JP4863689B2 - 燃料電池システムおよびその濃度調整方法 - Google Patents

Description

この発明は燃料電池システムおよびその濃度調整方法に関し、より特定的には、燃料水溶液の濃度を制御する燃料電池システムおよびその濃度調整方法に関する。

燃料濃度を調整する技術の一例が特許文献１において開示されている。
特許文献１では、希釈タンクの燃料濃度を直接測定することなく、燃料電池から排出されるガスの成分および燃料電池の発電量を計測し、それらの結果に基づいて希釈タンクへ供給すべき燃料および水の量を制御し濃度調整する技術が開示されている。
特開２００５−２６２１５号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、酸化剤欠乏処理（エアスターブ処理）を実行する場合に精度よく濃度調整できないと考えられる。
すなわち、酸化剤欠乏処理は、一時的に燃料電池のカソードへの酸化剤の供給を停止するあるいは一時的にカソードへの酸化剤の供給量を減少させることによってカソードを酸化剤欠乏状態にする処理であり、この処理の実行直後には精度よく濃度調整できないという問題があるが、特許文献１には、酸化剤欠乏処理を実行する場合の濃度調整について何ら開示も示唆もされていない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、酸化剤欠乏処理を実行する場合であっても燃料水溶液の濃度を精度よく調整できる、燃料電池システムおよびその濃度調整方法を提供することである。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の電気化学的特性を利用して燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第１濃度検出手段、第１濃度検出手段とは異なる方法によって燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第２濃度検出手段、第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理前に検出された濃度情報を記憶する記憶手段、および酸化剤欠乏処理後に、第２濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて濃度調整し燃料水溶液の濃度を目標濃度より高くなるように調整するとともに、第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理後に検出された濃度情報が記憶手段に記憶された濃度情報よりも高濃度を示すと判断されたとき、第１濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて燃料水溶液の濃度を調整する濃度調整手段を備える。

請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、第２濃度検出手段は燃料電池からの電流に基づいて燃料水溶液の濃度情報を検出することを特徴とする。

請求項３に記載の自動二輪車は、請求項１または２に記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。

請求項４に記載の輸送機器は、請求項１または２に記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池システムの濃度調整方法は、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の電気化学的特性を利用して燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第１濃度検出手段、第１濃度検出手段とは異なる方法によって燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第２濃度検出手段、および濃度情報を記憶可能な記憶手段を備える燃料電池システムの濃度調整方法であって、第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理前に検出された濃度情報を記憶手段に記憶するステップ、酸化剤欠乏処理後に、第２濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて燃料水溶液の濃度を目標濃度より高くなるように調整するステップ、および第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理後に検出された濃度情報が記憶手段に記憶された濃度情報よりも高濃度を示したとき、第１濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて燃料水溶液の濃度を調整するステップを備える。

ここで、「目標濃度」とは、酸化剤欠乏処理後の燃料水溶液の目標とする濃度をいう。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理前に検出された濃度情報が記憶手段に格納される。そして、第２濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理後に検出された濃度情報に基づいて燃料水溶液の濃度（燃料濃度）が目標濃度より高くなるように調整され、第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理後に検出された濃度情報が記憶手段に記憶された濃度情報より高濃度を示したとき、第１濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて燃料水溶液の濃度が調整される。すなわち、燃料水溶液の電気化学的特性を利用して濃度情報を検出する第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理直後に濃度情報を検出しても、その検出結果は正確ではないことがわかっているので、それを回避するために酸化剤欠乏処理直後には一時的に、第１濃度検出手段の濃度情報を使用せず、第２濃度検出手段による濃度情報に基づいて燃料水溶液の濃度が調整され、しかも燃料水溶液の濃度は目標濃度より高くなるように調整される。これによって、酸化剤欠乏処理を行う燃料電池システムにおいて燃料濃度の検出精度を高く維持することができるとともに、酸化剤欠乏処理後に第１濃度検出手段の検出精度を速やかに正常に戻し第２濃度検出手段から第１濃度検出手段へ早期に切り替えることができる。その結果、酸化剤欠乏処理を行う場合であっても、燃料濃度を精度よく調整できる。請求項５に記載の燃料電池システムの濃度調整方法についても同様である。

酸化剤欠乏処理の実行直後は第１濃度検出手段の濃度検出精度は低下するが、請求項２に記載の燃料電池システムでは、酸化剤欠乏処理の実行直後は燃料電池からの電流に基づいて燃料水溶液の濃度情報を取得できるので、濃度検出精度の低下を抑制できる。

請求項３や請求項４に示すような燃料電池システムを含む自動二輪車ひいては輸送機器では、発電効率を向上させるために必要に応じて酸化剤欠乏処理が実行されるので、この発明は好適に用いられる。

この発明によれば、酸化剤欠乏処理を実行する燃料電池システムにおいて燃料水溶液の濃度を精度よく調整できる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。ここでは、この発明の燃料電池システム１００を、輸送機器の一例である自動二輪車１０に搭載した場合について説明する。

