JP2009087670A - バッファータンクおよびこれを備えた燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高さを低く設定し小型化が可能であるとともに、安価で、精度の高い水位検出が可能なバッファータンクおよびこれを備えた燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置は、燃料を貯溜する混合タンク２８を備えている。混合タンクは、タンク本体５０と、閉塞端５８ａがタンク本体の内面に対向した状態でタンク内に配設され、タンク本体の内面との間に液体を収容する収容空間６４を形成しているとともに収容空間内に収容された液体量に応じて所定方向に伸縮するベローズ５８と、ベローズの閉塞端に固定された一端と、タンク本体の外側に導出された検出端部７０ｂと、を有し、一端からベローズ内を通って所定方向に延び、更に、検出端部まで所定方向と交差する検出方向に延在し、ベローズの伸縮に応じた所定方向の変位を検出方向に沿った前記検出端部の変位に変換する細長い柔軟な検出シートと、検出端部の変位量を検出し、タンク本体内の液体の水位を検出する変位センサと、を有している。
【選択図】 図６

Description

本発明は、電子機器等に電流を供給する燃料電池装置に用いるバッファータンクおよびこれを備えた燃料電池装置に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。

通常、ＤＭＦＣは、メタノールが収容された燃料タンク、燃料タンクから供給されたメタノールおよび水を含むメタノール水溶液を貯溜するバッファータンク（混合タンク）、バッファータンクからメタノール水溶液を起電部に圧送するとともに起電部で未反応のメタノールをバッファータンクに戻す送液ポンプ、および起電部に空気を供給する送気ポンプ等を備えている。起電部はそれぞれアノードおよびカソードを有した複数の単セルを積層したセルスタックを備え、アノード側にメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。発電に伴う反応生成物として、起電部のアノード側には未反応のメタノールおよび炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。反応生成物である水は蒸気となって排気される。

バッファータンクは、内部が密閉されたタンク本体と、タンク本体内に伸縮自在に設けられたベローズと、を有し、ベローズの外面とタンク本体の内面との間に規定された空間にメタノール水溶液が収納されている。メタノール水溶液の収納量に応じてベローズが上下方向に伸縮する。そして、ベローズの閉塞端、つまり、上端の位置を検出することにより、バッファータンク内のメタノール水溶液の水位を検出し、タンク内のメタノール水溶液残量を測定している。この測定結果に応じて、燃料タンクからバッファータンクへのメタノールの供給が制御される。

バッファータンクに収納された液体の水位を測定する測定装置として、ベローズの上端に連結されているとともにベローズの伸縮方向に沿って延出した連結ロッドを設け、ベローズの伸縮に応じた連結ロッドの移動量を検出することにより、水位を検出する測定装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−１９４１４２号公報

しかし、前述した測定装置において、連結ロッドは、ベローズから外側に向かって伸縮方向に延出し、更に、ベローズが縮小した際には、ベローズからその伸縮方向に沿って大きく突出した状態となる。このように、連結ロッドがベローズの伸縮方向に沿って上下に移動する場合、測定装置およびバッファータンクの高さ方向の寸法が大きくなり、小型化の妨げとなる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、高さを低く設定し小型化が可能であるとともに、安価で、精度の高い水位検出が可能なバッファータンクおよびこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係るバッファータンクは、内部が密閉されたタンク本体と、閉塞端と開口端とを有し、前記閉塞端がタンク本体の内面に対向した状態で前記タンク内に配設され、前記タンク本体の内面との間に液体を収容する収容空間を形成しているとともに前記収容空間内に収容された液体量に応じて所定方向に伸縮するベローズと、前記ベローズの閉塞端に固定された一端と、前記タンク本体の外側に導出された検出端部と、を有し、前記一端から前記ベローズ内を通って前記所定方向に延び、更に、前記検出端部まで前記所定方向と交差する検出方向に延在し、前記ベローズの伸縮に応じた前記所定方向の変位を前記検出方向に沿った前記検出端部の変位に変換する細長い柔軟な検出シートと、前記タンク本体の外側に前記検出シートの検出端部と対向して設けられ、前記検出端部の変位を検出し、前記タンク本体内の液体の水位を検出する変位センサと、を備えている。

