(57)【要約】      （修正有）【課題】水噴射機構等の新たな機構を用いることなくエアポンプの密封性を向上でき、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができる、燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、カソードを含む燃料電池１０２、ポンプケース１４８と回転子とを含みかつカソードに酸素を含む空気を供給するためのエアポンプ１４８、燃料電池１０２で用いるメタノールを収容する水溶液タンク１３０、およびエアポンプ１４８と燃料電池１０２との間に設けられるバルブ１５８を含む。燃料電池１０２の発電終了後、バルブ１５８を開いた状態でエアポンプ１４８を逆駆動させてエアポンプ１４８にカソードからの水蒸気を導入し凝結させて水とする。その水をエアポンプ１４８の密封手段として用いる。水溶液タンク１３０内の気化したメタノールをエアポンプ１４８に導入し凝結させてもよい。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードを含み電気化学反応によって電気エネルギを生成する燃料電池、
ポンプケースと前記ポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを含みかつ前記カソードに酸素を含む空気を供給するためのエアポンプ、
前記カソードからの水蒸気を前記エアポンプに導入するための第１導入手段、および
前記エアポンプに前記水蒸気を導入し凝結できるように前記第１導入手段または前記エアポンプの動作を制御する制御手段を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１導入手段は前記エアポンプと前記燃料電池との間に設けられるバルブを含み、
前記制御手段は前記バルブの開閉動作を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は前記エアポンプを逆駆動させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
カソードを含み電気化学反応によって電気エネルギを生成する燃料電池、
ポンプケースと前記ポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを含みかつ前記カソードに酸素を含む空気を供給するためのエアポンプ、
前記燃料電池で用いる燃料を保持する燃料保持手段、および
前記燃料保持手段内の気化した前記燃料を前記エアポンプに導入するための第２導入手段を備える、燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２導入手段は、前記エアポンプと前記燃料電池との間に前記気化した燃料を導く導入路と、前記エアポンプと前記導入路の接続箇所との間に設けられるバルブとを含み、
当該燃料電池システムは前記バルブの開閉動作を制御する制御手段をさらに含む、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記エアポンプの動作を制御する制御手段をさらに含み、
前記第２導入手段は前記エアポンプと前記燃料電池との間に前記気化した燃料を導く導入路を含み、
前記制御手段は前記エアポンプを逆駆動させる、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ポンプケースの内壁に被膜が形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記回転子が樹脂からなる、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記エアポンプはルーツブロア型ポンプである、請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
【請求項１１】
ポンプケースと前記ポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを有しかつ燃料電池のカソードに酸素を含む空気を供給するエアポンプを含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記エアポンプを停止して前記燃料電池の発電を終了した後、前記エアポンプに前記カソードからの水蒸気を導入し凝結させることで水とし、前記水を前記エアポンプの密封手段として用いる、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１２】
前記エアポンプと前記カソードとの間にバルブを設け、
前記燃料電池の発電終了後、前記バルブを所定時間開いたまま維持することで前記エアポンプに前記カソードからの前記水蒸気を導入する、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
前記燃料電池の発電終了後、前記エアポンプを停止前とは逆方向に駆動させ前記エアポンプに前記水蒸気を導入する、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１４】
ポンプケースと前記ポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを有しかつ燃料電池のカソードに酸素を含む空気を供給するエアポンプ、および前記燃料電池で用いる燃料を保持する燃料保持手段、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記エアポンプを停止して前記燃料電池の発電を終了した後、前記燃料保持手段内の気化した前記燃料を前記エアポンプに導入し凝結させることで液体燃料とし、前記液体燃料を前記エアポンプの密封手段とする、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１５】
前記燃料保持手段内の前記気化した燃料は前記エアポンプと前記燃料電池との間に導かれ、前記エアポンプと前記気化した燃料が導かれる箇所との間にバルブを設け、
前記燃料電池の発電終了後、前記バルブを所定時間開いたまま維持することで前記エアポンプに前記気化した燃料を導入する、請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項１６】
前記燃料保持手段内の前記気化した燃料は前記エアポンプと前記燃料電池との間に導かれ、前記燃料電池の発電終了後、前記エアポンプを停止前とは逆方向に駆動させ前記エアポンプに前記気化した燃料を導入する、請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【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運転方法に関し、より特定的には、ルーツブロア型ポンプを用いて燃料電池のカソードに空気を供給する、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムのエアポンプとしてモータの回転によって空気を圧縮し供給するものが用いられているが、燃料電池を運転するとシステムの温度が上昇し、エアポンプの回転子が温度上昇によって膨張しポンプケースと接触して電力を無駄に消費してしまうおそれがある。
【０００３】
特に、ルーツブロア式のエアポンプでは軽量化を図るため回転子に樹脂、ポンプケースにアルミニウム合金を用いているが、樹脂は熱による影響を受けやすく上記の問題を防ぐため、回転子とポンプケースの内壁との間に熱膨張を考慮したクリアランスを設けることが一般的に行われている。
【０００４】
クリアランスを設けることによって温度上昇後の回転子とポンプケースとの接触を防止することができるが、燃料電池の起動時はエアポンプ内の圧縮された空気がクリアランス部分を通って漏れてしまうという新たな問題が発生する。
【０００５】
この問題を解決するために特許文献１には燃料電池で生成された水をエアポンプの吸入側に噴射し水によってエアポンプを密封する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−３４９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、水を噴射する機構を新たに設けなければならずシステムが複雑になりコストが増加してしまう。
それゆえに、この発明の主たる目的は、水噴射機構等の新たな機構を用いることなくエアポンプの密封性を向上でき、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができる、燃料電池システムおよびその運転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、請求項１に記載の燃料電池システムは、カソードを含み電気化学反応によって電気エネルギを生成する燃料電池、ポンプケースとポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを含みかつカソードに酸素を含む空気を供給するためのエアポンプ、カソードからの水蒸気をエアポンプに導入するための第１導入手段、およびエアポンプに水蒸気を導入し凝結できるように第１導入手段またはエアポンプの動作を制御する制御手段を備える。
