(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料および酸素を消費して発電する燃料電池と、
前記燃料電池に対して空気を供給可能な空気供給経路と、
前記空気供給経路に介在され、空気を加湿する加湿手段と、
前記燃料電池から排出される空気を循環させ、前記燃料電池に対して再度供給可能な空気循環経路と、
前記空気供給経路と前記空気循環経路とを切り替える切替手段と
を備えている
ことを特徴とする、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、車両などに搭載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】
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、例えば、直接メタノール形燃料電池、直接ジメチルエーテル形燃料電池、ヒドラジン形燃料電池などを備えた燃料電池システムが知られている。
【０００３】
液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、通常、電解質膜、燃料側電極および酸素側電極が圧着されて得られる膜・電極接合体（ＭＥＡ）を有する単位セルが複数積層されることによって形成されている燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給手段と、燃料電池に空気を供給するための空気供給手段とを備えている。
【０００４】
このようなシステムでは、燃料電池のアノードに液体燃料が供給されるとともに、燃料電池のカソードに空気が供給されることによって、電気化学反応が生じ、起電力が発生する。
【０００５】
一方、このような燃料電池システムにおいて、アノード側では、液体燃料と水酸化物イオンとが反応し、カソード側では、酸素と水とが反応することにより、燃料電池を発電させている。
【０００６】
そこで、例えば、燃料電池システムにおいて、カソードに供給される酸化剤ガス（空気）を加湿する加湿手段を備え、カソードに空気とともに水分を供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２０８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかるに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、カソード側から排出される空気から水分を分離し、カソードドレンタンクに貯留し、カソードドレンタンクに貯留された水分を加湿器に供給して、ヒータなどにより加熱し、燃料電池に供給される空気を加湿している。
【０００９】
そのため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、排出される空気から水分を分離して貯留し、さらに、その水分を加湿器に供給する必要があり、その構成が複雑である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池に供給される空気を加湿す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】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料および酸素を消費して発電する燃料電池と、燃料電池に対して空気を供給可能な空気供給経路と、空気供給経路に介在され、空気を加湿する加湿手段と、燃料電池から排出される空気を循環させ、燃料電池に対して再度供給可能な空気循環経路と、空気供給経路と空気循環経路とを切り替える切替手段とを備えている。
【００１２】
このような燃料電池システムでは、空気供給経路から、加湿手段により加湿された空気を燃料電池に供給することができる。
【００１３】
また、燃料電池に供給された空気には、燃料電池の通過中において、液体燃料が含まれ、その液体燃料が含まれた空気が空気循環経路に排出される。これにより、空気循環経路から、液体燃料によって加湿された空気を燃料電池に再度供給することができる。
【００１４】
そして、燃料電池の発電状態に応じて、切替手段によって、空気供給経路と、空気循環経路とを切り替えることができる。
【００１５】
その結果、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池に供給される空気を加湿することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池に供給される空気を加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム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】
【００１８】
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。
【００１９】
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、脱水加湿部５０と、排気循環部６０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。
【００２０】
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（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。
【００２１】
なお、以下において、燃料電池３に供給される液体燃料を供給液、一方、燃料電池３から排出される液体燃料（燃料電池３に供給された液体燃料の反応生成物（窒素ガスなど）および反応生成水を含む）を排出液として、それぞれ区別する。
【００２２】
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たアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを有する単位セル２８（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に形成されている。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２８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２８のうち、電動車両１の前後方向途中に配置される単位セル２８だけを拡大して表わし、その他の単位セル２８については簡略化して記載している。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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（供給液）を接触させるための燃料供給路１３が形成される。
