JP4550491B2

JP4550491B2 - 燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器

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Publication number: JP4550491B2
Application number: JP2004177649A
Authority: JP
Inventors: 恭行村松; 昌嗣大石
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: JP2006004680A

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、燃料電池から排出される液体を回収する燃料電池システムおよびそれを用いた二輪車等の輸送機器に関する。

一般に、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される液体を回収する技術が提案されている。たとえば特許文献１には、燃料電池システムの発電終了時に水タンク内に収容された水をメタノール水溶液を収容する水溶液タンクに移す技術が開示されている。

また、燃料電池に空気を供給するエアポンプの駆動に伴って燃料電池から排出される排気ガスを水と共に水タンク内に導入する燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、水を水タンク内に収容し、排気ガスを水タンクに設けられる排出口から排出する。
特開２０００−２１４３０号

特許文献１の技術では、水タンク内の水を水溶液タンクに移しかつ不要な水を排出することで水タンク内は発電終了時に空の状態となるが、その後、燃料電池内に残っている水分が燃料電池からしみ出し、水タンク内に溜まっていく。排気ガスを水タンクの排出口から排出する場合、発電終了後に水タンク内に収容された水が次回の発電開始時にエアポンプの駆動に伴って水タンク内に導入される排気ガスの旋回流によって掻き上げられ、排出口から排出されてしまう恐れがあった。その結果、発電に水が必要な燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水を有効に再利用できない恐れがあった。

また、燃料電池システムでは、発電終了後に電解質が乾燥しないように水が燃料電池に供給され、発電終了後に燃料電池からクロスオーバーによってしみ出す水が水タンク内に保存される。特に、燃料にメタノールを用いる燃料電池システムでは、電解質の保湿のために、発電終了後にメタノール水溶液を燃料電池に供給するものもあり、この場合、次回の発電開始時にメタノール水溶液が排出され、メタノール利用率を低下させる恐れがあった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できる、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、アノードとカソードとを含み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、燃料電池のカソードに電気エネルギーの生成に必要な空気を供給するエアポンプ、エアポンプの駆動に伴って燃料電池のカソードから排出される液体および排気ガスが導入される第１タンク、第１タンクに設けられ第１タンク内に導入される排気ガスを第１タンク内から排出するための排出口、第１タンク内の液量を検出するセンサ、第１タンク内の液体が移される第２タンク、第１タンク内の液体を第２タンクに移す液体ポンプ、ならびに発電開始前にセンサによって検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合エアポンプの駆動前に第１タンク内の液体を液体ポンプによって第２タンクに移す処理を実行する制御手段を備える。

請求項２に記載の燃料電池システムは、アノードとカソードとを含み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、燃料電池のカソードに電気エネルギーの生成に必要な空気を供給するエアポンプ、エアポンプの駆動に伴って燃料電池のカソードから排出される液体および排気ガスが導入される第１タンク、第１タンクに設けられ第１タンク内に導入される排気ガスを第１タンク内から排出するための排出口、第１タンク内の液量を検出するセンサ、第１タンク内の液体が移される第２タンク、第１タンク内の液体を第２タンクに移す液体ポンプ、ならびにエアポンプの停止に伴う発電停止後にセンサによって検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合第１タンク内の液体を液体ポンプによって第２タンクに移す処理を実行する制御手段を備える。

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、制御手段は発電停止後にセンサによって検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合第１タンク内の液体を液体ポンプによって第２タンクに移す処理を実行す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２または３に記載の燃料電池システムにおいて、制御手段は発電停止後にセンサによって検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合第１タンク内の液体を液体ポンプによって第２タンクに移す処理を所定時間毎に実行す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、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、第２タンクは燃料電池に供給すべきメタノール水溶液を収容する水溶液タンクであ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５に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池が水溶液タンクよりも下方に設けられ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において、直接メタノール型燃料電池システムであることを特徴とする。

