JP2014127457A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの自由度の向上を図ることができながら、確実にパージ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、電解質層８、電解質層８の一方側に配置され、液体燃料が接触されるアノード電極１１、電解質層８の他方側に配置され、空気が接触されるカソード電極１６、アノード電極１１に液体燃料を接触させながら通過させる燃料供給路１３、および、カソード電極１６に酸素を接触させながら通過させる空気供給路１８を備える燃料電池３と、燃料供給路１３に液体燃料を供給するための燃料給排部４と、空気供給路１８に空気を供給するための空気給排部５と、空気給排部５の空気を燃料供給路１３に供給するためのパージ機構７０とを備えている。
【選択図】図１

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（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の燃料電池では、ヒドラジン類などを液体燃料としているため、液体燃料が循環するアノードでは、窒素などのガスが生成される。

このような燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、システムシャットダウン時に燃料電池内に液体燃料が残存すると、残存する液体燃料と、アノード触媒との接触による副反応によって、電解質層の劣化や、燃料電池内の圧力上昇、有害ガスの発生などの不具合を生じる。

そこで、システムシャットダウン時に、燃料電池内に残存する液体燃料をパージして、上記の不具合の発生を抑制することが検討されている。

特開２００９−２２４２１９号公報

しかるに、上記した特許文献１に記載の燃料電池において、燃料電池内に残存する液体燃料をパージしようとする場合には、液体燃料の自重により燃料電池内に残存する液体燃料をパージすることが検討される。しかし、このような場合には、燃料電池より下方にパージした液体燃料を受けるためのタンクなどが必要となり、燃料電池システムのレイアウトの自由度が制限される。

また、燃料電池システム内で、液体燃料を循環させる場合には、燃料循環ポンプのエア噛み防止のために、ポンプをさらに下方に設置するか、あるいは、呼び水を用いる必要があるなど、燃料電池システムのレイアウトの自由度がさらに制限されたり、追加部品が必要となるなど、燃料電池システムの車両への搭載性が不良となる。

また、燃料電池内に残存する液体燃料を発電させて、生成ガスを用いてパージすることも検討される。しかし、このような場合には、燃料電池内の液体燃料が少ない状態で発電させるため、アノード触媒が劣化したり、長期的には、燃料電池内でのアノード触媒の劣化具合にばらつきが生じ、発電効率が減少するなどの不具合を生じる。

そこで、本発明の目的は、レイアウトの自由度の向上を図ることができながら、確実にパージ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、電解質層、電解質層の一方側に配置され、液体燃料が接触されるアノード電極、電解質層の他方側に配置され、酸素が接触されるカソード電極、アノード電極に液体燃料を接触させながら通過させるアノード流路、および、カソード電極に酸素を接触させながら通過させるカソード流路を備える燃料電池と、アノード流路に液体燃料を供給するための燃料供給手段と、カソード流路に酸素を供給するための酸素供給手段と、酸素供給手段の酸素をアノード流路に供給するためのパージ手段とを備えている。

このような燃料電池システムによれば、パージ手段によって、酸素供給手段の酸素を、アノード流路に供給することができる。

そのため、アノード流路をパージするための機構を別途設ける必要がなく、部品点数の低減を図ることができる。また、酸素供給手段から供給される酸素の圧力によって、アノード流路をパージするため、各部材の配置に制約がないので、燃料電池システムのレイアウトの自由度の向上を図ることができる。

さらに、燃料電池内に燃料が少ない状態で発電させたり、液体燃料を反応させることなく、酸素によってパージすることができるので、燃料電池が劣化することを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、パージ手段は、アノード流路における液体燃料の通過方向の下流側端部から、酸素を供給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、酸素が、液体燃料の通過方向の下流側から供給されるので、アノード流路に残存する液体燃料は、通過方向上流側に向かってパージされる。

そのため、パージされた液体燃料を、燃料供給手段に戻すことができるので、液体燃料の再利用を図ることができ、燃料電池システムの燃料効率を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、レイアウトの自由度の向上を図ることができながら、確実にパージすることができる。

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、燃料供給手段の一例としての燃料給排部４と、酸素供給手段の一例としての空気給排部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とを備えている。

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ながら通過させるためのアノード流路の一例としての燃料供給路１３が形成される。

燃料供給路１３には、液体燃料を燃料供給路１３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、液体燃料を燃料供給路１３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とを備えている。

