JP2007123258A - 燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料水溶液の濃度を簡単かつ正確に検出できる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池１０４、燃料電池１０４での電気エネルギーの生成に用いられるメタノール水溶液の物理的情報をメタノール水溶液中の超音波の伝播速度に基づいて検出する超音波センサ１６４、メタノール水溶液の電気化学的情報を燃料電池１０４の開回路電圧に基づいて検出する電圧センサ１６８、およびメタノール水溶液の温度を検出する第１，第２温度センサ１６６，１７０を含む。さらに、物理的情報に基づくメタノール水溶液の濃度と電気化学的情報に基づくメタノール水溶液の濃度とを求め、検出された温度に基づいていずれかの濃度を選択するＣＰＵ１７２を含む。
【選択図】図１１

Description

この発明は燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器に関し、より特定的には、燃料水溶液の濃度を制御する燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器に関する。

従来、燃料電池システムにおいて、燃料水溶液の濃度（燃料濃度）を検出し必要に応じて水または燃料（高濃度の燃料水溶液）を補給して燃料水溶液の濃度を一定にすることが行われている。

燃料水溶液の濃度を検出するセンサとしては、燃料水溶液の物理的特性を利用した濃度センサや燃料水溶液の電気化学的特性を利用した濃度センサがあるが、前者の濃度センサは高温になるほど検出精度が低下し、後者の濃度センサは低温になるほど検出精度が低下するという問題がある。

前者の濃度センサの問題を解消するために、特許文献１に示すように、燃料水溶液を冷却して燃料水溶液の濃度を検出することも提案されている。
特開２００５−２０９５８４号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、濃度を検出するために燃料水溶液を冷却しなければならず処理が面倒である。

また、後者の電気化学的な濃度センサでは、経時的に出力が変化し燃料水溶液の濃度の検出精度が劣化するおそれがある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料水溶液の濃度を簡単かつ正確に検出できる、燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器を提供することである。

また、この発明の他の目的は、検出精度の経時的な劣化を防止できる、燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器を提供することである。

上述の目的を達成するために、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の濃度を燃料水溶液の物理的特性を利用して検出する第１濃度検出手段、燃料水溶液の濃度を燃料水溶液の電気化学的特性を利用して検出する第２濃度検出手段、燃料水溶液の温度を検出する温度検出手段、ならびに温度検出手段によって検出された温度に基づいて第１濃度検出手段によって得られた濃度および第２濃度検出手段によって得られた濃度のいずれかを選択する選択手段を備える、燃料電池システムが提供される。

この燃料電池システムでは、温度検出手段によって燃料水溶液の温度が検出され、検出された温度に基づいて第１濃度検出手段および第２濃度検出手段のいずれかによって得られた燃料水溶液の濃度が選択される。このようにすれば、燃料水溶液の温度に応じて、検出精度が高い方の濃度検出手段によって得られた濃度を選択でき、燃料水溶液の濃度を簡単かつ精度良く検出できる。

好ましくは、温度検出手段の検出結果が第１閾値と第１閾値よりも小さい第２閾値との間にあるとき、選択手段は、第１濃度検出手段および第２濃度検出手段のそれぞれによって燃料水溶液の濃度を検出させ、いずれか一方の濃度を選択する。切替温度に基づいて濃度検出手段を切り替える場合、切替温度付近では片方の濃度検出手段による濃度検出に不具合が生じやすい。したがって、当該切替温度を範囲に含むように第１閾値と第２閾値とを設定し、第１閾値と第２閾値との間に温度検出手段の検出結果があるときは、第１濃度検出手段および第２濃度検出手段の両方で濃度を検出する。これによって、片方の濃度検出手段での検出に不具合があった場合でも、濃度を検出することができる。なお、実施上想定しうる温度において第１濃度検出手段および第２濃度検出手段の両方で濃度を検出するように、第１閾値と第２閾値との間隔を広く設定しておけば、実際上いつでも第１濃度検出手段および第２濃度検出手段の両方で濃度検出が行われる。このようにすれば、片方の濃度検出手段での検出に不具合があった場合でも、濃度を検出することができる。

