(57)【要約】【課題】  外部に排水することなく簡単な構成で水タンクおよび第２経路の凍結を防止できる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１０は、電気化学反応によって電気エネルギーを発生させる燃料電池セルスタック１２、燃料電池セルスタック１２から排出される水を収容する水タンク４４、燃料電池セルスタック１２と水タンク４４とを接続する第１経路Ｌ１、メタノール水溶液Ｓを収容する水溶液タンク１８、および水タンク４４と水溶液タンク１８とを接続する第２経路Ｌ２を備え、燃料電池セルスタック１２の発電終了後に、水タンク４４内の水を第２経路Ｌ２を介して水溶液タンク１８へ還流させることを特徴とする。【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発生させる燃料電池セルスタック、
前記燃料電池セルスタックから排出される水を収容する水タンク、
前記燃料電池セルスタックと前記水タンクとを接続する第１経路、
メタノール水溶液を収容する水溶液タンク、および
前記水タンクと前記水溶液タンクとを接続する第２経路を備え、
前記燃料電池セルスタックの発電終了後に、前記水タンク内の水を前記第２経路を介して前記水溶液タンクへ還流させることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セルスタックの発電終了後に、さらに前記燃料電池セルスタック内および前記第１経路内の水を前記水タンクおよび前記第２経路を介して前記水溶液タンクへ還流させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムの温度情報に基づいて前記水を前記水溶液タンクへ還流させることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水を前記水溶液タンクへ還流させた後、所定時間後に再度前記水溶液タンクへ水を還流させる処理を行うことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水溶液タンクの容積をＶ、発電中における水溶液タンク内のメタノール水溶液の体積をｖ１、水タンクに収容可能な水の体積をｖ２、第１経路内に残留しうる水の体積をｖ３、第２経路内に残留しうる水の体積をｖ４、燃料電池セルスタック内に残留しうる水の体積をｖ５、メタノール燃料の濃度をｐ１、メタノール水溶液の最高濃度をｐ２とすると、前記水溶液タンクの容積は、
【数１】
2005294108.tif 000007
を満足するように構成されることを特徴とする、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、メタノール水溶液を用い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】
メタノール水溶液を用いる燃料電池システムとして、直接メタノール型燃料電池システムとメタノール水蒸気改質器搭載タイプの燃料電池システムとがある。一般的に、これらの燃料電池システムでは、燃料電池の反応によって生成された水は水タンクに回収され、水タンク内の水は水溶液タンクへ還流される。そして、水溶液タンクでは、還流された水と高濃度のメタノール燃料とが混合され発電に必要なメタノール水溶液が生成される。
【０００３】
ここで、水タンクから水溶液タンクへ水を還流させるための経路（水還流パイプ）が詰まってしまえば、メタノール水溶液を発電に最適な濃度に調整できず、燃料電池システムを正常に運転することができなくなる。
【０００４】
このような燃料電池システムを車両に適用した場合、当該車両を冬季に野外に放置することによって水還流パイプが凍結すれば、生成水の還流ができなくなり、その結果、メタノール水溶液の濃度を調整できなくなってしまうという問題がある。
【０００５】
このような弊害を防止する技術の一例が特許文献１において開示されている。
特許文献１では、燃料電池システムの運転が停止されると、メタノール水溶液タンクが満水状態に調整された後、水回収タンクの下部にドレン経路を介して接続された切り換えバルブが開放されて水回収タンク内および水経路内の水が排出される。
【特許文献１】特開２０００−２１４３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この技術では、ドレン経路および切り換えバルブを設ける必要があり、燃料電池システムが複雑になってしまう。
また、この技術を用いた燃料電池システムをたとえば車両に搭載した場合、当該車両を車庫などの屋内に停めると屋内で排水することになり好ましくない。
【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、外部に排水することなく簡単な構成で水タンクおよび第２経路の凍結を防止できる、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】
