JP2014127454A

JP2014127454A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014127454A
Application number: JP2012285962A
Authority: JP
Inventors: Emiko Mori; 恵美子森
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】不純物が除去された液体燃料を円滑に還流させることができながら、フィルタ部材を適切かつ簡易に交換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】燃料電池システム２は、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から排出される液体燃料を、気体と液体とに分離する第２気液分離器４６とを備えている。第２気液分離器４６は、燃料電池３から排出される液体燃料が流入するように設けられる第２気体流入口４９と、第２気体流入口４９より鉛直下側に設けられ、分離された液体を燃料電池３に還流させるように設けられる第２液体流出口４８と、上下方向において、第２気体流入口４９と第２液体流出口４８との間に配置され、液体燃料の通過を許容するとともに、不純物の通過を規制するフィルタ５３とを備えている。
【選択図】図２

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。

現在まで、燃料電池としては、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの各種用途での使用が検討されている。

具体的には、燃料極としてのアノードと、酸素極としてのカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置される固体高分子形の燃料電池が知られている。そして、固体高分子膜がアニオン交換膜である場合には、燃料としてヒドラジン類を用いることが知られている。

一方、このような燃料電池では、アノードに燃料が供給されるが、その供給された燃料が、アノードにおいて反応することなく、電解質層を透過し、カソードに漏出する場合がある（クロスオーバー現象）。

そこで、このような燃料電池として、ヒドラジン類がクロスオーバーした場合に、貯留部に貯留して、その漏出を防止し、また、ヒドラジン類を、貯留部内で無害化処理した後、外部に排出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２２４２１９号公報

近年、燃料電池の燃料効率の向上が、ますます望まれている。

そこで、特許文献１に記載の燃料電池において、未反応のまま、燃料極側から酸素極側にクロスオーバーし、貯留部に貯留された液体燃料を、燃料極側に還流させて再利用することが検討される。

このような場合には、貯留部から燃料タンクへ液体燃料を還流させるための還流管を設けて、その還流管に、還流管の開閉弁と、クロスオーバーした液体燃料に含有される触媒やごみなどの不純物を除去するためのフィルタとを設ける必要がある。

しかるに、フィルタが目詰まりすると、液体燃料の還流を阻害するため、フィルタの交換が必要となる。

しかし、フィルタは還流管内に設けられているので、フィルタの交換時期を知ることが困難であり、また、フィルタの交換作業の煩雑さがある。

そこで、本発明の目的は、不純物が除去された液体燃料を円滑に還流させることができながら、フィルタ部材を適切かつ簡易に交換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。

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、燃料電池から排出される液体燃料を、気体と液体とに分離する気液分離器とを備えている。気液分離器は、燃料電池から排出される液体燃料が流入するように設けられる流入口と、流入口より鉛直下側に設けられ、分離された液体を燃料電池に還流させるように設けられる流出口と、鉛直方向において、流入口と流出口との間に配置され、液体燃料の通過を許容するとともに、不純物の通過を規制するフィルタ部材とを備えている。

このような燃料電池システムによれば、フィルタ部材は、気液分離器において、流入口と流出口との間に配置されている。

そのため、流入口から流入された液体燃料は、フィルタ部材を通過するので、不純物を確実に除去してから、流出口に到達させることができる。

また、フィルタ部材を通過した液体燃料をフィルタ部材よりも鉛直下側となるように保つことにより、フィルタ部材上の不純物と、フィルタ部材を通過した液体燃料とが接触することを防止することができるので、液体燃料の汚染や分解を抑制することができる。

さらに、流出口よりも鉛直上側にフィルタ部材が配置されているので、フィルタ部材での液体燃料の滞留を抑制することができる。

その結果、燃料電池に対して、不純物が除去された液体燃料を、円滑に還流させることができる。

また、フィルタ部材は、気液分離器において、流入口と流出口との間に配置されているので、流入口より上流側および／または流出口より下流側にフィルタ部材を設ける場合と比較して、フィルタ部材の面積を大きく確保することができる。

さらに、燃料電池システムを停止しているときには、液体燃料の流動がないので、フィルタ部材は、気液分離器内において露出されており、フィルタ部材の目詰まりや破損の様子を容易に確認することができ、フィルタ部材を適切かつ簡易に交換することができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、気液分離器は、鉛直方向と直交する直交方向において、フィルタ部材に対して流入口よりも遠い位置に、鉛直方向を貫通する開口を備えていることが好適である。

