(57)【要約】【課題】液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１１の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、エア排出管９１内の圧力が上げられることにより、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が減らされて、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が減らされる。これにより、潜熱による燃料電池１１の冷却量が減少する。その結果、燃料電池１１の温度が上昇する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜／電極接合体を備える燃料電池と、
前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、
前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
前記燃料電池の温度上昇の要／不要を判断する昇温判断手段と、
前記昇温判断手段によって温度上昇要と判断されているときに、前記昇温判断手段によって温度上昇不要と判断されているときよりも、前記空気排出路を流通する空気の流量を減少させる流量減少手段とを含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料循環路を循環する液体の量である循環液量を検出する循環液量検出手段と、
前記燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、
前記循環液量検出手段によって検出される循環液量が所定量を超えている場合、前記濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達するまで、前記燃料タンクから前記燃料循環路への液体燃料の補給を抑制する燃料補給抑制手段とをさらに含む、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、燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。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。
【０００４】
アノードでは、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）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、固体高分子膜を透過して、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２１６３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池の温度が一定温度以上になるまでは、燃料電池の発電性能が著しく低い。そこで、たとえば、液体燃料を加熱するヒータが設けられて、燃料電池システムの起動時に、そのヒータの出力が上げられたり、燃料電池に液体燃料が過剰に供給されて、発電反応による発熱量が上げられたりする。これにより、燃料電池の温度を一定温度まで速やかに上昇させることができる。
【０００７】
しかしながら、必要以上の液体燃料が無駄に消費される。
【０００８】
本発明の目的は、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、膜／電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池に供給される液体燃料を含む液体が循環する燃料循環路と、前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、前記燃料電池の温度上昇の要／不要を判断する昇温判断手段と、前記昇温判断手段によって温度上昇要と判断されているときに、前記昇温判断手段によって温度上昇不要と判断されているときよりも、前記空気排出路を流通する空気の流量を減少させる流量減少手段とを含む。
【００１０】
この構成によれば、燃料電池は、膜／電極接合体を備えている。膜／電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせた構成である。燃料電池に液体燃料および空気が供給されると、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。
【００１１】
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、アノードから排出され、その一部は、アノードから固体高分子膜を透過してカソードにクロスリークする。そのため、燃料電池から空気排出路に排出される空気には、液体燃料および水の蒸気が含まれる。
【００１２】
燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量は、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量（空気排出路を流通する空気の流量）によって変化する。すなわち、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が大きいほど、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が増加する。逆に、空気排出路に排出される空気の流量が小さいほど、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が少なくなる。そして、燃料電池からの蒸気の排出量が少ないほど、燃料電池で液体燃料および水が蒸気に相変化するときに吸収する潜熱量が小さく、その潜熱による燃料電池の冷却量が減少する。
【００１３】
燃料電池の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、空気排出路を流通する空気の流量が減らされる。これにより、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が減少し、潜熱による燃料電池の冷却量が減少する。その結果、燃料電池の温度が上昇する。
【００１４】
よって、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。
【００１５】
燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量は、空気排出路内の圧力（背圧）または燃料電池に供給される空気の流量によって変化する。すなわち、空気排出路内の圧力が高いほど、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が減少する。また、燃料電池に供給される空気の流量が小さいほど、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量が減少する。したがって、空気排出路内の圧力を上げるか、および／または、燃料電池に供給される空気の流量を下げることにより、燃料電池から空気排出路に排出される空気の流量を減少させて、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量を減少させることができ、ひいては、潜熱による燃料電池の冷却量を減少させることができる。
【００１６】
燃料電池システムには、燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料タンクと、燃料循環路を循環する液体の量である循環液量を検出する循環液量検出手段と、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、循環燃料検出手段によって検出される循環燃料量が所定量を超えている場合、濃度検出手段によって検出される濃度が所定濃度に達するまで、燃料タンクから前記燃料循環路への液体燃料の補給を抑制する燃料補給抑制手段とがさらに含まれていることが好ましい。
【００１７】
すなわち、燃料電池から空気排出路への蒸気の排出量が減少すると、燃料電池でクロスリークする液体燃料および水の量が減少し、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。そのため、燃料循環路を循環する液体の量が所定量を超えると、その液体中の液体燃料の濃度が所定濃度に達することを限度として、燃料タンクから燃料循環路への液体燃料の補給が抑制されることが好ましい。
【００１８】
これにより、燃料循環路を循環する液体の量を適正に保つことができる。また、燃料循環路を循環する液体の温度の低下が抑制されるので、燃料電池のさらなる昇温効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。その結果、燃料電池システムの起動時などに、燃料電池の発電性能を速やかに上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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】図２は、昇温制御の内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
［配管構成］
【００２３】
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。
【００２４】
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（ＦＣ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。
【００２５】
＜燃料電池＞
【００２６】
燃料電池システム１は、燃料電池１１を備えている。
【００２７】
燃料電池１１は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。
【００２８】
膜／電極接合体は、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。
【００２９】
セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。膜／電極接合体のアノードに対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口１２および燃料出口１３に接続されている。膜／電極接合体のカソードに対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口１４およびエア出口１５に接続されている。また、各セル間では、一方のセルのセパレータに形成された凹溝と他方のセルのセパレータに形成された凹溝とが重なり合い、それらの凹溝が冷却水流路を形成している。冷却水流路の一端および他端は、それぞれ冷却水入口１６および冷却水出口１７に接続されている。
【００３０】
＜燃料系＞
【００３１】
燃料電池システム１は、第１燃料タンク２１、第２燃料タンク２２、燃料サブタンク２３および気液分離器２４を備えている。
【００３２】
第１燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温の水加ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４・Ｈ２Ｏ）が貯留されている。第１燃料タンク２１には、第１燃料補給管３１の一端が接続されている。第１燃料補給管３１の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第１燃料補給管３１の途中部には、第１燃料供給ポンプ３２およびチェックバルブ３３が第１燃料タンク２１側からこの順に介装されている。
【００３３】
第２燃料タンク２２には、電解液として、たとえば、常温の水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）が貯留されている。第２燃料タンク２２には、第２燃料補給管３４の一端が接続されている。第２燃料補給管３４の他端は、燃料サブタンク２３に接続されている。第２燃料補給管３４の途中部には、第２燃料供給ポンプ３５およびチェックバルブ３６が第２燃料タンク２２側からこの順に介装されている。
【００３４】
燃料サブタンク２３内は、燃料サブタンク２３内の底面に立設された仕切壁４１により、Ａ室４２およびＢ室４３に分けられている。仕切壁４１の上端と燃料サブタンク２３内の天面との間には、間隔が生じており、Ａ室４２とＢ室４３とは、それらの上部で互いに連通している。Ａ室４２およびＢ室４３には、電解液に混合された液体燃料、たとえば、水酸化カリウム水溶液に混合された水加ヒドラジンが貯留される。
【００３５】
燃料サブタンク２３には、Ａ室４２から液体燃料を送出するための第１送出管５１の一端と、Ｂ室４３から液体燃料を送出するための第２送出管５２の一端とが接続されている。第１送出管５１および第２送出管５２の各他端は、サブタンク三方弁５３の２つの入口ポートに接続されている。サブタンク三方弁５３の出口ポートには、燃料供給管５４の一端が接続されている。燃料供給管５４の他端は、燃料電池１１の燃料入口１２に接続されている。燃料供給管５４の途中部には、燃料循環ポンプ５５およびＦＣ入口燃料遮断弁５６がサブタンク三方弁５３側からこの順に介装されている。
【００３６】
燃料電池１１の燃料出口１３には、燃料排出管６１の一端が接続されている。燃料排出管６１の他端は、気液分離器２４に接続されている。燃料排出管６１の途中部には、ＦＣ出口燃料遮断弁６２が介装されている。
【００３７】
気液分離器２４の底部には、燃料帰還管７１の一端が接続されている。燃料帰還管７１の他端は、燃料サブタンク２３のＡ室４２に接続されている。燃料帰還管７１の途中部には、ストレーナ７２が介装されている。また、気液分離器２４の上部には、パージ管７３の一端が接続されている。パージ管７３の途中部には、パージ電磁弁７４が介装されている。
【００３８】
＜空気系＞
【００３９】
燃料電池システム１は、エアコンプレッサ８１および気液分離器８２を備えている。
【００４０】
エアコンプレッサ８１の吸込口には、吸気管８３の一端が接続されている。吸気管８３の他端は、エアクリーナ８４に接続されている。エアコンプレッサ８１の吐出口には、エア供給管８５の一端が接続されている。エア供給管８５の他端は、燃料電池１１のエア入口１４に接続されている。エア供給管８５の途中部には、インタクーラ８６およびＦＣ入口エア遮断弁８７がエアコンプレッサ８１側からこの順に介装されている。
【００４１】
燃料電池１１のエア出口１５には、エア排出管９１の一端が接続されている。エア排出管９１の他端は、気液分離器８２に接続されている。
【００４２】
気液分離器８２の底部には、回収管１０１の一端が接続されている。回収管１０１の他端は、気液分離器２４に接続されている。回収管１０１の途中部には、環流電磁弁１０２およびフィルタ１０３が気液分離器８２側からこの順に介装されている。気液分離器８２の上部には、パージ管１０４の一端が接続されている。パージ管１０４の途中部には、エア背圧調整弁１０５が介装されている。
【００４３】
＜冷却系＞
【００４４】
燃料電池システム１は、燃料電池１１の冷却のために、冷却水供給管１１１、冷却水排出管１１２およびラジエータ１１３を備えている。
【００４５】
冷却水供給管１１１の一端は、ラジエータ１１３に接続されている。冷却水供給管１１１の他端は、燃料電池１１の冷却水入口１６に接続されている。冷却水供給管１１１の途中部には、三方流量弁１１４およびウォータポンプ１１５がラジエータ１１３側からこの順に介装されている。
