(57)【要約】      （修正有）【課題】  周囲温度に拘らず、外部に排出される水量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。【解決手段】  自動二輪車のフレームに沿って配置される燃料電池システム１０は、燃料電池１２を含む。燃料電池１２のカソード１２ｃには切替バルブ４２が接続される。切替バルブ４２には、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水をラジエータ４８に案内するラジエータ側パイプ４４と外部に案内する外部側パイプ４６とが接続される。運転中に水タンク５４内の水量が上限値を超えている場合、切替バルブ４２は、ＣＰＵの指示に従ってカソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路をラジエータ側パイプ４４から外部側パイプ４６に切り替える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記燃料電池から排出される水蒸気を含む排気を冷却することによって前記水蒸気を液化させる排気冷却手段、
前記排気冷却手段からの水を収容する水タンク、
前記燃料電池から排出される前記排気を前記排気冷却手段に案内する第１パイプ、
前記燃料電池から排出される前記排気を外部に案内する第２パイプ、および
前記第１パイプと前記第２パイプとに流入する前記排気の量を制御する制御手段を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池から排出される前記排気の流路を前記第１パイプから前記第２パイプにあるいは前記第２パイプから前記第１パイプに切り替える切替手段を含み、前記切替手段に前記排気の流路の切り替え動作を行わせることによって前記第１パイプと前記第２パイプとに流入する前記排気の量を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記水タンク内の液量に応じて前記切替手段に前記排気の流路の切り替え動作を行わせる、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２パイプが断熱部材を含む、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水タンクに接続される排気パイプをさらに備え、前記排気パイプに前記第２パイプが接続される、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排気パイプは上方に向かって設けられる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項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。
【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、燃料電池から排出される排気に含まれる水蒸気を液化させる燃料電池システムおよびそれを用いた自動二輪車等の輸送機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムでは、燃料電池から排出される水蒸気を含む排気を気液分離器で冷却することによって、水蒸気を液化させ、得られる水を水タンク内に収容する。直接メタノール型燃料電池システムでは、水タンク内に収容した水をメタノール水溶液に利用する。また、水素型燃料電池システムでは、水タンク内に収容した水を燃料電池の加湿に利用する。このように、燃料電池システムでは、水タンク内の水の利用が不可欠である。
【０００３】
このような燃料電池システムとして、特許文献１には、水タンク内の水量が必要十分である場合、気液分離器（水凝縮器）の冷却能力を低下させることによって排気に含まれる水蒸気の液化を抑え、水タンクに与える水量を減少させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８００４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術では、水タンク内の水量が必要十分である場合に気液分離器の冷却能力を低下させても、外気温（周囲温度）が低ければ、気液分離器内で排気に含まれる水蒸気が液化し、その水が水タンクに流入してしまう。その結果、多量の水が水タンクからオーバーフローし燃料電池システムの外部に排出されるおそれがある。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、周囲温度に拘らず、外部に排出される水量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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、燃料電池から排出される水蒸気を含む排気を冷却することによって水蒸気を液化させる排気冷却手段、排気冷却手段からの水を収容する水タンク、燃料電池から排出される排気を排気冷却手段に案内する第１パイプ、燃料電池から排出される排気を外部に案内する第２パイプ、および第１パイプと第２パイプとに流入する排気の量を制御する制御手段を備える。
【０００７】
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、制御手段は、燃料電池から排出される排気の流路を第１パイプから第２パイプにあるいは第２パイプから第１パイプに切り替える切替手段を含み、切替手段に排気の流路の切り替え動作を行わせることによって第１パイプと第２パイプとに流入する排気の量を制御することを特徴とする。
