(57)【要約】【課題】燃料電池の出力を安定させることができる、燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、複数の燃料電池１０４を含むセルスタック１０２、セルスタック１０２にメタノール水溶液を循環供給するためのパイプＰ３〜Ｐ７、水溶液タンク１１６、水溶液ポンプ１３６、および燃料電池システム１００を制御するＣＰＵ１５６を備える。ＣＰＵ１５６は、前回の発電停止からの経過時間に基づいてメタノール水溶液の循環供給の開始から電力の取り出し開始までの待機時間を設定する。待機時間が経過すれば、ＣＰＵ１５６によってＯＮ／ＯＦＦ回路１６８がオンされ、電気回路１６２を介してセルスタック１０２から電力の取り出しが開始される。【選択図】図４
2008147173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池、
前記燃料電池に燃料水溶液を循環供給する循環手段、
前記燃料電池から電力を取り出すための取り出し手段、および
前記循環手段が循環供給を開始した後に前記燃料電池から電力の取り出しを開始するように前記取り出し手段を制御する第１制御手段を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環手段が循環供給を開始してからの時間を計時する第１計時手段をさらに含み、
前記第１制御手段は、前記第１計時手段の計時結果に基づいて前記取り出し手段を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環手段が循環供給を開始してから前記取り出し手段によって電力の取り出しを開始するまでの待機時間を循環供給前の前記燃料水溶液の濃度のばらつきに関する情報に基づいて設定する設定手段をさらに含み、
前記第１制御手段は、前記第１計時手段の計時結果が前記待機時間を経過した後前記燃料電池から電力の取り出しを開始するように前記取り出し手段を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の発電開始を指示する指示手段、および
前回の発電停止から前記指示手段による今回の発電開始指示までの時間を計時する第２計時手段をさらに含み、
前記設定手段は、前記濃度のばらつきに関する情報として前記第２計時手段の計時結果に基づいて前記待機時間を設定する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記取り出し手段は、前記燃料電池と負荷とを電気的に接続する電気回路と、前記電気回路上に設けられ前記燃料電池と前記負荷との間に電流を流すか否かを切り替える切り替え手段とを含み、
前記第１制御手段は、前記循環手段が循環供給を開始した後に前記燃料電池から電力の取り出しを開始するように前記切り替え手段を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環手段に水を供給する水供給手段、および
前記燃料電池から電力を取り出す前に前記循環手段に前記水を供給するように前記水供給手段を制御する第２制御手段をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記循環手段に前記燃料水溶液よりも濃度の高い燃料を供給する燃料供給手段、
前記水供給手段によって前記循環手段に供給される前記水の量を取得する水供給量取得手段、および
前記水供給量取得手段によって取得される前記水の供給量に基づいて前記燃料を前記燃料電池から電力を取り出す前に前記循環手段に供給するように前記燃料供給手段を制御する第３制御手段をさらに含む、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記循環手段に前記燃料水溶液よりも濃度の高い燃料を供給する燃料供給手段、および
前記燃料電池から電力を取り出す前に前記循環手段に前記燃料を供給するように前記燃料供給手段を制御する第３制御手段をさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
１００Ｗ以上の出力を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
【請求項１１】
燃料電池への燃料水溶液の循環供給を開始する第１工程、および
前記第１工程の後に前記燃料電池から電力の取り出しを開始する第２工程を備える、燃料電池システムの制御方法。
【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の制御方法に関し、より特定的には、燃料水溶液を燃料電池に直接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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池に燃料水溶液を直接供給する燃料電池システムが開示されている。通常、このような燃料電池システムでは、燃料電池への燃料水溶液および酸素を含む気体（空気）の供給開始と同時に電力の取り出しが開始される。つまり、燃料電池の発電開始と同時に燃料電池から電力の取り出しが開始される。
【０００３】
一般に、このような燃料電池システムでは、燃料水溶液が燃料電池のカソード側にクロスオーバーすることや燃料水溶液が気化することが知られている。
【特許文献１】特開２００５−１５０１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような燃料電池システムでは、燃料水溶液のクロスオーバーや気化の度合いが場所によって異なるので、発電停止時に燃料水溶液の濃度が不均一になってしまう（ばらついてしまう）。このために、次回の発電開始時に燃料電池の出力が不安定になってしまう。
【０００５】
小型の燃料電池システムではシステム内を循環する燃料水溶液の量が少なく濃度のばらつきが生じても拡散により濃度ばらつきが小さくなり大きな問題とならなかった。しかし、比較的大型の燃料電池システムを用いる場合、システムを循環する燃料水溶液の量も多くなる。燃料水溶液の量が多ければ、上記のように濃度のばらつきが生じた際に濃度ばらつきを小さくすることが困難となる。濃度のばらつきが生じた状態で発電を行うと電解質膜の劣化を促進して燃料電池の寿命が短くなってしまう。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料電池の出力を安定させることができる、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するために、燃料電池、燃料電池に燃料水溶液を循環供給する循環手段、燃料電池から電力を取り出すための取り出し手段、および循環手段が循環供給を開始した後に燃料電池から電力の取り出しを開始するように取り出し手段を制御する第１制御手段を備える、燃料電池システムが提供される。
【０００８】
また、燃料電池への燃料水溶液の循環供給を開始する第１工程、および第１工程の後に燃料電池から電力の取り出しを開始する第２工程を備える、燃料電池システムの制御方法が提供される。
【０００９】
上述の発明では、燃料水溶液の循環供給を開始した後に燃料電池から電力の取り出しを開始することによって、電力の取り出しを開始する前に燃料水溶液を撹拌して燃料水溶液の濃度のばらつきを低減できる。このように燃料水溶液の濃度のばらつきを低減させた後に電力の取り出しを開始することによって、燃料電池の出力を安定させることができる。また、濃度のばらつきを抑制した状態で発電できるので、電解質膜の劣化を抑制でき燃料電池の寿命を長くできる。
【００１０】
好ましくは、循環手段が循環供給を開始してからの時間を計時する第１計時手段をさらに含み、第１制御手段は、第１計時手段の計時結果に基づいて取り出し手段を制御する。この場合、循環供給を開始してからの時間に基づいて取り出し手段によって電力の取り出しを開始するタイミングを制御する。燃料水溶液の濃度は燃料水溶液を循環供給している時間つまり燃料水溶液を撹拌している時間が長いほど均一に近づくので、循環供給を開始してからの時間に基づいて簡単に電力の取り出しを開始するタイミングを制御できる。
