JPWO2006025321A1 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

燃料の利用効率を悪化することなく燃料電池に供給される燃料水溶液の所定温度までの昇温時間を短くすることができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。燃料電池システム１０は、アノード１２ｂを有する燃料電池１２を含む。燃料供給手段４１によって燃料電池１２のアノード１２ｂにメタノール水溶液Ｓが循環供給される。燃料供給手段４１はメタノール水溶液Ｓを収容する水溶液タンク１８を含む。水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓを水タンク４４に移送することによって、起動時に循環されるメタノール水溶液Ｓの量を通常運転時より少なくする。

Description

この発明は燃料電池システムおよびその制御方法に関し、より特定的には、燃料電池のアノードに燃料水溶液を循環供給する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

近年、直接メタノール型燃料電池システムにおいて、起動開始から発電量を最大にするまでの時間を短くすることが望まれており、その方策として燃料電池に供給されるメタノール水溶液の所定温度までの昇温時間を短くすることが提案されている。

たとえば特許文献１では、燃料貯蔵部とセルスタックとの間に昇温手段を設け、起動時に燃料貯蔵部からメタノール水溶液の一部を昇温手段に供給してメタノール水溶液の温度を上昇させる技術が開示されている。この昇温手段は白金触媒を含み、メタノール水溶液を白金触媒と空気に接触させることによって酸化させ反応熱を発生させる。
特開２００４−５５４７４号公報

特許文献１の技術を用いれば、燃料電池に供給されるメタノール水溶液の昇温を早めることはできるが、メタノール水溶液の一部は酸化されてしまうのでメタノールの利用効率が悪くなる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料の利用効率を悪化することなく燃料電池に供給される燃料水溶液の所定温度までの昇温時間を短くすることができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することである。

この発明のある見地によれば、アノードを有する燃料電池、燃料電池のアノードに燃料水溶液を循環供給する燃料供給手段、および起動時の燃料供給手段内の燃料水溶液の量を通常運転時より少なく設定する水溶液量調整手段を備える、燃料電池システムが提供される。

この発明の他の見地によれば、アノードを有する燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料水溶液を循環供給する燃料供給手段とを備える燃料電池システムの制御方法であって、起動時の燃料供給手段内の燃料水溶液の量を通常運転時より少なく設定する、燃料電池システムの制御方法が提供される。

この発明では、燃料電池システムの起動時における燃料供給手段内の燃料水溶液の量を通常運転時のそれより少なくする、すなわち、燃料電池システムの起動時における燃料水溶液の循環量を通常運転時のそれより少なくする。これによって、燃料電池に循環供給される燃料水溶液の熱容量を小さくできるので、燃料水溶液の所定温度までの昇温時間を短くでき、起動後に短時間で発電量を最大近傍にまでできる。また、燃料水溶液の酸化によって加熱するものではないので、燃料の利用効率も悪化しない。

好ましくは、燃料供給手段は燃料水溶液を収容する水溶液タンクを含み、水溶液量調整手段は水溶液タンク内の燃料水溶液の量を調整する。この場合、水溶液タンク内の燃料水溶液の量を調整すればよいので、燃料供給手段内の燃料水溶液の量の調整が容易になる。

また、好ましくは、水溶液タンクとは別に燃料水溶液を収容するタンクをさらに備え、水溶液量調整手段は水溶液タンク内の燃料水溶液をタンクに移送可能に構成される。この場合、水溶液タンク内の燃料水溶液を別のタンクに移送するだけで燃料供給手段内の燃料水溶液の量を容易に調整できる。

また、好ましくは、燃料電池から排出される液体を収容する水タンクをさらに備え、水溶液量調整手段は燃料供給手段内の燃料水溶液を水タンクに移送可能に構成される。この場合、燃料供給手段内の余分な燃料水溶液を水タンクに移送すればよいので、他のタンクを別途準備する必要がない。

さらに、好ましくは、燃料供給手段内の燃料水溶液を退避させるための退避用タンクをさらに備え、水溶液量調整手段は燃料供給手段内の燃料水溶液を退避用タンクに退避可能に構成される。この場合、燃料供給手段内の余分な燃料水溶液を退避用タンクに退避させることによって、既存の燃料電池システムに手を加える必要はなく、また燃料電池システムを構成する他の構成部材に影響を及ぼすこともない。

