JP6378508B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、液体燃料と接触して発電する単位セルを複数有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
従来、液体燃料を使用する燃料電池システムとして、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムが知られている。
液体燃料形燃料電池は、水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待されている。
液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、通常、電解質膜、燃料側電極および酸素側電極が圧着されて得られる膜・電極接合体（ＭＥＡ）を有する単位セルが複数積層されることによって形成されている燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給手段と、燃料電池に空気を供給するための空気供給手段とを備えている。
このようなシステムでは、燃料電池の燃料側電極に液体燃料が供給されるとともに、燃料電池の酸素側電極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。
このような燃料電池システムとして、より具体的には、例えば、電解質層、電解質層の一方側に配置され、液体燃料が供給されるアノード、および、電解質層の他方側に配置され、空気が供給されるカソードを備える燃料電池と、アノードに液体燃料を供給する燃料給排部と、カソードに空気を供給する空気給排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）。
特開２０１３−１３４９８１号公報
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、さらなる発展が望まれている。
そこで、本発明の目的は、省スペース化および低コスト化を図りながら、効率良く大きな電力を発電することのできる燃料電池システムを提供することにある。
本発明の燃料電池システムは、電解質層、電解質層の一方側に配置され、空気が供給されるカソード、および、電解質層の他方側に配置され、液体燃料が供給されるアノードを有する燃料電池と、カソードに対して、空気を供給する空気供給経路と、水分を供給する供給部と、供給部から供給される水分を、燃料電池において発生する熱と熱交換可能な熱交換領域を通過するようにして、空気供給経路に流入させる第１水分供給経路とを備える。
このような燃料電池システムによれば、供給部から供給される水分は、熱交換領域を通過することにより、燃料電池の発熱を利用して高温とされ、第１水分供給経路を介して、空気供給経路に流入する。
そのため、空気供給経路を介してカソードに対して供給される空気に、応答性良く、高温の水分を含ませることができる。
その結果、空気に水分を含ませるための加湿器などの装置を別途設ける必要がなく、また、加湿器によって発生する水分の温度を上昇させる時間をかけることなく、短時間で空気供給経路を通過する空気に高温の水分を含ませることができる。
従って、省スペース化および低コスト化を図ることができながら、応答性良く大きな電力を発電することができる。
また、本発明の燃料電池システムによれば、供給部から供給される水分を、熱交換領域を通過しないように、空気供給経路に流入させる第２水分供給経路と、供給部から供給される水分の経路を、第１水分供給経路と、第２水分供給経路とに切り替える切替手段とを備えることが好適である。
このような燃料電池システムによれば、大きな電力を発電させるときには、供給部から供給される水分が、第１水分供給経路を介して、熱交換領域を通過するように切替手段を設定する。
また、供給部から供給される水分が、熱交換領域を通過しない第２水分供給経路を介して、空気供給経路に流入するように切替手段を設定することにより、高温の水分を供給し続けることによって発生する燃料電池の水分の溢れを抑制することができるので、燃料電池が劣化することを抑制しながら、発電することができる。
さらに、供給部から供給される水分が、熱交換領域を通過する第１水分供給経路、および、熱交換領域を通過しない第２水分供給経路の両方を通過するように切替手段を設定することにより、空気供給経路に流入させる水分の温度を適宜調整することができる。
その結果、効率良く発電することができる。
また、本発明の燃料電池システムによれば、アノードに対して、液体燃料を供給する燃料供給経路と、アノードから、未反応の液体燃料と水分とを含む排出液を排出する燃料排出経路と、排出液から水分を分離するための水分離手段とを備え、水分離手段は、供給部を兼ねている。
このような燃料電池システムによれば、水分を供給する供給部を別途設ける必要がなく、供給部を兼ねる水分離手段によって排出液から水分を分離させて、空気供給経路に流入させることができる。
そのため、排出液から水分を分離させることで、排出液の燃料成分の濃度を上げて、アノードに循環させることができながら、分離した水分をカソードに対して供給される空気に含ませることができる。
その結果、より一層の省スペース化および低コスト化を図ることができる。
本発明の燃料電池システムによれば、低コスト化を図りながら、応答性良く大きな電力を発電することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムに搭載される水分離装置を示す概略構成図である。 図３は、図２に示す膜ユニットの径方向に沿う概略断面図である。 図４は、本発明の第２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、水分供給部２３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、液体燃料が供給されるアノード９と、電解質層８の他方側に配置され、空気（酸素）が供給されるカソード１０とを有する単位セル２１（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として形成されている。なお、図１では、積層される複数の単位セル２１の内、電動車両１の前後方向途中に配置される単位セル２１だけを拡大して表わし、その他の単位セル２１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とを備えている。
