(57)【要約】【課題】クロスリークした液体が燃料循環路に還流されたときに、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下することを防止できる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２からエア排出管４６に排出されるエアには、クロスリークした液体が含まれる。この液体は、気液分離器４２でエアから分離され、還流制御により、還流管４７、気液分離器２４および燃料帰還管３２を通して、気液分離器４２から燃料循環路（循環燃料タンク２３）に還流される。還流制御が実行されるときには、その還流される液体の液量Ｖｒおよび濃度Ｃｒが取得される。そして、還流制御によって還流される液体中の液体燃料の濃度Ｃｒを適切な目標濃度Ｃに上昇させるのに必要な液体燃料の量である還流調整量Ｖｓが算出される。その後、還流制御のタイミングに応じて、還流調整量Ｖｓの液体燃料が液体燃料タンク２１から燃料循環路に補給される。【選択図】図１
2014120437.tif 000002
【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エアが流通するエア排出路と、
前記エア排出路を流通するエアとそのエア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還流させる還流手段と、
前記還流手段によって還流される液体の液量を取得する液量取得手段と、
前記還流手段によって還流される液体中の液体燃料の濃度を取得する濃度取得手段と、
前記燃料循環路に液体燃料を補給する液体燃料補給手段と、
前記液量取得手段によって取得された液量および前記濃度取得手段によって取得された濃度に基づいて、前記還流手段によって還流される液体中の液体燃料の濃度を目標濃度に上昇させるのに必要な液体燃料の量である還流調整量を算出する還流調整量算出手段と、
前記還流手段による液体の還流の開始のタイミングに応じて、前記液体燃料補給手段を制御して、前記還流調整量算出手段によって算出された還流調整量の液体燃料を前記燃料循環路に補給させる制御手段とを含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記還流手段は、前記気液分離器から前記燃料循環路に還流される液体が流通する還流管と、前記還流管を開閉する電磁弁とを備え、
前記制御手段は、前記電磁弁の開度および／または開成のタイミングに応じた可変タイミングで、前記液体燃料補給手段による液体燃料の補給を開始させる、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、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および電解液を含む液体が供給され、アノードを通過した液体は、燃料循環路に排出される。一方、カソードには、エアが供給される。
【０００４】
液体燃料がヒドラジンである場合、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】
このような燃料電池システムでは、液体が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（クロスオーバ）が発生する。クロスリークした液体には、液体燃料が含まれるので、その液体を燃料循環路に戻すことにより、液体燃料の浪費を抑制することができる。
【０００７】
しかしながら、クロスリークした液体燃料は、カソード側の触媒との接触による副反応やエアに晒されることによって分解され、クロスリークした液体中の液体燃料の濃度は、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度よりも低い。そのため、クロスリークした液体が燃料循環路に戻されると、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下する。液体燃料の濃度が適切でないと、たとえば、アノードからカソードにクロスリーク（クロスオーバ）する液体の液量の増大、副反応量の増大、発電性能の低下および燃料電池の劣化の促進などの不具合が発生する。
【０００８】
本発明の目的は、クロスリークした液体が燃料循環路に還流されたときに、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下することを防止できる、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エアが流通するエア排出路と、前記エア排出路を流通するエアとそのエア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還流させる還流手段と、前記還流手段によって還流される液体の液量を取得する液量取得手段と、前記還流手段によって還流される液体中の液体燃料の濃度を取得する濃度取得手段と、前記燃料循環路に液体燃料を補給する液体燃料補給手段と、前記液量取得手段によって取得された液量および前記濃度取得手段によって取得された濃度に基づいて、前記還流手段によって還流される液体中の液体燃料の濃度を目標濃度に上昇させるのに必要な液体燃料の量である還流調整量を算出する還流調整量算出手段と、前記還流手段による液体の還流の開始のタイミングに応じて、前記液体燃料補給手段を制御して、前記還流調整量算出手段によって算出された還流調整量の液体燃料を前記燃料循環路に補給させる制御手段とを含む。
