説明

液体燃料濃度センサ

【課題】液体燃料の外部への漏出、外部から液体燃料中への不純物の侵入及び液体燃料中への不純物の溶出を防止し、液体燃料濃度の測定精度を向上させる。
【解決手段】本発明の液体燃料濃度センサは、基板34と、基板34の表面側に設けられる弾性表面波電極37a,37bと、基板34の裏面側に設けられる内部電極38a,38bと、スルーホール39を通って各弾性表面波電極37a,37bと内部電極38a,38bとを結合する電気配線40a,40bと、を有する弾性表面波素子31を備え、弾性表面波素子31は、内部に前記液体燃料を収容する合成樹脂製の取付対象部材13,19,20の内面に沿って設けられ、弾性表面波伝播領域35a,35bが前記液体燃料に臨むと共に内部電極38a,38bが基板34と取付対象部材13,19,20の間に介装されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池の液体燃料の濃度を検出するための液体燃料濃度センサに関し、特に、メタノールを使用する燃料電池において希釈されたメタノールの濃度を検出する液体燃料濃度センサに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、燃料電池からの電力により電動モータを駆動して走行する燃料電池搭載の電動車両が開発されている。この種の車両に使用される燃料電池としては、例えば、ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
このダイレクトメタノール燃料電池は、希釈タンク内において3%前後の濃度に希釈したメタノールを、セルスタックに圧送し、該セルスタックにおいて、直接、このメタノールと酸素との電気化学反応により電力を得るものである。
【0004】
しかしながら、ダイレクトメタノール燃料電池では、前記セルタックに圧送されるメタノールの濃度が大きく所定の範囲から外れると、発電制御が不安定になり、時には燃料電池が破壊されるなどの大きな悪影響を及ぼすこともある。そこで、ダイレクトメタノール燃料電池には、希釈したメタノールの濃度を測定する濃度センサが設けられており、メタノールの濃度が常に所定範囲の濃度に維持されるようになっている。
【0005】
最近、この種の濃度センサとして、弾性表面波(Surface Acoustic
Wave:SAW)素子上の僅かな質量変化によって生じる弾性波の伝搬特性の変化によってダイレクトメタノールの濃度を測定する弾性表面波素子を利用した濃度センサが開発されている(例えば、特許文献2及び非特許文献1参照)。
【0006】
この弾性表面波素子を利用した濃度センサをダイレクトメタノール燃料電池に設置する場合、前記希釈タンク内や該希釈タンクと前記セルスタック間の配管内に設置する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、例えば、回路部などの濃度センサの周辺部分も希釈タンク内に設置されるため、金属イオンなどの不純物がメタノール溶液中に溶出したり、或いはメタノール溶液を介して電気が流れて感電や電気分解の問題が発生したりして燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがある。
【0007】
そこで、この種の問題を解決するために、図6に示すように、希釈タンク1の底部2に開口部3を穿設し、この開口部3の周囲外側に配設したOリング4を介して濃度センサ5をアルミ板6上に設置する方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2005−030948号公報
【特許文献2】特開2005−331326号公報
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO技術開発機構)のウェブサイト(URL:http://www.nedo.go.jp/informations/press/200805_1/200805_1.html)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、図6に示す方法で設置した濃度センサでは、弾性表面波がOリング4によって減衰されてしまい、メタノール濃度の測定精度を高めることができないといった新たな問題が発生する。また、このOリング4は開口部3の周囲をシールしてメタノール溶液の漏出を防止する役割も果たしており、取り除くことができないため、弾性表面波の減衰とメタノール溶液の漏出を同時に防止することが難しいといった問題や、Oリング4からメタノール溶液中への不純物の溶出を防止するためにOリング4の材質の選択が限定されるといった問題もある。
【0011】
さらに、図6中において破線の三角形で示すように、燃料電池から脱落した電極や触媒などがOリング4の周りに堆積してしまい、メタノール濃度の測定精度に悪影響を及ぼすといった問題もあった。
【0012】
本発明は上記した課題を解決すべくなされたものであり、メタノール溶液の外部への漏出の防止、外部からメタノール溶液中への不純物の侵入及びメタノール溶液中への不純物の溶出の防止が可能となると共に、メタノール濃度の測定精度を向上させることのできる液体燃料濃度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記した目的を達成するため、本発明は、燃料電池の液体燃料の濃度を検出するための液体燃料濃度センサであって、基板と、該基板の表面側において弾性表面波伝搬領域を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる弾性表面波電極と、該各弾性表面波電極との間で前記基板を挟むように前記基板の裏面側に設けられる内部電極と、前記各弾性表面波電極と前記内部電極との間に形成されたスルーホールを通って前記各弾性表面波電極と前記内部電極とを結合する電気配線と、を有する弾性表面波素子を備え、該弾性表面波素子は、内部に前記液体燃料を収容する合成樹脂製の取付対象部材の内面に沿って設けられ、前記弾性表面波伝播領域が前記液体燃料に臨むと共に前記内部電極が前記基板と前記取付対象部材の間に介装されていることを特徴とする。
