(57)【要約】【課題】小型、安価な構成で、燃料タンク内における副反応の発生を抑制して発電性能の低下を防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池５１の空気の排出口５１ｄと圧力調整バルブ６３との間の経路を分岐して、その分岐路６７を燃料タンク５２に接続し、循環系の燃料濃度が予め定められた所定値を超えるか否かに応じて、制御手段により燃料供給バルブ５３の閉・開を制御し、燃料供給バルブ５３を開状態に制御したときに、分岐路を通して燃料タンク５２内の液体燃料に燃料電池５１からの排出空気の背圧を加えて燃料タンク５２から燃料電池５１に液体燃料を供給するようにし、専用の燃料供給ポンプを削除する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料および空気の供給により発電する燃料電池と、
前記液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料電池に供給された空気を大気中に排出する排出手段と、
前記燃料電池から排出される空気を分岐して前記燃料タンクに導入する導入手段と、
前記燃料タンクから前記燃料電池に供給する前記液体燃料の供給路を開閉制御する開閉制御手段と
を備えた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】
この発明は、燃料電池に液体燃料および空気を供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体や気体の燃料で発電する種々の燃料電池（ＦＣ）が提供されている。これらの燃料電池は、例えば車両（燃料電池車等）の駆動源やコージェネレーションの電池電源等に用いられる。
【０００３】
そして、これらの燃料電池に燃料を供給する燃料電池システムにおいては、燃料電池への燃料の供給を制御し、適切な燃料供給で燃料電池を発電させることが重要である。
【０００４】
例えば、ヒドラジン等の液体燃料を使用し、アニオン膜を電解質とする燃料電池の場合、燃料濃度を適切に制御しないと、クロスオーバーや副反応の増大といった重大な不具合を引き起こし、燃料電池の発電性能の低下を招く。
【０００５】
すなわち、燃料電池に供給される燃料は、全てが発電で消費されるのではなく、一部は、発電以外のクロスオーバーや副反応で消費される。また、燃料電池の燃料濃度が大きく（濃く）なると、燃料電池の触媒劣化等が促進される。そのため、燃料電池の発電性能は、燃料電池の燃料濃度を大きくしても必ずしも向上せず、場合によっては低下する。一般に、液体燃料を用いた燃料電池の燃料濃度に対する発電性能は、図３に示すように変化する。
【０００６】
そこで、燃料電池に液体燃料を供給する燃料供給系における燃料濃度を一定に保つべく、液体燃料を収容した燃料タンクから燃料電池への燃料供給経路に循環タンクを配置し、燃料タンクと循環タンクとの間の経路にソレノイドポンプ等からなる燃料供給ポンプを配置するとともに、循環ポンプと燃料電池の燃料導入口との間の経路に循環ポンプを配置して燃料循環系を形成し、上流側の燃料供給ポンプにより燃料濃度が一定になるように燃料供給量を精度よく制御することが行われている。しかし、この燃料供給ポンプに使用するソレノイドポンプが非常に高額でかつ大型であるため、燃料電池システムに適用するには好ましくない。
【０００７】
一方、上記したような専用の燃料供給ポンプを用いずに、燃料電池に空気を供給するためのエアポンプを燃料の加圧手段に兼用する燃料電池システムが提案されており、例えば図４に示すように構成されている。図４において、１は燃料電池、２ａ，２ｂは燃料電池１用の液体燃料２２ａ，２２ｂそれぞれを入れた燃料容器、３ａ，３ｂは各燃料容器２ａ，２ｂと燃料電池１との間に設けられた燃料供給管からなる燃料供給路、４ａ，４ｂは各燃料供給路３ａ，３ｂに設けられ液体燃料２２ａ，２２ｂの供給量を調節する流量調節用バルブ、５は燃料電池１へ空気を送り込むエアポンプ、６はエアポンプ５と燃料電池１との間に設けられた空気供給管からなる空気供給路であり、燃料電池１には、燃料容器２ａ，２ｂに入れた液体燃料２２ａ，２２ｂが、エアポンプ５により加圧され燃料供給路３ａ，３ｂを通して供給されるとともに、エアポンプ５からの空気が空気供給路６を通して供給される。なお、図４において、１８は圧力調整バルブ、１９は圧力センサ、２０は流量調節用バルブ４ａ，４ｂ、圧力調整バルブ１８等の制御を行う制御回路、４０はエアポンプ駆動用の電圧を発生する昇圧回路である（特許文献１の段落００２２、図１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２７３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した特許文献に記載の従来システムでは、燃料供給用の専用ポンプを使用しないため、システムを安価に構成できる反面、エアポンプにより空気を直接燃料タンクに供給する構成であるため、燃料電池の燃料セル内で酸素と液体燃料が結合して酸化する反応、つまり副反応が生じるという問題がある。
