(57)【要約】【課題】  アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制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】  アニオン成分が移動可能な電解質層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、酸素が供給されるカソード１０とを有する燃料電池３を備える燃料電池システム２において、アノード９内の液体燃料に含まれる水量が所定量以上となったときに、コントロールユニット６の制御により、アノード９とカソード１０との間に差圧を発生させる。【選択図】図１
2010129304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記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と、前記電解質層の他方側に配置され、酸素が供給されるカソードとを有するアニオン交換型燃料電池と、
前記アノード内の液体燃料に含まれる水の量を検知するための水量検知手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させるための差圧発生手段と、
前記水量検知手段の検知に基づいて、前記差圧発生手段を動作させるための制御手段とを備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードから排出される液体燃料を、前記アノードに還流させるための還流路と、
前記還流路に介在され、液体燃料に含まれるガスを分離するための気液分離部とを備え、
前記差圧発生手段が、前記気液分離部に設けられ、前記気液分離部内のガスを排出するためのガス排出弁であり、
前記制御手段は、前記ガス排出弁を閉めることにより、前記気液分離部内のガス圧力を高めて、前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体燃料が供給される燃料電池として、例えば、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）、直接ジメチルエーテル形燃料電池（ＤＤＦＣ：Direct Dimethyl ether Fuel Cell）などが知られている。
【０００３】
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。
【０００４】
液体燃料形燃料電池を備えるシステムとして、例えば、液体燃料を貯蔵するためのタンクと、液体燃料が供給される燃料電池と、タンクに貯蔵された液体燃料を吸入して燃料電池に供給可能なポンプと、タンクから燃料電池に液体燃料を供給するための第１流路と、燃料電池から排出された使用後の廃液をタンク内に戻すための第２流路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）。
【０００５】
このような燃料電池システムでは、ポンプの駆動により燃料電池のアノードに液体燃料が供給され、また、燃料電池のカソードに空気が供給される。そして、燃料電池がアニオン成分を移動可能な電解質層を有するアニオン交換型燃料電池であり、液体燃料がメタノールである場合、燃料電池では、下記式（１）および（２）で示される電気化学反応が生じ、起電力が発生する。
【０００６】
（１）ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  （アノードでの反応）
（２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−                 （カソードでの反応）
【特許文献１】特開２００５−２０３２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかるに、上記の燃料電池システムでは、アノード側に水が生成するので、燃料電池の運転の経過にしたがってメタノールの濃度が低下する。その結果、メタノールを効率よく使用できず、燃料電池の運転効率が低下するという不具合がある。
【０００８】
この不具合に対する方策として、排水タンクを別途設け、アノードに生成する水を排水タンクに排出することが考えられる。しかし、排水タンクの設置により、システム全体が大型化・複雑化するという別の不具合を生じる。また、燃料タンクを、メタノールを貯蔵するための燃料貯蔵部と、生成水を貯蔵するための排水貯蔵部に区画し、生成水を排水貯蔵部に排出することが検討される。しかし、排水貯蔵部が満水になるたびに燃料タンクを交換しなければならず、非常に手間である。
【０００９】
その一方で、燃料電池が高負荷で連続的に運転されると、カソード側におけるセルの含水量が低下（乾燥）する、いわゆるドライアップが発生するという不具合もある。
【００１０】
本発明の目的は、アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アニオン成分が移動可能な電解質層と、前記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と、前記電解質層の他方側に配置され、酸素が供給されるカソードとを有するアニオン交換型燃料電池と、前記アノード内の液体燃料に含まれる水の量を検知するための水量検知手段と、前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させるための差圧発生手段と、前記水量検知手段の検知に基づいて、前記差圧発生手段を動作させるための制御手段とを備えることを特徴としている。
【００１２】
この構成によれば、アノード内の液体燃料に含まれる水の量が所定量以上であることが水量検知手段により検知されると、差圧発生手段の動作により、アノードとカソードとの間に差圧が発生する。この差圧により、アノード側からカソード側へと向かう圧力の流れを発生させることができる。そのため、アノードで生成する水をカソードに移動させ、アノード側の水を低減させることができるとともに、カソード側の水を増加させることができる。このように、排水タンクなどの設備を別途設けることなく、アノードとカソードとの間の差圧制御により、アノード側の水を低減することができるとともに、カソード側の水を増加させることができる。その結果、アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記アノードから排出される液体燃料を、前記アノードに還流させるための還流路と、前記還流路に介在され、液体燃料に含まれるガスを分離するための気液分離部とを備え、前記差圧発生手段が、前記気液分離部に設けられ、前記気液分離部内のガスを排出するためのガス排出弁であり、前記制御手段は、前記ガス排出弁を閉めることにより、前記気液分離部内のガス圧力を高めて、前記アノードと前記カソードとの間に差圧を発生させることが好適である。
