JP2006343268A - Concentration detecting apparatus and concentration detecting method - Google Patents

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恭行 村松
Takashi Ito
孝史 伊藤
Shuhei Adachi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a concentration detecting apparatus and a concentration detecting method, capable of accurately detecting the concentration of substances dissolved in a liquid, without using a large-size system. <P>SOLUTION: The concentration detecting apparatus 200 comprises a Peltier device 202 for cooling a methanol solution, a solution temperature sensor 208 for detecting a temperature of the methanol solution to be cooled, and a Peltier temperature sensor 210 for detecting the temperature of the Peltier device 202. The freezing point of the methanol solution is detected from the detection result of the solution temperature sensor 208 and a detecting result of the Peltier temperature sensor 210. Then, the methanol concentration of the methanol solution is detected from the detected freezing point. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は濃度検出装置および濃度検出方法に関し、より特定的には、燃料電池システムに用いられる濃度検出装置および濃度検出方法に関する。   The present invention relates to a concentration detection device and a concentration detection method, and more particularly to a concentration detection device and a concentration detection method used in a fuel cell system.

直接メタノール型燃料電池システム等の燃料水溶液を燃料電池セルスタックに供給するタイプの燃料電池システムにおいては、燃料濃度が低いと高分子膜を損傷する恐れがあり、一方、燃料濃度が高すぎると燃料の使用効率が低下するため、循環される水溶液中に燃料を補給して燃料濃度を一定に保つことが行われている。そのためには、循環される水溶液に溶けている燃料の濃度を所定時間ごとに検出する必要がある。   In a fuel cell system of a type that supplies an aqueous fuel solution such as a direct methanol fuel cell system to a fuel cell stack, the polymer membrane may be damaged if the fuel concentration is low, while if the fuel concentration is too high, the fuel cell system may be damaged. Therefore, the fuel concentration is kept constant by replenishing the circulated aqueous solution with fuel. For this purpose, it is necessary to detect the concentration of the fuel dissolved in the circulated aqueous solution every predetermined time.

ここで、燃料濃度を検出する技術の一例として、超音波センサを用いる技術が特許文献1において開示されている。
また、ペルチェ素子を用いて結晶成長の温度を制御する装置が特許文献2において開示されている。
特開2005−30949号公報 特開平10−29899号公報
Here, as an example of a technique for detecting the fuel concentration, a technique using an ultrasonic sensor is disclosed in Patent Document 1.
An apparatus for controlling the temperature of crystal growth using a Peltier element is disclosed in Patent Document 2.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-30949 JP-A-10-29899

しかし、特許文献1における超音波センサでは、一定の距離をおいて発信部と受信部とを設けなければならないので、装置が大型になるという問題があった。また、水溶液中に泡が生じると濃度を正確に検出できなくなる。
特許文献2の技術は、結晶成長の温度制御に用いる技術であり、濃度検出に用いるものではない。
それゆえに、この発明の主たる目的は、液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる、濃度検出装置および濃度検出方法を提供することである。
However, the ultrasonic sensor disclosed in Patent Document 1 has a problem that the apparatus becomes large because the transmitter and the receiver must be provided at a certain distance. Further, when bubbles are generated in the aqueous solution, the concentration cannot be detected accurately.
The technique of Patent Document 2 is a technique used for temperature control of crystal growth and is not used for concentration detection.
Therefore, a main object of the present invention is to provide a concentration detection device and a concentration detection method capable of accurately detecting the concentration of a substance dissolved in a liquid without using a large device.

上述の目的を達成するために、請求項1に記載の濃度検出装置は、物質が溶けている液体を冷却する冷却手段、冷却される液体の温度を検出する第1温度検出手段、第1温度検出手段によって検出された温度に基づいて液体の凝固点を検出する凝固点検出手段、凝固点検出手段によって検出された凝固点に基づいて液体に溶けている物質の濃度を検出する濃度検出手段を備える。   In order to achieve the above object, the concentration detection apparatus according to claim 1 includes a cooling means for cooling the liquid in which the substance is dissolved, a first temperature detection means for detecting the temperature of the liquid to be cooled, and a first temperature. A freezing point detecting means for detecting the freezing point of the liquid based on the temperature detected by the detecting means, and a concentration detecting means for detecting the concentration of the substance dissolved in the liquid based on the freezing point detected by the freezing point detecting means are provided.

請求項2に記載の濃度検出装置は、請求項1に記載の濃度検出装置において、さらに、液体の温度を検出するために液体を停止状態で保持する検出部、および検出部内の液体を入れ替えるための入替手段を備え、第1温度検出手段は、検出部内の液体の温度を検出することを特徴とする。   The concentration detection device according to claim 2 is the concentration detection device according to claim 1, further comprising: a detection unit that holds the liquid in a stopped state in order to detect the temperature of the liquid; and a liquid in the detection unit. The first temperature detecting means detects the temperature of the liquid in the detecting section.

請求項3に記載の濃度検出装置は、請求項1または2に記載の濃度検出装置において、液体を加熱する加熱手段をさらに含むことを特徴とする。   The concentration detection device according to claim 3 is the concentration detection device according to claim 1 or 2, further comprising heating means for heating the liquid.

請求項4に記載の濃度検出装置は、請求項3に記載の濃度検出装置において、冷却手段および加熱手段に兼用される温度変更手段を備えることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the concentration detection apparatus according to the third aspect, further comprising a temperature changing unit that is also used as a cooling unit and a heating unit.

請求項5に記載の濃度検出装置は、請求項1から4のいずれかに記載の濃度検出装置において、冷却手段の温度を検出する第2温度検出手段をさらに含み、凝固点検出手段は、第1温度検出手段の検出結果と第2温度検出手段の検出結果とに基づいて液体の凝固点を検出することを特徴とする。   The concentration detection device according to claim 5 further includes second temperature detection means for detecting the temperature of the cooling means in the concentration detection device according to any one of claims 1 to 4, wherein the freezing point detection means includes: The solidification point of the liquid is detected based on the detection result of the temperature detection means and the detection result of the second temperature detection means.

請求項6に記載の濃度検出装置は、請求項1から5のいずれかに記載の濃度検出装置において、さらに、液体を収容するタンク、タンク内の液体を冷却手段近傍に送るための第1パイプ、および濃度検出後の液体をタンクに戻すための第2パイプを含むことを特徴とする。   The concentration detection device according to claim 6 is the concentration detection device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a tank for storing the liquid and a first pipe for sending the liquid in the tank to the vicinity of the cooling means. And a second pipe for returning the liquid after concentration detection to the tank.

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濃度検出装置を含むことを特徴とする。   A fuel cell system according to a seventh aspect includes the concentration detection device according to any one of the first to sixth aspects.

請求項8に記載の輸送機器は、請求項7に記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。   A transportation device according to an eighth aspect includes the fuel cell system according to the seventh aspect.

請求項9に記載の濃度検出方法は、物質が溶けている液体を冷却空間に導入する工程、冷却空間に導入された液体を冷却手段によって冷却する工程、冷却手段の温度を検出する工程、冷却空間内で冷却される液体の温度を検出する工程、検出された冷却手段の温度と液体の温度とに基づいて液体の凝固点を検出する工程、および検出された液体の凝固点に基づいて液体に溶けている物質の濃度を検出する工程を備える。   The concentration detection method according to claim 9 includes a step of introducing a liquid in which a substance is dissolved into the cooling space, a step of cooling the liquid introduced into the cooling space by the cooling means, a step of detecting the temperature of the cooling means, and cooling. Detecting the temperature of the liquid cooled in the space, detecting the freezing point of the liquid based on the detected temperature of the cooling means and the temperature of the liquid, and dissolving in the liquid based on the detected freezing point of the liquid Detecting the concentration of the substance.

請求項10に記載の濃度検出方法は、請求項9に記載の濃度検出方法において、液体を冷却する工程は、第1の冷却能力で液体を冷却する第1工程と、第1の冷却能力よりも低い冷却能力で液体を冷却する第2工程とを含むことを特徴とする。   The concentration detection method according to claim 10 is the concentration detection method according to claim 9, wherein the step of cooling the liquid is based on the first step of cooling the liquid with the first cooling capacity and the first cooling capacity. And a second step of cooling the liquid with a low cooling capacity.

請求項11に記載の燃料電池システムは、燃料水溶液を用いる燃料電池システムであって、燃料水溶液の凝固点を検出し、検出された凝固点に基づいて燃料水溶液の濃度を調整することを特徴とする。   A fuel cell system according to an eleventh aspect is a fuel cell system using an aqueous fuel solution, wherein the freezing point of the aqueous fuel solution is detected and the concentration of the aqueous fuel solution is adjusted based on the detected freezing point.

液体の凝固点と当該液体に溶けている物質の濃度との間には相関性がある。請求項1に記載の濃度検出装置では、この相関性を利用することによって、液体の凝固点に基づいて当該液体に溶けている物質の濃度を正確に検出できる。また、超音波センサのような大きな装置を用いる必要もない。請求項9に記載の濃度検出方法についても同様である。   There is a correlation between the freezing point of the liquid and the concentration of the substance dissolved in the liquid. In the concentration detection apparatus according to the first aspect, by using this correlation, the concentration of the substance dissolved in the liquid can be accurately detected based on the freezing point of the liquid. Moreover, it is not necessary to use a large device such as an ultrasonic sensor. The same applies to the concentration detection method according to the ninth aspect.

請求項2に記載の濃度検出装置では、検出部に導入された液体を停止させた状態で液体の温度を検出するので、液体の温度ひいては液体の凝固点を正確に検出でき、その結果、液体に溶けている物質の濃度を正確に検出できる。   In the concentration detection apparatus according to claim 2, since the temperature of the liquid is detected in a state where the liquid introduced into the detection unit is stopped, the temperature of the liquid and thus the freezing point of the liquid can be accurately detected. The concentration of dissolved substances can be detected accurately.

