JP2010097740A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】分離部に貯留される液体成分の量、特に所定の位置の液量を高精度に検知して制御する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料を供給する第１供給部と、ガスを供給する第２供給部と、アノード電極およびカソード電極で発生した反応生成物やガスで構成された気液混合流体から分離された液体３８を保持するタンク３０とを有する分離部１０と、タンク３０の対向する側面に、少なくとも第１検出部３３と第２検出部３４を設けるとともに、第１検出部３３と第２検出部３４を含む領域に液体３８の量を検出する一対の検出電極３６Ａ、３６Ｂからなる液量検知部３６を設けた構成を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料電池スタックから排出される気液混合流体から液体を分離し分離部のタンクに貯留される液量の検出において、特に上限量および下限量の検出感度に関する。

近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望が高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電を必要とする二次電池よりも燃料供給によって長時間連続して使用できる燃料電池が注目されている。

燃料電池は、少なくとも、セルスタックを含む燃料電池スタックと、セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。そして、セルスタックは、一般に、アノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体とセパレータとを積層し、積層方向の両端にエンドプレートを配して構成されている。

このような燃料電池スタックとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が開発されている。ＤＭＦＣにおいては、燃料としてメタノール水溶液が、酸化剤として空気中の酸素が用いられる。その結果、アノード電極からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水などの水溶液が排出される。そのため、携帯機器においては、排出された水溶液を燃料供給部へ戻すのが一般的である。一方、カソード電極からは反応生成物の水や水蒸気とともに、カソード電極を経た窒素や未反応の酸素などが排出される。このとき、燃料電池システムでは、アノード電極の反応で水が必要であるため、カソード電極で生成した水を燃料供給部へ戻して再利用している。これにより、燃料電池スタックから排出される液体成分を循環させて利用することで、燃料電池システムの可搬性を向上させている。

しかし、液体成分を直接、燃料供給部に戻す場合、最適な燃料濃度で燃料電池システムを発電させることが困難となる。

そこで、燃料電池スタックからの排出物を直接、燃料供給部へ戻すのではなく、気体成分と液体成分とを分離した後、液体成分をタンクに貯留して、必要な量を燃料供給部へ供給する方法が一般的に行われている。そのため、タンクに貯留される液体成分の量を管理することが重要となる。

一方、燃料タンク内の燃料の貯留量を検出するために、燃料タンクに一対の電極を設け、この電極間の静電容量の変化から燃料の貯留量を検知する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池のアノード電極、カソード電極からの排出溶液を回収するタンクの液量を検出する静電容量型の液量検知機能を備えた燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献２参照）。以下に、特許文献２に示す燃料電池システムのタンクの液量を検出する液量検知機能について、図１３を参照しながら簡単に説明する。

図１３（ａ）は、従来の燃料電池システムの液量検知機能を説明するタンク１１０の概略斜視図で、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の１３Ｂ−１３Ｂ線断面図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）の１３Ｃ−１３Ｃ線断面図である。

図１３（ａ）や図１３（ｂ）に示すように、タンク１１０は、アノード電極（図示せず）から排出された溶液を導入する導入管１３２Ａとカソード電極（図示せず）から排出された溶液を導入する導入管１３２Ｂおよび溶液を排出する排出管１３２Ｃを備えている。また、図１３（ｃ）に示すように、タンク１１０は、その対向する平坦な側面に設けられた、一対の検出電極１３６Ａ、１３６Ｂからなる液量検知部１３６を有している。そして、一対の検出電極１３６Ａ、１３６Ｂ間に存在する溶液の液量を、静電容量の変化により検出している。
特開２００６−０４０８３６号公報 特開２００７−２２０４５３号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムによれば、例えば燃料カートリッジなどの燃料タンクに存在する燃料の量を検知するものであり、カソード電極から排出されタンクに貯留される水などの液体成分の量を検出する構成ではない。しかし、特許文献１の技術をタンク内の液体成分の量を検知する応用することは可能である。

ところが、特許文献１の技術を応用しても、液体成分の量に比例する静電容量の変化で検知するため、緊急時などにおいて、例えばタンクから液体成分が溢れたり、枯渇したりしないように、液体成分の上限量および下限量の位置を高精度に検出できない。その結果、制御遅れなどにより、漏液したり、枯渇などにより燃料電池スタックのアノード電極に最適な濃度に調整して燃料を供給できなくなるなどの課題がある。

また、特許文献２の燃料電池システムにおいても、図１３（ｃ）に示すようなタンクの液量を直接検出する液量検知機能を開示しているが、液体成分の上限量および下限量の位置を高精度に検出する方法は何ら開示されておらず、特許文献１の燃料電池システムと同様の課題を有している。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、分離部のタンクに貯留される液体成分の量、特に上限量や下限量の位置を高感度に検出して高精度に制御する燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アノード電極とカソード電極とアノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分とカソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜および分離された液体を保持するタンクとを有する分離部と、タンクの互いに対向する側面に、少なくとも液体の上限量および下限量の所定の位置に第１検出部と第２検出部を設け、第１検出部と第２検出部を含む領域にタンク内の液体の量を検出する一対の検出電極からなる液量検知部を設けた構成を有する。

