(57)【要約】【課題】分離部のタンクに貯留される液体成分の量を高精度に検知して制御する燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料を供給する第１供給部と、酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、アノード電極およびカソード電極で発生した反応生成物およびガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から分離された液体３８を保持し側面が凹凸形状に加工されたタンク３０とを有する分離部１０と、液体３８の量を検出する一対の検出電極３６Ａ、３６Ｂからなる液量検知部３６と、を備え、検出電極３６Ａ、３６Ｂが凹凸形状に沿って設けられた構成を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極とカソード電極と前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、
前記アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、
前記カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、
前記アノード電極で発生した反応生成物および前記燃料の残分と前記カソード電極で発生した反応生成物および前記カソード電極を経た前記ガスの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜および分離された前記液体を保持し対向する側面が凹凸形状に加工されたタンクとを有する分離部と、
前記タンクの互いに対向する側面に設けた前記タンク内の前記液体の量を検出する一対の検出電極からなる液量検知部と、を備え、
前記液量検知部が前記凹凸形状に沿って設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記凹凸形状の対向する間隔が等しいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凹凸形状の対向する間隔が異なることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記凹凸形状が、波形形状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記検出電極に接続され、前記分離部内の前記液体の量を検出する算出部を、さらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池から排出される気液混合流体から分離した液体が貯留されるタンクの液量検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望が高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電を必要とする二次電池よりも燃料供給によって長時間連続して使用できる燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池は、少なくとも、セルスタックを含む燃料電池スタックと、セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。そして、セルスタックは、一般に、アノード電極と、カソード電極と、これらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向の両端にエンドプレートを配して構成されている。
【０００４】
このような燃料電池スタックとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が開発されている。ＤＭＦＣにおいては、燃料としてメタノール水溶液が、酸化剤として空気中の酸素が用いられる。その結果、アノード電極からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水などの水溶液が排出される。そのため、携帯機器においては、排出された水溶液を燃料供給部へ戻すのが一般的である。一方、カソード電極からは反応生成物の水や水蒸気とともに、カソード電極を経た窒素や未反応の酸素などが排出される。このとき、燃料電池システムでは、アノード電極の反応で水が必要であるため、カソード電極で生成した水を燃料供給部へ戻して再利用している。これにより、燃料電池スタックから排出される液体成分を循環させて利用することで、燃料電池システムの可搬性を向上させている。
【０００５】
しかし、液体成分を直接、燃料供給部に戻す場合、最適な燃料濃度で燃料電池システムを発電させることが困難となる。
【０００６】
そこで、燃料電池スタックからの排出物を直接、燃料供給部へ戻すのではなく、気体成分と液体成分とを分離した後、液体成分をタンクに貯留して、必要な量を燃料供給部へ供給する方法が一般的に行われている。そのため、タンクに貯留される液体成分の量を管理することが重要となる。
【０００７】
一方、燃料タンク内の燃料の貯留量を検出するために、燃料タンクに一対の電極を設け、この電極間の静電容量の変化から燃料の貯留量を検知する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、燃料電池のアノード電極、カソード電極からの排出溶液を回収するタンクの液量を検出する静電容量型の液量検知機能を備えた燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献２参照）。以下に、特許文献２に示す燃料電池システムのタンクの液量を検出する液量検知機能について、図１２を参照しながら簡単に説明する。
