JP2009093949A - 燃料電池システム及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】逆さにしたり横倒しにしたりしたような場合でも問題の生じない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１の負極にメタノール水溶液を循環供給し、その正極に空気を供給する燃料電池システムにおいて、循環供給されるメタノール水溶液を収容する循環タンク４の内部、及び、燃料電池１の正極で発生する水を回収する水タンク１０の内部に、浮き部材と、該浮き部材に取り付けられたタンク壁面との距離を感知する感知手段とからなる液位センサー１２，１３を設ける。システムの姿勢が変化しても、各タンク内の液面の動きに液位センサー１２，１３が追従するため、各タンク内の液位を検出可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の負極に燃料水溶液を循環供給し、燃料電池に酸化剤気体を供給するタイプの燃料電池システムに関する。

図１６は、従来の燃料電池システムの構成説明図である。この燃料電池システム１００は、ダイレクト・メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）１を用い、この燃料電池の負極にメタノール水溶液を循環供給するタイプのものである。

ダイレクト・メタノール型燃料電池１は、メタノールの電気化学的酸化のための触媒（メタノール酸化電極触媒）を有する負極（アノード，燃料極）と、酸素の電気化学的還元のための触媒（酸素還元電極触媒）を有する正極（カソード，空気極）との間に高分子電解質膜を挟んだ構造の単セルを複数個、負極側の面に燃料水溶液を流すための溝を、また正極側の面に酸化剤気体としての空気を流すための溝をそれぞれ有する導電性のセパレーターを介して直列的に接続したセルスタックからなるものである。なお、単セルからなる燃料電池も用い得るが、通常は必要な電圧を確保するため複数の単セルを直列接続したセルスタックからなる燃料電池が用いられる。

燃料電池システム１００は燃料タンク２、燃料ポンプ３、循環タンク４、循環ポンプ６、ブロワー７、ラジエター８、水タンク１０、水ポンプ１１、制御部１５を備える。

循環タンク４と水タンク１０には液位センサー１２，１３がそれぞれ設けられている。これら液位センサー１２，１３は制御部１５に接続されている。また、図示されていないが、循環タンク４の内部又はメタノール水溶液の循環流路中に濃度センサーも設けられており、この濃度センサーも制御部１５に接続されている。制御部１５は、燃料電池１に設けられた温度センサー２２により燃料電池２２の温度の監視も行う。

燃料タンク２はメタノール又は高濃度（例えば１００％）のメタノール水溶液を貯蔵している。このメタノール又は高濃度メタノール水溶液は燃料ポンプ３により流路１６を通じて循環タンク４に送り込まれ、循環タンク４内で水により希釈され低濃度（例えば数％）のメタノール水溶液となる。このメタノール水溶液は循環ポンプ６により流路１７を通じて燃料電池１の負極に送り込まれる。負極を通過したメタノール水溶液は、負極で発生する炭酸ガスとともに流路１８を通じ循環タンク４に戻され、そのメタノール水溶液は循環タンク４に回収され、その炭酸ガスは流路１９を通じて水タンク１０へ排出される。

燃料電池１の正極側にはブロワー７により酸化剤気体としての空気が送り込まれ、その空気中の酸素が酸化剤として利用される。正極で水が発生するが、燃料電池１の内部温度が高くまた空気の流れが速いため、正極で発生した水は小さな水滴となって空気と混在した状態でラジエター１１に送られ、そこで冷却されることにより水と空気とに分離されて水タンク１０に送り込まれる。その水は水タンク１０内に回収されるが、その空気は、流路１４を通じて送り込まれた炭酸ガスとともに気体排出パイプ２０により吸い出されて大気中に放出される。９はラジエター８に冷却風を送るファンである。

制御部１５は、水タンク１０内の水位が上限を超えたことを液位センサー１３により検出すると、ラジエター８を冷却するファン９を停止させることにより、燃料電池１の正極で発生した水を冷却させず水蒸気の状態で水タンク１０へ送り込ませ、気体排出パイプ２０を通じて大気中に放出させることにより、水の回収量を減らす。その後、水タンク１０内の水位が下がったことを液位センサー１３の信号より検出すると、制御部１５はファン９を回転させてラジエター８の冷却能力を向上させることにより、水タンク１０内への水の回収量を増やす。このような制御により、水タンク１０内の水量をほぼ一定に維持する。

また、発電に伴いメタノールだけでなく水も消費されるため、循環タンク４の液位も徐々に下がる。制御部１５は、循環タンク４内の液位が下限を下回ったことを液位センサー１２の信号により検出すると、水ポンプ１１を駆動させて水タンク１０内の水を流路２１を通じて循環タンク４に送り込む。液位が下限を超えると水ポンプ１１を停止させる。このような制御により、循環タンク４内の液量がほぼ一定に保たれる。

また、メタノール水溶液中のメタノールは燃料電池１において消費されるため、循環タンク４内のメタノール水溶液のメタノール濃度は徐々に下がる。制御部１５は、前記不図示の濃度センサーによりメタノール濃度を定期的に（例えば１分毎に）測定する。メタノール濃度が目標濃度より低い時は、燃料ポンプ３を駆動して燃料タンク２よりメタノール又は高濃度メタノール水溶液を循環タンク４に補給させることにより、循環タンク４内のメタノール水溶液のメタノール濃度をほぼ一定に保つように制御する。

なお、特許文献１に、タンク部材からメタノール水溶液を吸い出すパイプに柔軟性を持たせ、その吸い出し口に重り部材を設けることにより、タンク部材の姿勢が変化しても常に吸い出し口をメタノール水溶液中に位置させるようにした燃料電池用液体燃料収納容器が記載されている。

