(57)【要約】【課題】簡単な操作で、しかも正確に被測定物質の濃度を測定することができる濃度測定装置及びそれを用いた燃料電池システムを提供すること。【解決手段】濃度センサ１２５では、燃料液循環系１２で循環しているメタノール水溶液を流路１２５２に充填し、光源１２５１から光を照射して流路１２５２を透過した光を検出器１２５３で検出する。検出器１２５３において強度スペクトルを求め、その強度スペクトル情報をピーク波長検出部１２５４に出力する。ピーク波長検出部１２５４においては、強度スペクトルからＣ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域のピーク波長を求め、そのピーク波長情報を濃度算出部１２５５に出力する。濃度算出部１２５５においては、ピーク波長検出部１２５４で求められたピーク波長情報に基づいてテーブル１２５６を参照することによりメタノール濃度を求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物質を収容する流路と、前記被測定物質に光を照射する光源と、前記被測定物質を透過した光の強度ピークの波長を検出する検出手段と、前記強度ピークの波長に対応する被測定物質の濃度を求める濃度算出手段と、を具備することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記濃度算出手段は、前記被測定物質の濃度と前記強度ピークの波長とを関連づけるテーブルを有し、前記強度ピークの波長を用いて前記テーブルを参照することにより前記被測定物質の濃度を求めることを特徴とする請求項１記載の濃度測定装置。
【請求項３】
前記被測定物質はメタノール、エタノール及びイソプロピルアルコールからなる群より選ばれたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の濃度測定装置。
【請求項４】
燃料極及び酸素極を含む燃料電池と、前記燃料極に所定濃度の燃料液を供給すると共に、前記燃料極から排出された液体を前記燃料液に変換する燃料液循環系と、前記燃料液を被測定物質として前記燃料液の濃度を測定する請求項１から請求項３のいずれかに記載の濃度測定装置と、を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記濃度測定装置の測定結果に基づいて前記燃料液の濃度調整を行う調整手段を具備することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃度測定装置及びそれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液体の濃度測定、例えばメタノールの濃度の測定が行われている。メタノールの測定方法としては、Lambert-Beerの法則を用いた方法が挙げられる。この方法は、被測定物質が光を吸収するものであれば、物質の種類に関係なく濃度測定を行うことができる。この方法においては、水を充填したセルに光を照射し、セルを透過した光の強度を求め、この強度（Ｉ0）をリファレンスとし、次いでメタノールを充填したセルに光を照射し、セルを透過した光の強度（Ｉ）を求める。そして、この両者の強度からＡ＝−ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）により吸光度を求め、その吸光度から濃度を算出する。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１７８８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の方法では、リファレンスを測定しなければ吸光度を求めることができないので、光の強度検出を少なくとも２度行う必要がある。また、流路中のメタノールに泡が混入したり、濃度ムラがある場合には、光の強度が変動してしまうことがあり、正確にメタノール濃度を測定することができないという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡単な操作で、しかも正確に被測定物質の濃度を測定することができる濃度測定装置及びそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の濃度測定装置は、被測定物質を収容する流路と、前記被測定物質に光を照射する光源と、前記被測定物質を透過した光の強度ピークの波長を検出する検出手段と、前記強度ピークの波長に対応する被測定物質の濃度を求める濃度算出手段と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、強度スペクトルにおいて濃度により変化するピーク波長により濃度を測定することができる。このため、従来の濃度測定方法のようにリファレンスの測定が不要であり、操作が簡単である。また、この構成によれば、ピーク波長の変化に基づいて濃度を求めているので、被測定物質に泡が混入したり、濃度ムラがあって強度に影響を及ぼしても濃度を測定することができる。したがって、測定環境に影響されずに正確に濃度測定を行うことができる。
