(57)【要約】【課題】  ダイレクトメタノール型やアルコール改質型の燃料電池で発電反応に用いられる燃料流体に、発電反応の中間生成物が燃料流体中に溶解して導電性物質が含まれた場合にも、燃料流体のアルコール濃度を正確に測定することが可能な濃度測定装置、濃度測定方法を提供する。【解決手段】  電極間に存在する導電性物質によって構成される電気二重層コンデンサが同一の電気容量となる第一の電極対および第二の電極対の電気容量を測定し、第一の電極対の電気容量と第二の電極対の電気容量の差に基づいて、両電極対の電極間に存在する被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出し、被測定物の非導電性成分の濃度を算出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第一の電極対と、
前記第一の電極対の電極間距離と異なる間隔を隔てて前記第一の電極対と略同一面積の二つの電極を配置した第二の電極対と、
前記第一の電極対および前記第二の電極対の電気容量をそれぞれ測定する電気容量測定手段と、
前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差から、前記第一の電極対および前記第二の電極対の電極に挟み込まれた被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出して、前記被測定物中の非導電性成分の濃度を算出する情報処理部と
を有することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項２】
前記第一の電極対および前記第二の電極対が平板な板状電極であ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】
前記第一の電極対を構成する電極の一方と、前記第二の電極対を構成する電極の一方とが、共通の電極であ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４】
前記第一の電極対の電極間距離が、前記第二の電極間距離の半分であ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５】
前記電気容量測定手段としてＬＣＲメータを用い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６】
二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第一の電極対と、
前記第一の電極対が構成する電気二重層コンデンサの電気容量と同一の電気二重層コンデンサを構成するように二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第二の電極対と、
前記第一の電極対および前記第二の電極対の電気容量を測定する電気容量測定手段と、
前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差から、前記第一の電極対および前記第二の電極対の電極に挟み込まれた被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出して、前記被測定物中の非導電性成分の濃度を算出する情報処理部と
を有することを特徴とする濃度測定装置。
【請求項７】
前記第一の電極対を構成する電極の一方と、前記第二の電極対を構成する電極の一方とが、共通の電極であることを特徴とする請求項６記載の濃度測定装置。
【請求項８】
前記第一の電極対および前記第二の電極対が略円筒形状であることを特徴とする請求項６記載の濃度測定装置。
【請求項９】
電極間に存在する導電性物質によって構成される電気二重層コンデンサが同一の電気容量となる第一の電極対および第二の電極対の電気容量を測定し、
前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差に基づいて、両電極対の電極間に存在する被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出し、
前記比誘電率に基づいて前記被測定物の非導電性成分の濃度を算出することを特徴とする濃度測定方法。
【請求項１０】
二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第一の電極対と、前記第一の電極対の電極間距離と異なる間隔を隔てて前記第一の電極対と略同一面積の二つの電極を配置した第二の電極対との電気容量をそれぞれ測定し、
前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差に基づいて、両電極対の電極間に存在する被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出し、