【００１１】
また好ましくは、循環手段が循環供給を開始してから取り出し手段によって電力の取り出しを開始するまでの待機時間を循環供給前の燃料水溶液の濃度のばらつきに関する情報に基づいて設定する設定手段をさらに含み、第１制御手段は、第１計時手段の計時結果が待機時間を経過した後燃料電池から電力の取り出しを開始するように取り出し手段を制御する。この場合、循環供給の開始から電力の取り出し開始までの待機時間を循環供給前の燃料水溶液の濃度のばらつきに関する情報に基づいて設定する。そして、循環供給を開始してからの時間が設定した待機時間を経過すれば燃料電池から電力の取り出しを開始する。これによって燃料水溶液の濃度のばらつきに応じたタイミングで燃料電池から電力の取り出しを開始できる。
【００１２】
さらに好ましくは、燃料電池の発電開始を指示する指示手段、および前回の発電停止から指示手段による今回の発電開始指示までの時間を計時する第２計時手段を含み、設定手段は、濃度のばらつきに関する情報として第２計時手段の計時結果に基づいて待機時間を設定する。循環手段の場所による燃料水溶液の濃度の差（ばらつき）は発電を停止している時間に応じて異なるので、燃料水溶液の濃度を略均一にするために燃料水溶液を循環供給させる時間も発電を停止している時間に応じて異なる。このことから、前回の発電停止から今回の発電開始指示までの時間に基づいて待機時間を設定することによって、燃料水溶液の濃度のばらつきに応じたタイミングで燃料電池から電力の取り出しを開始できる。
【００１３】
好ましくは、取り出し手段は、燃料電池と負荷とを電気的に接続する電気回路と、電気回路上に設けられ燃料電池と負荷との間に電流を流すか否かを切り替える切り替え手段とを含み、第１制御手段は、循環手段が循環供給を開始した後に燃料電池から電力の取り出しを開始するように切り替え手段を制御する。このように、燃料水溶液の循環供給を開始した後に燃料電池と負荷との間に電流を流すように切り替え手段を制御することによって、電力の取り出しを開始する前に燃料水溶液を撹拌して燃料水溶液の濃度のばらつきを低減できる。
【００１４】
好ましくは、循環手段に水を供給する水供給手段、および燃料電池から電力を取り出す前に循環手段に水を供給するように水供給手段を制御する第２制御手段をさらに含む。一般に、燃料電池に供給すべき燃料水溶液が不足することを防止するために、循環供給の開始前に循環手段に水を供給（追加）することが知られている。この場合、燃料水溶液の濃度のばらつきがより大きくなり、循環供給の開始と電力の取り出し開始とを同時に行うと燃料電池の出力がより不安定になる。この発明では、循環手段に水を追加してから燃料水溶液を循環供給し、その後に燃料電池から電力を取り出す。または、燃料水溶液の循環供給を開始した後に当該循環供給を行いながら水を追加し、その後に燃料電池の電力を取り出す。したがって、水を追加するタイミングが燃料水溶液の循環供給を開始する以前または以降のいずれの場合であっても、燃料電池の出力を安定させることができる。
【００１５】
また好ましくは、循環手段に燃料水溶液よりも濃度の高い燃料を供給する燃料供給手段、水供給手段によって循環手段に供給される水の量を取得する水供給量取得手段、および水供給量取得手段によって取得される水の供給量に基づいて燃料を燃料電池から電力を取り出す前に循環手段に供給するように燃料供給手段を制御する第３制御手段をさらに含む。この場合、水の供給量に応じた量の燃料を循環手段に供給でき、循環手段への水の供給に伴う燃料水溶液の濃度変化を抑えることができる。これによって、燃料電池の出力をより安定させることができる。
【００１６】
さらに好ましくは、循環手段に燃料水溶液よりも濃度の高い燃料を供給する燃料供給手段、および燃料電池から電力を取り出す前に循環手段に燃料を供給するように燃料供給手段を制御する第３制御手段を含む。一般に、燃料電池の温度を迅速に上昇させるために、循環供給の開始前に循環手段に燃料を供給（追加）することによって燃料水溶液の濃度を濃くすることが知られている。この場合、燃料水溶液の濃度のばらつきがより大きくなり、循環供給の開始と電力の取り出し開始とを同時に行うと燃料電池の出力がより不安定になる。この発明では、循環手段に燃料を追加してから燃料水溶液を循環供給し、その後に燃料電池から電力を取り出す。または、燃料水溶液の循環供給を開始した後に当該循環供給を行いながら燃料を追加し、その後に燃料電池から電力を取り出す。したがって、燃料を追加するタイミングが燃料水溶液の循環供給を開始する以前または以降のいずれの場合であっても、燃料電池の出力を安定させることができる。
【００１７】
一般に、１００Ｗ以上の出力を有する比較的大型の燃料電池システムでは、燃料水溶液の濃度にばらつきが生じた場合に濃度のばらつきを小さくすることが困難であった。しかし、この発明によれば濃度のばらつきを抑制できるので、この発明は１００Ｗ以上の出力を有する燃料電池システムに好適に用いられる。
【００１８】
輸送機器は、安定して運行できることが望まれる。この発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力を安定させることができ、迅速に高い出力を維持でき、迅速に補機類ひいては輸送機器を安定して駆動できる。したがって、この発明の燃料電池システムは、輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、燃料電池の出力を安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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１００を、輸送機器の一例である自動二輪車１０に搭載した場合について説明する。
まず、自動二輪車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、自動二輪車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。
【００２１】
図１を参照して、自動二輪車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、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、およびフロントフレーム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を備えている。
【００２２】
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左右方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びるフランジ部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の構成部材を収納する収納スペースを形成している。
【００２３】
一方、リヤフレーム１８は、それぞれ前後方向に幅を有して後方へ斜め上方に延びかつフロントフレーム１６の後端部を挟むように左右に配置される一対の板状部材を含む。リヤフレーム１８の一対の板状部材の上端部には、図示しないシートを設けるためのシートレール２０が固設されている。なお、図１には、リヤフレーム１８の左側の板状部材が示されている。
【００２４】
ヘッドパイプ１４内には、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が取り付けられている。ハンドル支持部２６の上端には表示操作部２８が配置されている。
【００２５】
図３をも参照して、表示操作部２８は、電動モータ４０（後述）の各種データを計測表示するためのメータ２８ａ、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る表示部２８ｂ、および各種指示や各種情報入力用の入力部２８ｃを一体的に設けたものである。入力部２８ｃは、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２の発電開始を指示するための開始ボタン３０ａ、およびセルスタック１０２の発電停止を指示するための停止ボタン３０ｂを含む。