【０００８】
本発明の濃度測定装置においては、前記濃度算出手段は、前記被測定物質の濃度と前記強度ピークの波長とを関連づけるテーブルを有し、前記強度ピークの波長を用いて前記テーブルを参照することにより前記被測定物質の濃度を求めることが好ましい。
【０００９】
本発明の濃度測定装置においては、前記被測定物質はメタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどのＣ−Ｈ結合を持つ溶質を含む溶液であることが好ましい。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、燃料極及び酸素極を含む燃料電池と、前記燃料極に所定濃度の燃料液を供給すると共に、前記燃料極から排出された液体を前記燃料液に変換する燃料液循環系と、前記燃料液を被測定物質として前記燃料液の濃度を測定する上記濃度測定装置と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、濃度測定装置により正確に被測定物質の濃度を測定することができ、その濃度情報に基づいて被測定物質の濃度調整を行うので、燃料液の濃度管理を正確に行うことが可能となり、安定した電力量を発生させることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記濃度測定装置の測定結果に基づいて前記燃料液の濃度調整を行う調整手段を具備することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、被測定物質を収容する流路に光を照射し、被測定物質を透過した光の強度ピークの波長を検出し、強度ピークの波長に対応する被測定物質の濃度を求めるので、従来の濃度測定方法と異なりリファレンスの測定が不要であり、操作が簡単であると共に、測定環境に影響されずに正確に濃度測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施の形態では、燃料電池がアクティブ型ダイレクトメタノール方式の燃料電池であり、燃料液がメタノール水溶液である場合について説明する。図１に示す燃料電池システムは、燃料極及び酸素極を有する燃料電池１１と、燃料極に所定濃度の燃料液を供給すると共に、前記燃料極から排出された液体を前記燃料液に変換する燃料液循環系１２と、被測定物質であるメタノールを収容するメタノールカートリッジ１３と、燃料電池１１の酸素極に外気を入れるエアブロワ１４と、燃料電池１１の酸素極からの水蒸気を水に変換して燃料液循環系１２に帰還させる水供給系１５とから主に構成されている。
【００１５】
燃料電池１１は、例えば図２に示す構成を有する。図２は、アクティブ型ダイレクトメタノール方式の燃料電池の構成の一例を示す図である。図２に示す燃料電池は、主に燃料極１１１と、酸素極１１７と、燃料極１１１及び酸素極１１７に挟持されたメンブレン１１２〜１１６とで構成されている。燃料極１１１は、電極板に燃料液（メタノール水溶液）を通す通路１１１ａが配設されており、燃料液が入口１１１ｂから供給され、出口１１１ｃから排出されるようになっている。メンブレンは、固体電解質膜１１４と、その両側に配置された触媒層１１３，１１５と、触媒層１１３，１１５の外側にそれぞれ配置された拡散層１１２，１１６とから構成されている。燃料極１１１側の拡散層１１２には、複数の穴１１２ａが形成されており、燃料液を拡散する機能を果たす。酸素極１１７側の拡散層１１６にも、複数の穴１１６ａが形成されており、エアブロワ１４で供給されるエアなどを拡散する機能を果たす。これらの拡散層１１２，１１６としては、例えばグラファイトなどを用いることができる。触媒層１１３は、メタノールと水の反応を促進させるものであり、例えば、ＰｔとＲｕの混合触媒などを用いることができる。触媒層１１５は、酸素から水を生成する反応を促進させるものであり、例えばＰｔなどを用いることができる。固体電解質膜１１４は、燃料極におけるメタノールと水の反応で得られたプロトンを酸素極側に供給する。固体電解質膜１１４としては、例えば、Nafion（Du Pont社製、商品名）などの固体高分子電解質膜を用いることができる。燃料極１１１と酸素極１１７との間にはコンバータ２０が接続されており、燃料電池１１で発生する起電力から得られる電力を取り出すことができる。
