(57)【要約】【課題】燃料電池に必要な液体燃料量が十分であるかを随時モニタリングし、液体燃料量に不足が発生した場合、即時に対応をとることを可能にする、燃料電池用の液位検出装置を提供する。【解決手段】本発明の液位検出装置は、容器内の液体燃料の液面高さを検出するために用いられ、且つ、前記容器と相通する内部空間を備え、前記液位検出装置が、前記液位検出装置の内部空間に設置され、前記内部空間の液体燃料に対し加熱を行う加熱器と、前記液位検出装置の内部空間に設置され、前記内部空間の液体燃料の温度値を計測する１つ以上の温度センサーと、前記温度センサーが計測した前記液体燃料の温度値を受け取り、前記液体燃料の温度変化速度を算出し、さらに前記温度変化速度に基づき前記容器内の液体燃料の液面高さを換算する液位計算装置とを含む。【選択図】図１Ａ
2007248462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液位検出装置であって、容器内の液体燃料の液面高さを検出するために用いられ、且つ、前記容器と相通する内部空間を備え、前記液位検出装置が：
前記液位検出装置の内部空間に設置され、前記内部空間の液体燃料に対し加熱を行う加熱器と；
前記液位検出装置の内部空間に設置され、前記内部空間内の液体燃料の温度値を計測するために用いられる１つ以上の温度センサーと；
前記温度センサーが計測した前記液体燃料の温度値を受け取り、前記液体燃料の温度変化速度を算出し、さらに前記温度変化速度に基づき前記容器内の液体燃料の液面高さを換算する液位計算装置と；
を含むことを特徴とする、液位検出装置。
【請求項２】
前記温度センサーが前記内部空間の底部から前記内部空間の上部まで間隔をあけて前記液位検出装置の内部空間内に設置されたことを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項３】
前記液位計算装置が２つの相隣する前記温度センサーの温度値の差異値をそれぞれ計算し、且つ、これら差異値のうちの最大値に基づき前記容器内の液体燃料の液面高さ範囲を判定することを特徴とする、請求項２に記載の液位検出装置。
【請求項４】
さらに前記容器と前記液位検出装置の内部空間を隔離するための制御弁を含むことを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項５】
前記加熱器の加熱仕事率が一定値であることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項６】
前記容器が燃料電池に必要な液体燃料を供給するための液体燃料供給槽であることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項７】
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１に記載の液位検出装置。
【請求項８】
前記液体燃料が純メタノール溶液であることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項９】
前記内部空間の幅が１ミリメートルから３ミリメートルの間であることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項１０】
前記加熱器が加熱プローブ及び／または加熱ワイヤであることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項１１】
前記液位計算装置がマイクロプロセッサであることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項１２】
前記加熱器の加熱仕事率が０．５ワットであることを特徴とする、請求項５に記載の液位検出装置。
【請求項１３】
前記液位検出装置が中空殼体を備え、且つ、前記中空殼体の材質が断熱材料であることを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項１４】
前記中空殼体の表面に耐腐蝕及び／または抗酸化処理を施したことを特徴とする、請求項１３に記載の液位検出装置。
【請求項１５】
前記温度センサーの表面に耐腐蝕及び／または抗酸化処理を施したことを特徴とする、請求項１に記載の液位検出装置。
【請求項１６】
液位検出方法であって、液体燃料供給槽内の液体燃料の液面高さの検出に用いられ、そのうち、前記液体燃料供給槽が燃料電池に必要な液体燃料を供給するために用いられ、前記液位検出方法が：
液位検出装置を用意し、前記液位検出装置が内部空間を備え、且つ、少なくとも加熱器、１つ以上の温度センサー、液位計算装置、制御弁を含み、そのうち、前記内部空間が前記液体燃料供給槽と相通しており、且つ、前記加熱器と前記温度センサーが前記液位検出装置の内部空間内に設置される；
前記制御弁を駆動し、前記液体燃料供給槽と前記液位検出装置の内部空間を相互に隔離する；
前記加熱器が前記内部空間内の液体燃料に加熱を行う；