請求項８に記載の輸送機器は、請求項１から７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、発電開始前に検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合、エアポンプの駆動に伴う排気ガスによって排出口から排出されるであろう第１タンク内の液体がエアポンプの駆動前に第２タンクに移される。したがって、発電開始時おける排出口からの液体の排出を抑制し、燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できる。

請求項２に記載の燃料電池システムでは、発電終了後に検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合、次回の発電開始時にエアポンプの駆動に伴う排気ガスによって排出口から排出されるであろう第１タンク内の液体が第２タンクに移される。したがって、次回の発電開始時おける排出口からの液体の排出を抑制し、燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できる。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、発電開始前に加えて、発電終了後に検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合、エアポンプの駆動に伴う排気ガスによって排出口から排出されるであろう第１タンク内の液体が第２タンクに移される。したがって、発電終了前に燃料電池から排出された液体および発電終了後に燃料電池からしみ出す液体の排出口からの排出を抑制し、より確実に燃料電池から排出される液体を再利用できる。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、発電終了後の所定時間毎に検出される第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合、その度に第１タンク内の液体が第２タンクに移される。言い換えれば、発電終了後の所定時間毎に第１タンク内の液量が所定量を超えないように調整する。したがって、発電終了後に燃料電池からしみ出す液体が第１タンクの排出口にまで及んで排出されることがなく、発電終了後に燃料電池からしみ出す液体を確実に再利用できる。

請求項５に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に供給するメタノール水溶液を収容する水溶液タンクを第２タンクとすることで、別途第２タンクを設ける必要がなく、システムを大型化せずとも燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できる。

この発明は、発電終了後に燃料電池からしみ出す液体をも無駄なく有効に再利用できるので、請求項６に記載するように、燃料電池が水溶液タンクよりも下方に設けられ、発電終了後であっても燃料電池にメタノール水溶液が供給される燃料電池システムのメタノール利用率を低下させることがない。

直接メタノール型燃料電池システムでは、燃料電池にメタノール水溶液が直接供給されるので改質器が不要となり、システムの構成を簡略化できる。このような理由から、直接メタノール型燃料電池システムは、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。直接メタノール型燃料電池システムひいては直接メタノール型料電池システムが用いられる機器の携帯性の向上のためには、発電に必要な物質を外部からの供給に頼ることなく、できる限り燃料電池システム内で賄う必要がある。この発明は、燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できるので、請求項７に記載するように携帯性を要する機器に好適に用いられる直接メタノール型燃料電池システムにおいて特に有効となる。

上述の燃料電池システムは燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できるので、請求項８に記載するように液体の確保が難しい輸送機器に好適に用いられる。

この発明によれば、燃料電池から排出される液体を無駄なく有効に再利用できる。

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２００のみを示す。燃料電池システム１０は車体フレーム２００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は燃料電池１２を含む。燃料電池１２は、電解質である固体高分子膜１２ａと固体高分子膜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とを含む複数の直接メタノール型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。

また、燃料電池システム１０は、高濃度のメタノール燃料（メタノールを約５０ｗｔ％程度含む水溶液）Ｆを収容する燃料タンク１４を含み、燃料タンク１４は燃料供給パイプ１６を介してメタノール水溶液Ｓが収容される水溶液タンク１８に接続される。燃料供給パイプ１６には燃料ポンプ２０が介挿され、燃料ポンプ２０の駆動によって燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆが水溶液タンク１８に供給される。燃料タンク１４には水位レベルセンサ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には水位レベルセンサ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、冷却ファン２８を有する熱交換器３０および水溶液フィルタ３２が順に介挿される。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の駆動によってアノード１２ｂに向けて供給され、必要に応じて熱交換器３０によって冷却され、さらに水溶液フィルタ３２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に与えられる。

