JP5875444B2

JP5875444B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5875444B2
Application number: JP2012082019A
Authority: JP
Inventors: 秀信渡辺; 直也由良; 佳央岸山
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211221A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、ヒドラジンなどの液体燃料を燃料電池に供給するものが知られている。

燃料電池は、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードには、燃料循環路が接続されている。すなわち、燃料循環路の一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環路から液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、空気が供給される。

アノードでは、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環路に排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

特開２０１１−２１６３４１号公報

このような燃料電池システムでは、液体燃料が水とともにアノードから電解質膜を透過してカソードに移動する、いわゆるクロスリーク（クロスオーバ）が発生する。

クロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すことができれば、クロスリークによる液体燃料の浪費を抑制することができる。ところが、クロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すために、ポンプを設けると、コストおよびシステムサイズが増大してしまう。

本発明の目的は、コストアップを抑制しつつ、アノードからカソードにクロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すことができる、燃料電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記アノードを経由して液体燃料が循環する燃料循環路と、前記カソードに空気を供給する空気供給手段と、前記カソードから気体を排出するための排出路と、前記排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁と、前記排出路における前記背圧調整弁よりも気体の流通方向の上流側に介装され、前記カソードから排出される気体とその気体に含まれる液体とを分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された液体を前記燃料循環路に戻すための再循環路と、前記再循環路に介装された開閉弁と、前記背圧調整弁および前記開閉弁を制御して、前記開閉弁を閉じた状態で、前記背圧調整弁の開度を小さくして、前記気液分離器内の圧力が上昇した後、前記開閉弁を開く弁制御手段とを含む。

燃料電池は、アノードおよびカソードが電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードには、燃料循環路を循環する液体燃料が供給される。カソードには、空気が供給される。これにより、燃料電池では、発電反応が生じ、発電反応による起電力が発生する。

発電反応の生成物として、アノードで水が生成される。この水および未反応の液体燃料の大部分は、アノードから燃料循環路に排出され、その一部は、アノードから電解質膜を透過してカソードにクロスリークする。そのため、カソードから排出路に排出される気体には、液体が含まれる。この液体を含む気体は、気液分離器に流入し、気液分離器において、その気体から液体が分離される。

気液分離器は、再循環路を介して、燃料循環路に接続されている。これにより、気液分離器で分離された液体を再循環路を通して燃料循環路に戻すことができる。再循環路には、開閉弁が介装されている。また、排出路には、気液分離器よりも気体の流通方向の下流側に、排出路内の圧力を調整する背圧調整弁が介装されている。

気液分離器で分離された液体が燃料循環路に戻される際には、開閉弁が開かれる前に、背圧調整弁が制御されて、背圧調整弁の開度が小さくされる。これにより、排出路内および気液分離器内の圧力が高まる。そして、その圧力の上昇後に、開閉弁が開かれる。開閉弁が開かれると、気液分離器内の圧力により、気液分離器内の液体が再循環路に送り出される。そのため、気液分離器内の液体を燃料循環路に戻すために、ポンプなどを必要としない。

よって、コストアップを抑制しつつ、クロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すことができる。

本発明によれば、コストアップを抑制しつつ、クロスリークした液体燃料を燃料循環路に戻すことができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２は、燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。図３は、液量管理制御の流れを示すフローチャートである。図４は、液体回収制御の流れを示すフローチャートである。図５Ａは、気液分離タンク内の液量の変化を図解的に示す図であり、気液分離タンク内の液量が回収しきい値よりも少ない状態を示す。図５Ｂは、気液分離タンク内の液量の変化を図解的に示す図であり、気液分離タンク内の液量が回収しきい値に達した状態を示す。図５Ｃは、気液分離タンク内の液量の変化を図解的に示す図であり、気液分離タンク内の液体が燃料循環路に送られている状態を示す。図６は、液量低減制御の流れを示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

