JP4493479B2 - 燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器 - Google Patents

Description

この発明は燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器に関し、より特定的には、燃料電池からの燃料水溶液および気体をタンク内に導入する、燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器に関する。

アルコール系燃料を発電に利用する燃料電池システムとして、メタノール水溶液を直接発電に利用する直接メタノール型燃料電池｛ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）｝システムが研究・開発されている。直接メタノール型燃料電池システムでは、水溶液タンクから直接メタノール型燃料電池のアノード（燃料極）にメタノール水溶液を供給する。そして、直接メタノール型燃料電池のアノードからは未反応のメタノール水溶液と電気化学反応によって生成された二酸化炭素とが排出される。

たとえば特許文献１には、未反応のメタノール水溶液と電気化学反応によって生成された二酸化炭素とをアノードから同じ流路で水溶液タンク内に導入し、二酸化炭素を水溶液タンクひいては燃料電池システムの外部に排出する技術が開示されている。

特許文献１には、水溶液タンク内においてメタノール水溶液中にアノードからのメタノール水溶液および二酸化炭素を流入させることが開示されている。この他にも、特許文献１には、水溶液タンク内においてメタノール水溶液の液面の上方からアノードからのメタノール水溶液および二酸化炭素を導入することが開示されている。
特開２００４−９５３７６

しかし、水溶液タンク内においてメタノール水溶液中にアノードからのメタノール水溶液および二酸化炭素を流入させると、液面へと上昇する泡状の二酸化炭素によって水溶液タンク内のメタノール水溶液が撹拌されてしまう。また、水溶液タンク内においてメタノール水溶液の液面の上方からアノードからのメタノール水溶液および二酸化炭素を導入すると、流下するメタノール水溶液によって水溶液タンク内のメタノール水溶液が撹拌されてしまう。

水溶液タンク内のメタノール水溶液が撹拌されると、メタノール水溶液に含まれるメタノールが気化しやすくなり、二酸化炭素とともに気化したメタノールが外部に排出されてしまう。その結果、メタノールの利用効率が低下してしまうという問題があった。また、気化したメタノールが外部に排出されるので、環境を汚染してしまうという問題があった。

二輪車等の輸送機器に用いる場合、据え置き型の機器に用いる場合よりも直接メタノール型燃料電池システムを小さくすることが要求されるので、水溶液タンクも小型になる。小型の水溶液タンクの場合、アノードからのメタノール水溶液および二酸化炭素によって水溶液タンク内のメタノール水溶液が撹拌されやすくなり、メタノールが気化しやすくなる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、タンク内における燃料の気化を抑えることができる、燃料電池システムおよびそれを用いた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、請求項１に記載の燃料電池システムは、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、燃料電池に供給すべき燃料水溶液を収容するタンク、タンク内の燃料水溶液の量を検出する検出手段、燃料電池からの燃料水溶液と気体とをタンク内に導入する導入口、タンクに設けられ導入口につながる導入パイプ、および検出手段の検出結果に基づいてタンク内の液面の高さを導入口の上端と下端との間に保つようにタンク内の燃料水溶液の量を調整する調整手段を備える。

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、電気化学反応に伴って燃料電池で生成される水をタンクに供給することによってタンク内の燃料水溶液の量が調整され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１または２に記載の燃料電池システムにおいて、導入パイプは導入口近傍で水平方向に延びるよう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、導入パイプはタンク内に臨むように設けられ、導入口はタンク内の導入パイプに設けられる切り欠き部を含むことを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、導入パイプはタンク内に臨むように設けられ、タンクの壁面近傍よりも導入口側の少なくとも一部で導入パイプの断面積が拡大されることを特徴とする。

請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、タンク内から気体を排出するために導入口の上方に設けられる排出口をさらに備えることを特徴とする。

請求項７に記載の輸送機器は、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムを用いたことを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、検出手段が検出したタンク内の燃料水溶液の量に基づいて、液面の高さが導入口の上端と下端との間に位置するように、調整手段がタンク内の燃料水溶液の量を調整する。これによって、燃料電池からの燃料水溶液を導入口の下側からタンク内の燃料水溶液中に静穏に流入させ、タンク内の燃料水溶液が燃料電池からの燃料水溶液によって撹拌されることを抑制できる。また、燃料電池からの気体を導入口の上側からタンク内の液面上の空間に流入させ、タンク内の燃料水溶液が燃料電池から気体によって撹拌されることを抑制できる。したがって、燃料電池からの燃料水溶液および気体をタンク内に導入しつつもタンク内における燃料の気化を抑えることができる。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池で生成された水を利用することによって、外部から水を補給する必要がなく、効率的にタンク内の燃料水溶液の量を調整できる。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、導入口につながる導入パイプが導入口近傍で水平方向に延びるように設けられる。これによって、導入パイプ内で燃料電池からの気体と燃料水溶液とがそれぞれ上下に分離しやすくなり、タンク内の液面上の空間に気体が流入しやすくなる。したがって、より一層、タンク内の燃料水溶液が燃料電池からの気体によって撹拌されることを抑制できる。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、導入口がタンク内の導入パイプに設けられる切り欠き部を含み、切り欠き部からタンク内の液面上の空間に気体が流入しやすくなる。したがって、より一層、タンク内の燃料水溶液が燃料電池からの気体によって撹拌されることを抑制できる。

