Fuel cell cartridge, and the fuel amount of the fuel cell system measurement method having the same

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料量測定ユニットが備えられた燃料電池カートリッジ、及びそれを備える燃料電池システムの燃料量測定方法に関する。

燃料電池システムは、発電する燃料電池本体と、その本体に締結されて燃料を供給するカートリッジと、を備える。

燃料電池システムの安定性と信頼性とを確保するために、カートリッジの状態と関係なく、カートリッジから燃料電池本体に燃料が安定的に供給されねばならない。 このために、カートリッジに残った燃料量が正確に測定されねばならない。

燃料電池システムが携帯用である場合、カートリッジの周囲環境は頻繁に変わりうる。 例えば、燃料電池システムが運転されている間に、カートリッジの方向、温度、及び／または振動特性が頻繁に変化しうる。 このように、カートリッジの周囲環境が頻繁に変わる場合にも、カートリッジに残った燃料量は正確に測定されねばならない。 また、燃料供給の正確性と信頼性とも維持しなければならないので、燃料測定動作が燃料供給動作に影響を与えることは望ましくない。

また、カートリッジに残った燃料量を正確に測定することができれば、燃料電池システムを効率的に運用できる。 例えば、カートリッジに残った燃料量を正確に測定することによって、カートリッジ交替時期を正確に予測でき、燃料供給量を最適状態に制御することもできる。 このために測定されたカートリッジに残った燃料量は、リアルタイムで燃料電池システムの制御部に伝達されねばならず、カートリッジの残った燃料量を測定するユニットは、燃料電池システムの制御部に直接信号を伝達できねばならない。

一方、経済的な側面で、カートリッジは、小さい体積に可能な限り多くの燃料を保存できねばならない。 カートリッジの燃料保存部分の最大体積は、カートリッジの全体体積を超えられない。 したがって、カートリッジで燃料保存部分を除いた他の部分、例えば、燃料供給部分及び燃料量測定部分の体積は、最小化することが重要である。

これまで多様な燃料電池システムが紹介されているが、これまでに紹介された燃料電池システムに備えられたカートリッジのほとんどは、前述したカートリッジが備えねばならない条件のうち極めて一部を満足するに止まっている。

大韓民国実用新案登録第１９９９−００２９３７８号明細書

大韓民国特許出願公開第１９９９−０００４９９５号明細書

大韓民国特許出願公開第２００４−００９３０２２号明細書

特開２００４−０９３４０９号公報

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、カートリッジの使用環境に関係なくカートリッジの残った燃料量を正確に測定しつつ、燃料供給過程には影響を与えずにリアルタイムで測定した燃料量を直接燃料電池本体の制御部に伝達でき、かつ、構造が簡単であり、経済的であり、体積を減らすことが可能な、新規かつ改良された燃料電池カートリッジ、及びそれを備える燃料電池システムの燃料量測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料が保存され、燃料排出口を有する燃料パウチ（ＰＯＵＣＨ）（燃料が貯蔵されたパック（ＰＡＣＫ））と、燃料パウチを加圧する加圧手段と、を備える燃料電池カートリッジにおいて、燃料パウチの近傍（近辺）に備えられた可変抵抗体と、加圧手段に備えられ、可変抵抗体の抵抗値を読み取るセンサーと、センサーを通じて読み取った抵抗値により決定される出力電圧を外部へ伝送する接触パッドと、を備えることを特徴とする、燃料電池カートリッジが提供される。

