(57)【要約】【課題】より優れた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に、液体燃料が供給される燃料電池３と、液体燃料が貯留される燃料タンク２２と、燃料電池３に液体燃料を供給する燃料供給ライン３０と、燃料電池３から排出液を排出する燃料排出ライン３１と、燃料供給ライン３０に介在されるとともに、燃料排出ライン３１に接続され、液体燃料と排出液とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整する濃度調整タンク４７と、濃度調整タンク４７内において、水分を液体燃料から分離するための水分離器４５とを備える。そして、燃料排出ライン３１が備える複数の分岐ライン５１と、濃度調整タンク４７が備える複数の排出液流入口５０とを、濃度調整タンク４７内の液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を平均化するための平均化手段として構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給される燃料電池と、
液体燃料が貯留される燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、
前記燃料電池に供給された液体燃料の反応生成物および反応生成水を含む排出液を排出する燃料排出経路と、
前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記燃料排出経路に接続され、前記燃料タンクから輸送された液体燃料と、前記燃料電池から排出される排出液とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンクと、
前記濃度調整タンク内において、水分を液体燃料から分離するための水分離手段と、
前記濃度調整タンク内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を平均化するための平均化手段と、
を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記平均化手段は、
前記燃料排出経路が備える複数の分岐経路と、
前記濃度調整タンクに形成され、前記複数の分岐経路のそれぞれに接続される複数の開口部と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、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、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する固体高分子形の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。
【０００３】
より具体的には、例えば、アノード電極（燃料側電極）およびカソード電極（酸素側電極）を備える燃料電池と、液体燃料を燃料電池に供給するとともに、その燃料電池から排出される燃料を燃料電池に還流するための燃料給排部と、空気を燃料電池に供給し、また、燃料電池から排出される空気を外部に排出するための空気給排部と、燃料電池から出力される電気エネルギーを電動車両の動力とするための動力部とを備える燃料電池システムが、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】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２９３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、特許文献１に記載されるような燃料電池システムとしては、発電効率の向上や、低コスト化、省スペース化など、更なる発展が望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、より優れた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、液体燃料が供給される燃料電池と、液体燃料が貯留される燃料タンクと、前記燃料タンクから前記燃料電池に対して液体燃料を供給する燃料供給経路と、前記燃料電池に供給された液体燃料の反応生成物および反応生成水を含む排出液を排出する燃料排出経路と、前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記燃料排出経路に接続され、前記燃料タンクから輸送された液体燃料と、前記燃料電池から排出される排出液とを混合することにより、液体燃料の濃度を調整するための濃度調整タンクと、前記濃度調整タンク内において、水分を液体燃料から分離するための水分離手段と、前記濃度調整タンク内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を平均化するための平均化手段とを備えていることを特徴としている。
【０００８】
このような構成によれば、濃度調整タンクにおいて、排出液に含まれる水分が水分離手段によって分離され、液体燃料の濃度が調整される。そして、濃度が調整された液体燃料が、燃料電池に還流される。そのため、液体燃料を、効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができる。
【０００９】
しかるに、水分離手段は、液体燃料中の水分濃度が高い場合や、液体燃料の温度が高い場合において、水分を液体燃料から効率よく分離する。
【００１０】