特開２００５−３３２５９２号公報

図１６に示した燃料電池システム１００は、図１６に示したような姿勢（正立姿勢）で使用されることを前提にしたものであり、逆さにしたり、横倒しにしたり、大きく傾けたりした場合に正常な動作が不可能になる等の問題がある。

例えば、燃料電池システム１００を逆さ姿勢にした様子を図１７に示す。図１７に見られるように、液位センサー１２，１３は液中に没してしまうため、各タンク内の液位の検出が不可能になり、したがって各タンク内の液量の制御も不可能となる。循環タンク４内の液量を一定に保つことは極めて重要であり、その液量制御が不可能になることは重大な問題である。他の問題もある。まず、循環タンク４及び水タンク１０の下部に設けられている液体吸い出し口は液面より上になるため、循環タンク４内のメタノール水溶液を燃料電池１に送り出すことができなくなる。循環タンク４の炭酸ガス吐き出し口はメタノール水溶液中に没するため、水タンク１０と循環タンク４との高さ関係にもよるが、循環タンク４内のメタノール水溶液が流路１８を通じて水タンク１０へ排出されてしまうこともある。また、水タンク１０の気体吸い出し口も水面より下になるため、空気と炭酸ガスを排出するためのパイプ２０を通じて、水タンク１０内の水が外部に排出されてしまう。流路１９を通じてメタノール水溶液が水タンク１０に流入した場合には、メタノール水溶液もパイプ２０を通じて外部に排出されてしまう。燃料タンク２内のメタノール吸い出し口も液面より上になるため、燃料タンク２から循環タンク４へのメタノール又は高濃度メタノール水溶液の供給も不可能になる。

このように、逆さ姿勢では、正常な発電動作が不可能になるばかりか、燃料電池に深刻なダメージを生じさせるおそれがあり、また、水又はメタノール水溶液の流出によりシステム内外が汚染される等の問題がある。システムを横倒しにした場合や大きく傾けた場合にも同様の問題が起こりやすい。

ここまで、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いるシステムについて説明したが、他のアルコール類、例えばエタノール、プロパノール等の水溶液を燃料電池に循環供給するタイプのシステムにおいても、上に述べたと同様な問題がある。

よって、本発明の目的は、燃料電池に燃料水溶液を循環供給するタイプの燃料電池システムにおける上述のごとき問題点について改善すること、より具体的には、システムの姿勢にかかわらず、循環タンク等の液位の検出を可能にすること、燃料電池の発電を継続できるようにすること、燃料水溶液や水の流出によるシステム内外の汚染を防止すること等々にある。

請求項１記載の発明は、
燃料電池の負極に燃料水溶液を循環供給し、前記燃料電池の正極に酸化剤気体を供給する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の負極に循環供給される燃料水溶液を収容する循環タンク内に、第１の浮き部材と、該第１の浮き部材に取り付けられた該循環タンクの壁面との距離を感知する第１の感知手段とからなる第１の液位センサーを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、システムの姿勢が変化しても、例えばシステムが逆さになったり横倒しになったりしたような場合にも、循環タンク内の液面の動きに第１の液位センサーが追従するため、第１の液位センサーにより循環タンク内の液位を検出することができ、したがって循環タンク内の液量制御を支障なく行うことができる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の正極に発生する水を回収する水タンク内に、第２の浮き部材と、該第２の浮き部材に取り付けられた該水タンクの壁面との距離を感知する第２の感知手段とからなる第２の液位センサーを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、システムの姿勢が変化しても、例えばシステムが逆さになったり横倒しになったりしたような場合にも、水タンク内の液面の動きに第２の液位センサーが追従するため、第２の液位センサーにより水タンク内の液位を検出することができ、また、第１の液位センサーにより循環タンク内の液位を検出することができる。したがって、循環タンク及び水タンクの液量制御を支障なく行うことができる。

請求項３記載の発明は、
請求項１又は２記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記感知手段は反射型光センサーからなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項１又は２記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記感知手段はマイクロスイッチとアクチュエーターからなることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記循環タンク内に柔軟性のある第１のチューブが設けられ、該第１のチューブの一方の端に第１の重り部材が取り付けられ、該第１のチューブの他方の端に前記燃料電池の負極へ燃料水溶液を送るための流路が接続され、
前記循環タンク内に柔軟性のある第２のチューブが設けられ、該第２のチューブの一方の端に第３の浮き部材が取り付けられ、該第２のチューブの他方の端に前記循環タンク内の気体を前記水タンクへ送るための流路が接続されたことを特徴とする。

このような構成によれば、例えばシステムが逆さになったり横倒しになったりしたような場合においても、第１のチューブの一方の端は燃料水溶液中に沈んだ状態になるため循環タンク内の燃料水溶液を燃料電池の負極へ支障なく送ることができる。また、第２のチューブの第１の端は第３の浮き部材により液面から飛び出た状態に保つことができるため、循環タンク内の気体だけを水タンクへ送り出すことができる。また、循環タンク及び水タンクの液量制御も支障なく行うことができる。

請求項６記載の発明は、
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記水タンク内に柔軟性のある第３のチューブが設けられ、該第３のチューブの一方の端に第２の重り部材が取り付けられ、該第３のチューブの他方の端に前記水タンク内の水を前記循環タンクへ送るための流路が接続され、
前記水タンク内に柔軟性のある第４のチューブが設けられ、該第４のチューブの一方の端に第４の浮き部材が取り付けられ、該第４のチューブの他方の端に前記水タンク内の気体を外部へ排出するための流路が接続されたことを特徴とする。

