JP2008140778A - 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】燃料水溶液の濃度変化を抑えることができる、燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器を提供する。
【解決手段】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、セルスタック１０２、セルスタック１０２に供給するためのメタノール水溶液を保持する水溶液タンク１１６、メタノール燃料を保持する燃料タンク１１４、水を保持する水タンク１１８、燃料タンク１１４のメタノール燃料を水溶液タンク１１６に供給する燃料ポンプ１２８、水タンク１１８の水を水溶液タンク１１６に供給する水ポンプ１４６、および燃料電池システム１００を制御するＣＰＵ１５６を含む。ＣＰＵ１５６は、水溶液タンク１１６への水の供給量を水ポンプ１４６の駆動時間と出力とを用いて取得し、当該水の供給量に応じたメタノール燃料を水溶液タンク１１６に供給するように燃料ポンプ１２８を制御する。
【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、燃料水溶液を保持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。

一般に、燃料電池に燃料水溶液を直接供給する燃料電池システムにおいて、燃料水溶液を保持する水溶液保持手段の液量を所定量に保つように水溶液保持手段に水を供給することが知られている。

また、特許文献１には、燃料電池に燃料水溶液を直接供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池の開回路電圧（Open Circuit Voltage）を用いて燃料水溶液の濃度を検出し、その検出結果に基づいて燃料水溶液の濃度を調整する技術が開示されている。
再公表ＷＯ２００４／０３０１３４号公報

通常、燃料水溶液の化学変化は低温である方が鈍くなるので、燃料水溶液が低温である方が異なる濃度毎の開回路電圧の差は小さくなる。また、燃料電池の発電停止中には、アノード側の反応によって生じたプロトンが酸素と反応せずに蓄えられる。そして発電開始時に当該蓄えられたプロトンが急激に酸素と反応するので開回路電圧は不安定になる。

上述のことから、燃料水溶液が低温である場合や発電開始後しばらくは濃度の検出結果の信頼性が低くなり、適切に濃度を調整できなくなってしまう。このような場合に液量を所定量に保つために水溶液保持手段に水が供給されると燃料水溶液の濃度が大きく変化してしまうという問題があった。特許文献１には、燃料水溶液が低温である場合（特許文献１：図２参照）や発電開始時に濃度をどのように検出し調整するのか開示されていない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、燃料水溶液の濃度変化を抑えることができる、燃料電池システムおよびそれを含む輸送機器を提供することである。

上述の目的を達成するために、燃料電池、燃料電池に供給するための燃料水溶液を保持する水溶液保持手段、水溶液保持手段に水を供給する水供給手段、水溶液保持手段に燃料を供給する燃料供給手段、水供給手段によって水溶液保持手段に供給される水の供給量に関するデータを取得する水供給量取得手段、および水供給量取得手段によって取得される水の供給量に関するデータに基づいて燃料供給手段を制御する制御手段を備える、燃料電池システムが提供される。

この発明では、水の供給量に応じた燃料を水溶液保持手段に供給するように制御手段が燃料供給手段を制御する。このように水の供給量に応じて水溶液保持手段に燃料を供給することによって、燃料水溶液の濃度を適切に調整できないときであっても、水の供給に伴う燃料水溶液の濃度変化を抑えることができる。

好ましくは、水供給量取得手段によって取得される水の供給量に関するデータに基づいて水溶液保持手段への燃料の供給量に関するデータを取得する第１燃料供給量取得手段をさらに含み、制御手段は、第１燃料供給量取得手段によって取得される燃料の供給量に関するデータに基づいて燃料供給手段を制御する。この場合、水の供給量に応じた燃料の供給量に関するデータを第１燃料供給量取得手段が取得し、当該燃料の供給量に関するデータに基づいて制御手段が燃料供給手段を制御する。これによって水溶液保持手段に適切な量の燃料を供給できる。

また好ましくは、燃料水溶液の濃度に関する情報に基づいて水溶液保持手段への燃料の供給量に関するデータを取得する第２燃料供給量取得手段をさらに含み、制御手段は、第１燃料供給量取得手段によって取得される燃料の供給量に関するデータと第２燃料供給量取得手段によって取得される燃料の供給量に関するデータとに基づいて燃料供給手段を制御する。この場合、燃料水溶液の濃度に関する情報に基づいた燃料の供給量に関するデータを第２燃料供給量取得手段が取得する。そして、第１および第２燃料供給量取得手段がそれぞれ取得した燃料の供給量に関するデータに基づいて制御手段が燃料供給手段を制御する。これによって、燃料電池での燃料の消費量等にも応じて水溶液保持手段に燃料を供給することができ、燃料電池に供給する燃料水溶液を所望の濃度に近づけることができる。

ここで、濃度に関する情報として、濃度検出手段の検出結果を用いてもよいし、燃料の消費量などの算出結果を用いてもよい。

さらに好ましくは、燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段、および濃度検出手段の検出結果を信頼できるか否かを判定する判定手段をさらに含み、第２燃料供給量取得手段は、判定手段が濃度検出手段の検出結果を信頼できると判定すれば濃度検出手段の検出結果に基づいて燃料の供給量に関するデータを取得する。このように濃度検出手段の検出結果の信頼性が高い場合は濃度検出手段の検出結果に基づいて第２燃料供給量取得手段が燃料の供給量に関するデータを取得することによって、燃料電池での燃料の消費に伴う濃度変化およびクロスオーバーや気化等に伴う濃度変化をも抑えることができる。したがって、燃料電池に供給する燃料水溶液をより確実に所望の濃度に近づけることができる。

好ましくは、燃料電池での燃料の消費量を取得する消費量取得手段をさらに含み、第２燃料供給量取得手段は、判定手段が濃度検出手段の検出結果を信頼できないと判定すれば消費量取得手段によって取得される燃料の消費量に基づいて燃料の供給量に関するデータを取得する。これによって、濃度検出手段の検出結果に基づいて燃料の供給量に関するデータを取得できない場合であっても、水の供給に伴う濃度変化と燃料電池での燃料の消費に伴う濃度変化とを抑えることができ、燃料水溶液の濃度変化をより確実に抑えることができる。

また好ましくは、燃料水溶液の温度を検出する温度検出手段、および燃料電池の発電開始からの時間を計時する計時手段をさらに含み、判定手段は、温度検出手段の検出結果と計時手段の計時結果とに基づいて濃度検出手段の検出結果を信頼できるか否かを判定する。この場合、温度検出手段によって検出される燃料水溶液の温度と計時手段によって計時される燃料電池の発電開始からの時間とに基づいて濃度検出手段の検出結果を信頼できるか否かを容易に判定できる。

さらに好ましくは、水供給手段によって水溶液保持手段に供給される水は燃料電池の電気化学反応によって生成されたものである。このように燃料電池の電気化学反応によって生成される水を水溶液保持手段に供給することによって、外部から水を供給せずともシステム内で水を賄うことができる。

