(57)【要約】【課題】  超音波センサを用いた濃度測定装置による濃度測定において、伝播する超音波の音速に対して、特定成分の濃度が１つに定まらない気体もしくは液体であっても、特定成分の濃度を正確かつ迅速に測定することが可能な濃度測定装置および濃度測定方法を提供する。  【解決手段】  超音波センサと、受信超音波の強度を積分する計算部と、積分値と特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部を有する濃度測定装置。および、気体もしくは液体を流動させる流動部３４ｂと、１つ以上の熱交換部４１と、２つ以上の超音波センサ２ｂ、２ｃと、超音波の音速を算出する計算部９ｂと、音速と特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部１０ｂを有する濃度測定装置。【選択図】図９
2006071426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体もしくは液体中に超音波を発信する超音波発信部と、
該超音波発信部から発信された超音波を受信する超音波受信部と、
該超音波受信部にて受信された超音波の受信信号を処理する計算部と、
該計算部にて算出された値と、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部と
を有することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記計算部は、前記受信信号を積分す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】
気体もしくは液体中に超音波を発信する超音波発信工程と、
該超音波発信工程により発信された超音波を受信する超音波受信工程と、
該超音波受信工程にて受信された超音波の受信信号を処理する計算工程と、
該計算工程にて算出された値を用いて、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程と
を有することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項４】
燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムであって、
前記発電部に供給される燃料中に超音波を発信する超音波発信部と、
該超音波発信部から発信された超音波を受信する超音波受信部と、
該超音波受信部にて受信された超音波の受信信号を処理する計算部と、
該計算部にて算出された値と、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記発電部に供給される燃料中に超音波を発信する超音波発信工程と、
該超音波発信工程により発信された超音波を受信する超音波受信工程と、
該超音波受信工程にて受信された超音波の受信信号を処理する計算工程と、
該計算工程にて算出された値を用いて、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程と
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
気体もしくは液体を流動させる流動部と、
流動している前記気体もしくは前記液体を冷却もしくは加熱することにより、前記気体もしくは前記液体に温度勾配を発生させる少なくとも１つ以上の熱交換部と、
前記気体もしくは前記液体中の温度が異なる箇所に超音波を発信する少なくとも２つ以上の超音波発信部と、
該超音波発信部と対をなし、該超音波発信部から発信された超音波を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信部と、
前記超音波受信部にて受信された超音波の音速を計算する計算部と、
該計算部にて算出された超音波の音速と、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部と
を有することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項７】
気体もしくは液体を流動させる工程と、
流動している前記気体もしくは前記液体を冷却もしくは加熱することにより、前記気体もしくは前記液体に温度勾配を発生させる工程と、
前記気体もしくは前記液体中の温度が異なる少なくとも２箇所以上に超音波を発信する超音波発信工程と、
該超音波発信工程により発信されたそれぞれの超音波を受信する超音波受信工程と、
該超音波受信工程にて受信されたそれぞれの超音波の音速を計算する計算工程と、
該計算工程にて算出された少なくとも２値以上の超音波の音速を用いて、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程と
を有することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項８】
燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムであって、
前記発電部に供給される燃料を流動させる流動部と、
流動している前記燃料を冷却もしくは加熱することにより、前記燃料に温度勾配を発生させる熱交換部と、
前記燃料中の温度の異なる箇所に超音波を発信する少なくとも２つ以上の超音波発信部と、
該超音波発信部と対をなし、該超音波発信部から発信された超音波を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信部と、
前記超音波受信部にて受信された超音波の音速を計算する計算部と、
該計算部にて算出された超音波の音速と、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記発電部に供給される燃料を流動させる工程と、
流動している前記燃料を冷却もしくは加熱することにより、前記燃料に温度勾配を発生させる工程と、
前記燃料中の温度が異なる少なくとも２箇所以上に超音波を発信する超音波発信工程と、
該超音波発信工程により発信されたそれぞれの超音波を受信する超音波受信工程と、
該超音波受信工程にて受信されたそれぞれの超音波の音速を計算する計算工程と、
該計算工程にて算出された少なくとも２値以上の超音波の音速を用いて、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程と
