(57)【要約】【課題】応答性の向上を図ることが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２は、燃料電池３と、循環燃料タンク２２と、循環燃料タンク２２から燃料電池３へ、液体燃料を供給する第１還流管２３と、燃料電池３から循環燃料タンク２２へ、液体燃料を戻す第２還流管２４と、第２還流管２４と第１還流管２３とに接続される第１連結管４４を備えている。そして、燃料電池３から排出される液体燃料の流路が、第２還流管２４を通過し、循環燃料タンク２２に貯留された後、第１還流管２３を通過し、再度燃料電池３に供給されるように循環する第１循環流路と、燃料電池３から排出される液体燃料が、循環燃料タンク２２を介さずに、第２還流管２４、第１連結管４４、および、第１還流管２３を通過し、再度燃料電池３に供給されるように循環する第２循環流路とに切り替えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給および排出される燃料電池と、
液体燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記燃料電池へ、液体燃料を供給する第１ラインと、
前記燃料電池から前記燃料タンクへ、液体燃料を戻す第２ラインと、
前記第２ラインと前記第１ラインとに接続される第３ラインと、
液体燃料の流路を、第１流路と第２流路とに切り替える第１切替手段と
を備え、
前記第１流路は、前記燃料電池から排出される液体燃料が、前記第２ラインを通過し、前記燃料タンクに貯留された後、前記第１ラインを通過し、再度前記燃料電池に供給されるように循環する流路であって、
前記第２流路は、前記燃料電池から排出される液体燃料が、前記燃料タンクを介さずに、前記第２ライン、前記第３ライン、および、前記第１ラインを通過し、再度前記燃料電池に供給されるように循環する流路である
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２ラインの途中に設けられ、前記燃料電池から排出される液体燃料を、気体と液体とに分離する気液分離器をさらに備え、
前記第３ラインは、前記気液分離器、または、前記第２ラインにおける前記気液分離器よりも下流側に接続されている
ことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料タンクに貯留される液体燃料よりも高濃度の液体燃料が貯留される原液タンクと、
前記原液タンクから前記燃料タンクへ、液体燃料を供給する第４ラインと、
前記第４ラインと、前記第２ラインまたは前記第３ラインとに接続される第５ラインと、
液体燃料の流路を、第３流路と第４流路とに切り替える第２切替手段と
を備え、
前記第３流路は、前記第１切替手段によって前記第１流路に切り替えられているときに、前記原液タンクに貯留される液体燃料が、第４ラインを通過し、前記燃料タンクに供給される流路であって、
前記第４流路は、前記第１切替手段によって前記第２流路に切り替えられているときに、前記原液タンクに貯留される液体燃料が、前記第４ライン、および、第５ラインを通過し、前記第２ラインまたは前記第３ラインに流入される流路である
ことを特徴とする、請求項１または２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、液体燃料が供給される燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在まで、燃料電池としては、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの各種用途での使用が検討されている。
【０００３】
具体的には、燃料極（負極）、固体高分子のアニオン膜（電解質）、空気極（正極）を張り合わせた構造の複数のセルのスタックからなる燃料電池が知られている。そして、燃料タンクの液体燃料は、循環タンクを経由し、燃料電池に供給される。燃料電池に供給される液体燃料の内、未反応の液体燃料は、循環タンクに戻され、再び燃料電池に供給される。こうして、液体燃料は、燃料電池と循環タンクとを循環するように構成されている（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２０１３−００８５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、自動車の起動時や加速時などには、一時的に大きな電力が必要となる場合がある。大きな電力を発電するには、燃料電池の電気化学反応を促進させるべく、液体燃料が高温であることが好適である。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、循環タンクに貯留される液体燃料の温度は、通常、常温であり、そのような液体燃料の温度を上昇させるには時間がかかり、大きな電力を発電する際の応答性が低いという不具合がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、応答性の向上を図ることの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】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料が供給および排出される燃料電池と、液体燃料を貯留する燃料タンクと、燃料タンクから燃料電池へ、液体燃料を供給する第１ラインと、燃料電池から燃料タンクへ、液体燃料を戻す第２ラインと、第２ラインと第１ラインとに接続される第３ラインと、液体燃料の流路を、第１流路と第２流路とに切り替える第１切替手段とを備えている。この場合、第１流路は、燃料電池から排出される液体燃料が、第２ラインを通過し、燃料タンクに貯留された後、第１ラインを通過し、再度燃料電池に供給されるように循環する流路であって、第２流路は、燃料電池から排出される液体燃料が、燃料タンクを介さずに、第２ライン、第３ライン、および、第１ラインを通過し、再度燃料電池に供給されるように循環する流路である。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、通常、液体燃料の流路を、第１切替手段によって第１流路に設定しておくことにより、燃料電池から排出された液体燃料は、第２ラインを介して、燃料タンクに戻され、再度、第１ラインを介して、燃料電池に供給される。
