(57)【要約】  水溶液中の化合物濃度を赤外線検知するシステム及び方法が提供される。様々な限定されない実施形態では、本発明は、直接式メタノール燃料電池［２０６］の燃料循環プロセスに関する水溶液中のメタノール濃度の赤外線［３０３］検知［４０４］を提供する。いくつかの実施形態では、流通型赤外線検知技術が提供される。他の実施形態では、窓型赤外線検知技術が提供される。赤外線検知の結果として、水溶液中の対象となる化合物濃度の正確なリアルタイム測定値が手軽に得られる。
2005514630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接式メタノール燃料電池の燃料循環ループに関する水溶液中のメタノール濃度を流通型で赤外線検知する方法であって、
燃料サンプルおよび対照液体を通して赤外光を発信する工程と、
燃料サンプルおよび対照液体により吸収されない赤外光を、第１および第２の赤外線検知器それぞれにより受信する工程と、
第１および第２の赤外線検知器により受信された赤外光に基づいて、信号を出力する工程と、
該信号をプロセッサで処理して、燃料サンプル中のメタノール濃度を決定する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記決定された濃度に基づいて、燃料混合器へのメタノール流量を制御する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記対照液体が、水であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記対照液体が、水中の固定された既知濃度のメタノールであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記発信する工程が、薄い干渉層を通して前記赤外光を発信する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記発信する工程が、狭帯域赤外光を発信する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
直接式メタノール燃料電池の燃料循環ループに関する水溶液中のメタノール濃度を検知する流通型赤外線センサーシステムであって、
燃料サンプルおよび対照液体を通して赤外光を発信する赤外線源と、
燃料サンプルにより吸収されない赤外光を受信する第１の赤外線検知器と、
対照液体により吸収されない赤外光を受信する第２の赤外線検知器と、
第１および第２の赤外線検知器により受信される赤外光に基づいて、信号を出力する手段と、
該信号を処理して、燃料サンプル中のメタノール濃度を決定するプロセッサと、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
前記プロセッサが燃料サンプル中のメタノール濃度を決定した後、該プロセッサにより出力される制御信号に基づいて、燃料混合器へのメタノール流量を制御する流量制御装置を更に含むことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記対照液体が、水であることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記対照液体が、水中の固定された既知濃度のメタノールであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記赤外光が、薄い干渉層を通して発信されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記赤外線源が、狭帯域赤外光を発信することを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
直接式メタノール燃料電池の燃料循環ループに関する水溶液中のメタノール濃度を窓型で赤外線検知する方法であって、
センサの窓表面が燃料サンプルと接触するように、窓型赤外線センサを配置する工程と、
センサの第１の開口部を通して、窓表面に対してある角度をなすセンサの反射結晶媒体の中に赤外光を発信し、それによってセンサの窓表面および壁で赤外光を複数回反射し、その後該赤外光が第２の開口部を通って媒体を出る工程と、
第２の開口部を出る赤外光を赤外線検知器により受信する工程と、
第１の赤外線検知器により受信された赤外光に基づいて、信号を出力する工程と、
