JP5332989B2 - 液体タンクおよび燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の液体燃料などを収容する液体タンクおよびこれを備えた燃料電池に関する。

メタノールなどの液体燃料や、水などの水素発生助剤を使用する燃料電池システムは、通常その内部に液体を貯蔵するタンクを保有している。これらの燃料電池システムにおいて、接続される機器の残り使用可能時間を予測するには、タンク内の液体の残量を正確に検出することが必須となる。

タンク内の液体の残量を予測する方法として、燃料をポンプなどで積極的に送液するアクティブ燃料電池の場合、ポンプの総駆動回数をカウントする方法が挙げられる。タンクの内容積をＶ１、ポンプ駆動一回あたりの送液体積をＶ２とし、ポンプの総駆動回数をｎとすると、タンク内の燃料はＶ１−Ｖ２×ｎという式で求められる。

しかしこの方法は、タンクが交換可能型カートリッジの場合は適用できないし、ポンプを使用しないパッシブ型の燃料電池ではそもそも適用することができない。さらに、アクティブ型の燃料電池であっても、ポンプ駆動一回あたりの送液体積Ｖ２が極めて正確でないと、測定誤差が累積して不正確な結果になりやすいという欠点がある。ＤＭＦＣの燃料として用いられるメタノールは、温度によって粘度が大きく異なる。よって、ポンプ駆動一回あたりの送液体積Ｖ２を常に一定に保つことは困難である。すなわち、事実上この方法で正確な残量を知るのは困難であった。

タンク内の液体の残量を調べる他の方法として、例えば特許文献１には、二枚の平行な平板電極を燃料タンクに設置して、静電容量によって残量を検出するという方法が提案されている。また、特許文献２では、対向する櫛形電極をプリント基板にパターニングし、配線間に生じる浮遊静電容量を検出することによって、液体の体積を知る方法が提案されている。

特開２００６−４０８３６号公報 特開２００５−３５１６８８号公報

しかしながら、特許文献１の方法で十分な検出感度を得るには、平板電極間の距離を短くする必要があった。そのため、表面張力によって水位が変化してしまい、正しい体積が計測できないという問題点があった。また、特許文献２の方式ではプリント基板の両側の面に対して検出感度を持っており、手などを近付けることによって検出結果が変動してしまうという問題点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、測定結果に対する外乱の影響を小さくし、正確な体積を計測することが可能な液体タンクおよびこれを用いた燃料電池を提供することにある。

本発明の液体タンクは、液体を貯留する液体容器部と、液体容器部に貯留された液体の体積を検出する検出素子とを備え、検出素子は、表面に浮遊静電容量を検知するための一対の検出電極を有し、一対の検出電極が液体容器部内の液体と保護層を介して間接的に接触する第１基板と、シールド電極を有すると共に第１基板の裏面の側に配置された第２基板とを有し、保護層に対する液体の接触角の余弦が負であるものである。

本発明の燃料電池は、燃料電池本体と、液体タンクを有する燃料カートリッジとを備え、液体タンクは、上記本発明の液体タンクにより構成されているものである。

本発明の液体タンクでは、検出素子の第１基板の表面に設けられた一対の検出電極が、液体容器部内の液体と保護層を介して間接的に接触し、これにより検出電極に生じる浮遊静電容量が検知される。第１基板の裏面の側にはシールド電極を有する第２基板が配置されているので、検出素子に手などを近づけた場合でも、それに起因して発生する浮遊静電容量が検出電極によって感知されてしまうことが抑えられる。
また、保護層に対する液体の接触角の余弦が負となっているので、表面張力によって保護層の表面が液体で濡れた状態が続いてしまうことが抑えられ、正しい体積が計測される。

本発明の燃料電池では、上記本発明の液体タンクを備えているので、液体の体積の計測結果の精度が向上している。よって、より正確な残り使用可能時間を利用者に告知することが可能となり、利便性が向上する。