そのため、濃度調整タンク内の液体燃料において、水分濃度や温度に偏りが生じると、水分離手段は、水分濃度が高く、温度が高い液体燃料と接触する部分において、水分を効率よく分離するが、その他の部分において、水分を効率よく分離できない。また、水分離手段が液体燃料から水分を分離すると、水分離手段の極近傍は、水が蒸気として液体燃料から分離されるために、水分濃度が低下すると同時に気化熱により温度が低下する。
【００１１】
その結果、水分離手段の全体を有効に活用できず、水分離効率の向上を図るには限度がある。
【００１２】
この点、本発明の燃料電池システムでは、平均化手段が、水分離手段の極近傍の液体燃料が必要流速を保つことにより、濃度調整タンク内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を平均化することができる。その結果、水分離手段の全体を有効に活用でき、液体燃料からの水分離効率の向上を図ることができる。
【００１３】
また、前記平均化手段が、前記燃料排出経路が備える複数の分岐経路と、前記濃度調整タンクに形成され、前記複数の分岐経路のそれぞれに接続される複数の開口部とを備えている。
【００１４】
このような構成によれば、平均化手段が複数の分岐経路および複数の開口部であるので、複数の開口部を介して、濃度調整タンクに流入する排出液の流速の向上を図ることができる。
【００１５】
そのため、水分離手段の極近傍における液体燃料の流速の向上を図ることができ、濃度調整タンク内において、排出液を確実に循環させることができる。その結果、濃度調整タンク内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を確実に平均化することができる。
【００１６】
これにより、水分離手段の全体をより一層確実に活用でき、液体燃料からの水分離効率のさらなる向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムでは、液体燃料を、効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができながら、液体燃料からの水分の分離効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一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、図１に示す燃料電池システムに搭載される濃度調整タンクを示す概略構成図である。
【図３】図３は、図２に示す濃度調整タンクの底壁の底面図であって、分岐ラインを除いた状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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だけを拡大して記載し、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。
【００２４】
電解質層８は、例えば、アニ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。
【００２５】
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（供給液）を供給するための燃料供給部材１２とを有している。
【００２６】
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、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、液体燃料を貯留するための燃料タンク２２と、燃料タンク２２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経路としての燃料供給ライン３０と、燃料供給ライン３０に介在される濃度調整タンク４７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経路としての燃料排出ライン３１とを備えている。
【００３５】
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が介在されている。
【００３６】
燃料タンク２２は、燃料電池３よりも後方に配置されている。燃料タンク２２には、上記した液体燃料が貯蔵されている。
【００３７】
燃料供給ライン３０は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料タンク２２に接続されるとともに、下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して燃料電池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。
【００３８】
濃度調整タンク４７は、上記した液体燃料に耐性のある材質から形成される中空の容器であって、略ボックス形状に形成されている。濃度調整タンク４７には、燃料流入口２３と、燃料流出口２４と、複数の開口部としての複数の排出液流入口５０と、排気口２５とが形成されている。
【００３９】
燃料流入口２３および燃料流出口２４は、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａの後端部に配置されている。燃料流入口２３および燃料流出口２４のそれぞれは、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａを上下方向に貫通しており、濃度調整タンク４７の内外を流通させている。