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、アノード１２ｂから排出される未反応のメタノール水溶液Ｓや生成された二酸化炭素が水溶液タンク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には冷却ファン４６を有する気液分離器４８が介挿される。エアポンプ３４の駆動によってカソード１２ｃから水分を含む排気ガスが排出され、パイプ４２を経由して水タンク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。ＣＯ₂ベントパイプ５０にはメタノール水溶液Ｓを分離するためのメタノールトラップ５２が介挿される。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に与えられる。

水タンク４４には、水位レベルセンサ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、排気ガスパイプ５６から二酸化炭素とカソード１２ｃからの排気ガスとが排出される。

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内の水分は、水ポンプ６０の駆動によって水溶液タンク１８へ適宜還流される。なお、この実施形態では、水タンク４４が第１タンクに相当し、水溶液タンク１８が第２タンクに相当する。

また、水溶液パイプ２４において、熱交換器３０と水溶液フィルタ３２との間には、バイパスパイプ６２が形成される。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近傍に設けられる。

図２および図３からわかるように、燃料電池システム１０では、燃料電池１２が水溶液タンク１８よりも下方に配置され、発電終了後であっても水溶液タンク１８からメタノール水溶液Ｓが重力によって流下するように構成される。発電終了後、水溶液ポンプ２６は動作していないが、水溶液ポンプ２６によって水溶液タンク１８から流下するメタノール水溶液Ｓを完全に遮断できない。水溶液タンク１８から流下するメタノール水溶液Ｓは、水溶液ポンプ２６を通過し、水溶液パイプ２４を満たし、アノード１２ｂに供給される。アノード１２ｂおよびパイプ４０を満たすメタノール水溶液Ｓは、パイプ４０を経由して水溶液タンク１８に戻る。

このように、発電終了後であってもアノード１２ｂにメタノール水溶液Ｓを供給することで固体高分子膜１２ａを保湿し、発電停止時の固体高分子膜１２ａのイオン伝導性の低下を防止している。また、固体高分子膜１２ａを保湿することによって、乾燥によるひび割れ等の固体高分子膜１２ａの劣化を防止している。発電終了後にアノード１２ｂに供給されるメタノール水溶液Ｓの一部は、固体高分子膜１２ａからのクロスオーバーによって、カソード１２ｃから排出され、水タンク４４に収容される。

また、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の動作を制御するためのＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２に通常モード用クロックを与える通常モード用クロック回路７４、ＣＰＵ７２に通常モード用クロックより遅い低消費モード用クロックを与える低消費モード用クロック回路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、電気回路８２に通常モード用電圧を供給するための電源回路９４、および電気回路８２に低消費モード用電圧を供給するための電源回路９５を含む。

このような制御回路７０のＣＰＵ７２には、水位レベルセンサ１５，２２および５４からの検出信号が入力され、また濃度センサ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る。また、ＣＰＵ７２には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ９６からの検知信号が入力される。さらに、ＣＰＵ７２には、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。入力部９８からは、たとえば図示しないメインスイッチへのＯＮ／ＯＦＦ操作に伴って、発電開始または発電終了の契機となる信号がＣＰＵ７２に与えられる。

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２８、気液分離器用冷却ファン４６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。

また、燃料電池１２には二次電池１０２が並列接続される。二次電池１０２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。

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。

なお、この実施形態では、ＣＰＵ７２が制御手段に相当する。また、この実施形態では、図７および図８に示す動作を実行するためのプログラムおよびデータがメモリ７６に記憶される。

ここで、水タンク４４について詳しく説明する。
図２および図３に示すように、水タンク４４は、たとえばＦＲＰからなり、車体フレーム２００における配置箇所に対応するように小型に構成されかつその上部より下部の方を膨出させて構成される。水タンク４４の容積は約５００ｃｃ程度である。

図５および図６を参照して、水タンク４４には、それぞれたとえばＳＵＳ３０４等からなる導入パイプ１０６，１０８および排出パイプ１１０，１１２が嵌通するように取り付けられる。