【００４６】
冷却水排出管１１２の一端は、燃料電池１１の冷却水出口１７に接続されている。冷却水排出管１１２の他端は、ラジエータ１１３に接続されている。冷却水排出管１１２の途中部には、分岐管１１６が分岐して接続されている。分岐管１１６の先端は、三方流量弁１１４に接続されている。
【００４７】
［電気的構成］
【００４８】
＜センサ＞
【００４９】
第１燃料タンク２１には、第１液量センサ１４１が設けられている。第１液量センサ１４１は、たとえば、ボールフロート式のレベルスイッチからなる。第１燃料タンク２１内の水加ヒドラジンの液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、第１液量センサ１４１がオフになる。
【００５０】
第２燃料タンク２２には、第２液量センサ１５１が設けられている。第２液量センサ１５１は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。第２燃料タンク２２内の水酸化カリウム水溶液の液面が所定のエンプティ位置以下に低下すると、第２液量センサ１５１がオフになる。
【００５１】
燃料サブタンク２３には、Ａ室液量センサ１６１およびＢ室液量ゲージ１６２が設けられている。Ａ室液量センサ１６１は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。Ａ室液量センサ１６１は、燃料サブタンク２３のＡ室４２内の液体の液面が所定のエンプティ位置よりも高いときにオンになる。Ｂ室液量ゲージ１６２は、３個のフロートガイドパイプ式のレベルスイッチ１６３，１６４，１６５を組み合わせて構成されている。レベルスイッチ１６３〜１６５は、互いに高さが異なる位置に配置されている。最上位置のレベルスイッチ１６３は、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の第１上限位置よりも高いときにオンになる。最下位置のレベルスイッチ１６５は、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の下限位置よりも高いときにオンになる。中位置のレベルスイッチ１６４は、Ｂ室４３内の液体の液面が第１上限位置よりも低く、下限位置よりも高い第２上限位置よりも高いときにオンになる。
【００５２】
また、燃料サブタンク２３には、燃料サブタンク２３内の液体の温度を検出する燃料温度センサ１６６が設けられている。
【００５３】
気液分離器２４には、気液分離器２４内の圧力を検出する気液分離器圧力センサ１７１が設けられている。
【００５４】
燃料供給管５４におけるサブタンク三方弁５３と燃料循環ポンプ５５との間には、濃度検出用分岐管１８１が分岐して接続されている。濃度検出用分岐管１８１の先端は、燃料サブタンク２３のＡ室４２に接続されている。濃度検出用分岐管１８１の途中部には、燃料濃度センサポンプ１８２が介装されている。そして、濃度検出用分岐管１８１には、燃料濃度センサポンプ１８２と燃料サブタンク２３との間に、濃度検出用分岐管１８１を流通する液体中の液体燃料の濃度を検出する燃料濃度センサ１８３と、濃度検出用分岐管１８１を流通する液体燃料の温度を検出する濃度補正用温度センサ１８４とが設けられている。
【００５５】
燃料供給管５４には、燃料循環ポンプ５５とＦＣ入口燃料遮断弁５６との間に、燃料供給管５４内の圧力を検出するＦＣ入口燃料圧力センサ１９１が設けられている。また、燃料供給管５４には、ＦＣ入口燃料遮断弁５６と燃料電池１１の燃料入口１２との間に、燃料供給管５４から燃料入口１２に流入する液体の温度を検出するＦＣ入口燃料温度センサ１９２とが設けられている。
【００５６】
燃料排出管６１には、燃料電池１１の燃料出口１３とＦＣ出口燃料遮断弁６２との間に、燃料排出管６１内の圧力を検出するＦＣ出口燃料圧力センサ２０１と、燃料出口１３から燃料排出管６１に流出した液体の温度を検出するＦＣ出口燃料温度センサ２０２とが設けられている。
【００５７】
気液分離器８２には、気液分離器液量センサ２１１が設けられている。気液分離器液量センサ２１１は、たとえば、フロートガイドパイプ式のレベルスイッチからなる。気液分離器８２内の液体の液面が所定の上限位置よりも上昇すると、気液分離器液量センサ２１１がオンになる。
【００５８】
また、気液分離器８２には、気液分離器８２内の圧力を検出するＦＣ出口エア圧力センサ２１２と、気液分離器８２内の液体の温度を検出する気液分離器温度センサ２１３とが設けられている。
【００５９】
吸気管８３には、吸気管８３を流通するエアの温度を検出する第１エア温度センサ２２１と、吸気管８３を流通するエアの流量を検出するエア流量計２２２とが設けられている。
【００６０】
エア供給管８５には、エアコンプレッサ８１とインタクーラ８６との間に、エア供給管８５を流通するエアの温度を検出する第２エア温度センサ２３１が設けられている。
【００６１】
冷却水供給管１１１には、冷却水供給管１１１を流通する冷却水の温度を検出するＦＣ入口水温センサ２４１が設けられている。
【００６２】
冷却水排出管１１２には、冷却水排出管１１２を流通する冷却水の温度を検出するＦＣ出口水温センサ２５１が設けられている。
【００６３】
＜制御系＞
【００６４】