【０００９】
そのため、燃料電池に対して、液体燃料を循環して供給することができる。
【００１０】
また、大きな電力を発電する場合には、液体燃料の流路を、第１切替手段によって第２流路に切り替える。すると、燃料電池内部で温められ、高温となった液体燃料は、第２ラインから、燃料タンクを介さずに、第３ラインを介して、第１ラインに戻され、再度、燃料電池に供給される。これにより、燃料電池には、比較的高温の液体燃料が供給される。
【００１１】
その結果、燃料電池の内部において、液体燃料の温度を上昇させる時間を短縮でき、大きな電力を発電する場合の応答性の向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムでは、第２ラインの途中に設けられ、燃料電池から排出される液体燃料を、気体と液体とに分離する気液分離器をさらに備えていることが好適である。この場合、第３ラインは、気液分離器、または、第２ラインにおける気液分離器よりも下流側に接続されている。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、第２ラインの途中に気液分離器を設けることによって、燃料電池内部で温められ、高温となった液体燃料は、気液分離器に流入する。
【００１４】
そのため、気液分離器において、燃料電池から排出される高温の液体燃料を、気体と液体とに分離することができながら、一時的に貯留しておくことができる。
【００１５】
そして、大きな電力を発電する場合には、液体燃料の流路を、第１切替手段によって第１流路から第２流路に切り替えることで、気液分離器から高温の液体燃料を、燃料タンクを介さずに、燃料電池に供給することができる。
【００１６】
その結果、第１流路から第２流路に切り替えた直後に、一定量の比較的高温な液体燃料を、応答性良く、燃料電池に供給することができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池システムでは、燃料タンクに貯留される液体燃料よりも高濃度の液体燃料が貯留される原液タンクと、原液タンクから燃料タンクへ、液体燃料を供給する第４ラインと、第４ラインと、第２ラインまたは第３ラインとに接続される第５ラインと、液体燃料の流路を、第３流路と第４流路とに切り替える第２切替手段とを備えていることが好適である。この場合、第３流路は、第１切替手段によって第１流路に切り替えられているときに、原液タンクに貯留される液体燃料が、第４ラインを通過し、燃料タンクに供給される流路であって、第４流路は、第１切替手段によって第２流路に切り替えられているときに、原液タンクに貯留される液体燃料が、第４ライン、および、第５ラインを通過し、第２ラインまたは第３ラインに流入される流路である。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、通常、液体燃料の流路を、第２切替手段によって第３流路に設定しておくことにより、原液タンクから高濃度の液体燃料が、第４ラインを介して、燃料タンクへ供給される。そして、燃料タンクにおいては、第２ラインから供給される比較的低濃度の液体燃料と混合され、一定濃度かつ一定温度に保たれる。
【００１９】
そのため、燃料タンクから、燃料電池に対して、常に、一定濃度かつ一定温度の液体燃料を安定供給することができる。
【００２０】
また、大きな電力を発電する場合には、液体燃料の流路を、第２切替手段によって第４流路に切り替えることで、高濃度の液体燃料を、第４ラインから、第５ラインを介して、第２ラインまたは第３ライン、つまり、第２流路を循環する高温の液体燃料に混合させることができる。
【００２１】
その結果、比較的高濃度かつ比較的高温となる液体燃料を燃料電池に供給することができ、応答性のより一層の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池システムによれば、応答性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．燃料電池システムの全体構成
図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００２５】
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および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２６】
燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（水加ヒドラジン、無水ヒドラジンなどを含む）などの燃料成分を必要により水で希釈したものが挙げられる。
【００２７】
燃料電池３は、電解質層８と、電解質層８の一方側に配置され、液体燃料が供給されるアノード９と、電解質層８の他方側に配置され、空気（酸素）が供給されるカソード１０とを有する単位セル（燃料電池セル）が、セパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造として形成されている。つまり、電解質層８を介してアノード９およびカソード１０が対向配置されてなる単位セルが複数積層されている。なお、図１では、積層される複数の単位セルのうち、１つだけを燃料電池３として示し、その他の単位セルについては省略している。
【００２８】
電解質層８は、例えば、アニオン成分またはカチオン成分が移動可能な層であり、アニオン交換膜またはカチオン交換膜を用いて形成されている。
【００２９】
アノード９は、アノード電極１１と、アノード電極１１に液体燃料を供給するための燃料供給部材１２とを備えている。
【００３０】
アノード電極１１は、電解質層８の一方面に形成されている。アノード電極１１の電極材料としては、例えば、アノード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。
【００３１】
