JP6510339B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a fuel cell system provided with a fuel cell mounted on a vehicle or the like.

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。   Conventionally, as a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, for example, a fuel cell system provided with a direct methanol fuel cell, a direct dimethyl ether fuel cell, a hydrazine fuel cell and the like is known.

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。   In a fuel cell system provided with a liquid fuel cell, a plurality of unit cells each having a membrane electrode assembly (MEA) obtained by pressure bonding an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxygen electrode are generally stacked. It comprises a fuel cell formed, a fuel supply means for supplying liquid fuel to the fuel cell, and an air supply means for supplying air to the fuel cell.

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。   In such a system, while the liquid fuel is supplied to the anode of the fuel cell and the air is supplied to the cathode of the fuel cell, an electrochemical reaction occurs to generate an electromotive force.

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。   On the other hand, in such a fuel cell system, on the anode side, the liquid fuel and hydroxide ions react, and on the cathode side, the fuel cell is generated by the reaction between oxygen and water.

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。）。   Therefore, for example, in a fuel cell system, it has been proposed to provide a humidifying unit for humidifying the oxidant gas (air) supplied to the cathode, and to supply moisture to the cathode together with air (for example, see Patent Document 1). ).

特開２００４−２２０８４４号公報JP 2004-220844 A

しかるに、特許文献１に記載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。   However, in the fuel cell system described in Patent Document 1, the water is separated from the air discharged from the cathode side, stored in the cathode drain tank, the water stored in the cathode drain tank is supplied to the humidifier, and the heater is The air is heated by a method such as to humidify the air supplied to the fuel cell.

そのため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、排出される空気から水分を分離して貯留し、さらに、その水分を加湿器に供給する必要があり、その構成が複雑である。   Therefore, in the fuel cell system described in Patent Document 1, it is necessary to separate and store moisture from the air to be discharged, and further, it is necessary to supply the moisture to the humidifier, and the configuration is complicated.

そこで、本発明の目的は、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池に供給される空気を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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently humidifying air supplied to a fuel cell while simplifying the configuration.

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可能な空気供給経路と、空気供給経路に介在され、空気を加湿する加湿手段と、燃料電池から排出される空気を循環させ、燃料電池に対して再度供給可能な空気循環経路と、空気供給経路と空気循環経路とを切り替える切替手段とを備えている。   The fuel cell system according to the present invention comprises a fuel cell that generates electricity by consuming liquid fuel and oxygen, an air supply path capable of supplying air to the fuel cell, and a humidifying unit interposed in the air supply path to humidify air. And a circulating means for circulating air discharged from the fuel cell, and capable of resupplying the fuel cell with the air, and switching means for switching between the air supply path and the air circulating path.

このような燃料電池システムでは、空気供給経路から、加湿手段により加湿された空気を燃料電池に供給することができる。   In such a fuel cell system, the air humidified by the humidifying unit can be supplied to the fuel cell from the air supply path.

また、燃料電池に供給された空気には、燃料電池の通過中において、液体燃料が含まれ、その液体燃料が含まれた空気が空気循環経路に排出される。これにより、空気循環経路から、液体燃料によって加湿された空気を燃料電池に再度供給することができる。   Further, the air supplied to the fuel cell contains a liquid fuel during the passage of the fuel cell, and the air containing the liquid fuel is discharged to the air circulation path. Thus, air humidified by liquid fuel can be supplied again to the fuel cell from the air circulation path.

そして、燃料電池の発電状態に応じて、切替手段によって、空気供給経路と、空気循環経路とを切り替えることができる。   The switching means can switch between the air supply path and the air circulation path according to the power generation state of the fuel cell.

その結果、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池に供給される空気を加湿することができる。   As a result, while the configuration can be simplified, the air supplied to the fuel cell can be efficiently humidified.

本発明の燃料電池システムによれば、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池に供給される空気を加湿することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the air supplied to the fuel cell can be efficiently humidified while the configuration can be simplified.

図１は、本発明の第１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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図２は、本発明の第２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。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.

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。 1. General Configuration of Fuel Cell System In FIG. 1, an electric vehicle 1 is a hybrid vehicle that selectively uses a fuel cell and a battery as a power source, and is equipped with a fuel cell system 2.

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、脱水加湿部５０と、排気循環部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。 The fuel cell system 2 includes a fuel cell 3, a fuel supply and discharge unit 4, an air supply and discharge unit 5, a dewatering and humidifying unit 50, an exhaust circulation unit 60, a control unit 6, and a power unit 7. .
(1) Fuel Cell The fuel cell 3 is, for example, an anion exchange fuel cell or a cation exchange fuel cell to which liquid fuel is directly supplied and discharged, and is disposed below the center of the electric vehicle 1.

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。   Examples of liquid fuel supplied to the fuel cell 3 and discharged from the fuel cell 3 include methanol, dimethyl ether, hydrazine (eg, anhydrous hydrazine, hydrazine hydrate such as hydrazine monohydrate, etc.), etc. Can be mentioned.

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。   In the following, the liquid fuel supplied to the fuel cell 3 is the feed liquid, while the liquid fuel discharged from the fuel cell 3 (the reaction product of the liquid fuel supplied to the fuel cell 3 (such as nitrogen gas) and the reaction Distinguish them as effluents).

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。   The fuel cell 3 includes a unit cell 28 (fuel cell) including an electrolyte layer 8, an anode 9 disposed on one side of the electrolyte layer 8, and a cathode 10 disposed on the other side of the electrolyte layer 8. A plurality of stacked layers (not shown) are formed to form a stacked structure. That is, a plurality of unit cells 28 in which the anodes 9 and the cathodes 10 face each other via the electrolyte layer 8 are stacked. In FIG. 1, among the plurality of unit cells 28 stacked, only the unit cell 28 disposed in the middle of the back and forth direction of the electric vehicle 1 is enlarged, and the other unit cells 28 are simplified and described. ing.

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。   The electrolyte layer 8 is, for example, a layer to which an anion component or a cation component can move, and is formed using an anion exchange membrane or a cation exchange membrane.