前記比誘電率に基づいて前記被測定物の非導電性成分の濃度を算出することを特徴とする濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール水溶液のアルコール濃度を測定するための濃度測定装置、濃度測定方法に関し、特に水溶液中に不純物として導電性物質が含有されているアルコール水溶液のアルコール濃度を測定するための濃度測定装置、濃度測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、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。燃料電池は、発電により生成される生成物が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おり、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の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、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】
燃料としての水素を得るために、水素を含む液体燃料（メタノールやエタノール）を利用する方法が、燃料容積とエネルギー密度の試算から有利とされ、実用化に向け開発が進められている。その一つとして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（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では、アノード側でＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―の如き反応がおき、カソード側で３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―→３Ｈ２Ｏの如き反応がおきていると考えられる。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水と二酸化炭素が生成される。
【０００５】
このときアノード側に供給される燃料はメタノールと水を混合したメタノール水溶液であり、燃料電池での発電反応に適したメタノール濃度を維持するために、燃料流体のメタノール濃度を測定する必要がある。また、アノードとカソードの間に挟まれたプロトン伝導体がメタノールに溶解することを防止するためにも、燃料流体のメタノール濃度が高くなり過ぎないように、燃料流体のメタノール濃度を測定する必要がある。
【０００６】
また、アルコール燃料を使った燃料電池には、直接アルコールを使って発電させる方法の他にも、水素を取り出すための改質器を用いる方法があるが、この場合もアルコールと水との混合液体を燃料流体として供給必要があり、アルコールの濃度を正確に測定して管理することが重要である。
【０００７】
水とアルコールとを混合した燃料流体中のアルコール濃度を測定する方法としては、水溶液に赤外線を照射して透過する赤外線量を測定することで、アルコール水溶液の成分濃度に応じた赤外線の吸収量を検知器で捉える方式や、アルコール水溶液を蒸発させて高感度ガスセンサでアルコール量を測定する気化方式などがある。しかし、光吸収量測定の方式では測定装置に発光素子、受光素子および複雑な計算を行う演算回路が必要であるために、燃料電池の小型化や低価格化の要請に応えることが困難である。また、気化方式では燃料流体を蒸発させるために燃料の利用効率が低下する問題や、蒸発した水分やアルコール分が電子機器に悪影響を与えるおそれがあった。
【０００８】
また、簡便か構成でアルコール水溶液中のアルコール濃度を測定する方法としては、2枚の電極を組み合わせた電極対をアルコール水溶液中に配置し、電極対の間に存在する水とアルコールの比誘電率によって決まる電気容量の変化からアルコール濃度を測定する方法が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、電極対と比誘電率を用いるアルコール濃度の測定方法では、測定対象である燃料流体が比誘電率が判明している理想的な水とアルコールの混合液体である必要がある。燃料電池の発電反応においては、発電反応の過程でメタノールが分解されて副生成物として蟻酸や一酸化炭素が生成されて燃料流体中に含まれている可能性があり、発電反応によって生成したＣＯ２が燃料流体の水に溶けて炭酸イオンが存在している可能性もある。
【００１０】
蟻酸や炭酸イオンは導電性の物質であり、電極対の間に存在する燃料流体の電気容量の値は正確に測定することが困難になるため、燃料電池の燃料流体においては電極対と比誘電率を用いてアルコール濃度の測定する方法は利用することが困難であった。