導入パイプ１０６は、水タンク４４の前面やや上部から水タンク４４内に嵌通する円筒部１０６ａと水タンク４４内において下方に屈曲する略ラッパ状の拡開部１０６ｂとからなる。拡開部１０６ｂの導入口１１４ｂの開口面積は、円筒部１０６ａの入口１１４ａのそれより大きく設定される。円筒部１０６ａにはパイプ４２が接続される。

排出パイプ１１０は、水タンク４４の背面から水タンク４４内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク４４内において導入パイプ１０６の拡開部１１４ｂの上方に排出口１１５が位置するように設けられる。このように水タンク４４内において導入口１１４ｂと排出口１１５とが対向しないように、拡開部１０６ｂと排出パイプ１１０とが配置される。排出パイプ１１０には排気ガスパイプ５６が接続される。

導入パイプ１０８は、水タンク４４の上面角部から水タンク４４内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク４４内において排出パイプ１１０の上方に配置される。導入パイプ１１８にはＣＯ₂ベントパイプ５０が接続される。
排出パイプ１１２は、水タンク４４の背面かつ底面近傍から水タンク４４内に嵌通する円筒状パイプであり、排出パイプ１１２には水還流パイプ５８が接続される。

したがって、カソード１２ｃからの水分を含む排気ガスはパイプ４２を経由し導入パイプ１０６から水タンク４４内に導入される。水溶液タンク１８、ＣＯ₂ベントパイプ５０を経由した二酸化炭素は、導入パイプ１０８から水タンク４４内に導入される。水タンク４４内の水分は、排出パイプ１１２を経由して水還流パイプ５８に流入する。水タンク４４内の二酸化炭素を含む排気ガスは排出パイプ１１０および排気ガスパイプ５６を通って外部に放出される。

また、拡開部１０６ｂの下方には、水タンク４４内の水位を検出するためのたとえばフロートセンサからなる水位レベルセンサ５４が設けられる。図６に示すように、水位レベルセンサ５４は、センサ本体５４ａとセンサ本体５４ａに取り付けられるフロート部５４ｂとを含む。水位レベルセンサ５４では、水タンク４４内の水位の変化に伴ってフロート部５４ｂが浮動することで水タンク４４内の水位を検出できる。言い換えれば、水位レベルセンサ５４では、浮動するフロート部５４ｂの位置に基づいて水タンク４４内の液量（水量）を検出できる。

このような燃料電池システム１０の発電時の動作の一例について説明する。
発電開始時には、水溶液タンク１８内に収容されたメタノール水溶液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、必要に応じて熱交換器３０で冷却され、水溶液フィルタ３２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、固体高分子膜１２ａを通ってカソード１２ｃに流入する。この水素イオンは、カソード１２ｃに供給された空気中の酸素と電気化学反応して、水と電気エネルギーとが生成される。

燃料電池１２のアノード１２ｂで生成された二酸化炭素はパイプ４０、水溶液タンク１８、ＣＯ₂ベントパイプ５０および排出パイプ１０８を通って水タンク４４に与えられ、排出パイプ１１０を介して排気ガスパイプ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大部分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一部は、気液分離器４８で露点を下げることによって液化される。エアポンプ３４の駆動によって排出されるカソード１２ｃからの水分を含む排気ガス（水および水蒸気ならびに未反応の空気）はパイプ４２および導入パイプ１０６を経由して水タンク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で生成された水および二酸化炭素とメタノールとがカソード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に移動したメタノールの大部分はエアポンプ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。

このようなカソード１２ｃからの水分（水、水蒸気およびメタノール）を含む排気ガスは、エアポンプ３４の駆動によって導入パイプ１０６の導入口１１４ｂから図５において矢印Ｗで示すように水タンク４４内に導入される。このとき、水タンク４４内には強い旋回流が生じるので、図５において一点差線で示す水面高さＨ１（水量約２５０ｃｃ）以上の水分は旋回流によって掻き上げられ、排出パイプ１１０の排出口１１５から排出される。