【００４０】
燃料流入口２３には、濃度調整タンク４７よりも上流側の燃料供給ライン３０が、シール材（ガスケットなど）を介して接続されており、燃料流出口２４には、濃度調整タンク４７よりも下流側の燃料供給ライン３０が、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。これにより、濃度調整タンク４７が、燃料供給ライン３０に介在されている。
【００４１】
複数の排出液流入口５０は、詳しくは後述するが、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａに配置されている。複数の排出液流入口５０のそれぞれは、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａを上下方向に貫通しており、濃度調整タンク４７の内外を流通させている。そして、複数の排出液流入口５０には、燃料排出ライン３１（後述）の複数の分岐ライン５１（後述）が、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００４２】
排気口２５は、濃度調整タンク４７の後壁における上端部に配置されている。排気口２５は、濃度調整タンク４７の後壁を前後方向に貫通して、濃度調整タンク４７の内外を連通させている。これにより、濃度調整タンク４７は、気液分離器としても利用可能とされている。
【００４３】
そして、排気口２５には、濃度調整タンク４７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。ガス排出管２６の一端は、シール材（ガスケット）を介して排気口２５に接続されており、ガス排出管２６の他端は、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。
【００４４】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して濃度調整タンク４７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。
【００４５】
また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、濃度調整タンク４７の上流側には、第１供給ポンプ３３および燃料供給弁３４が設けられている。
【００４６】
第１供給ポンプ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。第１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、第１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、第１供給ポンプ３３の駆動および停止を制御する。
【００４７】
また、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。
【００４８】
このような第１供給ポンプ３３の駆動、および、燃料供給弁３４の開閉により、燃料タンク２２から、燃料タンク２２と濃度調整タンク４７との間の燃料供給ライン３０を介して、液体燃料（一次（高濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７へ供給される。
【００４９】
また、燃料供給ライン３０の流れ方向途中において、濃度調整タンク４７の下流側には、第２供給ポンプ３５が設けられている。
【００５０】
第２供給ポンプ３５としては、上記した公知の送液ポンプが用いられる。第２供給ポンプ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、第２供給ポンプ３５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、第２供給ポンプ３５の駆動および停止を制御する。
【００５１】
このような第２供給ポンプ３５の駆動により、液体燃料（二次（低濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７から、濃度調整タンク４７と燃料電池３との間の燃料供給ライン３０を介して、燃料電池３に供給される。つまり、燃料供給ライン３０は、燃料タンク２２から燃料電池３に対して液体燃料を供給する。
【００５２】
燃料排出ライン３１は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、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。
【００５３】
また、燃料排出ライン３１は、詳しくは後述するが、その下流側端部において、複数の分岐経路としての複数の分岐ライン５１を備えている。複数の分岐ライン５１は、濃度調整タンク４７の上流側において、燃料排出ライン３１から分岐し、シール材（ガスケットなど）を介して、対応する排出液流入口５０に接続されている。
【００５４】
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、濃度調整タンク４７に輸送される。
【００５５】
これにより、濃度調整タンク４７には、燃料排出ライン３１を介して、燃料タンク２２からの排出液が供給される。そして、濃度調整タンク４７において、燃料タンク２２から輸送される液体燃料（１次供給液）と、排出液とが、適宜の割合で混合され、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を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。