この発明の他の態様に係る燃料電池装置は、アノードおよびカソードを有し、アノードに供給された燃料およびカソードに供給された空気の化学反応により発電する起電部と、前記アノードに供給される燃料を収納した前記バッファータンクと、前記混合タンクから供給された燃料を前記起電部のアノード側を通して流す燃料流路と、前記カソードを通して空気を流す空気流路と、前記混合タンクに補充される燃料を収容した燃料タンクと、前記燃料タンクの燃料を前記バッファータンクに供給する燃料供給部と、を備えている。

上記構成によれば、フレキシブルな検出シートを利用することにより、上下（垂直）方向変位を左右（水平）方向変位に変換して水位を検出する構成とすることにより、部品高さを低く設定し小型化が可能であるとともに、安価で、精度の高い水位検出が可能なバッファータンクおよびこれを備えた燃料電池装置が得られる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示している。図１に示すように、燃料電池装置１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成されている。燃料電池装置１０は、起電部を構成したセルスタック１２、燃料タンク１４、およびセルスタックに燃料および空気を供給する循環系２０、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部１６を備えている。電池制御部１６はマイコン（ＣＰＵ）等を有し、セルスタック１２に電気的に接続されている。そして、電池制御部１６は、セルスタック１２で発生した電力をノートＰＣ、携帯電話機等の電子機器１７に供給する。電池制御部１６は、同時に、セルスタック１２の出力電力および電子機器１７からセルスタック１２への負荷電流を測定している。

燃料タンク１４は密閉構造を有し、その内部には液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料タンク１４は、燃料電池装置１０に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成してもよい。

循環系２０は、燃料タンク１４の燃料供給口から供給された燃料をセルスタック１２を通して流すアノード流路（燃料流路）２２、およびセルスタック１２を通して空気を含む気体を流通させるカソード流路（気体流路）２４、アノード流路内およびカソード流路に設けられた複数の補機を有している。アノード流路２２およびカソード流路２４は、それぞれ配管等によって形成されている。

セルスタック１２は複数の単セルを積層して構成されている。図２は各単セルの発電反応を模式的に示している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパとで構成されたほぼ矩形板状のカソード（空気極）６６およびアノード（燃料極）６７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、アノード６７およびカソード６６よりも大きな面積に形成されている。

供給された燃料および空気は、アノード６７とカソード６６との間に設けられた電解質膜１４４で化学反応し、これにより、アノードとカソードとの間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部１６を介して電子機器１７に供給される。

図１に示すように、アノード流路２２には、燃料供給部として機能する燃料ポンプ２６が接続されている。この燃料ポンプ２６は、燃料タンク１４の燃料供給口に配管接続されている。燃料ポンプ２６は電池制御部１６により駆動電圧あるいは回転数が制御され、アノード流路２２および後述の混合タンク２８に供給する高濃度燃料の流量を調整する。

アノード流路２２には、燃料と水とを混合し所望の濃度のメタノール水溶液を貯溜する混合タンク２８が配設され、燃料ポンプの出力部に配管を介して接続されている。アノード流路２２において、混合タンク２８とセルスタック１２との間には送液ポンプ３０が設けられ、混合タンク２８の出力部に接続されている。送液ポンプ３０の出力部はアノード流路２２を介してセルスタック１２のアノード６７に接続されている。これにより、送液ポンプ３０は、混合タンク２８から供給されたメタノール水溶液をアノード６７に供給する。

アノード流路２２において、混合タンク２８と送液ポンプ３０との間には濃度センサ３１が設けられている。濃度センサ３１は、混合タンク２８からセルスタック１２に供給されるメタノール水溶液の濃度を検出し、検出したデータを電池制御部１６に出力する。

セルスタック１２のアノード６７の出力部はアノード流路２２を通して混合タンク２８の入力部に接続されている。セルスタック１２の出力部と混合タンク２８との間でアノード流路２２には気液分離器３２が設けられている。アノード６７から排出される排出流体、つまり化学反応に用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素（ＣＯ_２）を含む気液２相流は、気液分離器３２に送られ、ここで、二酸化炭素が分離される。分離されたメタノール水溶液はアノード流路２２を通して混合タンク２８に戻され、再度、アノード６７へ供給される。気液分離器３２により分離された二酸化炭素は、図示しない浄化フィルタを通して外気に排気される。