まず、自動二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。

図１〜図７を参照して、自動二輪車１０は車体１１を含み、車体１１は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４と、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びる縦断面Ｉ字型のフロントフレーム１６と、フロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８と、リヤフレーム１８の上端部に取り付けられるシートレール２０とを備えている。フロントフレーム１６の後端部はリヤフレーム１８の中央部よりもやや下端部寄りの位置に接続され、フロントフレーム１６およびリヤフレーム１８全体で側面視略Ｙ字状を呈している。

フロントフレーム１６は、上下方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びかつ左右方向に対して直交する板状部材１６ａと、それぞれ板状部材１６ａの上端縁および下端縁に形成されかつ後方へ斜め下方に延び左右方向に幅を有するフランジ部１６ｂおよび１６ｃと、板状部材１６ａの両表面に突設される補強リブ１６ｄと、後端部に設けられたとえばボルト等によってリヤフレーム１８が連結される連結部１６ｅとを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃと共に板状部材１６ａの両表面を区画して、後述する燃料電池システム１００の構成部材を収納する収納スペースを形成している。

一方、リヤフレーム１８は、それぞれ後方へ斜め上方に延び前後方向に幅を有しフロントフレーム１６の連結部１６ｅを挟むように配置される板状部材１８ａおよび１８ｂと、板状部材１８ａと１８ｂとを連結する板状部材（図示せず）とを備えている。

ヘッドパイプ１４内には、図１に示すように、車体方向変更用のステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端には、ハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられており、ハンドル２４の両端にはグリップ２８が取り付けられている。右側のグリップ２８は回動可能なスロットルグリップを構成している。

ハンドル支持部２６のハンドル２４の前方には表示操作部３０が配置されている。表示操作部３０は、電動モータ６０（後述）の各種データを計測表示するためのメータ３０ａ、走行状態等の各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成された表示部３０ｂ、および各種情報入力用の入力部３０ｃ等が一体化されたものである。ハンドル支持部２６における表示操作部３０の下方には、ヘッドランプ３２が固定されており、ヘッドランプ３２の左右両側には、フラッシャランプ３４がそれぞれ設けられている。

また、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３６が取り付けられており、フロントフォーク３６それぞれの下端には、前輪３８が前車軸４０を介して取り付けられている。前輪３８は、フロントフォーク３６によって緩衝懸架された状態で前車軸４０によって回転自在に軸支されている。

一方、リヤフレーム１８の後端部には、フレーム状のシートレール２０が取り付けられている。シートレール２０は、リヤフレーム１８の上端部にたとえば溶接によって固設され、略前後方向に配設されている。シートレール２０上には図示しないシートが開閉自在に設けられている。シートレール２０の後端部には取り付けブラケット４２が固設されており、取り付けブラケット４２にはテールランプ４４および左右一対のフラッシャランプ４６がそれぞれ取り付けられている。

また、リヤフレーム１８の下端部には、スイングアーム（リヤアーム）４８がピボット軸５０を介して揺動自在に支持されており、スイングアーム４８の後端部４８ａには電動モータ６０（後述）を介して駆動輪である後輪５２が回転自在に支持されており、スイングアーム４８および後輪５２は、図示しないリヤクッションによってリヤフレーム１８に対して緩衝懸架されている。

さらに、リヤフレーム１８の下端部の前側には、リヤフレーム１８から左右方向に突出するようにフットレスト取付用バー５４が固定され、フットレスト取付用バー５４には図示しないフットレストが取り付けられる。フットレスト取付用バー５４の後方には、メインスタンド５６が回動可能にスイングアーム４８に支持されており、メインスタンド５６は、リターンスプリング５８によって閉じ側に付勢されている。

この実施形態では、スイングアーム４８には、後輪５２に連結されかつ後輪５２を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ６０と、電動モータ６０に電気的に接続される駆動ユニット６２とが内蔵されている。駆動ユニット６２は、電動モータ６０の回転駆動を制御するためのコントローラ６４を含む。

このような自動二輪車１０の車体１１には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００が取り付けられている。燃料電池システム１００は、電動モータ６０やその他の構成部材を駆動するための電気エネルギーを生成する。

以下、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに発電に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。

燃料電池システム１００は、フロントフレーム１６の下方に配置される燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。

図８および図９に示すように、セルスタック１０２は、メタノールに基づく水素イオンと酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成することができる燃料電池（燃料電池セル）１０４を、セパレータ１０６を挟んで複数個積層（スタック）して構成されている。セルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４は、固体高分子膜等から構成される電解質（電解質膜）１０４ａと、電解質１０４ａを挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１０４ｂおよびカソード（空気極）１０４ｃとを含む。アノード１０４ｂおよびカソード１０４ｃはそれぞれ、電解質１０４ａ側に設けられる白金触媒層を含む。