請求項５に記載の燃料電池システムでは、タンクの壁面近傍よりも導入口側の少なくとも一部で断面積が拡大されるように導入パイプが設けられ、導入パイプの断面積が拡大された部分で燃料電池からの燃料水溶液および気体の流速を低下させることができる。これによって、当該断面積が拡大された部分で燃料電池からの燃料水溶液および気体の滞留時間が長くなり燃料水溶液と気体とが分離しやすくなる。このように、燃料電池からの燃料水溶液と気体とを導入パイプ内で分離させることによって、気体を含んだ燃料水溶液が導入口から間欠的に吐出されるといったことがなく、燃料電池からの燃料水溶液および気体を静穏にタンク内に導入できる。したがって、より一層、タンク内の燃料水溶液が撹拌されることを抑制できる。

請求項６に記載の燃料電池システムでは、排出口が導入口の上方に設けられることによって、導入口からタンク内の液面上の空間に流入した気体を排出口から速やかにタンク外へ排出できる。

一般に、小型のタンクが用いられる輸送機器では、タンク内の燃料水溶液が燃料電池からの燃料水溶液および気体によって撹拌されやすく、タンク内の燃料が気化しやすくなる。タンク内における燃料の気化を抑えることができるので、この発明は、請求項７に示すように、小型のタンクが用いられ燃料が気化しやすい輸送機器において有効である。

この発明によれば、タンク内における燃料の気化を抑えることができる。

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。
図１〜図４に示すように、この発明の一実施形態の燃料電池システム１０は、直接メタノール型燃料電池システムとして構成される。直接メタノール型燃料電池システムは改質器が不要であるので、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。ここでは、燃料電池システム１０を輸送機器の一例である自動二輪車に用いる場合について説明する。なお、図２に示すように、自動二輪車については車体フレーム３００のみを示す。図２において、左側が車両前方、右側が車両後方であり、手前側が車両左側、奥側が車両右側である。また、図２において、上側が車両上方、下側が車両下方である。燃料電池システム１０は車体フレーム３００に沿って配置される。

図１を主に参照して、燃料電池システム１０は直接メタノール型燃料電池（以下、単に燃料電池という）１２を含む。燃料電池１２は、固体高分子膜からなる電解質１２ａと電解質１２ａを両側から挟むアノード（燃料極）１２ｂおよびカソード（空気極）１２ｃとを含む複数の燃料電池セルを直列に接続（積層）した燃料電池セルスタックとして構成される。燃料電池１２は、その温度（アノード１２ｂ側出口近傍のメタノール水溶液Ｓの温度）が５０℃以上（好ましくは６０℃〜８０℃程度）で電解質１２ａの劣化を抑制しつつ、高い出力で発電可能になる。つまり、燃料電池１２は、その温度が６０℃〜８０℃の間で発電効率が良好になる。

また、燃料電池システム１０は、高濃度のメタノール燃料（燃料であるメタノールを５０ｗｔ％程度含む水溶液）Ｆを収容する燃料タンク１４を含む。燃料タンク１４は燃料供給パイプ１６を介して燃料水溶液であるメタノール水溶液Ｓを収容する水溶液タンク１８に接続される。図２に示すように、燃料タンク１４と水溶液タンク１８とは、図示しない後輪の上方で左右に並んで、それぞれ車両の前後方向（水平方向の一方向）に細長く延びるように設けられる。燃料供給パイプ１６には燃料ポンプ２０が介挿される。燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆは、水溶液タンク１８の状況に応じて必要なときに燃料ポンプ２０の駆動によって水溶液タンク１８に供給（補給）され、水溶液タンク１８内で薄められ、メタノール水溶液Ｓとして利用される。水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは、たとえばメタノールを３ｗｔ％程度含むように制御される。

