JP2007214048A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】循環型の燃料電池システムにおいて包接化合技術を用いて燃料濃度を安定させることができる、燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１０４、燃料電池１０４に供給されるメタノール水溶液を保持する水溶液タンク１３０、水溶液タンク１３０内に配置される燃料保持・放出部材２０８、燃料電池１０４の温度を検出する温度センサ１７０、メタノール水溶液の濃度を検出するための電圧センサ１６８、およびメタノール水溶液の濃度を調整する濃度調整手段を備える。濃度調整手段は、温度センサ１７０によって検出された温度が閾値以下であれば燃料保持・放出部材２０８とメタノール水溶液との接触によってメタノール水溶液の濃度を第１濃度に調整し、温度が閾値を超えれば電圧センサ１６８を用いて検出された濃度に基づいてメタノール水溶液の濃度を第２濃度に調整する。
【選択図】図１２

Description

この発明は燃料電池システムおよびその運転方法に関し、より特定的には、燃料水溶液を燃料電池に直接供給する燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

燃料水溶液を燃料電池に直接供給する燃料電池システムでは、燃料濃度（燃料水溶液の濃度）を超音波センサなどで検出し燃料濃度が一定となるように濃度制御しながら運転する。

しかし、超音波センサは、気泡がセンサ表面に付着すると燃料濃度を正確に検出できなくなる。一方、電気化学的なセンサによって濃度検出することも行われているが、このセンサは低温領域では検出精度が高くないため使用できない。

また、特許文献１には、循環型ではなく、カートリッジ等の使い切りの容器内に包接化合物を入れ徐々に燃料を放出するようにして、燃料を補給する技術が開示されている。
特開２００５−２０３３３５号公報

しかし、このようなシステムを、燃料水溶液を循環させ比較的長時間連続して駆動するタイプの燃料電池システムで実現することは、使い捨てのカートリッジでは十分な補給ができないため困難である。

それゆえに、この発明の主たる目的は、循環型の燃料電池システムにおいて包接化合技術を用いて燃料濃度を安定させることができる、燃料電池システムおよびその運転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、燃料水溶液を循環使用する燃料電池システムであって、電気化学反応によって電気エネルギを生成する燃料電池、燃料電池に供給される燃料水溶液を保持する水溶液保持手段、水溶液保持手段内に配置され、所定値よりも高い濃度の燃料水溶液と接触したとき燃料水溶液に含まれる液体燃料を取り込み所定値よりも低い濃度の燃料水溶液と接触したとき液体燃料を放出する燃料取込・放出部材、燃料電池の温度を検出する温度検出手段、燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段、および燃料水溶液の濃度を調整する濃度調整手段を備え、濃度調整手段は、燃料取込・放出部材を含み、温度検出手段によって検出された温度が閾値以下であれば燃料取込・放出部材と燃料水溶液との接触によって燃料水溶液の濃度を第１濃度に調整し、温度が閾値を超えれば濃度検出手段によって検出された濃度に基づいて燃料水溶液の濃度を第２濃度に調整することを特徴とする。

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、濃度検出手段は電気化学的センサを含むことを特徴とする。

請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、第２濃度は第１濃度よりも高いことを特徴とする。

請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、第２濃度は第１濃度よりも低いことを特徴とする。

請求項５に記載の輸送機器は、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。

請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法は、燃料水溶液を循環使用する燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池に供給すべき燃料水溶液を水溶液保持手段によって保持し、所定値よりも高い濃度の燃料水溶液と接触したとき燃料水溶液に含まれる液体燃料を取り込み所定値よりも低い濃度の燃料水溶液と接触したとき液体燃料を放出する燃料取込・放出部材を水溶液保持手段内に配置し、燃料電池の温度が閾値以下であれば燃料取込・放出部材と燃料水溶液との接触によって燃料水溶液の濃度を第１濃度に調整し、温度が閾値を超えれば燃料水溶液の検出濃度に基づいて燃料水溶液の濃度を第２濃度に調整することを特徴とする。

請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液の電気化学的特性を利用して燃料水溶液の濃度を検出することを特徴とする。

請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法において、第２濃度は第１濃度よりも高いことを特徴とする。

請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法において、第２濃度は第１濃度よりも低いことを特徴とする。

請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池の起動指示後に、燃料取込・放出部材に液体燃料を保持させておくことを特徴とする。

請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料取込・放出部材に保持可能な量の液体燃料を供給できるように燃料水溶液よりも高い濃度の燃料の投入量を記憶しておき、燃料電池の起動指示後に、記憶された投入量分の燃料を燃料取込・放出部材に投入し、当該燃料に含まれる液体燃料を燃料取込・放出部材に保持させることを特徴とする。

請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池の起動指示後に、燃料電池の温度に応じて燃料水溶液よりも高い濃度の燃料の投入量を決定し、決定された投入量分の燃料を燃料取込・放出部材に投入し、当該燃料に含まれる液体燃料を燃料取込・放出部材に保持させることを特徴とする。

請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池の停止指示後に、燃料取込・放出部材に液体燃料を保持させておくことを特徴とする。

請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池の停止指示後に、燃料取込・放出部材に保持可能な量の液体燃料を供給できるように燃料水溶液よりも高い濃度の燃料の投入量を決定し、決定された投入量分の燃料を燃料取込・放出部材に投入し、当該燃料に含まれる液体燃料を燃料取込・放出部材に保持させることを特徴とする。