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。   The anode 9 includes an anode electrode 11 and a fuel supply member 12 for supplying liquid fuel to the anode electrode 11.

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。   The anode electrode 11 is formed on one surface of the electrolyte layer 8. Examples of the electrode material of the anode electrode 11 include a porous support on which an anode catalyst is supported (catalyst-supporting porous support).

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。   The fuel supply member 12 is also used as a separator and is made of a gas impermeable conductive member. The fuel supply member 12 is formed with a creased groove recessed from the surface thereof. In the fuel supply member 12, the surface on which the groove is formed is in contact with the anode electrode 11. Thus, the fuel supply passage for bringing the liquid fuel (supply liquid) into contact with the entire anode electrode 11 between the one surface of the anode electrode 11 and the other surface of the fuel supply member 12 (the surface on which the groove is formed). 13 are formed.

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。   A fuel supply port 15 for introducing liquid fuel (supply liquid) into the anode 9 is formed at one end side (lower side) in the fuel supply passage 13, and the liquid fuel (discharge liquid) is discharged from the anode 9. The fuel outlet 14 is formed at the other end (upper side).

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。   The cathode 10 has a cathode electrode 16 and an air supply member 17 for supplying air (oxygen) to the cathode electrode 16.

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。   The cathode electrode 16 is formed on the other surface of the electrolyte layer 8.

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。   Examples of the electrode material of the cathode electrode 16 include a catalyst-supporting porous carrier exemplified as the electrode material of the anode electrode 11.

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。   The air supply member 17 is also used as a separator and is made of a gas impermeable conductive member. The air supply member 17 is formed with a creased groove recessed from the surface thereof. The air supply member 17 is in contact with the cathode electrode 16 with the surface on which the groove is formed. Thus, an air supply passage as an air flow passage for bringing air into contact with the entire cathode electrode 16 between the other surface of the cathode electrode 16 and one surface of the air supply member 17 (the surface on which the groove is formed). 18 are formed.

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。   An air supply port 19 for introducing air into the cathode 10 is formed at the other end (upper side) in the air supply passage 18, and an air outlet 20 for discharging air from the cathode 10 is formed at one end (lower Side).

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。 Further, in such a fuel cell 3, one separator for respectively dividing the plurality of unit cells 28 has both the fuel supply member 12 and the air supply member 17. In other words, the separator acts as the fuel supply member 12 on one side and as the air supply member 17 on the other side.
(2) Fuel supply and discharge unit The fuel supply and discharge unit 4 supplies the fuel tank 21 for storing liquid fuel and the liquid supplied from the fuel tank 21 to the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply passage 13 of the anode 9). The fuel supply line 30 for supplying fuel, the fuel discharge line 31 for discharging the discharge liquid from the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply path 13 of the anode 9), the discharge liquid from the fuel discharge line 31 to the fuel supply line 30 And a reflux line 32 for transporting the

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２２（後述）が介在されている。   A fuel cell 3 is interposed between the fuel supply line 30 and the fuel discharge line 31, and a gas-liquid separator 22 (described later) is interposed between the fuel discharge line 31 and the return line 32. Is intervened.

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。   The fuel tank 21 is disposed behind the fuel cell 3 and behind the electric vehicle 1. The above-described liquid fuel is stored in the fuel tank 21.

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。   The upstream end of the fuel supply line 30 is connected to the fuel tank 21, and the downstream end is connected to the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply passage 13 of the anode 9). .

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。   A fuel supply pump 33 is provided midway in the flow direction of the fuel supply line 30.

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。   The fuel supply pump 33 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the fuel supply pump 33, and the control unit 29 (described later) controls the drive and stop of the fuel supply pump 33.

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。   Further, a fuel supply valve 34 is provided downstream of the fuel supply pump 33 in the fuel supply line 30.

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。   The fuel supply valve 34 is a valve for opening and closing the fuel supply line 30, and for example, a known on-off valve such as a solenoid valve is used. Further, the fuel supply valve 34 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). Thus, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the fuel supply valve 34, and the control unit 29 (described later) controls the opening and closing of the fuel supply valve 34.

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。   The liquid fuel (supply liquid) is supplied from the fuel tank 21 to the fuel cell 3 through such a fuel supply line 30.

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、気液分離器２２に接続されている。   The upstream end of the fuel discharge line 31 is connected to the fuel cell 3 (specifically, the fuel supply path 13 of the anode 9), and the downstream end is connected to the gas-liquid separator 22. ing.

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２２に輸送される。   Exhaust fluid is discharged from the fuel cell 3 by such a fuel discharge line 31 and transported to the gas-liquid separator 22.

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、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、気液分離器２２の下部底面には、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、気液分離器２２の後側側面には、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。   The gas-liquid separator 22 is, for example, a hollow container, and on the front side surface thereof, a first flow port 23 for circulating the inside and the outside of the gas-liquid separator 22 is formed. Further, a second flow port 24 for circulating the inside and the outside of the gas-liquid separator 22 is formed in the lower bottom surface of the gas-liquid separator 22. In addition, on the rear side surface of the gas-liquid separator 22, a third flow port 25 for circulating the inside and the outside of the gas-liquid separator 22 is formed.

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。   In the gas-liquid separator 22, the first flow port 23 is connected to the fuel discharge line 31 at the back of the electric vehicle 1 in the front-rear direction of the electric vehicle 1 and in the vertical direction above the fuel cell 3. 24 are connected to the reflux line 32 (described later).

また、第３流通口２５には、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。   Further, a gas discharge pipe 26 for discharging the gas (gas) separated by the gas-liquid separator 22 is connected to the third flow port 25.

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。   One end side (upstream side) of the gas discharge pipe 26 is connected to the third flow port 25, and the other end side (downstream side) is open to the atmosphere. Further, a gas discharge valve 27 is provided in the middle of the gas discharge pipe 26.

