(57)【要約】【課題】二輪車や小形船舶などの傾斜の大きい乗り物に搭載するのに最適な直接改質型燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンク３と、メタノール・水タンクからメタノール水溶液を燃料電池の燃料極に供給するソリューションポンプ４と、空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器７と、気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ライン６とを備えた燃料電池システムであって、メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口２１と炭酸ガス排気口２６を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口２２を設け、大きく傾いた時にも燃料電池反応が継続できるように液位制御する。【選択図】      図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンクと、前記メタノール・水タンクからメタノール水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール・水ポンプと、前記燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口と炭酸ガス排気口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、
前記連通ライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、
前記液位制御手段は、当該システムが左右どちらかに所定の許容傾斜角度まで傾斜した状態で前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位よりも常に下方に前記メタノール水溶液出口が位置できるレベルを前記所定レベルにして液位制御する燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンクと、前記メタノール・水タンクからメタノール水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール・水ポンプと、前記燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれの上下中央部よりも高い位置に炭酸ガス排気筒の一端を接続し、当該炭酸ガス排気筒それぞれを当該メタノール・水タンクの前側面、後側面を水平に通過するように延設し、それぞれの開口端を左右反対側に開口させ、
前記連通ライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、
前記液位制御手段は、当該システムが左右どちらかに所定の許容傾斜角度まで傾斜した状態で前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位よりも常に下方に前記メタノール水溶液出口が位置できるレベルを前記所定レベルにして液位制御する燃料電池システム。
【請求項３】
前記炭酸ガス排気筒に代えて、前記メタノール・水タンクの上底面の左右それぞれに炭酸ガス排気筒の一端を接続し、当該炭酸ガス排気筒を前記上底面に沿い水平に延設し、それぞれの開口端を左右反対側の端部に開口させたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンクと、前記メタノール・水タンクからメタノール水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール・水ポンプと、前記燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれに炭酸ガス排気筒を接続し、
前記炭酸ガス排気筒内に、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁が設け、
前記連通ライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、
前記液位制御手段は、当該システムが左右どちらかに所定の許容傾斜角度まで傾斜した状態で前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位よりも常に下方に前記メタノール水溶液出口が位置できるレベルを前記所定レベルにして液位制御する燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器を備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器と、当該気液分離器に前記反応生成水戻りラインを介して接続された前記メタノール・水タンクとを備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたものであり、
前記メタノール・水タンクには、その左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口と炭酸ガス排気口を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれに炭酸ガス排気筒を接続し、
