(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも赤外領域の光を含む光を発生させる白熱光源と、
混合液を介して前記白熱光源からの前記赤外領域の光を受光可能な位置に設けられ、前記赤外領域の光を検出する第１光検出手段と、
前記混合液を介して前記白熱光源からの前記赤外領域の光を受光可能な位置、かつ、前記第１光検出手段よりも前記白熱光源からの距離が小さくなるように設けられ、前記第１光検出手段とは範囲が異なる領域の光を検出する第２光検出手段と、
前記第１光検出手段と前記第２光検出手段からの信号に基づいて混合比率に関する信号を出力すると共に、前記白熱光源と前記第１光検出手段と前記第２光検出手段を制御する制御手段を備えて、
被検出物を含む前記混合液から、前記混合液に対する前記被検出物の混合比率を検出する混合比検出装置の制御方法であって、
前記白熱光源を点灯するＯＮステップと、
前記白熱光源を消灯するＯＦＦステップと、を有し、
前記ＯＮステップと前記ＯＦＦステップとを所定の間隔にて繰り返し、前記第１光検出手段または前記第２光検出手段から異常な信号が検出された時に、前記ＯＮステップと前記ＯＦＦステップとを所定の間隔にて繰り返さずに、所定の時間前記白熱光源を点灯させ続けることを特徴とする混合比検出装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出物を含む混合液から、混合液に対する被検出物の混合比率を検出する混合比検出装置に関し、具体的には、ダイレクトメタノール燃料電池などに用いられるメタノールと水の混合比率を検出する混合比検出装置、いわゆるメタノール水溶液濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている。
【０００４】
このＤＭＦＣのアノードへ供給するメタノール水溶液の濃度は、高いとＤＭＦＣ内部の固体高分子膜の劣化を促進させ、信頼性が低下してしまうという問題があり、低いとＤＭＦＣから充分な出力を取り出すことができないため、０．５〜４ｍｏｌ／Ｌ望ましくは０．８〜１．５ｍｏｌ／Ｌの濃度に調整した方が良く、この濃度域の幅を小さくすることが、ＤＭＦＣを安定して運転させることにつながることが分かっている。
【０００５】
しかしながら、ＤＭＦＣを有するシステムの場合、ＤＭＦＣを長時間に渡って運転させ、且つ、システムの小型・軽量化を図るため、一般的には、２０ｍｏｌ／Ｌ以上の高濃度メタノールタンクを備え、ＤＭＦＣのアノードへ供給する前に濃度を薄く調整して供給する方式を取っている。そこで、メタノール水溶液の濃度を、システム内部で０．８〜１．５ｍｏｌ／Ｌに調整するために、高精度で小型のメタノール水溶液濃度センサが求められており、光学式（特許文献１参照）、超音波式、或いは、比重による方式など様々な種類のセンサが研究されているが、高精度で小型・軽量、しかも低コスト且つ低消費電力が求められるＤＭＦＣシステム搭載用メタノール水溶液濃度センサは未だ開発されていない。
【特許文献１】特開２００１−１２４６９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような光学式の濃度センサでは、水溶液中に気泡やコンタミなどが存在した場合に、測定精度が低下してしまう虞があった。また、検出装置を常に稼動させていると、測定による消費電力が大きくなってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高精度で小型・軽量、しかも低コスト且つ低消費電力の濃度センサ、特に、ＤＭＦＣ搭載用のメタノール水溶液濃度センサ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】
【０００８】
請求項１の発明の混合比検出装置の制御方法は、少なくとも赤外領域の光を含む光を発生させる白熱光源と、混合液を介して前記白熱光源からの前記赤外領域の光を受光可能な位置に設けられ、前記赤外領域の光を検出する第１光検出手段と、前記混合液を介して前記白熱光源からの前記赤外領域の光を受光可能な位置、かつ、前記第１光検出手段よりも前記白熱光源からの距離が小さくなるように設けられ、前記第１光検出手段とは範囲が異なる領域の光を検出する第２光検出手段と、前記第１光検出手段と前記第２光検出手段からの信号に基づいて混合比率に関する信号を出力すると共に、前記白熱光源と前記第１光検出手段と前記第２光検出手段を制御する制御手段を備えて、被検出物を含む前記混合液から、前記混合液に対する前記被検出物の混合比率を検出する混合比検出装置の制御方法であって、前記白熱光源を点灯するＯＮステップと、前記白熱光源を消灯するＯＦＦステップと、を有し、前記ＯＮステップと前記ＯＦＦステップとを所定の間隔にて繰り返すことを特徴とするものである。
