アルコール濃度測定方法、アルコール濃度測定装置、および当該装置を含む燃料電池システム
燃料電池システム（６６０）は、固体高分子電解質膜（１１４）と、該固体高分子電解質膜（１１４）に配された燃料極（１０２）および酸化剤極（１０８）とを含む燃料電池本体（１００）と、液体燃料（１２４）を収容する燃料収容部（６６４）と、プロトン伝導性を有し、燃料収容部（６６４）に設けられた高分子膜（６６５）と、高分子膜（６６５）のプロトン伝導度の変化に基づき、燃料収容部（６６４）中の液体燃料（１２４）のアルコール濃度を検出する濃度検出部（第１の電極端子（６６６）、第２の電極端子（６６７））、および濃度測定部（６７０）とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール濃度測定方法、アルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノール等のアルコールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ２→６Ｈ＋＋６ｅ− （１）
【０００４】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ− （２）
【０００５】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ （３）
【０００６】
特に、直接型の燃料電池では、アルコール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のアルコール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【０００７】
しかし、直接型の燃料電池では、発電状況により、燃料中のアルコール濃度が変化してしまう。燃料電池の電力を安定的に保つためには、燃料中のアルコール濃度を適正な範囲に保つ必要がある。そのため、燃料電池システムには、燃料中のアルコール濃度を検出する装置が要求される。
【０００８】
たとえば、特許文献１には、液体中のアルコール濃度を測定するセンサが開示されている。このセンサは、電極の間にポリチオフェン系の導電性ポリマー被覆が設けられ、アルコール濃度に応じて抵抗が変化するように構成されている。
【０００９】
また、特許文献２および３には、電解質膜を挟持したアノードとカソードを含む（特許文献２の図１５、特許文献３の図６参照）、燃料電池様のセルを用いて液体中のメタノール濃度を測定するセンサが開示されている。このセルにおいて、アノードしてはＰｔ−Ｒｕ、カソードとしてはＰｔ等の触媒電極が用いられる。このように構成されたセルのアノード−カソード間に定電圧を印加することにより、アノードにおいてメタノールが二酸化炭素に変換され、カソードにおいてプロトンが水素に変換される反応が起こり、アノード−カソード間に電流が流れる。この電流値を測定することにより、液体中のメタノール濃度が測定される。
【特許文献１】特開平６−２６５５０３号公報
【特許文献２】米国特許６２５４７４８号
【特許文献３】米国特許６３０６２８５号
【発明の開示】
【００１０】
【００１１】
しかし、上記特許文献１に示された構成のセンサは、たとえばヘキサンやガソリン等の良溶媒中に置かれた場合とメタノールや水などの貧溶媒中に置かれた場合とで側鎖のコンフォメーションが異なることを利用して液体中のアルコール濃度を検出している。そのため、貧溶媒であるアルコール水溶液中のアルコール濃度を精度よく検出するのは困難である。
【００１２】
また、上記特許文献２および特許文献３に開示された構成のセンサの場合、メタノール濃度測定用に燃料電池様のセルを準備する必要があり、アノードおよびカソードとして高価なＰｔ等の触媒金属を利用する必要がある。また、カソードにおいて水素ガスが発生するため、水素ガスを除去する必要もある。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構造でアルコール濃度を検出することが可能なアルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システム、およびアルコール濃度測定方法を提供することにある。
【００１４】
本発明によれば、アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、液体燃料を含む容器と、プロトン伝導性を有し、容器内または容器の壁部に設けられた高分子膜と、液体燃料を高分子膜に含浸させたときの高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、容器中の液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが適用される。
【００１５】
ここで、燃料電池本体は、燃料極に液体燃料を直接供給する直接型のものであってもよく、また液体燃料を改質して燃料として水素を利用するものであってもいずれでもよい。液体燃料を含む容器は、燃料電池本体の燃料極に設けられた燃料極タンク、燃料極タンクに供給する燃料を収容するバッファタンク、カートリッジ、またはこれらを結ぶ配管を含み、高分子膜が液体燃料を含浸可能であれば、どのような構成とすることもできる。
【００１６】
高分子膜は、容器中の液体燃料を含浸するように構成され、液体燃料のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成することができる。高分子膜としては、プロトン酸基を含む材料を用いることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。本発明の燃料電池システムによれば、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出するので、貧溶媒であるアルコール水溶液中においても、アルコール濃度を精度よく検出することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設された一対の電極端子と、電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗値に基づき液体燃料のアルコール濃度を算出する濃度算出部と、を含むことができる。
【００１９】
ここで、高分子膜は、アルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成されるので、電極端子間に高分子膜を介して電流を流した場合、液体燃料のアルコール濃度に応じて電極端子間の抵抗値が変化する。濃度検出部は、電極端子間の抵抗値とアルコール濃度との対応関係を示す参照データを保持することができ、濃度算出部は、参照データに基づき、液体燃料のアルコール濃度を算出することができる。
【００２０】
ここで、濃度検出部は三以上の電極端子を含むこともでき、たとえば四つの電極端子を含むこともできる。この場合、一方の一対の電極端子を電流測定用とすることができ、他方の一対の電極端子を電圧測定用とすることができる。電極端子は、高分子膜表面に設けることもできるが、高分子膜中に設けてもよい。また、電極端子は、液体燃料中に設けることもできるが、液体燃料に直接接しない構成とすることもできる。電極端子を液体燃料に直接接しない構成とすることにより、電極端子が液体燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、電極端子を安定に保つことができる。電極端子は、導電性を有するものであれば、どのような材料により構成することもできる。電極端子は、たとえば、金、銀、白金、アルミニウム、ステンレス等により構成することができる。
【００２１】
本発明によれば、上記特許文献２および特許文献３に開示された構成のセンサのように触媒電極を用いる必要がないため、簡易な工程で濃度検出部を製造することができる。また、濃度検出部において、触媒金属を用いる必要がないため、燃料電池システムを安価に製造することができる。さらに、上記特許文献２および特許文献３に開示された構成のセンサにおいては、電極反応の出力に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出しているが、本発明の燃料電池システムにおいては、高分子膜を流れる電流の抵抗値を測定するだけなので、酸化剤極において水素ガスも発生せず、構成を簡便にすることができる。さらに、上記特許文献２および特許文献３においては、電極反応の出力に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出しているため、触媒電極が劣化することにより電極反応の出力が変動してアルコール濃度を正確に測定できない可能性もある。本発明の燃料電池システムにおいては、触媒反応を利用しないため、このような触媒の劣化による問題も生じない。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部において、電極端子は、容器外部に設けることができる。また、濃度検出部は、電極端子を覆う疎水性膜を有することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜の一部を上記高分子膜として利用することができる。この場合、固体電解質膜において、触媒層が設けられていない領域に電極端子を設けることができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、異濃度燃料収容部から容器に液体燃料を供給する供給部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度に応じて、供給部が供給する液体燃料の供給量を調整する制御部と、をさらに含むことができる。異濃度燃料収容部に含まれる液体燃料は、容器中の液体燃料よりも濃度が高くても低くてもどちらでもよい。本発明の燃料電池システムは、複数の異濃度燃料収容部を含むことができる。また、異濃度燃料収容部は、アルコールを含まない水を含むこともできる。この場合、液体燃料を燃料電池本体に供給した後に燃料極で生じる水を異濃度燃料収容部に回収し、循環させる構成とすることもできる。本発明の燃料電池システムによれば、容器中の液体燃料の濃度変化を検出して、アルコール濃度が適切な液体燃料を燃料電池本体に供給することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムにおいて、容器は、燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジに設けることができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料極に液体燃料を供給する燃料極タンクと、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、をさらに含むことができ、容器は、カートリッジに設けることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料電池本体に液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含むことができ、容器は、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部と、供給部と接続する第一の接続部を有し、燃料極タンクおよび供給部に取り外し可能に構成されてよく、異濃度燃料収容部は、供給部と接続する第二の接続部を有し、供給部に取り外し可能に構成されてよい。容器および異濃度燃料収容部は、カートリッジに設けることができる。容器および異濃度燃料収容部は、１つのカートリッジ内に一体に形成することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料の温度を測定する温度センサをさらに含むことができ、濃度検出部は、温度センサが測定した温度に応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００２９】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含むことができ、濃度検出部は、ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、警告を提示する警告提示部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、をさらに含むことができる。制御部は、たとえば、容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定値以下になった場合に警告提示部に警告の提示を指示することができる。このようにすれば、本発明の燃料電池システムが組み込まれた電子機器を使用中のユーザに容器中の液体燃料の燃料切れを知らせることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムは、温度またはｐＨに対するプロトン伝導度が異なる複数の高分子膜を含むことができ、濃度検出部は、複数の高分子膜それぞれのプロトン伝導度の変化に基づき、容器中の液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【００３２】
本発明によれば、アルコール濃度の測定装置であって、プロトン伝導性を有し、アルコールを含む液体を含浸した際に当該液体中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する高分子膜と、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、液体中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置が提供される。
【００３３】
本発明のアルコール濃度測定装置において、濃度検出部は、高分子膜に配設された一対の電極端子と、電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗値を液体中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００３４】
本発明によれば、アルコール濃度の測定方法であって、測定対象のアルコールを含む液体をプロトン伝導性を有する高分子膜に含浸させる工程と、高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程と、プロトン伝導度の変化に基づき、液体中のアルコール濃度を検出する工程と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法が提供される。
【００３５】
本発明のアルコール濃度測定装置において、プロトン伝導度の変化を検出する工程は、高分子膜に配設された一対の電極端子間の抵抗値を測定する工程を含むことができ、アルコールの濃度を検出する工程は、抵抗値に基づき液体のアルコール濃度を算出する工程を含むことができる。
【００３６】
本発明のアルコール濃度測定方法は、高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程の前に、液体を二酸化炭素ガスで飽和させる工程をさらに含むことができる。
【００３７】
本発明によれば、燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、プロトン伝導性を有する高分子膜と、高分子膜に配設され、第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続される第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器が提供される。
【００３８】
本発明によれば、アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、液体燃料を含む容器と、容器または容器の壁部に設けられ、液体燃料を含浸して液体燃料中のアルコールの濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき容器中の液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、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。
【００３９】
ここで、燃料電池本体は、燃料極に液体燃料を直接供給する直接型のものであってもよく、また液体燃料を改質して燃料として水素を利用するものであってもいずれでもよい。液体燃料を含む容器は、燃料電池本体の燃料極に設けられた燃料極タンク、燃料極タンクに供給する燃料を収容するバッファタンク、カートリッジ、またはこれらを結ぶ配管を含み、高分子膜が液体燃料を含浸可能であれば、どのような構成とすることもできる。
【００４０】
高分子膜は、容器中の液体燃料を含浸するように構成され、液体燃料のアルコール濃度や水の濃度に応じて寸法が変化する材料により構成することができる。高分子膜は、液体燃料のアルコール濃度や水の濃度に応じて膨張や収縮等して寸法が変化する材料により構成することができる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、高分子膜の液体燃料中での寸法変化に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出するので、貧溶媒であるアルコール水溶液中においても、アルコール濃度を精度よく検出することができる。
【００４２】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設されたストレインゲージと、ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗の変化を液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００４３】
本発明の燃料電池システムにおいて、高分子膜は、プロトン酸基を含むことができる。
【００４４】
本発明の燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜の一部を高分子膜として利用することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜を挟んで構成されたコンデンサと、コンデンサの電気容量を測定する電気容量測定部と、電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出し、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。この場合、高分子膜としては、絶縁性の材料を用いることができる。このような材料として、たとえば燃料電池本体の固体電解質膜として用いられるスルホン酸基を有する高分子膜に電子線、ＵＶ、Ｘ線を照射したり、塩に浸したりして絶縁性としたものを用いることができる。
【００４６】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設された水晶振動子と、当該水晶振動子の共振周波数の変化を検出する共振周波数特性測定部と、共振周波数特性測定部が測定した共振周波数特性に基づき、液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００４７】
本発明の燃料電池システムにおいて、高分子膜は、架橋されたものを用いることができる。これにより、液体燃料のアルコール濃度が変化して高分子膜が膨張・収縮を繰り返して寸法変化した場合であっても、材料の劣化を低減することができる。
【００４８】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、異濃度燃料収容部から容器に液体燃料を供給する供給部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度に応じて、供給部が供給する液体燃料の供給量を調整する制御部と、をさらに含むことができる。異濃度燃料収容部に含まれる液体燃料は、容器中の液体燃料よりも濃度が高くても低くてもどちらでもよい。本発明の燃料電池システムは、複数の異濃度燃料収容部を含むことができる。また、異濃度燃料収容部は、アルコールを含まない水を含むこともできる。この場合、液体燃料を燃料電池本体に供給した後に燃料極で生じる水を異濃度燃料収容部に回収し、循環させる構成とすることもできる。本発明の燃料電池システムによれば、容器中の液体燃料の濃度変化を検出して、アルコール濃度が適切な液体燃料を燃料電池本体に供給することができる。
【００４９】
本発明の燃料電池システムにおいて、容器は、燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジに設けることができる。
【００５０】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料極に液体燃料を供給する燃料極タンクと、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、をさらに含むことができ、容器は、カートリッジに設けることができる。
【００５１】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料電池本体に液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含むことができ、容器は、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部と、供給部と接続する第一の接続部を有し、燃料極タンクおよび供給部に取り外し可能に構成されてよく、異濃度燃料収容部は、供給部と接続する第二の接続部を有し、供給部に取り外し可能に構成されてよい。容器および異濃度燃料収容部は、カートリッジに設けることができる。容器および異濃度燃料収容部は、１つのカートリッジ内に一体に形成することができる。
【００５２】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料の温度を測定する温度センサをさらに含むことができ、濃度検出部は、温度センサが測定した温度に応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００５３】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含むことができ、濃度検出部は、ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００５４】
本発明の燃料電池システムは、警告を提示する警告提示部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、をさらに含むことができる。制御部は、たとえば、容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定値以下になった場合に警告提示部に警告の提示を指示することができる。このようにすれば、本発明の燃料電池システムが組み込まれた電子機器を使用中のユーザに容器中の液体燃料の燃料切れを知らせることができる。
【００５５】
本発明の燃料電池システムは、温度またはｐＨに対する寸法変化の度合いが異なる複数の高分子膜を含むことができ、濃度検出部は、複数の高分子膜それぞれの寸法変化の度合いに基づき、容器中の液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【００５６】
本発明によれば、アルコール濃度の測定装置であって、アルコールを含む液体を含浸した際に、当該液体中のアルコール濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき液体のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置が提供される。
【００５７】
本発明のアルコール濃度測定装置において、濃度検出部は、高分子膜に配設されたストレインゲージと、ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗の変化を液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００５８】
本発明によれば、アルコール濃度の測定方法であって、測定対象のアルコールを含む液体を当該液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜に含浸させる工程と、高分子膜の寸法変化を検出する工程と、高分子膜の寸法変化の度合いに基づき、液体中のアルコール濃度を検出する工程と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法が提供される。
【００５９】
本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜に配設されたストレインゲージの抵抗変化を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、抵抗変化を測定する工程において測定された抵抗の変化を液体中のアルコール濃度に変換する工程を含むことができる。
【００６０】
本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜を挟んで構成されたコンデンサの電気容量を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、電気容量を測定する工程において測定された電気容量の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことができる。
【００６１】
本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜に配設された水晶振動子の共振周波数の変化を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、共振周波数の変化を測定する工程において測定された共振周波数の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことができる。
【００６２】
本発明によれば、燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、アルコールを含む液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜と、高分子膜に配設されたストレインゲージと、第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続され、ストレインゲージの抵抗変化を取り出す第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器が提供される。
