JP2014049337A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータをサイズアップせずに、燃料電池を良好に冷却することができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１１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１１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、冷却能力充足と判断されているときよりも、エア排出管９１を流通するエアの流量が増やされる。これにより、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が増加し、潜熱による燃料電池１１の冷却量が増加する。
【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。

燃料電池の発電時には、燃料電池が発熱するので、燃料電池を冷却する必要がある。そのため、燃料電池システムには、冷却水循環路が設けられており、冷却水循環路を循環する冷却水により、燃料電池が冷却されるようになっている。冷却水循環路の途中部には、冷却水を循環させるためのウォータポンプと、ラジエータファンからの送風で冷却水を冷却するためのラジエータとが介装されている。ラジエータの働きにより、冷却水が冷却され、この冷却された冷却水が燃料電池に供給されることにより、燃料電池が冷却される。

特開２０１１−２１６３４１号公報

しかしながら、車両の停止中および低速走行中は、ラジエータでの走行風による冷却水の冷却効果が低いため、ラジエータの冷却能力が不足し、燃料電池を十分に冷却できないおそれがある。ラジエータのコアの表面積の増大およびラジエータファンの大型化により、ラジエータの冷却能力を向上させることができるが、それに伴い、ラジエータ（コア）およびラジエータファンのサイズが増大する。

本発明の目的は、ラジエータおよびラジエータファンをサイズアップせずに、燃料電池を良好に冷却できる、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、膜／電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、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、前記冷却能力判断手段によって冷却能力充足と判断されているときよりも、前記空気排出路を流通する空気の流量を増加させる流量増加手段とを含む。

この構成によれば、燃料電池は、膜／電極接合体を備えている。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）を貼り合わせた構成である。燃料電池に液体燃料および空気が供給されると、燃料電池では、発電反応が生じ、発電反応による起電力が発生する。

発電反応の生成物として、アノードで水が生成される。この水および未反応の液体燃料の大部分は、アノードから排出され、その一部は、アノードから固体高分子膜を透過してカソードにクロスリークする。そのため、燃料電池から空気排出路に排出される空気には、液体燃料および水の蒸気が含まれる。

燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量は、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量（空気排出路を流通する空気の流量）によって変化する。すなわち、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が大きいほど、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が増加する。逆に、空気排出路に排出される空気の流量が小さいほど、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が少なくなる。そして、燃料電池からの蒸気の排出量が多いほど、燃料電池で液体燃料および水が蒸気に相変化するときに吸収する潜熱量が大きく、その潜熱による燃料電池の冷却量が増加する。

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、冷却能力充足と判断されているときよりも、空気排出路を流通する空気の流量が増やされる。これにより、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が増加し、潜熱による燃料電池の冷却量が増加する。

よって、冷却水を冷却するためのラジエータ（コア）およびラジエータファンをサイズアップせずに、燃料電池を良好に冷却することができる。その結果、燃料電池の過熱を防止することができ、燃料電池の過熱による劣化を防止することができる。

燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量は、空気排出路内の圧力（背圧）および燃料電池に供給される空気の流量によって変化する。すなわち、空気排出路内の圧力が低いほど、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が増加する。また、燃料電池に供給される空気の流量が大きいほど、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が増加する。したがって、空気排出路内の圧力を下げるか、および／または、燃料電池に供給される空気の流量を上げることにより、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量を増加させて、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量を増加させることができ、ひいては、潜熱による燃料電池の冷却量を増加させることができる。

燃料電池システムには、燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料タンクと、燃料循環路を循環する液体の量である循環液量を検出する循環液量検出手段と、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、循環液量検出手段によって検出される循環液量が所定量以下である場合、濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達するまで、燃料タンクから燃料循環路に液体燃料を補給する燃料補給手段とがさらに含まれていることが好ましい。

すなわち、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が増加すると、燃料電池でクロスリークする液体燃料および水の量が増加し、燃料循環路を循環する液体の量が減少する。そのため、循環液量検出手段によって検出される循環液量が所定量以下になると、濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達することを限度として、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ることが好ましい。

この補給により、燃料循環路を循環する液体の量を適正に保つことができる。また、燃料循環路を循環する液体の温度が低下するので、その低下した液体が燃料電池に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。

本発明によれば、冷却水を冷却するためのラジエータおよびラジエータファンをサイズアップせずに、燃料電池を良好に冷却することができる。よって、燃料電池の過熱を防止することができ、燃料電池の過熱による劣化を防止することができる。その結果、燃料電池の寿命を延ばすことができる。

