TWI385849B - 燃料電池系統及具備其之運輸機器 - Google Patents

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Description

燃料電池系統及具備其之運輸機器
本發明係關於一種燃料電池系統及具備其之運輸機器，更特定而言，本發明係關於一種直接甲醇型之燃料電池系統及具備其之運輸機器。
通常，直接甲醇型燃料電池系統包括具有複數個燃料電池之燃料電池堆。例如圖16、圖17A及圖17B所示，燃料電池1包括：電解質膜2、陽極3、陰極4、一對隔離膜5、及墊片6a、6b。陽極3與陰極4係夾隔電解質膜2而對向配置，陽極3嵌入至墊片6a中，陰極4嵌入至墊片6b中。一對隔離膜5係夾隔電解質膜2、陽極3及陰極4而對向配置。隔離膜5於相鄰之兩個燃料電池1中被共用。
於隔離膜5之陽極3側之主面上，以蜿蜒曲折之方式形成有用以對陽極3供給甲醇水溶液之槽7。同樣，於隔離膜5之陰極4側之主面上，以蜿蜒曲折之方式形成有用以對陰極4供給空氣之槽7。
於此種燃料電池1中，由於經年劣化或衝擊等而會產生例如貫穿隔離膜5之破裂8a或8b、貫穿電解質膜2之破損8c等。
若燃料電池1中形成有連通陽極3與陰極4之破裂8a、8b及破損8c等之連通部，則陽極3側之甲醇水溶液會通過電解質膜2之破損8c而洩漏至陰極4側，或者通過隔離膜5之破裂8a或8b而洩漏至鄰接之燃料電池1之陰極4側。若在發電停止後產生上述洩漏，則會導致燃料浪費。又，若置該狀態於不顧，則該等連通部會進一步變大，甲醇水溶液之洩漏會進一步變多，從而有燃料越發浪費之虞。
作為應對策略，考慮應用日本專利特開2004-214004號之技術來抑制甲醇水溶液朝陰極4側洩漏。
於日本專利特開2004-214004號中揭示有一種技術，於使直接甲醇型燃料電池系統之動作結束時，停止供給甲醇水溶液，之後以特定時間、特定流量而供給氧化劑氣體，使所產生之電力以特定之負載電流消耗後，停止供給氧化劑氣體。
若應用該技術於停止供給甲醇水溶液之後供給特定時間的空氣，則可抑制甲醇水溶液朝陰極4側洩漏。
然而，於該情形時，僅以直至燃料電池1內之甲醇水溶液被消耗為止的特定時間來供給空氣，故於發電結束後空氣之供給會被立即停止。因此燃料電池1於高溫狀態下停止，或陽極3及陰極4之觸媒亦於高溫下維持於活性狀態，從而有加快觸媒劣化之虞。
因此，本發明之主要目的在於提供一種可抑制燃料電池之觸媒之劣化並且抑制燃料水溶液朝陰極側洩漏的燃料電池系統、及具備其之運輸機器。
根據本發明之一層面，提供一種燃料電池系統，其包括：燃料電池，其含有陽極及陰極；水溶液供給機構，其對陽極供給燃料水溶液；氣體供給機構，其對陰極供給含有氧化劑之氣體；電池溫度檢測機構，其檢測燃料電池之溫度；及控制機構，其於發電停止時，使水溶液供給機構之驅動停止，其後，經電池溫度檢測機構所檢測出的燃料電池之溫度若達到特定值以下，則使氣體供給機構之驅動停止。
根據本發明，於發電停止時，使水溶液供給機構先於氣體供給機構而停止，因而陰極側之壓力變得大於陽極側。藉此，可將欲自陽極側朝陰極側移動之燃料水溶液壓回至陽極側，從而可抑制燃料水溶液自陽極側朝陰極側洩漏。又，於燃料電池中形成有龜裂等連通部而將陽極側與陰極側連通之情形時，若使氣體供給機構先停止，則陽極側之壓力變得大於陰極側，從而有陽極側之燃料水溶液通過連通部而移動至陰極側從而使連通部擴大之虞。然而，於該燃料電池系統中，藉由使陰極側之壓力大於陽極側便可防止陽極側之燃料水溶液通過連通部而朝陰極側移動，故可抑制連通部之擴大，從而可抑制發電停止後之燃料水溶液之洩漏。因此，可抑制燃料水溶液之浪費。又，使水溶液供給機構停止之後，以燃料電池之溫度達到特定值(第11臨限值)以下為條件而使氣體供給機構停止，因此可將燃料電池或陽極及陰極所含之觸媒充分冷卻，且可將觸媒保持於所需之狀態，從而可抑制觸媒之劣化。本發明可適當地應用於在高溫(例如60℃以上)下常規運轉之燃料電池系統。
較好的是，上述燃料電池系統進而包括檢測燃料電池之異常之異常檢測機構，在由異常檢測機構檢測到異常時，控制機構使水溶液供給機構之驅動停止，其後，經電池溫度檢測機構所檢測出的燃料電池之溫度若達到特定值以下，則使氣體供給機構之驅動停止。在使水溶液供給機構停止之後使氣體供給機構停止，藉此可抑制燃料電池之龜裂等連通部之擴大，故於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側朝陰極側洩漏之異常之情形時為有效。
又，較好的是，在由異常檢測機構未檢測到異常時，控制機構使氣體供給機構之驅動停止，其後，在由電池溫度檢測機構所檢測出的燃料電池之溫度達到特定值以下時，使水溶液供給機構之驅動停止。即，於燃料電池正常時，使氣體供給機構停止，其後以燃料電池之溫度達到特定值以下為條件而使水溶液供給機構停止。此情形時，可利用經水溶液供給機構之驅動所供給之燃料水溶液來迅速地冷卻燃料電池，從而使發電迅速地停止。又，根據燃料電池有無異常來切換供給機構停止之順序，藉此可進行與燃料電池之狀態相應之最佳之發電停止處理。
進而好的是，於該燃料電池系統之啟動時，控制機構使氣體供給機構驅動，其後使水溶液供給機構驅動。於燃料電池系統之啟動時，使氣體供給機構先於水溶液供給機構而驅動，故陰極側之壓力變得大於陽極側，藉此，可將欲自陽極側朝陰極側移動之燃料水溶液壓回至陽極側。又，於燃料電池中形成有龜裂等連通部之情形時，若使水溶液供給機構先驅動，則有陽極側之壓力變得大於陰極側而使連通部擴大之虞。然而，於該燃料電池系統中，使陰極側之壓力大於陽極側，藉此可抑制連通部之擴大。其結果可抑制燃料水溶液自陽極側朝陰極側洩漏。