本発明の液体タンクによれば、検出素子の第１基板の表面に一対の検出電極を設け、この一対の検出電極を液体容器部内の液体と保護層を介して間接的に接触させて浮遊静電容量を検知する一方、第１基板の裏面の側にはシールド電極を有する第２基板を配置するようにしている。また、保護層に対する液体の接触角の余弦が負となるようにしている。これにより、測定結果に対する外乱の影響を小さくし、正確な体積を計測することが可能となる。よって、この液体タンクを用いて燃料電池を構成すれば、液体燃料の正確な残量に基づいて残り使用可能時間を予測することが可能となる。特にポータブル用途の電子機器に搭載される燃料電池に好適であり、機器の利便性を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。 図１に示した燃料電池本体をカソード側板状部材の側から見た構成を表す平面図である。 図１に示した燃料電池の主要部を表す斜視図である。 図１に示した液体タンクおよび検出素子の外観を表す斜視図である。 図４に示した検出素子の第１基板を液体容器部の側から見た構成を表す平面図である。 第２基板を液体容器部の側から見た構成を表す平面図である。 第１基板の他の構成を表す平面図である。 第２基板の他の構成を表す平面図である。 第２基板の更に他の構成を表す平面図である。 第４基板の構成を表す平面図である。 第１基板の分解斜視図である。 第１基板，第２基板および第４基板の接続関係の一例を表す図である。 図１２に示した接続関係の他の例を表す図である。 容量測定回路の構成を表す図である。 本発明の実施例において使用した等価回路を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池の断面構成を表したものである。この燃料電池１００は、液体燃料、例えばメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）であり、携帯電話なまたはノート型ＰＣ（Personal Computer ）などの電子機器に用いられるものである。燃料電池１００は、例えば、燃料電池本体１１０と、燃料カートリッジ１２０とを有している。燃料カートリッジ１２０は、本発明における「液体タンク」の一具体例に対応している。

燃料電池本体１１０は、複数の接合体１３０を有している。各接合体１３０は、電解質膜１３１を間にして、アノード電極（燃料電極）１３２とカソード電極（酸素電極）１３３とが対向配置された構成となっている。この接合体１３０は、アノード側板状部材１１１とカソード側板状部材１１２との間に挟み込まれ、例えばガスケット（図示せず）により封止されている。なお、図１では、電解質膜１３１は複数の接合体１３０の間で共通の層となっているが、接合体１３０ごとに設けられていてもよい。

電解質膜１３１は、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ３Ｈ）を有するプロトン伝導材料
により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。

アノード電極１３２およびカソード電極１３３は、例えば、カーボンペーパーなどよりなるガス拡散基材に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。アノード電極１３２には、アノード側板状部材１１１に設けられた開口１１１Ａを介してメタノールなどを含む液体燃料が気体として供給されるようになっている。また、カソード電極１３３は、カソード側板状部材１１２に設けられた開口１１２Ａを介して外部と連通しており、自然換気あるいは空気供給ポンプ（図示せず）により空気すなわち酸素が供給されるようになっている。

図２は、図１に示した燃料電池本体１１０をカソード側板状部材１１２の側から見た平面構成を表したものである。接合体１３０は、例えば面内方向に３×２の配列で計６つ配置されている。また、これら６つの接合体１３０は、図示しない集電体構造により、例えば符号Ｐ１で示したように、互いに電気的に直列接続されている。

図１に示した燃料カートリッジ１２０は、燃料電池本体１１０のアノード側板状部材１１１の側に設けられ、液体燃料Ａ１を貯留する液体容器部１２１と、気化部１２２と、後述する検出素子１とを有している。液体容器部１２１は例えば扁平な直方体形状を有している。液体容器部１と気化部１２２とは流路１２３で接続されている。流路１２３にはポンプ１２４が設けられており、液体容器部１２１内の液体燃料Ａ１はポンプ１２４により汲み上げられ気化部１２２へ向けて一方向Ｂ１に輸送されるようになっている。なお、液体容器部１２１には図示しない通気孔が設けられており、液体容器部１２１内は通常、液体燃料Ａ１と空気Ａ２とが共存した状態となっている。