前記炭酸ガス排気筒内に、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁を設け、
前記気液分離器の下側に前記メタノール・水タンクを位置させ、
前記反応生成水戻りラインを左右にだ行する形状にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器と、当該気液分離器に前記反応生成水戻りラインを介して接続された前記メタノール・水タンクとを備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたものであり、
前記メタノール・水タンクは、その左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、
前記メタノール・水タンクの上底面の左右それぞれに炭酸ガス排気筒の一端を接続し、当該炭酸ガス排気筒を前記上底面に沿い水平に延設し、それぞれの開口端を左右反対側の端部に開口させ、
前記反応生成水戻りライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、
前記気液分離器の下側に前記メタノール・水タンクを位置させ、
前記反応生成水戻りラインを左右にだ行する形状にしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器と、当該気液分離器に前記反応生成水戻りラインを介して接続された前記メタノール・水タンクとを備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたものであり、
前記メタノール・水タンクは、その左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、
前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれに炭酸ガス排気筒を接続し、
前記炭酸ガス排気筒内に、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁が設け、
前記反応生成水戻りライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、
前記気液分離器の下側に前記メタノール・水タンクを位置させ、
前記反応生成水戻りライン内に、正立状態では気液分離器からの反応生成水を流下させ、大きく傾いた状態ではメタノール・水タンクから気液分離器に反応生成水が逆流するのを防止する逆止弁を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかの燃料電池システムを搭載した二輪車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及び二輪車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化石燃料の枯渇の問題、環境汚染の問題が深刻になり、自動車その他の乗り物の原動機に化石燃料を直接燃やすエンジンに代えて、二次電池で駆動されるモーターを利用する電気自動車、あるいはそれらを併用するハイブリッド自動車の開発が進んでいる。そして二次電池充電用の電力を発生させるために、自動車に燃料電池システムを搭載することが熱心に研究、開発され、実用化間近にまで進歩している。
【０００３】
一方、パワーアシスト自転車については、一般に二次電池で動く電動機を車輪の回転駆動に利用する仕組みが定着している。そして、パワーアシスト自転車の場合、二次電池の再充電には家庭用電力を利用し、充電器を家庭用コンセントに接続して充電するようにしていて、自転車そのものに二次電池充電用の燃料電池システムを搭載したパワーアシスト自転車は全く存在していない。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６４−０１７３７９号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開昭６４−０７１０７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、パワーアシスト自転車の場合、それが二輪車であるため車体の傾斜が大きく、またしばしば転倒することも起こる。そのため、パワーアシスト自転車に搭載する燃料電池システムを開発する場合、車体が大きく傾斜した状態でも二次電池の充電量に応じて継続的に作動して再充電できなければならないという技術的要請がある。
【０００７】
パワーアシスト自転車の二次電池充電用に搭載する燃料電池システムとしては、小型・軽量化の面から、固体高分子膜を電解質膜とする直接改質型燃料電池が望ましい。
【０００８】
図１９は、このような直接改質型燃料電池システムをパワーアシスト自転車に搭載した場合のレイアウトを示している。この燃料電池システムは、固体高分子膜を電解質膜とする直接改質型燃料電池（セルスタック）１、この燃料電池１の空気極側に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンク３、メタノール・水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極側に供給するソルーションポンプ４から構成されている。