【０００８】
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、制御手段は、水タンク内の液量に応じて切替手段に排気の流路の切り替え動作を行わせることを特徴とする。
【０００９】
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、第２パイプが断熱部材を含むことを特徴とする。
【００１０】
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、水タンクに接続される排気パイプをさらに備え、排気パイプに第２パイプが接続されることを特徴とする。
【００１１】
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、排気パイプは上方に向かって設けられることを特徴とする。
【００１２】
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。
【００１３】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、第１パイプと第２パイプとに流入する排気の量を制御手段が制御する。したがって、水タンク内に水が十分ある場合などは、第２パイプを介して外部に案内する排気の量を増加させ、第１パイプを介して排気冷却手段ひいては水タンクに案内する排気の量を減少させることができる。たとえば水タンク内に水が十分にある場合において、上述のように排気冷却手段ひいては水タンクに案内する排気の量を減少させれば、たとえ周囲温度が低い場合であっても水が過剰に生成されず水タンクから多量の水がオーバーフローすることはなく、外部に排出される水量を抑えることができる。このように、外部に排出される水量を抑えることによって、燃料電池システムの配置場所の濡れを低減し、配置場所の美観を損ねることがない。
【００１４】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池から排出される水蒸気を含む排気の流路を制御手段に含まれる切替手段が第１パイプから第２パイプに切り替える。これによって、水タンク内に水が十分ある場合などは、水蒸気を含む排気が排気冷却手段ひいては水タンクを介さずに直接外部へと案内され、排出される。たとえば水タンク内に水が十分にある場合において、上述のように流路を切り替えれば、たとえ周囲温度が低い場合であっても水が過剰に生成されず水タンクから多量の水がオーバーフローすることはなく、外部に排出される水量を抑えることができる。
【００１５】
請求項３に記載の燃料電池システムでは、水タンク内の液量に応じて制御手段が切替手段に排気の流路の切り替え動作を行わせる。したがって、水タンク内に適量の水を確保した状態で燃料電池からの余分な水蒸気を含む排気を排気冷却手段ひいては水タンクを通らないように外部に排出できる。
【００１６】
請求項４に記載の燃料電池システムでは、第２パイプは、第２パイプを通る際に水蒸気を含む排気の温度が低下しないように断熱部材を含む。したがって、より一層、燃料電池からの排気に含まれる水蒸気の液化を抑え、外部に排出する水量を抑えることができる。
【００１７】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、水タンクに設けられる排気パイプに第２パイプが接続される。したがって、排気の出口が１つでよく、燃料電池システムを簡単に構成できる。
【００１８】
請求項６に記載の燃料電池システムでは、排気パイプが上方に向かって設けられる。これによって、排気パイプ内で排気に含まれる水蒸気から液化した水を水タンクへと流下させ、外部に排出しにくくできる。
【００１９】
燃料電池システムが用いられる自動二輪車等の輸送機器では、小型化のために必要最小の容量の水タンクが用いられるので、水タンクから水が溢れ出し、路面や駐車スペース等の美観を損ねるという問題が生じやすい。この発明は外部に排出される水量を抑えることができるので、請求項７に記載するように自動二輪車等の輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、周囲温度に拘らず、外部に排出される水量を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
さらに、カソード１２ｃには切替手段である切替バルブ４２が接続され、切替バルブ４２には第１パイプであるラジエータ側パイプ４４と第２パイプである外部側パイプ４６とが接続される。切替手段である切替バルブ４２は、エアポンプ３４の駆動によってカソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路をラジエータ側パイプ４４から外部側パイプ４６に、あるいは外部側パイプ４６からラジエータ側パイプ４４に切り替える。切替バルブ４２は、たとえばバタフライ弁とそれを駆動させるソレノイドとを含んで構成され、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路を切り替える。なお、切替バルブ４２によって、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水を所定の割合で振り分け、ラジエータ側パイプ４４と外部側パイプ４６とにそれぞれ流入させることもできる。
【００２８】