好ましくは、燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、水溶液量調整手段は温度検出手段によって検出された燃料電池の温度に基づいて燃料供給手段内の燃料水溶液の量を調整する。この場合、燃料電池の温度安定性を確保しつつ燃料水溶液を早く昇温できる。また、燃料水溶液量を過度に少なくすることはなく、ポンプを用いて液量を制御する場合には当該ポンプの駆動時間を最適にし消費電力を少なくできる。

また、好ましくは、燃料電池に電気的に接続される二次電池と、二次電池の蓄電量を検出するための蓄電量検出手段とをさらに備え、水溶液量調整手段は蓄電量検出手段によって検出された蓄電量に応じて燃料供給手段内の燃料水溶液の量を調整する。このようにして初期の燃料供給手段内の燃料水溶液量を調整することによって、二次電池の蓄電量がなくなる前に燃料水溶液を所定の発電温度にまで昇温できる。

さらに、好ましくは、水溶液量調整手段は燃料供給手段内の燃料水溶液の量を起動後の通常運転時には所定量となるように増加させる。この場合、起動時には燃料水溶液の量を少なくすることによって昇温を早くできるとともに、所定温度に達した後の通常運転時には燃料水溶液の量が所定量まで増加しているので熱容量を確保でき、系の温度および燃料水溶液の濃度等が安定する。

好ましくは、燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、水溶液量調整手段は温度検出手段によって検出された燃料電池の温度に応じて燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させる。この場合、燃料電池の温度に応じて燃料供給手段内の燃料水溶液の量を徐々に増加させていくので、燃料電池の温度安定性を損なうことなく燃料水溶液を所定量まで戻すことができる。

また、好ましくは、燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、水溶液量調整手段は、温度検出手段によって検出された燃料電池の温度が所定温度に達したとき、燃料電池の温度が当該所定温度を維持するように燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させる。この場合、燃料電池の温度が所定温度を維持するように、燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させていくので、燃料電池の温度安定性を損なうことなく燃料水溶液を所定量まで戻すことができる。

さらに、好ましくは、燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、水溶液量調整手段は、温度検出手段によって検出された燃料電池の温度が所定温度に達したとき、燃料供給手段内の燃料水溶液の量を所定量まで増加させる。このように、燃料電池の温度が所定温度に達したとき、燃料供給手段内の燃料水溶液の量を通常運転時の所定量まで一気に増加させることによって、迅速に通常運転に移行することができる。

輸送機器の場合には据え置き型の場合よりも燃料電池システムを小さくすることが要求され、たとえば二次電池の容量にも制限があり、起動時に燃料水溶液を早く昇温させ短時間で通常運転に移行することが要求される。したがって、この発明は輸送機器に好適に用いられる。

この発明において、燃料電池のアノードに燃料水溶液を「循環供給」するとは、燃料電池のアノードから排出された燃料水溶液をも含んで燃料水溶液を燃料電池のアノードに供給することをいう。

また、燃料電池システムの「起動時」とは、燃料電池システムのメインスイッチをＯＮした後、通常運転に入るまでをいう。燃料電池システムの「通常運転」とは、定常的な発電状態をいい、たとえば燃料電池の温度と通常の水溶液量で設定されている燃料電池の目標温度との差が１０℃以内の範囲にある運転状態をいう。

この発明の上述の目的およびその他の目的、特徴、局面および利点は、添付図面に関連して行われる以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この発明に係る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。 （ａ）は燃料電池温度と目標水溶液量との対応関係を示すテーブルデータであり、（ｂ）はそのグラフである。 燃料電池システムの起動時の主要動作の一例を示すフロー図である。 燃料電池システムの発電開始後の主要動作の一例を示すフロー図である。 燃料電池システムの発電開始後の主要動作の他の例を示すフロー図である。 （ａ）は二次電池の蓄電量と目標水溶液量との対応関係を示すテーブルデータであり、（ｂ）はそのグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１２ｂ アノード
１５，２２，５４ 水位センサ
１８ 水溶液タンク
４０，４２，１０８ パイプ
４１ 燃料供給手段
４４ 水タンク
５８ 水還流パイプ
６０ 水ポンプ
６６ 温度センサ
７０ 制御回路
７２ ＣＰＵ
７６ メモリ
１０２ 二次電池
１０３ 蓄電量検出装置
１０６ 退避用タンク
１１０ ポンプ
２００ 車体フレーム
２０２ モータ
Ｓ メタノール水溶液

