JP2017050051A

JP2017050051A - 液体燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017050051A
Application number: JP2015170080A
Authority: JP
Inventors: 良平岩崎; Ryohei Iwasaki; 豪士加藤; Takeshi Kato; 拓史菊池; Takushi Kikuchi
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-09

Abstract

【課題】簡易かつ省スペースでマイクロバブルを液体燃料から除去できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム２は、液体燃料が供給される燃料電池３と、燃料電池３に対して液体燃料を供給する燃料供給ライン３０と、燃料電池３に供給された液体燃料の反応により生成するガス、および、未消費の液体燃料を含む排出液を燃料電池３から排出する燃料排出ライン３１と、燃料排出ライン３１から燃料供給ライン３０へ排出液を輸送する還流ライン３２と、燃料供給ライン３０および還流ライン３２の間に介在される気液分離器２３と、燃料排出ライン３１および／または気液分離器２３に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部４５とを備える。【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。

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。

このようなシステムでは、燃料電池のアノードに液体燃料が供給されるとともに、燃料電池のカソードに空気が供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）および（２）の電気化学反応が生じる。

（１）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻（アノードでの反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソードでの反応）
また、例えば、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（３）および（４）の電気化学反応が生じる。

（３）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ （アノードでの反応）
（４）Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソードでの反応）
このような燃料電池では、未消費の液体燃料は、アノードにおいて生じるガス（Ｎ_２、ＣＯ_２など）を含んだ状態で、燃料電池から排出され、再度、燃料電池に供給される。

しかし、ガスが液体燃料中に気泡として滞留すると、アノード電極における液体燃料との接触面が気泡に覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。

そこで、液体燃料中に気泡として含まれるガスを分離するために気液分離器を備える燃料電池システムが提案されている。

例えば、液体燃料が供給される燃料電池と、燃料電池から排出される液体燃料を、燃料電池に還流させるための還流路と、還流路に介在され、液体燃料に含まれる気体を分離するための気液分離部と、気液分離部に設けられ、気液分離部内の圧力を開放するための圧力開放手段と、圧力開放手段を、燃料電池の定常運転時に間欠的に動作させるための制御手段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は、ガスを含む液体燃料を、気液分離器の下部に滞留させ、液体燃料中の気泡同士を合一および成長させることにより、ガス（気泡）を液体燃料から脱離させ、気液分離器の上部に開放する。一方、ガスが脱離された液体燃料は、気液分離器の下部から、再度、燃料電池に供給される。

特開２０１０−１２９３０５公報

しかしながら、燃料電池システムにおいて、電気化学反応により生じるガスは、液体燃料中に、マイクロバブルとして含有される場合がある。

このように液体燃料中に生じたマイクロバブルは、気泡径が小さいために気泡の上昇速度が遅く、また、液体燃料の性質によっては、マイクロバブルの表面に電気二重層が形成され、マイクロバブル同士が反発するなど気液分離器中において気泡が合一および成長し難いという不具合がある。その結果、マイクロバブルを液体燃料から脱離させるには、気液分離器における滞留時間を長くする必要や、気液分離器を大型化させる必要があるという不具合がある。

また、マイクロバブルを液体燃料から除去するため、例えば、液体燃料に消泡剤などを添加することも検討されるが、このような場合には、消泡剤の濃度管理などが要求されるため、操作が煩雑であるという不具合がある。

本発明の目的は、簡易かつ省スペースでマイクロバブルを液体燃料から除去できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、
［１］液体燃料が供給される燃料電池と、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により生成するガス、および、未消費の液体燃料を含む排出液を前記燃料電池から排出する燃料排出経路と、前記燃料排出経路から前記燃料供給経路へ排出液を輸送する還流経路と、前記燃料供給経路および前記還流経路の間に介在される気液分離部と、前記燃料排出経路および／または前記気液分離部に不活性ガスを供給するガス供給手段とを備えることを特徴とする、燃料電池システム、
［２］前記ガス供給手段は、前記気液分離部において分離されたガスを、前記燃料排出経路および／または気液分離部に供給することを特徴とする、上記［１］に記載の燃料電池システム
である。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料排出経路および／または気液分離部に不活性ガスを供給することにより、液体燃料中に含まれるマイクロバブルを不活性ガスの気泡に吸収させることができる。その結果、マイクロバブルを簡易かつ省スペースで除去することができる。

