燃料電池システム
【課題】省スペース化および小型軽量化を図るとともに、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上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】燃料電池システム２が、液体燃料が供給および排出される燃料電池３と、液体燃料を、燃料電池３に供給および排出する燃料給排部４と、燃料給排部４に備えられ、燃料電池３に供給される液体燃料を霧化する霧化器５と、燃料電池３の発電量に応じて、霧化器５を制御する制御部６とを備え、制御部６は、相対的に発電量が低いときに、霧化器５を作動させ、相対的に発電量が高いときに、霧化器５を停止させる。
【解決手段】燃料電池システム２が、液体燃料が供給および排出される燃料電池３と、液体燃料を、燃料電池３に供給および排出する燃料給排部４と、燃料給排部４に備えられ、燃料電池３に供給される液体燃料を霧化する霧化器５と、燃料電池３の発電量に応じて、霧化器５を制御する制御部６とを備え、制御部６は、相対的に発電量が低いときに、霧化器５を作動させ、相対的に発電量が高いときに、霧化器５を停止させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、詳しくは、液体燃料が供給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、液体燃料を使用す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は、水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待されている。
【０００４】
液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、液体燃料が供給され、その液体燃料と接触して発電する単位セルを複数備える燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給ポンプと、燃料電池に空気を供給するためのエアコンプレッサとを備えている。
【０００５】
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。例えば、直接メタノール形燃料電池では、下記式（１）および（２）の通りとなる。
【０００６】
（１）ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ− （アノードでの反応）
（２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソードでの反応）
しかし、このような燃料電池システムでは、液体燃料の流路において、燃料電池（単位セル）に給排される液体燃料中などに、電流が生じるため、液体燃料の給排に伴って、系外に漏電電流を生じ、燃料電池の性能（エネルギー効率など）が低下するという不具合がある。
【０００７】
とりわけ、単位セル数が増加すると、各単位セル間において、漏電電流が生じ、より一層、燃料電池の性能（エネルギー効率など）が低下するという不具合がある。
【０００８】
一方、このような燃料電池は、発電時において液体燃料中に気泡を生じることが知られている。液体燃料中に気泡が生じれば、液体燃料の通電抵抗が増加するため、漏電電流を抑制することができる。しかし、このような燃料電池において、発電量が相対的に低い場合には、各単位セルにおける電圧が相対的に高く、気泡の発生が少ないため、漏電電流を抑制することができず、やはり、燃料電池の性能（エネルギー効率など）が低下するという不具合がある。
【０００９】
このような不具合を解決するため、例えば、横方向の長さが縦方向の長さよりも大きい、すなわち、横長の開口部が縦方向に並列に複数形成されたフレーム枠と、それら開口部に備えられるとともに両面に電極が配置される双極板とを備え、フレーム枠に、横長の開口部の上辺および下辺において、横方向に連続する溝を設けたレドックスフロー電池用セルフレームを備えたレドックスフロー電池が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
このようなレドックスフロー電池では、そのレドックスフロー電池用セルフレームに、開口部の横方向に沿って連続する溝、すなわち、横長の溝が形成され、その溝に電解液が流れる。つまり、このようなレドックスフロー電池では、電解液の流路が細長く形成されているので、通電抵抗が増加されており、これによって、流路における漏電電流が抑制され、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３３５１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかるに、このような燃料電池システムでは、上記したように、液体燃料の流路が細長く形成されるため、燃料電池システムが大型化するという不具合がある。
【００１３】
とりわけ、このような燃料電池システムを、車両などの制限されたスペースに配置する場合には、燃料電池システムを大型化することができず、液体燃料の流路を細長くできないため、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができないという不具合がある。
【００１４】
本発明の目的は、省スペース化および小型軽量化を図るとともに、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上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】
【００１５】
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、液体燃料が供給および排出される燃料電池と、前記液体燃料を、前記燃料電池に供給および排出する燃料給排部と、前記燃料給排部に備えられ、前記燃料電池に供給される前記液体燃料を霧化する霧化手段と、前記燃料電池の発電量に応じて、前記霧化手段を制御する制御部とを備え、前記制御部は、相対的に発電量が低いときに、前記霧化手段を作動させ、相対的に発電量が高いときに、前記霧化手段を停止させることを特徴としている。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電量が相対的に低いときに、液体燃料が霧化され、燃料電池に供給される。
【００１７】
霧化された液体燃料を燃料電池に供給すると、流路における液体燃料の密度を低減できるため、流路を細長くすることなく、液体燃料の通電抵抗を増加させることができ、その結果、流路における漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００１８】
また、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、燃料電池の電圧が相対的に高く、液体燃料中に生じる気泡が少ないので、通常、多くの漏電電流を生じるが、このような燃料電池システムによれば、液体燃料が霧化されているので、漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００１９】
