(57)【要約】【課題】システムの小型化を図ることができながら、空気供給経路の空気を確実に加湿することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム２は、液体燃料および酸素を消費して発電する燃料電池３と、燃料電池３に対して空気を供給する空気供給ライン４１と、燃料電池３から排出される空気を外部に排出する空気排出ライン４２と、空気排出ライン４２の空気中に含まれる水分を取り出して、空気供給ライン４１に対して霧化して供給する循環加湿部６０とを備えている。【選択図】図１
2017016833.tif 000002
【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する空気供給経路と、
前記燃料電池から排出される空気を外部に排出する空気排出経路と、
前記空気排出経路の空気中に含まれる水分を取り出して、前記空気供給経路に対して霧化して供給する霧化手段と
を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
【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。）。
【０００７】
そして、こ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
しかるに、上記した特許文献１に記載されるように、カソードに加湿器を設けるだけでは、燃料電池に供給される空気を十分に加湿できない場合があり、そのような場合には、燃料電池を安定して発電させることができない場合がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、システムの小型化を図ることができながら、空気供給経路の空気を確実に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する空気供給経路と、燃料電池から排出される空気を外部に排出する空気排出経路と、空気排出経路の空気中に含まれる水分を取り出して、空気供給経路に対して霧化して供給する霧化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、空気排出経路の空気中に含まれる水分を取り出して、霧化手段により霧化し、その霧化した水分を、空気供給経路の空気に含ませることができる。
【００１３】
このとき、水分は霧化しているので、空気が飽和水蒸気量に達した場合であっても、空気中に霧化した水分を含ませることができる。
【００１４】
そのため、空気供給経路の空気中により多くの水分を含ませることができるので、空気供給経路の空気を確実に加湿することができる。
【００１５】
また、空気供給経路の空気中に、水分を霧化して含ませるので、水分を液状のままの状態で空気供給経路に含ませる場合と比較して、空気の流路が阻害されることを抑制することができる。
【００１６】
さらに、空気排出経路の空気中に含まれる水分を取り出すと、その水分を貯留しておくタンクを別途設ける必要があり、システムが大型化するが、取り出した水分を適宜、加湿に用いることができるため、水分を貯留しておくためのタンクの容量を小さくすることができる。
【００１７】
その結果、システムの小型化を図ることができながら、空気供給経路の空気を確実に加湿することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、システムの小型化を図ることができながら、空気供給経路の空気を確実に加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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の超音波発信ユニットの作動を説明するフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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、霧化手段の一例としての循環加湿部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。
【００２２】
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。
【００２３】
また、液体燃料には、例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属の水酸化物が、適宜の割合で添加される。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、第１気液分離器２２（後述）が介在されている。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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、第１気液分離器２２に接続されている。
【００４６】
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、第１気液分離器２２に輸送される。
【００４７】
第１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、第１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、第１気液分離器２２の下部底面には、第１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、第１気液分離器２２の後側側面には、第１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。
【００４８】
第１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。
【００４９】
また、第３流通口２５には、第１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。
【００５０】
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。
【００５１】
ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して第１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。
【００５２】
還流ライン３２は、その上流側端部が、第１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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、第１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経路の一例としての空気供給ライン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経路の一例としての空気排出ライン４２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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
また、空気供給ライン４１において、空気供給ポンプ４３の下流側には、空気供給弁４４が設けられている。
【００６０】
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。
【００６１】