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、アノード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）を接触させながら通過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１４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１５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とを備えている。
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ながら通過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、空気を空気供給路１８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、空気を空気供給路１８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２１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。
また、燃料電池３は、後述する電気化学反応が生じることで、熱を発生する。燃料電池３は、電気化学反応で発生する熱と熱交換可能な熱交換領域の一例としての熱交換部２２を備えている。
熱交換部２２は、複数の単位セル２１の積層方向に沿って延びる略角筒形状に形成されている。熱交換部２２は、単位セル２１からの熱が効率良く伝導されるように、積層された複数の単位セル２１に対して上側に隣接配置されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２４と、燃料タンク２４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の一例としての燃料供給ライン２５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の一例としての燃料排出ライン２６と、燃料排出ライン２６から燃料供給ライン２５へ排出液を輸送する還流ライン２８とを備えている。
なお、燃料供給ライン２５と燃料排出ライン２６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２６と還流ライン２８との間には、第１気液分離器２７（後述）が介在されている。
燃料タンク２４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２４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。
燃料供給ライン２５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２４に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給口１４）に接続されている。
また、燃料供給ライン２５の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ３０が介在されており、また、その下流側には、燃料供給弁３１が設けられている。
燃料供給ポンプ３０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３０は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ３０に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、燃料供給ポンプ３０の駆動および停止を制御する。
燃料供給弁３１は、燃料供給ライン２５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３１は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３１に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、燃料供給弁３１の開閉を制御する。
このような燃料供給ライン２５により、燃料タンク２４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２６は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料排出口１５）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、第１気液分離器２７に接続されている。
このような燃料排出ライン２６により、排出液が燃料電池３から排出され、第１気液分離器２７に輸送される。
第１気液分離器２７は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、第１気液分離器２７の内外を流通させる底部流通口３３が２つ形成されている。また、第１気液分離器２７の上部には、第１気液分離器２７の内外を流通させる上部流通口３４が１つ形成されている。
第１気液分離器２７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３３が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料排出ライン２６および還流ライン２８（後述）に接続されている。
上部流通口３４には、第１気液分離器２７で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管３６が接続されている。ガス排出管３６は、その上流側端部がシール材（ガスケット）を介して上部流通口３４に接続され、その下流側端部が大気に開放されている。また、ガス排出管３６の途中には、ガス排出弁３７が設けられている。
ガス排出弁３７は、ガス排出管３６を開放して第１気液分離器２７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３７は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号がガス排出弁３７に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、ガス排出弁３７の開閉を制御する。