該信号をプロセッサで処理して、燃料サンプル中のメタノール濃度を決定する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記配置する工程が、（１）燃料を直接式メタノール燃料電池に注入する燃料ラインの壁にセンサを配置する工程、および、（２）前記燃料ラインへの燃料流出口を含む燃料混合器構成要素の壁にセンサを配置する工程のうちの一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記決定された濃度に基づいて、燃料混合器へのメタノール流量を制御する工程を更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記発信する工程が、狭帯域赤外光を発信する工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記発信する工程が、第１の開口部に含まれる第１の薄層フィルタを通して赤外光を発信し、前記第２の開口部に含まれる第２の薄層フィルタを通って前記赤外光が前記媒体を出る工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
直接式メタノール燃料電池の燃料循環ループに関する水溶液中のメタノール濃度を検知する窓型赤外線センサーシステムであって、
内部に燃料サンプルを有する容器と、
第１の開口部、第２の開口部、反射媒体、窓表面および前記窓表面の反対側の壁を含む窓型赤外線センサであって、前記センサは、センサの窓表面が燃料サンプルと接触するように、該容器に結合されるセンサと、
第１の開口部を通して、窓表面に対してある角度をなす反射結晶媒体の中に赤外光を発信する赤外光源であって、それによってセンサの窓表面および壁で赤外光を複数回反射し、その後該赤外光が前記第２の開口部を通って媒体を出る、赤外光源と、
第２の開口部を出る赤外光を受信する赤外線検知器と、
受信された赤外光に基づいて、信号を出力する手段と、
該信号を処理して、燃料サンプル中のメタノール濃度を決定するプロセッサと、
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項１９】
前記容器が、（１）燃料を直接式メタノール燃料電池に注入する燃料ライン、および、（２）前記燃料ラインへの流出物である燃料を含む燃料混合器構成要素、のうちの一つであることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記プロセッサが燃料サンプル中のメタノール濃度を決定した後、プロセッサにより出力される制御信号に基づいて、燃料混合器へのメタノール流量を制御する流量制御装置を更に含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記赤外線源が、狭帯域赤外光を発信することを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記第１の開口部が第１の薄層フィルタを含み、前記第２の開口部が第２の薄層フィルタを含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に水溶液の濃度を検知する分野に関する。より詳しくは本発明は、直接式メタノール燃料電池の燃料循環ループに関する、メタノール水溶液の濃度の赤外線検知に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接式メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の一種である。ＤＭＦＣは低い内部温度（〜８０Ｃ）で作動し、燃料は自動風防ワイパー液に酷似した、不燃性の希釈したメタノール／水混合液である。ＤＭＦＣを使用することに伴う環境保護庁（ＥＰＡ）規制放出物がなく、連続運転が可能になる。ある概算によれば、ＤＭＦＣの予測される工学出力密度は、１リットルにつき１０〜２０ワットである。
【０００３】
ＤＭＦＣなどのＰＥＭＦＣは、低温作動、清浄さ、安全性、静穏な動作、操作の容易さ、少ないメンテナンス、可搬性、モジュール性、拡張性、応答性、および汎用性を提供する。ＤＭＦＣの「直接式」という面は、燃料改質器の構成部分の除外を意味し、このことは、全体的な燃料系統を簡略化し、コストを低下させ、より小さい組立体を製作し、かつ効率をさらに上げる。ＤＭＦＣの汎用性から、他の無数の応用のうち、例えば、遠隔移動通信システムの送受信ステーションに電力を供給するために、バックアップ電力を遠隔通信システムに提供するために、および、遠隔住居に電力を提供するために、これを使用することができる。このように、ＤＭＦＣは、遠隔地で信頼できるかつ入手可能な電力を提供することができる。効率の観点からは、現在のＤＭＦＣ性能は、約５００ガロンの燃料を使用して、３ヵ月間で約１キロワットの平均負荷を与える。さらに、近い将来、ＤＭＦＣの効率をさらに上げ、ＤＭＦＣを電力技術の最前線にさらに近づける重要な進展が予想される。