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）３０１を備えている。
【００６５】
ＦＣ−ＥＣＵ３０１には、各種センサが電気的に接続されている。すなわち、ＦＣ−ＥＣＵ３０１には、第１液量センサ１４１、第２液量センサ１５１、Ａ室液量センサ１６１、Ｂ室液量ゲージ１６２（レベルスイッチ１６３〜１６５）、燃料温度センサ１６６、気液分離器圧力センサ１７１、燃料濃度センサ１８３、濃度補正用温度センサ１８４、ＦＣ入口燃料圧力センサ１９１、ＦＣ入口燃料温度センサ１９２、ＦＣ出口燃料圧力センサ２０１、ＦＣ出口燃料温度センサ２０２、気液分離器液量センサ２１１、ＦＣ出口エア圧力センサ２１２、気液分離器温度センサ２１３、第１エア温度センサ２２１、エア流量計２２２、第２エア温度センサ２３１、ＦＣ入口水温センサ２４１およびＦＣ出口水温センサ２５１が接続されている。
【００６６】
ＦＣ−ＥＣＵ３０１は、メモリに格納されたプログラムに従い、各種センサから入力される信号に基づいて、第１燃料供給ポンプ３２、第２燃料供給ポンプ３５、燃料循環ポンプ５５、エアコンプレッサ８１、ラジエータ１１３およびウォータポンプ１１５の駆動を制御し、ＦＣ入口燃料遮断弁５６、ＦＣ出口燃料遮断弁６２、パージ電磁弁７４および環流電磁弁１０２の開閉を制御し、サブタンク三方弁５３の各入口ポートの開閉を制御し、エア背圧調整弁１０５の開度および三方流量弁１１４の各出口ポートの開度を制御する。
【００６７】
［動作］
【００６８】
＜燃料の流通＞
【００６９】
燃料電池１１による発電のために、サブタンク三方弁５３の２つの入口ポートの一方が選択的に開かれる。また、ＦＣ入口燃料遮断弁５６およびＦＣ出口燃料遮断弁６２が開かれる。そして、燃料循環ポンプ５５が駆動される。これにより、燃料サブタンク２３に貯留されている液体が第１送出管５１または第２送出管５２を通して燃料供給管５４に吸い出され、その液体が燃料供給管５４を燃料電池１１の燃料入口１２に向けて流通する。燃料供給管５４を流通する液体は、燃料入口１２を通して、燃料電池１１に供給される。
【００７０】
燃料電池１１に供給される液体は、燃料流路を流通し、燃料出口１３を通して、燃料排出管６１に流出する。
【００７１】
燃料排出管６１に流出した液体は、燃料排出管６１を流通して、気液分離器２４に流入する。気液分離器２４では、燃料排出管６１から流入する液体からその液体に含まれる気体（たとえば、発電時に生成されるＮ２ガス）が分離される。
【００７２】
脱気された液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管７１に流出する。燃料帰還管７１に流出した液体は、燃料帰還管７１を流通し、その途中でストレーナ７２を通過する。液体がストレーナ７２を通過することにより、液体から異物（固形物）が除去される。その後、燃料帰還管７１を流通する液体は、燃料帰還管７１から燃料サブタンク２３のＡ室４２に戻る。このようにして、液体は、燃料サブタンク２３、第１送出管５１、第２送出管５２、燃料供給管５４、燃料電池１１の燃料流路、燃料排出管６１、気液分離器２４および燃料帰還管７１を含む燃料循環路を循環する。
【００７３】
通常、パージ電磁弁７４は、開かれている。気液分離器２４内で液体から分離された気体は、気液分離器２４からパージ管７３に流出し、パージ管７３を排気処理器１２１に向けて流通する。そして、パージ管７３を流通する気体は、排気処理器１２１を経由して、大気に放出される。
【００７４】
＜エアの流通＞
【００７５】
また、燃料電池１１による発電のために、ＦＣ入口エア遮断弁８７およびエア背圧調整弁１０５が開かれる。そして、エアコンプレッサ８１が駆動される。エアコンプレッサ８１が駆動されると、エア（大気）がエアクリーナ８４を通して吸気管８３に取り込まれる。吸気管８３に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ８１で圧縮されて、エアコンプレッサ８１からエア供給管８５に送り出される。エアコンプレッサ８１での圧縮に伴って温度が上昇したエアは、エア供給管８５を流通する途中で、インタクーラ８６によって冷却される。そして、冷却後のエアは、燃料電池１１のエア入口１４を通して、燃料電池１１に供給される。
【００７６】
燃料電池１１に供給されるエアは、エア流路を流通し、エア出口１５を通して、エア排出管９１に流出する。
【００７７】
燃料電池システム１では、水および液体燃料が膜／電極接合体のアノードから固体高分子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が発生する。そのため、エア排出管９１に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料および水の蒸気が含まれる。
【００７８】
エア排出管９１に流出したエアは、エア排出管９１を流通して、気液分離器８２に流入する。気液分離器８２では、エア排出管９１から流入するエアとそのエアに含まれる液体燃料などの液体とが分離される。
【００７９】
液体が除去されたエアは、気液分離器８２からパージ管１０４に流出し、パージ管１０４を排気処理器１２１に向けて流通する。そして、パージ管１０４を流通するエアは、排気処理器１２１を経由して、大気に放出される。
【００８０】
