JP2016051613A

JP2016051613A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2016051613A
Application number: JP2014176610A
Authority: JP
Inventors: 綾子繁; Ayako Shige
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-04-11

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a more excellent fuel cell system.SOLUTION: A fuel cell system 2 comprises: a fuel cell 3 supplied with a liquid fuel; a fuel tank 22 for storing the liquid fuel; a fuel supply line 30 for supplying the liquid fuel from the fuel tank 22 to the fuel cell 3; a fuel discharge line 31 for discharging a discharge liquid from the fuel cell 3; a concentration adjustment tank 47 interposed by the fuel supply line 30, connected to the fuel discharge line 31, and adjusting the concentration of the liquid fuel by mixing the liquid fuel transported from the fuel tank 22 and the discharge liquid discharged from the fuel cell 3; and a water separator 45 for separating water content from the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47. A plurality of water separators 45 are arranged in parallel at intervals in a vertical direction in the concentration adjustment tank 47.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle or the like.

従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。 Conventionally, as a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, a fuel cell system including a polymer electrolyte fuel cell using a liquid fuel such as methanol, dimethyl ether, and hydrazine is known.

より具体的には、例えば、アノード電極（燃料側電極）およびカソード電極（酸素側電極）を備える燃料電池と、燃料を燃料電池に供給するとともに、その燃料電池から排出される燃料を燃料電池に還流するための燃料給排部と、空気を燃料電池に供給し、また、燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気給排部と、燃料電池から出力される電気エネルギーを電動車両の動力とするための動力部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。）。 More specifically, for example, a fuel cell including an anode electrode (fuel side electrode) and a cathode electrode (oxygen side electrode), and supplying fuel to the fuel cell and fuel discharged from the fuel cell to the fuel cell The fuel supply / discharge unit for recirculation, the air supply / discharge unit for supplying air to the fuel cell, the air discharged from the fuel cell to the outside, and the electric energy output from the fuel cell are electrically operated There has been proposed a fuel cell system including a power unit for driving a vehicle (see, for example, Patent Document 1).

特開２０１０−１２９３０４号公報JP 2010-129304 A

一方、特許文献１に記載されるような燃料電池システムとしては、発電効率の向上や、低コスト化、省スペース化など、更なる発展が望まれている。 On the other hand, as a fuel cell system described in Patent Document 1, further development such as improvement in power generation efficiency, cost reduction, and space saving is desired.

本発明の目的は、より優れた燃料電池システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a more excellent fuel cell system.

本発明の燃料電池システムは、液体燃料が供給される燃料電池と、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、前記燃料電池に供給された液体燃料の反応生成物および反応生成水を含む排出液を排出する燃料排出経路と、前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記前記燃料排出経路に接続され、前記燃料タンクから輸送された液体燃料と、前記燃料電池から排出される排出液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、前記濃度調整タンク内において、水分を液体燃料から分離するための複数の水分離手段とを備え、複数の前記水分離手段が、前記濃度調整タンク内において、鉛直方向に間隔を隔てて並列配置されていることを特徴としている。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell to which liquid fuel is supplied, a fuel tank in which liquid fuel is stored, a fuel supply path for supplying liquid fuel from the fuel tank to the fuel cell, and the fuel A fuel discharge path for discharging a liquid fuel reaction product and a reaction liquid containing a reaction product water supplied to the battery; and a fuel discharge path interposed between the fuel supply path and connected to the fuel discharge path; Mixing the transported liquid fuel with the discharged liquid discharged from the fuel cell, the concentration adjusting tank for adjusting the concentration of the liquid fuel, and separating the water from the liquid fuel in the concentration adjusting tank A plurality of water separation means, and the plurality of water separation means are arranged in parallel at intervals in the vertical direction in the concentration adjustment tank. It is a symptom.

また、本発明の燃料電池システムでは、前記水分離手段が、水分離膜の中空糸からなることが好適である。 In the fuel cell system of the present invention, it is preferable that the water separation means is made of a hollow fiber of a water separation membrane.

本発明の燃料電池システムでは、濃度調整タンクにおいて、排出液に含まれる水分が水分離手段によって分離され、液体燃料の濃度が調整される。そして、濃度が調整された液体燃料が、燃料電池に還流される。 In the fuel cell system of the present invention, in the concentration adjustment tank, the water contained in the effluent is separated by the water separation means, and the concentration of the liquid fuel is adjusted. Then, the liquid fuel whose concentration is adjusted is returned to the fuel cell.

そして、本発明の燃料電池システムでは、水は排水液中に含まれるため、排出液の量が多い場合には、濃度調整タンクの水位が上昇し、分離すべき水分量が増加する。また、排出液の量が少ない場合には、濃度調整タンクの水位が低下し、分離すべき水分量が減少する。 In the fuel cell system of the present invention, since water is contained in the drainage liquid, when the amount of the drainage liquid is large, the water level in the concentration adjustment tank rises and the amount of water to be separated increases. Further, when the amount of the discharged liquid is small, the water level in the concentration adjusting tank is lowered and the amount of water to be separated is reduced.

この点、本発明の燃料電池システムでは、水分離手段が複数設けられており、それら水分離手段が、濃度調整タンク内において、鉛直方向に間隔を隔てて並列配置されている。 In this regard, in the fuel cell system of the present invention, a plurality of water separation means are provided, and these water separation means are arranged in parallel at intervals in the vertical direction in the concentration adjustment tank.

そのため、本発明の燃料電池システムでは、排出液の量が多く、濃度調整タンクの水位が比較的高く、また、分離すべき水分量が比較的多いときには、用いられる水分離手段の数を比較的多くすることができる。また、排出液の量が少なく、濃度調整タンクの水位が比較的低く、また、分離すべき水分量が比較的少ないときには、用いられる水分離手段の数を比較的少なくすることができる。 Therefore, in the fuel cell system of the present invention, when the amount of effluent is large, the water level of the concentration adjustment tank is relatively high, and the amount of water to be separated is relatively large, the number of water separation means used is relatively large. Can do a lot. Further, when the amount of the discharged liquid is small, the water level of the concentration adjusting tank is relatively low, and the amount of water to be separated is relatively small, the number of water separation means used can be relatively small.

そのため、本発明の燃料電池システムによれば、排出液の量に応じて、要求される量の水分を簡易に分離することができる。 Therefore, according to the fuel cell system of the present invention, the required amount of moisture can be easily separated according to the amount of the discharged liquid.

その結果、本発明の燃料電池システムによれば、液体燃料を、より効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができる。 As a result, according to the fuel cell system of the present invention, the liquid fuel can be used more efficiently, and the cost can be reduced.

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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図２は、図１に示す燃料電池システムに搭載される水分離器を示す概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a water separator mounted on the fuel cell system shown in FIG.

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。 1. Overall Configuration of Fuel Cell System In FIG. 1, an electric vehicle 1 is a hybrid vehicle that selectively uses a fuel cell and a battery as a power source, and is equipped with a fuel cell system 2.

