燃料电池系统 【技术领域】
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
近年来，化石燃料的枯竭问题、环境污染问题日益严重，研究者正在热衷于在机动车和其他交通工具的原动机上采用燃料电池来替代化石燃料的研究和开发，并且已经接近实用化。
另一方面，关于电动助力自行车，一般为把靠蓄电池动作的电动机用于车轮的旋转驱动的结构。另外，在电动助力自行车的情况下，完全不存在将蓄电池充电用的燃料电池搭载于自行车本身的电动助力自行车，而是利用家庭用电力进行蓄电池的再充电，即把充电器连接在家庭用插座上进行充电。
另外，在电动助力自行车的情况下，由于其为二轮车，所以有时车体的倾斜变大或者往往倒下。因此，在开发搭载于电动助力自行车的燃料电池时，技术上要求即使车体较大倾斜或倒下也很安全，并且即使在那样的状态下也必须可以根据蓄电池的充电量继续动作从而进行再充电。
作为搭载于电动助力自行车的蓄电池充电用的燃料电池，从小型、重量轻和安全性方面考虑，希望为电解质膜固体高分子膜的直接改性型燃料电池。
图4表示由这样的直接改性型燃料电池发电的燃料电池系统的提案的构成。该燃料电池系统由电解质膜固体高分子膜地直接改性型燃料电池1、向该燃料电池1的空气极11提供空气的空气泵2、储存作为燃料的甲醇水溶液的甲醇/水槽3、从甲醇/水槽3向燃料电池1的燃料极12提供燃料的甲醇水溶液的甲醇/水泵4构成。另外，用于监测燃料中的甲醇浓度的甲醇传感器5浸入甲醇/水槽3内的液体内。在甲醇/水槽3上设有排气筒6，用来排出由于燃料电池反应产生的二氧化碳气体。另外，气液分离器7连接于空气极11，接收从空气极11排出的未反应空气和反应生成水并进行气液分离从而将未反应空气从其排气筒8中排出，另外暂时储存反应生成水。此外，燃料电池1处的13为固体高分子电解质膜。
这样的直接改性型燃料电池系统作为小型、重量轻的燃料电池系统，机动二轮车、原动机带有的自行车、电动助力自行车的蓄电池充电用的燃料电池有效。
图5表示搭载于二轮车的直接改性型燃料电池系统的构成。在该图5中，使用和图4相同的符号的元件表示同一元件。固体高分子型燃料电池1考虑后面将要说明的液体的循环，因此固定在前后方向上倾斜一定角度的状态。由甲醇泵72把作为燃料的甲醇从甲醇槽71向甲醇/水槽3提供。该燃料电池系统具备用于控制驱动机构的控制电路20。该控制电路20具备驱动电路21、输出控制电路22和CPU23，用来实施甲醇/水燃料溶液的甲醇浓度控制、发电电力的输出控制。另外，作为该控制所必需的信息，从甲醇传感器5输入甲醇浓度信号，从燃料电池1的温度传感器74输入电池温度信号、发电电流·电压信号。
在将直接改性型燃料电池系统用于电动助力自行车的蓄电池充电用的情况下，如果作为蓄电池使用Ni-Cd电池，则有时为了给蓄电池充电使其自身放电后再充电。控制电路20监测该蓄电池的放电状态，如完全放电，则起动燃料电池系统再次充电(自身放电监测模式(i)、低消耗模式(ii))。另外，在电动助力自行车实际行驶时转移至运行模式(iii)，相应于蓄电池的充电状态由控制电路20进行燃料电池系统的发电控制。
