JP2015185234A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】濃度調整タンクおよび気液分離器を備えることができながら、省スペース化を図ることが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に、燃料電池３と、液体燃料が貯留される燃料タンク３５と、燃料タンク３５から燃料電池３に液体燃料を供給する燃料供給ライン３７と、燃料電池３からの排出液を排出する燃料排出ライン３８と、排出液を液体燃料と気体とに分離する気液分離器４２と、燃料供給ライン３７に介在されるとともに、気液分離器４２から液体燃料が供給されるように構成され、燃料タンク３５から供給される液体燃料と、気液分離器４２からの液体燃料とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンク４１とを備える。そして、気液分離器４２を、濃度調整タンク４１内において、燃料電池３の発電時における液体燃料の水位よりも上側に配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム、詳しくは、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。

従来、液体燃料を使用する燃料電池システムとして、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムが知られている。

液体燃料形燃料電池は、水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待されている。

液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムとしては、例えば、液体燃料が供給および排出される燃料電池と、燃料電池に供給される液体燃料が貯留される供給燃料タンクと、燃料電池から排出される排出液を液体燃料と気体とに分離する気液分離器と、気液分離器により分離された液体燃料を供給燃料タンクから供給される液体燃料に混合して液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンクとを備える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池システムでは、燃料電池から排出される排出液には、未消費の液体燃料が含有されるため、その液体燃料を気液分離器によって分離し、濃度調整タンクにおいて、その液体燃料を供給燃料タンクから供給される液体燃料と混合することにより、再利用が図られている。

特開２０１２−１７４５２５号公報

しかるに、このような燃料電池システムを、例えば、自動車などの限られたスペース内に搭載する場合には、省スペース化が要求されている。

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、気液分離器および濃度調整タンクのそれぞれを配置するためのスペースを確保する必要があり、省スペース化を図るには限度がある。

本発明の目的は、濃度調整タンクおよび気液分離器を備えることができながら、省スペース化を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、液体燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、液体燃料が貯留される燃料タンクと、前記燃料タンクから前記燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、前記燃料電池から、気体と液体燃料とを含む排出液を排出する燃料排出経路と、前記燃料排出経路に接続され、前記排出液を液体燃料と気体とに分離する気液分離器と、前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記気液分離器から液体燃料が供給されるように構成され、前記燃料タンクから供給される液体燃料と、前記気液分離器からの液体燃料とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンクと、を備え、前記濃度調整タンクに貯留される液体燃料の水位は、前記燃料電池の発電停止時よりも前記燃料電池の発電時の方が下方に配置され、前記気液分離器は、前記濃度調整タンク内において、前記燃料電池の発電時における前記液体燃料の水位よりも上側に配置されていることを特徴としている。

このような構成によれば、液体燃料は、燃料電池の発電時において、燃料タンクから燃料供給経路を介して、燃料電池に供給された後、燃料電池から燃料排出経路に排出される。そして、燃料排出経路に排出された液体燃料は、気液分離器に供給され、気体が分離された後、濃度調整タンクに供給される。次いで、液体燃料は、濃度調整タンクにおいて、濃度が調整された後、濃度調整タンクと液体燃料との間の燃料供給経路を介して、再度、燃料電池に供給される。つまり、液体燃料は、燃料電池の発電時において、燃料電池システムを循環している。

そのため、濃度調整タンクには、燃料電池の発電時において、相対的に少ない液体燃料が貯留される。

一方、燃料電池の発電停止時においては、濃度調整タンクから燃料電池への液体燃料の供給が停止されるとともに、燃料排出経路内の液体燃料が、気液分離器を介して、濃度調整タンク内に流入する。そのため、濃度調整タンクには、燃料電池の発電停止時において、相対的に多い液体燃料が貯留される。その結果、濃度調整タンク内に貯留される液体燃料の水位は、燃料電池の発電停止時よりも燃料電池の発電時の方が下方に配置される。

つまり、濃度調整タンクは、燃料電池の発電停止時において液体燃料を貯留可能な容積を確保する必要があり、濃度調整タンク内には、燃料電池の発電時において、液体燃料の水位よりも上方にスペースが生じる。