包接化合技術を用いれば、ホスト化合物からなる燃料取込・放出部材が燃料水溶液に接触すると燃料水溶液の濃度に応じて液体燃料を保持または放出する。請求項１に記載の燃料電池システムでは、この技術を利用し、燃料電池の温度が閾値以下であれば水溶液保持手段内において燃料取込・放出部材と燃料水溶液とを接触させることによって燃料水溶液の濃度を第１濃度に調整し、燃料電池の温度が上昇して閾値を超えれば濃度検出手段による検出濃度に基づいて燃料水溶液の濃度を第２濃度に調整する。このように濃度検出に適さない比較的低温では別途濃度制御することなく燃料取込・放出部材を用いて濃度調整し、所定温度を超えれば濃度検出手段の検出結果に基づいて濃度調整することによって、燃料電池の温度に拘わらず適切な濃度調整が可能となり、循環型の燃料電池システムにおいて燃料濃度を安定させることができる。特に、燃料電池の温度が閾値以下の比較的低温では精度よく濃度検出できないが、この発明では、そのような比較的低温においては燃料取込・放出部材を用いることによって簡単な構成で良好に濃度調整できる。請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。

燃料電池の温度が閾値以下では、燃料水溶液の電気化学的特性を利用して精度よく濃度検出できないが、請求項２に記載する燃料電池システムでは、燃料電池の温度が閾値に達するまでは燃燃料取込・放出部材を用いることによって良好に濃度調整できる。また、燃料電池の温度が閾値を超えれば燃料水溶液の電気化学的特性を利用して精度よく濃度を検出できる。このようにして濃度調整の精度を高めることができる。請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が閾値を超えれば燃料水溶液の濃度を第１濃度よりも高い第２濃度に制御することによって、燃料取込・放出部材に液体燃料が常に満たされた状態を維持できる。これによって、次回の運転開始時に液体燃料を燃料取込・放出部材に供給する必要がなくなる。請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が閾値を超えれば燃料水溶液の濃度を第１濃度よりも低い第２濃度に制御することによって、燃料取込・放出部材に常に液体燃料が保持されていない状態を維持することができる。これによって、次回の液体燃料の保持可能量を簡単に求めることができる。請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。

この発明は、請求項５に記載するように燃料電池システムを輸送機器に搭載する場合に好適に用いられる。

請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法では、液体燃料を燃料電池に供給する直前に燃料取込・放出部材に保持させることができるので、液体燃料が気化し蒸発してしまうことはなく燃料効率を向上できる。

請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法では、液体燃料の保持可能量に基づいて決定された量の燃料を燃料取込・放出部材へ投入できるので、燃料を無駄なく使用できる。また、燃料投入量は予め記憶されているので、新たに算出することなく迅速に燃料を投入できる。

請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法では、燃料電池の温度に応じて燃料取込・放出部材への燃料投入量を決定するので、たとえば、検出温度が高くなるにつれて燃料投入量を少なくすることができ、燃料を無駄なく使用できる。

請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法では、燃料電池の停止指示後に燃料取込・放出部材に液体燃料を保持させるので、燃料電池の次回の始動を円滑に行うことができる。

請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法では、液体燃料の保持可能量に基づいて決定された量の燃料を燃料取込・放出部材へ投入できるので、燃料を無駄なく使用できる。

この発明によれば、循環型の燃料電池システムにおいて包接化合技術を用いて燃料濃度を安定させることができる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

この実施形態では、スイングアーム４８には、後輪５２に連結されかつ後輪５２を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ６０と、電動モータ６０に電気的に接続される駆動ユニット６２とが内蔵されている。図１１をも参照して、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、および二次電池１３４（後述）の蓄電量を検出するための蓄電量検出器６５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膜１０４ａと、電解質膜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、電解質膜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５６ｗｔ％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。メタノール水溶液が燃料水溶液に相当する。

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、レベルセンサ１３１の出力に基づいてたとえば図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の右側面上部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。

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

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

上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。

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

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

上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。

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

上述したパイプＰ１５，Ｐ１６は水の流路となる。

また、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、セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度に対応する濃度情報をメタノール水溶液の電気化学的特性を利用して検出するための電圧センサ１６８とセルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の温度を検出するための温度センサ１７０とが設けられている。この実施形態では、温度センサ１７０による検出温度を燃料電池１０４の温度とみなしている。温度センサは、燃料電池１０４の温度とみなすことができる温度を検出できる任意の箇所に設置されればよく、たとえばアノード出口Ｉ２、カソード出口Ｉ４または燃料電池１０４等に設けられてもよい。さらに、エアフィルタ１４２付近には、外気温度を検出するための外気温度センサ１７１が設けられている。電圧センサ１６８は、燃料電池（燃料電池セル）１０４の開回路電圧（Open Circuit Voltage）を検出し、その電圧値を電気化学的な濃度情報とする。

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

このようなコントローラ１５６のＣＰＵ１７２には、電圧センサ１６８、温度センサ１７０および外気温度センサ１７１からの検出信号、電圧検出回路１８４からの電圧検出値、ならびに電流検出回路１８６からの電流検出値が入力される。また、ＣＰＵ１７２には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ１９６からの検知信号や、電源をオンオフするためのメインスイッチ１５２からの入力信号や、各種設定や情報入力のための入力部３０ｃからの信号が与えられる。さらに、ＣＰＵ１７２には、レベルセンサ１２９，１３１および１３３からの検出信号も与えられる。