【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、第１導入手段はエアポンプと燃料電池との間に設けられるバルブを含み、制御手段はバルブの開閉動作を制御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、制御手段はエアポンプを逆駆動させ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、カソードを含み電気化学反応によって電気エネルギを生成する燃料電池、ポンプケースとポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを含みかつカソードに酸素を含む空気を供給するためのエアポンプ、燃料電池で用いる燃料を保持する燃料保持手段、および燃料保持手段内の気化した燃料をエアポンプに導入するための第２導入手段を備える。
【００１１】
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、第２導入手段は、エアポンプと燃料電池との間に気化した燃料を導く導入路と、エアポンプと導入路の接続箇所との間に設けられるバルブとを含み、当該燃料電池システムはバルブの開閉動作を制御する制御手段をさらに含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、エアポンプの動作を制御する制御手段をさらに含み、第２導入手段はエアポンプと燃料電池との間に気化した燃料を導く導入路を含み、制御手段はエアポンプを逆駆動させることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、ポンプケースの内壁に被膜が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、回転子が樹脂からなることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載の燃料電池システムは、請求項１から８のいずれか記載の燃料電池システムにおいて、エアポンプはルーツブロア型ポンプであることを特徴とする。
【００１６】
請求項１０に記載の輸送機器は、請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。
【００１７】
請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法は、ポンプケースとポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを有しかつ燃料電池のカソードに酸素を含む空気を供給するエアポンプを含む燃料電池システムの運転方法であって、エアポンプを停止して燃料電池の発電を終了した後、エアポンプにカソードからの水蒸気を導入し凝結させることで水とし、水をエアポンプの密封手段として用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法において、エアポンプとカソードとの間にバルブを設け、燃料電池の発電終了後、バルブを所定時間開いたまま維持することでエアポンプにカソードからの水蒸気を導入することを特徴とする。
【００１９】
請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料電池の発電終了後、エアポンプを停止前とは逆方向に駆動させエアポンプに水蒸気を導入することを特徴とする。
【００２０】
請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法は、ポンプケースとポンプケース内に回転可能に設けられる回転子とを有しかつ燃料電池のカソードに酸素を含む空気を供給するエアポンプ、および燃料電池で用いる燃料を保持する燃料保持手段、を備える燃料電池システムの運転方法であって、エアポンプを停止して燃料電池の発電を終了した後、燃料保持手段内の気化した燃料をエアポンプに導入し凝結させることで液体燃料とし、液体燃料をエアポンプの密封手段とすることを特徴とする。
【００２１】
請求項１５に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料保持手段内の気化した燃料はエアポンプと燃料電池との間に導かれ、エアポンプと気化した燃料が導かれる箇所との間にバルブを設け、燃料電池の発電終了後、バルブを所定時間開いたまま維持することでエアポンプに気化した燃料を導入することを特徴とする。
【００２２】
請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料保持手段内の気化した燃料はエアポンプと燃料電池との間に導かれ、燃料電池の発電終了後、エアポンプを停止前とは逆方向に駆動させエアポンプに気化した燃料を導入することを特徴とする。
【００２３】
燃料電池の発電終了時の温度は高いのでカソードで発生した水は水蒸気となり外部に出ようとする。請求項１に記載の燃料電池システムでは、エアポンプを停止して燃料電池の発電を終了した後、カソードからの水蒸気をエアポンプに導くと、エアポンプの温度低下に伴って水蒸気は凝結し水となってエアポンプ内に滞留する。次回起動時には、この水によってエアポンプのポンプケースと回転子との間等のエアポンプ内のクリアランスが塞がれ、従来とは異なり水噴射機構等の新たな機構を用いることなくエアポンプの密封性を向上でき、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができる。請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００２４】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電終了後、バルブを開いたまま維持するとカソードからの水蒸気がエアポンプ内に逆流し凝結して水となり、エアポンプ内に滞留する。このように発電終了後にバルブが開いた状態を維持するだけで簡単にカソード内の水蒸気をエアポンプに導入できる。請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００２５】
請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電終了後、エアポンプを停止前とは逆方向に駆動（逆回転）させることによって、カソード内の水蒸気を短時間でより多くエアポンプに導入でき、エアポンプに水を素早く蓄えることができる。請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００２６】
燃料保持手段内の気化した燃料をカソードに供給することは燃料を無害化して外部に放出するために行われる。請求項４に記載の燃料電池システムでは、この気化した燃料をエアポンプに導入し凝結させることによってエアポンプ内で液体燃料として滞留させる。次回起動時には、当該液体燃料によってエアポンプのポンプケースと回転子との間等のエアポンプ内のクリアランスが塞がれ、水噴射機構等の新たな機構を用いることなくエアポンプの密封性を向上でき、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができる。また、燃料がメタノール等のアルコール系燃料の場合、凝固点は水よりも低いので低温環境下においても凍結しにくく、凍結によってエアポンプが駆動不能になるのを防ぐことができる。請求項１４に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００２７】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電終了後、バルブを開いたまま維持すると燃料保持手段からの気化した燃料がエアポンプ内に逆流し凝結して液体燃料となり、エアポンプ内に滞留する。このように発電終了後にバルブが開いた状態を維持するだけで簡単に気化した燃料をエアポンプに導入できる。請求項１５に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００２８】
請求項６に記載の燃料電池システムでは、燃料保持手段内の気化した燃料をエアポンプと燃料電池との間に導き、エアポンプを逆駆動（逆回転）させることによって気化された燃料をエアポンプに容易にかつ短時間でより多く導入でき、エアポンプに液体燃料を素早く蓄えることができる。請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００２９】
請求項７に記載の燃料電池システムでは、ポンプケースの内壁に被膜を形成することによって、水や燃料がエアポンプに導入されてもポンプケースが腐食するのを防ぐことができる。
【００３０】
請求項８に記載の燃料電池システムでは、回転子を樹脂製とし、熱膨張を考慮して回転子とポンプケースとの間に十分なクリアランスを設ける場合であっても、水や液体燃料によってエアポンプの密封性を向上できる。
【００３１】
エアポンプとしてルーツブロア型ポンプを用いたとき、燃料電池の起動時においてエアポンプ内の圧縮空気が回転子とポンプケース内壁との間のクリアランスから漏れるおそれがあった。しかし、請求項９に記載の燃料電池システムではエアポンプの密封性を向上できるので、ルーツブロア型ポンプをエアポンプとして用いた場合に好適に用いられる。
【００３２】
