(57)【要約】【課題】燃料循環路の液量が過剰になることを抑制できる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２には、燃料循環路が接続されている。燃料循環路の一部として、液体燃料が含まれる液体を貯留する燃料循環タンク２２が設けられている。また、燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料補給タンク２１が設けられている。燃料循環路には、燃料電池２と燃料循環タンク２２との間の位置に、三方弁３０が介装されている。三方弁３０には、燃料電池２から排出される液体を燃料補給タンク２１に流入させるための分岐管３２が接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に接続され、液体燃料が含まれる液体を前記燃料電池を経由して循環させる燃料循環路と、
前記燃料循環路の一部を構成し、前記燃料循環路を循環する液体を貯留する燃料循環タンクと、
前記燃料循環路に接続され、前記燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料補給タンクと、
前記燃料電池と前記燃料循環タンクとの間において、前記燃料循環路に分岐して接続され、前記燃料電池から排出される液体を前記燃料補給タンクに流入させる分岐路と、
前記燃料循環路と前記分岐路との分岐点に設けられ、液体の流通先を前記燃料循環路と前記分岐路とに選択的に切り換える三方弁とを含む、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、水加ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。この種の燃料電池を含む燃料電池システムは、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。
【０００３】
水加ヒドラジンを液体燃料として使用する場合、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（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、未反応の水加ヒドラジンとともに、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。
【０００４】
発電反応に伴い、水加ヒドラジンが消費されるとともに、アノードで生成された水が燃料循環路に排出される。そのため、燃料循環路を循環する液体中の水加ヒドラジンの濃度が低下する。そのため、燃料電池システムには、高濃度の水加ヒドラジン（液体燃料の原料）を貯留した原料タンクが設けられており、燃料循環路における水加ヒドラジンの濃度が低下すると、原料タンクから高濃度の水加ヒドラジンが燃料循環路に補給されて、その濃度が発電反応に適した濃度に保たれる。
【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】
ところが、燃料循環路に高濃度の水加ヒドラジンが補給されると、燃料循環路を循環する液体の量が増加する。燃料循環路の液量が増え過ぎると、燃料循環路からの液漏れなどを生じるおそれがある。
【０００７】
本発明の目的は、燃料循環路の液量が過剰になることを抑制できる、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】
【０００８】
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、燃料電池と、燃料電池に接続され、液体燃料が含まれる液体を燃料電池を経由して循環させる燃料循環路と、燃料循環路の一部を構成し、燃料循環路を循環する液体を貯留する燃料循環タンクと、燃料循環路に接続され、燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料補給タンクと、燃料電池と燃料循環タンクとの間において、燃料循環路に分岐して接続され、燃料電池から排出される液体を燃料補給タンクに流入させる分岐路と、燃料循環路と分岐路との分岐点に設けられ、液体の流通先を燃料循環路と分岐路とに選択的に切り換える三方弁とを含む。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池には、燃料循環路が接続されている。燃料循環路の一部として、液体燃料が含まれる液体を貯留する燃料循環タンクが設けられている。また、燃料循環路に補給される液体燃料を貯留する燃料補給タンクが設けられている。燃料循環路には、燃料電池と燃料循環タンクとの間の位置に、三方弁が介装されている。三方弁には、燃料電池から排出される液体を燃料補給タンクに流入させるための分岐路が接続されている。
【００１０】
通常時は、三方弁による液体の流通先を燃料循環路として、液体燃料が含まれる液体を燃料循環路を循環させることにより、燃料循環タンクから燃料電池に液体を供給し、燃料電池から排出される液体を燃料循環タンクに戻すことができる。
【００１１】
燃料電池では、発電反応に伴い、液体燃料が消費されるとともに、水が生成される。燃料電池で生成された水は、燃料循環路に排出される。そのため、燃料循環路を循環する液量が増加し、また、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。燃料補給タンクが設けられているので、燃料補給タンクから燃料循環路に液体燃料を補給することができ、この補給により、燃料循環路を循環する液体中の液体燃料の濃度を上昇させることができる。その反面、燃料補給タンクから燃料循環路に液体燃料が補給されると、燃料循環路の液量がさらに増加し、燃料循環タンク内の液量が増加（液面が上昇）する。
