JP2003217634A - 燃料電池のための染料ベース燃料表示器システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池において、燃料電池に残存している燃
料量の表示が容易し、その残存する燃料量を測定できる
ようにする。 【解決手段】本発明の一実施例では燃料電池の陽極貯蔵
器内のメタノール等の水素リッチの濃度を測定するため
の装置を提供する。燃料濃度はその燃料濃度に感応する
染料混合物を利用して測定される。燃料が消費されると
燃料濃度は減少する。燃料電池の陽極貯蔵器内で生じる
又は陽極貯蔵器と液体連結する染料チャンバ内の色の変
化はウィンドウによって観察することができる。また、
カラーストリップと燃料スケールを含むことでも燃料容
器の色を基に燃料濃度を決定することができる。加え
て、染料の色に応答して作動するバルブを設けることに
よって燃料供給を制御することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
特に、燃料電池と共に使用できる染料ベース燃料表示シ
ステム（dye-based fuel indicator system）に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】燃料電池は、燃料を、通常は触媒の存在
下において、酸化剤と反応させることによって電気エネ
ルギーを生ずる。典型的には、燃料電池は、イオン伝導
電解液によって分離された、燃料電極、即ち陽極と、還
元電極、即ち陰極とから構成される。外部回路導体は、
その電極を電気回路、即ち負荷に接続する。導体中で
は、電流は電子の流れによって流れる。電解液中では、
電流はイオンの流れによって流れる。 【０００３】メタノール、エタノール、ブタノール及び
プロパン等の任意数の水素含量の多い（水素リッチ）燃
料を燃料源として用いることができる。図１は、メタノ
ール燃料電池の図である。陽極、又は陽極貯蔵器１０２
を包含する貯蔵器は、メタノール−水溶液１０４を含
む。メタノール燃料電池は、一般に、メタノール−水溶
液中のメタノールのパーセントが比較的大きい場合は充
電状態にある。燃料電池によってメタノールが酸化され
そして電気が発生されるにつれ、メタノール−水溶液中
のメタノールのパーセントは減少しそしてその燃料電池
が使い果たされる。 【０００４】メタノール−水溶液内に含有されたメタノ
ールは、通常は触媒の存在において、酸化されて、水素
イオン１０６、電子１０８及び二酸化炭素１１６を生ず
る。この酸化反応は、燃料電池の陽極貯蔵器１０２内部
で起こる。一次陽極酸化反応を下式で示す。 【０００５】 ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ 【０００６】電解液は、比較的十分でない電気導体であ
る故、電子１０８は、陽極から外部回路１１０を経由し
て流れ出ることに留意されたい。同時に、水素イオン１
０６は、電解液、又は膜１１２を通して、陰極１１４へ
進む。通常使用される膜には、Ｎａｆｉｏｎ１１２（登
録商標）、Ｎａｆｉｏｎ１１７（登録商標）及びポリベ
ンジイミダゾールがある。 【０００７】燃料電池の陰極１１４では、電解液１１２
を通して移動する水素イオン１０６と外部回路１１０か
らの入り電子１０８によって還元されて水１２０を生ず
る。一次陰極還元反応を下式で示す。 【０００８】 ３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ 【０００９】一次陽極及び一次陰極反応として上に記述
された個別の電極反応は、下記に示す総合メタノール燃
料電池反応となる。 【００１０】 ２ＣＨ_３ＯＨ＋３Ｏ_２ → ２ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋電気 【００１１】付帯的な小さい化学反応も起こることがあ
