专利名称:燃料电池系统及其运行方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及其运行方法，特别涉及控制燃料电池发电停止时的动作的直接甲醇型燃料电池系统及其运行方法。
背景技术：
日本特开2004-2140004号公报中公开了这种相关技术的一例。
其中公开了在停止通过送液泵供给甲醇水溶液之后的一定时间内继续发电，使残存在起电部内的甲醇量变少的技术。
但是，根据特开2004-214004号公报中记载的技术，送液泵停止则甲醇水溶液的循环停止。如果在这种状态下继续发电，则存在起电部内特别是在电解质膜面处甲醇水溶液的浓度因位置产生偏差的问题。即，由于阴极起电部内的空气供给口处的氧气浓度比排出口处的氧气浓度高，空气供给口侧的反应进行地更加活跃而引发的现象。其结果是，原本应该同电位的电解质膜上存在电位偏差，加速了电解质膜的老化。
另外，如果在送液泵停止的状态下在一定时间内继续发电，则供给至燃料电池的甲醇水溶液的浓度下降，那么以送液泵为界燃料箱侧和燃料电池侧的甲醇水溶液产生浓度差。如果发电停止之后放置在这种状态下，则燃料箱侧的甲醇水溶液因浓度梯度所导致的扩散而通过送液泵进入燃料电池侧，导致燃料电池侧的甲醇浓度上升。其结果是，存在不能充分控制甲醇渗透(クロスォ一バ一)的问题。
发明内容因此，本发明的主要目的在于，提供能够可靠抑制燃料的渗透以及电解质膜老化的燃料电池系统及其运行方法。
根据本发明的一个技术方案提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备燃料电池，其含有电解质膜并通过电化学反应产生电能；水溶液循环装置，其将燃料水溶液循环供给至燃料电池；燃料补给装置，其向水溶液循环装置补给浓度大于等于燃料水溶液的燃料；指示装置，其指示燃料电池的发电停止；第一控制装置，其控制燃料补给装置的燃料补给动作，使得在指示装置指示发电停止之后，在使燃料水溶液的循环继续而且继续发电的状态下减少向水溶液循环装置的燃料补给量；以及第二控制装置，其控制燃料电池的发电动作，使得在使向水溶液循环装置的燃料补给量减少之后，在燃料水溶液的浓度低于发电停止指示前的状态下停止发电。
根据本发明的另一个技术方案提供一种燃料电池系统的运行方法，这是一种能够向用于向含有电解质膜的燃料电池循环供给燃料水溶液的水溶液循环装置，补给浓度大于等于燃料水溶液的燃料的燃料电池系统的运行方法，其具有第一步骤，即在燃料电池的发电停止指示之后，使向水溶液循环装置的燃料补给量减少，继续燃料水溶液的循环同时使燃料电池继续发电；以及第二步骤，即其后使燃料水溶液的浓度低于发电停止指示前，使得燃料电池停止发电。
在本发明中，在发电停止指示后，使向水溶液循环装置的燃料补给量减少，继续发电，而后在燃料水溶液的浓度低于发电停止指示前时，使燃料电池停止发电。在此，因为该燃料电池系统是使燃料水溶液循环的燃料电池系统，所以使向水溶液循环装置的燃料补给量减少而继续发电时，则循环的燃料水溶液的整体浓度下降至大体相同的水平。由此，可使向燃料电池供给的燃料水溶液的浓度可靠地低于发电停止指示前，而能够停止燃料电池的发电，同时能够抑制燃料水溶液的浓度因电解质膜面的位置产生偏差，能够抑制燃料的渗透以及电解质膜的老化。
优选的是，还含有通过燃料电池充电的二次电池，基于二次电池的蓄电量控制燃料电池的发电动作。在这种情况下，通过在二次电池的蓄电量达到规定值时停止燃料电池的发电，在下一次运行时能够良好的起动。
另外优选的是，基于向燃料电池供给的燃料水溶液的浓度控制燃料电池的发电动作。在这种情况下，通过在燃料水溶液的浓度没有达到规定浓度时停止燃料电池的发电，能够可靠抑制电解质膜的老化。
更加优选的是，算出第一能量，即将二次电池充电达到规定值所必需的充电量，算出第二能量，即使用存在于水溶液循环装置内的燃料水溶液能够对二次电池充电的发电量，基于第一能量与第二能量的比较，控制燃料补给装置的燃料补给动作。在这种情况下，当第一能量小于等于第二能量时，使向水溶液循环装置的燃料补给量减少，继续发电。由此，通常在发电结束时能够将二次电池充电达到规定值。
优选的是，还含有存储第二能量的存储装置。在这种情况下，因为能够将事先存储的数值作为同第一能量比较的第二能量使用，所以没有算出第二能量的必要。
另外优选的是，基于二次电池的蓄电量算出第一能量。在这种情况下，能够容易地算出第一能量。
更加优选的是，基于水溶液循环装置内的水溶液量以及燃料水溶液的浓度算出第二能量。在这种情况下，能够容易地算出第二能量。
优选的是，能够参考燃料电池发电所涉及的功率消耗算出第二能量。
在燃料电池发电时，必须驱动向电极供给燃料水溶液的水溶液泵或者供给含有氧气的空气的空气泵等辅机。如上所述，通过参考燃料电池发电所涉及的功率消耗，即从积蓄在水溶液循环装置内的燃料水溶液中的能量中实质性的减去相当于燃料电池发电所涉及的功率消耗的能量，能够更加正确地算出第二能量。
另外优选的是，控制水溶液循环装置，使在指示装置发出发电停止指示之后向燃料电池的燃料水溶液的供给量增加。通过使向燃料电池的燃料水溶液的供给量增加，可以防止由燃料的供给不足而造成电解质膜的劣化。
另外优选的是，还含有为水溶液循环装置补给水的水补给装置以及第三控制装置，后者控制水补给装置的水补给动作，使在指示装置发出发电停止指示之后向水溶液循环装置的水补给量减少。在这种情况下，通过在接受发电停止指示之后，减少向水溶液循环装置的水补给而继续发电，能够使因水的补给而产生的燃料水溶液浓度变化变小，因此能够防止在二次电池充分充电之前燃料电池停止发电的弊害。
