JP2012174525A

JP2012174525A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2012174525A
Application number: JP2011036014A
Authority: JP
Inventors: Takehiko Nakamura; 岳彦仲村
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】省スペース化および小型軽量化を図るとともに、十分な発電量を確保することが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が、液体燃料が供給および排出される燃料電池３と、燃料電池３に供給される液体燃料が貯留される、容積可変の供給燃料タンク３５と、燃料電池３から排出された液体燃料が貯留される、容積可変の排出燃料タンク３６と、供給燃料タンク３５から燃料電池３へ、液体燃料を輸送する燃料供給ライン３７と、燃料電池３から排出燃料タンク３６へ、液体燃料を輸送する燃料排出ライン３８とを備えており、供給燃料タンク３５および排出燃料タンク３６のいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、詳しくは、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、液体燃料を使用する燃料電池システムとして、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムが知られている。

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としては、例えば、電解質を介して正極および負極を配置し、負極に液体燃料が供給されるとともに正極に酸化剤ガスが供給されることにより発電する単電池セルが複数積層されてなる発電ユニットを備える燃料電池本体と、その発電ユニットに供給する液体燃料を貯蔵するために設けられる液体燃料タンクと、その発電ユニットにおける電気化学反応により生成した反応生成物（例えば、水）および未反応の液体燃料を回収するために設けられる廃液回収タンクとを備え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。）。

このような燃料電池システムでは、燃料電池本体の負極（アノード）に液体燃料が供給されるとともに、燃料電池本体の正極（カソード）に、例えば、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）
また、このような燃料電池システムでは、廃液中に未反応の液体燃料が含まれるため、廃液回収タンクと液体燃料タンクとの間に、廃液回収タンクに回収された廃液を液体燃料タンクに移送するためのポンプを設けており、これにより、廃液回収タンクに回収された廃液の量が多くなった場合に、そのポンプを駆動させ、廃液を廃液回収タンクから液体燃料タンクに送出して、液体燃料の濃度調整および再利用が図られている。
特開２００３−２０８９１０号公報

しかるに、このような燃料電池システムでは、液体燃料が消費される一方、水などが生成し、また、未反応の液体燃料が残留するため、多量の廃液が生成する。そのため、液体燃料タンクと同等の容積の廃液回収タンクが必要となるが、そのような廃液回収タンクを液体燃料タンクとともに設けるには、広いスペースが必要となり、燃料電池システムが大型化するという不具合がある。

さらに、このような燃料電池システムを、車両などの制限されたスペースに配置する場合には、燃料電池システムを大型化することができず、その結果、液体燃料タンクおよび廃液回収タンクが低容積となり、発電量の低下を招くという不具合がある。

本発明の目的は、省スペース化および小型軽量化を図るとともに、十分な発電量を確保することが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、液体燃料が供給および排出される燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記液体燃料が貯留される、容積可変の供給燃料タンクと、前記燃料電池から排出された前記液体燃料が貯留される、容積可変の排出燃料タンクと、前記供給燃料タンクから前記燃料電池へ、前記液体燃料を輸送する燃料供給ラインと、前記燃料電池から前記排出燃料タンクへ、前記液体燃料を輸送する燃料排出ラインとを備え、前記供給燃料タンクおよび前記排出燃料タンクのいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化することを特徴している。

このような燃料電池システムによれば、容積可変の供給燃料タンクおよび排出燃料タンクのいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化するため、省スペース化を図ることができ、燃料電池システムの小型軽量化を図ることができる。

また、このような燃料電池システムを、車両などの制限されたスペースに配置する場合にも、供給燃料タンクが、十分な量の液体燃料を貯留できるため、十分な発電量を確保することができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、液体燃料の前記燃料電池への供給により生じる、前記供給燃料タンク内の負圧によって、前記燃料電池から前記排出燃料タンクへ、前記液体燃料を輸送することが好適である。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池から排出された液体燃料を、排出燃料タンクへ輸送するための輸送装置などが不要であるため、燃料電池システムの更なる小型軽量化を図ることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、容積可変の供給燃料タンクおよび排出燃料タンクのいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化するため、省スペース化および小型軽量化を図るとともに、十分な発電量を確保することができる。