請求項3に記載の濃度検出装置では、濃度検出のために凝固された液体を溶かすことができるので、濃度検出される液体の入れ替えが確実かつ容易になる。   In the concentration detection apparatus according to the third aspect, since the liquid solidified for concentration detection can be dissolved, replacement of the liquid whose concentration is detected is surely and easily performed.

請求項4に記載の濃度検出装置では、温度変更手段を液体の冷却および加熱に兼用できるので、装置の構成を簡素かつ小型にできる。   In the concentration detection apparatus according to the fourth aspect, since the temperature changing means can be used for both cooling and heating of the liquid, the configuration of the apparatus can be simplified and reduced in size.

冷却手段によって液体を冷却し凝固させるとき、液体が凝固し始めると発熱により液体の温度が一時的に上昇し、このとき液体と冷却手段との温度差も一時的に大きくなる。請求項5に記載の濃度検出装置では、液体だけではなく冷却手段の温度をも検出し液体が凝固するときの上記特性を利用することによって、液体と冷却手段との温度差に基づいて液体が凝固し始めていることを知ることができ、液体の凝固点をより正確に検出できる。   When the liquid is cooled and solidified by the cooling means, when the liquid starts to solidify, the temperature of the liquid temporarily rises due to heat generation, and at this time, the temperature difference between the liquid and the cooling means also temporarily increases. In the concentration detection apparatus according to claim 5, by detecting not only the liquid but also the temperature of the cooling means and utilizing the above characteristics when the liquid solidifies, the liquid is detected based on the temperature difference between the liquid and the cooling means. It is possible to know that the liquid has started to solidify and to detect the freezing point of the liquid more accurately.

請求項6に記載の濃度検出装置では、濃度検出された液体をタンクに戻すことによって、濃度検出のために液体を浪費することを防止できる。   In the concentration detection apparatus according to the sixth aspect, by returning the liquid whose concentration is detected to the tank, it is possible to prevent the liquid from being wasted for detecting the concentration.

燃料電池システムにおいて燃料濃度を正確に検出することは重要であるので、この発明を、請求項7に記載のように燃料電池システムに用いること、ひいては請求項8に記載のように燃料電池システムを用いた輸送機器に用いることは有効である。   Since it is important to accurately detect the fuel concentration in the fuel cell system, the present invention is used in the fuel cell system as described in claim 7, and as a result, the fuel cell system as described in claim 8 is used. It is effective to use for the used transportation equipment.

請求項10に記載の濃度検出方法では、最初は比較的高速で冷却しその後冷却能力を下げることによって、濃度検出までの時間を短縮できるとともに濃度検出精度を向上できる。   In the concentration detection method according to the tenth aspect, the time to concentration detection can be shortened and the concentration detection accuracy can be improved by cooling at a relatively high speed first and then reducing the cooling capacity.

請求項11に記載の燃料電池システムのように、検出された凝固点に基づいて直接、燃料水溶液の濃度を調整するようにすれば、燃料水溶液に含まれている物質の濃度を検出することなく燃料水溶液の濃度を簡単に調整できる。   As in the fuel cell system according to claim 11, if the concentration of the aqueous fuel solution is directly adjusted based on the detected freezing point, the fuel can be detected without detecting the concentration of the substance contained in the aqueous fuel solution. The concentration of the aqueous solution can be easily adjusted.

この発明によれば、液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる。   According to the present invention, the concentration of a substance dissolved in a liquid can be accurately detected without using a large device.

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、この発明の濃度検出装置を含む燃料電池システムを、輸送機器の一例である二輪車10に搭載した場合について説明する。ここでは、濃度検出の対象となる液体(溶液)はメタノール水溶液である。したがって、溶媒は水であり、溶質はメタノールである。そして、溶媒中に溶質が分散している溶液における当該溶質の濃度が測定される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Here, the case where the fuel cell system including the concentration detection device of the present invention is mounted on the two-wheeled vehicle 10 which is an example of the transportation device will be described. Here, the liquid (solution) whose concentration is to be detected is an aqueous methanol solution. Thus, the solvent is water and the solute is methanol. Then, the concentration of the solute in the solution in which the solute is dispersed in the solvent is measured.

まず、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。   First, the motorcycle 10 will be described. Left and right, front and rear, and top and bottom in the embodiment of the present invention mean left and right, front and back, and top and bottom, based on a state where the driver is seated on the seat of the motorcycle 10 toward the handle 24 thereof.

図1〜図7を参照して、二輪車10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。   1 to 7, the two-wheeled vehicle 10 has a body frame 12. The vehicle body frame 12 includes a head pipe 14, a front frame 16 having an I-shaped longitudinal section extending obliquely downward from the head pipe 14, and a rear frame connected to a rear end portion of the front frame 16 and rising obliquely upward rearward. 18 and a seat rail 20 attached to the upper end of the rear frame 18. The rear end portion of the front frame 16 is connected to a position slightly closer to the lower end portion than the center portion of the rear frame 18, and the front frame 16 and the rear frame 18 as a whole have a substantially Y shape in side view.

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の構成部品を収納する収納スペースを形成している。   The front frame 16 has a plate-like member 16a having a width in the up-down direction, extending obliquely downward to the rear and orthogonal to the left-right direction, and formed at the upper and lower edges of the plate-like member 16a, respectively, and to the rear. Flange portions 16b and 16c extending obliquely downward and having a width in the left-right direction, reinforcing ribs 16d projecting on both surfaces of the plate-like member 16a, and the rear frame 18 are connected to each other by, for example, bolts provided at the rear end portion. Connecting portion 16e. The reinforcing ribs 16d together with the flange portions 16b and 16c partition both surfaces of the plate-like member 16a to form a storage space for storing components of the fuel cell system 100 described later.

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を備えている。   On the other hand, the rear frame 18 includes plate-like members 18a and 18b that extend obliquely upward to the rear and have a width in the front-rear direction and are arranged so as to sandwich the connecting portion 16e of the front frame 16.

ヘッドパイプ14内には、主に図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。   As shown mainly in FIG. 1, a steering shaft 22 for changing the vehicle body direction is rotatably inserted into the head pipe 14. A handle support portion 26 to which a handle 24 is fixed is attached to the upper end of the steering shaft 22, and grips 28 are attached to both ends of the handle 24. The right grip 28 constitutes a rotatable throttle grip.

ハンドル支持部26のハンドル24の前方には、表示操作部(以下、メータと略記する)30が配置されている。メータ30は、ドライバに対する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、およびドライバからの各種情報入力用の入力部等が一体化されたものである。ハンドル支持部26におけるメータ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。   A display operation unit (hereinafter abbreviated as a meter) 30 is disposed in front of the handle 24 of the handle support unit 26. The meter 30 is formed by integrating a display unit configured with, for example, a liquid crystal display for providing various information such as a driving state for the driver, and an input unit for inputting various information from the driver. A head lamp 32 is fixed below the meter 30 in the handle support portion 26, and flasher lamps 34 are respectively provided on the left and right sides of the head lamp 32.

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。   A pair of left and right front forks 36 are attached to the lower end of the steering shaft 22, and a front wheel 38 is attached to the lower end of each front fork 36 via a front axle 40. The front wheel 38 is rotatably supported by the front axle 40 while being buffered and suspended by the front fork 36.

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。   On the other hand, a frame-like seat rail 20 is attached to the rear end portion of the rear frame 18. The seat rail 20 is fixed to the upper end portion of the rear frame 18 by welding, for example, and is disposed substantially in the front-rear direction. A seat (not shown) is provided on the seat rail 20 so as to be freely opened and closed. A mounting bracket 42 is fixed to the rear end portion of the seat rail 20, and a tail lamp 44 and a pair of left and right flasher lamps 46 are mounted on the mounting bracket 42, respectively.

また、リヤフレーム18の下端部には、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、リヤアーム48の後端部48aには駆動輪である後輪52が回転自在に軸支されており、リヤアーム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。   A rear arm 48 is swingably supported at the lower end of the rear frame 18 via a pivot shaft 50, and a rear wheel 52, which is a drive wheel, is rotatably supported at a rear end 48a of the rear arm 48. The rear arm 48 and the rear wheel 52 are buffered and suspended from the rear frame 18 by a rear cushion (not shown).

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が回動可能にリヤアーム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。   Further, a footrest mounting bar 54 is fixed to the front side of the lower end portion of the rear frame 18 so as to protrude from the rear frame 18 in the left-right direction, and a footrest (not shown) is mounted on the footrest mounting bar 54. Behind the footrest mounting bar 54, a main stand 56 is rotatably supported by a rear arm 48, and the main stand 56 is urged toward the closing side by a return spring 58.

リヤアーム48の後端部48aよりも内側には、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とが配設されている。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。   On the inner side of the rear end portion 48 a of the rear arm 48, for example, an axial gap type electric motor 60 that is coupled to the rear wheel 52 and rotates the rear wheel 52, and a drive that is electrically connected to the electric motor 60. A unit 62 is disposed. The drive unit 62 includes a controller 64 for controlling the rotational drive of the electric motor 60.

このような二輪車10には、車体フレーム12に沿って燃料電池システム100が搭載されている。燃料電池システム100は、電動モータ60やその他の構成部品を駆動するための電気エネルギーを生成する。   In such a motorcycle 10, the fuel cell system 100 is mounted along the body frame 12. The fuel cell system 100 generates electric energy for driving the electric motor 60 and other components.

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。
Hereinafter, the fuel cell system 100 will be described.
The fuel cell system 100 is a direct methanol fuel cell system that directly uses methanol (aqueous methanol solution) for power generation without reforming.

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。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a cell stack) 102 disposed below the front frame 16.

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。   As shown in FIGS. 8 and 9, the cell stack 102 includes a plurality of fuel cells (fuel cell) 104 that can generate electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen based on methanol and oxygen, with a separator 106 interposed therebetween. It is configured by stacking. Each fuel cell 104 constituting the cell stack 102 includes an electrolyte (electrolyte membrane) 104a composed of a solid polymer membrane and the like, an anode (fuel electrode) 104b and a cathode (air electrode) facing each other across the electrolyte 104a. 104c. Each of the anode 104b and the cathode 104c includes a platinum catalyst layer provided on the electrolyte 104a side.

