(57)【要約】【課題】周辺環境に左右されることなく、液体（例えば、燃料電池の液体燃料として使用するメタノール）の残量の検出精度を向上できるようにする。【解決手段】メタノールを貯留した燃料容器部１１と、燃料容器部１１内に平行に設けられ、メタノールと接触するように配置された２つの電極１５と、燃料容器部１１に貯留されているメタノールの温度を検出するための温度センサ１３と、燃料容器部１１に貯留されているメタノールの液面に対する電極１５の姿勢を検出するための加速度センサ１４とを有する。【選択図】図１
2009295329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を貯留する液体容器部と、
前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と、
前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出するための温度検出手段と、
前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出するための姿勢検出手段と
を有する液体タンク。
【請求項２】
液体を貯留する液体容器部と、
前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と、
前記液体容器部に貯留されている液体の温度による特性変化を相殺可能な特性変化相殺手段と、
前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出するための姿勢検出手段と
を有する液体タンク。
【請求項３】
液体を貯留する液体容器部と、
前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と
を有し、
前記液体容器部の外部に設けられた温度検出手段により、前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出可能であり、
前記液体容器部の外部に設けられた姿勢検出手段により、前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出可能である
液体タンク。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体タンクにおいて、
前記液体容器部は、燃料電池用の液体燃料を貯留する
液体タンク。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体タンクにおいて、
前記電極は、前記液体容器部内で液体が流通可能な平板形状であり、
前記姿勢検出手段は、前記電極の平板表面に対して法線方向の加速度を検出するように配置された加速度センサである
液体タンク。
【請求項６】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体タンクにおいて、
前記電極は、前記液体容器部の内壁面又は前記液体容器部内に設けられた１つ以上の壁面にパターニング形成された電極であり、
前記姿勢検出手段は、前記電極がパターニング形成された壁面に対して法線方向の加速度を検出するように配置された加速度センサである
液体タンク。
【請求項７】
液体を貯留する液体容器部と、
前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と、
前記電極に接続された電源と、
前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出するための温度検出手段と、
前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出するための姿勢検出手段と、
前記電極間の電圧及び前記温度検出手段の温度検出結果に基づいて、前記液体容器部内の液体の残量を演算する残量演算手段と、
前記姿勢検出手段の姿勢検出結果が液体の残量の検出に適しているときに、前記残量演算手段によって演算された液体の残量を取得する残量取得手段と
を有する液体残量検出システム。
【請求項８】
液体を消費する本体と、
前記本体に対して着脱可能に形成され、前記本体に液体を供給する液体タンクと
を備え、
前記液体タンクは、
液体を貯留した液体容器部と、
前記液体容器部に貯留されている液体を前記本体に供給するための液体供給口と、
前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と
を有し、
前記液体タンク又は前記本体は、
前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出するための温度検出手段と、
前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出するための姿勢検出手段と
を有し、
前記本体は、
前記液体供給口に対応する液体受入れ口と、
前記電極に接続される電源と、
前記電極間の電圧及び前記温度検出手段の温度検出結果に基づいて、前記液体容器部内の液体の残量を演算する残量演算手段と、
前記姿勢検出手段の姿勢検出結果が液体の残量の検出に適しているときに、前記残量演算手段によって演算された液体の残量を取得する残量取得手段と
を有する液体残量検出システム。
【請求項９】
液体容器部内の液体に直接的又は間接的に接触させた複数の平板形状の電極間の電圧を検出する電圧検出工程と、
前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出する温度検出工程と、
前記電圧検出工程によって検出された前記電極間の電圧及び前記温度検出工程によって検出された液体の温度に基づいて、前記液体容器部に貯留されている液体の残量を演算する残量演算工程と、
