JP2014049336A

JP2014049336A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014049336A
Application number: JP2012192387A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Watanabe; 秀信渡辺
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】燃料循環路を循環する液体の量を安定に保つことができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】循環室４２内の液量が所定の切替液量以上であるときには、循環室４２が燃料供給管５４と連通されて、循環室４２に貯留されている液体が燃料供給管５４を通して燃料電池１１に供給される。循環室４２内の液量が切替液量未満になると、循環室４２と燃料供給管５４とが遮断され、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが連通される。これにより、リザーバ室４３に貯留されている液体が燃料供給管５４を通して燃料電池１１に供給される。リザーバ室４３内の液量が所定の下限液量未満に低下するか、または、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが連通されてから所定の第１時間が経過すると、循環室４２と燃料供給管５４とが再び連通される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、ヒドラジンなどの液体燃料を燃料電池に供給するものが知られている。

燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードには、燃料循環路が接続されている。すなわち、燃料循環路の一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環路から液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、空気が供給される。

アノードでは、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環路に排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

発電反応に伴い、液体燃料が消費されるとともに、アノードで生成された水が燃料循環路に排出されるので、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下する。燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下すると、燃料タンクに貯留されている液体燃料が燃料循環路に補給されて、その濃度が発電反応に適した濃度に調整される。

特開２０１１−２１６３４１号公報

アノードで生成された水が燃料循環路に排出されることにより、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。一方、液体燃料が水とともにアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリーク（クロスオーバ）の発生により、燃料循環路を循環する液体の量が減少する。そのため、燃料循環路を循環する液体の量に増減が生じる。

燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を発電反応に適した濃度に調整するために燃料循環路に補給すべき液体燃料の量は、燃料循環路を循環している液体の量に依存する。そのため、燃料循環路を循環する液体の量が増減すると、これに応じて、燃料循環路に補給すべき液体燃料の量を増減させなければならず、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度の調整が困難となる。

本発明の目的は、燃料循環路を循環する液体の量を安定に保つことができる、燃料電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、互いに上部が連通し、液体燃料を含む液体が貯留される循環室およびリザーバ室を内部に有する循環燃料タンクと、前記燃料電池に供給される液体が流通する液体供給路と、前記循環室および前記リザーバ室を前記液体供給路と選択的に連通させるための切替手段と、前記燃料電池から排出される液体を前記循環室に戻すための液体帰還路と、前記循環室内の液量を検出する循環室液量検出手段と、前記リザーバ室内の液量を検出するリザーバ室液量検出手段と、前記切替手段を制御して、前記循環室液量検出手段によって検出される液量が所定の切替液量以上であるときには、前記循環室と前記液体供給路とを連通させ、前記循環室液量検出手段によって検出される液量が前記切替液量未満であるときには、前記リザーバ室と前記液体供給路とを連通させる第１切替制御手段と、前記リザーバ室と前記液体供給路とが連通された後、前記リザーバ室液量検出手段によって検出される液量が所定の下限液量未満に低下するか、または、その連通後の経過時間が所定の第１時間を超えたことに応答して、前記切替手段を制御して、前記循環室と前記液体供給路とを連通させる第２切替制御手段とを含む。

この構成によれば、循環燃料タンクには、液体燃料を含む液体が貯留されている。循環燃料タンク内には、循環室およびリザーバ室が設けられている。循環室およびリザーバ室は、それらの上部で互いに連通している。

循環室に貯留されている液体の量が所定の切替液量以上であるときには、循環室が液体供給路と連通されて、循環室に貯留されている液体が液体供給路に送出され、その液体供給路に送出された液体が燃料電池に供給される。そして、液体は、燃料電池から排出され、液体帰還路を通して循環室に戻される。すなわち、循環室内の液量が切替液量以上であるときには、循環室から送出される液体が燃料電池を経由して循環室に戻される。

循環室に液体が満杯に溜まると、それ以上に循環室に戻される液体は、循環室からリザーバ室にオーバフローし、リザーバ室に溜められる。これにより、循環室、液体供給路、燃料電池および液体帰還路を循環する液体の量は、循環室に切替液量以上で満杯量以下の液体が貯留される範囲内に保たれる。

燃料電池での発電が続けられる間に、燃料電池における液体のクロスリークなどが原因で、循環室、液体供給路、燃料電池および液体帰還路を循環する液体の量が減少し、循環室内の液量が切替液量未満になると、循環室と液体供給路とが遮断され、リザーバ室と液体供給路とが連通される。これにより、リザーバ室に貯留されている液体が液体供給路に送出され、その液体供給路に送出された液体が燃料電池に供給される。そして、燃料電池から排出される液体は、液体帰還路を通して循環室に戻される。すなわち、循環室内の液量が切替液量未満であるときには、リザーバ室から送出される液体が燃料電池を経由して循環室に戻される。そのため、循環室内の液量が増加し、リザーバ室内の液量が減少する。

リザーバ室内の液量が所定の下限液量未満に低下すると、リザーバ室と液体供給路とが遮断され、循環室と液体供給路とが連通される。また、リザーバ室内の液量が下限液量未満に低下する前に、リザーバ室と液体供給路とが連通されてから所定の第１時間が経過すると、リザーバ室と液体供給路とが遮断され、循環室と液体供給路とが連通される。循環室と液体供給路とが再び連通されるまでに、通常は、リザーバ室から液体供給路に十分な量の液体が送出され、循環室には、切替液量以上で満杯量以下の液体が貯留される。そのため、循環室、液体供給路、燃料電池および液体帰還路を循環する液体の量は、循環室に切替液量以上で満杯量以下の液体が貯留される範囲内に再び保たれる。

