(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を貯蔵する燃料カートリッジと、
前記燃料と酸素との電気化学反応により電力を生成する燃料電池スタックと、
前記燃料カートリッジに貯蔵された燃料を吸入する燃料ポンプと、
前記燃料カートリッジの結合部と前記燃料ポンプとの間の燃料流入路に位置する圧力センサと、
前記圧力センサの圧力変化から、前記燃料カートリッジの燃料切れが近い時点を判断する燃料量判断部と、
を備え、
前記燃料量判断部は、
所定の時間区間における前記圧力センサの検出値を格納する循環バッファを備え、
前記循環バッファに格納された検出値の最大値及び最小値の差が所定の第１基準値を超えると、燃料切れが近い時点と判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料量判断部は、
前記燃料切れが近い時点を判断した後、継続して前記圧力センサの検出値を循環バッファに格納し、
前記循環バッファ内に格納された検出値の最大値及び最小値の差が所定の第２基準値を超えると、燃料電池システムを停止させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料量判断部は、
前記燃料切れの近い時点から時間の経過をカウントした値が所定の基準時間を超えると、燃料電池システムを停止させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料カートリッジは、
燃料の消費により、表面積の変化なく容積が減少するパウチ容器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記パウチ容器は、
合成樹脂材質からなることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ポンプが吸入した燃料と前記燃料電池スタックの排出物とを混合した希釈燃料を生成し、前記燃料電池スタックに供給する混合タンクをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックで生成された電力を変換し、外部負荷に伝達する電力変換部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムの各構成要素の動作を制御する駆動制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記駆動制御部及び前記燃料量判断部は、
同じ演算装置であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料ポンプの燃料カートリッジ側の燃料流入路の圧力を検出する圧力検出段階と、
所定の時間区間における前記圧力センサの検出値を格納する循環バッファに格納された検出値の最大値及び最小値の差が所定の第１基準値を超えた場合、燃料切れが近いと判断する残燃料量少量判断段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの残燃料量の判断方法。
【請求項１１】
前記残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたとき、
警告メッセージを表示する警告段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの残燃料量の判断方法。
【請求項１２】
前記残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたとき、
前記燃料流入路の圧力を継続して検出する圧力検出継続段階と、
前記圧力の変化幅が所定の第２基準値を超えた場合、燃料切れと判断し、燃料電池システムを停止させる燃料切れ第１判断段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムの残燃料量の判断方法。
【請求項１３】
前記残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたとき、
前記警告段階を行うと共に、残燃料量少量判断段階で判断された燃料切れの近い時点から時間の経過をカウントする経過時間カウント段階と、
前記カウントされた経過時間が所定の基準時間を超えると、燃料切れと判断し、燃料電池システムを停止させる燃料切れ第２判断段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムの残燃料量の判断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの残燃料量の判断方法にかかり、さらに詳しくは、カートリッジの交換により燃料をリフィルする燃料電池システム及び燃料電池システムの残燃料量の判断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。燃料電池に供給される上記水素は、純水素を直接燃料電池に供給するようにすることもできるし、あるいは、メタノール、エタノール、天然ガスなどのような物質を改質したものを供給して水素を供給するようにすることもできる。燃料電池に供給される上記酸素は、純酸素を直接燃料電池に供給するようにすることもできるし、あるいは、空気ポンプなどを用いて通常の空気に含まれる酸素を供給するようにすることもできる。
