濃度検出装置および濃度検出方法
【課題】 液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる、濃度検出装置および濃度検出方法を提供する。
【解決手段】 濃度検出装置２００は、メタノール水溶液を冷却するペルチェ素子２０２、冷却されるメタノール水溶液の温度を検出する水溶液温度センサ２０８、およびペルチェ素子２０２の温度を検出するペルチェ温度センサ２１０を含む。水溶液温度センサ２０８の検出結果とペルチェ温度センサ２１０の検出結果とに基づいて、メタノール水溶液の凝固点が検出され、検出された凝固点に基づいてメタノール水溶液のメタノール濃度が検出される。
【解決手段】 濃度検出装置２００は、メタノール水溶液を冷却するペルチェ素子２０２、冷却されるメタノール水溶液の温度を検出する水溶液温度センサ２０８、およびペルチェ素子２０２の温度を検出するペルチェ温度センサ２１０を含む。水溶液温度センサ２０８の検出結果とペルチェ温度センサ２１０の検出結果とに基づいて、メタノール水溶液の凝固点が検出され、検出された凝固点に基づいてメタノール水溶液のメタノール濃度が検出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は濃度検出装置および濃度検出方法に関し、より特定的には、燃料電池システムに用いられる濃度検出装置および濃度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池システム等の燃料水溶液を燃料電池セルスタックに供給するタイプの燃料電池システムにおいては、燃料濃度が低いと高分子膜を損傷する恐れがあり、一方、燃料濃度が高すぎると燃料の使用効率が低下するため、循環される水溶液中に燃料を補給して燃料濃度を一定に保つことが行われている。そのためには、循環される水溶液に溶けている燃料の濃度を所定時間ごとに検出する必要がある。
【０００３】
ここで、燃料濃度を検出する技術の一例として、超音波センサを用いる技術が特許文献１において開示されている。
また、ペルチェ素子を用いて結晶成長の温度を制御する装置が特許文献２において開示されている。
【特許文献１】特開２００５−３０９４９号公報
【特許文献２】特開平１０−２９８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１における超音波センサでは、一定の距離をおいて発信部と受信部とを設けなければならないので、装置が大型になるという問題があった。また、水溶液中に泡が生じると濃度を正確に検出できなくなる。
特許文献２の技術は、結晶成長の温度制御に用いる技術であり、濃度検出に用いるものではない。
それゆえに、この発明の主たる目的は、液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる、濃度検出装置および濃度検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の濃度検出装置は、物質が溶けている液体を冷却する冷却手段、冷却される液体の温度を検出する第１温度検出手段、第１温度検出手段によって検出された温度に基づいて液体の凝固点を検出する凝固点検出手段、凝固点検出手段によって検出された凝固点に基づいて液体に溶けている物質の濃度を検出する濃度検出手段を備える。
【０００６】
請求項２に記載の濃度検出装置は、請求項１に記載の濃度検出装置において、さらに、液体の温度を検出するために液体を停止状態で保持する検出部、および検出部内の液体を入れ替えるための入替手段を備え、第１温度検出手段は、検出部内の液体の温度を検出することを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の濃度検出装置は、請求項１または２に記載の濃度検出装置において、液体を加熱する加熱手段をさらに含むことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の濃度検出装置は、請求項３に記載の濃度検出装置において、冷却手段および加熱手段に兼用される温度変更手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の濃度検出装置は、請求項１から４のいずれかに記載の濃度検出装置において、冷却手段の温度を検出する第２温度検出手段をさらに含み、凝固点検出手段は、第１温度検出手段の検出結果と第２温度検出手段の検出結果とに基づいて液体の凝固点を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の濃度検出装置は、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出装置において、さらに、液体を収容するタンク、タンク内の液体を冷却手段近傍に送るための第１パイプ、および濃度検出後の液体をタンクに戻すための第２パイプを含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれかに記載の濃度検出装置を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載の輸送機器は、請求項７に記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項９に記載の濃度検出方法は、物質が溶けている液体を冷却空間に導入する工程、冷却空間に導入された液体を冷却手段によって冷却する工程、冷却手段の温度を検出する工程、冷却空間内で冷却される液体の温度を検出する工程、検出された冷却手段の温度と液体の温度とに基づいて液体の凝固点を検出する工程、および検出された液体の凝固点に基づいて液体に溶けている物質の濃度を検出する工程を備える。
【００１４】
請求項１０に記載の濃度検出方法は、請求項９に記載の濃度検出方法において、液体を冷却する工程は、第１の冷却能力で液体を冷却する第１工程と、第１の冷却能力よりも低い冷却能力で液体を冷却する第２工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に記載の燃料電池システムは、燃料水溶液を用いる燃料電池システムであって、燃料水溶液の凝固点を検出し、検出された凝固点に基づいて燃料水溶液の濃度を調整することを特徴とする。
【００１６】
液体の凝固点と当該液体に溶けている物質の濃度との間には相関性がある。請求項１に記載の濃度検出装置では、この相関性を利用することによって、液体の凝固点に基づいて当該液体に溶けている物質の濃度を正確に検出できる。また、超音波センサのような大きな装置を用いる必要もない。請求項９に記載の濃度検出方法についても同様である。
【００１７】
請求項２に記載の濃度検出装置では、検出部に導入された液体を停止させた状態で液体の温度を検出するので、液体の温度ひいては液体の凝固点を正確に検出でき、その結果、液体に溶けている物質の濃度を正確に検出できる。
【００１８】
請求項３に記載の濃度検出装置では、濃度検出のために凝固された液体を溶かすことができるので、濃度検出される液体の入れ替えが確実かつ容易になる。
【００１９】
請求項４に記載の濃度検出装置では、温度変更手段を液体の冷却および加熱に兼用できるので、装置の構成を簡素かつ小型にできる。
【００２０】
冷却手段によって液体を冷却し凝固させるとき、液体が凝固し始めると発熱により液体の温度が一時的に上昇し、このとき液体と冷却手段との温度差も一時的に大きくなる。請求項５に記載の濃度検出装置では、液体だけではなく冷却手段の温度をも検出し液体が凝固するときの上記特性を利用することによって、液体と冷却手段との温度差に基づいて液体が凝固し始めていることを知ることができ、液体の凝固点をより正確に検出できる。
【００２１】
請求項６に記載の濃度検出装置では、濃度検出された液体をタンクに戻すことによって、濃度検出のために液体を浪費することを防止できる。
【００２２】
燃料電池システムにおいて燃料濃度を正確に検出することは重要であるので、この発明を、請求項７に記載のように燃料電池システムに用いること、ひいては請求項８に記載のように燃料電池システムを用いた輸送機器に用いることは有効である。
【００２３】
請求項１０に記載の濃度検出方法では、最初は比較的高速で冷却しその後冷却能力を下げることによって、濃度検出までの時間を短縮できるとともに濃度検出精度を向上できる。
【００２４】
請求項１１に記載の燃料電池システムのように、検出された凝固点に基づいて直接、燃料水溶液の濃度を調整するようにすれば、燃料水溶液に含まれている物質の濃度を検出することなく燃料水溶液の濃度を簡単に調整できる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。ここでは、この発明の濃度検出装置を含む燃料電池システムを、輸送機器の一例である二輪車１０に搭載した場合について説明する。ここでは、濃度検出の対象となる液体（溶液）はメタノール水溶液である。したがって、溶媒は水であり、溶質はメタノールである。そして、溶媒中に溶質が分散している溶液における当該溶質の濃度が測定される。
【００２７】
まず、二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。
【００２８】
図１〜図７を参照して、二輪車１０は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４と、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びる縦断面Ｉ字型のフロントフレーム１６と、フロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８と、リヤフレーム１８の上端部に取り付けられるシートレール２０とを備えている。フロントフレーム１６の後端部はリヤフレーム１８の中央部よりもやや下端部寄りの位置に接続され、フロントフレーム１６およびリヤフレーム１８全体で側面視略Ｙ字状を呈している。
【００２９】
フロントフレーム１６は、上下方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びかつ左右方向に対して直交する板状部材１６ａと、それぞれ板状部材１６ａの上端縁および下端縁に形成されかつ後方へ斜め下方に延び左右方向に幅を有するフランジ部１６ｂおよび１６ｃと、板状部材１６ａの両表面に突設される補強リブ１６ｄと、後端部に設けられたとえばボルト等によってリヤフレーム１８が連結される連結部１６ｅとを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃと共に板状部材１６ａの両表面を区画して、後述する燃料電池システム１００の構成部品を収納する収納スペースを形成している。
【００３０】
一方、リヤフレーム１８は、それぞれ後方へ斜め上方に延び前後方向に幅を有しフロントフレーム１６の連結部１６ｅを挟むように配置される板状部材１８ａおよび１８ｂを備えている。
【００３１】
ヘッドパイプ１４内には、主に図１に示すように、車体方向変更用のステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端には、ハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられており、ハンドル２４の両端にはグリップ２８が取り付けられている。右側のグリップ２８は回動可能なスロットルグリップを構成している。
【００３２】
ハンドル支持部２６のハンドル２４の前方には、表示操作部（以下、メータと略記する）３０が配置されている。メータ３０は、ドライバに対する走行状態等の各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成された表示部、およびドライバからの各種情報入力用の入力部等が一体化されたものである。ハンドル支持部２６におけるメータ３０の下方には、ヘッドランプ３２が固定されており、ヘッドランプ３２の左右両側には、フラッシャランプ３４がそれぞれ設けられている。
【００３３】
また、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３６が取り付けられており、フロントフォーク３６それぞれの下端には、前輪３８が前車軸４０を介して取り付けられている。前輪３８は、フロントフォーク３６によって緩衝懸架された状態で前車軸４０によって回転自在に軸支されている。
【００３４】
一方、リヤフレーム１８の後端部には、フレーム状のシートレール２０が取り付けられている。シートレール２０は、リヤフレーム１８の上端部にたとえば溶接によって固設され、略前後方向に配設されている。シートレール２０上には図示しないシートが開閉自在に設けられている。シートレール２０の後端部には取り付けブラケット４２が固設されており、取り付けブラケット４２にはテールランプ４４および左右一対のフラッシャランプ４６がそれぞれ取り付けられている。
【００３５】
また、リヤフレーム１８の下端部には、リヤアーム４８がピボット軸５０を介して揺動自在に支持されており、リヤアーム４８の後端部４８ａには駆動輪である後輪５２が回転自在に軸支されており、リヤアーム４８および後輪５２は、図示しないリヤクッションによってリヤフレーム１８に対して緩衝懸架されている。
【００３６】
さらに、リヤフレーム１８の下端部の前側には、リヤフレーム１８から左右方向に突出するようにフットレスト取付用バー５４が固定され、フットレスト取付用バー５４には図示しないフットレストが取り付けられる。フットレスト取付用バー５４の後方には、メインスタンド５６が回動可能にリヤアーム４８に支持されており、メインスタンド５６は、リターンスプリング５８によって閉じ側に付勢されている。
【００３７】
リヤアーム４８の後端部４８ａよりも内側には、後輪５２に連結されかつ後輪５２を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ６０と、電動モータ６０に電気的に接続される駆動ユニット６２とが配設されている。駆動ユニット６２は、電動モータ６０の回転駆動を制御するためのコントローラ６４を含む。
【００３８】
このような二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００が搭載されている。燃料電池システム１００は、電動モータ６０やその他の構成部品を駆動するための電気エネルギーを生成する。
【００３９】
以下、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに発電に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
【００４０】
燃料電池システム１００は、フロントフレーム１６の下方に配置される燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。
【００４１】
図８および図９に示すように、セルスタック１０２は、メタノールに基づく水素と酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成することができる燃料電池（燃料電池セル）１０４をセパレータ１０６を挟んで複数個積層（スタック）して構成されている。セルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４は、固体高分子膜等から構成される電解質（電解質膜）１０４ａと、電解質１０４ａを挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１０４ｂおよびカソード（空気極）１０４ｃとを含む。アノード１０４ｂおよびカソード１０４ｃはそれぞれ、電解質１０４ａ側に設けられる白金触媒層を含む。