ガス排出弁２７は、ガス排出管２６を開放して気液分離器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。   The gas discharge valve 27 is a valve for opening the gas discharge pipe 26 to release the pressure in the gas-liquid separator 22. For example, a known on-off valve such as a solenoid valve is used. The gas discharge valve 27 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the gas discharge valve 27, and the control unit 29 (described later) controls the opening and closing of the gas discharge valve 27.

還流ライン３２は、その上流側端部が、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。   The upstream end of the reflux line 32 is connected to the gas-liquid separator 22, and the downstream end is in the middle of the flow direction of the fuel supply line 30, specifically, the fuel supply pump 33 and the fuel supply valve 34. It is connected to the more downstream side.

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。   Further, a fuel reflux pump 35 is provided midway in the flow direction of the reflux line 32.

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。   The fuel return pump 35 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). As a result, a control signal from a control unit 29 (described later) is input to the fuel return pump 35, and the control unit 29 (described later) controls the drive and stop of the fuel return pump 35.

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とを備えている。 As a result, the exhaust liquid transported in the fuel discharge line 31 is transported to the fuel supply line 30 via the gas-liquid separator 22 and the reflux line 32. Then, after being mixed with the liquid fuel (primary supply liquid) transported from the fuel tank 21 and adjusted in concentration, the anode 9 is circulated by returning to the fuel cell 3 as a supply liquid (secondary supply liquid). .
(3) Air supply / discharge unit The air supply / discharge unit 5 is an air supply line 41 for supplying air to the fuel cell 3 (cathode 10) and an air discharge for discharging the air discharged from the cathode 10 to the outside. And a line 42.

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。   One end side (upstream side) of the air supply line 41 is open to the atmosphere, and the other end side (downstream side) is connected to the air supply port 19.

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。   An air supply pump 43 is provided midway in the flow direction of the air supply line 41.

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。   The air supply pump 43 is electrically connected to a control unit 29 (described later), a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the air supply pump 43, and the control unit 29 (described later) The drive and stop of the feed pump 43 are controlled.

また、空気供給ライン４１において、空気供給ポンプ４３の上流側には、空気供給弁４４が設けられている。   In the air supply line 41, an air supply valve 44 is provided on the upstream side of the air supply pump 43.

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。   The air supply valve 44 is a valve for opening and closing the air supply line 41, and for example, a known on-off valve such as a solenoid valve is used. The air supply valve 44 is electrically connected to a control unit 29 (described later), a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the air supply valve 44, and the control unit 29 (described later) It controls the opening and closing of the supply valve 44.

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。   One end side (upstream side) of the air discharge line 42 is connected to the air discharge port 20, and the other end side (downstream side) is drained.

空気排出ライン４２には、空気排出弁４５が設けられている。   An air exhaust valve 45 is provided in the air exhaust line 42.

空気排出弁４５は、空気排出ライン４２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。空気排出弁４５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、空気排出弁４５に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気排出弁４５の開閉を制御する。
（４）脱水加湿部
脱水加湿部５０は、燃料電池３において液体燃料の電気化学反応（後述）によって生じる水分を分離し、その水分により、空気供給ライン４１の空気を加湿する。 The air discharge valve 45 is a valve for opening and closing the air discharge line 42, and for example, a known open / close valve such as a solenoid valve is used. The air discharge valve 45 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the air discharge valve 45, and the control unit 29 (described later) controls the opening / closing of the air discharge valve 45.
(4) Dehydration Humidification Unit The dehydration humidification unit 50 separates the water generated by the electrochemical reaction (described later) of the liquid fuel in the fuel cell 3, and humidifies the air of the air supply line 41 with the water.

具体的には、脱水加湿部５０は、脱水装置５３と、加湿手段の一例としての加湿装置５４とを備えている。   Specifically, the dehydration / humidification unit 50 includes a dehydration device 53 and a humidification device 54 as an example of a humidification unit.

脱水装置５３は、燃料排出ライン３１の流れ方向途中に設けられている。脱水装置５３は、燃料排出ライン３１を通過する排出液から水分を分離するための装置である。脱水装置５３としては、液体燃料中から水分を分離可能な装置であれば、特に制限されることなく、例えば、特開２０１５−０２８８６１号の段落番号〔００５７〕〜〔００６７〕に記載の水分離装置などが用いられる。脱水装置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。   The dewatering device 53 is provided midway in the flow direction of the fuel discharge line 31. The dewatering device 53 is a device for separating water from the discharge liquid passing through the fuel discharge line 31. The dehydration device 53 is not particularly limited as long as it is a device capable of separating water from liquid fuel, and, for example, the water separation described in Paragraph Nos. [0057] to [0067] of JP-A-2015-028861. An apparatus or the like is used. The dehydrating apparatus 53 is electrically connected to a control unit 29 (described later), and the operation and stop thereof are controlled by the control unit 29 (described later).

加湿装置５４は、空気供給ライン４１の流れ方向途中、詳しくは、空気供給弁４４よりも下流側、かつ、空気供給ポンプ４３よりも上流側に介在されている。加湿装置５４は、脱水装置５３によって分離された水分を、空気供給ライン４１を通過する空気に含有させることができるように構成されている。具体的には、加湿装置５４は、脱水装置５３によって分離された水分が供給されるように、脱水装置５３と連通されている。なお、加湿装置５４は、特に限定されず、公知の加湿装置から構成されている。
（５）排気循環部
排気循環部６０は、循環ライン６３と、切替手段の一例としての流路切替弁６２とを備えている。 The humidifying device 54 is interposed midway in the flow direction of the air supply line 41, specifically, on the downstream side of the air supply valve 44 and on the upstream side of the air supply pump 43. The humidifying device 54 is configured so that the water separated by the dehydrating device 53 can be contained in the air passing through the air supply line 41. Specifically, the humidifying device 54 is in communication with the dewatering device 53 so that the water separated by the dewatering device 53 is supplied. The humidifying device 54 is not particularly limited, and is constituted of a known humidifying device.
(5) Exhaust Circulation Unit The exhaust circulation unit 60 includes a circulation line 63 and a flow path switching valve 62 as an example of a switching unit.

