(57)【要約】【課題】酸素および水を効率よくカソードに供給することができ、省エネルギー化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】  燃料電池セル１１を有する燃料電池３と、燃料電池セル１１のアノード電極１６に燃料を供給する燃料給排部４と、燃料電池セル１１のカソード電極１７に空気を供給する空気給排部５とを備える燃料電池システム２において、燃料電池セル１１を冷却するための冷却ユニット１０に、熱交換器５４を設け、空気給排部５の空気供給ライン３３に、加湿器５４を設けるとともに、加湿器３６よりも供給方向上流において、熱交換器５４を介在させる。そして、燃料電池セル１１を冷却することによって加熱された冷媒の熱を利用して、空気供給ライン３３に取り込まれた空気を加熱し、加熱された空気を加湿器３６で加湿する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを備える燃料電池と、
前記アノードに燃料を供給するための燃料供給部と、
前記カソードに水および酸素を含有する気体を供給するための酸素供給部と、
前記酸素供給部内の前記気体を加湿する加湿器と、
前記気体の供給方向における前記加湿器よりも上流側において前記酸素供給部に接続されるとともに、前記燃料供給部および前記燃料電池の少なくとも一方に接続される熱交換器と
を備え、
前記熱交換器は、前記燃料供給部および前記燃料電池の少なくとも一方を冷却するとともに、前記気体を加熱することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池は、前記燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒ラインを備え、
前記熱交換器は、前記冷媒ラインに介在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】
前記燃料電池は、前記燃料中の燃料成分と、前記気体中の水および酸素を消費して発電し、発電するときの電気化学反応によって生成する生成物と燃料成分とを含む排出液を排出し、
前記燃料供給部は、
前記燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料タンク内の燃料を前記燃料電池に供給する供給ラインと、
前記排出液を前記燃料タンクに供給する排出ラインと、
前記燃料タンクに対して、前記熱交換器が介在されるように接続される熱交換ラインと
を備え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。
【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、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの燃料成分と、空気中の酸素および水とを消費して発電する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
例えば、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、アノードに燃料を供給するための燃料給排部と、カソードに空気を供給するための空気給排部とを備える燃料電池システムが知られている（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２０１３−１３４９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に記載される燃料電池システムでは、空気給排部は、一端側が大気開放され、他端側が燃料電池に接続された空気供給管を介して、外気をカソードに供給している。
【０００６】
そのため、発電に十分な量の水を安定してカソードに供給するには、外気を加湿して発電に十分な量の水を外気に含ませることが検討される。
【０００７】
しかし、例えば、外気が低温である場合など、外気を十分に加湿することが困難な場合がある。
【０００８】
このような場合、外気を加熱するためのヒータなどを設けると、ヒータを作動させるための電力などが必要となり、省エネルギー化を図ることが困難である。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、酸素および水を効率よくカソードに供給することができ、省エネルギー化を図ることが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】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、アノードとカソードとを備える燃料電池と、前記アノードに燃料を供給するための燃料供給部と、前記カソードに水および酸素を含有する気体を供給するための酸素供給部と、前記酸素供給部内の前記気体を加湿する加湿器と、前記気体の供給方向における前記加湿器よりも上流側において前記酸素供給部に接続されるとともに、前記燃料供給部および前記燃料電池の少なくとも一方に接続される熱交換器とを備え、前記熱交換器は、前記燃料供給部および前記燃料電池の少なくとも一方を冷却するとともに、前記気体を加熱することを特徴としている。
