(57)【要約】【課題】低級アルコールと水などが混合する際の発熱作用に着目することにより、連続的に混合して得られる混合液の濃度を簡単な構成によって求めること。【解決手段】低級アルコールと水とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３を求める方法であって、互いに同じ温度の低級アルコールと水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、混合時における低級アルコールの温度Ｔ１、水の温度Ｔ２、および混合液の温度Ｔ３を測定し、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係とを用いて、混合液の濃度Ａ３を求める。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１液と第２液とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３を求める方法であって、
互いに同じ温度の前記第１液と前記第２液を種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、
混合時における前記第１液の温度Ｔ１、前記第２液の温度Ｔ２、および前記混合液の温度Ｔ３を測定し、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係とを用いて、前記混合液の濃度Ａ３を求める、
ことを特徴とする連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項２】
第１液と第２液とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３を求める方法であって、
互いに同じ温度の前記第１液と前記第２液を種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、
混合時における前記第１液の温度Ｔ１、前記第２液の温度Ｔ２、および前記混合液の温度Ｔ３を測定し、
測定した温度Ｔ１、Ｔ２に基づいて定まる傾きαと測定した温度Ｔ２、Ｔ３に基づいて定まる切辺βとを有する直線が前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を示す曲線と交わる点として得られる濃度Ａ３を求める、
ことを特徴とする連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項３】
低級アルコールと水とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３を求める方法であって、
互いに同じ温度の前記低級アルコールと前記水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、
混合時における前記低級アルコールの温度Ｔ１、前記水の温度Ｔ２、および前記混合液の温度Ｔ３を測定し、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係とを用いて、前記混合液の濃度Ａ３を求める、
ことを特徴とする連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項４】
前記低級アルコールと前記水とが混合前において同じ温度Ｔｓ（＝Ｔ１＝Ｔ２）となるようにしておき、前記混合液の温度Ｔ３と前記低級アルコールまたは前記水の温度Ｔ１またはＴ２との差を温度変化ΔＴとし、前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係から前記混合液の濃度Ａ３を求める、
請求項３記載の連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項５】
前記低級アルコールと前記水との混合を脈動混合によって行う、
請求項３または４記載の連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項６】
前記混合液の温度Ｔ３を、前記混合液の流量を測定する熱式流量計を利用して測定する、
請求項３ないし５のいずれかに記載の連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項７】
前記低級アルコールおよび前記水を、層流が支配的なマイクロ流体とする、
請求項３ないし６のいずれかに記載の連続的に混合される混合液の濃度を求める方法。
【請求項８】
低級アルコールと水とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３の測定装置であって、