【００２７】
燃料供給路１３には、液体燃料（供給液）をアノード９内に流入させるための燃料供給口１５が一端側（下側）に形成され、液体燃料（排出液）をアノード９から排出するための燃料排出口１４が他端側（上側）に形成されている。
【００２８】
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とを有している。
【００２９】
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。
【００３０】
カソード電極１６の電極材料としては、例えば、アノード電極１１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。
【００３１】
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るための空気流路としての空気供給路１８が形成される。
【００３２】
空気供給路１８には、空気をカソード１０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、空気をカソード１０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。
【００３３】
また、このような燃料電池３において、複数の単位セル２８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、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２１と、燃料タンク２１から燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）へ供給液を供給する燃料供給ライン３０と、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）から排出液を排出する燃料排出ライン３１と、燃料排出ライン３１から燃料供給ライン３０へ排出液を輸送する還流ライン３２とを備えている。
【００３４】
なお、燃料供給ライン３０と燃料排出ライン３１との間には、燃料電池３が介在されており、また、燃料排出ライン３１と還流ライン３２との間には、気液分離器２２（後述）が介在されている。
【００３５】
燃料タンク２１は、燃料電池３よりも後方、電動車両１の後側に配置されている。燃料タンク２１には、上記した液体燃料が貯蔵されている。
【００３６】
燃料供給ライン３０は、その上流側端部が、燃料タンク２１に接続されるとともに、下流側端部が、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されている。
【００３７】
燃料供給ライン３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ３３が設けられている。
【００３８】
燃料供給ポンプ３３は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ３３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給ポンプ３３の駆動および停止を制御する。
【００３９】
また、燃料供給ライン３０において、燃料供給ポンプ３３の下流側には、燃料供給弁３４が設けられている。
【００４０】
燃料供給弁３４は、燃料供給ライン３０を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、燃料供給弁３４は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料供給弁３４の開閉を制御する。
【００４１】
このような燃料供給ライン３０により、燃料タンク２１から、液体燃料（供給液）が燃料電池３へ供給される。
【００４２】
燃料排出ライン３１は、その上流側端部が、燃料電池３（具体的には、アノード９の燃料供給路１３）に接続されるとともに、下流側端部が、気液分離器２２に接続されている。
【００４３】
このような燃料排出ライン３１により、排出液が燃料電池３から排出され、気液分離器２２に輸送される。
【００４４】
気液分離器２２は、例えば、中空の容器からなり、その前側側面には、気液分離器２２の内外を流通させる第１流通口２３が形成されている。また、気液分離器２２の下部底面には、気液分離器２２の内外を流通させる第２流通口２４が形成されている。また、気液分離器２２の後側側面には、気液分離器２２の内外を流通させる第３流通口２５が形成されている。
【００４５】
気液分離器２２は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向後方、かつ、電動車両１の上下方向上方において、第１流通口２３が、燃料排出ライン３１に接続され、第２流通口２４が、還流ライン３２（後述）に接続されている。
【００４６】
また、第３流通口２５には、気液分離器２２で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管２６が接続されている。
【００４７】
ガス排出管２６は、その一端側（上流側）が第３流通口２５に接続され、他端側（下流側）が大気に開放されている。また、ガス排出管２６の途中には、ガス排出弁２７が設けられている。
【００４８】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２２内の圧力を開放するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。ガス排出弁２７は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号がガス排出弁２７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００４９】
還流ライン３２は、その上流側端部が、気液分離器２２に接続されるとともに、下流側端部が、燃料供給ライン３０の流れ方向途中、詳しくは、燃料供給ポンプ３３および燃料供給弁３４よりも下流側に接続されている。
【００５０】
また、還流ライン３２の流れ方向途中には、燃料還流ポンプ３５が設けられている。
【００５１】
燃料還流ポンプ３５は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、燃料還流ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料還流ポンプ３５の駆動および停止を制御する。