燃料供給部材１２は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。燃料供給部材１２には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、燃料供給部材１２は、溝の形成された表面がアノード電極１１に対向接触されている。これにより、アノード電極１１の一方面と燃料供給部材１２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極１１全体に液体燃料を接触させながら通過させるための燃料供給路１３が形成される。
【００３２】
燃料供給路１３には、液体燃料を燃料供給路１３内に流入させるための燃料供給口１４が一端側（下側）に形成され、液体燃料を燃料供給路１３から排出するための燃料排出口１５が他端側（上側）に形成されている。
【００３３】
カソード１０は、カソード電極１６と、カソード電極１６に空気（酸素）を供給するための空気供給部材１７とを備えている。
【００３４】
カソード電極１６は、電解質層８の他方面に形成されている。カソード電極１６の電極材料としては、例えば、カソード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。
【００３５】
空気供給部材１７は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなる。空気供給部材１７には、その表面から凹む葛折状の溝が形成されている。そして、空気供給部材１７は、溝の形成された表面がカソード電極１６に対向接触されている。これにより、カソード電極１６の他方面と空気供給部材１７の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極１６全体に空気を接触させながら通過させるための空気供給路１８が形成される。
【００３６】
空気供給路１８には、空気を空気供給路１８内に流入させるための空気供給口１９が他端側（上側）に形成され、空気を空気供給路１８から排出するための空気排出口２０が一端側（下側）に形成されている。
【００３７】
また、このような燃料電池３において、複数の単位セルをそれぞれ区分する１つのセパレータは、上記燃料供給部材１２および上記空気供給部材１７を兼ね備える。換言すると、セパレータは、その一方側面において、燃料供給部材１２として作用するとともに、他方側面において、空気供給部材１７として作用する。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、アノード９の燃料供給路１３に液体燃料を供給するために設けられている。
【００３８】
燃料給排部４は、高濃度の液体燃料を貯留するための原液タンク２１と、低濃度の液体燃料を貯留するための燃料タンクの一例としての循環燃料タンク２２と、循環燃料タンク２２に貯留された液体燃料を燃料電池３へ供給するための第１ラインの一例としての第１還流管２３と、燃料電池３から排出される液体燃料を循環燃料タンク２２に戻すための第２ラインの一例としての第２還流管２４とを備えている。
【００３９】
原液タンク２１は、電動車両１の前後方向後方に配置されている。原液タンク２１は、例えば、中空の容器からなり、上記した液体燃料が貯留されている。なお、原液タンク２１には、相対的に高濃度の燃料成分を含む液体燃料（以下、高濃度液体燃料Ａとする）が、貯留されている。
【００４０】
循環燃料タンク２２は、燃料電池３と原液タンク２１との間であって、電動車両１の上下方向下方に配置されている。循環燃料タンク２２は、例えば、中空の容器からなり、上記した液体燃料が貯留されている。なお、循環燃料タンク２２には、相対的に低濃度の燃料成分を含む液体燃料（以下、低濃度液体燃料Ｂとする）が、貯留されている。
【００４１】
循環燃料タンク２２の後側側面には、循環燃料タンク２２の内外を流通させる燃料流入口２７が形成されている。また、循環燃料タンク２２の上部上面には、循環燃料タンク２２の内外を流通させる循環燃料流入口２８が形成されている。また、循環燃料タンク２２の前側側面には、循環燃料タンク２２の内外を流通させる循環燃料流出口２９が形成されている。
【００４２】
燃料流入口２７、循環燃料流入口２８、および、循環燃料流出口２９は、循環燃料タンク２２の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００４３】
第１還流管２３は、その一端側が、循環燃料タンク２２の循環燃料流出口２９に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、その他端側が、燃料電池３の燃料供給口１４に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００４４】
また、第１還流管２３の途中には、循環燃料供給弁３１が設けられている。
【００４５】
循環燃料供給弁３１は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が循環燃料供給弁３１に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、循環燃料供給弁３１の開閉を制御する。
【００４６】
また、第１還流管２３において、循環燃料タンク２２と循環燃料供給弁３１との間には、低濃度液体燃料Ｂを輸送するための循環燃料輸送ポンプ３２が設けられている。
【００４７】
循環燃料輸送ポンプ３２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用いられる。循環燃料輸送ポンプ３２は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が、循環燃料輸送ポンプ３２に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、循環燃料輸送ポンプ３２の駆動および停止を制御する。
【００４８】
第２還流管２４は、その一端側が、燃料電池３の燃料排出口１５に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、その他端側が、循環燃料タンク２２の循環燃料流入口２８に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００４９】
また、第２還流管２４の途中には、気液分離器２５が介在されている。
【００５０】
