(57)【要約】【課題】液体燃料の外部への漏出、外部から液体燃料中への不純物の侵入及び液体燃料中への不純物の溶出を防止し、液体燃料濃度の測定精度を向上させる。【解決手段】本発明の液体燃料濃度センサは、基板３４と、基板３４の表面側に設けられる弾性表面波電極３７ａ，３７ｂと、基板３４の裏面側に設けられる内部電極３８ａ，３８ｂと、スルーホール３９を通って各弾性表面波電極３７ａ，３７ｂと内部電極３８ａ，３８ｂとを結合する電気配線４０ａ，４０ｂと、を有する弾性表面波素子３１を備え、弾性表面波素子３１は、内部に前記液体燃料を収容する合成樹脂製の取付対象部材１３，１９，２０の内面に沿って設けられ、弾性表面波伝播領域３５ａ，３５ｂが前記液体燃料に臨むと共に内部電極３８ａ，３８ｂが基板３４と取付対象部材１３，１９，２０の間に介装されていることを特徴とする。【選択図】図３
2011215086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の液体燃料の濃度を検出するための液体燃料濃度センサであって、
基板と、該基板の表面側において弾性表面波伝搬領域を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる弾性表面波電極と、該各弾性表面波電極との間で前記基板を挟むように前記基板の裏面側に設けられる内部電極と、前記各弾性表面波電極と前記内部電極との間に形成されたスルーホールを通って前記各弾性表面波電極と前記内部電極とを結合する電気配線と、を有する弾性表面波素子を備え、
該弾性表面波素子は、内部に前記液体燃料を収容する合成樹脂製の取付対象部材の内面に沿って設けられ、前記弾性表面波伝播領域が前記液体燃料に臨むと共に前記内部電極が前記基板と前記取付対象部材の間に介装されていることを特徴とする液体燃料濃度センサ。
【請求項２】
前記液体燃料収容部材の外面の前記内部電極に対向する位置には外部電極が設けられ、該外部電極は前記内部電極と静電容量結合されている請求項１に記載の液体燃料濃度センサ。
【請求項３】
前記外部電極には、コイルとコンデンサで構成されるＬＣ共振回路が接続されている請求項２に記載の燃料濃度センサ。
【請求項４】
前記弾性表面波素子は、前記弾性表面伝搬領域が電極で覆われたショート経路と、前記弾性表面波伝搬領域に前記基板の表面が露出するように開口が形成されたオープン経路との２つの経路を備えている請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の液体燃料濃度センサ。
【請求項５】
前記弾性表面波素子は、前記基板の周縁部に設けられた外れ止め部材により前記取付対象部材の内面にメカニカル接合されており、前記外れ止め部材は、前記取付対象部材と同一の材質により形成されている請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の液体燃料濃度センサ。
【請求項６】
前記弾性表面波素子は、射出成形により前記取付対象部材と一体成形されている請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の液体燃料濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の液体燃料の濃度を検出するための液体燃料濃度センサに関し、特に、メタノールを使用する燃料電池において希釈されたメタノールの濃度を検出する液体燃料濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池からの電力により電動モータを駆動して走行する燃料電池搭載の電動車両が開発されている。この種の車両に使用される燃料電池としては、例えば、ダイレクトメタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このダイレクトメタノール燃料電池は、希釈タンク内において３％前後の濃度に希釈したメタノールを、セルスタックに圧送し、該セルスタックにおいて、直接、このメタノールと酸素との電気化学反応により電力を得るものである。
【０００４】
しかしながら、ダイレクトメタノール燃料電池では、前記セルタックに圧送されるメタノールの濃度が大きく所定の範囲から外れると、発電制御が不安定になり、時には燃料電池が破壊されるなどの大きな悪影響を及ぼすこともある。そこで、ダイレクトメタノール燃料電池には、希釈したメタノールの濃度を測定する濃度センサが設けられており、メタノールの濃度が常に所定範囲の濃度に維持されるようになっている。
【０００５】
最近、この種の濃度センサとして、弾性表面波（Surface Acoustic
Wave：ＳＡＷ）素子上の僅かな質量変化によって生じる弾性波の伝搬特性の変化によってダイレクトメタノールの濃度を測定する弾性表面波素子を利用した濃度センサが開発されている（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照）。
【０００６】
この弾性表面波素子を利用した濃度センサをダイレクトメタノール燃料電池に設置する場合、前記希釈タンク内や該希釈タンクと前記セルスタック間の配管内に設置する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、例えば、回路部などの濃度センサの周辺部分も希釈タンク内に設置されるため、金属イオンなどの不純物がメタノール溶液中に溶出したり、或いはメタノール溶液を介して電気が流れて感電や電気分解の問題が発生したりして燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００７】
