JP2006086111A

JP2006086111A - 燃料電池システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP2006086111A
Application number: JP2005210668A
Authority: JP
Inventors: Masatsugu Oishi; 昌嗣大石; Yasuyuki Muramatsu; 恭行村松; Hideo Koda; 秀夫幸田
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2005-07-20
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2025-07-20
Also published as: JP5147165B2

Abstract

【課題】水タンク内に適量の水を確保できかつエネルギー効率を良好にできる、燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２からの水分を含む排気を冷却するラジエータ４６、ラジエータ４６を冷却する冷却ファン４８、ラジエータ４６から排出される水分を収容する水タンク４４、水タンク４４内の液量を検出する水位センサ５４、燃料電池１２の温度を検出する温度センサ６６、カソード出口１３の温度を検出する温度センサ６８、およびラジエータ出口４６ａの温度を検出する温度センサ７０を備える。燃料電池システム１０では、水タンク４４内の液量に基づいて冷却ファン４８を駆動させる第１モードおよび冷却ファン４８を駆動しない第２モードのいずれか一方が、温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度に応じて選択される。
【選択図】図９

Description

この発明は燃料電池システムおよびその制御方法に関し、より特定的には、燃料電池から排出される水分を水タンクに収容する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

従来、燃料電池における反応によってカソード側に生じた水分をラジエータで冷却して水タンクに回収する燃料電池システムが提案されており、その一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の排気温度が外気温度を超えている状態において、水タンク内の水位が正常な範囲よりも低いときには冷却ファンを駆動させ、水タンク内の水位が正常な範囲を超えているときには冷却ファンを停止する。また、水タンク内の水位が正常な範囲内であれば冷却ファンの駆動あるいは冷却ファンの停止を維持する。特許文献１の燃料電池システムでは、このように水タンク内の液量に応じて冷却ファンを制御することによって水タンク内に適量の水を確保している。
特開２０００−３０７２７

しかし、特許文献１技術では、排気温度が外気温を超えている状態において、燃料電池システムの温度が冷却ファンを駆動させずとも十分な水を水タンクに回収できる温度であっても、冷却ファンの駆動を維持し、電力を無駄に消費するおそれがあった。ひいては、燃料電池システムのエネルギー効率が低下してしまうおそれがあった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、水タンク内に適量の水を確保できかつエネルギー効率の良好な、燃料電池システムおよびその制御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、電気エネルギーを生成するための燃料電池システムであって、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、燃料電池から排出される水分を含む排気を冷却するラジエータ、ラジエータを冷却する冷却ファン、ラジエータから排出される水分を収容する水タンク、水タンク内の液量を検出するために水タンクに設けられる検出手段、当該燃料電池システムの温度を検出する温度検出手段、ならびに検出手段によって検出された液量に応じて冷却ファンを駆動させる第１モードと冷却ファンを駆動しない第２モードとを含む複数の動作モードを有し、温度検出手段によって検出された温度に応じて冷却ファンを駆動させる制御手段を備える。

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１モードである場合に制御手段は、検出手段によって検出された液量が第１閾値未満のときに冷却ファンを駆動させ、検出手段によって検出された液量が第２閾値を超えたときに冷却ファンを停止させることを特徴とする。

請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、温度検出手段はラジエータの出口の温度を検出するラジエータ出口温度検出手段を含み、制御手段はラジエータ出口温度検出手段によって検出された温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、温度検出手段は燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を含み、制御手段は燃料電池温度検出手段によって検出された温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、温度検出手段は燃料電池のカソード出口の温度を検出するカソード出口温度検出手段を含み、制御手段はカソード出口温度検出手段によって検出された温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

請求項６に記載の燃料電池システムは、電気エネルギーを生成するための燃料電池システムであって、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、燃料電池から排出される水分を含む排気を冷却するラジエータ、ラジエータを冷却する冷却ファン、ラジエータから排出される水分を収容する水タンク、水タンク内の液量を検出するために水タンクに設けられる検出手段、当該燃料電池システムの温度を検出する温度検出手段、ならびに温度検出手段によって検出された温度と検出手段によって検出された液量とに応じて冷却ファンを制御する制御手段を備える。

請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池には燃料水溶液が供給されることを特徴とする。

請求項８に記載の輸送機器は、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システムを用いたことを特徴とする。

請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池から排出される水分を含む排気を冷却するラジエータと、ラジエータを冷却する冷却ファンと、ラジエータから排出される水分を収容する水タンクとを備える、燃料電池システムの制御方法において、水タンク内の液量に応じて冷却ファンを駆動させる第１モードと冷却ファンを駆動しない第２モードとを含む複数の動作モードを有し、当該燃料電池システムの温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法において、第１モードでは、水タンク内の液量が第１閾値未満のときに冷却ファンを駆動させ、水タンク内の液量が第２閾値を超えたときに冷却ファンを停止させることを特徴とする。

請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項９または１０に記載の燃料電池システムの制御方法において、ラジエータの出口の温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項９から１１のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法において、燃料電池の温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法は、請求項９から１２のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法において、燃料電池のカソード出口の温度に応じて冷却ファンを駆動させることを特徴とする。