【００１４】
この構成では、還流路が備えられているため、液体燃料は、アノードおよび還流路によりクローズされた系内を循環する。そして、還流路に介在された気液分離部内のガスを排出するためのガス排出弁が閉められることにより、気液分離部内のガス圧力が高められる。気液分離部内のガス圧力が高められることにより、クローズ系内の圧力を高めることができるので、アノードとカソードとの間に差圧を発生させることができる。すなわち、ガス排出弁の開閉制御という簡単な制御により、アノードとカソードとの間に差圧を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、排水タンクなどの設備を別途設けることなく、アノードとカソードとの間の差圧制御により、アノード側の水を低減することができるとともに、カソード側の水を増加させることができる。その結果、アノード側の液体燃料の濃度低下およびカソード側のドライアップを、簡易に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
１．燃料電池システムの全体構成
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。
【００１７】
電動車両１は、燃料電池を動力源とする車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００１８】
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、制御手段としてのコントロールユニット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される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。
【００１９】
燃料電池３に供給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（水加ヒドラジン、無水ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。
【００２０】
また、燃料電池３の出力電圧Ｖｆｃは、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流Ｉｆｃは、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、後述する単位セル１つあたりの出力である。
【００２１】
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とを有する燃料電池セル（単位セル）が、絶縁材料からなるセパレータ（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が複数積層されている。なお、図１では、複数の単位セルのうち１つだけを燃料電池３として表し、その他の単位セルについては省略している。
【００２２】
電解質層８は、アニオン成分が移動可能な層であり、例えば、アニオン交換膜を用いて形成されている。
【００２３】
アニオン交換膜としては、アニオン成分（例えば、水酸化物イオン（ＯＨ−）など）が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
多孔質担体としては、例えば、カーボンなどの撥水性担体が挙げられる。
【００２７】
触媒としては、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶＩＩＩ）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。
【００２８】
アノード電極１１は、例えば、上記電極材料の電極インクを調製し、公知の方法（例えば、スプレー法、ダイコーター法など）により電極インクを電解質層８の一方面に塗布し、所定の温度で乾燥させることにより、薄膜状の電極膜として電解質層８の一方面に接合される。
【００２９】
燃料供給部材１２は、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。
【００３０】
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。
【００３１】
カソード１０は、カソード電極１６と、カソード電極１６に空気を供給するための空気供給部材１７とを有している。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
カソード電極１６は、例えば、アノード電極１１と同様の方法により、薄膜状の電極膜として電解質層８の他方面に接合される。これにより、電解質層８、アノード電極１１およびカソード電極１６は、電解質層８の一方面に薄膜状のアノード電極１１が接合され、電解質層８の他方面に薄膜状のカソード電極１６が接合されてなる膜・電極接合体を形成している。
【００３５】
空気供給部材１７は、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。
【００３６】
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が一端側に形成され、空気をカソード１０から排出するための空気排出口２０が他端側に形成されている。
（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２１と、燃料タンク２１から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、アノード９から排出される液体燃料をアノード９に還流するための還流路としての還流管２２とを備えている。
【００３７】
燃料タンク２１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２１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。
【００３８】
