(57)【要約】【課題】バッファータンク内の気泡溜まりを防止し、所望濃度の燃料を安定して供給し、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置は、起電部と、起電部を通して燃料を流す燃料流路と、空気を流す空気流路と、燃料を貯溜する燃料タンクと、燃料流路に接続され、起電部に供給される液体および起電部から排出される液体を貯溜するバッファータンク２８と、燃料タンクの燃料をバッファータンクに供給する燃料供給部と、を備えている。バッファータンクは、円錐形状に形成された上部５０ａを有し、内部が密閉されたタンク本体５０と、タンク本体の円錐の頂部に設けられ燃料流路に接続される液分岐口５７ａ、５７ｂと、タンク本体内の内圧変動に応じて所定方向に変動する変位機構５１と、変位機構の変位を検出し、タンク本体内の液量の変化を検出する変位検出機構６１と、を有している。【選択図】    図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有し、アノードに供給された燃料およびカソードに供給された空気の化学反応により発電する起電部と、
前記アノードを通して燃料を流す燃料流路と、
前記カソードに空気を流す空気流路と、
燃料を貯溜する燃料タンクと、
前記燃料流路に接続され、前記アノードに供給される液体および前記アノードから排出される液体を貯溜するバッファータンクと、
前記燃料タンクの燃料を前記バッファータンクに供給する燃料供給部と、を備え
前記バッファータンクは、
円錐形状に形成された上部を有し、内部が密閉されたタンク本体と、
前記タンク本体の円錐の頂部に設けられ前記燃料流路に接続される液分岐口と、
前記タンク本体内の内圧変動に応じて所定方向に変動する変位機構と、
前記変位機構の変位を検出し、前記タンク本体内の液量の変化を検出する変位検出機構と、を備えている燃料電池装置。
【請求項２】
前記タンク本体の円錐頂部の角度θは、許容設置傾斜角をαとした場合、（９０°−θ）＞αに設定されている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記タンク本体の円錐頂部は、流入口と流出口との間に、この流入口および流出口を同一高さに位置した小域平坦部を有している請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記変位機構は、閉塞端と開口端とを有し、前記閉塞端がタンク本体の内面に対向した状態で前記タンク内に配設され、前記タンク本体の内面との間に液体を収容する収容空間を形成しているとともに前記収容空間内に収容された液体量に応じて所定方向に伸縮するベローズを備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記変位検出機構は、前記ベローズの伸縮に連動して前記所定方向に移動可能に設けられた変位部材と、前記変位部材の変位量を検知する変位センサとを備えている請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記変位部材は、前記ベローズ内に配設され、前記ベローズの閉塞端に当接した当接部と、前記当接部から前記所定方向に沿って延出した被検出部と、を有し、
前記変位センサは、前記被検出部の変位量を検知し、前記タンク本体内の液量を検出するセンサである請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記変位検出機構は、前記変位部材を前記ベローズの閉塞端に向けて付勢し、前記ベローズを伸張方向に付勢する付勢部材を備えている請求項５又は６に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記変位部材は、前記当接部から延出した複数の被検出部を有し、
前記変位検出機構は、それぞれ前記複数の被検出部の変位量を検出する複数の変位センサを有し、各変位センサの出力ロジックパターンにより、前記タンク本体内の液量を多モード検出する請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記燃料供給部は、燃料ポンプと、前記変位検出機構により検出された前記バッファータンク内の液量に応じて前記燃料ポンプを駆動して前記燃料タンクからバッファータンクへ燃料を供給する制御部と、を備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等に電流を供給する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。
【０００３】