前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出する姿勢検出工程と、
前記姿勢検出工程によって液体の液面が前記電極の平板表面に対して法線方向になったことが検出されたときに、前記残量演算工程によって演算された液体の残量を取得する残量取得工程と
を含む液体残量検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯留する液体の残量を検出可能な液体タンク、液体残量検出システム、及び液体残量検出方法に係るものである。そして、詳しくは、液体の残量の検出精度を向上できるようにした技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、カムコーダ等の携帯型電子機器は、高機能化や多機能化にともなって消費電力が増加する傾向にある。そのため、これらの携帯型電子機器の電源として、貯留した液体を燃料として使用し、エネルギ密度や出力密度の向上が見込める燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池では、アノード側に供給された液体燃料が酸化され、カソード側に空気又は酸素が供給されて酸素が還元される。そして、液体燃料が持っている化学エネルギが効率良く電気エネルギに変換され、その電気エネルギを取り出して利用する。そのため、燃料電池は、液体燃料を補給し続けることにより、充電しなくても電源として使い続けることができる。
【０００４】
このような燃料電池において、携帯型電子機器の電源となる可能性が最も高いのは、プロトン伝導性高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。その中でも、メタノールを改質することなく燃料に用いるダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、燃料のメタノールを低濃度又は高濃度の水溶液としてアノード側に供給するものである。そして、供給されたメタノールは、アノード側の触媒層で二酸化炭素に酸化される。また、この際に生じた水素イオンは、アノードとカソードとの間に挟持されたプロトン伝導性高分子電解質膜を通ってカソード側に移動し、カソード側の触媒層で酸素と反応して水を生成する。
【０００５】
このように、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、液体燃料であるメタノールをアノード側に供給して発電する。また、メタノールは、例えば、燃料電池本体に対して着脱可能な燃料カートリッジに貯留されていたり、燃料電池システムに内蔵された燃料タンクに貯留されている。そのため、通常は、メタノールの残量を検出する残量検出手段を備えている。そして、残量検出手段によってメタノールが無くなったことが検出された場合には、燃料電池本体からその燃料カートリッジを取り外し、新しい（メタノールが貯留された）燃料カートリッジに交換したり、燃料タンクに直接補給したりしている。
【０００６】
ここで、メタノール等の液体燃料の残量検出手段として、燃料カートリッジを装着する装着スペースの側面に沿って所定の間隔で複数本の電極を配置し、電極間の静電容量を検出回路によって検出し、検出回路から出力される信号を演算して残量データとして送出するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−４０８３６号公報
【０００７】
また、液体燃料が封入された燃料カートリッジの内周面に沿って、相互に近接し、かつ平行に配設された２本の導体を備え、導体間の電気抵抗値を測定し、この電気抵抗値を導体が液体燃料と接触する部分の長さに変換することで、残量を算出するようにした技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献２】特開２００４−９３４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の技術では、残量の検出精度が低下するおそれがある。すなわち、電極間の距離が大きくなると静電容量が小さくなるので、液体燃料の残量の変化に対する静電容量の変化も小さくなる。そのため、電極間の距離を小さくしておきたいが、電極間に挿入する燃料カートリッジの形状や大きさ等により、あまり距離を縮めることはできない。すると、残量の検出精度が低下してしまう。
【０００９】
一方、特許文献２に記載の技術によれば、導体間の距離を小さくすることもできる。しかしながら、特許文献２に記載の技術では、別の理由によって残量の検出精度を向上できない。すなわち、メタノール等の液体燃料の比誘電率は、温度によって変化する。そのため、外気温や燃料電池本体から発生する熱等の周辺環境によって比誘電率が異なることとなり、それが残量の検出結果に悪影響を及ぼすという問題がある。なお、このような液体燃料の温度による特性変化（比誘電率等の変化）から生じる問題は、上記の特許文献１の技術にも存在する。
【００１０】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、周辺環境に左右されることなく、液体（例えば、燃料電池の液体燃料）の残量の検出精度を向上できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の解決手段により、上述の課題を解決する。
本発明の請求項１に記載の発明は、液体を貯留する液体容器部と、前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と、前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出するための温度検出手段と、前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出するための姿勢検出手段とを有する液体タンクである。