気液分離器２５は、循環燃料タンク２２の上方に配置されている。気液分離器２５は、例えば、中空の容器からなり、燃料電池３から排出される液体燃料、つまり、未反応の燃料成分を含む排出液（以下、排出液Ｃとする）が、貯留されている。気液分離器２５の前側側面には、気液分離器２５の内外を流通させる排出燃料流入口３６が形成されている。また、気液分離器２５の後側側面には、気液分離器２５の内外を流通させる気体流出口３７が形成されている。また、気液分離器２５の下部底面には、気液分離器２５の内外を流通させる液体流出口３８が形成されている。
【００５１】
排出燃料流入口３６、気体流出口３７、および、液体流出口３８は、気液分離器２５の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００５２】
気液分離器２５は、排出燃料流入口３６と液体流出口３８とが、それぞれ第２還流管２４に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されることにより、第２還流管２４に介装されている。
【００５３】
また、第２還流管２４において、気液分離器２５と循環燃料タンク２２との間には、燃料循環弁３４が介在されている。
【００５４】
燃料循環弁３４は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が燃料循環弁３４に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、燃料循環弁３４の開閉を制御する。
【００５５】
また、第２還流管２４において、燃料電池３と気液分離器２５との間には、燃料電池３から排出された排出液Ｃの温度を検知するための温度センサ４０が介在されている。温度センサ４０は、例えば、赤外線センサなどの公知の水温計が採用される。温度センサ４０は、コントロールユニット６５（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、温度センサ４０は、気液分離器２５内に流入する排出液Ｃの温度を検知し、コントロールユニット６５（後述）に伝達する。
【００５６】
また、気液分離器２５には、気液分離器２５に貯留される排出液Ｃの量を検出する液面計４１と、気液分離器２５内の排出液Ｃの温度を調整するヒータ４２とが設けられている。
【００５７】
液面計４１は、コントロールユニット６５（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、液面計４１は、気液分離器２５に貯留される排出液Ｃの量を検知し、コントロールユニット６５（後述）に伝達する。
【００５８】
ヒータ４２は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号がヒータ４２に入力され、ヒータ４２は、気液分離器２５に貯留される排出液Ｃを加熱する。
【００５９】
第１還流管２３と第２還流管２４との間には、第１還流管２３と第２還流管２４とを連結する第３ラインの一例としての第１連結管４４が接続されている。
【００６０】
具体的には、第１連結管４４は、その一端側が、第２還流管２４における気液分離器２５と燃料循環弁３４との間に、第２還流管２４の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側が、第１還流管２３における循環燃料供給弁３１と燃料電池３との間に、第１還流管２３の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００６１】
また、第１連結管４４の途中には、第１連結弁４５が介在されている。
【００６２】
第１連結弁４５は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が第１連結弁４５に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、第１連結弁４５の開閉を制御する。
【００６３】
また、第１連結管４４において、第１連結弁４５と第２還流管２４との間には、第１連結ポンプ４６が介在されている。
【００６４】
第１連結ポンプ４６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用いられる。第１連結ポンプ４６は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が、第１連結ポンプ４６に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、第１連結ポンプ４６の駆動および停止を制御する。
【００６５】
循環燃料タンク２２の燃料流入口２７には、原液タンク２１に貯留された高濃度液体燃料Ａを循環燃料タンク２２に供給するための第４ラインの一例としての燃料供給管４８が接続されている。
【００６６】
具体的には、燃料供給管４８は、その一端側が、循環燃料タンク２２の燃料流入口２７に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側が、原液タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００６７】
また、燃料供給管４８の途中には、燃料供給弁４９が介在されている。
【００６８】
燃料供給弁４９は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が燃料供給弁４９に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、燃料供給弁４９の開閉を制御する。
【００６９】
また、燃料供給管４８において、燃料供給弁４９と原液タンク２１との間には、燃料供給ポンプ５０が介在されている。
【００７０】
燃料供給ポンプ５０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用いられる。燃料供給ポンプ５０は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ５０に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、燃料供給ポンプ５０の駆動および停止を制御する。
【００７１】
燃料供給管４８と、第２還流管２４とには、燃料供給管４８と第２還流管２４とを連結する第５ラインの一例としての第２連結管５１が接続されている。
