(57)【要約】【課題】  本発明は、製造が容易で低コストの濃度センサおよびこれを用いた燃料希釈循環システムを提供すること。【解決手段】  本発明の濃度センサは、水溶液と、この水溶液を供給可能な第１流路３と、供給された水溶液を消費することにより発生する生成水と、排出された生成水を導く第２流路９とを備え、第１流路３内の水溶液と第２流路９内の生成水とは、液温が同じになっており、第１流路３には、第１流路３を挟んで形成した一対の電極８、８を有する第１検出手段７を形成し、第２流路９には、第２流路９を挟んで形成した一対の電極８、８を有する第２検出手段１０を形成し、第２検出手段１０が検出する生成水の誘電率から生成水の液温を検出し、この液温と第１検出手段７が検出する水溶液の誘電率から、第１流路３内の水溶液の濃度を検出するようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶液と、この水溶液を供給可能な第１流路と、供給された前記水溶液を消費することにより発生する生成水と、排出された前記生成水を導く第２流路とを備え、前記第１流路内の前記水溶液と前記第２流路内の前記生成水とは、液温が同じになっており、前記第１流路には、前記第１流路を挟んで互いに対向する一対の電極を有する第１検出手段を形成し、前記第２流路には、前記第２流路を挟んで互いに対向する一対の電極を有する第２検出手段を形成し、前記第２検出手段が検出する前記生成水の誘電率から前記生成水の液温を検出し、この液温と前記第１検出手段が検出する前記水溶液の誘電率から、前記第１流路内の水溶液の濃度を検出するようにしたことを特徴とする濃度センサ。
【請求項２】
前記水溶液は、液体燃料であるメタノールが水で所定の濃度に希釈され、前記第１流路における前記第１検出手段の下流側には、燃料電池が配設されていることを特徴とする請求項１記載の濃度センサ。
【請求項３】
前記第１流路および前記第２流路は、絶縁性のフィルム部材で構成され、前記一対の電極は、前記第１流路および前記第２流路を挟んだ前記フィルム部材の外側にそれぞれ対向配置したことを特徴とする請求項１または２記載の濃度センサ。
【請求項４】
前記フィルム部材からなる前記第１流路と前記第２流路とを互いに積層して配設し、前記第１流路と前記第２流路とに挟まれた部分の前記一対の電極の一方側を１個の電極で形成して共通電極とし、この共通電極とそれぞれの他方の電極との間に前記第１検出手段と前記第２検出手段を形成したことを特徴とする請求項３記載の濃度センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の濃度センサを備え、前記液体燃料であるメタノールを所望の濃度の水溶液に希釈する希釈部を配設し、前記燃料電池で消費されて前記第２流路に排出された前記生成水を前記希釈部に戻して循環させる循環流路を形成し、前記第１流路および前記第２流路に前記一対の電極をそれぞれ形成して前記第１、第２検出手段を形成し、この第１、第２検出手段で、前記希釈部で希釈した前記水溶液の濃度を検出するようにしたことを特徴とする燃料希釈循環システム。
【請求項６】
前記希釈部には、高濃度の前記液体燃料と前記循環流路を介して供給される前記生成水とによって前記水溶液が所定の濃度に希釈され、前記第１、第２検出手段によって検出した前記水溶液の濃度に対応して、前記液体燃料または前記生成水の前記希釈部への供給を調整するようにしたことを特徴とする請求項５記載の燃料希釈循環システム。
【請求項７】
前記第１流路における前記希釈部より上流側に第１バルブを配設し、前記第２流路における前記希釈部より上流側に第２バルブを配設したことを特徴とする請求項５または６記載の燃料希釈循環システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃度センサおよびこれを用いた燃料希釈循環システムに係わり、特に流体の濃度を簡便な構造で測定することができる濃度センサおよびこれを用いた燃料希釈循環システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の濃度に希釈した液体燃料であるメタノールの濃度を測定可能な従来の濃度センサ５１を、特許文献１に開示されているもので、図５に基づいて説明すると、アノード５２には、白金系の触媒層５３を介して燃料抑制層５２ａが設けられている。
前記燃料抑制層５２ａは、カーボン繊維をすいて紙状にし、その浸透性の調節と強撥水性のポリテトラフルオロエチレン微粒子の懸濁液を処理し焼成したもので、こら等の調節によって所望の燃料透過率にしていた。
【０００３】
そして、白金系の触媒層５３を、同じポリテトラフルオロエチレン微粒子の懸濁液と混練したものを添着し、焼成することで、触媒層５３と燃料抑制層５２ａとを結合させている。