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。本発明の他の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。

１．燃料電池システムの全体構成（第１実施形態）
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。

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。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４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３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１の中央下側に配置されている。

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、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。

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に区別する。

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、単位セル２８（後述）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の前後方向最前端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。

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、容積不変のタンク配置部３４と、供給燃料タンク３５（後述）から燃料電池３（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、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出燃料タンク３６（後述）へ、排出液を輸送する燃料排出ライン３８と、燃料排出ライン３８から燃料供給ライン３７へ排出液を輸送する還流ライン４０とを備えている。

タンク配置部３４は、燃料電池３よりも後方、電動車両１の後側に区画されており、供給液が貯留される、容積可変の供給燃料タンク３５と、排出液が貯留される、容積可変の排出燃料タンク３６とが配置されている。

具体的には、タンク配置部３４には、供給燃料タンク３５が配置されるとともに、その供給燃料タンク３５の内側に、排出燃料タンク３６が収容されている。

供給燃料タンク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。

排出燃料タンク３６は、液体燃料に耐性のある樹脂、具体的には、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）などの可撓性を有するゴム材料などから形成され、タンク配置部３４の前方に、配置されている。また、排出燃料タンク３６は、例えば、膨張および収縮可能な袋状、風船状の容器や、壁面が蛇腹状の容器などとして形成され、これにより、タンク配置部３４の容積の範囲内において、容積可変とされている。

また、このように排出燃料タンク３６が容積可変とされることにより、その排出燃料タンク３６の容積変化に伴って、タンク配置部３４の容積の範囲内において、供給燃料タンク３５が容積可変とされている。

具体的には、例えば、排出燃料タンク３６が膨張し、その容積が増加すると、それに伴い、供給燃料タンク３５（排出燃料タンク３６を除く領域）の容積が減少される。一方、排出燃料タンク３６が収縮し、その容積が減少すると、それに伴い、供給燃料タンク３５（排出燃料タンク３６を除く領域）の容積が増加される。

すなわち、この燃料電池システム２においては、供給燃料タンク３５および排出燃料タンク３６のいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化する。

燃料供給ライン３７は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、供給燃料タンク３５に接続されている。

具体的には、燃料供給ライン３７は、第１供給ライン３９と、濃度調整タンク４１と、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、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４１に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、供給燃料タンク３５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、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、供給燃料タンク３５から、液体燃料（１次供給液）が、濃度調整タンク４１へ供給される。

濃度調整タンク４１は、上記した液体燃料に耐性のある材質から形成され、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、第２供給ライン４２に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、第１供給ライン３９に接続されている。

また、濃度調整タンク４１には、シール材（ガスケットなど）を介して、還流ライン４０が接続されており、詳しくは後述するが、還流ライン４０を介して、排出液が供給される。

これにより、濃度調整タンク４１において、供給燃料タンク３５から輸送された液体燃料（１次供給液）と、排出液とが適宜の割合で混合され、燃料電池３に供給される液体燃料（２次供給液）の濃度が、調整される。

第２供給ライン４２は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４１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、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、濃度調整タンク４１から、濃度が調整された液体燃料（２次供給液）が、燃料電池３に供給される。

燃料排出ライン３８は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、排出燃料タンク３６に接続されている。

具体的には、燃料排出ライン３８は、第１排出ライン４６と、気液分離器２３と、第２排出ライン４７とを備えている。

第１排出ライン４６は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、気液分離器２３に接続されている。

このような第１排出ライン４６により、燃料電池３から、排出液が排出され、気液分離器２３に輸送される。

気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が２つ形成されている。

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。

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つの底部流通口２４が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、第１排出ライン４６および第２排出ライン４７に接続されることにより、燃料排出ライン３８に介装されている。