【００７２】
具体的には、第２連結管５１は、その一端側が、燃料供給管４８における燃料供給ポンプ５０と燃料供給弁４９との間に、燃料供給管４８の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側が、第２還流管２４における気液分離器２５と燃料循環弁３４との間に、第２還流管２４の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００７３】
また、第２連結管５１の途中には、第２連結弁５２が介在されている。
【００７４】
第２連結弁５２は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が第２連結弁５２に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、第２連結弁５２の開閉を制御する。
【００７５】
また、気液分離器２５の気体流出口３７には、気液分離器２５で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管５４が接続されている。ガス排出管５４は、その一端側（上流側）が、気液分離器２５の気体流出口３７に接続され、その他端側（下流側）が大気に開放されている。また、ガス排出管５４の途中には、ガス排出弁５５が介在されている。
【００７６】
ガス排出弁５５は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号がガス排出弁５５に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、ガス排出弁５５の開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気を空気供給路１８に供給するための空気供給管５９と、空気供給路１８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６０とを備えている。
【００７７】
空気供給管５９は、その一端側（上流側）が大気に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。空気供給管５９の途中には、空気供給ポンプ６１が介在されている。
【００７８】
空気供給ポンプ６１としては、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが用いられる。空気供給ポンプ６１は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ６１に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、空気供給ポンプ６１の駆動および停止を制御する。
【００７９】
空気供給管５９において空気供給ポンプ６１の下流側には、空気供給弁６２が介在されている。
【００８０】
空気供給弁６２は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が空気供給弁６２に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、空気供給弁６２の開閉を制御する。
【００８１】
空気排出管６０は、その一端側（上流側）が空気排出口２０に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
【００８２】
空気排出管６０には、空気排出弁６３が介在されている。
【００８３】
空気排出弁６３は、コントロールユニット６５（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６５（後述）からの制御信号が空気排出弁６３に入力され、コントロールユニット６５（後述）が、空気排出弁６３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のコントロールユニット６５を備えている。
【００８４】
コントロールユニット６５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を電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ６６と、モータ６６に電気的に接続されるインバータ６７と、モータ６６による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ６８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６９とを備えている。
【００８５】
モータ６６は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ６６としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。
【００８６】
インバータ６７は、モータ６６と燃料電池３との間に配置されている。インバータ６７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、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が挙げられる。また、インバータ６７は、配線により、燃料電池３およびモータ６６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６５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。
【００８７】
動力用バッテリ６８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、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ６８は、インバータ６７と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ６６に電力を供給可能とされている。
【００８８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６９は、動力用バッテリ６８と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６９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６８の入出力電力を調整する機能を有している。
