(57)【要約】      （修正有）【課題】環境の汚染を抑えることができ、燃料の利用効率を向上できる、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。【解決手段】二輪車は、直接メタノール型燃料電池システムである燃料電池システムを搭載する。燃料電池システムは、燃料電池セルを複数個積層したセルスタック、各燃料電池セルのアノード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１３０、水溶液タンク１３０の上方に配置されるキャッチタンク１４０、および水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とを接続するパイプＰ２０，Ｐ２１を備える。水溶液タンク１３０内の気化したメタノールおよび水蒸気は、パイプＰ２０を介してキャッチタンク１４０に与えられる。キャッチタンク１４０内で気化したメタノールおよび水蒸気を液化して得られるメタノール水溶液は、パイプＰ２１を介して水溶液タンク１３０に与えられる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを有する燃料電池、
前記燃料電池の前記アノードに供給すべき燃料水溶液を収容する第１タンク、および
前記第１タンクからの気化した燃料を液化させ前記第１タンクに戻すために前記第１タンクよりも上方に設けられる液化処理部を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記液化処理部を構成する第２タンク、および前記第１タンクと前記第２タンクとを接続するパイプをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記パイプはその断面積が前記第２タンクの断面積よりも小さくなるように形成される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記パイプは、前記第１タンク内の気化した燃料を前記第２タンクに導く第１パイプと、前記第２タンク内で液化した燃料を前記第１タンクに導く第２パイプとを含む、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２パイプは前記第１タンク内の液面よりも下側で前記第１タンクに接続される、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記液化処理部で液化されなかった燃料を前記燃料電池の前記カソードに導く第３パイプをさらに備える、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記液化処理部に開閉可能に設けられる蓋をさらに備える、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８】
前記燃料電池は５０℃以上で運転される、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１から８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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、燃料水溶液をタンクに収容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。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料であるメタノール等を水で希釈した燃料水溶液をダイレクトに燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている。たとえば特許文献１には、このような燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される未反応の燃料や排気から燃料電池の電気化学反応に伴って生成される有害物を除去する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−７９２１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１の技術では、気化した燃料が外部に排出され環境を汚染してしまうというおそれがあった。また、気化した燃料が外部に排出されるために燃料の利用効率が低下してしまうというおそれがあった。
【０００４】
それゆえに、この発明の主たる目的は、環境の汚染を抑えることができ、燃料の利用効率を向上できる、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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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有する燃料電池、燃料電池のアノードに供給すべき燃料水溶液を収容する第１タンク、および第１タンクからの気化した燃料を液化させ第１タンクに戻すために第１タンクよりも上方に設けられる液化処理部を備える。
【０００６】
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、液化処理部を構成する第２タンク、および第１タンクと第２タンクとを接続するパイプをさらに備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、パイプはその断面積が第２タンクの断面積よりも小さくなるように形成されることを特徴とする。
【０００８】
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、パイプは、第１タンク内の気化した燃料を第２タンクに導く第１パイプと、第２タンク内で液化した燃料を第１タンクに導く第２パイプとを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、第２パイプは第１タンク内の液面よりも下側で第１タンクに接続されることを特徴とする。
【００１０】
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、液化処理部で液化されなかった燃料を燃料電池のカソードに導く第３パイプをさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