燃料タンク１４には水位センサ１５が装着され、燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆの水位が検出される。また、水溶液タンク１８には水位センサ２２が装着され、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの水位が検出される。水溶液タンク１８は、水溶液パイプ２４を介して燃料電池１２のアノード１２ｂに接続される。水溶液パイプ２４には、上流側から水溶液ポンプ２６、熱交換器として機能するラジエータ２８および水溶液フィルタ３０が順に介挿される。ラジエータ２８の近傍にはラジエータ２８を冷却するための冷却ファン３２が配置される。水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは、水溶液ポンプ２６によってアノード１２ｂに向けて送られ、ラジエータ２８によって冷却され、さらに水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。

一方、燃料電池１２のカソード１２ｃにはエアポンプ３４がエア側パイプ３６を介して接続され、エア側パイプ３６にはエアフィルタ３８が介挿される。したがって、エアポンプ３４からの酸素を含む空気がエアフィルタ３８によって浄化されたのちカソード１２ｃに供給される。

また、アノード１２ｂと水溶液タンク１８とはパイプ４０を介して接続される。これによって、未反応のメタノールを含むメタノール水溶液Ｓとアノード１２ｂで生成された気体（主に二酸化炭素）とがアノード１２ｂから排出され、水溶液タンク１８に与えられる。

さらに、カソード１２ｃにはパイプ４２を介して水タンク４４が接続される。パイプ４２には排気冷却器として機能するラジエータ４６が介挿され、ラジエータ４６の近傍にはラジエータ４６を冷却するための冷却ファン４８が配置される。カソード１２ｃから排出される水分（水および水蒸気）を含む排気がパイプ４２を介して水タンク４４に与えられる。

また、水溶液タンク１８と水タンク４４とはＣＯ₂ベントパイプ５０を介して接続される。図３に示すように、ＣＯ₂ベントパイプ５０の水溶液タンク１８側の端部には、メタノール水溶液Ｓと二酸化炭素とを分離するためのメタノールトラップ５２が設けられる。これによって、水溶液タンク１８から排出される二酸化炭素が水タンク４４に案内される。

水タンク４４には、水位センサ５４が装着され、水タンク４４内の水位が検出される。また、水タンク４４には排気ガスパイプ５６が取り付けられ、水タンク４４から二酸化炭素とカソード１２ｃからの排気とが排出される。

水タンク４４は水還流パイプ５８を介して水溶液タンク１８に接続され、水還流パイプ５８には水ポンプ６０が介挿される。水タンク４４内の水は、水溶液タンク１８内の液量（水位）に応じ必要なときに水ポンプ６０の駆動によって水溶液タンク１８へ還流され、メタノール水溶液Ｓの希釈水として利用される。

また、水溶液パイプ２４において、ラジエータ２８と水溶液フィルタ３０との間には、バイパスパイプ６２が形成される。

図４をも参照して、さらに燃料電池システム１０においては、バイパスパイプ６２にメタノール水溶液Ｓの濃度を検出するための濃度センサ６４が設けられ、燃料電池１２の温度を検出するための温度センサ６６が燃料電池１２に装着され、外気温度を検出するための外気温度センサ６８がエアポンプ３４の近傍に設けられる。

図４に示すように、燃料電池システム１０は制御回路７０を含む。
制御回路７０は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御するＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２にクロック信号を与えるクロック回路７４、ＣＰＵ７２に与えられるクロック信号に基づく経過時間等を格納するための、たとえばＤＲＡＭからなる揮発性メモリ７５、燃料電池システム１０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からなる不揮発性メモリ７６、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ７８、外部機器と接続するためのインターフェイス回路８０、自動二輪車を駆動するモータ２０２に燃料電池１２を接続するための電気回路８２における電圧値を検出するための電圧検出回路８４、電気回路８２を流れる電流値を検出するための電流検出回路８６、電気回路８２を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路８８、電気回路８２の過電圧を防止するための電圧保護回路９０、電気回路８２に設けられるダイオード９２、および電気回路８２に所定の電圧を供給するための電源回路９４を含む。

このような制御回路７０のＣＰＵ７２には、濃度センサ６４、温度センサ６６および外気温度センサ６８からの検出信号が入力され、また水位センサ１５，２２および５４からの検出信号も入力される。さらに、ＣＰＵ７２には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ９６からの検知信号や、各種設定や情報入力のための入力部９８からの信号が与えられる。

また、ＣＰＵ７２によって、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、排気冷却器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が制御される。また、ＣＰＵ７２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１００が制御される。この実施形態では、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量を調整する調整手段がＣＰＵ７２を含んで構成される。