【００１１】
このような構成によれば、燃料供給部および燃料電池の少なくとも一方の熱を利用して、水および酸素を含有する気体を加熱し、加熱された気体を加湿して、より多くの水を含んだ気体をカソードに供給することができる。
【００１２】
そのため、気体を加熱するためのヒータなどを別途設ける場合と比べて、効率よく気体を加熱することができる。
【００１３】
また、加熱されていない気体を加湿する場合と比べて、より多くの水を気体に含有させることができるので、カソードへの気体の供給量を増大させることなく、酸素および水を効率よくカソードに供給することができる。
【００１４】
その結果、省エネルギー化を図ることができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記燃料電池は、前記燃料電池を冷却するための冷媒が流れる冷媒ラインを備え、前記熱交換器は、前記冷媒ラインに介在されていることが好適である。
【００１６】
このような構成によれば、燃料電池の熱を冷媒によって冷却し、燃料電池の熱によって加熱された冷媒と気体とを熱交換器で熱交換することにより、気体を加熱することができる。
【００１７】
その結果、燃料電池の熱を利用して、効率よく気体を加熱することができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記燃料電池は、前記燃料中の燃料成分と、前記気体中の水および酸素を消費して発電し、発電するときの電気化学反応によって生成する生成物と燃料成分とを含む排出液を排出し、前記燃料供給部は、前記燃料を貯留する燃料タンクと、前記燃料タンク内の燃料を前記燃料電池に供給する供給ラインと、前記排出液を前記燃料タンクに供給する排出ラインと、前記燃料タンクに対して、前記熱交換器が介在されるように接続される熱交換ラインとを備えることが好適である。
【００１９】
このような構成によれば、燃料電池からの排出液は、排出ラインを介して燃料タンク内に供給される。これにより、排出液の熱によって、燃料タンク内の燃料が加熱される。
【００２０】
そして、加熱された燃料タンク内の燃料を、熱交換ラインにより熱交換器を通過させることにより、加熱された燃料タンク内の燃料と気体とを熱交換器で熱交換して、気体を加熱することができる。
【００２１】
その結果、燃料電池からの排出液の熱を利用して、効率よく気体を加熱することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池システムによれば、酸素および水を効率よくカソードに供給することができ、省エネルギー化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第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の燃料電池システムの第２実施形態を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、モータ４２を動力源とし、燃料電池３およびバッテリ４４を電源としてモータ４２を駆動させる電動車両である。電動車両１は、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。
【００２６】
（１）燃料電池
燃料電池３は、燃料成分を含む燃料の一例としての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、アニオン交換型燃料電池として構成されている。
【００２７】
燃料成分としては、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、ヒドラジンなどの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。
【００２８】
液体燃料としては、燃料成分をそのまま用いてもよいが、燃料成分を、例えば、水などで希釈して用いることができる。
【００２９】
燃料電池３は、燃料電池セル１１と、冷却ユニット１０とを備えている。なお、燃料電池３は、複数の燃料電池セル１１が積層されたスタック構造として構成される場合があるが、図１においては、図解しやすいように１つの燃料電池セル１１のみを示している。
【００３０】
燃料電池セル１１は、膜電極接合体１２と、燃料供給部材１３、空気供給部材１４と、冷媒流路２０とを備えている。
【００３１】
膜電極接合体１２は、電解質膜１５と、アノードの一例としてのアノード電極１６と、カソードの一例としてのカソード電極１７とを備えている。
【００３２】
電解質膜１５は、アニオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。
【００３３】