較好的是，上述燃料電池系統進而包括檢測燃料電池之異常之異常檢測機構，在由異常檢測機構檢測到異常時，控制機構於該燃料電池系統之啟動時使氣體供給機構驅動，其後使水溶液供給機構驅動。藉由使氣體供給機構驅動之後使水溶液供給機構驅動而可抑制燃料電池之龜裂等連通部之擴大，故於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時為有效。
又，較好的是，在由異常檢測機構未檢測到燃料電池之異常時，控制機構於該燃料電池系統之啟動時使水溶液供給機構驅動，其後使氣體供給機構驅動。即，於燃料電池正常時，使水溶液供給機構驅動，其後使氣體供給機構驅動。此情形時，可藉由水溶液供給機構之驅動而將燃料水溶液迅速地供給至燃料電池並且使陽極側之燃料水溶液之濃度快速地變均勻。因此，燃料電池系統得以迅速地啟動。又，根據燃料電池有無異常來切換供給機構之驅動順序，藉此可進行與燃料電池之狀態相應之最佳之啟動處理。
進而好的是，上述燃料電池系統進而包括收容燃料水溶液之水溶液收容機構，異常檢測機構包括：檢測收容於水溶液收容機構中之燃料水溶液之液量的水溶液量檢測機構，及根據水溶液量檢測機構之檢測結果而檢測燃料電池之異常的機構。於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時，水溶液收容機構內之燃料水溶液會減少。因此，藉由檢測水溶液收容機構內之液量而可容易地檢測燃料電池之異常。
較好的是，上述燃料電池系統進而包括包含複數個燃料電池之燃料電池堆，異常檢測機構包括：檢測燃料電池堆之電壓之電壓檢測機構，及根據電壓檢測機構之檢測結果而檢測燃料電池堆之異常的機構。於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時，會呈現出無法發電的燃料電池，故燃料電池堆之電壓會下降。因此，藉由檢測燃料電池堆之電壓而可容易地檢測燃料電池堆之異常。
又，較好的是，異常檢測機構包括：檢測陽極與陰極之至少一方之壓力的壓力檢測機構，及根據壓力檢測機構之檢測結果而檢測燃料電池之異常的機構。於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時，因陽極與陰極連通，故陽極側及陰極側之壓力顯示異常值。因此，藉由檢測陽極及陰極之至少一方之壓力而可容易地檢測燃料電池之異常。
進而好的是，異常檢測機構包括：檢測陰極之溫度之陰極溫度檢測機構，及根據陰極溫度檢測機構之檢測結果而檢測燃料電池之異常的機構。於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時，陰極之溫度會達到特定值(例如第8臨限值)以上。因此，藉由檢測陰極之溫度而可容易地檢測燃料電池堆之異常。
較好的是，當燃料電池中發生燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時，控制機構使水溶液供給機構之驅動停止，其後，經電池溫度檢測機構所檢測出的燃料電池之溫度若達到特定值以下，則使氣體供給機構之驅動停止。藉由在使水溶液供給機構停止之後使氣體供給機構停止而可抑制燃料電池之龜裂等連通部之擴大，故此種系統於燃料電池中發生有燃料水溶液自陽極側洩漏至陰極側之異常之情形時為有效。
運輸機器於運轉時容易受到衝擊，故在將燃料電池系統搭載於運輸機器上時，必須亦假設燃料水溶液自陽極側朝陰極側洩漏之事態。根據本發明，可抑制燃料水溶液朝陰極側洩漏，故本發明適合用於包括燃料電池系統之運輸機器。
本發明之上述目的及其他目的、特徵、方面及優點，將根據聯繫隨附圖式所進行之以下的本發明之實施形態之詳細說明而更為明瞭。
以下，參照圖式對本發明之實施形態加以說明。
此處，說明將本發明之燃料電池系統100搭載於作為運輸機器之一例的兩輪摩托車10上之情形。
首先，說明兩輪摩托車10。本發明之實施形態中之左右、前後、上下，係指以駕駛者面向把手24而就座於兩輪摩托車10之座部之狀態為基準的左右、前後、上下。
參照圖1，兩輪摩托車10具有車體骨架12。車體骨架12包括：頭管14、自頭管14朝後方而傾斜向下方延伸之前車架16、及連結於前車架16之後端部且朝後方而傾斜上抬之後車架18。於後車架18之上端部，固設有用以設置未圖示之座部的座架20。
於頭管14內，旋動自如地插通有轉向軸22。於轉向軸22之上端安裝有固定有把手24之把手支持部26。於把手支持部26之上端配置有顯示操作部28。
亦參照圖3，顯示操作部28包括：用於提供各種資訊之例如由液晶顯示器等所構成之顯示部28b、及用於輸入各種指示或各種資訊之輸入部28a。
如圖1所示，於轉向軸22之下端安裝有左右一對前叉30，於一對前叉30各自之下端旋轉自如地安裝有前輪32。
於後車架18之下端部，搖動自如地安裝有搖臂(後臂)34。於搖臂34之後端部34a，內置有連結於後輪36且用以使後輪36旋轉驅動之例如軸向間隙型之電動馬達38。於搖臂34中，內置有電性連接於電動馬達38之驅動單元40。驅動單元40包括：用以控制電動馬達38之旋轉驅動之馬達控制器42、及檢測二次電池130(後文將述)之蓄電量的蓄電量檢測器44。
於此種兩輪摩托車10中，沿著車體骨架12而配置有燃料電池系統100之構成構件。燃料電池系統100生成用以驅動電動馬達38或輔助設備類等之電氣能量。
以下，參照圖1及圖2來說明燃料電池系統100。
燃料電池系統100係不使甲醇(甲醇水溶液)改質而將其直接用於生成電氣能量(發電)之直接甲醇型燃料電池系統。
燃料電池系統100含有燃料電池堆(以下簡稱為電池堆)102。如圖1所示，電池堆102係自前車架16上吊起而配置於前車架16之下方。
