JP2014049340A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを抑制しつつ、燃料電池でクロスリークした液体を燃料供給路に回収できる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】気液分離器８２内の液体が気液分離器２４に回収される際には、環流電磁弁１０２を閉じた状態で、エア背圧調整弁１０５の開度が一定量だけ小さくされる。これにより、気液分離器８２内の圧力が上昇する。気液分離器８２の圧力の上昇が完了した後、気液分離器８２内のエア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａが算出される。その後、気液分離器８２内のエア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａに対応する流量Ｑ_Ｒが取得される。一方、気液分離器８２内の圧力の上昇時に、気液分離器８２内に貯留されている液量が取得される。そして、当該液量が流量Ｑ_Ｒで除されることにより、環流電磁弁１０２を開放すべき時間が算出される。
【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。

特開２０１１−２１６３４１号公報

このような燃料電池システムでは、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）が発生する。

クロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すことができれば、クロスリークによる液体燃料の浪費を抑制することができる。ところが、クロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すために、ポンプを設けると、コストおよびシステムサイズが増大してしまう。

本発明の目的は、コストアップを抑制しつつ、燃料電池でクロスリークした液体を燃料供給路に回収できる、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が流通する燃料供給路と、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、前記空気排出路の途中部に介装され、前記空気排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁と、前記空気排出路における前記背圧調整弁よりも空気の流通方向の上流側に介装され、前記燃料電池から排出される空気中からその空気に含まれる液体を分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液体を前記燃料供給路に回収するための回収路と、前記回収路に介装され、前記回収路を開閉する環流弁と、前記気液分離器内の圧力を検出する背圧検出手段と、前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記気液分離器内の圧力と前記燃料供給路内の圧力との圧力差に対する前記回収路を流通する液体の流量の関係を記憶する圧力差−流量記憶手段と、前記環流弁を閉じた状態で、前記背圧調整弁の開度を所定量だけ小さくして、前記気液分離器内の圧力を上昇させる背圧上昇手段と、前記背圧上昇手段による前記気液分離器内の圧力の上昇時に、前記気液分離器内に貯留されている液量を取得する液量取得手段と、前記背圧上昇手段による前記気液分離器内の圧力の上昇が完了した後、前記背圧検出手段によって検出される圧力と前記圧力検出手段によって検出される圧力との圧力差を算出し、前記圧力差−流量記憶手段に記憶されている関係に基づいて、その圧力差に対応する流量を取得し、前記液量取得手段によって取得された液量と当該流量との比に基づいて、前記環流弁を開放する時間を算出する開放時間算出手段とを含む。

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。燃料電池では、液体燃料および空気が供給されると、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、アノードからに排出され、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（液体燃料および水）が含まれる。

空気排出路には、気液分離器が介装されている。空気排出路を流通する空気に含まれる液体は、気液分離器内で空気から分離される。気液分離器は、回収路を介して、燃料供給路に接続されている。

回収路には、環流弁が介装されている。また、空気排出路には、気液分離器よりも空気の流通方向の下流側に、空気排出路内の圧力（背圧）を調整する背圧調整弁が介装されている。環流弁が閉じられた状態で、背圧調整弁の開度が小さくされると、空気排出路内（気液分離器内を含む。）の圧力が高まる。空気排出路内の圧力が高められた後、環流弁が開かれると、その圧力により、気液分離器内の液体が回収路に送り出され、液体が回収路を通して燃料供給路に回収される。そのため、気液分離器内の液体を燃料供給路に回収するために、ポンプなどを必要としない。

よって、コスト、サイズ、重量および消費電力の上昇を抑制しつつ、クロスリークした液体燃料を燃料供給路に回収することができる。

しかしながら、環流弁が開放されている時間が適切でなければ、気液分離器に溜められた液体を燃料供給路に十分に回収することができなかったり、背圧が燃料供給路に伝達されることにより、燃料電池の劣化や発電性能の低下を引き起こしたりするおそれがある。

