(57)【要約】【課題】  液体の静電容量を測定して、液体の濃度を測定する液体濃度センサにおいて、測定液体中の気泡や固体粒子によって測定値が影響されない液体濃度センサを提供する。【解決手段】  本発明に係る液体濃度センサは、少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体から、少なくとも１種類の液体の濃度を測定する液体濃度センサであって、少なくとも２つの電極部と、上記夫々の電極部の間に多孔質性部材が配置されていることを特徴とする。上記夫々の電極部間に多孔質性部材を配置することで上記電極部間に混合液体からなる測定物質以外の物質の混入を防止することができる。これにより電極部間の静電容量の測定誤差を無くすことができ、安定した濃度測定が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を用いて直接発電を行なう燃料電池における液体燃料（１８）の濃度を測定する燃料電池用の液体濃度センサ（１０、２０、６０、７０、８０）であって、
少なくとも２つの電極部（１、１１、８１）と、
上記少なくとも２つの電極部の間に多孔質性物質にて形成された多孔質性部材（２、１２）とを備えることを特徴とする燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項２】
液体燃料を用いて直接発電を行なう燃料電池における液体燃料（１８）の濃度を測定する燃料電池用の液体濃度センサ（１０、２０、６０、７０、８０）であって、
夫々に電圧を付加可能に、互いに対向して配置された２つの電極部（１、１１、８１）と、
上記夫々の電極部に挟まれて配置され、上記液体燃料に含まれる気泡（１９）又は固体粒子の混入を抑制しながら上記液体燃料を導入可能であり、かつ、多孔質性物質にて形成された多孔質性部材（２、１２）とを備え、
上記多孔質性部材内に上記液体燃料を導入した状態で、上記夫々の電極部に電圧を付加して上記液体燃料の誘電率を測定することでもって、上記液体燃料の濃度を測定することを特徴とする燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項３】
上記多孔質性物質は絶縁性を有する請求項１又は２に記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項４】
上記液体燃料は、液体燃料原液を水で希釈した水溶液であって、上記多孔質性部材は、親水性を有する請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項５】
上記多孔質性物質は、親水性処理された多孔質性高分子材料である請求項４に記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項６】
上記多孔質性物質は、親水性処理されたポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレンの少なくとも１つを含む請求項４又は５に記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項７】
上記夫々の電極部は、上記液体燃料との接触部が非金属性物質（１６）で被覆されている請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項８】
上記非金属性物質は高分子材料である請求項７に記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項９】
上記夫々の電極部間の端部に配置され、上記液体燃料を上記多孔質性部材内に導入可能な開口部（Ｔ、Ｔ１）を備える請求項１から８のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１０】
上記夫々の電極部間の端部に、上記開口部から離間して配置され、上記導入された液体燃料を当該多孔質性部材外へ排出可能な開口部（Ｔ、Ｔ２）をさらに備える請求項９に記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１１】
上記夫々の電極部のうちの少なくとも１つの上記電極部が、上記液体燃料を上記多孔質性部材内に導入可能な開口部を備える請求項１から８のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１２】
上記多孔質性部材は、２５℃における比誘電率が１５以下である請求項１から１１のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１３】
上記多孔質性部材は多数の連通孔を有し、上記夫々の連通孔は、上記多孔質性部材に隣接して配置された上記液体燃料を、上記夫々の連通孔内に導入可能であって、かつ、上記液体燃料に含まれる上記気泡又は上記固体粒子の上記夫々の連通孔内への導入を抑制可能に形成されている請求項１から１２のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１４】
上記多孔質性部材は、４０％〜９８％の範囲の空隙率を有する請求項１から１３のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１５】
上記多孔質性部材は、上記夫々の電極部の間の空間（Ｓ）全体を略埋めるように充填されて配置されている請求項１から１４のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１６】
上記液体燃料はメタノール水溶液又はジメチルエーテル水溶液であって、上記気泡は、上記燃料電池における発電の際に生成される二酸化炭素の気泡を含む請求項１から１５のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサ。
【請求項１７】
液体燃料を用いて直接発電を行なう燃料電池を用いた燃料電池システム（１００、１０１）であって、
供給される上記液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池本体部（５０）と、
上記燃料電池本体部への上記液体燃料の供給を行なう液体燃料供給部（５１）と、
上記液体燃料の濃度を測定可能に上記液体燃料中に配置された請求項１から１６のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサとを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の燃料電池システムと、
上記液体燃料の濃度調整手段（４０、４１）と、
上記燃料電池システムにおける上記燃料電池用液体濃度センサによる上記液体燃料の濃度の測定結果に基づいて、上記濃度調整手段を制御して、上記液体燃料の濃度を調整可能な制御装置（６１、６２）とを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１９】
上記制御装置は、上記液体濃度センサによる上記液体燃料の濃度の測定結果が一定値以下の場合、上記濃度調整手段による上記液体燃料の濃度調整動作を停止させる請求項１８に記載の電子機器。
【請求項２０】
少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体（１８）より、少なくとも１種類の液体の濃度を測定する液体濃度センサ（１０、２０、６０、７０、８０）であって、
少なくとも２つの電極部（１、１１、８１）と、
上記少なくとも２つの電極部の間に多孔質性物質にて形成された多孔質性部材（２、１２）とを備えることを特徴とする液体濃度センサ。
【請求項２１】
少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体（１８）より、少なくとも１種類の上記液体の濃度を測定する液体濃度センサ（１０、２０、６０、７０、８０）であって、
夫々に電圧を付加可能に、互いに対向して配置された２つの電極部（１、１１、８１）と、
上記夫々の電極部に挟まれて配置され、上記混合液体に含まれる気泡（１９）又は固体粒子の混入を抑制しながら上記混合液体を導入可能であり、かつ、多孔質性物質にて形成された多孔質性部材（２、１２）とを備え、
上記多孔質性部材内に上記混合液体を導入した状態で、上記夫々の電極部に電圧を付加して上記混合液体の誘電率を測定することでもって、上記液体の濃度を測定することを特徴とする液体濃度センサ。
【請求項２２】
上記多孔質性部材は、上記混合液体と親和性を有する請求項２０又は２１に記載の液体濃度センサ。
【請求項２３】