【００１２】
また、本発明の請求項７に記載の発明は、液体を貯留する液体容器部と、前記液体容器部内に平行に設けられ、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極と、前記電極に接続された電源と、前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出するための温度検出手段と、前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出するための姿勢検出手段と、前記電極間の電圧及び前記温度検出手段の温度検出結果に基づいて、前記液体容器部内の液体の残量を演算する残量演算手段と、前記姿勢検出手段の姿勢検出結果が液体の残量の検出に適しているときに、前記残量演算手段によって演算された液体の残量を取得する残量取得手段とを有する液体残量検出システムである。
【００１３】
さらにまた、本発明の請求項９に記載の発明は、液体容器部内の液体に直接的又は間接的に接触させた複数の平板形状の電極間の電圧を検出する電圧検出工程と、前記液体容器部に貯留されている液体の温度を検出する温度検出工程と、前記電圧検出工程によって検出された前記電極間の電圧及び前記温度検出工程によって検出された液体の温度に基づいて、前記液体容器部に貯留されている液体の残量を演算する残量演算工程と、前記液体容器部に貯留されている液体の液面に対する前記電極の姿勢を検出する姿勢検出工程と、前記姿勢検出工程によって液体の液面が前記電極の平板表面に対して法線方向になったことが検出されたときに、前記残量演算工程によって演算された液体の残量を取得する残量取得工程とを含む液体残量検出方法である。
【００１４】
（作用）
上記の請求項１、請求項７、及び請求項９に記載の発明は、液体と直接的又は間接的に接触するように配置された複数の電極間の電圧及び液体の温度の検出結果に基づいて、液体容器部内の液体の残量を演算する。そして、液体の液面に対する電極の姿勢が液体の残量の検出に適しているときに、演算された液体の残量を取得する。そのため、液体の残量を取得する際に、液体の温度や電極の姿勢が考慮される。
【発明の効果】
【００１５】
上記の発明によれば、液体に直接的又は間接的に接触させた電極間の電圧から液体の残量を取得する際に、液体の温度や電極の姿勢が考慮されるので、周辺環境や液体タンクの傾き等によって残量の取得結果が悪影響を受けない。そのため、液体の残量の検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、実施形態では、燃料電池用の液体燃料の残量を検出するものとし、本発明の液体タンクとして、燃料電池本体に対して着脱可能に形成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を貯留した燃料カートリッジ１０を例に挙げて説明する。
図１は、第１実施形態の燃料カートリッジ１０を示す斜視図及び断面図である。
図１（ａ）に示すように、第１実施形態の燃料カートリッジ１０は、燃料容器部１１（本発明における液体容器部に相当するもの）と、燃料供給口１２（本発明における液体供給口に相当するもの）と、温度センサ１３（本発明における温度検出手段に相当するもの）と、加速度センサ１４（本発明における姿勢検出手段に相当するもの）とを有している。
【００１７】
燃料容器部１１は、液体燃料であるメタノールを貯留するための密閉性の高い空間である。そして、燃料容器部１１の外形は、後述する燃料電池本体６０（図示せず）に対して着脱可能な直方体に形成されている。また、図１（ｂ）に示すように、燃料容器部１１の内部には、平板形状の２つの電極１５が平行に設けられている。
【００１８】
電極１５は、カーボンを含む材料や、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等、表面に不導体皮膜を生成する物質によって形成されたものである。また、アルマイト処理を施したアルミニウム（Ａｌ）等、表面を酸化皮膜処理した金属を使用することもできる。さらにまた、金（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）等、材料の酸化電位が、後述する燃料電池本体６０（図示せず）の発電によって発生する副生成物（例えば、蟻酸等）の酸化電位より貴なる導体、半導体を使用することもできる。さらに、カチオン性不純物（ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、アルミニウム（Ａｌ）等）となり得る物質を除く導体、半導体であってもよい。なお、一般的には、電極１５は、非常に薄い絶縁膜（メタノール等の液体燃料によって侵されず、かつ誘電率が低い材質のもの）でコーティングされる。これは、電極１５が液体燃料を劣化させたり、液体燃料中の不純物によって電極１５の電圧が悪影響を受けることを回避するためである。
【００１９】
このような電極１５は、メタノールの残量を検出するためのものであり、メタノールと接触する（電極１５がコーティングされている場合には、メタノールと間接的に接触し、そうでない場合には、メタノールと直接的に接触する）ように配置されている。そのため、電極１５によって燃料容器部１１内のメタノールが無くなったことが検出された場合には、後述する燃料電池本体６０（図示せず）からその燃料カートリッジ１０を取り外し、新しい（メタノールが貯留された）燃料カートリッジ１０に交換することができる。
【００２０】
