(57)【要約】【課題】圧力損失を低減することができながら、気液分離器の小型化を図ることができ、さらに、排気性能の低下を抑制することの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、液体燃料を消費して発電する燃料電池３と、燃料電池３から排出される気体および未消費の液体燃料を含む排出成分Ｅが流入される第２気液分離器５１とを備え、第２気液分離器５１は、排出成分Ｅを、気体Ｇと液体Ｌとに分離する分離タンク７０と、分離タンク７０よりも上側において、上側に向かって延びる通気管７１と、通気管７１内に配置され、酸処理された活性炭からなり、分離タンク７０によって分離された気体Ｇが通過する吸着部材７２とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を消費して発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される気体および未消費の前記液体燃料を含む排出成分が流入される気液分離器と
を備え、
前記気液分離器は、
前記排出成分を、気体と液体とに分離する分離タンクと、
前記分離タンクよりも上側において、上側に向かって延びる通気管と、
前記通気管内に配置され、前記分離タンクによって分離された前記気体が通過する酸処理された活性炭と
を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記気液分離器は、前記通気管内に配置され、前記活性炭よりも下側に配置される金属多孔質体を備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を消費して発電す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、燃料極としてのアノードと、酸素極としてのカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置される固体高分子形の燃料電池が知られている。
【０００４】
このような燃料電池は、燃料を消費して発電する。このとき、燃料電池には、燃料としての液体燃料と、液体燃料と化学反応させるための空気とが供給され、その後、未消費の液体燃料、および、化学反応により発生する気体を含む排出成分が排出される。そうして燃料電池から排出された排出成分は、気液分離器内において、分離板に向けて噴射されることで気体と液体とに分離され、分離された気体は、排ガス処理器に送られて、有害物質などが除去された後、大気に放出されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１２０４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、上記した特許文献１に記載の気液分離器では、コンプレッサにより排出成分を噴射し、分離板に衝突させている。そのため、気液分離器内において圧力損失が大きくなり、排出成分を噴射するためのコンプレッサに負荷がかかる場合がある。
【０００７】
また、分離板は、排出成分の噴射時に、気液分離器内に貯留された液体の液面を巻き上げないように、分離板と液面とを離して配置する必要があるために、気液分離器が大型化するという不具合がある。
【０００８】
さらに、気液分離器には、燃料電池から排出される排出成分が流入するため、排出成分から分離された気体は高温となっているが、分離された気体が気液分離タンクから排気処理器に到達するまでに温度が下がり、分離された気体中に含有される微小な液滴が凝縮し、排気処理器内に溜まり、排気性能の低下を引き起こすおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、圧力損失を低減することができながら、気液分離器の小型化を図ることができ、さらに、排気性能の低下を抑制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】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料を消費して発電する燃料電池と、燃料電池から排出される気体および未消費の液体燃料を含む排出成分が流入される気液分離器とを備え、気液分離器は、排出成分を、気体と液体とに分離する分離タンクと、分離タンクよりも上側において、上側に向かって延びる通気管と、通気管内に配置され、分離タンクによって分離された気体が通過する酸処理された活性炭とを備えている。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、分離タンク内に、排出成分の流入を妨げるものを配置する必要がないので、圧力損失を低減することができる。
【００１２】
また、通気管が、分離タンクよりも上側において、上側に向かって延びていることにより、排出成分から分離され、通気管内を上昇する気体に含まれる液滴を、その自重により落下させることができる。また、自重により落下しない微小な液滴については、通気管内の活性炭と衝突させることで、他の液滴と互いの表面張力によって引き合せ、液径を成長させて落下させることができる。さらに、気体とともに酸処理された活性炭を通過する微小な液滴は、酸処理された活性炭と、液滴中の有害物質（例えばアルカリ成分）とが反応することにより発生する反応熱で蒸発させることができるので、微小な液滴を気化させることができる。
【００１３】
そのため、分離された気体中に含まれる液滴を、排気経路内に留めることなく、確実に排気することができる。
【００１４】
その結果、通気管内に酸処理された活性炭を配置するという簡易な構成により、排出成分から分離された気体中に含まれる微小な液滴を処理することができ、さらに、気液分離器が排気処理の役割も兼ねるので、気液分離器の小型化を図ることができる。
【００１５】
