(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を移動体に搭載するとともに、外部から水分の補充が不要な燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルが複数積層された燃料電池と、
メタノールの水蒸気改質により燃料ガスである水素ガスを生成する改質器と、
少なくとも前記改質器に水分を供給するとともに、前記改質器から導出される水素ガスを加湿するための水分を供給する貯留部と、
前記燃料電池の前記アノード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第１気液分離手段と、
前記燃料電池の前記カソード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第２気液分離手段と、
を備え、
前記水素ガスの利用率が、３３％以上であることを特徴とする燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池を移動体に搭載するとともに、外部から水分の補充が不要な燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルが複数積層された燃料電池と、
メタンの水蒸気改質により燃料ガスである水素ガスを生成する改質器と、
少なくとも前記改質器に水分を供給するとともに、前記改質器から導出される水素ガスを加湿するための水分を供給する貯留部と、
前記燃料電池の前記アノード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第１気液分離手段と、
前記燃料電池の前記カソード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第２気液分離手段と、
を備え、
前記水素ガスの利用率が、５０％以上であることを特徴とする燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池を移動体に搭載するとともに、外部から水分の補充が不要な燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルが複数積層された燃料電池と、
エタノールの水蒸気改質により燃料ガスである水素ガスを生成する改質器と、
少なくとも前記改質器に水分を供給するとともに、前記改質器から導出される水素ガスを加湿するための水分を供給する貯留部と、
前記燃料電池の前記アノード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第１気液分離手段と、
前記燃料電池の前記カソード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第２気液分離手段と、
を備え、
前記水素ガスの利用率が、５０％以上であることを特徴とする燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば、水素ガス等の燃料ガスにより作動する燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発され、この燃料電池を自動車や２輪車、携帯型発電機等の移動体の動力源電池として使用することが実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池は、例えば、メタノールの水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質内を流れ、これにより燃料電池外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、固体高分子電解質膜およびイオン導電成分を、常時一定の湿潤状態に維持する必要がある。このため、通常、燃料ガスを加湿して燃料電池に供給する方式が採用されているが、この加湿用の水を外部から補充しなければならない。また、加湿用の水のほか、メタノール、メタン、またはエタノール等の炭化水素の水蒸気改質および燃料電池スタックの冷却等にも水が必要である。従って、特に、燃料電池が搭載された燃料電池自動車や携帯型発電機等では、この水の補充作業が相当に煩雑なものとなるという問題が予想される。
【０００５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、外部から水分を補給する必要がなく、加湿用の水分を連続的に燃料電池に供給することが可能な燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池を移動体に搭載するとともに、外部から水分の補充が不要な燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルが複数積層された燃料電池と、
メタノールの水蒸気改質により燃料ガスである水素ガスを生成する改質器と、
少なくとも前記改質器に水分を供給するとともに、前記改質器から導出される水素ガスを加湿するための水分を供給する貯留部と、
前記燃料電池の前記アノード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第１気液分離手段と、
前記燃料電池の前記カソード側電極側から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供給するための第２気液分離手段と、
を備え、
前記水素ガスの利用率が、３３％以上であることを特徴とする。
【０００７】
【作用】
上記の燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムでは、加湿された燃料ガスと酸化剤ガスが燃料電池に供給されると、この燃料ガスと酸化剤ガスが反応して電気エネルギが得られるとともに水分が生成される。そして、この生成された水分は、未反応ガスに含まれて気液分離手段に導入され、この気液分離手段において、燃料電池を通過した未使用水分とともにガスから分離されて貯留部に貯留される。これにより、燃料電池で反応生成された水分をガス加湿用、水蒸気改質および燃料電池スタック冷却用の水分として利用することができ、燃料電池システムの外部から水分を補充する必要がない。
【０００８】
【実施例】