ここで、気液分離器は、濃度調整タンク内において、燃料電池の発電時における液体燃料の水位よりも上側に配置されており、燃料電池の発電時に生じる濃度調整タンク内のスペースに配置されている。

そのため、気液分離器を配置するためのスペースを、燃料電池の発電時に生じる濃度調整タンク内のスペース内に確保することができる。その結果、気液分離器を配置するためのスペースと、濃度調整タンクを配置するためのスペースとを別々に確保する必要がなく、燃料電池システムの省スペース化を図ることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、濃度調整タンクおよび気液分離器を備えることができながら、省スペース化を図ることができる。

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に示す濃度調整タンクおよび気液分離器の断面図である。 図３は、本発明の変形例に係る濃度調整タンクおよび気液分離器の断面図である。

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、図示しない空気給排部と、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（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。

なお、以下において、燃料電池３に供給される液体燃料を供給液とし、燃料電池３から排出される液体燃料を排出液として、それぞれ区別する。

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たアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（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２８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２８のうち、電動車両１の前後方向最前端に配置される単位セル２８だけを拡大して示し、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。

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（供給液）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、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（供給液）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（供給液）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（排出液）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、アノード電極１１の電極材料として例示した、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流路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２８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、供給液が貯留される燃料タンク３５と、燃料タンク３５から燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）へ供給液を輸送する燃料供給経路としての燃料供給ライン３７と、燃料供給ライン３７に介在される濃度調整タンク４１と、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出液を排出させる燃料排出経路としての燃料排出ライン３８と、濃度調整タンク４１内に配置され、燃料排出ライン３８に接続される気液分離器４２とを備えている。

燃料タンク３５は、燃料電池３よりも後方であり、電動車両１の後部に配置されている。燃料タンク３５は、液体燃料に耐性のある材質、具体的には、ステンレス板などの金属材料などから、例えば、略ボックス状などに形成されている。燃料タンク３５には、液体燃料として、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯蔵（貯留）されている。

燃料供給ライン３７は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料タンク３５に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されており、その流れ方向途中において、濃度調整タンク４１が介在されている。

より具体的には、燃料供給ライン３７は、燃料タンク３５および濃度調整タンク４１間を接続する第１供給ライン３９と、濃度調整タンク４１および燃料電池３間を接続する第２供給ライン４０とを備えている。

第１供給ライン３９は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料タンク３５に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４１に接続されている。

また、第１供給ライン３９の流れ方向途中には、第１供給ポンプ４３および燃料供給弁４４が設けられている。

第１供給ポンプ４３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供給ポンプ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、第１供給ポンプ４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第１供給ポンプ４３の駆動および停止を制御する。

また、燃料供給弁４４は、第１供給ライン３９を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁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、燃料供給弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁４４の開閉を制御する。

このような第１供給ライン３９により、燃料タンク３５から、液体燃料（１次（高濃度）供給液）が、濃度調整タンク４１へ供給される。

第２供給ライン４０は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４１に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給口１５）に接続されている。

また、第２供給ライン４０の流れ方向途中には、第２供給ポンプ４５が設けられている。

第２供給ポンプ４５としては、上記した公知の送液ポンプが用いられる。第２供給ポンプ４５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供給ポンプ４５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２供給ポンプ４５の駆動および停止を制御する。

このような第２供給ライン４０により、液体燃料（２次供給液）が、濃度調整タンク４１から燃料電池３に供給される。

濃度調整タンク４１は、詳しくは後述するが、上記した液体燃料に耐性のある材質から、略ボックス形状に形成されている。

燃料排出ライン３８は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料排出口１４）に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４１内に配置される気液分離器４２に接続されている。

このような燃料排出ライン３８により、燃料電池３から、ガス（気体）と液体燃料とを含む排出液が、気液分離器４２に排出される。

気液分離器４２は、詳しくは後述するが、図２に示すように、例えば、中空形状に形成されている。気液分離器４２には、底部流通口２４と、上部流通口２５と、連通口６３とが形成されている。

底部流通口２４は、気液分離器４２の下部に配置されており、気液分離器４２の内部空間と、濃度調整タンク４１の内部空間とを連通している。

上部流通口２５は、気液分離器４２の上部に配置されている。上部流通口２５には、ガス排出管２６が接続されている。詳しくは、ガス排出管２６の上流側端部は、シール材（ガスケット）を介して上部流通口２５に接続され、ガス排出管２６の下流側端部は、図１に示すように、大気に開放されている。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、ガス排出管２６を開放して気液分離器４２内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。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。