【００１１】
したがって本願発明は、ダイレクトメタノール型やアルコール改質型の燃料電池で発電反応に用いられる燃料流体において、発電反応の中間生成物が燃料流体中に溶解して導電性物質が含まれた場合にも、燃料流体のアルコール濃度を正確に測定することが可能な濃度測定装置、濃度測定方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本願発明の濃度測定装置は、二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第一の電極対と、前記第一の電極対の電極間距離と異なる間隔を隔てて前記第一の電極対と略同一面積の二つの電極を配置した第二の電極対と、前記第一の電極対および前記第二の電極対の電気容量をそれぞれ測定する電気容量測定手段と、前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差から、前記第一の電極対および前記第二の電極対の電極に挟み込まれた被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出して、前記被測定物中の非導電性成分の濃度を算出する情報処理部とを有することを特徴とする。
【００１３】
同一面積で電極間距離が異なる二つの電極対の電気容量を測定することで、二つの電極対の電気容量の差を求めて、導電性物質が構成する電気二重層コンデンサの影響を取り除いてアルコール水溶液の比誘電率を算出することができる。アルコール水溶液の水とアルコールに関しては比誘電率が判明しているために、アルコール水溶液の比誘電率からアルコール水溶液のアルコール濃度を算出することが可能となる。
【００１４】
第一の電極対および第二の電極対が平板な板状電極であるとしてもよく、第一の電極対を構成する電極の一方と、第二の電極対を構成する電極の一方とが、共通の電極であるとしてもよい。また、第一の電極対の電極間距離を第二の電極間距離の半分としてもよい。電気容量測定手段としてＬＣＲメータを用いることもできる。
【００１５】
また、上記課題を解決するために本願発明の濃度測定装置は、二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第一の電極対と、前記第一の電極対が構成する電気二重層コンデンサの電気容量と同一の電気二重層コンデンサを構成するように二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第二の電極対と、前記第一の電極対および前記第二の電極対の電気容量を測定する電気容量測定手段と、前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差から、前記第一の電極対および前記第二の電極対の電極に挟み込まれた被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出して、前記被測定物中の非導電性成分の濃度を算出する情報処理部とを有することを特徴とする濃度測定装置。
【００１６】
電気二重層コンデンサの電気容量が等しくなる二つの電極対の電気容量を測定することで、二つの電極対の電気容量の差を求めることで、導電性物質が構成する電気二重層コンデンサの影響を取り除いてアルコール水溶液の比誘電率を算出することができる。アルコール水溶液の水とアルコールに関しては比誘電率が判明しているために、アルコール水溶液の比誘電率からアルコール水溶液のアルコール濃度を算出することが可能となる。
【００１７】
第一の電極対を構成する電極の一方と、第二の電極対を構成する電極の一方とが、共通の電極であるとしてもよく、第一の電極対および前記第二の電極対が略円筒形状であるとしてもよい。
【００１８】
また、上記課題を解決するために本願発明の濃度測定方法は、電極間に存在する導電性物質によって構成される電気二重層コンデンサが同一の電気容量となる第一の電極対および第二の電極対の電気容量をそれぞれ測定し、前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差に基づいて、両電極対の電極間に存在する被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出し、前記比誘電率に基づいて前記被測定物の非導電性成分の濃度を算出することを特徴とする。
【００１９】
電気二重層コンデンサの電気容量が等しくなる二つの電極対の電気容量を測定することで、二つの電極対の電気容量の差を求めることで、導電性物質が構成する電気二重層コンデンサの影響を取り除いてアルコール水溶液の比誘電率を算出することができる。アルコール水溶液の水とアルコールに関しては比誘電率が判明しているために、アルコール水溶液の比誘電率からアルコール水溶液のアルコール濃度を算出することが可能となる。