燃料電池システムを輸送機器に用いる場合には効率的にエネルギを得ることが要求される。請求項１０に記載の燃料電池システムでは、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができ、効率的にエネルギを得ることができ、輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００３３】
この発明によれば、次回起動時において、水噴射機構等の新たな機構を用いることなくエアポンプの密封性を向上でき、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
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、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。
【００３５】
図１〜図７を参照して、自動二輪車１０は車体１１を含み、車体１１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と、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と、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と、リヤフレーム１８の上端部に取り付けられるシートレール２０とを備えている。フロントフレーム１６の後端部はリヤフレーム１８の中央部よりもやや下端部寄りの位置に接続され、フロントフレーム１６およびリヤフレーム１８全体で側面視略Ｙ字状を呈している。
【００３６】
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後方へ斜め下方に延び左右方向に幅を有するフランジ部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、後端部に設けられたとえばボルト等によってリヤフレーム１８が連結される連結部１６ｅとを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃと共に板状部材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。
【００３７】
一方、リヤフレーム１８は、それぞれ後方へ斜め上方に延び前後方向に幅を有しフロントフレーム１６の連結部１６ｅを挟むように配置される板状部材１８ａおよび１８ｂと、板状部材１８ａと１８ｂとを連結する板状部材（図示せず）とを備えている。
【００３８】
ヘッドパイプ１４内には、図１に示すように、車体方向変更用のステアリング軸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が取り付けられており、ハンドル２４の両端にはグリップ２８が取り付けられている。右側のグリップ２８は回動可能なスロットルグリップを構成している。
【００３９】
ハンドル支持部２６のハンドル２４の前方には表示操作部３０が配置されている。表示操作部３０は、電動モータ６０（後述）の各種データを計測表示するためのメータ３０ａ、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た表示部３０ｂ、および各種情報入力用の入力部３０ｃ等が一体化されたものである。ハンドル支持部２６における表示操作部３０の下方には、ヘッドランプ３２が固定されており、ヘッドランプ３２の左右両側には、フラッシャランプ３４がそれぞれ設けられている。
【００４０】
また、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３６が取り付けられており、フロントフォーク３６それぞれの下端には、前輪３８が前車軸４０を介して取り付けられている。前輪３８は、フロントフォーク３６によって緩衝懸架された状態で前車軸４０によって回転自在に軸支されている。
【００４１】
一方、リヤフレーム１８の後端部には、フレーム状のシートレール２０が取り付けられている。シートレール２０は、リヤフレーム１８の上端部にたとえば溶接によって固設され、略前後方向に配設されている。シートレール２０上には図示しないシートが開閉自在に設けられている。シートレール２０の後端部には取り付けブラケット４２が固設されており、取り付けブラケット４２にはテールランプ４４および左右一対のフラッシャランプ４６がそれぞれ取り付けられている。
【００４２】
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）４８がピボット軸５０を介して揺動自在に支持されている。スイングアーム４８の後端部４８ａには電動モータ６０（後述）を介して駆動輪である後輪５２が回転自在に支持されており、スイングアーム４８および後輪５２は、図示しないリヤクッションによってリヤフレーム１８に対して緩衝懸架されている。
【００４３】
さらに、リヤフレーム１８の下端部の前側には、リヤフレーム１８から左右方向に突出するようにフットレスト取付用バー５４が固定され、フットレスト取付用バー５４には図示しないフットレストが取り付けられる。フットレスト取付用バー５４の後方には、メインスタンド５６が回動可能にスイングアーム４８に支持されており、メインスタンド５６は、リターンスプリング５８によって閉じ側に付勢されている。
【００４４】
この実施形態では、スイングアーム４８には、後輪５２に連結されかつ後輪５２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６０と、電動モータ６０に電気的に接続される駆動ユニット６２とが内蔵されている。図１５をも参照して、駆動ユニット６２は、電動モータ６０の回転駆動を制御するためのコントローラ６４、および二次電池１３４（後述）の蓄電量を検出するための蓄電量検出器６５を含む。
【００４５】
このような自動二輪車１０の車体１１には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００が取り付けられている。燃料電池システム１００は、電動モータ６０やその他の構成部材を駆動するための電気エネルギを生成する。
【００４６】
以下、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。
【００４７】
燃料電池システム１００は、フロントフレーム１６の下方に配置される燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。
【００４８】
図８および図９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電気エネルギを生成することができる燃料電池（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。
【００４９】
図４等に示すように、セルスタック１０２はスキッド１０８上に載せられ、スキッド１０８はフロントフレーム１６のフランジ部１６ｃから吊されるステースタック１１０によって支持されている。
【００５０】
図６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、水溶液用のラジエータ１１２と気液分離用のラジエータ１１４とが配置されている。ラジエータ１１２と１１４とは一体的に構成され、その前面が車両の前方やや下向きに配置され、前面に対して直交するように設けられる複数の板状のフィン（図示せず）を有する。このようなラジエータ１１２および１１４は、走行時に風を十分に受けることができる。
【００５１】
図６等に示すように、ラジエータ１１２は、旋回するように形成されるラジエータパイプ１１６を含む。ラジエータパイプ１１６は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１１８ａ（図５参照）から出口１１８ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１２の裏面側にはラジエータパイプ１１６と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２０が設けられている。
【００５２】
同様に、ラジエータ１１４は、それぞれ蛇行するように形成される２本のラジエータパイプ１２２を含む。各ラジエータパイプ１２２は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１２４ａ（図３参照）から出口１２４ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１４の裏面側にはラジエータパイプ１２２と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２６が設けられている。
【００５３】
図１〜図７に戻り主に図３を参照して、フロントフレーム１６の連結部１６ｅの後側には、上方から順に燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２が配置されている。燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００５４】
燃料タンク１２８は、シートレール２０の下側に配置され、シートレール２０の後端部に取り付けられている。燃料タンク１２８は、高濃度（たとえば、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となるメタノールを約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。燃料タンク１２８はその上面に蓋１２８ａを備え、蓋１２８ａを取り外してメタノール燃料が供給される。