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、液化処理部に開閉可能に設けられる蓋をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載の燃料電池システムは、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池は５０℃以上で運転されることを特徴とする。
【００１３】
請求項９に記載の輸送機器は、請求項１から８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。
【００１４】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、第１タンク内の気化した燃料を液化処理部で液化させ、液化した燃料を第１タンクに戻すことによって、気化した燃料の外部への排出を抑え、環境の汚染を抑えることができる。また、液化した燃料を第１タンクに戻して利用できるので、燃料の利用効率を向上できる。
【００１５】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、第１タンクと液化処理部を構成する第２タンクとをそれぞれ下と上とに離間させ、パイプによって第１タンクと第２タンクとを接続する。これによって、第１タンクからの気化した燃料がパイプを通る間に冷却され、気化した燃料を第２タンク内で効率よく液化させることができる。また、定常運転時には燃料電池システムが所定の温度で運転され、第１タンク内の燃料水溶液も昇温している。このように温められた燃料水溶液のしぶきが液化処理部に及ぶと燃料の液化が妨げられる。しかし、第１タンクと第２タンクとを上下に離間させパイプで接続することによって、第１タンク内のしぶきが第２タンクに及びにくくなり、気化した燃料を第２タンク内で効率よく液化させることができる。
【００１６】
請求項３に記載の燃料電池システムでは、その断面積が第２タンクの断面積よりも小さいパイプで第１タンクと第２タンクとを接続することによって、第２タンク内に流入する気化した燃料の量が制限され、第２タンク内の温度が上がりにくくなる。これによって、気化した燃料を第２タンク内でより効率よく液化させることができる。また、第１タンク内の燃料水溶液のしぶきがより一層第２タンクに及びにくくなるので、気化した燃料を第２タンク内でより効率よく液化させることができる。
【００１７】
請求項４に記載の燃料電池システムでは、第１タンク内の気化した燃料を第１パイプを介して円滑に第２タンクに導くことができ、第２タンク内で液化した燃料を第２パイプを介して円滑に第１タンクに導くことができる。
【００１８】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、第２パイプが第１タンク内の液面よりも下側で第１タンクに接続され、第２タンクからの液化した燃料が第１タンク内の燃料水溶液中に流入する。これによって、第１タンク内の液面に向けて流下させる場合と比べて、液化した燃料を静穏に第１タンク内に流入させることができ、第１タンク内の燃料水溶液の撹拌ひいては燃料の気化を抑えることができる。
【００１９】
請求項６に記載の燃料電池システムでは、液化処理部で液化されなかった燃料を第３パイプを介して燃料電池のカソードに導くことによって、液化されなかった燃料をカソードで無害にした後に外部に排出し、環境の汚染をより一層抑えることができる。
【００２０】
請求項７に記載の燃料電池システムでは、液化処理部に開閉可能に蓋が設けられるので、液化処理部を第１タンクに燃料水溶液を補給する際の投入部としても利用できる。
【００２１】
一般に燃料電池からの未反応の燃料は第１タンク内に戻されるので、燃料電池を５０℃以上で運転する場合には未反応の燃料の温度が高くなり、第１タンク内の燃料が気化しやすくなる。この発明は、気化した燃料の外部への排出を抑えかつ液化させて利用できるので、請求項８に記載するように、燃料電池が５０℃以上で運転される燃料電池システムにおいて有効である。
【００２２】
燃料の利用効率を向上できるので、請求項９に記載するように、この発明の燃料電池システムは、燃料を補給することなく長時間に渡って動作する（長距離を移動する）ことが望まれる二輪車等の輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、環境の汚染を抑えることができ、燃料の利用効率を向上できる、燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。ここでは、この発明の燃料電池システムを輸送機器の一例である二輪車１０に搭載した場合について説明する。まず、二輪車１０について説明する。
この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。
【００２５】
図１〜図７を参照して、二輪車１０は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４と、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びる縦断面Ｉ字型のフロントフレーム１６と、フロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８と、リヤフレーム１８の上端部に取り付けられるシートレール２０とを備えている。フロントフレーム１６の後端部はリヤフレーム１８の中央部よりもやや下端部寄りの位置に接続され、フロントフレーム１６およびリヤフレーム１８全体で側面視略Ｙ字状を呈している。
【００２６】
フロントフレーム１６は、上下方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びかつ左右方向に対して直交する板状部材１６ａと、それぞれ板状部材１６ａの上端縁および下端縁に形成されかつ後方へ斜め下方に延び左右方向に幅を有するフランジ部１６ｂおよび１６ｃと、板状部材１６ａの両表面に突設される補強リブ１６ｄと、後端部に設けられたとえばボルト等によってリヤフレーム１８が連結される連結部１６ｅとを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃとともに板状部材１６ａの両表面を区画して、後述する燃料電池システム１００の構成部品を収納する収納スペースを形成している。
【００２７】
