(57)【要約】【課題】メタノールの濃度測定装置を提供する。【解決手段】直接液体燃料電池のアノード側に液体燃料を供給するパイプに設置され，パイプの内側に垂直に設置された支持ビーム，支持ビームの上部に水平に固設され，液体燃料と接触する上部面が所定の粗度を有するプレート，及び支持ビームの一側に固設され，パイプで流れる液体燃料の粘度変化によって発生する支持ビームの変形により電気的信号を発生させるセンサを備えるメタノールの濃度測定装置である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接液体燃料電池のアノード側に液体燃料を供給するパイプに設置されたメタノールの濃度測定装置において，
前記パイプの内側に垂直に設置された支持ビームと，
前記支持ビームの上部に固設され，上部面が所定の粗度を有するプレートと，
前記支持ビームの一側に固設され，前記パイプを流れる前記液体燃料の粘度変化によって発生する前記支持ビームの変形により電気的信号を発生させるセンサと，
を備えることを特徴とする，メタノールの濃度測定装置。
【請求項２】
前記パイプの内側に固設され，中央上部に開口部が形成されており，前記開口部に前記支持ビームが設置されたハウジングをさらに備えることを特徴とする，請求項１に記載のメタノールの濃度測定装置。
【請求項３】
前記センサは，圧電抵抗センサであることを特徴とする，請求項１または２に記載のメタノールの濃度測定装置。
【請求項４】
前記圧電抵抗センサは，前記支持ビームの１／２高さ以下に設置されることを特徴とする，請求項３に記載のメタノールの濃度測定装置。
【請求項５】
前記プレートは，前記粗度が前記プレートの厚さの１／１００〜１／１０ＲＭＳであることを特徴とする，請求項１または２に記載のメタノールの濃度測定装置。
【請求項６】
直接液体燃料電池のアノード側に液体燃料を供給するパイプに設置されたメタノールの濃度測定装置において，
前記パイプには第１開口部が形成されており，上部に前記第１開口部に対応する第２開口部を備え，前記第２開口部を前記第１開口部に整列させて上部が前記パイプの外側に固設されたハウジングと，
前記第１開口部及び前記第２開口部から離隔されるように前記第２開口部から突出され，その一端が前記ハウジングの底に固定された支持ビームと，
前記パイプ内で前記支持ビームの他端に固設され，上部面が所定の粗度を有するプレートと，
前記支持ビームの一側に固設され，前記パイプで流れる前記液体燃料の粘度変化によって発生する前記支持ビームの変形により電気的信号を発生させるセンサと，
を備えることを特徴とする，メタノールの濃度測定装置。
【請求項７】
前記センサは，圧電抵抗センサであることを特徴とする，請求項６に記載のメタノールの濃度測定装置。
【請求項８】
前記圧電抵抗センサは，前記支持ビームの１／２高さ以下に設置されることを特徴とする，請求項７に記載のメタノールの濃度測定装置。
【請求項９】
前記プレートは，前記粗度が前記プレートの厚さの１／１００〜１／１０ＲＭＳであることを特徴とする，請求項６に記載のメタノールの濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，アルコールの濃度測定センサに係り，特に直接液体燃料電池のアノード電極に供給される希釈されたアルコールの濃度を測定するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
直接液体燃料電池は，メタノール，エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素との電気化学反応により電気を生成する発電装置であって，エネルギー密度及び電力密度が非常に高く，メタノールなど液体燃料を直接使用するため，燃料改質器などの周辺装置が不要で，かつ燃料の保存及び供給が容易であるという長所を有する。
【０００３】
直接液体燃料電池は，図１に示したように，アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在されている構造を有する。各アノード電極２及びカソード電極３の構造は，燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２，３２，燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１，３１及び電極支持体２３，３３を備える。電極反応のための触媒は，低温でも優秀な特性を有する白金のような貴金属触媒が使用され，反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するために，ルテニウム，ロジウム，オスミウム，ニッケルのような転移金属の合金触媒が使われる。電極支持体は，炭素紙，炭素織物などが使われ，燃料の供給及び反応生成物の排出が容易であるように発水処理して使用する。電解質膜１は，厚さが５０〜２００μｍである高分子膜であって，水分を含有し，イオン伝導性を有する水素イオン交換膜である。
【０００４】