連通口６３は、気液分離器４２の側部に配置されている。連通口６３には、図２に示すように、燃料排出ライン３８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。これによって、気液分離器４２には、燃料電池３からの排出液が、燃料排出ライン３８を介して流入する。そして、気液分離器４２では、流入された排出液をガス（気体）と液体燃料とに分離する。分離されたガスは、ガス排出管２６により、電動車両１外に排出される。

一方、ガスが分離された液体燃料は、底部流通口２４を介して、濃度調整タンク４１内に排出される。つまり、濃度調整タンク４１には、気液分離器４２から、ガスが分離された液体燃料が供給される。

そして、濃度調整タンク４１では、燃料タンク３５からの液体燃料（１次供給液）と、気液分離器４２からの液体燃料（排出液）とが適宜の割合で混合され、燃料電池３に供給される液体燃料（２次供給液）の濃度が、調整される。

その後、濃度が調整された液体燃料は、図１に示すように、２次供給液として第２供給ライン４０を介して、燃料電池３の燃料供給路１３に戻る（還流する）。つまり、燃料排出ライン３８、気液分離器４２、濃度調整タンク４１、第２供給ライン４０および燃料供給路１３は、アノード９を循環するクローズドライン（閉流路）を形成している。
（３）空気給排部
空気給排部は、図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）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（図示せず）とを備えている。

空気供給管（図示せず）は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、その他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給管（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。

これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）のそれぞれは、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、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（図示せず）および空気供給弁（図示せず）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（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。

空気排出管（図示せず）は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、その他端側（下流側）がドレンとされる。
（４）制御部
制御部６は、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：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。

制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、第１供給ポンプ４３、第２供給ポンプ４５などの駆動および停止、燃料供給弁４４やガス排出弁２７の開閉などを、適宜制御する。
（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ーを電動車両１の駆動力として機械エネルギー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ー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の前部に配置されている。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ている。

動力用バッテリ３３としては、例えば、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、コントロールユニット２９と電気的に接続されており（図１の破線参照）、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．濃度調整タンクおよび気液分離器の詳細
濃度調整タンク４１は、図２に示すように、略ボックス形状に形成されている。濃度調整タンク４１には、燃料入口５０と、燃料出口５１と、第１挿通穴５２と、第２挿通穴５３とが形成されている。

燃料入口５０は、濃度調整タンク４１の側壁４１Ａに配置され、側壁４１Ａの下方部分を厚み方向に貫通している。燃料入口５０には、シール材（ガスケットなど）を介して、第１供給ライン３９の下流側端部が接続されている。

燃料出口５１は、濃度調整タンク４１の底壁４１Ｂに配置され、底壁４１Ｂを厚み方向に貫通している。燃料出口５１には、シール材（ガスケットなど）を介して、第１供給ライン３９の上流側端部が接続されている。

第１挿通穴５２は、燃料入口５０が形成される側壁４１Ａとは反対側の側壁４１Ａに配置されている。第１挿通穴５２は、側壁４１Ａの上方部分を厚み方向に貫通している。第１挿通穴５２の内径は、燃料排出ライン３８の外径と略同じである。そして、第１挿通穴５２には、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料排出ライン３８の下流側端部が挿通されている。

第２挿通穴５３は、濃度調整タンク４１の上壁４１Ｃに配置され、上壁４１Ｃを厚み方向に貫通している。燃料出口５１には、シール材（ガスケットなど）を介して、ガス排出管２６の上流側端部が挿通されている。

また、濃度調整タンク４１の内容積は、燃料電池システム２の発電時において濃度調整タンク４１内に貯留される液体燃料の体積（以下、発電時の燃料貯留量とする。）に対して、例えば、３倍以上７倍以下、好ましくは、５倍である。発電時の燃料貯留量に対する濃度調整タンク４１の内容積が、上記下限以上であれば、濃度調整タンク４１内に気液分離器４２を配置するためのスペースを確保することができ、上記上限以下であれば、燃料電池システム２の省スペース化を図ることができる。