また、燃料電池１２には二次電池１０２および二次電池１０２の蓄電量を検出するための蓄電量検出装置１０３が並列接続される。二次電池１０２および蓄電量検出装置１０３はモータ２０２にも並列接続される。二次電池１０２は、燃料電池１２からの出力を補完するものであり、燃料電池１２からの電気エネルギーによって充電され、その放電によってモータ２０２や補機類に電気エネルギーを与える。蓄電量検出装置１０３からの検出信号はＣＰＵ７２に入力される。

モータ２０２には、モータ２０２の各種データを計測するためのメータ２０４が接続され、メータ２０４によって計測されたデータやモータ２０２の状況は、インターフェイス回路１０４を介してＣＰＵ７２に与えられる。

ここで、図５〜図７を参照して、水溶液タンク１８について詳しく説明する。ちなみに、図５は車両前方左側やや上方から見た水溶液タンク１８を示し、図６は車両前方右側やや下方から見た水溶液タンク１８を示す。したがって、図５と図６とには、それぞれ、水溶液タンク１８の左側面と右側面とが主に示されている。

図５〜図７に示すように、水溶液タンク１８は、平面視および側面視でそれぞれ略矩形状の後部１８ａと後部１８ａから左側に屈曲したのち車両前方側に向けて延ばされた側面視略三角形状の前部１８ｂとを含む。後部１８ａは、左右の寸法（横幅寸法）よりも上下の寸法および前後の寸法が大きく、上下方向および前後方向に延びるように設けられる。つまり、後部１８ａは上下方向および前後方向に細長く設けられる。前部１８ｂは後部１８ａから尖るように車両前方側に延ばされる。したがって、水溶液タンク１８は、全体として上下方向および前後方向に細長く設けられる。水溶液タンク１８は、たとえば樹脂製の中空体であり、ＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型等によって得られる。水溶液タンク１８の容量は２０００ｃｃ程度である。

水溶液タンク１８において前部１８ｂの先端部近傍の前面１８ｃには、ＳＵＳ３０４等からなる導入パイプ１０５が嵌通するように取り付けられる。円筒状パイプである導入パイプ１０５は、下方に向けて延びたのち屈曲して水平方向車両後方側に延びる。言い換えれば、導入パイプ１０５は、下方に向けて延びたのち屈曲して水溶液タンク１８の長手方向車両後方側に延びる。水平方向車両後方側に延ばされた導入パイプ１０５は、前部１８ｂの先端部近傍の前面１８ｃに貫入し、前部１８ｂ内に設けられる貫入部１０５ａを有する。貫入部１０５ａは前部１８ｂ内で水平方向車両後方側に延び、貫入部１０５ａにはその端部を切り欠いて導入口１０７が設けられる。導入口１０７は、略半円形状の端口１０７ａと上方側に開口し車両後方側に延びる開放部（切り欠き部）１０７ｂとからなる。

導入パイプ１０５にはパイプ４０が接続される（図３参照）。したがって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素は、パイプ４０および導入パイプ１０５を順に通って導入口１０７から水溶液タンク１８内に導入される。導入口１０７が開放部１０７ｂを有することによって、メタノール水溶液Ｓとともに導入パイプ１０５内を流通する二酸化炭素を開放部１０７ｂで分離させることができる。これによって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓの流れを穏やかにでき、水溶液タンク１８内に静穏に導入できる。したがって、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの撹拌を抑制することができる。開放部１０７ｂが無い場合、導入パイプ内を二酸化炭素とともに流通したメタノール水溶液Ｓが導入口から間欠的に勢いよく吐出され、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓを撹拌してしまう。アノード１２ｂから還流してくるメタノール水溶液Ｓは、主に端口１０７ａ近傍から水溶液タンク１８内に導入される。

また、前部１８ｂの先端部近傍の上面には、水溶液タンク１８内から二酸化炭素を排出するための排出パイプ１０９が嵌通するように取り付けられる。図５〜図７からわかるように排出パイプ１０９の排出口１０９ａは貫入部１０５ａ（開放部１０７ｂ）の上方に設けられる。排出パイプ１０９にはメタノールトラップ５２を介してＣＯ₂ベントパイプ５０が接続される（図３参照）。したがって、水溶液タンク１８内の二酸化炭素は、排出口１０９ａから排出パイプ１０９内に流入し、メタノールトラップ５２とＣＯ₂ベントパイプ５０とを順に通って水タンク４４に与えられる。

図６に示すように、前部１８ｂの右側面には、水溶液タンク１８内の液面の高さ（水位）を検出するための検出手段である水位センサ２２が設けられる。図５および図７に示すように、フロートセンサである水位センサ２２は、水溶液タンク１８内に突入する本体２２ａと水溶液タンク１８内において本体２２ａに取り付けられるフロート部２２ｂとを含む。水位センサ２２では、フロート部２２ｂが浮動することによって、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの液面の高さを検出できる。言い換えれば、浮動するフロート部２２ｂの位置に基づいて水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量を検出できる。図７に示すように、フロート部２２ｂが浮動する範囲は導入口１０７の上端Ａ１と下端Ａ２との範囲を含む。