一方、リヤフレーム１８は、それぞれ後方へ斜め上方に延び前後方向に幅を有しフロントフレーム１６の連結部１６ｅを挟むように配置される板状部材１８ａおよび１８ｂを備えている。
【００２８】
ヘッドパイプ１４内には、主に図１に示すように、車体方向変更用のステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端には、ハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられており、ハンドル２４の両端にはグリップ２８が取り付けられている。右側のグリップ２８は回動可能なスロットルグリップを構成している。
【００２９】
ハンドル支持部２６のハンドル２４の前方には、表示操作部（以下、メータと略記する）３０が配置されている。メータ３０は、ドライバに対する走行状態等の各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成された表示部、およびドライバからの各種情報入力用の入力部等が一体化されたものである。ハンドル支持部２６におけるメータ３０の下方には、ヘッドランプ３２が固定されており、ヘッドランプ３２の左右両側には、フラッシャランプ３４がそれぞれ設けられている。
【００３０】
また、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３６が取り付けられており、フロントフォーク３６それぞれの下端には、前輪３８が前車軸４０を介して取り付けられている。前輪３８は、フロントフォーク３６によって緩衝懸架された状態で前車軸４０によって回転自在に軸支されている。
【００３１】
一方、リヤフレーム１８の後端部には、フレーム状のシートレール２０が取り付けられている。シートレール２０は、リヤフレーム１８の上端部にたとえば溶接によって固設され、略前後方向に配設されている。シートレール２０上には図示しないシートが開閉自在に設けられている。
シートレール２０の後端部には取り付けブラケット４２が固設されており、取り付けブラケット４２にはテールランプ４４および左右一対のフラッシャランプ４６がそれぞれ取り付けられている。
【００３２】
一方、リヤフレーム１８の下端部には、リヤアーム４８がピボット軸５０を介して揺動自在に支持されており、リヤアーム４８の後端部４８ａには駆動輪である後輪５２が回転自在に軸支されており、リヤアーム４８および後輪５２は、図示しないリヤクッションによってリヤフレーム１８に対して緩衝懸架されている。
リヤフレーム１８の下端部の前側には、リヤフレーム１８から左右方向に突出するようにフットレスト取付用バー５４が固定され、フットレスト取付用バー５４には図示しないフットレストが取り付けられる。フットレスト取付用バー５４の後方には、メインスタンド５６が回動可能にリヤアーム４８に支持されており、メインスタンド５６は、リターンスプリング５８によって閉じ側に付勢されている。
【００３３】
リヤアーム４８の後端部４８ａよりも内側には、後輪５２に連結されかつ後輪５２を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ６０と、電動モータ６０に電気的に接続される駆動ユニット６２とが配設されている。駆動ユニット６２は、電動モータ６０の回転駆動を制御するためのコントローラ６４を含む。
【００３４】
このような二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００が搭載されている。燃料電池システム１００は、電動モータ６０やその他の構成部品を駆動するための電気エネルギーを生成する。
【００３５】
以下、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに発電に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
燃料電池システム１００は、フロントフレーム１６の下方に配置される燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。
【００３６】
図８および図９に示すように、セルスタック１０２は、メタノールに基づく水素と酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成することができる燃料電池（燃料電池セル）１０４をセパレータ１０６を挟んで複数個積層（スタック）して構成されている。セルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４は、固体高分子膜等から構成された電解質（電解質膜）１０４ａと、電解質１０４ａを挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１０４ｂおよびカソード（空気極）１０４ｃとを含む。アノード１０４ｂおよびカソード１０４ｃはそれぞれ、電解質１０４ａ側に設けられる白金触媒層を含む。各燃料電池セル１０４は、その温度が５０℃以上（好ましくは６０℃〜８０℃）で電解質１０４ａの劣化を抑制しつつ、高い出力で発電可能になる。したがって、セルスタック１０２の発電効率は、その温度が６０℃〜８０℃の間で良好になる。
【００３７】
セパレータ１０６のアノード１０４ｂ側の主面には、図１０に示すような４本の溝１０６ａが蛇行するように形成され、カソード１０４ｃ側の主面には、図１１に示すような６本の溝１０６ｂが蛇行するように形成されている。
【００３８】
図４等に示すように、セルスタック１０２はスキッド１０８上に載せられ、スキッド１０８はフロントフレーム１６のフランジ部１６ｃから吊されるステースタック１１０によって支持されている。
【００３９】
図６に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、水溶液用のラジエータ１１２と気液分離用のラジエータ１１４とが配置されている。ラジエータ１１２と１１４とは一体的に構成され、その前面が車両の前方やや下向きに配置され、前面に対して直交するように設けられる複数の板状のフィン（図示せず）を有する。このようなラジエータ１１２および１１４は、走行時に風を十分に受けることができる。
【００４０】
ラジエータ１１２は、旋回するように形成されるラジエータパイプ１１６を含む。ラジエータパイプ１１６は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１１８ａ（図５参照）から出口１１８ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１２の裏面側にはラジエータパイプ１１６と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２０が設けられている。