【０００８】
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発生させる燃料電池セルスタック、燃料電池セルスタックから排出される水を収容する水タンク、燃料電池セルスタックと水タンクとを接続する第１経路、メタノール水溶液を収容する水溶液タンク、および水タンクと水溶液タンクとを接続する第２経路を備え、燃料電池セルスタックの発電終了後に、水タンク内の水を第２経路を介して水溶液タンクへ還流させることを特徴とする。
【０００９】
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、燃料電池セルスタックの発電終了後に、さらに燃料電池セルスタック内および第１経路内の水を水タンクおよび第２経路を介して水溶液タンクへ還流させることを特徴とする。
【００１０】
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、燃料電池システムの温度情報に基づいて水を水溶液タンクへ還流させることを特徴とする。
【００１１】
請求項４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、水を水溶液タンクへ還流させた後、所定時間後に再度水溶液タンクへ水を還流させる処理を行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項５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、水溶液タンクの容積をＶ、発電中における水溶液タンク内のメタノール水溶液の体積をｖ１、水タンクに収容可能な水の体積をｖ２、第１経路内に残留しうる水の体積をｖ３、第２経路内に残留しうる水の体積をｖ４、燃料電池セルスタック内に残留しうる水の体積をｖ５、メタノール燃料の濃度をｐ１、メタノール水溶液の最高濃度をｐ２とすると、水溶液タンクの容積は、
【数１】
2005294108.tif 000003
を満足するように構成されることを特徴とする。
【００１３】
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たことを特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、発電終了後、水タンク内の水を第２経路を介してすべて水溶液タンクへ還流させ、水溶液タンク内のメタノール水溶液に混入する。これによって水タンク内および第２経路内に水がなくなるので、水タンクおよび第２経路の凍結を防止できメタノール水溶液濃度を良好に調整できる。また、水タンクおよび水溶液タンク間の第２経路は既存の水還流パイプを用いて構成できるのでシステム構成は複雑にならず、さらに、水タンク内のすべての水を水溶液タンクへ還流させるので、水が外部に漏れるおそれもない。なお、水溶液タンク内のメタノール水溶液は水よりも凝固点が低いので凍結しにくい。
【００１５】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池セルスタック内および第１経路内の水も水溶液タンクへ還流させるので、燃料電池セルスタックおよび水タンク間の凍結も防止でき燃料電池セルスタックからのエアの排出および水の回収も円滑となる。
【００１６】
メタノール水溶液を用いる燃料電池システムではアノード側からカソード側への水のクロスオーバーの問題がある。特に、直接メタノール型燃料電池システムでは、アノード側にメタノール水溶液を流して発電させるため、発電終了後、カソード側の流路に滞留した水分を除去した後も、アノード側に残留した水分が徐々にカソード側に浸透してくる。これは微量ではあるが燃料電池セルスタックの出口を防ぐには十分である。また、発電終了後第１経路内に滞留した飽和水蒸気分が温度低下により液化し凍結するおそれもある。そこで、請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料電池システムの温度情報に基づいて凍結のおそれがあると判断した場合に逐次水を水溶液タンクへ還流することによって凍結を効果的に防止できる。また、発電終了後に、定期的ではなく凍結のおそれがあると判断したときに水を水溶液タンクへ還流させるので、水の還流に要する電力消費を抑えることができる。
【００１７】
請求項４に記載の燃料電池システムでは、一度水を水溶液タンクへ還流させた後、所定時間後に再度水を水溶液タンクへ還流させる処理を行うことによって、上述したアノード側からカソード側へ水がクロスオーバーしたり第１経路内の水蒸気が液化する場合であっても凍結を効果的に防止できる。