燃料電池システム１は、液体燃料を用いる燃料電池システムであり、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。液体燃料は、たとえば、水加ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４・Ｈ_２Ｏ）である。

燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質膜５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質膜５は、たとえば、アニオン（ＯＨ⁻）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。

アノード３には、燃料流路が形成されている。燃料流路は、燃料入口６と燃料出口７とに接続され、たとえば、燃料入口６と燃料出口７との間で葛折り状に屈曲している。

燃料入口６には、燃料循環路８の一端が接続されている。燃料循環路８の他端は、燃料出口７に接続されている。

燃料循環路８の一端部および他端部には、それぞれ燃料入口弁９および燃料出口弁１０が介装されている。燃料入口弁９および燃料出口弁１０は、たとえば、電磁弁からなる。

燃料循環路８における燃料入口弁９と燃料出口弁１０との間の部分には、燃料循環ポンプ１１が介装されている。

燃料入口弁９および燃料出口弁１０が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１１が駆動されると、液体燃料を含む液体が燃料循環路８を燃料出口７から燃料入口６に向かう方向に流れる。燃料循環路８を流れる液体は、燃料入口６からアノード３の燃料流路に流入する。燃料流路に流入した液体は、燃料流路を流通し、燃料出口７から燃料循環路８に排出される。このようにして、液体燃料を含む液体が燃料流路および燃料循環路８を循環する。

燃料循環路８における燃料出口弁１０と燃料循環ポンプ１１との間の部分には、燃料サブタンク１２が介装されている。燃料循環路８を循環する液体は、燃料サブタンク１２で一時的に貯留される。燃料サブタンク１２には、燃料サブタンク１２内に貯留されている液量（液体量）を検出するための燃料サブタンク液量センサ１３が設けられている。

燃料サブタンク１２には、燃料供給管１４を介して、燃料タンク１５が接続されている。燃料タンク１５には、液体燃料が貯留されている。燃料補給管１２の途中部には、燃料供給ポンプ１６が介装されている。燃料供給ポンプ１６が駆動されると、燃料タンク１５から燃料供給管１４を通して燃料サブタンク１２に液体燃料が供給される。

また、燃料循環路８における燃料出口弁１０と燃料サブタンク１２との間の部分には、気液分離器１７が介装されている。気液分離器１１は、燃料循環路８を流通する液体からその液体中に含まれる気体（たとえば、ヒドラジンを燃料とする場合には、発電時に生成されるＮ_２ガス）を分離して、液体のみを燃料循環路８に戻すために設けられている。

気液分離器１７には、パージ管１８が接続されている。パージ管１８の先端は、排気処理器１９に接続されている。パージ管１８の途中部には、パージ弁２０が介装されている。パージ弁２０は、たとえば、電磁弁からなる。パージ弁２０が開かれると、気液分離器１７内の気体がパージ管１８を通して排気処理器１９に送られる。排気処理器１９に送られた気体は、有害成分が除去された後、大気に放出される。

カソード４には、エア流路が形成されている。エア流路は、エア入口２１とエア出口２２とに接続され、たとえば、エア入口２１とエア出口２２との間で葛折り状に屈曲している。

エア入口２１には、エア供給路２３が接続されている。

エア供給路２３の途中部には、エアコンプレッサ２４が介装されている。

また、エア供給路２３におけるエアコンプレッサ２４とエア入口２１との間の部分には、エア入口弁２５が介装されている。エア入口弁２５は、たとえば、電磁弁からなる。

エア出口２２には、エア排出路２６が接続されている。エア排出路２６の先端は、排気処理器１９に接続されている。

エア排出路２６の途中部には、気液分離タンク２７およびエア背圧調整弁２８が介装されている。

エア入口弁２５およびエア背圧調整弁２８が開かれた状態で、エアコンプレッサ２４が駆動されると、エア（大気）がエアクリーナを通してエア供給路２３内に取り込まれる。エア供給路２３内に取り込まれたエアは、エア入口２１からカソード４のエア流路に流入する。エア流路に流入したエアは、エア流路を流通し、エア出口２２からエア排出路２６に排出される。