従って、圧力損失を低減することができながら、気液分離器の小型化を図ることができ、排出成分から分離された気体に含まれる微小な液滴を確実に処理することができるので、排気性能の低下を抑制することができる。
【００１６】
また、気液分離器は、通気管内に配置され、活性炭よりも下側に配置される金属多孔質体を備えていることが好適である。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、自重により落下せずに気体に含有される微小な液滴を、通気管内において、活性炭に到達する前に金属多孔質体に接触させることができる。
【００１８】
そのため、気体に含有される微小な液滴を、金属多孔質体と接触させることにより、他の液滴と互いの表面張力によって引き合せ、成長させて落下させることができる。
【００１９】
その結果、排出成分から分離された気体に含まれる微小な液滴をより確実に処理することができ、排気性能の低下をより一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムによれば、圧力損失を低減することができながら、気液分離器の小型化を図ることができ、さらに、排気性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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。
【図２】図２は、図１に示す第２気液分離器の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
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、ヒドラジン類（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、好ましくはヒドラジン類が挙げられる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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とを有している。
【００２９】
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。
【００３０】
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るための燃料供給路１３が形成される。
【００３１】
燃料供給路１３には、液体燃料をアノード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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【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。
【００３８】
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、アノード９に液体燃料を供給するために設けられている。
【００３９】
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から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、アノード９）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９）に還流するための第１還流管２２とを備えている。
【００４０】
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。
【００４１】
第１還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料排出口１４に接続されている。
【００４２】
これにより、燃料排出口１４（上流側）から排出される液体燃料が、第１還流管２２を介して燃料供給口１５（下流側）へ流れ、燃料供給路１３を介して再び燃料排出口１４に戻ることによりアノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。
【００４３】
また、第１還流管２２の途中には、濃度調整タンク２３と、第１気液分離器２４とが介在されている。
【００４４】
濃度調整タンク２３は、例えば、中空の容器からなり、その上壁には、濃度調整タンク２３の内外を流通させる一次燃料流入口２５、および、第１循環燃料流入口２６が形成されている。また、濃度調整タンク２３の側壁には、濃度調整タンク２３の内外を流通させる二次燃料流出口２７が形成されている。また、濃度調整タンク２３の下壁には、濃度調整タンク２３の内外を流通させる第２循環燃料流入口２８が形成されている。
【００４５】
一次燃料流入口２５、第１循環燃料流入口２６、二次燃料流出口２７、および、第２循環燃料流入口２８は、濃度調整タンク２３の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００４６】
濃度調整タンク２３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の上下方向下方において、第１循環燃料流入口２６と、二次燃料流出口２７とが、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、第１還流管２２に接続されることにより、第１還流管２２に介装されている。
【００４７】
これによって、濃度調整タンク２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００４８】
また、第１還流管２２において濃度調整タンク２３の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の途中には、燃料電池３に液体燃料を輸送するための循環燃料輸送ポンプ２９が介在されている。
