JP2009093809A - 燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部材間の配管を短くできかつ構成部材をフレーム等へ容易に着脱できる、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１００は、燃料ユニット１１６と水溶液ユニット１１８とが一体化された組立体１１４を備える。燃料ユニット１１６は、メタノール燃料を保持する燃料タンク１２０を含む。燃料タンク１２０には、燃料タンク１２０に保持されているメタノール燃料を供給するための燃料ポンプ１３６、および燃料タンク１２０から供給されるメタノール燃料を浄化するための燃料フィルタ１２４が取り付けられている。水溶液ユニット１１８は、メタノール水溶液を保持する水溶液タンク１４６を含む。水溶液タンク１４６には、メタノール水溶液を供給するための水溶液ポンプ１５２、および水溶液タンク１４６から供給されるメタノール水溶液を浄化するための水溶液フィルタ１５６が取り付けられている。
【選択図】図４

Description

この発明は燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器に関し、より特定的には燃料水溶液を燃料電池に直接供給する燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器に関する。

この種の従来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に開示されている燃料電池システムでは、セルスタックの後側上方に燃料タンクと水溶液タンクとが配置されており、燃料タンクの下方に燃料ポンプが配置され、セルスタックの下方に水溶液ポンプと水溶液フィルタとが配置されている。
特開２００５−１５０１０６号公報

この燃料電池システムでは、燃料タンクと燃料ポンプとはやや離れており、水溶液タンクと水溶液ポンプおよび水溶液フィルタとはセルスタックを挟んで大きく離れている。
したがって、これらの構成部材間の配管が長くなってしまう。また、各構成部材は離れているため、たとえばフレーム等への取り付け箇所が多くなり着脱に手間がかかってしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、構成部材間の配管を短くできかつ構成部材をフレーム等へ容易に着脱できる、燃料電池システムを提供することである。

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、燃料を保持する保持手段、前記保持手段に保持されている前記燃料を供給するための供給手段、および前記保持手段から供給される前記燃料を浄化するための浄化手段を備え、前記供給手段および前記浄化手段の少なくともいずれか一方が前記保持手段に取り付けられてい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は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料は燃料水溶液であり、前記保持手段は前記燃料水溶液を保持する水溶液タンクであり、前記供給手段は前記水溶液タンクに保持された前記燃料水溶液を供給するための水溶液ポンプであり、前記浄化手段は前記水溶液ポンプから供給される前記燃料水溶液を浄化するための水溶液フィルタであることを特徴とする。

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、前記水溶液タンクの上に前記水溶液ポンプが設けられていることを特徴とする。

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、前記燃料は高濃度燃料であり、前記保持手段は前記高濃度燃料を保持する燃料タンクであり、前記供給手段は前記燃料タンクに保持された前記高濃度燃料を供給するための燃料ポンプであり、前記浄化手段は前記燃料ポンプから供給される前記高濃度燃料を浄化するための燃料フィルタであることを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池システムは、高濃度燃料を保持する燃料タンク、前記燃料タンクに保持されている前記高濃度燃料を供給するための燃料ポンプ、および前記燃料タンクから供給される前記高濃度燃料を浄化するための燃料フィルタを備え、前記燃料ポンプおよび前記燃料フィルタの少なくともいずれか一方が前記燃料タンクに取り付けられている燃料ユニットと、燃料水溶液を保持する水溶液タンク、前記水溶液タンクに保持されている前記燃料水溶液を供給するための水溶液ポンプ、および前記水溶液タンクから供給される前記燃料水溶液を浄化するための水溶液フィルタを備え、前記水溶液ポンプおよび前記水溶液フィルタの少なくともいずれか一方が前記水溶液タンクに取り付けられている水溶液ユニットとを備え、前記燃料ユニットと前記水溶液ユニットとが一体的に構成されていることを特徴とする。

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含むことを特徴とする。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、供給手段および浄化手段の少なくともいずれか一方が保持手段に取り付けられているので配管を短くできる。また、一体化された構成部材を単体として取り扱うことができるので、フレーム等への取り付け箇所を減じることができ着脱が容易になる。請求項２のように、水溶液ポンプおよび水溶液フィルタの少なくともいずれか一方が水溶液タンクに取り付けられている場合や、請求項４のように、燃料ポンプおよび燃料フィルタの少なくともいずれか一方が燃料タンクに取り付けられている場合についても同様である。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、水溶液ポンプを水溶液タンクの上に取り付けることによって、水溶液ポンプと他のポンプとを容易に見分けることができ、作業者の負担を軽減することができる。

請求項５に記載の燃料電池システムでは、燃料ユニットと水溶液ユニットとを一体化することによって、構成部材間の配管をさらに短くできる。また、一体化された組立体を単体として取り扱うことができるので、フレーム等への取り付け箇所をさらに減じることができ着脱もさらに容易になる。

輸送機器に燃料電池システムを搭載する場合、燃料電池システムを小型に構成することが望ましい。この発明では、燃料電池システムの構成部品間の配管を短くでき燃料電池システムを小さく構成できるので、この発明は請求項６に記載するような輸送機器に好適に用いられる。

