(57)【要約】【課題】排出される空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離できながら、省スペース化を図れる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  この燃料電池システム２は、セルスタック８と、空気経路と、第１気液分離器９とを備える。また、第１気液分離器９は、セルスタック８における複数の単位セル５４の積層方向に投影したときに、セルスタック８の投影面内に収まる。そのため、第１気液分離器９によって、空気経路中の空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離できながら、省スペース化を図れる。【選択図】図２
2015170563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える複数の膜電極接合体を積層してなるセルスタックと、
前記酸素側電極に対して空気を供給し、当該供給された空気を排出する空気経路と、
前記空気経路において前記セルスタックよりも下流側に介在し、前記空気経路中の空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離する気液分離部と、を備え、
前記気液分離部は、前記セルスタックにおける前記複数の膜電極接合体の積層方向に投影したときに、前記セルスタックの投影面内に収まること特徴とする、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、詳しくは、液体燃料を使用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池は、電解質層と、電解質層の一方側に配置されたアノードと、電解質層の他方側に配置されたカソードとを有する単位セルが、セパレータを介して複数積層されるスタック構造として形成されている。
【０００３】
このような燃料電池においては、液体燃料および空気がスタック構造内を通過することにより、起電力が生じて発電される。発電に使用された液体燃料および空気は、スタック構造外に排出される。また、このような燃料電池が装備される燃料電池システムは、スタック構造から排出された空気の排出経路に介在する第２気液分離器を備えている。そして、第２気液分離器において、空気に含まれる液体燃料成分とガス成分とが分離され、ガス成分は外部に排出される（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２０１３−１３４９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、第２気液分離器を別途設ける必要があり、燃料電池システムが大型化してしまうという不具合がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、排出される空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離できながら、省スペース化を図れ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】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、固体電解質膜と、固体電解質膜を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える複数の膜電極接合体を積層してなるセルスタックと、酸素側電極に対して空気を供給し、当該供給された空気を排出する空気経路と、空気経路においてセルスタックよりも下流側に介在し、空気経路中の空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離する気液分離部と、を備える。気液分離部は、セルスタックにおける複数の膜電極接合体の積層方向に投影したときに、セルスタックの投影面内に収まること特徴としている。
【０００８】
このような構成によれば、燃料電池システムは、セルスタックと、空気経路と、気液分離部とを備える。
【０００９】
そのため、気液分離部によって、空気経路中の空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離できる。
【００１０】
また、気液分離部は、セルスタックにおける複数の膜電極接合体の積層方向に投影したときに、セルスタックの投影面内に収まる。
【００１１】
そのため、気液分離部を備えつつ、省スペース化を図れる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、排出される空気に含まれる液体成分と気体成分とを分離できながら、省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムが搭載された電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池を前側から見た断面図である。
【図３】図３は、図２に示す燃料電池のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池３および動力用バッテリ３０を選択的に動力源とする車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００１５】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、カチオン交換型燃料電池またはアニオン交換型燃料電池として構成されている。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。燃料電池３は、セルスタック８と、気液分離部の一例としての第１気液分離器９とを備えている。