また、濃度調整タンク４１の内容積は、燃料電池システム２の発電停止時において濃度調整タンク４１内に貯留される液体燃料（以下、発電停止時の燃料貯留量とする。）に対して、例えば、１．１倍以上１．５倍以下、好ましくは、１．２倍以下である。発電停止時の燃料貯留量に対する濃度調整タンク４１の内容積が、上記下限以上であれば、燃料電池システム２の発電停止時において、液体燃料を確実に貯留することができ、上記上限以下であれば、燃料電池システム２の省スペース化を図ることができる。

そのため、燃料電池システム２の発電時において、濃度調整タンク４１内に貯留される液体燃料の水位Ｌ１（以下、発電時の水位Ｌ１とする。）は、上下方向において、濃度調整タンク４１の底壁４１Ｂから濃度調整タンク４１の１／４の位置よりも下方に位置している。

また、燃料電池システム２の発電停止時において、濃度調整タンク４１内に貯留される液体燃料の水位Ｌ２（以下、発電停止時の水位Ｌ２とする。）は、上下方向において、濃度調整タンク４１の底壁４１Ｂから濃度調整タンク４１の３／４の位置よりも上方に位置している。つまり、発電時の水位Ｌ１は、発電停止時の水位Ｌ２よりも下方に配置されている。

気液分離器４２は、濃度調整タンク４１内の上側部分に収容されており、発電時の水位Ｌ１よりも上側に位置している。

気液分離器４２は、分離器筐体６０と、仕切板６１とを備えている。

分離器筐体６０は、中空形状に形成されており、絞り部６０Ａと、周側壁６０Ｂと、閉鎖壁６０Ｃとを一体に有している。

絞り部６０Ａは、分離器筐体６０の下側部分であって、略漏斗状に形成されている。詳しくは、絞り部６０Ａは、下方に向かうにつれて小径となる略円錐形状に形成されている。また、絞り部６０Ａの下端部（径方向中央）には、底部流通口２４が形成されている。底部流通口２４は、絞り部６０Ａの下端部を上下方向に貫通している。

周側壁６０Ｂは、分離器筐体６０の上側部分であって、絞り部６０Ａの上端部から連続して、上方に向かって延びる略円筒形状に形成されている。周側壁６０Ｂには、連通口６３が形成されている。

連通口６３は、濃度調整タンク４１の第１挿通穴５２と向かい合うように配置されている。連通口６３は、周側壁６０Ｂを径方向に貫通しており、分離器筐体６０の内外を連通している。連通口６３には、燃料排出ライン３８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。つまり、燃料排出ライン３８の下流側端部は、発電時の水位Ｌ１よりも上側に配置されている。なお、燃料排出ライン３８は、好ましくは、その全体が発電時の水位Ｌ１よりも上側に配置される。

閉鎖壁６０Ｃは、分離器筐体６０の上端部であって、周側壁６０Ｂの上端面を閉鎖している。閉鎖壁６０Ｃは、平面視略円形の板状に形成されている。閉鎖壁６０Ｃには、上部流通口２５が形成されている。上部流通口２５は、濃度調整タンク４１の第２挿通穴５３と向かい合うように配置されている。上部流通口２５は、閉鎖壁６０Ｃを上下方向に貫通している。上部流通口２５には、ガス排出管２６の上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。

仕切板６１は、分離器筐体６０の周側壁６０Ｂ内において、連通口６３よりも下側に配置されており、分離器筐体６０の内部空間を上下に仕切っている。詳しくは、仕切板６１は、平面視略円形の板状に形成されており、仕切板６１の外周縁の全体が、周側壁６０Ｂの内面に接続されている。

また、仕切板６１には、貫通口６２が形成されている。貫通口６２は、仕切板６１を上下方向（厚み方向）に貫通している。これによって、貫通口６２は、分離器筐体６０内の上側の空間と下側の空間とを連通している。
３．燃料電池システム（燃料電池）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４４が開かれ、第１供給ポンプ４３および第２供給ポンプ４５が駆動されることにより、燃料タンク３５に貯留される供給液が燃料供給ライン３７を介して、具体的には、第１供給ライン３９、濃度調整タンク４１および第２供給ライン４０を順次通過し、アノード９に供給される。一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁４４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられるが、後の液体燃料の濃度調整時に、適宜開閉される。