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のみを示し、図２において左側が車両前方、右側が車両後方である。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を介して燃料水溶液としてのメタノール水溶液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。水位センサ１５，２２は、たとえばフロートセンサからなり、タンク内の水位の変化に伴ってフロート部（図示せず）が浮動することによってタンク内の水位を検出できる。言い換えれば、浮動するフロート部の位置に基づいてタンク内の液量（水量）を検出できる。後述する水位センサ５４についても同様である。

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に向けて供給され、必要に応じてラジエータ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。

この実施形態では、水溶液タンク１８、水溶液パイプ２４、水溶液ポンプ２６、ラジエータ２８、水溶液フィルタ３０、冷却ファン３２およびパイプ４０を含んで、燃料供給手段４１が構成され、燃料供給手段４１によってメタノール水溶液Ｓが燃料電池１２のアノード１２ｂに循環供給される。

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には気液分離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。エアポンプ３４の駆動によって水タンク４４への当該排気の導入が促進される。

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からの排気とが排出される。水タンク４４内には、液体として、反応で生成された水とクロスオーバーされた微量のメタノールとが収容される。

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。この実施形態では、水ポンプ６０は、水溶液や水の圧送方向をＡ方向またはＢ方向に切り替えることができる。水溶液タンク１８の状況に応じて水ポンプ６０による圧送方向を切り替えることによって、水溶液が水タンク４４から水溶液タンク１８へ（矢印Ａ方向）あるいはその逆方向に（矢印Ｂ方向）送られる。この実施形態では、水還流パイプ５８の一方端部は、水溶液タンク１８内において水溶液中に浸かるように延ばされている。換言すると、この燃料電池システム１０では、メタノール水溶液Ｓを循環供給する経路から一時的に別の収容空間（タンク）に収容して、循環する水溶液量を容易に減少させることができる。

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近傍に設けられる。この実施形態では、温度センサ６６によって検出された燃料電池１２の温度を、循環するメタノール水溶液Ｓの温度とみなす。燃料電池１２の温度として、セルスタック自体の温度を検出してもよいし、カソード１２ｃからの排気の温度を検出してもよい。

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制御手段としてのＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２にクロックを与えるクロック回路７４、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、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。さらに、ＣＰＵ７２には、水位センサ１５，２２および５４からの検出信号も与えられる。

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、気液分離器用冷却ファン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。

また、燃料電池１２には二次電池１０２と二次電池１０２の蓄電量（残存容量）を検出するための蓄電量検出装置１０３とが接続される。二次電池１０２および蓄電量検出装置１０３の直列接続はモータ２０２に並列接続される。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、メモリ７６には、図５（ａ）に示すような燃料電池１２の温度と目標水溶液量との対応関係を示すテーブルデータが格納され、さらに、図６〜図８に示すような動作を実行するためのプログラム等が格納される。なお、図５（ｂ）は、燃料電池１２の温度と目標水溶液量との対応関係を示すグラフである。ここで、目標水溶液量とは、水溶液タンク１８内に収容されるメタノール水溶液Ｓの目標量をいう。

図５からわかるように、燃料電池温度が高いほど、目標水溶液量が多く設定されるので、この場合に水溶液タンク１８内が満タンであれば、起動時に水溶液タンク１８から減少（退避）させる液量を少なくでき、別のタンクに移送するための電力量を小さくできる。一方、燃料電池温度が低いほど目標水溶液量は小さく設定され、この場合、多くの水溶液が別のタンクに移送され、起動初期における昇温速度を上げることができる。

なお、通常運転時においては、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量が多ければ多いほど、燃料電池１２および燃料供給手段４１を循環するメタノール水溶液Ｓの温度を安定させ、水溶液中のメタノールの濃度むらを少なくできる。したがって、メタノール水溶液量は多いほど燃料電池システム１０の運転上、好ましいといえる。