一方、カソード流路２４の吸気口２４ａおよび排気口２４ｂは、それぞれ大気に連通している。カソード流路２４に設けられた補機は、セルスタック１２の上流側でカソード流路２４の吸気口２４ａ近傍に設けられたエアフィルタ４０、セルスタック１２とエアフィルタとの間でカソード流路に接続された送気ポンプ４２、セルスタック１２の下流側でセルスタックと排気口２４ｂとの間に設けられた排気フィルタ４４を含んでいる。

送気ポンプ４２を作動させることにより、吸気口２４ａから空気がカソード流路２４に給気される。給気された空気は、エアフィルタ４０を通過した後、送気ポンプからセルスタック１２のカソード６６に給気され、ここで、空気中の酸素が発電に利用される。カソード６６から排出された空気は、カソード流路２４および排気フィルタ４４を通り、排気口２４ｂから大気に排出される。

エアフィルタ４０は、カソード流路２４に吸い込まれた空気中のゴミ、および二酸化炭素、蟻酸、燃料ガス、蟻酸メチル、ホルムアルデヒド等の不純物、有害物質等を捕獲し除去する。排気フィルタ４４は、カソード流路２４から外部へ排気される気体中の副生成物を無害化するとともに、排気中の含まれている燃料ガス等を捕獲する。

上記のように構成された燃料電池装置１０を電子機器１７の電源として動作させる場合、電池制御部１６の制御の下、燃料ポンプ２６、送液ポンプ３０および送気ポンプ４２を作動させるとともに、各開閉弁を開放する。燃料ポンプ２６により、燃料タンク１４から混合タンク２８へメタノールが供給され、混合タンク内で水と混合され所望濃度のメタノール水溶液が形成される。また、送液ポンプ３０により、混合タンク２８内のメタノール水溶液がアノード流路２２を通してセルスタック１２のアノード６７に供給される。

送気ポンプ４２により、カソード流路２４の吸気口２４ａからカソード流路内に外気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気はエアフィルタ４０を通り、ここで、空気中のゴミ、不純物が除去される。エアフィルタ４０を通過した後、空気はセルスタック１２のカソード６６へ供給される。

セルスタック１２に供給されたメタノールおよび空気は、アノード６７とカソード６６との間に設けられた電解質膜１４４で電気化学反応し、これにより、アノード６７とカソード６６との間に電力が発生する。セルスタック１２で発生した電力は、電池制御部１６を介して電子機器１７へ供給される。

電気化学反応に伴い、セルスタック１２には反応生成物として、アノード６７側に二酸化炭素、カソード６６側に水が生成される。アノード６７側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかった未反応メタノール水溶液はアノード流路２２を通して気液分離器３２に送られ、ここで、二酸化炭素とメタノール水溶液とに分離される。分離されたメタノール水溶液は、気液分離器３２からアノード流路２２を通して混合タンク２８へ回収され、再度、発電に用いられる。分離された二酸化炭素は、気液分離器３２から大気に排出される。

セルスタック１２のカソード６６側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路２４に排出される。排出された空気および水蒸気を含む気体は、排気フィルタ４４に送られ、ここで、ゴミ、不純物が除去された後、カソード流路２４の排気口２４ｂから外部に排気される。

上述した発電動作の間、電池制御部１６は、後述する混合タンク２８の変位センサによって検出されたタンク内のメタノール水溶液の水位に応じて、混合タンク内のメタノール水溶液量を検出し、その検出結果に応じて、燃料タンク１４から混合タンク２８へのメタノールの補充量を制御する。これにより、アノード６７に供給する燃料の濃度の最適化および発電動作の最適化を図っている。

次に、バッファータンクとして機能する混合タンク２８について詳細に説明する。
図３は混合タンクの外観を示す斜視図、図４は混合タンクを分解して示す分解斜視図、図５は混合タンクのトップカバーを省略して内部を示す平面図、図６は図３の線Ｅ−Ｅに沿った混合タンクの断面図である。