よって、循環室、液体供給路、燃料電池および液体帰還路からなる燃料循環路を循環する液体の量を安定に保つことができる。

燃料電池システムには、燃料電池を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環路と、冷却水による冷却能力の不足／充足を判断する冷却能力判断手段と、冷却能力判断手段によって冷却能力不足と判断されているときに、切替手段を制御して、前記リザーバ室と液体供給路とを連通させる冷却切替制御手段とがさらに含まれていることが好ましい。

燃料電池は、冷却水循環路を循環する冷却水によって冷却される。この冷却水による燃料電池の冷却時に、その冷却能力の不足／充足が判断される。冷却水による冷却能力不足と判断されると、リザーバ室と液体供給路とが連通され、リザーバ室から液体供給路を通して燃料電池に液体が供給される。

燃料循環路を循環する循環室内の液体燃料は、燃料電池における発電反応に伴って発生する熱などによって昇温する。そのため、リザーバ室に貯留されている液体は、循環室に貯留されている液体よりも低温である。冷却水による冷却能力不足と判断された場合に、リザーバ室から液体供給路を通して燃料電池に低温の液体が供給されることにより、燃料電池の冷却効果を得ることができる。その結果、燃料電池システム全体が有する冷却能力を底上げすることができる。

燃料電池システムには、循環室と液体供給路との連通状態が継続している時間を計測する計時手段と、計時手段によって計測される時間が所定の第２時間を超えたことに応答して、切替手段を制御して、リザーバ室と液体供給路とを連通させる定期切替制御手段とがさらに含まれていることが好ましい。

循環室から燃料電池に液体が供給され続けて、リザーバ室内の液体が長時間放置されると、そのリザーバ室内の液体が分解したり、劣化したりするおそれがある。リザーバ室から液体供給路に液体が定期的に送出されることにより、リザーバ室内での液体の分解および劣化を防止することができる。

本発明によれば、循環室、液体供給路、燃料電池および液体帰還路からなる燃料循環路を循環する液体の量を安定に保つことができる。その結果、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を容易に調整することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２Ａは、三方弁切替制御の内容を示すフローチャート（その１）である。図２Ｂは、三方弁切替制御の流れを示すフローチャート（その２）である。図３は、三方弁切替制御に追加して実行される処理の流れを示すフローチャートである。図４は、三方弁切替制御に追加して実行される他の処理の流れを示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

［配管構成］

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システム（ＦＣシステム）であり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。

＜燃料電池＞

燃料電池システム１は、燃料電池１１を備えている。

燃料電池１１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。

膜／電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する。

セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。膜／電極接合体のアノードに対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口１２および燃料出口１３に接続されている。膜／電極接合体のカソードに対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口１４およびエア出口１５に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口１６および冷却水出口１７に接続されている。

＜燃料系＞

燃料電池システム１は、第１燃料タンク２１、第２燃料タンク２２、燃料サブタンク２３および気液分離器２４を備えている。

第１燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温の水加ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４・Ｈ_２Ｏ）が貯留されている。第１燃料タンク２１には、第１燃料補給管３１の一端が接続されている。第１燃料補給管３１の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第１燃料補給管３１の途中部には、第１燃料供給ポンプ３２およびチェックバルブ３３が第１燃料タンク２１側からこの順に介装されている。

第２燃料タンク２２には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が貯留されている。第２燃料タンク２２には、第２燃料補給管３４の一端が接続されている。第２燃料補給管３４の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第２燃料補給管３４の途中部には、第２燃料供給ポンプ３５およびチェックバルブ３６が第２燃料タンク２２側からこの順に介装されている。

燃料サブタンク２３内は、燃料サブタンク２３内の底面に立設された仕切壁４１により、循環室４２およびリザーバ室４３に分けられている。仕切壁４１の上端と燃料サブタンク２３内の天面との間には、間隔が生じており、循環室４２とリザーバ室４３とは、それらの上部で互いに連通している。循環室４２およびリザーバ室４３には、電解液に混合された液体燃料、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合された水加ヒドラジンが貯留される。

燃料サブタンク２３の底面には、循環室４２から液体燃料を送出するための第１送出管５１の一端と、リザーバ室４３から液体燃料を送出するための第２送出管５２の一端とが接続されている。第１送出管５１および第２送出管５２の各他端は、サブタンク三方弁５３の循環室ポート５３Ａおよびリザーバ室ポート５３Ｂに接続されている。サブタンク三方弁５３の出口ポート５３Ｃには、燃料供給管５４の一端が接続されている。燃料供給管５４の他端は、燃料電池１１の燃料入口１２に接続されている。燃料供給管５４の途中部には、燃料循環ポンプ５５およびＦＣ入口燃料遮断弁５６がサブタンク三方弁５３側からこの順に介装されている。

燃料電池１１の燃料出口１３には、燃料排出管６１の一端が接続されている。燃料排出管６１の他端は、気液分離器２４に接続されている。燃料排出管６１の途中部には、ＦＣ出口燃料遮断弁６２が介装されている。