【０００３】
燃料電池を大きく分類すると、常温または１００℃以下で作動する高分子電解質型燃料電池及び直接メタノール型燃料電池、１５０℃〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、６００℃〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池などに分類することができる。これら各々の燃料電池は、基本的には、電気を発生させる作動原理は同じであるが、用いられる燃料の種類、触媒、電解質などが互いに異なる。
【０００４】
上記燃料電池のうち、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は、燃料として、水素の代わりに、液状の高濃度メタノールを水と混合したものを、直接燃料として使用する。直接メタノール型燃料電池は、水素を直接燃料として使用する燃料電池と比較すると出力密度は低いものの、燃料として使用するメタノールの体積あたりのエネルギー密度が高く、かつ貯蔵が容易である。したがって、低出力及び長時間運転が要求される状況において有利であるとの長所がある。さらに、燃料を改質して水素を生成する改質器などの付加的な装置が不要なことから、小型化にも非常に有利である。
【０００５】
このような直接メタノール型燃料電池の構成を説明すると、直接メタノール型燃料電池は、電解質膜と、上記電解質膜の両面に接するアノード電極及びカソード電極からなる電解質膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とを備える。電解質膜としては、フッ化物重合体などを使用することができるが、フッ化物重合体は、メタノールを過度に早く浸透させてしまうため、濃度の高いメタノールを燃料として使用した場合に、未反応のメタノールが電解質膜を透過してしまうというクロスオーバー現象が発生する。このようなクロスオーバー現象を防止するために、メタノールの濃度が低くなるよう、メタノールと水とを混合した混合燃料を燃料電池システムに供給することが知られている。
【０００６】
上述のような直接メタノール型燃料電池、特に携帯用の直接メタノール型燃料電池に燃料を供給する場合、燃料電池内の燃料タンクに流体燃料を直接注入するよりは、内部が燃料で満たされている燃料カートリッジを燃料タンクとして用いることが、ユーザの便宜性を図る上で好ましい（例えば、特許文献１〜特許文献６参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３０２４７１号公報
【特許文献２】特開２００６−０９９９８４号公報
【特許文献３】特許第３７４２３８５号明細書
【特許文献４】大韓民国特許公開第２００４−００９３０２２号
【特許文献５】米国特許出願公開２００６／００２９８４８号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開２００６／０００６１０８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記のような燃料カートリッジは、燃料カートリッジ内の燃料が切れると、空気が燃料電池のＭＥＡに供給される恐れがあり、その場合、燃料電池システムに致命的な損傷をもたらすという問題があった。
【０００９】
そのため、燃料タンクの燃料切れを予め感知し、ユーザに警告したり、または燃料が切れる前にシステムを停止させる手段が必要となる。しかし、カートリッジ型の燃料電池システムは、小型化システムであるため、カートリッジに燃料切れを予め感知するための装置を付加するには、体積や費用の面で大きな負担とならざるを得ない。
【００１０】
一方、燃料電池のＭＥＡへ空気が流入されるのを防止することのできる燃料電池システムも知られている。しかし、このような燃料電池システムにおいても、電子機器の使用中に、燃料電池システムの燃料切れにより、突然、電子機器が停止してしまうことは、ユーザに大きな不便を与えることになり、また、データが損失されるといった危険性もあり、問題となっていた。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、安価な費用でカートリッジの燃料切れを予め感知することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの残燃料量の判断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料を貯蔵する燃料カートリッジと、上記燃料と酸素との電気化学反応により電力を生成する燃料電池スタックと、上記燃料カートリッジに貯蔵された燃料を吸入する燃料ポンプと、上記燃料カートリッジの結合部と上記燃料ポンプとの間の燃料流入路に位置する圧力センサと、上記圧力センサの圧力変化から上記燃料カートリッジの燃料切れが近い時点を判断する燃料量判断部とを備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１３】