【００２０】
また、上記課題を解決するために本願発明の濃度測定方法は、二つの電極を所定の間隔を隔てて対向して配置した第一の電極対と、前記第一の電極対の電極間距離と異なる間隔を隔てて前記第一の電極対と略同一面積の二つの電極を配置した第二の電極対との電気容量を測定し、前記第一の電極対の電気容量と前記第二の電極対の電気容量の差に基づいて、両電極対の電極間に存在する被測定物の非導電性成分の比誘電率を算出し、前記比誘電率に基づいて前記被測定物の非導電性成分の濃度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
同一面積で電極間距離が異なる二つの電極対の電気容量を測定することで、二つの電極対の電気容量の差を求めて、導電性物質が構成する電気二重層コンデンサの影響を取り除いてアルコール水溶液の比誘電率を算出することができる。アルコール水溶液の水とアルコールに関しては比誘電率が判明しているために、アルコール水溶液の比誘電率からアルコール水溶液のアルコール濃度を算出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】
【００２２】
以下、本願発明を適用した濃度測定装置、濃度測定方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、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。
【００２３】
図１は、本発明の濃度測定装置および濃度測定方法を濃度測定制御部として用いて、燃料流体のアルコール濃度を測定する燃料電池システムの構成例を示す模式図である。図１に示した燃料電池システムは、発電部１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流体として供給し、外部から空気を取り込んで燃料流体中のメタノールと空気中の酸素とを消費して発電を行うものであり、発電部１，空気供給ファン２，燃料タンク３，燃料混合部４，燃料循環ポンプ部５，濃度測定制御部６とを備えている。
【００２４】
発電部１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。ここでは、発電部１の詳細な構造については説明を省略するが、従来から提案されているＤＭＦＣを用いることができ、接合体を積層したスタックセル構造であってもよい。発電部１で発電反応によって生じた電力は発電部１に接続された負荷に対して供給されて消費される。
【００２５】
空気供給ファン２は、燃料電池システムの外部に存在する空気を発電部１のカソード側集電体に対して供給するための送風装置である。発電部１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ファン２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。
【００２６】
燃料タンク３は、発電部１で発電に用いられるメタノールを貯蔵しておき、燃料混合部４に対してメタノールを供給する容器である。燃料タンク３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。燃料タンク３と燃料混合部４との間には燃料配管が接続されており、図示していないポンプなどによってメタノールを燃料混合部４に対して供給することが可能となっている。
【００２７】
燃料混合部４は、燃料タンク３，発電部１および濃度測定制御部６と燃料配管で接続されており、発電部１で発電に用いられてメタノール濃度が低下した燃料流体と、燃料タンク３から供給されるメタノールとの混合を行って、発電部１のアノード側に燃料流体を供給する装置である。したがって燃料混合部４は、燃料タンク３からは高濃度のメタノールが供給され、濃度測定制御部６からはメタノール濃度が低下した燃料流体が供給され、発電部１に対しては発電反応に最適なメタノール濃度の燃料流体を供給する。例えば、燃料混合部４では、濃度測定制御部６からの制御信号に基づいて燃料タンク３から供給されるメタノールの流量を調整する調整弁が搭載されており、調整弁の開閉を調整することで発電部１から還流してきた燃料流体に混入されるメタノールの量を調整する。
【００２８】
燃料循環ポンプ部５は、発電部１で発電に用いられた燃料流体を濃度測定制御部６および燃料混合部４に対して還流させるポンプ装置である。
【００２９】
濃度測定制御部６は、本発明の濃度測定装置および濃度測定方法を用いて燃料循環ポンプ部５から還流してきた燃料流体のメタノール濃度を測定し、燃料混合部４に対してメタノール濃度の制御信号を送出する装置である。燃料混合部４に対して送出する制御信号は測定したメタノール濃度と燃料タンク３に貯蔵されているメタノールの濃度から演算によって求めるとしてもよく、還流してきた燃料流体のメタノール濃度の測定結果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としてもよい。