気液分離器２４の底部には、燃料帰還管７１の一端が接続されている。燃料帰還管７１の他端は、燃料サブタンク２３の循環室４２に接続されている。燃料帰還管７１の途中部には、ストレーナ７２が介装されている。また、気液分離器２４の上部には、パージ管７３の一端が接続されている。パージ管７３の途中部には、パージ電磁弁７４が介装されている。

＜空気系＞

燃料電池システム１は、エアコンプレッサ８１および気液分離器８２を備えている。

エアコンプレッサ８１の吸込口には、吸気管８３の一端が接続されている。吸気管８３の他端は、エアクリーナ８４に接続されている。エアコンプレッサ８１の吐出口には、エア供給管８５の一端が接続されている。エア供給管８５の他端は、燃料電池１１のエア入口１４に接続されている。エア供給管８５の途中部には、インタクーラ８６およびＦＣ入口エア遮断弁８７がエアコンプレッサ８１側からこの順に介装されている。

燃料電池１１のエア出口１５には、エア排出管９１の一端が接続されている。エア排出管９１の他端は、気液分離器８２に接続されている。

気液分離器８２の底部には、回収管１０１の一端が接続されている。回収管１０１の他端は、気液分離器２４に接続されている。回収管１０１の途中部には、環流電磁弁１０２およびフィルタ１０３が気液分離器８２側からこの順に介装されている。気液分離器８２の上部には、パージ管１０４の一端が接続されている。パージ管１０４の途中部には、エア背圧調整弁１０５が介装されている。

＜冷却系＞

燃料電池システム１は、燃料電池１１の冷却のために、冷却水供給管１１１、冷却水排出管１１２およびラジエータ１１３を備えている。

冷却水供給管１１１の一端は、ラジエータ１１３に接続されている。冷却水供給管１１１の他端は、燃料電池１１の冷却水入口１６に接続されている。冷却水供給管１１１の途中部には、三方流量弁１１４およびウォータポンプ１１５がラジエータ１１３側からこの順に介装されている。

冷却水排出管１１２の一端は、燃料電池１１の冷却水出口１７に接続されている。冷却水排出管１１２の他端は、ラジエータ１１３に接続されている。冷却水排出管１１２の途中部には、分岐管１１６が分岐して接続されている。分岐管１１６の先端は、三方流量弁１１４に接続されている。

［電気的構成］

＜センサ＞

第１燃料タンク２１には、第１液量センサ１４１が設けられている。第１液量センサ１４１は、たとえば、ボールフロート式のレベルスイッチからなる。第１燃料タンク２１内の水加ヒドラジンの液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、第１液量センサ１４１がオフになる。

第２燃料タンク２２には、第２液量センサ１５１が設けられている。第２液量センサ１５１は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。第２燃料タンク２２内の水酸化カリウム水溶液の液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、第２液量センサ１５１がオフになる。

燃料サブタンク２３には、循環室液量センサ１６１およびリザーバ室液量ゲージ１６２が設けられている。循環室液量センサ１６１は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。循環室液量センサ１６１は、燃料サブタンク２３の循環室４２内の液体の液面が所定のエンプティ位置よりも高いときにオンになる。リザーバ室液量ゲージ１６２は、２個のフロートガイドパイプ式のレベルスイッチ１６４，１６５を組み合わせて構成されている。レベルスイッチ１６４，１６５は、互いに高さが異なる位置に配置されている。上方のレベルスイッチ１６４は、リザーバ室４３内の液体の液面が所定の上限位置よりも高いときにオンになる。下方のレベルスイッチ１６５は、燃料サブタンク２３のリザーバ室４３内の液体の液面が所定の下限位置よりも高いときにオンになる。上方のレベルスイッチ１６４は、リザーバ室４３内の液体の液面が所定の上限位置よりも高いときにオンになる。

また、燃料サブタンク２３には、燃料サブタンク２３内の液体の温度を検出する燃料温度センサ１６６が設けられている。

気液分離器２４には、気液分離器２４内の圧力を検出する気液分離器圧力センサ１７１が設けられている。

燃料供給管５４には、燃料循環ポンプ５５とＦＣ入口燃料遮断弁５６との間に、燃料供給管５４内の圧力を検出するＦＣ入口燃料圧力センサ１９１が設けられている。また、燃料供給管５４には、ＦＣ入口燃料遮断弁５６と燃料電池１１の燃料入口１２との間に、燃料供給管５４から燃料入口１２に流入する液体の温度を検出するＦＣ入口燃料温度センサ１９２とが設けられている。

燃料排出管６１には、燃料電池１１の燃料出口１３とＦＣ出口燃料遮断弁６２との間に、燃料排出管６１内の圧力を検出するＦＣ出口燃料圧力センサ２０１と、燃料出口１３から燃料排出管６１に流出した液体の温度を検出するＦＣ出口燃料温度センサ２０２とが設けられている。

気液分離器８２には、気液分離器液量センサ２１１が設けられている。気液分離器液量センサ２１１は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。気液分離器８２内の液体の液面が所定の上限位置よりも上昇すると、気液分離器液量センサ２１１がオンになる。

また、気液分離器８２には、気液分離器８２内の圧力を検出するＦＣ出口エア圧力センサ２１２と、気液分離器８２内の液体の温度を検出する気液分離器温度センサ２１３とが設けられている。