記憶手段であるメモリ１７６には、図１５〜図１８に示す動作を実行するためのプログラムや演算データ等の他、電圧センサ１６８によって得られたメタノール水溶液の電気化学的な濃度情報（燃料電池１０４の開回路電圧）を濃度に変換するための変換情報が格納される。この変換情報は、たとえば、電圧センサの出力情報とそれに対応する濃度との対応関係を示すテーブルデータである。

さらに、メモリ１７６には、図１４に示すような燃料電池初期温度とメタノール燃料投入量との関係を示すテーブルデータが格納される。また、メモリ１７６には、燃料電池温度と比較される閾値となる所定値（この実施形態では４５℃）等が格納される。

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

また、セルスタック１０２には二次電池１３４および駆動ユニット６２が接続される。二次電池１３４および駆動ユニット６２は電動モータ６０に接続される。二次電池１３４は、セルスタック１０２からの出力を補完するものであり、セルスタック１０２からの電気エネルギによって充電され、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。

また、インターフェイス回路１９８には充電器２００が接続可能であり、充電器２００は外部電源（商用電源）２０２に接続できる。充電器２００が接続されている場合にはインターフェイス回路１９８を介してＣＰＵ１７２に充電器接続信号が与えられる。充電器２００のスイッチ２００ａはＣＰＵ１７２によってオン／オフできる。

このような燃料電池システム１００において注目すべきは、水溶液タンク１３０である。
図１２を参照して、水溶液タンク１３０内には保持部２０４が設けられている。保持部２０４は、水溶液タンク１３０の内面に取り付けられた支持部２０６によって支持されている。保持部２０４は燃料取込・放出部材２０８を保持する。

図１３を参照して、燃料取込・放出部材２０８はホスト化合物からなり、燃料取込・放出部材２０８は、ゲスト化合物となる液体燃料である液体メタノール２１０を取り込み固定化する。燃料取込・放出部材２０８と液体メタノール２１０とによって包接化合物２１２が構成される。

包接化合技術によって、ホスト化合物である燃料取込・放出部材２０８は、所定値よりも高い濃度のメタノール水溶液と接触したときメタノール水溶液に含まれる液体メタノール２１０を取り込み、所定値よりも低い濃度のメタノール水溶液（濃度がゼロの水をも含む）と接触したとき液体メタノール２１０を放出する。この実施形態では、閾値となる所定値が５％である包接化合物が用いられるが、それに限定されない。このようにして包接化合物２１２から液体メタノール２１０を放出した後のホスト化合物は、その液体メタノール２１０に対する選択的包接能を有し、液体メタノール２１０の包接化に有効に再利用できる。

保持部２０４は、燃料取込・放出部材２０８を保持するがメタノール水溶液を保持しない（メタノール水溶液はすり抜ける）ものであってもよい。燃料取込・放出部材２０８の形状は粉状であっても粒状であってもよい。

また、図１２に示すように、水溶液タンク１３０内の液位はレベルセンサ１３１からの出力に基づいてＡの範囲内に保持できる。Ａの範囲のうち最も低い高さＸ１は、ホスト化合物２０８ひいては包接化合物がメタノール水溶液に浸かる位置であることが望ましい。

この実施形態では、水溶液タンク１３０が水溶液保持手段に相当する。温度センサ１７０が温度検出手段に相当する。電圧センサ１６８、ＣＰＵ１７２およびメモリ１７６が濃度検出手段に相当する。濃度調整手段は、燃料取込・放出部材２０８、燃料タンク１２８、パイプＰ１，Ｐ２、燃料ポンプ１３６、水タンク１３２、パイプＰ１５，Ｐ１６、水ポンプ１６０およびＣＰＵ１７２を含む。燃料タンク１２８、パイプＰ１，Ｐ２および燃料ポンプ１３６を含んで燃料補給手段が構成される。水タンク１３２、パイプＰ１５，Ｐ１６および水ポンプ１６０を含んで水補給手段が構成される。パイプＰ１５，Ｐ１６および水ポンプ１６０を含んで水供給手段が構成される。

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がオンされた後、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、電解質膜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に供給すべき水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液のメタノール濃度がたとえば３ｗｔ％程度に調整される。具体的には、コントローラ１５６によって燃料ポンプ１３６および水ポンプ１６０が制御され、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。

図１５および図１６を参照して、燃料電池システム１００の燃料濃度の調整に関する動作について説明する。なお、初期的に燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液とを隔離しておく。

図１５および図１６に示すフロー図には、燃料取り込み処理（１）（ステップＳ３〜Ｓ９）と燃料取り込み処理（２）（ステップＳ３５〜Ｓ３９）とが含まれているが、いずれか一方を実行すればよい。ここでは燃料取り込み処理（１）を実行するモードについて説明する。

まず、メインスイッチ１５２がオンされて燃料電池起動信号が入力されたか否かがＣＰＵ１７２によって確認される（ステップＳ１）。燃料電池起動信号が入力されるまで待機し、燃料電池起動信号が入力されると、メモリ１７６に記憶されている燃料投入量が呼び出される（ステップＳ３）。そして、燃料ポンプ１３６が駆動され（ステップＳ５）、記憶された投入量分の高濃度のメタノール燃料が投入される（ステップＳ７）。燃料投入量のデータがなければデフォルト値が用いられる。これにより、燃料取込・放出部材２０８に液体メタノール２１０が取り込まれ、保持される（ステップＳ９）。そして、水ポンプ１６０または燃料ポンプ１３６と水ポンプ１６０とが駆動されて、水溶液タンク１３０内の液位が図１２に示すＡの範囲内に収まるように調整される（ステップＳ１１）。

