JP2018006123A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料から水蒸気が優先して気化する現象を利用することで、水蒸気抽出手段の材料選択の自由度を広くす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は、アノード９およびカソード１０を有する単位セル２８と、アノード９に接続され、液体燃料が循環する循環ライン２１と、循環ライン２１に介在されており、アノード９における液体燃料の反応により生成された気体と、液体燃料とを分離する気液分離タンク４７と、酸素をカソード１０に供給する空気供給ライン４１とを備える。気液分離タンク４７は、水蒸気を含む気体を液体燃料から分離する。燃料電池システム２は、さらに、気液分離タンク４７内において液体燃料の水位より上方に配置され、分離された気体から水蒸気を抽出する水蒸気抽出器４５を備える。水蒸気抽出器４５は、空気供給ライン４１に介在されている。【選択図】図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。

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。

例えば、アノード、電解質膜およびカソードを順に有する単位セルが複数積層された燃料電池と、アノードに接続され、液体燃料が循環するクローズドラインと、クローズドラインに介在されており、アノードにおける液体燃料の反応により生成され、気液分離器として利用可能である濃度調整タンクと、濃度調整タンク内に配置される水分離器と、水分離器およびカソードに接続される空気供給ライン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。）。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水分離器は、液体燃料に浸漬されており、アノードから排出された液体燃料に含まれる水を分離している。そして、水分離器によって液体燃料から分離された水は、空気供給ラインを介して、カソードに供給され、カソードにおいて化学反応に供される。

このようにして、特許文献１では、アノードにおいて生成された水を、水分離器で分離し、そして、これをカソードで反応させることによって、水を再利用している。

特開２０１６−５１６１３号公報

しかし、水分離器は、液体燃料に浸漬されることから、液体燃料に対する高い耐腐食性（耐薬品性）が要求され、さらに液体燃料から水のみを分離する分離機能を持ち合わせる必要があり、技術的難易度が高いという不具合がある。

本発明の目的は、液体燃料から水蒸気が優先して気化する現象を利用することで、水蒸気抽出手段の材料選択の自由度を広くす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。

本発明は、アノード、電解質膜およびカソードを順に有する燃料電池セルと、前記アノードに接続され、液体燃料が循環する循環路と、前記循環路に介在されており、前記アノードにおける液体燃料の反応により生成された気体と、液体燃料とを分離する気液分離器と、酸素を前記カソードに供給する供給路とを備え、前記気液分離器は、水蒸気を含む気体を液体燃料から分離し、さらに、前記気液分離器内において液体燃料の水位より上方に配置され、分離された気体から水蒸気を抽出する水蒸気抽出手段を備え、前記水蒸気抽出手段は、前記供給路に介在されている、燃料電池システムを含む。

本発明によれば、気液分離器が、液体燃料から水蒸気を含む気体を分離するので、水蒸気抽出手段を、液体燃料の水位より上方に配置することができる。そのため、水蒸気抽出手段は、液体燃料に浸漬するための高い耐腐食性を要しない。その結果、水蒸気抽出手段の材料選択の自由度を広くすることができる。

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。

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

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。

（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池であって、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）などの燃料成分が、水（希釈水）などによって適宜の濃度に希釈された燃料成分水溶液などが挙げられる。燃料成分として、好ましくは、高出力の電気エネルギーを得る観点から、ヒドラジンが挙げられる。

なお、この一実施形態では、好ましい燃料成分として、ヒドラジンを挙げているが、ヒドラジンは、腐食性が高い。

燃料電池３は、電解質膜８と、電解質膜８の一方側に配置されたアノード９と、電解質膜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。単位セル２８では、アノード９、電解質膜８およびカソード１０が順に配置されている。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。

電解質膜８は、例えば、アニオン成分が移動可能な膜であり、アニオン交換膜を用いて形成されている。

アノード９は、アノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料を供給するための燃料供給部材１２とを有している。

アノード電極１１は、電解質膜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、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。

燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料を接触させるための燃料供給路１３が形成される。

燃料供給路１３には、液体燃料をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。

カソード１０は、カソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素および水蒸気を含む空気）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、電解質膜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の電極材料と同様の触媒担持多孔質担体などが挙げられる。

空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させるための空気供給路１８が形成される。

空気供給路１８には、空気をカソード１０内に流入させるための空気供給口１９が他端側（上側）に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が一端側（下側）に形成されている。