還流ライン２８は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、第１気液分離器２７に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料供給ライン２５の流れ方向途中、詳しくは、燃料供給ポンプ３０および燃料供給弁３１よりも下流側の燃料供給ライン２５に接続されている。
また、還流ライン２８の流れ方向途中には、燃料還流ポンプ３８が介在されている。
燃料還流ポンプ３８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。燃料還流ポンプ３８は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、燃料還流ポンプ３８に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、燃料還流ポンプ３８の駆動および停止を制御する。
これにより、燃料排出ライン２６内を輸送される排出液が、第１気液分離器２７および還流ライン２８を介して、燃料供給ライン２５に輸送される。そして、燃料タンク２４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（具体的には、カソード１０空気供給路１８）に対して空気を供給する空気供給経路の一例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。
空気供給ライン４１は、その上流側端部が大気中に開放され、その下流側端部が空気供給口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、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気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７０（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７０（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７０（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。空気供給弁４４は、コントロールユニット７０（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７０（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７０（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、その上流側端部が空気排出口２０に接続され、下流側端部がドレンとされる。
（４）水分供給部
水分供給部２３は、燃料電池３において液体燃料の電気化学反応（後述）によって生じる水分を回収し、空気供給ライン４１に供給するために設備されている。
具体的には、水分供給部２３は、排出液から水分を分離するための水分離手段の一例としての水分離装置４７と、第１水分供給経路の一例としての第１水分供給ライン４８と、第２水分供給経路の一例としての第２水分供給ライン４９と、第２気液分離器５０とを備えている。
水分離装置４７は、第１気液分離器２７を介して還流ライン２８に流入する排出液から、排出液に含まれる水分を分離するための装置であって、還流ライン２８における燃料還流ポンプ３８よりも上流側に介在されている。
このような水分離装置４７は、図２に示されるように、膜ユニット５２と、減圧装置５３とを備えている。
膜ユニット５２は、図３に示されるように、ハニカムセラミック担体５４と、ハニカムセラミック担体５４に担持される水分離膜５５とを備えている。
ハニカムセラミック担体５４は、例えば、アルミナなどのセラミックからなる略円筒部材であって、その径方向内側には、略六角形の貫通孔（パス）５６が、複数形成されている。
各貫通孔（パス）５６は、ハニカムセラミック担体５４の軸線方向を貫通する流体通路として形成されており、その周壁面は、水分離膜５５により被覆されている。
水分離膜５５は、排出液中に含まれる未反応の液体燃料などを遮断する一方、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５５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。
そして、このような膜ユニット５２は、その長手方向が排出液の流れ方向に沿うように還流ライン２８に介在されている（図２参照）。これにより、膜ユニット５２の貫通孔５６（水分離膜５５により被覆された貫通孔５６）内に、排出液が通過可能とされ、水分離膜５５の厚み方向一方側（貫通孔５６の内側）に、排出液が接触可能とされている。また、水分離膜５５の厚み方向他方側（貫通孔５６の外側）には、ハニカムセラミック担体５４が接触される。
減圧装置５３は、膜ユニット５２の径方向外側を減圧するために設備されている。
具体的には、図２に示されるように、減圧装置５３は、例えば、膜ユニット５２を収容する収容部５７と、減圧ポンプ５８とを備えており、減圧ポンプ５８の駆動によって、収容部５７内、すなわち、水分離膜５５（膜ユニット５２）の周囲を減圧可能としている。減圧ポンプ５８としては、公知のポンプが用いられる。
そして、詳しくは後述するが、このような減圧装置５３によって膜ユニット５２の径方向外側を減圧することにより、排出液に含有される水分を水蒸気化して、膜ユニット５２の径方向内側から外側に（水分離膜５５の厚み方向一方側から他方側に）水蒸気を透過させ、膜ユニット５２内を通過する排出液から水分を分離することができる（浸透気化法）。つまり、水分離装置４７は、水分を供給する供給部の一例としての役割を兼ねている。
第１水分供給ライン４８は、図１に示すように、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、水分離装置４７（収容部５７）に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して空気供給ライン４１（空気供給弁４４の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の空気供給ライン４１）に接続されている。
また、第１水分供給ライン４８の流れ方向途中には、第１水分供給ポンプ６０が介在されており、また、その下流側には、第１水分供給弁６１が設けられている。さらに、第１水分供給ライン４８において、第１水分供給弁６１よりも下流側には、インジェクタ６２が設けられている。