燃料電池システム１では、水および液体燃料がアノード３から電解質膜５を透過してカソード４に移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、エア排出路２６に排出されるエアには、アノード３からカソード４にクロスリークした液体燃料および水を含む液体が含まれる。そのため、エア排出路２６には、気液分離タンク２７が介装されている。気液分離タンク２７において、エア排出路２６から流入するエアから液体が分離され、気液分離タンク２７からエアのみがエア排出路２６に戻される。エア排出路２６に戻されたエアは、排気処理器１９に送られて、有害成分が除去された後、大気に放出される。

気液分離タンク２７には、エアから分離された液体が貯留される。気液分離タンク２７の底部には、再循環路２９の一端が接続されている。再循環路２９の他端は、燃料循環路８に介装された気液分離器１７に接続されている。再循環路２９の途中部には、気液分離タンク弁３０が介装されている。気液分離タンク弁３０は、たとえば、電磁弁からなる。

また、気液分離タンク２７には、気液分離タンク２７内に貯留されている液量（液体量）を検出するための気液分離タンク液量センサ３１が設けられている。

さらに、エア排出路２６におけるエア出口２２の近傍、気液分離タンク２７よりもエアの流通方向の上流側の部分には、エア排出路２６内の圧力を検出するためのエア出口圧力センサ３２が接続されている。

また、燃料電池システム１は、冷却水循環路３３を備えており、冷却水循環路３３を循環する冷却水により、燃料電池２が冷却されるようになっている。冷却水循環路３３の途中部には、冷却水を冷却水循環路３３に循環させるためのウォータポンプ３４が介装されている。また、冷却水循環路３３の途中部には、ラジエータファン３５からの送風により、冷却水を冷却するためのラジエータ３６が介装されている。さらにまた、冷却水循環路３３におけるウォータポンプ３４とラジエータ３６との間には、三方弁３７が介装されている。三方弁３７の残り１つのポートには、冷却水循環路３３における燃料電池２の冷却水出口とラジエータ３６との間の部分から分岐した分岐管３８が接続されている。

図２は、燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリを含む構成のＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）４１が備えられている。

ＦＣ−ＥＣＵ４１には、燃料サブタンク液量センサ１３、気液分離タンク液量センサ３１およびエア出口圧力センサ３２の検出信号が入力される。

ＦＣ−ＥＣＵ４１は、メモリに格納されたプログラムに従い、燃料サブタンク液量センサ１３、気液分離タンク液量センサ３１およびエア出口圧力センサ３２の検出信号に基づいて、燃料電池システム１の各部を制御する。すなわち、ＦＣ−ＥＣＵ４１は、燃料循環ポンプ１１、燃料供給ポンプ１６、エアコンプレッサ２４、ウォータポンプ３４およびラジエータファン３５の駆動を制御する。また、ＦＣ−ＥＣＵ４１は、燃料入口弁９、燃料出口弁１０、パージ弁２０、エア入口弁２５および気液分離タンク弁３０の開閉を制御する。さらに、ＦＣ−ＥＣＵ４１は、エア背圧調整弁２８の開度を制御する。

通常の発電制御では、燃料入口弁９および燃料出口弁１０が開かれ、燃料循環ポンプ１１が駆動されて、アノード３の燃料流路に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ２４が駆動されるとともに、エア入口弁２５が開かれ、エア背圧調整弁２８の開度が調整されて、カソード４のエア流路に空気が供給される。

これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。

具体的には、アノード３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路から燃料排出口１０を介して燃料循環路８に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、電解質膜５を透過して、アノード３に移動する。