これを、例えばタンタルからなるアノード５２に触媒層５３で密着させている。尚、この時、液体燃料が燃料抑制層５２ａ側から侵入するように、かつ電極の押さえも兼ねる枠材によって固定すると良い。
【０００４】
また、アノード５２に対向してカソード５４が配置され、アノード５２とカソード５４との間に電源５５により、所定の直流電圧を印加すると、燃料抑制層５２ａを透過した液体燃料であるメタノールが電解されて流れる電流を電流計５６で検出するようになっている。
そして、、燃料抑制層５２ａを透過するメタノール量がアノライト中のメタノール濃度に比例するので、それに対応する電解電流から濃度検出ができる。
【０００５】
このような従来の濃度センサ５１は、触媒層５３が液体燃料の電解反応に高い活性を有していること、および触媒層５２と燃料抑制層５２ａが固着して形成されているため、この間に液だまりが発生せず、液の浸透が良くなり濃度検出の感度および検出の応答性が良い。
【特許文献１】特公平０６−２６１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前述したような従来の濃度センサは、燃料抑制層５２ａを、所望の燃料透過率にするために、カーボン繊維をすいて紙状にしたり、強撥水性のポリテトラフルオロエチレン微粒子の懸濁液を処理し焼成したりしていたので、製造が複雑となりコストアップになっていた。
また、触媒層５３を白金系のもので製造していたので、更にコストアップになる問題があった。
本発明は、前述したような課題を解決するために、製造が容易で低コストの濃度センサおよびこれを用いた燃料希釈循環システム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】
【０００７】
前記課題を解決するための第１の解決手段として本発明の濃度センサは、水溶液と、この水溶液を供給可能な第１流路と、供給された前記水溶液を消費することにより発生する生成水と、排出された前記生成水を導く第２流路とを備え、
前記第１流路内の前記水溶液と前記第２流路内の前記生成水とは、液温が同じになっており、前記第１流路には、前記第１流路を挟んで互いに対向する一対の電極を有する第１検出手段を形成し、前記第２流路には、前記第２流路を挟んで互いに対向する一対の電極を有する第２検出手段を形成し、前記第２検出手段が検出する前記生成水の誘電率から前記生成水の液温を検出し、この液温と前記第１検出手段が検出する前記水溶液の誘電率から、前記第１流路内の水溶液の濃度を検出するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、前記課題を解決するための第２の解決手段として、前記水溶液は、液体燃料であるメタノールが水で所定の濃度に希釈され、前記第１流路における前記第１検出手段の下流側には、燃料電池が配設されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記課題を解決するための第３の解決手段として、前記第１流路および前記第２流路は、絶縁性のフィルム部材で構成され、前記一対の電極は、前記第１流路および前記第２流路を挟んだ前記フィルム部材の外側にそれぞれ対向配置したことを特徴とする。
【００１０】
また、前記課題を解決するための第４の解決手段として、前記フィルム部材からなる前記第１流路と前記第２流路とを互いに積層して配設し、前記第１流路と前記第２流路とに挟まれた部分の前記一対の電極の一方側を１個の電極で形成して共通電極とし、この共通電極とそれぞれの他方の電極との間に前記第１検出手段と前記第２検出手段を形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、前記課題を解決するための第５の解決手段として本発明の燃料希釈循環システムは、請求項１乃至４のいずれかに記載の濃度センサを備え、前記液体燃料であるメタノールを所望の濃度の水溶液に希釈する希釈部を配設し、前記燃料電池で消費されて前記第２流路に排出された前記生成水を前記希釈部に戻して循環させる循環流路を形成し、前記第１流路および前記第２流路に前記一対の電極をそれぞれ形成して前記第１、第２検出手段を形成し、この第１、第２検出手段で、前記希釈部で希釈した前記水溶液の濃度を検出するようにしたことを特徴とする燃料希釈循環システム。
【００１２】
また、前記課題を解決するための第６の解決手段として、前記希釈部には、高濃度の前記液体燃料と前記循環流路を介して供給される前記生成水とによって前記水溶液が所定の濃度に希釈され、前記第１、第２検出手段によって検出した前記水溶液の濃度に対応して、前記液体燃料または前記生成水の前記希釈部への供給を調整するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、前記課題を解決するための第７の解決手段として、前記第１流路における前記希釈部より上流側に第１バルブを配設し、前記第２流路における前記希釈部より上流側に第２バルブを配設したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の濃度センサは、第２検出手段が検出する生成水の誘電率から生成水の液温を検出し、この液温と第１検出手段が検出する水溶液の誘電率から、第１流路内の水溶液の濃度を検出するようにしたので、簡単な構造で水溶液の濃度を検出することができ、コストダウンが可能である。