【００４２】
図４等に示すように、セルスタック１０２はスキッド１０８上に載せられ、スキッド１０８はフロントフレーム１６のフランジ部１６ｃから吊されるステースタック１１０によって支持されている。
【００４３】
図６に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、水溶液用のラジエータ１１２と気液分離用のラジエータ１１４とが配置されている。ラジエータ１１２と１１４とは一体的に構成され、その前面が車両の前方やや下向きに配置され、前面に対して直交するように設けられる複数の板状のフィン（図示せず）を有する。このようなラジエータ１１２および１１４は、走行時に風を十分に受けることができる。
【００４４】
図６等に示すように、ラジエータ１１２は、旋回するように形成されるラジエータパイプ１１６を含む。ラジエータパイプ１１６は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１１８ａ（図５参照）から出口１１８ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１２の裏面側にはラジエータパイプ１１６と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２０が設けられている。
【００４５】
同様に、ラジエータ１１４は、それぞれ蛇行するように形成される２本のラジエータパイプ１２２を含む。各ラジエータパイプ１２２は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１２４ａ（図３参照）から出口１２４ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１４の裏面側にはラジエータパイプ１２２と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２６が設けられている。
【００４６】
図１〜図７に戻り主に図３を参照して、フロントフレーム１６の連結部１６ｅの後側には、上方から順に燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２が配置されている。燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００４７】
燃料タンク１２８は、シートレール２０の下側に配置され、シートレール２０の後端部に取り付けられている。燃料タンク１２８は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。燃料タンク１２８はその上面に蓋１２８ａを備え、蓋１２８ａを取り外してメタノール燃料が供給される。
【００４８】
また、水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８の下側に設けられ、リヤフレーム１８に取り付けられている。水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８からのメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（たとえば、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。つまり、水溶液タンク１３０は、水溶液ポンプ１４６（後述）によってセルスタック１０２に向けて送り出すべきメタノール水溶液を収容している。
【００４９】
燃料タンク１２８にはレベルセンサ１２９が装着され、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の液面の高さが検出される。水溶液タンク１３０にはレベルセンサ１３１が装着され、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の液面の高さが検出される。レベルセンサ１２９，１３１で液面高さを検出することによって、タンク内の液量を検出できる。水溶液タンク１３０内の液面は、たとえば図４においてＸで示す範囲内にコントロールされる。
【００５０】
水タンク１３２は、リヤフレーム１８の板状部材１８ａおよび１８ｂ間でありかつセルスタック１０２の後側に配置されている。
【００５１】
また、燃料タンク１２８の前側でありかつフロントフレーム１６のフランジ部１６ｂの上側には、二次電池１３４が配置されている。二次電池１３４は、セルスタック１０２で生成された電気エネルギーを蓄え、コントローラ１５６（後述）の指令に応じて電気エネルギーを対応する電気構成部品に供給する。たとえば、二次電池１３４は、補機類や駆動ユニット６２に電気エネルギーを供給する。
【００５２】
二次電池１３４の上方かつシートレール２０の下方には、燃料ポンプ１３６が配置されている。
【００５３】
また、水溶液タンク１３０の上方にはキャッチタンク１４０が配置されている。キャッチタンク１４０はその上面に蓋１４０ａを備え、たとえば燃料電池システム１００を一度も起動したことがない状態（水溶液タンク１３０が空の状態）において、蓋１４０ａを取り外してメタノール水溶液が供給される。キャッチタンク１４０は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００５４】
また、フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータ１１２，１１４とによって囲まれた空間には、エアフィルタ１４２が配置され、エアフィルタ１４２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１４４が配置されている。
【００５５】
また、図４に示すように、フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４７が収納されている。エアポンプ１４７の左側には、電磁バルブ１４８、濃度センサ１４９およびエアチャンバ１５０が配置されている。水溶液ポンプ１４６は水溶液タンク１３０よりも高い位置に設けられている。
【００５６】
さらに、図５に示すように、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、前方から順にメインスイッチ１５２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４、コントローラ１５６、防錆用バルブ１５８および水ポンプ１６０が配置される。なお、メインスイッチ１５２はフロントフレーム１６の収納スペースを右側から左側に貫通するように設けられている。セルスタック１０２の前面にはホーン１６２が設けられている。
【００５７】
このように配置される燃料電池システム１００の配管について、図４〜図７および図１０を参照して説明する。
燃料タンク１２８と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２によって連通されている。パイプＰ１は、燃料タンク１２８の左側面下端部と燃料ポンプ１３６の左側面下端部とを結び、パイプＰ２は、燃料ポンプ１３６の左側面下端部と水溶液タンク１３０の左側面下端部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。
【００５８】
水溶液タンク１３０と水溶液ポンプ１４６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１４６と水溶液フィルタ１４４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１４４とセルスタック１０２とはパイプＰ５によって連通されている。パイプＰ３は、水溶液タンク１３０の左側面下隅部と水溶液ポンプ１４６の後部とを結び、パイプＰ４は、水溶液ポンプ１４６の後部と水溶液フィルタ１４４の左側面とを結び、パイプＰ５は、水溶液フィルタ１４４の右側面とセルスタック１０２の前面右下隅部に位置するアノード入口Ｉ１とを結ぶ。水溶液ポンプ１４６を駆動させることによって、水溶液タンク１３０からのメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４で不純物が除去された後、パイプＰ５を介してセルスタック１０２に与えられる。この実施形態ではパイプＰ４およびＰ５によって水溶液ポンプ１４６が送り出すメタノール水溶液をセルスタック１０２の各燃料電池１０４に案内するパイプが構成される。
【００５９】
セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１２とはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１１２と水溶液タンク１３０とはパイプＰ７によって連通されている。パイプＰ６は、セルスタック１０２の後面左上隅部に位置するアノード出口Ｉ２とラジエータ１１２の下面右側端部から引き出されるラジエータパイプ１１６の入口１１８ａ（図５参照）とを結び、パイプＰ７は、ラジエータ１１２の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出されるラジエータパイプ１１６の出口１１８ｂ（図３参照）と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。セルスタック１０２から排出される未反応メタノール水溶液および二酸化炭素はパイプＰ６を介してラジエータ１１２に与えられ温度が下げられて、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。
【００６０】
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。
【００６１】
また、エアフィルタ１４２とエアチャンバ１５０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１５０とエアポンプ１４７とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１４７と防錆用バルブ１５８とはパイプＰ１０によって接続され、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって接続されている。パイプＰ８は、エアフィルタ１４２の後部とエアチャンバ１５０の中央部よりもやや前方寄りの位置とを結び、パイプＰ９は、エアチャンバ１５０の中央部の下側とエアポンプ１４７の後部とを結び、パイプＰ１０は、フロントフレーム１６の板状部材１６ａの左側に位置するエアポンプ１４７と板状部材１６ａの右側に位置する防錆用バルブ１５８とを結び、パイプＰ１１は、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２の後面右上端部に位置するカソード入口Ｉ３とを結ぶ。燃料電池システム１００の運転時には防錆用バルブ１５８を開いておき、その状態でエアポンプ１４７を駆動させることによって、酸素を含む空気が外部から吸入される。吸入された空気は、エアフィルタ１４２で浄化された後、パイプＰ８、エアチャンバ１５０およびパイプＰ９を介してエアポンプ１４７に流入し、さらに、パイプＰ１０、防錆用バルブ１５８およびパイプＰ１１を介してセルスタック１０２に与えられる。防錆用バルブ１５８は、燃料電池システム１００の停止時には閉じられており、エアポンプ１４７へ水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ１４７の錆を防止する。
【００６２】
セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通され、水タンク１３２にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。各パイプＰ１２は、セルスタック１０２の前面左下隅部に位置するカソード出口Ｉ４とラジエータ１１４の下面左側端部から引き出される各ラジエータパイプ１２２の入口１２４ａ（図３参照）とを結び、各パイプＰ１３は、ラジエータ１１４の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出される各ラジエータパイプ１２２の出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上部とを結び、パイプＰ１４は、水タンク１３２の後面上部に接続され、一旦上昇しその後下降するようにくの字状に形成されている。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される水分（水および水蒸気）や二酸化炭素を含む排気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１１４に与えられ、水蒸気が液化される。ラジエータ１１４からの排気は、パイプＰ１３を介して水と共に水タンク１３２に与えられ、パイプＰ１４を介して外部に排出される。
【００６３】
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。
【００６４】
さらに、水タンク１３２と水ポンプ１６０とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１６０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１６によって連通されている。パイプＰ１５は、水タンク１３２の右側面下部と水ポンプ１６０の中央部とを結び、パイプＰ１６は、水ポンプ１６０の中央部と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。水ポンプ１６０を駆動させることによって、水タンク１３２内の水がパイプＰ１５，１６を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００６５】
上述したパイプＰ１５，１６は水の流路となる。
【００６６】
また、パイプＰ４には、水溶液ポンプ１４６によって送り出されパイプＰ４を流れるメタノール水溶液の一部が流入するように、パイプＰ１７が接続される。図４に示すように、パイプＰ１７には電磁バルブ１４８が接続されている。電磁バルブ１４８と濃度センサ１４９とはパイプＰ１８によって連通されている。さらに、パイプＰ１８は、濃度センサ１４９と水溶液タンク１３０の上面とを結び、濃度センサ１４９と水溶液タンク１３０とが連通されている。
【００６７】
濃度センサ１４９は、流入したメタノール水溶液のメタノール濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）を検出するためのセンサである。コントローラ１５６は、濃度センサ１４９からの検出信号に基づいてメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。
【００６８】
上述したパイプＰ１７およびＰ１８は濃度検出用の流路となる。この実施形態では、パイプＰ１８内に検出部や冷却空間が形成される。
【００６９】
