(57)【要約】【課題】  簡易な構造でアルコールガスのアルコール濃度を検出する。【解決手段】  燃料電池システム６６０は、固体高分子電解質膜１１４と、該固体高分子電解質膜１１４に配された燃料極１０２および酸化剤極１０８とを含む燃料電池本体１００と、有機液体燃料１２４ａを収容する燃料収容部６６４と、プロトン伝導性を有し、燃料極タンク６６２に設けられた高分子膜６６５と、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化に基づき、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を検出する濃度検出部（第１の電極端子６６６、第２の電極端子６６７、および濃度測定部６７０）とを含む。【選択図】        図１
2005100864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコールガスを燃料として利用する燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、
前記アルコールガスを含む容器と、
前記容器中の前記アルコールガスのアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、プロトン伝導性を有し、前記容器内に設けられた高分子膜を含み、前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記アルコールガスのアルコール濃度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子と、前記電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗値に基づき前記アルコールガスのアルコール濃度を算出する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部において、前記電極端子は、前記容器外部に設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記電極端子を覆う疎水性膜を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２乃至５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記固体高分子電解質膜は前記容器中に設けられ、
前記固体高分子電解質膜の一部が前記高分子膜として利用されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２乃至６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
温度またはｐＨに対するプロトン伝導度が異なる複数の高分子膜を含み、
前記濃度検出部は、前記複数の高分子膜それぞれのプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記アルコールガスの温度又はｐＨを考慮して、前記アルコールガスのアルコール濃度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項２乃至７いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項２乃至８いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、架橋されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
アルコールを含む液体燃料をガス化するガス化手段をさらに含み、ガス化した前記アルコールガスが前記容器に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部が検出したアルコール濃度に応じて、前記ガス化手段の駆動を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に取り外し可能に構成されるとともに前記液体燃料を収容するカートリッジをさらに含み、
前記ガス化手段は、前記カートリッジに収容された前記液体燃料をガス化することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１０または１１に記載の燃料電池システムにおいて、
アルコール濃度が異なる液体燃料をそれぞれ収容する複数の液体燃料収容部をさらに含み、
前記ガス化手段は、前記液体燃料毎に、前記液体燃料をガス化させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液体燃料収容部は、前記燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１乃至１４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の温度を測定する温度センサをさらに含み、
前記濃度検出部は、前記温度センサが測定した温度に応じて前記容器中の前記アルコールガスのアルコール濃度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１乃至１５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含み、
前記濃度検出部は、前記ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて前記容器中の前記アルコールガスのアルコール濃度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
警告を提示する警告提示部と、
前記濃度検出部が検出した前記容器中の前記アルコールガスのアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、前記警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
アルコール濃度の測定装置であって、
プロトン伝導性を有し、アルコールを含むガス中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する高分子膜と、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記ガス中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載のアルコール濃度測定装置において、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子と、前記電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、前記伝導度測定部が測定した抵抗値を前記ガス中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２０】
アルコール濃度の測定方法であって、
測定対象のアルコールガスを含む容器にプロトン伝導性を有する高分子膜を導入する工程と、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程と、
前記プロトン伝導度の変化に基づき、前記アルコールガスのアルコール濃度を検出する工程と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記プロトン伝導度の変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子間の抵抗値を測定する工程を含み、
前記アルコールの濃度を検出する工程は、前記抵抗値に基づき前記アルコールガスのアルコール濃度を算出する工程を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコールガスのアルコール濃度測定方法、アルコール濃度測定装置、および当該装置を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電効率が高く、有害ガスの発生も極めて少ない燃料電池は注目を集めており、活発に研究・開発されている。燃料電池には、水素等の気体を燃料として用いるものとメタノール等の液体を用いるものとがある。気体燃料を用いる燃料電池は燃料ボンベ等を搭載する必要があるため、小型化するには限界がある。このため、携帯電話やノート型パソコン等の小型携帯機器の電源としては、改質器等を必要としないダイレクトメタノール型燃料電池の採用が有望視されている。
【０００３】
ダイレクトメタノール型燃料電池の場合、燃料極および酸化剤極で生じる電気化学反応はそれぞれ下記反応式（１）および（２）で表される。
【０００４】
燃料極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−    （１）