【００３０】
図２は、本発明の濃度測定装置である濃度測定制御部６の構成を示す模式図である。濃度測定制御部６は、燃料配管１１の内部を通過する燃料流体１２中に電極対１３と電極対１４を配置し、電極対１３，１４のそれぞれの電気容量を測定する電気容量測定部１５と、電気容量測定部１５が測定した結果に基づいて情報処理を行う情報処理部１６とを備えている。
【００３１】
燃料配管１１の内部を通過する燃料流体は、図１に示したように燃料循環ポンプ部５側から濃度測定制御部６に流入して燃料混合部４側へと流出していく。燃料流体１２は、メタノールの一部が発電部１での発電反応によって消費されており、燃料混合部４で濃度調整した濃度よりもメタノール濃度が低下している。発電部１が電力を供給する負荷側の駆動状況や発電部１の環境によって、発電部１で消費されるメタノール量は変化するために、燃料配管１１内の燃料流体１２のメタノール濃度は変動する。また、発電部１での発電反応において発生した副生成物である蟻酸や炭酸などが燃料流体１２には溶け込んでいると考えられる。
【００３２】
図３に電極対１３，１４の構造例を示し、電極対１３，１４の電気容量を測定することで燃料流体１２のメタノール濃度を測定する原理について説明する。電極対１３および電極対１４は、平板状の電極２枚を所定の距離だけ隔離して平行に配置し、二枚の電極それぞれに端子が接続されて電圧を加えることが可能となっている。図３に示すように、電極対１３と電極対１４を構成する電極の面積Ｓは等しいが、電極対１３の電極間距離ｄ１と電極対１４の電極間距離ｄ２とは異なっている。この電極対１３，１４に接続された端子は、図２に示した電気容量測定部１５に接続されている。電極対１３，１４それぞれの電極間には燃料配管１１内を流れる燃料流体１２が存在しているため、電極対１３，１４によって燃料流体１２が挟まれた平行板コンデンサを形成することになる。
【００３３】
電極対１３および電極対１４の電極間に存在する燃料流体１２は、水とメタノールが混合されたメタノール水溶液であるが、上述して説明したように、発電部１での発電反応によって副生成物として生成された蟻酸や炭酸などが含まれている。蟻酸や炭酸などの導電性物質が電極間に存在する場合には、平行板コンデンサの電気容量では導電性物質の影響は電気二重層成分としてあらわれる。したがって、電極対１３，１４の等価回路を示すと、図４に示すものとなる。
【００３４】
図４に示すように電極対１３の等価回路は、燃料流体１２中の水とメタノールが電極対１３の電極間に存在することで構成される電気容量Ｃ１のコンデンサと、燃料流体１２中に溶けている蟻酸や炭酸などの導電性物質が電極対１３の電極間に存在することで構成される電気容量Ｃｄ１のコンデンサとが並列に接続されたものとなる。同様に、電極対１４の等価回路も、燃料流体１２中の水とアルコールが電極対１４の電極間に存在することで構成される電気容量Ｃ２のコンデンサと、燃料流体１２中に溶けている蟻酸や炭酸などの導電性物質が電極対１４の電極間に存在することで構成される電気容量Ｃｄ２のコンデンサとが並列に接続されたものとなる。したがって、電極対１３全体での電気容量はＣｘ１＝Ｃ１＋Ｃｄ１となり、電極対１４全体での電気容量はＣｘ２＝Ｃ２＋Ｃｄ２となる。
【００３５】
ここで、電極対１３，１４の電極間に存在する燃料流体１２中の水とメタノールを混合したメタノール水溶液の比誘電率をｋｅｌとすると、電極対１３，１４の等価回路における電気容量Ｃ１とＣ２は式１の関係で表わされる。ここで、電極対１３の電極間距離はｄ１であり、電極対１４の電極間距離はｄ２であり、電極対１３，１４の電極面積はＳである。
【数１】
2005030948.tif 000003
【００３６】
電極対１３の電極間距離ｄ１と電極対１４の電極間距離ｄ２とは、それぞれ任意の距離として設計可能であるが、例えば電極間距離ｄ２を電極間距離ｄ１の半分に設定すると、ｄ１＝２ｄ２であるので数１から、Ｃ２＝２Ｃ１の関係が成り立つ。
【００３７】
また、電極対１３，１４の電極間に存在する燃料流体１２中に溶けている蟻酸や炭酸などの導電性物質の影響である電気容量成分Ｃｄ１とＣｄ２については、電気二重層コンデンサとして考える。電気二重層コンデンサの電気容量は電極面積Ｓに比例するが、電極間距離には依存しないため、電極対１３，１４の電極面積Ｓを等しくすることでＣｄ１＝Ｃｄ２の関係が成り立つことになる。
【００３８】
したがって、電極対１３の電気容量Ｃｘ１と電極対１４の電気容量Ｃｘ２の差Ｃｘを求めると、次式の関係が成立する。
【数２】
2005030948.tif 000004
【００３９】