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。例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１） ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（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） ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極１１では、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）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、二酸化炭素（ＣＯ_２）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）。

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。

また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（５） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（６） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
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）または上記式（６）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。つまり、燃料電池３が発電する。

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ーが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。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から排出される排出液が、図２に示すように、燃料電池３から燃料排出ライン３８に排出される。

しかるに、上記の式（１）〜（６）に示すように、燃料電池３の発電反応において、水およびガス（例えば、二酸化炭素や窒素）が生じる。そのため、排出液には、使用後および未反応の液体燃料が含まれるとともに、水およびガスが含まれる。

そのような排出液は、燃料排出ライン３８を通過して、気液分離器４２の連通口６３から、分離器筐体６０内の仕切板６１よりも上方の空間に流入する。

これによって、排出液の流速は低下し、排出液は仕切板６１の上面に沿って流動する。そして、排出液に含まれるガスは、排出液が仕切板６１に沿って流動するときに、排出液から分離され上昇する。

そして、排出液から分離されたガスは、上部流通口２５を介して、ガス排出管２６に排出され、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、ガスが分離された排出液（使用後および未反応の液体燃料や水）は、仕切板６１の貫通口６２を介して、分離器筐体６０における仕切板６１よりも下方の空間に落下する。そして、排出液は、絞り部６０Ａに沿って底部流通口２４に向かって流動した後、底部流通口２４から濃度調整タンク４１の下側部分に落下する。

濃度調整タンク４１に落下した排出液は、図１に示すように、濃度調整タンク４１内において、燃料供給弁４４の開閉により１次供給液と適宜の割合で混合され、液体燃料（２次供給液）の濃度が、調整される。

その後、濃度が調整された液体燃料（２次供給液）は、第２供給ポンプ４５が駆動することにより、燃料出口５１および第２供給ライン４０を介して、再度、燃料供給口１５から燃料供給路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（燃料排出ライン３８、気液分離器４２、濃度調整タンク４１、第２供給ライン４０および燃料供給路１３）を循環する。
４．燃料電池システム（燃料電池）の発電停止状態
燃料電池システム２の発電停止状態では、コントロールユニット２９の制御により、第１供給ポンプ４３および第２供給ポンプ４５の駆動が停止されるとともに、燃料供給弁４４が閉じられる。これにより、燃料タンク３５から濃度調整タンク４１への液体燃料の供給が停止するとともに、濃度調整タンク４１から燃料電池３への液体燃料の供給が停止する。

一方、燃料排出ライン３８内の液体燃料は、図２に示すように、自重により、気液分離器４２内に流入する。その後、液体燃料は、気液分離器４２を上記のように通過して、濃度調整タンク４１内に排出される。

これにより、濃度調整タンク４１内に貯留される液体燃料量が増加し、液体燃料の水位が、発電時の水位Ｌ１から発電停止時の水位Ｌ２に上昇する。

このような発電停止時の水位Ｌ２は、気液分離器４２の絞り部６０Ａよりも上側かつ閉鎖壁６０Ｃよりも下側に位置している。つまり、気液分離器４２の下側部分（少なくとも一部）は、発電停止時の水位Ｌ２よりも下側に位置し、濃度調整タンク４１内の液体燃料に沈んでいる。

その後、燃料電池システム２（燃料電池３）が発電動作を開始すると、液体燃料がクローズドライン（閉流路）の循環を再開し、濃度調整タンク４１内の発電停止時の水位Ｌ２が、発電時の水位Ｌ１に下降する。
５．作用効果
燃料電池システム２（燃料電池３）の発電時において、図１に示すように、液体燃料は、クローズドライン（燃料排出ライン３８、気液分離器４２、濃度調整タンク４１、第２供給ライン４０および燃料供給路１３）を循環している。