（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、水分を液体燃料から分離するための水分離手段としての水分離器４５とを備えている。
【００５６】
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。空気供給ライン４１の途中には、空気供給ポンプ４３が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁４４が設けられている。
【００５７】
また、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。
【００５８】
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。
【００５９】
また、空気供給弁４４は、それぞれ、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。
【００６０】
また、空気供給ライン４１は、濃度調整タンク４７の上流側において、互いに並列接続されるように分岐する複数の空気供給分岐ライン４８を備えている。
【００６１】
複数の空気供給分岐ライン４８は、図２が参照されるように、例えば、９つの空気供給分岐ライン４８であって、上下方向および左右方向の両方に間隔を隔てて並列配置されている。
【００６２】
そして、これら空気供給ライン４１の空気供給分岐ライン４８は、空気供給ポンプ４３および空気供給弁４４の下流側から濃度調整タンク４７の上流側において分岐され、濃度調整タンク４７内を通過するように配設されており、濃度調整タンク４７の下流側において、１つに集合（統合）されている。
【００６３】
水分離器４５は、濃度調整タンク４７内に配置されており、本実施形態においては、濃度調整タンク４７内を通過する各空気供給分岐ライン４８に介在されている。そのため、水分離器４５は、複数の空気供給分岐ライン４８と同数（例えば、９つ）設けられている。そして、水分離器４５は、水分を液体燃料（排出液）から分離し、各空気供給分岐ライン４８内に導入する。
【００６４】
水分離器４５は、図２に示すように、例えば、水分離膜の中空糸からなり、具体的には、水分離膜からなる中空糸（中空糸膜）の束として形成されている。
【００６５】
水分離膜は、排出液中に含まれる液体燃料の反応生成物や、未反応の液体燃料などを遮断する一方、反応生成水（水分）を透過させる膜であって、特に制限されないが、例えば、孔径が１ｎｍ以下の炭素膜などが挙げられる。水分離膜の孔径は、例えば、１ｎｍ以下、好ましくは、０．５ｎｍ以下であり、通常、０．３ｎｍ以上である。
【００６６】
また、このような水分離膜からなる中空糸（中空糸膜）の内径は、例えば、２００μｍ以上、好ましくは、２５０μｍ以上であり、例えば、４００μｍ以下、好ましくは、３５０μｍ以下である。
【００６７】
そして、このような水分離膜からなる中空糸を、複数（例えば、５００〜２５００本）束ねることにより、集合筒状の水分離器４５が得られる。
【００６８】
また、水分離器４５としては、上記した中空糸に限定されず、図示しないが、例えば、複数の貫通孔（パス）を備える略円筒形のハニカムセラミック担体と、その貫通孔（パス）の内周壁面を被覆する水分離膜とからなる水分離ユニット（例えば、サブナノセラミック膜フィルター（日本ガイシ製））などを用いることもできる。
【００６９】
なお、水分離器４５は、図示しないが、空気供給ライン４１および濃度調整タンク４７に対して着脱可能に設けられており、必要に応じて、空気供給ライン４１および濃度調整タンク４７から取り外し、洗浄および交換が可能とされている。
【００７０】
そして、この燃料電池システム２では、全ての水分離器４５、または、一部の水分離器４５が、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位に応じて、液体燃料（排出液と１次供給液との混合液）に浸漬される。
【００７１】
より具体的には、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的高い場合（図２矢印Ｈ参照）には、全ての水分離器４５（例えば、９つの水分離器４５）が、液体燃料に浸漬される。
【００７２】
また、例えば、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が比較的低い場合（図２矢印Ｌ参照）には、鉛直方向下方に配置される水分離器４５のみが、液体燃料に浸漬される。
【００７３】
また、例えば、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水位が中程度である場合（図２矢印Ｍ参照）には、鉛直方向下方に配置される水分離器４５と、鉛直方向中程に配置される水分離器４５とが、液体燃料に浸漬される。
【００７４】
そして、詳しくは後述するが、水分離器４５（中空糸膜）が上記のように配置されることにより、空気供給ライン４１内を流れる空気が、濃度調整タンク４７内において、水分離器４５（中空糸膜）内に供給される。
【００７５】
このとき、液体燃料に浸漬される水分離器４５によって、液体燃料に含まれる水分（排出液中の反応生成水）が、水蒸気化され、水分離器４５の膜（水分離膜）を通過することにより、液体燃料から分離される（浸透気化法）。そして、得られた水蒸気は、水分離器４５内に導入されることにより、空気と混合される。これにより、空気が加湿される。
