(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料漏れの可能性を低減させると共に燃料供給機構内の残りの燃料の精確な見積りをユーザに提供するための、燃料供給機構と燃料液面高さセンサを一体化する装置及び方法を提供すること。【解決手段】燃料供給機構は、燃料を収容するための内部チャンバと、燃料容器の内部チャンバ内に配設された圧力検知ユニット210とを有する、燃料容器を含む。該圧力検知ユニット210は、燃料容器内に残っている燃料の量を示す出力信号を提供するよう構成される。【選択図】図２Ａ
2004327438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を収容するための内部チャンバを有する燃料容器(100)と、
前記内部チャンバ内に配置された圧力検知ユニット(210)とを含み、
該圧力検知ユニット(210)が、前記燃料容器(100)内に残っている燃料の量を示す出力信号を提供するように構成されている、燃料供給機構。
【請求項２】
前記燃料容器(100)が更に、前記燃料容器(100)に結合されたシステム結合装置を含み、前記圧力検知ユニット(210)が、前記システム結合装置上に配置されている、請求項１に記載の燃料供給機構。
【請求項３】
前記圧力検知ユニット(210)が、
剛性基板(255)と、
該剛性基板(255)に結合された圧力変換器(650)と、
該圧力変換器(650)に通信可能に結合された可撓性回路(260)と、
該可撓性回路(260)に通信可能に結合された通信路であって、前記出力信号を計算装置に送るよう構成されている、通信路と
を更に含む、請求項１に記載の燃料供給機構。
【請求項４】
前記圧力検知ユニット(210)に通信可能に結合された計算装置を更に含み、該計算装置が、前記圧力検知ユニット(210)の前記出力信号を、該出力信号に基づき、前記燃料容器(100)内に残っている燃料の量のユーザにとって理解可能な表現へと変換する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料容器(100)内に配置され、及び該燃料容器(100)内に残っている燃料の量を示す出力信号を提供するよう構成された、圧力センサ(250)と、
該圧力センサ(250)に通信可能に結合され、及び該圧力センサ(250)の前記出力信号を、前記燃料容器(100)内に残っている燃料の量のユーザにとって理解可能な表現に変換する、計算装置と
を含む、燃料計。
【請求項６】
燃料容器(100)内の圧力を連続的に検出することができる圧力センサ(250)であって、
セラミック基板と、
該セラミック基板に結合された圧力変換器(650)と、
該圧力変換器(650)に通信可能に結合された可撓性回路(260)と、
該可撓性回路(260)に通信可能に結合され、及び計算装置に出力信号を送るよう構成されている、通信路と
を含む、圧力センサ(250)。
【請求項７】
燃料電池と、
燃料源と、
前記燃料電池と前記燃料源とを流体的に結合する燃料流路と、
前記燃料源内に配置された燃料液面高さ検出装置とを含み、
該燃料液面高さ検出装置が、前記燃料源内に残っている燃料の量を示す出力信号を提供するよう構成された圧力検知ユニット(210)を含む、燃料電池システム。
【請求項８】
電気負荷に電力を提供する燃料電池と、
燃料源と、
該燃料源と前記燃料電池とを流体的に結合する燃料流路と、
前記燃料源に結合された燃料液面高さ検出装置とを含み、
該燃料液面高さ検出装置が、前記燃料源内に残っている燃料の量を示す出力信号を提供するよう構成されている、電子装置。
【請求項９】
燃料カートリッジの作成方法であって、
燃料容器(100)を形成し、
圧力変換器(650)をセラミック基板に結合し、
前記基板上に可撓性回路(260)を結合し、該可撓性回路(260)に前記圧力変換器(650)を通信可能に結合し、
前記セラミック基板を燃料システムのカプラに結合し、
該燃料システムのカプラと前記燃料容器(100)とを、前記圧力変換器(650)が前記燃料容器(100)内に配置されるように結合する、
という各ステップを含む、燃料カートリッジの作成方法。
【請求項１０】
加圧された燃料容器(100)内の燃料液面高さを検出する方法であって、
燃料容器(100)内の圧力を直接測定し、
該圧力を既知の圧力／体積特性と比較して、前記燃料容器(100)内に収容されている燃料の量を決定する、
という各ステップを含む、加圧された燃料容器(100)内の燃料液面高さを検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料供給機構と燃料液面高さセンサを一体化する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
過去数年の間に、様々な量の電気を生成する燃料電池の人気と実現性が大幅に高まった。燃料電池は、水素や酸素などの化学物質による電気化学反応を行って電気と熱を生成する。幾つかの燃料電池は、バッテリと似ているが、電力を提供しながら「再充電」することができる。また、燃料電池は、炭化水素を燃焼させる発電装置よりも温度が低く清浄である。
【０００３】
燃料電池は、モータ、ライト、コンピュータ、又は任意の数の電気器具に電力を供給するために使用することができるＤＣ(直流)電圧を提供する。幾つかの様々なタイプの燃料電池があり、それぞれ異なる化学反応を使用する。燃料電池は、通常、使用される電解質のタイプによって分類される。燃料電池のタイプは、一般に、固体高分子型(ＰＥＭ)燃料電池、アルカリ型燃料電池(ＡＦＣ)、リン酸型燃料電池(ＰＡＦＣ)、固体電解質型燃料電池(ＳＯＦＣ)、及び溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)の５つのグループのうちの１つに分類される。