第１水分供給ポンプ６０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水分供給ポンプ６０は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、第１水分供給ポンプ６０に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、第１水分供給ポンプ６０の駆動および停止を制御する。
第１水分供給弁６１は、第１水分供給ライン４８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、第１水分供給弁６１は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、第１水分供給弁６１に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、第１水分供給弁６１の開閉を制御する。
インジェクタ６２は、第１水分供給ライン４８内を通過する排出液から分離された水分を空気供給ライン４１（空気供給弁４４の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の空気供給ライン４１）内に向かって噴射する。また、インジェクタ６２は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、インジェクタ６２に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、インジェクタ６２の駆動および停止を制御する。
そして、第１水分供給弁６１とインジェクタ６２との間の第１水分供給ライン４８は、熱交換部２２に挿通されている。これにより、第１水分供給弁６１よりも下流側の第１水分供給ライン４８を通過する水分は、燃料電池３の熱と熱交換されることにより温められる。
第２水分供給ライン４９は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、第１水分供給ライン４８（水分離装置４７の下流側、かつ、第１水分供給ポンプ６０の上流側の第１水分供給ライン４８）に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して空気供給ライン４１（熱交換部２２の下流側、かつ、インジェクタ６２の上流側の空気供給ライン４１）に接続されている。つまり、第２水分供給ライン４９は、第１水分供給ライン４８から、熱交換部２２を通過しないように分岐されたバイパスラインである。
また、第２水分供給ライン４９の流れ方向途中には、第２水分供給ポンプ６４が介在されており、また、その下流側には、第２水分供給弁６５が設けられている。
第２水分供給ポンプ６４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２水分供給ポンプ６４は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、第２水分供給ポンプ６４に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、第２水分供給ポンプ６４の駆動および停止を制御する。
第２水分供給弁６５は、第２水分供給ライン４９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、第２水分供給弁６５は、コントロールユニット７０（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７０（後述）からの制御信号が、第２水分供給弁６５に入力され、コントロールユニット７０（後述）が、第２水分供給弁６５の開閉を制御する。
詳しくは後述するが、このような第１水分供給ライン４８および第２水分供給ライン４９により、水分離装置４７によって液体燃料（排出液）から分離された水分が、空気供給ライン４１（空気供給弁４４の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の空気供給ライン４１）へ供給される。
第２気液分離器５０は、空気供給ライン４１の途中（第１水分供給ライン４８の下流側、かつ、燃料電池３の上流側）に介在されている。第２気液分離器５０は、例えば、中空の容器からなり、その前側側面には、第２気液分離器５０の内外を流通させる流入口６７が形成され、その後側側面には、第２気液分離器５０の内外を流通させる流出口６８が形成されている。第２気液分離器５０は、流入口６７と流出口６８とが、それぞれ空気供給ライン４１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されることにより、空気供給ライン４１に介装されている。
（５）制御部
制御部６は、燃料電池システム２のコントロールユニット７０を備えている。
コントロールユニット７０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。
（６）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を電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ７１と、モータ７１に電気的に接続されるインバータ７２と、モータ７１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ７３と、ＤＣ/ＤＣコンバータ７４とを備えている。
モータ７１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７１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７２は、モータ７１と燃料電池３との間に配置されている。インバータ７２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７２は、配線により、燃料電池３およびモータ７１にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット７０と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。