この明細書において、「燃料」は「燃料水溶液」と「高濃度燃料」とを含む概念であり、「燃料水溶液」は「高濃度燃料」を希釈した水溶液をいう。

この発明によれば、燃料電池システムの構成部品間の配管を短くできかつ構成部材をフレーム等へ容易に着脱できる。

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、自動二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル３６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。

図１および図２を参照して、自動二輪車１０は車体フレーム１２を含む。
図３をも参照して、車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４、ヘッドパイプ１４に設けられるクレードルフレーム１６、クレードルフレーム１６に取り付けられるシートレール１８、シートレール１８を支持するための２つの支持フレーム２０、およびクレードルフレーム１６に設けられる２つのフランジ部２２を含む。

クレードルフレーム１６は、上部フレーム２４と２つの後部フレーム２６と下部フレーム２８と支持フレーム３０とを含む。上部フレーム２４と２つの後部フレーム２６とはたとえばボルトによって連結されており、２つの後部フレーム２６と下部フレーム２８とはたとえばボルトによって連結されている。

上部フレーム２４は、それぞれ左右方向に幅を有する第１壁２４ａと第２壁２４ｂとを含む。第１壁２４ａと第２壁２４ｂとは、相互に略一定の間隔をあけてヘッドパイプ１４の上側接続部１４ａから後方に延びる。第１壁２４ａおよび第２壁２４ｂはそれぞれ平板状に形成され、平面状の対向面３２ａおよび３２ｂを有する。第１壁２４ａと第２壁２４ｂとのうち連結部を有さない部分にヒートシンク部Ｈが形成される。

２つの後部フレーム２６は、上部フレーム２４の後端部から二股に分かれて後方に延び、その後シートレール１８との接続部ＡおよびＢ付近において後方斜め下側に屈曲し、さらに支持フレーム２０との接続部ＣおよびＤ付近で前方斜め下側に向かって屈曲しその後前方に向かって屈曲し、下部フレーム２８の後端部に接続される。各後部フレーム２６は、左右方向の幅を有する第１壁２６ａおよび第２壁２６ｂを含む。第１壁２６ａと第２壁２６ｂとは相互に略一定の間隔をあけて形成され、第１壁２６ａと第２壁２６ｂとは連結部２６ｃによって連結される。連結部２６ｃは第１壁２６ａと第２壁２６ｂとを幅方向の外端縁で連結する。したがって、各後部フレーム２６は断面コ字状に形成される。２つの後部フレーム２６は支持フレーム３０によって連結される。

下部フレーム２８は、後部フレーム２６が接続される後端部から前方に延びさらに前方斜め上側に向かって屈曲し、ヘッドパイプ１４の下側接続部１４ｂに接続される。下部フレーム２８は、それぞれ左右方向に幅を有する第１壁２８ａと第２壁２８ｂとを含む。第１壁２８ａと第２壁２８ｂとは相互に略一定の間隔をあけて形成され、第１壁２８ａと第２壁２８ｂとは連結部２８ｃによって連結される。連結部２８ｃは第１壁２８ａと第２壁２８ｂとを幅方向の中央部で連結し、下部フレーム２８は縦断面Ｉ字型に形成される。

前後方向に延びるフレーム状のシートレール１８は、クレードルフレーム１６の接続部ＡおよびＢに接続されている。シートレール１８の上側には図示しないシートが開閉自在に設けられている。シートを開くことによって二次電池６６（後述）の着脱や燃料の補給が可能となる。

シートレール１８には２つの支持フレーム２０がたとえば溶接等によって取り付けられている。２つの支持フレーム２０の下端部がそれぞれクレードルフレーム１６の接続部ＣおよびＤに取り付けられ、これによってシートレール１８が支持されている。２つの支持フレーム２０は連結フレーム３２によって連結されている。
２つの後部フレーム２６にはそれぞれフランジ２２がたとえば溶接等によって取り付けられている。

図１および図２に戻って、ヘッドパイプ１４内には、車体方向変更用のステアリング軸３４が回動自在に挿通されている。ステアリング軸３４の上端にはハンドル３６が固定されたハンドル支持部３８が取り付けられている。ハンドル支持部３８の上端には表示操作部４０が配置されている。

図１２をも参照して、表示操作部４０は、自動二輪車１０を駆動する電動モータ５６（後述）の各種データを計測表示するためのメータ４０ａ、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る表示部４０ｂ、および各種指示や各種情報入力用の入力部４０ｃを一体的に設けたものである。入力部４０ｃは、電動モータ５６と二次電池６６（後述）とを電気的に接続するための始動ボタン４２ａ、ＯＮ／ＯＦＦ回路１５６をオフするための停止ボタン４２ｂ、および停止ボタン４２ｂを点灯させるためのバックライト４２ｃを含む。

図１に示すように、ステアリング軸３４の下端には左右一対のフロントフォーク４４が取り付けられており、フロントフォーク４４それぞれの下端には、前輪４６が前車軸４８を介して取り付けられている。