在这样的直接改性型燃料电池1中，以甲醇为原燃料，另外由于也产生反应生成水，需要防止这些液体漏出的对策，另外，在燃料电池反应过程中生成二氧化碳气体，它以混和于甲醇/水溶液的形式进行循环，同样，未反应的空气也以混和于反应生成水的形式进行循环，从而需要除去上述气体的气液分离，所以，为了将来自燃料电池1的空气极11的未反应空气，以及将燃料极12产生的二氧化碳等排出到系统之外，在甲醇/水槽3、气液分离器7上分别设置了排气筒6、8。
但是，提出的现有的燃料电池系统以其现有的状态安装于二轮车、小型游艇等场合，为由于倒下、倾覆而引起液体漏泄的结构。另外，存在倒下时，不能进行气液分离和反应液的循环等问题。
进而，在提出的燃料电池系统中，如图5所示，在将其安装于二轮车时，考虑燃料极12的反映液和空气极11的反应生成水的流动，并使其在左右方向上垂直于燃料电池1，并在前后方向具有一定倾斜。但是，如图6所示，由于不考虑该燃料电池1向左右方向的倾斜，所以在二轮车倒下或较大倾斜时不可避免地会发生流路堵塞的情况。
在二轮车的场合，经常发生较大倾斜或倒下的情况，为了实现燃料电池系统的实用化，如何解决该课题成为较大的挑战。
作为燃料电池的相关技术，关于气体分离器在特开昭64-017379号公报中有记载，另外关于气液分离器在特开昭64-071073号公报中有记载。但是，在这些公报中，没有关于较大倾斜或倒下时的对策的记载。
本发明就是鉴于这样的技术课题而做出的，其目的在于提供一种燃料电池系统，其中所述的燃料电池系统作为搭载于二轮车和船等倾斜较大的交通工具的直接改性型燃料电池系统，使用倾斜传感器检测倒下，并且在倒下时可以使系统停止或控制系统的输出。
本发明的另一个目的为提供一种燃料电池系统，其中，由自行车或机动二轮车等区别侧站立的倾斜状态和倒下的状态，所述的燃料电池系统只有在倒下时才进行上述控制。
【发明内容】
技术方案1的发明的燃料电池系统，包括检测本系统的倒下的倾斜传感器和在上述倾斜传感器检测到本系统倒下时，使本系统的燃料电池反应停止的控制机构，通过在倒下时控制燃料电池反应停止来防止系统发生故障。
技术方案2的发明的燃料电池系统，包括检测本系统的倒下的倾斜传感器和在上述倾斜传感器检测到本系统倒下时，抑制本系统的燃料电池的输出的控制机构，通过在倒下时抑制燃料电池的输出来防止系统发生故障，并且确保必要的最低限度的发电输出，可以向连接于本系统的蓄电池补充电，从而防止断电。
技术方案3的发明，如技术方案1或2的燃料电池系统，其特征为：在上述倾斜传感器持续规定时间以上输出了规定角度以上的倾斜角度的检测信号时，使燃料电池反应停止，或者抑制上述燃料电池的输出，在将本系统搭载于二轮车等情况时，在二轮车靠侧脚支倾斜停止时不判断为倒下，另外也不把转弯暂时倾斜较大的状态判断为倒下，而是只有实际确实倒下时才判断为倒下，然后使燃料电池反应停止，或者抑制燃料电池的输出。
技术方案4的发明，如技术方案1至3的燃料电池系统，其特征为：把测定甲醇浓度的甲醇传感器安装于甲醇/水槽中的规定场所，并且本系统已经倾斜了规定角度以上时，该传感器从液体中露出于气体中，从而输出气体的浓度检测信号，上述控制机构从接收上述甲醇传感器的液体浓度检测信号改变为接收气体浓度检测信号，从而判定其为规定角度以上的倾斜通过不另外特别设置倾斜传感器达到降低成本的目的。
技术方案5的发明，如技术方案1至4的燃料电池系统，其特征为：在上述甲醇传感器不再检测到规定角度以上的倾斜时，上述控制机构进行本系统的恢复控制，并且在该恢复之前实施本系统的各项机能的检查，在再启动前，检查因倒下的冲击而发生故障。
