(57)【要約】【課題】  システム起動時に燃料水溶液の濃度を正常に検出できない場合であっても良好に起動できる、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】  燃料電池システム１０は、メタノール水溶液Ｓが供給され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セルスタック１２、燃料電池セルスタック１２に供給すべきメタノール水溶液Ｓの濃度を検出する濃度センサ６６、および当該燃料電池システム１０の運転時に濃度センサ６６が検出したメタノール水溶液Ｓの濃度を示す濃度データを記憶するメモリ７８を備える。燃料電池システム１０は、起動時に濃度センサ６６がメタノール水溶液Ｓの濃度を正常に検出できないとき、メモリ７８に記憶された前回運転時のメタノール水溶液Ｓの濃度を示す濃度データに基づいて起動する。【選択図】        図２ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料水溶液が供給され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セルスタックを含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池セルスタックに供給すべき前記燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段、および
当該燃料電池システムの運転時に前記濃度検出手段が検出した前記燃料水溶液の濃度を示す濃度データを記憶する記憶手段を備え、
当該燃料電池システムの起動時に前記濃度検出手段が前記燃料水溶液の濃度を正常に検出できないとき、前記記憶手段に記憶された前回運転時の前記燃料水溶液の濃度を示す濃度データに基づいて起動する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記前回運転時の濃度データが示す濃度の検出から所定時間が経過しているとき、前記前回運転時の濃度データを使用せずに起動する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記記憶手段には前記前回運転時に正常に発電できたか否かを示す発電データがさらに記憶され、
前記発電データが前記前回運転時に正常に発電できなかったことを示すとき、前記前回運転時の濃度データを使用しないで起動する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記記憶手段には、前回の運転終了から今回の起動開始までの間に当該燃料電池システムに異常があったか否かを示す異常検出データがさらに記憶され、
前記異常検出データが異常を示すとき、前記前回運転時の濃度データを使用しないで起動する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
起動時に燃料を前記燃料水溶液に補充する、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】
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムを用いる、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、ポータブルタイプの直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）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】
メタノール水溶液を燃料とし改質器を不要とする直接メタノール型燃料電池システムを常温から起動するとき、燃料電池セルスタックが十分な発電量が得られる所定温度（６５℃付近）に達するまでの時間を短縮することが望ましい。そのための方策として、たとえば非特許文献１において、システム起動時に濃いメタノール水溶液を燃料電池セルスタックに供給して燃料電池セルスタック内のクロスオーバーによる発熱と燃料電池セルスタックの発電反応による発熱とを利用して温度を上げる技術が開示されている。燃料電池セルスタックに濃いメタノール水溶液を供給すると、クロスオーバーの発生によってカソード側での発熱反応が大きくなるため、温度上昇の時間を短縮できるのである。
【非特許文献１】技術総合誌ＯＨＭ  ２００３年７月号目次  第９０巻第７号  ポータブル型燃料電池セルスタックの技術動向  野村栄一  （株）ユアサコーポレーション
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、非特許文献１のシステムでは、メタノール水溶液の濃度制御に関しては開示されておらず、起動および停止を短時間で繰り返すと起動の度にメタノール燃料を投入するためメタノール水溶液の濃度が高くなりすぎる。この場合、燃料電池セルスタック内部が過剰発熱反応により急激に温度上昇し、燃料電池セルスタック温度のオーバーシュートが発生し、温度制御が難しくなる。
【０００４】
かかる弊害を防止する方策としては、燃料電池セルスタックに供給されるメタノール水溶液の濃度を濃度センサによって検出し、その結果を燃料電池システムの起動時におけるメタノール濃度の制御に生かすことが考えられる。