上記多孔質性物質は絶縁性を有する請求項２０から２２のいずれか１つに記載の液体濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体濃度センサに関し、特に液体燃料で直接動作する（直接発電を行う）燃料電池の燃料濃度を測定する液体濃度センサと該液体濃度センサを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンかつ高効率なエネルギー源として、燃料電池が注目されている。なかでも、高分子電解質膜の両側にアノードおよびカソードをそれぞれ接合した固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）は電気自動車用電源や家庭用分散型電源として適した特徴を有しており、急速に開発が進んでいる。近年、この固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の技術をベースとし、メタノールやジメチルエーテルを改質せずに直接アノードに供給して発電する直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の開発が活発化している。この直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）はメタノールなどの有機燃料を水素リッチなガスに改質するための改質器や水素容器が不用であるため小型化が容易であり、移動型電源として注目されている。
【０００３】
一方、ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜は一般的にパーフルオロスルホン酸系高分子（デュポン社製、商品名Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等）が使用されている。このパーフルオロスルホン酸系高分子の水和膜は高いプロトン伝導性を有するが、そのプロトン伝導性は水和したプロトンの伝導によるものであり、水との親和性の高いメタノールのクロスオーバー（アノード側からカソード側への燃料用メタノールの透過）が発生しやすい。また、クロスオーバーはメタノール濃度が高くなるにつれて尚更発生しやすくなる。そのため高濃度のメタノールを燃料電池に供給すると燃料電池の出力が低下する。また、逆に低濃度のメタノールを供給すると、燃料不足により燃料電池の出力が低下する。
【０００４】
そのため、ＤＭＦＣにおいては、供給されるメタノールの濃度を最適な範囲に保つ必要があり、特に特許文献１に示されるような循環型の燃料電池では、燃料は燃料電池のアノードを通過して循環タンクに回収され、再度燃料電池へ供給される。そのため燃料の濃度管理は非常に重要である。
【０００５】
ＤＭＦＣの燃料濃度の管理方法は、燃料電池の出力の電流量から燃料濃度を換算する方法やメタノール水溶液の沸点を測定する方法、熱容量を用いる方法など、さまざまな方法が提案されている。そのうちの一つに液体燃料の静電容量や誘電率を測定して、メタノール濃度を算出する方法があり、特許文献２や特許文献３にその一例が開示されている。このような方法は、直接的に燃料の誘電率を測定することで、回路を簡単にできる利点がある。
【０００６】
【特許文献１】米国特許５５９９６３８号
【特許文献２】特開平１１−３５２０８９号公報
【特許文献３】特表２００３−５０７８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池に直接液体燃料を供給する型の燃料電池、例えばＤＭＦＣでは燃料電池のアノード極では以下の反応機構によりメタノールと水が反応する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
【０００８】
また、例えば燃料がジメチルエーテルの場合、以下の反応機構によってジメチルエーテルと水が反応する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
【０００９】
上記の反応機構に示されるように、ＤＭＦＣ等の直接燃料を供給する燃料電池では、燃料電池のアノード極の反応では二酸化炭素（ＣＯ２）が発生する。ここでＣＯ２は気体であるため、体積が液体燃料よりもはるかに大きく、循環型の燃料電池では燃料電池から回収された燃料は多数の気泡を含んでしまう。
【００１０】
ここで、前記液体燃料の静電容量を測定してメタノール水溶液の濃度を算出する方法は、電極となる２つの極板の間に燃料が導入され静電容量が測定される。そのため、極板間に燃料だけではなく、気泡が混入した場合、測定値が大きく外れる課題があった。メタノールの比誘電率が３２．６（２５℃にて）、水の比誘電率が７８．５（２５℃にて）であるのに対して、上記気泡であるＣＯ２の比誘電率は１．０００９２２（２０℃、１ａｔｍにて）と大きく異なることより、僅かな気泡が上記極板間に混入するような場合であっても、メタノール水溶液の濃度を正確に測定することができないという問題がある。
【００１１】
一方、特許文献２では上記課題に対し、極板間の距離を広げることで対応している。しかしながら、極板間の距離を広げることは静電容量が小さくなるため、濃度センサの精度を上げるためには極板を大きくする必要があり、濃度センサが大きくなってしまう。また、この方法では極板間に入り込んだ気泡を抜けやすくするだけであり、根本的に極板間への気泡の混入を防ぐことはできない。
【００１２】
また、特許文献３では、上記課題に対する具体的な解決手段が開示されていない。
【００１３】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体から、少なくとも１種類の液体の濃度を測定する液体濃度センサにおいて、上記混合液体中への気泡や固体粒子の混入による濃度の測定誤差の発生を抑制することができる液体濃度センサ、燃料電池用液体濃度センサ、並びに当該液体燃料濃度センサを備える燃料電池システム及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１５】
本発明の第１態様によれば、液体燃料を用いて直接発電を行なう燃料電池における液体燃料の濃度を測定する燃料電池用の液体濃度センサであって、
少なくとも２つの電極部と、
上記少なくとも２つの電極部の間に多孔質性物質にて形成された多孔質性部材とを備えることを特徴とする燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００１６】
本発明の第２態様によれば、液体燃料を用いて直接発電を行なう燃料電池における液体燃料の濃度を測定する燃料電池用の液体濃度センサであって、
夫々に電圧を付加可能に、互いに対向して配置された２つの電極部と、
上記夫々の電極部（の表面に接触するよう）に挟まれて配置され、上記液体燃料に含まれる気泡又は固体粒子の混入を抑制しながら上記液体燃料を導入可能であり、かつ、多孔質性物質にて形成された多孔質性部材とを備え、
上記多孔質性部材内に上記液体燃料を導入した状態で、上記夫々の電極部に電圧を付加して上記液体燃料の誘電率（あるいは静電容量）を測定することでもって、上記液体燃料の濃度を測定することを特徴とする燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００１７】
本発明の第３態様によれば、上記多孔質性物質は絶縁性を有する第１態様又は第２態様に記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、上記液体燃料は、液体燃料原液を水で希釈した水溶液であって、上記多孔質性部材は、親水性を有する第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００１９】
本発明の第５態様によれば、上記多孔質性物質は、親水性処理された多孔質性高分子材料である第４態様に記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２０】
本発明の第６態様によれば、上記多孔質性物質は、親水性処理されたポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレンの少なくとも１つを含む第４態様又は第５態様に記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２１】
本発明の第７態様によれば、上記夫々の電極部は、上記液体燃料との接触部が非金属性物質で被覆されている第１態様から第６態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２２】
本発明の第８態様によれば、上記非金属性物質は高分子材料である第７態様に記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２３】
本発明の第９態様によれば、上記夫々の電極部間の端部に配置され、上記液体燃料を上記多孔質性部材内に導入可能な開口部を備える第１態様から第８態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２４】
本発明の第１０態様によれば、上記夫々の電極部間の端部に、上記開口部から離間して配置され、上記導入された液体燃料を当該多孔質性部材外へ排出可能な開口部をさらに備える第９態様に記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２５】