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。   As shown in FIG. 4 and the like, the cell stack 102 is placed on a skid 108, and the skid 108 is supported by a stay stack 110 that is suspended from a flange portion 16 c of the front frame 16.

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。   As shown in FIG. 6, an aqueous solution radiator 112 and a gas-liquid separation radiator 114 are disposed below the front frame 16 and above the cell stack 102. The radiators 112 and 114 are integrally formed, and have a plurality of plate-like fins (not shown) whose front surfaces are disposed slightly forward of the vehicle and are orthogonal to the front surfaces. Such radiators 112 and 114 can sufficiently receive wind during traveling.

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。   As shown in FIG. 6 and the like, the radiator 112 includes a radiator pipe 116 that is formed to pivot. The radiator pipe 116 is formed as a single continuous pipe from the inlet 118a (see FIG. 5) to the outlet 118b (see FIG. 3) by welding a straight pipe made of stainless steel or the like and a U-shaped joint pipe. Is formed. A radiator cooling fan 120 is provided on the back side of the radiator 112 so as to face the radiator pipe 116.

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。   Similarly, the radiator 114 includes two radiator pipes 122 formed to meander. Each radiator pipe 122 is a single continuous pipe from the inlet 124a (see FIG. 3) to the outlet 124b (see FIG. 3) by welding a straight pipe made of stainless steel or the like and a U-shaped joint pipe. Is formed. A radiator cooling fan 126 is provided on the back surface side of the radiator 114 so as to face the radiator pipe 122.

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。   1 to 7 and mainly referring to FIG. 3, a fuel tank 128, an aqueous solution tank 130, and a water tank 132 are arranged in order from the top on the rear side of the connecting portion 16 e of the front frame 16. The fuel tank 128, the aqueous solution tank 130, and the water tank 132 are obtained by, for example, PE (polyethylene) blow molding.

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。   The fuel tank 128 is disposed below the seat rail 20 and is attached to the rear end portion of the seat rail 20. The fuel tank 128 contains methanol fuel (high-concentration aqueous methanol solution) with a high concentration (for example, containing about 50 wt% of methanol) that becomes a fuel for the electrochemical reaction of the cell stack 102. The fuel tank 128 has a lid 128a on its upper surface, and the lid 128a is removed to supply methanol fuel.

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。   The aqueous solution tank 130 is provided below the fuel tank 128 and attached to the rear frame 18. The aqueous solution tank 130 contains an aqueous methanol solution obtained by diluting the methanol fuel from the fuel tank 128 to a concentration suitable for the electrochemical reaction of the cell stack 102 (for example, containing about 3 wt% of methanol). That is, the aqueous solution tank 130 contains an aqueous methanol solution to be sent out toward the cell stack 102 by an aqueous solution pump 146 (described later).

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Xで示す範囲内にコントロールされる。   A level sensor 129 is attached to the fuel tank 128 to detect the level of the methanol fuel level in the fuel tank 128. A level sensor 131 is attached to the aqueous solution tank 130 to detect the level of the aqueous methanol solution in the aqueous solution tank 130. By detecting the liquid level height with the level sensors 129 and 131, the amount of liquid in the tank can be detected. The liquid level in the aqueous solution tank 130 is controlled, for example, within a range indicated by X in FIG.

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。   The water tank 132 is disposed between the plate-like members 18 a and 18 b of the rear frame 18 and on the rear side of the cell stack 102.

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が配置されている。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品に供給する。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。   A secondary battery 134 is disposed on the front side of the fuel tank 128 and on the upper side of the flange portion 16 b of the front frame 16. The secondary battery 134 stores the electrical energy generated in the cell stack 102 and supplies the electrical energy to the corresponding electrical component in accordance with a command from a controller 156 (described later). For example, the secondary battery 134 supplies electric energy to the auxiliary machines and the drive unit 62.

二次電池134の上方かつシートレール20の下方には、燃料ポンプ136が配置されている。   A fuel pump 136 is disposed above the secondary battery 134 and below the seat rail 20.

また、水溶液タンク130の上方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。   A catch tank 140 is disposed above the aqueous solution tank 130. The catch tank 140 is provided with a lid 140a on the upper surface thereof. For example, in a state where the fuel cell system 100 has never been activated (the aqueous solution tank 130 is empty), the aqueous methanol solution is supplied by removing the lid 140a. The catch tank 140 is obtained by PE (polyethylene) blow molding, for example.

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、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。   In addition, an air filter 142 is disposed in a space surrounded by the front frame 16, the cell stack 102, and the radiators 112 and 114, and an aqueous solution filter 144 is disposed obliquely below and behind the air filter 142.

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147が収納されている。エアポンプ147の左側には、電磁バルブ148、濃度センサ149およびエアチャンバ150が配置されている。水溶液ポンプ146は水溶液タンク130よりも高い位置に設けられている。   As shown in FIG. 4, an aqueous solution pump 146 and an air pump 147 are stored in the storage space on the left side of the front frame 16. On the left side of the air pump 147, an electromagnetic valve 148, a concentration sensor 149, and an air chamber 150 are arranged. The aqueous solution pump 146 is provided at a position higher than the aqueous solution tank 130.

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。   Further, as shown in FIG. 5, a main switch 152, a DC-DC converter 154, a controller 156, a rust prevention valve 158, and a water pump 160 are arranged in order from the front in the storage space on the right side of the front frame 16. The main switch 152 is provided so as to penetrate the storage space of the front frame 16 from the right side to the left side. A horn 162 is provided on the front surface of the cell stack 102.

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。
The piping of the fuel cell system 100 arranged in this way will be described with reference to FIGS. 4 to 7 and FIG.
The fuel tank 128 and the fuel pump 136 are connected by a pipe P1, and the fuel pump 136 and the aqueous solution tank 130 are connected by a pipe P2. The pipe P1 connects the lower left end of the fuel tank 128 and the lower left end of the fuel pump 136, and the pipe P2 connects the lower left end of the fuel pump 136 and the lower left end of the aqueous solution tank 130. By driving the fuel pump 136, the methanol fuel in the fuel tank 128 is supplied to the aqueous solution tank 130 through the pipes P1 and P2.

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。   The aqueous solution tank 130 and the aqueous solution pump 146 are communicated by a pipe P3, the aqueous solution pump 146 and the aqueous solution filter 144 are communicated by a pipe P4, and the aqueous solution filter 144 and the cell stack 102 are communicated by a pipe P5. The pipe P3 connects the lower left side corner of the aqueous solution tank 130 and the rear portion of the aqueous solution pump 146, the pipe P4 connects the rear portion of the aqueous solution pump 146 and the left side surface of the aqueous solution filter 144, and the pipe P5 connects the aqueous solution filter 144. The right side is connected to the anode inlet I1 located at the lower right corner of the front surface of the cell stack 102. By driving the aqueous solution pump 146, the aqueous methanol solution from the aqueous solution tank 130 is sent from the pipe P3 side to the pipe P4 side, and after impurities are removed by the aqueous solution filter 144, the aqueous solution pump 146 enters the cell stack 102 via the pipe P5. Given. In this embodiment, pipes P4 and P5 constitute pipes for guiding the aqueous methanol solution sent out by the aqueous solution pump 146 to each fuel cell 104 of the cell stack 102.

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。   The cell stack 102 and the aqueous solution radiator 112 are connected by a pipe P6, and the radiator 112 and the aqueous solution tank 130 are connected by a pipe P7. The pipe P6 connects the anode outlet I2 located at the upper left corner of the rear surface of the cell stack 102 and the inlet 118a (see FIG. 5) of the radiator pipe 116 drawn from the lower right end of the radiator 112, and the pipe P7 is connected to the radiator 112. The outlet 118b of the radiator pipe 116 (see FIG. 3) drawn from a position slightly closer to the center from the lower left end of the lower surface of the aqueous solution tank 130 is connected to the upper left corner of the aqueous solution tank 130. The unreacted aqueous methanol solution and carbon dioxide discharged from the cell stack 102 are supplied to the radiator 112 via the pipe P6, the temperature is lowered, and returned to the aqueous solution tank 130 via the pipe P7. As a result, the temperature of the aqueous methanol solution in the aqueous solution tank 130 can be lowered.

上述したパイプP1〜P7は主として燃料の流路となる。   The pipes P1 to P7 described above mainly serve as fuel flow paths.

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147とはパイプP9によって連通され、エアポンプ147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147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147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147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147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147へ水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ147の錆を防止する。   Further, the air filter 142 and the air chamber 150 are communicated by a pipe P8, the air chamber 150 and the air pump 147 are communicated by a pipe P9, and the air pump 147 and the rust prevention valve 158 are connected by a pipe P10 and are used for rust prevention. The valve 158 and the cell stack 102 are connected by a pipe P11. The pipe P8 connects the rear part of the air filter 142 and a position slightly ahead of the center part of the air chamber 150, and the pipe P9 connects the lower side of the center part of the air chamber 150 and the rear part of the air pump 147. P10 connects the air pump 147 located on the left side of the plate member 16a of the front frame 16 and the rust prevention valve 158 located on the right side of the plate member 16a, and the pipe P11 is connected to the rust prevention valve 158 and the cell stack 102. To the cathode inlet I3 located at the upper right end of the rear surface. When the fuel cell system 100 is operated, the rust prevention valve 158 is opened, and the air pump 147 is driven in this state, whereby oxygen-containing air is sucked from the outside. The sucked air is purified by the air filter 142, and then flows into the air pump 147 through the pipe P8, the air chamber 150, and the pipe P9, and further passes through the pipe P10, the rust prevention valve 158, and the pipe P11. Is provided to the stack 102. The rust prevention valve 158 is closed when the fuel cell system 100 is stopped, and prevents the backflow of water vapor to the air pump 147 to prevent the air pump 147 from rusting.

