JP4342161B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、化石燃料の枯渇の問題、環境汚染の問題が深刻になり、自動車その他の乗り物の原動機に化石燃料に代えて、燃料電池を採用することが熱心に研究、開発され、実用化間近にまで進歩している。
【0003】
一方、パワーアシスト自転車については、一般に二次電池で動く電動機を車輪の回転駆動に利用する仕組みが定着している。そして、パワーアシスト自転車の場合、二次電池の再充電には家庭用電力を利用し、充電器を家庭用コンセントに接続して充電するようにしていて、自転車そのものに二次電池充電用の燃料電池を搭載したパワーアシスト自転車は全く存在していない。
【0004】
【特許文献1】
特開昭64−017379号公報
【特許文献2】
特開昭64−071073号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パワーアシスト自転車の場合、それが二輪車であるため車体の傾斜が大きく、またしばしば転倒することも起こる。そのため、パワーアシスト自転車に搭載する燃料電池を開発する場合、車体が大きな傾斜したり転倒したりしても安全であり、かつ、そのような状態でも二次電池の充電量に応じて継続的に作動して再充電できなければならないという技術的要請がある。
【0006】
パワーアシスト自転車の二次電池充電用に搭載する燃料電池としては、小型、軽量、安全性の面から、固体高分子膜を電解質膜とする直接改質型燃料電池が望ましい。
【0007】
図4はこのような直接改質型燃料電池により発電する燃料電池システムの提案例の構成を示している。この燃料電池システムは、固体高分子膜を電解質膜とする直接改質型燃料電池1、この燃料電池1の空気極11に空気を供給するエアポンプ2、燃料としてのメタノール水溶液を貯溜するメタノール/水タンク3、メタノール/水タンク3から燃料のメタノール水溶液を燃料電池1の燃料極12に供給するメタノール/水ポンプ4から構成されている。そして、燃料中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサ5がメタノール/水タンク3内の液に浸るように配設されている。メタノール/水タンク3には排気筒6が設けられ、燃料電池反応で発生した二酸化炭素の気体を排出するようにしている。また気液分離器7が空気極11に接続してあって、空気極11から排出される未反応エアと反応生成水とを受入れ、気液分離して未反応エアをその排気筒8から排出し、また反応生成水を一時的に貯溜するようにしている。なお、燃料電池1における13は固体高分子電解質膜である。
【0008】
このような直接改質型燃料電池システムは、小形、軽量の燃料電池システムとして自動二輪車、原動機付き自転車、パワーアシスト自転車等の二次電池充電用の燃料電池して有効である。
【0009】
図5は二輪車に搭載する直接改質型燃料電池システムの構成を示している。この図5において、図4における符号と同一の符号の付されている要素は同一の要素を示している。固体高分子型燃料電池1は後述する液体の循環を考慮して前後方向に一定角度だけ傾斜させた状態で固定する。燃料であるメタノールは、メタノール/水タンク3に対してメタノールタンク71からメタノールポンプ72により供給する。この燃料電池システムは、駆動機器の制御のために制御回路20を備えている。この制御回路20は、駆動回路21、出力制御回路22、CPU23を備えていて、メタノール/水燃料溶液のメタノール濃度制御、発電電力の出力制御を実行する。そしてこの制御のために必要な情報として、メタノールセンサ5からメタノール濃度信号、燃料電池1の温度センサ74からセル温度信号、発電電流・電圧信号を入力する構成である。
【0010】
直接改質型燃料電池システムは、パワーアシスト自転車の二次電池充電用に利用する場合、二次電池としてNi−Cd電池を利用していれば、二次電池のリフレッシュのために自己放電させてから再充電することがある。制御回路20はこの二次電池の放電状態を監視し、完全放電になれば燃料電池システムを起動して再充電することになる(自己放電監視モード(i)、低消費モード(ii))。そして、パワーアシスト自転車の実走行時には運転モード(iii)に移行し、二次電池の充電状態に応じて制御回路20が燃料電池システムの発電を制御する。
【0011】
このような直接改質型燃料電池1では、メタノールを原燃料とし、また反応生成水も発生するため、それらの液体の漏れ対策が必要であり、また、燃料電池反応で二酸化炭素気体が生成し、メタノール/水溶液に混在した形で循環すること、同様に未反応エアも反応生成水に混在した形で循環することから、それらの除去のために気液分離が必要である。そこで、燃料電池1の空気極11からの未反応エア、燃料極12で発生した二酸化炭素などを系外に放出するため、メタノール/水タンク3、気液分離器7それぞれには排気筒6,8を設けている。
【0012】