前記温度センサーが前記内部空間内の液体燃料の温度値を計測する；
前記液位計算装置が前記温度センサーの計測した前記液体燃料の温度値を受け取り、前記内部空間内の液体燃料の温度変化速度を算出し、前記温度変化速度に基づき前記液体燃料供給槽内の液体燃料の液面高さを換算する；
という手順を含むことを特徴とする、液位検出方法。
【請求項１７】
さらに、前記液位計算装置が前記温度センサーの計測した前記液体燃料の温度値の平均値を計算し、前記液体燃料の温度値の代表値とする、という手順を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の液位検出方法。
【請求項１８】
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１６に記載の液位検出方法。
【請求項１９】
前記液体燃料が純メタノール溶液であることを特徴とする、請求項１６に記載の液位検出方法。
【請求項２０】
前記加熱器の加熱仕事率が一定値であることを特徴とする、請求項１６に記載の液位検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液位検出装置に関し、特に液体燃料供給装置内に入れられた液体燃料量の検出に用いる液位検出装置に関する。
【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、その応用目標は大型発電所、自動車用発電機、携帯型電源等を含む。
【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電力出力の安定性という一つの問題を克服する必要がある。このため、液体燃料電池システムの設計においては、液体燃料供給装置に入れられた液体燃料量を合理的範囲内に維持し、燃料不足が発生し、液体燃料電池が正常に電力を供給できないという状況に至らないようにしなければならない。そこで、液位検出装置を用いた液体燃料供給装置内に入れられた液体燃料量の計測が隨時行われており、これは即ち液体燃料供給装置内の液体燃料の液面高さを検出し、その液面高さが一定の標準範囲内にあるよう確実に維持するものであり、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、燃料電池に必要な液体燃料量が十分であるかどうかを随時モニタリングし、液体燃料量に不足が発生した場合、即時に対応をとることを可能にする、燃料電池に用いるための液位検出装置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、本発明の液位検出装置は、容器内の液体燃料の液面高さを検出するために用いられ、且つ、前記容器と相通する内部空間を備え、前記液位検出装置が、前記液位検出装置の内部空間に設置され、前記内部空間の液体燃料に対し加熱を行う加熱器と、前記液位検出装置の内部空間に設置され、前記内部空間の液体燃料の温度値を計測する１つ以上の温度センサーと、前記温度センサーが計測した前記液体燃料の温度値を受け取り、前記液体燃料の温度変化速度を算出し、さらに前記温度変化速度に基づき前記容器内の液体燃料の液面高さを換算する液位計算装置を含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の液位検出装置の構造は簡単であるため、本発明の液位検出装置は製造コストを抑え、大量生産がしやすいという利点を備えている。
【０００７】
本発明の液位検出装置は、液体燃料供給槽内の液体燃料の液面高さの計測に優れた反応敏感性を備え、液体燃料の液面高さが予め設定した標準範囲内にあるか否かを随時モニタリングし、液体燃料供給装置内に入れられた液体燃料量が十分であるか否かを具体的に反映し、外界の参考に供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
関連技術者に本発明の目的、特徴及び効果について理解を促すため、以下、具体的な実施例と図面に基づき、本発明を詳細に説明する。
【０００９】
〔実施例１〕
図１Ａに本発明の液位検出装置の実施例の構造図を示す。本発明の液位検出装置１０は、容器１２内の液体燃料１４の液面高さを検出するために用いられ、且つ、容器１２と相通する内部空間１００を備えている。そのうち、容器１２は液体燃料供給槽であり、燃料電池にその必要とする液体燃料を供給するために用いられる。液体燃料１４はメタノール水溶液や純メタノール溶液とすることができる。このほか、内部空間１００は小さな容積の空間とし、内部空間１００の幅Wは１〜３ミリメートルの間とすることができる。さらに、図１Ａに示すように、本発明の液位検出装置１０は中空殼体１０１を備え、且つ、この中空殼体１０１の材質は断熱材料を使用するか、断熱材料を利用して中空殼体１０１を覆うことができ、これにより内部空間１００の熱を保持し、内部加熱の熱が失われるのを防ぎ、また外界環境が内部空間１００の液体燃料１４の温度値に影響するのを回避することもできる。このほか、中空殼体１０１の表面にはさらに耐腐蝕及び／または抗酸化処理を施すこともできる。