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度を測定する濃度測定装置、濃度測定方法に関するものである。また、燃料と空気を用いて所要の発電を行う燃料電池システムとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの発電部は、燃料と酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池システムは、発電により生成される生成物が主として水であることから、環境を汚染することがない発電素子として近年注目されている。例えば、自動車を駆動するための駆動電源や、家庭用コジェネレーションシステムとして使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源等に止まらず、例えば、ノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池システムの開発も活発に行われている。このような燃料電池システムにおいては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池システムは、電解質の違いや燃料の供給方法等によって様々なタイプのものに分類されるが、メタノールを水素に改質せずに燃料として直接用いるダイレクトメタノール型の燃料電池システム（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）も提案されている。ダイレクトメタノール型の燃料電池システムでは、アノード側で主としてＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−の如き反応が起き、カソード側で主として３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏの如き反応が起きる。アノード側で発生したプロトン（Ｈ＋）が電解質によってカソード側に伝達され、全体としてＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏの反応が起きて、発電とともにアノード側で二酸化炭素、カソード側で水が生成される。
【０００５】
ダイレクトメタノール型の燃料電池システムでは、燃料として純粋なメタノールを供給するだけでは、アノードでの発電反応が進行しないため、メタノールに水を混合した燃料をアノードに供給する必要がある。このときの燃料供給方法として、予めメタノールと水を適切な組成で混合しておく方法が提案されている。一方、燃料を循環させる燃料循環流路を設置して、循環する燃料に対して純粋なメタノールを補充するとともに、発電反応により生成された水を回収して燃料に補充する方法が提案されている。
【０００６】
循環する燃料に対して純粋なメタノールと、発電によって生成された水とを燃料に補充する場合には、燃料中のメタノール濃度を一定に保つために濃度センサを設置する必要がある。なぜならば、燃料のメタノール濃度が低下すると、燃料のエネルギー密度が低下するからである。また、メタノール濃度が高い燃料を発電部に供給すると、メタノールが電解質をクロスオーバーし、発電部の発電効率を低下させるだけでなく、発電体が劣化しやすくなるからである。
【０００７】
燃料中のメタノール濃度の測定を行う濃度測定装置として、超音波センサを用いた濃度測定装置が考えられる。超音波センサを用いた濃度測定装置の基本的な測定原理について簡単に説明すると、まず、超音波発信部から出力された超音波が超音波受信部に受信されるまでの時間tを測定し、予め測定されている超音波の伝播距離Ｌを時間tで除した音速ｖを算出する。次に、音速ｖは液体の温度Ｔによっても変化するので、温度センサによって液体の温度Ｔを測定する。最後に、液体の温度、超音波の音速および液体に含まれている特定の成分の濃度の関係を示した検量データに、算出した音速ｖと測定した温度Ｔをあてはめて液体に含まれている特定の成分の濃度を検出する。
【０００８】
しかしながら、燃料電池システムの燃料として使用されるメタノール水溶液のようなアルコール水溶液のアルコール濃度と、アルコール水溶液中を伝播する超音波の音速との関係は極大値をもつ二次曲線となり、１値の音速に対し２値のアルコール濃度が存在する。このため、超音波センサを用いた濃度測定装置では、アルコール水溶液のアルコール濃度を正確に求めることが困難であった。
【０００９】
アルコール水溶液のアルコール濃度を正確に求めるための方法としては、ヒータを用いてアルコール水溶液を加熱し、加熱前と加熱後のアルコール水溶液に対してそれぞれの超音波の音速を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によると、加熱前のアルコール水溶液中に発信した超音波の音速に対する加熱後のアルコール水溶液中に発信した超音波の音速の変化率により、アルコール水溶液のアルコール濃度を１値に特定できるとしている。
【特許文献１】特開平１１−２３５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１の方法による濃度測定方法は、液体の温度が変化した後でなければ加熱後の測定を行えないため、アルコール濃度が検出されるまで幾分かの時間がかかる。これでは、迅速な測定が要求される場合、例えば燃料電池システムにおける燃料のアルコール濃度の測定に適用することができない。
【００１１】
そこで本発明は、アルコール水溶液に含まれるアルコールの濃度を正確かつ迅速に測定することが可能な濃度測定装置と濃度測定方法および本発明に係る濃度測定装置を適用した燃料電池システムとその運転方法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】
【００１２】
上記の課題を解決するため本発明に係る濃度測定装置は、気体もしくは液体中に超音波を発信する超音波発信部と、該超音波発信部から発信された超音波を受信する超音波受信部と、該超音波受信部にて受信された超音波の受信信号を処理する計算部と、該計算部にて算出された値と、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部とを有することを特徴とする。このような構成とすることで、超音波の音速ではなく、超音波の受信信号によって特定成分の濃度を検出することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になる。
【００１３】
また、上記構成において、前記計算部にて、前記受信信号を積分することができる。このようにすることで、受信信号同士の差異を明確にすることができる。
【００１４】
次に、本発明に係る濃度測定方法は、気体もしくは液体中に超音波を発信する超音波発信工程と、該超音波発信工程により発信された超音波を受信する超音波受信工程と、該超音波受信工程にて受信された超音波の受信信号を処理する計算工程と、該計算工程にて算出された値を用いて、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程とを有することを特徴とする。このような濃度測定方法とすることで、超音波の音速ではなく、超音波の受信信号によって特定成分の濃度を検出することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になる。
【００１５】
次に、本発明に係る燃料電池システムは、燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムであって、前記発電部に供給される燃料中に超音波を発信する超音波発信部と、該超音波発信部から発信された超音波を受信する超音波受信部と、該超音波受信部にて受信された超音波の受信信号を処理する計算部と、該計算部にて算出された値と、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部とを有することを特徴とする。このような構成とすることで、超音波の音速ではなく、超音波の受信信号によって特定成分の濃度を検出することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になる。
