JP2005100864A - Measurement method of alcohol concentration, measurement device of alcohol concentration, and fuel cell system including the device - Google Patents

Measurement method of alcohol concentration, measurement device of alcohol concentration, and fuel cell system including the device Download PDF

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毅 小畑
Tsutomu Yoshitake
務 吉武
Arata Nakamura
新 中村
Yoshimi Kubo
佳実 久保
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect alcohol concentration of an alcohol gas by a simple structure. <P>SOLUTION: This fuel cell system 660 includes a solid polyelectrolyte membrane 114, a fuel cell main body 100 including a fuel electrode 102 and an oxidizer electrode 108 arranged at the solid polyelectrolyte membrane 114, a fuel housing part 664 to house an organic liquid fuel 124a, and a polymer membrane 665 having proton conductivity and being installed at a fuel electrode tank 662, and a concentration measurement part (first electrode terminal 666, second electrode terminal 667, and concentration detecting part 670) to detect the alcohol concentration of a fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 by a method based on changes in the proton conductivity of the polymer membrane 665. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、アルコールガスの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。   The present invention relates to an alcohol concentration measurement method for alcohol gas, an alcohol concentration measurement device, and a fuel cell system including the device.

近年、発電効率が高く、有害ガスの発生も極めて少ない燃料電池は注目を集めており、活発に研究・開発されている。燃料電池には、水素等の気体を燃料として用いるものとメタノール等の液体を用いるものとがある。気体燃料を用いる燃料電池は燃料ボンベ等を搭載する必要があるため、小型化するには限界がある。このため、携帯電話やノート型パソコン等の小型携帯機器の電源としては、改質器等を必要としないダイレクトメタノール型燃料電池の採用が有望視されている。   In recent years, fuel cells with high power generation efficiency and extremely low generation of harmful gases have attracted attention and are actively researched and developed. Some fuel cells use a gas such as hydrogen as a fuel, and others use a liquid such as methanol. Since a fuel cell using gaseous fuel needs to be equipped with a fuel cylinder or the like, there is a limit to downsizing. For this reason, the use of a direct methanol fuel cell that does not require a reformer or the like is considered promising as a power source for small portable devices such as mobile phones and notebook computers.

ダイレクトメタノール型燃料電池の場合、燃料極および酸化剤極で生じる電気化学反応はそれぞれ下記反応式(1)および(2)で表される。   In the case of a direct methanol fuel cell, electrochemical reactions occurring at the fuel electrode and the oxidant electrode are represented by the following reaction formulas (1) and (2), respectively.

燃料極:CHOH+HO→CO+6H+6e (1) Fuel electrode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)

酸化剤極:O+4H+4e→2HO (2) Oxidant electrode: O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O (2)

上記反応式(1)で表されるように、燃料極においては二酸化炭素が発生する。円滑に発電を行うには、メタノールを効率良く金属触媒表面に供給し、上記反応式(1)の反応を活発に生じさせる必要がある。しかし、従来のダイレクトメタノール型燃料電池における燃料の供給は、燃料極をメタノール水溶液で浸すようにして行われていた。そのため、上記反応式(1)により生じた二酸化炭素が燃料極中に滞留して気泡を生成し、燃料極における触媒反応が阻害されることがあった。その結果、安定した出力が得られない場合もあった。   As represented by the reaction formula (1), carbon dioxide is generated at the fuel electrode. In order to generate electricity smoothly, it is necessary to efficiently supply methanol to the surface of the metal catalyst and actively cause the reaction of the above reaction formula (1). However, the supply of fuel in a conventional direct methanol fuel cell has been performed by immersing the fuel electrode with an aqueous methanol solution. Therefore, the carbon dioxide generated by the reaction formula (1) stays in the fuel electrode to generate bubbles, and the catalytic reaction in the fuel electrode may be inhibited. As a result, stable output may not be obtained.

ところで、下記特許文献1には超音波式微粒化装置を備える燃料電池用改質装置が開示されている。この技術は、燃料を水素に富んだガスに変換する改質器に対し、燃料を超音波式微粒化装置により霧化して供給するものである。したがって、この技術の燃料電池用改質装置を利用した燃料電池においては、上記のような二酸化炭素の気泡の滞留は生じなくなる。しかし、こうした燃料電池用改質装置を有する燃料電池の小型化・軽量化には限界がある。
特開平11−79703号公報 特開2001−102070号公報
By the way, the following Patent Document 1 discloses a reformer for a fuel cell including an ultrasonic atomizer. In this technique, fuel is atomized by an ultrasonic atomizer and supplied to a reformer that converts the fuel into a gas rich in hydrogen. Therefore, in the fuel cell using the fuel cell reformer of this technology, the carbon dioxide bubbles do not stay as described above. However, there is a limit to reducing the size and weight of a fuel cell having such a fuel cell reformer.
JP-A-11-79703 JP 2001-102070 A

そこで、本件特許出願人等により、メタノール等の有機液体燃料をガス化した燃料ガスを燃料極に供給する技術が開発されている。燃料ガスを用いることにより、燃料極で発生する二酸化炭素を効率よく電極表面から除去することができるので、二酸化炭素が電極表面に滞留するのを抑えることができ、発電効率を向上することができる。   Therefore, a technology for supplying a fuel gas obtained by gasifying an organic liquid fuel such as methanol to the fuel electrode has been developed by the present applicant. By using the fuel gas, carbon dioxide generated at the fuel electrode can be efficiently removed from the electrode surface, so that carbon dioxide can be prevented from staying on the electrode surface, and power generation efficiency can be improved. .

また、燃料ガスを用いることにより、メタノール水溶液が固体高分子電解質膜を透過して酸化剤極側に達してしまう現象であるクロスオーバーの問題を低減することができる。これにより、酸化剤極の電位が下がることによる発電効率の低下を低減することができる。さらに、燃料ガスを用いることにより、燃料ガス中のアルコール濃度を高くしても、クロスオーバーの問題を低減することができるため、ガス中のアルコール濃度を高くすることもでき、より一層発電効率を向上することができる。   Further, by using the fuel gas, it is possible to reduce the problem of crossover, which is a phenomenon in which the methanol aqueous solution permeates the solid polymer electrolyte membrane and reaches the oxidant electrode side. Thereby, the fall of the power generation efficiency by the potential of an oxidant electrode falling can be reduced. Furthermore, by using the fuel gas, even if the alcohol concentration in the fuel gas is increased, the problem of crossover can be reduced. Therefore, the alcohol concentration in the gas can be increased, further improving the power generation efficiency. Can be improved.

燃料ガスを用いることにより、このように発電効率を向上することができるため、燃料極タンクの容器を小さくしても充分な出力を得ることができ、燃料電池システムを小型化することができる。   By using the fuel gas, the power generation efficiency can be improved in this way. Therefore, a sufficient output can be obtained even if the container of the fuel electrode tank is made small, and the fuel cell system can be downsized.