気化部１２２は、液体容器部１２１から供給された液体燃料Ａ１を気化させると共に、蒸留の理論に基づき燃料に含まれる低蒸気圧の不純物（イオン性の不純物や、分子量の大きな可塑剤など）を取り除くためのものであり、例えば、厚みが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であり、ステンレス鋼、アルミニウムなどを含む金属あるいは合金、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの剛性の高い樹脂材料よりなる板状部材（図示せず）上に、燃料の拡散を促進するための拡散部（図示せず）が設けられたものである。拡散部としては、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどの無機多孔質材料や樹脂多孔質材料を用いることができる。あるいは、気化部１２２としては、ステンレス鋼よりなる板状部材を積層することにより内部流路を設けたものが好ましい。これにより、効率的な燃料供給が可能となるため、薄型化に有利となる。気化部１２２の表面には、燃料の噴出口としてのノズル部１２２Ａが形成されている。ノズル部１２２Ａは、例えば直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの口径を有している。

燃料電池本体１１０と気化部１２２との間には、封止層１４０が設けられている。この封止層１４０は、燃料電池本体１１０の外周部に設けられ、例えばシリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、テフロン（登録商標）などの樹脂材料により構成されてい
る。これにより、燃料電池本体１１０と気化部１２２との間に一定の空間Ｓが設けられ、この空間Ｓによって気化部１２２から噴出する燃料が更に拡散され、燃料電池本体１１０に対して均一に燃料が供給されるようになっている。

燃料カートリッジ１２０は、例えば図３に示したように、燃料電池本体１１０に対して着脱自在となっていることが好ましい。燃料に含まれる不純物は、気化部１２２に濃縮し、長期間の使用によって燃料供給機能を低下させる。燃料カートリッジ１２０を着脱可能とすることにより、燃料カートリッジ１２０の交換時に気化部１２２を交換し、気化部１２２に濃縮された不純物の蒸発残差を定期的に取り除くことが可能となる。

具体的には、燃料電池本体１１０の下方には、上面と四つの側面のうちの一つとが開放された収納部材１５０が配置されている。燃料電池本体１１０は、収納部材１５０の上面を覆っている。アノード側板状部材１１１またはカソード側板状部材１１２のいずれか一方には、収納部材１５０の開放された側面に対応する突片１１３が設けられている。この突片１１３は、蝶番１５１により収納部材１５０に対して回動可能に連結され、これにより燃料電池本体１１０は収納部材１５０に対して開閉可能となっている。燃料カートリッジ１２０は、収納部材１５０とアノード側板状部材１１２との間の間隙Ｇから、矢印Ｂ２方向に収納部材１５０の内部に収納され、または矢印Ｂ２とは反対の矢印Ｂ３方向に取り出されるようになっている。なお、収納部材１５０の内部の底面には、図示しない制御回路などの収納部が設けられている。

検出素子１は、液体容器部１２１に貯留された液体燃料Ａ１の体積を検出するためのものであり、液体容器部１２１の一つの面に相当している。検出素子１は、液体容器部１２１の六つの面のうちどの面に設けられていてもよいが、例えば図４に示したように、液体容器部１２１の最も面積の大きな二つの面のうち、一方の面１２１Ａに検出素子１、他方の面１２１Ｂに気化部１２２がそれぞれ設けられている。なお、検出素子１は、液体容器部１２１の六つの面の全てに設けられていてもよいし、あるいは、液体容器部１２１の一つの角を囲む三つの面に設けられてもよい。このようにすれば、液体容器部１２１の姿勢によらず液体燃料Ａ１の体積検出が可能となる。

検出素子１は、例えば、液体容器部１２１の側から、第１基板１０，第２基板２０，第３基板３０および第４基板４０を順に積層した構成を有している。第１基板１０ないし第４基板４０は、例えば、それぞれプリント基板により構成されている。

図５は第１基板１０、図６は第２基板２０について、液体容器部１２１の側から見た平面構成をそれぞれ表したものである。第１基板１０は、例えば、基材１１の表面に浮遊静電容量を検知するための一対の検出電極１２Ａ，１２Ｂを有しており、この一対の検出電極１２Ａ，１２Ｂが液体容器部１２１内の液体燃料Ａ１と直接的（後述する保護層１４を設けない場合）または間接的（保護層１４を設ける場合）に接触する。第２基板２０は、基材２１にシールド電極２２を有すると共に、第１基板１０の裏面の側に配置されている。これにより、この燃料カートリッジ１２０および燃料電池１００では、測定結果に対する外乱の影響を小さくし、正確な体積を計測することが可能となっている。