【００１０】
図１Ａに示すように、本発明の液位検出装置１０は、加熱器１０２、１つ以上の温度センサー１０４、液位計算装置１０６を含み、それぞれについて以下で説明する。
【００１１】
前記加熱器１０２は液位検出装置１０の内部空間１００に設置され、液体燃料１４に対し加熱を行うために用いられる。加熱器１０２は加熱プローブまたは加熱ワイヤを採用することができ、且つ、この加熱器１０２は1つの一定値の加熱仕事率で液体燃料１４に対し加熱を行うことができるものとする。 
【００１２】
前記温度センサー１０４は液位検出装置１０の内部空間１００に設置され、内部空間１００内の液体燃料１４の異なる場所における温度の計測に用いられる。温度センサー１０４の表面にはさらに耐腐蝕及び／または抗酸化処理を施すことができる。
【００１３】
前記液位計算装置１０６は前記温度センサー１０４が計測した液体燃料１４の温度値を受け取り、かつ液体燃料１４の温度変化速度を算出し、さらにこの温度変化速度に基づき容器１２内の液体燃料１４の液面高さを換算する。液位計算装置１０６は具体的部材としてマイクロプロセッサを採用することができる。液位計算装置１０６は前記温度センサー１０４に電気的に接続される。さらに、加熱器１０２も液位計算装置１０６に電気的に接続することができ、且つ、加熱器１０２は液位計算装置１０６による制御を受け、加熱器１０２の加熱仕事率と加熱時間が制御される。
【００１４】
また図１Ａに示すように、本発明の液位検出装置１０はさらに制御弁１０８を含み、容器１２と液位検出装置１０の内部空間１００を隔離するために用いることができる。そのうち、この制御弁１０８は液位計算装置１０６に電気的に接続され、且つ、制御弁１０８は液位計算装置１０６による制御を受け、加熱器１０２が液体燃料１４にまだ加熱を行っていないとき、制御弁１０８は開いた状態にあるが、液体燃料１４が平衡状態下にあり、且つ加熱器１０２が液体燃料１４に対し加熱を行う準備をするとき、制御弁１０８は閉じた状態となる。これにより、加熱器１０２の液体燃料１４に対する加熱効果と効率を増進することができる。
【００１５】
〔実施例２〕
図１Ｂに図１Ａの液位検出装置の変化実施例の構造図を示す。そのうち、図１Ｂでは本発明の液位検出装置１０が容器１２と一体成型された設計となっており、この点のみが図１Ａと異なる。
【００１６】
図２に図１Ａ及び図１Ｂに示す内部空間１００内の液体燃料の温度と加熱時間の関係図を示す。加熱器１０２が例えば０．５ワットの加熱仕事率を採用し液体燃料１４に持続的に加熱を行った場合、図２に示すように、３本の曲線２１、２３、２５は３つの異なる液体燃料液面高さｈ、１０ｃｍ、５ｃｍ、３ｃｍをそれぞれ代表し、温度センサー１０４が計測して得た液体燃料１４の平均温度と加熱器１０２の加熱時間の間の関係を示すものである。これら３本の曲線２１、２３、２５の傾斜率(または温度変化速度と呼ぶことができる)がそれぞれ異なることに注意が必要であり、本発明はこの物理特性を利用し、そのときの液体燃料１４の温度変化速度を算出し、容器１２内の液体燃料１４の液面高さｈを換算する。
【００１７】
上の説明を受け、例えば、温度センサー１０４が計測した液体燃料１４の平均温度値が３０℃とする。続いて、液位計算装置１０６がこの温度値(＝３０℃)を受け取り、且つ温度変化速度を０．６２５(℃／sec)と計算し、さらに液位計算装置１０６は予め確立しておいた実験データのデータベース(図２に示す)に基づき、０．６２５(℃／sec)の温度変化速度は液体燃料液面高さｈが１０ｃｍの直線傾斜率であると認識する。このため、本発明の液位検出装置１０はこの温度変化速度(＝０．６２５℃／sec)に基づき、そのときの液体燃料１４の液面高さｈが１０ｃｍであると換算する。
【００１８】
図３に本発明の液体燃料の液位検出方法のフロー図を示す。本発明の液位検出方法３０は、液体燃料供給槽１２内の液体燃料の液面高さｈを検出するために用いられ、そのうち、液体燃料供給槽１２はメタノール水溶液や純メタノール溶液等燃料電池が必要とする液体燃料の供給に用いられる。本発明の液位検出方法３０は、手順３００から手順３０８を含み、図１Ａと図１Ｂの具体的実施例を組み合わせ、本発明の方法３０について以下でそれぞれ説明する。
【００１９】
手順３００では液位検出装置１０を用意する。そのうち、この液位検出装置１０は内部空間１００を備え、且つ、少なくとも加熱器１０２、１つ以上の温度センサー１０４、液位計算装置１０６及び制御弁１０８を含み、そのうち、内部空間１００は液体燃料供給槽１２と相通しており、且つ、加熱器１０２と前記温度センサー１０４は液位検出装置１０の内部空間１００に設置される。 
【００２０】
手順３０２では制御弁１０８を駆動し、液体燃料供給槽１２と液位検出装置１０の内部空間１００を相互に隔離する。
【００２１】