【０００５】
酸化剤極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ    （２）
【０００６】
上記反応式（１）で表されるように、燃料極においては二酸化炭素が発生する。円滑に発電を行うには、メタノールを効率良く金属触媒表面に供給し、上記反応式（１）の反応を活発に生じさせる必要がある。しかし、従来のダイレクトメタノール型燃料電池における燃料の供給は、燃料極をメタノール水溶液で浸すようにして行われていた。そのため、上記反応式（１）により生じた二酸化炭素が燃料極中に滞留して気泡を生成し、燃料極における触媒反応が阻害されることがあった。その結果、安定した出力が得られない場合もあった。
【０００７】
ところで、下記特許文献１には超音波式微粒化装置を備える燃料電池用改質装置が開示されている。この技術は、燃料を水素に富んだガスに変換する改質器に対し、燃料を超音波式微粒化装置により霧化して供給するものである。したがって、この技術の燃料電池用改質装置を利用した燃料電池においては、上記のような二酸化炭素の気泡の滞留は生じなくなる。しかし、こうした燃料電池用改質装置を有する燃料電池の小型化・軽量化には限界がある。
【特許文献１】特開平１１−７９７０３号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本件特許出願人等により、メタノール等の有機液体燃料をガス化した燃料ガスを燃料極に供給する技術が開発されている。燃料ガスを用いることにより、燃料極で発生する二酸化炭素を効率よく電極表面から除去することができるので、二酸化炭素が電極表面に滞留するのを抑えることができ、発電効率を向上することができる。
【０００９】
また、燃料ガスを用いることにより、メタノール水溶液が固体高分子電解質膜を透過して酸化剤極側に達してしまう現象であるクロスオーバーの問題を低減することができる。これにより、酸化剤極の電位が下がることによる発電効率の低下を低減することができる。さらに、燃料ガスを用いることにより、燃料ガス中のアルコール濃度を高くしても、クロスオーバーの問題を低減することができるため、ガス中のアルコール濃度を高くすることもでき、より一層発電効率を向上することができる。
【００１０】
燃料ガスを用いることにより、このように発電効率を向上することができるため、燃料極タンクの容器を小さくしても充分な出力を得ることができ、燃料電池システムを小型化することができる。
【００１１】
ところで、従来、燃料極に供給する燃料として有機液体燃料を用いた場合は、クロスオーバーの問題があるため、燃料極に供給する有機液体燃料の濃度を一定以下にする必要があり、有機液体燃料の濃度を制御することが行われていた。一方、上述したように、燃料として燃料ガスを用いた場合はこのような問題が生じないため、燃料極に供給する燃料ガスの濃度を測定したり制御するという発想がなかった。
【００１２】
しかし、本発明者の検討によれば、燃料電池の出力を安定的に保つため、また効率的な出力を得るためには、燃料ガスを用いた場合でも、燃料ガスの濃度を適正な範囲にすることが必要であることが見出された。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構造で燃料ガスのアルコール濃度を検出することが可能なアルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システム、およびアルコール濃度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、アルコールガスを燃料として利用する燃料電池システムであって、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、アルコールガスを含む容器と、容器中のアルコールガスのアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１５】
ここで、燃料電池本体は、燃料極に液体燃料を直接供給する直接型のものとすることができる。アルコールガスを含む容器は、燃料電池本体の燃料極に設けられた燃料極タンク、燃料極タンクに供給する燃料を収容するバッファタンク、カートリッジ、またはこれらを結ぶ配管を含む。
【００１６】
このような構成とすることにより、燃料極に供給するアルコールガスの濃度を適正な範囲に保つことができ、燃料電池システムの出力を安定化することができる。また、アルコールガスの濃度を効率よく電極反応を行うことのできる範囲にすることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、プロトン伝導性を有し、容器内に設けられた高分子膜を含むことができ、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、容器中のアルコールガスのアルコール濃度を検出することができる。
【００１８】
高分子膜は、容器中のアルコールガス中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成することができる。高分子膜としては、プロトン酸基を含む材料を用いることができる。また、高分子膜は、架橋されたものとすることもできる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成でアルコールガスのアルコール濃度を検出することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設された一対の電極端子と、電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗値に基づきアルコールガスのアルコール濃度を算出する濃度算出部と、を含むことができる。
【００２１】
ここで、高分子膜は、アルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成されるので、電極端子間に高分子膜を介して電流を流した場合、アルコールガスのアルコール濃度に応じて電極端子間の抵抗値が変化する。濃度検出部は、電極端子間の抵抗値とアルコール濃度との対応関係を示す参照データを保持することができ、濃度算出部は、参照データに基づき、アルコールガスのアルコール濃度を算出することができる。
【００２２】
ここで、濃度検出部は三以上の電極端子を含むこともでき、たとえば四つの電極端子を含むこともできる。この場合、一方の一対の電極端子を電流測定用とすることができ、他方の一対の電極端子を電圧測定用とすることができる。電極端子は、高分子膜表面に設けることもできるが、高分子膜中に設けてもよい。また、電極端子は、アルコールガス中に設けることもできるが、アルコールガスに直接接しない構成とすることもできる。電極端子をアルコールガスに直接接しない構成とすることにより、電極端子がアルコールガスにより腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、電極端子を安定に保つことができる。電極端子は、導電性を有するものであれば、どのような材料により構成することもできる。電極端子は、たとえば、金、銀、白金、アルミニウム、ステンレス等により構成することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部において、電極端子は、容器外部に設けることができる。また、濃度検出部は、電極端子を覆う疎水性膜を有することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜は容器中に設けることができ、固体高分子電解質膜の一部を高分子膜として利用することができる。この場合、固体高分子電解質膜において、触媒層が設けられていない領域に電極端子を設けることができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、温度またはｐＨに対するプロトン伝導度が異なる複数の高分子膜を含むことができ、濃度検出部は、複数の高分子膜それぞれのプロトン伝導度の変化に基づき、容器中のアルコールガスの温度又はｐＨを考慮して、アルコールガスのアルコール濃度を検出することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、アルコールを含む液体燃料をガス化するガス化手段をさらに含むことができ、ガス化したアルコールガスが容器に供給される構成とすることができる。ここで、アルコールガスは、液体燃料を気化または霧化したものとすることができる。液体燃料をガス化する方法としては、加温装置による加熱、窒素等のキャリアガスで液体をバブリングする方法、液体燃料を収容する容器にガスを導入して加圧する方法、霧化手段を用いる方法を用いることができる。霧化手段としては、圧電振動子等の超音波振動型霧化装置を用いることができる。
【００２７】