【００１６】
次に、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記発電部に供給される燃料中に超音波を発信する超音波発信工程と、該超音波発信工程により発信された超音波を受信する超音波受信工程と、該超音波受信工程にて受信された超音波の受信信号を処理する計算工程と、該計算工程にて算出された値を用いて、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程とを有することを特徴とする。このような運転方法とすることで、超音波の音速ではなく、超音波の受信信号によって特定成分の濃度を検出することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になる。
【００１７】
次に、本発明に係る濃度測定装置は、気体もしくは液体を流動させる流動部と、流動している前記気体もしくは前記液体を冷却もしくは加熱することにより、前記気体もしくは前記液体に温度勾配を発生させる少なくとも１つ以上の熱交換部と、前記気体もしくは前記液体中の温度が異なる箇所に超音波を発信する少なくとも２つ以上の超音波発信部と、該超音波発信部と対をなし、該超音波発信部から発信された超音波を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信部と、前記超音波受信部にて受信された超音波の音速を計算する計算部と、該計算部にて算出された超音波の音速と、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部とを有することを特徴とする。このような構成とすることで、同一の気体もしくは液体から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。
【００１８】
次に、本発明に係る濃度測定方法は、気体もしくは液体を流動させる工程と、流動している前記気体もしくは前記液体を冷却もしくは加熱することにより、前記気体もしくは前記液体に温度勾配を発生させる工程と、前記気体もしくは前記液体中の温度が異なる少なくとも２箇所以上に超音波を発信する超音波発信工程と、該超音波発信工程により発信されたそれぞれの超音波を受信する超音波受信工程と、該超音波受信工程にて受信されたそれぞれの超音波の音速を計算する計算工程と、該計算工程にて算出された少なくとも２値以上の超音波の音速を用いて、前記気体もしくは前記液体に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程とを有することを特徴とする。このような濃度測定方法とすることで、同一の気体もしくは液体から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。
【００１９】
次に、本発明に係る燃料電池システムは、燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムであって、前記発電部に供給される燃料を流動させる流動部と、流動している前記燃料を冷却もしくは加熱することにより、前記燃料に温度勾配を発生させる熱交換部と、前記燃料中の温度の異なる箇所に超音波を発信する少なくとも２つ以上の超音波発信部と、該超音波発信部と対をなし、該超音波発信部から発信された超音波を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信部と、前記超音波受信部にて受信された超音波の音速を計算する計算部と、該計算部にて算出された超音波の音速と、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度との相関関係を予め記憶している記憶部とを有することを特徴とする。このような構成とすることで、同一の燃料から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。
【００２０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料と空気を用いて所要の発電を行う発電部を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記発電部に供給される燃料を流動させる工程と、流動している前記燃料を冷却もしくは加熱することにより、前記燃料に温度勾配を発生させる工程と、前記燃料中の温度が異なる少なくとも２箇所以上に超音波を発信する超音波発信工程と、該超音波発信工程により発信されたそれぞれの超音波を受信する超音波受信工程と、該超音波受信工程にて受信されたそれぞれの超音波の音速を計算する計算工程と、該計算工程にて算出された少なくとも２値以上の超音波の音速を用いて、前記燃料に含まれる特定の成分の濃度を求める濃度検出工程とを有することを特徴とする。このような運転方法とすることで、同一の燃料から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る濃度測定装置によれば、超音波受信部にて受信された超音波の受信信号を処理する計算部を有する構成としたことから、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度を、超音波の音速を用いることなく検出することが可能となる。つまり、気体もしくは液体中に発信された超音波の音速と、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するような気体もしくは液体であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になり、濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００２２】
本発明に係る濃度測定方法によれば、超音波受信工程にて受信された超音波の受信信号を処理する計算工程を有する濃度測定方法としたことから、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度を、超音波の音速を用いることなく検出することが可能となる。つまり、気体もしくは液体中に発信された超音波の音速と、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するような気体もしくは液体であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になり、濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００２３】