【０００９】
メタノール・水タンク３には排気筒６が設けられ、燃料電池反応で発生した二酸化炭素の気体を排出するようにしている。また気液分離器７が空気極側に接続してあって、空気極側から排出される未反応エアと反応生成水とを受入れ、気液分離して未反応エア５１をその排気筒８から排出し、また反応生成水９を一時的に貯溜する。２３は、気液分離器７からメタノール・水タンク３へ反応生成水を戻すための連通ラインである。
【００１０】
固体高分子型燃料電池１は液体の循環を考慮して前後方向に一定角度だけ傾斜させた状態で固定する。燃料であるメタノールは、メタノール・水タンク３に対してメタノールタンク７１からメタノール供給バルブ７２を経て供給する。
【００１１】
この燃料電池システムは、図示していない制御回路によってメタノール水溶液のメタノール濃度制御、発電電力の出力制御を実行する。この制御は、メタノール・水タンク３内のメタノール水溶液のメタノール濃度、燃料電池１の温度、発電電流・電圧の測定信号に基づいて行う。
【００１２】
このような直接改質型燃料電池システムでは、メタノールを原燃料とし、また反応生成水も発生するため、それらの液体の漏れ対策が必要であり、また、燃料電池反応で二酸化炭素気体が生成し、メタノール水溶液に混在した形で循環すること、同様に未反応エアも反応生成水に混在した形で循環することから、それらの除去のために気液分離が必要である。そこで、燃料電池１の空気極からの未反応エア、燃料極で発生した二酸化炭素などを系外に放出するため、メタノール・水タンク３、気液分離器７それぞれには排気筒６，８を設けている。
【００１３】
ところが、提案されている燃料電池システムは、このままの形で二輪車や小形ヨットなどに搭載した場合、大きく傾いた時に液漏れを起こす構造である。また大きく傾いた場合、気液の分離ができない、反応液の循環ができないなどの問題がある。
【００１４】
さらに、提案されている燃料電池システムでは、図１９に示したように二輪車に取り付けるときに、燃料極の反応液や空気極の反応生成水の流れを考慮し、燃料電池１に左右方向では垂直にし、前後方向において多少の傾斜を持たせている。しかし、この燃料電池１は左右方向への傾きまでは考慮していないため、二輪車が大きく傾いた場合に流路詰まりが発生してしまい、燃料電池発電を継続することができない。
【００１５】
燃料電池に関する技術として、ガス分離器について特開昭６４−０１７３７９号公報に記載され、また気液分離器について特開昭６４−０７１０７３号公報に記載されている。しかしながら、これらの公報には、大きく傾斜した時の対策について記載されていない。
【００１６】
本発明はこのような技術的課題に鑑みてなされたもので、二輪車やヨットなどの傾斜の大きい乗り物に搭載する直接改質型燃料電池システムとして、大きく傾斜しても燃料電池発電を継続できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１７】
本発明はまた、大きく傾斜しても燃料電池発電を継続できる燃料電池システムを搭載した二輪車を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料電池と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンクと、前記メタノール・水タンクからメタノール水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール・水ポンプと、前記燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、前記メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口と炭酸ガス排気口を設け、前記メタノール・水タンクの左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、前記連通ライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、前記液位制御手段は、当該システムが左右どちらかに所定の許容傾斜角度まで傾斜した状態で前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位よりも常に下方に前記メタノール水溶液出口が位置できるレベルを前記所定レベルにして液位制御するものである。
【００１９】