このように、ガス化した燃料を燃料極へ供給することにより、従来の液体燃料を燃料極に直接供給する燃料電池とは異なり、燃料極が液体で満たされていない。これにより、燃料極で生成する二酸化炭素は気泡を形成することなく燃料極から離脱することから、燃料極での電気化学反応が円滑に進行し、安定した出力が得られる。
【００２８】
本発明の燃料電池システムは、濃度検出部が検出したアルコール濃度に応じて、ガス化手段の駆動を制御する制御部をさらに含むことができる。
【００２９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体に取り外し可能に構成されるとともに液体燃料を収容するカートリッジをさらに含むことができ、ガス化手段は、カートリッジに収容された液体燃料をガス化することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、アルコール濃度が異なる液体燃料をそれぞれ収容する複数の液体燃料収容部をさらに含むことができ、ガス化手段は、液体燃料毎に、液体燃料をガス化させることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムにおいて、液体燃料収容部は、燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジとすることができる。
【００３２】
本発明の燃料電池システムは、容器中の温度を測定する温度センサをさらに含むことができ、濃度検出部は、温度センサが測定した温度に応じて容器中のアルコールガスのアルコール濃度を補正することができる。
【００３３】
本発明の燃料電池システムは、容器中のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含むことができ、濃度検出部は、ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて容器中のアルコールガスのアルコール濃度を補正することができる。
【００３４】
本発明の燃料電池システムは、警告を提示する警告提示部と、濃度検出部が検出した容器中のアルコールガスのアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、をさらに含むことができる。制御部は、たとえば、容器中のアルコールガスのアルコール濃度が所定値以下になった場合に警告提示部に警告の提示を指示することができる。このようにすれば、本発明の燃料電池システムが組み込まれた電子機器を使用中のユーザに容器中の燃料切れを知らせることができる。
【００３５】
本発明の燃料電池システムにおいて、容器を形成する壁の一部が、燃料極で生成する二酸化炭素を透過させる膜とすることができる。
【００３６】
本発明によれば、以上の構成の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯機器が提供される。
【００３７】
本発明によれば、以上の構成の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯型パソコンが提供される。
【００３８】
本発明によれば、アルコール濃度の測定装置であって、プロトン伝導性を有し、アルコールを含むガスと接触した際に当該ガス中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する高分子膜と、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、ガス中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置が提供される。アルコール濃度の測定装置は、上述したような燃料電池システムにおける燃料の濃度を測定するのに用いることもできるが、たとえば環境中のアルコール濃度や人の呼気中のアルコール濃度を測定するのに用いることもできる。
【００３９】
本発明のアルコール濃度測定装置において、濃度検出部は、高分子膜に配設された一対の電極端子と、電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、伝導度測定部が測定した抵抗値をガス中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００４０】
本発明によれば、アルコール濃度の測定方法であって、測定対象のアルコールガスを含む容器にプロトン伝導性を有する高分子膜を導入する工程と、高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程と、プロトン伝導度の変化に基づき、アルコールガスのアルコール濃度を検出する工程と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法が提供される。
【００４１】
本発明のアルコール濃度測定方法において、プロトン伝導度の変化を検出する工程は、高分子膜に配設された一対の電極端子間の抵抗値を測定する工程を含むことができ、アルコールの濃度を検出する工程は、抵抗値に基づきアルコールガスのアルコール濃度を算出する工程を含むことができる。
【００４２】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、簡易な構造でアルコール濃度を検出することが可能なアルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システム、ならびにアルコール濃度測定方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下の実施の形態で説明する燃料電池システムの用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
【００４５】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
この燃料電池システム６６０は、有機液体燃料をガス化し、ガス化された燃料を燃料極に供給することにより発電する。有機液体燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。
【００４６】
燃料電池システム６６０は、燃料電池本体１００と、燃料極タンク６６２と、センサ６６８と、濃度測定部６７０と、制御部６７２と、燃料供給処理部６７４と、燃料収容部６７６と、警告提示部６８０とを含む。
【００４７】
燃料電池本体１００は、固体高分子電解質膜１１４と、固体高分子電解質膜１１４に配された燃料極１０２および酸化剤極１０８とを含む。酸化剤極１０８に供給される酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。燃料電池本体１００の詳細な構成については後述する。
【００４８】
本実施の形態において、燃料収容部６７６は、有機液体燃料１２４ａを収容する。
燃料供給処理部６７４は、燃料収容部６７６に収容された有機液体燃料１２４ａをガス化するガス化手段を含む。燃料供給処理部６７４は、ガス化手段がガス化した燃料ガス１２４ｂを燃料極タンク６６２に供給する処理を行う。燃料供給処理部６７４の詳細な構成については後述する。
【００４９】
燃料極タンク６６２には、センサ６６８が設けられる。センサ６６８は、燃料極タンク６６２内の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を検出するのに用いられる。センサ６６８は、高分子膜６６５と、第１の電極端子６６６と、第２の電極端子６６７とを含む。高分子膜６６５は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子膜６６５は、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成される。本実施の形態における燃料電池システム６６０は、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化に基づき、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのメタノール濃度を検出することができる。
【００５０】
高分子膜６６５は、燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料であればどのような材料により構成することもできるが、たとえば、燃料電池本体１００の固体高分子電解質膜１１４と同様の材料により構成することができる。このような材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子等の共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製））；
芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）；
等が例示される。
【００５１】