ＮＨ_２ＮＨ_２＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）

Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

この結果、アノード３とカソード４との間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

燃料供給ポンプ１６は、燃料循環路８に液体燃料を補給する必要が生じたときに駆動される。

パージ弁２０は、通常、開かれている。

図３は、液量管理制御の流れを示すフローチャートである。

通常の発電制御が実行されている間、その発電制御と並行して、ＦＣ−ＥＣＵ４１により、図３に示される液量管理制御が実行される。この液量管理制御が実行されることにより、燃料サブタンク１２内の液量が適正範囲内に保持され、結果として、燃料循環路８上の液量が適正範囲に保持される。

液量管理制御では、まず、燃料サブタンク液量センサ１３の検出信号が参照される。燃料サブタンク液量センサ１３には、たとえば、燃料サブタンク１２内に備えられたフロートの上下量をポテンショメータによって抵抗値に変換して出力する構成のものが採用されている。燃料サブタンク液量センサ１３の検出信号に基づいて、燃料サブタンク１２内の液量（液面の位置）が検出される。そして、燃料サブタンク１２内の液量が所定の適正範囲内であるか否か、つまり所定の適正範囲下限値Ｐｍｉｎよりも大きく、かつ、所定の適正範囲上限値Ｐｍａｘよりも小さい範囲内であるか否かが判断される（ステップＳ１）。

アノード３からカソード４にクロスリークした水および液体燃料は、カソード４のエア流路を流通するエアとともにエア排出路２６に排出される。そのエア排出路２６への水および液体燃料の排出量、とくにエア排出路２６に蒸気で排出される水の排出量（排出蒸気量）は、エア排出路２６内のエア出口２２の近傍での圧力（エア背圧）が小さいほど多くなる。したがって、エア背圧を調整することにより、カソード４からエア排出路２６に排出される蒸気量を調整することができる。エア背圧は、エア背圧調整弁２８の制御によって調整が可能である。

そこで、燃料サブタンク１２内の液量が所定の適正範囲外である場合（ステップＳ１のＮＯ）、エア背圧調整弁２８が制御される（ステップＳ２）。

具体的には、燃料サブタンク１２内の液量が適正範囲下限値Ｐｍｉｎ以下である場合には、エア背圧調整弁２８の開度が通常の発電制御における開度よりも小さい所定の開度に変更される。これにより、エア背圧が上昇し、カソード４からエア排出路２６に排出される蒸気量が減少する。そして、発電反応に伴って、アノード３で水が生成され、その水が燃料循環路８に排出されることにより、燃料サブタンク１２内の液量が増加する。

一方、燃料サブタンク１２内の液量が適正範囲上限値Ｐｍａｘ以上である場合には、エア背圧調整弁２８の開度が通常の発電制御における開度よりも大きい所定の開度に変更される。これにより、エア背圧が低下し、カソード４からエア排出路２６に排出される蒸気量が増加する。その結果、アノード３からカソード４にクロスリークする水および液体燃料の量が増加し、燃料サブタンク１２内の液量が減少する。

その後、燃料サブタンク１２内の液量が所定の目標範囲内であるか否か、つまり所定の目標範囲下限値Ｔｍｉｎよりも大きく、かつ、所定の目標範囲上限値Ｔｍａｘよりも小さい範囲内であるか否かが判断される（ステップＳ３）。目標範囲は、適正範囲内に設定されている。すなわち、目標範囲下限値Ｔｍｉｎは、適正範囲下限値Ｐｍｉｎよりも大きく（Ｔｍｉｎ＞Ｐｍｉｎ）、目標範囲上限値Ｔｍａｘは、適正範囲上限値Ｐｍａｘよりも小さい（Ｔｍａｘ＞Ｐｍａｘ）。

燃料サブタンク１２内の液量が目標範囲内に収まるまでは（ステップＳ３のＮＯ）、エア背圧調整弁２８の制御が続けられる（ステップＳ２）。

燃料サブタンク１２内の液量が目標範囲内に収まると（ステップＳ３のＹＥＳ）、エア背圧調整弁２８の制御が終了され、エア背圧調整弁２８の開度が通常の発電制御における開度に戻されて、液量管理制御が終了される。