検出電極１２Ａ，１２Ｂは、液体容器部１２１の一つの面（本実施の形態では面１２１Ａ）のほぼ全体を占めていることが好ましい。第１基板１０（基材１１の表面）の法線を回転軸として横転させた場合も、正確に体積を計測することが可能となるからである。

検出電極１２Ａ，１２Ｂの形状は、検出電極１２Ａ，１２Ｂの間の隙間１３が等方的に（基材１１の表面全体にわたって均一に分布して）設けられていれば特に限定されない。検出電極１２Ａ，１２Ｂの具体的な形状としては、例えば、図６に示したような互いに間隔をあけて噛み合せられた櫛歯形状が好ましい。また、図７に示したように、検出電極１２Ａは基材１１の中央の一点から外周に向けた放射状である一方、検出電極１２Ｂは基材１１の外周に沿う形状（例えば矩形）の枠から中央に向けた放射状であってもよい。あるいは、検出電極１２Ａ，１２Ｂは、図示しないが多数の平行な直線でもよい。

第２基板２０のシールド電極２２は、検出素子１に手などを近づけた場合に、それに起因して生じる浮遊静電容量が検出電極１２Ａ，１２Ｂによって感知されてしまうことを抑えるためのものであり、例えば基材２１の表面（液体容器部１２１側の面）に設けられている。シールド電極２２の形状は、第２基板２０の基材２１の表面全体にわたって均一に分布して設けられていれば特に限定されない。具体的には、シールド電極２２は、例えば図６に示したように、第２基板２０の基材２１の表面のほぼ全体に、一面にすきまなく（ベタ）設けられていてもよい。また、シールド電極２２は、図８に示したような格子状（メッシュ）、または図９に示したような平行線状（スリット）でもよい。

第３基板３０には例えばビア（図示せず）のみが設けられている。第４基板４０には、例えば図１０に示したように、基材４１上に三つのランド４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃが設けられている。

図１１は、第１基板１０を分解して表したものである。第１基板１０の表面、すなわち基材１１の検出電極１２Ａ，１２Ｂが設けられた面には、保護層１４が配置されていることが好ましい。メタノールや水など極性の高い液体が検出電極１２Ａ，１２Ｂに直接触れないようにし、電気二重層による測定誤差を排除することが可能となるからである。保護層１４は、例えば、樹脂よりなる薄膜フィルム、またはレジストなどの塗料層により構成され、検出電極１２Ａ，１２Ｂの測定性能に支障をきたさない程度の適切な厚みを有することが望ましい。

また、保護層１４に対する液体燃料Ａ１の接触角の余弦が負、すなわち保護層１４は撥液性であることが好ましい。表面張力によって、保護層１４の表面が液体燃料Ａ１で濡れた状態が続いてしまうことを抑え、正しい体積計測を可能とすることができるからである。

図１２および図１３は、第１基板１０，第２基板２０および第４基板４０の接続関係を表したものである。第４基板４０の三つのランド４２Ａ〜４２Ｃのうち、二つのランド４２Ａ，４２Ｂは検出電極１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ接続されている。残りの一つのランド４２Ｃは、シールド電極２２に接続されている。なお、シールド電極２２は、図１２に示したように浮かした状態（フロート状態）でもよいし、図１３に示したように片側の検出電極１２Ｂに接続した状態としてもよい。

図１４は、検出素子１において、一対の検出電極１２Ａ，１２Ｂの浮遊静電容量を測定する容量測定回路の構成を表したものである。この容量測定回路５０は、例えば、第１基板１０，第２基板２０および第４基板４０よりも外側の容量測定回路搭載プリント基板（図４には図示せず）に設けられたものである。容量測定回路５０は、例えば、浮遊静電容量測定部５１と、算出部５２と、記憶部５３とを有している。

浮遊静電容量測定部５１は、検出電極１２Ａ，１２Ｂの浮遊静電容量を測定するものである。算出部５２は、浮遊静電容量測定部５１の測定結果に基づいて、液体燃料Ａ１の体積を算出するものである。

