(57)【要約】      （修正有）【課題】気液分離器から燃料タンクへの液体の流れ落ちを促進できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、液体燃料が供給されて発電し、少なくとも気相成分を含む第１の排出物（配管Ｆ２）、気相成分と液相成分とを含む第２の排出物（配管Ｆ４）とを排出する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に供給される液体燃料を貯留するタンクであり、当該液体燃料の液面よりも上側のタンク内空間に第１の排出物が導入される燃料タンク３１と、燃料電池スタック２から排出された上記第２の排出物に含まれる液相成分と気相成分とを分離し、燃料タンク３１よりも高い位置に配された気液分離器５０と、気液分離器５０において気相成分から分離された液相成分を上記タンク内空間に流れ落とす配管Ｆ５と、上記タンク内空間の気相成分を、気液分離器５０を通過した気相成分の流路（配管Ｆ６）に導入するバイパス配管６０とを備える。【選択図】図１
2018110054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給されて発電し、少なくとも気相成分を含む第１の排出物と、気相成分と液相成分とを含む第２の排出物とを排出する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記液体燃料を貯留するタンクであり、当該液体燃料の液面よりも上側のタンク内空間に前記第１の排出物が導入される燃料タンクと、
前記燃料電池から排出された前記第２の排出物に含まれる液相成分と気相成分とを分離する気液分離体を有し、前記燃料タンクよりも高い位置に配された気液分離器と、
前記気液分離器において気相成分から分離された液相成分を前記タンク内空間に流れ落とす第１の配管と、
前記タンク内空間の気相成分を、前記気液分離体を通過した気相成分が流れる流路に導入する第２の配管と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器内において前記気液分離体よりも下側から前記気液分離体よりも上側に流れる第１の流体の流量が、前記第２の配管を通じて前記タンク内空間から前記流路に流れる第２の流体の流量よりも多い燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器内には前記気液分離体の下側に器内空間が設けられており、
前記器内空間の内圧Ｐ１と、前記タンク内空間の内圧Ｐ２と、前記流路の内圧Ｐ３とが下記（Ａ）式の関係を満たす燃料電池システム。
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３  …（Ａ）
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離体の水平断面積Ｓ１と、前記第１の配管の断面積Ｓ２と、前記第２の配管の断面積Ｓ３とが下記（Ｂ）式の関係を満たす燃料電池システム。
Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３  …（Ｂ）
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記流路における前記第２の配管との接続地点よりも下流側に設けられ、前記気液分離体を通過して前記流路を流れる気相成分を浄化する排気浄化装置を備える燃料電池システム。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料が直接、燃料電池に供給される燃料電池システムとして、正極排出物と負極排出物とを、共に又は別々に気液分離器によって気液分離し、液相成分から分離された気相成分を排ガス浄化触媒に導入して処理するものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２００７／１１６８７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記燃料電池システムにおいて、希釈された燃料を貯留する燃料タンクを、気液分離器の下方に設置し、気液分離器において気相成分から分離された液相成分を、重力で燃料タンクに流れ落として燃料を希釈する液体として用いることが考えられる。また、上記燃料電池システムにおいて、燃料タンクに燃料電池のアノード側から排出される気液混合体を導入させることが考えられる。この場合、燃料タンクの内圧が大気圧よりも高い状態になることにより、気液分離器から燃料タンクに液体が流れ落ち難くなるという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、気液分離器から燃料タンクへの液体の流れ落ちを促進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】
【０００６】