【００５５】
また、水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８の下側に設けられ、リヤフレーム１８に取り付けられている。水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８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。つまり、水溶液タンク１３０は、水溶液ポンプ１４６（後述）によってセルスタック１０２に向けて送り出すべきメタノール水溶液を収容している。
【００５６】
燃料タンク１２８にはレベルセンサ１２９が装着され、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の液面の高さが検出される。水溶液タンク１３０にはレベルセンサ１３１が装着され、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の液面の高さが検出される。レベルセンサ１２９，１３１で液面高さを検出することによって、タンク内の液量を検出できる。水溶液タンク１３０内の液面は、たとえば図４においてＡで示す範囲内にコントロールされる。
【００５７】
水タンク１３２は、リヤフレーム１８の板状部材１８ａおよび１８ｂ間でありかつセルスタック１０２の後側に配置されている。水タンク１３２にはレベルセンサ１３３が装着され、水タンク１３２内の水面の高さが検出される。
【００５８】
また、燃料タンク１２８の前側でありかつフロントフレーム１６のフランジ部１６ｂの上側には、二次電池１３４が設けられている。二次電池１３４はリヤフレーム１８の板状部材（図示せず）の上面に配置される。二次電池１３４は、セルスタック１０２で生成された電気エネルギを蓄え、コントローラ１５６（後述）の指令に応じて電気エネルギを対応する電気構成部材に供給する。たとえば、二次電池１３４は、補機類や駆動ユニット６２に電気エネルギを供給する。
【００５９】
二次電池１３４の上側かつシートレール２０の下側には、燃料ポンプ１３６、検出用バルブ１３８が配置されている。また、水溶液タンク１３０の上側にはキャッチタンク１４０が配置されている。
【００６０】
キャッチタンク１４０はその上面に蓋１４０ａを備え、たとえば燃料電池システム１００を一度も起動したことがない状態（水溶液タンク１３０が空の状態）において、蓋１４０ａを取り外してメタノール水溶液が供給される。キャッチタンク１４０は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００６１】
また、フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータ１１２，１１４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１４２が配置され、エアフィルタ１４２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１４４が配置されている。
【００６２】
また、図４に示すように、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１４６およびエアポンプ１４８が収納されている。
【００６３】
図１１および図１２をも参照して、エアポンプ１４８は、ルーツブロア型ポンプからなり、ポンプケース１４８ａとポンプケース１４８ａ内に収納される２つの略まゆ状の回転子１４８ｂとを含む。回転子１４８ｂは固定軸１４８ｃによって回転自在に保持されている。
【００６４】
ポンプケース１４８ａは鉄等の任意の金属によって構成できるが、軽くしかつコストを抑えるためにアルミニウム合金を鋳造して得ることが望ましい。水やメタノール等によってポンプケース１４８ａ内が腐蝕されないように、ポンプケース１４８ａの内壁には、たとえばアロジン処理によってクロム酸塩系化成被膜等の被膜１４８ｄが形成されている。また、２つの回転子１４８ｂは、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を射出成形することによって得ることが望ましく、さらに強度を高めるためにはガラス繊維を混入することが望ましい。回転子１４８ｂを金属製とする場合には被膜を施す。
【００６５】
２つの回転子１４８ｂは、図示しない増速ギヤを介してモータ１４８ｅに接続され、モータ１４８ｅによって駆動され、噛み合うような位置関係を保ちつつも互いに接触することなく矢印Ｂ方向に回転する。これによって、加圧された空気が送り出される。モータ１４８ｅを逆駆動することによって回転子１４８ｂを逆回転させ空気を逆方向に流すことができる。
【００６６】
燃料電池１０４の運転が継続的に行われ温度が上昇するとエアポンプ１４８の温度も上昇しポンプケース１４８ａおよび回転子１４８ｂは熱膨張する。このように熱膨張しても回転子１４８ｂ同士および回転子１４８ｂとポンプケース１４８ａとが接触しないように各構成要素間には所定の大きさのクリアランスが設けられている。燃料電池システム１００では、システム起動時においてこのクリアランスから圧縮空気が漏れるのを防止するために、ポンプケース１４８ａの底面上にメタノールを含む水が蓄えられ、このメタノールを含む水がエアポンプ１４８の密封手段として用いられる。
【００６７】
エアポンプ１４８の左側には、エアチャンバ１５０が配置されている。水溶液ポンプ１４６の駆動によってセルスタック１０２に向けてメタノール水溶液が送り出される。
【００６８】
さらに、図５に示すように、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、前方から順にメインスイッチ１５２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４、コントローラ１５６、バルブ１５８および水ポンプ１６０が配置される。なお、メインスイッチ１５２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設けられている。セルスタック１０２の前面にはホーン１６２が設けられている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４は電圧を２４Ｖから１２Ｖに変換し、変換された１２Ｖの電圧によってファン１２０，１２６が駆動される。
【００６９】
このように配置される燃料電池システム１００の配管について、図４〜図７および図１０を参照して説明する。
燃料タンク１２８と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２によって連通されている。パイプＰ１は、燃料タンク１２８の左側面下端部と燃料ポンプ１３６の左側面下端部とを結び、パイプＰ２は、燃料ポンプ１３６の左側面下端部と水溶液タンク１３０の左側面下端部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。
【００７０】
水溶液タンク１３０と水溶液ポンプ１４６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１４６と水溶液フィルタ１４４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１４４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Ｐ３は、水溶液タンク１３０の左側面下隅部と水溶液ポンプ１４６の後部とを結び、パイプＰ４は、水溶液ポンプ１４６の後部と水溶液フィルタ１４４の左側面とを結び、パイプＰ５は、水溶液フィルタ１４４の右側面とセルスタック１０２の前面右下隅部に位置するアノード入口Ｉ１とを結ぶ。水溶液ポンプ１４６を駆動させることによって、水溶液タンク１３０からのメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４で不純物が除去された後、パイプＰ５を介してセルスタック１０２に与えられる。この実施形態ではパイプＰ４およびＰ５によって水溶液ポンプ１４６が送り出すメタノール水溶液をセルスタック１０２の各燃料電池１０４に案内するパイプが構成される。
【００７１】
セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１２とはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１１２と水溶液タンク１３０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の後面左上隅部に位置するアノード出口Ｉ２とラジエータ１１２の下面右側端部から引き出されるラジエータパイプ１１６の入口１１８ａ（図５参照）とを結び、パイプＰ７は、ラジエータ１１２の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出されるラジエータパイプ１１６の出口１１８ｂ（図３参照）と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。セルスタック１０２から排出される未反応メタノール水溶液および二酸化炭素はパイプＰ６を介してラジエータ１１２に与えられ温度が下げられて、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。