この構成により、タンクに貯留される液体の量の所定の位置（例えば、上限量や下限量の位置）を高感度に検出して、タンクからの液体の溢れや枯渇を未然に防止できる。

また、制御精度が向上するので、タンク内に液体の上限量や下限量の設定範囲を広くできる。そのため、タンクの貯留量を増加できる。あるいは、最大貯留量が設定される場合には、タンクの小型化や薄型化がはかれる。

本発明によれば、タンクに貯留される液体の量の所定の位置を高感度に検出して、タンクからの液体の溢れや枯渇を未然に防止できる信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。

本発明の第１の発明は、アノード電極とカソード電極とアノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、アノード電極で発生した反応生成物および燃料の残分とカソード電極で発生した反応生成物およびカソード電極を経たガスとの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜および分離された液体を保持するタンクとを有する分離部と、タンクの互いに対向する側面に、少なくとも液体の上限量および下限量の所定の位置に第１検出部と第２検出部を設け、第１検出部と第２検出部を含む領域にタンク内の液体の量を検出する一対の検出電極からなる液量検知部を設けた構成を有する。

この構成により、タンクに貯留される所定の位置の液体の量を高感度に検出して、タンクからの液体の溢れや枯渇を未然に防止できる。また、制御精度が向上するので、タンク内に液体の上限量や下限量の設定範囲を広くできる。その結果、タンクに許容できる貯留量が増加する。あるいは、最大貯留量が設定される場合には、タンクの小型化や薄型化がはかれる。

本発明の第２の発明は、第１の発明において、検出電極の間隔が、第１検出部と第２検出部において、小さく設定されている。これにより、凹凸部において、液量の所定の位置を高感度に検出できる。

本発明の第３の発明は、第１の発明において、第１検出部と第２検出部を波形形状で設けて、第１検出部と第２検出部において検出電極の対向面積を大きくした。これにより、間隔を狭くすることなく、タンクの容量を変えずに、液量の所定の位置を高感度に検出できる。

本発明の第４の発明は、第３の発明において、第１検出部と第２検出部において、検出電極の対向する間隔が等しい。これにより、液量の所定の位置において、高い線形性により制御性を向上できるとともに、高感度に検出できる。

本発明の第５の発明は、第３の発明において、第１検出部と第２検出部において、検出電極の対向する間隔が異なる。これにより、間隔を狭くすることなく、タンクの容量を変えずに、液量の所定の位置を高感度に検出できる。

本発明の第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれかにおいて、第１検出部と第２検出部において、液体の比誘電率より大きい比誘電率を有する物質をタンクに設けた。これにより、液量の所定の位置をさらに高感度で検出できる。また、検出電極の形成が容易となる。

本発明の第７の発明は、第１の発明において、検出電極に接続され、分離部内の液体の量を検出する算出部を、さらに備えた。これにより、算出部でタンク内の所定の位置の液体の量を高感度に検出し、それに基づいてタンク内の液体の量を所定の範囲に高い精度で制御することができる。

以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの発電動作を説明する断面模式図である。

以下に、図１および図２を用いて、燃料電池システムの概略と燃料電池の動作について説明する。

図１に示すように、燃料電池システムは、少なくとも、燃料電池スタック１、燃料タンク４、燃料を供給する燃料ポンプからなる第１供給部５、空気を供給する空気ポンプからなる第２供給部６、算出部７Ａを備えた制御部７、蓄電部８、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、一対の検出電極からなる液量検知部１１を備えたタンク１２からなる分離部１０とを有する。このとき、必要に応じて、分離部１０のタンク１２を冷却する、例えば冷却ファンなどの冷却部１３が設けられる。

また、燃料電池スタック１は、発電部を有し、発電された電力は、正極端子２と負極端子３から出力される。そして、出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。このとき、第１供給部５は燃料タンク４中のメタノール水溶液などの燃料を燃料電池スタック１のアノード電極２１に供給し、第２供給部６は酸化剤である空気などのガスを燃料電池スタック１のカソード電極２２に供給する。また、制御部７は燃料を供給する第１供給部５と空気などのガスを供給する第２供給部６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部機器（図示せず）への出力と蓄電部８への充放電を制御する。そして、燃料タンク４と第１供給部５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極２１に燃料を供給する燃料供給部を構成する。一方、第２供給部６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極２２に酸化剤などのガスを供給する酸化剤供給部を構成する。また、分離部１０は、アノード電極２１およびカソード電極２２から排出される気液混合流体から液体成分（主に、水）を分離してタンク１２に貯留し、貯留された液体成分は燃料タンク４から供給される燃料とともに第１供給部５に供給する。