本発明の第１１態様によれば、上記夫々の電極部のうちの少なくとも１つの上記電極部が、上記液体燃料を上記多孔質性部材内に導入可能な開口部を備える第１態様から第８態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２６】
本発明の第１２態様によれば、上記多孔質性部材は、２５℃における比誘電率が１５以下である第１態様から第１１態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２７】
本発明の第１３態様によれば、上記多孔質性部材は多数の連通孔を有し、上記夫々の連通孔は、上記多孔質性部材に隣接して配置された上記液体燃料を、上記夫々の連通孔内に導入可能であって、かつ、上記液体燃料に含まれる上記気泡又は上記固体粒子の上記夫々の連通孔内への導入を抑制可能に形成されている第１態様から第１２態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２８】
本発明の第１４態様によれば、上記多孔質性部材は、４０％〜９８％の範囲の空隙率を有する第１態様から第１３態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００２９】
本発明の第１５態様によれば、上記多孔質性部材は、上記夫々の電極部の間の空間全体を略埋めるように充填されて配置されている第１態様から第１４態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００３０】
本発明の第１６態様によれば、上記液体燃料はメタノール水溶液又はジメチルエーテル水溶液であって、上記気泡は、上記燃料電池における発電の際に生成される二酸化炭素の気泡を含む第１態様から第１５態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサを提供する。
【００３１】
本発明の第１７態様によれば、液体燃料を用いて直接発電を行なう燃料電池を用いた燃料電池システムであって、
供給される上記液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池本体部と、
上記燃料電池本体部への上記液体燃料の供給を行なう液体燃料供給部と、
上記液体燃料の濃度を測定可能に上記液体燃料中に配置された第１態様から第１６態様のいずれか１つに記載の燃料電池用液体濃度センサとを備えることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００３２】
本発明の第１８態様によれば、第１７態様に記載の燃料電池システムと、
上記液体燃料の濃度調整手段と、
上記燃料電池システムにおける上記燃料電池用液体濃度センサによる上記液体燃料の濃度の測定結果に基づいて、上記濃度調整手段を制御して、上記液体燃料の濃度を調整可能な制御装置とを備えることを特徴とする電子機器を提供する。
【００３３】
本発明の第１９態様によれば、上記制御装置は、上記液体濃度センサによる上記液体燃料の濃度の測定結果が一定値以下の場合、上記濃度調整手段による上記液体燃料の濃度調整動作を停止させる第１８態様に記載の電子機器を提供する。
【００３４】
本発明の第２０態様によれば、少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体より、少なくとも１種類の液体の濃度を測定する液体濃度センサであって、
少なくとも２つの電極部と、
上記少なくとも２つの電極部の間に多孔質性物質にて形成された多孔質性部材とを備えることを特徴とする液体濃度センサを提供する。
【００３５】
本発明の第２１態様によれば、少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体より、少なくとも１種類の上記液体の濃度を測定する液体濃度センサであって、
夫々に電圧を付加可能に、互いに対向して配置された２つの電極部と、
上記夫々の電極部に挟まれて配置され、上記混合液体に含まれる気泡又は固体粒子の混入を抑制しながら上記混合液体を導入可能であり、かつ、多孔質性物質にて形成された多孔質性部材とを備え、
上記多孔質性部材内に上記混合液体を導入した状態で、上記夫々の電極部に電圧を付加して上記混合液体の誘電率を測定することでもって、上記液体の濃度を測定することを特徴とする液体濃度センサを提供する。
【００３６】
本発明の第２２態様によれば、上記多孔質性部材は、上記混合液体と親和性を有する第２０態様又は第２１態様に記載の液体濃度センサを提供する。
【００３７】
本発明の第２３態様によれば、上記多孔質性物質は絶縁性を有する第２０態様から第２２態様のいずれか１つに記載の液体濃度センサを提供する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明の上記第１態様によれば、燃料電池用の液体濃度センサにおいて、少なくとも２つの電極部間に多孔質性物質にて形成された多孔質性部材を配置することで、上記夫々の電極部間に測定対象である液体燃料以外の物質の混入を防止することができる。これにより、上記夫々の電極部間の静電容量の測定における測定誤差を低減することができ、安定した濃度測定が可能となる。
【００３９】
本発明の上記第２態様によれば、燃料電池用の液体濃度センサにおいて、互いに対向して配置された２つの電極部間の空間に、多孔質性物質により形成された多孔質性部材を配置することで、測定対象である液体燃料中に含まれる気泡や固体粒子の混入を抑制しながら上記液体燃料を上記空間内に導入することができる。このような状態で上記空間内への上記液体燃料の導入を行ない、上記夫々の電極部に電圧を付加して上記液体燃料の誘電率を測定することでもって、上記液体燃料の濃度を測定することにより、上記気泡や固体粒子の混入に伴う測定誤差の発生を抑制することができる。従って、確実かつ安定して上記液体燃料の濃度の測定を行なうことができる。
【００４０】
本発明の上記第３態様によれば、上記夫々の電極部間に配置される上記多孔質性部材を形成する上記多孔質性物質が、電気的な絶縁性を有していることにより、上記液体濃度センサにコンデンサとしての機能を備えさせることができ、上記液体燃料の濃度の測定を確実かつ安定して行なうことができる。
【００４１】
本発明の上記第４態様によれば、上記液体燃料が、液体燃料原液を水で希釈した水溶液であり、上記多孔質性部材が親水性を有することにより、上記液体燃料で直接発電を行なう燃料電池の液体燃料であるメタノール水溶液やジメチルエーテル水溶液の上記多孔質性部材への導入を促進させることができ、それとともに上記多孔質性部材中への気体（気泡）等の混入の防止効果を高めることができる。
【００４２】
本発明の上記第５態様によれば、上記多孔質性部材として、親水性処理された多孔質性高分子材料を用いることで、上記夫々の電極部間の導通を確実に防止することができ、かつ液体濃度センサの軽量化が可能となる。
【００４３】
本発明の上記第６態様によれば、上記多孔質性部材として、親水性処理されたポリオレフィン、ポリテトレフルオロエチレン、ポリエチレンのいずれかを用いることで、液体濃度センサの生産コストを低減することができる。
【００４４】
本発明の上記第７態様によれば、上記夫々の電極部における上記液体燃料との接触部がが非金属性物質で被覆されていることにより、上記夫々の電極部への電圧の付加の際における上記液体燃料への金属イオンの溶出を防止することができる。このような金属イオンの溶出の防止により、燃料電池における上記液体燃料中への金属イオンの溶出による出力低下を防止することができる。
【００４５】
本発明の上記第８態様によれば、上記非金属性物質が高分子材料であることにより、液体濃度センサの重量の増加を抑え、生産コストを抑制することができる。
【００４６】
本発明の上記第９態様、第１０態様、又は第１１態様によれば、上記多孔質性部材への上記液体燃料の導入を行なう開口部が形成されていることにより、測定対象である上記液体燃料が上記多孔質性部材と接する面積を増加させることができ、上記液体燃料の濃度変化に対する濃度測定の応答等速度を向上させることができる。また、上記多孔質性部材へ導入された上記液体燃料を排出する開口部がさらに形成されていることにより、上記多孔質性部材への上記液体燃料の入れ替わり性を良好なものとすることができ、上記液体燃料の濃度変化に対する濃度測定の応答等速度をさらに向上させることができる。
【００４７】
本発明の上記第１２態様によれば、上記多孔質性部材の比誘電率を１５以下に抑えることで、測定対象である上記液体燃料の濃度変化に対する静電容量（あるいは誘電率）の変化の測定感度を高めることができ、確実かつ安定した濃度測定を行なうことができる。
【００４８】