好ましくは、燃料電池からの水を保持する水保持手段をさらに含み、水供給手段は、水保持手段が保持する水を水溶液保持手段に供給する。この燃料電池システムでは、燃料電池からの水と排気とが水保持手段に導入される。そして、水保持手段に導入された水と排気とのうち、水は水保持手段に保持され、排気は排出される。このようにして水保持手段に保持される水を水供給手段によって水溶液保持手段に供給することで、燃料電池から水と排気とを水溶液保持手段に直接供給する場合に比べて水溶液保持手段に水を効率よく供給できる。また、水保持手段に水を保持することによって水のみを容易に水溶液保持手段に供給できるので、燃料電池から水と排気とを水溶液保持手段に直接供給する場合に比べて水溶液保持手段への正確な水の供給量を取得できる。

また好ましくは、水の供給量に関するデータは水供給手段の駆動時間を含む。水供給手段の駆動時間に基づけば水溶液保持手段への水の供給量に関するデータを容易かつ正確に取得できる。

さらに好ましくは、水溶液保持手段の液量を検出する第１液量検出手段を含み、水供給量取得手段は第１液量検出手段の検出結果に基づいて水の供給量に関するデータを取得する。この場合、水供給前の水溶液保持手段の液量と水供給後の水溶液保持手段の液量とを検出し、これらの差を水溶液保持手段への水の供給量として取得できる。このように水の供給に伴う水溶液保持手段の液量の増加分を水の供給量とすることによって、より正確な水の供給量を取得できる。

好ましくは、第１液量検出手段は水溶液保持手段の液面の高さに基づいて水溶液保持手段の液量を検出する。一般に、燃料水溶液を燃料電池に循環供給する燃料電池システムや水溶液保持手段の液量を所定量に保つように水溶液保持手段に水を供給する燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、発電時に燃料水溶液の還流等に伴って燃料水溶液とともに発電によって発生した二酸化炭素などの気体が水溶液保持手段に供給されるため、水溶液保持手段の燃料水溶液に泡が発生する。水溶液保持手段の液面の高さ（液位）に基づいて水溶液保持手段の液量を検出する場合、発電時には泡を含んだ燃料水溶液の液位が検出される。このために、発電時には実際の液量が所定量未満であっても水溶液保持手段の液量が所定量であると認識される。発電停止後しばらくすると泡は消えるので、次回の運転開始時には、所定量未満の液量が検出され、液量を所定量にするために水溶液保持手段に大量の水が供給される。この場合、燃料水溶液の濃度変化が特に大きくなってしまう。この発明は、水の供給量に応じて水溶液保持手段に燃料を供給できるので、液位に基づいて液量を検出する第１液量検出手段を用いることで水溶液保持手段に大量の水が供給されても、燃料水溶液の濃度変化を確実に抑えることができる。

また好ましくは、水保持手段の液量を検出する第２液量検出手段をさらに含み、水供給量取得手段は、第２液量検出手段の検出結果に基づいて水の供給量に関するデータを取得する。この場合、第２液量検出手段が水供給前の水保持手段の液量と水供給後の水保持手段の液量とを検出し、これらの差を水供給量取得手段が水溶液保持手段への水の供給量として取得できる。このように水の供給に伴う水保持手段の液量の減少分を水溶液保持手段への水の供給量とすることによって、より正確な水の供給量を取得できる。

さらに好ましくは、水溶液保持手段の液量を検出する第１液量検出手段を含み、制御手段は、第１液量検出手段の検出結果が第１所定量未満のとき水を供給するように水供給手段を制御し、第１液量検出手段の検出結果が第１所定量未満のときに供給された水の供給量に関するデータに基づいて燃料供給手段を制御する。この場合、水溶液保持手段の液量が第１所定量を超えない範囲で水を供給し、水の供給量に応じて燃料を供給する。したがって、水溶液保持手段内の水溶液を適量にできるとともに正確に濃度制御を行うことができる。

好ましくは、燃料電池からの水を保持する水保持手段、および水保持手段の液量を検出する第２液量検出手段をさらに含み、制御手段は、第１液量検出手段の検出結果が第１所定量未満でありかつ第２液量検出手段の検出結果が第２所定量以上のとき水を供給するように水供給手段を制御する。この場合、水保持手段の液量が第２所定量未満になれば水の供給を停止できるので、水がなくなることにより水ポンプなどの水供給手段が空回りすることを防止できるとともに水の供給量を正確に取得することができる。

輸送機器は、安定して運行できることが望まれる。この発明の燃料電池システムは、燃料水溶液の濃度変化を抑えることができるので、燃料電池の出力を安定させることができ、補機類ひいては輸送機器を安定して駆動できる。したがって、この発明の燃料電池システムは、輸送機器に好適に用いられる。

この発明によれば、燃料水溶液の濃度変化を抑えることができる。

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。

図１を参照して、自動二輪車１０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、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、およびフロントフレーム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を備えている。

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左右方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びるフランジ部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とを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃとともに板状部材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。

一方、リヤフレーム１８は、それぞれ前後方向に幅を有して後方へ斜め上方に延びかつフロントフレーム１６の後端部を挟むように左右に配置される一対の板状部材を含む。リヤフレーム１８の一対の板状部材の上端部には、図示しないシートを設けるためのシートレール２０が固設されている。なお、図１には、リヤフレーム１８の左側の板状部材が示されている。

ヘッドパイプ１４内には、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が取り付けられている。ハンドル支持部２６の上端には表示操作部２８が配置されている。

図３をも参照して、表示操作部２８は、電動モータ４０（後述）の各種データを計測表示するためのメータ２８ａ、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２８ｂ、および各種指示や各種情報入力用の入力部２８ｃを一体的に設けたものである。入力部２８ｃは、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２の発電開始を指示するための開始ボタン３０ａ、およびセルスタック１０２の発電停止を指示するための停止ボタン３０ｂを含む。

また、図１に示すように、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３２が取り付けられており、フロントフォーク３２それぞれの下端には前輪３４が回転自在に取り付けられている。

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）３６が揺動自在に取り付けられている。スイングアーム３６の後端部３６ａには、後輪３８に連結されかつ後輪３８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４０が内蔵されている。また、スイングアーム３６には、電動モータ４０に電気的に接続される駆動ユニット４２が内蔵されている。駆動ユニット４２は、電動モータ４０の回転駆動を制御するためのモータコントローラ４４、および二次電池１２６（後述）の蓄電量を検出する蓄電量検出器４６を含む。

このような自動二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００の構成部材が配置されている。燃料電池システム１００は、電動モータ４０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、図１および図２を参照して、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、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、フランジ部１６ｃから吊るされ、フロントフレーム１６の下方に配置されている。

図２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、ラジエータユニット１０８が配置されている。
図２に示すように、ラジエータユニット１０８は、水溶液用のラジエータ１０８ａと気液分離用のラジエータ１０８ｂとを一体的に設けたものである。ラジエータユニット１０８の裏面側には、ラジエータ１０８ａを冷却するためのファン１１０と、ラジエータ１０８ｂを冷却するためのファン１１２（図３参照）とが設けられている。なお、図１においては、ラジエータ１０８ａと１０８ｂとが左右に配置されているものとし、左側のラジエータ１０８ａを冷却するためのファン１１０が示されている。