その後、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４８等が駆動され発電が開始される（ステップＳ１３）。このとき、水溶液タンク１３０内の液位の調整は継続される。そして、燃料取込・放出部材２０８による液体メタノール２１０の取り込み・放出を行うことによって、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の濃度が第１濃度に自動的に調整され（ステップＳ１５）、温度センサ１７０によって燃料電池１０４の温度が検出され（ステップＳ１７）、その温度が４５℃以上であるか否か判断される（ステップＳ１９）。燃料電池温度が４５℃以上になるまで燃料取込・放出部材２０８による濃度調整が継続される。この間燃料は補給されない。したがって、ステップＳ１３の発電開始までに、燃料電池温度が４５℃に達するまで運転を継続するのに十分な量の燃料を水溶液タンク１３０内に保持しておく。しかし、発電開始後の燃料補給は禁止されるものではない。また、第１濃度と通常運転時の濃度（第２濃度）とはほぼ同じであってもよいが、始動時の昇温時間を短くするためには第１濃度を通常運転時の濃度よりも大きくすることが望ましく、この実施形態では５％に設定される。

ステップＳ１９において燃料電池温度が４５℃以上になると、電気化学的センサである電圧センサ１６８によってメタノール水溶液の濃度情報が得られ、ＣＰＵ１７２によってその濃度情報がメモリ１７６内の変換情報に基づいて濃度に変換され、メタノール濃度が得られる（ステップＳ２１）。その検出濃度に基づいてＣＰＵ１７２が燃料ポンプ１３６および水ポンプ１６０の動作を制御することによってメタノール水溶液の濃度が第２濃度に制御され（ステップＳ２３）、燃料電池停止信号が入力されたか否かがＣＰＵ１７２によって判断される（ステップＳ２５）。燃料電池停止信号が入力されるまで電圧センサ１６８に基づく濃度制御が継続される。この実施形態では、第２濃度はたとえば３％に設定される。このように第２濃度を第１濃度より低くすることによって、燃料取込・放出部材２０８には燃料である液体メタノール２１０が保持されていない状態を維持することができる。これによって、次回の液体メタノール２１０の保持可能量を簡単に求めることができる。

ステップＳ２５において燃料電池停止信号が入力されると、電圧センサ１６８を用いて水溶液濃度が検出され（ステップＳ２７）、燃料取込・放出部材２０８に保持可能な量の液体メタノール２１０を供給できるように燃料投入量が算出され（ステップＳ２９）、算出された燃料投入量がメモリ１７６に記憶される（ステップＳ３１）。

ここで、第１濃度より水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の濃度の方が低ければ、供給すべき液体メタノール２１０の量を算出できる。

たとえば、燃料取込・放出部材２０８が水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液を５％に調整するものであり、燃料取込・放出部材２０８に保持できる液体メタノール２１０の量が２００ｍｌ、燃料取込・放出部材２０８の体積が３００ｍｌ、後述の液位低下後の保持部２０４（ここでは保持部２０４は水溶液をも保持可能とする）に残るメタノール水溶液が５０ｍｌとすれば、メタノール水溶液のその時点の濃度に応じて以下の量の液体メタノール２１０が供給される。

メタノール水溶液の濃度が３％、２％、１％のとき、燃料取込・放出部材２０８は液体メタノール２１０を保持していないので、２００ｍｌの液体メタノール２１０を取り込むことができる。さらに保持部２０４に残っているメタノール水溶液を５％にするためにはそれぞれ約１ｍｌ、１．５ｍｌ、２ｍｌの液体メタノール２１０が必要となる。したがって、供給すべき液体メタノール２１０の量はそれぞれ約２０１ｍｌ、２０１．５ｍｌ、２０２ｍｌとなる。これに基づいてメタノール燃料の投入量が決定される。なお、濃度によらず液体メタノール２１０の供給量が２００ｍｌとなるようにメタノール燃料の投入量を決定してもよい。

そして、燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液とが接触しなくなるようにたとえば高さＸ２（図１２参照）まで水溶液タンク１３０内の液位が下げられ（ステップＳ３３）、燃料取り込み処理（２）（ステップＳ３５〜Ｓ３９）を行なうことなく発電停止処理が行われ（ステップＳ４１）、終了する。この液位を下げる動作は、メタノール燃料、水の補給量を減少させた状態で発電を継続させることによって行われる。

このような燃料電池システム１００によれば、包接化合技術を利用し、燃料電池１０４の温度が閾値以下であれば水溶液タンク１３０内において燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液とを接触させることによってメタノール水溶液の濃度を第１濃度に調整し、燃料電池１０４の温度が上昇して閾値を超えれば電圧センサ１６８を用いて検出されたメタノール水溶液の濃度に基づいてメタノール水溶液の濃度を第２濃度に調整する。このように濃度検出に適さない比較的低温では別途濃度制御することなく燃料取込・放出部材２０８を用いて濃度調整し、所定温度を超えれば電圧センサ１６８の検出結果に基づいて濃度調整することによって、燃料電池１０４の温度に拘わらず適切な濃度調整が可能となり、循環型の燃料電池システム１００において燃料濃度を安定させることができる。