また好ましくは、第１濃度検出手段によって得られた濃度が有効か否かを判断する。このように濃度の有効性を判断することによって、精度の高い濃度を得ることができる。

さらに好ましくは、第１濃度検出手段によって得られた濃度が有効であると判断されたとき、選択手段は、温度検出手段によって検出された温度と第１閾値よりも小さくかつ第２閾値よりも大きい切替温度とに基づいて、第１濃度検出手段によって得られた濃度および第２濃度検出手段によって得られた濃度のいずれかを選択する。この場合、切替温度と温度検出手段の検出温度との比較に基づいて燃料水溶液の濃度を精度よく取得できる。

好ましくは、第１濃度検出手段によって得られた濃度に基づいて切替温度を設定する。燃料水溶液の濃度によって第１濃度検出手段の性能が変化する場合があるが、燃料水溶液の濃度に応じて切替温度を設定することで、濃度をより精度よく検出できる。

また好ましくは、選択手段は、温度検出手段によって検出された温度と設定手段によって設定された切替温度とに基づいて第１濃度検出手段によって得られた濃度および第２濃度検出手段によって得られた濃度のいずれかを選択する。これによって濃度をさらに精度よく検出できる。

この燃料電池システムは、第１濃度検出手段は燃料水溶液中の超音波の伝播速度に基づいて燃料水溶液の濃度を検出するための超音波センサを含み、第２濃度検出手段は燃料電池の開回路電圧に基づいて燃料水溶液の濃度を検出するための電圧センサを含む場合に好適に用いられる。燃料水溶液中の超音波の伝播速度を検出する超音波センサでは高温になるほど濃度の検出精度が低下し、一方、燃料電池の開回路電圧(Open Circuit Voltage)を検出する電圧センサでは低温になるほど濃度の検出精度が低下する。しかし、この燃料電池システムでは、燃料水溶液の温度に応じて、検出精度が高い方の濃度センサを通して得られた濃度を選択でき、燃料水溶液の濃度を精度良く検出できる。

またこの燃料電池システムは、運転中における燃料水溶液の温度が５０℃以上に達する場合に好適に用いられる。燃料電池システムの運転時に燃料電池システムを流れる燃料水溶液が５０℃以上の高温に達する場合には、燃料水溶液の物理的特性を利用する第１濃度検出手段の濃度検出の精度は悪化する。しかし、この燃料電池システムでは、第１濃度検出手段だけではなく燃料水溶液の電気化学的特性を利用する第２濃度検出手段をも用いることによって、高温においては第２濃度検出手段による検出結果を選択でき、高温においても良好な検出精度を得ることができる。

また、電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の濃度を燃料水溶液の物理的特性を利用して検出する第１濃度検出手段、燃料水溶液の電気化学的情報を燃料水溶液の濃度に変換するための変換情報を記憶する記憶手段、燃料水溶液の電気化学的特性を利用して燃料水溶液の電気化学的情報を検出し、変換情報を参照して当該電気化学的情報を燃料水溶液の濃度に変換する第２濃度検出手段、および第１濃度検出手段によって得られた濃度と第２濃度検出手段によって得られた濃度とに応じて変換情報を書き換える書換手段を備える、燃料電池システムが提供される。

燃料水溶液の電気化学的特性を利用する第２濃度検出手段による濃度の検出精度は経時的に劣化するおそれがある。この燃料電池システムでは、第１濃度検出手段および第２濃度検出手段のそれぞれから出力される濃度の比較に基づいて第２濃度検出手段の検出精度が劣化していると判断されれば、第２濃度検出手段によって得られた電気化学的情報を濃度に変換するための変換情報が書き換えられる。これによって、第２濃度検出手段によって得られる濃度の検出精度が改善される。

燃料電池システムを含む自動二輪車ひいては輸送機器では、燃料電池システムを流れる燃料水溶液の温度が広範囲に変化する。また一般的に、かかる輸送機器は、電気機器等と比較して使用期間が長くなるので、燃料水溶液の電気化学的特性を利用する第２濃度検出手段の経時的な劣化が起こりやすい。したがって、このような自動二輪車ひいては輸送機器においてこの発明は好適に用いることができる。