一方、液体燃料が霧化されていると、液体燃料の供給量に劣り、燃料電池が高電流を発電することができない場合があるが、この燃料電池システムでは、燃料電池の発電量が相対的に高いときには、液体燃料が霧化されることなく、燃料電池に供給されるので、液体燃料の供給量を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、霧化された液体燃料が燃料電池に供給され、流路における液体燃料の密度が低減される。
【００２１】
そのため、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、流路を細長くすることなく、液体燃料の通電抵抗を増加させることができ、流路における漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００２２】
また、このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電量が相対的に低いとき、すなわち、液体燃料中に生じる気泡が少ない場合にも、漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００２３】
一方、燃料電池の発電量が相対的に高いときには、液体燃料が霧化されることなく、燃料電池に供給される。
【００２４】
そのため、燃料電池の発電量が相対的に高いときには、流路における液体燃料の密度が低減されないので、その高電流を発電するために十分な量の液体燃料を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理を表わすフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．燃料電池システムの全体構成
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。
【００２７】
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、燃料電池システムとしての、燃料電池システム２を搭載している。
【００２８】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、図示しない空気給排部と、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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、燃料電池３の出力電圧は、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流は、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。
【００３１】
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の前後方向最前端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。
【００３２】
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。
【００３３】
アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、液体燃料を燃料電池３に供給および排出するために設けられており、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の燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９の燃料供給路１３）に還流するための循環管２２とを備えている。
【００４３】
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、具体的には、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されている。
【００４４】
循環管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）を介して燃料排出口１４に接続されている。これにより、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１４（上側）から排出される液体燃料が、循環管２２を介して燃料供給口１５（下側）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。
【００４５】
循環管２２の途中には、気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部底壁には、気液分離器２３の下部の内外を流通させる底部流通口２４が１つ形成されている。
【００４６】
また、気液分離器２３の中部側壁には、気液分離器２３の中部の内外を流通させる側部流通口３２が２つ形成されている。なお、以下において、２つの側部流通口３２を区別する必要がある場合には、上流側の側部流通口３２を上流側側部流通口３２ａとし、下流側の側部流通口３２を下流側側部流通口３２ｂとする。
【００４７】
また、気液分離器２３の上部上壁には、気液分離器２３の上部内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４８】
気液分離器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の上下方向上方において、上流側側部流通口３２ａおよび底部流通口２４が循環管２２に接続されることにより、循環管２２に介装されている。
【００４９】
底部流通口２４および上流側側部流通口３２ａと、循環管２２とは、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、気液分離器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。
【００５０】
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４２（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４２（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４２（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００５２】
循環管２２において、気液分離器２３と燃料供給口１５との間には、第１弁３１が介在されている。
【００５３】
第１弁３１は、循環管２２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、第１弁３１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、第１弁３１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、第１弁３１の開閉を制御する。
【００５４】
循環管２２において、第１弁３１の下流側、具体的には、第１弁３１と燃料電池３との間には、燃料循環ポンプ２９が介在されている。
【００５５】
燃料循環ポンプ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。燃料循環ポンプ２９は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料循環ポンプ２９に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料循環ポンプ２９の駆動および停止を制御する。