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ながら通過させるためのカソード流路の一例としての空気供給路１８が形成される。

空気供給路１８には、空気を空気供給路１８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、空気を空気供給路１８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、燃料供給路１３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燃料供給路１３に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（具体的には、燃料供給路１３）に還流するために還流管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、循環タンク２３と、第１気液分離器２４とが介在されている。

循環タンク２３は、例えば、中空の容器からなり、その上部上面には、循環タンク２３の内外を流通させる循環タンク燃料流入口２５および循環タンク循環燃料流入口２６が形成されている。また、循環タンク２３の上部側面には、循環タンク２３の内外を流通させる循環タンク気体流出口２７が形成されている。また、循環タンク２３の下部底面には、循環タンク２３の内外を流通させる循環タンク循環燃料流出口２８が形成されている。

循環タンク燃料流入口２５、循環タンク循環燃料流入口２６、循環タンク気体流出口２７、および、循環タンク循環燃料流出口２８は、循環タンク２３の中空部分を介して互いに流通可能とされている。

循環タンク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の上下方向下方において、循環タンク循環燃料流入口２６と循環タンク循環燃料流出口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、循環タンク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。

また、還流管２２において循環タンク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循環燃料輸送ポンプ２９が介在されている。

循環燃料輸送ポンプ２９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。循環燃料輸送ポンプ２９は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が、循環燃料輸送ポンプ２９に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、循環燃料輸送ポンプ２９の駆動および停止を制御する。

循環タンク燃料流入口２５には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を循環タンク２３に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、循環タンク燃料流入口２５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６０（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６０（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６０（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、燃料輸送ポンプ３８が設けられている。

燃料輸送ポンプ３８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。燃料輸送ポンプ３８は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が、燃料輸送ポンプ３８に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、燃料輸送ポンプ３８の駆動および停止を制御する。

循環タンク気体流出口２７には、循環タンク２３内で分離されたガス（気体）を外部に排出するための第１ガス排出管４０が接続されている。

第１ガス排出管４０は、その一端側（上流側）が、シール材（ガスケットなど）を介して循環タンク気体流出口２７に接続され、その他端側（下流側）がドレンとされる。

また、第１ガス排出管４０の途中には、排気処理器４１が設けられている。

排気処理器４１は、液体燃料から分離された気体に含まれる有害成分（後述するアンモニア）を無害化処理するために設けられている。

第１ガス排出管４０において、循環タンク２３の下流側、かつ、排気処理器４１の上流側の途中には、第１ガスパージ弁４２が設けられている。

第１ガスパージ弁４２は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が第１ガスパージ弁４２に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、第１ガスパージ弁４２の開閉を制御する。

第１気液分離器２４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２４の内外を流通させる第１循環燃料流入口３０、第２循環燃料流入口３１、および、第１気体流出口３２が形成されている。また、第１気液分離器２４の下部底面には、第１気液分離器２４の内外を流通させる第１液体流出口３３が形成されている。

第１循環燃料流入口３０、第２循環燃料流入口３１、第１気体流出口３２、および、第１液体流出口３３は、第１気液分離器２４の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２４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、第１循環燃料流入口３０と第１液体流出口３３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２４の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。

また、還流管２２において第１気液分離器２４の下流側、かつ、循環タンク２３の上流側の途中には、燃料循環弁３４が設けられている。

燃料循環弁３４は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が燃料循環弁３４に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、燃料循環弁３４の開閉を制御する。

第２循環燃料流入口３１には、後述するが、燃料回収装置５２の燃料還流管５４の下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、接続されている。

第１気体流出口３２には、第１気液分離器２４内で分離されたガス（気体）を排気処理器４１を介して排出するための第２ガス排出管４３が設けられている。

第２ガス排出管４３の一方側（上流側）端部は、シール材（ガスケットなど）を介して、第１気液分離器２４の第１気体流出口３２に接続され、第２ガス排出管４３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、排気処理器４１に接続されている。

また、第２ガス排出管４３の途中には、第２ガスパージ弁４４が設けられている。

第２ガスパージ弁４４は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が第２ガスパージ弁４４に入力され、コントロールユニット６０（後述）が第２ガスパージ弁４４の開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気を空気供給路１８に供給するための空気供給管４７と、空気供給路１８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４８とを備えている。

空気供給管４７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４７の途中には、空気供給ポンプ４９が介在されている。