また、空気供給ライン４１において、空気供給弁４４の下流側には、空気加湿器４９が介在されている。
【００６２】
空気加湿器４９は、特に限定されず、公知の加湿装置から構成されている。空気加湿器４９として、具体的には、例えば、水を貯留する水タンク（図示せず）と、その水を加熱するヒータ（図示せず）とを備え、水を所定温度に加熱して蒸気を発生させる加湿器などが挙げられる。空気加湿器４９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】
また、空気供給ライン４１の流れ方向途中には、副次空気供給ライン５１が接続されている。
【００６４】
副次空気供給ライン５１は、その一端側（上流側）が大気に開放され、その他端側（下流側）が空気供給ライン４１の流れ方向途中、詳しくは、空気加湿器４９よりも下流側に接続されている。
【００６５】
副次空気供給ライン５１の流れ方向途中には、副次空気供給ポンプ５２が設けられている。
【００６６】
副次空気供給ポンプ５２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、副次空気供給ポンプ５２に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、副次空気供給ポンプ５２の駆動および停止を制御する。
【００６７】
また、副次空気供給ライン５１において、副次空気供給ポンプ５２の下流側には、副次空気供給弁５３が設けられている。
【００６８】
副次空気供給弁５３は、副次空気供給ライン５１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、副次空気供給弁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、副次空気供給弁５３に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、副次空気供給弁５３の開閉を制御する。
【００６９】
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。
【００７０】
空気排出ライン４２の流れ方向途中には、吸着部材５５が介在されている。
【００７１】
吸着部材５５は、多孔質構造の活性炭からなり、酸処理が施されている。吸着部材５５は、市販品を用いることができる。吸着部材５５は、空気排出ライン４２を通過する空気中の微小な液滴を吸着するように構成されている。
（４）循環加湿部
循環加湿部６０は、燃料電池３から空気排出ライン４２に排出される空気に含まれる水分を分離し、その水分により、空気供給ライン４１の空気を加湿する。
【００７２】
具体的には、循環加湿部６０は、第２気液分離器６２と、分離液供給ライン６３と、分離液貯留タンク６６と、バッファタンク６４と、超音波発信ユニット７０とを備えている。
【００７３】
第２気液分離器６２は、例えば、中空の容器からなり、その上端部が、空気排出ライン４２の流れ方向途中、具体的には、吸着部材５５よりも上流側に介在されている。第２気液分離器６２は、空気排出ライン４２内の水分を含む空気を、気体と液体とに分離する。
【００７４】
分離液供給ライン６３は、その上流側端部が、第２気液分離器６２の底部に接続されるともに、その下流側端部が、バッファタンク６４（後述）の底部に接続されている。分離液供給ライン６３の流れ方向途中には、分離液供給ポンプ６７が設けられている。
【００７５】
分離液供給ポンプ６７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、分離液供給ポンプ６７に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、分離液供給ポンプ６７の駆動および停止を制御する。
【００７６】
また、分離液供給ライン６３において、分離液供給ポンプ６７の下流側には、分離液供給弁６８が設けられている。
【００７７】
分離液供給弁６８は、分離液供給ライン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。分離液供給弁６８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、分離液供給弁６８に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、分離液供給弁６８の開閉を制御する。
【００７８】
分離液貯留タンク６６は、分離液供給ライン６３の流れ方向途中、詳しくは、分離液供給ポンプ６７よりも上流側に介在されている。
【００７９】
分離液貯留タンク６６は、例えば、中空の容器からなり、第２気液分離器６２によって分離された水分を貯留可能に構成されている。
【００８０】
バッファタンク６４は、分離液供給ライン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、副次空気供給ライン５１との接続部分よりも下流側に介在されている。バッファタンク６４は、例えば、中空の容器からなり、分離液供給ライン６３から供給される水分を貯留可能に構成されている。
【００８１】
超音波発信ユニット７０は、バッファタンク６４の液溜まり７３中に設けられ、分離液供給ライン６３の下流側端部と接続されている。超音波発信ユニット７０は、超音波を発信し、その超音波によりバッファタンク６４内の液溜まり７３を霧化するように構成されている。超音波発信ユニット７０は、特に限定されず、公知の超音波発信機から構成されている。超音波発信ユニット７０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。
（５）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。
【００８２】
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。
【００８３】
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、空気加湿器４９、副次空気供給ポンプ５２、分離液供給ポンプ６７、超音波発信ユニット７０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、副次空気供給弁５３、分離液供給弁６８などの開閉などを、適宜制御する。
（６）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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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、さらに、空気加湿器４９が作動することにより、加湿された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。また、コントロールユニット２９の制御により、副次空気供給弁５３が開かれ、副次空気供給ポンプ５２が駆動されることにより、空気供給ライン４１に対して、空気が供給される。これにより、カソード１０に供給される空気の湿度が調整される。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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）。
【００９４】
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。
【００９５】