【０００９】
図１２（ａ）は、従来の燃料電池システムの液量検知機能を説明するタンク１１０の概略斜視図で、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の１２Ｂ−１２Ｂ線断面図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）の１２Ｃ−１２Ｃ線断面図である。
【００１０】
図１２（ａ）や図１２（ｂ）に示すように、タンク１１０は、アノード電極（図示せず）から排出された溶液を導入する導入管１３２Ａとカソード電極（図示せず）から排出された溶液を導入する導入管１３２Ｂおよび溶液を排出する排出管１３２Ｃを備えている。また、図１２（ｃ）に示すように、タンク１１０は、その対向する平坦な側面に設けられた、一対の検出電極１３６Ａ、１３６Ｂからなる液量検知部１３６を有している。そして、一対の検出電極１３６Ａ、１３６Ｂ間に存在する溶液の液量を、静電容量の変化により検出している。
【特許文献１】特開２００６−０４０８３６号公報
【特許文献２】特開２００７−２２０４５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムによれば、例えば燃料カートリッジなどの燃料タンクに存在する燃料の量を検知するものであり、カソード電極から排出されタンクに貯留される水などの液体成分の量を検出する構成ではない。しかし、特許文献１の技術をタンク内の液体成分の量を検知する応用することは可能である。
【００１２】
ところが、特許文献１の技術を応用しても、携帯性に優れる燃料電池システムを構築する場合、タンクの小型化や薄型化の要求により貯留される液体成分の量が制限される。さらに、タンクから液体成分が溢れたり、枯渇したりしないように、高精度に液体成分の量を検出することが要求される。なぜなら、液量の検知機能の向上により検出誤差などが抑制されるため、同じ容量のタンクにおいても貯留する液体成分の量を増加できるからである。
【００１３】
一般に、静電容量は、電極間に挟まれる物質の誘電率が一定の場合、対向する電極の面積に比例し、電極の間隔に反比例する。そこで、高精度に液体成分の貯留量を検知するために、例えばタンクの高さを高くした場合、タンクが大型化し燃料電池システムの小型・薄型化が困難である。また、対向する電極間の距離を狭くした場合、タンクに必要な液体の貯留量を確保できないという課題がある。つまり、携帯機器などに搭載される燃料電池システムにおいては、タンク内に必要量の液体成分を確保するとともに、小型・薄型化することが重要となる。
【００１４】
また、特許文献２の燃料電池システムにおいても、図１２に示すようなタンクの液量を直接検出する液量検知機能を開示しているが、液量を高精度に検出する場合においては、特許文献１の燃料電池システムと同様の課題がある。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、分離部のタンクに貯留される液体成分の量を高精度に検知して制御する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アノード電極とカソード電極とアノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分とカソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜および分離された液体を保持し対向する側面が凹凸形状に加工されたタンクとを有する分離部と、タンクの互いに対向する側面に設けたタンク内の液体の量を検出する一対の検出電極からなる液量検知部と、を備え、液量検知部が凹凸形状に沿って設けられた構成を有する。
【００１７】
この構成により、タンクに設けられた液量検知部を構成する検出電極の対向面積を拡大して、液体成分の量を高精度に検出し、その量を制御することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、タンクに設けられた液量検知部を構成する検出電極の対向面積を拡大して、液体成分の量を高精度に検出して制御する、小型化や薄型化の容易な燃料電池システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の第１の発明は、アノード電極とカソード電極とアノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分とカソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜および分離された液体を保持し対向する側面が凹凸形状に加工されたタンクとを有する分離部と、タンクの互いに対向する側面に設けたタンク内の液体の量を検出する一対の検出電極からなる液量検知部と、を備え、液量検知部が凹凸形状に沿って設けられた構成を有する。
【００２０】
この構成により、タンクに設けられた検出電極の対向面積を拡大して、液体成分の量を高精度に検出して制御することができる。
【００２１】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、凹凸形状の対向する間隔が等しい。これにより、高感度とともに、液量と静電容量とを高い線形性で検出できるので制御性を向上することができる。
【００２２】