本発明の上記第１３態様によれば、上記多孔質性部材が多数の連通孔を有し、上記夫々の連通孔が、上記多孔質性部材に隣接して配置された上記液体燃料を、上記夫々の連通孔内に導入可能であって、かつ、上記液体燃料に含まれる気泡の上記夫々の連通孔内への導入を抑制可能に形成されていることにより、上記多孔質性部材内への上記気泡の侵入を確実に抑制しながら上記液体燃料の導入を行ない、上記液体燃料の濃度の測定を確実かつ安定して行なうことができる。
【００４９】
本発明の上記第１４態様によれば、上記多孔質性部材の空隙率が４０％以上であることにより、上記液体燃料の誘電率あるいは静電容量の測定における相対感度を良好なものとすることができ、上記液体燃料の濃度の測定精度を向上させることができる。
【００５０】
本発明の上記第１５態様によれば、上記夫々の電極部間の空間が、上記多孔質性部材により略埋められていることにより、当該空間への上記気泡等の侵入を確実に抑制することができる。
【００５１】
本発明の上記第１６態様によれば、上記液体燃料が直接発電を行なう燃料電池において用いられるメタノール水溶液又はジメチルエーテル水溶液であって、上記気泡が、上記燃料電池における発電の際に生成される二酸化炭素の気泡を含んでいることにより、上記燃料電池における発電の際に生成される上記二酸化炭素の気泡の存在に影響されることなく、上記液体燃料の濃度を確実かつ安定して測定することができる。
【００５２】
本発明の上記第１７態様によれば、上記夫々の態様の液体濃度センサを燃料電池システムに適用することで、安定した燃料濃度測定が可能となる。また、濃度測定結果に基づいて、燃料電池へ供給する燃料の濃度調整をすることで安定した出力の燃料電池システムを提供することができる。
【００５３】
本発明の上記第１８態様によれば、上記第１７態様の燃料電池システムを電子機器に用いることで、電子機器は安定した電力を供給され、連続稼動が可能となる。また、上記液体濃度センサによる上記液体燃料の濃度の測定結果に基づいて、濃度調整手段により上記液体燃料の濃度を調整することが可能となるため、上記液体燃料の濃度をより安定させることができる。また、このような濃度調整を制御する制御装置を電子機器本体側に備えさせる場合には、燃料電池システムの構成が簡単になり製作コストを低減させることができる。
【００５４】
本発明の上記第１９態様によれば、上記液体濃度センサによる上記液体燃料の濃度の測定結果が一定値以下の場合に、上記制御装置による上記液体燃料の濃度制御を停止することで、上記液体燃料が必要以上な高濃度になることを防止することができる。
【００５５】
本発明の上記第２０態様によれば、少なくとも２つの電極部間に多孔質性物質にて形成された多孔質性部材を配置することで、上記夫々の電極部間に測定対象である混合液体以外の物質の混入を防止することができる。これにより、上記夫々の電極部間の静電容量の測定における測定誤差を低減することができ、安定した濃度測定が可能となる。
【００５６】
本発明の上記第２１態様によれば、互いに対向して配置された２つの電極部間の空間に、多孔質性物質により形成された多孔質性部材を配置することで、測定対象である混合液体中に含まれる気泡や固体粒子の混入を抑制しながら上記混合液体を上記空間内に導入することができる。このような状態で上記空間内への上記混合液体の導入を行ない、上記夫々の電極部に電圧を付加して上記混合液体の誘電率を測定することでもって、上記混合液体中における液体の濃度を測定することにより、上記気泡や固体粒子の混入に伴う測定誤差の発生を抑制することができる。従って、確実かつ安定して上記液体の濃度の測定を行なうことができる。
【００５７】
本発明の上記第２２態様によれば、上記多孔質性部材に測定物質である上記混合液体との親和性を備えさせることにより、上記多孔質性部材内への上記混合液体の導入を促進するとともに、上記混合液体以外の物質、例えば上記気泡や固体粒子の混入の抑制効果を高めることができる。
【００５８】
本発明の上記第２３態様によれば、上記夫々の電極部間に配置される上記多孔質性部材を形成する上記多孔質性物質が、電気的な絶縁性を有していることにより、上記液体濃度センサにコンデンサとしての機能を備えさせることができ、上記混合液体の濃度の測定を確実かつ安定して行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００６０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる液体濃度センサの一例である液体濃度センサ１０の模式的な構造を示す模式断面図を図１に、また、模式斜視図を図２に示す。図１及び図２に示すように、液体濃度センサ１０は、導電性材料により形成された導電性を有する電極部の一例である電極１ａ、１ｂと、絶縁性を有する多孔質性物質により形成された多孔質性部材の一例である多孔質部材２と、液体濃度センサ１０を他の部材に固定するための固定部３と、外部配線への夫々の接続端子５と、夫々の接続端子５と夫々の電極１ａ、１ｂとを電気的に接続する導線４とを備えている。
【００６１】
電極１ａ、１ｂは、平板状の形状を有するとともに、互いに略平行にかつ対向するように配置されて、コンデンサを形成しており、電極１ａと、電極１ｂとの間の間隔（距離寸法）は実質的に均一とされている。また、上記導電性材料は、導電性を有する物質であれば特に限定はされず、例えば、アルミニウムや銅といった導電性金属や、グラファイト、ＩＴＯ基板などを用いることができる。また、電極１ａ、１ｂは固定部３で固定されて、その互いに対向された配置が保持されている。なお、例えば、電極１ａ及び１ｂの大きさは、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさを有している。
【００６２】
また、図１及び図２に示すように、液体濃度センサ１０は、夫々の電極１ａ及び１ｂにて挟まれた空間Ｓ内に、少なくとも２種類以上の液体からなる混合液体を導入することが可能となっている。具体的には、電極１ａ及び１ｂの夫々の端部間が、電極１ａ及び１ｂの間に形成される空間Ｓと、当該空間Ｓの外部との間の開口部Ｔとなっており、この開口部Ｔを通して空間Ｓ内に上記混交液体を導入することが可能となっている。なお、本第１実施形態においては、図２に示すように、略四角形状の夫々の電極１ａ及び１ｂの４つの端部のうちの固定部３が形成されている端部を除く、３つの端部近傍において開口部Ｔが夫々形成されている。また、夫々の電極１ａ、１ｂの上記コンデンサ機能を用いて、空間Ｓ内に導入された上記混合液体の静電容量あるいは誘電率を測定することにより、上記混合液体のうちの少なくとも１種類の液体の濃度を測定することが可能となっている。
【００６３】
また、多孔質部材２は、夫々の電極１ａ、１ｂの間の空間Ｓを略埋めるように配置され、夫々の電極１ａ、１ｂの表面に必ずしも接触されている必要はなく、例えば、電極１ａ、１ｂと多孔質部材２との間に僅かな空隙が存在するような場合であってもよい。このような空隙が存在する場合、各々の電極１ａ、１ｂと多孔質部材２との間の距離寸法が電極１ａと電極１ｂとの間の距離寸法の１／１０以下であることが好ましい。また、多孔質性物質としては、電極１ａ、１ｂによるコンデンサ機能を維持できる材料であれば特に限定はされないが、測定対象となる上記混合液体への耐性が高いことが好ましく、さらに、測定時の感度を高めるためには比誘電率が低いこと、例えば、比誘電率が１５以下程度であることが好ましい。具体的には多孔質性を有するプラスチックやセラミックスを挙げることができ、例えばこのような多孔質性のプラスチック材料としては、ポリオレフィンやポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられ、多孔質性のセラミックスとしてはシリカやアルミナ等が挙げられる。また、例えば、電極１ａ及び１ｂの大きさが、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさにて形成されているような場合、多孔質部材２の厚さは２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下程度に形成される。このような厚さにて多孔質部材２を形成することで、コンデンサとしての静電容量を大きく保つことができ、測定誤差が増加することを防止することができる。なお、夫々の電極１ａ及び１ｂの面積を増やすことで静電容量を大きくすることも可能ではあるが、このような場合にあっては、液体濃度センサ本体の大型化を招くこととなり、実用的ではない。
【００６４】
また、多孔質部材２は、多数の微細な連通孔を有しており、上記夫々の連通孔は、多孔質部材２に隣接して配置された上記混合液体を、開口部Ｔを通して、上記夫々の連通孔内に導入可能であって、かつ、上記混合液体に含まれる上記混合液体を構成する夫々の液体以外の物質、例えば、気泡や固体粒子（いわゆる異物）の上記夫々の連通孔内への導入を抑制可能に形成されている。言い換えれば、夫々の電極１ａ、１ｂ間に導入されることで、上記混合液体の静電容量あるいは誘電率の測定に実質的な影響を及ぼすような大きさ（すなわち径）を有する気泡や固体粒子の上記夫々の連通孔内への侵入を抑制できる程度の大きさの孔として、上記夫々の連通孔は形成されている。