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。 The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3, a fuel supply / exhaust unit 4, an air supply / exhaust unit 5, a control unit 6, and a power unit 7.
(1) Fuel Cell The fuel cell 3 is, for example, an anion exchange type fuel cell or a cation exchange type fuel cell to which liquid fuel is directly supplied and discharged, and is disposed on the lower center side of the electric vehicle 1.

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（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。 Examples of the liquid fuel supplied to and discharged from the fuel cell 3 include methanol, dimethyl ether, and hydrazine (for example, anhydrous hydrazine and hydrazine such as hydrazine monohydrate). Is mentioned.

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、一方、燃料電池３から排出される液体燃料（燃料電池３に供給された液体燃料の反応生成物（窒素ガスなど）および反応生成水を含む）を排出液として、それぞれ区別する。 In the following, the liquid fuel supplied to the fuel cell 3 is supplied as liquid, while the liquid fuel discharged from the fuel cell 3 (reaction products (such as nitrogen gas) of liquid fuel supplied to the fuel cell 3 and reaction) (Including product water) as the effluent.

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の前後方向途中に配置される単位セル２８だけを拡大して記載し、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。 The fuel cell 3 includes a unit cell 28 (fuel cell) having an electrolyte layer 8, an anode 9 disposed on one side of the electrolyte layer 8, and a cathode 10 disposed on the other side of the electrolyte layer 8. It is formed in a stack structure in which a plurality of layers are stacked via (not shown). That is, a plurality of unit cells 28 in which the anode 9 and the cathode 10 are arranged to face each other with the electrolyte layer 8 interposed therebetween are stacked. In FIG. 1, among the plurality of unit cells 28 to be stacked, only the unit cell 28 arranged in the middle of the electric vehicle 1 in the front-rear direction is enlarged and described, and the other unit cells 28 are described in a simplified manner. doing.

電解質層８は、例えば、アニ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。 The electrolyte layer 8 is a layer in which an anion component can move, for example, and is formed using an anion exchange membrane or a cation exchange membrane.

アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極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。 The anode 9 includes an anode electrode 11 as a fuel side electrode, and a fuel supply member 12 for supplying liquid fuel (supply liquid) to the anode electrode 11.

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。 The anode electrode 11 is formed on one surface of the electrolyte layer 8. Examples of the electrode material of the anode electrode 11 include a porous support (catalyst-supported porous support) on which a catalyst is supported.

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。 The fuel supply member 12 is also used as a separator and is made of a gas impermeable conductive member. The fuel supply member 12 is formed with a distorted groove recessed from the surface thereof. The surface of the fuel supply member 12 in which the groove is formed is opposed to the anode electrode 11. As a result, a fuel supply path for bringing liquid fuel (supply liquid) into contact with the entire anode electrode 11 between one surface of the anode electrode 11 and the other surface of the fuel supply member 12 (surface on which a groove is formed). 13 is formed.

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。 In the fuel supply path 13, a fuel supply port 15 for allowing the liquid fuel (supply liquid) to flow into the anode 9 is formed on one end side (lower side), and the liquid fuel (discharge liquid) is discharged from the anode 9. The fuel discharge port 14 is formed on the other end side (upper side).

カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極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。 The cathode 10 includes a cathode electrode 16 as an oxygen side electrode and an air supply member 17 for supplying air (oxygen) to the cathode electrode 16.

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。 The cathode electrode 16 is formed on the other surface of the electrolyte layer 8.

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。 Examples of the electrode material of the cathode electrode 16 include a catalyst-supporting porous carrier exemplified as the electrode material of the anode electrode 11.

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。 The air supply member 17 is also used as a separator and is made of a gas impermeable conductive member. The air supply member 17 is formed with a twisted groove recessed from the surface thereof. The air supply member 17 has a grooved surface in contact with the cathode electrode 16. Thus, an air supply path as an air flow path for bringing air into contact with the entire cathode electrode 16 between the other surface of the cathode electrode 16 and one surface of the air supply member 17 (a surface on which grooves are formed). 18 is formed.

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。 In the air supply path 18, an air supply port 19 for allowing air to flow into the cathode 10 is formed on the other end side (upper side), and an air discharge port 20 for discharging air from the cathode 10 is provided on one end side (lower side). Side).

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、液体燃料を貯留するための燃料タンク２２と、燃料タンク２２から燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）へ供給液を供給する燃料供給経路としての燃料供給ライン３０と、燃料供給ライン３０に介在される濃度調整タンク４７と、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出液を排出する燃料排出経路としての燃料排出ライン３１とを備えている。 In such a fuel cell 3, one separator that divides each of the plurality of unit cells 28 has both the fuel supply member 12 and the air supply member 17. In other words, the separator acts as the fuel supply member 12 on one side surface and acts as the air supply member 17 on the other side surface.
(2) Fuel supply / discharge unit The fuel supply / discharge unit 4 includes a fuel tank 22 for storing liquid fuel, and a supply liquid from the fuel tank 22 to the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply path 13 of the anode 9). A fuel supply line 30 serving as a fuel supply path for supplying fuel, a concentration adjusting tank 47 interposed in the fuel supply line 30, and a discharge from the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply path 13 of the anode 9) And a fuel discharge line 31 as a fuel discharge path.

なお、燃料供給ライン３０と燃料排出ライン３１との間には、燃料電池３が介在されている。 A fuel cell 3 is interposed between the fuel supply line 30 and the fuel discharge line 31.

燃料タンク２２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２２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されている。 The fuel tank 22 is disposed behind the fuel cell 3 and behind the electric vehicle 1. For example, methanol, dimethyl ether, hydrazine, or the like is stored in the fuel tank 22 as a liquid fuel.

燃料供給ライン３０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２２に接続されるとともに、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）に接続されている。 The fuel supply line 30 has an upstream end connected to the fuel tank 22 via a sealing material (such as a gasket), and a downstream end connected to the fuel cell 3 via a sealing material (such as a gasket). (Specifically, it is connected to the fuel supply path 13 of the anode 9).

濃度調整タンク４７は、上記した液体燃料に耐性のある材質から形成される中空の容器からなり、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料供給ライン３０に介在されている。 The concentration adjustment tank 47 is formed of a hollow container formed of a material resistant to the liquid fuel described above, and is interposed in the fuel supply line 30 via a seal material (such as a gasket).

より具体的には、濃度調整タンク４７の下部には、その内外を流通させる底部流通口２４が３つ形成されている。そして、その３つの底部流通口２４の内の２つには、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料供給ライン３０が接続されており、これにより、燃料供給ライン３０に濃度調整タンク４７が介在されている。 More specifically, at the lower part of the concentration adjustment tank 47, three bottom flow ports 24 through which the inside and the outside flow are formed. A fuel supply line 30 is connected to two of the three bottom flow ports 24 via a sealing material (such as a gasket), whereby a concentration adjusting tank 47 is connected to the fuel supply line 30. Intervened.