［１］本発明に係る燃料電池システムは、液体燃料が供給されて発電し、少なくとも気相成分を含む第１の排出物と、気相成分と液相成分とを含む第２の排出物とを排出する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記液体燃料を貯留するタンクであり、当該液体燃料の液面よりも上側のタンク内空間に前記第１の排出物が導入される燃料タンクと、前記燃料電池から排出された前記第２の排出物に含まれる液相成分と気相成分とを分離する気液分離体を有し、前記燃料タンクよりも高い位置に配された気液分離器と、前記気液分離器において気相成分から分離された液相成分を前記タンク内空間に流れ落とす第１の配管と、前記タンク内空間の気相成分を、前記気液分離体を通過した気相成分が流れる流路に導入する第２の配管とを備える。
【０００７】
［２］上記発明において、前記気液分離器内において前記気液分離体よりも下側から前記気液分離体よりも上側に流れる第１の流体の流量が、前記第２の配管を通じて前記タンク内空間から前記流路に流れる第２の流体の流量よりも多くてもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記気液分離器内には前記気液分離体の下側に器内空間が設けられてもよく、前記器内空間の内圧Ｐ１と、前記タンク内空間の内圧Ｐ２と、前記流路の内圧Ｐ３とが下記（Ａ）式の関係を満たしてもよい。
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３  …（Ａ）
【０００９】
［４］上記発明において、前記気液分離体の水平断面積Ｓ１と、前記第１の配管の断面積Ｓ２と、前記第２の配管の断面積Ｓ３とが下記（Ｂ）式の関係を満たしてもよい。
Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３  …（Ｂ）
【００１０】
［５］上記発明において、前記流路における前記第２の配管との接続地点よりも下流側に設けられ、前記気液分離体を通過して前記流路を流れる気相成分を浄化する排気浄化装置を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料タンクのタンク内空間の内圧の上昇を抑制できるので、気液分離器から燃料タンクへの液体の流れ落ちを促進できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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概略構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池を示す図である。
【図３】図３は、図１の気液分離器、燃料タンク、これらを連通する配管、気液分離器と排気浄化装置とを連通する配管、及びバイパス配管の詳細を示す図である。
【図４】図４は、比較例に係る燃料電池システムの作用を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る燃料電池システムの作用を示す図である。
【図６】図６は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの気液分離器、燃料タンク、これらを連通する配管、気液分離器と排気浄化装置とを連通する配管、及びバイパス配管の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。この図に示す本実施形態の燃料電池システム１は、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ、自動車用の電源や、家庭・産業用の電源等として用いられる燃料電池スタック２を備え、外部負荷４２に対して電力を供給する。この燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料タンク３１と、燃料ポンプ３２と、ブロワ３４と、凝縮器３６と、気液分離器５０と、バイパス流路６０と、排気浄化装置３８と、外部メタノールタンク４０と、メタノールポンプ４１とを備える。
【００１５】
燃料電池スタック２は、積層された複数の燃料電池２１と、複数の燃料電池２１をその積層方向に挟む一対の集電体２２と、複数の燃料電池２１および一対の集電体２２を燃料電池２１の積層方向に挟む一対のエンドプレート２３、２４とを備える。なお、積層された複数の燃料電池２１に代えて、単層の燃料電池２１を用いてもよい。
【００１６】
図２は、燃料電池２１の概略構成を示す図である。この図に示す燃料電池２１は、液体燃料が直接供給される液体燃料直接供給型の燃料電池であり、本実施形態の燃料電池２１は、ダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である。この燃料電池２１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１１と、当該膜電極接合体２１１を挟む一対のアノードセパレータ２１２及びカソードセパレータ２１３とを備える。
【００１７】