図４等に示すように、セルスタック１０２はスキッド１０８上に載せられ、スキッド１０８はフロントフレーム１６のフランジ部１６ｃから吊されるステースタック１１０によって支持されている。

図６に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、水溶液用のラジエータ１１２と気液分離用のラジエータ１１４とが配置されている。ラジエータ１１２と１１４とは一体的に構成され、その前面が車両の前方やや下向きに配置され、前面に対して直交するように設けられる複数の板状のフィン（図示せず）を有する。このようなラジエータ１１２および１１４は、走行時に風を十分に受けることができる。

図６等に示すように、ラジエータ１１２は、旋回するように形成されるラジエータパイプ１１６を含む。ラジエータパイプ１１６は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１１８ａ（図５参照）から出口１１８ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１２の裏面側にはラジエータパイプ１１６と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２０が設けられている。

同様に、ラジエータ１１４は、それぞれ蛇行するように形成される２本のラジエータパイプ１２２を含む。各ラジエータパイプ１２２は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１２４ａ（図３参照）から出口１２４ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１４の裏面側にはラジエータパイプ１２２と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２６が設けられている。

図１〜図７に戻り主に図３を参照して、フロントフレーム１６の連結部１６ｅの後側には、上方から順に燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２が配置されている。燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。

燃料タンク１２８は、シートレール２０の下側に配置され、シートレール２０の後端部に取り付けられている。燃料タンク１２８は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。燃料タンク１２８はその上面に蓋１２８ａを備え、蓋１２８ａを取り外してメタノール燃料が供給される。

また、水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８の下側に設けられ、リヤフレーム１８に取り付けられている。水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８からのメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（たとえば、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。つまり、水溶液タンク１３０は、水溶液ポンプ１４６（後述）によってセルスタック１０２に向けて送り出すべきメタノール水溶液を収容している。

燃料タンク１２８にはレベルセンサ１２９が装着され、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の液面の高さが検出される。水溶液タンク１３０にはレベルセンサ１３１が装着され、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の液面の高さが検出される。レベルセンサ１２９，１３１で液面高さを検出することによって、タンク内の液量を検出できる。水溶液タンク１３０内の液面は、たとえば図４においてＡで示す範囲内にコントロールされる。

水タンク１３２は、リヤフレーム１８の板状部材１８ａおよび１８ｂ間でありかつセルスタック１０２の後側に配置されている。水タンク１３２にはレベルセンサ１３３が装着され、水タンク１３２内の水面の高さが検出される。

また、燃料タンク１２８の前側でありかつフロントフレーム１６のフランジ部１６ｂの上側には、二次電池１３４が設けられている。二次電池１３４はリヤフレーム１８の板状部材（図示せず）の上面に配置される。二次電池１３４は、セルスタック１０２で生成された電気エネルギーを蓄え、コントローラ１５６（後述）の指令に応じて電気エネルギーを対応する電気構成部材に供給する。たとえば、二次電池１３４は、補機類や駆動ユニット６２に電気エネルギーを供給する。

二次電池１３４の上側かつシートレール２０の下側には、燃料ポンプ１３６、検出用バルブ１３８が配置されている。また、水溶液タンク１３０の上側にはキャッチタンク１４０が配置されている。

キャッチタンク１４０はその上面に蓋１４０ａを備え、たとえば燃料電池システム１００を一度も起動したことがない状態（水溶液タンク１３０が空の状態）において、蓋１４０ａを取り外してメタノール水溶液が供給される。キャッチタンク１４０は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。

また、フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータ１１２，１１４とによって囲まれた空間には、気体に含まれる塵等の異物を除去するためのエアフィルタ１４２が配置され、エアフィルタ１４２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１４４が配置されている。

また、図４に示すように、フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４８が収納されている。エアポンプ１４８の左側にはエアチャンバ１５０が配置されている。水溶液ポンプ１４６の駆動によってセルスタック１０２に向けてメタノール水溶液が送り出される。

さらに、図５に示すように、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、前方から順にメインスイッチ１５２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４、コントローラ１５６、防錆用バルブ１５８および水ポンプ１６０が配置される。なお、メインスイッチ１５２はフロントフレーム１６の収納スペースを右側から左側に貫通するように設けられている。セルスタック１０２の前面にはホーン１６２が設けられている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４は電圧を２４Ｖから１２Ｖに変換し、変換された１２Ｖの電圧によってファン１２０，１２６が駆動される。

このように配置される燃料電池システム１００の配管について、図４〜図７および図１０を参照して説明する。
燃料タンク１２８と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２によって連通されている。パイプＰ１は、燃料タンク１２８の左側面下端部と燃料ポンプ１３６の左側面下端部とを結び、パイプＰ２は、燃料ポンプ１３６の左側面下端部と水溶液タンク１３０の左側面下端部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。