直接液体燃料電池のうち，メタノールと水とを混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）の電極反応は，燃料が酸化されるアノード反応及び水素イオンと酸素との還元によるカソード反応から構成され，反応式は次の通りである。
【０００５】
（反応式１）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（アノード反応）
（反応式２）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（カソード反応）
（反応式３）
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（総括反応）
【０００６】
酸化反応（反応式１）が起きるアノード電極２では，メタノールと水との反応により二酸化炭素，水素イオン及び電子が生成され，生成された水素イオンは，電解質膜１を通じてカソード電極３に伝達される。還元反応（反応式２）が起きるカソード電極３では，水素イオン，外部回路を通じて伝達された電子及び酸素間の反応により水が生成される。したがって，ＤＭＦＣ総括反応（反応式３）は，メタノールと酸素とが反応して水と二酸化炭素とを生成する反応となる。このとき，メタノール１分子が酸素と反応して２モルの水が生成される。
【０００７】
このときに使われる液体燃料は，純粋なメタノールでないシステムの内部で発生するか，あるいは既に保存されている水と混合されて使用されねばならず，高濃度燃料を使用する場合，電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（燃料がイオン交換膜を通過する現象）による発電性能の低下が大きいため，一般的に０．５〜２Ｍ（２〜８ｖｏｌ．％）の低濃度メタノールで希釈して使用する。
【０００８】
直接液体燃料電池システムは，高濃度または純粋なメタノールを保存した燃料タンクを備え，前記燃料タンクからのメタノールと水（回収されるか，またはウォータータンクからの）とを混合して所定の濃度で均一にした混合燃料をアノード電極に供給する。このとき，混合燃料の濃度を測定するメタノールセンサが必要である。
【０００９】
特許文献１では，循環タンク内にメタノール濃度を感知するメタノールセンサを開示しているが，具体的な測定方法は提示していない。特許文献２では，メタノール濃度に比例して電気信号を出力する電流センサでメタノール濃度を測定している。特許文献３では，燃料電池のメタノール溶液の少量を分離させて沸騰点まで加熱することによってメタノール濃度を測定する。特許文献４には，液体燃料が供給されるラインにバイパスラインを設置し，前記バイパスラインでの二つの位置での圧力差を利用してアルコール濃度を測定する方法を開示している。
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６，３０３，２４４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４８８，８３７号明細書
【特許文献３】米国公開特許第２００４／００１３９１２号公報
【特許文献４】米国特許第６，５３６，２６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は，メタノールの粘度を利用してメタノール濃度を信頼可能に測定する装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために，本発明の一実施形態によるメタノールの濃度測定装置は，直接液体燃料電池のアノード側に液体燃料を供給するパイプに設置され，前記パイプの内側に垂直に設置された支持ビーム，前記支持ビームの上部に固設され，上部面が所定の粗度（表面の粗さ）を有するプレート，及び前記支持ビームの一側に固設され，前記パイプで流れる前記液体燃料の粘度変化によって発生する前記支持ビームの変形により電気的信号を発生させるセンサを備える。
【００１３】
本発明の一応用例によれば，前記パイプの内側に固設され，中央上部に開口部が形成されており，前記開口部に前記支持ビームが設置されたハウジングをさらに備えるようにしてもよい。
【００１４】
前記センサは，圧電抵抗センサとしてもよい。
【００１５】
前記圧電抵抗センサは，前記支持ビームの１／２高さ以下に設置することが可能である。
【００１６】
また，前記プレートは，前記粗度が前記プレートの厚さの１／１００〜１／１０ＲＭＳとしてもよい。
【００１７】
前記の目的を達成するために，本発明の他の実施形態によるメタノールの濃度測定装置は，直接液体燃料電池のアノード側に液体燃料を供給するパイプに設置されたメタノールの濃度測定装置において，前記パイプには第１開口部が形成されており，上部に前記第１開口部に対応する第２開口部を備え，前記第２開口部を前記第１開口部に整列させて上部が前記パイプの外側に固設されたハウジング，前記第１開口部及び前記第２開口部から離隔されるように前記第２開口部から突出され，その一端が前記ハウジングの底に固定された支持ビーム，前記パイプ内で前記支持ビームの他端に固設され，上部面が所定の粗度を有するプレート，及び前記支持ビームの一側に固設され，前記パイプで流れる前記液体燃料の粘度変化によって発生する前記支持ビームの変形により電気的信号を発生させるセンサを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によるメタノールの濃度測定装置は，実際に小型装置に使われるほぼ１．０Ｍのメタノール濃度で感度が優秀であるので，小型の携帯が可能な直接液体燃料電池に有用に適用して使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に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する。なお，本明細書および図面において，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。