記憶部５３は、液体ポンプ１２４の動作履歴（例えば、ポンプ１２４の総駆動回数）を記憶するものである。また、算出部５２は、記憶部５３に記憶された動作履歴に基づいて液体燃料Ａ１の汲み上げ量を算出すると共に、算出した汲み上げ量と浮遊静電容量との双方に基づいて液体燃料Ａ１の体積を算出することが好ましい。このようにポンプの総駆動回数に基づく相対的計測方法と、浮遊容量から求める絶対的計測方法とを組み合わせることによって、より精度の高い残量計測が可能となる。

更に、検出素子１は、加速度センサ６０および姿勢測定回路６１を有している。加速度センサ６０は、鉛直方向に対する液体容器部１２１の姿勢を計測するためのものであり、液体容器部１２１の検出素子１が設けられた面１２１Ａに取り付けられている。姿勢測定回路６１は、加速度センサ６０の計測結果に基づいて、液体容器部１２１の姿勢を測定するものである。

容量測定回路５０の算出部５２は、加速度センサ６０により計測された液体容器部１２１の姿勢に関する情報に基づいて液体燃料Ａ１の体積を算出することが好ましい。検出素子１が液体容器部１２１の特定の面のみに設けられている場合には、液体容器部１２１の姿勢によって測定結果が不正確となる可能性がある。加速度センサ６０により液体容器部１２１の姿勢を調べ、例えば第１基板１０の法線方向の加速度がゼロである場合のみ測定を行うことにより、正確な計測が可能となる。

この燃料電池１００は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、上述した第１基板１０ないし第４基板４０を積層して検出素子１を形成し、この検出素子１を液体容器部１２１の面１２１Ａに配設する。

また、液体容器部１２１の面１２１Ｂに気化部１２２を配設し、液体容器部１２１と気化部１２２とを流路１２３で接続する。流路１２３にはポンプ１２４を設ける。これにより、図１に示した燃料カートリッジ１２０が形成される。

また、上述した材料よりなる電解質膜１３１を、上述した材料よりなるアノード電極１３２およびカソード電極１３３の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１３１にアノード電極１３２およびカソード電極１３３を接合し、接合体１３０を形成する。そののち、接合体１３０を電気的に直列に接続し、アノード側板状部材１１１およびカソード側板状部材１１２の間に配設する。以上により、図１に示した燃料電池本体１１０が形成される。最後に、燃料電池本体１１０のアノード側板状部材１１１の外側に、燃料カートリッジ１２０を配設する。以上により、図１に示した燃料電池１００が完成する。

この燃料電池１００では、各接合体１３０のアノード電極１３２に、液体容器部１２１から液体燃料Ａ１が供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質膜１３１を通ってカソード電極１３３に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。これにより、液体燃料Ａ１すなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて電流として取り出され、外部の負荷が駆動される。

その際、図１４に示したように、一対の櫛歯形状の検出電極１２Ａ，１２Ｂは、液体燃料Ａ１または空気Ａ２と直接的または間接的に接触している。この検出電極１２Ａ，１２Ｂに生じた浮遊静電容量が、容量測定回路５０において浮遊静電容量測定部５１により測定される。この浮遊静電容量は、液体燃料Ａ１の比誘電率εliquid（メタノールの場合、３２．６）が空気Ａ２の比誘電率εair（＝１）と大きく異なることから、液体容器部１２１が直方体である場合には液体燃料Ａ１の体積（残量）に応じてリニアに変化する。よって、算出部５２は、浮遊静電容量測定部５１の測定結果に基づいて、液体燃料Ａ１の体積（残量）を算出することができる。

ここでは、第１基板１０の裏面の側に、シールド電極２２を有する第２基板２０が配置されているので、検出素子１に手などを近づけた場合でも、それに起因して発生する浮遊静電容量が検出電極１２Ａ，１２Ｂによって感知されてしまうことが抑えられる。よって、測定結果に対する外乱の影響が小さくなり、液体燃料Ａ１の正確な残量に基づいて残り使用可能時間を予測することが可能となる。

一方、記憶部５３は、液体ポンプ１２４の動作履歴（例えば、ポンプ１２４の総駆動回数）を記憶する。算出部５２は、この記憶部５３に記憶された動作履歴に基づいて、Ｖ１−Ｖ２×ｎ（Ｖ１は液体容器部１２１の内容積、Ｖ２はポンプ１２４の駆動一回あたりの送液体積、ｎはポンプ１２４の総駆動回数）という式に基づいて液体燃料Ａ１の汲み上げ量を算出する。算出部５２が、算出した汲み上げ量と浮遊静電容量との双方に基づいて液体燃料Ａ１の体積を算出することにより、より精度の高い残量計測を行うことが可能となる。