【００５２】
これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、気液分離器２２および還流ライン３２を介して、燃料供給ライン３０に輸送される。そして、燃料タンク２１から輸送された液体燃料（１次供給液）と混合され、濃度調整された後、供給液（２次供給液）として、燃料電池３に戻ることにより、アノード９を循環する。
（３）空気給排部
空気給排部５は、燃料電池３（カソード１０）に対して空気を供給する空気供給ライン４１と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出ライン４２とを備えている。
【００５３】
空気供給ライン４１は、その一端側（上流側）が大気中に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１９に接続されている。
【００５４】
空気供給ライン４１の流れ方向途中には、空気供給ポンプ４３が設けられている。
【００５５】
空気供給ポンプ４３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ４３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給ポンプ４３の駆動および停止を制御する。
【００５６】
また、空気供給ライン４１において、空気供給ポンプ４３の上流側には、空気供給弁４４が設けられている。
【００５７】
空気供給弁４４は、空気供給ライン４１を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。空気供給弁４４は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気供給弁４４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気供給弁４４の開閉を制御する。
【００５８】
空気排出ライン４２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。
【００５９】
空気排出ライン４２には、空気排出弁４５が設けられている。
【００６０】
空気排出弁４５は、空気排出ライン４２を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。空気排出弁４５は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、空気排出弁４５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気排出弁４５の開閉を制御する。
（４）脱水加湿部
脱水加湿部５０は、燃料電池３において液体燃料の電気化学反応（後述）によって生じる水分を分離し、その水分により、空気供給ライン４１の空気を加湿する。
【００６１】
具体的には、脱水加湿部５０は、脱水装置５３と、加湿手段の一例としての加湿装置５４とを備えている。
【００６２】
脱水装置５３は、燃料排出ライン３１の流れ方向途中に設けられている。脱水装置５３は、燃料排出ライン３１を通過する排出液から水分を分離するための装置である。脱水装置５３としては、液体燃料中から水分を分離可能な装置であれば、特に制限されることなく、例えば、特開２０１５−０２８８６１号の段落番号〔００５７〕〜〔００６７〕に記載の水分離装置などが用いられる。脱水装置５３は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、その作動および停止が、コントロールユニット２９（後述）によって制御されている。
【００６３】
加湿装置５４は、空気供給ライン４１の流れ方向途中、詳しくは、空気供給弁４４よりも下流側、かつ、空気供給ポンプ４３よりも上流側に介在されている。加湿装置５４は、脱水装置５３によって分離された水分を、空気供給ライン４１を通過する空気に含有させることができるように構成されている。具体的には、加湿装置５４は、脱水装置５３によって分離された水分が供給されるように、脱水装置５３と連通されている。なお、加湿装置５４は、特に限定されず、公知の加湿装置から構成されている。
（５）排気循環部
排気循環部６０は、循環ライン６３と、切替手段の一例としての流路切替弁６２とを備えている。
【００６４】
循環ライン６３は、その上流側端部が、空気排出ライン４２の流れ方向途中、詳しくは、空気排出弁４５よりも上流側に接続されるとともに、その下流側端部が、流路切替弁６２（後述）を介して、空気供給ライン４１の流れ方向途中、詳しくは、脱水加湿部５０の加湿装置５４よりも下流側、かつ、空気供給ポンプ４３よりも上流側に接続されている。
【００６５】
循環ライン６３の流れ方向途中には、循環弁６４が設けられている。
【００６６】
循環弁６４は、循環ライン６３を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、循環弁６４は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、循環弁６４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、循環弁６４の開閉を制御する。
【００６７】
なお、空気排出ライン４２における循環ライン６３との接続部分よりも上流側を、空気排出ライン上流部７０とし、空気排出ライン４２における循環ライン６３との接続部分よりも下流側を、空気排出ライン下流部７１とする。
【００６８】
また、空気供給ライン４１における循環ライン６３との接続部分、具体的には、流路切替弁６２（後述）よりも上流側を、空気供給ライン上流部７３とし、空気供給ライン４１における循環ライン６３との接続部分、具体的には、流路切替弁６２（後述）よりも下流側を、空気供給ライン下流部７４とする。
【００６９】
こうして、空気供給ライン上流部７３と、空気供給ライン下流部７４とから構成される流路、すなわち、空気供給ライン４１を、空気供給経路の一例とする。
【００７０】
また、空気排出ライン上流部７０と、循環ライン６３と、空気供給ライン下流部７４とから構成される流路を、空気循環経路の一例としての空気循環ライン７７とする。
【００７１】