ところで、従来、燃料極に供給する燃料として有機液体燃料を用いた場合は、クロスオーバーの問題があるため、燃料極に供給する有機液体燃料の濃度を一定以下にする必要があり、有機液体燃料の濃度を制御することが行われていた。一方、上述したように、燃料として燃料ガスを用いた場合はこのような問題が生じないため、燃料極に供給する燃料ガスの濃度を測定したり制御するという発想がなかった。   Conventionally, when an organic liquid fuel is used as a fuel to be supplied to the fuel electrode, there is a problem of crossover. Therefore, the concentration of the organic liquid fuel to be supplied to the fuel electrode needs to be constant or lower. It was done to control the concentration. On the other hand, as described above, when the fuel gas is used as the fuel, such a problem does not occur. Therefore, there has been no idea of measuring or controlling the concentration of the fuel gas supplied to the fuel electrode.

しかし、本発明者の検討によれば、燃料電池の出力を安定的に保つため、また効率的な出力を得るためには、燃料ガスを用いた場合でも、燃料ガスの濃度を適正な範囲にすることが必要であることが見出された。   However, according to the study of the present inventor, in order to keep the output of the fuel cell stable and to obtain an efficient output, even when the fuel gas is used, the concentration of the fuel gas is within an appropriate range. It has been found necessary to do.

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、簡易な構造で燃料ガスの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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an alcohol concentration measuring device capable of detecting the alcohol concentration of fuel gas with a simple structure, a fuel cell system including the device, and an alcohol. It is to provide a concentration measurement method.

本発明によれば、アルコールガスを燃料として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、アルコールガスを含む容器と、容器中のアルコールガス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。   According to the present invention, there is provided a fuel cell system that uses alcohol gas as a fuel, and a fuel cell main body including a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane; There is provided a fuel cell system comprising a container containing alcohol gas, and a concentration detector for detecting the alcohol concentration of the alcohol gas in the container.

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とすることができる。アルコールガスを含む容器は、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む。   Here, the fuel cell main body may be a direct type that directly supplies liquid fuel to the fuel electrode. The container containing the alcohol gas includes a fuel electrode tank provided in the fuel electrode of the fuel cell main body, a buffer tank for storing fuel supplied to the fuel electrode tank, a cartridge, or a pipe connecting these.

このような構成とすることにより、燃料極に供給するアルコールガスの濃度を適正な範囲に保つことができ、燃料電池システムの出力を安定化することができる。また、アルコールガスの濃度を効率よく電極反応を行うことのできる範囲にすることができる。   By setting it as such a structure, the density | concentration of the alcohol gas supplied to a fuel electrode can be maintained in an appropriate range, and the output of a fuel cell system can be stabilized. In addition, the concentration of the alcohol gas can be set within a range where the electrode reaction can be performed efficiently.

本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、プロトン伝導性を有し、容器内に設けられた高分子膜を含むことができ、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、容器中のアルコールガスのアルコール濃度を検出することができる。   In the fuel cell system of the present invention, the concentration detector has proton conductivity and can include a polymer membrane provided in the container. Based on the change in proton conductivity of the polymer membrane, the concentration detector The alcohol concentration of the alcohol gas can be detected.

高分子膜は、容器中のアルコールガス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。また、高分子膜は、架橋されたものとすることもできる。   The polymer membrane can be composed of a material whose proton conductivity changes depending on the alcohol concentration in the alcohol gas in the container. As the polymer film, a material containing a proton acid group can be used. The polymer film can also be crosslinked.

本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成でアルコールガスのアルコール濃度を検出することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the alcohol concentration of the alcohol gas can be detected with a simple configuration.

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アルコールガス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。   In the fuel cell system of the present invention, the concentration detection unit includes a pair of electrode terminals disposed on the polymer film, a resistance measurement unit that measures a resistance value between the electrode terminals, and a resistance value measured by the resistance measurement unit. A concentration calculation unit that calculates an alcohol concentration of the alcohol gas based on the alcohol gas.

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、アルコールガス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、アルコールガスのアルコール濃度を算出することができる。   Here, since the polymer membrane is made of a material whose proton conductivity changes according to the alcohol concentration, when a current is passed between the electrode terminals via the polymer membrane, the polymer membrane depends on the alcohol concentration of the alcohol gas. The resistance value between the electrode terminals changes. The concentration detection unit can hold reference data indicating a correspondence relationship between the resistance value between the electrode terminals and the alcohol concentration, and the concentration calculation unit can calculate the alcohol concentration of the alcohol gas based on the reference data. .

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、アルコールガス中に設けることもできるが、アルコールガスに直接接しない構成とすることもできる。電極端子をアルコールガスに直接接しない構成とすることにより、電極端子がアルコールガス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。   Here, the concentration detection unit may include three or more electrode terminals, and may include, for example, four electrode terminals. In this case, one pair of electrode terminals can be used for current measurement, and the other pair of electrode terminals can be used for voltage measurement. The electrode terminal can be provided on the surface of the polymer film, but may be provided in the polymer film. Moreover, although an electrode terminal can also be provided in alcohol gas, it can also be set as the structure which does not contact alcohol gas directly. By making the electrode terminal not in direct contact with the alcohol gas, it is possible to prevent the electrode terminal from being corroded by the alcohol gas. Thereby, an electrode terminal can be kept stable. The electrode terminal can be made of any material as long as it has conductivity. The electrode terminal can be made of, for example, gold, silver, platinum, aluminum, stainless steel, or the like.

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。   In the fuel cell system of the present invention, in the concentration detection unit, the electrode terminal can be provided outside the container. Further, the concentration detection unit can have a hydrophobic film covering the electrode terminals.

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は容器中に設けることができ、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。この場合、固体高分子電解質膜において、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。   In the fuel cell system of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane can be provided in a container, and a part of the solid polymer electrolyte membrane can be used as the polymer membrane. In this case, in the solid polymer electrolyte membrane, an electrode terminal can be provided in a region where the catalyst layer is not provided.

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、容器中のアルコールガスの温度又はpHを考慮して、アルコールガスのアルコール濃度を検出することができる。   The fuel cell system of the present invention can include a plurality of polymer membranes having different proton conductivities with respect to temperature or pH, and the concentration detection unit is based on a change in proton conductivity of each of the plurality of polymer membranes. The alcohol concentration of the alcohol gas can be detected in consideration of the temperature or pH of the alcohol gas.

本発明の燃料電池システムは、アルコールを含む液体燃料をガス化するガス化手段をさらに含むことができ、ガス化したアルコールガスが容器に供給される構成とすることができる。ここで、アルコールガスは、液体燃料を気化または霧化したものとすることができる。液体燃料をガス化する方法としては、加温装置による加熱、窒素等のキャリアガスで液体をバブリングする方法、液体燃料を収容する容器にガスを導入して加圧する方法、霧化手段を用いる方法を用いることができる。霧化手段としては、圧電振動子等の超音波振動型霧化装置を用いることができる。   The fuel cell system of the present invention can further include gasification means for gasifying a liquid fuel containing alcohol, and the gasified alcohol gas can be supplied to the container. Here, the alcohol gas may be vaporized or atomized liquid fuel. As a method for gasifying the liquid fuel, heating by a heating device, a method for bubbling a liquid with a carrier gas such as nitrogen, a method for introducing and pressurizing a gas into a container containing the liquid fuel, and a method using an atomizing means Can be used. As the atomizing means, an ultrasonic vibration type atomizing device such as a piezoelectric vibrator can be used.