また、このような燃料電池３において、複数の単位セル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燃料タンク２２と、燃料タンク２２に接続される第１燃料供給ライン３０と、第１燃料供給ライン３０に接続される気液分離タンク４７と、気液分離タンク４７内の液体燃料をアノード９に供給する第２燃料供給ライン３２と、アノード９から液体燃料を排出する燃料排出ライン３１とを備えている。第２燃料供給ライン３２および燃料排出ライン３１の間には、アノード９が介在されている。

燃料タンク２２には、燃料成分が比較高濃度（気液分離タンク４７内の燃料成分よりも高濃度）の液体燃料が貯蔵されている。

第１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、その下流側端部が、気液分離タンク４７に接続されている。また、第１燃料供給ライン３０の流れ方向途中には、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。

第１供給ポンプ３３としては、例えば、送液ポンプが挙げられる。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）。

燃料供給弁３４は、第１燃料供給ライン３０を開閉するための弁であって、第１供給ポンプ３３の下流側に配置されている。燃料供給弁３４としては、例えば、電磁弁などの開閉弁が挙げられる。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）。

気液分離タンク４７は、液体燃料に対して耐腐食性を有する材質から形成される中空の容器である。気液分離タンク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、気液分離タンク４７の上部には、そ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。

３つの底部流通口２４の内の１つには、第１燃料供給ライン３０の下流側端部が接続されている。

一方、３つの底部流通口２４の内の２つのそれぞれには、第２燃料供給ライン３２および燃料排出ライン３１のそれぞれが接続されている。

他方、上部流通口２５には、ガス排出管２６が接続されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離タンク４７内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁などの開閉弁が挙げられる。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）。

気液分離タンク４７において、燃料タンク２２から第１燃料供給ライン３０を介して輸送された液体燃料（１次供給液）と、アノード９から燃料排出ライン３１を介して排出された液体燃料とが、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。そのため、気液分離タンク４７は、濃度調整タンクを兼ねる。

この気液分離タンク４７では、液体燃料で満杯にならないように、液体燃料の液溜まり３９の水位が、気液分離タンク４７の高さの途中部分に位置している。また、気液分離タンク４７は、水蒸気抽出器４５（後述）を液溜まり３９の水位より上方で配置するために、十分な高さを有する。

また、気液分離タンク４７は、気液分離器として作用する。具体的には、気液分離タンク４７は、後述する温度条件で用いられることから、アノード９から燃料排出ライン３１を介して排出された液体燃料（排出液）から水蒸気のみが分離される。つまり、燃料成分は、気化せず、水のみが気化する。

第２燃料供給ライン３２は、その上流側端部が、３つの底部流通口２４の内の１つと接続され、その下流側端部が、アノード９の燃料供給口１５に接続されている。第２燃料供給ライン３２の流れ方向途中には、第２供給ポンプ３５が設けられている。

第２供給ポンプ３５としては、例えば、送液ポンプなどが挙げられる。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）。

燃料排出ライン３１は、その上流側端部が、アノード９の燃料排出口１４と接続され、その下流側端部が、３つの底部流通口２４の内の１つと接続されている。

そして、この燃料給排部４では、アノード９において化学反応した液体燃料が燃料排出ライン３１を介して気液分離タンク４７に輸送され、気液分離タンク４７内において、燃料タンク２２から第１燃料供給ライン３０を介して輸送された高濃度の液体燃料（１次供給液）と混合されて、濃度調整される。その後、低濃度の液体燃料が、アノード９に戻ることにより、アノード９および気液分離タンク４７を循環する循環路としての循環ライン２１が、クローズドライン（閉流路）として形成される。

循環ライン２１は、第２燃料供給ライン３２および燃料排出ライン３１を含み、それらの間において、アノード９および気液分離タンク４７を介在している。

（３）空気給排部
空気給排部５は、酸素を含む空気をカソード１０に供給する供給路としての供給ライン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）がカソード１０の空気供給口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、空気供給弁４４および水蒸気抽出手段としての水蒸気抽出器４５が設けられている。

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いる。

空気供給弁４４は、空気供給弁４４の下流側に配置されている。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、電磁弁などの開閉弁が挙げられる。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いる。

水蒸気抽出器４５は、空気供給ライン４１に介在されている。水蒸気抽出器４５は、空気供給ライン４１において空気供給弁４４の下流側に配置されている。また、水蒸気抽出器４５は、気液分離タンク４７内において、液体燃料の水位より上方に配置されている。具体的には、水蒸気抽出器４５は、液体燃料からなる液溜まり３９の水位より常に上方に位置するように、気液分離タンク４７内の上部に配置されている。