本発明に係る燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムについて実施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【０００９】
図１において、参照数字１０は、第１の実施例に係る燃料電池システムを示す。この燃料電池システム１０は、メタノールタンク１２から供給されるメタノールを水蒸気改質する改質器１４と、この改質器１４に水分を供給するとともに前記改質器１４から導出される水素ガス（燃料ガス）および二酸化炭素ガスを加湿するための水分を供給する水タンク（貯留部）１６と、前記加湿された水素ガスおよび二酸化炭素ガスが供給される燃料電池１８と、この燃料電池１８から排出される排出成分をガスと水分に分離するとともに、この分離された水分を前記水タンク１６に供給するための気液分離手段である第１および第２気液分離器２０、２２とを備える。
【００１０】
水タンク１６、改質器１４、燃料電池１８、第１および第２気液分離器２０、２２は、経路２４により連通している。
【００１１】
改質器１４は、バーナー２６を備えており、このバーナー２６には、第１気液分離器２０から経路２８を介して未反応水素および二酸化炭素等が導入されるとともに、空気、または必要に応じて第２気液分離器２２から管路３０を介して未反応酸素および窒素等が供給される。この第１および第２気液分離器２０、２２は、冷却器、例えば、ラジエータで構成されている。
【００１２】
燃料電池１８は、複数の燃料電池セル３２を積層して構成されており、各燃料電池セル３２は、電極構造体３４とこの電極構造体３４を挟持するセパレータ３６とを備える。
【００１３】
この電極構造体３４は、固体高分子電解質膜３８と、この固体高分子電解質膜３８を挟んで対設される水素極（アノード側電極）４０と、空気極（カソード側電極）４２とを有し、この水素極４０とこの空気極４２は、電気モータ等の負荷４４に接続されている。
【００１４】
セパレータ３６には、水素ガスおよびブロア４６から供給される空気（酸化剤ガス）を電極構造体３４側に送り込むための孔部の他、水タンク１６に経路４８ａ、４８ｂを介して連通する冷却用空間（図示せず）が形成されている。
【００１５】
燃料電池１８では、後述するように、水素ガスの利用率が３３％以上に設定されている。
【００１６】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について説明する。
【００１７】
図２に示すように、改質器１４にメタノールタンク１２からメタノール（ＣＨ３  ＯＨ）が供給されるとともに、この改質器１４に水タンク１６から水分が供給され、バーナー２６の加熱作用下に前記メタノールの水蒸気改質が行われる。この改質器１４におけるメタノールの水蒸気改質の反応は、（１）式で表される。
【００１８】
ＣＨ３  ＯＨ＋（１＋ｎ）Ｈ２  Ｏ→３Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋ｎＨ２  Ｏ  （ｎ≧０）…（１）
ここで、ｎは余剰分を示し、１よりも小さな値、例えば、０．３に設定されている。
【００１９】
メタノールの水蒸気改質反応後に、水タンク１６から水分（ｍＨ２  Ｏ）が添加されることにより、燃料電池１８の水素極４０に供給される作動ガスは、３Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋（ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏの組成を有する。これによって、水素ガスの加湿が行われたことになる。
【００２０】
次に、燃料電池１８に導入された作動ガス中の水分は、その一部が電極構造体３４を透過して空気極４２側に移動する。水分の電極構造体３４内の透過率を（１−ｘ）（０＜ｘ＜１）とすると、水素極４０側に残る作動ガス中の水分は、（ｎ＋ｍ）ｘＨ２  Ｏとなり、空気極４２側に透過する作動ガス中の水分は、（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）Ｈ２  Ｏとなる。
【００２１】
一方、作動ガス中の水素ガスはイオン化して固体高分子電解質膜３８内を空気極４２側に流れる。そして、水素イオンは、空気極４２で酸素および電子と反応して水が生成される。燃料電池１８の水素（燃料）利用率をＵＨ  とすると、（２）式の反応から３ＵＨ  ・Ｈ２  Ｏの反応生成水分が得られる。
【００２２】
３Ｈ２  ・ＵＨ  ＋３／２・Ｏ２  ・ＵＨ  ＝３ＵＨ  ・Ｈ２  Ｏ            …（２）
なお、水素（燃料）利用率ＵＨ  とは、燃料電池が発電で消費する水素ガス量（燃料ガス量）／燃料電池に供給した水素ガス量（燃料ガス量）として定義される。
【００２３】
生成水分は、その一部が電極構造体３４を透過して水素極４０側に移動する。この生成水分の電極構造体３４内の透過率を（１−ｙ）（０＜ｙ＜１）とすると、空気極４２側に残る生成水分は、３ｙＵＨ  Ｈ２  Ｏとなり、水素極４０側に透過する生成水分は、３（１−ｙ）ＵＨ  Ｈ２  Ｏとなる。
【００２４】
従って、燃料電池１８の水素極４０側から排出される排出成分は、未反応水素ガス、二酸化炭素ガスおよび｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋３（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる一方、空気極４２側から排出される排出成分は、未反応酸素ガス、窒素ガスおよび｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋３ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる。
【００２５】
次いで、燃料電池１８の水素極４０から排出される排出成分は、第１気液分離器２０に導入されてガスと水分に分離されるとともに、空気極４２から排出される排出成分は、第２気液分離器２２に導入されてガスと水分に分離される。
【００２６】