このように、ガス化した燃料を燃料極へ供給することにより、従来の液体燃料を燃料極に直接供給する燃料電池とは異なり、燃料極が液体で満たされていない。これにより、燃料極で生成する二酸化炭素は気泡を形成することなく燃料極から離脱することから、燃料極での電気化学反応が円滑に進行し、安定した出力が得られる。   In this way, by supplying gasified fuel to the fuel electrode, the fuel electrode is not filled with liquid, unlike a conventional fuel cell that directly supplies liquid fuel to the fuel electrode. As a result, the carbon dioxide produced at the fuel electrode separates from the fuel electrode without forming bubbles, so that the electrochemical reaction at the fuel electrode proceeds smoothly and a stable output is obtained.

本発明の燃料電池システムは、濃度検出部が検出したアルコール濃度に応じて、ガス化手段の駆動を制御する制御部をさらに含むことができる。   The fuel cell system of the present invention may further include a control unit that controls driving of the gasification means in accordance with the alcohol concentration detected by the concentration detection unit.

本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体に取り外し可能に構成されるとともに液体燃料を収容するカートリッジをさらに含むことができ、ガス化手段は、カートリッジに収容された液体燃料をガス化することができる。   The fuel cell system of the present invention can further include a cartridge configured to be detachable from the fuel cell main body and accommodate liquid fuel, and the gasification means can gasify the liquid fuel accommodated in the cartridge. it can.

本発明の燃料電池システムは、アルコール濃度が異なる液体燃料をそれぞれ収容する複数の液体燃料収容部をさらに含むことができ、ガス化手段は、液体燃料毎に、液体燃料をガス化させることができる。   The fuel cell system of the present invention can further include a plurality of liquid fuel storage portions that respectively store liquid fuels having different alcohol concentrations, and the gasification means can gasify the liquid fuel for each liquid fuel. .

本発明の燃料電池システムにおいて、液体燃料収容部は、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とすることができる。   In the fuel cell system of the present invention, the liquid fuel container may be a cartridge configured to be removable from the fuel cell main body.

本発明の燃料電池システムは、容器中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アルコールガスのアルコール濃度を補正することができる。   The fuel cell system of the present invention may further include a temperature sensor that measures the temperature in the container, and the concentration detection unit corrects the alcohol concentration of the alcohol gas in the container according to the temperature measured by the temperature sensor. Can do.

本発明の燃料電池システムは、容器中の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に応じて容器中のアルコールガスのアルコール濃度を補正することができる。   The fuel cell system of the present invention may further include a pH measurement unit that measures the pH in the container, and the concentration detection unit corrects the alcohol concentration of the alcohol gas in the container according to the pH measured by the pH measurement unit. can do.

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アルコールガス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、容器中のアルコールガス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燃料切れを知らせることができる。   The fuel cell system of the present invention presents a warning to the warning presenting unit when the alcohol concentration of the alcohol gas in the container detected by the concentration detecting unit and the concentration detecting unit is outside a predetermined range. And a control unit for instructing. For example, the control unit can instruct the warning presenting unit to present a warning when the alcohol concentration of the alcohol gas in the container becomes a predetermined value or less. In this way, it is possible to notify the user who is using the electronic device incorporating the fuel cell system of the present invention that the fuel in the container has run out.

本発明の燃料電池システムにおいて、容器を形成する壁の一部が、燃料極で生成する二酸化炭素を透過させる膜とすることができる。   In the fuel cell system of the present invention, a part of the wall forming the container may be a membrane that allows carbon dioxide generated at the fuel electrode to permeate.

本発明によれば、以上の構成の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯機器が提供される。   According to the present invention, there is provided a portable device in which the fuel cell system having the above configuration is mounted.

本発明によれば、以上の構成の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯型パソコンが提供される。   According to the present invention, there is provided a portable personal computer equipped with the fuel cell system having the above configuration.

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、アルコールを含むガスと接触した際に当該ガス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、ガス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。アルコール濃度の測定装置は、上述したような燃料電池システムにおける燃料の濃度を測定するのに用いることもできるが、たとえば環境中のアルコール濃度や人の呼気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。   According to the present invention, there is provided an apparatus for measuring alcohol concentration, which has proton conductivity and a polymer membrane whose proton conductivity changes according to the alcohol concentration in the gas when in contact with a gas containing alcohol. There is provided an alcohol concentration measurement apparatus comprising: a concentration detection unit that detects an alcohol concentration in a gas based on a change in proton conductivity of a polymer membrane. The alcohol concentration measuring device can be used to measure the concentration of fuel in the fuel cell system as described above. For example, the alcohol concentration measuring device is used to measure the alcohol concentration in the environment or the alcohol concentration in human breath. You can also.

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、伝導度測定部が測定した抵抗値をガス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。   In the alcohol concentration measurement apparatus of the present invention, the concentration detection unit includes a pair of electrode terminals disposed on the polymer film, a resistance measurement unit that measures a resistance value between the electrode terminals, and a resistance measured by the conductivity measurement unit. And a concentration calculator that converts the value into an alcohol concentration in the gas.

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ガスを含む容器にプロトン伝導性を有する高分子膜を導入する工程と、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、アルコールガス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。   According to the present invention, there is provided a method for measuring an alcohol concentration, the step of introducing a polymer film having proton conductivity into a container containing an alcohol gas to be measured, and detecting a change in proton conductivity of the polymer film. There is provided a method for measuring an alcohol concentration, comprising: a step; and a step of detecting an alcohol concentration of an alcohol gas based on a change in proton conductivity.

本発明のアルコール濃度測定方法において、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、抵抗値に基づきアルコールガスのアルコール濃度を算出する工程を含むことができる。   In the alcohol concentration measurement method of the present invention, the step of detecting a change in proton conductivity can include a step of measuring a resistance value between a pair of electrode terminals disposed on the polymer membrane, and the alcohol concentration is determined. The step of detecting can include a step of calculating the alcohol concentration of the alcohol gas based on the resistance value.

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。   It should be noted that any combination of the above-described constituent elements, and those in which constituent elements and expressions of the present invention are mutually replaced between methods, apparatuses, and systems are also effective as an aspect of the present invention.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the alcohol concentration measuring apparatus which can detect alcohol concentration with a simple structure, the fuel cell system containing the said apparatus, and the alcohol concentration measuring method are provided.

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。   The application of the fuel cell system described in the following embodiments is not particularly limited. For example, a portable personal computer such as a mobile phone or a notebook type, a PDA (Personal Digital Assistant), various cameras, a navigation system, a portable music player, etc. Appropriately used for small electrical equipment.

(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。
この燃料電池システム660は、有機液体燃料をガス化し、ガス化された燃料を燃料極に供給することにより発電する。有機液体燃料としては、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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
The fuel cell system 660 generates electricity by gasifying the organic liquid fuel and supplying the gasified fuel to the fuel electrode. As the organic liquid fuel, methanol, ethanol, dimethyl ether, or other alcohols can be used. The organic liquid fuel can be an aqueous solution.