循環ライン６３は、その上流側端部が、空気排出ライン４２の流れ方向途中、詳しくは、空気排出弁４５よりも上流側に接続されるとともに、その下流側端部が、流路切替弁６２（後述）を介して、空気供給ライン４１の流れ方向途中、詳しくは、脱水加湿部５０の加湿装置５４よりも下流側、かつ、空気供給ポンプ４３よりも上流側に接続されている。   The upstream end of the circulation line 63 is connected midway in the flow direction of the air discharge line 42, more specifically, on the upstream side of the air discharge valve 45, and the downstream end thereof is connected to the flow path switching valve 62. In the middle of the flow direction of the air supply line 41 (described later), the dewatering and humidifying unit 50 is connected to the downstream side of the humidifying device 54 and the upstream side of the air supply pump 43 in detail.

循環ライン６３の流れ方向途中には、循環弁６４が設けられている。   A circulation valve 64 is provided midway in the flow direction of the circulation line 63.

循環弁６４は、循環ライン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。また、循環弁６４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、循環弁６４に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、循環弁６４の開閉を制御する。   The circulation valve 64 is a valve for opening and closing the circulation line 63, and for example, a known on-off valve such as a solenoid valve is used. Further, the circulation valve 64 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from a control unit 29 (described later) is input to the circulation valve 64, and the control unit 29 (described later) controls the opening and closing of the circulation valve 64.

なお、空気排出ライン４２における循環ライン６３との接続部分よりも上流側を、空気排出ライン上流部７０とし、空気排出ライン４２における循環ライン６３との接続部分よりも下流側を、空気排出ライン下流部７１とする。   The upstream side of the air discharge line 42 connected to the circulation line 63 is referred to as an air discharge line upstream portion 70, and the downstream side of the air discharge line 42 connected to the circulation line 63 is referred to as the air discharge line downstream. Part 71

また、空気供給ライン４１における循環ライン６３との接続部分、具体的には、流路切替弁６２（後述）よりも上流側を、空気供給ライン上流部７３とし、空気供給ライン４１における循環ライン６３との接続部分、具体的には、流路切替弁６２（後述）よりも下流側を、空気供給ライン下流部７４とする。   Further, the connection portion of the air supply line 41 with the circulation line 63, specifically, the upstream side of the flow path switching valve 62 (described later) is an air supply line upstream portion 73, and the circulation line 63 in the air supply line 41. The air supply line downstream portion 74 is a connection portion with the air supply line downstream of the flow path switching valve 62 (described later).

こうして、空気供給ライン上流部７３と、空気供給ライン下流部７４とから構成される流路、すなわち、空気供給ライン４１を、空気供給経路の一例とする。   Thus, the flow path constituted of the air supply line upstream portion 73 and the air supply line downstream portion 74, that is, the air supply line 41 is taken as an example of the air supply path.

また、空気排出ライン上流部７０と、循環ライン６３と、空気供給ライン下流部７４とから構成される流路を、空気循環経路の一例としての空気循環ライン７７とする。   In addition, a flow path including the air discharge line upstream portion 70, the circulation line 63, and the air supply line downstream portion 74 is taken as an air circulation line 77 as an example of the air circulation path.

流路切替弁６２は、循環ライン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、脱水加湿部５０の加湿装置５４よりも下流側、かつ、空気供給ポンプ４３よりも上流側に介在されている。流路切替弁６２は、燃料電池３（具体的には、カソード１０の空気供給路１８）に供給される空気を、空気供給ライン４１からの空気と、空気循環ライン７７からの空気とに切り替えるための弁であって、例えば、電磁弁など、公知の切替弁が用いられる。また、流路切替弁６２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、流路切替弁６２に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、燃料電池３（具体的には、カソード１０の空気供給路１８）に供給される空気を、空気供給ライン４１からの空気と、空気循環ライン７７からの空気とに切り替えるように制御する。
（６）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。 The flow path switching valve 62 is an end downstream of the circulation line 63 in the flow direction, specifically, on the downstream side of the humidifying device 54 of the dewatering and humidifying unit 50, and in the middle of the flow direction of the air supply line 41. It is interposed upstream of the air supply pump 43. The flow path switching valve 62 switches the air supplied to the fuel cell 3 (specifically, the air supply path 18 of the cathode 10) to the air from the air supply line 41 and the air from the air circulation line 77. For example, known switching valves such as solenoid valves are used. Further, the flow path switching valve 62 is electrically connected to a control unit 29 (described later) (see a broken line in FIG. 1). Thereby, a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the flow path switching valve 62, and the control unit 29 (described later) receives the control signal from the fuel cell 3 (specifically, the air supply passage 18 of the cathode 10). The supplied air is controlled to be switched to the air from the air supply line 41 and the air from the air circulation line 77.
(6) Control Unit The control unit 6 includes a control unit 29.

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。   The control unit 29 is a unit (for example, an ECU: Electronic Control Unit) that executes electrical control in the electrically powered vehicle 1, and is configured of a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.

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、脱水装置５３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、空気排出弁４５、流路切替弁６２、循環弁６４などの開閉などを、適宜制御する。
（７）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。 The control unit 6 will be described later in detail, but, for example, driving and stopping of the fuel supply pump 33, the fuel return pump 35, the air supply pump 43, the dehydrating apparatus 53, etc. The opening and closing of the valve 44, the air discharge valve 45, the flow path switching valve 62, the circulation valve 64 and the like are appropriately controlled.
(7) Power Unit The power unit 7 includes a motor 37 for converting electric energy output from the fuel cell 3 into mechanical energy as a driving force of the electric vehicle 1, and an inverter 38 electrically connected to the motor 37. A power battery 40 for storing regenerative energy from the motor 37 and a DC / DC converter 36 are provided.

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。   The motor 37 is disposed in front of the fuel cell 3 and in front of the electric vehicle 1. The motor 37 may be, for example, a known three-phase motor such as a three-phase induction motor or a three-phase synchronous motor.