【００７２】
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。
【００７３】
また、エアフィルタ１４２とエアチャンバ１５０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１５０とエアポンプ１４８とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１４８とバルブ１５８とはパイプＰ１０によって接続され、バルブ１５８とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって接続されている。パイプＰ８は、エアフィルタ１４２の後部とエアチャンバ１５０の中央部よりもやや前方寄りの位置とを結び、パイプＰ９は、エアチャンバ１５０の中央部の下側とエアポンプ１４８の後部とを結び、パイプＰ１０は、フロントフレーム１６の板状部材１６ａの左側に位置するエアポンプ１４８と板状部材１６ａの右側に位置するバルブ１５８とを結び、パイプＰ１１は、バルブ１５８とセルスタック１０２の後面右上端部に位置するカソード入口Ｉ３とを結ぶ。
【００７４】
燃料電池システム１００の運転時には、エアポンプ１４８の駆動に伴ってバルブ１５８が開き、酸素を含む空気が外部から吸入される。吸入された空気は、エアフィルタ１４２で浄化された後、パイプＰ８、エアチャンバ１５０およびパイプＰ９を介してエアポンプ１４８に流入し、さらに、パイプＰ１０、バルブ１５８およびパイプＰ１１を介してセルスタック１０２に与えられる。
【００７５】
バルブ１５８は本来、発電終了後のエアポンプ１４８への蒸気（水蒸気および気化したメタノール等）の逆流を防ぐものであり、発電が終了すると閉じるように制御されるが、この発明では、発電終了後の所定時間開いた状態を維持する。これによって、温度上昇しているカソード１０４ｃで発生した水蒸気や水溶液タンク１３０内の気化したメタノールがバルブ１５８を通ってエアポンプ１４８に導入される。そして、エアポンプ１４８内で冷やされた蒸気は凝結しメタノールを含む水となってポンプケース１４８ａ内に蓄えられる。
【００７６】
ここで図１１、図１３および図１４を参照して、バルブ１５８について詳しく説明する。
図１１に示すように、バルブ１５８は、エアポンプ１４８の右側に配置され、パイプＰ１０を介してエアポンプ１４８に接続される。バルブ１５８は、略立方体状の筐体１６４と筐体１６４に取り付けられる円柱状のソレノイド１６６とを含む。
【００７７】
図１３および図１４に示すように、筐体１６４は、後面開口の筐体１６８と前面開口の筐体１７０とで板状のガスケット１７２を挟み、筐体１６８と１７０とを複数のボルトで連結することによって構成されている。筐体１６８および１７０はそれぞれ、錆びに強いたとえばＳＵＳ３０４等からなる。
【００７８】
ソレノイド１６６は、上下に直線運動するプランジャ１６６ａを含み、板状の取付部材１７４を介して筐体１７０の上面に取り付けられている。ソレノイド１６６はいわゆるプル型のソレノイドであり、プランジャ１６６ａの動作はコントローラ１５６によって制御される。具体的に、プランジャ１６６ａは、ソレノイド１６６への通電によって下方に移動され、ソレノイド１６６への通電停止によって元の位置に復帰する（上方に移動する）。
【００７９】
図１３に示すように、筐体１６８の左側面には円筒部１６８ａが設けられ、筐体１６８の右側面には円筒部１６８ｂが設けられている。円筒部１６８ａにはパイプＰ１０が接続され、円筒部１６８ｂにはパイプＰ１１が接続される（図１１参照）。したがって、エアポンプ１４８によって送り出された空気は、円筒部１６８ａを介して筐体１６４内に導入され、円筒部１６８ｂを介して筐体１６４内から排出される。
【００８０】
また、筐体１６４内には弁本体１７６および規制部材１７８が配置されている。弁本体１７６は、その一方端部が筐体１６８の前方側の壁に回転可能に取り付けられる弁軸１７６ａと、弁軸１７６ａの外周面に設けられバルブ１５８を開閉するための弁板１７６ｂと、弁軸１７６ａの他方端部近傍に取り付けられる係合子１７６ｃとを含む。弁本体１７６は、たとえばＳＵＳ３０４等からなる。
【００８１】
弁板１７６ｂの円筒部１６８ａ側の主面には、円筒部１６８ａの開口部を隙間なく塞ぐためのＯリング１７９（図１４において破線で示す）が取り付けられている。係合子１７６ｃは、楕円状（カム状）に形成され、弁軸１７６ａに偏心して設けられる。
【００８２】
また、弁軸１７６ａには、係合子１７６ｃよりも後側の位置にトーションばね１８０が設けられている。トーションばね１８０は、係合子１７６ｃに固定される端部から弁軸１７６ａの外周面に巻き付くように延びた後、筐体１７０の天板に接するように左側から右側に直線状に延びる。このようなトーションばね１８０は、弁板１７６ｂを閉じ側（円筒部１６８ａ側）に付勢するための付勢部材として機能する。トーションばね１８０の弾力は、たとえば、エアポンプ１４８の出力が９０％以上（空気の流量が６５Ｌ／ｍｉｎ）となったときに弁板１７６ｂが開き側（円筒部１６８ｂ側）に揺動するように設定されている。
【００８３】
規制部材１７８は、蒸気に触れても腐食しにくいたとえばエチレンプロピレンゴムやテフロン（登録商標）等からなり、上端部を一部斜めに切り欠いた円柱状に形成されている。図１４に示すように、規制部材１７８は筐体１７０を下方から貫通するように配置され、規制部材１７８の下端部は連結部材１８２を介してソレノイド１６６のプランジャ１６６ａに連結されている。したがって、規制部材１７８はプランジャ１６６ａの上下動に伴って上下に移動する。筐体１７０の底面には、規制部材１７８の外周面に密着するＯリング１８３が設けられる。これによって、筐体１６４内の空気が外部に漏れることはない。
【００８４】
なお、図１４にはソレノイド１６６に通電されていない状態、つまり規制部材１７８の位置が最も高い状態が示されている。この状態では、規制部材１７８の上面と係合子１７６ｃの側面とが接し、弁軸１７６ａの回転ひいては弁板１７６ｂの揺動が規制される。
【００８５】
また、筐体１７０の右側面には、開閉状態を検出するための開閉センサ１８４が取り付けられている。開閉センサ１８４は、たとえば、バリアブルリラクタンス方式に構成され、係合子１７６ｃの回転による磁界の変化を信号としてコントローラ１５６に入力する。これによって、弁板１７６ｂの位置ひいては流路の開閉状態を検出できる。
【００８６】
図４〜図７および図１０に戻って、セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通され、水タンク１３２にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。各パイプＰ１２は、セルスタック１０２の前面左下隅部に位置するカソード出口Ｉ４とラジエータ１１４の下面左側端部から引き出される各ラジエータパイプ１２２の入口１２４ａ（図３参照）とを結び、各パイプＰ１３は、ラジエータ１１４の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出される各ラジエータパイプ１２２の出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上部とを結び、パイプＰ１４は、水タンク１３２の後面上部に接続され、一旦上昇しその後下降するようにくの字状に形成されている。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される水分（水および水蒸気）や二酸化炭素を含む排気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１１４に与えられ、水蒸気が液化される。ラジエータ１１４からの排気は、パイプＰ１３を介して水と共に水タンク１３２に与えられ、パイプＰ１４を介して外部に排出される。
【００８７】
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。パイプＰ８〜Ｐ１４の材質としては、蒸気に触れても腐食しにくいたとえばエチレンプロピレンゴムやテフロン（登録商標）等が用いられる。
【００８８】
さらに、水タンク１３２と水ポンプ１６０とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１６０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１６によって連通されている。パイプＰ１５は、水タンク１３２の右側面下端部と水ポンプ１６０の中央部とを結び、パイプＰ１６は、水ポンプ１６０の中央部と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。水ポンプ１６０を駆動させることによって、水タンク１３２内の水がパイプＰ１５，１６を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００８９】
上述したパイプＰ１５，Ｐ１６は水の流路となる。
【００９０】