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、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。   The fuel cell system 660 includes a fuel cell main body 100, a fuel electrode tank 662, a sensor 668, a concentration measuring unit 670, a control unit 672, a fuel supply processing unit 674, a fuel storage unit 676, and a warning presenting unit 680. Including.

燃料電池本体100は、固体高分子電解質膜114と、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。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。   The fuel cell main body 100 includes a solid polymer electrolyte membrane 114, and a fuel electrode 102 and an oxidant electrode 108 disposed on the solid polymer electrolyte membrane 114. As the oxidant supplied to the oxidant electrode 108, air can be normally used, but oxygen gas may be supplied. The detailed configuration of the fuel cell main body 100 will be described later.

本実施の形態において、燃料収容部676は、有機液体燃料124aを収容する。
燃料供給処理部674は、燃料収容部676に収容された有機液体燃料124aをガス化するガス化手段を含む。燃料供給処理部674は、ガス化手段がガス化した燃料ガス124bを燃料極タンク662に供給する処理を行う。燃料供給処理部674の詳細な構成については後述する。
In the present embodiment, the fuel storage unit 676 stores the organic liquid fuel 124a.
The fuel supply processing unit 674 includes gasification means for gasifying the organic liquid fuel 124 a stored in the fuel storage unit 676. The fuel supply processing unit 674 performs a process of supplying the fuel gas 124 b gasified by the gasification means to the fuel electrode tank 662. The detailed configuration of the fuel supply processing unit 674 will be described later.

燃料極タンク662には、センサ668が設けられる。センサ668は、燃料極タンク662内の燃料ガス124b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、燃料極タンク662中の燃料ガス124b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、燃料極タンク662中の燃料ガス124bのメタノール濃度を検出することができる。   A sensor 668 is provided in the fuel electrode tank 662. The sensor 668 is used to detect the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662. The sensor 668 includes a polymer film 665, a first electrode terminal 666, and a second electrode terminal 667. The polymer film 665 is a polymer film having proton conductivity. The polymer film 665 is made of a material whose proton conductivity changes according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662. The fuel cell system 660 in the present embodiment can detect the methanol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 based on the change in proton conductivity of the polymer membrane 665.

高分子膜665は、燃料ガス124b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の固体高分子電解質膜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、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等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等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等の共重合体;
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);
等が例示される。
The polymer membrane 665 can be made of any material as long as the proton conductivity changes according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b. For example, the polymer membrane 665 can be made of the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell main body 100. It can be comprised with the material similar to. As such a material,
An organic polymer having a polar group such as a strong acid group such as a sulfone group, a phosphoric acid group, a phosphone group or a phosphine group, or a weak acid group such as a carboxyl group is preferably used. As these organic polymers,
Aromatic-containing polymers such as sulfonated poly (4-phenoxybenzoyl-1,4-phenylene), alkylsulfonated polybenzimidazole;
Copolymers such as a polystyrene-containing sulfonic acid copolymer, a polyvinyl sulfonic acid copolymer, a crosslinked alkyl sulfonic acid derivative, a fluorine-containing polymer composed of a fluororesin skeleton and a sulfonic acid;
A copolymer obtained by copolymerizing acrylamides such as acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid and acrylates such as n-butyl methacrylate;
Sulfone group-containing perfluorocarbon (Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei));
Carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion (registered trademark) S membrane (Asahi Glass Co., Ltd.));
Aromatic polyether, polyphenylene sulfide, polyimide, polyphosphazene, trifluorostyrene copolymer (BAM3G, manufactured by Ballard);
Etc. are exemplified.

また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、たとえば、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。   In addition, a crosslinkable substituent such as a vinyl group, an epoxy group, an acrylic group, a methacryl group, a cinnamoyl group, a methylol group, an azide group, or a naphthoquinonediazide group is appropriately introduced into the above polymer. A polymer crosslinked by irradiation with radiation, UV, electron beam or the like in the melted state as it is can also be used.

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、燃料極タンク662中の燃料ガス124b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、燃料極タンク662中の燃料ガス124b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。   The first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are provided on the surface of the polymer film 665 or in the polymer film 665 so as to be separated from each other. Here, since the polymer film 665 is made of a material whose proton conductivity changes according to the alcohol concentration, the polymer film 665 is interposed between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667. When the current flows, the resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 changes according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662. The concentration measuring unit 670 measures the alcohol concentration of the fuel gas 124 b in the fuel electrode tank 662 based on the resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667. The detailed configuration of the concentration measuring unit 670 will be described later.

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、燃料ガス124b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や、アクリルアミド等ポリマー自体が導電性を有するポリマーペースト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。
FIG. 2 shows the sensor 668 in detail.
2A is a diagram illustrating a surface of the sensor 668 on which the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are provided, and FIG. 2B is a side view of FIG. 2A. The first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 can be made of any material as long as it is stably present in the fuel gas 124b and has conductivity. The first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 can be attached to the polymer film 665 with a conductive paste. As the conductive paste, a polymer paste containing a metal such as gold or silver, or a polymer paste such as acrylamide having a conductive property can be used. The first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are electrically connected to the concentration measuring unit 670 shown in FIG. 1 through the wiring 710a and the wiring 710b, respectively.

図3は、センサ668の他の例を示す図である。センサ668は、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を燃料極タンク662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が燃料極タンク662中の燃料ガス124b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が燃料ガス124b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。   FIG. 3 is a diagram illustrating another example of the sensor 668. The sensor 668 may have a configuration in which the surfaces of the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are covered with a hydrophobic film 720 such as Teflon (registered trademark). In this way, even when the sensor 668 is introduced into the fuel electrode tank 662, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are not in direct contact with the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662. . Therefore, it is possible to prevent the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 from being corroded by the fuel gas 124b. Thereby, the 1st electrode terminal 666 and the 2nd electrode terminal 667 can be kept stable.

図4は、センサ668の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、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4(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。   FIG. 4 is a diagram illustrating another example of the sensor 668. As shown in FIG. 4A, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 can be formed by winding a wiring 710a and a wiring 710b around a polymer film 665. Further, as shown in FIG. 4B, the wiring 710a and the wiring 710b are penetrated in the thickness direction of the polymer film 665, and the first electrode terminal 666 and the portion through which the wiring 710a and the wiring 710b penetrate is used as a fastening portion. The second electrode terminal 667 can also be formed.

図5は、センサ668のまた他の例を示す図である。図5(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や、アクリルアミド等ポリマー自体が導電性を有するポリマーペーストを用いることができる。図5(b)は、図5(a)に示したセンサ668の側面図である。なお、前述した図4(a)および図4(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。   FIG. 5 is a diagram illustrating still another example of the sensor 668. As shown in FIG. 5A, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are configured by fixing the wiring 710a and the wiring 710b on the polymer film 665 with a conductive paste 711, respectively. You can also. As the conductive paste, as described above, a polymer paste containing a metal such as gold or silver, or a polymer paste such as acrylamide having a conductive property can be used. FIG. 5B is a side view of the sensor 668 shown in FIG. Note that also in the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 having the structure shown in FIGS. 4A and 4B, the wiring 710a and the wiring 710b are formed using the same conductive paste. The polymer film 665 can be firmly fixed.