【００１２】
燃料循環タンク内の液量が所定の上限量に達した場合に、三方弁による液体の流通先を燃料循環路から分岐路に切り換えることにより、燃料電池から排出される液体を流通路を通して燃料補給タンクに流入させることができる。これにより、燃料循環タンクに液体が戻されないので、燃料循環タンク内の液量が減少する。その結果、燃料循環路の液量が過剰になることを抑制でき、燃料循環路からの液漏れの発生を抑制できる。
【００１３】
燃料電池から排出される液体には、水が多く含まれるので、その液体が燃料補給タンクに流入すると、燃料補給タンク内の液体燃料の濃度が低下する。そのため、三方弁による液体の流通先を燃料循環路から分岐路に切り換えた後、燃料循環タンク内の液量が所定の安全量まで低下した時点で、三方弁による液体の流通先を分岐路から燃料循環路に切り換えることが好ましい。これにより、燃料補給タンク内の液体燃料の濃度の低下を抑制することができる。
【００１４】
燃料補給タンクは、交換可能に設けられていることが好ましい。そして、燃料電池システムは、燃料補給タンク内の液体燃料の濃度を検出する濃度検出手段と、濃度検出手段による検出濃度所定の交換濃度まで低下した場合に、その旨を報知する報知手段とを備えていてもよい。交換濃度は、たとえば、燃料電池での発電に適した液体燃料の濃度範囲の下限値である。
【００１５】
燃料電池から排出される液体を燃料補給タンクに流入させる処理が繰り返されるうちに、燃料補給タンク内の液体燃料の濃度が徐々に低下する。燃料補給タンク内の液体燃料の濃度が交換濃度まで低下した場合、その旨が報知されることにより、燃料電池システムの使用者に燃料補給タンクの交換を促すことができる。
【００１６】
また、燃料補給タンクごと新品と交換されるので、使用者が液体燃料に触れるおそれがない。よって、高濃度の液体燃料を燃料電池システムに安全に補給することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料循環路の液量が過剰になることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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】燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】三方弁切換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】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。
【００２１】
燃料電池システム１は、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２および燃料供給機構３を含む。
【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。
【００２５】
燃料供給機構３は、燃料補給タンク２１、燃料循環タンク２２および気液分離器２３が含まれる。
【００２６】
燃料補給タンク２１は、交換可能に設けられている。新品の燃料補給タンク２１には、電解液と混合されていない液体燃料（以下、「原料」という。）、たとえば、質量パーセント濃度が６０％の水加ヒドラジンが貯留されている。燃料補給タンク２１には、燃料補給管２４の一端が接続されている。燃料補給管２４の他端は、燃料循環タンク２２に接続されている。燃料補給管２４の途中部には、燃料補給ポンプ２５が介装されている。
【００２７】
燃料循環タンク２２には、液体燃料が電解液（たとえば、水酸化カリウム水溶液）と混合された状態で貯留されている。燃料循環タンク２２には、燃料供給管２６の一端が接続されている。燃料供給管２６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２６の途中部には、燃料循環ポンプ２７が介装されている。
【００２８】
燃料電池２の燃料出口１５には、燃料排出管２８の一端が接続されている。燃料排出管２８の他端は、気液分離器２３に接続されている。
【００２９】
気液分離器２３の底部には、第１燃料帰還管２９の一端が接続されている。第１燃料帰還管２９の他端は、三方弁３０の入口ポートに接続されている。
【００３０】
三方弁３０は、２つの出口ポートを有している。出口ポートの１つ（以下、この出口ポートを「循環側ポート」という。）には、第２燃料帰還管３１の一端が接続されている。第２燃料帰還管３１の他端は、燃料循環タンク２２に接続されている。また、出口ポートの他の１つ（以下、この出口ポートを「補給側ポート」という。）には、分岐管３２の一端が接続されている。分岐管３２の他端は、燃料補給タンク２１に接続されている。三方弁３０により、第１燃料帰還管２９を流れてくる液体の流通先を第２燃料帰還管３１と分岐管３２とに選択的に切り換えることができる。具体的には、三方弁３０の循環側ポートが開かれ、補給側ポートが閉じられることにより、第１燃料帰還管２９から第２燃料帰還管３１に液体が流れる。また、三方弁３０の補給側ポートが開かれ、循環側ポートが閉じられることにより、第１燃料帰還管２９から分岐管３２に液体が流れる。
【００３１】
燃料電池２による発電のために、燃料循環ポンプ２７が駆動される。燃料循環ポンプ２７が駆動されると、燃料循環タンク２２に貯留されている液体燃料を含む液体が燃料供給管２６に吸い出される。液体燃料を含む液体は、燃料供給管２６を流通し、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。