【００１６】
セルスタック８は、固体電解質膜の一例としての電解質層５１と、電解質層５１の一方側に配置されるカソード５２と、電解質層５１の他方側に配置されるアノード５３とを備える単位セル５４が複数積層されたスタック構造に形成されている。つまり、電解質層５１を介してカソード５２およびアノード５３が対向配置されてなる単位セル５４が複数積層されている。
【００１７】
なお、図１では、積層される複数の単位セル５４のうち、積層方向の最前端に配置される単位セル５４だけを拡大して表し、その他の単位セル５４については簡略化して記載している。
【００１８】
電解質層５１は、例えば、カチオン成分またはアニオン成分が移動可能な層であり、カチオン交換膜またはアニオン交換膜から形成されている。
【００１９】
カソード５２は、酸素側電極の一例としてのカソード電極５５と、カソード電極５５に空気（酸素）を供給するための空気供給部材５６とを備えている。
【００２０】
カソード電極５５は、電解質層５１の一方面に形成されている。カソード電極５５の電極材料としては、例えば、触媒が担持された多孔質担体（触媒担持多孔質担体）などが挙げられる。
【００２１】
空気供給部材５６は、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材５６には、その表面から凹むつづら折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材５６は、溝が形成された表面がカソード電極５５に対向接触されている。これにより、カソード電極５５の一方面と空気供給部材５６の他方面（溝が形成された表面）との間には、カソード電極５５全体に空気を接触させるための空気流路５７が形成されている。
【００２２】
空気流路５７には、空気をカソード５２内に流入させるための空気供給口５８が一端側（上側）に形成され、空気をカソード５２から排出するための空気排出口５９が他端側（下側）に形成されている。
【００２３】
アノード５３は、燃料側電極の一例としてのアノード電極６１と、アノード電極６１に燃料を供給するための燃料供給部材６２とを備えている。
【００２４】
アノード電極６１は、電解質層５１の他方面に形成されている。
【００２５】
アノード電極６１の電極材料としては、例えば、カソード電極５５の電極材料として例示した、触媒担持多孔質担体などが挙げられる。
【００２６】
燃料供給部材６２は、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材６２には、その表面から凹むつづら折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材６２は、溝が形成された表面がアノード電極６１に対向接触されている。これにより、アノード電極６１の他方面と燃料供給部材６２の一方面（溝が形成された表面）との間には、アノード電極６１全体に燃料を接触させるための燃料流路６３が形成される。
【００２７】
燃料流路６３には、燃料をアノード５３内に流入させるための燃料供給口６４が他端側（下側）に形成され、燃料をアノード５３から排出するための燃料排出口６５が一端側（上側）に形成されている。
【００２８】
なお、単位セル５４は、具体的には、まず、電解質層５１の両面にカソード電極５５およびアノード電極６１がそれぞれ形成された膜電極接合体が作成され、その膜電極接合体の両側に空気供給部材５６および燃料供給部材６２がそれぞれ対向配置されることにより、形成されている。
【００２９】
また、空気供給部材５６および燃料供給部材６２は、一方面に空気流路５７が形成され、他方面に燃料流路６３が形成される１つの部材（セパレータ）を形成している。
【００３０】
第１気液分離器９は、セルスタック８の一方面（前面）に設けられている。第１気液分離器９は、詳しくは後述するが、セルスタック８から排出される空気が流入するように構成されており、その空気に含まれる液体成分と気体成分を分離するように構成されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料電池３に液体燃料を供給するように構成され、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。
【００３１】
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク１０と、液体燃料の濃度を調整するためのサブタンク４０と、燃料タンク１０から供給される液体燃料をサブタンク４０に供給するための第１燃料供給管１１と、サブタンク４０に貯留する液体燃料をセルスタック８に供給するための第２燃料供給管１２と、セルスタック８から排出される液体燃料をサブタンク４０に供給するための還流管１３と、を備えている。
【００３２】
燃料タンク１０は、電動車両１における後端部に配置され、略ボックス形状に形成されている。燃料タンク１０は、相対的に高濃度の液体燃料が貯蔵されている。
【００３３】
燃料タンク１０に貯蔵される液体燃料の燃料化合物としては、例えば、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。
【００３４】
また、上記例示の液体燃料としては、上記の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、上記例示の燃料化合物を、例えば、水および／またはアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコールなど）などの溶液として用いることができる。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、１〜９０質量％、好ましくは、１〜３０質量％である。