【０００４】
前述の燃料電池はそれぞれ、酸素と水素を使用して電気を生成する。一般に、周囲の空気が、燃料電池の酸素を供給する。実際、ＰＥＭ燃料電池の場合には、通常の空気を燃料電池の空気極内に直接送り込むことができる。しかし、水素は、酸素ほど容易に入手できない。水素は、高い引火性を含む幾つかの理由のため、生成、蓄積、及び分配が難しい。その結果として、潜在的な危険を小さくするために、厳密な安全対策を取らなければならない。
【０００５】
燃料電池用の水素を生成する１つの一般的な方法は、改質装置を使用することによるものである。改質装置には、水素を生成する炭化水素や他の燃料が供給される。次に、改質装置によって生成された水素を燃料電池に供給し、そこで、水素は、酸素や他の酸化剤と反応して所望の電気を生成することができる。改質装置を使用すると、水素燃料源としてプロパン、ブタン又は幾つかの他の容易に入手可能な天然ガスを電気的に使用して水素を生成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような天然ガスは、一般に、高い蒸気圧(１気圧よりも高い分圧)又は低い蒸気圧(1気圧よりも低い分圧)で容器内に蓄積され、システムによって水素が必要とされるときに利用される。炭化水素の蓄積は、伝統的にまったく簡単であったが、加圧容器内に残っている燃料の液面高さを予測することは、伝統的に困難であった。
【０００７】
加圧容器内の燃料の残っている燃料の量を決定するためのこれまでの１つの方法には、加圧容器から改質装置内に送られる燃料の量を推測することが必要であった。この場合、推測した燃料の量を容器の容量から差し引いて、残っている燃料の見込み量を決定し、その後で、燃料電池を内蔵している自動車や他の装置が、燃料を補給するまでに作動できる時間の長さを決定する。この方法は、一般に有用であったが、精確な燃料液面高さ情報を必要とする供給源には、実施するのが高価でありかつ精度が十分でなかった。
【０００８】
加圧容器内に残っている燃料の量を決定する更に他の方法では、燃料と加圧した空気との両方を幾つかの圧力センサに送って差圧信号を設定することが必要であった。燃料と加圧空気との圧力差を使用して、燃料が少ない状態を予測することができた。しかし、燃料と加圧空気を圧力センサに供給するためには、燃料供給機構まで少なくとも２つの流体相互接続を引き回さなければならなかった。かかる流体相互接続は、燃料供給容器のコスト、並びに１つ又は２つ以上の相互接続部分の不十分なシールによる燃料漏れの可能性を大幅に高めるものとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
多くの可能な実施形態のうちの１つにおいて、本発明は、燃料を収容する内部チャンバを有する燃料容器と、該燃料容器の前記内部チャンバ内に配置された圧力検知ユニットとを含む、燃料供給機構を提供する。圧力検知ユニットは、燃料容器内に残っている燃料の量を示す出力信号を提供するよう構成される。
【００１０】
図面は、本発明の様々な実施形態を示し、本書の一部分である。図示する実施形態は、本発明の単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１１】
図面全体にわたり、同一の符号は、類似しているが必ずしも同一とは限らない要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本書では、燃料供給機構と燃料液面高さセンサを一体化する装置及び方法を説明する。燃料供給機構及び燃料液面高さセンサは、燃料電池に反応物を提供するために使用することができる。後で更に詳しく説明する１つの例示的な実施形態によれば、燃料液面高さセンサを燃料供給機構内に配置して、燃料漏れの可能性を低減させると共に、内圧測定値に基づいて燃料供給機構内の残りの燃料の精確な見積りをユーザに提供するように、燃料供給機構と燃料液面高さセンサが一体化される。
【００１３】
以下の記述では、説明のため、本発明の完全な理解を提供するために多数の特定の詳細を説明する。しかし、本発明が、かかる特定の詳細なしに実施できることは当業者に明らかであろう。本書における「１つの実施形態」又は「一実施形態」なる記載は、実施形態と関連して示される特定の特徴、構造、又は特性が、少なくとも１つの本発明の実施形態に含まれることを意味する。本書の様々な場所に現れる「１つの実施形態における」という句は、必ずしもすべて同じ実施形態を指しているとは限らない。
例示的な構造
図１は、燃料源に収容されている加圧燃料の残りの供給物の精確な見積りをユーザに提供しながら燃料を必要とするシステムに加圧炭化水素を提供することができる燃料源の例示的な実施形態を示す。図１に示すように、この燃料源は、燃料容器(100)と、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の両方を含むことができる。燃料容器(100)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)と一体的に構成されてもよく、あるいは、燃料容器(100)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)の両方が、異なる場所に構成し後で流体的に結合することができる個別の異なるユニットでもよい。
【００１４】
