(57)【要約】【課題】隨時燃料電池の液体燃料の濃度を監視制御し、その濃度に変化が発生したとき、即時に対応できるようにする。【解決手段】本発明の濃度計測装置は、前記液体燃料の液面上に浮かぶフロートと、前記フロートの上方に設けられた結像平面を有する影像キャプチャ装置と、前記結像平面と前記フロートの間に設置され、孔が設けられたレンズフードと、計算装置とを含み、そのうち、前記フロートが上半部に第一参考円の図形を備え、且つ、前記液体燃料の液面上で第一境界円の図形を形成し、前記フロートの前記第一参考円及び前記第一境界円の図形が前記レンズフードの孔を介し前記結像平面上にそれぞれ投影されて第二参考円及び第二境界円を形成し、前記計算装置が前記第一、二参考円及び前記第一、二境界円のデータに基づき前記液体燃料の濃度を算出することを特徴とする。【選択図】図１Ａ
2007271616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料電池に用いる液体燃料濃度計測方法であって、次の手順を含む：
（a）半径がRのフロートを用意し、そのうち前記フロートの上半部が第一参考円の図形を備え、且つ、前記第一参考円の半径をrとし、及び前記第一参考円上の一点、前記フロートの質量中心、前記第一参考円の円心の三者が形成する挟角をα1とする；
（b）前記フロートを前記液体燃料の液面上に浮かせ、且つ、第一参考円を液体燃料の液面上方に維持できるようにし、前記フロートに液体燃料の液面上で第一境界円の図形を形成させる；
（c）結像平面を用意し、前記結像平面を手順（a）の前記フロートの上方に設ける；
（d）レンズフードを用意し、前記レンズフードを前記結像平面と前期フロートの間に設置し、且つ、前記レンズフードに孔を設け、前記孔と前記結像平面間の垂直距離をfとし、前記孔を介して前記第一参考円及び前記第一境界円の図形をそれぞれ前記結像平面上に投影し、第二参考円及び第二境界円を形成し、そのうち前記第二参考円上の点座標（u、v）及び前記第二境界円上の点座標（x、y）の各座標変数がそれぞれ次の等式を満たす：
u = (S・cosθ・cosψ‐R・cosα1・sinθ・cosψ+R・sinα1・cos(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα1・cosθ+R・cosα1-F) ，
v = (S・cosθ・sinψ‐R・cosα1・sinθ・sinψ+R・sinα1・sin(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα1・cosθ+R・cosα1-F) ，
x = (S・cosθ・cosψ‐R・cosα・sinθ・cosψ+R・sinα・cos(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα・cosθ+R・cosα-F) ，
y = (S・cosθ・sinψ‐R・cosα・sinθ・sinψ+R・sinα・sin(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα・cosθ+R・cosα-F) ，
（そのうち、Sは前記液体燃料の液面上における前記フロートの移動距離であり、θは前記液体燃料の液面上における前記フロートの偏向角（deflection angle）であり、ψは前記結像平面と前記液体燃料の液面両者間の挟角であり、βは前記第一参考円上の一点のその円心に対する位相角または前記第一境界円の一点のその円心に対する位相角であり、Fは前記孔と前記液体燃料の液面間の垂直距離であり、αは前記第一境界円上の一点、前記フロートの質量中心、前記第一境界円の円心の三者が形成する挟角である；）
（e）計算装置を用意し、且つ、前記第一参考円及び前記第二参考円のデータに基づき前記計算装置にθ値、S値、F値を算出させる;
（f）β値を決定し、且つ、前記β値に基づき、前記計算装置に前記β値に対応する前記第二参考円上の一点のu座標値とv座標値、及び前記β値に対応する前記第二境界円上の一点のx座標値とy座標値を算出させる；
（g）前記手順（d）における座標変数u及び/或いは座標変数vの等式、及び前記手順（e）のθ値、S値、F値、及び前記手順（f）のβ値、u座標値、v座標値に基づき、前記計算装置にψ値を算出させる；
（h）前記手順（d）における座標変数x及び/或いは座標変数yの等式、及び前記手順（e）のθ値、S値、F値、及び前記手順（f）のβ値、x座標値、y座標値、及び前記手順（g）のψ値に基づき、前記計算装置にα値を算出させる；
（i）前記手順（h）のα値及び関数h = R - R・cosαに基づき、前記計算装置にh値を算出させ、そのうち、h値は前記液体燃料の液面に浮いた前記フロートの高さである；