このような構成によれば、開口が形成されていることにより、常には、気液分離器により分離された液体燃料の液面の一部が露出されている。

そのため、フィルタ部材が目詰まりを起こした場合であっても、気液分離器により分離された液体燃料にかかる圧力を変化させることがないので、液体燃料の流れを妨げることなく、流出口から流出させることができ、液体燃料を円滑に還流させることができる。

また、開口がフィルタ部材に対して流入口に近い位置に設けられている場合には、液体燃料がフィルタ部材を通過せず濾過されないまま、開口を通過し、流出口から流出する場合があるが、開口はフィルタ部材に対して流入口よりも遠い位置に設けられているので、液体燃料がフィルタ部材を確実に通過することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、不純物が除去された液体燃料を円滑に還流させることができながら、フィルタ部材を適切かつ簡易に交換することができる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。図２は、図１に示す燃料回収装置の拡大図であって、（ａ）は、側断面図であり、（ｂ）は、平断面図である。

１．燃料電池システムの全体構成
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、空気給排部５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、ヒドラジン類（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。

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、液体燃料が供給されるアノード９と、電解質層８の他方側に配置され、空気（酸素）が供給されるカソード１０とを有する単位セル（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のうち、１つだけを燃料電池３として示し、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、アニオン成分またはカチ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、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、アノード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（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、カソード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。

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、アノード９に液体燃料を供給するために設けられている。

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、上記した液体燃料が貯蔵されている。

還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料排出口１４に接続されている。

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。

また、還流管２２の途中には、第１気液分離器２３が介在されている。

第１気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その上部側面には、第１気液分離器２３の内外を流通させる第１燃料流入口２４および第１気体流出口２５が形成されている。

また、第１気液分離器２３の下部底面には、第１気液分離器２３の内外を流通させる第１液体流出口２８が形成されている。第１燃料流入口２４、第１気体流出口２５、および、第１液体流出口２８は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。

第１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（直交方向）後方、かつ、電動車両１の上下方向（鉛直方向）上方において、第１燃料流入口２４と第１液体流出口２８とが、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、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。

これによって、第１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。

第１気体流出口２５には、第１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（ガスケットなど）を介して第１気体流出口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、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。

還流管２２において第１気液分離器２３の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の途中には、燃料電池３に液体燃料を輸送するための第１燃料輸送ポンプ３４が介在されている。

第１燃料輸送ポンプ３４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燃料輸送ポンプ３４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燃料輸送ポンプ３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第１燃料輸送ポンプ３４の駆動および停止を制御する。

また、還流管２２において、第１気液分離器２３と第１燃料輸送ポンプ３４との間には、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３６が、接続されている。

具体的には、燃料供給管３６は、その一端側が、還流管２２における第１気液分離器２３と第１燃料輸送ポンプ３４との間に、還流管２２の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側が、燃料タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。

また、燃料供給管３６の途中には、燃料供給弁３７が設けられている。

燃料供給弁３７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３７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３７の開閉を制御する。

また、燃料供給管３６において、燃料供給弁３７と燃料タンク２１との間（燃料供給弁３７の上流側）には、第２燃料輸送ポンプ３５が設けられている。

第２燃料輸送ポンプ３５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２燃料輸送ポンプ３５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燃料輸送ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２燃料輸送ポンプ３５の駆動および停止を制御する。
（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４０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４１とを備えている。

空気供給管４０は、その一端側（上流側）が大気に開放され、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４０の途中には、空気供給ポンプ４２が介在されている。

空気供給ポンプ４２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４２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、空気供給ポンプ４２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４２の駆動および停止を制御する。

空気供給管４０において空気供給ポンプ４２の下流側には、空気供給弁４３が設けられている。

空気供給弁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）からの制御信号が空気供給弁４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４３の開閉を制御する。

空気排出管４１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。

空気排出管４１には、空気排出弁４４が設けられている。

空気排出弁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）からの制御信号が空気排出弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気排出弁４４の開閉を制御する。

また、空気排出管４１において、空気排出弁４４と燃料電池３との間（空気排出弁４４の上流側）には、燃料回収装置４５が設けられている。

燃料回収装置４５は、詳しくは後述するが、アノード９に供給された液体燃料がアノード９において反応することなく電解質層８を透過し、カソード１０に漏出する場合（すなわち、クロスオーバー現象が惹起される場合）に、その漏出した液体燃料をカソード１０から回収するための装置であって、気液分離器の一例としての第２気液分離器４６と、燃料還流管４７とを備えている。