一方、エアから分離した液体は、気液分離器８２内の下部（底部）に集まる。環流電磁弁１０２が閉じられている間、その液体は、気液分離器８２内の下部に溜められる。気液分離器８２内に溜められた液体は、エア背圧調整弁１０５の開度が小さくされて、気液分離器８２内の圧力が通常よりも高められた状態で、環流電磁弁１０２が開かれることにより、回収管１０１を通して、気液分離器２４に送られる（回収される）。液体が回収管１０１を流通する途中でフィルタ１０３を通過することにより、液体から異物が除去される。気液分離器２４に流入した液体は、気液分離器２４内の下部（底部）に集まり、気液分離器２４から燃料帰還管７１に流出し、燃料帰還管７１を流通して、燃料帰還管７１から燃料サブタンク２３のＡ室４２に戻る。
【００８１】
＜発電反応＞
【００８２】
燃料電池１１の燃料流路を液体燃料を含む液体が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池１１において、発電反応（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。
【００８３】
具体的には、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）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、燃料流路から燃料出口１３を通して燃料排出管６１に流出する。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、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。
【００８４】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
【００８５】
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００８６】
この結果、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。
【００８７】
＜液体燃料の補給＞
【００８８】
燃料電池システム１の稼働中に、燃料サブタンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、第１燃料供給ポンプ３２および／または第２燃料供給ポンプ３５が駆動される。
【００８９】
第１燃料供給ポンプ３２が駆動されると、第１燃料タンク２１から第１燃料補給管３１に液体燃料（水加ヒドラジン）が汲み出される。そして、第１燃料補給管３１内のチェックバルブ３３よりも上流側の部分の圧力が所定圧以上になると、チェックバルブ３３が自動的に開き、液体燃料が第１燃料補給管３１を通して燃料サブタンク２３に供給される。
【００９０】
第２燃料供給ポンプ３５が駆動されると、第２燃料タンク２２から第２燃料補給管３４に電解液（水酸化カリウム水溶液）が汲み出される。そして、第２燃料補給管３４内のチェックバルブ３６よりも上流側の部分の圧力が所定圧以上になると、チェックバルブ３６が自動的に開き、電解液が第２燃料補給管３４を通して燃料サブタンク２３に供給される。
【００９１】
＜燃料電池の冷却＞
【００９２】
冷却水供給管１１１および冷却水排出管１１２内には、冷却水が封入されている。
【００９３】
燃料電池１１の発電時には、ウォータポンプ１１５が駆動される。ウォータポンプ１１５が駆動されると、冷却水が冷却水供給管１１１を燃料電池１１の冷却水入口１６に向けて流通する。冷却水供給管１１１を流通する冷却水は、冷却水入口１６を通して、燃料電池１１に供給される。
【００９４】
燃料電池１１に供給される冷却水は、冷却水流路を流通し、冷却水出口１７を通して、冷却水排出管１１２に流出する。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池１１が冷却される。
【００９５】
冷却水排出管１１２に流出した冷却水は、冷却水排出管１１２をラジエータ１１３に向けて流通する。三方流量弁１１４に設けられた分岐管１１６の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管１１２を流通する冷却水は、ラジエータ１１３を通過して、冷却水供給管１１１に戻る。ラジエータ１１３を通過する冷却水は、走行風および／またはラジエータファン１１３Ｆからの送風によって冷却される。一方、分岐管１１６の接続ポートが閉じられているときには、冷却水排出管１１２を流通する冷却水は、ラジエータ１１３をバイパスして、冷却水供給管１１１に戻る。
【００９６】
［燃料電池の昇温制御］
【００９７】
図２は、昇温制御の内容を示すフローチャートである。
【００９８】
燃料電池１１の発電時には、ＦＣ−ＥＣＵ３０１により、図２に示される昇温制御が繰り返し実行される。
【００９９】
昇温制御では、まず、燃料電池１１を昇温させる必要があるか否かが判断される（ステップＳ１）。具体的には、ＦＣ入口燃料温度センサ１９２によって検出される液体の温度、つまり燃料供給管５４から燃料入口１２に流入する液体の温度が予め定められた所定温度（たとえば、６０℃）以下であるか否かが判断される。そして、ＦＣ入口燃料温度センサ１９２によって検出される温度が所定温度以下であれば、燃料電池１１を昇温させる必要があると判断される。一方、ＦＣ入口燃料温度センサ１９２によって検出される温度が所定温度未満であれば、燃料電池１１を昇温させる必要がないと判断される。