（j）前記手順（i）のh値及び関数ρ= M/(V- [π・h2(3・R-h) /3])に基づき、前記計算装置にρ値を算出させ、そのうち、ρ値は前記液体燃料の濃度であり、Mは前記フロートの質量であり、Vは前記フロートの体積である。
【請求項２】
前記手順（e）において、前記計算装置が関数S = r・(a/b)に基づきS値を算出し、そのうちaは前記第二参考円の幾何学的中心Gと前記結像平面の原点O間の距離であり、bは直線GOの方向上における前記第二参考円上の一点と幾何学的中心Gの間の距離であることを特徴とする、請求項１に記載の液体燃料濃度計測方法。
【請求項３】
前記手順（e）において、前記計算装置が関数F = f・(c1/c2)に基づきF値を算出し、そのうちc2は原点Oを通過し、且つ直線GOに垂直の方向上における前記第二参考円上の一点と幾何学的中心Gの間の距離であり、c1は関数c1= √(r2-S2)により計算して得られることを特徴とする、請求項２に記載の液体燃料濃度計測方法。
【請求項４】
前記手順（f）のβ値が0と2πの間にあることを特徴とする、請求項１に記載の液体燃料濃度計測方法。
【請求項５】
前記手順（h）のα値がα1より小さくないことを特徴とする、請求項１に記載の液体燃料濃度計測方法。
【請求項６】
濃度計測装置であって、容器内の液体燃料の濃度計測に用いられ、前記濃度計測装置が、前記液体燃料の液面上に浮かぶフロートと、前記フロートの上方に設けられた結像平面を有する影像キャプチャ装置と、前記結像平面と前記フロートの間に設置され、孔が設けられたレンズフードと、計算装置を含み、そのうち、前記フロートが上半部に第一参考円の図形を備え、且つ、前記液体燃料の液面上で第一境界円の図形を形成し、前記フロートの前記第一参考円及び前記第一境界円の図形が前記レンズフードの孔を介し前記結像平面上にそれぞれ投影されて第二参考円及び第二境界円を形成し、前記計算装置が前記第一、二参考円及び前記第一、二境界円のデータに基づき前記液体燃料の濃度を算出することを特徴とする濃度計測装置。
【請求項７】
前記フロートが球体であることを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【請求項８】
前記影像キャプチャ装置がCCDセンサー部材であることを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【請求項９】
前記影像キャプチャ装置がCMOSセンサー部材であることを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【請求項１０】
さらに少なくとも１つ以上の発光装置を含み、前記発光装置を前記容器の内壁、前記レンズフードの下方及び前記液体燃料の液面上方に設置したことを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【請求項１１】
前記容器が燃料供給槽であり、液体燃料電池に必要な燃料を供給するために用いられることを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【請求項１２】
前記液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【請求項１３】
前記発光装置が発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１０に記載の濃度計測装置。
【請求項１４】
前記液体燃料電池がメタノール直接型燃料電池であることを特徴とする、請求項１１に記載の濃度計測装置。
【請求項１５】
前記計算装置が、前記第一、第二参考円及び前記第一、第二境界円のデータに基づき前記孔と前記液体燃料の液面間の垂直距離を算出し、これにより前記容器内における前記液体燃料の液面高さを求めることができることを特徴とする、請求項６に記載の濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は濃度計測装置及びその計測方法に関し、特に液体燃料電池の液体燃料濃度の計測方法及びその計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電極反応を介して燃料と酸化剤中の化学エネルギーを直接電気エネルギーに転化する発電装置である。燃料電池の種類は多く、また分類方法もさまざまであり、電解質の性質の違いで区分する場合、アルカリ燃料電池、リン酸燃料電池、陽イオン交換膜燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池等、５つの異なる電解質の燃料電池がある。そのうち、陽イオン交換膜燃料電池はさらにメタノール直接型燃料電池を含み、これは水素に改質する必要なく直接メタノールを燃料とするもので、現在開発されている中でもエネルギーが最も高い技術の一つであり、その応用ターゲットには大型発電所、自動車用発電機、携帯型電源等が含まれる。