【００１５】
また、水溶液は、液体燃料であるメタノールが水で所定の濃度に希釈され、第１流路における第１検出手段の下流側には、燃料電池が配設されているので、燃料電池でメタノールが消費されて排出される生成水を繰り返し使用して、メタノールを適正に希釈することができる。
【００１６】
また、第１流路および第２流路は、絶縁性のフィルム部材で構成され、一対の電極は、第１流路および第２流路を挟んだフィルム部材の外側にそれぞれ対向配置したので、構造が簡単であると共に、薄型化、小型化が可能な濃度センサを提供できる。
【００１７】
また、フィルム部材からなる第１流路と第２流路とを互いに積層して配設し、第１流路と第２流路とに挟まれた部分の一対の電極の一方側を１個の電極で形成して共通電極とし、この共通電極とそれぞれの他方の電極との間に第１検出手段と第２検出手段を形成したので、簡単な構造でように水溶液の濃度を検出できる。
【００１８】
また、本発明の燃料希釈循環システムは、燃料電池で消費されて第２流路に排出された生成水を希釈部に戻して循環させる循環流路を形成し、第１流路および第２流路に一対の電極をそれぞれ形成して前記第１、第２検出手段を形成し、この第１、第２検出手段で、希釈部で希釈した水溶液の濃度を検出するようにしたので、生成水を循環させて繰り返し使用することができると共に、簡単な構造で水溶液の濃度を検出できる。
【００１９】
また、希釈部には、高濃度の前記液体燃料と循環流路を介して供給される生成水とによって水溶液が所定の濃度に希釈され、第１、第２検出手段によって検出した水溶液の濃度に対応して、液体燃料または生成水の希釈部への供給を調整するようにしたので、常に安定した濃度の水溶液を燃料電池に供給することができる。
【００２０】
また、第１流路における希釈部より上流側に第１バルブを配設し、第２流路における希釈部より上流側に第２バルブを配設したので、第１、第２バルブを開閉することで、水溶液を最適な濃度に維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の濃度センサおよびこれを用いた燃料希釈循環システムを図面に基づいて説明する。図１は本発明の濃度センサを用いた燃料希釈循環システムの概略図であり、図２は本発明の濃度センサを説明する要部断面図であり、図３は本発明の濃度センサの変形例であり、図４は本発明の濃度センサでの濃度検出を説明する実験データである。
【００２２】
まず、本発明の濃度センサを用いた燃料希釈循環システム１を図１に基づいて説明すると、燃料希釈循環システム１は、図示左側の上流側に高濃度の液体燃料であるメタノールを内部に貯蔵した燃料タンク（図示せず）が配設されている。
前記燃料タンクには、内部の高濃度のメタノールを図示右側の下流側の燃料電池２に供給するための第１流路３が形成されている。
この第１流路３は、図２に示すように、絶縁性のフィルム部材４で内部が密閉されて、高濃度のメタノールを矢印Ａの下流側に供給可能になっている。
【００２３】
前記第１流路３には、図示左側の上流側寄りに第１バルブ５が配設され、この第１バルブ５の開閉によって、タンク（図示せず）から高濃度のメタノールを下流側に供給または供給停止するようになっている。
また、第１バルブ５の下流側の第１流路３には、希釈部６が配設され、この希釈部６内には、メタノールをほとんど含まない水からなる生成水が注入されており、希釈部６に供給された高濃度のメタノールを生成水によって、例えば３〜６ｍｏｌ％の水溶液に希釈するようになっている。
【００２４】
また、希釈部６の下流側の第１流路３には、第１検出手段７が配設されている。この第１検出手段７は、図２に示すように、図示上下の互いに対向するフィルム部材４の外側に、第１流路３を挟んで互いに対向する、導電性の例えばカーボン膜等からなる一対の電極８、８が所定の対向面積（Ｓ）で形成されている。
このような第１検出手段７は、電極８、８間の静電容量（Ｃ）を測定することで、下記の第１式で水溶液の誘電率（ε）を求めることができる。
ε＝Ｃ×ｄ／Ｓ・・・・・第１式
ε：誘電率  Ｃ：静電容量  ｄ：電極間距離  Ｓ：電極の対向面積
そして、第１流路３内の水溶液の誘電率と、後述する第２検出手段１０が検出する生成水の液温とから、下記の第２式で第１流路３内の水溶液の濃度を検出可能になっている。
ε＝ｆ（Ｎ，Ｔ）・・・・第２式
ｆ：関数    Ｎ：濃度    Ｔ：液温
【００２５】