【００３５】
サブタンク４０は、セルスタック８の下方に配置され、略ボックス形状に形成されている。サブタンク４０は、液体燃料の濃度を調整して、相対的に低濃度の液体燃料を貯留するように構成されている。
【００３６】
第１燃料供給管１１は、燃料タンク１０とサブタンク４０とに接続するように設けられ、詳しくは、その一端部（後端部）が燃料タンク１０の底壁に接続され、その他端部（前端部）がサブタンク４０に接続されている。
【００３７】
第２燃料供給管１２は、セルスタック８の燃料供給部７２（後述）とサブタンク４０とに接続するように設けられ、詳しくは、その一端部（上端部）がセルスタック８に接続され、その他端部（下端部）がサブタンク４０に接続されている。
【００３８】
還流管１３は、セルスタック８とサブタンク４０とに接続するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）がセルスタック８の燃料排出部７４（後述）に接続され、その他端部（下端部）がサブタンク４０に接続されている。
【００３９】
これにより、セルスタック８、第２燃料供給管１２、還流管１３およびサブタンク４０は、クローズドライン（閉流路）を構成する。具体的には、セルスタック８から排出される液体燃料が、還流管１３を介してサブタンク４０に流入し、その後、サブタンク４０から排出される液体燃料が、第２燃料供給管１２を介してセルスタック８に流れるように、クローズドライン（閉流路）が構成される。すなわち、燃料電池３では、循環する液体燃料が使用される。
【００４０】
また、燃料給排部４には、液体燃料とガス（気体）とを分離するための第２気液分離器１４と、第２気液分離器１４で分離されたガスを排出するためのガス排出管１５と、燃料電池３に液体燃料を輸送するための第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７とが設けられている。
【００４１】
第２気液分離器１４は、燃料電池３の後上側において、還流管１３の途中に介在されている。第２気液分離器１４は、略ボックス形状に形成されており、その底壁に底部流通口１８が２つ形成され、その後壁の上端部に上部流通口１９が１つ形成されている。
【００４２】
そして、第２気液分離器１４は、２つの底部流通口１８が還流管１３に接続されることにより、還流管１３に介装されている。これにより、第２気液分離器１４は、その内部空間が、クローズドラインの一部を形成している。
【００４３】
ガス排出管１５は、上部流通口１９と電動車両１の外部空間とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が上部流通口１９に接続され、その他端部（後端部）が大気に開放されている。
【００４４】
第１燃料輸送ポンプ１６は、第１燃料供給管１１に介在されている。
【００４５】
第１燃料輸送ポンプ１６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。
【００４６】
第２燃料輸送ポンプ１７は、第２燃料供給管１２に介在されている。
【００４７】
第２燃料輸送ポンプ１７としては、例えば、第１燃料輸送ポンプ１６と同様の公知の送液ポンプが挙げられる。
【００４８】
第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７のそれぞれは、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７のそれぞれに入力され、コントロールユニット２７（後述）が、第１燃料輸送ポンプ１６および第２燃料輸送ポンプ１７のそれぞれの駆動および停止を制御する。
【００４９】
さらに、燃料給排部４には、第１燃料供給管１１を開閉するための燃料供給弁２０と、ガス排出管１５を開放するためのガス排出弁２１とが設けられている。
【００５０】
燃料供給弁２０は、第１燃料供給管１１に介在されており、サブタンク４０と第１燃料供給管１１との接続部分と、第１燃料輸送ポンプ１６との間に配置されている。燃料供給弁２０としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００５１】
そして、燃料供給弁２０が開放されることにより、燃料タンク１０からサブタンク４０への液体燃料の供給が可能となり、燃料供給弁２０が閉鎖されることにより、燃料タンク１０からサブタンク４０への液体燃料の供給が規制される。
【００５２】
ガス排出弁２１は、ガス排出管１５に介在されている。ガス排出弁２１としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００５３】
そして、ガス排出弁２１が開放されることにより、第２気液分離器１４からのガスの排出が可能となり、ガス排出弁２１が閉鎖されることにより、第２気液分離器１４からのガスの排出が規制される。
【００５４】
燃料供給弁２０およびガス排出弁２１のそれぞれは、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、燃料供給弁２０およびガス排出弁２１のそれぞれに入力され、コントロールユニット２７（後述）が、燃料供給弁２０およびガス排出弁２１のそれぞれの開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気を燃料電池３に供給するための空気供給管２２と、第１気液分離器９から排出される空気を外部に排出するための空気排出管２３とを備えている。
【００５５】
空気供給管２２は、電動車両１の外部空間と燃料電池３のセルスタック８とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が大気に開放され、他端部（後端部）がセルスタック８の空気供給部７５（後述）に接続されている。