本発明の第３の発明は、第１の発明において、凹凸形状の対向する間隔が異なる。これにより、高感度とともに、液量と静電容量とを対向する電極間隔により不連続に変化させることができるため、特に高い検出精度が要求される領域の感度をさらに向上できる。
【００２３】
本発明の第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれかにおいて、凹凸形状が、波形形状である。これにより、検出電極の加工性を向上できる。
【００２４】
本発明の第５の発明は、第１の発明において、検出電極に接続され、分離部内の液体の量を検出する算出部を、さらに備える。これにより、算出部でタンク内の液体の量を把握することにより、それに基づいてタンク内の液体の量を制御することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの発電動作を説明する断面模式図である。
【００２７】
以下に、図１および図２を用いて、燃料電池システムの概略と燃料電池スタックの動作について説明する。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池システムは、少なくとも、燃料電池スタック１、燃料タンク４、燃料を供給する燃料ポンプからなる第１供給部５、空気を供給する空気ポンプからなる第２供給部６、算出部７Ａを備えた制御部７、蓄電部８、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、一対の検出電極からなる液量検知部１１を備えたタンク１２からなる分離部１０とを有する。このとき、必要に応じて、分離部１０のタンク１２を冷却する、例えば冷却ファンなどの冷却部１３が設けられる。
【００２９】
また、燃料電池スタック１は、発電部を有し、発電された電力は、正極端子２と負極端子３から出力される。そして、出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。このとき、第１供給部５は燃料タンク４中のメタノール水溶液などの燃料を燃料電池スタック１のアノード電極２１に供給し、第２供給部６は酸化剤である空気などのガスを燃料電池スタック１のカソード電極２２に供給する。また、制御部７は燃料を供給する第１供給部５と空気などのガスを供給する第２供給部６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部機器（図示せず）への出力と蓄電部８への充放電を制御する。そして、燃料タンク４と第１供給部５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極２１に燃料を供給する燃料供給部を構成する。一方、第２供給部６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極２２に酸化剤などのガスを供給する酸化剤供給部を構成する。また、分離部１０は、アノード電極２１およびカソード電極２２から排出される気液混合流体から液体成分（主に、水）を分離してタンク１２に貯留し、貯留された液体成分は燃料タンク４から供給される燃料とともに第１供給部５に供給する。
【００３０】
以下に、燃料電池スタック１の構造および動作について簡単に説明する。
【００３１】
図２に示すように、燃料電池スタック１は、起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）２４と、ＭＥＡ２４を挟むように配置された、アノード側エンドプレート２５とカソード側エンドプレート２６を有する。なお、燃料電池スタックを、ＭＥＡ２４を複数枚積層して構成する場合、ＭＥＡ２４間にセパレータを設け、セパレータを介して積層する。そして、アノード側エンドプレート２５とカソード側エンドプレート２６は、ＭＥＡ２４の積層方向の両端を挟む。
【００３２】
また、ＭＥＡ２４は、アノード電極２１、カソード電極２２、アノード電極２１とカソード電極２２との間に介在する電解質膜２３とが積層して構成されている。そして、アノード電極２１は、アノード側エンドプレート２５の側から順に、拡散層２１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）２１Ｂ、触媒層２１Ｃを積層して構成されている。同様に、カソード電極２２は、カソード側エンドプレート２６の側から順に、拡散層２２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）２２Ｂ、触媒層２２Ｃを積層して構成されている。さらに、正極端子２はカソード電極２２に、負極端子３はアノード電極２１に、それぞれ電気的に接続されている。
【００３３】
ここで、拡散層２１Ａ、２２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ２１Ｂ、２２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。そして、触媒層２１Ｃ、２２Ｃは、白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。また、電解質膜２３は、水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。アノード側エンドプレート２５、カソード側エンドプレート２６とセパレータは、例えばカーボン材やステンレス鋼で構成され、アノード電極２１には燃料を流通させる燃料流路２５Ａ、カソード電極２２には酸化剤などのガスを流通するガス流路２６Ａが、例えば溝形状で設けられている。
【００３４】