また、第１流路３から燃料電池２に供給されたメタノールの水溶液は、燃料電池２内で、メタノールと、このメタノールと同量の水を消費して所定の発電が行われる。即ち、燃料電池２に供給される水溶液は、メタノールの濃度が３〜６ｍｏｌ％と非常に薄いために、メタノールと同量の水が消費されたとしても、水溶液１００ｍｏｌ当たり８８〜９４ｍｏｌの水が余って外部に生成水となって排出される。
この外部に排出される生成水は、第２流路９に排出されて矢印Ｂの下流側に送られる。前記第２流路９は、図２に示すような、第１流路３と同様のフィルム部材４で密閉されているので、燃料電池２から排出された生成水が矢印Ｂの下流側に流れるようになっている。
【００２６】
また、第２流路９には、第２検出手段１０が形成されている。前記第２検出手段１０は、図２に示すような、第１検出手段７と同様の構成の一対の電極８、８が形成され、この一対の電極８、８によって、第２流路９内の生成水の静電容量を測定し、この静電容量に基づいて第１式から生成水の誘電率を求めることができる。
また、第２流路９に排出される生成水は、メタノールがほぼ全量燃料電池で消費されているので、濃度が０％に近い一定の値になっている。
【００２７】
そのために、第２検出手段１０では、第１式で求めた誘電率と、第２式で生成水の濃度を０％として演算することで生成水の液温を検出することができる。
また、第２流路９は、循環流路１１が連結され、この循環流路１１が希釈部６に連結されている。そのために、第２流路９に排出された生成水は、循環流路１１から希釈部６に戻して循環させて、繰り返し使用可能になっている。
また、希釈部６近傍の循環流路１１には、第２バルブ１２が配設され、この第２バルブ１２の開閉によって、循環流路１１内の生成水を、希釈部６に供給または供給停止させるようになっている。
【００２８】
また、第２流路９と第１流路３とは、互いに接近しているために、ほぼ同じ温度となり、内部の水溶液および生成水も同じ温度になるようになっている。
そのために、第１検出手段７で濃度Ｎを求めるときに用いる第１式のＴ（液温）は、第２検出手段１０で検出した生成水の液温を用いることで、第１流路３内の水溶液のＮ（濃度）を検出するようになっている。
即ち、本発明の濃度センサは、第２検出手段１０が検出する液温と、第１検出手段７が検出する水溶液の静電容量とから、水溶液の濃度を検出するようになっている。
【００２９】
そして、第１検出手段７と第２検出手段１０で検出した第１流路３内の水溶液の濃度が、所定値より薄くなっている場合には、第１バルブ５を開いて高濃度の液体燃料であるメタノールを供給して所定の濃度に戻して燃料電池２に供給するようになっている。
また、水溶液の濃度が所定値より濃くなっている場合は、第２バルブ１１を開いて循環流路１１から濃度０％の生成水を供給して、所定の濃度に戻した水溶液を燃料電池２に供給するようになっている。
【００３０】
即ち、本発明燃料希釈循環システム１は、第１、第２検出手段７、１０によって検出した第１流路３内の水溶液の濃度に対応して、液体燃料であるメタノールまたは生成水の希釈部６への供給を、第１、第２バルブ５、１２によって調整できるようになっている。
このような、第１、第２検出手段７、１０からなる本発明の濃度センサによって、第１流路３内の水溶液の濃度を求める実験を繰り返したことで、図４に示すような出力電圧と温度と濃度との関係をグラフ化することができた。
【００３１】
また、本発明の濃度センサの変形例として、図３に示すように、第１流路３と第２流路９とを互いに積層して配設し、第１流路３と第２流路９とに挟まれた部分に一対の電極８、８の一方の電極を共通電極１８とし、この共通電極１８と他方の電極８、８との間に第１検出部７と第２検出部１０を形成したものでも良い。このような変形例の濃度センサは、共通電極１８によって、１個の電極８を削減できる。また、第１流路３と第２流路９とを互いに積層して配設することにより、本発明の燃料希釈循環システム１を薄型化できると共に小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の濃度センサを用いた燃料希釈循環システムの概略図である。
【図２】本発明の濃度センサを説明する要部断面図である。
【図３】本発明の濃度センサの変形例である。
【図４】本発明の濃度センサでの濃度検出を説明する実験データである。
【図５】従来の濃度センサの概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料希釈循環システム
２  燃料電池
３  第１流路
４  フィルム部材
５  第１バルブ
６  希釈部
７  第１検出手段
８  電極
９  第２流路
１０  第２検出手段
１１  第２バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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