さらに、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とはパイプＰ１９によって連通され、キャッチタンク１４０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２０によって連通され、キャッチタンク１４０とエアチャンバ１５０とはパイプＰ２１によって連通されている。パイプＰ１９は、水溶液タンク１３０の左側面上隅部とキャッチタンク１４０の左側面上隅部とを結び、パイプＰ２０は、キャッチタンク１４０の下端部と水溶液タンク１３０の左側面下隅部とを結び、パイプＰ２１は、キャッチタンク１４０の左側面上部寄りの位置とエアチャンバ１５０の上端面とを結ぶ。水溶液タンク１３０内にある気体（主に、二酸化炭素、気化したメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ１９を介してキャッチタンク１４０に与えられる。気化したメタノールと水蒸気とはキャッチタンク１４０で冷却、液化された後、パイプＰ２０を介して水溶液タンク１３０に戻される。キャッチタンク１４０内の気体（二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ２１を介してエアチャンバ１５０に与えられる。
【００７０】
上述したパイプＰ１９〜Ｐ２１は主として燃料処理用の流路となる。
【００７１】
このような燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２をオンすることによって起動され、コントローラ１５６によって制御され、二次電池１３４によって電気エネルギーが補完される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４は電圧を２４Ｖから１２Ｖに変換し、変換された１２Ｖの電圧によってファン１２０，１２６が駆動される。
【００７２】
ついで、燃料電池システム１００の運転時の主要動作について説明する。
燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２がオンされることを契機として、水溶液ポンプ１４６やエアポンプ１４７等の補機類を駆動し、運転を開始する。
【００７３】
水溶液ポンプ１４６の駆動によって、水溶液タンク１３０に収容されるメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４に供給される。そして、水溶液フィルタ１４４で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプＰ５、アノード入口Ｉ１を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂにダイレクトに供給される。
【００７４】
一方、エアポンプ１４７の駆動によってエアフィルタ１４２から吸入された空気（エア）は、パイプＰ８を介してエアチャンバ１５０に流入することによって消音される。そして、吸入された空気およびエアチャンバ１５０に与えられたキャッチタンク１４０からの気体が、パイプＰ９〜Ｐ１１、カソード入口Ｉ３を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに供給される。
【００７５】
各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂでは、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応し、二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質１０４ａを介してカソード１０４ｃに流入し、そのカソード１０４ｃ側に供給された空気中の酸素と電気化学反応して水（水蒸気）および電気エネルギーが生成される。つまり、セルスタック１０２において発電が行われる。生成された電気エネルギーは、二次電池１３４に送られて蓄えられると共に、二輪車１０の走行駆動等に利用される。
【００７６】
一方、各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂで生成された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、上記電気化学反応によって発生する熱によって温度上昇し（たとえば約６５℃〜７０℃となる）、未反応メタノール水溶液の一部は気化される。二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２を介して水溶液用のラジエータ１１２内に流入し、ラジエータパイプ１１６を流れる間にファン１２０によって冷却される（たとえば約４０℃となる）。冷却された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００７７】
一方、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となってセルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード出口Ｉ４から排出された水蒸気の一部は、ラジエータ１１４で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ１１４による水蒸気の液化動作は、ファン１２６を動作させることによって行われる。カソード出口Ｉ４からの水分（水および水蒸気）は未反応の空気と共にパイプＰ１２，ラジエータ１１４およびパイプＰ１３を介して水タンク１３２に与えられる。また、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃでは、キャッチタンク１４０からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソード１０４ｃに移動したメタノールが白金触媒層で酸素と反応して無害な水分と二酸化炭素とに分解される。メタノールから分解された水分と二酸化炭素とは、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。さらに、水のクロスオーバーによって各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに移動した水分が、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。
【００７８】
水タンク１３２に回収された水は、水ポンプ１６０の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を介して水溶液タンク１３０に適宜還流され、メタノール水溶液の水として利用される。
【００７９】
運転中の燃料電池システム１００では、各燃料電池セル１０４の劣化を防ぎつつ各燃料電池セル１０４に効率よく発電させるために、メタノール水溶液の濃度検出処理が定期的に実行される。そして、その検出結果に基づいてセルスタック１０２に供給すべきメタノール水溶液のメタノール濃度が調整される。具体的には、メタノール濃度の検出結果に基づいて、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の水溶液タンク１３０への供給や水タンク１３２内の水の水溶液タンク１３０への還流が行われる。
【００８０】
このような燃料電池システム１００では、図１１に示すように、水溶液タンク１３０、水溶液ポンプ１４６、電磁バルブ１４８、濃度センサ１４９、コントローラ１５６、パイプＰ３，Ｐ４，Ｐ１７およびＰ１８を含んで濃度検出装置２００が構成されている。
【００８１】
図１１および図１２を参照して、濃度センサ１４９は、短冊状のペルチェ素子２０２とその一方主面側に設けられるヒートシンク２０４とを含む。ペルチェ素子２０２とヒートシンク２０４との間には熱伝導性の良いシリコンシートなどの部材２０６が介挿されている。また、パイプＰ１８の一部も濃度センサ１４９の構成部材となる。パイプＰ１８は、パイプ部Ｐ１８１，Ｐ１８２およびＰ１８３と、パイプ部Ｐ１８１とＰ１８２との間に介挿されるパイプ部Ｐ１８４と、パイプ部Ｐ１８２とＰ１８３との間に介挿されるパイプ部Ｐ１８５とを含む。パイプ部Ｐ１８１，Ｐ１８２およびＰ１８３は、熱伝導性が比較的良いたとえばステンレスなどの金属からなる。パイプ部Ｐ１８４は、断熱性のあるたとえばテフロン（登録商標）などの樹脂からなる。パイプ部Ｐ１８５は、熱伝導性が悪いたとえばＥＰＤＭ等のゴム材料からなる。パイプ部Ｐ１８２は、ペルチェ素子２０２の他方主面に接するようにＵ字状に設けられ、パイプ部Ｐ１８３は、ヒートシンク２０４を貫通するように設けられている。パイプ部Ｐ１８２が実質的に検出部となるチャンバとして機能する。
【００８２】
また、パイプ部Ｐ１８２内には水溶液の温度を検出するための水溶液温度センサ２０８が設けられ、ペルチェ素子２０２の他方主面にはペルチェ素子２０２の温度を検出するためのペルチェ温度センサ２１０が設けられている。
【００８３】
このようなペルチェ素子２０２、ヒートシンク２０４の一部、部材２０６、パイプ部Ｐ１８２、Ｐ１８４およびＰ１８５、水溶液温度センサ２０８およびペルチェ温度センサ２１０は樹脂２１２によってモールドされている。
【００８４】
なお、パイプＰ３、パイプＰ４の一部、パイプＰ１７、パイプＰ１８のパイプ部Ｐ１８１，Ｐ１８４が、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液をペルチェ素子２０２近傍に送るための第１パイプとして機能し、パイプＰ１８のパイプ部Ｐ１８５，Ｐ１８３が、濃度検出後のメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻すための第２パイプとして機能する。また、ペルチェ素子２０２とヒートシンク２０４との組み合わせが、冷却手段および加熱手段を兼ねる温度変更手段を構成する。冷却手段、加熱手段は、ペルチェ素子２０２のみによって構成されてもよい。また、コントローラ１５６は、凝固点検出手段、濃度検出手段を構成する。電磁バルブ１４８が入替手段を構成し、濃度検出されるメタノール水溶液の流れが制御される。水溶液温度センサ２０８が第１温度検出手段を構成し、ペルチェ温度センサ２１０が第２温度検出手段を構成する。
【００８５】
つづいて、コントローラ１５６について説明する。
コントローラ１５６は、必要な演算を行い燃料電池システム１００の動作を制御するためのＣＰＵ２１４、および燃料電池システム１００の動作を制御するためのプログラムやデータ等を格納するための、たとえばＥＥＰＲＯＭからなるメモリ２１６を含む。水溶液温度センサ２０８およびペルチェ温度センサ２１０からの検出信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器２１８および２２０によってＡ／Ｄ変換されてＣＰＵ２１４に入力される。また、ＣＰＵ２１４から水溶液ポンプ１４６、電磁バルブ１４８およびペルチェ素子２０２への制御信号は、それぞれインタフェース回路２２２，２２４および２２６を介して与えられる。
【００８６】
ここで、この発明で用いられる原理について説明する。
一般に、溶質を一定量の溶媒に溶かした溶液の凝固点は溶媒（純溶媒）の凝固点より、図１３（ａ）に示すようにΔｔだけ低くなる。この現象を凝固点降下といい、このときの温度差Δｔを凝固点降下度という。このような溶液では、凝固点降下度Δｔは、溶質の種類に拘わらず溶質の物質量（溶液の質量モル濃度）に比例する。
【００８７】
図１３（ｂ）に示すように、一般に溶液を冷却していくと、凝固点になっても凝固しないで液体のままの状態がしばらく続き（この状態を過冷却という）、あるところ（グラフのＡ点）で急激に凝固が始まる。液体が固体になる反応は発熱反応であり、これが急激におこるのでＡ−Ｂのような温度の急激な上昇がみられる。アルコール系水溶液の場合、溶液が凝固するときは最初に析出する固相（初晶）に含まれる溶質はごくわずかであるため、凝固の進行とともに残された液相中の溶質濃度は大きくなり、やがて溶液の温度上昇は止まりその温度変化はＢ−Ｃのような右下がりになる。このとき、溶液の凝固点はＤ点であるが、Ｂ点とＤ点とはほぼ等しいので、Ｂ点の温度を凝固点とみなすことができる。そして、この凝固点とされたＢ点の温度に基づいて濃度を検出する。
【００８８】
ついで、図１４〜図１６を参照して、濃度検出装置２００の主要動作の一例について説明する。
図１４を参照して、まず、コントローラ１５６からの指示に従って、電磁バルブ１４８が開けられ（ステップＳ１）、所定時間（たとえば２秒）が経過する（ステップＳ３がＹＥＳになる）まで電磁バルブ１４８の開放状態が継続される。これによって、水溶液ポンプ１４６によって送り出されパイプＰ４を流れるメタノール水溶液の一部がパイプＰ１７を介してパイプＰ１８内に導入され、パイプＰ１８に満たされていたメタノール水溶液が排出される。すなわち、電磁バルブ１４８を開けることによって、検出部を構成するパイプ部Ｐ１８２へのメタノール濃度を検出すべき新しいメタノール水溶液の導入と、パイプ部Ｐ１８２からのメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液の排出とが行われる。メタノール水溶液は、水溶液ポンプ１４６によって加圧されているので電磁バルブ１４８を開けるだけでパイプ部Ｐ１８２内に導入される。パイプＰ１８から排出されたメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液は水溶液タンク１３０に戻される。
【００８９】
なお、水溶液ポンプ１４６の駆動開始時には電磁バルブ１４８は閉じられており、運転を開始してから１回目の濃度検出を行う前まではパイプＰ１８に空気が満たされている。この場合、パイプＰ１８を満たしていた空気が水溶液タンク１３０に流入することはいうまでもない。
【００９０】
そして、所定時間が経過する（ステップＳ３がＹＥＳになる）と、電磁バルブ１４８が閉じられ（ステップＳ５）、パイプＰ１８に流入したメタノール水溶液の流れ（流速）が抑えられる。ここでは、電磁バルブ１４８を完全に閉じることによって、パイプ部Ｐ１８２でメタノール水溶液を保持し、滞留（停止）させることができる。
そして後述する濃度検出が行われる（ステップＳ７）。
【００９１】
濃度検出の終了後、凝固したメタノール水溶液がコントローラ１５６からの指示に従ってペルチェ素子２０２によって加熱されてパイプ部Ｐ１８２から排出されやすくなり、電磁バルブ１４８が開けられて濃度検出済みのメタノール水溶液がパイプ部Ｐ１８２から排出されるとともに次回濃度検出すべきメタノール水溶液がパイプ部Ｐ１８２内に導入される（ステップＳ９）。このとき時間をカウントしつつ所定時間（たとえば４０秒間）だけ電磁バルブ１４８が開放されメタノール水溶液が入れ替えられる（ステップＳ１１）。
【００９２】
所定時間経過後、メタノール水溶液の加熱が停止され（ステップＳ１３）、ステップＳ５に戻り電磁バルブ１４８が閉じられ、メタノール水溶液の入れ替えが終了する。以降、ステップＳ５〜Ｓ１３の処理が繰り返される。
【００９３】
なお、メタノール水溶液の入れ替えの確認については、たとえばパイプ部Ｐ１８２内の温度を検出し、その温度が所定条件を満たせば、ステップＳ１３に進むようにしてもよい。たとえば、検出温度が燃料電池システムと同じ温度になれば、または検出温度が検出対象の凝固点以上（この実施形態では、検出対象は水溶液なので０℃以上）になれば、ステップＳ１３に進むようにする。