【００６５】
さらに、多孔質部材２は測定対象となる上記混合液体との親和性を有することが好ましい。例えば、当該混合液体が、２種類の液体をメタノールと水とする混合液体であるメタノール水溶液である場合は、多孔質性物質を親水化処理することで上記混合液体との親和性を得られる。また、親和性を得ることで、多孔質部材２を上記混合液体に浸漬する際に、多孔質部材２内に残留している気体の除去を迅速に行なうことができる。
【００６６】
また、多孔質部材質２は固定部３を貫通して外部との接触部を有してもよい。多孔質部材２に上記混合液体と接触しない面を備えさせることで、毛管現象が働きやすくなり、多孔質部材２への混合液体の浸透速度を向上させることができる。
【００６７】
このような構成を有する液体濃度センサ１０により、上記混合液体中の液体の濃度を測定する場合には、多孔質部材２に測定対象となる混合液体が満たされることでコンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量（あるいは上記混合液体の誘電率）を測定することによって上記混合液体の所望の成分の濃度、例えばメタノール水溶液におけるメタノール成分の濃度を測定することができる。このような多孔質部材２への上記混合液体の導入は、多孔質部材２が備える多数の連通孔内に、開口部Ｔを通して上記混合液体が導入されることにより行なわれる。また、測定される上記混合液体に気泡や固体粒子等の異物が含まれている場合であっても、夫々の電極１ａ、１ｂ間に多孔質部材２が配置されていることで夫々の電極１ａ及び１ｂの間の空間Ｓへの上記異物の混入を防止あるいは抑制することができる。
【００６８】
また、上記コンデンサの静電容量の測定は、夫々の接続端子５及び導線４を介して、夫々の電極１ａ及び１ｂに電圧を付加することにより行なわれる。ただし、このような液体濃度センサ１０の静電容量あるいは誘電率の測定方法は特に限定はされず、例えば、特許文献２に示されているように短形波を入力し、出力される三角波の振幅によって測定する方法や、例えば、特許文献３に示されているように交流電圧を印加し、その結果生じる交流電流の分析より測定する方法などを用いることができる。
【００６９】
ここで、液体濃度センサ１０の多孔質部材２を形成される多孔質性材料（物質）における空隙率（％、横軸に示す）と、静電容量の測定値に対する変化分の大きさを示す相対感度（縦軸に示す）との関係を示すグラフ形式の図を図１１に示す。図１１に示すように、多孔質性材料の空隙率が高くなる程、相対感度は向上しており、空隙率が４０％より下回ると相対感度は急激に低下することが判る。従って、多孔質性材料の空隙率は、４０％以上のものを用いることが好ましい。なお、理論計算上は、空隙率が１００％であっても良好な相対感度を得ることができるが、多孔質性材料として、夫々の連通孔が形成できる程度の空隙率以下とする必要がある。このような多孔質性材料に求められる空隙率の範囲としては、例えば、発泡性材料として形成可能な範囲を考慮すれば、４０〜９８％の範囲とすることが好ましく、高分子材料（例えば，高分子フィルタ等）として形成可能な範囲を考慮すれば、４０〜９０％の範囲とすることが好ましい。
【００７０】
上記第１実施形態によれば、夫々の電極１ａ、１ｂ間の空間Ｓを略埋めるように多孔質部材２を備えさせることで、当該空間Ｓ内への異物、すなわち、気泡や固体粒子等の混入を防止することができる。したがって、液体濃度センサ１０は異物の影響を受けずに、混合液体の所望の成分の濃度を安定して測定することができる。
【００７１】
（第２の実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池用液体濃度センサの一例である液体濃度センサ２０の模式的な構造を示す模式断面図を図３に示す。
【００７２】
図３に示すように、液体濃度センサ２０は、導電性材料により形成された導電性を有する電極部の一例である電極１１ａ、１１ｂと、多孔質性物質により形成された多孔質性部材の一例である多孔質部材１２と、液体濃度センサ２０を他の部材に固定するための固定部１３と、外部配線への夫々の接続端子１５と、夫々の接続端子１５と夫々の電極１１ａ、１１ｂとを電気的に接続する導線１４と、夫々の電極１１ａ及び１１ｂの表面を非金属性物質により被覆された被覆部１６とを備えている。また、図３に示すように、液体濃度センサ２０は、燃料電池内の構成要素であるケーシング１７に固定部１４を介して固定されており、ケーシング１７内に収容されている液体燃料１８中に浸漬されている。また、この液体燃料１８中には、多数の気泡１９が存在している。
【００７３】
電極１１ａ、１１ｂは、略平板状の形状を有するとともに、互いに略平行かつ対向するように配置されることにより、コンデンサを形成しており、電極１１ａと、電極１１ｂとの間の間隔（距離寸法）は実質的に均一とされている。また、上記導電性材料は、導電性を有する物質であれば特に限定はされず、例えば、アルミニウムや銅といった導電性金属などを用いることができる。また、夫々の電極１１ａ、１１ｂは、固定部１４で固定されその間隔（距離寸法）が一定になるように維持される。また、夫々の電極１１ａ、１１ｂの表面が、被覆部１６で被覆されていることにより、夫々の電極１１ａ、１１ｂの表面と、測定液体である液体燃料１８との直接的な接触が防止されている。また、電極１１ａ及び１１ｂの夫々の端部間が、電極１１ａ及び１１ｂの間の空間Ｓと、当該空間Ｓの外部（すなわち、ケーシング１７の内部であって、かつ、液体濃度センサ２０の外部）との間の開口部Ｔとなっており、この開口部Ｔを通して空間Ｓ内に液体燃料１８を導入することが可能となっている。また、本第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、略四角形状の夫々の電極１１ａ及び１１ｂの４つの端部のうちの固定部１３が形成されている端部を除く、３つの端部夫々において開口部Ｔが夫々形成されている。なお、このような場合に代えて、あるいは、このような場合にさらに加えて、電極１１ａ、１１ｂの平板状の面に開口部が形成されているような場合であってもよい。このように開口部が形成されているような場合においては、電極１１ａ及び１１ｂの夫々の表面と測定液体である液体燃料１８との直接的な接触を防止するように、上記開口部における電極１１ａ及び１１ｂの表面が被覆部１６により覆われる。
【００７４】
多孔質部材１２は、夫々の電極１１ａ、１１ｂの間の空間Ｓを略埋めるように配置され、夫々の電極１１ａ、１１ｂを覆う非金属性物質１６に必ずしも接触する必要はなく、例えば、被覆部１６と多孔質部材１２との間に僅かな空隙が存在するような場合であってもよい。このような空隙が存在する場合、被覆部１６と多孔質部材１２と間の距離寸法が、電極１１ａの図示下面における被覆部１６の表面と電極１１ｂの図示上面における被覆部１６の表面との間の距離寸法の１／１０以下が好ましい。また、多孔質性物質としては、電極１１ａ、１１ｂによるコンデンサ機能を維持できる材料であれば特に限定はされないが、測定対象となる液体燃料１８への耐性が高いことが好ましく、さらに、測定時の感度を高めるためには比誘電率が低いこと、例えば、２５℃における比誘電率が１５以下であることが好ましい。具体的には、例えば、液体燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、多孔質性を有するプラスチックやセラミックスを挙げることができ、例えばこのような多孔質性のプラスチック材料としてはポリオレフィンやポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられ、多孔質性のセラミックスとしてはシリカやアルミナ等が挙げられる。
【００７５】
また、多孔質部材１２は、多数の微細な連通孔を有しており、上記夫々の連通孔は、多孔質部材１２に隣接して配置された液体燃料１８を、開口部Ｔを通して、上記夫々の連通孔内に導入可能であって、かつ、液体燃料１８に含まれる液体燃料１８を構成する夫々の液体以外の物質、例えば、気泡１９の上記夫々の連通孔内への導入を抑制可能に形成されている。
【００７６】
さらに、多孔質部材１２は測定対象となる液体燃料１８との親和性を有することが好ましい。例えば、液体燃料１８がメタノール水溶液である場合には、多孔質部材１２を親水化処理することで液体燃料１８との親和性を得られる。また、親和性を得ることで、多孔質部材１２を液体燃料１８中に浸漬する際に、多孔質部材１２の内部の上記夫々の連通孔に保持されている気体を排出させながら、上記夫々の連通孔の内部に液体燃料１８を導入することができ、上記気体の除去が迅速かつ円滑に行なうことが可能となる。
【００７７】