また、加圧手段は、燃料パウチの上部面に備えられた加圧板と、加圧板上に備えられたスプリングと、を備えてもよい。

また、センサーは、一部が加圧板に内在し、加圧板と共に移動してもよい。

また、センサーは、可変抵抗体に接触するプローブセンサーであってもよい。

また、可変抵抗体には基準抵抗体が内蔵されており、
基準抵抗体の抵抗値を通じてカートリッジの明細が通知されてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記発明に記載の燃料電池カートリッジと、当該カートリッジが装着され、制御部を備える燃料電池本体と、を備える燃料電池システムの燃料量測定方法において、可変抵抗体に電圧を印加するステップと、可変抵抗体に電圧が印加された状態で、センサーを利用して可変抵抗体の抵抗値を読み取るステップと、読み取った可変抵抗体の抵抗値から出力電圧を決定するステップと、出力電圧を接触パッドを通じて燃料電池本体へ伝送するステップと、を含むことを特徴とする、燃料電池システムの燃料量測定方法が提供される。

また、伝送された出力電圧を燃料電池システム本体の制御部に保存されていた燃料残量データと比較して、残った燃料量を読み取るステップをさらに含んでもよい。

また、読み取った抵抗値が最小抵抗値であるとき、カートリッジの燃料が消尽したことを知らせるための電圧信号を発生させてもよい。

また、読み取った抵抗値が最大抵抗値であるとき、カートリッジの燃料が充満したことを知らせるための電圧信号を発生させてもよい。

また、加圧手段は、
燃料パウチの上部面に備えられた加圧板と、加圧板上に備えられたスプリングと、を備えてもよい。

また、センサーは、一部が加圧板に内在し、加圧板と共に移動してもよい。

また、センサーは、可変抵抗体に接触するプローブセンサーであってもよい。

本発明のカートリッジを利用すれば、カートリッジの使用環境に関係なくカートリッジに残った燃料量を正確に測定でき、燃料加圧過程に影響を与えることを防ぐことができる。 そして、燃料電池本体の制御部に、リアルタイムでカートリッジに残った燃料量を通知することができるので、燃料電池を効率的に運転できる。 また、燃料測定ユニットの構造が簡単であり、体積も小さいため、カートリッジの内部空間を効率的に活用できる。 更に、高価な部品を使用せずに、燃料量を検出できるので経済的である。

以上説明したように本発明によれば、カートリッジの使用環境に関係なくカートリッジの残った燃料量を正確に測定しつつ、燃料供給過程には影響を与えずにリアルタイムで測定した燃料量を直接燃料電池本体の制御部に伝達でき、かつ、構造が簡単であり、経済的であり、体積を減らすことができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。 なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料測定ユニットを備えた燃料電池カートリッジ（以下単に「カートリッジ」ともいう）、及びそれを備える燃料電池システムの燃料量測定方法（以下単に「測定方法」ともいう）について詳細に説明する。

この測定方法については、本実施形態に係るカートリッジについての説明と並行して説明する。 この過程で、図面に示した層や領域の厚さは、明細書の説明を明確にするために、誇張して示している。

図１に示すように、本実施形態に係るカートリッジは、上下部ケース１０，２０を備える。 下部ケース２０には燃料パウチ３０が装着されている。 燃料パウチ３０には燃料、例えば高濃度のメタノールが満たされている。 上下部ケース１０，２０には、それぞれ燃料パウチ３０の燃料排出口４０とノズル（図示せず）とを固定させる役割を行うグルーブ１０ａ，２０ａが形成されている。 下部ケース２０と上部ケース１０との締結により、燃料排出口４０と左側の接触パッド５０とが固定される。

接触パッド５０は、カートリッジ１００と燃料電池本体（図示せず）との間の信号伝達通路（つまり接続端子）である。 つまり、カートリッジ１００が前記燃料電池本体に装着されるとき、接触パッド５０を通じてカートリッジ１００の状態の詳細、例えば燃料の濃度、製造日、製造会社などが、前記燃料電池本体の制御部に伝達されるとともに、カートリッジ１００の残った燃料量を示す情報が、リアルタイムで、燃料電池本体の制御部に直接伝達される。