また、３つの底部流通口２４の内の１つには、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料排出ライン３１（後述）の下流側端部が接続されており、詳しくは後述するが、燃料排出ライン３１（後述）を介して、排出液が供給される。これにより、濃度調整タンク４７において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料（１次供給液）と、燃料電池３から排出された排出液とが、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。 In addition, a downstream end of a fuel discharge line 31 (described later) is connected to one of the three bottom circulation ports 24 via a sealing material (such as a gasket), which will be described in detail later. Exhaust liquid is supplied through a fuel discharge line 31 (described later). Thereby, in the concentration adjustment tank 47, the liquid fuel (primary supply liquid) transported from the fuel tank 22 and the exhaust liquid discharged from the fuel cell 3 are mixed at an appropriate ratio and supplied to the fuel cell 3. The concentration of the liquid fuel (secondary supply liquid) is adjusted.

また、濃度調整タンク４７の上部には、濃度調整タンク４７の内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。これにより、濃度調整タンク４７は、気液分離器としても利用可能とされている。 Further, one upper flow port 25 through which the inside and outside of the concentration adjustment tank 47 is circulated is formed at the upper portion of the concentration adjustment tank 47. Thereby, the concentration adjusting tank 47 can be used as a gas-liquid separator.

より具体的には、上部流通口２５には、濃度調整タンク４７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）を介して上部流通口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。 More specifically, a gas discharge pipe 26 for discharging the gas (gas) separated in the concentration adjusting tank 47 is connected to the upper circulation port 25. The gas discharge pipe 26 is connected to the upper circulation port 25 via a sealing material (gasket). A gas discharge valve 27 is provided in the middle of the gas discharge pipe 26.

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して濃度調整タンク４７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。 The gas discharge valve 27 is a valve for opening the gas discharge pipe 26 to release the pressure in the concentration adjustment tank 47. For example, a known opening / closing valve such as an electromagnetic valve is used. The gas discharge valve 27 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see the broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the gas discharge valve 27, and the control unit 29 (described later) controls the opening and closing of the gas discharge valve 27.

また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、濃度調整タンク４７の上流側には、第１供給ポンプ３３および燃料供給弁３４が設けられている。 In the middle of the fuel supply line 30 in the flow direction, a first supply pump 33 and a fuel supply valve 34 are provided upstream of the concentration adjustment tank 47.

第１供給ポンプ３３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３３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３３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３３の駆動および停止を制御する。 As the 1st supply pump 33, well-known liquid feeding pumps, such as reciprocating pumps, such as rotary pumps, such as a rotary pump and a gear pump, a piston pump, and a diaphragm pump, are used, for example. The first supply pump 33 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see the broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the first supply pump 33, and the control unit 29 (described later) controls driving and stopping of the first supply pump 33.

また、燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０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、燃料供給弁３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３４の開閉を制御する。 The fuel supply valve 34 is a valve for opening and closing the fuel supply line 30, and a known on-off valve such as an electromagnetic valve is used. The fuel supply valve 34 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see the broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the fuel supply valve 34, and the control unit 29 (described later) controls the opening and closing of the fuel supply valve 34.

このような第１供給ポンプ３３の駆動、および、燃料供給弁３４の開閉により、燃料タンク２２から、液体燃料（１次（高濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７へ供給される。 By driving the first supply pump 33 and opening / closing the fuel supply valve 34, the liquid fuel (primary (high concentration) supply liquid) is supplied from the fuel tank 22 to the concentration adjustment tank 47.

また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、濃度調整タンク４７の下流側には、第２供給ポンプ３５が設けられている。 A second supply pump 35 is provided on the downstream side of the concentration adjustment tank 47 in the middle of the flow direction of the fuel supply line 30.

第２供給ポンプ３５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供給ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２供給ポンプ３５の駆動および停止を制御する。 As the second supply pump 35, the above-described known liquid feed pump is used. The second supply pump 35 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see the broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the second supply pump 35, and the control unit 29 (described later) controls driving and stopping of the second supply pump 35.

このような第２供給ポンプ３５の駆動により、液体燃料（２次（低濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７から燃料電池３に供給される。 By driving the second supply pump 35 as described above, liquid fuel (secondary (low concentration) supply liquid) is supplied from the concentration adjustment tank 47 to the fuel cell 3.

燃料排出ライン３１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の燃料供給路１３）に接続されるとともに、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４７に接続されている。 The upstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply passage 13 of the anode 9) via a sealing material (such as a gasket), and the downstream end However, it is connected to the concentration adjusting tank 47 through a sealing material (such as a gasket).

このような燃料排出ライン３１により、排出液が燃料電池３から排出され、濃度調整タンク４７に輸送される。 Through such a fuel discharge line 31, the discharged liquid is discharged from the fuel cell 3 and transported to the concentration adjustment tank 47.

このようにして、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が濃度調整タンク４７に輸送され、濃度調整タンク４７内において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料（１次供給液）と混合され、濃度調整された後、供給液（２次供給液）として、燃料電池３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。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給する空気供給経路としての空気供給ライン４１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ライン４２とを備えている。 In this way, the discharged liquid transported in the fuel discharge line 31 is transported to the concentration adjustment tank 47 and mixed with the liquid fuel (primary supply liquid) transported from the fuel tank 22 in the concentration adjustment tank 47. After the concentration adjustment, the closed liquid (closed flow path) that circulates through the anode 9 is formed by returning to the fuel cell 3 as the supply liquid (secondary supply liquid).
(3) Air supply / discharge unit The air supply / discharge unit 5 discharges air discharged from the cathode 10 to the outside, and an air supply line 41 as an air supply path for supplying air to the fuel cell 3 (cathode 10). And an air discharge line 42.

空気供給ライン４１は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給ライン４１の途中には、空気供給ポンプ４３が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁４４が設けられている。 One end side (upstream side) of the air supply line 41 is opened to the atmosphere, and the other end side (downstream side) is connected to the air supply port 19. An air supply pump 43 is interposed in the air supply line 41, and an air supply valve 44 is provided downstream thereof.

また、空気供給ポンプ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４３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４３の駆動および停止を制御する。 The air supply pump 43 is electrically connected to a control unit 29 (described later). A control signal from the control unit 29 (described later) is input to the air supply pump 43, and the control unit 29 (described later) The driving and stopping of the air supply pump 43 are controlled.

空気供給弁４４は、空気供給ライン４１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。 The air supply valve 44 is a valve for opening and closing the air supply line 41. For example, a known on-off valve such as an electromagnetic valve is used.

また、空気供給弁４４は、それぞれ、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、空気供給弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４４の開閉を制御する。 Each air supply valve 44 is electrically connected to a control unit 29 (described later), and a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the air supply valve 44 and is then supplied to the control unit 29 (described later). ) Controls the opening and closing of the air supply valve 44.

また、空気供給ライン４１は、濃度調整タンク４７の上流側において、互いに並列接続されるように分岐する複数（例えば、９つ）の空気供給側分岐路としての空気供給分岐ライン４８を備えている。 In addition, the air supply line 41 includes a plurality of (for example, nine) air supply branch lines 48 that branch to be connected in parallel to each other on the upstream side of the concentration adjustment tank 47. .

複数（例えば、９つ）の空気供給分岐ライン４８は、図２が参照されるように、鉛直方向および垂直方向の両方に間隔を隔てて並列配置されている。 A plurality of (for example, nine) air supply branch lines 48 are arranged in parallel at intervals in both the vertical direction and the vertical direction, as shown in FIG.