水溶液タンク１３０と水溶液ポンプ１４６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１４６と水溶液フィルタ１４４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１４４とセルスタック１０２とはパイプＰ５によって連通されている。パイプＰ３は、水溶液タンク１３０の左側面下隅部と水溶液ポンプ１４６の後部とを結び、パイプＰ４は、水溶液ポンプ１４６の後部と水溶液フィルタ１４４の左側面とを結び、パイプＰ５は、水溶液フィルタ１４４の右側面とセルスタック１０２の前面右下隅部に位置するアノード入口Ｉ１とを結ぶ。水溶液ポンプ１４６を駆動させることによって、水溶液タンク１３０からのメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４で不純物が除去された後、パイプＰ５を介してセルスタック１０２に与えられる。この実施形態ではパイプＰ４およびＰ５によって水溶液ポンプ１４６が送り出すメタノール水溶液をセルスタック１０２の各燃料電池１０４に案内するパイプが構成される。

セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１２とはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１１２と水溶液タンク１３０とはパイプＰ７によって連通されている。パイプＰ６は、セルスタック１０２の後面左上隅部に位置するアノード出口Ｉ２とラジエータ１１２の下面右側端部から引き出されるラジエータパイプ１１６の入口１１８ａ（図５参照）とを結び、パイプＰ７は、ラジエータ１１２の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出されるラジエータパイプ１１６の出口１１８ｂ（図３参照）と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。セルスタック１０２から排出される未反応メタノール水溶液および二酸化炭素はパイプＰ６を介してラジエータ１１２に与えられ温度が下げられて、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。

上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。

また、エアフィルタ１４２とエアチャンバ１５０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１５０とエアポンプ１４８とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１４８と防錆用バルブ１５８とはパイプＰ１０によって接続され、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって接続されている。パイプＰ８は、エアフィルタ１４２の後部とエアチャンバ１５０の中央部よりもやや前方寄りの位置とを結び、パイプＰ９は、エアチャンバ１５０の中央部の下側とエアポンプ１４８の後部とを結び、パイプＰ１０は、フロントフレーム１６の板状部材１６ａの左側に位置するエアポンプ１４８と板状部材１６ａの右側に位置する防錆用バルブ１５８とを結び、パイプＰ１１は、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２の後面右上端部に位置するカソード入口Ｉ３とを結ぶ。燃料電池システム１００の運転時には防錆用バルブ１５８を開いておき、その状態でエアポンプ１４８を駆動させることによって、酸素を含む空気が外部から吸入される。吸入された空気は、エアフィルタ１４２で浄化された後、パイプＰ８、エアチャンバ１５０およびパイプＰ９を介してエアポンプ１４８に流入し、さらに、パイプＰ１０、防錆用バルブ１５８およびパイプＰ１１を介してセルスタック１０２に与えられる。防錆用バルブ１５８は、燃料電池システム１００の停止時には閉じられており、エアポンプ１４８への水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ１４８の錆を防止する。

セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通され、水タンク１３２にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。各パイプＰ１２は、セルスタック１０２の前面左下隅部に位置するカソード出口Ｉ４とラジエータ１１４の下面左側端部から引き出される各ラジエータパイプ１２２の入口１２４ａ（図３参照）とを結び、各パイプＰ１３は、ラジエータ１１４の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出される各ラジエータパイプ１２２の出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上部とを結び、パイプＰ１４は、水タンク１３２の後面上部に接続され、一旦上昇しその後下降するようにくの字状に形成されている。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される水分（水および水蒸気）や二酸化炭素を含む排気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１１４に与えられ、水蒸気が液化される。ラジエータ１１４からの排気は、パイプＰ１３を介して水と共に水タンク１３２に与えられ、パイプＰ１４を介して外部に排出される。

上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。

さらに、水タンク１３２と水ポンプ１６０とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１６０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１６によって連通されている。パイプＰ１５は、水タンク１３２の右側面下部と水ポンプ１６０の中央部とを結び、パイプＰ１６は、水ポンプ１６０の中央部と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。水ポンプ１６０を駆動させることによって、水タンク１３２内の水がパイプＰ１５，１６を介して水溶液タンク１３０に戻される。

上述したパイプＰ１５，１６は水の流路となる。

また、パイプＰ４には、水溶液ポンプ１４６によって送り出されパイプＰ４を流れるメタノール水溶液の一部が流入するように、パイプＰ１７が接続される。図４に示すように、パイプＰ１７には、パイプＰ１７内でのメタノール濃度を検出するための超音波センサ１６４が取り付けられている。超音波センサ１６４は、流入したメタノール水溶液のメタノール濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）に応じて超音波の伝播速度が変化することを利用してパイプＰ１７内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するために用いられる。

図４に示すように、超音波センサ１６４は、超音波を発生させる発信部１６４ａと超音波を検出する受信部１６４ｂとを有する。発信部１６４ａは、パイプＰ４に介挿される。発信部１６４ａの分岐口１６５にはパイプＰ１７の始端が接続され、パイプＰ１７内には分岐口１６５を介してメタノール水溶液が導入される。受信部１６４ｂは、パイプＰ１７の終端に接続され二次電池１３４の左側面に配置される。超音波センサ１６４では、発信部１６４ａで超音波を発生させ、受信部１６４ｂで超音波を受信して、発信部１６４ａでの超音波の発生開始から受信部１６４ｂでの超音波の受信までの時間によって得られる超音波の伝播速度を検出し、その伝播速度を電圧値に変換して物理的な濃度情報とする。コントローラ１５６は、その濃度情報に基づいて、パイプＰ１７内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。

