(57)【要約】【課題】燃料電池システムにＱＣＭ濃度センサを装着するのに使用可能なセンサ設置のためのバイパスチャネル構造及びこれを備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素を含有する燃料と酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、及び該燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給部を備える燃料電池と、内蔵されたＱＣＭ濃度センサで燃料電池内に存在する溶液の濃度を測定するためのＱＣＭ濃度センシング部と、該ＱＣＭ濃度センシング部のセンシング結果に応じて、燃料電池の駆動を制御するための駆動制御部と、を含む。【選択図】図２ａ
2009110923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センシングしようとする溶液が流動する主伝達経路と、
該主伝達経路を流れる流体中の一部が分流し、内部にセンサが装着されるバイパスチャネルと、
を含むことを特徴とする、燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項２】
前記センサは、前記バイパスチャネルの中間領域に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項３】
前記バイパスチャネルは、
前記主伝達経路の一部に結合し、前記溶液が流入する流入口と、
前記主伝達経路の他部に結合し、前記流入口に流入した前記溶液が前記主伝達経路に流出する流出口と、
前記バイパスチャネルと前記主伝達経路との間に位置する仕切壁と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項４】
前記バイパスチャネルの中間領域の断面積は、前記流入口及び前記流出口より広いことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項５】
前記センサは、ＱＣＭセンサであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項６】
前記バイパスチャネルは、前記溶液の流れ方向に対する垂直方向の断面が狭い長方形状または狭い楕円形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項７】
前記バイパスチャネルの一部領域と連通し、当該一部領域よりも幅が広くなった空間の形態を有するセンサ配置チャネルをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム用の流体センシング導管。
【請求項８】
水素を含有する燃料と酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、及び該燃料電池スタックに前記燃料を供給する燃料供給部を備える燃料電池と、
内蔵されたＱＣＭ濃度センサで前記燃料電池内に存在する溶液の濃度を測定するためのＱＣＭ濃度センシング部と、
該ＱＣＭ濃度センシング部のセンシング結果に応じて、前記燃料電池の動作を制御するための駆動制御部と、
を含むことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項９】
前記ＱＣＭ濃度センシング部は、
センシングしようとする溶液が流動する主伝達経路と、
該主伝達経路を流れる流体中の一部が分流し、内部に前記ＱＣＭ濃度センサが装着されるバイパスチャネルと、
を含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記センサは、前記バイパスチャネルの中間領域に設置されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記バイパスチャネルは、
前記主伝達経路の一部に結合し、前記溶液が流入する流入口と、
前記主伝達経路の他部に結合し、前記流入口に流入した前記溶液が前記主伝達経路に流出する流出口と、
前記バイパスチャネルと前記主伝達経路との間に位置する仕切壁と、
を含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記バイパスチャネルの中間領域は、前記流入口及び流出口より広いことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記ＱＣＭ濃度センシング部は、前記ＱＣＭセンサが内部に設置された流体センシング導管を含むことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記バイパスチャネルは、前記溶液の流れ方向に対する垂直方向の断面が狭い長方形状または狭い楕円形状を有することを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記バイパスチャネルの一部領域と連通し、当該一部領域よりも幅が広くなった空間の形態を有するセンサ配置チャネルをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料供給部は、