【００８９】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６９は、図示しないが、コントロールユニット６５と電気的に接続されており、これにより、コントロールユニット６５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。
【００９０】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６９は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ６８にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ６７に電気的に接続されている。
【００９１】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６９からモータ６６への電力は、インバータ６７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６６に供給される。
２．通常運転時における燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２において、電動車両１の通常運転時には、コントロールユニット６５の制御により、循環燃料供給弁３１、および、燃料循環弁３４が開放され、第１連結弁４５、および、第２連結弁５２が閉鎖されることで、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１５および燃料供給口１４）が、燃料電池３の外部に設けられた第２還流管２４、循環燃料タンク２２、および、第１還流管２３を介して、密閉状態で連通する。
【００９２】
これにより、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１５（上流側）から排出される液体燃料が、第２還流管２４を介して、循環燃料タンク２２に貯留され、循環燃料タンク２２から第１還流管２３を介して、燃料供給口１４（下流側）へ流れるように循環する第１流路の一例としての第１循環流路（クローズドライン）が形成される。
【００９３】
そして、コントロールユニット６５の制御により、循環燃料輸送ポンプ３２が駆動されることによって、循環燃料タンク２２に貯留される低濃度液体燃料Ｂが、循環燃料流出口２９から、第１還流管２３を介して、アノード９の燃料供給路１３に供給される。
【００９４】
一方、コントロールユニット６５の制御により、空気供給弁６２および空気排出弁６３が開かれ、空気供給ポンプ６１が駆動されることによって、空気が空気供給管５９を介して、カソード１０の空気供給路１８に供給される。
【００９５】
アノード９では、低濃度液体燃料Ｂが、アノード電極１１と接触しながら燃料供給路１３を通過する。
【００９６】
一方、カソード１０では、空気が、カソード電極１６と接触しながら空気供給路１８を通過する。
【００９７】
そして、各電極（アノード電極１１およびカソード電極１６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、液体燃料の燃料成分がメタノールである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−（アノード電極１１での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−              （カソード電極１６での反応）
（３）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ      （燃料電池３全体での反応）
すなわち、メタノールが供給されたアノード電極１１では、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）とカソード電極１６での反応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（上記式（１）参照）。
【００９８】
そして、上記と同様、アノード電極１１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１６に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ−）が、電流となる。
【００９９】
一方、カソード電極１６では、電子（ｅ−）と、外部からの供給もしくは燃料電池３での反応で生成した水（Ｈ２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成する（上記式（２）参照）。
【０１００】
そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）が、電解質層８を通過してアノード電極１１に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。
【０１０１】
このようなアノード電極１１およびカソード電極１６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。すなわち、燃料電池３は、燃料成分を消費して発電する。
【０１０２】
また、例えば、液体燃料の燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１１での反応）
（５）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−            （カソード電極１６での反応）
（６）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ              （燃料電池３全体での反応）
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６９に送電され、動力部７では、インバータ６７およびモータ６６、および／または、動力用バッテリ６８に送電される。そして、モータ６６では、インバータ６７により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ６８では、その電力が充電される。