燃料供給口１２は、燃料容器部１１に貯留されているメタノールを供給するための出口であり、燃料容器部１１の一側面に形成されている。そして、燃料供給口１２からメタノールが勝手に流出しないように、内側に開閉弁１２ａ（図１（ｂ）参照）が設けられている。そのため、燃料カートリッジ１０の輸送、保管、販売時等において、燃料容器部１１内のメタノールが外部に漏れ出すことはない。
【００２１】
温度センサ１３は、燃料容器部１１に貯留されているメタノールの温度を検出するためのものであり、燃料容器部１１の外側面に取り付けられている。すなわち、燃料容器部１１の周辺の雰囲気温度を検出することにより、燃料容器部１１内のメタノールの温度を取得する。なお、温度センサ１３は、燃料容器部１１内に取り付けてもよい。
【００２２】
加速度センサ１４は、燃料容器部１１の姿勢を検出するためのものであり、燃料容器部１１の上面に取り付けられている。一方、電極１５は、燃料容器部１１内の底面から天井面に向けて真っ直ぐに立設されている。そのため、加速度センサ１４が検出可能な加速度方向の１軸は、電極１５の平板表面に対して法線方向（図１（ｂ）に示す矢印の方向）となる。なお、このように設定する１軸は、加速度センサ１４が３軸を検出できるものであれば、その中の１軸であり、１軸しか検出できないものであれば、その１軸とする。また、加速度センサ１４は、燃料容器部１１内の天井面に取り付けてもよい。
【００２３】
図２は、本発明の液体残量検出システムを備える第１実施形態の燃料電池システム１１０を示す概念図である。
第１実施形態の燃料電池システム１１０は、メタノールを燃料として用いるダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。そして、図２に示すように、燃料カートリッジ１０及び燃料電池本体６０を備えており、燃料カートリッジ１０から燃料電池本体６０にメタノールが供給されるようになっている。
【００２４】
また、燃料電池本体６０は、発電装置６１と、制御装置６２と、燃料供給ポンプ６３と、補助電池６４と、残量演算回路６５（本発明における残量演算手段及び残量取得手段を構成するもの）とを有している。さらにまた、燃料電池本体６０は、燃料カートリッジ１０からの燃料受入れ口６６（本発明における液体受入れ口に相当するもの）、燃料カートリッジ１０との電気接点部６７を有している。
【００２５】
発電装置６１は、メタノールが有する化学エネルギによって電力を発生させるものである。すなわち、発電装置６１は、プロトン伝導性高分子電解質膜の両面にアノード側の燃料電極とカソード側の酸素電極とが接合された膜−電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。そして、燃料電極は、導電性多孔質支持体の表面に酸化触媒層が形成されたものであり、酸素電極は、導電性多孔質支持体の表面に還元触媒層が形成されたものとなっている。なお、導電性多孔質支持体としては、例えば、カーボンシートやカーボンクロス等が用いられる。また、酸化触媒層及び還元触媒層は、例えば、触媒である白金等とプロトン伝導体との混合物によって形成される。
【００２６】
このような膜−電極接合体（ＭＥＡ）の燃料電極には、メタノールが供給され、酸素電極には、酸素又は空気が供給される。そして、アノード側の燃料電極に供給されたメタノールは、酸化触媒層で二酸化炭素に酸化される。また、この際に、電子（ｅ−）が分離した水素イオン（プロトン：Ｈ＋）が発生し、生じた水素イオンがプロトン伝導性高分子電解質膜を通ってカソード側に移動するとともに、燃料電極から電子（ｅ−）が取り出されて負荷へ供給される。さらにまた、負荷を経由した電子（ｅ−）及びプロトン伝導性高分子電解質膜を通過した水素イオン（プロトン：Ｈ＋）は、酸素電極の還元触媒層で酸素と反応して水を生成する。
【００２７】
このように、発電装置６１は、電気化学反応によって電力を発生し、電力以外の副産物は、基本的に水のみとなる。そして、負荷に供給される起電力は、発電装置６１の燃料電極に供給されるメタノールの量に依存する。そのため、制御装置６２によって燃料供給ポンプ６３を制御し、メタノールの供給量を調節することにより、電力を任意に発生させることができる。
【００２８】
ここで、メタノールは、燃料カートリッジ１０から供給される。すなわち、燃料容器部１１（図１参照）を含む燃料カートリッジ１０の全体は、燃料電池本体６０に対して着脱可能に形成されている。そして、燃料容器部１１にメタノールが貯留されており、燃料カートリッジ１０を燃料電池本体６０に装着すると、燃料供給口１２と燃料受入れ口６６とが対応し、燃料供給口１２の開閉弁１２ａ（図１（ｂ）参照）が開く。
【００２９】
この状態で、補助電池６４の電力によって燃料供給ポンプ６３が駆動される。すると、燃料カートリッジ１０のメタノールが燃料供給口１２及び燃料受入れ口６６を通って燃料電池本体６０の発電装置６１に供給されることとなる。なお、補助電池６４は、例えば、リチウムポリマ電池等の二次電池であり、発電装置６１によって発生する電力の一部が供給され、蓄積されるようになっている。
【００３０】
また、燃料電池本体６０に装着されている燃料カートリッジ１０のメタノールが無くなった場合には、その燃料カートリッジ１０を取り外し、新しい（メタノールが貯留された）燃料カートリッジ１０を装着すればよい。すると、新しい燃料カートリッジ１０から燃料電池本体６０にメタノールが補給されるので、その後も発電装置６１による発電を続けることが可能となる。
【００３１】
しかし、燃料カートリッジ１０のメタノール残量を正確に把握できなければ、燃料カートリッジ１０の交換タイミングがずれてしまう。そして、その交換が必要以上に早かった場合には、メタノールを無駄にすることとなり、遅かった場合には、予期せずに発電が停止することとなる。
【００３２】