また、リヤフレーム１８の一対の板状部材の間には、上方から順に燃料タンク１１４、水溶液タンク１１６および水タンク１１８が配置されている。
燃料タンク１１４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。水溶液タンク１１６は、燃料タンク１１４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。水タンク１１８は、セルスタック１０２の発電に伴って生成される水を収容している。

燃料タンク１１４にはレベルセンサ１２０が装着され、水溶液タンク１１６にはレベルセンサ１２２が装着され、水タンク１１８にはレベルセンサ１２４が装着されている。レベルセンサ１２０，１２２および１２４は、それぞれたとえば図示しないフロートを有するフロートセンサであり、浮動するフロートの位置によってタンク内の液面の高さ（液位）を検出する。

また、燃料タンク１１４の前側でありかつフロントフレーム１６の上側には、二次電池１２６が配置されている。二次電池１２６は、セルスタック１０２からの電力を蓄え、コントローラ１４２（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１２６の上側には、燃料ポンプ１２８が配置されている。また、燃料タンク１１４の前側かつ二次電池１２６の後方斜め上側には、キャッチタンク１３０が配置されている。

フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータユニット１０８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１３２が配置され、エアフィルタ１３２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１３４が配置されている。

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１３６およびエアポンプ１３８が収納されている。エアポンプ１３８の左側にはエアチャンバ１４０が配置されている。また、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、コントローラ１４２、防錆用バルブ１４４および水ポンプ１４６が配置されている。

フロントフレーム１６には、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メインスイッチ１４８が設けられている。メインスイッチ１４８がオンされることによってコントローラ１４２に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ１４８がオフされることによってコントローラ１４２に運転停止指示が与えられる。

図２に示すように、燃料タンク１１４と燃料ポンプ１２８とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１２８と水溶液タンク１１６とはパイプＰ２によって連通され、水溶液タンク１１６と水溶液ポンプ１３６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１３６と水溶液フィルタ１３４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１３４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Ｐ５はセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１に接続され、水溶液ポンプ１３６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。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（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）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電圧センサ１５０が設けられている。電圧センサ１５０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。コントローラ１４２は、その濃度情報に基づいて、セルスタック１０２に供給されたメタノール水溶液の濃度を検出する。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温度を検出する温度センサ１５２が設けられている。

セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１０８ａとはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１０８ａと水溶液タンク１１６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のアノード出口Ｉ２に接続されている。
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。

また、エアフィルタ１３２とエアチャンバ１４０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１４０とエアポンプ１３８とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１３８と防錆用バルブ１４４とはパイプＰ１０によって連通され、防錆用バルブ１４４とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって連通されている。パイプＰ１１はセルスタック１０２のカソード入口Ｉ３に接続されている。燃料電池システム１００の発電時には防錆用バルブ１４４を開いておき、その状態でエアポンプ１３８を駆動させることによって、酸素を含む空気（気体）が外部から吸入される。防錆用バルブ１４４は、燃料電池システム１００の停止時には閉じられており、エアポンプ１３８への水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ１３８の錆を防止する。エアフィルタ１３２付近には、外気温度を検出する外気温度センサ１５４が設けられている。

セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１０８ｂとはパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１０８ｂと水タンク１１８とはパイプＰ１３によって連通され、水タンク１１８にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。パイプＰ１４は水タンク１１８の排気口１１８ａ（図１参照）に設けられ、セルスタック１０２からの排気を外部に排出する。
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は主として酸化剤の流路となる。

また、水タンク１１８と水ポンプ１４６とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１４６と水溶液タンク１１６とはパイプＰ１６によって連通されている。
上述したパイプＰ１５，Ｐ１６は水の流路となる。

さらに、水溶液タンク１１６とキャッチタンク１３０とはパイプＰ１７，Ｐ１８によって連通され、キャッチタンク１３０とエアチャンバ１４０とはパイプＰ１９によって連通されている。
上述したパイプＰ１７〜Ｐ１９は主として燃料処理用の流路となる。

ついで、図３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１４２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ＣＰＵ１５６、ＣＰＵ１５６に現在の時刻を知らせるための時計回路１５８、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１６０、自動二輪車１０を駆動する電動モータ４０にセルスタック１０２を接続するための電気回路１６２における電圧を検出するための電圧検出回路１６４、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１６６、電気回路１６２を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路１６８、電気回路１６２に設けられるダイオード１７０、ならびに電気回路１６２に所定の電圧を供給するための電源回路１７２を含む。

このようなコントローラ１４２のＣＰＵ１５６には、レベルセンサ１２０，１２２および１２４からの検出信号、電圧センサ１５０、温度センサ１５２および外気温度センサ１５４からの検出信号、ならびに蓄電量検出器４６からの検出信号が入力される。ＣＰＵ１５６は、レベルセンサ１２０，１２２および１２４からの液位に対応する検出信号に基づいて各タンク内の液量を検出する。

また、ＣＰＵ１５６には、電源をオン／オフするためのメインスイッチ１４８からの入力信号や、入力部２８ｃの開始ボタン３０ａおよび停止ボタン３０ｂからの入力信号が入力される。

さらに、ＣＰＵ１５６には電圧検出回路１６４からの電圧検出値および電流検出回路１６６からの電流検出値が入力される。ＣＰＵ１５６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。ＣＰＵ１５６は、セルスタック１０２の出力を監視（モニタリング）し、或る期間の発電量を算出する。

また、ＣＰＵ１５６によって、燃料ポンプ１２８、水溶液ポンプ１３６、エアポンプ１３８、水ポンプ１４６、ファン１１０，１１２および防錆用バルブ１４４等の補機類が制御される。たとえば、水ポンプ１４６は、その出力（単位時間当たりの水の供給量）が一定になるようにＣＰＵ１５６によって制御される。さらに、ＣＰＵ１５６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２８ｂが制御される。

セルスタック１０２には二次電池１２６および駆動ユニット４２が接続される。二次電池１２６および駆動ユニット４２はリレー１７４を介して電動モータ４０に接続される。二次電池１２６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からの電力によって充電され、その放電によって電動モータ４０や補機類等に電力を与える。

電動モータ４０には、電動モータ４０の各種データを計測するためのメータ２８ａが接続される。メータ２８ａによって計測されたデータや電動モータ４０の状況は、インターフェイス回路１７６を介してＣＰＵ１５６に与えられる。

また、インターフェイス回路１７６には充電器２００が接続可能であり、充電器２００は外部電源（商用電源）２０２に接続できる。充電器２００を介してインターフェイス回路１７６に外部電源２０２が接続されている場合にはインターフェイス回路１７６を介してＣＰＵ１５６に外部電源接続信号が与えられる。充電器２００のスイッチ２００ａはＣＰＵ１５６によってオン／オフできる。

記憶手段であるメモリ１６０には、図４に示す動作を実行するためのプログラム、電圧センサ１５０によって得られた電気化学的な濃度情報（開回路電圧）を濃度に変換するための変換情報、ＣＰＵ１５６が算出した或る期間の発電量をメタノール消費量に変換するための変換情報および演算データ等が格納されている。