請求項２の発明は、燃料電池と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンクと、前記メタノール・水タンクからメタノール水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール・水ポンプと、前記燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、前記メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、前記メタノール・水タンクの左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれの上下中央部よりも高い位置に炭酸ガス排気筒の一端を接続し、当該炭酸ガス排気筒それぞれを当該メタノール・水タンクの前側面、後側面を水平に通過するように延設し、それぞれの開口端を左右反対側に開口させ、前記連通ライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、前記液位制御手段は、当該システムが左右どちらかに所定の許容傾斜角度まで傾斜した状態で前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位よりも常に下方に前記メタノール水溶液出口が位置できるレベルを前記所定レベルにして液位制御するものである。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項２の燃料電池システムにおいて、前記炭酸ガス排気筒に代えて、前記メタノール・水タンクの上底面の左右それぞれに炭酸ガス排気筒の一端を接続し、当該炭酸ガス排気筒を前記上底面に沿い水平に延設し、それぞれの開口端を左右反対側の端部に開口させたことを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４の発明は、燃料電池と、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール水溶液を貯溜するメタノール・水タンクと、前記メタノール・水タンクからメタノール水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール・水ポンプと、前記燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離する気液分離器と、前記気液分離器からメタノール・水タンクに反応生成水を戻す連通ラインとを備えた燃料電池システムにおいて、前記メタノール・水タンクの左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、前記メタノール・水タンクの左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれに炭酸ガス排気筒を接続し、前記炭酸ガス排気筒内に、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁が設け、前記連通ライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、前記液位制御手段は、当該システムが左右どちらかに所定の許容傾斜角度まで傾斜した状態で前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位よりも常に下方に前記メタノール水溶液出口が位置できるレベルを前記所定レベルにして液位制御するものである。
【００２２】
請求項５の発明は、燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器を備えた燃料電池システムであって、前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項６の発明は、燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器と、当該気液分離器に前記反応生成水戻りラインを介して接続された前記メタノール・水タンクとを備えた燃料電池システムであって、前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたものであり、前記メタノール・水タンクには、その左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口と炭酸ガス排気口を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれに炭酸ガス排気筒を接続し、前記炭酸ガス排気筒内に、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁を設け、前記気液分離器の下側に前記メタノール・水タンクを位置させ、前記反応生成水戻りラインを左右にだ行する形状にしたことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項７の発明は、燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器と、当該気液分離器に前記反応生成水戻りラインを介して接続された前記メタノール・水タンクとを備えた燃料電池システムであって、前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたものであり、前記メタノール・水タンクは、その左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、前記メタノール・水タンクの上底面の左右それぞれに炭酸ガス排気筒の一端を接続し、当該炭酸ガス排気筒を前記上底面に沿い水平に延設し、それぞれの開口端を左右反対側の端部に開口させ、前記反応生成水戻りライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、前記気液分離器の下側に前記メタノール・水タンクを位置させ、前記反応生成水戻りラインを左右にだ行する形状にしたことを特徴とするものである。