以下に、燃料電池スタック１の構造および動作について簡単に説明する。

図２に示すように、燃料電池スタック１は、起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）２４と、ＭＥＡ２４を挟むように配置された、アノード側エンドプレート２５とカソード側エンドプレート２６を有する。なお、燃料電池スタックを、ＭＥＡ２４を複数枚積層して構成する場合、ＭＥＡ２４間にセパレータを設け、セパレータを介して積層する。そして、アノード側エンドプレート２５とカソード側エンドプレート２６は、ＭＥＡ２４の積層方向の両端を挟む。

また、ＭＥＡ２４は、アノード電極２１、カソード電極２２、アノード電極２１とカソード電極２２との間に介在する電解質膜２３とが積層して構成されている。そして、アノード電極２１はアノード側エンドプレート２５の側から順に、拡散層２１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）２１Ｂ、触媒層２１Ｃを積層して構成されている。同様に、カソード電極２２は、カソード側エンドプレート２６の側から順に、拡散層２２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）２２Ｂ、触媒層２２Ｃを積層して構成されている。さらに、正極端子２はカソード電極２２に、負極端子３はアノード電極２１に、それぞれ電気的に接続されている。

ここで、拡散層２１Ａ、２２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ２１Ｂ、２２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。そして、触媒層２１Ｃ、２２Ｃは、白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。また、電解質膜２３は、水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。アノード側エンドプレート２５、カソード側エンドプレート２６とセパレータは、例えばカーボン材やステンレス鋼で構成され、アノード電極２１には燃料を流通させる燃料流路２５Ａ、カソード電極２２には酸化剤などのガスを流通するガス流路２６Ａが、例えば溝形状で設けられている。

上記のように構成された燃料電池スタック１は、図１と図２に示すように、アノード電極２１に燃料であるメタノールを含む水溶液が燃料ポンプからなる第１供給部５によって供給され、カソード電極２２に空気ポンプなどからなる第２供給部６によって加圧された酸化剤である空気などのガスが供給される。そして、アノード電極２１に供給されたメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層２１ＡにてＭＰＬ２１Ｂの全面に拡散し、さらにＭＰＬ２１Ｂを通過して触媒層２１Ｃに達する。同様に、カソード電極２２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層２２ＡでＭＰＬ２２Ｂの全面に拡散し、ＭＰＬ２２Ｂを通過して触媒層２２Ｃに達する。また、触媒層２１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層２２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。

その結果、電力が発生するとともに、アノード電極２１側には二酸化炭素、カソード電極２２側には水などの気液混合流体が、それぞれ反応生成物として生成され、図１に示す分離部１０に供給される。そして、以下で、図３を用いて詳細に説明するように、分離部１０の気液分離膜を介して、アノード電極２１の二酸化炭素は燃料電池システムから外部へと排気されるとともに、カソード電極２２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素も、同様に燃料電池システムの外部へと排気される。このとき、アノード電極２１側ではメタノール水溶液中のメタノールの全てが反応に寄与するわけではないので、図１に示すように排出されたメタノール水溶液は、分離部１０のタンク１２を介して第１供給部５に還流される。同様に、アノード電極２１の反応で消費される水を供給するために、カソード電極２２で生成した水も、分離部１０のタンク１２を介して第１供給部５に還流されアノード電極２１側へ供給される。

これにより、燃料電池スタック１から排出される水などの液体成分を分離部１０を介して、循環させることで、燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節することができる。その結果、外部から水を供給する必要がなくなるとともに、反応生成物の水を外部に排出する（廃棄する）必要がなくなる。したがって燃料電池システムの可搬性、携帯性や、燃料などの利用効率が向上する。

そして、分離部１０を介して、水などの液体を効率的に循環させるには、分離部１０のタンク１２に回収される液体の量を所定の範囲内に保つとともに、液体がタンクから溢れたり、渇水状態にならないように、制御して第１供給部５に供給することが重要となる。なぜなら、液体の量、つまり液量または貯留量が過剰になると分離部１０のタンク１２から漏液する。また、液体の貯留量が過少になると、アノード電極に供給される燃料の濃度を調節することができなくなる。

そのため、燃料電池システムの高い信頼性を維持するには、特に、分離部１０のタンク１２に貯留される液体の量、特に上限量および下限量を高感度に検出するとともに、高精度に制御することが重要となる。

そこで、以下に、液体の量を検出するとともに、特に上限量および下限量を高感度に検出する分離部１０の液量検知部の構造および検出感度について、図３および図４を用いて詳細に説明する。

図３（ａ）は本発明の実施の形態１における分離部の斜視図で、図３（ｂ）は図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の３Ｃ−３Ｃ線断面図である。

図３に示すように、分離部１０は、少なくともタンク３０と、タンク３０の対向する側面に設けられた一対の検出電極からなる液量検知部３６と、気液分離膜３１と、導入管３２Ａ、３２Ｂと排出管３２Ｃとで構成されている。このとき、導入管３２Ａ、３２Ｂはタンク３０の上部に、排出管３２Ｃはタンク３０の下部にそれぞれ接続されている。そして、カソード電極で発生した反応生成物である水や水蒸気およびカソード電極を経たガスは導入管３２Ａから分離部１０のタンク３０へ流入する。一方、アノード電極で発生した反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールを含む水は導入管３２Ｂから分離部１０のタンク３０へ流入する。