【００３２】
その一方で、エアコンプレッサ（図示せず）が駆動されて、エア供給管４１にエアが送り込まれる。エア供給管４１に送り込まれたエアは、エア供給管４１を流通し、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、水加ヒドラジンが消費されて、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、未反応の液体燃料を含む液体とともに、燃料流路から燃料出口１５を通して燃料排出管２８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。
【００３５】
Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
【００３６】
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
【００３７】
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。
【００３８】
燃料排出管２８に排出された液体および気体は、燃料排出管２８を流通し、気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、燃料排出管２８から流入する液体と気体とが分離される。液体は、気液分離器２３の底部に集まり、気体は、排ガス処理器（図示せず）を経由して、大気に放出される。
【００３９】
三方弁３０による液体の流通先が第２燃料帰還管３１にされている状態では、気液分離器２３の底部に集まった液体は、第１燃料帰還管２９および第２燃料帰還管３１を流通して、燃料循環タンク２２に流入する。これにより、液体燃料を含む液体は、燃料循環タンク２２、燃料供給管２６、燃料排出管２８、気液分離器２３、第１燃料帰還管２９および第２燃料帰還管３１を含む燃料循環路を循環する。
【００４０】
一方、三方弁３０による液体の流通先が分岐管３２にされている状態では、気液分離器２３の底部に集まった液体は、第１燃料帰還管２９および分岐管３２を流通して、燃料補給タンク２１に流入する。
【００４１】
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４２に排出される。
【００４２】
図２は、燃料電池システム１の電気的構成を示すブロック図である。
【００４３】
燃料電池システム１は、ＦＣ−ＥＣＵ（電子制御ユニット）４を備えている。ＦＣ−ＥＣＵ４は、たとえば、ＣＰＵおよびメモリを含むマイクロコンピュータで構成されている。
【００４４】
ＦＣ−ＥＣＵ４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おり、各種センサの検出信号が入力される。各種センサには、燃料補給タンク２１内の原料の濃度を検出する原料濃度センサ５１、燃料循環タンク２２内の液面の位置を検出する液面センサ５２および燃料供給管２６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５３などが含まれる。
【００４５】
ＦＣ−ＥＣＵ４は、各種センサから入力される検出信号に基づいて、燃料補給ポンプ２５、燃料循環ポンプ２７および三方弁３０を制御する。
【００４６】
図３は、三方弁切換制御の流れを示すフローチャートである。
【００４７】
燃料電池システム１の稼働中、ＦＣ−ＥＣＵ４により、三方弁切換制御が繰り返し実行される。たとえば、燃料電池システム１を搭載した車両のイグニッションキースイッチがオンにされている間は、燃料電池システム１が稼働している。
【００４８】
三方弁切換制御が開始されると、液面センサ５２の検出信号に基づいて、燃料循環タンク２２内の液面が所定の安全位置以下であるか否かが判定される（ステップＳ１）。
【００４９】
燃料循環タンク２２内の液面が安全位置以下である場合には（ステップＳ１のＹＥＳ）、三方弁３０が循環側に制御される（ステップＳ２）。具体的には、三方弁３０の循環側ポートが開かれ、補給側ポートが閉じられる。これにより、第１燃料帰還管２９を流通する液体が第２燃料帰還管３１を通して燃料循環タンク２２に流入し、液体燃料を含む液体が燃料循環路を循環する。
【００５０】
その後、原料濃度センサ５１の検出信号に基づいて、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が所定の交換濃度以下であるか否かが判定される（ステップＳ３）。交換濃度は、たとえば、燃料電池２での発電に適した液体燃料の濃度範囲の下限値である。
【００５１】
燃料補給タンク２１が新品の状態では、燃料補給タンク２１に高濃度の原料が貯留されているので、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が交換濃度以下であるか否かの判定は否定される（ステップＳ３のＮＯ）。そして、三方弁切換制御が一旦終了された後、三方弁切換制御が再び開始される。
【００５２】
前述したように、燃料電池２では、発電反応に伴い、液体燃料である水加ヒドラジンが消費されるとともに、水が生成される。この水が燃料排出管２８に排出されるので、燃料循環路を循環する液量が増加し、また、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。ＦＣ−ＥＣＵ４により、燃料濃度センサ５３の検出信号が監視されており、燃料濃度センサ５３による検出濃度（燃料供給管２６を流通する液体中の液体燃料の濃度）が所定の補給濃度に低下すると、燃料補給ポンプ２５の駆動が制御されて、燃料補給タンク２１から燃料循環タンク２２に原料が供給される。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上昇する反面、燃料循環路の液量が増加し、燃料循環タンク２２内の液面が上昇する。