高濃度メタノールを貯蔵する燃料タンクと、
前記燃料電池スタックから出る未反応燃料及び水と前記高濃度メタノールとを混合し、該混合された燃料溶液を前記燃料電池スタックに供給する混合タンクと、
を含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記主伝達経路は、混合タンクと燃料電池スタックのアノードとの間に設置された導管の一部を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料供給部は、
前記燃料タンクから前記混合タンクに伝達される前記高濃度メタノールの流動を制御する第１流量制御器と、
前記混合タンクから前記燃料電池スタックのアノードに伝達される前記混合された燃料溶液の流動を制御する第２流量制御器と、
前記燃料電池スタックから前記混合タンクに伝達される流体の流動を制御する第３流量制御器と、
をさらに含み、
前記駆動制御部は、前記ＱＣＭ濃度センシング部のセンシング結果に応じて、前記第１流量御部器〜第３流量制御器の少なくとも１つを制御することを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記第３流量制御器は、前記燃料電池スタックから前記混合タンクに伝達される前記流体を凝縮する凝縮器を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記燃料電池スタックのカソードに空気を供給するための空気ポンプをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＱＣＭ濃度センサを備えた燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムにＱＣＭ濃度センサを装着するのに使用可能なセンサ設置のためのバイパスチャネル構造及びこれを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスなどの炭化水素系の物質内に含有されている水素と酸素との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる発電システムである。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、アルカリ燃料電池などに分類される。これら各々の燃料電池は、基本的に同じ原理によって作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。
【０００４】
これらのうち、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて出力特性がはるかに高く、作動温度が低く、さらに、早い始動及び応答特性を有する。したがって、高分子電解質型燃料電池は、携帯用電子機器用のような移動用電源や、自動車用動力源のような輸送用電源はもちろん、住宅、公共ビルの静止型発電所のような分散用電源など、その応用範囲が広いというメリットがある。
【０００５】
また、燃料電池には、液状の燃料をスタックに直接供給できる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）がある。直接メタノール型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは異なり、燃料改質器を用いないことから、小型化にさらに有利である。
【０００６】
直接メタノール型燃料電池は、基本的に、スタック、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは、通常、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とセパレータとからなる単位燃料電池が数個から数十個積層された構造を有する。ここで、膜電極接合は、高分子電解質膜を挟んで電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極とが配置された構造を有する。
【０００７】
一方、直接メタノール型燃料電池においては、アノード電極及びカソード電極に供給される燃料のモル濃度により、その運転効率に大きな差がある。例えば、アノード電極に供給される燃料のモル濃度が高ければ、現在使用可能な高分子電解質膜の限界により、アノード側からカソード側に移る燃料の量が増加する。これにより、カソード電極側で酸化反応する燃料によって逆起電力が発生し、出力が減少する。このように、直接メタノール型燃料電池は、その構成及び特性により、所定の燃料濃度で最適の運転効率を有する。したがって、直接メタノール型燃料電池システムでは、安定かつ効率的な運転のため、燃料のモル濃度を適切に調節する方法が求められている。