ラジエータ側パイプ４４は切替バルブ４２と気液分離器として機能するラジエータ４８とを連結し、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水をラジエータ４８に案内する。排気冷却手段であるラジエータ４８の近傍にはラジエータ４８を冷却するための冷却ファン５０が配置される。ラジエータ４８はパイプ５２を介して水タンク５４に接続され、ラジエータ４８によって冷却された水蒸気を含む排気および水がパイプ５２を通って水タンク５４に与えられる。
【００２９】
水タンク５４はラジエータ４８からの水を収容する。水タンク５４には水位センサ５６が装着され、水タンク５４内の水位が検出される。また、水タンク５４には排気パイプ５８が接続され、排気パイプ５８には消音のためのマフラー６０が取り付けられる。
【００３０】
図５および図６をも参照して、外部側パイプ４６は、排気パイプ５８に嵌通する連結パイプ６１を介して排気パイプ５８に接続され、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水を排気パイプ５８、ひいては燃料電池システム１０の外部に案内する。
【００３１】
また、水溶液タンク１８と水タンク５４とはＣＯ2ベントパイプ６２を介して接続される。ＣＯ2ベントパイプ６２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６４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５４に与えられる。
【００３２】
また、水タンク５４は水還流パイプ６６を介して水溶液タンク１８に接続され、水還流パイプ６６には水ポンプ６８が介挿される。水タンク５４内の水は、水溶液タンク１８の状況に応じて必要なときに水ポンプ６８の駆動によって水溶液タンク１８へ還流される。
【００３３】
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７０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７０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７２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７４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７６がエアポンプ３４の近傍に設けられる。
【００３４】
図４に示すように、燃料電池システム１０は制御回路７８を含む。
制御回路７８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ＣＰＵ８０、ＣＰＵ８０にクロックを与えるクロック回路８２、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８４、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ８６、外部機器と接続するためのインターフェイス回路８８、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９０における電圧を検出するための電圧検出回路９２、電気回路９０を流れる電流を検出するための電流検出回路９４、電気回路９０を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路９６、電気回路９０の過電圧を防止するための電圧保護回路９８、電気回路９０に設けられるダイオード１００、電気回路９０に所定の電圧を供給するための電源回路１０２を含む。
【００３５】
このような制御回路７８のＣＰＵ８０には、水位センサ１５，２２および５６からの検出信号が入力され、また濃度センサ７２、温度センサ７４および外気温度センサ７６からの検出信号が入力される。また、ＣＰＵ８０には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ１０４からの検知信号が入力される。さらに、ＣＰＵ８０には、各種設定や情報入力のための入力部１０６からの信号が与えられる。入力部１０６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ＣＰＵ８０に与えられる。
【００３６】
また、ＣＰＵ８０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、切替バルブ４２、気液分離器用冷却ファン５０および水ポンプ６８等の補機類が制御される。また、ＣＰＵ８０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１０８が制御される。
【００３７】
この実施形態では、ＣＰＵ８０と切替バルブ４２とによって制御手段が構成され、ＣＰＵ８０は、水位センサ５６からの検出信号、つまり水タンク５４内の液量（水量）に応じて切替バルブ４２に水蒸気を含む排気および水の流路の切り替え動作を行わせる。
【００３８】
また、燃料電池１２には二次電池１１０および二次電池１１０の蓄電量を検出するための蓄電量検出装置１１２が並列接続される。二次電池１１０および蓄電量検出装置１１２はモータ２０２にも並列接続される。二次電池１１０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。
【００３９】
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１１４を介してＣＰＵ８０に与えられる。