そのため、燃料電池３の発電時において、濃度調整タンク４１には、相対的に少ない液体燃料が貯留される。

一方、燃料電池３の発電停止時においては、濃度調整タンク４１から燃料電池３への液体燃料の供給が停止されるとともに、燃料排出ライン３８内の液体燃料が、気液分離器４２を介して、濃度調整タンク４１内に流入する。そのため、濃度調整タンク４１には、図２に示すように、燃料電池３の発電停止時において、相対的に多い液体燃料が貯留される。その結果、濃度調整タンク４１において、発電時の水位Ｌ１は、発電停止時の水位Ｌ２よりも下方に配置される。

つまり、濃度調整タンク４１は、燃料電池３の発電停止時において液体燃料を貯留可能な容積を確保する必要があり、濃度調整タンク４１内には、燃料電池３の発電時において、発電時の水位Ｌ１よりも上方にスペースが生じる。

そして、このスペースには、気液分離器４２が配置されている。そのため、気液分離器４２を配置するためのスペースを、燃料電池３の発電時に生じる濃度調整タンク４１内のスペース内に確保することができる。その結果、気液分離器４２を配置するためのスペースと、濃度調整タンク４１を配置するためのスペースとを別々に確保する必要がなく、燃料電池システム２の省スペース化を図ることができる。
６．変形例
本発明において、気液分離器４２は、濃度調整タンク４１内に収容できれば、特に制限されず、公知の液体分離器を用いることができる。

上記の実施形態では、気液分離器４２が、分離器筐体６０の内部空間を上下に仕切る仕切板６１を備え、連通口６３が、仕切板６１よりも上側に位置されるが、これに限定されない。

例えば、気液分離器４２が、図３に示すように、分離器筐体６０の内部空間を上下に仕切るフィルタ７０を備え、連通口６３が、分離器筐体６０において、フィルタ７０よりも下側に形成されていてもよい。

フィルタ７０は、ガス（気体）の通過を許容するとともに、液体の通過を規制するように構成されている。

このような気液分離器４２では、燃料電池３からの排出液が、燃料排出ライン３８および連通口６３を介して、分離器筐体６０内のフィルタ７０よりも下側の空間に流入する。これによって、排出液の流速が低下し、分離器筐体６０内のフィルタ７０よりも下側の空間において、排出液とガス（気体）とが分離される。

分離されたガス（気体）は、上昇してフィルタ７０を通過し、上部流通口２５からガス排出管２６に排出される。一方、分離された液体燃料は、底部流通口２４から濃度調整タンク４１の下側部分に排出される。

なお、燃料電池３の発電停止時においては、水位Ｌ２は、気液分離器４２の絞り部６０Ａよりも上側かつフィルタ７０よりも下側に位置している。

また、上記の実施形態では、濃度調整タンク４１は、略ボックス形状に形成されるが、濃度調整タンク４１の形状は特に限定されない。濃度調整タンク４１は、例えば、両端部が閉鎖される略円筒形状に形成することもできる。

また、濃度調整タンク４１は、図１において、便宜上、燃料電池３の後方に並ぶように記載されているが、濃度調整タンク４１の配置は特に限定されず、好ましくは、濃度調整タンク４１は、燃料電池３よりも下方に配置される。

この場合、上記の燃料電池システム（燃料電池）の発電停止状態において、燃料電池３内の液体燃料を、自重により燃料排出ライン３８を介して、濃度調整タンク４１内に流入させることができる。

これらによっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、これら実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。

２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
３５ 燃料タンク
３７ 燃料供給ライン
３８ 燃料排出ライン
４１ 濃度調整タンク
４２ 気液分離器
Ｌ１ 発電時の水位
Ｌ２ 発電停止時の水位

Claims (1)

1. 液体燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、
   液体燃料が貯留される燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、
   前記燃料電池から、気体と液体燃料とを含む排出液を排出する燃料排出経路と、
   前記燃料排出経路に接続され、前記排出液を液体燃料と気体とに分離する気液分離器と、
   前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記気液分離器から液体燃料が供給されるように構成され、前記燃料タンクから供給される液体燃料と、前記気液分離器からの液体燃料とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンクと、を備え、
   前記濃度調整タンクに貯留される液体燃料の水位は、前記燃料電池の発電停止時よりも前記燃料電池の発電時の方が下方に配置され、
   前記気液分離器は、前記濃度調整タンク内において、前記燃料電池の発電時における前記液体燃料の水位よりも上側に配置されていることを特徴とする、燃料電池システム。

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