【０００８】
また、直接メタノール型燃料電池は、スタックや燃料タンク、リサイクルタンクといった設備に貯蔵された溶液、または設備間の配管内に流動する溶液の濃度を測定する手段を備えることができる。この場合、燃料の濃度を測定することにより、燃料電池システムの駆動状態を推定することができ、推定結果に応じて燃料電池システムをなす各構成要素を制御することにより、燃料電池システムの駆動効率を高めることができる。
【０００９】
また、高分子電解質型燃料電池においても、カソード側の排出物質の凝縮液のような溶液状の物質が存在し得、目的によっては、溶液に対する濃度センシングが必要となる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−０９５３７６号公報
【特許文献２】大韓民国特許公開第２００６−００８９７４８号明細書
【特許文献３】大韓民国特許公開第２００６−０１１１０２３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述のように、燃料電池において、溶液の濃度測定は、その性能の向上において非常に重要な役割を果たしている。しかし、溶液の濃度測定のための測定装置を小型燃料電池システムに利用するため、濃度測定装置は、その大きさがより小さいこと、正確な濃度センシングを保障すること、迅速な濃度センシングを保障すること、費用が割安であること、といった多くの要求事項を最適に満足しなければならない。
【００１２】
要求事項を満足させるため、高分子吸着型濃度センサ、超音波発生器及び検出器からなる超音波型濃度センサ、溶液による電極間の抵抗を測定する抵抗測定型濃度センサなど、公知の濃度センサを燃料電池に適用させたものが多数個提案されている。しかし、現在までに燃料電池に適用された従来の濃度センサは、いずれも前述した要求事項の全てを十分に満足することができなかった。
【００１３】
さらに、小型濃度センサは、測定しようとする液体の流速に敏感に反応する。したがって、燃料電池システムにおいて、濃度測定が最も必要な燃料供給管などへの小型濃度センサの設置は、非常に困難である。
【００１４】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、割安な価格で正確な燃料溶液の濃度を測定することが可能な、新規かつ改良された燃料電池システム用の流体センシング導管及び燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、センシングしようとする溶液が流動する主伝達経路と、該主伝達経路を流れる流体中の一部が分流し、内部にセンサが装着されるバイパスチャネルと、を含むことを特徴とする、燃料電池システム用の流体センシング導管が提供される。
【００１６】
また、上記センサは、上記バイパスチャネルの中間領域に設置されてもよい。
【００１７】
また、上記バイパスチャネルは、上記主伝達経路の一部に結合し、上記溶液が流入する流入口と、上記主伝達経路の他部に結合し、上記流入口に流入した上記溶液が上記主伝達経路に流出する流出口と、上記バイパスチャネルと上記主伝達経路との間に位置する仕切壁と、を含んでもよい。
【００１８】
また、上記バイパスチャネルの中間領域の断面積は、上記流入口及び上記流出口より広くしてもよい。
【００１９】
また、上記センサは、ＱＣＭセンサであってもよい。
【００２０】
また、上記バイパスチャネルは、上記溶液の流れ方向に対する垂直方向の断面が狭い長方形状または狭い楕円形状を有してもよい。
【００２１】
また、上記バイパスチャネルの一部領域と連通し、当該一部領域よりも幅が広くなった空間の形態を有するセンサ配置チャネルをさらに含んでもよい。
【００２２】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、水素を含有する燃料と酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック、及び該燃料電池スタックに上記燃料を供給する燃料供給部を備える燃料電池と、内蔵されたＱＣＭ濃度センサで上記燃料電池内に存在する溶液の濃度を測定するためのＱＣＭ濃度センシング部と、該ＱＣＭ濃度センシング部のセンシング結果に応じて、上記燃料電池の動作を制御するための駆動制御部と、を含むことを特徴とする、燃料電池システムが提供される。
【００２３】
また、上記ＱＣＭ濃度センシング部は、センシングしようとする溶液が流動する主伝達経路と、該主伝達経路を流れる流体中の一部が分流し、内部に上記ＱＣＭ濃度センサが装着されるバイパスチャネルと、を含んでもよい。
【００２４】
また、上記センサは、上記バイパスチャネルの中間領域に設置されてもよい。