そこで、第１実施形態の燃料電池システム１１０は、メタノールの残量を正確に把握できるように、温度センサ１３、加速度センサ１４、電極１５、及び残量演算回路６５を有している。すなわち、燃料カートリッジ１０の内部には、メタノールと接触するように平行に設けられた２つの平板形状の電極１５が配置されている。また、燃料電池本体６０側の残量演算回路６５は、２つの電極１５間の静電容量からメタノールの残量を取得するためのものである。そして、正確な残量を取得するため、温度センサ１３によってメタノールの温度による特性変化（静電容量の変化）に対応できるようにし、加速度センサ１４によってメタノールの液面に対する電極１５の姿勢を検出できるようにしている。なお、燃料カートリッジ１０と燃料電池本体６０とは、電極構成部１６及び電気接点部６７によって接続される。
【００３３】
図３は、第１実施形態の燃料カートリッジ１０における温度センサ１３の役割を示す説明図である。
図３（ａ）に示すように、燃料容器部１１の側面には、温度センサ１３が取り付けられている。また、燃料容器部１１の内部には、メタノールと接触するようにして、２つの平板形状の電極１５が平行に設けられている。なお、メタノールは、燃料容器部１１の内面と電極１５の側面との隙間を通って燃料供給口１２（図１参照）に向かう。
【００３４】
ここで、電極１５は、燃料容器部１１内の底面からほぼ天井面まで立設されている。そのため、２つの電極１５間には、空気とメタノールとが存在する。そして、空気の比誘電率をε１、メタノールの比誘電率をε２とし、それぞれの電極１５との接触面積をＳ１、Ｓ２としたとき、電極１５間の距離がｄであれば、その間の静電容量Ｃは、空気で満たされた領域の静電容量Ｃ(air) とメタノールで満たされた領域の静電容量Ｃ(meth)との和で表される。すなわち、
Ｃ＝Ｃ(air) ＋Ｃ(meth)＝ε０ε１Ｓ１／ｄ＋ε０ε２Ｓ２／ｄ・・・（式１）
（ただし、ε０は、真空の比誘電率）
により、静電容量Ｃが求められる。
【００３５】
したがって、例えば、電極１５の面積Ｓ＝３０ｍｍ（高さ）×５ｍｍ（幅）、ｄ＝１ｍｍ、ε１＝１、ε２＝３２．２５（メタノール１００％  ２０℃）の第１実施形態の燃料カートリッジ１０であれば、メタノールの液面高さが０ｍｍのとき、Ｃ≒０ｐＦとなり、液面高さが３０ｍｍのとき、Ｃ≒４３ｐＦとなる。なお、液面高さの変化にともなう静電容量Ｃの変化の検出精度を高めるため、電極１５間の距離ｄは、表面張力の影響を受けない範囲で狭くする。具体的には、３ｍｍ以下が好ましく、特に、１ｍｍ（第１実施形態の燃料カートリッジ１０）とすることが好ましい。
【００３６】
しかし、メタノールの比誘電率ε２は、その温度によって変化する。すなわち、同じ１００％濃度のメタノールを液体燃料として用いても、図３（ｂ）に示すように、メタノールの温度によって液面高さと静電容量Ｃとの関係が変化するので、このままでは正確な液面高さを取得できない。そのため、第１実施形態の燃料カートリッジ１０では、燃料容器部１１に貯留されているメタノールの温度による特性変化（比誘電率ε２の変化）に対応するために、温度センサ１３によって周辺の雰囲気温度（メタノールの温度）を検出するようにしている。
【００３７】
図４は、第１実施形態の燃料カートリッジ１０における加速度センサ１４の役割を示す説明図である。
上述したように、電極１５間の静電容量Ｃからメタノールの液面高さを求めることができるが、上記の式１が成り立つのは、メタノールの液面が電極１５の平板表面に対して垂直な場合（図３（ａ）参照）のみである。
【００３８】
したがって、図４（ａ）に示すように、燃料容器部１１が傾いていれば、メタノールの液面が電極１５の平板表面に対して斜めになってしまうので、上記の式１を適用することができない。また、図４（ｂ）に示すように、燃料容器部１１が横倒しの状態であれば、メタノールの液面が電極１５の平板表面に対して平行になるので、下記の式２を適用しなければならない。すなわち、
Ｃ＝１／（ｄ１／ε０ε１Ｓ＋ｄ２／ε０ε２Ｓ）・・・（式２）
となる。
【００３９】
そこで、第１実施形態の燃料カートリッジ１０では、加速度センサ１４によってメタノールの液面に対する電極１５の姿勢を検出するようにしている。すなわち、図３（ａ）に示すように、メタノールの液面が電極１５の平板表面に対して法線方向になったこと（垂直な方向の加速度の出力＝０）を検出することで、上記の式１が適用できるようにしている。なお、メタノールの液面が電極１５と平行になったことを加速度センサ１４で検出し、上記の式２を適用するようにしてもよい。また、加速度センサ１４として、３軸等、１軸以上の検出が可能なものを用いれば、出力＝０ではなく、２軸又は３軸からの出力を演算処理することにより、メタノールの液面に対する電極１５の姿勢（垂直又は平行）を検出することも可能である。
【００４０】
図５は、第１実施形態の燃料電池システム１１０におけるメタノール残量の演算部分を示す回路図である。
図５に示すように、燃料カートリッジ１０を燃料電池本体６０に装着すると、燃料カートリッジ１０内でメタノールと接触している電極１５が燃料電池本体６０の残量演算回路６５に接続される。
【００４１】
ここで、２つの電極１５間に高周波信号を印加したとき、電極１５間の静電容量がＣであれば、インピーダンスＺは、
Ｚ＝１／ωＣ（ω＝２πｆ）・・・（式３）
（ただし、ｆは、印加信号の周波数）
である。また、電極１５間の電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝Ｚｉ（ｉは、電極１５に流す電流値）・・・（式４）
で求められる。
【００４２】
実際の残量演算回路６５では、電源６７によって電圧Ｖの交流信号が印加されるので、電極１５間に発生する電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝Ｒ／（Ｒ＋Ｚ）×Ｖ・・・（式５）
（ただし、Ｒは、固定抵抗）