【００５６】
空気排出管２３は、電動車両１の外部空間と第１気液分離器９とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部（前端部）が大気に開放され（ドレン）、他端部（後端部）が第１気液分離器９の第２排気部８９（後述）に接続されている。
【００５７】
また、空気給排部５には、セルスタック８に空気を送るための空気供給ポンプ２４が設けられている。
【００５８】
空気供給ポンプ２４は、空気供給管２２に介在されている。空気供給ポンプ２４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。空気供給ポンプ２４は、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ２４に入力され、コントロールユニット２７（後述）が、空気供給ポンプ２４の駆動および停止を制御する。
【００５９】
さらに、空気給排部５には、空気供給管２２を開閉するための空気供給弁２５と、空気排出管２３を開閉するための空気排出弁２６とが設けられている。
【００６０】
空気供給弁２５は、空気供給管２２に介在されており、空気供給ポンプ２４とセルスタック８との間に配置されている。空気供給弁２５としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００６１】
そして、空気供給弁２５が開放されることにより、セルスタック８への空気の供給が可能となり、空気供給弁２５が閉鎖されることにより、セルスタック８への空気の供給が規制される。
【００６２】
空気排出弁２６は、空気排出管２３に介在されている。空気排出弁２６としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００６３】
そして、空気排出弁２６が開放されることにより、第１気液分離器９からの空気の排出が可能となり、空気排出弁２６が閉鎖されることにより、第１気液分離器９からの空気の排出が規制される。
【００６４】
空気供給弁２５および空気排出弁２６のそれぞれは、コントロールユニット２７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、コントロールユニット２７（後述）からの制御信号が、空気供給弁２５および空気排出弁２６のそれぞれに入力され、コントロールユニット２７（後述）が、空気供給弁２５および空気排出弁２６のそれぞれの開閉を制御する。
（４）制御部
制御部６は、燃料電池システム２を制御するためのコントロールユニット２７を備えている。
【００６５】
コントロールユニット２７は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：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。
（５）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換するためのモータ２８と、モータ２８に電気的に接続されるインバータ２９と、モータ２８による回生エネルギーを蓄電するための動力用バッテリ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１とを備えている。
【００６６】
モータ２８は、電動車両１の前端部に配置されており、燃料電池３よりも前側に配置されている。モータ２８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。
【００６７】
インバータ２９は、モータ２８と燃料電池３との間に配置されている。インバータ２９は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、インバータ２９としては、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置などが挙げられる。また、インバータ２９は、配線により、燃料電池３およびモータ２８にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット２７と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。
【００６８】
動力用バッテリ３０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。また、動力用バッテリ３０は、インバータ２９と燃料電池３との間の配線に接続されている。これにより、動力用バッテリ３０は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ２８に電力を供給可能に構成されている。
【００６９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、動力用バッテリ３０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ３０の入出力電力を調整する機能を有している。
【００７０】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、コントロールユニット２７と電気的に接続されており（図１の破線参照）、これにより、コントロールユニット２７から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。
【００７１】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ３０にそれぞれ電気的に接続されるとともに、配線の分岐により、インバータ２９に電気的に接続されている。