また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、たとえば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入し、これらの高分子をそのまま、または溶融した状態で放射線、ＵＶ、電子線等を照射すること等により架橋したものを用いることもできる。
【００５２】
第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、高分子膜６６５表面または高分子膜６６５中に互いに離間して設けられる。ここで、高分子膜６６５は、アルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成されるので、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間に高分子膜６６５を介して電流を流した場合、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じて第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値が変化する。濃度測定部６７０は、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値に基づき、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を測定する。濃度測定部６７０の詳細な構成については後述する。
【００５３】
図２は、センサ６６８を詳細に示す図である。
図２（ａ）は、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が設けられた面を示す図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の側面図である。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料ガス１２４ｂ中に安定に存在し、導電性を有する材料であればどのような材料により構成することもできる。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、導電性ペーストにより高分子膜６６５に貼り付けることができる。導電性ペーストとしては、金や銀等の金属を含むポリマーペーストや、アクリルアミド等ポリマー自体が導電性を有するポリマーペーストを用いることができる。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、それぞれ配線７１０ａおよび配線７１０ｂを介して、図１に示した濃度測定部６７０に電気的に接続される。
【００５４】
図３は、センサ６６８の他の例を示す図である。センサ６６８は、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７の表面がたとえばテフロン（登録商標）等の疎水性の膜７２０で覆われた構成とすることもできる。このようにすれば、センサ６６８を燃料極タンク６６２中に導入した場合でも、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７が燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂと直接接触することがない。そのため、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７が燃料ガス１２４ｂにより腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００５５】
図４は、センサ６６８の他の例を示す図である。図４（ａ）に示すように、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを高分子膜６６５に巻き付けて構成することもできる。また、図４（ｂ）に示すように、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを高分子膜６６５の厚さ方向に貫通させ、配線７１０ａおよび配線７１０ｂの貫通した部分を留め部として第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を構成することもできる。
【００５６】
図５は、センサ６６８のまた他の例を示す図である。図５（ａ）に示すように、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、それぞれ、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを導電性ペースト７１１で高分子膜６６５上に固定することにより構成することもできる。導電性ペーストとしては、上述したのと同様、金や銀等の金属を含むポリマーペーストや、アクリルアミド等ポリマー自体が導電性を有するポリマーペーストを用いることができる。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したセンサ６６８の側面図である。なお、前述した図４（ａ）および図４（ｂ）に示した構成の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７においても、同様の導電性ペーストを用いて配線７１０ａおよび配線７１０ｂが高分子膜６６５にしっかり固定されるようにすることができる。
【００５７】
さらに、センサ６６８は、図５（ｃ）および図５（ｄ）に示すように、４つの電極端子６６６ａ、電極端子６６６ｂ、電極端子６６７ａ、および電極端子６６７ｂを含む構成とすることもできる。各電極端子６６６ａ、６６６ｂ、６６７ａ、および６６７ｂはそれぞれ配線７１０ａ、配線７１０ｃ、配線７１０ｂ、および配線７１０ｄを介して濃度測定部６７０（図１参照）に電気的に接続される。たとえば、濃度測定部６７０は、電極端子６６６ａおよび電極端子６６７ａ間の電流を測定するために用いることができ、電極端子６６６ｂおよび電極端子６６７ｂ間の電圧を測定するために用いることができる。
【００５８】
図１に戻り、濃度測定部６７０が測定した燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度は制御部６７２に伝達される。制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内であるか否かを判断し、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度が適正な範囲内となるように燃料供給処理部６７４を制御する。燃料供給処理部６７４は、制御部６７２の制御に基づき、燃料収容部６７６から燃料極タンク６６２に供給する燃料ガス１２４ｂの供給量を制御する。
【００５９】
また、制御部６７２は、燃料供給処理部６７４を制御する処理を繰り返しても燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度が適正な範囲内にならない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。
【００６０】
また、燃料電池システム６６０は、回収処理部６７５をさらに含むことができる。回収処理部６７５は、燃料極タンク６６２に供給された燃料ガス１２４ｂのうち、電極反応で消費されなかったガスを回収して濃縮し、有機液体燃料１２４ａとして燃料収容部６７６に戻す処理を行う。回収処理部６７５は、たとえば水およびアルコールを液化させ、その他の成分を気液分離膜を介して除去する等してアルコール水溶液を得ることができる。このようにすれば、電極反応で消費されなかった燃料ガス１２４ｂを再利用することができる。
【００６１】
図６は、燃料収容部６７６、燃料供給処理部６７４、燃料極タンク６６２、および燃料電池本体１００が一体に形成された構成を示す図である。ここで、燃料供給処理部６７４は、有機液体燃料１２４ａをガス化して燃料ガス１２４ｂを発生するガス化処理部３３５およびインバータ４６１を含む。
【００６２】
燃料電池本体１００は、筐体３３８内に収容される。筐体３３８の下方には燃料収容部６７６が設けられ、有機液体燃料１２４ａが収容される。燃料収容部６７６の有機液体燃料１２４ａの下方には、ガス化処理部３３５が設けられる。燃料収容部６７６と燃料極タンク６６２とは、筐体３３８の一部に設けられた貫通口３４１を介して連結される。さらに、燃料極タンク６６２の上方には、電極反応で発生した二酸化炭素を透過して排出するガス透過膜３３６が設けられる。
【００６３】