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。   The inverter 38 is disposed between the motor 37 and the fuel cell 3. The inverter 38 is a device for converting direct current power generated by the fuel cell 3 into alternating current power, and includes, for example, a power conversion device in which a known inverter circuit is incorporated. Further, the inverter 38 is electrically connected to the fuel cell 3 and the motor 37 by wiring.

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。   Examples of the power battery 40 include known secondary batteries such as a nickel hydrogen battery having a rated voltage of about 100 V and a lithium ion battery. Further, the power battery 40 is connected to the wiring between the inverter 38 and the fuel cell 3 so that the electric power from the fuel cell 3 can be stored, and the electric power can be supplied to the motor 37.

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。   The DC / DC converter 36 is disposed between the power battery 40 and the fuel cell 3. The DC / DC converter 36 has a function of increasing and decreasing the output voltage of the fuel cell 3 and has a function of adjusting the power of the fuel cell 3 and the input and output power of the power battery 40.

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。   The DC / DC converter 36 is electrically connected to the control unit 29 (see the broken line in FIG. 1), whereby the fuel cell 3 can be operated according to the input of the output control signal output from the control unit 29. Control the output (output voltage) of

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。   Further, the DC / DC converter 36 is electrically connected to the fuel cell 3 and the power battery 40 by wiring, and is also electrically connected to the inverter 38 by branching of the wiring.

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。 As a result, the electric power from the DC / DC converter 36 to the motor 37 is converted from DC power to three-phase AC power in the inverter 38 and supplied to the motor 37 as three-phase AC power.
2. Power Generation by Fuel Cell System In the fuel cell system 2 described above, the fuel supply valve 34 is opened under the control of the control unit 29, and the fuel supply pump 33 and the fuel return pump 35 are driven to supply the liquid fuel with fuel. It is supplied to the anode 9 via the line 31. On the other hand, under the control of the control unit 29, the air supply valve 44 is opened and the air supply pump 43 is driven to supply air to the cathode 10 through the air supply line 41. The fuel supply valve 34 is closed after a predetermined amount of liquid fuel has been supplied.

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。   At the anode 9, the liquid fuel passes through the fuel supply passage 13 in contact with the anode electrode 11. On the other hand, at the cathode 10, air passes through the air supply passage 18 in contact with the cathode electrode 16.

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）。 Then, an electrochemical reaction occurs in each electrode (anode electrode 11 and cathode electrode 16) to generate an electromotive force. For example, when the liquid fuel is methanol, the following equations (1) to (3) are obtained.
(1) CH 3 OH + 6 OH − → CO 2 + 5 H 2 O + 6 e − (Reaction at anode electrode 11)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4 e − → 4 OH − (Reaction at cathode electrode 16)
(3) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (Reaction in the entire fuel cell 3)
That is, at the anode electrode 11 supplied with methanol, methanol (CH 3 OH) and hydroxide ions (OH − ) generated in the reaction at the cathode electrode 16 react with each other to produce carbon dioxide (CO 2 ) and water. While (H 2 O) is generated, electrons (e − ) are generated (see the above formula (1)).

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。 Electrons (e − ) generated at the anode electrode 11 reach the cathode electrode 16 via an external circuit (not shown). That is, the electrons (e − ) passing through the external circuit become a current.

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）。 On the other hand, in the cathode electrode 16, electrons (e − ), water (H 2 O) generated by external supply or reaction in the fuel cell 3, and oxygen (O 2 ) in air flowing through the air supply passage 18 And react to form hydroxide ion (OH − ) (see the above formula (2)).

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。 Then, the generated hydroxide ion (OH − ) passes through the electrolyte layer 8 to reach the anode electrode 11, and the same reaction as described above (see the above formula (1)) occurs.

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。 Further, for example, when the liquid fuel is hydrazine, the following formulas (4) to (6) are obtained.
(4) N 2 H 4 + 4 OH − → N 2 + 4 H 2 O + 4 e − (Reaction at anode electrode 11)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4 e − → 4 OH − (Reaction at cathode electrode 16)
(6) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
By continuously generating such electrochemical reactions at the anode electrode 11 and the cathode electrode 16, the reaction represented by the above-mentioned formula (3) or the above-mentioned formula (6) occurs in the whole fuel cell 3, An electromotive force is generated in the battery 3.

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。   Then, the generated electromotive force is transmitted to the DC / DC converter 36 through the wiring, and in the power unit 7, the inverter 38 and the motor 37 and / or the power battery 40 are transmitted. Then, in the motor 37, the electrical energy converted into the three-phase AC power by the inverter 38 is converted into mechanical energy for driving the wheels of the electric vehicle 1. On the other hand, the power is charged in the power battery 40.

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）。   In the power generation as described above, the liquid fuel supplied to the anode 9 passes through the electrolyte layer 8 without being consumed at the anode 9 and leaks to the cathode 10 (cross leak phenomenon).

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から気液分離器２２に流入する。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、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。   Further, in the fuel supply and discharge unit 4, the used and unreacted liquid fuel (discharge liquid) discharged from the anode 9 by the driving force of the fuel return pump 35 passes through the fuel discharge line 31 to be the first flow port. The gas flows into the gas-liquid separator 22 from 23. In the gas-liquid separator 22, a liquid reservoir 39 of the discharge liquid whose water level is held at a lower position than the first flow port 23 and the third flow port 25 is generated in the hollow portion of the gas-liquid separator 22, The gas contained in 39 is separated into the space above the pool 39. On the other hand, a part of the liquid reservoir 39 flows out to the reflux line 32 from the downstream second flow port 24.

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。   The exhaust fluid flowing into the reflux line 32 is mixed with the liquid fuel supplied from the fuel tank 21 in the middle of the flow direction of the fuel supply line 30, and then flows again into the fuel supply passage 13 from the fuel supply port 15.

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、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する。なお、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。   In this way, liquid fuel circulates in the closed lines (reflux line 32, fuel supply line 30, fuel discharge line 30, gas-liquid separator 22, and fuel supply path 13). The gas separated by the gas-liquid separator 22 is discharged to the outside through the gas discharge pipe 26 when the gas discharge valve 27 is opened.