更加优选的是，基于对二次电池充电的外部电源是否与燃料电池系统连接，控制燃料补给装置的燃料补给动作。在这种情况下，在外部电源连接燃料电池系统时，减少向水溶液循环装置的燃料补给量。这样一来通过使得外部电源的充电优先、减少燃料的补给量，能够防止燃料的无为消耗。
因为抑制具有燃料电池系统的自动二轮车乃至运输机械中的燃料水溶液的渗透以及电解质膜的老化很重要，所以本发明适宜应用在具有燃料电池系统的自动二轮车、运输机械中。
另外，所说的“减少”燃料或水的补给量，并不仅仅是补给量变少的情况，也包括使补给量为零(停止补给)的情况。
参照附图，通过对以下各种实施方式的详细说明，本发明的上述目的以及其他目的、特征、方面以及优点将更加明了。
图1是表示本发明一种实施方式所涉及的自动二轮车的左侧视图；图2是从左侧斜前方观察到的燃料电池系统相对自动二轮车(二轮摩托车)的车体框架的配置状态的透视图；图3是从左侧斜后方观察到的燃料电池系统相对自动二轮车的车体框架的配置状态的透视图；图4是表示燃料电池系统的配管状态的左视图；图5是表示燃料电池系统的配管状态的右视图；图6是从左侧斜前方观察到的燃料电池系统的配管状态的透视图；图7是从右侧斜前方观察到的燃料电池系统的配管状态的透视图；图8是表示燃料电池堆叠体即燃料电池组的示意图；图9是表示燃料电池组件的示意图；图10是表示燃料电池系统的配管的系统图；图11是表示燃料电池系统的电气构成的框 图12是用来说明二次电池的充电率的示意图；图13是表示本发明一种实施方式的示例动作的流程图；图14是与图13所示动作衔接的流程图。
具体实施方式以下参照附图，说明本发明的实施方式。在此，对将本发明的燃料电池系统100安装在作为运输机械示例的自动二轮车10上的情况进行说明。
首先，对自动二轮车10进行说明。本发明实施方式中所指的左右、前后、上下都是指以自动二轮车10的驾驶者朝向其手柄24坐在座位上的状态为基准而言的左右、前后、上下。
参照图1～图7，自动二轮车10包括车体11，车体11有车体框架12。车体框架12具有前管14、从前管14向后方倾斜向下方延伸的纵截面呈I字型的前框架16、与前框架16的后端部连接并向后方倾斜向上立起的后框架18和安装在后框架18上端部的座位导轨20。前框架16的后端部与从后框架18的中央部稍稍靠近下端部的位置连接，前框架16以及后框架18整体上从侧面看大体呈Y字状。
前框架16包括板状部件16a，其沿上下方向有宽度，向后方倾斜向下方延伸而且相对左右方向垂直；凸缘部16b以及16c，分别形成在板状部件16a的上端边缘以及下端边缘，向后方倾斜向下方延伸而且在左右方向上有宽度；突出设置在板状部件16a的两个表面上的增强筋16d；连接部16e，其设置在后端部通过例如螺栓等连接后框架18。增强筋16d与凸缘部16b以及16c，共同划分板状部件16a的两个表面，形成后述的收纳燃料电池系统100的构成部件的收纳空间。
另一方面，后框架18包括板状部件18a以及18b，其分别向后方斜向上方延伸并在前后方向上有宽度，以夹持前框架16的连接部16e的方式配置；以及连接板状部件18a和18b的板状部件(未图示)。
如图1所示，在前管14内可以自由旋转地插入用于改变车体方向的转向轴22。在转向轴22的上端，安装着固定有手柄24的手柄支持部26，在手柄24的两端安装把手28。右侧的把手28构成能够旋转的节气门把手。
在手柄支持部26的手柄24的前方，配置显示操作部30。显示操作部30是将仪表30a、显示部30b以及输入部30c等一体化的部件，其中仪表30a用于计测显示电动马达60(后述)的各种数据；显示部30b例如由液晶显示器等构成，用于提供行驶状态等的各种信息；输入部30c用于输入各种信息。在手柄支持部26的处于显示操作部30下方的位置固定前照灯32，在前照灯32的左右两侧分别设置转向灯34。
在转向轴22的下端安装左右一对的前叉36，在各个前叉36的下端通过前车轴40安装前轮38。在由前叉36形成的缓冲悬架状态下，前轮38由前车轴40轴支持并可以自由旋转。
另一方面，在后框架18的后端部安装框架状的座位导轨20。座位导轨20通过例如焊接等方式固定设置在后框架18的上端部，大体配置在前后方向上。在座位导轨20上开闭自由的设置未图示的座位。在座位导轨20的后端部固定设置安装托架42，在安装托架42上分别安装尾灯44以及左右一对的转向灯46。
在后框架18的下端部，摆动臂(后臂)48通过枢轴50被支持并可以自由摆动，在摆动臂48的后端部48a通过电动马达60(后述)支持作为驱动轮的后轮52并可以自由旋转，通过未图示的后缓冲器使摆动臂48以及后轮52相对后框架18被缓冲悬架。
而且，在后框架18的下端部前侧以从后框架18向左右方向突出的方式固定脚踏板安装用杆54，在脚踏板安装用杆54上安装未图示的脚踏板。在脚踏板安装用杆54的后方，主支架56被摆动臂48支持并可以旋转，由复位弹簧58将主支架56向收起侧加力。
在该实施方式中，摆动臂48内内置有连接后轮52并用于使后轮52旋转驱动的例如轴向间隙(ァキシャルギャツプ)型电动马达60，以及与电动马达60电连接的驱动单元62。参照图11，驱动单元62包括用于控制电动马达60的旋转驱动的控制器64，以及检测二次电池134(后述)的蓄电量的蓄电量检测器65。在这样的自动二轮车10的车体11上，沿着车体框架12安装燃料电池系统100。燃料电池系统100产生用于驱动电动马达60或其他构成部件的电能。
以下对燃料电池系统100进行说明。
燃料电池系统100是不对甲醇(甲醇水溶液)进行改性而直接用于发电的直接甲醇燃料电池系统。