そこで、この種の問題を解決するために、図６に示すように、希釈タンク１の底部２に開口部３を穿設し、この開口部３の周囲外側に配設したＯリング４を介して濃度センサ５をアルミ板６上に設置する方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０３０９４８号公報
【特許文献２】特開２００５−３３１３２６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ技術開発機構）のウェブサイト（URL：http://www.nedo.go.jp/informations/press/200805_1/200805_1.html）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図６に示す方法で設置した濃度センサでは、弾性表面波がＯリング４によって減衰されてしまい、メタノール濃度の測定精度を高めることができないといった新たな問題が発生する。また、このＯリング４は開口部３の周囲をシールしてメタノール溶液の漏出を防止する役割も果たしており、取り除くことができないため、弾性表面波の減衰とメタノール溶液の漏出を同時に防止することが難しいといった問題や、Ｏリング４からメタノール溶液中への不純物の溶出を防止するためにＯリング４の材質の選択が限定されるといった問題もある。
【００１１】
さらに、図６中において破線の三角形で示すように、燃料電池から脱落した電極や触媒などがＯリング４の周りに堆積してしまい、メタノール濃度の測定精度に悪影響を及ぼすといった問題もあった。
【００１２】
本発明は上記した課題を解決すべくなされたものであり、メタノール溶液の外部への漏出の防止、外部からメタノール溶液中への不純物の侵入及びメタノール溶液中への不純物の溶出の防止が可能となると共に、メタノール濃度の測定精度を向上させることのできる液体燃料濃度センサ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】
【００１３】
上記した目的を達成するため、本発明は、燃料電池の液体燃料の濃度を検出するための液体燃料濃度センサであって、基板と、該基板の表面側において弾性表面波伝搬領域を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる弾性表面波電極と、該各弾性表面波電極との間で前記基板を挟むように前記基板の裏面側に設けられる内部電極と、前記各弾性表面波電極と前記内部電極との間に形成されたスルーホールを通って前記各弾性表面波電極と前記内部電極とを結合する電気配線と、を有する弾性表面波素子を備え、該弾性表面波素子は、内部に前記液体燃料を収容する合成樹脂製の取付対象部材の内面に沿って設けられ、前記弾性表面波伝播領域が前記液体燃料に臨むと共に前記内部電極が前記基板と前記取付対象部材の間に介装されていることを特徴とする。
【００１４】
そして、本発明に係る液体燃料濃度センサにおいて、前記液体燃料収容部材の外面の前記内部電極に対向する位置には外部電極が設けられ、該外部電極は前記内部電極と静電容量結合されているのが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記外部電極には、コイルとコンデンサで構成されるＬＣ共振回路が接続されているのが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記弾性表面波素子は、前記弾性表面伝搬領域が電極で覆われたショート経路と、前記弾性表面波伝搬領域に前記基板の表面が露出するように開口が形成されたオープン経路との２つの経路を備えているのが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記弾性表面波素子は、前記基板の周縁部に設けられた外れ止め部材により前記取付対象部材の内面にメカニカル接合されており、前記外れ止め部材は、前記取付対象部材と同一の材質により形成されていてもよい。
【００１８】
さらにまた、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記弾性表面波素子は、射出成形により前記取付対象部材と一体成形されていてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、メタノール溶液の外部への漏出及び外部からメタノール溶液中への不純物の侵入を防止することができると共に、メタノール溶液中への不純物の溶出を防止することができる。
【００２０】
また、燃料電池から脱落した電極や触媒などの堆積や弾性表面波の減衰を抑制することができ、センサの測定精度を向上させることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを設置した燃料電池を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを拡大して部分的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサのＬＣ共振回路を示す回路図である。
【図６】従来の方法で設置したメタノール濃度センサを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態では、ダイレクトメタノール燃料電池において液体燃料であるメタノールの濃度を測定する場合について例示して説明する。
【００２３】
先ず、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを設置したダイレクトメタノール燃料電池について説明する。ここで、図１は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを設置した燃料電池を示す模式図である。