【００２０】
（第１実施形態）
図２は，本発明の第１実施形態にかかるメタノールの濃度測定装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的な構成図である。
【００２１】
図２に示すように，スタック１１０の内部カソード側に還元反応のための空気が供給され，カソードから反応副産物としての水は回収されて燃料ミキサー１４０に送信される。一方，燃料タンク１２０には，高濃度または純粋なメタノールが保存される。
【００２２】
燃料として使われる高濃度のメタノールは，別途のタンク１２０に保存されており，これは，第１ポンプ１２２により燃料ミキサー１４０に供給される。燃料ミキサー１４０に供給された燃料は，アノード側から回収されて燃料ミキサー１４０に戻った未反応燃料及びカソード側から出た水と共に混合される。次いで，混合された液体燃料は，第２ポンプ１４２によりスタック１１０のアノード側に送信される。
【００２３】
このとき，燃料ミキサー１４０からアノード側に送信される希釈された燃料は，燃料ミキサー１４０とアノードとの間のパイプ１６０に設置されたメタノールの濃度測定装置１５０によりメタノール濃度が測定され，制御部１７０は，測定された濃度によって第１ポンプ１２２を利用して燃料ミキサー１４０に送信される燃料量を制御する。
【００２４】
図３は，本発明の第１実施形態にかかるメタノールの濃度測定装置１５０の断面図である。
【００２５】
図３に示すように，メタノールの濃度測定装置１５０は，液体燃料が一定した速度で流れるパイプ１６０内に設置される。液体燃料の流速は，図２に開示された第２ポンプ１４２で調節されうる。メタノールの濃度測定装置１５０は，パイプ１６０に固設され，その上部の中央に開口部１５１ａが形成されたハウジング１５１，開口部１５１ａの中央でハウジング１５１の内部に垂直に設置された支持ビーム１５３，支持ビーム１５３にその下部が固定されたプレート１５５，及び支持ビーム１５３の一側に付着された圧電抵抗センサ１５７を備える。圧電抵抗センサ１５７は，電気回路（図示せず）を通じて制御部１７０に電気信号を送信する。
【００２６】
ハウジング１５１は，支持ビーム１５３が直接的に燃料の流れにより圧力を受けることを防止する。ハウジング１５１の上部は，燃料の流れによりハウジング１５１内で渦流が生じることを防止する。
【００２７】
支持ビーム１５３は，一端がパイプ１６０に固設され，他端がプレート１５５の下部に固定される。図３では，支持ビーム１５３の一端がパイプ１６０に直接固定されると示されたが，必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち，ハウジング１５１の底（図示せず）がパイプ１６０に固定され，支持ビーム１５３の一端がハウジング１５１の底に固設されることもある。
【００２８】
プレート１５５は，その上部面１５５ａが所定の粗度を有する。粗度は，プレート１５５の厚さの１／１００〜１／１０ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）粗度を有することが望ましい。上部面１５５ａは，燃料の流れにより粘性力を受け，この粘性力に比例して，支持ビーム１５３は流体の流れと同じ方向に変形される。支持ビーム１５３の変形された程度は，圧電抵抗センサ１５７の電気信号で表れる。粘性力が大きいほど変形が大きくなり，したがって圧電抵抗センサ１５７の電気信号値が大きくなる。本実施形態では，電気信号値を利用してメタノール濃度を測定する。
【００２９】
数式（１）は，本実施形態にかかる粘性力Ｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙとメタノール溶液の粘度との関係を示す式である。
【００３０】
【数１】
2006164971.tif 000003
【００３１】
ここで，Ａは，プレート１５５の上部面１５５ａの面積であり，ｄｖ／ｄｙは，流体の流れ及び垂直方向での速度変化である。第２ポンプ１４２により流速が一定に維持されれば，ｄｖ／ｄｙは一定になり，したがって粘性力Ｆｖｉｓｃｏｓｉｔｙは流体の粘性に比例する。
【００３２】
図４は，メタノール濃度による粘度の変化を示すグラフである。
【００３３】
図４に示すように，４０℃でメタノール濃度を重量比で増加させれば，粘度が一定した割合で増加することが分かる。したがって，パイプ１６０内を流れる流体の粘度を測定すれば，メタノール濃度が分かる。