さらに、センサ668は、図5(c)および図5(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。   Further, the sensor 668 may include four electrode terminals 666a, an electrode terminal 666b, an electrode terminal 667a, and an electrode terminal 667b, as shown in FIGS. 5C and 5D. The electrode terminals 666a, 666b, 667a, and 667b are electrically connected to the concentration measuring unit 670 (see FIG. 1) through the wiring 710a, the wiring 710c, the wiring 710b, and the wiring 710d, respectively. For example, the concentration measurement unit 670 can be used to measure a current between the electrode terminal 666a and the electrode terminal 667a, and can be used to measure a voltage between the electrode terminal 666b and the electrode terminal 667b.

図1に戻り、濃度測定部670が測定した燃料極タンク662中の燃料ガス124bのアルコール濃度は制御部672に伝達される。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、燃料極タンク662中の燃料ガス124b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から燃料極タンク662に供給する燃料ガス124bの供給量を制御する。   Returning to FIG. 1, the alcohol concentration of the fuel gas 124 b in the fuel electrode tank 662 measured by the concentration measuring unit 670 is transmitted to the control unit 672. The control unit 672 determines whether or not the alcohol concentration measured by the concentration measuring unit 670 is within an appropriate range so that the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 is within the appropriate range. The fuel supply processing unit 674 is controlled. The fuel supply processing unit 674 controls the supply amount of the fuel gas 124 b supplied from the fuel storage unit 676 to the fuel electrode tank 662 based on the control of the control unit 672.

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燃料極タンク662中の燃料ガス124b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。   Further, the control unit 672 causes the warning presenting unit 680 to generate a warning if the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 does not fall within an appropriate range even after the process of controlling the fuel supply processing unit 674 is repeated. .

また、燃料電池システム660は、回収処理部675をさらに含むことができる。回収処理部675は、燃料極タンク662に供給された燃料ガス124bのうち、電極反応で消費されなかったガスを回収して濃縮し、有機液体燃料124aとして燃料収容部676に戻す処理を行う。回収処理部675は、たとえば水およびアルコールを液化させ、その他の成分を気液分離膜を介して除去する等してアルコール水溶液を得ることができる。このようにすれば、電極反応で消費されなかった燃料ガス124bを再利用することができる。   The fuel cell system 660 may further include a recovery processing unit 675. The recovery processing unit 675 performs processing for recovering and concentrating the gas that has not been consumed by the electrode reaction out of the fuel gas 124 b supplied to the fuel electrode tank 662 and returning it to the fuel storage unit 676 as the organic liquid fuel 124 a. The recovery processing unit 675 can obtain an aqueous alcohol solution by, for example, liquefying water and alcohol and removing other components through a gas-liquid separation membrane. In this way, the fuel gas 124b that has not been consumed by the electrode reaction can be reused.

図6は、燃料収容部676、燃料供給処理部674、燃料極タンク662、および燃料電池本体100が一体に形成された構成を示す図である。ここで、燃料供給処理部674は、有機液体燃料124aをガス化して燃料ガス124bを発生するガス化処理部335およびインバータ461を含む。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration in which the fuel storage unit 676, the fuel supply processing unit 674, the fuel electrode tank 662, and the fuel cell main body 100 are integrally formed. Here, the fuel supply processing unit 674 includes a gasification processing unit 335 that gasifies the organic liquid fuel 124a to generate the fuel gas 124b, and an inverter 461.

燃料電池本体100は、筐体338内に収容される。筐体338の下方には燃料収容部676が設けられ、有機液体燃料124aが収容される。燃料収容部676の有機液体燃料124aの下方には、ガス化処理部335が設けられる。燃料収容部676と燃料極タンク662とは、筐体338の一部に設けられた貫通口341を介して連結される。さらに、燃料極タンク662の上方には、電極反応で発生した二酸化炭素を透過して排出するガス透過膜336が設けられる。   The fuel cell main body 100 is accommodated in the housing 338. A fuel storage portion 676 is provided below the housing 338 to store the organic liquid fuel 124a. A gasification processing unit 335 is provided below the organic liquid fuel 124 a in the fuel storage unit 676. The fuel storage portion 676 and the fuel electrode tank 662 are connected via a through-hole 341 provided in a part of the housing 338. Further, a gas permeable membrane 336 that permeates and discharges carbon dioxide generated by the electrode reaction is provided above the fuel electrode tank 662.

ガス化処理部335は、たとえば超音波振動のような高周波数の振動を発する霧化ユニットとすることができる。霧化ユニットが発した振動は、燃料収容部676内の有機液体燃料124aに伝導する。この振動により、有機液体燃料124aが霧化されてミスト状の燃料ガス124bが発生する。燃料ガス124bは、貫通口341を通って燃料極タンク662に進入する。霧化ユニットとしては、たとえば秋月電子社製のUSH−400、株式会社テックジャム販売のC−HM−2412等の超音波振動型霧化ユニットが挙げられる。このような霧化ユニットは、有機液体燃料を応答性良く霧化することが可能である。また、FDK株式会社製の霧化ディスクのような、圧電振動子を備えた超音波振動型霧化ユニットを用いることもできる。こうした霧化ユニットは低消費電力であるため、負荷を大きくすることなく、二酸化炭素の気泡の滞留を防ぎ、安定した発電状態を維持することができる。   The gasification processing unit 335 can be an atomization unit that emits high-frequency vibration such as ultrasonic vibration. The vibration generated by the atomization unit is conducted to the organic liquid fuel 124 a in the fuel storage unit 676. Due to this vibration, the organic liquid fuel 124a is atomized to generate a mist-like fuel gas 124b. The fuel gas 124 b enters the fuel electrode tank 662 through the through hole 341. Examples of the atomizing unit include ultrasonic vibration type atomizing units such as USH-400 manufactured by Akizuki Denshi Co., Ltd. and C-HM-2412 manufactured by Tech Jam Co., Ltd. Such an atomization unit can atomize the organic liquid fuel with good responsiveness. Further, an ultrasonic vibration type atomizing unit including a piezoelectric vibrator, such as an atomizing disk manufactured by FDK Corporation, may be used. Since such an atomization unit has low power consumption, the accumulation of carbon dioxide bubbles can be prevented and the stable power generation state can be maintained without increasing the load.

ここでは図示していないが、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から燃料極タンク662への燃料ガス124bの供給量を制御する。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。制御部672は、濃度測定部670により測定された燃料極タンク662中の燃料ガス124bのアルコール濃度に応じて、インバータ461の振動数または電圧を変化させる。これにより、燃料極タンク662中の燃料ガス124bのアルコール濃度を適正範囲に保つことができる。   Although not shown here, the control unit 672 controls the supply amount of the fuel gas 124 b from the fuel storage unit 676 to the fuel electrode tank 662 by changing the frequency or voltage in the inverter 461. As the inverter 461, for example, an EXCF series manufactured by Matsushita Electronic Components Co., Ltd. can be used. The control unit 672 changes the frequency or voltage of the inverter 461 according to the alcohol concentration of the fuel gas 124 b in the fuel electrode tank 662 measured by the concentration measuring unit 670. Thereby, the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 can be maintained within an appropriate range.