吸気管８３には、吸気管８３を流通するエアの温度を検出する第１エア温度センサ２２１と、吸気管８３を流通するエアの流量を検出するエア流量計２２２とが設けられている。

エア供給管８５には、エアコンプレッサ８１とインタクーラ８６との間に、エア供給管８５を流通するエアの温度を検出する第２エア温度センサ２３１が設けられている。

冷却水供給管１１１には、冷却水供給管１１１を流通する冷却水の温度を検出するＦＣ入口水温センサ２４１が設けられている。

冷却水排出管１１２には、冷却水排出管１１２を流通する冷却水の温度を検出するＦＣ出口水温センサ２５１が設けられている。

＜制御系＞

燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）３０１を備えている。

ＦＣ−ＥＣＵ３０１には、各種センサが電気的に接続されている。すなわち、ＦＣ−ＥＣＵ３０１には、第１液量センサ１４１、第２液量センサ１５１、循環室液量センサ１６１、リザーバ室液量ゲージ１６２（レベルスイッチ１６３〜１６５）、燃料温度センサ１６６、気液分離器圧力センサ１７１、ＦＣ入口燃料圧力センサ１９１、ＦＣ入口燃料温度センサ１９２、ＦＣ出口燃料圧力センサ２０１、ＦＣ出口燃料温度センサ２０２、気液分離器液量センサ２１１、ＦＣ出口エア圧力センサ２１２、気液分離器温度センサ２１３、第１エア温度センサ２２１、エア流量計２２２、第２エア温度センサ２３１、ＦＣ入口水温センサ２４１およびＦＣ出口水温センサ２５１が接続されている。

ＦＣ−ＥＣＵ３０１は、メモリに格納されたプログラムに従い、各種センサから入力される信号に基づいて、第１燃料供給ポンプ３２、第２燃料供給ポンプ３５、燃料循環ポンプ５５、エアコンプレッサ８１、ラジエータ１１３およびウォータポンプ１１５の駆動を制御し、ＦＣ入口燃料遮断弁５６、ＦＣ出口燃料遮断弁６２、パージ電磁弁７４および環流電磁弁１０２の開閉を制御し、サブタンク三方弁５３の循環室ポート５３Ａおよびリザーバ室ポート５３Ｂの開閉を制御し、エア背圧調整弁１０５の開度および三方流量弁１１４の各出口ポートの開度を制御する。

［動作］

＜燃料の流通＞

燃料電池１１による発電のために、サブタンク三方弁５３の循環室ポート５３Ａ、リザーバ室ポート５３Ｂの一方が選択的に開かれる。また、ＦＣ入口燃料遮断弁５６およびＦＣ出口燃料遮断弁６２が開かれる。そして、燃料循環ポンプ５５が駆動される。これにより、燃料サブタンク２３に貯留されている液体が第１送出管５１または第２送出管５２を通して燃料供給管５４に吸い出され、その液体が燃料供給管５４を燃料電池１１の燃料入口１２に向けて流通する。燃料供給管５４を流通する液体は、燃料入口１２を通して、燃料電池１１に供給される。

燃料電池１１に供給される液体は、燃料流路を流通し、燃料出口１３を通して、燃料排出管６１に流出する。

燃料排出管６１に流出した液体は、燃料排出管６１を流通して、気液分離器２４に流入する。気液分離器２４では、燃料排出管６１から流入する液体からその液体に含まれる気体（たとえば、発電時に生成されるＮ_２ガス）が分離される。

脱気された液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管７１に流出する。燃料帰還管７１に流出した液体は、燃料帰還管７１を流通し、その途中でストレーナ７２を通過する。液体がストレーナ７２を通過することにより、液体から異物（固形物）が除去される。その後、燃料帰還管７１を流通する液体は、燃料帰還管７１から燃料サブタンク２３の循環室４２に戻る。このようにして、液体は、燃料サブタンク２３、第１送出管５１、第２送出管５２、燃料供給管５４、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管６１、気液分離器２４および燃料帰還管７１を含む燃料循環路を循環する。

通常、パージ電磁弁７４は、開かれている。気液分離器２４内で液体から分離された気体は、気液分離器２４からパージ管７３に流出し、パージ管７３を排気処理器１２１に向けて流通する。そして、パージ管７３を流通する気体は、排気処理器１２１を経由して、大気に放出される。

＜エアの流通＞

また、燃料電池１１による発電のために、ＦＣ入口エア遮断弁８７およびエア背圧調整弁１０５が開かれる。そして、エアコンプレッサ８１が駆動される。エアコンプレッサ８１が駆動されると、エア（大気）がエアクリーナ８４を通して吸気管８３に取り込まれる。吸気管８３に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ８１で圧縮されて、エアコンプレッサ８１からエア供給管８５に送り出される。エアコンプレッサ８１での圧縮に伴って温度が上昇したエアは、エア供給管８５を流通する途中で、インタクーラ８６によって冷却される。そして、冷却後のエアは、燃料電池１１のエア入口１４を通して、燃料電池１１に供給される。

燃料電池１１に供給されるエアは、エア流路を流通し、エア出口１５を通して、エア排出管９１に流出する。

燃料電池システム１では、水および液体燃料が膜／電極接合体のアノードから固体高分子膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出管９１に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料および水の蒸気が含まれる。