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。   The cell stack 102 and the radiator 114 for gas-liquid separation are communicated with each other by two pipes P12. The radiator 114 and the water tank 132 are communicated by two pipes P13, and the water tank 132 is connected to a pipe (exhaust pipe) P14. Is provided. Each pipe P12 connects a cathode outlet I4 located at the lower left corner of the front surface of the cell stack 102 and an inlet 124a (see FIG. 3) of each radiator pipe 122 drawn from the lower left end of the radiator 114. The outlet 124b (see FIG. 3) of each radiator pipe 122 drawn from a position slightly on the left side of the lower surface of the radiator 114 is connected to the front upper part of the water tank 132, and the pipe P14 is an upper rear part of the water tank 132. It is formed in a U shape so that it rises once and then descends. Exhaust gas containing water (water and water vapor) and carbon dioxide discharged from the cathode outlet I4 of the cell stack 102 is given to the radiator 114 via the pipe P12, and the water vapor is liquefied. Exhaust gas from the radiator 114 is supplied to the water tank 132 together with water through the pipe P13, and is discharged to the outside through the pipe P14.

上述したパイプP8〜P14は、主として排気の流路となる。   The pipes P8 to P14 described above mainly serve as an exhaust passage.

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。   Further, the water tank 132 and the water pump 160 are communicated by a pipe P15, and the water pump 160 and the aqueous solution tank 130 are communicated by a pipe P16. The pipe P15 connects the lower right side of the water tank 132 and the central part of the water pump 160, and the pipe P16 connects the central part of the water pump 160 and the upper left corner of the aqueous solution tank 130. By driving the water pump 160, the water in the water tank 132 is returned to the aqueous solution tank 130 via the pipes P15 and P16.

上述したパイプP15,16は水の流路となる。   The pipes P15 and P16 described above serve as water flow paths.

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には電磁バルブ148が接続されている。電磁バルブ148と濃度センサ149とはパイプP18によって連通されている。さらに、パイプP18は、濃度センサ149と水溶液タンク130の上面とを結び、濃度センサ149と水溶液タンク130とが連通されている。   In addition, a pipe P17 is connected to the pipe P4 so that a part of the methanol aqueous solution sent out by the aqueous solution pump 146 and flowing through the pipe P4 flows. As shown in FIG. 4, an electromagnetic valve 148 is connected to the pipe P17. The electromagnetic valve 148 and the concentration sensor 149 are communicated with each other by a pipe P18. Further, the pipe P18 connects the concentration sensor 149 and the upper surface of the aqueous solution tank 130, and the concentration sensor 149 and the aqueous solution tank 130 are communicated with each other.

濃度センサ149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)を検出するためのセンサである。コントローラ156は、濃度センサ149からの検出信号に基づいてメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。   The concentration sensor 149 is a sensor for detecting the methanol concentration of the methanol aqueous solution that has flowed in (ratio of methanol in the methanol aqueous solution). The controller 156 detects the methanol concentration of the aqueous methanol solution based on the detection signal from the concentration sensor 149.

上述したパイプP17およびP18は濃度検出用の流路となる。この実施形態では、パイプP18内に検出部や冷却空間が形成される。   The pipes P17 and P18 described above serve as a concentration detection flow path. In this embodiment, a detection part and a cooling space are formed in the pipe P18.

さらに、水溶液タンク130とキャッチタンク140とはパイプP19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P20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P21によって連通されている。パイプP19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P20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P21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P19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P20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P21を介してエアチャンバ150に与えられる。   Further, the aqueous solution tank 130 and the catch tank 140 are communicated by a pipe P19, the catch tank 140 and the aqueous solution tank 130 are communicated by a pipe P20, and the catch tank 140 and the air chamber 150 are communicated by a pipe P21. The pipe P19 connects the upper left corner of the aqueous solution tank 130 and the upper left corner of the catch tank 140, and the pipe P20 connects the lower end of the catch tank 140 and the lower left corner of the aqueous solution tank 130. The pipe P21 connects the position near the upper left side of the catch tank 140 and the upper end surface of the air chamber 150. The gas (mainly carbon dioxide, vaporized methanol and water vapor) in the aqueous solution tank 130 is given to the catch tank 140 through the pipe P19. The vaporized methanol and water vapor are cooled and liquefied in the catch tank 140 and then returned to the aqueous solution tank 130 via the pipe P20. The gas (carbon dioxide, unliquefied methanol and water vapor) in the catch tank 140 is supplied to the air chamber 150 through the pipe P21.

上述したパイプP19〜P21は主として燃料処理用の流路となる。   The pipes P19 to P21 described above mainly serve as fuel processing flow paths.

このような燃料電池システム100は、メインスイッチ152をオンすることによって起動され、コントローラ156によって制御され、二次電池134によって電気エネルギーが補完される。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。   Such a fuel cell system 100 is activated by turning on the main switch 152, controlled by the controller 156, and supplemented with electric energy by the secondary battery 134. The DC-DC converter 154 converts the voltage from 24V to 12V, and the fans 120 and 126 are driven by the converted 12V voltage.

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147等の補機類を駆動し、運転を開始する。
Next, main operations during operation of the fuel cell system 100 will be described.
When the main switch 152 is turned on, the fuel cell system 100 drives auxiliary equipment such as the aqueous solution pump 146 and the air pump 147 and starts operation.

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。   By driving the aqueous solution pump 146, the aqueous methanol solution stored in the aqueous solution tank 130 is sent from the pipe P 3 side to the pipe P 4 side and supplied to the aqueous solution filter 144. The methanol aqueous solution from which impurities and the like have been removed by the aqueous solution filter 144 is directly supplied to the anode 104b of each fuel cell 104 constituting the cell stack 102 via the pipe P5 and the anode inlet I1.

一方、エアポンプ147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。   On the other hand, the air (air) drawn from the air filter 142 by driving the air pump 147 is silenced by flowing into the air chamber 150 via the pipe P8. Then, the sucked air and the gas from the catch tank 140 given to the air chamber 150 are supplied to the cathode 104c of each fuel cell 104 constituting the cell stack 102 via the pipes P9 to P11 and the cathode inlet I3. The

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、二輪車10の走行駆動等に利用される。   In the anode 104b of each fuel cell 104, methanol and water in the supplied aqueous methanol solution chemically react to generate carbon dioxide and hydrogen ions. The generated hydrogen ions flow into the cathode 104c through the electrolyte 104a, and electrochemically react with oxygen in the air supplied to the cathode 104c side to generate water (water vapor) and electric energy. That is, power generation is performed in the cell stack 102. The generated electrical energy is sent to and stored in the secondary battery 134 and used for driving the motorcycle 10 and the like.

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。   On the other hand, the carbon dioxide and unreacted methanol aqueous solution generated at the anode 104b of each fuel cell 104 rise in temperature due to the heat generated by the electrochemical reaction (for example, about 65 ° C. to 70 ° C.), and unreacted methanol. A part of the aqueous solution is vaporized. The carbon dioxide and the unreacted aqueous methanol solution flow into the aqueous solution radiator 112 via the anode outlet I2 of the cell stack 102, and are cooled by the fan 120 while flowing through the radiator pipe 116 (for example, about 40 ° C.). . The cooled carbon dioxide and the unreacted methanol aqueous solution are returned to the aqueous solution tank 130 via the pipe P7.

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104c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。   On the other hand, most of the water vapor generated at the cathode 104c of each fuel cell 104 is liquefied and converted into water and discharged from the cathode outlet I4 of the cell stack 102, but the saturated water vapor is discharged in a gas state. A part of the water vapor discharged from the cathode outlet I4 is cooled by the radiator 114 and liquefied by lowering the dew point. The water vapor liquefaction operation by the radiator 114 is performed by operating the fan 126. Water (water and water vapor) from the cathode outlet I4 is supplied to the water tank 132 through the pipe P12, the radiator 114 and the pipe P13 together with unreacted air. Further, at the cathode 104c of each fuel cell 104, the vaporized methanol from the catch tank 140 and the methanol moved to the cathode 104c due to crossover react with oxygen in the platinum catalyst layer and decompose into harmless moisture and carbon dioxide. The Moisture and carbon dioxide decomposed from methanol are discharged from the cathode outlet I4 and supplied to the water tank 132 via the radiator 114. Further, the water moved to the cathode 104c of each fuel cell 104 due to the water crossover is discharged from the cathode outlet I4 and supplied to the water tank 132 via the radiator 114.

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。   The water collected in the water tank 132 is appropriately refluxed to the aqueous solution tank 130 through the pipes P15 and P16 by driving the water pump 160, and used as water of the methanol aqueous solution.

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の水溶液タンク130への供給や水タンク132内の水の水溶液タンク130への還流が行われる。   In the fuel cell system 100 in operation, the concentration detection process of the aqueous methanol solution is periodically executed in order to cause each fuel cell 104 to efficiently generate power while preventing the deterioration of each fuel cell 104. Based on the detection result, the methanol concentration of the aqueous methanol solution to be supplied to the cell stack 102 is adjusted. Specifically, the methanol fuel in the fuel tank 128 is supplied to the aqueous solution tank 130 and the water in the water tank 132 is returned to the aqueous solution tank 130 based on the detection result of the methanol concentration.

このような燃料電池システム100では、図11に示すように、水溶液タンク130、水溶液ポンプ146、電磁バルブ148、濃度センサ149、コントローラ156、パイプP3,P4,P17およびP18を含んで濃度検出装置200が構成されている。   11, such a fuel cell system 100 includes an aqueous solution tank 130, an aqueous solution pump 146, an electromagnetic valve 148, a concentration sensor 149, a controller 156, and pipes P3, P4, P17, and P18. Is configured.