なお、ガス化処理部335を霧化ユニットとした場合、霧化ユニットは、燃料収容部676内の有機液体燃料124aに振動が伝わるように構成されれば、どのような場所に配置することもできる。霧化ユニットは、図6に示すように、燃料収容部676の底面に配設してもよいし、側面に配設してもよい。   In addition, when the gasification processing unit 335 is an atomization unit, the atomization unit may be disposed at any location as long as vibration is transmitted to the organic liquid fuel 124a in the fuel storage unit 676. it can. As shown in FIG. 6, the atomization unit may be disposed on the bottom surface of the fuel storage portion 676 or on the side surface.

また、布や紙等を介して燃料収容部676内の有機液体燃料124aに振動が伝わるように構成することにより、燃料収容部676とガス化処理部335とを分離して配置することもできる。布や紙の一端を燃料収容部676に浸し、他端をガス化処理部335に接触させると、ガス化処理部335からの振動を燃料収容部676内の有機液体燃料124aに伝導することができ、燃料ガス124bを発生することができる。   In addition, the fuel storage unit 676 and the gasification processing unit 335 can be separated from each other by configuring such that vibration is transmitted to the organic liquid fuel 124a in the fuel storage unit 676 via cloth or paper. . When one end of a cloth or paper is immersed in the fuel storage unit 676 and the other end is brought into contact with the gasification processing unit 335, vibration from the gasification processing unit 335 can be conducted to the organic liquid fuel 124a in the fuel storage unit 676. The fuel gas 124b can be generated.

また、ガス化処理部335は、ヒータ等の加熱手段を含むことができ、有機液体燃料124aを加熱することにより、有機液体燃料124aを気化させて蒸気とした燃料ガス124bを発生させることができる。さらに、ガス化処理部335は、バブリング手段を含んでもよく、この場合、窒素等のキャリアガスを用いて有機液体燃料124aをバブリングすることにより、有機液体燃料124aを気化させて有機液体燃料124aを発生させることができる。また、燃料収容部676内にノズルを設け、燃料収容部676内を加圧することにより、有機液体燃料124aを霧化することもできる。   The gasification processing unit 335 can include heating means such as a heater, and the organic liquid fuel 124a can be heated to vaporize the organic liquid fuel 124a to generate the fuel gas 124b as a vapor. . Further, the gasification processing unit 335 may include a bubbling means. In this case, the organic liquid fuel 124a is vaporized by bubbling the organic liquid fuel 124a using a carrier gas such as nitrogen, so that the organic liquid fuel 124a is obtained. Can be generated. In addition, the organic liquid fuel 124 a can be atomized by providing a nozzle in the fuel storage unit 676 and pressurizing the fuel storage unit 676.

ガス透過膜336は、二酸化炭素を選択的に透過し、燃料ガス124bを透過しない材料により構成することができる。ガス透過膜336としては、二酸化炭素を選択的に透過するものであればどのようなものを用いることもできるが、たとえば0.05μm〜4μm程度の細孔を有する多孔質膜を用いることができる。このような構成は、特開2001−102070号公報に教示されている。   The gas permeable membrane 336 can be made of a material that selectively transmits carbon dioxide and does not transmit the fuel gas 124b. Any gas permeable membrane 336 may be used as long as it selectively transmits carbon dioxide. For example, a porous membrane having pores of about 0.05 μm to 4 μm can be used. . Such a configuration is taught in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-102070.

また、ガス透過膜336の他の例として、多孔質基材と、該多孔質基材の表面に二酸化炭素選択透過材料がコーティングされてなる前記非多孔質膜とを含む構成の気液分離フィルタを用いることができる。非多孔質膜は、二酸化炭素を効率良く透過させることが望まれるため、厚みをある程度薄くすることが好ましい。たとえば、平均厚みを、好ましくは5μm以下、より好ましくは1μm以下とする。このような薄膜とする場合、多孔質PTFEフィルタのように成形で作製することは困難である。そこで上記構成では、多孔質基材の表面に二酸化炭素選択透過材料をコーティングしてなる非多孔質膜を用いている。この構成によれば、多孔質基材を気液分離部として機能させ、ここを透過した気体のうち二酸化炭素が、非多孔質膜により選択的に透過するようにすることができる。ここで、非多孔質膜は、たとえば、フッ素樹脂を含む構成とすることができる。   In addition, as another example of the gas permeable membrane 336, a gas-liquid separation filter including a porous base material and the non-porous membrane formed by coating the surface of the porous base material with a carbon dioxide selective permeable material. Can be used. Since the non-porous membrane is desired to allow carbon dioxide to pass through efficiently, it is preferable to reduce the thickness to some extent. For example, the average thickness is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less. In the case of such a thin film, it is difficult to produce by molding like a porous PTFE filter. Therefore, in the above configuration, a non-porous film formed by coating the surface of the porous substrate with a carbon dioxide permselective material is used. According to this configuration, the porous base material can function as a gas-liquid separator, and carbon dioxide can be selectively permeated through the non-porous membrane out of the gas permeated therethrough. Here, the non-porous film can be configured to contain, for example, a fluororesin.

このように、ガス透過膜336として、二酸化炭素を選択的に透過し、燃料ガス124bを透過しない材料を用いることにより、電極反応で発生した二酸化炭素を燃料極タンク662から外部へ排出することができる。一方、燃料ガス124bは、ガス透過膜336を通過しないため、未反応の燃料ガス124bが外部に排出されてしまうのを防ぐことができる。余剰の燃料ガス124bは、燃料極タンク662の壁面等において液滴となるが、この液滴は一定の大きさ以上に成長すると、壁面を伝って落下し、燃料収容部676に回収され、再利用される。   As described above, by using a material that selectively permeates carbon dioxide and does not permeate the fuel gas 124b as the gas permeable membrane 336, the carbon dioxide generated by the electrode reaction can be discharged from the fuel electrode tank 662 to the outside. it can. On the other hand, since the fuel gas 124b does not pass through the gas permeable membrane 336, it is possible to prevent the unreacted fuel gas 124b from being discharged to the outside. The surplus fuel gas 124b becomes droplets on the wall surface of the fuel electrode tank 662 and the like, but when the droplet grows to a certain size or more, it drops along the wall surface, is collected in the fuel storage unit 676, and is re-applied. Used.

酸化剤極108において、筐体338に設けられた吸気口339から酸化剤126が導入され、同じく筐体338に設けられた排気口340から排出される。   In the oxidant electrode 108, the oxidant 126 is introduced from an intake port 339 provided in the housing 338, and is discharged from an exhaust port 340 provided in the housing 338.