【００５６】
そして、燃料給排部４の循環管２２において、燃料循環ポンプ２９と燃料供給口１５との間には、燃料電池３に供給される液体燃料を霧化する霧化手段としての霧化器５が、介在されている。
【００５７】
霧化器５としては、例えば、超音波霧化装置、噴霧装置など、公知の霧化装置が用いられ、好ましくは、超音波霧化装置が用いられる。霧化器５は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、霧化器５に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、霧化器５を制御する。
【００５８】
また、このような燃料給排部４は、気液分離器２３の下流側に、さらに、副循環管３３を備えている。
【００５９】
副循環管３３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の下流側側部流通口３２ｂ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、循環管２２における第１弁３１と燃料循環ポンプ２９との間に接続されている。これにより、気液分離器２３と霧化器５との間には、バイパスラインが形成される。
【００６０】
また、副循環管３３には、第２弁３４が介在されている。
【００６１】
第２弁３４は、副循環管３３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、第２弁３４は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、第２弁３４に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、第２弁３４の開閉を制御する。
【００６２】
さらに、循環管２２において、燃料循環ポンプ２９と霧化器５との間には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を循環管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。つまり、燃料供給管３０の上流側端部は、燃料タンク２１と、シール材（ガスケットなど）を介して接続され、燃料供給管３０の下流側端部は、循環管２２の流れ方向途中と、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００６３】
燃料供給管３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ４１が介在されている。
【００６４】
燃料供給ポンプ４１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。燃料供給ポンプ４１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ４１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止を制御する。
【００６５】
燃料供給管３０において燃料供給ポンプ４１の下流側には、燃料供給弁３５が設けられている。
【００６６】
燃料供給弁３５は、燃料供給管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３５は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３５に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給弁３５の開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）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（図示せず）とを備えている。
【００６７】
空気供給管（図示せず）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。空気供給管（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。
【００６８】
これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。
【００６９】
空気排出管（図示せず）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４２を備えている。
【００７０】
コントロールユニット４２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。
【００７１】
制御部６では、詳しくは後述するが、相対的に燃料電池３の発電量が低いときに、霧化器５を作動させ、相対的に燃料電池３の発電量が高いときに、霧化器５を停止させる。
【００７２】
さらに、制御部６では、例えば、燃料循環ポンプ２９、燃料供給ポンプ４１、空気供給ポンプ（図示せず）などの駆動および停止や、第１弁３１、第２弁３４、燃料供給弁３５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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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４２の制御により、燃料供給弁３５が開かれ、第１弁３１または第２弁３４が選択的に開かれ、燃料循環ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１が駆動されることにより、液体燃料が燃料供給管３０および循環管２２を介してアノード９に供給される。
【００７９】
このとき、詳しくは後述するように、コントロールユニット４２の制御により、相対的に燃料電池３の発電量が低いときには、霧化器５が作動され、液体燃料が霧化され、これにより霧化された霧状の液体燃料が、アノード９に供給される。一方、相対的に燃料電池３の発電量が高いときには、霧化器５が停止され、液体燃料は霧化されることなく、アノード９に供給される。
【００８０】
また、その一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３５は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００８１】
アノード９では、霧状または非霧状の液体燃料が、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。
【００８２】
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）。
【００８３】
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。
【００８４】
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）。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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４０では、その電力が充電される。
【００８８】