【０００９】
このことにより、タングステン等のフィラメントを用いた白熱光源特有のラッシュ電流の課題が解消され、検出に必要な電力の消費を抑えることが可能となる。
【００１０】
さらに、本発明の混合比検出装置の制御方法は、前記第１光検出手段または前記第２光検出手段から異常な信号が検出された時に、前記ＯＮステップと前記ＯＦＦステップとを所定の間隔にて繰り返さずに、所定の時間前記白熱光源を点灯させ続けることを特徴とするものである。
【００１１】
これにより、光路上に気泡がついた場合にも、白熱光源からの熱により気泡を排除することが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明によれば、高精度で小型・軽量、しかも低コスト且つ低消費電力の濃度センサを提供することが可能となり、また、ダイレクトメタノール燃料電システムを安定して運転させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係るメタノール水溶液濃度センサ（以下、濃度センサと略記する）１００の構成について、図を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態に係る濃度センサ１００の構成を表した模式図であり、濃度センサ１００は、図７のＤＭＦＣシステム２００のアノードにメタノール水溶液が供給される直前の配管２１２に設けられている。メタノール水溶液供給配管２１２は、図７に示すようにユニット化されており、樹脂材料を射出成形することにより製造された複数の板状部材を組み合わせて配管ユニット２１０を構成している。
【００１５】
濃度センサ１００は、光源１０と１個乃至複数の受光素子、メタノール水溶液供給配管２１２を介して光源１０及び受光素子と対向する位置に配置されたミラー１２、受光素子の近傍に配置されたサーミスタ１４、光源１０や受光素子やサーミスタ１４の制御及び信号の授受を行うセンサ制御部１６などからなっており、本実施の形態では、水の吸収波長である１４５０ｎｍ近辺の近赤外領域に受光感度を有する第１受光素子１８と、第１受光素子１８よりも短波長側の可視光領域に受光感度を有する第２受光素子２０の２つの受光素子１８、２０を用いる。２種類の受光素子を用いることにより、メタノール水溶液の濃度を正確に測定することが可能となる。また、汚れやコンタミの存在についても、波長域の異なる信号の組合せから検出が可能となる。
【００１６】
光源１０は、タングステンなどをフィラメントに用いた白熱電球が、可視光領域から赤外領域まで出射し、しかも小型且つ安価なので適している。本実施の形態では、定格１００ｍＡ、５Ｖの白熱電球を用いた。ミラー１２は、可視光領域から近赤外領域の広い範囲に対して、高い反射率で反射するものを選択することが望ましい。また、サーミスタ１４は第１受光素子１８と第２受光素子２０の間に配置し、受光素子１８、２０からの信号に温度補正をかけるのに用いる。したがって、間に配置できない場合には、特に温度（熱線）の影響を受けやすい第１受光素子１８に近いところに配置した方が良い。
【００１７】
センサ制御部１６には図示しないが、光源１０のＯＮ／ＯＦＦの制御、特に光源１０が本実施の形態のように白熱電球に場合には、電流を流した直後にラッシュ電流（フィラメントが低温のときには抵抗が低いため、ｍｓｅｃオーダーの時間ではあるが、通常使用時の１０〜１０００倍程度の電流が流れてしまう現象）が流れないようにする回路も含む光源制御回路、受光素子１８、２０からの信号及びサーミスタ１４からの信号を基にメタノール水溶液濃度を演算する演算回路、演算回路にて導き出されたメタノール水溶液濃度を外部へ送信する通信回路などからなっている。これらの回路は濃度センサ１００の外部に設け、受光素子１８、２０からの信号及びサーミスタ１４からの信号などを外部のセンサ制御部１６にてメタノール水溶液濃度に演算しても良い。
【００１８】