【００３４】
図５は，１．０Ｍのメタノールで支持ビームが変形程度をシミュレーションした結果を示す図面である。このとき，レイノルズ数は１７８．１であり，支持ビームの位置によってそれぞれの剪断応力を計算した。
【００３５】
図６は，１．１Ｍのメタノールで図５と同じ実験を行った後，１．１Ｍの測定ストレスから１．０Ｍの測定ストレスを差し引いたストレス差を示すグラフである。
【００３６】
図５及び図６に示すように，メタノール濃度の０．１Ｍの差でもストレス差が発生した。すなわち，本実施形態にかかるメタノールの濃度測定装置の感度が０．１Ｍ以下となることを示す。一方，圧電抵抗センサ１５７の位置は，支持ビーム１５３の底を０とし，支持ビーム１５３の上部面を１として０．１〜０．８５の位置でそれぞれ測定した。支持ビーム１５３の下部へ行くほど，ストレス差が大きくなった。すなわち，感度が増加した。したがって，圧電抵抗センサ１５７は，望ましくは，支持ビーム１５３の下部分に設置されることが望ましい。
【００３７】
（第２実施形態）
図７は，本発明の第２実施形態によるメタノールの濃度測定装置２５０の断面図である。第１実施形態の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ名称を使用し，詳細な説明は省略する。
【００３８】
図７に示すように，メタノールの濃度測定装置２５０は，液体燃料が一定した速度で流れるパイプ１６０内に設置される。液体燃料の流速は，図２に開示された第２ポンプ１４２で調節されうる。メタノールの濃度測定装置２５０は，パイプ１６０の第１開口部１６０ａの外側に固設されたハウジング２５１を備える。ハウジング２５１には，第１開口部１６０ａに対応する第２開口部２５１ａが中央上部に形成されている。第２開口部２５１ａの中央で，ハウジング２５１の内部に垂直に設置された支持ビーム２５３，支持ビーム２５３にその下部が固定されたプレート２５５，及び支持ビーム２５３の一側に付着された圧電抵抗センサ２５７を備える。圧電抵抗センサ２５７は，電気回路（図示せず）を通じて制御部１７０に電気信号を送信する。
【００３９】
支持ビーム２５３は，一端がハウジング２５１の底に固設され，他端がプレート２５５の下部に固定される。
【００４０】
プレート２５５は，その上部面２５５ａが所定の粗度を有する。粗度は，プレート２５５の厚さの１／１００〜１／１０ＲＭＳ粗度を有することが望ましい。
【００４１】
第２実施形態によるメタノールの濃度測定装置の作用は，第１実施形態によるメタノールの濃度測定装置と類似しているので，詳細な説明は省略する。
【００４２】
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説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，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。すなわち，当業者であれば，これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって，本発明の真の技術的保護範囲は，特許請求の範囲により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は，直接液体燃料電池関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】直接液体燃料電池の基本的な構造を示す断面図である。
【図２】本発明によるメタノールの濃度測定装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的な構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態によるメタノールの濃度測定装置の断面図である。
【図４】メタノール濃度による粘度の変化をグラフで示す説明図である。
【図５】１．０Ｍのメタノールで支持ビームが変形程度をシミュレーションした結果を示す説明図である。
【図６】１．１Ｍのメタノールで図５と同じ実験を行った後，１．１Ｍの測定ストレスから１．０Ｍの測定ストレスを差し引いたストレス差をグラフで示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態によるメタノールの濃度測定装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１５０  メタノールの濃度測定装置
１５１  ハウジング
１５１ａ  開口部
１５３  支持ビーム
１５５  プレート
１５５ａ  プレートの上部面
１５７  圧電抵抗センサ
１６０  パイプ
【図１】
2006164971.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
2006164971.tif 000008
【図７】
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【図５】
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