液量管理制御の開始時点で、燃料サブタンク１２内の液量が適正範囲内である場合には（ステップＳ１のＹＥＳ）、液量管理制御が直ちに終了される。

図４は、液体回収制御の流れを示すフローチャートである。図５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、気液分離タンク内の液量の変化を図解的に示す図である。

通常の発電制御が実行されている間、その発電制御と並行して、ＦＣ−ＥＣＵ４１により、図４に示される液体回収制御が実行される。この液体回収制御は、気液分離タンク２７に貯留された液体を再循環路２９を通して燃料循環路８に回収するための制御である。

図５Ａに示されるように、エア排出路２６から気液分離タンク２７に流入するエアに含まれる液体は、気液分離タンク２７内に設けられた多孔質金属体５１に捕獲されて、気液分離タンク２７内の底部に溜められる。気液分離タンク２７内の液量が一定値に達するまでは、液体の水面が気液分離タンク液量センサ３１のフロートの位置まで上昇しておらず、気液分離タンク液量センサ３１の検出信号がオフである。このとき、気液分離タンク弁３０は、閉じられている。

気液分離タンク２７内の液量が所定の回収しきい値以上になると、図５Ｂに示されるように、液体の水面が気液分離タンク液量センサ３１のフロートの位置まで上昇し、気液分離タンク液量センサ３１の検出信号がオンになる。

気液分離タンク液量センサ３１の検出信号がオンになると（ステップＳ１１のＹＥＳ）、エア背圧調整弁２８が制御されて、エア背圧調整弁２８の開度が通常の発電制御における開度よりも小さい所定の開度に変更される（ステップＳ１２）。このとき、気液分離タンク弁３０は、閉じられたままである。そのため、エア背圧調整弁２８の制御が開始されると、気液分離タンク２７内を含め、エア排出路２６におけるエア背圧調整弁２８よりもエアの流通方向の上流側の内圧が上昇する。

その後、エア出口圧力センサ３２によって検出される圧力、つまりエア排出路２６内のエア出口２２の近傍での圧力（エア背圧）が所定圧力以上に上昇したか否かが調べられる（ステップＳ１３）。

エア背圧が所定圧力以上に上昇するまで、気液分離タンク弁３０が閉じられたままでのエア背圧調整弁２８の制御が続けられる。

エア背圧が所定圧力以上に上昇すると（ステップＳ１３のＹＥＳ）、気液分離タンク弁３０が開かれる（ステップＳ１４）。これにより、図５Ｃに示されるように、エア背圧により、気液分離タンク２７内の液体が再循環路２９に押し出される。そして、その液体は、再循環路２９を通して、燃料循環路８に介装された気液分離器１７に流入する。

気液分離タンク弁３０が開かれてから所定時間が経過すると（ステップＳ１５のＹＥＳ）、気液分離タンク弁３０が閉じられる（ステップＳ１６）。

そして、エア背圧調整弁２８の制御が終了され（ステップＳ１７）、エア背圧調整弁２８の開度が通常の発電制御における開度に戻されて、液体回収制御が終了される。

また、気液分離タンク２７内の液量が回収しきい値に達していない場合であっても（ステップＳ１１のＮＯ）、気液分離タンク２７に貯留された液体を燃料循環路８に回収する動作（ステップＳ１２〜Ｓ１７）が前回実行されてから一定時間が経過した場合には（ステップＳ１８のＹＥＳ）、その気液分離タンク２７に貯留された液体を燃料循環路８に回収する動作が実行される（ステップＳ１２〜Ｓ１８）。これにより、たとえ気液分離タンク液量センサ３１が故障していても、一定時間間隔で気液分離タンク２７に貯留された液体を燃料循環路８に回収することができるので、気液分離タンク２７内に液体が溜まりすぎることを防止できる。

図６は、液量低減制御の流れを示すフローチャートである。

図３に示される液量管理制御が実行されても、燃料サブタンク１２内の液量が増え続けた場合に、燃料サブタンク１２内の液量を低減させるために、図６に示される液量低減制御がフェイルセーフ的に実行される。