流路切替弁６２は、循環ライン６３の流れ方向下流側端部であって、空気供給ライン４１の流れ方向途中、具体的には、脱水加湿部５０の加湿装置５４よりも下流側、かつ、空気供給ポンプ４３よりも上流側に介在されている。流路切替弁６２は、燃料電池３（具体的には、カソード１０の空気供給路１８）に供給される空気を、空気供給ライン４１からの空気と、空気循環ライン７７からの空気とに切り替えるための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の切替弁が用いられる。また、流路切替弁６２は、コントロールユニット２９（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２９（後述）からの制御信号が、流路切替弁６２に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料電池３（具体的には、カソード１０の空気供給路１８）に供給される空気を、空気供給ライン４１からの空気と、空気循環ライン７７からの空気とに切り替えるように制御する。
（６）制御部
制御部６は、コントロールユニット２９を備えている。
【００７２】
コントロールユニット２９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。
【００７３】
制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、燃料供給ポンプ３３、燃料還流ポンプ３５、空気供給ポンプ４３、脱水装置５３などの駆動および停止や、燃料供給弁３４やガス排出弁２７、空気供給弁４４、空気排出弁４５、流路切替弁６２、循環弁６４などの開閉などを、適宜制御する。
（７）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３７と、モータ３７に電気的に接続されるインバータ３８と、モータ３７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４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６とを備えている。
【００７４】
モータ３７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３７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。
【００７５】
インバータ３８は、モータ３７と燃料電池３との間に配置されている。インバータ３８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３８は、配線により、燃料電池３およびモータ３７にそれぞれ電気的に接続されている。
【００７６】
動力用バッテリ４０としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度の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４０は、インバータ３８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３７に電力を供給可能とされている。
【００７７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、動力用バッテリ４０と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３６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４０の入出力電力を調整する機能を有している。
【００７８】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、コントロールユニット２９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２９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。
【００７９】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ４０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３８に電気的に接続されている。
【００８０】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６からモータ３７への電力は、インバータ３８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３７に供給される。
２．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では、コントロールユニット２９の制御により、燃料供給弁３４が開かれ、燃料供給ポンプ３３および燃料還流ポンプ３５が駆動されることにより、液体燃料が、燃料供給ライン３１を介してアノード９に供給される。一方、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４が開かれ、空気供給ポンプ４３が駆動されることにより、空気が空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３４は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００８１】
アノード９では、液体燃料が、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。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。
【００８２】
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）。
【００８３】
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。
【００８４】
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）。
【００８５】
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。
【００８６】
また、例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、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）
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）または上記式（６）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。