【００４０】
ここで、図５〜図７を参照して、水タンク５４、水タンク５４に接続される排気パイプ５８および排気パイプ５８に接続される外部側パイプ４６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５４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５４の容量は５００ｃｃ程度である。
【００４１】
水タンク５４には、それぞれたとえばＳＵＳ３０４等からなる導入パイプ１１６，１１８および排出パイプ１２０，１２２が嵌通するように取り付けられる。
導入パイプ１１６は、水タンク５４の前面やや上部から水タンク５４内に嵌通する円筒部１１６ａと水タンク５４内において下方に屈曲する略ラッパ状の拡開部１１６ｂとからなる。拡開部１１６ｂの導入口１２４ａの開口面積は、円筒部１１６ａの入口１２４ｂのそれより大きく設定される。円筒部１１６ａにはパイプ５２が接続される。
【００４２】
排出パイプ１２０は、水タンク５４の背面から水タンク５４内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク５４内において導入パイプ１１６の拡開部１１６ｂの上方に排出口１２５が位置するように設けられる。このように水タンク５４内において導入口１２４ａと排出口１２５とが対向しないように、拡開部１１６ｂと排出パイプ１２０とが配置される。
【００４３】
図５および図６に示すように、排出パイプ１２０には上方に向かって設けられる排気パイプ５８が接続される。排気パイプ５８の一端部は、排出パイプ１２０を介して水タンク５４に接続される。その位置から排気パイプ５８は、真後ろの方向かつ水平方向に伸ばされたのち車幅方向に曲げられかつやや斜め上方向に延ばされる。さらに、排気ガスパイプ５８は、真後ろの方向に曲げられて斜め上方向に段階的に傾斜を強めて延ばされ、第１傾斜部５８ａと第２傾斜部５８ｂとが設けられる。このような排気パイプ５８の第２傾斜部５８ｂに連結パイプ６１が嵌通し、連結パイプ６１を介して排気パイプ５８と外部側パイプ４６とが接続される。排気パイプ５８が上方に向かって設けられることによって、外部側パイプ４６を通って排気パイプ５８に流入した水および排気パイプ５８内で水蒸気から液化した水の大部分を水タンク５４へと流下させることができる。
【００４４】
図５および図６からわかるように、外部側パイプ４６はパイプ本体４６ａをウレタン等からなる断熱材４６ｂで被覆することによって構成される。これによって、外部側パイプ４６を通る水蒸気を含む排気および水の温度低下が抑えられ、排気に含まれる水蒸気の液化を抑えることができる。
【００４５】
導入パイプ１１８は、水タンク５４の上面角部から水タンク５４内に嵌通する円筒状パイプであり、水タンク５４内において排出パイプ１２０の上方に配置される。導入パイプ１１８にはＣＯ2ベントパイプ６２が接続される。
排出パイプ１２２は、水タンク５４の背面かつ底面近傍から水タンク５４内に嵌通する円筒状パイプであり、排出パイプ１２２には水還流パイプ６６が接続される。
【００４６】
したがって、ラジエータ４８からの水蒸気を含む排気および水はパイプ５２を通って導入パイプ１１６から水タンク５４内に導入され、水が水タンク５４内に収容される。水溶液タンク１８、ＣＯ2ベントパイプ６２を順に通った二酸化炭素は、導入パイプ１１８から水タンク５４内に導入される。水タンク５４内の水は、排出パイプ１２２を通って水還流パイプ６６に流入する。水タンク５４内の水蒸気と二酸化炭素とを含む排気は排出パイプ１２０、排気パイプ５８およびマフラー６０を順に通って外部に排出される。また、外部側パイプ４６を介して排気パイプ５８に水蒸気を含む排気および水を流入させる場合、排気パイプ５８内の水の大部分が水タンク５４へと流下し、主として水蒸気を含む排気がマフラー６０を通って外部に排出される。
【００４７】
さらに、水タンク５４内には防風部材１２６が設けられる。防風部材１２６は、たとえばＳＵＳ３０４からなり、略長方形かつ板状のセパレータ１２６ａと、セパレータ１２６ａに対して略直角に折り曲げられた取付部１２６ｂとからなる。セパレータ１２６ａが略水平になるように取付部１２６ｂが水タンク５４の側面内壁に取り付けられて、防風部材１２６が水タンク５４内に固定される。セパレータ１２６ａによって水タンク５４の内部が上方空間１２８ａと下方空間１２８ｂとに区画される。上方空間１２８ａ側には導入パイプ１１６，１０８および排出パイプ１２０が設けられ、下方空間１２８ｂ側には排出パイプ１２２が設けられる。
【００４８】
防風部材１２６の取付位置は、下方空間１２８ｂに水溶液タンク１８への補給に必要十分な水を収容できるような高さに設定される。また、防風部材１２６が取付部１２６ｂを除いて水タンク５４の内壁と接触しないように、すなわちセパレータ１２６ａの外縁３辺と水タンク５４の対応する内壁３面とが間隙１３０を有するように、防風部材１２６が位置決めされる。
【００４９】
また、図７に示すように、セパレータ１２６ａには、複数（ここでは２１個）の小径貫通孔１３２ａと複数（ここでは１３個）の大径貫通孔１３２ｂとが設けられる。小径貫通孔１３２ａは導入口１２４ａと対向し導入口１２４ａからの水蒸気を含む排気および水の吐出箇所に集中的に設けられる。好ましくは、小径貫通孔１３２ａの直径は４ｍｍに、大径貫通孔１３２ｂの直径は６ｍｍに設定される。小径貫通孔１３２ａをこのような位置に設けることによって、下方空間１２８ｂ内への排気の進入を抑えつつ水を効率的に回収できる。