【００４９】
循環燃料輸送ポンプ２９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２９は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が、循環燃料輸送ポンプ２９に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、循環燃料輸送ポンプ２９の駆動および停止を制御する。
【００５０】
一次燃料流入口２５には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を濃度調整タンク２３に供給するための燃料供給管３１が接続されている。
【００５１】
具体的には、燃料供給管３１は、その一端側が、一次燃料流入口２５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、燃料タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００５２】
また、燃料供給管３１の途中には、燃料供給弁３２が設けられている。
【００５３】
燃料供給弁３２は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が燃料供給弁３２に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、燃料供給弁３２の開閉を制御する。
【００５４】
また、燃料供給管３１において、燃料供給弁３２と燃料タンク２１との間（燃料供給弁３２の上流側）には、燃料輸送ポンプ３３が設けられている。
【００５５】
燃料輸送ポンプ３３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。燃料輸送ポンプ３３は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が、燃料輸送ポンプ３３に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、燃料輸送ポンプ３３の駆動および停止を制御する。
【００５６】
第２循環燃料流入口２８には、詳しくは後述するが、第２還流管５２（後述）が接続されている。
【００５７】
第１気液分離器２４は、例えば、中空の容器からなり、その側壁の上部には、第１気液分離器２４の内外を流通させる第１燃料流入口３６、および、第１気体流出口３７が形成されている。また、第１気液分離器２４の底壁には、第１気液分離器２４の内外を流通させる第１液体流出口３８が形成されている。第１燃料流入口３６、第１気体流出口３７、および、第１液体流出口３８は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００５８】
第１気液分離器２４は、燃料電池３よりも電動車両１の前後方向（直交方向）後方、かつ、電動車両１の上下方向（鉛直方向）上方において、第１燃料流入口３６と第１液体流出口３８とが、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、第１還流管２２に接続されることにより、第１還流管２２に介装されている。
【００５９】
これによって、第１気液分離器２４の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００６０】
第１気体流出口３７には、第１気液分離器２４で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管３９が接続されている。ガス排出管３９は、その一端側（上流側）が、シール材（ガスケットなど）を介して第１気体流出口３７に接続され、その他端側（下流側）がドレンとされる。また、ガス排出管３９の途中には、ガス排出弁４０が設けられている。
【００６１】
ガス排出弁４０は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号がガス排出弁４０に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、ガス排出弁４０の開閉を制御する。
【００６２】
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気をカソード１０に供給するための空気供給管４３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管４４とを備えている。
【００６３】
空気供給管４３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４３の途中には、空気供給ポンプ４５が介在されている。
【００６４】
空気供給ポンプ４５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４５は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ４５に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、空気供給ポンプ４５の駆動および停止を制御する。
【００６５】
空気供給管４３において空気供給ポンプ４５の下流側には、空気供給弁４６が設けられている。
【００６６】
空気供給弁４６は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が空気供給弁４６に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、空気供給弁４６の開閉を制御する。
【００６７】