【００６３】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００６４】
本発明によれば、簡易な構造でアルコール濃度を検出することが可能なアルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システム、ならびにアルコール濃度測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
上述した目的、およびその他の目的、特徴及び利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
【００６６】
［図１］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図２］センサを詳細に示す図である。
［図３］センサの他の例を示す図である。
［図４］センサのまた他の例を示す図である。
［図５］本実施の形態における燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図６］図１に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
［図７］ｐＨセンサおよび温度センサをさらに含む燃料電池システムの構成を示す図である。
［図８］温度およびｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる三種以上の高分子膜を組み合わせた構成の濃度測定部を示す図である。
［図９］図１に示した燃料供給処理部の構成を詳細に示す図である。
［図１０］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１１］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１２］センサの変形例を示す図である。
［図１３］燃料電池本体の単セル構造を模式的に示した断面図である。
［図１４］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図１５］図１４に示したカートリッジにおけるバッファタンクと本体側における燃料極タンクとを示す模式図である。
［図１６］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１７］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１８］図１５に示したカートリッジの他の例を示す図である。
［図１９］メタノール濃度と抵抗値との関係を示す図である。
［図２０］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図２１］センサを詳細に示す図である。
［図２２］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図２３］図２０に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
［図２４］ｐＨセンサおよび温度センサをさらに含む燃料電池システムの構成を示す図である。
［図２５］温度およびｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる三種以上の高分子膜を組み合わせた構成の濃度測定部を示す図である。
［図２６］図２０に示した燃料供給処理部の構成を詳細に示す図である。
［図２７］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図２８］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図２９］センサの変形例を示す図である。
［図３０］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３１］センサを詳細に示す図である。
［図３２］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図３３］図３２に示したカートリッジにおけるバッファタンクと本体側における燃料極タンクとを示す模式図である。
［図３４］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３５］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３６］図３３に示したカートリッジの他の例を示す図である。
［図３７］燃料供給処理部の他の例を示す図である。
［図３８］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３９］センサの他の例を示す図である。
［図４０］センサの他の例を示す図である。
［図４１］センサの他の例を示す図である。
［図４２］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図４３］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下の実施の形態で説明する燃料電池システムの用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
【００６８】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図１の燃料電池システム６６０は、燃料電池本体１００と、燃料極タンク６６２と、バッファタンク６６４と、センサ６６８と、濃度測定部６７０と、制御部６７２と、燃料供給処理部６７４と、燃料収容部６７６と、警告提示部６８０とを含む。
【００６９】
本実施の形態において、燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。
【００７０】
燃料電池本体１００は、固体電解質膜１１４と、固体電解質膜１１４に配された燃料極１０２および酸化剤極１０８とを含む。酸化剤極１０８に供給される酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。燃料電池本体１００の詳細な構成については後述する。
【００７１】
本実施の形態において、燃料収容部６７６は、燃料極１０２に供給される燃料１２４よりもアルコール濃度が高い燃料１２４を収容する。
【００７２】
バッファタンク６６４には、燃料極タンク６６２に供給される燃料１２４が導入される。センサ６６８は、バッファタンク６６４内の燃料１２４のアルコール濃度を検出するのに用いられる。センサ６６８は、高分子膜６６５と、第１の電極端子６６６と、第２の電極端子６６７とを含む。高分子膜６６５は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子膜６６５は、バッファタンク６６４中の燃料１２４を含浸するように構成され、燃料１２４中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成される。本実施の形態における燃料電池システム６６０は、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化に基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のメタノール濃度を検出することができる。
【００７３】
高分子膜６６５は、燃料１２４のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料であればどのような材料により構成することもできるが、たとえば、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４と同様の材料により構成することができる。このような材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製））；
芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）；
などが例示される。
【００７４】
また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入し、これらの高分子をそのまま、または溶融した状態で放射線、ＵＶ、電子線等を照射すること等により架橋したものを用いることもできる。
【００７５】
第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、高分子膜６６５表面または高分子膜６６５中に互いに離間して設けられる。ここで、高分子膜６６５は、アルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成されるので、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間に高分子膜６６５を介して電流を流した場合、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度に応じて第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値が変化する。濃度測定部６７０は、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度を測定する。濃度測定部６７０の詳細な構成については後述する。
【００７６】
図２は、センサ６６８を詳細に示す図である。図２（ａ）は、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が設けられた面を示す図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の側面図である。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料１２４中に安定に存在し、導電性を有する材料であればどのような材料により構成することもできる。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、導電性ペーストにより高分子膜６６５に貼り付けることができる。導電性ペーストとしては、金や銀等の金属を含むポリマーペースト等を用いることができる。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、それぞれ配線７１０ａおよび配線７１０ｂを介して、図１に示した濃度測定部６７０に電気的に接続される。
【００７７】
また、センサ６６８は、図３９に示すように、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７の表面がたとえばテフロン（登録商標）等の疎水性の膜７２０で覆われた構成とすることもできる。このようにすれば、センサ６６８をバッファタンク６６４中に導入した場合でも、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７がバッファタンク６６４中の燃料と直接接触することがない。そのため、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７が燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００７８】
図３は、センサ６６８の他の例を示す図である。図３（ａ）に示すように、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを高分子膜６６５に巻き付けて構成することもできる。また、図３（ｂ）に示すように、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを高分子膜６６５の厚さ方向に貫通させ、配線７１０ａおよび配線７１０ｂの貫通した部分を留め部として第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を構成することもできる。
【００７９】
図４は、センサ６６８のまた他の例を示す図である。図４（ａ）に示すように、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、それぞれ、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを導電性ペースト７１１で高分子膜６６５上に固定することにより構成することもできる。導電性ペーストとしては、上述したのと同様、金や銀等の金属を含むポリマーペースト等を用いることができる。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したセンサ６６８の側面図である。なお、前述した図３（ａ）および図３（ｂ）に示した構成の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７においても、同様の導電性ペーストを用いて配線７１０ａおよび配線７１０ｂが高分子膜６６５にしっかり固定されるようにすることができる。
【００８０】
さらに、センサ６６８は、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、４つの電極端子６６６ａ、電極端子６６６ｂ、電極端子６６７ａ、および電極端子６６７ｂを含む構成とすることもできる。各電極端子６６６ａ、６６６ｂ、６６７ａ、および６６７ｂはそれぞれ配線７１０ａ、配線７１０ｃ、配線７１０ｂ、および配線７１０ｄを介して濃度測定部６７０（図１参照）に電気的に接続される。たとえば、濃度測定部６７０は、電極端子６６６ａおよび電極端子６６７ａ間の電流を測定するために用いることができ、電極端子６６６ｂおよび電極端子６６７ｂ間の電圧を測定するために用いることができる。
【００８１】
図１に戻り、濃度測定部６７０が測定したバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度は制御部６７２に伝達される。燃料供給処理部６７４は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に燃料１２４を供給する処理を行う。制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内であるか否かを判断し、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内となるように燃料供給処理部６７４を制御する。燃料供給処理部６７４は、制御部６７２の制御に基づき、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を制御する。燃料供給処理部６７４の詳細な構成についても後述する。
【００８２】
また、制御部６７２は、燃料供給処理部６７４を制御する処理を繰り返してもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内にならない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。
【００８３】
また、図５に示すように、燃料電池システム６６０は、燃料収容部６７６および燃料供給処理部６７４を含まない構成とすることもできる。この場合、制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。バッファタンク６６４中の燃料１２４を燃料極タンク６６２に循環させて燃料電池本体１００で電気化学反応を起こさせると、通常燃料１２４中のアルコールの含有量（モル比）は水の含有量（モル比）より低いため、燃料１２４中のアルコールが消費され、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が徐々に低下していく。図５に示したような構成とすると、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が所定濃度以下となった場合に警告提示部６８０に警告を発生させることができ、バッファタンク６６４中の燃料１２４の利用可能終点を検知することができる。
【００８４】
図６は、濃度測定部６７０の構成を詳細に示す図である。
濃度測定部６７０は、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間の抵抗値を測定する抵抗測定部（Ｒ／Ｏ）６８２と、抵抗測定部６８２が測定した抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出する濃度算出部（Ｓ／Ｏ）６８４と、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７の間の抵抗値とメタノール濃度との関係を示す参照データを記憶する参照データ記憶部６８５とを含む。抵抗測定部６８２としては、たとえばブリッジを備えた交流インピーダンスメータを用いることができる。第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間の抵抗値は、２０ｍＶ以下の低振幅の交流を用いて測定することができる。濃度算出部６８４は、参照データ記憶部６８５を参照して参照データに基づき濃度算出部６８４が測定した抵抗値からメタノール濃度を算出する。
【００８５】
また、図７に示すように、燃料電池システム６６０は、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８をさらに含むこともできる。前述した式（２）に示すように、燃料極１０２では二酸化炭素が発生する。そのため、燃料極タンク６６２を通過する過程において、燃料１２４に二酸化炭素が溶け込み、燃料１２４のｐＨが変化することがある。高分子膜６６５のプロトン伝導度は温度やｐＨに依存することもあるため、濃度測定部６７０は、燃料１２４の温度およびｐＨも考慮して燃料１２４中のメタノール濃度を測定することが好ましい。ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は、バッファタンク６６４中の燃料１２４のｐＨおよび温度をそれぞれ測定する。参照データ記憶部６８５（図６）は、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を温度毎およびｐＨ毎に記憶することができる。また、参照データ記憶部６８５は、温度毎およびｐＨ毎に第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係の補正式を記憶することができる。このようにすれば、濃度測定部６７０は、バッファタンク６６４中の燃料１２４の温度やｐＨをも考慮して燃料１２４中のメタノール濃度を測定することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【００８６】
また、燃料電池システム６６０がｐＨセンサ６８６を含まない場合、参照データ記憶部６８５（図６）は、燃料１２４を二酸化炭素ガスで飽和させた状態における第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を記憶することができる。この場合、バッファタンク６６４中の燃料１２４を二酸化炭素ガスで飽和させ、濃度測定部６７０によるアルコール濃度の測定を開始するようにしてよい。このようにすれば、燃料電池本体１００の電極反応において二酸化炭素が発生することによる燃料１２４のｐＨ変化を考慮することなく燃料１２４中のアルコール濃度を測定することができる。
【００８７】
温度センサ６８８としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。また、ｐＨセンサ６８６としては市販のｐＨメータを用いることができる。温度測定機能を有するｐＨメータを用いる場合、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は一体に形成することもできる。
【００８８】
図４０は、温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）とセンサ６６８とを一体に構成した図を示す。センサ６６８は、図４０（ａ）に示すように、温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）を高分子膜６６５表面に貼り付けた構成とすることもでき、また図４０（ｂ）に示すように、温度センサ６８８を高分子膜６６５内に埋め込んだ構成とすることもできる。また、センサ６６８は、図４０（ｃ）に示すように、膜状の濃度測定部６７０を高分子膜６６５に貼り付けた構成とすることもできる。
【００８９】
さらに、図８に示すように、温度およびｐＨによってプロトン伝導度が異なる三種以上の高分子膜をそれぞれ含む複数のセンサ６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃを組み合わせて用いることにより、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度、温度、およびｐＨを測定することもできる。このような高分子膜の組み合わせとして、たとえば（１）ナフィオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルオロカーボン、（２）ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のスルホン酸基含有ポリエーテルケトン、および（３）スルホン酸基ポリスチレン共重合体を用いることができる。この場合、濃度測定部６７０は、センサ６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃにおける抵抗値をそれぞれ測定する複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃを含むことができる。濃度算出部６８４は、これら複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃにより測定された抵抗値に基づき、温度およびｐＨを考慮して燃料１２４中のアルコール濃度を検出することができる。
【００９０】
さらに、たとえば図７に示したように温度センサ６８８を用いると共に、ｐＨによってプロトン伝導度が異なる二種以上の高分子膜を組み合わせて用いることによってもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度およびｐＨを測定することもできる。
【００９１】
図９は、燃料供給処理部６７４の構成を詳細に示す図である。
燃料供給処理部６７４は、インバータ４６１および燃料供給部４６５を含む。燃料供給部４６５は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を変化させる。燃料供給部４６５としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いた場合、制御部６７２は、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより燃料収容部６７６からの燃料１２４の供給量を制御する。
【００９２】
燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料１２４の供給量を、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータ４６１の振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれを変化させた場合においても、燃料１２４の供給量を調節することができる。
【００９３】
圧電ポンプとして、たとえばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、たとえばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。なお、ここでは図示していないが、インバータ４６１は、燃料電池本体１００からの出力を直交変換することにより、バイモルフ型圧電ポンプの駆動電源を得ることができる。インバータ４６１としては、たとえば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。
【００９４】
また、ここで図示していないが、バッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とは、燃料供給部４６５と同様の構成の圧電ポンプを介して燃料１２４が循環可能な構成とすることができる。このようにすれば、燃料１２４として液体燃料を用いた際に、燃料極１０２において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極１０２から除去される。このため、燃料極１０２における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。
【００９５】
また、図１０に示すように、センサ６６８は、バッファタンク６６４の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図１１に示すように、センサ６６８は、燃料極タンク６６２に設けることもできる。この場合、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４の一部を図１に示した高分子膜６６５として用いることができる。
【００９６】
また、図４２に示すように、センサ６６８は、燃料極タンク６６２の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、ここでは図示していないが、センサ６６８を燃料極タンク６６２内に設けた構成とすることもできる。
【００９７】
図１２は、図１０および図１１に示した構成のセンサ６６８の変形例を示す図である。図１２（ａ）は、図１０に示したセンサ６６８の変形例を示す。センサ６６８において、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、バッファタンク６６４中の燃料と直接接しないように、バッファタンク６６４の外部に設けられた構成とすることができる。高分子膜６６５がバッファタンク６６４中の燃料を含浸していれば、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７がバッファタンク６６４中に設けられていなくても、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値を検出することができる。このような構成とすると、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料中に常時配置されないため、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００９８】