【００１０】
この構成によれば、燃料電池からエア排出路に排出されるエアには、クロスリークした液体が含まれる。この液体は、気液分離器でエアから分離され、還流手段により、気液分離器から燃料循環路に還流される。
【００１１】
還流手段による液体の還流が実行されるときには、その還流される液体の液量および濃度が取得される。そして、還流手段によって還流される液体中の液体燃料の濃度を適切な目標濃度に上昇させるのに必要な液体燃料の量である還流調整量が算出される。その後、還流手段による液体の還流の開始のタイミングに応じて、液体燃料補給手段により、還流調整量の液体燃料が燃料循環路に補給される。
【００１２】
これにより、気液分離器から燃料循環路に液体が還流されたときに、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下することを抑制できる。そのため、液体燃料の濃度の低下に起因する種々の不都合の発生、たとえば、発電性能の低下や燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１３】
還流手段は、気液分離器から燃料循環路に還流される液体が流通する還流管と、還流管を開閉する電磁弁とを備え、制御手段は、電磁弁の開度および／または開成のタイミングに応じた可変タイミングで、液体燃料補給手段による液体燃料の補給を開始させることが好ましい。
【００１４】
電磁弁の開度および／または開成のタイミングに応じて、燃料循環路への液体燃料の補給の開始のタイミングが調整されることにより、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が一時的であっても低下することを抑制できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、気液分離器から燃料循環路に液体が還流されたときに、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下することを抑制できる。そのため、液体燃料の濃度の低下に起因する種々の不都合の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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、燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、還流調整制御の流れを示すフローチャート（その１）である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、還流調整制御の流れを示すフローチャート（その１）である。
【図４】図４は、エア背圧調整弁を通過するエアの流量と圧力との関係（特性）を示すグラフである。
【図５】図５は、回収管を流通する液体の流量と回収管の両端が接続された気液分離器間の圧力差との関係（特性）を示すグラフである。
【図６】図６は、気液分離器液量算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、還流制御の流れ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】
【００１７】
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。
【００１８】
＜システム構成＞
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る循環液量算出装置が適用される燃料電池システムの構成図である。
【００２０】
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、自動車に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料循環機構３、給排気機構４および冷却機構５を備えている。
【００２１】
＜燃料電池＞
【００２２】
燃料電池２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。
【００２３】
膜／電極接合体は、固体高分子膜１１の両側にアノード（燃料極）１２およびカソード（酸素極）１３を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜１１は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。