【００１６】
燃料液循環系１２は、燃料極１１１に所定濃度の燃料液を供給すると共に、燃料極１１１から排出された液体を燃料液に変換するサイクルであり、燃料極１１１から排出された液体、すなわちメタノール水溶液に含まれる二酸化炭素を分離するＣＯ2分離器１２１と、二酸化炭素を除去したメタノール水溶液を冷却する熱交換器１２２と、メタノール水溶液に必要に応じてメタノールを供給する液体ポンプ１２３と、メタノール水溶液に必要に応じて水を混合する混合槽１２４と、メタノール水溶液中のメタノールの濃度を測定する濃度センサ１２５とを含む。
【００１７】
エアブロワ１４は、外気をフィルタリングするエアフィルタ１６を有する。水供給系１５は、燃料電池１１から排出された水蒸気を液化する凝結器１５１と、凝結した水を分離して混合器１２４に送る水分離器１５２とを含む。メタノールカートリッジ１３と液体ポンプ１２３との間には、メタノールカートリッジ１３からのメタノールの供給を制御するバルブ１７が設けられている。また、混合槽１２４と水分離器１５２との間には、水供給系１５からの水の供給を制御するバルブ１８が設けられている。また、ＣＯ2分離器１２１には、ＣＯ2の排出を制御するバルブ１９が取り付けられている。
【００１８】
図３は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける濃度センサを示すブロック図である。図３に示す濃度センサ１２５は、被測定物質であるメタノール水溶液を収容する流路１２５２と、この流路１２５２中のメタノール水溶液に光を照射する光源１２５１と、流路１２５２を透過した光の強度を検出する検出器１２５３と、検出器１２５３で検出された強度スペクトルからピーク波長を検出するピーク波長検出部１２５４と、強度ピーク波長に対応するメタノール濃度を求める濃度算出部１２５５とを有する。また、濃度センサ１２５は、メタノール濃度と強度ピークの波長とを関連づけるテーブル１２５６を有する。このテーブル１２５６は、メタノール濃度を変えながら求めたピーク波長の情報からあらかじめ作成される。
【００１９】
光源１２５１としては、ブロードな光を発する近赤外線光源、ＬＥＤなどを用いることができる。波長は被測定物質に応じて適宜決定する。ここでは被測定物質がメタノール水溶液であるので、約１５００〜１８００ｎｍの波長範囲をカバーする光源を用いる。流路１２５２は、被測定物質であるメタノール水溶液を収容でき、しかも光源の波長の光を透過できるものであれば良い。検出器１２５３は、光源１２５１からの光の強度を検出することができるものであれば特に制限はない。ピーク波長検出部１２５４は、検出された光の強度スペクトルにおけるピーク波長を検出する。ここでは、被測定物質がメタノール水溶液であるので、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音についてのピーク波長を検出する。なお、本実施の形態においては、検出器１２５３で光の強度を検出し、ピーク波長検出部１２５４で強度スペクトルにおけるピーク波長を検出するような構成について説明しているが、本発明においては、光強度の検出と、強度スペクトルにおけるピーク波長の検出とを同じ処理部で行うようにしても良い。
【００２０】
ここで、強度スペクトルにおけるピーク波長と被測定物質との間の関係について説明する。図４は、流路１２５２に種々の濃度のメタノールを充填し、それぞれビーム光を照射したときの強度スペクトルを示す図である。メタノールの場合、スペクトルにおいて特徴的な部位（波長）である１６００ｎｍから１８００ｎｍの領域（Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域）（図中Ｘ）に着目する。図５（ａ）は、強度スペクトルのＣ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域を示す拡大図であり、図５（ｂ）は、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域において強度の二次微分を示す図である。図５（ｂ）に示すように二次微分をとることにより、ピーク波長の変化をより顕著に表すことが可能となる。
【００２１】
図５（ｂ）から分かるように、濃度の変化に伴ってピーク波長がシフトしている（図中の矢印）。したがって、このような関係を用いることにより、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音のピーク波長から濃度を求めることが可能となる。なお、ピーク波長については、濃度以外のパラメータ、例えば温度やｐＨなどには影響されない。