かかる通信のために、接触パッド５０には複数の区別された接触領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃまたはチャンネルが設けられている。 接触領域５０ａを通じて燃料電池本体から電圧が供給される。 そして、接触領域５０ｂを通じて可変抵抗体６０の出力電圧が燃料電池本体に伝達される。 なお、可変抵抗体６０に内蔵された基準抵抗体(図示せず)に印可された電圧、またはその基準抵抗体の抵抗値が、接触領域５０ｃを通じて燃料電池本体に伝達される。 カートリッジは、それぞれ異なる基準抵抗体を有しうる。 したがって、燃料電池本体の制御部は、カートリッジの基準抵抗体に印可された電圧を利用して、カートリッジの明細、例えば、許容燃料保存量、燃料濃度、及び燃料圧力を認識することができる。

上下部ケース１０，２０が締結されるとき、接触パッド５０の上部は、上部ケース１０に形成された溝１０ｂに挿入されるが、複数の接触領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃは露出される。 燃料パウチ３０の排出口４０の右側には可変抵抗体６０が備えられている。 可変抵抗体６０は、支持体６０ａと、支持体６０ａの内側面に付着あるいは蒸着されプローブセンサー９０が接触する可変抵抗物質層（板）６０ｂと、から構成される。 ここでは説明の便宜上、支持体６０ａと可変抵抗物質層（板）６０ｂとを区分せず、可変抵抗体６０と総称する。

可変抵抗体６０は、下部ケース２０の底部に対して垂直に、また下部ケース２０のエッジ壁（側壁）に密着するように配置されうる。 可変抵抗体６０は、下部ケース２０のエッジ壁と燃料パウチ３０との間の未使用領域に備えられている。 したがって、可変抵抗体６０によりカートリッジ１００の体積が増加せず、内部構造も特別に複雑ではない。 かかる可変抵抗体６０の下部は、下部ケース２０に装着され、上部は、上部ケース１０に装着される。 カートリッジ１００が燃料電池本体に締結されつつ、接触パッド５０を通じて可変抵抗体６０に電圧が印加される。 かかる電圧印加のための配線（図示せず）は、例えば燃料パウチ３０の排出口４０下に架設されうる。

燃料パウチ３０上には加圧板７０が備えられている。 加圧板７０は、加圧板７０上に備えられた加圧スプリング８０から受ける圧力を燃料パウチ３０に伝達する役割を行う。 加圧板７０と加圧スプリング８０とは、加圧手段の一例として使われる。 加圧板７０は、燃料パウチ３０の燃料排出口４０を除いた領域の上部面を覆う。 したがって、加圧スプリング８０の弾性力は、加圧板７０を通じて燃料パウチ３０に均一に伝達されうる。 したがって、カートリッジ１００が燃料電池本体に締結されたとき、カートリッジ１００から燃料電池本体に燃料が均一に供給されうる。

ここで、加圧板７０と上部ケース１０との間に備えられた加圧スプリング８０を、半径が上部ケース１０へ行くほど大きくなる円形スプリングとして示したが、四角スプリングであってもよい。 逆に、加圧スプリング８０は、半径が上部ケース１０へ行くほど小さくなるスプリングであってもよい。 また、加圧スプリング８０は、同じ特性を有する複数のスプリングに代替することもできる。

加圧板７０には、プローブセンサー９０が内在されている。 しかし、プローブセンサー９０の突出部は、加圧板７０から突出して可変抵抗体６０と接触する。 プローブセンサー９０は、加圧板７０と同じ高さに設置されており、加圧板７０と共に移動する。 したがって、燃料パウチ３０に燃料が充満しているときに、プローブセンサー９０の加圧板７０から突出した部分が可変抵抗体６０と接触するためには、可変抵抗体６０の高さは、少なくとも燃料パウチ３０に燃料が充満しているときの加圧板７０の高さと同じでありうる。 プローブセンサー９０は、可変抵抗体６０に接触した位置において、可変抵抗体６０の抵抗を測定する。 プローブセンサー９０により測定された抵抗は、接触パッド５０を通じて燃料電池システムの制御部に伝達される。