膜電極接合体２１１は、高分子電解質膜２１１Ａと、アノード触媒層２１１Ｂと、カソード触媒層２１１Ｃと、アノードガス拡散層２１１Ｄと、カソードガス拡散層２１１Ｅとを備える。アノード触媒層２１１Ｂとカソード触媒層２１１Ｃとが高分子電解質膜２１１Ａを挟むように設けられ、アノードガス拡散層２１１Ｄがアノード触媒層２１１Ｂの外側の表面に設けられ、カソードガス拡散層２１１Ｅがカソード触媒層２１１Ｃの外側の表面に設けられている。なお、アノード触媒層２１１Ｂとアノードガス拡散層２１１Ｄとがアノードを構成し、カソード触媒層２１１Ｃとカソードガス拡散層２１１Ｅとがカソードを構成する。
【００１８】
高分子電解質膜２１１Ａは、水素イオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池で用いられる高分子電解質膜を用いることができる。このような高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国ＤｕＰｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（商品名，登録商標）、旭化成（株）製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名，登録商標）、旭硝子(株)社製のＦｌｅｍｉｏｎ（商品名，登録商標）等）を例示することができる。
【００１９】
アノード触媒層２１１Ｂ及びカソード触媒層２１１Ｃは、電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン導電性を有する高分子電解質とで構成されている。
【００２０】
アノード触媒層２１１Ｂ及びカソード触媒層２１１Ｃにおける担体である導電性炭素粒子については、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましい。このようなカーボン材料としては、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバ及びカーボンチューブなどを例示できる。カーボンブラックとしては、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック及びアセチレンブラックなどを例示できる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。
【００２１】
アノード触媒層２１１Ｂ及びカソード触媒層２１１Ｃにおける電極触媒としては、白金又は白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛及びスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金が好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノードとカソードに同じ構成の電極触媒を用いても、異なる構成の電極触媒を用いてもよい。
【００２２】
アノードガス拡散層２１１Ｄ及びカソードガス拡散層２１１Ｅとしては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャ構造を有するカーボン微粉末、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどで構成された導電性多孔質基材を用いることができる。また、基材の排水性を向上させるために、基材に撥水処理を施してもよい。この撥水処理としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＥＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させる撥水処理を例示できる。さらに、電子導電性を持たせるために、上記基材を電子伝導性材料で構成してもよい。この電子導電性材料としては、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などを例示できる。なお、アノードガス拡散層２１１Ｄとカソードガス拡散層２１１Ｅとを同じ構成にしてもよく、異なる構成にしてもよい。
【００２３】
アノードセパレータ２１２は、導電性を有する板状部材であり、アノードガス拡散層２１１Ｄに接して配されている。アノードセパレータ２１２におけるアノードガス拡散層２１１Ｄと接触する面には、アノード流路２１２Ａが形成されている。このアノード流路２１２Ａは、メタノール水溶液（ＭｅＯＨ）を含む液体燃料を膜電極接合体２１１のアノードに供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質（以下、「アノード排出物」ともいう。）を膜電極接合体２１１から外部に排出するための流路である。なお、アノード流路２１２Ａは、折り返しのあるサーペンタイン（蛇行）形であってもよく、折り返しの無い直線形であってもよい。
【００２４】