上述した数式２を用いると、図２に示した電気容量測定部１５で電極対１３および電極対１４の電気容量をそれぞれ測定し、情報処理部１６が電極対１３の電気容量Ｃｘ１と電極対１４の電気容量Ｃｘ２の差Ｃｘ、および電極面積Ｓと電極間距離ｄ１に基づいて比誘電率ｋｅｌを求めることが出来る。比誘電率ｋｅｌは水とメタノールの混合溶液の比誘電率であり、純水の比誘電率88.15とメタノールの比誘電率32.6は既知であるため、情報処理部１６は算出したｋｅｌの値からメタノール濃度を算出することができる。
【００４０】
情報処理部１６は上述して説明したように、電気容量測定部１５が測定した電極対１３，１４の電気容量の値を基にして燃料流体１２のメタノール濃度を算出し、図１に示した燃料タンク３から供給される高濃度メタノールの流量を制御する制御信号を燃料混合部４に対して送出する。燃料タンク３に貯蔵されているメタノールの濃度と算出した燃料流体１２のメタノール濃度とから、燃料タンク３から燃料混合部４に流入するメタノール量を算出してもよく、燃料流体１２のメタノール濃度と燃料混合部４の調整弁の開放量とを予め定めておき制御信号としても良い。
【００４１】
図５に、電気容量測定部１５の一例である回路図を示し、電極対１３の電気容量Ｃｘ１と電極対１４の電気容量Ｃｘ２を測定する方法を説明する。測定対象の電極対１３，１４に発振回路２１を接続して、その周波数をカウンター２２で測定する。また、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）２３を用意してその一端に発振回路２４を接続し、カウンター２５で周波数を測定する。カウンター２２とカウンター２５の測定した周波数を位相比較器２６で比較して結果をＰＶ変換器２７で電圧に変換して、電圧制御型水晶発振器２３の多端に入力してフィードバックを行う。最終的に電圧制御型水晶発振器２３が発振する周波数は発振回路２１に接続されている電極対１３，１４の電気容量によって決定されるため、電圧制御型水晶発振器２３に加わっている電圧を測定することによって、電極対１３，１４の電気容量を測定することができる。
【００４２】
電気容量測定部１５としては、図５に示した回路を用いる必要はなく、ＬＣＲメータなどの通常用いられる電気容量の測定方法を用いることができる。また、図５で示した発振回路２１，２４に用いられる回路も従来から提案されている発振回路の構成を用いてよい。
【００４３】
図６は、本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の他の例を示す模式図である。本発明の濃度測定装置および濃度測定方法では、電極面積が等しく電極間距離が異なる電極対の電気容量を測定することでメタノール濃度の測定を行うものであるので、数式１に示した関係を成り立たせる電極対であれば形状は問わない。そこで、図６に示すように、同一面積を有する平板状の電極を３枚用意し、一枚目の電極３１と二枚目の電極３２を距離ｄ１だけ隔てて対向させて配置し、二枚目の電極３２と三枚目の電極３３を距離ｄ２だけ隔てて対向させて配置する。
【００４４】
電極３１，３２，３３にそれぞれ端子を接続すると、電極３１と電極３２が平行板コンデンサの電極対を構成し、電極３２と電極３３が平行板コンデンサの電極対を構成することになる。従って、図６に示した電極３１，３２，３３でも数式１および数式２が成立し、二つの電極対の電気容量を測定することで導電性物質の影響を除去した燃料流体の非誘電率を算出し、メタノールと水の非誘電率からメタノール濃度を算出することができる。
【００４５】
図７も、本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の他の例を示す模式図である。三つの円筒形状の電極４１，４２，４３を中心軸が同一となるように配置して、それぞれに端子を接続する。この場合にも電極４１と電極４２とが電極対を構成し、電極４２と電極４３とが電極対を構成する。各円筒形状の電極間に燃料流体を流すことで、電極４１，４２，４３と燃料流体が構成するコンデンサの等価回路は図４に示したものと同様となる。図７に示した円筒形状の電極で構成される電極対は電極面積が同一ではなないために数式１および数式２を成立させない。しかし、電極４１と電極４２が構成する電極対と、電極４２と電極４３が構成する電極対との電気二重層コンデンサ成分が同一となるように電極面積と電極間距離を設定することで、二つの電極対の電気容量を測定して電気容量の差を算出することで、燃料流体中に溶けた導電性物質の影響を除去してメタノール水溶液のみの非誘電率を算出することが可能である。
【００４６】
燃料流体１２は温度によって密度が変化して非誘電率が変化する可能性もあり、また、温度による水とメタノールの膨張率の変化もあるため、情報処理部１６では、燃料流体１２の温度による影響を補正してメタノール濃度を算出するとしてもよい。また、燃料流体１２の流速によっても燃料流体１２の圧力が変化するために、情報処理部１６で流速による影響を補正してメタノール濃度を算出するとしてもよい。