また、燃料給排部４では、燃料循環ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１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が、循環管２２を通過して上流側側部流通口３２ａから気液分離器２３に流入する。
【００８９】
気液分離器２３では、水位（非霧状の液体燃料の水位）が上部流通口２５および下流側側部流通口３２ｂ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）、および、霧状の液体燃料が、液溜まり３９の上方空間へ分離される。
【００９０】
このとき、気液分離器２３に流入する液体燃料が霧状である場合には、その液体燃料は、下流側側部流通口３２ｂから、副循環管３３に流出する。副循環管３３に流出する液体燃料は、循環管２２に流入し、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【００９１】
その一方で、気液分離器２３に流入する液体燃料が霧状でない場合には、その液体燃料（液溜まり３９の一部）が、底部流通口２４から循環管２２に流出する。循環管２２に流出する液体燃料は、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【００９２】
このようにして、霧状および非霧状の液体燃料が、クローズドラインおよびバイパスライン（副循環管３３、循環管２２、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。
【００９３】
以下において、このような霧状および非霧状の液体燃料を循環させる制御モードについて、詳細に説明する。
３．液体燃料循環制御モードによる制御処理
図２は、図１のコントロールユニット４２において実行される制御処理を表わすフロー図である。
【００９４】
この処理は、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。処理がスタートされると、まず、霧化器５が作動され、第１弁３１が閉鎖されるとともに、第２弁３４が開放される（ステップＳ１）。
【００９５】
これにより、液体燃料が、燃料供給管３０および循環管２２を介して、霧化器５に供給されるとともに、霧化器５において霧化され、得られた霧状の液体燃料が、アノード９に供給される。一方、上記したように、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。これにより、燃料電池３において、起電力が発生する。
【００９６】
次いで、コントロールユニット４２では、燃料電池３における発電量を算出する（ステップＳ２）。
【００９７】
次いで、コントロールユニット４２では、ステップＳ２において算出された燃料電池３の発電量が、相対的に低いか、または、相対的に高いかが判別される（ステップＳ３）。
【００９８】
具体的には、コントロールユニット４２では、燃料電池３の発電量、より具体的には、電流密度が所定量（例えば、０．３Ａ／ｃｍ２）を超過するかが検出される。
【００９９】
そして、燃料電池３の電流密度が所定量（例えば、０．３Ａ／ｃｍ２）を超過しないことが検出される場合（ステップＳ３のＮＯ）、すなわち、相対的に燃料電池３の発電量が低いときには、ステップＳ１に戻る。つまり、コントロールユニット４２により霧化器５が作動され、また、第２弁３４が開放されるとともに、第１弁３１が閉鎖された状態において、燃料電池３の運転が継続される。
【０１００】
このとき、アノード９から霧状の液体燃料が排出され、その霧状の液体燃料が、気液分離器２３に流入するとともに、下流側側部流通口３２ｂから副循環管３３に流入し、循環管２２を介して、再度、アノード９に供給される。また、燃料供給管３０から追加して供給される液体燃料は、霧化器５により霧化されて、アノード９に供給される。
【０１０１】
一方、燃料電池３の電流密度が所定量（例えば、０．３Ａ／ｃｍ２）を超過することが検出される場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、すなわち、相対的に燃料電池３の発電量が高いときには、コントロールユニット４２により霧化器５が停止され、第１弁３１が開放されるとともに、第２弁３４が閉鎖される（ステップＳ４）。
【０１０２】
このとき、気液分離器２３内の非霧状の液体燃料（液溜まり３９の一部）が、底部流通口２４から循環管２２に流出する。循環管２２に流出する液体燃料は、霧化器５により霧化されることなく、アノード９に供給され、また、アノード９から気液分離器２３に排出される。また、燃料供給管３０から追加して供給される液体燃料は、霧化器５により霧化されることなく、非霧状として、アノード９に供給される。
【０１０３】
その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に連続的に実行される。
４．作用効果
上記のような燃料電池システム２によれば、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、霧化された液体燃料が燃料電池３に供給され、流路（具体的には、循環管２２および副循環管３３）における液体燃料の密度が低減される。
【０１０４】
そのため、燃料電池３の発電量が相対的に低いときには、流路を細長くすることなく、液体燃料の通電抵抗を増加させることができ、流路（具体的には、循環管２２および副循環管３３）における漏電電流を抑制し、燃料電池３の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【０１０５】
また、このような燃料電池システム２によれば、燃料電池３の発電量が相対的に低いとき、すなわち、液体燃料中に生じる気泡が少ない場合にも、漏電電流を抑制し、燃料電池３の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【０１０６】
一方、燃料電池３の発電量が相対的に高いときには、液体燃料が霧化されることなく、燃料電池３に供給される。
【０１０７】
そのため、燃料電池３の発電量が相対的に高いときには、流路（具体的には、循環管２２）における液体燃料の密度が低減されないので、その高電流を発電するために十分な量の液体燃料を供給することができる。
【０１０８】
なお、上記した説明では、燃料電池３の発電量が相対的に低いか、または、相対的に高いかをコントロールユニット４２により判別したが、判別方法としては、これに限定されず、例えば、燃料電池３の運転時間や、燃料循環ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１の回転数など、種々の要素から燃料電池３の発電量が相対的に低いか、または、相対的に高いかを推定および判別することもできる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 電動車両
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
４ 燃料給排部
５ 霧化器
６ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、詳しくは、液体燃料が供給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、液体燃料を使用す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は、水素ガスを生成するための改質器を必要としないので、システムとしての構造の簡略化が期待されている。