この実施形態では、水溶液タンク１１６が水溶液保持手段に相当し、水タンク１１８が水保持手段に相当し、温度センサ１５２が温度検出手段に相当する。ＣＰＵ１５６は水供給量取得手段、第１燃料供給量取得手段、第２燃料供給量取得手段、制御手段および判定手段としても機能する。水供給手段は水ポンプ１４６を含み、燃料供給手段は燃料ポンプ１２８を含み、濃度検出手段は電圧センサ１５０とＣＰＵ１５６とを含み、消費量取得手段はＣＰＵ１５６と時計回路１５８と電圧検出回路１６４と電流検出回路１６６とを含み、計時手段はＣＰＵ１５６と時計回路１５８とを含み、第１液量検出手段はレベルセンサ１２２とＣＰＵ１５６とを含み、第２液量検出手段はレベルセンサ１２４とＣＰＵ１５６とを含む。

ついで、燃料電池システム１００の基本的な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１４８がオンされることを契機として、コントローラ１４２を起動し、運転を開始する。そして、コントローラ１４２の起動後に二次電池１２６の蓄電量が所定値以下（たとえば蓄電率が４０％以下）となることまたは開始ボタン３０ａが押されることを契機として、二次電池１２６からの電力によって水溶液ポンプ１３６やエアポンプ１３８等の補機類を駆動し、セルスタック１０２の発電を開始する。このときの時刻がＣＰＵ１５６によって時計回路１５８から取得され、水溶液ポンプ１３６およびエアポンプ１３８の駆動開始の時刻つまり発電開始の時刻としてメモリ１６０に格納される。また、発電開始以降に、ＯＮ／ＯＦＦ回路１６８のオンおよびリレー１７４の切り替えが行われ、電動モータ４０がセルスタック１０２および二次電池１２６に接続される。

なお、燃料電池システム１００では、発電開始以降にセルスタック１０２が二次電池１２６に接続され、二次電池１２６が満充電になれば停止ボタン３０ｂが押されずともセルスタック１０２の発電が停止される。

図２を参照して、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液は、水溶液ポンプ１３６の駆動によってパイプＰ３，Ｐ４を介して水溶液フィルタ１３４に供給される。そして、水溶液フィルタ１３４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。

また、水溶液タンク１１６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Ｐ１７を介してキャッチタンク１３０に与えられる。キャッチタンク１３０内では気化したメタノールと水蒸気とが冷却される。そして、キャッチタンク１３０内で得られたメタノール水溶液は、パイプＰ１８を介して水溶液タンク１１６に戻される。また、キャッチタンク１３０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Ｐ１９を介してエアチャンバ１４０に与えられる。

一方、エアポンプ１３８の駆動によってエアフィルタ１３２から吸入された空気（エア）は、パイプＰ８を介してエアチャンバ１４０に流入することによって消音される。そして、エアチャンバ１４０に与えられた空気およびキャッチタンク１３０からの気体が、パイプＰ９を介してエアポンプ１３８に流入し、さらに、パイプＰ１０、防錆用バルブ１４４、パイプＰ１１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１２６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５０℃で定常的に発電可能となる。セルスタック１０２の温度は、温度センサ１５２が検出したメタノール水溶液の温度によって確認できる。

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を含むメタノール水溶液は、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メタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２およびパイプＰ６を介してラジエータ１０８ａに与えられ冷却される。ファン１１０の駆動によってその冷却動作が促進される。そして、パイプＰ７を介して水溶液タンク１１６に戻される。つまり、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液がセルスタック１０２に循環供給される。

発電時には、セルスタック１０２からのメタノール水溶液の還流、セルスタック１０２からの二酸化炭素の流入、燃料タンク１１４からのメタノール燃料の供給ならびに水タンク１１８からの水の供給によって水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液に泡が発生する。レベルセンサ１２２のフロートは泡の分だけ上昇するので、発電時にレベルセンサ１２２によって検出される液位は実際のメタノール水溶液の液位よりも高くなる。つまり、発電時には水溶液タンク１１６内の液量が実際の液量よりも多いと認識される。

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から排出された水蒸気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１０８ｂに与えられてラジエータ１０８ｂで冷却され、その一部は温度が露点以下になることによって液化される。ラジエータ１０８ｂ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。水分（水および水蒸気）、二酸化炭素および未反応の空気を含むカソード出口Ｉ４からの排気は、パイプＰ１２、ラジエータ１０８ｂおよびパイプＰ１３を介して水タンク１１８に与えられ、水タンク１１８に水が回収された後に水タンク１１８の排気口１１８ａおよびパイプＰ１４を介して外部に排出される。

また、各燃料電池１０４のカソード１０４ｃでは、キャッチタンク１３０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１０８ｂを介して水タンク１１８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１０８ｂを介して水タンク１１８に与えられる。

水タンク１１８内の水は、水ポンプ１４６の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を介して水溶液タンク１１６に適宜還流される。また、燃料タンク１１４内のメタノール燃料は、燃料ポンプ１２８の駆動によってパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１１６に適宜供給される。

燃料電池システム１００では、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液を所望の濃度に調整しつつ水溶液タンク１１６内の液量を第１所定量（たとえば５００ｃｃ）にするように燃料ポンプ１２８および水ポンプ１４６が制御される。つまり、濃度・液量調整動作が行われる。

ついで、図４を参照して、燃料電池システム１００の濃度・液量調整動作について説明する。ここでは、１回目の濃度・液量調整動作が運転開始直後（メインスイッチ１４８がオンされた直後）に行われ、その後の濃度・液量調整動作が一定の間隔（たとえば１０秒毎）で行われるものとする。

まず、ＣＰＵ１５６はセルスタック１０２の発電開始前か否かを判定する（ステップＳ１）。セルスタック１０２の発電開始前である場合、ＣＰＵ１５６はレベルセンサ１２２からの検出信号に基づいて水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液が第１所定量（５００ｃｃ）未満であるか否かを判定する（ステップＳ３）。

上述のように発電時には泡を含む液位に基づいて水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量になるように調整される。発電停止後に泡は消えるので発電停止後のレベルセンサ１２２のフロートの位置は第１所定量であるときの位置よりも低くなる。つまり、発電停止後の液位は第１所定量であるときの液位よりも低くなる。したがって、通常、１回目の濃度・液量調整動作であれば、ステップＳ３において水溶液タンク１１６内の液量は第１所定量未満となる。

ステップＳ３において水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量未満である場合、ＣＰＵ１５６は水ポンプ１４６の駆動を開始させる（ステップＳ５）。ＣＰＵ１５６は、このときの時刻を時計回路１５８から取得し、その時刻を水ポンプ１４６の駆動開始時刻としてメモリ１６０に格納する。

つづいて、ＣＰＵ１５６は、レベルセンサ１２４からの検出信号に基づいて水タンク１１８内の液量が第２所定量（たとえば１００ｃｃ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。水タンク１１８内の液量が第２所定量以上である場合、水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量になるまで（ステップＳ９がＮＯである限り）、ＣＰＵ１５６は水ポンプ１４６の駆動を継続させる。

そして、ステップＳ９において水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量になれば、ＣＰＵ１５６は水ポンプ１４６の駆動を停止させる（ステップＳ１１）。ＣＰＵ１５６は、このときの時刻を時計回路１５８から取得し、その時刻を水ポンプ１４６の駆動停止時刻としてメモリ１６０に格納する。ステップＳ７において水タンク１１８内の液量が第２所定量未満になった場合も同様にステップＳ１１に進む。