【０１０３】
また、燃料給排部４では、燃料供給路１３から排出される未反応の燃料成分を含む排出液Ｃが、第２還流管２４（燃料電池３の下流側、かつ、気液分離器２５の上流側の第２還流管２４）を通過して、排出燃料流入口３６から気液分離器２５に流入する。
【０１０４】
気液分離器２５では、排出液Ｃの液面レベルが、排出燃料流入口３６、および、気体流出口３７よりも下方位置に保持される排出液Ｃの排出液溜まり７１が、気液分離器２５の中空部分に生じるとともに、排出液Ｃに含まれるガス（上記式（１）の反応により生成する二酸化炭素（ＣＯ２）や、上記式（４）の反応により生成する窒素（Ｎ２）など）の一部が排出液溜まり７１の上方空間へ分離される。
【０１０５】
その一方で、排出液溜まり７１の一部が、液体流出口３８から、気液分離器２５の下流側の第２還流管２４に流出する。そして、第２還流管２４に流出する排出液Ｃは、第２還流管２４（気液分離器２５の下流側、かつ、循環燃料タンク２２の上流側の第２還流管２４）を通過して、循環燃料流入口２８から循環燃料タンク２２に流入し、貯留される。
【０１０６】
その後、循環燃料タンク２２に流入される排出液Ｃは、燃料供給弁４９が適宜開かれ、燃料供給ポンプ５０が適宜駆動することにより、原液タンク２１から高濃度液体燃料Ａが、燃料供給管４８を介して、循環燃料タンク２２に適宜流入し、一定濃度の低濃度液体燃料Ｂとして調製され、循環燃料タンク２２に貯留される。
【０１０７】
また、液体燃料が燃料電池３の燃料供給路１３を通過し、反応することにより、排出液Ｃは、高温となっているが、循環燃料タンク２２に流入し、貯留されることにより、循環燃料タンク２２内の低濃度液体燃料Ｂと混合されて、冷却される。
【０１０８】
なお、高濃度液体燃料Ａが、原液タンク２１から燃料供給管４８を介して、循環燃料タンク２２へ流れる流路が、第３流路の一例としての第１供給流路である。
【０１０９】
そして、循環燃料タンク２２に貯留される低濃度液体燃料Ｂは、循環燃料輸送ポンプ３２の駆動により、第１還流管２３を通過して、再び燃料供給路１３に流入する。
【０１１０】
このようにして、低濃度液体燃料Ｂが、第１循環流路（クローズドライン）を循環する。なお、気液分離器２５で分離されたガスは、ガス排出弁５５が開かれることにより、ガス排出管５４を介して外部へ排出される。
【０１１１】
一方、空気給排部５では、カソード１０から排出される空気（反応に寄与した酸素を除く空気）が、空気排出管６０を介して、外部へ排出される。
３．暖気運転時における燃料電池システムによる発電
一方、上記した燃料電池システム２において、一時的に大きな電力が必要になるとき、例えば、電動車両１の起動時（暖気運転時）や加速時などには、コントロールユニット６５の制御により、まず、循環燃料供給弁３１が開放され、燃料循環弁３４、第１連結弁４５、燃料供給弁４９、および、第２連結弁５２が閉鎖される。
【０１１２】
そして、上記した通常運転時と同様に、コントロールユニット６５の制御により、循環燃料輸送ポンプ３２と、空気供給ポンプ６１とが駆動されることによって、燃料電池３に起電力が発生する。
【０１１３】
このとき、燃料循環弁３４、第１連結弁４５、および、第２連結弁５２が閉鎖されていることにより、燃料電池３の燃料排出口１５から排出される排出液Ｃが、気液分離器２５に溜まり、排出液溜まり７１の液面レベルは上昇する。
【０１１４】
なお、液体燃料が燃料電池３の燃料供給路１３を通過し、反応することにより、排出液Ｃは、低濃度液体燃料Ｂと比較して、高温となっている。つまり、気液分離器２５には、循環燃料タンク２２に貯留される液体燃料（低濃度液体燃料Ｂ）よりも高温な液体燃料（排出液Ｃ）が貯留される。
【０１１５】
また、ヒータ４２によって、気液分離器２５に貯留される排出液Ｃは、より高温に保たれる。
【０１１６】
そして、気液分離器２５の液面レベルが、液面計４１によって検知され、所定値に達すると、コントロールユニット６５の制御により、循環燃料供給弁３１が閉鎖され、第１連結弁４５が開放される。
【０１１７】
そうすると、燃料供給路１３の両端（燃料排出口１５および燃料供給口１４）が、燃料電池３の外部に設けられた、第２還流管２４（気液分離器２５の下流側、かつ、燃料循環弁３４の上流側の第２還流管２４）、第１連結管４４、第１還流管２３（循環燃料供給弁３１の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の第１還流管２３）を介して、循環燃料タンク２２を介さずに、密閉状態で連通する。
【０１１８】
これにより、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１５（上流側）から排出される液体燃料が、気液分離器２５よりも上流側の第２還流管２４を介して、気液分離器２５に貯留され、気液分離器２５よりも下流側、かつ、燃料循環弁３４よりも上流側の第２還流管２４を介して、第１連結管４４に流入し、循環燃料供給弁３１よりも下流側の第１還流管２３に戻され、燃料供給口１４（下流側）へ流れるように循環する第２流路の一例としての第２循環流路（クローズドライン）が形成される。
【０１１９】
つまり、コントロールユニット６５によって制御される循環燃料供給弁３１、燃料循環弁３４、第１連結弁４５、および、第２連結弁５２が、第１切替手段の一例として構成されている。
【０１２０】
そして、コントロールユニット６５の制御により、第１連結ポンプ４６が駆動されることによって、気液分離器２５に貯留される高温の排出液Ｃが、気液分離器２５よりも下流側の第２還流管２４、第１連結管４４、および、第１還流管２３を介して、アノード９の燃料供給路１３に供給される。
【０１２１】
このようにして、高温の液体燃料が、第２循環流路（クローズドライン）を循環する。
【０１２２】
こうして、燃料電池３の燃料供給路１３には、上記した通常運転時よりも、高温な液体燃料が循環し、一時的に大きな起電力が発生する。
【０１２３】