そこで、気液分離器内の液体が燃料供給路に回収される際には、環流弁を閉じた状態で、背圧調整弁の開度が所定量だけ小さくされる。これにより、気液分離器内の圧力が上昇する。気液分離器の圧力の上昇が完了した後、気液分離器内の圧力と燃料供給路内の圧力との圧力差が算出される。圧力差−流量記憶手段に、気液分離器内の圧力と燃料供給路内の圧力との圧力差に対する回収路を流通する液体の流量の関係が記憶されている。この関係に基づいて、気液分離器内の圧力と燃料供給路内の圧力との圧力差に対応する流量が取得される。一方、気液分離器内の圧力の上昇時に、気液分離器内に貯留されている液量が取得される。そして、当該液量と当該流量との比に基づいて、環流弁を開放すべき時間が算出される。これにより、環流弁を開放すべき時間を気液分離器内に貯留されている液量および気液分離器内の圧力と燃料供給路内の圧力との圧力差に応じた適切な時間とすることができる。

気液分離器内の液量は、液量センサによって検出されてもよいし、演算によって求められてもよい。

後者の場合、燃料電池システムには、背圧調整弁を通過する空気の圧力と流量との関係を記憶する弁圧力−弁流量記憶手段が備えられる。そして、気液分離器内の圧力と弁圧力−弁流量記憶手段に記憶されている関係とに基づいて、気液分離器内の圧力の上昇中に背圧調整弁を通過する空気の量が求められ、その求められた空気の量と気液分離器内の圧力の上昇幅とに基づいて、気液分離器内に貯留されている液量が算出されるとよい。

本発明によれば、コスト、サイズ、重量および消費電力の上昇を抑制しつつ、クロスリークした液体燃料を燃料供給路に回収することができる。

また、環流弁を開放すべき時間を気液分離器内に貯留されている液量および気液分離器内の圧力と燃料供給路内の圧力との圧力差に応じた適切な時間とすることができる。そして、環流弁がその適切な時間だけ開放されることにより、背圧が燃料供給路に伝達されるという不都合を生じることなく、気液分離器に溜められた液体を燃料供給路に十分に回収することができる。

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２は、エア背圧調整弁を通過するエアの流量と圧力との関係（特性）を示すグラフである。 図３は、回収管を流通する液体の流量と回収管の両端が接続された気液分離器間の圧力差との関係（特性）を示すグラフである。 図４Ａは、液体回収制御の内容を示すフローチャート（その１）である。 図４Ｂは、液体回収制御の内容を示すフローチャート（その２）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、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。

［液体の回収制御］

＜エア背圧調整弁のエア流量−エア圧力特性＞

図２は、エア背圧調整弁を通過するエアの流量と圧力との関係（特性）を示すグラフである。

エア背圧調整弁１０５の位置が第１位置に保持された状態で、エアコンプレッサ８１が制御されて、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの流量（エア流量）が変更される。その一方で、ＦＣ出口エア圧力センサ２１２によって検出される気液分離器８２内の圧力（エア圧力）が取得される。そして、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの流量と気液分離器８２内の圧力との関係が求められて、その関係（特性）がＦＣ−ＥＣＵ３０１のメモリに記憶されている。

また、エア背圧調整弁１０５の位置が第１位置から一定量だけ閉じられた第２位置に保持された状態で、エアコンプレッサ８１が制御されて、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの流量が変更される。その一方で、ＦＣ出口エア圧力センサ２１２によって検出される気液分離器８２内の圧力が取得される。そして、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの流量と気液分離器８２内の圧力との関係が求められて、その関係（特性）がＦＣ−ＥＣＵ３０１のメモリに記憶されている。

エア背圧調整弁１０５を通過するエアの流量が大きくなるにつれて、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの圧力（気液分離器８２内の圧力）が単調に増加する。そして、エア背圧調整弁１０５の位置が第２位置に保持された状態では、エア背圧調整弁１０５の位置が第１位置に保持された状態と比較して、エア背圧調整弁１０５の開度が小さいので、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの流量の増加に対して、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの圧力が急峻に増加する。

＜回収管の流量−圧力差特性＞

図３は、回収管を流通する液体の流量と回収管の両端が接続された気液分離器間の圧力差との関係（特性）を示すグラフである。

回収管１０１の一端が接続された気液分離器８２内の圧力と回収管１０１の他端が接続された気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａが大きくなるにつれて、回収管１０１を流通する液体の流量Ｑ_Ｒが単調に増加する。この流量ＱＲと圧力差ＰＣ−Ａとの関係が予め求められて、その関係がＦＣ−ＥＣＵ３０１のメモリに記憶されている。