ガス化処理部３３５は、たとえば超音波振動のような高周波数の振動を発する霧化ユニットとすることができる。霧化ユニットが発した振動は、燃料収容部６７６内の有機液体燃料１２４ａに伝導する。この振動により、有機液体燃料１２４ａが霧化されてミスト状の燃料ガス１２４ｂが発生する。燃料ガス１２４ｂは、貫通口３４１を通って燃料極タンク６６２に進入する。霧化ユニットとしては、たとえば秋月電子社製のＵＳＨ−４００、株式会社テックジャム販売のＣ−ＨＭ−２４１２等の超音波振動型霧化ユニットが挙げられる。このような霧化ユニットは、有機液体燃料を応答性良く霧化することが可能である。また、ＦＤＫ株式会社製の霧化ディスクのような、圧電振動子を備えた超音波振動型霧化ユニットを用いることもできる。こうした霧化ユニットは低消費電力であるため、負荷を大きくすることなく、二酸化炭素の気泡の滞留を防ぎ、安定した発電状態を維持することができる。
【００６４】
ここでは図示していないが、制御部６７２は、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより、燃料収容部６７６から燃料極タンク６６２への燃料ガス１２４ｂの供給量を制御する。インバータ４６１としては、たとえば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定された燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じて、インバータ４６１の振動数または電圧を変化させる。これにより、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を適正範囲に保つことができる。
【００６５】
なお、ガス化処理部３３５を霧化ユニットとした場合、霧化ユニットは、燃料収容部６７６内の有機液体燃料１２４ａに振動が伝わるように構成されれば、どのような場所に配置することもできる。霧化ユニットは、図６に示すように、燃料収容部６７６の底面に配設してもよいし、側面に配設してもよい。
【００６６】
また、布や紙等を介して燃料収容部６７６内の有機液体燃料１２４ａに振動が伝わるように構成することにより、燃料収容部６７６とガス化処理部３３５とを分離して配置することもできる。布や紙の一端を燃料収容部６７６に浸し、他端をガス化処理部３３５に接触させると、ガス化処理部３３５からの振動を燃料収容部６７６内の有機液体燃料１２４ａに伝導することができ、燃料ガス１２４ｂを発生することができる。
【００６７】
また、ガス化処理部３３５は、ヒータ等の加熱手段を含むことができ、有機液体燃料１２４ａを加熱することにより、有機液体燃料１２４ａを気化させて蒸気とした燃料ガス１２４ｂを発生させることができる。さらに、ガス化処理部３３５は、バブリング手段を含んでもよく、この場合、窒素等のキャリアガスを用いて有機液体燃料１２４ａをバブリングすることにより、有機液体燃料１２４ａを気化させて有機液体燃料１２４ａを発生させることができる。また、燃料収容部６７６内にノズルを設け、燃料収容部６７６内を加圧することにより、有機液体燃料１２４ａを霧化することもできる。
【００６８】
ガス透過膜３３６は、二酸化炭素を選択的に透過し、燃料ガス１２４ｂを透過しない材料により構成することができる。ガス透過膜３３６としては、二酸化炭素を選択的に透過するものであればどのようなものを用いることもできるが、たとえば０．０５μｍ〜４μｍ程度の細孔を有する多孔質膜を用いることができる。このような構成は、特開２００１−１０２０７０号公報に教示されている。
【００６９】
また、ガス透過膜３３６の他の例として、多孔質基材と、該多孔質基材の表面に二酸化炭素選択透過材料がコーティングされてなる前記非多孔質膜とを含む構成の気液分離フィルタを用いることができる。非多孔質膜は、二酸化炭素を効率良く透過させることが望まれるため、厚みをある程度薄くすることが好ましい。たとえば、平均厚みを、好ましくは５μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下とする。このような薄膜とする場合、多孔質ＰＴＦＥフィルタのように成形で作製することは困難である。そこで上記構成では、多孔質基材の表面に二酸化炭素選択透過材料をコーティングしてなる非多孔質膜を用いている。この構成によれば、多孔質基材を気液分離部として機能させ、ここを透過した気体のうち二酸化炭素が、非多孔質膜により選択的に透過するようにすることができる。ここで、非多孔質膜は、たとえば、フッ素樹脂を含む構成とすることができる。
【００７０】
このように、ガス透過膜３３６として、二酸化炭素を選択的に透過し、燃料ガス１２４ｂを透過しない材料を用いることにより、電極反応で発生した二酸化炭素を燃料極タンク６６２から外部へ排出することができる。一方、燃料ガス１２４ｂは、ガス透過膜３３６を通過しないため、未反応の燃料ガス１２４ｂが外部に排出されてしまうのを防ぐことができる。余剰の燃料ガス１２４ｂは、燃料極タンク６６２の壁面等において液滴となるが、この液滴は一定の大きさ以上に成長すると、壁面を伝って落下し、燃料収容部６７６に回収され、再利用される。
【００７１】
酸化剤極１０８において、筐体３３８に設けられた吸気口３３９から酸化剤１２６が導入され、同じく筐体３３８に設けられた排気口３４０から排出される。
【００７２】
図７は、図６に示した燃料供給処理部６７４の他の例を示す図である。ここで、燃料電池システム６６０は、燃料収容部およびガス化処理部をそれぞれ二つずつ備えた構成とすることができる。
【００７３】
図７の燃料電池において、第一ガス化処理部３３５ａおよび第二ガス化処理部３３５ｂは、それぞれ第一燃料収容部６７６ａおよび第二燃料収容部６７６ｂに配設されている。第一ガス化処理部３３５ａおよび第二ガス化処理部３３５ｂは、それぞれ第一燃料収容部６７６ａおよび第二燃料収容部６７６ｂに振動を伝えることにより、それぞれ第一成分４８１および第二成分４８３をガス化する。ガス化された成分は燃料極タンク６６２に導入される。第一ガス化処理部３３５ａおよび第二ガス化処理部３３５ｂは、それぞれ第一インバータ４６１ａおよび第二インバータ４６１ｂに接続しており、制御部６７２によってそれぞれのガス化量が制御される。
【００７４】
たとえば、第一成分４８１および第二成分４８３はそれぞれ水および高濃度のメタノール水溶液とすることができる。この場合、制御部６７２による制御は、次のように行われる。制御部６７２は、濃度測定部６７０からの出力に基づき、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度が適正範囲内であるか否かを判断する。燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度が適正範囲より低い場合、第二燃料収容部６７６ｂからの第二成分４８３のガス化量を増加させる。一方、燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度が適正範囲より高い場合、第一燃料収容部６７６ａからの第一成分４８１のガス化量を増加させる。
【００７５】
ここで、二酸化炭素だけは酸化剤極１０８へ移動しないため、燃料極タンク６６２から排出することが必要となる。上述のように、従来のダイレクトメタノール型燃料電池においては、燃料極に二酸化炭素の気泡が滞留して上記反応式（１）の反応進行を阻害することがあった。これに対し、有機液体燃料１２４ａをガス化して供給する本実施の形態の燃料電池システム６６０においては、気泡が生成するほどの液体が燃料極タンク６６２に存在しないため、二酸化炭素の気泡が形成されにくい。その結果、二酸化炭素は、燃料極１０２表面に留まることがない。図６に示したように、燃料極タンク６６２にガス透過膜３３６を設けておけば、二酸化炭素を効率よく外部に排出することもできる。これにより、上記反応式（１）の反応が安定的に進行し、安定した出力が得られる。
【００７６】
なお、燃料供給処理部６７４は、燃料収容部およびガス化処理部をそれぞれ３つ以上備えた構成とすることができる。
【００７７】
図８は、濃度測定部６７０の構成を詳細に示す図である。
濃度測定部６７０は、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間の抵抗値を測定する抵抗測定部（Ｒ／Ｏ）６８２と、抵抗測定部６８２が測定した抵抗値に基づき、燃料極タンク６６２中のアルコール濃度を算出する濃度算出部（Ｓ／Ｏ）６８４と、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７の間の抵抗値とメタノール濃度との関係を示す参照データを記憶する参照データ記憶部６８５とを含む。抵抗測定部６８２としては、たとえばブリッジを備えた交流インピーダンスメータを用いることができる。第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間の抵抗値は、２０ｍＶ以下の低振幅の交流を用いて測定することができる。濃度算出部６８４は、参照データ記憶部６８５を参照して参照データに基づき濃度算出部６８４が測定した抵抗値からメタノール濃度を算出する。
【００７８】
