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（４）〜（６）の通りとなる。
（４）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（６）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
上記のような発電では、アノード電極１１にＣＯ_２やＮ_２などのガスが発生するので、このガスが液体燃料中に気泡として滞留すると、アノード電極１１における液体燃料との接触面が気泡に覆われて、燃料電池３の出力が低下する場合がある。

燃料電池システム２は、燃料電池３の出力低下を抑制するための制御モードとして、アノード９側の圧力を開放する圧力開放モードを有している。
３．圧力開放モードによる制御処理
図２は、図１のコントロールユニット６において実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。図３は、図１のコントロールユニット６において実行される制御処理の流れを表すタイミングチャートである。

コントロールユニット６に対して所定の指示信号（例えば、イグニッションオン信号など）が入力されると、燃料電池３に対して始動指令信号が入力される。これにより、アノード９への液体燃料の供給およびカソード１０への空気の供給が開始される。
始動指令信号の入力時、ガス排出弁２７は閉じられた状態である。そのため、燃料電池３が定常運転になるまでの暖機運転中、アノード９側では、燃料供給ポンプ２９の出力が制御されることにより、クローズドラインの内部圧力（アノード圧力）が、Ｐ_１（例えば、１０１ｋＰａ）から増加する。そして、燃料電池３では、液体燃料および空気の供給により運転が開始され、アノード圧力の比例増加に伴って、発電電流（電流値）が、０（ゼロ）Ａから時間に比例して増加する。

圧力開放モードでは、例えば、まず、燃料電池３の運転状態が定常運転に達したか否かが判別される（ステップＳ１）。定常運転とは、例えば、圧力センサ４５により測定されるアノード圧力が一定となることにより、電流計４１により測定される電流値が、所定時間安定する運転状態のことである。具体的には、アノード圧力がＰ_２（例えば、１５０〜１８０ｋＰａ）で一定となることにより、電流値がＩ_２（例えば、１００〜２００Ａ）で、例えば、１０〜２００秒間、安定する運転状態のことである。

燃料電池３の運転状態が、Ｔ_１（例えば、１〜３分間）の暖機運転を経て定常運転に達すると（図２のステップＳ１のＹＥＳ）、燃料供給ポンプ２９の出力が一定に制御されて、定常運転が維持される。この定常運転中、コントロールユニット６では、タイマ３６の測定時間信号および記憶された制御マップにより、アノード９に生成するガスの総量が常時算出（検知）される。

そして、定常運転判断時から、Ｔ_２（例えば、６０秒間）経過すると（図２のステップＳ２のＹＥＳ）、ガス排出弁２７が開かれ（図２のステップＳ３）、気液分離器２３内の圧力が開放される。これにより、アノード圧力が、例えば、暖機運転におけるアノード圧力の増加量／経過時間で表される比例定数の絶対値よりも大きい絶対値の比例定数で、時間に比例して瞬時にＰ_１まで低下する。また、このアノード圧力の低下に伴って、電流値が、時間に比例してＩ_１（例えば、８０Ａ）まで低下する。

ガス排出弁２７の開弁後、Ｔ_３（例えば、５秒間）経過すると（図２のステップＳ４のＹＥＳ）、ガス排出弁２７が閉じられるとともに（ステップＳ５）、燃料電池３からの出力電流の一部がコンバータ３９により動力用バッテリ４６に振り分けられて、動力用バッテリ４６への充電が開始される（図２のステップＳ６）。つまり、ガス排出弁２７の閉弁制御と動力用バッテリ４６への充電開始制御が同時に実行される。

これにより、定常運転中に燃料電池３にかかる負荷（例えば、モータ３７、電装機器など）に加えて、動力用バッテリ４６が負荷として燃料電池３にかかる。そのため、燃料電池３にかかる負荷の消費電力量が、定常運転時の負荷の電力消費量よりも増加し、例えば、電流値がＩ_３（例えば、２５０〜４００Ａ）まで増加する。
そして、ガス排出弁２７の閉弁および負荷の電力消費量の増加により、アノード圧力が、例えば、暖機運転における比例定数の絶対値よりも大きい絶対値の比例定数で、時間に比例して増加し、燃料電池３の運転状態が定常運転に達すると（図２のステップＳ７のＹＥＳ）、動力用バッテリ４６への充電が終了する（図２のステップＳ８）。

その後は、再び定常運転が維持され、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に間欠的に実行される。
４．作用効果
以上のように、燃料電池システム２によれば、燃料電池３の定常運転中、タイマ３６の測定時間および制御マップの記録情報に基づいてガス排出弁２７が間欠的（例えば、６０秒（Ｔ_２）間隔）に開かれる。ガス排出弁２７の開弁により、気液分離器２３の圧力が開放されるので、アノード圧力を瞬時にＰ_１まで低下させることができる。

そのため、クローズドラインでは、液体燃料に対するガス（気体）の溶解度が低下する。これにより、液体燃料に溶解するガスを気泡として発生させることができるので、気液分離器２３においてガスを簡単に回収することができる。すなわち、ガス排出弁２７の間欠的な開閉制御という簡単な制御により、液体燃料に含まれるガスを除去することができる。

燃料電池の出力は、燃料電池にかかる負荷の電力消費量の増加に伴って増加する。また、液体燃料の圧力の増加速度は、燃料電池の出力の増加速度に伴って増加する。
この燃料電池システム２では、ガス排出弁２７の閉弁時に燃料電池３からの出力電流の一部が動力用バッテリ４６に供給されることにより、燃料電池３にかかる負荷の消費電力量が増加する。したがって、アノード圧力を、例えば、暖機運転における比例定数の絶対値よりも大きい絶対値の比例定数で増加させることができる。その結果、気液分離器２３の圧力開放に伴い低下したアノード圧力を、定常運転時における圧力（Ｐ_２）まで短時間で増加させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
例えば、燃料電池３は、アニオン成分が移動可能な電解質層８に代えて、カチオン成分が移動可能な電解質層が用いられたカチオン交換型燃料電池であってもよい。
また、ガス排出弁２７の開弁中に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９を制御して動力用バッテリ４６の出力を増加させることにより、燃料電池３の出力低下量を動力用バッテリ４６の出力で補ってもよい。

また、ガス排出弁２７の開弁時期は、定常運転中における電流値の低下に基づいて定められていてもよい。具体的には、アノード電極１１が気泡に覆われ始めると電流計４１により測定される電流値が低下し始めるので、ガス排出弁２７の開弁時期は、定常運転中における電流値の低下開始時であってもよい。この場合、定常運転中、コントロールユニット６により電流計４１の測定値（電流値）を常時検知し、電流値の低下開始と同時にガス排出弁２７を開弁すればよい。

さらに、本発明の燃料電池システムの用途としては、上記実施形態に示した電動車両の他、鉄道、船舶、航空機などが挙げられる。

本発明の一実施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１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。図１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理の流れを表すタイミングチャートである。

符号の説明

２燃料電池システム
３燃料電池
６コントロールユニット
２２還流管
２３気液分離器
２７ガス排出弁
４６動力用バッテリ

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る液体燃料を、前記燃料電池に還流させるための還流路と、
前記還流路に介在され、液体燃料に含まれる気体を分離するための気液分離部と、
前記気液分離部に設けられ、前記気液分離部内の圧力を開放するための圧力開放手段と、
前記圧力開放手段を、前記燃料電池の定常運転時に間欠的に動作させるための制御手段とを備えることを特徴とする、燃料電池システム。
前記制御手段は、前記圧力開放手段による圧力開放以後に、前記燃料電池にかかる負荷の電力消費量を増加させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。