図１２（ｂ）は、図１１に示したセンサ６６８の変形例を示す。ここで、センサ６６８において、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料極タンク６６２中の燃料と直接接しないように、固体電解質膜１１４の酸化剤極１０８側に設けられた構成とすることができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００９９】
次に、図１３を参照して図１に示した燃料電池本体１００の構成を説明する。燃料電池本体１００は、単数または複数の単セル構造１０１を有する。図１３は、単セル構造１０１を模式的に示した断面図である。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。燃料電池本体１００において、単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料極側セパレータ１２０を介して燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側セパレータ１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
【０１００】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
【０１０１】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。触媒としては、白金や白金とルテニウムの合金等が例示される。燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。なお、燃料電池システム６６０を図１１に示す構成とする場合、固体電解質膜１１４において、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が設けられていない領域を高分子膜６６５として用いる。
【０１０２】
基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。前述したように、燃料１２４としてメタノールを用いた場合、燃料極１０２で二酸化炭素が発生する。燃料極１０２で発生した二酸化炭素の気泡が燃料極１０２付近に滞留すると、燃料極１０２への燃料１２４の供給が阻害され、発電効率の低下の原因となる。そこで、基体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体１０４の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料１２４とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。さらに、これらの表面処理による作用と燃料電池本体１００への加振処理との相乗作用により、燃料極１０２から二酸化炭素が一層効率的に除去されるため、高い発電効率が実現する。親水性コート材としては、たとえば酸化チタン、酸化ケイ素等が挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、シラン等が例示される。
【０１０３】
以上のようにして構成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを含む燃料電池本体１００を得ることができる。
【０１０４】
本実施の形態における燃料電池システム６６０によれば、高分子膜６６５に第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を付けただけの簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【０１０５】
（第二の実施の形態）
図１４は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態において、燃料電池システム６６０にはカートリッジ６７８が取り付けられる。
【０１０６】
カートリッジ６７８は、バッファタンク６６４および燃料収容部６７６を含むように構成される。燃料電池システム６６０の本体側６７９には、燃料電池本体１００、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、濃度測定部６７０、および制御部６７２が設けられる。第一の実施の形態において図１を参照して説明したのと同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１０７】
ここで、燃料供給処理部６７４は、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、カートリッジ６７８の燃料収容部６７６に含まれる燃料１２４をバッファタンク６６４に供給可能に構成される。カートリッジ６７８において、バッファタンク６６４はセンサ６６８を含む。本体側６７９において、濃度測定部６７０には、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７と電気的に接続される端子（不図示）が設けられる。燃料極タンク６６２は、バッファタンク６６４から燃料１２４を導入可能に構成される。
【０１０８】
図１５は、カートリッジ６７８におけるバッファタンク６６４と本体側６７９における燃料極タンク６６２とを示す模式図である。燃料極タンク６６２には燃料供給口６４３が設けられ、バッファタンク６６４は、燃料極タンク６６２の燃料供給口６４３と嵌合する嵌合部６４７を有する。カートリッジ本体６４５の側壁には、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７とそれぞれ電気的に接続された電極端子６６６ａおよび電極端子６６７ａが設けられる。ここで、燃料電池本体１００は、図１４に示した構成に加えて、絶縁シート１３０と、燃料極側集電体１３２と、酸化剤極側集電体１３４とをさらに含む。
【０１０９】
また、図１６に示すように、センサ６６８は、本体側６７９の燃料極タンク６６２内に設けることもできる。さらに、図１７に示すように、燃料電池システム６６０は、燃料収容部６７６のみを含むカートリッジ６７８を取り外し可能とした構成とすることもできる。また、図示していないが、カートリッジ６７８にバルブを含めた構成とすることもできる。また、センサ６６８は、カートリッジ６７８の壁部に設けることもできる。この場合、カートリッジ６７８外部に露出したセンサ６６８部分をシールなどで覆う構成とし、本体側６７９に取り付け前にシールを取り外すようにすることができる。これにより、カートリッジ６７８を本体側６７９に取り付け前にカートリッジ６７８から液体燃料が漏れだしたりするのを防ぐことができる。
【０１１０】
図１８は、図１５に示したカートリッジ６７８の他の例を示す図である。ここで、カートリッジ６７８のバッファタンク６６４は燃料供給部材６３７を含む。この例において、燃料電池本体１００には燃料極タンク６６２が設けられず、バッファタンク６６４に含まれる燃料は燃料供給部材６３７を介して燃料電池本体１００の燃料極１０２に供給される。燃料供給部材６３７は、燃料１２４を吸収するとともに、吸収した燃料を燃料電池本体１００に供給することのできる材料により構成される。燃料供給部材６３７は、たとえばウレタンにより構成することができる。また、燃料供給部材６３７は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィドまたはポリベンズイミダゾール等の多孔質フィルム等により構成することもできる。
【０１１１】
カートリッジ６７８がこのような構成を有する場合、制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたバッファタンク６６４中のアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部６８０に警告を発生させることができる。
【０１１２】
本実施の形態における燃料電池システム６６０によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【実施例１】
【０１１３】
高分子膜６６５としてナフィオンＮ１１２膜（デュポン社製、厚さ約５０μｍ、幅約５ｍｍ、長さ約６０ｍｍ）を用い、高分子膜６６５の長さ方向の両端の表面に金端子（幅約６ｍｍ角）を取り付けたセンサ６６８を準備した。容器内に濃度が既知のメタノール水溶液を導入し、ブリッジを備えた交流インピーダンスメータを用いて１０ｍＶ以下の低振幅の交流を用いて電極間の抵抗値を測定した。図１９は、メタノール濃度と抵抗値との関係を示す図である。このように、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化を利用することにより、精度よくアルコール濃度を検出することができた。
【０１１４】
（第三の実施の形態）
図２０は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図２０の燃料電池システム６９２は、燃料電池本体１００と、燃料極タンク６６２と、バッファタンク６６４と、センサ６９８と、濃度測定部６７０と、制御部６７２と、燃料供給処理部６７４と、燃料収容部６７６と、警告提示部６８０とを含む。
【０１１５】
本実施の形態において、燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。
【０１１６】
燃料電池本体１００は、固体電解質膜１１４と、固体電解質膜１１４に配された燃料極１０２および酸化剤極１０８とを含む。酸化剤極１０８に供給する酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。燃料電池本体１００は、第一の実施の形態において図１３を参照して説明したのと同様の構成を有する。
【０１１７】
本実施の形態において、燃料収容部６７６は、燃料極１０２に供給される燃料１２４よりもアルコール濃度が高い燃料１２４を収容する。
【０１１８】
バッファタンク６６４には、燃料極タンク６６２に供給される燃料１２４が導入される。センサ６９８は、バッファタンク６６４内の燃料１２４のアルコール濃度を検出するのに用いられる。センサ６９８は、高分子膜６９４と、ストレインゲージ６９５と、第１の端子６９６と、第２の端子６９７とを含む。高分子膜６９４は、アルコールを含浸するように構成され、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料により構成される。本実施の形態における燃料電池システム６９２は、高分子膜６９４の寸法変化を検出し、その寸法変化の度合いに基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のメタノール濃度を検出する。
【０１１９】
高分子膜６９４は、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、どのような材料により構成することもできるが、たとえば、固体電解質膜１１４と同様の材料により構成することができる。このような材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製））；
芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）；
などが例示される。
【０１２０】
また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入し、これらの高分子をそのまままたは溶融した状態で放射線、ＵＶ、電子線等を照射すること等により架橋したものを用いることもできる。
【０１２１】
また、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、極性基を有する材料でなくてもよく、どのような高分子により構成することもできる。
【０１２２】
ストレインゲージ６９５は、高分子膜６９４の表面に貼付、または内部に埋め込まれる。ストレインゲージ６９５は、高分子膜６９４と一体に構成することもできる。ストレインゲージ６９５はどのような構成とすることもできるが、たとえば４つのストレインゲージによりホイーストンブリッジ回路を構成し、歪みによるストレインゲージの抵抗変化を電気信号として第１の端子６９６および第２の端子６９７から取り出す構成とすることができる。濃度測定部６７０は、第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度を測定する。濃度測定部６７０の詳細な構成については後述する。
【０１２３】
図２１は、センサ６９８を詳細に示す図である。センサ６９８は、高分子膜６９４と、高分子膜６９４に配設されたストレインゲージ６９５を含み、ストレインゲージ６９５の表面は防水フィルム７１２で覆われた構成とすることができる。ストレインゲージ６９５からの電気信号は、配線７１３ａおよび配線７１３ｂから取り出すことができる。
【０１２４】
図２０に戻り、濃度測定部６７０が測定したバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度は制御部６７２に伝達される。燃料供給処理部６７４は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に燃料１２４を供給する処理を行う。制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内であるか否かを判断し、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内となるように燃料供給処理部６７４を制御する。燃料供給処理部６７４は、制御部６７２の制御に基づき、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を制御する。燃料供給処理部６７４の詳細な構成についても後述する。
【０１２５】
また、制御部６７２は、燃料供給処理部６７４を制御する処理を繰り返してもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内にならない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。
【０１２６】
また、図２２に示すように、燃料電池システム６９２は、燃料収容部６７６および燃料供給処理部６７４を含まない構成とすることもできる。この場合、制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。バッファタンク６６４中の燃料１２４を燃料極タンク６６２に循環させて燃料電池本体１００で電気化学反応を起こさせると、燃料１２４中のアルコールが消費され、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が徐々に低下していく。図２２に示したような構成とすると、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が所定濃度以下となった場合に警告提示部６８０に警告を発生させることができ、バッファタンク６６４中の燃料１２４の利用可能終点を検知することができる。
【０１２７】
図２３は、濃度測定部６７０の構成を詳細に示す図である。
濃度測定部６７０は、第１の端子６９６と第２の端子６９７との間の抵抗値を測定する抵抗測定部（Ｒ／Ｏ）６８２と、抵抗測定部６８２が測定した抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出する濃度算出部（Ｓ／Ｏ）６８４と、第１の端子６９６と第２の端子６９７の間の抵抗値とメタノール濃度との関係を示す参照データを記憶する参照データ記憶部６８５とを含む。抵抗測定部６８２としては、たとえばブリッジを備えた直流ソースメーターを用いることができる。濃度算出部６８４は、参照データ記憶部６８５を参照して参照データに基づき濃度算出部６８４が測定した抵抗値からメタノール濃度を算出する。
【０１２８】
また、図２４に示すように、燃料電池システム６９２は、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８をさらに含むこともできる。ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は、バッファタンク６６４中の燃料１２４のｐＨおよび温度をそれぞれ測定する。参照データ記憶部６８５は、第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を温度毎およびｐＨ毎に記憶することができる。また、参照データ記憶部６８５は、温度毎およびｐＨ毎に第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値とメタノール濃度との関係の補正式を記憶することができる。このようにすれば、濃度測定部６７０は、バッファタンク６６４中の燃料１２４の温度やｐＨをも考慮して燃料１２４中のメタノール濃度を測定することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【０１２９】
温度センサ６８８としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。また、ｐＨセンサ６８６としては市販のｐＨメータを用いることができる。温度測定機能を有するｐＨメータを用いる場合、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は一体に形成することもできる。
【０１３０】
さらに、図２５に示すように、温度およびｐＨに対する寸法変化の度合いが異なる三種以上の高分子膜をそれぞれ含む複数のセンサ６９８ａ、６９８ｂ、および６９８ｃを組み合わせて用いることにより、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度、温度、およびｐＨを測定することもできる。このような高分子膜の組み合わせとして、たとえば（１）ナフィオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルオロカーボン、（２）ＰＥＥＫ等のスルホン酸基含有ポリエーテルケトン、および（３）スルホン酸基ポリスチレン共重合体を用いることができる。この場合、濃度測定部６７０は、高分子膜６９８ａ、６９８ｂ、および６９８ｃにおける抵抗値をそれぞれ測定する複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃを含むことができる。濃度算出部６８４は、これら複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃにより測定された抵抗値に基づき、温度およびｐＨを考慮して燃料１２４中のアルコール濃度を検出することができる。
【０１３１】
さらに、たとえば図２５に示したように温度センサ６８８を用いると共に、ｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる二種の高分子膜を組み合わせて用いることによってもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度およびｐＨを測定することもできる。
【０１３２】
図２６は、燃料供給処理部６７４の構成を詳細に示す図である。
燃料供給処理部６７４は、インバータ４６１および燃料供給部４６５を含む。燃料供給部４６５は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を変化させる。燃料供給部４６５としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いた場合、制御部６７２は、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより燃料収容部６７６からの燃料１２４の供給量を制御する。
【０１３３】
また、ここで図示していないが、バッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とは、燃料供給部４６５と同様の構成の圧電ポンプを介して燃料１２４が循環可能な構成とすることができる。このようにすれば、燃料１２４として液体燃料を用いた際に、燃料極１０２において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極１０２から除去される。このため、燃料極１０２における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。
【０１３４】
また、図２７に示すように、センサ６９８は、バッファタンク６６４の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図２８に示すように、センサ６９８は、燃料極タンク６６２に設けることもできる。この場合、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４の一部を図２０に示した高分子膜６９４として用いることができる。
【０１３５】
また、図４３に示すように、センサ６９８は、燃料極タンク６６２の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、ここでは図示していないが、センサ６９８を燃料極タンク６６２内に設けた構成とすることもできる。
【０１３６】
図２９は、図２７および図２８に示した構成のセンサ６９８の変形例を示す図である。図２９（ａ）は、図２７に示したセンサ６９８の変形例を示す。センサ６９８において、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７は、バッファタンク６６４中の燃料と直接接しないように、バッファタンク６６４の外部に設けられた構成とすることができる。高分子膜６９４がバッファタンク６６４中の燃料を含浸していれば、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７がバッファタンク６６４中に設けられていなくても、第１の端子６９６および第２の端子６９７から高分子膜６９４の寸法変化に基づく抵抗値の変化を取り出すことができる。このような形態とした場合、ストレインゲージ６９５は、図２１に示したような防水フィルム７１２を設けない構成とすることもできる。また、このような構成とすると、第１の端子６９６および第２の端子６９７が燃料中に常時配置されないため、第１の端子６９６および第２の端子６９７が燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の端子６９６および第２の端子６９７を安定に保つことができる。
【０１３７】
図２９（ｂ）は、図２８に示したセンサ６９８の変形例を示す。ここで、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７は、燃料極タンク６６２中の燃料と直接接しないように、固体電解質膜１１４の酸化剤極１０８側に設けられた構成とすることができる。これにより、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７が燃料中に常時配置されないため、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７を安定に保つことができる。
【０１３８】
本実施の形態における燃料電池システム６９２によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【０１３９】
また、センサ６９８は、図４１に示すように、高分子膜６９４表面に貼り付けたクォーツ７２２上に第一の端子６９６および第二の端子６９７を設けた構成とすることができる。この場合、濃度測定部６７０は、センサ６９８の第一の端子６９６から発信周波数を変化させてマイクロ波等を送出し、第二の端子６９７から反射波を受信し、共振周波数特性に応じて高分子膜６９４の寸法の変化を検出する構成とすることができる。
【０１４０】
（第四の実施の形態）
図３０に示すように、燃料電池システム６９２は、センサ６９８にかえてセンサ７０４を含む構成とすることもできる。センサ７０４は、第１の電極７０１および第２の電極７０２を含むコンデンサである。センサ７０４において、第１の電極７０１および第２の電極７０２は高分子膜７００を狭持する。この場合、高分子膜７００は、絶縁性の材料により構成される。高分子膜７００は、絶縁性で、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、どのような材料により構成することもできる。高分子膜７００としては、たとえば、芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）などが例示される。また、上述したような燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４として用いられるスルホン酸基を有する高分子膜に電子線、ＵＶ、Ｘ線を照射したり、塩に浸したりして絶縁性としたものを用いることもできる。
【０１４１】
このとき、濃度測定部６７０は、図２３に示した抵抗測定部６８２にかえて、センサ７０４の第１の電極７０１および第２の電極７０２間の電気容量を測定する電気容量測定部を含む。濃度算出部６８４は、電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき、バッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出する。また、参照データ記憶部６８５は、第１の電極７０１および第２の電極７０２間の電気容量と液体燃料のアルコール濃度との関係を示す参照データを記憶する。高分子膜７００として燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を用いた場合、センサ７０４を燃料１２４に含浸させると、燃料１２４のアルコール濃度に応じて高分子膜７００の膜厚が変化し、それに伴い第１の電極７０１および第２の電極７０２間の距離が変化する。コンデンサの電気容量は、第１の電極７０１および第２の電極７０２間の距離に反比例するので、第１の電極７０１および第２の電極７０２間の電気容量を測定することにより高分子膜７００の膜厚変化を検出することができ、高分子膜７００の膜厚変化に基づきバッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出することができる。
【０１４２】
図３１は、センサ７０４を詳細に示す図である。図３１（ａ）は、高分子膜７００、並びに高分子膜７００を狭持する第１の電極７０１および第２の電極７０２の側面図、図３１（ｂ）は、センサ７０４を第１の電極７０１側からみた上面図である。第１の電極７０１および第２の電極７０２は、それぞれ配線７１４ａおよび配線７１４ｂを介して、図３０に示した濃度測定部６７０に電気的に接続される。
【０１４３】