このような本発明にかかる燃料電池システムによれば、上記圧力センサの圧力変化から上記燃料カートリッジの燃料が少なくなったことを判断することができ、燃料切れが近いことを予め感知することができるので、実際に燃料が切れる前に適切な措置をとることが可能となる。
【００１４】
ここで、上記燃料量判断部は、所定の時間区間における上記圧力センサの検出値を格納する循環バッファを備え、上記循環バッファに格納された検出値の最大値及び最小値の差が所定の第１基準値を超えると、燃料切れが近い時点と判断するように構成されるのがよい。すなわち、上記圧力センサが設けられた燃料流入路には上記燃料ポンプによる燃料の吸入によって負圧が生じるが、上記負圧には上記燃料カートリッジ内の残燃料量が少なくなると急激に変化する時点があるため、かかる圧力が上記所定の第１基準値を超えて変化した場合に燃料切れが近いと判断することができる。また、上記燃料量判断部は、上記循環バッファに、常に、直近の所定の時間区間内に検出された圧力検出値が格納されるようにするのがよい。
【００１５】
上記燃料量判断部は、上記燃料切れが近い時点を判断した後、継続して上記圧力センサの検出値を循環バッファに格納し、上記循環バッファ内に格納された検出値の最大値及び最小値の差が所定の第２基準値を超えると、燃料電池システムを停止させるように構成されるのがよい。上記燃料流入路の圧力には、上記燃料カートリッジ内の燃料が切れる直前に急激に揺動して変化する時点があるため、上記圧力が上記所定の第２基準値を超えて変化した場合に燃料切れが近いと判断することができる。そして、実際に燃料が切れる直前に燃料電池システムを停止させれば、燃料電池システムの燃料電池スタックの電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）に空気が流入してＭＥＡが損傷されるのを防止することができる。
【００１６】
あるいは、上記燃料量判断部は、上記燃料切れの近い時点から時間の経過をカウントした値が所定の基準時間を超えると、燃料電池システムを停止させるように構成されるのがよい。このように、燃料切れが近い時点を判断してから実際に燃料が切れるまでの間に、燃料電池システムを停止させれば、燃料電池システムの燃料電池スタックの電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）に空気が流入してＭＥＡが損傷されるのを防止することができる。
【００１７】
このとき、上記燃料カートリッジは、燃料の消費により、表面積の変化なく容積が減少するパウチ容器を備えるのがよい。また、上記パウチ容器は、合成樹脂材質からなるのがよい。
【００１８】
上記燃料電池システムは、上記燃料ポンプが吸入した燃料と上記燃料電池スタックの排出物とを混合した希釈燃料を生成して上記燃料電池スタックに供給する混合タンクをさらに備えることができる。また、上記燃料電池システムは、上記燃料電池スタックで生成された電力を変換して外部負荷に伝達する電力変換部をさらに備えることができる。また、上記燃料電池システムは、上記燃料電池システムの各構成要素の動作を制御する駆動制御部をさらに備えることができる。このとき、上記駆動制御部及び上記燃料量判断部は、同じ演算装置であるのがよい。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料ポンプの燃料カートリッジ側の燃料流入路の圧力を検出する圧力検出段階と、上記圧力の変化幅が所定の第１基準値を超えた場合に燃料切れが近いと判断する残燃料量少量判断段階と、を含むことを特徴とする燃料電池システムの残燃料量の判断方法が提供される。
【００２０】
このような本発明にかかる燃料電池システムの残燃料量の判断方法によれば、上記燃料流入路の圧力が上記所定の第１基準値を超えて変化するのは、上記燃料ポンプによる燃料の吸入によって上記燃料流入路に生じる負圧が、上記燃料カートリッジ内の残燃料量が少なくなることにより急激に変化する時点であるため、かかる圧力変化を検出して燃料切れが近いと判断することができる。このように、燃料切れが近いことを予め感知することにより、実際に燃料が切れる前に適切な措置をとることが可能となる。
【００２１】
このとき、上記燃料電池システムの残燃料量の判断方法は、上記残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたとき、警告メッセージを表示する警告段階をさらに含むように構成されるのがよい。このように、燃料切れが近いことを知らせる警告メッセージを表示させることにより、例えばユーザは燃料が切れる前に燃料カートリッジを交換するなどの措置をとることができる。