【００２５】
また、上記バイパスチャネルは、上記主伝達経路の一部に結合し、上記溶液が流入する流入口と、上記主伝達経路の他部に結合し、上記流入口に流入した上記溶液が上記主伝達経路に流出する流出口と、上記バイパスチャネルと上記主伝達経路との間に位置する仕切壁と、を含んでもよい。
【００２６】
また、上記バイパスチャネルの中間領域は、上記流入口及び流出口より広くてもよい。
【００２７】
また、上記ＱＣＭ濃度センシング部は、上記ＱＣＭセンサが内部に設置された流体センシング導管を含んでもよい。
【００２８】
また、上記バイパスチャネルは、上記溶液の流れ方向に対する垂直方向の断面が狭い長方形状または狭い楕円形状を有してもよい。
【００２９】
また、上記バイパスチャネルの一部領域と連通し、当該一部領域よりも幅が広くなった空間の形態を有するセンサ配置チャネルをさらに含んでもよい。
【００３０】
また、上記燃料供給部は、高濃度メタノールを貯蔵する燃料タンクと、上記燃料電池スタックから出る未反応燃料及び水と上記高濃度メタノールとを混合し、該混合された燃料溶液を上記燃料電池スタックに供給する混合タンクと、を含んでもよい。
【００３１】
また、上記主伝達経路は、混合タンクと燃料電池スタックのアノードとの間に設置された導管の一部を含んでもよい。
【００３２】
また、上記燃料供給部は、上記燃料タンクから上記混合タンクに伝達される上記高濃度メタノールの流動を制御する第１流量制御器と、上記混合タンクから上記燃料電池スタックのアノードに伝達される上記混合された燃料溶液の流動を制御する第２流量制御器と、上記燃料電池スタックから上記混合タンクに伝達される流体の流動を制御する第３流量制御器と、をさらに含み、上記駆動制御部は、上記ＱＣＭ濃度センシング部のセンシング結果に応じて、上記第１流量御部器〜第３流量制御器の少なくとも１つを制御してもよい。
【００３３】
また、上記第３流量制御器は、上記燃料電池スタックから上記混合タンクに伝達される上記流体を凝縮する凝縮器を含んでもよい。
【００３４】
また、上記燃料電池スタックのカソードに空気を供給するための空気ポンプをさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように本発明によれば、割安な価格で正確な燃料溶液の濃度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３７】
なお、例えば、以下の説明では、本発明の思想を直接メタノール型燃料電池システムに適用した場合に具体化して説明しているが、溶液の濃度を測定する燃料電池システムであれば、酢酸燃料電池システム、エタノール燃料電池システム、または水素吸蔵合金溶液（例えば、ＮａＢＨ４溶液）燃料電池システムなどにも適用可能であることはいうまでもない。
【００３８】
また、本発明の説明では、燃料電池スタックという用語を使用したが、これは用語使用の便宜のためであって、本発明の説明に使われている燃料電池スタックとは、積層型単位電池からなるスタック、平板型単位電池からなるスタック、及び単一の単位電池のみを含む単位スタックを全て含む概念である。
【００３９】
（一実施形態）
図１に示す燃料電池システムは、高濃度メタノールが貯蔵された燃料タンク１４２と、メタノールと酸素との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック１１０と、該燃料電池スタック１１０の反応副生成物と高濃度メタノールとを混合し、燃料電池スタック１１０のアノードに供給する混合タンク１４５と、該混合タンク１４５から燃料電池スタック１１０に供給されるメタノール溶液の濃度を測定するためのＱＣＭ濃度センシング部２００と、該ＱＣＭ濃度センシング部２００のセンシング結果に応じて、燃料電池システムの駆動を制御するための駆動制御部１６０とからなる。
【００４０】
ここで、ＱＣＭ濃度センシング部２００は、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）を用いた溶液の濃度センサを備える。ＱＣＭ濃度センサは、１対の電極間に一定厚さの水晶結晶板が位置する構造を備える。ＱＣＭを溶液の濃度センシングに利用するためには、一方の電極の少なくとも一部分を、濃度を測定しようとする溶液に漬し、この電極に加えられる微妙な力によって捻れる機械的共振点を測定する。そして、ＱＣＭ濃度センサが出力する周波数を測定すると、電極にどれだけの力が加えられるかが分かり、この力に相応して溶液の密度値を得る。その後、得られた密度値を濃度値に換算すると、溶液の濃度を算出することができる。
【００４１】
このようなＱＣＭ濃度センサは、気体や液体の濃度測定分野に適用されており、特に、燃料電池システムのメタノール濃度の測定に特に有用である。それは、メタノールの濃度変化に対してセンサの感度がほぼ一定に比例して変化するためである。
【００４２】