燃料サブタンク液量センサ１３によって検出される燃料サブタンク１２内の液量が適正範囲上限値Ｐｍａｘ以上に上昇し、図３に示される液量管理制御が開始された後（ステップＳ２１）、燃料サブタンク１２内の液量が増え続けて、その液量が適正範囲上限値Ｐｍａｘよりも大きい一定値以上に増加すると（ステップＳ２２のＹＥＳ）、燃料電池２の温度を一時的に上昇させる温度制御が行われる（ステップＳ２３）。

この温度制御では、たとえば、ウォータポンプ３４およびラジエータファン３５が停止される。これにより、冷却水循環路３３における冷却水の循環が停止し、燃料電池２の冷却が停止される。その一方で、燃料電池２の発電が続けられることにより、燃料電池２の温度が上昇する。燃料電池２の温度が上昇すると、電解質膜５が熱膨張し、電解質膜５に形成されている孔が広がる。そのため、アノード３から電解質膜５を透過してカソード４にクロスリークする水および液体燃料の量が増加する。その結果、燃料循環路８上の液量が減少し、燃料サブタンク１２内の液量が減少する。

燃料サブタンク１２内の液量が一定値以下に低下すると（ステップＳ２４のＹＥＳ）、温度制御が終了されて（ウォータポンプ３４およびラジエータファン３５の駆動が再開されて）、液量低減制御が終了される。

以上のように、燃料電池２は、アノード３およびカソード４が電解質膜５を挟んで対向配置された構造を有している。アノード３には、燃料循環路８を循環する液体燃料が供給される。カソード４には、エアが供給される。これにより、燃料電池２では、発電反応が生じ、発電反応による起電力が発生する。

発電反応の生成物として、アノード３で水が生成される。この水および未反応の液体燃料の大部分は、アノード３から燃料循環路８に排出され、その一部は、アノード３から電解質膜５を透過してカソードにクロスリークする。そのため、カソード４からエア排出路２６に排出されるエアには、液体が含まれる。この液体を含むエアは、気液分離タンク２７に流入し、気液分離タンク２７において、そのエアから液体が分離される。

気液分離タンク２７は、再循環路２９を介して、燃料循環路８に接続されている。これにより、気液分離タンク２７で分離された液体を再循環路２９を通して燃料循環路８に戻すことができる。再循環路２９には、気液分離タンク弁３０が介装されている。また、エア排出路２６には、気液分離タンク２７よりもエアの流通方向の下流側に、エア排出路２６内の圧力を調整するエア背圧調整弁２８が介装されている。

気液分離タンク２７で分離された液体が燃料循環路８に戻される際には、気液分離タンク弁３０が開かれる前に、エア背圧調整弁２８が制御されて、エア背圧調整弁２８の開度が小さくされる。これにより、エア排出路２６内および気液分離タンク２７内の圧力が高まる。そして、その圧力の上昇後に、気液分離タンク弁３０が開かれる。気液分離タンク弁３０が開かれると、気液分離タンク２７内の圧力により、気液分離タンク２７内の液体が再循環路２９に送り出される。そのため、気液分離タンク２７内の液体を燃料循環路８に戻すために、ポンプなどを必要としない。

よって、コストアップを抑制しつつ、クロスリークした液体燃料および水を燃料循環路８に戻すことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、エア背圧の調整により、カソード４から排出される蒸気量を調整する場合を例にとった。しかしながら、カソード４から排出される蒸気量は、エア背圧だけでなく、燃料電池２の温度およびカソード４のエア流路に供給されるエアの流量によっても変化する。具体的には、燃料電池２の温度が高いほど、カソード４から排出される蒸気量が多くなる。また、カソード４のエア流路に供給されるエアの流量が多いほど、カソード４から排出される蒸気量が多くなる。

