JP2007042541A

JP2007042541A - 燃料電池システムおよびそれにおける水補給方法

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Publication number: JP2007042541A
Application number: JP2005227782A
Authority: JP
Inventors: Hideo Koda; 秀夫幸田; Arato Takahashi; 新人高橋
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-15

Abstract

【課題】外部から水を補給できる、燃料電池システムおよびそれにおける水補給方法を提供する。
【解決手段】自動二輪車１０は燃料電池システム１００を搭載し、燃料電池システム１００はセルスタック１０２からの気体および水が導入される水タンク１３２を備える。水タンク１３２には、水タンク１３２内の気体を外部に排出するためと外部から水タンク１３２に水を補給するためとに併用されるパイプＰ１４が接続される。可撓性を有するパイプＰ１４は、ベルト２０２とボルト２０４とを含む保持部材２００によって排気出口Ｐ１４ａが下方を向くように保持される。外部からの水の補給は、パイプＰ１４の保持を解除した後に、排気出口１４ａが上方を向くようにパイプＰ１４を曲げて行われる。
【選択図】図５

Description

この発明は燃料電池システムおよびそれにおける水補給方法に関し、より特定的には、燃料電池からの気体および水がタンクに導入される燃料電池システムおよびそれにおける水補給方法に関する。

従来、たとえば特許文献１や特許文献２に開示されているように燃料電池からの水をタンクに導入する燃料電池システムが提案されている。一般に、燃料電池システムの運転には水の供給が不可欠であり、燃料電池システム内において水を賄えない場合には外部からの水の補給が必要になる場合がある。
特開２００３−８６２０９ＷＯ２００５／００４２６７

しかし、特許文献１および特許文献２には、燃料電池システムへの外部からの水の補給について何ら開示されておらず、外部から水を補給するための具体的な構成が不明である。
それゆえに、この発明の主たる目的は、外部から水を補給できる、燃料電池システムおよびそれにおける水補給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、燃料電池、燃料電池からの気体と水とが導入されるタンク、および可撓性を有しかつタンクに接続されるパイプを備える。

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、パイプの出口が下方を向くようにパイプを保持するための保持部材をさらに備え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２に記載の燃料電池システムにおいて、保持部材はパイプの保持を解除可能に設けられ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、パイプは上方に延びた後に屈曲して下方に延び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、燃料電池、燃料電池からの気体と水とが導入されるタンク、およびタンクに接続されかつタンク内の気体を外部に排出するためと外部からタンクに水を補給するためとに兼用されるパイプを備える。

請求項６に記載の輸送機器は、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した輸送機器であって、輸送機器本体を含み、タンクは輸送機器本体の中央部下側に配置される。

請求項７に記載の輸送機器は、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した輸送機器であって、対向するように配置される一対のフレーム、および一対のフレームの間で一対のフレームに揺動自在に連結されるリヤアームを含み、タンクは一対のフレームの間かつリヤアームの前側に配置される。

請求項８に記載の輸送機器は、請求項６または７に記載の輸送機器において、自動二輪車であることを特徴とする。

請求項９に記載の水補給方法は、燃料電池からの気体および水が導入されるタンクと、タンクに接続されるパイプとを備える燃料電池システムにおける、水補給方法であって、外部からパイプを介してタンクに水を補給する。

請求項１０に記載の水補給方法は、請求項９に記載の水補給方法において、パイプは可撓性を有し、パイプの出口が上方を向くようにパイプを曲げた後に、パイプの出口からパイプを介してタンクに水を補給することを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池からの気体と水とが導入されるタンクに可撓性を有するパイプが接続される。したがって、その出口が上方を向き水の補給に好ましい形状に曲げられたパイプを介して、外部から必要に応じてタンクに水を補給できる。ひいては、外部から必要に応じて燃料電池システムに水を補給できる。請求項１０に記載の水補給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、保持部材によってその出口が下方を向くように可撓性を有するパイプが保持される。このようにパイプの出口を下方に向けておくことによって、タンク内への異物の侵入ひいては燃料電池システム内への異物の侵入を防止できる。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、水補給時に保持部材によるパイプの保持を解除できる。つまり、パイプを解放できる。したがって、水補給時以外では異物の侵入を防止でき、水補給時にはパイプを所望の形状に曲げて円滑にタンクに水を補給できる。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、パイプが上方に延びた後に屈曲して下方に延びる。これによって、タンクからの気体に含まれる水蒸気をパイプの上方に延びる部分で液化させてタンク内に戻し、より多くの水をタンク内に回収できる。また、パイプ内で液化した水の外部への排出を抑制でき、輸送機器の配置場所を濡らしてしまうといったことを防止できる。さらに、このような配置態様のパイプでは、外部からの異物が一旦上昇した後に下降しなければタンク内に到達できず、より効果的に異物の侵入を防止できる。