この実施形態では、水還流パイプ５８、水ポンプ６０および制御回路７０を含んで、水溶液量調整手段が構成される。

このような燃料電池システム１０の発電時の動作について説明する。
発電開始時には、水溶液タンク１８内に収容された所望の濃度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、必要に応じてラジエータ２８で冷却され、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（水蒸気）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およびＣＯ₂ベントパイプ５０を通って水タンク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、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に回収された水（液体）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の水として利用される。

ついで、燃料電池システム１０の起動時の主要動作の一例について説明する。
図６を参照して、まず、図示しないメインスイッチがオンされ、メインスイッチオンの信号がＣＰＵ７２に入力される（ステップＳ１）。すると、電源電圧が立ち上がるまで待機し安定状態になると、蓄電量検出装置１０３によって二次電池１０２の蓄電量（残存容量）が検出される（ステップＳ３）。検出された二次電池１０２の蓄電量に基づいて水ポンプ６０を駆動できるか否かが判断される（ステップＳ５）。

検出された二次電池１０２の蓄電量が、発電に必要な電力（補機類駆動用電力）を供給するのに十分な量であるならば、水ポンプ６０を駆動できると判断され、温度センサ６６によって燃料電池１２の温度が検出される（ステップＳ７）。

図５に示すテーブルデータを参照して、ステップＳ７で検出された温度に対応する目標水溶液量が選択・決定される（ステップＳ９）。そして、水位センサ２２によって水溶液タンク１８内の現在のメタノール水溶液Ｓの量が検出される（ステップＳ１１）。検出された水溶液量が燃料電池温度すなわち燃料水溶液温度によって決定される目標水溶液量より多いか否かが判断される（ステップＳ１３）。検出された水溶液量の方が多ければ（ステップＳ１３がＹＥＳ）、二次電池１０２の電力によって水ポンプ６０が駆動され、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが水還流パイプ５８を経由して水タンク４４へ（図１に示すＢ方向へ）送られる（ステップＳ１５）。そして、水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量になったか否かが判断される（ステップＳ１７）。水溶液タンク１８内の水溶液量がまだ目標水溶液量になっていなければ、ステップＳ１９において一定時間経過するまでメタノール水溶液Ｓの圧送が継続される。一定時間経過すれば再びステップＳ１７において目標水溶液量になったか否かが判断される。ステップＳ１７において、水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量になるまで上述のメタノール水溶液Ｓの圧送が継続され、ステップＳ１７がＹＥＳになれば、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ２１）。

一方、ステップＳ１３において水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量より多くなければ、水溶液量が目標水溶液量より少ないか否かが判断される（ステップＳ２３）。水溶液量が目標水溶液量より少なければ、二次電池１０２の電力によって水ポンプ６０が駆動され、水タンク４４内の水または水溶液が水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８へ（図１に示すＡ方向へ）送られる（ステップＳ２５）。水溶液タンク１８内の水溶液量の方が目標水溶液量より少ない場合としては、運転停止後長時間経過していてクロスオーバーによって水溶液が水溶液タンク１８から漏れ出した場合が考えられる。

そして、上記の水溶液量調整動作によって水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量に到達したか否かが判断される（ステップＳ２７）。水溶液タンク１８内の水溶液量がまだ目標水溶液量になっていなければ、ステップＳ２９において一定時間経過するまで水または水溶液の圧送が継続される。一定時間経過すれば再びステップＳ２７において目標水溶液量になったか否かが判断される。ステップＳ２７において、水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量になるまで上述の圧送が継続され、ステップＳ２７がＹＥＳになれば、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ２１）。

また、ステップＳ２３がＮＯであれば、すなわち水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量と等しければ、直接ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１の後に、水溶液タンク１８内の水溶液濃度が所望値になるように調整される（ステップＳ３０）。このとき、たとえば、水溶液タンク１８内に濃度センサ（図示せず）を設けておき、その濃度センサによって水溶液濃度を検出する。そして、水溶液濃度が所望値より低ければ燃料タンク１４からメタノール燃料を補充し、水溶液濃度が所望値より高ければ水タンク４４から水または水溶液を補充する。

その後、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、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が駆動され、発電が行われる（ステップＳ３１）。