空気供給ポンプ４９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４９は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ４９に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、空気供給ポンプ４９の駆動および停止を制御する。

空気供給管４７において空気供給ポンプ４９の下流側には、空気供給弁５０が設けられている。

空気供給弁５０は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が空気供給弁５０に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、空気供給弁５０の開閉を制御する。

空気排出管４８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４８には、空気排出弁５１が設けられている。

空気排出弁５１は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が空気排出弁５１に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、空気排出弁５１の開閉を制御する。

また、空気排出管４８において、空気排出弁５１と燃料電池３との間（空気排出弁５１の上流側）には、燃料回収装置５２が設けられている。

燃料回収装置５２は、詳しくは後述するが、燃料供給路１３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、空気供給路１８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空気供給路１８から回収するための装置であって、第２気液分離器５３と、燃料還流管５４とを備えている。

第２気液分離器５３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５３の内側を流通させる第２気体流入口５５および第２気体流出口５６が形成されている。また、第２気液分離器５３の下部底面には、第２気液分離器５３の内側を流通させる第２液体流出口５７が形成されている。

第２気体流入口５５、第２気体流出口５６、および、第２液体流出口５７は、第２気液分離器５３の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５３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５５と第２気体流出口５６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４８に接続されることにより、空気排出管４８に介装されている。

すなわち、第２気体流入口５５と第２気体流出口５６とのそれぞれに対して空気排出管４８が密嵌され、第２気体流入口５５に密嵌された上流側の空気排出管４８と、第２気体流出口５６に密嵌された下流側の空気排出管４８とが第２気液分離器５３の中空部分を介して連通している。

燃料還流管５４は、第２気液分離器５３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、第１気液分離器２４）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５３の第２液体流出口５７に接続されており、燃料還流管５４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、第１気液分離器２４の第２循環燃料流入口３１に接続されている。

また、燃料還流管５４の途中には、燃料還流弁５８が設けられている。

燃料還流弁５８は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が燃料還流弁５８に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、燃料還流弁５８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６０を備えている。

コントロールユニット６０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：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）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６１と、モータ６１に電気的に接続されるインバータ６２と、モータ６１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ６３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４とを備えている。

モータ６１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６１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６２は、モータ６１と燃料電池３との間に配置されている。インバータ６２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６２は、配線により、燃料電池３およびモータ６１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６０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６３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６３は、インバータ６２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６１に電力を供給可能とされている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、動力用バッテリ６３と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６４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６３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６４は、図示しないが、コントロールユニット６０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６０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６４は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ６３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６２に電気的に接続されている。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４からモータ６１への電力は、インバータ６２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６１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６０の制御により、燃料供給弁３７が開かれ、燃料輸送ポンプ３８が駆動されることによって、燃料タンク２１に貯留される液体燃料が、燃料供給管３６を通過して、循環タンク燃料流入口２５から循環タンク２３に流入する。

燃料供給弁３７の開閉は、循環タンク２３の液体燃料の循環タンク液溜まり６６の水面が循環タンク気体流出口２７まで達しないように制御されており、具体的には、例えば、循環タンク２３の水位が所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料供給弁３７が開かれる。

そして、コントロールユニット６０の制御により、循環燃料輸送ポンプ２９が駆動されることによって、循環タンク２３に貯留される液体燃料が、還流管２２を介して、燃料供給路１３に供給される。

一方、コントロールユニット６０の制御により、空気供給弁５０および空気排出弁５１が開かれ、空気供給ポンプ４９が駆動されることによって、空気が空気供給管４７を介して空気供給部材１７に供給される。

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）。

また、上記した（１）で示される反応では、実際には、窒素（Ｎ_２（ガス））および水（Ｈ_２Ｏ）に加えて、アンモニア（ＮＨ_３）が副生する。

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６４に送電され、動力部７では、インバータ６２およびモータ６１、および／または、動力用バッテリ６３に送電される。そして、モータ６１では、インバータ６２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６３では、その電力が充電される。

また、燃料給排部４では、燃料供給路１３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２４の上流側の還流管２２）を通過して、第１循環燃料流入口３０から第１気液分離器２４に流入する。