請求項５に記載の燃料電池システムでは、タンクに接続されるパイプが、タンク内の気体を外部に排出するためと外部からタンクに水を補給するためとに併用される。これによって、簡単な構成で水の補給経路を確保でき、外部から必要に応じてタンクに水を補給できる。

一般に、輸送機器は安定性を考慮して低重心であることが好ましく、輸送機器本体の中央部下側には複数の構成要素が配置される。このために、輸送機器本体の中央部下側にタンクが配置される場合、タンクの周囲の空間が狭く、タンクに触れにくい。この発明は、パイプを介してタンクに水を補給できるので、請求項６に記載するようにタンクが輸送機器本体の中央部下側に配置される輸送機器であっても簡単にタンクに水を補給できる。

たとえば請求項７に記載するように一対のフレームの間かつリヤアームの前側にタンクが配置される場合、一対のフレームとリヤアームとによってタンクの両側面および後面が覆われ、タンクに触れにくい。この発明は、パイプを介してタンクに水を補給できるので、請求項７に記載するように一対のフレームの間かつリヤアームの前側にタンクが配置される輸送機器であっても簡単にタンクに水を補給できる。

この発明によれば、請求項８に記載するように、コンパクトに構成するために複数の構成要素が密接するように配置される自動二輪車であっても簡単に水を補給できる。

請求項９に記載の水補給方法では、パイプを介して外部から必要に応じてタンクに水を補給でき、ひいては外部から必要に応じて燃料電池システムに水を補給できる。

この発明によれば、外部から水を補給できる。

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

自動二輪車１０は、車両本体１１と燃料電池システム１００とを備えている。まず、輸送機器本体である車両本体１１について説明する。図１〜図７を参照して、車両本体１１は車体フレーム１２を含む。

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自動二輪車１０の中央部下側から後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８と、リヤフレーム１８の上端部に取り付けられるシートレール２０とを備えている。フロントフレーム１６の後端部はリヤフレーム１８の中央部よりもやや下端部寄りの位置に接続され、フロントフレーム１６およびリヤフレーム１８全体で側面視略Ｙ字状を呈している。

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

一方、図３に示すように、リヤフレーム１８は、一対の板状フレーム１８ａ，１８ｂを備えている。板状フレーム１８ａおよび１８ｂは、それぞれ自動二輪車１０の中央部下側から後方へ斜め上方に延びかつ前後方向に幅を有し、フロントフレーム１６の連結部１６ｅを挟むように対向配置されている。

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

ハンドル支持部２６のハンドル２４の前側には、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の下側には、ヘッドランプ３２が固定されており、ヘッドランプ３２の左右両側には、フラッシャランプ３４がそれぞれ設けられている。

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

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

また、板状フレーム１８ａと１８ｂとの間かつ板状フレーム１８ａおよび１８ｂの下端部後寄りの位置には、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いる。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。

さらに、板状フレーム１８ａおよび１８ｂの下端部前側には、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の後側には、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。

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。

このような車両本体１１には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００が搭載されている。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。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

また、水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８の下側に配置され、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。

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

図３に示すように、水タンク１３２は、板状フレーム１８ａおよび１８ｂに取り付けられ、板状フレーム１８ａと１８ｂとの間かつピボット軸５０の前側に配置されている。つまり、水タンク１３２は、板状フレーム１８ａと１８ｂとの間かつリヤアーム４８の先端部の前（リヤアーム４８の車両進行方向前側）に配置されている。このように配置されている水タンク１３２は、板状フレーム１８ａと１８ｂとによって左右方向に挟まれ、かつセルスタック１０２とリヤアーム４８とによって前後方向に挟まれている。また、水タンク１３２の上側にはフロントフレーム１６の連結部１６ｅが位置している。つまり、水タンク１３２は、自動二輪車１０の中央部下側において前後左右を包囲されかつ上面を覆われるように配置されている。

また、燃料タンク１２８の前側でありかつフロントフレーム１６のフランジ部１６ｂの上側には、二次電池１３４が配置されている。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。

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

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

また、フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータ１１２，１１４とによって囲まれた空間には、エアフィルタ１４２が配置され、エアフィルタ１４２の後側斜め下側には水溶液フィルタ１４４が配置されている。