【０００５】
しかし、濃度センサによってメタノール濃度を正常に検出できない場合には、起動時のメタノール濃度を良好に制御できなくなる。特に、濃度センサとして超音波センサを用いた場合には、燃料電池システムの運転終了後長時間が経過するとメタノール水溶液内に発生する気泡によってメタノール水溶液の濃度を正常に測定しにくくなる。この場合にはシステムを良好に起動できない。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、システム起動時に燃料水溶液の濃度を正常に検出できない場合であっても良好に起動できる、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】
【０００７】
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、燃料水溶液が供給され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セルスタックを含む燃料電池システムであって、燃料電池セルスタックに供給すべき燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段、および当該燃料電池システムの運転時に濃度検出手段が検出した燃料水溶液の濃度を示す濃度データを記憶する記憶手段を備え、当該燃料電池システムの起動時に濃度検出手段が燃料水溶液の濃度を正常に検出できないとき、記憶手段に記憶された前回運転時の燃料水溶液の濃度を示す濃度データに基づいて起動することを特徴とする。
【０００８】
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、前回運転時の濃度データが示す濃度の検出から所定時間が経過しているとき、前回運転時の濃度データを使用せずに起動することを特徴とする。
【０００９】
請求項３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、記憶手段には前回運転時に正常に発電できたか否かを示す発電データがさらに記憶され、発電データが前回運転時に正常に発電できなかったことを示すとき、前回運転時の濃度データを使用しないで起動することを特徴とする。
【００１０】
請求項４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、記憶手段には、前回の運転終了から今回の起動開始までの間に当該燃料電池システムに異常があったか否かを示す異常検出データがさらに記憶され、異常検出データが異常を示すとき、前回運転時の濃度データを使用しないで起動することを特徴とする。
【００１１】
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、起動時に燃料を燃料水溶液に補充することを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の輸送機器は、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムを用いることを特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、システム起動時に燃料水溶液の濃度を検出できない場合には、比較的信頼できる前回運転時の濃度データに基づいて起動するので、現実の濃度を検出できなくても良好に起動できる。
【００１４】
燃料水溶液の濃度は経時的に変化する可能性がある。したがって、請求項２に記載の燃料電池システムでは、濃度検出から所定時間経過した濃度データは不正確であるとしそのような濃度データを使用しないことによって、より良好な起動が可能となる。
【００１５】
前回の運転時に正常に発電できなかった場合には燃料水溶液の濃度は安定していないことが予想される。したがって、請求項３に記載の燃料電池システムでは、前回に正常に発電できなかったときは前回の濃度データの信頼性は低いとしてそのような濃度データを使用しないことによって、より良好な起動が可能となる。
【００１６】
前回の運転終了から今回の起動までの間に燃料電池システムに異常が生じた場合には、システム内の状態が大きく変化することが予想され、前回の濃度データの信頼性が低下する。したがって、請求項４に記載の燃料電池システムでは、このような異常が生じた場合には前回の濃度データを使用しないことによって、より良好な起動が可能となる。
【００１７】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、起動時に燃料を燃料水溶液に補充し燃料水溶液の濃度を高くすることによって、定常運転までの時間を短縮できる。
【００１８】
請求項６に示すように上述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、燃料電池システムを良好に起動できる。
【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。
図１を参照して、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、燃料電池セルスタック１２を含む。燃料電池セルスタック１２は、電解質膜としての固体高分子膜１２ａと固体高分子膜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を含む。
