(57)【要約】燃料電池用の燃料サプライ用の燃料ゲージが開示される。各燃料ゲージは電気回路により読み出し可能な特性を有する。これら特性は燃料サプライ中の残留燃料に関係づけられる。これら特性は、これに限定されないが、電気容量、磁気、半導体抵抗、バイメタル抵抗、および発振磁界である。これら燃料ゲージは燃料サプライのどのような方位でも動作可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料サプライと、燃料電池により電力供給を受ける電子機器とに使用される燃料ゲージおいて、上記燃料ゲージは、電気回路により読み出し可能な特性を有し、上記特性は上記燃料サプライに残っている燃料の量に関連することを特徴とする燃料ゲージ。
【請求項２】
上記燃料ゲージは上記燃料サプライがどのような方向性であっても動作する請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項３】
上記特性は２つのノードの間の電気容量であり、第１のノードは、上記燃料が上記燃料サプライから取り出されるのに応じて変移する位置に配置される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項４】
第２のノードは上記燃料電池の表面に配置される請求項３記載の燃料ゲージ。
【請求項５】
第２のノードは上記電子機器の表面に配置される請求項３記載の燃料ゲージ。
【請求項６】
上記第１のノードは上記燃料を内包するライナーの表面または内部に配置され、上記ライナーは上記燃料サプライの内部に配置される請求項３記載の燃料ゲージ。
【請求項７】
上記特性は２つの極の間の磁力であり、第１の極は、上記燃料が上記燃料サプライから取り出されるのに応じて変移する位置に配置される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項８】
第２の極は上記燃料電池の表面に配置される請求項７記載の燃料ゲージ。
【請求項９】
第２の極は上記電子機器の表面に配置される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項１０】
上記第１の極は上記燃料を内包するライナーの表面または内部に配置され、上記ライナーは上記燃料サプライの内部に配置される請求項７記載の燃料ゲージ。
【請求項１１】
上記燃料ゲージに関連づけられたホールゲージが上記磁力から電圧を生成し、上記電圧を上記電子回路で読み出し可能にする請求項７記載の燃料ゲージ。
【請求項１２】
上記特性は半導体抵抗器の抵抗値である請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項１３】
上記半導体抵抗器はサーミスタを有する請求項１２記載の燃料ゲージ。
【請求項１４】
上記サーミスタは上記燃料に近接して配置される請求項１３記載の燃料ゲージ。
【請求項１５】
上記サーミスタは上記燃料を内包するライナーに近接して配置され、上記ライナーは上記燃料サプライの内部にある請求項１４記載の燃料ゲージ。
【請求項１６】
上記サーミスタは上記燃料の内部に配置される請求項１３記載の燃料ゲージ。
【請求項１７】
上記電気回路は上記サーミスタに電流を供給し、残留燃料を検出する請求項１３記載の燃料ゲージ。
【請求項１８】
上記電流は間欠的に供給される請求項１７記載の燃料ゲージ。
【請求項１９】
上記電流は連続して供給される請求項１７記載の燃料ゲージ。
【請求項２０】
上記特性はバイメタル抵抗器の抵抗値である請求項１７記載の燃料ゲージ。
【請求項２１】
上記バイメタル抵抗器はサーモカップルである請求項２０記載の燃料ゲージ。
【請求項２２】
上記サーモカップルは上記燃料に隣接して配置される請求項２１記載の燃料ゲージ。
【請求項２３】
上記サーモカップルは上記燃料を内包するライナーに近接して配置され、上記ライナーは上記燃料サプライの内部にある請求項２２記載の燃料ゲージ。
【請求項２４】
上記サーモカップルは上記燃料の内部に配置される請求項２１記載の燃料ゲージ。
【請求項２５】
上記電気回路は上記サーモカップルに電流を供給し、残留燃料を検出する請求項２１記載の燃料ゲージ。
【請求項２６】
上記電流は間欠的に供給される請求項２５記載の燃料ゲージ。
【請求項２７】
上記電流は連続して供給される請求項２６記載の燃料ゲージ。
【請求項２８】
上記電気回路は上記燃料電池中に配置される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項２９】
上記電気回路は上記電子機器中に配置される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項３０】
上記燃料サプライは燃料カートリッジである請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項３１】
上記燃料サプライは、使い捨てカートリッジ、再充填可能カートリッジ、再利用可能カートリッジ、上記電子機器内にあるカートリッジ、上記電子機器の外部にあるカートリッジ、燃料タンク、燃料再充填タンクおよび燃料コンテナからなるグループから選択される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項３２】