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。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。

第２排出ライン４７は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、気液分離器２３（具体的には、底部流通口２４）に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、排出燃料タンク３６に接続されている。

また、第２排出ライン４７の流れ方向途中には、排出ポンプ４８が設けられている。

排出ポンプ４８としては、上記した公知の送液ポンプが用いられる。排出ポンプ４８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、排出ポンプ４８に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、排出ポンプ４８の駆動および停止を制御する。

このような第２排出ライン４７により、気液分離器２３から、排出液が、排出燃料タンク３６に排出される。

還流ライン４０は、その一方側端部が、燃料排出ライン３８、詳しくは、第２排出ライン４７から分岐するように、切替弁５０（例えば、電磁弁など）を介して、第２排出ライン４７に接続されるとともに、他方側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４１に接続されている。

また、切替弁５０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、切替弁５０に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、切替弁５０の開閉を制御する。

これにより、第２排出ライン４７内を輸送される排出液が、還流ライン４０を介して、濃度調整タンク４１に輸送される。そして、供給燃料タンク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
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２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１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：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。

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、排出ポンプ４８などの駆動および停止や、燃料供給弁４４やガス排出弁２７の開閉、切替弁５０の切り替えなどを、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３との間に配置されている。インバータ３２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３２は、配線により、燃料電池３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３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０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。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、配線により、燃料電池３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。
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、供給燃料タンク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、濃度調整タンク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、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。

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）
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）または上記式（６）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、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３３では、その電力が充電される。

また、燃料給排部４では、排出ポンプ４８の駆動力により、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、さらに、生成する水など）が、第１排出ライン４６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、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される排出液の液溜まり３９が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の底部流通口２４から第２排出ライン４７に流出する。

第２排出ライン４７に流出する排出液は、一部が、切替弁５０の切り替えにより、還流ライン４０を介して、濃度調整タンク４１に輸送される。そして、供給燃料タンク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、再び燃料供給口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、クローズドライン（還流ライン４０、濃度調整タンク４１、第２供給ライン４２、燃料供給路１３、第１排出ライン４６および気液分離器２３）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。

一方、排出液の残部は、切替弁５０の切り替え、および、排出ポンプ４８の駆動により、第２排出ライン４７を介して、排出燃料タンク３６に排出される。

排出燃料タンク３６は、上記したように容積可変とされており、また、供給燃料タンク３５内に貯留される供給液が、既に燃料電池３に供給されている。そのため、排出液が燃料電池３から排出され、排出燃料タンク３６に輸送されることにより、排出燃料タンク３６は形状変化し（図１破線参照）、タンク配置部３４の容積の範囲内において、容積を増加させ、排出燃料タンク３６に輸送された排出液の全量を収容する。一方、供給燃料タンク３５は、排出燃料タンク３６の容積変化（増加）により、容積を減少させる。

そして、このようにして回収された排出燃料タンク３６内の排出液は、ステーション（スタンド）などの店舗として設備される、液体燃料の給排施設（図示せず）において、排出され、また、供給燃料タンク３５に、液体燃料が新たに供給および貯留される。

このとき、外部から、液体燃料が供給燃料タンク３５に供給されることにより、排出燃料タンク３６が形状変化し（図１実線参照）、タンク配置部３４の容積の範囲内において、容積を減少させる。一方、供給燃料タンク３５は、排出燃料タンク３６の容積変化（減少）により、容積を増加させるとともに、液体燃料を貯留させる。
４．作用効果
以上のように、燃料電池システム２によれば、容積可変の供給燃料タンク３５および排出燃料タンク３６が、容積不変のタンク配置部３４に配置されるとともに、タンク配置部３４の容積の範囲内において、供給燃料タンク３５および排出燃料タンク３６のいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化するため、省スペース化を図ることができ、燃料電池システムの小型軽量化を図ることができる。