【００４１】
同様に、ラジエータ１１４は、それぞれ蛇行するように形成される２本のラジエータパイプ１２２を含む。各ラジエータパイプ１２２は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１２４ａ（図３参照）から出口１２４ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１４の裏面側にはラジエータパイプ１２２と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２６が設けられている。
【００４２】
図１〜図７に戻り主に図３を参照して、フロントフレーム１６の連結部１６ｅの後側には、上方から順に燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２が配置されている。燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００４３】
燃料タンク１２８は、シートレール２０の下側に配置され、シートレール２０の後端部に取り付けられている。
燃料タンク１２８は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。燃料タンク１２８はその上面に蓋１２８ａを備え、蓋１２８ａを取り外してメタノール燃料が供給される。
【００４４】
また、水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８の下側に設けられ、リヤフレーム１８に取り付けられている。水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８に収容されたメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（たとえば、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。この実施形態では、水溶液タンク１３０が第１タンクに相当する。
【００４５】
燃料タンク１２８にはレベルセンサ１２９が装着され、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の液面の高さが検出される。水溶液タンク１３０にはレベルセンサ１３１が装着され、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の液面の高さが検出される。レベルセンサ１２９，１３１で液面高さを検出することによって、タンク内の液量を検出できる。
水溶液タンク１３０内の液面は、たとえば図４においてＡで示す範囲内にコントロールされる。
【００４６】
水タンク１３２は、リヤフレーム１８の板状部材１８ａおよび１８ｂ間でありかつセルスタック１０２の後側に配置されている。
【００４７】
燃料タンク１２８の前側でありかつフロントフレーム１６のフランジ部１６ｂの上側には、二次電池１３４が配置されている。二次電池１３４は、燃料電池システム１００によって生成された電気エネルギーを蓄え、コントローラ１５６（後述）の指令に応じて電気エネルギーを対応する電気構成部品に供給する。たとえば、二次電池１３４は、補機類や駆動ユニット６２に電気エネルギーを供給する。
【００４８】
二次電池１３４の上方かつシートレール２０の下方には、燃料ポンプ１３６、測定用バルブ１３８が配置されている。また、燃料ポンプ１３６および測定用バルブ１３８の左側でありかつ水溶液タンク１３０の上方にはキャッチタンク１４０が配置されている。この実施形態ではキャッチタンク１４０が液化処理部を構成する第２タンクに相当する。
【００４９】
キャッチタンク１４０は、中空の略立方体状に形成される収容部１４０ａと円筒状に形成される取付部１４０ｂとを含む。収容部１４０ａはその背面が車両の後方やや下向きとなるように配置されており、取付部１４０ｂは収容部１４０の上面（天板）から鉛直上向きに延びるように形成されている。キャッチタンク１４０は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００５０】
キャッチタンク１４０の取付部１４０ｂの上端部には、開閉可能（取り外し可能）に蓋１４１が設けられている。これによって、たとえば燃料電池システム１００を一度も起動したことがない状態（水溶液タンク１３０が空の状態）において、キャッチタンク１４０を水溶液タンク１３０にメタノール水溶液を供給するための投入部としても利用できる。
【００５１】
また、フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータ１１２，１１４とによって囲まれた空間には、エアフィルタ１４２が配置され、エアフィルタ１４２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１４４が配置されている。
【００５２】
さらに、図４に示すように、フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４８が収納されており、エアポンプ１４８の左側にはエアチャンバ１５０が配置されている。水溶液ポンプ１４６は水溶液タンク１３０よりも高い位置に設けられている。
【００５３】
さらに、図５に示すように、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、前方から順にメインスイッチ１５２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４、コントローラ１５６、防錆用バルブ１５８および水ポンプ１６０が配置される。なお、メインスイッチ１５２はフロントフレーム１６の収納スペースを右側から左側に貫通するように設けられている。セルスタック１０２の前面にはホーン１６２が設けられている。
【００５４】
このように配置される燃料電池システム１００の配管について、図４〜図７および図１２を参照して説明する。
燃料タンク１２８と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２によって連通されている。パイプＰ１は、燃料タンク１２８の左側面下端部と燃料ポンプ１３６の左側面下端部とを結び、パイプＰ２は、燃料ポンプ１３６の左側面下端部と水溶液タンク１３０の左側面下端部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。