動力用バッテリ７３としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ７３は、インバータ７２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７１に電力を供給可能とされている。
ＤＣ/ＤＣコンバータ７４は、動力用バッテリ７３と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ/ＤＣコンバータ７４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７３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７４は、コントロールユニット７０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７０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７４は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ７３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７２に電気的に接続されている。
これにより、ＤＣ/ＤＣコンバータ７４からモータ７１への電力は、インバータ７２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７１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において、コントロールユニット７０の制御により、燃料供給弁３１が開かれ、燃料供給ポンプ３０および燃料還流ポンプ３８が駆動されることにより、液体燃料が、燃料供給ライン２５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３１は、液体燃料が所定量供給されるように、コントロールユニット７０の制御により、適宜開閉される。
アノード９では、液体燃料が、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。
一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。
そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、アニオン交換型燃料電池であって、液体燃料の燃料成分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） ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−（アノード電極１１での反応）
（２） Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソード電極１６での反応）
（３） ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ （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（ＣＨ３ＯＨ）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（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ−）が発生する（上記式（１）参照）。
そして、上記と同様、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（Ｈ２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成する（上記式（２）参照）。
そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。
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。
また、例えば、アニオン交換型燃料電池であって、液体燃料の燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４） Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− （アノード電極１１での反応）
（５） Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソード電極１６での反応）
（６） Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ （燃料電池３全体での反応）
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ/ＤＣコンバータ７４に送電され、動力部７では、インバータ７２およびモータ７１、および／または、動力用バッテリ７３に送電される。そして、モータ７１では、インバータ７２により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ７３では、その電力が充電される。
また、燃料給排部４では、燃料供給路１３から排出される排出液が、燃料排出ライン２６を通過して、上流側の底部流通口３３から第１気液分離器２７に流入する。
第１気液分離器２７では、水位が、上部流通口３４よりも下方位置に保持される液体燃料の排出液溜まり７６が、第１気液分離器２７の中空部分に生じるとともに、排出液溜まり７６に含まれるガス（上記式（１）の反応により生成する二酸化炭素（ＣＯ２）や、上記式（４）の反応により生成する窒素（Ｎ２）など）の一部が排出液溜まり７６の上方空間へ分離される。
その一方で、排出液溜まり７６の一部が、下流側の底部流通口３３から、還流ライン２８に流出する。
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２８、燃料供給ライン２５、燃料排出ライン２６、第１気液分離器２７、および、燃料供給路１３）を循環する。なお、第１気液分離器２７で分離された気体は、ガス排出弁３７が開かれることにより、ガス排出管３６を介して外部へ排出される。
一方、空気給排部５では、カソード１０から排出される空気（反応に寄与した酸素を除く空気）が、空気排出ライン４２を介して、外部へ排出される。
３．排出液からの水分の分離、および、分離水の空気供給ラインへの供給