容量測定回路５０の算出部５２は、加速度センサ６０により計測された液体容器部１２１の姿勢に関する情報に基づいて液体燃料Ａ１の体積を算出することが好ましい。検出素子１が液体容器部１２１の特定の面のみに設けられている場合には、液体容器部１２１の姿勢によって測定結果が不正確となる可能性がある。加速度センサ６０により液体容器部１２１の姿勢を調べ、例えば第１基板１０の法線方向の加速度がゼロである場合のみ測定を行うことにより、正確な計測が可能となる。

このように本実施の形態では、検出素子１の第１基板１０の表面に一対の検出電極１２Ａ，１２Ｂを設け、この一対の検出電極１２Ａ，１２Ｂを液体容器部１２１内の液体燃料Ａ１と直接的または間接的に接触させて浮遊静電容量を検知する一方、第１基板１０の裏面の側にはシールド電極２２を有する第２基板２０を配置するようにしたので、測定結果に対する外乱の影響を小さくし、正確な体積を計測することが可能となる。よって、液体燃料Ａ１の正確な残量に基づいて残り使用可能時間を予測することが可能となり、利便性が向上し、特にポータブル用途の電子機器に搭載される燃料電池に好適である。

また、検出電極１２Ａ，１２Ｂは、プリント基板等の第１基板１０上に容易に形成することが可能であり、従来のような二枚の平行な平板電極の間の静電容量を検出する方法と異なり、十分な検出感度を得るために平板電極間の距離を短くする必要がない。よって、低コストで製造することが可能であると共に、表面張力によって水位が変化し計測結果に影響を与えることを抑えられる。

更に、第１基板１０の表面に、樹脂よりなる薄膜フィルムまたはレジストなどの塗料層よりなる保護層１４を設けるようにしたので、液体燃料Ａ１が検出電極１２Ａ，１２Ｂに直接接することがなくなる。よって、メタノールなどの極性分子を測定する際に、検出電極１２Ａ，１２Ｂ表面に電気二重層が発生することを抑え、測定誤差を極めて小さくすることが可能である。

更に、本発明の具体的な実施例について説明する。

（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８）
上記実施の形態と同様にして、１９×３５ｍｍサイズの検出素子１を作製した。その際、第１基板１０ないし第４基板として四層のプリント基板を用い、第１基板１０には、図５に示したような一対の櫛形の検出電極１２Ａ，１２Ｂを互いに間隔をあけて噛み合せるように形成した。第２基板２０には、図６に示したベタ、または図８に示したメッシュ状のシールド電極２２を形成した。第３基板３０にはビアのみを形成した。第４基板４０には、図１０に示したように、３つのランド４２Ａ〜４２Ｃを形成した。３つのランド４２Ａ〜４２Ｃのうち、２つのランド４２Ａ，４２Ｂは検出電極１２Ａ，１２Ｂにそれぞれ接続し、残りの一つのランド４２Ｃはシールド電極２２に接続した。

表１は、作製した８種類の検出素子１（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８）の詳細を表したものである。第１基板１０については、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４では、表面に保護層１４として厚さ３５μｍレジストよりなる塗料層を形成し、Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８では保護層１４を設けず、検出電極１２Ａ，１２Ｂを金めっき処理した。検出電極１２Ａ，１２Ｂの櫛（ライン）の幅は、Ｎｏ．１，２，５，６では７５μｍ、Ｎｏ．３，４，７，８では２２５μｍにした。検出電極１２Ａ，１２Ｂの隙間（スペース）１３の幅はＮｏ．１〜Ｎｏ．８のいずれも７５μｍとした。第２基板２０について、Ｎｏ．２，４，６，８ではシールド電極２２をメッシュ状に形成し、Ｎｏ．１，３，５，７ではシールド電極２２をベタで形成した。