【００２６】
また、図１に示すように、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３２が取り付けられており、フロントフォーク３２それぞれの下端には前輪３４が回転自在に取り付けられている。
【００２７】
また、リヤフレーム１８の下端部には、スイングアーム（リヤアーム）３６が揺動自在に取り付けられている。スイングアーム３６の後端部３６ａには、後輪３８に連結されかつ後輪３８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４０が内蔵されている。また、スイングアーム３６には、電動モータ４０に電気的に接続される駆動ユニット４２が内蔵されている。駆動ユニット４２は、電動モータ４０の回転駆動を制御するためのモータコントローラ４４、および二次電池１２６（後述）の蓄電量を検出する蓄電量検出器４６を含む。
【００２８】
このような自動二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００の構成部材が配置されている。燃料電池システム１００は、電動モータ４０や補機類等を駆動するための電気エネルギを生成する。
【００２９】
以下、図１および図２を参照して、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電気エネルギの生成（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。
【００３０】
燃料電池システム１００は、セルスタック１０２を含む。図１に示すように、セルスタック１０２は、フランジ部１６ｃから吊るされ、フロントフレーム１６の下方に配置されている。
【００３１】
図２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イオンと酸素との電気化学反応によって発電できる燃料電池（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１０４は、固体高分子膜等から構成される電解質膜１０４ａと、電解質膜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、電解質膜１０４ａ側に設けられる白金触媒層を含む。
【００３２】
また、図１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、ラジエータユニット１０８が配置されている。
【００３３】
図２に示すように、ラジエータユニット１０８は、水溶液用のラジエータ１０８ａと気液分離用のラジエータ１０８ｂとを一体的に設けたものである。ラジエータユニット１０８の裏面側には、ラジエータ１０８ａを冷却するためのファン１１０と、ラジエータ１０８ｂを冷却するためのファン１１２（図３参照）とが設けられている。なお、図１においては、ラジエータ１０８ａと１０８ｂとが左右に配置されているものとし、左側のラジエータ１０８ａを冷却するためのファン１１０が示されている。
【００３４】
また、リヤフレーム１８の一対の板状部材の間には、上方から順に燃料タンク１１４、水溶液タンク１１６および水タンク１１８が配置されている。
【００３５】
燃料タンク１１４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。水溶液タンク１１６は、燃料タンク１１４からの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。水タンク１１８は、セルスタック１０２の発電に伴って生成される水を収容している。
【００３６】
燃料タンク１１４にはレベルセンサ１２０が装着され、水溶液タンク１１６にはレベルセンサ１２２が装着され、水タンク１１８にはレベルセンサ１２４が装着されている。レベルセンサ１２０，１２２および１２４は、それぞれたとえば図示しないフロートを有するフロートセンサであり、浮動するフロートの位置によってタンク内の液面の高さ（液位）を検出する。
【００３７】
また、燃料タンク１１４の前側でありかつフロントフレーム１６の上側には、二次電池１２６が配置されている。二次電池１２６は、セルスタック１０２からの電力を蓄え、コントローラ１４２（後述）の指令に応じて電気構成部材に電力を供給する。二次電池１２６の上側には、燃料ポンプ１２８が配置されている。また、燃料タンク１１４の前側かつ二次電池１２６の後方斜め上側には、キャッチタンク１３０が配置されている。
【００３８】
フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータユニット１０８とによって囲まれた空間には、気体に含まれる塵等の異物を除去するためのエアフィルタ１３２が配置され、エアフィルタ１３２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１３４が配置されている。
【００３９】
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１３６およびエアポンプ１３８が収納されている。エアポンプ１３８の左側にはエアチャンバ１４０が配置されている。また、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、コントローラ１４２、防錆用バルブ１４４および水ポンプ１４６が配置されている。
【００４０】
フロントフレーム１６には、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メインスイッチ１４８が設けられている。メインスイッチ１４８がオンされることによってコントローラ１４２に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ１４８がオフされることによってコントローラ１４２に運転停止指示が与えられる。
【００４１】
図２に示すように、燃料タンク１１４と燃料ポンプ１２８とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１２８と水溶液タンク１１６とはパイプＰ２によって連通され、水溶液タンク１１６と水溶液ポンプ１３６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１３６と水溶液フィルタ１３４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１３４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Ｐ５はセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１に接続され、水溶液ポンプ１３６を駆動させることによってセルスタック１０２にメタノール水溶液が供給される。セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）に対応する濃度情報をメタノール水溶液の電気化学的特性を利用して検出する電圧センサ１５０が設けられている。電圧センサ１５０は、燃料電池（燃料電池セル）１０４の開回路電圧（Open Circuit Voltage）を検出し、その電圧値を電気化学的な濃度情報とする。コントローラ１４２は、その濃度情報に基づいて、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度を検出する。また、セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の温度を検出するための温度検出手段として温度センサ１５２が設けられている。
【００４２】
セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１０８ａとはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１０８ａと水溶液タンク１１６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のアノード出口Ｉ２に接続されている。