【００２４】
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。アノード１２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１４および燃料出口１５に接続されている。膜／電極接合体のカソード１３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１６およびエア出口１７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１８および冷却水出口１９に接続されている。
【００２５】
＜燃料循環機構＞
【００２６】
燃料循環機構３には、液体燃料タンク２１、電解液タンク２２、循環液体タンク２３および気液分離器２４が含まれる。
【００２７】
液体燃料タンク２１には、液体燃料として、たとえば、常温のヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）が貯留されている。液体燃料タンク２１には、燃料補給管２５の一端が接続されている。燃料補給管２５の他端は、循環液体タンク２３に接続されている。燃料補給管２５の途中部には、燃料供給ポンプ２６が介装されている。
【００２８】
電解液タンク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。電解液タンク２２には、電解液補給管２７の一端が接続されている。電解液補給管２７の他端は、循環液体タンク２３に接続されている。電解液補給管２７の途中部には、電解液供給ポンプ２８が介装されている。
【００２９】
循環液体タンク２３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ヒドラジンが貯留されている。循環液体タンク２３には、燃料供給管２９の一端が接続されている。燃料供給管２９の他端は、燃料電池２の燃料入口１４に接続されている。燃料供給管２９の途中部には、燃料循環ポンプ３０が介装されている。
【００３０】
燃料電池２の燃料出口１５には、燃料排出管３１の一端が接続されている。燃料排出管３１の他端は、気液分離器２４に接続されている。
【００３１】
気液分離器２４の底部には、燃料帰還管３２の一端が接続されている。燃料帰還管３２の他端は、循環液体タンク２３に接続されている。また、気液分離器２４の上部には、パージ管３３の一端が接続されている。パージ管３３の途中部には、パージ電磁弁３４が介装されている。
【００３２】
＜給排気機構＞
【００３３】
給排気機構４には、エアコンプレッサ４１、気液分離器４２および排ガス処理器４３が含まれる。
【００３４】
エアコンプレッサ４１の吸込口には、吸気管４４の一端が接続されている。
【００３５】
エアコンプレッサ４１の吐出口には、エア供給管４５の一端が接続されている。エア供給管４５の他端は、燃料電池２のエア入口１６に接続されている。
【００３６】
燃料電池２のエア出口１７には、エア排出管４６の一端が接続されている。エア排出管４６の他端は、気液分離器４２に接続されている。
【００３７】
気液分離器４２の底部には、還流管４７の一端が接続されている。還流管４７の他端は、気液分離器２４に接続されている。還流管４７の途中部には、還流電磁弁４８が介装されている。気液分離器４２の上部には、パージ管４９の一端が接続されている。パージ管４９の途中部には、エア背圧調整弁５０が介装されている。
【００３８】
＜冷却機構＞
【００３９】
冷却機構５は、燃料電池２の冷却水入口１８から冷却水流路に冷却水を供給する。冷却水は、冷却水流路を流通した後、冷却水出口１９から排出されて、冷却機構５に戻される。冷却水が冷却水流路を流通することにより、燃料電池２が冷却される。
【００４０】
＜発電動作＞
【００４１】
燃料電池２による発電のために、燃料循環ポンプ３０が駆動される。燃料循環ポンプ３０が駆動されると、循環液体タンク２３に貯留されている液体燃料を含む液体が燃料供給管２９に吸い出される。そして、燃料供給管２９を液体が流通し、その液体が燃料電池２の燃料入口１４から燃料電池２の燃料流路に供給される。
【００４２】
また、燃料電池２による発電のために、エアコンプレッサ４１が駆動される。エアコンプレッサ４１が駆動されると、エア（大気）が吸気管４４に取り込まれる。吸気管４４に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ４１で圧縮されて、エアコンプレッサ４１からエア供給管４５に送り出される。そして、エア供給管４５を流通するエアが燃料電池２のエア入口１６から燃料電池２のエア流路に供給される。
【００４３】
燃料電池２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２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。