【００２２】
濃度センサ１２５のテーブルには、上記のメタノール濃度とＣ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域のピーク波長との間の関係が含まれている。これは、水−メタノールの比率により一義的に決定されるもので、水と溶質である有機物との組み合わせによって固有のものであり、かつ不変である。したがって、濃度算出部１２５５は、ピーク波長検出部１２５４で検出されたピーク波長情報に基づいてテーブル１２５６を参照することにより、メタノール濃度を求めることができる。このメタノール濃度情報は、適宜バルブ１７，１８に出力される。バルブ１７，１８には、それぞれ制御部（図示せず）が設けられており、各制御部においてメタノール濃度情報に基づいてメタノール供給量又は水供給量を求め、その供給量に応じてバルブ１７，１８の開閉を制御する。このようにして燃料液であるメタノールの濃度調整を行うことができる。なお、ここでは、バルブ１７，１８にそれぞれ制御部が設けられている場合について説明しているが、メタノール濃度情報に基づいてメタノールや水の供給量を包括的に制御するようにしても良い。
【００２３】
次に、上記構成を有する燃料電池システムの動作について説明する。
まず、メタノールカートリッジ１３のバルブ１７を開いて所定量のメタノールを燃料液循環系１２の液体ポンプ１２３に送り出す。液体ポンプ１２３は、メタノールを混合槽１２４に圧送する。混合槽１２４では、所定量の水をメタノールに加えてメタノール水溶液として燃料電池１１の燃料極１１１側に送る。なお、このメタノール水溶液は、濃度センサ１２５において逐次もしくは定期的に濃度測定される。
【００２４】
燃料電池１１の燃料極１１１においては、下記式（１）のような水とメタノールの反応によりプロトンと電子が発生する。このとき、拡散層１１２はメタノール水溶液の拡散に寄与し、触媒層１１３は下記式（１）の反応の促進に寄与する。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ−                    …式（１）
【００２５】
ここで発生したプロトンは、固体電解質膜１１４を通って酸素極１１７に移動する。また、酸素極には、酸素源として外気が供給される。すなわち、外気はエアフィルタ１６でフィルタリングされた後にエアブロワ１４で酸素極１１７に導入される。酸素極１１７においては、下記式（２）のような反応により水が生成される。このとき、拡散層１１６は酸素の拡散に寄与し、触媒層１１５は下記式（２）の反応の促進に寄与する。
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ−→３Ｈ2Ｏ                        …式（２）
【００２６】
上記式（１），（２）に示す反応により起電力が発生して電流が流れる。この電流はコンバータ２０に送られる。燃料電池１１の燃料極１１１からはメタノール水溶液と共にＣＯ2が排出される。このメタノール水溶液及びＣＯ2は、ＣＯ2分離器１２１において、ＣＯ2のみが除去されてバルブ１９を通して外界に放出される。ＣＯ2が除去されたメタノール水溶液は熱交換器１２２において冷却されて液体ポンプ１２３及び混合槽１２４を通って濃度センサ１２５に送られる。
【００２７】
一方、酸素極１１７から排出される水（水蒸気）は、水供給系１５の凝結器１５１において水に液化される。この水は水分離器１５２で分離されて混合槽１２４に送られる。
【００２８】
濃度センサ１２５では、燃料液循環系１２で循環しているメタノール水溶液が流路１２５２を透過する際に、光源１２５１から光を照射して流路１２５２を透過した光を検出器１２５３で検出する。そして、検出器１２５３において強度スペクトルを求め、その強度スペクトル情報をピーク波長検出部１２５４に出力する。ピーク波長検出部１２５４においては、強度スペクトルからＣ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域のピーク波長を求め、そのピーク波長情報を濃度算出部１２５５に出力する。濃度算出部１２５５においては、あらかじめ求められたメタノール濃度とピーク波長との間の関係を示す検量線から作成されたテーブル１２５６を参照する。すなわち、ピーク波長検出部１２５４で求められたピーク波長情報に基づいてテーブル１２５６を参照することによりメタノール濃度を求める。この濃度情報は、メタノールカートリッジ１３のバルブ１７及び混合槽１２４と水分離器１５２との間のバルブ１８に出力される。
【００２９】