【０００３】
しかしながら、メタノール直接型燃料電池のような液体燃料電池は、商品化に向かう過程において液体燃料濃度の制御という一つの問題を克服する必要がある。理論上、液体燃料濃度が低ければ低いほど、発生する電力が少なくなり、液体燃料濃度が高ければ高いほど、発生する電力が多くなる。このため、濃度計測装置で隨時液体燃料の濃度を監視制御し、濃度が常に一定の予め定められた基準値を維持できるよう確保する必要があり、これにより燃料電池の給電品質を維持すると共に、燃料電池の電力供給不安定により電子製品にダメージを与えることがないようにすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の主な目的は、隨時燃料電池が必要とする液体燃料の濃度を監視制御し、その濃度に変化が発生したとき、即時に対応することを可能にする、燃料電池液体燃料の濃度計測装置及びその計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の上述の目的を達するため、本発明の濃度計測装置は、容器内の液体燃料の濃度を計測するために用いられ、前記濃度計測装置が、前記液体燃料の液面上に浮かぶフロートと、前記フロートの上方に設けられた結像平面を有する影像キャプチャ装置と、前記結像平面と前記フロートの間に設置され、孔が設けられたレンズフードと、計算装置を含み、そのうち、前記フロートが上半部に第一参考円の図形を備え、且つ、前記液体燃料の液面上で第一境界円の図形を形成し、前記第一参考円及び前記第一境界円の図形が前記レンズフードの孔を介し前記結像平面上にそれぞれ投影されて第二参考円及び第二境界円を形成し、前記計算装置が前記第一、二参考円及び前記第一、二境界円のデータに基づき前記液体燃料の濃度を算出することを特徴とする。さらに、本発明は液体燃料電池の液体燃料濃度の計測方法を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の液体燃料濃度計測方法は主に影像処理及び幾何ベクトル等の学理を基礎とし、これを延伸して液体燃料電池の液体燃料濃度の計測に運用するものである。数学の演算により濃度計測という目的を達する。同時に、この特点により本発明の液体燃料濃度計測作業は主にソフトウェアで計算し実現することができるため、ハードウェアにおけるコストを最低まで抑えることができる。
【０００７】
本発明の濃度計測装置は製造コストが低く、且つ容易に大量製造できるため、液体燃料の濃度計測作業に極めて大きな利便性をもたらし、これこそが本発明の優れた点である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の目的、特徴及び効果について関連技術者に理解を促すため、以下、具体的な実施例に図面を組み合わせ、本発明について詳細に説明する。
【０００９】
図１Ａに本発明の濃度計測装置の最良の実施例の側面図を示す。図１Ｂに図１Ａの濃度計測装置の立体図を示す。本発明の濃度計測装置１は、容器１０内の液体燃料１１の濃度計測に用いられ、特に、液体燃料電池の燃料濃度計測作業に適用することができる。このため、容器１０とは燃料供給槽を指し、例えばメタノール直接型燃料電池などの類の液体燃料電池に必要な燃料の供給に用いられ、且つ、容器１０内の液体燃料１１は通常メタノール水溶液とする。
【００１０】
図１Ａに示すように、濃度計測装置１は次の部材を含む。液体燃料１１の液面上に浮かぶフロート１２は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、球体であると共に、その上半部は第一参考円１２０の図形を有し、且つ、液体燃料１１の液面上で第一境界円１２２の図形を形成する。
【００１１】
影像キャプチャ装置１４は結像平面１４０を備え、そのうち、この結像平面１４０はフロート１２の上方に設けられる。影像キャプチャ装置１４は具体的な実施部材として通常CCDまたはCMOSセンサー部材を用いる。
【００１２】
レンズフード１６は結像平面１４０とフロート１２の間に設置され、そのうち、このレンズフード１６には孔１６０が設けられ、この孔１６０を介して第一参考円１２０及び第一境界円１２２の図形をそれぞれ結像平面１４０上に投影し、第二参考円１２０ａ及び第二境界円１２２ａを形成することができる。
【００１３】