【０００４】
ＤＭＦＣの燃料循環ループが動作する際、メタノールおよび水は燃料混合器で混合され、メタノール水溶液の濃度が、ＤＭＦＣの動作の全体にわたって、合理的に制御保持されることが、そのプロセスにとって重要である。この点に関しては、メタノールがシステムに加えられる速度が、システム中のメタノールの減少速度に関係し、したがって、メタノールの適切な量が測定できるように、メタノール濃度を検知することが、かかるプロセスでは望ましい。したがって、かかる燃料電池システムでは、燃料濃度を正確に測定する必要がある。
【０００５】
「水溶性環境下におけるメタノール濃度検知技術」と題する、ナラヤノン（Ｎａｒａｙａｎａｎ）らに付与された米国特許公報（特許文献１）には、メタノール濃度を検知する技術が開示され、液体直接供給燃料電池の用途に燃料測定制御システムに結合するための、メタノール濃度センサデバイスが提供されている。
【０００６】
米国特許公報（特許文献１）の方法は、メタノールを含む液体の検体溶液を厳密に調べて、センサ応答を生成するするセンサ素子を使用することにより、水溶性環境におけるメタノール化合物の濃度を検知する方法を教示している。このセンサ素子は、アノード、固体電解質膜およびカソードを含む。センサ素子はまた、メタノールと化学的に反応することができる触媒を含む。この方法によれば、センサ素子のアノードおよびカソードは、液体検体溶液に浸漬される。電源装置の正極端子はアノードに接続され、電源装置の負極端子はカソードに接続される。検体濃度検知デバイスは、検体の応答を検知するためにセンサ素子に接続され、また、それによって消費された電流量を検知するために、センサ素子および電源装置に電気的に接続される。該方法は、水溶性環境下の０．０１Ｍ〜５Ｍの検体濃度範囲かつ０℃〜１００℃の温度範囲で信頼できるとされている。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，３０６，２８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、米国特許公報（特許文献１）のセンサは、検体溶液中で起こる反応時間が原因で、比較的遅い。したがって、米国特許公報（特許文献１）により教示された方法では、メタノール溶液の濃度の巨視的変化を速く見るニーズが損なわれる。さらに、米国特許公報（特許文献１）のセンサは、金属および生物学的汚染物の影響を受けやすく、誤った結果になり望ましくない。これら汚染物は、類似したアノード／カソード機構のために、時間の経過に伴いＤＭＦＣ自体の動作にさらに影響を及ぼすので、米国特許公報（特許文献１）のセンサを使用することは、偏らない診断ツールとしては役立たない。さらに、実施を複雑化する追加の配管および構成要素が必要になる。例えば、燃料サンプルおよび別の酸素供給に対して、別々の配管を備えなければならない。
【０００９】
非常に高分解能でメタノール濃度を測定することができる、他の精緻な技術もある。これらの技術は、濃度の絶対値に関係する物理的絶対値の一つまたは他の測定原理を再生するので、高価かつ煩雑であり、したがって入手不可能であり単純ではない。
【００１０】
このように、当技術分野では現在、スタンドアロンＤＭＦＣ用のメタノール−水混合液の濃度を正確に測定するための改良されたシステムおよび方法の強いニーズがある。この点に関しては、当技術分野では、ＤＭＦＣ燃料循環ループにおける水溶液中で、メタノール濃度を測定するための簡単な、入手可能な、かつ信頼できる方法のニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記に鑑みて、本発明は、水溶液中の化合物濃度を赤外線検知するシステム及び方法を提供する。様々な限定されない実施形態において、本発明は、直接式メタノール燃料電池の燃料循環プロセスに関する、水溶液中のメタノール濃度の赤外線検知を提供する。ある実施形態では、流通型の赤外線検知技術が提供される。他の実施形態では、窓型の赤外線検知技術が提供される。赤外線検知の結果として、水溶液中の対象となる化合物濃度の正確なリアルタイム測定値が手軽に得られる。