なお、制御手段が第１モードおよび第２モード以外の冷却ファンの動作モードを有していてもよい。また、「冷却ファンを駆動しない」とは、実質的に駆動しない意味であって極めて低い電力で冷却ファンを駆動させる場合も含む。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池システムの温度が高いときには、第１モードに移行し、水タンク内の液量に応じて冷却ファンを駆動させる。一方、燃料電池システムの温度が低いときには、第２モードに移行し、冷却ファンを駆動しない。言い換えれば、燃料電池システムの温度と水タンク内の液量とに応じて冷却ファンを制御する。これによって、燃料電池システムの温度が高いときには、ラジエータから水タンクに供給する液量を冷却ファンの駆動によって調節でき、水タンク内に適量の水を確保できる。一方、燃料電池システムの温度が低いときには、燃料電池から排出される水分の温度も低く、水タンクに至るまでに水分の一部が自然に凝集し液化する。したがって、ラジエータを冷却ファンによって強制的に冷却せずとも水タンクに十分な水を回収できる。このように水分が自然に液化するときには冷却ファンを駆動しないことによって、節電でき、エネルギー効率を良好にできる。また、水分が自然に液化するときには冷却ファンを駆動しないことによって、水タンクに必要以上の水を回収して水タンクから水が溢れることを抑制できる。請求項６に記載の燃料電池システムおよび請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、第１モードにおいて、水タンク内の液量が第１閾値未満のときに冷却ファンを駆動させ、一方、第２閾値を超えたときに冷却ファンを停止させる。これによって、水タンク内の液量を所望の範囲内に安定させることができる。請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、冷却ファンの動作の影響を直接的に受けるラジエータの出口の温度に着目し、ラジエータ出口の温度に応じて第１モードに移行する。このようにラジエータの出口の温度に着目することによって、冷却ファンを駆動させずともよいか否か、つまりラジエータを強制的に冷却せずともよいか否かを適切に判断でき、無駄な電力消費を抑え、エネルギー効率をより一層良好にできる。請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。

通常、燃料電池にはその動作状態等を確認するために温度検出手段が設けられる。請求項４に記載の燃料電池システムでは、動作状態等を確認するために検出される燃料電池の温度に着目し、燃料電池の温度に応じて第１モードに移行する。このように動作状態等を確認するための燃料電池の温度に着目することによって、冷却ファンを駆動させずともよいか否かを効率的に判断できる。請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法についても同様である。

また、この他にも請求項５に記載の燃料電池システムおよび請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法のように、燃料電池のカソード出口の温度に着目し、カソード出口の温度に応じて第１モードに移行するようにしてもよい。

一般に、燃料水溶液が燃料電池に直接供給される燃料電池システムでは、燃料水溶液に水を利用する必要があり、水分の回収および循環が不可欠である。適量の水を確保できかつエネルギー効率を良好にできるので、この発明は請求項７に記載するように燃料水溶液が燃料電池に供給される燃料電池システムに特に有効である。

一般に、輸送機器は、据え置き型の装置とは異なり水や燃料の補給が難しく、据え置き型の装置よりもエネルギー効率が良好であることが望まれる。適量の水を確保できかつエネルギー効率を良好にできるので、この発明の燃料電池システムは請求項８に記載するように輸送機器に好適に用いられる。

この発明によれば、水タンク内に適量の水を確保できかつエネルギー効率を良好にできる。

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。
図１〜図４に示すように、この発明の一実施形態の燃料電池システム１０は、直接メタノール型燃料電池システムとして構成される。直接メタノール型燃料電池システムは改質器が不要であるので、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。ここでは、燃料電池システム１０を輸送機器の一例である自動二輪車に用いる場合について説明する。なお、図２に示すように、自動二輪車については車体フレーム２００のみを示し、図２において左側が車両前方、右側が車両後方である。燃料電池システム１０は車体フレーム２００に沿って配置される。

図１を主に参照して、燃料電池システム１０は燃料電池１２を含む。燃料電池１２は、電解質１２ａと電解質１２ａを両側から挟むアノード（燃料極）１２ｂおよびカソード（空気極）１２ｃとを含む複数の直接メタノール型燃料電池セルを直列に接続（積層）した燃料電池セルスタックとして構成される。

また、燃料電池システム１０は、高濃度のメタノール燃料（メタノールを約５０ｗｔ％程度含む水溶液）Ｆを収容する燃料タンク１４を含み、燃料タンク１４は燃料供給パイプ１６を介してメタノール水溶液（メタノールを約３ｗｔ％程度含む水溶液）Ｓが収容される水溶液タンク１８に接続される。燃料供給パイプ１６には燃料ポンプ２０が介挿され、燃料ポンプ２０の駆動によって燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆが水溶液タンク１８に供給される。

燃料タンク１４には水位センサ１５が装着され、燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆの水位が検出される。また、水溶液タンク１８には水位センサ２２が装着され、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの水位が検出される。水溶液タンク１８は、水溶液パイプ２４を介して燃料電池１２のアノード１２ｂに接続される。水溶液パイプ２４には、上流側から水溶液ポンプ２６、熱交換器として機能するラジエータ２８、および水溶液フィルタ３０が順に介挿される。ラジエータ２８の近傍にはラジエータ２８を冷却するための冷却ファン３２が配置される。水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは、水溶液ポンプ２６によってアノード１２ｂに向けて供給され、必要に応じてラジエータ２８によって冷却され、さらに水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。
一方、燃料電池１２のカソード１２ｃにはエアポンプ３４がエア側パイプ３６を介して接続され、エア側パイプ３６にはエアフィルタ３８が介挿される。したがって、エアポンプ３４からの酸素を含む空気がエアフィルタ３８によって浄化されたのちカソード１２ｃに与えられる。