水タンク４４に収容された水分は、水ポンプ６０の駆動によって水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に適宜還流され、メタノール水溶液Ｓとして再利用される。外部からの水の供給が必要ないように、燃料電池システム１０ではカソード１２ｃから排出される排気ガスに含まれる水分のうち８０％程度が水タンク４４を経由して水溶液タンク１８に還流される。

気液分離器４８による水蒸気の液化動作は、冷却ファン４６を動作させ露点を下げることによって行われるが、この動作は水タンク４４に設けられた水位レベルセンサ５４からの出力に基づいて制御されてもよい。このようにすれば冷却ファン４６における消費電力を削減できる。

ついで、燃料電池システム１０の発電開始前の動作の一例について説明する。
なお、発電開始前の状態（発電停止状態）においては、低消費モード用のクロック回路７５および電源回路９５を用い燃料電池システム１０の一部が低消費モードで起動されている。「低消費モード」とは、発電停止状態において最低限のシステムを起動させ、各種のチェックモードに移行可能な状態をいう。

図７を参照して、まず、メインスイッチＯＮの信号が入力部９８からＣＰＵ７２に入力されることで（ステップＳ１）、クロック回路および電源回路が通常モード用に切り替えられ通常モードに移行する（ステップＳ３）。そして、電源電圧が立ち上がるまで待機し、安定状態になると水量チェックモードに入り、水位レベルセンサ５４によって水タンク４４内の水量が検出される（ステップＳ５）。

ステップＳ５で検出した水量が予め設定されている第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上の場合（ステップＳ７でＹＥＳの場合）、つづいて水ポンプ６０が駆動され、水タンク４４内の水分が水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ９）。その後、水位レベルセンサ５４の検出する水量が予め設定されている第２所定量（たとえば２２０ｃｃ）になると（ステップＳ１１でＹＥＳ）、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ１３）。

また、ステップＳ９以降において、水位レベルセンサ５４の検出する水量が第２所定量にならずとも（ステップＳ１１でＮＯ）、一定時間（たとえば１分）経過すれば（ステップＳ１５でＹＥＳ）、ステップＳ１３に移る。このように、一定時間経過後に水ポンプ６０を停止させることで、たとえば水位レベルセンサ５４の異常等のために検出する水量がいつまでも第２所定量にならず発電できないといったことがない。一定時間経過するまでは（ステップＳ１５でＮＯ）、引き続きステップＳ９の処理が行われる。

そして、ステップＳ１３の後に、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２８、気液分離器用冷却ファン４６および水ポンプ６０等の補機類が駆動され、上述のようにして発電が行われる（ステップＳ１７）。ステップＳ５で検出した水量が第１所定量未満である場合（ステップＳ７でＮＯの場合）も同様に、ステップＳ１７に移る。

なお、ステップＳ９では二次電池１０２の電力によって水ポンプ６０が駆動されるが、二次電池１０２の残量不足のために、水ポンプ６０を駆動しないと判断することもある。この場合は、燃料電池システム１０がダウンしてしまうことを防止するため、水ポンプ６０を駆動せずに発電へ移行する。発電へも移行できない場合は、人手によって燃料電池システム１０が外部電源に接続され、その後、ステップＳ９以降の処理が行われる。

ついで、燃料電池システム１０の発電終了後の動作の一例について説明する。
図８および図９を参照して、まず、メインスイッチＯＦＦの信号が入力部９８からＣＰＵ７２に入力されることで（ステップＳ１０１）、各種補機類の動作が順次停止され燃料電池システム１０の発電動作が終了する（ステップＳ１０３）。そして、クロック回路および電源回路が低消費モード用に切り替えられ低消費モードに入る（ステップＳ１０５）。その後、入力部９８への入力がなく（ステップＳ１０７でＮＯ）、一定時間（たとえば３０分）経過すると（ステップＳ１０９でＹＥＳ）、クロック回路および電源回路が通常モード用に切り替えられ通常モードに移行する（ステップＳ１１１）。一定時間経過するまでは（ステップＳ１０９でＮＯ）、外部入力を待つ。