上記特性は誘導センサにより生成される交番磁界である請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項３３】
上記交番磁界は電気導電体が上記磁界に入ると交番し、請求項１記載の上記交番磁界の変化が残留燃料の量に関連づけられる請求項２２記載の燃料ゲージ。
【請求項３４】
上記誘導センサは上記燃料電池または上記電子機器の表面に配置され、上記電気導電体が、上記燃料が取り出されるときに変化する位置に配置される請求項３３記載の燃料ゲージ。
【請求項３５】
上記燃料ゲージに関連づけられたホールゲージが上記交番磁界から電圧を生成し、上記電圧を上記電子回路で読み出し可能にする請求項３２記載の燃料ゲージ。
【請求項３６】
燃料サプライと、燃料電池により電力供給を受ける電子機器とに使用される燃料ゲージおいて、上記燃料ゲージは、
上記燃料電池または上記電子機器に関連づけられた第２のセンサから距離を置いて離間された、上記燃料カートリッジに関連づけられた第１のセンサを有し、上記距離が上記燃料カートリッジ中の燃料レベルに応じて変化し、上記燃料カートリッジ中の残留燃料を表し、かつ、上記第１のセンサおよび第２のセンサが電気回路により読み出し可能な特性を有することを特徴とする燃料ゲージ。
【請求項３７】
磁界が上記センサの間に形成される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項３８】
電気容量が上記センサの間に形成される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項３９】
上記第１のセンサは上記サプライ内の燃料ライナーに近接して配置される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項４０】
上記第１のセンサは上記燃料ライナーの表面に配置される請求項３９記載の燃料ゲージ。
【請求項４１】
上記第１のセンサは、上記カートリッジ内の燃料ライナーに圧力を加えるバネの近傍に配置される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項４２】
上記第１のセンサは上記バネに接して配置される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項４３】
上記第２のセンサは上記燃料電池の内部または上記電子機器の内部に配置される請求項１記載の燃料ゲージ。
【請求項４４】
上記バネは金属バネを含む請求項４１記載の燃料ゲージ。
【請求項４５】
樹機バネは発泡体を含む請求項４１記載の燃料ゲージ。
【請求項４６】
上記第２のセンサは上記燃料サプライに接したまたはその内部に配置される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項４７】
上記電気回路は上記燃料電池の内部または上記電子機器の内部に配置される請求項３６記載の燃料ゲージ。
【請求項４８】
燃料サプライと、燃料電池により電力供給を受ける電子機器とに使用される燃料ゲージおいて、上記燃料ゲージは、電気回路により読み出し可能な電気抵抗を有し、上記電気抵抗は上記燃料サプライに残っている燃料の量に関連することを特徴とする燃料ゲージ。
【請求項４９】
上記電気抵抗は半導体抵抗器に由来する抵抗である請求項４８記載の燃料ゲージ。
【請求項５０】
上記半導体抵抗器はサーミスタである請求項４９記載の燃料ゲージ。
【請求項５１】
上記電気抵抗はバイメタル抵抗器に由来する抵抗である請求項４８記載の燃料ゲージ。
【請求項５２】
上記バイメタル抵抗器はサーモカップルである請求項５１記載の燃料ゲージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般に、種々の燃料電池に燃料を供給するカートリッジのための燃料ゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、直接すなわち、反応物質、すなわち燃料および酸素の化学エネルギを直流（ＤＣ）電気に直接変換する装置である。多くの漸増している用途において、燃料電池は、化石燃料の燃焼などの従来の発電よりも効率的であり、リチウムイオンバッテリーなどの携帯型蓄電池より効率的である。
【０００３】
一般に、燃料電池技術はアルカリ燃料電池、高分子電解質燃料電池、りん酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池および固体酸化物燃料電池等の、様々な異なった燃料電池を含む。今日の、より重要な燃料電池は３つの一般的なカテゴリに分割することができる。すなわち、圧縮水素（Ｈ２）を燃料として利用したもの；燃料としての水素に改質されるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）、炭化水素（例えばブタン）又は他の燃料を使用する陽子交換膜（ＰＥＭ）の燃料電池；および直接メタノール（ＣＨ３ＯＨ）燃料を使用するＰＥＭ燃料電池（「ダイレクトメタノール燃料電池」すなわちＤＭＦＣ）である。圧縮された水素は一般に、高い圧力の下で保たれ、そのため、扱いが難しい。その上、大きい貯蔵タンクが通常必要で、消費者向け電子製品用に十分小さくすることができない。通常の改質燃料電池は、燃料を水素に変換して燃料電池中で酸化剤と反応させるために、改質材が必要であり、また他の気化および補助システムを必要とする。近年の技術進歩により、改室材または改室燃料電池は消費者向け電子製品に有望である。ＤＭＦＣでは、メタノールが直接に燃料電池中で酸素と反応し、このＤＭＦＣは、最も簡単で可能性としては最も小さくなる燃料電池であり、消費者向け電子製品用の電力供給に最も有望である。