カートリッジ１００が燃料電池本体に燃料を供給すると、燃料パウチ３０は低くなり、加圧板７０と共にプローブセンサー９０も低くなる。 つまり、燃料パウチ３０の紙面上下方向の厚みが減少し、それに伴い加圧板７０とプローブセンサー９０の位置も紙面下方向に移動する。 これにより、可変抵抗体６０においてプローブセンサー９０が接触する位置も低くなる。 よって、プローブセンサー９０で測定される可変抵抗体６０の抵抗も低くなる。

図２は、図１のカートリッジ１００において燃料パウチ３０に燃料が充満しているときに、プローブセンサー９０と可変抵抗体６０との接触位置を示す立体図である。 図２では、便宜上、燃料パウチ３０を示していない。

図２に示すように、燃料パウチ３０に燃料が充満しているとき、プローブセンサー９０は、可変抵抗体６０の上端に接触する。 したがって、燃料パウチ３０に燃料が充満しているときが、プローブセンサー９０を通じて読み取られる可変抵抗体６０の抵抗は最も高い。

図３は、図１のカートリッジ１００において燃料パウチ３０内に燃料がないとき、すなわち燃料パウチ３０が空の状態での、プローブセンサー９０と可変抵抗体６０との接触位置を示す立体図である。 図３でも、燃料パウチ３０は、便宜上示していない。

図３に示すように、燃料パウチ３０が空のとき、プローブセンサー９０は、可変抵抗体６０の下端に接触する。 したがって、燃料パウチ３０が空いているときが、可変抵抗体６０の抵抗は最も低い。

図２及び図３から、燃料パウチ３０に燃料が一部のみ満たされた場合、プローブセンサー９０は、可変抵抗体６０の上端と下端との間に位置するということが分かる。 また、燃料パウチ３０に燃料が多いとき、プローブセンサー９０は、可変抵抗体６０の上端近くに位置し、燃料パウチ３０に残った燃料量が減るほど、プローブセンサー９０は、可変抵抗体６０の下端近くに位置するということが分かる。

このように、プローブセンサー９０が可変抵抗体６０に接触する位置は、燃料パウチ３０に残っている燃料量に比例して可変抵抗体６０の上端から下端に移動するので、プローブセンサー９０を通じて読み取られる可変抵抗体６０の抵抗も、燃料パウチ３０に残っている燃料量に比例して低くなる。

燃料パウチ３０に残った燃料量と、プローブセンサー９０を通じて測定される可変抵抗体６０の抵抗との比例関係により、プローブセンサー９０から測定された可変抵抗体６０の抵抗を利用して、燃料パウチ３０に残った燃料量に比例して変わる電気的信号、例えば電圧信号（出力電圧）が得られる。 この電圧信号は、接触パッド５０を通じてカートリッジ１００が装着される燃料電池本体の制御部へ伝送される。 そして、電圧信号は、燃料電池本体にあらかじめ入力されている電圧信号対燃料残量データと比較される。 その結果、残量表示部（図示せず）にカートリッジ１００の燃料パウチ３０に残った燃料量が、リアルタイムで表示されうる。

図４は、電圧信号（出力電圧）を発生させる回路を概略的に示す図面である。

図４において、Ｒｒｅｆは、基準抵抗であって、カートリッジごとに設定された固有の値である。 そして、Ｒｃは、カートリッジ１００からリアルタイムで伝達される可変抵抗体６０の抵抗を表す。 また、Ｖｒｅｆは、可変抵抗体６０に印加された電圧を表し、Ｖｏｕｔは、出力電圧、すなわち前記電気的信号を表す。
出力電圧Ｖｏｕｔは、次の数式１で決定される。