【００９４】
ついで、図１５および図１６を参照して濃度検出動作について説明する。
まず動作が開始されると、変数Ｎ＝０が設定され（ステップＳ５１）、コントローラ１５６からの指示によって、ペルチェ素子２０２への通電電流を最大にする冷却モードで検出部となるパイプ部Ｐ１８２が急速に冷却される（ステップＳ５３）。これによって凝固点までの所要時間を短くできる。
【００９５】
そして、ペルチェ温度センサ２１０によってペルチェ素子２０２の表面温度が検出され（ステップＳ５５）、水溶液温度センサ２０８によって検出部となるパイプ部Ｐ１８２内のメタノール水溶液の温度が検出される（ステップＳ５７）。ペルチェ素子２０２の表面温度に代えて、ペルチェ素子２０２を代表する温度を検出するようにしてもよい。
【００９６】
ついで、パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃未満になったか否かが判断されるとともに、パイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が、燃料を含まない溶媒（この実施形態では水）の状態の凝固点よりやや高めの温度（この実施形態では２℃）より低くなっているか否かが判断される（ステップＳ５９）。パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃未満になりかつパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が２℃より低くなるまで、ステップＳ５３〜Ｓ５９の処理が繰り返され急速冷却が継続される。水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃以上であればあるいは水溶液温度が２℃以上であれば、水溶液が凝固することがないため急速冷却しても問題はない。
【００９７】
一方、ステップＳ５９において、パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃未満になりかつパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が２℃より低くなれば、凝固点に近づいてきていると判断しステップＳ６１に進む。ステップＳ６１では、コントローラ１５６からの指示によって、ペルチェ素子２０２の冷却能力を最初より低下させる。すなわちペルチェ素子２０２への通電電流を中程度に設定して冷却を続ける。これは、凝固点に近づいてきているにも拘らず急速冷却を継続すると、過冷却から凝固するときに発生する熱を急速に奪ってしまい凝固点を正確に検出できなくなる恐れがあるとともに、温度の応答遅れが発生し以降のステップの温度差検出工程に影響を与えるためである。
【００９８】
なお、冷却性能が検出したい水溶液の熱容量からみて低い場合には、徐々にしか冷やすことができないのでこのステップは不要となる。
【００９９】
そして、ペルチェ素子２０２の表面温度が検出され（ステップＳ６３）、パイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が検出され（ステップＳ６５）、パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の表面温度との差分が計算され（ステップＳ６７）、その温度の差分がメモリ２１６に記憶される（ステップＳ６９）。
【０１００】
そして、ステップＳ５１から第１所定時間（たとえば１０分）以上経過したか否かが判断され（ステップＳ７１）、経過していなければパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が−２０℃以下か否かが判断され（ステップＳ７３）、−２０℃以下でなければ変数Ｎ＝０か否かが判断される（ステップＳ７５）。変数Ｎ＝０であれば、第２所定時間が経過したか否かが判断され（ステップＳ７７）、第２所定時間（たとえば５分）が経過すれば変数Ｎが１インクリメントされ（ステップＳ７９）、ステップＳ６３に戻りペルチェ素子２０２およびパイプ部Ｐ１８２内の水溶液の温度検出が行われる。
【０１０１】
ステップＳ７１において第１所定時間が経過している場合、またはステップＳ７３においてパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が−２０℃以下になっている場合には、異常が発生していると判断して検出エラーを報知し（ステップＳ８１）、終了する。通常、温度検出にそれほど時間がかかるものではなく、また、温度が想定される凝固点よりもかなり低くなるのは正常ではないからである。
【０１０２】
ステップＳ７５がＮＯの場合には、図１６に示すステップＳ８３に進み、メモリ２１６に記憶されている前回の温度差（パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の表面温度との差分）が今回の温度差（パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の表面温度との差分）の方が大きいか否かが判断される。今回の温度差の方が大きくなれば水溶液の温度が上昇に転じたと判断する。これによって凝固が始まったと判断する。すなわち、凝固が始まるとペルチェ素子２０２による冷却を行っても凝固熱により水溶液の温度が下がらず逆に上昇するので、水溶液とペルチェ素子２０２との温度差が大きくなり、これによって凝固が始まったことを知ることができる。
【０１０３】
そして、第２所定時間が経過したか否かが判断され（ステップＳ８５）、経過するまで待機し、第２所定時間が経過するとパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が検出され（ステップＳ８７）、その水溶液温度がメモリ２１６に記憶される（ステップＳ８９）。そして、その水溶液温度が０℃を超えたか否かが判断され（ステップＳ９１）、０℃を超えていなければ水溶液温度が降下したか否かが判断される（ステップＳ９３）。水溶液温度が降下していなければステップＳ８７に戻り、一方、水溶液温度が降下していれば、ステップＳ８９以降の処理でメモリ２１６に記憶された水溶液温度中の最高温度が凝固点と仮置きされ（ステップＳ９５）、その仮置きされた凝固点が−８℃以上０℃以下か否かが判断され（ステップＳ９７）、その範囲内であれば凝固点として正式に決定される（ステップＳ９９）。そして、図１７に示すメモリ２１６に記憶されている理論凝固点とモル濃度換算値との関係を示すテーブルデータを参照し、検出された凝固点に最も近い理論凝固点に対応するモル濃度が取得され（ステップＳ１０１）、終了する。一方、ステップＳ９１において水溶液温度が０℃を超えたとき、またはステップＳ９７において仮置き凝固点が−８℃以上０℃以下でない場合には、エラーと判断してエラーが報知され（ステップＳ１０３）、終了する。
【０１０４】
なお、ステップＳ１０１においてモル濃度が取得されると、その濃度に基づいて水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液に補給される燃料タンク１２８からのメタノール燃料の量や水タンク１３２からの水の量が決定される。そして、決定された量のメタノール燃料や水が補給されることによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液が所望の濃度に調整される。
【０１０５】
このような濃度検出装置２００によれば、メタノール水溶液の凝固点とモル濃度との相関性を利用することによって、メタノール水溶液の凝固点に基づいて当該水溶液に溶けているメタノールの濃度を正確に検出できる。また、超音波センサのような大きな装置を用いる必要もない。
【０１０６】
また、検出部であるパイプ部Ｐ１８２に導入されたメタノール水溶液を停止させた状態でその温度を検出するので、メタノール水溶液の温度ひいてはその凝固点を正確に検出でき、その結果、メタノール水溶液に溶けているメタノールの濃度を正確に検出できる。
【０１０７】
さらに、濃度検出のために凝固させたメタノール水溶液を溶かすことができるので、濃度検出されるメタノール水溶液の入れ替えが確実かつ容易になる。
【０１０８】
また、ペルチェ素子２０２とヒートシンク２０４との組み合わせをメタノール水溶液の冷却および加熱に兼用できるので、装置の構成を簡素かつ小型にできる。
【０１０９】
さらに、メタノール水溶液が凝固するときの図１３（ｂ）に示すような特性を利用することによって、メタノール水溶液とペルチェ素子２０２との温度差に基づいてメタノール水溶液の凝固が始まったことを知ることができ、メタノール水溶液の凝固点をより正確に検出できる。
【０１１０】
また、濃度検出されたメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻すことによって、濃度検出のためにメタノール水溶液を浪費することを防止できる。
【０１１１】
また、濃度検出時に、最初は比較的高速で冷却しその後冷却能力を下げることによって、濃度検出までの時間を短縮できるとともに濃度検出精度を向上できる。
【０１１２】
燃料電池システム１００において燃料濃度を正確に検出することは重要であるので、この発明を燃料電池システム１００に用いること、ひいては燃料電池システム１００を搭載した二輪車１０等の輸送機器に用いることは有効である。
【０１１３】
なお、上述の実施形態ではメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻す場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、パイプＰ１８内のメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液をパイプＰ４に押し戻すようにしてもよい。また、パイプＰ１８を、パイプＰ４とパイプＰ１７との接続部よりも下流側でパイプＰ４に接続し、メタノール濃度検出済みのメタノール水溶液をセルスタック１０２に供給するようにしてもよい。
【０１１４】
また、燃料電池システム１００において、メタノール水溶液の凝固点を検出すると、モル濃度を取得することなくその凝固点に基づいて直接、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の濃度を調整するようにしてもよい。この場合、メタノール燃料および／または水の補給量と凝固点との対応関係を予め設定しておき、検出された凝固点に対応する量のメタノール燃料および／または水を水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液に補給すればよい。
【０１１５】
このようにすれば、メタノール水溶液に含まれているメタノールの濃度を検出することなくメタノール水溶液の濃度を簡単に調整できる。
【０１１６】
さらに、上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。
【０１１７】
この発明は、物質が溶けている液体であれば、任意の物質が溶けている任意の液体の濃度検出に用いることができる。
【０１１８】
この発明の燃料電池システムは、二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器にも好適に用いることができる。
【０１１９】
この発明は、改質器搭載タイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付けタイプの燃料電池システムにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】この発明の燃料電池システムを搭載する二輪車を示す左側面図である。
【図２】二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図３】二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。
【図４】燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。
【図５】燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。
【図６】燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図７】燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。
【図８】燃料電池セルスタックを示す図解図である。
【図９】燃料電池セルを示す図解図である。
【図１０】燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図１１】濃度検出装置の一例を示す図解図である。
【図１２】（ａ）は濃度センサを示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図１３】（ａ）は溶媒および溶液の冷却時間に対する温度変化を示すグラフであり、（ｂ）は溶液およびペルチェ素子の冷却時間に対する温度変化を示すグラフである。
【図１４】この発明の主要動作の一例を示すフロー図である。
【図１５】濃度検出処理の動作の一例を示すフロー図である。
【図１６】図１５の動作の続きを示すフロー図である。
【図１７】凝固点とモル濃度との対応関係を示すテーブルである。
【符号の説明】
【０１２１】
１０ 二輪車
１００ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１３０ 水溶液タンク
１４６ 水溶液ポンプ
１４８ 電磁バルブ
１４９ 濃度センサ
１５６ コントローラ
２００ 濃度検出装置
２０２ ペルチェ素子
２０４ ヒートシンク
２０８ 水溶液温度センサ
２１０ ペルチェ温度センサ
２１４ ＣＰＵ
２１６ メモリ
Ｐ１〜Ｐ２１ パイプ
Ｐ１８１〜Ｐ１８５ パイプ部
【技術分野】
【０００１】
この発明は濃度検出装置および濃度検出方法に関し、より特定的には、燃料電池システムに用いられる濃度検出装置および濃度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池システム等の燃料水溶液を燃料電池セルスタックに供給するタイプの燃料電池システムにおいては、燃料濃度が低いと高分子膜を損傷する恐れがあり、一方、燃料濃度が高すぎると燃料の使用効率が低下するため、循環される水溶液中に燃料を補給して燃料濃度を一定に保つことが行われている。そのためには、循環される水溶液に溶けている燃料の濃度を所定時間ごとに検出する必要がある。
【０００３】
ここで、燃料濃度を検出する技術の一例として、超音波センサを用いる技術が特許文献１において開示されている。
また、ペルチェ素子を用いて結晶成長の温度を制御する装置が特許文献２において開示されている。
【特許文献１】特開２００５−３０９４９号公報
【特許文献２】特開平１０−２９８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１における超音波センサでは、一定の距離をおいて発信部と受信部とを設けなければならないので、装置が大型になるという問題があった。また、水溶液中に泡が生じると濃度を正確に検出できなくなる。
特許文献２の技術は、結晶成長の温度制御に用いる技術であり、濃度検出に用いるものではない。
