(57)【要約】【課題】液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池システム１に、複数の燃料電池セルを備える燃料電池４と、液体燃料を貯留する燃料タンク１１と、燃料タンク１１と燃料電池４との間に配置され、燃料電池４に供給される液体燃料を、霧状にしてキャリアガスと混合する霧化装置１４と、空気を窒素ガスと酸素ガスとに分離することにより、窒素ガスを８５体積％以上含有するキャリアガスを調製する分離装置２４とを備える。【選択図】図１
2018106925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給されるアノード、酸素が供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に配置される電解質膜を備える燃料電池セルと、
前記液体燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料電池セルとの間に配置され、前記燃料電池セルに供給される前記液体燃料を、霧状にしてキャリアガスと混合する霧化装置と、
不活性ガスを８５体積％以上含有する前記キャリアガスを調製する調製装置と
を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記不活性ガスは、窒素ガスであり、
前記調製装置は、空気を窒素ガスと酸素ガスとに分離する分離装置であり、
前記分離装置によって分離された窒素ガスは、前記霧化装置に供給され、
前記分離装置によって分離された酸素ガスは、前記カソードに供給され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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、直接メタノール型燃料電池、直接ジメチルエーテル型燃料電池、ヒドラジン型燃料電池などの液体燃料型燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。
【０００３】
このような燃料電池システムとして、液体燃料が供給される燃料電池と、燃料電池に供給される液体燃料を霧化する霧化器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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７８２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、霧化した液体燃料を分散させるためのキャリアガスが酸素等の酸化性ガスを含有すると、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解する可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制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】
【０００７】
本発明［１］は、液体燃料が供給されるアノード、酸素が供給されるカソード、および、前記アノードと前記カソードとの間に配置される電解質膜を備える燃料電池セルと、前記液体燃料を貯留する燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池セルとの間に配置され、前記燃料タンクと前記燃料電池セルとの間に配置され、前記燃料電池セルに供給される前記液体燃料を、霧状にしてキャリアガスと混合する霧化装置と、不活性ガスを８５体積％以上含有する前記キャリアガスを調製する調製装置とを備える、燃料電池システムを含む。
【０００８】
このような構成によれば、霧状の液体燃料を、不活性ガスを８５体積％以上含有するキャリアガスによってアノードに供給することができる。
【０００９】
そのため、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制しつつ、霧状の液体燃料をアノードに供給することができる。
【００１０】
また、霧状の液体燃料をアノードに供給することにより、液体燃料がアノードから電解質膜を透過してカソードへクロスリークすることを抑制できる。
【００１１】
また、本発明［２］は、前記不活性ガスが、窒素ガスであり、前記調製装置が、空気を窒素ガスと酸素ガスとに分離する分離装置であり、前記分離装置によって分離された窒素ガスが、前記霧化装置に供給され、前記分離装置によって分離された酸素ガスが、前記カソードに供給される、上記［１］の燃料電池システムを含む。
【００１２】
このような構成によれば、分離装置によって分離された窒素ガスをキャリアガスとして利用する一方で、分離装置によって分離された酸素ガスをカソードに供給できる。
【００１３】