【０００４】
比較的供給が大きなアプリケーションでは、ＤＭＦＣは、酸化剤、典型的には空気か酸素を陰極電極に供給するためのファンかコンプレッサーと、水／メタノール混合物を陽極電極へ供給するポンプと、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）とを典型的に具備する。ＭＥＡは、典型的には、陰極、ＰＥＭおよび陽極を含む。動作中、水／メタノール燃料の混合液体が直接に陽極に供給され、酸化剤が陰極に供給される。各電極での化学電気反応と燃料電池に関する総合的な反応は以下の通り記述される：
【０００５】
陽極での反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
陰極での反応：
Ｏ２  ＋  ４Ｈ＋  ＋  ４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ
全体の燃料電池反応：
ＣＨ３ＯＨ  ＋  １。５Ｏ２  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２Ｏ
【０００６】
ＰＥＭを通る水素イオン（Ｈ＋）が陽極から陰極を通り抜けてマイグレーションするために、また、自由電子（ｅ−）がＰＥＭを通り抜けられないため、電子は外部回路を通って流れなければならず、外部回路を通して電流を生じさせる。この外部回路は、モバイルすなわちセル電話、計算機、パーソナルデジタツアシスタンツ、ラップトップコンピュータ、電力ツールなどの有益な消費者向けの電子製品であってよい。ＤＭＦＣは、特許文献１および特許文献２に開示されており、詳細はこれらに記載のとおりである。一般に、ＰＥＭはＮａｆｉｏｎ（商標）などの高分子から作られており、ＤｕＰｏｎｔから入手可能であり、厚さが約０．０５ｍｍ〜約０．５０ｍｍの範囲のペルフルオ化合物材料、その他である。陽極は、典型的には、白金ルテニウムなどの触媒の薄層によってサポートされたテフロン（Ｔｅｆｌｏｎｉｚｅｄ。テフロンは商標）のカーボン紙から製造される。陰極は、典型的には、白金粒子が膜の一面に接着されるガス拡散電極である。
【０００７】
水素化ホウ素ナトリウム改質燃料電池の燃料反応は以下のようなものである：
ＮａＢＨ４（液体）＋２Ｈ２Ｏ→（加熱または触媒）→４（Ｈ２）＋（ＮａＢＯ２）（液体）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（陽極で）
２（２Ｈ＋＋２ｅ−）＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ（陰極で）
適切な触媒は白金およびルテニウム、その他である。水素化ホウ素ナトリウムを改質して生成された水素燃料は燃料電池中で、酸化剤例えばＯ２と反応させられ、電気（すなわち電子の流れ）および水の副産物を生成する。ホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ２）の副産物も改質プロセスで生成される。水素化ホウ素ナトリウム燃料電池は特許文献３に検討されており、参照してここに組み入れる。
【０００８】
残っている燃料を測定することは、燃料カートリッジの耐用年数の間中、重要な事項である。公知の技術は、垂直タンク中の液体レベルを測定する種々のセンサまたは燃料−水混合物中のメタノールの濃度を測定する種々のセンサを開示している。例えば、特許文献４は、コンテナの重量により加えられる圧力を測定する液面レベル検出器を開示している。特許文献５は、液体レベルを確認する一般的なセンサに言及している。特許文献６は水素ガスの燃料ゲージを開示している。特許文献７、特許文献８、特許文献９および特許文献１０は燃料混合物中のメタノール濃度を測定する種々の装置および方法を開示している。しかしながら従来技術は燃料電池のどのような方位でも動作する燃料ゲージを開示していない。
【特許文献１】米国特許第５９９２００８号
【特許文献２】米国特許第５９４５２３１号
【特許文献３】米国公開特許出願２００３／００８２４２７
【特許文献４】米国公開特許出願２００３／００７７４９１
【特許文献５】米国公開特許出願２００３／００９１８８３
【特許文献６】米国特許第６５８４８２５号
【特許文献７】米国特許第６２５４７４８号
【特許文献８】米国特許第６３０６２８５号
【特許文献９】米国公開特許出願２００３／００１３１６６３
