JP6290667B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

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。

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。

より具体的には、例えば、電解質層と、それを挟むアノード電極（燃料側電極）およびカソード電極（酸素側電極）とを備える燃料電池と、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。）。

特開２０１０−１２９３０４号公報

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。

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。

上記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、前記燃料排出経路から前記燃料供給経路へ排出液を輸送する還流経路と、前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記還流経路に接続され、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配置される水分離手段であって、上下方向と直交する方向に延び、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、前記水分離手段をぶら下げるように保持する保持手段とを備えていることを特徴としている。

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。

しかるに、このような水分離手段を濃度調整タンクに直接保持させると、濃度調整タンクに外部から長期にわたる振動や衝撃が加わった場合や、環境温度の変化により濃度調整タンクが膨張または収縮した場合などにおいて、水分離手段に応力がかかり、水分離手段が破損してしまうという不具合がある。

これに対して、上記の構成によれば、保持手段が、濃度調整タンク内において、水分離手段をぶら下げるように保持しているので、例え、濃度調整タンクに振動や衝撃が加わった場合や、濃度調整タンクが膨張または収縮した場合であっても、保持手段が振動や衝撃、または濃度調整タンクの伸縮を吸収して、水分離手段に応力がかかることを抑制できる。そのため、水分離手段が破損してしまうことを抑制できる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記濃度調整タンクは、前記濃度調整タンクの上端部に配置され、上下方向に貫通する貫通口を有し、前記保持手段は、上下方向に移動可能となるように、前記貫通口に挿通されていることが好適である。

このような構成によれば、保持手段が、上下方向に移動可能となるように、貫通口に挿通されているので、保持手段が衝撃や濃度調整タンクの伸縮を確実に吸収することができる。そのため、簡易な構成でありながら、水分離手段が破損してしまうことを確実に抑制できる。

また、保持手段を上下方向に移動させることにより、濃度調整タンクにおいて、水分離手段を上下方向に移動させることができる。そのため、水分離手段を、濃度調整タンク内において、所望する高さ（上下方向の位置）に容易に配置することができる。

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、水分離手段が破損してしまうことを抑制できる。

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２Ａは、図１に示す燃料電池システムに搭載される、水分離器および保持ユニットを示す概略構成図である。図２Ｂは、図２Ａに示す留め具および保持パイプの断面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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、燃料排出ライン３１から濃度調整タンク４７へ排出液を輸送する還流経路としての還流ライン３２とを備えている。

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、気液分離器２３（後述）が介在されている。

燃料タンク２２は、燃料電池３よりも後方であり、電動車両１の後部に配置されている。燃料タンク２２には、液体燃料として、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどが貯蔵（貯留）されている。

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。

濃度調整タンク４７は、詳しくは後述するが、上記した液体燃料に耐性のある材質、具体的には、ステンレス鋼から形成されている。そして、濃度調整タンク４７は、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料供給ライン３０の途中に介在されている。

また、濃度調整タンク４７には、シール材（ガスケットなど）を介して、還流ライン３２（後述）の下流側端部が接続されており、還流ライン３２を介して、排出液が供給される。これにより、濃度調整タンク４７において、燃料タンク２２から輸送された液体燃料（１次供給液）と、燃料電池３から排出された排出液とが、適宜の割合で混合され、燃料電池３に供給される液体燃料（２次供給液）の濃度が、調整される。

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。

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。

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。

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、液体燃料（１次（高濃度）供給液）が、濃度調整タンク４７へ供給される。

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。

第２供給ポンプ３５としては、例えば、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。

このような第２供給ポンプ３５の駆動により、液体燃料（２次供給液）が、濃度調整タンク４７から燃料電池３に供給される。

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、気液分離器２３に接続されている。

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、気液分離器２３に輸送される。

気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部には、気液分離器２３の内外を連通させる底部流通口２４が２つ形成されている。