【００７２】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１からモータ２８への電力は、インバータ２９において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ２８に供給される。
２．燃料電池の詳細
図２および図３に示すように、燃料電池３は、上記したセルスタック８および第１気液分離器９を備えている。上記したように、燃料電池３は、サブタンク４０の上方に配置されている。
【００７３】
なお、以下の説明において、燃料電池３に関し、方向について言及する場合には、単位セル５４が積層されて水平面に配置されたときの方向を基準とする。具体的には、図２に示した矢印方向を基準とする。すなわち、図１の紙面上側が上側であり、紙面下側が下側である。また、図１の紙面左側が前側であり、図１の紙面右側が後側である。また、燃料電池３を前側から見たときを左右の基準とする。すなわち、図２の紙面奥が左側であり、紙面手前が右側である。前後方向は、単位セル５４の積層方向であり、左右方向は、単位セル５４の幅方向である。すなわち、前側は積層方向一方側であり、後側は積層方向他方側である。また、左側は幅方向一方側であり右側は幅方向他方側である。
【００７４】
セルスタック８は、複数の上記した単位セル５４と、１対のカバー７１とを備えている。
【００７５】
単位セル５４は、前後方向に沿って複数積層されている。
【００７６】
１対のカバー７１は、最前の単位セル５４の前面側、および、最後の単位セル５４の後面側に設けられている。
【００７７】
１対のカバー７１のそれぞれは、正面視略矩形の略平板形状に形成され、単位セル５４と同一のサイズに形成されている。
【００７８】
前側のカバー７１には、燃料供給部７２と、第１排気部７３と、燃料排出部７４と、空気供給部７５とが設けられている。
【００７９】
燃料供給部７２は、前側のカバー７１の左下端部に設けられている。燃料供給部７２は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。燃料供給部７２は、前側のカバー７１を前後方向に貫通している。燃料供給部７２の前端部は、図１に示す第２燃料供給管１２の一端部（上端部）に接続されている。
【００８０】
第１排気部７３は、前側のカバー７１の右下端部に設けられている。第１排気部７３は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。第１排気部７３は、前側のカバー７１を前後方向に貫通している。
【００８１】
燃料排出部７４は、前側のカバー７１の右上端部に設けられている。燃料排出部７４は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。燃料排出部７４は、前側のカバー７１を前後方向に貫通している。燃料排出部７４の前端部は、図１に示す還流管１３の一端部（前端部）に接続されている。
【００８２】
空気供給部７５は、前側のカバー７１の左上端部に設けられている。空気供給部７５は、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。空気供給部７５は、前側のカバー７１を前後方向に貫通している。空気供給部７５の前端部は、図１に示す空気供給管２２の他端部（後端部）に接続されている。
【００８３】
そして、一対のカバー７１が、複数積層された単位セル５４を前方および後方から挟むように配置されることで、燃料電池３において、空気供給路８１と、空気排出路８２とが形成されている。
【００８４】
図３に示すように、空気供給路８１は、燃料電池３の左上端部において、前後方向に延びるように形成されている。詳しくは、空気供給路８１は、複数の単位セル５４が前後方向に積層することで複数の空気供給口５８が前後方向に積層して連通し、前側のカバー７１の左上端部が前方部分を覆い、後側のカバー７１の左上端部が後方部分を覆うことにより形成されている。空気供給路８１は、空気供給部７５と連通している。
【００８５】
空気排出路８２は、燃料電池３の右下端部において、前後方向に延びるように形成されている。詳しくは、空気排出路８２は、複数の単位セル５４が前後方向に積層することで複数の空気排出口５９が前後方向に積層して連通し、前側のカバー７１の右下端部が前方部分を覆い、後側のカバー７１の右下端部が後方部分を覆うことにより形成されている。空気排出路８２は、第１排気部７３と連通している。
【００８６】
また、図３には図示されないが、燃料電池３の左下端部において、複数の燃料供給口６４が前後方向に積層して連通し、前側のカバー７１の左下端部が前方部分を覆い、後側のカバー７１の左下端部が後方部分を覆うことにより、燃料供給路が形成されている。燃料供給路は、燃料供給部７２と連通している。また、燃料電池３の右上端部において、複数の燃料排出口６５が前後方向に積層して連通し、前側のカバー７１の右上端部が前方部分を覆い、後側のカバー７１の右上端部が後方部分を覆うことにより、燃料排出路が形成されている。燃料排出路は、燃料排出部７４と連通している。
【００８７】
第１気液分離器９は、燃料電池３において、前側のカバー７１の前面側に配置されている。第１気液分離器９は、略ボックス形状に形成されており、左壁８３と、右壁８４と、上壁８５と、下壁８６と、前壁８７と、後壁８８とを備えている。
【００８８】
左壁８３は、燃料電池３の前左端部に配置されている。左壁８３は、側面視略矩形の平板形状に形成されている。左壁８３は、正面視において屈曲しており、詳しくは、上端部から下方に向かって延びた後、右下方に向かって延び、その後、下方に向かって延びている。上下方向において、左壁８３の上端部は、前側のカバー７１の空気供給部７５の下方に間隔を隔てて配置されており、左壁８３の下端部は、前側のカバー７１の下端部と略一致している。
