(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコール水溶液に接し、アルコール水溶液を透過する光を散乱させる光散乱手段と、この光散乱手段に光を照射する光照射手段と、前記光散乱手段を透過又は反射した光の強度を検出する光強度検出手段を備え、前記光散乱手段は、透光性を有する多孔質体のガラス粉末焼結体であって、前記光照射手段から前記光散乱手段に照射された光が前記光散乱手段とアルコール水溶液の界面で屈折と反射を多重に繰り返して進み、その一部が前記光強度検出手段に到達するように構成されたことを特徴とするアルコール濃度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール濃度センサに関し、特にダイレクト型燃料電池用のアルコール濃度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電子機器への搭載を目指して、ダイレクト型燃料電池の開発が進められている。ダイレクト型アルコール燃料電池では、燃料であるアルコールが電解質膜を透過して空気極側に漏れる現象であるクロスオーバーを防ぐため、アルコール濃度が１０〜２０％程度になるように常に制御する必要がある。つまり、発電に伴いアルコール濃度が低下した場合には、それを検知して、貯蔵タンクのバルブを開けて濃度の高いアルコールを添加する必要がある。このため、ダイレクト型アルコール燃料電池を携帯電子機器への搭載するに際して、燃料水溶液中のアルコールの濃度測定は必須であり、そのためのセンサ素子の小型化、低価格化が求められている。
【０００３】
従来の溶液中のアルコール濃度の測定法としては、屈折率を利用する方法、水晶振動子を利用する方法（例えば、特許文献１を参照）、超音波の伝達速度を利用する方法（例えば、特許文献２を参照）、赤外線吸収の違いを利用する方法（例えば、特許文献３〜５を参照）などが知られている。
【特許文献１】特開平６−１８３９４号公報
【特許文献２】特開平１１−２３５４１号公報
【特許文献３】特開２００６−２９２４７４号公報
【特許文献４】特開平５−２２３７３３号公報
【特許文献５】特開平１−１１２１３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
屈折率を利用する方法は、被検溶液を少量採取して屈折率計でアルコール濃度を測定する方法であり、最も精度が高い方法であるが、連続測定は困難である。
【０００５】
水晶振動子を利用する方法（例えば、特許文献１を参照）は、被検液に浸漬した水晶振動子の共振周波数が、水晶振動子を取り巻く被検液の密度や粘度の違いに応じて変化することを利用した方法である。この方法では、水晶振動子部分の加工に専門技術を要し、容易に作成することが困難であり、計測部も高精度で高価なものが必要であるという欠点があった。
【０００６】
超音波の伝達速度を利用する方法（例えば、特許文献２を参照）は、液体中の超音波の伝達速度が液体の組成により異なることを利用した方法である。この方法では、超音波の発振・受信素子及び計測回路が特殊であり、高価であるという欠点があった。
【０００７】
赤外線吸収の違いを利用する方法（例えば、特許文献３〜５を参照）は、水とメタノールの赤外線の吸収の違いを利用した方法である。この方法では、メタノールの赤外線吸収は波長が数マイクロメートルの領域にあるため、その波長域での光学素子が高価なものとなり、計測のための電子回路も高精度を要するという欠点があった。
【０００８】
そこで、本発明は、携帯電子機器搭載用のダイレクト型燃料電池に用いることができる、小型かつ低価格のアルコール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】
【０００９】
本発明のアルコール濃度センサは、アルコール水溶液に接し、アルコール水溶液を透過する光を散乱させる光散乱手段と、この光散乱手段に光を照射する光照射手段と、前記光散乱手段を透過又は反射した光の強度を検出する光強度検出手段を備え、前記光散乱手段は、透光性を有する多孔質体のガラス粉末焼結体であって、前記光照射手段から前記光散乱手段に照射された光が前記光散乱手段とアルコール水溶液の界面で屈折と反射を多重に繰り返して進み、その一部が前記光強度検出手段に到達するように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアルコール濃度センサによれば、アルコール濃度によってアルコール水溶液の屈折率が僅かに異なることを利用するものであり、アルコール水溶液に接する光散乱手段に光を照射して、光散乱手段を透過又は反射した光の強度を検出する。アルコール水溶液の屈折率が僅かな差であっても、透過又は反射した光の強度は大きな差として現れるため、極めて簡単な構成にもかかわらず、透過又は反射した光の強度に基づいて正確にアルコール濃度を算出することができる。
【００１１】