【０１００】
燃料電池１１を昇温させる必要がないときには（ステップＳ１のＮＯ）、この昇温制御がリターンされる。
【０１０１】
燃料電池１１を昇温させる必要があるときには（ステップＳ１のＹＥＳ）、燃料循環路を循環している液体の量が予め定められた適正範囲の上限値よりも少ないか否かが判断される（ステップＳ２）。
【０１０２】
燃料電池システム１では、たとえば、通常は、サブタンク三方弁５３における第１送出管５１と接続された入口ポートが閉じられ、第２送出管５２と接続された入口ポートが開かれて、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体が燃料電池１１に向けて送出される。そして、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値であるときには、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の第２上限位置に位置し、レベルスイッチ１６４がオンになる。したがって、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値よりも少ないか否かは、レベルスイッチ１６４がオフであるか否かによって判断することができる。
【０１０３】
燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値よりも少ないときには（ステップＳ２のＹＥＳ）、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量を減少させるべく（ステップＳ３）、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ小さくされる。
【０１０４】
エア排出管９１内の圧力が高いほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が減少し、これに伴って、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が減少する。したがって、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ小さくされることにより、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が減少する。
【０１０５】
その後は、燃料電池１１の昇温の要否が再び判断される（ステップＳ１）。燃料電池１１の昇温が依然として必要であるときには（ステップＳ１のＹＥＳ）、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値よりも少ないか否かが再び判断される（ステップＳ２）。
【０１０６】
ここで、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値以上である場合、つまりレベルスイッチ１６４がオンになっている場合には（ステップＳ２のＮＯ）、燃料濃度センサ１８３によって検出される液体燃料の濃度が予め定められた濃度下限値よりも高いか否かが判断される（ステップＳ４）。
【０１０７】
液体燃料の濃度が濃度下限値よりも高い場合には（ステップＳ４のＹＥＳ）、１回の補給動作で第１燃料タンク２１および第２燃料タンク２２から燃料サブタンク２３に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされる（ステップＳ５）。
【０１０８】
燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値以上であり、かつ、その液体中の液体燃料の濃度が濃度下限値に低下するまでは、液体燃料の濃度が適正範囲の下限値以下に低下しても、１回の補給動作で燃料サブタンク２３に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされる（ステップＳ５）。そして、昇温制御が繰り返されるうちに、液体燃料の濃度が濃度下限値に達すると（ステップＳ４のＮＯ）、昇温制御がリターンされる。
【０１０９】
［作用効果］
【０１１０】
以上のように、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される空気には、液体燃料および水の蒸気が含まれる。
【０１１１】
燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量は、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される空気の流量（エア排出管９１を流通する空気の流量）によって変化する。すなわち、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される空気の流量が大きいほど、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が増加する。逆に、エア排出管９１に排出される空気の流量が小さいほど、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が少なくなる。そして、燃料電池１１からの蒸気の排出量が少ないほど、燃料電池１１で液体燃料および水が蒸気に相変化するときに吸収する潜熱量が小さく、その潜熱による燃料電池１１の冷却量が減少する。