また、気液分離器２３の上部には、気液分離器２３の内外を連通させる上部流通口２５が１つ形成されている。

気液分離器２３は、燃料電池３よりも電動車両１の後方、かつ、電動車両１の上方において、２つの底部流通口２４が、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料排出ライン３１および還流ライン３２（後述）に接続されている。

そして、気液分離器２３には、燃料電池３からの排出液が、燃料排出ライン３１を介して流入する。これによって、気液分離器２３において、詳しくは後述するが、排出液に含まれるガスが、排出液から分離される。

上部流通口２５には、気液分離器２３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の上流側端部は、シール材（ガスケット）を介して上部流通口２５に接続され、ガス排出管２６の下流側端部は、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。

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器２３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。

還流ライン３２は、その上流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、気液分離器２３の底部流通口２４に接続されるとともに、その下流側端部が、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４７に接続されている。

これにより、燃料排出ライン３１内を輸送される排出液が、気液分離器２３および還流ライン３２を介して、濃度調整タンク４７に輸送される。そして、濃度調整タンク４７内において、燃料タンク２２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ための空気供給ライン４１と、水を液体燃料から分離するための水分離ユニット４８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とを備えている。

空気供給ライン４１は、その上流側端部が大気中に開放され、その下流側端部が空気供給口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。

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。

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。

また、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。

また、空気供給ライン４１は、空気供給ポンプ４３および空気供給弁４４の下流側において、濃度調整タンク４７内を通過するように配設されている。

水分離ユニット４８は、本実施形態において、空気供給ライン４１に介在されている。水分離ユニット４８は、濃度調整タンク４７内に配置される水分離手段としての水分離器４５と、濃度調整タンク内において、水分離器４５を保持するための保持手段としての保持ユニット４６とを備えている。

水分離器４５は、詳しくは後述するが、図２Ａに示すように、空気が通過可能であり、水を液体燃料（排出液）から分離するように構成されている。

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である。

保持ユニット４６は、詳しくは後述するが、濃度調整タンク４７内において、水分離器４５をぶら下げるように保持している。保持ユニット４６は、濃度調整タンク４７よりも上流側の空気供給ライン４１からの空気が、水分離器４５に供給され、かつ、水分離器４５を通過した空気が、濃度調整タンク４７よりも下流側の空気供給ライン４１に排出されるように構成されている。

そして、水分離器４５および保持ユニット４６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。

空気排出ライン４２は、その上流側端部が空気排出口２０に接続され、下流側端部がドレンとされる。
（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。

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。

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、空気供給ポンプ４３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。

モータ３７は、燃料電池３よりも前方であって、電動車両１の前部に配置されている。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。

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。

動力用バッテリ４０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、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。

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。

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。

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。

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水分離ユニットの詳細
濃度調整タンク４７は、図２Ａに示すように、略ボックス形状を有している。詳しくは、濃度調整タンク４７は、上下方向と直交する第１方向に間隔を隔てて配置される１対の第１側壁５０と、上下方向および第１方向の両方向と直交する第２方向に間隔を隔てて配置される１対の第２側壁５１と、１対の第１側壁５０および１対の第２側壁５１の下端部を連結する底壁５２と、１対の第１側壁５０および１対の第２側壁５１の上端部を連結する上壁５３とを備えている。

１対の第１側壁５０は、濃度調整タンク４７の第１方向両端部である。１対の第１側壁５０のそれぞれは、第１方向から見て、略矩形の板状に形成されている。１対の第１側壁５０のうち、第１方向の一方側の第１側壁５０は、第１燃料入口５４を有している。

第１燃料入口５４は、第１側壁５０を第１方向に貫通している。第１燃料入口５４には、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４７よりも上流の燃料供給ライン３０が接続されている。

１対の第２側壁５１は、濃度調整タンク４７の第２方向両端部である。１対の第２側壁５１のそれぞれは、１対の第１側壁５０の第２方向の両端部間に架設されており、第２方向から見て略矩形の板状に形成されている。