この発明によれば、検出精度が高い方の濃度検出手段によって得られた濃度を選択でき、燃料水溶液の濃度を簡単かつ精度良く検出できる。

また、第２濃度検出手段によって得られる濃度の検出精度が改善される。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。ここでは、この発明の燃料電池システム１００を、輸送機器の一例である自動二輪車１０に搭載した場合について説明する。
まず、自動二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

以下、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに発電に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
燃料電池システム１００は、フロントフレーム１６の下方に配置される燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

このように配置される燃料電池システム１００の配管について、図４〜図７および図１０を参照して説明する。

燃料タンク１２８と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２によって連通されている。パイプＰ１は、燃料タンク１２８の左側面下端部と燃料ポンプ１３６の左側面下端部とを結び、パイプＰ２は、燃料ポンプ１３６の左側面下端部と水溶液タンク１３０の左側面下端部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。

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

セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１２とはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１１２と水溶液タンク１３０とはパイプＰ７によって連通されている。パイプＰ６は、セルスタック１０２の後面左上隅部に位置するアノード出口Ｉ２とラジエータ１１２の下面右側端部から引き出されるラジエータパイプ１１６の入口１１８ａ（図５参照）とを結び、パイプＰ７は、ラジエータ１１２の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出されるラジエータパイプ１１６の出口１１８ｂ（図３参照）と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。セルスタック１０２から排出される未反応メタノール水溶液および二酸化炭素はパイプＰ６を介してラジエータ１１２に与えられ温度が下げられて、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。

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

セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通され、水タンク１３２にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。各パイプＰ１２は、セルスタック１０２の前面左下隅部に位置するカソード出口Ｉ４とラジエータ１１４の下面左側端部から引き出される各ラジエータパイプ１２２の入口１２４ａ（図３参照）とを結び、各パイプＰ１３は、ラジエータ１１４の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出される各ラジエータパイプ１２２の出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上部とを結び、パイプＰ１４は、水タンク１３２の後面上部に接続され、一旦上昇しその後下降するようにくの字状に形成されている。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される水分（水および水蒸気）や二酸化炭素を含む排気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１１４に与えられ、水蒸気が液化される。ラジエータ１１４からの排気は、パイプＰ１３を介して水と共に水タンク１３２に与えられ、パイプＰ１４を介して外部に排出される。
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。

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

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

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

受信部１６４ｂと検出用バルブ１３８とはパイプＰ１８によって連通されている。また、検出用バルブ１３８と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１９によって連通されている。パイプＰ１８は、受信部１６４ｂの上面と検出用バルブ１３８の左側面とを結び、パイプＰ１９は、検出用バルブ１３８の右側面と水溶液タンク１３０の上面とを結ぶ。
上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は主として濃度検出用の流路となる。

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

なお、図１０に示すように、超音波センサ１６４の受信部１６４ｂには、超音波センサ１６４を通るメタノール水溶液の温度を検出するための第１温度センサ１６６が設けられている。また、セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度をメタノール水溶液の電気化学的特性を利用して検出するための電圧センサ１６８とセルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の温度を検出するための第２温度センサ１７０とが設けられている。さらに、エアフィルタ１４２付近には、外気温度を検出するための外気温度センサ１７１が設けられている。

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

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

記憶手段であるメモリ１７６には、図１５および図１６に示す動作を実行するためのプログラムや、超音波センサ１６４によって得られた物理的情報（伝播速度に対応する電圧）を濃度に変換するための変換情報、電圧センサ１６８によって得られた電気化学的情報（開回路電圧）を濃度に変換するための変換情報、検出温度と比較される第１閾値，第２閾値および切替温度、演算データ等が格納される。変換情報は、たとえば、情報としての電圧とそれが変換される濃度との対応関係を示すテーブルデータであり、この実施形態では、物理的情報（伝播速度に対応する電圧）と濃度との対応関係を示すテーブルデータと、電気化学的情報（開回路電圧）と濃度との対応関係を示すテーブルデータとが用いられる。また、メモリ１７６には、図１４（ｂ）に示す超音波センサ１６４による濃度と切替温度との対応関係を示すテーブルデータも格納される。