一方、空気給排部５では、空気排出弁４５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、空気排出ライン４２を介して、外気に排出される。
３．燃料電池に供給される空気の加湿
（１）液体燃料の液量が増加した場合
アノード９から排出される排出液は、燃料電池３の発電量が多い場合などには、上記式（３）または上記式（６）のように水（Ｈ２Ｏ）が比較的多く生成されることにより、その液量が増加する。 On the other hand, in the air supply / discharge unit 5, the air discharge valve 45 is opened, and the air discharged from the cathode 10 (air excluding oxygen contributing to the reaction) is discharged through the air discharge line 42 to the outside air.
3. Humidification of the air supplied to the fuel cell (1) When the liquid amount of liquid fuel increases The discharge liquid discharged from the anode 9 has a large amount of power generated by the fuel cell 3 or the like. The generation of water (H 2 O) in a relatively large amount as in the above equation (6) increases the liquid volume.

このような場合には、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、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する液体燃料の液量が増加する。   In such a case, the amount of liquid fuel that circulates in the closed line (reflux line 32, fuel supply line 30, fuel discharge line 30, gas-liquid separator 22, and fuel supply path 13) increases.

そこで、この燃料電池システム２では、アノード９から排出される排出液に含有される水分を分離することにより、循環する液体燃料の液量を調整（低減）し、さらに、その水分を用いて、空気を加湿する。   Therefore, in the fuel cell system 2, by separating the water contained in the discharge liquid discharged from the anode 9, the liquid amount of the circulating liquid fuel is adjusted (reduced), and further, using the water, Humidify the air.

具体的には、まず、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４および空気排出弁４５が開かれるとともに、循環弁６４が閉じられる。さらに、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からの空気がカソード１０に供給されるように、流路切替弁６２を切り替え、脱水装置５３を作動する。   Specifically, first, under the control of the control unit 29, the air supply valve 44 and the air discharge valve 45 are opened, and the circulation valve 64 is closed. Further, under the control of the control unit 29, the flow path switching valve 62 is switched so that the air from the air supply line 41 is supplied to the cathode 10, and the dehydrating apparatus 53 is operated.

これにより、空気供給ライン４１から、カソード１０に対して空気が供給される。   Thus, air is supplied to the cathode 10 from the air supply line 41.

そして、アノード９から燃料排出ライン３１に排出された液体燃料（排出液）は、気液分離器２２に供給される前に、脱水加湿部５０の脱水装置５３を通過する。   Then, the liquid fuel (discharge liquid) discharged from the anode 9 to the fuel discharge line 31 passes through the dewatering device 53 of the dewatering and humidifying unit 50 before being supplied to the gas-liquid separator 22.

このとき、脱水装置５３において、排出液から水分が分離されることにより、循環する液体燃料の液量が調整される。   At this time, the amount of liquid fuel circulated is adjusted by separating water from the discharge liquid in the dehydrating device 53.

このようにして水分が分離された排出液（すなわち、高濃度の液体燃料）は、燃料排出ライン３１を介して気液分離器２２に供給され、上記したように、還流ライン３２および燃料供給ライン３０を介して、再びアノード９に供給される。   The effluent from which the water has been separated (ie, high concentration liquid fuel) is supplied to the gas-liquid separator 22 through the fuel discharge line 31, and as described above, the reflux line 32 and the fuel supply line 30 are again supplied to the anode 9.

そして、分離された水分は、脱水加湿部５０の加湿装置５４により、空気供給ライン４１内を通過する空気に混合され、空気が加湿される。   Then, the separated moisture is mixed with the air passing through the air supply line 41 by the humidifying device 54 of the dehydrating and humidifying unit 50, and the air is humidified.

こうして、加湿された空気供給ライン４１内の空気は、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。   Thus, the air in the humidified air supply line 41 is supplied to the cathode 10 through the air supply line 41 by the operation of the air supply pump 43 as described above.

このように、液体燃料の液量が増加した場合には、アノード９から排出される排出液から水分を分離することによって、循環する液体燃料の液量を調整し、さらに、その水分によって、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿する。
（２）液体燃料の液量が適量または減少した場合
アノード９から排出される排出液は、燃料電池３の発電量が少ない場合などには、上記式（３）または上記式（６）による水（Ｈ２Ｏ）の生成量が少なくなる。 As described above, when the liquid amount of the liquid fuel increases, the amount of the liquid fuel to be circulated is adjusted by separating the water from the discharge liquid discharged from the anode 9, and the air is further adjusted by the water. The air passing through the supply line 41 is humidified.
(2) When the liquid amount of the liquid fuel is appropriate or reduced The discharge liquid discharged from the anode 9 is water according to the above formula (3) or the above formula (6) when the amount of power generation of the fuel cell 3 is small. The amount of (H 2 O) generated is reduced.

これにより、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、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する液体燃料の液量が増加することなく、適量に保たれる場合や、減少する場合がある。   As a result, the amount of liquid fuel circulating in the closed line (reflux line 32, fuel supply line 30, fuel discharge line 30, gas-liquid separator 22 and fuel supply path 13) can be maintained at an appropriate level without increasing. In some cases, it may decrease.

このような場合には、この燃料電池システム２では、カソード１０から排出される水分を含む空気を循環させ、カソード１０に対して再度供給する。   In such a case, in the fuel cell system 2, air containing moisture discharged from the cathode 10 is circulated and supplied again to the cathode 10.

具体的には、まず、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４および空気排出弁４５が閉じられるとともに、循環弁６４が開かれる。さらに、コントロールユニット２９の制御により、空気循環ライン７７からの空気がカソード１０に供給されるように、流路切替弁６２を切り替える。なお、コントロールユニット２９の制御により、脱水装置５３は停止される。   Specifically, first, under the control of the control unit 29, the air supply valve 44 and the air discharge valve 45 are closed, and the circulation valve 64 is opened. Further, the control of the control unit 29 switches the flow path switching valve 62 so that the air from the air circulation line 77 is supplied to the cathode 10. The dewatering device 53 is stopped by the control of the control unit 29.