なお、二次電池１０２の蓄電量が、発電に必要な電力（補機類駆動用電力）を供給できないほど少なければ、ステップＳ５において水ポンプ６０を駆動できないと判断される。この場合には、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を駆動せずに別の処理を施して（ステップＳ３３）、ステップＳ３１に進み発電を開始する。

ついで、図７を参照して、燃料電池システム１０の発電開始後の主要動作の一例について説明する。この例では、燃料電池１２の温度上昇に応じて水溶液タンク１８内の水溶液を徐々に増加させて所定量まで復帰させる。

燃料電池システム１０の発電が開始されると、温度センサ６６によって燃料電池１２の温度が検出される（ステップＳ５１）。図５に示すテーブルデータを参照して、検出された温度に対応する目標水溶液量が選択・決定される（ステップＳ５３）。そして、水位センサ２２によって水溶液タンク１８内の現在のメタノール水溶液Ｓの量が検出され（ステップＳ５５）、検出された水溶液量が目標水溶液量以上か否かが判断される（ステップＳ５７）。水溶液量が目標水溶液量未満であれば、水ポンプ６０が駆動され、水タンク４４内の水または水溶液が水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８へ（図１の矢印Ａ方向へ）送られる（ステップＳ５９）。そして、水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量になったか否かが判断される（ステップＳ６１）。水溶液タンク１８内の水溶液量がまだ目標水溶液量になっていなければ、ステップＳ６３において一定時間経過するまで水または水溶液の圧送が継続される。一定時間経過すれば再びステップＳ６１において目標水溶液量になったか否かが判断される。ステップＳ６１において、水溶液タンク１８内の水溶液量が目標水溶液量になるまで上述の圧送が継続され、ステップＳ６１がＹＥＳになれば、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ６５）。その後、水溶液タンク１８内の水溶液濃度が所望値になるように調整される（ステップＳ６６）。

ついで、水溶液タンク１８が満タンすなわち通常運転時の液量（この実施形態では３Ｌ）になったか否かが判断される（ステップＳ６７）。水溶液タンク１８が満タンになっていれば通常運転へ移行する。水溶液タンク１８が満タンでなければ一定時間経過後（ステップＳ６９がＹＥＳ）、ステップＳ５１に戻る。そして水溶液タンク１８が満タンになるまで上述の動作が繰り返される。

このような燃料電池システム１０によれば、起動時におけるメタノール水溶液Ｓの循環量を通常運転時のそれより少なくすることによって、燃料電池１２に循環供給されるメタノール水溶液Ｓの熱容量を小さくできる。したがって、メタノール水溶液Ｓの所定温度（たとえば６５℃）までの昇温時間を短くでき、起動後に発電量を素早く上昇させることができる。また、メタノール水溶液Ｓの酸化によって加熱するものではないので、燃料の利用効率も悪化しない。

また、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量を調整すればよいので、燃料供給手段４１内のメタノール水溶液Ｓの量の調整が容易になる。

さらに、燃料供給手段４１内の余分なメタノール水溶液Ｓを水タンク４４に移送すればよいので、他のタンクを別途準備する必要がない。

また、燃料電池１２の温度に基づいて初期の燃料供給手段４１内のメタノール水溶液Ｓの量を調整することによって、燃料電池１２の温度安定性を確保しつつメタノール水溶液Ｓを早く昇温できる。また、メタノール水溶液Ｓの量を過度に少なくすることはなく、水ポンプ６０の駆動時間を最適にし消費電力を少なくできる。

さらに、所定温度に達した後の通常運転時にはメタノール水溶液Ｓの量が所定量すなわち水溶液タンク１８内が満タンになるまで増加しているので熱容量を確保でき、系の温度およびメタノール水溶液Ｓの濃度等が安定する。

また、発電開始後には、燃料電池１２の温度に応じて燃料供給手段４１内のメタノール水溶液Ｓの量を段階的に設定して徐々に増加させていくので、燃料電池１２の温度安定性を損なうことなくメタノール水溶液Ｓを所定量まで戻すことができる。

つぎに、図８を参照して、燃料電池システム１０の発電開始後の主要動作の他の例について説明する。この例では、燃料電池温度を所定温度まで上昇させてからその温度で安定させつつ水溶液の量を所定量まで戻していく。