また、アノード１２ｂと水溶液タンク１８とはパイプ４０を介して接続され、アノード１２ｂから排出される未反応のメタノール水溶液や生成された二酸化炭素が水溶液タンク１８に与えられる。

さらに、カソード１２ｃにはパイプ４２を介して水タンク４４が接続される。パイプ４２には気液分離器として機能するラジエータ４６が介挿され、ラジエータ４６近傍にはラジエータ４６を冷却するための冷却ファン４８が配置される。カソード１２ｃのカソード出口１３（図２および図３参照）から排出される水分（水および水蒸気）を含む排気がパイプ４２を介して水タンク４４に与えられる。

また、水溶液タンク１８と水タンク４４とはＣＯ₂ベントパイプ５０を介して接続される。ＣＯ₂ベントパイプ５０にはメタノール水溶液Ｓを分離するためのメタノールトラップ５２が介挿される。これによって、水溶液タンク１８から排出される二酸化炭素が水タンク４４に与えられる。

水タンク４４には、水位センサ５４が装着され、水タンク４４内の水位が検出される。また、水タンク４４には排気ガスパイプ５６が取り付けられ、排気ガスパイプ５６から二酸化炭素とカソード１２ｃからの排気とが排出される。

水タンク４４は水還流パイプ５８を介して水溶液タンク１８に接続され、水還流パイプ５８には水ポンプ６０が介挿される。水タンク４４内の水は、水溶液タンク１８の状況に応じて必要なときに水ポンプ６０の駆動によって水溶液タンク１８へ還流される。

また、水溶液パイプ２４において、ラジエータ２８と水溶液フィルタ３０との間には、バイパスパイプ６２が形成される。

図４をも参照して、燃料電池システム１０には、バイパスパイプ６２にメタノール水溶液Ｓの濃度を検出するための濃度センサ６４が設けられる。また、燃料電池システム１０には、燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度を検出することによって燃料電池１２の温度を検出する温度センサ６６、カソード出口１３の温度を検出するための温度センサ６８、ラジエータ４６の出口（以下、ラジエータ出口という）４６ａの温度を検出するための温度センサ７０が設けられる。図３に示すように、温度センサ６６は、アノード１２ｂのメタノール水溶液Ｓの温度を検出するように燃料電池１２内に配置される。温度センサ６８は、カソード出口１３から排出される排気の温度を検出するようにカソード出口１３内に配置される。温度センサ７０は、ラジエータ４６から排出される排気の温度を検出するようにラジエータ出口４６ａ内に配置される。この実施形態では、温度センサ６６が燃料電池温度検出手段に相当し、温度センサ６８がカソード出口温度検出手段に相当し、温度センサ７０がラジエータ出口温度検出手段に相当する。なお、燃料電池温度検出手段としては、燃料電池１２に設けられる温度センサ６６以外のセンサを用いてもよい。

さらに、エアポンプ３４のエア取込口近傍には、外気温度を検出するための温度センサ７２が設けられる。温度センサ７２は、エアポンプ３４のエア取込口近傍で車体フレーム２００に取り付けられる。

図４に示すように、燃料電池システム１０は制御手段である制御回路７４を含む。
制御回路７４は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御するためのＣＰＵ７６、ＣＰＵ７６にクロックを与えるクロック回路７８、燃料電池システム１０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８０、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ８２、外部機器と接続するためのインターフェイス回路８４、自動二輪車を駆動するモータ２０２に燃料電池１２を接続するための電気回路８６における電圧を検出するための電圧検出回路８８、電気回路８６を流れる電流を検出するための電流検出回路９０、電気回路８６を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路９２、電気回路８６の過電圧を防止するための電圧保護回路９４、電気回路８６に設けられるダイオード９６、および電気回路８６に所定の電圧を供給するための電源回路９８を含む。

このような制御回路７４のＣＰＵ７６には、濃度センサ６４、温度センサ６６，６８，７０および７２からの検出信号が入力され、また転倒の有無を検知する転倒スイッチ１００からの検知信号や各種設定や情報入力のための入力部１０２からの信号が与えられる。さらに、ＣＰＵ７６には、水位センサ１５，２２および５４からの検出信号も与えられる。

メモリ８０には、水タンク４４内の液量に応じて冷却ファン４８を駆動させる第１モードを実行するためのプログラム、および水タンク４４内の液量に拘わらず冷却ファンを駆動しない第２モードを実行するためのプログラムが格納される。また、メモリ８０には、温度センサ６６によって検出した燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度と比較するための第１所定値、温度センサ６８によって検出したカソード出口１３内の排気の温度と比較するための第２所定値、および温度センサ７０によって検出したラジエータ出口４６ａ内の排気の温度と比較するための第３所定値が格納される。

第１所定値は、それ以下であれば水分が水タンク４４に至るまでに自然に液化すると想定される燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度である。また、第２所定値は、それ以下であれば水分が水タンク４４に至るまでに自然に液化すると想定されるカソード出口１３内の排気の温度である。また、第３所定値は、それ以下であれば水分が水タンク４４に至るまでに自然に液化すると想定されるラジエータ出口４６ａ内の排気の温度である。

また、ＣＰＵ７６によって、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が制御される。また、ＣＰＵ７６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１０４が制御される。