本発明に係る燃料電池システムによれば、超音波受信部にて受信された超音波の受信信号を処理する計算部を有する構成としたことから、燃料に含まれる特定の成分の濃度を、超音波の音速を用いることなく検出することが可能となる。つまり、燃料中に発信された超音波の音速と燃料に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するアルコール水溶液などの燃料であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になり、濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法によれば、超音波受信工程にて受信された超音波の受信信号を処理する計算工程を有する運転方法としたことから、燃料に含まれる特定の成分の濃度を、超音波の音速を用いることなく検出することが可能となる。つまり、燃料中に発信された超音波の音速と燃料に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するアルコール水溶液などの燃料であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。また、受信された超音波の受信信号を処理することにより、受信された超音波の受信信号同士の差異が明確になり、濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００２５】
本発明に係る濃度測定装置によれば、気体もしくは液体を流動させる流動部と、流動している気体もしくは液体を冷却もしくは加熱することにより、気体もしくは液体に温度勾配を発生させる少なくとも１つ以上の熱交換部と、気体もしくは液体中の温度が異なる箇所に超音波を発信する少なくとも２つ以上の超音波発信部と、超音波発信部と対をなし、超音波発信部から発信された超音波を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信部とを有する構成としたことから、同一の気体もしくは液体から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。したがって、気体もしくは液体中に発信された超音波の音速と、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するような気体もしくは液体であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。
【００２６】
本発明に係る濃度測定方法によれば、気体もしくは液体を流動させる工程と、流動している気体もしくは液体を冷却もしくは加熱することにより、気体もしくは液体に温度勾配を発生させる工程と、気体もしくは液体中の温度が異なる少なくとも２箇所以上に超音波を発信する超音波発信工程と、超音波発信工程により発信されたそれぞれの超音波を受信する超音波受信工程とを有する濃度測定方法としたことから、同一の気体もしくは液体から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。したがって、気体もしくは液体中に発信された超音波の音速と、気体もしくは液体に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するような気体もしくは液体であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。
【００２７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、発電部に供給される燃料を流動させる流動部と、流動している燃料を冷却もしくは加熱することにより、燃料に温度勾配を発生させる熱交換部と、燃料中の温度の異なる箇所に超音波を発信する少なくとも２つ以上の超音波発信部と、超音波発信部と対をなし、超音波発信部から発信された超音波を受信する少なくとも２つ以上の超音波受信部とを有する構成としたことから、同一の燃料から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。したがって、燃料に発信された超音波の音速と、燃料に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するアルコール水溶液のような燃料であっても、その濃度を正確かつ迅速に測定することが可能となる。
【００２８】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法によれば、発電部に供給される燃料を流動させる工程と、流動している燃料を冷却もしくは加熱することにより、燃料に温度勾配を発生させる工程と、燃料中の温度が異なる少なくとも２箇所以上に超音波を発信する超音波発信工程と、超音波発信工程により発信されたそれぞれの超音波を受信する超音波受信工程とを有する運転方法としたことから、同一の燃料から複数の異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。したがって、燃料に発信された超音波の音速と、燃料に含まれる特定の成分の濃度との関係において、１値の音速に対して２値以上の濃度が対応するアルコール水溶液のような燃料であっても、その濃度を正確に測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００３０】
図１は本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示す構成図である。図１に示した燃料電池システム３０は、燃料電池発電部３１に対して、メタノールと水を混合したメタノール水溶液を燃料として供給し、外部からの空気を取り込んで燃料中のメタノールと空気中の酸素を消費して発電を行うものである。また、図１において、実線の矢印はメタノール、燃料および空気の流れを示し、点線の矢印は制御信号もしくは情報の流れを示すものである。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池システム３０は、燃料電池発電部３１、燃料循環系、空気処理系および制御系により構成されている。燃料循環系として燃料電池発電部３１、燃料タンク３３、燃料供給ポンプ３７、燃料混合器３２および燃料循環ポンプ３４を備えており、空気処理系として空気供給ポンプ３５、気液分離器３６および送液ポンプ３９を備えている。また、制御系として液面センサ３８、制御ユニット４０および後述する濃度測定装置１を備えており、濃度測定装置１は、超音波センサ２、温度センサ１１および制御ユニット４０に内蔵されている計算機９と記憶装置１０からなる。
【００３２】
図２は、燃料混合器３２に取り付けられた濃度測定装置１の概略説明図である。圧電セラミックスなどの圧電素子からなる超音波トランスデューサ３と、超音波トランスデューサ３と対面して設けられた反射板４とを備える一般的な超音波センサ２が、超音波センサ２の上部に設けられたフランジ５を介して締結部材６によって燃料混合器３２に取り付けられている。また、超音波トランスデューサ３と反射板４は燃料中に浸水しており、この超音波トランスデューサ３から発信された超音波は、反射板４により反射され、受信超音波となって超音波トランスデューサ３に受信される。つまり、超音波発信部が超音波受信部を兼ねる構成となっている。
【００３３】
超音波センサ２から伸びている配線７は制御ユニット４０に接続されており、超音波センサ２による測定結果と、超音波センサ２に一体に設けられた温度センサ１１による測定結果を制御ユニット４０に伝送できるようになっている。この温度センサ１１は、熱電対やサーミスタを用いることができる。また、温度センサ１１は、超音波トランスデューサ３の近傍の温度を測定できるのならば、超音波センサ２と一体である必要はない。
【００３４】