また、さらに大きな電力が必要な場合には、コントロールユニット６５の制御により、第２連結弁５２が適宜開かれ、燃料供給ポンプ５０が適宜駆動されることによって、原液タンク２１に貯留される高濃度液体燃料Ａが、燃料供給管４８、および、第２連結管５１を介して、気液分離器２５よりも下流側、かつ、燃料循環弁３４よりも上流側の第２還流管２４に流入し、第２循環流路（クローズドライン）を循環する液体燃料の濃度を、適宜上昇させ、発電効率を上昇させる。
【０１２４】
なお、高濃度液体燃料Ａが、原液タンク２１から燃料供給管４８、および、第２連結管５１を介して、第２還流管２４へ流れる流路が、第４流路の一例としての第２供給流路である。
【０１２５】
つまり、コントロールユニット６５によって制御される燃料供給弁４９、および、第２連結弁５２が、第２切替手段の一例として構成されている。
４．作用効果
上記のような燃料電池システム２によれば、図１に示すように、通常時には、液体燃料の流路を、コントロールユニット６５の制御により、循環燃料供給弁３１、および、燃料循環弁３４を開放し、第１連結弁４５、および、第２連結弁５２を閉鎖して、第１循環経路に設定することにより、燃料電池３から排出された排出液Ｃは、第２還流管２４を介して、循環燃料タンク２２に戻され、第１還流管２３を介して、再度、燃料電池３に供給される。
【０１２６】
そのため、燃料電池３に対して、液体燃料を循環して供給することができる。
【０１２７】
また、大きな電力を発電する場合には、液体燃料の流路を、コントロールユニット６５の制御により、循環燃料供給弁３１、および、燃料循環弁３４を閉鎖し、第１連結弁４５を開放することにより、第２循環流路に切り替える。すると、燃料電池３内部で温められ、高温となった排出液Ｃは、第２還流管２４（気液分離器２５の下流側、かつ、燃料循環弁３４の上流側の第２還流管２４）から、循環燃料タンク２２を介さずに、第１連結管４４を介して、第１還流管２３（循環燃料供給弁３１の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の第１還流管２３）に戻され、再度、燃料電池３に供給される。これにより、燃料電池３には、比較的高温の液体燃料が供給される。
【０１２８】
その結果、燃料電池３の内部において、液体燃料の温度を上昇させる時間を短縮でき、大きな電力を発電する場合の応答性の向上を図ることができる。
【０１２９】
また、この燃料電池システム２によれば、図１に示すように、第２還流管２４の途中に気液分離器２５を介在させることによって、燃料電池３内部で温められ、高温となって排出される排出液Ｃは、気液分離器２５に流入する。
【０１３０】
そのため、気液分離器２５において、燃料電池３から排出される高温の排出液Ｃを、気体と液体とに分離することができながら、一時的に貯留しておくことができる。
【０１３１】
そして、大きな電力を発電する場合には、液体燃料の流路を、第１循環流路から第２循環流路に切り替えることで、気液分離器２５に貯留される高温の排出液Ｃを、循環燃料タンク２２を介さずに、燃料電池３に供給することができる。
【０１３２】
その結果、第１循環流路から第２循環流路に切り替えた直後に、一定量の比較的高温な液体燃料を、応答性良く、燃料電池３に供給することができる。
【０１３３】
また、この燃料電池システム２によれば、通常時には、液体燃料の流路を、コントロールユニット６５の制御により、燃料供給弁４９を適宜開放し、第２連結弁５２を閉鎖し、燃料供給ポンプ５０を駆動させて、第１供給流路に設定しておくことにより、原液タンク２１から高濃度液体燃料Ａが、燃料供給管４８を介して、循環燃料タンク２２へ供給される。そして、循環燃料タンク２２においては、第２還流管２４から供給される排出液Ｃと混合され、一定濃度かつ一定温度の低濃度液体燃料Ｂとして貯留される。
【０１３４】
そのため、循環燃料タンク２２から、燃料電池３に対して、常に、一定濃度かつ一定温度の液体燃料を安定供給することができる。
【０１３５】
また、大きな電力を発電する場合には、液体燃料の流路を、コントロールユニット６５の制御により、燃料供給弁４９を閉鎖し、第２連結弁５２を適宜開放させて、第２供給流路に設定しておくことにより、高濃度液体燃料Ａを、燃料供給管４８（燃料供給ポンプ５０の下流側、かつ、燃料供給弁４９の上流側の燃料供給管４８）から、第２連結管５１を介して、第２還流管２４（気液分離器２５の下流側、かつ、燃料循環弁３４の上流側の第２還流管２４）、つまり、第２循環流路を循環する高温の液体燃料に混合させることができる。
【０１３６】
その結果、比較的高濃度かつ比較的高温となる液体燃料を燃料電池３に供給することができ、応答性のより一層の向上を図ることができる。
【０１３７】
５．変形例
上記した実施形態では、第２連結管５１の他端側が、第２還流管２４における気液分離器２５と燃料循環弁３４との間に、第２還流管２４の途中から分岐するように接続されているが、第２連結管５１の他端側を、第１連結管４４における第２還流管２４と第１連結ポンプ４６との間に、第１連結管４４の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続することもできる。
【０１３８】
また、上記した実施形態では、第１連結管４４の一端側が、第２還流管２４における気液分離器２５と燃料循環弁３４との間に、第２還流管２４の途中から分岐するように接続されていたが、気液分離器２５の下部底面に、液体流出口３８とは異なる流出口を設けて、その流出口にシール材（ガスケットなど）を介して接続することもできる。この場合、第２連結管５１の他端側は、第１連結管４４における気液分離器２５と第１連結ポンプ４６との間に、第１連結管４４の途中から分岐するように、シール材（ガスケットなど）を介して接続される。
【０１３９】
このような燃料電池システム２の変形例によれば、上記した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１４０】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
２１    原液タンク
２２    循環燃料タンク
２３    第１還流管
２４    第２還流管
２５    気液分離器
３１    循環燃料供給弁
３４    燃料循環弁
４４    第１連結管
４５    第１連結弁
４８    燃料供給管
４９    燃料供給弁
５１    第２連結管
５２    第２連結弁
６５    コントロールユニット
【図１】
2015162348.tif 000003