このような構成によれば、例えばシステムが逆さになったり横倒しになったりしたような場合においても、第３のチューブの一方の端は水中に沈んだ状態になるため水タンク内の水を循環タンクへ支障なく送ることができる。また、第４のチューブの第１の端は第４の浮き部材により水面から飛び出た状態に保つことができるため、水タンク内の気体だけを外部へ排出することができる。また、循環タンク及び水タンクの液量制御も支障なく行うことができる。

請求項７記載の発明は、
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記循環タンク内に柔軟性のある第１のチューブが設けられ、該第１のチューブの一方の端に第１の重り部材が取り付けられ、該第１のチューブの他方の端に前記燃料電池の負極へ燃料水溶液を送るための流路が接続され、
前記循環タンク内に柔軟性のある第２のチューブが設けられ、該第２のチューブの一方の端に第３の浮き部材が取り付けられ、該第２のチューブの他方の端に前記循環タンク内の気体を前記水タンクへ送るための流路が接続され、
前記水タンク内に柔軟性のある第３のチューブが設けられ、該第３のチューブの一方の端に第２の重り部材が取り付けられ、該第３のチューブの他方の端に前記水タンク内の水を前記循環タンクへ送るための流路が接続され、
前記水タンク内に柔軟性のある第４のチューブが設けられ、該第４のチューブの一方の端に第４の浮き部材が取り付けられ、該第４のチューブの他方の端に前記水タンク内の気体を外部へ排出するための流路が接続されたことを特徴とする。

このような構成によれば、例えばシステムが逆さになったり横倒しになったりしたような場合においても、循環タンク内の燃料水溶液を燃料電池の負極に支障なく送ることができるとともに、循環タンク内の気体のみを水タンクへ送り出すことができる。また、水タンク内の水を循環タンクへ支障なく送ることができるとともに、水タンク内の気体のみを外部へ排出することができる。また、循環タンク及び水タンクの液量制御も支障なく行うことができる。このように、システムがどのような姿勢をとっても、システムが正立姿勢の場合と変わらない動作を行うことができる。

請求項８記載の発明は、
請求項５又は７記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記第３の浮き部材は前記第１の浮き部材を兼ねることを特徴とする。

このような構成によれば、循環タンク内の浮き部材の個数を減らすことができ、その分コストを削減でき、また循環タンクの小型化等に有利である。

請求項９記載の発明は、
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記第１の感知手段の配線を、前記第２のチューブの表面に沿わせて、該第２のチューブの内部を通して、又は、該第２のチューブの菅壁に埋め込んで、前記循環タンクの外部へ引き出したことを特徴とする。

このような構成によれば、第２のチューブと配線とが絡み合って、配線が断線したり、第３の浮き部材の動きが阻害されたりするようなトラブルが起きにくくなる。

請求項１０記載の発明は、
請求項６又は７記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記第４の浮き部材は前記第２の浮き部材を兼ねることを特徴とする。

このような構成によれば、水タンク内の浮き部材の個数を減らすことができ、その分コストを削減でき、また水タンクの小型化等に有利である。

請求項１１記載の発明は、
請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムにおいて、
前記第２の感知手段の配線を、前記第４のチューブの表面に沿わせて、該第４のチューブの内部を通して、又は、該第４のチューブの菅壁に埋め込んで、前記水タンクの外部へ引き出したことを特徴とする。

このような構成によれば、第４のチューブと配線とが絡み合って、配線が断線したり、第４の浮き部材の動きが阻害されたりするようなトラブルが起きにくくなる。

請求項１２記載の発明は、
請求項７に記載の燃料電池システムを備え、該燃料電池システムにより発生する電力により動作する電子機器である。

このような構成の電子機器は、どのような姿勢をとっても、燃料電池システムの発電電力により動作を継続することができる。

以上のように、本発明によれば、従来の燃料電池システムにおける姿勢変化に伴う様々な問題点を改善した燃料電池システムを提供することができる。また、燃料電池システムを電源として利用し、どのような姿勢をとっても動作を継続可能な電子機器を提供することができる。

次に、図１６に示したシステムと同タイプの燃料電池システムを例にして、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システム２００の構成説明図であり、図１６と同一の部分もしくは対応した部分には同一の符号が付されている。図１６に示した従来のシステムと同様の構成については説明を省略し、従来システムとの相違点について説明する。

なお、ここでは燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いるものとして説明するが、他のアルコール類、例えばエタノール、プロパノール等の水溶液を燃料電池に循環供給するタイプのシステムにおいても本発明を同様に適用でき、かかるシステムも本発明に包含される。

本発明に係る燃料電池システム２００においては、流路１７の循環タンク４との接続端部に柔軟性のあるチューブ１７Ａが接続されている。このチューブ１７Ａの開放端（液体吸い込み口）には重り部材３０が取り付けられている。したがって、システムがどのような姿勢をとった場合でも、例えば図示の正立姿勢から逆さにした場合でも、チューブ１７Ａの液体吸い込み口は常に液体（メタノール水溶液）中に没した状態になるため、循環タンク４内のメタノール水溶液を燃料電池１に循環供給することができる。

また、流路１９の循環ポンプ４との接続端に柔軟性のあるチューブ１９Ａが接続され、このチューブ１９Ａの開放端すなわち気体吸い出し口には浮き部材３１が取り付けられている。したがって、システムがどのような姿勢をとった場合でも、チューブ１９Ａの開放端すなわち気体吸い出し口は常に液面より飛び出た状態になるため、メタノール水溶液が流路１９を通じて水タンク１０へ流れ込んで気体排出パイプ２０を通じ流出し、システム内外を汚染するようなことは防止される。その一方で、循環タンク４内の炭酸ガスは、流路１９を通じて水タンク１０へ排出することができる。