【００１２】
以下に、本発明の他の態様が説明される。
【００１３】
赤外光を用いてメタノール水溶液の濃度を検知する方法が、添付図面を参照して、さらに説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（概要）
現在、簡単な、安価な、かつ信頼できる方法で赤外線（ＩＲ）光を利用することにより、メタノール水溶液の濃度を測定するシステムは存在しない。図１Ａに示すように、赤外線は、マイクロ波および可視光の間の電磁スペクトルの領域にある。一般的にいえば、ＩＲ信号ソースは、非可視の赤外光を発信する。その受信端末では、この受信端末はまた、赤外光の反射時には発信端末にもなり得るが、光検知器が該光を捕捉し、次いで、該光が処理されて、該光が運ぶ情報が読み出される。
【００１５】
赤外光を使用することには、周知の様々な利点がある。赤外線は、様々な公知の市販の発信器および受信器を使用することができるので、有利である。赤外線システムは、赤外線信号が壁を貫通しないので、安全であり、極めて強いかつ焦点を合わせた赤外線ビームを使用する応用を除いて、傷害の危険がない。さらに、高周波光および輝く陽光を除いては、電磁障害（ＥＭＩ）信号および高周波（ＲＦ）信号からの干渉などの、赤外線システムと干渉するソースがほとんどない。さらに、望ましいことに、赤外線システムは、動作のための所要動力が少なく電気回路コストが低いことを意味し、加えて、比較的簡単な電気回路は、特別なまたは工業所有権によって保護されるハードウェアを必要とせず、その結果、電気回路を大規模集積回路パッケージに容易に組み込むことができる。またさらに、赤外線ビームの指向性は、光が発信されるとき、データが近くのデバイスに漏れないことを確実にするのを助ける。
【００１６】
赤外光の使用により実現される利点に鑑みて、本発明は、簡単な、入手可能な、かつ信頼できる方法で、ＤＭＦＣの燃料循環ループに関するメタノール水溶液の濃度を赤外線検知する方法を提供する。本明細書で説明される技術は、ＩＲスペクトルの特定のバンドにおける吸収振幅の変化を観測できる、液体系のある成分濃度の微小変化をモニタリングすることに関係する任意の応用分野に適用され得ることが理解されよう。
【００１７】
（メタノール濃度検知）
ＤＭＦＣを通って循環するメタノール−水燃料溶液の濃度は、作用プロセスの間、いくつかの因子、例えば電気負荷および温度に依存する速度で変化し、燃料溶液からメタノールが非均一に消費される結果となる。したがって、燃料濃度のモニタリングおよびその値の制御は、ＤＭＦＣの動作の間、連続的である。濃度変化が比較的遅いために、測定および制御は、１分で１変化の変域のサンプリングサイクルの範囲内で行われる。完全サイクルのメタノール濃度の測定および制御には、このサイクル数で十分である。とはいえ、ＤＭＦＣ組立体のより簡単な物理的構造によって、並びにＤＭＦＣ動作を簡素化することによって、より良好な、より速い速度を達成することから、最適化の恩恵が得られることが理解されよう。さらに、ＤＭＦＣの燃料循環ループを有効に制御するためには、センサの分解能は、およそ０．１重量％かまたはこれより良好でなければならない。何故なら、それが、ＤＭＦＣの動作のために適当な燃料混合物を維持するために必要とされる制御レベルであるからである。本発明の技術によってこの分解能を達成するセンサ・デバイスは、ＤＭＦＣ組立体の一部として設けることができる。
【００１８】
本発明の方法によって利用される赤外線センサは、ＩＲ放射線の選択吸収の原理すなわちＩＲ分光法に基づく。ＩＲ放射線のビームを媒体に通した場合、出てくるビームは、ある波長で強さが減少し、その媒体により吸収されたことを示す。特定物質のＩＲ放射線の吸収スペクトルのパターンは、その物質の明確な特性であり、したがって、基準物質の吸収スペクトルと比較して、その物質および媒体中のその濃度を同定するのに使用することができる。図１Ｂは、実験結果を示し、メタノールの希釈水溶液、例えば１容量％のメタノール曲線１０１、３容量％のメタノール曲線１０２、および５容量％のメタノール曲線１０３が、遠赤外領域で、純粋メタノールの吸収スペクトル曲線１０４と比較して、それぞれの吸収スペクトル曲線において関連する異なる吸収ピークを有していることを示す。
【００１９】