また、燃料電池１２には二次電池１０６および二次電池１０６の蓄電量を検出するための蓄電量検出装置１０８が並列接続される。二次電池１０６および蓄電量検出装置１０８はモータ２０２にも並列接続される。二次電池１０６は、燃料電池１２からの出力を補完するものであり、燃料電池１２からの電気エネルギーによって充電され、その放電によってモータ２０２や補機類に電気エネルギーを与える。

モータ２０２には、モータ２０２の各種データを計測するためのメータ２０４が接続され、メータ２０４によって計測されたデータやモータ２０２の状況は、インターフェイス回路１１０を介してＣＰＵ７６に与えられる。

ここで、水タンク４４について詳しく説明する。
図２および図３に示すように、水タンク４４は、たとえばＦＲＰからなり、車体フレーム２００における配置箇所に対応するように小型に構成されかつその上部より下部の方を膨出させて構成される。水タンク４４の容量は５００ｃｃ程度である。

図５〜図７を参照して、水タンク４４には、それぞれたとえばＳＵＳ３０４等からなる導入パイプ１１２，１１４および排出パイプ１１６，１１８が嵌通するように取り付けられる。

導入パイプ１１２は、水タンク４４の前面やや上部から水タンク４４内に嵌通する円筒部１１２ａと水タンク４４内において下方に屈曲する略ラッパ状の拡開部１１２ｂとからなる。拡開部１１２ｂの導入口１２０ｂの開口面積は、円筒部１１２ａの入口１２０ａのそれより大きく設定される。円筒部１１２ａにはパイプ４２が接続される。

導入パイプ１１４は、水タンク４４の上面角部から水タンク４４内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク４４内において排出パイプ１１６の上方に配置される。導入パイプ１１４にはＣＯ₂ベントパイプ５０が接続される。

排出パイプ１１６は、水タンク４４の背面から水タンク４４内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク４４内において導入パイプ１１２の拡開部１１２ｂの上方に排出口１２２が位置するように設けられる。このように水タンク４４内において導入口１２０ｂと排出口１２２とが対向しないように、拡開部１１２ｂと排出パイプ１１６とが配置される。排出パイプ１１６には排気ガスパイプ５６が接続される。

排出パイプ１１８は、水タンク４４の背面かつ底面近傍から水タンク４４内に嵌通する円筒状パイプであり、排出パイプ１１８には水還流パイプ５８が接続される。

したがって、カソード１２ｃからの水分を含む排気はパイプ４２を経由し導入パイプ１１２から水タンク４４内に導入される。水溶液タンク１８、ＣＯ₂ベントパイプ５０を経由した二酸化炭素は、導入パイプ１１４から水タンク４４内に導入される。水タンク４４内の水は、排出パイプ１１８を経由して水還流パイプ５８に流入する。水タンク４４内の二酸化炭素を含む排気は排出パイプ１１６および排気ガスパイプ５６を通って外部に放出される。

さらに、水タンク４４内には防風部材１２４が設けられる。防風部材１２４は、たとえばＳＵＳ３０４からなり、略長方形かつ板状のセパレータ１２４ａと、セパレータ１２４ａに対して略直角に折り曲げられた取付部１２４ｂとからなる。セパレータ１２４ａが略水平になるように取付部１２４ｂが水タンク４４の側面内壁に取り付けられて、防風部材１２４が水タンク４４内に固定される。セパレータ１２４ａによって水タンク４４の内部が上方空間１２６ａと下方空間１２６ｂとに区画される。上方空間１２６ａ側には導入パイプ１１２，１１４および排出パイプ１１６が設けられ、下方空間１２６ｂ側には排出パイプ１１８が設けられる。

防風部材１２４の取付位置は、下方空間１２６ｂに水溶液タンク１８への補給に必要十分な水を収容できるような高さに設定される。また、防風部材１２４が取付部１２４ｂを除いて水タンク４４の内壁と接触しないように、すなわちセパレータ１２４ａの外縁３辺と水タンク４４の対応する内壁３面とが間隙１２８を有するように、防風部材１２４が位置決めされる。

また、セパレータ１２４ａには、複数（ここでは２１個）の小径貫通孔１３０ａと複数（ここでは１３個）の大径貫通孔１３０ｂとが設けられる。小径貫通孔１３０ａは導入口１２０ｂと対向し導入口１２０ｂからの水分を含む排気の吐出箇所に集中的に設けられる。好ましくは、小径貫通孔１３０ａの直径は４ｍｍに、大径貫通孔１３０ｂの直径は６ｍｍに設定される。小径貫通孔１３０ａをこのような位置に設けることによって、下方空間１２６ｂ内への排気の進入を抑えつつ水を効率的に回収できる。

さらに、図５および図６に示すように、下方空間１２６ｂ側の前面の内壁には、セパレータ１２４ａの下方かつセパレータ１２４ａと所定の間隙を有する位置に突起部（邪魔板）１３２が設けられる。突起部１３２は、垂直方向からみて水タンク４４の前面の内壁とセパレータ１２４ａとの間隙１２８を塞ぐように設けられる。

また、下方空間１２６ｂには、水タンク４４内の水位を検出するためのたとえばフロートセンサからなる水位センサ５４が設けられる。図７に示すように、水位センサ５４は、センサ本体５４ａとセンサ本体５４ａに取り付けられるフロート部５４ｂとを含む。水位センサ５４では、下方空間１２６ｂ内の水位の変化に伴ってフロート部５４ｂが浮動することによって、下方空間１２６ｂ内の水位を検出できる。言い換えれば、水位センサ５４では、浮動するフロート部５４ｂの位置に基づいて水タンク４４内の液量（水量）を検出できる。