また、タンク３０の上面に設けられた気液分離膜３１は、気液混合流体である、二酸化炭素や水蒸気などの気体成分と水などの液体成分を分離し、余分な気体成分を外部に気体状態で排出するとともに、液体３８をタンク３０内に貯留する。そして、タンク３０内に貯留された液体３８は、排出管３２Ｃに設けた図示しない弁を介して、図１に示す第１供給部５の入口側へ供給される。なお、気液分離膜３１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシートで構成することができる。または、これらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。また、タンク３０は樹脂やセラミック等の絶縁材料で構成される。

また、図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、タンク３０の対向する一対の側面には、少なくとも第１検出部３３と第２検出部３４の位置に、例えばタンク３０の内面に突出する凹凸形状が設けられている。そして、第１検出部３３と第２検出部３４を含む領域に一対の検出電極３６Ａ、３６Ｂを対向して設けて液量検知部３６を構成している。このとき、第１検出部３３は、タンク３０内に貯留される液体の所定の上限量の位置に設けられ、第２検出部３４は、液体の所定の下限量の位置に設けられる。そして、検出電極３６Ａと検出電極３６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク３０内の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かを検出する。特に、第１検出部３３と第２検出部３４においては、以下、図４を用いて説明するように、検出電極３６Ａと検出電極３６Ｂの間隔が小さい（狭い）ので、それ以外の領域で検出される静電容量の変化率よりも大きな静電容量の変化率で検出され、高い検出感度が実現される。

なお、一般に、液量検知部３６において、対向する検出電極３６Ａ、３６Ｂ間に存在する気体部分と液体部分の静電容量が並列で検出され、その変化から液体３８の量が制御部７の算出部７Ａにより算出されて検出される。また、タンク３０の壁面（側面）の静電容量は、検出電極間において、液体または気体の静電容量と直列に接続されて、その一部を構成するので、検出精度を向上させるために、誘電率の小さい材料で構成することが好ましい。

そして、制御部７は液体３８の液量に基づいて第２供給部６の流量などを制御し、タンク３０内の液体３８の液量を所定の範囲内に制御する。

以下、上記構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量の関係について、図４を用いて説明する。

図４は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を説明する模式図である。なお、図４中には、比較のために、図１３で説明した従来構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を示す特性Ｂ（点線）も同時に示している。そして、図４は、横軸に分離部１０のタンク３０内の液体の量を示し、縦軸に、その液体の量に対する液量検知部で検出された静電容量を示している。

図４に示すように、本実施の形態の液量検知部で得られる特性Ａは、第１検出部と第２検出部の領域において、従来の液量検知部で得られる特性Ｂよりも、液体の量の変化に対する静電容量の変化が大きく、高感度で検出できることがわかる。これは、第１検出部と第２検出部で、対向する検出電極の電極間隔を小さく（狭く）することにより、電極間隔に反比例して大きな静電容量を検出できることによるものである。なお、液量検知部の第１検出部と第２検出部以外の領域では、従来の液量検知部と電極面積および電極間隔が同じであれば、同じ傾きの特性（感度）で液体の量が検出される。

これにより、タンクに貯留される液体の量を、特に上限量や下限量近傍において、高感度に検出することで制御性を向上させ、オーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制してタンクからの液体の溢れや渇水を未然に防止できる。

以下に、液量検知部の一対の検出電極間の静電容量の変化から液体３８の量（貯留量）を測定する方法の一例について、図５と図６を用いて簡単に説明する。

図５は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御部の算出部の構成を示すブロック回路図で、図６は図５に示すブロック回路図の主要な位置における波形図である。

図５に示すように、算出部７Ａは、パルス発生部４１と、抵抗器４３、４４と、排他的論理和ゲート４５とパルス時間測定部４２とから構成されている。このとき、パルス発生部４１は抵抗器４３、４４の一方の端子に接続され、他方の端子は排他的論理和ゲート４５の入力端子に接続されている。また、検出電極３６Ａはグランドに接続され、検出電極３６Ｂは抵抗器４４と排他的論理和ゲート４５の入力端子との間に接続されている。そして、排他的論理和ゲート４５の出力端子はパルス時間測定部４２に接続されている。

以下、図６を参照しながら、静電容量の変化から液体の量を測定する方法について説明する。

まず、図６（ａ）に示すパルス信号が、パルス発生部４１から抵抗器４３、４４の一方の端子に入力される。

つぎに、図６（ｂ）に示すように、抵抗器４３の一方の端子に入力されたパルス信号は、抵抗器４３の他方の端子である点Ｘで、入力されたパルス信号とほぼ同じタイミングの信号が出力される。このとき、パルス信号の立ち上がりと立ち下りにおいて、抵抗器４３の抵抗値と、配線などに起因する浮遊容量により、波形が若干鈍った状態で排他的論理和ゲート４５に入力される。