技术方案6的发明，如技术方案1至5的燃料电池系统，其特征为：使本系统搭载于二轮车或小型船舶，对于二轮车，把由于侧站立倾斜停止的状态或以较大的倾斜角度行驶的状态和实际的倒下区别开来，在实际倒下时使燃料电池反应停止，或者抑制燃料电池的输出，由此在保证二轮车等的平稳的行驶的同时，防止实际倒下、翻倒时发生故障，或者在防止发生故障的同时，确保必要的最低限度的发电输出，可以向连接于本系统的蓄电池补充电，从而可以防止电池断电。
【附图说明】
图1为本发明第1实施例的系统构成的说明图。
图2为表示本发明第2实施例的系统中兼用作倾斜传感器的甲醇传感器的动作的说明图。
图3为表示上述第2实施例中采用的甲醇传感器的其他例子的动作的说明图。
图4为提出的直接改性型燃料电池系统的框图。
图5为表示将提出的直接改性型燃料电池系统搭载于二轮车时配置的例子的框图。
图6为表示将提出的直接改性型燃料电池系统搭载于二轮车后，和车体的倾斜同时发生的电池的左右晃动的说明图。
【具体实施方式】
下面，根据附图详细说明本发明实施例。图1示出本发明的1个实施例的直接改性型燃料电池系统的构成。本实施例的燃料电池系统为组装于例如电动助力自行车、机动二轮车、带有原动机的自行车等二轮车的系统。
如图1所示，本实施例的直接改性型燃料电池系统包括固体高分子型燃料电池1、将空气供给该燃料电池1的空气极的空气泵2、储存作为燃料的甲醇和水的溶液的甲醇/水槽3、从甲醇/水槽3将作为燃料的甲醇水溶液供给燃料电池1的燃料极的甲醇/水泵4。由甲醇泵72将作为燃料的甲醇从甲醇槽7 1向甲醇/水槽3提供。7为连接于燃料电池1的空气极的气液分离器。
该燃料电池系统包括用于控制驱动机构的控制电路。控制电路20具备驱动电路21、输出控制电路22和CPU23和存储装置24，用来实施甲醇/水燃料溶液的甲醇浓度控制、发电电力的输出控制。另外，作为该控制所必需的信息，从甲醇传感器5输入甲醇浓度信号，从燃料电池1输入电池温度信号、发电电流·电压信号，另外为了检测二轮车的倾斜角度，输入倾斜传感器15的信号。进而，使显示装置25连接于控制电路，并由CPU23显示需要的信息。
在该直接改性型燃料电池系统使用Ni-Cd电池作为蓄电池时，有时为了给蓄电池充电使其自身放电后再充电。控制电路20监测该蓄电池的放电状态，如完全放电，则起动燃料电池系统再次充电(自身放电监测模式(i)、低消耗模式(ii))。另外，在二轮车实际行驶时转移至运行模式(iii)，相应于蓄电池的充电状态由控制电路20进行燃料电池系统的发电控制。
下面说明上述构成的燃料电池系统的动作。燃料电池发电动作和图4、5所示的现有技术提出的燃料电池系统相同。另外，本实施例的燃料电池系统的动作的特征在于，控制电路20通过倾斜传感器15的信号控制燃料电池充电。
在二轮车倾斜了规定角度以上时，倾斜传感器15输出信号。该倾斜传感器15可以为检测倾斜角度，并输出倾斜角度信号的传感器。控制电路20根据该倾斜传感器15输出的信号判断系统是否处在可以正常发电的姿势范围内。
在二轮车的场合，为了停车，支住侧脚支，从而成为这种情况下的某种程度倾斜角度。因此，(1)来自倾斜传感器15的信号为倾斜角度大于靠侧脚支站立时的倾斜角度，并且，(2)该较大的倾斜角度的检测信号持续数秒，则判断为倒下时，控制电路20进行燃料电池控制。