ここで、カソード１０から空気排出ライン４２に排出された空気は、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ことにより、一定の湿度を有している。   Here, the air discharged from the cathode 10 to the air discharge line 42 has a constant humidity by containing the leaked liquid fuel due to the cross leak phenomenon described above.

これにより、カソード１０から空気排出ライン４２に排出された水分を含む空気は、空気供給ポンプ４３の駆動によって、空気循環ライン７７（空気排出ライン４２の空気排出ライン上流部７０、循環ライン６３、空気供給ライン４１の空気供給ライン下流部７４）を通過し、再度、カソード１０に供給される。   As a result, the air containing moisture discharged from the cathode 10 to the air discharge line 42 is driven by the air supply pump 43 so that the air circulation line 77 (air discharge line upstream portion 70 of the air discharge line 42, circulation line 63, air It passes through the air supply line downstream portion 74 of the supply line 41 and is supplied to the cathode 10 again.

このように、液体燃料の液量が適量に保たれる場合や、減少している場合には、循環する液体燃料の液量を減らすことなく、カソード１０から排出される水分を含む空気が循環する。
（３）空気供給ラインと空気循環ラインとの切り替え
空気供給ライン４１と、空気循環ライン７７とは、流路切替弁６２によって、適宜、切り替えられる。 As described above, when the liquid fuel amount is maintained at an appropriate amount or decreases, the air containing the water discharged from the cathode 10 is circulated without reducing the liquid amount of the circulating liquid fuel. Do.
(3) Switching between the Air Supply Line and the Air Circulation Line The air supply line 41 and the air circulation line 77 are appropriately switched by the flow path switching valve 62.

切り替えるタイミングとしては、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、気液分離器２２および燃料供給路１３）を循環する液体燃料が、発電開始前の液量に対して、１１０％以上となった場合に、空気供給ライン４１に切り替え、発電開始前の液量に対して、８０％以下となった場合に、空気循環ライン７７に切り替える。   As the timing of switching, the liquid fuel circulating in the closed line (reflux line 32, fuel supply line 30, fuel discharge line 30, gas-liquid separator 22, and fuel supply path 13) is compared to the amount of liquid before the start of power generation. When it becomes 110% or more, it switches to the air supply line 41, and switches to the air circulation line 77 when it becomes 80% or less with respect to the liquid volume before the start of power generation.

具体的には、例えば、気液分離器２２に図示しない液面計を設け、液溜まり３９が一定の高さよりも高い場合には、空気供給ライン４１に切り替える。   Specifically, for example, a liquid level meter (not shown) is provided in the gas-liquid separator 22, and when the liquid reservoir 39 is higher than a certain height, the air supply line 41 is switched to.

これにより、脱水加湿部５０の脱水装置５３によって、排出液から水分を分離させ、循環する液体燃料の液量を減少させることができる。   As a result, the dewatering device 53 of the dewatering and humidifying unit 50 can separate water from the discharge liquid, and reduce the amount of liquid fuel circulated.

また、液溜まり３９が一定の高さよりも低い場合には、空気循環ライン７７に切り替える。   In addition, when the liquid reservoir 39 is lower than a predetermined height, the air circulation line 77 is switched to.

これにより、循環する液体燃料の液量を減少させることなく、燃料電池３（カソード１０）から排出される水分を含む空気を循環させ、カソード１０に供給することができる。   Thus, it is possible to circulate air containing moisture discharged from the fuel cell 3 (cathode 10) and supply it to the cathode 10 without reducing the amount of liquid fuel circulating.

なお、液体燃料の液量が適量または減少した場合には、空気循環ライン７７において、水分を含む空気を循環させるが、この状態を長時間維持することで、燃料電池３に供給する空気中の酸素（Ｏ２）が不足する場合がある。 When the amount of liquid fuel is reduced or an appropriate amount, air containing moisture is circulated in the air circulation line 77. By maintaining this state for a long time, the air supplied to the fuel cell 3 can be provided. Oxygen (O 2 ) may be insufficient.

このような場合には、コントロールユニット２９によって、空気排出弁４５を開き、空気供給ポンプ４３の出力を上げる。   In such a case, the air discharge valve 45 is opened by the control unit 29 and the output of the air supply pump 43 is increased.

これにより、空気排出ライン下流部７１から、空気排出ライン下流部７１を逆流するように外気が取り込まれ、酸素（Ｏ２）を含む空気がカソード１０に供給される。
４．作用効果
このような燃料電池システム２によれば、空気供給ライン４１から、脱水加湿部５０の加湿装置５４により加湿された空気をカソード１０に供給することができる。 As a result, external air is taken in from the air discharge line downstream portion 71 so as to flow backward in the air discharge line downstream portion 71, and air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 10.
4. Operation and Effect According to such a fuel cell system 2, air humidified by the humidifying device 54 of the dewatering and humidifying unit 50 can be supplied to the cathode 10 from the air supply line 41.

また、燃料電池３に供給された空気には、燃料電池３の空気供給路１８の通過中において、液体燃料が含まれ、その液体燃料が含まれた空気が、空気排出ライン４２に排出される。これにより、液体燃料によって加湿された空気を、空気循環ライン７７から、カソード１０に再度供給することができる。   Further, the air supplied to the fuel cell 3 contains the liquid fuel during the passage of the air supply passage 18 of the fuel cell 3, and the air containing the liquid fuel is discharged to the air discharge line 42. . Thereby, air humidified by liquid fuel can be supplied again to the cathode 10 from the air circulation line 77.

そして、燃料電池の発電状態に応じて、流路切替弁６２によって、空気供給ライン４１と、空気循環ライン７７とを切り替えることができる。   Then, the air supply line 41 and the air circulation line 77 can be switched by the flow path switching valve 62 according to the power generation state of the fuel cell.