【００４７】
また図８に示すように電極面積がＳの電極対において、電極間距離を時間と共に変化させる構成とし、時刻ｔ１で電極間距離ｄ１となる電極対の電気容量Ｃｘ１を測定し、時刻ｔ２で電極間距離がｄ２となる電極対の電気容量Ｃｘ２を測定するとしても良い。この場合でも、電極面積Ｓが同一で電極間距離が異なる平行板コンデンサが二つ存在する図３と同様に、数式１および数式２が成立するために、上述した濃度測定方法によってメタノール濃度の算出を行うことが可能である。
【００４８】
同一面積で電極間距離が異なる二つの電極対の電気容量を測定することで、二つの電極対の電気容量の差を求めて、導電性物質が構成する電気二重層コンデンサの影響を取り除いてアルコール水溶液の比誘電率を算出することができる。アルコール水溶液の水とアルコールに関しては比誘電率が判明しているために、アルコール水溶液の比誘電率からアルコール水溶液のアルコール濃度を算出することが可能となる。
【００４９】
第一の電極対および第二の電極対が平板な板状電極であるとしてもよく、第一の電極対を構成する電極の一方と、第二の電極対を構成する電極の一方とが、共通の電極であるとしてもよい。また、第一の電極対の電極間距離を第二の電極間距離の半分としてもよい。電気容量測定手段としてＬＣＲメータを用いることもできる。
【００５０】
電気二重層コンデンサの電気容量が等しくなる二つの電極対の電気容量を測定することで、二つの電極対の電気容量の差を求めることで、導電性物質が構成する電気二重層コンデンサの影響を取り除いてアルコール水溶液の比誘電率を算出することができる。アルコール水溶液の水とアルコールに関しては比誘電率が判明しているために、アルコール水溶液の比誘電率からアルコール水溶液のアルコール濃度を算出することが可能となる。
【００５１】
第一の電極対を構成する電極の一方と、第二の電極対を構成する電極の一方とが、共通の電極であるとしてもよく、第一の電極対および前記第二の電極対が円筒形状であるとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の濃度測定装置および濃度測定方法を用いたダイレクトメタノール型の燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】本発明の濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図３】本発明の濃度測定装置に用いられる二つの電極対の一例である平行板コンデンサを示す模式図である。
【図４】本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の間に導電性物質を含んだ燃料流体が存在する場合に、電極対と燃料流体が構成するコンデンサの等価回路を示す図である。
【図５】本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の電気容量を測定する電気容量測定部の一例を示す回路図である。
【図６】本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の一例である平行板コンデンサを示す模式図であり、電極の一枚を共通にした二つの電極対を示している。
【図７】本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の一例として、円筒形状の電極を同一の中心軸となるように３つ配置したものを示す模式図である。
【図８】本発明の濃度測定装置に用いられる電極対の一例として、電極間距離を変化させる平行板コンデンサを示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    発電部
２    空気供給ファン
３    燃料タンク
４    燃料混合部
５    燃料循環ポンプ部
６    濃度測定制御部
１１    燃料配管
１２    燃料流体
１３，１４    電極対
１５    電気容量測定部
１６    情報処理部
２１，２４    発振回路
２２，２５    カウンター
２３    電圧制御型水晶発振器
２６    位相比較器
２７    ＰＶ変換器
３１，３２，３３，４１，４２，４３    電極
Ｃ１，Ｃ２，Ｃｄ１，Ｃｄ２，Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｘ    電気容量
ｄ１，ｄ２    電極間距離
ｋｅｌ    比誘電率
Ｓ    電極面積
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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