還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料排出口１４に接続されている。シール材を介して接続されることにより、還流管２２は、燃料排出口１４および燃料供給口１５それぞれに対して密嵌されている。これにより、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１４および燃料供給口１５）が、燃料電池３の外部に設けられた還流管２２を介して密閉状態で連通する。したがって、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１４（上流側）から排出される液体燃料が、還流管２２を介して燃料供給口１５（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１４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。
【００３９】
還流管２２の途中には、気液分離部としての気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その底部には、気液分離器２３の内外を流通させる１対の底部流通口２４が形成されている。
【００４０】
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。上部流通口２５および１対の底部流通口２４は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００４１】
気液分離器２３は、燃料電池３よりも後ろ上方において、１対の底部流通口２４が還流管２２に接続されることにより、還流管２２に介装されている。
【００４２】
１対の底部流通口２４と還流管２２とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。これにより、１対の底部流通口２４それぞれに対して還流管２２が密嵌され、一方（上流側）の底部流通口２４に密嵌された上流側の還流管２２と、他方の（下流側）の底部流通口２４に密嵌された下流側の還流管２２とが気液分離器２３の中空部分を介して連通している。すなわち、気液分離器２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００４３】
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。これにより、ガス排出管２６は、上部流通口２５に対して密嵌されている。また、ガス排出管２６の途中には、差圧発生手段としてのガス排出弁２７が設けられている。
【００４４】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６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。ガス排出弁２７は、コントロールユニット６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６からの制御信号がガス排出弁２７に入力可能とされる。
【００４５】
還流管２２において気液分離器２３の下流側であってアノード９の上流側（つまり、下流側の還流管２２）の途中には、燃料供給ポンプ２９が介在されている。
【００４６】
燃料供給ポンプ２９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２９は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、燃料供給ポンプ２９に入力可能とされる。
【００４７】
還流管２２において気液分離器２３と燃料供給ポンプ２９との間（つまり、下流側の還流管２２における燃料供給ポンプ２９の上流側）には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を還流管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。燃料供給管３０の途中には、燃料供給弁３１が設けられている。なお、燃料供給管３０と燃料タンク２１とは、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００４８】
燃料供給弁３１は、燃料供給管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３１は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、燃料供給弁３１に入力可能とされる。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気をカソード１０に供給するための空気供給管３２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管３３とを備えている。
【００４９】
空気供給管３２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。空気供給管３２の途中には、空気供給ポンプ３４が介在されている。
【００５０】
空気供給ポンプ３４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３４は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、空気供給ポンプ３４に入力可能とされる。
【００５１】
空気供給管３２において空気供給ポンプ３４の下流側には、空気供給弁３５が設けられている。
【００５２】
空気供給弁３５は、空気供給管３２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３５は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、空気供給弁３５に入力可能とされる。
【００５３】
空気排出管３３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）コントロールユニット
コントロールユニット６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で構成されている。水量検知手段としてのコントロールユニット６のＲＯＭには、後述する電流計４１からの入力信号（電流計４１での測定値）と、燃料電池３の発電により液体燃料中に生成する水の量との関係が示される制御マップが記憶されている。
【００５４】
制御マップには、例えば、燃料電池３による１０〜４００Ａの発電により、アノード９には、毎分０．０１〜３ｃｃの水が生成すると記録されている。また、コントロールユニット６には、タイマ３６が内蔵されている。
（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３７と、電動車両１の電装機器に電力を供給するためのバッテリ３８とを備えている。
【００５５】