図３ないし図６に示すように、混合タンク２８は、タンク本体５０および水位検出機構５１を備えている。タンク本体５０は、ほぼ矩形板状の底壁５２およびカップ状のトップカバー５４を有している。トップカバー５４は、底壁５２と対向した天壁５５および天壁の周縁からほぼ垂直に延びたほぼ円筒状の側壁とを有し、側壁の下端部周縁にはフランジ部が形成されている。トップカバー５４は、複数のねじ５６によってフランジ部を底壁５２にねじ止めすることにより底壁に固定され、この底壁と共に密閉空間を形成している。

タンク本体５０内には、例えば、合成樹脂により形成されたベローズ５８が配設されている。ベローズ５８は、ほぼ円筒状に形成され、端壁５８ａによって閉塞された上端（閉塞端）と開口した下端（開口端）と、下端部周囲に形成されたフランジ５８ｂとを、一体に有している。ベローズ５８は、トップカバー５４の内径よりも小さな径に形成されている。このベローズ５８は、その下端のフランジ５８ｂが底壁５２上に固定され、トップカバー５４の周壁とほぼ同軸的に位置している。

図７に示すように、ベローズ５８のフランジ５８ｂと底壁５２との間には、例えば、シリコンシートからなるシール６０が挟持され、また、フランジ５８ｂおよび底壁５２とトップカバー５４の下端との間には、Ｏ−リング６２が挟持されている。これにより、底壁５２とトップカバー５４とは気密に接続されているとともに、ベローズ５８の下端と底壁５２との間は気密にシールされている。

図６に示すように、ベローズ５８の端壁５８ａは、トップカバー５４の天壁５５の内面と対向し、ベローズの周面はトップカバーの側壁内面と隙間を置いて対向している。これにより、タンク本体５０の内面とベローズ５８の外面とにより、液体、ここでは、メタノール水溶液、を収容する収容空間６４が形成されている。トップカバー５４には、収容空間６４に連通した流入口６８ａ、および収容空間に連通した流出口６８ｂが形成されている。また、底壁５２には、ベローズ５８の内部空間に連通した通気孔６９が形成されている。

流入口６８ａを通して収容空間６４内に燃料あるいはメタノール水溶液が供給され、収容空間に収容された液量が増加すると、ベローズ５８は液体に押され軸方向に沿って、ここでは、底壁５２と直交する方向に沿って縮み、ベローズの端壁はトップカバー５４の天壁５５内面から離れる方向に移動する。これにより、収容液量の増加に応じて収容空間６４の体積が増加する。

逆に、燃料が流出口６８ｂから排出され、タンク内の液量が減少すると、ベローズ５８が軸方向に沿って伸張し、端壁５８ａはトップカバー５４の天壁５５内面に接近する方向に移動する。これにより、収容液量の増加に応じて収容空間６４の体積が減少する。

このように、タンク本体５０内の液量の増減に応じてベローズ５８が伸縮し、ベローズの端壁５８ａは、ベローズの伸縮方向である軸方向、ここでは、底壁５２と直交する方向に沿って移動する。従って、端壁５８ａの位置は、混合タンク２８内の液量に応じて変位し、タンク内に収容されている液体の水位に対応している。本実施形態において、端壁５８ａが上昇し、トップカバー５４の内面との距離が小さい程、タンク内の液量が少なく、液体の水位が低いことを示している。また、端壁５８ａが下降し、トップカバー５４との距離が大きい程、タンク内の液量が多く、水位が高いことを示している。

図８は水位検出機構を示す斜視図、図９は図５の線Ｆ−Ｆに沿った断面図である。図３ないし図６、図８および図９に示すように、混合タンク２８内に貯溜された液体の水位を検出する水位検出機構５１は、ベローズ５８の伸縮に連動して移動する検出シート７０、検出シートの移動をガイドするガイド手段、および検出シートの変位を検出する変位センサを備えている。

検出シート７０は、細長い帯状に形成された柔軟なシートであり、透明な樹脂、例えば、ポリエチレンテレフタレートにより形成されている。検出シート７０は、その一端部がほぼ直角に折り曲げられ固定部７０ａを形成しているとともに、他端部は検出端部７０ｂを構成している。検出シート７０の検出端部７０ｂおよびほぼ中央部分には、位置決めおよびガイド用の細長いスリット７１がそれぞれ形成され、検出シートの動作方向に沿って延びている。