【０００４】
液体燃料形燃料電池が備えられる燃料電池システムは、液体燃料が供給され、その液体燃料と接触して発電する単位セルを複数備える燃料電池と、燃料電池に液体燃料を供給するための燃料供給ポンプと、燃料電池に空気を供給するためのエアコンプレッサとを備えている。
【０００５】
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。例えば、直接メタノール形燃料電池では、下記式（１）および（２）の通りとなる。
【０００６】
（１）ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ− （アノードでの反応）
（２）Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− （カソードでの反応）
しかし、このような燃料電池システムでは、液体燃料の流路において、燃料電池（単位セル）に給排される液体燃料中などに、電流が生じるため、液体燃料の給排に伴って、系外に漏電電流を生じ、燃料電池の性能（エネルギー効率など）が低下するという不具合がある。
【０００７】
とりわけ、単位セル数が増加すると、各単位セル間において、漏電電流が生じ、より一層、燃料電池の性能（エネルギー効率など）が低下するという不具合がある。
【０００８】
一方、このような燃料電池は、発電時において液体燃料中に気泡を生じることが知られている。液体燃料中に気泡が生じれば、液体燃料の通電抵抗が増加するため、漏電電流を抑制することができる。しかし、このような燃料電池において、発電量が相対的に低い場合には、各単位セルにおける電圧が相対的に高く、気泡の発生が少ないため、漏電電流を抑制することができず、やはり、燃料電池の性能（エネルギー効率など）が低下するという不具合がある。
【０００９】
このような不具合を解決するため、例えば、横方向の長さが縦方向の長さよりも大きい、すなわち、横長の開口部が縦方向に並列に複数形成されたフレーム枠と、それら開口部に備えられるとともに両面に電極が配置される双極板とを備え、フレーム枠に、横長の開口部の上辺および下辺において、横方向に連続する溝を設けたレドックスフロー電池用セルフレームを備えたレドックスフロー電池が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
このようなレドックスフロー電池では、そのレドックスフロー電池用セルフレームに、開口部の横方向に沿って連続する溝、すなわち、横長の溝が形成され、その溝に電解液が流れる。つまり、このようなレドックスフロー電池では、電解液の流路が細長く形成されているので、通電抵抗が増加されており、これによって、流路における漏電電流が抑制され、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３３５１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかるに、このような燃料電池システムでは、上記したように、液体燃料の流路が細長く形成されるため、燃料電池システムが大型化するという不具合がある。
【００１３】
とりわけ、このような燃料電池システムを、車両などの制限されたスペースに配置する場合には、燃料電池システムを大型化することができず、液体燃料の流路を細長くできないため、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができないという不具合がある。
【００１４】
本発明の目的は、省スペース化および小型軽量化を図るとともに、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上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】
【００１５】
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、液体燃料が供給および排出される燃料電池と、前記液体燃料を、前記燃料電池に供給および排出する燃料給排部と、前記燃料給排部に備えられ、前記燃料電池に供給される前記液体燃料を霧化する霧化手段と、前記燃料電池の発電量に応じて、前記霧化手段を制御する制御部とを備え、前記制御部は、相対的に発電量が低いときに、前記霧化手段を作動させ、相対的に発電量が高いときに、前記霧化手段を停止させることを特徴としている。
【００１６】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電量が相対的に低いときに、液体燃料が霧化され、燃料電池に供給される。
【００１７】
霧化された液体燃料を燃料電池に供給すると、流路における液体燃料の密度を低減できるため、流路を細長くすることなく、液体燃料の通電抵抗を増加させることができ、その結果、流路における漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００１８】
また、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、燃料電池の電圧が相対的に高く、液体燃料中に生じる気泡が少ないので、通常、多くの漏電電流を生じるが、このような燃料電池システムによれば、液体燃料が霧化されているので、漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００１９】
一方、液体燃料が霧化されていると、液体燃料の供給量に劣り、燃料電池が高電流を発電することができない場合があるが、この燃料電池システムでは、燃料電池の発電量が相対的に高いときには、液体燃料が霧化されることなく、燃料電池に供給されるので、液体燃料の供給量を十分に確保することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、霧化された液体燃料が燃料電池に供給され、流路における液体燃料の密度が低減される。
【００２１】
そのため、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、流路を細長くすることなく、液体燃料の通電抵抗を増加させることができ、流路における漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００２２】
また、このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電量が相対的に低いとき、すなわち、液体燃料中に生じる気泡が少ない場合にも、漏電電流を抑制し、燃料電池の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【００２３】
一方、燃料電池の発電量が相対的に高いときには、液体燃料が霧化されることなく、燃料電池に供給される。
【００２４】
そのため、燃料電池の発電量が相対的に高いときには、流路における液体燃料の密度が低減されないので、その高電流を発電するために十分な量の液体燃料を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】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１のコントロールユニットにおいて実行される制御処理を表わすフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
１．燃料電池システムの全体構成