【００５５】
水溶液タンク１３０と水溶液ポンプ１４６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１４６と水溶液フィルタ１４４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１４４とセルスタック１０２とはパイプＰ５によって連通されている。パイプＰ３は、水溶液タンク１３０の左側面下隅部と水溶液ポンプ１４６の後部とを結び、パイプＰ４は、水溶液ポンプ１４６の後部と水溶液フィルタ１４４の左側面とを結び、パイプＰ５は、水溶液フィルタ１４４の右側面とセルスタック１０２の前面右下隅部に位置するアノード入口Ｉ１とを結ぶ。水溶液ポンプ１４６を駆動させることによって、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液がパイプＰ３，Ｐ４を介して水溶液フィルタ１４４に与えられ不純物が除去された後、パイプＰ５を介してセルスタック１０２に与えられる。
【００５６】
セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１２とはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１１２と水溶液タンク１３０とはパイプＰ７によって連通されている。パイプＰ６は、セルスタック１０２の後面左上隅部に位置するアノード出口Ｉ２とラジエータ１１２の下面右側端部から引き出されるラジエータパイプ１１６の入口１１８ａ（図５参照）とを結び、パイプＰ７は、ラジエータ１１２の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出されるラジエータパイプ１１６の出口１１８ｂ（図３参照）と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。セルスタック１０２から排出される未反応メタノール水溶液および二酸化炭素はパイプＰ６を介してラジエータ１１２に与えられ温度が下げられて、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。
【００５７】
また、エアフィルタ１４２とエアチャンバ１５０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１５０とエアポンプ１４８とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１４８と防錆用バルブ１５８とはパイプＰ１０によって接続され、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって接続されている。パイプＰ８は、エアフィルタ１４２の後部とエアチャンバ１５０の中央部よりもやや前方寄りの位置とを結び、パイプＰ９は、エアチャンバ１５０の中央部の下側とエアポンプ１４８の後部とを結び、パイプＰ１０は、フロントフレーム１６の板状部材１６ａの左側に位置するエアポンプ１４８と板状部材１６ａの右側に位置する防錆用バルブ１５８とを結び、パイプＰ１１は、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２の後面右上端部に位置するカソード入口Ｉ３とを結ぶ。燃料電池システム１００の駆動時には防錆用バルブ１５８を開いておき、その状態でエアポンプ１４８を駆動させると、酸素を含む空気が外部から吸入され、エアフィルタ１４２で浄化された後、パイプＰ８、エアチャンバ１５０およびパイプＰ９を介してエアポンプ１４８に流入し、さらに、パイプＰ１０、防錆用バルブ１５８およびパイプＰ１１を介してセルスタック１０２に与えられる。防錆用バルブ１５８は、非駆動時には閉じられており、エアポンプ１４８へ水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ１４８の錆を防止する。
【００５８】
セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通され、水タンク１３２にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。各パイプＰ１２は、セルスタック１０２の前面左下隅部に位置するカソード出口Ｉ４とラジエータ１１４の下面左側端部から引き出される各ラジエータパイプ１２２の入口１２４ａ（図３参照）とを結び、各パイプＰ１３は、ラジエータ１１４の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出される各ラジエータパイプ１２２の出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上部とを結び、パイプＰ１４は、水タンク１３２の後面上部に接続され、一旦上昇しその後下降するようにくの字状に形成されている。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される水分（水および水蒸気）や二酸化炭素を含む排気はパイプＰ１２を介してラジエータ１１４に与えられ、水蒸気が液化される。水とともに排気はパイプＰ１３を介して水タンク１３２に与えられる。水タンク１３２に送り込まれた排気はパイプＰ１４から排出される。
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。
【００５９】
さらに、水タンク１３２と水ポンプ１６０とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１６０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１６によって連通されている。パイプＰ１５は、水タンク１３２の右側面下部と水ポンプ１６０の中央部とを結び、パイプＰ１６は、水ポンプ１６０の中央部と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。水ポンプ１６０を駆動させると、水タンク１３２内の水がパイプＰ１５，１６を介して水溶液タンク１３０に戻される。
上述したパイプＰ１５，１６は水の流路となる。
【００６０】