底壁５２は、濃度調整タンク４７の下端部であり、上下方向から見て略矩形の板状に形成されている。底壁５２は、燃料出口５５を有している。

燃料出口５５は、底壁５２を上下方向に貫通している。燃料出口５５には、シール材（ガスケットなど）を介して、濃度調整タンク４７よりも下流の燃料供給ライン３０が接続されている。

上壁５３は、濃度調整タンク４７の上端部であり、上下方向から見て略矩形の板状に形成されている。上壁５３は、第２燃料入口５６と、貫通口５７とを有している。

第２燃料入口５６は、上壁５３を上下方向に貫通している。第２燃料入口５６には、シール材（ガスケットなど）を介して、還流ライン３２の下流側端部が接続されている。

貫通口５７は、後述する水分離器４５の個数に対応して複数対、具体的には、３対備えられている。３対の貫通口５７は、第２方向に間隔を隔てて１対ずつ配置されている。

１対の貫通口５７は、第１方向に間隔を隔てて配置されている。また、１対の貫通口５７の第１方向の間隔は、水分離器４５の第１方向の寸法と略同じである。

貫通口５７は、平面視略円形状に形成されており、上壁５３を上下方向に貫通している。

水分離ユニット４８は、上記したように、水分離器４５と、保持ユニット４６とを備えている。

水分離器４５は、濃度調整タンク４７内の下方部分に配置されている。水分離器４５は、第２方向に間隔を隔てて複数、具体的には、３つ並列配置されている。

水分離器４５は、第１方向に延びる略円柱形状に形成されている。水分離器４５は、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。

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。

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〜４００μｍ、好ましくは、２５０μｍ〜３５０μｍである。

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。

また、水分離器４５は、濃度調整タンク４７内において、図示しない液体燃料（排出液と１次供給液との混合液）に浸漬されている。

保持ユニット４６は、水分離器４５の個数に対応して複数、具体的には、３つ備えられている。各保持ユニット４６は、１対の受部５９と、１対の保持パイプ６０と、１対の止め具６１を備えている。

１対の受部５９のそれぞれは、第１方向に間隔を隔てて配置されている。受部５９は、第１方向に延びる略円筒形状に形成されており、第１方向の外側端部が閉鎖されている。受部５９の内径は、水分離器４５の外径と略同じである。また、図示しないが、受部５９の上端部には、受部５９の内外を上下方向に連通する開口が形成されている。

そして、１対の受部５９のうち、第１方向一方側の受部５９は、対応する水分離器４５の第１方向一端部に径方向の外側から嵌っており、第１方向他方側の受部５９は、対応する水分離器４５の第１方向他端部に径方向の外側から嵌っている。

１対の保持パイプ６０のそれぞれは、上下方向に延びる略円筒形状に形成されており、その外径は、貫通口５７の外径と略同じである。そして、１対の保持パイプ６０のそれぞれは、対応する受部５９に１つずつ接続されている。詳しくは、保持パイプ６０の下端部は、対応する受部５９の図示しない開口に、シール材（ガスケットなど）を介して、接続されている。これによって、保持パイプ６０と受部５９内とは、連通している。

そのため、第１方向の一方側の保持パイプ６０は、受部５９を介して、水分離器４５に空気を供給可能であり、第１方向の他方側の保持パイプ６０は、受部５９を介して、水分離器４５を通過した空気を受け入れ可能である。

そして、１対の保持パイプ６０のそれぞれは、対応する１対の貫通口５７のそれぞれに、上下方向に移動可能となるように挿通されている。

１対の止め具６１のそれぞれは、各保持パイプ６０に１つずつ対応している。止め具６１は、図２Ｂに示すように、嵌合部６３と、ねじ６２とを備えている。

嵌合部６３は、上下方向に延びる略円筒形状に形成されている。嵌合部６３の内径は、保持パイプ６０の外径よりも僅かに大きい。また、嵌合部６３は、ねじ穴６４を有している。ねじ穴６４は、嵌合部６３の内部空間と外部空間とを連通するように、嵌合部６３を径方向に貫通している。ねじ穴６４の内周面には、螺旋状のねじ溝が形成されている。