水溶液タンク１８において後部１８ａの下端部近傍の前面１８ｃには、ＳＵＳ３０４等からなる排出パイプ１１１が嵌通するように取り付けられる。排出パイプ１１１には水溶液パイプ２４が接続される（図３参照）。したがって、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは、排出パイプ１１１および水溶液パイプ２４を順に通ってアノード１２ｂに与えられる。

後部１８ａの左側面には、ＳＵＳ３０４等からなる燃料導入パイプ１１３と水導入パイプ１１５とがそれぞれ嵌通するように取り付けられる。図６に示すように、円筒状パイプである燃料導入パイプ１１３には、水溶液タンク１８内に配置される燃料導入口１１３ａが設けられる。同様に、円筒状パイプである水導入パイプ１１５には、水溶液タンク１８内に配置される水導入口１１５ａが設けられる。

燃料導入パイプ１１３は、後部１８ａの左側面において車両後方側端部近傍に取り付けられる。燃料導入パイプ１１３の燃料導入口１１３ａは、導入口１０７に対して垂直方向および水平方向に離間され、導入口１０７の後方斜め下方かつ水溶液タンク１８内の液面よりも下方に配置される。また、水導入パイプ１１５は、後部１８ａの左側面において車両前方側端部近傍かつ上端部近傍に取り付けられる。図７に示すように、水導入パイプ１１５の水導入口１１５ａは、導入口１０７から水導入口１１５ａまでの距離と燃料導入口１１３ａから水導入口１１５ａまでの距離とが導入口１０７から燃料導入口１１３ａまでの距離よりも短くなるように配置される。ここでは、水溶液タンク１８内の液面に垂直な方向から見て、前後方向（水溶液タンク１８の長手方向）で導入口１０７と燃料導入口１１３ａとの間に水導入口１１５ａが配置される。

燃料導入パイプ１１３には燃料供給パイプ１６が接続され、水導入パイプ１１５には水還流パイプ５８が接続される（図３参照）。したがって、燃料タンク１４からのメタノール燃料Ｆは、燃料供給パイプ１６および燃料導入パイプ１１３を順に通って燃料導入口１１３ａから水溶液タンク１８内に導入される。また、水タンク４４からの水は、水還流パイプ５８および水導入パイプ１１５を順に通って水導入口１１５ａから水溶液タンク１８内に導入される。水タンク４４はラジエータ４６によって冷却された水を収容しているので、水タンク４４からの水はアノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓよりも大幅に温度が低くなっている。

このような燃料電池システム１０の運転時の動作について説明する。
燃料電池システム１０は、図示しないメインスイッチがオンされることを契機として、水溶液ポンプ２６やエアポンプ３４等の補機類を駆動し、運転を開始する。

発電開始時には、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが水溶液ポンプ２６の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、ラジエータ２８を経由して、水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。一方、酸素を含む空気がエアポンプ３４の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、エアフィルタ３８によって浄化されカソード１２ｃに供給される。

燃料電池１２のアノード１２ｂでは、メタノール水溶液Ｓのメタノールと水とが電気化学反応して二酸化炭素と水素イオンとが生成され、生成された水素イオンは、電解質１２ａを通ってカソード１２ｃに流入する。この水素イオンがカソード１２ｃに供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、水（水蒸気）と電気エネルギーとが生成される。アノード１２ｂからは、メタノール水溶液Ｓとアノード１２ｂで生成された二酸化炭素とが排出される。アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素は、パイプ４０および導入パイプ１０５を順に通って導入口１０７から水溶液タンク１８内に導入される。発電中には、たとえば、１分あたり２０００ｃｃ程度のメタノール水溶液Ｓと１分あたり４０００ｃｃ程度の二酸化炭素とが導入口１０７から水溶液タンク１８内に導入される。導入口１０７から水溶液タンク１８内に導入されるメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素の温度は、燃料電池１２での電気化学反応に伴ってメタノールの沸点（約６５℃）近くまで上昇している。主に開放部１０７ｂから水溶液タンク１８内に放出された二酸化炭素は、開放部１０７ｂの上方に位置する排出口１０９ａから排出パイプ１０９内に速やかに流れる（案内される）。これによって、水溶液タンク１８内における高温の二酸化炭素の滞留時間を短くでき、水溶液タンク１８内の温度上昇、ひいてはメタノールの気化を抑制することができる。そして、排出パイプ１０９内に流入した二酸化炭素は、メタノールトラップ５２とＣＯ₂ベントパイプ５０とを順に通って水タンク４４に与えられ、排気ガスパイプ５６から排出される。