また、パイプＰ４から分岐したパイプＰ１７が設けられ、パイプＰ１７にはメタノール水溶液の濃度を検出するための濃度センサ１６４が取り付けられ、濃度センサ１６４と測定用バルブ１３８とはパイプＰ１８によって接続され、測定用バルブ１３８と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１９によって接続されている。パイプＰ１７は、車体フレーム１２の左側に配設され、パイプＰ４と濃度センサ１６４とを結び、パイプＰ１８は、濃度センサ１６４と測定用バルブ１３８の左側面とを結び、パイプＰ１９は、測定用バルブ１３８の右側面と水溶液タンク１３０の上面とを結ぶ。メタノール水溶液の濃度測定時には測定用バルブ１３８が開かれ、その状態でパイプＰ１７を介して濃度センサ１６４を通るメタノール水溶液の濃度がたとえば超音波等を用いて濃度センサ１６４で測定され、検出された濃度を示す濃度信号がコントローラ１５６に送信される。濃度測定に用いられたメタノール水溶液は、パイプＰ１８、測定用バルブ１３８およびパイプＰ１９を介して水溶液タンク１３０に戻される。
上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は濃度測定用の流路となる。
【００６１】
さらに、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とはパイプＰ２０によって連通され、キャッチタンク１４０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２１によって連通され、キャッチタンク１４０とエアチャンバ１５０とはパイプＰ２２によって連通されている。
【００６２】
パイプＰ２０は、水溶液タンク１３０内の液面よりも上側（図４においてＡで示す範囲よりも上側）で水溶液タンク１３０に接続され、水溶液タンク１３０の左側面後方上隅部と収容部１４０ａの左側面上隅部とを結ぶ。図４からわかるように、パイプＰ２０は、矢印Ｂ方向（直線状の状態におけるパイプＰ２０の長手方向に直交する方向）の断面積が収容部１４０ａの矢印Ｃ方向（収容部１４０ａの長手方向に直交する方向）の断面積よりも小さくなるように形成されている。パイプＰ２１は、水溶液タンク１３０内の液面よりも下側（図４においてＡで示す範囲よりも下側）で水溶液タンク１３０に接続されかつパイプＰ２０よりも下側で収容部１４０ａに接続され、水溶液タンク１３０の左側面前方下隅部と収容部１４０ａの背面下端部とを結ぶ。図４からわかるように、パイプＰ２１は、パイプＰ２０よりも太く（内径が大きく）形成されている。また、収容部１４０ａのパイプＰ２０との接続部と収容部１４０ａのパイプＰ２１との接続部とは、側面視で収容部１４０ａの略対角上に並び、上下に離間するように設けられている。パイプＰ２２は、収容部１４０ａの左側面とエアチャンバ１５０の上端面とを結ぶ。収容部１４０ａのパイプＰ２２との接続部は、上下方向においてパイプＰ２０との接続部とパイプＰ２１との接続部との間に設けられている。
【００６３】
水溶液タンク１３０内にある気体（主に、二酸化炭素、気化したメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ２０を介してキャッチタンク１４０に与えられる。気化したメタノールおよび水蒸気はキャッチタンク１４０内で冷却、液化されてメタノール水溶液に戻る。キャッチタンク１４０内で気化したメタノールおよび水蒸気もキャッチタンク１４０内で液化されてメタノール水溶液に戻る。キャッチタンク１４０内のメタノール水溶液は、パイプＰ２１を介して水溶液タンク１３０に戻る。
【００６４】
収容部１４０ａのパイプＰ２０との接続部（水溶液タンク１３０からの気体の導入部）と収容部１４０ａのパイプＰ２１との接続部（メタノール水溶液の排出部）とを上下に離間させることで、収容部１４０ａ内のメタノール水溶液が水溶液タンク１３０からの気体によって撹拌および加熱されることを抑えることができる。
【００６５】
また、パイプＰ２１が水溶液タンク１３０内の液面よりも下側で水溶液タンク１３０に接続されることによって、キャッチタンク１４０からのメタノール水溶液が水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液中に直接流入する。したがって、液面に向かって流下させる場合に比べて、キャッチタンク１４０からのメタノール水溶液を静穏に水溶液タンク１３０内に流入させることができ、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の撹拌ひいてはメタノールの気化を抑えることができる。水溶液タンク１３０内のメタノールの外部への排出を防ぐためには、水溶液タンク１３０からの気体をキャッチタンク１４０内で液化させるよりも水溶液タンク１３０内にある気体を水溶液タンク１３０内で液化させることが好ましい。このようにパイプＰ２１を液面よりも下側で水溶液タンク１３０に接続することによって、水溶液タンク１３０内にある気体がメタノール水溶液によって遮断されパイプＰ２１を介してキャッチタンク１４０に与えられない。したがって、太いパイプＰ２１を用いつつも水溶液タンク１３０内のメタノールの外部への排出を抑えることができる。
【００６６】
キャッチタンク１４０内にある気体（主に、二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気）はパイプＰ２２を介してエアチャンバ１５０に与えられる。エアチャンバ１５０に与えられたキャッチタンク１４０からの気体は、パイプＰ９を介してエアポンプ１４８に流入し、パイプＰ１０、防錆用バルブ１５８およびパイプＰ１１を介してセルスタック１０２に与えられる。
【００６７】
上述したパイプＰ２０〜Ｐ２２は主として燃料処理用の流路となる。この実施形態では、パイプＰ２０が第１パイプに相当し、パイプＰ２１が第２パイプに相当する。また、パイプＰ９，Ｐ１０，Ｐ１１およびＰ２２を含んで第３パイプが構成される。
【００６８】
このような燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２をオンすることによって起動され、コントローラ１５６によって制御され、二次電池１３４によって電気エネルギーが補完される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４は電圧を２４Ｖから１２Ｖに変換し、変換された１２Ｖの電圧によってファン１２０，１２６が駆動される。
【００６９】
つぎに、燃料電池システム１００の発電時の主要動作について説明する。
燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２がオンされることを契機として、水溶液ポンプ１４６やエアポンプ１４８等の補機類を駆動し、発電（運転）を開始する。
【００７０】
水溶液ポンプ１４６の駆動によって、約３％の濃度のメタノール水溶液が水溶液タンク１３０からパイプＰ３，Ｐ４を介して水溶液フィルタ１４４に供給される。そして、水溶液フィルタ１４４で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプＰ５、アノード入口Ｉ１を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂにダイレクトに供給される。
【００７１】
一方、エアポンプ１４８の駆動によってエアフィルタ１４２から吸入された空気（エア）は、パイプＰ８を介してエアチャンバ１５０に流入することによって消音される。そして、吸入された空気およびパイプＰ２２を介してエアチャンバ１５０に与えられたキャッチタンク１４０からの気体が、パイプＰ９〜Ｐ１１、カソード入口Ｉ３を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに供給される。
【００７２】
セルスタック１０２の各燃料電池セル１０４におけるアノード１０４ｂでは、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応して二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質１０４ａを介してカソード１０４ｃに流入し、そのカソード１０４ｃ側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）および電気エネルギーが生成される。
生成された電気エネルギーは、二次電池１３４に送られて蓄えられるとともに、二輪車１０の走行駆動等に利用される。
【００７３】
一方、各燃料電池セル１０４におけるアノード１０４ｂでの電気化学反応によって生成された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、上記電気化学反応によって発生する熱によって温度上昇し（たとえば約６５℃〜７０℃となる）、未反応メタノール水溶液の一部は気化される。
【００７４】
二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２を介して水溶液用のラジエータ１１２内に流入し、ラジエータパイプ１１６を流れる間にファン１２０によって冷却される（たとえば約４０℃となる）。冷却された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００７５】
一方、カソード１０４ｃ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１０４ｃのカソード出口Ｉ４から排出された水蒸気の一部は、ラジエータ１１４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１１４による水蒸気の液化動作は、ファン１２６を動作させることによって行われる。カソード１０４ｃからの水分（水および水蒸気）は未反応の空気とともにパイプＰ１２，ラジエータ１１４およびパイプＰ１３を介して水タンク１３２に与えられる。
【００７６】
また、カソード１０４ｃでは、キャッチタンク１４０からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソード１０４ｃに移動したメタノールが白金触媒層で酸素と反応して無害な水分と二酸化炭素とに分解される。メタノールから分解された水分と二酸化炭素とは、カソード１０４ｃから排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。このように、キャッチタンク１４０内で液化されなかったメタノールを無害にした後に外部に排出することによって、環境の汚染を抑えることができる。
さらに、水のクロスオーバーによってカソード１０４ｃに移動した水分がカソード１０４ｃから排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。
【００７７】
水タンク１３２に回収された水は、水ポンプ１６０の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を経由して水溶液タンク１３０に適宜還流され、メタノール水溶液の水として利用される。
【００７８】
このような燃料電池システム１００では、水溶液タンク１３０内の気化したメタノールおよび水蒸気をキャッチタンク１４０内で液化させ、キャッチタンク１４０からのメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻す。したがって、気化したメタノールの外部への排出を抑え、環境の汚染を抑えることができる。また、キャッチタンク１４０からのメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻してセルスタック１０２での電気化学反応に利用するので、メタノールの利用効率を向上できる。
【００７９】
また、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とをそれぞれ下と上とに離間させ、これらをパイプＰ２０，２１で接続することによって、水溶液タンク１３０からの気体がパイプＰ２０を通る間に冷却される。したがって、気化したメタノールおよび水蒸気をキャッチタンク１４０内で効率よく液化させることができる。また、水溶液タンク１３０内の温められたメタノール水溶液のしぶきがキャッチタンク１４０内に及びにくくなり、気化したメタノールおよび水蒸気をキャッチタンク１４０内で効率よく液化させることができる。パイプＰ２０はその断面積が収容部１４０ａの断面積よりも小さいので、キャッチタンク１４０内に流入する気体の量が制限され、キャッチタンク１４０内の温度が上がりにくくなる。このことからも、気化したメタノールおよび水蒸気をキャッチタンク１４０内で効率よく液化させることができる。
【００８０】