となる。そして、一次近似式に置き換えられた電圧Ｖｃとメタノールの液面高さとの関係から、そのときの液面高さを演算できる。なお、電圧Ｖｃは、オペアンプによって増幅され、Ｒ２／Ｒ１×Ｖｃとなって出力される。
【００４３】
このように、メタノールの液面高さを演算するには、メタノールに接触した電極１５の静電容量ＣからインピーダンスＺを求める（式３）とともに、電源６７によって電極１５に電圧Ｖを印加し、２つの電極１５間の電圧Ｖｃを求める（式５）。そして、この電圧Ｖｃをオペアンプによって増幅し、それを検出する（電圧検出工程）。
【００４４】
しかし、図３（ｂ）に示すように、メタノールの温度によって特性（液面高さと静電容量Ｃとの関係）が変化する。すなわち、同じ１００％濃度のメタノールを液体燃料として使っていても、電圧検出工程だけでは、正確な液面高さを演算できない。そのため、温度センサ１３（図３（ａ）参照）によってメタノールの温度を検出する（温度検出工程）。
【００４５】
図６は、第１実施形態の燃料電池システム１１０における燃料残量検出方法を示すグラフ及びフローチャートである。
図６（ａ）に示すように、２つの電極１５（図１参照）の間に発生する電圧Ｖｃとメタノールの液面高さとの関係は、メタノールの温度によって変化する。
【００４６】
そこで、図１に示す第１実施形態の燃料カートリッジ１０では、温度センサ１３によって周辺の雰囲気温度（メタノールの温度）を検出する。そして、検出された温度と図６（ａ）に示すグラフとに基づいて、メタノールの液面高さを特定する。すなわち、温度センサ１３の検出温度によってメタノールの液面高さの演算式を変えることで、残量の検出精度を向上させている。
【００４７】
具体的には、温度センサ１３（図１参照）によって検出されたメタノールの温度がｔであるとき、１００％濃度のメタノールの比誘電率ε２は、
ε２＝−０．１５８ｔ＋３５．３９４・・・（式６）
となる。
【００４８】
また、電極１５（図１参照）の底辺の長さをａ、高さをｂとし、メタノールの液面高さをｂ１とすると、上記の式１より、静電容量Ｃは、
Ｃ＝ε０ε１ａ（ｂ−ｂ１）／ｄ＋ε０ε２ａｂ１／ｄ・・・（式７）
である。よって、上記の式３より、インピーダンスＺは、
Ｚ＝１／２πｆ（ε０ε１ａ（ｂ−ｂ１）／ｄ＋ε０ε２ａｂ１／ｄ）・・・（式８）
となる。
【００４９】
さらにまた、上記の式５及び式８より、
ｂ１＝（ｄ／２πｆＲ（Ｖ／Ｖｃ−１）−ε０ε１ａｂ）／ε０（ε２−ε１）ａ・・・（式９）
となる。
【００５０】
したがって、電圧検出工程によって２つの電極１５（図１参照）の間の電圧Ｖｃを検出（残量演算回路６５（図５参照）によって増幅された電圧Ｖｃを出力）できる。また、温度検出工程によってメタノールの温度ｔを検出（温度センサ１３（図１参照）によって温度ｔを検出）すれば、上記の式６から比誘電率ε２を算出できる。そして、この電圧Ｖｃ及び比誘電率ε２を上記の式９に代入すれば、そのときのメタノールの液面高さｂ１が演算できる。
【００５１】
さらに、メタノールの残量Ｍは、電圧検出工程によって検出された電圧Ｖｃ及び温度検出工程によって検出されたメタノールの温度ｔ（算出された比誘電率ε２）に基づいて演算できる。すなわち、メタノールの残量Ｍは、燃料容器部１１（図１参照）の底面積Ａとメタノールの液面高さｂ１との積で表されるので、
Ｍ＝Ａｂ１・・・（式１０）
によって演算できる（残量演算工程）。そして、このようなメタノール残量Ｍの演算は、図５に示すように、燃料カートリッジ１０が燃料電池本体６０に装着されていれば、常に実行される。なお、メタノール残量Ｍは、上記の式９及び式１０より、電圧Ｖｃの一次近似式として求めることができるので、残量Ｍの演算に必要な回路が簡素化され、安価にできる。
【００５２】
また、図６（ｂ）に示すフローチャートのように、ステップＳ１におけるメタノールの残量演算とともに、加速度センサ１４による加速度の出力（ステップＳ２）も、常に実行されている。すなわち、ステップＳ２において、加速度センサ１４は、図１に示す燃料容器部１１に貯留されているメタノールの液面に対する電極１５の姿勢を常に検出している（姿勢検出工程）。
【００５３】
ここで、加速度センサ１４は、図１に示すように、電極１５の平板表面に対して法線方向の加速度を検出するように配置されている。そのため、メタノールの液面が電極１５の平板表面に対して法線方向になったときに、加速度センサ１４の出力が０となる。そして、図６に示すステップＳ３において、加速度センサ１４の出力が０であるか否かが判断され、出力＝０の場合には、ステップＳ４に入力される。すなわち、ステップＳ４では、加速度センサ１４の出力＝０の入力があるか否かが監視されており、その入力があったときに、ステップＳ５に行ってメタノールの残量データを取得する（残量取得工程）。
【００５４】
したがって、メタノールの液面が電極１５（図１参照）の平板表面に対して法線方向になったときだけ、残量演算されたメタノールの残量データが取得される。すなわち、第１実施形態の燃料電池システム１１０（図５参照）における燃料残量検出方法によれば、上記の式９が成り立つ場合だけ、式１０によって演算されたメタノールの残量が取得される。その結果、周辺環境や燃料カートリッジ１０の傾き（図４参照）等によって残量の演算結果に誤差が生じることはなく、メタノールの残量の検出精度が向上する。
【００５５】
図７は、第２実施形態の燃料カートリッジ２０を示す断面図である。
図７に示す第２実施形態の燃料カートリッジ２０は、第１実施形態の燃料カートリッジ１０（図１参照）に対し、電極２５の配置及び形状を変えたものである。すなわち、電極２５は、図７（ａ）に示すように、燃料容器部１１内において、燃料供給口１２と反対側の内面近くに配置されている。
【００５６】
このような配置であっても、加速度センサ１４は、電極２５の平板表面に対して法線方向の加速度を検出するので、第１実施形態の燃料電池システム１１０（図５参照）と同様の燃料残量検出方法により、正確なメタノール残量を取得できる。なお、電極２５は、燃料供給口１２に近い側に配置することもできる。