一方、燃料電池１２のカソード１２ｃで生成された水蒸気の一部は液化して水となって排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード１２ｃから排出された水蒸気の大部分は、ラジエータ４６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４６による水蒸気の液化動作は、冷却ファン４８を動作させることによって行われる。カソード１２ｃからの水分（水および水蒸気）ならびに未反応の空気はパイプ４２を通って水タンク４４に与えられる。また、水のクロスオーバーによってカソード１２ｃに移動した水がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。さらに、メタノールのクロスオーバーによってカソード１２ｃで生成された水と二酸化炭素がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。

なお、水のクロスオーバーとは、アノード１２ｂで生成された水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、数モルの水がカソード１２ｃへ移動する現象である。メタノールのクロスオーバーとは、水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、メタノールがカソード１２ｃへ移動する現象である。カソード１２ｃにおいて、メタノールはエアポンプ３４から供給される空気と反応して水と二酸化炭素とに分解される。

水タンク４４内の水は、水ポンプ６０の駆動によって水還流パイプ５８および水導入パイプ１１５を順に通って、前後方向で導入口１０７と燃料導入口１１３ａとの間に配置される水導入口１１５ａから水溶液タンク１８内に導入される。水導入口１１５ａから水溶液タンク１８内に導入される水の温度は４０℃程度である。したがって、水導入口１１５ａからの水は、実質的に、導入口１０７からのメタノール水溶液Ｓと燃料導入口１１３ａからのメタノール燃料Ｆとを水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓ中で仕切る仕切板（温度の壁）として機能する。これによって、燃料導入口１１３ａからのメタノール燃料Ｆが導入口１０７からの高温のメタノール水溶液Ｓに直接触れることがなく、メタノールの気化を抑制できる。

また、図７に示すように、運転中の燃料電池システム１０において、メタノール水溶液Ｓの液面の高さを導入口１０７の上端Ａ１と下端Ａ２との間に保つように、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量が調整される。水溶液タンク１８内の液量の調整は、水位センサ２２が検出した水溶液タンク１８内の液量に基づいて、ＣＰＵ７２が燃料ポンプ２０と水ポンプ６０とを駆動させることによって行われる。つまり、水位センサ２２の検出結果に基づいて、ＣＰＵ７２が燃料ポンプ２０と水ポンプ６０とに指示を与え、水溶液タンク１８内の液面の高さを導入口１０７の上端Ａ１と下端Ａ２との間に保つようにメタノール燃料Ｆと水とを供給（補給）することによって行われる。水タンク４４内に収容された水（燃料電池１２で生成された水）を水ポンプ６０によって還流させることで、外部から水を補給する必要がなく、効率的に水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量を調整できる。水溶液タンク１８に供給されるメタノール燃料Ｆと水との比率は、ＣＰＵ７２によって、メタノール水溶液Ｓが所定の濃度になるように調整される。具体的には、メタノール水溶液Ｓが３ｗｔ％程度のメタノールを含むように調整される。

このような燃料電池システム１０では、水溶液タンク１８内において、燃料導入口１１３ａが導入口１０７に対して後方斜め下方に配置され、燃料導入口１１３ａからメタノール水溶液Ｓ中にメタノール燃料Ｆを流入させる。これによって、燃料導入口１１３ａからのメタノール燃料Ｆが導入口１０７からのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素に直接触れて撹拌および加熱されることを抑制できる。また、燃料導入口１１３ａから水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓ中にメタノール燃料Ｆを流入させることによって、メタノール燃料Ｆを上方から液面に流下させる場合と比べて、メタノール燃料Ｆを静穏に水溶液タンク１８内に導入でき、水溶液タンク１８内での撹拌を抑制できる。したがって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素とともにメタノール燃料Ｆを水溶液タンク１８内に導入しつつも水溶液タンク１８内におけるメタノールの気化を抑えることができる。

水導入口１１５ａからの水が水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓ中で温度の壁となるので、より一層、燃料導入口１１３ａからのメタノール燃料Ｆが導入口１０７からのメタノール水溶液Ｓによって加熱されることを抑制できる。

また、燃料電池システム１０では、水溶液タンク１８内の液面の高さが導入口１０７の上端Ａ１と下端Ａ２との間に保たれる。これによって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓを導入口１０７の端口１０７ａ近傍から水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓ中に静穏に流入させ、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが撹拌されることを抑制できる。また、アノード１２ｂからの二酸化炭素を導入口１０７の開放部１０７ｂから水溶液タンク１８内の液面上の空間に流入させ、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが撹拌されることを抑制できる。したがって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素を水溶液タンク１８内に導入しつつも水溶液タンク１８内におけるメタノールの気化を抑えることができる。