燃料电池系统100包括配置在前框架16下方的燃料电池堆叠体(以下只称作堆叠体)102。
如图8、图9所示，堆叠体102是通过隔板106夹持多个基于甲醇中的氢离子与氧气的电化学反应而产生电能的燃料电池(燃料电池单格电池)104而层(堆)叠构成的。构成堆叠体102的各个燃料电池单格电池104，包括由固体高分子膜等构成的电解质膜104a，夹着电解质膜104a的相对的阳极(燃料极)104b以及阴极(空气极)104c。阳极104b以及阴极104c分别包括设置在电解质膜104a侧的白金催化剂层。
如图4等所示，将堆叠体102载置在导轨(スキッド)108上，导轨108由从前框架16的凸缘部16c垂下的支撑组件(ステ一スタツク)110支持。
如图6所示，在既在前框架16的下方又在堆叠体102上方的位置配置水溶液用散热器112以及气液分离用散热器114。散热器112和114一体地构成，其前面配置在车辆前方稍稍朝下，设置有多个与前面垂直的板状散热片(未图示)。这样的散热器112和114，在行驶时能够充分地受风。
如图6等所示，散热器112包括回转地形成的散热管116。散热管116是通过将由不锈钢等制成的直线状管和U字形接头管焊接，从入口118a(参照图5)到出口118b(参照图3)形成一根连续的管。在散热器112的内面侧设置与散热管116相对的散热器冷却用风扇120。同样，散热器114包括各自蛇形弯曲形成的两根散热管122。各根散热管122是通过将由不锈钢等制成的直线状管和U字形接头管焊接，从入口124a(参照图5)到出口124b(参照图3)形成一根连续的管。在散热器114的内面侧设置与散热管122相对的散热器冷却用风扇126。
回到图1～图7，主要参照图3，在前框架16的连接部16e的后侧，从上向下依次配置燃料箱128、水溶液箱130以及水箱132。燃料箱128、水溶液箱130以及水箱132可以通过例如PE(聚乙烯)吹塑成型获得。
燃料箱128，配置在座位导轨20的下侧，安装在座位导轨20的后端部。燃料箱128容纳作为堆叠体102的电化学反应的燃料的高浓度(例如，含约50wt％的甲醇)甲醇燃料(高浓度甲醇水溶液)。燃料箱128上面有盖子128a，拿掉盖子128a后供给甲醇燃料。
另外，水溶液箱130设置在燃料箱128下侧，安装在后框架18上。水溶液箱130容纳将来自燃料箱128的甲醇燃料稀释至适于堆叠体102的电化学反应的浓度(例如，含约3wt％的甲醇)的甲醇水溶液。即，水溶液箱130容纳应该通过水溶液泵146(后述)向堆叠体102输送的甲醇水溶液。
在燃料箱128上安装高度传感器129，用于检测燃料箱128内的甲醇水溶液的液面高度。水溶液箱130上安装高度传感器131，用于检测水溶液箱130内的甲醇水溶液的液面高度。通过使用高度传感器129、131检测液面高度，能够检测出箱内液体的量。将水溶液箱130内的液面控制在例如图4中A所表示的范围内。
水箱132处于后框架18的板状部件18a以及18b之间，而且被配置在堆叠体102的后侧。在水箱132上安装高度传感器133，用于检测水箱132内的水面高度。
另外，将二次电池134设置在既在燃料箱128的前侧又在前框架16的凸缘部16b上侧的位置。将二次电池134配置在后框架18的板状部件(未图示)的上面。二次电池134存储堆叠体102产生的电能，对应控制器156(后述)的指令，将电能供给至对应的电气构成部件。例如，二次电池134将电能供给至辅机或驱动单元62。
在二次电池134的上侧、座位导轨20的下侧配置燃料泵136、检测用阀138。另外，将收集槽(キャッチタンク)140配置在水溶液箱130的上侧。
收集槽140上面有盖子140a，例如在燃料电池系统100一次也没有起动的状态(水溶液箱130是空的状态)下，拿掉盖子140a，供给甲醇水溶液。收集槽140，可以通过例如PE(聚乙烯)吹塑成型获得。
另外，在由前框架16、堆叠体102、散热器112、114围成的空间内，配置用于除去气体中所含有的灰尘等异物的空气过滤器142，在该空气过滤器142的后方斜下侧配置水溶液过滤器144。
另外，如图4所示，在前框架16左侧的收纳空间内收纳水溶液泵146以及空气泵148。在空气泵148的左侧配置空气室150。在水溶液泵146的驱动下向堆叠体102送出甲醇水溶液。
而且，如图5所示，在前框架16右侧的收纳空间内从前向后按顺序配置主开关152、DC-DC转换器154、控制器156、防锈用阀158以及水泵160。主开关152从右侧向左侧贯通前框架16的收纳空间地设置。在堆叠体102的前面设置喇叭162。另外，DC-CD转换器154将电压由24V转换至12V，利用转换过的12V电压驱动风扇120以及126。
关于上述配置的燃料电池系统100的配管，参照图4～图7以及图10进行说明。
通过管P1连通燃料箱128以及燃料泵136，通过管P2连通燃燃料泵136以及水溶液箱130。管P1连接燃料箱128的左侧面下端部和燃料泵136的左侧面下端部，管P2连接燃料泵136的左侧面下端部和水溶液箱130的左侧面下端部。通过使燃料泵136驱动，通过管P1、管P2将燃料箱128内的甲醇燃料供给至水溶液箱130。
通过管P3连通水溶液箱130以及水溶液泵146，通过管P4连通水溶液泵146和水溶液过滤器144，通过管P5连通水溶液过滤器144以及堆叠体102。管P3连接水溶液箱130的左侧面下角部和水溶液泵146的后部，管P4连接水溶液泵146的后部和水溶液过滤器144的左侧面，管P5连接水溶液过滤器144的右侧面和位于堆叠体102的前面右下角部的阳极入口I1。通过使水溶液泵146驱动，将来自水溶液箱130的甲醇水溶液从管P3侧向管P4侧送出，经水溶液过滤器144除去杂质之后，经过管P5被送至堆叠体102。在该实施方式中，由管P4以及管P5，构成将水溶液泵146送出的甲醇水溶液引导至堆叠体102的各燃料电池104的管路。