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

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

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

ついで、燃料電池システム１００の運転時の主要動作について説明する。
燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２がオンされることを契機として、水溶液ポンプ１４６やエアポンプ１４８等の補機類を駆動し、運転を開始する。
水溶液ポンプ１４６の駆動によって、水溶液タンク１３０に収容されるメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４に供給される。そして、水溶液フィルタ１４４で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプＰ５、アノード入口Ｉ１を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂにダイレクトに供給される。

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

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

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

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

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

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

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

ここで注目すべきは、メタノール水溶液のメタノール濃度を検出するために、超音波センサ１６４および電圧センサ１６８の２つの濃度センサを用いることである。この実施形態では、メタノール水溶液の濃度をメタノール水溶液の物理的特性を利用して検出する第１濃度検出手段が、超音波センサ１６４およびＣＰＵ１７２によって構成され、メタノール水溶液の濃度をメタノール水溶液の電気化学的特性を利用して検出する第２濃度検出手段が、電圧センサ１６８およびＣＰＵ１７２によって構成される。

超音波センサ１６４は、メタノール水溶液の濃度に対応する超音波の伝播速度（音速）を検出し、その伝播速度を電圧値に変換して物理的情報とする。また、電圧センサ１６８は、燃料電池（燃料電池セル）１０４の開回路電圧を検出し、その電圧値を電気化学的情報とする。

図１２に示すように、超音波センサ１６４では、異なる濃度毎の電圧は低温になるほど差が大きくなる。これは、低温になるほどメタノールと水との超音波伝播速度の差が大きくなるからである。一方、電圧センサ１６８では、異なる濃度毎の開回路電圧の差は高温の方が大きくなる。高温の方が化学変化が活発であるため濃度毎の開回路電圧の差が大きくなる。

図１２より、比較的低温では超音波センサ１６４の方が検出精度が高く、比較的高温では電圧センサ１６８の方が検出精度が高くなることがわかる。したがって、第１温度センサ１６６によって検出された温度が切替温度（ここでは４５℃）未満であれば超音波センサ１６４によって検出された濃度を用い、切替温度以上であれば電圧センサ１６８によって検出された濃度を用いて、メタノール水溶液の濃度を制御する。

また、図１３（ａ）に示すように、電圧センサ１６８は経時変化によって検出精度が劣化し、濃度に対応する開回路電圧は破線で示すように低くなる。これでは、電圧センサ１６８からの開回路電圧に基づいてＣＰＵ１７２によって得られるメタノール水溶液の濃度は実際よりも高くなり、正確に濃度を制御できなくなる。したがって、超音波センサ１６４による検出濃度と電圧センサ１６８による検出濃度との差が所定値以上になれば、電圧センサ１６８による検出精度は劣化していると判断し、電圧センサ１６８によって検出された開回路電圧（電気化学的情報）を濃度に変換するための変換情報（この実施形態ではテーブルデータ）を書き換える。これによって、図１３（ｂ）に示すように、電圧センサ１６８によって得られた濃度が補正され、電圧センサ１６８の検出精度の経時的な劣化を防ぐ。

また、図１４（ａ）に示すように、メタノール水溶液の濃度と超音波の伝播速度とは非線形の関係を有し、高濃度になるほど曲線の傾きすなわち超音波の伝播速度の差が小さくなる。これは、超音波の伝播速度による濃度検出の精度は高濃度になるほど低下することを意味する。

したがって、ＣＰＵ１７２は、メモリ１７６に格納された図１４（ｂ）に示す超音波センサ１６４による濃度と切替温度との対応関係を示すテーブルデータを参照して、超音波センサ１６４によって検出されたメタノール水溶液の濃度に応じて切替温度を設定（変更）する。

図１５および図１６を参照して、このような燃料電池システム１００のメタノール水溶液の濃度検出および変換情報の書き換えに関する動作について説明する。なお、切替温度は、第１閾値から第２閾値までの範囲（両端を含む）内で設定され、初期的には４５℃に設定されている。