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。
【００５６】
バッテリ３８としては、例えば、鉛蓄電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、バッテリ３８からの電力供給対象としては、例えば、ヘッドライト、カーオーディオ、エアコンディショナーなど、車両に搭載される電装機器として一般的なものが挙げられる。
【００５７】
また、動力部７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３９は、これに接続される複数の機器に対して入力電力を振り分けるスイッチング機能を有するとともに、入力電圧を降圧する降圧機能を有している。
【００５８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３９の正極側入力端子には、カソード１０に接続された正極配線４０が接続されている。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９の負極側入力端子には、アノード９に接続された負極配線４２が接続されている。
【００５９】
正極配線４０および負極配線４２からなる１対の配線には、電流計４１が直列に接続されている。電流計４１は、コントロールユニット６に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、燃料電池３からＤＣ／ＤＣコンバータ３９に流れる電流値が測定され、その電気信号がコントロールユニット６に入力可能とされる。
【００６０】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９は、コントロールユニット６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６からの制御信号が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９に入力可能とされる。
【００６１】
なお、図示を省略するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９には、上記した電装機器が、バッテリ３８を介さずに直接接続されていてもよい。
【００６２】
そして、モータ３７およびバッテリ３８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９に対して並列に電気接続されている。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９のスイッチング機能により、燃料電池３で発生した起電力をモータ３７もしくはバッテリ３８に、またはモータ３７およびバッテリ３８に同時に供給することができる。
【００６３】
モータ３７とＤＣ／ＤＣコンバータ３９との間には、インバータ４３が直列に接続されている。インバータ４３としては、直流電力を交流電力に変換可能な機器であれば、特に限定されず、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。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９からモータ３７への電力は、インバータ４３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、燃料供給弁３１が開かれ、燃料供給ポンプ２９が駆動されることにより、液体燃料が還流管２２を介してアノード９に供給される。一方、空気供給弁３５が開かれ、空気供給ポンプ３４が駆動されることにより、空気が空気供給管３２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た後に閉じられる。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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）。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
そして、動力部７では、発生した起電力が、正極配線４０および負極配線４２を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３９に送電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３９のスイッチング動作により、モータ３７および／またはバッテリ３８に送電される。そして、モータ３７では、インバータ４３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、バッテリ３８では、受電された電力が充電される。
【００７２】
また、燃料給排部４では、燃料供給ポンプ２９の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料が、上流側の還流管２２に流入し、上流側の還流管２２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、液位が上部流通口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり４４が、気液分離器２３の中空部分に生じるとともに、液溜まり４４に含まれるガス（気体）が液溜まり４４の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり４４の一部が、下流側の底部流通口２４から下流側の還流管２２に流出する。下流側の還流管２２に流出する液体燃料は、下流側の還流管２２を通過して、再び燃料供給路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（還流管２２、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。
【００７３】
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。
【００７４】
（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）
上記のような発電では、アノード電極１１に水が生成するので、燃料電池３の運転の経過にしたがってアノード９を循環する液体燃料の濃度が低下する場合がある。
【００７５】
燃料電池システム２は、この濃度低下を抑制するための制御モードとして、アノード９とカソード１０との間に差圧を発生させる差圧発生モードを有している。
３．差圧発生モードによる制御処理