【００８９】
右壁８４は、燃料電池３の前右端部に配置されている。右壁８４は、側面視略矩形の平板形状に形成されている。右壁８４は、左右方向において、左壁８３と対向配置されており、上下方向に沿って延びている。上下方向において、右壁８４の上端部は、左壁８３の上端部と略一致しており、右壁８４の下端部は、左壁８３の下端部と略一致している。右壁８４には、第２排気部８９が設けられている。
【００９０】
第２排気部８９は、右壁８４の上端部に設けられている。第２排気部８９は、左右方向に延びる略円筒形状に形成されている。第２排気部８９は、右壁８４を左右方向に貫通している。第２排気部８９の右端部は、図１に示す空気排出管２３の他端部（後端部）に接続されている。
【００９１】
上壁８５は、左壁８３および右壁８４の上端部間に架設されている。上壁８５は、平面視略矩形の平板形状に形成されており、左右方向に延びている。
【００９２】
下壁８６は、左壁８３および右壁８４の下端部間に架設されている。下壁８６は、平面視略矩形の平板形状に形成されており、左右方向に延びている。下壁８６は、サブタンク４０の上面に沿うように配置されている。下壁８６には、排水管１０１が設けられている。
【００９３】
排水管１０１は、下壁８６の左端部に設けられている。排水管１０１は、上下方向に延びる略円筒形状に形成されている。排水管１０１は、下壁８６を上下方向に貫通している。また、排水管１０１は、燃料電池３の下方に配置されるサブタンク４０の上端部を上下方向に貫通している。すなわち、排水管１０１は、下壁８６の上方の空間、および、サブタンク４０の内部空間を連通している。
【００９４】
前壁８７は、左壁８３の前端部、右壁８４の前端部、上壁８５の前端部、および、下壁８６の前端部の間に架設されている。前壁８７は、正面視略矩形の平板形状に形成されており、上下方向に延びている。詳しくは、前壁８７の正面視形状は、前側のカバー７１の正面視形状、すなわち、セルスタック８の正面視形状よりも小さい。また、前壁８７は、前後方向に投影したときに、前壁８７は、前側のカバー７１の投影面内に収まっている。
【００９５】
後壁８８は、左壁８３の後端部、右壁８４の後端部、上壁８５の後端部、および、下壁８６の後端部の間に架設されている。後壁８８は、平面視略矩形の平板形状に形成されており、上下方向に延びている。後壁８８は、前壁８７と略同一の形状に形成されている。後壁８８は、前壁８７と前後方向において対向配置されており、前側のカバー７１の前面に沿うように配置され、前側のカバー７１の前面に積層されている。第１排気部７３の前端部は、後壁８８の右下端部を貫通している。
【００９６】
これにより、第１気液分離器９内には、略直方体状の空間が区画される。そして、前後方向に投影したときに、第１気液分離器９は、セルスタック８の投影面内に収まっている。詳しくは、前後方向に投影したときに、第１気液分離器９の投影面は、セルスタック８の投影面よりも小さい。
【００９７】
また、第１気液分離器９内において、前壁８７と後壁８８との間には、１対の第１分離部材９０と、１対の第２分離部材９１とが設けられている。
【００９８】
１対の第１分離部材９０のそれぞれは、前壁８７と後壁８８との間に架設されている。詳しくは、１対の第１分離部材９０の一方は、前壁８７の中央部よりもやや上方の部分と後壁８８の中央部よりもやや上方の部分との間に架設されており、１対の第１分離部材９０の他方は、前壁８７の中央部よりもやや下方の部分と後壁８８の中央部よりもやや下方方の部分との間に架設されている。１対の第１分離部材９０のそれぞれは、第１傾斜壁９２と、第１鉛直壁９３と、第２鉛直壁９４と、第３鉛直壁９５とを備えている。
【００９９】
第１傾斜壁９２は、前壁８７と後壁８８との間に架設されている。第１傾斜壁９２は、平面視略矩形の平板形状に形成されており、左上方と右下方とを結ぶ方向に沿って延びている。第１傾斜壁９２の左端部は、左壁８３に接続されており、第１傾斜壁９２の右端部は、右壁８４と間隔を隔てて配置されている。
【０１００】
第１鉛直壁９３は、前壁８７と後壁８８との間に架設されており、かつ、第１傾斜壁９２の右端部から下方に向かって延びている。第１鉛直壁９３は、側面面視略矩形の平板形状に形成されている。
【０１０１】
第２鉛直壁９４は、前壁８７と後壁８８との間に架設されており、かつ、第１傾斜壁９２の中央部よりもやや右方の部分から下方に向かって延びている。第２鉛直壁９４は、側面面視略矩形の平板形状に形成されている。
【０１０２】
第３鉛直壁９５は、前壁８７と後壁８８との間に架設されており、かつ、第１傾斜壁９２の中央部よりもやや左方の部分から下方に向かって延びている。第２鉛直壁９４は、側面面視略矩形の平板形状に形成されている。
【０１０３】
すなわち、１対の第１分離部材９０のそれぞれにおいて、第１傾斜壁９２は、右方に向かうにつれて下方に向かうように傾斜している。また、第１傾斜壁９２の下面からは、複数、すなわち、３つの鉛直方向に延びる壁である第１鉛直壁９３、第２鉛直壁９４および第３鉛直壁９５が下方に向かって延びている。第１鉛直壁９３、第２鉛直壁９４および第３鉛直壁９５は、左右方向において互いに間隔を隔てて配置されている。
【０１０４】
換言すれば、１対の第１分離部材９０のそれぞれは、左右方向において左壁８３から離れる方向に向かうにつれて下方に向かうように傾斜する第１傾斜壁９２を備えている。そして、第１傾斜壁９２の下面からは、櫛歯状に第１鉛直壁９３、第２鉛直壁９４および第３鉛直壁９５が下方に向かって延びている。
【０１０５】