ところが、提案されている燃料電池システムは、このままの形で二輪車や小形ヨットなどに搭載した場合、転倒、転覆で液漏れを起こす構造である。また転倒した場合、気液の分離ができない、反応液の循環ができないなどの問題がある。
【0013】
さらに、提案されている燃料電池システムでは、図5に示したように二輪車に取り付けるときに、燃料極12の反応液や空気極11の反応生成水の流れを考慮し、燃料電池1に左右方向では垂直にし、前後方向において多少の傾斜を持たせている。しかし、図6に示すように、この燃料電池1は左右方向への傾きまでは考慮していないため、二輪車が転倒した場合や大きく傾けた場合に流路詰まりが発生することが避けられない。
【0014】
二輪車の場合、大きく傾斜したり転倒したりすることはしばしば起こることであり、燃料電池システムの実用化のためには、この課題をいかに解決するかが大きな挑戦となっている。
【0015】
燃料電池に関する技術として、ガス分離器について特開昭64−017379号公報に記載され、また気液分離器について特開昭64−071073号公報に記載されている。しかしながら、これらの公報には、大きな傾斜や転倒時の対策について記載されていない。
【0016】
本発明はこのような技術的課題に鑑みてなされたもので、二輪車や船などの傾斜の大きい乗り物に搭載する直接改質型燃料電池システムとして、傾斜センサを使って転倒を検出し、転倒時にはシステムを止める、あるいはシステムの出力を制御することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0017】
本発明はまた、自転車や自動二輪車などでサイドスタンドを立てた状態の傾斜と転倒状態とを区別し、転倒時に限って上記の制御を行える燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明の燃料電池システムは、本システムの傾斜を検出する傾斜センサと、前記傾斜センサが本システムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、本システムの燃料電池反応を停止させる、または燃料電池の出力を抑制する制御手段とを備え、前記傾斜センサは、液中又は気体中のメタノール濃度を測定するメタノールセンサを含み、メタノール/水タンク中の所定の場所に取り付けられ、本システムが所定角度以上傾斜したときに液中から気体側に出て、気体中のメタノールの濃度検出信号を出力し、前記制御手段は、前記気体中のメタノールの濃度検出信号を受信し、所定角度以上の傾斜であると判定することを要旨とする。
本発明に係る燃料電池システムは、本システムの傾斜時に燃料電池反応を停止制御することによりシステムに不具合が発生するのを防止できる。
【0019】
請求項2の発明の燃料電池システムは、本システムの傾斜を検出する傾斜センサと、前記傾斜センサが本システムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、本システムの燃料電池反応を停止させる、または燃料電池の出力を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記メタノールセンサが所定角度以上の傾斜を検出しなくなったときに本システムの復帰制御を行い、かつ、当該復帰に先立って本システムの諸機能のチェックを実施することを要旨とする。
本発明に係る燃料電池システムは、転倒時に燃料電池の出力を抑制することによりシステムに不具合が発生することを防止できる。また、必要最低限度の発電出力を確保することにより、本システムに接続される二次電池への補充電を可能にし、電池切れを防止する。
【0023】
請求項3の発明は、請求項1又は2の燃料電池システムを二輪車若しくは小形船舶に搭載することを特徴とする。本発明にかかる燃料電池システムによれば、サイドスタンドによって傾斜した状態で駐車したり、大きな傾斜角度で走行したりする二輪車に対して実際の転倒と区別し、実際の転倒時に燃料電池反応を停止し、又は燃料電池出力を抑制することができる。これにより、二輪車等の円滑な走行を担保すると共に、実際の転倒、転覆時の不具合の発生を防止し、あるいは不具合の発生の防止と共に、必要最低限度の発電出力も確保し、本システムに接続される二次電池への補充電を可能にし、電池切れを防止できるようにする。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図1は、本発明の1つの実施の形態の直接改質型燃料電池システムの構成を示している。この実施の形態の燃料電池システムは、例えば、パワーアシスト自転車、自動二輪車、原動機付き自転車等の二輪車に組み込むシステムである。
【0025】
図1に示すように、本実施の形態の直接改質型燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池1と、この燃料電池1の空気極に空気を供給するエアポンプ2、燃料としてのメタノールと水の混合液を貯溜するメタノール/水タンク3、メタノール/水タンク3から燃料のメタノール水溶液を燃料電池1の燃料極に供給するメタノール/水ポンプ4を備えている。燃料であるメタノールは、メタノール/水タンク3に対してメタノールタンク71からメタノールポンプ72により供給する。7は燃料電池1の空気極に接続された気液分離器である。