その際、第１および第２気液分離器２０、２２による水分回収率をそれぞれＱ１  、Ｑ２  とすると、この第１気液分離器２０により回収される水分は、Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋３（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなり、この第２気液分離器２２により回収される水分は、Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋３ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなり、それぞれ経路２４を介して水タンク１６に供給される。
【００２７】
また、第１気液分離器２０で分離された未反応水素ガスおよび二酸化炭素ガスと未回収水分は、経路２８を介してバーナー２６に導かれて燃焼および改質等の温度保持に用いられる。第２気液分離器２２で分離された未反応酸素ガスおよび窒素ガスと未回収水分は、管路３０を介して排気され、または、必要に応じてバーナー２６に導かれる。
【００２８】
一方、水タンク１６からセパレータ３６に対して冷却水の供給回収が行われているが、このセパレータ３６から回収される水分に増減はなく、前記セパレータ３６に用いられる水分移動は考慮しない。このため、水タンク１６から導出される全水分量は、（１＋ｎ＋ｍ）Ｈ２Ｏであり、この水タンク１６に導入される全水分量は、Ｑ１｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋３（１−ｙ）ＵＨ｝Ｈ２Ｏ＋Ｑ２｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋３ｙＵＨ｝Ｈ２Ｏとなる。
【００２９】
そこで、水タンク１６から導出される全水分量がこの水タンク１６に導入される全水分量より少なければ、該水タンク１６内の水分量が減ることはなく、これによって燃料電池システム１０の外部から水分を補給する必要がない。この条件を満たすためには、（３）式を満たせばよい。
【００３０】
（１＋ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏ≦Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋３（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ＋Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋３ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ…（３）
さらに、水分の回収率が最大になるＱ１  ＝Ｑ２  ＝１において、水循環系の効率が最大になる。このため、Ｑ１  ＝Ｑ２  ＝１を（３）式に代入すると、
ＵＨ  ≧１／３                    …（４）
が導かれる。
【００３１】
なお、上記実施例では、燃料ガス（水素ガス）の加湿の場合だけの水収支について述べたが、水は単に燃料電池内を通過するだけであり、（３）式の両辺で相殺されるため、酸化剤ガス（空気）の加湿を行った場合も同様に、（４）式が導かれる。すなわち、酸化剤ガスの加湿の水分をｌ、電極構造体３４内の透過率を（１−Ｚ）（０＜Ｚ＜１）とすると、
（１＋ｎ＋ｍ＋ｌ）Ｈ２  Ｏ≦Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋３（１−ｙ）ＵＨ  ＋ｌ（１−Ｚ）｝Ｈ２  Ｏ＋Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋３ｙＵＨ  ＋ｌＺ｝Ｈ２  Ｏ…（５）
となり、これから（４）式が導かれる。
【００３２】
ところで、水循環系の効率が最大であっても、水素ガスの利用率が３３％未満であれば、燃料電池システム１０内の水が減少してしまい、この燃料電池システム１０を組み込む燃料電池自動車では、燃料であるメタノールの補給の他に水分の補給も必要となる。
【００３３】
従って、第１の実施例では、水素ガスの利用率が３３％以上でかつ第１および第２気液分離器２０、２２の水分回収率に対応した値以上になるように燃料電池１８のパワープラントを作動させることにより、外部からの水分の補給を行わずにタンク１６内の水分を連続的に活用することが可能になる。なお、ガス利用率の調整は、供給する単位時間内の燃料ガスおよび酸化剤ガスの量によって行うことができる。
【００３４】
このように、第１の実施例では、燃料電池１８を通過する水分およびこの燃料電池１８内で反応生成される水分を第１および第２気液分離器２０、２２によりガスから分離し、水タンク１６に供給している。これにより、燃料電池システム１０内で水分の使用効率が一挙に向上するという効果がある。
【００３５】
しかも、燃料電池１８による水素ガスの利用率を３３％以上に設定することにより、水タンク１６から導出される水分量よりもこの水タンク１６に導入される水分量を多くすることができる。従って、燃料電池システム１０内に外部から水分を補給する必要がなく、特に、燃料電池システム１０を組み込む燃料電池自動車の取り扱い作業性が向上するという利点が得られる。
【００３６】
次に、第２の実施例に係る燃料電池システム６０について、図３を参照して以下に説明する。なお、第１の実施例に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３７】
この燃料電池システム６０では、メタンタンク６２から供給されるメタンを水蒸気改質する改質器６４を備えており、燃料電池１８では、水素ガスの利用率が５０％以上に設定されている。
【００３８】
上記燃料電池システム６０では、図３に示すように、改質器６４にメタンタンク６２からメタン（ＣＨ４  ）が供給されるとともに、この改質器６４に水タンク１６から水分が供給され、バーナー２６の加熱作用下に前記メタンの水蒸気改質が行われる。この改質器６４におけるメタンの水蒸気改質の反応は、（６）式で表される。
【００３９】
ＣＨ４  ＋（２＋ｎ）Ｈ２  Ｏ→４Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋ｎＨ２  Ｏ  （ｎ≧０）…（６）