また、図示していないが、高分子膜７００の寸法の変化は、高分子膜７００にマイクロ波等をあて、発振周波数を変化させて反射波を受信し、共振周波数特性に応じて高分子膜７００の寸法（膜厚）変化を検出する方法を用いることもできる。
【０１４４】
本実施の形態における燃料電池システム６９２によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【０１４５】
（第五の実施の形態）
図３２は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態において、燃料電池システム６９２にはカートリッジ６７８が取り付けられる。
【０１４６】
カートリッジ６７８は、バッファタンク６６４および燃料収容部６７６を含むように構成される。燃料電池システム６９２の本体側６７９には、燃料電池本体１００、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、濃度測定部６７０、および制御部６７２が設けられる。第三の実施の形態において図２０を参照して説明したのと同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１４７】
ここで、燃料供給処理部６７４は、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、カートリッジ６７８の燃料収容部６７６に含まれる燃料１２４をバッファタンク６６４に供給可能に構成される。カートリッジ６７８において、バッファタンク６６４はセンサ６９８を含む。本体側６７９において、濃度測定部６７０には、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、センサ６９８の第１の端子６９６および第２の端子６９７と電気的に接続される端子（不図示）が設けられる。燃料極タンク６６２は、バッファタンク６６４から燃料１２４を導入可能に構成される。
【０１４８】
図３３は、カートリッジ６７８におけるバッファタンク６６４と本体側６７９における燃料極タンク６６２とを示す模式図である。燃料極タンク６６２には燃料供給口６４３が設けられ、バッファタンク６６４は、燃料極タンク６６２の燃料供給口６４３と嵌合する嵌合部６４７を有する。カートリッジ本体６４５の側壁には、センサ６９８の第１の端子６９６および第２の端子６９７とそれぞれ電気的に接続された端子６９６ａおよび端子６９７ａが設けられる。
【０１４９】
また、図３４に示すように、センサ６９８は、本体側６７９の燃料極タンク６６２内に設けることもできる。さらに、図３５に示すように、燃料電池システム６９２は、燃料収容部６７６のみを含むカートリッジ６７８を取り外し可能とした構成とすることもできる。また、図示していないが、カートリッジ６７８にバルブを含めた構成とすることもできる。
【０１５０】
図３６は、図３３に示したカートリッジ６７８の他の例を示す図である。ここで、カートリッジ６７８のバッファタンク６６４は燃料供給部材６３７を含む。この例において、燃料電池本体１００には燃料極タンク６６２が設けられず、バッファタンク６６４に含まれる燃料は燃料供給部材６３７を介して燃料電池本体１００の燃料極１０２に供給される。燃料供給部材６３７は、燃料１２４を吸収するとともに、吸収した燃料を燃料電池本体１００に供給することのできる材料により構成される。燃料供給部材６３７は、たとえばウレタンにより構成することができる。また、燃料供給部材６３７は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィドまたはポリベンズイミダゾール等の多孔質フィルム等により構成することもできる。
【０１５１】
なお、第四の実施の形態において説明したセンサ７０４を含む燃料電池システム６９２についても、本実施の形態で説明したようなカートリッジを含む構成とすることができる。
【実施例２】
【０１５２】
高分子膜６９４としてナフィオンＮ１１７膜（デュポン社製、厚さ約５０μｍ、幅約５ｍｍ、長さ約６０ｍｍ）を用い、高分子膜６９４の表面にストレインゲージを貼付し、センサ６９８を準備した。容器内に濃度が既知のメタノール水溶液（メタノール濃度０％、２０％、４０％、および６０％）を導入し、ブリッジを備えた直流ソースメーターを用いてストレインゲージの電極間の抵抗値を測定した。表１に、メタノール水溶液中のメタノール濃度と抵抗値の変化率との関係を示す。このように、高分子膜６９４の歪みを検出することにより、精度よくアルコール濃度を検出することができた。
【０１５３】
【０１５４】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【０１５５】
また、燃料電池システム６６０は、図３７に示すように、燃料収容部および燃料供給部をそれぞれ２つずつ含む構成とすることができる。この場合、図３７（ａ）に示すように、燃料電池システム６６０は、図１に示した燃料収容部６７６にかえて、第１の燃料収容部４０７および第２の燃料収容部４０９を含む。燃料供給処理部６７４は、第１の燃料供給部４６５ａと、第２の燃料供給部４６５ｂと、インバータ４６１と、混合部４８５とを含む。第１の燃料供給部４６５ａは、第１の燃料収容部４０７から混合部４８５に第１燃料成分４８１を供給する。第２の燃料収容部４０９は、第２の燃料収容部４０９から混合部４８５に第二燃料成分４８３を供給する。第１の燃料収容部４０７および第２の燃料収容部４０９から供給された第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３は、混合部４８５で混合されて燃料１２４として燃料電池本体１００に供給される。第１の燃料供給部４６５ａおよび第２の燃料供給部４６５ｂは、いずれもインバータ４６１に接続されており、制御部６７２によってそれぞれの供給量が制御される。ここで、第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３は、たとえば水およびメタノールとすることができる。混合部４８５は、たとえばスロットバルブまたは圧電バルブとすることができる。
【０１５６】
また、図３７（ｂ）に示すように、燃料電池システム６６０は、濃度調整部５９２をさらに含むことができる。濃度調整部５９２は混合部４８５を調整して第１の燃料収容部４０７および第２の燃料収容部４０９からそれぞれ供給される第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３の混合率を制御する。濃度調整部５９２は、インバータ４６１に接続されており、制御部６７２によって制御される。
【０１５７】
このように、図３７に示した構成の燃料供給処理部６７４においては、２つの燃料成分の供給量が個別に制御されるので、燃料１２４の濃度を適宜調整することができる。また、２つの燃料成分は、混合部４８５で混合されて燃料電池本体１００に供給されるので、２つの燃料成分を均一に混合して燃料電池本体１００に供給することができる。
【０１５８】
第三の実施の形態〜第五の実施の形態において説明した燃料電池システム６９２についても、同様に、燃料収容部および燃料供給部をそれぞれ２つずつ含む構成とすることができる。
【０１５９】
なお、燃料供給処理部６７４は、３つ以上の燃料供給部を含むこともできる。この場合、燃料電池システム６６０も３つ以上の燃料収容部を含むことができる。
【０１６０】
また、燃料電池システム６６０は、図３８に示すような構成とすることもできる。図３８に示すように、カートリッジ６７８は、第１の燃料収容部６７６ａおよび第１の燃料収容部６７６ａとはアルコール濃度の異なる燃料を収容する第２の燃料収容部６７６ｂを含む構成とすることができる。なお、第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂのいずれか一方は、アルコールを含まない水を収容することもできる。ここでは図示していないが、燃料を燃料電池本体１００に供給した後、排出される水が第１の燃料収容部６７６ａまたは第２の燃料収容部６７６ｂのいずれかに返却されて循環する形態とすることもできる。
【０１６１】
図３８（ａ）は、本体側６７９に第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂが設けられた例を示す図である。本体側６７９の第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂの先にはシリンジ７０９が設けられている。カートリッジ６７８の第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂには、たとえばシリコンゴム等のキャップ７０８が設けられている。本体側６７９のシリンジ７０９をカートリッジ６７８のキャップ７０８に突き刺し、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂを駆動させることにより、第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂから本体側６７９に燃料を供給することができる。ここで図示していないが、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂは、制御部６７２（図１４等参照）により制御することができ、センサ６６８により測定されたバッファタンク６６４中の燃料の濃度に応じて第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂからの燃料の供給量を調整することができる。なお、ここではセンサ６６８がバッファタンク６６４に設けられた例を示しているが、センサ６６８は、燃料極タンク６６２内に設けられてもよく、またバッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とを結ぶ配管７０５中に設けられてもよく、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂとバッファタンク６６４とを結ぶ配管７０６中に設けられてもよい。
【０１６２】
さらに、図３８（ｂ）に示すように、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂは、カートリッジ６７８内に設けられた構成とすることもできる。この場合も、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂは、カートリッジ６７８が本体側６７９に取り付けられたときに、制御部６７２（図１４等参照）に電気的に接続されるように構成することができ、制御部６７２により制御することができる。
【０１６３】
なお、図３８では、本体側６７９にバッファタンク６６４が設けられた例を示したが、燃料電池システム６６０は、バッファタンク６６４を含まない構成とすることもでき、カートリッジ６７８から供給される燃料が配管７０６または配管７０５を介して燃料極タンク６６２に直接導入される形態とすることもできる。
【０１６４】
また、センサ６６８、センサ６９８、およびセンサ７０４は、メタノール等を水素ガスに改質し、燃料として水素を利用する燃料電池システムにおいて、改質前のアルコール濃度を測定するのに用いることもできる。
【０１６５】
さらに、センサ６６８、センサ６９８、およびセンサ７０４は、燃料電池システム６６０または燃料電池システム６９２中のアルコール濃度測定に限定されず、種々の溶液中のアルコール濃度を測定するのに用いることができる。たとえば、アルコール飲料中のアルコール濃度を測定するのに用いることもできる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルコール濃度測定方法、アルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノール等のアルコールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ２→６Ｈ＋＋６ｅ− （１）
【０００４】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ− （２）
【０００５】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ （３）
【０００６】
特に、直接型の燃料電池では、アルコール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のアルコール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【０００７】
しかし、直接型の燃料電池では、発電状況により、燃料中のアルコール濃度が変化してしまう。燃料電池の電力を安定的に保つためには、燃料中のアルコール濃度を適正な範囲に保つ必要がある。そのため、燃料電池システムには、燃料中のアルコール濃度を検出する装置が要求される。
【０００８】
たとえば、特許文献１には、液体中のアルコール濃度を測定するセンサが開示されている。このセンサは、電極の間にポリチオフェン系の導電性ポリマー被覆が設けられ、アルコール濃度に応じて抵抗が変化するように構成されている。
【０００９】
また、特許文献２および３には、電解質膜を挟持したアノードとカソードを含む（特許文献２の図１５、特許文献３の図６参照）、燃料電池様のセルを用いて液体中のメタノール濃度を測定するセンサが開示されている。このセルにおいて、アノードしてはＰｔ−Ｒｕ、カソードとしてはＰｔ等の触媒電極が用いられる。このように構成されたセルのアノード−カソード間に定電圧を印加することにより、アノードにおいてメタノールが二酸化炭素に変換され、カソードにおいてプロトンが水素に変換される反応が起こり、アノード−カソード間に電流が流れる。この電流値を測定することにより、液体中のメタノール濃度が測定される。
【特許文献１】特開平６−２６５５０３号公報
【特許文献２】米国特許６２５４７４８号
【特許文献３】米国特許６３０６２８５号
【発明の開示】
【００１０】
【００１１】
しかし、上記特許文献１に示された構成のセンサは、たとえばヘキサンやガソリン等の良溶媒中に置かれた場合とメタノールや水などの貧溶媒中に置かれた場合とで側鎖のコンフォメーションが異なることを利用して液体中のアルコール濃度を検出している。そのため、貧溶媒であるアルコール水溶液中のアルコール濃度を精度よく検出するのは困難である。
【００１２】
また、上記特許文献２および特許文献３に開示された構成のセンサの場合、メタノール濃度測定用に燃料電池様のセルを準備する必要があり、アノードおよびカソードとして高価なＰｔ等の触媒金属を利用する必要がある。また、カソードにおいて水素ガスが発生するため、水素ガスを除去する必要もある。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構造でアルコール濃度を検出することが可能なアルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システム、およびアルコール濃度測定方法を提供することにある。
【００１４】
本発明によれば、アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、液体燃料を含む容器と、プロトン伝導性を有し、容器内または容器の壁部に設けられた高分子膜と、液体燃料を高分子膜に含浸させたときの高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、容器中の液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが適用される。
【００１５】
ここで、燃料電池本体は、燃料極に液体燃料を直接供給する直接型のものであってもよく、また液体燃料を改質して燃料として水素を利用するものであってもいずれでもよい。液体燃料を含む容器は、燃料電池本体の燃料極に設けられた燃料極タンク、燃料極タンクに供給する燃料を収容するバッファタンク、カートリッジ、またはこれらを結ぶ配管を含み、高分子膜が液体燃料を含浸可能であれば、どのような構成とすることもできる。
【００１６】
高分子膜は、容器中の液体燃料を含浸するように構成され、液体燃料のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成することができる。高分子膜としては、プロトン酸基を含む材料を用いることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。本発明の燃料電池システムによれば、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出するので、貧溶媒であるアルコール水溶液中においても、アルコール濃度を精度よく検出することができる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設された一対の電極端子と、電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗値に基づき液体燃料のアルコール濃度を算出する濃度算出部と、を含むことができる。
【００１９】
ここで、高分子膜は、アルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成されるので、電極端子間に高分子膜を介して電流を流した場合、液体燃料のアルコール濃度に応じて電極端子間の抵抗値が変化する。濃度検出部は、電極端子間の抵抗値とアルコール濃度との対応関係を示す参照データを保持することができ、濃度算出部は、参照データに基づき、液体燃料のアルコール濃度を算出することができる。
【００２０】
ここで、濃度検出部は三以上の電極端子を含むこともでき、たとえば四つの電極端子を含むこともできる。この場合、一方の一対の電極端子を電流測定用とすることができ、他方の一対の電極端子を電圧測定用とすることができる。電極端子は、高分子膜表面に設けることもできるが、高分子膜中に設けてもよい。また、電極端子は、液体燃料中に設けることもできるが、液体燃料に直接接しない構成とすることもできる。電極端子を液体燃料に直接接しない構成とすることにより、電極端子が液体燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、電極端子を安定に保つことができる。電極端子は、導電性を有するものであれば、どのような材料により構成することもできる。電極端子は、たとえば、金、銀、白金、アルミニウム、ステンレス等により構成することができる。
【００２１】
本発明によれば、上記特許文献２および特許文献３に開示された構成のセンサのように触媒電極を用いる必要がないため、簡易な工程で濃度検出部を製造することができる。また、濃度検出部において、触媒金属を用いる必要がないため、燃料電池システムを安価に製造することができる。さらに、上記特許文献２および特許文献３に開示された構成のセンサにおいては、電極反応の出力に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出しているが、本発明の燃料電池システムにおいては、高分子膜を流れる電流の抵抗値を測定するだけなので、酸化剤極において水素ガスも発生せず、構成を簡便にすることができる。さらに、上記特許文献２および特許文献３においては、電極反応の出力に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出しているため、触媒電極が劣化することにより電極反応の出力が変動してアルコール濃度を正確に測定できない可能性もある。本発明の燃料電池システムにおいては、触媒反応を利用しないため、このような触媒の劣化による問題も生じない。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部において、電極端子は、容器外部に設けることができる。また、濃度検出部は、電極端子を覆う疎水性膜を有することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜の一部を上記高分子膜として利用することができる。この場合、固体電解質膜において、触媒層が設けられていない領域に電極端子を設けることができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、異濃度燃料収容部から容器に液体燃料を供給する供給部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度に応じて、供給部が供給する液体燃料の供給量を調整する制御部と、をさらに含むことができる。異濃度燃料収容部に含まれる液体燃料は、容器中の液体燃料よりも濃度が高くても低くてもどちらでもよい。本発明の燃料電池システムは、複数の異濃度燃料収容部を含むことができる。また、異濃度燃料収容部は、アルコールを含まない水を含むこともできる。この場合、液体燃料を燃料電池本体に供給した後に燃料極で生じる水を異濃度燃料収容部に回収し、循環させる構成とすることもできる。本発明の燃料電池システムによれば、容器中の液体燃料の濃度変化を検出して、アルコール濃度が適切な液体燃料を燃料電池本体に供給することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムにおいて、容器は、燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジに設けることができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料極に液体燃料を供給する燃料極タンクと、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、をさらに含むことができ、容器は、カートリッジに設けることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料電池本体に液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含むことができ、容器は、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部と、供給部と接続する第一の接続部を有し、燃料極タンクおよび供給部に取り外し可能に構成されてよく、異濃度燃料収容部は、供給部と接続する第二の接続部を有し、供給部に取り外し可能に構成されてよい。容器および異濃度燃料収容部は、カートリッジに設けることができる。容器および異濃度燃料収容部は、１つのカートリッジ内に一体に形成することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料の温度を測定する温度センサをさらに含むことができ、濃度検出部は、温度センサが測定した温度に応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００２９】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含むことができ、濃度検出部は、ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池システムは、警告を提示する警告提示部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、をさらに含むことができる。制御部は、たとえば、容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定値以下になった場合に警告提示部に警告の提示を指示することができる。このようにすれば、本発明の燃料電池システムが組み込まれた電子機器を使用中のユーザに容器中の液体燃料の燃料切れを知らせることができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムは、温度またはｐＨに対するプロトン伝導度が異なる複数の高分子膜を含むことができ、濃度検出部は、複数の高分子膜それぞれのプロトン伝導度の変化に基づき、容器中の液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【００３２】
本発明によれば、アルコール濃度の測定装置であって、プロトン伝導性を有し、アルコールを含む液体を含浸した際に当該液体中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する高分子膜と、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、液体中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置が提供される。
【００３３】
本発明のアルコール濃度測定装置において、濃度検出部は、高分子膜に配設された一対の電極端子と、電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗値を液体中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００３４】
本発明によれば、アルコール濃度の測定方法であって、測定対象のアルコールを含む液体をプロトン伝導性を有する高分子膜に含浸させる工程と、高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程と、プロトン伝導度の変化に基づき、液体中のアルコール濃度を検出する工程と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法が提供される。
【００３５】
本発明のアルコール濃度測定装置において、プロトン伝導度の変化を検出する工程は、高分子膜に配設された一対の電極端子間の抵抗値を測定する工程を含むことができ、アルコールの濃度を検出する工程は、抵抗値に基づき液体のアルコール濃度を算出する工程を含むことができる。
【００３６】
本発明のアルコール濃度測定方法は、高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程の前に、液体を二酸化炭素ガスで飽和させる工程をさらに含むことができる。
【００３７】
本発明によれば、燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、プロトン伝導性を有する高分子膜と、高分子膜に配設され、第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続される第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器が提供される。
【００３８】
本発明によれば、アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、液体燃料を含む容器と、容器または容器の壁部に設けられ、液体燃料を含浸して液体燃料中のアルコールの濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき容器中の液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、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。