一方、図６（ｃ）に示すように、抵抗器４４の他方の端子である点Ｙには検出電極３６Ａと検出電極３６Ｂ間の静電容量Ｃによって、抵抗器４４に入力されたパルス信号の立ち上がりと立ち下がりにおいて、抵抗器の抵抗値Ｒと静電容量Ｃの時定数により大きく鈍った状態で排他的論理和ゲート４５に入力される。

つぎに、図６（ｄ）に示すように、排他的論理和ゲート４５の出力である点Ｚの出力には入力パルス１つに対して、立ち上がりと立ち下がりの両方のタイミングで検出電極間の静電容量に比例した幅のパルス信号が出力される。そして、このパルス信号の幅をパルス時間測定部４２で計測して検出電極間の静電容量を推定する。さらに、推定した静電容量とタンク内の液体の量との関係式を予め記憶している算出部７Ａは、関係式からタンク内の液体の量を算出する。

なお、点Ｙの出力は、点Ｘの出力と同様に、検出電極が接続されていなければ入力容量（浮遊容量）と抵抗器４３の抵抗値との時定数により同様に鈍る。そこで、静電容量を正確に推定するために、抵抗器４３、４４の抵抗値をできるだけそろえて、入力容量に起因する誤差を抑制することが好ましい。

本実施の形態によれば、電極間隔が小さくなる第１検出部と第２検出部を、一対の検出電極３６Ａ、３６Ｂの一部に設けることにより、貯留される液体の上限量および下限量を、高感度で検出できる。その結果、制御遅れなどによる液体の量のオーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制し、液体の溢れや渇水を未然に防止し信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。つまり、液体の量の変化（増減量）が小さくても、大きな静電容量で検出できるため、高感度とともに、高精度な制御を実現できる。

また、本実施の形態によれば、第１検出部と第２検出部を凹凸形状で設けることにより、検出電極の面積を拡大できる。その結果、分離部のタンク内に貯留される液体を効率的に放熱して温度を下げ、液体の蒸散量（蒸発量）による液量の過剰な減少を抑制できる。そのため、検出電極３６Ａ、３６Ｂは熱伝導率の観点から、銅またはその合金、アルミニウムまたはその合金で形成することが好ましい。これらの金属の板や箔をタンク３０に結合させて用いることができる。あるいは蒸着等の方法で薄膜として形成してもよい。

なお、本実施の形態では、第１検出部と第２検出部の２箇所に電極間隔の小さい領域を設けた例で説明したが、高い検出精度が必要な任意の箇所に複数、電極間隔の小さい領域を設けてもよい。

また、本実施の形態では、図３（ｃ）に示すように、第１検出部と第２検出部の断面形状が矩形形状である場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、図７（ａ）から図７（ｄ）に示すように、断面形状が直角三角形などの三角形状、台形形状や半円形状などでもよく、電極間隔が小さく（狭く）なる形状であれば形状は任意である。これらにより、上記と同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。なお、分離部以外は、図１を用いて説明した実施の形態１の燃料電池システムと同様であるので、説明を省略する。

図８（ａ）は本発明の実施の形態２における分離部５０の斜視図で、図８（ｂ）は図８（ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）の８Ｃ−８Ｃ線断面図である。

図８（ａ）および図８（ｃ）に示すように、分離部５０のタンク５１の対向する一対の側面の少なくとも第１検出部５３と第２検出部５４の位置に設けた、例えばタンク５１の内面に突出する凹凸形状の領域に、少なくとも液体の比誘電率よりも高い比誘電率を有する材料５５を充填して設け、第１検出部５３と第２検出部５４を構成した点で異なる。また、タンクの対向する側面で、第１検出部５３と第２検出部５４を含む領域に平坦な一対の検出電極５６Ａ、５６Ｂを設けて液量検知部５６を構成した点で、実施の形態１の液量検知部３６と異なる。なお、その他の構成や材料などは同様であり、説明を省略する。

すなわち、図８（ａ）および図８（ｃ）に示すように、タンク５１の対向する一対の側面には、少なくとも第１検出部５３と第２検出部５４の位置に、例えばタンク５１の内面に突出する凹凸形状が設けられ、その凹凸形状の凹部または凸部に高い比誘電率を有する材料５５が充填されている。そして、第１検出部５３と第２検出部５４を含む領域に平坦な（平面状）一対の検出電極５６Ａ、５６Ｂが対向して設けられて液量検知部５６が構成される。このとき、第１検出部５３および第２検出部５４は、実施の形態１と同様に、タンク５１内に貯留される液体の所定の上限量および下限量の位置に対応して設けられる。

ここで、材料５５としては、タンク５１に貯留される液体成分（主に、水）の比誘電率（例えば、８０）より高い比誘電率を有する、例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）などの誘電体セラミックや、それらを樹脂と混合した混合物などを用いることができる。