【０１１２】
燃料電池１１の昇温が必要なときには、昇温が不要なときよりも、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される蒸気量が減らされる。これにより、潜熱による燃料電池１１の冷却量が減少する。その結果、燃料電池１１の温度が上昇する。
【０１１３】
よって、液体燃料を無駄に消費することなく、燃料電池１１の温度を速やかに上昇させることができる。
【０１１４】
燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量は、エア排出管９１の圧力（背圧）によって変化する。すなわち、エア排出管９１内の圧力が高いほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量が減少する。したがって、エア排出管９１内の圧力を上げることにより、燃料電池１１からエア排出管９１に排出されるエアの流量を減少させて、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量を減少させることができる。
【０１１５】
燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量が減少すると、燃料電池１１でクロスリークする液体燃料および水の量が減少し、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。そのため、燃料サブタンク２３のＢ室４３内の液体の液面が所定の第２上限位置に位置し、レベルスイッチ１６４がオンになると、燃料循環路を循環している液体の量が適正範囲の上限値に達したと判断され、その液体中の液体燃料の濃度が濃度下限値に低下することを限度として、１回の補給動作で第１燃料タンク２１および第２燃料タンク２２から燃料サブタンク２３に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされる。
【０１１６】
これにより、燃料循環路を循環する液体の量を適正に保つことができる。また、燃料循環路に供給される常温の水加ヒドラジンおよび水酸化カリウムの量が減らされるので、燃料循環路を循環する液体の温度の低下が抑制され、燃料電池１１のさらなる昇温効果を得ることができる。
【０１１７】
［変形例］
【０１１８】
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。
【０１１９】
たとえば、燃料電池１１に供給される空気の流量が小さいほど、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される空気の流量が減少する。したがって、燃料電池１１からエア排出管９１に排出される空気の流量を減少させて、燃料電池１１からエア排出管９１への蒸気の排出量を減少させるために、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ小さくされることに代えて、エアコンプレッサ８１からエア供給管８５に送り出されるエアの流量が所定量だけ減らされてもよいし、エア背圧調整弁１０５の開度が所定量だけ小さくされるとともに、エアコンプレッサ８１からエア供給管８５に送り出されるエアの流量が所定量だけ減らされてもよい。
【０１２０】
また、燃料循環路を循環する液体の量を減らすために、液体燃料の濃度が濃度下限値よりも高い場合には、１回の補給動作で第１燃料タンク２１および第２燃料タンク２２から燃料サブタンク２３に供給される水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の量が減らされるとしたが、第１燃料タンク２１および第２燃料タンク２２から燃料サブタンク２３への水加ヒドラジンおよび水酸化カリウム水溶液の供給が禁止（停止）されてもよい。
【０１２１】
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。
【符号の説明】
【０１２２】
１      燃料電池システム
１１    燃料電池
２１    第１燃料タンク（燃料タンク）
２２    第２燃料タンク（燃料タンク）
２３    燃料サブタンク（燃料循環路）
２４    気液分離器（燃料循環路）
５１    第１送出管（燃料循環路）
５２    第２送出管（燃料循環路）
５４    燃料供給管（燃料循環路）
６１    燃料排出管（燃料循環路）
７１    燃料帰還管（燃料循環路）
８１    エアコンプレッサ（流量減少手段）
９１    エア排出管（空気排出路）
１０５  エア背圧調整弁（流量減少手段）
１６４  レベルスイッチ（循環液量検出手段）
１８３  燃料濃度センサ（濃度検出手段）
３０１  ＦＣ−ＥＣＵ（昇温判断手段、流量減少手段、燃料補給抑制手段）
【図１】
2014049338.tif 000003
【図２】
2014049338.tif 000004