通过管P6连通堆叠体102和水溶液用散热器112，通过管P7连通散热器112和水溶液箱130。管P6连接位于堆叠体102的后面左上角部的阳极出口I2以及从散热器112的下面右侧端部引出的散热管116的入口118a(参照图5)，管P7连接从散热器112的下面左侧端部的稍微靠近中央的位置引出的散热管116的出口118b(参照图3)和水溶液箱130的左侧面上角部。将从堆叠体102排出的未反应的甲醇水溶液以及二氧化碳，通过管P6送至散热器112使其降温，再通过管P7使其返回水溶液箱130。这样一来，能够降低水溶液箱130内的甲醇水溶液的温度。
以上述管P1～P7为主构成燃料流路。
通过管P8连通空气过滤器142和空气室150，通过管P9连通空气室150以及空气泵148，通过管P10连通空气泵148和防锈用阀158，通过管P11连通防锈用阀158和堆叠体102。管P8连接空气过滤器142的后部和空气室150的中央部稍微靠近前方的位置，管P9连接空气室150的中央部下侧以及空气泵148的后部，管P10连接位于前框架16的板状部件16a的左侧的空气泵148和位于板状部件16a的右侧的防锈用阀158，管P11连接防锈用阀158和位于堆叠体102的后面右上端部的阴极入口I3。在燃料电池系统100运行时打开防锈用阀158，通过在这种状态下使空气泵148驱动，从外部吸入含有氧气的空气。被吸入的空气，在经过空气过滤器142净化之后，经过管P8、空气室150以及管P9流入空气泵148，接着，经过管P10、防锈用阀158以及管P11被供给至堆叠体102。在燃料电池系统100停止时，关闭防锈用阀158，能够防止水蒸气向空气泵148逆流，防止空气泵148锈蚀。
通过两根管P12连通堆叠体102和气液分离用散热器114，通过两根管P13连通散热器114和水箱132，在水箱132上设置管(排气管)P14。各管P12连接位于堆叠体102的前面左下角部的阴极出口I4以及从散热器114的下面左侧端部引出的各散热管122的入口124a(参照图3)，各管P13连接从散热器114的下面左侧端部稍微靠近中央的位置引出的各散热管122的出口124b(参照图3)和水箱132的前面上部，管P14与水箱132的后面上部连接，形成上升然后下降的“ㄑ”字形状。从堆叠体102的阴极出口I4排出的含有水分(水以及水蒸气)或二氧化碳的排气，经管P12被送至散热器114，使水蒸气液化。从散热器114排出的排气经过管P13，与水一起被送至水箱132，接着经过管P14被排出到外部。
以上述管P8～P14为主构成排气流路。
而且，通过管P15连通水箱132和水泵160，通过管P16连通水泵160和水溶液箱130。管P15连接水箱132的右侧面下部和水泵160的中央部，管P16连接水泵160的中央部和水溶液箱130的左侧面上角部。通过使水泵160驱动，使水箱132内的水经过管P15、管P16回到水溶液箱130。
以上述管P15、P16构成水流路。
另外，管P4连接管P17，以供由水溶液泵146送出流经管P4的甲醇水溶液的一部分流入。如图4所示，在管P17内安装用于检测管P17内的甲醇浓度的超声波传感器164。超声波传感器164，利用超声波传播速度对应流入的甲醇水溶液的甲醇浓度(甲醇水溶液中甲醇的比例)的变化关系，来检测管P17内的甲醇水溶液的甲醇浓度。
如图4所示，超声波传感器164有产生超声波的发信部164a和检测超声波的接收部164b。发信部164a横插入管P4内。发信部164a的分叉口165与管P17的开始端连接，经过分叉口165将甲醇水溶液导入管P17内。接收部164b与管P17的终止端连接，被配置在二次电池134的左侧面。在超声波传感器164内，由发信部164a产生超声波，由接收部164b接收超声波，根据从发信部164a开始产生超声波到接收部164b接收到超声波为止的时间，检测所获得的超声波的传播速度，将该传播速度变换成电压值，成为物理意义上的浓度信息。控制器156基于该浓度信息，检测管P17内的甲醇水溶液的甲醇浓度。
通过管P18连通接收部164b和检出用阀138。另外，通过管P19连通检出用阀138和水溶液箱130。管P18连接接收部164b的上面和检出用阀138的左侧面，管P19连接检出用阀138的右侧面和水溶液箱130的上面。
以上述管P17～P19为主构成浓度检测用流路。
而且，通过管P20连通水溶液箱130和收集槽140，通过管P21连通收集槽140和水溶液箱130，通过管P22连通收集槽140和空气室150。管P20连接水溶液箱130的左侧面上角部和收集槽140的左侧面上角部，管P21连接收集槽140的下端和水溶液箱130的左侧面下角部，管P22连接收集槽140的靠近左侧面上部的位置和空气室150的上端面。水溶液箱130内的气体(主要是二氧化碳、气化了的甲醇以及水蒸气)，经过管P20被供给至收集槽140。气化了的甲醇以及水蒸气在收集槽140内被冷却、液化之后，经过P21回到水溶液箱130。收集槽140内的气体(二氧化碳、未液化的甲醇以及水蒸气)经过管P22被供给至空气室150。
以上述管P20～P22为主构成燃料处理用流路。