また、２つのフランジ部２２の下端部の間には、スイングアーム（リヤアーム）５０がピボット軸５２を介して揺動自在に支持されている。スイングアーム５０の後端部５０ａには、後輪５４に連結されかつ後輪５４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５６が内蔵されている。また、スイングアーム５０には、電動モータ５６に電気的に接続され電動モータ５６の回転駆動を制御するためのコントローラ６０が内蔵されている。スイングアーム５０とクレードルフレーム１６の後部フレーム２６とはリヤクッション６４を介して連結されている。

自動二輪車１０のクレードルフレーム１６の２つの後部フレーム２６の間でありかつ支持フレーム３０の前側には二次電池６６が配置される。二次電池６６は、シートレール１８で囲まれた空間を通るように矢印Ｐで示す斜め方向に着脱できる。二次電池６６は、セルスタック１０２（後述）からの電力を蓄え、コントローラ１５０（後述）の指令に応じて電気構成部材に電力を供給する。二次電池６６は、セルスタック１０２や外部の商用電源によって充電できる。二次電池６６には、二次電池６６の蓄電量を検出するための蓄電量検出器６２が内蔵されている。

自動二輪車１０は燃料電池システム１００を含む。
燃料電池システム１００は、電動モータ５６や補機類等を駆動するための電気エネルギを生成する。

以下、燃料電池システム１００について説明する。
図１および図２を参照して、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電気エネルギの生成（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。

燃料電池システム１００は、下部フレーム２８の下方に配置されるセルスタック１０２を含む。図１に示すように、セルスタック１０２は、後部フレーム２６から吊るされるステー１０４によって支持されている。

図１１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発電できる燃料電池（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。

また、図１および図２に戻って、二次電池６６およびクレードルフレーム１６の後部フレーム２６の後方には、上から順にラジエータ１０６および気液分離器１０８が後方に傾くように配置されている。ラジエータ１０６はシートレール１８および支持フレーム２０に、気液分離器１０８は後部フレーム２６に、それぞれ固定されている。ラジエータ１０６の裏面側にはラジエータ１０６を冷却するためのファン１１０が設けられ、気液分離器１０８の裏面側には気液分離器１０８を冷却するためのファン１１２が設けられている。ファン１１０および１１２はそれぞれ、ラジエータ１０６および気液分離器１０８による冷却動作を促進し、燃料電池システム１００の温度上昇を抑制する。

ここで、注目すべきは、クレードルフレーム１６内であり二次電池６６の前方に、燃料供給系の組立体１１４が設けられていることである。
図４から図１０を参照して、組立体１１４について説明する。
組立体１１４は、燃料ユニット１１６と水溶液ユニット１１８とを含む。

燃料ユニット１１６は燃料タンク１２０を含む。燃料タンク１２０は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、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１２０の前面には、レベルセンサ１２２および燃料フィルタ１２４が挿着され、またブラケット１２６を介して逆止弁１２８（図８参照）が取り付けられている。レベルセンサ１２２によって、燃料タンク１２０内のメタノール燃料の液面の高さひいては液量が検出される。燃料タンク１２０の左側下面には、ブラケット１３０を介してボルトによってラジエータバルブ１３２が取り付けられ、燃料タンク１２０の下面には、ブラケット１３４を介してボルトによって燃料ポンプ１３６が取り付けられている。燃料タンク１２０の後部にはキャッチタンク１３８がたとえば面ファスナーによって取り付けられている。燃料タンク１２０の補給口１２０ａとキャッチタンク１３８の補給口１３８ａとには燃料の受け皿１４０が装着され、補給口１２０ａおよび１３８ａにはそれぞれ蓋１４２および１４４が取り付けられる。

一方、水溶液ユニット１１８は水溶液タンク１４６を含む。水溶液タンク１４６は、燃料タンク１２０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。水溶液タンク１４６の上面には、レベルセンサ１４８が挿着され、またブラケット１５０を介してボルトによって水溶液ポンプ１５２が取り付けられている。レベルセンサ１４８によって、水溶液タンク１４６内のメタノール水溶液の液面の高さひいては液量が検出される。水溶液タンク１４６の右側には、ブラケット１５４を介してボルトによって水溶液フィルタ１５６が取り付けられている。水溶液フィルタ１５６は、ゴムバンド１５７によってブラケット１５４に固定されている。水溶液タンク１４６の後面には、ブラケット１５８を介して逆止弁１５９（図８参照）が取り付けられている。

このような燃料ユニット１１６と水溶液ユニット１１８とは、ラバーマウントによって２箇所で接続され一体化されている。
まず、燃料タンク１２０の前側にはブラケット１６０が取り付けられている。ブラケット１６０にはゴム製のグロメット１６２が装着され、グロメット１６２が金属製のカラー１６４およびワッシャ１６６によって両側から挟まれ、ボルト１６８によってブラケット１６０が水溶液タンク１４６の右面に固定されている。