【００７６】
また、水分離器４５（中空糸膜）内を通過した空気は、図１に示すように、空気供給ライン４１（濃度調整タンク４７よりも下流側の空気供給ライン４１）を介して、燃料電池３に供給される。
【００７７】
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。
（４）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。
【００７８】
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。
【００７９】
制御部６では、詳しくは後述するが、例えば、第１供給ポンプ３３、第２供給ポンプ３５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などの開閉などを、適宜制御する。
（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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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．濃度調整タンクおよび燃料排出ラインの詳細
濃度調整タンク４７は、図２および図３に示すように、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａにおいて、複数の排出液流入口５０を備えている。なお、図２および図３では、便宜上、複数の空気供給分岐ライン４８、燃料供給ライン３０、燃料流入口２３および燃料流出口２４を省略している。
【００８７】
複数の排出液流入口５０は、図３に示すように、本実施形態では、９つの排出液流入口５０であって、複数の開口列５０Ａが、左右方向に互いに間隔Ｌ１を空けて、並列配置されることにより構成されている。
【００８８】
複数の開口列５０Ａのそれぞれは、上下方向に投影したときに、各水分離器４５と重なるように配置されており、前後方向に互いに間隔Ｌ２を空けて並ぶ複数（３つ）の排出液流入口５０から構成されている。
【００８９】
左右方向に互いに隣り合う１対の開口列５０Ａの間の間隔Ｌ１は、底壁４７Ａの左右方向の寸法に対して、例えば、１／４０以上、好ましくは、１／２０以上、例えば、１／４以下、好ましくは、１／５以下である。より具体的には、間隔Ｌ１は、例えば、５ｍｍ以上、好ましくは、１０ｍｍ以上、例えば、５０ｍｍ以下、好ましくは、４０ｍｍ以下である。
【００９０】
また、各開口列５０Ａにおいて、互いに隣り合う排出液流入口５０の間の間隔Ｌ２は、底壁４７Ａの前後方向の寸法に対して、例えば、１／４０以上、好ましくは、１／２０以上、例えば、１／４以下、好ましくは、１／５以下である。より具体的には、間隔Ｌ２は、例えば、５ｍｍ以上、好ましくは、１０ｍｍ以上、例えば、５０ｍｍ以下、好ましくは、４０ｍｍ以下である。
【００９１】
なお、複数の開口列５０Ａの列数は、複数の排出液流入口５０の個数により、適宜変更されるが、例えば、１列以上、好ましくは、３列以上、例えば、１０列以下、好ましくは、５列以下である。また、各開口列５０Ａにおける排出液流入口５０の個数は、例えば、３個以上、好ましくは、５個以上、例えば、２０個以下、好ましくは、１０個以下である。
【００９２】
このような排出液流入口５０の形状としては、特に制限されず、例えば、円形であってもよく、多角形（例えば、三角形、四角形、六角形など）であってもよい。なお、本実施形態では、排出液流入口５０は、円形状に形成されている。
【００９３】
また、複数の排出液流入口５０のそれぞれの開口面積は、下記式（１）で示される基準開口面積Ｓに対して、例えば、１０％以上、好ましくは、５０％以上、例えば、１１０％以下、好ましくは、１００％以下である。
【００９４】
複数の排出液流入口５０のそれぞれの開口面積が、上記下限値以上であれば、濃度調整タンク４７に流入する流量を確実に確保することができ、上記上限値以下であれば、各排出液流入口５０を通過する排出液の流速の向上を図ることができる。
【００９５】
式（１）
Ｓ［ｍ２］＝Ｑ［ｍ３／ｓ］／（ｎ［個］×ｖ［ｍ／ｓ］）      （１）
（式中、Ｓは、基準開口面積を示し、Ｑは、燃料排出ライン３１を介して、濃度調整タンク４７に流入する排出液の体積流量を示し、ｎは、複数の排出液流入口５０の個数を示し、ｖは、下記モデル試験により求められる必要流速を示す。）
モデル試験：
内部に１つの水分離手段を備え、１つの開口部を有するモデル試験用容器に、体積流量Ｑｔで液体燃料を、開口部を介して流入させ、水分離手段による水分離量を測定する。次いで、体積流量Ｑｔを維持したまま、開口部の開口面積を変化させて、水分離手段が本来の水分離性能を十分に発揮する開口面積Ｓｔ（水分離手段による水分離量が最も大きくなる開口面積Ｓｔ）を導出する。そして、ｖ＝Ｑｔ／Ｓｔとしてｖを導出する。
【００９６】
式（１）中、Ｑは、濃度調整タンク４７に流入する排出液の体積流量であって、１秒当たりに、複数の排出液流入口５０を通過する排出液の体積の総和である。
【００９７】
排出液の体積流量Ｑは、例えば、８．３×１０−５ｍ３／ｓ以上、好ましくは、１．７×１０−４ｍ３／ｓ以上、例えば、８．３×１０−４ｍ３／ｓ以下、好ましくは、６．７×１０−４ｍ３／ｓ以下である。
【００９８】
式（１）中、ｎは、複数の排出液流入口５０の個数であって、例えば、３個以上、好ましくは、１５個以上、例えば、２００個以下、好ましくは、５０個以下である。
【００９９】