このような燃料電池システム１０の発電時の動作について説明する。
発電開始時には、水溶液タンク１８内に収容された所望の濃度のメタノール水溶液Ｓが水溶液ポンプ２６の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、必要に応じてラジエータ２８で冷却され、水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。燃料電池システム１０では、温度センサ６６によって検出した燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度に応じてラジエータ２８を冷却するための冷却ファン３２を制御し、メタノール水溶液Ｓの温度を管理する。

一方、酸素を含む空気がエアポンプ３４の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、エアフィルタ３８によって浄化されカソード１２ｃに供給される。

燃料電池１２のアノード１２ｂでは、メタノール水溶液Ｓのメタノールと水とが電気化学反応して二酸化炭素と水素イオンとが生成され、生成された水素イオンは、電解質１２ａを通ってカソード１２ｃに流入する。この水素イオンは、カソード１２ｃ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）と電気エネルギーとが生成される。
燃料電池１２のアノード１２ｂで生成された二酸化炭素はパイプ４０、水溶液タンク１８、ＣＯ₂ベントパイプ５０および導入パイプ１１４を通って水タンク４４に与えられ、排出パイプ１１６を介して排気ガスパイプ５６から排出される。

一方、燃料電池１２のカソード１２ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となって排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード１２ｃから排出された水蒸気の一部は、ラジエータ４６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４６による水蒸気の液化動作は、冷却ファン４８を動作させラジエータ４６を冷却することによって行われる。カソード１２ｃからの水分（水および水蒸気）ならびに未反応の空気はパイプ４２および導入パイプ１１２を経由して水タンク４４に与えられる。また、水のクロスオーバーによってカソード１２ｃに移動した水がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。さらに、メタノールのクロスオーバーによってカソード１２ｃに移動したメタノールがエアポンプ３４によって供給される空気（酸素）と反応して水と二酸化炭素とに分解され、カソード１２ｃから水と二酸化炭素とが排出され水タンク４４に与えられる。

なお、水のクロスオーバーとは、アノード１２ｂで生成された水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、数モルの水がカソード１２ｃへ移動する現象である。メタノールのクロスオーバーとは、水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、メタノールがカソード１２ｃへ移動する現象である。水と混合し易いメタノールは、水の中に拡散し、水のクロスオーバーに伴ってカソード１２ｃに達する。

このようなカソード１２ｃからの水分（水および水蒸気）を含む排気は、エアポンプ３４の駆動によって導入パイプ１１２の導入口１２０ｂから図５において矢印Ｗで示すように上方空間１２６ａに導入され、水タンク４４内には強い旋回流が生じる。排気の大部分は、防風部材１２４のセパレータ１２４ａと衝突して上方空間１２６ａを旋回し、下方空間１２６ｂにはさほど流れ込まない。導入口１２０ｂから上方空間１２６ａに導入された水は、セパレータ１２４ａの複数の小径貫通孔１３０ａおよび複数の大径貫通孔１３０ｂを通って流下するとともに、セパレータ１２４ａと水タンク４４の内壁との間隙１２８を通って流下し、下方空間１２６ｂに貯留される。下方空間１２６ｂに貯留される水が旋回流によって掻き上げられても図５において矢印Ｘで示すように突起部１３２に衝突するので、水が上方空間１２６ａに逆流しない。

水タンク４４に回収された水は、水ポンプ６０の駆動によって水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に適宜還流され、メタノール水溶液Ｓの水として利用される。

ついで、燃料電池システム１０の起動時の主要動作の一例について説明する。
図８を参照して、まず、図示しないメインスイッチがＯＮされ、メインスイッチＯＮの信号がＣＰＵ７６に入力されると（ステップＳ１）、電源電圧が立ち上がるまで待機し安定状態になると、蓄電量検出装置１０８によって二次電池残存容量が検出される（ステップＳ３）。検出された二次電池残存容量に基づいて水ポンプ６０を駆動できるか否かが判断される（ステップＳ５）。

二次電池残存容量によって、発電に必要な電力（補機類駆動用電力）を供給できるならば、水ポンプ６０を駆動できると判断され、液量チェックモードに入り、水位センサ５４によって水タンク４４内の液量（水量）が検出される（ステップＳ７）。

ステップＳ７で検出した液量が予め設定されている第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上であれば（ステップＳ９がＹＥＳ）、二次電池１０６の電力によって水ポンプ６０が駆動され、水タンク４４内の水が水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ１１）。その後、水位センサ５４の検出する液量が予め設定されている第２所定量（たとえば２２０ｃｃ）以下になると（ステップＳ１３がＹＥＳ）、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ１５）。

また、ステップＳ１３において、水位センサ５４の検出する液量が第２所定量以下にならずとも（ステップＳ１３がＮＯ）、一定時間（たとえば１分）経過すれば（ステップＳ１７がＹＥＳ）、ステップＳ１５に進む。このように、一定時間経過後に水ポンプ６０を停止させることで、たとえば水位センサ５４の異常等のために検出する液量がいつまでも第２所定量にならず発電できないといったことがない。一定時間経過するまでは（ステップＳ１７がＮＯ）、引き続きステップＳ１１の処理が行われる。