上記のように構成された燃料電池スタック１は、図１と図２に示すように、アノード電極２１に燃料であるメタノールを含む水溶液が燃料ポンプからなる第１供給部５によって供給され、カソード電極２２に空気ポンプなどからなる第２供給部６によって加圧された酸化剤である空気などのガスが供給される。そして、アノード電極２１に供給されたメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層２１ＡにてＭＰＬ２１Ｂの全面に拡散し、さらにＭＰＬ２１Ｂを通過して触媒層２１Ｃに達する。同様に、カソード電極２２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層２２ＡでＭＰＬ２２Ｂの全面に拡散し、ＭＰＬ２２Ｂを通過して触媒層２２Ｃに達する。また、触媒層２１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層２２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００３５】
【化１】
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【００３６】
【化２】
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【００３７】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極２１側には二酸化炭素、カソード電極２２側には水などの気液混合流体が、それぞれ反応生成物として生成され、図１に示す分離部１０に供給される。そして、以下で、図３を用いて詳細に説明するように、分離部１０の気液分離膜を介して、アノード電極２１の二酸化炭素は燃料電池システムから外部へと排気されるとともに、カソード電極２２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素も、同様に燃料電池システムの外部へと排気される。このとき、アノード電極２１側ではメタノール水溶液中のメタノールの全てが反応に寄与するわけではないので、図１に示すように排出されたメタノール水溶液は、分離部１０のタンク１２を介して第１供給部５に還流される。同様に、アノード電極２１の反応で消費される水を供給するために、カソード電極２２で生成した水も、分離部１０のタンク１２を介して第１供給部５に還流されアノード電極２１側へ供給される。
【００３８】
これにより、燃料電池スタック１から排出される水などの液体成分を分離部１０を介して、循環させることで、燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節することができる。その結果、外部から水を供給する必要がなくなるとともに、反応生成物の水を外部に排出する（廃棄する）必要がなくなる。したがって燃料電池システムの可搬性、携帯性や、燃料などの利用効率が向上する。
【００３９】
そして、分離部１０を介して、水などの液体を効率的に循環させるには、分離部１０のタンク１２に回収される液体が、溢れたり、渇水状態にならないように、所定の範囲内に液量を保ち、第１供給部５に供給することが重要となる。なぜなら、液体の量、つまり液量または貯留量が過剰になると分離部１０のタンク１２から漏水する。また、液体の貯留量が過少になると、アノード電極に供給される燃料の濃度を調節することができなくなる。
【００４０】
つまり、燃料電池システムの高い信頼性を維持するには、特に、分離部１０のタンク１２に貯留される液体の量を高感度で検出して高精度に制御することが重要となる。
【００４１】
そこで、以下に、高精度で液体の量を検出する分離部１０の液量検知部の構造および検出感度について、図３および図４を用いて詳細に説明する。
【００４２】
図３（ａ）は本発明の実施の形態１における分離部の斜視図で、図３（ｂ）は図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の３Ｃ−３Ｃ線断面図である。
【００４３】
図３（ａ）に示すように、分離部１０は、少なくともタンク３０と、タンク３０の対向する側面に設けられた一対の検出電極からなる液量検知部３６と、気液分離膜３１と、導入管３２Ａ、３２Ｂと、排出管３２Ｃとで構成されている。このとき、導入管３２Ａ、３２Ｂはタンク３０の上部に、排出管３２Ｃはタンク３０の下部にそれぞれ接続されている。そして、カソード電極で発生した反応生成物である水や水蒸気およびカソード電極を経たガスは導入管３２Ａから分離部１０のタンク３０へ流入する。一方、アノード電極で発生した反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールを含む水は導入管３２Ｂから分離部１０のタンク３０へ流入する。
【００４４】
また、タンク３０の上面に設けられた気液分離膜３１は、気液混合流体である、二酸化炭素や水蒸気などの気体成分と水などの液体成分を分離し、余分な気体成分を外部に気体状態で排出するとともに、液体３８をタンク３０内に貯留する。そして、タンク３０内に貯留された液体３８は、排出管３２Ｃに設けた図示しない弁を介して、図１に示す第１供給部５の入口側へ供給される。なお、気液分離膜３１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシートで構成することができる。または、これらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。また、タンク３０は樹脂やセラミック等の絶縁材料で構成される。
【００４５】