通常、ＤＭＦＣは、メタノールが収容された燃料タンク、燃料タンクから供給されたメタノールおよび水を含むメタノール水溶液を貯溜するバッファータンク（混合タンク）、バッファータンクからメタノール水溶液を起電部に圧送するとともに起電部で未反応のメタノールおよび気体をバッファータンクに戻す送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部はそれぞれアノードおよびカソードを有した複数の単セルを積層したセルスタックを備え、アノード側にメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側には未反応のメタノールおよび炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。
【０００４】
バッファータンクは、内部が密閉されたタンク本体と、タンク本体内に伸縮自在に設けられたベローズと、を有し、ベローズの外面とタンク本体の内面との間に規定された空間にメタノール水溶液が収納されている。メタノール水溶液の収納量に応じてベローズが上下方向に伸縮する。そして、ベローズの閉塞端、つまり、上端の位置を検出することにより、バッファータンク内のメタノール水溶液の水位を検出し、タンク内のメタノール水溶液残量を測定している。この測定結果に応じて、燃料タンクからバッファータンクへのメタノールの供給が制御される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１９４１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように構成された燃料電池装置において、起電部から排出されバッファータンクに送られる液体は僅かにガスを含んでいる。そのため、燃料電池装置、あるいは、この燃料電池装置が装着された電子機器を水平面に対して傾けた状態で使用した場合、これに伴ってバッファータンクも傾き、バッファータンクに送られたガスが気泡となってバッファータンク内の上部に溜まる場合がある。このような気泡がバッファータンク内に溜まってくると、バッファータンク内の容積が気泡によって一部占められ、バッファータンク内の液体量を正確に測定することが困難となる。その結果、起電部に所望濃度の燃料を供給することが困難となり、燃料電池装置の発電効率が低下する。
【０００７】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、バッファータンク内の気泡溜まりを防止し、所望濃度の燃料を安定して供給し、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の態様に係るバッファータンクは、アノードおよびカソードを有し、アノードに供給された燃料およびカソードに供給された空気の化学反応により発電する起電部と、前記アノードを通して燃料を流す燃料流路と、前記カソードに空気を流す空気流路と、燃料を貯溜する燃料タンクと、前記燃料流路に接続され、前記アノードに供給される液体および前記アノードから排出される液体を貯溜するバッファータンクと、前記燃料タンクの燃料を前記バッファータンクに供給する燃料供給部と、を備え、  
前記バッファータンクは、円錐形状に形成された上部を有し、内部が密閉されたタンク本体と、前記タンク本体の円錐の頂部に設けられ前記燃料流路に接続される液分岐口と、前記タンク本体内の内圧変動に応じて所定方向に変動する変位機構と、前記変位機構の変位を検出し、前記タンク本体内の液体の水位を検出する変位センサと、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、バッファータンク内の気泡溜まりを防止し、所望濃度の燃料を安定して供給し、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示す図。
【図２】図２は、前記燃料電池装置のセルスタックを構成する単セルを概略的に示す図。
【図３】図３は、前記燃料電池装置におけるバッファータンクの外観を示す斜視図。
【図４】図４は、前記バッファータンクを分解して示す分解斜視図。
【図５】図５は、前記バッファータンクのタンク本体とベローズとを示す分解斜視図。
【図６】図６は、変位機構の遮光部材および変位検出機構を示す斜視図。
【図７】図７は、前記バッファータンクの平面図。
【図８】図８は、図７の線Ａ−Ａに沿ったバッファータンクの断面であって、液量最小時の状態を示す断面図。
【図９】図９は、図７の線Ａ−Ａに沿ったバッファータンクの断面であって、液量最大時の状態を示す断面図。
【図１０】図１０は、バッファータンク内の液体の液量を検出する検出ロジックパターンを示す図。
【図１１】図１１は、複数の液量における遮光部材と光学センサとの位置関係をそれぞれ示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態について詳細に説明する。  