水蒸気抽出器４５は、水蒸気、窒素、二酸化炭素および酸素を含む空気から水蒸気を抽出できる一方、水蒸気以外の気体（窒素、二酸化炭素および酸素）を抽出しない（透過しない、つまり、窒素、二酸化炭素および酸素を遮断する）膜が挙げられる。また、水蒸気抽出器４５は、例えば、親水性を有する。具体的には、水蒸気抽出器４５は、例えば、膜式ドライヤーである。

水蒸気抽出器４５は、例えば、中空糸膜からなり、具体的には、非多孔膜からなる。また、水蒸気抽出器４５を形成する材料としては、例えば、液体燃料の浸漬によって劣化するような材料であってもよく、また、液体燃料に対して耐腐食性を有する材料であってもよい。好ましくは、液体燃料の飛沫がたとえ水蒸気抽出器４５に接触しても水蒸気抽出器４５が劣化することを抑制する観点から、フッ素系樹脂が挙げられる。

なお、好ましい燃料成分として、腐食性が高いヒドラジンを挙げているが、水蒸気抽出器４５は、液体燃料の液溜まり３９の水位より常に上方に位置しているため、水蒸気抽出器４５が液溜まり３９に浸漬されることに起因する水蒸気抽出器４５の腐食が発生しない。

水蒸気抽出器４５として、市販品を用いることができ、例えば、サンセップシリーズ（ＡＧＣエンジニアリング社製）などが用いられる。

水蒸気抽出器４５は、気液分離タンク４７内の液溜まり３９の上方空間の雰囲気から水蒸気のみを抽出し、水蒸気抽出器４５内に取り込む。これにより、水蒸気抽出器４５内の空気が加湿される。その後、加湿された空気は、空気供給ライン４１の下流側端部を介して空気供給口１９からカソード１０に供給される。

一方、気液分離タンク４７内における、水蒸気抽出器４５外の気体（主に窒素）からは、水蒸気のみが抽出される。これにより、水蒸気抽出器４５外の気体は、乾燥する。その後、乾燥した空気は、ガス排出管２６を介して、外部に排出される。

水蒸気は水蒸気抽出器４５内に取り込まれるため、気液分離タンク４７内の水蒸気の量が減少し、その分だけ、気液分離タンク４７において、液体燃料から水蒸気が蒸発する。

空気供給ライン４１には、さらに、バイパスライン４９が備えられている。
バイパスライン４９は、水蒸気抽出器４５を迂回（バイパス）するように、その一端部が、空気供給ライン４１における水蒸気抽出器４５の上流側部分（具体的には、空気供給弁４４および水蒸気抽出器４５の間における空気供給ライン４１）から分岐し、その他端が、空気供給ライン４１における水蒸気抽出器４５の下流側部分に合流する。

また、空気供給ライン４１は、バイパス弁４６を備える。バイパス弁４６は、空気供給ライン４１におけるバイパスライン４９の上流側一端部の分岐部分に介装されている。バイパス弁４６は、空気供給ライン４１において、空気が水蒸気抽出器４５を通過する加湿経路と、空気が水蒸気抽出器４５を迂回（バイパス）する迂回経路とに、切替可能な三方弁である。バイパス弁４６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）。

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：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３３、第２供給ポンプ３５、空気供給ポンプ４３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、さらには、バイパス弁４６の切替などを、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、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、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。

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
（１）燃料給排部における液体燃料の流れ、および、空気給排部における空気の流れ
燃料給排部４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が、第１燃料供給ライン３０を介して、気液分離タンク４７に供給され、その後、液体燃料が気液分離タンク４７から第２燃料供給ライン３２を介してアノード９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において化学反応した液体燃料は、燃料排出ライン３１を介して、気液分離タンク４７に供給される。

詳しくは、電動車両１の運転中において、ヒータや、電気化学反応の反応熱などにより、気液分離タンク４７の液体燃料の温度が、例えば、６０℃以上、例えば、８０℃以下に設定されている。そのため、気液分離タンク４７では、反応生成物と水（反応生成水および希釈水を含む）とを含む液体燃料（排出液）から、実質的に、水蒸気のみが分離される。つまり、上記した液体燃料における反応生成水および希釈水が気化して、水蒸気となる。

続いて、この水蒸気は、水蒸気抽出器４５によって抽出される。つまり、気液分離タンク４７内に存在する（発生した）水蒸気が水蒸気抽出器４５内に移行する。これによって、気液分離タンク４７内の水蒸気は、水蒸気抽出器４５によって、気液分離タンク４７内から取り除かれる。