また、燃料タンク１２０と水溶液タンク１４６とはブラケット１７０を介して接続されている。ブラケット１７０は、燃料タンク１２０の左面に１箇所で接続され、水溶液タンク１４６の後面に２箇所で接続されている。すなわち、ブラケット１７０にはゴム製の３つのグロメット１７２が装着されている。１つのグロメット１７２が金属製のカラー１７４およびワッシャ１７６によって両側から挟まれ、ボルト１７８によってブラケット１７０が燃料タンク１２０の左面に接続されている。同様に、２つのグロメット１７２のそれぞれが、金属製のカラー１７４およびワッシャ１７６によって両側から挟まれ、ボルト１７８によってブラケット１７０が水溶液タンク１４６の後面に接続されている。

このようなブラケット１７０には検出用バルブ１８０が取り付けられている。さらに、ブラケット１７０にはブラケット１８２が取り付けられ、ブラケット１８２に超音波センサ１８４が取り付けられている。

このようにして得られた組立体１１４は、３箇所で車体フレーム１２に取り付けられ、そのうちの２箇所がラバーマウントによって接続されている。取り付け箇所は、燃料タンク１２０が２箇所、水溶液タンク１４６が１箇所である。具体的には、燃料タンク１２０の前側上部にブラケット１８６が取り付けられ、ブラケット１８６にはゴム製のグロメット１８８が装着され、グロメット１８８が金属製のカラー１９０およびワッシャ１９２によって両側から挟まれ、ボルト１９４によってブラケット１８６が上部フレーム２４に取り付けられている。また、燃料タンク１２０の後側上部がボルト１９６によって上部フレーム２４に取り付けられている。さらに、水溶液タンク１４６の下面にブラケット１９８が一体的に形成され、ブラケット１９８にはゴム製のグロメット２００が装着され、グロメット２００が金属製のカラー２０２およびワッシャ２０４によって両側から挟まれ、ボルト２０６によってブラケット１９８が下部フレーム２８に取り付けられている。このようにして、燃料タンク１２０がクレードルフレーム１６の上部フレーム２４の下方に位置し、かつ水溶液タンク１４６が燃料タンク１２０の前方斜め左下方向に位置するように、組立体１１４がクレードルフレーム１６内に配置され固定されている。

図１および図２に戻って、セルスタック１０２の後方であり後部フレーム２６の下側には水タンク２０８が設けられ、水タンク２０８にはレベルセンサ２１０（図１２参照）が装着され、水タンク２０８内の水面の高さひいては水量が検出される。水タンク２０８の上面には水ポンプ２１２が取り付けられている。

図２からわかるように、クレードルフレーム１６の右側には、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２１４が配置されている。エアフィルタ２１４の下方にはエアチャンバ２１６が設けられ、エアチャンバ２１６の下方にはエアポンプ２１８が設けられている。

また、クレードルフレーム１６の上部フレーム２４の第１壁２４ａと第２壁２４ｂとの間において第２壁２４ｂの対向面３２ｂ上にはコントローラ２２０が設けられ、たとえばボルトによって固定されている。第１壁２４ａの上面にはＤＣ−ＤＣコンバータを含む電源回路２２２が配置され、たとえばボルトによって固定されている。また、ヘッドパイプ１４には、クレードルフレーム１６を右側から操作できるようにメインスイッチ２２４が設けられている。メインスイッチ２２４がオンされることによってコントローラ２２０が起動されかつリレー２５２（後述）がオンされる。
さらに、後部フレーム２６の左側近傍にはＯＮ／ＯＦＦ回路２２６が設けられ、後部フレーム２６の右側近傍にはＤＣ−ＤＣコンバータ２２８が設けられている。

図１１をも参照して、燃料タンク１２０に挿着された燃料フィルタ１２４と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ２を介して接続され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１４６とはパイプＰ３を介して接続されている。

水溶液タンク１４６と水溶液ポンプ１５２とはパイプＰ４を介して接続され、水溶液ポンプ１５２と水溶液フィルタ１５６とはパイプＰ５およびＰ６を介して接続され、水溶液フィルタ１５６と入口温度センサ２３０とはパイプＰ７を介して接続され、入口温度センサ２３０とセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１とはパイプＰ８を介して接続されている。水溶液ポンプ１５２を駆動させることによってセルスタック１０２にメタノール水溶液が供給される。入口温度センサ２３０がセルスタック１０２に流入するメタノール水溶液の温度を検出する。この検出温度をセルスタック１０２の温度とみなす。

セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２と出口温度センサ２３２とはパイプＰ９を介して接続され、出口温度センサ２３２とラジエータ１０６とはパイプＰ１０を介して接続されている。出口温度センサ２３２がセルスタック１０２から流出するメタノール水溶液の温度を検出する。

ラジエータ１０６と水溶液タンク１４６とはパイプＰ１１を介して接続されている。また、パイプＰ１０とＰ１１とは、パイプＰ１２、ラジエータバルブ１３２およびパイプＰ１３を介して接続されて、ラジエータ１０６をバイパスする流路が構成されている。
上述したパイプＰ２〜Ｐ１３は主として燃料の流路となる。