つづいて、ＣＰＵ１５６は、メモリ１６０に格納した水ポンプ１４６の駆動開始時刻と駆動停止時刻との差を算出する。つまり、水ポンプ１４６の駆動時間を算出する。そして、ＣＰＵ１５６は、当該駆動時間と水ポンプ１４６の出力とを用いて水溶液タンク１１６への水の供給量を取得する（ステップＳ１３）。ここでは、水の供給量に関するデータは水の供給量そのものである。

上述のように水ポンプ１４６はその出力（単位時間当たりの水の供給量）が一定になるように制御されているので、ステップＳ１３では水ポンプ１４６の駆動時間と水ポンプ１４６の単位時間当たりの水の供給量（吐出量）との積を算出することによって、水ポンプ１４６の駆動開始から駆動停止までの水の供給量が取得される。

つづいて、ＣＰＵ１５６は、取得した供給量の水を所望の濃度のメタノール水溶液にするために必要なメタノール燃料の量を算出し、これを第１燃料供給量としてメモリ１６０に格納する。つまり、第１燃料供給量を取得する（ステップＳ１５）。ここでは、燃料の供給量に関するデータは第１燃料供給量そのものである。

つづいて、ＣＰＵ１５６は、メモリ１６０に格納されている第１燃料供給量を水溶液タンク１１６に供給すべきメタノール燃料の量として設定し（ステップＳ１７）、燃料ポンプ１２８の駆動を開始させる（ステップＳ１９）。その後、ステップＳ２１においてステップＳ１７で設定された量のメタノール燃料の供給が完了すれば、燃料ポンプ１２８の駆動を停止させ（ステップＳ２５）、濃度・液量調整動作を終了する。

一方、ステップＳ１においてセルスタック１０２の発電開始後である場合、ＣＰＵ１５６は温度センサ１５２の検出結果に基づいてメタノール水溶液が所定温度（たとえば４５℃）以上か否かを判定する（ステップＳ２７）。

電圧センサ１５０では、異なる濃度毎の開回路電圧の差はメタノール水溶液が高温である方が大きくなる。これは、高温である方がメタノール水溶液の化学変化が活発になるからである。このためにメタノール水溶液が比較的低温である場合、電圧センサ１５０を用いて検出したメタノール水溶液の濃度は信頼性が低い。このような理由から、燃料電池システム１００では、電圧センサ１５０を用いて検出するメタノール水溶液の濃度を信頼できるか否かをステップＳ２７でメタノール水溶液の温度に基づいて判定している。ステップＳ２７の所定温度（ここでは４５℃）はメタノール水溶液の化学変化が活発になる温度以上に設定されている。つまり、電圧センサ１５０を用いてメタノール水溶液の濃度を精度よく検出できる温度以上に設定されている。

ステップＳ２７においてメタノール水溶液が所定温度以上である場合、ＣＰＵ１５６は時計回路１５８から現在の時刻を取得し、取得した現在の時刻とメモリ１６０に格納されている水溶液ポンプ１３６およびエアポンプ１３８の駆動開始の時刻との差を算出する。つまり、セルスタック１０２の発電開始からの経過時間を取得する。そして、ＣＰＵ１５６は、発電開始から所定時間（たとえば１０分）経過しているか否かを判定する（ステップＳ２９）。

発電開始後しばらくはクロスオーバーしたメタノール水溶液がカソード１０４ｃの白金触媒層に付着することによって、白金触媒層に酸素が触れることが妨げられ、燃料電池１０４の開回路電圧が安定しない。このためにカソード１０４ｃのメタノール水溶液がエアポンプ１３８の駆動に伴って供給される空気によって略完全に吹き飛ばされるまでは電圧センサ１５０を用いて検出したメタノール水溶液の濃度は信頼性が低い。このような理由から、燃料電池システム１００では、電圧センサ１５０を用いて検出するメタノール水溶液の濃度を信頼できるか否かをステップＳ２９で発電開始からの経過時間に基づいて判定している。ステップＳ２９の所定時間（ここでは１０分）は、カソード１０４ｃの白金触媒層に付着したメタノール水溶液をエアポンプ１３８からの空気によって略完全に除去できると想定される時間以上に設定されている。

なお、セルスタック１０２が発電していなければ開回路電圧は検出できないので、セルスタック１０２の発電開始前に電圧センサ１５０を用いてメタノール水溶液の濃度を検出できないことはいうまでもない。

ステップＳ２９において発電開始からの所定時間経過していれば、ＣＰＵ１５６は電圧センサ１５０を用いてメタノール水溶液の濃度を検出する（ステップＳ３１）。そして、ＣＰＵ１５６は、電圧センサ１５０を用いて検出した濃度とレベルセンサ１２２を用いて検出した液量とに基づいて水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液を所望の濃度にするために必要なメタノール燃料の量を算出する。その後、算出したメタノール水溶液の量を第２燃料供給量としてメモリ１６０に格納し、ステップＳ３に進む。つまり、水の供給前のメタノール水溶液の状態に基づいて第２燃料供給量を取得し（ステップＳ３３）、ステップＳ３に進む。ここでは、燃料の供給量に関するデータは第２燃料供給量そのものである。

ステップＳ３３からステップＳ３に進む場合、ステップＳ３において水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量未満であればステップＳ１７で第１燃料供給量と第２燃料供給量との和がメタノール燃料供給量として設定される。つまり、水の供給に伴う濃度変化に対応する第１燃料供給量と、セルスタック１０２におけるメタノールの消費に伴う濃度変化およびクロスオーバーや気化に伴う濃度変化等に対応する第２燃料供給量との和がメタノール燃料供給量として設定される。

また、ステップＳ２７においてメタノール水溶液の温度が所定温度未満の場合およびステップＳ２９において発電開始から所定時間経過していない場合、ＣＰＵ１５６は、セルスタック１０２の発電に伴うメタノールの消費量を取得する（ステップＳ３５）。

ステップＳ３５では、前回の濃度・液量調整動作のステップＳ３５から今回の濃度・液量調整動作のステップＳ３５までの期間（或る期間の一例）のセルスタック１０２の発電量をＣＰＵ１５６が算出する。そして、メモリ１６０に格納されている変換情報を用いて当該発電量に対応するメタノールの消費量を取得する。なお、前回の濃度・液量調整動作でステップＳ３５を行っていない場合は、発電開始からの発電量を基に対応するメタノールの消費量を取得すればよい。その後、ステップＳ３３に進み、メタノールの消費に伴う濃度変化に対応する第２燃料供給量を取得する。

また、ステップＳ３において水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量以上である場合、ＣＰＵ１５６は水溶液タンク１１６にメタノール燃料を供給する必要があるか否かを判定する（ステップＳ３７）。ステップＳ３７では、メモリ１６０に第２燃料供給量が格納されているか否かに基づいて水溶液タンク１１６にメタノール燃料を供給する必要があるか否かを判定する。