【００４４】
具体的には、アノード１２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１３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１５を通して燃料排出管３１に流出する。一方、カソード１３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１１を透過して、アノード１２に移動する。
【００４５】
Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
【００４６】
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００４７】
この結果、アノード１２とカソード１３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。
【００４８】
燃料電池２の燃料流路を流通した液体は、燃料出口１５から燃料排出管３１に排出される。燃料排出管３１に排出される液体には、ヒドラジン、窒素ガスおよび水が含まれる。燃料排出管３１に排出される液体は、燃料排出管３１を通して、気液分離器２４に流入する。気液分離器２４では、燃料排出管３１から流入する液体からその液体に含まれる気体が分離される。
【００４９】
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３２を通して循環液体タンク２３に戻る。
【００５０】
こうして、液体燃料を含む液体は、循環液体タンク２３、燃料供給管２９、燃料電池２の燃料流路、燃料排出管３１、気液分離器２４および燃料帰還管３２を含む燃料循環路を循環する。
【００５１】
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３３に流出し、パージ管３３を排ガス処理器４３に向けて流通する。そして、パージ管３３を流通する気体は、排ガス処理器４３を経由して、大気に放出される。気体が排ガス処理器４３を経由することにより、気体から有害物質などが除去される。
【００５２】
燃料電池２のエア流路を流通したエアは、エア出口１７からエア排出管４６に排出される。
【００５３】
燃料電池２内では、水および液体燃料が膜／電極接合体のアノード１２から固体高分子膜１１を透過してカソード１３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４６に流出するエアには、そのクロスリークした液体燃料（ヒドラジン）および水の蒸気が含まれる。
【００５４】
エア排出管４６に流出した気体は、エア排出管４６を流通して、気液分離器４２に流入する。気液分離器４２では、エア排出管４６から流入する気体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。
【００５５】
液体が除去された気体は、気液分離器４２からパージ管４９に流出し、パージ管４９を排ガス処理器４３に向けて流通する。そして、パージ管４９を流通する気体は、排ガス処理器４３を経由して、大気に放出される。気体が排ガス処理器４３を経由することにより、気体から有害物質などが除去される。
【００５６】
一方、脱気された液体は、気液分離器４２内の下部（底部）に集まる。還流電磁弁４８が閉じられている間、その液体は、気液分離器４２内の下部に溜められる。気液分離器４２内に溜められた液体は、還流制御が実行されることにより、気液分離器４２から循環液体タンク２３に液体を還流される。具体的には、還流制御では、エア背圧調整弁５０の開度が小さくされて、気液分離器４２内の圧力が通常よりも高められた状態で、還流電磁弁４８が開かれる。気液分離器４２内の液体は、気液分離器４２内の圧力により、還流管４７を通して、気液分離器２４に送られる。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、燃料帰還管３２を流通して、燃料帰還管３２から循環液体タンク２３に戻る。
【００５７】
＜燃料補給動作＞
【００５８】
燃料電池システム１の稼働中に、循環液体タンク２３に液体燃料を補給する必要が生じると、燃料供給ポンプ２６が駆動される。燃料供給ポンプ２６が駆動されると、液体燃料タンク２１から燃料補給管２５に液体燃料（ヒドラジン）が汲み出される。そして、その液体燃料が燃料補給管２５を通して循環液体タンク２３に供給される。
【００５９】
また、循環液体タンク２３に電解液を補給する必要が生じた場合には、電解液供給ポンプ２８が駆動される。電解液供給ポンプ２８が駆動されると、電解液タンク２２から電解液補給管２７に電解液（水酸化カリウム水溶液）が汲み出される。そして、その電解液が電解液補給管２７を通して循環液体タンク２３に供給される。
【００６０】
＜電気的構成＞
【００６１】
図２は、燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。
【００６２】