【0026】
この燃料電池システムは、駆動機器の制御のために制御回路20を備えている。制御回路20は、駆動回路21、出力制御回路22、CPU23、そして記憶装置24を備えていて、メタノール/水燃料溶液のメタノール濃度制御、発電電力の出力制御を実行する。そしてこの制御のために必要な情報として、メタノールセンサ5からメタノール濃度信号、燃料電池1からセル温度信号、発電電流・電圧信号を入力し、また二輪車の傾斜角度の検出のために傾斜センサ15の信号を入力するようにしてある。さらに、制御回路20には表示装置25を接続して、CPU23により必要な情報を表示するようにしてある。
【0027】
この直接改質型燃料電池システムは、二次電池としてNi−Cd電池を利用しているような場合、二次電池のリフレッシュのために自己放電させてから再充電することがある。制御回路20はこの二次電池の放電状態を監視し、完全放電になれば燃料電池システムを起動して再充電することになる(自己放電監視モード(i)、低消費モード(ii))。そして、二輪車の実走行時には運転モード(iii)に移行し、二次電池の充電状態に応じて制御回路20が燃料電池システムの発電制御を行う。
【0028】
次に、上記構成の燃料電池システムの動作について説明する。燃料電池発電動作は、図4、図5に示した従来提案されている燃料電池システムと同様である。そして、本実施の形態の燃料電池システムの動作の特徴は、制御回路20が傾斜センサ15の信号により燃料電池発電を制御する点にある。
【0029】
傾斜センサ15は二輪車が所定角度以上に大きく傾斜した場合に信号を出力する。この傾斜センサ15は傾斜角度を検出し、傾斜角度信号を出力するものであってもよい。制御回路20は、この傾斜センサ15からの信号に基づいてシステムが正常に発電できる姿勢範囲内にあるかどうかを判断する。
【0030】
二輪車の場合、駐車のためにサイドスタンドを立てるが、その場合にはある程度の傾斜角度になる。そこで、制御回路20は、(1)傾斜センサ15からの信号がこのスタンドを立てたときの傾斜角度よりも大きい傾斜角度であり、かつ、(2)その大きな傾斜角度の検出信号が数秒連続した場合に転倒と判断し、燃料電池制御を行う。
【0031】
二輪車の実走行中には速度によってはサイドスタンドを立てて駐車するときの傾斜角度よりも大きな傾斜角度で走行することもあり得るが、そのような場合には数秒もたたない内にほぼ直立の姿勢に戻るものであるので、大きな傾斜角度を検出した場合には、数秒連続した場合に転倒と判断することにしているのである。
【0032】
<転倒時の制御>転倒と判断した時の燃料電池制御は、次の通りである。
【0033】
(i)二輪車が転倒すれば、エア噛み込みなどで燃料電池発電が正常に行えなくなる可能性が高いため、システムを停止する。
【0034】
(ii)転倒発生のイベントを記憶装置24に履歴として記録し、次の起動の時にチェックモードへ移行する。またメンテナンスデータとして利用する。
【0035】
チェックモードでは、傾斜センサ15の値、メタノールセンサ5の濃度値、メタノール/水溶液量、メタノール/水ポンプ駆動電流量(エア噛み込みチェック)、空気極の生成水量、メタノールタンク71のメタノール量などを確認する。そして、これらが正常範囲であれば、再起動を許容する。
【0036】
また、またチェック中は、表示装置25によりユーザーにチェック中であることを表示する。
【0037】
(iii)システム停止の後の再起動の際、傾斜センサ15の信号が正常に戻り、かつその復帰から一定時間が経過していれば、配管中の液が落ち着いているとして、燃料電池発電を再起動する。
【0038】
これにより、直接改質型燃料電池システムを二輪車のような大きな傾斜姿勢がしばしば発生し、また転倒することもある乗り物に搭載しても、一過性の大きな傾斜と実際の転倒とを識別し、転倒時には燃料電池の発電を停止させることによって不具合の発生を防止し、後に正常な姿勢に戻ったときに燃料電池発電を円滑に再開させることができる。
【0039】
なお、転倒判定時に燃料電池の運転を停止することに代えて、必要最低限度の発電出力も確保し、本システムに接続される二次電池への補充電を可能にし、電池切れを防止できる程度の出力に制限するようにしてもよい。
【0040】
次に、本発明の第2の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図2を用いて説明する。第1の実施の形態では、燃料電池システムの傾斜角度を検出する傾斜センサ15を採用したが、この傾斜センサ15はサイドスタンドを立てたときの傾斜角度よりも大きい傾斜角度になったことを検出することができれば、厳密に傾斜角度そのものを検出できなくてもかまわない。