【００２１】
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。定常発電中（所定温度まで燃料電池セルスタック１２が昇温し安定的に運転している状態）においては、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの濃度は約３ｗｔ％に設定されるが、後述するように発電開始時（起動時）におけるメタノール水溶液Ｓの濃度はそれより高濃度に設定される。
【００２２】
燃料タンク１４には水位レベルセンサ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、また、水溶液タンク１８には水位レベルセンサ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を介して燃料電池セルスタック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、冷却ファン２８を有する熱交換器３０および水溶液フィルタ３２が順に介挿される。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、必要に応じて熱交換器３０によって冷却され、さらに水溶液フィルタ３２によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。
【００２３】
一方、燃料電池セルスタック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からの酸素を含むエアがエアフィルタ３８によって浄化されたのちカソード１２ｃに与えられる。
【００２４】
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。
【００２５】
さらに、カソード１２ｃにはパイプ４２を介して水タンク４４が接続される。パイプ４２には冷却ファン４６を有する気液分離器４８が介挿される。カソード１２ｃから排出される反応生成水がパイプ４２を介して水タンク４４に供給される。また、水溶液タンク１８と水タンク４４とはＣＯ2ベントパイプ５０を介して接続され、ＣＯ2ベントパイプ５０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５２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４４に与えられる。
【００２６】
水タンク４４には、水位レベルセンサ５４が装着され、水タンク４４内の水位が検出される。水タンク４４には排気ガスパイプ５６および水ドレイン５８が取り付けられ、排気ガスパイプ５６からは二酸化炭素が排出され、水ドレイン５８からは所定量を超えた水が排出される。また、水タンク４４は水還流パイプ６０を介して水溶液タンク１８に接続され、水還流パイプ６０には水ポンプ６２が介挿される。したがって、水タンク４４内の水が水ポンプ６２によって水溶液タンク１８に還流される。
【００２７】
さらに、水溶液パイプ２４において、熱交換器３０と水溶液フィルタ３２との間には、バイパスパイプ６４が形成される。
【００２８】
図２をも参照して、バイパスパイプ６４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６６が設けられ、燃料電池セルスタック１２の温度を検出するための温度センサ６８が燃料電池セルスタック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７０がエアポンプ３４近傍に設けられる。セルスタック自体の温度ではなく、循環されるメタノール水溶液Ｓの温度を検出し、当該水溶液温度を燃料電池セルスタック１２の温度として用いてもよい。
【００２９】
濃度センサ６６としては、たとえばメタノール濃度変化による音速変化を測定する超音波センサが用いられる。この場合、超音波の発振器と受信器の間に水溶液を満たす。発振器としてはＰＫＨ３−５１２Ｂ１Ｓ（村田製作所製）、受信器としてはＰＫＨ３−５１２Ｂ１Ｒ（同社製）をそれぞれ使用できる。水溶液濃度の違いに応じて超音波の伝播速度が変化することから、水溶液のメタノール濃度を測定できる。メタノール水溶液Ｓの濃度は、メタノールの重さ、屈折率、粘性、光屈折率、電気抵抗を利用して測定されてもよい。
【００３０】
図２に示すように、燃料電池システム１０は制御回路７２を含む。
制御回路７２は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御するためのＣＰＵ７４、ＣＰＵ７４にクロックを与えるクロック回路７６、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７８、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ８０、外部機器と接続するためのインターフェイス回路８２、燃料電池セルスタック１２を負荷８４に接続するための電気回路８６における電圧を検出するための電圧検出回路８８、電気回路８６を流れる電流を検出するための電流検出回路９０、電気回路８６を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路９２、電気回路８６の過電圧を防止するための電圧保護回路９４、電気回路８６に設けられるダイオード９６、および電気回路８６に所定の電圧を供給するための電源回路９８を含む。