如图10所示，在超声波传感器164的接收部164b设置第一温度传感器166，其用于检测通过超声波传感器164的甲醇水溶液的温度。另外，在堆叠体102的阳极入口I1附近设置电压传感器168以及第二温度传感器170，前者利用甲醇水溶液的电化学特性检测与供给至堆叠体102的甲醇水溶液的浓度对应的浓度信息，后者用于检测供给至堆叠体102的甲醇水溶液的温度。而且，在空气过滤器142附近设置用于检测外部气体温度的外部气体温度传感器171。电压传感器168检测燃料电池(燃料电池单格电池)104的开路电压(Open Circuit Voltage)，将该电压值作为电化学的浓度信息。
参照图11对这样的燃料电池系统100的电气构成进行说明。
燃料电池系统100中的控制器156包括CPU 172，其用于进行必要的运算来控制燃料电池系统100的动作；时钟电路174，其向CPU 172提供时钟脉冲；存储器176，其存储用于控制燃料电池系统100的动作的程序或数据以及运算数据等，例如由EEPROM构成；复位IC 178，用于防止燃料电池系统100的错误动作；接口电路180，用于与外部设备连接；电压检测电路184，用于检测将驱动自动二轮车10的电动马达60与堆叠体102连接的电路182中的电压；电流检测电路186，用于检测流经燃料电池104以及堆叠体102的电流；开关(ON/OFF)电路188，用于开闭电路182；电压保护电路190，其防止电路182的过电压；二极管192，其设置在电路182上；以及为电路182提供规定电压的电源电路194。
向这样的控制器156的CPU 172中输入来自超声波传感器164、电压传感器168、第一温度传感器166、第二温度传感器170以及外部气体温度传感器171的检测信号，来自电压检测电路184的电压检测值以及来自电流检测电路186的电流检测值。另外，向CPU 172中输入来自检测是否颠倒的颠倒开关196的检测信号、来自用于开闭电源的主开关152的输入信号、来自用于各种设定或信息输入的输入部30c的信号。而且，也向CPU 172中输入来自高度传感器129、131以及133的检测信号。作为存储装置的存储器176除了存储用于实行如图13、14所示的动作的程序或运算数据等之外，还存储用于将通过超声波传感器164获得的甲醇水溶液的物理的浓度信息(对应超声波传播速度的电压)变换成浓度的变换信息，以及用于将通过电压传感器168获得的甲醇水溶液的电化学上的浓度信息(燃料电池104的开路电压)变换成浓度的变换信息。这些变换信息，可以是例如显示传感器的输出信息和与其所对应的浓度之间的对应关系的表格数据。
而且，在存储器176中存储了用于算出第二能量的发电效率以及充电效率，该第二能量是指使用水溶液箱130内的甲醇水溶液能对二次电池134充电的发电量。另外，在存储器176中存储了甲醇水溶液的规定浓度、应作为二次电池134的目标的规定值以及外部电源连接标志。
另外，通过CPU 172控制燃料泵136、水溶液泵146、空气泵148、水泵160、冷却用风扇120、冷却用风扇126、检测用阀138以及防锈用阀158等辅机。而且，通过CPU 172控制用于显示各种信息、将各种信息告知自动二轮车的乘坐者的显示部30b。
另外，堆叠体102与二次电池134以及驱动单元62连接。二次电池134以及驱动单元62与电动马达60接续。二次电池134，将堆叠体102的输出插补，通过来自堆叠体102的电能被充电，其通过放电为电动马达62或辅机提供电能。
电动马达60与用于计测电动马达60的各种数据的仪表30a连接，由仪表30a计测的数据或电动马达60的状况经过接口电路198被送至CPU172。
另外，接口电路198可以与充电器200连接，充电器200能够与外部电源(商用电源)202连接。在接口电路198经过充电器200与外部电源202连接的情况下，即燃料电池系统100与外部电源202连接的情况下，经过接口电路198将外部电源连接信号送至CPU 172。通过CPU 172可以控制充电器200的开关200a的开/关。在燃料电池系统100与外部电源202连接的情况下，如果开关200a打开(接通)，则外部电源202与二次电池134电连接。
在这种实施方式下，水溶液循环装置包括水溶液箱130、管P3、P4、P5、P6以及P7和水溶液泵146。燃料补给装置包括燃料箱128、管P1、管P2以及燃料泵136。水补给装置包括水箱132、管P15、管P16以及水泵160。主开关151相当于指示装置。CPU 172相当于第一控制装置、第二控制装置、第三控制装置、第一算出装置以及第二算出装置。存储器176相当于存储装置。蓄电量检测器65相当于蓄电量检测装置。电压传感器168、CPU 172以及存储器176相当于浓度检测装置。另外，超声波传感器164、CPU 172以及存储器176相当于浓度检测装置。水溶液量检测装置包括高度传感器131以及CPU 172。充电器200和外部电源202相当于充电装置。
接着，对燃料电池系统100运行时的主要动作进行说明。
燃料电池系统100以主开关152打开为契机，驱动水溶液泵146或空气泵148等辅机，开始运行。
通过水溶液泵146的驱动，容纳在水溶液箱130内的甲醇水溶液被从管P3侧向管P4侧送出，供给至水溶液过滤器144。接着，将经水溶液过滤器144除去杂质等的甲醇水溶液经过管P5、阳极入口I1直接提供至构成堆叠体102的各燃料电池单格电池104的阳极104b。
另一方面，通过驱动空气泵148而从空气过滤器142吸入的空气(air)，经过管P8流入空气室150，进而被消音。接着，将被吸入的空气以及被供给至空气室150的来自收集槽140的气体，经过管P9～P11、阴极入口I3，提供至构成堆叠体102的各燃料电池单格电池104的阴极104c。