【特許文献１０】米国公開特許出願２００３／００１３４６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は、したがって、燃料電池向け燃料サプライ用の燃料ゲージに向けられている。
【００１０】
この発明は、また、燃料サプライがどのような方向性であっても動作する燃料サプライ用の燃料ゲージに向けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、燃料サプライ用の燃料ゲージに向けられており、これは、燃料電池、または、燃料電池により電力供給を受ける電子機器により読み出し可能なものである。
【００１２】
この発明の好ましい実施例は、燃料サプライと、燃料電池により電力供給を受ける電子機器とに使用される燃料ゲージであって、電気回路により読み出し可能な特性を有し、上記特性は上記燃料サプライに残っている燃料の量に関連することを特徴とする燃料ゲージに向けられている。上記燃料ゲージは上記燃料サプライがどのような方向性であっても動作する。
【００１３】
上記読み出し可能な特性は２つのノードの間の電気容量であってよく、第１のノードは、上記燃料が上記燃料サプライから取り出されるのに応じて変移する位置に配置されてよい。上記第１のノードは上記燃料を内包するライナーの表面に配置され、上記ライナーは上記燃料サプライの内部に配置されてよい。第２のノードは上記燃料電池の表面または上記電子機器の表面に配置されてよる。
【００１４】
上記読み出し可能な特性は２つの極の間の磁力であってもよく、第１の極は、上記燃料が上記燃料サプライから取り出されるのに応じて変移する位置に配置されてよい。上記第１の極は上記燃料を内包するライナーの表面または内部に配置され、上記ライナーは上記燃料サプライの内部に配置されてよい。第２の極は上記燃料電池の表面または上記電子機器の表面に配置されてよい。
【００１５】
上記読み出し可能な特性は半導体抵抗器の抵抗値であってもよい。好ましくは、上記半導体抵抗器はサーミスタである。このサーミスタは上記燃料に近接して配置され、好ましくは、上記サーミスタは上記燃料を内包するライナーに近接して配置される。代替的には、上記サーミスタは上記燃料の内部に配置される。上記電気回路は上記サーミスタに電流を間欠的にまたは連続して供給し、残留燃料を検出する。
【００１６】
上記読み出し可能な特性はバイメタル抵抗器の抵抗値であってもよい。好ましくは、このバイメタル抵抗器はサーモカップルである。このサーモカップルは上記燃料に隣接して配置され、好ましくは、上記燃料を内包するライナーに近接して配置される。代替的には、上記サーモカップルは上記燃料の内部に配置される。上記電気回路は上記サーモカップルに電流を間欠的にまたは連続して供給し、残留燃料を検出する。
【００１７】
上記読み出し可能な特性は誘導センサにより生成される交番磁界であってもよい。第２のセンサは磁界と干渉して渦電流を形成させる。誘導センサは好ましくは燃料電池の表面または電子機器の表面に配置されて、第２のセンサは誘導センサと離れて配置される。誘導センサと第２のセンサの間の距離が残留燃料と関係し、交番磁界の大きさと関連する。
【００１８】
上記電気回路は上記燃料電池中、または、上記電子機器中に配置される。上記燃料サプライは好ましくは燃料カートリッジである。上記燃料サプライは、使い捨てカートリッジ、再充填可能カートリッジ、再利用可能カートリッジ、上記電子機器内にあるカートリッジ、上記電子機器の外部にあるカートリッジ、燃料タンク、燃料再充填タンクおよび燃料コンテナである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
添付図面に例示され、以下で詳細に説明されるように、この発明は、メタノールと水、メタノール／水混合液、濃度が変化するメタノール／水混合液または純粋なメタノールなどの燃料電池用の燃料を格納する燃料サプライ（燃料供給装置）に向けられている。メタノールは多くのタイプの燃料電池、例えば、ＤＭＦＣ、酵素（ｅｎｚｙｍｅ）燃料電池、改質燃料電池、その他に使用できる。燃料サプライは他のタイプの燃料電池の燃料、例えば、エタノールまたはアルコール、水素に改質できる化学物質、または、燃料電池の性能や効率を改善することができる他の化学物質を含んでも良い。燃料は、また、水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質を含んでも良く、これは金属燃料電池またはアルカリ燃料電池とともに用いることができ、燃料サプライに貯蔵することができる。金属燃料電池に対しては、燃料はＫＯＨ電解質反応溶液に浸漬された液体担持亜鉛の形態をしており、電池空洞中の陽極は亜鉛粒子からなる粒状陽極である。ＫＯＨ電解質溶液は、「１または複数の負荷に電力供給するように構成された燃料電池システムの使用方法」という題名で２００３年４月２４日に公開された米国公開特許出願２００３／００７７４９３に開示されており、参照してここに組みこむ。燃料は、また、メタノール、過酸化水素、および硫酸の混合物を含み、これはシリコンチップ状に形成された触媒を通過して流れ燃料電池反応を生成する。燃料は、また、液体水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）および水を含み、これは上述のとおりである。