試作した８種類の検出素子１（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８）のそれぞれについて、図１１に示したようにシールド電極２２を浮かした状態（フロート状態）と、図１２に示したように片側の検出電極１２Ｂに接続した状態との二通りの検出素子１を用意した（合計１６種類）。

これら１６種類の検出素子１を、空気中、および１００％メタノールに浸漬した場合について、それぞれ、検出電極１２Ａ，１２Ｂ間に１０〜１００ｋＨｚ（振幅±１０ｍＶ）の交流電圧をかけて電流を測定し、得られたボーデ線図を満足する等価回路を、図１５の回路にあてはめる形で求めた。得られた結果を表２および表３に示す。なお、図１５の回路は、容量Ｃ１と抵抗Ｒ１とが直列に接続されると共に、容量Ｃ１と抵抗Ｒ２とが並列に接続されたものである。

表２および表３から分かるように、第１基板１０の表面に保護層１４としてレジストよりなる塗料層を形成した場合（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）は容量変化が少なすぎた。保護層１４を設けず、検出電極１２Ａ，１２Ｂを金めっき処理した場合（Ｎｏ．５〜Ｎｏ．８）は著しく大きな容量変化が観測された。保護層１４の厚さは３５μｍとしたが、これはセンサ表面として厚すぎることが示唆された。金めっき処理したものに関しては、容量変化が極めて大きく、これは電気二重層容量によるものであると考えられる。また、抵抗Ｒ１の値が低く、リーク電流も発生していた。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８のいずれの条件も、センサとしては適切ではないことが分かった。

（Ｎｏ．８改）
第１基板１０の表面に保護層１４として厚さ９μｍのＰＥＴ樹脂よりなる薄膜フィルムを溶着により貼り付けたことを除いては、Ｎｏ．８と同様にして検出素子１を作製した。得られた検出素子１（Ｎｏ．８改）について、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８と同様の条件で交流電圧をかけて電流の測定を行った。得られた結果を表４に示す。

表４から分かるように、検出素子１（Ｎｏ．８改）では、大きな容量変化が得られ、かつ、リーク電流を防止することも成功した。また、この検出素子１（Ｎｏ．８改）では、第１基板１０の表面が薄膜フィルムよりなる保護層１４で覆われているので、原理上電気二重層を形成することもできない。従って、実用を考えれば検出素子１（Ｎｏ．８改）が最も好適であると考えられた。

なお、表２および表３において、検出電極１２Ａ，１２Ｂの櫛（ライン）の太さについて、７５μｍのもの（Ｎｏ．１，２，５，６）よりも２２５μｍの方（Ｎｏ．３，４，７，８）が容量変化が大きく、感度が良好であった。シールド電極２２については、ベタ（Ｎｏ．１，３，５，７）とメッシュ（Ｎｏ．２，４，６，８）とに有意な差はなかったが、いずれの場合も実験を行っている最中に指などを近付けても反応がなく、シールド電極２２によるシールド効果があることは確認された。シールド電極２２をフロートの状態にするか片方の検出電極１２Ｂに接続するか、の違いについては、フロートの状態にした方が大きな容量変化が得られた。

以上の知見を基に、検出電極１２Ａ，１２Ｂの太さを２２５μｍ、金めっき処理とし、第１基板１０の表面に保護層１４としてＰＥＴ樹脂よりなる薄膜フィルムを設け、シールド電極２２はベタでフロートの状態にするという条件で別途検出素子１を作製し、この検出素子１を液体容器部１２１の一つの面に相当させて燃料カートリッジ１２０を試作した。得られた燃料カートリッジ１２０について、シリンジを使って液体容器部１２１内部の液体燃料Ａ１（メタノール）を出し入れしてみたところ、液体容器部１２１内部の液面の高さを検出し、アナログデータとして取得することに成功した。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各構成要素の材料および厚み、または測定条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の測定条件としてもよい。例えば、液体燃料Ａ１はメタノールのほか、エタノールあるいはジメチルエーテル、またはグルコースを含む水溶液など、他の液体燃料でもよい。

本発明の燃料電池は、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳、ノートブック型パーソナルコンピュータ、カムコーダ、携帯型ゲーム機、携帯型ビデオプレーヤー、ヘッドフォンステレオまたはＰＤＡ（Personal Digital Assistants ）等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。