【００５０】
さらに、図５に示すように、下方空間１２８ｂ側の前面の内壁には、セパレータ１２６ａの下方かつセパレータ１２６ａと所定の間隙を有する位置に突起部（邪魔板）１３４が設けられる。突起部１３４は、垂直方向からみて水タンク５４の前面の内壁とセパレータ１２６ａとの間隙１３０を塞ぐように設けられる。
【００５１】
また、下方空間１２８ｂには、水タンク５４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センサ５６が設けられる。図６に示すように、水位センサ５６は、センサ本体５６ａとセンサ本体５６ａに取り付けられるフロート部５６ｂとを含む。水位センサ５６では、下方空間１２８ｂ内の水位の変化に伴ってフロート部５６ｂが浮動することによって、下方空間１２８ｂ内の水位を検出できる。言い換えれば、水位センサ５６では、浮動するフロート部５６ｂの位置に基づいて水タンク５４内の液量を検出できる。
【００５２】
ついで、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、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。
【００５３】
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、ＣＯ2ベントパイプ６２および導入パイプ１１８を順に通って水タンク５４に与えられ、排出パイプ１２０、排気パイプ５８およびマフラー６０を順に通って排出される。
【００５４】
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になり、エアポンプ３４の駆動によって排気とともに、カソード１２ｃから排出される。その他の飽和水蒸気分は、エアポンプ３４の駆動によってガス状態のまま排気としてカソード１２ｃから排出される。
【００５５】
カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路がラジエータ側パイプ４４である場合、排気に含まれる水蒸気はラジエータ４８で冷却され露点を下げることによって一部が液化される。ラジエータ４８による水蒸気の液化動作は、冷却ファン５０を動作させラジエータ４８を冷却することによって行われる。ラジエータ４８からの水蒸気を含む排気および水（水蒸気から液化された水を含む）は、パイプ５２および導入パイプ１１６を順に通って水タンク５４に与えられる。
【００５６】
ラジエータ４８からの水蒸気を含む排気および水は、エアポンプ３４の駆動によって導入パイプ１１６の導入口１２４ａから図５において矢印Ｗで示すように上方空間１２８ａに導入され、水タンク５４内には強い旋回流が生じる。排気の大部分は、防風部材１２６のセパレータ１２６ａと衝突して上方空間１２８ａを旋回し、下方空間１２８ｂにはさほど流れ込まない。導入口１２４ａから上方空間１２８ａに導入された水は、セパレータ１２６ａの複数の小径貫通孔１３２ａおよび複数の大径貫通孔１３２ｂを通って流下するとともに、セパレータ１２６ａと水タンク５４の内壁との間隙１３０を通って流下し、下方空間１２８ｂに貯留される。下方空間１２８ｂに貯留される水が旋回流によって掻き上げられても図５において矢印Ｘで示すように突起部１３４に衝突するので、水が上方空間１２８ａに逆流しない。
水タンク５４内に収容された水は、水ポンプ６８の駆動によって水還流パイプ６６を通って水溶液タンク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。
【００５７】
一方、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路が外部側パイプ４６である場合、水蒸気を含む排気および水は、ラジエータ４８を通ることなく、排気パイプ５８に流入する。このとき、排気に含まれる水蒸気は断熱構造の外部側パイプ４６を通ることによってほとんど液化することがない。外部側パイプ４６を通って排気パイプ５８に流入した水および排気パイプ５８内で水蒸気から液化した水の大部分が水タンク５４へと流下し、主として水蒸気を含む排気がマフラー６０から排出される。
【００５８】
なお、エアポンプ３４の駆動によってカソード１２ｃからは、水のクロスオーバーによってカソード１２ｃに移動した水、ならび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が排出される。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。
【００５９】
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８を参照して、まず、図示しないメインスイッチがＯＮされ、メインスイッチＯＮの信号がＣＰＵ８０に入力されると（ステップＳ１）、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１１２によって二次電池残存容量が検出される（ステップＳ３）。検出された二次電池残存容量に基づいて水ポンプ６８を駆動できるか否かが判断される（ステップＳ５）。
【００６０】
二次電池残存容量によって、発電に必要な電力（補機類駆動用電力）を供給できるならば、水ポンプ６８を駆動できると判断され（ステップＳ５がＹＥＳ）、液量チェックモードに入り、水位センサ５６によって水タンク５４内の液量（水量）が検出される（ステップＳ７）。
【００６１】