り、そして一般に熱エネルギーが生成される。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】最近の燃料電池は、再
充電を必要とせずに、長時間にわたって連続的に電流を
生ずることができる。しかし、燃料電池は、燃料が陽極
貯蔵器中にしきい値濃度（threshold concentration）
以上に存在するときにのみ電荷を生ずる。それ故、燃料
電池の連続動作を保証するためには、燃料電池に残存し
ている燃料量の表示が容易に得られる必要がある。燃料
電池は、その燃料電池に残存している使用可能な燃料の
量を確実に測定できる便利なコスト効率的な装置を通常
は備えていない。それ故、燃料電池の設計者、製造者、
及びユーザ達は、電池に残存している燃料量を測定でき
る便利なコスト効率的な装置の必要性を認めるに至った
のである。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明の一実施態様で、
メタノール型燃料電池の陽極貯蔵器内のメタノールの濃
度を測定するための装置を提供する。メタノールの濃度
は、メタノール−水溶液中のメタノールの濃度に感応す
るところの染料混合物を利用して測定される。メタノー
ルは、燃料電池の正規の動作中に消費されるので、その
染料混合物は色を変えることで感応するのである。従っ
て、メタノールが消費されるにつれ、燃料電池の陽極容
器内部の液体、又は陽極貯蔵器と液体連絡している、液
体充填チャンバ、即ち染料チャンバ内部の液体に色々な
色が生ずることになる。陽極貯蔵器中の、又は陽極貯蔵
器と液体連絡している染料チャンバ内部の液体の色を対
応するカラー表示バーカラーの色と観察比較することに
よってメタノール濃度の決定を容易にできるよう、カラ
ー表示バー及び燃料スケールを燃料電池と一体化しても
よい。あるいは、染料混合物の色に感応する弁を動作さ
せて燃料送りを制御してもよい。代替実施態様では、種
々の水素リッチ燃料の濃度を表示するのに適した色々な
種類の染料混合物を使用する。 【００１４】 【発明の実施の形態】本発明は、燃料電池内部の燃料の
濃度を決定する手段を提供するものである。一実施態様
において、染料混合物を、陽極貯蔵器に収容されたメタ
ノール−水溶液中に、又はその陽極貯蔵器器と液体連絡
している染料チャンバに導入し、そして透明なウィンド
ウを通して観察できるようにする。燃料電池の正規動作
によって、陽極貯蔵器内のメタノール−水溶液中のメタ
ノールの濃度が下降する。メタノールの濃度が減少する
につれ、染料混合物が変色する。従って、メタノール−
水溶液の色は、陽極容器中のメタノール−水溶液のメタ
ノールの濃度に対応する。メタノール−水溶液の色に基
づいてメタノール濃度測定を実現するために、カラー比
較バー、又はカラーストリップ、及び燃料スケールを含
めてもよい。 【００１５】図２Ａは、陽極貯蔵器２０２に直接接触し
た染料式燃料表示器を備えた本発明の一実施態様を示す
ものである。陽極貯蔵器２０２は、燃料電池の外部から
見ることができる長い、薄い水平のウィンドウ２０４を
具備している。カラーストリップ２０６と燃料スケール
２０８は、両方とも燃料電池の外側に付着されていて、
ウィンドウ２０４の下側の水平長に沿って延びている。
カラーストリップ２０６は、カラーストリップ２０６に
表示され且つ燃料スケール２０８に合わされた較正色に
対して液体の色を比較するための便利な手段を提供す
る。カラーストリップ２０６上の色は、充電状態と枯渇
状態間の範囲にあるメタノール濃度での染料混合物によ
って生成される可能な色の範囲を包含する。カラースト
リップ２０６上に含まれる色は、燃料スケール２０８上
の燃料濃度の数値表示に対応してカラー勾配（ｃｏｌｏ
ｒ ｇｒａｄｉｅｎｔ）を形成する。燃料スケール２０