空気排出管４４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。
【００６８】
空気排出管４４には、空気排出弁４７が設けられている。
【００６９】
空気排出弁４７は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が空気排出弁４７に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、空気排出弁４７の開閉を制御する。
【００７０】
また、空気排出管４４において、空気排出弁４７と燃料電池３との間（空気排出弁４７の上流側）には、気液分離器の一例としての第２気液分離器５１が設けられている。
【００７１】
第２気液分離器５１には、詳しくは後述するが、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に漏出する場合（すなわち、クロスリーク現象が惹起される場合）に、その漏出した未消費の液体燃料などが流入する。
【００７２】
第２気液分離器５１は、例えば、中空の容器からなり、その側壁の上部には、第２気液分離器５１の内外を流通させる第２気体流入口５３、および、第２気体流出口５４が形成されている。また、第２気液分離器５１の側壁の下部には、第２気液分離器５１の内外を流通させる第２液体流出口５５が形成されている。
【００７３】
第２気体流入口５３、第２気体流出口５４、および、第２液体流出口５５は、第２気液分離器５１の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００７４】
第２気液分離器５１は、燃料電池３よりも電動車両１の前方、かつ、電動車両１の下方において、第２気体流入口５３と第２気体流出口５４とが、それぞれシール材（ガスケットなど）を介して、空気排出管４４に接続されることにより、空気排出管４４に介装されている。
【００７５】
すなわち、第２気体流入口５３と第２気体流出口５４とのそれぞれに対して空気排出管４４が密嵌され、第２気体流入口５３に密嵌された上流側の空気排出管４４と、第２気体流出口５４に密嵌された下流側の空気排出管４４とが第２気液分離器５１の中空部分を介して連通している。
【００７６】
第２液体流出口５５には、第２気液分離器５１によって分離された液体燃料などを第１還流管２２に還流させるための第２還流管５２が接続されている。
【００７７】
具体的には、第２還流管５２は、その一端側が、第２液体流出口５５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、濃度調整タンク２３の第２循環燃料流入口２８に、燃料タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００７８】
また、第２還流管５２の途中には、燃料還流弁５６が設けられている。
【００７９】
燃料還流弁５６は、コントロールユニット６０（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６０（後述）からの制御信号が燃料還流弁５６に入力され、コントロールユニット６０（後述）が、燃料還流弁５６の開閉を制御する。
【００８０】
（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６０を備えている。
【００８１】
コントロールユニット６０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。
【００８２】
（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６１と、モータ６１に電気的に接続されるインバータ６２と、モータ６１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ６３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４とを備えている。
【００８３】
モータ６１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６１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。
【００８４】
インバータ６２は、モータ６１と燃料電池３との間に配置されている。インバータ６２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６２は、配線により、燃料電池３およびモータ６１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６０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。
【００８５】
動力用バッテリ６３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６３は、インバータ６２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６１に電力を供給可能とされている。
【００８６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、動力用バッテリ６３と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６４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６３の入出力電力を調整する機能を有している。
【００８７】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、図示しないが、コントロールユニット６０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６０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。