ステップＳ７で検出した液量が予め設定されている第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上であれば（ステップＳ９がＹＥＳ）、二次電池１１０の電力によって水ポンプ６８が駆動され、水タンク５４内の水が水還流パイプ６６を通って水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ１１）。その後、水位センサ５６の検出する液量が予め設定されている第２所定量（たとえば２２０ｃｃ）以下になると（ステップＳ１３がＹＥＳ）、水ポンプ６８が停止される（ステップＳ１５）。
【００６２】
また、ステップＳ１３において、水位センサ５６の検出する液量が第２所定量以下にならずとも（ステップＳ１３がＮＯ）、一定時間（たとえば１分）経過すれば（ステップＳ１７がＹＥＳ）、ステップＳ１５に進む。このように、一定時間経過後に水ポンプ６８を停止させることで、たとえば水位センサ５６の異常等のために検出する液量がいつまでも第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Ｓ１７がＮＯ）、引き続きステップＳ１１の処理が行われる。
【００６３】
ステップＳ１５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３２、気液分離器用冷却ファン５０および水ポンプ６８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Ｓ１９）。ステップＳ９において、水タンク５４内の液量が第１所定量未満であれば（ステップＳ９でＮＯ）、ステップＳ１９に進む。
【００６４】
なお、二次電池残存容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、水ポンプ６８を駆動できないと判断される（ステップＳ５がＮＯ）。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６８を駆動せずに別の処理を施して（ステップＳ２１）、ステップＳ１９に進み発電を開始する。
【００６５】
ついで、図９を参照して、燃料電池システム１０の運転（発電）時の主要動作の一例について説明する。
燃料電池システム１０の運転が開始されると、水位センサ２２によって水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの液量が検出される（ステップＳ１０１）。検出された水溶液タンク１８内の液量が所定量（たとえば１０００ｃｃ）以下であれば（ステップＳ１０３がＹＥＳ）、ＣＰＵ８０からの指示によって水ポンプ６８が駆動され、水タンク５４内の水が水還流パイプ６６を通って水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ１０５）。
【００６６】
ステップＳ１０５の後に、水位センサ５６によって水タンク５４内の液量が検出され（ステップＳ１０７）、水タンク５４内の液量が下限値（たとえば１００ｃｃ）未満になっていれば（ステップＳ１０９がＹＥＳ）、水ポンプ６８が停止される（ステップＳ１１１）。また、ステップＳ１０９において、水位センサ５６の検出する液量が下限値未満でなくとも（ステップＳ１０９がＮＯ）、一定時間（たとえば１分）経過すれば（ステップＳ１１３がＹＥＳ）、ステップＳ１１１に進む。一定時間経過するまでは（ステップＳ１１３がＮＯ）、引き続きステップＳ１０５の処理が行われる。
【００６７】
ステップＳ１１１の後に、ステップＳ１０１から一定時間（たとえば３分）経過すれば（ステップＳ１１５がＹＥＳ）、水位センサ５６によって水タンク５４内の液量が検出される（ステップＳ１１７）。一定時間経過するまでは（ステップＳ１１５がＮＯ）、待機する。ステップＳ１０３において、水溶液タンク１８内の液量が所定量を超えていれば（ステップＳ１０３がＮＯ）、ステップＳ１１５に進む。
【００６８】
ステップＳ１１７で検出された水タンク５４内の液量が上限値（たとえば４００ｃｃ）を超え（ステップＳ１１９がＹＥＳ）、かつカソード１２ｃから排出される排気の流路がラジエータ側パイプ４４であれば（ステップＳ１２１がＹＥＳ）、切替バルブ４２がＣＰＵ８０の指示に従って流路の切り替え動作を行う。（ステップＳ１２３）。
【００６９】
ステップＳ１２３では、切替バルブ４２によって、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路がラジエータ側パイプ４４から外部側パイプ４６に切り替えられる。これによって、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水が排気パイプ５８に流入し、排気パイプ５８内の水の大部分が水タンク５４へと流下し、その僅かな水と水蒸気を含む排気とがマフラー６０から排出される。
【００７０】
そして、ステップＳ１２３の後に、ＣＰＵ８０の指示に従って冷却ファン５０が停止され（ステップＳ１２５）ステップＳ１０１に戻る。カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水がラジエータ４８を通らない場合、ラジエータ４８の温度が自然に低下するので、冷却ファン５０を停止させることによって、燃料電池システム１０の消費電力を抑え、エネルギー効率を向上させることができる。ステップＳ１２１において、カソード１２ｃから排出される排気の流路が外部側パイプ４６であれば（ステップＳ１２１がＮＯ）、ステップＳ１０１に戻る。
【００７１】