また、エアフィルタ２１４とエアチャンバ２１６とはパイプＰ１４を介して接続され、エアチャンバ２１６とエアポンプ２１８とはパイプＰ１５を介して接続され、エアポンプ２１８とセルスタック１０２のカソード入口Ｉ３とはパイプＰ１６を介して接続されている。燃料電池システム１００の発電時にはエアポンプ２１８を駆動させることによって、酸素を含む空気が外部から吸入される。

セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４と気液分離器１０８とはパイプＰ１７を介して接続され、気液分離器１０８と水タンク２０８とはパイプＰ１８を介して接続され、水タンク２０８にはパイプ（排気管）Ｐ１９が設けられている。

燃料タンク１２０の気層と逆止弁１２６とはパイプＰ２０を介して接続され、逆止弁１２６と水溶液タンク１４６の気層とはパイプＰ２１を介して接続されている。このようにして燃料タンク１２０と水溶液タンク１４６との気層同士が接続される。
上述したパイプＰ１４〜Ｐ１９は主として酸化剤の流路となる。

さらに、水タンク２０８と水ポンプ２１２とはパイプＰ２２を介して接続され、水ポンプ２１２と水フィルタ２３４とはパイプＰ２３を介して接続され、水フィルタ２３４と逆止弁１５９とはパイプＰ２４を介して接続され、逆止弁１５９と水溶液タンク１４６とはパイプＰ２５を介して接続されている。
上述したパイプＰ２２〜Ｐ２５は水の流路となる。

また、パイプＰ５には超音波センサ１８４が接続されている。超音波センサ１８４は、メタノール濃度に応じて超音波の伝搬時間（伝搬速度）が変化することを利用して、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）を検出するために用いられる。超音波センサ１８４による濃度検出には、セルスタック１０２に向けて送られるメタノール水溶液の一部が用いられる。超音波センサ１８４は、発信部と受信部とを含み、発信部から発信した超音波を受信部で受信して超音波伝搬時間を検出し、その伝搬時間に相当する電圧値を物理的な濃度情報とする。コントローラ２２０は、その濃度情報に基づいて、セルスタック１０２に送られるメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。

超音波センサ１８４にはパイプＰ２６を介して検出用バルブ１８０が接続され、検出用バルブ１８０と水溶液タンク１４６とはパイプＰ２７を介して接続されている。メタノール濃度の検出時には検出用バルブ１８０が閉じられ、超音波センサ１８４内でのメタノール水溶液の流れが止められる。メタノール濃度の検出後、検出用バルブ１８０が開けられ、濃度検出済みのメタノール水溶液が水溶液タンク１４６に戻される。
上述したパイプＰ２６およびＰ２７は主として濃度検出用の流路となる。

さらに、水溶液タンク１４６とキャッチタンク１３８とはパイプＰ２８を介して接続され、キャッチタンク１３８とパイプＰ１６とはパイプＰ２９を介して接続され、キャッチタンク１３８と水溶液タンク１４６とはパイプＰ３０を介して接続されている。
上述したパイプＰ２０，Ｐ２１およびＰ２８〜Ｐ３０は主として燃料処理用の流路となる。

図１および図２に戻って、このような自動二輪車１０はカバー２３６を備える。カバー２３６は、シートの部分を除いてクレードルフレーム１６や燃料電池システム１００を、車両左右両側および上側から覆うように設けられている。カバー２３６は、ヘッドパイプ１４の下側接続部１４ｂの近傍に外気を取り入れるための吸気口（図示せず）を有している。吸気口は前方下向きに形成されている。ラジエータ冷却用のファン１１０の駆動によってカバー２３６内の空間が負圧となるため吸気口から外気が導入される。これによってクレードルフレーム１６内に設けられた各種補機類やコントローラ２２０等が冷却される。

ついで、図１２を参照して、燃料電池システム１００の電気的構成について説明する。
燃料電池システム１００のコントローラ２２０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ＣＰＵ２３８、ＣＰＵ２３８にクロックを与えるクロック回路２４０、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２４２、電動モータ５６にセルスタック１０２を接続するための電気回路２４４における電圧を検出するための電圧検出回路２４６、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２４８、および電気回路２４４を保護するための電圧保護回路２５０を含む。

電気回路２４４には、電気回路２４４を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路２２６およびＤＣ−ＤＣコンバータ２２８が直列接続され、さらに、電気回路２４４には所定の電圧を出力するための電源回路２２２がリレー２５２を介して接続されている。電圧保護回路２５０は、セルスタック１０２の電圧低下検出時にＯＮ／ＯＦＦ回路２２６を開放させる。

このようなコントローラ２２０のＣＰＵ２３８には、レベルセンサ１２２，１４８および２１０からの検出信号、ならびに超音波センサ１８４、入口温度センサ２３０および出口温度センサ２３２からの検出信号が入力される。また、ＣＰＵ２３８には、メインスイッチ２２４からの入力信号や、入力部４０ｃの始動ボタン４２ａおよび停止ボタン４２ｂからの入力信号が入力される。また、ＣＰＵ２３８には蓄電量検出器６２からの検出信号が入力される。ＣＰＵ２３８は、蓄電量検出器６２からの検出信号と二次電池６６の容量に関する情報とを用いて二次電池６６の蓄電率（二次電池６６の容量に対する蓄電量の割合）を算出する。さらに、ＣＰＵ２３８には電圧検出回路２４６からの電圧検出値および電流検出回路２４８からの電流検出値が入力される。ＣＰＵ２３８は、電圧検出値と電流検出値とを用いてセルスタック１０２の出力を算出する。