＜制御内容＞

図４Ａおよび図４Ｂは、液体回収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、ＦＣ−ＥＣＵ３０１により、その発電のための各部の制御と並行して、気液分離器８２内に溜められた液体を燃料サブタンク２３に回収するために、図４Ａおよび図４Ｂに示される液体回収制御が繰り返し実行される。

液体回収制御では、まず、気液分離器８２内に溜められた液体を燃料サブタンク２３に回収するための動作（ステップＳ２〜Ｓ１１）の前回の実行から一定時間が経過しているか否かが調べられる（ステップＳ１）。

一定時間が経過していない場合には（ステップＳ１のＮＯ）、この液体回収制御がリターンされる。

一定時間が経過している場合には（ステップＳ１のＹＥＳ）、エアコンプレッサ８１の回転数が一定の回転数に保持される（ステップＳ２）。燃料電池１１の通常の発電時には、エア背圧調整弁１０５の位置が第１位置に保持されている。このとき、エアコンプレッサ８１が一定の回転数で駆動されると、エアが一定のエア流量Ｑでエア背圧調整弁１０５を通過する。

つづいて、エア背圧調整弁１０５が第１位置から第２位置に閉じられ、エア背圧調整弁１０５の開度が一定量だけ小さくされる（ステップＳ３）。これにより、図２に示されるように、エア背圧調整弁１０５を通過するエアの圧力（気液分離器８２内の圧力）がエア圧力Ｐ１に保たれたまま、そのエアの流量がエア流量Ｑ１からエア流量Ｑ１’に低下する。

その後、ＦＣ出口エア圧力センサ２１２によって検出される気液分離器８２内の圧力（エア圧力）Ｐ２’が取得される（ステップＳ４）。

また、図２に示される関係が参照されて、エア圧力Ｐ２’に対応するエア流量Ｑ２’が取得される（ステップＳ５）。

エア圧力Ｐ２’およびエア流量（背圧調整弁１０５を通過するエアの流量）Ｑ２’は、時間の経過とともに、それぞれエア圧力Ｐ１およびエア流量Ｑ１’から増加する。

その後、ＦＣ出口エア圧力センサ２１２によって検出されるエア圧力Ｐ２’が安定したか否かが判断される（ステップＳ６）。具体的には、前回取得したエア圧力Ｐ２’と今回取得したエア圧力Ｐ２’との差が予め定められた閾値よりも小さいか否かが調べられ、その差が閾値よりも小さければ、エア圧力Ｐ２’が安定したと判断される。または、ＦＣ−ＥＣＵ３０１のメモリの記憶内容が参照されて、エア背圧調整弁１０５の位置が第２位置であるときのエアの流量と圧力との関係に基づいて、エア流量Ｑ１に対応する圧力Ｐ２が取得され、その圧力Ｐ２とエア圧力Ｐ２’との差の絶対値が予め定められた閾値よりも小さいか否かが調べられ、その差が閾値よりも小さければ、エア圧力Ｐ２’が安定したと判断される。

エア圧力Ｐ２’が安定するまでの間は（ステップＳ６のＮＯ）、エア圧力Ｐ２’およびエア流量Ｑ２’が繰り返し取得される（ステップＳ４，Ｓ５）。

エア圧力Ｐ２’が安定すると（ステップＳ６のＹＥＳ）、一定のエア流量Ｑ１からそれまでに取得された各エア流量Ｑ２’が差し引かれて、各流量差Ｑ１−Ｑ２’が累積して加算されることにより、エア圧力Ｐ１からエア圧力Ｐ２’への上昇に使用されたエア量Σ（Ｑ１−Ｑ２’）が算出される。エア供給管８５、燃料電池１１のエア流路およびパージ管１０４におけるエア背圧調整弁１０５よりも上流側の部分の容積の合計値Ｖ１が既知であるから、気液分離器８２内の空隙部分の容積をＶ２として、下記式（３）に基づいて、その容積Ｖ２が算出される。そして、気液分離器８２の容積から容積Ｖ２を差し引くことにより、気液分離器８２内に溜められた液体の量（液量）が算出される（ステップＳ７）。