【００２５】
請求項８の発明は、燃料電池の空気極で生成された反応生成水を気液分離し、反応生成水入口は燃料電池の空気極側に接続し、反応生成水出口はメタノール・水タンクの反応生成水戻りラインに接続する気液分離器と、当該気液分離器に前記反応生成水戻りラインを介して接続された前記メタノール・水タンクとを備えた燃料電池システムであって、前記気液分離器は、前記反応生成水を貯溜する槽部の形状が正立状態で扁平にし、その上底部分に反応生成水入口、下底部分に反応生成水出口を設け、槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さに、当該位置まで反応生成水の水位が上昇したときに外部に排出するドレインを設けたものであり、前記メタノール・水タンクは、その左右中心線上における上底部分にメタノール水溶液入口を設け、その左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口を設け、前記メタノール・水タンクの左右側面それぞれに炭酸ガス排気筒を接続し、前記炭酸ガス排気筒内に、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁が設け、前記反応生成水戻りライン上に、メタノール・水タンクの液層、気層それぞれと連通し、その中の液位が所定レベルまで上がれば前記気液分離器からの反応生成水の流入を止め、それ以下の液位では前記気液分離器から反応生成水を流入させ、当該反応生成水の液位に前記メタノール・水タンク内のメタノール水溶液の液位を一致させる液位制御手段を設け、前記気液分離器の下側に前記メタノール・水タンクを位置させ、前記反応生成水戻りライン内に、正立状態では気液分離器からの反応生成水を流下させ、大きく傾いた状態ではメタノール・水タンクから気液分離器に反応生成水が逆流するのを防止する逆止弁を設けたことを特徴とするものである。
【００２６】
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれかの燃料電池システムを搭載した二輪車である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。本発明の１つの実施の形態の直接改質型燃料電池システムの全体的な構成は、図１９の提案されているシステム構成と共通である。
【００２８】
この実施の形態の燃料電池システムは、例えば、パワーアシスト自転車、自動二輪車、原動機付き自転車等の二輪車に組み込むシステムである。本実施の形態の燃料電池システムの特徴は、本システムを搭載している二輪車が大きく傾斜しても、燃料電池システムが燃料電池発電を継続できるように、メタノール・水タンク３と気液分離器７の機械的な構造を改良した点にある。特に二輪車が大きく傾斜した時には、図１９の構成であればエア噛み込みなどで燃料電池発電が正常に行えなくなる可能性が高いので、それを起こさない構造にしている。
【００２９】
＜アノード（燃料極）側の構成＞
図１及び図２は本実施の形態のシステムにおけるメタノール・水タンク３の構造を示し、図３及び図４は、液位制御部２４の構造を示している。二輪車が大きく傾斜した状態でも燃料電池発電を継続するためには、エア噛み込みがない構造にする必要があり、メタノール・水タンク３の左右中心線（車軸）上における上底部分にメタノール水溶液入口２１、炭酸ガス排気口２６、メタノール入口２５が設けてある。メタノール・水タンク３の左右中心線上における下底部分にメタノール水溶液出口２２が設けてある。さらに、カソード（空気極）側の気液分離器７から反応生成水を戻すカソード連通ライン２３がメタノール・水タンク３に接続してある。このカソード連通ライン２３には、図３に詳しいように液位制御器２４が設けてある。
【００３０】
液位制御器２４はメタノール・水タンク３の液層、気層それぞれと連通している。この液位制御器２４は、その中に溜まる反応生成水の液位が上がれば、フロート２４Ａがその液位と共に上昇してカソード連通ライン２３のパイプ端を塞ぎ、反応生成水の流入を止めることができ、それ以下の液位ではカソード連通ライン２３を通じて気液分離器７から反応生成水が戻されてくる。液位制御器２４はメタノール・水タンク３と液層、気層両方に連通しているので、この液位制御器２４内の液位とメタノール・水タンク３内の液位とは常に同一レベルに維持できる。また、液位制御器２４のフロート２４Ａがカソード連通ライン２３のパイプ端を塞ぎ反応生成水の戻りを止めている状態での液位がメタノール・水タンク３における上限液位Ｌに設定してある。
【００３１】
このような構造のメタノール・水タンク３では、図２に示したように、二輪車が大きく傾いた状態でも、メタノール水溶液出口２２は液面下に位置し、炭酸ガス排気口２６は液面より上方に位置することになり、メタノール・水タンク３から燃料電池１のアノード（燃料極）に炭酸ガスや空気だけ、あるいはメタノール水溶液にそれらが多量に混入したものが供給される状態になることがなく、燃料電池１で発電反応を継続させることができる。
【００３２】