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料とするＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成するセルスタック１２、燃料タンク１４、およびセルスタックに燃料および空気を供給する循環系２０、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部１６を備えている。電池制御部１６はマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）等を有し、セルスタック１２に電気的に接続されている。そして、電池制御部１６は、セルスタック１２で発生した電力をノートＰＣ、携帯電話機等の電子機器１７に供給する。電池制御部１６は、同時に、セルスタック１２の出力電力および電子機器１７からセルスタック１２への負荷電流を測定している。
【００１２】
燃料タンク１４は密閉構造を有し、その内部には液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料タンク１４は、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成してもよい。
【００１３】
循環系２０は、燃料タンク１４の燃料供給口から供給された燃料をセルスタック１２を通して流すアノード流路（燃料流路）２２、およびセルスタック１２を通して空気を含む気体を流通させるカソード流路（気体流路）２４、アノード流路内およびカソード流路に設けられた複数の補機を有している。アノード流路２２およびカソード流路２４は、それぞれ配管等によって形成されている。
【００１４】
セルスタック１２は複数の単セルを積層して構成されている。図２は各単セルの発電反応を模式的に示している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形板状のカソード（空気極）６６およびアノード（燃料極）６７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、アノード６７およびカソード６６よりも大きな面積に形成されている。
【００１５】
供給された燃料および空気は、アノード６７とカソード６６との間に設けられた電解質膜１４４で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部１６を介して電子機器１７に供給される。
【００１６】
図１に示すように、アノード流路２２には、燃料供給部として機能する燃料ポンプ２６が接続されている。この燃料ポンプ２６は、燃料タンク１４の燃料供給口に配管接続されている。燃料ポンプ２６は電池制御部１６により駆動電圧あるいは回転数が制御され、アノード流路２２および後述のバッファータンク２８に供給する高濃度燃料の流量を調整する。
【００１７】
アノード流路２２には、燃料と水とを混合し所望の濃度のメタノール水溶液を貯溜するバッファータンク２８が接続され、燃料ポンプ２６の出力部に配管を介して接続されている。アノード流路２２において、バッファータンク２８とセルスタック１２との間には送液ポンプ３０が設けられ、バッファータンク２８の出力部に接続されている。送液ポンプ３０の出力部はアノード流路２２を介してセルスタック１２のアノード６７に接続されている。これにより、送液ポンプ３０は、バッファータンク２８から供給されたメタノール水溶液をアノード６７に供給する。
【００１８】
アノード流路２２において、バッファータンク２８と送液ポンプ３０との間には濃度センサ３１が設けられている。濃度センサ３１は、バッファータンク２８からセルスタック１２に供給されるメタノール水溶液の濃度を検出し、検出したデータを電池制御部１６に出力する。
【００１９】
セルスタック１２のアノード６７の出力部はアノード流路２２を通してバッファータンク２８の入力部に接続されている。セルスタック１２の出力部とバッファータンク２８との間でアノード流路２２には気液分離器３２が設けられている。アノード６７から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素（ＣＯ２）を含む気液２相流は、気液分離器３２に送られ、ここで、二酸化炭素が分離される。分離されたメタノール水溶液はアノード流路２２を通してバッファータンク２８に戻され、再度、アノード６７へ供給される。バッファータンク２８は、セルスタック１２内での発電反応後に排出される液体や気体の圧力上昇変動を一時的に緩和する働きを果たす。気液分離器３２により分離された二酸化炭素は、図示しない浄化フィルタを通して外気に排気される。
【００２０】