図１に示す実施形態の燃料容器(100)は、任意の形状とすることが可能であるが、プロパンやブタン、他の燃料などの加圧した炭化水素を収容するように形成された空所（図示せず）を含む円筒形燃料容器(100)であることが好ましい。燃料容器(100)は、遠位端(110)と近位端(120)を有する本体からなる。燃料容器(100)の近位端(120)は、燃料容器(100)を燃料供給機構接続監視ユニット(150)に流体的に結合する機構を含む。燃料容器(100)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)に、ネジ接続、接着剤、締りばめ、あるいはネジ、リベット、無頭釘、金属圧着リングなどの任意の数の機械的装置を含むが決してこれらには限定されない任意の数の結合機構を使用して流体的に結合することができる。製造と実施のコストが低いため、金属圧着リングを選択することができる。上側結合稜部(135)が、燃料容器(100)の開口部(130)のまわりに形成される。燃料容器(100)の上側結合稜部(135)は、金属圧着リングを受け、それにより流体的な結合を形成することができる。
【００１５】
更に、図２Ａに、燃料容器(100)の近位端(120)に流体的に結合することができる燃料供給機構接続監視ユニット(150)の構成要素を示す。図２Ａに示す実施形態によれば、燃料供給機構接続監視ユニット(150)は、システム結合用突出部(200)と、結合稜部(280)と、ガスケット収容溝(270)と、出口腔(230)と、圧力検知ユニット(210)とを含み、圧力検知ユニット(210)は、燃料容器(図１の100)内の圧力検知ユニット(210)が燃料供給機構と接触できる場所に位置決めされるように燃料供給機構接続監視ユニット(150)に結合されている。
【００１６】
図２Ａに示す実施形態において、システム結合用突出部(200)は、燃料を必要とするシステムを受け、それに流体的に結合することができる突出部である。システム結合用突出部(200)は、燃料を必要とするシステムに流体的に結合することができる雄型継手でもよく雌型継手でもよい。次に、図５と図６と関連して、システム接続突出部の内部構成要素を更に詳しく説明する。
【００１７】
図２Ａに示す出口腔(230)は、加圧された燃料タンク内に収容された加圧された燃料を、出口孔から次の任意の燃料消費システム又は装置に排出する流体通路を提供する。出口腔(230)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の燃料側から始まり、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体内全体を通り、システム結合用突出部(200)の端部から出る。この構成により、燃料が、燃料容器(図１の100)の内側から燃料供給機構接続監視ユニット(150)を通り、システム結合用突出部(200)に結合された任意の外部システムまで移動することができる。図２Ａに示す実施形態によれば、出口腔(230)によって形成されるキャビティは、環状断面を有する。しかし、出口腔(230)が、任意の断面形状を持つことができることは確かである。
【００１８】
出口腔(230)を取り囲む材料は、ステーキングキール（staking keel）(235)を形成する。該ステーキングキール(235)は、幾つかの稜部(237)を含むことができる出口腔(230)を形成する横方向に押し出し成形された材料を含む。燃料バッグ(図６の630)をステーキングキール(235)に取り付け、それにより燃料バッグからの燃料漏れを防ぎながら出口腔(230)に燃料を提供することができる。燃料バッグは、ステーキングキール(235)に、稜部(237)間の外部圧縮シール、接着剤、又は任意の数の機械式固定具を含むが決してこれらには限定されない任意の数の固定機構によって取り付けることができる。燃料バッグ(図６の630)は、実質的にポリエチレンや別の熱かしめ材料からなる最内側層を含む燃料バッグ(図６の630)に熱と圧力の両方を加える熱かしめ処理によってステーキングキール(235)に取り付けることができる。熱と圧力が加えられたとき、稜部(237)と燃料バッグ(図６の630)の最内側層は部分的に溶け合って流体気密シールを形成する。
【００１９】
燃料供給機構接続監視ユニット(150)の結合稜部(280)は、金属圧着リング(図５の400)を使用して加圧燃料容器の近位端に接続することができる舌状部である。しかし、燃料供給機構接続監視ユニット(150)は、加圧燃料容器と燃料供給機構接続監視ユニット(150)を流体的に結合するのに十分な任意の方法によって、加圧燃料容器(図１の100)の近位端(120)に接続することができる。この結合方法は、スナップリング、ネジ山、圧縮フィッティング、接着剤、締りばめ、又は任意の数の機械式固定具を含むが、決してこれらには限定されない。
【００２０】
加圧燃料容器(図１の100)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)の間の流体結合は、加圧タンク(図１の100)の近位端(120)の内壁とガスケット収容溝(270)の間に圧縮ばめを形成する０リング(図４の410)や他のガスケット型シーラを使用することによって更に保証することができる。ガスケット収容溝(270)は、燃料容器(図１の100)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)の間に流体シール形成する０リング、方形断面のガスケット、又は別のシール装置を嵌めるための場所と支持の両方を提供する。
【００２１】