アノード電極１６は、電解質膜１５の厚み方向一方側の表面に、薄層として積層されている。アノード電極１６は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１６は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
【００３４】
カソード電極１７は、電解質膜１５に対してアノード電極１６の反対側、すなわち、電解質膜１５の厚み方向他方側の表面に、薄層として積層されている。カソード電極１７は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１７は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
【００３５】
燃料供給部材１３は、膜電極接合体１２の厚み方向一方側に配置されている。燃料供給部材１３は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。燃料供給部材１３には、燃料流路１８が形成されている。なお、膜電極接合体１２と燃料供給部材１３との間には、図示しないガス拡散層が介在されている。
【００３６】
燃料流路１８は、燃料供給部材１３の厚み方向他方面に形成されている。燃料流路１８は、燃料供給部材１３の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。燃料流路１８は、アノード電極１６に向かい合っている。
【００３７】
空気供給部材１４は、膜電極接合体１２の厚み方向他方側に配置されている。空気供給部材１４は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。空気供給部材１４には、空気流路１９が形成されている。なお、膜電極接合体１２と空気供給部材１４との間には、図示しないガス拡散層が介在されている。
【００３８】
空気流路１９は、空気供給部材１４の厚み方向一方面に形成されている。空気流路１９は、空気供給部材１４の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。空気流路１９は、カソード電極１７に向かい合っている。
【００３９】
冷媒流路２０は、燃料供給部材１３および空気供給部材１４の厚み方向外面に形成されている。冷媒流路２０は、燃料供給部材１３または空気供給部材１４の厚み方向外面から厚み方向内方へ凹む凹溝であり、上下方向に延びている。なお、冷媒流路２０は、複数の燃料電池セル１１が積層されている場合には、互いに隣接する燃料電池セル１１の間を上下方向に通過するように配置されている。
【００４０】
冷却ユニット１０は、冷媒タンク５１と、冷媒供給ライン５２と、冷媒ポンプ５９と、冷媒ラインの一例としての冷媒排出ライン５３と、熱交換器５４とを備えている。
【００４１】
冷媒タンク５１は、例えば、水などの冷媒を貯蔵する。冷媒タンク５１内の冷媒の温度は、例えば、０℃以上であり、例えば、８０℃以下、好ましくは、６０℃以下である。
【００４２】
冷媒供給ライン５２は、冷媒タンク５１から燃料電池セル１１に冷媒を供給するための配管である。冷媒供給ライン５２の供給方向上流端は、冷媒タンク５１に接続されている。冷媒供給ライン５２の供給方向下流端は、燃料電池セル１１の冷媒流路２０の下端部に接続されている。
【００４３】
冷媒ポンプ５９は、冷媒供給ライン５２の途中に介在されている。冷媒ポンプ５９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。
【００４４】
冷媒排出ライン５３は、冷媒流路２０を通過した冷媒を燃料電池セル１１から排出するための配管である。冷媒排出ライン５３の排出方向上流端は、燃料電池セル１１の冷媒流路２０の上端部に接続されている。冷媒排出ライン５３の排出方向下流端は、冷媒タンク５１に接続されている。
【００４５】
熱交換器５４は、冷媒排出ライン５３の途中に介在されている。熱交換器５４は、高温の媒体と低温の媒体とが互いに向かい合わせに流れる対向流式の熱交換器である。熱交換器５４の高温媒体流入口５５には、冷媒排出ライン５３の排出方向上流部分５３Ａ（燃料電池セル１１と熱交換器５４との間に介在されている部分）の排出方向下流端が接続されている。熱交換器５４の高温媒体流出口５６には、冷媒排出ライン５３の排出方向下流部分５３Ｂ（熱交換器５４と冷媒タンク５１との間に介在されている部分）の排出方向上流端が接続されている。
【００４６】
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、第１タンク２１、燃料タンクの一例としての第２タンク２２、第１燃料供給ライン２３、第１ポンプ２８、開閉弁２９、供給ラインの一例としての第２燃料供給ライン２４、第２ポンプ３１、排出ラインの一例としての還流ライン２６、気液分離器３２、および排気ライン２７を備えている。第２タンク２２、第２燃料供給ライン２４および還流ライン２６は、燃料供給部を構成する。
【００４７】
第１タンク２１は、上記した液体燃料を貯蔵する。