また、図４に示したように、液位制御部２４はメタノール・水タンク３の左右中心線を通る位置に設置しているので、二輪車が左右どちら側に大きく傾いても、液位制御を支障なく行うことができ、これによって、安定した燃料電池反応を継続させることができることになる。
【００３３】
図５はメタノール・水タンク３における炭酸ガス排気口の設置位置の別例を示している。なお、液位制御器２４の取付位置、構造は図３に示した例と同様である。
【００３４】
この例では、前後左右の中心において上底部分にメタノール水溶液入口２１、下底部分にメタノール水溶液出口２２を形成し、また、炭酸ガス排気口２６Ａ，２６Ｂをタンク３の側面の上下中央部よりも高い位置においてほぼ水平にタンク３をそれぞれほぼ半周するように配設している。
【００３５】
これにより、図６に示したように、二輪車を左右どちらにほぼ水平まで倒した傾斜状態でも、タンク３内のメタノール水溶液出口２２が液面下に位置して炭酸ガスを噛み込むことがなく、気体をほとんど含有していないメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極に継続して供給できる。しかも、上述した配置により、炭酸ガス排気口２６Ａ，２６Ｂのうちのどちらかが液面Ｌよりも高い位置に位置するようになり、タンク３内の炭酸ガスの空気中への放出を可能にする。この結果、二輪車が大きく傾いた状態でも燃料電池発電を継続し、二次電池の充電に利用できることになる。
【００３６】
なお、炭酸ガス排気口２６Ａ，２６Ｂの接続位置については、例えば、図７（ａ），（ｂ）に示すように、メタノール・水タンク３の上底部分に配設する構成にしてもよい。
【００３７】
図８〜図１０はメタノール・水タンク３における炭酸ガス排気口の第３の例を示している。なお、液位制御器２４の取付位置、構造は図３に示した例と同様である。
【００３８】
この例では、前後左右の中心において上底部分にメタノール水溶液入口２１、下底部分にメタノール水溶液出口２２を形成してある。また、図１０に示すように、炭酸ガス排気口２６Ａ，２６Ｂそれぞれには、内側から外側に液圧がかからない状態では開口し、内側から外側に液圧がかかる状態では閉口する自動弁２７が設けてある。
【００３９】
これにより、図８に示した正立状態から図９に示したように大きく傾斜した状態になれば、タンク３内のメタノール水溶液出口２２が液面下に位置して炭酸ガスを噛み込むことがなく、気体をほとんど含有していないメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極に継続して供給できる。また、液中に没する側の炭酸ガス排気口（ここでは、２６Ａ）において、自動弁２７が閉じて液漏れを防止し、かつ他方の炭酸ガス排気口（ここでは、２６Ｂ）の弁は開口状態のままで、タンク３内の炭酸ガスの空気中への放出を継続できる。この結果、二輪車が大きく傾いた状態でも燃料電池発電を継続し、二次電池の充電に利用できることになる。
【００４０】
なお、自動弁２７に代えて、図１１に示す構造の自動弁２８を採用することもできる。この自動弁２８では、タンク３が正立している状態では炭酸ガス排気口２６Ａ，２６Ｂを開口しているが、図９に示したようにタンク３が大きく傾斜すれば、下側に来る炭酸ガス排気口側で球状の弁体が開口を塞ぎ、メタノール水溶液の漏れを防ぐ作用をする。
【００４１】
なお、メタノール・水タンク３における液位検出手段である図３に示した液位制御部２４、またこれに代わる、図１２に示したような液位センサ３１は、タンク３の左右中心線（車軸）Ｃ上に位置する配置にし、あるいは図１３に示したように、タンク３の左右中心線Ｃを通る垂直面に対して左右対称な位置に配置する。これにより、タンク３が左右どちらの側に大きく傾斜してもメタノール水溶液の液位を継続して検出（制御）できる。
【００４２】
また、炭酸ガス排気口については一体成形によりメタノール・水タンク３と一体化した構造であってもよいし、図示のように別部材をタンク３に接続した構成であってもよい。
【００４３】
次に、上記実施の形態の燃料電池システムにおけるカソード（空気極）側の気液分離器７の構造例を、図１４、図１５により説明する。この気液分離器７も二輪車、したがって器体が大きく傾斜した状態でも気液分離作用、そしてメタノール・水タンク３に対する反応生成水の継続的な供給作用を可能にする必要がある。
【００４４】
そこで本例では、気液分離器７の槽形状が正立状態で扁平なものであり、その上底部分に反応生成水入口４１、下底部分に反応生成水出口４２を設け、また槽壁の反応生成水の適切レベルの直上位置となる高さにドレイン４３（図１９におけるドレイン１０に相当）を設けている。反応生成水入口４１は燃料電池１の空気極側に連通し、反応生成水出口４２はメタノール・水タンク３の反応生成水戻りライン（連通ライン）２３に連通している。また、反応生成水入口４１の口径よりも反応生成水出口４２の口径を大径にしてある。このドレイン４３は一体成形により気液分離器７と一体化し、あるいは図示のように別部材で構成してもよい。
【００４５】
本例の気液分離器７では、ドレイン４３が、反応生成水がこの設置位置に達すれば余剰な反応生成水を外部に排出し、水位Ｌ２をそれ以下に維持する働きをする。これと相まって、気液分離器７の槽形状を扁平にすることにより、図１５に示すように、二輪車が左右どちらかに大きく傾斜し、気液分離器７も大きく傾斜した状態になっても、液面Ｌ３が反応生成水入口４１よりも下方に位置し、反応生成水の燃料電池１への逆流を防止し、燃料電池１の発電反応を継続させることができる。