８は、一組の等間隔のマークを有する水平線として示さ
れ、各マークが燃料濃度を表すものである。 【００１６】図２Ａは、陽極貯蔵器２０２におけるウィ
ンドウ２０４を通して観察できる特定の色をもった液体
を示す。その液体の色は、ウィンドウ２０４の下のカラ
ーストリップ２０６によって表示された色と比較するこ
とができる。図２Ａでは、液体の色は、利用できる燃料
供給の２０％が残存しているメタノール濃度に対応する
カラーストリップ２０６上の色と釣り合っている。 【００１７】図２Ａに示した上述の実施態様において、
染料を陽極貯蔵器２０２の中に直接導入する。しかし、
ある種の染料混合物は、燃料電池の動作に干渉すること
があったり又は高価過ぎて陽極貯蔵器２０２内部に収容
される大量の燃料混合物中に使えないこともある。それ
故、陽極貯蔵器２０２から分離された比較的小容積のメ
タノール−水溶液中で染料分子の必要な濃度を維持でき
るようにするために染料チャンバ２１０を採用してもよ
い。 【００１８】染料チャンバ２１０は、液体充填され且つ
陽極貯蔵器２０２と液体接触していなければならない。
これは、燃料電池の物理的特性に依存し、多様な方法で
達成することができる。ウィンドウ２０４が確実に見え
るためには、種々の設計も必要となろう。図２Ｂは、半
透膜２１２によって陽極貯蔵器２０２から分離された染
料チャンバ２１０を示す。この膜は、メタノールと水を
染料チャンバ２１０と陽極貯蔵器２０２の間で拡散させ
ながら、染料チャンバ２１０内部の染料分子を隔離する
働きがある。図２Ｂにおけるメタノール−水溶液はほぼ
５０％メタノールであることに注意されたい。 【００１９】図２Ｃは、染料チャンバ２１０が燃料チャ
ネル２１４によって陽極貯蔵器２０２から分離されてい
るところの、代替実施例を示す。燃料チャネル２１４
は、様々な長さと形を有していてよいが、適当な時間枠
内で染料チャンバ２１０におけるメタノール濃度と陽極
貯蔵器２０２におけるメタノール濃度の平衡を見込める
程十分大きい断面積を有していなければならない。図２
Ｃはまた、図２Ｂにおいて説明したような任意の半透膜
２１２を示す。図２Ｃにおける陽極貯蔵器２０２は枯渇
状態であることに注意されたい。 【００２０】図３Ａと図３Ｂは、染料分子の環境におけ
る変化状態に感応して変色する染料分子の一例を説明す
るものである。ある種の化合物は入射光を吸収する。吸
収された光の色は、これらの化合物においては、低エネ
ルギー状態から高エネルギー状態への内部状態の変化に
関係がある。そのような化合物を含んでいる溶液からの
反射光の波長は、非吸収波長が濃厚になる。従って、も
し化合物が赤色光線を吸収するなら、緑色光線がその溶
液から反射され、そしてもし化合物が青色光線を吸収す
るなら、オレンジ色の光線がその溶液から反射されるこ
とになる。非極性溶媒においては、図３Ａと図３Ｂに示
された状態間のエネルギー準位差は、極性溶媒における
エネルギー準位差より小さい。この特殊染料は、極性溶
媒では青色光線を吸収しそして非極性溶媒では赤色光線
を吸収し、極性溶媒ではオレンジ色をそして非極性溶媒
では緑色を呈する。 【００２１】図３Ａと図３Ｂは、Ｒｅｉｃｈａｒｄｔｓ
Ｄｙｅ分子に対する２つの異なった状態を示す。図３
Ａは、正電荷３０２と負電荷３０４の両方を含む低エネ
ルギー、極性、双性イオン状態における染料分子を示
す。図３Ｂは、高エネルギー、非極性状態における同じ
染料分子を示す。極性溶媒では、図３Ａに示された低エ
ネルギー状態と図３Ｂに示された高エネルギー状態との
間のエネルギー差は、非極性溶媒におけるより大きく、
従って、その染料は極性溶媒では緑色光線をそして非極
性溶媒ではオレンジ色光線を放射する。 【００２２】この例では、染料は、色を変えることによ
ってその溶液の誘電率の変化に感応する。しかし、染料