図１Ｂから分かるように、吸収振幅が水中のメタノール濃度に比例しており、このことは数値データを得るための手段になる。かかる定量分光分析は、分析化学では周知のツールである。これにより、様々な状態、すなわちガス、固体および液体中の物質の極微量の検知が可能になる。現代のＩＲ分光器は、極めて精巧な光学計器および電子計器であるが、本発明は、重要な簡略化を含めてこの技術を再生する。例えば本発明により利用される赤外線デバイスは、１つの選択された波長帯に対して作成される。したがって、ＩＲソースまたは受信器の波長同調の必要がない。また、所与の波長およびバンド幅を備えた干渉型フィルタが、複雑なモノクロメータの適切な代用品になり得る。
【００２０】
本発明は、ＤＭＦＣの燃料循環ループにおける水溶液中のメタノール含量を測定するための赤外線センサデバイスを使用する方法に関する。赤外線センサは、メタノールの赤外線領域における特定の吸収ピークに基づいて設計される。図１Ｂに示されるように、メタノール水溶液のＩＲスペクトルは、約９．８５マイクロメートルの波長で十分に識別される吸収ピークを示す。吸収ピークの振幅は、メタノール濃度に比例する。本発明は、ＤＭＦＣの燃料として、０％〜５％水溶液の範囲でメタノール濃度を測定するのに有効であると証明されている。同様の赤外線測定は、識別できるピークが、関連するＩＲスペクトル曲線中に観測できるような、任意のパーセント範囲で達成することができる。
【００２１】
２種の型のセンサが、関連する使用方法とともに本明細書で説明される。第１の型のセンサは、バンドフィルタをプレートの外部表面に置いた２個のＩＲ−透明ゲルマニウム（Ｇｅ）プレートを含む流通型サンプリングセルである。ポリマー薄膜スペーサ−シーラー（ｓｐａｃｅｒ−ｓｅａｌｅｒ）が、サンプル液体および対照液体用の２個の同一の平面空洞を形成するように、成形される。また、微小チューブのシステムが、サンプリング溶液および対照液体の流通のために適切な位置に置かれる。一対のＩＲ−受信器、例えば焦電検出器が、サンプル空洞および基準空洞の中央前面に配置され、計器増幅器の２個の対称的な入力端子に電気的に接続され、計器増幅器の出力は、デバイスのアナログ出力として働く。
【００２２】
第２の型の検知器は、窓型検知器である。窓型検知器は、バンドフィルタをその入出力先端面取り部に置いたＧｅ全反射結晶および受信器としての焦電検出器を含む。
【００２３】
小型のＩＲエミッタが、流通型および窓型のソースとして働く。本明細書で説明される赤外線デバイスおよびその使用方法は、簡単な電気アナログ出力でパーセント濃度を決定する、低消費電力、小型の計測器を提供し、燃料電池システムのメタノール濃度センサとして使用することができる。センサのアナログ出力は、直接に分析することができ、またはデジタル化して、コンピュータ、例えばこのタスクのために設計されたマイクロプロセッサにより分析することができる。次いで、このアナログ出力に基づくマイクロプロセッサの出力は、混合されるメタノール量を制御するために燃料循環ループへの入力としてリアルタイムで利用することができる。
【００２４】
（流通型センサ）
上記したように、本発明による２種の型のセンサを考察する。第１の型は、流通型である。ＤＭＦＣレイアウトにおけるこのセンサの位置は、図２の略図から理解されよう。図２では、メタノールまたはＭｅＯＨ原料２０１およびＨ2Ｏ原料２０２が燃料混合器２０３で互いに混合され、これにより流量制御装置２０７が、制御プロセッサ２０８からの入力信号に基づいて、混合物に注入されるメタノール量を調節する。ＤＭＦＣ２０６は、燃料混合器２０３からの燃料を部分的に消費し、副生物のＨ2ＯおよびＣＯ2を生成し、メタノール濃度未知の燃料溶液を燃料混合器２０３に戻す。燃料混合器２０３からのサンプル燃料は、流量整合リンク２０５を介してセンサ２０４に注入される。次いで、センサ２０４は、赤外線検知技術を利用して、サンプル燃料の赤外線計測値と純水などの対照液体の赤外線計測値を比較し、サンプル燃料のＦＴＩＲスペクトルの関連した部分の代表的信号を出力する。この信号は、メインプロセッサー２０８への入力信号であり、メインプロセッサーが、この信号を、燃料混合器２３０における燃料混合物のメタノール濃度について解釈する。次いで、メインプロセッサ２０８は、ＤＭＦＣ２０６の現在の消費量すなわち必要量に基づいて、対応する制御信号を流量制御装置２０７に出力する。
【００２５】