図２Ａに示す圧力検知ユニット(210)及びそれに関連するアセンブリは、加圧燃料容器(図１の100)に収容された燃料に対応する幾つかの圧力測定を実行し送信することができる。圧力検知ユニット(210)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体のステーキングキール(235)のすぐ上に形成さた固定具収容孔(図３の350)によって収容される幾つかのプラスチックネジ(220)によって、燃料供給機構接続監視ユニット(150)に固定することができる。圧力検知ユニット(210)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)に、流体シールに必要な圧力を維持しながら圧力検知ユニット(210)を十分に支持することができる任意の機構によって固定することができ、この機構は、ネジ、リベット、つめ、無頭釘などの機械式固定具と、接着剤と、締りばめを実現する事前に形成されたタブなどを含むが、決してこれらには限定されない。１つの実施形態において、圧力検知ユニット(210)を燃料供給接続監視ユニット(150)に固定するために使用される固定具は、金属ネジである。
【００２２】
図２Ａに示す実施形態において、圧力検知ユニット(210)は、メモリユニット(240)と、ワイヤボンド(245)と、圧力センサ(250)と、剛性基板(255)に固定された可撓性回路(260)とを含む。可撓性回路(260)は、接着剤によって剛性基板(255)に固定することができる。剛性基板(255)は、可撓性回路(260)に安定性を提供し、圧力センサ(250)によって行われる圧力測定を妨げる可能性のある回路(260)によるたわみを防ぐ。剛性基板(255)は、実質的に低い熱膨張率を有しそれにより温度に関係する応力が圧力センサ(250)に伝わるのを防ぐ任意の材料から製造することができる。可能な材料には、セラミック、金属又はプラスチックが含まれるが、これらには限定されない。１つの実施形態において、剛性基板(255)は、低い熱膨張率、高い耐薬品性、多数の接着剤との適合性、及び耐クリープ性により、アルミナなどのセラミック基板である。
【００２３】
圧力検知ユニット(210)の圧力センサ(250)は、圧力検知ユニット(210)に働いている相対圧力又は絶対圧力に変化があったときに出力を提供する差圧変換器と絶対圧力変換器のどちらでもよい。また、メモリユニット(240)は、剛性基板(255)に結合される。圧力検知ユニット(210)のメモリユニット(240)は、圧力センサ(250)によって収集される圧力データを記憶することができる任意の記憶装置とすることが可能である。メモリユニット(240)は、また、較正データ又は圧力／体積特性を記憶することができる。
【００２４】
図２Ａに示す可撓性回路(260)は、導電リード（図示せず）を含むプリント回路基板であることが好ましい。圧力センサ(250)とメモリユニット(240)は両方とも、ワイヤボンド(245)を使用して可撓性回路(260)の導電リード（図示せず）に接続することができる。ワイヤボンド(245)は、金、アルミニウム、又は他の適切な導電材料から作成することができる。ワイヤボンドは、メモリユニット(240)と圧力センサ(250)を可撓性回路(260)に通信可能に結合する。可撓性回路(260)は、剛性基板(255)から、ガスケット収容溝(270)を横切って、燃料容器(図１の100)の外側にある燃料供給機構接続監視ユニット(150)の最上部まで延びる。図２Ａに示すように可撓性回路(260)をガスケット収容溝(270)を横切って渡すことによって、可撓性回路(260)が、Ｏリング(図６の610)や他の種類のガスケットから受ける圧縮によってシールされ、燃料が漏れることがない。
【００２５】
図２Ｂは、更に、圧力検知ユニット(210)の構成要素を示す。図２Ｂに示すように、圧力検知ユニット(210)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の最上部まで延びている。燃料供給機構接続監視ユニット(150)の上部には、可撓性回路(260)上に配置された幾つかの導電性接点(261〜266)が配置されている。導電性接点(261〜266)は、金、すず、又は他の導電材料からなり、可撓性回路(260)の導電リードを介して圧力センサ(250)とメモリユニット(240)に結合されている。このように、導電性接点(261〜266)は、圧力センサ(図２Ａの250)とメモリユニット(図２Ａの240)とホスト装置(図１１の1100)の間の電気接続として働く。
【００２６】
図２Ｂに示す実施形態において、電気接続は、アース(261)接続、共通コレクタ電圧(Vcc)接続(262)、クロック接続(263)、データ接続(264)、圧力出力＋(Pout＋)接続(265)、及び圧力出力−(Pout−)接続(266)を含む。アース(261)接続とVcc(262)接続は、圧力センサ(図２Ａの250)とメモリユニット(240)に電力を提供する。クロック線(263)接続とデータ線(264)接続は、メモリ装置のためのシリアルインタフェースを提供する。該シリアルインタフェースは、１イベントづつデータを送るインタフェースである。１つの実施形態によれば、メモリユニット(図２Ａの240)は、電流燃料タンクに関するデータ及び／又は圧力センサ(250)から収集した情報を記憶することができる。Pout＋(265)接続とPout−(266)接続は、圧力微分容量（pressure differential capacity）において利用されるときに圧力センサ(図２Ａの250)により測定された様々な圧力に対応する出力電圧を提供する。
【００２７】