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。
【００２７】
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、燃料電池システムとしての、燃料電池システム２を搭載している。
【００２８】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、図示しない空気給排部と、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。
【００２９】
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。
【００３０】
また、燃料電池３の出力電圧は、例えば、０．２〜１．５Ｖであり、出力電流は、例えば、１０〜４００Ａである。なお、これら出力は、単位セル２８（後述）１つあたりの出力である。
【００３１】
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の前後方向最前端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。
【００３２】
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。
【００３３】
アノード９は、燃料側電極としてのアノード電極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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
カソード１０は、酸素側電極としてのカソード電極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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、液体燃料を燃料電池３に供給および排出するために設けられており、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の燃料供給路１３）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９の燃料供給路１３）に還流するための循環管２２とを備えている。
【００４３】
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、具体的には、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されている。
【００４４】
循環管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）を介して燃料排出口１４に接続されている。これにより、燃料電池３と燃料給排部４との間には、燃料排出口１４（上側）から排出される液体燃料が、循環管２２を介して燃料供給口１５（下側）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。
【００４５】
循環管２２の途中には、気液分離器２３が介在されている。気液分離器２３は、例えば、中空の容器からなり、その下部底壁には、気液分離器２３の下部の内外を流通させる底部流通口２４が１つ形成されている。
【００４６】
また、気液分離器２３の中部側壁には、気液分離器２３の中部の内外を流通させる側部流通口３２が２つ形成されている。なお、以下において、２つの側部流通口３２を区別する必要がある場合には、上流側の側部流通口３２を上流側側部流通口３２ａとし、下流側の側部流通口３２を下流側側部流通口３２ｂとする。
【００４７】
また、気液分離器２３の上部上壁には、気液分離器２３の上部内外を流通させる上部流通口２５が１つ形成されている。
【００４８】
気液分離器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の上下方向上方において、上流側側部流通口３２ａおよび底部流通口２４が循環管２２に接続されることにより、循環管２２に介装されている。
【００４９】
底部流通口２４および上流側側部流通口３２ａと、循環管２２とは、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、気液分離器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。
【００５０】
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４２（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４２（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４２（後述）が、ガス排出弁２７の開閉を制御する。
【００５２】
循環管２２において、気液分離器２３と燃料供給口１５との間には、第１弁３１が介在されている。
【００５３】
第１弁３１は、循環管２２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、第１弁３１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、第１弁３１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、第１弁３１の開閉を制御する。
【００５４】
循環管２２において、第１弁３１の下流側、具体的には、第１弁３１と燃料電池３との間には、燃料循環ポンプ２９が介在されている。
【００５５】
燃料循環ポンプ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。燃料循環ポンプ２９は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料循環ポンプ２９に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料循環ポンプ２９の駆動および停止を制御する。
【００５６】
そして、燃料給排部４の循環管２２において、燃料循環ポンプ２９と燃料供給口１５との間には、燃料電池３に供給される液体燃料を霧化する霧化手段としての霧化器５が、介在されている。
【００５７】
霧化器５としては、例えば、超音波霧化装置、噴霧装置など、公知の霧化装置が用いられ、好ましくは、超音波霧化装置が用いられる。霧化器５は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、霧化器５に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、霧化器５を制御する。
【００５８】
また、このような燃料給排部４は、気液分離器２３の下流側に、さらに、副循環管３３を備えている。
【００５９】
副循環管３３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の下流側側部流通口３２ｂ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、循環管２２における第１弁３１と燃料循環ポンプ２９との間に接続されている。これにより、気液分離器２３と霧化器５との間には、バイパスラインが形成される。
【００６０】
また、副循環管３３には、第２弁３４が介在されている。
【００６１】