一方、カソード流路２４の吸気口２４ａおよび排気口２４ｂは、それぞれ大気に連通している。カソード流路２４に設けられた補機は、セルスタック１２の上流側でカソード流路２４の吸気口２４ａ近傍に設けられたエアフィルタ４０、セルスタック１２とエアフィルタとの間でカソード流路に接続された送気ポンプ４２、セルスタック１２の下流側でセルスタックと排気口２４ｂとの間に設けられた排気フィルタ４４を含んでいる。
【００２１】
送気ポンプ４２を作動させることにより、吸気口２４ａから空気がカソード流路２４に給気される。給気された空気は、エアフィルタ４０を通過した後、送気ポンプ４２からセルスタック１２のカソード６６に給気され、ここで、空気中の酸素が発電に利用される。カソード６６から排出された空気は、カソード流路２４および排気フィルタ４４を通り、排気口２４ｂから大気に排出される。
【００２２】
エアフィルタ４０は、カソード流路２４に吸い込まれた空気中のゴミ、および二酸化炭素、蟻酸、燃料ガス、蟻酸メチル、ホルムアルデヒド等の不純物、有害物質等を捕獲し除去する。排気フィルタ４４は、カソード流路２４から外部へ排気される気体中の副生成物を無害化するとともに、排気中の含まれている燃料ガス等を捕獲する。
【００２３】
上記のように構成された燃料電池装置１０を電子機器１７の電源として動作させる場合、電池制御部１６の制御の下、燃料ポンプ２６、送液ポンプ３０および送気ポンプ４２を作動させるとともに、各開閉弁を開放する。燃料ポンプ２６により、燃料タンク１４からバッファータンク２８へメタノールが供給され、バッファータンク内で水と混合され所望濃度のメタノール水溶液が形成される。また、送液ポンプ３０により、バッファータンク２８内のメタノール水溶液がアノード流路２２を通してセルスタック１２のアノード６７に供給される。
【００２４】
送気ポンプ４２により、カソード流路２４の吸気口２４ａからカソード流路内に外気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気はエアフィルタ４０を通り、ここで、空気中のゴミ、不純物が除去される。エアフィルタ４０を通過した後、空気はセルスタック１２のカソード６６へ供給される。
【００２５】
セルスタック１２に供給されたメタノールおよび空気は、アノード６７とカソード６６との間に設けられた電解質膜１４４で電気化学反応し、これにより、アノード６７とカソード６６との間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部１６を介して電子機器１７へ供給される。
【００２６】
電気化学反応に伴い、セルスタック１２には反応生成物として、アノード６７側に二酸化炭素、カソード６６側に水が生成される。アノード６７側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかった未反応メタノール水溶液はアノード流路２２を通して気液分離器３２に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノール水溶液とに分離される。分離されたメタノール水溶液は、気液分離器３２からアノード流路２２を通してバッファータンク２８へ回収され、再度、発電に用いられる。分離された二酸化炭素は、気液分離器３２から大気に排出される。
【００２７】
セルスタック１２のカソード６６側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路２４に排出される。排出された空気および水蒸気を含む気体は、排気フィルタ４４に送られ、ここで、ゴミ、不純物が除去された後、カソード流路２４の排気口２４ｂから外部に排気される。
【００２８】
上述した発電動作の間、電池制御部１６は、後述するバッファータンク２８の変位センサによって検出されたタンク内のメタノール水溶液の水位に応じて、バッファータンク内のメタノール水溶液量を検出し、その検出結果に応じて、燃料タンク１４からバッファータンク２８へのメタノールの補充量を制御する。これにより、アノード６７に供給する燃料の濃度の最適化および発電動作の最適化を図っている。
【００２９】
次に、混合タンクとして機能するバッファータンク２８について詳細に説明する。  
図３はバッファータンクの外観を示す斜視図、図４はバッファータンクを分解して示す分解斜視図、図５はバッファータンクのタンク本体とベローズとを示す分解斜視図、図６は、変位機構の遮光部材および変位検出部を示す斜視図、図７は、バッファータンクの平面図、図８および図９は、それぞれ液量最小時および液量最大時のバッファータンクの断面図である。
【００３０】