【００２４】
本発明の実施の形態におけるダイレクトメタノール燃料電池１０では、燃料タンク１１に貯溜されたメタノール（例えば、メタノール５４％水溶液）が燃料ポンプ１２によって希釈タンク１３へ搬送され、この希釈タンク１３内で、水タンク１４から水ポンプ１５によって希釈タンク１３に搬送された水により最適な濃度（例えば、メタノール３％水溶液）まで希釈される。そして、このように最適な濃度に希釈されたメタノールは、イオン交換樹脂１６において不純物が除去され、循環ポンプ１７によってセルスタック１８の負極側へ送り込まれる。
【００２５】
この時、セルスタック１８の出力特性は、メタノール濃度に大きく影響されるため、メタノール水溶液の濃度はメタノール濃度センサ３０によって監視される。そして、このメタノール濃度センサ３０の測定結果に基づき、燃料ポンプ１２及び水ポンプ１５の駆動が制御され、燃料タンク１１からメタノールが希釈タンク１３内に供給されると共に水タンク１４から水が希釈タンク１３内へ供給され、希釈タンク１３内のメタノール水溶液の濃度が最適濃度になるように調整される。
【００２６】
なお、メタノール濃度センサ３０についての詳細な説明は後述するが、メタノール濃度センサ３０は、合成樹脂製（例えば、ポリエチレン製）の希釈タンク１３内（図１中のＡ参照）、或いはイオン交換樹脂１６の上流側の合成樹脂製（例えば、ポリプロピレン製）の配管１９内（図１中のＢ参照）、或いはセルスタック１８の上流側の合成樹脂製（例えば、ポリプロピレン製）の配管２０内（図１中のＣ）のいずれの場所に設置されてもよい。そして、希釈タンク１３内に設置された場合には、メタノールと水の攪拌状態を良く監視することができるといった効果を得ることができ、また、イオン交換樹脂１６の上流側の配管１９内に設置された場合には、メタノール溶液中に含まれるギ酸濃度を測定することができといった効果を得ることができ、さらに、セルスタック１８の上流側の配管２０内に設置された場合には、セルスタック１８に送り込まれる直前のエタノール溶液の濃度を正確に測定することができるといった効果をそれぞれ得ることができる。
【００２７】
一方、空気は、エアフィルタ２１において空気中の不純物が除去され、コンプレッサ２２によってセルスタック１８の正極側へ圧送される。これにより、セルスタック１８の負極にメタノールが供給されると共にセルスタック１８の正極に空気が供給され、セルスタック１８において電気化学反応が行われて電力が発生する。
【００２８】
また、この時、セルスタック１８の正極出口からは、未反応の空気と、電気化学反応により生成された水とが排出されるが、セルスタック１８の運転温度が比較的高温であるため、生成された水の多くは水蒸気の状態となる。そこで、この水蒸気をセルスタック１８の正極出口の未反応空気と共に熱交換器２３へ導入し、冷却ファン２４により、これらの未反応空気及び水蒸気を冷却し、水蒸気を凝集させて水の回収率を高めている。
【００２９】
その後、このように熱交換器２３により冷却された未反応空気及び水蒸気と、希釈タンク１３から配管２５を通って水タンク１４に排出された二酸化炭素は、水タンク１４内で混合され、排ガス触媒２６によって有害成分が除去されて浄化された後、排ガス排出管２７を通って大気中へ排出される。
【００３０】
次に、本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサ３０について詳細に説明する。なお、以下の説明では、メタノール濃度センサ３０を配管１９又は２０内に設置した場合（図１のＢ又はＣの場合）について説明する。ここで、図２は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す平面図、図３は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す断面図、図４は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを拡大して部分的に示す断面図、図５は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサのＬＣ共振回路を示す回路図である。
【００３１】
メタノール濃度センサ３０は、配管１９又は２０の内面に沿って設けられる弾性表面波素子３１と、配管１９又は２０の外面に設けられる外部電極３２と、外部電極３２に接続される計測回路３３とを備えて構成されている。
【００３２】
弾性表面波素子３１には、例えばタンタル酸リチウムや水晶などの圧電効果を示す材料により形成される矩形平板状の基板３４が設けられており、基板３４の表面側には、弾性表面伝搬領域３５ａが電極で覆われたショート経路３６ａと、弾性波伝搬領域３５ｂに基板３４の表面が露出するように開口３７が形成されたオープン経路３６ｂとの２つの経路が形成されている。
【００３３】
弾性表面波素子３１のショート経路３６ａには、基板３４の表面側において弾性表面波伝搬領域３５ａを挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる金製の弾性表面波電極３７ａと、各弾性表面波電極３７ａとの間で基板３４を挟むように基板３４の裏面側に設けられる内部電極３８ａと、各弾性表面波電極３７ａと内部電極３８ａとの間に形成されたスルーホール３９を通って各弾性表面波電極３７ａと内部電極３８ａとを結合する電気配線４０ａとが設けられており、弾性表面波電極３７ａはフッ素樹脂などの電極保護膜４１によって被覆されている。
【００３４】