エア排出管９１に流出したエアは、エア排出管９１を流通して、気液分離器８２に流入する。気液分離器８２では、エア排出管９１から流入するエアとそのエアに含まれる液体燃料などの液体とが分離される。

液体が除去されたエアは、気液分離器８２からパージ管１０４に流出し、パージ管１０４を排気処理器１２１に向けて流通する。そして、パージ管１０４を流通するエアは、排気処理器１２１を経由して、大気に放出される。

一方、エアから分離した液体は、気液分離器８２内の下部（底部）に集まる。環流電磁弁１０２が閉じられている間、その液体は、気液分離器８２内の下部に溜められる。気液分離器８２内に溜められた液体は、エア背圧調整弁１０５の開度が小さくされて、気液分離器８２内の圧力が通常よりも高められた状態で、環流電磁弁１０２が開かれることにより、回収管１０１を通して、気液分離器２４に送られる（回収される）。液体が回収管１０１を流通する途中でフィルタ１０３を通過することにより、液体から異物が除去される。気液分離器２４に流入した液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管７１に流出し、燃料帰還管７１を流通して、燃料帰還管７１から燃料サブタンク２３の循環室４２に戻る。

＜発電反応＞

燃料電池１１の燃料流路を液体燃料を含む液体が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池１１において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料出口１３を通して燃料排出管６１に流出する。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）

Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

この結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

＜液体燃料の補給＞

燃料電池システム１の稼働中に、燃料サブタンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、第１燃料供給ポンプ３２および／または第２燃料供給ポンプ３５が駆動される。

第１燃料供給ポンプ３２が駆動されると、第１燃料タンク２１から第１燃料補給管３１に液体燃料が汲み出される。そして、第１燃料補給管３１内のチェックバルブ３３よりも上流側の部分の圧力が所定圧以上になると、チェックバルブ３３が自動的に開き、液体燃料が第１燃料補給管３１を通して燃料サブタンク２３に供給される。

第２燃料供給ポンプ３５が駆動されると、第２燃料タンク２２から第２燃料補給管３４に電解液が汲み出される。そして、第２燃料補給管３４内のチェックバルブ３６よりも上流側の部分の圧力が所定圧以上になると、チェックバルブ３６が自動的に開き、電解液が第２燃料補給管３４を通して燃料サブタンク２３に供給される。

＜燃料電池の冷却＞

冷却水供給管１１１および冷却水排出管１１２内には、冷却水が封入されている。

燃料電池１１の発電時には、ウォータポンプ１１５が駆動される。ウォータポンプ１１５が駆動されると、冷却水が冷却水供給管１１１を燃料電池１１の冷却水入口１６に向けて流通する。冷却水供給管１１１を流通する冷却水は、冷却水入口１６を通して、燃料電池１１に供給される。

燃料電池１１に供給される冷却水は、冷却水流路を流通し、冷却水出口１７を通して、冷却水排出管１１２に流出する。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池１１が冷却される。

冷却水排出管１１２に流出した冷却水は、冷却水排出管１１２をラジエータ１１３に向けて流通する。三方流量弁１１４に設けられた分岐管１１６の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管１１２を流通する冷却水は、ラジエータ１１３を通過して、冷却水供給管１１１に戻る。ラジエータ１１３を通過する冷却水は、走行風および／またはラジエータファン１１３Ｆからの送風によって冷却される。一方、分岐管１１６の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管１１２を流通する冷却水は、ラジエータ１１３をバイパスして、冷却水供給管１１１に戻る。

［三方弁切替制御］

図２Ａ，２Ｂは、三方弁切替制御の流れを示すフローチャートである。

燃料電池１１の発電時には、前述のように、燃料循環ポンプ５５が駆動されて、燃料電池１１の燃料流路を液体燃料が流通する。これと並行して、ＦＣ−ＥＣＵ３０１により、図２Ａ，２Ｂに示される三方弁切替制御が繰り返し実行される。

燃料循環ポンプ５５の駆動が開始されると、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが閉じられて、循環室ポート５３Ａが開かれることにより、燃料サブタンク２３の循環室４２が第１送出管５１を介して燃料供給管５４と連通される（ステップＳ１）。

この状態では、燃料循環ポンプ５５の働きにより、循環室４２内の液体燃料を含む液体が第１送出管５１を通して燃料供給管５４に吸い込まれ、その液体が燃料供給管５４を燃料電池１１に向けて流通する。そして、燃料供給管５４を流通する液体は、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管６１、気液分離器２４および燃料帰還管７１を流通して、循環室４２に戻る。すなわち、循環室４２、第１送出管５１、燃料供給管５４、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管６１、気液分離器２４および燃料帰還管７１からなる燃料循環路において液体燃料を含む液体が循環する。

次いで、循環室４２の液体の液面が所定のエンプティ位置であるときの循環室４２内の液体の液量を切替液量として、循環室４２内の液体燃料を含む液体の液量が切替液量未満に低下したか否か、つまり循環室液量センサ１６１がオフか否かが調べられる（ステップＳ２）。

循環室４２内の液量は、クロスリークなどが原因で減少する。循環室４２内の液量が切替液量未満に低下し、循環室液量センサ１６１がオフになると（ステップＳ２のＹＥＳ）、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが開かれ、循環室ポート５３Ａが閉じられることにより、燃料サブタンク２３のリザーバ室４３が第２送出管５２を介して燃料供給管５４と連通される（ステップＳ３）。