【００８８】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ６３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６２に電気的に接続されている。
【００８９】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４からモータ６１への電力は、インバータ６２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６１に供給される。
【００９０】
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６０の制御により、燃料供給弁３２が開かれ、燃料輸送ポンプ３３が駆動されることにより、燃料タンク２１に貯留される液体燃料が、燃料供給管３１を通過して、一次燃料流入口２５から濃度調整タンク２３に流入する。
【００９１】
燃料供給弁３２の開閉は、濃度調整タンク２３の液体燃料の液溜まりが二次燃料流出口２７よりも下方にならないように制御されており、具体的には、例えば、濃度調整タンク２３の液面レベルが所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料供給弁３２が開かれる。
【００９２】
そして、コントロールユニット６０の制御により、循環燃料輸送ポンプ２９が駆動されることによって、濃度調整タンク２３に貯留される液体燃料が、第１還流管２２を介して、アノード９に供給される。
【００９３】
一方、コントロールユニット６０の制御により、空気供給弁４６および空気排出弁４７が開かれ、空気供給ポンプ４５が駆動されることにより、空気が空気供給管４３を介してカソード１０に供給される。
【００９４】
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。
【００９５】
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、起電力が発生するとともに、この電気化学反応によって、液体燃料中にガス（気泡）が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （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）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ              （燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極１１では、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）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、窒素（Ｎ２（ガス））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）。
【００９６】
また、上記した（１）で示される反応では、実際には、窒素（Ｎ２（ガス））および水（Ｈ２Ｏ）に加えて、アンモニア（ＮＨ３）が副生する。
【００９７】
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。
【００９８】
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）。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４に送電され、動力部７では、インバータ６２およびモータ６１、および／または、動力用バッテリ６３に送電される。そして、モータ６１では、インバータ６２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６３では、その電力が充電される。
【０１０２】
また、燃料給排部４では、アノード９から排出される液体燃料が、第１還流管２２（燃料電池３の下流側、かつ、第１気液分離器２４の上流側の第１還流管２２）を通過して、第１燃料流入口３６から第１気液分離器２４に流入する。
【０１０３】
第１気液分離器２４では、液面レベルが、第１燃料流入口３６および第１気体流出口３７よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まりが、第１気液分離器２４の中空部分に生じるとともに、液溜まりに含まれるガス（例えば、液体燃料がヒドラジンである場合に上記式（１）の反応により生成する窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）など）の一部が液溜まりの上方空間へ分離される。その一方で、液溜まりの一部（液体燃料）が、第１液体流出口３８から、第１気液分離器２４の下流側の第１還流管２２に流出する。
【０１０４】
第１還流管２２に流出する液体燃料は、濃度調整タンク２３において、燃料タンク２１からの液体燃料（一次燃料）と混合されて、濃度が調整され、二次燃料として、濃度調整タンク２３の下流の二次燃料流出口２７を通過して、再び燃料供給路１３に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン（第１還流管２２、第１気液分離器２４および燃料供給路１３）を循環する。なお、第１気液分離器２４で分離されたガスは、ガス排出弁４０が開かれることにより、ガス排出管３９を介して外部へ排出される。
【０１０５】