数式１を参照すれば、可変抵抗体６０の抵抗Ｒｃが高いとき、すなわち燃料パウチ３０に残った燃料量が多いほど出力電圧Ｖｏｕｔが高く、可変抵抗体６０の抵抗Ｒｃが低いとき、すなわち燃料パウチ３０に残った燃料量が少ないほど出力電圧Ｖｏｕｔが低いことが分かる。 すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔの変化は、燃料パウチ３０の燃料量を直接反映するので、出力電圧Ｖｏｕｔを利用して燃料パウチ３０の燃料量をリアルタイムで表示できる。

一方、燃料パウチ３０が空の場合、すなわちプローブセンサー９０が可変抵抗体６０の下端に接触するときの可変抵抗体６０の抵抗（以下、最低抵抗という）は、カートリッジ１００の製造ステップで測定できる。 また、燃料パウチ３０に燃料が充満している場合、測定される可変抵抗体６０の抵抗（以下、最高抵抗という）も、カートリッジ１００の製造ステップで測定できる。 このように測定された最低抵抗に対する数式１の出力電圧（以下、最低電圧という）と、最高抵抗に対する数式１の出力電圧（以下、最高電圧という）とは、燃料電池本体を製造するステップで、制御部あるいは制御部の制御を受ける別途のデータ保存部に設定データとして入力されうる。

したがって、カートリッジ１００が装着されて使用されるとき、燃料電池本体の制御部は、図４の回路で発生する出力電圧Ｖｏｕｔが最低電圧であれば、カートリッジ１００から燃料電池本体に伝達される可変抵抗体６０の抵抗が最低抵抗であり、燃料パウチ３０は実質的に空の状態であることを意味する。 よって、制御部は、カートリッジ１００の燃料パウチ３０に満たされた燃料がいずれも消尽したこと（空であること）を表示させることができる。 また、同じ原理により、燃料電池本体の制御部は、図４の回路で発生する出力電圧Ｖｏｕｔが最高電圧であれば、燃料パウチ３０に燃料が充満していること（満載であること）を表示させることができる。

カートリッジ１００を製造するステップで、この最低及び最高抵抗だけでなく、燃料パウチ３０内の燃料量による最低抵抗と最高抵抗との間の抵抗も測定する。 そして、測定された各抵抗に対する出力電圧を求め、比較データとして燃料電池本体の制御部または別途のデータ保存部にあらかじめ入力しておくことができる。

これにより、カートリッジ１００が燃料電池本体に装着されて使用される過程で、制御部は、図４の回路で発生する出力電圧Ｖｏｕｔと、前記燃料電池本体の制御部に比較データとしてあらかじめ入力された出力電圧データとを比較し、その結果を利用して燃料パウチ３０内に残った燃料量がどの程度であるかを残量表示部に表示させることができる。

図１の燃料電池カートリッジを備える燃料電池システムの燃料量測定方法を、段階別に要約すれば図５の通りである。

図５に示すように、測定方法は、まず、可変抵抗体６０に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する（Ｓ１）。 可変抵抗体６０に基準電圧Ｖｒｅｆを印加する過程は、カートリッジ１００が燃料電池本体に装着されつつ、燃料電池本体から印加される。

次いで、可変抵抗体６０に基準電圧Ｖｒｅｆが印加された状態で、プローブセンサー９０を利用してプローブセンサー９０の位置による可変抵抗体６０の抵抗値Ｒｃを読み取る（Ｓ２）。

次いで、数式１により抵抗値Ｒｃに該当する出力電圧Ｖｏｕｔが決定される（Ｓ３）。 更に、接触パッド５０を通じて前記決定された出力電圧を前記燃料電池本体へ伝送する（Ｓ４）。 出力電圧が前記燃料電池本体の制御部へ伝送されれば、出力電圧を、制御部にあらかじめ保存された出力電圧による燃料残量データと、比較する（Ｓ５）。 かかる比較を通じて、カートリッジ１００に残った燃料量が読み取られ、読み取り結果は、燃料電池システムが採用された残量表示部に表示される。 読み取った抵抗値が最小値であれば、残量表示部にカートリッジ１００の燃料がいずれも消尽したことが表示される。 逆に、読み取った抵抗値が最大値であれば、残量表示部にカートリッジ１００に燃料が充満していることが表示される。