図２は、図１のコントロールユニット６において実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。
【００７６】
コントロールユニット６に対して所定の指示信号（例えば、イグニッションオン信号など）が入力されると、燃料電池３に対して始動指令信号が入力される。これにより、燃料電池３の運転が開始される。
【００７７】
運転開始後、例えば、まず、燃料電池３の運転状態が定常運転であるか否かが判別される。定常運転とは、電流計４１により測定される電流値が、所定時間安定する運転状態のことであり、例えば、１０〜３０秒間、１０〜１００Ａで安定する運転状態のことである。なお、電流値の安定時間は、コントロールユニット６のタイマ３６により測定される。
【００７８】
燃料電池３の運転状態が定常運転に達すると、つまり、電流計４１の測定値およびタイマ３６の測定時間に基づき、定常運転であることがコントロールユニット６により判断されると、この判断時を基準にして、タイマ３６が作動する。
【００７９】
定常運転中、タイマ３６の測定時間がコントロールユニット６に常時処理され、コントロールユニット６では、その処理信号および記憶された制御マップにより、アノード９に生成する水の総量が算出（検知）される。
【００８０】
そして、アノード９での水の増加量（アノード電極１１で生成した水の量）が総量でＱｃｃ（例えば、１００〜１０００ｃｃ）を超えると（ステップＳ１のＹＥＳ）、差圧発生モードが開始される（ステップＳ２）。
【００８１】
差圧発生モードでは、例えば、まず、燃料電池３の出力電流Ｉｆｃが差圧発生モードにおける目標電流値Ｉｏ（例えば、１００〜４００Ａ）よりも大きいか否かが判断され、出力電流Ｉｆｃが目標電流値Ｉｏ以下の場合（ステップＳ３のＮｏ）、出力電流Ｉｆｃを目標電流値Ｉｏよりも大きくするための電流指令値Ｉｒｅｆ信号が燃料電池３に対して入力される（ステップＳ４）。
【００８２】
出力電流Ｉｆｃが目標電流値Ｉｏを超えると（ステップＳ３のＹＥＳ）、ガス排出弁２７の閉開時間が算出される（ステップＳ５）。
【００８３】
差圧発生モードにおけるガス排出弁２７の閉開は、閉弁および開弁がこの順に実行され、各実行時間は、閉弁時間Ｔｃｌが、例えば、０．１〜３６００秒であり、開弁時間Ｔｏｐが、例えば、０．１〜１０秒である。
【００８４】
閉開時間の算出後、ガス排出弁２７が閉じられる（ステップＳ６）。これにより、気液分離器２３から外部に連通するガス排出管２６が遮断されるので、クローズドライン（還流管２２、気液分離器２３および燃料供給路１３）が密閉状態となり、気液分離器２３内のガス圧力が高められる。
【００８５】
ガス排出弁２７の閉弁後、その閉弁時間がタイマ３６により測定され、Ｔｃｌ経過すると（ステップＳ７のＹＥＳ）、ガス排出弁２７が開かれる（ステップＳ８）。これにより、一時的に高められた気液分離器２３内のガス圧力が開放され、アノード９側の圧力とカソード１０側の圧力とがほぼ同じ大きさとなる。
【００８６】
ガス排出弁２７の開弁後、その開弁時間がタイマ３６により測定され、Ｔｏｐ経過すると（ステップＳ９のＹＥＳ）、再びガス排出弁２７が閉じられる（ステップＳ１０）。
【００８７】
その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中継続される。
４．作用効果
以上のように、燃料電池システム２によれば、タイマ３６の測定時間および制御マップの記録情報により、アノード電極１１に生成する水の量が所定量Ｑｃｃ（例えば、１００〜１０００ｃｃ）を超えたことがコントロールユニット６により検知されると、差圧発生モードが実行される。
【００８８】
差圧発生モードでは、目標電流値Ｉｏを超える範囲に燃料電池３の出力電流Ｉｆｃを維持した状態で、ガス排出弁２７がＴｃｌ（例えば、０．１〜３６００秒）間閉じられる。これにより、気液分離器２３内のガス圧力が高められる。クローズドライン（還流管２２、気液分離器２３および燃料供給路１３）の一部を構成する気液分離器２３内のガス圧力が高められることにより、密閉状態のクローズドラインの系内の圧力を高めることができる。これにより、アノード９側の圧力がカソード１０側の圧力よりも大きくなるので、アノード９とカソード１０との間に差圧が発生させることができる。
【００８９】
この差圧により、アノード９側からカソード１０側へと向かう圧力の流れを発生させることができる。そのため、アノード電極１１で生成する水を、電解質層８を介してカソード電極１６へ移動させることができる。したがって、アノード９を循環する液体燃料に含まれる水を低減させることができるとともに、カソード電極１６に含まれる水分を増加させることができる。
【００９０】
このように、排水タンクなどの設備を別途設けることなく、アノード９とカソード１０との間の差圧制御により、アノード９を循環する液体燃料に含まれる水を低減させることができるとともに、カソード電極１６に含まれる水分を増加させることができる。その結果、アノード９を循環する液体燃料の濃度低下およびカソード電極１６のドライアップを、簡易に抑制することができる。
【００９１】
さらに、燃料電池システム２では、アノード９とカソード１０との差圧制御が、ガス排出弁２７の閉開制御により実行されるので、制御の複雑化を抑制することもできる。
【００９２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
【００９３】
例えば、アノード９に生成する水量は、還流管２２に水量計を設けることにより検出することもできる。
【００９４】
また、アノード９とカソード１０との間の差圧は、空気供給弁３５を開閉制御してカソード１０側の圧力を下げることによっても発生させることができる。
【００９５】
さらに、本発明の燃料電池システムの用途としては、上記実施形態に示した電動車両の他、鉄道、船舶、航空機などが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】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。
【図２】図１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理の流れを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９７】
２    燃料電池システム
３    燃料電池
６    コントロールユニット
８    電解質層
９    アノード
１０  カソード
２２  還流管
２３  気液分離器
２７  ガス排出弁
【図１】
2010129304.tif 000003
【図２】
2010129304.tif 000004