如圖2所示，電池堆102含有分別可藉由基於甲醇之氫離子與氧(氧化劑)之電化學反應而發電的3個以上(較佳為76個)之燃料電池(燃料電池單元)104，該等燃料電池104層疊(堆疊)且串列連接。
亦參照圖4，各燃料電池104含有：包含固體高分子膜之電解質膜106；夾隔電解質膜106而相互對向之陽極(燃料極)108及陰極(空氣極)110；及夾隔包含電解質膜106、陽極108及陰極110之膜，電極接合體(MEA：Membrane Electrode Assembly)而相互對向之一對隔離膜112。
陽極108含有設置於電解質膜106側之鉑觸媒層108a、及設置於隔離膜112側之電極108b。陰極110含有設置於電解質膜106側之鉑觸媒層110a、及設置於隔離膜112側之電極110b。
於夾隔陽極108之電解質膜106與隔離膜112之間，插入有將陽極108嵌入之框狀之墊片114a。同樣，於夾隔陰極110之電解質膜106與隔離膜112之間，插入有將陰極110嵌入之框狀之墊片114b。因此，陽極108藉由電解質膜106、隔離膜112及墊片114a而被遮蔽，陰極110藉由電解質膜106、隔離膜112及墊片114b而被遮蔽。
隔離膜112包括例如碳複合材料等導電性材料，且被共用於相鄰之兩個燃料電池104中(參照圖2)。於隔離膜112之陰極110側之主面上，以蜿蜒曲折之方式形成有用以對陰極110之電極110b供給含有氧(氧化劑)之氣體之空氣的槽115。同樣，於隔離膜112之陽極108側之主面上，以蜿蜒曲折之方式形成有用以對陽極108之電極108b供給甲醇水溶液之槽(於圖4中未圖示)。
如圖1所示，於前車架16之下方且於電池堆102之上方，配置有散熱器單元116。
如圖2所示，散熱器單元116係將水溶液用之散熱器116a與氣液分離用之散熱器116b一體地設置而成者。
又，於後車架18之一對板狀構件之間，自上方起依序配置有燃料箱118、水溶液箱120及水箱122。
燃料箱118中收容有成為電池堆102之電化學反應之燃料之高濃度(較佳為含有約50wt%之甲醇)的甲醇燃料(高濃度甲醇水溶液)。水溶液箱120中收容有將來自燃料箱118之甲醇燃料稀釋至適於電池堆102之電化學反應之濃度(較佳為含有約3wt%之甲醇)的甲醇水溶液。水箱122中收容有應供給至水溶液箱120之水。
於燃料箱118上安裝有液位感測器124，於水溶液箱120上安裝有液位感測器126，於水箱122上安裝有液位感測器128。液位感測器124、126及128分別為例如浮球感測器，檢測燃料箱內之液面之高度(液位)。
於燃料箱118之前側且於前車架16之上側，配置有二次電池130。二次電池130蓄積來自電池堆102之電力，並根據控制器138(後文將述)之指示而對電氣構成構件供給電力。於二次電池130之上側，配置有燃料泵132。
於前車架16左側之收納空間中，收納有水溶液泵134及空氣泵136。於前車架16右側之收納空間中，配置有控制器138及水泵140。
於前車架16上設置有主開關142。藉由接通主開關142而對控制器138給予運轉開始指示，藉由斷開主開關142而對控制器138給予運轉停止指示。於電池堆102之發電動作中將主開關142斷開時，對控制器138給予運轉停止指示及發電停止指示。
如圖2所示，燃料箱118與燃料泵132係經管道P1而連通，燃料泵132與水溶液箱120係經管道P2而連通，水溶液箱120與水溶液泵134係經管道P3而連通，水溶液泵134與電池堆102係經管道P4而連通。管道P4連接於電池堆102之陽極入口I1。藉由使水溶液泵134驅動而對電池堆102供給甲醇水溶液。於管道P4中，設置有用以檢測甲醇水溶液之濃度(甲醇水溶液中之甲醇之比例)的濃度感測器144。作為濃度感測器144，例如可使用超音波感測器。超音波感測器檢測對應於甲醇水溶液之濃度而變化之超音波的傳播時間(傳播速度)來作為電壓值之檢測。控制器138根據該電壓值而檢測甲醇水溶液之濃度。
於電池堆102之陽極入口I1附近，設置有用以檢測供給至電池堆102之甲醇水溶液之濃度的電壓感測器146。電壓感測器146檢測對應於甲醇水溶液之濃度而變化之燃料電池104的開路電壓(Open Circuit Voltage)。控制器138根據該開路電壓而檢測供給至電池堆102之甲醇水溶液之濃度。
又，於電池堆102之陽極入口I1附近，設置有檢測甲醇水溶液之溫度或電池堆102之溫度的溫度感測器148。
電池堆102與水溶液用之散熱器116a係藉由管道P5而連通，散熱器116a與水溶液箱120係藉由管道P6而連通。管道P5連接於電池堆102之陽極出口I2。
上述管道P1~P6主要成為燃料之流路。
又，於空氣泵136上連接有管道P7，空氣泵136與電池堆102係藉由管道P8而連通。管道P8連接於電池堆102之陰極入口I3。使空氣泵136驅動，藉此自外部對電池堆102供給作為含有氧(氧化劑)之氣體的空氣。
電池堆102與氣液分離用之散熱器116b係藉由管道P9而連通，散熱器116b與水箱122係藉由管道P10而連通，於水箱122上設置有管道(廢氣管)P11。管道P9連接於電池堆102之陰極出口I4。管道P11係設置於水箱122之排氣口，將來自電池堆102之廢氣排出至外部。
上述管道P7~P11主要成為氧化劑之流路。
水箱122與水泵140係藉由管道P12而連通，水泵140與水溶液箱120係藉由管道P13而連通。
上述管道P12、P13成為水之流路。
又，於陰極入口I3附近設置有陰極入口溫度感測器150，於陰極出口I4附近設置有陰極出口溫度感測器152及陰極出口壓力感測器154，於陽極出口I2附近設置有陽極出口壓力感測器156。
繼而，參照圖3，對燃料電池系統100之電氣構成加以說明。