ステップＳ１５の後に、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が駆動され、上述のようにして発電が行われる（ステップＳ１９）。ステップＳ９において水タンク４４内の液量が第１所定量未満である場合も、ステップＳ１９に進む。

なお、二次電池残存容量が、発電に必要な電力（補機類駆動用電力）を供給できないほど少なければ、ステップＳ５において水ポンプ６０を駆動できないと判断される。この場合には、燃料電池システム１０がダウンしてしまうことを防止するため、水ポンプ６０を駆動せずに別の処理を施して（ステップＳ２１）、ステップＳ１９に進み発電を開始する。

ついで、図９を参照して、燃料電池システム１０の運転時の主要動作の一例について説明する。
燃料電池システム１０の運転が開始されると、燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度が温度センサ６６によって検出される（ステップＳ５１）。そして、温度センサ６６によって検出された温度が第１所定値（たとえば５５℃）以下であるか否かが判断される（ステップＳ５３）。

温度センサ６６によって検出された温度が第１所定値を超えていれば、カソード出口１３内の排気の温度が温度センサ６８によって検出される（ステップＳ５５）。そして、温度センサ６８によって検出された温度が第２所定値（たとえば５４℃）以下であるか否かが判断される（ステップＳ５７）。

温度センサ６８によって検出された温度が第２所定値を超えていれば、ラジエータ出口４６ａ内の排気の温度が温度センサ７０によって検出される（ステップＳ５９）。そして、温度センサ７０によって検出された温度が第３所定値（たとえば５３℃）以下であるか否かが判断される（ステップＳ６１）。温度センサ７０によって検出された温度が第３所定値を超えていれば、水タンク４４内の液量に応じて冷却ファン４８を駆動させる第１モードに移行する（ステップＳ６３）。

つまり、温度センサ６６によって検出した温度が第１所定値を超え、かつ温度センサ６８によって検出した温度が第２所定値を超え、かつ温度センサ７０によって検出した温度が第３所定値を超えているときには、第１モードが選択され実行される。

ここで、図１０を参照して第１モードの動作について説明する。
まず、水位センサ５４によって水タンク４４内の液量が検出され（ステップＳ１０１）、水タンク４４内の検出された液量が第１閾値となる下限値（たとえば１００ｃｃ）未満か否かが判断される（ステップＳ１０３）。液量が下限値未満であれば、ＣＰＵ７６からの指示によって冷却ファン４８が駆動される（ステップＳ１０５）。その状態で一定時間（たとえば１０秒）経過したか否かが判断され（ステップＳ１０７）、一定時間経過するとステップＳ１０１に戻り、水タンク４４内の液量が検出される。

そして、ステップＳ１０３において水タンク４４内の液量が下限値以上と判断されると、冷却ファン４８が駆動中か否かが判断される（ステップＳ１０９）。冷却ファン４８が駆動中であれば、水タンク４４内の液量が第２閾値となる上限値（たとえば４００ｃｃ）を超えたか否かが判断される（ステップＳ１１１）。液量が上限値を超えていれば、ＣＰＵ７６からの指示によって冷却ファン４８が停止され（ステップＳ１１３）、第１モードが終了される。ステップＳ１１１において水タンク４４内の液量が上限値を超えていないときや、ステップＳ１０９において冷却ファン４８が駆動中でないときも、第１モードが終了される。

図９に戻って、第１モードの終了後、一定時間（たとえば１０秒）経過したか否かが判断され（ステップＳ６５）、一定時間経過するとステップＳ５１に戻る。

一方、ステップＳ５３において燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度が第１所定値以下であれば、冷却ファン４８を駆動しない第２モードに移行する（ステップＳ６７）。ステップＳ５７においてカソード出口１３内の排気の温度が第２所定値以下の場合、およびステップＳ６１においてラジエータ出口４６ａ内の排気の温度が第１所定値以下の場合もステップＳ６７に進む。
つまり、温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度のいずれか１つがそれぞれに対応する所定値以下であるときには、第２モードが選択され実行される。

ここで、図１１を参照して第２モードの動作について説明する。
まず、冷却ファン４８が駆動中であるか否かが判断される（ステップＳ２０１）。そして、冷却ファン４８が駆動中であれば、ＣＰＵ７６からの指示によって冷却ファン４８が停止され（ステップＳ２０２）、第２モードが終了される。第２モードが終了すると、第１モードの終了後と同様に図９のステップＳ６５に進む。ステップＳ２０１において冷却ファン４８が駆動中でない場合も第２モードが終了され、図９のステップＳ６５に進む。

なお、図１０に示す第１モードにおいて、ステップＳ１０３がＹＥＳである場合に温度センサ６６，６８および７０によって温度を検出し、検出した温度に応じて第２モードに移行するようにしてもよい。つまり、第１モードの実行中に第２モードを選択し、第１モードから第２モードに切り替えるようにしてもよい。

また、図９においては冷却ファン４８を駆動させるか否かを第１モードと第２モードとで制御する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。第１モードおよび第２モードに加えて、第１モードおよび第２モード以外の冷却ファン４８の動作モードを実行するためのプログラムをメモリ８０に格納するようにしてもよい。そして、これらのプログラムに基づく複数の動作モードの中から燃料電池システム１０の温度に応じて所定の動作モードを選択し実行してもよい。たとえば、燃料電池システム１０の温度をいくつかのレンジに分け、冷却ファン４８の回転速度を現在のレンジに応じて設定（変更）する動作モードを実行するようにしてもよい。