【００２２】
また、上記燃料電池システムの残燃料量の判断方法は、上記残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたとき、上記燃料流入路の圧力を継続して検出する圧力検出継続段階と、上記圧力の変化幅が所定の第２基準値を超えた場合に燃料切れと判断して燃料電池システムを停止させる燃料切れ第１判断段階とをさらに含むことができる。すなわち、上記燃料流入路の圧力には、上記燃料カートリッジ内の燃料が切れる直前に急激に揺動して変化する時点があるため、上記圧力が上記所定の第２基準値を超えて変化した場合に燃料切れが近いと判断することができる。そして、実際に燃料が切れる直前に燃料電池システムを停止させれば、燃料電池システムの燃料電池スタックの電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）に空気が流入してＭＥＡが損傷されるのを防止することができる。
【００２３】
あるいは、上記燃料電池システムの残燃料量の判断方法は、上記残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたとき、上記警告段階を行うと共に、残燃料量少量判断段階で判断された燃料切れの近い時点から時間の経過をカウントする経過時間カウント段階と、上記カウントされた経過時間が所定の基準時間を超えると燃料切れと判断して燃料電池システムを停止させる燃料切れ第２判断段階とをさらに含むことができる。このように、燃料切れが近い時点を判断してから実際に燃料が切れるまでの間に、燃料電池システムを停止させれば、燃料電池システムの燃料電池スタックの電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）に空気が流入してＭＥＡが損傷されるのを防止することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、燃料電池シスムに設けられる燃料カートリッジの燃料切れを予め感知することができるため、燃料電池の電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）に空気が流入してＭＥＡが損傷されるのを防止することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの残燃料量の判断方法を提供できるものである。また、燃料電池の残燃料量が少ないことをユーザに予め知らせることができるため、ユーザーに不便を与えたり、電子機器が突然停止するといった不測の被害を与えることを防止することができる。また、安価な製造費用で燃料電池システムの残燃料量を判断することのできる構成及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本発明は、以下に説明する実施の形態に記載した例に限定されるものではない。
【００２６】
例えば、本発明の実施の形態の説明では、燃料電池スタックという用語を使用しているが、これは、便宜のためであって、本発明の実施の形態の説明で用いられている燃料電池スタックとは、積層型単位電池からなるスタック、平板型単位電池からなるスタック、及び単一の単位電池のみを含む単位スタックをすべて含むことができる。
【００２７】
また、本発明の実施の形態では、未反応燃料をリサイクルさせるための混合タンクを備える直接メタノール型燃料電池システムとして具体化して説明しているが、液体燃料（例えば、エタノール、酢酸、水素吸蔵合金溶液など）を使用する燃料電池システムであれば、本発明の思想を適用することができ、これもまた、本発明の権利範囲に属することはいうまでもない。
【００２８】
先ず、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムについて説明する。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの基本的な構造を示す図である。図１に示された燃料電池システム１００は、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）であり、カートリッジ交換方式により燃料を補給することができる。
【００３０】
本発明の実施の形態にかかる燃料電池システム１００は、燃料カートリッジ１８０と、燃料電池スタック１３０と、燃料ポンプ１１８と、圧力センサ１１６と、燃料量判断部１４２とを含んで構成される。また、燃料電池システム１００は、混合タンク１２０と、電力変換部１６０と、駆動制御部１５０とをさらに含んで構成される。
【００３１】