在二轮车的实际行驶中根据速度也有时以大于靠侧脚支停车时的倾斜角度行驶，由于在这种情况下，在数秒内二轮车会恢复为大致直立的姿势，所以在检测出较大倾斜角度后，在持续数秒的情况下才判定为倒下。
<倒下时的控制>判断为倒下后的燃料电池控制如下所述。
(i)如果二轮车倒下，则由于空气进入等原因而不能进行正常的燃料电池发电的可能性变大，所以使系统停止。
(ii)将发生倒下的事件作为历史记录于存储装置24，并在下次启动时移至检查模式。另外还作为维修数据利用。
在检查模式中，确认倾斜传感器15的值、甲醇传感器5的浓度值、甲醇/水溶液量、甲醇/水泵驱动电流量(空气进入检查)、空气极的生成水量、甲醇槽71的甲醇量等。另外，如果这些都处在正常范围内，则允许再启动。
另外，由显示装置25将“另外检查中”显示为“由使用者检查中”。
(iii)在系统停止后再启动时，倾斜传感器15的信号返回为正常，并且如果从恢复经过了一定时间，则配管中的液体会流下来，然后再启动燃料电池发电。
由此，即使将直接改性型燃料电池系统搭载于经常发生类似二轮车的较大倾斜或有时甚至倒下的交通工具，也可以识别暂时的较大倾斜和实际的倒下，通过倒下时使燃料电池的发电停止从而防止发生故障，在其后恢复至正常姿势时，可以平稳地使燃料电池再次发电。
此外，不是在倒下判定时使燃料电池的运转停止，但是也确保必要最低限度的发电输出，可以向连接于本系统的蓄电池补充电，并且把输出限制在可以防止电池断电的程度。
下面，结合图2说明本发明的第2实施例的直接改性型燃料电池系统。在第1实施例中，采用了检测燃料电池系统的倾斜角度的倾斜传感器15，但是只要能检测出该倾斜传感器15的倾斜角度大于靠例脚支站立时的倾斜角度即可，不能严格地检测出该倾斜角度也可以。
因此，在第二实施例中，不是使用第1实施例的燃料电池系统中使用的倾斜传感器15，而是如图2所示，通过精心设计甲醇传感器5的设置场所使在检测甲醇浓度的同时，还兼用作倾斜传感器。此外，第2实施例的燃料电池系统的构成除了省略了倾斜传感器15以外和图1所示的第1实施例一样。
使用利用水晶发振元件粘度传感器作为测定甲醇浓度的甲醇传感器5，但是在该水晶发振元件式传感器中，液体中的测定信号和气体中的测定信号有很大区别。
因此，在本实施例中，如图2所示，像二轮车等交通工具或燃料电池系统为平常的姿势时，使甲醇传感器5浸没入甲醇/水溶液中，在其倾斜至倒下的角度时，将甲醇传感器5设置在从液体中进入气体侧的位置，在控制电路20侧监测该浓度测定信号，在由通常值变为异常值时，判断出倾斜较大，和第1实施例同样，如果该倾斜状态持续数秒，则判断为倒下。
由此，在第2实施例中，可以削减倾斜传感器带来的附加成本，和第1实施例相比，可以实现系统的低廉化。
此外，除了采用水晶发振元件式的检测甲醇浓度的甲醇传感器5，也可以采用如图3所示的超声波式传感器。由于在该超声波式甲醇传感器5中，超声波在液体和气体中的传播速度同样有很大不同，所以控制电路20可以在接收到异常的浓度信号时判断为倒下。另外，在采用电阻计测式或光折射率式浓度传感器作为甲醇传感器5时，同样可以进行倒下的判断。
如上所述，根据本发明，可以把直接改性型燃料电池倒下时对系统的影响降到最小，特别可以提供适用于搭载于倾斜晃动厉害的交通工具、例如二轮车或小船、快艇等小型船舶的燃料电池系统。