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。
【００４３】
また、エアフィルタ１３２とエアチャンバ１４０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１４０とエアポンプ１３８とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１３８と防錆用バルブ１４４とはパイプＰ１０によって連通され、防錆用バルブ１４４とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって連通されている。パイプＰ１１はセルスタック１０２のカソード入口Ｉ３に接続されている。燃料電池システム１００の発電時には防錆用バルブ１４４を開いておき、その状態でエアポンプ１３８を駆動させることによって、酸素を含む空気（気体）が外部から吸入される。防錆用バルブ１４４は、燃料電池システム１００の停止時には閉じられており、エアポンプ１３８への水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ１３８の錆を防止する。エアフィルタ１３２付近には、外気温度を検出する外気温度センサ１５４が設けられている。
【００４４】
セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１０８ｂとはパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１０８ｂと水タンク１１８とはパイプＰ１３によって連通され、水タンク１１８にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は主として酸化剤の流路となる。
【００４５】
また、水タンク１１８と水ポンプ１４６とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１４６と水溶液タンク１１６とはパイプＰ１６によって連通されている。
上述したパイプＰ１５，Ｐ１６は水の流路となる。
【００４６】
さらに、水溶液タンク１１６とキャッチタンク１３０とはパイプＰ１７，Ｐ１８によって連通され、キャッチタンク１３０とエアチャンバ１４０とはパイプＰ１９によって連通されている。
上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は主として燃料処理用の流路となる。
【００４７】
ついで、図３を参照して、燃料電池システム１００の電気的構成について説明する。
燃料電池システム１００のコントローラ１４２は、必要な演算を行い燃料電池システム１００の動作を制御するためのＣＰＵ１５６、ＣＰＵ１５６に現在の時刻を知らせるための時計回路１５８、燃料電池システム１００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１６０、自動二輪車１０を駆動する電動モータ４０にセルスタック１０２を接続するための電気回路１６２における電圧を検出するための電圧検出回路１６４、燃料電池１０４ひいてはセルスタック１０２を流れる電流を検出するための電流検出回路１６６、電気回路１６２を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路１６８、電気回路１６２に設けられるダイオード１７０、ならびに電気回路１６２に所定の電圧を供給するための電源回路１７２を含む。
【００４８】
このようなコントローラ１４２のＣＰＵ１５６には、レベルセンサ１２０，１２２および１２４からの検出信号、電圧センサ１５０、温度センサ１５２および外気温度センサ１５４からの検出信号、ならびに蓄電量検出器４６からの検出信号が入力される。ＣＰＵ１５６は、レベルセンサ１２０，１２２および１２４からの液位に対応する検出信号に基づいて各タンク内の液量を検出する。
【００４９】
また、ＣＰＵ１５６には、電源をオン／オフするためのメインスイッチ１４８からの入力信号や、入力部２８ｃの開始ボタン３０ａおよび停止ボタン３０ｂからの入力信号が入力される。
【００５０】
さらに、ＣＰＵ１５６には電圧検出回路１６４からの電圧検出値および電流検出回路１６６からの電流検出値が入力される。ＣＰＵ１５６は、電圧検出値と電流検出値とを用いてセルスタック１０２の出力を算出する。
【００５１】
また、ＣＰＵ１５６によって、燃料ポンプ１２８、水溶液ポンプ１３６、エアポンプ１３８、水ポンプ１４６、ファン１１０，１１２および防錆用バルブ１４４等の補機類が制御される。たとえば、水ポンプ１４６は、その出力（単位時間当たりの水の供給量）が一定になるようにＣＰＵ１５６によって制御される。また、ＣＰＵ１５６によって、各種情報を表示し自動二輪車１０のドライバに各種情報を報知するための表示部２８ｂが制御される。さらに、ＣＰＵ１５６によって、ＯＮ／ＯＦＦ回路１６８が制御される。ＯＮ／ＯＦＦ回路１６８がオンされることによって、電気回路１６２が閉じてセルスタック１０２から電力が取り出される。
【００５２】
セルスタック１０２には二次電池１２６および駆動ユニット４２が接続される。二次電池１２６および駆動ユニット４２は電動モータ４０に接続される。二次電池１２６は、セルスタック１０２からの出力を補完するものであり、セルスタック１０２からの電力によって充電され、その放電によって電動モータ４０や補機類等に電力を与える。
【００５３】
電動モータ４０には、電動モータ４０の各種データを計測するためのメータ２８ａが接続される。メータ２８ａによって計測されたデータや電動モータ４０の状況は、インターフェイス回路１７６を介してＣＰＵ１５６に与えられる。
【００５４】
また、インターフェイス回路１７６には充電器２００が接続可能であり、充電器２００は外部電源（商用電源）２０２に接続できる。充電器２００を介してインターフェイス回路１７６に外部電源２０２が接続されている場合にはインターフェイス回路１７６を介してＣＰＵ１５６に外部電源接続信号が与えられる。充電器２００のスイッチ２００ａはＣＰＵ１５６によってオン／オフできる。
【００５５】
記憶手段であるメモリ１６０には、図４および図５の動作を実行するためのプログラム、電圧センサ１５０によって得られた電気化学的な濃度情報（開回路電圧）を濃度に変換するための変換情報および演算データ等が格納されている。
【００５６】
この実施形態では、ＣＰＵ１５６が第１〜３制御手段に相当し、開始ボタン３０ａが指示手段に相当する。また、ＣＰＵ１５６が指示手段としても機能する。水供給量取得手段はＣＰＵ１５６を含む。設定手段はＣＰＵ１５６を含む。循環手段はパイプＰ３〜Ｐ７、水溶液タンク１１６および水溶液ポンプ１３６を含み、取り出し手段は電気回路１６２とＯＮ／ＯＦＦ回路１６８とを含み、第１および第２計時手段はＣＰＵ１５６と時計回路１５８とを含み、水供給手段は水ポンプ１４６を含み、燃料供給手段は燃料ポンプ１２８を含む。ＯＮ／ＯＦＦ回路１６８が切り替え手段に相当する。
【００５７】
ついで、燃料電池システム１００の基本的な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１４８がオンされることを契機として、コントローラ１４２を起動し、運転を開始する。そして、コントローラ１４２の起動後に、二次電池１２６の蓄電量が所定量以下（たとえば蓄電率４０％以下）になるとＣＰＵ１５６が自らに発電開始指示を与える。その後、二次電池１２６からの電力によって水溶液ポンプ１３６やエアポンプ１３８等の補機類が駆動される。これによってセルスタック１０２の発電が開始される。
【００５８】
発電開始後においては、二次電池１２６が満充電になればＣＰＵ１５６が自動的にセルスタック１０２の発電を停止させる。つまり、ＣＰＵ１５６が自らに発電停止指示を与え、自動的にセルスタック１０２の発電を停止させる。その後、ＣＰＵ１５６は、二次電池１２６の蓄電量が所定量以下になれば再びセルスタック１０２の発電を開始（再開）させる。つまり、ＣＰＵ１５６が自らに発電開始指示を与え、自動的にセルスタック１０２の発電を再開させる。
【００５９】