計算装置１８は、第一、第二参考円１２０、１２０ａ及び第一、第二境界円１２２、１２２ａのデータに基づき液体燃料１１の濃度を算出する。そのうち、この計算装置１８はマイクロプロセッサとすることができ、且つ、影像キャプチャ装置１４と電気的に接続され、結像平面１４０上の第二参考円１２０ａ及び第二境界円１２２ａの影像データを取得し、本発明の濃度計測作業における濃度計算手順を行う。このほか、図１Ａに示すように、影像キャプチャ装置１４が影像のキャプチャを行うときに必要な光源の補償を提供するため、本発明はさらに少なくとも１つ以上の発光装置１９を含むことができ、そのうち、この発光装置１９は発光ダイオードを用いて実施でき、且つ、発光装置１９は容器１０の内壁、レンズフード１６の下方及び液体燃料１１の液面上方に設置することができる。
【００１４】
図２Ａ、図２Ｂに本発明の液体燃料電池に用いる液体燃料濃度の計測方法を示す。本発明の液体燃料濃度計測方法２について具体的に説明するため、ここでは図１Ａ、図１Ｂに示す最良の実施例に基づいて説明を行う。図２Ａ、図２Ｂに示すように、本発明の液体燃料濃度計測方法２は手順２００から手順２１８を含み、それぞれについて以下で説明する。手順２００では、半径がRのフロート１２を用意し、そのうちこのフロート１２の上半部は第一参考円１２０の図形を有し、且つ、第一参考円１２０の半径をr（図１Ａ参照）とし、第一参考円１２０上の一点、フロート１２の質量中心と第一参考円１２０の中心の三者が形成する挟角をα1とする。
【００１５】
手順２０２では、フロート１２を液体燃料１１の液面上に浮かせ、且つ、第一参考円１２０を液体燃料１１の液面上方に維持できるようにし、フロート１２に液体燃料１１の液面上で第一境界円１２２の図形を形成させる。
【００１６】
手順２０４では、結像平面１４０を用意し、この結像平面１４０を手順２００のフロート１２の上方に設ける。図１Bに示すように、影像キャプチャ装置１４そのものの構造的要素により、通常結像平面１４０と液体燃料１１の液面（水平線１１０で示す）両者間には角度差が生じることがあり、これを角度ψとする。
【００１７】
手順２０６では、レンズフード１６を用意し、このレンズフード１６を結像平面１４０とフロート１２の間に設置する。図１Ａ、図１Ｂに示すように、レンズフード１６には孔１６０が設けられ、且つ、この孔１６０と結像平面１４０の間の垂直距離をfとし、孔１６０と液体燃料１１の液面の間の垂直距離をFとする。これにより、孔１６０を介して第一参考円１２０及び第一境界円１２２の図形をそれぞれ結像平面１４０上に投影し、図３に示す第二参考円１２０ａ及び第二境界円１２２ａを形成することができる。図３に示すように、第二参考円１２０ａ上の点座標（u、v）及び第二境界円１２２ａ上の点座標（x、y）の各座標変数は図１Bに表される空間構造に対し幾何ベクトル演算を行うことで得られ、最終的に得たu、v、x、y等の座標変数はそれぞれ次の等式を満たす：
u = (S・cosθ・cosψ‐R・cosα1・sinθ・cosψ+R・sinα1・cos(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα1・cosθ+R・cosα1-F)；
v = (S・cosθ・sinψ‐R・cosα1・sinθ・sinψ+R・sinα1・sin(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα1・cosθ+R・cosα1-F)；
x = (S・cosθ・cosψ‐R・cosα・sinθ・cosψ+R・sinα・cos(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα・cosθ+R・cosα-F)；
y = (S・cosθ・sinψ‐R・cosα・sinθ・sinψ+R・sinα・sin(β+ψ))・(-f)/(-S・sinθ‐ R・cosα・cosθ+R・cosα-F)；
そのうち、Sは液体燃料１１の液面上におけるフロート１２の移動距離であり、θは液体燃料１１の液面上における前記フロート１２の偏向角（deflection angle）であり、βは第一参考円１２０上の一点のその円心に対する位相角または第一境界円１２２上の一点のその円心に対する位相角であり、αは第一境界円１２２上の一点、フロート１２の質量中心１２４、第一境界円１２２の円心の三者が形成する挟角であり、且つ、α値はα1より小さくないものとする。
【００１８】