第１気液分離器２４では、水位が第１循環燃料流入口３０、第２循環燃料流入口３１、および、第１気体流出口３２よりも下方位置に保持される液体燃料の第１液溜まり６７が、第１気液分離器２４の中空部分に生じるとともに、第１液溜まり６７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）やアンモニア（ＮＨ_３）など）の一部が第１液溜まり６７の上方空間へ分離される。その一方で、第１液溜まり６７の一部が、第１液体流出口３３から、第１気液分離器２４の下流側の還流管２２に流出する。そして、コントロールユニット６０の制御により、燃料循環弁３４が開かれることにより、還流管２２に流出する液体燃料は、還流管２２（第１気液分離器２４の下流側、かつ、循環タンク２３の上流側の還流管２２）を通過して、循環タンク循環燃料流入口２６から循環タンク２３に流入し、貯留される。

このとき、循環タンク２３に貯留される液体燃料は、ガス（気泡）、具体的には、第１気液分離器２４において上方空間へ分離されたガスの残部のガス（気泡）を含有する。

また、燃料循環弁３４の開閉は、第１気液分離器２４の液体燃料の第１液溜まり６７の水面が、第１循環燃料流入口３０、第２循環燃料流入口３１、および、第１気体流出口３２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１気液分離器２４の液体燃料の第１液溜まり６７の水位が所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料循環弁３４が開かれる。

そして、第１気液分離器２４から循環タンク２３に流入し、貯留された液体燃料は、燃料タンク２１から循環タンク２３に流入する液体燃料とともに、循環燃料輸送ポンプ２９の駆動により、還流管２２を通過し、燃料供給路１３に供給される。

つまり、燃料タンク２１から供給される液体燃料と、還流管２２を循環する液体燃料とは、循環タンク２３において合流され、燃料供給路１３に供給される。

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２４、循環タンク２３、および、燃料供給路１３）を循環する。

循環タンク２３では、水位が循環タンク気体流出口２７よりも下方位置に保持される液体燃料の循環タンク液溜まり６６が、循環タンク２３の中空部分に生じるとともに、循環タンク液溜まり６６に含まれるガス（窒素（Ｎ_２）やアンモニア（ＮＨ_３）など）の一部が液体燃料の循環タンク液溜まり６６の上方空間へ分離される。循環タンク２３で分離されたガスは、コントロールユニット６０の制御により、第１ガスパージ弁４２が開かれることによって、排気処理器４１に流入し、無害化処理された後、第１ガス排出管４０を介して外部へ排出される。

また、第１気液分離器２４で分離されたガスは、コントロールユニット６０の制御により、第２ガスパージ弁４４が開かれることによって、第２ガス排出管４３を介して排気処理器４１に流入し、循環タンク２３から排気処理器４１に流入するガスとともに、無害化処理された後、外部へ排出される。

一方、空気給排部５では、コントロールユニット６０の制御により、空気排出弁５１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４８および第２気液分離器５３を介して、外気に排出される。
３．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、燃料供給路１３に供給された液体燃料が、燃料供給路１３において反応することなく電解質層８を透過し、空気供給路１８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、空気供給路１８に漏出した液体燃料を、燃料回収装置５２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、燃料供給路１３に供給された液体燃料が、空気供給路１８に漏出する場合には、その液体燃料は、空気供給路１８から排出される空気とともに、空気排出管４８（燃料電池３の下流側、かつ、第２気液分離器５３の上流側の空気排出管４８）を通過して、第２気体流入口５５から第２気液分離器５３に流入する。

第２気液分離器５３では、水位が第２気体流入口５５および第２気体流出口５６よりも下方位置に保持される液体燃料の第２液溜まり６８が、第２気液分離器５３の中空部分に生じるとともに、第２液溜まり６８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６８の上方空間へ分離される。分離されたガスは、空気排出弁５１が開かれることにより、空気とともに、空気排出管４８を介して外部へ排出される。

一方、コントロールユニット６０の制御により、燃料還流弁５８が開かれることによって、第２液溜まり６８の一部が、第２液体流出口５７から、燃料還流管５４に流出し、第２循環燃料流入口３１から第１気液分離器２４に流入する。第１気液分離器２４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５８が開かれることにより生じる圧力によって、液体燃料が第１気液分離器２４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５１の開度を調整し、圧力を調整することができる。

また、燃料還流弁５８の開閉は、第２気液分離器５３の液体燃料の第２液溜まり６８の水面が第２気体流入口５５および第２気体流出口５６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５３の液体燃料の第２液溜まり６８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５８が開かれる。