（Ｐ２’−Ｐ１）×（Ｖ１＋Ｖ２）＝Σ（Ｑ１−Ｑ２’）×Ｒ×Ｔ ・・・（３）
ただし、Ｒ：気体定数
Ｔ：エアの温度

その後、気液分離器圧力センサ１７１によって検出される気液分離器２４内の圧力が取得される。つづいて、エア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａが算出され、図３に示される関係に基づいて、その圧力差Ｐ_Ｃ−Ａに対応する流量Ｑ_Ｒが取得される。そして、気液分離器８２内の液量がその取得された流量Ｑ_Ｒで除されることにより、環流電磁弁１０２を開放すべき時間である開放時間が算出される（ステップＳ８）。

開放時間が算出されると、環流電磁弁１０２が開放される（ステップＳ９）。これにより、気液分離器８２内に溜められた液体は、回収管１０１内を通して、気液分離器２４に送られ、気液分離器２４から燃料帰還管７１を通して、燃料サブタンク２３のＡ室４２に回収される。

その後、環流電磁弁１０２が開放されてからの経過時間が開放時間に達すると（ステップＳ１０のＹＥＳ）、環流電磁弁１０２が閉じられて（ステップＳ１１）、この液体回収制御がリターンされる。

［作用効果］

以上のように、エア排出管９１には、気液分離器８２が介装されている。エア排出管９１を流通するエアに含まれる液体は、気液分離器８２内でエアから分離される。気液分離器８２は、回収管１０１を介して、燃料循環路に含まれる気液分離器２４に接続されている。

回収管１０１には、環流電磁弁１０２が介装されている。また、エア排出管９１には、気液分離器８２よりもエアの流通方向の下流側に、エア排出管９１内の圧力（背圧）を調整するエア背圧調整弁１０５が介装されている。環流電磁弁１０２が閉じられた状態で、エア背圧調整弁１０５の開度が小さくされると、エア排出管９１内（気液分離器８２内を含む。）の圧力が高まる。エア排出管９１内の圧力が高められた後、環流電磁弁１０２が開かれると、その圧力により、気液分離器８２内の液体が回収管１０１に送り出され、液体が回収管１０１を通して気液分離器２４に回収される。そのため、気液分離器８２内の液体を気液分離器２４に回収するために、ポンプなどを必要としない。

よって、コスト、サイズ、重量および消費電力の上昇を抑制しつつ、クロスリークした液体燃料を気液分離器２４（燃料循環路）に回収することができる。

しかしながら、環流電磁弁１０２が開放されている時間が適切でなければ、気液分離器８２に溜められた液体を気液分離器２４に十分に回収することができなかったり、エアが気液分離器２４に送り込まれることにより、燃料電池１１の劣化や発電性能の低下を引き起こしたりするおそれがある。

そこで、気液分離器８２内の液体が気液分離器２４に回収される際には、環流電磁弁１０２を閉じた状態で、エア背圧調整弁１０５の開度が一定量だけ小さくされる。これにより、気液分離器８２内の圧力が上昇する。気液分離器８２の圧力の上昇が完了した後、気液分離器８２内のエア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａが算出される。その後、図３に示される関係に基づいて、気液分離器８２内のエア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａに対応する流量Ｑ_Ｒが取得される。一方、気液分離器８２内の圧力の上昇時に、気液分離器８２内に貯留されている液量が取得される。そして、当該液量と流量Ｑ_Ｒとの比に基づいて、具体的には、当該液量が流量Ｑ_Ｒで除されることにより、環流電磁弁１０２を開放すべき時間（開放時間）が算出される。これにより、環流電磁弁１０２を開放すべき時間を気液分離器８２内の液量および気液分離器８２内の圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａに応じた適切な時間とすることができる。

そして、環流電磁弁１０２がその適切な開放時間だけ開放されることにより、背圧が燃料循環路に伝達されるという不都合を生じることなく、気液分離器８２に溜められた液体を気液分離器２４に十分に回収することができる。