図7は、図6に示した燃料供給処理部674の他の例を示す図である。ここで、燃料電池システム660は、燃料収容部およびガス化処理部をそれぞれ二つずつ備えた構成とすることができる。   FIG. 7 is a diagram showing another example of the fuel supply processing unit 674 shown in FIG. Here, the fuel cell system 660 may be configured to include two fuel storage units and two gasification processing units.

図7の燃料電池において、第一ガス化処理部335aおよび第二ガス化処理部335bは、それぞれ第一燃料収容部676aおよび第二燃料収容部676bに配設されている。第一ガス化処理部335aおよび第二ガス化処理部335bは、それぞれ第一燃料収容部676aおよび第二燃料収容部676bに振動を伝えることにより、それぞれ第一成分481および第二成分483をガス化する。ガス化された成分は燃料極タンク662に導入される。第一ガス化処理部335aおよび第二ガス化処理部335bは、それぞれ第一インバータ461aおよび第二インバータ461bに接続しており、制御部672によってそれぞれのガス化量が制御される。   In the fuel cell of FIG. 7, the first gasification processing unit 335a and the second gasification processing unit 335b are disposed in the first fuel storage unit 676a and the second fuel storage unit 676b, respectively. The first gasification processing unit 335a and the second gasification processing unit 335b transmit vibrations to the first fuel storage unit 676a and the second fuel storage unit 676b, respectively, and thereby gas the first component 481 and the second component 483, respectively. Turn into. The gasified component is introduced into the fuel electrode tank 662. The first gasification processing unit 335a and the second gasification processing unit 335b are connected to the first inverter 461a and the second inverter 461b, respectively, and the respective gasification amounts are controlled by the control unit 672.

たとえば、第一成分481および第二成分483はそれぞれ水および高濃度のメタノール水溶液とすることができる。この場合、制御部672による制御は、次のように行われる。制御部672は、濃度測定部670からの出力に基づき、燃料極タンク662中の燃料ガス124bのアルコール濃度が適正範囲内であるか否かを判断する。燃料ガス124bのアルコール濃度が適正範囲より低い場合、第二燃料収容部676bからの第二成分483のガス化量を増加させる。一方、燃料ガス124bのアルコール濃度が適正範囲より高い場合、第一燃料収容部676aからの第一成分481のガス化量を増加させる。   For example, the first component 481 and the second component 483 can be water and a highly concentrated aqueous methanol solution, respectively. In this case, the control by the control unit 672 is performed as follows. Based on the output from the concentration measurement unit 670, the control unit 672 determines whether or not the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 is within an appropriate range. When the alcohol concentration of the fuel gas 124b is lower than the appropriate range, the gasification amount of the second component 483 from the second fuel storage portion 676b is increased. On the other hand, when the alcohol concentration of the fuel gas 124b is higher than the appropriate range, the gasification amount of the first component 481 from the first fuel storage portion 676a is increased.

ここで、二酸化炭素だけは酸化剤極108へ移動しないため、燃料極タンク662から排出することが必要となる。上述のように、従来のダイレクトメタノール型燃料電池においては、燃料極に二酸化炭素の気泡が滞留して上記反応式(1)の反応進行を阻害することがあった。これに対し、有機液体燃料124aをガス化して供給する本実施の形態の燃料電池システム660においては、気泡が生成するほどの液体が燃料極タンク662に存在しないため、二酸化炭素の気泡が形成されにくい。その結果、二酸化炭素は、燃料極102表面に留まることがない。図6に示したように、燃料極タンク662にガス透過膜336を設けておけば、二酸化炭素を効率よく外部に排出することもできる。これにより、上記反応式(1)の反応が安定的に進行し、安定した出力が得られる。   Here, since only carbon dioxide does not move to the oxidant electrode 108, it is necessary to discharge it from the fuel electrode tank 662. As described above, in the conventional direct methanol fuel cell, bubbles of carbon dioxide may remain in the fuel electrode, thereby inhibiting the progress of the reaction of the reaction formula (1). On the other hand, in the fuel cell system 660 of the present embodiment in which the organic liquid fuel 124a is gasified and supplied, there is no liquid in the fuel electrode tank 662 to generate bubbles, so that carbon dioxide bubbles are formed. Hateful. As a result, carbon dioxide does not stay on the surface of the fuel electrode 102. As shown in FIG. 6, if the gas permeable membrane 336 is provided in the fuel electrode tank 662, the carbon dioxide can be efficiently discharged to the outside. Thereby, reaction of the said Reaction formula (1) advances stably, and the stable output is obtained.

なお、燃料供給処理部674は、燃料収容部およびガス化処理部をそれぞれ3つ以上備えた構成とすることができる。   The fuel supply processing unit 674 can be configured to include three or more fuel storage units and gasification processing units.

図8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、燃料極タンク662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。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the concentration measuring unit 670 in detail.
The concentration measuring unit 670 is based on a resistance measuring unit (R / O) 682 that measures a resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 and a resistance value measured by the resistance measuring unit 682. A concentration calculation unit (S / O) 684 that calculates the alcohol concentration in the fuel electrode tank 662, and a reference showing the relationship between the resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 and the methanol concentration A reference data storage unit 685 for storing data. As the resistance measuring unit 682, for example, an AC impedance meter having a bridge can be used. The resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 can be measured using an alternating current with a low amplitude of 20 mV or less. The concentration calculation unit 684 refers to the reference data storage unit 685 and calculates the methanol concentration from the resistance value measured by the concentration calculation unit 684 based on the reference data.

また、図9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(1)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中に含まれる二酸化炭素の濃度に応じて燃料極タンク662内の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、燃料極タンク662内の温度およびpHも考慮して燃料ガス124b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、燃料極タンク662内の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8)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、燃料極タンク662中の温度やpHをも考慮して燃料ガス124b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。   In addition, as shown in FIG. 9, the fuel cell system 660 may further include a pH sensor 686 and a temperature sensor 688. As shown in the above formula (1), carbon dioxide is generated at the fuel electrode 102. Therefore, the pH in the fuel electrode tank 662 may change depending on the concentration of carbon dioxide contained in the fuel electrode tank 662. Since the proton conductivity of the polymer membrane 665 may depend on temperature and pH, the concentration measuring unit 670 measures the methanol concentration in the fuel gas 124b in consideration of the temperature and pH in the fuel electrode tank 662. Is preferred. The pH sensor 686 and the temperature sensor 688 measure the pH and temperature in the anode tank 662, respectively. The reference data storage unit 685 (FIG. 8) can store the relationship between the resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 and the methanol concentration for each temperature and each pH. Further, the reference data storage unit 685 can store a correction formula for the relationship between the resistance value between the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 and the methanol concentration for each temperature and each pH. In this way, the concentration measuring unit 670 can measure the methanol concentration of the fuel gas 124b in consideration of the temperature and pH in the fuel electrode tank 662, and can accurately measure the methanol concentration.

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。   As the temperature sensor 688, a thermocouple, a metal resistance temperature detector, a thermistor, an IC temperature sensor, a magnetic temperature sensor, a thermopile, a pyroelectric temperature sensor, or the like can be used. As the pH sensor 686, a commercially available pH meter can be used. When a pH meter having a temperature measurement function is used, the pH sensor 686 and the temperature sensor 688 can be formed integrally.