図１は、本発明の第１実施形態（不活性ガスが不活性ガスタンクから燃料排出ラインに供給される形態）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、本発明の第２実施形態（不活性ガスが不活性ガスタンクから気液分離器に供給される形態）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３は、本発明の第３実施形態（気液分離器において分離された不活性ガスが燃料排出ラインに供給される形態）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。

１．燃料電池システムの全体構成（第１実施形態）
図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。

燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（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、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により生成するガス、および、未消費の液体燃料を含む）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の前後方向途中に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、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、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）に対して、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、燃料排出ライン３１から燃料供給ライン３０へ排出液を輸送する還流経路としての還流ライン３２とを備えている。

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が介在されており、また、燃料排出ライン３１と還流ライン３２との間には、気液分離器２３（後述）が介在されている。

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留されている。

燃料供給ライン３０は、その上流側端部が、燃料タンク２２に接続されるとともに、下流側端部が、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、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、燃料供給ライン３０の下流側には、燃料供給ポンプ３３が設けられ、燃料供給ライン３０の上流側には、燃料供給弁３４が設けられている。

燃料供給ポンプ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。燃料供給ポンプ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、燃料供給ポンプ３３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給ポンプ３３の駆動および停止を制御する。

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。

このような燃料供給ポンプ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（供給液）が、燃料電池３へ供給される。

燃料排出ライン３１は、その上流側端部が、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、下流側端部が、気液分離器２３に接続されている。

このような燃料排出ライン３１により、排出液が燃料電池から排出され、気液分離器２３に輸送される。

気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が２つ形成されている。

また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３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。

気液分離器２３は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、２つの底部流通口２４が、それぞれ、燃料排出ライン３１および還流ライン３２（後述）に接続されている。

上部流通口２５には、気液分離器２３で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６の上流側端部が接続されている。また、ガス排出管２６の下流側端部は大気開放されており、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２３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。

還流ライン３２は、その上流側端部が、気液分離器２３の底部流通口２４に接続されるとともに、下流側端部が、燃料供給ライン３０の流れ方向途中部分（燃料供給ポンプ３３と燃料供給弁３４との間）に接続されている。

これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、気液分離器２３および還流ライン３２を介して、燃料供給ライン３０に輸送される。そして、燃料供給ライン３０内において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料と混合され、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。

また、燃料給排部４は、燃料排出ライン３１に不活性ガスを供給するガス供給手段としての不活性ガス供給部４５を備えている。

不活性ガス供給部４５は、不活性ガスを貯留する不活性ガスタンク４９と、不活性ガスタンク４９から燃料排出ライン３１に不活性ガスを輸送する不活性ガス供給ライン４６とを備えている。

不活性ガスタンク４９は、密閉できる容器からなり、不活性ガスが貯留されている。

不活性ガスとしては、液体燃料に対して不活性であれば、特に制限されないが、例えば、アルゴンガス、窒素ガス、二酸化酸素などが挙げられ、好ましくは、窒素ガスが挙げられる。

不活性ガス供給ライン４６は、その上流側端部が、不活性ガスタンク４９に接続されるとともに、下流側端部が、燃料排出ライン３１の流れ方向途中部分に接続されている。これにより、不活性ガスは、不活性ガスタンク４９から燃料排出ライン３１に輸送される。

また、不活性ガス供給ライン４６は、不活性ガス供給弁４７および不活性ガス供給ポンプ４８を備えている。より具体的には、不活性ガス供給ライン４６の流れ方向途中において、不活性ガス供給弁４７および不活性ガス供給ポンプ４８が設けられている。

不活性ガス供給弁４７は、不活性ガス供給ライン４６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、不活性ガス供給弁４７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、不活性ガス供給弁４７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、不活性ガス供給弁４７の開閉を制御する。

不活性ガス供給ポンプ４８としては、特に制限されず、公知のガスポンプが用いられる。不活性ガス供給ポンプ４８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、不活性ガス供給ポンプ４８に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、不活性ガス供給ポンプ４８の駆動および停止を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、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。

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。

空気供給ポンプ４３としては、特に制限されず、公知のガスポンプが用いられる。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。

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。

また、空気供給弁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。

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。

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。

制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、燃料供給ポンプ３３、空気供給ポンプ４３および不活性ガス供給ポンプ４８などの駆動および停止や、燃料供給弁３４、ガス排出弁２７、不活性ガス供給弁４７および空気供給弁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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、燃料供給ポンプ３３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。

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（５）〜（７）の通りとなる。
（５）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（アノード電極１１での反応）
（６）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（７）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（５）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（６）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（５）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（８）〜（１０）の通りとなる。
（８）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（９）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（１０）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（７）または上記式（１０）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。