【００８７】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に送電され、動力部７では、インバータ３８およびモータ３７、および／または、動力用バッテリ４０に送電される。そして、モータ３７では、インバータ３８により三相交流電力に変換された電気エネルギーが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。一方、動力用バッテリ４０では、その電力が充電される。
【００８８】
なお、上記のような発電では、アノード９に供給された液体燃料が、アノード９において消費されることなく電解質層８を透過し、カソード１０に漏出する（クロスリーク現象）。
【００８９】
また、燃料給排部４では、燃料還流ポンプ３５の駆動力により、アノード９から排出される使用後および未反応の液体燃料（排出液）が、燃料排出ライン３１を通過して第１流通口２３から気液分離器２２に流入する。気液分離器２２では、水位が第１流通口２３および第３流通口２５よりも下方位置に保持される排出液の液溜まり３９が、気液分離器２２の中空部分に生じるとともに、液溜まり３９に含まれるガス（気体）が液溜まり３９の上方空間へ分離される。その一方で、液溜まり３９の一部が、下流側の第２流通口２４から還流ライン３２に流出する。
【００９０】
還流ライン３２に流出する排出液は、燃料供給ライン３０の流れ方向途中部分において、燃料タンク２１から供給される液体燃料と混合された後、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【００９１】
このようにして、液体燃料が、クローズドライン（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３０、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２２で分離された気体は、ガス排出弁２７が開かれることにより、ガス排出管２６を介して外部へ排出される。
【００９２】
一方、空気給排部５では、空気排出弁４５が開かれ、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、空気排出ライン４２を介して、外気に排出される。
３．燃料電池に供給される空気の加湿
（１）液体燃料の液量が増加した場合
アノード９から排出される排出液は、燃料電池３の発電量が多い場合などには、上記式（３）または上記式（６）のように水（Ｈ２Ｏ）が比較的多く生成されることにより、その液量が増加する。
【００９３】
このような場合には、クローズドライン（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３０、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する液体燃料の液量が増加する。
【００９４】
そこで、この燃料電池システム２では、アノード９から排出される排出液に含有される水分を分離することにより、循環する液体燃料の液量を調整（低減）し、さらに、その水分を用いて、空気を加湿する。
【００９５】
具体的には、まず、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４および空気排出弁４５が開かれるとともに、循環弁６４が閉じられる。さらに、コントロールユニット２９の制御により、空気供給ライン４１からの空気がカソード１０に供給されるように、流路切替弁６２を切り替え、脱水装置５３を作動する。
【００９６】
これにより、空気供給ライン４１から、カソード１０に対して空気が供給される。
【００９７】
そして、アノード９から燃料排出ライン３１に排出された液体燃料（排出液）は、気液分離器２２に供給される前に、脱水加湿部５０の脱水装置５３を通過する。
【００９８】
このとき、脱水装置５３において、排出液から水分が分離されることにより、循環する液体燃料の液量が調整される。
【００９９】
このようにして水分が分離された排出液（すなわち、高濃度の液体燃料）は、燃料排出ライン３１を介して気液分離器２２に供給され、上記したように、還流ライン３２および燃料供給ライン３０を介して、再びアノード９に供給される。
【０１００】
そして、分離された水分は、脱水加湿部５０の加湿装置５４により、空気供給ライン４１内を通過する空気に混合され、空気が加湿される。
【０１０１】
こうして、加湿された空気供給ライン４１内の空気は、上記したように、空気供給ポンプ４３の駆動によって、空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。
【０１０２】
このように、液体燃料の液量が増加した場合には、アノード９から排出される排出液から水分を分離することによって、循環する液体燃料の液量を調整し、さらに、その水分によって、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿する。
（２）液体燃料の液量が適量または減少した場合
アノード９から排出される排出液は、燃料電池３の発電量が少ない場合などには、上記式（３）または上記式（６）による水（Ｈ２Ｏ）の生成量が少なくなる。
【０１０３】
これにより、クローズドライン（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３０、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する液体燃料の液量が増加することなく、適量に保たれる場合や、減少する場合がある。
【０１０４】
このような場合には、この燃料電池システム２では、カソード１０から排出される水分を含む空気を循環させ、カソード１０に対して再度供給する。
【０１０５】
具体的には、まず、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４および空気排出弁４５が閉じられるとともに、循環弁６４が開かれる。さらに、コントロールユニット２９の制御により、空気循環ライン７７からの空気がカソード１０に供給されるように、流路切替弁６２を切り替える。なお、コントロールユニット２９の制御により、脱水装置５３は停止される。
【０１０６】
ここで、カソード１０から空気排出ライン４２に排出された空気は、上記したクロスリーク現象により、漏出した液体燃料が含まれることにより、一定の湿度を有している。
【０１０７】
これにより、カソード１０から空気排出ライン４２に排出された水分を含む空気は、空気供給ポンプ４３の駆動によって、空気循環ライン７７（空気排出ライン４２の空気排出ライン上流部７０、循環ライン６３、空気供給ライン４１の空気供給ライン下流部７４）を通過し、再度、カソード１０に供給される。
【０１０８】