受信部１６４ｂと検出用バルブ１３８とはパイプＰ１８によって連通されている。また、検出用バルブ１３８と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１９によって連通されている。パイプＰ１８は、受信部１６４ｂの上面と検出用バルブ１３８の左側面とを結び、パイプＰ１９は、検出用バルブ１３８の右側面と水溶液タンク１３０の上面とを結ぶ。

上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は主として濃度検出用の流路となる。

さらに、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とはパイプＰ２０によって連通され、キャッチタンク１４０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２１によって連通され、キャッチタンク１４０とエアチャンバ１５０とはパイプＰ２２によって連通されている。パイプＰ２０は、水溶液タンク１３０の左側面上隅部とキャッチタンク１４０の左側面上隅部とを結び、パイプＰ２１は、キャッチタンク１４０の下端部と水溶液タンク１３０の左側面下隅部とを結び、パイプＰ２２は、キャッチタンク１４０の左側面上部寄りの位置とエアチャンバ１５０の上端面とを結ぶ。水溶液タンク１３０内にある気体（主に、二酸化炭素、気化したメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ２０を介してキャッチタンク１４０に与えられる。気化したメタノールと水蒸気とはキャッチタンク１４０で冷却、液化された後、パイプＰ２１を介して水溶液タンク１３０に戻される。キャッチタンク１４０内の気体（二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ２２を介してエアチャンバ１５０に与えられる。

上述したパイプＰ２０〜Ｐ２２は主として燃料処理用の流路となる。

なお、図１０に示すように、超音波センサ１６４の受信部１６４ｂには、超音波センサ１６４を通るメタノール水溶液の温度を検出するための第１温度センサ１６６が設けられている。また、セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度に対応する濃度情報をメタノール水溶液の電気化学的特性を利用して検出するための電圧センサ１６８とセルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の温度を検出するための第２温度センサ１７０とが設けられている。さらに、エアフィルタ１４２付近には、外気温度を検出するための外気温度センサ１７１が設けられている。電圧センサ１６８は、燃料電池（燃料電池セル）１０４の開回路電圧（Open Circuit Voltage）を検出し、その電圧値を電気化学的な濃度情報とする。

このような燃料電池システム１００の電気的構成について、図１１を参照して説明する。
燃料電池システム１００のコントローラ１５６は、必要な演算を行い燃料電池システム１００の動作を制御するためのＣＰＵ１７２、ＣＰＵ１７２にクロックを与えるクロック回路１７４、燃料電池システム１００の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納するための、たとえばＥＥＰＲＯＭからなるメモリ１７６、燃料電池システム１００の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ１７８、外部機器と接続するためのインターフェイス回路１８０、自動二輪車１０を駆動する電動モータ６０にセルスタック１０２を接続するための電気回路１８２における電圧を検出するための電圧検出回路１８４、燃料電池１０４ひいてはセルスタック１０２を流れる電流を検出するための電流検出回路１８６、電気回路１８２を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路１８８、電気回路１８２の過電圧を防止するための電圧保護回路１９０、電気回路１８２に設けられるダイオード１９２、および電気回路１８２に所定の電圧を供給するための電源回路１９４を含む。

このようなコントローラ１５６のＣＰＵ１７２には、超音波センサ１６４、電圧センサ１６８、第１温度センサ１６６、第２温度センサ１７０および外気温度センサ１７１からの検出信号、ならびに電流検出回路１８６からの電流検出値が入力される。また、ＣＰＵ１７２には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ１９６からの検知信号や、電源をオンオフするためのメインスイッチ１５２からの入力信号や、各種設定や情報入力のための入力部３０ｃからの信号が与えられる。さらに、ＣＰＵ１７２には、レベルセンサ１２９，１３１および１３３からの検出信号も与えられる。

記憶手段であるメモリ１７６には、図１３に示す動作を実行するためのプログラムや演算データ等の他、超音波センサ１６４によって得られたメタノール水溶液の物理的な濃度情報（超音波伝播速度に対応する電圧）を濃度に変換するための変換情報、電圧センサ１６８によって得られたメタノール水溶液の電気化学的な濃度情報（燃料電池１０４の開回路電圧）を濃度に変換するための変換情報が格納される。これらの変換情報は、たとえば、センサの出力情報とそれに対応する濃度との対応関係を示すテーブルデータである。

さらに、メモリ１７６には、電流検出回路１８６によって得られた電流をＣＰＵ１７２によって積算して得られた値（電流積算値）からなる濃度情報に基づいて、燃料ポンプ１３６の通電時間（メタノール燃料投入量）を求めるための変換情報が、たとえばテーブルデータとして格納される。また、メモリ１７６にはメタノール水溶液の目標濃度を示すデータが格納される。