なお、上記した説明では、燃料還流管５４を第２気液分離器５３および第１気液分離器２４に接続させ、クロスオーバー現象によって空気供給路１８に漏出された液体燃料を、第１気液分離器２４に還流させたが、例えば、燃料還流管５４の下流端を、還流管２２（第１気液分離器２４と燃料電池３との間の還流管２２）に接続させ、クロスオーバー現象によって空気供給路１８に漏出された液体燃料を、還流させることができる。
４．燃料供給路および空気供給路のパージ
上記のような燃料電池システム２では、システムシャットダウン時には、燃料供給路１３への液体燃料の供給は停止されるが、液体燃料が燃料供給路１３内に残存する場合がある。また、クロスオーバーにより、空気供給路１８に漏出した液体燃料が、空気供給路１８内に残存する場合がある。

このような場合には、燃料供給路１３および空気供給路１８をパージする。

具体的には、コントロールユニット６０により、第２ガスパージ弁４４、空気排出弁５１、燃料供給弁３７、および、燃料循環弁３４を閉じる。一方、コントロールユニット６０の制御により、第１ガスパージ弁４２、空気供給弁５０、および、燃料還流弁５８を開く。

次いで、コントロールユニット６０の制御により、空気供給ポンプ４９を駆動する。

そうすると、空気供給ポンプ４９から供給された空気は、空気供給管４７を通過し、空気供給口１９から、空気供給路１８に供給される。さらに、空気供給路１８内の空気は、空気排出口２０から、空気排出管４８（燃料電池３と第２気液分離器５３の間の空気排出管４８）を通過し、第２気液分離器５３に供給される。

これにより、空気供給路１８内に残存する液体燃料は、第２気液分離器５３に貯留される、すなわち、空気供給路１８はパージされる。

そして、第２気液分離器５３内の液体燃料は、空気供給ポンプ４９から供給される空気の圧力により、燃料還流管５４を介して、すべて、第１気液分離器２４に流入する。

また、第２気液分離器５３に供給された空気も、第２液体流出口５７から、燃料還流管５４を通過し、第２循環燃料流入口３１から第１気液分離器２４に供給される。

第１気液分離器２４内には、第２気液分離器５３から流入した液体燃料が貯留されるが、第１循環燃料流入口３０、第２循環燃料流入口３１、および、第１気体流出口３２まで達しないように、燃料循環弁３４の開閉が制御されている。そのため、第１循環燃料流入口３０と第２循環燃料流入口３１とは、第１気液分離器２４の液体燃料の第１液溜まり６７の上方空間において、連通されている。

そして、第１気液分離器２４に供給された空気は、第１循環燃料流入口３０から、還流管２２（第１気液分離器２４と燃料電池３との間の還流管２２）を通過し、燃料排出口１４から、燃料供給路１３に供給される。さらに、燃料供給路１３内の空気は、燃料供給口１５から、還流管２２（燃料電池３と循環タンク２３との間の還流管２２）を通過し、循環タンク循環燃料流出口２８から、循環タンク２３に供給される。つまり、燃料供給路１３における液体燃料の供給される方向と反対方向から、空気が通過する。

これにより、燃料供給路１３内に残存する液体燃料は、循環タンク２３に貯留される、すなわち、燃料供給路１３はパージされる。

そして、循環タンク２３内の空気は、第１ガス排出管４０を介して、外部に排出される。

つまり、上記したように、空気供給ポンプ４９から供給された空気が、空気供給路１８および燃料供給路１３をパージし、外部に排出されるまでの経路、および、その経路に空気を導くために開閉される各弁が、パージ手段の一例としてパージ機構７０を構成する。

具体的には、パージ機構７０は、空気供給ポンプ４９、空気供給管４７、空気供給弁５０、空気排出管４８（燃料電池３と第２気液分離器５３との間の空気排出管４８）、第２気液分離器５３、空気排出弁５１、燃料還流管５４、燃料還流弁５８、第１気液分離器２４、第２ガスパージ弁４４、還流管２２（第１気液分離器２４と循環タンク２３との間を除く還流管２２）、循環タンク２３、第１ガス排出管４０、第１ガスパージ弁４２、および、排気処理器４１から構成されている。
５．作用効果
上記のような燃料電池システム２によれば、パージ機構７０によって、空気給排部５の空気供給ポンプ４９から空気を、燃料供給路１３に供給することができる。