流通型ＩＲセンサ２０４の動作のより詳細な図が図３に描かれている。図３では、低周波交流（ＡＣ）ソース３０２が狭帯域ＩＲエミッタ３０１に電力を供給し、エミッタが上部プレート３０４上の干渉型薄層３１５に向かってＩＲ光３０３を放射する。上部プレート３０４と下部プレート３０６との間にはスペーサ３０５がある。サンプルセル３０８を通って、燃料混合物サンプルが３１２から３１７まで流れ、基準セル３０９を通って、純水などの基準サンプルが３１３から３１８まで流れる。ＩＲ光は、サンプルセル３０８および基準セル３０９を照射し、下部プレート３０６および干渉型薄層３１６を通って透過する。サンプルセル３０８を通って透過したＩＲ光はＩＲ検知器３１０により受信され、基準セル３０９を通って透過したＩＲ光はＩＲ検知器３１１により受信され、次いで、これらの検知器３１０および３１１は、対応する検知信号を計器増幅器３１４に出力する。計器増幅器３１４が、検知器３１０および３１１からの入力信号に基づいて信号を出力し、次いで、この信号が、図２のメインプロセッサ２０８に入力される。
【００２６】
センサ２０４の特定の波長に対する選択性は、プレート３０４および３０６の外部表面上に置かれる薄層フィルタ３１５および３１６による。プレート自体は、Ｇｅ単結晶から作成される。プレートは、λ＝１０μｍの範囲のＩＲにとって十分に透明な他の材料から作成することができる。この実施形態でＧｅを選択したのは、高温のＭｅＯＨ／Ｈ2Ｏ／ＣＯ2混合物に対するその適合性の結果である。２個の薄い同一のセル３０８および３０９は、厚さ２５μｍのポリマー・スペーサ３０５の中の空隙として作成される。サンプル液体は、平面の薄いセル３０８を通って矢印３１２および３１７により示される方向に流れる。同様に、対照液体、例えば純粋な脱イオン水は、矢印３１３および３１８により示されるように、セル３０９を通って流れる。両方の流量の速度は、燃料供給ループにおけるＭｅＯＨ／Ｈ2Ｏ濃度の起こり得る変化に対する典型的な時間領域の範囲内で、液体を完全に置換するのに十分である。この微分設計により、検知のノイズ余裕度が増強され、温度補正による信号処理が簡略化される。
【００２７】
（窓型センサ）
第２の型の窓型センサの燃料制御装置の略図が、図４Ａおよび４Ｂに描かれている。図４Ａおよび４Ｂでは、図２と同様に、ＭｅＯＨ原料２０１およびＨ2Ｏ原料２０２が、互いに燃料混合器４０３で混合され、これにより流量制御装置２０７が、制御プロセッサ２０８からの入力信号に基づいて、混合物に注入されるメタノール量を調節する。ＤＭＦＣ２０６は、燃料混合器２０３からの燃料を部分的に消費し、副生物のＨ2ＯおよびＣＯ2を生成し、メタノール濃度未知の燃料溶液を燃料混合器２０３に戻す。
【００２８】
しかし、図４Ａの実施形態では、窓型センサ４０４ａは、燃料混合器４０３からＤＭＦＣ２０６までの燃料経路に沿って配置される。センサ４０４ａは、赤外線検知技術を利用して、ＤＭＦＣ２０６に実際に注入される燃料のＦＴＩＲスペクトルの関連した部分の代表的信号を出力する。この信号は、メインプロセッサー２０８への入力信号であり、メインプロセッサーが、この信号を、燃料混合器４０３における燃料混合物のメタノール濃度について解釈する。次いで、メインプロセッサ２０８は、ＤＭＦＣ２０６の現在の消費量すなわち必要量に基づいて、対応する制御信号を流量制御装置２０７に出力する。
【００２９】
図２の流通型センサ２０４では、少量のサンプル燃料だけを必要とするが、流量調節用のデバイス２０５はセンサ供給ラインと燃料混合器２０３の間に設置される。一方、窓センサ４０４ａは、燃料供給ライン中にインライン型として直接配置することができる。図４Ｂに示すように、窓センサ４０４ｂは、燃料混合器４０３に取り付けるか、または、その一部として作成することができる。
【００３０】
窓型センサ４０４ａまたは４０４ｂは、減衰全反射法（ＡＴＲ）が展開される。図５Ａおよび５Ｂには、窓型センサ４０４ａおよび４０４ｂそれぞれのためのＡＴＲ法の代表的な実施形態が例示されている。図５Ａを参照して、メタノール水溶液の濃度を赤外線検知する方法では、窓型センサ４０４ａの次のような代表的方法により行われる。例えば、窓型センサ４０４ａは、ＭｅＯＨ／Ｈ2Ｏ燃料５０１を運ぶ燃料ラインの壁５０２の上または中に配置される。センサ４０４ａには狭帯域ＩＲソース５０３が含まれ、ＩＲソース５０３は低周波交流電源５０４から電力を供給され、ＩＲソース５０３はＩＲ光５０８を薄層フィルタ５０６を通じてＧｅ全反射結晶媒体５０５の中に放射する。次いで、ＩＲ放射線５０８は、媒体５０５中を前後に反射してから、該光が薄層フィルタ５０７を通って脱出し、ＩＲ検知器５０９により受信される。図４Ａに示したように、ＩＲ検知器５０９は、増幅器１０にその検知信号を出力し、増幅器１０は、信号をメインプロセッサ２０８に出力する。
【００３１】