これにより、窒素ガスを多く含むキャリアガスによって液体燃料を霧状にしてアノードに供給することができながら、酸素ガスを多く含む空気をカソードに供給することができる。
【００１４】
その結果、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制しつつ、燃料電池セルの出力の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制できる燃料電池システムを提供すること。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
１．燃料電池システム
本発明の一実施形態としての燃料電池システム１について説明する。
【００１８】
燃料電池システム１は、図１に示すように、例えば、電動車両に搭載される。
【００１９】
電動車両は、燃料電池４（後述）を電源として、動力源であるモータ４１（後述）を駆動する電動車両である。電動車両は、燃料電池システム１と、動力部２と、制御部３とを備える。
【００２０】
燃料電池システム１は、燃料電池４と、燃料給排部５と、空気給排部６とを備える。
【００２１】
（１）燃料電池
燃料電池４は、アニオン交換型またはカチオン交換型の燃料電池である。燃料電池４には、後述する燃料タンク１１内の液体燃料が直接供給される。なお、燃料電池４は、複数の燃料電池セルを備える。複数の燃料電池セルは、それぞれ、液体燃料が供給されるアノード、酸素が供給されるカソード、および、アノードとカソードとの間に配置される電解質膜を備える。また、複数の燃料電池セルは、それぞれ、アノードに液体燃料を供給するための燃料流路と、カソードに酸素を供給するための酸素流路とを有する。
【００２２】
（２）燃料給排部
燃料給排部５は、燃料電池４に液体燃料を供給し、燃料電池４を通過した液体燃料を排出する。燃料給排部５は、燃料タンク１１、燃料供給ライン１２、ポンプ１３、霧化装置１４、燃料還流ライン１５、気液分離器１６、および、排気ライン１７を備える。
【００２３】
燃料タンク１１は、液体燃料を貯留する。液体燃料は、燃料成分と水とを含有する。燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
【００２４】
液体燃料中の燃料成分の濃度は、例えば、０．５質量％以上、好ましくは、１．０質量％以上であり、例えば、６０質量％以下、好ましくは、２０質量％以下である。
【００２５】
なお、燃料タンク１１には、図示しない高濃度燃料タンクが接続される。高濃度燃料タンクには、燃料タンク１１内の液体燃料よりも高濃度の燃料成分を含有する高濃度液体燃料が貯留される。高濃度液体燃料は、燃料タンク１１内の燃料成分の濃度を所定の濃度に調整するように、高濃度燃料タンクから燃料タンク１１へ供給される。
【００２６】
燃料供給ライン１２は、燃料タンク１１から燃料電池４へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン１２の一端は、燃料タンク１１の下端部に接続される。燃料供給ライン１２の他端は、燃料電池４（具体的には、燃料電池セルの燃料流路）に接続される。
【００２７】
ポンプ１３は、燃料供給ライン１２の途中に介在される。ポンプ１３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挙げられる。ポンプ１３は、制御部３に電気的に接続される。これにより、ポンプ１３は、制御部３によって制御され、燃料タンク１１内の液体燃料を燃料電池４に供給する。
【００２８】
霧化装置１４は、燃料供給ライン１２の途中において、ポンプ１３と燃料電池４との間に配置される。すなわち、霧化装置１４は、燃料タンク１１と燃料電池セルとの間に配置される。霧化装置１４は、燃料電池セルに供給される液体燃料を、霧状にしてキャリアガス（具体的には、後述する分離装置２４からの窒素リッチガス）と混合する。霧化装置１４としては、例えば、燃料噴射装置（インジェクター）、超音波霧化装置、噴霧装置などが挙げられる。霧化装置１４は、制御部３に電気的に接続されている。これにより、霧化装置１４は、制御部３によって制御される。
【００２９】
燃料還流ライン１５は、燃料電池４から排出された液体燃料を燃料タンク１１へ還流するための配管である。燃料還流ライン１５の一端は、燃料電池４に接続される。燃料還流ライン１５の他端は、燃料タンク１１の上端部に接続される。
【００３０】
気液分離器１６は、燃料還流ライン１５の途中に介在される。気液分離器１６は、燃料電池４から排出された液体燃料からガス（気体）を分離する。これにより、燃料電池４から排出された液体燃料は、気液分離器１６においてガスと分離された後、燃料タンク１１へ還流される。
【００３１】
排気ライン１７は、気液分離器１６で分離されたガスを電動車両から外へ排気するための配管である。排気ライン１７の一端は、気液分離器１６に接続される。排気ライン１７の他端は、大気開放されている。なお、排気ライン１７の途中には、ガスを無害化および無臭化するために、図示しない浄化装置が介在される。