そのため、燃料供給路１３をパージするための機構を別途設ける必要がなく、部品点数の低減を図ることができる。また、燃料供給路１３から液体燃料を自重によりパージする場合には、パージした燃料を受けるためのタンクなどを、燃料電池３よりも下方に設ける必要があるが、空気供給ポンプ４９から供給される空気の圧力によって、燃料供給路１３をパージするため、各部材の配置に制約がないので、燃料電池システム２のレイアウトの自由度の向上を図ることができる。

さらに、燃料電池３内に燃料が少ない状態で発電させたり、液体燃料を反応させることなく、空気によって燃料供給路１３をパージすることができるので、燃料電池３が劣化することを抑制することができる。

また、このような燃料電池システム２によれば、空気供給ポンプ４９からの空気が、燃料排出口１４から供給されるので、燃料供給路１３に残存する液体燃料は、燃料供給口１５に向かってパージされる。

そのため、パージされた液体燃料を、燃料給排部４の循環タンク２３に戻すことができるので、液体燃料の再利用を図ることができ、燃料電池システム２の燃料効率を向上させることができる。

また、このような燃料電池システム２によれば、パージ機構７０によって、空気供給路１８と燃料供給路１３とをまとめて、パージすることができる。

そのため、効率よく燃料供給路１３と空気供給路１８とをパージすることができ、燃料電池３が劣化することを、より抑制することができる。
６．変形例
上記した実施形態では、空気供給ポンプ４９から供給された空気が、空気供給路１８を通過した後、燃料供給路１３に供給され、燃料供給路１３をパージしたが、例えば、空気供給管４７を分岐させて、空気供給路１８を通過することなく、燃料供給路１３をパージすることもできる。

具体的には、空気給排部５において、空気供給管４７（空気供給ポンプ４９と空気供給弁５０との間）から分岐する分岐管７２（図１の仮想線参照）を設ける。そして、分岐管７２の下流側端部を還流管２２（第１気液分離器２４と燃料電池３との間）に接続させる。

分岐管７２の途中には、分岐弁７３（図１の仮想線参照）が設けられている。

分岐弁７３は、コントロールユニット６０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６０からの制御信号が分岐弁７３に入力され、コントロールユニット６０が、分岐弁７３の開閉を制御する。

発電時には、コントロールユニット６０の制御により、分岐弁７３を閉じる。

そして、燃料供給路１３をパージする場合には、上記したパージ機構７０に対し、空気供給弁５０および燃料還流弁５８を閉じる。一方、コントロールユニット６０の制御により、分岐弁７３を開く。

これにより、空気供給ポンプ４９から供給された空気は、空気供給管４７から分岐管７２を通過し、還流管２２（第１気液分離器２４と燃料電池３との間）に供給される。

そして、還流管２２（第１気液分離器２４と燃料電池３との間）内の空気は、燃料排出口１４から、燃料供給路１３に供給される。さらに、燃料供給路１３内の空気は、燃料供給口１５から、還流管２２（燃料電池３と循環タンク２３との間の還流管２２）を通過し、循環タンク循環燃料流出口２８から、循環タンク２３に供給される。つまり、燃料供給路１３における液体燃料の供給される方向と反対方向から、空気が通過する。

こうして、燃料供給路１３内に残存する液体燃料は、循環タンク２３に貯留される、すなわち、燃料供給路１３はパージされる。

このような燃料電池システム２の変形例によれば、上記した実施形態と同様の効果を得ることができる。

２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
４ 燃料給排部
５ 空気給排部
８ 電解質層
１１ アノード電極
１３ 燃料供給路
１６ カソード電極
１８ 空気供給路
７０ パージ機構

Claims (2)

1. 電解質層、前記電解質層の一方側に配置され、液体燃料が接触されるアノード電極、前記電解質層の他方側に配置され、酸素が接触されるカソード電極、前記アノード電極に前記液体燃料を接触させながら通過させるアノード流路、および、前記カソード電極に前記酸素を接触させながら通過させるカソード流路を備える燃料電池と、
   前記アノード流路に前記液体燃料を供給するための燃料供給手段と、
   前記カソード流路に前記酸素を供給するための酸素供給手段と、
   前記酸素供給手段の前記酸素を前記アノード流路に供給するためのパージ手段と
   を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記パージ手段は、前記アノード流路における前記液体燃料の通過方向の下流側端部から、前記酸素を供給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。