上記した燃料電池システム２において、カソード１０における上記した電気化学反応には、水（Ｈ２Ｏ）が必要である。また、燃料電池３から排出され、第１気液分離器２７に貯留される排出液の排出液溜まり７６は、未反応の液体燃料の他、水分を含んでいる。
そこで、この燃料電池システム２では、第１気液分離器２７に貯留される排出液の排出液溜まり７６に含まれる水分を、カソード１０における電気化学反応に利用している。
具体的には、第１気液分離器２７から排出される排出液（排出液溜まり７６の一部）は、還流ライン２８に流入され、水分離装置４７に供給される。
水分離装置４７では、図２に示されるように、排出液が、膜ユニット５２の貫通孔５６に供給されるとともに、その膜ユニット５２の外側（収容部５７内）が、減圧装置５３により減圧される。
このとき、図３に示されるように、各貫通孔５６の内面には、水分離膜５５が配置されている。また、厚み方向他方側（貫通孔５６外側）面には、ハニカムセラミック担体５４が接触されている。
そのため、排出液が貫通孔５６内を通過すると、水分離膜５５の厚み方向一方側（貫通孔５６内側）面には、排出液が接触される。また、膜ユニット５２の径方向外側（収容部５７内）が減圧装置５３により減圧されると、水分離膜５５の厚み方向他方側が減圧される。
減圧時における収容部５７内の圧力は、例えば、１０Ｔｏｒｒ以上、好ましくは、３０Ｔｏｒｒ以上であり、例えば、１００Ｔｏｒｒ以下、好ましくは、５０Ｔｏｒｒ以下である。
そして、上記のように膜ユニット５２の外側（収容部５７）が減圧装置５３により減圧されることによって、排出液に含有される水分が水蒸気化され、その水蒸気が、膜ユニット５２の径方向内側から外側に透過される（図３矢印参照）。
より具体的には、減圧装置５３により膜ユニット５２の外側（収容部５７）が減圧されると、膜ユニット５２の径方向内側における貫通孔５６では、その貫通孔５６内を流通する排出液から、水が水蒸気として分離され、水分離膜５５およびハニカムセラミック担体５４、さらに、隣接する貫通孔５６の水分離膜５５を順次通過して、より径方向外側に隣接する貫通孔５６内に移動する。
そして、膜ユニット５２の最も径方向外側における貫通孔５６では、その内側を流通する排出液から、水が水蒸気として分離され、径方向内側の貫通孔５６から導入する水蒸気とともに、水分離膜５５およびハニカムセラミック担体５４を順次通過して、膜ユニット５２の外側に移動する。
これにより、膜ユニット５２の内側から外側に水分が移動し、排出液から水分が水蒸気として分離される（浸透気化法）。
このようにして水分が分離された排出液は、図１に示すように、還流ライン２８および燃料供給ライン２５を介して、再び燃料電池３に供給される。
一方、分離された水分（分離水とする）は、第１水分供給ライン４８に供給される。
ここで、上記した燃料電池システム２の発電において、一時的に大きな電力が必要になるとき、例えば、電動車両１の起動時（暖気運転時）や加速時などには、コントロールユニット７０の制御により、第２水分供給弁６５が閉鎖され、第１水分供給弁６１が開放される。
そして、第２水分供給ポンプ６４が停止され、第１水分供給ポンプ６０が駆動されることによって、分離水は、その全量が第１水分供給ライン４８内を通過し、燃料電池３の熱交換部２２によって加熱され、高温とされる。
次いで、高温になった分離水は、インジェクタ６２により、空気供給ライン４１内に噴射され、空気供給ライン４１を通過する空気中の水蒸気量を増加させる。
そして、高温の水蒸気を多く含み空気供給ライン４１を通過する空気は、流入口６７から第２気液分離器５０に流入する。
そうすると、第２気液分離器５０において、高温の水蒸気を含む空気と、空気に含み切れなかった水とに分離され、空気に含み切れなかった水は第２気液分離器５０内部に貯留され、高温の水蒸気を含む空気は、流出口６８を介して、第２気液分離器５０よりも下流側の空気供給ライン４１に流入される。
これにより、燃料電池３（具体的には、カソード１０）に供給される空気に高温の水蒸気が含まれるので、燃料電池３の発電効率が上昇する。
また、上記した燃料電池システム２の発電において、電動車両１の通常運転時には、コントロールユニット７０の制御により、第１水分供給弁６１が閉鎖され、第２水分供給弁６５が開放される。
そして、第１水分供給ポンプ６０が停止され、第２水分供給ポンプ６４が駆動されることによって、分離水は、熱交換部２２を通過しないように、第１水分供給ライン４８の途中で分岐され、第２水分供給ライン４９に送られる。
こうして、加熱されていない分離水が、インジェクタ６２により、空気供給ライン４１内に噴射され、空気供給ライン４１を通過する空気中の水蒸気量を増加させる。
なお、このとき、コントロールユニット７０によって、第１水分供給弁６１が適宜開閉され、第１水分供給ポンプ６０が適宜駆動されることにより、熱交換部２２を通過する分離水の量と、熱交換部２２を通過しない分離水の量とが調節される。
そして、熱交換部２２を通過する分離水と、熱交換部２２を通過しない分離水とは、熱交換部２２よりも下流側の第１水分供給ライン４８において、混合され、適温に調整されて、空気供給ライン４１内に蒸気として噴射される。
これにより、適温に調整された水蒸気を含む空気が、上記したように、第２気液分離器５０に流入され、燃料電池３（具体的には、カソード１０）に供給される。
こうして、適温に調整された水分（水蒸気）を含んだ空気が燃料電池３（カソード１０）に供給され、燃料電池３が安定して電力を発電する。
つまり、コントロールユニット７０によって制御される第１水分供給弁６１、および、第２水分供給弁６５が、切替手段の一例として構成されている。
４．作用効果
このような燃料電池システム２によれば、図１に示すように、水分離装置４７によって排出液（排出液溜まり７６の一部）から分離された分離水は、第１水分供給ライン４８に流入され、熱交換部２２を通過することにより、燃料電池３の発熱を利用して高温とされ、インジェクタ６２によって蒸気として空気供給ライン４１に噴射される。
そのため、空気供給ライン４１を介してカソード１０に対して供給される空気に、応答性良く、高温の水分を含ませることができる。
その結果、空気に水分を含ませるための加湿器などの装置を別途設ける必要がなく、また、加湿器によって発生する水分の温度を上昇させる時間をかけることなく、短時間で空気供給ライン４１を通過する空気に高温の水分を含ませることができる。
従って、省スペース化および低コスト化を図ることができながら、応答性良く大きな電力を発電することができる。
また、このような燃料電池システム２によれば、図１に示すように、大きな電力を発電させるときには、コントロールユニット７０の制御により、第２水分供給弁６５を閉鎖し、第１水分供給弁６１を開放する。