それゆえに、この発明の主たる目的は、液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる、濃度検出装置および濃度検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の濃度検出装置は、物質が溶けている液体を冷却する冷却手段、冷却される液体の温度を検出する第１温度検出手段、第１温度検出手段によって検出された温度に基づいて液体の凝固点を検出する凝固点検出手段、凝固点検出手段によって検出された凝固点に基づいて液体に溶けている物質の濃度を検出する濃度検出手段を備える。
【０００６】
請求項２に記載の濃度検出装置は、請求項１に記載の濃度検出装置において、さらに、液体の温度を検出するために液体を停止状態で保持する検出部、および検出部内の液体を入れ替えるための入替手段を備え、第１温度検出手段は、検出部内の液体の温度を検出することを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の濃度検出装置は、請求項１または２に記載の濃度検出装置において、液体を加熱する加熱手段をさらに含むことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の濃度検出装置は、請求項３に記載の濃度検出装置において、冷却手段および加熱手段に兼用される温度変更手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の濃度検出装置は、請求項１から４のいずれかに記載の濃度検出装置において、冷却手段の温度を検出する第２温度検出手段をさらに含み、凝固点検出手段は、第１温度検出手段の検出結果と第２温度検出手段の検出結果とに基づいて液体の凝固点を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の濃度検出装置は、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出装置において、さらに、液体を収容するタンク、タンク内の液体を冷却手段近傍に送るための第１パイプ、および濃度検出後の液体をタンクに戻すための第２パイプを含むことを特徴とする。
【００１１】
請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれかに記載の濃度検出装置を含むことを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載の輸送機器は、請求項７に記載の燃料電池システムを含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項９に記載の濃度検出方法は、物質が溶けている液体を冷却空間に導入する工程、冷却空間に導入された液体を冷却手段によって冷却する工程、冷却手段の温度を検出する工程、冷却空間内で冷却される液体の温度を検出する工程、検出された冷却手段の温度と液体の温度とに基づいて液体の凝固点を検出する工程、および検出された液体の凝固点に基づいて液体に溶けている物質の濃度を検出する工程を備える。
【００１４】
請求項１０に記載の濃度検出方法は、請求項９に記載の濃度検出方法において、液体を冷却する工程は、第１の冷却能力で液体を冷却する第１工程と、第１の冷却能力よりも低い冷却能力で液体を冷却する第２工程とを含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に記載の燃料電池システムは、燃料水溶液を用いる燃料電池システムであって、燃料水溶液の凝固点を検出し、検出された凝固点に基づいて燃料水溶液の濃度を調整することを特徴とする。
【００１６】
液体の凝固点と当該液体に溶けている物質の濃度との間には相関性がある。請求項１に記載の濃度検出装置では、この相関性を利用することによって、液体の凝固点に基づいて当該液体に溶けている物質の濃度を正確に検出できる。また、超音波センサのような大きな装置を用いる必要もない。請求項９に記載の濃度検出方法についても同様である。
【００１７】
請求項２に記載の濃度検出装置では、検出部に導入された液体を停止させた状態で液体の温度を検出するので、液体の温度ひいては液体の凝固点を正確に検出でき、その結果、液体に溶けている物質の濃度を正確に検出できる。
【００１８】
請求項３に記載の濃度検出装置では、濃度検出のために凝固された液体を溶かすことができるので、濃度検出される液体の入れ替えが確実かつ容易になる。
【００１９】
請求項４に記載の濃度検出装置では、温度変更手段を液体の冷却および加熱に兼用できるので、装置の構成を簡素かつ小型にできる。
【００２０】
冷却手段によって液体を冷却し凝固させるとき、液体が凝固し始めると発熱により液体の温度が一時的に上昇し、このとき液体と冷却手段との温度差も一時的に大きくなる。請求項５に記載の濃度検出装置では、液体だけではなく冷却手段の温度をも検出し液体が凝固するときの上記特性を利用することによって、液体と冷却手段との温度差に基づいて液体が凝固し始めていることを知ることができ、液体の凝固点をより正確に検出できる。
【００２１】
請求項６に記載の濃度検出装置では、濃度検出された液体をタンクに戻すことによって、濃度検出のために液体を浪費することを防止できる。
【００２２】
燃料電池システムにおいて燃料濃度を正確に検出することは重要であるので、この発明を、請求項７に記載のように燃料電池システムに用いること、ひいては請求項８に記載のように燃料電池システムを用いた輸送機器に用いることは有効である。
【００２３】
請求項１０に記載の濃度検出方法では、最初は比較的高速で冷却しその後冷却能力を下げることによって、濃度検出までの時間を短縮できるとともに濃度検出精度を向上できる。
【００２４】
請求項１１に記載の燃料電池システムのように、検出された凝固点に基づいて直接、燃料水溶液の濃度を調整するようにすれば、燃料水溶液に含まれている物質の濃度を検出することなく燃料水溶液の濃度を簡単に調整できる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、液体に溶けている物質の濃度を大きな装置を用いることなく正確に検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。ここでは、この発明の濃度検出装置を含む燃料電池システムを、輸送機器の一例である二輪車１０に搭載した場合について説明する。ここでは、濃度検出の対象となる液体（溶液）はメタノール水溶液である。したがって、溶媒は水であり、溶質はメタノールである。そして、溶媒中に溶質が分散している溶液における当該溶質の濃度が測定される。
【００２７】
まず、二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。
【００２８】
図１〜図７を参照して、二輪車１０は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４と、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びる縦断面Ｉ字型のフロントフレーム１６と、フロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８と、リヤフレーム１８の上端部に取り付けられるシートレール２０とを備えている。フロントフレーム１６の後端部はリヤフレーム１８の中央部よりもやや下端部寄りの位置に接続され、フロントフレーム１６およびリヤフレーム１８全体で側面視略Ｙ字状を呈している。
【００２９】
フロントフレーム１６は、上下方向に幅を有して後方へ斜め下方に延びかつ左右方向に対して直交する板状部材１６ａと、それぞれ板状部材１６ａの上端縁および下端縁に形成されかつ後方へ斜め下方に延び左右方向に幅を有するフランジ部１６ｂおよび１６ｃと、板状部材１６ａの両表面に突設される補強リブ１６ｄと、後端部に設けられたとえばボルト等によってリヤフレーム１８が連結される連結部１６ｅとを備えている。補強リブ１６ｄは、フランジ部１６ｂおよび１６ｃと共に板状部材１６ａの両表面を区画して、後述する燃料電池システム１００の構成部品を収納する収納スペースを形成している。
【００３０】
一方、リヤフレーム１８は、それぞれ後方へ斜め上方に延び前後方向に幅を有しフロントフレーム１６の連結部１６ｅを挟むように配置される板状部材１８ａおよび１８ｂを備えている。
【００３１】
ヘッドパイプ１４内には、主に図１に示すように、車体方向変更用のステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端には、ハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられており、ハンドル２４の両端にはグリップ２８が取り付けられている。右側のグリップ２８は回動可能なスロットルグリップを構成している。
【００３２】
ハンドル支持部２６のハンドル２４の前方には、表示操作部（以下、メータと略記する）３０が配置されている。メータ３０は、ドライバに対する走行状態等の各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成された表示部、およびドライバからの各種情報入力用の入力部等が一体化されたものである。ハンドル支持部２６におけるメータ３０の下方には、ヘッドランプ３２が固定されており、ヘッドランプ３２の左右両側には、フラッシャランプ３４がそれぞれ設けられている。
【００３３】
また、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３６が取り付けられており、フロントフォーク３６それぞれの下端には、前輪３８が前車軸４０を介して取り付けられている。前輪３８は、フロントフォーク３６によって緩衝懸架された状態で前車軸４０によって回転自在に軸支されている。
【００３４】
一方、リヤフレーム１８の後端部には、フレーム状のシートレール２０が取り付けられている。シートレール２０は、リヤフレーム１８の上端部にたとえば溶接によって固設され、略前後方向に配設されている。シートレール２０上には図示しないシートが開閉自在に設けられている。シートレール２０の後端部には取り付けブラケット４２が固設されており、取り付けブラケット４２にはテールランプ４４および左右一対のフラッシャランプ４６がそれぞれ取り付けられている。
【００３５】
また、リヤフレーム１８の下端部には、リヤアーム４８がピボット軸５０を介して揺動自在に支持されており、リヤアーム４８の後端部４８ａには駆動輪である後輪５２が回転自在に軸支されており、リヤアーム４８および後輪５２は、図示しないリヤクッションによってリヤフレーム１８に対して緩衝懸架されている。
【００３６】
さらに、リヤフレーム１８の下端部の前側には、リヤフレーム１８から左右方向に突出するようにフットレスト取付用バー５４が固定され、フットレスト取付用バー５４には図示しないフットレストが取り付けられる。フットレスト取付用バー５４の後方には、メインスタンド５６が回動可能にリヤアーム４８に支持されており、メインスタンド５６は、リターンスプリング５８によって閉じ側に付勢されている。
【００３７】
リヤアーム４８の後端部４８ａよりも内側には、後輪５２に連結されかつ後輪５２を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ６０と、電動モータ６０に電気的に接続される駆動ユニット６２とが配設されている。駆動ユニット６２は、電動モータ６０の回転駆動を制御するためのコントローラ６４を含む。
【００３８】
このような二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００が搭載されている。燃料電池システム１００は、電動モータ６０やその他の構成部品を駆動するための電気エネルギーを生成する。
【００３９】
以下、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに発電に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
【００４０】
燃料電池システム１００は、フロントフレーム１６の下方に配置される燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。
【００４１】
図８および図９に示すように、セルスタック１０２は、メタノールに基づく水素と酸素との電気化学反応によって電気エネルギーを生成することができる燃料電池（燃料電池セル）１０４をセパレータ１０６を挟んで複数個積層（スタック）して構成されている。セルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４は、固体高分子膜等から構成される電解質（電解質膜）１０４ａと、電解質１０４ａを挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１０４ｂおよびカソード（空気極）１０４ｃとを含む。アノード１０４ｂおよびカソード１０４ｃはそれぞれ、電解質１０４ａ側に設けられる白金触媒層を含む。
【００４２】
図４等に示すように、セルスタック１０２はスキッド１０８上に載せられ、スキッド１０８はフロントフレーム１６のフランジ部１６ｃから吊されるステースタック１１０によって支持されている。
【００４３】
図６に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、水溶液用のラジエータ１１２と気液分離用のラジエータ１１４とが配置されている。ラジエータ１１２と１１４とは一体的に構成され、その前面が車両の前方やや下向きに配置され、前面に対して直交するように設けられる複数の板状のフィン（図示せず）を有する。このようなラジエータ１１２および１１４は、走行時に風を十分に受けることができる。
【００４４】
図６等に示すように、ラジエータ１１２は、旋回するように形成されるラジエータパイプ１１６を含む。ラジエータパイプ１１６は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１１８ａ（図５参照）から出口１１８ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１２の裏面側にはラジエータパイプ１１６と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２０が設けられている。
【００４５】
同様に、ラジエータ１１４は、それぞれ蛇行するように形成される２本のラジエータパイプ１２２を含む。各ラジエータパイプ１２２は、ステンレス等からなる直線状パイプとＵ字状の継手パイプとを溶接することによって、入口１２４ａ（図３参照）から出口１２４ｂ（図３参照）までの１本の連続したパイプに形成されている。ラジエータ１１４の裏面側にはラジエータパイプ１２２と対向するようにラジエータ冷却用のファン１２６が設けられている。
【００４６】
図１〜図７に戻り主に図３を参照して、フロントフレーム１６の連結部１６ｅの後側には、上方から順に燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２が配置されている。燃料タンク１２８、水溶液タンク１３０および水タンク１３２は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００４７】