【００４８】
第１タンク２１内における液体燃料の燃料成分濃度は、燃料成分の種類によっても異なるが、燃料成分がヒドラジンである場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、６０質量％以下、好ましくは、４０質量％以下である。
【００４９】
第２タンク２２は、燃料電池３の近傍に配置されている。第２タンク２２には、第１タンク２１からの液体燃料が希釈された状態で貯蔵されている。
【００５０】
第２タンク２２内における液体燃料の燃料成分濃度は、第１タンク２１内における液体燃料の燃料成分濃度よりも低い。より具体的には、第２タンク２２内における液体燃料の燃料成分濃度は、電動車両１の走行状態に応じて調整されるが、電動車両１が一定の速度で走行している場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１５質量％以下である。
【００５１】
第１燃料供給ライン２３は、第１タンク２１から第２タンク２２へ液体燃料を供給するための配管である。第１燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、第１タンク２１の下端部に接続されている。第１燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、第２タンク２２の下端部に接続されている。
【００５２】
第１ポンプ２８は、第１燃料供給ライン２３の途中に介在されている。第１ポンプ２８としては、上記した冷媒ポンプ５９と同様の送液ポンプが挙げられる。
【００５３】
開閉弁２９は、第１燃料供給ライン２３の途中において、第１タンク２１と第１ポンプ２８との間に介在されている。開閉弁２９としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
【００５４】
第２燃料供給ライン２４は、第２タンク２２内の液体燃料を燃料流路１８に供給するための配管である。第２燃料供給ライン２４の供給方向上流端は、第２タンク２２の下端部に接続されている。第２燃料供給ライン２４の供給方向下流端は、燃料流路１８の下端部に連通するように、燃料供給部材１３の下端部に接続されている。
【００５５】
第２ポンプ３１は、第２燃料供給ライン２４の途中に介在されている。第２ポンプ３１としては、上記した冷媒ポンプ５９と同様の送液ポンプが挙げられる。
【００５６】
還流ライン２６は、燃料流路１８から排出された液体燃料を第２タンク２２に還流するための配管である。還流ライン２６の還流方向上流端は、燃料流路１８の上端部に連通するように、燃料供給部材１３の上端部に接続されている。還流ライン２６の還流方向下流端は、第２タンク２２に接続されている。これにより、第２タンク２２から、第２燃料供給ライン２４、燃料流路１８および還流ライン２６を順次介して第２タンク２２に戻る循環ラインが形成される。
【００５７】
気液分離器３２は、還流ライン２６の途中に介在されている。気液分離器３２は、燃料電池３の燃料流路１８から排出された液体燃料と、ガス（気体）とを分離する。
【００５８】
排気ライン２７は、気液分離器３２で分離されたガスを排気するための配管である。排気ライン２７の排気方向上流端は、気液分離器３２に接続されている。排気ライン２７の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２７の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
【００５９】
（３）空気給排部
空気給排部５は、酸素供給部の一例としての空気供給ライン３３と、エアポンプ３５と、加湿器３６と、空気排出ライン３４とを備えている。
【００６０】
空気供給ライン３３は、空気流路１９内に空気を供給するための配管である。空気供給ライン３３には、その途中において、熱交換器５４が介在されている。詳しくは、空気供給ライン３３は、熱交換器５４よりも供給方向上流側に配置される上流側ライン３７と、熱交換器５４よりも供給方向下流側に配置される下流側ライン３８とを備えている。
【００６１】
上流側ライン３７の供給方向上流端は、大気開放されている。上流側ライン３７の供給方向下流端は、熱交換器５４の低温媒体流入口５７に接続されている。
【００６２】
下流側ライン３８の供給方向上流端は、熱交換器５４の低温媒体流出口５８に接続されている。下流側ライン３８の供給方向下流端は、空気流路１９の上端部に連通するように、空気供給部材１４の上端部に接続されている。
【００６３】
エアポンプ３５は、上流側ライン３７の途中に介在されている。エアポンプ３５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。
【００６４】
加湿器３６は、下流側ライン３８の途中に介在されている。加湿器３６は、下流側ライン３８を通過する空気を加湿するように構成されている。加湿器３６としては、特に限定されず、公知の加湿器を適用できる。
【００６５】