その結果、構成の簡素化を図ることができながら、効率よく、燃料電池３に供給される空気を加湿することができる。
５．第２実施形態
上記した第１実施形態では、空気供給ライン４１と空気循環ライン７７とを、流路切替弁６２で切り替えているのに対し、第２実施形態では、図２に示すように、排気循環部６０は、流路切替弁６２を備えておらず、循環ライン６３の下流側が空気供給口１９に接続されている。 As a result, the air supplied to the fuel cell 3 can be efficiently humidified while simplifying the configuration.
5. Second Embodiment In the first embodiment described above, the air supply line 41 and the air circulation line 77 are switched by the flow path switching valve 62, while in the second embodiment, as shown in FIG. The exhaust circulation unit 60 does not include the flow path switching valve 62, and the downstream side of the circulation line 63 is connected to the air supply port 19.

これにより、空気排出ライン上流部７０と、循環ライン６３とから構成される流路が、空気循環経路の一例としての空気循環ライン７７となる。   As a result, a flow path configured of the air discharge line upstream portion 70 and the circulation line 63 becomes an air circulation line 77 as an example of the air circulation path.

また、循環ライン６３の流れ方向途中には、空気循環ポンプ８０が設けられている。   Further, an air circulation pump 80 is provided midway in the flow direction of the circulation line 63.

空気循環ポンプ８０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、空気循環ポンプ８０に入力され、コントロールユニット２９（後述）が、空気循環ポンプ８０の駆動および停止を制御する。   The air circulation pump 80 is electrically connected to a control unit 29 (described later), a control signal from the control unit 29 (described later) is input to the air circulation pump 80, and the control unit 29 (described later) It controls the drive and stop of the circulation pump 80.

そして、空気供給ライン４１からカソード１０に空気を供給する場合には、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、循環弁６４が閉じられる。   When air is supplied from the air supply line 41 to the cathode 10, the air supply valve 44 is opened and the circulation valve 64 is closed under the control of the control unit 29.

そして、空気供給ポンプ４３の駆動によって、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。   Then, air is supplied to the cathode 10 through the air supply line 41 by driving the air supply pump 43.

また、空気循環ライン７７からカソード１０に空気を供給する場合には、コントロールユニット２９の制御により、空気供給弁４４が閉じられ、循環弁６４が開かれる。   When air is supplied from the air circulation line 77 to the cathode 10, the air supply valve 44 is closed and the circulation valve 64 is opened under the control of the control unit 29.

そして、空気循環ポンプ８０の駆動によって、空気が空気循環ライン７７を介してカソード１０に供給される。   Then, air is supplied to the cathode 10 via the air circulation line 77 by driving the air circulation pump 80.

つまり、第２実施形態では、空気供給弁４４および循環弁６４が、切替手段の一例である。   That is, in the second embodiment, the air supply valve 44 and the circulation valve 64 are an example of the switching means.

なお、液体燃料の液量が適量または減少した場合には、空気循環ライン７７において、水分を含む空気を循環させるが、上記した第１実施形態と同様に、この状態を長時間維持することで、燃料電池３に供給する空気中の酸素（Ｏ２）が不足する場合がある。 Although the air containing water is circulated in the air circulation line 77 when the liquid amount of the liquid fuel is reduced to an appropriate amount, this state is maintained for a long time as in the first embodiment described above. The oxygen (O 2 ) in the air supplied to the fuel cell 3 may be insufficient.

このような場合には、コントロールユニット２９によって、空気排出弁４５を開き、空気循環ポンプ８０の出力を上げる。   In such a case, the air discharge valve 45 is opened by the control unit 29 to increase the output of the air circulation pump 80.

これにより、空気排出ライン下流部７１から、空気排出ライン下流部７１を逆流するように外気が取り込まれ、酸素（Ｏ２）を含む空気がカソード１０に供給される。 As a result, external air is taken in from the air discharge line downstream portion 71 so as to flow backward in the air discharge line downstream portion 71, and air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 10.

このような第２実施形態においても、上記した第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
６．変形例
上記した第１実施形態および第２実施形態では、燃料排出ライン３１の排出液から分離された水分を用いて、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿しているが、脱水装置５３によって排出液から分離した水分を用いる加湿装置５４を設けることなく、公知の加湿器を別途、空気供給ライン４１に介在させることにより、空気供給ライン４１の空気を加湿することもできる。 Also in such a second embodiment, the same function and effect as those of the first embodiment described above can be obtained.
6. Although the air passing through the air supply line 41 is humidified using the water separated from the discharge liquid of the fuel discharge line 31 in the first and second embodiments described above, the dewatering device 53 The air in the air supply line 41 can also be humidified by separately interposing the air supply line 41 with a known humidifier without providing the humidification device 54 using the water separated from the discharge liquid.

このような変形例においても、上記した第１実施形態および第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。   Also in such a modification, the same operation and effect as those of the first and second embodiments described above can be obtained.

２ 燃料電池システム
３ 燃料電池
４１ 空気供給ライン
４４ 空気供給弁
５４ 加湿装置
６２ 流路切替弁
６４ 循環弁
７７ 空気循環ライン Reference Signs List 2 fuel cell system 3 fuel cell 41 air supply line 44 air supply valve 54 humidifier 62 flow path switching valve 64 circulation valve 77 air circulation line

Claims (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可能な空気供給経路と、
前記空気供給経路に介在され、空気を加湿する加湿手段と、
前記燃料電池から排出される空気を循環させ、前記燃料電池に対して再度供給可能な空気循環経路と、
前記空気供給経路と前記空気循環経路とを切り替える切替手段と
を備えている
ことを特徴とする、燃料電池システム。 A fuel cell that consumes liquid fuel and oxygen to generate electricity;
An air supply path capable of supplying air to the fuel cell;
A humidifying unit interposed in the air supply path for humidifying the air;
An air circulation path which circulates the air discharged from the fuel cell and can be supplied again to the fuel cell;
A fuel cell system comprising: switching means for switching between the air supply path and the air circulation path.
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