また、ＣＰＵ２３８によって、燃料ポンプ１３６、水溶液ポンプ１５２、エアポンプ２１８、水ポンプ２１２、ファン１１０，１１２、ラジエータバルブ１３２および検出用バルブ１８０等の補機類が制御される。また、ＣＰＵ２３８によって、各種情報を表示し自動二輪車１０のドライバに各種情報を報知するための表示部４０ｂが制御される。さらに、ＣＰＵ２３８によって、入力部４０ｃのバックライト４２ｃの点灯／消灯が制御される。また、ＣＰＵ２３８によって、ＯＮ／ＯＦＦ回路２２６およびリレー２５２の開閉動作が制御され、電源回路２２２の動作が制御され、電動モータ５６と二次電池６６との電気的接続が制御される。

セルスタック１０２には二次電池６６およびコントローラ６０を接続できる。二次電池６６およびコントローラ６０は電動モータ５６に接続できる。二次電池６６はセルスタック１０２からの電力によって充電可能であり、二次電池６６の放電によって電動モータ５６、コントローラ６０および補機類等に電力を与えることができる。

コントローラ６０には、電動モータ５６の各種データを計測するためのメータ４０ａが接続され、メータ４０ａによって計測されたデータおよび電動モータ５６の状況は、ＣＰＵ２３８に与えられる。

なお、二次電池６６は自動二輪車１０から取り外して外部電源（商用電源）によって充電できる。

ついで、このような自動二輪車１０の基本的な動作について説明する。
まず、メインスイッチ２２４がオンされるとコントローラ２２０が起動され、リレー２５２がオンされる。リレー２５２がオンされると、二次電池６６からの電圧が電源回路２２２で所定の電圧に変換されて補機類等に与えられる。その後、始動ボタン４２ａが押されると、コントローラ６０によって電動モータ５６と二次電池６６とが電気的に接続され、二次電池６６の蓄電量が所定値（たとえば蓄電率４０％）以上であれば、二次電池６６によって電動モータ５６が駆動される。

二次電池６６の蓄電量が当該所定値未満であれば、ＣＰＵ２３８によってＯＮ／ＯＦＦ回路２２６がオンされ、セルスタック１０２が二次電池６６および電動モータ５６に接続される。そして、ＣＰＵ２３８からの指示によって水溶液ポンプ１５２やエアポンプ２１８等の補機類の駆動が開始され、セルスタック１０２の発電が開始される。

図１１を参照して、セルスタック１０２の発電動作について説明する。
水溶液タンク１４６内のメタノール水溶液は、水溶液ポンプ１５２の駆動によってパイプＰ４からＰ６を介して水溶液フィルタ１５６に供給される。そして、水溶液フィルタ１５６で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプＰ７、入口温度センサ２３０、パイプＰ８およびアノード入口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。

また、水溶液タンク１４６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Ｐ２８を介してキャッチタンク１３８に与えられる。キャッチタンク１３８内では気化したメタノールと水蒸気とが冷却される。キャッチタンク１３８内で得られたメタノール水溶液は、パイプＰ３０を介して水溶液タンク１４６に戻される。また、キャッチタンク１３８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Ｐ２９を介してパイプＰ１６に与えられる。

一方、エアポンプ２１８の駆動によってエアフィルタ２１４から吸入された空気（エア）は、パイプＰ１４を介してエアチャンバ２１６に流入することによって消音され、その後パイプＰ１５およびエアポンプ２１８を介してパイプＰ１６に与えられる。そして、その空気は、キャッチタンク１３８からの気体とともに、パイプＰ１６およびカソード入口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。

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。セルスタック１０２からの電力は、二次電池６６への充電や自動二輪車１０の走行駆動等に利用される。セルスタック１０２は、電気化学反応に伴って発生する熱によって温度上昇する。セルスタック１０２の出力はその温度上昇に伴って上昇し、セルスタック１０２は約６０℃で定常的に発電可能となる。この実施形態では、燃料電池システム１００は、セルスタック１０２の温度が６０℃を超えると昇温運転から通常運転に移行する。

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伴って熱せられる。当該二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、昇温運転時には、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２、パイプＰ９、出口温度センサ２３２およびパイプＰ１０を介してラジエータ１０６に与えられ冷却された後、パイプＰ１１を介して水溶液タンク１４６に戻される。ラジエータ１０６による二酸化炭素および未反応メタノールの冷却動作は、ファン１１０を動作させることによって促進される。

また、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２から流出するメタノール水溶液が所定温度以下であり冷却する必要がない場合には、ラジエータバルブ１３２が開き、そのメタノール水溶液は、パイプＰ１２、ラジエータバルブ１３２、パイプＰ１３およびＰ１１を介して水溶液タンク１４６に与えられる。