第２気液分離器４６は、例えば、中空の容器からなり、その上部側面には、第２気液分離器４６の内外を流通させる第２気体流入口４９（流入口の一例）および第２気体流出口５１が形成されている。

また、第２気液分離器４６の下部側面には、第２気液分離器４６の内外を流通させる第２液体流出口４８（流出口の一例）が形成されている。第２気体流入口４９、第２気体流出口５１、および、第２液体流出口４８は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。

第２気液分離器４６は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向前方、かつ、電動車両１の上下方向下方において、第２気体流入口４９と第２気体流出口５１とが、それぞれシール材（ガスケットなど）を介して、空気排出管４１に接続されることにより、空気排出管４１に介装されている。

すなわち、第２気体流入口４９と第２気体流出口５１とのそれぞれに対して空気排出管４１が密嵌され、第２気体流入口４９に密嵌された上流側の空気排出管４１と、第２気体流出口５１に密嵌された下流側の空気排出管４１とが第２気液分離器４６の中空部分を介して連通している。

燃料還流管４７は、第２気液分離器４６によって分離された液体燃料を燃料給排部４（具体的には、燃料タンク２１）に還流させるために設けられており、その一方側（上流側）端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、第２気液分離器４６の第２液体流出口４８に接続されている。また、燃料還流管４７の他方側（下流側）端部は、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料タンク２１に接続されている。

また、燃料還流管４７の途中には、燃料還流弁５０が設けられている。

燃料還流弁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）からの制御信号が燃料還流弁５０に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料還流弁５０の開閉を制御する。
（４）制御部
制御部６は、燃料電池システム２の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。
（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るとともに、図示しないが、コントロールユニット２９と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。

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、図示しないが、コントロールユニット２９と電気的に接続されており、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．第２気液分離器の詳細
図２に示すように、第２気液分離器４６は、その内寸が、平断面視および側断面視において、空気排出管４１および燃料還流管４７の直径よりも約１０倍以上大きな略矩形ボックス形状に形成されており、その上壁（上壁５６とする）が、後述する邪魔板５４とともに、取り外し可能である。第２気液分離器４６は、フィルタ５３（フィルタ部材の一例）と、邪魔板５４とを備えている。

フィルタ５３は、液体燃料の通過を許容するとともに、不純物の通過を規制するように、メッシュサイズ（２．５４ｃｍ（１インチ）あたりの孔の数）２５〜５０のメッシュ部材などから、平面視略矩形、かつ、側断面視略Ｌ字状に形成されている。フィルタ５３は、第２気液分離器４６内の上方空間と下方空間とを仕切るように、上下方向略中央部分に配置され、かつ、第２気液分離器４６内における下方空間の水平方向の半分以上を覆うように設けられている。具体的には、フィルタ５３は、第２気液分離器４６の第２気体流入口４９側の側壁、および、第２気液分離器４６の第２気体流入口４９側の側壁と、第２気液分離器４６の第２気体流出口５１側の側壁とを連結する１対の側壁と密着するように設けられ、第２気体流出口５１側の側壁とは離間されている。すなわち、フィルタ５３は、上下方向において、第２気体流入口４９と第２液体流出口４８との間であって、水平方向において、第２気体流入口４９側となるように、第２気液分離器４６内に配置されている。なお、フィルタ５３において、第２気体流出口５１側の端部が、上側に向かって屈曲するように形成されており、前後方向に延びる部分を水平部分５３ａとし、上側に向かって屈曲する部分を垂直部分５３ｂとする。

邪魔板５４は、第２気液分離器４６の上壁５６から下方に向かって突出する略平板形状に形成され、第２気液分離器４６の第２気体流入口４９側の側壁と、第２気液分離器４６の第２気体流出口５１側の側壁とを連結する１対の側壁と接触されている。邪魔板５４は、前後方向において、第２気体流入口４９と間隔を隔てて対向するとともに、その下端縁が、上下方向において、フィルタ５３の水平部分５３ａと間隔を隔てて対向している。

また、第２気液分離器４６には、邪魔板５４に対して、第２気体流入口４９の反対側において、フィルタ５３の垂直部分５３ｂと、第２気液分離器４６の第２気体流入口４９側の側壁と、第２気液分離器４６の第２気体流出口５１側の側壁とを連結する１対の側壁と、第２気液分離器４６の第２気体流出口５１側の側壁とによって、第２気液分離器４６内を上下方向に貫通する開口部５５（開口の一例）が区画されている。
３．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、図１に示すように、コントロールユニット２９の制御により、燃料供給弁３７が開かれ、第１燃料輸送ポンプ３４および第２燃料輸送ポンプ３５が駆動されることにより、燃料タンク２１に貯留される液体燃料が、燃料供給管３６および還流管２２を順次通過し、アノード９に供給される。