図３ないし図８に示すように、バッファータンク２８は、タンク本体５０、タンク本体５０内の内圧変動、つまり、液量の変化に応じて変動する変位機構５１、変位機構５１の変位を検出する変位検出機構６１、タンク本体を支持したボトムカバー６０を備えている。タンク本体５０は、円錐形状の上部５０ａと、上部の下端に連続する円筒状のベース部５０ｂと、を一体に有している。ベース部５０ｂの外周に２つのブラケット５３が突設され、各ブラケット５３には、固定ねじ５４を挿通するための透孔５５が形成されている。上部５０ａの頂部には、アノード流路２２に接続される２つの接続管５６ａ、５６ｂが一体に形成され、上部５０ａから水平に、かつ、相反する方向に延出している。
【００３１】
図８に示すように、タンク本体５０の上部５０ａの円錐形状部は、液体の溜り部を形成し、円錐角の角度θ、および、分岐口の大きさ／形状は、液体（発電後の生成液）に含まれる気泡等が、タンク本体５０内に滞留し難いよう設定されている。ここでは、円錐頂部の角度θは、燃料電池装置および燃料電池装置が装着される電子機器の許容設置傾斜角をαとした場合、（９０°−θ）＞αに設定されている。例えば、θ＝６０°に設定されている。
【００３２】
上部５０ａの円錐形状頂点部に、直径Ｄの僅かな平坦部５０ｃが形成されている。接続管５６ａの流入口５７ａおよび接続管５６ｂの流出口５７ｂは、それぞれ平坦部５０ｃと同一レベルに形成され、面一に並んでいる。流入口５７ａおよび流出口５７ｂは、アノード流路２２に接続される液分岐口として機能する。このように平坦部５０ｃを設けることにより、層流を変化させ、上部５０ａの流入口５７ａからタンク内に流入した液体が流出口５７ｂに素通りすることなく、必ずタンク内に流入する。
【００３３】
図５および図８に示すように、変位機構５１は、例えば、合成樹脂により形成された伸縮自在なベローズ５８を有している。ベローズ５８は、ほぼ円筒状に形成され、端壁５８ａによって閉塞された上端（閉塞端）と開口した下端（開口端）と、下端部周囲に形成された環状のフランジ５８ｂとを、一体に有している。ベローズ５８は、タンク本体５０のベース部５０ｂの内径よりも小さな径に形成されている。このベローズ５８は、その下端のフランジ５８ｂがベース部５０ｂの下端縁に溶着等によって固定された状態でタンク本体５０内に配設され、タンク本体の下端開口を閉塞している。ベローズ５８はタンク本体５０と同軸的に位置し、端壁５８ａは、タンク本体５０の中心軸と直交して延びている。これにより、タンク本体５０の内面とベローズ５８の外面とにより、液体、ここでは、メタノール水溶液、を収容する密閉した収容空間６２が形成されている。
【００３４】
ベローズ５８は、タンク本体５０内の液量に応じて、すなわち、タンク本体５０内の内圧に応じてタンク本体５０の軸方向に沿って伸縮し、これに伴い、ベローズ５８の端壁５８ａはタンク本体の軸方向に沿って昇降する。ベローズ５８は、アノード流路２２を構成する配管が基準圧より上昇した際に、速やかに変動し、バッファータンク２８内の液の溜り部の体積を拡張して、圧力緩和をする。
【００３５】
流入口５７ａを通して収容空間６２内に燃料あるいはメタノール水溶液が供給され、収容空間に収容された液量が増加すると、ベローズ５８は液体に押されタンク本体５０の軸方向に沿って縮み、ベローズの端壁５８ａはタンク本体５０の内面から離れる方向に移動する。これにより、収容液量の増加に応じて収容空間６２の体積が増加する。
【００３６】
逆に、燃料が流出口５７ｂから排出され、タンク本体５０内の液量が減少すると、ベローズ５８が軸方向に沿って伸張し、端壁５８ａはタンク本体５０内面に頂部に接近する方向に移動する。これにより、収容液量の減少に応じて収容空間６２の体積が減少する。
【００３７】
このように、タンク本体５０内の液量の増減に応じてベローズ５８が伸縮し、ベローズの端壁５８ａは、ベローズの伸縮方向である軸方向、ここでは、端壁５８ａと直交する方向に沿って移動する。従って、端壁５８ａの位置は、タンク本体５０内の液量に応じて変位し、タンク内に収容されている液体の水位に対応している。本実施形態において、端壁５８ａが上昇し、タンク本体５０の内面との距離が小さい程、タンク内の液量が少なく、液体の水位が低いことを示している。また、端壁５８ａが下降し、タンク本体５０の頂部との距離が大きい程、タンク内の液量が多く、水位が高いことを示している。
【００３８】
図３、図４、図８に示すように、タンク本体５０およびこのタンク本体に固定されたベローズ５８は、ボトムカバー６０上に支持され、タンク本体の下部は、ボトムカバー６０によって覆われている。ボトムカバー６０内にはセンサホルダ６４が配置されている。センサホルダ６４およびタンク本体５０は、２本の固定ねじ５４によりボトムカバー６０にねじ止め固定されている。
【００３９】