燃料電池系統100之控制器138包括：CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)158、時脈電路160、記憶體162、電壓檢測電路164、電流檢測電路166、ON/OFF(接通/斷開)電路168及電源電路170。
CPU158進行必要之運算而控制燃料電池系統100之動作。時脈電路160給予CPU158時脈訊號。記憶體162包括例如EEPROM(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，電子可擦可程式唯讀記憶體)，儲存用以控制燃料電池系統100之動作的程式、資料及運算資料等。電壓檢測電路164檢測電池堆102之電壓。電流檢測電路166檢測流動於電氣電路172中之電流。ON/OFF電路168使電氣電路172接通或斷開。電源電路170對電氣電路172供給特定之電壓。
於控制器138之CPU158中，輸入有來自主開關142及輸入部28a之輸入訊號。又，於CPU158中，輸入有來自以下之檢測訊號：液位感測器124、126、128；濃度感測器144；電壓感測器146；電池堆溫度感測器148；陰極入口溫度感測器150；陰極出口溫度感測器152；陰極出口壓力感測器154；及陽極出口壓力感測器156。進而，於CPU158中，輸入有來自電壓檢測電路164之電壓檢測值、及來自電流檢測電路166之電流檢測值。
藉由CPU158而控制燃料泵132、水溶液泵134、空氣泵136及水泵140等輔助設備類。本實施形態中，設定水溶液泵134及空氣泵136之輸出，以使水溶液泵134及空氣泵136之驅動時陽極108側之壓力大於陰極110側之壓力。
又，用以向駕駛者報告各種資訊之顯示部28b藉由CPU158所控制。進而，使電氣電路172接通或斷開之ON/OFF電路168藉由CPU158所控制。
二次電池130係補充電池堆102之輸出者，其利用來自電池堆102之電力而充電，並利用其放電而對電動馬達38或輔助設備類等供給電力。
於CPU158中，經由介面電路174而輸入有來自蓄電量檢測器44之蓄電量檢測值。CPU158使用所輸入之蓄電量檢測值及二次電池130之電容而計算二次電池130之蓄電率。
於作為記憶機構之記憶體162中，儲存有用以執行圖5~圖15之動作之程式、各種運算值、各種檢測值、第1臨限值~第11臨限值、及表示燃料電池104(電池堆102)有無異常之異常旗標等。
於本實施形態中，水溶液供給機構包括水溶液泵134。氣體供給機構包括空氣泵136。控制機構包括CPU158。異常檢測機構包括CPU158。電池堆溫度感測器148相當於電池溫度檢測機構。水溶液箱120相當於水溶液收容機構。液位感測器126相當於水溶液量檢測機構。電壓檢測電路164相當於電壓檢測機構。陰極出口壓力感測器154及陽極出口壓力感測器156相當於壓力檢測機構。陰極入口溫度感測器150及陰極出口溫度感測器152相當於陰極溫度檢測機構。
參照圖5，對燃料電池系統100正常時(異常旗標關閉時)之啟動處理之一例(啟動處理1)加以說明。
於異常旗標關閉之狀態下，若將主開關142接通而蓄電量檢測器44檢測到二次電池130之蓄電率未達特定值(較佳為40%)，則開始燃料電池系統100正常時之啟動處理。
首先，CPU158使水溶液泵134驅動，將甲醇水溶液供給至電池堆102之陽極108(步驟S1)。繼而，CPU158判斷由液位感測器126所檢測出的水溶液箱120內之液量是否為第1臨限值(較佳為200cc)以上(步驟S3)。若水溶液箱120內之液量未達第1臨限值，則CPU158開啟異常旗標(步驟S5)，CPU158將燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陰極108側向陽極110側洩漏之異常情況顯示於顯示部28b中(步驟S7)。繼而，CPU158使空氣泵136驅動，將空氣供給至電池堆102之陰極110(步驟S9)。藉此可減小陽極108與陰極110之壓力差，從而可減少甲醇水溶液之洩漏量。
接著，CPU158判斷由液位感測器128所檢測出的水箱122內之液量是否為第2臨限值(較佳為500cc)以上(步驟S11)。若水箱122內之液量為第2臨限值以上，則CPU158使水泵140驅動(步驟S13)。藉此，洩漏至陰極110側之甲醇水溶液返回到水溶液箱120中。然後，返回到步驟S3。
另一方面，於步驟S11中，若水箱122內之液量未達第2臨限值，則CPU158使水溶液泵134停止(步驟S15)，其後，CPU158使空氣泵136停止(步驟S17)，結束處理。如此，於洩漏至陰極110側之甲醇水溶液由於某些原因而消失時停止發電。
另一方面，於步驟S3中，若水溶液箱120內之液量為第1臨限值以上，則CPU158判斷水泵140是否被驅動(步驟S19)。若水泵140已被驅動，則CPU158使水泵140停止(步驟S21)，其後，CPU158使空氣泵136驅動(步驟S23)。於步驟S19中，若水泵140並未被驅動，則直接進入到步驟S23。
於步驟S23之後，CPU158判斷由電池堆溫度感測器148所檢測出的電池堆102之溫度是否為第3臨限值(較佳為45℃)以上(步驟S25)。在電池堆102之溫度達到第3臨限值以上之前一直處於待機，當電池堆102之溫度達到第3臨限值以上時，CPU158使ON/OFF電路168接通，使電池堆102連接於作為負載之電動馬達38(步驟S27)而開始常規運轉。
如上所述，於燃料電池104正常時，首先使水溶液泵134驅動，藉此可將甲醇水溶液迅速地供給至電池堆102且使陽極108側之甲醇水溶液之濃度快速地變均勻。因此燃料電池系統100迅速被啟動。