一方、ステップＳ１１７で検出された水タンク５４内の液量が上限値以下であり（ステップＳ１１９がＮＯ）、かつカソード１２ｃから排出される排気の流路が外部側パイプ４６であれば（ステップＳ１２７がＹＥＳ）、冷却ファン５０の駆動が開始される（ステップＳ１２９）。そして、ステップＳ１２９の後に、切替バルブ４２がＣＰＵ８０の指示に従って流路の切り替え動作を行う。（ステップＳ１３１）。
【００７２】
ステップＳ１３１では、切替バルブ４２によって、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路が外部側パイプ４６からラジエータ側パイプ４４に切り替えられる。これによって、カソード１２から排出される水蒸気を含む排気および水がラジエータ４８ひいては水タンク５４に与えられる。
【００７３】
そして、ステップＳ１３１の後に、ステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１２７において、カソード１２ｃから排出される排気の流路がラジエータ側パイプ４４であれば（ステップＳ１２７がＮＯ）、ステップＳ１０１に戻る。
【００７４】
上述の実施形態では、切替バルブ４２によってカソード１２ｃからの排気および水の流路をラジエータ側パイプ４４および外部側パイプ４６のいずれか一方に切り替える場合について説明したが、ラジエータ側パイプ４４と外部側パイプ４６とに流入する排気および水の量の制御はこれに限定されない。たとえば、切替バルブ４２によってカソード１２ｃからの排気および水を所定の割合で振り分け、ラジエータ側パイプ４４と外部側パイプ４６とにそれぞれ流入させるようにしてもよい。
【００７５】
このような燃料電池システム１０では、運転（発電）中に水タンク５４内の液量が上限値を超えている場合、切替バルブ４２によってカソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水の流路がラジエータ側パイプ４４から外部側パイプ４６に切り替えられる。つまり、水タンク５４内に適量の水を確保しつつ、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水がラジエータ４８ひいては水タンク５４を通らないように排気パイプ５８へと案内される。したがって、周囲温度が低い場合であっても水タンク５４から水がオーバーフローすることがない。また、カソード１２ｃから排出される水蒸気を含む排気および水がラジエータ４８を通ることなく、言い換えればラジエータ４８をバイパスし、断熱構造の外部側パイプ４６によって排気パイプ５８に案内される。これによって、カソード１２ｃから排出される排気に含まれる水蒸気の液化を抑え、水蒸気の大部分を気体のまま外部に排出することができ、外部に排出される水量を抑えることができる。さらに、排気パイプ５８が上方に向かって設けられることによって、排気パイプ５８内の水の大部分を水タンク５４へと流下させることができ、外部に排出される水量を抑えることができる。このように、外部に排出される水量を抑えることによって、自動二輪車の駐車スペース等の濡れを低減し、美観を損ねることがない。
【００７６】
また、排気パイプ５８に外部側パイプ４６を接続することによって、マフラー６０を１つ設ければよく、システムを簡単に構成できる。
【００７７】
なお、水タンク５４内の液量の検出手段は、水タンク５４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。
【００７８】
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。
【００７９】
この発明は、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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】燃料電池システムの要部を示す図解図である。
【図４】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。
【図５】水タンクおよびその近傍を示す側面図である。
【図６】水タンクおよびその近傍を示す断面図解図である。
【図７】図５におけるＡ−Ａ断面図である。
【図８】この発明に係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。
【図９】この発明に係る燃料電池システムの運転時の主要動作の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０      燃料電池システム
１２      燃料電池
１２ｃ      カソード
１５，２２，５６      水位センサ
２８，４８      ラジエータ
３２，５０      冷却ファン
４２      切替バルブ
４４      ラジエータ側パイプ
４６      外部側パイプ
４６ａ      パイプ本体
４６ｂ      断熱材
５４      水タンク
５８      排気パイプ
６０      マフラー
８０      ＣＰＵ
２００      車体フレーム
【図１】
2006114261.tif 000003
【図２】
2006114261.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006114261.tif 000008
【図７】
2006114261.tif 000009
【図８】
2006114261.tif 000010
【図９】
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