は、金属イオンの濃度又は溶液のｐＨのような、その他
の条件にも同様に感応することがある。本発明の上述の
実施態様においては、染料はメタノール濃度の変化に感
応する。 【００２３】染料ベース燃料表示器に用いられる染料混
合物は、また、種々の異なった染料を含んでいてもよ
い。本発明の一実施態様では、Ａｃｉｄ Ｙｅｌｌｏｗ
１、又はＮａｐｈｔｈｏｌ Ｙｅｌｌｏｗ Ｓと、Ｓ
ｏｌｖｅｎｔ Ｂｌｕｅ ３７を含んでいる染料混合物
が採用されている。図４Ａは、Ａｃｉｄ Ｙｅｌｌｏｗ
１の構造式を示す。この染料混合物は、水中の１０％メ
タノールでの顕著な色変化によるカラー勾配を生ずる。
代替実施例では、Ａｃｉｄ Ｒｅｄ ２９、又はＣｈｒ
ｏｍｏｔｒｏｐｅ ２ＲをＳｏｖｅｎｔ Ｂｌｕｅ ３
７と組合せて用いて、水中の３％メタノールと１％メタ
ノールとの間に起こる顕著な色変化によるカラー勾配を
生ずる。図４ＢはＡｃｉｄ Ｒｅｄ ２９の構造式を示
す。両方の実施態様は、メタノール−水溶液ミリリット
ル当たりそれぞれの染料組合せの各々３．５ミリグラム
を用いる。上述の実施態様において、各染料混合物を、
一組のメタノール−水溶液に溶解して、水中の０．５％
メタノールと純メタノールの間のメタノール濃度の状態
にして、カラー勾配を生成する。燃料電池に存在するメ
タノール濃度において有用な色変化を生ずるところの多
くの各種染料混合物も可能であることに注意。さらに、
他方式の燃料電池におけるその他の水素リッチ液体燃料
源の濃度表示にも種々の染料混合物を用いることができ
る。 【００２４】図５は、電池内部の燃料放出を制御する染
料の色に関する本発明の実施態様を示すものである。図
５は、陽極貯蔵器５０２と直接接触した染料ベース燃料
表示器を示す。陽極貯蔵器５０２は、フォトダイオード
５０４と発光ダイオード（「ＬＥＤ」）５０６を具備す
る。ＬＥＤ ５０６は、陽極貯蔵器５０２中のメタノー
ル−水溶液を通してフォトダイオード５０４上へ光５０
８を投光する。フォトダイオード５０４とＬＥＤ ５０
６は、幾つかの動作方法を採用することができる。予め
定められたメタノール含量で、メタノール−水溶液の色
により、ＬＥＤ５０６からの十分な光線５０８をフォト
ダイオード５０４に到達させて、フォトダイオード５０
４を励起させることができる。フォトダイオード５０４
は、機構を作動させて陽極容器５０２の中へ燃料を放出
させるところの電流を発生する。あるいは、予め定めら
れたメタノール含量で、メタノール−水溶液の色によ
り、ＬＥＤ ５０６からの十分な光線５０８をフォトダ
イオード５０４に到達させ、フォトダイオード５０４を
励起させるのを停止させる。フォトダイオード５０４
は、機構を作動させて陽極貯蔵器５０２の中へ燃料を放
出させるところの電流を発生する。図５は、図解を簡単
にするため、ウィンドウ、カラーストリップ及び燃料ス
ケールを省略していることに留意されたい。また、図５
は、図解の簡略化のため、先の図解におけるより異なっ
た形状のものとして陽極貯蔵器５０２を示す。代替実施
態様では、陽極容器と液体連絡している染料チャンバに
フォトダイオード５０４とＬＥＤ ５０６を採用する。 【００２５】図６に示した、燃料放出機構の一実施態様
は、ドアー６０６によって陽極貯蔵器６０４から分離さ
れた燃料容器６０２を包含する。燃料容器は、過剰の水
を付加しないほぼ純粋なメタノールを含む。フォトダイ
オード（図５の５０４）から延びている２本のワイヤ６
０８、６１０は、ドアー６０６の開きを制御する弁６１
２と接触している。予め定められたメタノール含量で、
メタノール−水溶液の色により、十分な光線をフォトダ
イオードに到達させ、そのフォトダイオードを励起させ
ることができる。弁６１２に信号を送ってドアー６０６
を開けさせる電気回路が完成される。重力によって燃料
容器６０２中のメタノールを陽極貯蔵器６０４の中へ放
出させることができる。あるいは、予め定められたメタ