図１０に示すように、検出端部７０ｂには、検出シートの長手方向に沿って互いに離間した複数の被検出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄが形成されている。これらの被検出部は、例えば、検出シート７０の表面にシルク印刷を施すことにより形成され光を遮光する遮光印刷部として構成されている。被検出部７２ａ、７２ｂは、検出端部７０ｂの一側縁部に沿って形成され、それぞれ検出方向Ｇ、ここでは、検出シートの長手方向に所定の幅を有しているとともに、検出方向に沿って所定の隙間を置いて並んでいる。被検出部７２ｃ、７２ｄは、検出端部７０ｂの他側縁部に沿って形成され、それぞれ検出方向Ｇに所定の幅を有しているとともに、検出方向に沿って所定の隙間を置いて並んでいる。また、被検出部７２ｃ、７２ｄは、被検出部７２ａ、７２ｂに対して、検出方向にずれて設けられている。

図３ないし図６、図８および図９に示すように、検出シート７０は、その固定部７０ａがベローズ５８の端壁５８ａの内面に固定され、端壁５８ａからベローズ５８内をその中心軸に沿ってベローズの伸縮方向に延び、更に、底壁５２を貫通した後、ベローズの伸縮方向と直交する方向、ここでは、底壁５２と平行な方向（検出方向Ｇ）に沿って延びている。そして、検出シート７０の検出端部７０ｂは、底壁５２からタンク本体５０の外側に導出している。

図３ないし図６、図８および図９に示すように、検出シート７０の移動をガイドするガイド手段は、ガイド部材として機能するほぼ矩形状のガイド基板７４を備えている。ガイド基板の上面には、ガイド基板の長手方向に沿って延びたガイド面７６が形成されている。このガイド面７６は、ほぼ水平に延びているとともに、その一端部７６ａは、水平方向から垂直方向に向かって湾曲して上方に延びている。ガイド面７６上には、細長いガイドリブ７７が形成されガイド面の中心軸に沿って、かつ、ガイド面の全長に渡って延びている。更に、ガイド面７６の他端部および中央部において、ガイドリブ７７には、それぞれガイドピン７８が突設されている。

一方、底壁５２の底面には装着凹所８０が形成されている。ガイド基板７４はその後半部分が装着凹所８０に嵌合され、複数のねじ７９により底壁５２に固定されている。ガイド基板７４の前半部分は、底壁５２からこの底壁と平行な方向に突出し、延出部７４ｂを構成している。装着凹所８０の底面には、底壁５２と平行に延びたガイド面８１が形成され、このガイド面の端部は、底壁と平行な水平方向から垂直方向に向かって上方に湾曲し、底壁５２の内面側まで延びている。更に、底壁５２の内面中央部には、貫通孔が形成されているとともに、貫通孔の近傍からタンク内へ突出したガイド突起８２が形成されている。ガイド突起８２に沿って湾曲したガイド面８２ａが形成され、このガイド面は貫通孔を通って装着凹所８０のガイド面８１に連通している。ガイド面８１、８２ａ上には、細長いガイドリブ８４が形成されガイド面の中心軸に沿って、かつ、ガイド面の全長に渡って延びている。

ガイド基板７４を底壁５２の装着凹所８０に取り付けた状態において、ガイド基板７４のガイド面７６と装着凹所８０のガイド面８１、８２ａとの間に、ガイド通路８６が形成されている。このガイド通路８６は、その一端が底壁５２を通してタンク本体５０内に開口し、この開口から湾曲して延びた後、底壁５２と平行に底壁の側面まで延びている。

検出シート７０は、ベローズ５８の端壁５８ａからベローズ５８内をベローズの伸縮方向Ｖに延び、更に、底壁５２を貫通しガイド通路８６内を通った後、底壁５２の側面からガイド基板７４のガイド面７６に沿って外方へ延出している。そして、検出シート７０は、ガイド通路８６内で、ガイド面７６のガイドリブ７７およびガイド面８１、８２ａのガイドリブ８４により移動方向がガイドされ、更に、底壁５２から外側に導出した検出端部７０ｂはガイドリブ７７によって移動方向がガイドされる。また、ガイド基板７４に設けられたガイドピン７８は、それぞれ検出シート７０のスリット７１に挿通され、検出シートの幅方向の位置決めをしている。