水タンク１０についても同様に、流路２１の水タンク１０との接続端に柔軟性のあるチューブ２１Ａが接続され、その開放端すなわち液体吸い込み口に重り部材３２が設けられている。したがって、システムがどのような姿勢をとっても、チューブ２１Ａの開放端すなわち液体吸い込み口は常に水中に没した状態になるため、水タンク１０内の水を流路２１を通じ循環タンク４へ供給することができる。

気体排出パイプ２０の水タンク１０との接続端にも柔軟性のあるチューブ２０Ａが接続され、このチューブ２０Ａの開放端すなわち気体吸い出し口に浮き部材３３が取り付けられている。したがって、システムがどのような姿勢をとっても、チューブ２０Ａの気体吸い出し口は水面から飛び出した状態となり、水タンク１０内の気体（水蒸気、炭酸ガス）を外部に放出することができる。その一方、水タンク１０内の水は気体排出パイプ２０を通じて外部へ流出することがない。

水ポンプ１１の下流側に逆止弁３４が設けられ、また、燃料ポンプ３の下流側に逆止弁３５が設けられている。これら逆止弁３４，３５により、システムが逆さ姿勢になったような場合でも、各ポンプ３，１１の停止時に燃料タンク２や水タンク１０へのメタノール水溶液の逆流を防止することができる。

流路１９の循環タンク４との接続端すなわち戻り燃料流入口に多孔質部材３６が設けられ、流路１９を通じて戻されたメタノール水溶液及び炭酸ガスは多孔質部材３６の微小孔を通じて循環タンク４に流れ込むようになっている。システムが例えば逆さ姿勢になったような場合、流路１９を通じてメタノール水溶液とともに戻された炭酸ガスは多孔質部材３６の微細孔を通じて液中に放出されるので液中に発生する泡は微細になるため、大きな泡が発生する場合のような大きな音が発生しなくなる。同様の目的で、流路１９の水タンク１０との接続端にも多孔質部材３７が設けられ、また、ラジエター８と水タンク１０との間の流路３９の水タンク接続端にも多孔質部材３８が設けられている。

なお、多孔質部材３６，３７，３８に代えて柔軟性のあるチューブを流路端に接続し、そのチューブの開放端に浮き部材を設けることにより、それらチューブの開放端を常に液面から飛び出でた状態にするようにして、大きな泡の発生とそれに伴う大きな音の発生を防止することはでき、かかる構成も本発明に包含される。ただし、タンク内のチューブや浮き部材の個数が増加するので、多孔質部材を設ける構成にくらべ構造は複雑化する。

燃料タンク２は点滴液収容袋と同様の柔らかい袋部材からなり、その中には気体は全く無く高濃度メタノールだけが収容されている。流路１６は、燃料タンク２に挿入された注射針１６Ａを介して燃料タンク２と接続される。燃料ポンプ３を作動させると、燃料タンク２の内部は負圧になり、大気圧で燃料タンク２が押しつぶされる。したがって、システムが逆さ姿勢になったような場合でも、燃料タンク２から循環タンク４へ高濃度メタノールを支障なく供給することができる。

液位センサー１２，１３は、システムの姿勢にかかわらず常に液位を検出可能な構成のものとされる。以下、図２乃至図６に示す模式図を参照し、液位センサー１２，１３のいくつかの実施例を説明する。

図２に示す第１の実施例に係る液位センサー１２又は１３は、メタノール水溶液又は水より比重の小さい不透明材料からなる浮き部材５０の内部に、循環タンク４又は水タンク１０の壁面（タンク壁面）５３との距離を感知する感知手段として、発光ダイオードとフォトトランジスタからなる反射式光センサー５１を固定した構造である。液位センサー１２又は１３の重心が浮き部材５０の中心より低い位置にくるように、反射式光センサー５１は浮き部材５０の底部に配置されているため、システムの姿勢にかかわらず液位センサー１２又は１３は常に図示の姿勢をとる。浮き部材５０の最上部が切り取られて光を通すための窓５２が形成されている。反射式光センサー５１の発光ダイオードが発した光は窓５２を通して循環タンク４又は水タンク１０の壁面（タンク壁面）５３に照射され、タンク壁面５３からの反射光は窓５２を通して反射式光センサー５１のフォトダイオードに入射する。タンク壁面５３との距離によってフォトダイオードへの入射光量が変化するため、フォトダイオードに流れる電流値に基づいて、液位が目標液位より高いか低いかを検出することができる（検出についての詳細は後述する）。なお、図１は、本実施例に係る液位センサー１２，１３が用いられている場合を示している。