ステップＳ３７においてメモリ１６０に第２燃料供給量が格納されている場合、ステップＳ１７で第２燃料供給量がメタノール燃料供給量に設定され、第２燃料供給量分のメタノール燃料が水溶液タンク１１６に供給される。一方、ステップＳ３７においてメモリ１６０に第２燃料供給量が格納されていない場合、濃度・液量調整動作を終了する。

なお、ステップＳ１３では水ポンプ１４６の駆動時間と出力とを用いて水の供給量を取得する場合について説明したが、水の供給量は任意の方法で取得できる。
たとえば、水溶液タンク１１６内の液量の検出結果に基づいて水の供給量を取得するようにしてもよい。この場合、レベルセンサ１２２を用いて水ポンプ１４６の駆動開始前および水ポンプ１４６の駆動停止後の水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液の液量を検出し、これらの差が水溶液タンク１１６への水の供給量として取得される。このように水の供給に伴う水溶液タンク１１６内の液量の増加分を水の供給量とすることによって、より正確な水の供給量を取得できる。

また、水タンク１１８内の液量（水量）の検出結果に基づいて水の供給量を取得するようにしてもよい。この場合、レベルセンサ１２４を用いて水ポンプ１４６の駆動開始前および水ポンプ１４６の駆動停止後の水タンク１１８内の液量を検出し、これらの差が水溶液タンク１１６への水の供給量として取得される。このように水の供給に伴う水タンク１１８内の液量の減少分を水の供給量とすることによって、より正確な水の供給量を取得できる。

さらに、水供給前にレベルセンサ１２２を用いて検出した水溶液タンク１１６内の液量と第１所定量（ここでは５００ｃｃ）との差を算出することによって、水の供給前に水の供給量を取得しておいてもよい。この場合、水の供給前に当該水の供給量に基づいてメタノール燃料供給量を設定しておき、水の供給が完了するまでに水溶液タンク１１６へのメタノール燃料の供給を開始してもよい。

ステップＳ２７の所定温度は電圧センサ１５０を用いてメタノール水溶液の濃度を精度よく検出できる範囲であれば任意に設定できる。また、ステップＳ２９の所定時間は空気の供給によってカソード１０４ｃの白金触媒層に付着したメタノール水溶液を除去できる範囲であれば任意に設定できる。

ステップＳ３１からステップＳ３３に進む場合であってもセルスタック１０２のメタノールの消費量を取得するようにしてもよい。この場合、まず、メタノールの消費量に応じたメタノール燃料の供給量が算出され、当該供給量のメタノール燃料が水溶液タンク１１６に供給される。その後、電圧センサ１５０を用いてメタノール水溶液の濃度が検出され、検出結果が所望の濃度でなければ所望の濃度になるようにメタノール燃料または水が水溶液タンク１１６に供給される。したがって、この場合、第２燃料供給量は取得せずにステップＳ３に進む。

図４の動作において、メタノール水溶液の目標濃度（所望の濃度）は、一定の濃度であってもよいし、燃料電池システムの運転状態に応じて変更してもよい。たとえば、メタノール水溶液ひいてはセルスタック１０２の温度が低い場合、セルスタック１０２の温度を迅速に上昇させるために、メタノール水溶液を通常運転時の濃度（３ｗｔ％）よりも高くするようにしてもよい。具体的には、セルスタック１０２の温度が低い場合、メタノール水溶液の濃度を５ｗｔ％に調整するようにしてもよい。

また、ステップＳ３３からステップＳ３に進む前に、ステップＳ１９〜ステップＳ２５の処理を行ってもよい。すなわち第２燃料供給量が取得された直後に燃料ポンプ１２８を駆動させ第２燃料供給量だけメタノール燃料を供給するようにしてもよい。

このような燃料電池システム１００によれば、水の供給量に応じて水溶液タンク１１６にメタノール燃料を供給できる。これによって、電圧センサ１５０を用いて検出される濃度の信頼性が低いためにメタノール水溶液の濃度を適切に調整できないときに、水溶液タンク１１６に水が供給されてもメタノール水溶液の濃度変化を抑えることができる。

水の供給量に応じた第１燃料供給量を取得することによって、水溶液タンク１１６に適切な量のメタノール燃料を供給できる。

水供給前のメタノール水溶液の状態に応じた第２燃料供給量を取得し、第１燃料供給量と第２燃料供給量とに基づいて水溶液タンク１１６にメタノール燃料を供給することによって、セルスタック１０２に供給するメタノール水溶液を所望の濃度に近づけることができる。

第１燃料供給量と濃度の検出結果に基づいて取得した第２燃料供給量との和をメタノール燃料供給量とすることによって、水の供給に伴う濃度変化、メタノールの消費に伴う濃度変化およびクロスオーバーや気化に伴う濃度変化を抑えることができる。したがって、セルスタック１０２に供給するメタノール水溶液をより確実に所望の濃度に近づけることができる。

濃度の検出結果に基づいて第２燃料供給量を取得できない場合であっても、メタノールの消費量に基づいて第２燃料供給量を取得することによって、少なくともメタノールの消費に伴う濃度変化を抑えることができる。したがって、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液の濃度変化をより確実に抑えることができる。

温度センサ１５２の検出結果とセルスタック１０２の発電開始からの時間とに基づいて電圧センサ１５０を用いて検出する濃度を信頼できるか否かを容易に判定できる。

セルスタック１０２の発電によって生成される水を水溶液タンク１１６に供給することによって、外部から水を供給せずともシステム内で水を賄うことができる。

セルスタック１０２からの水を水タンク１１８内に保持することによって、セルスタック１０２から水溶液タンク１１６に排気とともに水を直接供給する場合に比べて水溶液タンク１１６に効率よく水を供給できる。また、水タンク１１８内に水を保持することで水ポンプ１４６が略水のみを供給できるので、上述のように水ポンプ１４６の駆動時間と出力とを用いて水溶液タンク１１６への水の供給量を取得する場合、正確な水の供給量を簡単に取得できる。

水の供給量に応じて水溶液タンク１１６にメタノール燃料を供給できるので、フロートセンサであるレベルセンサ１２２を用い、液量を第１所定量に保つために水溶液タンク１１６に大量の水が供給されても、メタノール水溶液の濃度変化を確実に抑えることができる。

水溶液タンク１１６内の液量が第１所定量を超えない範囲で水を供給し、水の供給量に応じてメタノール燃料を供給することによって、水溶液タンク１１６内の水溶液を適量にできるとともに正確に濃度制御を行うことができる。

水タンク１１８内の液量が第２所定量未満になれば水の供給を停止できるので、水がなくなることにより水ポンプ１４６が空回りすることを防止できるとともに水の供給量を正確に取得することができる。

自動二輪車１０は、安定して走行できることが望まれる。燃料電池システム１００は、メタノール水溶液の濃度変化を抑えることができるので、セルスタック１０２の出力を安定させることができ、補機類を安定して駆動できる。したがって、燃料電池システム１００は自動二輪車１０のような輸送機器に好適に用いられる。

ついで、図５〜図８を参照して、燃料電池システム１００と比較対象である燃料電池システム（以下、比較例という）とにおける、セルスタックの出力、電圧および電流、ならびにメタノール水溶液（セルスタック）の温度の推移について説明する。