また、貫入部１０５ａが水平方向に延びるように設けられることによって、貫入部１０５ａ内でアノード１２ｂからの二酸化炭素とメタノール水溶液Ｓとがそれぞれ上下に分離しやすくなり、水溶液タンク１８内の液面上の空間に二酸化炭素が流入しやすくなる。したがって、より一層、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓがアノード１２ｂからの二酸化炭素によって撹拌されることを抑制できる。

上述のような全体として上下方向および前後方向に細長い水溶液タンク１８であれば、小型であっても、上下方向および前後方向に導入口１０７と燃料導入口１１３ａとを離間させやすいので、メタノールの気化を抑えやすい。

この発明は、水溶液タンク１８内におけるメタノールの気化を抑えることができるので、燃料電池システム１０のように、５０℃以上で定常的に発電可能な燃料電池が用いられる燃料電池システムにおいて有効である。

さらに、この発明は、水溶液タンク１８内におけるメタノールの気化を抑えることができるので、小型の水溶液タンクが用いられメタノールが気化しやすい輸送機器において有効である。燃料電池システムを配置する空間が狭く、より小さな水溶液タンクを用いることが要求される自動二輪車に特に有効である。

ついで、この発明の他の実施形態の燃料電池システム１０ａについて説明する。
図８および図９を参照して、燃料電池システム１０ａでは、燃料電池システム１０における導入パイプ１０５に代えて、導入パイプ２００が用いられる。それ以外は、燃料電池システム１０と同様に構成されるので、重複する説明は省略する。

ＳＵＳ３０４等からなる導入パイプ２００は、水溶液タンク１８において前部１８ｂの先端部近傍の前面１８ｃに嵌通するように取り付けられる。導入パイプ２００は、下方に向けて延びたのち屈曲して水平方向車両後方側に延びる。導入パイプ２００は、屈曲して前部１８ｂの先端部近傍の前面１８ｃに貫入する円筒部２００ａと前部１８ｂ内に設けられ水平方向車両後方側に延びる導入部２００ｂとを含む。図９に示すように、車両後方側に向けて断面積が拡大される導入部２００ｂには、その車両後方側端部に略半円形状の導入口２０２が設けられる。導入口２０２の開口面積は、円筒部２００ａの開口面積よりも大きく設定される。円筒部２００ａにはパイプ４０が接続される。

図１０（ａ）〜図１０（ｄ）をも参照して、水溶液タンク１８内に貫入する円筒部２００ａに対して、導入部２００ｂは、導入口２０２に近づくにつれて左右および下方に拡がり断面積が大きくなるように設けられる。具体的に、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）に示すように、導入部２００ｂは、導入口２０２近傍から導入口２０２に至るまでの断面形状が下側円弧の略半円形状になるように設けられる。言い換えれば、導入部２００ｂは、導入口２０２近傍から導入口２０２に至るまでの断面の上側の横幅寸法（天板の横幅寸法）が大きくなるように設けられる。これによって、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に示すように、導入パイプ２００内では、導入口２０２に近づくにつれてアノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓと二酸化炭素との流速が低下する。また、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓと二酸化炭素とを分離する領域を拡大できる。したがって、図１０（ａ）の水溶液タンク１８内に配置される円筒部２００ａよりも、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）の導入部２００ｂではメタノール水溶液Ｓに含まれる二酸化炭素を分離しやすくなる。つまり、導入部２００ｂ内では、二酸化炭素とメタノール水溶液Ｓとがそれぞれ上下に分離しやすくなる。

アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓは導入口２０２の下側から水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓ中に流入し、アノード１２ｂからの二酸化炭素は導入口２０２の上側から水溶液タンク内の液面上の空間に流入する。

このような燃料電池システム１０ａでは、導入パイプ２００に導入部２００ｂが設けられることによって、導入パイプ２００内を通るアノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素の流速が導入口２０２に近づくにつれて低下する。したがって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素を静穏に水溶液タンク１８内に導入でき、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが撹拌されることを抑制できる。