【0041】
そこで、第2の実施の形態では、第1の実施の形態の燃料電池システムで用いた傾斜センサ15の代わりに、図2に示すように、メタノールセンサ5の設置場所を工夫することにより、メタノール濃度検出と同時に、傾斜センサとしても代用するようにしている。なお、第2の実施の形態の燃料電池システムの構成は、図1に示した第1の実施の形態に対して、傾斜センサ15を省略した以外は同様である。
【0042】
メタノール濃度を測定するメタノールセンサ5には、水晶発振素子を利用した粘度センサが利用されるが、この水晶発振素子式のセンサは液中での測定信号と気体中での測定信号が大きく異なる。
【0043】
そこで、本実施の形態では、メタノールセンサ5を図2に示したように二輪車のような乗り物、そして燃料電池システムが通常の姿勢であればメタノール/水溶液中に没した状態になるが、転倒と見なせる角度まで傾斜すると液中から気体側に出る場所に設置しておき、その濃度測定信号を制御回路20側で監視していて、通常値から異常値に代われば大きな傾斜姿勢になったと判断し、第1の実施の形態と同様に、その傾斜状態が数秒間継続すれば転倒と判断する。
【0044】
これにより、第2の実施の形態では、傾斜センサを新に付加するコストを削減でき、第1の実施の形態の比べてシステムの低廉化が図れる。
【0045】
なお、メタノール濃度を検出するメタノールセンサ5には、水晶発振素子式の他に、図3に示したような超音波式も採用できる。この超音波式のメタノールセンサ5にあっても、液中と気体中では超音波の伝播速度が大きく異なるので、制御回路20は、異常な濃度信号を受信したときに転倒と判断することができる。その他、メタノールセンサ5として電気抵抗計測式あるいは光屈折率式の濃度センサを採用する場合にも、同様にして転倒判定を行うことができる。
【0046】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、直接改質型燃料電池の転倒時のシステムへの影響を最小にすることができ、特に傾斜揺動が激しい乗り物、例えば二輪車やボート、ヨットなどの小形船舶に搭載するのに好適な燃料電池システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態のシステム構成の説明図。
【図2】本発明の第2の実施の形態のシステムにおいて傾斜センサとを兼用するメタノールセンサの動作を示す説明図。
【図3】上記の第2の実施の形態において採用されるメタノールセンサの他の例の動作を示す説明図。
【図4】提案されている直接改質型燃料電池システムのブロック図。
【図5】提案されている直接改質型燃料電池システムを二輪車に搭載するときに配置例を示すブロック図。
【図6】提案されている直接改質型燃料電池システムを二輪車に搭載したときに、車体の傾きと共に燃料電池が左右に揺動することを示す説明図。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 エアポンプ
3 メタノール/水溶液タンク
4 メタノール/水ポンプ
5 メタノールセンサ
6 排気筒
7 気液分離器
8 排気筒
11 空気極
12 燃料極
13 固体高分子電解質膜
15 傾斜センサ
20 制御回路
21 駆動回路
22 出力制御回路
23 CPU
24 記憶装置
25 表示装置
71 メタノールタンク
72 メタノールポンプ
Claims (3)
- 本システムの傾斜を検出する傾斜センサと、
前記傾斜センサが本システムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、本システムの燃料電池反応を停止させる、または燃料電池の出力を抑制する制御手段とを備え、
前記傾斜センサは、液中又は気体中のメタノール濃度を測定するメタノールセンサを含み、メタノール/水タンク中の所定の場所に取り付けられ、本システムが所定角度以上傾斜したときに液中から気体側に出て、気体中のメタノールの濃度検出信号を出力し、
前記制御手段は、前記気体中のメタノールの濃度検出信号を受信し、所定角度以上の傾斜であると判定する燃料電池システム。 - 本システムの傾斜を検出する傾斜センサと、
前記傾斜センサが本システムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、本システムの燃料電池反応を停止させる、または燃料電池の出力を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記傾斜センサが所定角度以上の傾斜を検出しなくなったときに本システムの復帰制御を行い、かつ、当該復帰に先立って本システムの諸機能のチェックを実施する燃料電池システム。 - 二輪車若しくは小形船舶に搭載される請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
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