(57)【要約】      （修正有）【課題】  携帯機器に搭載される燃料電池システムにおいて、発電用燃料の残量およびアルコール濃度の検出を、精度良く、且つ安価に行えるようにする。【解決手段】  燃料電池と、燃料カートリッジ３と、前記燃料カートリッジ３を脱着する機構ととを備えた燃料電池システムであって、前記周辺部位には、前記燃料カートリッジ３を装着する装着スペースと、前記装着スペースの側面に沿って所定の間隔で隔設され配置された複数本の電極５、６、７と、前記複数本の電極間の静電容量を検出する検出回路８と、前記検出回路８から出力される信号を演算してデータとして送出するインターフェイス回路を有する構成とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコール水溶液を燃料とする燃料電池と、前記燃料を貯蔵した燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジを脱着する機構と、前記燃料カートリッジからの前記燃料電池へ前記燃料を供給する燃料供給機構を備えた周辺部位とを備えた燃料電池システムであって、
前記周辺部位には、前記燃料カートリッジを装着する装着スペースと、前記装着スペースの側面に沿って所定の間隔で隔設され配置された複数本の電極と、前記複数本の電極間の静電容量を検出する検出回路と、前記検出回路から出力される信号を演算してデータとして送出するインターフェイス回路を有する燃料電池システム。
【請求項２】
前記電極は３体以上設けられ、このうち２体は前記燃料の残量に応じて静電容量が変化するように配置され、残りの電極は比較用電極として燃料の残量に影響しない位置に配置されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料カートリッジの一部は燃料の残量によらず常に一定の燃料が保持される機構を有し、この部位の静電容量を検出するように設けられた電極を有し、検出された静電容量値によって、前記燃料のアルコール濃度を判定する機構を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料供給機構の一部の部位にあって、この部位の静電容量を検出するように設けられた電極を有し、検出された静電容量値によって、前記燃料のアルコール濃度および燃料の有無を判定する機構を備える請求項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、燃料カートリッジを備えた携帯型燃料電池システムおいて、好適な燃料の残量検出方法および燃料の種別判定方法を使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への影響（負担）が少なく、且つ、例えば、３０〜４０％程度の極めて高いエネルギー利用効率を実現することができる燃料電池をはじめとする各種の新たな電源システムや発電システム（以下、「電源システム」と総称する）が注目され、車両用の駆動電源や事業用の電源システム、家庭用のコジェネレーションシステム等への適用を目的として、或いは、上述したような化学電池の代替えを目的として、実用化のための研究、開発が盛んに行われている。  しかしながら、今後、燃料電池等のエネルギー利用効率が高い電源システムを小型軽量化して、可搬型又は携帯型のポータブル電源、例えば、上述した化学電池の代替え（互換品）として適用するためには、次に示すような問題点を有している。
【０００３】
即ち、例えば、上述した燃料電池を有する電源システム（以下、燃料電池システムとする）にあっては、発電用の燃料（発電用燃料）を用いて、電力を発生（発電）させるため、係る燃料の残量を常に把握し、燃料の残量が少なくなったら、現在使用中の燃料カートリッジを、燃料が充填された新たな燃料カートリッジに交換する等、燃料電池システムの燃料の残量を速やかに回復（増加）させる必要がある。
【０００４】
このため、燃料電池システムには、現在の燃料の残量を常に把握すべく、燃料の残量を検出するための残量検出手段が設ける必要がある。一般的な燃料の残量を検出するための残量検出手段としては、様々な方法が提案されているが、そのほとんどは、携帯機器用の燃料電池システムに相応しく小型、且つ安価に構成することは、容易ではなかった。（例えば特許文献１参照）
その中で、携帯機器用の燃料電池システム用としては、燃料カートリッジの内面に電極を設けて電気抵抗を検出する方法が提案されている。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開昭６２−１９１７２２号公報
【特許文献２】特開２００４−９３４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来の技術では、検出手段が燃料カートリッジ側にあるため、交換用の燃料カートリッジにもそれぞれ検出手段が必要となり、そのシステムの残量検出精度をあげるため高価な部品を使った場合、コストが上がるため、検出精度と安価を両立させるのは困難であった。
【０００６】
また、燃料電池メーカーによって使用するメタノール濃度が異なる為、間違った燃料が使用される危険性があった。
【０００７】