また、図９に示すように、燃料電池システム６６０は、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８をさらに含むこともできる。前述した式（１）に示すように、燃料極１０２では二酸化炭素が発生する。そのため、燃料極タンク６６２中に含まれる二酸化炭素の濃度に応じて燃料極タンク６６２内のｐＨが変化することがある。高分子膜６６５のプロトン伝導度は温度やｐＨに依存することもあるため、濃度測定部６７０は、燃料極タンク６６２内の温度およびｐＨも考慮して燃料ガス１２４ｂ中のメタノール濃度を測定することが好ましい。ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は、燃料極タンク６６２内のｐＨおよび温度をそれぞれ測定する。参照データ記憶部６８５（図８）は、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を温度毎およびｐＨ毎に記憶することができる。また、参照データ記憶部６８５は、温度毎およびｐＨ毎に第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係の補正式を記憶することができる。このようにすれば、濃度測定部６７０は、燃料極タンク６６２中の温度やｐＨをも考慮して燃料ガス１２４ｂのメタノール濃度を測定することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【００７９】
温度センサ６８８としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。また、ｐＨセンサ６８６としては市販のｐＨメータを用いることができる。温度測定機能を有するｐＨメータを用いる場合、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は一体に形成することもできる。
【００８０】
図１０は、温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）とセンサ６６８とを一体に構成した図を示す。センサ６６８は、図１０（ａ）に示すように、温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）を高分子膜６６５表面に貼り付けた構成とすることもでき、また図１０（ｂ）に示すように、温度センサ６８８を高分子膜６６５内に埋め込んだ構成とすることもできる。また、センサ６６８は、図１０（ｃ）に示すように、膜状の温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）を高分子膜６６５に貼り付けた構成とすることもできる。
【００８１】
さらに、図１１に示すように、温度およびｐＨによってプロトン伝導度が異なる三種以上の高分子膜をそれぞれ含む複数のセンサ６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃを組み合わせて用いることにより、燃料極タンク６６２内のアルコール濃度、温度、およびｐＨを測定することもできる。このような高分子膜の組み合わせとして、たとえば（１）ナフィオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルオロカーボン、（２）ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のスルホン酸基含有ポリエーテルケトン、および（３）スルホン酸基ポリスチレン共重合体を用いることができる。この場合、濃度測定部６７０は、センサ６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃにおける抵抗値をそれぞれ測定する複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃを含むことができる。濃度算出部６８４は、これら複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃにより測定された抵抗値に基づき、温度およびｐＨを考慮して燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を検出することができる。
【００８２】
さらに、たとえば図９に示したように温度センサ６８８を用いると共に、ｐＨによってプロトン伝導度が異なる二種以上の高分子膜を組み合わせて用いることによっても燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度およびｐＨを測定することもできる。
【００８３】
また、図１２に示すように、センサ６６８は、燃料極タンク６６２の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図１３に示すように、センサ６６８は、燃料電池本体１００の固体高分子電解質膜１１４の一部を図１に示した高分子膜６６５として用いた構成とすることもできる。
【００８４】
図１４は、図１２および図１３に示した構成のセンサ６６８の変形例を示す図である。図１４（ａ）は、図１２に示したセンサ６６８の変形例を示す。センサ６６８において、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂと直接接しないように、燃料極タンク６６２の外部に設けられた構成とすることができる。高分子膜６６５が燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂと接する構成とすれば、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料極タンク６６２中に設けられていなくても、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値を検出することができる。このような構成とすると、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料ガス１２４ｂと常時接触しないため、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料ガス１２４ｂにより腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００８５】
図１４（ｂ）は、図１３に示したセンサ６６８の変形例を示す。ここで、センサ６６８において、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂと直接接しないように、固体高分子電解質膜１１４の酸化剤極１０８側に設けられた構成とすることができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００８６】
なお、以上の例では、燃料供給処理部６７４から直接燃料極タンク６６２に燃料ガス１２４ｂが供給される形態を示したが、燃料ガス１２４ｂは、バッファタンク６６４を介して燃料極タンク６６２に供給される形態とすることもできる。図１５は、燃料ガス１２４ｂがバッファタンク６６４を介して燃料極タンク６６２に供給される形態を示す模式図である。この場合、図示していないが、バッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とは、圧電ポンプを介して燃料ガス１２４ｂが循環可能な構成とすることができる。ここで、図１５では、センサ６６８がバッファタンク６６４内に設けられた構成としているが、センサ６６８は、燃料極タンク６６２に設けた構成とすることもできる。また、センサ６６８は、容器間を結ぶ配管中に設けた構成とすることもできる。
【００８７】
次に、図１６を参照して図１に示した燃料電池本体１００の構成を説明する。燃料電池本体１００は、単数または複数の単セル構造１０１を有する。図１６は、単セル構造１０１を模式的に示した断面図である。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体高分子電解質膜１１４を含む。燃料電池本体１００において、単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料極側セパレータ１２０を介して燃料ガス１２４ｂが供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側セパレータ１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
【００８８】
固体高分子電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体高分子電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