【００３９】
ここで、燃料電池本体は、燃料極に液体燃料を直接供給する直接型のものであってもよく、また液体燃料を改質して燃料として水素を利用するものであってもいずれでもよい。液体燃料を含む容器は、燃料電池本体の燃料極に設けられた燃料極タンク、燃料極タンクに供給する燃料を収容するバッファタンク、カートリッジ、またはこれらを結ぶ配管を含み、高分子膜が液体燃料を含浸可能であれば、どのような構成とすることもできる。
【００４０】
高分子膜は、容器中の液体燃料を含浸するように構成され、液体燃料のアルコール濃度や水の濃度に応じて寸法が変化する材料により構成することができる。高分子膜は、液体燃料のアルコール濃度や水の濃度に応じて膨張や収縮等して寸法が変化する材料により構成することができる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。また、本発明の燃料電池システムによれば、高分子膜の液体燃料中での寸法変化に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出するので、貧溶媒であるアルコール水溶液中においても、アルコール濃度を精度よく検出することができる。
【００４２】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設されたストレインゲージと、ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗の変化を液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００４３】
本発明の燃料電池システムにおいて、高分子膜は、プロトン酸基を含むことができる。
【００４４】
本発明の燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質膜の一部を高分子膜として利用することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜を挟んで構成されたコンデンサと、コンデンサの電気容量を測定する電気容量測定部と、電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出し、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。この場合、高分子膜としては、絶縁性の材料を用いることができる。このような材料として、たとえば燃料電池本体の固体電解質膜として用いられるスルホン酸基を有する高分子膜に電子線、ＵＶ、Ｘ線を照射したり、塩に浸したりして絶縁性としたものを用いることができる。
【００４６】
本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜に配設された水晶振動子と、当該水晶振動子の共振周波数の変化を検出する共振周波数特性測定部と、共振周波数特性測定部が測定した共振周波数特性に基づき、液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００４７】
本発明の燃料電池システムにおいて、高分子膜は、架橋されたものを用いることができる。これにより、液体燃料のアルコール濃度が変化して高分子膜が膨張・収縮を繰り返して寸法変化した場合であっても、材料の劣化を低減することができる。
【００４８】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、異濃度燃料収容部から容器に液体燃料を供給する供給部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度に応じて、供給部が供給する液体燃料の供給量を調整する制御部と、をさらに含むことができる。異濃度燃料収容部に含まれる液体燃料は、容器中の液体燃料よりも濃度が高くても低くてもどちらでもよい。本発明の燃料電池システムは、複数の異濃度燃料収容部を含むことができる。また、異濃度燃料収容部は、アルコールを含まない水を含むこともできる。この場合、液体燃料を燃料電池本体に供給した後に燃料極で生じる水を異濃度燃料収容部に回収し、循環させる構成とすることもできる。本発明の燃料電池システムによれば、容器中の液体燃料の濃度変化を検出して、アルコール濃度が適切な液体燃料を燃料電池本体に供給することができる。
【００４９】
本発明の燃料電池システムにおいて、容器は、燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジに設けることができる。
【００５０】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料極に液体燃料を供給する燃料極タンクと、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、をさらに含むことができ、容器は、カートリッジに設けることができる。
【００５１】
本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料電池本体に液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含むことができ、容器は、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部と、供給部と接続する第一の接続部を有し、燃料極タンクおよび供給部に取り外し可能に構成されてよく、異濃度燃料収容部は、供給部と接続する第二の接続部を有し、供給部に取り外し可能に構成されてよい。容器および異濃度燃料収容部は、カートリッジに設けることができる。容器および異濃度燃料収容部は、１つのカートリッジ内に一体に形成することができる。
【００５２】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料の温度を測定する温度センサをさらに含むことができ、濃度検出部は、温度センサが測定した温度に応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００５３】
本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含むことができ、濃度検出部は、ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。
【００５４】
本発明の燃料電池システムは、警告を提示する警告提示部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、をさらに含むことができる。制御部は、たとえば、容器中の液体燃料のアルコール濃度が所定値以下になった場合に警告提示部に警告の提示を指示することができる。このようにすれば、本発明の燃料電池システムが組み込まれた電子機器を使用中のユーザに容器中の液体燃料の燃料切れを知らせることができる。
【００５５】
本発明の燃料電池システムは、温度またはｐＨに対する寸法変化の度合いが異なる複数の高分子膜を含むことができ、濃度検出部は、複数の高分子膜それぞれの寸法変化の度合いに基づき、容器中の液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【００５６】
本発明によれば、アルコール濃度の測定装置であって、アルコールを含む液体を含浸した際に、当該液体中のアルコール濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき液体のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置が提供される。
【００５７】
本発明のアルコール濃度測定装置において、濃度検出部は、高分子膜に配設されたストレインゲージと、ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗の変化を液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。
【００５８】
本発明によれば、アルコール濃度の測定方法であって、測定対象のアルコールを含む液体を当該液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜に含浸させる工程と、高分子膜の寸法変化を検出する工程と、高分子膜の寸法変化の度合いに基づき、液体中のアルコール濃度を検出する工程と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法が提供される。
【００５９】
本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜に配設されたストレインゲージの抵抗変化を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、抵抗変化を測定する工程において測定された抵抗の変化を液体中のアルコール濃度に変換する工程を含むことができる。
【００６０】
本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜を挟んで構成されたコンデンサの電気容量を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、電気容量を測定する工程において測定された電気容量の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことができる。
【００６１】
本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜に配設された水晶振動子の共振周波数の変化を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、共振周波数の変化を測定する工程において測定された共振周波数の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことができる。
【００６２】
本発明によれば、燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、アルコールを含む液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜と、高分子膜に配設されたストレインゲージと、第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続され、ストレインゲージの抵抗変化を取り出す第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器が提供される。
【００６３】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００６４】
本発明によれば、簡易な構造でアルコール濃度を検出することが可能なアルコール濃度測定装置および当該装置を含む燃料電池システム、ならびにアルコール濃度測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
上述した目的、およびその他の目的、特徴及び利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
【００６６】
［図１］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図２］センサを詳細に示す図である。
［図３］センサの他の例を示す図である。
［図４］センサのまた他の例を示す図である。
［図５］本実施の形態における燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図６］図１に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
［図７］ｐＨセンサおよび温度センサをさらに含む燃料電池システムの構成を示す図である。
［図８］温度およびｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる三種以上の高分子膜を組み合わせた構成の濃度測定部を示す図である。
［図９］図１に示した燃料供給処理部の構成を詳細に示す図である。
［図１０］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１１］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１２］センサの変形例を示す図である。
［図１３］燃料電池本体の単セル構造を模式的に示した断面図である。
［図１４］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図１５］図１４に示したカートリッジにおけるバッファタンクと本体側における燃料極タンクとを示す模式図である。
［図１６］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１７］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図１８］図１５に示したカートリッジの他の例を示す図である。
［図１９］メタノール濃度と抵抗値との関係を示す図である。
［図２０］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図２１］センサを詳細に示す図である。
［図２２］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図２３］図２０に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
［図２４］ｐＨセンサおよび温度センサをさらに含む燃料電池システムの構成を示す図である。
［図２５］温度およびｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる三種以上の高分子膜を組み合わせた構成の濃度測定部を示す図である。
［図２６］図２０に示した燃料供給処理部の構成を詳細に示す図である。
［図２７］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図２８］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図２９］センサの変形例を示す図である。
［図３０］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３１］センサを詳細に示す図である。
［図３２］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
［図３３］図３２に示したカートリッジにおけるバッファタンクと本体側における燃料極タンクとを示す模式図である。
［図３４］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３５］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３６］図３３に示したカートリッジの他の例を示す図である。
［図３７］燃料供給処理部の他の例を示す図である。
［図３８］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図３９］センサの他の例を示す図である。
［図４０］センサの他の例を示す図である。
［図４１］センサの他の例を示す図である。
［図４２］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
［図４３］燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下の実施の形態で説明する燃料電池システムの用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
【００６８】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図１の燃料電池システム６６０は、燃料電池本体１００と、燃料極タンク６６２と、バッファタンク６６４と、センサ６６８と、濃度測定部６７０と、制御部６７２と、燃料供給処理部６７４と、燃料収容部６７６と、警告提示部６８０とを含む。
【００６９】
本実施の形態において、燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。
【００７０】
燃料電池本体１００は、固体電解質膜１１４と、固体電解質膜１１４に配された燃料極１０２および酸化剤極１０８とを含む。酸化剤極１０８に供給される酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。燃料電池本体１００の詳細な構成については後述する。
【００７１】
本実施の形態において、燃料収容部６７６は、燃料極１０２に供給される燃料１２４よりもアルコール濃度が高い燃料１２４を収容する。
【００７２】
バッファタンク６６４には、燃料極タンク６６２に供給される燃料１２４が導入される。センサ６６８は、バッファタンク６６４内の燃料１２４のアルコール濃度を検出するのに用いられる。センサ６６８は、高分子膜６６５と、第１の電極端子６６６と、第２の電極端子６６７とを含む。高分子膜６６５は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子膜６６５は、バッファタンク６６４中の燃料１２４を含浸するように構成され、燃料１２４中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成される。本実施の形態における燃料電池システム６６０は、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化に基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のメタノール濃度を検出することができる。
【００７３】
高分子膜６６５は、燃料１２４のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料であればどのような材料により構成することもできるが、たとえば、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４と同様の材料により構成することができる。このような材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製））；
芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）；
などが例示される。
【００７４】
また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入し、これらの高分子をそのまま、または溶融した状態で放射線、ＵＶ、電子線等を照射すること等により架橋したものを用いることもできる。
【００７５】
第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、高分子膜６６５表面または高分子膜６６５中に互いに離間して設けられる。ここで、高分子膜６６５は、アルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する材料により構成されるので、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間に高分子膜６６５を介して電流を流した場合、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度に応じて第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値が変化する。濃度測定部６７０は、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度を測定する。濃度測定部６７０の詳細な構成については後述する。
【００７６】
図２は、センサ６６８を詳細に示す図である。図２（ａ）は、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が設けられた面を示す図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の側面図である。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料１２４中に安定に存在し、導電性を有する材料であればどのような材料により構成することもできる。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、導電性ペーストにより高分子膜６６５に貼り付けることができる。導電性ペーストとしては、金や銀等の金属を含むポリマーペースト等を用いることができる。第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、それぞれ配線７１０ａおよび配線７１０ｂを介して、図１に示した濃度測定部６７０に電気的に接続される。
【００７７】
また、センサ６６８は、図３９に示すように、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７の表面がたとえばテフロン（登録商標）等の疎水性の膜７２０で覆われた構成とすることもできる。このようにすれば、センサ６６８をバッファタンク６６４中に導入した場合でも、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７がバッファタンク６６４中の燃料と直接接触することがない。そのため、第一の電極端子６６６および第二の電極端子６６７が燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００７８】
図３は、センサ６６８の他の例を示す図である。図３（ａ）に示すように、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを高分子膜６６５に巻き付けて構成することもできる。また、図３（ｂ）に示すように、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを高分子膜６６５の厚さ方向に貫通させ、配線７１０ａおよび配線７１０ｂの貫通した部分を留め部として第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を構成することもできる。
【００７９】
図４は、センサ６６８のまた他の例を示す図である。図４（ａ）に示すように、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、それぞれ、配線７１０ａおよび配線７１０ｂを導電性ペースト７１１で高分子膜６６５上に固定することにより構成することもできる。導電性ペーストとしては、上述したのと同様、金や銀等の金属を含むポリマーペースト等を用いることができる。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したセンサ６６８の側面図である。なお、前述した図３（ａ）および図３（ｂ）に示した構成の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７においても、同様の導電性ペーストを用いて配線７１０ａおよび配線７１０ｂが高分子膜６６５にしっかり固定されるようにすることができる。
【００８０】
さらに、センサ６６８は、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、４つの電極端子６６６ａ、電極端子６６６ｂ、電極端子６６７ａ、および電極端子６６７ｂを含む構成とすることもできる。各電極端子６６６ａ、６６６ｂ、６６７ａ、および６６７ｂはそれぞれ配線７１０ａ、配線７１０ｃ、配線７１０ｂ、および配線７１０ｄを介して濃度測定部６７０（図１参照）に電気的に接続される。たとえば、濃度測定部６７０は、電極端子６６６ａおよび電極端子６６７ａ間の電流を測定するために用いることができ、電極端子６６６ｂおよび電極端子６６７ｂ間の電圧を測定するために用いることができる。
【００８１】
図１に戻り、濃度測定部６７０が測定したバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度は制御部６７２に伝達される。燃料供給処理部６７４は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に燃料１２４を供給する処理を行う。制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内であるか否かを判断し、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内となるように燃料供給処理部６７４を制御する。燃料供給処理部６７４は、制御部６７２の制御に基づき、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を制御する。燃料供給処理部６７４の詳細な構成についても後述する。
【００８２】
また、制御部６７２は、燃料供給処理部６７４を制御する処理を繰り返してもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内にならない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。
【００８３】
また、図５に示すように、燃料電池システム６６０は、燃料収容部６７６および燃料供給処理部６７４を含まない構成とすることもできる。この場合、制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。バッファタンク６６４中の燃料１２４を燃料極タンク６６２に循環させて燃料電池本体１００で電気化学反応を起こさせると、通常燃料１２４中のアルコールの含有量（モル比）は水の含有量（モル比）より低いため、燃料１２４中のアルコールが消費され、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が徐々に低下していく。図５に示したような構成とすると、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が所定濃度以下となった場合に警告提示部６８０に警告を発生させることができ、バッファタンク６６４中の燃料１２４の利用可能終点を検知することができる。
【００８４】
図６は、濃度測定部６７０の構成を詳細に示す図である。