手順３０４では加熱器１０２が内部空間１００の液体燃料１４に加熱を行う。そのうち、加熱器１０２の加熱仕事率は一定値とし、加熱を行うとき、内部空間１００内の液体燃料１４は静止状態であり、加熱される熱が内部空間１００内の液体燃料１４に完全に吸収され、熱が液体燃料の流動により失われることがない。
【００２２】
手順３０６では温度センサー１０４が内部空間１００の液体燃料１４の温度値を計測する。手順３０８では液位計算装置１０６が温度センサー１０４の計測した液体燃料１４の温度値を受け取り、内部空間１００の液体燃料１４の温度変化速度を算出し、さらにこの温度変化速度に基づき液体燃料供給槽１２内の液体燃料１４の液面高さｈを換算する。
【００２３】
さらに、本発明の液位検出方法３０は内部空間１００内の液体燃料１４の温度値の計測をより正確に計測できるようにするため、前記温度センサー１０４が計測した液体燃料１４の温度値の平均値を算出し、液体燃料１４の温度値の代表値とするという手順を含むことができる。
【００２４】
〔実施例３〕
図４に図１Ａの液位検出装置の別の変化実施例の構造図を示す。図４に示すように、本発明の液位検出装置４０は、加熱器４０２、温度センサー４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、液位計算装置４０５を含み、以下でそれぞれについて説明する。
【００２５】
前記加熱器４０２は液位検出装置４０の内部空間４００に設置され、液体燃料４４に対し加熱を行うために用いられる。加熱器４０２は加熱プローブまたは加熱ワイヤを採用することができ、且つ、この加熱器４０２は１つの一定値の加熱仕事率で液体燃料４４に対し加熱を行うことができる。 
【００２６】
温度センサー４０４、４０６、４０８、４１０、４１２は液位検出装置４０の内部空間４００に設置され、内部空間４００内の液体燃料４４の異なる場所における温度値の計測に用いられる。且つ、これら温度センサー４０４、４０６、４０８、４１０、４１２は内部空間４００の底部から内部空間４００の上部まで間隔をあけて液位検出装置４０の内部空間４００内に設置される。このほか、温度センサー４０４、４０６、４０８、４１０、４１２の表面にはさらに耐腐蝕及び／または抗酸化の処理を施すことができる。
【００２７】
液位計算装置４０５はこれら温度センサー４０４、４０６、４０８、４１０、４１２が計測した液体燃料４４の温度値を受け取り、且つ液体燃料４４の温度変化速度を算出し、さらにこの温度変化速度に基づき容器４２内の液体燃料４４の液面高さを換算する。このほか、本発明は液面下の温度センサーと液面上の温度センサーが計測した温度値に大きな落差がある原理を利用することができ、液位計算装置４０６が２つの相隣する温度センサーの温度値の差異値をそれぞれ算出し、且つ、これら差異値のうちの最大値に基づき容器４２内の液体燃料の液面高さ範囲を判定することもできる。図４を例とすると、液位検出装置４０の内部空間４００は５段階の水位に分けられ、各段階が２０％の水位を表しており、液体燃料４４の液面高さが温度センサー４０４、４０６の間にきた場合、液位計算装置４０５が温度センサー４０４、４０６の計測した液体燃料４４の２つの温度値の最大差異を算出し、容器４２内の液体燃料の液面高さが２０％〜４０％の水位範囲内にあると判定することができる。
【００２８】
本発明について以上具体的な実施例に基づき説明してきたが、開示された実施例は本発明を制限するものではなく、関連技術を熟知した者であれば本発明の要旨と範囲内を逸脱することなく、さまざまな変更や修飾が可能であり、それら変更や修飾はすべて本発明の範疇に属するものとみなし、本発明の保護範囲は特許請求の範囲により定義されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】本発明の液位検出装置の実施例を示す構造断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの液位検出装置の変化実施例を示す構造断面図である。
【図２】図１Ａと図１Ｂにおける内部空間内の液体燃料の温度と加熱時間の関係図である。
【図３】本発明の液体燃料の液位検出方法のフロー図である。
【図４】図１Ａの液位検出装置の別の変化実施例を示す構造断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０      液位検出装置
１００    内部空間
１０１    中空殼体
１０２    加熱器
１０４    温度センサー
１０６    液位計算装置
１０８    制御弁
１２      容器
１４      液体燃料
２１、２３、２５    曲線
４０      液位検出装置
４００    内部空間
４０２    加熱器
４０４、４０６、４０８、４１０、４１２    温度センサー
４０５    液位計算装置
４２      容器
４４      液体燃料
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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