また、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、タンク３０の対向する一対の側面は、例えば波形形状で対向する間隔が等しい凹凸形状に加工され、凹凸形状に沿って一対の検出電極３６Ａ、３６Ｂを設けて液量検知部３６を構成している。そして、検出電極３６Ａと検出電極３６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク３０内の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かを検出する。つまり、対向する検出電極３６Ａ、３６Ｂ間に存在する気体部分と液体部分の静電容量を並列で検出することにより、その変化から液体３８の量を制御部７の算出部７Ａで算出することで、液体３８の量が検出される。このとき、タンク３０の壁面（側面）は、検出電極間に、直列に接続されて静電容量の一部を構成するので、検出精度を向上させるために、誘電率の小さい材料で構成することが好ましい。
【００４６】
そして、制御部７は液体３８の液量に基づいて第２供給部６の流量などを制御し、タンク３０内の液体３８の液量を所定の範囲に制御する。
【００４７】
以下、対向する検出電極間の間隔が等しく、タンクの凹凸形状に沿って設けられた液量検知部で検出される液体の量と静電容量の関係について、図４を用いて説明する。
【００４８】
図４は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を説明する模式図である。なお、図４中には、比較のために、図１２で説明した従来構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を示す特性Ｂも同時に示している。そして、図４は、横軸に分離部１０のタンク３０内の液体の量を示し、縦軸に、その液体の量に対して液量検知部３６で検出された静電容量を示している。
【００４９】
図４に示すように、本実施の形態の液量検知部で得られる液体の量と静電容量との関係を示す特性Ａは、従来の液量検知部で得られる特性Ｂよりも、液量の変化に対する静電容量の変化が大きく、高感度であることがわかる。これは、タンク内の液量が等しい場合、波形形状で検出電極を構成することにより対向する電極の面積を広くできるので、電極面積に従って大きな静電容量を検出できることによるものである。また、波形形状の検出電極にも関わらず、検出電極の間隔が一定であるために、従来の液量検知部と同様に、液体の量と静電容量の関係が高い線形性を有している。これにより、制御部の制御の構成を簡略化できるとともに、高精度の制御を実現できる。
【００５０】
本実施の形態によれば、波形形状で対向する一対の検出電極３６Ａ、３６Ｂにより、電極面積を拡大して液量検知部の検出感度を向上させることにより高精度の制御を実現できる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、検出電極の面積の拡大により、分離部のタンクに貯留される、液体の温度を効率的に放熱して、液体の蒸散量（蒸発量）による液量の過剰な減少を抑制できる。その結果、第１供給部に供給して、燃料の濃度を調整する液体の不足を抑制して、燃料効率に優れた燃料電池システムを実現できる。そのため、検出電極３６Ａ、３６Ｂは熱伝導率の観点から、銅またはその合金、アルミニウムまたはその合金で形成することが好ましい。これらの金属の板や箔をタンク３０に結合させて用いることができる。あるいは蒸着等の方法で薄膜として形成してもよい。また、図３（ａ）に示すように、検出電極３６Ａ、３６Ｂをタンク３０の側面の全面に設けることが好ましい。これにより、放熱を促進することができるとともに、電極面積の拡大により検出感度を高めることができる。
【００５２】
また、本実施の形態によれば、タンクの側面が波形形状に加工されているため、凹凸形状の変曲点や遮蔽される領域が存在しないので、金属の貼り付けや蒸着などで検出電極を容易に形成できる。
【００５３】
なお、本実施の形態では、波形形状の波のピッチを一定に形成した例で説明したが、これに限られず、対向する検出電極の間隔が等しければ波形の形状は任意である。
【００５４】
以下に、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの液量検知部の別の例について、図５を用いて説明する。
【００５５】
図５（ａ）は本発明の実施の形態１における分離部の別の例の斜視図で、図５（ｂ）は図５（ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の５Ｃ−５Ｃ線断面図である。
【００５６】
図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、分離部５０のタンク５２の対向する側面に、例えば台形形状で、かつ対向する台形形状の間隔が等しい凹凸形状を設け、凹凸形状に沿って液量検知部５６の一対の検出電極５６Ａ、５６Ｂを設けた点で、上記液量検知部３６と異なる。なお、その他の構成や材料などは同様であり、説明を省略する。
【００５７】
すなわち、図５（ｃ）に示すように、タンク５２の対向する一対の側面は、例えば台形形状で対向する間隔が等しくなるように凹凸形状に加工され、その凹凸形状に沿って一対の検出電極５６Ａ、５６Ｂを設けて液量検知部５６を構成している。そして、上記と同様に、検出電極５６Ａと検出電極５６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク５２の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かが検出される。