図３に示す第２の実施例に係る液位センサー１２又は１３は、チューブ１９Ａ又は２０Ａの先端部に取り付けられた浮き部材３１又は３３の内部に発光ダイオードとフォトトランジスタからなる反射式光センサー５１を固定した構造である。浮き部材３１又は３３はメタノール水溶液又は水より比重の小さい不透明材料からなり、液位センサー１２又は１３の重心が浮き部材３１又は３３の中心より低い位置にくるように、反射式光センサー５１は浮き部材３１又は３３の底部に配置されているため、システムの姿勢にかかわらず液位センサー１２又は１３は常に図示の姿勢をとる。浮き部材３１又は３３の最上部が切り取られて光を通すための窓５２が形成されている。反射式光センサー５１の発光ダイオードが発した光は窓５２を通して循環タンク４又は水タンク１０の壁面（タンク壁面）５３に照射され、タンク壁面５３からの反射光は窓５２を通して反射式光センサー５１のフォトダイオードに入射する。液面５４とタンク壁面５３との距離によってフォトダイオードへの入射光量が変化するため、フォトダイオードに流れる電流値に基づいて、液位が目標液位より高いから低いかを検出することができる。このように、本実施例は、チューブ１９Ａ又は２０Ａの開放端を液面より飛び出させるための浮き部材３１又は３３が、液位センサー１２又は１３のための浮き部材を兼ねるため、前記第１の実施例のように液位センサー１２又は１３のための専用の浮き部材５０を設ける構成に比べ、浮き部材の個数が減る分、コストが削減される。また、循環タンク４又は水タンク１０内における浮き部材のために必要な空間が少なくなるため、各タンクのサイズを小さくする場合に有利である。

図４に示す第３の実施例に係る液位センサー１２又は１３は、浮き部材３１又は３３の底部に重り部材５５が設けられている点が前記第２の実施例のものと相違する。重り部材５５を設けることにより、液位センサー１２又は１３の重心をさらに下げることができるため、液位センサー１２又は１３の姿勢がより安定する。

図５に示す第４の実施例に係る液位センサー１２又は１３は、浮き部材３１又は３３を透明な材料からなる略密閉した部材とした点が前記第３の実施例のものと相違する。反射式光センサー５１の発光ダイオードの発光する光は、透明な浮き部材３１又は３３を透過してタンク壁面５３へ照射され、その反射光は透明な浮き部材３１又は３３を透過して反射式光センサー５１のフォトトランジスタに入射する。前記第１乃至第３の実施例のような液が侵入する可能性のある窓５２がないため、反射式光センサー５１及びその配線用コネクタとして防水機能のない一般品を使用することができる。

図６に示す第５の実施例に係る液位センサー１２又は１３は、浮き部材３１又は３３の内部にマイクロスイッチ５７を固定し、このマイクロスイッチ５７のアクチュエーター５８を浮き部材３１又は３３から真上方向に突出させた構成である。すなわち、本実施例では、タンク壁面５３との距離を感知する手段として、マイクロスイッチ５７とアクチュエーター５８とからなる機械的な感知手段を用いる点が前記各実施例と異なる。

浮き部材３１又は３３にはアクチュエーター５８を通す貫通孔が設けられ、この貫通孔から液が侵入する可能性があるため、マイクロスイッチ５７として防水機能を持つものが用いられる。液位が上がりアクチュエーター５３の先端がタンク壁面５３により押し下げられることによりマイクロスイッチ５７の接点が閉じ、液位が下がりアクチュエーター５３の先端がタンク壁面５３から離れるとマイクロスイッチ５７の接点が開く。したがって、マイクロスイッチ５７の接点の開閉から液位が目標液位より高いから低いかを検出することができる（その検出の詳細については後述する）。

なお、タンク壁面との距離を感知する手段として、反射式光センサーやマイクロスイッチに代えて、超音波や磁気によりタンク壁面との距離を感知するタイプのセンサーを用いることも可能である。かかる態様も本発明に含まれる。

また、前記第１乃至第４の実施例に係る液位センサー１２又は１３を用いる場合、タンク壁面５３で光が反射されなければならない。かかる条件を満たすために、循環タンク４及び水タンク１０を例えば光を反射する材料を用いて形成してもよいし、循環タンク４及び水タンク１０を透明材料を用いて形成し、その外面又は内面を、光を反射するフィルム等の部材で覆うようにしてもよい。いずれの態様も本発明に含まれる。

あるいは、光を一部透過しまた一部反射するような材料を用いて循環タンク４及び水タンク１０を形成してもよいし、透明材料を用いて循環タンク４及び水タンク１０を形成し、その内面又は外面を、光を一部透過しまた一部反射する材料からなるフィルム等の部材で覆うようにしてもよい。かかる構成は、外部より液位の目視確認が可能になる。なお、液位センサー１２又は１３の浮き部材（又は他の浮き部材）の喫水線付近に可視光を発する発光ダイオードを取り付けるならば、目視による液位の確認がより容易になる。このような態様も本発明に含まれる。

前記第１乃至第５の実施例に係る液位センサー１２又は１３のようなタンク壁面との距離から液位を検出するものを用いる場合、循環タンク４及び水タンク１０は、収容されている液量が同じならば、システムの姿勢によらず、液面とタンク壁面との距離ができるだけ一定となるような形状の容器とすることが望ましい。この観点からは、循環タンク４及び水タンク１０としては、正立方体状容器やサッカーボールのような正多面体状容器が望ましく、後者の場合は面数が多いほど望ましく、理想的には球状の容器である。

液位センサー１２又は１３における距離感知手段（反射式光センサー、マイクロスイッチ）の配線をタンク外への引き出す方法について説明する。第１の引き出し方法は、図７に模式的に示すように、液位センサー１２又は１３の配線６０をチューブ１９Ａ又は２０Ａの表面に沿わせて結束ベルト６１等で抑える方法である。第２の引き出し方法は、図８に模式的に示すように、液位センサー１２又は１３の配線６０をチューブ１９Ａ又は２０Ａの内部に通す方法である。第３の引き出し方法は、図９に模式的に示すように、液位センサー１２又は１３の配線６０をチューブ１９Ａ又は２０Ａの肉（菅壁）に埋め込む方法である。このような引き出し方法によれば、チューブ１９Ａ又は２０Ａと配線６０とが絡み合って、配線６０が断線したり、浮き部材３１又は３３の動きが阻害されたりするようなトラブルが起きにくい。