導電性接点(261〜266)は、システム結合ユニットの一部を構成する電気リード、あるいは燃料タンクハウジングの一部を構成しかつホスト装置に通信可能に結合されたリードを含むが決してこれらには限定されない幾つかの方法でホスト装置(図１１の1100)に通信可能に結合することができる。
【００２８】
図３は、差圧測定構造内で圧力検知ユニット(210)の構成要素がどのように構成されているかを示している。図３に示すように、可撓性回路(260)は、前に述べたように剛性基板(255)に結合されている。燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体全体を通ってシステム結合用突出部(200)から出る出口腔(230)は、圧力アクセス腔(310)と基板内腔(320)を介して圧力センサ(250)と流体的に結合されている。基板内腔(320)は、剛性基板(255)の圧力センサ(250)と接している部分から剛性基板(255)の反対側まで延びるキャビティである。基板内腔(320)は、剛性基板(255)の反対側で、圧力アクセス内腔(310)と流体的に結合されている。圧力アクセス腔(310)は、剛性基板(255)から出口腔(230)内まで延びている。この構成により、圧力センサ(250)は、外部システムまでの途中の出口腔(230)内を移動している燃料の圧力を測定することができる。剛性基板(255)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体との間にシールを形成するために、圧力アクセス空洞(310)のまわりに、Ｏリング(300)や他のシール装置が設けられる。このＯリング(300)は、圧力センサ(250)が圧力を測定する気体が、加圧燃料容器(図１の100)の燃料を含まないキャビティ内に漏れるのを防ぐ。
【００２９】
図３は、また、圧力検知ユニット(210)が、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体にどのように固定されているかを示している。燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体は幾つかの固定具収容孔(350)を含む。剛性基板(340)と可撓性回路(330)との両方に配設された孔は、固定具収容孔(350)の位置に対応している。固定具収容孔(350)が、剛性基板(340)及び可撓性回路(330)の孔と同心のときに、ネジや他の締付け装置が孔(330〜350)内を通って、圧力検知ユニット(210)を燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体に固定することができる。更に、図３は、メモリユニット(240)と圧力センサ(250)を任意の数の接着剤を使用して剛性基板(255)に直接固定できることを示している。
【００３０】
図４は、差圧を測定するときの、本発明の燃料供給機構接続監視ユニット(150)の組み立てた状態の断面図である。図４に示すように、燃料容器(100)が燃料供給機構接続監視ユニット(150)に結合されている。図４に示す燃料容器(100)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)とは金属圧着リング(400)を使用して機械的に結合されている。燃料容器(100)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)とを結合するために、ネジ接続、接着剤、締りばめ、あるいはネジ、リベット、無頭釘、金属圧着リングなどの任意の数の機械式装置を含むが決してこれらには限定されない任意の数の結合機構を使用することができる。燃料供給機構接続監視ユニット(150)が適所に結合された場合、１つ又は２つ以上のＯリング(410)、方形断面ガスケット、又は他のガスケット型シーラが圧縮され、加圧タンク(100)の近位端(図１の120)の内側又は上側壁と、燃料供給機構接続監視ユニット(150)のガスケット収容溝(図２Ａの270)との間に適当な圧縮ばめが形成される。この圧縮ばめは、燃料又は推進体(propellant)が加圧タンク(100)から漏れるのを防ぐ。
【００３１】
図４は、また、付属部品(460)によって燃料供給機構接続監視ユニット(150)に流体的に結合された燃料(450)を収容する燃料バッグ(430)を示している。付属部品(460)は、圧縮係合を含むが決してこれに限定されない、燃料バッグ(430)を燃料供給機構接続監視ユニット(150)に流体的にシールする継手部品とすることが可能である。燃料バッグ(430)と加圧タンクとの間には推進ガス又は液体(440)が配設される。付属部品(460)は、燃料(450)が燃料バッグ(430)から漏れて推進体(440)と混ざるのを防ぐ。燃料バッグ(430)に入れられた燃料(450)と燃料を必要とするシステム（図示せず）との間に弁(420)が配設される。弁(420)は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の結合用突出部(図２Ａの200)の一部を構成する。燃料供給機構接続監視ユニット(150)の弁(420)は、燃料バッグ(430)から燃料システムへの燃料(450)の放出を調整するために使用される。図３に示す弁(420)は、シュレーダ型弁であるが、この燃料供給機構接続監視ユニット(150)には、加圧された燃料の放出を調整できる任意の弁を組み込むことができる。
【００３２】