於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，水溶液箱120內之甲醇水溶液會減少。因此，藉由檢測水溶液箱120內之液量而可容易地檢測燃料電池104之異常。如本實施形態般，於水溶液箱120位於較電池堆102更上方之情形時，可更容易地檢測異常。
繼而，參照圖6，對燃料電池系統100正常時(異常旗標關閉時)之啟動處理動作之另一例(啟動處理2)加以說明。圖6所示之動作例係於圖5所示之動作例的步驟S23與步驟S25之間插入有步驟S24a~24e者，其他動作與圖5所示之動作例相同，故標註相同之符號以省略重複說明。
於圖6所示之動作例中，於步驟S23之後，由電壓檢測電路164檢測電池堆102之開路電壓並記憶於記憶體162中(步驟S24a)。然後，CPU158自記憶體162中讀取前一次的開路電壓之檢測值(步驟S24b)，CPU158判斷本次的開路電壓之檢測值與前一次的檢測值之差是否為第4臨限值(較佳為18V)以上(步驟S24c)。若該檢測值之差為第4臨限值以上，則CPU158開啟異常旗標(步驟S24d)，然後，CPU158使顯示部28b報告產生有異常(步驟S24e)，並進入步驟S25。另一方面，於步驟S24c中，若開路電壓之檢測值之差未達第4臨限值，則直接進入步驟S25。
於該動作例中，可獲得與圖5所示之動作例相同之效果。
又，若發生甲醇水溶液之洩漏，則會呈現出無法發電的燃料電池104，故電池堆102之開路電壓下降。因此，可根據電池堆102之開路電壓而判斷電池堆102(燃料電池104)有無異常。又，根據本次與前一次之檢測值之差進行判斷，藉此可區分由漏液引起之異常與電池堆102自身劣化之情況，從而可防止誤認。
再者，電池堆102(燃料電池104)之異常亦可藉由將電池堆102之開路電壓與既定值加以比較而檢測，還可根據開路電壓之變化率而檢測。
進而，參照圖7，對燃料電池系統100正常時(異常旗標關閉時)之啟動處理之又一例(啟動處理3)加以說明。圖7所示之動作例係於圖5所示之動作的步驟S21與步驟S23之間插入有步驟S22a~22d者，其他動作與圖5所示之動作例相同，故標註相同之符號藉以省略重複說明。
於步驟S21之後，藉由陽極出口壓力感測器156而檢測陽極108之出口側之壓力(步驟S22a)，CPU158判斷其檢測值是否為第5臨限值(較佳為50kPa)以上(步驟S22b)。若該檢測值未達第5臨限值，則CPU158開啟異常旗標(步驟S22c)，CPU158使顯示部28b報告產生有異常(步驟S22d)，並進入步驟S23。另一方面，於步驟S22b中，若壓力之檢測值為第5臨限值以上則直接進入步驟S23。
於該動作例中，亦可獲得與圖5所示之動作相同之效果。
又，於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，由於陽極108與陰極110係藉由龜裂等而連通，故陽極108側及陰極110側之壓力顯示異常值。關於陽極108，陽極108之出口側之壓力變得低於特定值(第5臨限值)。因此，藉由檢測陽極108之出口側之壓力而可容易地檢測燃料電池104之異常。
再者，亦可根據陽極108之出口側之壓力的變化量或變化率而檢測燃料電池104之異常。
又，於燃料電池104異常時，陰極110之出口側之壓力變得低於特定值。因此，亦可根據陰極110之出口側之壓力而檢測燃料電池104之異常。
參照圖8，對燃料電池系統100之常規運轉(穩定運轉)中之處理動作之一例(常規運轉中之處理1)加以說明。
該動作係於常規運轉中每隔特定時間反覆進行。又，不限於常規運轉中，只要係在水溶液泵134與空氣泵136之雙方被驅動時，則無論何時均可進行。以下之圖9~圖12所示之動作例亦相同。
首先，由陽極出口壓力感測器156而檢測陽極108之出口側之壓力(步驟S51)，由陰極出口壓力感測器154而檢測陰極110之出口側之壓力(步驟S53)，CPU158判斷兩壓力之差是否為第6臨限值(較佳為10kPa)以上(步驟S55)。若兩壓力之差未達第6臨限值，則CPU158開啟異常旗標(步驟S57)，CPU158使顯示部28b報告發生有異常之情況(步驟S59)，並結束處理。另一方面，於步驟S55中，若兩壓力之差為第6臨限值以上則結束處理。
該動作例適合於以下情形：以使陽極108之壓力較陰極110之壓力大出特定值(第6臨限值)以上之方式而設定水溶液泵134及空氣泵136各自之輸出。此時，若兩壓力之差未達第6臨限值，則判斷燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常，從而可容易地檢測燃料電池104之異常。
再者，亦可根據陽極108之出口側的壓力與陰極110之出口側的壓力之差之變化率而檢測燃料電池104之異常。
參照圖9，對燃料電池系統100之常規運轉中之處理動作之另一例(常規運轉中之處理2)加以說明。
首先，CPU158自記憶體162中讀取前一次的電壓檢測值(步驟S61)。當並無前一次的檢測值時使用特定值。繼而，由電壓檢測電路166而檢測電池堆102之當前之電壓(步驟S63)，CPU158判斷兩電壓之差是否為第7臨限值(較佳為0.1V)以上(步驟S65)。若電池堆102之電壓下降而使兩電壓之差達到第7臨限值以上，則判斷燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常，CPU158開啟異常旗標(步驟S67)。繼而，CPU158使顯示部28b報告發生有異常之情況(步驟S69)，並結束處理。另一方面，於步驟S65中，若兩電壓之差未達第7臨限值則結束處理。