制御ユニット４０は上述したように、計算部である計算機９と、記憶部である記憶装置１０を備えている。計算機９は、受信超音波強度の積分をはじめとするメタノール濃度を検出するための各種演算を行う。また、記憶装置１０には、メタノール濃度と温度が既知である試験サンプルにおける受信超音波強度の積分値と、積分時間と、メタノール濃度との相関関係が、検量データとして予め記憶されている。この検量データは、燃料混合器３２に滞留している燃料から測定されるであろうメタノール濃度と温度の範囲を十分に含んでおり、温度センサ１１にて測定された燃料の温度と、計算機９にて算出された受信超音波強度の積分値を用いて燃料のメタノール濃度を求めることができるようになっている。
【００３５】
このように、濃度測定装置１および燃料電池システム３０は、受信超音波強度の積分を行う計算機９を備えることにより、超音波の音速を用いることなく燃料のメタノール濃度を検出することが可能となっている。特に、メタノール水溶液のメタノール濃度を正確に検出するには超音波の音速が２値必要であるが、受信超音波強度を用いれば、メタノール濃度を１値で正確かつ迅速に検出することが可能である。また、受信超音波強度を積分することにより、受信超音波強度同士の差異が明確になり、メタノール濃度をより正確に検出することが可能となる。
【００３６】
図３は、超音波センサ２を用いた濃度測定装置１のブロック図である。濃度測定装置１は、超音波トランスデューサ駆動用パルスを出力するパルス回路２１と、電気音響変換により電気信号と超音波を相互変換する超音波トランスデューサ３と、超音波トランスデューサ３が受信した超音波を十分な振幅の受信信号に増幅する増幅回路２３と、上述した計算機９、記憶装置１０および温度センサ１１を備えている。なお、これらパルス回路２１と増幅回路２３は、超音波センサ２に内蔵されている。
【００３７】
また、制御ユニット４０は、燃料のメタノール濃度に基づいて燃料供給ポンプ３７に対して制御信号を送出し、燃料タンク３２から燃料混合器３２に対して供給されるメタノールの吐出量を調整する。燃料供給ポンプ３７に対して送出する制御信号は、燃料のメタノール濃度と、燃料タンク３３に貯蔵されているメタノールの濃度とから演算によって求める。この制御信号は、燃料のメタノール濃度に対応した高濃度メタノールの混合量を予めデータとして蓄積しておき、制御信号で混合量を指示するものである。また、制御ユニット４０は、燃料循環ポンプ３４と空気供給ポンプ３５とに制御信号を送り、燃料電池発電部３１の発電量をコントロールすることもできる。
【００３８】
燃料電池発電部３１は、パーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜を集電体で挟み込んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のアノード側にメタノールが供給され、カソード側に酸素が供給されることで発電反応が行われるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。もしくは、接合体を積層したスタックセル構造であってもよい。燃料電池発電部１で発電反応によって生じた電力は、燃料電池発電部３１に接続された負荷（図示せず）に対して供給されて消費される。
【００３９】
燃料タンク３３は、燃料電池発電部３１で発電に用いられるメタノールを貯蔵しておき、燃料混合器３２に対してメタノールを供給する容器である。燃料タンク３３に貯蔵するメタノールの濃度はエネルギー密度を向上させるために純粋なメタノールであることが望ましいが、水と混合されたメタノール水溶液であっても構わない。
【００４０】
燃料タンク３３と燃料混合器３２との間には、燃料供給ポンプ３７が接続されており、燃料供給ポンプ３７の圧送能力によってメタノールを燃料混合器３２に対して供給することが可能となっている。また、燃料供給ポンプ３７は、制御ユニット４０によってメタノールの流量が調整される。
【００４１】
燃料混合器３２は、燃料電池発電部３１で発電に用いられた燃料を受け取るとともに、気液分離器３６で回収した水を受け取る。また、燃料混合器３２は、発電に用いられてメタノール濃度が低下した燃料に対し、燃料タンク３３から受け取ったメタノールを加えることにより、適当なメタノール濃度に再調整する。
【００４２】
また、燃料混合器３２は上述したように、濃度測定装置の構成要素である超音波センサ２と温度センサ１１が取り付けられている、燃料混合器３２に滞留している燃料のメタノール濃度を検出できるようになっている。
【００４３】
液面センサ３８は、燃料混合器３２に滞留している燃料の量を測定する装置である。例えば、二枚の電極板が対向するように燃料混合器３２の内壁に一枚ずつ電極板を配置し、電極間の電気容量を測定することで、電極板のどの位置まで液体が到達しているかを測定する電気容量測定装置などを用いることができる。また、液面センサ３８は、測定した情報を制御ユニット４０に伝達する。燃料の量を測定するセンサとしては、液面センサ３８の代わりに、燃料混合器３２の重さを測定する重量計や、燃料混合器３２に流入する燃料の量と、流出する燃料の量とを積算して滞留する燃料の量を算出する積算計などを用いるとしても良い。また、燃料循環ポンプ３４は、燃料混合器３２で混合された燃料を燃料電池発電部３１のアノード側集電体に送出する。
【００４４】
空気供給ポンプ３５は、燃料電池システムの外部に存在する空気を取り込み、取り込んだ空気を燃料電池発電部３１のカソード側集電体に供給するための空気供給装置である。燃料電池発電部３１が発電に用いる酸素量を十分に供給することが可能であれば、空気供給ポンプ３５は必ずしも必要ではなく、空気取り入れ口を開口して空気の取り入れを行う構成としても良い。
【００４５】
気液分離器３６は、燃料電池発電部３１から流れてきた空気と水からなる気液二相流を空気と水とに分離する装置である。例えば、遠心力によって気体と液体を分離するサイクロン式や、ラジエータなどの凝縮部を有する気液分離器を用いることができる。気液分離器３６で分離された水は、気液分離器３６の内部に滞留した後に、送液ポンプ３９が燃料混合器３２へ送り出すことで燃料の調整に利用される。また、気液分離器３６で分離された空気は燃料電池システムの外部に放出される。
【００４６】
以上のように構成される燃料電池システム３０の運転方法を以下に説明する。
【００４７】
まず最初に、温度センサ１１が燃料の温度を計算機９に出力すると同時に、超音波センサ２が以下のように、燃料混合器３２に滞留している燃料中にて超音波の発信および受信を行う。パルス回路２１が超音波トランスデューサ駆動用パルスを出力すると、超音波トランスデューサ駆動用パルスを受けた超音波トランスデューサ３が燃料中に超音波を発信する。燃料中に発信された超音波は、反射板４により反射され、超音波トランスデューサ３に受信される。受信超音波の受信信号は、増幅回路２３により増幅され、計算機９に出力される。また、超音波トランスデューサ駆動用パルスの周波数と、増幅回路２３による増幅率は、記憶装置１０に予め記憶されている検量データを作成した際の周波数および増幅率と同一の値である。
【００４８】
次に、計算機９が、受信信号である受信超音波強度に対して所定の時間分だけ積分を行う。つづいて、計算機９が、記憶装置１０に予め記憶されている検量データを読み込み、測定された温度と、算出された積分値とを検量データにあてはめることにより、メタノール濃度の検出が行われる。