ノール含量で、メタノール−水溶液の色により、十分な
光線をフォトダイオードに到達させ、そのフォトダイオ
ードを励起させるのを停止させることもできる。 【００２６】本発明は、特定の実施態様によって記述さ
れているが、本発明をこの実施態様に限定することを意
図するものではない。本発明の精神の範囲内の変更は、
当業者には明らかである。例えば、二種類の特殊な染料
混合物が記述されているが、各種燃料の濃度変化に感応
して有用なカラー勾配を生成させるのに使用し得る種々
の染料混合物も多数存在する。染料混合物は、種々の燃
料濃度において無際限の色々なカラー勾配を作り出すと
ころの一連の染料を包含してよい。種々の予め定められ
た燃料濃度においてその燃料の色に顕著な変化を生じさ
せる染料混合物は、採用することができる。燃料濃度の
決定は、金属イオンの存在又はｐＨのような、他の可変
環境条件と反応してカラー勾配を生ずるところの染料に
基づいて実施することができる。多くの様々な方式の燃
料放出システムも可能である。フォトダイオードのエミ
ッター受信機は、陽極容器への燃料の送りを能動的又は
受動的に制御するのに用いられる多くの種々の電気制御
弁又はトリガによって動作することができる。フォトダ
イオードのエミッター受信器は、燃料溶液内の任意の位
置に配置してよい。最後に、窓、カラーストリップ及び
燃料スケールに関しては、種々の異なった形状、サイ
ズ、方位及び位置を用いることができる。例えば、カラ
ーストリップは、垂直窓の横に置くか、又は長方形の窓
の回りに巻き付けてもよい。さらに、燃料スケールは、
必ずしもカラーストリップの下に置く必要はない。燃料
スケールは、燃料濃度マークがカラー上に直接書かれた
実際のカラーストリップの一部分として組み込んでもよ
い。あるいは、染料チャンバーは、カラーストリップも
燃料スケールも付けないで、その全体を透明な材料で作
製してもよい。 【００２７】前出の記述は、説明目的で、本発明の完全
な理解をもたらす特有の熟語を使用した。しかし、本発
明を実施するために明確な細部を必要としないことは、
当業者には明らかである。その他の例では、燃料電池の
よく知られた部分は、基本的な発明からの不必要な混乱
を避けるため線図として示されている。従って、本発明
の特定実施態様についての前出の記述は、例証及び説明
の目的で提示されている。それらは、開示された正確な
形に徹底されるものでも又は制限しようとするものでも
ない。明らかなことは、上記教示の観点から多くの修正
及び変更が可能であるということである。当該実施態様
は、本発明並びに予想される特殊用途に向くよう様々な
修正がなされた種々の実施態様を当業者が最善に利用で
きるようにするために示し且つ記述したものである。本
発明の範囲は、前出の特許請求の範囲並びにそれらの等
価物によって限定されるものとする。 【００２８】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例にを示す。 （実施態様１）燃料電池と連結する燃料溶液を酸化する
ことによって動作する燃料濃度表示器であって、前記燃
料濃度表示器は、一定容積の燃料溶液と燃料溶液の容積
内で燃料濃度に感応する染料混合物とを包含することを
特徴とする燃料濃度表示器。 （実施態様２）燃料溶液の容積は、透明ウィンドウ（２
０４）を含む陽極貯蔵器（２０２）内に収容されること
を特徴とする前項１に記載の燃料濃度表示器。 （実施態様３）燃料溶液の容積は、透明ウィンドウ（２
０４）付き染料チャンバ（２１０）内に収容され、前記
染料チャンバ（２１０）は、陽極貯蔵器（２０２）と液
体接触し且つ燃料溶液を透過させるが染料混合物を透過
させない膜（２１２）によって陽極貯蔵器（２０２）か
ら分離されていることを特徴とする前項１に記載の燃料
濃度表示器。 （実施態様４）燃料溶液の容積は、透明ウィンドウ（２