一方、空気給排部５では、空気排出弁４７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、空気排出管４４および第２気液分離器５１を介して、外気に排出される。
【０１０６】
３．第２気液分離器の構成
図２に示すように、第２気液分離器５１は、分離タンク７０と、通気管７１と、吸着部材７２と、通過規制部材７３とを備えている。
【０１０７】
分離タンク７０は、貯留部７５と、流入部７６とを備えている。
【０１０８】
貯留部７５は、分離タンク７０の下側部分であって、略矩形ボックス形状に形成されている。貯留部７５の側壁の下部には、上記した第２液体流出口５５が形成されている。また、貯留部７５の上壁には、貯留部７５の内外を流通させる第１連通口７９が形成されている。
【０１０９】
流入部７６は、分離タンク７０の上側部分であって、上下方向に延びる略円筒形状に形成されている。流入部７６は、貯留部７５の第１連通口７９から連続して、上側に向かって延びている。つまり、流入部７６は、第１連通口７９を介して、貯留部７５と流通可能とされている。流入部７６の直径は、貯留部７５の内寸よりも小さく、空気排出管４４の直径よりも大きく形成されている。流入部７６の側壁には、上記した第２気体流入口５３が形成されている。また、流入部７６の上端部の開口部分は、流入部７６の内外を流通させる第２連通口８０として形成されている。
【０１１０】
これにより、第２気体流入口５３、第２液体流出口５５、および、第２連通口８０は、分離タンク７０の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【０１１１】
通気管７１は、上下方向に延び、その上端部が閉鎖された略円筒形状に形成されている。通気管７１は、流入部７６の第２連通口８０から連続して、上側に向かって延びている。つまり、通気管７１は、第２連通口８０を介して、流入部７６と流通可能とされている。通気管７１の直径は、流入部７６の直径と略同一である。通気管７１の側壁の上端部には、上記した第２気体流出口５４が形成されている。
【０１１２】
このように、分離タンク７０（貯留部７５、および流入部７６）と、通気管７１とは、一体的に形成されている。
【０１１３】
吸着部材７２は、多孔質構造の活性炭からなり、酸処理が施されている。つまり、吸着部材７２は、酸処理された活性炭の一例である。吸着部材７２は、市販品を用いることができる。吸着部材７２は、略円板形状に形成されており、その直径は、通気管７１の内径と略同一である。吸着部材７２は、通気管７１内において、第２気体流出口５４よりも下側に配置されている。
【０１１４】
通過規制部材７３は、耐燃料腐食性を有する多孔質構造の金属（例えば、ニッケル）からなる。つまり、通過規制部材７３は、金属多孔質体の一例である。通過規制部材７３は、略円板形状に形成されており、その直径は、通気管７１の内径と略同一である。吸着部材７２は、通気管７１内において、吸着部材７２よりも下側に配置されている。
【０１１５】
４．第２気液分離器における気液分離、および、排気処理
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に漏出する場合がある（クロスリーク現象）。
【０１１６】
具体的には、クロスリーク現象が惹起され、アノード９に供給された未消費の液体燃料が、カソード１０に漏出する場合には、その液体燃料は、燃料電池３における反応により発生する水（Ｈ２Ｏ）、および、気体（燃料電池３における反応で発生する窒素（Ｎ２（ガス））、アンモニア（ＮＨ３）、および、空気供給管４３から供給される未反応の空気など）を含む成分として、空気排出管４４（燃料電池３の下流側、かつ、第２気液分離器５１の上流側の空気排出管４４）に、空気供給ポンプ４５の駆動によって、噴射されるように排出される。なお、この排出成分を、排出成分Ｅとする。
【０１１７】
排出成分Ｅは、第２気体流入口５３を介して、分離タンク７０の流入部７６に流入される。流入部７６に流入された排出成分Ｅは、液体（未消費の液体燃料、および、燃料電池３における反応により発生する水（Ｈ２Ｏ））と、気体（燃料電池３における反応で発生する窒素（Ｎ２（ガス））、アンモニア（ＮＨ３）、および、空気供給管４３から供給される未反応の空気など）とに分離される。なお、このように排出成分Ｅから分離された液体を液体Ｌとし、排出成分Ｅから分離された気体を気体Ｇとする。
【０１１８】
液体Ｌの大半は、第２気体流入口５３から流入部７６に流入された直後に、重力により貯留部７５に向かって落下する。
【０１１９】
また、流入部７６に流入された直後に落下しなかった残りの液体Ｌは、排出成分Ｅが流入部７６に流入するときに、大小様々な液滴となり、気体Ｇに含有（同伴）される。
【０１２０】
気体Ｇに含まれた液体Ｌの液滴の一部は、流入部７６に流入された後、流入部７６における第２気体流入口５３と反対側の壁面に衝突し、液径が成長することで、自重により、貯留部７５に向かって落下する。
【０１２１】
一方、気体Ｇに含まれたままとなる液体Ｌの微小な液滴は、気体Ｇとともに、流入部７６内を通気管７１に向かって上昇する。
【０１２２】
そして、気体Ｇは、通過規制部材７３を通過するように通気管７１内を上昇し、気体Ｇに含まれる微小な液滴（液体Ｌ）は、通過規制部材７３と接触することにより、互いの表面張力により引き合い、液径が成長することで、自重により貯留部７５に向かって落下する。
【０１２３】
さらに、気体Ｇは、吸着部材７２を通過するように通気管７１内を上昇するが、通過規制部材７３を通過しても落下しなかった微小な液滴（液体Ｌ）は、吸着部材７２と接触することにより、互いに表面張力により引き合い、液径が成長することで、自重により貯留部７５に向かって落下する。
【０１２４】
このように、排出成分Ｅから分離された液体Ｌは、気体Ｇが第２気体流出口５４から排出されるまでの間に、そのほとんどが貯留部７５に向けて落下し、貯留部７５に貯留される。