燃料カートリッジ１８０には、燃料電池スタック１３０に供給される燃料が貯蔵される。燃料電池スタック１３０は、燃料と酸素との電気化学反応により電力を生成することができる。燃料ポンプ１１８は、燃料電池システム１００に結合された燃料カートリッジ１８０に貯蔵された燃料を吸入することができる。圧力センサ１１６は、燃料カートリッジ１８０の結合部と燃料ポンプ１１８との間の燃料流入路１１４に配置される。燃料量判断部１４２は、燃料カートリッジ１８０の燃料切れが近いことを判断することができる。駆動制御部１５０は、燃料電池システム１００の各構成要素の動作を制御する。混合タンク１２０は、燃料ポンプ１１８が吸入した燃料と燃料電池スタック１３０の排出物とを混合した希釈燃料を生成して燃料電池スタック１３０に供給することができる。電力変換部１６０は、燃料電池スタック１３０で生成された電力を変換し、外部負荷に伝達することができる。
【００３２】
図１では、燃料カートリッジ１８０の燃料を、燃料電池スタック１３０のカソードの副生成物と混合して希釈させるための混合タンク１２０を備えた燃料電池システム１００を示している。しかし、上記のような混合タンク１２０を備えない燃料電池システムにおいても、本発明の思想を適用できることはいうまでもない。
【００３３】
図１では、混合タンク１２０が１つの配管から燃料電池スタック１３０の排出物を受けるように示されているが、実際には、燃料電池スタック１３０をなす電解質膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）のカソード排出物及びアノード排出物をすべて受ける。
【００３４】
また、燃料電池スタック１３０の排出物に含まれる気体成分を液体状態に凝縮するための凝縮器を、燃料電池スタック１３０と混合タンク１２０との配管の途中に備えることもできる。
【００３５】
燃料タンクの役割を果たす燃料カートリッジ１８０の内部には、高濃度メタノールが貯蔵されている。燃料電池システム１００は、燃料カートリッジ１８０と燃料電池システム１００とが結合されると、燃料ポンプ１１８を用いて、燃料カートリッジ１８０側の燃料排出口１８２から燃料を受けることができる。燃料カートリッジ１８０は、液体燃料を貯蔵するパウチ１８６を備えており、パウチ１８６に貯蔵された液体燃料は、排出管１８４を経由して、結合された燃料電池システム１００の燃料ポンプ１１８に移動される。
【００３６】
パウチ１８６は、ＰＶＣ（ＰｏｌｙＶｙｎｙｌ  Ｃｈｌｏｒｉｄｅ：ポリ塩化ビニル）などの合成樹脂材質で実現することができ、内部に貯蔵された燃料が消費されると、表面積の変化なく容器が縮んで容積が減少する性質を持っている。
【００３７】
混合タンク１２０は、燃料カートリッジ１８０から受けた高濃度燃料を、燃料電池スタック１３０のカソードの副生成物と混合して、適正な濃度のメタノール水溶液を作り、燃料電池スタック１３０のアノードに供給する。
【００３８】
電力変換部１６０は、燃料電池スタック１３０で電気化学反応により生成された電力の電圧／電流を用途に合わせて変換し、外部負荷に伝達する。そして、一部の電力を、燃料電池内部の構成要素、特に、駆動制御部１５０及び／または燃料量判断部１４２に、駆動電力として供給する。ここで、駆動制御部１５０及び燃料量判断部１４２は、同じ演算装置であるのがよい。演算装置は，フリップフロップを利用する簡単な論理回路や，システム制御のための高性能マイクロプロセッサーの一部機能部によって具現されてもよい。
【００３９】
燃料カートリッジ１８０は、燃料排出口１８２が、燃料電池システム１００の結合口１１２に結合されることにより、燃料電池システム１００と結合される。燃料ポンプ１１８は、燃料カートリッジ１８０が燃料電池システム１００に結合された状態で、駆動制御部１５０の指示にしたがってポンピングを行う。これにより、燃料を保管するパウチ１８６自体の弾性力により内部容積を保持しようとする力が作用し、この力により、燃料電池システム１００の燃料流入路１１４には、ある程度の負圧が作用する。
【００４０】
本発明の実施の形態にかかる燃料電池システム１００は、かかる燃料流入路１１４にかかる負圧の変化を利用して、燃料カートリッジ１８０内の残燃料量が少ないことを検知するものである。
【００４１】
したがって、燃料流入路１１４にかかる圧力を検出するために、燃料ポンプ１１８の手前（上流）、すなわち燃料ポンプ１１８の燃料カートリッジ１８０側に、圧力を検出する圧力センサ（圧力測定装置）１１６を設ける。
【００４２】
図２は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムに、ＰＶＣ材質のパウチからなる燃料カートリッジを適用した場合に、燃料ポンプの燃料カートリッジ側の燃料流入路に設けられた圧力センサにより検出されるセンシング値（検出値）の変化を示すグラフである。
【００４３】
図２に示すように、一定の負圧を示していたセンシング値（検出値）には、燃料が切れる約５分前に急激に減圧する地点があることが分かる。このような現象は、燃料の消費により、パウチの容積が減少し、パウチの材質そのものによって容積が減少することに対する抵抗力が発生した時点で現れるものと推定される。
【００４４】
燃料量判断部１４２は、圧力センサ１１６のセンシング値をモニタし、図２のグラフに示された燃料切れ５分前に急激に減圧する地点を認識し、この地点を燃料切れが近い時点、すなわち残燃料量が少なくなった時点と判断する。