於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，會呈現出無法發電的燃料電池104，故電池堆102之電壓下降。因此，藉由檢測電池堆102之電壓而可容易地檢測燃料電池104(電池堆102)之異常。
又，根據本次與前一次之電壓檢測值之差進行判斷，藉此可區分由漏液引起之異常與電池堆102自身劣化之情況，從而可防止誤認。
再者，電池堆102(燃料電池104)之異常亦可藉由將電池堆102之電壓檢測值與既定值加以比較而檢測，還亦可根據電壓檢測值之變化率而檢測。
參照圖10，對燃料電池系統100之常規運轉中之處理動作之又一例(常規運轉中之處理3)加以說明。
首先，由陰極出口溫度感測器152而檢測陰極110之出口側之溫度(步驟S71)，CPU158判斷該檢測溫度是否為第8臨限值(較佳為80℃)以上(步驟S73)。若該檢測溫度為第8臨限值以上，則CPU158開啟異常旗標(步驟S75)，CPU158使顯示部28b報告發生有異常之情況(步驟S77)，並結束處理。另一方面，於步驟S73中，若檢測溫度未達第8臨限值則結束處理。
於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，甲醇水溶液會於陰極110燃燒，從而陰極110之廢氣溫度變得比正常時高，達到第8臨限值以上。因此，藉由檢測陰極110之出口溫度而可容易地檢測燃料電池104之異常。
再者，亦可根據陰極110之出口側之溫度的變化量或變化率而檢測燃料電池104之異常。
參照圖11，對燃料電池系統100之常規運轉中之處理動作之另一例(常規運轉中之處理4)加以說明。
首先，由陰極入口溫度感測器150而檢測陰極110之入口側之溫度(步驟S81)，由陰極出口溫度感測器152而檢測陰極110之出口側溫度(步驟S83)，CPU158判斷所檢測出的溫度之差是否為第9臨限值(較佳為20℃)以上(步驟S85)。若所檢測出的溫度之差為第9臨限值以上，則CPU158開啟異常旗標(步驟S87)，CPU158使顯示部28b報告產生有異常之情況(步驟S89)，並結束處理。於步驟S85中，若檢測溫度之差未達第9臨限值則結束處理。
於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，甲醇水溶液會於陰極110燃燒，從而陰極110之廢氣溫度變得比正常時高，陰極110之出口側之溫度較入口側之溫度高出第9臨限值以上。因此，藉由檢測陰極110之入口溫度與出口溫度之差而可容易地檢測燃料電池104之異常。
再者，亦可根據陰極110的入口側之溫度與出口側之溫度之差之變化率而檢測燃料電池104之異常。
參照圖12，對燃料電池系統100之常規運轉中之處理動作之又一例(常規運轉中之處理5)加以說明。
首先，CPU158自記憶體162中讀取前一次檢測出的水溶液箱120之液量(步驟S91)，並藉由液位感測器126而檢測水溶液箱120之當前之液量(步驟S93)，CPU158判斷兩液量之差是否為第10臨限值(較佳為300cc)以上(步驟S95)。若兩液量之差為第10臨限值以上，則CPU158開啟異常旗標(步驟S97)，CPU158使顯示部28b報告發生有異常之情況(步驟S99)，並結束處理。於步驟S95中，若兩液量之差未達第10臨限值，則結束處理。
於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，水溶液箱120內之甲醇水溶液之減少之速度變得比正常時大。因此，可根據甲醇水溶液之本次的檢測值與前一次的檢測值之差而容易地檢測燃料電池104之異常。
又，根據本次與前一次之檢測值之差進行判斷，藉此可區分由漏液引起之異常與電池堆102自身劣化之情況，從而可防止誤認。
再者，亦可根據水溶液箱120內之甲醇水溶液之液量之變化率而檢測燃料電池104之異常。
又，亦可根據水箱122內之液量之變化量或變化率而檢測燃料電池104之異常。進而，還可根據電池堆102之陽極出口I2附近之甲醇水溶液之流量而檢測燃料電池104之異常。
再者，參照圖13，對燃料電池系統100異常時(異常旗標開啟時)之啟動處理之一例加以說明。
於異常旗標開啟之狀態下，若將主開關142接通而蓄電量檢測器44檢測到二次電池130之蓄電率未達特定值(較佳為40%)，則開始燃料電池系統100異常時之啟動處理。
首先，CPU158使空氣泵136驅動，將空氣供給至電池堆102之陰極110(步驟S101)。繼而，CPU158判斷由液位感測器126所檢測出的水溶液箱120內之液量是否為第1臨限值(較佳為200cc)以上(步驟S103)。若水溶液箱120內之液量未達第1臨限值，則CPU158判斷由液位感測器128所檢測出的水箱122內之液量是否為第2臨限值(較佳為500cc)以上(步驟S105)。若水箱122內之液量為第2臨限值以上，則CPU158使水泵140驅動(步驟S107)。藉此使洩漏至陰極110側之甲醇水溶液返回到水溶液箱120中。然後，返回到步驟S103。
另一方面，於步驟S105中，若水箱122內之液量未達第2臨限值，則CPU158使水溶液泵134停止(步驟S109)，其後，CPU158使空氣泵136停止(步驟S111)，並結束處理。如上所述，於洩漏至陰極110側之甲醇水溶液由於某些原因而消失時停止發電。
另一方面，於步驟S103中，若水溶液箱120內之液量為第1臨限值以上，則CPU158判斷水泵140是否被驅動(步驟S113)。若水泵140已被驅動，則CPU158使水泵140停止(步驟S115)，其後，CPU158使水溶液泵134驅動，將甲醇水溶液供給至電池堆102之陽極108(步驟S117)。於步驟S113中，若水泵140未被驅動，則直接進入步驟S117。