まず、第１温度センサ１６６によって超音波センサ１６４を流れるメタノール水溶液の温度が検出される（ステップＳ１）。ＣＰＵ１７２によって、その温度が第１閾値（ここでは５０℃）以上か否かが判断され（ステップＳ３）、第１閾値未満であれば超音波センサ１６４によって超音波の伝播速度（物理的情報）が検出され（ステップＳ５）、ＣＰＵ１７２によって、メモリ１７６に記憶されている変換情報が参照されて当該伝播速度に対応する濃度が得られる（ステップＳ７）。ついで、ＣＰＵ１７２によって、得られた濃度が有効か否かが判断される（ステップＳ９）。得られた濃度が前回のデータから所定以上離れていればそのデータは有効ではないと判断され除去される。また、超音波センサ１６４内のメタノール水溶液内に泡が発生していたり不純物が含まれていることによってデータが取れない場合も、有効ではないと判断される。このような場合を除いて、超音波センサ１６４の検出結果により得られた濃度は有効と判断されメタノール水溶液の濃度として決定されてメモリ１７６に記憶される（ステップＳ１１）。そして、ＣＰＵ１７２は、図１４（ｂ）の対応関係を示すテーブルデータを参照しつつ、有効と判断されたメタノール水溶液の濃度に応じて切替温度を設定し（ステップＳ１３）、ステップＳ１５に進む。なお、検出濃度が２０ｗｔ％を超えればエラーと判定され、切替温度は３５℃に設定される。またこのとき、燃料タンク１２８から水溶液タンク１３０へのメタノール燃料の供給は少なくとも検出濃度が２０ｗｔ％以下になるまで停止される。

ステップＳ９がＮＯの場合やステップＳ３がＹＥＳの場合には直接ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、第２温度センサ１７０によって電圧センサ１６８近傍のメタノール水溶液の温度が検出され、その温度が第２閾値（第１閾値より小さく、ここでは３５℃）以上か否かが判断される（ステップＳ１７）。そのメタノール水溶液の温度が第２閾値未満であればステップＳ１に戻り、一方、メタノール水溶液の温度が第２閾値以上であれば、燃料電池１０４の開回路電圧の検出条件が満たされているか否かが判断される（ステップＳ１９）。ここでの検出条件とは、エアポンプ１４８によって空気が安定して供給されていることである。検出条件を満たしているか否かは、ＣＰＵ１７２からエアポンプ１４８への駆動信号に基づいて判断できる。このような検出条件を要求するのは、空気の供給が停止または減少すると、空気の流量が不安定になり開回路電圧の信頼性が低下するからである。

ステップＳ１９において検出条件が満たされていれば、電圧センサ１６８によって開回路電圧（電気化学的情報）が検出される（ステップＳ２１）。そして、ＣＰＵ１７２によって、メモリ１７６に記憶されている変換情報が参照されて、当該開回路電圧に対応する濃度が得られ、メモリ１７６に記憶される（ステップＳ２３）。その後、ステップＳ１１の処理が行われたか否かが判断され（ステップＳ２５）、行われていれば、第１温度センサ１６６によって検出されたメタノール水溶液の温度が切替温度以上か否かが判断される（ステップＳ２７）。メタノール水溶液の温度が切替温度未満であれば、超音波センサ１６４による濃度が選択され（ステップＳ２９）、ステップＳ３１に進む。一方、メタノール水溶液の温度が切替温度以上であれば、電圧センサ１６８による濃度が選択され（ステップＳ３３）、ステップＳ３１に進む。

ステップＳ３１において、ＣＰＵ１７２によって、超音波センサ１６４を用いて検出した濃度と電圧センサ１６８を用いて検出した濃度との差が所定値以上か否かが判断される。濃度差が所定値以上であれば、電圧センサ１６８による検出精度は劣化していると判断され、当該濃度差が１／２（半分）に減少するように、メモリ１７６に記憶された電気化学的情報を濃度に変換するための変換情報がＣＰＵ１７２によって書き換えられ（ステップＳ３５）、ステップＳ１に戻る。このように処理するのは、超音波センサ１６４の出力が絶対的に正しいとはいえないので、変換情報の補正量を安全な範囲に抑えるためである。図１５および図１６に示す動作にしたがって処理を繰り返すことによって、変換情報はより正確となるように書き換えられる。