この状態では、燃料循環ポンプ５５の働きにより、リザーバ室４３内の液体燃料を含む液体が第２送出管５２を通して燃料供給管５４に吸い込まれ、その液体が燃料供給管５４を燃料電池１１に向けて流通する。そして、燃料供給管５４を流通する液体は、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管６１、気液分離器２４および燃料帰還管７１を流通して、循環室４２に戻る。そのため、リザーバ室４３内の液量が減り、循環室４２内の液量が増加する。

その後、リザーバ室４３の液体の液面が所定の下限位置であるときのリザーバ室４３内の液体の液量を下限液量として、リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下したか否か、つまりレベルスイッチ１６５がオフか否かが調べられる（ステップＳ４）。

リザーバ室４３内の液量が下限液量以上であり、レベルスイッチ１６５がオンであるときには（ステップＳ４のＮＯ）、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が所定の第１時間を超えたか否かが判断される（ステップＳ５）。第１時間は、循環室４２内の液量が切替液量以上に復帰するのに十分な量の液体がリザーバ室４３から燃料供給管５４に送出される時間に設定されている。

リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下するか、または、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が第１時間を超えるまで、リザーバ室ポート５３Ｂの開かれた状態が維持される（ステップＳ４，Ｓ５のＮＯ）。

リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下し、レベルスイッチ１６５がオフになるか（ステップＳ４のＹＥＳ）、または、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が第１時間を超えると（ステップＳ５のＹＥＳ）、循環室ポート５３Ａが開かれ、リザーバ室ポート５３Ｂが閉じられる。これにより、燃料サブタンク２３の循環室４２が第１送出管５１を介して燃料供給管５４と再び連通される（ステップＳ６）。

そして、図２Ｂに示されるように、循環室４２内の液量が依然として切替液量未満であるか否か、つまり循環室液量センサ１６１がオフか否かが調べられる（ステップＳ７）。

リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下するか、または、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が第１時間を超えるまで、リザーバ室４３から燃料供給管５４に液体燃料を含む液体が送出されることにより、通常は、循環室４２に切替液量以上の液体が貯留される。より具体的には、循環室４２に液体が満杯に溜まると、それ以上に循環室４２に戻される液体は、循環室４２からリザーバ室４３にオーバフローし、リザーバ室４３に溜められる。そのため、通常、リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下することはなく、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が第１時間を超えることにより、循環室４２と燃料供給管５４とが再び連通され、この時点で、循環室４２には、切替液量以上満杯量以下の液体が貯留されている。

循環室４２内の液量が依然として切替液量未満であるときには（ステップＳ７のＹＥＳ）、液体燃料を含む液体の漏洩などの故障が生じているか、または、燃料電池システム１全体に存在する液体燃料を含む液体の液量が不足していると判断される（ステップＳ８）。

そして、燃料電池システム１の稼働が停止され（ステップＳ１１）、この三方弁切替制御が終了される。

一方、循環室４２内の液量が切替液量以上に正常に復帰しているときには（ステップＳ７のＮＯ）、リザーバ室４３の液体の液面が所定の上限位置であるときのリザーバ室４３内の液体の液量を上限液量として、リザーバ室４３内の液体燃料を含む液体の液量が上限液量以上であるか否か、つまり、レベルスイッチ１６４がオンか否かが調べられる（ステップＳ９）。

リザーバ室４３内の液量が上限位置以上であり、レベルスイッチ１６４がオンである場合には（ステップＳ９のＹＥＳ）、燃料サブタンク２３内の液量が過剰であると判断される（ステップＳ１０）。

そして、燃料電池システム１の稼働が停止されて（ステップＳ１１）、この三方弁切替制御が終了される。

また、循環室４２内の液量が切替液量以上であり、かつ、リザーバ室４３内の液量が上限液量未満であるときには（ステップＳ９のＮＯ）、燃料サブタンク２３内の液量が適正であると判断されて、ステップＳ１に戻り、循環室４２が燃料供給管５４と連通した状態での発電が継続される。

その後は、循環室４２内の液量が切替液量未満であるか否かが再び調べられ、循環室４２内の液量が切替液量未満である場合には（ステップＳ２のＮＯ）、リザーバ室４３内の液量が上限液量未満であるか否かが再び調べられる（ステップＳ９）。このようにして、燃料サブタンク２３内の液量が適正に保たれている間は、燃料電池１１による発電が継続される。

［作用効果］

以上のように、燃料サブタンク２３には、液体燃料を含む液体が貯留されている。燃料サブタンク２３内には、循環室４２およびリザーバ室４３が設けられている。循環室４２およびリザーバ室４３は、それらの上部で互いに連通している。

循環室４２に貯留されている液体の量が所定の切替液量以上であるときには、循環室４２が燃料供給管５４と連通されて、循環室４２に貯留されている液体が燃料供給管５４に送出され、その燃料供給管５４に送出された液体が燃料電池１１に供給される。そして、液体は、燃料電池１１から排出され、燃料排出管６１および燃料帰還管７１を通して循環室４２に戻される。すなわち、循環室４２内の液量が切替液量以上であるときには、循環室４２から送出される液体が燃料電池１１を経由して循環室４２に戻される。