図11および図12を参照して、濃度センサ149は、短冊状のペルチェ素子202とその一方主面側に設けられるヒートシンク204とを含む。ペルチェ素子202とヒートシンク204との間には熱伝導性の良いシリコンシートなどの部材206が介挿されている。また、パイプP18の一部も濃度センサ149の構成部材となる。パイプP18は、パイプ部P181,P182およびP183と、パイプ部P181とP182との間に介挿されるパイプ部P184と、パイプ部P182とP183との間に介挿されるパイプ部P185とを含む。パイプ部P181,P182およびP183は、熱伝導性が比較的良いたとえばステンレスなどの金属からなる。パイプ部P184は、断熱性のあるたとえばテフロン(登録商標)などの樹脂からなる。パイプ部P185は、熱伝導性が悪いたとえばEPDM等のゴム材料からなる。パイプ部P182は、ペルチェ素子202の他方主面に接するようにU字状に設けられ、パイプ部P183は、ヒートシンク204を貫通するように設けられている。パイプ部P182が実質的に検出部となるチャンバとして機能する。   Referring to FIGS. 11 and 12, density sensor 149 includes a strip-shaped Peltier element 202 and a heat sink 204 provided on one main surface side thereof. A member 206 such as a silicon sheet having good thermal conductivity is interposed between the Peltier element 202 and the heat sink 204. Further, a part of the pipe P18 is also a constituent member of the concentration sensor 149. Pipe P18 includes pipe portions P181, P182, and P183, a pipe portion P184 that is interposed between pipe portions P181 and P182, and a pipe portion P185 that is interposed between pipe portions P182 and P183. Pipe portions P181, P182 and P183 are made of metal such as stainless steel having relatively good thermal conductivity. The pipe part P184 is made of a heat-insulating resin such as Teflon (registered trademark). The pipe part P185 is made of a rubber material such as EPDM having poor thermal conductivity. The pipe part P182 is provided in a U shape so as to contact the other main surface of the Peltier element 202, and the pipe part P183 is provided so as to penetrate the heat sink 204. The pipe part P182 functions as a chamber that substantially becomes a detection part.

また、パイプ部P182内には水溶液の温度を検出するための水溶液温度センサ208が設けられ、ペルチェ素子202の他方主面にはペルチェ素子202の温度を検出するためのペルチェ温度センサ210が設けられている。   Further, an aqueous solution temperature sensor 208 for detecting the temperature of the aqueous solution is provided in the pipe portion P182, and a Peltier temperature sensor 210 for detecting the temperature of the Peltier element 202 is provided on the other main surface of the Peltier element 202. ing.

このようなペルチェ素子202、ヒートシンク204の一部、部材206、パイプ部P182、P184およびP185、水溶液温度センサ208およびペルチェ温度センサ210は樹脂212によってモールドされている。   Such Peltier element 202, a part of heat sink 204, member 206, pipe portions P182, P184 and P185, aqueous solution temperature sensor 208 and Peltier temperature sensor 210 are molded with resin 212.

なお、パイプP3、パイプP4の一部、パイプP17、パイプP18のパイプ部P181,P184が、水溶液タンク130内のメタノール水溶液をペルチェ素子202近傍に送るための第1パイプとして機能し、パイプP18のパイプ部P185,P183が、濃度検出後のメタノール水溶液を水溶液タンク130に戻すための第2パイプとして機能する。また、ペルチェ素子202とヒートシンク204との組み合わせが、冷却手段および加熱手段を兼ねる温度変更手段を構成する。冷却手段、加熱手段は、ペルチェ素子202のみによって構成されてもよい。また、コントローラ156は、凝固点検出手段、濃度検出手段を構成する。電磁バルブ148が入替手段を構成し、濃度検出されるメタノール水溶液の流れが制御される。水溶液温度センサ208が第1温度検出手段を構成し、ペルチェ温度センサ210が第2温度検出手段を構成する。   The pipes P3, a part of the pipe P4, and the pipe parts P181 and P184 of the pipe P17 and the pipe P18 function as a first pipe for sending the aqueous methanol solution in the aqueous solution tank 130 to the vicinity of the Peltier element 202. The pipe parts P185 and P183 function as a second pipe for returning the methanol aqueous solution whose concentration has been detected to the aqueous solution tank 130. Further, the combination of the Peltier element 202 and the heat sink 204 constitutes a temperature changing unit that also serves as a cooling unit and a heating unit. The cooling means and the heating means may be configured only by the Peltier element 202. The controller 156 constitutes freezing point detection means and concentration detection means. The electromagnetic valve 148 constitutes a replacement means, and the flow of the methanol aqueous solution whose concentration is detected is controlled. The aqueous solution temperature sensor 208 constitutes first temperature detection means, and the Peltier temperature sensor 210 constitutes second temperature detection means.

つづいて、コントローラ156について説明する。
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CPU214、および燃料電池システム100の動作を制御するためのプログラムやデータ等を格納するための、たとえばEEPROMからなるメモリ216を含む。水溶液温度センサ208およびペルチェ温度センサ210からの検出信号は、それぞれA/D変換器218および220によってA/D変換されてCPU214に入力される。また、CPU214から水溶液ポンプ146、電磁バルブ148およびペルチェ素子202への制御信号は、それぞれインタフェース回路222,224および226を介して与えられる。
Next, the controller 156 will be described.
The controller 156 performs necessary calculations and controls the operation of the fuel cell system 100, and a memory 216 made of, for example, an EEPROM for storing programs, data, and the like for controlling the operation of the fuel cell system 100. including. Detection signals from the aqueous solution temperature sensor 208 and the Peltier temperature sensor 210 are A / D converted by A / D converters 218 and 220, respectively, and input to the CPU 214. Control signals from the CPU 214 to the aqueous solution pump 146, the electromagnetic valve 148, and the Peltier element 202 are given via interface circuits 222, 224, and 226, respectively.

ここで、この発明で用いられる原理について説明する。
一般に、溶質を一定量の溶媒に溶かした溶液の凝固点は溶媒(純溶媒)の凝固点より、図13(a)に示すようにΔtだけ低くなる。この現象を凝固点降下といい、このときの温度差Δtを凝固点降下度という。このような溶液では、凝固点降下度Δtは、溶質の種類に拘わらず溶質の物質量(溶液の質量モル濃度)に比例する。
Here, the principle used in the present invention will be described.
In general, the freezing point of a solution in which a solute is dissolved in a certain amount of solvent is lower than the freezing point of the solvent (pure solvent) by Δt as shown in FIG. This phenomenon is called freezing point depression, and the temperature difference Δt at this time is called the freezing point depression degree. In such a solution, the freezing point depression degree Δt is proportional to the amount of solute substance (molar concentration of solution) regardless of the type of solute.

図13(b)に示すように、一般に溶液を冷却していくと、凝固点になっても凝固しないで液体のままの状態がしばらく続き(この状態を過冷却という)、あるところ(グラフのA点)で急激に凝固が始まる。液体が固体になる反応は発熱反応であり、これが急激におこるのでA−Bのような温度の急激な上昇がみられる。アルコール系水溶液の場合、溶液が凝固するときは最初に析出する固相(初晶)に含まれる溶質はごくわずかであるため、凝固の進行とともに残された液相中の溶質濃度は大きくなり、やがて溶液の温度上昇は止まりその温度変化はB−Cのような右下がりになる。このとき、溶液の凝固点はD点であるが、B点とD点とはほぼ等しいので、B点の温度を凝固点とみなすことができる。そして、この凝固点とされたB点の温度に基づいて濃度を検出する。   As shown in FIG. 13 (b), generally, when the solution is cooled, it remains in a liquid state for a while without solidifying even when the freezing point is reached (this state is called supercooling). Solidification begins at a point). The reaction in which the liquid becomes solid is an exothermic reaction, and since this occurs abruptly, a rapid increase in temperature such as AB is observed. In the case of an alcohol-based aqueous solution, since the solute contained in the solid phase (primary crystal) that precipitates first when the solution solidifies is very small, the solute concentration in the remaining liquid phase increases with the progress of solidification, Eventually, the temperature rise of the solution stops and the temperature change falls to the right like BC. At this time, the freezing point of the solution is the D point, but since the B point and the D point are substantially equal, the temperature of the B point can be regarded as the freezing point. And a density | concentration is detected based on the temperature of B point made into this freezing point.

ついで、図14〜図16を参照して、濃度検出装置200の主要動作の一例について説明する。
図14を参照して、まず、コントローラ156からの指示に従って、電磁バルブ148が開けられ(ステップS1)、所定時間(たとえば2秒)が経過する(ステップS3がYESになる)まで電磁バルブ148の開放状態が継続される。これによって、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パイプP17を介してパイプP18内に導入され、パイプP18に満たされていたメタノール水溶液が排出される。すなわち、電磁バルブ148を開けることによって、検出部を構成するパイプ部P182へのメタノール濃度を検出すべき新しいメタノール水溶液の導入と、パイプ部P182からのメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液の排出とが行われる。メタノール水溶液は、水溶液ポンプ146によって加圧されているので電磁バルブ148を開けるだけでパイプ部P182内に導入される。パイプP18から排出されたメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液は水溶液タンク130に戻される。
Next, an example of main operations of the concentration detection apparatus 200 will be described with reference to FIGS.
Referring to FIG. 14, first, electromagnetic valve 148 is opened in accordance with an instruction from controller 156 (step S1), and electromagnetic valve 148 is operated until a predetermined time (for example, 2 seconds) elapses (step S3 becomes YES). The open state continues. As a result, a part of the methanol aqueous solution sent out by the aqueous solution pump 146 and flowing through the pipe P4 is introduced into the pipe P18 via the pipe P17, and the methanol aqueous solution filled in the pipe P18 is discharged. That is, by opening the electromagnetic valve 148, introduction of a new methanol aqueous solution whose methanol concentration should be detected into the pipe portion P182 constituting the detection portion and discharge of the methanol aqueous solution whose methanol concentration has been detected from the pipe portion P182 are performed. Is called. Since the aqueous methanol solution is pressurized by the aqueous solution pump 146, it is introduced into the pipe portion P182 simply by opening the electromagnetic valve 148. The methanol aqueous solution whose methanol concentration has been detected discharged from the pipe P18 is returned to the aqueous solution tank 130.