そして、高い比誘電率を有する材料５５で第１検出部および第２検出部の凹凸形状を充填して埋めた部分の静電容量と、液体成分や気体成分の部分の静電容量が、直列に接続され、一対の検出電極で検出される。これにより、タンクの対向する側面に平面状に設けた電極間隔が一定の検出電極の構成においても、第１検出部および第２検出部により、大きな静電容量を検出できる。これは、液体成分よりも高い比誘電率からなる部分の静電容量が、検出電極間の静電容量においてほとんど寄与せず、実効的に液体成分や気体成分の部分の静電容量を検出できることによるものである。そのため、第１検出部と第２検出部の凹凸形状を、液体成分よりも、小さい比誘電率の材料で充填すると、小さい比誘電率の部分の静電容量が主に検出電極で検出され、液体成分や気体成分の部分の静電容量が検出されないことになるので、好ましくない。

上記構成の液量検知部５６の検出電極５６Ａと検出電極５６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク５１の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かを検出できる。特に、第１検出部５３と第２検出部５４に高い比誘電率の材料５５を介在させることにより、検出電極５６Ａと検出電極５６Ｂの間隔が小さく（狭く）することなく、それ以外の領域で検出される静電容量の変化率よりも大きな静電容量の変化率で検出して、高い検出感度を有する液量検知部を実現できる。

なお、上記液量検知部の一対の検出電極間の静電容量の変化から液体の量（貯留量）を測定する方法は、実施の形態１の図５および図６を用いて説明した方法と同様であるので、説明を省略する。

また、本実施の形態を、図７で説明した構造の液量検知部に適用しても、同様の効果が得られることはいうまでもない。

（実施の形態３）
以下に、本発明の実施の形態３における燃料電池システムについて、図面を用いて説明する。なお、分離部以外は、図１を用いて説明した実施の形態１の燃料電池システムと同様であるので、説明を省略する。

図９（ａ）は本発明の実施の形態３における分離部６０の斜視図で、図９（ｂ）は図９（ａ）の９Ｂ−９Ｂ線断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）の９Ｃ−９Ｃ線断面図である。

図９（ａ）および図９（ｃ）に示すように、分離部６０のタンク６１の対向する一対の側面は、少なくとも第１検出部６３と第２検出部６４を、例えば波形形状で、対向する間隔が等しい凹凸形状で加工され、第１検出部６３と第２検出部６４を含む領域に一対の検出電極６６Ａ、６６Ｂを設けて液量検知部６６を構成した点で、実施の形態１の液量検知部３６と異なる。なお、その他の構成や材料などは同様であり、説明を省略する。

すなわち、図９（ａ）および図９（ｃ）に示すように、タンク６１の対向する一対の側面には、少なくとも第１検出部６３と第２検出部６４の位置に、例えば対向する間隔が等しい波形形状からなる凹凸形状が設けられ、第１検出部６３と第２検出部６４を含む領域に一対の検出電極６６Ａ、６６Ｂが対向して設けられて液量検知部６６を構成している。このとき、第１検出部６３および第２検出部６４は、実施の形態１と同様に、タンク６１内に貯留される液体の所定の上限量および下限量の位置に設けられる。

つまり、第１検出部６３および第２検出部６４において、検出電極を波形形状とすることにより、対向する電極面積を拡大して検出感度を高めることができる。

そして、制御部７は液体３８の液量に基づいて、第２供給部６で供給する空気などの流量を制御し、タンク６１内の液体３８の液量を所定の範囲内に制御する。

以下、上記構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量の関係について、図１０を用いて説明する。

図１０は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの液量検知部の液体の量と静電容量との関係を説明する模式図である。なお、図１０中には、比較のために、図１３で説明した従来構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を示す特性Ｂ（点線）も同時に示している。

図１０に示すように、本実施の形態の液量検知部６６で得られる特性Cは、第１検出部と第２検出部の領域において、従来の液量検知部で得られる特性Ｂよりも、液体の量の変化に対する静電容量の変化が大きく、高感度に検出できることがわかる。これは、第１検出部と第２検出部で、対向する検出電極の電極面積を拡大（広く）することにより、電極面積に比例して大きな静電容量を検出できることによるものである。

また、波形形状の検出電極にも関わらず、検出電極の間隔が一定であるために、従来の液量検知部と同様に、液体の量と静電容量の関係が高い線形性を有している。これにより、制御部での複雑な制御を回避して、制御部の構成を簡略化できるとともに、高精度の制御を実現できる。なお、液量検知部の第１検出部と第２検出部以外の領域では、従来の液量検知部と電極面積および電極間隔が同じであれば、同じ傾きの特性（感度）で液体の量が検出される。

これにより、タンクに貯留される液体の量を、特に上限量や下限量近傍において、高感度に検出することで制御性を向上させ、オーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制してタンクからの液体の溢れや渇水を未然に防止できる。

本実施の形態によれば、第１検出部および第２検出部において、波形形状で対向する一対の検出電極６６Ａ、６６Ｂを構成することにより、特に第１検出部および第２検出部で電極面積を拡大し、液体の上限量および下限量を高感度で検出できる。その結果、制御遅れなどによる液体の量のオーバーシュートやアンダーシュートの発生を抑制し、液体の溢れや渇水を未然に防止し信頼性に優れた燃料電池システムを実現できる。つまり、液体の量の変化（増減量）が小さくても、大きな静電容量で検出できるため、高感度とともに高精度の制御を実現できる。