本実施形態において、ＱＣＭ濃度センシング部２００は、燃料電池スタック１１０のアノードに最も近い位置である混合タンク１４５と燃料電池スタック１１０のアノードとの間に位置する導管１２６上に設置される。それは、燃料電池スタック１１０に供給されるメタノール水溶液の濃度を正確に測定するためである。
【００４３】
一方、燃料電池スタック１１０への燃料供給は、間欠的に行われることが一般的である。つまり、混合タンク１４５と燃料電池スタック１１０のアノードとの間に位置する導管１２０内を流れるメタノール水溶液の流速は一定でなく、常に変動する状態で存在する。
【００４４】
一方、ＱＣＭ濃度センサは、液体の密度変化から濃度を推定する。そのため、流速の変化といった物理的環境の変化は、ＱＣＭ濃度センシングに誤差及び／または偏差を加重させる。
【００４５】
本実施形態のＱＣＭ濃度センシング部２００は、混合タンク１４５と燃料電池スタック１１０のアノードとの間に位置する導管１２６の一部をなす流体センシング導管で実現されることが好ましい。流体センシング導管は、流速の不安定さによるＱＣＭ濃度センシングに誤差及び／または偏差を防止するための構造を有する。
【００４６】
本実施形態では、燃料電池システムの内部に装着されるセンサの安定した駆動のため、バイパスチャネルを用いる。当該バイパスチャネルは、流体の流速及び流量の急激な変化に対して緩衝の役割を果たす。
【００４７】
図２ａ〜図２ｄは、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用の流体センシング導管を説明するための図である。図２ａ〜２ｄに示すように、本実施形態の流体センシング導管２０１は、センシングしようとする溶液が流動する主伝達経路２０と、該主伝達経路２０と平行に、溶液が流動する方向の軸を含む平面形状に形成され、内部にＱＣＭセンサが装着されるバイパスチャネル３０とからなる。
【００４８】
主伝達経路２０は、混合タンク１４５と燃料電池スタック１１０のアノードとの間に位置する導管の一部になり得る。本実施形態の流体センシング導管２０１が独立した形態で製作される場合、混合タンクと燃料電池スタックのアノードとの間を流体センシング導管のみで連結するか、図２ｂに示すように、混合タンク１４５と連結された燃料供給用導管と燃料電池スタック１１０の燃料供給口との間に流体センシング導管を配置させる構造で実現することができる。
【００４９】
バイパスチャネル３０は、主伝達経路２０内の液体の流速の影響を最小化したまま、チャネルの内部に流れる液体の流速を常に一定にするための構造である。このため、本実施形態で提案する構造は、濃度をセンシングしようとする溶液のほとんどが通過する主伝達経路２０にバイパスチャネル３０を形成し、そのバイパスチャネル３０中の流速が一定になる部分に濃度センサを備えるようにする形である。
【００５０】
図２ｂに示すように、バイパスチャネル３０は、主伝達経路２０から液体が流入する流入口４０と、内部液体が主伝達経路２０に復帰する流出口５０とが、バイパスチャネル３０と主伝達経路２０との間に位置する仕切壁６０により明確に分離される。
【００５１】
バイパスチャネル３０は、主伝達経路２０を介して流れる液体の一部が移動して一定の流速で流れるように、中間領域が流入口４０及び流出口５０より広い形状を有する。中間領域の断面は、流体の流れ方向に対して略垂直方向に延長される。
【００５２】
また、バイパスチャネル３０は、流体の流れ方向に対する垂直方向の断面が狭い長方形状や狭い楕円形状を有するように実現することにより、流速を一定にする効果をさらに増進し、コイン状のＱＣＭセンサの設置空間を確保することができる。
【００５３】
流体センシング導管２０１は、図２ｃ及び図２ｄに示すように、バイパスチャネル３０の一部領域と連通するように、一部領域の幅が一定の大きさＡだけ広くなった形態を備えることができる。すなわち、本実施形態の流体センシング導管２０１は、ＱＣＭセンサが配置されるセンサ配置チャネル７０をさらに備えることができる。このとき、流体センシング導管２０１は、例えば、寸法Ｌ１が略８ｍｍ、Ｌ２が略６ｍｍ、そして、主伝達経路２０の直径２Ｒが４ｍｍになるように設計され得る。
【００５４】
本実施形態の流体センシング導管２０１では、図２ｄに示すＡ及び／またはＢのような種々の寸法の変更により、バイパスチャネル３０の流体の流れ抵抗を変化させることができる。構成によると、バイパスチャネル３０に流れる流体の量を容易に調節することができる。
【００５５】
図３は、図２ｃ及び２ｄの流体センシング導管の寸法Ｂを０．５〜２ｍｍの範囲に変化させながら、流体の流れの変化を示している。
【００５６】
図３に示す矢印は流体の移動方向を、色は速度分布を表す。各詳細図のスケールは同じで、主伝達経路２０中の黒色が濃いほど、及び黒色領域の大きさが大きいほど、速度が速いことを意味する。そして、単位はＡ．Ｕ．である。すなわち、単位は主伝達経路の最高流速を１００として相対流速を計算したものである。前述した実験結果を表に示すと、次のとおりである。