また、このような燃料電池システム２を、電動車両１などの制限されたスペースに配置する場合にも、供給燃料タンク３５が、十分な量の液体燃料を貯留できるため、十分な発電量を確保することができる。
５．燃料電池システムの全体構成（第２実施形態）
図２は、本発明の他の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。なお、上記した部材に対応する部材については、図６において同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上記した第１実施形態では、第２排出ライン４７の流れ方向途中に排出ポンプ４８を設け、排出ポンプ４８の駆動力により、排出液を燃料電池３（アノード９）から排出燃料タンク３６に輸送したが、例えば、排出ポンプ４８を設けることなく、液体燃料の燃料電池３（アノード９）への供給により生じる供給燃料タンク３５内の負圧によって、液体燃料を、燃料電池３（アノード９）から排出燃料タンク３６へ輸送することもできる。

より具体的には、この第２実施形態では、図２に示されるように、第２排出ライン４７は、排出ポンプ４８（図１参照）が介在されることなく、備えられている。

そして、このような電動車両１においても、上記した第１実施形態と同様、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、供給燃料タンク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、濃度調整タンク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。

このとき、液体燃料の供給によって、供給燃料タンク３５内に負圧が生じる。

そして、排出燃料タンク３６は、容積可変に形成されているため、この負圧により、排出燃料タンク３６が膨張し、それに伴い、排出燃料タンク３６内に負圧が生じる。

そして、上記した第１実施形態と同様に、燃料電池３に供給された供給液は、第１排出ライン４６および気液分離器２３を順次通過し、排出液として、気液分離器２３の底部流通口２４から、第２排出ライン４７に排出される。

このとき、排出燃料タンク３６内が負圧である場合には、第２排出ライン４７に流出された排出液は、排出ポンプ４８（図１参照）を必要とせずに、排出燃料タンク３６に吸引輸送される。

このような燃料電池システム２によれば、燃料電池３から排出された液体燃料を、排出燃料タンク３６へ輸送するための排出ポンプ４８（図１参照）などが不要であるため、燃料電池システム２の更なる小型軽量化を図ることができる。

なお、上記した説明では、排出燃料タンク３６を、供給燃料タンク３５の内側に配置したが、排出燃料タンク３６および供給燃料タンク３５の配置は、上記に限定されず、すなわち、排出燃料タンク３６を、供給燃料タンク３５の内側に配置しなくともよい。具体的には、例えば、タンク配置部３４内において、排出燃料タンク３６および供給燃料タンク３５を、それらが互いに隣り合うように配置することもできる。

また、例えば、排出燃料タンク３６および供給燃料タンク３５の両方を、１つのタンク配置部３４内に設けずともよく、例えば、供給燃料タンク３５および排出燃料タンク３６を、互いに離隔するように設けるとともに、供給燃料タンク３５および排出燃料タンク３６のいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積を変化させることもできる。

１電動車両
２燃料電池システム
３燃料電池
３４タンク配置部
３５供給燃料タンク
３６排出燃料タンク
３７燃料供給ライン
３８燃料排出ライン

Claims

液体燃料が供給および排出される燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記液体燃料が貯留される、容積可変の供給燃料タンクと、
前記燃料電池から排出された前記液体燃料が貯留される、容積可変の排出燃料タンクと、
前記供給燃料タンクから前記燃料電池へ、前記液体燃料を輸送する燃料供給ラインと、
前記燃料電池から前記排出燃料タンクへ、前記液体燃料を輸送する燃料排出ラインと
を備え、
前記供給燃料タンクおよび前記排出燃料タンクのいずれか一方の容積変化に応じて、他方の容積が変化する
ことを特徴とする、燃料電池システム。
液体燃料の前記燃料電池への供給により生じる、前記供給燃料タンク内の負圧によって、
前記燃料電池から前記排出燃料タンクへ、前記液体燃料を輸送する
ことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。