その後、液溜まり３９として気液分離タンク４７に滞留される液体燃料（未反応の液体燃料および反応生成物を含む液体燃料）は、アノード９に再び供給される。

このようにして、液体燃料は、循環ライン２１（第２燃料供給ライン３２および燃料排出ライン３１）を循環する。

一方、空気給排部５では、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４３が駆動され、また、バイパス弁４６が空気供給ライン４１が加湿経路に切り替える。これにより、空気がバイパス弁４６を介して水蒸気抽出器４５を通過する。水蒸気抽出器４５を通過する空気は、水蒸気を取り込む。つまり、空気が、加湿される。続いて、加湿された空気は、カソード１０に供給される。具体的には、水蒸気および酸素が、カソード１０において化学反応に供される。その後、空気は、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。

このようにして、この燃料電池システム２では、アノード９において生じた水が、気液分離タンク４７によって水蒸気として分離され、続いて、かかる水蒸気が、水蒸気抽出器４５によって、抽出される。抽出された水蒸気は、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿して、カソード１０に供される。このようにして、水が再利用される。

また、アノード電極１１およびカソード電極１６のそれぞれにおいて電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（２） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（３） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極１１では、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）とカソード電極１６での反応で生成し、電解質膜８を透過した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して、窒素（Ｎ_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アノード電極１１での反応で生成し、カソード電極１６にクロスリークした反応生成水（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、電解質膜８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。

このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。

そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ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。

一方、水蒸気抽出器４５において加湿された空気は、空気供給口１９から空気供給路１８に流入し、上記したように、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）および酸素がカソード電極１６における反応（式（２）参照）に供される。

このようにして、水蒸気は、再利用される。

３．迂回経路への切り替え
気液分離器４７内の液体燃料の量が所定よりも少ない時は、気体の混入により燃料循環が維持できなくなるため、コントロールユニット２９の制御により、バイパス弁４６が空気供給ライン４１を迂回経路に切り替える。そうすると、空気供給ライン４１およびバイパスライン４９を介して、空気が、水蒸気抽出器４５を通過せず、直接、カソード１０に供給される。これにより、必要以上に液体燃料を減らすことなく、液体燃料の循環を維持できる。

４．作用効果
燃料電池システム２では、水蒸気抽出器４５が、液体燃料から水蒸気を含む気体を分離するので、気液分離タンク４７を、液体燃料からなる液溜まり３９の水位より上方に配置することができる。そのため、気液分離タンク４７は、液体燃料に浸漬するための高い耐腐食性を要しない。その結果、水蒸気抽出手段の材料選択の自由度を広くすることができる。

５．変形例
液溜まり３９の表面または間隔を隔てた上方において、液体燃料の飛沫が水蒸気抽出器４５に接触しないような飛沫飛散防止部材を配置することもできる。飛沫飛散防止部材としては、例えば、複数の貫通孔を有し、水平方向に延びるパンチングプレートなどが挙げられる。

また、上記した一実施形態では、図１に示すように、気液分離タンク４７は、濃度調整タンクを兼ねている。しかし、図示しないが、燃料給排部４は、濃度調整タンクを、気液分離タンク４７とは別に備えることもできる。その場合には、燃料給排部４の循環ライン２１において、気液分離タンク４７の下流側と、燃料電池３の上流側との間に濃度調整タンク（図示せず）を介在させるとともに、濃度調整タンクに、第１燃料供給ライン３０の下流側端部を接続する。

この変形例では、濃度調整タンクにおいて、気液分離タンク４７から輸送された低濃度の液体燃料（排出液）と、燃料タンク２２から第１燃料供給ライン３０を介して輸送された高濃度の液体燃料（１次供給液）とが、適宜の割合で混合され、燃料成分の濃度が調整される。

上記した各変形例によっても、上記した一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

２ 燃料電池システム
８ 電解質膜
９ アノード
１０カソード
２１循環ライン
２８単位セル
４１空気供給ライン
４５水蒸気抽出器
４７気液分離タンク

Claims (1)

1. アノード、電解質膜およびカソードを順に有する燃料電池セルと、
   前記アノードに接続され、液体燃料が循環する循環路と、
   前記循環路に介在されており、前記アノードにおける液体燃料の反応により生成された気体と、液体燃料とを分離する気液分離器と、
   酸素を前記カソードに供給する供給路とを備え、
   前記気液分離器は、水蒸気を含む気体を液体燃料から分離し、
   さらに、前記気液分離器内において液体燃料の水位より上方に配置され、分離された気体から水蒸気を抽出する水蒸気抽出手段を備え、
   前記水蒸気抽出手段は、前記供給路に介在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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