【００５８】
なお、上記実施の形態の分離部５０に設けられた液量検知部５６で検出される液体の量と静電容量との関係は、図４と同様であり、説明を省略する。
【００５９】
上記実施の形態によれば、台形形状の凹凸形状で対向する一対の検出電極５６Ａ、５６Ｂにより電極面積を拡大させて、液量検知部の検出感度を向上させることにより高精度の制御を実現できる。
【００６０】
なお、上記実施の形態では、凹凸形状が台形形状を例に説明したが、これに限られず、三角形状、鋸の歯の形状や蛇腹形状など、対向する検出電極の間隔が等しくなる形状であれば任意である。また、電極面積を拡大して放熱性を向上させる場合には、矩形形状の凹凸形状でもよい。
【００６１】
以下に、液量検知部の一対の検出電極間の静電容量の変化から液体３８の量（貯留量）を測定する方法の一例について、図６と図７を用いて簡単に説明する。
【００６２】
図６は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御部の算出部の構成を示すブロック回路図で、図７は図６に示すブロック回路図の主要な位置における波形図である。
【００６３】
図６に示すように、算出部７Ａは、パルス発生部４１と、抵抗器４３、４４と、排他的論理和ゲート４５と、パルス時間測定部４２から構成されている。このとき、パルス発生部４１は抵抗器４３、４４の一方の端子に接続され、他方の端子は排他的論理和ゲート４５の入力端子に接続されている。また、検出電極３６Ａはグランドに接続され、検出電極３６Ｂは抵抗器４４と排他的論理和ゲート４５の入力端子との間に接続されている。そして、排他的論理和ゲート４５の出力端子はパルス時間測定部４２に接続されている。
【００６４】
以下、図７を参照しながら、静電容量の変化から液体の量を測定する方法について説明する。
【００６５】
まず、図７（ａ）に示すパルス信号が、パルス発生部４１から抵抗器４３、４４の一方の端子に入力される。
【００６６】
つぎに、図７（ｂ）に示すように、抵抗器４３の一方の端子に入力されたパルス信号は、抵抗器４３の他方の端子である点Ｘで、入力されたパルス信号とほぼ同じタイミングの信号が出力される。このとき、パルス信号の立ち上がりと立ち下りにおいて、抵抗器４３の抵抗値と、配線などに起因する浮遊容量により、波形が若干鈍った状態で排他的論理和ゲート４５に入力される。
【００６７】
一方、図７（ｃ）に示すように、抵抗器４４の他方の端子である点Ｙには検出電極３６Ａと検出電極３６Ｂ間の静電容量Ｃによって、抵抗器４４に入力されたパルス信号の立ち上がりと立ち下がりにおいて、抵抗器の抵抗値Ｒと静電容量Ｃの時定数により大きく鈍った状態で排他的論理和ゲート４５に入力される。
【００６８】
つぎに、図７（ｄ）に示すように、排他的論理和ゲート４５の出力である点Ｚの出力には入力パルス１つに対して、立ち上がりと立ち下がりの両方のタイミングで検出電極間の静電容量に比例した幅のパルス信号が出力される。そして、このパルス信号の幅をパルス時間測定部４２で計測して検出電極間の静電容量を推定する。さらに、推定した静電容量とタンク内の液体の量との関係式を予め記憶している算出部７Ａは、その関係式からタンク内の液体の量を算出する。
【００６９】
なお、点Ｙの出力は、点Ｘの出力と同様に、検出電極が接続されていなければ入力容量（浮遊容量）と抵抗器４３の抵抗値との時定数により同様に鈍る。そこで、静電容量を正確に推定するために、抵抗器４３、４４の抵抗値をできるだけそろえて、入力容量に起因する誤差を抑制することが好ましい。
【００７０】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。なお、分離部以外は、図１を用いて説明した実施の形態１の燃料電池システムと同様であるので、説明を省略する。
【００７１】
図８（ａ）は本発明の実施の形態２における分離部の斜視図で、図８（ｂ）は図８（ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）の８Ｃ−８Ｃ線断面図である。
【００７２】
図８（ａ）および図８（ｃ）に示すように、分離部７０のタンク７２の対向する側面に設けられた液量検知部７６の一対の検出電極７６Ａ、７６Ｂの間隔が異なるように設けた点で、実施の形態１の液量検知部と異なる。なお、その他の構成や材料などは同様であり、説明を省略する。
【００７３】
すなわち、図８（ｃ）に示すように、タンク７２の対向する一対の側面は、例えば波形形状で対向する間隔が異なるように凹凸形状に加工され、その凹凸形状に沿って一対の検出電極７６Ａ、７６Ｂを設けて液量検知部５６を構成している。そして、実施の形態１と同様に、検出電極７６Ａと検出電極７６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク７２の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かが検出される。
【００７４】
以下、対向する検出電極間の間隔が異なり、タンクの凹凸形状に沿って設けられた液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係について、図９を用いて説明する。
【００７５】
図９は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を説明する模式図である。なお、図９中には、比較のために、図１２で説明した従来構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を示す特性Ｂも同時に示している。そして、図９は、横軸に分離部１０のタンク５２内の液量を示し、縦軸に、その液量に対して液量検知部で検出される静電容量を示している。