燃料タンク１２８は、シートレール２０の下側に配置され、シートレール２０の後端部に取り付けられている。燃料タンク１２８は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（たとえば、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。燃料タンク１２８はその上面に蓋１２８ａを備え、蓋１２８ａを取り外してメタノール燃料が供給される。
【００４８】
また、水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８の下側に設けられ、リヤフレーム１８に取り付けられている。水溶液タンク１３０は、燃料タンク１２８からのメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（たとえば、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。つまり、水溶液タンク１３０は、水溶液ポンプ１４６（後述）によってセルスタック１０２に向けて送り出すべきメタノール水溶液を収容している。
【００４９】
燃料タンク１２８にはレベルセンサ１２９が装着され、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の液面の高さが検出される。水溶液タンク１３０にはレベルセンサ１３１が装着され、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の液面の高さが検出される。レベルセンサ１２９，１３１で液面高さを検出することによって、タンク内の液量を検出できる。水溶液タンク１３０内の液面は、たとえば図４においてＸで示す範囲内にコントロールされる。
【００５０】
水タンク１３２は、リヤフレーム１８の板状部材１８ａおよび１８ｂ間でありかつセルスタック１０２の後側に配置されている。
【００５１】
また、燃料タンク１２８の前側でありかつフロントフレーム１６のフランジ部１６ｂの上側には、二次電池１３４が配置されている。二次電池１３４は、セルスタック１０２で生成された電気エネルギーを蓄え、コントローラ１５６（後述）の指令に応じて電気エネルギーを対応する電気構成部品に供給する。たとえば、二次電池１３４は、補機類や駆動ユニット６２に電気エネルギーを供給する。
【００５２】
二次電池１３４の上方かつシートレール２０の下方には、燃料ポンプ１３６が配置されている。
【００５３】
また、水溶液タンク１３０の上方にはキャッチタンク１４０が配置されている。キャッチタンク１４０はその上面に蓋１４０ａを備え、たとえば燃料電池システム１００を一度も起動したことがない状態（水溶液タンク１３０が空の状態）において、蓋１４０ａを取り外してメタノール水溶液が供給される。キャッチタンク１４０は、たとえばＰＥ（ポリエチレン）ブロー成型によって得られる。
【００５４】
また、フロントフレーム１６とセルスタック１０２とラジエータ１１２，１１４とによって囲まれた空間には、エアフィルタ１４２が配置され、エアフィルタ１４２の後方斜め下側には水溶液フィルタ１４４が配置されている。
【００５５】
また、図４に示すように、フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１４６およびエアポンプ１４７が収納されている。エアポンプ１４７の左側には、電磁バルブ１４８、濃度センサ１４９およびエアチャンバ１５０が配置されている。水溶液ポンプ１４６は水溶液タンク１３０よりも高い位置に設けられている。
【００５６】
さらに、図５に示すように、フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、前方から順にメインスイッチ１５２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４、コントローラ１５６、防錆用バルブ１５８および水ポンプ１６０が配置される。なお、メインスイッチ１５２はフロントフレーム１６の収納スペースを右側から左側に貫通するように設けられている。セルスタック１０２の前面にはホーン１６２が設けられている。
【００５７】
このように配置される燃料電池システム１００の配管について、図４〜図７および図１０を参照して説明する。
燃料タンク１２８と燃料ポンプ１３６とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３６と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２によって連通されている。パイプＰ１は、燃料タンク１２８の左側面下端部と燃料ポンプ１３６の左側面下端部とを結び、パイプＰ２は、燃料ポンプ１３６の左側面下端部と水溶液タンク１３０の左側面下端部とを結ぶ。燃料ポンプ１３６を駆動させることによって、燃料タンク１２８内のメタノール燃料がパイプＰ１，Ｐ２を介して水溶液タンク１３０に与えられる。
【００５８】
水溶液タンク１３０と水溶液ポンプ１４６とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１４６と水溶液フィルタ１４４とはパイプＰ４によって連通され、水溶液フィルタ１４４とセルスタック１０２とはパイプＰ５によって連通されている。パイプＰ３は、水溶液タンク１３０の左側面下隅部と水溶液ポンプ１４６の後部とを結び、パイプＰ４は、水溶液ポンプ１４６の後部と水溶液フィルタ１４４の左側面とを結び、パイプＰ５は、水溶液フィルタ１４４の右側面とセルスタック１０２の前面右下隅部に位置するアノード入口Ｉ１とを結ぶ。水溶液ポンプ１４６を駆動させることによって、水溶液タンク１３０からのメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４で不純物が除去された後、パイプＰ５を介してセルスタック１０２に与えられる。この実施形態ではパイプＰ４およびＰ５によって水溶液ポンプ１４６が送り出すメタノール水溶液をセルスタック１０２の各燃料電池１０４に案内するパイプが構成される。
【００５９】
セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１２とはパイプＰ６によって連通され、ラジエータ１１２と水溶液タンク１３０とはパイプＰ７によって連通されている。パイプＰ６は、セルスタック１０２の後面左上隅部に位置するアノード出口Ｉ２とラジエータ１１２の下面右側端部から引き出されるラジエータパイプ１１６の入口１１８ａ（図５参照）とを結び、パイプＰ７は、ラジエータ１１２の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出されるラジエータパイプ１１６の出口１１８ｂ（図３参照）と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。セルスタック１０２から排出される未反応メタノール水溶液および二酸化炭素はパイプＰ６を介してラジエータ１１２に与えられ温度が下げられて、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。これによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の温度を下げることができる。
【００６０】
上述したパイプＰ１〜Ｐ７は主として燃料の流路となる。
【００６１】
また、エアフィルタ１４２とエアチャンバ１５０とはパイプＰ８によって連通され、エアチャンバ１５０とエアポンプ１４７とはパイプＰ９によって連通され、エアポンプ１４７と防錆用バルブ１５８とはパイプＰ１０によって接続され、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２とはパイプＰ１１によって接続されている。パイプＰ８は、エアフィルタ１４２の後部とエアチャンバ１５０の中央部よりもやや前方寄りの位置とを結び、パイプＰ９は、エアチャンバ１５０の中央部の下側とエアポンプ１４７の後部とを結び、パイプＰ１０は、フロントフレーム１６の板状部材１６ａの左側に位置するエアポンプ１４７と板状部材１６ａの右側に位置する防錆用バルブ１５８とを結び、パイプＰ１１は、防錆用バルブ１５８とセルスタック１０２の後面右上端部に位置するカソード入口Ｉ３とを結ぶ。燃料電池システム１００の運転時には防錆用バルブ１５８を開いておき、その状態でエアポンプ１４７を駆動させることによって、酸素を含む空気が外部から吸入される。吸入された空気は、エアフィルタ１４２で浄化された後、パイプＰ８、エアチャンバ１５０およびパイプＰ９を介してエアポンプ１４７に流入し、さらに、パイプＰ１０、防錆用バルブ１５８およびパイプＰ１１を介してセルスタック１０２に与えられる。防錆用バルブ１５８は、燃料電池システム１００の停止時には閉じられており、エアポンプ１４７へ水蒸気の逆流を防ぎエアポンプ１４７の錆を防止する。
【００６２】
セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４とは２本のパイプＰ１２によって連通され、ラジエータ１１４と水タンク１３２とは２本のパイプＰ１３によって連通され、水タンク１３２にはパイプ（排気管）Ｐ１４が設けられている。各パイプＰ１２は、セルスタック１０２の前面左下隅部に位置するカソード出口Ｉ４とラジエータ１１４の下面左側端部から引き出される各ラジエータパイプ１２２の入口１２４ａ（図３参照）とを結び、各パイプＰ１３は、ラジエータ１１４の下面左側端部からやや中央寄りの位置から引き出される各ラジエータパイプ１２２の出口１２４ｂ（図３参照）と水タンク１３２の前面上部とを結び、パイプＰ１４は、水タンク１３２の後面上部に接続され、一旦上昇しその後下降するようにくの字状に形成されている。セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出される水分（水および水蒸気）や二酸化炭素を含む排気は、パイプＰ１２を介してラジエータ１１４に与えられ、水蒸気が液化される。ラジエータ１１４からの排気は、パイプＰ１３を介して水と共に水タンク１３２に与えられ、パイプＰ１４を介して外部に排出される。
【００６３】
上述したパイプＰ８〜Ｐ１４は、主として排気の流路となる。
【００６４】
さらに、水タンク１３２と水ポンプ１６０とはパイプＰ１５によって連通され、水ポンプ１６０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ１６によって連通されている。パイプＰ１５は、水タンク１３２の右側面下部と水ポンプ１６０の中央部とを結び、パイプＰ１６は、水ポンプ１６０の中央部と水溶液タンク１３０の左側面上隅部とを結ぶ。水ポンプ１６０を駆動させることによって、水タンク１３２内の水がパイプＰ１５，１６を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００６５】
上述したパイプＰ１５，１６は水の流路となる。
【００６６】
また、パイプＰ４には、水溶液ポンプ１４６によって送り出されパイプＰ４を流れるメタノール水溶液の一部が流入するように、パイプＰ１７が接続される。図４に示すように、パイプＰ１７には電磁バルブ１４８が接続されている。電磁バルブ１４８と濃度センサ１４９とはパイプＰ１８によって連通されている。さらに、パイプＰ１８は、濃度センサ１４９と水溶液タンク１３０の上面とを結び、濃度センサ１４９と水溶液タンク１３０とが連通されている。
【００６７】
濃度センサ１４９は、流入したメタノール水溶液のメタノール濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）を検出するためのセンサである。コントローラ１５６は、濃度センサ１４９からの検出信号に基づいてメタノール水溶液のメタノール濃度を検出する。
【００６８】
上述したパイプＰ１７およびＰ１８は濃度検出用の流路となる。この実施形態では、パイプＰ１８内に検出部や冷却空間が形成される。
【００６９】
さらに、水溶液タンク１３０とキャッチタンク１４０とはパイプＰ１９によって連通され、キャッチタンク１４０と水溶液タンク１３０とはパイプＰ２０によって連通され、キャッチタンク１４０とエアチャンバ１５０とはパイプＰ２１によって連通されている。パイプＰ１９は、水溶液タンク１３０の左側面上隅部とキャッチタンク１４０の左側面上隅部とを結び、パイプＰ２０は、キャッチタンク１４０の下端部と水溶液タンク１３０の左側面下隅部とを結び、パイプＰ２１は、キャッチタンク１４０の左側面上部寄りの位置とエアチャンバ１５０の上端面とを結ぶ。水溶液タンク１３０内にある気体（主に、二酸化炭素、気化したメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ１９を介してキャッチタンク１４０に与えられる。気化したメタノールと水蒸気とはキャッチタンク１４０で冷却、液化された後、パイプＰ２０を介して水溶液タンク１３０に戻される。キャッチタンク１４０内の気体（二酸化炭素、液化されなかったメタノールおよび水蒸気）は、パイプＰ２１を介してエアチャンバ１５０に与えられる。
【００７０】
上述したパイプＰ１９〜Ｐ２１は主として燃料処理用の流路となる。
【００７１】
このような燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２をオンすることによって起動され、コントローラ１５６によって制御され、二次電池１３４によって電気エネルギーが補完される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５４は電圧を２４Ｖから１２Ｖに変換し、変換された１２Ｖの電圧によってファン１２０，１２６が駆動される。
【００７２】
ついで、燃料電池システム１００の運転時の主要動作について説明する。
燃料電池システム１００は、メインスイッチ１５２がオンされることを契機として、水溶液ポンプ１４６やエアポンプ１４７等の補機類を駆動し、運転を開始する。
【００７３】
水溶液ポンプ１４６の駆動によって、水溶液タンク１３０に収容されるメタノール水溶液が、パイプＰ３側からパイプＰ４側へと送り出され、水溶液フィルタ１４４に供給される。そして、水溶液フィルタ１４４で不純物等が除去されたメタノール水溶液は、パイプＰ５、アノード入口Ｉ１を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂにダイレクトに供給される。
【００７４】
一方、エアポンプ１４７の駆動によってエアフィルタ１４２から吸入された空気（エア）は、パイプＰ８を介してエアチャンバ１５０に流入することによって消音される。そして、吸入された空気およびエアチャンバ１５０に与えられたキャッチタンク１４０からの気体が、パイプＰ９〜Ｐ１１、カソード入口Ｉ３を介してセルスタック１０２を構成する各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに供給される。
【００７５】
各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂでは、供給されたメタノール水溶液におけるメタノールと水とが化学反応し、二酸化炭素および水素イオンが生成される。生成された水素イオンは、電解質１０４ａを介してカソード１０４ｃに流入し、そのカソード１０４ｃ側に供給された空気中の酸素と電気化学反応して水（水蒸気）および電気エネルギーが生成される。つまり、セルスタック１０２において発電が行われる。生成された電気エネルギーは、二次電池１３４に送られて蓄えられると共に、二輪車１０の走行駆動等に利用される。