【００１０】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、小型、安価な構成で、燃料タンク内における副反応の発生を抑制して発電性能の低下を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、液体燃料および空気の供給により発電する燃料電池と、前記液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料電池に供給された空気を大気中に排出する排出手段と、前記燃料電池から排出される空気を分岐して前記燃料タンクに導入する導入手段と、前記燃料タンクから前記燃料電池に供給する前記液体燃料の供給路を開閉制御する開閉制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１にかかる発明によれば、開閉制御手段により、燃料タンクから燃料電池に供給する液体燃料の供給路が開閉制御され、この供給路が開状態になると、燃料電池に供給された空気が導入手段により燃料タンクに導入され、燃料電池から排出される空気の圧力が燃料タンク内の液体燃料に加えられることになり、この排出空気の圧力によって液体燃料が燃料タンクから燃料電池に供給される。このとき、燃料タンクに導入される空気は、発電に使用されたことにより低酸素状態となっている。
【００１３】
したがって、燃料電池から排出される空気の圧力を燃料タンク内の液体燃料に加えることにより、液体燃料が燃料タンクから燃料電池に供給するため、従来のように燃料タンクから燃料電池に液体燃料を供給するための専用の高価かつ大型のポンプを設ける必要がなく、大幅にコストを抑制することができ、小型かつ安価なシステムを構成することが可能になる。
【００１４】
また、上記したように燃料タンクに導入される空気は低酸素状態であるため、燃料タンク内における液体燃料の副反応を抑制することができ、発電性能の低下を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる燃料電池システムの一実施形態の概略構成説明図である。
【図２】図１の動作説明用のフローチャートである。
【図３】液体燃料を用いた燃料電池の燃料濃度に対する発電性能の変化特性の説明図である。
【図４】従来の燃料電池システムの構成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態について、図１および図２を参照して説明する。なお、図１は燃料電池車に適用した燃料電池システムの一実施形態の概略構成説明図、図２は動作説明用フローチャートである。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池車の駆動源としての燃料電池５１は、水加ヒドラジン（液体燃料）を使用し、アニオン膜（アルカリ性電解質膜）を電解質とするアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）である。燃料電池５１は、電極触媒に貴金属である高価な白金に代えて安価な金属（コバルト、ニッケル系）を使用することができ、セパレーターなどの構成部品に安価な材料が使用でき、二酸化炭素（ＣＯ２）を排出しない等の特徴があるが、燃料電池５１への液体燃料の供給を適切に制御して燃料電池５１の燃料濃度を適切に制御しないとクロスオーバーや副反応の増大、発電性能低下等が生じる。
【００１８】
燃料電池５１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）を貼り合わせた構造の複数のセルのスタックで形成され、燃料極のマニホールド（図示せず）に連通した燃料の導入口５１ａおよび排出口５１ｂ、空気極のマニホールド（図示せず）に連通した空気の導入口５１ｃおよび排出口５１ｄ、冷却水の導入口５１ｅおよび排出口５１ｆ、電気を取り出す負極（図示せず）および正極（図示せず）を備える。
【００１９】
図１において、燃料タンク５２の水加ヒドラジンの液体燃料は、燃料供給バルブ５３、循環タンク５４、循環ポンプ５５を通って燃料電池５１の燃料の導入口５１ａに供給される。また、エアコンプレッサ５７により加圧されて加湿手段により加湿された加湿空気は、燃料電池５１の空気の導入口５１ｃに供給される。なお、循環タンク５４から循環ポンプ５５を通る循環系の燃料濃度は濃度センサ５８により検出される。
【００２０】