また、パイプＰ４には、水溶液ポンプ１４６によって送り出されパイプＰ４を流れるメタノール水溶液の一部が流入するように、パイプＰ１７が接続される。図４に示すように、パイプＰ１７には、パイプＰ１７内でのメタノール濃度を検出するための超音波センサ１８６が取り付けられている。超音波センサ１８６は、流入したメタノール水溶液のメタノール濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）に応じて超音波の伝播速度が変化することを利用してパイプＰ１７内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するために用いられる。
【００９１】
図４に示すように、超音波センサ１８６は、超音波を発生させる発信部１８６ａと超音波を検出する受信部１８６ｂとを有する。発信部１８６ａは、パイプＰ４に介挿される。発信部１８６ａにはパイプＰ１７の始端が接続され、パイプＰ１７内にメタノール水溶液が導入される。受信部１８６ｂは、パイプＰ１７の終端に接続され二次電池１３４の左側面に配置される。超音波センサ１８６では、発信部１８６ａで超音波を発生させ、受信部１８６ｂで超音波を受信して、発信部１８６ａでの超音波の発生開始から受信部１８６ｂでの超音波の受信までの時間によって得られる超音波の伝播速度を検出し、その伝播速度を電圧値に変換して物理的な濃度情報とする。コントローラ１５６は、その濃度情報に基づいて、パイプＰ１７内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。
【００９２】
受信部１８６ｂと検出用バルブ１３８とはパイプＰ１８によって連通されている。また、検出用バルブ１３８と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１９によって連通されている。パイプＰ１８は、受信部１８６ｂの上面と検出用バルブ１３８の左側面とを結び、パイプＰ１９は、検出用バルブ１３８の右側面と水溶液タンク１３０の上面とを結ぶ。
【００９３】
上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は主として濃度検出用の流路となる。
【００９４】
さらに、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とはパイプＰ２０によって連通され、キャッチタンク１４０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２１によって連通される。パイプＰ２０は、水溶液タンク１３０の左側面上隅部とキャッチタンク１４０の左側面上隅部とを結び、パイプＰ２１は、キャッチタンク１４０の下端部と水溶液タンク１３０の左側面下隅部とを結ぶ。水溶液タンク１３０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Ｐ２０を介してキャッチタンク１４０に与えられる。気化したメタノールと水蒸気とはキャッチタンク１４０で冷却、液化された後、パイプＰ２１を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００９５】
また、キャッチタンク１４０の左側面上端部寄りの位置にはパイプＰ２２が接続されており、パイプＰ２２はパイプＰ１１に接続されている。キャッチタンク１４０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Ｐ２２を介してパイプＰ１１の空気に混入され、セルスタック１０２を構成する各燃料電池１０４のカソード１０４ｃに与えられる。
【００９６】
上述したパイプＰ２０〜Ｐ２２は主として燃料処理用の流路となる。
【００９７】
なお、図１０に示すように、超音波センサ１８６の受信部１８６ｂには、超音波センサ１８６を通るメタノール水溶液の温度を検出するための第１温度センサ１８８が設けられている。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濃度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ための電圧センサ１９０とセルスタック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第２温度センサ１９２とが設けられている。この実施形態では、第２温度センサ１９２による検出温度を燃料電池１０４の温度とみなしている。温度センサは、燃料電池１０４の温度とみなすことができる温度を検出できる任意の箇所に設置されればよく、たとえばアノード出口Ｉ２、カソード出口Ｉ４または燃料電池１０４等に設けられてもよい。さらに、エアフィルタ１４２付近には、外気温度を検出するための外気温度センサ１９４が設けられている。電圧センサ１９０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。
【００９８】
このような燃料電池システム１００の電気的構成について、図１５を参照して説明する。
燃料電池システム１００のコントローラ１５６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ＣＰＵ１９６、ＣＰＵ１９６にクロックを与えるクロック回路１９８、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２００、燃料電池システム１００の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ２０２、外部機器と接続するためのインターフェイス回路２０４、自動二輪車１０を駆動する電動モータ６０にセルスタック１０２を接続するための電気回路２０６における電圧を検出するための電圧検出回路２０８、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２１０、電気回路２０６を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路２１２、電気回路２０６の過電圧を防止するための電圧保護回路２１４、電気回路２０６に設けられるダイオード２１６、および電気回路２０６に所定の電圧を供給するための電源回路２１８を含む。
【００９９】
このようなコントローラ１５６のＣＰＵ１９６には、開閉センサ１８４、超音波センサ１８６、電圧センサ１９０、第１温度センサ１８８、第２温度センサ１９２および外気温度センサ１９４からの検出信号、電圧検出回路２０８からの電圧検出値、ならびに電流検出回路２１０からの電流検出値が入力される。また、ＣＰＵ１９６には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ２２０からの検知信号や、電源をオンオフするためのメインスイッチ１５２からの入力信号や、各種設定や情報入力のための入力部３０ｃからの信号が与えられる。さらに、ＣＰＵ１９６には、レベルセンサ１２９，１３１および１３３からの検出信号も与えられる。
【０１００】
記憶手段であるメモリ２００には、図１６，図１８および図１９に示す動作を実行するためのプログラムや演算データ等の他、超音波センサ１８６によって得られたメタノール水溶液の物理的な濃度情報（超音波伝播速度に対応する電圧）を濃度に変換するための変換情報、電圧センサ１９０によって得られたメタノール水溶液の電気化学的な濃度情報（燃料電池１０４の開回路電圧）を濃度に変換するための変換情報が格納される。これらの変換情報は、たとえば、センサの出力情報とそれに対応する濃度との対応関係を示すテーブルデータである。
【０１０１】
さらに、メモリ２００には、図２０（ａ）に示す燃料電池温度とバルブ開放継続時間との対応関係を示すテーブルデータや図２０（ｂ）に示す燃料電池温度とポンプ逆駆動時間との対応関係を示すテーブルデータ等が格納される。
【０１０２】
また、ＣＰＵ１９６によって、燃料ポンプ１３６、水溶液ポンプ１４６、エアポンプ１４８、水ポンプ１６０、冷却用ファン１２０，１２６、検出用バルブ１３８およびバルブ１５８等の補機類が制御される。さらに、ＣＰＵ１９６によって、各種情報を表示し自動二輪車の搭乗者に各種情報を報知するための表示部３０ｂが制御される。
【０１０３】
また、セルスタック１０２には二次電池１３４および駆動ユニット６２が接続される。二次電池１３４および駆動ユニット６２は電動モータ６０に接続される。二次電池１３４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からの電気エネルギによって充電され、その放電によって電動モータ６０や補機類に電気エネルギを与える。
【０１０４】
電動モータ６０には、電動モータ６０の各種データを計測するためのメータ３０ａが接続され、メータ３０ａによって計測されたデータや電動モータ６０の状況は、インターフェイス回路２２２を介してＣＰＵ１９６に与えられる。
【０１０５】
また、インターフェイス回路２２２には充電器２２４が接続可能であり、充電器２２４は外部電源（商用電源）２２６に接続できる。充電器２２４が接続されている場合にはインターフェイス回路２２２を介してＣＰＵ１９６に充電器接続信号が与えられる。充電器２２４のスイッチ２２４ａはＣＰＵ１９６によってオン／オフできる。
【０１０６】
図１０を参照して、この実施形態では、第１導入手段Ｘ１は、パイプＰ１０，Ｐ１１およびバルブ１５８を含み、第２導入手段Ｘ２は、パイプＰ１０，Ｐ２０およびＰ２２，パイプＰ１１のバルブ側の一部ならびにキャッチタンク１４０を含む。導入路はパイプＰ２０およびＰ２２を含む。ＣＰＵ１９６が制御手段に相当し、水溶液タンク１３０が燃料保持手段に相当する。
【０１０７】