【００７６】
一方、各燃料電池セル１０４のアノード１０４ｂで生成された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、上記電気化学反応によって発生する熱によって温度上昇し（たとえば約６５℃〜７０℃となる）、未反応メタノール水溶液の一部は気化される。二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、セルスタック１０２のアノード出口Ｉ２を介して水溶液用のラジエータ１１２内に流入し、ラジエータパイプ１１６を流れる間にファン１２０によって冷却される（たとえば約４０℃となる）。冷却された二酸化炭素および未反応メタノール水溶液は、パイプＰ７を介して水溶液タンク１３０に戻される。
【００７７】
一方、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となってセルスタック１０２のカソード出口Ｉ４から排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード出口Ｉ４から排出された水蒸気の一部は、ラジエータ１１４で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ１１４による水蒸気の液化動作は、ファン１２６を動作させることによって行われる。カソード出口Ｉ４からの水分（水および水蒸気）は未反応の空気と共にパイプＰ１２，ラジエータ１１４およびパイプＰ１３を介して水タンク１３２に与えられる。また、各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃでは、キャッチタンク１４０からの気化したメタノールおよびクロスオーバーによってカソード１０４ｃに移動したメタノールが白金触媒層で酸素と反応して無害な水分と二酸化炭素とに分解される。メタノールから分解された水分と二酸化炭素とは、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。さらに、水のクロスオーバーによって各燃料電池セル１０４のカソード１０４ｃに移動した水分が、カソード出口Ｉ４から排出されラジエータ１１４を介して水タンク１３２に与えられる。
【００７８】
水タンク１３２に回収された水は、水ポンプ１６０の駆動によってパイプＰ１５，Ｐ１６を介して水溶液タンク１３０に適宜還流され、メタノール水溶液の水として利用される。
【００７９】
運転中の燃料電池システム１００では、各燃料電池セル１０４の劣化を防ぎつつ各燃料電池セル１０４に効率よく発電させるために、メタノール水溶液の濃度検出処理が定期的に実行される。そして、その検出結果に基づいてセルスタック１０２に供給すべきメタノール水溶液のメタノール濃度が調整される。具体的には、メタノール濃度の検出結果に基づいて、燃料タンク１２８内のメタノール燃料の水溶液タンク１３０への供給や水タンク１３２内の水の水溶液タンク１３０への還流が行われる。
【００８０】
このような燃料電池システム１００では、図１１に示すように、水溶液タンク１３０、水溶液ポンプ１４６、電磁バルブ１４８、濃度センサ１４９、コントローラ１５６、パイプＰ３，Ｐ４，Ｐ１７およびＰ１８を含んで濃度検出装置２００が構成されている。
【００８１】
図１１および図１２を参照して、濃度センサ１４９は、短冊状のペルチェ素子２０２とその一方主面側に設けられるヒートシンク２０４とを含む。ペルチェ素子２０２とヒートシンク２０４との間には熱伝導性の良いシリコンシートなどの部材２０６が介挿されている。また、パイプＰ１８の一部も濃度センサ１４９の構成部材となる。パイプＰ１８は、パイプ部Ｐ１８１，Ｐ１８２およびＰ１８３と、パイプ部Ｐ１８１とＰ１８２との間に介挿されるパイプ部Ｐ１８４と、パイプ部Ｐ１８２とＰ１８３との間に介挿されるパイプ部Ｐ１８５とを含む。パイプ部Ｐ１８１，Ｐ１８２およびＰ１８３は、熱伝導性が比較的良いたとえばステンレスなどの金属からなる。パイプ部Ｐ１８４は、断熱性のあるたとえばテフロン（登録商標）などの樹脂からなる。パイプ部Ｐ１８５は、熱伝導性が悪いたとえばＥＰＤＭ等のゴム材料からなる。パイプ部Ｐ１８２は、ペルチェ素子２０２の他方主面に接するようにＵ字状に設けられ、パイプ部Ｐ１８３は、ヒートシンク２０４を貫通するように設けられている。パイプ部Ｐ１８２が実質的に検出部となるチャンバとして機能する。
【００８２】
また、パイプ部Ｐ１８２内には水溶液の温度を検出するための水溶液温度センサ２０８が設けられ、ペルチェ素子２０２の他方主面にはペルチェ素子２０２の温度を検出するためのペルチェ温度センサ２１０が設けられている。
【００８３】
このようなペルチェ素子２０２、ヒートシンク２０４の一部、部材２０６、パイプ部Ｐ１８２、Ｐ１８４およびＰ１８５、水溶液温度センサ２０８およびペルチェ温度センサ２１０は樹脂２１２によってモールドされている。
【００８４】
なお、パイプＰ３、パイプＰ４の一部、パイプＰ１７、パイプＰ１８のパイプ部Ｐ１８１，Ｐ１８４が、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液をペルチェ素子２０２近傍に送るための第１パイプとして機能し、パイプＰ１８のパイプ部Ｐ１８５，Ｐ１８３が、濃度検出後のメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻すための第２パイプとして機能する。また、ペルチェ素子２０２とヒートシンク２０４との組み合わせが、冷却手段および加熱手段を兼ねる温度変更手段を構成する。冷却手段、加熱手段は、ペルチェ素子２０２のみによって構成されてもよい。また、コントローラ１５６は、凝固点検出手段、濃度検出手段を構成する。電磁バルブ１４８が入替手段を構成し、濃度検出されるメタノール水溶液の流れが制御される。水溶液温度センサ２０８が第１温度検出手段を構成し、ペルチェ温度センサ２１０が第２温度検出手段を構成する。
【００８５】
つづいて、コントローラ１５６について説明する。
コントローラ１５６は、必要な演算を行い燃料電池システム１００の動作を制御するためのＣＰＵ２１４、および燃料電池システム１００の動作を制御するためのプログラムやデータ等を格納するための、たとえばＥＥＰＲＯＭからなるメモリ２１６を含む。水溶液温度センサ２０８およびペルチェ温度センサ２１０からの検出信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器２１８および２２０によってＡ／Ｄ変換されてＣＰＵ２１４に入力される。また、ＣＰＵ２１４から水溶液ポンプ１４６、電磁バルブ１４８およびペルチェ素子２０２への制御信号は、それぞれインタフェース回路２２２，２２４および２２６を介して与えられる。
【００８６】
ここで、この発明で用いられる原理について説明する。
一般に、溶質を一定量の溶媒に溶かした溶液の凝固点は溶媒（純溶媒）の凝固点より、図１３（ａ）に示すようにΔｔだけ低くなる。この現象を凝固点降下といい、このときの温度差Δｔを凝固点降下度という。このような溶液では、凝固点降下度Δｔは、溶質の種類に拘わらず溶質の物質量（溶液の質量モル濃度）に比例する。
【００８７】
図１３（ｂ）に示すように、一般に溶液を冷却していくと、凝固点になっても凝固しないで液体のままの状態がしばらく続き（この状態を過冷却という）、あるところ（グラフのＡ点）で急激に凝固が始まる。液体が固体になる反応は発熱反応であり、これが急激におこるのでＡ−Ｂのような温度の急激な上昇がみられる。アルコール系水溶液の場合、溶液が凝固するときは最初に析出する固相（初晶）に含まれる溶質はごくわずかであるため、凝固の進行とともに残された液相中の溶質濃度は大きくなり、やがて溶液の温度上昇は止まりその温度変化はＢ−Ｃのような右下がりになる。このとき、溶液の凝固点はＤ点であるが、Ｂ点とＤ点とはほぼ等しいので、Ｂ点の温度を凝固点とみなすことができる。そして、この凝固点とされたＢ点の温度に基づいて濃度を検出する。
【００８８】
ついで、図１４〜図１６を参照して、濃度検出装置２００の主要動作の一例について説明する。
図１４を参照して、まず、コントローラ１５６からの指示に従って、電磁バルブ１４８が開けられ（ステップＳ１）、所定時間（たとえば２秒）が経過する（ステップＳ３がＹＥＳになる）まで電磁バルブ１４８の開放状態が継続される。これによって、水溶液ポンプ１４６によって送り出されパイプＰ４を流れるメタノール水溶液の一部がパイプＰ１７を介してパイプＰ１８内に導入され、パイプＰ１８に満たされていたメタノール水溶液が排出される。すなわち、電磁バルブ１４８を開けることによって、検出部を構成するパイプ部Ｐ１８２へのメタノール濃度を検出すべき新しいメタノール水溶液の導入と、パイプ部Ｐ１８２からのメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液の排出とが行われる。メタノール水溶液は、水溶液ポンプ１４６によって加圧されているので電磁バルブ１４８を開けるだけでパイプ部Ｐ１８２内に導入される。パイプＰ１８から排出されたメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液は水溶液タンク１３０に戻される。
【００８９】
なお、水溶液ポンプ１４６の駆動開始時には電磁バルブ１４８は閉じられており、運転を開始してから１回目の濃度検出を行う前まではパイプＰ１８に空気が満たされている。この場合、パイプＰ１８を満たしていた空気が水溶液タンク１３０に流入することはいうまでもない。
【００９０】
そして、所定時間が経過する（ステップＳ３がＹＥＳになる）と、電磁バルブ１４８が閉じられ（ステップＳ５）、パイプＰ１８に流入したメタノール水溶液の流れ（流速）が抑えられる。ここでは、電磁バルブ１４８を完全に閉じることによって、パイプ部Ｐ１８２でメタノール水溶液を保持し、滞留（停止）させることができる。
そして後述する濃度検出が行われる（ステップＳ７）。
【００９１】
濃度検出の終了後、凝固したメタノール水溶液がコントローラ１５６からの指示に従ってペルチェ素子２０２によって加熱されてパイプ部Ｐ１８２から排出されやすくなり、電磁バルブ１４８が開けられて濃度検出済みのメタノール水溶液がパイプ部Ｐ１８２から排出されるとともに次回濃度検出すべきメタノール水溶液がパイプ部Ｐ１８２内に導入される（ステップＳ９）。このとき時間をカウントしつつ所定時間（たとえば４０秒間）だけ電磁バルブ１４８が開放されメタノール水溶液が入れ替えられる（ステップＳ１１）。
【００９２】
所定時間経過後、メタノール水溶液の加熱が停止され（ステップＳ１３）、ステップＳ５に戻り電磁バルブ１４８が閉じられ、メタノール水溶液の入れ替えが終了する。以降、ステップＳ５〜Ｓ１３の処理が繰り返される。
【００９３】
なお、メタノール水溶液の入れ替えの確認については、たとえばパイプ部Ｐ１８２内の温度を検出し、その温度が所定条件を満たせば、ステップＳ１３に進むようにしてもよい。たとえば、検出温度が燃料電池システムと同じ温度になれば、または検出温度が検出対象の凝固点以上（この実施形態では、検出対象は水溶液なので０℃以上）になれば、ステップＳ１３に進むようにする。
【００９４】
ついで、図１５および図１６を参照して濃度検出動作について説明する。
まず動作が開始されると、変数Ｎ＝０が設定され（ステップＳ５１）、コントローラ１５６からの指示によって、ペルチェ素子２０２への通電電流を最大にする冷却モードで検出部となるパイプ部Ｐ１８２が急速に冷却される（ステップＳ５３）。これによって凝固点までの所要時間を短くできる。
【００９５】
そして、ペルチェ温度センサ２１０によってペルチェ素子２０２の表面温度が検出され（ステップＳ５５）、水溶液温度センサ２０８によって検出部となるパイプ部Ｐ１８２内のメタノール水溶液の温度が検出される（ステップＳ５７）。ペルチェ素子２０２の表面温度に代えて、ペルチェ素子２０２を代表する温度を検出するようにしてもよい。
【００９６】
ついで、パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃未満になったか否かが判断されるとともに、パイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が、燃料を含まない溶媒（この実施形態では水）の状態の凝固点よりやや高めの温度（この実施形態では２℃）より低くなっているか否かが判断される（ステップＳ５９）。パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃未満になりかつパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が２℃より低くなるまで、ステップＳ５３〜Ｓ５９の処理が繰り返され急速冷却が継続される。水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃以上であればあるいは水溶液温度が２℃以上であれば、水溶液が凝固することがないため急速冷却しても問題はない。
【００９７】
一方、ステップＳ５９において、パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の温度との差が１℃未満になりかつパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が２℃より低くなれば、凝固点に近づいてきていると判断しステップＳ６１に進む。ステップＳ６１では、コントローラ１５６からの指示によって、ペルチェ素子２０２の冷却能力を最初より低下させる。すなわちペルチェ素子２０２への通電電流を中程度に設定して冷却を続ける。これは、凝固点に近づいてきているにも拘らず急速冷却を継続すると、過冷却から凝固するときに発生する熱を急速に奪ってしまい凝固点を正確に検出できなくなる恐れがあるとともに、温度の応答遅れが発生し以降のステップの温度差検出工程に影響を与えるためである。
【００９８】
なお、冷却性能が検出したい水溶液の熱容量からみて低い場合には、徐々にしか冷やすことができないのでこのステップは不要となる。
【００９９】
そして、ペルチェ素子２０２の表面温度が検出され（ステップＳ６３）、パイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が検出され（ステップＳ６５）、パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の表面温度との差分が計算され（ステップＳ６７）、その温度の差分がメモリ２１６に記憶される（ステップＳ６９）。
【０１００】
そして、ステップＳ５１から第１所定時間（たとえば１０分）以上経過したか否かが判断され（ステップＳ７１）、経過していなければパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が−２０℃以下か否かが判断され（ステップＳ７３）、−２０℃以下でなければ変数Ｎ＝０か否かが判断される（ステップＳ７５）。変数Ｎ＝０であれば、第２所定時間が経過したか否かが判断され（ステップＳ７７）、第２所定時間（たとえば５分）が経過すれば変数Ｎが１インクリメントされ（ステップＳ７９）、ステップＳ６３に戻りペルチェ素子２０２およびパイプ部Ｐ１８２内の水溶液の温度検出が行われる。