ステップＳ１１１の後、電源電圧が立ち上がるまで待機し、安定状態になると水量チェックモードに入り、水位レベルセンサ５４によって水タンク４４内の水量が検出される（ステップＳ１１３）。ステップＳ１１３で検出した水量が予め設定されている第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上の場合（ステップＳ１１５でＹＥＳの場合）、つづいて二次電池１０２の残量が検出される（ステップＳ１１６）。二次電池１０２に水ポンプ６０を駆動可能な電力が残っている場合（ステップＳ１１７でＹＥＳの場合）、つづいて水ポンプ６０が駆動され、水タンク４４内の水分が水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ１１９）。その後、水位レベルセンサ５４の検出する水量が予め設定されている第２所定量（たとえば２２０ｃｃ）になると（ステップＳ１２１でＹＥＳ）、水ポンプ６０が停止され（ステップＳ１２３）、ステップＳ１０５へ戻る。

また、ステップＳ１１６で検出した二次電池１０２の残量では水ポンプ６０を駆動できない場合（ステップＳ１１７でＮＯの場合）およびステップＳ１１３で検出した水量が第１所定量未満である場合（ステップＳ１１５でＮＯの場合）も同様に、ステップＳ１０５へ戻る。

また、ステップＳ１１９以降において、水位レベルセンサ５４の検出する水量が第２所定量にならずとも（ステップＳ１２１でＮＯ）、一定時間（たとえば１分）経過すれば（ステップＳ１２５でＹＥＳ）、ステップＳ１２３に移り、ステップＳ１０５へ戻る。このように、一定時間経過後に水ポンプ６０を停止させることで、たとえば水位レベルセンサ５４の異常等のために検出する水量がいつまでも第２所定量にならず二次電池１０２の電力を浪費してしまうということがない。一定時間経過するまでは（ステップＳ１２５でＮＯ）、引き続きステップＳ１１９の処理が行われる。

また、ステップＳ１０７において入力部９８への入力があり（ＹＥＳであり）、その入力がメインスイッチＯＮである場合（ステップＳ１２７でＹＥＳの場合）、図７の動作のステップＳ３に移る。一方、ステップＳ１２７でＮＯの場合は、その他の処理が行われ（ステップＳ１２９）、その後、再び外部入力を待つ。ステップＳ１２９では、たとえば二次電池１０２への充電処理等が行われる。二次電池１０２への充電処理では、人手によって燃料電池システム１０が外部電源に接続され、二次電池１０２への充電が行われる。

なお、図７〜図９の動作における第１所定量および第２所定量は、第１所定量が第２所定量よりも大であれば任意に設定できる。また、図７〜図９の動作における水ポンプ６０の駆動から停止までの時間、図８および図９の動作の水量チェックモードに入るまでの時間についても任意に設定できる。

このような燃料電池システム１０では、発電開始前に検出される水タンク４４内の水量が第１所定量よりも多い場合、エアポンプ３４の駆動に伴う排気ガスによって排出口１１５から排出されるであろう水タンク４４内の水分がエアポンプ３４の駆動前に水溶液タンク１８に還流される。また、発電終了後の所定時間毎に検出される水タンク４４内の水量が第１所定量よりも多い場合、その度にエアポンプ３４の駆動に伴う排気ガスによって排出口１１５から排出されるであろう水タンク４４内の水分が水溶液タンク１８に還流される。言い換えれば、発電終了後から発電開始前までの所定時間毎に水タンク４４内の水量が第１所定量を超えないように調整される。したがって、発電開始時おける排出口１１５からの水分の排出を抑制し、発電終了前に燃料電池１２から排出された水分に加えて、発電終了後に燃料電池１２からしみ出す水分をも無駄なく有効に再利用できる。