また、弾性表面波素子３１のオープン経路３６ｂについても、前記ショート経路３６ａと同様に、金製の弾性表面波電極３７ｂ、内部電極３８ｂ、電気配線４０ｂがそれぞれ設けられており、弾性表面波電極３７ｂはフッ素樹脂などの電極保護膜４１によって被覆されている。
【００３５】
このような構成を備えた弾性表面波素子３１は、図４に示されているように、基板３４の周縁部（例えば、四隅）に設置される外れ止め部材４２によって配管１９又は２０の内面にメカニカル接合され、内部電極３８ａ，３８ｂは基板３４と配管１９又は２０の間に介装された状態となる。そして、この外れ止め部材４２は、配管１９又は２０と同一の樹脂材料（例えば、ポリプロピレン製）により形成されている。
【００３６】
なお、配管１９又は２０への弾性表面波素子３１の接合方法は、上記した方法に限定されるものではなく、弾性表面波素子３１は射出成形によって配管１９又は２０と一体成形されていてもよい。この場合、図３及び図４に示すように、配管１９又は２０の内面側に弾性表面素子３１が嵌合可能な溝４４が形成されるように構成することにより、不純物の溶出の防止や、弾性表面波素子３１の接合作業の簡素化などを図ることができる。
【００３７】
また、外部電極３２は、各内部電極３８ａ，３８ｂに対向する位置に配置され、各内部電極３８ａ，３８ｂとそれぞれ静電容量結合されている。なお、外部電極３２と内部電極３８ａ，３８ｂとはインダクタンスを対向させて磁気結合されていてもよい。
【００３８】
計測回路３３には、図５において破線で囲われているように、コイルＬとコンデンサＣで構成されるＬＣ共振回路４３が設けられている。これにより、弾性表面素子３１との間の静電容量とコイルＬとが直列共振回路を形成し、弾性表面素子３１と外部電極３２とを直接電気配線で接続した場合と同じ電気的効果を得ることができる。
【００３９】
上記した構成を備えたメタノール濃度センサ３０によれば、弾性表面波素子３１の弾性表面波伝播領域３５ａ，３５ｂが配管１９又は２０内のエタノール溶液に臨んでおり、弾性表面波が弾性表面波伝搬領域３５ａ，３５ｂを伝搬する際に、ショート経路３６ａでは、メタノール溶液との電磁気的な結合がないため、密度粘土積を測定することができる。また、オープン経路３６ｂでは、メタノール溶液との電磁気的な結合により、誘電率及び導電率を測定することができ、この誘電率でメタノール濃度を測定し、導電率でギ酸濃度を測定することにより、メタノールとギ酸を区別して測定することができる。したがって、ギ酸が混合することによる測定誤差の発生を防止することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【００４０】
また、この場合、伝搬する弾性表面波は横波を使用しているので、レイリー波のようにメタノール溶液中に縦波を放出して信号が減衰してしまうといった問題の発生を防止することができる。
【００４１】
さらに、メタノール溶液に臨む弾性表面波電極３７ａ，３７ｂが金製であると共に、内部電極３８ａ，３８ｂ、外部電極３２、及び計測回路３３はメタノール溶液に接触することがないため、金属イオンなどの不純物がメタノール溶液中に溶出したり、或いはメタノール溶液を介して電気が流れて感電や電気分解の問題が発生したりして燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがない。
【００４２】
また、弾性表面素子３１と外部電極３２との間の配管１９又は２９に電気配線を通すためのスルーホールを開ける必要がないため、このスルーホールを介して、希釈したメタノールが外部に漏出したり、或いは外部から不純物が内部に侵入したりすることがなく、ダイレクトメタノール燃料電池１０に悪影響を与えるおそれもない。
【００４３】
さらに、前記スルーホールの隙間をＯリング等でシールする必要もないため、メタノール濃度センサ３０の取り付け作業が簡素化され、シール材料からメタノール溶液中への溶出のおそれもない。さらにまた、燃料電池から脱落した電極や触媒などがシール材であるＯリング等の周りに堆積することもなく、弾性表面波の減衰が生じることもなく、センサの測定精度を向上させることができる。
【００４４】
なお、上記した実施の形態の説明では、メタノール濃度センサ３０を配管１９又は２０内に設置した場合について説明したが、これは単なる例示に過ぎず、メタノール濃度センサ３０を希釈タンク１３内に設置した場合であっても同様の効果を得ることができることは言う迄もない。
【符号の説明】
【００４５】
１０              ダイレクトメタノール燃料電池
１３              希釈タンク
１９，２０        配管
３０              液体燃料濃度センサ（メタノール濃度センサ）
３１              弾性表面波素子
３２              外部電極
３４              基板
３５ａ，３５ｂ    弾性表面波伝搬領域
３６ａ            ショート経路
３６ｂ            オープン経路
３７ａ，３７ｂ    弾性表面波電極
３８ａ，３８ｂ    内部電極
３９              スルーホール
４０ａ，４０ｂ    電気配線
４２              外れ止め部材
４３              ＬＣ共振回路
【図１】
2011215086.tif 000003
【図２】
2011215086.tif 000004
【図３】
2011215086.tif 000005
【図４】
2011215086.tif 000006
【図５】
2011215086.tif 000007
【図６】
2011215086.tif 000008