図４および図６〜図８に示すように、センサホルダ６４には、変位検出機構６１を構成する遮光部材６８および複数の変位センサが支持されている。変位部材として機能する遮光部材６８は、平坦な円盤状に形成された当接部６８ａと、当接部６８ａの下面中央から垂直に延出した枢軸６８ｂと、当接部６８ａの下面から垂直に延出した３本の第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃとを有し、合成樹脂等により一体に成形されている。第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃは、後述の変位センサによって検出される第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃを形成している。
【００４０】
第１、第３遮光板７０Ａ、７０Ｃは、互いに等しい長さに形成され、枢軸６８ｂの両側で互いに平行に対向して配置されている。第１遮光板７０Ａには２つの開口７１ａ、７１ｂが形成され、これらの開口は、第１遮光板７０Ａの長手方向に沿って互いに離間して設けられている。第３遮光板７０Ｃには１つの開口７１ｃが形成されている。
【００４１】
第２遮光板７０Ｂは、第１、第３遮光板７０Ａ、７０Ｃよりも短く形成されている。第２遮光板７０Ｂは、枢軸６８ｂに対向して、かつ、第１、第３遮光板７０Ａ、７０Ｃに対して円周方向に９０°離間して設けられ、第１、第３遮光板７０Ａ、７０Ｃと平行に延びている。なお、なお、第２遮光板７０Ｂには開口は形成されていない。
【００４２】
遮光部材６８は、センサホルダ６４の中心部に立設されたガイドスリーブ６５に枢軸６８ｂを挿通することにより、タンク本体５０の軸方向に沿って昇降自在にガイドおよび支持されている。枢軸６８ｂの下端には、ガイドスリーブ６５からの抜けを防止する抜け止めピン６３が差し込まれている。枢軸６８ｂの外側に付勢部材として機能する圧縮コイルばね７２が装着され、当接部６８ａの下面とガイドスリーブ６５の上端との間に配置されている。遮光部材６８は、この圧縮コイルばね７２により常時、上方に向かって付勢され、当接部６８ａの上面はベローズ５８の端壁５８ａの内面に密着している。これにより、遮光部材６８は、ベローズ５８の伸縮に連動して、ベローズの端壁５８ａと一体に昇降される。遮光部材６８は、ベローズ５８の伸張状態において、ほぼ全体がベローズ５８内に位置している。また、ベローズ５８は、図８に示す指定位置（タンク内液量最小位置)まで絶えず伸張するように、圧縮コイルばね７２の付勢力を受けている。
【００４３】
変位検出機構６１は、変位センサとして、例えば、３つの光学センサを備えている。光学センサとして、例えば、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃを用いている。第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、回路基板７６に実装されている。回路基板７６は矩形状に形成され、一方の表面上に第１、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｃが実装され、他方の表面上に第２フォトインタラプタ７４ｂが実装されている。
【００４４】
回路基板７６は、垂直に立位した状態でセンサホルダ６４に支持されている。第１、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｃは、ガイドスリーブ６５の両側に配置され、遮光部材６８の第１および第３遮光板７０Ａ、７０Ｃの移動路上に位置している。第２フォトインタラプタ７４ｂは、基板７６に対して、ガイドスリーブ６５と反対側に位置し、第２遮光板７０Ｂの移動路上に配置されている。第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、タンク本体５０に対して同一の高さ位置に設けられている。また、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、回路基板７６を介して、電池制御部１６に電気的に接続され、検出信号を電池制御部１６に出力する。
【００４５】
ベローズ５８の伸縮に伴い遮光部材６８の第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃが昇降することにより、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、それぞれ対応する第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃによって遮光あるいは非遮光され、検出信号を電池制御部１６に出力する。電池制御部１６は、フォトインタラプタからの検出信号に基づいて、遮光部材６８およびベローズ５８の変位を検出し、タンク本体５０内に貯溜された液体の水位を検出する。そして、電池制御部１６は、検出した水位に応じて、燃料ポンプ２６を駆動し、タンク本体５０への燃料の供給を制御する。
【００４６】