互いに同じ温度の前記低級アルコールと前記水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を示すデータを記憶したメモリと、
混合前における前記低級アルコールの温度Ｔ１を測定する第１の温度センサと、
混合前における前記水の温度Ｔ２を測定する第２の温度センサと、
混合後の混合液の温度Ｔ３を測定する第３の温度センサと、
測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と前記メモリに記憶されたデータとを用いて前記混合液の濃度Ａ３を決定する濃度決定部と、
を有することを特徴とする連続的に混合される混合液の濃度の測定装置。
【請求項９】
低級アルコールと水を混合して供給する直接メタノール形燃料電池装置であって、
前記低級アルコールを送出する第１のポンプと、
前記水を送出する第２のポンプと、
送出された前記低級アルコールと前記水とを混合する混合流路と、
混合前における前記低級アルコールの温度Ｔ１を測定する第１の温度センサと、
混合前における前記水の温度Ｔ２を測定する第２の温度センサと、
混合後の混合液の温度Ｔ３を測定する第３の温度センサと、
互いに同じ温度の前記低級アルコールと前記水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を示すデータを記憶したメモリと、
測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と前記メモリに記憶されたデータとを用いて前記混合液の濃度Ａ３を決定する濃度決定部と、
を有することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続的に混合される混合液の濃度を求める方法および濃度の測定装置に関し、特に低級アルコールを水で希釈した混合液を燃料として供給する直接メタノール形燃料電池装置（ＤＭＦＣ）における燃料の濃度の測定に利用される。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の到来とともに電池の長寿命化に対する要求が一層高まっている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中で、重量（容積）当たりのエネルギー密度から従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池に注目が集まっている。燃料電池の中でもＤＭＦＣ（直接メタノール形燃料電池）は、特に構造が簡単で燃料の入手が容易なため低コストであり、しかも低温での動作が可能であるなど、携帯機器向けとして優れた特性を持つ。
【０００３】
ＤＭＦＣは、燃料供給の方法によってアクティブ型とパッシブ型の２つのタイプに分類される。アクティブ型は電池への燃料供給をポンプにより行ない、パッシブ型はポンプを用いずに毛細管力などによって燃料の供給を行う。ＤＭＦＣにおける反応式は次のようである。
【０００４】
燃料極：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ  →  ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ 
酸素極：３／２Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
全反応：ＣＨ3 ０Ｈ+ ３／２Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
上の反応式によれば、メタノールと水は燃料極において等モルで反応し、ＣＯ2 と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って酸素極に、プロトンは電界質膜を通って酸素極に、それぞれ別ルートで送られ、そこで反応して水分子３個を生成する。
【０００５】
上の式ではメタノールと水が等モルで反応するが、実際に燃料極に供給されるメタノール濃度は等モルではなく、通常３〜５重量％と低濃度のものが供給される。それは、メタノールのクロスオーバーという現象があり、本来、ＤＭＦＣにおける２つの電極、つまり燃料極と空気極のうち、燃料極で起こるべきメタノールの反応が空気極でも起こり、燃料の無駄と空気極側の電位上昇による電池効率の著しい低下が起こるからである。メタノールのクロスオーバーは、２つの電極間の電解質膜をメタノールが通過する現象であり、燃料中のメタノール濃度が高いほど多くなるため、電池の運転は上に述べたように低濃度で行なわれる。
【０００６】