図１０は、制御部１５の構成説明図である。制御部１５は、マイクロコンピュータ等から構成される制御回路３００、蓄電池３０１、ＤＣ−ＤＣコンバーター３０２、レギュレーター（電圧安定化回路）３０３、スイッチ３０４、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３から構成される。

燃料電池１が発電中に制御回路３００によりスイッチ３０４が閉じられると、蓄電池３０１の充電が行われる。外部の負荷３１０に給電中においても、蓄電池３０１の充電（フローティング充電）が可能である。蓄電池３０１から燃料電池１への電流の逆流はダイオードＤ２により阻止される。

スイッチ３０４が開かれている場合、燃料電池１の出力電力はダイオードＤ１を通じてＤＣ−ＤＣコンバーター３０２に印加され、昇圧されてから外部の電気機器等の負荷３１０に供給される。燃料電池１は化学反応によって発電するものであるため、燃料電池１の温度が高い時には出力電力は大きいが、温度が低い時には出力電力は小さくなる。また、液体を燃料とする燃料電池１は出力電力の応答性が非常に悪い。負荷３１０の必要とする電力は変動し、例えばモーターの駆動開始時に急に大きな電力を必要とするが、燃料電池１はそのような急激な電力変化に追従できない。そこで、蓄電池３０１が設けられ、燃料電池１の出力電力では外部の負荷３１０に必要な電力をまかなうことができない場合、蓄電池３０１からダイオードＤ３を通じてＤＣ−ＤＣコンバーター３０２に電流が供給されることにより、負荷３１０の印加電圧の低下が防止される。

各ポンプ３，６，１１、ブロワー７、ラジエターファン９、それらの制御を行う制御回路３００には、レギュレーター３０３により安定化された電圧が供給される。液位センサー１２，１３、温度センサー２２及び前記濃度センサーも配線を通じて制御回路３００に接続される。

図１１に、制御回路３００における液位検出回路の一例を示す。図１１において、液位センサー１２又は１３は前記第１乃至第４の実施例に係る反射式光センサー５１を用いた構成のものである。反射式光センサー５１の発光ダイオード３２１のアノードに１０Ｖの電圧が印加され、そのカソードが５６０Ωの抵抗３２２を通じて接地され、発光ダイオード３２１は発光する。その光は上方に向かいタンク壁面５３を照射する。タンク壁面５３で反射された光は反射式光センサー５１のフォトトランジスタ３２３に入射する。液位が上がり液位センサー１２又は１３がタンク壁面５３に近づくとフォトトランジスタ３２３に入射する光量が増加し、フォトトランジスタ３２３を流れる電流が増えるため、２０ＫΩの可変抵抗３２４の非接地端の電圧（コンパレータ３２５の（＋）入力の電圧）が上昇する。液位が下がり液位センサー１２又は１３がタンク壁面５３から遠ざかるとフォトトランジスタ３２３に入射する光量が減少するので、フォトトランジスタ３２３を流れる電流が減るため、コンパレータ３２５の（＋）入力の電圧が下がる。コンパレータ３２５の（−）入力には、１０Ｖの電圧を抵抗３２６，３２７により分圧した５Ｖの電圧が印加されている。液位が目標液位となったときに、コンパレータ３２５の（＋）入力の電圧が（−）入力の電圧５Ｖより僅かに高くなるように可変抵抗２３４の抵抗値が調節される。

液位が目標液位より下がると、コンパレータ３２５の（＋）入力の電圧が（−）入力の電圧より低くなるためコンパレータ３２５の出力がＬレベルとなり、マイクロコンピュータ３１０は液位が目標液位より低いと判断する。ここでは循環タンク４の液位を測定しているものと想定して説明すると、マイクロコンピュータ３１０は水ポンプ１１を駆動させる制御を行うことにより循環タンク４に水を補給させる。水の補給により液位が目標液位まで上昇し、コンパレータ３２５の（＋）入力の電圧が５Ｖを超えると、コンパレータ３２５の出力がＨレベルになり、マイクロコンピュータ３１０は液位が目標液位まで上昇したと判断し、水ポンプ１１を停止させる制御を行うことにより、水の補給を終了させる。

図１２に、制御回路３００における液位検出回路の別の一例を示す。図１２において、液位センサー１２又は１３は前記第５の実施例に係るマイクロスイッチ５７を用いた構成のものである。

液位が目標液位より下がると、アクチュエーター５８の先端（上端）がタンク壁面５３に接触しないためマイクロスイッチ５７の接点は開いた状態となる。コンパレータ３２５の（＋）入力は抵抗３２８を介して接地されているため、この時は（＋）入力の電圧は０Ｖとなり、これは（−）入力の電圧５Ｖより低い。したがって、コンパレータ３２５の出力はＬレベルとなり、マイクロコンピュータ３１０は、液位が目標液位より低いと判断する。ここでは循環タンク４の液位を測定しているものと想定して説明すると、マイクロコンピュータ３１０は水ポンプ１１を駆動させる制御を行うことにより循環タンク４に水を補給させる。水の補給により液位が目標液位まで上昇すると、アクチュエーター５８の先端がタンク壁面５３に当接し、アクチュエーター５８が押し下げられてマイクロスイッチ５７の接点が閉じ、この接点を通じて１０Ｖの電圧がコンパレータ３２５の（＋）入力に印加される。その結果、コンパレータ３２５の出力がＨレベルになり、マイクロコンピュータ３１０は液位が目標液位まで上昇したと判断し、水ポンプ１１を停止させる制御を行うことにより、水の補給を終了させる。