式（１）中、ｖは、上記モデル試験により求められる必要流速であって、例えば、１ｍ／ｓ以上、好ましくは、２．１ｍ／ｓ以上、さらに好ましくは、３ｍ／ｓ以上、例えば、１０ｍ／ｓ以下、好ましくは、５ｍ／ｓ以下である。
【０１００】
このような式（１）において、例えば、体積流量Ｑが６．７×１０−４ｍ３／ｓであり、排出液流入口５０の個数ｎが９個であり、必要流速ｖが２．１ｍ／ｓである場合、基準開口面積Ｓは、３．５×１０−５ｍ２である。
【０１０１】
また、例えば、体積流量Ｑが６．７×１０−４ｍ３／ｓであり、排出液流入口５０の個数ｎが４個であり、必要流速ｖが２．１ｍ／ｓである場合、基準開口面積Ｓは、８．０×１０−５ｍ２である。
【０１０２】
また、例えば、体積流量Ｑが６．７×１０−４ｍ３／ｓであり、排出液流入口５０の個数ｎが２１個であり、必要流速ｖが２．１ｍ／ｓである場合、基準開口面積Ｓは、１．５×１０−５ｍ２である。
【０１０３】
また、複数の排出液流入口５０の開口面積の総和は、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａの面積に対して、例えば、０．５％以上、好ましくは、１％以上、例えば、２％以下、好ましくは、１．５％以下である。
【０１０４】
また、各排出液流入口５０の開口面積は、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａの面積に対して、例えば、０．０１％以上、好ましくは、０．０２％以上、例えば、０．５％以下、好ましくは、０．３％以下である。
【０１０５】
より具体的には、各排出液流入口５０の開口面積は、例えば、２×１０−５ｍ２以上、好ましくは、３×１０−５ｍ２以上、例えば、８×１０−５ｍ２以下、好ましくは、６×１０−５ｍ２以下である。
【０１０６】
また、各排出液流入口５０を通過する排出液の流速は、例えば、１．５ｍ／ｓ以上、好ましくは、２ｍ／ｓ以上、例えば、５ｍ／ｓ以下、好ましくは、４ｍ／ｓ以下である。
【０１０７】
そして、複数の排出液流入口５０のそれぞれには、複数の分岐ライン５１が接続されている。
【０１０８】
複数の分岐ライン５１は、複数の開口列５０Ａに対応して設けられており、濃度調整タンク４７の上流側において、複数の開口列５０Ａと同数（例えば、３つ）に分岐している。
【０１０９】
複数の分岐ライン５１は、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａの下方において、左右方向に互いに間隔を空けて並列配置されている。
【０１１０】
各分岐ライン５１は、分岐管本体５２と、複数の接続管５３とを一体に有している。分岐管本体５２は、前後方向に延びる管状に形成されている。複数の接続管５３は、各開口列５０Ａの排出液流入口５０に対応して設けられており、前後方向に互いに間隔を空けて配置されている。各接続管５３は、分岐管本体５２から、上方に向かって延びている。なお、分岐管本体５２と複数の接続管５３とは互いに連通している。
【０１１１】
そして、複数の接続管５３の上端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、対応する排出液流入口５０に接続されている。
３．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、図１に示すように、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、第１供給ポンプ３３および第２供給ポンプ３５が駆動されることにより、燃料タンク２２に貯留される液体燃料（供給液）が、燃料供給ライン３０および濃度調整タンク４７を介して、アノード９に供給される。一方、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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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）。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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）。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
また、燃料給排部４では、詳しくは後述するが、アノード９から排出される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水含む排出液）が、燃料排出ライン３１（複数の分岐ライン５１）を通過し、複数の排出液流入口５０のそれぞれを介して濃度調整タンク４７に流入する。
【０１２０】
濃度調整タンク４７では、水位が排気口２５よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まり３９が、濃度調整タンク４７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。
【０１２１】
その一方で、液溜まり３９として濃度調整タンク４７に滞留される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水含む排出液）は、濃度調整タンク４７内において、燃料タンク２２から供給される液体燃料と混合された後、燃料流出口２４から流出し、燃料供給ライン３０を介して、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【０１２２】