ＩＲ放射線５０８と液体ＭｅＯＨ／Ｈ2Ｏ燃料５０１の間の接触を迅速にするためには、窓型センサ４０４ａを、燃料供給ラインの一部として製造する。窓型センサ４０４ａの感度およびノイズ余裕度は、ＩＲ電磁波の有効経路長によって決まる。有効経路長は、次の関係式に従い、「液晶」インターフェイス５０５の中の反射数と透過深さ（ｄｐ）の積に等しい。
【００３２】
誤り！（Ｅｒｒｏｒ！）対象物は、編集フィールドコードから形成することができない  。（Ｏｂｊｅｃｔｓ  ｃａｎｎｏｔ  ｂｅ  ｃｒｅａｔｅｄ  ｆｒｏｍ  ｅｄｉｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ  ｃｏｄｅｓ．）
【００３３】
ここで、誤り！（Ｅｒｒｏｒ！）対象物は、編集フィールドコードから形成することができない  。（Ｏｂｊｅｃｔｓ  ｃａｎｎｏｔ  ｂｅ  ｃｒｅａｔｅｄ  ｆｒｏｍ  ｅｄｉｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ  ｃｏｄｅｓ．）、は結晶面角であり、ｎCは結晶５０５の屈折率であり、ｎsは液体燃料サンプルの屈折率である。ｎc＝４のＧｅ、およびＭｅＯＨ／Ｈ2Ｏに対しては、ｎsは約１．３３である。
【００３４】
例えば、もしも、誤り！（Ｅｒｒｏｒ！）対象物は、編集フィールドコードから形成することができない  。（Ｏｂｊｅｃｔｓ  ｃａｎｎｏｔ  ｂｅ  ｃｒｅａｔｅｄ  ｆｒｏｍ  ｅｄｉｔｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ  ｃｏｄｅｓ．）＝４５°およびλ＝１０μｍならば、透過深さは約０．６μｍである。この領域のｄｐ値で適切な吸収を得るためには、一般に反射数が約１０〜１５で最適化される。ある実施例では、これは、厚さ４〜５ｍｍおよび直径２０〜２５ｍｍの大きさの安価なＧｅ単結晶で達成される。
【００３５】
窓型センサ４０４ｂの場合、図４Ｂおよび５Ｂに示すように、センサを、燃料混合器４０３自体の壁４０３ａに、すなわち燃料混合器４０３の一部として、燃料混合器４０３の下面に、燃料混合器４０３の側面などに取り付けることができ、したがって、同じ技術を適用することができる。
【００３６】
（結論）
ＤＭＦＣ燃料循環プロセスに関する水溶液中のメタノール濃度の測定に関連して本発明を説明したが、本発明の方法は、液体系のある成分の小さい濃度変化をモニタリングするのに関連する任意の応用分野に使用することができ、この場合、この小さい濃度変化が、ＩＲスペクトルの特定のバンドにおける吸収振幅の対応する変化となる。
【００３７】
本発明の方法と装置が、多くの異なる形態で実施できることが理解されよう。したがって、本発明は、原料容器２０１または２０２、燃料混合器２０３、ＤＭＦＣ２０６、プロセッサ２０８、流量制御装置２０７、ＩＲソース３０１および５０３、ＩＲ検知器３１０、３１１および５０９などの、いかなる特定の形態に決して制限されない。さらに、必ずしもこれらの構成要素の全てを使用せずに、または、これらの一部もしくは全てを機能的均等物で置き換えることにより、本発明を実施できることは明らかである。したがって、特許請求の範囲の保護範囲は、本明細書で説明した好適な本実施例に限られることを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】電磁スペクトル中の赤外線の位置を示す。
【図１Ｂ】純粋メタノールの基準曲線に対比して、水溶液中の低濃度メタノールの場合のフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ）スペクトル曲線のピーク吸収の特徴を示す実験結果を例示する。
【図２】本発明による第１の型の赤外線検知システムを有する燃料循環プロセスの図である。
【図３】本発明による例示的に詳細な第１の型の赤外線検知システムの図である。
【図４Ａ】本発明による第２の型の赤外線検知システムを有する燃料循環プロセスの図である。
【図４Ｂ】本発明による第２の型の赤外線検知システムを有する燃料循環プロセスの図である。
【図５Ａ】本発明による例示的に詳細な第２の型の赤外線検知システムの図である。
【図５Ｂ】本発明による例示的に詳細な第２の型の赤外線検知システムの図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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