したがって、携帯電子機器搭載用のダイレクト型燃料電池に用いることができる、小型かつ低価格のアルコール濃度センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のアルコール濃度センサの実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１に本実施例におけるアルコール濃度センサの構成を示す。１は測定対象となるアルコール水溶液が流れる流路であり、この流路１の内部には、光散乱手段としての散乱体２が配置されている。また、流路１の外部には、散乱体２の両側を挟むようにして、散乱体２に光を照射する光照射手段３と、散乱体２を透過した光の強度を検出する光強度検出手段４が配置されている。また、流路１にアルコール溶液を供給するために、図示しないポンプが流路１に接続して設けられている。
【００１４】
流路１は、例えば、透明なガラス管から構成されている。この流路１をガラス管から構成する場合は、光強度検出手段４における検出精度を高くするために、光照射手段３と光強度検出手段４が面した部分が平坦なガラス管、すなわち、向かい合う二面が平行なガラス板からなるガラス管を用いるのが好ましい。なお、これらの二面が平坦でないガラス管を用いてもよいが、その場合は、曲面の影響を受けて、光照射手段３から入射する光の強度と、光強度検出手段４において検出される光の強度が低下して、光強度検出手段４における検出精度が低下する。
【００１５】
散乱体２は、透光性を有する多孔質体として、透明なガラス粉末焼結体から構成されている。この散乱体２をガラス粉末焼結体から構成する場合は、例えば、粒子径は１０〜１００μｍのガラス粒子を孔が潰れない程度に焼き固めたものを用いることができ、この粒子径は、必要に応じて、適宜変更することができる。市販のガラス粉末焼結体を用いる場合は、例えば、ガラスフィルターに用いられるものを加工して使用することができる。
【００１６】
光照射手段３と光強度検出手段４は、それぞれ発光ダイオードやフォトトランジスタなどを用いて別々に構成してもよいが、例えば、透過型のフォトインタラプタにより一体に構成することができる。フォトインタラプタを用いることによって、アルコール濃度センサの小型化が容易となる。なお、フォトインタラプタは、光照射手段３に相当する発光部と、光強度検出手段４に相当する受光部から構成され、物体の有無や位置を判定するために用いられる電子部品であって、発光部と受光部が対向し、発光部からの光を受光部で検出するように構成されている。発光部の発光素子としては、外乱光対策として、赤外発光型の発光ダイオードが好ましく用いられる。受光部の受光素子としては、フォトトランジスタやフォトＩＣが用いられる。このフォトインタラプタの発光部と受光部の間に流路１の散乱体２が設けられた部分を配置することによって、本実施例のアルコール濃度センサを構成することができる。
【００１７】
図２に本実施例におけるアルコール濃度センサの電気回路例を示す。光照射手段３の発光ダイオード５には、定電流電源６が接続しており、一定の強度の光が照射されるようになっている。また、光強度検出手段４のフォトトランジスタ７には、抵抗器８と定電圧電源９が直列に接続している。抵抗器８の両端の出力電圧Ｖｏｕｔは、フォトトランジスタ７の電流の変化、すなわちフォトトランジスタ７により検出された光の強度に応じて変化するため、出力電圧Ｖｏｕｔを検出することにより散乱体２を透過した光の強度を測定することができる。
【００１８】
つぎに、本実施例のアルコール濃度センサの動作について説明する。
【００１９】
図示しないポンプによって、流路１に測定対象としてのアルコール水溶液を供給すると、流路１に配置された散乱体２の内部をアルコール水溶液が流れる。光照射手段３から散乱体２に照射された光は、散乱体２とアルコール水溶液の界面で屈折と反射を多重に繰り返して進み、その一部は散乱体２を透過して反対側の光強度検出手段４に到達する。アルコール水溶液と散乱体２の屈折率の違いが大きいほど、散乱体２とアルコール水溶液の界面で屈折、反射して散乱する光の量が大きくなるため、光強度検出手段４に到達する光の強度は減少する。つまり、アルコール水溶液の屈折率の変化に対応して、光強度検出手段４に到達する光の強度が変化する。したがって、アルコール濃度によってアルコール水溶液の屈折率が異なることに基づいて、光強度検出手段４に到達する光の強度を測定することによって、アルコール水溶液のアルコール濃度を求めることができる。
【００２０】
表１に水、メタノール、エタノール、ダイレクト型燃料電池の発電時の副生成物であるギ酸、アセトアルデヒド、及び散乱体２の材料として用いることのできる代表的な透明材料の屈折率を示した。
【００２１】
【表１】
0005092161.tif 000002
【００２２】
つぎに、実際の測定例について説明する。
【００２３】
アルコール水溶液としてメタノール水溶液を用い、メタノール濃度を０％から１００％まで１０質量％ごとに段階的に変化させて出力電圧Ｖｏｕｔの応答特性を測定した。その結果を図３に示す。メタノール濃度の変化に応じて出力電圧が速やかに応答することが確認された。