また、コントローラ１４２の起動後に、開始ボタン３０ａを押してもＣＰＵ１５６に発電開始指示が与えられる。発電中に、停止ボタン３０ｂを押してもＣＰＵ１５６に発電停止指示が与えられる。
【００６０】
図２を参照して、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液は、水溶液ポンプ１３６の駆動によってパイプＰ３，Ｐ４を介して水溶液フィルタ１３４に供給される。そして、水溶液フィルタ１３４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１０４のアノード１０４ｂにダイレクトに供給される。
【００６１】
また、水溶液タンク１１６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Ｐ１７を介してキャッチタンク１３０に与えられる。キャッチタンク１３０内では気化したメタノールと水蒸気とが冷却される。そして、キャッチタンク１３０内で得られたメタノール水溶液は、パイプＰ１８を介して水溶液タンク１１６に戻される。また、キャッチタンク１３０内の気体（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Ｐ１９を介してエアチャンバ１４０に与えられる。
【００６２】
一方、エアポンプ１３８の駆動によってエアフィルタ１３２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１４０に流入することによって消音される。そして、エアチャンバ１４０に与えられた空気およびキャッチタンク１３０からの気体が、パイプＰ９を介してエアポンプ１３８に流入し、さらに、パイプＰ１０、防錆用バルブ１４４、パイプＰ１１およびカソード入口Ｉ３を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池１０４のカソード１０４ｃに供給される。
【００６３】
各燃料電池１０４のアノード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、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、電解質膜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が生成される。つまり、セルスタック１０２において発電が行われる。セルスタック１０２からの電力は、二次電池１２６への充電や自動二輪車１０の走行駆動等に利用される。セルスタック１０２は、電気化学反応に伴って発生する熱によって温度上昇する。セルスタック１０２の出力はその温度上昇に伴って上昇し、セルスタック１０２は約５０℃で定常的に発電可能となる。セルスタック１０２の温度は、温度センサ１５２が検出したメタノール水溶液の温度によって確認できる。
【００６４】
各燃料電池１０４のアノード１０４ｂで生成された二酸化炭素および未反応メタノールを含むメタノール水溶液は、電気化学反応に伴って熱せられる。当該二酸化炭素およびメタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２およびパイプＰ６を介してラジエータ１０８ａに与えられ冷却される。ファン１１０の駆動によってその冷却動作が促進される。そして、パイプＰ７を介して水溶液タンク１１６に戻される。つまり、水溶液ポンプ１３６の駆動によって、水溶液タンク１１６およびパイプＰ３〜Ｐ７内のメタノール水溶液がセルスタック１０２に循環供給される。
【００６５】
発電中には、セルスタック１０２からのメタノール水溶液の還流、セルスタック１０２からの二酸化炭素の流入、燃料タンク１１４からのメタノール燃料の供給ならびに水タンク１１８からの水の供給によって水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液に泡が発生する。レベルセンサ１２２のフロートは泡の分だけ上昇するので、発電時にレベルセンサ１２２によって検出される液位は実際のメタノール水溶液の液位よりも高くなる。つまり、発電時には水溶液タンク１１６内の液量が実際の液量よりも多いと認識される。
【００６６】
一方、各燃料電池１０４のカソード１０４ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となってセルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード出口Ｉ４から排出された水蒸気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１０８ｂに与えられてラジエータ１０８ｂで冷却され、その一部は温度が露点以下になることによって液化される。ラジエータ１０８ｂによる水蒸気の液化動作は、ファン１１２を動作させることによって促進される。水分（水および水蒸気）、二酸化炭素および未反応の空気を含むカソード出口Ｉ４からの排気は、パイプＰ１２、ラジエータ１０８ｂおよびパイプＰ１３を介して水タンク１１８に与えられ、水タンク１１８に水が回収された後にパイプＰ１４を介して外部に排出される。
【００６７】
また、各燃料電池１０４のカソード１０４ｃでは、キャッチタンク１３０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、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１０８ｂを介して水タンク１１８に与えられる。さらに、水のクロスオーバーによって各燃料電池１０４のカソード１０４ｃに移動した水分が、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１０８ｂを介して水タンク１１８に与えられる。
【００６８】
水タンク１１８内の水は、水ポンプ１４６の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を介して水溶液タンク１１６に適宜還流される。また、燃料タンク１１４内のメタノール燃料は、燃料ポンプ１２８の駆動によってパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１１６に適宜供給される。
【００６９】
ついで、図４を参照して、燃料電池システム１００の主要動作について説明する。
まず、ステップＳ１において二次電池１２６の蓄電量が所定量以下となってまたは開始ボタン３０ａが押されてＣＰＵ１５６に発電開始指示が与えられると、ＣＰＵ１５６によって前回の発電停止から今回の発電開始指示までの時間が計時される（ステップＳ３）。
【００７０】
ステップＳ３では、メモリ１６０に格納されている前回の発電停止時の時刻と時計回路
１５８から取得した発電開始指示時の時刻との差をＣＰＵ１５６が算出することによって、前回の発電停止から今回の発電開始指示までの時間（以下、経過時間という）が計時される。
【００７１】
つづいて、経過時間に基づいて水溶液ポンプ１３６の駆動開始からＯＮ／ＯＦＦ回路１６８をオンするまでの時間が設定される（ステップＳ５）。つまり、メタノール水溶液の循環供給の開始から電力の取り出し開始までの時間（以下、待機時間という）が設定される。
【００７２】
ステップＳ５では、メモリ１６０に格納されている所定の閾値（たとえば２時間）とステップＳ３で得られた経過時間とに基づいてＣＰＵ１５６によって待機時間が設定される。たとえば、経過時間が所定の閾値未満であれば待機時間が３０秒に設定され、経過時間が所定の閾値以上であれば待機時間が６０秒（１分）に設定される。
【００７３】
ちなみに、これら２つの待機時間（３０秒および１分）は、水溶液ポンプ１３６の出力（単位時間当たりの水溶液の供給量）と循環供給すべきメタノール水溶液の量とに基づいて予め算出されており、メモリ１６０に格納されている。待機時間を３０秒に設定すれば、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液が所定量（たとえば５００ｃｃ）であるときにパイプＰ３〜Ｐ７および水溶液タンク１１６等に存在するメタノール水溶液を１回循環させることができる。また、待機時間を１分に設定すれば、メタノール水溶液を２回循環させることができる。たとえば、水溶液ポンプ１３６の出力が２倍になれば、これら２つの待機時間がそれぞれ２分の１になることはいうまでもない。