燃料電池システム１０の発電が開始されると、温度センサ６６によって燃料電池１２の温度が検出され（ステップＳ１０１）、燃料電池１２の温度が所定温度（たとえば６５℃）になったか否かが判断される（ステップＳ１０３）。燃料電池１２の温度が所定温度になっていなければ一定時間経過後（ステップＳ１０５がＹＥＳ）、再びステップＳ１０１に戻り、所定温度になるまで上述の処理が繰り返される。そして、ステップＳ１０３において燃料電池１２の温度が所定温度になれば、水溶液タンク１８が満タンか否かが判断される（ステップＳ１０７）。水溶液タンク１８が満タンでなければ、燃料電池１２の温度が所定温度（たとえば６５℃）以上か否かが判断される（ステップＳ１０９）。燃料電池１２の温度が所定温度以上でなければ一定時間経過後（ステップＳ１１１がＹＥＳ）、再びステップＳ１０７に戻る。そして、水溶液タンク１８が満タンでなく（ステップＳ１０７がＮＯ）かつ燃料電池１２の温度が所定温度以上（ステップＳ１０９がＹＥＳ）であれば、水ポンプ６０が駆動され、水タンク４４内の水または水溶液が水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８へ送られる（ステップＳ１１３）。そして、燃料電池１２の温度が所定温度（たとえば６５℃）以上か否かが判断される（ステップＳ１１５）。燃料電池１２の温度が所定温度以上であれば一定時間経過後（ステップＳ１１７がＹＥＳ）、再びステップＳ１１５に戻る。すなわち、燃料電池１２の温度が所定温度（たとえば６５℃）未満になるまで、水または水溶液の圧送が継続され、水溶液タンク１８内の水溶液量を増加させていく。

そして、燃料電池１２の温度が所定温度（たとえば６５℃）未満になると、水ポンプ６０が停止され（ステップＳ１１９）、水溶液タンク１８内の水溶液濃度が所望値になるように調整され（ステップＳ１２０）、ステップＳ１０７に戻る。そして、水溶液タンク１８内が満タンになるまで上述の処理が繰り返され、水溶液タンク１８内が満タンになると、通常運転に移行する。

このように動作する燃料電池システム１０によれば、燃料電池１２の温度が所定温度を維持するように、燃料供給手段４１内のメタノール水溶液Ｓの量を増加させていくので、燃料電池１２の温度安定性を損なうことなくメタノール水溶液Ｓを所定量まで戻すことができる。

また、燃料電池システム１０の発電開始後において、燃料電池１２の温度が所定温度まで上昇すると、水溶液タンク１８内が満タン（通常運転時の所定量）になるように、水溶液タンク１８内の水溶液量を一気に増加させるようにしてもよい。この場合には、迅速に通常運転に移行することができる。

さらに、メモリ７６に、図９（ａ）に示すような二次電池１０２の蓄電量と目標水溶液量との対応関係を示すテーブルデータを格納しておき、二次電池１０２の蓄電量に応じて初期の水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量を設定するようにしてもよい。二次電池１０２の蓄電量が少なくなるほど、短時間で燃料電池１２を所定温度（６５℃程度）まで昇温させなければならないので、水溶液タンク１８内の水溶液量を少なく設定する。なお、図９（ｂ）は、二次電池１２の蓄電量と目標水溶液量との対応関係を示すグラフである。

このように二次電池１２の蓄電量に基づいて初期の燃料供給手段４１内のメタノール水溶液Ｓの量を調整することによって、二次電池１２の蓄電量がなくなる前にメタノール水溶液Ｓを所定の発電温度にまで昇温できる。

また、図１に示すように、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓを、水タンク４４に送るのではなく、別途設けられた退避用タンク１０６に退避させるようにしてもよい。退避用タンク１０６はパイプ１０８によって水溶液タンク１８に接続され、パイプ１０８には双方向に圧送可能なポンプ１１０が介挿される。図４に示すようにポンプ１１０はＣＰＵ７２によって制御される。この場合、パイプ１０８、ポンプ１１０および制御回路７０を含んで、水溶液量調整手段が構成される。ポンプ１１０を駆動させることによって水溶液タンク１８から退避用タンク１０６へあるいはその逆方向へ水溶液が送られる。