【００８９】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。触媒としては、白金や白金とルテニウムの合金等が例示される。燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。なお、燃料電池システム６６０を図１３に示す構成とする場合、固体高分子電解質膜１１４において、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が設けられていない領域を高分子膜６６５として用いる。
【００９０】
以上のようにして構成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを含む燃料電池本体１００を得ることができる。
【００９１】
本実施の形態における燃料電池システム６６０によれば、高分子膜６６５に第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を付けただけの簡易な構成で燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を測定することができる。
【００９２】
（第二の実施の形態）
図１７は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態において、燃料電池システム６６０にはカートリッジ６７８が取り付けられる。
【００９３】
カートリッジ６７８は、バッファタンク６６４および燃料収容部６７６を含むように構成される。燃料電池システム６６０の本体側６７９には、燃料電池本体１００、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、濃度測定部６７０、および制御部６７２が設けられる。第一の実施の形態において図１を参照して説明したのと同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００９４】
ここで、燃料供給処理部６７４は、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、カートリッジ６７８の燃料収容部６７６に含まれる有機液体燃料１２４ａをガス化し、バッファタンク６６４に燃料ガス１２４ｂを供給可能に構成される。カートリッジ６７８において、バッファタンク６６４はセンサ６６８を含む。本体側６７９において、濃度測定部６７０には、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７と電気的に接続される端子（不図示）が設けられる。燃料極タンク６６２は、バッファタンク６６４から燃料ガス１２４ｂを導入可能に構成される。
【００９５】
図１８は、カートリッジ６７８におけるバッファタンク６６４と本体側６７９における燃料極タンク６６２とを示す模式図である。燃料極タンク６６２には燃料供給口６４３が設けられ、バッファタンク６６４は、燃料極タンク６６２の燃料供給口６４３と嵌合する嵌合部６４７を有する。カートリッジ本体６４５の側壁には、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７とそれぞれ電気的に接続された電極端子６６６ａおよび電極端子６６７ａが設けられる。ここで、燃料電池本体１００は、図１７に示した構成に加えて、絶縁シート１３０と、燃料極側集電体１３２と、酸化剤極側集電体１３４とをさらに含む。
【００９６】
また、図１９に示すように、センサ６６８は、本体側６７９の燃料極タンク６６２内に設けることもできる。さらに、図２０に示すように、燃料電池システム６６０は、燃料収容部６７６のみを含むカートリッジ６７８を取り外し可能とした構成とすることもできる。また、図示していないが、カートリッジ６７８にバルブを含めた構成とすることもできる。また、センサ６６８は、カートリッジ６７８の壁部に設けることもできる。この場合、カートリッジ６７８外部に露出したセンサ６６８部分をシール等で覆う構成とし、本体側６７９に取り付け前にシールを取り外すようにすることができる。これにより、カートリッジ６７８を本体側６７９に取り付け前にカートリッジ６７８から液体燃料が漏れだしたりするのを防ぐことができる。
【００９７】
本実施の形態における燃料電池システム６６０によれば、有機液体燃料１２４ａを含むカートリッジを取り付けた場合における燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を検出することができる。
【実施例】
【００９８】
（実施例１）
ガス化処理部３３５として超音波振動型霧化ユニットを使用した。高分子膜６６５としてナフィオンＮ１１２膜（デュポン社製、厚さ約５０μｍ、幅約５ｍｍ、長さ約６０ｍｍ）を用い、高分子膜６６５の長さ方向の両端の表面にＰｔ端子（幅約６ｍｍ角）を取り付けたセンサ６６８を準備した。容器内にメタノール濃度を変化させて水−メタノール混合ガスを導入し、ブリッジを備えた交流インピーダンスメータを用いて１０ｍＶ以下の低振幅の交流を用いて電極間の抵抗値を測定した。
【００９９】
図２１は、燃料極タンク６６２のメタノール透過量と抵抗値との関係を示す図である。ここで、水−メタノール混合ガスの湿度は１００％とした。図２１に示すように、メタノール透過量と抵抗値とはほぼ直線関係にあった。このように、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化を利用することにより、精度よくアルコール濃度を検出することができた。
【０１００】
（実施例２）
まず、図１６に示したのと同様の燃料電池本体１００を作製した。燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中に含まれる触媒として、炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は５０ａｔ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。この触媒担持炭素微粒子１ｇにアルドリッチ・ケミカル社製５ｗｔ％ナフィオン溶液１８ｍｌを加え、５０℃にて３時間超音波混合機で攪拌し触媒ペーストとした。このペーストを、ポリテトラフルオロエチレンで撥水処理させたカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上にスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ２塗布し、１２０℃で乾燥させて燃料極１０２および酸化剤極１０８とした。次に、１枚の固体高分子電解質膜１１４（デュポン社製ナフィオン（登録商標）、膜厚１５０μｍ）に対し、上記で得た燃料極１０２および酸化剤極１０８を１２０℃で熱圧着して燃料電池本体１００を作製した。
【０１０１】
このようにして作製した燃料電池本体１００をステンレス製の筐体内に固定し、燃料ガスのメタノール濃度を変えて出力を測定した。なお、酸化剤極１０８への酸化剤の供給は、空気の自然吸気とした。その結果を表１に示す。
【０１０２】
【表１】
2005100864.tif 000003
【０１０３】
（比較例）
実施例２と同様にして燃料電池本体１００を作製した。燃料電池本体１００をステンレス製の筐体内に固定し、有機液体燃料のメタノール濃度を変えて出力を測定した。その結果を表２に示す。
【０１０４】
【表２】
2005100864.tif 000004
【０１０５】
表２に示すように、燃料極１０２に供給する燃料として、有機液体燃料を用いた場合、メタノール濃度が高くなると（１５体積％）、クロスオーバーが生じ、出力が大幅に低下してしまう。一方、燃料として燃料ガスを用いた場合、メタノール濃度が高くなっても（１５体積％）、出力の低下は見られなかった。しかし、燃料ガスを用いた場合でも、さらにメタノール濃度を高くすると（２０体積％）、出力が低下することが判明した。このように、燃料ガスを用いた場合でも、高出力を得るために適正なアルコールの濃度範囲があることが示された。
【０１０６】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【０１０７】
以上の実施の形態においては、燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料を含むセンサ６６８を用いて燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を測定する形態を説明したが、燃料ガス１２４ｂ中のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を含むセンサを用いて燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を測定することもできる。
【０１０８】
図２２は、燃料ガス１２４ｂ中のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を含むセンサ６９８を示す図である。センサ６９８は、高分子膜６９４と、高分子膜６９４に配設されたストレインゲージ６９５を含み、ストレインゲージ６９５の表面は防水フィルム７１２で覆われた構成とすることができる。ストレインゲージ６９５からの電気信号は、配線７１３ａおよび配線７１３ｂから取り出すことができる。