また、図４に示すように、フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４８が収納されている。また、エアポンプ１４８の左側には、エアチャンバ１５０が配置されている。

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。

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

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

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のラジエータ入口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のラジエータ出口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、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。

上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。

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

セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通されている。また、水タンク１３２の上面後寄りの位置には、水タンク１３２内の気体を外部に排出するためと外部から水タンク１３２に水を補給するためとに併用されるパイプ（排気パイプ）Ｐ１４が接続されている。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のラジエータ入口１２４ａ（図３参照）とを結ぶ。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のラジエータ出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上端部近傍とを結ぶ。パイプＰ１４は、エチレンプロピレンジエンゴムからなり、可撓性を有する。パイプＰ１４の材質としては、エチレンプロピレンジエンゴムの他にもシリコンゴム、塩化ビニール、天然ゴム等を用いることができる。パイプＰ１４の長さは、直線状態で約２０ｃｍである。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される二酸化炭素および水蒸気を含む気体（排気）と水とは、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を介してパイプＰ１４の排気出口（排気口）Ｐ１４ａから外部に排出される。

上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は主として排気の流路となる。

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

上述したパイプＰ１５，Ｐ１６は水の流路となる。

ここで、図１１および図１２を参照して、このようにパイプＰ１３〜Ｐ１５が接続される水タンク１３２について詳しく説明する。
セルスタック１０２からの排気および水が導入される水タンク１３２は、略立方体状の排出部１３２ａと排出部１３２ａの左側で上方に延びるように設けられる略立方体状の導入部１３２ｂとを含む。

排出部１３２ａの上面後寄りの位置には内部に嵌通するように円筒状の排出パイプ１６４が取り付けられており、排出パイプ１６４にはパイプＰ１４が接続されている。図５をも参照して、水タンク１３２に接続されるパイプＰ１４は、リヤフレーム１８に着脱可能に設けられる保持部材２００によって保持されている。

保持部材２００は、少なくとも燃料電池システム１００が停止した状態の自動二輪車１０において、排気出口Ｐ１４ａが下方を向くようにパイプＰ１４を保持する。図５および図１１に示すように、保持部材２００は、パイプＰ１４に巻き付けられる短冊状のベルト２０２とベルト２０２を板状フレーム１８ｂに固定するためのボルト２０４とを含む。図５からわかるように、パイプＰ１４に巻き付いたベルト２０２の両端部は、ボルト２０４によって板状フレーム１８ｂの右側面かつピボット軸５０の後側に固定される。これによって、パイプＰ１４が板状フレーム１８ｂの後側かつピボット軸５０の後側で保持される。ボルト２０４の取り付け位置は、排出パイプ１６４の出口からベルト２０２の後端部までの距離Ｂ（図１１参照）が約１０ｃｍとなるように設定されている。

保持部材２００によって保持された状態のパイプＰ１４は、上方に延びた後に屈曲して下方に延び、横側からみて排気出口Ｐ１４ａが下方を向く逆Ｖ字状となり（図５参照）、後側からみて排気出口Ｐ１４ａが下方を向く逆Ｕ字状となる（図１２参照）。保持部材２００はボルト２０４を板状フレーム１８ｂから取り外すことによって分解される。これによって、パイプＰ１４の保持を解除、つまりパイプＰ１４を解放できる。また、パイプＰ１４をベルト２０２から引き抜くことによってもパイプＰ１４を解放できる。

また、図１２に示すように、排出部１３２ａの右側面において下端部に形成される凹部には、内部に貫通するように円筒状の排出パイプ１６８が取り付けられている。排出パイプ１６８には、パイプＰ１５が接続される。

さらに、排出部１３２ａには、水タンク１３２内の液面の高さ（水位）を検出するためのレベルセンサ１６８が設けられている。図１２に示すように、レベルセンサ１６８は、センサ本体１６８ａとセンサ本体１６８ａに取り付けられるフロート部１６８ｂとを含む。レベルセンサ１６８では、水タンク１３２内の水位の変化に伴ってフロート部１６８ｂが浮動することによって、水タンク１３２内の水位を検出する。言い換えれば、レベルセンサ１６８では、浮動するフロート部１６８ｂの位置に基づいて水タンク１３２内の水量を検出する。

また、導入部１３２ｂの前面上端部近傍には、それぞれ内部に嵌通しかつ左右方向に並ぶように円筒状の導入パイプ１７０が２つ取り付けられている。２つの導入パイプ１７０には、それぞれパイプＰ１３が接続される。