上のアクティブ型では、ポンプを用い、生成した水を回収することで、高濃度の燃料を生成水で希釈しながら電池に供給する希釈循環型のシステムを構築することができる。これによって燃料タンク中のメタノール濃度を上げることが可能になる。例えば、６０重量％のメタノール（メタノール水溶液）を用いれば３〜５重量％の場合と比べて燃料タンクのサイズを１／２０〜１／１２程度に小さくできる。パッシブ型では電池サイズの点でアクティブ型よりも不利である。但し、アクティブ型では、燃料供給、水供給、および水回収のための３つのポンプが必要になり、さらにメタノールのミキシング機構とその駆動回路が必要になるという不利な面はある。
【０００７】
一方、パッシブ型では、それらの複雑な機構を必要とせず、簡易な構成となるため、電池サイズ自体は小さくすることができる。しかし、積極的な制御を行えないので、使用状態に応じた制御が行えない。
【０００８】
さて、アクティブ型の燃料電池において、燃料電池本体への希釈燃料の供給は、より効率的に電力を得るために、流量、濃度、および温度を計測し、燃料供給ポンプおよび水供給ポンプを制御する必要がある。また、小型携帯機器への搭載を考えた場合に、より小型で簡易な構成の計測装置と希釈混合装置が望まれる。
【０００９】
従来において、アルコール濃度を計測する方法として、超音波式（特許文献１）、光学屈折式、または静電容量式（特許文献２）などが提案されている。
【００１０】
また、マイクロ流体の流量を測定するセンサとして熱式流量センサがある（特許文献３）。熱式流量センサでは、発熱抵抗体に通電することにより発熱抵抗体を所定の温度に自己加熱し、液体によって発熱抵抗体を放熱させる。発熱抵抗体の放熱量は液体の流量に応じて変化するので、発熱抵抗体の抵抗値の変化を検出してその放熱量を検出し、ひいては流量を検出する。通常、熱式流量センサには、リファレンスとして液体自体の温度を計測するための電極が別途設けられている。
【特許文献１】特開平１１−２３５４１
【特許文献２】特開２００５−２０７７３７
【特許文献３】特開平９−６１２１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上に述べた超音波式では、液体燃料の連続的な濃度測定が可能とされるが、測定装置の規模が大きくなってしまい、また、振動子間を平行に保つことが困難であるという欠点がある。光学屈折式では、非接触で瞬時に測定が行える利点はあるものの、やはり測定用のレーザビームなどの発生装置が不可欠であり、測定装置の規模が大きくなってしまう。
【００１２】
静電容量式では、測定のための対向電極を小さくすることによって測定装置の部分のサイズを小さくできる。しかし、静電容量式の濃度検出器は、その測定可能な容量の値が一般的に極めて小さく、濃度が多少変動した場合では検出できない場合が発生し易い。
【００１３】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、低級アルコールと水などが混合する際の発熱作用に着目することにより、連続的に混合して得られる混合液の濃度を簡単な構成によって求める方法および測定装置並びに燃料電池装置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】
【００１４】
本発明に係る方法は、第１液と第２液とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３を求める方法であって、互いに同じ温度の前記第１液と前記第２液を種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、混合時における前記第１液の温度Ｔ１、前記第２液の温度Ｔ２、および前記混合液の温度Ｔ３を測定し、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係とを用いて、前記混合液の濃度Ａ３を求める。
【００１５】
また、互いに同じ温度の前記第１液と前記第２液を種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、混合時における前記第１液の温度Ｔ１、前記第２液の温度Ｔ２、および前記混合液の温度Ｔ３を測定し、測定した温度Ｔ１、Ｔ２に基づいて定まる傾きαと測定した温度Ｔ２、Ｔ３に基づいて定まる切辺βとを有する直線が前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を示す曲線と交わる点として得られる濃度Ａ３を求める。
【００１６】
また、低級アルコールと水とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３を求める方法であって、互いに同じ温度の前記低級アルコールと前記水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておき、混合時における前記低級アルコールの温度Ｔ１、前記水の温度Ｔ２、および前記混合液の温度Ｔ３を測定し、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係とを用いて、前記混合液の濃度Ａ３を求める。