さらに、手順２０８では計算装置１８を用意し、且つ、第一参考円１２０及び第二参考円１２０ａのデータに基づきこの計算装置１８にθ値、S値、F値を算出させる。そのうち、θ値は従来の影像処理演算法を利用し、計算装置１８が結像平面１４０における第二参考円１２０ａの変化状況に基づき、図３に示す角度θを算出し、これをθ値とする。S値とF値については、図１Ｂのベクトル空間における第一参考円１２０及び第二参考円１２０ａの両者間の比率関係を利用して計算し得ることができる。そのうちS値は関数S = r・(a/b)に基づき計算装置１８で算出して得ることができ、そのうちaは第二参考円１２０ａの幾何学的中心Gと結像平面１４０の原点Oの間の距離であり、bは直線GO方向上における第二参考円１２０ａ上の一点と幾何学的中心Gの間の距離である。このほか、F値は関数F = f・(c1/c2)に基づき計算装置１８で算出して得ることができ、そのうちc2は原点Oを通過し、且つ直線GOに垂直の方向上における前記第二参考円１２０ａ上の一点と幾何学的中心Gの間の距離であり、c1は関数c1= √(r2-S2)で計算し得ることができる。
【００１９】
このため、計算装置１８は液体燃料１１の濃度を算出できるだけでなく、第一、第二参考円１２０、１２０ａ及び第一、第二境界円１２２、１２２ａのデータに基づき孔１６０と液体燃料１１液面間の垂直距離Fも算出でき、これに基づいて液体燃料１１の容器１０内における液面高さを求めることができる。
【００２０】
手順２１０ではβ値を決定し、且つ前記β値に基づき、第二参考円１２０ａ上の前記β値に対応する一点のu座標値とv座標値、及び第二境界円１２２ａ上の前記β値に対応する一点のx座標値とy座標値を計算装置１８に算出させる。図３に示すように、仮にβ値を0と決定した場合、第二参考円１２０ａと第二境界円１２２ａ上のβ=0に対応する点はP及びQであり、P点のu座標値とv座標値、及びQ点のx座標値とy座標値を計算装置１８で計算して得ることができる。
【００２１】
手順２１２では、手順２０６における座標変数u及び/或いは座標変数vの等式、及び手順208で算出されたθ値、S値、F値、及び手順２１０のβ値 （=0）、P点のu座標値とv座標値に基づき、計算装置１８にψ値を算出させる。当然、本発明において使用するβ値は０のみに限られず、0と2πの間のあらゆる角度値とすることができる。
【００２２】
手順２１４では、手順２０６における座標変数x及び/或いは座標変数yの等式、及び手順208で算出されたθ値、S値、F値、及び手順２１０のβ値（=０）、Q点のx座標値とy座標値、及び手順２１２で求められたψ値に基づき、計算装置１８にα値を算出させる。同様に、ここにおけるβ値は０のみに限られず、0と2πの間のあらゆる角度値とすることができる。
【００２３】
手順２１６では、手順２１４のα値及び関数h = R-R・cosαに基づき計算装置１８にh値を算出させ、液体燃料１１の液面に浮いたフロート１２の高さhを求める。
【００２４】
最後に、手順２１８では、手順２１６のh値及び関数ρ= M /( V - [π・h2(3・R-h)/3])に基づき計算装置１８にρ値を算出させる。このときρ値は液体燃料１１の濃度であり、Mはフロート１２の質量であり、Vはフロート１２の体積である。
【００２５】
以上本発明について具体的な実施例を掲げて説明してきたが、開示された具体的実施例は本発明を制限するものではなく、関連技術を知る者によれば本発明の要旨の範囲内を逸脱せず各種変化や修飾が可能であり、それら変化や修飾はすべて本発明の範疇に含まれるものとみなし、本発明の保護範囲は付属の特許請求の範囲により定められるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】本発明の濃度計測装置の最良の実施例の側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの濃度計測装置の立体図である。
【図２Ａ】本発明の液体燃料電池の液体燃料の濃度計測方法である。
【図２Ｂ】本発明の液体燃料電池の液体燃料の濃度計測方法である。
【図３】図１Ｂの結像平面１４０がキャプチャした影像である。
【符号の説明】
【００２７】
１    濃度計測装置
１０    容器
１１    液体燃料
１２    フロート
１２０    第一参考円
１２０ａ    第二参考円
１２２    第一境界円
１２２ａ    第二境界円
１２４    フロートの質量中心
１４    影像キャプチャ装置
１４０    結像平面
１６    レンズフード
１６０    孔
１８    計算装置
１９    発光装置
２    濃度計測方法
１１０    水平線
２００、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０    手順
２１２、２１４、２１６    手順
【図１Ａ】
2007271616.tif 000003
【図１Ｂ】
2007271616.tif 000004
【図２Ａ】
2007271616.tif 000005
【図２Ｂ】
2007271616.tif 000006
【図３】
2007271616.tif 000007