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から排出された水分（水、水蒸気）、二酸化炭素および未反応の空気を含む排気は、パイプＰ１７を介して気液分離器１０８に与えられて冷却され、水蒸気の一部は露点以下となって液化される。気液分離器１０８による水蒸気の液化動作は、ファン１１２を動作させることによって促進される。そして、気液分離器１０８からの水、水蒸気、二酸化炭素および未反応の空気を含む排気は、パイプＰ１８を介して水タンク２０８に供給され、水は水タンク２０８に回収され、水蒸気、二酸化炭素および未反応の空気を含む排気はパイプＰ１９を介して外部へ排出される。

水タンク２０８に回収された水は、水ポンプ２１２の駆動によってパイプＰ２２、水ポンプ２１２、パイプＰ２３、水フィルタ２３４、パイプＰ２４、逆止弁１５９およびパイプＰ２５を介して水溶液タンク１４６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。

また、燃料タンク１２０内のメタノール燃料は、燃料ポンプ１３６の駆動によって、燃料フィルタ１２４で不純物等が除去されパイプＰ２、燃料ポンプ１３６およびパイプＰ３を介して水溶液タンク１１６に供給される。

つぎに、自動二輪車１０の運転停止動作について説明する。
まず、自動二輪車１０が運転されかつ燃料電池システム１００が発電している状態において、メインスイッチ２２４がオフされると、電動モータ５６とセルスタック１０２および二次電池６６との接続を絶つようにＣＰＵ２３８がコントローラ６０に指示する。これに応じて、電動モータ５６とセルスタック１０２および二次電池６６との接続が絶たれる。その後、二次電池６６の蓄電量が所定値（たとえば蓄電率９８％）以上になるか停止ボタン４２ｂが押されると、水溶液ポンプ１５２およびエアポンプ２１８等の補機類が停止されるとともにＯＮ／ＯＦＦ回路２２６およびリレー２５２がオフされる。これによって、燃料電池システム１００の発電が停止されかつ自動二輪車１０の運転が停止される。

また、自動二輪車１０が運転されかつ燃料電池システム１００が発電している状態において、二次電池６６の蓄電量が所定値（たとえば蓄電率９８％）以上になるか停止ボタン４２ｂが押されると、水溶液ポンプ１５２およびエアポンプ２１８等の補機類が停止されるとともにＯＮ／ＯＦＦ回路２２６がオフされ、燃料電池システム１００の発電が停止される。その後、メインスイッチ２２４がオフされると、電動モータ５６とセルスタック１０２および二次電池６６との接続が絶たれるとともにリレー２５２がオフされ、自動二輪車１０の運転が停止される。

このような自動二輪車１０によれば、燃料タンク１２０に燃料フィルタ１２４や燃料ポンプ１３６等を取り付けて燃料ユニット１１６を構成することによって、構成部材間の配管を短くできる。たとえば図９からわかるように、燃料タンク１２０および燃料ポンプ１３６間の配管は、短いパイプＰ２で足りる。また、燃料ユニット１１６を単体として取り扱うことができるので、車体フレーム１２への取り付け箇所を減じることができ着脱が容易になる。

水溶液タンク１４６に水溶液ポンプ１５２や水溶液フィルタ１５６等を取り付けて水溶液ユニット１１８を構成することによっても同様の効果が得られる。たとえば図１０からわかるように、水溶液タンク１４６および水溶液フィルタ１５６間の配管は、短いパイプＰ４，Ｐ５およびＰ６で足りる。

さらに、このような燃料ユニット１１６と水溶液ユニット１１８とを一体化して組立体１１４を構成することによって、構成部材間の配管をさらに短くできる。たとえば図７からわかるように、燃料タンク１２０と水溶液タンク１４６とを、パイプＰ２０、逆止弁１２８およびパイプＰ２１の短い流路で結ぶことができる。また、図８および図９からわかるように、燃料タンク１２０と水溶液タンク１４６とを、パイプＰ２、燃料ポンプ１３６およびパイプＰ３の短い流路で結ぶことができる。

また、一体化された組立体１１４を単体として取り扱うことができるので、車体フレーム１２への取り付け箇所をさらに減じることができ着脱もさらに容易になる。

具体的には、水溶液フィルタ１５６と入口温度センサ２３０とを結ぶパイプＰ７、キャッチタンク１３８とカソード流路となるパイプ１６とを結ぶパイプＰ２９、水溶液タンク１４６とラジエータ１０６とを結ぶパイプＰ１１、および水フィルタ２３４と逆止弁１５９とを結ぶパイプＰ２４を取り外すだけで、組立体１１４をクレードルフレーム１６から容易に取り外すことができる。さらに、クレードルフレーム１６から取り外された状態の組立体１１４は、その構成部材に容易に分解でき、作業性が向上する。