このように本実施の形態に係る濃度センサ１２５は、強度スペクトルにおいて濃度により変化するピーク波長により濃度を測定する。このため、従来の濃度測定方法のようにリファレンスの測定が不要であり、操作が簡単である。また、従来の方法では、強度の比を用いて吸光度を求めるため、メタノールに泡が混入したり、濃度ムラがあると、強度に影響してしまって、正確に濃度測定をすることができない。これに対して、本実施の形態に係る濃度センサにおいては、ピーク波長の変化に基づいて濃度を求めているので、メタノールに泡が混入したり、濃度ムラがあって強度に影響を及ぼしても濃度を測定することができる。したがって、測定環境に影響されずに正確に濃度測定を行うことができる。
【００３０】
メタノールカートリッジ１３のバルブ１７では、濃度情報に基づいてメタノールカートリッジ１３からメタノールを燃料液循環系１２に供給するように開閉制御を行う。すなわち、メタノール濃度が所望の濃度よりも低い場合には、バルブ１７を開いてメタノールを燃料液循環系１２に供給し、混合槽１２４でメタノール水溶液にメタノールを混合してメタノール水溶液の濃度を上げる。また、混合槽１２４と水分離器１５２との間のバルブ１８では、濃度情報に基づいて水分離器１５２から水を燃料液循環系１２に供給するように開閉制御を行う。すなわち、メタノール濃度が所望の濃度よりも高い場合には、バルブ１８を開いて水を燃料液循環系１２に供給し、混合槽１２４でメタノール水溶液に水を混合してメタノール水溶液の濃度を下げる。なお、実施の形態のようにバルブ１７，１８の開閉を個々に制御するのではなく、バルブ１７，１８の開閉を共に制御しても良い。
【００３１】
このように本実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、濃度センサ１２５により正確にメタノール濃度を測定することができ、その濃度情報に基づいてメタノール又は水を適宜供給してメタノールの濃度調整を行うので、燃料液の濃度管理を正確に行うことが可能となり、安定した電力量を発生させることができる。
【００３２】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、被測定物質がメタノールである場合について説明しているが、本発明においては、被測定物質が強度スペクトルにおいてＣ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域を有する他の物質である場合にも同様に適用することができる。また、上記実施の形態における燃料電池システムの構成は一例であり、メタノールを用いる燃料電池システムにおいて構成要素を適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】アクティブ型ダイレクトメタノール方式の燃料電池の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける濃度センサを示すブロック図である。
【図４】流路に被測定物質を充填し、光を照射したときの強度スペクトルを示す図である。
【図５】（ａ）は、強度スペクトルのＣ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域を示す拡大図であり、（ｂ）は、Ｃ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音領域において強度の二次微分を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１  燃料電池
１２  燃料液循環系
１３  メタノールカートリッジ
１４  エアブロワ
１５  水供給系
１６  エアフィルタ
１７，１８，１９  バルブ
２０  コンバータ
１１１  燃料極
１１２，１１６  拡散層
１１３，１１５  触媒層
１１４  固体電解質膜
１１７  酸素極
１２１  ＣＯ2分離器
１２２  熱交換器
１２３  液体ポンプ
１２４  混合槽
１２５  濃度センサ
１５１  凝結器
１５２  水分離器
１２５１  光源
１２５２  流路
１２５３  検出器
１２５４  ピーク波長検出器
１２５５  濃度算出部
１２５６  テーブル
【図１】
2006292474.tif 000003
【図２】
2006292474.tif 000004
【図３】
2006292474.tif 000005
【図４】
2006292474.tif 000006
【図５】
2006292474.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月12日(2005.4.12)
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2006292474.tif 000008