受光素子１８、２０は、上述のように受光感度領域が異なる素子を用いても良いが、図２に示すように、近赤外領域の光を透過するフィルタ２４ａ及び可視光領域の光を透過するフィルタ２４ｂを配置（図２）しても、同様の効果が得られる。近赤外領域の光を受光する方の受光素子１８を、光源１０から離して配置する方が、光源１０からの熱線の影響が小さくなるので望ましい。
【００１９】
濃度センサ１００の周囲は断熱材２６で覆い、光源１０からの熱が外部に放出されること無く、メタノール水溶液供給配管２１２を温めるのに用いられるようにする。更に、光源１０はメタノール水溶液供給配管２１２に近接するように配置すると、効果的に温めることができる。これにより、濃度センサ１００の光路上に気泡が付着し、光を遮って濃度を測定することができなくなってしまった場合でも、光源１０からの熱で温められて気泡が膨張し、割れやすくなる、或いは、水流の抵抗が大きくなって流されやすくなる。
【００２０】
光源１０及び受光素子１８、２０は、樹脂材料から製造されたハウジング２８に嵌め込まれるように取り付けられており、このように取り付けることにより、位置が固定され、衝撃などの外乱の影響を受けにくくなると共に、遮光効果もあるので、光源１０からメタノール水溶液の中を通らずに直接受光素子１８、２０へ到達してしまう光を遮蔽することが可能となる。
【００２１】
次に、濃度センサ１００の制御方法について、各実施例で説明する。
【実施例１】
【００２２】
図３（ａ）に示すように、実施例１では、光源１０を３０ｓｅｃ間隔で、１．５ｓｅｃ点灯させる。本実施の形態のように光源１０として白熱電球を用いる場合には、上述のようにラッシュ電流の影響を受けるため、光源１０からの光が安定するまでの時間を考慮して、受光素子１８、２０は光源１０の点灯後１ｓｅｃ経過した時点の光を測定し電圧に変換する。このとき、予めメタノール水溶液の濃度が所定の高濃度状態、例えば２ｍｏｌ／Ｌのときの透過光に対して受光素子１８、１０が５Ｖを出力するように設定しておく。
【００２３】
通常の運転時であれば、図３（ｂ）に示すように、閾値を例えば上限を１．２ｍｏｌ／Ｌ、下限を０．８ｍｏｌ／Ｌに設定し、下限値を所定時間下回っていることを検出したときには、濃度センサ１０からＤＭＦＣシステム２００の制御部２２０へ濃度が低下している旨の信号が送られ、これを受けて、高濃度メタノールタンク２３０から高濃度のメタノールがバッファタンク２３２へ供給される。そして、上限値を超えたところ、或いは、所定の供給量を供給したところで、高濃度メタノールタンク２３０からの供給を停止する。
【００２４】
図４（ａ）のようにメタノール水溶液中に気泡などが混入し、測定時の光路上にかかった場合には、図３（ｂ）のＸ１のように異常な値が検出される。気泡などが測定時に通過しただけであれば、次の測定時には通常の値に戻るが、図４（ｂ）のようにメタノール水溶液供給配管２１２の光路を妨げる位置に付着した場合には、次の測定時にも通常の値に戻らず、異常な値が検出される。このような場合には、光源１０を１．５ｓｅｃで消灯することなく点灯させた状態にし、光源１０からの熱によって気泡を膨張させる。
【００２５】
このような光源１０のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことによって、光源１０による消費エネルギを低減させることができると共に、気泡などによって測定が妨げられた場合にも、気泡を除去して測定することが可能となる。
〔参考例〕
【００２６】
図５は参考例の濃度センサ３００の構成を示す模式図である。本参考例の濃度センサ３００の設置場所は、実施例と同様でよい。
【００２７】
参考例の濃度センサ３００の光源は、コヒーレントな光を出射する光源（レーザ光を出射する光源）が適しており、メタノール検出用の波長２３１０ｎｍの第１光源３１０と水分検出用の波長１３７８ｎｍの第２光源３１１の２種類の光源を用いる。
【００２８】
各光源３１０、３１１から出射された光を、それぞれ第１偏光ビームスプリッタ３１２および第２偏光ビームスプリッタ３１３にて分割し、分割したそれぞれの光３１４、３１５、３１６、３１７を、同じ光源から分割された光どうし（光３１４と光３１５、あるいは、光３１６と光３１７）少しずつ周波数が異なるように、音響光学素子（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）３１８、３１９、３２０、３２１を用いて、光の周波数を約４０ＭＨｚ（数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度）変化させる。
【００２９】