【００４６】
次に、本実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンク３と気液分離器７との連通部の構造例を、図１６により説明する。メタノール・水タンク３は図１、図３に示した液位制御機能を備え、また図５、図７あるいは図１１に示す構成の炭酸ガス排出機能（図示は、図８または図１１に示す構造のもの）を備え、さらに、気液分離器７を上側、メタノール・水タンク３を下側に位置させ、両者間の反応生成水の連通ライン２３を左右にだ行する形状にしている。
【００４７】
これにより、図１６（ａ）の正立状態では、燃料電池１で発生した反応生成水９を気液分離器７に流入させ、未反応ガスは大気中に排気し、反応生成水９をドレイン４３より下方に貯溜する。そして、この反応生成水９は出口４２から連通ライン２３を流下してだ行し、メタノール・水タンク３に戻される。
【００４８】
この例の構造にすることにより、図１６（ｂ）に示すように、二輪車が左右どちらかに大きく傾斜した状態では、上述したように各例で説明したように気液分離器７内で反応生成水９は燃料電池１側の逆流することなく留まる。またメタノール・水タンク３内でも炭酸ガスは開口している側の炭酸ガス出口（ここでは、２６Ｂ）から排気できる。さらに、本例の構造では、大きく傾斜した状態で気液分離器９内の液位Ｌ３とメタノール・水タンク３内の液位Ｌ１とはレベルが異なるが、だ行している連通ライン２３の大きく傾斜した状態で高い位置に来ているだ行部２３Ａによりメタノール・水タンク３から気液分離器７に反応生成水が逆流するのを阻止する。この結果として、液位Ｌ１が高いメタノール・水タンク３からメタノール水溶液が連通ライン２３を通じて気液分離器７に逆流してその液位Ｌ３が上昇し、反応生成水入口４１を通して燃料電池１にまで逆流し、燃料電池反応を停止させてしまうのを防止でき、大きく傾斜した状態でも継続して燃料電池反応を継続できる。
【００４９】
次に、本実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンク３と気液分離器７との連通部の別の構造例を、図１７を用いて説明する。本例では、メタノール・水タンク３には図１、図３に示した液位制御機能を備え、また図７に示す構成の炭酸ガス排出機能を備えたものを使用し、気液分離器７は図１４に示した液位調整機能を備えたものを使用している。そして気液分離器７を上側、メタノール・水タンク３を下側に位置させ、両者間の反応生成水の連通ライン２３を左右にだ行する形状にしている。連通ライン２３のだ行部２３Ａ，２３Ｂはそれぞれ、炭酸ガス排出口２６Ａ，２６Ｂよりも外側にＤだけ突出させた寸法関係にしている。
【００５０】
これにより、図１７（ａ），（ｂ）に示す正立状態では、燃料電池１で発生した反応生成水９を気液分離器７に流入させ、未反応ガスは大気中に排気し、反応生成水９をドレイン４３より下方に貯溜する。そして、この反応生成水９は出口４２から連通ライン２３を流下してだ行し、メタノール・水タンク３に戻される。
【００５１】
そして本例の構造にすることにより、二輪車が左右どちらかに大きく傾斜した状態では、図１６（ｂ）について説明した場合と同様に、反応生成水９は燃料電池１側に逆流することなく気液分離器７内に留まる。またメタノール・水タンク３内でも炭酸ガスは開口している側の炭酸ガス出口２６Ａあるいは２６Ｂから排気できる。さらに、本例の構造では、大きく傾斜した状態で気液分離器９内の液位Ｌ３とメタノール・水タンク３内の液位Ｌ１とはレベルが異なるが、だ行している連通ライン２３の大きく傾斜した状態で高い位置に来ているだ行部２３Ａによりメタノール・水タンク３から気液分離器７に反応生成水が逆流するのを阻止する。この結果として、液位Ｌ１が高いメタノール・水タンク３からメタノール水溶液が連通ライン２３を通じて気液分離器７に逆流してその液位Ｌ３が上昇し、反応生成水入口４１を通して燃料電池１にまで逆流し、燃料電池反応を停止させてしまうのを防止でき、大きく傾いた状態でも継続して燃料電池反応を継続できる。
【００５２】
次に、本実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンク３と気液分離器７との連通部のさらに別の構造例を、図１８を用いて説明する。本例では、メタノール・水タンク３には図１、図３に示した液位制御機能を備え、また図８に示す構成の炭酸ガス排出機能を備えたものを使用し、気液分離器７は図１４に示した液位調整機能を備えたものを使用している。そして気液分離器７を上側、メタノール・水タンク３を下側に位置させ、両者間の反応生成水の連通ライン２３を直管にして逆止弁２３０を設けている。この逆止弁２３０は、メタノール・水タンク３から気液分離器７への反応生成水の逆流を阻止する。
【００５３】
これにより、図１８（ａ），（ｂ）に示す正立状態では、燃料電池１で発生した反応生成水９を気液分離器７に流入させ、未反応ガスは大気中に排気し、反応生成水９をドレイン４３より下方に貯溜する。そして、この反応生成水９は出口４２から連通ライン２３を流下し、逆止弁２３０を経て液位制御器２４に戻り、ここからメタノール・水タンク３に戻される。
【００５４】