そして、燃料電池５１において、アニオン膜を通しての液体燃料である水加ヒドラジンと加湿空気の反応により、水酸化物イオン（水酸化イオン）と電子が分解し、水酸化物イオンはアニオン膜を通って燃料極側に移動し、電子は負極から図外の昇圧回路等を通って正極に至る導線内を通って空気極側に移動する。
【００２１】
燃料電池５１の燃料極側では、上記した水酸化物イオンに基づいて水が生成されるほか、窒素ガス等の気体が生成される。これらの液体および気体は循環ポンプ５５の動作によって燃料電池５１の燃料の排出口５１ｂから気液分離器５９に戻され、気液分離器５９により水加ヒドラジンと窒素ガス等の気体とが気液分離される。
【００２２】
そして、気液分離器５９の気液分離により形成された循環側の水加ヒドラジンは循環タンク５４に戻され、燃料タンク５２からの水加ヒドラジンとともに循環ポンプ５５を介して燃料電池５１の燃料の導入口５１ａに循環供給され、気液分離器５９により分離された気体（窒素ガス）は電磁バルブ６０を通って排ガス処理機６１に送られ、排ガス処理機６１により大気中に排出しても安全な状態に処理されて大気中に排出される。
【００２３】
また、燃料電池５１の空気極側では、アニオン膜を通った加湿空気が空気抜き（リリーフ）のために燃料電池５１の空気の排出口５１ｄから圧力調整バルブ６３を通って排ガス処理機６１に送られる。このとき、空気の排出口５１ｄから排出される空気の圧力（背圧）が、排出口５１ｄと圧力調整バルブ６３との間の経路に設けられた圧力センサ６４により検出される。ここで、圧力調整バルブ６３および空気の排出口５１ｄから圧力調整バルブ６３を経た排ガス処理機６１までの経路は、排ガス処理機６１とともに排出手段を構成する。
【００２４】
さらに、燃料電池５１は、ラジエータ６５の冷却水が燃料電池５１の冷却水の導入口１ｅから燃料電池５１、燃料電池５１の冷却水の排出口５１ｆを介してラジエータ６５に戻って循環することで冷却され、上記した反応に基づく燃料電池５１の温度上昇が防止されるようになっている。なお、６６はラジエータ６５からの冷却水の排出バルブである。
【００２５】
また、空気の排出口５１ｄと圧力調整バルブ６３との間の経路が分岐され、この分岐路６７が、燃料電池５１から排出される空気を燃料タンク５２に導入する導入手段として燃料タンク５２に接続されており、燃料電池５１からの排出空気の背圧が燃料タンク５２に加えられるようになっている。
【００２６】
そして、後で詳述するように、濃度センサ５８により検出される燃料濃度が予め定められた所定値を超えるか否かに応じて、図外の制御ＥＣＵにより燃料供給バルブ５３の閉・開が制御され、燃料供給バルブ５３が開状態のときには、上記した燃料タンク５２への分岐路６７を通して燃料タンク５２内の液体燃料に背圧が加えられる。ここで、燃料供給バルブ５３が開で、かつ、燃料タンク５２内の液体燃料に背圧が加えられている状態において、上記した制御手段により、エアコンプレッサ５７の回転数および圧力調整バルブ６３の開閉度が制御されて背圧の制御が行われるようになっている。なお、燃料供給バルブ５３およびその開閉制御を行う制御ＥＣＵにより、本発明における開閉制御手段が構成される。
【００２７】
次に、図１のシステムにおける液体燃料の供給制御動作について図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００２８】
図２に示すように、ドライバによりアクセルペダルが踏まれることによる発電電力要求が有るかどうかの判定がなされ（ステップＳ１）、アクセルペダルが踏まれずに発電電力要求がなければ、ステップＳ１の判定結果がＮＯとなって、ステップＳ２に移行し、制御手段により燃料供給バルブ５３が閉じられ（ステップＳ２）、スタートに戻る。
【００２９】
一方、ステップＳ１の判定において、アクセルペダルが踏まれて発電電力要求があると判定されると、ステップＳ１の判定結果がＹＥＳとなり、濃度センサ５８により検出される循環系の燃料濃度が、予め設定された目標値Ｗｔ（例えば１０％）に規定のしきい値α（例えば数％）を加えた所定値より低いかどうかの判定がなされ（ステップＳ３）、この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ４に移行し、判定結果がＮＯであればステップＳ７に移行する。
【００３０】
そして、ステップＳ４では、制御ＥＣＵにより燃料供給バルブ５３が開状態に制御され（ステップＳ４）、燃料電池５１の空気の排出口５１ｄから排出される空気が分岐路６７を介して燃料タンク５２に導入され、燃料タンク５２内の液体燃料に背圧が加えられて燃料タンク５２内の圧力が燃料電池５１の背圧と等しい状態に切り換えられる。
【００３１】