また、本実施の形態によれば、第１検出部と第２検出部を波形形状で設けることにより、検出電極の面積を拡大できる。これにより、分離部のタンク内に貯留される液体を効率的に放熱して温度を下げ、液体の蒸散量（蒸発量）による液量の過剰な減少を抑制できる。なお、放熱効果を高めるために、液体成分が貯留される時間が長い、特に第２検出部の波形形状の凹凸の数を多くして電極面積を拡大してもよい。

以下に、本発明の実施の形態３における分離部の別の例について、図１１を用いて説明する。

図１１（ａ）は本発明の実施の形態３における分離部の別の例の斜視図で、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の１１Ｂ−１１Ｂ線断面図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）の１１Ｃ−１１Ｃ線断面図である。

図１１（ａ）および図１１（ｃ）に示すように、分離部７０のタンク７１の対向する側面に波形形状で設けた第１検出部７３と第２検出部７４において、対向する波形形状の間隔が異なるように設けた点で、上記液量検知部６６と異なる。

すなわち、図１１（ｃ）に示すように、タンク７１の対向する一対の側面に設けた第１検出部７３と第２検出部７４は、例えば波形形状で、対向する間隔が異なるように凹凸形状に加工され、第１検出部７３と第２検出部７４を含む領域に一対の検出電極７６Ａ、７６Ｂを設けて液量検知部７６が構成されている。そして、上記と同様に、検出電極７６Ａと検出電極７６Ｂ間の静電容量（電気容量）の変化により、タンク７１の液体３８の量が、所定の範囲内に維持されているか否かを検出できる。特に、第１検出部６３および第２検出部６４において、電極面積を拡大して、大きな静電容量で検出することにより、液体の量を高感度で検出できる。

以下、第１検出部６３および第２検出部６４において、対向する検出電極間の間隔が異なる液量検知部で検出される液体の量と静電容量の関係について、図１２を用いて説明する。

図１２は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの液量検知部の別の例で検出される液体の量と静電容量の関係を説明する模式図である。なお、図１２中には、比較のために、図１３で説明した従来構成の液量検知部で検出される液体の量と静電容量の関係を示す特性Ｂ（点線）も同時に示している。そして、図１２は、横軸に分離部７０のタンク７１内の液体の量を示し、縦軸に、その液量に対する静電容量の変化を示している。

図１２に示すように、本実施の形態の液量検知部７６で得られる特性Dは、図４の特性Ａと同様に、第１検出部と第２検出部の領域において、従来の液量検知部で得られる特性Ｂよりも、液体の量の変化に対する静電容量の変化が大きく、高感度に検出できることがわかる。

このとき、本実施の形態では、第１検出部と第２検出部の領域において、波形形状の検出電極の間隔が対向する位置により異なるため、対向する波形の間隔の変化に同期して、液体の量に対して検出される静電容量が変化している。つまり、検出電極の間隔が狭くなるにしたがって、大きな静電容量が得られ、検出電極の間隔が広くなるにしたがって、小さい静電容量が得られている。その結果、第１検出部と第２検出部の領域において、液体の量に対する静電容量の変化の傾きが異なって検出される。

本実施の形態によれば、第１検出部および第２検出部において、液体の量と静電容量とが線形な関係で検出されないが、対向する検出電極７６Ａ、７６Ｂの電極面積を拡大して、大きな静電容量で検出することにより、液体の量を高感度に検出できる。また、特に第１検出部および第２検出部で、少なくとも所定の位置の検出電極の間隔が狭くなる位置では、さらに検出感度を向上できる。

なお、上記実施の形態では、第１検出部および第２検出部のタンクの高さ方向において、波形形状からなる凹凸形状の検出電極の対向する凹部の底部（または凸部の頂部）の位置が一致する（０°）場合と、１８０°位相が異なる場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、検出電極の対向する凹部の底部（または凸部の頂部）間の位相が、０°から１８０°の範囲で、任意に配置してもよく、高感度で液体の量を検出できる。

なお、上記各実施の形態では、基本的に燃料電池システムが平坦な場所に設置された場合にタンクの液量を検出し制御することを例に説明したが、これに限られない。例えば、傾斜センサなどを燃料電池システムに組み込み、傾斜センサによりタンクの傾き量を検出して、その傾き量で液量を補正して、同様の処理をしてもよい。これにより、例えば携帯機器など使用場所などの制約を大幅に緩和でき、利用範囲が拡大するとともに、制御精度をさらに向上できる。