燃料はさらに炭化水素燃料を含み、炭化水素燃料は、これに限定されないが、ブタン、灯油、アルコール、および天然ガスを含み、これは、「液体ヘテロインタフェース燃料電池デバイス」という題名で、２００３年５月２２日に公開された米国公開特許出願２００３／００９６１５０に開示されており、参照してここに組みこむ。燃料は、また、燃料と反応する液体酸化物を含む。したがって、この発明は、サプライ中に含有される、任意のタイプの燃料、電解質溶液、酸化物溶液または液体に制約されない。ここで使用される用語「燃料」は、燃料電池または燃料サプライ中で反応することができるすべての燃料を含み、また、上述の適切な燃料、電解質溶液、酸化物溶液、液体、および／または化学物質ならびにこれらの混合物のすべてを含むが、これに限定されない。
【００２０】
ここで使用される用語「燃料サプライ」は、これに限定されないが、使い捨てカートリッジ、再充填可能／再使用可能カートリッジ、電子製品内に配置されるカートリッジ、電子製品の外部に配置されるカートリッジ、燃料タンク、燃料再充填タンク、燃料を貯蔵する他のコンテナ、および、燃料タンク、コンテナ、燃料電池又は燃料電池が電力供給する電子製品に結合された管材を含む。カートリッジはこの発明の例示的な実施例との関連で以下に説明されるが、これら実施例は他の燃料サプライにも適用可能であり、この発明は燃料サプライのいかなる特定のタイプにも限定されないことに留意されたい。
【００２１】
適切な燃料サプライは、本出願人の２００３年１月３１日出願に係る米国特許出願１０／３５６７９３、「燃料電池用の燃料カートリッジ」に開示されているものを含む。この出願の開示内容は参照してここに組み入れる。適切な燃料電池カートリッジの実施例を図１に示す。カートリッジ４０は、上述のとおり、任意の種類の燃料を内包してよい。カートリッジ４０はハウジングトップ４２およびハウジング本体４４を具備する。本体４４は燃料ライナー４６を収容するような形状・大きさを有する。燃料ライナーは本出願人の２００３年７月２９日出願に係る米国特許出願１０／６２９００４、「柔らかいライナーを有する燃料カートリッジ」に十分に開示されている。この出願の開示内容は参照してここに組み入れる。ライナー４６は遮断バルブ３６に結合されている。適切な遮断バルブは、本出願人の２００３年７月２９日出願に係る米国特許出願１０／６２９００６、「結合バルブを有する燃料カートリッジ」に開示されているものを含む。この出願の開示内容は参照してここに組み入れる。バルブ３６はライナー４６に燃料を充填するのに用いることができ、燃料をライナーから燃料電池へ選択的に運ぶのにも用いることができる。一側面においては、バルブ３６は本体４４の直立状の端壁５０の表面に設けられる。端壁５０はスロット４８を有し、これがバルブ３６を収容するようになっている。図１Ａに示すように、バルブ３６は２つの外部鍔５１を有し、これらが端壁５０を跨ぎ、バルブ３６を固定して取り付ける。好ましくは、外側の鍔が、図示のとおり、端壁５０の表面と面一にされる。バルブ３６を配置した後に、スロット４８を、当該スロット４８に挿入されるプラグまたはガスケットによりシールしてもよい。プラグまたはが図ケットは、エラストマーまたはゴム材料、フィラー材料、村他の適切なシーリング材料から製造できる。
【００２２】
トップ４２はその内側表面に取り付けられた圧縮発泡体５２を具備する。発泡体５２は、単一層でも多層でもよい。発泡体５２は、ライナー４６を充填するまえに、ライナー４６に近接して配置される。トップ４２は、本体４４の頂部上にガイド５４および対応する穴５６により配置される。トップ４２は本体４４に任意の既知の手段により、例えば、接着剤結合、超音波結合、電磁波、融着、高温シーリング、その他により、結合してもよい。端壁５０および他の側壁は相互に、また、底５８と同様に結合される。代替的には、側壁は底５８と一体に形成される。例えば、射出成型、または熱成型により生成される。端壁５０および他の側壁は好ましくは複数のガイド６０を具備し、発泡体５２およびライナー４６の圧縮および拡張を案内する。
【００２３】
端壁５０は通気バルブ６２または気体透過性、液体非透過性膜６４を具備し、カートリッジ４０が充填されるときには空気を排出し、また、使用中には燃料電池の反応で生成された気体の副産物を排出する。膜６４は気体透過性、液体非透過性の膜であってよく、燃料が消費されているときに、空気を流入させてカートリッジ内に真空が形成されるのを最小化する。そのような膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ナイロン（商標）、ポリアミド、ポリビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、または他のポリマーの膜から製造できる。商業的に入手できる撥水性のＰＴＦＥ微孔性膜は、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅ社、およびＦｉｌｔｒｏｎａ社等から取得できる。Ｇｏｒｅｔｅｘ（商標）は適切な膜である。Ｇｏｒｅｔｅｘ（商標）は、液体を通すには小さすぎ、気体を通すのに十分に大きい孔を有する微孔性の膜である。