【００３１】
このような制御回路７２のＣＰＵ７４には、濃度センサ６６、温度センサ６８および外気温度センサ７０からの検出信号が入力され、また転倒の有無を検知する転倒スイッチ１００からの検知信号や各種設定や情報入力のための入力部１０１から信号が与えられる。さらに、ＣＰＵ７４には、水位レベルセンサ１５，２２および５４からの検出信号も与えられる。
【００３２】
また、ＣＰＵ７４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２８、気液分離器用冷却ファン４６および水ポンプ６２等の補機類が制御され、さらに各種情報を表示する表示部１０２が制御される。
【００３３】
また、燃料電池セルスタック１２には、二次電池１０４と二次電池１０４の蓄電量を検出するための蓄電量検出装置１０６とを直列接続したものが並列接続される。二次電池１０４と蓄電量検出装置１０６との直列接続は負荷８４にも並列接続される。二次電池１０４は、燃料電池セルスタック１２からの出力を補完するものであり、燃料電池セルスタック１２からの電気エネルギーによって充電され、その放電によって負荷８４や補機類に電気エネルギーを与える。
【００３４】
負荷８４には、負荷８４の各種データを計測するためのメーター１０８が接続され、メーター１０８によって計測されたデータや負荷８４の状況は、インターフェイス回路１１０を介してＣＰＵ７４に与えられる。負荷８４はたとえば輸送機器を駆動するモータである。
【００３５】
なお、メモリ７８には、図３に示すような燃料電池セルスタック１２の温度と目標濃度との対応関係を示すテーブルデータ、図４（ａ）に示すような燃料電池セルスタック１２の温度および目標昇温時間と目標濃度との対応関係を示すテーブルデータ、図５（ａ）に示すような二次電池１０４の蓄電量と目標昇温時間との対応関係を示すテーブルデータ、図５（ｃ）に示すような燃料電池セルスタック１２の温度および二次電池１０４の蓄電量と目標濃度との対応関係を示すテーブルデータ、図６に示すような燃料電池セルスタック１２の温度と外気温度の差に対する補正量を示すテーブルデータ等が格納され、さらに図８、図９および図１０に示すような動作を実行するためのプログラム等が格納される。
【００３６】
なお、図４（ｂ）は、燃料電池セルスタック１２の発電開始からの経過時間と燃料電池セルスタック１２の温度との関係を、目標昇温時間毎に示すグラフであり、外気温度が２０℃の場合の例を示す。
【００３７】
また、図５（ｂ）は、燃料電池セルスタック１２の発電開始からの経過時間と二次電池１０４の蓄電量との関係、当該経過時間と燃料電池セルスタック１２の温度との関係を、目標昇温時間毎に示すグラフである。図５（ａ）および（ｂ）より、二次電池１０４の蓄電量が少なくなるほど、短時間で燃料電池スタック１２を所定温度（６５℃程度）まで昇温させなければならないことがわかる。なお、二次電池１０４の蓄電量は発電開始前において充電率で１０％未満とならないように充電されている。
【００３８】
また、メモリ７８には、少なくとも図７（ａ）および（ｂ）に示すようなファイルが格納される。
【００３９】
図７（ａ）に示すファイルは、通常モード時（起動開始から運転終了まで）の履歴情報を含み、運転時において正常に発電できたか（十分昇温して安定的に運転できたか）否かを示す発電データ、運転時に濃度センサ６６によって検出されたメタノール水溶液Ｓの濃度を示す濃度データ、および当該濃度の濃度センサ６６による検出時を示す時間データを有する。
【００４０】
発電データは、たとえば発電終了時に書き込まれ１ビットのフラグで表される。この実施形態では濃度は１分毎に検出されるので、それに応じて時間データおよび濃度データは１分毎に得られ、記録されていく。
【００４１】
図７（ｂ）に示すファイルは、低消費モード時（運転終了から起動開始まで）の履歴情報を含み、時間帯を示す時間帯データとその時間帯において燃料電池システム１０に異常があったか否かを示す異常検出データを有する。この実施形態では時間帯は３０分に設定されている。したがって時間帯データに対応する異常検出データが３０分ごとに記録されていく。異常検出データはたとえば１ビットのフラグで表される。
【００４２】
さらに、メモリ７８には、濃度を正常に検出できない場合に用いられる濃度データが示す濃度の検出時からの経過時間を示す経過時間データや、メタノール燃料Ｆの投入量および投入時刻を示す投入情報が格納される。
これらのデータがメモリ７８に蓄積されていく。
【００４３】
ついで、このような燃料電池システム１０の起動時の動作の一例について説明する。
図８を参照して、通常モードに移行すると、まず、燃料電池システム１０の初期動作が開始され（ステップＳ１）、ポンプや冷却ファン等の補機類が動作可能となる。
【００４４】
そして、濃度センサ６６によってメタノール水溶液Ｓの濃度が正常に検出されたか否かが判断される（ステップＳ３）。たとえば、濃度センサ６６が超音波センサである場合、メタノール水溶液Ｓに気泡等が混じってしまうと濃度を測定できないことがある。特に、燃料電池システム１０を長時間停止させておくと再起動時にパイプ内に溜まった気泡によって濃度を正しく検出できないことがある。