図１１は、１つの例示的な実施形態による燃料供給機構接続監視ユニット(150)のシステム接続を示す。図１１に示すように、圧力センサ(250)の導電性接点は、電気結合器(1120)によってホスト処理装置(1100)に通信可能に結合されている。更に、図１１は、燃料を必要とするシステム(1110)に直接結合されたシステム結合用突出部(200)を示している。圧力センサ(250)に通信可能に結合された処理装置(1100)は、特定用途向けIC(ASIC)や他の処理装置を含むことができるが決してこれらには限定されない。ホスト処理装置(1100)と圧力センサ(250)の導電性接点を通信可能に結合する電気結合器(1120)は、単一の絶縁電線、直列ケーブル、又は無線通信技術を含むことができるが、決してこれらには限定されない。
例示的な実施形態と動作
図５は、燃料を必要とするシステムに適切に接続されたときの燃料供給機構接続監視ユニット(150)の１つの例示的な実施形態の正しい動作を示している。図５に示すように、燃料(450)は、燃料バッグ(430)の内部キャビティに収容されており、加圧タンク(100)により形成される内部キャビティの残りの部分には、加圧された推進体(440)が充填されている。燃料供給機構接続監視ユニット(150)が加圧タンク(100)に結合されているとき、該燃料供給機構接続監視ユニット(150)の弁(420)は圧縮されず、燃料(440)が漏れることはない。一方、該燃料供給機構接続監視ユニット(150)の結合稜部(280)と加圧タンク(100)の上側結合稜部(135)との間には、流体気密シールが形成されている。加圧タンク(100)と燃料供給機構接続監視ユニット(150)とは、燃料の漏れや放出なしに互いに長時間結合し、圧縮し、一緒に保管することができる。
【００３３】
燃料供給機構接続監視ユニット(150)が、燃料を必要とするシステムに結合されると、該燃料を必要とするシステムのカプラの弁アクチュエータ（図示せず）が、システム結合用突出部(図２Ａの200)に入り、弁(420)を圧縮する。燃料供給機構接続監視ユニット(150)の弁(420)が圧縮されると、燃料バッグ(430)内に収容されている燃料(450)が排出され、燃料を必要とするシステムに燃料が供給される。
【００３４】
図５に示すように、加圧された推進体(440)を供給して加圧タンク(100)のキャビティを満たし、燃料バッグ(430)内の燃料(450)を使い果たさせる圧力を燃料バッグ(430)にかけることができる。加圧された推進体(440)は、燃料(450)を使い果たすために十分に加圧できる任意の不活性ガスとすることが可能である。この例示的な実施形態によれば、燃料バッグ(430)に収容されている燃料(450)は、メタノール、ペンタン、ヘキサン、又はその他の低蒸気圧の液体燃料である。燃料バッグ(430)内の燃料(450)が消費されるにつれて、加圧された推進体(440)の圧力は、理想気体の法則にしたがって低下する。
【００３５】
図８Ａは、燃料バッグ(430)に収容されている燃料(450)が消費される際に不活性な推進体(図５の440)の圧力がどのように低下するかを示している。再び図５に戻ると、弁(420)がシステム結合装置によって操作され、燃料(450)を排出させ、及び燃料を必要とするシステムを加圧することが可能になると、燃料(450)は出口腔(230)内に入る。流出する燃料(450)は、出口腔(230)を加圧するだけでなく、圧力アクセス腔(310)も加圧し、圧力センサ(250)に圧力を加える。流出燃料(450)が、圧力センサ(250)の片方の側に圧力をかけ、不活性な推進体(440)が圧力センサ(250)の他方の側に圧力をかける場合、圧力センサは、差圧を表す電圧を、可撓性回路(260)を介して導電性接点(図２Ｂの261〜266)に送ることができる。次に、圧力センサ(250)に加わる差圧を表す電圧を、ホスト処理装置(図１１の1100)に送ることができる。ホスト処理装置(図１１の1100)は、アクセスされた際に、図８Ａに示す圧力／体積特性を使用して、圧力センサ(250)にかかっている差圧を表す電圧を燃料液面高さ表示に変換する命令を含むことが可能である。次いで、燃料液面高さがシステムユーザに報告される。この燃料液面高さの計算は、連続的に決定することが可能であり、これにより、燃料バッグ(430)内に収容されている燃料液面高さをシステムユーザに連続的に通知することが可能となる。
【００３６】
１つの実施形態によれば、この燃料システムに、センサ較正値及び現在の燃料液面高さを記憶するためのメモリ装置(図２Ａの240)が組み込まれる。メモリ装置(図２Ａの240)を組み込むことにより、部分的に使用した燃料電池を、特定のホストシステムから別のホストシステムに移動することが可能となる。該移動の後、メモリ装置(図２Ａの240)は、ホスト処理装置(図１１の1100)にセンサ較正値、差圧、及び後続の電流燃料液面高さを通信することができる。代替的に、加圧されたタンク(100)が燃料を必要とする特定のシステムから燃料を必要とする別のシステムに移動されることがないためにメモリ装置(図２Ａの240)が必要ない場合には、燃料液面高さ情報をホスト処理装置(図１１の1100)のメモリに記憶して、燃料電池の製造コストを削減することができる。メモリ装置(図２Ａの240)には、使用期限、保証データ、使用量データ、及び温度補償値を含むが決してこれらには限定されない追加のデータを記憶することができる。
【００３７】