また、ＣＰＵ１７２によって、燃料ポンプ１３６、水溶液ポンプ１４６、エアポンプ１４８、水ポンプ１６０、冷却用ファン１２０，１２６、検出用バルブ１３８および防錆用バルブ１５８等の補機類が制御される。さらに、ＣＰＵ１７２によって、各種情報を表示し自動二輪車の搭乗者に各種情報を報知するための表示部３０ｂが制御される。

また、セルスタック１０２には二次電池１３４および駆動ユニット６２が接続される。二次電池１３４および駆動ユニット６２は電動モータ６０に接続される。二次電池１３４は、セルスタック１０２からの出力を補完するものであり、セルスタック１０２からの電気エネルギーによって充電され、その放電によって電動モータ６０や補機類に電気エネルギーを与える。

電動モータ６０には、電動モータ６０の各種データを計測するためのメータ３０ａが接続され、メータ３０ａによって計測されたデータや電動モータ６０の状況は、インターフェイス回路１９８を介してＣＰＵ１７２に与えられる。

この実施形態では、電圧センサ１６８が第１濃度検出手段に相当し、電流検出回路１８６およびＣＰＵ１７２が第２濃度検出手段に相当する。パイプＰ１，Ｐ２および燃料ポンプ１３６を含む燃料供給手段、パイプＰ１５，Ｐ１６および水ポンプ１６０を含む水供給手段、ならびにＣＰＵ１７２が、濃度調整手段に相当する。なお、燃料供給手段は少なくとも燃料ポンプ１３６を含んでいればよく、水供給手段は少なくとも水ポンプ１６０を含んでいればよい。

ついで、燃料電池システム１００の運転時の主要動作について説明する。
燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２がオンされることを契機として、水溶液ポンプ１４６やエアポンプ１４８等の補機類を駆動し、運転を開始する。

水溶液ポンプ１４６の駆動によって、水溶液タンク１３０に収容されるメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４に供給される。そして、水溶液フィルタ１４４で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプＰ５、アノード入口Ｉ１を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂにダイレクトに供給される。

一方、エアポンプ１４８の駆動によってエアフィルタ１４２から吸入された空気（エア）は、パイプＰ８を介してエアチャンバ１５０に流入することによって消音される。そして、吸入された空気およびエアチャンバ１５０に与えられたキャッチタンク１４０からの気体が、パイプＰ９〜Ｐ１１、カソード入口Ｉ３を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに供給される。

各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂでは、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応し、二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質１０４ａを介してカソード１０４ｃに流入し、そのカソード１０４ｃ側に供給された空気中の酸素と電気化学反応して水（水蒸気）および電気エネルギーが生成される。つまり、セルスタック１０２において発電が行われる。生成された電気エネルギーは、二次電池１３４に送られて蓄えられると共に、自動二輪車１０の走行駆動等に利用される。

一方、各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂで生成された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、上記電気化学反応によって発生する熱によって温度上昇し（たとえば約６５℃〜７０℃となる）、未反応メタノール水溶液の一部は気化される。二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２を介して水溶液用のラジエータ１１２内に流入し、ラジエータパイプ１１６を流れる間にファン１２０によって冷却される（たとえば約４０℃となる）。冷却された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。

一方、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となってセルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード出口Ｉ４から排出された水蒸気の一部は、ラジエータ１１４で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ１１４による水蒸気の液化動作は、ファン１２６を動作させることによって行われる。カソード出口Ｉ４からの水分（水および水蒸気）は未反応の空気と共にパイプＰ１２，ラジエータ１１４およびパイプＰ１３を介して水タンク１３２に与えられる。

また、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃでは、キャッチタンク１４０からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソードに移動したメタノールが白金触媒層で酸素と反応して無害な水分と二酸化炭素とに分解される。メタノールから分解された水分と二酸化炭素とは、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。さらに、水のクロスオーバーによって各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに移動した水分が、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。

水タンク１３２に回収された水は、水ポンプ１６０の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を介して水溶液タンク１３０に適宜還流され、メタノール水溶液の水として利用される。

運転中の燃料電池システム１００では、各燃料電池セル１０４の劣化を防ぎつつ各燃料電池セル１０４に効率よく発電させるために、メタノール水溶液の濃度検出処理が定期的に実行される。そして、その検出結果に基づいてセルスタック１０２に供給すべきメタノール水溶液のメタノール濃度が調整される。具体的には、メタノール濃度の検出結果に基づいて、燃料タンク１２８内のメタノール燃料が水溶液タンク１３０へ供給され、水タンク１３２内の水が水溶液タンク１３０へ還流される。