カソードセパレータ２１３は、導電性を有する板状部材であり、カソードガス拡散層２１１Ｅに接して配されている。カソードセパレータ２１３におけるカソードガス拡散層２１１Ｅと接触する面には、カソード流路２１３Ａが形成されている。このカソード流路２１３Ａは、酸化剤（空気）を膜電極接合体２１１のカソードに供給し、電極反応生成物、膜電極接合体２１１を透過（クロスオーバー現象）した未反応のメタノールを含む物質（以下、「カソード排出物」ともいう。）を膜電極接合体２１１から外部に排出するための流路である。なお、カソード流路２１３Ａは、折り返しのあるサーペンタイン（蛇行）形であってもよく、折り返しの無い直線形であってもよい。
【００２５】
図１に示すように、エンドプレート２３は、燃料供給口２３１と、燃料排出口２３２とを有している。エンドプレート２４は、空気供給口２４１と、空気排出口２４２とを有している。燃料供給口２３１は、配管Ｆ１を介して燃料タンク３１に連通されている。燃料排出口２３２は、配管Ｆ２を介して燃料タンク３１に連通されている。空気供給口２４１は、配管Ｆ３を介してシステム外部に連通されている。空気排出口２４２は、配管Ｆ４を介して気液分離器５０に連通されている。
【００２６】
燃料タンク３１には、液体燃料が貯蔵されている。本実施形態の液体燃料は、メタノール水溶液である。また、配管Ｆ１には、燃料ポンプ３２が設けられている。また、配管Ｆ３には、フィルタ３３とブロワ３４とが設けられている。フィルタ３３は、ブロワ３４の吸入側に設けられており、ブロワ３４により外部から吸入される空気に含まれる粉塵等を除去する。また、配管Ｆ４には、凝縮器３６が設けられている。
【００２７】
システムが起動されると、燃料ポンプ３２により、液体燃料が燃料タンク３１から配管Ｆ１および燃料供給口２３１を通じて燃料電池２１のアノードに供給される。また、システムが起動されると、ブロア３４により、システム外部の空気が配管Ｆ３および空気供給口２４１を通じて燃料電池２１のカソードに供給される。
【００２８】
アノードでは、下記（１）式で示すように、触媒による酸化反応により二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成される。アノードで生成された電子が外部の回路を通ることで、外部負荷４２に電力が供給される。一方、アノードで生成された水素イオンは、高分子電解質膜２１１Ａを通過してカソードに移動する。カソードでは、下記（２）式で示すように、触媒による酸素の還元反応により水が生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …  （１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …  （２）
【００２９】
燃料排出口２３２から排出されるアノード排出物は、配管Ｆ２を介して燃料タンク３１に戻される。燃料タンク３１内では、戻されたアノード排出物のうち気相成分が液面に浮上するので、液相成分と気相成分とが概ね分離される。
【００３０】
空気排出口２４２から排出されるカソード排出物は、配管Ｆ４および凝縮器３６を通じて気液分離器５０に導入される。凝縮器３６は、カソード排出物に含まれる水蒸気を冷却することで液化する。これにより、気相成分と凝縮器３６において凝縮された液相成分とを含むカソード排出物が、気液分離器５０に導入される。
【００３１】
気液分離器５０は、配管Ｆ５を介して燃料タンク３１に連通されている。一方で、気液分離器５０は、配管Ｆ６を介して排気浄化装置３８と連通されている。この気液分離器５０は、カソード排出物に含まれる気相成分と液相成分とを分離する。気液分離器５０において気相成分から分離された液相成分（主として水）は、配管Ｆ５を通じて燃料タンク３１に流れ落ちる。一方で、気液分離器５０において液相成分から分離された気相成分は、配管Ｆ６を通じて排気浄化装置３８に導入される。
【００３２】
ここで、アノード排出物の電極反応生成物には、液相成分として未反応の液体燃料（水及びメタノール）が含まれ、気相成分として上記（１）式のとおり二酸化炭素が含まれるのに加えて、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、「アノード不完全酸化物」という。）も気相成分に含まれている。また、カソード排出物の電極反応生成物には、液相成分として上記（２）式のとおり主として水が含まれ、気相成分として未反応の空気が含まれるのに加えて、アノードからカソードへ透過したメタノールが酸化反応して生成される二酸化炭素、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、「カソード不完全酸化物」という。）も気相成分に含まれている。
【００３３】
排気浄化装置３８は、配管Ｆ７を介してシステム外部に連通されている。この排気浄化装置３８は、後述の気液分離体５２を通過した気相成分が流れる流路における後述のバイパス配管６０との接続地点よりも下流側に設けられ、燃料電池スタック２からの排出物に含まれる不完全酸化物（アノード不完全酸化物及びカソード不完全酸化物を含む。）を除去する。これにより、排気浄化装置３８により浄化された気相成分が配管Ｆ７を通じてシステム外へ排出される。このような排気浄化装置３８としては、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）酸化触媒を例示できる。なお、気液分離器５０、燃料タンク３１、気液分離器５０と燃料タンク３１とを連通する配管Ｆ５、気液分離器５０と排気浄化装置３８とを連通する配管Ｆ６、及び後述のバイパス配管６０の詳細については後述する。