空気排出ライン３４は、空気流路１９から空気を排出するための配管である。空気排出ライン３４の排出方向上流端は、空気流路１９の下端部に連通するように、空気供給部材１４の下端部に接続されている。空気排出ライン３４の排出方向下流端は、大気開放されている。
【００６６】
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ４１を備えている。
【００６７】
ＥＣＵ４１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、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。ＥＣＵ４１は、第１ポンプ２８、開閉弁２９、第２ポンプ３１およびエアポンプ３５に電気的に接続されており、それらを制御する。
【００６８】
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ４２と、インバータ４３と、バッテリ４４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５とを備えている。
【００６９】
モータ４２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ４２は、燃料電池３またはバッテリ４４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。モータ４２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。
【００７０】
インバータ４３は、配線により、燃料電池３とモータ４２との間に電気的に接続されている。インバータ４３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。インバータ４３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。
【００７１】
バッテリ４４は、燃料電池３とモータ４２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ４４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。バッテリ４４は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ４２に電力を供給可能である。
【００７２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、配線により、燃料電池３とインバータ４３との間に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４５は、ＥＣＵ４１にも電気的に接続されており、ＥＣＵ４１の制御により、燃料電池３の出力電圧を昇圧または降圧し、燃料電池３の電力およびバッテリ４４の入出力電力を調整する。
【００７３】
２．発電動作
次いで、燃料電池システム２における発電について説明する。
【００７４】
燃料電池システム２が作動しているときには、ＥＣＵ４１の制御により、開閉弁２９が開放され、第１ポンプ２８、第２ポンプ３１、および、エアポンプ３５が駆動されている。
【００７５】
第１タンク２１内の液体燃料は、ＥＣＵ４１の制御によって第１ポンプ２８の送液量が調整されることにより、第２タンク２２内の液体燃料の燃料成分濃度を調整するように、第２燃料供給ライン２４を介して、逐次、第２タンク２２に供給される。
【００７６】
第２タンク２２内の液体燃料は、第２燃料供給ライン２４を介して燃料電池３の燃料流路１８に供給される。
【００７７】
燃料流路１８に供給された液体燃料は、アノード電極１６と接触しながら燃料流路１８内を下側から上側へ流れて、還流ライン２６へ排出される。
【００７８】
また、電動車両１の外部からの空気は、熱交換器５４および加湿器３６を順次通過するように、空気供給ライン３３を介して、燃料電池３の空気流路１９に供給される。空気は、水および酸素を含有する気体の一例である。
【００７９】
空気の供給量、すなわち、エアポンプ３５の吐出量は、例えば、１０００Ｌ／分である。
【００８０】
空気流路１９に供給された空気は、カソード電極１７と接触しながら空気流路１９内を上側から下側へ流れて空気排出ライン３４へ排出される。
【００８１】
このとき、燃料電池３では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１６での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極１７での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池３全体での反応）