そして、これら空気供給ライン４１の空気供給分岐ライン４８は、空気供給ポンプ４３および空気供給弁４４の下流側から濃度調整タンク４７の上流側において分岐され、濃度調整タンク４７内を通過するように配設されており、濃度調整タンク４７の下流側において、１つに集合（統合）されている。 The air supply branch line 48 of the air supply line 41 is branched from the downstream side of the air supply pump 43 and the air supply valve 44 to the upstream side of the concentration adjustment tank 47 so as to pass through the concentration adjustment tank 47. And is integrated (integrated) into one on the downstream side of the concentration adjustment tank 47.

また、濃度調整タンク４７内において、空気供給ライン４１の各空気供給分岐ライン４８は、水分を液体燃料（排出液）から分離し、空気供給ライン４１内に導入するための水分離手段としての水分離器４５を備えている。 Further, in the concentration adjustment tank 47, each air supply branch line 48 of the air supply line 41 separates water from the liquid fuel (exhaust liquid) and supplies water as water separation means for introducing it into the air supply line 41. A separator 45 is provided.

水分離器４５は、図２に示すように、例えば、水分離膜の中空糸からなり、具体的には、水分離膜からなる中空糸（中空糸膜）の束として、形成されている。 As shown in FIG. 2, the water separator 45 is made of, for example, a hollow fiber of a water separation membrane, and specifically, is formed as a bundle of hollow fibers (hollow fiber membrane) made of a water separation membrane.

水分離膜は、排出液中に含まれる液体燃料の反応生成物や、未反応の液体燃料などを遮断する一方、反応生成水（水分）を透過させる膜であって、特に制限されないが、例えば、孔径が１ｎｍ以下の炭素膜などが挙げられる。水分離膜の孔径は、例えば、１ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以下であり、通常、０．３ｎｍ以上である。 The water separation membrane is a membrane that blocks reaction products of liquid fuel contained in the discharged liquid, unreacted liquid fuel, etc., and allows reaction product water (moisture) to pass therethrough, and is not particularly limited. And a carbon film having a pore diameter of 1 nm or less. The pore size of the water separation membrane is, for example, 1 nm or less, preferably 0.5 nm or less, and usually 0.3 nm or more.

また、このような水分離膜からなる中空糸（中空糸膜）の内径は、例えば、２００μｍ以上、好ましくは、２５０μｍ以上であり、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、３５０μｍ以下である。 Moreover, the internal diameter of the hollow fiber (hollow fiber membrane) which consists of such a water separation membrane is 200 micrometers or more, for example, Preferably, it is 250 micrometers or more, for example, 400 micrometers or less, Preferably, it is 350 micrometers or less.

そして、このような水分離膜からなる中空糸を、複数（例えば、５００〜２５００本）束ねることにより、集合筒状の水分離器４５が得られる。 And the aggregated cylindrical water separator 45 is obtained by bundling a plurality (for example, 500 to 2500) of hollow fibers made of such a water separation membrane.

また、水分離器４５としては、上記した中空糸に限定されず、図示しないが、例えば、複数の貫通孔（パス）を備える略円筒形のハニカムセラミック担体と、その貫通孔（パス）の内周壁面を被覆する水分離膜とからなる水分離ユニット（例えば、サブナノセラミック膜フィルター（日本ガイシ製））などを用いることもできる。 Further, the water separator 45 is not limited to the hollow fiber described above, and although not illustrated, for example, a substantially cylindrical honeycomb ceramic carrier having a plurality of through holes (paths), and the through holes (paths) A water separation unit (for example, a sub-nano ceramic membrane filter (manufactured by NGK)) that includes a water separation membrane that covers the peripheral wall surface can also be used.

そして、このような水分離器４５は、図２に示されるように、濃度調整タンク４７内において、複数（例えば、９つ）備えられ、空気供給ライン４１の各空気供給分岐ライン４８のそれぞれに介在されるように、配置されている。 As shown in FIG. 2, a plurality of (for example, nine) such water separators 45 are provided in the concentration adjustment tank 47, and each of the air supply branch lines 48 of the air supply line 41 is provided. It is arranged so as to be interposed.

なお、水分離器４５は、図示しないが、空気供給ライン４１および濃度調整タンク４７に対して着脱可能に設けられており、必要に応じて、空気供給ライン４１および濃度調整タンク４７から取り外し、洗浄および交換が可能とされている。 Although not shown, the water separator 45 is detachably provided to the air supply line 41 and the concentration adjustment tank 47, and is removed from the air supply line 41 and the concentration adjustment tank 47 and washed as necessary. And can be exchanged.

そして、この燃料電池システム２では、全ての水分離器４５、または、一部の水分離器４５が、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位に応じて、液体燃料（排出液と１次供給液との混合液）に浸漬される。 In this fuel cell system 2, all of the water separators 45 or a part of the water separators 45 are liquid fuel (exhaust liquid and primary supply depending on the liquid fuel level in the concentration adjustment tank 47. Dipped in a liquid mixture).

より具体的には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的高い場合（図２矢印Ｈ参照）には、全ての水分離器４５（例えば、９つの水分離器４５）が、液体燃料に浸漬される。 More specifically, when the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is relatively high (see arrow H in FIG. 2), all the water separators 45 (for example, nine water separators 45) are liquid. Immerse in fuel.

また、例えば、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的低い場合（図２矢印Ｌ参照）には、鉛直方向下方に配置される水分離器４５のみが、液体燃料に浸漬される。 Further, for example, when the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is relatively low (see arrow L in FIG. 2), only the water separator 45 disposed vertically below is immersed in the liquid fuel.

また、例えば、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が中程度である場合（図２矢印Ｍ参照）には、鉛直方向下方に配置される水分離器４５と、鉛直方向中程に配置される水分離器４５とが、液体燃料に浸漬される。 Further, for example, when the liquid fuel level in the concentration adjustment tank 47 is medium (see arrow M in FIG. 2), the water separator 45 is disposed in the vertically downward direction, and is disposed in the middle in the vertical direction. A water separator 45 is immersed in the liquid fuel.

そして、詳しくは後述するが、水分離器４５（中空糸膜）が上記のように配置されることにより、空気供給ライン４１内を流れる空気が、濃度調整タンク４７内において、水分離器４５（中空糸膜）内に供給される。 As will be described in detail later, when the water separator 45 (hollow fiber membrane) is arranged as described above, the air flowing in the air supply line 41 is transferred from the water separator 45 ( Supplied into the hollow fiber membrane).

このとき、液体燃料に浸漬される水分離器４５によって、液体燃料に含まれる水分（排出液中の反応生成水）が、水蒸気化され、水分離器４５の膜（水分離膜）を通過することにより、液体燃料から分離される（浸透気化法）。そして、得られた水蒸気は、水分離器４５内に導入されることにより、空気と混合される。これにより、空気が加湿される。 At this time, water (reaction product water in the effluent) contained in the liquid fuel is vaporized by the water separator 45 immersed in the liquid fuel, and passes through the membrane (water separation membrane) of the water separator 45. Thus, it is separated from the liquid fuel (pervaporation method). The obtained water vapor is mixed with air by being introduced into the water separator 45. Thereby, air is humidified.