図５に示す燃料供給機構の実施形態における加圧推進体(440)として、不活性ガスではなく、プロパン、イソブタン、イソペンタン(2−メチルブタン)などの有機推進体を使用すると、燃料バッグ(430)内の燃料(450)が、燃料供給機構の寿命全体にわたって極めて一定の圧力を示すことができる。図８Ｂは、この実施形態における代表的な圧力／体積特性を示している。図８Ｂに示すように、燃料(450)は、燃料寿命の大部分の間、極めて一定の圧力を示している。燃料(450)の大部分が燃料を必要とするシステムに供給されて、燃料バッグがつぶれ始めると、圧力の更なる低下が起こる。この圧力の低下は、差圧検出器(250)によって測定することができ、これにより、燃料供給機構の寿命のほぼ最後の5〜20％の間の燃料液面高さを監視するこが可能となる。この実施形態に従って差圧センサ(250)により測定することができる燃料液面高さの部分は、燃料バッグ(430)の特定の設計、使用される推進体のタイプ、ならびに他の要因によって決まる。圧力が実質的に一定の間は、燃料の流量を計算してその流量を全体から減算するこれまで用いられてきた方法を使用して燃料の減少を推定することができる。次いで、圧力が下がり始めた後に、差圧センサ(250)により得られた測定値、並びに既知の圧力／体積特性から、燃料タンク(100)内に残っている燃料の液面高さが決定される。
代替的な実施形態
図６に示す１つの代替の実施形態によれば、絶対圧力変換器(650)を使用して、燃料バッグ(図４の430)を使用しない加圧タンク(100)内の圧力変化を検出することができる。図６に示すように、加圧燃料タンク(100)の内部キャビティは、メタノール、ペンタン、ヘキサンなどの低蒸気圧燃料(600)で満たされる。次に、低蒸気圧燃料(600)は、不活性推進体(610)を加えることによって加圧される。不活性推進体(610)を加圧燃料タンク(100)に送り込んで、低蒸気圧燃料(600)を加圧することができる。燃料タンク(100)が、燃料消費システムに結合されたとき、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の弁(420)が圧縮され、燃料(600)が、燃料消費システム(図１１の1110)内に排出される。燃料が、燃料消費システム(図１１の1110)内に計量投入されるとき、図８Ａに示す圧力／体積の関係が生じる。タンク(100)内の全体の圧力は、既知の燃料体積に対応するので、絶対圧力変換器(650)によって生成された圧力データをホスト処理装置(図１１の1100)に送り、そこで圧力データをシステムユーザに報告することができる燃料液面高さへと変換することができる。絶対圧力変換器(650)が単一の圧力値を使用して燃料タンク(100)内の絶対圧を測定するので、圧力アクセス腔(図５の310)は不要である。
【００３８】
また、図６に示す装置を使用して、圧力タンク(100)の内部キャビティに収容された燃料(600)を高蒸気圧燃料で加圧することにより、一定の燃料圧力を生成することができる。エタン、プロパン、イソブタン、ブタンなどの高蒸気圧燃料は、特定の圧力よりも高い場合に液体である。図６に関して説明した１つの実施形態によれば、燃料(600)は、加圧燃料タンク(100)内に液体として供給される。弁(420)が押され、燃料が排出できるようにされたとき、絶対圧力変換器(650)は、自由な液体燃料がなくなるまで、図８Ｂに示すようなある程度一定の圧力を検出する。自由な液体燃料がガスに変換されて排出された後、加圧された燃料タンク内の絶対内圧は、低下し始めて大気圧になる。絶対圧力変換器は、圧力の低下を検出することができ、圧力の低下を関連した燃料液面高さと関連付けることができる。次いで、この燃料液面高さをユーザに伝えることができる。
【００３９】
図７は、圧力検知装置を組み込んだ代替的な実施形態を示している。図７に示すように、この燃料供給機構接続監視ユニット(150)は、浸漬管(710)を利用する燃料供給機構に組み込むことができる。燃料供給機構接続監視ユニット(150)は、浸漬管(710)がキールから延びる状態で、上述し図７に示すように製造することができる。代替的に、燃料供給機構接続監視ユニット(150)は、図７Ａに示すように圧着リング(400)を組み込んだ状態で金属から作成することも可能である。この場合、通常のスプレー塗装缶のような加圧された缶によくあるように、プラスチックノズルとキールを、金属燃料接続監視ユニット(150)内に差し込んで通すことができる。更にプラスチックインサートに弁を組み込むことが可能であり、これにより、弁が押された際に該弁が開いて、燃料を必要とするシステムに燃料が排出される。この燃料供給機構接続監視ユニット(150)及びそれに関連するセンサ(650)は、任意の数の燃料供給構成と合体させて実施することができる。図７Ａはまた、燃料供給機構接続監視ユニット(150)に方形断面型ガスケット(410')がどのように組み込まれるかを示している。
【００４０】
図９は、圧力検知装置(900)の代替的な実施形態を示している。図９に示すように、圧力検知装置(900)は、収集した圧力データを、無線周波数(RF)信号を使って送信するリモートユニットとすることが可能である。この圧力検知装置(900)のRF送信型実施形態は、剛性基板(255)に結合された圧力センサ(250)を含む。圧力センサ(250)はまた、前述のようなワイヤボンド(245)によって可撓性回路(960)に通信可能に結合される。また、圧力検知装置(900)のRF送信型実施形態は、アクセスされた際に圧力センサ(250)から受け取った信号を変換しそれをRF信号として送信するよう構成された命令を含むメモリ(930)を含む。次いで、RF信号は、メモリ(930)からアンテナ(910)に送られ、該アンテナ(910)は次いでRF信号を、ホスト処理装置(図１１の1100)に通信可能に結合されたRFレシーバ（図示せず）に送る。次いで、計算装置は、RF信号を、ユーザに提示する残留燃料液面高さの表現に変換することができる。圧力センサ(250)ならびにRF送信型実施形態のメモリ(930)を動作させる電力は、圧力検知装置(900)とRFレシーバ（図示せず）の間のRF結合によって提供することができる。