そして、嵌合部６３は、上壁５３の上面に接触するように配置されており、対応する保持パイプ６０が上下方向に移動可能に挿通されている。

ねじ６２は、ねじ穴６４に螺合可能に形成されており、ねじ穴６４に挿入されている。そして、ねじ６２は、回転させることにより、嵌合部６３の径方向に進退可能である。

また、ねじ６２を嵌合部６３の径方向の内方に最も進出させると、ねじ６２の軸部の遊端部が、保持パイプ６０と接触する。これによって、保持パイプ６０の上下方向の移動が規制される。そのため、保持ユニット４６は、濃度調整タンク４７の上壁５３に移動不能に保持され、水分離器４５を上壁５３からぶら下がるように保持する。

一方、ねじ６２を嵌合部６３の径方向の外方に退避させると、ねじ６２の軸部の遊端部と保持パイプ６０との接触が解除される。これによって、保持パイプ６０の上下方向の移動が許容される。

また、空気供給ライン４１は、濃度調整タンク４７の上流側および下流側のそれぞれにおいて３つの分岐ライン７０に分岐されている。そして、濃度調整タンク４７よりも上流の各分岐ライン７０が、第１方向一方側の保持パイプ６０のそれぞれの上端部に、シール材（ガスケットなど）を介して、接続されており、濃度調整タンク４７よりも下流の各分岐ライン７０が、第１方向他方側の保持パイプ６０のそれぞれの上端部に、シール材（ガスケットなど）を介して、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が、後の液体燃料の濃度調整時に、適宜開閉される。

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。

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） ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻（アノード電極１１での反応）
（２） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（３） ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ （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（ＣＨ_３ＯＨ）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（ＣＯ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

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。

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（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路１８を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）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）。

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。

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） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極１１での反応）
（５） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極１６での反応）
（６） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ （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。

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。

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（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を通過して上流側の底部流通口２４から気液分離器２３に流入する。気液分離器２３では、水位が上部流通口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、気液分離器２３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、下流側の底部流通口２４から還流ライン３２に流出する。

還流ライン３２に流出する液体燃料（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に流入され、その濃度調整タンク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、再び燃料供給口１５から燃料供給路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（還流ライン３２、濃度調整タンク４７、燃料供給ライン３０、燃料排出ライン３１、気液分離器２３および燃料供給路１３）を循環する。なお、気液分離器２３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。
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、還流ライン３２、および、濃度調整タンク４７よりも下流側の燃料供給ライン３０を介して、燃料電池３に還流され、再利用される。

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。

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。

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、気液分離器２３を介して、濃度調整タンク４７に供給される。

このとき、濃度調整タンク４７内に配置される水分離器４５（中空糸膜）内には、図２Ａに示すように、濃度調整タンク４７よりも上流側の空気供給ライン４１を流れる空気が、第１方向一方側の保持パイプ６０および受部５９を介して供給されている。

そのため、水分離器４５（中空糸膜）内には空気が流れており、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）。

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、図１に示すように、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。

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。

一方、水分離器４５の外膜（水分離膜）を通過した水蒸気は、図２Ａに示すように、水分離器４５内において、空気と混合される。これにより、空気が加湿される。その後、加湿された空気は、第１方向他方側の保持パイプ６０および受部５９を介して、濃度調整タンク４７よりも下流側の空気供給ライン４１に排出される。その後、加湿された空気は、図１に示すように、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に供給されるとともに、カソード１０を透過して電解質層８を湿潤させる。