このような燃料電池システム１０によれば、水タンク４４内の液量に応じて冷却ファン４８を駆動させる第１モードおよび冷却ファン４８を駆動しない第２モードのいずれか一方が、温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度に応じて選択される。言い換えれば、燃料電池システム１０の温度と水タンク４４内の液量とに応じて冷却ファン４８の動作が制御される。

温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度がそれぞれに対応する所定値を超えているときには、第１モードを選択し、水タンク４４内の液量に応じて冷却ファン４８を駆動させる。これによって、ラジエータ４６から水タンク４４に供給される液量を調節でき、燃料電池システム１０の駆動に必要な量の水を水タンク４４から溢れることのない程度に確保できる。

一方、温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度のいずれか１つがそれぞれに対応する所定値以下であるときには、第２モードを選択し、水タンク４４内の液量に拘わらず冷却ファン４８を駆動しない。温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度のいずれか１つがそれぞれに対応する所定値以下のときには、燃料電池１２から排出される水分の温度も低いので、冷却ファン４８を駆動させずとも水タンク４４に至るまでに水分の一部が自然に凝集し液化する。具体的には、たとえば、燃料電池１２のエネルギー変換効率が約２０％、燃料電池１２の出力が５００Ｗｈ、燃料電池１２が６５℃、外気温度が２５℃、メタノール水溶液Ｓのメタノール濃度が３ｗｔ％、メタノール燃料Ｆのメタノール濃度が５４ｗｔ％、カソード１２ｃに供給される空気の流量が１００Ｌ／ｍｉｎである場合、温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度のいずれか１つがそれぞれに対応する所定値以下であればラジエータ４６を冷却ファン４８によって強制的に冷却せずとも水タンク４４に十分な水を回収できる。このように水分が自然に液化するときには冷却ファン４８を駆動しないことによって、節電でき、エネルギー効率を良好にできる。また、水分が自然に液化するときには冷却ファン４８を駆動しないことによって、水タンク４４に必要以上の水を回収して水タンク４４から水が溢れることを抑制でき、燃料電池システム１０から排出される水によって水溜まりができるようなことはない。

また、温度センサ６６，６８および７０によって検出した温度とそれぞれに対応する所定値とを比較することによって、冷却ファン４８を駆動させずともよいか否かの判断をより詳細に行うことができる。メタノール水溶液Ｓの温度を制御するために温度センサ６６によって検出される燃料電池１２の温度を用いることによって、冷却ファン４８を駆動させずともよいか否かを効率的に判断できる。温度センサ６８によって検出したカソード出口１３内の排気の温度と温度センサ７０によって検出したラジエータ出口４６ａ内の排気の温度とを冷却ファン４８を駆動させずともよいか否かの判断に用いることによって、自動二輪車が受ける走行風等の外的要因に対応して適切に判断できる。特に、冷却ファン４８の動作の影響を直接的に受けるラジエータ出口４６ａの温度を用いることによって、ラジエータ４６を強制的に冷却せずともよいか否かを適切に判断できる。

また、水タンク４４内の液量が、下限値未満のときに冷却ファン４８を駆動させ、一方、上限値を超えたときに冷却ファン４８を停止させることによって、水タンク４４内の液量を所望の範囲内に安定させることができる。

適量の水を確保できかつエネルギー効率を良好にできるので、この発明はメタノール水溶液Ｓとして利用するために水の回収および循環が不可欠な直接メタノール型の燃料電池システム１０に特に有効である。

このような燃料電池システム１０を用いた自動二輪車では、適量の水を確保できるとともに、節電できる。

さらに、一般に小型の水タンクでは、水タンク内に導入される排気の旋回流によって水タンク内の水面が波打つため、水位を精度良く検出できないおそれがある。しかし、燃料電池システム１０では、防風部材１２４を設けることによって、下方空間１２６ｂは旋回流の影響をさほど受けず、下方空間１２６ｂに安定して水を貯留でき、水位センサ５４が水タンク４４内の水位を精度よく検出できる。

なお、上述の実施形態では、燃料電池１２内のメタノール水溶液Ｓの温度を検出するように燃料電池１２内に温度センサ６６を配置する場合について説明したが、温度センサ６６の位置はこれに限定されない。たとえば、燃料電池１２内の空気の温度を検出するように燃料電池１２内に温度センサ６６を配置してもよいし、燃料電池１２の外周面に温度センサ６６を配置してもよい。温度センサ６６を燃料電池１２の外周面に配置する場合、外気温度（雰囲気温度）の影響を受けて検出精度が低下してしまう。検出精度の低下には、温度センサ７２によって検出した外気温度と補正用のテーブルデータ（マップ）とを用いて、温度センサ６６によって検出した温度を補正することによって対応すればよい。また、上述の実施形態では、温度センサ６８をカソード出口１３内に配置し、温度センサ７０をラジエータ出口４６ａ内に配置する場合について説明したが、温度センサ６８および７０の位置はこれに限定されない。たとえば、温度センサ６８をカソード出口１３の外周面に配置し、温度センサ７０をラジエータ出口４６ａの外周面に配置してもよい。この場合、温度センサ６６を燃料電池１２の外周面に配置する場合と同様に、外気温度とテーブルデータとを用いて検出した温度を補正すればよい。