また、水分離器４５（中空糸膜）内を通過した空気は、空気供給ライン４１（濃度調整タンク４７よりも下流側の空気供給ライン４１）を介して、燃料電池３に供給される。 The air that has passed through the water separator 45 (hollow fiber membrane) is supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 41 (the air supply line 41 on the downstream side of the concentration adjusting tank 47).

空気排出ライン４２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。
（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。 One end side (upstream side) of the air discharge line 42 is connected to the air discharge port 20, and the other end side (downstream side) is a drain.
(4) Control Unit The control unit 6 includes a control unit 29.

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。 The control unit 29 is a unit (for example, ECU: Electronic Control Unit) that executes electrical control in the electric vehicle 1, and is configured by a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

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３３、第２供給ポンプ３５などの駆動および停止や、燃料供給弁３４やガス排出弁２７、空気供給弁４４などの開閉などを、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３７と、モータ３７に電気的に接続されるインバータ３８と、モータ３７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４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。 As will be described in detail later, the control unit 6 drives and stops the first supply pump 33 and the second supply pump 35, and opens and closes the fuel supply valve 34, the gas discharge valve 27, the air supply valve 44, and the like. Control appropriately.
(5) Power unit The power unit 7 includes a motor 37 for converting electrical energy output from the fuel cell 3 into mechanical energy as the driving force of the electric vehicle 1, and an inverter 38 electrically connected to the motor 37. A power battery 40 for storing regenerative energy by the motor 37 and a DC / DC converter 36 are provided.

モータ３７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３７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。 The motor 37 is disposed in front of the fuel cell 3 and on the front side of the electric vehicle 1. Examples of the motor 37 include known three-phase motors such as a three-phase induction motor and a three-phase synchronous motor.

インバータ３８は、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８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３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。 The inverter 38 is disposed between the motor 37 and the fuel cell 3. The inverter 38 is a device that converts direct current power generated by the fuel cell 3 into alternating current power, and includes, for example, a power conversion device in which a known inverter circuit is incorporated. The inverter 38 is electrically connected to the fuel cell 3 and the motor 37 by wiring.

動力用バッテリ４０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４０は、インバータ３８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３７に電力を供給可能とされている。 Examples of the power battery 40 include known secondary batteries such as a nickel metal hydride battery having a rated voltage of about 100 V and a lithium ion battery. In addition, the power battery 40 is connected to a wiring between the inverter 38 and the fuel cell 3, so that the power from the fuel cell 3 can be stored and the power can be supplied to the motor 37.

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６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４０の入出力電力を調整する機能を有している。 The DC / DC converter 36 is disposed between the power battery 40 and the fuel cell 3. The DC / DC converter 36 has a function of increasing / decreasing the output voltage of the fuel cell 3, and a function of adjusting the power of the fuel cell 3 and the input / output power of the power battery 40.

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６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。 The DC / DC converter 36 is electrically connected to the control unit 29 (see the broken line in FIG. 1), and accordingly, the fuel cell 3 according to the input of the output control signal output from the control unit 29. Controls the output (output voltage).

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ４０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３８に電気的に接続されている。 Further, the DC / DC converter 36 is electrically connected to the fuel cell 3 and the power battery 40 by wiring, and is also electrically connected to the inverter 38 by branching of the wiring.

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８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３７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２９の制御により、燃料供給弁３４が開かれ、第１供給ポンプ３３および第２供給ポンプ３５が駆動されることにより、燃料タンク２２に貯留される液体燃料（供給液）が、燃料供給ライン３０および濃度調整タンク４７を介して、アノード９に供給される。一方、空気供給弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４３が駆動されることにより、空気が空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。 As a result, power from the DC / DC converter 36 to the motor 37 is converted from direct current power to three-phase alternating current power in the inverter 38 and supplied to the motor 37 as three-phase alternating current power.
2. Power Generation by the Fuel Cell System In the fuel cell system 2 described above, the fuel supply valve 34 is opened and the first supply pump 33 and the second supply pump 35 are driven by the control of the control unit 29, so that the fuel tank 22 The stored liquid fuel (supply liquid) is supplied to the anode 9 via the fuel supply line 30 and the concentration adjustment tank 47. On the other hand, when the air supply valve 44 is opened and the air supply pump 43 is driven, air is supplied to the cathode 10 via the air supply line 41. The fuel supply valve 34 is closed after a predetermined amount of liquid fuel is supplied.

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。 In the anode 9, the liquid fuel passes through the fuel supply path 13 while being in contact with the anode electrode 11. On the other hand, in the cathode 10, air passes through the air supply path 18 while being in contact with the cathode electrode 16.

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）。 Then, an electrochemical reaction occurs in each electrode (the anode electrode 11 and the cathode electrode 16), and an electromotive force is generated. For example, when the liquid fuel is methanol, the following formulas (1) to (3) are obtained.
(1) CH ₃ OH + 6OH ⁻ → CO ₂ + 5H ₂ O + 6e ⁻ (reaction at anode electrode 11)
(2) O ₂ + 2H ₂ O + 4e ⁻ → 4OH ⁻ (reaction at cathode electrode 16)
(3) CH ₃ OH + 3 / 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O (reaction in the entire fuel cell 3)
That is, at the anode electrode 11 supplied with methanol, methanol (CH ₃ OH) reacts with hydroxide ions (OH ⁻ ) generated by the reaction at the cathode electrode 16 to react with carbon dioxide (CO ₂ ) and water. (H ₂ O) is generated and electrons (e ⁻ ) are generated (see the above formula (1)).

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。 Electrons (e ⁻ ) generated at the anode electrode 11 reach the cathode electrode 16 via an external circuit (not shown). That is, electrons (e ⁻ ) passing through the external circuit become current.

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）。 On the other hand, in the cathode electrode 16, electrons (e ⁻ ), water (H ₂ O) generated by external supply or reaction in the fuel cell 3, and oxygen (O ₂ ) in the air flowing through the air supply path 18. React with each other to produce hydroxide ions (OH ⁻ ) (see the above formula (2)).

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。 And the produced | generated hydroxide ion (OH < ^- >) passes the electrolyte layer 8, reaches the anode electrode 11, and a reaction similar to the above (refer said formula (1)) arises.

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。 For example, when the liquid fuel is hydrazine, the following formulas (4) to (6) are obtained.
(4) N ₂ H ₄ + 4OH ⁻ → N ₂ + 4H ₂ O + 4e ⁻ (reaction at anode electrode 11)
(5) O ₂ + 2H ₂ O + 4e ⁻ → 4OH ⁻ (reaction at cathode electrode 16)
(6) N ₂ H ₄ + O ₂ → N ₂ + 2H ₂ O (reaction in the entire fuel cell 3)
When the electrochemical reaction at the anode electrode 11 and the cathode electrode 16 continuously occurs, the reaction expressed by the above formula (3) or the above formula (6) occurs in the fuel cell 3 as a whole, and the fuel An electromotive force is generated in the battery 3.