また、被覆部１６を形成する非金属性物質としては、測定対象となる液体燃料１８への耐性が高く、電気的絶縁性を有し、さらに被覆部１６の形成における形成厚さ寸法の安定性が優れたもの（すなわち、略均一な厚さにて形成可能となるようなもの）が好ましい。具体的には、例えば、プラスチックやセラミックス等の高分子材料を用いることができ、さらに具体的には、プラスチックとしてはポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリアミドイミド等が挙げられる。また、セラミックスとしては、窒化ホウ素、炭化窒素、炭化ケイ素、窒化ケイ素などが挙げられる。なお、液体濃度センサ２０におけるコンデンサ機能を考慮すれば、夫々の電極１１ａ及び１１ｂ間に配置される部材は、できるだけ同じ材料であることが好ましく、非金属性物質と多孔質性物質とが同じ材料であることが好ましい。
【００７８】
このような構成を有する液体濃度センサ２０は、ケーシング１７内に収容されている液体燃料１８中に浸漬されることで、夫々の開口部Ｔを通して、多孔質部材１２に測定対象となる液体燃料１８が満たされることで、液体濃度センサ２０によりコンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量を測定することによって液体燃料１８の濃度、例えば、メタノール水溶液におけるメタノール成分の濃度を測定することができる。このような多孔質部材１２への液体燃料１８の導入は、多孔質部材１２が備える多数の連通孔内に、夫々の開口部Ｔを通してその周囲の液体燃料１８が導入されることにより行なわれる。また、測定される液体燃料１８に気体や固体等の異物、例えば、気泡１９が含まれている場合であっても、夫々の電極１１ａ、１１ｂ間に多孔質部材１２が配置されていることで夫々の電極１１ａ、１１ｂの間の空間Ｓへの気泡１９の混入を防止することができる。また、上記液体燃料１８の濃度の測定は、予め測定された所定の濃度の液体燃料の静電容量（あるいは誘電率）のデータと、実際に測定された液体燃料の静電容量のデータとが比較されることにより行なわれる。
【００７９】
さらに、夫々の電極１１ａ、１１ｂの表面全体が非金属性材料で形成された被覆部１６により覆われていることにより、液体燃料１８と夫々の電極１１ａ及び１１ｂとが直接接触することを防止することができ、当該直接的な接触により生じる液体燃料１８中への金属イオンの溶出を防止することができる。
【００８０】
また、液体濃度センサ２０における上記コンデンサの静電容量の測定は、夫々の接続端子１５及び導線１４を介して、夫々の電極１１ａ及び１１ｂに電圧を付加することにより行なわれる。このような静電容量の測定方法は特に限定はされず、例えば、上記第１実施形態における夫々の測定方法を用いることができる。
【００８１】
また、被覆部１６を形成する非金属性物質としては、電気的絶縁性を有することが好ましい。このように電気的絶縁性を備えることで、不純物等の混入が考えられる循環型の燃料電池システムにおける液体燃料の濃度を、液体濃度センサ２０により測定するような場合であっても、夫々の電極１１ａ及び１１ｂの表面と上記不純物等が混入されている液体燃料と間の電気的な絶縁性を保持して、液体燃料中への金属イオンの溶出を防止することができる。さらに、上記非金属性物質が電気的絶縁性を有するような場合にあっては、多孔質部材１２が必ずしも電気的絶縁性を有さなくてもよく、導電性を有しているような場合であっても、上記コンデンサ機能を担保することができる。なお、上記液体燃料中に不純物等の混入がないような開放型のセル等を用いた非循環型の燃料電池システムに、液体濃度センサを用いるような場合にあっては、上記非金属性物質が電気的絶縁性を有さないような場合であってもよい。ただし、このような場合にあっては、多孔質部材１２に対して電気的絶縁性が要求されることとなる。
【００８２】
上記第２実施形態によれば、夫々の電極１１ａ、１１ｂの間の空間Ｓを略埋めるように多孔質部材１２を備えさせることで、燃料電池における発電により生成されるＣＯ２の気泡１９が当該空間Ｓ内に混入することを防止することができる。従って、液体濃度センサ２０は、異物であるＣＯ２の影響を受けずに、確実かつ安定して液体燃料の濃度を測定することができる。
【００８３】
また、夫々の電極１１ａ及び１１ｂの表面が、非金属性材料にて形成された被覆部１６にて覆われていることにより、導電性材料にて形成されている夫々の電極１１ａ及び１１ｂの表面と液体燃料１８との直接的な接触を防止して、液体燃料中への電極１１ａ、１１ｂからの金属イオンの溶出を防止することができる。これにより、燃料電池が当該溶出される金属イオンによって出力が低下すること防ぐことができる。
【００８４】
また、液体濃度センサ２０においては、略四角形平板状の夫々の電極１１ａ及び１１ｂの４つの端部のうちの固定部１３が形成されている端部を除く３つの端部近傍に、開口部Ｔが形成されているため、液体燃料１８中に浸漬された液体濃度センサ２０の周囲の液体燃料１８を、夫々の開口部Ｔを通して、円滑に多孔質部材１２中に導入することができる。また、当該導入された液体燃料１８を夫々の開口部Ｔを通して液体濃度センサ２０の外部に円滑に排出することもできる。従って、ケーシング１７内に収容されている液体燃料１８の濃度を確実に測定することができ、液体燃料の濃度変化に対する応答速度を向上させることができる。
【００８５】
また、電極１１ａ又は１１ｂの表面にさらに開口部が形成されているような場合にあっては、多孔性部材１２とその周囲に配置されている液体燃料１８との接触面積を増加させることができ、多孔性部材１２への液体燃料１８の浸透速度をさらに向上させることができ、液体燃料の濃度変化に対する応答速度をさらに増加することができる。
【００８６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池用液体濃度センサを備える燃料電池システムの一例である燃料電池システム１００の模式的な構成を示す模式構成図を図４に示す。図４に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池本体５０（燃料電池本体部の一例である）、燃料混合タンク３４、燃料タンク３５、水タンク３６、気液分離装置３７、ポンプ３８，３９，４０，及び４１、液体濃度センサ６０、及び制御部６１（制御装置の一例である）を備えている。なお、ポンプ３８、３９、４０、及び４１には、開閉可能なバルブ（図示しない）が備えられている。
【００８７】
図４に示すように、燃料電池本体５０はアノード極３１とカソード極３２、電解質膜３３とを備える。電解質膜３３は、固体高分子電解質膜を有し、アノード極３１とカソード極３２とに挟まれて配置される。アノード極３１は、液体燃料を分解し電子を引き抜く触媒と、液体燃料の拡散層と、集電体としてのセパレータとが積層された構造であり、カソード極３２は、プロトンと酸素との反応触媒と、空気の拡散層と、集電体としてのセパレータとが積層された構造である。アノード極３１及びカソード極３２の上記触媒としては、白金、ルテニウムが使用される。また、アノード極３１及びカソード極３２には外部出力９０が接続される。
【００８８】
カソード極３２には、ポンプ３８が備えられた空気供給通路５３が接続され、例えば、毎分１リットルの量にて空気供給通路５３を通してカソード極３２へ、気体酸化剤としての空気又は酸素が供給される。また、カソード極３２を通過した空気もしくは酸素は、カソード極３２で発電により生成された水と共に、空気排出通路５４を通って気液分離装置３７に供給される。気液分離装置３７で分離された水は液体排出経路５５を通って、水タンク３６に供給されて回収される。一方、気液分離装置３７にて分離された空気もしくは酸素は、気液分離装置３７の外部に放出可能となっている。また、水タンク３６はポンプ４０が備えられた水供給経路５２を通じて燃料混合タンク３４に連通されており、水タンク３６から水供給経路５２ならびにポンプ４０を通って、燃料混合タンク３４に水を供給することが可能となっている。
【００８９】
燃料タンク３５は、燃料電池用の液体燃料原液、好適な一例としてメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の有機溶液、特にメタノールを収容している。また、燃料タンク３５と燃料混合タンク３４とは、燃料供給通路５１により連通されており、燃料供給経路５１及びポンプ４１を通じて、燃料タンク３５から燃料混合タンク３４にメタノールを供給することが可能となっている。また、このように燃料混合タンク３４に、燃料タンク３５からメタノールが、さらに水タンク３６から水が、夫々所定量だけ供給されることにより、液体燃料原液であるメタノールが所定の濃度に水で希釈された希釈燃料（あるいは水溶液）であるメタノール水溶液が生成され、当該生成されたメタノール水溶液が燃料混合タンク３４にて収容されている。
【００９０】
また、燃料混合タンク３４とアノード極３１とは、希釈燃料供給通路５６及び希釈燃料回収通路５７にて互いに連通されており、燃料混合タンク３４から希釈燃料供給通路５６及び当該通路上に設けられたポンプ３９を通って、メタノール水溶液を、例えば毎分１ｍｌの量でアノード極３１へ供給することが可能となっている。また、アノード極３１にて発電により消費された残りのメタノール水溶液は、希釈燃料回収経路５７を通って、燃料混合タンク３４に回収される。燃料混合タンク３４には、気体排出弁４２が設置されており、回収されたメタノール水溶液中のＣＯ２を放出することが可能となっている。