また、上述の実施形態では、温度検出手段として温度センサ６６，６８および７０を設け、それぞれが検出した温度とそれぞれに対応して設定される所定値とを比較する場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、温度センサ７０が検出した温度と第２所定値との比較結果のみによって、冷却ファン４８を駆動させずともよいか否かを判断してもよい。また、燃料電池システム１０の温度を検出する温度検出手段の位置についても温度センサ６６，６８および７０の位置に限定されないが、燃料電池１２からの排気の流路に温度検出手段を設けることが好ましい。

また、図９に示す動作例において、水ポンプ４４内の液量の上限値と下限値とを等しくしてもよい。さらに、検出した温度と所定値とを比較する順番は、図９に示す動作例に限定されず、任意に設定できる。たとえば、燃料電池１２、カソード出口１３およびラジエータ出口４６ａの温度を同時に検出しそれぞれに対応する所定値と比較してもよい。

また、水タンク４４内の液量の検出手段は、水タンク４４内の水位に基づいて検出するものに限定されず、その他の任意の手段を適用できる。

さらに、上述の実施形態では、アルコール系燃料の一例としてメタノールを用い、アルコール系燃料水溶液であるメタノール水溶液を用いる場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、アルコール系燃料の他の例であるエタノール等を用い、アルコール系燃料水溶液としてエタノール水溶液等を用いてもよい。

燃料電池システム１０は自動二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器にも好適に用いることができる。

この発明は、水素ガスを燃料として燃料電池に供給する水素型の燃料電池システムや改質器搭載タイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付けタイプの燃料電池システムにも適用できる。

この発明に係る燃料電池システムの要部を示す図解図である。自動二輪車のフレームに燃料電池システムを搭載した状態を示す斜視図である。燃料電池システムの要部を示す図解図である。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。水タンクおよびその近傍を示す側面図である。水タンクおよびその近傍を示す断面図解図である。水タンクおよびその近傍を示す背面図である。この発明に係る燃料電池システムの起動時の主要動作の一例を示すフロー図である。この発明に係る燃料電池システムの運転時の主要動作の一例を示すフロー図である。運転時に実行される第１モードの動作を示すフロー図である。運転時に実行される第２モードの動作を示すフロー図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
１５，２２，５４水位センサ
２８，４６ラジエータ
３２，４８冷却ファン
４４水タンク
６６，６８，７０，７２温度センサ
７４制御回路
７６ＣＰＵ
２００車体フレーム
２０２モータ

Claims

電気エネルギーを生成するための燃料電池システムであって、
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、
前記燃料電池から排出される水分を含む排気を冷却するラジエータ、
前記ラジエータを冷却する冷却ファン、
前記ラジエータから排出される水分を収容する水タンク、
前記水タンク内の液量を検出するために前記水タンクに設けられる検出手段、
当該燃料電池システムの温度を検出する温度検出手段、ならびに
前記検出手段によって検出された液量に応じて前記冷却ファンを駆動させる第１モードと前記冷却ファンを駆動しない第２モードとを含む複数の動作モードを有し、前記温度検出手段によって検出された温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる制御手段を備える、燃料電池システム。
前記第１モードである場合に前記制御手段は、前記検出手段によって検出された液量が第１閾値未満のときに前記冷却ファンを駆動させ、前記検出手段によって検出された液量が第２閾値を超えたときに前記冷却ファンを停止させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記温度検出手段は前記ラジエータの出口の温度を検出するラジエータ出口温度検出手段を含み、
前記制御手段は前記ラジエータ出口温度検出手段によって検出された温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記温度検出手段は前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を含み、
前記制御手段は前記燃料電池温度検出手段によって検出された温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記温度検出手段は前記燃料電池のカソード出口の温度を検出するカソード出口温度検出手段を含み、
前記制御手段は前記カソード出口温度検出手段によって検出された温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
電気エネルギーを生成するための燃料電池システムであって、
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、
前記燃料電池から排出される水分を含む排気を冷却するラジエータ、
前記ラジエータを冷却する冷却ファン、
前記ラジエータから排出される水分を収容する水タンク、
前記水タンク内の液量を検出するために前記水タンクに設けられる検出手段、
当該燃料電池システムの温度を検出する温度検出手段、ならびに
前記温度検出手段によって検出された温度と前記検出手段によって検出された液量とに応じて前記冷却ファンを制御する制御手段を備える、燃料電池システム。
前記燃料電池には燃料水溶液が供給される、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システムを用いた、輸送機器。
燃料電池から排出される水分を含む排気を冷却するラジエータと、前記ラジエータを冷却する冷却ファンと、前記ラジエータから排出される水分を収容する水タンクとを備える、燃料電池システムの制御方法において、
前記水タンク内の液量に応じて前記冷却ファンを駆動させる第１モードと前記冷却ファンを駆動しない第２モードとを含む複数の動作モードを有し、当該燃料電池システムの温度に応じて前記冷却ファンを駆動させることを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
前記第１モードでは、前記水タンク内の液量が第１閾値未満のときに前記冷却ファンを駆動させ、前記水タンク内の液量が第２閾値を超えたときに前記冷却ファンを停止させる、請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法。
前記ラジエータの出口の温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる、請求項９または１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
前記燃料電池の温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる、請求項９から１１のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。
前記燃料電池のカソード出口の温度に応じて前記冷却ファンを駆動させる、請求項９から１２のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。