【００７６】
図９に示すように、本実施の形態の液量検知部７６で得られる液体の量と静電容量との関係を示す特性Ｃは、図４の特性Ａと同様に、従来の液量検知部で得られる特性Ｂよりも、液量の変化に対する静電容量の変化が大きく、高感度であることがわかる。
【００７７】
また、波形形状の検出電極の間隔が位置により異なるため、対向する波形の間隔の変化に同期して、液体の量に対して検出される静電容量が変化する。つまり、検出電極の間隔が狭くなるにしたがって、大きな静電容量が得られ、検出電極の間隔が広くなるにしたがって、小さい静電容量が得られる。その結果、液体の量に対する静電容量の変化の傾きが異なって検出される。そのため、タンク７２の液体の量の上限や下限の位置で対向する波形形状の検出電極の間隔を狭くすることにより、特に上限位置および下限位置において、液体の量を高感度で検出して、高精度で制御することができる。
【００７８】
本実施の形態によれば、検出電極７６Ａ、７６Ｂの電極面積の拡大により液体の量の検出感度を向上できる。さらに、少なくとも所定の位置の検出電極の間隔を狭くすることにより、所定の位置の液体の量の検出感度がさらに高められ、高精度な制御が実現する。
【００７９】
なお、本実施の形態では、波形形状からなる凹凸形状の検出電極をタンクの高さ方向において、対向する凹部の底部（または凸部の頂部）の位置を完全に一致させた例で説明したが、これに限られない。例えば、実施の形態１の液量検知部３６の凹凸形状から本実施の形態の液量検知部７６の凹凸形状まで、対向する凹部の底部（または凸部の頂部）の位置をずらして任意の配置で設けてもよい。同様に、高感度で液体の量を検出できる。
【００８０】
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの液量検知部の別の例について、図１０を用いて説明する。
【００８１】
図１０（ａ）は本発明の実施の形態２における分離部の別の例の斜視図で、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の１０Ｂ−１０Ｂ線断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）の１０Ｃ−１０Ｃ線断面図である。
【００８２】
図１０（ａ）および図１０（ｃ）に示すように、分離部８０のタンク８２の対向する側面に、例えば台形形状で、対向する台形形状の間隔が異なるように凹凸形状に加工され、凹凸形状に沿って液量検知部８６の一対の検出電極８６Ａ、８６Ｂを設けた点で、上記液量検知部７６と異なる。
【００８３】
すなわち、図１０（ｃ）に示すように、タンク８２の対向する一対の側面は、例えば台形形状で対向する間隔が異なるように凹凸形状に加工され、その凹凸形状に沿って一対の検出電極８６Ａ、８６Ｂが設けられ液量検知部８６が構成されている。そして、上記と同様に、検出電極８６Ａと検出電極８６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク８２の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かが検出される。
【００８４】
なお、上記実施の形態の分離部８０に設けられた液量検知部８６で検出される液体の量と静電容量との関係や、図９と同様であり、説明を省略する。
【００８５】
上記実施の形態によれば、台形形状の凹凸形状で対向する一対の検出電極８６Ａ、８６Ｂにより電極面積を拡大させて、液量検知部の検出感度を向上させることにより高精度の制御を実現できる。
【００８６】
なお、上記実施の形態では、台形形状からなる凹凸形状の検出電極をタンクの高さ方向において、対向する凹部の底部（または凸部の頂部）の位置をずらして配置した例で説明したが、これに限られない。例えば、凹部の底部（または凸部の頂部）の位置を完全に一致させて配置してもよく、高感度で液体の量を検出できる。
【００８７】
また、凹凸形状をずらして配置する場合、凹凸形状を矩形形状で設けてもよい。以下に、図１１を用いて、その理由を説明する。図１１（ａ）は本発明の実施の形態２における分離部のさらに別の例の斜視図で、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の１１Ｂ−１１Ｂ線断面図、図１１（ｃ）は図１０（ａ）の１１Ｃ−１１Ｃ線断面図である。
【００８８】
図１１（ａ）および図１１（ｃ）に示すように、分離部９０のタンク９２の液量検知部９６を構成する実質的に対向する検出電極９６Ａ、９６Ｂの有効な電極面積は、従来の液量検知部の電極面積と同程度となる。なぜなら、水平方向の検出電極は対向しないからである。しかし、図１１（ｃ）中に矢印で示すように、対向する検出電極９６Ａ、９６Ｂの間隔が、３箇所で異なって形成され、実効的な間隔が狭くなることにより検出される静電容量が大きくなる。
【００８９】
なお、上記各実施の形態では、基本的に燃料電池システムが平坦な場所に設置された場合にタンク内の液量を検出し制御することを例に説明したが、これに限られない。例えば、傾斜センサなどを燃料電池システムに組み込み、傾斜センサによりタンクの傾き量を検出して、その傾き量で液量を補正して、同様の処理をしてもよい。これにより、例えば携帯機器など使用場所などの制約を大幅に緩和でき、利用範囲が拡大するとともに、制御精度をさらに向上できる。
【００９０】