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）６１を備えている。
【００６３】
ＦＣ−ＥＣＵ６１には、燃料電池システム１に設けられた各種センサが接続されている。各種センサには、濃度センサ６２、圧力センサ６３および背圧センサ６４が含まれる。濃度センサ６２は、燃料供給管２９を流通する液体中の液体燃料の濃度を検出する。圧力センサ６３は、気液分離器２４内の圧力を検出する。背圧センサ６４は、気液分離器４２内の圧力（背圧）を検出する。
【００６４】
ＦＣ−ＥＣＵ６１は、各種センサから入力される信号に基づいて、燃料供給ポンプ２６、電解液供給ポンプ２８、燃料循環ポンプ３０およびコンプレッサ４１の駆動を制御し、パージ電磁弁３４、還流電磁弁４８およびエア背圧調整弁５０の開閉を制御する。
【００６５】
＜還流調整制御＞
【００６６】
図３Ａ，３Ｂは、還流調整制御の流れを示すフローチャートである。
【００６７】
燃料電池システム１の発電中、ＦＣ−ＥＣＵ６１により、還流調整制御が繰り返し実行される。
【００６８】
還流調整制御では、まず、所定の還流制御開始条件が成立しているか否かが判断される（ステップＳ１）。還流制御開始条件は、たとえば、前回の還流制御（ステップＳ７）の実行から一定時間が経過しているという条件である。
【００６９】
還流制御開始条件が成立していない場合には（ステップＳ１のＮＯ）、還流調整制御が直ちにリターンされる。
【００７０】
還流制御開始条件が成立している場合には（ステップＳ１のＹＥＳ）、次に、気液分離器４２に溜まっている液体の液量Ｖｒを算出する気液分離器液量算出処理が実行される（ステップＳ２）。気液分離器液量算出処理については、後述する。
【００７１】
また、気液分離器４２内の液体、つまり還流制御によって気液分離器４２から循環液体タンク２３に還流されるべき液体中の液体燃料の濃度Ｃｒ（％）が推定される（ステップＳ３）。この液体燃料の濃度は、たとえば、前回の還流制御の実行から現時点までに気液分離器４２を通過したエアの流量の積算値および燃料電池２の温度の平均値と気液分離器４２内の液体中の液体燃料の濃度との関係を定めたマップから読み出される。このマップは、予め作成されて、ＦＣ−ＥＣＵ６１のメモリに格納されている。また、気液分離器４２に濃度センサが設けられて、この濃度センサにより、気液分離器４２内の液体中の液体燃料の濃度が検出されてもよい。
【００７２】
その後、気液分離器４２から循環液体タンク２３に還流されるべき液体中の液体燃料の濃度を目標濃度に上昇させるのに必要な液体燃料の量である還流調整量Ｖｓが算出される（ステップＳ４）。具体的には、液体燃料タンク２１に貯留されている液体燃料の濃度をＣｓ（％）とし、目標濃度をＣ（％）とすると、還流調整量Ｖｓは、下記式（３）に従って算出される。
【００７３】
Ｖｓ＝（Ｃｓ／１００）×Ｖｒ×（Ｃ／１００−Ｃｒ／１００）
／（Ｃｓ／１００−Ｃ／１００）    ・・・（３）
【００７４】
還流調整量Ｖｓが算出されると、燃料供給ポンプ２６が駆動されて、液体燃料タンク２１から循環液体タンク２３への液体燃料の補給が開始される（ステップＳ５）。
【００７５】
その後、循環液体タンク２３に補給された液体燃料の液量（補給量）が所定の閾値を超えたか否かが判定される（ステップＳ６）。この判定は、補給量が閾値を超えるまで繰り返される。
【００７６】
補給量が閾値を超えると（ステップＳ６のＹＥＳ）、還流制御が実行される（ステップＳ７）。還流制御が実行されることにより、気液分離器４２から循環液体タンク２３に液体が還流される。還流制御の詳細については、後述する。
【００７７】
その後、補給量が還流調整量Ｖｓに達したか否かが判定される（ステップＳ８）。
【００７８】
液体燃料タンク２１から循環液体タンク２３への液体燃料の補給を開始するタイミングは、還流制御に要する時間（還流制御で算出される開放時間）を考慮して、還流制御が終了するタイミングで液体燃料タンク２１から循環液体タンク２３への液体燃料の補給が完了するように調整されている。そのため、還流制御の終了とほぼ同時に、補給量が還流調整量Ｖｓに達する。
【００７９】
補給量が還流調整量Ｖｓに達すると（ステップＳ８のＹＥＳ）、燃料供給ポンプ２６の駆動が停止されて、液体燃料タンク２１から循環液体タンク２３への液体燃料の補給が終了される（ステップＳ９）。
【００８０】
その後は、還流制御の終了から所定時間が経過したか否かが調べられる（ステップＳ９）。
【００８１】
還流制御の終了直後は、燃料循環路を循環する液体と液体燃料タンク２１から補給される液体燃料および気液分離器４２から還流される液体との混合が不十分であるために、濃度センサ６２によって検出される濃度が変動するおそれがある。そのため、還流制御の終了から所定時間が経過するまでは、濃度センサ６２による濃度の検出が禁止される（ステップＳ１１）。
【００８２】
そして、還流制御の終了後から所定時間が経過すると（ステップＳ１０のＹＥＳ）、この還流調整制御が終了される。
【００８３】