【0014】
そして、本発明に係る液体燃料濃度センサにおいて、前記液体燃料収容部材の外面の前記内部電極に対向する位置には外部電極が設けられ、該外部電極は前記内部電極と静電容量結合されているのが好ましい。
【0015】
また、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記外部電極には、コイルとコンデンサで構成されるLC共振回路が接続されているのが好ましい。
【0016】
さらに、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記弾性表面波素子は、前記弾性表面伝搬領域が電極で覆われたショート経路と、前記弾性表面波伝搬領域に前記基板の表面が露出するように開口が形成されたオープン経路との2つの経路を備えているのが好ましい。
【0017】
さらに、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記弾性表面波素子は、前記基板の周縁部に設けられた外れ止め部材により前記取付対象部材の内面にメカニカル接合されており、前記外れ止め部材は、前記取付対象部材と同一の材質により形成されていてもよい。
【0018】
さらにまた、本発明に係る液体燃料濃度センサの前記弾性表面波素子は、射出成形により前記取付対象部材と一体成形されていてもよい。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、メタノール溶液の外部への漏出及び外部からメタノール溶液中への不純物の侵入を防止することができると共に、メタノール溶液中への不純物の溶出を防止することができる。
【0020】
また、燃料電池から脱落した電極や触媒などの堆積や弾性表面波の減衰を抑制することができ、センサの測定精度を向上させることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを設置した燃料電池を示す模式図である。
【図2】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す平面図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す断面図である。
【図4】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを拡大して部分的に示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサのLC共振回路を示す回路図である。
【図6】従来の方法で設置したメタノール濃度センサを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態では、ダイレクトメタノール燃料電池において液体燃料であるメタノールの濃度を測定する場合について例示して説明する。
【0023】
先ず、図1を参照しつつ、本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを設置したダイレクトメタノール燃料電池について説明する。ここで、図1は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを設置した燃料電池を示す模式図である。
【0024】
本発明の実施の形態におけるダイレクトメタノール燃料電池10では、燃料タンク11に貯溜されたメタノール(例えば、メタノール54%水溶液)が燃料ポンプ12によって希釈タンク13へ搬送され、この希釈タンク13内で、水タンク14から水ポンプ15によって希釈タンク13に搬送された水により最適な濃度(例えば、メタノール3%水溶液)まで希釈される。そして、このように最適な濃度に希釈されたメタノールは、イオン交換樹脂16において不純物が除去され、循環ポンプ17によってセルスタック18の負極側へ送り込まれる。
【0025】
この時、セルスタック18の出力特性は、メタノール濃度に大きく影響されるため、メタノール水溶液の濃度はメタノール濃度センサ30によって監視される。そして、このメタノール濃度センサ30の測定結果に基づき、燃料ポンプ12及び水ポンプ15の駆動が制御され、燃料タンク11からメタノールが希釈タンク13内に供給されると共に水タンク14から水が希釈タンク13内へ供給され、希釈タンク13内のメタノール水溶液の濃度が最適濃度になるように調整される。
【0026】
なお、メタノール濃度センサ30についての詳細な説明は後述するが、メタノール濃度センサ30は、合成樹脂製(例えば、ポリエチレン製)の希釈タンク13内(図1中のA参照)、或いはイオン交換樹脂16の上流側の合成樹脂製(例えば、ポリプロピレン製)の配管19内(図1中のB参照)、或いはセルスタック18の上流側の合成樹脂製(例えば、ポリプロピレン製)の配管20内(図1中のC)のいずれの場所に設置されてもよい。そして、希釈タンク13内に設置された場合には、メタノールと水の攪拌状態を良く監視することができるといった効果を得ることができ、また、イオン交換樹脂16の上流側の配管19内に設置された場合には、メタノール溶液中に含まれるギ酸濃度を測定することができといった効果を得ることができ、さらに、セルスタック18の上流側の配管20内に設置された場合には、セルスタック18に送り込まれる直前のエタノール溶液の濃度を正確に測定することができるといった効果をそれぞれ得ることができる。