このようにして、液体燃料が、クローズドライン（濃度調整タンク４７、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１および燃料供給路１３）を循環する。なお、濃度調整タンク４７において分離された気体は、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。
４．  水の分離
上記したように、燃料電池システム２では、燃料電池３のアノード９から排出される液体燃料（未反応の液体燃料、反応生成物および反応生成水含む排出液）が、燃料供給ライン３０を介して、燃料電池３に還流され、再利用される。
【０１２３】
しかし、式（１）〜（６）として示したように、燃料電池３による発電では、その発電反応において水が生じるため、排出液には、水が含有される。すなわち、排出液においては、液体燃料の濃度が低下している。そのため、排出液をそのまま燃料電池３に還流して用いると、発電効率の低下を惹起する場合がある。
【０１２４】
これに対して、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液に含有される水を分離し、還流される液体燃料の濃度を調整（増加）することができる。
【０１２５】
具体的には、この燃料電池システム２では、燃料電池３から燃料排出ライン３１に排出された排出液は、燃料電池３において加熱されており、複数の分岐ライン５１および複数の排出液流入口５０のそれぞれを通過して、濃度調整タンク４７に供給される。
【０１２６】
しかるに、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａに、開口面積が、例えば、４×１０−４ｍ２以上１×１０−３ｍ２以下である排出液流入口５０が１つ形成される場合、水分濃度が高く、温度が高い排出液は、１つの排出液流入口５０を介して、濃度調整タンク４７に流入し、水分離器４５の一部分にのみ接触する。そのため、水分離器４５と排出液との効率的な接触を確保することができず、水分離器４５の全体を有効に活用できない。
【０１２７】
そこで、排出液流入口５０の開口面積を増加させることにより、水分離器４５における排出液との接触面積の向上を図ることが検討されるが、排出液流入口５０の開口面積を増加させると、排出液流入口５０を通過する排出液の流速が低下し、排出液を濃度調整タンク４７内に十分に循環させることができない。
【０１２８】
これに対して、本実施形態では、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａに複数の排出液流入口５０が形成されているので、水分離器４５と排出液との効率的な接触を確保することができる。また、各排出液流入口５０の開口面積が、例えば、２×１０−５ｍ２以上８×１０−５ｍ２以下であるので、複数の排出液流入口５０のそれぞれを通過する排出液の流速を、所定値以上（例えば、２．１ｍ／ｓ以上）に確保できる。
【０１２９】
その結果、排出液を濃度調整タンク４７内に確実に循環させることができ、水分離器４５と排出液との効率的な接触を確保できる。これによって、濃度調整タンク４７内における液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布が平均化される。つまり、複数の分岐ライン５１および複数の排出液流入口５０が、平均化手段として構成されている。
【０１３０】
そうすると、水分濃度分布および／または温度分布が平均化された液体燃料が、各水分離器４５の全体あるいは大部分の膜表面と効率的に接触する。
【０１３１】
このとき、水分離器４５の内部には、空気が流れているため、水分離器４５の周囲の液体燃料中の水分が水蒸気化され、水分離器４５の外膜（水分離膜）を通過する。これにより、液体燃料から水分が分離される（浸透気化法）。
【０１３２】
このようにして水分が分離された液体燃料（すなわち、高濃度の液体燃料）は、燃料供給ライン３０を介して、再び燃料電池３に供給される。
【０１３３】
このように液体燃料から水分を分離することにより、液体燃料の濃度を調整（増加）することができ、発電効率の向上を図ることができる。
【０１３４】
また、燃料電池システム２においては、式（１）〜（６）として示したように、水酸化物イオンなどのイオンが電解質層８を通過する。一方、電解質層８がイオン導電性を備えるためには、電解質層８が十分に湿潤している必要がある。
【０１３５】
この点、上記の燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液に含有される水分を回収し、その水分を用いて、電解質層８を湿潤させることができる。
【０１３６】
すなわち、上記のように排出液から分離された水分（水蒸気）は、水分離器４５内に導入されることにより、水分離器４５内を通過する空気と混合され、空気が加湿される。
【０１３７】
加湿された空気は、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。このとき、水分はカソード１０を透過し、電解質層８を湿潤させる。
【０１３８】
このように液体燃料から分離された水分（水蒸気）を用いて空気を加湿することにより、電解質層８を湿潤させることができ、発電効率の向上を図ることができる。
５．作用効果
このような燃料電池システムでは、図１に示すように、濃度調整タンク４７において、排出液に含まれる水分が水分離器４５によって分離され、液体燃料の濃度が調整される。そして、濃度が調整された液体燃料が、燃料電池３に還流される。そのため、液体燃料を、効率よく利用することができ、低コスト化を図ることができる。