そこで、エア背圧調整弁２８の制御に加えて、燃料電池２を冷却するためのウォータポンプ３４およびラジエータファン３５が制御されて、燃料電池２の温度が調整されてもよい。また、エア背圧調整弁２８の制御に加えて、エアコンプレッサ２４が制御されて、カソード４のエア流路に供給されるエアの流量が調整されてもよい。さらには、エア背圧調整弁２８の制御に加えて、ウォータポンプ３４およびラジエータファン３５の制御とエアコンプレッサ２４の制御との両方が行われてもよい。これらにより、カソード４から排出される蒸気量をより細かく調整することができ、燃料循環路８上の液量を一層良好に管理することができる。

なお、エア背圧を変更しても、燃料電池システム１の全体としての発電出力は、ほぼ変動しない。エア背圧が上がると、燃料電池２における発電効率が上がる一方で、エアコンプレッサ２４の消費電力が増え、エア背圧が下がると、エアコンプレッサ２４の消費電力が減るが、燃料電池２における発電効率が下がるからである。よって、エア背圧の調整によるカソード４からの排出蒸気量の調整は、燃料電池システム１の発電出力への影響が小さい点で優れている。

また、燃料サブタンク１２内の液量を検出するために、ポテンショメータを含む燃料サブタンク液量センサ１３が備えられた構成を取り上げた。しかしながら、燃料サブタンク１２内を含む燃料循環路８上の液量は、たとえば、特開２０１１−２１６３４１号公報で提案されている手法によって算出されてもよい。

すなわち、その提案に係る手法では、燃料循環路８が外部から閉止された状態で、燃料電池２における発電が行われる。そして、一定時間に燃料電池２から発生した電流量が算出され、その電流量に基づいて、一定時間における液体燃料の消費量である燃料消費量、一定時間にアノード３で生成されるＮ_２ガスの量である生成窒素量、および一定時間にアノード３で生成される水の量である生成水量が算出される。これらに基づいて、一定時間の終了時における燃料循環路８（アノード３および気液分離器１７を含む。）内の空隙体積が算出され、燃料循環路８内の全容積からその算出された空隙体積が減算されることにより、燃料循環路８内の液量が算出される。

また、燃料電池２の温度を一時的に上昇させるための温度制御において、燃料電池２の発電が続けられながら、ウォータポンプ３４およびラジエータファン３５が停止されるとした。これに代わる制御として、燃料電池２の温度を一時的に上昇させるために、燃料電池２の発電が続けられながら、ウォータポンプ３４が停止されずに、三方弁３７が切り替えられて、燃料電池２の冷却水出口から排出される冷却水が分岐管３８を通されることにより、その冷却水がラジエータ３６を経由せずに燃料電池２に再度送り込まれてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１燃料電池システム
２燃料電池
３アノード
４カソード
５電解質膜
８燃料循環路
２３エア供給路（空気供給手段）
２４エアコンプレッサ（空気供給手段）
２６エア排出路（排出路）
２７気液分離タンク（気液分離器）
２８エア背圧調整弁（背圧調整弁）
２９再循環路
３０気液分離タンク弁（開閉弁）
４１ＦＣ−ＥＣＵ（弁制御手段）

Claims

電解質膜を挟んで対向配置されるアノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記アノードを経由して液体燃料が循環する燃料循環路と、
前記カソードに空気を供給する空気供給手段と、
前記カソードから気体を排出するための排出路と、
前記排出路内の圧力を調整するための背圧調整弁と、
前記排出路における前記背圧調整弁よりも気体の流通方向の上流側に介装され、前記カソードから排出される気体とその気体に含まれる液体とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された液体を前記燃料循環路に戻すための再循環路と、
前記再循環路に介装された開閉弁と、
前記背圧調整弁および前記開閉弁を制御して、前記開閉弁を閉じた状態で、前記背圧調整弁の開度を小さくして、前記気液分離器内の圧力が上昇した後、前記開閉弁を開く弁制御手段とを含む、燃料電池システム。