【００５７】
【表１】
2009110923.tif 000003
【００５８】
表１は、セルの厚さの変化によるバイパスチャンネル内部に流動する溶液量（Ｂｙｐａｓｓ  ｆｌｏｗ）と、バイパスチャンネル内部に流動する溶液の流速（Ｂｙｐａｓｓ  ｆｌｏｗ  ｒａｔｅ）とを示す。ここで、セルはバイパスチャンネルを示す。図３及び表１より、バイパスチャネルで逆流の発生なく、流体が一定方向に流れることを確認することができる。流体の流れる全般的な類型に大きな変化はないものの、セルの厚さＢが増加するほど、バイパスチャネルの流入口及び流出口部分の流量が増加することが分かる。
【００５９】
このように、バイパスチャネルの設計と詳細寸法項目を調節することにより、流量の変動に安定的で、かつ気泡に影響されない流体センシング導管を実現することができる。
【００６０】
本実施形態の流体センシング導管は、ＱＣＭセンサのみならず、流速に敏感なセンサを導管上に設置してセンシングする他の構造にも適用可能であることはいうまでもない。
【００６１】
以下では、本発明の思想によるＱＣＭ濃度センサを設置して実現した直接メタノール型燃料電池システムの動作を説明する。しかし、図示の構造は、メタノールを燃料として使用する場合に限らず、エタノールまたは酢酸を燃料として使用する燃料電池と同様に、水溶液状態の燃料がスタックに供給される形式の燃料電池システムの場合にも適用可能である。
【００６２】
さらに、図１を参照すると、直接メタノール型燃料電池は、水素ガスと酸素との化学反応により電気を生成する燃料電池スタック１１０と、該スタック１１０に供給しようとする高濃度の燃料が貯蔵されている燃料タンク１４２と、スタック１１０に酸化剤を供給するための酸化剤供給部１３０と、スタック１１０から排出される未反応燃料を回収する凝縮器１５２と、凝縮器１５２から排出される未反応燃料と燃料貯蔵部１４０から排出される高濃度燃料とを混合させた水素含有燃料をスタック１１０に供給する混合タンク１４５とを備える。ここで、凝縮器１５２及び混合タンク１４５は、スタック１１０の排出物を回収及び処理するリサイクラを構成し、燃料タンク１４２と、混合タンク１４５及びポンプ１４６、１４８は、燃料貯蔵部１４０を構成する。
【００６３】
スタック１１０には、高分子膜と、高分子膜の両側に提供されたカソード電極及びアノード電極からなる膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を含む単位電池が複数個提供される。アノード電極は、燃料貯蔵部１４０から供給される水素含有燃料を改質させ、生成された水素ガスを酸化させて水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を発生させる。カソード電極は、酸化剤供給部１３０から供給される空気中の酸素を水素イオン及び電子と結合させて水を発生させる。そして、高分子膜は、アノード電極で発生した水素イオンをカソード電極に透過させるイオン交換の機能と共に、水素含有燃料の透過を抑制する機能を有する高分子電解質膜で構成される。この場合、高分子電解質膜は、約５０〜２００μｍの範囲の厚さを有する。
【００６４】
単位電池において、水素ガスと酸素との化学反応の結果として生成される電気エネルギーは、電力変換装置１７０によって電流／電圧などが出力規格に合わせて変換され、外部負荷として出力される。実現に応じて、電力変換装置１７０の出力は、別途に備えられる２次電池を充電させる構造を有することができ、駆動制御部１６０に電源を供給する構造を有することができる。
【００６５】
二酸化炭素（ＣＯ２）、水（Ｈ２Ｏ）、及び未反応燃料は、スタック１１０の排出部から出て凝縮器１５２に移動し、凝縮器１５２で凝縮された未反応燃料及び水は、混合タンク１４５で収集される。二酸化炭素は、混合タンク１４５の排気孔を介して外部に流出され得る。混合タンク１４５に収集された未反応燃料と燃料タンク１４２から供給される高濃度燃料とは、混合された後、スタック１１０のアノード電極に供給される。
【００６６】
酸化剤供給部は、空気をスタック１１０のカソード電極に供給するための能動的な空気ポンプ１３０で実現するか、単に空気の流れが円滑な構造を有する受動的な通気孔で実現することができる。
【００６７】
駆動制御部１６０は、燃料タンク１４２のための第１ポンプ１４８と、混合燃料をスタック１１０に供給する第２ポンプ１４６の動作を制御する。これらのポンプのみならず、駆動制御部１６０は、スタック１１０のカソードから凝縮器１５２への配管１２３、凝縮器１５２から混合タンク１４５への配管１２４、スタック１１０のアノードから混合タンク１４５への配管１２２に設置された各ポンプの動作を制御することができる。
【００６８】