在各燃料电池单格电池104的阳极104b，被供给来的甲醇水溶液中的甲醇与水发生化学反应，生成二氧化碳和氢离子。生成的氢离子，透过电解质膜104a流入阴极104c，与被供给至其阴极104c侧的空气中的氧气发生电化学反应，生成水(水蒸气)和电能。即，在堆叠体102中进行发电。产生的电能在被送往二次电池134存储的同时，也用于驱动自动二轮车10行驶等。
另一方面，在各燃料电池单格电池104的阳极104b生成的二氧化碳以及没有反应的甲醇水溶液，因上述电化学反应所产生的热而温度上升(例如至约65℃～70℃)，没有反应的甲醇水溶液中的一部分气化。二氧化碳以及没有反应的甲醇水溶液，经过堆叠体102的阳极出口I2，流入水溶液用散热器112内，在流经散热管116期间由风扇120冷却(例如至约40℃)。被冷却的二氧化碳以及没有反应的甲醇水溶液经过管P7流回水溶液箱130。
另一方面，虽然在各燃料电池单格电池104的阴极104c所产生的水蒸气的大部分都液化为水并从堆叠体102的阴极出口I4排出，但是饱和水蒸气以气体的形式被排出。从阴极出口I4排出的水蒸气的一部分，由散热器114冷却其温度达到露点以下，从而液化。基于散热器114的水蒸气液化动作，通过使风扇126驱动而进行。经过管P12、散热器114以及管P13，将从阴极出口I4排出的水份(水以及水蒸气)与没有反应的空气一起供给至水箱132。
另外，在各燃料电池单格电池104的阴极104c，来自收集槽140的气化了的甲醇以及通过渗透移动至阴极的甲醇在白金催化剂层与氧气反应分解为无害的水分和二氧化碳。经过散热器114，将从阴极出口I4排出从甲醇分解而来的水分和二氧化碳，供给至水箱132。而且，将通过水的渗透移动到各燃料电池单格电池104的阴极104c的水分从阴极出口I4排出，经过散热器114供给至水箱132。
回收到水箱132内的水，在水泵160的驱动下经过管P15、管P16，适宜地回流至水溶液箱130，作为甲醇水溶液中的水加以利用。
为了防止各燃料电池单格电池104的老化也为了使各燃料电池单格电池104有效地发电，在运行中的燃料电池系统100中定期实行甲醇水溶液的浓度检测处理。接着，根据该检测结果将应该供给至堆叠体102的、水溶液箱130内的甲醇水溶液的甲醇浓度调整到例如3wt％左右。具体而言，通过控制器156来控制燃料泵136以及水泵160，根据甲醇浓度的检测结果，将燃料箱128内的甲醇燃料供给至水溶液箱130，使水箱132内的水回流至水溶液箱130。
对从关闭这样的燃料电池系统100中的主开关152开始到堆叠体102发电停止为止的动作进行说明。
如图12所示，调整二次电池134的充电率(相对满充电的蓄电量的比例)，以在自动二轮车10运行时在例如10％～60％的范围内调整，运行停止时达到规定值(在本实施方式中为98％)为目标。
参照图13以及图14，首先，通过CPU 172判断主开关152是否被关闭(步骤S1)。这是通过CPU 172是否接收到表示主开关152被关闭的车辆停止信号来判断的。待机直到主开关152被关闭，如果主开关152被关闭，则通过CPU 172判断燃料电池系统100是否与外部电源202连接(步骤S3)。这是通过在接口电路198经充电器200与外部电源202连接时，CPU 172是否接收到从接口电路198发出的外部电源连接信号来判断的。
如果燃料电池系统100没有与外部电源202连接，那么利用CPU 172对燃料泵136以及水泵160的控制，调整水溶液箱130内的水溶液量以及水溶液浓度(步骤S5)。其后，通过蓄电量检测器65检测二次电池134的蓄电量(步骤S7)，根据该蓄电量，通过CPU 172容易地算出将二次电池134充电至规定值所必要的第一能量(必要充电量)(步骤S9)。
接下来，通过电压传感器168获得甲醇水溶液的浓度信息，通过CPU172基于存储器176内的变换信息将该浓度信息变换成浓度，从而获得甲醇浓度(步骤S11)。接着，根据高度传感器131所检测出来的水溶液箱130的高度，通过CPU 172得到甲醇水溶液的量(步骤S13)。根据甲醇浓度和甲醇水溶液的量，通过CPU 172算出水溶液中的甲醇发电能量(步骤S15)。而且，通过CPU 172可以容易并正确地算出第二能量，即甲醇发电能量乘以发电效率和充电效率(步骤S17)。甲醇发电能量乘以发电效率和充电效率相当于从甲醇发电能量中实质上减掉涉及发电的功率消耗等能量。
在此，发电效率是考虑了驱动例如空气泵148等在堆叠体102运行时必要的辅机所必要的电能等，而预先设定的值，在该实施方式中设定为15％。即，蓄积在水溶液箱130内的甲醇水溶液中的能量的15％可以用于二次电池134的充电。
另外，充电效率是考虑了在二次电池134充电时的化学反应所产生的损失而预先设定的，在该实施方式中设定为95％～98％。
由此，能用在充电上的第二能量是蓄积在水溶液箱130内的能量的14％～15％左右。
接着，由CPU 172判断第一能量是否在第二能量或以下(步骤S19)。如果第一能量在第二能量或以下，那么通过CPU 172停止来自燃料箱128的甲醇燃料补给以及来自水箱132的水补给(步骤S21)。
另一方面，如果第一能量大于第二能量，那么返回步骤S3。
另外，在步骤S3中，如果燃料电池系统100与外部电源202连接，即接口电路198经充电器200与外部电源202连接，那么通过CPU 172关闭开关200a，并设定为充电器200没有随即开始充电的待机状态(步骤S23)。接着，在显示部30b显示燃料电池系统100与外部电源202连接的信息(步骤S25)，建立应该记录燃料电池系统100与外部电源202连接的外部电源连接标志(步骤S27)。其后，进入步骤S21，停止来自燃料箱128的甲醇燃料补给以及来自水箱132的水补给。