特に、燃料電池１０４の温度が閾値以下の比較的低温においては電圧センサ１６８では精度よく濃度検出できないが、燃料電池システム１００では、そのような比較的低温においては燃料取込・放出部材２０８を用いることによって簡単な構成で良好に濃度調整できる。また、燃料電池１０４の温度が閾値を超えれば電圧センサ１６８を用いて精度よく濃度を検出できる。このようにして濃度調整の精度を高めることができる。

また、水溶液タンク１３０へのメタノール燃料および水の補給量を制御することによって、水溶液タンク１３０内でのメタノール水溶液の量を容易に調整し、水溶液タンク１３０に保持されたメタノール水溶液への燃料取込・放出部材２０８の出入を簡単に制御することができる。

さらに、保持部２０４内に燃料取込・放出部材２０８を配置することによって、高濃度のメタノール水溶液を燃料取込・放出部材２０８に簡単に供給することができ、燃料取込・放出部材２０８によって液体メタノール２１０を素早く保持させることができる。

また、液体メタノール２１０を燃料電池１０４に供給する直前に燃料取込・放出部材２０８に保持させることによって、液体メタノール２１０が気化し蒸発してしまうことはなく燃料効率を向上できる。

さらに、液体メタノール２１０の保持可能量に基づいて決定された量のメタノール燃料を燃料取込・放出部材２０８へ投入できるので、メタノール燃料を無駄なく使用できる。
また、燃料投入量はメモリ１７６に予め記憶されているので、新たに算出することなく迅速にメタノール燃料を投入できる。

ついで、燃料取り込み処理（２）を実行するモードについて説明する。
このモードでは、初期的に燃料取込・放出部材２０８に液体メタノール２１０が保持されていなければ、所定量の液体メタノール２１０を供給し保持させておく。

そして、図１５および図１６を参照して、ステップＳ１において燃料電池起動信号が入力されると、燃料取り込み処理（１）（ステップＳ３〜Ｓ９）を実行することなくステップＳ１１に進み、メタノール水溶液の液位が調整される。その後、上述と同様にステップＳ１３〜Ｓ３３が実行される。ステップＳ３３において燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液とが接触しなくなるように水溶液タンク１３０内の液位が下げられた後、燃料ポンプ１３６が駆動され（ステップＳ３５）、ステップＳ３１において記憶された投入量分の高濃度のメタノール燃料が投入される（ステップＳ３７）。これにより、燃料取込・放出部材２０８に液体メタノール２１０が取り込まれ、保持される（ステップＳ３９）。そして、発電停止処理が行われ（ステップＳ４１）、終了する。

このモードによれば、燃料電池１０４の停止指示後に燃料取込・放出部材２０８に液体メタノール２１０を保持させておくことによって、燃料電池１０４の次回の始動を円滑に行うことができる。

なお、図１５および図１６に示す動作において、第２濃度を第１濃度より高くしてもよい。この場合、燃料取込・放出部材２０８に液体メタノール２１０が常に満たされた状態を維持できるので、燃料電池１０４の停止指示後や次回の起動直後に液体メタノール２１０を燃料取込・放出部材２０８に供給する必要がなくなる。

つぎに、図１７および図１８を参照して、燃料電池システム１００の他の動作モードについて説明する。なお、初期的に燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液とを隔離しておく。また、この動作モードの実行は、燃料取込・放出部材２０８に液体メタノール２１０が取り込まれていない状態で開始されることが前提条件となる。

このモードでは、ステップＳ１において燃料電池起動信号が入力されると、温度センサ１７０によって燃料電池１０４の温度が検出され（ステップＳ２ａ）、その温度が４５℃以上か否かが判断される（ステップＳ２ｂ）。燃料電池温度が４５℃未満であれば、メモリ１７６に記憶された図１４に対応するテーブルデータを参照して燃料電池温度に応じて燃料投入量が算出され（ステップＳ２ｃ）、燃料ポンプ１３６が駆動され（ステップＳ５）、算出された投入量分の高濃度のメタノール燃料が投入される（ステップＳ７）。その後は、上述と同様にステップＳ９〜Ｓ２５の処理が実行される。一方、ステップＳ２ｂにおいて、燃料電池１０４の温度が４５℃以上であれば、水ポンプ１６０または燃料ポンプ１３６と水ポンプ１６０とが駆動されて、水溶液タンク１３０内の液位が図１２に示すＡの範囲内に収まるように調整され（ステップＳ１１ａ）、その後、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４８等が駆動され発電が開始され（ステップＳ１３ａ）、ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２５において燃料電池停止信号が入力されると、水溶液タンク１３０内の液位が調整され、燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液とが接触しなくなるように液位が下げられる（ステップＳ３３ａ）。そして、発電停止処理が行われ（ステップＳ４１ａ）、終了する。

このモードによれば、始動時の燃料電池１０４の温度に応じて燃料取込・放出部材２０８へのメタノール燃料の投入量を適切に決定でき、メタノール燃料を無駄なく使用できる。

なお、このモードにおいて、次のように動作させてもよい。ステップＳ１９で燃料電池温度が４５℃に達する前に燃料電池１０４の発電が停止されたときには、そのときの燃料電池温度を記憶しておき、次回起動時のステップＳ２ｃにおいて、記憶しておいた温度における投入量（図１４参照）を差し引いてメタノール燃料を投入する。