【００３２】
（３）空気給排部
空気給排部６は、燃料電池４に空気を供給し、燃料電池４を通過した空気を排出する。空気給排部６は、空気供給ライン２１と、ポンプ２２と、分岐ライン２３と、調整装置の一例としての分離装置２４と、窒素供給ライン２５と、酸素供給ライン２６と、空気排出ライン２７とを備えている。
【００３３】
空気供給ライン２１は、燃料電池４へ空気（酸素）を供給するための配管である。空気供給ライン２１の一端は、大気開放されている。空気供給ライン２１の他端は、燃料電池４（具体的には、燃料電池セルの酸素流路）に接続されている。
【００３４】
ポンプ２２は、空気供給ライン２１の途中に介在されている。ポンプ２２としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。ポンプ２２は、制御部３に電気的に接続されている。
【００３５】
分岐ライン２３は、分離装置２４に空気を供給するための配管である。分岐ライン２３は、ポンプ２２と燃料電池４との間において、空気供給ライン２１から分岐し、分離装置２４に接続される。詳しくは、分岐ライン２３の一端は、ポンプ２２と燃料電池４との間において、空気供給ライン２１に接続される。分岐ライン２３の他端は、分離装置２４の空気入口２４Ａ（後述）に接続される。
【００３６】
分離装置２４は、空気を、不活性ガスの一例としての窒素ガスと、酸素ガスとに分離する。より具体的には、分離装置２４は、約８０体積％の窒素ガスと約２０体積％の酸素ガスとを含有する一般的な組成の空気を、一般的な組成の空気よりも窒素ガスを多く含む窒素リッチガスと、一般的な組成の空気よりも酸素ガスを多く含む酸素リッチガスとに分離する。詳しくは、分離装置２４は、空気を受け入れる空気入口２４Ａと、窒素リッチガスを排出する窒素ガス出口２４Ｂと、酸素リッチガスを排出する酸素ガス出口２４Ｃとを有する。また、分離装置２４は、内部に複数の中空糸を備える。中空糸は、酸素を透過し、窒素を透過しない樹脂からなる。空気入口２４Ａから供給された空気は、中空糸の内側を通過する。このとき、空気中の酸素ガスが中空糸を透過する一方、空気中の窒素ガスは、中空糸を透過せずに中空糸の内側を通過する。これにより、空気は、窒素リッチガスと酸素リッチガスとに分離される。窒素リッチガスは、窒素供給ライン２５を介して霧化装置１４に供給され、キャリアガスとして利用される。すなわち、分離装置２４によって分離された窒素ガスは、霧化装置１４に供給される。また、分離装置２４は、霧化装置１４におけるキャリアガスを調製する。
【００３７】
窒素リッチガス（キャリアガス）は、窒素ガスを、例えば、８５体積％以上、好ましくは、９０体積％以上、より好ましくは、９５体積％以上、例えば、９９．９体積％以下、含有する。
【００３８】
酸素リッチガスは、酸素ガスを、例えば、２５体積％以上、好ましくは、３０体積％以上、例えば、４０体積％以下、含有する。
【００３９】
窒素供給ライン２５は、分離装置２４によって分離された窒素リッチガスを、霧化装置１４に供給するための配管である。窒素供給ライン２５の一端は、分離装置２４の窒素ガス出口２４Ｂに接続される。窒素供給ライン２５の他端は、霧化装置１４に接続される。
【００４０】
酸素供給ライン２６は、分離装置２４によって分離された酸素リッチガスを、空気供給ライン２１に供給するための配管である。酸素供給ライン２６の一端は、分離装置２４の酸素ガス出口２４Ｃに接続される。酸素供給ライン２６の他端は、分岐ライン２３と燃料電池４との間において、空気供給ライン２１に接続される。これにより、分離装置２４によって分離された酸素ガスは、空気供給ライン２１を介して、燃料電池セルのカソードに供給される。分離装置２４によって分離された酸素ガスがカソードに供給されることにより、カソードに供給される酸素ガスが増加する。これにより、燃料電池セルの出力の向上を図ることができる。
【００４１】
空気排出ライン２７は、燃料電池４から空気を排出するための配管である。空気排出ライン２７の一端は、燃料電池４に接続されている。空気排出ライン２７の他端は、大気開放されている。
【００４２】
（４）制御部
制御部３は、ＥＣＵ３１を備えている。
【００４３】
ＥＣＵ３１は、電動車両における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、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。
【００４４】
（５）動力部
動力部２は、電動車両のエンジンルーム内に配置されている。動力部２は、モータ４１と、バッテリー４２とを備えている。
【００４５】
モータ４１は、燃料電池４に電気的に接続されている。モータ４１は、燃料電池４から出力される電気エネルギーを電動車両の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ４１としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