メタンの水蒸気改質反応後に、水タンク１６から水分（ｍＨ２  Ｏ）が添加されることにより、燃料電池１８の水素極４０に供給される作動ガスは、４Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋（ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏの組成を有する。さらに、燃料電池１８に導入された作動ガス中の水分は、その一部が電極構造体３４を透過して空気極４２側に移動する。水素極４０側に残る作動ガス中の水分は、（ｎ＋ｍ）ｘＨ２  Ｏであり、空気極４２側に透過する作動ガス中の水分は、（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）Ｈ２  Ｏである。
【００４０】
一方、作動ガス中の水素ガスはイオン化して固体高分子電解質膜３８内を空気極４２側に流れる。そして、水素イオンは、空気極４２で酸素および電子と反応し、（７）式から４ＵＨ  ・Ｈ２  Ｏの反応生成水分が得られる。
【００４１】
４Ｈ２  ・ＵＨ  ＋２Ｏ２  ・ＵＨ  ＝４ＵＨ  ・Ｈ２  Ｏ                  …（７）
生成水分は、その一部が電極構造体３４を透過して水素極４０側に移動し、空気極４２側に残る生成水分は、４ｙＵＨ  Ｈ２  Ｏとなり、水素極４０側に透過する生成水分は、４（１−ｙ）ＵＨ  Ｈ２  Ｏとなる。
【００４２】
従って、燃料電池１８の水素極４０側から排出される排出成分は、未反応水素ガス、二酸化炭素ガスおよび｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋４（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる一方、空気極４２側から排出される排出成分は、未反応酸素ガス、窒素ガスおよび｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋４ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる。
【００４３】
次に、燃料電池１８の水素極４０から排出される排出成分は、第１気液分離器２０に導入されてガスと水分に分離されるとともに、空気極４２から排出される排出成分は、第２気液分離器２２に導入されてガスと水分に分離される。その際、第１および第２気液分離器２０、２２により回収される水分は、Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋４（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  ＯとＱ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋４ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなり、それぞれ経路２４を介して水タンク１６に供給される。
【００４４】
水タンク１６から導出される全水分量は、（２＋ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏであり、この水タンク１６に導入される全水分量は、Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋４（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ＋Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋４ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる。このため、水タンク１６から導出される全水分量がこの水タンク１６に導入される全水分量より少なければ、該水タンク１６内の水分量が減ることはなく、これによって燃料電池システム６０の外部から水分を補給する必要がない。この条件を満たすためには、（８）式を満たせばよい。
【００４５】
（２＋ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏ≦Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋４（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ＋Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋４ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ…（８）
さらに、水分の回収率が最大になるＱ１  ＝Ｑ２  ＝１において、水循環系の効率が最大になる。このため、Ｑ１  ＝Ｑ２  ＝１を（８）式に代入すると、
ＵＨ  ≧１／２                    …（９）
が導かれる。
【００４６】
従って、第２の実施例では、水素ガスの利用率が５０％以上でかつ第１および第２気液分離器２０、２２の水分回収率に対応した値以上になるように燃料電池１８のパワープラントを作動させることにより、外部からの水分の補給を行わずに水タンク１６内の水分を連続的に活用することが可能になる。
【００４７】
次いで、第３の実施例に係る燃料電池システム８０について、図４を参照して以下に説明する。なお、第１の実施例に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４８】
この燃料電池システム８０では、エタノールタンク８２から供給されるエタノールを水蒸気改質する改質器８４を備えており、燃料電池１８では、水素ガスの利用率が５０％以上に設定されている。
【００４９】
上記燃料電池システム８０では、図４に示すように、改質器８４にエタノールタンク８２からエタノール（Ｃ２  Ｈ５  ＯＨ）が供給されるとともに、この改質器８４に水タンク１６から水分が供給され、バーナー２６の加熱作用下に前記エタノールの水蒸気改質が行われる。この改質器８４におけるエタノールの水蒸気改質の反応は、（１０）式で表される。
【００５０】
0003553210.tif 000002
エタノールの水蒸気改質反応後に、水タンク１６から水分（ｍＨ２  Ｏ）が添加されることにより、燃料電池１８の水素極４０に供給される作動ガスは、６Ｈ２  ＋２ＣＯ２  ＋（ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏの組成を有する。さらに、燃料電池１８に導入された作動ガス中の水分は、その一部が電極構造体３４を透過して空気極４２側に移動する。水素極４０側に残る作動ガス中の水分は、（ｎ＋ｍ）ｘＨ２  Ｏであり、空気極４２側に透過する作動ガス中の水分は、（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）Ｈ２  Ｏである。