なお、ステップＳ３１において濃度差が所定値以上か否かを検出し、その差が所定値以上であればステップＳ３５において変換情報の書き換えを行う処理は、超音波センサ１６４を用いて濃度を検出しかつ電圧センサ１６８を用いて濃度を検出した場合に限られる。したがって、この実施形態では、第１温度センサ１６６によって検出された温度が５０℃未満でありかつ第２温度センサ１７０によって検出された温度が３５℃以上の場合にのみ、ステップＳ３１およびS３５の処理が実行されることになる。

ステップＳ１９において検出条件が充足されていなければ、電圧センサ１６８によって開回路電圧が検出されることなく、ステップＳ１に戻り、また、ステップＳ１１の処理が行われていなければ（ステップＳ２５がＮＯ）、ステップＳ１に戻る。さらに、ステップＳ３１がＮＯの場合もステップＳ１に戻る。

なお、図１５および図１６に示す動作を実行するタイミングは、発電継続時間の長さに応じて設定されるのが好ましい。

この実施形態では、第２温度センサ１７０は熱源であるセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近に設けられるので、（第１温度センサ１６６による検出温度≦第２温度センサ１７０による検出温度）である。

したがって、第１温度センサ１６６によって検出されたメタノール水溶液の温度が第１閾値（ここでは５０℃）以上であれば、図１５のステップＳ１７が必ずＹＥＳになるので、超音波センサ１６４を用いた濃度検出は行われず、電圧センサ１６８のみで電気化学的情報が検出される。そして、ＣＰＵ１７２によって電気化学的情報に基づく濃度が選択される。

一方、第２温度センサ１７０によって検出されたメタノール水溶液の温度が第２閾値（ここでは３５℃）未満であれば、図１５のステップＳ３は必ずＮＯになるので、電圧センサ１６８を用いた濃度検出は行われず、超音波センサ１６４のみで物理的情報が検出される。そして、ＣＰＵ１７２によって物理的情報に基づく濃度が選択される。

また、第２温度センサ１７０によって検出されたメタノール水溶液の温度が第２閾値以上でありかつ第１温度センサ１６６によって検出されたメタノール水溶液の温度が第１閾値未満であれば、超音波センサ１６４によって物理的情報が検出されるとともに電圧センサ１６８によって電気化学的情報が検出される。そして、超音波センサ１６４を通して得られた濃度および電圧センサ１６８を通して得られた濃度がともに有効でありメモリ１７２に記憶された場合において、第１温度センサ１６６によって検出された温度が切替温度未満であれば、超音波センサ１６４を通して得られた濃度がＣＰＵ１７２によって選択され、一方、第１温度センサ１６６によって検出された温度が切替温度以上であれば、電圧センサ１６８を通して得られた濃度がＣＰＵ１７２によって選択される。
そして、選択された濃度に基づいて、メタノール水溶液の濃度が制御される。

このような燃料電池システム１００を搭載した自動二輪車１０によれば、メタノール水溶液の温度に応じて、検出精度が高い方の濃度センサを通して得られた濃度を選択でき、メタノール水溶液の濃度を簡単かつ精度良く検出できる。

また、切替温度を範囲に含む第１閾値と第２閾値との間にメタノール水溶液の検出温度があるときは、超音波センサ１６４を用いて濃度を検出するとともに電圧センサ１６８を用いて濃度を検出する。これによって、片方の濃度検出に不具合があった場合でも、濃度を検出することができる。特に、切替温度付近では、超音波センサ１６４への泡の付着等によって超音波センサ１６４による濃度検出に不具合が生じ易くなる。このような状況においてもなるべく超音波センサ１６４の検出結果を優先させて超音波センサ１６４から電圧センサ１６８への切り替えを遅らせたい場合に、上述のような処理は有効となる。

なお、実施上想定しうる温度において超音波センサ１６４および電圧センサ１６８の両方で濃度を検出するように、第１閾値と第２閾値との間隔を広く設定しておけば、実際上いつでも超音波センサ１６４および電圧センサ１６８の両方で濃度検出が行われる。このようにすれば、片方の濃度センサでの検出に不具合があった場合でも、濃度を検出することができる。