図５および図６はメタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合の推移である。図５は比較例における推移であり、図６は燃料電池システム１００における推移である。また、図７および図８は、たとえば二次電池が満充電になり、一時的にセルスタックの発電を停止した状態から発電を開始（再開）した場合の推移である。つまり、メタノール水溶液の温度が通常想定される外気温度よりも高い状態から発電を開始した場合の推移である。図７は比較例における推移であり、図８は燃料電池システム１００における推移である。

燃料電池システム１００と比較例とにおいて、メタノール水溶液が外気温度程度である場合およびメタノール水溶液が高温である場合のいずれも、運転開始直後に１回目の水の供給を行い、発電開始後は１０秒毎に水を供給した。

比較例においては、電圧センサを用いて濃度を検出可能になるまでは（発電開始から１０分間経過するまでは）セルスタックのメタノール消費量に基づくメタノール燃料の供給のみを行った。すなわち、比較例においては、燃料電池システム１００のように水の供給量に応じてメタノール燃料を供給するといった処理を行わなかった。

まず、メタノール水溶液の温度が外気温度程度である状態から発電を開始した場合について、燃料電池システム１００と比較例とを比較する。
図５に示すように、比較例では、水の供給によってメタノール水溶液の濃度が低下してしまうのでメタノール水溶液の温度上昇も鈍くなり、発電開始から１０分経過するまでは出力を５００Ｗ以上に維持できなかった。

一方、図６に示すように、燃料電池システム１００では、水の供給量に応じたメタノール燃料を供給することによってメタノール水溶液の濃度低下を抑えることができるので、水の供給に伴って電流ひいては出力が低下しなかった。また、燃料電池システム１００では、メタノール水溶液の濃度低下を抑えることができるので、メタノール水溶液の温度を迅速に上昇させることができ、出力を迅速に上昇させることができた。具体的には、発電開始から１０分経過する前に出力を５００Ｗ以上に維持できるようになった。

ついで、メタノール水溶液が高温である状態から発電を開始した場合について、燃料電池システム１００と比較例とを比較する。
図７に示すように、比較例では、電流ひいては出力が度々低下し、発電開始から１０分経過するまでは出力を５００Ｗ以上に維持できなかった。

一方、図８に示すように、燃料電池システム１００では、メタノールの消費量および水の供給量に応じたメタノール燃料を供給することによって電流ひいては出力を迅速に上昇させることができた。その結果、発電開始から７分程度で出力を５００Ｗ以上に維持できるようになった。

このように燃料電池システム１００では、メタノール水溶液の濃度変化を抑えることによって、迅速に高い出力を維持できた。つまり、迅速に出力を安定させることができた。

ついで、図３および図９を参照して、この発明の他の実施形態の燃料電池システム１００ａについて説明する。
図９に示すように、燃料電池システム１００ａは、パイプＰ２０，Ｐ２１によって構成される濃度検出用の流路、パイプＰ２０に取り付けられる超音波センサ１７８およびパイプＰ２０とＰ２１とを接続する検出用バルブ１８０を含む。それ以外は、上述の燃料電池システム１００と同様に構成されるので重複する説明は省略する。

パイプＰ２０は、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Ｐ４の分岐部Ａに接続されている。超音波センサ１７８は、濃度に応じて超音波の伝播時間（伝播速度）が変化することを利用して、メタノール水溶液の濃度を検出するために用いられる。超音波センサ１７８は、発信部１７８ａと受信部１７８ｂとを含み、発信部１７８ａから発信した超音波を受信部１７８ｂで受信してパイプＰ２０内での超音波伝播時間を検出し、その伝播時間に相当する電圧値を物理的な濃度情報とする。

このような超音波センサ１７８では、異なる濃度毎の電圧の差はメタノール水溶液が低温になるほど大きくなる。これは、低温になるほどメタノールと水との超音波伝播速度の差が大きくなるからである。したがって、メタノール水溶液が比較的低温である場合は、超音波センサ１７８を用いてメタノール水溶液の濃度を精度よく検出できる。

ＣＰＵ１５６は、超音波センサ１７８によって得られた物理的な濃度情報と、当該物理的な濃度情報（伝播時間に対応する電圧）を濃度に変換するための変換情報とを用いてパイプＰ２０内のメタノール水溶液の濃度を検出する。つまり、燃料電池システム１００ａは、ＣＰＵ１５６と超音波センサ１７８とを含む濃度検出手段を燃料電池システム１００に追加したものである。超音波センサ１７８によって得られた物理的な濃度情報を濃度に変換するための変換情報は、予めメモリ１６０に格納されている。

パイプＰ２０には検出用バルブ１８０が接続され、検出用バルブ１８０と水溶液タンク１１６とはパイプＰ２１によって連通されている。濃度の検出時には検出用バルブ１８０が閉じられ、パイプＰ２０内でのメタノール水溶液の流れが止められる。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１１６に戻される。

ついで、図１０を参照して、燃料電池システム１００ａの濃度・液量調整動作について説明する。図１０の濃度・液量調整動作は、図４の濃度・液量調整動作にステップＳ２およびＳ３９を追加したものである。図１０の濃度・液量調整動作では、ステップＳ１がＹＥＳである場合にステップＳ２に進み、ステップＳ２７がＮＯである場合にステップＳ３９に進む。それ以外は、図４の濃度・液量調整動作と同様であるので重複する説明は省略する。

まず、ステップＳ１においてセルスタック１０２が発電開始前である場合、ＣＰＵ１５６は温度センサ１５２の検出結果に基づいてメタノール水溶液が所定温度（４５℃）未満か否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２においてメタノール水溶液が所定温度未満である場合、ＣＰＵ１５６は超音波センサ１７８を用いてメタノール水溶液の濃度を検出し（ステップＳ３９）、ステップＳ３３に進む。この場合、ステップＳ３３では、水溶液タンク１１６内のメタノール水溶液を所望の濃度にするために必要なメタノール燃料の供給量が超音波センサ１７８を用いて検出した濃度とレベルセンサ１２２を用いて検出した液量とに基づいて算出される。そして、算出された供給量が第２燃料供給量として取得される。ステップＳ２において、メタノール水溶液が所定温度（４５℃）以上であればステップＳ３に進む。

一方、ステップＳ１においてセルスタック１０２が発電開始後である場合、ステップＳ２７においてメタノール水溶液が所定温度（４５℃）以上か否かを判定し、ステップＳ２７においてメタノール水溶液が所定温度未満であればステップＳ３９に進む。そして、超音波センサ１７８を用いてメタノール水溶液の濃度を検出し、ステップＳ３３において超音波センサ１７８を用いて検出した濃度に基づいて第２燃料供給量を取得する。

このような燃料電池システム１００ａによれば、メタノール水溶液の温度が所定温度未満であればセルスタック１０２の発電開始前でもメタノール水溶液の濃度を検出でき、クロスオーバーや気化に伴う濃度変化を抑えるための第２燃料供給量を取得できる。また、メタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始し、発電開始後のメタノール水溶液の温度が所定温度未満であってもメタノール水溶液の濃度を検出して第２燃料供給量を取得できる。つまり、発電開始後のメタノール水溶液の温度が所定温度未満であっても、メタノールの消費に伴う濃度変化およびクロスオーバーや気化に伴う濃度変化を抑えるための第２燃料供給量を取得できる。したがって、セルスタック１０２に供給するメタノール水溶液の濃度を所望の濃度により一層近づけることができる。