【００５７】
また、電極２５の形状は、電極２５と空間との比率が一定であれば、図７（ｂ）に示すような隙間２５ａを有する短冊状のものであっても、図７（ｃ）に示すような隙間２５ｂを有する格子状のもの等であってもよい。この場合、燃料容器部１１内のメタノールは、隙間２５ａ又は隙間２５ｂを通って燃料供給口１２に向かうので、図７（ｃ）に示すように、燃料容器部１１の内面と電極２５の側面との間を密着固定してもよい。さらにまた、図示はしないが、電極２５は、燃料容器部１１の内壁面又は燃料容器部１１内に設けられた１つ以上の壁面にパターニング形成された電極（例えば、櫛形電極）であってもよい。そして、壁面にパターニング形成された櫛形電極とすれば、毛管現象による残量の検出精度の低下（電極間の距離を小さくすると、毛管現象によって液面上昇や下降が起こりやすくなる）を抑えることができるというメリットがある。
【００５８】
図８は、第２実施形態の燃料電池システム１２０を示す斜視図である。
図８に示す第２実施形態の燃料電池システム１２０は、第１実施形態の燃料電池システム１１０（図２参照）に対し、温度センサ１３の配置を変えたものである。すなわち、第２実施形態の燃料電池システム１２０は、温度センサ１３が取り付けられていない第３実施形態の燃料カートリッジ３０を使用する。そして、この燃料カートリッジ３０は、温度センサ１３が取り付けられた燃料電池本体７０ａ（図８（ａ）参照）又は燃料電池本体７０ｂ（図８（ｂ）参照）に装着される。
【００５９】
このように、温度センサ１３は、燃料カートリッジ３０側に取り付ける必要はなく、図８（ａ）に示すように、燃料電池本体７０ａの外面に取り付けたり、図８（ｂ）に示すように、燃料電池本体７０ｂの内面に取り付けることもできる。そして、このような配置であっても、温度センサ１３は、燃料カートリッジ３０の周辺の雰囲気温度を検出することにより、その内部に貯留されたメタノールの温度を取得することができる。なお、第２実施形態の燃料電池システム１２０では、加速度センサ１４を燃料カートリッジ３０側に残しているが、加速度センサ１４も同様に、燃料電池本体７０ａ（７０ｂ）側に取り付けてもよい。また、温度センサ１３や加速度センサ１４を燃料電池本体７０ａ（７０ｂ）側に取り付ければ、着脱可能な燃料カートリッジ３０ではなく、着脱不能な埋め込み型の燃料タンク（燃料のみを注入するタイプ）にも適用できる。ただし、加速度センサ１４は、電極１５（図１参照）の平板表面に対して法線方向の加速度を検出するように配置する。
【００６０】
図９は、第３実施形態の燃料電池システム１３０におけるメタノール残量の演算部分を示す回路図である。
図９に示す第３実施形態の燃料電池システム１３０は、第１実施形態の燃料電池システム１１０（図５参照）に対し、その温度センサ１４（図２参照）等を変えたものである。すなわち、温度センサ１４及び固定抵抗Ｒ（図５参照）に代えて、第３実施形態の燃料電池システム１３０では、正特性サーミスタ４３（本発明における特性変化相殺手段に相当するもの）を組み込んだ第４実施形態の燃料カートリッジ４０を使用する。そして、燃料カートリッジ４０を燃料電池本体８０に装着すると、電極１５だけでなく、正特性サーミスタ４３も残量演算回路８５（本発明における残量演算手段及び残量取得手段を構成するもの）と接続される。
【００６１】
この正特性サーミスタ４３は、温度によって抵抗値が変化する素子である。すなわち、正特性サーミスタ４３の比誘電率は、温度が高くなると小さくなるので、電源８７によって交流信号を印加して得られる抵抗値は、温度が高くなると大きくなる。そして、温度によって変化するメタノールの特性（比誘電率ε２）と同じ変化をする正特性サーミスタ４３を使用し、電極１５と直列に接続して電極１５間の電圧Ｖｃを取得することにより、メタノールの温度による特性変化（比誘電率ε２の変化）を相殺できる。そのため、温度センサ１４（図２参照）を省略することが可能となる。
【００６２】
このように、正特性サーミスタ４３を用いれば、メタノールの温度を取得する必要がなくなり、メタノールの液面高さｂ１を求める演算式が簡素化される。例えば、２０℃における正特性サーミスタ４３の抵抗値をＰｔとすれば、
ｂ１＝（ｄ／２πｆＰｔ（Ｖ／Ｖｃ−１）−ε０ε１ａｂ）／ε０（ε２−ε１）ａ・・・（式１１）
となり、第１実施形態の燃料電池システム１１０（図５参照）における式６の演算が不要となる。なお、上記の式１１では、正特性サーミスタ４３の抵抗値Ｐｔ及びメタノールの比誘電率ε２を２０℃の値としているが、正特性サーミスタ４３の抵抗値Ｐｔがメタノールの温度による特性変化（比誘電率ε２の変化）を相殺するので、温度が変化しても式１１をそのまま適用できる。
【００６３】
図１０は、第４実施形態の燃料電池システム１４０におけるメタノール残量の演算部分を示す回路図である。
図１０に示す第４実施形態の燃料電池システム１４０は、第１実施形態の燃料電池システム１１０（図５参照）に対し、その温度センサ１４（図２参照）を変えたものである。すなわち、温度センサ１４に代えて、第４実施形態の燃料電池システム１４０では、負特性サーミスタ５３（本発明における特性変化相殺手段に相当するもの）を組み込んだ第５実施形態の燃料カートリッジ５０を使用する。なお、燃料電池本体６０は、第１実施形態の燃料電池システム１１０と変わらない。
【００６４】
この負特性サーミスタ５３は、温度上昇にともなって抵抗値が減少する。そして、温度によるメタノールの特性（比誘電率ε２）の変化に対応して抵抗値が変化する負特性サーミスタ５３を使用し、電極１５と直列に接続して電極１５間の電圧Ｖｃを取得することにより、メタノールの温度による特性変化（比誘電率ε２の変化）を相殺できる。そのため、温度センサ１４（図２参照）を省略することが可能となる。