駆動制御部１６０は、デジタルプロセッサを含むことが好ましく、この場合、デジタルプロセッサには、動作のための基準クロックが入力される構造を有する。駆動制御部１６０の動作のための処理量及び本発明の思想による濃度センサの濃度算出部の処理量は、さほど多い水準でないことから、ハードウェアの節減のため、１つのプロセッサが駆動制御及びＱＣＭ濃度センサのセンシング値を算定する役割を兼ねるように実現することができる。
【００６９】
すなわち、駆動制御部１６０は、燃料タンク１４２から混合タンクへの高濃度メタノールの流動を制御する第１流量制御器として第１ポンプ１４８、混合タンク１４５から燃料電池スタック１１０のアノードへの混合した溶液の流動を制御する第２流量制御器として第２ポンプ１４６、及び燃料電池スタック１１０から混合タンク１４５への反応副生成物の流動を制御する第３流量制御器として凝縮器１５２を制御する。
【００７０】
駆動制御部１６０がポンプ１４６、１４８及び凝縮器１５２の動作を制御するのに必要な入力データには、燃料電池の各部の濃度値及び電力変換装置の生成電力の状態（電流、電圧など）、各部の温度値などになり得る。したがって、本実施形態の思想によるＱＣＭ濃度センシング部２００は、図示の個所以外にも、必要に応じて、混合タンク１４５、ポンプ１４６、１４８などのシステム構成要素の内部や、カソードから凝縮器１５２への配管１２３、凝縮器１５２から混合タンク１４５への配管１２４、アノードから混合タンク１４５への配管１２２、及び燃料タンク１４２から混合タンク１４５への配管１２７、１２８、第２ポンプ１４６の入力／出力配管１２５、１２６などの液体流動経路上の他の個所にも設置され得る。
【００７１】
駆動制御部１６０の動作について、酸化剤供給部としての空気ポンプ１３０、凝縮器１５２、第２ポンプ１４６を制御し、混合タンク１４５内にのみ濃度センサが備えられた場合に簡略化して、説明する。
【００７２】
駆動制御部１６０は、電力変換装置１７０の出力電力が基準に達しなければ、多くの負荷がかかったと判断し、発電量を増やすために第２ポンプ１４６を稼働させ、スタックへの燃料供給を増加させる。一方、混合タンク１４５内の濃度が所定の基準より低ければ、凝縮器１５２の稼働率を増加させて未反応燃料の凝縮量を増やすか、第１ポンプ１４８を稼働させて燃料タンク１４２の原料供給を増加させる。反面、混合タンク１４５内の濃度が所定の基準より高ければ、凝縮器１５２の稼働率を減少させて未反応燃料の凝縮量を減らすか、第１ポンプ１４８による燃料タンク１４２からの原料供給を減少させる。これにより、混合タンク１４５からスタック１１０のアノード電極に供給される水素含有燃料の濃度を一定に維持し、燃料電池システムの発電効率を安定的に維持することができる。
【００７３】
以上、本発明の一実施形態について説明した。この実施形態によるＱＣＭ濃度センサを備えた燃料電池システムを実施することにより、割安な価格で燃料濃度の正確な測定が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００７４】
また、ＱＣＭ濃度センサは小型化することができる。そのため、本発明は、小型で、かつ高い駆動効率を有する燃料電池システムの設計自由度を向上させる効果もある。
【００７５】
さらに、本実施形態は、流速が不均一な溶液が流れる導管において、小型濃度センサで液状燃料の濃度を正確に測定することができる効果もある。
【００７６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す構造図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用のセンシング導管の構造を示す図である。
【図２ｂ】本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用のセンシング導管の構造を示す図である。
【図２ｃ】本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用のセンシング導管の構造を示す図である。
【図２ｄ】本発明の一実施形態に係る燃料電池システム用のセンシング導管の構造を示す図である。
【図３】図２ｄの寸法Ａの変化に応じた内部の流体の流れを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７８】
１１０      燃料電池スタック
１２６      導管
１３０      酸化剤供給部（空気ポンプ）
１４０      燃料貯蔵部
１４２      燃料タンク
１４５      混合タンク
１４６、１４８      ポンプ
１５２      凝縮器
１６０      駆動制御部
１７０      電力変換装置
２００      ＱＣＭ濃度センシング部（ＱＣＭ濃度センサ）
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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