さらに、超音波センサ１６４を用いて得られた濃度が有効か否かを判断することによって、精度の高い濃度を得ることができる。

また、検出温度と切替温度とに基づいて、超音波センサ１６４を用いて得られた濃度および電圧センサ１６８を用いて得られた濃度のいずれかを選択することによって、メタノール水溶液の濃度を精度よく取得できる。

さらに、メタノール水溶液の濃度に応じて切替温度を変更することで、濃度をより精度よく検出できる。

また、燃料電池システム１００の運転時に燃料電池システム１００を流れるメタノール水溶液が５０℃以上の高温に達しても、電圧センサ１６８による検出結果を選択でき、高温においても良好な検出精度を得ることができる。

さらに、経時変化に強い超音波センサ１６４の出力を基準にして、必要に応じて電圧センサ１６８の出力を濃度に変換するための変換情報を書き換え、電圧センサ１６８の検出精度の劣化を防ぐことができる。

なお、電圧センサ１６８の検出精度の劣化による電圧センサ１６８の出力の変化は徐々に起こると考えられる。このため、超音波センサ１６４を用いて検出した濃度と電圧センサ１６８を用いて検出した濃度との差が突然大きくなったときには、その差がたとえ所定値以上に達したとしても、劣化によるものではないと判断し、電圧センサ１６８の変換情報を書き換えないようにしてもよい。このようにすれば、劣化による不具合のみを確実に回避できる。

この発明は、メタノール水溶液の温度が広範囲に変化しかつ一般的に使用期間が長くなる自動二輪車１０において好適に用いることができる。

上述の実施形態では、メタノール水溶液の濃度を物理的に検出する第１濃度検出手段を構成するセンサとして超音波センサ１６４が用いられ、メタノール水溶液の濃度を電気化学的に検出する第２濃度検出手段を構成するセンサとして電圧センサ１６８が用いられたが、これらに限定されない。

第１濃度検出手段を構成するセンサとしては、屈折率、誘電率、赤外線吸収率、粘度、比重、凝固点などに基づいて物理的情報を検出する任意のセンサを用いることができる。また、第２濃度検出手段を構成するセンサとしては、たとえば米国特許第６，２５４，７４８号に開示されているセンサなど、電気化学的情報を検出する任意のセンサを用いることができる。

また、電圧センサ１６８によって、燃料電池１０４の開回路電圧を検出する代わりに、セルスタック１０２の開回路電圧を検出し、それを電気化学的情報としてもよい。

さらに、上述の実施形態では、検出温度に基づいて、超音波センサ１６４を用いて得られた濃度および電圧センサ１６８を用いて得られた濃度のいずれかを選択するようにしたがこれに限定されない。たとえば、検出温度に基づいて、超音波センサ１６４によって得られた物理的情報および電圧センサ１６８によって得られた電気化学的情報のいずれかを選択し、その後、選択した情報に基づいて濃度を得るようにしてもよい。

また、メタノール水溶液の温度を検出する温度検出手段として第１温度センサ１６６と第２温度センサ１７０とを用いたが、これに限定されず、第１温度センサ１６６および第２温度センサ１７０のいずれか一方だけを用いるようにしてもよい。この場合、図１５に示すステップＳ１とステップＳ１５の温度検出処理は、第１温度センサ１６６だけでまたは第２温度センサ１７０だけで行われる。

また、メタノール水溶液の温度は、メタノール水溶液そのものの温度を検出する場合に限定されず、セルスタック１０２の温度やカソード１０４ｃからの排気ガスの温度を代替的に検出してもよい。

変換情報は、情報としての電圧を濃度に変換するための演算式であってもよい。

上述の実施形態では、切替温度を範囲に含むように第１閾値と第２閾値とを設定し、第１閾値と第２閾値との間に温度検出手段の検出結果があるとき、第１濃度検出手段および第２濃度検出手段の両方で濃度を検出したが、これに限定されない。検出温度が切替温度未満であれば、第１濃度検出手段のみで濃度を検出し、一方、検出温度が切替温度以上であれば、第２濃度検出手段のみで濃度を検出するようにしてもよい。

さらに、この発明の燃料電池システムは、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好適に用いることができる。