この状態で、ドライバによりアクセルペダルの踏込み量に発電電力要求量に応じて、制御手段によりエアコンプレッサ５７の回転数が制御されて供給空気量が制御されるともに（ステップＳ５）、制御ＥＣＵにより圧力調整バルブ６３の開閉度が制御されて、燃料電池５１の背圧、つまり燃料タンク５２内の圧力が制御され（ステップＳ６）、燃料電池５１の背圧により燃料タンク５２内の液体燃料に圧力が加わって開状態の燃料供給バルブ５３を通して、循環タンク５４、循環ポンプ５５を経て燃料電池５１のスタックに発電電力要求量に応じた量の液体燃料が供給される。
【００３２】
一方、ステップＳ７では、制御ＥＣＵにより燃料供給バルブ５３が閉状態に制御され（ステップＳ７）、この状態で、上記したステップＳ５、ステップＳ６の処理と同様、ドライバによりアクセルペダルの踏込み量に発電電力要求量に応じて、制御ＥＣＵによりエアコンプレッサ５７の回転数が制御されて供給空気量が制御されるともに（ステップＳ８）、制御ＥＣＵにより圧力調整バルブ６３の開閉度が制御されて、燃料電池５１の背圧が制御され（ステップＳ９）、燃料電池５１の背圧により燃料タンク５２内の液体燃料に圧力が加わって開状態の燃料供給バルブ５３を通して、循環タンク５４、循環ポンプ５５を経て燃料電池５１のスタックに発電電力要求量に応じた量の液体燃料が供給される。その後、ステップＳ６を経た場合と同様、スタートに戻る。
【００３３】
したがって、上記した実施形態によれば、ドライバによりアクセルペダルが踏まれることによる発電電力要求が有り、循環系の燃料濃度が予め定められた所定値（Ｗｔ＋α）より低いときには、燃料供給バルブ５３が開状態に制御されて燃料電池５１から排出される空気が分岐路６７を介して燃料タンク５２に導入され、燃料タンク５２内の液体燃料に排出空気の背圧が加えられるため、この背圧によって燃料タンク５２から燃料電池５１に液体燃料を供給することができる。
【００３４】
また、燃料電池５１からの排出空気の背圧を燃料タンク５２内の液体燃料に加え、その圧力を利用して液体燃料を燃料電池５１に供給するため、従来のように液体燃料を燃料電池５１に供給するための専用の高価かつ大型のポンプを設ける必要がなくなり、その結果、システムのコストを大幅に抑制することができ、小型かつ安価な燃料電池システムを構成することができる。
【００３５】
さらに、燃料電池５１から排出される空気は、発電に使用されたことにより低酸素状態となっているため、燃料タンク５２内における液体燃料の副反応を抑制することができ、発電性能の低下を防止することができる。
【００３６】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【００３７】
上記した実施形態では、燃料供給バルブ５３を開閉制御するだけであったが、燃料供給バルブ５３の開閉度の制御を行うようにしてもよい。例えば、燃料電池５１の背圧および循環系の燃料濃度に対する燃料供給バルブ５３の最適な開閉度の関係を予め求めてマップ化し記憶手段に記憶しておき、記憶したマップから、圧力センサ６４および濃度センサ５８により検出される現在の背圧、燃料濃度に対応する開閉度を読み出し、制御ＥＣＵにより燃料供給バルブ５３の開閉度が読み出した開閉度になるように制御すればよい。こうすると、燃料電池５１からの排出空気の背圧を圧力調整バルブ６３により制御するのに加え、分岐路６７を介して燃料タンク５２内の液体燃料に加わる空気の圧力そのものも制御するため、燃料電池５１への液体燃料の供給量をより精度よく制御することができる。
【００３８】
また、上記した実施形態では循環系の燃料濃度を濃度センサ５８により検出するように構成したが、例えば、燃料供給量の増減に伴って変化する燃料電池５１の出力特性から、燃料電池５１の発電性能を算出し、制御ＥＣＵにより、燃料供給量を増減したときの図３に示す発電性能の変化の判断に基づき燃料濃度を導出するようにして濃度センサを省略してもよく、こうするとコストをいっそう抑制することができる。
【００３９】
また、上記した実施形態では、液体燃料を水加ヒドラジンとした例について説明したが、本発明はその他の液体燃料と空気を供給して発電する燃料電池にも適用することができるのは言うまでもない。
【００４０】
さらに、本発明にかかる燃料電池システムは、上記した燃料電池車に限らず、コージェネレーションの電池電源などにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
５１…    燃料電池
５２…    燃料タンク
５３…    燃料供給バルブ（開閉制御手段）
６１…    排ガス処理機（排出手段）
６３…    圧力調整バルブ（排出手段）
６７…    分岐路（導入手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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