このような燃料電池システム１００において酸化剤欠乏処理を実行したときのデータを図１２に示す。
図１２の期間（２）に示す酸化剤欠乏処理の実行直後の一時期においては、反応する酸化剤（酸素）が欠乏することによって発生する電圧が低下する。そのため、燃料電池１０４の開回路電圧の変化特性はメタノール水溶液の濃度の変化特性と大きく異なり開回路電圧とメタノール水溶液の濃度との相関性が低くなるので、開回路電圧に基づいてメタノール水溶液の濃度を精度よく検出することはできない。一方、燃料電池１０４すなわちセルスタック１０２からの電流を検出・積算すれば、電力の取り出し量から燃料の消費量およびメタノール水溶液の濃度を概算できる。したがって、期間（２）に示す酸化剤欠乏処理の実行直後の一時期においては、開回路電圧ではなく燃料電池１０４からの電流値に基づいてメタノール水溶液の濃度を検出する方が高い検出精度が得られる。つまり、電圧センサ１６８の開回路電圧の濃度情報を使用せず、電流検出回路１８６の出力による濃度情報に基づいて濃度調整を実行する。

そして、開回路電圧が酸化剤欠乏処理前の値を下回れば、十分に反応が行われ、開回路電圧は安定状態に戻ったと判断し、期間（３）においては開回路電圧に基づくメタノール水溶液の濃度が用いられる。なお、図１２ではグラフの縦軸のスケールが大きいため開回路電圧が酸化剤欠乏処理前の値を下回ったことが把握しにくいが、時点Ｐにおいて明確に下回っていることに留意されたい。

この実施形態では、期間（１）と（３）とでは開回路電圧に基づくメタノール水溶液の濃度を用いて濃度調整され、期間（２）では燃料電池１０４からの電流に基づくメタノール水溶液の濃度を用いて濃度調整される。

このような燃料電池システム１００の動作について、図１３を参照して説明する。
なお、図１３に示す動作は、電圧センサ１６８の検出精度が高い比較的高温において行われ、たとえば第２温度センサ１７０によって検出された温度が４５℃以上であるときに行われる。

まず、酸化剤欠乏処理前に電圧センサ１６８によって検出された開回路電圧がメモリ１７６に保存される（ステップＳ１）。このとき、開回路電圧を複数回取得し平均値を取ってもよい。なお、開回路電圧が低いとメタノール水溶液の濃度は高いことを示し、開回路電圧が高いとメタノール水溶液の濃度は低いことを示す。

ついで、エアポンプ１４８を停止させて酸化剤欠乏処理が実行され（ステップＳ３）、一定時間後にエアポンプ１４８の駆動を再開させ（ステップＳ５）、燃料電池１０４すなわちセルスタック１０２からの電流が電流検出回路１８６によって検出され（ステップＳ７）、ＣＰＵ１７２によってその電流値が所定期間分積算され積算電流値が得られる（ステップＳ９）。そして、ＣＰＵ１７２によって、メモリ１７６に格納された積算電流値から燃料ポンプ通電時間を求める変換情報を参照して、積算電流値に対応する燃料ポンプ１３６の通電時間が決定され（ステップＳ１１）、燃料ポンプ１３６が通電されて水溶液タンク１３０内にメタノール燃料が供給される（ステップＳ１３）。このときだけ、メタノール水溶液の濃度が目標濃度より少し濃くなるように、濃度に対応する燃料ポンプ１３６の通電時間（ポンプ駆動時間）がやや長くなるように設定したテーブルを使用する。これによって開回路電圧が早く酸化剤欠乏処理前の値を下回るように誘導される。

そして、一定時間（この実施形態では９分）が経過したか否かがＣＰＵ１７２によって判断され（ステップＳ１５）、一定時間が経過していなければ、開回路電圧がメモリ１７６に記憶された酸化剤欠乏処理前の値を下回ったか否か、すなわちメタノール水溶液の濃度情報が酸化剤欠乏処理前の濃度情報より高濃度を示したか否かがＣＰＵ１７２によって判断される（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７において、開回路電圧が酸化剤欠乏処理前の値を下回っていなければ、開回路電圧は正常な値に戻っていないと判断されステップＳ７に戻る。

一方、開回路電圧が酸化剤欠乏処理前の値を下回れば、開回路電圧も正常値に戻ったと判断されステップＳ１９に進む。また、ステップＳ１５において、一定時間経過したときもステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、ＣＰＵ１７２によって、メモリ１７６に格納されている変換情報を参照して開回路電圧に基づいてメタノール水溶液の濃度が検出される。そして、検出された濃度と目標濃度との比較に基づいて、燃料ポンプ１３６の通電時間および水ポンプ１６０の通電時間が決定される（ステップＳ２１）。このとき、水溶液タンク１３０の水位をも考慮して、燃料ポンプ１３６および水ポンプ１６０の通電時間が決定される。

そして、通電時間が決定されたポンプがその時間分通電され、これによって水溶液タンク１３０内にメタノール燃料および／または水が供給され水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の濃度と水溶液量が目標濃度・量に調整され（ステップＳ２３）、終了する。このようにして、酸化剤欠乏処理を実行した場合におけるメタノール水溶液の濃度調整が行われる。