そして本例の構造にすることにより、二輪車が左右どちらかに大きく傾いた状態では、図１６（ｂ）について説明した場合と同様に、気液分離器７内で反応生成水９は燃料電池１側の逆流することなく留まる。またメタノール・水タンク３内でも炭酸ガスは開口している側の炭酸ガス出口２６Ａあるいは２６Ｂから排気できる。さらに、本例の構造では、大きく傾斜した状態で気液分離器９内の液位Ｌ３とメタノール・水タンク３内の液位Ｌ１とはレベルが異なるが、連通ライン２３内の逆止弁２３０がメタノール・水タンク３から気液分離器７に反応生成水が逆流するのを阻止する。この結果として、液位Ｌ１が高いメタノール・水タンク３からメタノール水溶液が連通ライン２３を通じて気液分離器７に逆流してその液位Ｌ３が上昇し、反応生成水入口４１を通して燃料電池１にまで逆流し、燃料電池反応を停止させてしまうのを防止でき、大きく傾いた状態でも継続して燃料電池反応を継続できる。
【００５５】
なお、上記の各実施の形態で配管類については、製造上において可能な場合には一体成形によりタンク、気液分離器等と一体化させることができ、また図示の各実施の形態のように別部材として構成することもできる。
【００５６】
さらに、本発明はヨットのようにしばしば大きく傾いた状態になる乗り物にも広く適用することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、二輪車やヨットなどの大きく傾斜した状態になることが多い乗り物に搭載する直接改質型燃料電池システムとして、大きな傾斜が発生しても燃料電池発電を継続できる燃料電池システムを提供できる。
【００５８】
本発明はまた、大きな傾斜状態になっても燃料電池発電を継続できる燃料電池システムを搭載した二輪車を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンクの一例の断面図。
【図２】上記一例のメタノール・水タンクの傾斜状態を示す断面図。
【図３】上記一例のメタノール・水タンクの詳しい構成を示す断面図。
【図４】図３に示したメタノール・水タンクの傾斜状態を示す断面図。
【図５】上記実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンクの別例の平面図及び側面図。
【図６】上記のメタノール・水タンクの別例の大きく傾いた状態を示す前後方向断面図、左右方向断面図。
【図７】上記実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンクのさらに別の例の平面図及び側面図。
【図８】上記実施の形態の燃料電池システムにおけるメタノール・水タンクの第４例の側面断面図。
【図９】上記メタノール・水タンクの第４例の大きく傾いた状態を示す正面断面図。
【図１０】上記の第４例のメタノール・水タンクにおける自動弁の正面断面図。
【図１１】上記の第４例のメタノール・水タンクにおける自動弁の別例の正面断面図。
【図１２】上記各例のメタノール・水タンクにおける液位センサの取付状態を示す正面断面図。
【図１３】上記各例のメタノール・水タンクにおける液位センサの取付状態の他例を示す正面断面図、正面図。
【図１４】上記実施の形態の燃料電池システムにおける気液分離器の断面図、及び大きく傾いた状態の断面図。
【図１５】上記実施の形態の燃料電池システムにおける気液分離器の大きく傾いた状態を示す断面図。
【図１６】上記実施の形態の燃料電池システムにおける気液分離器とメタノール・水タンクの一例の正立状態、大きく傾いた状態の断面図。
【図１７】上記実施の形態の燃料電池システムにおける気液分離器とメタノール・水タンクの他の例の正立状態、大きく傾いた状態の断面図。
【図１８】上記実施の形態の燃料電池システムにおける気液分離器とメタノール・水タンクのさらに他の例の正立状態、大きく傾いた状態の断面図。
【図１９】提案されている直接改質型燃料電池システムのブロック図。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  エアポンプ
３  メタノール・水タンク
４  ソルーションポンプ
６  排気筒
７  気液分離器
８  排気筒
９  反応生成水
２１  メタノール水溶液入口
２２  メタノール水溶液出口
２３  連通ライン
２４  液位制御器
２４Ａ  フロート
２５  メタノール入口
２６  炭酸ガス排気口
２６Ａ，Ｂ  炭酸ガス排気口
２７  自動弁
２８  自動弁
３１  液位センサ
４１  反応生成水入口
４２  反応生成水出口
４３  ドレイン
７１  メタノールタンク
７２  メタノールポンプ
【図１】
2004152617.tif 000003
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2004152617.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2004152617.tif 000017
【図１６】
2004152617.tif 000018
【図１７】
2004152617.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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