以上、説明したように、本実施形態のカートリッジは、加圧板７０と一体に移動するプローブセンサー９０を利用して、可変抵抗体６０の抵抗値を読み取る。 このとき、可変抵抗体６０は固定されているため、可変抵抗体６０に対するプローブセンサー９０の移動は、加圧板７０が移動するときを除いては起きない。 そして、可変抵抗体６０に接触するプローブセンサー９０の摩擦抵抗は、非常に低く、温度による誤差も小さい。

したがって、本実施形態でプローブセンサー９０を利用した可変抵抗体６０の抵抗値を読み取る過程は、カートリッジの使用環境（例えば、傾き、ひっくり返り、回転、温度）に影響を受けない。 よって、カートリッジの使用環境に関係なく可変抵抗体６０の抵抗値を正確に読み取ることができる。

本実施形態において、可変抵抗体６０の抵抗値は、燃料パウチ３０に残った燃料量を反映するので、本実施形態のカートリッジを利用すれば、カートリッジに残った燃料量を正確に測定でき、カートリッジの最適の交替時期を通知することができる。

また、本実施形態のカートリッジの燃料量測定ユニットは、燃料と非接触状態で燃料量を測定するので、燃料の物理的性質及び化学的性質に関係なく燃料量を測定できる。

また、本実施形態のカートリッジの燃料量測定ユニットをなすプローブセンサー９０と可変抵抗体６０とは、簡単な構造であり、カートリッジの未使用領域に備えられるほど体積も大きくない。 よって、カートリッジの内部空間を効率的に利用できる。

また、本実施形態のカートリッジにおいて、燃料量測定ユニットは、燃料パウチ３０に直接設置されず、その動作抵抗が非常に低いので、燃料加圧過程に影響を与えない。

また、本実施形態のカートリッジは、燃料量の検出において圧力センサーのような高価の部品を使用する必要がないので、経済的でありうる。

また、本実施形態のカートリッジは、プローブセンサー９０で測定した可変抵抗体６０の抵抗値を、接触パッドを通じて燃料電池本体の制御部にリアルタイムで提供する。 よって、本実施形態のカートリッジを利用すれば、燃料電池本体にカートリッジに残った燃料量についての情報をリアルタイムで提供できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。 本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上下部ケース１０，２０の構造や、可変抵抗体６０，プローブセンサー９０の位置等は、上記実施形態に限定されるものではない。 例えば、上下部ケース１０，２０の構造を変形し、接触パッド５０の位置や形態を変形することができる。 また、可変抵抗体６０の位置と形態を変形し、これにより、プローブセンサー９０の位置も変更することができる。

本発明は、燃料電池関連の技術分野に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池カートリッジを示す立体図である。

図１の燃料電池カートリッジにおいて燃料パウチに燃料が充満しているときに、可変抵抗体に対するプローブセンサーの接触位置を示す立体図である。

図１の燃料電池カートリッジにおいて燃料パウチが空のときに、可変抵抗体に対するプローブセンサーの接触位置を示す立体図である。

図１のカートリッジの燃料量の表示に使われる電圧信号（出力電圧）を発生させる回路の例を示す図面である。

図１のカートリッジが装着された燃料電池システムの燃料量測定方法を段階別に示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 上部ケース １０ａ，２０ａ グルーブ １０ｂ 溝 ２０ 下部ケース ３０ 燃料パウチ ４０ 燃料排出口 ５０ 接触パッド ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ 接触領域 ６０ 可変抵抗体 ６０ａ 支持体 ６０ｂ 可変抵抗物質層 ７０ 加圧板 ８０ 加圧スプリング ９０ プローブセンサー １００ カートリッジ