【００１７】
１つの態様によると、前記低級アルコールと前記水とが混合前において同じ温度Ｔｓ（＝Ｔ１＝Ｔ２）となるようにしておき、前記混合液の温度Ｔ３と前記低級アルコールまたは前記水の温度Ｔ１またはＴ２との差を温度変化ΔＴとし、前記濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係から前記混合液の濃度Ａ３を求める。
【００１８】
好ましくは、前記低級アルコールと前記水との混合を脈動混合によって行う。
【００１９】
また、前記混合液の温度Ｔ３を、前記混合液の流量を測定する熱式流量計を利用して測定する。
【００２０】
また、前記低級アルコールおよび前記水を、層流が支配的なマイクロ流体とする。
【００２１】
本発明に係る濃度の測定装置は、低級アルコールと水とを連続的に混合して得られる混合液の濃度Ａ３の測定装置であって、互いに同じ温度の前記低級アルコールと前記水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を示すデータを記憶したメモリと、混合前における前記低級アルコールの温度Ｔ１を測定する第１の温度センサと、混合前における前記水の温度Ｔ２を測定する第２の温度センサと、混合後の混合液の温度Ｔ３を測定する第３の温度センサと、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と前記メモリに記憶されたデータとを用いて前記混合液の濃度Ａ３を決定する濃度決定部と、を有する。
【００２２】
本発明に係る燃料電池装置は、低級アルコールと水を混合して供給する直接メタノール形燃料電池装置であって、前記低級アルコールを送出する第１のポンプと、前記水を送出する第２のポンプと、送出された前記低級アルコールと前記水とを混合する混合流路と、混合前における前記低級アルコールの温度Ｔ１を測定する第１の温度センサと、混合前における前記水の温度Ｔ２を測定する第２の温度センサと、混合後の混合液の温度Ｔ３を測定する第３の温度センサと、互いに同じ温度の前記低級アルコールと前記水とを種々の比率で混合した場合の混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を示すデータを記憶したメモリと、測定した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と前記メモリに記憶されたデータとを用いて前記混合液の濃度Ａ３を決定する濃度決定部と、を有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、連続的に混合して得られる混合液の濃度を簡単な構成によって求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は本発明に係る燃料電池装置１の構成の例を示す図、図２は熱式流量センサＳＥ３の構成の例を示す斜視図、図３は熱式流量センサＳＥ３を用いて流量Ｚを測定するための回路の例を示す図、図４は温度変化データＤＴの例を示す図、図５は濃度Ａ３を求めるための方法を説明する図、図６は測定した温度Ｔ１〜３による直線Ｌと温度変化データＤＴによる曲線Ｃ１とから濃度を求める方法を説明する図である。
【００２５】
図１において、燃料電池装置１は、燃料電池本体３、高濃度燃料タンク４、水回収タンク５、送液ユニット６、ポンプ駆動部７、および制御部９などからなる。
【００２６】
燃料電池本体３は、本実施形態においてはＤＭＦＣ（直接メタノール形燃料電池）であり、図１においては、電解質膜３１の両面に燃料極３２および空気極３３を接合した公知のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のものが示されている。液体燃料供給部３０１には燃料極３２の各部へ液体燃料を分配供給するための通路が形成されており、液体回収部３０２には液体の回収路が形成されている。
【００２７】
高濃度燃料タンク４には、高濃度の液体原燃料、例えば１００％に近い高濃度のメタノールが充填されている。水回収タンク５には、液体回収部３０２から通路６０を介して回収された水が収納され、希釈用液として循環使用される。
【００２８】
送液ユニット６は、高濃度燃料タンク４のメタノールおよび水回収タンク５の水をポンプで送出して混合し、混合液である所定濃度のメタノールを液体燃料として燃料電池本体３のアノードに供給する。また、メタノール、水、および混合液のそれぞれの温度を、混合液の濃度の算出のために測定する。
【００２９】
すなわち、送液ユニット６には、メタノール用のポンプＰ１、水用のポンプＰ２、混合流路ＲＲ１、温度センサＳＥ１〜２、熱式流量センサＳＥ３などが設けられている。