１対の第２分離部材９１のそれぞれは、前壁８７と後壁８８との間に架設されている。詳しくは、１対の第２分離部材９１の一方は、前壁８７の上方部と後壁８８の上方部との間に架設されており、１対の第２分離部材９１の他方は、前壁８７の中央部と後壁８８の中央部との間に架設されている。１対の第２分離部材９１のそれぞれは、第２傾斜壁９６と、第４鉛直壁９７と、第５鉛直壁９８と、第６鉛直壁９９とを備えている。
【０１０６】
第２傾斜壁９６は、前壁８７と後壁８８との間に架設されている。第２傾斜壁９６は、平面視略矩形の平板形状に形成されており、右上方と左下方とを結ぶ方向に沿って延びている。第２傾斜壁９６の右端部は、右壁８４に接続されており、第２傾斜壁９６の左端部は、左壁８３と間隔を隔てて配置されている。
【０１０７】
第４鉛直壁９７は、前壁８７と後壁８８との間に架設されており、かつ、第２傾斜壁９６の左端部から下方に向かって延びている。第４鉛直壁９７は、側面面視略矩形の平板形状に形成されている。
【０１０８】
第５鉛直壁９８は、前壁８７と後壁８８との間に架設されており、かつ、第２傾斜壁９６の中央部よりもやや左方の部分から下方に向かって延びている。第５鉛直壁９８は、側面面視略矩形の平板形状に形成されている。
【０１０９】
第６鉛直壁９９は、前壁８７と後壁８８との間に架設されており、かつ、第２傾斜壁９６の中央部よりもやや右方の部分から下方に向かって延びている。第６鉛直壁９９は、側面面視略矩形の平板形状に形成されている。
【０１１０】
すなわち、１対の第２分離部材９１のそれぞれにおいては、第２傾斜壁９６は、左方に向かうにつれて下方に向かうように傾斜している。また、第２傾斜壁９６の下面からは、複数、すなわち、３つの鉛直方向に延びる壁である第４鉛直壁９７、第５鉛直壁９８および第６鉛直壁９９が下方に向かって延びている。第４鉛直壁９７、第５鉛直壁９８および第６鉛直壁９９は、左右方向において互いに間隔を隔てて配置されている。
【０１１１】
換言すれば、１対の第２分離部材９１のそれぞれは、左右方向において右壁８４から離れる方向に向かうにつれて下方に向かうように傾斜する第２傾斜壁９６を備えている。そして、第２傾斜壁９６の下面からは、櫛歯状に第４鉛直壁９７、第５鉛直壁９８および第６鉛直壁９９が下方に向かって延びている。
【０１１２】
また、上下方向において、下側の第２分離部材９１は、下側の第１分離部材９０の上方に間隔を隔てて配置され、上側の第２分離部材９１は、上側の第１分離部材９０の上方に間隔を隔てて配置されている。すなわち、上下方向において、１対の第１分離部材９０のそれぞれと、１対の第２分離部材９１のそれぞれとは交互に配置されている。
【０１１３】
これにより、第１気液分離器９内においては、第１排気部７３から第１気液分離器９内に流入した空気が、下側の第２分離部材９１の下面、下側の第１分離部材９０の下面、上側の第２分離部材９１の下面、および、上側の第１分離部材９０の下面に沿うようにしてつづら折状に流れ、その後、第２排気部８９から排出される気液分離経路１００が形成されている。
３．発電動作
次いで、電動車両１における発電について説明する。
【０１１４】
電動車両１では、図１に示すように、発電動作時において、まず、コントロールユニット２７からの制御信号により、燃料供給弁２０、ガス排出弁２１、空気供給弁２５および空気排出弁２６が開放されるとともに、第１燃料輸送ポンプ１６、第２燃料輸送ポンプ１７および空気供給ポンプ２４が駆動される。
【０１１５】
そうすると、燃料タンク１０に貯蔵される液体燃料が、第１燃料輸送ポンプ１６の駆動によって第１燃料供給管１１を通過してサブタンク４０に供給される。サブタンク４０には、後述するように、第１気液分離器９および第２気液分離器１４で分離された液体成分が供給されている。そして、サブタンク４０において、液体燃料の濃度調整が行われる。すなわち、サブタンク４０では、濃度調整された液体燃料が貯留される。その後、燃料供給弁２０は閉じられ、サブタンク４０内の液体燃料の濃度に応じて適宜開閉される。
【０１１６】
そして、濃度調整された液体燃料は、第２燃料輸送ポンプ１７の駆動によって、第２燃料供給管１２を通過して、図２に示す燃料供給部７２から燃料電池３内の燃料供給路に供給され、各単位セル５４のアノード５３に供給される。アノード５３では、液体燃料が、アノード電極６１と接触しながら燃料流路６３を通過する。
【０１１７】
このとき、アノード５３に供給された液体燃料がアノード５３において反応することなく電解質層５１を透過し、カソード５２に漏出するクロスリーク現象が生じる場合がある。その結果、カソード５２を通過する空気に液体燃料成分が含まれることがある。この場合は、詳しくは後述するが、カソード５２を通過する空気に含まれる液体燃料成分と気体成分とを第１気液分離器９において分離する。
【０１１８】
燃料流路６３を通過した液体燃料は、燃料排出口６５、すなわち、燃料電池３内の燃料排出路から、図２に示す燃料排出部７４を通過して燃料電池３から排出される。そして、液体燃料は、還流管１３を介して、第２気液分離器１４に供給される。
【０１１９】
後述するように、燃料電池３内での反応により、燃料電池３から排出される液体燃料には、気体成分が含まれる。そして、第２気液分離器１４では、燃料電池３から排出された液体燃料に含まれる液体成分と気体成分とが分離される。液体成分は、還流管１３を介して、再度、サブタンク４０に供給される。一方、気体成分は、ガス排出管１５を介して電動車両１の外部に排出される。
【０１２０】
また、空気供給ポンプ２４の駆動により、空気供給管２２に電動車両１の外部から酸素、具体的には、空気が取り込まれ、その空気が、空気供給管２２を通過し、さらに、図２に示す空気供給部７５から、図３に示すように、空気供給路８１に供給される。
【０１２１】
空気供給路８１に供給された空気は、図１に示すように、各単位セル５４のカソード５２に供給される。
【０１２２】