【００２４】
図２に示されるように、トップ４２を本体４４に組み付けた状態で、発泡体５２は底５８および空のライナー４６と面一でなければならない。燃料を遮断バルブを介してカートリッジへのポンピングするときに、ライナー４６が膨張して発泡体５２を圧縮する。発泡体５２が圧縮されるときに、発泡体５２は位置バネエネルギを蓄積し、ライナー４６を圧縮して、使用時に、燃料が燃料電池に運ばれるのを援助する。また、燃料をカートリッジにポンピングするときに、カートリッジ中に捕捉されている空気を膜６４を介して排出する。代替的には、空気を通気バルブ６２を介して排出してもよい。一実施例では、バルブ６２はチャネル６８および７０を有する。チャネル６８により空気やその他の気体が排出され、チャネル７０により、燃料電池により生成された液体および気体の副産物が必要に応じてカートリッジへ運ばれる。図２Ａおよび２Ｂに示すように、チャネル６８および７０は同軸である。すなわち、それらは相互に隣り合って配置されてもよく、また一方が他方の中に配置されてもよい。代替的には、ライナー４６は燃料を再充填できてもよく、そして、トップ４２を本体４４に結合する前に本体４４に挿入する。トップ４２は、本体４４に結合する際に、発泡体５２を圧縮する。
【００２５】
発泡体５２はその厚さ方向に空隙率を変化させてもよく、単一層でも多層でもよい。図３および４に示すように、発泡体５２を波形バネまたは板バネ７４に置き換えてもよく、これが板７６をバイアスする。
【００２６】
この発明の一側面に従う燃料ゲージ機構は図１、３および４に示される。この実施例において、燃料ゲージは２つのセンサを有し、第１のセンサ７８
カートリッジ４０内に配置される。第１のセンサ７８は、燃料が取り出されるときに変移してカートリッジ中の残留燃料のレベルを反映する位置に配置されなければならない。例えば、第１のセンサ７８は、ライナー４６の表面に、発泡体５２の表面に、またはバネ板７６の表面に、直接に配置される。図示のように、第１のセンサ７８は発泡体５２の表面に配置され、これがライナー４６と接触し、またバイアスされている板７８の表面に配置され、これがライナー４６と接触する。第２のセンサ８０はカートリッジ４０の外部に、例えば、燃料電池または電子装置８２の表面に配置される。第２のセンサ８０は燃料電池または燃料電池が電力供給する電子装置に電気的に結合されている。第２のセンサ８０に接続されている電気回路（模式的に示す）はこれらセンサの間の電気的または磁気的な特性を測定でき、この特性は燃料レベルと相関があり、または関連づけられている。電気回路を、カートリッジの壁を通じて伸びる電気ワイヤを介して第１のセンサ７８に接続してもよい。
【００２７】
ここで使用される「関連づける」（ｒｅｌａｔｅ）、「関連づけられる」（ｒｅｌａｔｅｄ）、「相関する」（ｃｏｒｒｅｌａｔｅ）または「相関づけられる」（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ）は、センサにより測定される特性と残留燃料との間の関係を説明するのに用いる際には、直接の関係、すなわち、残留燃料レベルが減少すると測定特性が増加するというもの、または非直接の関係、すなわち、残留燃料レベルが減少すると測定特性が減少するというもの、および、それらの逆を含む。また、直接または非直接の関係は測定特性と残留燃料レベルとの間の線形または非線形の変化の双方を含む。
【００２８】
一例では、第１のセンサおよび第２のセンサは磁気的なまたは磁化された材料から製造される。センサはお互いに引力を有してもよいし、斥力を有してもよく、これはセンサの間の距離「Ａ」の関数である。ライナー４６が空のときには、２つのセンサは相互に接近してまたは接触して（Ａは最小）、両者の間の磁力は最大である。ライナー４６が満タンであると、２つのセンサは相互に最も離れており（Ａは最大）、両者の間の磁力は最小になる。２つの測定された点を較正して、ライナー４６中の残留燃料のレベルが距離「Ａ」の関数が評価される。
【００２９】
他の例では、第１および第２のセンサは電気的な導電性材料から製造され両者の間に容量が形成される。第２のセンサ８０は電気回路（図示しない）に接続され、これが両センサの間の容量を測定する。両センサの間の容量は距離「Ａ」と、両センサの間の材料の誘電定数の関数である。この例では、カートリッジ４０の外側シェル、ライナー４６の材料および燃料の誘電定数が容量の測定に関連する。電気回路は第２のセンサ８０を第１のセンサより相対的に高い電圧まで充電し、センサの間の容量を測定する。ライナー４６が空のときには、２つのセンサは相互に接近してまたは接触して（Ａは最小）、両者の間の容量は最小である。ライナー４６が満タンであると、２つのセンサは相互に最も離れており（Ａは最大）、両者の間の容量は最大になる。２つの測定された点を較正して、ライナー４６中の残留燃料のレベルが距離「Ａ」の関数が評価される。
【００３０】