【００３０】
ポンプＰ１およびＰ２は、それぞれ圧電素子ＰＺＴ１、ＰＺＴ２に交番電圧を印加することによって駆動されるものである。例えば、シリコン薄膜からなるダイヤフラムと圧電素子ＰＺＴ１、ＰＺＴ２とがユニモルフモードの屈曲変形を行うことを利用してチャンバーの容積を増減させる。チャンバーは、その開口部の流路抵抗特性が流入側と流出側とで異なるように設計されており、チャンバーの容積の増減によってチャンバー内の液体が流出側の開口部から送出される。
【００３１】
混合流路ＲＲ１は、メタノールが送液される流路と水が送液される流路とが合流するＹ字形の流路である。温度センサＳＥ１はメタノールの温度Ｔ１を、温度センサＳＥ２は水の温度Ｔ２を、それぞれ測定する。また、熱式流量センサＳＥ３は、混合後における混合液の流量Ｚを測定するとともに、それと同時に混合液の温度Ｔ３を測定する。詳しくは後で説明する。
【００３２】
このような送液ユニット６は、マイクロマシンまたはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System)  の技術を用いて、その一部または全体をシリコン基板上に構成することが可能である。
【００３３】
ポンプ駆動部７は、所定の波形の交番電圧を圧電素子ＰＺＴ１、ＰＺＴ２に印加することにより、ポンプＰ１，Ｐ２をそれぞれ駆動する。印加する交番電圧の波形および周波数などを調整することによって、それぞれ独立して吐出量の制御を行うことが可能である。
【００３４】
制御部９は、燃料電池装置１の全体の動作を制御する。例えば、入力された温度Ｔ１〜３に基づいて燃料電池本体３に供給されるメタノールの濃度Ａ３を求めるとともに、濃度Ａ３が所定の範囲内に納まるようにポンプ駆動部７を制御する。また、熱式流量センサＳＥ３を制御し、燃料電池本体３に供給されるメタノールの流量Ｚを監視するとともに、流量Ｚが適切になるようにポンプ駆動部７を制御する。その他、種々の演算や制御を行う。
【００３５】
上に述べた燃料電池装置１では、燃料電池本体３、ポンプＰ１，Ｐ２、混合流路ＲＲ１などを一体とすることが可能なため、コンパクトな設計が可能である。なお、送液ユニット６、ポンプ駆動部７、およびその制御などに関して、本出願人が提案した特開２００６−２７０９に記載の技術を適用することができる。
【００３６】
図２に示すように、熱式流量センサＳＥ３は、シリコン基板６１に形成された断面矩形の溝６２の周辺に形成されている。つまり、シリコン基板６１の表面にガラス板６３が密着して配置されており、これによって溝６２は混合液の流路ＲＲ２となっている。ガラス板６３には、流路ＲＲ２に面する側に、発熱抵抗体６４と、その上流側に温度検知電極６５とが設けられている。発熱抵抗体６４および温度検知電極６５は、例えばいずれも白金薄膜抵抗からなり、抵抗温度係数は約３０００ｐｐｍ／℃である。なお、図２に示す熱式流量センサＳＥ３において、混合液は図の矢印Ｍ１方向に流れる。
【００３７】
発熱抵抗体６４は、通電することによって自己加熱し、所定の温度になるように制御部９によって自動制御される。流路ＲＲ２に混合液が流れると、これによって発熱抵抗体６４からの放熱量が変化し、発熱抵抗体６４の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を検出することによって流量Ｚを検出する。例えば、流量Ｚが多い場合には発熱抵抗体６４から奪う熱量は多くなり、発熱抵抗体６４が冷やされてその抵抗値が低下する。
【００３８】
ところで、発熱抵抗体６４の熱を奪う要素として、流量Ｚ以外に、流路ＲＲ２を流れる混合液それ自体の温度がある。つまり、混合液の温度が低いほど発熱抵抗体６４が冷やされて抵抗値が低下する。そこで、混合液自体の温度の影響を取り除くため、温度検知電極６５で測定した温度Ｔ３をリファレンスとして用いる。つまり、温度検知電極６５は、本発明における第３の温度センサとして作用する。
【００３９】
すなわち、図３に示すように、発熱抵抗体６４および温度検知電極６５は、外付けの２つの固定抵抗Ｒ１，Ｒ２とともにブリッジ接続される。ブリッジの出力は、演算増幅器Ｑ１を用いた外部のフィードバック回路に接続され、これによって定温度差駆動回路が形成される。定温度差駆動回路においては、発熱抵抗体６４と温度検知電極６５の２つの抵抗の抵抗温度係数が等しければ、発熱抵抗体６４の温度は常に混合液の温度Ｔ３よりも一定温度だけ高く保たれる。その結果、回路の出力ＯＵＴは、混合液の温度Ｔ３には依存せず流速のみに依存し、混合液の流速が検出されることとなる。
【００４０】
さて、次に、混合液の濃度Ａ３を計測する方法について説明する。
【００４１】