【００１８】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、水タンク内、燃料電池セルスタック内、第１経路内および第２経路内の水をすべて水溶液タンクへ還流させても水溶液タンク内のメタノール水溶液はオーバーフローせず、さらに次のシステム起動時に所望濃度のメタノール水溶液を得るために水溶液タンク内にメタノール燃料を添加しても、水溶液タンクからメタノール水溶液がオーバーフローすることなく、外部にメタノール水溶液が漏れることはない。
【００１９】
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ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、水タンクおよび第２経路の凍結を防止できメタノール水溶液濃度を良好に調整できる。また、水タンクおよび水溶液タンク間の第２経路は既存の水還流パイプを用いて構成できるのでシステム構成は複雑にならず、さらに、水タンク内のすべての水を水溶液タンクへ還流させるので、水が外部に漏れるおそれもない。
【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を参照して、この発明の一実施形態の直接メタノール型燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」という）１０は、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。また、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へ還流される。
【００２８】
水ポンプ６２としては、水タンク４４内や水還流パイプ６０内の水分が少なくなった状態でも水還流を確実に行えるようにダイヤフラムポンプが好ましい。水還流パイプ６０には圧力による変形の少ない材質のものが好ましい。
【００２９】
また、水還流パイプ６０の水溶液タンク１８への取り付け位置を、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの液面より上方に設定している。これは、水溶液タンク１８内の液面より下に水還流パイプ６０の取り付け位置があるとメタノール水溶液Ｓが逆流するおそれがあるからである。水還流パイプ６０に逆止弁を設けてもよい。
【００３０】
パイプ４２および気液分離器４８によって第１経路Ｌ１が構成され、水還流パイプ６０および水ポンプ６２によって第２経路Ｌ２が構成される。
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。
【００３１】
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およびメタノール水溶液Ｓの温度を検出するための水溶液温度センサ６７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セルスタック温度センサ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。
【００３２】
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、超音波の発振板と受信板の間に水溶液を満たす。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。
【００３３】
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に通常モード用クロックを与える通常モード用クロック回路７６、ＣＰＵ７４に通常モード用クロックより遅い低消費モード用クロックを与える低消費モード用クロック回路７７、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に通常モード用電圧を供給するための電源回路９８、電気回路８６に低消費モード用電圧を供給するための電源回路９９を含む。
【００３４】
このような制御回路７２のＣＰＵ７４には、濃度センサ６６、水溶液温度センサ６７、セルスタック温度センサ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５２からの検出信号も与えられる。
【００３５】
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装置１０２が制御される。
【００３６】
また、燃料電池セルスタック１２には二次電池１０４が並列接続される。二次電池１０４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。
【００３７】
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１０６が接続され、メーター１０６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１０８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。
【００３８】