このように、発電開始前に水タンク４４内の水分を水溶液タンク１８へ還流しかつ発電終了後の所定時間毎に水タンク４４内の水分を水溶液タンク１８へ還流できるので、より確実に燃料電池１２から排出される水分を再利用できる。

特に、発電終了後の所定時間毎に水溶液タンク１８に還流できるので、発電終了後に固体高分子膜１２ａの保湿のために供給され、燃料電池１２からしみ出すメタノール水溶液Ｓが排出口１１５にまで及んで排出されてしまうことがなく、メタノール利用率を低下させることがない。

なお、燃料電池システム１０において、図７に示す動作と図８および図９に示す動作とのうちいずれか一方のみを行うようにしてもよい。

また、燃料電池システム１０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、メタノール水蒸気改質器搭載タイプの燃料電池システムや水素を燃料電池に供給する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。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。水タンクおよびその近傍を示す正面図である。水タンクおよびその近傍を示す側面図である。この発明の動作の一例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８の動作の続きを示すフロー図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
１２ａ固体高分子膜
１２ｂアノード
１２ｃカソード
１５，２２，５４水位レベルセンサ
３４エアポンプ
４０，４２パイプ
４４水タンク
５０ＣＯ₂ベントパイプ
５６排気ガスパイプ
５８水還流パイプ
７０制御回路
７２ＣＰＵ
１０６，１０８導入パイプ
１１０，１１２排出パイプ
１１４ｂ導入口
１１５排出口
２００車体フレーム
２０２モータ

Claims

アノードとカソードとを含み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、
前記燃料電池の前記カソードに電気エネルギーの生成に必要な空気を供給するエアポンプ、
前記エアポンプの駆動に伴って前記燃料電池の前記カソードから排出される液体および排気ガスが導入される第１タンク、
前記第１タンクに設けられ前記第１タンク内に導入される排気ガスを前記第１タンク内から排出するための排出口、
前記第１タンク内の液量を検出するセンサ、
前記第１タンク内の液体が移される第２タンク、
前記第１タンク内の液体を前記第２タンクに移す液体ポンプ、ならびに
発電開始前に前記センサによって検出される前記第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合前記エアポンプの駆動前に前記第１タンク内の液体を前記液体ポンプによって前記第２タンクに移す処理を実行する制御手段を備える、燃料電池システム。
アノードとカソードとを含み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、
前記燃料電池の前記カソードに電気エネルギーの生成に必要な空気を供給するエアポンプ、
前記エアポンプの駆動に伴って前記燃料電池の前記カソードから排出される液体および排気ガスが導入される第１タンク、
前記第１タンクに設けられ前記第１タンク内に導入される排気ガスを前記第１タンク内から排出するための排出口、
前記第１タンク内の液量を検出するセンサ、
前記第１タンク内の液体が移される第２タンク、
前記第１タンク内の液体を前記第２タンクに移す液体ポンプ、ならびに
前記エアポンプの停止に伴う発電停止後に前記センサによって検出される前記第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合前記第１タンク内の液体を前記液体ポンプによって前記第２タンクに移す処理を実行する制御手段を備える、燃料電池システム。
前記制御手段は発電停止後に前記センサによって検出される前記第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合前記第１タンク内の液体を前記液体ポンプによって前記第２タンクに移す処理を実行する、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は発電停止後に前記センサによって検出される前記第１タンク内の液量が所定量よりも多い場合前記第１タンク内の液体を前記液体ポンプによって前記第２タンクに移す処理を所定時間毎に実行する、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
前記第２タンクは前記燃料電池に供給すべきメタノール水溶液を収容する水溶液タンクである、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池が前記水溶液タンクよりも下方に設けられる、請求項５に記載の燃料電池システム。
直接メタノール型燃料電池システムである、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
請求項１から７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。