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（燃料電池３に供給された液体燃料の反応により生成するガス、および、未消費の液体燃料を含む）が、燃料排出ライン３１を通過して上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３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、気液分離器２３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。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の底部流通口２４から還流ライン３２に流出する。

還流ライン３２に流出する液体燃料は、燃料供給ライン３０に輸送され、燃料供給ライン３０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、再び燃料供給口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（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３で分離された気体は、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．マイクロバブルの除去
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（燃料電池３に供給された液体燃料の反応により生成するガス、および、未消費の液体燃料を含む）が、還流ライン３２および燃料供給ライン３０を介して、燃料電池３に還流され、再利用される。

しかし、式（５）〜（１０）に示したように、燃料電池３による発電では、その発電反応においてガス（Ｎ_２、ＣＯ_２など）が生じるため、排出液には、ガスが含有される。

このガスが液体燃料中に気泡として滞留すると、アノード電極１１における液体燃料との接触面が気泡に覆われて、燃料電池の出力が低下するおそれがある。そのため、上記したように、この燃料電池システム２では、液体燃料が再利用される前に、液体燃料からガスが気液分離器２３によって分離される。

しかしながら、燃料電池システム２において、電気化学反応により生じるガスは、液体燃料中に、マイクロバブル（直径１００μｍ未満の気泡）として含有される場合がある。

このように液体燃料中に生じたマイクロバブルは、気泡径が小さいために気泡の上昇速度が遅く、また、液体燃料の性質によっては、マイクロバブルの表面に電気二重層が形成され、マイクロバブル同士が反発するなど気液分離器２３中において気泡が合一および成長し難いため、気液分離器２３によって、分離できない場合がある。

そこで、上記の燃料電池システム２では、燃料排出ライン３１に不活性ガスを供給することにより、液体燃料中に含まれるマイクロバブルを不活性ガスの気泡に吸収させ、その後、マイクロバブルを吸収した不活性ガスの気泡を気液分離器２３によって分離し、除去している。

具体的には、この燃料電池システム２では、上記したように、燃料電池３の運転中には、液体燃料は、クローズドライン（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環している。

このとき、コントロールユニット２９の制御により、不活性ガス供給弁４７が開かれ、不活性ガス供給ポンプ４８が駆動される。これにより、不活性ガスタンク４９に貯留される不活性ガスが、不活性ガス供給ライン４６を介して、燃料排出ライン３１に気泡として供給される。

供給される気泡のサイズは、マイクロバブルより大きく、具体的には、１００μｍ以上、好ましくは、２００μｍ以上、また、１０００μｍ以下、好ましくは、８００μｍ以下である。

これによって、排出液にマイクロバブルが含まれていても、燃料排出ライン３１における不活性ガス供給ライン４６の接続部分よりも下流側において、液体燃料中のマイクロバブルが不活性ガスの気泡に吸収される。

その後、マイクロバブルを吸収した不活性ガスの気泡は、未消費の液体燃料とともに、上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入され、気液分離器２３内において、上方空間に開放された後、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。

一方、マイクロバブルが除去された液体燃料は、還流ライン３２を介して、燃料供給ライン３０に輸送され、再度、燃料電池３に供給される。
４．作用効果
上記の燃料電池システム２によれば、燃料排出ライン３１に不活性ガスを供給することにより、液体燃料中に含まれるマイクロバブルを不活性ガスの気泡に吸収させることができる。その結果、マイクロバブルを簡易かつ省スペースで除去することができる。
５．第２実施形態
図２は、本発明の燃料電池システムの第２実施形態を示す概略構成図である。

なお、以下の実施例において、上記した各部に対応する部材については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上記した説明では、燃料排出ライン３１に不活性ガスを供給したが、気液分離器２３に不活性ガスを供給することもできる。

第２実施形態では、気液分離器２３の下部には、気液分離器２３の内外を流通させる底部流通口２４が３つ形成されており、不活性ガス供給ライン４６の下流側端部が、底部流通口２４の１つに接続されている。

そして、第２実施形態では、不活性ガスが、気液分離器２３の底部から、直接、液溜まり３９に気泡として供給される。これによって、気液分離器２３内において、液体燃料中のガス（マイクロバブル）が不活性ガスの気泡に吸収される。

このような燃料電池システム２によれば、気液分離器２３に不活性ガスを供給することにより、液溜まり３９中に含まれるマイクロバブルを不活性ガスの気泡に吸収させることができる。その結果、マイクロバブルを簡易かつ省スペースで除去することができる。