以上説明した本発明に係る燃料電池システムは、どのような姿勢をとった場合にも循環タンク及び水タンクの液位を支障なく検出してタンク内液位の制御を行い、正常な発電動作を継続することができるとともに、燃料水溶液や水が漏出してシステム内外を汚染することもない。したがって、例えば、本発明の燃料電池システムをノートパソコンなどの電子機器とともに鞄などに入れて移動中に発電動作を行わせ、その電子機器の二次電池に充電するようなことも可能である。

また、本発明の燃料電池システムを様々な電子機器に組み込むことにより、電子機器の姿勢がさまざまに変化する場合にも電子機器に支障なく電力を供給することができるようになる。かかる電子機器も本発明に含まれる。

次に、図１３乃至図１５を参照し、本発明の燃料電池システムが組み込まれた電子機器の一例であるインクジェットプリンタ（画像形成装置）について説明する。図１３はインクジェットプリンタの電気的構成を説明するためのブロック図であり、図１４はインクジェットプリンタの全体的外観を示す斜視図であり、図１５はインクジェットプリンタの記録機構を説明するための斜視図である。

まず、図１５を参照し、記録機構について説明する。図１５において、１２０５は記録ヘッドカートリッジであり、記録ヘッドＩＪＨと、インク供給源であるインクタンクとを一体化したものである。この記録ヘッドカートリッジ１２０５は、押さえ部材１２０２によりキャリッジ１２０６に固定されており、キャリッジ１２０６とともにシャフト１２１１に沿って往復移動可能となっている。記録ヘッドカートリッジ１２０５は、用いるインク色等に応じて、１個ないし複数個（図示例では２個）を設けることができる。

記録ヘッドＩＪＨより吐出されたインク滴は、記録ヘッドＩＪＨと微小間隔を介して対向する、プラテン１２１０に規制された記録用紙２０９の表面へ飛翔して付着し画像を形成する。記録ヘッドＩＪＨにはケーブル１２０７及びこれに結合する端子を介して画像データに応じた記録タイミングパルスが供給される。

１２０８はキャリッジ１２０６をシャフト１２１１に沿って走査させるためのキャリッジモータ、１２０３はモータ１２０８の駆動力をキャリッジ１２０６に伝達するためのワイヤである。また、１２０１はプラテンローラ１２１０に結合して記録用紙１２０９を搬送させるためのラインフィードモータ、１２０４はキャリッジ１２０６の位置を検出するホームポジション・センサーである。１２２０はプラテンローラ１２１０を手動で回転させるためのノブである。

次に、図１３を参照し説明する。図１３において、１１００は前述したような本発明に係る燃料電池システムであり、インクジェットプリンタの各回路部に電力を供給する。１１０１は装置全体の動作制御及びデータ処理を実行するためのＣＰＵ、１１０２はＣＰＵ１１０１の制御プログラムやフォント処理のための各種データを格納するＲＯＭ、１１０３はホストコンピュータから受信した画像データその他のデータを一時的に格納するＲＡＭ、１１０４はホストコンピュータから送られてくる画像データを取り込むためのデータ受信部である。１１０５はＤＭＡ／ＲＡＭコントローラであり、データ受信部１１０４で受信した画像データをＲＡＭ１１０３へＤＭＡ転送したり、ＣＰＵ１１０１からＲＡＭ１１０３へのアクセスを制御したりする。また、１１０６はプリンタ固有のパラメータを格納するＥＥＰＲＯＭ等からなる不揮発性メモリ、１１０７は記録ヘッドＩＪＨを駆動するヘッドドライバである。１１０８はヘッドコントローラであり、ＣＰＵ１０１からの制御により、ヘッドドライバ１１０７へ画像データを転送するとともにヒートパルス信号を発生しヘッドドライバ１１０７へ供給する。

キャリッジモータドライバ１１１０とキャリッジモータ１２０８及びタイミング制御部１１１２は、ＣＰＵ１１０１から供給される制御信号とエンコーダ等による記録タイミングパルスに基づいて記録ヘッドＩＪＨの移動（主走査方向）を行う制御系であり、同様に、ラインフィードモータドライバ１１１３とラインフィードモータ１２０１は、ＣＰＵ１１０１から供給される制御信号に基づいて記録用紙１２０９の搬送（副走査方向）を行う制御系である。

インク流量検出部１１１４は、記録ヘッドＩＪＨに送られた記録信号から、所定時間内において記録のために吐出されたインク滴（ドット）の数をカウントし、インクタンクから記録ヘッドＩＪＨに供給されるインクの流量を検出する。

全体的な動作を説明すれば、データ受信部１１０４によってホストコンピュータより入力された画像データは、ＤＭＡ／ＲＡＭコントローラ１１０５を介してＲＡＭ１１０３に一時格納される。ＣＰＵ１１０１によって、ＲＯＭ１１０２に格納された制御プログラムに従って、受信コマンド、画像データ、文字コードの解析が行われる。その後、入力された画像データは、ＣＰＵ１１０１により記録データに変換され、順次、ＲＡＭ１１０３に格納される。受信コマンドには記録制御情報が含まれ、この記録制御情報に応じた記録パス数により記録が行われる。

１ライン分の記録データの展開が終了するか、あるいはホストコンピュータから記録命令（受信コマンドの１つ）が入力された時点で、キャリッジモータドライバ１１１０によりキャリッジモータ１２０８が駆動される。そして、タイミング制御部１１１２から出力される記録タイミングパルスに同期してＲＡＭ１１０３に格納されている記録データが、ＤＭＡ／ＲＡＭコントローラ１１０５及びヘッドコントローラ１１０８を介してヘッドドライバ１１０７に転送される。そして、ヘッドコントローラ１１０８からヒートパルス信号がヘッドドライバ１１０７に送られて記録ヘッドＩＪＨからインク滴を吐出する。