燃料供給手段４１内の余分なメタノール水溶液Ｓを退避用タンク１０６に退避させることによって、既存の燃料電池システム１０に手を加える必要はなく、また燃料電池システム１０を構成する他の構成部材に影響を及ぼすこともない。

なお、上述の実施形態では、水溶液タンク１８内の水溶液量を増減させて燃料供給手段４１内の水溶液量を調整しひいては燃料供給手段４１によって循環される水溶液量を調整するようにしたが、これに限定されず、燃料供給手段４１内の任意の部分、たとえば水溶液パイプ２４やパイプ４０等から水溶液量を増減させてもよい。

また、他の例として、水溶液タンク１８内に出没可能な仕切り板を設けておき、この仕切り板によって水溶液タンク１８内の水溶液を循環可能な部分と循環不可能な部分とに仕切ることで、燃料電池１２および燃料供給手段４１を循環するメタノール水溶液Ｓの量を調整するようにしてもよい。

さらに、水溶液タンク１８内の水溶液量の検出手段は、タンク内の水位に基づいて検出するものに限定されず、その他の任意の手段を適用できる。

燃料水溶液はメタノール水溶液に限定されず、他のアルコール水溶液等が用いられてもよい。

また、燃料電池１２の温度を検出するのではなく、燃料水溶液の温度を直接検出するようにしてもよい。

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、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添付された請求の範囲の文言のみによって限定される。

Claims (19)

1. アノードを有する燃料電池、
   前記燃料電池の前記アノードに燃料水溶液を循環供給する燃料供給手段、および
   起動時の前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を通常運転時より少なく設定する水溶液量調整手段を備える、燃料電池システム。
2. 前記燃料供給手段は前記燃料水溶液を収容する水溶液タンクを含み、
   前記水溶液量調整手段は前記水溶液タンク内の燃料水溶液の量を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水溶液タンクとは別に前記燃料水溶液を収容するタンクをさらに備え、
   前記水溶液量調整手段は前記水溶液タンク内の燃料水溶液を前記タンクに移送可能に構成される、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池から排出される液体を収容する水タンクをさらに備え、
   前記水溶液量調整手段は前記燃料供給手段内の燃料水溶液を前記水タンクに移送可能に構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料供給手段内の前記燃料水溶液を退避させるための退避用タンクをさらに備え、
   前記水溶液量調整手段は前記燃料供給手段内の燃料水溶液を前記退避用タンクに退避可能に構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記水溶液量調整手段は前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度に応じて前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池に電気的に接続される二次電池と、前記二次電池の蓄電量を検出するための蓄電量検出手段とをさらに備え、
   前記水溶液量調整手段は前記蓄電量検出手段によって検出された前記蓄電量に応じて前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記水溶液量調整手段は前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を起動後の通常運転時には所定量となるように増加させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記水溶液量調整手段は前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度に応じて前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させる、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記水溶液量調整手段は、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度が所定温度に達したとき、前記燃料電池の温度が当該所定温度を維持するように前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させる、請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
    前記水溶液量調整手段は、前記温度検出手段によって検出された前記燃料電池の温度が所定温度に達したとき、前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を前記所定量まで増加させる、請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 前記請求項１から１１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。
13. アノードを有する燃料電池と、前記燃料電池の前記アノードに燃料水溶液を循環供給する燃料供給手段とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
    起動時の前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を通常運転時より少なく設定する、燃料電池システムの制御方法。
14. 前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を調整する、請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法。
15. 前記燃料電池システムは前記燃料電池に電気的に接続される二次電池を備え、
    前記二次電池の蓄電量に基づいて前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を調整する、請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法。
16. 前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を起動後の通常運転時には所定量となるように増加させる、請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法。
17. 前記燃料電池の温度に応じて前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させる、請求項１６に記載の燃料電池システムの制御方法。
18. 前記燃料電池の温度が所定温度に達したとき、前記燃料電池の温度が当該所定温度を維持するように前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を増加させる、請求項１６に記載の燃料電池システムの制御方法。
19. 前記燃料電池の温度が所定温度に達したとき、前記燃料供給手段内の燃料水溶液の量を前記所定量まで増加させる、請求項１６に記載の燃料電池システムの制御方法。

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