また、導入部２００ｂ内において、メタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素の流速が導入口２０２に近づくにつれて低下することによって、メタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素の滞留時間が長くなり、メタノール水溶液Ｓと二酸化炭素との分離が促進される。天板の横幅寸法が大きくなるように導入部２００ｂが設けられるので、導入部２００ｂ内で二酸化炭素とメタノール水溶液Ｓとを分離する領域が大きくなり、それぞれ上下に分離しやすくなる。このように、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓと二酸化炭素とを導入部２００ｂ内で分離させることによって、二酸化炭素を含んだメタノール水溶液Ｓが導入口２０２から間欠的に吐出されるといったことがない。したがって、アノード１２ｂからのメタノール水溶液Ｓおよび二酸化炭素を静穏に水溶液タンク１８内に導入でき、より一層、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが撹拌されることを抑制できる。

なお、導入パイプ２００の導入部２００ｂの天板に切り欠き部を設けるようにしてもよい。これによって、より一層、水溶液タンク１８内の液面上の空間に二酸化炭素が流入しやすくなる。

また、上述の導入パイプ２００では、車両後方側に向けて断面積が拡大される導入部２００ｂについて説明した。しかし、これに限定されず、導入パイプにおいて、導入部の少なくとも一部で円筒部よりも断面積が大きくなっていればよい。

上述の実施形態では、導入パイプ１０５（２００）、燃料導入パイプ１１３および水導入パイプ１１５にそれぞれ導入口１０７（２０２）、燃料導入口１１３ａおよび水導入口１１５ａが設けられる場合について説明した。しかし、これに限定されず、たとえば、水溶液タンク１８の内壁に導入口、燃料導入口および水導入口を設けるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、燃料としてメタノール、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いる場合について説明したが、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、燃料としてエタノール等のアルコール系の水溶液を用いてもよい。

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も好適に用いることができる。

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。

この発明の燃料電池システムの要部を示す図解図である。 自動二輪車のフレームに燃料電池システムを搭載した状態を示す斜視図である。 自動二輪車のフレームに搭載される燃料電池システムの要部を示す図解図である。 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。 アノードからのメタノール水溶液および気体を導入するための導入パイプの一例およびそれが取り付けられた水溶液タンクを示す左側斜視図である。 アノードからのメタノール水溶液および気体を導入するための導入パイプの一例およびそれが取り付けられた水溶液タンクを示す右側斜視図である。 アノードからのメタノール水溶液および気体を導入するための導入パイプの一例およびそれが取り付けられた水溶液タンクの一部断面を示す左側面図である。 アノードからのメタノール水溶液および気体を導入するための導入パイプの他の例およびそれが取り付けられた水溶液タンクの一部断面を示す左側面図である。 図８の導入パイプを示す斜視図である。 図８の導入パイプの端面を示し、（ａ）はＸ１−Ｘ１（図９）端面図であり、（ｂ）はＸ２−Ｘ２（図９）端面図であり、（ｃ）はＸ３−Ｘ３（図９）端面図であり、（ｄ）は導入口の端面図である。

符号の説明

１０，１０ａ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１２ｂ アノード
１４ 燃料タンク
１５，２２，５４ 水位センサ
１８ 水溶液タンク
１８ａ 後部
１８ｂ 前部
２０ 燃料ポンプ
４４ 水タンク
６０ 水ポンプ
７２ ＣＰＵ
１０５，２００ 導入パイプ
１０７，２０２ 導入口
１０７ａ 端口
１０７ｂ 開放部
１０９，１１１ 排出パイプ
１０９ａ 排出口
１１３ 燃料導入パイプ
１１３ａ 燃料導入口
１１５ 水導入パイプ
１１５ａ 水導入口
３００ 車体フレーム
Ｆ メタノール燃料
Ｓ メタノール水溶液

Claims (7)

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、
   前記燃料電池に供給すべき燃料水溶液を収容するタンク、
   前記タンク内の前記燃料水溶液の量を検出する検出手段、
   前記燃料電池からの燃料水溶液と気体とを前記タンク内に導入する導入口、
   前記タンクに設けられ前記導入口につながる導入パイプ、および
   前記検出手段の検出結果に基づいて前記タンク内の液面の高さを前記導入口の上端と下端との間に保つように前記タンク内の前記燃料水溶液の量を調整する調整手段を備える、燃料電池システム。
2. 電気化学反応に伴って前記燃料電池で生成される水を前記タンクに供給することによって前記タンク内の前記燃料水溶液の量が調整される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記導入パイプは前記導入口近傍で水平方向に延びるように設けられる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記導入パイプは前記タンク内に臨むように設けられ、前記導入口は前記タンク内の前記導入パイプに設けられる切り欠き部を含む、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記導入パイプは前記タンク内に臨むように設けられ、前記タンクの壁面近傍よりも前記導入口側の少なくとも一部で前記導入パイプの断面積が拡大される、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記タンク内から前記気体を排出するために前記導入口の上方に設けられる排出口をさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムを用いた、輸送機器。
   

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