磁界はセンサ８０の表面に配置され電気回路に接続されたホールセンサにより測定できる。ホールセンサは、当該ホールセンサに電流が流れると、センサ７８および８０の間に生成された磁界の強さに関連づけられた電圧を発生する。電気回路は電流を供給して発生電圧を測定する。ホールセンサはスイス、チューリヒのＭｉｃｒｏｎａｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｏｌｄｉｎｇ  ＡＧ社から商業的に入手できる。他の線ンさも磁界の測定に利用でき、例えば、磁界により引き起こされるセンサ８０表面のひずみを測定するひずみゲージも利用できる。この例では、センサ８０はカンチレバーの態様で設けられて、測定可能なひずみを最大化しなければならない。
【００３１】
第１および第２のセンサ７８および８０を用いる利点は、燃料レベルを特定する電気回路が燃料電池または電気機器の内部にあり、再利用できることである。第２のセンサも再利用可能である。第１のセンサ７８のみが、カートリッジを捨て去るときに、または、再利用可能カートリッジ４０を寿命終了後に交換するときに、交換される。これにより、燃料カートリッジを製造するコストおよび煩雑さが減少する。他の利点は、これらセンサは、なんら燃料と物理的な接触を伴うことなく残留燃料を測定することである。
【００３２】
第１および第２のセンサ７８および８０を用いて残留燃料レベルを評価する他の方法は、この発明に従って工夫でき、この発明は第１および第２のセンサを用いた具体的な測定方法に限定されない。
【００３３】
この発明の他の側面によれば、サーミスタを用いてカートリッジ４０内の残留燃料を測定できる。サーミスタは温度変化に応じて変化する半導体抵抗器である。一般に、２つの種類のサーミスタがある。負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタおよび正温度係数（ＰＴＣ）サーミスタである。ＮＴＣサーミスタは、温度上昇に晒されると、抵抗値を減少させ、ＰＴＣサーミスタは、温度低下に晒されると、抵抗値を増加させる。サーミスタは古くからシステムまたは流体の温度を測定するのに用いられてきた。
【００３４】
サーミスタの抵抗の重要な点は、サーミスタの本体の温度が燃料カートリッジ内部の熱伝達および燃料電池が電力供給する電子装置内の熱伝達の関数であること依存する。熱伝達は、主に、環境内の熱伝導および放射により、また装置内の電力消費に起因する加熱から起こる。伝統的な熱測定機能においては、自己加熱を補償して正確な温度を得られるようにする必要がある。この発明によれば、自己加熱を補償せずに燃料カートリッジ内の残留燃料の熱の分散容量を測定できるようにする。熱容量がカートリッジ内の残留燃料の量と関係づけられる。ＮＴＣおよびＰＴＣサーミスタの双方をこの発明に利用できる。
【００３５】
一般に、熱容量または熱伝導は、流体すなわち液体または気体が熱を伝導または分散する能力として説明されている。液体、例えば、水またはメタノールの熱容量は、気体、例えば空気または二酸化炭素のそれよりかなり大きい。流体の熱を分散する容量は、流体ごとの定数である、その熱容量を流体の体積で掛けたものと等しい。したがって、この発明のこの側面は、燃料の中、または燃料を内包するライナー４６の表面に配置されたサーミスタの電気抵抗を測定して残留燃料の体積を測定する。電気抵抗は、つぎに、残留燃料が熱を分散する容量に変換され、この容量が、熱容量定数で割ることにより、残留燃料の体積に変換される。換言すれば、熱容量が大きければ大きいほど残留燃料の体積が大きくなる。
【００３６】
サーミスタ燃料ゲージは使用前に較正する必要がある。燃料電池および電子装置の動作温度は既知である。満タンのライナーからの電気信号を記録し、つぎに、空のライナーからの電気信号を記録する。既知の部分的な体積からの１または複数の信号も記録できる。較正曲線を、動作温度の間のこれら較正点から導出できる。実時間の信号がこの較正曲線と比較され、残留燃料を測定する。他の較正方法を、この発明を逸脱することなく採用可能である。
【００３７】
さらに、サーミスタは抵抗であるので、サーミスタを流れる電流が熱を発生する。したがって、電流がサーミスタを流れて、残留燃料により分散される熱を発生し、正確な読み出しが可能になる。一実施例では、残留燃料の読み出しが必要なときには、いつでも、燃料電池が監視用にサーミスタに電流を供給して熱分散の量を測定する。電流は間欠的にまたは連続的に供給されてよい。
【００３８】
図５に示すように、カートリッジ４０は燃料を内包するライナー４６を具備する。ライナー４６はバネ５２、７４、または位置エネルギを蓄積する任意の他の適切な装置により圧縮されている。バネは図５においては一般的に示されている。燃料ゲージ９０はこの実施例のサーミスタであり、ワイヤ９２、９４を介して回路に接続されている。燃料ゲージ９０は好ましくはライナーの表面に配置され燃料から絶縁されている。この回路は燃料の熱容量を測定し、これにより残留燃料の体積を測定する。回路はゲージ９０に交差して電圧を印可してゲージ９０に電流を供給でき、残留燃料による熱分散を測定する。これは上述のとおりである。代替的には、ゲージ９０をライナー４６の内部に配置して燃料に直接接触させてもよい。
【００３９】