【００４９】
以上のような濃度測定方法による測定結果を以下に例示する。図４および図５に、燃料中に所定の強度で発信した超音波の受信超音波の波形を例示する。図４は、３０℃のメタノール水溶液における受信超音波強度を、横軸を測定時間として時系列に表したグラフである。図５は、６０℃のメタノール水溶液における受信超音波強度を、図４と同様に横軸を測定時間として時系列に表したグラフである。
【００５０】
図４のグラフと図５のグラフそれぞれから、受信超音波強度はメタノール濃度の影響を受けていることが分かる。また、図４のグラフと図５のグラフにおいて、同一のメタノール濃度における受信超音波強度を比較することにより、受信超音波強度は燃料の温度の影響も受けていることが分かる。つまり、燃料の温度と受信超音波強度を測定すれば、超音波の音速を２回測定することなく、正確かつ迅速に燃料のメタノール濃度を検出することが可能である。
【００５１】
例えば、温度とメタノール濃度が既知である燃料中に発信した超音波の受信超音波強度の最大値を所定の温度ごとに検量データとして記憶装置１０に記憶させておき、温度が既知でメタノール濃度が未知である燃料における受信超音波強度の最大値をこの検量データにあてはめれば、メタノール濃度が未知である燃料のメタノール濃度を検出することができる。
【００５２】
しかしながら、図４のグラフにおける０ｍｏｌ％と１ｍｏｌ％の受信超音波強度の比較からも分かるように、受信超音波強度に明確な差異が出ない場合もある。このような場合は、受信超音波強度を積分することで、その差異を明確にすることが可能である。図４および図５に示した受信超音波強度を所定の時間だけ積分したグラフを図６および図７に示す。図６のグラフおよび図７のグラフから分かるように、受信超音波強度の積分値は、メタノール濃度が受信超音波強度に与える影響をより明確に表し、より正確なメタノール濃度の検出を可能とする。例えば、濃度が未知で温度が３０℃の燃料における受信超音波強度を０．００００１秒間だけ積分した積分値が４０５であり、図６のグラフが記憶装置１０に記憶されている検量データであるならば、濃度が未知である燃料のメタノール濃度は１ｍｏｌ％であることが容易に分かる。
【００５３】
次に、制御ユニット４０は、検出されたメタノール濃度に基づいて制御信号を燃料供給ポンプ３７に送信し、燃料タンク３３から燃料混合器３２にメタノールを送液する。そして、メタノールと低濃度の燃料が混合することにより、燃料混合器３２内の燃料は適当なメタノール濃度の燃料となる。
【００５４】
適当なメタノール濃度となった燃料は、燃料循環ポンプ３２により燃料発電部３１に送られる。一方、酸化剤である空気は、空気供給ポンプ３５により外気から燃料電池発電部３１に供給される。なお、受信超音波強度の測定から燃料の供給までを構成要素毎に段階的に説明したが、実際には、これら一連の手順は各構成要素において絶え間なく連続的に行われている。
【００５５】
燃料電池発電部３１に供給された燃料は内部流路を経てアノードに供給され、また、燃料電池発電部３１に供給された空気は、燃料とは別の内部流路を経てカソードに供給される。すると上述したように、燃料電池発電部３１にて発電反応が行われると同時に、アノード側に二酸化炭素、カソード側に水が発生する。
【００５６】
最後に、アノードに供給された燃料は、メタノールが一部消費されて燃料電池発電部３１から排出される。排出された燃料は、上述したように燃料混合器３２にて適当なメタノール濃度に再調整される。一方、燃料電池発電部３１から排出された空気と水は、気液分離器３６にて空気と水とに分離された後、水は燃料混合器３２に送られ、空気は燃料電池システムの外部に放出される。
【００５７】
以上、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態について説明した。なお、燃料のメタノール濃度の測定に用いた濃度測定装置１の適用は、燃料電池システムに限られるものではない。
【００５８】
図８は本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示す構成図である。図８に示した燃料電池システム３０ｂは、燃料電池発電部３１ｂに対して、メタノールと水を混合したメタノール水溶液を燃料として供給し、外部からの空気を取り込んで燃料中のメタノールと空気中の酸素を消費して発電を行うものである。また、図１１において、実線の矢印はメタノール、燃料および空気の流れを示し、点線の矢印は制御信号もしくは情報の流れを示すものである。
【００５９】
本実施形態に係る燃料電池システム３０ｂは、燃料電池発電部３１ｂ、燃料循環系、空気処理系および制御系より構成されている。燃料循環系として燃料電池発電部３１ｂ、燃料タンク３３ｂ、燃料供給ポンプ３７ｂ、燃料混合器３２ｂおよび燃料循環ポンプ３４ｂを備えており、空気処理系として空気供給ポンプ３５ｂ、気液分離器３６ｂおよび送液ポンプ３９ｂを備えている。また、制御系として液面センサ３８ｂ、制御ユニット４０ｂおよび濃度測定装置１ｂを備えており、濃度測定装置１ｂは、燃料循環ポンプ３４ｂ、超音波センサ４ｂ、４ｃ温度センサ１１ｂ、１１ｃ、燃料混合器に設けられている熱交換部４１および制御ユニット４０に内蔵されている計算機９ｂと記憶装置１０ｂからなる。
【００６０】
図９は、燃料混合器３２ｂに取り付けられた濃度測定装置１ｂの概略説明図である。圧電セラミックスなどの圧電素子からなる超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃと、超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃと対面して設けられた反射板４ｂ、４ｃとを備える一般的な超音波センサ２ｂ、２ｃが、超音波センサ２ｂ、２ｃの上部に設けられたフランジ５ｂ、５ｃを介して締結部材６ｂ、６ｃによって燃料混合器３２ｂに取り付けられている。また、超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃと反射板４ｂ、４ｃは燃料中に浸水していおり、この超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃから発信された超音波は、反射板４ｂ、４ｃにより反射され、受信超音波となって超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃに受信される。つまり、超音波発信部が超音波受信部を兼ねる構成となっている。
【００６１】
燃料混合器３２ｂは流動部である燃料循環ポンプ３４ｂと接続されているため、燃料混合器３２ｂ内の燃料は流動した状態となっている。また、燃料混合器３２ｂには熱交換部４１が設けられており、燃料の流れの上流から下流にかけて温度勾配が発生するようになっている。超音波センサ２ｂを熱交換部４１より上流側に取り付け、超音波センサ２ｃを熱交換部４１より下流側に取り付けることにより、超音波センサ２ｂ、２ｃおよび熱交換部４１は、燃料の流れ方向に対して直列になるように配置されている。このように配置することで、１つの測定対象から２つの異なる測定結果を迅速に得ることが可能となる。また、熱交換部４１は放熱板や伝熱管を用いることができる。
【００６２】