また、燃料電池システム１００において、図１０および図１１に示すように、メタノール水溶液の退避または返還を可能とするための水溶液タンク１３０ａを別途設け、ＣＰＵ１７２で水溶液ポンプ１４６ａ，１４６ｂの動作を制御することによってメタノール水溶液の退避や返還を実行するようにしてもよい。この場合、水溶液タンク１３０内の液量を素早く変化させることができ、水溶液タンク１３０に保持されたメタノール水溶液への燃料取込・放出部材２０８の出入を迅速に制御することができる。なお、水溶液ポンプとして逆回転可能なポンプを用いるならば１つのポンプでよい。また、メタノール水溶液の退避、返還のいずれか一方は重力や毛管作用により行うようにしてもよい。この場合、水溶液ポンプ１４６ａ，１４６ｂのいずれか一方は不要であり、ＣＰＵ１７２によって開閉を制御する弁機構に置換することができる。

また、水タンク１３２を水溶液タンク１３０ａに兼用し、水ポンプ１６０を水溶液ポンプ１４６ａに兼用し、ＣＰＵ１７２によって水ポンプ１６０の動作を制御し、水溶液タンク１３０に保持されたメタノール水溶液への燃料取込・放出部材２０８の出入を制御するようにしてもよい。

さらに、水タンク１３２を水溶液タンク１３０ａに兼用し、水ポンプ１６０を水溶液ポンプ１４６ｂに兼用し、水溶液タンク１３０と水タンク１３２とをバルブ１６１（図１０および図１１参照）を介して結び、ＣＰＵ１７２によって水ポンプ１６０およびバルブ１６１の動作を制御し、水溶液タンク１３０に保持されたメタノール水溶液への燃料取込・放出部材２０８の出入を制御するようにしてもよい。

これらの場合、水溶液タンク１３０ａを別途設けることなく簡単な構成で水溶液タンク１３０内の液量を変化させることができる。

なお、水溶液タンク１３０におけるメタノール水溶液の液位を変化させる態様としては、上述の態様に限定されず、任意の方法によって水溶液タンク１３０におけるメタノール水溶液の液位を変化させ燃料取込・放出部材２０８とメタノール水溶液との接触を制御することができる。

さらに、図１９に示すように、水溶液タンク１３０の上面に巻き上げ機２１４を設け、巻き上げ機２１４のワイヤ２１６に保持部２０４を接続し、保持部２０４を上下方向に移動可能に支持してもよい。

この場合も、図１５および図１６に示す動作、図１７および図１８に示す動作を実行できる。但し、ステップＳ１１，Ｓ１１ａの液位調整処理が、燃料取込・放出部材２０８を降下させメタノール水溶液に入れる処理に替えられ、ステップＳ３３およびＳ３３ａの液位調整処理が、燃料取込・放出部材２０８を上昇させメタノール水溶液から出す処理に替えられることが望ましい。

この実施形態では、巻き上げ機２１４の動作をＣＰＵ１７２によって制御することによって、保持部２０４ひいては燃料取込・放出部材２０８の上下方向の位置を変化させることができ、水溶液タンク１３０に保持されたメタノール水溶液への燃料取込・放出部材２０８の出し入れを簡単に制御できる。また、水溶液タンク１３０の水溶液出口付近まで燃料取込・放出部材２０８を移動させることによって、目標濃度に近いメタノール水溶液を燃料電池１０４のアノード１０４ｂに確実に供給することができる。

また、水溶液タンク１３０の内側面に上下方向に延びるレールを形成しておき、そのレールを保持部２０４が摺動することによって保持部２０４ひいては燃料取込・放出部材２０８を上下方向に移動させてもよい。

この発明は、燃料電池システム１００を含む自動二輪車１０ひいては自動車、船舶等の輸送機器に好適に用いられる。

なお、メタノール水溶液の濃度を求めるための変換情報は、濃度情報を濃度に変換するための演算式であってもよい。

上述の実施形態では、ゲスト化合物となる液体燃料が液体メタノール２１０である場合について説明したがこれに限定されない。液体燃料は、燃料電池１０４の燃料として用いることができるものであればよく、たとえば、その他のアルコール類、エーテル類、炭化水素類、アセタール類などが挙げられる。当該液体燃料は、具体的にはメタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール等のアルコール類、ジメチルエーテル、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテル等のエーテル類、プロパン、ブタン等の炭化水素類、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン等のアセタール類などが挙げられ、これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。

また、ホスト化合物としては、有機化合物、無機化合物及び有機・無機複合化合物よりなるものが知られており、また、有機化合物においては、単分子系、多分子系、高分子系ホストなどが知られている。

単分子系ホスト化合物としては、シクロデキストリン類、クラウンエーテル類、クリプタンド類、シクロファン類、アザシクロファン類、カリックスアレン類、シクロトリベラトリレン類、スフェランド類、環状オリゴペプチド類などが挙げられる。また多分子系ホスト化合物としては、尿素類、チオ尿素類、デオキシコール酸類、ペルヒドロトリフェニレン類、トリ−ｏ−チモチド類、ビアンスリル類、スピロビフルオレン類、シクロフォスファゼン類、モノアルコール類、ジオール類、アセチレンアルコール類、ヒドロキシベンゾフェノン類、フェノール類、ビスフェノール類、トリスフェノール類、テトラキスフェノール類、ポリフェノール類、ナフトール類、ビスナフトール類、ジフェニルメタノール類、カルボン酸アミド類、チオアミド類、ビキサンテン類、カルボン酸類、イミダゾール類、ヒドロキノン類などが挙げられる。また、高分子系ホスト化合物としては、セルロース類、デンプン類、キチン類、キトサン類、ポリビニルアルコール類、１，１，２，２−テトラキスフェニルエタンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類、α，α，α'，α'−テトラキスフェニルキシレンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類などが挙げられる。