【００４１】
圧力検知装置(900)のRF送信型実施形態は、図１０に示す燃料供給機構接続監視ユニット(150)に結合することができる。剛性基板(255)は、締付け孔(920)を介して固定具を燃料供給機構接続監視ユニット(150)の本体内に固定することによって、燃料供給機構接続監視ユニット(150)に結合されることが好ましい。この場合、圧力検知装置(900)のアンテナ(910)部分は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)の上部まで延びることができる。この実施形態によれば、圧力検知装置及びそれに関連する信号送信構成要素は、燃料供給機構接続監視ユニット(150)内に完全に収容される。燃料供給機構接続監視ユニット(150)の上部まで電気信号を引き回す必要をなくすことにより、燃料供給機構接続監視ユニット(150)と加圧燃料タンク(100)との間の流体シールをより安全確実なものにすることができ、圧力検知ユニット(900)が改変される可能性が低下する。
【００４２】
また、リモート圧力検知ユニット(900)のアンテナ(910)部分を加圧燃料タンク(100)の外側に配置して、RFコントローラのアンテナ（図示せず）を送信アンテナの近くに配置することができ、これによりアンテナ間の電磁結合を高めることができる。
【００４３】
結論として、本書に示す燃料システムは、その様々な実施形態において、安全機能を保持しながら燃料供給機構内の燃料液面高さの予測精度を高めるものとなる。特に、例示した燃料システムは、燃料供給容器を燃料液面高さセンサに一体的に接続する装置を提供する。燃料供給容器と燃料液面高さセンサを一体化することによって、システムの流体完全性を維持しながら燃料電池内に残っている燃料液面高さをユーザに容易に知らせることができる。
【００４４】
以上の説明は、本発明の実施形態を示し説明するためだけに示された。以上の説明は、網羅的なものでもなくまた本発明を開示したいかなる厳密な形態にも限定するものでもない。以上の教示を鑑みて多くの修正及び変更が可能である。本発明の適用範囲は、特許請求の範囲によって定義されるよう意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構の構成要素を示す説明図である。
【図２Ａ】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットを示す斜視図である。
【図２Ｂ】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットお示す別の斜視図である。
【図３】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットの接続構成要素を示す分解図である。
【図４】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構の内部構成要素を示す断面図である。
【図５】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構の内部構成要素と機能を示す断面図である。
【図６】１つの例示的な実施形態による代替的な燃料供給機構に接続された炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットを示す説明図である。
【図７】１つの例示的な実施形態によるもう１つの代替的な燃料供給機構に接続された炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットを示す説明図である。
【図７Ａ】１つの例示的な実施形態によるもう１つの代替的な燃料供給機構に接続された炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットを示す説明図である。
【図８Ａ】例示的な実施形態による燃料容器内の内圧と残っている燃料の体積との代表的な関係を示すグラフである。
【図８Ｂ】例示的な実施形態による燃料容器内の内圧と残っている燃料の体積との代表的な関係を示すグラフである。
【図９】１つの例示的な実施形態によるリモート送信ユニットを示す斜視図である。
【図１０】１つの例示的な実施形態による炭化水素燃料供給機構接続監視ユニットのリモート送信ユニットの実施態様を示す斜視図である。
【図１１】１つの例示的な実施形態によるリモート送信ユニットのシステム接続を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４６】
100  燃料容器
210  圧力検知ユニット
250  圧力センサ
255  剛性基板
260  可撓性回路
650  圧力変換器
【図１】
2004327438.tif 000003
【図２Ａ】
2004327438.tif 000004
【図２Ｂ】
2004327438.tif 000005
【図３】
2004327438.tif 000006
【図４】
2004327438.tif 000007
【図５】
2004327438.tif 000008
【図６】
2004327438.tif 000009
【図７】
2004327438.tif 000010
【図７Ａ】
2004327438.tif 000011
【図８Ａ】
2004327438.tif 000012
【図８Ｂ】
2004327438.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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