これにより、検出シート７０の内、ベローズ５８内に位置した部分はベローズの伸縮方向Ｖに沿って移動し、ガイド通路８６を通って検出端部７０ｂまで延びた部分はガイド通路に沿って検出方向Ｇ、つまり、伸縮方向Ｖと直行する方向に沿って移動する。従って、ベローズ５８の伸縮に応じて端壁５８ａが昇降すると、検出シート７０は、ベローズの伸縮方向Ｖに変位し、この変位を検出方向Ｇの変位に変換して検出端部７０ｂに出力する。

図３ないし図５、図８、および図１０に示すように、検出端部７０ｂの変位を検出する変位センサは、複数、例えば、３つの光学センサを備えている。光学センサとして、例えば、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃを用いている。これらのフォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃは、センサ基板８８上に実装され、ガイド基板７４の延出部７４ｂに取り付けられている。

フォトインタラプタＡ、Ｂは、検出シート７０の検出端部７０ｂに対して、一側縁部と対向して設けられ、検出方向Ｇに沿って互いに間隔を置いて配置されている。フォトインタラプタＣは、検出端部７０ｂの他側縁部と対向して設けられているとともに、検出端部を挟んでフォトインタラプタＡと向かい合って配設されている。フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃは、検出端部７０ｂに形成された被検出部７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄを検出し、検出データを電池制御部１６に出力する。電池制御部１６は、フォトインタラプタからの検出データに基づいて、検出端部７０ｂの変位を検出し、タンク本体５０内に貯溜された液体の水位を検出する。そして、電池制御部１６は、検出した水位に応じて、燃料ポンプ２６を駆動し、タンク本体５０への燃料の供給を制御する。

例えば、以下のように、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃの検出出力信号のパターンに応じて、検出端部７０ｂの変位位置を検出し、タンク本体５０内の液体の水位を検出する。図１１は、検出ロジック表を示し、図１２は、検出端部７０ｂの複数の変位位置における検出パターンを示している。

フォトインタラプタＡ、Ｂは、検出端部７０ｂの被検出部７２ａ、７２ｂがフォトインタラプタＡ、Ｂとそれぞれ対向する位置、即ち、検出光を遮蔽する位置に移動した際、暗信号（Ｌ）を出力し、被検出部７２ａ、７２ｂがフォトインタラプタから外れた位置に移動した際、明信号（Ｈ）を出力する。フォトインタラプタＣは、検出端部７０ｂの被検出部７２ｃ、７２ｄのいずれかがフォトインタラプタＣと対向する位置、即ち、検出光を遮蔽する位置に移動した際、暗信号（Ｌ）を出力し、被検出部７２ｃ、７２ｄがフォトインタラプタＣから外れた位置に移動した際、明信号（Ｈ）を出力する。

図１１および図１２（ａ）に示すように、ベローズ５８の端壁５８ａが機械的な上限、例えば、端壁５８ａがタンク本体５０の天壁５５内面に当接する位置、あるいは、検出シート７０に形成されたスリット７１の端がガイドピン７８に当接する位置、まで上昇した場合（バッファー下限）、タンク本体５０内に貯溜された液体の水位はゼロｍｍとなる。この際、検出シート７０の検出端部７０ｂは、被検出部７２ｃのみがフォトインタラプタＣと対向し、他の被検出部がフォトインタラプタから外れる位置に変位している。これにより、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃの出力信号パターンは、Ｈ、Ｈ、Ｌとなる。

図１１および図１２（ｂ）に示すように、液量が増加してベローズ５８が縮み端壁５８ａが下降して水位が１ｍｍになると、検出シート７０の検出端部７０ｂは、被検出部７２ａのみがフォトインタラプタＡと対向し、他の被検出部がフォトインタラプタから外れる位置に変位する。これにより、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃの出力信号パターンは、Ｌ、Ｈ、Ｈとなる。

図１１および図１２（ｃ）に示すように、液量が更に増加してベローズ５８が縮み、端壁５８ａが下降して水位が３．５ｍｍになると、検出シート７０の検出端部７０ｂは、被検出部７２ａおよび被検出部７２ｂがフォトインタラプタＡ、Ｂと対向し、被検出部７２Ｃ、７２ｄがフォトインタラプタＣから外れる位置に変位する。これにより、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃの出力信号パターンは、Ｌ、Ｌ、Ｈとなる。