０４）付き染料チャンバ（２１０）内に収容され、前記
染料チャンバ（２１０）は、陽極貯蔵器（２０２）と液
体接触し且つ燃料チャネル（２１４）によって陽極貯蔵
器（２０２）から分離されていることを特徴とする前項
１に記載の燃料濃度表示器。 （実施態様５）染料混合物は、Ｓｏｌｖｅｎｔ Ｂｌｕ
ｅ ３７を含有し且つメタノール−水溶液内のメタノー
ル濃度に変色することにより感応することを特徴とする
前項１に記載の燃料濃度表示器。 （実施態様６）フォトダイオードと発光デバイスを含
み、燃料溶液の容積中を通る透過光で前記フォトダイオ
ードを照射することによって燃料溶液の放出を制御する
ようにしたことを特徴とする前項１に記載の燃料濃度表
示器。 （実施態様７）透明ウィンドウ（２０４）と燃料スケー
ル（２０６）を含み、前記燃料スケール（２０６）は、
燃料溶液の容積内の様々な燃料濃度に応答して染料混合
物により作り出される可能な色の範囲を表示することを
特徴とする前項１に記載の燃料濃度表示器。 （実施態様８）陽極貯蔵器（２０２）を備えた燃料電池
中の燃料溶液の濃度を測定する方法であって、燃料容器
（２０２）に収容された燃料溶液に染料の組合せを付加
するステップと付加された染料混合物を含有する燃料溶
液の色とカラー勾配（２０６）上に表示された標準色と
を比較することにより燃料溶液中の燃料の濃度を決定す
るステップとを設けて成る方法。 （実施態様９）染料混合物は、Ｓｏｌｖｅｎｔ Ｂｌｕ
ｅ ３７を含有し且つメタノール−水溶液中のメタノー
ル濃度に変色することにより感応することを特徴とする
前項８に記載の方法。 （実施態様１０）透明ウィンドウ（２０４）が、陽極貯
蔵器（２０２）と液体接触した液体充填チャンバ内に収
められていて且つ燃料電池の外部から観察でき、前記透
明ウィンドウ（２０４）を通して燃料溶液を点検するこ
とにより燃料溶液中の燃料の濃度の測定を実施すること
を特徴とする前項８に記載の方法。

【図面の簡単な説明】 【図１】メタノール燃料電池の概略図。 【図２Ａ】陽極貯蔵器に直接接触する本発明の一実施例
である染料ベース燃料表示器の概略断面図。 【図２Ｂ】膜によって陽極貯蔵器から分離された本発明
の一実施例である染料ベース燃料表示器を備えた染料チ
ャンバを示す図。 【図２Ｃ】燃料チャネルと自由選択の膜によって陽極貯
蔵器から分離された本発明の一実施例である染料ベース
燃料表示器を備えた染料チャンバを示す図。 【図３Ａ】本発明に用いられる基底状態にある例示的染
料分子の化学構造を示す図。 【図３Ｂ】本発明に用いられる励起状態にある例示的染
料分子の化学構造をを示す図。 【図４Ａ】本発明に用いられるＡｃｉｄ Ｙｅｌｌｏｗ
１の構造式を示す図。 【図４Ｂ】本発明に用いられるＡｃｉｄ Ｒｅｄ ２９
の構造式を示す図。 【図５】燃料の送出しを制御するフォトダイオードエミ
ッター受信器を備えた本発明の他の実施態様を示す図。 【図６】本発明に用いられる燃料の送出し機構の一実施
態様を示す図。 【符号の説明】 ２０２： 陽極貯蔵器 ２０４： 透明ウィンドウ ２０６： 燃料スケール ２１０： 染料チャンバ ２１２： 半透膜 ２１４： 燃料チャネル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エル・クリス・マン アメリカ合衆国オレゴン州コーバリス、ノ ースウェスト・レインツリー・ドライブ 906 Ｆターム(参考） 5H027 AA08 BA13

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】燃料電池と連結する燃料溶液を酸化するこ
   とによって動作する燃料濃度表示器であって、前記燃料
   濃度表示器は、一定容積の燃料溶液と燃料溶液の容積内
   で燃料濃度に感応する染料混合物とを包含することを特
   徴とする燃料濃度表示器。