第２弁３４は、副循環管３３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、第２弁３４は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、第２弁３４に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、第２弁３４の開閉を制御する。
【００６２】
さらに、循環管２２において、燃料循環ポンプ２９と霧化器５との間には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を循環管２２へ供給するための燃料供給管３０が接続されている。つまり、燃料供給管３０の上流側端部は、燃料タンク２１と、シール材（ガスケットなど）を介して接続され、燃料供給管３０の下流側端部は、循環管２２の流れ方向途中と、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００６３】
燃料供給管３０の流れ方向途中には、燃料供給ポンプ４１が介在されている。
【００６４】
燃料供給ポンプ４１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。燃料供給ポンプ４１は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給ポンプ４１に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給ポンプ４１の駆動および停止を制御する。
【００６５】
燃料供給管３０において燃料供給ポンプ４１の下流側には、燃料供給弁３５が設けられている。
【００６６】
燃料供給弁３５は、燃料供給管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３５は、コントロールユニット４２（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４２（後述）からの制御信号が、燃料供給弁３５に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、燃料供給弁３５の開閉を制御する。
（３）空気給排部
空気給排部は、詳しくは図示しないが、燃料電池システム２に採用される公知の構成でよく、具体的には、空気をカソード１０に供給するための空気供給管（図示せず）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（図示せず）とを備えている。
【００６７】
空気供給管（図示せず）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。空気供給管（図示せず）の途中には、エアコンプレッサなどの公知の空気供給ポンプ（図示せず）が介在されており、また、その下流側には、空気供給弁（図示せず）が設けられている。
【００６８】
これら空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）は、それぞれ、コントロールユニット４２（後述）に電気的に接続されており、コントロールユニット４２（後述）からの制御信号が、空気供給ポンプ（図示せず）および空気供給弁（図示せず）に入力され、コントロールユニット４２（後述）が、空気供給ポンプ（図示せず）の駆動および停止を制御、および、空気供給弁（図示せず）の開閉を制御する。
【００６９】
空気排出管（図示せず）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４２を備えている。
【００７０】
コントロールユニット４２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。
【００７１】
制御部６では、詳しくは後述するが、相対的に燃料電池３の発電量が低いときに、霧化器５を作動させ、相対的に燃料電池３の発電量が高いときに、霧化器５を停止させる。
【００７２】
さらに、制御部６では、例えば、燃料循環ポンプ２９、燃料供給ポンプ４１、空気供給ポンプ（図示せず）などの駆動および停止や、第１弁３１、第２弁３４、燃料供給弁３５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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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４２の制御により、燃料供給弁３５が開かれ、第１弁３１または第２弁３４が選択的に開かれ、燃料循環ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１が駆動されることにより、液体燃料が燃料供給管３０および循環管２２を介してアノード９に供給される。
【００７９】
このとき、詳しくは後述するように、コントロールユニット４２の制御により、相対的に燃料電池３の発電量が低いときには、霧化器５が作動され、液体燃料が霧化され、これにより霧化された霧状の液体燃料が、アノード９に供給される。一方、相対的に燃料電池３の発電量が高いときには、霧化器５が停止され、液体燃料は霧化されることなく、アノード９に供給される。
【００８０】
また、その一方、空気供給弁（図示せず）が開かれ、空気供給ポンプ（図示せず）が駆動されることにより、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。なお、燃料供給弁３５は、液体燃料が所定量供給された後に閉じられる。
【００８１】
アノード９では、霧状または非霧状の液体燃料が、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。
【００８２】
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）。
【００８３】
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。
【００８４】
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）。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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４０では、その電力が充電される。
【００８８】
また、燃料給排部４では、燃料循環ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１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が、循環管２２を通過して上流側側部流通口３２ａから気液分離器２３に流入する。
【００８９】
気液分離器２３では、水位（非霧状の液体燃料の水位）が上部流通口２５および下流側側部流通口３２ｂ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）、および、霧状の液体燃料が、液溜まり３９の上方空間へ分離される。
【００９０】
このとき、気液分離器２３に流入する液体燃料が霧状である場合には、その液体燃料は、下流側側部流通口３２ｂから、副循環管３３に流出する。副循環管３３に流出する液体燃料は、循環管２２に流入し、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【００９１】