図１１および図１２（ｄ）に示すように、液量が更に増加してベローズ５８が縮み、端壁５８ａが下降して水位が６ｍｍになると、検出シート７０の検出端部７０ｂは、被検出部７２ａ、７２ｂ、７２ｄがそれぞれフォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃと対向する。これにより、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃの出力信号パターンは、Ｌ、Ｌ、Ｌとなる。

図１１および図１２（ｅ）に示すように、液量が更に増加してベローズ５８が縮み、ベローズ５８の端壁５８ａが機械的な下限、例えば、端壁５８ａが底壁５２のガイド突起８２に当接する位置、あるいは、検出シート７０に形成されたスリット７１の端がガイドピン７８に当接する位置、まで下降した場合（バッファー上限）、タンク本体５０内に貯溜された液体の水位は７ｍｍとなる。この際、検出シート７０の検出端部７０ｂは、被検出部７２ｂ、７２ｃがフォトインタラプタＢ、Ｃと対向し、被検出部７２ａがフォトインタラプタから外れる位置に変位する。これにより、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃの出力信号パターンは、Ｈ、Ｌ、Ｌとなる。

電池制御部１６は、上述した５種類の検出パターンを予め記憶しておき、フォトインタラプタＡ、Ｂ、Ｃから出力された出力信号のパターンと比較することにより、検出端部７０ｂの変位位置を検出し、これに対応するタンク本体５０内の液体の水位、つまり、液量を５段階で検出することができる。そして、電池制御部１６は、検出した水位に応じて、燃料ポンプ２６を駆動し、混合タンク内のメタノール水溶液の水位が所望の水位となるまでタンク本体５０へ燃料の供給することにより、混合タンク２８内のメタノール水溶液を運転に適した液量に維持する。

以上のように構成された混合タンク２８によれば、柔軟な検出シートを用いて、ベローズの伸縮方向、つまり、高さ方向の変位をこれと交差する横方向の変位に変換し、この横方向の変位を検出することにより、タンク内の液体の水位を検出する構成としている。これにより、タンクの高さ方向に延出する検出ロッドや高さ方向に位置したセンサ等を設ける必要がなく、混合タンクの高さ寸法を低く設定するこが可能となる。この混合タンクを用いることにより、燃料電池全体の高さ寸法を低減し、装置の薄型化を図ることが可能となる。

また、比較的安価な光学センサや検出シートを用いて精度の高い水位検出を行うことができ、混合タンクおよび燃料電池装置の製造コスト低減を図ることができる。同時に、燃料の液量を高い精度で制御し、燃料電池装置の運転の適正化および信頼性の向上を図ることができる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
変位センサは、フォトインタラプタに限らず、他の光学的あるいは電気的センサを用いても良い。検出シートの検出端部における被検出部の数、形状、および変位センサの数は、上述した実施形態に限らず、必要に応じて変更可能である。検出端部の変位検出位置は、５段階に限らず、必要に応じて増減可能である。また、検出シートは、同一材料で一体に形成したものに限らず、検出端部を他の材料、例えば、遮光性に優れた材料で形成してもよい。

この発明に係るバッファータンクは、混合タンクに限らず、液体を貯溜するための他のタンクに適用することもできる。燃料電池装置は、電子機器に外部接続する構成に限らず、電子機器内に内蔵されていてもよい。使用する燃料は、メタノールに限らず、アルコール、炭化水素系燃料等を用いてもよい。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置を概略的に示す図。 図２は、前記燃料電池装置のセルスタックを構成する単セルを概略的に示す図。 図３は、燃料電池装置における混合タンクを示す斜視図。 図４は、前記混合タンクを示す分解斜視図。 図５は、前記混合タンクを示す平面図。 図６は、図３の線Ｅ−Ｅに沿った前記混合タンクの断面図。 図７は、前記混合タンクの底壁とトップカバーとの接合部分を拡大して示す断面図。 図８は、前記混合タンクの水位検出機構を示す斜視図。 図９は、図５の線Ｆ−Ｆに沿った混合タンクの断面図。 図１０は、検出シートの検出端部とセンサとを概略的に示す平面図。 図１１は、混合タンク内の液体の水位を検出する検出ロジックを示す図。 図１２は、複数の水位における検出端部とセンサとの位置関係をそれぞれ示す平面図。