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。

この発明が詳細に説明され図示されたが、それは単なる図解および一例として用いたものであり、限定であると解されるべきではないことは明らかであり、この発明の精神および範囲は特許請求の範囲の文言のみによって限定される。

この発明の一実施形態の自動二輪車を示す左側面図である。 自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。 自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。 燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。 燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。 燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。 燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。 燃料電池セルスタックを示す図解図である。 燃料電池セルを示す図解図である。 燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 超音波センサによる検出電圧（物理的情報）と水溶液温度との関係および電圧センサによる検出電圧（電気化学的情報）と水溶液温度との関係を示すグラフである。 （ａ）は電圧センサによる検出電圧とメタノール水溶液の濃度との関係の一例を示すグラフであり、（ｂ）は電圧センサによる検出濃度を超音波センサによる検出濃度によって補正することを説明するための図解図である。 （ａ）はメタノール水溶液の濃度と超音波の伝播速度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は超音波センサによる濃度と切替温度との関係を示すグラフである。 メタノール水溶液の濃度検出および変換情報の書き換えに関する動作を示すフロー図である。 図１５の動作の続きを示すフロー図である。

符号の説明

１０ 自動二輪車
１００ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１０４ 燃料電池（燃料電池セル）
１５６ コントローラ
１６４ 超音波センサ
１６６ 第１温度センサ
１６８ 電圧センサ
１７０ 第２温度センサ
１７２ ＣＰＵ
１７６ メモリ

Claims (11)

1. 電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、
   前記燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の濃度を前記燃料水溶液の物理的特性を利用して検出する第１濃度検出手段、
   前記燃料水溶液の濃度を前記燃料水溶液の電気化学的特性を利用して検出する第２濃度検出手段、
   前記燃料水溶液の温度を検出する温度検出手段、ならびに
   前記温度検出手段によって検出された前記温度に基づいて前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度および前記第２濃度検出手段によって得られた前記濃度のいずれかを選択する選択手段を備える、燃料電池システム。
2. 前記温度検出手段の検出結果が第１閾値と前記第１閾値よりも小さい第２閾値との間にあるとき、前記選択手段は、前記第１濃度検出手段および前記第２濃度検出手段のそれぞれによって前記燃料水溶液の濃度を検出させ、いずれか一方の濃度を選択する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度が有効か否かを判断する判断手段をさらに含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度が有効であると前記判断手段によって判断されたとき、前記選択手段は、前記温度検出手段によって検出された前記温度と前記第１閾値よりも小さくかつ前記第２閾値よりも大きい切替温度とに基づいて前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度および前記第２濃度検出手段によって得られた前記濃度のいずれかを選択する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度に基づいて前記切替温度を設定する設定手段をさらに含む、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度に基づいて切替温度を設定する設定手段をさらに含み、
   前記選択手段は、前記温度検出手段によって検出された前記温度と前記設定手段によって設定された前記切替温度とに基づいて前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度および前記第２濃度検出手段によって得られた前記濃度のいずれかを選択する、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記第１濃度検出手段は前記燃料水溶液中の超音波の伝播速度に基づいて前記燃料水溶液の濃度を検出するための超音波センサを含み、前記第２濃度検出手段は前記燃料電池の開回路電圧に基づいて前記燃料水溶液の濃度を検出するための電圧センサを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 運転中における前記燃料水溶液の温度が５０℃以上に達する、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 電気化学反応によって電気エネルギーを生成する燃料電池、
   前記燃料電池での電気エネルギーの生成に用いられる燃料水溶液の濃度を前記燃料水溶液の物理的特性を利用して検出する第１濃度検出手段、
   前記燃料水溶液の電気化学的情報を前記燃料水溶液の濃度に変換するための変換情報を記憶する記憶手段、
   前記燃料水溶液の電気化学的特性を利用して前記燃料水溶液の電気化学的情報を検出し、前記変換情報を参照して当該電気化学的情報を前記燃料水溶液の濃度に変換する第２濃度検出手段、および
   前記第１濃度検出手段によって得られた前記濃度と前記第２濃度検出手段によって得られた前記濃度とに応じて前記変換情報を書き換える書換手段を備える、燃料電池システム。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システムを含む、自動二輪車。
11. 請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。

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