【００４５】
ここで、燃料量判断部１４２は、燃料切れが近い時点であると判断すると、音声やＬＥＤなどの光を用いて、残燃料量が少なくなったことをユーザに警告するようにすることができる。または、燃料量判断部１４２は、燃料切れが近い時点であると判断すると、燃料電池システム１００の駆動を停止させるようにすることができる。あるいは、燃料量判断部１４２は、燃料切れが近い時点であると判断すると、ユーザへの警告と燃料電池システム１００の駆動停止の両方を行うようにすることもできる。このため、図１に示された燃料電池システム１００では、例えば、発光ダイオード表示装置（ＬＥＤ）のようなディスプレイ装置１４９を備えた。また、燃料電池システム１００の駆動を停止させる場合には、先ず、燃料ポンプ１１８のみを停止させて、他の構成要素については、燃料の供給が中断された燃料電池スタック１３０の発電量が落ちたときに停止させるように実現することもできる。
【００４６】
燃料ポンプ１１８には、線形モータ型ポンプを用いることもできるが、小型化システムでは、一般的に、パルス形態のポンプ圧力を有するダイヤフラムポンプなどを用いる。ダイヤフラムポンプの場合、燃料が十分なときは、パルス形態のポンプ信号に対するダイヤフラムポンプのポンピングによるポンプ圧が、圧力センサのセンシング値に大きな影響を与えないといった利点を有する。
【００４７】
以下、燃料量判断部１４２で行われる残燃料量の判断方法について、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明する。図３Ａは、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの残燃料量の判断方法を示すフローチャートであって、燃料がほとんど切れた時点を判断するのに後述する第１の方法を用いている。また、図３Ｂは、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの残燃料量の判断方法を示すフローチャートであって、燃料がほとんど切れた時点を判断するのに後述する第２の方法を用いている。
【００４８】
燃料量判断部１４２で行われる残燃料量の判断方法は、圧力検出段階と、残燃料量少量判断段階とからなり、警告段階をさらに含むことができる。圧力検出段階は、燃料ポンプ１１８前の燃料流入路１１４の圧力をモニタするステップ（Ｓ１１０）である。残燃料量少量判断段階は、所定のタイムウィンドウ中に、圧力の変化幅と所定の第１基準値とを比較するステップ（Ｓ１２０）と、上記圧力の変化幅が上記所定の第１基準値を超えた場合に燃料切れが近いと判断するステップ（Ｓ１３０）とからなる。警告段階は、残燃料量少量判断段階で燃料切れが近いと判断されたときに、警告メッセージを表示するステップ（Ｓ１４０）である。
【００４９】
圧力検出段階及び残燃料量少量判断段階において、燃料流入路１１４の圧力をモニタする際のモニタ始点及びモニタ終点は、時間の経過によって変化する。そして、上記モニタ始点とモニタ終点との間隔は、一定の時間区間（「タイムウィンドウ」と称する）における圧力センシング値が必要であるということから、循環バッファなどを用いて、時間の経過によって境目が移動する所定のタイムウィンドウにおける圧力センシング値を格納する。燃料量判断部１４２は、周期的に圧力センシング値を獲得するが、循環バッファを用いる場合には、最近の圧力センシング値を、最も早い時点の圧力センシング値が格納された位置に上書きする。これにより、循環バッファには、常に一定の大きさのタイムウィンドウに該当する時点に獲得されたセンシング値が格納される。
【００５０】
このように、圧力検出段階では、燃料流入路１１４の圧力を所定の周期で定期的に検出する。そして、上記検出された圧力値（圧力センシング値）のうち、直近の所定の時間区間内に検出された複数の圧力値が常に保有されるようにする。上記所定の時間区間（タイムウィンドウ）内に検出された複数の圧力値は、圧力が変化したことを判断するために必要な数の圧力値である。そして、例えば循環バッファなどを用いて、直近の上記所定の時間区間における複数の圧力値を格納するようにすることができる。
【００５１】
そして、残燃料量少量判断段階では、上記循環バッファに格納された圧力センシング値の最大値及び最小値を検索し、その差を圧力の変化幅とし、上記圧力の変化幅を所定の変化幅（第１基準値）と比較する。そして、上記圧力の変化幅が所定の変化幅（第１基準値）よりも大きい場合に、残燃料量が少なく燃料切れが近いと判断することができる。
【００５２】
警告段階では、燃料電池システムに設けられた表示手段（ディスプレイ手段）または、音響手段を用いて、燃料カートリッジがもうすぐ枯渇し得ることをユーザに警告することができる。上記表示手段としては、例えば発光ダイオード表示装置（ＬＥＤ）や液晶表示装置（ＬＣＤ）などを用いることができ、上記音響手段としては、例えばスピーカーなどを用いることができる。
【００５３】