循環室４２に液体が満杯に溜まると、それ以上に循環室４２に戻される液体は、循環室４２からリザーバ室４３にオーバフローし、リザーバ室４３に溜められる。これにより、循環室４２、第２送出管５２、燃料供給管５４、燃料電池１１、燃料排出管６１および燃料帰還管７１を循環する液体の量は、循環室４２に切替液量以上で満杯量以下の液体が貯留される範囲内に保たれる。

燃料電池１１での発電が続けられる間に、燃料電池１１における液体のクロスリークなどが原因で、循環室４２、第２送出管５２、燃料供給管５４、燃料電池１１、燃料排出管６１および燃料帰還管７１を循環する液体の量が減少し、循環室４２内の液量が切替液量未満になると、循環室４２と燃料供給管５４とが遮断され、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが連通される。これにより、リザーバ室４３に貯留されている液体が燃料供給管５４に送出され、その燃料供給管５４に送出された液体が燃料電池１１に供給される。そして、燃料電池１１から排出される液体は、燃料排出管６１および燃料帰還管７１を通して循環室４２に戻される。すなわち、循環室４２内の液量が切替液量未満であるときには、リザーバ室４３から送出される液体が燃料電池１１を経由して循環室４２に戻される。そのため、循環室４２内の液量が増加し、リザーバ室４３内の液量が減少する。

リザーバ室４３内の液量が所定の下限液量未満に低下すると、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが遮断され、循環室４２と燃料供給管５４とが連通される。また、リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下する前に、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが連通されてから所定の第１時間が経過すると、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが遮断され、循環室４２と燃料供給管５４とが連通される。循環室４２と燃料供給管５４とが再び連通されるまでに、通常は、リザーバ室４３から燃料供給管５４に十分な量の液体が送出され、循環室４２には、切替液量以上で満杯量以下の液体が貯留される。そのため、循環室４２、液体供給路、燃料電池１１および燃料排出管６１および燃料帰還管７１を循環する液体の量は、循環室４２に切替液量以上で満杯量以下の液体が貯留される範囲内に再び保たれる。

よって、循環室４２、第１送出管５１、燃料供給管５４、燃料電池１１、燃料排出管６１および燃料帰還管７１からなる燃料循環路を循環する液体の量を安定に保つことができる。

［第２実施形態］

図２Ａ，２Ｂに示される三方弁切替制御では、循環室４２内の液量が切替液量以上であり（ステップＳ２，Ｓ７のＮＯ）、かつ、リザーバ室４３内の液量が上限液量未満である場合には（ステップＳ９のＮＯ）、ステップＳ１に戻り、循環室４２が燃料供給管５４と連通した状態での発電が継続されるとした。しかしながら、ステップＳ１に戻る前に、図３に示される追加の処理が行われてもよい。

図３に示される処理では、リザーバ室４３内の液体燃料を含む液体の液量が上限液量未満である場合に（ステップＳ９のＮＯ）、冷却水循環路を循環する冷却水の冷却能力の不足／充足が判断される（ステップＳ２１）。具体的には、ラジエータファン１１３Ｆおよびウォータポンプ１１５が最大能力で駆動されるとともに、冷却水排出管１１２を流通するすべての冷却水がラジエータ１１３を経由するように、三方流量弁１１４の各出口ポートの開度が調整された状態で、燃料温度センサ１６６によって検出される燃料サブタンク２３内の液体燃料を含む液体の温度が所定温度を超えて上昇し続けているか否かが判断される。そして、燃料温度センサ１６６によって検出される温度が所定温度を超えて上昇し続けている場合には、冷却水による冷却能力が不足していると判断される。一方、燃料温度センサ１６６によって検出される温度が所定温度を超えていない場合または所定温度を超えていても上昇し続けていない場合には、冷却水による冷却能力が充足していると判断される。

冷却水による冷却能力が充足しているときには（ステップＳ２１のＮＯ）、図２Ａに示されるステップＳ１に戻り、循環室４２が燃料供給管５４と連通した状態での発電が継続される。

一方、冷却水による冷却能力が不足しているときには（ステップＳ２１のＹＥＳ）、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが開かれ、循環室ポート５３Ａが閉じられることにより、燃料サブタンク２３のリザーバ室４３が第２送出管５２を介して燃料供給管５４と連通される（ステップＳ２２）。

この状態では、リザーバ室４３内の液体燃料を含む液体が燃料供給管５４に供給される。リザーバ室４３から燃料供給管５４への液体の供給は、リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下するか、または、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が所定の第１時間を超えるまで続けられる。

リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下するか（ステップＳ２３のＹＥＳ）、または、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が第１時間を超えると（ステップＳ２４のＹＥＳ）、図２Ａに示されるステップＳ１に戻り、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが閉じられて、循環室ポート５３Ａが開かれることにより、燃料サブタンク２３の循環室４２が第１送出管５１を介して燃料供給管５４と連通される。

このように、冷却水による冷却能力が不足していると判断されると、リザーバ室４３と燃料供給管５４とが連通され、リザーバ室４３から燃料供給管５４を通して燃料電池１１に液体が供給される。

燃料循環路を循環する循環室４２内の液体燃料は、燃料電池１１における発電反応に伴って発生する熱などによって昇温する。そのため、リザーバ室４３に貯留されている液体は、循環室４２に貯留されている液体よりも低温である。冷却水による冷却能力不足と判断された場合に、リザーバ室４３から燃料供給管５４を通して燃料電池１１に低温の液体が供給されることにより、燃料電池１１の冷却効果を得ることができる。その結果、燃料電池システム１全体が有する冷却能力を底上げすることができる。