なお、水溶液ポンプ146の駆動開始時には電磁バルブ148は閉じられており、運転を開始してから1回目の濃度検出を行う前まではパイプP18に空気が満たされている。この場合、パイプP18を満たしていた空気が水溶液タンク130に流入することはいうまでもない。   The electromagnetic valve 148 is closed at the start of driving of the aqueous solution pump 146, and the pipe P18 is filled with air from the start of operation until before the first concentration detection. In this case, it goes without saying that the air filling the pipe P18 flows into the aqueous solution tank 130.

そして、所定時間が経過する(ステップS3がYESになる)と、電磁バルブ148が閉じられ(ステップS5)、パイプP18に流入したメタノール水溶液の流れ(流速)が抑えられる。ここでは、電磁バルブ148を完全に閉じることによって、パイプ部P182でメタノール水溶液を保持し、滞留(停止)させることができる。
そして後述する濃度検出が行われる(ステップS7)。
When a predetermined time has elapsed (YES in step S3), the electromagnetic valve 148 is closed (step S5), and the flow (flow velocity) of the aqueous methanol solution flowing into the pipe P18 is suppressed. Here, by completely closing the electromagnetic valve 148, the aqueous methanol solution can be held and retained (stopped) by the pipe portion P182.
Then, density detection which will be described later is performed (step S7).

濃度検出の終了後、凝固したメタノール水溶液がコントローラ156からの指示に従ってペルチェ素子202によって加熱されてパイプ部P182から排出されやすくなり、電磁バルブ148が開けられて濃度検出済みのメタノール水溶液がパイプ部P182から排出されるとともに次回濃度検出すべきメタノール水溶液がパイプ部P182内に導入される(ステップS9)。このとき時間をカウントしつつ所定時間(たとえば40秒間)だけ電磁バルブ148が開放されメタノール水溶液が入れ替えられる(ステップS11)。   After completion of the concentration detection, the solidified methanol aqueous solution is heated by the Peltier element 202 according to an instruction from the controller 156 and is easily discharged from the pipe part P182. The electromagnetic valve 148 is opened and the concentration-detected methanol aqueous solution is supplied to the pipe part P182. The aqueous methanol solution to be detected next time is introduced into the pipe portion P182 (step S9). At this time, the electromagnetic valve 148 is opened for a predetermined time (for example, 40 seconds) while counting the time, and the aqueous methanol solution is replaced (step S11).

所定時間経過後、メタノール水溶液の加熱が停止され(ステップS13)、ステップS5に戻り電磁バルブ148が閉じられ、メタノール水溶液の入れ替えが終了する。以降、ステップS5〜S13の処理が繰り返される。   After a predetermined time has elapsed, the heating of the aqueous methanol solution is stopped (step S13), the process returns to step S5, the electromagnetic valve 148 is closed, and the replacement of the aqueous methanol solution is completed. Thereafter, the processes in steps S5 to S13 are repeated.

なお、メタノール水溶液の入れ替えの確認については、たとえばパイプ部P182内の温度を検出し、その温度が所定条件を満たせば、ステップS13に進むようにしてもよい。たとえば、検出温度が燃料電池システムと同じ温度になれば、または検出温度が検出対象の凝固点以上(この実施形態では、検出対象は水溶液なので0℃以上)になれば、ステップS13に進むようにする。   For confirmation of the replacement of the methanol aqueous solution, for example, the temperature in the pipe part P182 may be detected, and if the temperature satisfies a predetermined condition, the process may proceed to step S13. For example, if the detected temperature is the same as that of the fuel cell system, or if the detected temperature is equal to or higher than the freezing point of the detection target (in this embodiment, the detection target is an aqueous solution, 0 ° C. or higher), the process proceeds to step S13. .

ついで、図15および図16を参照して濃度検出動作について説明する。
まず動作が開始されると、変数N=0が設定され(ステップS51)、コントローラ156からの指示によって、ペルチェ素子202への通電電流を最大にする冷却モードで検出部となるパイプ部P182が急速に冷却される(ステップS53)。これによって凝固点までの所要時間を短くできる。
Next, the density detection operation will be described with reference to FIGS. 15 and 16.
First, when the operation is started, the variable N = 0 is set (step S51), and the pipe portion P182 serving as the detection portion in the cooling mode in which the energization current to the Peltier element 202 is maximized is rapidly determined by an instruction from the controller 156. (Step S53). As a result, the required time to the freezing point can be shortened.

そして、ペルチェ温度センサ210によってペルチェ素子202の表面温度が検出され(ステップS55)、水溶液温度センサ208によって検出部となるパイプ部P182内のメタノール水溶液の温度が検出される(ステップS57)。ペルチェ素子202の表面温度に代えて、ペルチェ素子202を代表する温度を検出するようにしてもよい。   Then, the surface temperature of the Peltier element 202 is detected by the Peltier temperature sensor 210 (step S55), and the temperature of the aqueous methanol solution in the pipe portion P182 serving as the detection unit is detected by the aqueous solution temperature sensor 208 (step S57). Instead of the surface temperature of the Peltier element 202, a temperature representative of the Peltier element 202 may be detected.

ついで、パイプ部182内の水溶液温度とペルチェ素子202の温度との差が1℃未満になったか否かが判断されるとともに、パイプ部P182内の水溶液温度が、燃料を含まない溶媒(この実施形態では水)の状態の凝固点よりやや高めの温度(この実施形態では2℃)より低くなっているか否かが判断される(ステップS59)。パイプ部182内の水溶液温度とペルチェ素子202の温度との差が1℃未満になりかつパイプ部P182内の水溶液温度が2℃より低くなるまで、ステップS53〜S59の処理が繰り返され急速冷却が継続される。水溶液温度とペルチェ素子202の温度との差が1℃以上であればあるいは水溶液温度が2℃以上であれば、水溶液が凝固することがないため急速冷却しても問題はない。   Next, it is determined whether or not the difference between the temperature of the aqueous solution in the pipe portion 182 and the temperature of the Peltier element 202 has become less than 1 ° C., and the temperature of the aqueous solution in the pipe portion P182 indicates that the solvent containing no fuel (this implementation) It is determined whether or not the temperature is slightly lower than the freezing point (2 ° C. in this embodiment) in the form of “water” (step S59). Until the difference between the aqueous solution temperature in the pipe part 182 and the temperature of the Peltier element 202 is less than 1 ° C. and the aqueous solution temperature in the pipe part P 182 is lower than 2 ° C., the processes in steps S53 to S59 are repeated to perform rapid cooling. Will continue. If the difference between the aqueous solution temperature and the temperature of the Peltier element 202 is 1 ° C. or higher, or if the aqueous solution temperature is 2 ° C. or higher, the aqueous solution will not solidify, so there is no problem even if it is rapidly cooled.

一方、ステップS59において、パイプ部182内の水溶液温度とペルチェ素子202の温度との差が1℃未満になりかつパイプ部P182内の水溶液温度が2℃より低くなれば、凝固点に近づいてきていると判断しステップS61に進む。ステップS61では、コントローラ156からの指示によって、ペルチェ素子202の冷却能力を最初より低下させる。すなわちペルチェ素子202への通電電流を中程度に設定して冷却を続ける。これは、凝固点に近づいてきているにも拘らず急速冷却を継続すると、過冷却から凝固するときに発生する熱を急速に奪ってしまい凝固点を正確に検出できなくなる恐れがあるとともに、温度の応答遅れが発生し以降のステップの温度差検出工程に影響を与えるためである。   On the other hand, if the difference between the aqueous solution temperature in the pipe portion 182 and the temperature of the Peltier element 202 is less than 1 ° C. and the aqueous solution temperature in the pipe portion P 182 is lower than 2 ° C. in step S59, the freezing point is approaching. And the process proceeds to step S61. In step S61, the cooling capacity of the Peltier element 202 is lowered from the beginning in accordance with an instruction from the controller 156. That is, the current supplied to the Peltier element 202 is set to a medium level and cooling is continued. This is because if the rapid cooling is continued even though the freezing point is approaching, the heat generated when solidifying from the supercooling may be rapidly taken away, and the freezing point may not be detected accurately. This is because a delay occurs and affects the temperature difference detection process in subsequent steps.

なお、冷却性能が検出したい水溶液の熱容量からみて低い場合には、徐々にしか冷やすことができないのでこのステップは不要となる。   When the cooling performance is low in view of the heat capacity of the aqueous solution to be detected, this step is not necessary because the cooling performance can only be gradually reduced.

そして、ペルチェ素子202の表面温度が検出され(ステップS63)、パイプ部P182内の水溶液温度が検出され(ステップS65)、パイプ部182内の水溶液温度とペルチェ素子202の表面温度との差分が計算され(ステップS67)、その温度の差分がメモリ216に記憶される(ステップS69)。   Then, the surface temperature of the Peltier element 202 is detected (step S63), the aqueous solution temperature in the pipe part P182 is detected (step S65), and the difference between the aqueous solution temperature in the pipe part 182 and the surface temperature of the Peltier element 202 is calculated. (Step S67), and the temperature difference is stored in the memory 216 (Step S69).

そして、ステップS51から第1所定時間(たとえば10分)以上経過したか否かが判断され(ステップS71)、経過していなければパイプ部P182内の水溶液温度が−20℃以下か否かが判断され(ステップS73)、−20℃以下でなければ変数N=0か否かが判断される(ステップS75)。変数N=0であれば、第2所定時間が経過したか否かが判断され(ステップS77)、第2所定時間(たとえば5分)が経過すれば変数Nが1インクリメントされ(ステップS79)、ステップS63に戻りペルチェ素子202およびパイプ部P182内の水溶液の温度検出が行われる。   Then, it is determined whether or not a first predetermined time (for example, 10 minutes) has elapsed since step S51 (step S71). If not, it is determined whether or not the aqueous solution temperature in the pipe portion P182 is -20 ° C or lower. (Step S73), if it is not below -20 ° C., it is judged whether or not the variable N = 0 (Step S75). If the variable N = 0, it is determined whether or not the second predetermined time has elapsed (step S77), and if the second predetermined time (for example, 5 minutes) has elapsed, the variable N is incremented by 1 (step S79). Returning to step S63, the temperature of the aqueous solution in the Peltier element 202 and the pipe part P182 is detected.

ステップS71において第1所定時間が経過している場合、またはステップS73においてパイプ部P182内の水溶液温度が−20℃以下になっている場合には、異常が発生していると判断して検出エラーを報知し(ステップS81)、終了する。通常、温度検出にそれほど時間がかかるものではなく、また、温度が想定される凝固点よりもかなり低くなるのは正常ではないからである。   If the first predetermined time has elapsed in step S71, or if the aqueous solution temperature in the pipe portion P182 is -20 ° C or lower in step S73, it is determined that an abnormality has occurred and a detection error has occurred. Is notified (step S81), and the process ends. This is because the temperature detection usually does not take much time, and it is not normal that the temperature is considerably lower than the assumed freezing point.

ステップS75がNOの場合には、図16に示すステップS83に進み、メモリ216に記憶されている前回の温度差(パイプ部182内の水溶液温度とペルチェ素子202の表面温度との差分)が今回の温度差(パイプ部182内の水溶液温度とペルチェ素子202の表面温度との差分)の方が大きいか否かが判断される。今回の温度差の方が大きくなれば水溶液の温度が上昇に転じたと判断する。これによって凝固が始まったと判断する。すなわち、凝固が始まるとペルチェ素子202による冷却を行っても凝固熱により水溶液の温度が下がらず逆に上昇するので、水溶液とペルチェ素子202との温度差が大きくなり、これによって凝固が始まったことを知ることができる。   If step S75 is NO, the process proceeds to step S83 shown in FIG. 16, and the previous temperature difference (difference between the aqueous solution temperature in the pipe portion 182 and the surface temperature of the Peltier element 202) stored in the memory 216 is the current time. It is determined whether or not the temperature difference (the difference between the aqueous solution temperature in the pipe portion 182 and the surface temperature of the Peltier element 202) is larger. If the temperature difference this time becomes larger, it is determined that the temperature of the aqueous solution has started to rise. As a result, it is determined that coagulation has started. That is, when solidification starts, even if cooling by the Peltier element 202 is performed, the temperature of the aqueous solution does not decrease due to the heat of solidification, but rises conversely. Can know.

そして、第2所定時間が経過したか否かが判断され(ステップS85)、経過するまで待機し、第2所定時間が経過するとパイプ部P182内の水溶液温度が検出され(ステップS87)、その水溶液温度がメモリ216に記憶される(ステップS89)。そして、その水溶液温度が0℃を超えたか否かが判断され(ステップS91)、0℃を超えていなければ水溶液温度が降下したか否かが判断される(ステップS93)。水溶液温度が降下していなければステップS87に戻り、一方、水溶液温度が降下していれば、ステップS89以降の処理でメモリ216に記憶された水溶液温度中の最高温度が凝固点と仮置きされ(ステップS95)、その仮置きされた凝固点が−8℃以上0℃以下か否かが判断され(ステップS97)、その範囲内であれば凝固点として正式に決定される(ステップS99)。そして、図17に示すメモリ216に記憶されている理論凝固点とモル濃度換算値との関係を示すテーブルデータを参照し、検出された凝固点に最も近い理論凝固点に対応するモル濃度が取得され(ステップS101)、終了する。一方、ステップS91において水溶液温度が0℃を超えたとき、またはステップS97において仮置き凝固点が−8℃以上0℃以下でない場合には、エラーと判断してエラーが報知され(ステップS103)、終了する。   Then, it is determined whether or not the second predetermined time has elapsed (step S85), and the process waits until the second predetermined time elapses. When the second predetermined time elapses, the aqueous solution temperature in the pipe portion P182 is detected (step S87), and the aqueous solution The temperature is stored in the memory 216 (step S89). Then, it is determined whether or not the aqueous solution temperature has exceeded 0 ° C. (step S91). If it does not exceed 0 ° C., it is determined whether or not the aqueous solution temperature has decreased (step S93). If the aqueous solution temperature has not dropped, the process returns to step S87. On the other hand, if the aqueous solution temperature has dropped, the highest temperature in the aqueous solution temperature stored in the memory 216 in the processing after step S89 is temporarily placed as the freezing point (step S95), it is determined whether or not the temporarily set freezing point is -8 ° C. or higher and 0 ° C. or lower (step S97), and if it is within the range, it is formally determined as the freezing point (step S99). Then, referring to the table data indicating the relationship between the theoretical freezing point and the converted molar concentration value stored in the memory 216 shown in FIG. 17, the molar concentration corresponding to the theoretical freezing point closest to the detected freezing point is acquired (step). S101), the process ends. On the other hand, when the aqueous solution temperature exceeds 0 ° C. in step S91, or when the temporary freezing point is not −8 ° C. or more and 0 ° C. or less in step S97, the error is determined as an error (step S103), and the process ends. To do.

なお、ステップS101においてモル濃度が取得されると、その濃度に基づいて水溶液タンク130内のメタノール水溶液に補給される燃料タンク128からのメタノール燃料の量や水タンク132からの水の量が決定される。そして、決定された量のメタノール燃料や水が補給されることによって水溶液タンク130内のメタノール水溶液が所望の濃度に調整される。   When the molar concentration is acquired in step S101, the amount of methanol fuel from the fuel tank 128 to be supplied to the aqueous methanol solution in the aqueous solution tank 130 and the amount of water from the water tank 132 are determined based on the concentration. The Then, the methanol aqueous solution in the aqueous solution tank 130 is adjusted to a desired concentration by supplying the determined amount of methanol fuel and water.

このような濃度検出装置200によれば、メタノール水溶液の凝固点とモル濃度との相関性を利用することによって、メタノール水溶液の凝固点に基づいて当該水溶液に溶けているメタノールの濃度を正確に検出できる。また、超音波センサのような大きな装置を用いる必要もない。   According to such a concentration detection apparatus 200, the concentration of methanol dissolved in the aqueous solution can be accurately detected based on the freezing point of the aqueous methanol solution by utilizing the correlation between the freezing point of the aqueous methanol solution and the molar concentration. Moreover, it is not necessary to use a large device such as an ultrasonic sensor.

また、検出部であるパイプ部P182に導入されたメタノール水溶液を停止させた状態でその温度を検出するので、メタノール水溶液の温度ひいてはその凝固点を正確に検出でき、その結果、メタノール水溶液に溶けているメタノールの濃度を正確に検出できる。   Further, since the temperature of the methanol aqueous solution introduced into the pipe portion P182 that is the detection unit is stopped, the temperature of the methanol aqueous solution and thus the freezing point can be accurately detected, and as a result, it is dissolved in the methanol aqueous solution. The concentration of methanol can be detected accurately.

さらに、濃度検出のために凝固させたメタノール水溶液を溶かすことができるので、濃度検出されるメタノール水溶液の入れ替えが確実かつ容易になる。   Furthermore, since the methanol aqueous solution coagulated for concentration detection can be dissolved, the replacement of the methanol aqueous solution whose concentration is detected is ensured and easy.

また、ペルチェ素子202とヒートシンク204との組み合わせをメタノール水溶液の冷却および加熱に兼用できるので、装置の構成を簡素かつ小型にできる。   Further, since the combination of the Peltier element 202 and the heat sink 204 can be used for cooling and heating of the methanol aqueous solution, the configuration of the apparatus can be simplified and reduced in size.

さらに、メタノール水溶液が凝固するときの図13(b)に示すような特性を利用することによって、メタノール水溶液とペルチェ素子202との温度差に基づいてメタノール水溶液の凝固が始まったことを知ることができ、メタノール水溶液の凝固点をより正確に検出できる。   Furthermore, by utilizing the characteristics shown in FIG. 13B when the aqueous methanol solution is solidified, it can be known that the solidification of the aqueous methanol solution has started based on the temperature difference between the aqueous methanol solution and the Peltier element 202. And the freezing point of the aqueous methanol solution can be detected more accurately.

また、濃度検出されたメタノール水溶液を水溶液タンク130に戻すことによって、濃度検出のためにメタノール水溶液を浪費することを防止できる。   Further, by returning the aqueous methanol solution whose concentration is detected to the aqueous solution tank 130, it is possible to prevent the aqueous methanol solution from being wasted for detecting the concentration.

また、濃度検出時に、最初は比較的高速で冷却しその後冷却能力を下げることによって、濃度検出までの時間を短縮できるとともに濃度検出精度を向上できる。   Further, at the time of density detection, the time until density detection can be shortened and the density detection accuracy can be improved by cooling at a relatively high speed first and then lowering the cooling capacity.

燃料電池システム100において燃料濃度を正確に検出することは重要であるので、この発明を燃料電池システム100に用いること、ひいては燃料電池システム100を搭載した二輪車10等の輸送機器に用いることは有効である。   Since it is important to accurately detect the fuel concentration in the fuel cell system 100, it is effective to use the present invention in the fuel cell system 100, and in turn, in transportation equipment such as the two-wheeled vehicle 10 equipped with the fuel cell system 100. is there.