ここで、図２のグラフに示された、燃料流入路１１４の圧力の検出値の波形を観察してみると、燃料が切れるまでの過程の一時点、すなわち、図２のグラフでは燃料が実際に切れる約５分前には、所定の第１基準値（第１格差）だけ圧力センシング値が急減することがわかる。また、燃料がほとんど切れたときには、圧力センシング値の波形が大きく搖動し、その最大値及び最小値の差が、上記第１基準値よりもはるかに大きくなることが分かる。
【００５４】
ここで、燃料切れに対する対応として、ユーザへの警告段階を実行後、燃料がほとんど切れた時点でシステムを停止させるという２段階の対応を行う場合、燃料がほとんど切れた時点を判断する方法としては、上記圧力センシング値を利用する方法と上記圧力センシング値を利用しない方法がある。先ず、燃料がほとんど切れた時点を判断する第１の方法としては、上記タイムウィンドウにおける圧力センシング値の最大値及び最小値の差が、上記第１基準値よりも大きい所定の第２基準値より大きい場合に、燃料がほとんど切れたと判断する方法がある。そして、第２の方法としては、単に、残燃料少量判定段階で判断された燃料切れの近い時点から、所定の時間（例えば、図２のグラフでは５分とすることができる）が経過すると、燃料がほとんど切れたと判断する方法がある。また、第３の方法としては、モニタした圧力センシング値の波形のリップルの発生した回数から、燃料がほとんど切れたと判断する方法がある。このうち、第３の方法は、実現が非常に複雑なので好ましくない。
【００５５】
先ず、図３Ａを参照しながら、上記第１の方法について説明する。上述した、圧力検出段階（Ｓ１１０）、残燃料量少量判断段階（Ｓ１２０、Ｓ１３０）及び、警告段階（Ｓ１４０）を実行後、第１の方法では、圧力検出継続段階と、燃料切れ第１判断段階とを行う。圧力検出継続段階は、燃料ポンプ１１８前の燃料流入路１１４の圧力を継続してモニタするステップ（Ｓ１５０）である。燃料切れ第１判断段階は、圧力の変化幅と所定の第２基準値とを比較するステップ（Ｓ１６０）と、上記圧力の変化幅が上記所定の第２基準値を超えた場合に燃料切れであると判断して、燃料電池システム１００を停止させるステップ（Ｓ１９０）とからなる。
【００５６】
次に、図３Ｂを参照しながら、上記第２の方法について説明する。上述した、圧力検出段階（Ｓ１１０）、残燃料量少量判断段階（Ｓ１２０、Ｓ１３０）及び、警告段階（Ｓ１４０）を実行後、第２の方法では、経過時間カウント段階と、燃料切れ第２判断段階とを行う。経過時間カウント段階は、残燃料量少量判断段階で判断された燃料切れの近い時点から、時間の経過をカウントするステップ（Ｓ１７０）である。燃料切れ第２判断段階は、上記カウントされた経過時間と所定の基準時間とを比較するステップ（Ｓ１８０）と、上記カウントされた経過時間が所定の基準時間を超えた場合に燃料切れであると判断して、燃料電池システム１００を停止させるステップ（Ｓ１９５）とからなる。
【００５７】
燃料切れ第１判断段階及び燃料切れ第２判断段階においては、燃料電池システム１００の駆動を停止させるが、ここで、突然、燃料電池システム１００の全ての構成要素を同時に停止させるよりは、燃料電池スタック１３０への空気の流入を防止するために、先ずは、燃料ポンプ１１８を停止させた後、燃料電池スタックに満たされている燃料が切れて出力電圧が低くなると、他の構成要素を停止させることが好ましい。
【００５８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの残燃料量の判断方法に適用可能であり、特にカートリッジの交換により燃料をリフィルする燃料電池システム及び燃料電池システムの残燃料量の判断方法に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの構造を示す図である。
【図２】パウチ型の燃料カートリッジを用いた場合の、燃料ポンプの燃料カートリッジ側の燃料流入路の圧力変化を示すグラフである。
【図３Ａ】図１の燃料量判断部で行われる残燃料量の判断方法の第１の方法を示すフローチャートである。
【図３Ｂ】図１の燃料量判断部で行われる残燃料量の判断方法の第２の方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１００      燃料電池システム
１１２      結合口
１１４      燃料流入路
１１６      圧力センサ
１１８      燃料ポンプ
１２０      混合タンク
１３０      燃料電池スタック
１４２      燃料量判断部
１４９      ディスプレイ装置
１５０      駆動制御部
１６０      電力変換部
１８０      燃料カートリッジ
１８２      燃料排出口
１８４      排出管
１８６      パウチ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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