このように、液体燃料の液量が適量に保たれる場合や、減少している場合には、循環する液体燃料の液量を減らすことなく、カソード１０から排出される水分を含む空気が循環する。
（３）空気供給ラインと空気循環ラインとの切り替え
空気供給ライン４１と、空気循環ライン７７とは、流路切替弁６２によって、適宜、切り替えられる。
【０１０９】
切り替えるタイミングとしては、クローズドライン（還流ライン３２、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３０、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する液体燃料が、発電開始前の液量に対して、１１０％以上となった場合に、空気供給ライン４１に切り替え、発電開始前の液量に対して、８０％以下となった場合に、空気循環ライン７７に切り替える。
【０１１０】
具体的には、例えば、気液分離器２２に図示しない液面計を設け、液溜まり３９が一定の高さよりも高い場合には、空気供給ライン４１に切り替える。
【０１１１】
これにより、脱水加湿部５０の脱水装置５３によって、排出液から水分を分離させ、循環する液体燃料の液量を減少させることができる。
【０１１２】
また、液溜まり３９が一定の高さよりも低い場合には、空気循環ライン７７に切り替える。
【０１１３】
これにより、循環する液体燃料の液量を減少させることなく、燃料電池３（カソード１０）から排出される水分を含む空気を循環させ、カソード１０に供給することができる。
【０１１４】
なお、液体燃料の液量が適量または減少した場合には、空気循環ライン７７において、水分を含む空気を循環させるが、この状態を長時間維持することで、燃料電池３に供給する空気中の酸素（Ｏ２）が不足する場合がある。
【０１１５】
このような場合には、コントロールユニット２９によって、空気排出弁４５を開き、空気供給ポンプ４３の出力を上げる。
【０１１６】
これにより、空気排出ライン下流部７１から、空気排出ライン下流部７１を逆流するように外気が取り込まれ、酸素（Ｏ２）を含む空気がカソード１０に供給される。
４．作用効果
このような燃料電池システム２によれば、空気供給ライン４１から、脱水加湿部５０の加湿装置５４により加湿された空気をカソード１０に供給することができる。
【０１１７】
また、燃料電池３に供給された空気には、燃料電池３の空気供給路１８の通過中において、液体燃料が含まれ、その液体燃料が含まれた空気が、空気排出ライン４２に排出される。これにより、液体燃料によって加湿された空気を、空気循環ライン７７から、カソード１０に再度供給することができる。
【０１１８】
そして、燃料電池の発電状態に応じて、流路切替弁６２によって、空気供給ライン４１と、空気循環ライン７７とを切り替えることができる。
【０１１９】
その結果、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池３に供給される空気を加湿することができる。
５．第２実施形態
上記した第１実施形態では、空気供給ライン４１と空気循環ライン７７とを、流路切替弁６２で切り替えているのに対し、第２実施形態では、図２に示すように、排気循環部６０は、流路切替弁６２を備えておらず、循環ライン６３の下流側が空気供給口１９に接続されている。
【０１２０】
これにより、空気排出ライン上流部７０と、循環ライン６３とから構成される流路が、空気循環経路の一例としての空気循環ライン７７となる。
【０１２１】
また、循環ライン６３の流れ方向途中には、空気循環ポンプ８０が設けられている。
【０１２２】
空気循環ポンプ８０は、コントロールユニット２９（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット２９（後述）からの制御信号が、空気循環ポンプ８０に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気循環ポンプ８０の駆動および停止を制御する。
【０１２３】
そして、空気供給ライン４１からカソード１０に空気を供給する場合には、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４が開かれ、循環弁６４が閉じられる。
【０１２４】
そして、空気供給ポンプ４３の駆動によって、空気が空気供給ライン４１を介してカソード１０に供給される。
【０１２５】
また、空気循環ライン７７からカソード１０に空気を供給する場合には、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４が閉じられ、循環弁６４が開かれる。
【０１２６】
そして、空気循環ポンプ８０の駆動によって、空気が空気循環ライン７７を介してカソード１０に供給される。
【０１２７】
つまり、第２実施形態では、空気供給弁４４および循環弁６４が、切替手段の一例である。
【０１２８】
なお、液体燃料の液量が適量または減少した場合には、空気循環ライン７７において、水分を含む空気を循環させるが、上記した第１実施形態と同様に、この状態を長時間維持することで、燃料電池３に供給する空気中の酸素（Ｏ２）が不足する場合がある。
【０１２９】
このような場合には、コントロールユニット２９によって、空気排出弁４５を開き、空気循環ポンプ８０の出力を上げる。
【０１３０】
これにより、空気排出ライン下流部７１から、空気排出ライン下流部７１を逆流するように外気が取り込まれ、酸素（Ｏ２）を含む空気がカソード１０に供給される。
【０１３１】
このような第２実施形態においても、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
６．変形例
上記した第１実施形態および第２実施形態では、燃料排出ライン３１の排出液から分離された水分を用いて、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿しているが、脱水装置５３によって排出液から分離した水分を用いる加湿装置５４を設けることなく、公知の加湿器を別途、空気供給ライン４１に介在させることにより、空気供給ライン４１の空気を加湿することもできる。
【０１３２】
このような変形例においても、上記した第１実施形態および第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１３３】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
４１    空気供給ライン
４４    空気供給弁
５４    加湿装置
６２    流路切替弁
６４    循環弁
７７    空気循環ライン
【図１】
0006510339.tif 000002
【図２】
0006510339.tif 000003