【０１０９】
ストレインゲージ６９５は、高分子膜６９４の表面に貼付、または内部に埋め込まれる。ストレインゲージ６９５は、高分子膜６９４と一体に構成することもできる。ストレインゲージ６９５はどのような構成とすることもできるが、たとえば４つのストレインゲージによりホイーストンブリッジ回路を構成し、歪みによるストレインゲージの抵抗変化を電気信号として第１の端子６９６および第２の端子６９７から取り出す構成とすることができる。濃度測定部６７０は、第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値に基づき、燃料極タンク６６２中の燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度を測定する。
【０１１０】
高分子膜６９４は、燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、どのような材料により構成することもできるが、たとえば、固体高分子電解質膜１１４と同様の材料により構成することができる。
【０１１１】
また、センサ６９８は、図２３に示すように、高分子膜６９４表面に貼り付けたクォーツ７２２上に第一の端子６９６および第二の端子６９７を設けた構成とすることができる。この場合、濃度測定部６７０は、センサ６９８の第一の端子６９６から発信周波数を変化させてマイクロ波等を送出し、第二の端子６９７から反射波を受信し、共振周波数特性に応じて高分子膜６９４の寸法の変化を検出する構成とすることができる。
【０１１２】
図２４は、燃料ガス１２４ｂ中のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を含むセンサの他の例を示す図である。
センサ７０４は、第１の電極７０１および第２の電極７０２を含むコンデンサである。図２４（ａ）は、高分子膜７００、並びに高分子膜７００を狭持する第１の電極７０１および第２の電極７０２の側面図、図２４（ｂ）は、センサ７０４を第１の電極７０１側からみた上面図である。第１の電極７０１および第２の電極７０２は、それぞれ配線７１４ａおよび配線７１４ｂを介して、濃度測定部６７０に電気的に接続される。
【０１１３】
センサ７０４において、第１の電極７０１および第２の電極７０２は高分子膜７００を狭持する。この場合、高分子膜７００は、絶縁性の材料により構成される。高分子膜７００は、絶縁性で、燃料ガス１２４ｂのアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、どのような材料により構成することもできる。高分子膜７００としては、たとえば、芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）等が例示される。また、上述したような燃料電池本体１００の固体高分子電解質膜１１４として用いられるスルホン酸基を有する高分子膜に電子線、ＵＶ、Ｘ線を照射したり、塩に浸したりして絶縁性としたものを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図２】センサを詳細に示す図である。
【図３】センサの他の例を示す図である。
【図４】センサのまた他の例を示す図である。
【図５】センサのまた他の例を示す図である。
【図６】燃料供給処理部の構成の一例を示す図である。
【図７】燃料供給処理部の構成の他の例を示す図である。
【図８】図１に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
【図９】ｐＨセンサおよび温度センサをさらに含む燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】センサの他の例を示す図である。
【図１１】温度およびｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる三種以上の高分子膜を組み合わせた構成の濃度測定部を示す図である。
【図１２】燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【図１３】燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【図１４】センサの変形例を示す図である。
【図１５】燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【図１６】燃料電池本体の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図１８】図１７に示したカートリッジにおけるバッファタンクと本体側における燃料極タンクとを示す模式図である。
【図１９】燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【図２０】燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【図２１】燃料極タンクのメタノール透過量と抵抗値との関係を示す図である。
【図２２】センサの構成の他の例を示す図である。
【図２３】センサの構成の他の例を示す図である。
【図２４】センサの構成の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１００  燃料電池本体
１０１  単セル構造
１０２  燃料極
１０４  基体
１０６  燃料極側触媒層
１０８  酸化剤極
１１０  基体
１１２  酸化剤極側触媒層
１１４  固体高分子電解質膜
１２０  燃料極側セパレータ
１２２  酸化剤極側セパレータ
１２４ａ  有機液体燃料
１２４ｂ  燃料ガス
１２６  酸化剤
１３０  絶縁シート
１３２  燃料極側集電体
１３４  酸化剤極側集電体
３３５  ガス化処理部
３３６  ガス透過膜
３３８  筐体
３３９  吸気口
３４０  排気口
３４１  貫通口
４６１  インバータ
４８１  第１燃料成分
４８３  第２燃料成分
６４３  燃料供給口
６４５  カートリッジ本体
６４７  嵌合部
６６０  燃料電池システム
６６２  燃料極タンク
６６４  バッファタンク
６６５  高分子膜
６６６  第１の電極端子
６６６ａ  電極端子
６６７  第２の電極端子
６６７ａ  電極端子
６６８  センサ
６６８ａ、６６８ｂ、６６８ｃ  センサ
６７０  濃度測定部
６７２  制御部
６７４  燃料供給処理部
６７５  回収処理部
６７６  燃料収容部
６７６ａ  第１の燃料収容部
６７６ｂ  第２の燃料収容部
６７８  カートリッジ
６７９  本体側
６８０  警告提示部
６８２  抵抗測定部
６８２ａ、６８２ｂ、６８２ｃ  抵抗測定部
６８４  濃度算出部
６８５  参照データ記憶部
６８６  ｐＨセンサ
６８８  温度センサ
６９４  高分子膜
６９５  ストレインゲージ
６９６  第１の端子
６９７  第２の端子
６９８  センサ
７００  高分子膜
７０１  第１の電極
７０２  第２の電極
７０４  センサ
７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、７１０ｄ  配線
７１１  導電性ペースト
７１２  防水フィルム
７１３ａ、７１３ｂ  配線
７１４ａ、７１４ｂ  配線
【図１】
2005100864.tif 000005
【図２】
2005100864.tif 000006
【図３】
2005100864.tif 000007
【図４】
2005100864.tif 000008
【図５】
2005100864.tif 000009
【図６】
2005100864.tif 000010
【図７】
2005100864.tif 000011
【図８】
2005100864.tif 000012
【図９】
2005100864.tif 000013
【図１０】
2005100864.tif 000014
【図１１】
2005100864.tif 000015
【図１２】
2005100864.tif 000016
【図１３】
2005100864.tif 000017
【図１４】
2005100864.tif 000018
【図１５】
2005100864.tif 000019
【図１６】
2005100864.tif 000020
【図１７】
2005100864.tif 000021
【図１８】
2005100864.tif 000022
【図１９】
2005100864.tif 000023
【図２０】
2005100864.tif 000024
【図２１】
2005100864.tif 000025
【図２２】
2005100864.tif 000026
【図２３】
2005100864.tif 000027
【図２４】
2005100864.tif 000028