なお、上述の実施形態ではメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液を水溶液タンク130に戻す場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、パイプP18内のメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液をパイプP4に押し戻すようにしてもよい。また、パイプP18を、パイプP4とパイプP17との接続部よりも下流側でパイプP4に接続し、メタノール濃度検出済みのメタノール水溶液をセルスタック102に供給するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the methanol aqueous solution whose methanol concentration has been detected is returned to the aqueous solution tank 130 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the methanol aqueous solution whose methanol concentration has been detected in the pipe P18 may be pushed back to the pipe P4. Alternatively, the pipe P18 may be connected to the pipe P4 on the downstream side of the connecting portion between the pipe P4 and the pipe P17, and the methanol aqueous solution whose methanol concentration has been detected may be supplied to the cell stack 102.

また、燃料電池システム100において、メタノール水溶液の凝固点を検出すると、モル濃度を取得することなくその凝固点に基づいて直接、水溶液タンク130内のメタノール水溶液の濃度を調整するようにしてもよい。この場合、メタノール燃料および/または水の補給量と凝固点との対応関係を予め設定しておき、検出された凝固点に対応する量のメタノール燃料および/または水を水溶液タンク130内のメタノール水溶液に補給すればよい。   Further, when the freezing point of the methanol aqueous solution is detected in the fuel cell system 100, the concentration of the aqueous methanol solution in the aqueous solution tank 130 may be directly adjusted based on the freezing point without obtaining the molar concentration. In this case, a correspondence relationship between the replenishment amount of methanol fuel and / or water and the freezing point is set in advance, and an amount of methanol fuel and / or water corresponding to the detected freezing point is replenished to the aqueous methanol solution in the aqueous solution tank 130. do it.

このようにすれば、メタノール水溶液に含まれているメタノールの濃度を検出することなくメタノール水溶液の濃度を簡単に調整できる。   In this way, the concentration of the aqueous methanol solution can be easily adjusted without detecting the concentration of methanol contained in the aqueous methanol solution.

さらに、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。   Furthermore, in the above-described embodiment, methanol is used as the fuel, and an aqueous methanol solution is used as the aqueous fuel solution. However, the present invention is not limited to this. May be.

この発明は、物質が溶けている液体であれば、任意の物質が溶けている任意の液体の濃度検出に用いることができる。   The present invention can be used for detecting the concentration of an arbitrary liquid in which an arbitrary substance is dissolved as long as it is a liquid in which the substance is dissolved.

この発明の燃料電池システムは、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。   The fuel cell system of the present invention can be suitably used not only for motorcycles but also for any transportation equipment such as automobiles and ships.

この発明は、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。   The present invention can also be applied to a reformer-mounted fuel cell system. The present invention can also be applied to a small installation type fuel cell system.

この発明の燃料電池システムを搭載する二輪車を示す左側面図である。It is a left view which shows the two-wheeled vehicle carrying the fuel cell system of this invention. 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。It is the perspective view which looked at the arrangement state of the fuel cell system to the body frame of a two-wheeled vehicle from the diagonally left front. 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。It is the perspective view which looked at the arrangement state of the fuel cell system to the body frame of a two-wheeled vehicle from diagonally left rear. 燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。It is a left view which shows the piping state of a fuel cell system. 燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。It is a right view which shows the piping state of a fuel cell system. 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。It is the perspective view which looked at the piping state of the fuel cell system from diagonally left forward. 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。It is the perspective view which looked at the piping state of the fuel cell system from diagonally right forward. 燃料電池セルスタックを示す図解図である。It is an illustration figure which shows a fuel cell stack. 燃料電池セルを示す図解図である。It is an illustration figure which shows a fuel cell. 燃料電池システムの配管を示すシステム図である。It is a system diagram which shows piping of a fuel cell system. 濃度検出装置の一例を示す図解図である。It is an illustration figure which shows an example of a density | concentration detection apparatus. (a)は濃度センサを示す斜視図であり、(b)はその断面図である。(A) is a perspective view which shows a density | concentration sensor, (b) is the sectional drawing. (a)は溶媒および溶液の冷却時間に対する温度変化を示すグラフであり、(b)は溶液およびペルチェ素子の冷却時間に対する温度変化を示すグラフである。(A) is a graph which shows the temperature change with respect to the cooling time of a solvent and a solution, (b) is a graph which shows the temperature change with respect to the cooling time of a solution and a Peltier device. この発明の主要動作の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of main operation | movement of this invention. 濃度検出処理の動作の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of operation | movement of a density | concentration detection process. 図15の動作の続きを示すフロー図である。FIG. 16 is a flowchart showing a continuation of the operation of FIG. 15. 凝固点とモル濃度との対応関係を示すテーブルである。It is a table which shows the correspondence of a freezing point and molar concentration.

符号の説明Explanation of symbols

10 二輪車
100 燃料電池システム
102 燃料電池セルスタック
130 水溶液タンク
146 水溶液ポンプ
148 電磁バルブ
149 濃度センサ
156 コントローラ
200 濃度検出装置
202 ペルチェ素子
204 ヒートシンク
208 水溶液温度センサ
210 ペルチェ温度センサ
214 CPU
216 メモリ
P1〜P21 パイプ
P181〜P185 パイプ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Two-wheeled vehicle 100 Fuel cell system 102 Fuel cell stack 130 Aqueous solution tank 146 Aqueous solution pump 148 Electromagnetic valve 149 Concentration sensor 156 Controller 200 Concentration detection device 202 Peltier element 204 Heat sink 208 Aqueous solution temperature sensor 210 Peltier temperature sensor 214 CPU
216 Memory P1-P21 Pipe P181-P185 Pipe part

Claims (11)

物質が溶けている液体を冷却する冷却手段、
冷却される前記液体の温度を検出する第1温度検出手段、
前記第1温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記液体の凝固点を検出する凝固点検出手段、
前記凝固点検出手段によって検出された凝固点に基づいて前記液体に溶けている物質の濃度を検出する濃度検出手段を備える、濃度検出装置。
A cooling means for cooling the liquid in which the substance is dissolved,
First temperature detecting means for detecting the temperature of the liquid to be cooled;
A freezing point detecting means for detecting a freezing point of the liquid based on the temperature detected by the first temperature detecting means;
A concentration detection apparatus comprising concentration detection means for detecting the concentration of a substance dissolved in the liquid based on the freezing point detected by the freezing point detection means.
さらに、前記液体の温度を検出するために前記液体を停止状態で保持する検出部、および前記検出部内の前記液体を入れ替えるための入替手段を備え、
前記第1温度検出手段は、前記検出部内の前記液体の温度を検出する、請求項1に記載の濃度検出装置。
Furthermore, a detection unit for holding the liquid in a stopped state in order to detect the temperature of the liquid, and a replacement unit for replacing the liquid in the detection unit,
The concentration detection apparatus according to claim 1, wherein the first temperature detection unit detects a temperature of the liquid in the detection unit.
前記液体を加熱する加熱手段をさらに含む、請求項1または2に記載の濃度検出装置。   The concentration detection apparatus according to claim 1, further comprising a heating unit that heats the liquid. 前記冷却手段および前記加熱手段に兼用される温度変更手段を備える、請求項3に記載の濃度検出装置。   The density | concentration detection apparatus of Claim 3 provided with the temperature change means combined with the said cooling means and the said heating means. 前記冷却手段の温度を検出する第2温度検出手段をさらに含み、
前記凝固点検出手段は、前記第1温度検出手段の検出結果と前記第2温度検出手段の検出結果とに基づいて前記液体の凝固点を検出する、請求項1から4のいずれかに記載の濃度検出装置。
A second temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling means;
5. The concentration detection according to claim 1, wherein the freezing point detection unit detects a freezing point of the liquid based on a detection result of the first temperature detection unit and a detection result of the second temperature detection unit. apparatus.
さらに、前記液体を収容するタンク、
前記タンク内の前記液体を前記冷却手段近傍に送るための第1パイプ、および
濃度検出後の前記液体を前記タンクに戻すための第2パイプを含む、請求項1から5のいずれかに記載の濃度検出装置。
Furthermore, a tank for storing the liquid,
6. The apparatus according to claim 1, comprising: a first pipe for sending the liquid in the tank to the vicinity of the cooling means; and a second pipe for returning the liquid after concentration detection to the tank. Concentration detector.
請求項1から6のいずれかに記載の濃度検出装置を含む、燃料電池システム。   A fuel cell system comprising the concentration detection device according to claim 1. 請求項7に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。   A transportation device comprising the fuel cell system according to claim 7. 物質が溶けている液体を冷却空間に導入する工程、
前記冷却空間に導入された前記液体を冷却手段によって冷却する工程、
前記冷却手段の温度を検出する工程、
前記冷却空間内で冷却される前記液体の温度を検出する工程、
検出された前記冷却手段の温度と前記液体の温度とに基づいて前記液体の凝固点を検出する工程、および
検出された前記液体の凝固点に基づいて前記液体に溶けている物質の濃度を検出する工程を備える、濃度検出方法。
Introducing a liquid in which the substance is dissolved into the cooling space;
Cooling the liquid introduced into the cooling space by a cooling means;
Detecting the temperature of the cooling means;
Detecting the temperature of the liquid cooled in the cooling space;
Detecting the freezing point of the liquid based on the detected temperature of the cooling means and the temperature of the liquid, and detecting the concentration of the substance dissolved in the liquid based on the detected freezing point of the liquid A concentration detection method comprising:
前記液体を冷却する工程は、第1の冷却能力で前記液体を冷却する第1工程と、前記第1の冷却能力よりも低い冷却能力で前記液体を冷却する第2工程とを含む、請求項9に記載の濃度検出方法。   The step of cooling the liquid includes a first step of cooling the liquid with a first cooling capacity, and a second step of cooling the liquid with a cooling capacity lower than the first cooling capacity. 10. The concentration detection method according to 9. 燃料水溶液を用いる燃料電池システムであって、
前記燃料水溶液の凝固点を検出し、検出された前記凝固点に基づいて前記燃料水溶液の濃度を調整する、燃料電池システム。
A fuel cell system using an aqueous fuel solution,
A fuel cell system for detecting a freezing point of the aqueous fuel solution and adjusting a concentration of the aqueous fuel solution based on the detected freezing point.
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