なお、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式（４）〜（６）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（４）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  （アノード電極１６での反応）
（５）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極１７での反応）
（６）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池３全体での反応）
これらの反応により、アノード電極１６において燃料成分（Ｎ２Ｈ４またはＣＨ３ＯＨ）が消費され、カソード電極１７において酸素（Ｏ２）および水（Ｈ２Ｏ）が消費されるとともに、生成物の一例としての水（Ｈ２Ｏ）およびガス（Ｎ２またはＣＯ２）が生成され、起電力（ｅ−）が発生される。発生した起電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５によって変圧され、インバータ４３により三相交流電力に変換された後、モータ４２に供給されて、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。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリ４４に蓄電される。
【００８２】
そして、燃料電池３から還流ライン２６に排出された液体燃料（排出液の一例）は、上記の電気化学反応において残存した燃料成分と、上記の電気化学反応により生成する水とが含まれており、気液分離器３２において、ガス成分（上記電気化学反応により生じるガス（Ｎ２またはＣＯ２）と分離されて、第２タンク２２に供給される。
【００８３】
３．空気供給ラインにおける空気の加熱および加湿
上記した電気化学反応は、発熱を伴っている。そのため、燃料電池セル１１は、冷却ユニット１０によって冷却されている。
【００８４】
詳しくは、冷媒タンク５１内の冷媒は、冷媒供給ライン５２を介して燃料電池セル１１の冷媒流路２０に供給される。
【００８５】
冷媒流路２０に供給された液体燃料は、冷媒流路２０内を下側から上側へ流れて、冷媒排出ライン５３の排出方向上流部分５３Ａへ排出される。
【００８６】
冷媒排出ライン５３の排出方向上流部分５３Ａへ排出された冷媒は、燃料電池セル１１を冷却することにより加熱されており、冷媒タンク５１内の冷媒の温度よりも高く、例えば、６０℃以上であり、例えば、８０℃以下である。
【００８７】
燃料電池セル１１の温度は、冷却ユニット１０によって冷却されることにより、電動車両１の走行に十分な電力を発電可能となる定常運転において、具体的には、７０℃以上、好ましくは、７５℃以上、例えば、８０℃以下に調整される。
【００８８】
なお、電動車両１の走行に十分な電力は、電動車両１の重量や、モータ４２の出力などのバランスを考慮して適宜設定されるが、例えば、５ｋＷ以上、好ましくは、１０ｋＷ以上、例えば、２０ｋＷ以下、好ましくは、１５ｋＷ以下である。
【００８９】
そして、冷媒排出ライン５３の排出方向上流部分５３Ａへ排出された冷媒は、熱交換器５４の高温媒体流入口５５に供給される。
【００９０】
一方、電動車両１の外部から取り込まれた空気（外気）は、空気供給ライン３３の上流側ライン３７を介して、熱交換器５４の低温媒体流入口５７に供給される。
【００９１】
なお、以下の説明において、外気の温度は、例えば、２０℃以上であり、例えば、３０℃以下である。また、外気の相対湿度は、例えば、１０％以上であり、例えば、５０％以下である。
【００９２】
熱交換器５４に供給された冷媒と空気とは、熱交換器５４の内部で互いに向かい合うように流され、熱交換される。すなわち、冷媒は、空気によって冷却される。同時に、空気は、冷媒によって加熱される。
【００９３】
熱交換器５４内で冷却された冷媒は、高温媒体流出口５６から冷媒排出ライン５３の排出方向下流部分５３Ｂに排出され、排出方向下流部分５３Ｂを介して、冷媒タンク５１に供給される。
【００９４】
冷媒排出ライン５３の排出方向下流部分５３Ｂに排出された冷媒の温度は、冷媒タンク５１内の冷媒の温度とほぼ同じであり、例えば、０℃以上であり、例えば、８０℃以下、好ましくは、６０℃以下である。
【００９５】
また、熱交換器５４内で加熱された空気は、低温媒体流出口５８から空気供給ライン３３の下流側ライン３８に排出される。下流側ライン３８に排出された空気の温度は、例えば、４０℃以上であり、例えば、６０℃以下である。
【００９６】
その後、下流側ライン３８に排出された空気は、加湿器３６を通過するときに加湿され、上記したように、燃料電池３の空気流路１９に供給される。
【００９７】
加湿器３６を通過した後の空気の相対湿度は、例えば、２０％以上、好ましくは、８０％以上、例えば、１００％以下である。
【００９８】
このように、空気供給ライン３３は、電気化学反応における発熱を利用して外気を加熱および加湿し、酸素および水を効率よくカソード電極１７に供給する。
４．作用効果
