(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】傾斜センサ１５が所定角度以上の傾斜角度の検出信号を所定時間以上継続して出力した時に、制御回路２０が燃料電池反応を停止させ、又は燃料電池１の出力を抑制することにより、本システムを二輪車に搭載したような場合に、サイドスタンドを立てて二輪車を傾斜状態で駐車しているときには転倒とは判断せず、またカーブ走行のように一時的に大きく傾斜する状態でも転倒と判断せず、実際に転倒したことを確実に判断して燃料電池反応を停止させ、又は燃料電池の出力を抑制する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本システムの傾斜を検出する傾斜センサと、
前記傾斜センサが本システムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、本システムの燃料電池反応を停止させる制御手段とを備えて成る燃料電池システム。
【請求項２】
本システムの傾斜を検出する傾斜センサと、
前記傾斜センサが本システムの所定角度以上の傾斜を検出した時に、本システムの燃料電池の出力を抑制する制御手段とを備えて成る燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記傾斜センサが所定角度以上の傾斜角度の検出信号を所定時間以上継続して出力した時に、燃料電池反応を停止させ、又は前記燃料電池の出力を抑制することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
メタノール濃度を測定するメタノールセンサをメタノール／水タンク中の所定の場所に取り付け、本システムが所定角度以上傾斜したときに液から気体に出て、気体の濃度検出信号を出力するようにし、
前記制御手段は、前記メタノールセンサの液の濃度検出信号から気体の濃度検出信号を受信し、所定角度以上の傾斜であると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記メタノールセンサが所定角度以上の傾斜を検出しなくなったときに本システムの復帰制御を行い、かつ、当該復帰に先立って本システムの諸機能のチェックを実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
本システムを二輪車若しくは小形船舶に搭載したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【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に代えて、燃料電池を採用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
【特許文献２】
特開昭６４−０７１０７３号公報
【０００５】
【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を開発する場合、車体が大きな傾斜したり転倒したりしても安全であり、かつ、そのような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。
【０００６】
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としては、小型、軽量、安全性の面から、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。
【０００７】
図４はこのような直接改質型燃料電池により発電する燃料電池システムの提案例の構成を示している。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１、この燃料電池１の空気極１１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１２に供給するメタノール／水ポンプ４から構成されている。そして、燃料中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサ５がメタノール／水タンク３内の液に浸るように配設されている。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１１に接続してあって、空気極１１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をその排気筒８から排出し、また反応生成水を一時的に貯溜するようにしている。なお、燃料電池１における１３は固体高分子電解質膜である。
【０００８】
このような直接改質型燃料電池システムは、小形、軽量の燃料電池システムとして自動二輪車、原動機付き自転車、パワーアシスト自転車等の二次電池充電用の燃料電池して有効である。
【０００９】
図５は二輪車に搭載する直接改質型燃料電池システムの構成を示している。この図５において、図４における符号と同一の符号の付されている要素は同一の要素を示している。固体高分子型燃料電池１は後述する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からメタノールポンプ７２により供給する。この燃料電池システムは、駆動機器の制御のために制御回路２０を備えている。この制御回路２０は、駆動回路２１、出力制御回路２２、ＣＰＵ２３を備えていて、メタノール／水燃料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。そしてこの制御のために必要な情報として、メタノールセンサ５からメタノール濃度信号、燃料電池１の温度センサ７４からセル温度信号、発電電流・電圧信号を入力する構成である。
【００１０】
直接改質型燃料電池システムは、パワーアシスト自転車の二次電池充電用に利用する場合、二次電池としてＮｉ−Ｃｄ電池を利用していれば、二次電池のリフレッシュのために自己放電させてから再充電することがある。制御回路２０はこの二次電池の放電状態を監視し、完全放電になれば燃料電池システムを起動して再充電することになる（自己放電監視モード（ｉ）、低消費モード（ｉｉ））。そして、パワーアシスト自転車の実走行時には運転モード（ｉｉｉ）に移行し、二次電池の充電状態に応じて制御回路２０が燃料電池システムの発電を制御する。
【００１１】
このような直接改質型燃料電池１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１１からの未反応エア、燃料極１２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。
【００１２】
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、転倒、転覆で液漏れを起こす構造である。また転倒した場合、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。
【００１３】
さらに、提案されている燃料電池システムでは、図５に示したように二輪車に取り付けるときに、燃料極１２の反応液や空気極１１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、図６に示すように、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、二輪車が転倒した場合や大きく傾けた場合に流路詰まりが発生することが避けられない。
【００１４】
二輪車の場合、大きく傾斜したり転倒したりすることはしばしば起こることであり、燃料電池システムの実用化のためには、この課題をいかに解決するかが大きな挑戦となっている。
【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、大きな傾斜や転倒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、二輪車や船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、傾斜センサを使って転倒を検出し、転倒時にはシステムを止める、あるいはシステムの出力を制御することが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、自転車や自動二輪車などでサイドスタンドを立てた状態の傾斜と転倒状態とを区別し、転倒時に限って上記の制御を行える燃料電池システム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の発明の燃料電池システムは、本システムの転倒を検出する傾斜センサと、前記傾斜センサが本システムの転倒を検出した時に、本システムの燃料電池反応を停止させる制御手段とを備えたものであり、転倒時に燃料電池反応を停止制御することによりシステムに不具合が発生するのを防止する。
【００１９】
請求項２の発明の燃料電池システムは、本システムの転倒を検出する傾斜センサと、前記傾斜センサが本システムの転倒を検出した時に、本システムの燃料電池の出力を抑制する制御手段とを備えたものであり、転倒時に燃料電池の出力を抑制することによりシステムに不具合が発生するのを防止しつつ、必要最低限度の発電出力も確保し、本システムに接続される二次電池への補充電を可能にし、電池切れを防止する。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２の燃料電池システムにおいて、前記傾斜センサが所定角度以上の傾斜角度の検出信号を所定時間以上継続して出力した時に、燃料電池反応を停止させ、又は前記燃料電池の出力を抑制することを特徴とするものであり、本システムを二輪車に搭載したような場合に、サイドスタンドを立てて二輪車を傾斜状態で駐車しているときには転倒とは判断せず、またカーブ走行のように一時的に大きく傾斜する状態でも転倒と判断せず、実際に転倒したことを確実に判断して燃料電池反応を停止させ、又は燃料電池の出力を抑制する。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１〜３の燃料電池システムにおいて、メタノール濃度を測定するメタノールセンサをメタノール／水タンク中の所定の場所に取り付け、本システムが所定角度以上傾斜したときに液から気体に出て、気体の濃度検出信号を出力するようにし、前記制御手段は、前記メタノールセンサの液の濃度検出信号から気体の濃度検出信号を受信し、所定角度以上の傾斜であると判定することを特徴とするものであり、特別な傾斜センサを別途に設けないことによりコストの低廉化を図る。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１〜４の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記メタノールセンサが所定角度以上の傾斜を検出しなくなったときに本システムの復帰制御を行い、かつ、当該復帰に先立って本システムの諸機能のチェックを実施することを特徴とするものであり、再起動に先立って転倒の衝撃による不具合の発生をチェックする。
【００２３】
請求項６の発明は、請求項１〜５の燃料電池システムにおいて、本システムを二輪車若しくは小形船舶に搭載したことを特徴とするものであり、サイドスタンドによって傾斜した状態で駐車したり、大きな傾斜角度で走行したりする二輪車に対して実際の転倒と区別し、実際の転倒時に燃料電池反応を停止し、又は燃料電池出力を抑制することにより、二輪車等の円滑な走行を担保すると共に、実際の転倒、転覆時の不具合の発生を防止し、あるいは不具合の発生の防止と共に、必要最低限度の発電出力も確保し、本システムに接続される二次電池への補充電を可能にし、電池切れを防止できるようにする。
【００２４】
【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。図１は、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構成を示している。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。
【００２５】
図１に示すように、本実施の形態の直接改質型燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池１と、この燃料電池１の空気極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と水の混合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の燃料極に供給するメタノール／水ポンプ４を備えている。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からメタノールポンプ７２により供給する。７は燃料電池１の空気極に接続された気液分離器である。
【００２６】
この燃料電池システムは、駆動機器の制御のために制御回路２０を備えている。制御回路２０は、駆動回路２１、出力制御回路２２、ＣＰＵ２３、そして記憶装置２４を備えていて、メタノール／水燃料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。そしてこの制御のために必要な情報として、メタノールセンサ５からメタノール濃度信号、燃料電池１からセル温度信号、発電電流・電圧信号を入力し、また二輪車の傾斜角度の検出のために傾斜センサ１５の信号を入力するようにしてある。さらに、制御回路２０には表示装置２５を接続して、ＣＰＵ２３により必要な情報を表示するようにしてある。
【００２７】
この直接改質型燃料電池システムは、二次電池としてＮｉ−Ｃｄ電池を利用しているような場合、二次電池のリフレッシュのために自己放電させてから再充電することがある。制御回路２０はこの二次電池の放電状態を監視し、完全放電になれば燃料電池システムを起動して再充電することになる（自己放電監視モード（ｉ）、低消費モード（ｉｉ））。そして、二輪車の実走行時には運転モード（ｉｉｉ）に移行し、二次電池の充電状態に応じて制御回路２０が燃料電池システムの発電制御を行う。
【００２８】
次に、上記構成の燃料電池システムの動作について説明する。燃料電池発電動作は、図４、図５に示した従来提案されている燃料電池システムと同様である。そして、本実施の形態の燃料電池システムの動作の特徴は、制御回路２０が傾斜センサ１５の信号により燃料電池発電を制御する点にある。
【００２９】
傾斜センサ１５は二輪車が所定角度以上に大きく傾斜した場合に信号を出力する。この傾斜センサ１５は傾斜角度を検出し、傾斜角度信号を出力するものであってもよい。制御回路２０は、この傾斜センサ１５からの信号に基づいてシステムが正常に発電できる姿勢範囲内にあるかどうかを判断する。
【００３０】
二輪車の場合、駐車のためにサイドスタンドを立てるが、その場合にはある程度の傾斜角度になる。そこで、制御回路２０は、（１）傾斜センサ１５からの信号がこのスタンドを立てたときの傾斜角度よりも大きい傾斜角度であり、かつ、（２）その大きな傾斜角度の検出信号が数秒連続した場合に転倒と判断し、燃料電池制御を行う。
【００３１】
二輪車の実走行中には速度によってはサイドスタンドを立てて駐車するときの傾斜角度よりも大きな傾斜角度で走行することもあり得るが、そのような場合には数秒もたたない内にほぼ直立の姿勢に戻るものであるので、大きな傾斜角度を検出した場合には、数秒連続した場合に転倒と判断することにしているのである。
【００３２】
＜転倒時の制御＞転倒と判断した時の燃料電池制御は、次の通りである。
【００３３】
（ｉ）二輪車が転倒すれば、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ため、システムを停止する。
【００３４】
（ｉｉ）転倒発生のイベントを記憶装置２４に履歴として記録し、次の起動の時にチェックモードへ移行する。またメンテナンスデータとして利用する。
【００３５】
チェックモードでは、傾斜センサ１５の値、メタノールセンサ５の濃度値、メタノール／水溶液量、メタノール／水ポンプ駆動電流量（エア噛み込みチェック）、空気極の生成水量、メタノールタンク７１のメタノール量などを確認する。そして、これらが正常範囲であれば、再起動を許容する。
【００３６】
また、またチェック中は、表示装置２５によりユーザーにチェック中であることを表示する。
【００３７】
（ｉｉｉ）システム停止の後の再起動の際、傾斜センサ１５の信号が正常に戻り、かつその復帰から一定時間が経過していれば、配管中の液が落ち着いているとして、燃料電池発電を再起動する。
【００３８】
これにより、直接改質型燃料電池システムを二輪車のような大きな傾斜姿勢がしばしば発生し、また転倒することもある乗り物に搭載しても、一過性の大きな傾斜と実際の転倒とを識別し、転倒時には燃料電池の発電を停止させることによって不具合の発生を防止し、後に正常な姿勢に戻ったときに燃料電池発電を円滑に再開させることができる。
【００３９】
なお、転倒判定時に燃料電池の運転を停止することに代えて、必要最低限度の発電出力も確保し、本システムに接続される二次電池への補充電を可能にし、電池切れを防止できる程度の出力に制限するようにしてもよい。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図２を用いて説明する。第１の実施の形態では、燃料電池システムの傾斜角度を検出する傾斜センサ１５を採用したが、この傾斜センサ１５はサイドスタンドを立てたときの傾斜角度よりも大きい傾斜角度になったことを検出することができれば、厳密に傾斜角度そのものを検出できなくてもかまわない。
【００４１】
そこで、第２の実施の形態では、第１の実施の形態の燃料電池システムで用いた傾斜センサ１５の代わりに、図２に示すように、メタノールセンサ５の設置場所を工夫することにより、メタノール濃度検出と同時に、傾斜センサとしても代用するようにしている。なお、第２の実施の形態の燃料電池システムの構成は、図１に示した第１の実施の形態に対して、傾斜センサ１５を省略した以外は同様である。
【００４２】
メタノール濃度を測定するメタノールセンサ５には、水晶発振素子を利用した粘度センサが利用されるが、この水晶発振素子式のセンサは液中での測定信号と気体中での測定信号が大きく異なる。
【００４３】
そこで、本実施の形態では、メタノールセンサ５を図２に示したように二輪車のような乗り物、そして燃料電池システムが通常の姿勢であればメタノール／水溶液中に没した状態になるが、転倒と見なせる角度まで傾斜すると液中から気体側に出る場所に設置しておき、その濃度測定信号を制御回路２０側で監視していて、通常値から異常値に代われば大きな傾斜姿勢になったと判断し、第１の実施の形態と同様に、その傾斜状態が数秒間継続すれば転倒と判断する。
【００４４】
これにより、第２の実施の形態では、傾斜センサを新に付加するコストを削減でき、第１の実施の形態の比べてシステムの低廉化が図れる。
【００４５】
なお、メタノール濃度を検出するメタノールセンサ５には、水晶発振素子式の他に、図３に示したような超音波式も採用できる。この超音波式のメタノールセンサ５にあっても、液中と気体中では超音波の伝播速度が大きく異なるので、制御回路２０は、異常な濃度信号を受信したときに転倒と判断することができる。その他、メタノールセンサ５として電気抵抗計測式あるいは光屈折率式の濃度センサを採用する場合にも、同様にして転倒判定を行うことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、直接改質型燃料電池の転倒時のシステムへの影響を最小にすることができ、特に傾斜揺動が激しい乗り物、例えば二輪車やボート、ヨットなどの小形船舶に搭載するのに好適な燃料電池システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のシステム構成の説明図。
【図２】本発明の第２の実施の形態のシステムにおいて傾斜センサとを兼用するメタノールセンサの動作を示す説明図。
【図３】上記の第２の実施の形態において採用されるメタノールセンサの他の例の動作を示す説明図。
【図４】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。
【図５】提案されている直接改質型燃料電池システムを二輪車に搭載するときに配置例を示すブロック図。
【図６】提案されている直接改質型燃料電池システムを二輪車に搭載したときに、車体の傾きと共に燃料電池が左右に揺動することを示す説明図。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　エアポンプ
３　メタノール／水溶液タンク
４　メタノール／水ポンプ
５　メタノールセンサ
６　排気筒
７　気液分離器
８　排気筒
１１　空気極
１２　燃料極
１３　固体高分子電解質膜
１５　傾斜センサ
２０　制御回路
２１　駆動回路
２２　出力制御回路
２３　ＣＰＵ
２４　記憶装置
２５　表示装置
７１　メタノールタンク
７２　メタノールポンプ
【図１】
2004111212.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004111212.tif 000007
【図６】
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