【００７４】
つづいて、ＣＰＵ１５６は温度センサ１５２の検出結果に基づいてメタノール水溶液が所定温度（たとえば４５℃）未満か否かを判定する（ステップＳ７）。メタノール水溶液が所定温度未満であれば、メタノール水溶液の濃度を高くする（たとえば５ｗｔ％程度にする）ように燃料ポンプ１２８の駆動によって燃料タンク１１４から水溶液タンク１１６にメタノール燃料が供給される（ステップＳ９）。このような処理は、メタノール水溶液ひいてはセルスタック１０２の温度を発電開始後に迅速に上昇させるために行われる。
【００７５】
つづいて、水溶液タンク１１６内の液量を所定量（たとえば５００ｃｃ）にするために液量調整動作が行われる（ステップＳ１１）。ステップＳ７においてメタノール水溶液の温度が所定温度以上であれば、ステップＳ９を経由せずにステップＳ１１に進む。
【００７６】
ここで、図５を参照してステップＳ１１の液量調整動作について詳しく説明する。
まず、ＣＰＵ１５６はレベルセンサ１２２からの検出信号に基づいて水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液が所定量（たとえば５００ｃｃ）未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。水溶液タンク１１６内の液量が所定量未満である場合、ＣＰＵ１５６は水ポンプ１４６の駆動を開始させる（ステップＳ１０３）。ＣＰＵ１５６は、このときの時刻を時計回路１５８から取得し、その時刻を水ポンプ１４６の駆動開始時刻としてメモリ１６０に格納する。
【００７７】
つづいて、ＣＰＵ１５６は、レベルセンサ１２４からの検出信号に基づいて水タンク１１８内の液量が所定量（たとえば１００ｃｃ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。水タンク１１８内の液量が所定量以上である場合、水溶液タンク１１６内の液量が所定量になるまで（ステップＳ１０７がＮＯである限り）、ＣＰＵ１５６は水ポンプ１４６の駆動を継続させる。
【００７８】
そして、ステップＳ１０７において水溶液タンク１１６内の液量が所定量になれば、ＣＰＵ１５６は水ポンプ１４６の駆動を停止させる（ステップＳ１０９）。ＣＰＵ１５６は、このときの時刻を時計回路１５８から取得し、その時刻を水ポンプ１４６の駆動停止時刻としてメモリ１６０に格納する。ステップＳ１０５において水タンク１１８内の液量が所定量未満になった場合も同様にステップＳ１０９に進む。
【００７９】
発電中には、上述のように水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液に泡が発生し、当該泡を含む液位に基づいて水溶液タンク１１６内の液量が所定量になるように調整される。発電停止後に泡は消えるので発電停止後のレベルセンサ１２２のフロートの位置は所定量であるときの位置よりも大きく下がる。つまり、発電停止後の液位は所定量であるときの液位よりも大きく下がる。このために、通常、１回目の液量調整動作であれば、ステップＳ１０３からＳ１０９までの間に水溶液タンク１１６に大量の水が供給される。
【００８０】
つづいて、ＣＰＵ１５６は、メモリ１６０に格納した水ポンプ１４６の駆動開始時刻と駆動停止時刻との差を算出する。つまり、水ポンプ１４６の駆動時間を算出する。そして、ＣＰＵ１５６は、当該駆動時間と水ポンプ１４６の出力とを用いて水溶液タンク１１６への水の供給量を取得する（ステップＳ１１１）。
【００８１】
上述のように水ポンプ１４６はその出力（単位時間当たりの水の供給量）が一定になるように制御されているので、ステップＳ１１１では水ポンプ１４６の駆動時間と水ポンプ１４６の単位時間当たりの水の供給量（吐出量）との積を算出することによって水の供給量が取得される。
【００８２】
つづいて、ＣＰＵ１５６は、取得した供給量の水を所望の濃度のメタノール水溶液にするために必要なメタノール燃料の量を算出し、これをメタノール燃料供給量としてメモリ１６０に格納する。つまり、メタノール燃料供給量を取得する（ステップＳ１１３）。
【００８３】
つづいて、ＣＰＵ１５６は、燃料ポンプ１２８の駆動を開始させ（ステップＳ１１５）、水溶液タンク１１６にメタノール燃料を供給する。その後、ステップＳ１１７においてステップＳ１１３で設定された量のメタノール燃料の供給が完了すれば、燃料ポンプ１２８の駆動を停止させ（ステップＳ１１９）、液量調整動作を終了する。
【００８４】
図４に戻って、ステップＳ１１の後、水溶液ポンプ１３６の駆動が開始され（ステップＳ１３）、水溶液タンク１１６およびパイプＰ３〜Ｐ７内のメタノール水溶液のセルスタック１０２への循環供給が開始される。そして、ステップＳ１５において循環供給の開始からステップＳ５で設定した待機時間が経過すれば、ＣＰＵ１５６によってエアポンプ１３８の駆動が開始され（ステップＳ１７）、セルスタック１０２の発電が開始される。これとともにＣＰＵ１５６によってＯＮ／ＯＦＦ回路１６８がオンされ、電気回路１６２を介してセルスタック１０２から電力の取り出しが開始される（ステップＳ１９）。なお、ステップＳ１９以降では図５に示す液量調整動作が一定の間隔（たとえば１０秒毎）で行われる。
【００８５】
その後、ステップＳ２１において二次電池１２６が満充電になってまたは停止ボタン３０ｂが押されてＣＰＵ１５６に発電停止指示が与えられると、発電停止処理が行われる（ステップＳ２３）。
【００８６】
ステップＳ２３では、水溶液ポンプ１３６およびエアポンプ１３８が停止され、セルスタック１０２の発電が停止される。そして、水溶液ポンプ１３６およびエアポンプ１３８を停止させたときの時刻が前回の発電停止時の時刻としてメモリ１６０に格納される。
【００８７】
このような燃料電池システム１００によれば、循環供給を開始した後にセルスタック１０２から電力の取り出しを開始することによって、電力の取り出しを開始する前にメタノール水溶液を撹拌してメタノール水溶液の濃度のばらつきを低減できる。このようにメタノール水溶液の濃度のばらつきを低減させた後に電力の取り出しを開始することによって、セルスタック１０２の出力を安定させることができる。
【００８８】
メタノール水溶液の濃度がばらついている状態でセルスタック１０２から電力の取り出しを開始すれば、電解質膜１０４ａの劣化が早くなる。電解質膜１０４ａの劣化は、セルスタック１０２の出力低下やセルスタック１０２の寿命を縮める原因となる。燃料電池システム１００では、メタノール水溶液の濃度のばらつきを低減させた後に電力の取り出しを開始することによって、電解質膜１０４ａの劣化を抑えることができる。ひいては、セルスタック１０２の出力低下やセルスタック１０２の寿命の短縮を抑えることができる。図４の動作のように、エアポンプ１３８の駆動前（発電開始前）にメタノール水溶液の濃度のばらつきを低減させることによって、より効果的に電解質膜１０４ａの劣化を抑えることができる。なお、発電を開始してから電力の取り出しを待機させても、ある程度の電気エネルギが生成されればセルスタック１０２から電力を取り出すまで電気化学反応は止まるので、電解質膜１０４ａの劣化を抑えることはできる。
【００８９】
循環供給を開始してからの時間に基づいて電力の取り出しタイミングを制御することによって、たとえばパイプＰ３〜Ｐ７間の複数箇所で濃度を検出して得られる濃度のばらつき度合いに基づいて電力の取り出しタイミングを制御する場合に比べて電力の取り出しタイミングを簡単に制御できる。
【００９０】
前回の発電停止から今回の発電開始指示までの時間に基づいて設定した待機時間を経過した後に電力の取り出しを開始することによって、メタノール水溶液の濃度のばらつき度合いに応じたタイミングでセルスタック１０２から電力の取り出しを開始できる。
【００９１】
メタノール水溶液の循環供給を開始した後にＯＮ／ＯＦＦ回路１６８をオンすることによって、電力の取り出しを開始する前にメタノール水溶液を撹拌してメタノール水溶液の濃度のばらつきを低減できる。
【００９２】