因为如果接口电路198经充电器200与外部电源202连接，则能够利用外部电源202来充电，所以应该抑制燃料的无为消耗，停止来自燃料箱128的甲醇燃料补给以及来自水箱132的水补给。但是，如果从连接外部电源202后立刻开始停止补给直至堆叠体102发电，那么因水溶液浓度升高，在停止发电后发生渗透。因此，在连接后的短暂时间内并不开始充电而是继续发电。
如上所述，如果在步骤S21中停止来自燃料箱128的甲醇燃料补给以及来自水箱132的水补给，那么水溶液箱130内的甲醇水溶液的浓度降低。因此，通过CPU 172控制水溶液泵146的驱动，增加甲醇水溶液的流量，使在阳极104b有足够多的水溶液中的甲醇(步骤29)。
接着，通过电压传感器168检测甲醇水溶液的浓度(步骤S31)，通过CPU 172判断水溶液浓度是否变得比规定浓度(本实施方式中为1％)小(步骤S33)。如果水溶液浓度不比规定浓度小，那么通过蓄电量检测器65检测二次电池134的蓄电量(步骤S35)，通过CPU 172判断二次电池134是否被充电至规定值(步骤S37)。如果二次电池134没有被充电至规定值，则返回步骤S29；如果被充电至规定值，则为避免二次电池134充电过度，通过CPU 172立即停止发电(步骤S39)，结束。这样，在将运行中所消耗的二次电池134的蓄电量充电至规定值(例如98％)之后，停止堆叠体102的发电。
另一方面，如果在步骤S33中水溶液浓度比规定浓度小，那么判断接口电路198是否经充电器200与外部电源202连接(步骤S41)。这是通过外部电源连接标志是否建立来判断。如果没有与外部电源202连接，则立刻进入步骤S39停止发电，结束。另一方面，如果与外部电源202连接，则通过CPU 172使开关202a打开(接通)，充电器200开始充电(步骤S43)，然后在步骤S39停止发电，结束。
利用这样的燃料电池系统100，如果在关闭主开关152之后第一能量变得小于等于第二能量，那么停止向水溶液箱130供给燃料，继续发电，之后，在主开关152的关闭之前使甲醇水溶液的浓度变低，以使堆叠体102停止发电。在此，因为燃料电池系统100，是堆叠体102内的甲醇水溶液可以向水溶液箱130回流的燃料电池系统，所以若使向水溶液箱130的燃料供给停止而继续发电，则循环的甲醇水溶液整体的浓度下降至大体相同的水平。因此，供给至堆叠体102的甲醇水溶液的浓度在主开关152关闭前可靠地降低，能够停止堆叠体102的发电，同时能够抑制甲醇水溶液的浓度因电解质膜面的位置而产生偏差，能够抑制甲醇的渗透以及电解质膜104a的老化。
另外，通常在发电结束时二次电池能够充电至规定值，下次运行时能够良好地起动。如果在二次电池充电至规定值之前，甲醇水溶液的浓度变得没有达到规定浓度，那么通过使堆叠体102停止发电，能够抑制电解质膜104a的老化。
而且，因为在关闭主开关152之后停止对水溶液箱130的水补给，继续发电，这样一来水溶液箱130内的甲醇水溶液的浓度仅随着发电就能够逐渐降低，所以能够防止在二次电池134充分充电之前堆叠体102停止发电的弊害。
另外，当用于二次电池134充电的外部电源202与燃料电池系统100连接时，停止对水溶液箱130的甲醇燃料补给。这样，借助于使外部电源202的发电优先而停止甲醇燃料补给，由此能够防止燃料的无为消耗。
根据本发明，因为能够可靠抑制甲醇水溶液的渗透以及电解质膜104a的老化，本发明适宜用于具有燃料电池系统100的自动二轮车10以及汽车、船舶等运输机械。
在上述实施方式中，虽然将所水溶液箱130内的水溶液量作为用于算出第二能量的水溶液量使用，但是并不局限于此。水溶液循环装置中除了水溶液箱130之外的部分，即由管P6、散热器112、管P7、管P3、水溶液泵146、管P4、水溶液过滤器144、管P5构成的循环流路内的水溶液量是已知的，因此，将该水溶液量加上水溶液箱130内的水溶液量也可。因此，利用存在于水溶液循环装置中的甲醇水溶液能够更加准确地算出第二能量。
另外，如果将水溶液箱130内的液面控制恒定，那么不仅在由水溶液箱130内的水溶液量算出第二能量的情况下，而且在由水溶液箱130内的水溶液量与循环流路内的水溶液量的合计值而算出第二能量的情况下，第二能量也都大体恒定。因此，在这种情况下，可以将第二能量作为已知值预先存储在存储器176内。这样一来，没有必要算出第二能量。
而且，在图13所示动作的步骤S21中，虽然停止燃料泵136的补给动作，但是不停止燃料泵136而是减少来自燃料泵136的燃料补给量也可以。另外，在同样的S21中，水泵160不停止，而是减少来自水泵160的水补给量也可以。
另外，在图13所示动作的步骤S11以及图14所示动作的步骤S31中，可以使用超声波传感器164、CPU 172以及存储器176检测甲醇水溶液的浓度，而且也可以使用其它的装置。浓度变换信息，只要是用于将浓度信息变换成浓度的计算式即可。
而且，虽然在上述的实施方式中，CPU 172相当于第一～第三控制装置，但是并不局限于此，第一～第三控制装置各自构成单独的CPU也可以。
而且，虽然在上述的实施方式中，将甲醇作为燃料使用，并将甲醇水溶液作为燃料水溶液使用，但是并不局限于此，将乙醇等的酒精类燃料作为燃料使用，并将乙醇水溶液等的酒精类水溶液作为燃料水溶液使用也可以。
虽然对本发明作了详细说明和图示，但是其只是单纯的图解以及作为一个例子，很明显不应被理解为对本发明的限定，本发明的实质以及范围只由权利要求