【００４５】
メタノール水溶液Ｓの濃度が正常に検出されれば、メタノール水溶液Ｓの濃度がその検出された濃度に決定される（ステップＳ５）。
【００４６】
一方、ステップＳ３において水溶液濃度が正常に検出されない場合には、水溶液濃度の検出回数が所定回数に達したか否かが判断され（ステップＳ７）、所定回数に達していなければ、ステップＳ３に戻り再び濃度が検出される。水溶液濃度の検出回数が所定回数に達するまでは、水溶液濃度を正常に検出できるまで濃度検出が繰り返される。
【００４７】
水溶液濃度の検出回数が所定回数に達しても水溶液濃度をまだ正常に検出できなければ（ステップＳ７がＹＥＳ）、前回運転時の濃度データをメモリ７８から取得できたか否かが判断される（ステップＳ９）。このとき、前回運転時に濃度センサ６６によって濃度データを検出しメモリ７８に記憶していれば、ステップＳ９において前回運転時の濃度データを取得できるが、前回運転時に濃度データを検出できずメモリ７８にそのデータ自体が存在していなければ、ステップＳ９において前回運転時の濃度データを取得できない。なお、ここで取得すべき濃度データとしては最終濃度データが好ましい。最終濃度データは最新（直近）のデータであり信頼性が高いと考えられるからである。
【００４８】
ステップＳ９において前回運転時の濃度データを取得できた場合には、メモリ７８に格納されている発電データに基づいて前回の運転時において正常に発電できたか否かが判断される（ステップＳ１１）。正常に発電できなかった場合の一例としては、起動時にすぐに終了した場合が挙げられる。前回正常に発電できていれば、ステップＳ９で取得した濃度データは所定時間（たとえば４８時間）以内に検出された濃度の濃度データであるか否かが判断される（ステップＳ１３）。この実施形態では、経過時間データに基づいて判断できる。所定時間以上経過していなければ有効と判断され、所定時間以上経過していれば無効と判断される。このように判断するのは、当該濃度の検出時から所定時間以上経過していれば、メタノールが気化して水溶液濃度が大きく変化し、当該濃度が今回のシステム起動時の濃度と大きく異なっている可能性が大きいからである。
【００４９】
ステップＳ１３において、当該濃度データが有効であると判断されれば、前回の運転終了から今回の起動開始までの間に燃料電池システム１０に異常があったか否かが判断される（ステップＳ１５）。これは異常検出データに基づいて判断できる。ステップＳ１５において異常がなければ、ステップＳ５に進み、取得した濃度データが示す濃度がメタノール水溶液Ｓの濃度とされる。
【００５０】
そして、図９に示す処理によってメタノール燃料Ｆの投入量が決定され（ステップＳ１７）、決定された量のメタノール燃料Ｆを投入するために必要な時間だけ燃料ポンプ２０が駆動され、メタノール燃料Ｆが投入された（ステップＳ１９）後、燃料電池システム１０の発電が開始される（ステップＳ２１）。
【００５１】
一方、ステップＳ９において前回運転時の濃度データを取得できなかった場合や、ステップＳ１１において前回運転時に正常に発電できなかった場合や、ステップＳ１３において濃度データが所定時間内のデータでない場合や、ステップＳ１５においてシステムに異常があった場合には、ステップＳ２３に進む。そして、前回の濃度データを使用することなく以降の起動処理を進める。
【００５２】
ステップＳ２３では、メタノール燃料Ｆの投入情報に基づいて所定時間（たとえば５〜１０分）以内の投入履歴があるか否かが判断される。
【００５３】
そして、所定時間以内の投入履歴が有れば（たとえば起動シーケンス中に停止した場合）、メタノール水溶液Ｓの濃度は十分に濃くなっている可能性があるので、メタノール水溶液Ｓにさらにメタノール燃料Ｆが投入されることなくステップＳ２１に進み、燃料電池システム１０の発電が開始される。これによって、起動シーケンスを繰り返して水溶液濃度が必要以上に濃くなることを防止できる。
【００５４】
一方、ステップＳ２３において所定時間以内の投入履歴がなければ、燃料ポンプ２０を一定時間駆動させ予め設定された所定量のメタノール燃料Ｆが投入された（ステップＳ２５）後、ステップＳ２１に進み、燃料電池システム１０の発電が開始される。
【００５５】
発電開始後、ステップＳ３がＹＥＳの場合には検出された濃度を示す濃度データおよび対応する時間データが、メモリ７８に格納される図７（ａ）に示すファイルに書き込まれる（ステップＳ２７）。メタノール水溶液Ｓの濃度は濃度センサ６６によって所定時間間隔で（この実施形態では１分おきに）検出され、メモリ７８に濃度データおよび当該各濃度データに対応する時間データが記憶されていく。また、メモリ７８には、正常に発電できたか否かを示す発電データがたとえば発電終了時に書き込まれる。さらに、メモリ７８には、メタノール燃料Ｆの投入量および投入時刻を示す投入情報も書き込まれる。
【００５６】
なお、上述の実施形態では、前回の濃度データを使用しない場合（ステップＳ９、Ｓ１１、Ｓ１３がＮＯの場合やステップＳ１５がＹＥＳの場合）には、ステップＳ２３に進みさらに必要に応じてステップＳ２５に進むようにしたが、これに限定されない。前回の濃度データを使用しない場合には、たとえば、発電の開始後、温度上昇カーブを見ながらメタノール燃料Ｆをメタノール水溶液Ｓに補充していく方法を採用できる。
【００５７】
ここで、燃料電池セルスタック１２が正常に発電される場合について簡単に説明する。
発電開始時には、水溶液タンク１８内に収容された高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セルスタック１２に向けて送られ、水溶液フィルタ３２によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。一方、酸素を含むエアがエアポンプ３４の駆動によって燃料電池セルスタック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。
【００５８】
燃料電池セルスタック１２のアノード１２ｂ側では、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、固体高分子膜１２ａを通ってカソード１２ｃ側に流入する。この水素イオンは、カソード１２ｃ側に供給されたエア中の酸素と電気化学反応して、水蒸気と電気エネルギーとが生成される。
【００５９】
燃料電池セルスタック１２が所定温度（６５℃程度）に達するまで徐々に発電量が上昇し、所定温度に達すると所望の発電量が得られる。定常運転時には、メタノール水溶液Ｓは熱交換器３０によって冷却され、冷却ファン２８の回転数を調整することによって、メタノール水溶液Ｓの温度を所定温度に維持する。
【００６０】
燃料電池セルスタック１２のアノード１２ｂ側で生成された二酸化炭素はパイプ４０、水溶液タンク１８およびＣＯ2ベントパイプ５０を通って水タンク４４に供給され、排気ガスパイプ５６から排出される。一方、燃料電池セルスタック１２のカソード１２ｃ側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、一部はガス状態で排出され、気液分離器４８で気液分離される。気液分離によって生成された乾いたエアは水タンク４４を通り排気ガスパイプ５６から排出される。また、カソード１２ｃから排出された水および気液分離で生成された水は、水タンク４４に回収され、水ポンプ６２の駆動によって水溶液タンク１８に還流される。
【００６１】
つぎに、図９を参照して、ステップＳ７における燃料投入量決定処理について説明する。
まず、燃料電池セルスタック１２の温度が温度センサ６８によって検出される（ステップＳ３１）。
【００６２】
そして、他の要因も考慮するか否かが判断され（ステップＳ３３）、他の要因を考慮しない場合には、ステップＳ３５に進み、図３のテーブルデータを参照して、燃料電池セルスタック１２の温度に基づいて目標濃度が決定される。
【００６３】
他の要因も考慮する場合には、目標昇温時間を考慮するか否かが判断され（ステップＳ３７）、目標昇温時間を考慮する場合には、目標昇温時間が設定される（ステップＳ３９）。この実施形態では、目標昇温時間としては図４に示すような３種類の時間（５分、１５分、３０分）が用意され、使用者が入力部１０１によって所望の時間を選択し、目標昇温時間が設定される。その後、ステップＳ３５に進み、図４（ａ）に示すテーブルデータを参照して、燃料電池セルスタック１２の温度と目標昇温時間とに基づいて目標濃度が決定される。
【００６４】
目標昇温時間を考慮しない場合には、二次電池１０４の蓄電量を考慮するか否かが判断され（ステップＳ４１）、二次電池１０４の蓄電量を考慮する場合には、蓄電量検出装置
１０６によって二次電池１０４の蓄電量が検出された（ステップＳ４３）後、ステップＳ３５に進み、図５（ｃ）に示すテーブルデータを参照して、燃料電池セルスタック１２の温度と二次電池１０４の蓄電量とに基づいて目標濃度が決定される。図５（ａ）および（ｃ）に示すテーブルにおいて、蓄電量は満充電量に対する現在の蓄電量の割合（パーセント）で表現されている。この蓄電量は割合ではなく絶対蓄電量（Ａｈ）で表現されてもよい。この実施形態では、二次電池１０４の蓄電量は電流値に基づいて検出される。電圧に基づいて二次電池１０４の蓄電量を検出してもよい。
【００６５】
二次電池１０４の蓄電量を考慮しない場合には、燃料電池セルスタック１２の温度と外気温度との差を考慮するとして外気温度センサ７０によって外気温度が検出された（ステップＳ４５）後、ステップＳ３５に進み、図３に示すテーブルデータを参照して、燃料電池セルスタック１２の温度に基づいて目標濃度が決定される。
【００６６】
水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの量およびメタノール燃料Ｆの濃度は予め分かっているので、得られたメタノール水溶液Ｓの濃度から、水溶液タンク１８内のメタノールの量を計算して、目標濃度にする為に必要なメタノール燃料Ｆの投入量が決定される（ステップＳ４７）。ここで、燃料電池セルスタック１２の温度と外気温度との差を考慮する場合には、図６に示すテーブルデータを参照してメタノール燃料Ｆの補正量が決定され、その分投入量が追加される。
【００６７】
このように、目標濃度を決定するモードとしては、燃料電池セルスタック１２の温度に基づいて目標濃度を決定するモードと、燃料電池セルスタック１２の温度と目標昇温時間とに基づいて目標濃度を決定するモードと、燃料電池セルスタック１２の温度と二次電池１０４の蓄電量とに基づいて目標濃度を決定するモードとがあり、さらに温度差を考慮して補正するモードを有する。いずれのモードを選択するかは使用者が予め設定できる。また、目標昇温時間も予め設定されてもよい。
【００６８】
つぎに、図１０を参照して、燃料電池セルスタック１２の発電終了時の動作の一例について説明する。
燃料電池セルスタック１２の発電が終了すると（ステップＳ５１）、終了シーケンスが終了したか否かが判断される（ステップＳ５３）。終了シーケンスには、たとえば燃料電池セルスタック１２へのメタノール水溶液Ｓの供給の遮断、メタノール水溶液Ｓの温度が５０℃以下になったことの確認等が含まれる。このような終了シーケンスが終了するまで待機し、終了シーケンスが終了すると低消費モードに移行する（ステップＳ５５）。終了シーケンスの終了は運転の終了に相当する。「低消費モード」とは、起動時に補機類等の要素の動作に制限を加えて燃料電池システム１０を動作させるモードをいい、その消費エネルギーは通常モードの場合より小さい。
【００６９】
つづいて、メモリ７８に格納された濃度データのうち、濃度検出不能時に用いられる濃度データが示す濃度の検出時からの経過時間が算出され、その経過時間を示す経過時間データが設定され（ステップＳ５７）、メモリ７８に格納される（ステップＳ５９）。そして、低消費モードへの移行時から起算する時間帯が設定され（ステップＳ６１）、その時間帯を示す時間帯データが図７（ｂ）に示すファイルに格納される。この時間帯は、後述するステップＳ７１における一定時間と一致し、この実施形態では３０分単位となる。
【００７０】
その後、起動信号が与えられると（ステップＳ６３がＹＥＳ）、起動動作が行われる（ステップＳ６５）。この実施形態では、図８に示す起動動作が行われる。起動信号がなければ（ステップＳ６３がＮＯ）、燃料電池システム１０の異常が検出されたか否かが判断される（ステップＳ６７）。燃料電池システム１０の異常とは、状態の変化（たとえば、水溶液タンク１８内の水溶液レベルが運転終了時には水位レベルセンサ２２より下であったが、それが水位レベルセンサ２２の上にまで達している）や転倒エラー（たとえば自動二輪車２００に適用した場合）が該当する。異常が検出されれば、ステップＳ６１で設定された時間帯に異常が検出されたことを示す異常検出データが、メモリ７８に格納された図７（ｂ）に示すファイルに記憶され（ステップＳ６９）、ステップＳ７１に進む。異常が検出されなければ、直接ステップＳ７１に進む。
【００７１】
ステップＳ７１において一定時間（この実施形態では、３０分）経過していなければ、ステップＳ６３に戻る。一方、ステップＳ７１において一定時間が経過すれば、ステップＳ５７に戻り経過時間データが更新され、更新された経過時間データがメモリ７８に格納される（ステップＳ５９）。この実施形態では、３０分毎に経過時間データが更新されていく。つづいて、ステップＳ６１において次の時間帯（この実施形態では次の３０分間）が設定され、図７（ｂ）に示すファイルにその時間帯を示す時間帯データが書き込まれる。この時間帯に異常が検出されれば、その旨の異常検出データが図７（ｂ）に示すファイルに格納される。
【００７２】
このようにして、次の起動信号が与えられるまでは、時間帯ごとに燃料電池システム１０に異常が発生したか否かが検出されるとともに、経過時間データが更新されていく。
【００７３】
なお、図１０のステップＳ５７，Ｓ５９における経過時間データの設定・更新およびその記憶は必ずしも必要ではない。これらの処理を省く場合には、図８に示すステップＳ１３の処理は、図７（ａ）に示すファイルに含まれる時間データに基づいて判断すればよい。
【００７４】
このような燃料電池システム１０によれば、システム起動時にメタノール水溶液Ｓの濃度を検出できない場合には、比較的信頼できる前回運転時の濃度データに基づいて起動するので、現実の濃度を検出できなくても良好に起動できる。
【００７５】
また、濃度検出時から所定時間経過した濃度データは不正確であるとしそのような濃度データを使用しないことによって、より良好な起動が可能となる。
【００７６】
さらに、前回に正常に発電できなかったときは前回の濃度データの信頼性は低いとしてそのような濃度データを使用しないことによって、より良好な起動が可能となる。
【００７７】
また、前回の運転終了から今回の起動開始までの間に燃料電池システム１０に異常が生じた場合には、前回の濃度データを使用しないことによって、より良好な起動が可能となる。
【００７８】
さらに、起動時にメタノール燃料Ｆをメタノール水溶液Ｓに補充しメタノール水溶液Ｓの濃度を高くすることによって、定常運転までの時間を短縮できる。
【００７９】
このような燃料電池システム１０は、図１１に示すような自動二輪車２００に好適に用いられる。
【００８０】
自動二輪車２００は、図示しないステアリング軸の上端にハンドル２０２が取り付けられ、ステアリング軸の下部には左右一対のフロントフォーク２０４が取り付けられる。各フロントフォーク２０４の下部において前輪２０６が回転可能に軸支される。ハンドル２０２の中央部にはメータ１０８が配置され、該メータ１０８の前方には、ヘッドランプ２０８が配置され、その両側にはフラッシャランプ２１０がそれぞれ設けられる。
【００８１】
自動二輪車２００では、上方に開いた円弧状の図示しない車体フレームがハンドル２０２の下方から後方に設けられ、その後端部上方にはシート（座席）２１２が配置される。また、車体フレームはリヤアーム２１４の前端部を支持しリアアーム２１４の後端部が上下揺動自在とされている。リヤアーム２１４の後端部において駆動輪である後輪２１６が回転自在に軸支される。
【００８２】
自動二輪車２００では、車体フレーム内に燃料電池システム１０が円弧状に配置される。リヤアーム２１４内には、制御回路７２、電動モータおよび駆動機構（ともに図示せず）が設けられ、制御回路７２からの指示によって燃料電池セルスタック１２で発生した電気エネルギーを電動モータに供給して当該電動モータを回転させ、電動モータの回転力を駆動機構が後輪２１６に伝達することで、自動二輪車２００が走行する。
【００８３】
燃料電池システム１０を上方からしかもハンドル２０２近傍まで上カバー２１８が覆う。上カバー２１８の前部には、乗員の足を保護するレッグシールド（泥よけ）２２０が取り付けられる。
【００８４】
上カバー２１８の両側端面にはそれぞれ左カバー２２２と右カバー２２４とが連設される。左カバー２２２と右カバー２２４とはともに透明な部材で構成されており、燃料電池システム１０を視認できる。
【００８５】
このような透明の左カバー２２２と右カバー２２４の双方に下カバー２２６が連設される。下カバー２２６は、リヤアーム２１４が突出するように切り欠かれている。
【００８６】
下カバー２２６の前端部は、前輪２０６の上方まで延びてフロントキャリア２２８を構成する。また、下カバー２２６の後端部は、後輪２１６の上方まで延びてリアキャリア２３０を構成する。また、フロントキャリア２２８からヘッドランプ２０８へとフロントカバー２３２が設けられている。フロントカバー２３２は、左カバー２２２と右カバー２２４５の双方に連設される。
【００８７】
なお、上述の実施形態においてメモリ７８に記憶されるテーブルデータは、たとえば図３の場合では、検出する燃料電池セルスタック温度に幅を持たせ、その温度レンジ毎に目標濃度を対応させたものであったが、これに限定されず、燃料電池セルスタック温度の検出値毎に目標濃度を対応させたものでもよい。図４〜図６に示すテーブルデータについても同様である。
【００８８】
また、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用いることができる。
【００８９】
使用される燃料はメタノールに限定されず、エタノール等アルコール系燃料を使用した燃料電池システムに本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】この発明の一実施形態の要部を示す図解図である。
【図２】この発明の一実施形態の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】燃料電池セルスタック温度と目標濃度との対応関係を示すテーブルである。
【図４】（ａ）は、燃料電池セルスタック温度および目標昇温時間と目標濃度との対応関係を示すテーブル、（ｂ）は、燃料電池セルスタックの発電開始からの経過時間と燃料電池セルスタック温度との関係を、目標昇温時間毎に示すグラフである。
【図５】（ａ）は、二次電池蓄電量と目標昇温時間との対応関係を示すテーブル、（ｂ）は、燃料電池セルスタックの発電開始からの経過時間と二次電池蓄電量との関係、当該経過時間と燃料電池セルスタック温度との関係を、目標昇温時間毎に示すグラフ、（ｃ）は、燃料電池セルスタック温度および二次電池蓄電量と目標濃度との対応関係を示すテーブルである。
【図６】燃料電池セルスタック温度と外気温度との差に対応する補正量を示すテーブルである。
【図７】メモリに格納されるファイルの一例を示す図解図である。
【図８】この発明のシステム起動時の動作の一例を示すフロー図である。
【図９】燃料投入量決定処理動作の一例を示すフロー図である。
【図１０】この発明の発電終了時の動作の一例を示すフロー図である。
【図１１】燃料電池システムを搭載した自動二輪車を示す側面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０      燃料電池システム
１２      燃料電池セルスタック
１４      燃料タンク
１６      燃料供給パイプ
１８      水溶液タンク
２０      燃料ポンプ
２４      水溶液パイプ
２６      水溶液ポンプ
６６      濃度センサ
６８      温度センサ
７０      外気温度センサ
７２      制御回路
７４      ＣＰＵ
７８      メモリ
８４      負荷
１０１      入力部
１０４      二次電池
１０６      蓄電量検出装置
２００      自動二輪車
Ｆ      メタノール燃料
Ｓ      メタノール水溶液
【図１】
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【図２】
2005322631.tif 000004
【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】
2005322631.tif 000009
【図８】
2005322631.tif 000010
【図９】
2005322631.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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