一方、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４３および空気排出弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４２が駆動されることにより、空気が空気供給管４０を介してカソード１０に供給される。

なお、燃料供給弁３７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、起電力が発生するとともに、この電気化学反応によって、液体燃料中にガス（気泡）が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （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）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極１１では、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）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、窒素（Ｎ_２（ガス））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）。

そして、上記と同様、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、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、アノード９から排出される液体燃料が、還流管２２（燃料電池３の下流側、かつ、第１気液分離器２３の上流側の還流管２２）を通過して、第１燃料流入口２４から第１気液分離器２３に流入する。

第１気液分離器２３では、水位が、第１燃料流入口２４および第１気体流出口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の第１液溜まり３９が、第１気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、第１液溜まり３９に含まれるガス（例えば、液体燃料がヒドラジンである場合に上記式（１）の反応により生成する窒素（Ｎ_２）など）の一部が第１液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、第１液溜まり３９の一部が、第１液体流出口２８から、第１気液分離器２３の下流側の還流管２２に流出する。

還流管２２に流出する液体燃料は、還流管２２（燃料電池３の上流側、かつ、第１気液分離器２３の下流側の還流管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、第１気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、第１気液分離器２３で分離されたガスは、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、空気給排部５では、空気排出弁４４が開かれ、カソード１０から排出される空気（反応に寄与した酸素を除く空気）が、空気排出管４１および第２気液分離器４６を介して、外気に排出される。
４．クロスオーバー現象および液体燃料の再利用
上記のような発電では、アノード９に供給された液体燃料が、アノード９において反応することなく電解質層８を透過し、カソード１０に漏出する場合がある（クロスオーバー現象）。

しかし、上記した燃料電池システム２では、カソード１０に漏出した液体燃料を、燃料回収装置４５によって回収し、再利用できる。

具体的には、クロスオーバー現象が惹起され、アノード９に供給された液体燃料が、カソード１０に漏出する場合には、その液体燃料は、カソード１０から排出される空気とともに、空気排出管４１（燃料電池３の下流側、かつ、第２気液分離器４６の上流側の空気排出管４１）を通過して、第２気体流入口４９から第２気液分離器４６に流入する。

第２気体流入口４９から流入される液体燃料の多くは、図２に示すように、下方に落下し、フィルタ５３を通過する。また、第２気体流入口４９から流入される液体燃料の一部は、第２気液分離器４６の開口部５５側へ飛散しようとするが、邪魔板５４によって遮蔽されているので、邪魔板５４に当接した後、下方に落下し、フィルタ５３を通過する。

第２気体流入口４９から流入される液体燃料には、燃料電池３をクロスオーバーするときにアノード触媒やカソード触媒やごみなどの不純物が混入している場合があるが、フィルタ５３によって濾過されることにより、除去される。

第２気液分離器４６では、水位がフィルタ５３よりも下方位置に保持される液体燃料の第２液溜まり５２が、第２気液分離器４６の中空部分に生じるとともに、第２液溜まり５２に含まれるガス（例えば、カソード１０から排出される空気など）の一部が第２液溜まり５２の上方空間へ分離される。分離されたガスは、空気排出弁４４が開かれることにより、空気とともに、空気排出管４１を介して外部へ排出される。

一方、図１に示すように、コントロールユニット２９の制御により、燃料還流弁５０が開かれることにより、第２液溜まり５２の一部が、第２液体流出口４８から、燃料還流管４７に流出し、再び燃料タンク２１に流入する。燃料タンク２１に流入された液体燃料は、再び燃料電池３に供給され、再利用される。

なお、このとき、燃料還流弁５０が開かれることにより生じる圧力によって、液体燃料が燃料タンク２１に還流されるが、圧力不足により十分に還流させることができない場合などには、例えば、空気排出弁４４の開度を調整し、圧力を調整することができる。

また、第２気液分離器４６に設けられる液面レベル計（図示せず）によって、燃料還流弁５０の開閉は、第２気液分離器４６の水面がフィルタ５３まで達しないように制御されており、具体的には、例えば、第２気液分離器４６の水位が所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料還流弁５０が開かれる。