限定。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其特征在于其具有燃料电池，其含有电解质膜通过电化学反应产生电能；水溶液循环装置，其将燃料水溶液循环供给至所述燃料电池；燃料补给装置，其向所述水溶液循环装置补给浓度大于等于所述燃料水溶液的燃料；指示装置，其指示所述燃料电池的发电停止；第一控制装置，其控制所述燃料补给装置的燃料补给动作，使得在所述指示装置指示发电停止之后，在使所述燃料水溶液的循环继续而且继续发电的状态下减少向所述水溶液循环装置的燃料补给量；以及第二控制装置，其控制所述燃料电池的发电动作，使得在使向所述水溶液循环装置的燃料补给量减少之后，在所述燃料水溶液的浓度低于发电停止指示前的状态下停止发电。
2.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，还包括通过所述燃料电池充电的二次电池以及检测所述二次电池的蓄电量的蓄电量检测装置，其中，所述第二控制装置基于所述蓄电量检测装置的检测结果控制所述燃料电池的发电动作。
3.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，还包括检测向所述燃料电池供给的所述燃料水溶液的浓度的浓度检测装置，其中，所述第二控制装置基于所述浓度检测装置的检测结果控制所述燃料电池的发电动作。
4.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，还包括通过所述燃料电池充电的二次电池；第一算出装置，其算出第一能量，即将所述二次电池充电达到规定值所必需的充电量；以及第二算出装置，其算出第二能量，即使用存在于所述水溶液循环装置内的所述燃料水溶液能够对所述二次电池充电的发电量，其中，所述第一控制装置基于所述第一能量与所述第二能量的比较控制所述燃料补给装置的燃料补给动作。
5.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，还包括通过所述燃料电池充电的二次电池；第一算出装置，其算出第一能量，即将所述二次电池充电达到规定值所必需的充电量；以及存储装置，其存储第二能量，即使用存在于所述水溶液循环装置内的所述燃料水溶液能够对所述二次电池充电的发电量，其中，所述第一控制装置基于所述第一能量与所述第二能量的比较控制所述燃料补给装置的燃料补给动作。
6.根据权利要求
4或5所述的燃料电池系统，其中，还包括检测所述二次电池的蓄电量的蓄电量检测装置，所述第一算出装置基于所述蓄电量检测装置的检测结果，算出所述第一能量。
7.根据权利要求
4所述的燃料电池系统，其中，还包括水溶液量检测装置，其检测所述水溶液循环装置内的水溶液量；以及浓度检测装置，其检测向所述燃料电池供给的所述燃料水溶液的浓度，其中，所述第二算出装置基于所述水溶液量检测装置以及所述浓度检测装置各自的检测结果，算出所述第二能量。
8.根据权利要求
7所述的燃料电池系统，其中，所述第二算出装置参考所述燃料电池发电所涉及的功率消耗算出所述第二能量。
9.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，所述第一控制装置控制所述水溶液循环装置，使在所述指示装置发出发电停止指示之后向所述燃料电池的所述燃料水溶液的供给量增加。
10.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，还包括水补给装置，其对所述水溶液循环装置补给水；以及第三控制装置，其控制所述水补给装置的水补给动作，使得在所述指示装置发出发电停止指示之后向所述水溶液循环装置的水补给量减少。
11.根据权利要求
1所述的燃料电池系统，其中，还包括通过所述燃料电池充电的二次电池，其中，所述第一控制装置基于为所述二次电池充电的外部电源是否与该燃料电池系统连接，控制所述燃料补给装置的燃料补给动作。
12.一种自动二轮车，其具备权利要求
1至11中任意一项所述的燃料电池系统。
13.一种运输机械，其具备权利要求
1至11中任意一项所述的燃料电池系统。
14.一种燃料电池系统运行方法，该运行方法是一种能够向用于向含有电解质膜的燃料电池循环供给燃料水溶液的水溶液循环装置，补给浓度大于等于所述燃料水溶液的燃料的燃料电池系统的运行方法，其特征在于其具有第一步骤，即在所述燃料电池的发电停止指示之后，使向所述水溶液循环装置的燃料补给量减少，继续所述燃料水溶液的循环同时使所述燃料电池继续发电；以及第二步骤，即其后使所述燃料水溶液的浓度低于发电停止指示前，使得所述燃料电池停止发电。
专利摘要
本发明提供一种能够可靠抑制燃料的渗透以及电解质膜老化的燃料电池系统及其运行方法。燃料电池系统(100)，其具备含有电解质膜(104a)的燃料电池(104)；向燃料电池(104)循环供给甲醇水溶液的水溶液循环装置；向水溶液循环装置补给浓度高于等于甲醇水溶液的甲醇燃料的燃料补给装置；以及主开关(152)。关闭主开关(152)之后，通过CPU(172)控制燃料补给装置的燃料补给动作，以减少向水溶液循环装置的燃料补给量，之后，控制燃料电池(104)的发电动作，以在甲醇水溶液的浓度低于主开关(152)关闭之前的状态下停止发电。
文档编号H01M8/10GK1992403SQ200610171406
公开日2007年7月4日 申请日期2006年12月26日
发明者村松恭行 申请人:雅马哈发动机株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan