(57)【要約】【課題】液体の容量を測定する方法及びその装置並びに燃料電池システムを提供する。【解決手段】液体保存所のさまざまな対応面それぞれに取り付けられた複数対の金属板間の静電容量を測定し、液体保存所の現在姿勢に基づいて、これらの静電容量に対応する複数個の液体容量を組み合わせることによって、液体保存所に残留する液体の容量を計算する液体容量測定方法である。該液体容量測定方法はまた、液体保存所の現在姿勢に基づいて、複数個の液体容量それぞれの加重値を計算する段階と、前記計算された加重値が適用された複数個の液体容量を組み合わせることによって、前記液体の容量を計算する段階と、を含む。これにより、該液体容量測定方法は、燃料電池システムの燃料残量測定に適用可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体保存所に取り付けられた金属板間の第１静電容量と、前記液体保存所に取り付けられた他の金属板間の第２静電容量と、を入力される段階と、
前記第１静電容量に対応する第１液体容量と、前記第２静電容量に対応する第２液体容量と、を獲得する段階と、
前記第１液体容量と前記第２液体容量とを含む複数個の液体容量を組み合わせることによって、前記液体保存所に残留する液体の容量を計算する段階と、を含む液体容量測定方法。
【請求項２】
前記計算する段階は、
前記保存所の現在姿勢に基づいて、前記複数個の液体容量それぞれの加重値を計算する段階と、
前記計算された加重値が適用された複数個の液体容量を組み合わせることによって、前記液体の容量を計算する段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の液体容量測定方法。
【請求項３】
前記計算する段階は、前記計算された加重値が乗じられた複数個の液体容量を合算することによって、前記液体の容量を計算する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の液体容量測定方法。
【請求項４】
前記計算する段階は、前記第１静電容量の金属板の傾度と、前記第２静電容量の他の金属板の傾度とから、前記保存所の現在姿勢を計算する段階を含むことを特徴とする請求項２に記載の液体容量測定方法。
【請求項５】
前記第１静電容量の金属板は、前記保存所の第１対応面のそれぞれに取り付けられており、
前記第２静電容量の他の金属板は、前記保存所の第２対応面のそれぞれに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体容量測定方法。
【請求項６】
前記計算する段階は、前記第１対応面のそれぞれに取り付けられた金属板の傾度と、前記第２対応面のそれぞれに取り付けられた金属板の傾度とから、前記第１液体容量及び前記第２液体容量それぞれの加重値を計算する段階を含むことを特徴とする請求項５に記載の液体容量測定方法。
【請求項７】
前記獲得する段階は、前記液体保存所の液体残量変化による第１静電容量と第２静電容量との変化に基づいて、前記第１液体容量と前記第２液体容量とを獲得する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の液体容量測定方法。
【請求項８】
前記獲得する段階は、前記液体保存所の液体残量変化による第１静電容量と第２静電容量との変化値によって構築されたデータベースから、前記第１液体容量と前記第２液体容量とを獲得する段階を含むことを特徴とする請求項７に記載の液体容量測定方法。
【請求項９】
前記獲得する段階は、前記液体保存所の液体残量変化による第１静電容量と第２静電容量との変化を示す関数から、前記第１液体容量と前記第２液体容量とを獲得する段階を含むことを特徴とする請求項７に記載の液体容量測定方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のうち、いずれか１項に記載の方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。
【請求項１１】
第１静電容量の測定のために液体保存所に取り付けられている１対の金属板と、
第２静電容量の測定のために前記液体保存所に取り付けられている他の１対の金属板と、
前記第１静電容量と前記第２静電容量とに基づいて、前記液体保存所に残留する液体の容量を計算するプロセッサと、を含む液体容量測定装置。
【請求項１２】
前記液体保存所は、絶縁性のハウジングを含み、
前記第１静電容量の１対の金属板は、前記ハウジングの内部面のうち、第１対応面に取り付けられており、
前記第２静電容量の他の１対の金属板は、前記ハウジングの内部面のうち、第２対応面に取り付けられていることを特徴とする請求項１１に記載の液体容量測定装置。
【請求項１３】
前記第１対応面と前記第２対応面は、垂直に位置していることを特徴とする請求項１２に記載の液体容量測定装置。
【請求項１４】
前記第１対応面と前記第２対応面とのうち、少なくとも一面は曲面であることを特徴とする請求項１２に記載の液体容量測定装置。
【請求項１５】
第３静電容量の測定のために、他の１対の金属板を前記液体保存所にさらに取り付けたことを特徴とする請求項１２に記載の液体容量測定装置。
【請求項１６】
前記液体保存所は、
絶縁性のハウジングと、
前記ハウジングの内部に位置して、液体が保存される伸縮性のポーチと、をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の液体容量測定装置。
【請求項１７】
前記ポーチの表面のうち一部分は、前記金属板のうち一部の金属板に接して固定されており、前記ポーチの表面のうち残りの部分は、固定されていないことを特徴とする請求項１６に記載の液体容量測定装置。
【請求項１８】
前記ポーチは、前記ハウジングの内部サイズより大きいことを特徴とする請求項１６に記載の液体容量測定装置。
【請求項１９】
前記液体保存所の現在姿勢を検出する姿勢センサをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の液体容量測定装置。
【請求項２０】
前記姿勢センサは、前記液体保存所の面のうち一面に取り付けられ、基準面に対する前記取り付け面の傾度を検出することによって、前記液体保存所の現在姿勢を検出することを特徴とする請求項１９に記載の液体容量測定装置。
【請求項２１】
前記プロセッサは、前記液体保存所の現在姿勢に基づいて、前記第１静電容量及び第２静電容量に対応する液体容量を含む複数個の液体容量を組み合わせることによって、前記液体保存所内の液体残量を測定することを特徴とする請求項１９に記載の液体容量測定装置。
【請求項２２】
第１静電容量の測定のために燃料保存所に取り付けられている１対の金属板と、
第２静電容量の測定のために前記燃料保存所に取り付けられている他の１対の金属板と、
前記第１静電容量と前記第２静電容量とに基づいて、燃料保存所に残留する燃料の容量を計算する制御器と、を含む燃料電池システム。
【請求項２３】
前記燃料保存所は、絶縁性のハウジングを含み、
前記第１静電容量の１対の金属板は、前記ハウジングの内部面のうち、第１対応面に取り付けられており、
前記第２静電容量の他の１対の金属板は、前記ハウジングの内部面のうち、第２対応面に取り付けられていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記燃料保存所は、
絶縁性のハウジングと、
前記ハウジングの内部に位置し、燃料が保存される伸縮性のポーチと、をさらに含み、
前記ポーチの表面のうち一部分は、前記金属板のうち一部の金属板に接して固定されていることを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記燃料保存所の現在姿勢を検出する姿勢センサをさらに含み、
前記制御器は、前記燃料保存所の現在姿勢に基づいて、前記第１静電容量及び第２静電容量に対応する液体容量を含む複数個の燃料容量を組み合わせることによって、前記燃料保存所内の燃料残量を測定することを特徴とする請求項２２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、液体の容量を測定する方法及びその装置に係り、特に、燃料電池システムでの燃料の残量を測定する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（fuel cell）は、水素のような地球上に豊富に存在する物質から電気エネルギーを発生させる環境にやさしい代替エネルギー技術であって、太陽電池（solar cell）と共に脚光を浴びている。燃料電池の電力生産のためには、燃料電池に燃料、水、空気などが供給されねばならないが、かような物質の供給量が適正ではない場合、燃料電池が正常に動作しないことがある。特に、燃料電池に供給される燃料が枯渇（exhaust）した場合には、燃料電池の反応が正常になされないため、燃料電池システムの動作は、燃料の枯渇前に停止せねばならない。かような理由によって、燃料電池システム内部に残っている燃料の残量測定に関する研究が進められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、液体保存所がいかなる姿勢でも、液体保存所内部のバブルに関係なく、液体保存所に保存された液体の容量を正確に測定することができる方法及びその装置を提供するものである。
【０００４】
本発明はまた、かような測定方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供するものである。
【０００５】
本発明はまた、かような測定方法または装置が適用された燃料電池システムを提供するものである。
【０００６】
本実施形態がなそうとする技術的課題は、前記のような技術的課題に限定されるものではなく、本明細書から他の技術的課題が類推されてもよい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面による液体容量測定方法は、液体保存所に取り付けられた金属板間の第１静電容量と、前記液体保存所に取り付けられた他の金属板間の第２静電容量と、を入力される段階と、前記第１静電容量に対応する第１液体容量と、前記第２静電容量に対応する第２液体容量と、を獲得する段階と、前記第１液体容量と前記第２液体容量とを含む複数個の液体容量を組み合わせることにより、前記液体保存所に残留する液体の容量を計算する段階と、を含む。
【０００８】
本発明の他の側面によると、前記の液体容量測定方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能な記録媒体が提供される。
【０００９】
本発明のさらに他の側面による液体容量測定装置は、第１静電容量の測定のために、液体保存所に取り付けられている１対の金属板と、第２静電容量の測定のために、前記液体保存所に取り付けられている他の１対の金属板と、前記第１静電容量と前記第２静電容量とに基づいて、前記液体保存所に残留する液体の容量を計算するプロセッサと、を含む。
【００１０】
本発明のさらに他の側面による燃料電池システムは、第１静電容量の測定のために、燃料保存所に取り付けられている１対の金属板と、第２静電容量の測定のために、前記燃料保存所に取り付けられている他の１対の金属板と、前記第１静電容量と前記第２静電容量とに基づいて、燃料保存所に残留する燃料の容量を計算する制御器と、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、液体保存所の現在姿勢に基づいて、液体保存所に取り付けられた複数対の金属板間の複数個の静電容量を利用し、液体保存所に保存された液体の容量を計算することによって、液体保存所がいかなる姿勢でも、液体保存所内部のバブルに関係なく、液体保存所に保存された液体の容量を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による液体容量測定装置の構成図である。
【図３Ａ】図２に図示された液体保存所内でのポーチの設置形態を図示した図面である。
【図３Ｂ】図２に図示された液体保存所内でのポーチの設置形態を図示した図面である。
【図４Ａ】図２に図示された液体保存所のさまざまな姿勢を図示した図面である。
【図４Ｂ】図２に図示された液体保存所のさまざまな姿勢を図示した図面である。
【図４Ｃ】図２に図示された液体保存所のさまざまな姿勢を図示した図面である。
【図５】図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所の三種の姿勢での、液体の容量変化によるチャンネルＡの静電容量の測定値変化を示すグラフである。
【図６】図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所の三種の姿勢での、液体容量変化によるチャンネルＢの静電容量の測定値変化を示すグラフである。
【図７】図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所の三種の姿勢での、バブルを有する液体の容量変化によるチャンネルＡの静電容量の測定値変化を示すグラフである。
【図８】図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所の三種の姿勢での、バブルを有する液体の容量変化によるチャンネルＢの静電容量の測定値変化を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態による液体容量測定方法のフローチャートである。
【図１０Ａ】図２に図示された液体容量測定装置の他の実施形態を図示した図面である。
【図１０Ｂ】図２に図示された液体容量測定装置の他の実施形態を図示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態の特徴は、液体保存所内に残っている液体に対する新しい残量測定方式に関連している。以下の実施形態で提示される液体の新しい残量測定方式は、主に燃料電池システムでの燃料の残量を測定するための手段に応用可能であるため、液体の新しい残量測定方式の効用性及び役割などを説明するために、まず燃料電池システムについて説明する。
【００１４】
燃料電池システムは、一般的に、燃料を利用して電力を生産する燃料電池、燃料電池に燃料、水、空気などを供給するための燃料電池の周辺機器（peripheral device）であるＢＯＰ（balance of plants）、及び燃料電池から出力された電力を変換して負荷に供給するコンバータ（converter）などから構成される。以下の実施形態の特徴は、燃料の残量検出に関連しており、その特徴が不明確になることを防止するために、ＢＯＰ以外に燃料電池を構成するスタック（stack）、コンバータなどについては、詳細な説明を省略する。一般的に、燃料電池は、負荷が要求する電力に対応して、複数個のセルが直列または並列に組み合わされたスタック形態に設計される。以下では、１つのセル及び複数個のセルが結合されたスタックをいずれも包括し、簡単に燃料電池と呼ぶ。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの構成図である。図１を参照すれば、本実施形態による燃料電池システムは、燃料電池１０、燃料保存所（fuel storage）２０、制御器３０、空気ポンプ（air pump）４１、回収ポンプ（water recovery pump）４２、循環ポンプ（recycle pump）４３、供給ポンプ（feed pump）４４、第１分離器（first separator）５１、第２分離器（second separator）５２、熱交換器（ＨＥＸ：heat exchanger）６０、弁モジュール（valve module）７０及び混合器（mixer）８０から構成される。前述のように、燃料電池１０の電力生産に要求される物質、すなわち、燃料、水、空気などを燃料電池１０に供給するための前記のような構成要素をＢＯＰとする。図１に図示されたように、ＢＯＰの構成要素間には、それらを連結するさまざまな配管（pipe）が装着されている。
【００１６】
また、図１に図示された燃料電池システムには、図１に図示された構成要素以外に、他の装置が存在しうる。例えば、図１に図示された熱交換器６０以外に、他の熱交換器が、燃料電池システム内部で発生した熱を回収するために、熱交換器６０が設置された地点とは異なる地点、例えば、循環ポンプ４３と混合器８０との間に設置されてもよい。また、燃料電池１０と混合器８０との間の配管には、燃料電池に供給される燃料の濃度を測定するための濃度センサが設置されてもよく、燃料電池１０の表面には、燃料電池１０の反応熱を測定するためのサーミスタ（thermistor）が設置されてもよい。
【００１７】
燃料電池１０は、燃料保存所２０に保存された燃料が有している化学エネルギーを、電気化学的反応（electrochemical reaction）を利用して、直接電気エネルギーに変換することによって、ＤＣ（direct current）電力を生産する発電装置である。かような燃料電池の例としては、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：polymer electrolyte membrane fuel cell）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）などを挙げることができる。特に、図１に図示された実施形態は、直接メタノール燃料電池を運転するためのＢＯＰが適用された燃料電池システムである。ただし、以下に記述される技術的手段は、他種の燃料電池にも適用可能である。
【００１８】
一方、直接メタノール燃料電池は、メタノールを水素濃度が高まるように改質する間接メタノール燃料電池（indirect methanol fuel cell）とは異なり、メタノールを改質する過程なしに、燃料電池１０のアノードで、メタノールと水とが直接反応して、水素イオンと電子とを生成する。このように、直接メタノール燃料電池は、メタノールを改質する過程が不要であるため、小型化が可能である。また、メタノールは、常温（room temperature）で液体状態であるため、燃料の保存と移動とが容易である。これにより、直接メタノール燃料電池は、携帯用燃料電池システムに適用されている。
【００１９】
一般的に、直接メタノール燃料電池のアノードでは、ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２の反応（reaction）が起こり、カソードでは、３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏの反応が起こる。陽子（Ｈ＋）は、燃料電池内部の陽子交換膜（proton exchange membrane）を介して伝送され、電子は、アノードからカソードに外部回路を介して伝送される。かような過程によって電力が生産される。そして、直接メタノール燃料電池では、直接メタノール燃料電池での反応を円滑に行わせるための触媒（catalyst）が存在する。一般的に触媒は白金から製造され、前記の反応過程での温度が高すぎる場合に劣化しうる。これにより、純粋なメタノールは燃料電池１０に供給されず、適当量の水で希釈されたメタノール、すなわち、適正濃度のメタノール水溶液が燃料電池１０に供給されねばならない。以下では、燃料電池１０のアノードに供給されるメタノール水溶液と、燃料保存所２０に保存されたメタノールとを、いずれも簡単に燃料と呼ぶ。
【００２０】
このように、燃料電池１０の劣化を防止しつつ、燃料電池１０での反応を円滑に行わせるためには、燃料電池１０に適正量のメタノール、水、空気が供給されねばならない。制御器３０は、燃料電池１０に供給される燃料、水、空気の量を調節するために、空気ポンプ４１、供給ポンプ４４、循環ポンプ４３及び回収ポンプ４２を制御する。そして、本発明の一実施形態から分かるように、制御器３０は、燃料保存所２０の内部に取り付けられた少なくとも２対の金属板（metal plate）間の静電容量（capacitance）を利用して、燃料保存所２０内の燃料の残量を測定することができ、このように測定された燃料の残量によって、空気ポンプ４１、供給ポンプ４４、循環ポンプ４３及び回収ポンプ４２を制御することができる。燃料の残量測定については、以下でさらに詳細に説明する。燃料電池１０は、混合器８０から燃料電池１０のアノードに供給された適正濃度の燃料を利用して、電力を生産する。燃料電池１０の電力生産過程で、燃料電池１０のアノードから、前記の反応過程の副産物である二酸化炭素、未反応の燃料などが排出され、燃料電池１０のカソードから、前記の反応過程の副産物である水などが排出される。
【００２１】
一般的に、第１分離器５１は、燃料電池１０のアノードから排出された副産物や、未反応燃料などから、メタノールと水とを分離することによって、メタノールと水とを回収する。燃料電池１０のカソードから排出された副産物は、燃料電池１０での反応熱などによる高温の流体であって、蒸気形態の水分を含んでいる。これは、熱交換器６０を通過する間に、熱交換器６０の熱交換過程（heat exchange process）によって冷却され、この過程で、一部の水が回収される。第２分離器５２は、このように冷却された副産物から水を分離することによって水を回収し、かような回収過程後の残りの副産物である二酸化炭素などを外部に排出する。第１分離器５１と第２分離器５２は、遠心分離などを利用して、燃料電池１０から排出された副産物や未反応燃料などから、メタノールと水とを分離することができる。回収ポンプ４２は、第２分離器５２によって回収された水を吸入し、第１分離器５１に排出する。これによって、第１分離器５１から、第１分離器５１によって回収されたメタノールと、第１分離器５１及び第２分離器５２によって回収された水とが混ざった低濃度の燃料が排出される。
【００２２】
燃料保存所２０は、燃料が保存される容器であり、円筒形、ボックス型など、さまざまな形態の容器で製造される。燃料保存所２０は、燃料がリフィル（refill）される形態に製造される。また、燃料保存所２０は、図１に図示された燃料電池システムに、脱着可能な形態で製造され、一般的に、脱着が可能な形態の燃料保存所は、カートリッジと呼ばれる。燃料保存所２０には、希釈されていない高濃度の燃料、例えば、１００％のメタノールが保存されてもよい。そして、本発明の一実施形態から分かるように、燃料保存所２０の内部には、燃料保存所２０内の燃料残量測定のための静電容量の測定を可能にするために、少なくとも２対の金属板が取り付けられる。
【００２３】
一般的に、弁モジュール７０は、燃料循環ライン９１と燃料供給ライン９２とが連結される地点に挿入され、燃料循環ライン９１を介して、燃料電池１０から燃料電池１０に循環される低濃度燃料のフローと、燃料供給ライン９２を介して、燃料保存所２０から燃料電池１０に供給される高濃度燃料のフローと、を制御する。ここで、燃料循環ライン９１は、燃料電池１０から排出された未反応燃料が、再び燃料電池１０に流れる経路にある配管を示し、燃料供給ライン９２は、燃料保存所２０から燃料電池１０に新たに供給される燃料が流れる経路にある配管を示す。
【００２４】
循環ポンプ４３は、弁モジュール７０の燃料フロー制御によって、弁モジュール７０から燃料循環ライン９１を介して輸送された低濃度燃料と、燃料供給ライン９２を介して輸送された高濃度燃料とのうち、少なくとも一つを吸入して混合器８０に排出する。混合器８０は、循環ポンプ４３から排出された低濃度燃料と高濃度燃料とを混合し、かような混合過程を経て生成された適正濃度の燃料を燃料電池１０に供給することができる。
【００２５】
一般的に燃料電池１０は、一定の温度以上で正常な反応が起こり、正常に電力を生産する。これによって、燃料電池システムが始動された後、燃料電池１０の温度が一定レベル以上になるとき、燃料電池１０から出力された電力が負荷に供給される正常運転がなされる。燃料電池１０の温度が一定レベル以上になるまで、燃料電池１０に燃料が続けて供給されねばならない。燃料保存所２０に保存された燃料の残量が、燃料電池１０の温度を一定レベル以上に上げるほど十分ではない場合には、燃料電池システムは始動されないことがある。また、燃料保存所２０に保存された燃料が枯渇（exhaust）した場合には、燃料電池１０の反応が正常になされないために、燃料電池システムの動作は、燃料の枯渇前に停止されねばならない。
【００２６】
前記のような理由によって、燃料電池システムは、燃料保存所２０に保存された燃料の残量を測定することができる手段を具備しておらねばならず、その測定値により空気ポンプ４１、供給ポンプ４４、循環ポンプ４３及び回収ポンプ４２を制御することによって、燃料電池システムは始動されるか停止されなければならない。図１に図示された燃料電池システムでは、制御器３０と燃料保存所２０とに、燃料保存所２０に保存された燃料の残量を測定するための要素が搭載されてもよい。また、燃料電池システムは、このように測定された燃料の残量に基づいて、ユーザに燃料の残量による燃料電池システムの残った動作時間を知らせることもでき、燃料保存所２０に燃料をリフィルするか、または燃料カートリッジを交換せよというメッセージを出力することもできる。
【００２７】
前述のように、小型化が可能な直接メタノール燃料電池は、主に携帯用燃料電池システムに適用されている。携帯用燃料電池システムでは、ユーザの携帯による移動性によって、燃料保存所２０の姿勢（position）が一定に維持されないこともある。また、ユーザが燃料保存所２０に燃料をリフィルしたり、燃料カートリッジを交換するときに、ユーザの不注意やユーザの使用環境によって、燃料保存所２０の内部に空気が流入することもあり、燃料保存所２０の内部に流入した空気によって、燃料保存所２０の内部には、バブル（bubble）が発生したりもする。以下では、燃料保存所２０の姿勢変動や、燃料保存所２０の内部のバブルに関係なしに、燃料保存所２０に保存された燃料の残量を正確に測定することができる技術的手段について説明する。
【００２８】
一方、以下で説明する技術的手段は、燃料電池システムの燃料供給環境からその必要性が提起されたが、燃料電池システム以外に、燃料を含む任意の液体の残量検出が要求される多様な装置に適用されてもよい。従って、以下では、燃料を液体に一般化して、液体の残量を測定するための装置と方法とについて詳細に説明する。
【００２９】
図２は、本発明の一実施形態による液体容量測定装置の構成図である。図２を参照すれば、本実施形態による液体容量測定装置は、液体保存所２００、測定回路３１０、姿勢センサ（position sensor）２３０、プロセッサ３２０及びメモリ３３０から構成される。以下で説明する液体容量測定装置が、図１に図示された燃料電池システムに適用される場合、前記のような構成要素は、燃料保存所２０と制御器３０とに搭載される。例えば、燃料保存所２０には、以下で説明する液体保存所２００と姿勢センサ２３０とが搭載され、制御器３０には、測定回路３１０、プロセッサ３２０及びメモリ３３０が搭載されてもよい。
【００３０】
液体保存所２００は、液体が保存される容器であり、ボックス型、円筒形などさまざまな形態の容器によって製造可能である。図２に図示された一実施形態から分かるように、液体保存所２００は、少なくとも２対の導電性性金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２が取り付けられるように、少なくとも４面の内部面を有する容器であってもよい。図２を参照すれば、液体保存所２００は、絶縁性のハウジング２１０、並びに、このハウジングの内部面のうち、互いに平行に対面している一対応面に取り付けられた１対の金属板２２１１，２２１２、及び互いに平行に対面している他の対応面に取り付けられた他の１対の金属板２２２１，２２２２から構成される。各対の金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２は、それらの間の静電容量が、液体保存所２００の姿勢に関係なしに一定の静電容量を有するように、互いに同一であるか、あるいは類似した大きさを有してもよい。すなわち、互いに同一であるか、あるいは類似したサイズを有する金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２間の静電容量は、それらの間に存在する媒質によって決定される。
【００３１】
図２に図示されたように、金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２の面積は、金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２間の絶縁のために、ハウジング２１０の取り付け面の面積より小さいが、必要によっては、取り付け面の面積と同じ大きさを有してもよい。金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２間の静電容量は、ハウジング２１０内部で、金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２の面積が広いほど、正確に測定することができる。従って、金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２のそれぞれは、その面積が、隣接している金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２間で絶縁可能である範囲内で、最大限広いように製造される。
【００３２】
測定回路３１０は、１対の金属板２２１１，２２１２と連結された電線を介して、この金属板２２１１，２２１２を帯電させることによって、この金属板２２１１，２２１２間の静電容量を測定する。以下では、この金属板２２１１，２２１２間の静電容量を、チャネルＡの静電容量と称することにする。また、測定回路３１０は、他の１対の金属板２２２１，２２２２と連結された電線を介して、金属板２２２１，２２２２を帯電させることによって、この金属板２２２１，２２２２間の静電容量を測定する。以下では、この金属板２２２１，２２２２間の静電容量を、チャネルＢの静電容量と称することにする。図２に図示されたような平行金属板間の静電容量を測定する方式としては、さまざまな方式があるが、すでに公知されている事項であるから、詳細な説明を省略する。図２に図示されたような平行金属板間の静電容量は、次の数式１によって計算される。数式１で、εは、金属板間に存在する媒質、すなわち、液体の誘電率（permittivity）を示し、Ｓは、各金属板の面積を示し、ｄは、金属板間の距離を示す。
【００３３】
【数１】
2012220498.tif 000003
【００３４】
図２に図示された各対の金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２は、それらの面積と、金属板間の距離とが固定されているため、金属板間に存在する媒質、例えば、液体と空気との誘電率によってのみ静電容量が変わる。従って、図２に図示された液体保存所２００が、携帯用燃料電池システムのような携帯用装置内に搭載される場合、液体保存所２００の姿勢は、ユーザによる携帯用装置の使用方式、使用環境などによって変動しうる。その場合、図２に図示された各対の金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２間に存在する媒質の誘電率は、それらの間に存在する液体の量と傾度とによって変動しうる。
【００３５】
本発明の一実施形態で、図３Ａ及び図３Ｂは、図２に図示された液体保存所２００内でのポーチの設置形態を図示した図面である。液体保存所２００のハウジング２１０は、その内部の物質保護のために、剛性のプラスチックのように、容易に変形しない（non-flexible）絶縁性物質から製造されてもよい。一般的に、液体保存所２００の内部保存空間は、液体の流出防止のための構造を有することができる（一例として、密封された状態でありうる）。液体保存所２００の内部保存空間が、液体の流出防止のための構造を有する場合、液体保存所２００から液体を吸入したり、あるいは液体保存所２００に液体を注入するときに、液体保存所２００内部の液体容量変化によって液体保存所２００の内部の保存空間が収縮したり膨脹したりできなければならない。しかし、本発明の一実施形態のように、液体保存所２００のハウジング２１０が剛性の物質から製造される場合、液体容量変化によるハウジング２１０自体の変形は困難である。従って、ハウジング２１０の内部には、図３Ａ及び図３Ｂに図示されたようにポーチ２４１が位置するか、またはハウジング２１０が、その内部の液体容量変化によって、ガス（例えば、空気、非活性ガスなど）の出入りを可能にする構造を有してもよい。
【００３６】
図３Ａ及び図３Ｂに図示されたように、ポーチ２４１が、ハウジング２１０の内部に位置する場合、ポーチ２４１は、伸縮性素材から製造され、ポーチ２４１の大きさは、ハウジング２１０の内部サイズと同じであるか、あるいはハウジング２１０の内部サイズより大きく、このポーチ２４１に液体が保存される。また、ポーチ２４１は、ハウジング２１０の内部サイズより大きい面積を有する薄膜形態の非伸縮性素材によって製造されてもよい。例えば、ポーチ２４１は、液体のない状態でバブルが存在しないように、ポーチ２４１のあらゆる面が互いに密着しうる大きさの面積を有する薄膜形態の非伸縮性素材によって製造される。
【００３７】
ポーチ２４１は、ハウジング２１０の内部空間の形態と類似した形態に、ビニール、ゴムのような伸縮性の防水（waterproofing）物質から製造されてもよい。ポーチ２４１の開口部２４２を介して、ポーチ２４１に液体が注入されるか、あるいはポーチ２４１から液体が排出され、これによって、ポーチ２４１は膨脹または収縮する。ハウジング２１０には、ポーチ２４１の円滑な膨脹、収縮のために、空気が出入り可能である間隙または孔が存在しうる。ハウジング２１０は、図３Ａ及び図３Ｂに図示されたように、１つの開口部２４２を有することも可能であり、多数の開口部（図示せず）を有してもよい。一方、液体保存所２００の内部保存空間が収縮するか、または膨脹しないように、液体保存所２００内部の液体容量変化によって空気が出入りする場合、かようなポーチ２４１は不要でもある。例えば、ハウジング２１０が空気透過性であり、かつ液体不透過性である物質から製造されるならば、かようなポーチ２４１は不要でもある。
【００３８】
図３Ａ及び図３Ｂに図示された本発明の一実施形態を参照すれば、ポーチ２４１の表面のうち一部分は、ハウジング２１０内の４枚の金属板のうち、３枚の金属板２２１１，２２２１，２２２２に接して固定されており、ポーチ２４１の表面のうち残りの部分は、固定されていない。ポーチ２４１が伸縮性素材からなっている場合、この形態を固定するために、３枚の金属板２２１１，２２２１，２２２２に取り付けられるが、ポーチ２４１の膨脹、収縮を容易にするために、残り１枚の金属板２２１２には取り付けられない。ポーチ２４１内部の液体が枯渇（exhaust）する場合には、ポーチ２４１が完全に収縮され、３枚の金属板２２１１，２２２１，２２２２の表面に圧着された形態になり、ポーチ２４１内部に液体が流入してポーチ２４１が完全に膨脹した場合には、液体保存所２００の内部空間形態を有する。一例として、ポーチ２４１は、図３Ａ及び図３Ｂに図示されたような四角ボックス状の内部空間形態を有してもよい。
【００３９】
図３Ａ及び図３Ｂに図示された実施形態によれば、チャネルＢに該当する１対の金属板２２２１，２２２２それぞれでは、ハウジング２１０の両側の全体面が常にポーチ２４１と接しており、それぞれの一面全体は、常にポーチ２４１に取り付けられている。一方、チャネルＡに該当する他の１対の金属板２２１１，２２１２それぞれでは、１枚の金属板２２１１の一面全体のみが常にポーチ２４１の一部分に取り付けられており、他の金属板２２１２の一面は、ポーチ２４１内部の液体の容量によって、ポーチ２４１の一部分との接触面が決定される。ポーチ２４１に液体が完全に充填された状態では、ポーチ２４１と金属板２２１２との全体面が接するが、ポーチ２４１に充填された液体の容量が減少するにつれ、ポーチ２４１と金属板２２１２との接触面積はだんだん縮小する。ポーチ２４１に充填された液体の容量が、ある臨界値以下に低減すれば、ポーチ２４１と金属板２２１２は、完全に離れる。かようなチャネルＡとチャネルＢとの構造的な差は、チャネルＡとチャネルＢとの静電容量の特性差に示される。
【００４０】
姿勢センサ２３０は、液体保存所２００の現在姿勢を検出する。一例として、姿勢センサ２３０は、ある基準面に対する姿勢センサ２３０が取り付けられた面の傾度を検出することによって、液体保存所２００の現在姿勢を検出することができる。かような姿勢センサ２３０は、加速度センサ（acceleration sensor）などで具現されもする。図２に図示された実施形態では、姿勢センサ２３０が、金属板２２１２が取り付けられたハウジング２１０の外面に取り付け可能であることを示している。姿勢センサ２３０の位置は、ハウジング２１０の外面に制限されず、必要によって、さまざまな他の位置に取り付けられてもよい。
【００４１】
図４Ａないし図４Ｃは、図２に図示された液体保存所２００のさまざまな姿勢を図示した図面である。図４Ａは、４枚の金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２いずれも立っているスタンド姿勢（stand position）を示している。図４Ｂは、４枚の金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２のうち、チャネルＡに該当する１対の金属板２２１１，２２１２は横たわっており、チャネルＢに該当する他の１対の金属板２２２１，２２２２は立っているフェース姿勢（face position）を示している。図４Ｃは、４枚の金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２のうち、チャネルＡに該当する１対の金属板２２１１，２２１２は立っており、チャネルＢに該当する他の１対の金属板２２２１，２２２２は横たわっているサイド姿勢（side position）を示している。一方、各チャネルに該当する１対の金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２は、互いに対称になるために、どちらが上側または下側に位置するかということは、それらの間の静電容量値に影響を与えない。
【００４２】
一般的に、姿勢センサ２３０に対してある基準面が設定されれば、姿勢センサ２３０は、この基準面に位置するとき、０°に該当する値を出力する。かような姿勢センサ２３０の基準面は、姿勢センサ２３０を製造する工場で設定することもでき、ユーザが姿勢センサ２３０に入力することも可能である。一方、姿勢センサ２３０の基準面が、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、スタンド姿勢において姿勢センサ２３０が取り付けられた面、すなわち、地球重力方向に設定されれば、このスタンド姿勢で、姿勢センサ２３０によって検出された値は、０°になる。フェース姿勢では、姿勢センサ２３０が取り付けられた面の方向が、地球重力方向と９０°をなすので、姿勢センサ２３０によって検出された値は、９０°になり、サイド姿勢では、姿勢センサ２３０が取り付けられた面の方向が、地球重力方向であるから、姿勢センサ２３０によって検出された値は、０°になる。
【００４３】
図５は、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢での液体の容量変化によるチャネルＡの静電容量の測定値変化を示すグラフである。図５に図示されたグラフは、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢それぞれで、液体保存所２００内部に残存するメタノールの容量、すなわち、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量を一定間隔で変化させつつ、チャネルＡの静電容量を測定した後、メタノールの容量に係わる静電容量測定値をｘｙ平面に表示し、それらを連結したものである。ただし、図５に図示された測定値は、ある特定実験環境での静電容量の測定値の例示に過ぎず、静電容量の測定環境の変化によって、異なる値が測定されもすることは、図２に図示された実施形態が属する技術分野での当業者であるならば、理解することができるであろう。
【００４４】
前述のように、図２に図示された各対の金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２間の静電容量は、この金属板間に存在する媒質によってのみ静電容量が変わる。一般的に、空気の誘電率は約１と知られており、メタノールの誘電率は約３０と知られている。数式１によれば、この金属板間に空気のみ存在する場合に比べ、メタノールのみ存在する場合、静電容量は３０倍ほど高くなる。従って、各対の金属板２２１１，２２１２または２２２１，２２２２のいずれか一側のみにメタノールが接しており、他の側には空気が接しているならば、この空気の遮断効果によって、この金属板間の電荷の保存能は大きく低下する。
【００４５】
ポーチ２４１にメタノールが残っていないか、あるいは非常に少ないメタノールだけ残っている場合、ポーチ２４１は完全に収縮することになり、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。ポーチ２４１にメタノールが充満している場合、ポーチ２４１は完全に膨脹することになり、同様に、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。前記の場合では、液体保存所２００の姿勢が変わっても、金属板２２１１，２２１２間に存在する媒質の形態は変動しない。図５を参照すれば、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量が、ある下限値未満であるか、あるいはある上限値以上であるならば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢いずれでも、チャネルＡの静電容量は、ほぼ同一に検出されるということが分かる。
【００４６】
図５の右側には、液体保存所２００の全体保存容量の半分ほどポーチ２４１にメタノールが注入された場合における、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢でのチャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間に存在する媒質の断面形態が図示されている。この場合、ポーチ２４１は、完全に収縮された場合と、完全に膨脹された場合との中間ほどの形態を有している。図５を参照すれば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、スタンド（stand）姿勢とサイド（side）姿勢とでは、液体保存所２００でのメタノール容量変化に係わって、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２の両側いずれにもメタノールが接していることになり、ポーチ２４１に残存するメタノールの容量変化に対して、全区間でほぼ線形的（linear）にこの金属板２２１１，２２１２間の静電容量が変化するということを観察することができる。しかし、フェース（face）姿勢では、ポーチ２４１と金属板２２１２とは離れ、金属板２２１１にのみメタノールが接しており、金属板２２１２には空気が接している。すなわち、フェース姿勢の中間区間では、この金属板間の電荷の保存能が大きく低下する。従って、フェース姿勢では、ポーチ２４１に残存するメタノールの容量変化に対して、中間区間では非線形的（non-linear）に、この金属板２２１１，２２１２間の静電容量が変化するということを観察することができる。
【００４７】
図６は、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢での液体容量変化によるチャネルＢの静電容量の測定値変化を示すグラフである。特に、図６に図示されたグラフは、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢それぞれで、液体保存所２００内部に残存するメタノールの容量、すなわち、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量を一定間隔で変化させつつ、チャネルＢの静電容量を測定した後、メタノールの容量に係わる静電容量測定値をｘｙ平面に表示し、それらを連結したものである。ただし、図６に図示された測定値は、ある特定実験環境での静電容量の測定値の例示に過ぎず、静電容量の測定環境の変化によって、異なる値が測定されもすることは、図２に図示された実施形態が属する技術分野での当業者であるならば、理解することができるであろう。
【００４８】
ポーチ２４１にメタノールが残っていないか、あるいは非常に少量のメタノールだけ残っている場合、ポーチ２４１は完全に収縮することになり、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。ポーチ２４１にメタノールが充満している場合、ポーチ２４１は完全に膨脹することになり、同様に、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。前記の場合では、液体保存所２００の姿勢が変わっても、金属板２２１１，２２１２間に存在する媒質の形態は変動しない。図６を参照すれば、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量が、ある下限値未満であるか、あるいはある上限値以上であるならば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢いずれでも、チャネルＢの静電容量は、ほぼ同一に検出されるということが分かる。
【００４９】
図６の右側には、液体保存所２００の全体保存容量の半分ほどポーチ２４１にメタノールが注入された場合における、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢でのチャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間に存在する媒質の形態が図示されている。その場合、ポーチ２４１は、完全に収縮された場合と、完全に膨脹された場合との中間ほどの形態を有する。図６を参照すれば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢いずれでも、液体保存所２００でのメタノール容量変化に対して、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の両側いずれにもメタノールが接していることになり、ポーチ２４１に残存する液体の容量変化に係わって、全区間でほぼ線形的に、この金属板２２２１，２２２２間の静電容量が変化するということを観察することができる。ポーチ２４１が、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２いずれにも接して固定されているために、液体保存所２００の姿勢変化に関係なく、常にチャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の両側いずれにもメタノールが接している。
【００５０】
一方、図６に図示されたサイド姿勢での媒質の最初のＡ１側断面形態は、金属板２２１１に近接して切断された形態であり、金属板２２２１，２２２２両側いずれにも、メタノールが接しているということを示している。また、図６に図示されたサイド姿勢での媒質の２番目のＡ２側断面形態は、金属板２２１２に近接して切断された形態であり、金属板２２２１，２２２２両側いずれにも空気が接しているということを示す。このように、ポーチ２４１と金属板２２１２は、離れた状態にあるために、サイド姿勢での媒質の断面形態は、金属板２２１１から金属板２２１２に行くほどメタノールが減り、空気の比率が高まる。金属板２２１１側で、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の両側いずれにもメタノールが接していることになり、ほぼ線形的にこの金属板２２２１，２２２２間の静電容量が変化することになるが、他の姿勢に比べて、空気の遮断効果が高く、線形的特性が若干低く図示されていることを観察することができる。
【００５１】
図７は、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢でのバブルを有する液体の容量変化によるチャネルＡの静電容量の測定値変化を示すグラフである。特に、図７に図示されたグラフは、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢それぞれで、液体保存所２００の内部、すなわち、ポーチ２４１に一定量の空気を注入し、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量を一定間隔で変化させつつ、チャネルＡの静電容量を測定した後、メタノールの容量に係わる静電容量測定値をｘｙ平面に表示し、それらを連結したものである。ただし、図７に図示された測定値は、ある特定実験環境での静電容量の測定値の例示に過ぎず、静電容量の測定環境の変化によって、異なる値が測定されもすることは、図２に図示された実施形態が属する技術分野での当業者であるならば、理解することができるであろう。
【００５２】
ポーチ２４１にメタノールが残っていないか、あるいは非常に少量のメタノールだけ残っている場合、ポーチ２４１は完全に収縮することになり、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間には、若干のメタノール及び空気、または空気のみ存在する。この場合には、液体保存所２００の姿勢が変わっても、金属板２２１１，２２１２間に存在する媒質の形態は変動しない。図７を参照すれば、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量が、ある下限値未満であるならば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢いずれでも、チャネルＡの静電容量はほぼ同一に検出されるということが分かる。一方、ポーチ２４１が完全に膨脹するまでポーチ２４１にメタノールを注入すれば、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。しかし、図５に図示されているところとは異なり、ポーチ２４１には、あらかじめ注入された空気とメタノールとが同時に存在するために、液体保存所２００の姿勢変化によって、ポーチ２４１内部で、軽い空気と重いメタノールとの移動が起こる。図７を参照すれば、図５に図示されたグラフに比べ、メタノールがあらかじめ注入された空気の容量程度少なく注入されることが分かり、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量がある上限値以上である場合にも、図５に図示されたグラフとは異なり、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢で、チャネルＡの静電容量が類似して検出されないということが分かる。
【００５３】
図７の右側には、液体保存所２００の全体保存容量の半分ほどポーチ２４１に空気とメタノールとが注入された場合における、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢でのチャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間に存在する媒質の断面形態が図示されている。その場合、ポーチ２４１は、完全に収縮された場合と、完全に膨脹された場合との中間ほどの形態を有する。図７を参照すれば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、スタンド姿勢とサイド姿勢とでは、液体保存所２００でのメタノール容量変化に対して、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２の両側いずれにも、メタノールが接していることになり、ポーチ２４１に残存するメタノールの容量変化に対して、全区間でほぼ線形的に、この金属板２２１１，２２１２間の静電容量が変化するということを観察することができる。しかし、フェース姿勢では、ポーチ２４１と金属板２２１２とは離れることになり、金属板２２１１にのみメタノールが接しており、金属板２２１２には、空気が接している。すなわち、フェース姿勢の中間区間では、この金属板間の電荷の保存能が大きく低下する。従って、フェース姿勢では、ポーチ２４１に残存するメタノールの容量変化に対して、中間区間では非線形的に、この金属板２２１１，２２１２間の静電容量が変化するということを観察することができる。
【００５４】
図８は、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢でのバブルを有する液体の容量変化によるチャネルＢの静電容量の測定値変化を示すグラフである。図８に図示されたグラフは、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢それぞれで、液体保存所２００の内部、すなわち、ポーチ２４１に一定量の空気を注入し、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量を一定間隔で変化させつつ、チャネルＢの静電容量を測定した後、メタノールの容量に係わる静電容量測定値をｘｙ平面に表示し、それらを連結したものである。ただし、図８に図示された測定値は、ある特定実験環境での静電容量の測定値の例示に過ぎず、静電容量の測定環境の変化によって、異なる値が測定されもすることは、図２に図示された実施形態が属する技術分野での当業者であるならば、理解することができるであろう。
【００５５】
ポーチ２４１にメタノールが残っていないか、あるいは非常に少量のメタノールだけ残っている場合、ポーチ２４１は完全に収縮することになり、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間には、若干のメタノール及び空気、または空気のみ存在することになる。その場合には、液体保存所２００の姿勢が変わっても、金属板２２２１，２２２２間に存在する媒質の形態は変動しない。図８を参照すれば、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量が、ある下限値未満であるならば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢いずれでも、チャネルＢの静電容量はほぼ同一に検出されるということが分かる。一方、ポーチ２４１が完全に膨脹するまで、ポーチ２４１にメタノールを注入すれば、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。しかし、図６に図示されているところとは異なり、ポーチ２４１には、あらかじめ注入された空気とメタノールとが同時に存在するために、液体保存所２００の姿勢変化によって、ポーチ２４１の内部で、軽い空気と重いメタノールとの移動が起こる。図８を参照すれば、図６に図示されたグラフに比べ、メタノールがあらかじめ注入された空気の容量程度少なく注入されるということが分かり、ポーチ２４１に保存されたメタノールの容量がある上限値以上である場合にも、図６に図示されたグラフとは異なり、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢で、チャネルＢの静電容量が類似して検出されないということが分かる。
【００５６】
図８の右側には、液体保存所２００の全体保存容量の半分ほどポーチ２４１に空気とメタノールとが注入された場合における、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢でのチャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間に存在する媒質の形態が図示されている。この場合、ポーチ２４１は、完全に収縮された場合と、完全に膨脹された場合との中間ほどの形態を有する。図８を参照すれば、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、スタンド姿勢とフェース姿勢とでは、液体保存所２００でのメタノール容量変化に対して、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の両側いずれにもメタノールが接していることになり、ポーチ２４１に残存する液体の容量変化に対して、全区間でほぼ線形的に、この金属板２２２１，２２２２間の静電容量が変化するということを観察することができる。ポーチ２４１が、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２いずれにも接して固定されているために、液体保存所２００の姿勢変化に関係なしに、常にチャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の両側いずれにもメタノールが接している。
【００５７】
一方、図８に図示されたサイド姿勢での媒質の最初の断面形態は、金属板２２１１に近接して切断された形態であり、金属板２２２２にのみメタノールが接しており、金属板２２２１には空気が接しているということを示している。図６に図示されたサイド姿勢での媒質の最初の断面形態とは異なり、あらかじめ注入された空気によって、金属板２２２１に空気が接している。また、図８に図示されたサイド姿勢での媒質の２番目の断面形態は、金属板２２１２に近接して切断された形態であり、金属板２２２１，２２２２の両側いずれにも空気が接しているということを示している。このように、ポーチ２４１と金属板２２１２とは離れており、一定量の空気が注入された状態にあるために、金属板２２２１には、常に空気が接しているということが分かる。従って、サイド姿勢では、ポーチ２４１に残存するメタノールの容量変化に対して、ポーチ２４１は、完全に収縮された区間を除いては、ほぼあらゆる区間で非線形的に、この金属板２２２１，２２２２間の静電容量が変化するということを観察することができる。
【００５８】
図５から図８までに図示された液体の容量変化による各チャネルの静電容量の測定値変化の観察結果を整理すれば、次の通りである。まず、ポーチ２４１にメタノールが残っていないか、あるいは非常に少量のメタノールだけ残っている場合には、ポーチ２４１は完全に収縮することになり、液体保存所２００の姿勢が変わっても、ポーチ２４１の形態は変わらない。この場合、液体保存所２００がいかなる姿勢でも、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量と、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量とがいずれも正確に測定される。一般的に、液体の残量測定は、液体保存所２００に残っている液体の容量が少ない場合にさらに重要である。
【００５９】
次に、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、スタンド姿勢では、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量と、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量とが、全区間にわたっていずれも正確に測定されるということが分かる。次に、フェース姿勢では、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量が、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量よりさらに線形に近いという特性を有することがわかる。最後に、サイド姿勢では、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量が、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量より、液体保存所２００に注入された空気などのバブル影響をさらに少なく受けるということが分かる。以上で説明したように、かようなチャネルＡとチャネルＢとの特性差は、液体保存所２００の姿勢変化によって、液体保存所２００内部の液体、空気が移動するときに発生する金属板間の媒質変化に起因すると見ることができる。
【００６０】
図２に図示された本発明の一実施形態では、液体保存所２００がいかなる姿勢でも、液体保存所２００に保存された燃料の容量が正確に測定されるようにするために、プロセッサ３２０は、姿勢センサ２３０によって検出された液体保存所２００の現在姿勢に基づいて、液体保存所２００の現在姿勢に最も適したチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量とに対応する液体容量の組み合わせを求め、液体保存所２００に保存された液体の容量を計算する。例えば、プロセッサ３２０は、液体保存所２００の現在姿勢で、さらに正確な静電容量値を提供するチャネルの静電容量に対応する液体容量の加重値を高めることができる。プロセッサ３２０の具体的な動作については、図９を参照しつつ、以下で説明する。
【００６１】
図９は、本発明の一実施形態による液体容量測定方法のフローチャートである。図９を参照すれば、本実施形態による液体容量測定方法は、プロセッサ３２０で、時系列的に処理される段階から構成されてもよい。従って、以下で省略された内容であっても、図２に図示された液体容量測定装置について以上で説明された内容は、本実施形態による液体容量測定方法にも適用される。以下で説明する液体容量測定方法が、図１に図示された燃料電池システムに適用される場合、以下の段階は、燃料電池システムの制御器３０によって遂行される。制御器３０は、図２に図示されたプロセッサ３２０の機能を含み、以下の段階以外に、ＢＯＰを制御するための動作を共に遂行することもできる。
【００６２】
９１段階で、プロセッサ３２０は、測定回路３１０から、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量と、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量とを入力される。９２段階で、プロセッサ３２０は、姿勢センサ２３０から、液体保存所２００の現在姿勢を示す値を入力される。例えば、液体保存所２００の現在姿勢を示す値は、地球重力方向を基準とするチャネルＡに該当する平行金属板２２１１，２２１２の傾度、すなわち、この平行金属板２２１１，２２１２が取り付けられたハウジング２１０の面の傾度になる。
【００６３】
９３段階で、プロセッサ３２０は、液体保存所２００の液体残量変化によるチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量との変化に基づいて、９１段階で入力されたチャネルＡの静電容量に対応する液体容量と、チャネルＢの静電容量に対応する液体容量とを獲得する。例えば、プロセッサ３２０は、液体保存所２００の液体残量変化によるチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量との変化値によって構築されたデータベースから、９１段階で入力されたチャネルＡの静電容量に対応する液体容量と、チャネルＢの静電容量に対応する液体容量とを読み取ることによって、チャネルＡの静電容量に対応する液体容量と、チャネルＢの静電容量に対応する液体容量とを獲得することができる。あるいは、プロセッサ３２０は、液体保存所２００の液体残量変化によるチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量との変化を示す関数に、９１段階で入力されたチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量とを代入することによって、チャネルＡの静電容量に対応する液体容量と、チャネルＢの静電容量に対応する液体容量とを獲得することもできる。
【００６４】
図５及び図６に図示されたように、図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００のさまざまな姿勢で、液体保存所２００に保存された液体の容量を一定単位で変化させつつ、その液体の容量別に、チャネルＡの静電容量とチャネルＢの静電容量とを測定する。このように測定された静電容量値は、一定単位で変化する液体の容量別に、チャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量とがマッピング（mapping）されたテーブル状のデータベースに構築することができる。かようなデータベースに保存された値は、離散的な値であるために、プロセッサ３２０は、９１段階で入力されたチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量とがデータベースから見つからない場合、チャネルＡの静電容量及びチャネルＢの静電容量と最も類似した静電容量に対応する液体容量から、９１段階で入力されたチャネルＡの静電容量と、チャネルＢの静電容量とに対応する液体容量を予測することもできる。例えば、プロセッサ３２０は、９１段階で入力されたチャネルＡの静電容量を中間に置いている２つの静電容量に対応する液体容量の平均値から、チャネルＡの静電容量に対応する液体容量を計算することができる。
【００６５】
あるいは、このように測定された静電容量値は、液体保存所２００の液体残量変化によるチャネルＡの静電容量の変化を示す関数、及びチャネルＢの静電容量の変化を示す関数として表現されてもよい。図７及び図８に図示された測定値は、液体保存所２００にバブルが存在する状態で測定された値である。かようなバブルは、ほとんどユーザの不注意や使用環境の特性によって発生するために、その容量を予測することができない。従って、図７及び図８に図示された測定値は、液体保存所２００に存在するバブルの容量によって可変的である流動的な値である。本実施形態では、バブルのない最適の状態で測定された値を利用し、データベースを構築するか、あるいは関数を決定することができる。
【００６６】
９４段階で、プロセッサ３２０は、姿勢センサ２３０によって検出された液体保存所２００の現在姿勢に基づいて、９３段階で獲得されたチャネルＡの液体容量と、チャネルＢの液体容量とを組み合わせることによって、液体保存所に現在残留する液体の容量を計算する。さらに詳細に説明すれば、プロセッサ３２０は、姿勢センサ２３０によって検出された液体保存所２００の現在姿勢に基づいて、チャネルＡの液体容量の加重値と、チャネルＢの液体容量の加重値とを計算し、このように計算された加重値が適用されたチャネルＡの液体容量と、チャネルＢの液体容量とを組み合わせることによって、液体保存所に現在残留する液体の容量を計算することができる。チャネルＡの液体容量及びチャネルＢの液体容量それぞれの加重値は、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２の傾度と、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の傾度とから計算することができる。
【００６７】
例えば、プロセッサ３２０は、次の数式２によって、チャネルＡの液体容量Ｖ１に加重値ｋ１を乗じ、チャネルＢの液体容量Ｖ２に加重値ｋ２を乗じ、加重値ｋ１が乗じられたチャネルＡの液体容量Ｖ１と、加重値ｋ２が乗じられたチャネルＢの液体容量Ｖ２とを合算することによって、液体保存所に現在残留する液体の容量を計算することができる。数式２で、θ１は、垂直面に対するチャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２の傾度を示し、θ２は、垂直面に対するチャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２の傾度を示す。
【００６８】
【数２】
2012220498.tif 000004
【００６９】
図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、スタンド姿勢で、θ１とθ２は、いずれも０°となる。すなわち、スタンド姿勢では、チャネルＡの液体容量Ｖ１の加重値ｋ１が０．５になり、チャネルＢの液体容量Ｖ２の加重値ｋ２が０．５になり、プロセッサ３２０は、同じ加重値が乗じられたチャネルＡの液体容量とチャネルＢの液体容量とを合算することによって、液体保存所に現在残留する液体の容量を計算することができる。これは、スタンド姿勢で、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量と、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量とが、全区間にわたっていずれも正確に測定されるということを反映したものである。
【００７０】
図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、フェース姿勢で、θ１は９０°になり、θ２は０°となる。すなわち、フェース姿勢では、チャネルＡの液体容量Ｖ１の加重値ｋ１が０になり、チャネルＢの液体容量Ｖ２の加重値ｋ２が１になり、プロセッサ３２０は、チャネルＢの液体容量だけで、液体保存所に現在残留する液体の容量を計算することができる。これは、フェース姿勢で、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量が、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量より、さらに線形に近い特性を有することを反映したものである。
【００７１】
図４Ａないし図４Ｃに図示された液体保存所２００の３種の姿勢のうち、サイド姿勢で、θ１は０°になり、θ２は９０°となる。すなわち、サイド姿勢では、チャネルＡの液体容量Ｖ１の加重値ｋ１が１になり、チャネルＢの液体容量Ｖ２の加重値ｋ２が０になり、プロセッサ３２０は、チャネルＡの液体容量だけで、液体保存所に現在残留する液体の容量を計算することができる。これは、サイド姿勢で、チャネルＡに該当する金属板２２１１，２２１２間の静電容量が、チャネルＢに該当する金属板２２２１，２２２２間の静電容量より、液体保存所２００に注入された空気などのバブル影響をさらに少なく受けるということを反映したものである。
【００７２】
数式２によれば、プロセッサ３２０は、液体保存所２００の姿勢が、ある姿勢から他の姿勢に変化することによって連続的に変化する金属板２２１１，２２１２の傾度θ１と、金属板２２２１，２２２２の傾度θ２との変化によって、チャネルＡの液体容量Ｖ１の加重値ｋ１を増加させたり低減させ、チャネルＢの液体容量Ｖ２の加重値ｋ２を反対に低減させたり増加させる。例えば、液体保存所２００の姿勢が、フェース姿勢からサイド姿勢に変化することによって、チャネルＡの液体容量Ｖ１の加重値ｋ１が増加することになり、チャネルＢの液体容量Ｖ２の加重値ｋ２は反対に低減することになる。このように、プロセッサ３２０は、連続的に変化するチャネルＡの金属板２２１１，２２１２の傾度θ１と、チャネルＢの金属板２２２１，２２２２の傾度θ２とを考慮し、チャネルＡの液体容量Ｖ１の加重値ｋ１と、チャネルＢの液体容量Ｖ２の加重値ｋ２とを調節するため、液体保存所２００がいかなる姿勢でも、液体保存所２００に残留する液体の容量を正確に計算することができる。
【００７３】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、図２に図示された液体容量測定装置の他の実施形態を図示した図面である。前述のように、図２に図示された液体容量測定装置は、２対の金属板２２１１，２２１２及び２２２１，２２２２から測定された２つのチャネルの静電容量を利用して、液体保存所２００に残留する液体の容量を測定する。図２に図示された液体容量測定装置は、２つのチャネルの静電容量のうち、液体保存所２００の現在姿勢に対してより正確な液体残量値を提供するチャネルの静電容量に高い加重値を付与することによって、液体保存所２００がいかなる姿勢でも、液体の残量が正確に測定される。従って、液体保存所２００から、さらに多くのチャネルの静電容量が獲得されうるならば、液体保存所２００の現在姿勢に対してより正確な液体残量値を計算することができる。図１０Ａは、図２に図示された液体容量測定装置のチャネルＡの静電容量とチャネルＢの静電容量とに、チャネルＣの静電容量、すなわち、第３静電容量を追加するために、液体保存所の上面及び下面それぞれに、新しい１対の金属板２２３１，２２３２が取り付けられた実施形態である。
【００７４】
図２に図示された液体容量測定装置の液体保存所２００の形態は直方体であり、第１静電容量測定のための金属板が取り付けられた第１対応面と、第２静電容量測定のための他の１対の金属板が取り付けられた第２対応面は、図２に図示されたように垂直に位置している。しかし、複数チャネルの静電容量を利用して、液体保存所２００に残留する液体の容量を測定するために、必ずしもかような形態が要求されるものではない。図２に図示された液体保存所２００の内部面に取り付けられた１対の金属板は、平行板キャパシタ（parallel plate capacitor）に該当する。図２に図示された平行板キャパシタ以外に、多様な形態のキャパシタが存在する。例えば、図１０Ｂに図示された円筒状の液体保存所の内部曲面に取り付けられた金属板２２４１と、この液体保存所内部の円柱の外部曲面に取り付けられた金属板２２４２は、チャネルＤに該当する円筒形キャパシタを構成する。図１０Ｂに図示された円筒状の液体保存所の上下面それぞれに取り付けられた金属板２２５１，２２５２は、チャネルＥに該当する平行板キャパシタを構成する。
【００７５】
以上で説明した実施形態から、図２ないし図１０に図示されたキャパシタ形態以外に、さらに多様な形態のキャパシタを利用し、液体保存所２００に残留する液体の容量を測定する装置を設計することができるということは、以上の実施形態が属する技術分野での当業者であるならば、理解することができるであろう。
【００７６】
以上で説明した実施形態によれば、液体保存所２００の現在姿勢に基づいて、液体保存所２００に取り付けられた複数対の金属板間の複数個の静電容量を利用して、液体保存所２００に保存された液体の容量を計算することによって、液体保存所２００がいかなる姿勢でも、液体保存所２００に保存された液体の容量を正確に測定することが可能である。液体保存所２００の現在姿勢に最も適した複数個の静電容量に対応する液体容量の組み合わせを求め、液体保存所２００に保存された液体の容量を計算することができるが、１つの静電容量を利用する場合に比べて、液体保存所２００に保存された液体の容量をさらに正確に測定することができる。さらに、液体保存所２００内の液体の残量が少ない場合、液体保存所２００に保存された液体の容量をさらに正確に測定することができる。また、複数個の静電容量のうち、液体保存所２００の現在姿勢で液体保存所２００の内部のバブルによる影響を受けないか、あるいはより少なく受ける静電容量に対応する液体容量の加重値を高めることによって、液体保存所２００の内部に存在しうるバブルの影響なしに、または最小限の影響で、液体保存所２００に保存された液体の残量を正確に測定することができる。
【００７７】
このように、以上の実施形態は、液体保存所２００がいかなる姿勢でも、液体保存所２００の内部のバブルによる影響を受けないか、あるいはより少なく受けて、液体保存所２００に保存された液体の残量を正確に測定することができるために、ユーザによる姿勢の大きな変動、及び燃料カートリッジ交換などによる大量のバブル発生における携帯用燃料電池システムでの燃料残量測定に非常に適している。
【００７８】
一方、プロセッサ３２０によって実行される液体容量測定方法は、コンピュータで実行可能なプログラムで作成可能であり、コンピュータで読み取り可能な記録媒体を利用して、前記プログラムを動作させる汎用デジタルコンピュータで具現されてもよい。前記コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、マグネチック記録媒体（例えば、ＲＯＭ（read-only memory）、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光学的判読媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）のような記録媒体を含む。
【００７９】
以上、本発明についてその望ましい実施形態を中心に説明した。本発明が属する技術分野での当業者であるならば、本発明が本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態で具現可能であるということを理解することができるであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されねばならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等の範囲内にあるあらゆる差異点は、本発明に含まれたものであると解釈されねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の液体の容量を測定する方法及びその装置並びに燃料電池システムは、例えば、電力供給システム関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０    燃料電池
２０    燃料保存所
３０    制御器
４１    空気ポンプ
４２    回収ポンプ
４３    循環ポンプ
４４    供給ポンプ
５１    第１分離器
５２    第２分離器
６０    ＨＥＸ
７０    弁モジュール
８０    混合器
９１    燃料循環ライン
９２    燃料供給ライン
２００    液体保存所
２１０    ハウジング
２２１１，２２１２，２２２１，２２２２，２２３１，２２３２，２２４１，２２４２，２２５１，２２５２    金属板
２３０    姿勢センサ
２４１    ポーチ
２４２    開口部
３１０    測定回路
３２０    プロセッサ
３３０    メモリ
【図１】
2012220498.tif 000005
【図２】
2012220498.tif 000006
【図３Ａ】
2012220498.tif 000007
【図３Ｂ】
2012220498.tif 000008
【図４Ａ】
2012220498.tif 000009
【図４Ｂ】
2012220498.tif 000010
【図４Ｃ】
2012220498.tif 000011
【図５】
2012220498.tif 000012
【図６】
2012220498.tif 000013
【図７】
2012220498.tif 000014
【図８】
2012220498.tif 000015
【図９】
2012220498.tif 000016
【図１０Ａ】
2012220498.tif 000017
【図１０Ｂ】
2012220498.tif 000018