ついで、燃料電池システム１００の運転時の基本的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１５２がオンされることを契機として、水溶液ポンプ１４６やエアポンプ１４８等の補機類を駆動し、運転を開始する。
【０１０８】
水溶液ポンプ１４６の駆動によって、水溶液タンク１３０に収容されるメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４に供給される。そして、水溶液フィルタ１４４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。
【０１０９】
一方、エアポンプ１４８の駆動によってエアフィルタ１４２から吸入された酸素を含む空気（エア）は、パイプＰ８を介してエアチャンバ１５０に流入することによって消音される。そして、吸入された空気が、パイプＰ９〜Ｐ１１、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。
【０１１０】
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。生成された電気エネルギは、二次電池１３４に送られて蓄えられると共に、自動二輪車１０の走行駆動等に利用される。
【０１１１】
一方、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水溶液は、上記電気化学反応によって発生する熱によって温度上昇し（たとえば約６５℃〜７０℃となる）、未反応メタノール水溶液の一部は気化される。二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２を介して水溶液用のラジエータ１１２内に流入し、ラジエータパイプ１１６を流れる間にファン１２０によって冷却される（たとえば約４０℃となる）。冷却された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【０１１２】
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の一部は、ラジエータ１１４で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ１１４による水蒸気の液化動作は、ファン１２６を動作させることによって行われる。カソード出口Ｉ４からの水分（水および水蒸気）は未反応の空気と共にパイプＰ１２、ラジエータ１１４およびパイプＰ１３を介して水タンク１３２に与えられる。
【０１１３】
また、各燃料電池１０４のカソード１０４ｃでは、キャッチタンク１４０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１１４を介して水タンク１３２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１１４を介して水タンク１３２に与えられる。
【０１１４】
水タンク１３２に回収された水は、水ポンプ１６０の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を介して水溶液タンク１３０に適宜還流され、メタノール水溶液の水として利用される。
【０１１５】
運転中の燃料電池システム１００では、各燃料電池１０４の劣化を防ぎつつ各燃料電池１０４に効率よく発電させるために、メタノール水溶液の濃度検出処理が定期的に実行される。そして、その検出結果に基づいてセルスタック１０２に供給すべき水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液のメタノール濃度がたとえば３ｗｔ％程度に調整される。具体的には、コントローラ１５６によって燃料ポンプ１３６および水ポンプ１６０が制御され、メタノール濃度の検出結果に基づいて、燃料タンク１２８内のメタノール燃料が水溶液タンク１３０へ供給され、水タンク１３２内の水が水溶液タンク１３０へ還流される。
【０１１６】
ついで、図１６および図１７を参照して、バルブ１５８を開く動作について説明する。なお、図１７においては理解を容易にするために、バルブ１５８の筐体１６８、弁本体１７６、規制部材１７８およびＯリング１７９のみを示す。
【０１１７】
まず、エアポンプ１４８の駆動前に、ＣＰＵ１９６によって弁板１７６ｂが閉じているか否かが判断される（ステップＳ１）。開閉センサ１８４からの信号に基づいて弁板１７６ｂが閉じていると判断された場合、ソレノイド１６６への通電が開始される（ステップＳ３）。
【０１１８】
ステップＳ３では、プランジャ１６６ａ（図１３および図１４参照）ひいては規制部材１７８が下方に移動し、規制部材１７８の位置が図１７（ａ）から図１７（ｂ）に示すように変更される。これによって、規制部材１７８が係合子１７６ｃから離れ、弁本体１７６が解放され、円筒部１６８ａの開口部を塞ぐ弁板１７６ｂが揺動可能になる。
【０１１９】
つづいてＣＰＵ１９６によってエアポンプ１４８が駆動され（ステップＳ５）、開き側に揺動するように弁板１７６ｂが空気の押圧を受ける。そして、ステップＳ７で所定時間（たとえば１０秒）が経過するまでに、空気の押圧によって弁板１７６ｂが図１７（ｃ）に示すように揺動すれば（ステップＳ９がＹＥＳ）、ＣＰＵ１９６からに指示によってソレノイド１６６への通電が停止される（ステップＳ１１）。
【０１２０】
ソレノイド１６６への通電が停止されると、プランジャ１６６ａひいては規制部材１７８が上方に復帰し、図１７（ｄ）に示すように、規制部材１７８が再び係合子１７６ｃに係合する。そして、規制部材１７８が最も高い位置に復帰すると、図１７（ｅ）に示す状態になる。図１７（ｅ）に示す状態では、係合子１７６ｃが規制部材１７８によって押し上げられ、弁板１７６ｂと筐体１６８の天板とが略平行になる。つまり、規制部材１７８によって弁板１７６ｂを完全に開いた状態が維持され、バルブ１５８の制御動作が終了する。
【０１２１】
一方、ステップＳ１において弁板１７６ｂが開いている場合、凍結等によって弁本体１７６が固着しているものとして別のエラー処理（ステップＳ１３）に移り、その後、バルブ１５８の制御動作が終了する。また、ステップＳ７において所定時間が経過しても弁板１７６ｂが閉じている場合も、エアポンプ１４８が停止され（ステップＳ１５）、ソレノイド１６６への通電が停止され（ステップＳ１７）、ステップＳ１３に移る。
【０１２２】
ついで、図１７〜図１９とを参照して、燃料電池システム１００の発電終了時の動作について説明する。
まず、メインスイッチ１５２がオフされ燃料電池１０４の発電終了信号がＣＰＵ１９６によって受信されたか否かが判断される（ステップＳ２１）。発電終了信号がＣＰＵ１９６によって受信されるまで待機し、発電終了信号が受信されるとエアポンプ１４８が停止され燃料電池１０４の発電が終了される（ステップＳ２３）。そして、ＣＰＵ１９６によってモータ１４８ｅの運転時間（発電時間）が計測され（ステップＳ２５）、モータ運転時間が３０秒以下か否かが判断される（ステップＳ２７）。
【０１２３】
モータ運転時間が３０秒以下でなければ、ステップＳ２９に進み、モータ１４８ｅが停止してから所定時間経過したか否かが判断される。所定時間経過するまで待機し、所定時間経過するとステップＳ３１に進む。このようにモータ１４８ｅが停止してから所定時間経過するまで待機することによってモータ１４８ｅひいてはポンプケース１４８ａを冷やすことができる。そして、エアポンプ１４８がある程度冷えてからエアポンプ１４８を逆駆動（逆回転）させることによってポンプケース１４８ａ内に導いた蒸気の凝結を促すことができる。エアポンプ１４８の熱容量はセルスタック１０２のそれより小さくエアポンプ１４８の方が冷え易いので、ある程度時間を置くことによってポンプケース１４８ａの内壁面が冷えてポンプケース１４８ａ内にメタノールを含む水が溜まり易くなる。
【０１２４】
ステップＳ３１において、たとえば第２温度センサ１９２によって燃料電池温度が検出され、その検出温度に基づいてＣＰＵ１９６によってバルブ１５８の開放継続時間が算出される（ステップＳ３３）。このとき、メモリ２００に記憶された図２０（ａ）に示すテーブルデータが参照される。ついで、ステップＳ３５において、検出された燃料電池温度に基づいてＣＰＵ１９６によってエアポンプ１４８の逆駆動時間が算出される。このとき、メモリ２００に記憶された図２０（ｂ）に示すテーブルデータが参照される。なお、燃料電池温度の検出は、燃料電池１０４自体の温度を直接検出するものであってもよい。
【０１２５】
そして、ＣＰＵ１９６によってエアポンプ１４８が逆駆動され（ステップＳ３７）、逆駆動時間が経過する（ステップＳ３９がＹＥＳになる）までエアポンプ１４８の逆駆動が継続される。逆駆動時間が経過すると、ＣＰＵ１９６によって、エアポンプ１４８の逆駆動が停止され（ステップＳ４１）、バルブ１５８の開放継続時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ４３）。バルブ１５８の開放継続時間が経過したか否かは、ステップＳ３３における算出からの経過時間が当該開放継続時間に達したか否かによって判断される。開放継続時間が経過する（ステップＳ４３がＹＥＳになる）までバルブ１５８が開放され続け、開放継続時間が経過すると、ＣＰＵ１９６からの指示によってバルブ１５８を閉じる処理が行われる（ステップＳ４５）。
【０１２６】