この燃料電池システム２によれば、図１に示すように、空気供給ライン３３は、加湿器３６よりも供給方向上流側において、燃料電池セル１１を冷却する冷却ユニット１０に設けられる熱交換器５４に接続され、空気によって冷却ユニット１０の冷媒を冷却するとともに、空気を加熱している。
【００９９】
これにより、燃料電池セル１１の発熱を利用して空気を加熱し、加熱された空気を加湿して、より多くの水分を含んだ空気をカソード電極１７に供給することができる。
【０１００】
そのため、空気を加熱するためのヒータなどを別途設ける場合と比べて、効率よく空気を加熱することができる。
【０１０１】
また、加熱されていない空気を加湿する場合と比べて、より多くの水分を空気に含有させることができるので、カソード電極１７への空気の供給量を増大させることなく、すなわち、エアポンプ３５の駆動量を増大させることなく、酸素および水を効率よくカソード電極１７に供給することができる。
【０１０２】
その結果、省エネルギー化を図ることができる。
５．第２実施形態
図２を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態において、上記した第１実施形態と同様の部材には同様の符号を付し、その説明を省略する。
【０１０３】
上記した第１実施形態では、燃料電池セル１１を冷却する冷却ユニット１０に熱交換器５４を設けている。
【０１０４】
対して、第２実施形態では、図２に示すように、第２タンク２２に対して、熱交換器５４が介在されるように接続される熱交換ライン６１を設け、第２タンク２２内の液体燃料と、空気供給ライン３３の上流側ライン３７に取り込まれた空気との間で熱交換する。
【０１０５】
熱交換ライン６１は、第２タンク２２内の液体燃料を熱交換器５４に通過させた後、熱交換器５４を通過した液体燃料を第２タンク２２に再供給するための配管である。熱交換ライン６１には、その途中において、熱交換器５４が介在されている。詳しくは、熱交換ライン６１は、熱交換器５４よりも通過方向上流側に配置される上流側ライン６３と、熱交換器５４よりも通過方向下流側に配置される下流側ライン６４とを備えている。
【０１０６】
上流側ライン６３の通過方向上流端は、第２タンク２２における高温の液体燃料が滞留している部分、具体的には、還流ライン２６の還流方向下流端が接続されている部分の近傍に接続されている。上流側ライン６３の通過方向下流端は、熱交換器５４の高温媒体流入口５５に接続されている。上流側ライン６３は、ポンプ６２を備えている。
【０１０７】
ポンプ６２は、上流側ライン６３の途中に介在されている。ポンプ６２としては、上記した冷媒ポンプ５９と同様の送液ポンプが挙げられる。
【０１０８】
下流側ライン６４の通過方向上流端は、熱交換器５４の高温媒体流出口５６に接続されている。下流側ライン６４の通過方向下流端は、第２タンク２２における低温の液体燃料が滞留している部分、具体的には、第２燃料供給ライン２４の供給方向上流端が接続されている部分の近傍に接続されている。
【０１０９】
上記したように、燃料電池セル１１における電気化学反応は、発熱を伴っている。そのため、燃料電池セル１１から排出された排出液は、第２タンク２２内の液体燃料よりも高温になっている。
【０１１０】
第２実施形態では、第２タンク２２において高温の排出液が供給される部分の液体燃料を、熱交換ライン６１を介して熱交換器５４に通し、第２タンク２２内の液体燃料を冷却するとともに、空気を加熱する。
【０１１１】
第２実施形態によれば、排出液の熱を利用して空気を加熱し、加熱された空気を加湿して、より多くの水分を含んだ空気をカソード電極１７に供給することができる。
【０１１２】
その結果、上記した第１実施形態と同様に、酸素および水を効率よくカソード電極１７に供給することができ、省エネルギー化を図ることができる。
６．他の変形例
（１）上記した第１実施形態では、冷却ユニット１０に冷媒タンク５１を設けている。しかし、冷却ユニット１０の構成は、冷媒を循環できれば特に限定されない。例えば、冷却ユニット１０は、冷媒タンク５１を備えず、冷媒供給ライン５２と、冷媒ポンプ５９と、冷媒排出ライン５３と、熱交換器５４とを備えていてもよい。
（２）熱交換器５４を設ける位置は、燃料電池セル１１における電気化学反応の発熱を利用できれば、上記した各実施形態に限定されない。例えば、熱交換器５４は、循環ライン（第２タンク２２、第２燃料供給ライン２４および還流ライン２６）の途中に配置されていればよく、より具体的には、還流ライン２６の途中において、気液分離器３２と第２タンク２２との間に設けられてもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
１６    アノード電極
１７    カソード電極
２２    第２タンク
２４    第２燃料供給ライン
２６    還流ライン
３３    空気供給ライン
３６    加湿器
５３    冷媒排出ライン
５４    熱交換器
６１    熱交換ライン
【図１】
2016066545.tif 000003
【図２】
2016066545.tif 000004