【００５３】
燃料循環タンク２２内の液面が安全位置を上回ると（ステップＳ１のＮＯ）、その液面が所定の上限位置以上であるか否かが判定される（ステップＳ４）。上限位置は、たとえば、安全位置よりも上方の位置であり、燃料循環タンク２２内の液量が過剰であると判断される基準となる位置である。
【００５４】
燃料循環タンク２２内の液面が上限位置に達していない場合には（ステップＳ４のＮＯ）、三方弁３０が循環側にされたままで、原料濃度センサ５１の検出信号に基づいて、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が所定の交換濃度以下であるか否かが判定される（ステップＳ３）。そして、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が交換濃度よりも高ければ（ステップＳ３のＮＯ）、三方弁切換制御が一旦終了された後、三方弁切換制御が再び開始される。
【００５５】
燃料循環路の液量がさらに増加し、燃料循環タンク２２内の液面が上限位置に達すると（ステップＳ４のＹＥＳ）、三方弁３０が循環側から補給側に切り換えられる（ステップＳ５）。具体的には、三方弁３０の補給側ポートが開かれ、循環側ポートが閉じられる。これにより、第１燃料帰還管２９を流通する液体が分岐管３２を通して燃料補給タンク２１に流入する。その結果、燃料循環タンク２２に液体が流入しないので、燃料電池２での発電に伴い、燃料循環タンク２２内の液面が急速に低下する。
【００５６】
その後は、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が所定の交換濃度以下であるか否かが判定され（ステップＳ３）、この判定が否定されると（ステップＳ３のＮＯ）、三方弁切換制御が一旦終了された後、三方弁切換制御が再び開始される。
【００５７】
燃料循環タンク２２内の液面の低下が進み、その液面が安全位置まで低下すると（ステップＳ１のＹＥＳ）、三方弁３０が補給側から循環側に切り換えられる。この切換えにより、第１燃料帰還管２９を流通する液体が第２燃料帰還管３１を通して燃料循環タンク２２に流入し、液体燃料を含む液体が燃料循環路を再び循環する。
【００５８】
こうして、燃料循環タンク２２内の液面が上限位置に達すると、燃料電池２から排出される液体が燃料補給タンク２１に入れられ、燃料循環タンク２２内の液面が安全位置まで低下すると、燃料電池２から排出される液体が燃料循環タンク２２に戻されるという処理（三方弁切換制御）制御が繰り返されることにより、燃料循環タンク２２内の液面の位置が上限位置以下に保たれる。そのため、燃料循環路の液量が過剰になることを抑制でき、燃料循環路からの液漏れの発生を抑制できる。
【００５９】
燃料電池２から排出される液体には、水が多く含まれるので、その液体が燃料補給タンク２１に流入すると、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が低下する。そのため、前述の処理が繰り返されるうちに、燃料補給タンク２１内の原料の濃度が徐々に低下する。燃料補給タンク２１内の原料の濃度が交換濃度まで低下すると（ステップＳ３のＹＥＳ）、三方弁３０が循環側に制御される（ステップＳ６）。
【００６０】
そして、使用者が視認可能な位置に配置された警告灯の点灯などにより、燃料補給タンク２１を交換すべき旨が報知されて（ステップＳ７）、燃料電池システム１の稼働が停止され、三方弁切換制御が終了される。
【００６１】
燃料補給タンク２１が交換可能に設けられているので、燃料補給タンク２１を交換すべき旨が報知された場合には、燃料補給タンク２１を燃料補給タンク２１ごと新品と交換することができる。そのため、使用者が原料に触れるおそれがなく、高濃度の原料を燃料電池システム１に安全に補給することができる。
【００６２】
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。
【００６３】
たとえば、燃料循環タンク２２内の液面の位置に基づいて、三方弁３０が制御される構成を取り上げたが、燃料循環タンク２２内の液量に基づいて、三方弁３０が制御されてもよい。すなわち、燃料循環タンク２２内の液量が所定の上限量に達すると、三方弁３０が補給側に制御されて、燃料電池２から排出される液体が燃料補給タンク２１に入れられ、燃料循環タンク２２内の液量が上限量よりも少ない安全量まで低下すると、三方弁３０が循環側に制御されて、燃料電池２から排出される液体が燃料循環タンク２２に戻されてもよい。燃料循環タンク２２内の液面の位置の検出と燃料循環タンク２２内の液量の検出とは等価である。
【００６４】
また、液体燃料の一例として、水加ヒドラジンを取り上げたが、メタノールなど、水加ヒドラジン以外の液体燃料が燃料電池２に供給されてもよい。
【００６５】
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】
【００６６】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
２１  燃料補給タンク
２２  燃料循環タンク
２３  気液分離器（燃料循環路）
２６  燃料供給管（燃料循環路）
２８  燃料排出管（燃料循環路）
２９  第１燃料帰還管（燃料循環路）
３０  三方弁
３１  第２燃料帰還管（燃料循環路）
３２  分岐管
【図１】
2015065090.tif 000003
【図２】
2015065090.tif 000004
【図３】
2015065090.tif 000005