まず、メタノールと水とを種々の比率で混合し、その混合液の濃度Ａと温度変化ΔＴとの関係を予め求めておく。その際に、メタノールと水とは互いに同じ温度としたものを混合する。つまり、高濃度のメタノールと水とを同一の温度Ｔｓとし、これらを混合して濃度Ａｊの混合液を生成し、その温度Ｔｅを測定する。これを種々の濃度Ａｊについて実行し、濃度Ａと温度変化ΔＴ（＝Ｔｅ−Ｔｓ）との関係を示すデータ（温度変化データ）ＤＴを得る。温度変化データＤＴは、メタノールと水との化学反応による温度上昇分である。温度変化データＤＴの一例が図４に示されている。
【００４２】
図４において、メタノールおよび水の温度がともに２６℃であったのが、混合率が５０％に近づくにしたがって混合液の温度が上昇し、濃度が５０％付近において約３４℃の最大値を示している。濃度５０％付近を越えると、混合液の温度も下降し、最大の濃度で初期の温度である２６℃となっている。この間の温度変化ΔＴの最大値は約８℃である。このような実験で得た温度変化データＤＴを、制御部９のメモリ９２に記憶しておく。また、温度変化データＤＴとして、これを統計処理し、または演算式やテーブルなどの形式としておいてもよい。
【００４３】
図５に示すように、高濃度燃料タンク４のメタノールつまり混合前のメタノールの濃度Ａ１は、予め測定できるので既知である。水の濃度Ａ２は、０％であって既知である。また、混合前のメタノールの温度Ｔ１、水の温度Ｔ２は、温度センサＳＥ１および温度センサＳＥ２によって測定される。混合液の温度Ｔ３および流量Ｚは熱式流量センサＳＥ３によって測定される。
【００４４】
本実施形態においては、濃度算出部９１において、測定された温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と、メモリ９２に記憶された温度変化データＤＴとを用い、混合液の濃度Ａ３が求められる。この場合の算出方法、または演算方法は、種々の方法を採用することができる。また、交点を求める演算において、直接的に一致するデータがない場合には、その近傍のデータを用いて補間を行えばよい。以下において、濃度算出部９１における濃度Ａ３の算出の方法の例を説明する。
【００４５】
まず、メタノールと水とが互いに混合することなく、つまり化学反応を行うことなく、熱伝導のみで熱平衡状態に達したときの仮想温度をＴｂとする。そうすると、それらの混合による発熱による温度変化ΔＴは、次の（１）式で示される。
【００４６】
ΔＴ＝Ｔ３−Ｔｂ    ……（１）
そうすると、（１）式から求められる温度変化ΔＴとなるときの濃度Ａを温度変化データＤＴから求めると、それが混合液の濃度Ａ３となる。
【００４７】
例えば、温度変化ΔＴが４℃であった場合には、図６（Ａ）に示すように、ΔＴ＝４の直線Ｌ１が温度変化データＤＴによる曲線Ｃ１と交わる点の濃度Ａ（＝０．１２）が求める濃度Ａ３である。但し、直線Ｌ１と曲線Ｃ１との交点は２箇所あるが、他の条件、例えばポンプＰ１，Ｐ２の吐出量などからおおよその混合比が分かるので、正しい方の交点を選択することができる。図６においては、濃度１００％を１として示してある。
【００４８】
なお、仮想温度Ｔｂは、メタノールの流量をＸとし、水の流量をＹとし、メタノールおよび水の単位量当たりの熱容量を１と仮定すると、次の（２）式で示すことができる。
【００４９】
Ｔｂ＝（Ｔ１・Ｘ＋Ｔ２・Ｙ）／（Ｘ＋Ｙ）  ……（２）
また、
Ｚ＝Ｘ＋Ｙ  ……（３）
であるので、（２）式は、
Ｔｂ＝（Ｔ１・Ｘ＋Ｔ２・Ｙ）／Ｚ
＝〔Ｔ１・Ｘ＋Ｔ２・（Ｚ−Ｘ）〕／Ｚ  ……（４）
となり、これを整理すると、
Ｔｂ＝Ｔ２−（Ｔ２−Ｔ１）Ｘ／Ｚ  ……（５）
この（５）式を（１）式に代入すると、次の（６）式が得られる。
【００５０】
ΔＴ＝Ｔ３−Ｔ２−（Ｔ２−Ｔ１）Ｘ／Ｚ  ……（６）
また、高濃度燃料タンク４に収納されているメタノールの濃度Ａ１を１００％と仮定すると、混合液の濃度Ａ３は、次の（７）式で示すことができる。
【００５１】
Ａ３＝Ｘ／Ｚ  ……（７）
したがって、これを（６）式に代入すると、次の（８）式が得られる。
【００５２】
ΔＴ＝Ｔ３−Ｔ２−（Ｔ２−Ｔ１）Ａ３
＝Ａ３（Ｔ２−Ｔ１）＋（Ｔ３−Ｔ２）  ……（８）
なお、流量Ｘは精密には求まらないので、ここでは（７）式から直接に濃度Ａ３を求めることをしない。
【００５３】
上の（８）式は、温度変化ΔＴは、温度Ｔ１，Ｔ２の差（Ｔ２−Ｔ１）を傾きαとし、温度Ｔ２，Ｔ３の差（Ｔ３−Ｔ２）を切辺βとする直線で表されることを示す。この直線と温度変化データＤＴによる曲線Ｃ１との交点の濃度Ａが、求める濃度Ａ３である。
【００５４】
例えば、図６（Ｂ）に示すように、（８）式で示す直線Ｌ２が温度変化データＤＴの曲線Ｃ１と交わる点の濃度Ａ（＝０．１）が求める濃度Ａ３である。
【００５５】
但し、メタノールの濃度Ａ１が１００％でない場合には、これを加味する必要がある。例えば、濃度Ａ１が９９．５重量％であれば、上の（８）式は、次の（９）式のようになる。