さらに、パイプＰ２０とＰ２１とを設けることによって、水溶液タンク１３０内の気体をパイプＰ２０を介して円滑にキャッチタンク１４０に導くことができ、キャッチタンク１４０内のメタノール水溶液をパイプＰ２１を介して円滑に水溶液タンク１３０に導くことができる。また、パイプＰ２０とＰ２１とを設けることによって、キャッチタンク１４０をメタノール水溶液の投入部として利用する際に、キャッチタンク１４０からのメタノール水溶液をパイプＰ２１を介して円滑に水溶液タンク１３０に導くことができる。燃料電池システム１００を最初に運転するときには、メタノール水溶液を水溶液タンク１３０内に満たさなければならない。太いパイプＰ２１を用いることによって、キャッチタンク１４０を介してメタノール水溶液を投入する際に、メタノール水溶液がキャッチタンク１４０から溢れることなく、メタノール水溶液を水溶液タンク１３０に素早く投入できる。
【００８１】
セルスタック１０２が５０℃以上で運転される場合、セルスタック１０２からの二酸化炭素および未反応メタノール水溶液を収容する水溶液タンク１３０では、内部の温度が上昇し、メタノールが気化しやすくなる。しかし、気化したメタノールの外部への排出を抑えかつ液化させて利用できるので、この発明は、燃料電池システム１００のように燃料電池セルスタックが５０℃以上で運転される燃料電池システムにおいて有効である。
【００８２】
メタノールの利用効率を向上できるので、この発明の燃料電池システム１００は、メタノール燃料を補給することなく長時間に渡って動作する（長距離を移動する）ことが望まれる二輪車１０等の輸送機器に好適に用いられる。
【００８３】
なお、上述の実施形態では水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とを２本のパイプ（パイプＰ２０，Ｐ２１）で接続する場合について説明したが、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とを接続するパイプの本数はこれに限定されない。たとえば図１３に示すように、水溶液タンク１３０の上面とキャッチタンク１４０の収容部１４０ａの背面下端部とを結ぶようにパイプＰ３０を設けるようにしてもよい。この場合、水溶液タンク１３０内の気体がパイプＰ３０を介してキャッチタンク１４０に与えられ、かつキャッチタンク１４０内のメタノール水溶液がパイプＰ３０を介して水溶液タンク１３０に与えられる。このように１本のパイプで水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とを接続することによって燃料電池システムの配管を簡素にできる。
【００８４】
また、上述の実施形態では水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とを別に設ける場合について説明したが、図１４に示すような水溶液タンク１３０ａを用いるようにしてもよい。図１４に示す水溶液タンク１３０ａでは、その上面（天板）を膨張させることによって気化したメタノールおよび水蒸気を液化させるための液化処理部１３０ｂが一体的に形成されている。このような水溶液タンク１３０ａを用いることによって、キャッチタンクを別に設ける必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素にできる。
【００８５】
さらに、上述の実施形態では、燃料としてメタノール燃料を、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、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、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。
【００８６】
この発明の燃料電池システムは、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。
【００８７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】この発明の燃料電池システムを搭載する二輪車を示す左側面図である。
【図２】二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図３】二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。
【図４】燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。
【図５】燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。
【図６】燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図７】燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。
【図８】燃料電池セルスタックを示す図解図である。
【図９】燃料電池セルを示す図解図である。
【図１０】セパレータのアノード側の形状（４本溝）を示す図解図である。
【図１１】セパレータのカソード側の形状（６本溝）を示す図解図である。
【図１２】燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図１３】水溶液タンクとキャッチタンクとの接続態様の他の例を示す図解図である。
【図１４】液化処理部が一体的に設けられた水溶液タンクを示す図解図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０      二輪車
１００      燃料電池システム
１０２      燃料電池セルスタック
１０４      燃料電池セル
１０４ｂ      アノード
１０４ｃ      カソード
１２８ａ，１４１      蓋
１３０，１３０ａ      水溶液タンク
１３０ｂ      液化処理部
１４０      キャッチタンク
１４０ａ      収容部
１４０ｂ      取付部
Ｐ１〜Ｐ２２，Ｐ３０      パイプ
【図１】
2006236632.tif 000003
【図２】
2006236632.tif 000004
【図３】
2006236632.tif 000005
【図４】
2006236632.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006236632.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2006236632.tif 000013
【図１２】
2006236632.tif 000014
【図１３】
2006236632.tif 000015
【図１４】
2006236632.tif 000016