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２は、補助冷却制御の内容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、Ａ室４２およびＢ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、Ａ室４２とＢ室４３とは、それらの上部で互いに連通している。Ａ室４２およびＢ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には、Ａ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、Ｂ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２つの入口ポートに接続されている。サブタンク三方弁５３の出口ポートには、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Ａ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、Ａ室液量センサ１６１およびＢ室液量ゲージ１６２が設けられている。Ａ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。Ａ室液量センサ１６１は、燃料サブタンク２３のＡ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。Ｂ室液量ゲージ１６２は、３個のフロートガイドパイプ式のレベルスイッチ１６３，１６４，１６５を組み合わせて構成されている。レベルスイッチ１６３〜１６５は、互いに高さが異なる位置に配置されている。最上位置のレベルスイッチ１６３は、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の第１上限位置よりも高いときにオンになる。最下位置のレベルスイッチ１６５は、燃料サブタンク２３のＢ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。中位置のレベルスイッチ１６４は、Ｂ室４３内の液体の液面が第１上限位置よりも低く、下限位置よりも高い第２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におけるサブタンク三方弁５３と燃料循環ポンプ５５との間には、濃度検出用分岐管１８１が分岐して接続されている。濃度検出用分岐管１８１の先端は、燃料サブタンク２３のＡ室４２に接続されている。濃度検出用分岐管１８１の途中部には、燃料濃度センサポンプ１８２が介装されている。そして、濃度検出用分岐管１８１には、燃料濃度センサポンプ１８２と燃料サブタンク２３との間に、濃度検出用分岐管１８１を流通する液体中の液体燃料の濃度を検出する燃料濃度センサ１８３と、濃度検出用分岐管１８１を流通する液体燃料の温度を検出する濃度補正用温度センサ１８４とが設けられている。

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、Ａ室液量センサ１６１、Ｂ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、燃料濃度センサ１８３、濃度補正用温度センサ１８４、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の各入口ポートの開閉を制御し、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２つの入口ポート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Ａ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Ａ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（水加ヒドラジン）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（水酸化カリウム水溶液）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。

［燃料電池の補助冷却制御］

図２は、補助冷却制御の内容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、ウォータポンプ１１５およびラジエータ１１３（ラジエータファン１１３Ｆ）が駆動されて、冷却水供給管１１１、冷却水排出管１１２およびラジエータ１１３からなる冷却水循環路を循環する冷却水により、燃料電池１１が冷却される。これと並行して、ＦＣ−ＥＣＵ３０１により、図２に示される補助冷却制御が繰り返し実行される。

補助冷却制御では、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Ｓ１）。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、つまりラジエータ１１３の冷却能力が最大まで上げられた状態で、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Ｓ１のＮＯ）、この補助冷却制御がリターンされる。

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Ｓ１のＹＥＳ）、燃料循環路を循環している液体の量が予め定められた適正範囲の下限値よりも多いか否かが判断される（ステップＳ２）。

燃料電池システム１では、たとえば、通常は、サブタンク三方弁５３における第１送出管５１と接続された入口ポートが閉じられ、第２送出管５２と接続された入口ポートが開かれて、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体が燃料電池１１に向けて送出される。そして、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値であるときには、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の下限位置に位置し、レベルスイッチ１６５がオフになる。したがって、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値よりも多いか否かは、レベルスイッチ１６５がオンであるか否かによって判断することができる。

燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値よりも多いときには（ステップＳ２のＹＥＳ）、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量を増加させるべく（ステップＳ３）、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ大きくされるとともに、エアコンプレッサ８１が制御されて、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の流量が所定量だけ増やされる。

エア排出管９１内の圧力が低いほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が増加し、これに伴って、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が増加する。また、燃料電池１１に供給されるエアの流量が大きいほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が増加し、これに伴って、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が増加する。したがって、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ大きくされることにより、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が増加する。また、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の流量が所定量だけ増やされることにより、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が増加する。

その後は、冷却水による冷却能力の不足／充足が再び判断される（ステップＳ１）。冷却水による冷却能力が依然として不足しているときには（ステップＳ１のＹＥＳ）、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値よりも多いか否かが再び判断される（ステップＳ２）。

ここで、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値以下である場合、つまりレベルスイッチ１６５がオフになっている場合には（ステップＳ２のＮＯ）、燃料濃度センサ１８３によって検出される液体燃料の濃度が予め定められた濃度上限値よりも低いか否かが判断される（ステップＳ４）。

液体燃料の濃度が濃度上限値よりも低い場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、第１燃料供給ポンプ３２および第２燃料供給ポンプ３５が駆動されて、第１燃料タンク２１および第２燃料タンク２２からそれぞれ一定量の水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液が燃料サブタンク２３に供給される（ステップＳ５）。

燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値以下であり、かつ、その液体中の液体燃料の濃度が濃度上限値に達するまでは、一定量の水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液が燃料サブタンク２３に繰り返し供給される（ステップＳ５）。そして、その供給が繰り返されるうちに、液体燃料の濃度が濃度上限値に達すると（ステップＳ４のＮＯ）、燃料循環ポンプ５５などが制御され、燃料電池１１における発電が抑制（発電量が低減）されて（ステップＳ６：ＦＣパワーセーブ）、この補助冷却制御がリターンされる。