［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、気液分離器８２内の液量が演算によって求められる構成を取り上げた。しかしながら、気液分離器８２内の液量は、演算に限らず、液量センサによって検出されてもよい。

また、気液分離器８２内に一定量の液体が貯留された場合に、その気液分離器８２内の液体が気液分離器２４に回収されてもよい。たとえば、気液分離器液量センサ２１１がオフからオンに切り替わったことに応答して、気液分離器８２内の液体が気液分離器２４に回収されてもよい。この場合、気液分離器８２内の液量は、既知であるから、液体回収制御では、気液分離器８２内の液量を算出する工程（ステップＳ７）がスキップされて、気液分離器８２内の液量である一定量が気液分離器８２内のエア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差Ｐ_Ｃ−Ａに対応する流量Ｑ_Ｒで除されることにより、環流電磁弁１０２を開放すべき時間が算出されるとよい。

また、燃料電池１１の発電中、液体回収制御が繰り返し実行されることにより、気液分離器８２内の液量が繰り返し算出されるので、気液分離器液量センサ２１１を省略することもできる。これにより、燃料電池システム１の構成の簡素化を図ることができ、燃料電池システム１のコストの低減を図ることができる。
また、液体回収制御中に、エアコンプレッサ８１の回転数が変更されると、それに応じて、エア流量Ｑ１および圧力Ｐ２が変動し、液体回収制御の内容の説明が煩雑になるため、エアコンプレッサ８１の回転数が一定の回転数に保持されるとした。しかしながら、実際には、液体回収制御中に、エアコンプレッサ８１の回転数が変更されてもよい。

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
２３ 燃料サブタンク（燃料供給路）
８２ 気液分離器
９１ エア排出管（空気排出路）
１０１ 回収管（回収路）
１０２ 環流電磁弁（環流弁）
１０５ エア背圧調整弁（背圧調整弁）
１７１ 気液分離器圧力センサ（圧力検出手段）
２１２ ＦＣ出口エア圧力センサ（背圧検出手段）
３０１ ＦＣ−ＥＣＵ（圧力差−流量記憶手段、背圧上昇手段、液量取得手段、開放時間算出手段、弁圧力−弁流量記憶手段）

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が流通する燃料供給路と、
   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、
   前記空気排出路の途中部に介装され、前記空気排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁と、
   前記空気排出路における前記背圧調整弁よりも空気の流通方向の上流側に介装され、前記燃料電池から排出される空気中からその空気に含まれる液体を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器で分離された液体を前記燃料供給路に回収するための回収路と、
   前記回収路に介装され、前記回収路を開閉する環流弁と、
   前記気液分離器内の圧力を検出する背圧検出手段と、
   前記燃料供給路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記気液分離器内の圧力と前記燃料供給路内の圧力との圧力差に対する前記回収路を流通する液体の流量の関係を記憶する圧力差−流量記憶手段と、
   前記環流弁を閉じた状態で、前記背圧調整弁の開度を所定量だけ小さくして、前記気液分離器内の圧力を上昇させる背圧上昇手段と、
   前記背圧上昇手段による前記気液分離器内の圧力の上昇時に、前記気液分離器内に貯留されている液量を取得する液量取得手段と、
   前記背圧上昇手段による前記気液分離器内の圧力の上昇が完了した後、前記背圧検出手段によって検出される圧力と前記圧力検出手段によって検出される圧力との圧力差を算出し、前記圧力差−流量記憶手段に記憶されている関係に基づいて、その圧力差に対応する流量を取得し、前記液量取得手段によって取得された液量と当該流量との比に基づいて、前記環流弁を開放する時間を算出する開放時間算出手段とを含む、燃料電池システム。
2. 前記背圧調整弁を通過する空気の圧力と流量との関係を記憶する弁圧力−弁流量記憶手段をさらに含み、
   前記液量取得手段は、前記背圧検出手段によって検出される圧力と前記弁圧力−弁流量記憶手段に記憶されている関係とに基づいて、前記背圧上昇手段による前記気液分離器内の圧力の上昇中に前記背圧調整弁を通過する空気の量を求め、その求めた空気の量と前記気液分離器内の圧力の上昇幅とに基づいて、前記気液分離器内に貯留されている液量を算出する、請求項１に記載の燃料電池システム。

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