そして、第２水分供給ポンプ６４を停止し、第１水分供給ポンプ６０を駆動させることによって、水分離装置４７によって分離された分離水の全量が、第１水分供給ライン４８を介して、熱交換部２２を通過するように設定する。
これにより、必要時に、高温の分離水を空気供給ライン４１内に蒸気として噴射でき、応答性良く大きな電力を発電することができる。
また、水分離装置４７によって分離された分離水が、熱交換部２２を通過しない第２水分供給ライン４９を介して、空気供給ライン４１に流入するように、コントロールユニット７０の制御により、第１水分供給弁６１を閉鎖し、第２水分供給弁６５を開放する。
そして、第１水分供給弁６１を停止し、第２水分供給弁６５を駆動させることによって、加熱されていない分離水を、空気供給ライン４１内に蒸気として噴射する。
これによって、高温の水分を供給し続けることによって発生する燃料電池３の水分の溢れを抑制することができるので、燃料電池３が劣化することを抑制しながら、発電することができる。
さらに、水分離装置４７によって分離された分離水が、熱交換部２２を通過する第１水分供給ライン４８、および、熱交換部２２を通過しない第２水分供給ライン４９の両方を通過するように、コントロールユニット７０の制御により、第１水分供給弁６１および第２水分供給弁６５の開閉を適宜設定することができる。
その結果、空気供給ライン４１に噴射させる分離水の温度を適宜調整することができ、効率良く発電することができる。
また、このような燃料電池システム２によれば、図１に示すように、空気供給ライン４１に供給するための水分を貯留する部材（タンクなど）を別途設ける必要がなく、水分離装置４７によって、排出液から水分を分離させて、空気供給ライン４１に流入させることができる。
そのため、排出液から水分を分離させることで、排出液の燃料成分の濃度を上げて、アノード９に循環させることができながら、分離水をカソード１０に対して供給される空気に含ませることができる。
その結果、より一層の省スペース化および低コスト化を図ることができる。
また、このような燃料電池システム２によれば、図１に示すように、分離水が熱交換部２２を通過するように設定することにより、分離水を加熱して高温にすることができるとともに、発熱し高温となる燃料電池３を冷却することができる。
そのため、燃料電池３を冷却させるための装置や、スタックとして構成される単位セル２１に冷却通路を別途設ける必要がないので、より一層の省スペース化および低コスト化を図ることができる。
５．第２実施形態
上記した第１実施形態では、水分供給部２３は、水分離装置４７を備えているのに対し、第２実施形態では、図４に示すように、水分供給部２３は、水分離装置４７を備えておらず、供給部の一例としての水タンク８０を備えている。
水タンク８０は、例えば、中空の容器からなり、その内部には水が貯蔵されている。水タンク８０は、燃料電池３よりも後方、かつ、電動車両１の上下方向上方に配置されている。
第１水分供給ライン４８は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、水タンク８０に接続されている。
そして、水タンク８０内の水は、第１水分供給弁６１と第２水分供給弁６５とが適宜開閉され、第１水分供給ポンプ６０と第２水分供給ポンプ６４とが適宜駆動されることにより、熱交換部２２を通過する水の量と、熱交換部２２を通過しない水の量とが調節される。これにより、所定の温度に調整された水が、蒸気として空気供給ライン４１内に供給される。
このような第２実施形態においても上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
６．変形例
上記した第１実施形態および第２実施形態では、第１水分供給ライン４８から、熱交換部２２を通過しないように分岐されたバイパスラインである第２水分供給ライン４９が設けられているが、例えば、第２水分供給ライン４９を設けず、第１水分供給ライン４８のみを通過して、空気供給ライン４１に分離水を供給することもできる。
また、上記した実施形態では、高温の水蒸気を含む空気と、空気に含み切れなかった水とに分離する第２気液分離器５０が設けられているが、例えば、第２気液分離器５０を設けず、インジェクタ６２による分離水の噴射量を調整することで、空気供給ライン４１を通過する空気中の水蒸気量を調整することもできる。
このような変形例においても、上記した第１実施形態および第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
８ 電解質層
９ アノード
１０ カソード
２２ 熱交換部
２５ 燃料供給ライン
２６ 燃料排出ライン
４１ 空気供給ライン
４７ 水分離装置
４８ 第１水分供給ライン
４９ 第２水分供給ライン
６１ 第１水分供給弁
６５ 第２水分供給弁
７０ コントロールユニット
８０ 水タンク

Claims (2)

  1. 電解質層、前記電解質層の一方側に配置され、空気が供給されるカソード、および、前記電解質層の他方側に配置され、液体燃料が供給されるアノードを有する燃料電池と、
    前記カソードに対して、空気を供給する空気供給経路と、
    水分を供給する供給部と、
    前記供給部から供給される水分を、前記燃料電池において発生する熱と熱交換可能な熱交換領域を通過するようにして、前記空気供給経路に流入させる第１水分供給経路と、
    前記供給部から供給される水分を、前記熱交換領域を通過しないように、前記空気供給経路に流入させる第２水分供給経路と、
    前記供給部から供給される水分の経路を、前記第１水分供給経路と、前記第２水分供給経路とに切り替える切替手段と、
    前記切替手段を制御する制御部とを備え
    起動時または加速時には、前記制御部の制御によって、前記供給部から供給される水分の経路を前記第１水分供給経路に切り替えることを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 通常運転時には、前記制御部の制御によって、適温に調整された水蒸気を含む空気が前記燃料電池に供給されるように、前記供給部から供給される水分の経路を前記第１水分供給経路または前記第２水分供給経路に切り替え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。
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