カソード５２では、空気が、カソード電極５５と接触しながら空気流路５７を通過する。その後、空気は、図３に示すように、燃料電池３内の空気排出路８２から、第１排気部７３を通過して第１気液分離器９に流入する。
【０１２３】
このとき、液体燃料がメタノールである場合、燃料電池３では、下記のように発電が行なわれる。すなわち、メタノールが供給されたアノード電極６１では、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）と、カソード電極５５における反応（後述）で生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ−）が発生する（下記反応式（１）参照。）。
【０１２４】
また、アノード電極６１で発生した電子（ｅ−）は、図示しない外部回路を経由してカソード電極５５へ供給される。また、生成した水（Ｈ２Ｏ）は、電解質層５１を通過して、アノード電極６１からカソード電極５５へ移動する。
【０１２５】
そして、カソード電極５５では、電子（ｅ−）と、水（Ｈ２Ｏ）と、供給された空気中の酸素（Ｏ２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成する（下記反応式（２）参照。）。生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）は、カチオン交換膜またはアニオン交換膜からなる電解質層５１を、カソード電極５５からアノード電極６１へ移動する。
【０１２６】
このようなアノード電極６１およびカソード電極５５において、連続的に電気化学的反応が生じ、燃料電池３全体として下記反応式（３）で表わされる反応が生じる。これにより、燃料電池３では、起電力が生じ発電される。
（１）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  （アノード電極６１での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極５５での反応）
（３）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池３全体での反応）
また、液体燃料がヒドラジンである場合、燃料電池３では、下記反応式（４）〜（６）で表される反応が生じ、燃料電池３の発電が行なわれる。
（４）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極６１での反応）
（５）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極５５での反応）
（６）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池３全体での反応）
このように、第１気液分離器９内に流入する空気には、発電時の電気的化学反応により生じる水や、アノード５３からカソード５２に液体燃料が移動するクロスリークによりカソード５２側に生じる液体燃料成分などの液体成分が含まれる。そして、第１気液分離器９内を空気が通過することにより、空気に含まれる液体成分と気体成分と分離される。
【０１２７】
すなわち、図２に示すように、第１気液分離器９内に流入した空気は、下側の第２分離部材９１の下面、下側の第１分離部材９０の下面、上側の第２分離部材９１の下面、および、上側の第１分離部材９０の下面に順々に接触した後、第２排気部８９を通過して、図１に示す空気排出管２３から電動車両１の外部に排出される。
【０１２８】
第１気液分離器９内を通過する空気に含まれる液体成分は、１対の第１分離部材９０のそれぞれの、第１傾斜壁９２、第１鉛直壁９３、第２鉛直壁９４および第３鉛直壁９５に付着し、また、１対の第２分離部材９１のそれぞれの、第２傾斜壁９６、第４鉛直壁９７、第５鉛直壁９８および第６鉛直壁９９に付着する。
【０１２９】
そして、液体成分は、自重により下方に落下し、排水管１０１を通過してサブタンク４０に流入する。このように、第１気液分離器９では、空気中に含まれる液体成分と気体成分とが分離される。
【０１３０】
また、電動車両１においては、電動車両１外の空気が燃料電池３を通過して、再度、電動車両１外に排出される空気経路が形成されている。詳しくは、電動車両１においては、図１に示す空気供給管２２、空気供給部７５、図３に示す空気供給路８１、図１に示す空気流路５７、図３に示す空気排出路８２および第１排気部７３により形成される空気供給経路と、気液分離経路１００と、第２排気部８９および空気排出管２３により形成される空気排出経路とにより、空気経路が形成されている。そして、第１気液分離器９は、空気経路において、セルスタック８、すなわち、空気排出路８２および第１排気部７３よりも下流側に介在している。
４．作用効果
この燃料電池システム２は、図１に示すように、セルスタック８と、空気経路と、第１気液分離器９とを備える。
【０１３１】
そのため、第１気液分離器９によって、電動車両１外から取り込まれて燃料電池３を通過した後、再度、電動車両１外に排出される空気経路において、空気中の液体成分と気体成分とを分離できる。そして、分離した液体成分をサブタンク４０に戻すことができる。
【０１３２】
また、図２に示すように、第１気液分離器９は、セルスタック８における複数の単位セル５４の積層方向に投影したときに、セルスタック８の投影面内に収まる。
【０１３３】
そのため、第１気液分離器９を備えつつ、省スペース化を図れる。
【符号の説明】
【０１３４】
８      セルスタック
９      第１気液分離器
５１    電解質層
５２    カソード
５３    アノード
５５    カソード電極
６１    アノード電極
【図１】
2015170563.tif 000003
【図２】
2015170563.tif 000004
【図３】
2015170563.tif 000005