１…検出素子、１０…第１基板、１１，２１，４１…基材、１２Ａ，１２Ｂ…検出電極、１３…隙間、２０…第２基板、２２…シールド電極、４０…第４基板、５０…容量測定回路、６０…加速度センサ、１００…燃料電池、１１０…燃料電池本体、１２０…燃料カートリッジ、１２１…液体容器部、１３０…接合体、１３１…電解質膜、１３２…アノード電極（燃料電極）、１３３…カソード電極（酸素電極）

Claims (14)

1. 液体を貯留する液体容器部と、前記液体容器部に貯留された液体の体積を検出する検出素子とを備え、
   前記検出素子は、
   表面に浮遊静電容量を検知するための一対の検出電極を有し、前記一対の検出電極が前記液体容器部内の液体と保護層を介して間接的に接触する第１基板と、
   シールド電極を有すると共に前記第１基板の裏面の側に配置された第２基板と
   を有し、
   前記保護層に対する前記液体の接触角の余弦が負である
   液体タンク。
2. 前記液体容器部は複数の面を有し、
   前記一対の検出電極が、前記液体容器部の複数の面のうち少なくとも一つの面のほぼ全体を占めている
   請求項１記載の液体タンク。
3. 前記一対の検出電極は、互いに間隔をあけて噛み合わせられた櫛歯形状を有する
   請求項１記載の液体タンク。
4. 前記シールド電極は、ベタ，メッシュまたはスリットの形状を有する
   請求項１記載の液体タンク。
5. 前記検出素子が、前記第１基板および前記第２基板の裏面の側に、前記一対の検出電極の浮遊静電容量を測定する容量測定回路搭載プリント基板を有する
   請求項１記載の液体タンク。
6. 前記保護層は、樹脂よりなる薄膜フィルム、または塗料層により構成されている
   請求項１記載の液体タンク。
7. 前記液体容器部内の前記液体を汲み上げる液体ポンプを備え、
   前記容量測定回路は、
   前記液体ポンプの動作履歴を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記動作履歴に基づいて前記液体の汲み上げ量を算出すると共に、前記汲み上げ量と前記浮遊静電容量との双方に基づいて前記液体の体積を算出する算出部と
   を備えた請求項５記載の液体タンク。
8. 前記液体容器部の前記検出素子が設けられた面に、鉛直方向に対する前記液体容器部の姿勢を計測する加速度センサが取り付けられており、
   前記容量測定回路は、前記加速度センサにより計測された前記液体容器部の姿勢に関する情報に基づいて前記液体の体積を算出する
   請求項５または７記載の液体タンク。
9. 前記容量測定回路は、前記第１基板の法線方向の加速度がゼロである場合に前記液体の体積を算出する
   請求項８記載の液体タンク。
10. 前記液体容器部は、燃料電池用の液体燃料を貯留する
    請求項１記載の液体タンク。
11. 燃料電池本体と、液体タンクを有する燃料カートリッジとを備え、
    前記液体タンクは、液体を貯留する液体容器部と、前記液体容器部に貯留された液体の体積を検出する検出素子とを備え、
    前記検出素子は、
    表面に浮遊静電容量を検知するための一対の検出電極を有し、前記一対の検出電極が前記液体容器部内の液体と保護層を介して間接的に接触する第１基板と、
    シールド電極を有すると共に前記第１基板の裏面の側に配置された第２基板と
    を有し、
    前記保護層に対する前記液体の接触角の余弦が負である
    燃料電池。
12. 前記検出素子が、前記第１基板および前記第２基板の裏面の側に、前記一対の検出電極の浮遊静電容量を測定する容量測定回路搭載プリント基板を有する
    請求項１１記載の燃料電池。
13. 前記液体容器部の前記検出素子が設けられた面に、鉛直方向に対する前記液体容器部の姿勢を計測する加速度センサが取り付けられており、
    前記容量測定回路は、前記加速度センサにより計測された前記液体容器部の姿勢に関する情報に基づいて前記液体の体積を算出する
    請求項１２記載の燃料電池。
14. 前記容量測定回路は、前記第１基板の法線方向の加速度がゼロである場合に前記液体の体積を算出する
    請求項１３記載の燃料電池。

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