【００９１】
また、図４に示すように、燃料混合タンク３４内には、収容されているメタノール水溶液の濃度を検出可能に、液体濃度センサ６０が設置されており、液体濃度センサ６０はメタノール水溶液中に浸漬された状態とされている。この液体濃度センサ６０は、例えば、上記第２実施形態の液体濃度センサ２０と同様な構造及び機能を有する液体濃度センサである。また、この液体濃度センサ６０は、制御部６１と接続されており、制御部６１は、液体濃度センサ６０に所望の電圧を付加することが可能となっているとともに、液体濃度センサ６０から出力される信号（例えば、電圧信号等）を受けて、燃料混合タンク３４内の燃料濃度、すなわちメタノール水溶液の濃度を測定することが可能となっている。さらに、制御部６１は、夫々のポンプ４０及び４１の運転開始／運転停止動作、燃料供給通路５１上のバルブ及び水供給通路５２上のバルブの開閉動作の制御を行なうことが可能となっている。なお、制御部６１が、さらにポンプ３８及び３９の運転動作制御を行なうような場合であってもよい。また、本第３実施形態においては、燃料混合タンク３４、燃料タンク３５、水タンク３６、ポンプ３９、４０、及び４１、液体濃度センサ６０、制御部６１、水供給通路５２、燃料供給通路５１、希釈燃料供給通路５６、及び希釈燃料回収通路５７により、液体燃料供給部５１が構成されている。
【００９２】
このような構成を有する燃料電池システム１００において、液体燃料であるメタノール水溶液を用いて発電が行なわれる動作について、以下に図４を用いて説明する。
【００９３】
図４に示す燃料電池システム１００において、ポンプ３９の運転が開始され、メタノール水溶液が燃料混合タンク３４から希釈燃料供給通路５６を通過してアノード極３１に供給される。それとともに、ポンプ３８の運転が開始され、空気が空気供給通路５３を通過してカソード極３２に供給される。アノード極３１及びカソード極３２では夫々が有する触媒作用の反応によって発電が行なわれ、当該発電された電力が外部出力９０へ供給される。
【００９４】
また、カソード極３２を通過した空気と、当該発電によりカソード極３２にて生成された水は、空気排出通路５４を通して気液分離装置３７に供給されて、カソード極３２から排出される。気液分離装置３７において、気体（空気）と水とが分離され、気体は外部に放出され、水は液体排出通路５５を通して水タンク３６へ供給されて回収される。一方、アノード極３１にて発電に消費されなかったメタノール水溶液は、アノード極３１にて当該発電にて生成されたＣＯ２の気泡を含んだままの状態で、希釈燃料回収通路５７を通して燃料混合タンク３４に回収される。このメタノール水溶液中に含まれるＣＯ２のうち一部は気体排出弁４２から外部へ放出され、残りは燃料混合タンク３４内やアノード極３１へメタノール水溶液と一緒に供給される。
【００９５】
液体濃度センサ６０は、燃料混合タンク３４内のメタノール水溶液の濃度を測定する。
この液体濃度センサ６０による濃度の測定方法は、上記第２実施形態の液体濃度センサ２０による測定方法と同様である。従って、液体濃度センサ６０が有する夫々の電極間に、メタノール水溶液中に含まれるＣＯ２の気泡が混入することを防止（抑制）しながら、当該測定を行なうことができ、メタノール水溶液の濃度の測定を確実かつ安定して行なうことができる。なお、上記メタノール水溶液の濃度の測定は、予め測定された所定の濃度のメタノール水溶液の静電容量（あるいは誘電率）のデータを制御部６１に記憶させておき、この記憶されているデータと、実際に測定されたメタノール水溶液の静電容量のデータとを制御部６１にて比較することにより行なわれる。
【００９６】
また、燃料電池本体５０における発電により、アノード極３１にて供給されたメタノール水溶液の一部が消費されることとなる。そのため、希釈燃料回収通路５７を通して回収されるメタノール水溶液の濃度は、供給されたメタノール水溶液の濃度よりも低下することとなる。これにより、燃料混合タンク３４内のメタノール水溶液の濃度は、発電の進行とともに低下する。そこで、制御部６１は、液体濃度センサ６０から出力される燃料混合タンク３４内のメタノール水溶液の濃度の測定値を受けて、ポンプ４０及び４１の運転開始／停止動作の制御と、燃料供給通路５１と水供給通路５２の夫々に備えられたバルブの開度調節を行い、燃料混合タンク３４内に燃料タンク３５から液体燃料原液（メタノール）を、水タンク３６から水を供給し、燃料混合タンク３４内のメタノール水溶液の濃度を一定の範囲、例えば１Ｍ〜２．５Ｍの範囲に保たせる。これにより、安定した濃度のメタノール水溶液をアノード極３１へ供給することができ、安定した電力を継続的に供給することができる発電を行なうことができる。なお、本第３実施形態においては、ポンプ４０及び４１と、燃料供給通路５１及び水供給通路５２上に設けられている夫々のバルブが濃度調整手段の一例となっている。
【００９７】
上記第３実施形態によれば、燃料電池システム１００が液体濃度センサ６０を備えていることにより、発電により希釈されるメタノール水溶液の濃度を、ＣＯ２の気泡の存在に拘らず、確実かつ安定して測定することが可能となる。また、この液体濃度センサ６０による濃度の測定値を制御部６１に入力させることで、制御部６１により、燃料タンク３５から燃料混合タンク３４への液体燃料原液の供給量、及び水タンク３６から燃料混合タンク３４への水の供給量を、上記濃度の測定値に基づいて調整することができ、正確な濃度調整を行なうことが可能となる。これにより、常に一定の範囲内の濃度のメタノール水溶液を燃料電池本体５０に供給することが可能となり、燃料電池システム１００において、安定した電力を継続的に供給可能な発電を行なうことができる。
【００９８】
なお、上記第３実施形態の燃料電池システム１００は一例を示したものであり、本発明の燃料電池システムは本発明の液体濃度センサを有するシステムであればよく、本実施の形態の構成にのみ限定されるものではない。例えば、さらに、測定対象である液体燃料の温度による静電容量の温度補正を行うような場合であってもよく、このような液体燃料の温度を検出するため、液体濃度センサの近傍に温度センサ等を有してもよい。また、例えば、液体濃度センサの設置位置が希釈燃料供給経路に存在しても良く、希釈燃料回収経路にあってもよく、上記第３実施形態に記載されていない他の構成要素にあってもよい。
【００９９】
例えば、上記第３実施形態の燃料電池システム１００の変形例として、液体濃度センサの一例である液体濃度センサ７０が、希釈燃料供給通路５６内に備えられている状態を示す模式説明図を図５に示す。なお、液体濃度センサ７０は、略管路状の希釈燃料供給通路５６内に液体濃度センサ７０を設置して固定するために必要な構成を除いては、基本的には上記第２実施形態の液体濃度センサ２０と同様な構成を有している。以下、この構成が異なる部分のみについて説明する。なお、上記第２実施形態の液体濃度センサ２０と同じ構成を有する部分については、その説明の理解を容易なものとするため、同じ参照番号を付している。また、図５に示す液体濃度センサ７０における液体燃料（すなわち、メタノール水溶液）の流れ方向Ｄ沿いの断面であるＡ−Ａ線断面図を図６に示し、流れ方向Ｄの下流側から見た矢視図であるＢ−Ｂ線矢視図を図７に示す。
【０１００】
図５、図６、及び図７に示すように、略四角形平板状の電極１１ａ及び１１ｂが一定の間隔でもって、液体燃料の流れ方向に沿って略平行に配置されており、当該配置が保持された状態で希釈燃料供給通路５６の内側の管壁に、液体濃度センサ７０が接着部７１を介して固定されている。また、電極１１ａ及び１１ｂの４つの端部近傍には、夫々の電極１１ａと１１ｂとの間の空間Ｓと、液体濃度センサ７０の外部の空間との間の開口部Ｔが形成されている。また、夫々の接続端子１５は、希釈燃料供給通路５６の管路外部に設置されており、当該管路を貫通するように夫々の導線１４が配置され、夫々の電極１１ａ及び１１ｂと夫々の接続端子１５とが接続されている。
【０１０１】
このような構成の液体濃度センサ７０が、液体燃料の流れがある希釈燃料供給通路５６内に設置されていることにより、夫々の電極１１ａ、１１ｂ間の空間Ｓ、すなわち、多孔質部材１２内への液体燃料の浸透速度を向上させることができ、液体燃料の濃度変化に迅速に対応することができる。また、空間Ｓには、多孔質部材１２が配置されているため、液体燃料中に含まれる気泡１９が空間Ｓ内に侵入することを抑制することができる。
【０１０２】
さらに、夫々の電極１１ａ及び１１ｂが、液体燃料の流れ方向Ｄに略平行となるように配置されており、また、夫々の電極１１ａ及び１１ｂの夫々の端部近傍に形成された開口部Ｔのうちの液体燃料の上流側に位置される開口部Ｔ１が空間Ｓ内への液体燃料の導入口として機能し、液体燃料の下流側に位置される開口部Ｔ２が空間Ｓ内からの液体燃料の排出口として機能することができるため、多孔質部材１２内への液体燃料の浸透速度をさらに向上させることができる。従って、発電の進行とともに、液体燃料の濃度変化を伴うという特徴を有する燃料電池システムにおいて、より確実かつ安定して液体燃料の濃度の測定を行なうことができる。