於步驟S117之後，CPU158判斷由電池堆溫度感測器148所檢測出的電池堆102之溫度是否為第3臨限值(較佳為45℃)以上(步驟S119)。在電池堆102之溫度達到第3臨限值以上之前一直處於待機，當電池堆102之溫度達到第3臨限值以上時，CPU158使ON/OFF電路168接通，，使電池堆102連接於作為負載之電動馬達38(步驟S121)而開始常規運轉。
如上所述，於燃料電池104中發生有甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，於燃料電池系統100之啟動時，使空氣泵136先於水溶液泵134而驅動，因而陰極110側之壓力變得大於陽極108側。藉此，可將欲自陽極108側朝陰極110側移動之甲醇水溶液壓回至陽極108側。又，於燃料電池104中形成有圖16、圖17A及圖17B所示之龜裂(破裂8a、8b及破損8c)等連通部並連通陽極108與陰極110時，若使水溶液泵134先驅動，則陽極108側之壓力會變得大於陰極110側而有使連通部擴大之虞。然而，如該動作例般使陰極110側之壓力大於陽極108側，由此可抑制連通部之擴大。其結果可抑制甲醇水溶液自陽極108側朝陰極110側洩漏。該效果於以下情形時更明顯：以使水溶液泵134及空氣泵136之驅動時陽極108側之壓力大於陰極110側之壓力的方式而設定水溶液泵134及空氣泵136之輸出。
又，根據燃料電池104有無異常來切換水溶液泵134及空氣泵136之驅動順序，藉此可進行與燃料電池104之狀態相應之最佳的啟動處理。
進而，參照圖14，對燃料電池系統100正常時(異常旗標關閉時)之發電停止處理加以說明。該動作係於啟動處理中或常規運轉中且於異常旗標關閉時主開關142斷開後開始。或者，該動作係於啟動處理中或常規運轉中且於異常旗標關閉時由蓄電量感測器44所檢測出的二次電池130之蓄電率達到98%以上後開始。
首先，CPU158使ON/OFF電路168斷開而將作為負載之電動馬達38與電池堆102切離(步驟S201)。繼而，CPU158使空氣泵136停止(步驟S203)，CPU158判斷電池堆102之溫度是否為第11臨限值(較佳為50℃)以下(步驟S205)。在電池堆102之溫度達到第11臨限值以下之前一直處於待機，當電池堆102之溫度達到第11臨限值以下時，CPU158使水溶液泵134停止(步驟S207)，並結束處理。
如上所述，於燃料電池104正常時，首先使空氣泵136停止，藉此可利用由水溶液泵134之驅動而供給之甲醇水溶液，使電池堆102之溫度於短時間內下降至低於第11臨限值為止。因此，可將電池堆102迅速地冷卻、迅速地停止發電，從而可防止電池堆102或鉑觸媒層108a及110a之劣化。
又，由於可較早地停止水溶液泵134，故可減少甲醇水溶液之浪費。
參照圖15，對燃料電池系統100異常時(異常旗標開啟時)之發電停止處理加以說明。該動作係於啟動處理中或常規運轉中且於異常旗標開啟時使主開關142斷開後開始。或者，該動作係於啟動處理中或常規運轉中且於異常旗標開啟時由蓄電量感測器44所檢測出的二次電池130之蓄電率達到98%以上時開始。
首先，CPU158使ON/OFF電路168斷開而將作為負載之電動馬達38與電池堆102切離(步驟S301)。繼而，CPU158使水溶液泵134停止(步驟S303)，CPU158判斷電池堆102之溫度是否為第11臨限值(較佳為50℃)以下(步驟S305)。在電池堆102之溫度達到第11臨限值以下之前一直處於待機，當電池堆102之溫度達到第11臨限值以下時，CPU158使空氣泵136停止(步驟S307)，並結束處理。
如上所述，當於燃料電池104中發生甲醇水溶液自陽極108側洩漏至陰極110側之異常之情形時，於發電停止時，使水溶液泵134先於空氣泵136而停止，因而使陰極110側之壓力變得大於陽極108側。藉此，可將欲自陽極108側朝陰極110側移動之甲醇水溶液壓回至陽極108側，從而可抑制甲醇水溶液自陽極108側朝陰極110側洩漏。又，於燃料電池104中形成有圖16、圖17A及圖17B所示之龜裂(破裂8a、8b及破損8c)等連通部並連通陽極108側與陰極110側時，若使空氣泵136先停止，則陽極108側之壓力變得大於陰極110側，陽極108側之甲醇水溶液會通過連通部而移動至陰極110側從而有使連通部擴大之虞。然而，於燃料電池系統100中，使陰極110側之壓力大於陽極108側，藉此可防止陽極108側之甲醇水溶液通過連通部而朝陰極110側移動，故可抑制連通部之擴大，且可抑制發電停止後之甲醇水溶液之洩漏。因此，可抑制甲醇水溶液之浪費。
進而，在使水溶液泵134停止後，以燃料電池104之溫度達到特定值(第11臨限值)以下為條件而使空氣泵136停止，故可將燃料電池104或陽極108及陰極110所含之鉑觸媒層108a及110a充分冷卻。因此，可將鉑觸媒層108a及110a保持於所需之狀態，從而可抑制鉑觸媒層108a及110a之劣化。燃料電池系統100適用於在高溫(例如60℃以上)下進行常規運轉之情形。
又，根據燃料電池104有無異常來切換水溶液泵134及空氣泵136之停止順序，藉此可進行與燃料電池104之狀態相應之最佳的發電停止處理。
根據一實驗例，關於在燃料電池104異常時發電停止後之陰極110側所存在的甲醇水溶液之液量，相對於先前之200cc，本實施形態中可減少至50cc。
於上述實施形態中，使用甲醇作為燃料，並使用甲醇水溶液作為燃料水溶液，但並不限定於此，亦可使用乙醇等醇系燃料作為燃料，並使用乙醇水溶液等醇系水溶液作為燃料水溶液。