例えば、以下のように、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの検出出力信号のパターンに応じて、遮光部材６８の変位位置を検出し、タンク本体５０内の液体の水位、液量を検出する。図１０は、検出ロジックパターンを示し、図１１は、遮光部材６８の複数の変位位置における検出パターンを示している。
【００４７】
第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃは、遮光部材６８の第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃが第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃとそれぞれ対向する位置、即ち、検出光を遮蔽する位置に移動した際、それぞれ暗信号（Ｌ）を出力し、第１、第２、第３遮光板７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃがフォトインタラプタから外れた位置、即ち、検出光を遮蔽しない位置に移動した際、それぞれ明信号（Ｈ）を出力する。
【００４８】
図８、図１０および図１１（ａ）に示すように、ベローズ５８の端壁５８ａが機械的な上限、例えば、遮光部材６８の抜け止めピン６３がガイドスリーブ６５の上端内面に当接する位置、まで上昇した場合、ベローズ５８の端壁５８ａの変位量は０ｍｍとなり、タンク本体５０内に貯溜された液体は最小量となっている。この際、第１、第３遮光板７０Ａ、７０Ｃは、それぞれ第１、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｃと対向し、第２遮光板７０Ｂは第２フォトインタラプタ７４ｂの上方に離間している。これにより、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの出力信号パターンは、Ｌ、Ｈ、Ｌとなる。
【００４９】
タンク本体５０内の液量が僅かに増加し、ベローズ５８の端壁５８ａおよび遮光部材６８が僅かに下降すると、第１遮光板７０Ａの開口７１ａが第１フォトインタラプタ７４ａと対向し、第１フォトインタラプタ７４ａの出力信号は、Ｈとなる。また、第２、第３フォトインタラプタ７４ｂ、７４ｃは、それぞれ出力信号パターンＨ、Ｌのままとなっている。タンク本体５０内の液量が最小量と後述の中間量との間にある場合は、この出力信号パターンを維持する。
【００５０】
図１０および図１１（ｂ）に示すように、タンク本体５０内の液量が中間量まで増加してベローズ５８の端壁５８ａおよび遮光部材６８が最小位置から１．５ｍｍ下降すると、第１遮光板７０Ａの開口７１ａが依然として第１フォトインタラプタ７４ａと対向し、第２遮光板７０Ｂは第２フォトインタラプタ７４ｂから外れて位置し、更に、第３遮光板７０Ｃの開口７１ｃが第３フォトインタラプタ７４ｃに対向する。これにより、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの出力信号パターンは、Ｈ、Ｈ、Ｈとなる。
【００５１】
タンク本体５０内の液量が中間量から僅かに増加し、ベローズ５８の端壁５８ａおよび遮光部材６８が更に下降すると、第１、第２遮光板７０Ａ、７０Ｂがそれぞれ第１、第２フォトインタラプタ７４ａと対向し、第３遮光板７０Ｃの開口７１ｃが依然として第３フォトインタラプタ７４ｃに対向して位置する。これにより、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの出力信号パターンは、Ｌ、Ｌ、Ｈとなる。タンク本体５０内の液量が中間量と最大量との間にある場合は、この出力信号パターンを維持する。
【００５２】
図９、図１０および図１１（ｃ）に示すように、タンク本体５０内の液量が更に増加してベローズ５８が縮み、端壁５８ａおよび遮光部材６８が最小位置から３．０ｍｍ下降すると、枢軸６８ｂの下端がボトムカバー６０に当接し、端壁５８ａおよび遮光部材６８の機械的な下限となり、タンク本体５０内の液量は最大となる。この際、第１遮光板７０Ａの開口７１ａおよび第３遮光板７０Ｃの開口７１ｃがそれぞれ第１、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｃと対向し、第２遮光板７０Ｂが第２フォトインタラプタ７４ｂと対向する。これにより、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃの出力信号パターンは、Ｈ、Ｌ、Ｈとなる。
【００５３】