【０１０３】
なお、上記においては、希釈燃料供給通路５６内に設置されている液体濃度センサ７０の夫々の電極１１ａ及び１１ｂが、略平板状であるような場合について説明したが、このような場合にのみ限られるものではない。このような場合に代えて、例えば、夫々の電極１１ａ及び１１ｂが湾曲されて形成されているような場合であってもよい。このような場合の一例として、上記第３実施形態のさらに別の変形例にかかる液体濃度センサ８０について図８及び図９を用いて説明する。なお、図８は、図６に相当する液体濃度センサ８０の模式断面図（すなわち、図５のＡ−Ａ線断面図に相当）断面であり、図９は、図７に相当する液体濃度センサ８０の側面図（すなわち、図５のＢ−Ｂ線矢視図に相当）である。
【０１０４】
図８及び図９に示すように、液体濃度センサ８０は、希釈燃料供給通路５６の管路の内壁形状に合致するように湾曲された夫々の電極８１ａ及び８１ｂを備えている。また夫々の電極８１ａ及び８１ｂは湾曲されているものの、互いに一定の距離寸法が保たれた状態で配置されている。これにより、液体濃度センサ８０におけるコンデンサ機能が担保されている。なお、図示上方の電極８１ａにおける湾曲された形状と、希釈燃料供給通路５６の管路内壁の形状とが合致しているため、両者の間に例えば接着材料等を供給することにより、液体濃度センサ８０が希釈燃料供給通路５６に固定されている。
【０１０５】
このような構造の液体濃度センサ８０によれば、上記液体濃度センサ７０による効果に加えて、さらに、当該湾曲形状により、希釈燃料供給通路５６の管路の内壁近傍に液体濃度センサ８０を設置することができ、液体濃度センサ８０の設置による液体燃料の流れに伴う圧力損失を低減することができるという効果がある。
【０１０６】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システム１０１を備える電子機器１１０の模式的な構成を示す模式構成図を図１０に示す。なお、この電子機器１１０は、燃料電池システム１０１において発電された電力により作動される電子機器であり、例えば、携帯通信機器やノート型パーソナルコンピュータ等がある。
【０１０７】
図１０に示すように、電子機器１１０は、燃料電池システム１０１、制御部６２（制御装置の一例である）、電源入力部９１とを備えている。なお、図１０に示す電子機器１１０の模式構成図においては、本発明に関与しない機能、例えば電子機器用のマイコンや表示部、電源入力部１３からの出力先等は、本発明の理解を容易なものとするため、図から省略している。
【０１０８】
また、燃料電池システム１０１は、上記第３実施形態における燃料電池システム１００から制御部６１を除いた構成と同様な構成であり、アノード極３１及びカソード極３２からの外部出力は、電子機器１０１の電源入力部９１に接続されている。また、燃料電池システム１０１は電子機器１１０に内蔵もしくは直接接続され、機器として一体化された構造を有している。
【０１０９】
制御部６２は、電子機器１１０内に配し、他の制御機器、例えば電子機器用のマイコンと兼用されてもよい。
【０１１０】
このような構成を有する電子機器１１０及び燃料電池システム１０１の動作について以下に述べる。
【０１１１】
燃料電池システム１０１は上記第３実施形態における燃料電池システム１００と同様に発電を行い、電子機器１１０の電源入力部９１へ当該発電された電力を供給する。電子機器１１０は、電源入力部９１へ電力の供給を受けることで稼動できる。制御部６２は、上記第３実施形態における制御部６１と同様に制御を行い、液体燃料（例えばメタノール水溶液）の濃度の測定結果から、液体燃料の濃度調整を行う。
【０１１２】
また、制御部６２は、液体濃度センサ６０からの静電容量の測定値が一定値以下の場合、ポンプ４０、４１の制御等を停止することができる。これは、例えば、長期間燃料電池システム１０１を稼動しないことで、燃料混合タンク３４が空になり、再稼動のために燃料を補給しても、その瞬間には液体濃度センサ６０内には気泡が存在するため実際の液体濃度よりも静電容量を低く見積もってしまう。このとき、ポンプ４０、４１の制御等を停止し、混合タンク３４内に過剰に液体燃料を供給することにより、混合タンク３４内の燃料濃度が必要以上に増加することを防止できる。また、制御部６２は、例えば振動モータなどの振動手段を液体濃度センサ６０の近傍に設置することで、静電容量の測定値が一定値以下の場合、振動手段を制御部６２により振動させることで、液体濃度センサ６０内の気泡をすばやく除去することもできる。
【０１１３】
上記第４実施形態によれば、燃料電池システム１０１を電子機器１１０が備えることで、電子機器１１０に対して安定した電力を供給することができ、連続稼動を安定して行なうことが可能となる。また、制御部６２を電子機器１１０側に有することで、燃料電池システムの構成を簡単なものとすることができ、燃料電池システムの製作コストを低下することができる。
【０１１４】
また、制御部６２が静電容量の測定値が一定値以下の場合、ポンプ４０、４１の制御等による濃度制御を停止することで、長期間の使用停止後の再起動の際等において、液体燃料が過剰な濃度になることを防止できる。なお、このような過剰濃度となることを抑制する制御方法は、上記第３実施形態の燃料電池システム１００にも適用可能である。
【０１１５】
なお、上記夫々の実施形態においては、多孔質性材料（物質）として様々な材料を用いることができることを説明したが、さらに、多孔質性材料として、メンブレンフィルタや中空糸膜等を用いることもできる。
【０１１６】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明に係る液体濃度センサは、コンデンサ機能を用いて液体の誘電率を測定することにより当該液体の濃度を測定する際に、当該液体中への気体の混入による測定誤差を防止することが可能であり、気体（気泡）を含む液体を測定対象とする濃度センサ等として有用であり、特に液体燃料で直接動作する燃料電池の液体燃料の濃度センサ等として有用である。
【０１１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、安定した出力を継続的に得ることが可能であり、携帯用電子機器やノート型パーソナルコンピュータ等の携帯機器用の燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる液体濃度センサの構造を示す模式断面図である。
【図２】図１の液体濃度センサの模式斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる液体濃度センサの構造を示す模式断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる液体濃度センサを備える燃料電池システムの模式構成図である。
【図５】上記第３実施形態の変形例にかかる液体濃度センサの取り付け状態を示す模式図である。
【図６】図５の液体濃度センサのＡ−Ａ線断面図である。
【図７】図５の液体濃度センサのＢ−Ｂ線矢視図である。
【図８】上記第３実施形態のさらに別の変形例にかかる液体濃度センサの断面図であり、図６のＡ−Ａ線断面図に相当する図である。
【図９】図８の液体濃度センサの矢視図であり、図７のＢ−Ｂ線矢視図に相当する図である。
【図１０】本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システムを備える電子機器の模式構成図である。
【図１１】多孔質性材料の空隙率と相対感度との関係を示すグラフ形式の図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１、１ａ、１ｂ  電極
２  多孔質部材
３  固定部
４  導線
５  接続端子
１０、２０、７０、８０  液体濃度センサ
１１、１１ａ、１１ｂ  電極
１２  多孔質部材
１３  固定部
１４  導線
１５  接続端子
１６  非金属性物質
１７  ケーシング
１８  液体燃料
１９  気泡
１００、１０１  燃料電池システム
１１０  電子機器
５０  燃料電池本体
３１  アノード極
３２  カソード極
３３  電解質膜
３４  燃料混合タンク
３５  燃料タンク
３６  水タンク
３７  気液分離装置
３８、３９、４０、４１  ポンプ
５１  燃料供給通路
５２  水供給通路
５３  空気供給通路
５４  空気排出通路
５５  液体排出通路
５６  希釈燃料供給通路
５７  希釈燃料回収通路
６０  液体濃度センサ
６１、６２  制御部
９０  外部出力
９２  電源入力部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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