また、図２に示すように、フィルタ５３が目詰まりして、フィルタ５３を液体燃料が通過できなくなった場合であっても、フィルタ５３が上側に向かって屈曲する垂直部分５３ｂを備えているので、濾過されていない液体燃料が、開口部５５から第２液溜まり５２に落下することを抑制することができる。

なお、上記した説明では、図１に示すように、燃料還流管４７を第２気液分離器４６および燃料タンク２１に接続させ、クロスオーバー現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、燃料タンク２１に還流させたが、例えば、燃料還流管４７の下流端を還流管２２または第１気液分離器２３に接続させ、クロスオーバー現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、還流管２２に還流させることができる。また、例えば、燃料還流管４７の下流端を燃料供給管３６に接続させ、クロスオーバー現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、燃料供給管３６に還流させることもできる。
５．作用効果
上記のような燃料電池システム２によれば、図２に示すように、フィルタ５３は、第２気液分離器４６において、第２気体流入口４９と第２液体流出口４８との間に配置されている。

そのため、第２気体流入口４９から流入された液体燃料は、フィルタ５３を通過するので、不純物を確実に除去してから、第２液体流出口４８に到達させることができる。

また、フィルタ５３を通過した液体燃料の第２液溜まり５２をフィルタ５３よりも下側となるように保つことにより、フィルタ５３上の不純物と、液体燃料の第２液溜まり５２とが接触することを防止することができるので、液体燃料の汚染や分解を抑制することができる。

さらに、第２液体流出口４８よりも上側にフィルタ５３が配置されているので、フィルタ５３での液体燃料の滞留を抑制することができる。

その結果、図１に示すように、燃料電池３に対して、不純物が除去された液体燃料を、円滑に還流させることができる。

また、フィルタ５３は、図２に示すように、第２気液分離器４６において、第２気体流入口４９と第２液体流出口４８との間に配置されているので、第２気体流入口４９より上流側の空気排出管４１内や、第２液体流出口４８より下流側の燃料還流管４７内にフィルタ５３を設ける場合と比較して、フィルタ５３の面積を大きく確保することができる。

さらに、燃料電池システム２を停止しているときには、液体燃料の流動がないので、フィルタ５３は、第２気液分離器４６内において、液体燃料の第２液溜まり５２より上方に露出されており、上壁５６を取り外すのみで、フィルタ５３の目詰まりや破損の様子を容易に確認することができ、フィルタ５３を適切かつ簡易に交換することができる。

また、液体燃料の第２液溜まり５２よりも上側にフィルタ５３が設けられていることによって、第２液溜まり５２から液体燃料がはねても、フィルタ５３が第２気液分離器４６の水平方向の半分以上を覆うように設けられているので、フィルタ５３より上方に向かうことを抑制することができる。

そのため、液体燃料が第２気体流出口５１に到達し、空気排出管４１から排出されることを抑制することができる。

また、この燃料電池システム２によれば、図２に示すように、開口部５５が形成されていることにより、常には、第２気液分離器４６により分離された液体燃料の第２液溜まり５２の一部が露出されている。

そのため、フィルタ５３が目詰まりを起こした場合であっても、第２気液分離器４６により分離された液体燃料にかかる圧力を変化させることがないので、液体燃料の流れを妨げることなく、第２液体流出口４８から流出させることができ、液体燃料を円滑に還流させることができる。

また、開口部５５がフィルタ５３に対して第２気体流入口４９に近い位置に設けられている場合には、液体燃料がフィルタ５３を通過せずに濾過されないまま、開口部５５を通過し、第２液体流出口４８から流出する場合があるが、開口部５５はフィルタ５３に対して第２気体流入口４９よりも遠い位置に設けられているので、液体燃料がフィルタ５３を確実に通過することができる。

２燃料電池システム
３燃料電池
４６第２気液分離器
４８第２液体流出口
４９第２気体流入口
５３フィルタ
５５開口部

Claims

液体燃料が供給および排出される燃料電池と、
前記燃料電池から排出される前記液体燃料を、気体と液体とに分離する気液分離器と
を備え、
前記気液分離器は、
前記燃料電池から排出される前記液体燃料が流入するように設けられる流入口と、
前記流入口より鉛直下側に設けられ、分離された前記液体を前記燃料電池に還流させるように設けられる流出口と、
鉛直方向において、前記流入口と前記流出口との間に配置され、前記液体燃料の通過を許容するとともに、不純物の通過を規制するフィルタ部材と
を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
前記気液分離器は、前記鉛直方向と直交する直交方向において、前記フィルタ部材に対して前記流入口よりも遠い位置に、前記鉛直方向を貫通する開口を備えてい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。