このような燃料電池システム１００によれば、酸化剤欠乏処理の実行直後は燃料電池１０４からの電流に基づいてメタノール水溶液液の濃度情報を取得できるので濃度検出精度の低下を抑制でき、酸化剤欠乏処理を行う場合においてもメタノール水溶液の燃料濃度の検出精度を高く維持することができる。

また、メタノール水溶液の濃度が目標濃度を超えるように高濃度のメタノール燃料を多めに加えることによって、開回路電圧をより短時間で酸化剤欠乏処理前の値に戻し、すなわち電圧センサ１６８の検出精度を速やかに正常に戻し、濃度調整のために用いる手段を電流検出回路１８６から電圧センサ１６８へ早期に切り替えることができる。その結果、酸化剤欠乏処理を行う場合であっても、燃料濃度を精度よく調整できる。

なお、通常モードにおける濃度検出処理では、電圧センサ１６８による濃度情報にさらに電流検出回路１８６による濃度情報を加味してもよい。また、酸化剤欠乏処理後は、電流検出回路１８６による濃度情報にさらに別の検出手段による濃度情報を加味してもよい。

燃料電池システムを含む自動二輪車ひいては自動車、船舶等の輸送機器では、発電効率を向上させるために必要に応じて酸化剤欠乏処理が実行されるので、この発明はこれらの任意の輸送機器に好適に用いられる。

なお、上述の実施形態では、メタノール水溶液の濃度情報を電気化学的に検出する第１濃度検出手段として、電圧センサ１６８が用いられたが、これに限定されず、たとえば米国特許第６，２５４，７４８号に開示されているセンサなど、濃度を電気化学的に検出する任意のセンサを用いることができる。また、電圧センサ１６８によって、燃料電池１０４の開回路電圧を検出する代わりに、セルスタック１０２の開回路電圧を検出しそれを濃度情報としてもよい。

また上述の実施形態では、第２濃度検出手段は電流検出回路１８６を含むが、これに限定されず、第１濃度検出手段とは異なる方法によって濃度情報を検出する任意の手段を用いることができる。この実施形態では、開回路電圧を検出する電圧センサ１６８以外の任意のセンサ等を用いることができる。

変換情報は、濃度情報を濃度に変換するための演算式であってもよい。

上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。

この発明の一実施形態の自動二輪車を示す左側面図である。 自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。 自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。 燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。 燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。 燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。 燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。 燃料電池セルスタックを示す図解図である。 燃料電池セルを示す図解図である。 燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 酸化剤欠乏処理を実行した場合のデータを示すグラフである。 この発明の一実施形態の動作の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１０ 自動二輪車
１００ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１０４ 燃料電池（燃料電池セル）
１３６ 燃料ポンプ
１５６ コントローラ
１６０ 水ポンプ
１６４ 超音波センサ
１６８ 電圧センサ
１７２ ＣＰＵ
１７６ メモリ
１８６ 電流検出回路
Ｐ１〜Ｐ２２ パイプ

Claims (5)

1. 電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、
   前記燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の電気化学的特性を利用して前記燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第１濃度検出手段、
   前記第１濃度検出手段とは異なる方法によって前記燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第２濃度検出手段、
   前記第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理前に検出された濃度情報を記憶する記憶手段、および
   酸化剤欠乏処理後に、前記第２濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて濃度調整し前記燃料水溶液の濃度を目標濃度より高くなるように調整するとともに、前記第１濃度検出手段によって前記酸化剤欠乏処理後に検出された濃度情報が前記記憶手段に記憶された濃度情報よりも高濃度を示すと判断されたとき、前記第１濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて前記燃料水溶液の濃度を調整する濃度調整手段を備える、燃料電池システム。
2. 前記第２濃度検出手段は前記燃料電池からの電流に基づいて前記燃料水溶液の濃度情報を検出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムを含む、自動二輪車。
4. 請求項１または２に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
5. 電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、前記燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の電気化学的特性を利用して前記燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第１濃度検出手段、前記第１濃度検出手段とは異なる方法によって前記燃料水溶液の濃度に対応する濃度情報を検出する第２濃度検出手段、および濃度情報を記憶可能な記憶手段を備える燃料電池システムの濃度調整方法であって、
   前記第１濃度検出手段によって酸化剤欠乏処理前に検出された濃度情報を前記記憶手段に記憶するステップ、
   酸化剤欠乏処理後に、前記第２濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて前記燃料水溶液の濃度を目標濃度より高くなるように調整するステップ、および
   前記第１濃度検出手段によって前記酸化剤欠乏処理後に検出された濃度情報が前記記憶手段に記憶された濃度情報よりも高濃度を示したとき、前記第１濃度検出手段によって検出された濃度情報に基づいて前記燃料水溶液の濃度を調整するステップを備える、燃料電池システムの濃度調整方法。
   

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