濃度測定部６７０は、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間の抵抗値を測定する抵抗測定部（Ｒ／Ｏ）６８２と、抵抗測定部６８２が測定した抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出する濃度算出部（Ｓ／Ｏ）６８４と、第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７の間の抵抗値とメタノール濃度との関係を示す参照データを記憶する参照データ記憶部６８５とを含む。抵抗測定部６８２としては、たとえばブリッジを備えた交流インピーダンスメータを用いることができる。第１の電極端子６６６と第２の電極端子６６７との間の抵抗値は、２０ｍＶ以下の低振幅の交流を用いて測定することができる。濃度算出部６８４は、参照データ記憶部６８５を参照して参照データに基づき濃度算出部６８４が測定した抵抗値からメタノール濃度を算出する。
【００８５】
また、図７に示すように、燃料電池システム６６０は、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８をさらに含むこともできる。前述した式（２）に示すように、燃料極１０２では二酸化炭素が発生する。そのため、燃料極タンク６６２を通過する過程において、燃料１２４に二酸化炭素が溶け込み、燃料１２４のｐＨが変化することがある。高分子膜６６５のプロトン伝導度は温度やｐＨに依存することもあるため、濃度測定部６７０は、燃料１２４の温度およびｐＨも考慮して燃料１２４中のメタノール濃度を測定することが好ましい。ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は、バッファタンク６６４中の燃料１２４のｐＨおよび温度をそれぞれ測定する。参照データ記憶部６８５（図６）は、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を温度毎およびｐＨ毎に記憶することができる。また、参照データ記憶部６８５は、温度毎およびｐＨ毎に第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係の補正式を記憶することができる。このようにすれば、濃度測定部６７０は、バッファタンク６６４中の燃料１２４の温度やｐＨをも考慮して燃料１２４中のメタノール濃度を測定することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【００８６】
また、燃料電池システム６６０がｐＨセンサ６８６を含まない場合、参照データ記憶部６８５（図６）は、燃料１２４を二酸化炭素ガスで飽和させた状態における第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を記憶することができる。この場合、バッファタンク６６４中の燃料１２４を二酸化炭素ガスで飽和させ、濃度測定部６７０によるアルコール濃度の測定を開始するようにしてよい。このようにすれば、燃料電池本体１００の電極反応において二酸化炭素が発生することによる燃料１２４のｐＨ変化を考慮することなく燃料１２４中のアルコール濃度を測定することができる。
【００８７】
温度センサ６８８としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。また、ｐＨセンサ６８６としては市販のｐＨメータを用いることができる。温度測定機能を有するｐＨメータを用いる場合、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は一体に形成することもできる。
【００８８】
図４０は、温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）とセンサ６６８とを一体に構成した図を示す。センサ６６８は、図４０（ａ）に示すように、温度センサ６８８（またはｐＨセンサ６８６）を高分子膜６６５表面に貼り付けた構成とすることもでき、また図４０（ｂ）に示すように、温度センサ６８８を高分子膜６６５内に埋め込んだ構成とすることもできる。また、センサ６６８は、図４０（ｃ）に示すように、膜状の濃度測定部６７０を高分子膜６６５に貼り付けた構成とすることもできる。
【００８９】
さらに、図８に示すように、温度およびｐＨによってプロトン伝導度が異なる三種以上の高分子膜をそれぞれ含む複数のセンサ６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃを組み合わせて用いることにより、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度、温度、およびｐＨを測定することもできる。このような高分子膜の組み合わせとして、たとえば（１）ナフィオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルオロカーボン、（２）ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のスルホン酸基含有ポリエーテルケトン、および（３）スルホン酸基ポリスチレン共重合体を用いることができる。この場合、濃度測定部６７０は、センサ６６８ａ、６６８ｂ、および６６８ｃにおける抵抗値をそれぞれ測定する複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃを含むことができる。濃度算出部６８４は、これら複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃにより測定された抵抗値に基づき、温度およびｐＨを考慮して燃料１２４中のアルコール濃度を検出することができる。
【００９０】
さらに、たとえば図７に示したように温度センサ６８８を用いると共に、ｐＨによってプロトン伝導度が異なる二種以上の高分子膜を組み合わせて用いることによってもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度およびｐＨを測定することもできる。
【００９１】
図９は、燃料供給処理部６７４の構成を詳細に示す図である。
燃料供給処理部６７４は、インバータ４６１および燃料供給部４６５を含む。燃料供給部４６５は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を変化させる。燃料供給部４６５としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いた場合、制御部６７２は、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより燃料収容部６７６からの燃料１２４の供給量を制御する。
【００９２】
燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料１２４の供給量を、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータ４６１の振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれを変化させた場合においても、燃料１２４の供給量を調節することができる。
【００９３】
圧電ポンプとして、たとえばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、たとえばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。なお、ここでは図示していないが、インバータ４６１は、燃料電池本体１００からの出力を直交変換することにより、バイモルフ型圧電ポンプの駆動電源を得ることができる。インバータ４６１としては、たとえば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。
【００９４】
また、ここで図示していないが、バッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とは、燃料供給部４６５と同様の構成の圧電ポンプを介して燃料１２４が循環可能な構成とすることができる。このようにすれば、燃料１２４として液体燃料を用いた際に、燃料極１０２において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極１０２から除去される。このため、燃料極１０２における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。
【００９５】
また、図１０に示すように、センサ６６８は、バッファタンク６６４の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図１１に示すように、センサ６６８は、燃料極タンク６６２に設けることもできる。この場合、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４の一部を図１に示した高分子膜６６５として用いることができる。
【００９６】
また、図４２に示すように、センサ６６８は、燃料極タンク６６２の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、ここでは図示していないが、センサ６６８を燃料極タンク６６２内に設けた構成とすることもできる。
【００９７】
図１２は、図１０および図１１に示した構成のセンサ６６８の変形例を示す図である。図１２（ａ）は、図１０に示したセンサ６６８の変形例を示す。センサ６６８において、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、バッファタンク６６４中の燃料と直接接しないように、バッファタンク６６４の外部に設けられた構成とすることができる。高分子膜６６５がバッファタンク６６４中の燃料を含浸していれば、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７がバッファタンク６６４中に設けられていなくても、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７間の抵抗値を検出することができる。このような構成とすると、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料中に常時配置されないため、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７が燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００９８】
図１２（ｂ）は、図１１に示したセンサ６６８の変形例を示す。ここで、センサ６６８において、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７は、燃料極タンク６６２中の燃料と直接接しないように、固体電解質膜１１４の酸化剤極１０８側に設けられた構成とすることができる。これにより、第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を安定に保つことができる。
【００９９】
次に、図１３を参照して図１に示した燃料電池本体１００の構成を説明する。燃料電池本体１００は、単数または複数の単セル構造１０１を有する。図１３は、単セル構造１０１を模式的に示した断面図である。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。燃料電池本体１００において、単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料極側セパレータ１２０を介して燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側セパレータ１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
【０１００】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
【０１０１】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。触媒としては、白金や白金とルテニウムの合金等が例示される。燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。なお、燃料電池システム６６０を図１１に示す構成とする場合、固体電解質膜１１４において、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が設けられていない領域を高分子膜６６５として用いる。
【０１０２】
基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。前述したように、燃料１２４としてメタノールを用いた場合、燃料極１０２で二酸化炭素が発生する。燃料極１０２で発生した二酸化炭素の気泡が燃料極１０２付近に滞留すると、燃料極１０２への燃料１２４の供給が阻害され、発電効率の低下の原因となる。そこで、基体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体１０４の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料１２４とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。さらに、これらの表面処理による作用と燃料電池本体１００への加振処理との相乗作用により、燃料極１０２から二酸化炭素が一層効率的に除去されるため、高い発電効率が実現する。親水性コート材としては、たとえば酸化チタン、酸化ケイ素等が挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、シラン等が例示される。
【０１０３】
以上のようにして構成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを含む燃料電池本体１００を得ることができる。
【０１０４】
本実施の形態における燃料電池システム６６０によれば、高分子膜６６５に第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７を付けただけの簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【０１０５】
（第二の実施の形態）
図１４は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態において、燃料電池システム６６０にはカートリッジ６７８が取り付けられる。
【０１０６】
カートリッジ６７８は、バッファタンク６６４および燃料収容部６７６を含むように構成される。燃料電池システム６６０の本体側６７９には、燃料電池本体１００、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、濃度測定部６７０、および制御部６７２が設けられる。第一の実施の形態において図１を参照して説明したのと同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１０７】
ここで、燃料供給処理部６７４は、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、カートリッジ６７８の燃料収容部６７６に含まれる燃料１２４をバッファタンク６６４に供給可能に構成される。カートリッジ６７８において、バッファタンク６６４はセンサ６６８を含む。本体側６７９において、濃度測定部６７０には、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７と電気的に接続される端子（不図示）が設けられる。燃料極タンク６６２は、バッファタンク６６４から燃料１２４を導入可能に構成される。
【０１０８】
図１５は、カートリッジ６７８におけるバッファタンク６６４と本体側６７９における燃料極タンク６６２とを示す模式図である。燃料極タンク６６２には燃料供給口６４３が設けられ、バッファタンク６６４は、燃料極タンク６６２の燃料供給口６４３と嵌合する嵌合部６４７を有する。カートリッジ本体６４５の側壁には、センサ６６８の第１の電極端子６６６および第２の電極端子６６７とそれぞれ電気的に接続された電極端子６６６ａおよび電極端子６６７ａが設けられる。ここで、燃料電池本体１００は、図１４に示した構成に加えて、絶縁シート１３０と、燃料極側集電体１３２と、酸化剤極側集電体１３４とをさらに含む。
【０１０９】
また、図１６に示すように、センサ６６８は、本体側６７９の燃料極タンク６６２内に設けることもできる。さらに、図１７に示すように、燃料電池システム６６０は、燃料収容部６７６のみを含むカートリッジ６７８を取り外し可能とした構成とすることもできる。また、図示していないが、カートリッジ６７８にバルブを含めた構成とすることもできる。また、センサ６６８は、カートリッジ６７８の壁部に設けることもできる。この場合、カートリッジ６７８外部に露出したセンサ６６８部分をシールなどで覆う構成とし、本体側６７９に取り付け前にシールを取り外すようにすることができる。これにより、カートリッジ６７８を本体側６７９に取り付け前にカートリッジ６７８から液体燃料が漏れだしたりするのを防ぐことができる。
【０１１０】
図１８は、図１５に示したカートリッジ６７８の他の例を示す図である。ここで、カートリッジ６７８のバッファタンク６６４は燃料供給部材６３７を含む。この例において、燃料電池本体１００には燃料極タンク６６２が設けられず、バッファタンク６６４に含まれる燃料は燃料供給部材６３７を介して燃料電池本体１００の燃料極１０２に供給される。燃料供給部材６３７は、燃料１２４を吸収するとともに、吸収した燃料を燃料電池本体１００に供給することのできる材料により構成される。燃料供給部材６３７は、たとえばウレタンにより構成することができる。また、燃料供給部材６３７は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィドまたはポリベンズイミダゾール等の多孔質フィルム等により構成することもできる。
【０１１１】
カートリッジ６７８がこのような構成を有する場合、制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたバッファタンク６６４中のアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部６８０に警告を発生させることができる。
【０１１２】
本実施の形態における燃料電池システム６６０によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【実施例１】
【０１１３】
高分子膜６６５としてナフィオンＮ１１２膜（デュポン社製、厚さ約５０μｍ、幅約５ｍｍ、長さ約６０ｍｍ）を用い、高分子膜６６５の長さ方向の両端の表面に金端子（幅約６ｍｍ角）を取り付けたセンサ６６８を準備した。容器内に濃度が既知のメタノール水溶液を導入し、ブリッジを備えた交流インピーダンスメータを用いて１０ｍＶ以下の低振幅の交流を用いて電極間の抵抗値を測定した。図１９は、メタノール濃度と抵抗値との関係を示す図である。このように、高分子膜６６５のプロトン伝導度の変化を利用することにより、精度よくアルコール濃度を検出することができた。
【０１１４】
（第三の実施の形態）
図２０は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図２０の燃料電池システム６９２は、燃料電池本体１００と、燃料極タンク６６２と、バッファタンク６６４と、センサ６９８と、濃度測定部６７０と、制御部６７２と、燃料供給処理部６７４と、燃料収容部６７６と、警告提示部６８０とを含む。
【０１１５】
本実施の形態において、燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。
【０１１６】
燃料電池本体１００は、固体電解質膜１１４と、固体電解質膜１１４に配された燃料極１０２および酸化剤極１０８とを含む。酸化剤極１０８に供給する酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。燃料電池本体１００は、第一の実施の形態において図１３を参照して説明したのと同様の構成を有する。
【０１１７】
本実施の形態において、燃料収容部６７６は、燃料極１０２に供給される燃料１２４よりもアルコール濃度が高い燃料１２４を収容する。
【０１１８】
バッファタンク６６４には、燃料極タンク６６２に供給される燃料１２４が導入される。センサ６９８は、バッファタンク６６４内の燃料１２４のアルコール濃度を検出するのに用いられる。センサ６９８は、高分子膜６９４と、ストレインゲージ６９５と、第１の端子６９６と、第２の端子６９７とを含む。高分子膜６９４は、アルコールを含浸するように構成され、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料により構成される。本実施の形態における燃料電池システム６９２は、高分子膜６９４の寸法変化を検出し、その寸法変化の度合いに基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のメタノール濃度を検出する。
【０１１９】
高分子膜６９４は、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、どのような材料により構成することもできるが、たとえば、固体電解質膜１１４と同様の材料により構成することができる。このような材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製））；
芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）；
などが例示される。
【０１２０】
また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入し、これらの高分子をそのまままたは溶融した状態で放射線、ＵＶ、電子線等を照射すること等により架橋したものを用いることもできる。
【０１２１】
また、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、極性基を有する材料でなくてもよく、どのような高分子により構成することもできる。
【０１２２】
ストレインゲージ６９５は、高分子膜６９４の表面に貼付、または内部に埋め込まれる。ストレインゲージ６９５は、高分子膜６９４と一体に構成することもできる。ストレインゲージ６９５はどのような構成とすることもできるが、たとえば４つのストレインゲージによりホイーストンブリッジ回路を構成し、歪みによるストレインゲージの抵抗変化を電気信号として第１の端子６９６および第２の端子６９７から取り出す構成とすることができる。濃度測定部６７０は、第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度を測定する。濃度測定部６７０の詳細な構成については後述する。
【０１２３】
図２１は、センサ６９８を詳細に示す図である。センサ６９８は、高分子膜６９４と、高分子膜６９４に配設されたストレインゲージ６９５を含み、ストレインゲージ６９５の表面は防水フィルム７１２で覆われた構成とすることができる。ストレインゲージ６９５からの電気信号は、配線７１３ａおよび配線７１３ｂから取り出すことができる。
【０１２４】
図２０に戻り、濃度測定部６７０が測定したバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度は制御部６７２に伝達される。燃料供給処理部６７４は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に燃料１２４を供給する処理を行う。制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内であるか否かを判断し、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内となるように燃料供給処理部６７４を制御する。燃料供給処理部６７４は、制御部６７２の制御に基づき、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を制御する。燃料供給処理部６７４の詳細な構成についても後述する。
【０１２５】
また、制御部６７２は、燃料供給処理部６７４を制御する処理を繰り返してもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が適正な範囲内にならない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。
【０１２６】
また、図２２に示すように、燃料電池システム６９２は、燃料収容部６７６および燃料供給処理部６７４を含まない構成とすることもできる。この場合、制御部６７２は、濃度測定部６７０により測定されたアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部６８０に警告を発生させる。バッファタンク６６４中の燃料１２４を燃料極タンク６６２に循環させて燃料電池本体１００で電気化学反応を起こさせると、燃料１２４中のアルコールが消費され、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が徐々に低下していく。図２２に示したような構成とすると、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度が所定濃度以下となった場合に警告提示部６８０に警告を発生させることができ、バッファタンク６６４中の燃料１２４の利用可能終点を検知することができる。
【０１２７】
図２３は、濃度測定部６７０の構成を詳細に示す図である。
濃度測定部６７０は、第１の端子６９６と第２の端子６９７との間の抵抗値を測定する抵抗測定部（Ｒ／Ｏ）６８２と、抵抗測定部６８２が測定した抵抗値に基づき、バッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出する濃度算出部（Ｓ／Ｏ）６８４と、第１の端子６９６と第２の端子６９７の間の抵抗値とメタノール濃度との関係を示す参照データを記憶する参照データ記憶部６８５とを含む。抵抗測定部６８２としては、たとえばブリッジを備えた直流ソースメーターを用いることができる。濃度算出部６８４は、参照データ記憶部６８５を参照して参照データに基づき濃度算出部６８４が測定した抵抗値からメタノール濃度を算出する。
【０１２８】