【００３４】
外部メタノールタンク４０には、燃料タンク３１内のメタノール水溶液と比較して高濃度のメタノールが貯蔵されている。この外部メタノールタンク４０は、燃料タンク３１と配管Ｆ８を介して連通されている。この配管Ｆ８には、メタノールポンプ４１が設けられている。また、燃料タンク３１には、水位センサ４４が設けられている。この水位センサ４４は、燃料タンク３１内のメタノール水溶液の水位を検出する。不図示の制御装置は、不図示のメタノール濃度検出器の情報を基に、メタノール水溶液の濃度を一定に保つようにメタノールポンプ４１の駆動を制御し、また、凝縮器３６の凝縮量を制御することにより、燃料タンク３１内のメタノール水溶液の貯蔵量を所定範囲に維持する。
【００３５】
ここで、メタノールポンプ４１が作動されることにより、高濃度のメタノールが外部メタノールタンク４０から燃料タンク３１に供給される。それに対して、主として水を含む液相成分が気液分離器５０から燃料タンク３１に流れ落ちる。これにより、燃料タンク３１内において、高濃度のメタノールが希釈され、濃度が２〜３質量％のメタノール水溶液が生成される。
【００３６】
図３は、気液分離器５０、燃料タンク３１、気液分離器５０と燃料タンク３１とを連通する配管Ｆ５、気液分離器５０と排気浄化装置３８とを連通する配管Ｆ６、及びバイパス配管６０の詳細を示す図である。この図に示すように、気液分離器５０は、容器５１と、容器５１内に設けられた気液分離体５２とを備える。
【００３７】
容器５１は、直方体または円筒体の容器であり、矩形状または円状の天面および底面を備える。この容器５１は、天面および底面が上下に対向するように鉛直に配されている。容器５１の底面の中央部には排液口５１１が設けられ、容器５１の天面の中央部には排気口５１２が設けられ、容器５１の側面の下部には気液供給口５１３が設けられている。排液口５１１には、配管Ｆ５の上端が接続されている。また、気液供給口５１３には、配管Ｆ４の下流端が接続されている。さらに、排気口５１２には、配管Ｆ６の上流端が接続されている。
【００３８】
気液分離体５２は、容器５１の内部に充填されている。ここで、容器５１の上部及び下部には、気液分離体５２が充填されていない空間５１Ｕ、５１Ｌが形成されている。排液口５１１と気液供給口５１３とは、空間５１Ｕに向けて開口するように設けられている。これにより、カソード排出物に含まれる気相成分と液相成分とが、凝縮器３６から配管Ｆ４、気液供給口５１３、および空間５１Ｌを通じて、気液分離体５２に導入される。また、気液分離体５２により液相成分から分離された液相成分が、排液口５１１から配管Ｆ６を通じて燃料タンク３１に流れ落ちる。
【００３９】
排気口５１２は、空間５１Ｌに向けて開口するように設けられている。これにより、気液分離体５２において液相成分から分離された気相成分が、空間５１Ｕ、排気口５１２、および配管Ｆ６を通じて排気浄化装置３８に導入される。
【００４０】
気液分離体５２としては、ステンレス製の金属メッシュを積層したデミスタを例示できる。なお、気液分離体５２を構成する材料としては、メタノールに対する耐食性を有していれば特に限定されない。メタノールに対する耐食性を有する材料としては、ステンレスの他にポリプロピレン、ポリエチレン等のフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を例示できる。また、気液分離体５２の構造としては、デミスタに限定されるものではなく、気液分離膜、邪魔板、サイクロン式分離器、重力による分離機構等を例示できる。ただし、気液分離性及び気液分離器５０を小型化する観点から、気液分離体５２の構造は、デミスタが好ましい。
【００４１】
気液分離体５２は、容器５１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。カソード排出物またはアノード排出物に含まれる気相成分と液相成分とが気液分離されることなく気液分離体５２を通過するのを防ぐ観点から、気液分離体５２は、容器５１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。
【００４２】
燃料タンク３１は、直方体または円筒体の容器であり、矩形状または円状の天面および底面を備える。この燃料タンク３１は、天面および底面が上下に対向するように鉛直に配されている。燃料タンク３１の天面は、給液口３１１が設けられ、燃料タンク３１の側面上部には、気液供給口３１２が設けられ、燃料タンク３１の側面下部には、排液排気浄化触媒口３１３が設けられている。給液口３１１には配管Ｆ５の下端が接続されている。この給液口３１１は、容器５１の排液口５１１の鉛直下方に配されており、配管Ｆ５は、直線状に構成され且つ鉛直に配されている。なお、配管Ｆ５を直線状に構成し且つ鉛直に配することは必須ではなく、配管Ｆ５を湾曲形状に構成したり傾斜して配したりしてもよい。
【００４３】