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８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４０では、その電力が充電される。 The generated electromotive force is transmitted to the DC / DC converter 36 via the wiring, and is transmitted to the inverter 38 and the motor 37 and / or the power battery 40 in the power unit 7. In the motor 37, the electrical energy converted into the three-phase AC power by the inverter 38 is converted into mechanical energy that drives the wheels of the electric vehicle 1. On the other hand, the power of the power battery 40 is charged.

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（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水を含む排出液）が、燃料排出ライン３１を通過し、底部流通口２４を介して濃度調整タンク４７に流入する。 Further, in the fuel supply / discharge section 4, the liquid fuel discharged from the anode 9 (an unreacted liquid fuel, a discharge liquid containing reaction products and reaction product water) passes through the fuel discharge line 31, and the bottom circulation port 24. And flows into the concentration adjusting tank 47.

濃度調整タンク４７では、水位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、濃度調整タンク４７の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。 In the concentration adjustment tank 47, a liquid fuel reservoir 39 in which the water level is held at a position below the upper circulation port 25 is generated in the hollow portion of the concentration adjustment tank 47, and gas (gas) contained in the reservoir 39 is generated. The liquid is separated into a space above the liquid reservoir 39.

その一方で、液溜まり３９として濃度調整タンク４７に滞留される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水を含む排出液）は、濃度調整タンク４７内において、燃料タンク２２から供給される液体燃料と混合された後、底部流通口２４から流出し、燃料供給ライン３０を介して、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。 On the other hand, liquid fuel (exhaust liquid containing unreacted liquid fuel, reaction products, and reaction product water) retained in the concentration adjustment tank 47 as the liquid reservoir 39 is discharged from the fuel tank 22 in the concentration adjustment tank 47. After being mixed with the supplied liquid fuel, it flows out from the bottom circulation port 24, and flows into the fuel supply path 13 again from the fuel supply port 15 through the fuel supply line 30.

このようにして、液体燃料が、クローズドライン（濃度調整タンク４７、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１および燃料供給路１３）を循環する。なお、濃度調整タンク４７において分離された気体は、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。
３．水の分離
上記したように、燃料電池システム２では、燃料電池３のアノード９から排出される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水を含む排出液）が、燃料供給ライン３０を介して、燃料電池３に還流され、再利用される。 In this way, the liquid fuel circulates through the closed line (the concentration adjustment tank 47, the fuel supply line 30, the fuel discharge line 31, and the fuel supply path 13). The gas separated in the concentration adjustment tank 47 is discharged to the outside through the gas discharge pipe 26 when the gas discharge valve 27 is opened.
3. Separation of Water As described above, in the fuel cell system 2, the liquid fuel discharged from the anode 9 of the fuel cell 3 (an unreacted liquid fuel, a reaction product and a discharge liquid containing reaction product water) is supplied to the fuel supply line. The fuel is returned to the fuel cell 3 through 30 and reused.

しかし、式（１）〜（６）として示したように、燃料電池３による発電では、その発電反応において水が生じるため、排出液には、水が含有される。すなわち、排出液においては、液体燃料の濃度が低下している。そのため、排出液をそのまま燃料電池３に還流して用いると、発電効率の低下を惹起する場合がある。 However, as shown by the formulas (1) to (6), in the power generation by the fuel cell 3, water is generated in the power generation reaction, so that the discharged liquid contains water. That is, in the discharged liquid, the concentration of the liquid fuel is reduced. Therefore, if the discharged liquid is used as it is by recirculation to the fuel cell 3, it may cause a decrease in power generation efficiency.

これに対して、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液に含有される水を分離し、還流される液体燃料の濃度を調整（増加）することができる。 On the other hand, in the fuel cell system 2 described above, water contained in the effluent discharged from the fuel cell 3 can be separated, and the concentration of the liquid fuel to be recirculated can be adjusted (increased).

具体的には、この燃料電池システム２では、燃料電池３から燃料排出ライン３１に排出された排出液は、濃度調整タンク４７に供給される。 Specifically, in the fuel cell system 2, the discharged liquid discharged from the fuel cell 3 to the fuel discharge line 31 is supplied to the concentration adjustment tank 47.

このとき、濃度調整タンク４７内に配置される水分離器４５の内部には、空気が流れているため、水分離器４５の周囲の液体燃料中の水分が水蒸気化され、水分離器４５の外膜（水分離膜）を通過する。これにより、液体燃料から水分が分離される（浸透気化法）。 At this time, since air flows inside the water separator 45 arranged in the concentration adjustment tank 47, the water in the liquid fuel around the water separator 45 is vaporized, and the water separator 45 It passes through the outer membrane (water separation membrane). Thereby, moisture is separated from the liquid fuel (pervaporation method).

このようにして水分が分離された液体燃料（すなわち、高濃度の液体燃料）は、図１に示すように、燃料供給ライン３０を介して、再び燃料電池３に供給される。 The liquid fuel from which water has been separated in this way (that is, high-concentration liquid fuel) is supplied again to the fuel cell 3 via the fuel supply line 30 as shown in FIG.

このように液体燃料から水分を分離することにより、液体燃料の濃度を調整（増加）することができ、発電効率の向上を図ることができる。 By separating the water from the liquid fuel in this way, the concentration of the liquid fuel can be adjusted (increased), and the power generation efficiency can be improved.

そして、このような燃料電池システム２では、水は排水液中に含まれるため、排出液の量が多い場合には、濃度調整タンク４７の水位が上昇し、分離すべき水分量が増加する。また、排出液の量が少ない場合には、濃度調整タンク４７の水位が低下し、分離すべき水分量が減少する。 In such a fuel cell system 2, since water is contained in the drainage liquid, when the amount of the discharged liquid is large, the water level in the concentration adjustment tank 47 rises and the amount of water to be separated increases. Further, when the amount of the discharged liquid is small, the water level in the concentration adjusting tank 47 is lowered and the amount of water to be separated is reduced.

この点、上記の燃料電池システム２では、水分離器４５が複数設けられており、それら水分離器４５が、濃度調整タンク４７内において、鉛直方向に間隔を隔てて配置されている。 In this regard, in the fuel cell system 2 described above, a plurality of water separators 45 are provided, and the water separators 45 are arranged in the concentration adjustment tank 47 at intervals in the vertical direction.

そのため、上記の燃料電池システム２では、排出液の量が多く、濃度調整タンク４７の水位が比較的高く、また、分離すべき水分量が比較的多いときには、用いられる水分離器４５の数を比較的多くすることができる。また、排出液の量が少なく、濃度調整タンク４７の水位が比較的低く、また、分離すべき水分量が比較的少ないときには、用いられる水分離器４５の数を比較的少なくすることができる。 Therefore, in the fuel cell system 2 described above, when the amount of discharged liquid is large, the water level of the concentration adjustment tank 47 is relatively high, and the amount of water to be separated is relatively large, the number of water separators 45 used is reduced. Can be relatively large. Further, when the amount of the discharged liquid is small, the water level of the concentration adjusting tank 47 is relatively low, and the amount of water to be separated is relatively small, the number of water separators 45 used can be relatively small.