なお、メモリ７８には、図４および図５に示す動作を実行するためのプログラム、外気温度が低いか否かを判断するための閾値１、セルスタック温度が低いか否かを判断するための閾値２、凍結防止処理を行ったか否かを示す（行ったときに立てられる）フラグＡが記憶され、凍結防止処理を行ってからの経過時間を示す時間経過カウンタも構成される。
【００３９】
また、水溶液タンク１８の容積をＶ、発電中における水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの体積をｖ１、水タンク４４に収容しうる水の体積をｖ２、第１経路Ｌ１内に残留しうる水の体積をｖ３、第２経路Ｌ２内に残留しうる水の体積をｖ４、燃料電池セルスタック１２内に残留しうる水の体積をｖ５、メタノール燃料Ｆの濃度をｐ１、メタノール水溶液Ｓの最高濃度をｐ２とすると、水溶液タンク１８の容積Ｖは数１を満足するように設定される。
【００４０】
【数１】
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【００４１】
数１において、発電中における水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの液面は水位レベルセンサ２２より高位置にならないように設定されており、体積ｖ１は予め把握できる。体積ｖ２は、水ドレイン５８の位置によって決定され予め把握できる。体積ｖ３，ｖ４およびｖ５ならびに濃度ｐ１も予め把握できる。メタノール水溶液Ｓの濃度は２〜１０ｗｔ％程度に設定され、その最高濃度ｐ２も予め把握できる。
【００４２】
水溶液タンク１８を数１を満足するように構成すれば、水タンク４４、第１経路Ｌ１、第２経路Ｌ２および燃料電池セルスタック１２のそれぞれの内部にある水を水溶液タンク１８へ還流させても、水溶液タンク１８内にはまだ、所望濃度のメタノール水溶液Ｓを得るために必要な量のメタノール燃料Ｆを添加できるだけの余裕がある。したがって、水溶液タンク１８からメタノール水溶液Ｓがオーバーフローすることなく、外部にメタノール水溶液Ｓが漏れることはない。また、システム起動時のメタノール水溶液Ｓの濃度を発電中の濃度より高く設定できる。
【００４３】
たとえば、発電中における水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの体積を２Ｌ（リットル）、水タンク４４に収容しうる水の体積を０．５Ｌ、第１経路Ｌ１内に残留しうる水の体積を０．１Ｌ、第２経路Ｌ２内に残留しうる水の体積を０．１Ｌ、燃料電池セルスタック１２内に残留しうる水の体積を０．３Ｌ、メタノール燃料Ｆの濃度を５０ｗｔ％、メタノール水溶液Ｓの最大濃度を１０ｗｔ％とすると、水溶液タンク１８の容積は、２＋（０．５＋０．１＋０．１＋０．３）×（１＋１０／（５０−１０））＝３．２５Ｌ以上あればよい。
【００４４】
ここで、燃料電池セルスタック１２の発電時の動作について説明する。
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、必要に応じて熱交換器３０で冷却され、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。
【００４５】
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。
【００４６】
すなわち、燃料電池システム１０では、化１で示すような電気化学反応が行われる。
【００４７】
【化１】
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【００４８】
発電で発生した水（反応生成水）は未反応のエアとともにカソード１２ｃから排出される。また、燃料電池システム１０では水のクロスオーバーとメタノールのクロスオーバーの現象があることが知られている。
【００４９】
水のクロスオーバーは、上述の電気化学反応のときに固体高分子膜１２ａをアノード１２ｂ側からカソード１２ｃ側へ移動するプロトン（水素イオン）に伴って、数モルの水が伝導される現象である。メタノールクロスオーバーは、上述のプロトンの移動に伴って、メタノールが伝導される現象である。
【００５０】
水はそのままカソード１２ｃから排出される。メタノールはカソード１２ｃにおいて化２で示すように、エアポンプ３４から供給されるエアと反応して水と二酸化炭素に分解され、カソード１２ｃから排出される。
【００５１】
【化２】
2005294108.tif 000006
【００５２】
これらの水の大部分は液化した状態で排出され水タンク４４に与えられるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。水蒸気の一部は、気液分離器４８で露点を下げることによって液化され、水タンク４４に回収される。
【００５３】
水タンク４４に回収された水は化１の反応で必要となるため、水ポンプ６２の駆動によって水還流パイプ６０を経由して水溶液タンク１８に適宜還流される。