ステップＳ４５の処理は図１９に示され、まず、ソレノイド１６６への通電が開始され（ステップＳ４５ａ）、図１７（ｅ）に示す状態から規制部材１７８が下方に移動する。このとき、弁板１７６ｂは、空気の押圧を受けていないので、トーションばね１８０（図１３および図１４参照）の弾力および重力によって閉じ側に揺動し、図１７（ｂ）に示す状態になる。その後、所定時間（たとえば３秒）が経過すれば（ステップＳ４５ｂがＹＥＳ）、ソレノイド１６６への通電が停止される（ステップＳ４５ｃ）。これによって規制部材１７８が上方に復帰し、図１７（ａ）に示す状態になり、規制部材１７８によって弁板１７６ｂを完全に閉じた状態が維持され、終了する。
【０１２７】
なお、ステップＳ２７においてモータ運転時間が３０秒以下であれば、ステップＳ４５に進み、バルブ１５８を閉じる処理が行われ、終了する。このように、短時間でメインスイッチ１５２のオン、オフがあった場合にはバルブ開放継続処理およびポンプ逆駆動処理を行わない。
【０１２８】
このような燃料電池システム１００によれば、エアポンプ１４８を停止して燃料電池１０４の発電を終了させた後、バルブ１５８を開いた状態でエアポンプ１４８を停止前とは逆方向に駆動させることによって、カソード１０４ｃからの水蒸気を簡単にかつ短時間でより多くエアポンプ１４８に導入できる。また、このとき同様に、水溶液タンク１３０内の気化したメタノールもエアポンプ１４８に導入できる。
【０１２９】
これらの水蒸気および気化したメタノールはそれぞれ、エアポンプ１４８の温度低下に伴って凝結し水および液体メタノールとなりエアポンプ１４８内に滞留する。これによって、エアポンプ１４８内にメタノールを含む水を素早く蓄えることができる。この実施形態では、メタノールを含む水が密封手段となる。
【０１３０】
このメタノールを含む水によって、次回起動時に、エアポンプ１４８内のポンプケース１４８ａと回転子１４８ｂとの間や回転子１４８ｂ相互間のクリアランスが塞がれ、従来とは異なり水噴射機構等の新たな機構を用いることなくエアポンプ１４８の密封性を向上でき、圧縮空気の漏洩に起因する電力損失を減少させることができる。
【０１３１】
また、メタノールを含む水は、凝固点が純水よりも低いので低温環境下においても凍結しにくく、凍結によってエアポンプ１４８が駆動不能になるのを防ぐことができる。
【０１３２】
さらに、ポンプケース１４８ａの内壁に被膜１４８ｄを形成することによって、水やメタノールがエアポンプ１４８に導入されてもポンプケース１４８ａが腐食するのを防ぐことができる。
【０１３３】
また、回転子１４８ｂを樹脂製とし、熱膨張を考慮して回転子１４８ｂとポンプケース１４８ａとの間に十分なクリアランスを設ける場合であっても、メタノールを含む水によってエアポンプ１４８の密封性を向上できる。
【０１３４】
特に、燃料電池システム１００はルーツブロア型ポンプをエアポンプ１４８として用いた場合に好適に用いられる。
【０１３５】
なお、上述の実施形態では、カソード１０ｃ内の水蒸気と水溶液タンク１３０内の気化したメタノールとがともにエアポンプ１４８内に逆流しメタノールを含む水が密封手段となる場合について説明したが、これに限定されないことは言うまでもない。水蒸気および気化されたメタノールのいずれか一方のみをエアポンプ１４８内に導入できるように制御してもよい。エアポンプ１４８内に、水蒸気のみが導入される場合には水が密封手段となり、気化したメタノールのみが導入される場合には液体メタノールが密封手段となる。
【０１３６】
また、エアポンプ１４８を逆駆動させることなくバルブ１５８を開けるだけでもよい。
【０１３７】
さらに、水溶液タンク１３０内の気化したメタノールは、エアポンプ１４８およびそれより上流（吸入）側に導入されてもよい。たとえば、エアポンプ１４８、パイプＰ９、エアチャンバ１５０、パイプＰ８のいずれかに導入されてもよい。水溶液タンク１３０の内圧は、エアポンプ１４８およびエアフィルタ１４２間のいずれの箇所の内圧よりも高いので、水溶液タンク１３０内の気化したメタノールを、エアポンプ１４８より上流側（吸入側）のいずれの箇所に導入してもエアポンプ１４８内に導くことができる。
【０１３８】
第１導入手段は、バルブ１５８を用いることなくエアポンプ１４８に蒸気が流入しにくい配管構造としてもよく、この場合、エアポンプ１４８を逆駆動してエアポンプ１４８に蒸気を流入させる。
【０１３９】
また、第２導入手段は、キャッチタンク１４０を含むことなく、水溶液タンク１３０とパイプＰ１１とをパイプで直接結んで構成されてもよい。
【０１４０】
さらに、燃料保持手段は燃料タンク１２８であってもよく、燃料タンク１２８内の気化したメタノールをエアポンプ１４８に導入するようにしてもよい。
【０１４１】
また、エアポンプとして、リショルム型ポンプやスクリュー型ポンプ等のポンプケースとポンプケース内に設けられる回転子とを含む任意のエアポンプを用いることができる。
【０１４２】
さらに、エアポンプ１４８を冷却水等で積極的に冷却し凝結速度を上昇させてもよい。
【０１４３】
濃度情報に基づいて濃度を得るための変換情報は、濃度情報を濃度に変換するための演算式であってもよい。
【０１４４】
また、上述の実施形態では、バルブ１５８にプル型のソレノイド１６６を用いた場合について説明したが、これに限定されず、たとえば通電停止後もプランジャの位置が変化しない自己保持型のソレノイドを用いてもよい。さらに、ソレノイド１６６に代えて、たとえばモータ等の任意のアクチュエータを用いることができる。
【０１４５】
さらに、この発明の燃料電池システム１００は効率的にエネルギを得ることができるので、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。
【０１４６】
上述の実施形態では、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。
【０１４７】
この発明は、水素ガスを燃料として燃料電池に供給する水素型の燃料電池システムや改質器搭載タイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付け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】
【０１４８】
【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】自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図３】自動二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。
【図４】燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。
【図５】燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。
【図６】燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図７】燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。
【図８】燃料電池セルスタックを示す図解図である。
【図９】燃料電池を示す図解図である。
【図１０】燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図１１】エアポンプとバルブとを右斜め後方からみた斜視図である。
【図１２】エアポンプの一例を示す図解図である。
【図１３】バルブの分解斜視図である。
【図１４】バルブの断面図解図である。
【図１５】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１６】バルブを開く動作を示すフロー図である。
【図１７】弁本体と規制部材との位置関係を示す図解図である。
【図１８】燃料電池システムの発電終了時の動作を示すフロー図である。
【図１９】バルブを閉じる動作を示すフロー図である。
【図２０】（ａ）は燃料電池温度とバルブ開放継続時間との関係を示すテーブルデータであり、（ｂ）は燃料電池温度とエアポンプ逆駆動時間との関係を示すテーブルデータである。
【符号の説明】
【０１４９】
１０      自動二輪車
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
１０４ｂ      アノード
１０４ｃ      カソード
１３０      水溶液タンク
１４０      キャッチタンク
１４８      エアポンプ
１４８ａ      ポンプケース
１４８ｂ      回転子
１５６      コントローラ
１５８      バルブ
１９６      ＣＰＵ
Ｐ１〜Ｐ２２      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】
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【図１４】
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【図１５】
2007234493.tif 000017
【図１６】
2007234493.tif 000018
【図１７】
2007234493.tif 000019
【図１８】
2007234493.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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