より具体的には、上記の燃料電池システム２において、排出液の量が多い場合には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的高くなり、また、分離すべき水分量が比較的多くなる。 More specifically, in the fuel cell system 2 described above, when the amount of discharged liquid is large, the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is relatively high, and the amount of water to be separated is relatively high. Become more.

このような場合には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的高い（図２矢印Ｈ参照）ため、全ての水分離器４５（例えば、９つの水分離器４５）が、液体燃料に浸漬される。そのため、全ての水分離器４５によって水を分離することができ、比較的多量の水を分離することができる。 In such a case, since the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is relatively high (see arrow H in FIG. 2), all the water separators 45 (for example, nine water separators 45) Soaked in. Therefore, water can be separated by all the water separators 45, and a relatively large amount of water can be separated.

また、上記の燃料電池システム２において、排出液の量が少ない場合には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的低くなり、また、分離すべき水分量が比較的少なくなる。 In the fuel cell system 2 described above, when the amount of discharged liquid is small, the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is relatively low, and the amount of water to be separated is relatively small.

このような場合には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的低い（図２矢印Ｌ参照）ため、鉛直方向下方に配置される水分離器４５（例えば、３つ）のみが、液体燃料に浸漬される。そのため、鉛直方向下方に配置される水分離器４５（例えば、３つ）のみによって水を分離することができ、比較的少量の水を分離することができる。 In such a case, since the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is relatively low (see arrow L in FIG. 2), only the water separators 45 (for example, three) arranged below in the vertical direction are Immerse in liquid fuel. Therefore, water can be separated only by the water separators 45 (for example, three) disposed below in the vertical direction, and a relatively small amount of water can be separated.

さらに、上記の燃料電池システム２において、排出液の量が中程度である場合には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が中程度になり、また、分離すべき水分量が中程度となる。 Further, in the fuel cell system 2 described above, when the amount of the discharged liquid is medium, the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is medium, and the amount of water to be separated is medium. Become.

このような場合には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が中程度（図２矢印Ｍ参照）ため、鉛直方向下方に配置される水分離器４５と、鉛直方向中程に配置される水分離器４５とが、液体燃料に浸漬される。そのため、鉛直方向下方に配置される水分離器４５と、鉛直方向中程に配置される水分離器４５とのみ（例えば、６つ）によって水を分離することができ、中程度の量の水を分離することができる。 In such a case, since the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47 is medium (see arrow M in FIG. 2), the water separator 45 disposed in the vertical direction and the middle in the vertical direction are disposed. A water separator 45 is immersed in the liquid fuel. Therefore, the water can be separated only by the water separator 45 arranged in the lower part of the vertical direction and the water separator 45 arranged in the middle of the vertical direction (for example, six). Can be separated.

すなわち、上記の燃料電池システム２では、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位に応じて、用いられる水分離器４５の数が設定される。そのため、上記の燃料電池システム２では、排出液の量に応じて、要求される量の水分を簡易に分離することができる。 That is, in the fuel cell system 2 described above, the number of water separators 45 to be used is set according to the water level of the liquid fuel in the concentration adjustment tank 47. Therefore, in the fuel cell system 2 described above, a required amount of water can be easily separated according to the amount of the discharged liquid.

また、燃料電池システム２においては、式（１）〜（６）として示したように、水酸化物イオンなどのイオンが電解質層８を通過する。一方、電解質層８がイオン導電性を備えるためには、電解質層８が十分に湿潤している必要がある。 Further, in the fuel cell system 2, ions such as hydroxide ions pass through the electrolyte layer 8 as shown by the equations (1) to (6). On the other hand, in order for the electrolyte layer 8 to have ionic conductivity, the electrolyte layer 8 needs to be sufficiently wet.

この点、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液に含有される水分を回収し、その水分を用いて、電解質層８を湿潤させることができる。 In this respect, in the fuel cell system 2 described above, moisture contained in the effluent discharged from the fuel cell 3 can be recovered, and the electrolyte layer 8 can be wetted using the moisture.

すなわち、上記のように排出液から分離された水分（水蒸気）は、水分離器４５内に導入されることにより、水分離器４５内を通過する空気と混合され、空気が加湿される。 That is, the water (water vapor) separated from the effluent as described above is introduced into the water separator 45 and mixed with the air passing through the water separator 45 to humidify the air.

加湿された空気は、上記したように、空気供給ポンプ４３の駆動によって、空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。このとき、水分はカソード１０を透過し、電解質層８を湿潤させる。 The humidified air is supplied to the cathode 10 via the air supply line 41 by driving the air supply pump 43 as described above. At this time, moisture permeates the cathode 10 and wets the electrolyte layer 8.

このように液体燃料から分離された水分（水蒸気）を用いて空気を加湿することにより、電解質層８を湿潤させることができ、発電効率の向上を図ることができる。
４．作用効果
このような燃料電池システム２では、濃度調整タンク４７において、液体燃料（排出液）に含まれる水分が、空気供給ライン４１に介在される水分離器４５によって分離され、液体燃料の濃度が調整される。そして、濃度が調整された液体燃料が、燃料電池３に還流される。 Thus, by humidifying the air using the water (water vapor) separated from the liquid fuel, the electrolyte layer 8 can be moistened, and the power generation efficiency can be improved.
4). In such a fuel cell system 2, in the concentration adjustment tank 47, the water contained in the liquid fuel (exhaust liquid) is separated by the water separator 45 interposed in the air supply line 41, and the concentration of the liquid fuel is increased. Adjusted. Then, the liquid fuel whose concentration is adjusted is returned to the fuel cell 3.

そして、上記の燃料電池システム２では、水は排水液中に含まれるため、排出液の量が多い場合には、濃度調整タンク４７の水位が上昇し、分離すべき水分量が増加する。また、排出液の量が少ない場合には、濃度調整タンク４７の水位が低下し、分離すべき水分量が減少する。 In the fuel cell system 2 described above, since water is contained in the drainage liquid, when the amount of the discharged liquid is large, the water level in the concentration adjustment tank 47 rises and the amount of water to be separated increases. Further, when the amount of the discharged liquid is small, the water level in the concentration adjusting tank 47 is lowered and the amount of water to be separated is reduced.

この点、上記の燃料電池システム２では、水分離器４５が複数設けられており、それら水分離器４５が、濃度調整タンク４７内において、鉛直方向に間隔を隔てて並列配置されている。 In this regard, in the fuel cell system 2 described above, a plurality of water separators 45 are provided, and these water separators 45 are arranged in parallel in the concentration adjustment tank 47 at intervals in the vertical direction.

そのため、上記の燃料電池システム２によれば、排出液の量に応じて、要求される量の水分を簡易に分離することができる。 Therefore, according to the fuel cell system 2 described above, the required amount of water can be easily separated according to the amount of the discharged liquid.

その結果、上記の燃料電池システム２によれば、液体燃料を、より効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができる。 As a result, according to the fuel cell system 2 described above, the liquid fuel can be used more efficiently, and the cost can be reduced.