水タンク４４での水の滞留量は水ドレイン５８の位置によって決められ、水ドレイン５８より上の位置まで水が滞留することがない。
【００５４】
気液分離器４８による水蒸気の液化動作は、冷却ファン４６を動作させ露点を下げることによって行われるが、この動作は水タンク４４に設けられた水位レベルセンサ５４からの出力に基づいて制御されてもよい。このようにすれば冷却ファン４６による消費電力を削減できる。
【００５５】
そして、水溶液タンク１８では、燃料タンク１４からの高濃度のメタノール燃料Ｆと水タンク４４からの水とが混合・調整され、発電に最適な濃度のメタノール水溶液Ｓが生成される。
【００５６】
ついで、燃料電池システム１０の発電終了後の動作について説明する。
図３を参照して、まず発電が終了したか否かが判断される（ステップＳ１）。発電が終了するまで待機し、発電が終了すると、初期化が行われる（ステップＳ３）。ここでは、凍結防止処理が行われたか否かを示すフラグＡおよび時間経過カウンタがクリアされる。
【００５７】
ついで、外気温度センサ７０によって外気温度が検出され（ステップＳ５）、検出された外気温度が低いか否かが判断される（ステップＳ７）。これは、外気温度が閾値１（たとえば４℃）以下か否かに基づいて判断される。外気温度が低ければ図４に示すような凍結防止処理が行われ（ステップＳ９）、ステップＳ１１に進む。外気温度が低くなければ凍結防止処理を行うことなくステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、クロック回路および電源回路が低消費モード用に切り替えられ低消費モードに入り、燃料電池システム１０の一部を低消費状態で起動しておく。そして、３０分経過したか否かが判断され（ステップＳ１３）、３０分経過すれば、クロック回路および電源回路が通常モード用に切り替えられ（ステップＳ１５）、定期チェックモードに入る。そして、電源電圧が立ち上がるまで待機し（ステップＳ１７）、安定状態になると、外気温度センサ７０によって外気温度が検出され、セルスタック温度センサ６８によって燃料電池セルスタック１２の温度が検出される（ステップＳ１９）。そして、検出された外気温度が低いか否かが判断され（ステップＳ２１）、外気温度が低ければ、検出された燃料電池セルスタック１２の温度が低いか否かが判断され（ステップＳ２３）、燃料電池セルスタック１２の温度も低ければ、ステップＳ２５に進み、フラグＡが立っているか否かが判断される。フラグＡが立っていなければ、発電終了後まだ一度も凍結防止処理が行われておらず、凍結のおそれありと判断され、ステップＳ９に戻り凍結防止処理が行われる。
【００５８】
なお、ステップＳ２１における外気温度が低いか否かの判断は、外気温度が閾値１（たとえば４℃）以下か否かに基づいて行われ、ステップＳ２３におけるスタック温度が低いか否かの判断は、スタック温度が閾値２（たとえば０℃）以下か否かに基づいて行われる。
【００５９】
外気温度が低くないときやスタック温度が低くないときには、時間経過カウンタがアップ（カウント値が１インクリメント）され（ステップＳ２７）、ステップＳ１１に戻って低消費モードに切り替えられる。時間経過カウンタは３０分に１回アップされる。
【００６０】
また、ステップＳ２５においてフラグＡが立っていれば、既に凍結防止処理を行っているため、フラグＡが立ってからすなわち前回の凍結防止処理を行ってから所定時間経過しているか否かが判断される（ステップＳ２９）。これは、時間経過カウンタに基づいて判断され、当該所定時間がたとえば２時間に設定されている場合には、カウント値が４以上であれば、所定時間経過していると判断される。所定時間経過していなければまだ凍結のおそれなしと判断されてステップＳ２３に戻り時間経過カウンタがアップされ、一方、所定時間経過していれば凍結のおそれありと判断され、ステップＳ９に戻り凍結防止処理が行われる。
【００６１】
上述より、発電を終了した直後には、外気温度が閾値より低い場合に凍結のおそれありと判断される。一旦低消費モードに入れば、外気温度およびスタック温度がともに閾値より低くかつフラグＡが立っていない場合や、外気温度およびスタック温度がともに閾値より低くかつフラグＡが立ってから所定時間以上経過している場合に、凍結のおそれありと判断される。
【００６２】
次いで、図４を参照して凍結防止処理について説明する。
まず、水ポンプ６２が駆動され（ステップＳ５１）、一定時間経過すると（ステップＳ５３がＹＥＳ）、エアポンプ３４が駆動され（ステップＳ５５）、水ポンプ６２およびエアポンプ３４がともに駆動されている状態となる。さらに一定時間経過すると（ステップＳ５７がＹＥＳ）、エアポンプ３４および水ポンプ６２の駆動が終了される（ステップＳ５９）。これにより、まず、水タンク４４内の水がある程度水溶液タンク１８へ還流され、その後、燃料電池セルスタック１２内および第１経路Ｌ１内の水が水タンク４４に回収されながら水タンク４４内および第２経路Ｌ２内の水が水溶液タンク１８へ還流され、最終的に、燃料電池セルスタック１２内、第１経路Ｌ１内、水タンク４４内および第２経路Ｌ２内の水がすべて水溶液タンク１８へ還流される。ここで、最初に水タンク４４内の水をある程度水溶液タンク１８へ還流させるのは、燃料電池セルスタック１２内および第１経路Ｌ１内の水が水タンク４４に流入してきても水タンク４４から水がオーバーフローしないようにするためである。そして、フラグＡが立てられ（ステップＳ６１）、時間経過カウンタがクリアされ（ステップＳ６３）、終了する。