符号の説明

１０…燃料電池装置、１２…セルスタック、１４…燃料タンク、１６…電池制御部、
２０…循環系、２２…アノード流路、２４…カソード流路、
２６…燃料ポンプ、２８…混合タンク、３０…送液ポンプ、５０…タンク本体、
５１…水位検出機構、５２…底壁、５４…トップカバー、５５…天壁、５８…ベローズ、
５８ａ…端壁、６６…カソード（空気極）、６７…アノード（燃料極）、
７０…検出シート、７０ｂ…検出端部、７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ…被検出部、
７４…ガイド基板、７４ｂ…延出部、８６…ガイド通路、
Ａ、Ｂ、Ｃ…フォトインタラプタ

Claims (9)

1. 内部が密閉されたタンク本体と、
   閉塞端と開口端とを有し、前記閉塞端がタンク本体の内面に対向した状態で前記タンク内に配設され、前記タンク本体の内面との間に液体を収容する収容空間を形成しているとともに前記収容空間内に収容された液体量に応じて所定方向に伸縮するベローズと、
   前記ベローズの閉塞端に固定された一端と、前記タンク本体の外側に導出された検出端部と、を有し、前記一端から前記ベローズ内を通って前記所定方向に延び、更に、前記検出端部まで前記所定方向と交差する検出方向に延在し、前記ベローズの伸縮に応じた前記所定方向の変位を前記検出方向に沿った前記検出端部の変位に変換する細長い柔軟な検出シートと、
   前記タンク本体の外側に前記検出シートの検出端部と対向して設けられ、前記検出端部の変位を検出し、前記タンク本体内の液体の水位を検出する変位センサと、
   を備えたバッファータンク。
2. 前記タンク本体は、底壁およびこの底壁に対向した天壁を有し、
   前記ベローズは、前記開口端が前記底壁に固定され、前記閉塞端が前記天壁内面と対向して配置され、
   前記検出シートは、前記ベローズの閉塞端から前記ベローズ内を通って延び、更に、前記底壁に沿って延びた後に前記タンク本体の外方に延出している請求項１に記載のバッファータンク。
3. 前記底壁に取り付けられ、前記検出シートの前記検出方向への移動をガイドするガイド通路を形成したガイド部材を備えている請求項２に記載のバッファータンク。
4. 前記ガイド部材は、前記底壁から前記タンク本体内に延出し、前記所定方向から検出方向に湾曲して延びたガイド面を有している請求項３に記載のバッフ−ァタンク。
5. 前記ガイド部材は、前記底壁からこの底壁と平行に延出し、前記検出シートの検出端部をガイドするガイド面を有した延出部を備えている請求項４に記載のバッファ−タンク。
6. 前記検出シートは、それぞれ前記検出端部に設けられているとともに前記検出方向に沿って互いに離間して位置した複数の被検出部を有し、
   前記センサは、前記ガイド部材の延出部に取り付けられ、前記検出端部の前記被検出部に対向して設けられた複数のセンサを含んでいる請求項５に記載のバッファータンク。
7. 前記検出シートの少なくとも前記検出端部は、透明なシートで構成され、
   前記被検出部は、前記検出端部に形成された遮光印刷部を有し、
   前記センサは、前記遮光印刷部を検出する光学センサである請求項６に記載のバッファータンク。
8. アノードおよびカソードを有し、アノードに供給された燃料およびカソードに供給された空気の化学反応により発電する起電部と、
   前記アノードに供給される燃料を収納した請求項１ないし７のいずれか１項に記載のバッファータンクと、
   前記混合タンクから供給された燃料を前記起電部のアノード側を通して流す燃料流路と、
   前記カソードを通して空気を流す空気流路と、
   前記混合タンクに補充される燃料を収容した燃料タンクと、
   前記燃料タンクの燃料を前記バッファータンクに供給する燃料供給部と、を備えた燃料電池装置。
9. 前記燃料供給部は、燃料ポンプと、前記センサにより検出された検出端部の変位に応じて前記バッファータンク内の燃料の水位を検出し、検出した水位に応じて前記燃料ポンプを駆動して前記燃料タンクからバッファータンクへ燃料を供給する制御部と、を備えている請求項８に記載の燃料電池装置。

Images