【００６５】
したがって、負特性サーミスタ５３を用いても、メタノールの温度を取得する必要がなくなる。そして、抵抗値がＮｔの負特性サーミスタ５３が接続されている場合、残量演算回路６５で電源６７の交流信号（電圧Ｖ）を印加すると、電極１５間に発生する電圧Ｖｃは、
Ｖｃ＝Ｒ／（Ｒ＋（Ｚ＋Ｎｔ））×Ｖ・・・（式１２）
となり、この電圧Ｖｃからメタノールの残量を求めることが可能となる。
【００６６】
このように、各実施形態の燃料電池システム１１０〜１４０は、メタノールに接触させた電極１５（２５）間の電圧からメタノールの残量を演算する際に、メタノールの温度や電極１５（２５）の姿勢が考慮されるので、周辺環境や燃料カートリッジ１０〜５０の傾き等によって残量の演算結果が悪影響を受けない。そのため、メタノールの残量の検出精度を向上させることができる。
【００６７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、以下のような種々の変形等が可能である。すなわち、
（１）上記の実施形態では、燃料電池本体に供給する液体燃料を貯留した燃料カートリッジ１０〜５０を例に挙げたが、燃料電池用に限らず、可搬型や姿勢の定まっていない装置の液体タンクであれば、すべて適用できる。例えば、潤滑油タンクを有する自転車における潤滑油の残量検出や、ポータブルの電子式蚊とり器の殺虫液の残量検出等にも適用可能である。
【００６８】
（２）上記の実施形態では、燃料電池システム１１０〜１４０に用いる液体燃料としてメタノールを用いたが、組成に水素を含有する液体燃料であれば、メタノールに限られない。すなわち、エタノール、ブタノール等のアルコール系の液体燃料や、常温・常圧下で気体のジメチルエーテルやイソブタン、天然ガス等の炭化水素を液化した燃料を用いることもできる。
【００６９】
（３）上記の実施形態では、２つの平板形状の電極１５（２５）を燃料カートリッジ１０〜５０内に配置しているが、３つ以上配置してもよい。また、平板形状に限らず、棒形状等であってもよい。さらにまた、燃料電池システムに燃料タンクが内蔵されていれば、その燃料タンク内に配置してもよい。
【００７０】
（４）上記の実施形態では、姿勢検出手段として加速度センサ１４を用いているが、これに限らず、燃料カートリッジの所定の方向の傾斜の有無や傾斜角度を検出する傾斜検出装置を用いてもよい。また、燃料電池システムが適用される電子機器等の落下対策として用いられているものを姿勢検出手段としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】第１実施形態の燃料カートリッジを示す斜視図及び断面図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムを示す概念図である。
【図３】第１実施形態の燃料カートリッジにおける温度センサの役割を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の燃料カートリッジにおける加速度センサの役割を示す説明図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムにおけるメタノール残量の演算部分を示す回路図である。
【図６】第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料残量検出方法を示すグラフ及びフローチャートである。
【図７】第２実施形態の燃料カートリッジを示す断面図である。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムを示す斜視図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムにおけるメタノール残量の演算部分を示す回路図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池システムにおけるメタノール残量の演算部分を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０  燃料カートリッジ（液体タンク）
１１  燃料容器部（液体容器部）
１２  燃料供給口（液体供給口）
１３  温度センサ（温度検出手段）
１４  加速度センサ（姿勢検出手段）
１５  電極
２０  燃料カートリッジ（液体タンク）
２５  電極
３０  燃料カートリッジ（液体タンク）
４０  燃料カートリッジ（液体タンク）
４３  正特性サーミスタ（特性変化相殺手段）
５０  燃料カートリッジ（液体タンク）
５３  負特性サーミスタ（特性変化相殺手段）
６０  燃料電池本体（本体）
６５  残量演算回路（残量演算手段及び残量取得手段）
６６  燃料受入れ口（液体受入れ口）
６７  電源
７０ａ，７０ｂ  燃料電池本体（本体）
８０  燃料電池本体（本体）
８５  残量演算回路（残量演算手段及び残量取得手段）
８７  電源
１１０  燃料電池システム（燃料残量検出システム）
１２０  燃料電池システム（燃料残量検出システム）
１３０  燃料電池システム（燃料残量検出システム）
１４０  燃料電池システム（燃料残量検出システム）
【図１】
2009295329.tif 000003
【図２】
2009295329.tif 000004
【図３】
2009295329.tif 000005
【図４】
2009295329.tif 000006
【図５】
2009295329.tif 000007
【図６】
2009295329.tif 000008
【図７】
2009295329.tif 000009
【図８】
2009295329.tif 000010
【図９】
2009295329.tif 000011
【図１０】
2009295329.tif 000012