なお、上記の実施形態では、液体燃料に含まれる水分（排出液中の反応生成水）の量に応じて、使用される水分離器４５の数を決定することができる。すなわち、液体燃料に含まれる水分の量が多い場合には、より多く（例えば、全て）の水分離器４５を用い、また、液体燃料に含まれる水分の量が少ない場合には、その水分の量に応じて、水分離器４５の使用数を減少させることができる。

水分離器４５の使用数を減少させる方法は、特に制限されず、例えば、空気供給ライン４１の分岐ライン７０における水分離器４５の上流側に開閉弁を設け、それらを開閉させることなどによって、空気の流路を制限し、所望の水分離器４５（中空糸膜）内のみに、空気を通過させる方法などが挙げられる。
５．作用効果
このような燃料電池システム２では、濃度調整タンク４７において、液体燃料（排出液）に含まれる水分が、空気供給ライン４１に介在される水分離器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、このような燃料電池システム２によれば、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。

そして、保持ユニット４６が、図２Ａに示すように、濃度調整タンク４７内において、水分離器４５をぶら下げるように保持している。そのため、例え、濃度調整タンク４７に振動や衝撃が加わった場合や、濃度調整タンク４７が膨張または収縮した場合であっても、保持ユニット４６が、振動や衝撃、または濃度調整タンク４７の伸縮を吸収することができ、水分離器４５に応力がかかることを抑制できる。その結果、水分離器４５が破損してしまうことを抑制できる。

また、保持ユニット４６の保持パイプ６０は、上下方向に移動可能となるように、貫通口５７に挿通されている。そのため、保持ユニット４６が、振動や衝撃、または濃度調整タンク４７の伸縮を確実に吸収することができる。その結果、簡易な構成でありながら、水分離器４５が破損してしまうことを確実に抑制できる。

また、保持ユニット４６を上下方向に移動させることにより、濃度調整タンク４７において、水分離器４５を上下方向に移動させることができる。そのため、水分離器４５を、濃度調整タンク４７内において、所望する高さ（上下方向の位置）に容易に配置することができる。

しかるに、上記の燃料電池システム２においては、カソード電極１６では、式（２）および（５）として示したように、水が酸素と反応する。そのため、カソード電極１６での反応を円滑に進行させるためには、カソード電極１６に十分な水分が供給される必要がある。また、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。そのため、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。

この点、上記の燃料電池システム２では、液体燃料（排出液）から分離・回収された水分は、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。そのため、その水分をカソード電極１６に供給することができ、かつ、電解質層８を湿潤させることができる。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。

また、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。

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。

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。

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。

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。

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ライン３２に還流されるため、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
上記の実施形態では、水分離ユニット４８が、空気供給ライン４１に介在されるが、水分離ユニット４８の配置は特に制限されない。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、水分離ユニット４８が、第２空気供給ライン（図示せず）に介在される。そして、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、上記の実施形態では、水分離器４５が中空糸から形成されるが、これに限定されず、水分離器４５は、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。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。

また、上記の実施形態では、燃料電池システム２は、複数の水分離器４５を備えるが、水分離器４５の個数は、特に限定されず、１つ（単数）であってもよい。水分離器４５が１つである場合、濃度調整タンク４７は、１対の貫通口５７を有し、空気給排部５は、１つの水分離ユニット４８を備える。

また、上記の実施形態では、濃度調整タンク４７は、略ボックス形状に形成されるが、濃度調整タンク４７の形状は特に限定されない。濃度調整タンク４７は、例えば、両端部が閉鎖される略円筒形状に形成することもできる。

これらによっても、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。なお、これら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。

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
３２ 還流ライン
４５ 水分離器
４６ 保持ユニット
４７ 濃度調整タンク

Claims (1)

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、
   前記燃料排出経路から前記燃料供給経路へ排出液を輸送する還流経路と、
   前記燃料供給経路に介在されるとともに、前記還流経路に接続され、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配置される水分離手段であって、上下方向と直交する方向に延び、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、前記水分離手段をぶら下げるように保持する保持手段とを備えることを特徴とする、燃料電池システム。

Images