【０１２５】
一方、気体Ｇには、吸着部材７２に接触しても落下しない微小な液滴（液体Ｌ）が含まれ続ける場合がある。このような液体Ｌには、液体燃料がヒドラジン類である場合には、アンモニアが含まれる場合がある。そうすると、液体Ｌ中のアンモニアは、吸着部材７２に中和反応により、吸着される。
【０１２６】
この中和反応によって生じる反応熱によって、気体Ｇに含まれ続ける微小な液滴（液体Ｌ）は、気化される。
【０１２７】
そして、気化された液体Ｌを含む気体Ｇは、第２気体流出口５４を介して、空気排出管４４（第２気液分離器５１の下流側、かつ、空気排出弁４７の上流側の空気排出管４４）に排出される。
【０１２８】
一方、図１に示すように、コントロールユニット６０の制御により、燃料還流弁５６が開かれることにより、貯留部７５に貯留される液体Ｌの一部が、第２液体流出口５５から、第２還流管５２に流出し、第２循環燃料流入口２８を介して、再び濃度調整タンク２３に流入する。濃度調整タンク２３に流入された液体Ｌは、濃度調整され、再び燃料電池３に供給され、再利用される。
【０１２９】
また、第２気液分離器５１に設けられる液面レベル計（図示せず）によって、燃料還流弁５６の開閉は、第２気液分離器５１の水面が流入部７６まで達しないように制御されており、具体的には、例えば、第２気液分離器５１の液面レベルが所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料還流弁５６が開かれる。
【０１３０】
５．作用効果
このような燃料電池システム２によれば、図２に示すように、分離タンク７０内に、排出成分Ｅの流入を妨げるものを配置する必要がないので、圧力損失を低減することができる。
【０１３１】
また、通気管７１が、分離タンク７０よりも上側において、上側に向かって延びていることにより、排出成分Ｅから分離され、通気管７１内を上昇する気体Ｇに含まれる液滴（液体Ｌ）を、その自重により落下させることができる。また、自重により落下しない微小な液滴（液体Ｌ）については、通気管７１内の活性炭からなる吸着部材７２と衝突させることで、他の液滴と互いの表面張力によって引き合せ、液径を成長させて落下させることができる。
【０１３２】
なお、活性炭からなる吸着部材７２は、酸処理されている。そのため、気体Ｇとともに吸着部材７２を通過する微小な液滴（液体Ｌ）は、酸処理された活性炭と、液滴中の有害物質（例えばアルカリ成分）とが反応することにより発生する反応熱で蒸発させることができるので、微小な液滴（液体Ｌ）を気化させることができる。
【０１３３】
そのため、分離された気体Ｇに含まれる液滴（液体Ｌ）を、空気排出管４４内に留めることなく、確実に排気することができる。
【０１３４】
その結果、通気管７１内に酸処理された活性炭からなる吸着部材７２を配置するという簡易な構成により、排出成分Ｅから分離された気体Ｇに含まれる微小な液滴を処理することができ、さらに、第２気液分離器５１が排気処理の役割も兼ねるので、第２気液分離器５１の小型化を図ることができる。
【０１３５】
従って、圧力損失を低減することができながら、第２気液分離器５１の小型化を図ることができ、排出成分Ｅから分離された気体Ｇに含まれる微小な液滴（液体Ｌ）を確実に処理することができるので、排気性能の低下を抑制することができる。
【０１３６】
また、このような燃料電池システム２によれば、図２に示すように、自重により落下せずに気体Ｇに含有される微小な液滴（液体Ｌ）を、通気管７１内において、吸着部材７２に到達する前に、金属多孔質体からなる通過規制部材７３に接触させることができる。
【０１３７】
そのため、気体Ｇに含有される微小な液滴（液体Ｌ）を、金属多孔質体と接触させることにより、他の液滴と互いの表面張力によって引き合せ、成長させて落下させることができる。
【０１３８】
その結果、排出成分Ｅから分離された気体Ｇに含まれる微小な液滴（液体Ｌ）をより確実に処理することができ、排気性能の低下をより一層抑制することができる。
【０１３９】
６．変形例
本実施形態では、気液分離器の一例としての第２気液分離器５１が、空気排出管４４の途中に設けられているが、第１還流管２２の途中に介在される第１気液分離器２４に代えて、気液分離器の一例としての第２気液分離器５１を配置することもできる。その場合、燃料電池３の下流側の第１還流管２２が第２気体流入口５３に接続され、濃度調整タンク２３の上流側の第１還流管２２が第２液体流出口５５に接続され、ガス排出管３９が第２気体流出口５４に接続される。
【０１４０】
また、空気排出管４４の途中、および、第１還流管２２の途中の両方に、気液分離器の一例としての第２気液分離器５１を設けてもよい。
【０１４１】
また、上記した説明では、図１に示すように、第２還流管５２を第２気液分離器５１および燃料タンク２１に接続させ、クロスリーク現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、濃度調整タンク２３に還流させたが、例えば、第２還流管５２の下流端を第１還流管２２または第１気液分離器２４に接続させ、クロスリーク現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、第１還流管２２に還流させることができる。また、例えば、第２還流管５２の下流端を燃料供給管３１に接続させ、クロスリーク現象によってカソード１０に漏出された液体燃料を、燃料供給管３１に還流させることもできる。
【符号の説明】
【０１４２】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
５１    第２気液分離器
７０    分離タンク
７１    通気管
７２    吸着部材
７３    通過規制部材
【図１】
2016051521.tif 000003
【図２】
2016051521.tif 000004