【００５６】
ΔＴ＝Ａ３（Ｔ２−Ｔ１）／９９．５＋（Ｔ３−Ｔ２）  ……（９）
この場合には、温度変化データＤＴを示す曲線Ｃ１についても、同じ濃度９９．５重量％のメタノールを用いて実験しデータを得ておく必要がある。
【００５７】
ところで、上に述べたように、上に述べた式においてメタノールの単位量当たりの熱容量を加味しておく必要がある。単位量当たりの熱容量は、比熱、比重などに基づいて算出される。
【００５８】
例えば、メタノールおよび混合液の熱容量をＥ１，Ｅ３とすると、上の（５）式は、次の（１０）式のようになる。
【００５９】
Ｔｂ＝Ｔ２／Ｅ３−（Ｔ２−Ｔ１・Ｅ１）Ｘ／Ｚ・Ｅ３  ……（１０）
したがって、上の（８）式は、次の（１１）式のようになる。
【００６０】
ΔＴ＝Ａ３（Ｔ２−Ｔ１・Ｅ１）／Ｅ３＋（Ｔ３−Ｔ２／Ｅ３）  ……（１１）
また、混合液の熱容量Ｅ３は、混合液の濃度Ａとメタノールの熱容量Ｅ１とを用いて、次の（１２）式で表すことができる。
【００６１】
Ｅ３＝Ｅ１・Ａ＋（１−Ａ）
＝１−Ａ・（１−Ｅ１）  ……（１２）
この（１２）式を（１１）式に代入し、メタノールの熱容量Ｅ１を数値に置き換えることによって、温度変化ΔＴと濃度Ａとの関係式が得られる。この関係式の表す曲線Ｌ３が温度変化データＤＴを示す曲線Ｃ１と交わる点の濃度Ａを求める濃度Ａ３とする。
【００６２】
上に述べたように、測定した温度Ｔ１〜３と実験により予め求めた温度変化データＤＴとに基づいて、連続的に流れる混合液の濃度Ａ３を連続的に求めることができる。しかも、２種類の液体、例えばメタノールと水との混合と、混合液の濃度Ａ３の測定とが、一連の動作の中で連続して円滑に行われる。そのため、メタノールおよび水の送液と混合液の濃度Ａ３の測定とがコンパクトな領域で連続して行われることとなり、装置全体をコンパクトに構成することが可能である。
【００６３】
上に述べた実施形態において、メタノールと水との混合を、脈動混合によって行うことが望ましい。すなわち、流路ＲＲ１の流れ方向に沿って極めて薄い液層を形成するようにして混合を行う。脈動混合によって、メタノールと水との混合が流路中の一点において短時間で行われる。脈動混合については、本出願人が先に提案した特開２００３−２２０３２２を参照することができる。
【００６４】
また、アルコール、水、および混合液を、層流が支配的なマイクロ流体とすることが好ましい。
【００６５】
上に述べたように、メタノールと水が同じ温度Ｔｓ（＝Ｔ１＝Ｔ２）となるようにしておけば、その温度Ｔｓと混合液の温度Ｔ３との差（Ｔ３−Ｔｓ）を温度変化ΔＴとし、これから混合液の濃度Ａ３を求めることが可能である。そのためには、例えば、適当な熱交換機を用いてメタノールと水とが十分に熱交換が行われるようにすればよい。また、こうすることによって、２つの温度センサＳＥ１，２を１つにすることができる。
【００６６】
上に述べた実施形態において、濃度算出部９１および制御部９は、ＣＰＵまたはＤＳＰが適当なプログラムを実行することによってソフト的に、またはこれと適当なハードウエア回路とを組み合わせることによって、またはその他の方法によって、実現することができる。
【００６７】
その他、熱式流量センサＳＥ３の構造、送液ユニット６、制御部９、濃度算出部９１、または燃料電池装置１の全体または各部の構造、形状、寸法、個数、回路、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【００６８】
本発明は、メタノールと水との混合のみならず、他の低級アルコールと水との混合、または適当な２種類の液体の混合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の構成の例を示す図である。
【図２】熱式流量センサの構成の例を示す斜視図である。
【図３】熱式流量センサを用いて流量を測定するための回路の例を示す図である。
【図４】温度変化データの例を示す図である。
【図５】濃度を求めるための方法を説明する図である。
【図６】測定した温度と温度変化データとから濃度を求める方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  燃料電池装置
９  制御部
６５  温度検知電極（第３の温度センサ）
９１  濃度算出部（濃度決定部）
９２  メモリ
Ｐ１  ポンプ（第１のポンプ）
Ｐ２  ポンプ（第２のポンプ）
ＳＥ１  温度センサ（第１の温度センサ）
ＳＥ２  温度センサ（第２の温度センサ）
ＲＲ１  混合流路
【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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