【００４６】
バッテリー４２は、燃料電池４とモータ４１との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー４２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の公知の二次電池などが挙げられる。
【００４７】
２．発電動作
次いで、燃料電池システム１の発電動作について説明する。
【００４８】
電動車両が走行するときには、制御部３は、ポンプ１３、霧化装置１４およびポンプ２２の動作を制御する。
【００４９】
すると、ポンプ２２は、燃料電池４のカソード（具体的には、燃料電池セルのカソード）、および、分離装置２４に空気を供給する。
【００５０】
すると、分離装置２４から霧化装置１４にキャリアガス（窒素リッチガス）が供給される。また、分離装置２４からの酸素リッチガスは、ポンプ２２から燃料電池４へ向かう空気と合流して、燃料電池４のカソード（具体的には、燃料電池セルのカソード）に供給される。
【００５１】
また、ポンプ１３は、燃料タンク１１内の液体燃料を霧化装置１４に供給する。霧化装置１４は、液体燃料を、霧状にしてキャリアガスと混合する。霧状の液体燃料は、キャリアガスによって、燃料電池４のアノード（具体的には、燃料電池セルのアノード）に供給される。
【００５２】
すると、燃料電池４では、アニオン交換型の場合であって、燃料成分が、例えば、ヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される反応が生じ、発電が行なわれる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノードでの反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソードでの反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池４全体での反応）
これらの反応により、燃料成分（Ｎ２Ｈ４）が消費されるとともに、水（Ｈ２Ｏ）および窒素ガス（Ｎ２）が生成し、起電力（４ｅ−）が発生する。発生した起電力は、図示しないインバータにより三相交流電力に変換された後、モータ４１に供給され、電動車両の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリー４２に蓄電される。
【００５３】
また、燃料電池４から排出された液体燃料は、気液分離器１６において、ガス（上記式（１）の反応において生成する窒素ガス（Ｎ２）など）と分離されて、燃料タンク１１に還流される。
【００５４】
３．作用効果
この燃料電池システム１によれば、霧状の液体燃料を、窒素ガスを８５体積％以上含有するキャリアガスによってアノードに供給することができる。
【００５５】
そのため、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制しつつ、霧状の液体燃料をアノードに供給することができる。
【００５６】
また、霧状の液体燃料をアノードに供給することにより、液体燃料がアノードから電解質膜を透過してカソードへクロスリークすることを抑制できる。
【００５７】
また、この燃料電池システム１によれば、分離装置２４によって分離された窒素ガスをキャリアガスとして利用する一方で、分離装置２４によって分離された酸素ガスをカソードに供給できる。
【００５８】
これにより、窒素ガスを多く含むキャリアガスによって液体燃料を霧状にしてアノードに供給することができながら、酸素ガスを多く含む空気をカソードに供給することができる。
【００５９】
その結果、液体燃料中の燃料成分が酸化性ガスと反応して分解することを抑制しつつ、燃料電池セルの出力の向上を図ることができる。
【００６０】
４．変形例
上記した実施形態では、空気を窒素ガスと酸素ガスとに分離することにより、キャリアガスを調製しているが、キャリアガスを調製する方法は、特に限定されない。燃料電池システム１は、例えば、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスが貯留されたボンベを備えており、不活性ガスの流量を調整することにより、キャリアガスを調製してもよい。この場合、不活性ガスの流量を調整するための構成が、調製装置の一例である。具体的には、調製装置は、例えば、不活性ガスの流量を調整するためのバルブであってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１      燃料電池システム
４      燃料電池
１１    燃料タンク
１４    霧化装置
２４    分離装置
【図１】
2018106925.tif 000003