【００２４】
この結果を基に、メタノール濃度と出力電圧の関係を図４にまとめた。また、屈折率計で測定したメタノール濃度と屈折率の関係を図６に示す。図４に示す出力電圧の曲線と図６に示す屈折率の曲線がよく似た形状を示し、メタノール水溶液の屈折率の変化に応じて出力電圧が変化することが確認された。また、メタノール濃度が１０質量％から２０質量％に変化したときに、出力電圧は９１ｍＶの変化を示した。したがって、０．１質量％程度のメタノールの濃度変化を十分検出できることが確認された。
【００２５】
なお、比較例として、散乱体２を設けずに同様に測定したところ、出力電圧の変化は３５ｍＶであり、本実施例の場合よりも小さい値であった。
【００２６】
また、本実施例のアルコール濃度センサをダイレクト型燃料電池に用いる場合は、発電時の副生成物による影響が問題となる。そこで、ダイレクト型燃料電池の発電時の副生成物として考えられるギ酸の影響を検討した。
【００２７】
２０質量％のメタノール溶液において、ギ酸濃度を０．１質量％（１０００ｐｐｍ）、１質量％（１００００ｐｐｍ）と段階的に変化させて出力電圧へのギ酸濃度依存性を測定した。その結果を図５に示す。ギ酸濃度が０．１質量％のときまでは、出力電圧の変化はほとんど見られず、ギ酸の影響はほとんどなく、ダイレクト型燃料電池のアルコールセンサとして、問題なく使用できることを確認した。なお、ギ酸濃度を１質量％としたときは出力電圧の上昇が見られたが、実際のダイレクト型燃料電池ではこのような高濃度のギ酸の生成は考えられないので、実用上は問題にはならない。
【００２８】
以上のように、本実施例のアルコール濃度センサは、アルコール水溶液に接し、アルコール水溶液を透過する光を散乱させる散乱体２と、この散乱体２に光を照射する光照射手段３と、前記散乱体２を透過した光の強度を検出する光強度検出手段４を備えている。本実施例のアルコール濃度センサによれば、アルコール濃度によってアルコール水溶液の屈折率が僅かに異なることを利用するものであり、アルコール水溶液に接する散乱体２に光を照射して、散乱体２を透過した光の強度を検出する。アルコール水溶液の屈折率が僅かな差であっても、透過した光の強度は大きな差として現れるため、極めて簡単な構成にもかかわらず、透過した光の強度に基づいて正確にアルコール濃度を算出することができる。したがって、携帯電子機器搭載用のダイレクト型燃料電池に用いることができる、小型かつ低価格のアルコール濃度センサを提供することができる。
【００２９】
また、前記散乱体２は、透光性を有する多孔質体であるので、光照射手段３から照射された光が散乱体２を透過するまでに、アルコール水溶液と散乱体２の界面で屈折、反射する回数を極めて多くすることができ、その結果、正確にアルコール濃度を算出することができる。
【００３０】
また、前記散乱体２は、ガラス粉末焼結体であるので、散乱体２を形成する材料の入手が容易であり、散乱体２の製造も容易であるので、低価格でアルコール濃度センサを提供することができる。
【００３１】
また、本実施例のアルコール濃度センサをダイレクト型燃料電池の燃料供給流路に取り付けることにより、常時、供給される燃料中のアルコール濃度をモニターしながら、アルコール濃度を一定に保つことが可能となる。つまり、発電の進行によりアルコールが消費されて濃度が低下したときには、それを検出して濃度の高いアルコールの入った貯蔵タンクのバルブを開け、目的濃度に達したらバルブを閉じるように構成することにより、アルコール濃度を一定の範囲内に保つことができる。
【００３２】
なお、本実施例のアルコール濃度センサは、ダイレクト型燃料電池のほか、アルコールを燃料とする燃料電池や内燃機関全般にも用いることができる。
【実施例２】
【００３３】
図７に本実施例におけるアルコール濃度センサの構成を示す。なお、実施例１と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
本実施例では、光照射手段３と光強度検出手段４の配置が実施例１と異なる。流路１の外部には、散乱体２の片側に、散乱体２に光を照射する光照射手段３と、散乱体２を反射した光の強度を検出する光強度検出手段４が配置されている。
【００３５】
流路１をガラス管から構成する場合は、光強度検出手段４における検出精度を高くするために、光照射手段３と光強度検出手段４が面した部分が平坦なガラス管を用いるのが好ましい。なお、この部分が平坦でないガラス管を用いてもよいが、その場合は、曲面の影響を受けて、光照射手段３から入射する光の強度と、光強度検出手段４において検出される光の強度が低下して、光強度検出手段４における検出精度が低下する。
【００３６】