また、図２４に示すように、燃料電池システム６９２は、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８をさらに含むこともできる。ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は、バッファタンク６６４中の燃料１２４のｐＨおよび温度をそれぞれ測定する。参照データ記憶部６８５は、第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値とメタノール濃度との関係を温度毎およびｐＨ毎に記憶することができる。また、参照データ記憶部６８５は、温度毎およびｐＨ毎に第１の端子６９６および第２の端子６９７間の抵抗値とメタノール濃度との関係の補正式を記憶することができる。このようにすれば、濃度測定部６７０は、バッファタンク６６４中の燃料１２４の温度やｐＨをも考慮して燃料１２４中のメタノール濃度を測定することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【０１２９】
温度センサ６８８としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。また、ｐＨセンサ６８６としては市販のｐＨメータを用いることができる。温度測定機能を有するｐＨメータを用いる場合、ｐＨセンサ６８６および温度センサ６８８は一体に形成することもできる。
【０１３０】
さらに、図２５に示すように、温度およびｐＨに対する寸法変化の度合いが異なる三種以上の高分子膜をそれぞれ含む複数のセンサ６９８ａ、６９８ｂ、および６９８ｃを組み合わせて用いることにより、バッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度、温度、およびｐＨを測定することもできる。このような高分子膜の組み合わせとして、たとえば（１）ナフィオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルオロカーボン、（２）ＰＥＥＫ等のスルホン酸基含有ポリエーテルケトン、および（３）スルホン酸基ポリスチレン共重合体を用いることができる。この場合、濃度測定部６７０は、高分子膜６９８ａ、６９８ｂ、および６９８ｃにおける抵抗値をそれぞれ測定する複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃを含むことができる。濃度算出部６８４は、これら複数の抵抗測定部６８２ａ、６８２ｂ、および６８２ｃにより測定された抵抗値に基づき、温度およびｐＨを考慮して燃料１２４中のアルコール濃度を検出することができる。
【０１３１】
さらに、たとえば図２５に示したように温度センサ６８８を用いると共に、ｐＨに対する電気抵抗の変化が異なる二種の高分子膜を組み合わせて用いることによってもバッファタンク６６４中の燃料１２４のアルコール濃度およびｐＨを測定することもできる。
【０１３２】
図２６は、燃料供給処理部６７４の構成を詳細に示す図である。
燃料供給処理部６７４は、インバータ４６１および燃料供給部４６５を含む。燃料供給部４６５は、燃料収容部６７６からバッファタンク６６４に供給する燃料１２４の供給量を変化させる。燃料供給部４６５としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いた場合、制御部６７２は、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより燃料収容部６７６からの燃料１２４の供給量を制御する。
【０１３３】
また、ここで図示していないが、バッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とは、燃料供給部４６５と同様の構成の圧電ポンプを介して燃料１２４が循環可能な構成とすることができる。このようにすれば、燃料１２４として液体燃料を用いた際に、燃料極１０２において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極１０２から除去される。このため、燃料極１０２における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。
【０１３４】
また、図２７に示すように、センサ６９８は、バッファタンク６６４の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図２８に示すように、センサ６９８は、燃料極タンク６６２に設けることもできる。この場合、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４の一部を図２０に示した高分子膜６９４として用いることができる。
【０１３５】
また、図４３に示すように、センサ６９８は、燃料極タンク６６２の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、ここでは図示していないが、センサ６９８を燃料極タンク６６２内に設けた構成とすることもできる。
【０１３６】
図２９は、図２７および図２８に示した構成のセンサ６９８の変形例を示す図である。図２９（ａ）は、図２７に示したセンサ６９８の変形例を示す。センサ６９８において、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７は、バッファタンク６６４中の燃料と直接接しないように、バッファタンク６６４の外部に設けられた構成とすることができる。高分子膜６９４がバッファタンク６６４中の燃料を含浸していれば、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７がバッファタンク６６４中に設けられていなくても、第１の端子６９６および第２の端子６９７から高分子膜６９４の寸法変化に基づく抵抗値の変化を取り出すことができる。このような形態とした場合、ストレインゲージ６９５は、図２１に示したような防水フィルム７１２を設けない構成とすることもできる。また、このような構成とすると、第１の端子６９６および第２の端子６９７が燃料中に常時配置されないため、第１の端子６９６および第２の端子６９７が燃料により腐食等されるのを防ぐことができる。これにより、第１の端子６９６および第２の端子６９７を安定に保つことができる。
【０１３７】
図２９（ｂ）は、図２８に示したセンサ６９８の変形例を示す。ここで、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７は、燃料極タンク６６２中の燃料と直接接しないように、固体電解質膜１１４の酸化剤極１０８側に設けられた構成とすることができる。これにより、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７が燃料中に常時配置されないため、ストレインゲージ６９５、第１の端子６９６、および第２の端子６９７を安定に保つことができる。
【０１３８】
本実施の形態における燃料電池システム６９２によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【０１３９】
また、センサ６９８は、図４１に示すように、高分子膜６９４表面に貼り付けたクォーツ７２２上に第一の端子６９６および第二の端子６９７を設けた構成とすることができる。この場合、濃度測定部６７０は、センサ６９８の第一の端子６９６から発信周波数を変化させてマイクロ波等を送出し、第二の端子６９７から反射波を受信し、共振周波数特性に応じて高分子膜６９４の寸法の変化を検出する構成とすることができる。
【０１４０】
（第四の実施の形態）
図３０に示すように、燃料電池システム６９２は、センサ６９８にかえてセンサ７０４を含む構成とすることもできる。センサ７０４は、第１の電極７０１および第２の電極７０２を含むコンデンサである。センサ７０４において、第１の電極７０１および第２の電極７０２は高分子膜７００を狭持する。この場合、高分子膜７００は、絶縁性の材料により構成される。高分子膜７００は、絶縁性で、燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料であれば、どのような材料により構成することもできる。高分子膜７００としては、たとえば、芳香族ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルオロスチレン共重合体（ＢＡＭ３Ｇ、バラード社製）などが例示される。また、上述したような燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４として用いられるスルホン酸基を有する高分子膜に電子線、ＵＶ、Ｘ線を照射したり、塩に浸したりして絶縁性としたものを用いることもできる。
【０１４１】
このとき、濃度測定部６７０は、図２３に示した抵抗測定部６８２にかえて、センサ７０４の第１の電極７０１および第２の電極７０２間の電気容量を測定する電気容量測定部を含む。濃度算出部６８４は、電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき、バッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出する。また、参照データ記憶部６８５は、第１の電極７０１および第２の電極７０２間の電気容量と液体燃料のアルコール濃度との関係を示す参照データを記憶する。高分子膜７００として燃料１２４のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を用いた場合、センサ７０４を燃料１２４に含浸させると、燃料１２４のアルコール濃度に応じて高分子膜７００の膜厚が変化し、それに伴い第１の電極７０１および第２の電極７０２間の距離が変化する。コンデンサの電気容量は、第１の電極７０１および第２の電極７０２間の距離に反比例するので、第１の電極７０１および第２の電極７０２間の電気容量を測定することにより高分子膜７００の膜厚変化を検出することができ、高分子膜７００の膜厚変化に基づきバッファタンク６６４中のアルコール濃度を算出することができる。
【０１４２】
図３１は、センサ７０４を詳細に示す図である。図３１（ａ）は、高分子膜７００、並びに高分子膜７００を狭持する第１の電極７０１および第２の電極７０２の側面図、図３１（ｂ）は、センサ７０４を第１の電極７０１側からみた上面図である。第１の電極７０１および第２の電極７０２は、それぞれ配線７１４ａおよび配線７１４ｂを介して、図３０に示した濃度測定部６７０に電気的に接続される。
【０１４３】
また、図示していないが、高分子膜７００の寸法の変化は、高分子膜７００にマイクロ波等をあて、発振周波数を変化させて反射波を受信し、共振周波数特性に応じて高分子膜７００の寸法（膜厚）変化を検出する方法を用いることもできる。
【０１４４】
本実施の形態における燃料電池システム６９２によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。
【０１４５】
（第五の実施の形態）
図３２は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態において、燃料電池システム６９２にはカートリッジ６７８が取り付けられる。
【０１４６】
カートリッジ６７８は、バッファタンク６６４および燃料収容部６７６を含むように構成される。燃料電池システム６９２の本体側６７９には、燃料電池本体１００、燃料極タンク６６２、燃料供給処理部６７４、濃度測定部６７０、および制御部６７２が設けられる。第三の実施の形態において図２０を参照して説明したのと同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１４７】
ここで、燃料供給処理部６７４は、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、カートリッジ６７８の燃料収容部６７６に含まれる燃料１２４をバッファタンク６６４に供給可能に構成される。カートリッジ６７８において、バッファタンク６６４はセンサ６９８を含む。本体側６７９において、濃度測定部６７０には、カートリッジ６７８が取り付けられたときに、センサ６９８の第１の端子６９６および第２の端子６９７と電気的に接続される端子（不図示）が設けられる。燃料極タンク６６２は、バッファタンク６６４から燃料１２４を導入可能に構成される。
【０１４８】
図３３は、カートリッジ６７８におけるバッファタンク６６４と本体側６７９における燃料極タンク６６２とを示す模式図である。燃料極タンク６６２には燃料供給口６４３が設けられ、バッファタンク６６４は、燃料極タンク６６２の燃料供給口６４３と嵌合する嵌合部６４７を有する。カートリッジ本体６４５の側壁には、センサ６９８の第１の端子６９６および第２の端子６９７とそれぞれ電気的に接続された端子６９６ａおよび端子６９７ａが設けられる。
【０１４９】
また、図３４に示すように、センサ６９８は、本体側６７９の燃料極タンク６６２内に設けることもできる。さらに、図３５に示すように、燃料電池システム６９２は、燃料収容部６７６のみを含むカートリッジ６７８を取り外し可能とした構成とすることもできる。また、図示していないが、カートリッジ６７８にバルブを含めた構成とすることもできる。
【０１５０】
図３６は、図３３に示したカートリッジ６７８の他の例を示す図である。ここで、カートリッジ６７８のバッファタンク６６４は燃料供給部材６３７を含む。この例において、燃料電池本体１００には燃料極タンク６６２が設けられず、バッファタンク６６４に含まれる燃料は燃料供給部材６３７を介して燃料電池本体１００の燃料極１０２に供給される。燃料供給部材６３７は、燃料１２４を吸収するとともに、吸収した燃料を燃料電池本体１００に供給することのできる材料により構成される。燃料供給部材６３７は、たとえばウレタンにより構成することができる。また、燃料供給部材６３７は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィドまたはポリベンズイミダゾール等の多孔質フィルム等により構成することもできる。
【０１５１】
なお、第四の実施の形態において説明したセンサ７０４を含む燃料電池システム６９２についても、本実施の形態で説明したようなカートリッジを含む構成とすることができる。
【実施例２】
【０１５２】
高分子膜６９４としてナフィオンＮ１１７膜（デュポン社製、厚さ約５０μｍ、幅約５ｍｍ、長さ約６０ｍｍ）を用い、高分子膜６９４の表面にストレインゲージを貼付し、センサ６９８を準備した。容器内に濃度が既知のメタノール水溶液（メタノール濃度０％、２０％、４０％、および６０％）を導入し、ブリッジを備えた直流ソースメーターを用いてストレインゲージの電極間の抵抗値を測定した。表１に、メタノール水溶液中のメタノール濃度と抵抗値の変化率との関係を示す。このように、高分子膜６９４の歪みを検出することにより、精度よくアルコール濃度を検出することができた。
【０１５３】
【０１５４】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【０１５５】
また、燃料電池システム６６０は、図３７に示すように、燃料収容部および燃料供給部をそれぞれ２つずつ含む構成とすることができる。この場合、図３７（ａ）に示すように、燃料電池システム６６０は、図１に示した燃料収容部６７６にかえて、第１の燃料収容部４０７および第２の燃料収容部４０９を含む。燃料供給処理部６７４は、第１の燃料供給部４６５ａと、第２の燃料供給部４６５ｂと、インバータ４６１と、混合部４８５とを含む。第１の燃料供給部４６５ａは、第１の燃料収容部４０７から混合部４８５に第１燃料成分４８１を供給する。第２の燃料収容部４０９は、第２の燃料収容部４０９から混合部４８５に第二燃料成分４８３を供給する。第１の燃料収容部４０７および第２の燃料収容部４０９から供給された第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３は、混合部４８５で混合されて燃料１２４として燃料電池本体１００に供給される。第１の燃料供給部４６５ａおよび第２の燃料供給部４６５ｂは、いずれもインバータ４６１に接続されており、制御部６７２によってそれぞれの供給量が制御される。ここで、第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３は、たとえば水およびメタノールとすることができる。混合部４８５は、たとえばスロットバルブまたは圧電バルブとすることができる。
【０１５６】
また、図３７（ｂ）に示すように、燃料電池システム６６０は、濃度調整部５９２をさらに含むことができる。濃度調整部５９２は混合部４８５を調整して第１の燃料収容部４０７および第２の燃料収容部４０９からそれぞれ供給される第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３の混合率を制御する。濃度調整部５９２は、インバータ４６１に接続されており、制御部６７２によって制御される。
【０１５７】
このように、図３７に示した構成の燃料供給処理部６７４においては、２つの燃料成分の供給量が個別に制御されるので、燃料１２４の濃度を適宜調整することができる。また、２つの燃料成分は、混合部４８５で混合されて燃料電池本体１００に供給されるので、２つの燃料成分を均一に混合して燃料電池本体１００に供給することができる。
【０１５８】
第三の実施の形態〜第五の実施の形態において説明した燃料電池システム６９２についても、同様に、燃料収容部および燃料供給部をそれぞれ２つずつ含む構成とすることができる。
【０１５９】
なお、燃料供給処理部６７４は、３つ以上の燃料供給部を含むこともできる。この場合、燃料電池システム６６０も３つ以上の燃料収容部を含むことができる。
【０１６０】
また、燃料電池システム６６０は、図３８に示すような構成とすることもできる。図３８に示すように、カートリッジ６７８は、第１の燃料収容部６７６ａおよび第１の燃料収容部６７６ａとはアルコール濃度の異なる燃料を収容する第２の燃料収容部６７６ｂを含む構成とすることができる。なお、第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂのいずれか一方は、アルコールを含まない水を収容することもできる。ここでは図示していないが、燃料を燃料電池本体１００に供給した後、排出される水が第１の燃料収容部６７６ａまたは第２の燃料収容部６７６ｂのいずれかに返却されて循環する形態とすることもできる。
【０１６１】
図３８（ａ）は、本体側６７９に第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂが設けられた例を示す図である。本体側６７９の第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂの先にはシリンジ７０９が設けられている。カートリッジ６７８の第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂには、たとえばシリコンゴム等のキャップ７０８が設けられている。本体側６７９のシリンジ７０９をカートリッジ６７８のキャップ７０８に突き刺し、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂを駆動させることにより、第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂから本体側６７９に燃料を供給することができる。ここで図示していないが、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂは、制御部６７２（図１４等参照）により制御することができ、センサ６６８により測定されたバッファタンク６６４中の燃料の濃度に応じて第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂからの燃料の供給量を調整することができる。なお、ここではセンサ６６８がバッファタンク６６４に設けられた例を示しているが、センサ６６８は、燃料極タンク６６２内に設けられてもよく、またバッファタンク６６４と燃料極タンク６６２とを結ぶ配管７０５中に設けられてもよく、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂとバッファタンク６６４とを結ぶ配管７０６中に設けられてもよい。
【０１６２】
さらに、図３８（ｂ）に示すように、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂは、カートリッジ６７８内に設けられた構成とすることもできる。この場合も、第１のポンプ７０７ａおよび第２のポンプ７０７ｂは、カートリッジ６７８が本体側６７９に取り付けられたときに、制御部６７２（図１４等参照）に電気的に接続されるように構成することができ、制御部６７２により制御することができる。
【０１６３】
なお、図３８では、本体側６７９にバッファタンク６６４が設けられた例を示したが、燃料電池システム６６０は、バッファタンク６６４を含まない構成とすることもでき、カートリッジ６７８から供給される燃料が配管７０６または配管７０５を介して燃料極タンク６６２に直接導入される形態とすることもできる。
【０１６４】
また、センサ６６８、センサ６９８、およびセンサ７０４は、メタノール等を水素ガスに改質し、燃料として水素を利用する燃料電池システムにおいて、改質前のアルコール濃度を測定するのに用いることもできる。
【０１６５】
さらに、センサ６６８、センサ６９８、およびセンサ７０４は、燃料電池システム６６０または燃料電池システム６９２中のアルコール濃度測定に限定されず、種々の溶液中のアルコール濃度を測定するのに用いることができる。たとえば、アルコール飲料中のアルコール濃度を測定するのに用いることもできる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、
前記液体燃料を含む容器と、
プロトン伝導性を有し、前記容器内または前記容器の壁部に設けられた高分子膜と、
前記液体燃料を前記高分子膜に含浸させたときの前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子と、前記電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗値に基づき前記液体燃料のアルコール濃度を算出する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部において、前記電極端子は、前記容器外部に設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求の範囲第２項または第３項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記電極端子を覆う疎水性膜を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求の範囲第１項乃至第４項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記固体高分子電解質膜の一部が前記高分子膜として利用されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求の範囲第１項乃至第５項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
温度またはｐＨに対するプロトン伝導度が異なる複数の高分子膜を含み、
前記濃度検出部は、前記複数の高分子膜それぞれのプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、前記液体燃料のアルコール濃度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求の範囲第１項乃至第６項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、
前記液体燃料を含む容器と、
前記容器内または前記容器の壁部に設けられ、前記液体燃料を含浸して前記液体燃料中のアルコールの濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、
前記高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、前記ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗の変化を前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求の範囲第８項または第９項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記固体高分子電解質膜の一部が前記高分子膜として利用されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜を挟んで構成されたコンデンサと、前記コンデンサの電気容量を測定する電気容量測定部と、前記電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出し、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された水晶振動子と、当該水晶振動子の共振周波数の変化を検出する共振周波数特性測定部と、前記共振周波数特性測定部が測定した共振周波数特性に基づき、前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求の範囲第８項乃至第１２項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求の範囲第６項乃至第１３項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
温度またはｐＨに対する寸法変化の度合いが異なる複数の高分子膜を含み、
前記濃度検出部は、前記複数の高分子膜それぞれの寸法変化の度合いに基づき、前記容器中の前記液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、前記液体燃料のアルコール濃度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求の範囲第１項乃至第１４項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、架橋されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求の範囲第１項乃至第１５項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジをさらに含み、
前記容器は、前記カートリッジに設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求の範囲第１項乃至第１６項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
燃料注入口を有し、前記燃料極に前記液体燃料を供給する燃料極タンクと、
前記燃料極タンクの前記燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、前記燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、