【0027】
一方、空気は、エアフィルタ21において空気中の不純物が除去され、コンプレッサ22によってセルスタック18の正極側へ圧送される。これにより、セルスタック18の負極にメタノールが供給されると共にセルスタック18の正極に空気が供給され、セルスタック18において電気化学反応が行われて電力が発生する。
【0028】
また、この時、セルスタック18の正極出口からは、未反応の空気と、電気化学反応により生成された水とが排出されるが、セルスタック18の運転温度が比較的高温であるため、生成された水の多くは水蒸気の状態となる。そこで、この水蒸気をセルスタック18の正極出口の未反応空気と共に熱交換器23へ導入し、冷却ファン24により、これらの未反応空気及び水蒸気を冷却し、水蒸気を凝集させて水の回収率を高めている。
【0029】
その後、このように熱交換器23により冷却された未反応空気及び水蒸気と、希釈タンク13から配管25を通って水タンク14に排出された二酸化炭素は、水タンク14内で混合され、排ガス触媒26によって有害成分が除去されて浄化された後、排ガス排出管27を通って大気中へ排出される。
【0030】
次に、本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサ30について詳細に説明する。なお、以下の説明では、メタノール濃度センサ30を配管19又は20内に設置した場合(図1のB又はCの場合)について説明する。ここで、図2は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す平面図、図3は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを示す断面図、図4は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサを拡大して部分的に示す断面図、図5は本発明の実施の形態に係るメタノール濃度センサのLC共振回路を示す回路図である。
【0031】
メタノール濃度センサ30は、配管19又は20の内面に沿って設けられる弾性表面波素子31と、配管19又は20の外面に設けられる外部電極32と、外部電極32に接続される計測回路33とを備えて構成されている。
【0032】
弾性表面波素子31には、例えばタンタル酸リチウムや水晶などの圧電効果を示す材料により形成される矩形平板状の基板34が設けられており、基板34の表面側には、弾性表面伝搬領域35aが電極で覆われたショート経路36aと、弾性波伝搬領域35bに基板34の表面が露出するように開口37が形成されたオープン経路36bとの2つの経路が形成されている。
【0033】
弾性表面波素子31のショート経路36aには、基板34の表面側において弾性表面波伝搬領域35aを挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる金製の弾性表面波電極37aと、各弾性表面波電極37aとの間で基板34を挟むように基板34の裏面側に設けられる内部電極38aと、各弾性表面波電極37aと内部電極38aとの間に形成されたスルーホール39を通って各弾性表面波電極37aと内部電極38aとを結合する電気配線40aとが設けられており、弾性表面波電極37aはフッ素樹脂などの電極保護膜41によって被覆されている。
【0034】
また、弾性表面波素子31のオープン経路36bについても、前記ショート経路36aと同様に、金製の弾性表面波電極37b、内部電極38b、電気配線40bがそれぞれ設けられており、弾性表面波電極37bはフッ素樹脂などの電極保護膜41によって被覆されている。
【0035】
このような構成を備えた弾性表面波素子31は、図4に示されているように、基板34の周縁部(例えば、四隅)に設置される外れ止め部材42によって配管19又は20の内面にメカニカル接合され、内部電極38a,38bは基板34と配管19又は20の間に介装された状態となる。そして、この外れ止め部材42は、配管19又は20と同一の樹脂材料(例えば、ポリプロピレン製)により形成されている。
【0036】
なお、配管19又は20への弾性表面波素子31の接合方法は、上記した方法に限定されるものではなく、弾性表面波素子31は射出成形によって配管19又は20と一体成形されていてもよい。この場合、図3及び図4に示すように、配管19又は20の内面側に弾性表面素子31が嵌合可能な溝44が形成されるように構成することにより、不純物の溶出の防止や、弾性表面波素子31の接合作業の簡素化などを図ることができる。
【0037】
また、外部電極32は、各内部電極38a,38bに対向する位置に配置され、各内部電極38a,38bとそれぞれ静電容量結合されている。なお、外部電極32と内部電極38a,38bとはインダクタンスを対向させて磁気結合されていてもよい。
【0038】
計測回路33には、図5において破線で囲われているように、コイルLとコンデンサCで構成されるLC共振回路43が設けられている。これにより、弾性表面素子31との間の静電容量とコイルLとが直列共振回路を形成し、弾性表面素子31と外部電極32とを直接電気配線で接続した場合と同じ電気的効果を得ることができる。