また、上記各実施の形態では、液量検知部として、タンクの対向する側面の全面に検出電極を設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、２分割などの複数に分割した検出電極を形成して、複数の対向する検出電極間の静電容量の測定値から、液量の検出とともに、前後や左右の傾き量の検知部として用いてもよい。具体的には、例えば図３（ａ）において、液量検知部３６の検出電極を左右に分割すれば、タンクが図面中の左右方向に傾いた場合、左右の液量検知部の静電容量に差が生じる。この差により、左右の傾き量を検知できる。また、検出電極を上下に分割すれば、前後の傾き量を検出できる。さらに、検出電極を左右および上下に分割すれば、左右および前後の傾き量を検出できる。同様に、タンクの異なる側面に別の複数分割した検出電極を形成してもよい。

また、上記各実施の形態では、ＤＭＦＣを例に説明したがこれに限られず、セルスタックと同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成の適用が可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。

本発明の燃料電池システムによれば、高い信頼性と、小型で携帯性が特に要望される電子機器の電源として有用である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの発電動作を説明する断面模式図 （ａ）本発明の実施の形態１における分離部の斜視図、（ｂ）図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線断面図、（ｃ）図３（ａ）の３Ｃ−３Ｃ線断面図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの液量検知部で検出される液体の量と静電容量との関係を説明する模式図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの制御部の算出部の構成を示すブロック回路図 図５に示すブロック回路図の主要な位置における波形図 （ａ）〜（ｄ）本発明の実施の形態１における分離部の第１検出部および第２検出部の別の例の形状を説明する断面図 （ａ）本発明の実施の形態２における分離部の斜視図、（ｂ）図８（ａ）の８Ｂ−８Ｂ線断面図、（ｃ）図８（ａ）の８Ｃ−８Ｃ線断面図 （ａ）本発明の実施の形態３における分離部の斜視図、（ｂ）図９（ａ）の９Ｂ−９Ｂ線断面図、（ｃ）図９（ａ）の９Ｃ−９Ｃ線断面図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの液量検知部の液体の量と静電容量との関係を説明する模式図 （ａ）本発明の実施の形態３における分離部の別の例の斜視図、（ｂ）図１１（ａ）の１１Ｂ−１１Ｂ線断面図、（ｃ）図１１（ａ）の１１Ｃ−１１Ｃ線断面図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの液量検知部の別の例で検出される液体の量と静電容量の関係を説明する模式図 （ａ）従来の燃料電池システムの液量検知機能を説明するタンクの概略斜視図、（ｂ）図１３（ａ）の１３Ｂ−１３Ｂ線断面図、（ｃ）図１３（ａ）の１３Ｃ−１３Ｃ線断面図

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 正極端子
３ 負極端子
４ 燃料タンク
５ 第１供給部
６ 第２供給部
７ 制御部
７Ａ 算出部
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０，５０，６０，７０ 分離部
１１，３６，５６，６６，７６，１３６ 液量検知部
１２，３０，５１，６１，７１，１１０ タンク
１３ 冷却部
２１ アノード電極
２１Ａ，２２Ａ 拡散層
２１Ｂ，２２Ｂ 微多孔層（ＭＰＬ）
２１Ｃ，２２Ｃ 触媒層
２２ カソード電極
２３ 電解質膜
２４ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２５ アノード側エンドプレート
２５Ａ 燃料流路
２６ カソード側エンドプレート
２６Ａ ガス流路
３１ 気液分離膜
３２Ａ，３２Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ 導入管
３２Ｃ，１３２Ｃ 排出管
３３，５３，６３，７３ 第１検出部
３４，５４，６４，７４ 第２検出部
３６Ａ，３６Ｂ，５６Ａ，５６Ｂ，６６Ａ，６６Ｂ，７６Ａ，７６Ｂ，１３６Ａ，１３６Ｂ 検出電極
３８ 液体
４１ パルス発生部
４２ パルス時間測定部
４３，４４ 抵抗器
４５ 排他的論理和ゲート
５５ 材料

Claims (7)

1. アノード電極とカソード電極と前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体を含む燃料電池スタックと、
   前記アノード電極に燃料を供給する第１供給部と、
   前記カソード電極に酸化剤を含むガスを供給する第２供給部と、
   前記アノード電極で発生した反応生成物および前記燃料の残分と前記カソード電極で発生した反応生成物および前記カソード電極を経た前記ガスの少なくとも一方で構成された気液混合流体から液体を分離する気液分離膜および分離された前記液体を保持するタンクとを有する分離部と、
   前記タンクの互いに対向する側面に、少なくとも前記液体の上限量および下限量の所定の位置に第１検出部および第２検出部を設け、前記第１検出部と前記第２検出部を含む領域に前記タンク内の前記液体の量を検出する一対の検出電極からなる液量検知部を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記検出電極の間隔が、前記第１検出部と前記第２検出部において、小さく設定されてい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。
3. 前記第１検出部と前記第２検出部を波形形状で設けて、前記第１検出部と前記第２検出部において前記検出電極の対向面積を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１検出部と前記第２検出部において、前記検出電極の対向する間隔が等しいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１検出部と前記第２検出部において、前記検出電極の対向する間隔が異なることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１検出部と前記第２検出部において、前記液体の比誘電率より大きい比誘電率を有する物質を前記タンクに設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記検出電極に接続され、前記分離部内の前記液体の量を検出する算出部を、さらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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