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）。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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）。
【０１００】
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から第１気液分離器２２に流入する。第１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、第１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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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、第１気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する。なお、第１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。
【０１０３】
一方、空気給排部５では、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、吸着部材５５を通過することで、空気中の微小な液滴が吸着され、空気排出ライン４２を介して、外気に排出される。
３．超音波による加湿
上記した燃料電池３の発電において、カソード１０から空気排出ライン４２に排出された空気には、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。
【０１０４】
そして、その液体燃料を含んだ空気は、第２気液分離器６２によって、気体と液体とに分離され、分離された気体は、吸着部材５５を通過するようにして、空気排出ライン４２から排出される。
【０１０５】
また、第２気液分離器６２において分離された液体は、水酸化物の塩（例えば、水酸化カリウムと二酸化炭素との反応により生成する炭酸カリウムなど）や水分を含んでいる。なお、以下において、この水酸化物の塩や水分を含んだ液体を分離液とする。
【０１０６】
分離液は、第２気液分離器６２から、分離液供給ライン６３に流入し、一時的に分離液貯留タンク６６に貯留される。
【０１０７】
そして、コントロールユニット２９の制御により、分離液供給弁６８を開き、分離液供給ポンプ６７を駆動させることで、分離液貯留タンク６６に貯留された分離液がバッファタンク６４に供給される。
【０１０８】
こうして、バッファタンク６４には、分離液からなる液溜まり７３ができる。
【０１０９】
次いで、コントロールユニット２９の制御により、超音波発信ユニット７０を作動させる。
【０１１０】
すると、液溜まり７３の水分が霧化され、空気供給ライン４１の空気を加湿する。
【０１１１】
また、液溜まり７３中に含まれる水酸化物などの塩など、水よりも沸点が高い物質は、超音波発信ユニット７０からの超音波により、霧化成分中において、その濃度が低下する。
４．超音波発信ユニットの制御
図２を参照しながら、超音波発信ユニット７０の作動のタイミングについて説明する。
【０１１２】
例えば、空気供給ライン４１における空気加湿器４９による空気の加湿だけでは足りず、さらなる空気の加湿が要求される場合や、分離液貯留タンク６６内の分離液が満水となる場合に、コントロールユニット２９の制御により、超音波発信ユニット７０が作動される。
【０１１３】
具体的には、まず、コントロールユニット２９により、要求発電量が算出される（Ｓ１）。
【０１１４】
次いで、算出された要求発電量に基づき、カソード１０に供給される空気の目標湿度が算出される（Ｓ２）。
【０１１５】
そして、上記したように、燃料電池３が発電される。このとき、カソード１０に供給される空気が目標湿度となるように、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において、空気加湿器４９が作動される（Ｓ３）。
【０１１６】
こうして、燃料電池３が発電されると、第２気液分離器６２によって分離された分離液が分離液貯留タンク６６に貯留されていく。
【０１１７】
そして、図示しない液面計により、分離液貯留タンク６６内の分離液の液面高さを計測する。
【０１１８】
分離液貯留タンク６６内の分離液が、液面高さの上限を超えていない場合（Ｓ４：ＮＯ）には、図示しない湿度計や空気加湿器４９の加湿特性ＭＡＰにより、空気の湿度を計測する。
【０１１９】
ここで、カソード１０に供給される空気が、目標湿度に到達している場合（Ｓ５：ＮＯ）には、引き続き、空気加湿器４９によって空気を加湿し、超音波発信ユニット７０は作動せず、停止した状態となる（Ｓ６）。
【０１２０】
また、空気加湿器４９によって、空気供給ライン４１の空気が、目標湿度に到達していない場合（Ｓ５：ＹＥＳ）には、追加の加湿目標値（超音波加湿目標値）を算出し、超音波発信ユニット７０を作動させる（Ｓ７）。
【０１２１】
また、分離液貯留タンク６６内の分離液が、液面高さの上限を超えると、分離液貯留タンク６６が満水であると判断される（Ｓ４：ＹＥＳ）。
【０１２２】
ここで、カソード１０に供給される空気が、目標湿度に到達していない場合（Ｓ８：ＹＥＳ）には、コントロールユニット２９により、超音波発信ユニット７０が全開となるように制御される（Ｓ９）。
【０１２３】
なお、カソード１０に供給される空気が、目標湿度に到達している場合（Ｓ８：ＮＯ）には、まず、コントロールユニット２９により、空気加湿器４９が停止（Ｓ１０）されてから、超音波発信ユニット７０が全開となるように制御される。
【０１２４】
そして、分離液貯留タンク６６内の分離液が、所定の液面高さまで減らない場合には、分離液貯留タンク６６内の分離液が所定の液面高さを下回るまで、超音波発信ユニット７０を作動させる（Ｓ１１：ＮＯ）。
【０１２５】
そして、分離液貯留タンク６６内の分離液が、所定の液面高さを下回ったと判断（Ｓ１１：ＹＥＳ）されると、コントロールユニット２９により、超音波発信ユニット７０が停止される（Ｓ１２）。
５．作用効果
このような燃料電池システム２によれば、空気排出ライン４２の空気中に含まれる水分を循環加湿部６０の第２気液分離器６２によって分離し、超音波発信ユニット７０によって霧化し、その霧化した水分を、空気供給ライン４１の空気に含ませることができる。
【０１２６】
このとき、水分は霧化しているので、空気が飽和水蒸気量に達した場合であっても、空気中に霧化した水分を含ませることができる。
【０１２７】
そのため、空気供給ライン４１の空気中により多くの水分を含ませることができるので、空気供給ライン４１の空気を確実に加湿することができる。
【０１２８】
また、空気供給ライン４１の空気中に、水分を霧化して含ませるので、水分を液状のままの状態で空気供給ライン４１に含ませる場合と比較して、空気の流路が阻害されることを抑制することができる。
【０１２９】
さらに、分離液貯留タンク６６の水分を適宜、加湿に用いて、その液量を減らすことができるため、分離液貯留タンク６６の容量を小さくすることができる。
【０１３０】
その結果、システムの小型化を図ることができながら、空気供給ライン４１の空気を確実に加湿することができる。
【符号の説明】
【０１３１】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
４１    空気供給ライン
４２    空気排出ライン
６０    循環加湿部
【図１】
2017016833.tif 000003
【図２】
2017016833.tif 000004