また、その他に有機リン化合物、有機ケイ素化合物なども挙げられる。

無機系ホスト化合物としては、酸化チタン、グラファイト、アルミナ、遷移金属ジカルゴゲナイト、フッ化ランタン、粘土鉱物（モンモリロナイトなど）、銀塩、ケイ酸塩、リン酸塩、ゼオライト、シリカ、多孔質ガラスなどが挙げられる。

さらに、有機金属化合物にもホスト化合物としての性質を示すものがあり、たとえば有機アルミニウム化合物、有機チタン化合物、有機ホウ素化合物、有機亜鉛化合物、有機インジウム化合物、有機ガリウム化合物、有機テルル化合物、有機スズ化合物、有機ジルコニウム化合物、有機マグネシウム化合物などが挙げられる。また、有機カルボン酸の金属塩や有機金属錯体などを用いることも可能であるが、有機金属化合物であれば、特にこれらに限定されるものではない。

これらのホスト化合物のうち、包接能力がゲスト化合物の分子の大きさに左右されにくい多分子系ホスト化合物が好適である。

多分子系ホスト化合物としては、具体的には、尿素、１，１，６，６−テトラフェニルヘキサ−２，４−ジイン−１，６−ジオール、１，１−ビス（２，４−ジメチルフェニル）−２−プロピン−１−オール、１，１，４，４−テトラフェニル−２−ブチン−１，４−ジオール、１，１，６，６−テトラキス（２，４−ジメチルフェニル）−２，４−ヘキサジイン−１，６−ジオール、９，１０−ジフェニル−９，１０−ジヒドロアントラセン−９，１０−ジオール、９，１０−ビス（４−メチルフェニル）−９，１０−ジヒドロアントラセン−９，１０−ジオール、１，１，２，２−テトラフェニルエタン−１，２−ジオール、４−メトキシフェノール、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、４，４'−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２'−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２'，４，４'−テトラヒドロキシベンゾフェノン、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン、４，４'−スルホニルビスフェノール、２，２'−メチレンビス（４−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、４，４'−エチリデンビスフェノール、４，４'−チオビス（３−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、１，１，３−トリス（２−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ブタン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エチレン、１，１，２，２−テトラキス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−フルオロ−４−ヒドロキシフェニル）エタン、α，α，α'，α'−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）−ｐ−キシレン、テトラキス（ｐ−メトキシフェニル）エチレン、３，６，３'，６'−テトラメトキシ−９，９'−ビ−９Ｈ−キサンテン、３，６，３'，６'−テトラアセトキシ−９，９'−ビ−９Ｈ−キサンテン、３，６，３'，６'−テトラヒドロキシ−９，９'−ビ−９Ｈ−キサンテン、没食子酸、没食子酸メチル、カテキン、ビス−β−ナフトール、α，α，α'，α'−テトラフェニル−１，１'−ビフェニル−２，２'−ジメタノール、ジフェン酸ビスジシクロヘキシルアミド、フマル酸ビスジシクロヘキシルアミド、コール酸、デオキシコール酸、１，１，２，２−テトラフェニルエタン、テトラキス（ｐ−ヨードフェニル）エチレン、９，９'−ビアンスリル、１，１，２，２−テトラキス（４−カルボキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−カルボキシフェニル）エタン、アセチレンジカルボン酸、２，４，５−トリフェニルイミダゾール、１，２，４，５−テトラフェニルイミダゾール、２−フェニルフェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、２−（ｏ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、２−（ｍ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、２−（ｐ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾール、ヒドロキノン、２−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，５−ジ−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，５−ビス（２，４−ジメチルフェニル）ヒドロキノン、などが挙げられる。

ホスト化合物としては、上記したものの中でも１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）エチレンのようなフェノール系ホスト化合物、ジフェン酸ビス（ジシクロヘキシルアミド）、フマル酸ビスジシクロヘキシルアミドのようなアミド系ホスト化合物、２−（ｍ−シアノフェニル）フェナントロ［９，１０−ｄ］イミダゾールのようなイミダゾール系ホスト化合物が包接能力の面で有利であり、特に、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサンのようなフェノール系ホスト化合物が工業的に使用しやすい点で有利である。

これらのホスト化合物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

これらのホスト化合物は、固体状の包接化合物を形成できるものであれば、どのような形状の化合物でもかまわない。

また、上述のホスト化合物のうち、有機系ホスト化合物は、多孔質物質に担持させた有機・無機複合素材として使用することもできる。この場合、有機系ホスト化合物を担持する多孔質物質としては、シリカ類、ゼオライト類、活性炭類の他に、粘土鉱物類、モンモリロナイト類などの層間化合物などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。このような有機・無機複合素材は、前述の有機系ホスト化合物を、これを溶解することのできる溶媒に溶解させ、その溶液を多孔質物質中に含浸させ、溶媒を乾燥、減圧乾燥するなどの方法で製造することができる。多孔質物質に対する有機系ホスト化合物の担持量としては特に制限はないが、通常の場合、多孔質物質に対して１０〜８０重量％程度である。