をさらに含み、
前記容器は、前記カートリッジに設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第１７項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、
前記異濃度燃料収容部から前記容器に液体燃料を供給する供給部と、
前記濃度検出部が検出した前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度に応じて、前記供給部が供給する前記液体燃料の供給量を調整する制御部と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料注入口を有し、前記燃料電池本体に前記液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含み、
前記容器は、前記燃料極タンクの前記燃料注入口と嵌合する嵌合部と、前記供給部と接続する第一の接続部を有し、前記燃料極タンクおよび前記供給部に取り外し可能に構成され、
前記異濃度燃料収容部は、前記供給部と接続する第二の接続部を有し、前記供給部に取り外し可能に構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
請求の範囲第１９項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器および前記異濃度燃料収容部は、一体に形成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求の範囲第１項乃至第２０項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の前記液体燃料の温度を測定する温度センサをさらに含み、
前記濃度検出部は、前記温度センサが測定した温度に応じて前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求の範囲第１項乃至第２１項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の前記液体燃料のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含み、
前記濃度検出部は、前記ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２３】
請求の範囲第１項乃至第２２項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
警告を提示する警告提示部と、
前記濃度検出部が検出した前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、前記警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
アルコール濃度の測定装置であって、
プロトン伝導性を有し、アルコールを含む液体を含浸した際に当該液体中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する高分子膜と、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２５】
請求の範囲第２４項に記載のアルコール濃度測定装置において、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子と、前記電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗値を前記液体中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２６】
アルコール濃度の測定装置であって、
アルコールを含む液体を含浸した際に、当該液体中のアルコール濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、
前記高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき前記液体のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２７】
請求の範囲第２６項に記載のアルコール濃度測定装置において、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、前記ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗の変化を前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２８】
アルコール濃度の測定方法であって、
測定対象のアルコールを含む液体をプロトン伝導性を有する高分子膜に含浸させる工程と、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程と、
前記プロトン伝導度の変化に基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出する工程と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項２９】
請求の範囲第２８項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記プロトン伝導度の変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子間の抵抗値を測定する工程を含み、
前記アルコールの濃度を検出する工程は、前記抵抗値に基づき前記液体のアルコール濃度を算出する工程を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３０】
請求の範囲第２８項または第２９項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程の前に、前記液体を二酸化炭素ガスで飽和させる工程をさらに含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３１】
アルコール濃度の測定方法であって、
測定対象のアルコールを含む液体を当該液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜に含浸させる工程と、
前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、
前記高分子膜の寸法変化の度合いに基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出する工程と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３２】
請求の範囲第３１項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージの抵抗変化を測定する工程を含み、
前記アルコール濃度を検出する工程は、前記抵抗変化を測定する工程において測定された抵抗の変化を前記液体中のアルコール濃度に変換する工程を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３３】
請求の範囲第３１項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜を挟んで構成されたコンデンサの電気容量を測定する工程を含み、
前記アルコール濃度を検出する工程は、前記電気容量を測定する工程において測定された電気容量の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３４】
請求の範囲第３１項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設された水晶振動子の共振周波数の変化を測定する工程を含み、
前記アルコール濃度を検出する工程は、前記共振周波数の変化を測定する工程において測定された共振周波数の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３５】
燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、前記第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、前記燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、
プロトン伝導性を有する高分子膜と、
前記高分子膜に配設され、前記第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続される第三の電極端子および第四の電極端子と、
を含むことを特徴とする燃料収容容器。
【請求項３６】
燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、前記第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、前記燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、
アルコールを含む液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜と、
前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、
前記第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続され、前記ストレインゲージの抵抗変化を取り出す第三の電極端子および第四の電極端子と、
を含むことを特徴とする燃料収容容器。
【請求項１】
アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、
前記液体燃料を含む容器と、
プロトン伝導性を有し、前記容器内または前記容器の壁部に設けられた高分子膜と、
前記液体燃料を前記高分子膜に含浸させたときの前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子と、前記電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗値に基づき前記液体燃料のアルコール濃度を算出する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部において、前記電極端子は、前記容器外部に設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求の範囲第２項または第３項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記電極端子を覆う疎水性膜を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求の範囲第１項乃至第４項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記固体高分子電解質膜の一部が前記高分子膜として利用されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求の範囲第１項乃至第５項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
温度またはｐＨに対するプロトン伝導度が異なる複数の高分子膜を含み、
前記濃度検出部は、前記複数の高分子膜それぞれのプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、前記液体燃料のアルコール濃度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求の範囲第１項乃至第６項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
アルコールを含む液体燃料を利用する燃料電池システムであって、
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池本体と、
前記液体燃料を含む容器と、
前記容器内または前記容器の壁部に設けられ、前記液体燃料を含浸して前記液体燃料中のアルコールの濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、
前記高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、前記ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗の変化を前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求の範囲第８項または第９項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記固体高分子電解質膜の一部が前記高分子膜として利用されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜を挟んで構成されたコンデンサと、前記コンデンサの電気容量を測定する電気容量測定部と、前記電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出し、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された水晶振動子と、当該水晶振動子の共振周波数の変化を検出する共振周波数特性測定部と、前記共振周波数特性測定部が測定した共振周波数特性に基づき、前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求の範囲第８項乃至第１２項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、プロトン酸基を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求の範囲第６項乃至第１３項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
温度またはｐＨに対する寸法変化の度合いが異なる複数の高分子膜を含み、
前記濃度検出部は、前記複数の高分子膜それぞれの寸法変化の度合いに基づき、前記容器中の前記液体燃料の温度又はｐＨを考慮して、前記液体燃料のアルコール濃度を検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
請求の範囲第１項乃至第１４項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記高分子膜は、架橋されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
請求の範囲第１項乃至第１５項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に取り外し可能に構成されたカートリッジをさらに含み、
前記容器は、前記カートリッジに設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１７】
請求の範囲第１項乃至第１６項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
燃料注入口を有し、前記燃料極に前記液体燃料を供給する燃料極タンクと、
前記燃料極タンクの前記燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、前記燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、
をさらに含み、
前記容器は、前記カートリッジに設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第１７項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、
前記異濃度燃料収容部から前記容器に液体燃料を供給する供給部と、
前記濃度検出部が検出した前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度に応じて、前記供給部が供給する前記液体燃料の供給量を調整する制御部と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料注入口を有し、前記燃料電池本体に前記液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含み、
前記容器は、前記燃料極タンクの前記燃料注入口と嵌合する嵌合部と、前記供給部と接続する第一の接続部を有し、前記燃料極タンクおよび前記供給部に取り外し可能に構成され、
前記異濃度燃料収容部は、前記供給部と接続する第二の接続部を有し、前記供給部に取り外し可能に構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２０】
請求の範囲第１９項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器および前記異濃度燃料収容部は、一体に形成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
請求の範囲第１項乃至第２０項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の前記液体燃料の温度を測定する温度センサをさらに含み、
前記濃度検出部は、前記温度センサが測定した温度に応じて前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
請求の範囲第１項乃至第２１項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の前記液体燃料のｐＨを測定するｐＨ測定部をさらに含み、
前記濃度検出部は、前記ｐＨ測定部が測定したｐＨに応じて前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２３】
請求の範囲第１項乃至第２２項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
警告を提示する警告提示部と、
前記濃度検出部が検出した前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になった場合に、前記警告提示部に警告の提示を指示する制御部と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
アルコール濃度の測定装置であって、
プロトン伝導性を有し、アルコールを含む液体を含浸した際に当該液体中のアルコール濃度に応じてプロトン伝導度が変化する高分子膜と、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２５】
請求の範囲第２４項に記載のアルコール濃度測定装置において、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子と、前記電極端子間の抵抗値を測定する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗値を前記液体中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２６】
アルコール濃度の測定装置であって、
アルコールを含む液体を含浸した際に、当該液体中のアルコール濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、
前記高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき前記液体のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２７】
請求の範囲第２６項に記載のアルコール濃度測定装置において、
前記濃度検出部は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、前記ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗の変化を前記液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことを特徴とするアルコール濃度測定装置。
【請求項２８】
アルコール濃度の測定方法であって、
測定対象のアルコールを含む液体をプロトン伝導性を有する高分子膜に含浸させる工程と、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程と、
前記プロトン伝導度の変化に基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出する工程と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項２９】
請求の範囲第２８項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記プロトン伝導度の変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設された一対の電極端子間の抵抗値を測定する工程を含み、
前記アルコールの濃度を検出する工程は、前記抵抗値に基づき前記液体のアルコール濃度を算出する工程を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３０】
請求の範囲第２８項または第２９項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程の前に、前記液体を二酸化炭素ガスで飽和させる工程をさらに含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３１】
アルコール濃度の測定方法であって、
測定対象のアルコールを含む液体を当該液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜に含浸させる工程と、
前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、
前記高分子膜の寸法変化の度合いに基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出する工程と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３２】
請求の範囲第３１項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージの抵抗変化を測定する工程を含み、
前記アルコール濃度を検出する工程は、前記抵抗変化を測定する工程において測定された抵抗の変化を前記液体中のアルコール濃度に変換する工程を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３３】
請求の範囲第３１項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜を挟んで構成されたコンデンサの電気容量を測定する工程を含み、
前記アルコール濃度を検出する工程は、前記電気容量を測定する工程において測定された電気容量の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３４】
請求の範囲第３１項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設された水晶振動子の共振周波数の変化を測定する工程を含み、
前記アルコール濃度を検出する工程は、前記共振周波数の変化を測定する工程において測定された共振周波数の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
【請求項３５】
燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、前記第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、前記燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、
プロトン伝導性を有する高分子膜と、
前記高分子膜に配設され、前記第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続される第三の電極端子および第四の電極端子と、
を含むことを特徴とする燃料収容容器。
【請求項３６】
燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、前記第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、前記燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、
アルコールを含む液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜と、
前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、
前記第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続され、前記ストレインゲージの抵抗変化を取り出す第三の電極端子および第四の電極端子と、
を含むことを特徴とする燃料収容容器。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１４４５０
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【発行日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０７２６０（Ｐ２００５−５０７２６０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００８７５０
【国際出願日】平成１６年６月２２日（２００４．６．２２）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【発行日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００８７５０
【国際出願日】平成１６年６月２２日（２００４．６．２２）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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