なお、上述の各実施形態では、水タンク１１８に保持した水を水溶液タンク１１６に供給する場合について説明したが、セルスタック１０２から水溶液タンク１１６に排気とともに水を直接供給するようにしてもよい。この場合、セルスタック１０２の出力や温度、気液分離用ラジエータ１０８ｂの冷却能力に基づいて水溶液タンク１１６への水の供給量を取得してもよい。また、この場合、セルスタック１０２から水溶液タンク１１６までの流路の径、当該流路における水および排気の流速から水溶液タンク１１６への水の供給量を取得してもよい。

また、上述の各実施形態では、セルスタック１０２の電気化学反応によって生成された水を水溶液タンク１１６に供給する場合について説明したが、外部の水を水溶液タンク１１６に供給するようにしてもよい。

さらに、上述の各実施形態では、水の供給量に関するデータは水の供給量そのものであり、燃料の供給量に関するデータは第１燃料供給量および第２燃料供給量そのものであったが、それらに限定されない。水の供給量に関するデータは、水ポンプ１４６の出力が一定であれば水ポンプ１４６の駆動時間であってもよく、燃料の供給量に関するデータは、燃料ポンプ１２８の出力が一定であれば燃料ポンプ１２８の駆動時間であってもよい。このとき、図４および図１０に示す動作において、ステップＳ１３では水ポンプ１２８の駆動時間が取得され、ステップＳ１５では燃料ポンプ１２８の第１駆動時間が取得され、ステップＳ３３では燃料ポンプ１２８の第２駆動時間が取得されればよい。なお、ステップＳ１５では、水の供給量に基づいて燃料ポンプ１２８の駆動時間が取得されてもよい。
このようにポンプの駆動時間に基づけば、水や燃料の供給量に関するデータを容易かつ正確に取得できる。

なお、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。

上述の各実施形態では、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。

また、この発明は、液体燃料を用いるものであれば、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器等の電子機器に搭載される可搬型の燃料電池システムにも適用できる。

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。 この発明の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 この発明の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。 この発明の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図である。 比較例においてメタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。 この発明の燃料電池システムにおいてメタノール水溶液が外気温度程度である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。 比較例においてメタノール水溶液が高温である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。 この発明の燃料電池システムにおいてメタノール水溶液が高温である状態から発電を開始した場合の出力推移等を示すグラフである。 この発明の他の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 この発明の他の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１０ 自動二輪車
１００，１００ａ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１０４ 燃料電池（燃料電池セル）
１１６ 水溶液タンク
１１８ 水タンク
１１８ａ 排気口
１２０，１２２，１２４ レベルセンサ
１２８ 燃料ポンプ
１４２ コントローラ
１４６ 水ポンプ
１５０ 電圧センサ
１５２ 温度センサ
１５６ ＣＰＵ
１５８ 時計回路
１６０ メモリ
１６４ 電圧検出回路
１６６ 電流検出回路
１７８ 超音波センサ

Claims (15)

1. 燃料電池、
   前記燃料電池に供給するための燃料水溶液を保持する水溶液保持手段、
   前記水溶液保持手段に水を供給する水供給手段、
   前記水溶液保持手段に燃料を供給する燃料供給手段、
   前記水供給手段によって前記水溶液保持手段に供給される前記水の供給量に関するデータを取得する水供給量取得手段、および
   前記水供給量取得手段によって取得される前記水の供給量に関するデータに基づいて前記燃料供給手段を制御する制御手段を備える、燃料電池システム。
2. 前記水供給量取得手段によって取得される前記水の供給量に関するデータに基づいて前記水溶液保持手段への前記燃料の供給量に関するデータを取得する第１燃料供給量取得手段をさらに含み、
   前記制御手段は、前記第１燃料供給量取得手段によって取得される前記燃料の供給量に関するデータに基づいて前記燃料供給手段を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料水溶液の濃度に関する情報に基づいて前記水溶液保持手段への前記燃料の供給量に関するデータを取得する第２燃料供給量取得手段をさらに含み、
   前記制御手段は、前記第１燃料供給量取得手段によって取得される前記燃料の供給量に関するデータと前記第２燃料供給量取得手段によって取得される前記燃料の供給量に関するデータとに基づいて前記燃料供給手段を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段、および
   前記濃度検出手段の検出結果を信頼できるか否かを判定する判定手段をさらに含み、
   前記第２燃料供給量取得手段は、前記判定手段が前記濃度検出手段の検出結果を信頼できると判定すれば前記濃度検出手段の検出結果に基づいて前記燃料の供給量に関するデータを取得する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池での前記燃料の消費量を取得する消費量取得手段をさらに含み、
   前記第２燃料供給量取得手段は、前記判定手段が前記濃度検出手段の検出結果を信頼できないと判定すれば前記消費量取得手段によって取得される前記燃料の消費量に基づいて前記燃料の供給量に関するデータを取得する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料水溶液の温度を検出する温度検出手段、および
   前記燃料電池の発電開始からの時間を計時する計時手段をさらに含み、
   前記判定手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記計時手段の計時結果とに基づいて前記濃度検出手段の検出結果を信頼できるか否かを判定する、請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記水供給手段によって前記水溶液保持手段に供給される前記水は前記燃料電池の電気化学反応によって生成されたものである、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池からの前記水を保持する水保持手段をさらに含み、
   前記水供給手段は、前記水保持手段が保持する前記水を前記水溶液保持手段に供給する、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記水の供給量に関するデータは前記水供給手段の駆動時間を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記水溶液保持手段の液量を検出する第１液量検出手段をさらに含み、
    前記水供給量取得手段は前記第１液量検出手段の検出結果に基づいて前記水の供給量に関するデータを取得する、請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記第１液量検出手段は前記水溶液保持手段の液面の高さに基づいて前記水溶液保持手段の液量を検出する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記水保持手段の液量を検出する第２液量検出手段をさらに含み、
    前記水供給量取得手段は、前記第２液量検出手段の検出結果に基づいて前記水の供給量に関するデータを取得する、請求項８に記載の燃料電池システム。
13. 前記水溶液保持手段の液量を検出する第１液量検出手段をさらに含み、
    前記制御手段は、前記第１液量検出手段の検出結果が第１所定量未満のとき前記水を供給するように前記水供給手段を制御し、前記第１液量検出手段の検出結果が前記第１所定量未満のときに供給された前記水の供給量に関するデータに基づいて前記燃料供給手段を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池からの前記水を保持する水保持手段、および
    前記水保持手段の液量を検出する第２液量検出手段をさらに含み、
    前記制御手段は、前記第１液量検出手段の検出結果が前記第１所定量未満でありかつ前記第２液量検出手段の検出結果が第２所定量以上のとき前記水を供給するように前記水供給手段を制御する、請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 請求項１に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。

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