水溶液ポンプ１５２を水溶液タンク１４６の上に取り付けることによって、水溶液ポンプ１４６と他のポンプとを容易に見分けることができ、作業者の負担を軽減できる。

また、燃料ポンプ１３６を燃料タンク１２０に取り付けることによって、燃料ポンプ１３６と他のポンプとを容易に見分けることができ、作業者の負担を軽減できる。

また、燃料タンク１２０と水溶液タンク１４６とはブラケット１６０および１７０を介してラバーマウントによって接続されているので、ある程度の変形を許容できる。すなわち、外力が加わった際、応力が集中しやすいこれらのタンク１２０および１４６とブラケット１６０および１７０との接続箇所での破損を防止できる。特に、燃料タンク１２０および水溶液タンク１４０を樹脂製とした場合に効果的である。

さらに、組立体１１４とクレードルフレーム１６とも２箇所でラバーマウントによって接続されているので、組立体１１４に加わる外力を吸収でき、組立体１１４とクレードルフレーム１６との接続箇所での破損を防止できる。

上述の実施形態では、燃料タンク１２０の後側上部はボルト１９６によって上部フレーム２４に取り付けられたが、この箇所もラバーマウントによって接続されてもよい。

この発明は、燃料電池システム１００の構成部品間の配管を短くでき燃料電池システム１００を小さく構成できるので、自動二輪車１０に好適に用いられる。

上述の実施形態では、燃料タンク１２０に燃料フィルタ１２４および燃料ポンプ１３６等が取り付けられたが、燃料フィルタ１２４および燃料ポンプ１３６のいずれか一方が燃料タンク１２０に取り付けられればよい。また、燃料フィルタ１２４は、燃料タンク１２０に挿着されるのではなく燃料タンク１２０の外面に取り付けられ、燃料タンク１２０にパイプを介して接続されてもよい。

上述の実施形態では、水溶液タンク１４６に水溶液フィルタ１５６および水溶液ポンプ１５２等が取り付けられたが、水溶液フィルタ１５６および水溶液ポンプ１５２のいずれか一方が水溶液タンク１４６に取り付けられればよい。

この発明の燃料電池システムは、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好適に用いることができる。

上述の実施形態では、高濃度燃料としてメタノール燃料を、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、高濃度燃料としてエタノール燃料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。

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１の実施形態の自動二輪車を示す右側面図である。 車体フレームを示す斜視図である。 組立体を示す分解斜視図である。 組立体を左後方から見た斜視図である。 組立体を右前方から見た斜視図である。 配管された組立体を左後方から見た斜視図である。 配管された組立体を左下方から見た斜視図である。 配管された組立体を右前方から見た斜視図である。 水溶液ユニットを右前方から見た斜視図である。 燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 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。

符号の説明

１０ 自動二輪車
１００ 燃料電池システム
１０２ セルスタック
１１４ 組立体
１１６ 燃料ユニット
１１８ 水溶液ユニット
１２０ 燃料タンク
１２４ 燃料フィルタ
１３６ 燃料ポンプ
１４６ 水溶液タンク
１５２ 水溶液ポンプ
１５６ 水溶液フィルタ
Ｐ２〜Ｐ３０ パイプ

Claims (6)

1. 燃料を保持する保持手段、
   前記保持手段に保持されている前記燃料を供給するための供給手段、および
   前記保持手段から供給される前記燃料を浄化するための浄化手段を備え、
   前記供給手段および前記浄化手段の少なくともいずれか一方が前記保持手段に取り付けられている、燃料電池システム。
2. 前記燃料は燃料水溶液であり、
   前記保持手段は前記燃料水溶液を保持する水溶液タンクであり、
   前記供給手段は前記水溶液タンクに保持された前記燃料水溶液を供給するための水溶液ポンプであり、
   前記浄化手段は前記水溶液ポンプから供給される前記燃料水溶液を浄化するための水溶液フィルタである、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水溶液タンクの上に前記水溶液ポンプが設けられている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料は高濃度燃料であり、
   前記保持手段は前記高濃度燃料を保持する燃料タンクであり、
   前記供給手段は前記燃料タンクに保持された前記高濃度燃料を供給するための燃料ポンプであり、
   前記浄化手段は前記燃料ポンプから供給される前記高濃度燃料を浄化するための燃料フィルタである、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 高濃度燃料を保持する燃料タンク、前記燃料タンクに保持されている前記高濃度燃料を供給するための燃料ポンプ、および前記燃料タンクから供給される前記高濃度燃料を浄化するための燃料フィルタを備え、前記燃料ポンプおよび前記燃料フィルタの少なくともいずれか一方が前記燃料タンクに取り付けられている燃料ユニットと、
   燃料水溶液を保持する水溶液タンク、前記水溶液タンクに保持されている前記燃料水溶液を供給するための水溶液ポンプ、および前記水溶液タンクから供給される前記燃料水溶液を浄化するための水溶液フィルタを備え、前記水溶液ポンプおよび前記水溶液フィルタの少なくともいずれか一方が前記水溶液タンクに取り付けられている水溶液ユニットとを備え、
   前記燃料ユニットと前記水溶液ユニットとが一体的に構成されている、燃料電池システム。
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含む、輸送機器。

Images