また、上記各実施の形態では、液量検知部として、タンクの対向する側面の全面に検出電極を設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、２分割などの複数に分割した検出電極を形成して、複数の対向する検出電極間の静電容量の測定値から、液量の検出とともに、前後や左右の傾き量の検知部として用いてもよい。具体的には、例えば図３（ａ）において、液量検知部３６の検出電極を左右に分割すれば、タンクが図面中の左右方向に傾いた場合、左右の液量検知部の静電容量に差が生じる。この差により、左右の傾き量を検知できる。また、検出電極を上下に分割すれば、前後の傾き量を検出できる。さらに、検出電極を左右および上下に分割すれば、左右および前後の傾き量を検出できる。同様に、タンクの異なる側面に別の複数分割した検出電極を形成してもよい。
【００９１】
また、上記各実施の形態では、ＤＭＦＣを例に説明したがこれに限られず、セルスタックと同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成の適用が可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明の燃料電池システムによれば、高い信頼性と、小型で携帯性が特に要望される電子機器の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの発電動作を説明する断面模式図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における分離部の斜視図、（ｂ）図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面図、（ｃ）図３（ａ）の３Ｃ−３Ｃ線断面図
【図４】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を説明する模式図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１における分離部の別の例の斜視図、（ｂ）図５（ａ）の５Ｂ−５Ｂ線断面図、（ｃ）図５（ａ）の５Ｃ−５Ｃ線断面図
【図６】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御部の算出部の構成を示すブロック回路図
【図７】図６に示すブロック回路図の主要な位置における波形図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態２における分離部の斜視図、（ｂ）図８（ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図、（ｃ）図８（ａ）の８Ｃ−８Ｃ線断面図
【図９】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を説明する模式図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態２における分離部の別の例の斜視図、（ｂ）図１０（ａ）の１０Ｂ−１０Ｂ線断面図、（ｃ）図１０（ａ）の１０Ｃ−１０Ｃ線断面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態２における分離部のさらに別の例の斜視図、（ｂ）図１１（ａ）の１１Ｂ−１１Ｂ線断面図、（ｃ）図１１（ａ）の１１Ｃ−１１Ｃ線断面図
【図１２】（ａ）従来の燃料電池システムの液量検知機能を説明するタンクの概略斜視図、（ｂ）図１２（ａ）の１２Ｂ−１２Ｂ線断面図、（ｃ）図１２（ａ）の１２Ｃ−１２Ｃ線断面図
【符号の説明】
【００９４】
１    燃料電池スタック
２    正極端子
３    負極端子
４    燃料タンク
５    第１供給部
６    第２供給部
７    制御部
７Ａ    算出部
８    蓄電部
９    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０，５０，７０，８０，９０    分離部
１１，３６，５６，７６，８６，９６，１３６    液量検知部
１２，３０，５２，７２，８２，９２，１１０    タンク
１３    冷却部
２１    アノード電極
２１Ａ，２２Ａ    拡散層
２１Ｂ，２２Ｂ    微多孔層（ＭＰＬ）
２１Ｃ，２２Ｃ    触媒層
２２    カソード電極
２３    電解質膜
２４    膜電極接合体（ＭＥＡ）
２５    アノード側エンドプレート
２５Ａ    燃料流路
２６    カソード側エンドプレート
２６Ａ    ガス流路
３１    気液分離膜
３２Ａ，３２Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ    導入管
３２Ｃ，１３２Ｃ    排出管
３６Ａ，３６Ｂ，５６Ａ，５６Ｂ，７６Ａ，７６Ｂ，８６Ａ，８６Ｂ，９６Ａ，９６Ｂ，１３６Ａ，１３６Ｂ    検出電極
３８    液体
４１    パルス発生部
４２    パルス時間測定部
４３，４４    抵抗器
４５    排他的論理和ゲート
【図１】
2010097739.tif 000005
【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】
2010097739.tif 000013
【図１０】
2010097739.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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