図４〜図７および図１０に戻って、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は、車体フレーム１２の左側で後方へ斜め上方に延びてその後端部近傍の傾斜がより強くなるように配設されている。パイプＰ１７には、超音波センサ１７２が取り付けられている。超音波センサ１７２は、超音波を発生させる発信部１７２ａと超音波を検出する受信部１７２ｂとを有し、パイプＰ１７内のメタノール水溶液中における超音波の伝播速度を検出する。超音波センサ１７２によって検出された超音波の伝播速度はメタノール濃度の取得に利用される。

受信部１７２ｂと測定用バルブ１３８とは、後方へ斜め上方に延びるパイプＰ１８によって連通されている。また、測定用バルブ１３８と水溶液タンク１３０とは、下方に燃料タンク１２８に沿って延びるパイプＰ１９によって連通されている。パイプＰ１８は、受信部１７２ｂの上面と測定用バルブ１３８の左側面とを結び、パイプＰ１９は、測定用バルブ１３８の右側面と水溶液タンク１３０の上面とを結ぶ。

上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は主として濃度測定用の流路となる。

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

上述したパイプＰ２０〜Ｐ２２は主として燃料処理用の流路となる。

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。

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。

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

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

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

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

一方、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となってセルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード出口Ｉ４から排出された水蒸気の一部は、ラジエータ１１４で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ１１４による水蒸気の液化動作は、ファン１２６を動作させることによって行われる。カソード出口Ｉ４からの水は、水蒸気を含む排気（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内に導入される。

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（水蒸気）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（水蒸気）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（水蒸気）が、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。

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

このような燃料電池システム１００では、システム内で水溶液タンク１３０に還流すべき水を賄えない場合、パイプＰ１４を介して外部から水タンク１３２に水が補給される。水補給時には、まず、人手によって板状フレーム１８ｂからボルト２０４が取り外される。これによってベルト２０２が解放され、パイプＰ１４の保持が解除される。ついで、図１３に示すように、人手によって、上方に延びて排気出口Ｐ１４ａが上方を向くようにパイプＰ１４が曲げられる。つまり、水の補給に好ましい形状にパイプＰ１４が曲げられる。そして、上方を向いた排気出口Ｐ１４ａからパイプＰ１４を介して水が重力によって流下するように水タンク１３２に補給される。なお、このような水補給は、エアポンプ１４７が停止されている状態、つまり、水タンク１３２内からパイプＰ１４を介して気体が排出されていない状態で行うことが好ましい。

このような自動二輪車１０では、上方に延びて排気出口Ｐ１４ａが上方を向くように曲げられたパイプＰ１４を介して、外部から必要に応じて水タンク１３２に水を補給できる。ひいては、外部から必要に応じて燃料電池システム１００に水を補給できる。また、パイプＰ１４が、水タンク１３２内の気体を外部に排出するためと外部から水タンク１３２に水を補給するためとに併用される。これによって、簡単な構成で水の補給経路を確保できる。

また、保持部材２００によって排気出口Ｐ１４ａが下方を向くようにパイプＰ１４を保持することによって、水タンク１３２内への異物の侵入ひいては燃料電池システム１００内への異物の侵入を防止できる。一方、水補給時には保持部材２００によるパイプＰ１４の保持を解除することによって、排気出口Ｐ１４ａが上方を向くようにパイプＰ１４を曲げることができる。つまり、パイプＰ１４を解放することによって、パイプＰ１４を水の補給に好ましい形状にできる。したがって、円滑に水タンク１３２に水を補給できる。

また、保持部材２００によって保持されるパイプＰ１４が上方に延びた後に屈曲して下方に延びるので、水タンク１３２からの排気に含まれる水蒸気をパイプＰ１４の上方に延びる部分で液化させ水タンク１３２内に戻すことができる。これによって、より多くの水を水タンク１３２内に回収できる。また、パイプＰ１４内で液化した水の外部への排出を抑制でき、自動二輪車１０の配置場所を濡らしてしまうといったことを防止できる。さらに、このような配置態様のパイプＰ１４では、外部からの異物が一旦上昇した後に下降しなければ水タンク１３２内に到達できず、より効果的に異物の侵入を防止できる。