【００５１】
一方、作動ガス中の水素ガスはイオン化して固体高分子電解質膜３８内を空気極４２側に流れる。そして、水素イオンは、空気極４２で酸素および電子と反応し、（１１）式から６ＵＨ  ・Ｈ２  Ｏの反応生成水分が得られる。
【００５２】
６Ｈ２  ・ＵＨ  ＋３Ｏ２  ・ＵＨ  ＝６ＵＨ  ・Ｈ２  Ｏ                …（１１）
生成水分は、その一部が電極構造体３４を透過して水素極４０側に移動し、空気極４２側に残る生成水分は、６ｙＵＨ  Ｈ２  Ｏとなり、水素極４０側に透過する生成水分は、６（１−ｙ）ＵＨ  Ｈ２  Ｏとなる。
【００５３】
従って、燃料電池１８の水素極４０側から排出される排出成分は、未反応水素ガス、二酸化炭素ガスおよび｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋６（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる一方、空気極４２側から排出される排出成分は、未反応酸素ガス、窒素ガスおよび｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋６ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる。
【００５４】
次に、燃料電池１８の水素極４０から排出される排出成分は、第１気液分離器２０に導入されてガスと水分に分離されるとともに、空気極４２から排出される排出成分は、第２気液分離器２２に導入されてガスと水分に分離される。その際、第１および第２気液分離器２０、２２により回収される水分は、Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋６（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  ＯとＱ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋６ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなり、それぞれ経路２４を介して水タンク１６に供給される。
【００５５】
水タンク１６から導出される全水分量は、（３＋ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏであり、この水タンク１６に導入される全水分量は、Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋６（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ＋Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋６ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏとなる。このため、水タンク１６から導出される全水分量がこの水タンク１６に導入される全水分量より少なければ、該水タンク１６内の水分量が減ることはなく、これによって燃料電池システム８０の外部から水分を補給する必要がない。この条件を満たすためには、（１２）式を満たせばよい。
【００５６】
（３＋ｎ＋ｍ）Ｈ２  Ｏ≦Ｑ１  ｛（ｎ＋ｍ）ｘ＋６（１−ｙ）ＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ＋Ｑ２  ｛（ｎ＋ｍ）（１−ｘ）＋６ｙＵＨ  ｝Ｈ２  Ｏ…（１２）
さらに、水分の回収率が最大になるＱ１  ＝Ｑ２  ＝１において、水循環系の効率が最大になる。このため、Ｑ１  ＝Ｑ２  ＝１を（１２）式に代入すると、
ＵＨ  ≧１／２                    …（１３）
が導かれる。
【００５７】
従って、第３の実施例では、水素ガスの利用率が５０％以上でかつ第１および第２気液分離器２０、２２の水分回収率に対応した値以上になるように燃料電池１８のパワープラントを作動させることにより、外部からの水分の補給を行わずに水タンク１６内の水分を連続的に活用することが可能になる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システムによれば、以下の効果乃至利点が得られる。
【００５９】
燃料電池に供給された燃料ガスが反応して水分が生成され、この水分が他の排出成分とともに気液分離手段に導入されるため、前記水分は、排出成分から分離されて貯留部に供給される。これにより、燃料電池で反応生成された水分を加湿用の水、メタノール、メタン、またはエタノール等の炭化水素の水蒸気改質および燃料電池スタックの冷却用として利用することができ、燃料電池システム全体が利用する水を燃料電池システムの外部から補充する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記第１の実施例に係る燃料電池システムにおける各種反応の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る燃料電池システムにおける各種反応の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る燃料電池システムにおける各種反応の説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０…燃料電池システム  １２…メタノールタンク
１４、６４、８４…改質器            １６…水タンク
１８…燃料電池                      ２０、２２…気液分離器
３２…燃料電池セル                  ３４…電極構造体
３６…セパレータ                    ４０…水素極
４２…空気極                        ６２…メタンタンク
８２…エタノールタンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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