＜エア背圧調整弁のエア流量−エア圧力特性＞
【００８４】
図４は、エア背圧調整弁を通過するエアの流量と圧力との関係（特性）を示すグラフである。
【００８５】
エア背圧調整弁５０の位置が第１位置に保持された状態で、エアコンプレッサ４１が制御されて、エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量（エア流量）が変更される。その一方で、背圧センサ６４によって検出される気液分離器４２内の圧力（エア圧力）が取得される。そして、エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量と気液分離器４２内の圧力との関係が求められて、その関係（特性）がＦＣ−ＥＣＵ６１のメモリに記憶されている。
【００８６】
また、エア背圧調整弁５０の位置が第１位置から一定量だけ閉じられた第２位置に保持された状態で、エアコンプレッサ４１が制御されて、エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量が変更される。その一方で、背圧センサ６４によって検出される気液分離器４２内の圧力が取得される。そして、エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量と気液分離器４２内の圧力との関係が求められて、その関係（特性）がＦＣ−ＥＣＵ６１のメモリに記憶されている。
【００８７】
エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量が大きくなるにつれて、エア背圧調整弁５０を通過するエアの圧力（気液分離器４２内の圧力）が単調に増加する。そして、エア背圧調整弁５０の位置が第２位置に保持された状態では、エア背圧調整弁５０の位置が第１位置に保持された状態と比較して、エア背圧調整弁５０の開度が小さいので、エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量の増加に対して、エア背圧調整弁５０を通過するエアの圧力が急峻に増加する。
【００８８】
＜回収管の流量−圧力差特性＞
【００８９】
図５は、還流管を流通する液体の流量と還流管の両端が接続された気液分離器間の圧力差との関係（特性）を示すグラフである。
【００９０】
還流管４７の一端が接続された気液分離器４２内の圧力と還流管４７の他端が接続された気液分離器２４内の圧力との圧力差ＰＣ−Ａが大きくなるにつれて、還流管４７を流通する液体の流量ＱＲが単調に増加する。この流量ＱＲと圧力差ＰＣ−Ａとの関係が予め求められて、その関係がＦＣ−ＥＣＵ６１のメモリに記憶されている。
【００９１】
＜気液分離器液量算出処理＞
【００９２】
図６は、気液分離器液量算出処理の流れを示すフローチャートである。
【００９３】
気液分離器液量算出処理では、まず、エアコンプレッサ４１の回転数が一定の回転数に保持される（ステップＳ２１）。燃料電池２の通常の発電時には、エア背圧調整弁５０の位置が第１位置に保持されている。このとき、エアコンプレッサ４１が一定の回転数で駆動されると、エアが一定のエア流量Ｑでエア背圧調整弁５０を通過する。
【００９４】
次に、エア背圧調整弁５０が第１位置から第２位置に閉じられ、エア背圧調整弁５０の開度が一定量だけ小さくされる（ステップＳ２２）。これにより、図４に示されるように、エア背圧調整弁５０を通過するエアの圧力（気液分離器４２内の圧力）がエア圧力Ｐ１に保たれたまま、そのエアの流量がエア流量Ｑ１からエア流量Ｑ１’に低下する。
【００９５】
その後、背圧センサ６４によって検出される気液分離器４２内の圧力（エア圧力）Ｐ２’が取得される（ステップＳ２３）。
【００９６】
また、図４に示される関係が参照されて、エア圧力Ｐ２’に対応するエア流量Ｑ２’が取得される（ステップＳ２４）。
【００９７】
エア圧力Ｐ２’およびエア流量（エア背圧調整弁５０を通過するエアの流量）Ｑ２’は、時間の経過とともに、それぞれエア圧力Ｐ１およびエア流量Ｑ１’から増加する。
【００９８】
その後、背圧センサ６４によって検出されるエア圧力Ｐ２’が安定したか否かが判断される（ステップＳ２５）。具体的には、前回取得したエア圧力Ｐ２’と今回取得したエア圧力Ｐ２’との差が予め定められた閾値よりも小さいか否かが調べられ、その差が閾値よりも小さければ、エア圧力Ｐ２’が安定したと判断される。または、ＦＣ−ＥＣＵ６１のメモリの記憶内容が参照されて、エア背圧調整弁５０の位置が第２位置であるときのエアの流量と圧力との関係に基づいて、エア流量Ｑ１に対応する圧力Ｐ２が取得され、その圧力Ｐ２とエア圧力Ｐ２’との差の絶対値が予め定められた閾値よりも小さいか否かが調べられ、その差が閾値よりも小さければ、エア圧力Ｐ２’が安定したと判断される。
【００９９】
エア圧力Ｐ２’が安定するまでの間は（ステップＳ２５のＮＯ）、エア圧力Ｐ２’およびエア流量Ｑ２’が繰り返し取得される（ステップＳ２３，Ｓ２４）。
【０１００】