【0039】
上記した構成を備えたメタノール濃度センサ30によれば、弾性表面波素子31の弾性表面波伝播領域35a,35bが配管19又は20内のエタノール溶液に臨んでおり、弾性表面波が弾性表面波伝搬領域35a,35bを伝搬する際に、ショート経路36aでは、メタノール溶液との電磁気的な結合がないため、密度粘土積を測定することができる。また、オープン経路36bでは、メタノール溶液との電磁気的な結合により、誘電率及び導電率を測定することができ、この誘電率でメタノール濃度を測定し、導電率でギ酸濃度を測定することにより、メタノールとギ酸を区別して測定することができる。したがって、ギ酸が混合することによる測定誤差の発生を防止することができ、メタノール濃度を正確に測定することができる。
【0040】
また、この場合、伝搬する弾性表面波は横波を使用しているので、レイリー波のようにメタノール溶液中に縦波を放出して信号が減衰してしまうといった問題の発生を防止することができる。
【0041】
さらに、メタノール溶液に臨む弾性表面波電極37a,37bが金製であると共に、内部電極38a,38b、外部電極32、及び計測回路33はメタノール溶液に接触することがないため、金属イオンなどの不純物がメタノール溶液中に溶出したり、或いはメタノール溶液を介して電気が流れて感電や電気分解の問題が発生したりして燃料電池に悪影響を及ぼすおそれがない。
【0042】
また、弾性表面素子31と外部電極32との間の配管19又は29に電気配線を通すためのスルーホールを開ける必要がないため、このスルーホールを介して、希釈したメタノールが外部に漏出したり、或いは外部から不純物が内部に侵入したりすることがなく、ダイレクトメタノール燃料電池10に悪影響を与えるおそれもない。
【0043】
さらに、前記スルーホールの隙間をOリング等でシールする必要もないため、メタノール濃度センサ30の取り付け作業が簡素化され、シール材料からメタノール溶液中への溶出のおそれもない。さらにまた、燃料電池から脱落した電極や触媒などがシール材であるOリング等の周りに堆積することもなく、弾性表面波の減衰が生じることもなく、センサの測定精度を向上させることができる。
【0044】
なお、上記した実施の形態の説明では、メタノール濃度センサ30を配管19又は20内に設置した場合について説明したが、これは単なる例示に過ぎず、メタノール濃度センサ30を希釈タンク13内に設置した場合であっても同様の効果を得ることができることは言う迄もない。
【符号の説明】
【0045】
10 ダイレクトメタノール燃料電池
13 希釈タンク
19,20 配管
30 液体燃料濃度センサ(メタノール濃度センサ)
31 弾性表面波素子
32 外部電極
34 基板
35a,35b 弾性表面波伝搬領域
36a ショート経路
36b オープン経路
37a,37b 弾性表面波電極
38a,38b 内部電極
39 スルーホール
40a,40b 電気配線
42 外れ止め部材
43 LC共振回路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池の液体燃料の濃度を検出するための液体燃料濃度センサであって、
基板と、該基板の表面側において弾性表面波伝搬領域を挟んでそれぞれ対向する位置に設けられる弾性表面波電極と、該各弾性表面波電極との間で前記基板を挟むように前記基板の裏面側に設けられる内部電極と、前記各弾性表面波電極と前記内部電極との間に形成されたスルーホールを通って前記各弾性表面波電極と前記内部電極とを結合する電気配線と、を有する弾性表面波素子を備え、
該弾性表面波素子は、内部に前記液体燃料を収容する合成樹脂製の取付対象部材の内面に沿って設けられ、前記弾性表面波伝播領域が前記液体燃料に臨むと共に前記内部電極が前記基板と前記取付対象部材の間に介装されていることを特徴とする液体燃料濃度センサ。
【請求項2】
前記液体燃料収容部材の外面の前記内部電極に対向する位置には外部電極が設けられ、該外部電極は前記内部電極と静電容量結合されている請求項1に記載の液体燃料濃度センサ。
【請求項3】
前記外部電極には、コイルとコンデンサで構成されるLC共振回路が接続されている請求項2に記載の燃料濃度センサ。
【請求項4】
前記弾性表面波素子は、前記弾性表面伝搬領域が電極で覆われたショート経路と、前記弾性表面波伝搬領域に前記基板の表面が露出するように開口が形成されたオープン経路との2つの経路を備えている請求項1〜3のいずれか1の請求項に記載の液体燃料濃度センサ。
【請求項5】
前記弾性表面波素子は、前記基板の周縁部に設けられた外れ止め部材により前記取付対象部材の内面にメカニカル接合されており、前記外れ止め部材は、前記取付対象部材と同一の材質により形成されている請求項1〜4のいずれか1の請求項に記載の液体燃料濃度センサ。
【請求項6】
前記弾性表面波素子は、射出成形により前記取付対象部材と一体成形されている請求項1〜4のいずれか1の請求項に記載の液体燃料濃度センサ。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate


【公開番号】特開2011−215086(P2011−215086A)
【公開日】平成23年10月27日(2011.10.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−85495(P2010−85495)
【出願日】平成22年4月1日(2010.4.1)
【出願人】(000002082)スズキ株式会社 (3,196)
【Fターム(参考)】