気液供給口３１２には配管Ｆ２の一端が接続されている。ここで、燃料タンク３１内のメタノール水溶液の水位は、気液供給口３１２よりも下側に維持される。これにより、燃料タンク３１の上部には、気液供給口３１２と給液口３１１とが開口する空間３１Ｕが形成される。この空間３１Ｕには、燃料電池スタック２からのアノード排出物が、配管Ｆ２および気液供給口３１２を通じて導入される。このアノード排出物には、二酸化炭素等の気相成分と未反応のメタノール等の液相成分とが含まれる。
【００４４】
排液口３１３には、配管Ｆ１の一端が接続されている。燃料タンク３１内のメタノール水溶液は、排液口３１３から排出され、配管Ｆ１を通じて燃料電池スタック２のアノードに導入される。
【００４５】
ここで、燃料タンク３１の天面の周縁部の近傍には、排気口３１４が設けられており、この排気口３１４には、バイパス配管６０の一端が接続されている。このバイパス配管６０の他端は、配管Ｆ６に接続されている。これにより、燃料タンク３１の上部の空間３１Ｕと配管Ｆ６とがバイパス配管６０を通じて連通されている。
【００４６】
容器５１の水平断面積（高さ方向に対して直交する方向に沿って切断した断面の面積）Ｓ１と、配管Ｆ５の断面積Ｓ２と、バイパス配管６０の断面積Ｓ３とは下記（３）式で示す関係を満たす。なお、容器５１に気液分離体５２が充填されているため、容器５１の水平断面積Ｓ１は、気液分離体５２の水平断面積と等しい。また、気液分離体５２は直方体または円筒体であるため、気液分離体５２の底面および底面の面積も容器５１の水平断面積と等しい。また、配管Ｆ５の断面積Ｓ２は、下記（４）式で表される。さらに、バイパス配管６０の断面積Ｓ３は、下記（５）式で表される。
【数３】
2018110054.tif 000003
【数４】
2018110054.tif 000004
【数５】
2018110054.tif 000005
但し、ｒ２は、配管Ｆ５の内径であり、ｒ３は、バイパス配管６０の内径である。
【００４７】
後述するようにバイパス配管６０の流量を少なくする観点から、本実施形態では、バイパス配管６０の断面積Ｓ３は、容器５１の水平断面積Ｓ１の１／５０〜１／２００に設定されており、容器５１の水平断面積Ｓ１と比較して十分に小さく設定されている。なお、容器５１の水平断面積Ｓ１は１０００ｍｍ２〜６０００ｍｍ２であり、小型化の観点から、１０００ｍｍ２〜４０００ｍｍ２が好ましい。それに対して、バイパス配管６０の断面積Ｓ３は、５ｍｍ２〜３００ｍｍ２であり、流量を少なくする観点から５ｍｍ２〜２００ｍｍ２が好ましい。
【００４８】
図４は、比較例の燃料電池システムが備える気液分離器５０、燃料タンク３１、配管Ｆ５、及び配管Ｆ６を示す図である。この図に示すように、比較例の燃料電池システムは、バイパス配管６０を備えない点で本実施形態の燃料電池システム１と相違する。
【００４９】
ここで、燃料タンク３１の上部の空間３１Ｕには気相成分と液相成分とを含むアノード排出物が導入されるところ、空間３１Ｕから気相成分を排出する手段が設けられていないことにより、空間３１Ｕの内圧が上昇して大気圧よりも高くなる。そのため、気液分離器５０内の液相成分が、容器５１の下部の空間５１Ｌから配管Ｆ５を通じて燃料タンク３１内に流れ落ち難い状態になる。それにより、液相成分が容器５１内で滞留する可能性が生じる。
【００５０】
図５は、本実施形態の燃料電池システム１の気液分離器５０、燃料タンク３１、配管Ｆ５、配管Ｆ６、及びバイパス配管６０での気相成分及び液相成分の流れを示す図である。この図に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２から空間３１Ｕに導入されたアノード排出物が、空間３１Ｕにおいて液相成分と気相成分とに分離される。空間３１Ｕにおいて気相成分から分離された液相成分は、燃料タンク３１内に留まる。それに対して、空間３１Ｕにおいて液相成分から分離された気相成分は、バイパス配管６０により配管Ｆ６に導かれる。それにより、上述の比較例のようにバイパス配管６０を設けない場合と比較して、空間３１Ｕの内圧が低下するので、気液分離器５０内の液相成分が、容器５１の下部の空間５１Ｌから配管Ｆ５を通じて燃料タンク３１内に流れ落ち易い状態になる。
【００５１】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１では、気液分離体５２から燃料タンク３１内の空間３１Ｕに液相成分がより確実に流れ落ちるようにするという観点から、燃料タンク３１内の空間３１Ｕの内圧Ｐ２が、容器５１内の空間５１Ｌの内圧Ｐ１よりも低くなるように、バイパス配管６０が設けられている。さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、バイパス配管６０内で排気口３１４から配管Ｆ６へ流れる第２の流体（矢印Ｂで図示）の流量Ｆ２を、容器５１内で気液供給口５１３、気液分離体５２、排気口５１２の順序で流れる第１の流体（矢印Ａで図示）の流量Ｆ１と比較して微量に抑えるという観点から、容器５１内の空間５１Ｌの内圧Ｐ１と、燃料タンク３１の空間３１Ｕの内圧Ｐ２と、配管Ｆ６とバイパス配管６０との合流地点の内圧Ｐ３とが、下記（６）式の関係を満たすように、また、上述した流量Ｆ１＞流量Ｆ２の関係を満たすように、バイパス配管６０の断面積Ｓ３と配管Ｆ５の断面積Ｓ２と容器５１の水平断面積Ｓ１との比が設定されている。特に、バイパス配管６０の圧力損失を十分に大きくするという観点から、バイパス配管６０の断面積Ｓ３が容器５１の内部の水平断面積Ｓ１の１／５０〜１／２００と十分に小さく設定されている。容器５１内で気液分離体５２を通過する流体の流量Ｆ１と、バイパス配管６０内で上昇する流体の流量Ｆ２との比は、例えば、８：２〜９：１程度である。
Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３  …（６）
【００５２】
従って、本実施形態の燃料電池システム１によれば、気液分離体５２により気相成分から分離された液相成分を、確実に燃料タンク３１に流れ落とすことができ、容器５１内で液相成分が滞留することを防止できる。それに加えて、容器５１の空間５１Ｌに導入されたカソード排出物が、気液分離体５２を通過することなく、配管Ｆ５、燃料タンク３１の空間３１Ｕ、及びバイパス配管６０を通じて配管Ｆ６に流れることを抑制できるので、気液分離体５２において気液分離されることなく配管Ｆ６に流れるカソード排出物の流量を低減でき、気液分離器５０によるカソード外出物の気液分離機能を確保できる。
また、上記（３）式の関係を満たすことで、流量を変化させるための弁等の流量低減手段等を設けずに比較的簡易な構成で上述した作用効果を得ることが可能となる。
【００５３】
本実施形態における「アノード排出物」が本発明における「第１の排出物」の一例に相当し、本実施形態における「カソード排出物」が本発明における「第２の排出物」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池２１」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「空間３１Ｕ」が本発明における「タンク内空間」の一例に相当し、本実施形態における「燃料タンク３１」が本発明における「燃料タンク」の一例に相当する。本実施形態における「気液分離体５２」が本発明における「気液分離体」の一例に相当し、本実施形態における「空間５１Ｌ」が本発明における「器内空間」の一例に相当し、本実施形態における「気液分離器５０」が本発明における「気液分離器」の一例に相当する。本実施形態における「配管Ｆ５」が本発明における「第１の配管」の一例に相当し、本実施形態における「配管Ｆ６」が本発明における「流路」の一例に相当し、本実施形態における「バイパス配管６０」が本発明における「第２の配管」の一例に相当する。本実施形態における「排気浄化装置３８」が本発明における「排気浄化装置」に相当する。本実施形態における「第１の流体」が本発明における「第１の流体」の一例に相当し、本実施形態における「第２の流体」が本発明における「第２の流体」の一例に相当する。
【００５４】
図６は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの気液分離器１５０、燃料タンク３１、これらを連通する配管Ｆ５、及びバイパス配管６０の詳細を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、気液分離器１５０の容器１５１内に気液分離体５２と排気浄化触媒３８１とが収容されており、排気浄化装置は単独では存在していない。また、気液分離器１５０と排気浄化装置とを接続する配管も存在していない。なお、上述の実施形態と同様の構成については重複した説明は省略し、既にした説明を援用する。
【００５５】
容器１５１は、直方体または円筒体の容器であり、矩形状または円状の天面および底面を備える。この容器５１は、天面および底面が上下に対向するように鉛直に配されている。容器１５１の底面の中央部には排液口５１１が設けられ、容器１５１の天面の中央部には排気口５１２が設けられ、容器１５１の側面の下部には気液供給口５１３が設けられている。さらに、容器１５１の側面の高さ方向の中央部には給気口５１４が設けられている。
【００５６】
排液口５１１には、配管Ｆ５の上端が接続されている。また、気液供給口５１３には、配管Ｆ４の下流端が接続されている。また、排気口５１２には、システム外に排気する配管Ｆ７が接続されている。さらに、給気口５１４には、バイパス配管６０の上端が接続されている。
【００５７】
気液分離体５２は、容器１５１内の高さ方向中央部より下側に配され、排ガス浄化触媒３８１は、容器１５１内の高さ方向中央部より上側に配されている。気液分離体５２は、容器１５１の側面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。また、排気浄化触媒３８１も同様に、容器１５１内の側面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。
【００５８】
容器１５１の下部には、気液分離体５２が充填されていない空間５１Ｌが形成され、容器１５１の上部には、排気浄化触媒３８１が充填されていない空間５１Ｕが形成されている。さらに、排気浄化触媒３８１と気液分離体５２とは、上下に離間して配されており、容器１５１の高さ方向中央部には、排気浄化触媒３８１と気液分離体５２とが充填されていない空間５１Ｍが形成されている。