分割した一方の光３１４、３１６は、測定光３１４、３１６としてメタノール水溶液の流れるメタノール水溶液供給配管２１２に照射し、光路がメタノール水溶液中を通るようにする。また、分割した他方の光３１５、３１７は、参照光３１５、３１７としてメタノール水溶液中を通さず、空気中を通るよう光路を設ける。
【００３０】
測定光３１４、３１６がメタノール水溶液を通過後、第３偏光ビームスプリッタ３２２および第４偏光ビームスプリッタ３２３にて、同じ光源から分割された光どうし（光３１４と光３１５、あるいは、光３１６と光３１７）を合わせて偏光板３２４、３２５を通すと、少しずつ周波数の異なる光が掛算され、光の強さが掛け合わされた光どうしの周波数差で強弱する信号が受光素子３２６、３２７から得られる。いわゆる、光ヘテロダイン干渉計である。
【００３１】
光ヘテロダイン干渉計は、測定光が微弱になってしまう測定系でも参照光により信号を大きくすることができるため、ノイズに強く、高精度・高感度な測定が可能となるという特性を有している。したがって、メタノールや水の吸光特性が顕著な２３１０ｎｍ、１３７８ｎｍの光源を用いても、測定が可能となり、かつ、顕著な吸光特性を示す波長であるので正確な濃度測定が可能となる。更に、メタノール検出用の参照波長として１６６９ｎｍの第３光源を用いると、より正確なメタノール水溶液濃度検出が可能となる。
〔その他の事項〕
上記実施の形態では、濃度センサ１００はＤＭＦＣのアノードにメタノール水溶液が供給される直前の配管に取り付ける場合について説明したが、取り付け場所は、メタノール水溶液が供給される直前の配管に限定されるものではなく、バッファタンク２３２、ＤＭＦＣ本体２４０のマニホールドの部分、メタノール水溶液の排出側の配管などでも良い。また、配管の寸法は、濃度センサ１００において光路長が５ｍｍを超えないように設定することが望ましく、必要な流量を確保するために配管の内側寸法が２．５ｍｍ以上（光路長で５ｍｍ以上）となってしまうような場合には、厚み寸法が小さい流路を設けてその部分に配置することが望ましい。
【００３２】
そのほか、図６に示すように、光源１０から第１受光素子１８までと光源１０から第２受光素子２０までの光路長差Ｌと、メタノール水溶液供給配管２１２中を流れるメタノール水溶液の流速Ｖとの関係から、メタノール水溶液中の同じ部分を測定した光は、第１受光素子１８の方が遅れて受光素子に入射すると考えられる。そこで、第１受光素子１８にて光を測定するタイミングを、第２受光素子２０よりも遅らせる補正を加えると、更に正確に測定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の実施の形態では、ＤＭＦＣに特化して説明したが、メタノール水溶液などアルコール類の濃度を高精度に測定できる本発明は、アルコール含有飲料の製造過程や検査にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の一形態に係る濃度センサの構成を示す模式図である。
【図２】本実施の別の形態に係る濃度センサの構成を示す模式図である。
【図３】実施例１に係る光源のＯＮ／ＯＦＦ制御と測定結果を示すグラフである。
【図４】メタノール水溶液中に気泡が混入した場合の模式図である。
【図５】参考例に係る濃度センサの構成を示す模式図である。
【図６】光路とメタノール水溶液の流速の関係を示す模式図である。
【図７】本実施の形態に係るＤＭＦＣシステムの構成を表した模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０    光源
１２    ミラー
１４    サーミスタ
１６    センサ制御部
１８    第１受光素子
２０    第２受光素子
２２    回折格子
２４    フィルタ
２６    断熱材
２８    ハウジング
１００  メタノール水溶液濃度センサ
２００  ダイレクトメタノール燃料電池システム
２１０  配管ユニット
２１２  メタノール水溶液供給配管
２２０  ＤＭＦＣシステム制御部
２３０  高濃度メタノールタンク
２３２  バッファタンク
２４０  ＤＭＦＣ本体
【図１】
0004128160.tif 000002
【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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