そこで、本発明は、特に携帯機器に搭載される燃料電池システムにおいて、発電用燃料の残量およびアルコール濃度の検出を、精度良く、且つ安価に行えるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の燃料電池システムは、アルコール水溶液を燃料とする燃料電池と、前記燃料を貯蔵した燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジを脱着する機構と、前記燃料カートリッジからの前記燃料電池へ前記燃料を供給する機構を備えた周辺部位とを備えた燃料電池システムであって、前記周辺部位には、前記燃料カートリッジを装着する装着スペースと、前記装着スペースの側面に沿って所定の間隔で隔設され配置された複数本の電極と、前記複数本の電極間の静電容量を検出する検出回路と、前記検出回路から出力される信号を演算してデータとして送出するインターフェイス回路を有するものである。
【０００９】
この構成によれば、燃料カートリッジ内の燃料の残量に応じて、燃料カートリッジの装着スペースに設けられた各導体間の静電容量が変化するため、それを検出することで燃料残量が把握できる。この構成においては、検出手段である電極は、燃料電池システム側にあるため燃料カートリッジに特別な機構をつけなくても良い。また、腐食性の強いアルコール水溶液に電極が触れることが無いので、耐久性にも優れている。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記電極は３体以上設けられ、このうち２体は前記燃料の残量に応じて静電容量が変化するように配置され、残りの電極は比較用電極として燃料の残量に影響しない位置に配置されているものである。この構成により、さらに正確な残量の検出が出来る。
【００１１】
そして、本発明の請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料カートリッジの一部は燃料の残量によらず常に一定の燃料が保持される機構を有し、この部位の静電容量を検出するように設けられた電極を有し、検出された静電容量値によって、前記燃料のアルコール濃度を判定する機構を備えるものであり、燃料のメタノールと水の混合比率が異なるカートリッジを装着した場合、これを検出して異常判断をすることができる。
【００１２】
最後に、本発明の請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料供給機構の一部の部位にあって、この部位の静電容量を検出するように設けられた電極用を有し、検出された静電容量値によって、前記燃料のアルコール濃度および燃料の有無を判定する機構を備えるものであり、請求項３で記載した機能を燃料電池システムの本体側で行うことができることと、あわせて、燃料カートリッジを接続してから燃料供給ポンプを作動させ、燃料が機器へ送り込まれてきたことを検出すること、および燃料が無くなったことを検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電極を構成する二本の導体間の静電容量値を測定することで、燃料カートリッジが有する燃料カートリッジ内の発電用燃料の残量を、容易にかつ安価に算出することができる。
【００１４】
また、三本以上の上記電極を配設することで、より精度の高い検出が可能である。
【００１５】
さらに、燃料の種別を判定することができるため間違った燃料カートリッジを接続した場合、対策することが可能である。
【００１６】
そして、燃料の有無を検出することができるためカートリッジが空になった事を検出して警報を出し、新しいカートリッジの装着を促す他、新しいカートリッジが接続された時、または始動時にポンプを作動させて燃料が供給できる位置まで到達した事を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム２、及び当該燃料電池システム２を搭載した携帯機器（同図においては、ノートパソコン１）および燃料カートリッジ３が示されている。
【００１８】
本実施の形態に係る燃料電池システム２は、ノートパソコンの後部に電池パック装着部（図示せず）があり、ここに取り付けられる。そして、燃料カートリッジ３は前記燃料電池システム２の中にその全部もしくは一部が燃料カートリッジ３の装着スペース４に収納されるように装着される。
【００１９】
本発明の構成は係る燃料カートリッジ３の装着スペース４に設けられその詳細を図２に示す。
【００２０】
電極５，６，７の５と６の間に燃料カートリッジ３が挿入されこの、電極５，６間の静電容量Ｃは電極面積Ｄと電極間の距離Ｌと電極間におかれた物質の比誘電率Ｅによって決まり、式１となる。
【００２１】
Ｃ＝ＥＤ／Ｌ      ・・・・（１）
本発明の構成ではＤとＬは固定されているためＣはＥのみによって決まる。
【００２２】
空気の比誘電率１、メタノールは３３、水は８８である。
【００２３】
燃料カートリッジ内部の水とメタノールの比率が既知であればＣ値を求めることによって燃料の残量を得ることができる。残量がゼロの場合のＣはもっとも小さく、燃料が満タンの時のＣはもっとも大きな値を示す。
【００２４】
電極７は電極５，６間の容量Ｃを求めるための比較用の電極であり電極６，７間には本実施の形態の場合、空気が介在する。電極５，６間の容量を電極６，７間の容量の比で求めることにより最も精度よく、燃料の残量を測定できる。
【００２５】
電極６，７間の容量は電気部品のコンデンサで置き換える事も可能でありこの場合は電極７は不要となる。
【００２６】
８は静電容量検出回路でありこの回路の構成に付いては後で説明する。