この発明によれば、水タンク１３２が車両本体１１の中央部下側において一対の板状フレーム１８ａと１８ｂとの間かつリヤアーム４８の前側に配置され、水タンク１３２に触れにくい自動二輪車１０であっても、簡単に水タンク１３２に水を補給できる。この発明によれば、コンパクトに構成するために構成要素が密接するように配置される自動二輪車１０であっても水タンク１３２に簡単に水を補給できる。

なお、上述の実施形態では、保持部材２００を車両本体１１から取り外すことによってパイプＰ１４を解放し、その後、パイプＰ１４を曲げ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。たとえば、パイプＰ１４をベルト２０２から引き抜くことによってパイプＰ１４を解放し、その後、パイプＰ１４を曲げるようにしてもよい。さらに、パイプＰ１４が保持部材２００によって保持された状態で、パイプＰ１４のベルト２０２から下方に延びる部分を曲げるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、保持部材２００を車両本体１１に設け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。たとえば水溶液タンク１３０等、燃料電池システム１００に保持部材を着脱可能に設けるようにしてもよい。また、１つのベルトを２つのボルトによって車両本体１１と燃料電池システム１００とにそれぞれ固定するようにしてもよい。つまり、１つの保持部材を車両本体１１および燃料電池システム１００に対して着脱可能に設けるようにしてもよい。さらに、車両本体１１と燃料電池システム１００とにそれぞれ保持部材を設けるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、保持部材としてベルト２０２とボルト２０４とを含む保持部材２００を用いる場合について説明したが、保持部材はこれに限定されない。たとえば、リヤフレーム１８に着脱可能に設けられるリベットを用いて保持部材を構成してもよいし、リヤフレーム１８に保持部材としてフックを設けるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では保持部材２００によってパイプＰ１４を保持する場合について説明したが、パイプＰ１４を常に解放しておいてもよい。

また、上述の実施形態では、排気出口Ｐ１４ａを上方に向けて水を補給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。たとえば、変形不可能にかつその出口が下方を向くように設けられるパイプを用い、当該パイプの下方を向く出口からポンプ等によって水を強制的にタンクに送るようにしてもよい。

さらに、上述の実施形態では、パイプＰ１４を排気と水の補給とに併用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。排気用のパイプと水補給用のパイプとをタンクに別々に接続してもよい。

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

この発明は、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。

この発明に係る自動二輪車を示す左側面図である。自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。燃料電池セルスタックを示す図解図である。燃料電池セルを示す図解図である。燃料電池システムの配管を示すシステム図である。排気パイプが接続される水タンクを左斜め後方からみた斜視図である。排気パイプが接続される水タンクを示す背面図である。水補給時の排気パイプの配置態様を示す右側面図である。

符号の説明

１０自動二輪車
１１車両本体
１８リヤフレーム
１８ａ，１８ｂ板状フレーム
４８リヤアーム
１００燃料電池システム
１０２燃料電池セルスタック
１３２水タンク
２００保持部材
２０２ベルト
２０４ボルト
Ｐ１〜Ｐ２２パイプ
Ｐ１４ａ排気出口

Claims

燃料電池、
前記燃料電池からの気体と水とが導入されるタンク、および
可撓性を有しかつ前記タンクに接続されるパイプを備える、燃料電池システム。
前記パイプの出口が下方を向くように前記パイプを保持するための保持部材をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記保持部材は前記パイプの保持を解除可能に設けられる、請求項２に記載の燃料電池システム。
前記パイプは上方に延びた後に屈曲して下方に延びる、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
燃料電池、
前記燃料電池からの気体と水とが導入されるタンク、および
前記タンクに接続されかつ前記タンク内の前記気体を外部に排出するためと外部から前記タンクに水を補給するためとに兼用されるパイプを備える、燃料電池システム。
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した輸送機器であって、
輸送機器本体を含み、
前記タンクは前記輸送機器本体の中央部下側に配置される、輸送機器。
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した輸送機器であって、
対向するように配置される一対のフレーム、および
前記一対のフレームの間で前記一対のフレームに揺動自在に連結されるリヤアームを含み、
前記タンクは前記一対のフレームの間かつ前記リヤアームの前側に配置される、輸送機器。
自動二輪車である、請求項６または７に記載の輸送機器。
燃料電池からの気体および水が導入されるタンクと、前記タンクに接続されるパイプとを備える燃料電池システムにおける、水補給方法であって、
外部から前記パイプを介して前記タンクに水を補給する、水補給方法。
前記パイプは可撓性を有し、
前記パイプの出口が上方を向くように前記パイプを曲げた後に、前記パイプの出口から前記パイプを介して前記タンクに水を補給する、請求項９に記載の水補給方法。