液量を所定量にするために水溶液タンク１１６に水を追加してからメタノール水溶液を循環供給し、その後にセルスタック１０２から電力を取り出す。したがって、メタノール水溶液の循環供給を開始する以前に水溶液タンク１１６に水を追加する場合であっても、セルスタック１０２の出力を安定させることができる。また、セルスタック１０２の温度を迅速に上昇させるために水溶液タンク１１６にメタノール燃料を追加してからメタノール水溶液を循環供給し、その後にセルスタック１０２から電力を取り出す。したがって、メタノール水溶液の循環供給を開始する以前に水溶液タンク１１６にメタノール燃料を追加する場合であっても、セルスタック１０２の出力を安定させることができる。
【００９３】
液量調整動作で水の供給量に応じた量のメタノール燃料を水溶液タンク１１６に供給できるので、水溶液タンク１１６への水の供給に伴うメタノール水溶液の濃度変化を抑えることができる。これによって、セルスタック１０２の出力をより安定させることができる。水の供給量に応じたメタノール燃料を供給できるので、フロートセンサであるレベルセンサ１２２を用いることで水溶液タンク１１６に大量の水が供給されても確実にメタノール水溶液の濃度変化を抑えることができる。
【００９４】
この発明によればメタノール水溶液の濃度のばらつきを抑制できるので、この発明は濃度のばらつきを小さくすることが困難な１００Ｗ以上の出力を有する比較的大型の燃料電池システムに好適に用いられる。
【００９５】
自動二輪車１０は、安定して走行できることが望まれる。燃料電池システム１００によれば、セルスタック１０２の出力を安定させることができ、迅速に高い出力を維持でき、迅速に補機類を安定して駆動できる。したがって、燃料電池システム１００は自動二輪車１０のような輸送機器に好適に用いられる。
【００９６】
ついで、図６〜図９を参照して、燃料電池システム１００と比較対象である燃料電池システム（以下、比較例という）とにおける、セルスタックの出力、電圧および電流、ならびにメタノール水溶液（セルスタック）の温度の推移について説明する。
図６および図７はメタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合の推移である。図６は比較例における推移であり、図７は燃料電池システム１００における推移である。また、図８および図９は、たとえば、一時的にセルスタックの発電を停止して二次電池からの電力によって負荷（電動モータ）を駆動し、二次電池の蓄電量（蓄電率）の低下に伴ってセルスタックの発電を開始（再開）した場合の推移である。つまり、メタノール水溶液の温度が通常想定される外気温度よりも高い状態から発電を開始した場合の推移である。図８は比較例における推移であり、図９は燃料電池システム１００における推移である。
【００９７】
また、図６および図８は比較例において発電を開始してからの各種データの推移である。一方、図７および図９は燃料電池システム１００において水溶液ポンプ１３６の駆動を開始してからの各種データの推移である。
【００９８】
比較例では、水溶液ポンプおよびエアポンプの駆動開始と同時に電力の取り出しを開始した。つまり、発電開始と同時に電力の取り出しを開始した。また、比較例では、メタノール水溶液が外気温度程度である場合およびメタノール水溶液が高温である場合のいずれも、発電開始から５秒経過後に液量調整動作を行い、その後１０秒毎に液量調整動作を行った。比較例における液量調整動作（水の供給）では、燃料電池システム１００における液量調整動作（図５参照）のように水の供給量に応じてメタノール燃料を供給するといった処理を行わなかった。燃料電池システム１００では、上述のように、循環供給前に液量調整動作を行い、電力の取り出し開始後も１０秒毎に液量調整動作を行った。
【００９９】
燃料電池システム１００および比較例において、発電開始から１０分間経過するまではセルスタックのメタノール消費量に基づくメタノール燃料の供給を行った。発電開始から１０分経過後は電圧センサを用いて検出したメタノール水溶液の濃度に基づいてメタノール燃料の供給を行った。
【０１００】
まず、メタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合について、燃料電池システム１００と比較例とを比較する。
図６に示すように、比較例では、セルスタックに供給されるメタノール水溶液の濃度がばらついているので、電流ひいては出力が上下に振れて不安定であった。また、最初の液量調整で大量の水が供給されることによってメタノール水溶液の濃度が大きく低下し、電力の取り出し直後に電流ひいては出力が大きく低下した。
【０１０１】
一方、図７に示すように、燃料電池システム１００では、メタノール水溶液を１分循環供給した後に電力の取り出しを開始した。これによってメタノール水溶液の濃度のばらつきを低減できるので、電流ひいては出力の振れを抑えることができ、比較例に比べて出力を安定して上昇させることができた。また、燃料電池システム１００では、水の供給量に応じたメタノール燃料を供給することによってメタノール水溶液の濃度低下を抑えることができ、水の供給に伴う出力の低下を防止できた。
【０１０２】
ついで、メタノール水溶液が高温である状態から発電を開始した場合について、燃料電池システム１００と比較例とを比較する。
図８に示すように、比較例では、メタノール水溶液が外気温度程度である場合と同様に、セルスタックに供給されるメタノール水溶液の濃度がばらついているので、出力が上下に振れて不安定であった。また、水の供給に応じてメタノール燃料が供給されないので、電流ひいては出力が度々低下し、発電開始から１０分経過するまでは出力を５００Ｗ以上に維持できなかった。
【０１０３】
一方、図９に示すように、燃料電池システム１００では、メタノール水溶液を３０秒循環供給した後に電力の取り出しを開始した。これによってメタノール水溶液が外気温度程度である場合と同様に、比較例に比べて出力の振れを抑えることができた。また、燃料電池システム１００では、水の供給量に応じたメタノール燃料を供給することによって、出力の低下を抑えることができ、安定した出力を維持できた。
【０１０４】
また、図７と図９との待機時間を比較して、前回の発電停止からの時間が短い場合は、待機時間を短くしても十分な効果が得られた。
【０１０５】
このように、燃料電池システム１００では、メタノール水溶液が外気温度程度である場合およびメタノール水溶液が高温である場合のいずれであっても、比較例に比べて、出力を直線状に推移させ安定させることができた。
【０１０６】
なお、図４の動作では、待機時間を経過するまではエアポンプ１３８を駆動しないようにしたが、この発明はこれに限定されない。たとえば図１０の動作を行ってもよい。図１０の動作は、水溶液ポンプ１３６とエアポンプ１３８とを同時に駆動開始するものである。図１０の動作において、図４の動作と同じ処理には図４の動作と同じ符号を付して重複する説明は省略する。
【０１０７】
図１０の動作では、ステップＳ１１の後に水溶液ポンプ１３６とエアポンプ１３８との駆動を同時に開始する（ステップＳ１３ａ）。つまり、メタノール水溶液の循環供給の開始とともにセルスタック１０２の発電を開始する。その後、ステップＳ１５において水溶液ポンプ１３６の駆動開始からの時間（循環供給の開始からの時間）が待機時間を経過すれば、ステップＳ１９に進んで電力の取り出しを開始する。このようにエアポンプ１３８を駆動させておくことによって、カソード１０４ｃにクロスオーバーしたメタノール水溶液を電力の取り出し開始前にカソード１０４ｃから排出でき、出力をより一層安定させることができる。
【０１０８】
また、図４の動作では、経過時間と所定の閾値（ここでは２時間）との比較結果に基づいて、待機時間を予め定められた２つの時間のいずれか（ここでは３０秒と１分とのいずれか）に設定する場合について説明したが、待機時間は任意の方法で設定できる。たとえば、経過時間と待機時間とのテーブルデータをメモリ１６０に格納しておき、今回の経過時間に対応する待機時間を当該テーブルデータから取得するようにしてもよい。
【０１０９】
さらに、図４の動作では、メタノール水溶液の濃度のばらつきに関する情報として経過時間を取得し、当該経過時間に基づいて待機時間を設定する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。