光照射手段３と光強度検出手段４は、それぞれ発光ダイオードやフォトトランジスタなどを用いて別々に構成してもよいが、例えば、反射型のフォトインタラプタ、すなわちフォトリフレクタにより一体に構成することができる。フォトリフレクタを用いることによって、アルコール濃度センサの小型化が容易となる。なお、フォトリフレクタは、光照射手段３に相当する発光部と、光強度検出手段４に相当する受光部から構成され、物体の有無や位置を判定するために用いられる電子部品であって、発光部と受光部が隣接して同じ向きに配置され、発光部からの光を物体に当てて、反射してきた光を受光部で検出するように構成されている。
【００３７】
本実施例における電気回路は、実施例１と同様に構成することができる。そして、本実施例においては、出力電圧Ｖｏｕｔを検出することにより散乱体２を反射した光の強度を測定することができる。
【００３８】
つぎに、本実施例のアルコール濃度センサの動作について説明する。
【００３９】
光照射手段３から散乱体２に照射された光は、散乱体２とアルコール水溶液の界面で屈折と反射を多重に繰り返して進み、その一部は散乱体２を反射して光強度検出手段４に到達する。アルコール水溶液と散乱体２の屈折率の違いが大きいほど、散乱体２とアルコール水溶液の界面で屈折、反射して散乱する光の量が大きくなるため、光強度検出手段４に到達する光の強度は増大する。したがって、アルコール濃度によってアルコール水溶液の屈折率が異なることに基づいて、光強度検出手段４に到達する光の強度を測定することによって、アルコール水溶液のアルコール濃度を求めることができる。
【００４０】
つぎに、実際の測定例について説明する。
【００４１】
アルコール水溶液としてメタノール水溶液を用い、メタノール濃度を０％から１００％まで１０質量％ごとに段階的に変化させて出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、メタノール濃度と出力電圧の関係を図８にまとめた。メタノール水溶液の屈折率の変化に応じて出力電圧が変化することが確認された。なお、本実施例のアルコール濃度センサは、実施例１と比較すると出力電圧が小さいものの、光照射手段３と光強度検出手段４を流路１の片側に一体に形成できるため小型化が容易であるという利点を有する。
【００４２】
以上のように、本実施例のアルコール濃度センサは、アルコール水溶液に接し、アルコール水溶液を透過する光を散乱させる散乱体２と、この散乱体２に光を照射する光照射手段３と、前記散乱体２を反射した光の強度を検出する光強度検出手段４を備えている。本実施例のアルコール濃度センサによれば、アルコール濃度によってアルコール水溶液の屈折率が僅かに異なることを利用するものであり、アルコール水溶液に接する散乱体２に光を照射して、散乱体２を反射した光の強度を検出する。アルコール水溶液の屈折率が僅かな差であっても、反射した光の強度は大きな差として現れるため、極めて簡単な構成にもかかわらず、反射した光の強度に基づいて正確にアルコール濃度を算出することができる。
【００４３】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【００４４】
例えば、散乱体２の材質としては、ガラスのほかにも、透光性のある各種プラスチックを用いることができる。また、その形態も粉末焼結体だけではなく、チップ状や板状、棒状の材料も用いることができる。板状の場合は、光路に対する板の角度を調整することにより、光の屈折、反射を調整することができる。さらに、流路１の内面を粗面、例えば、すりガラス状にすることにより、散乱体２の代用とすることができる。
【００４５】
また、光照射手段３の発光素子としては、赤外発光型の発光ダイオードのほかにも、赤や青色などの可視発光型の発光ダイオードやレーザーダイオードを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１におけるアルコール濃度センサの構成を示す模式図である。
【図２】同上、電気回路例を示す回路図である。
【図３】同上、出力電圧の応答特性を示すグラフである。
【図４】同上、メタノール濃度と出力電圧の関係を示すグラフである。
【図５】同上、出力電圧へのギ酸濃度依存性を示すグラフである。
【図６】メタノール濃度と屈折率の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例２におけるアルコール濃度センサの構成を示す模式図である。
【図８】同上、メタノール濃度と出力電圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
２  散乱体（光散乱手段）
３  光照射手段
４  光強度検出手段
【図１】
0005092161.tif 000003
【図２】
0005092161.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005092161.tif 000007
【図６】
0005092161.tif 000008
【図７】
0005092161.tif 000009
【図８】
0005092161.tif 000010