【０１０１】
ステップＳ７１において第１所定時間が経過している場合、またはステップＳ７３においてパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が−２０℃以下になっている場合には、異常が発生していると判断して検出エラーを報知し（ステップＳ８１）、終了する。通常、温度検出にそれほど時間がかかるものではなく、また、温度が想定される凝固点よりもかなり低くなるのは正常ではないからである。
【０１０２】
ステップＳ７５がＮＯの場合には、図１６に示すステップＳ８３に進み、メモリ２１６に記憶されている前回の温度差（パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の表面温度との差分）が今回の温度差（パイプ部１８２内の水溶液温度とペルチェ素子２０２の表面温度との差分）の方が大きいか否かが判断される。今回の温度差の方が大きくなれば水溶液の温度が上昇に転じたと判断する。これによって凝固が始まったと判断する。すなわち、凝固が始まるとペルチェ素子２０２による冷却を行っても凝固熱により水溶液の温度が下がらず逆に上昇するので、水溶液とペルチェ素子２０２との温度差が大きくなり、これによって凝固が始まったことを知ることができる。
【０１０３】
そして、第２所定時間が経過したか否かが判断され（ステップＳ８５）、経過するまで待機し、第２所定時間が経過するとパイプ部Ｐ１８２内の水溶液温度が検出され（ステップＳ８７）、その水溶液温度がメモリ２１６に記憶される（ステップＳ８９）。そして、その水溶液温度が０℃を超えたか否かが判断され（ステップＳ９１）、０℃を超えていなければ水溶液温度が降下したか否かが判断される（ステップＳ９３）。水溶液温度が降下していなければステップＳ８７に戻り、一方、水溶液温度が降下していれば、ステップＳ８９以降の処理でメモリ２１６に記憶された水溶液温度中の最高温度が凝固点と仮置きされ（ステップＳ９５）、その仮置きされた凝固点が−８℃以上０℃以下か否かが判断され（ステップＳ９７）、その範囲内であれば凝固点として正式に決定される（ステップＳ９９）。そして、図１７に示すメモリ２１６に記憶されている理論凝固点とモル濃度換算値との関係を示すテーブルデータを参照し、検出された凝固点に最も近い理論凝固点に対応するモル濃度が取得され（ステップＳ１０１）、終了する。一方、ステップＳ９１において水溶液温度が０℃を超えたとき、またはステップＳ９７において仮置き凝固点が−８℃以上０℃以下でない場合には、エラーと判断してエラーが報知され（ステップＳ１０３）、終了する。
【０１０４】
なお、ステップＳ１０１においてモル濃度が取得されると、その濃度に基づいて水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液に補給される燃料タンク１２８からのメタノール燃料の量や水タンク１３２からの水の量が決定される。そして、決定された量のメタノール燃料や水が補給されることによって水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液が所望の濃度に調整される。
【０１０５】
このような濃度検出装置２００によれば、メタノール水溶液の凝固点とモル濃度との相関性を利用することによって、メタノール水溶液の凝固点に基づいて当該水溶液に溶けているメタノールの濃度を正確に検出できる。また、超音波センサのような大きな装置を用いる必要もない。
【０１０６】
また、検出部であるパイプ部Ｐ１８２に導入されたメタノール水溶液を停止させた状態でその温度を検出するので、メタノール水溶液の温度ひいてはその凝固点を正確に検出でき、その結果、メタノール水溶液に溶けているメタノールの濃度を正確に検出できる。
【０１０７】
さらに、濃度検出のために凝固させたメタノール水溶液を溶かすことができるので、濃度検出されるメタノール水溶液の入れ替えが確実かつ容易になる。
【０１０８】
また、ペルチェ素子２０２とヒートシンク２０４との組み合わせをメタノール水溶液の冷却および加熱に兼用できるので、装置の構成を簡素かつ小型にできる。
【０１０９】
さらに、メタノール水溶液が凝固するときの図１３（ｂ）に示すような特性を利用することによって、メタノール水溶液とペルチェ素子２０２との温度差に基づいてメタノール水溶液の凝固が始まったことを知ることができ、メタノール水溶液の凝固点をより正確に検出できる。
【０１１０】
また、濃度検出されたメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻すことによって、濃度検出のためにメタノール水溶液を浪費することを防止できる。
【０１１１】
また、濃度検出時に、最初は比較的高速で冷却しその後冷却能力を下げることによって、濃度検出までの時間を短縮できるとともに濃度検出精度を向上できる。
【０１１２】
燃料電池システム１００において燃料濃度を正確に検出することは重要であるので、この発明を燃料電池システム１００に用いること、ひいては燃料電池システム１００を搭載した二輪車１０等の輸送機器に用いることは有効である。
【０１１３】
なお、上述の実施形態ではメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液を水溶液タンク１３０に戻す場合について説明したが、これに限定されない。たとえば、パイプＰ１８内のメタノール濃度検出済みのメタノール水溶液をパイプＰ４に押し戻すようにしてもよい。また、パイプＰ１８を、パイプＰ４とパイプＰ１７との接続部よりも下流側でパイプＰ４に接続し、メタノール濃度検出済みのメタノール水溶液をセルスタック１０２に供給するようにしてもよい。
【０１１４】
また、燃料電池システム１００において、メタノール水溶液の凝固点を検出すると、モル濃度を取得することなくその凝固点に基づいて直接、水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液の濃度を調整するようにしてもよい。この場合、メタノール燃料および／または水の補給量と凝固点との対応関係を予め設定しておき、検出された凝固点に対応する量のメタノール燃料および／または水を水溶液タンク１３０内のメタノール水溶液に補給すればよい。
【０１１５】
このようにすれば、メタノール水溶液に含まれているメタノールの濃度を検出することなくメタノール水溶液の濃度を簡単に調整できる。
【０１１６】
さらに、上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。
【０１１７】
この発明は、物質が溶けている液体であれば、任意の物質が溶けている任意の液体の濃度検出に用いることができる。
【０１１８】
この発明の燃料電池システムは、二輪車だけではなく、自動車、船舶等の任意の輸送機器にも好適に用いることができる。
【０１１９】
この発明は、改質器搭載タイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付けタイプの燃料電池システムにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】この発明の燃料電池システムを搭載する二輪車を示す左側面図である。
【図２】二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図３】二輪車の車体フレームに対する燃料電池システムの配置状態を左斜め後方からみた斜視図である。
【図４】燃料電池システムの配管状態を示す左側面図である。
【図５】燃料電池システムの配管状態を示す右側面図である。
【図６】燃料電池システムの配管状態を左斜め前方からみた斜視図である。
【図７】燃料電池システムの配管状態を右斜め前方からみた斜視図である。
【図８】燃料電池セルスタックを示す図解図である。
【図９】燃料電池セルを示す図解図である。
【図１０】燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図１１】濃度検出装置の一例を示す図解図である。
【図１２】（ａ）は濃度センサを示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図１３】（ａ）は溶媒および溶液の冷却時間に対する温度変化を示すグラフであり、（ｂ）は溶液およびペルチェ素子の冷却時間に対する温度変化を示すグラフである。
【図１４】この発明の主要動作の一例を示すフロー図である。
【図１５】濃度検出処理の動作の一例を示すフロー図である。
【図１６】図１５の動作の続きを示すフロー図である。
【図１７】凝固点とモル濃度との対応関係を示すテーブルである。
【符号の説明】
【０１２１】
１０ 二輪車
１００ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１３０ 水溶液タンク
１４６ 水溶液ポンプ
１４８ 電磁バルブ
１４９ 濃度センサ
１５６ コントローラ
２００ 濃度検出装置
２０２ ペルチェ素子
２０４ ヒートシンク
２０８ 水溶液温度センサ
２１０ ペルチェ温度センサ
２１４ ＣＰＵ
２１６ メモリ
Ｐ１〜Ｐ２１ パイプ
Ｐ１８１〜Ｐ１８５ パイプ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質が溶けている液体を冷却する冷却手段、
冷却される前記液体の温度を検出する第１温度検出手段、
前記第１温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記液体の凝固点を検出する凝固点検出手段、
前記凝固点検出手段によって検出された凝固点に基づいて前記液体に溶けている物質の濃度を検出する濃度検出手段を備える、濃度検出装置。
【請求項２】
さらに、前記液体の温度を検出するために前記液体を停止状態で保持する検出部、および前記検出部内の前記液体を入れ替えるための入替手段を備え、
前記第１温度検出手段は、前記検出部内の前記液体の温度を検出する、請求項１に記載の濃度検出装置。
【請求項３】
前記液体を加熱する加熱手段をさらに含む、請求項１または２に記載の濃度検出装置。
【請求項４】
前記冷却手段および前記加熱手段に兼用される温度変更手段を備える、請求項３に記載の濃度検出装置。
【請求項５】
前記冷却手段の温度を検出する第２温度検出手段をさらに含み、
前記凝固点検出手段は、前記第１温度検出手段の検出結果と前記第２温度検出手段の検出結果とに基づいて前記液体の凝固点を検出する、請求項１から４のいずれかに記載の濃度検出装置。
【請求項６】
さらに、前記液体を収容するタンク、
前記タンク内の前記液体を前記冷却手段近傍に送るための第１パイプ、および
濃度検出後の前記液体を前記タンクに戻すための第２パイプを含む、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の濃度検出装置を含む、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
【請求項９】
物質が溶けている液体を冷却空間に導入する工程、
前記冷却空間に導入された前記液体を冷却手段によって冷却する工程、
前記冷却手段の温度を検出する工程、
前記冷却空間内で冷却される前記液体の温度を検出する工程、
検出された前記冷却手段の温度と前記液体の温度とに基づいて前記液体の凝固点を検出する工程、および
検出された前記液体の凝固点に基づいて前記液体に溶けている物質の濃度を検出する工程を備える、濃度検出方法。
【請求項１０】
前記液体を冷却する工程は、第１の冷却能力で前記液体を冷却する第１工程と、前記第１の冷却能力よりも低い冷却能力で前記液体を冷却する第２工程とを含む、請求項９に記載の濃度検出方法。
【請求項１１】
燃料水溶液を用いる燃料電池システムであって、
前記燃料水溶液の凝固点を検出し、検出された前記凝固点に基づいて前記燃料水溶液の濃度を調整する、燃料電池システム。
【請求項１】
物質が溶けている液体を冷却する冷却手段、
冷却される前記液体の温度を検出する第１温度検出手段、
前記第１温度検出手段によって検出された温度に基づいて前記液体の凝固点を検出する凝固点検出手段、
前記凝固点検出手段によって検出された凝固点に基づいて前記液体に溶けている物質の濃度を検出する濃度検出手段を備える、濃度検出装置。
【請求項２】
さらに、前記液体の温度を検出するために前記液体を停止状態で保持する検出部、および前記検出部内の前記液体を入れ替えるための入替手段を備え、
前記第１温度検出手段は、前記検出部内の前記液体の温度を検出する、請求項１に記載の濃度検出装置。
【請求項３】
前記液体を加熱する加熱手段をさらに含む、請求項１または２に記載の濃度検出装置。
【請求項４】
前記冷却手段および前記加熱手段に兼用される温度変更手段を備える、請求項３に記載の濃度検出装置。
【請求項５】
前記冷却手段の温度を検出する第２温度検出手段をさらに含み、
前記凝固点検出手段は、前記第１温度検出手段の検出結果と前記第２温度検出手段の検出結果とに基づいて前記液体の凝固点を検出する、請求項１から４のいずれかに記載の濃度検出装置。
【請求項６】
さらに、前記液体を収容するタンク、
前記タンク内の前記液体を前記冷却手段近傍に送るための第１パイプ、および
濃度検出後の前記液体を前記タンクに戻すための第２パイプを含む、請求項１から５のいずれかに記載の濃度検出装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の濃度検出装置を含む、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムを含む、輸送機器。
【請求項９】
物質が溶けている液体を冷却空間に導入する工程、
前記冷却空間に導入された前記液体を冷却手段によって冷却する工程、
前記冷却手段の温度を検出する工程、
前記冷却空間内で冷却される前記液体の温度を検出する工程、
検出された前記冷却手段の温度と前記液体の温度とに基づいて前記液体の凝固点を検出する工程、および
検出された前記液体の凝固点に基づいて前記液体に溶けている物質の濃度を検出する工程を備える、濃度検出方法。
【請求項１０】
前記液体を冷却する工程は、第１の冷却能力で前記液体を冷却する第１工程と、前記第１の冷却能力よりも低い冷却能力で前記液体を冷却する第２工程とを含む、請求項９に記載の濃度検出方法。
【請求項１１】
燃料水溶液を用いる燃料電池システムであって、
前記燃料水溶液の凝固点を検出し、検出された前記凝固点に基づいて前記燃料水溶液の濃度を調整する、燃料電池システム。
【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２】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００６−３４３２６８（Ｐ２００６−３４３２６８Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７０７１２（Ｐ２００５−１７０７１２）
【出願日】平成１７年６月１０日（２００５．６．１０）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月１０日（２００５．６．１０）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
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