この発明の他の側面によれば、サーモカップルを燃料ゲージとして用いてもよい。サーモカップルも、温度を測定するために典型的に用いられ、異なる金属から製造された２つのワイヤを有し、バイメタルセンサとしても知られている。２つワイヤは２つの結合点で結合される。測定結合点の温度が参照結合点の温度と異なるときに、電位差が形成される。参照結合点の温度は既知の温度、例えば、水の凍結温度に維持される。この電位差はＤＣ電圧であり、測定結合点の温度に関連づけられている。サーモカップルによる温度測定は当業界において周知である。
【００４０】
サーミスタと同様に、サーモカップルも抵抗として動作し、温度に依存する。サーモカップルは、その電位差を測定することにより、残留燃料の熱容量を測定することができる。したがって、サーモカップルも残留燃料を測定できる。代替的には、電流をサーモカップルの測定結合点を通じて供給してもよい。電流は測定結合点を加熱して燃料が熱を分散する。したがって、分散した熱の量は、残留燃料と関連がある。電流は間欠的にまたは連続して送ることができる。サーモカップル燃料ゲージはサーミスタの較正と同様に較正する必要がある。これを以下に検討する。
【００４１】
図５に示すように、サーモカップルの測定結合点１００をライナー４６の表面上にまたはその内部に燃料と接触させて配置できる。サーモカップルは温度を測定するのに使用するのでないので、参照結合点はオプションである。
【００４２】
この発明の他の側面によれば、誘導センサを用いて残留燃料を測定できる、誘導センサは典型的にはオン・オフ近接スイッチとして用いられる。誘導センサは１個のワイヤコイルと１個のファライトコアを有し、誘導容量（ＬＣ）同調回路の誘導部分を形成する。この回路は発振器を駆動し、発振器が対称な発振磁界を発生する。電気導体、例えば金属板が発振磁界に入ってくると、導体に渦電流が形成される。この渦電流がエネルギを磁界から取り出す。エネルギの変化が誘導センサと電気導体との間の距離に関係する。
【００４３】
図３および４を参照すると、センサ８０が誘導センサであり、センサ７８が電気導体であってよい。この実施例のセンサ８０およびセンサ７８の間の距離が残留燃料に関連する。図３および図４に示される電気回路は磁界の変化を直接にまたはホールセンサを伴って測定できる。これは上述のとおりである。誘導センサはペンシルバニア州エクストンのＩＦＭ  Ｅｆｅｃｔｏｒ社、およびオハイオ州ヤングタウンのＳｅｎｓｏｕｒｃｅ社、その他から商業的に入手できる。
【００４４】
ここに説明された燃料ゲージは燃料カートリッジの方位に依存しない。すなわち、どのような方位でも動作する。これら燃料ゲージはいかなる燃料電池とともに使用されるいかなるタイプの燃料を内包する圧縮型燃料サプライおよび非圧縮型燃料サプライに利用できる。また、これら燃料ゲージはコントローラ、例えば、本出願人の同日出願に係る米国特許出願、「情報記憶装置を含む燃料電池およびコントロールシステム」に十分に開示されているコントローラにより読み出し可能である。この特許出願の内容も参照してここに組み入れる。
【００４５】
ここに開示された発明の例示的な実施例がこの発明の目的を達成することは明らかであるが、当業者が種々の変形や他の実施例を構成できることは容易に理解できる。例えば、ここに開示される燃料サプライはライナー例えばライナー４６を伴うことなく利用できる。図４に最も明瞭に示されるように、板７６がカートリッジ４０の側壁とともにシールを形成してもよく、そして燃料が板７６より下に蓄積される。センサ７８および８０は図示のように同一の位置に配置される。したがって、添付の特許請求の範囲は、これらすべての変形例や実施例を、その趣旨を逸脱することなくカバーすることを意図するものであることは、容易に理解できる。
【００４６】
添付図面は明細書の一部を形成し、明細書との関連において理解されるべきであり、種々の図において類似の参照番号は類似の部分を示すために用いられる。添付図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の位置実施例に従う燃料カートリッジを、燃料ゲージの一部を示す位置で示す分解図である。
【図１Ａ】上記カートリッジ内のライナーに結合されるバルブの断面図である。
【図２】図１の燃料カートリッジを閉じた位置で示す斜視図である。
【図２Ａ】上記ライナーに接続される他のバルブの斜視図である。
【図２Ｂ】上記ライナーに接続される他のバルブの斜視図である。
【図３】図１および２のカートリッジを燃料ゲージとともに示す断面図である。
【図４】図３の他の実施例を示す図である。
【図５】この発明の他の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４８】
４０       カートリッジ
４２       ハウジングトップ
４４       ハウジング本体
４６       燃料ライナー
５２       発泡体またはバネ
７４       板バネ
７６       板
７８       センサ
８０       センサ
８２       電子装置
９０       燃料ゲージ
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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