【００２７】
２３はインターフェイス回路であり静電容量検出回路８が検出したデータを演算して燃料に関する信号を作成しノートパソコン１へ送信する。
【００２８】
ノートパソコン１では画面上に燃料情報を表示したり、燃料カートリッジの交換を指示する情報を表示することができる。
【００２９】
図３を用いて燃料残量の検出の仕組みを詳しく説明する。
燃料カートリッジ３の両側に電極５、６が配置されており燃料は斜線部分まで入っている。
電極５の２１の部分は燃料が入っている部分にあたる為、容量は燃料の比誘電率に依存する。
【００３０】
２２の部分は燃料が入っていない部分、すなわち空気の部分にあたる為、容量は空気の誘電率に依存しきわめて小さい。液面が電極５、６と垂直であれば、トータルの電極５と６の間の容量は２１の部分の容量と２２の部分の容量との和となる。
【００３１】
図４は燃料カートリッジ３の傾きによる影響を説明する図である。
電極５は燃料カートリッジ３の手前に設けられており燃料カートリッジ３の裏側にも同様の電極６が設けられている。
【００３２】
図４において燃料はカートリッジの内容積の２／５程度入っている状態を示している。
【００３３】
図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はカートリッジを装着した燃料電池が使用される角度が異なる場合を示しており、電極５（及び電極６）が適切な形状であれば、ほぼ常に液面が電極５、６と垂直となり、傾きによる検出誤差を小さくすることができる。
【００３４】
図５は静電容量検出回路８の一例を示すブロック図である。
１４は発振器、１５，１６は反転僧服器で発振器１４の出力を増幅して電極５、７の両端に印加する。
【００３５】
１５、１６の出力の位相は１８０度ずれている。
【００３６】
電極５，６間の容量と電極６，７間の容量が等しい場合、電極６は中点となり何も電気信号が出力されないが  容量に差がある場合には差の大きさに比例した交流電圧が生ずる。
差の絶対値は振幅の大きさとして現れて、どちらの容量が大きいかの符号は位相として観測することができる。
【００３７】
よって増幅器１７で増幅した後、同期検波回路１８で位相検波する事により極性を含む容量の比の値を直流電圧として得ることが可能である。
同期検波回路１８の出力は抵抗、コンデンサのフィルターで平滑され電圧増幅回路１９で増幅され出力される。
＜第２の実施の形態＞
図６は、本発明の燃料電池システムで燃料の種別判定を行うための構成を示している。図６において燃料カートリッジ３の一部である９の部分には燃料の残量によらず常に一定量の燃料が介在する構造になっている。電極１０、１１はこの９の部分を挟み込むように配置されており、この１０、１１間の容量を測定する事により燃料の濃度（メタノールと水の配合比率）を測定することができる。
【００３８】
メタノール１００％の場合がもっとも容量が小さく、水１００％の場合がもっとも容量が大きくなる。
＜第３の実施の形態＞
図７は本発明の燃料電池システムで燃料の種別判定を行うための別の構成を示しており、燃料ポンプ１２によって燃料タンク３から送出された燃料は燃料電池１３に送り込まれている。
この燃料パイプの途中に電極１０，１１が設けられておりこの間の静電容量で燃料の種類、燃料の有無が検出できる。
＜第４の実施の形態＞
図８は袋状のアルミパックの中に燃料が入っておりこれが外装ケースに収められている。
燃料が満タン状態ではアルミパック２０と電極５、６との距離が小さい為、静電容量は大
きく、燃料が減るにつれてアルミパックがしぼんでくる為、電極との距離が遠くなり静電容量は小さくなる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の燃料電池システムは、ノートパソコン等の携帯機器の電源システムとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの適用形態を示す図
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成模式図
【図３】燃料残量検出原理の説明図
【図４】カートリッジの傾きによる影響の説明図
【図５】静電容量検出回路８の回路ブロック図
【図６】第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成模式図
【図７】第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成模式図
【図８】第４の実施の形態に係る燃料電池システムの構成模式図
【符号の説明】
【００４１】
１        ノートパソコン
２        燃料電池システム
３        燃料カートリッジ
４        装着スペース
５，６，７，１０，１１    電極
８        静電容量検出回路
１４        発振回路
１５，１６  反転増幅回路
１７        増幅回路
１８        同期検波回路
１９        電圧増幅回路
２０        燃料カートリッジ
２３        通信インターフェイス
【図１】
2006040836.tif 000003
【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２】
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