その一方で、気液分離器２３に流入する液体燃料が霧状でない場合には、その液体燃料（液溜まり３９の一部）が、底部流通口２４から循環管２２に流出する。循環管２２に流出する液体燃料は、再び燃料供給口１５から燃料供給路１３に流入する。
【００９２】
このようにして、霧状および非霧状の液体燃料が、クローズドラインおよびバイパスライン（副循環管３３、循環管２２、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。
【００９３】
以下において、このような霧状および非霧状の液体燃料を循環させる制御モードについて、詳細に説明する。
３．液体燃料循環制御モードによる制御処理
図２は、図１のコントロールユニット４２において実行される制御処理を表わすフロー図である。
【００９４】
この処理は、燃料電池３の運転開始をトリガーとしてスタートされる。処理がスタートされると、まず、霧化器５が作動され、第１弁３１が閉鎖されるとともに、第２弁３４が開放される（ステップＳ１）。
【００９５】
これにより、液体燃料が、燃料供給管３０および循環管２２を介して、霧化器５に供給されるとともに、霧化器５において霧化され、得られた霧状の液体燃料が、アノード９に供給される。一方、上記したように、空気が空気供給管（図示せず）を介してカソード１０に供給される。これにより、燃料電池３において、起電力が発生する。
【００９６】
次いで、コントロールユニット４２では、燃料電池３における発電量を算出する（ステップＳ２）。
【００９７】
次いで、コントロールユニット４２では、ステップＳ２において算出された燃料電池３の発電量が、相対的に低いか、または、相対的に高いかが判別される（ステップＳ３）。
【００９８】
具体的には、コントロールユニット４２では、燃料電池３の発電量、より具体的には、電流密度が所定量（例えば、０．３Ａ／ｃｍ２）を超過するかが検出される。
【００９９】
そして、燃料電池３の電流密度が所定量（例えば、０．３Ａ／ｃｍ２）を超過しないことが検出される場合（ステップＳ３のＮＯ）、すなわち、相対的に燃料電池３の発電量が低いときには、ステップＳ１に戻る。つまり、コントロールユニット４２により霧化器５が作動され、また、第２弁３４が開放されるとともに、第１弁３１が閉鎖された状態において、燃料電池３の運転が継続される。
【０１００】
このとき、アノード９から霧状の液体燃料が排出され、その霧状の液体燃料が、気液分離器２３に流入するとともに、下流側側部流通口３２ｂから副循環管３３に流入し、循環管２２を介して、再度、アノード９に供給される。また、燃料供給管３０から追加して供給される液体燃料は、霧化器５により霧化されて、アノード９に供給される。
【０１０１】
一方、燃料電池３の電流密度が所定量（例えば、０．３Ａ／ｃｍ２）を超過することが検出される場合（ステップＳ３のＹＥＳ）、すなわち、相対的に燃料電池３の発電量が高いときには、コントロールユニット４２により霧化器５が停止され、第１弁３１が開放されるとともに、第２弁３４が閉鎖される（ステップＳ４）。
【０１０２】
このとき、気液分離器２３内の非霧状の液体燃料（液溜まり３９の一部）が、底部流通口２４から循環管２２に流出する。循環管２２に流出する液体燃料は、霧化器５により霧化されることなく、アノード９に供給され、また、アノード９から気液分離器２３に排出される。また、燃料供給管３０から追加して供給される液体燃料は、霧化器５により霧化されることなく、非霧状として、アノード９に供給される。
【０１０３】
その後は、上記と同様の制御処理が、燃料電池３の定常運転中に連続的に実行される。
４．作用効果
上記のような燃料電池システム２によれば、燃料電池の発電量が相対的に低いときには、霧化された液体燃料が燃料電池３に供給され、流路（具体的には、循環管２２および副循環管３３）における液体燃料の密度が低減される。
【０１０４】
そのため、燃料電池３の発電量が相対的に低いときには、流路を細長くすることなく、液体燃料の通電抵抗を増加させることができ、流路（具体的には、循環管２２および副循環管３３）における漏電電流を抑制し、燃料電池３の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【０１０５】
また、このような燃料電池システム２によれば、燃料電池３の発電量が相対的に低いとき、すなわち、液体燃料中に生じる気泡が少ない場合にも、漏電電流を抑制し、燃料電池３の性能（エネルギー効率など）の向上を図ることができる。
【０１０６】
一方、燃料電池３の発電量が相対的に高いときには、液体燃料が霧化されることなく、燃料電池３に供給される。
【０１０７】
そのため、燃料電池３の発電量が相対的に高いときには、流路（具体的には、循環管２２）における液体燃料の密度が低減されないので、その高電流を発電するために十分な量の液体燃料を供給することができる。
【０１０８】
なお、上記した説明では、燃料電池３の発電量が相対的に低いか、または、相対的に高いかをコントロールユニット４２により判別したが、判別方法としては、これに限定されず、例えば、燃料電池３の運転時間や、燃料循環ポンプ２９および燃料供給ポンプ４１の回転数など、種々の要素から燃料電池３の発電量が相対的に低いか、または、相対的に高いかを推定および判別することもできる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 電動車両
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
４ 燃料給排部
５ 霧化器
６ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給および排出される燃料電池と、
前記液体燃料を、前記燃料電池に供給および排出する燃料給排部と、
前記燃料給排部に備えられ、前記燃料電池に供給される前記液体燃料を霧化する霧化手段と、
前記燃料電池の発電量に応じて、前記霧化手段を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
相対的に発電量が低いときに、前記霧化手段を作動させ、
相対的に発電量が高いときに、前記霧化手段を停止させること
を特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１】
液体燃料が供給および排出される燃料電池と、
前記液体燃料を、前記燃料電池に供給および排出する燃料給排部と、
前記燃料給排部に備えられ、前記燃料電池に供給される前記液体燃料を霧化する霧化手段と、
前記燃料電池の発電量に応じて、前記霧化手段を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
相対的に発電量が低いときに、前記霧化手段を作動させ、
相対的に発電量が高いときに、前記霧化手段を停止させること
を特徴とする、燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１７８２６０（Ｐ２０１２−１７８２６０Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４０２０１（Ｐ２０１１−４０２０１）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
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