エア圧力Ｐ２’が安定すると（ステップＳ２５のＹＥＳ）、一定のエア流量Ｑ１からそれまでに取得された各エア流量Ｑ２’が差し引かれて、各流量差Ｑ１−Ｑ２’が累積して加算されることにより、エア圧力Ｐ１からエア圧力Ｐ２’への上昇に使用されたエア量Σ（Ｑ１−Ｑ２’）が算出される。エア供給管８５、燃料電池２のエア流路およびパージ管４９におけるエア背圧調整弁５０よりも上流側の部分の容積の合計値Ｖ１が既知であるから、気液分離器４２内の空隙部分の容積をＶ２として、下記式（４）に基づいて、その容積Ｖ２が算出される。そして、気液分離器４２の容積から容積Ｖ２を差し引くことにより、気液分離器４２内に溜められた液体の液量Ｖｒが算出される（ステップＳ２６）。
【０１０１】
（Ｐ２’−Ｐ１）×（Ｖ１＋Ｖ２）＝Σ（Ｑ１−Ｑ２’）×Ｒ×Ｔ  ・・・（４）
ただし、Ｒ：気体定数
Ｔ：エアの温度
【０１０２】
＜還流制御＞
【０１０３】
図７は、還流制御の流れを示すフローチャートである。
【０１０４】
還流制御では、まず、圧力センサ６３によって検出される気液分離器２４内の圧力が取得される。次に、エア圧力Ｐ２’と気液分離器２４内の圧力との圧力差ＰＣ−Ａが算出され、図５に示される関係に基づいて、その圧力差ＰＣ−Ａに対応する流量ＱＲが取得される。そして、気液分離器４２内の液量Ｖｒがその取得された流量ＱＲで除されることにより、還流電磁弁４８を開放すべき時間である開放時間が算出される（ステップＳ３１）。
【０１０５】
開放時間が算出されると、還流電磁弁４８が開放される（ステップＳ３２）。このとき、エア背圧調整弁５０の位置は、気液分離器液量算出処理時の第２位置から変更されておらず、気液分離器４２内の圧力が通常の発電時よりも高められている。そのため、還流電磁弁４８が開放されると、気液分離器４２内に溜められた液体は、還流管４７内を通して、気液分離器２４に送られる。
【０１０６】
その後、還流電磁弁４８が開放されてからの経過時間が開放時間に達すると（ステップＳ３３のＹＥＳ）、還流電磁弁４８が閉じられて（ステップＳ３４）、この還流制御がリターンされる。
【０１０７】
＜作用効果＞
【０１０８】
以上のように、燃料電池２からエア排出管４６に排出されるエアには、クロスリークした液体が含まれる。この液体は、気液分離器４２でエアから分離され、還流制御により、還流管４７、気液分離器２４および燃料帰還管３２を通して、気液分離器４２から燃料循環路（循環燃料タンク２３）に還流される。
【０１０９】
還流制御が実行されるときには、その還流される液体の液量Ｖｒおよび濃度Ｃｒが取得される。そして、還流制御によって還流される液体中の液体燃料の濃度Ｃｒを適切な目標濃度Ｃに上昇させるのに必要な液体燃料の量である還流調整量Ｖｓが算出される。その後、還流制御のタイミングに応じて、還流調整量Ｖｓの液体燃料が液体燃料タンク２１から燃料循環路に補給される。
【０１１０】
これにより、気液分離器４２から燃料循環路に液体が還流されたときに、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が低下することを抑制できる。そのため、液体燃料の濃度の低下に起因する種々の不都合の発生、たとえば、発電性能の低下や燃料電池２の劣化を抑制することができる。
【０１１１】
また、還流制御の開始のタイミングに応じて、液体燃料タンク２１から燃料循環路への液体燃料の補給の開始のタイミングが調整される。これにより、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度が一時的であっても低下することを抑制できる。
【０１１２】
＜変形例＞
【０１１３】
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。
【０１１４】
たとえば、前述の実施形態では、燃料電池システム１が車両に搭載された場合を例にとった。しかしながら、燃料電池システム１は、車両以外の装置に搭載されてもよいし、それ単独で電源として構成されてもよい。
【０１１５】
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】
【０１１６】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
２１  液体燃料タンク（液体燃料補給手段）
２５  燃料補給管（液体燃料補給手段）
２６  燃料供給ポンプ（液体燃料補給手段）
２３  循環液体タンク（燃料循環路）
２４  気液分離器（燃料循環路）
２９  燃料供給管（燃料循環路）
３１  燃料排出管（燃料循環路）
３２  燃料帰還管（燃料循環路）
４２  気液分離器
４６  エア排出管（エア排出路）
４７  還流管
４８  還流電磁弁（電磁弁）
５０  エア背圧調整弁
６１  ＦＣ−ＥＣＵ（液量取得手段、濃度取得手段、還流調整量算出手段、制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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