【００５９】
排液口５１１と気液供給口５１３とは、空間５１Ｌに向けて開口するように設けられている。また、排気口５１２は、空間５１Ｕに向けて開口するように設けられている。さらに、給気口５１４が空間５１Ｍに向けて開口するように設けられている。これにより、気液分離体５２を通過した気相成分とバイパス配管６０を通過した気相成分とが、排気浄化触媒３８１を通過して排気口５１２及び配管Ｆ７を通じてシステム外へ排出される。
【００６０】
排気浄化触媒３８１は、気液分離体５２により液相成分から分離された気相成分と、燃料タンク３１に導入された排出物の気相成分とを酸化反応させる機能を有する。この排気浄化触媒３８１の酸化反応機能としては、少なくとも気相成分に含まれる不完全酸化物を酸化させ水と二酸化炭素とに変換する機能が含まれる。気相成分の酸化反応に用いられる酸化剤としては、ブロワ３４により燃料電池スタック２に供給され、当該燃料電池スタック２での反応に寄与することなく排出された空気（酸素）を用いる。この排気浄化触媒３８１では、不完全酸化物の他に、容器５１内に入り込んだ未反応のメタノール蒸気も、酸化されて水と二酸化炭素とに分解される。
【００６１】
排気浄化触媒３８１としては、触媒を担持させたステンレス製のメッシュ構造物、ハニカム構造物、又は発泡金属等を積層したものを例示できる。なお、排気浄化触媒３８１の排液性を向上させて排気浄化触媒３８１での液相成分の滞留を抑制する観点から、触媒を担持させたメッシュ構造物が好ましい。触媒としては、比較的低温状態（たとえば、５０℃）でメタノール蒸気や不完全酸化物の酸化反応に利用できるものが好ましく、具体的には、白金微粒子をカーボン担体に担持したものを用いることが好適である。なお、触媒としては、上記アノード触媒層２１１Ｂ及びカソード触媒層２１１Ｃにおける電極触媒と同様のものを用いてもよい。
【００６２】
本実施形態の燃料電池システムでは、空間３１Ｕにおいて液相成分から分離された気相成分が、バイパス配管６０により容器１５１内の気液分離体５２より上側の空間５１Ｍに導かれる。それにより、上述の比較例のようにバイパス配管６０を設けない場合と比較して、空間３１Ｕの内圧が低下するので、気液分離器１５０内の液相成分が、容器１５１の下部の空間５１Ｌから配管Ｆ５を通じて燃料タンク３１内に流れ落ち易い状態になる。従って、容器１５１内での液体の滞留を抑制できる。
【００６３】
本実施形態における「気液分離器１５０」が本発明における「気液分離器」の一例に相当し、本実施形態における「排気浄化触媒３８１」が本発明における「排気浄化装置」の一例に相当し、本実施形態における「空間５１Ｍ」が本発明における「流路」の一例に相当する。
【００６４】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００６５】
たとえば、上記実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池としてダイレクトメタノール型の燃料電池を備えるが、燃料電池としては、ダイレクトエタノール型等の他のダイレクトアルコール型の燃料電池や、その他の液体燃料を直接供給する形式の燃料電池も採用できる。また、上述の実施形態では、上記第２の流体の流量Ｆ２が上記第１の流体の流量Ｆ１よりも少なくするために、バイパス配管６０の断面積Ｓ３を気液分離器５０、１５０の水平断面積Ｓ１及び配管Ｆ６の断面積Ｓ２よりも小さく設定したが、これに代えて、バイパス配管６０に流量Ｆ２を少なくするための弁等の流量低減手段を設ける等してもよい。
【符号の説明】
【００６６】
１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
２１…燃料電池
２１１…膜電極接合体
２１１Ａ…高分子電解質膜
２１１Ｂ…アノード触媒層
２１１Ｃ…カソード触媒層
２１１Ｄ…アノードガス拡散層
２１１Ｅ…カソードガス拡散層
２１２…アノードセパレータ
２１３…カソードセパレータ
２２…集電体
２３…エンドプレート
２３１…燃料供給口
２３２…燃料排出口
２４…エンドプレート
２４１…空気供給口
２４２…空気排出口
３１…燃料タンク
３１Ｕ…空間
３１１…給液口
３１２…気液供給口
３１３…排液口
３１４…排気口
３２…燃料ポンプ
３３…フィルタ
３４…ブロワ
３６…凝縮器
３８…排気浄化装置
４０…外部メタノールタンク
４１…メタノールポンプ
４２…外部負荷
４４…水位センサ
５０…気液分離器
５１…容器
５１Ｕ…空間
５１Ｌ…空間
５１１…排液口
５１２…排気口
５１３…気液供給口
５２…気液分離体
１５０…気液分離器
１５１…容器
５１Ｍ…空間
５１４…給気口
３８１…排気浄化触媒
６０…バイパス配管
Ｆ１〜Ｆ８…配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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