［作用効果］

以上のように、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアには、液体燃料および水の蒸気が含まれる。燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量は、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量（エア排出管９１を流通するエアの流量）によって変化する。すなわち、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が大きいほど、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が増加する。逆に、エア排出管９１に排出されるエアの流量が小さいほど、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が少なくなる。そして、燃料電池１１からの蒸気の排出量が多いほど、燃料電池１１で液体燃料および水が蒸気に相変化するときに吸収する潜熱量が大きく、その潜熱による燃料電池１１の冷却量が増加する。

燃料電池１１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１１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、冷却能力充足と判断されているときよりも、エア排出管９１を流通するエアの流量が増やされる。これにより、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が増加し、潜熱による燃料電池１１の冷却量が増加する。

よって、冷却水を冷却するためのラジエータ１１３およびラジエータファン１１３Ｆをサイズアップせずに、燃料電池１１を良好に冷却することができる。その結果、燃料電池１１の過熱を防止することができ、燃料電池１１の過熱による劣化を防止することができ、ひいては、燃料電池１１の寿命を延ばすことができる。

燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量は、エア排出管９１内の圧力（背圧）および燃料電池１１に供給されるエアの流量によって変化する。すなわち、エア排出管９１内の圧力が低いほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が増加する。また、燃料電池１１に供給されるエアの流量が大きいほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が増加する。したがって、エア排出管９１内の圧力を下げ、燃料電池１１に供給されるエアの流量を上げることにより、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量を増加させて、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量を増加させることができる。

燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が増加すると、燃料電池１１でクロスリークする液体燃料および水の量が増加し、燃料循環路を循環する液体の量が減少する。そのため、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の下限位置に位置し、レベルスイッチ１６５がオフになると、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の下限値以下になったと判断され、燃料濃度センサ１８３によって検出される液体燃料の濃度が濃度上限値に達することを限度として、第１燃料タンク２１および第２燃料タンク２２からそれぞれ一定量の水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液が燃料サブタンク２３に補給される。

この補給により、燃料循環路を循環する液体の量を適正に保つことができる。また、燃料循環路を循環する液体に常温の水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液が混入されることにより、その液体の温度が低下するので、その低下した液体が燃料電池１１に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。

［変形例］

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、ラジエータ１１３の冷却能力が最大まで上げられた状態で、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内の液体の温度が所定温度を超えて上昇し続けているか否かにより、その冷却能力（冷却水による冷却能力）の不足／充足が判断されるとした。しかしながら、燃料サブタンク２３内の液体の実際の温度上昇を待たずに、燃料電池１１の発電時における発電量およびラジエータ１１３の冷却能力が最大まで上げられた状態での冷却水による燃料電池１１の冷却量である冷却水冷却量が算出されて、発熱量から冷却水冷却量を減じた値が予め定められた閾値よりも大きい場合に、冷却水による冷却能力が不足すると予測されて、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が増やされてもよい。

また、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量を増加させるために、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ大きくされるとともに、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の流量が所定量だけ増やされるとした。しかしながら、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の流量が一定のまま、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ大きくされてもよい。また、エア背圧調整弁１０５の開度が変更されずに、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の流量が所定量だけ増やされてもよい。

その他、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
２１ 第１燃料タンク（燃料タンク）
２２ 第２燃料タンク（燃料タンク）
２３ 燃料サブタンク（燃料循環路）
２４ 気液分離器（燃料循環路）
３１ 第１燃料補給管（燃料補給手段）
３２ 第１燃料供給ポンプ（燃料補給手段）
３４ 第２燃料補給管（燃料補給手段）
３５ 第２燃料供給ポンプ（燃料補給手段）
５１ 第１送出管（燃料循環路）
５２ 第２送出管（燃料循環路）
５４ 燃料供給管（燃料循環路）
６１ 燃料排出管（燃料循環路）
７１ 燃料帰還管（燃料循環路）
８１ エアコンプレッサ（流量増加手段）
９１ エア排出管（空気排出路）
１０５ エア背圧調整弁（流量増加手段）
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）
１６５ レベルスイッチ（循環液量検出手段）
１８３ 燃料濃度センサ（濃度検出手段）
３０１ ＦＣ−ＥＣＵ（冷却能力判断手段、流量増加手段、燃料補給手段）

Claims (2)

1. 膜／電極接合体を備える燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、
   前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
   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、前記冷却能力判断手段によって冷却能力充足と判断されているときよりも、前記空気排出路を流通する空気の流量を増加させる流量増加手段とを含む、燃料電池システム。
2. 前記燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料タンクと、
   前記燃料循環路を循環する液体の量である循環液量を検出する循環液量検出手段と、
   前記燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記循環液量検出手段によって検出される循環液量が所定量以下である場合、前記濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達するまで、前記燃料タンクから前記燃料循環路に液体燃料を補給する燃料補給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。

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