【００６３】
なお、図３のステップＳ１９においてセルスタック温度を検出する代わりに水タンク４４内の水温を検出し、ステップＳ２３においてその水温が低いか（所定の閾値以下か）否かを判断するようにしてもよい。
【００６４】
燃料電池システム１０によれば、発電終了後、水タンク４４内の水を第２経路Ｌ２を介してすべて水溶液タンク１８へ還流させ、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓに混入する。これによって水タンク４４内および第２経路Ｌ２内に水がなくなるので、水タンク４４および第２経路Ｌ２の凍結を防止できメタノール水溶液Ｓの濃度を良好に調整できる。また、水タンク４４および水溶液タンク１８間の第２経路Ｌ２は既存の水還流パイプ６０を用いて構成できるのでシステム構成は複雑にならず、さらに、水タンク４４内のすべての水を水溶液タンク１８へ還流させるので、水が外部に漏れるおそれもない。なお、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは水よりも凝固点が低いので凍結しにくい。
【００６５】
また、次に発電を開始するとき、メタノール水溶液Ｓの濃度が所定より薄く調整されていることになるので、発電時に高濃度のメタノール燃料Ｆを追加すればよく、水不足も起こらない。
【００６６】
さらに、燃料電池セルスタック１２内および第１経路内Ｌ１の水も水溶液タンク１８へ還流させるので、燃料電池セルスタック１２および水タンク４４間の凍結も防止でき燃料電池セルスタック１２からのエアの排出および水の回収も円滑となる。
【００６７】
また、凍結のおそれがある場合に逐次水を水溶液タンク１８へ還流することによって、水のクロスオーバー現象や第１経路Ｌ１内の水蒸気が液化する場合に対処でき、凍結を効果的に防止できる。また、発電終了後に、定期的ではなく凍結のおそれがあるときに水を水溶液タンク１８へ還流させるので、水の還流に要する電力消費を抑えることができる。
【００６８】
また、発電動作を終了した直後に外気温度に拘わらず一度凍結防止処理を行い、さらに所定時間後に再度凍結防止処理を行うようにしてもよい。このようにしても水のクロスオーバー現象や第１経路Ｌ１内の水蒸気が液化する場合に効果的に対処できる。
【００６９】
この発明は特に、燃料電池システム１０のカソード側の凍結を防止するために有効である。
【００７０】
このような燃料電池システム１０は、図５に示すような自動二輪車２００に好適に用いられる。
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
なお、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。
【００７８】
また、この発明は、メタノール水蒸気改質器搭載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】
【００７９】
【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】この発明の動作の一例を示すフロー図である。
【図４】凍結防止処理動作の一例を示すフロー図である。
【図５】直接メタノール型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】
【００８０】
１０      直接メタノール型燃料電池システム
１２      燃料電池セルスタック
１８      水溶液タンク
３４      エアポンプ
４４      水タンク
６２      水ポンプ
６７      水溶液温度センサ
６８      セルスタック温度センサ
７０      外気温度センサ
７２      制御回路
７４      ＣＰＵ
７６      通常モード用クロック回路
７７      低消費モード用クロック回路
７８      メモリ
８４      負荷
９８      電源回路
９９      低消費モード用電源回路
２００      自動二輪車
Ｆ      メタノール燃料
Ｓ      メタノール水溶液
Ｌ１      第１経路
Ｌ２      第２経路
【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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