【０１３９】
また、燃料電池システム２では、複数の分岐ライン５１および複数の排出液流入口５０が、平均化手段として構成されており、濃度調整タンク４７内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を平均化する。そのため、水分離器４５の全体を有効に活用でき、液体燃料からの水分離効率の向上を図ることができる。
【０１４０】
また、平均化手段が、複数の分岐ライン５１および複数の排出液流入口５０から構成されているので、複数の排出液流入口５０を介して、濃度調整タンク４７に流入する排出液の流速の向上を図ることができる。
【０１４１】
そのため、水分離器４５の極近傍における液体燃料の流速の向上を図ることができ、濃度調整タンク４７内において、排出液を確実に循環させることができる。その結果、濃度調整タンク４７内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を確実に平均化することができる。
【０１４２】
その結果、水分離器４５の全体をより一層確実に活用でき、液体燃料からの水分離効率のさらなる向上を図ることができる。
【０１４３】
とりわけ、複数の排出液流入口５０のそれぞれの開口面積は、上記式（１）で示される基準開口面積に対して、例えば、１０％以上１１０％以下であるので、複数の排出液流入口５０を介して、濃度調整タンク４７に流入する排出液の流速の向上を確実に図ることができる。
【０１４４】
また、このような燃料電池システム２では、液体燃料（排出液）から分離された水分は、空気供給ライン４１内に導入されるため、より多くの水分を含んだ空気が、燃料電池３に供給される。その結果、燃料電池３の導電性の向上を図ることができ、発電効率の向上を図ることができる。
【０１４５】
この点、空気供給ライン４１内の空気を加湿するため、別途、加湿器などを備える場合には、水タンクなどが搭載されるため、燃料電池システム２の体積が大きくなる。
【０１４６】
一方、上記した燃料電池システム２によれば、加湿器を用いることなく空気に水分を含有させることができるため、加湿器を用いる場合に比べ、燃料電池システム２の体積を減少させ、省スペース化を図ることができる。
【０１４７】
また、上記した燃料電池システム２によれば、排出液に含有される水分が水蒸気として分離され、水蒸気として空気供給ライン４１に供給されるため、より効率よく空気を加湿することができる。
【０１４８】
また、上記した燃料電池システム２において、燃料電池３から排出された排出液は、燃料電池３において加熱されている。そのため、排出液中の水分をより少ないエネルギーで水蒸気として回収することができ、低エネルギー化および低コスト化を図ることができる。
【０１４９】
さらに、上記した燃料電池システム２では、水分が水蒸気として分離されるため、排出液の熱エネルギーを気化熱として放出させ、排出液を冷却することができる。そのため、排出液をより低温状態で再び燃料電池３に供給することができ、発電効率の向上を図ることができる。
【０１５０】
それに加えて、上記した燃料電池システム２では、燃料電池３から排出される排出液（水分を含有した低濃度液体燃料）から、水分が回収され、高濃度液体燃料として還流されるため、燃料タンク２２からの液体燃料の供給量や供給頻度を低減することができ、より効率よく液体燃料を利用することができる。
６．変形例
上記した実施形態では、複数の分岐ライン５１および複数の排出液流入口５０が、平均化手段として構成されるが、平均化手段は、濃度調整タンク内において、液体燃料の水分濃度分布および／または温度分布を平均化できれば、特に制限されない。
【０１５１】
例えば、濃度調整タンク４７に、平均化手段として、例えば、液流発生器、超音波発生器、撹拌子などを設けることもできる。
【０１５２】
また、上記の実施形態では、複数の排出液流入口５０は、複数の開口列５０Ａから構成されるが、複数の排出液流入口５０の配置は特に制限されない。複数の排出液流入口５０は、濃度調整タンク４７の底壁４７Ａにおいて、ランダムに配置されてもよい。
【０１５３】
また、上記した実施形態では、燃料電池３に空気を供給するための空気供給ライン４１を用いて、水分離器４５に空気を供給し、反応生成水を含む液体燃料から水を分離したが、例えば、水分離器４５に空気を供給するための第２空気供給ライン（図示せず）を、空気供給ライン４１とは別途設けることもできる。そのような場合には、第２空気供給ライン（図示せず）を介して水分離器４５に空気を供給し、反応生成水を含む液体燃料から水を分離することができる。また、例えば、水分離器４５内を、公知の減圧装置によって減圧することにより、反応生成水を含む液体燃料から水を分離することもできる。
【０１５４】
これら変形例によっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【０１５５】
また、上記実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０１５６】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
２２    燃料タンク
３０    燃料供給ライン
３１    燃料排出ライン
４５    水分離器
４７    濃度調整タンク
５０    排出液流入口
５１    分岐ライン
【図１】
2016051612.tif 000003
【図２】
2016051612.tif 000004
【図３】
2016051612.tif 000005