［第３実施形態］

また、図３に示される追加の処理に代えて、図４に示される追加の処理が行われてもよい。

図４に示される処理では、リザーバ室４３内の液体燃料を含む液体の液量が上限液量未満である場合に（ステップＳ９のＮＯ）、まず、冷却水循環路を循環する冷却水の冷却能力の不足／充足が判断される（ステップＳ３１）。この判断手法は、図３に示される処理の場合と同様である。

冷却水による冷却能力が充足しているときには（ステップＳ３１のＮＯ）、図２Ａに示されるステップＳ１に戻り、循環室４２が燃料供給管５４と連通した状態での発電が継続される。

一方、冷却水による冷却能力が不足しているときには（ステップＳ３１のＹＥＳ）、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが開かれ、循環室ポート５３Ａが閉じられることにより、燃料サブタンク２３のリザーバ室４３が第２送出管５２を介して燃料供給管５４と連通される（ステップＳ３３）。

リザーバ室４３内の液量が下限液量未満に低下するか（ステップＳ３４のＹＥＳ）、またば、リザーバ室ポート５３Ｂが開かれてからの経過時間が第１時間を超えると（ステップＳ３５のＹＥＳ）、図２Ａに示されるステップＳ１に戻り、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが閉じられて、循環室ポート５３Ａが開かれることにより、燃料サブタンク２３の循環室４２が第１送出管５１を介して燃料供給管５４と連通される。

冷却水による冷却能力が充足している場合であっても（ステップＳ３１のＮＯ）、サブタンク三方弁５３の循環室ポート５３Ａが開かれてからの経過時間が所定の第２時間を超えた場合には（ステップＳ３２のＹＥＳ）、循環室ポート５３Ａが閉じられ、サブタンク三方弁５３のリザーバ室ポート５３Ｂが開かれることにより、燃料サブタンク２３のリザーバ室４３が第２送出管５２を介して燃料供給管５４と連通されて（ステップＳ３３）、リザーバ室４３内の液体燃料を含む液体が燃料供給管５４に供給される。

循環室４２から燃料電池１１に液体が供給され続けて、リザーバ室４３内の液体が長時間放置されると、そのリザーバ室４３内の液体が分解したり、劣化したりするおそれがある。リザーバ室４３から燃料供給管５４に液体が定期的に送出されることにより、リザーバ室４３内での液体の分解および劣化を防止することができる。

［変形例］

以上、本発明の実施の形態について説明したが、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１燃料電池システム
１１燃料電池
２３燃料サブタンク（循環燃料タンク）
４２循環室
４３リザーバ室
５１第１送出管（液体供給路）
５２第２送出管（液体供給路）
５３サブタンク三方弁（切替手段）
５４燃料供給管（液体供給路）
６１燃料排出管（液体帰還路）
７１燃料帰還管（液体帰還路）
１１１冷却水供給管（冷却水循環路）
１１２冷却水排出管（冷却水循環路）
１１３ラジエータ（冷却水循環路）
１６１循環室液量センサ（循環室燃料検出手段）
１６４レベルスイッチ（リザーバ室液量検出手段）
１６５レベルスイッチ（リザーバ室液量検出手段）
３０１ＦＣ−ＥＣＵ（第１切替制御手段、第２切替制御手段、冷却能力判断手段、冷却切替制御手段、計時手段、定期切替制御手段）

Claims

膜／電極接合体を備える燃料電池と、
互いに上部が連通し、液体燃料を含む液体が貯留される循環室およびリザーバ室を内部に有する循環燃料タンクと、
前記燃料電池に供給される液体が流通する液体供給路と、
前記循環室および前記リザーバ室を前記液体供給路と選択的に連通させるための切替手段と、
前記燃料電池から排出される液体を前記循環室に戻すための液体帰還路と、
前記循環室内の液量を検出する循環室液量検出手段と、
前記リザーバ室内の液量を検出するリザーバ室液量検出手段と、
前記切替手段を制御して、前記循環室液量検出手段によって検出される液量が所定の切替液量以上であるときには、前記循環室と前記液体供給路とを連通させ、前記循環室液量検出手段によって検出される液量が前記切替液量未満であるときには、前記リザーバ室と前記液体供給路とを連通させる第１切替制御手段と、
前記リザーバ室と前記液体供給路とが連通された後、前記リザーバ室液量検出手段によって検出される液量が所定の下限液量未満に低下するか、または、その連通後の経過時間が所定の第１時間を超えたことに応答して、前記切替手段を制御して、前記循環室と前記液体供給路とを連通させる第２切替制御手段とを含む、燃料電池システム。
前記燃料電池を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環路と、
前記冷却水による冷却能力の不足／充足を判断する冷却能力判断手段と、
前記冷却能力判断手段によって冷却能力不足と判断されているときに、前記切替手段を制御して、前記リザーバ室と前記液体供給路とを連通させる冷却切替制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記循環室と前記液体供給路との連通状態が継続している時間を計測する計時手段と、
前記計時手段によって計測される時間が所定の第２時間を超えたことに応答して、前記切替手段を制御して、前記リザーバ室と前記液体供給路とを連通させる定期切替制御手段とをさらに含む、請求項１または２に記載の燃料電池システム。