超音波センサ２ｂ、２ｃから伸びている配線７ｂ、７ｃは制御ユニット４０に接続されており、超音波センサ２ｂ、２ｃの測定結果と、超音波センサ２ｂ、２ｃに一体に設けられた温度センサ１１ｂ、１１ｃの測定結果を情報処理部８ｂに伝送できるようになっている。この温度センサ１１ｂ、１１ｃは、熱電対やサーミスタを用いることができる。また、温度センサ１１ｂ、１１ｃは、超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃの近傍の温度を測定できるのならば、超音波センサ２ｂ、２ｃと一体である必要はない。
【００６３】
制御ユニット４０ｂは上述したように、計算部である計算機９ｂと記憶部である記憶装置１０ｂを備えている。計算機９ｂは、超音波の音速の算出をはじめとするメタノール濃度を検出するための各種演算を行う。また、記憶装置１０ｂには、また、メタノール濃度と温度が既知である試験サンプルにおける超音波の音速と、温度と、メタノール濃度との相関関係が、検量データとして予め記憶されている。この検量データは、燃料混合器３２ｂに滞留している燃料から測定されるであろうメタノール濃度と温度の範囲を十分に含んでおり、温度センサ１１ｂ、１１ｃにて測定された燃料の温度と、計算機９ｂにて算出された超音波の音速を用いて燃料のメタノール濃度を求めることができるようになっている。したがって、燃料電池システム３０ｂおよび濃度測定装置１ｂは、同一の燃料から得た２つの異なる音速値を用いて、燃料のメタノール濃度を正確かつ迅速に検出することが可能となる。
【００６４】
図１０は、超音波センサ２ｂ、２ｃを用いた濃度測定装置１ｂのブロック図である。濃度測定装置１ｂは、時間測定スタート信号を出力してから受信信号が入力されるまでの時間を測定するカウンタ回路２２ｂ、２２ｃと、カウンタ回路２２ｂ、２２ｃから時間測定スタート信号を受けて超音波トランスデューサ駆動用パルスを出力するパルス回路２１ｂ、２１ｃと、電気音響変換により電気信号と超音波を相互変換する超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃと、超音波トランスデューサ３ｂ、３ｃが受信した超音波を十分な振幅の受信信号に増幅する増幅回路２３ｂ、２３ｃと、上述した計算機９ｂ、記憶装置１０ｂおよび温度センサ１１ｂを備えている。なお、パルス回路２１ｂ、カウンタ回路２２ｂおよび増幅回路２３ｂは、超音波センサ２ｂに内蔵されており、パルス回路２１ｃ、カウンタ回路２２ｃおよび増幅回路２３ｃは、超音波センサ２ｃに内蔵されている。
【００６５】
また、制御ユニット４０ｂは、燃料のメタノール濃度に基づいて燃料供給ポンプ３７ｂに対して制御信号を送出し、燃料タンク３２ｂから燃料混合器３２ｂに対して供給されるメタノールの吐出量を調整する。燃料供給ポンプ３７ｂに対して送出する制御信号は、燃料のメタノール濃度と、燃料タンク３３ｂに貯蔵されているメタノールの濃度とから演算によって求める。この制御信号は、燃料のメタノール濃度に対応した高濃度メタノールの混合量を予めデータとして蓄積しておき、制御信号で混合量を指示するものである。また、制御ユニット４０ｂは、燃料循環ポンプ３４ｂと空気供給ポンプ３５ｂとに制御信号を送り、燃料電池発電部３１ｂの発電量をコントロールすることもできる。
【００６６】
燃料電池発電部３１ｂは、パーフルオロスルホン酸などの高分子電解質膜を集電体で挟み込んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）のアノード側にメタノールが供給され、カソード側に酸素が供給されることで発電反応が行われるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。もしくは、接合体を積層したスタックセル構造であってもよい。燃料電池発電部１で発電反応によって生じた電力は、燃料電池発電部３１ｂに接続された負荷（図示せず）に対して供給されて消費される。
【００６７】
燃料タンク３３ｂは、燃料電池発電部３１ｂで発電に用いられるメタノールを貯蔵しておき、燃料混合器３２ｂに対してメタノールを供給する容器である。燃料タンク３３ｂに貯蔵するメタノールの濃度はエネルギー密度を向上させるために純粋なメタノールであることが望ましいが、水と混合されたメタノール水溶液であっても構わない。
【００６８】
燃料タンク３３ｂと燃料混合器３２ｂとの間には、燃料供給ポンプ３７ｂが接続されており、燃料供給ポンプ３７ｂの圧送能力によってメタノールを燃料混合器３２ｂに対して供給することが可能となっている。また、燃料供給ポンプ３７ｂは、制御ユニット４０ｂによってメタノールの流量が調整される。
【００６９】
燃料混合器３２ｂは、燃料電池発電部３１ｂで発電に用いられた燃料を受け取るとともに、気液分離器３６ｂで回収した水を受け取る。また、燃料混合器３２ｂは、発電に用いられてメタノール濃度が低下した燃料に対し、燃料タンク３３ｂから受け取ったメタノールを加えることにより、適当なメタノール濃度に再調整する。
【００７０】
また、燃料混合器３２ｂは、濃度測定装置の構成要素である超音波センサ２ｂ、２ｃ、温度センサ１１ｂ、１１ｃおよび熱交換部４１が取り付けられており、燃料混合器３２に滞留している燃料のメタノール濃度を検出できるようになっている。
【００７１】
液面センサ３８ｂは、燃料混合器３２ｂに滞留している燃料の量を測定する装置である。例えば、二枚の電極板が対向するように燃料混合器３２ｂの内壁に一枚ずつ電極板を配置し、電極間の電気容量を測定することで、電極板のどの位置まで液体が到達しているかを測定する電気容量測定装置などを用いることができる。また、液面センサ３８ｂは、測定した情報を制御ユニット４０ｂに伝達する。燃料の量を測定するセンサとしては、液面センサ３８ｂの代わりに、燃料混合器３２ｂの重さを測定する重量計や、燃料混合器３２ｂに流入する燃料の量と、流出する燃料の量とを積算して滞留する燃料の量を算出する積算計などを用いるとしても良い。また、燃料循環ポンプ３４ｂは、燃料混合器３２ｂで混合された燃料を燃料電池発電部３１ｂのアノード側集電体に送出する。
【００７２】
空気供給ポンプ３５ｂは、燃料電池システムの外部に存在する空気を取り込み、取り込んだ空気を燃料電池発電部３１ｂのカソード側集電体に供給するための空気供給装置である。燃料電池発電部３１ｂが発電に用いる酸素量を十分に供給することが可能であれば、空気供給ポンプ３５ｂは必ずしも必要ではなく、空気取り入れ口を開口して空気の取り入れを行う構成としても良い。
【００７３】
気液分離器３６ｂは、燃料電池発電部３１ｂから流れてきた空気と水からなる気液二相流を空気と水とに分離する装置である。例えば、遠心力によって気体と液体を分離するサイクロン式や、ラジエータなどの凝縮部を有する気液分離器を用いることができる。気液分離器３６ｂで分離された水は、気液分離器３６ｂの内部に滞留した後に、送液ポンプ３９ｂが燃料混合器３２ｂへ送り出すことで燃料の調整に利用される。また、気液分離器３６ｂで分離された空気は燃料電池システムの外部に放出される。
【００７４】
以上のように構成される燃料電池システム３０ｂの運転方法を以下に説明する。
【００７５】