なお、上記した説明では、不活性ガスを燃料排出ライン３１または気液分離器２３のいずれか一方にのみ供給しているが、例えば、不活性ガスを燃料排出ライン３１および気液分離器２３の両方に供給することもできる（図示せず）。
６．第３実施形態
図３は、本発明の燃料電池システムの第３実施形態を示す概略構成図である。

上記した説明では、不活性ガスを不活性ガスタンク４９から不活性ガス供給ライン４６を介して燃料排出ライン３１および／または気液分離器２３に供給したが、例えば、気液分離器２３において分離された不活性ガス（Ｎ_２、ＣＯ_２など）を燃料排出ライン３１に供給することもできる。

第３実施形態では、不活性ガス供給ライン４６の上流側端部が、ガス排出管２６の流れ方向途中部分（気液分離器２３とガス排出弁２７との間）に接続されており、下流側端部が、燃料排出ライン３１の流れ方向途中部分に接続されている。また、不活性ガス供給ライン４６の流れ方向途中には、不活性ガス供給弁４７が設けられている。

また、第３実施形態では、不活性ガス供給ポンプ４８は備えられておらず、燃料排出ライン３１における不活性ガス供給ライン４６に接続される部分が、ベンチュリー管５０として形成されている。

ベンチュリー管５０は、流れ方向中央部が小径となり、流れ方向両端部が大径となるように形成された管であって、燃料排出ライン３１に介在されている。なお、ベンチュリー管５０のサイズ（大径サイズおよび小径サイズなど）は、特に制限されず、目的および用途に応じて適宜設定される。

また、不活性ガス供給ライン４６の下流側端部は、ベンチュリー管５０の流れ方向中央部（小径部分）に接続される。

このようなベンチュリー管５０では、液体燃料が流れ方向上流側（大径部分）から、流れ方向中央部（小径部分）に流れ、その後、流れ方向下流側（大径部分）に流れる。このとき、負圧がベンチュリー管５０の流れ方向中央部（小径部分）に生じる（ベンチュリー効果）。

そのため、第３実施形態では、コントロールユニット２９の制御により、不活性ガス供給弁４７が開かれると、ガス排出管２６を流れるガスが、ベンチュリー管５０の負圧に応じて、不活性ガス供給ライン４６を介して、燃料排出ライン３１のベンチュリー管５０に気泡として供給される。

これによって、燃料排出ライン３１の下流側（不活性ガス供給ライン４６の接続部分よりも下流側）において、液体燃料中のマイクロバブルが不活性ガスの気泡に吸収される。

このような燃料電池システム２によれば、燃料排出ライン３１に不活性ガスを供給することにより、液体燃料中に含まれるマイクロバブルを不活性ガスの気泡に吸収させることができる。その結果、マイクロバブルを簡易かつ省スペースで除去することができる。

また、第３実施形態では、不活性ガスとして、気液分離器２３で分離されたガスを用いるため、別途、不活性ガスタンク４９を用意する必要がなく、省スペース化および省コスト化を図ることができる。

さらに、第３実施形態では、ベンチュリー管５０で生じる負圧により、不活性ガスを液体燃料に供給するため、ポンプなどを用いる場合に比べて、省電力化および省コスト化を図ることができる。

なお、上記した説明では、気液分離器２３において分離された不活性ガスを、燃料排出ライン３１に供給しているが、気液分離器２３に供給してもよく、また、燃料排出ライン３１および気液分離器２３の両方に供給してもよい（図示せず）。

また、例えば、上記した第１実施形態において、不活性ガス供給ポンプ４８に代えて、ベンチュリー管５０を用いることができ、また、第３実施形態において、ベンチュリー管５０に代えて、不活性ガス供給ポンプ４８を用いることができる。

１電動車両
２燃料電池システム
３燃料電池
２３気液分離器
３０燃料供給ライン
３１燃料排出ライン
３２還流ライン
４５不活性ガス供給部

Claims

液体燃料が供給される燃料電池と、
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により生成するガス、および、未消費の液体燃料を含む排出液を前記燃料電池から排出する燃料排出経路と、
前記燃料排出経路から前記燃料供給経路へ排出液を輸送する還流経路と、
前記燃料供給経路および前記還流経路の間に介在される気液分離部と、
前記燃料排出経路および／または前記気液分離部に不活性ガスを供給するガス供給手段とを備えることを特徴とする、燃料電池システム。
前記ガス供給手段は、前記気液分離部において分離されたガスを、前記燃料排出経路および／または気液分離部に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。