１ライン分の記録が終了するとラインフィードモータ１２０１が駆動されて改行が行われ、１連の手順が終了する。このような手順が繰り返されることにより、記録用紙１２０９に１ページ分の記録が行われる。

本発明に係る燃料電池システムの構成説明図である。 液位センサーの説明図である。 液位センサーの説明図である。 液位センサーの説明図である。 液位センサーの説明図である。 液位センサーの説明図である。 液位センサーの配線引き出し方法の説明図である。 液位センサーの配線引き出し方法の説明図である。 液位センサーの配線引き出し方法の説明図である。 液体燃料システムの制御部の構成説明図である。 制御部内の液位検出回路を示す回路図である。 制御部内の液位検出回路を示す回路図である。 燃料電池システムが組み込まれたインクジェットプリンタの電気的構成を示すブロック図である。 インクジェットプリンタの外観斜視図である。 インクジェットプリンタの記録機構を示す斜視図である。 従来の燃料電池システムの構成説明図である。 従来の燃料電池システムを逆さにした状態を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料タンク
３ 燃料ポンプ
４ 循環タンク
６ 循環ポンプ
７ ブロワー
８ ラジエター
９ ファン
１０ 水タンク
１１ 水ポンプ
１２，１３ 液位センサー
１５ 制御部
１７Ａ，１９Ａ，２０Ａ，２１Ａ 柔軟性を有するチューブ
３０，３２ 重り部材
３１，３３ 浮き部材
３６，３７，３８ 多孔質部材
５０ 浮き部材
５１ 反射式光センサー
５２ 窓
５３ タンク壁面
５４ 液面
５５ 重り部材
５７ マイクロスイッチ
５７ アクチュエーター
６０ 液位センサーの配線
６１ 結束バンド
３１０ マイクロコンピュータ
３２１ 発光ダイオード
３２３ フォトトランジスタ
３２５ コンパレータ

Claims (12)

1. 燃料電池の負極に燃料水溶液を循環供給し、前記燃料電池の正極に酸化剤気体を供給する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の負極に循環供給される燃料水溶液を収容する循環タンクの内部に、第１の浮き部材と、該第１の浮き部材に取り付けられた該循環タンクの壁面との距離を感知する第１の感知手段とからなる第１の液位センサーを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の正極に発生する水を回収する水タンクの内部に、第２の浮き部材と、該第２の浮き部材に取り付けられた該水タンクの壁面との距離を感知する第２の感知手段とからなる第２の液位センサーを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。
3. 前記感知手段は反射型光センサーからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記感知手段はマイクロスイッチとアクチュエーターからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 前記循環タンク内に柔軟性のある第１のチューブが設けられ、該第１のチューブの一方の端に第１の重り部材が取り付けられ、該第１のチューブの他方の端に前記燃料電池の負極へ燃料水溶液を送るための流路が接続され、
   前記循環タンク内に柔軟性のある第２のチューブが設けられ、該第２のチューブの一方の端に第３の浮き部材が取り付けられ、該第２のチューブの他方の端に前記循環タンク内の気体を前記水タンクへ送るための流路が接続されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記水タンク内に柔軟性のある第３のチューブが設けられ、該第３のチューブの一方の端に第２の重り部材が取り付けられ、該第３のチューブの他方の端に前記水タンク内の水を前記循環タンクへ送るための流路が接続され、
   前記水タンク内に柔軟性のある第４のチューブが設けられ、該第４のチューブの一方の端に第４の浮き部材が取り付けられ、該第４のチューブの他方の端に前記水タンク内の気体を外部へ排出するための流路が接続されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記循環タンク内に柔軟性のある第１のチューブが設けられ、該第１のチューブの一方の端に第１の重り部材が取り付けられ、該第１のチューブの他方の端に前記燃料電池の負極へ燃料水溶液を送るための流路が接続され、
   前記循環タンク内に柔軟性のある第２のチューブが設けられ、該第２のチューブの一方の端に第３の浮き部材が取り付けられ、該第２のチューブの他方の端に前記循環タンク内の気体を前記水タンクへ送るための流路が接続され、
   前記水タンク内に柔軟性のある第３のチューブが設けられ、該第３のチューブの一方の端に第２の重り部材が取り付けられ、該第３のチューブの他方の端に前記水タンク内の水を前記循環タンクへ送るための流路が接続され、
   前記水タンク内に柔軟性のある第４のチューブが設けられ、該第４のチューブの一方の端に第４の浮き部材が取り付けられ、該第４のチューブの他方の端に前記水タンク内の気体を外部へ排出するための流路が接続されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記第３の浮き部材は前記第１の浮き部材を兼ねることを特徴とする請求項５又は７に記載の燃料電池システム。
9. 前記第１の感知手段の配線を、前記第２のチューブの表面に沿わせて、該第２のチューブの内部を通して、又は、該第２のチューブの菅壁に埋め込んで、前記循環タンクの外部へ引き出したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第４の浮き部材は前記第２の浮き部材を兼ねることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池システム。
11. 前記第２の感知手段の配線を、前記第４のチューブの表面に沿わせて、該第４のチューブの内部を通して、又は、該第４のチューブの菅壁に埋め込んで、前記水タンクの外部へ引き出したことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 請求項７に記載の燃料電池システムを備え、該燃料電池システムにより発生する電力により動作する電子機器。

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