於上述實施形態中，就對電池堆102(燃料電池104)之陰極110供給空氣之情形進行了說明，但並不限定於此，可供給含有氧化劑之任意氣體。此時，關於氣體供給機構，可使用任意之送氣泵。
本發明之燃料電池系統不僅可適用於兩輪摩托車，而且可適用於汽車、船舶等任意之運輸機器。
又，本發明亦可應用於固定型之燃料電池系統，進而，還可應用於搭載於個人電腦、攜帶式機器等電子機器上的可攜型之燃料電池系統。
以上，就本發明之較佳實施形態進行了說明，但顯然可知，在不脫離本發明之範圍及精神之限度內可進行各種變更。本發明之範圍僅由隨附之申請專利範圍而限定。
10．．．兩輪摩托車
28a．．．輸入部
28b．．．輸出部
38．．．電動馬達
44．．．蓄電量檢測器
100．．．燃料電池系統
102．．．燃料電池堆
104．．．燃料電池
108．．．陽極
108a、110a．．．鉑觸媒層
110．．．陰極
120．．．水溶液箱
124、126、128．．．液位感測器
130．．．二次電池
134．．．水溶液泵
136．．．空氣泵
138．．．控制器
148．．．電池堆溫度感測器
150．．．陰極入口溫度感測器
152．．．陰極出口溫度感測器
154．．．陰極出口壓力感測器
156．．．陽極出口壓力感測器
158．．．CPU
162．．．記憶體
164．．．電壓檢測電路
圖1係表示本發明之一實施形態之兩輪摩托車之左側視圖。
圖2係表示本發明之一實施形態之燃料電池系統之配管的系統圖。
圖3係表示本發明之一實施形態之燃料電池系統之電氣構成的方塊圖。
圖4係表示燃料電池之一例之分解立體圖。
圖5係表示本發明之一實施形態之燃料電池系統之正常時的啟動處理動作之一例之流程圖。
圖6係表示正常時的啟動處理動作之另一例之流程圖。
圖7係表示正常時的啟動處理動作之又一例之流程圖。
圖8係表示常規運轉中的處理動作之一例之流程圖。
圖9係表示常規運轉中的處理動作之另一例之流程圖。
圖10係表示常規運轉中的處理動作之又一例之流程圖。
圖11係表示常規運轉中的處理動作之進而又一例之流程圖。
圖12係表示常規運轉中的處理動作之另一例之流程圖。
圖13係表示異常時的啟動處理動作之一例之流程圖。
圖14係表示正常時的發電停止處理動作之一例之流程圖。
圖15係表示異常時的發電停止處理動作之一例之流程圖。
圖16係表示具有破裂或破損之燃料電池之一例的分解立體圖。
圖17A係圖16所示之燃料電池之歧管部分的A-A剖面圖解面，圖17B係圖16所示之燃料電池之中央部分的B-B剖面圖解圖。
S301~S307．．．步驟

Claims (12)

  1. 一種燃料電池系統，其包括：燃料電池，其含有陽極及陰極；水溶液供給機構，其對上述陽極供給燃料水溶液；氣體供給機構，其對上述陰極供給含有氧化劑之氣體；電池溫度檢測機構，其檢測上述燃料電池之溫度；及控制機構，其於發電停止時，使上述水溶液供給機構之驅動停止，其後，經上述電池溫度檢測機構所檢測出的上述燃料電池之溫度若達到特定值以下，則使上述氣體供給機構之驅動停止。
  2. 如請求項1之燃料電池系統，其中進而包括檢測上述燃料電池之異常之異常檢測機構，在由上述異常檢測機構檢測到異常時，上述控制機構使上述水溶液供給機構之驅動停止，其後，經上述電池溫度檢測機構所檢測出的上述燃料電池之溫度若達到上述特定值以下，則使上述氣體供給機構之驅動停止。
  3. 如請求項2之燃料電池系統，其中在由上述異常檢測機構未檢測到異常時，上述控制機構使上述氣體供給機構之驅動停止，其後，經上述電池溫度檢測機構所檢測出的上述燃料電池之溫度若達到上述特定值以下，則使上述水溶液供給機構之驅動停止。
  4. 如請求項1之燃料電池系統，其中於該燃料電池系統之啟動時，上述控制機構使上述氣體供給機構驅動，其後使上述水溶液供給機構驅動。
  5. 如請求項4之燃料電池系統，其中進而包括檢測上述燃料電池之異常之異常檢測機構，在由上述異常檢測機構檢測到異常時，上述控制機構於該燃料電池系統之啟動時使上述氣體供給機構驅動，其後使上述水溶液供給機構驅動。
  6. 如請求項5之燃料電池系統，其中在由上述異常檢測機構未檢測到上述燃料電池之異常時，上述控制機構於該燃料電池系統之啟動時使上述水溶液供給機構驅動，其後使上述氣體供給機構驅動。
  7. 3、5或6之燃料電池系統，其中進而包括收容上述燃料水溶液之水溶液收容機構，上述異常檢測機構包括：檢測收容於上述水溶液收容機構中之上述燃料水溶液之液量的水溶液量檢測機構，及根據上述水溶液量檢測機構之檢測結果而檢測上述燃料電池之異常的機構。
  8. 3、5或6之燃料電池系統，其中進而包括包含複數個上述燃料電池之燃料電池堆，上述異常檢測機構包括：檢測上述燃料電池堆之電壓之電壓檢測機構，及根據上述電壓檢測機構之檢測結果而檢測上述燃料電池堆之異常的機構。
  9. 3、5或6之燃料電池系統，其中上述異常檢測機構包括：檢測上述陽極與上述陰極之至少一方之壓力的壓力檢測機構，及根據上述壓力檢測機構之檢測結果而檢測上述燃料電池之異常的機構。
  10. 3、5或6之燃料電池系統，其中上述異常檢測機構包括：檢測上述陰極之溫度之陰極溫度檢測機構，及根據上述陰極溫度檢測機構之檢測結果而檢測上述燃料電池之異常的機構。
  11. 如請求項1之燃料電池系統，其中當上述燃料電池中發生上述燃料水溶液自上述陽極側洩漏至上述陰極側之異常之情形時，上述控制機構使上述水溶液供給機構之驅動停止，其後，經上述電池溫度檢測機構所檢測出的上述燃料電池之溫度若達到上述特定值以下，則使上述氣體供給機構之驅動停止。
  12. 一種運輸機器，其具備如請求項1之燃料電池系統。
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