まず最初に、温度センサ１１ｂが燃料の温度Ｔ１を計算機９ｂに出力すると同時に、超音波センサ２ｂが以下のように、超音波の発信および受信を行う。カウンタ回路２２ｂが、時間測定スタート信号を出力するとともに、超音波の伝播時間ｔ１の測定を始める。次に、時間測定スタート信号を受けたパルス回路２１ｂが、超音波トランスデューサ駆動用パルスを出力する。次に、超音波トランスデューサ駆動用パルスを受けた超音波トランスデューサ３ｂが、燃料中に超音波を発信する。燃料中に発信された超音波は、反射板４ｂにより反射され、超音波トランスデューサ３ｂに受信される。受信超音波の受信信号は、増幅回路２３ｂにより増幅され、カウンタ回路２２ｂに送られる。カウンタ回路２２ｂは、受信信号を受けると時間の測定を終了し、超音波の発信から受信までの間に経過した伝播時間ｔ１を計算機９ｂに出力する。
【００７６】
つづいて、温度センサ１１ｂおよび超音波センサ２ｂよりも下流側にある温度センサ１１ｃが燃料の温度Ｔ２の測定を行い、超音波センサ２ｃが超音波の伝播時間ｔ２の測定を行う。超音波センサ２ｃによる超音波の伝播時間ｔ２の測定方法は、超音波トランスデューサ３ｃ、反射板４ｃ、パルス回路２１ｃ、カウンタ回路２２ｃおよび増幅回路２３ｂを用いて、上述の超音波センサ２ｂの場合と同様に行う。このようにすることで、同一の燃料から値の異なる２つの測定結果を迅速に得ることが可能となる。
【００７７】
次に、計算機９ｂが、超音波センサ２ｂ、２ｃにて測定された伝播時間ｔ１、ｔ２を用いて、超音波の音速ｖ１、ｖ２の算出を行う。超音波の音速ｖ１は、超音波トランスデューサ３ｂと反射板４ｂとの往復距離Ｌ１とすれば、ｖ１＝Ｌ１／ｔ１で表すことができる。ここで、超音波トランスデューサ３ｂと反射板４ｂとの往復距離Ｌ１は予め測定されている。また、超音波の音速ｖ２に関しても同様に、超音波トランスデューサ３ｃと反射板４ｃとの往復距離をＬ２として、Ｌ２を伝播時間ｔ２で除することにより算出する。
【００７８】
つづいて、計算機９ｂは、記憶装置１０ｂから検量データを読み込み、以下のようにメタノール濃度の検出を行う。図１１に温度Ｔ１とＴ２に対応する検量データのグラフを示す。上述の測定で得られた音速ｖ１と温度Ｔ１を図１１の検量データにあてはめると、温度Ｔ１におけるメタノール濃度はＣ１ＨｉｇｈとＣ１Ｌｏｗの２値が考えられる。また、温度Ｔ２におけるメタノール濃度は、音速ｖ２をあてはめると、Ｃ２ＨｉｇｈとＣ２Ｌｏｗの２値が考えられる。しかしながら、測定対象は、同一の燃料であるから、この燃料のメタノール濃度はＣ１ＨｉｇｈとＣ２Ｈｉｇｈの近傍であることを容易に知ることができる。つまり、同一の燃料から得られた値の異なる２値の音速により、燃料のメタノール濃度を正確かつ迅速に検出することが可能である。
【００７９】
次に、制御ユニット４０ｂは検出されたメタノール濃度に基づいて制御信号を燃料供給ポンプ３７ｂに送信し、燃料供給ポンプ３７ｂは燃料タンク３３ｂから燃料混合器３２ｂにメタノールを送液する。そして、メタノールと低濃度の燃料が混合することにより、燃料混合器３２ｂ内の燃料は適当なメタノール濃度の燃料となる。
【００８０】
適当なメタノール濃度となった燃料は、燃料循環ポンプ３２ｂにより燃料発電部３１ｂに送られる。一方、酸化剤である空気は、空気供給ポンプ３５ｂにより外気から燃料電池発電部３１ｂに供給される。なお、超音波の伝播時間ｔ１、ｔ２の測定から燃料の供給までを構成要素毎に段階的に説明したが、実際には、これら一連の手順は各構成要素において絶え間なく連続的に行われている。
【００８１】
燃料電池発電部３１ｂに供給された燃料は内部流路を経てアノードに供給され、また、燃料電池発電部３１ｂに供給された空気は、燃料とは別の内部流路を経てカソードに供給される。すると上述したように、燃料電池発電部３１ｂにて発電反応が行われると同時に、アノード側に二酸化炭素、カソード側に水が発生する。
【００８２】
最後に、アノードに供給された燃料は、メタノールが一部消費されて燃料電池発電部３１ｂから排出される。排出された燃料は、上述したように燃料混合器３２ｂにて適当なメタノール濃度に再調整される。一方、燃料電池発電部３１ｂから排出された空気と水は、気液分離器３６ｂにて空気と水とに分離された後、水は燃料混合器３２ｂに送られ、空気は燃料電池システムの外部に放出される。
【００８３】
以上、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態について説明した。なお、燃料のメタノール濃度の測定に用いた濃度測定装置１ｂの適用は、燃料電池システムに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を示すシステム構成図である。
【図２】濃度測定装置１の概略説明図である。
【図３】濃度測定装置１のブロック図である。
【図４】３０℃のメタノール水溶液における受信超音波強度を示すグラフである。
【図５】６０℃のメタノール水溶液における受信超音波強度を示すグラフである。
【図６】３０℃のメタノール水溶液における受信超音波強度の積分値を示すグラフである。
【図７】６０℃のメタノール水溶液における受信超音波強度の積分値を示すグラフである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を示すシステム構成図である。
【図９】濃度測定装置１ｂの概略説明図である。
【図１０】濃度測定装置１ｂのブロック図である。
【図１１】超音波の音速と燃料の温度と燃料のメタノール濃度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８５】
１、１ｂ...濃度測定装置
２、２ｂ、２ｃ...超音波センサ
３、３ｂ、３ｃ...超音波トランスデューサ
４、４ｂ、４ｃ...反射板
５、５ｂ、５ｃ...フランジ
６、６ｂ、６ｃ...締結部材
７、７ｂ、７ｃ...配線
９、９ｂ...計算機
１０、１０ｂ...記憶装置
１１、１１ｂ、１１ｃ...温度センサ
２１、２１ｂ、２１ｃ...パルス回路
２２ｂ、２２ｃ...カウンタ回路
２３、２３ｂ、２３ｃ...増幅回路
３０、３０ｂ...燃料電池システム
３１、３１ｂ...燃料電池発電部
３２、３２ｂ...燃料混合器
３３、３３ｂ...燃料タンク
３４、３４ｂ...燃料循環ポンプ
３５、３５ｂ...空気供給ポンプ
３６、３６ｂ...気液分離器
３７、３７ｂ...燃料供給ポンプ
３８、３８ｂ...液面センサ
３９、３９ｂ...送液ポンプ
４０、４０ｂ...制御ユニット
４１...熱交換部
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２...距離
ｔ、ｔ１、ｔ２...時間
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２...温度
ｖ、ｖ１、ｖ２...音速
【図１】
2006071426.tif 000003
【図２】
2006071426.tif 000004
【図３】
2006071426.tif 000005
【図４】
2006071426.tif 000006
【図５】
2006071426.tif 000007
【図６】
2006071426.tif 000008
【図７】
2006071426.tif 000009
【図８】
2006071426.tif 000010
【図９】
2006071426.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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