なお、用いられる水分離器４５の数を調整するため、例えば、鉛直方向で同一位置に配置された複数の空気供給分岐ライン４８にバルブを設け、その開閉を制御することも検討される。このような構成によれば、複数の水分離器４５の内、いずれの水分離器４５に空気を供給するかを選択できるため、用いられる水分離器４５の数を、濃度調整タンク４７の水位に応じること無く調整することができる。 In order to adjust the number of water separators 45 used, for example, it is also considered to provide valves in a plurality of air supply branch lines 48 arranged at the same position in the vertical direction and control the opening and closing thereof. According to such a configuration, it is possible to select which of the plurality of water separators 45 the air separator 45 is supplied with, so that the number of water separators 45 used is determined by the water level of the concentration adjustment tank 47. It is possible to adjust without depending on.

しかしながら、このような構成では、バルブなどが設けられるため、コスト性に劣り、また、燃料電池システム２の大型化を惹起し、省スペース性にも劣る。 However, in such a configuration, since a valve or the like is provided, the cost is inferior, the fuel cell system 2 is increased in size, and the space-saving property is also inferior.

一方、本発明の燃料電池システム２では、水分離器４５が濃度調整タンク４７内において、鉛直方向に間隔を隔てて並列配置されるという簡易な構成により、用いられる水分離器４５の数を調整することができ、その結果、液体燃料を、より効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができ、さらには、省スペース性にも優れる。 On the other hand, in the fuel cell system 2 of the present invention, the number of the water separators 45 to be used is adjusted by a simple configuration in which the water separators 45 are arranged in parallel in the concentration adjustment tank 47 at intervals in the vertical direction. As a result, the liquid fuel can be used more efficiently, the cost can be reduced, and further, the space can be saved.

また、このような燃料電池システム２では、液体燃料（排出液）から分離された水分は、空気供給ライン４１内に導入されるため、より多くの水分を含んだ空気が、燃料電池３に供給される。その結果、燃料電池３の導電性の向上を図ることができ、発電効率の向上を図ることができる。 Further, in such a fuel cell system 2, the moisture separated from the liquid fuel (exhaust liquid) is introduced into the air supply line 41, so that more air containing moisture is supplied to the fuel cell 3. Is done. As a result, the conductivity of the fuel cell 3 can be improved and the power generation efficiency can be improved.

この点、空気供給ライン４１内の空気を加湿するため、別途、加湿器などを備える場合には、水タンクなどが搭載されるため、燃料電池システム２の体積が大きくなる。 In this respect, in order to humidify the air in the air supply line 41, when a humidifier is separately provided, a water tank or the like is mounted, so that the volume of the fuel cell system 2 is increased.

一方、上記した燃料電池システム２によれば、加湿器を用いることなく空気に水分を含有させることができるため、加湿器を用いる場合に比べ、燃料電池システム２の体積を減少させ、省スペース化を図ることができる。 On the other hand, according to the fuel cell system 2 described above, since moisture can be contained in the air without using a humidifier, the volume of the fuel cell system 2 can be reduced and space can be saved compared to the case where a humidifier is used. Can be achieved.

また、上記した燃料電池システム２によれば、排出液に含有される水分が水蒸気として分離され、水蒸気として空気供給ライン４１に供給されるため、より効率よく空気を加湿することができる。 Further, according to the fuel cell system 2 described above, the water contained in the effluent is separated as water vapor and supplied to the air supply line 41 as water vapor, so that the air can be humidified more efficiently.

また、上記した燃料電池システム２において、燃料電池３から排出された排出液は、燃料電池３において加熱されている。そのため、排出液中の水分をより少ないエネルギーで水蒸気として回収することができ、低エネルギー化および低コスト化を図ることができる。 In the fuel cell system 2 described above, the effluent discharged from the fuel cell 3 is heated in the fuel cell 3. Therefore, the water in the effluent can be recovered as water vapor with less energy, and energy and cost can be reduced.

さらに、上記した燃料電池システム２では、水分が水蒸気として分離されるため、排出液の熱エネルギーを気化熱として放出させ、排出液を冷却することができる。そのため、排出液をより低温状態で再び燃料電池３に供給することができ、発電効率の向上を図ることができる。 Furthermore, in the fuel cell system 2 described above, since water is separated as water vapor, the thermal energy of the discharged liquid can be released as heat of vaporization, and the discharged liquid can be cooled. Therefore, the discharged liquid can be supplied again to the fuel cell 3 at a lower temperature, and the power generation efficiency can be improved.

それに加えて、上記した燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液（水分を含有した低濃度液体燃料）から、水分が回収され、高濃度液体燃料として還流されるため、燃料タンク２２からの液体燃料の供給量や供給頻度を低減することができ、より効率よく液体燃料を利用することができる。 In addition, in the fuel cell system 2 described above, the water is recovered from the discharged liquid (low concentration liquid fuel containing water) discharged from the fuel cell 3 and recirculated as the high concentration liquid fuel. The supply amount and supply frequency of the liquid fuel from 22 can be reduced, and the liquid fuel can be used more efficiently.

なお、上記した説明では、燃料電池３に空気を供給するための空気供給ライン４１を用いて、水分離器４５に空気を供給し、反応生成水を含む液体燃料から水を分離したが、例えば、水分離器４５に空気を供給するための第２空気供給ライン（図示せず）を、空気供給ライン４１とは別途設けることもできる。そのような場合には、第２空気供給ライン（図示せず）を介して水分離器４５に空気を供給し、反応生成水を含む液体燃料から水を分離することができる。また、例えば、水分離器４５内を、公知の減圧装置によって減圧することにより、反応生成水を含む液体燃料から水を分離することもできる。 In the above description, air is supplied to the water separator 45 using the air supply line 41 for supplying air to the fuel cell 3 to separate water from the liquid fuel containing the reaction product water. A second air supply line (not shown) for supplying air to the water separator 45 may be provided separately from the air supply line 41. In such a case, air can be supplied to the water separator 45 via a second air supply line (not shown) to separate the water from the liquid fuel containing the reaction product water. Further, for example, water can be separated from the liquid fuel containing the reaction product water by reducing the pressure in the water separator 45 with a known pressure reducing device.

１電動車両
２燃料電池システム
３燃料電池
２２燃料タンク
３０燃料供給ライン
３１燃料排出ライン
４１空気供給ライン
４５水分離器
４７濃度調整タンク DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electric vehicle 2 Fuel cell system 3 Fuel cell 22 Fuel tank 30 Fuel supply line 31 Fuel discharge line 41 Air supply line 45 Water separator 47 Concentration adjustment tank

Claims

A fuel cell supplied with liquid fuel;
A fuel tank in which liquid fuel is stored;
A fuel supply path for supplying liquid fuel from the fuel tank to the fuel cell;
A fuel discharge path for discharging an exhaust liquid containing a reaction product and reaction product water of liquid fuel supplied to the fuel cell;
By mixing the liquid fuel that is interposed in the fuel supply path and connected to the fuel discharge path and is transported from the fuel tank with the exhaust liquid discharged from the fuel cell, the concentration of the liquid fuel A concentration adjustment tank for adjusting
A plurality of water separation means for separating water from the liquid fuel in the concentration adjustment tank;
The fuel cell system, wherein a plurality of the water separation means are arranged in parallel in the concentration adjusting tank with an interval in the vertical direction.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the water separation means comprises a hollow fiber of a water separation membrane.