【０１１０】
たとえば、メタノール水溶液の濃度のばらつきに関する情報として、温度検出手段である温度センサ１５２によって検出されるメタノール水溶液の温度を用いてもよい。メタノール水溶液の温度が高い場合、前回の発電停止からの時間が短く、メタノール水溶液の濃度のばらつきが小さいと推定できる。また、メタノール水溶液の温度が高い場合、メタノールが拡散しやすく、迅速にメタノール水溶液の濃度を略均一にできる。したがって、メタノール水溶液の温度が高い場合は待機時間を短くし、メタノール水溶液の温度が低い場合は待機時間を長くすればよい。具体的には、たとえば、メタノール水溶液の温度が５０℃以上であれば待機時間を３０秒に設定し、メタノール水溶液の温度が５０℃未満であれば待機時間を１分にするようにしてもよい。
【０１１１】
また、メタノール水溶液の温度と経過時間とに基づいて待機時間を設定するようにしてもよい。具体的には、たとえば、メタノール水溶液の温度が５０℃以上でありかつ経過時間が２時間未満である場合は待機時間を３０秒に設定し、それ以外の場合は待機時間を１分に設定するようにしてもよい。
【０１１２】
なお、図５の液量調整動作において、ステップＳ１１１では水ポンプ１４６の駆動時間と出力とを用いて水の供給量を取得する場合について説明したが、水の供給量は任意の方法で取得できる。
【０１１３】
たとえば、水溶液タンク１１６内の液量の検出結果に基づいて水の供給量を取得するようにしてもよい。この場合、レベルセンサ１２２を用いて水ポンプ１４６の駆動開始前および水ポンプ１４６の駆動停止後の水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液の液量を検出し、これらの差が水溶液タンク１１６への水の供給量として取得される。このように水の供給に伴う水溶液タンク１１６内の液量の増加分を水の供給量とすることによって、より正確な水の供給量を取得できる。
【０１１４】
また、水タンク１１８内の液量（水量）の検出結果に基づいて水の供給量を取得するようにしてもよい。この場合、レベルセンサ１２４を用いて水ポンプ１４６の駆動開始前および水ポンプ１４６の駆動停止後の水タンク１１８内の液量を検出し、これらの差が水溶液タンク１１６への水の供給量として取得される。このように水の供給に伴う水タンク１１８内の液量の減少分を水の供給量とすることによって、より正確な水の供給量を取得できる。
【０１１５】
さらに、水供給前にレベルセンサ１２２を用いて検出した水溶液タンク１１６内の液量と所定量（ここでは５００ｃｃ）との差を算出することによって、水の供給前に水の供給量を取得しておいてもよい。この場合、水の供給前に当該水の供給量に基づいてメタノール燃料供給量を設定しておき、水の供給が完了するまでに水溶液タンク１１６へのメタノール燃料の供給を開始してもよい。
【０１１６】
また、図５の液量調整動作において、メタノール水溶液の目標濃度（所望の濃度）は、一定の濃度であってもよいし、燃料電池システム１００の運転状態に応じて変更してもよい。
【０１１７】
また、図５の液量調整動作においては、水の供給量に基づいてＣＰＵ１５６が燃料供給量を取得し、当該燃料供給量のメタノール燃料を供給するように燃料ポンプ１２８を制御する場合について説明したが、燃料ポンプ１２８の制御方法はこれに限定されない。たとえば、水の供給量に基づいて燃料ポンプ１２８の駆動時間を設定し、当該駆動時間に基づいて燃料ポンプ１２８を制御するようにしてもよい。
【０１１８】
さらに、図４の動作において、図５の液量調整動作前にメタノール水溶液がセルスタック１０２の発電に好ましい状態であれば、液量調整動作を行わないようにしてもよい。たとえば、経過時間が２時間未満でありかつメタノール水溶液の温度が５０℃以上である場合、メタノール水溶液の濃度が均一である可能性が高く、メタノール水溶液の昇温も不要である。このようにメタノール水溶液が発電に好ましい場合、液量調整動作を行わないことによって、メタノール水溶液の状態を維持でき、迅速に通常運転に移行できる。またこの場合、循環供給によってメタノール水溶液の濃度のばらつきを低減させる必要もないので、待機時間を０秒に設定し、水溶液ポンプ１３６およびエアポンプ１３８の駆動開始（発電開始）と同時に電力の取り出しを開始すればよい。
【０１１９】
また、図４の動作において、水溶液ポンプ１３６の駆動によってメタノール水溶液の循環供給を開始した後、当該循環供給を行いながら水やメタノール燃料を追加して濃度調整を行い、その後にセルスタック１０２から電力を取り出すようにしてもよい。このようにすれば、メタノール水溶液の循環供給を開始した後に水やメタノール燃料を追加する場合であっても、セルスタック１０２の出力を安定させることができる。
【０１２０】
なお、上述の実施形態ではＣＰＵ１５６が第１〜第３制御手段として機能する場合について説明したが、この発明はこれに限定されない。たとえば、第１制御手段として機能するＣＰＵと、第２制御手段として機能するＣＰＵと、第３制御手段として機能するＣＰＵとを設けるようにしてもよい。
【０１２１】
なお、この発明の燃料電池システムは、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好適に用いることができる。
【０１２２】
上述の各実施形態では、燃料としてメタノールを、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。
【０１２３】
また、この発明は、液体燃料を用いるものであれば、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器等の電子機器に搭載される可搬型の燃料電池システムにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】この発明の一実施形態の自動二輪車を示す左側面図である。
【図２】この発明の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図３】この発明の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４】この発明の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図である。
【図５】液量調整動作の一例を示すフロー図である。
【図６】比較例においてメタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。
【図７】この発明の燃料電池システムにおいてメタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。
【図８】比較例においてメタノール水溶液が高温である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。
【図９】この発明の燃料電池システムにおいてメタノール水溶液が高温である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。
【図１０】この発明の燃料電池システムの動作の他の例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１０      自動二輪車
３０ａ      開始ボタン
３０ｂ      停止ボタン
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（燃料電池セル）
１１６      水溶液タンク
１１８      水タンク
１２８      燃料ポンプ
１３６      水溶液ポンプ
１４２      コントローラ
１４６      水ポンプ
１５６      ＣＰＵ
１５８      時計回路
１６０      メモリ
１６２      電気回路
１６８      ＯＮ／ＯＦＦ回路
Ｐ１〜Ｐ１９      パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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