電池制御部１６は、上述した５種類の出力ロジックパターンを予め記憶しておき、第１、第２、第３フォトインタラプタ７４ａ、７４ｂ、７４ｃから出力された出力信号のパターンと比較することにより、ベローズ端壁５８ａおよび遮光部材６８の変位位置を検出し、これに対応するタンク本体５０内の液量を５段階で検出することができる。そして、電池制御部１６は、検出した液量に応じて、燃料ポンプ２６を駆動し、バッファータンク２８内のメタノール水溶液の液量が所望の液量となるまでタンク本体５０へ燃料を供給する。これにより、バッファータンク２８内のメタノール水溶液を運転に適した液量に維持する。
【００５４】
以上のように構成された燃料電池装置１０によれば、バッファータンク２８のタンク上部５０ａの内面が円錐形状に形成され、その円錐頂部が、液体流入口および流出口と部分的に重なっているため、アノード流路２２内部で発生したＣＯ2 等の気体は、タンク本体５０内に滞留することなく速やかにタンク外に排出される。そのため、バッファータンク２８内の液体の適正な液量検出が可能になる。  
燃料電池装置１０が電子機器に組み込まれて使用される際、燃料電池装置は、電子機器とともに傾けて使用される場合も考えられる。しかしながら、本実施形態によれば、バッファータンク上部５０ａ内面の円錐形状は、その頂角θが「（９０°−θ）＞装置の許容設置傾斜角」を満たすように設定されているため、タンク本体５０内に送られた気体は、絶えず円錐頂部に集められ、かつ、タンク内に滞留することなく速やかに流出口５７ｂからタンク外に排出される。そのため、バッファータンク２８内の容積が気泡によって一部占められることがなく、バッファータンク内の液体量を正確に検出することができる。
【００５５】
以上のことから、バッファータンク内の気泡溜まりを防止し、所望濃度の燃料を安定して供給し、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池装置が得られる。
【００５６】
変位検出機構６１は、遮光部材６８に圧縮コイルばね７２を付加させ、指定位置(タンク内液量最小位置)まで絶えずベローズ５８を伸張させるように付勢力を作用させているため、高温でベローズが圧縮状態に放置されても、ベローズ５８のヘタリ発生を防止することができる。
【００５７】
遮光部材６８をベローズ５８内部に配置し、複数個の光学センサを同一面に配置することにより、バッファータンク２８の全高を低く設定可能となる。また、渦電流変位センサ等に比較して、安価なフォトインタラプタを使用することができ、製造コストの削減が可能となる。
【００５８】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００５９】
タンク本体内の内圧、液量変化に応じて変位する変位機構は、ベローズに限らず、例えば、周囲が固定され中央が外圧により変位する薄膜構造（ダイアフラム構造）、その他の構造としてもよい。また、ベローズを伸張方向に付勢する付勢部材を省略することも可能である。変位センサは、フォトインタラプタに限らず、他の光学的あるいは電気的センサを用いても良い。遮光部材の形状、および変位センサの数は、上述した実施形態に限らず、必要に応じて変更可能である。変位検出位置は、５段階に限らず、必要に応じて増減可能である。
【００６０】
バッファータンクは、混合タンクに限らず、液体を貯溜するための他のタンクに適用することもできる。燃料電池装置は、電子機器に外部接続する構成に限らず、電子機器内に内蔵されていてもよい。使用する燃料は、メタノールに限らず、アルコール、炭化水素系燃料等を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
上記構成によれば、バッファータンク内の気泡溜まりを防止し、所望濃度の燃料を安定して供給し、発電効率の向上を図ることが可能な燃料電池装置が得られる。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池装置、１２…セルスタック、１４…燃料タンク、１６…電池制御部、
２０…循環系、２２…アノード流路、２４…カソード流路、２６…燃料ポンプ、
２８…バッファータンク、３０…送液ポンプ、５０…タンク本体、５０ａ…上部、
５０ｂ…ベース部、５０ｃ…平坦部、５１…変位機構、５６ａ、５６ｂ…接続管、
５７ａ…流入口、５７ｂ…流出口、５８…ベローズ、５８ａ…端壁、
６０…ボトムカバー、６１…変位検出機構、６６…カソード（空気極）、
６７…アノード（燃料極）、６８…遮光部材、６８ａ…当接部、
７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ…第１、第２、第３遮光板、７２…圧縮コイルばね、
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ…第１、第２、第３フォトインタラプタ、
【図１】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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