前述の１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサンなどのホスト化合物を用いて包接化合物を合成する方法としては、燃料とホスト化合物とを直接接触、混合する方法が挙げられ、これにより、液体燃料を包接した包接化合物を容易に合成することができる。

包接化合物の合成に際して、燃料とホスト化合物とを接触させる温度は、特に制限はないが、常温〜１００℃程度が好ましい。このときの圧力条件についても特に制限はないが、常圧環境で行うことが好ましい。また、燃料とホスト化合物とを接触させる時間についても特に制限はないが、作業効率等の面から０．０１〜２４時間程度とするのが好ましい。

このようにして得られる包接化合物は、用いたホスト化合物の種類、燃料との接触条件等によっても異なるが、通常ホスト化合物１モルに対して燃料分子０．１〜１０モルを包接した包接化合物である。

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。 水溶液タンク内の構造を示す図解図である。 包接化合物を説明するための図解図である。 燃料電池初期温度に対するメタノール燃料（高濃度のメタノール水溶液）投入量を示すグラフである。 この発明の動作の一例を示すフロー図である。 図１５に示す動作の続きを示すフロー図である。 この発明の動作の他の例を示すフロー図である。 図１７に示す動作の続きを示すフロー図である。 支持部の他の例を示す図解図である。

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）
１２８ 燃料タンク
１３０，１３０ａ 水溶液タンク
１３２ 水タンク
１３６ 燃料ポンプ
１４６，１４６ａ，１４６ｂ 水溶液ポンプ
１５６ コントローラ
１６０ 水ポンプ
１６１ バルブ
１６８ 電圧センサ
１７０ 温度センサ
１７２ ＣＰＵ
１７６ メモリ
２０４ 保持部
２０６ 支持部
２０８ 燃料取込・放出部材
２１０ 液体メタノール
２１２ 包接化合物
２１４ 巻き上げ機
Ｐ１〜Ｐ１６，Ｐ２０〜Ｐ２２ パイプ

Claims (14)

1. 燃料水溶液を循環使用する燃料電池システムであって、
   電気化学反応によって電気エネルギを生成する燃料電池、
   前記燃料電池に供給される前記燃料水溶液を保持する水溶液保持手段、
   前記水溶液保持手段内に配置され、所定値よりも高い濃度の前記燃料水溶液と接触したとき前記燃料水溶液に含まれる液体燃料を取り込み前記所定値よりも低い濃度の前記燃料水溶液と接触したとき液体燃料を放出する燃料取込・放出部材、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段、
   前記燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段、および
   前記燃料水溶液の濃度を調整する濃度調整手段を備え、
   前記濃度調整手段は、前記燃料取込・放出部材を含み、前記温度検出手段によって検出された温度が閾値以下であれば前記燃料取込・放出部材と前記燃料水溶液との接触によって前記燃料水溶液の濃度を第１濃度に調整し、前記温度が前記閾値を超えれば前記濃度検出手段によって検出された濃度に基づいて前記燃料水溶液の濃度を第２濃度に調整する、燃料電池システム。
2. 前記濃度検出手段は電気化学的センサを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２濃度は前記第１濃度よりも高い、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第２濃度は前記第１濃度よりも低い、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
6. 燃料水溶液を循環使用する燃料電池システムの運転方法であって、
   燃料電池に供給すべき前記燃料水溶液を水溶液保持手段によって保持し、
   所定値よりも高い濃度の前記燃料水溶液と接触したとき前記燃料水溶液に含まれる液体燃料を取り込み前記所定値よりも低い濃度の前記燃料水溶液と接触したとき液体燃料を放出する燃料取込・放出部材を前記水溶液保持手段内に配置し、
   前記燃料電池の温度が閾値以下であれば前記燃料取込・放出部材と前記燃料水溶液との接触によって前記燃料水溶液の濃度を第１濃度に調整し、
   前記温度が前記閾値を超えれば前記燃料水溶液の検出濃度に基づいて前記燃料水溶液の濃度を第２濃度に調整する、燃料電池システムの運転方法。
7. 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濃度を検出する、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
8. 前記第２濃度は前記第１濃度よりも高い、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
9. 前記第２濃度は前記第１濃度よりも低い、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
10. 前記燃料電池の起動指示後に、前記燃料取込・放出部材に液体燃料を保持させておく、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
11. 前記燃料取込・放出部材に保持可能な量の液体燃料を供給できるように前記燃料水溶液よりも高い濃度の燃料の投入量を記憶しておき、前記燃料電池の起動指示後に、記憶された投入量分の前記燃料を前記燃料取込・放出部材に投入し、当該燃料に含まれる液体燃料を前記燃料取込・放出部材に保持させる、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
12. 前記燃料電池の起動指示後に、前記燃料電池の温度に応じて前記燃料水溶液よりも高い濃度の燃料の投入量を決定し、決定された投入量分の前記燃料を前記燃料取込・放出部材に投入し、当該燃料に含まれる液体燃料を前記燃料取込・放出部材に保持させる、請求項１０に記載の燃料電池システムの運転方法。
13. 前記燃料電池の停止指示後に、前記燃料取込・放出部材に液体燃料を保持させておく、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
14. 前記燃料電池の停止指示後に、前記燃料取込・放出部材に保持可能な量の液体燃料を供給できるように前記燃料水溶液よりも高い濃度の燃料の投入量を決定し、決定された投入量分の前記燃料を前記燃料取込・放出部材に投入し、当該燃料に含まれる液体燃料を前記燃料取込・放出部材に保持させる、請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法。
    
    

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