図10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10(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10(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10(c)に示すように、膜状の温度センサ688(またはpHセンサ686)を高分子膜665に貼り付けた構成とすることもできる。   FIG. 10 shows a diagram in which the temperature sensor 688 (or the pH sensor 686) and the sensor 668 are integrally formed. As shown in FIG. 10 (a), the sensor 668 may have a configuration in which a temperature sensor 688 (or pH sensor 686) is attached to the surface of the polymer film 665, or as shown in FIG. 10 (b). The temperature sensor 688 may be embedded in the polymer film 665. Further, as shown in FIG. 10C, the sensor 668 may be configured such that a film-like temperature sensor 688 (or pH sensor 686) is attached to the polymer film 665.

さらに、図11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、燃料極タンク662内のアルコール濃度、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を考慮して燃料ガス124bのアルコール濃度を検出することができる。   Furthermore, as shown in FIG. 11, by using a combination of a plurality of sensors 668a, 668b, and 668c each including three or more types of polymer membranes having different proton conductivity depending on temperature and pH, alcohol in the anode tank 662 is used. Concentration, temperature, and pH can also be measured. Examples of combinations of such polymer membranes include (1) sulfonic acid group-containing polyperfluorocarbons such as Nafion, (2) sulfonic acid group-containing polyether ketones such as polyetheretherketone (PEEK), and (3) sulfone. An acid group polystyrene copolymer can be used. In this case, the concentration measurement unit 670 can include a plurality of resistance measurement units 682a, 682b, and 682c that measure the resistance values of the sensors 668a, 668b, and 668c, respectively. The concentration calculation unit 684 can detect the alcohol concentration of the fuel gas 124b based on the resistance values measured by the plurality of resistance measurement units 682a, 682b, and 682c in consideration of temperature and pH.

さらに、たとえば図9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燃料極タンク662中の燃料ガス124bのアルコール濃度およびpHを測定することもできる。   Furthermore, for example, as shown in FIG. 9, the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 can be obtained by using a temperature sensor 688 and using a combination of two or more polymer membranes having different proton conductivity depending on pH. And pH can also be measured.

また、図12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、図13に示すように、センサ668は、燃料電池本体100の固体高分子電解質膜114の一部を図1に示した高分子膜665として用いた構成とすることもできる。   Further, as shown in FIG. 12, the sensor 668 may be provided on the wall portion of the fuel electrode tank 662. Further, as shown in FIG. 13, the sensor 668 may have a configuration in which a part of the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell main body 100 is used as the polymer membrane 665 shown in FIG. 1.

図14は、図12および図13に示した構成のセンサ668の変形例を示す図である。図14(a)は、図12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、燃料極タンク662中の燃料ガス124bと直接接しないように、燃料極タンク662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が燃料極タンク662中の燃料ガス124bと接する構成とすれば、第1の電極端子666および第2の電極端子667が燃料極タンク662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が燃料ガス124bと常時接触しないため、第1の電極端子666および第2の電極端子667が燃料ガス124b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。   FIG. 14 is a view showing a modification of the sensor 668 having the configuration shown in FIGS. 12 and 13. FIG. 14A shows a modification of the sensor 668 shown in FIG. In the sensor 668, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 may be provided outside the anode tank 662 so as not to directly contact the fuel gas 124 b in the anode tank 662. it can. If the polymer film 665 is in contact with the fuel gas 124 b in the fuel electrode tank 662, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are not provided in the fuel electrode tank 662. The resistance value between the electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 can be detected. With such a configuration, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are not always in contact with the fuel gas 124b, and therefore the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are corroded by the fuel gas 124b. Can be prevented. Thereby, the 1st electrode terminal 666 and the 2nd electrode terminal 667 can be kept stable.

図14(b)は、図13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中の燃料ガス124bと直接接しないように、固体高分子電解質膜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。   FIG. 14B shows a modification of the sensor 668 shown in FIG. Here, in the sensor 668, the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are not in direct contact with the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662, and the oxidant electrode 108 side of the solid polymer electrolyte membrane 114. It can be set as the structure provided in. Thereby, the 1st electrode terminal 666 and the 2nd electrode terminal 667 can be kept stable.

なお、以上の例では、燃料供給処理部674から直接燃料極タンク662に燃料ガス124bが供給される形態を示したが、燃料ガス124bは、バッファタンク664を介して燃料極タンク662に供給される形態とすることもできる。図15は、燃料ガス124bがバッファタンク664を介して燃料極タンク662に供給される形態を示す模式図である。この場合、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、圧電ポンプを介して燃料ガス124bが循環可能な構成とすることができる。ここで、図15では、センサ668がバッファタンク664内に設けられた構成としているが、センサ668は、燃料極タンク662に設けた構成とすることもできる。また、センサ668は、容器間を結ぶ配管中に設けた構成とすることもできる。   In the above example, the fuel gas 124b is supplied directly from the fuel supply processing unit 674 to the fuel electrode tank 662. However, the fuel gas 124b is supplied to the fuel electrode tank 662 via the buffer tank 664. It can also be set as a form. FIG. 15 is a schematic diagram showing a mode in which the fuel gas 124 b is supplied to the fuel electrode tank 662 via the buffer tank 664. In this case, although not shown, the buffer tank 664 and the fuel electrode tank 662 can be configured such that the fuel gas 124b can be circulated through the piezoelectric pump. Here, in FIG. 15, the sensor 668 is provided in the buffer tank 664, but the sensor 668 may be provided in the fuel electrode tank 662. Further, the sensor 668 may be provided in a pipe connecting the containers.

次に、図16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16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および固体高分子電解質膜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を介して燃料ガス124b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。   Next, the configuration of the fuel cell main body 100 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. The fuel cell main body 100 has one or a plurality of single cell structures 101. FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing the single cell structure 101. Each single cell structure 101 includes a fuel electrode 102, an oxidant electrode 108 and a solid polymer electrolyte membrane 114. In the fuel cell main body 100, the fuel gas 124 b is supplied to the fuel electrode 102 of the single cell structure 101 through the fuel electrode side separator 120. Further, the oxidant 126 is supplied to the oxidant electrode 108 of each single cell structure 101 via the oxidant electrode side separator 122.

固体高分子電解質膜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、固体高分子電解質膜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。   The solid polymer electrolyte membrane 114 has a role of separating the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 and moving hydrogen ions between them. For this reason, it is preferable that the solid polymer electrolyte membrane 114 is a membrane with high hydrogen ion conductivity. Further, it is preferably chemically stable and has high mechanical strength.

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13に示す構成とする場合、固体高分子電解質膜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。   The fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 respectively form a fuel electrode side catalyst layer 106 and an oxidant electrode side catalyst layer 112 containing carbon particles carrying a catalyst and solid electrolyte fine particles on the substrate 104 and the substrate 110, respectively. Can be configured. Examples of the catalyst include platinum and an alloy of platinum and ruthenium. The catalyst for the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 may be the same or different. When the fuel cell system 660 has the configuration shown in FIG. 13, a region in the solid polymer electrolyte membrane 114 where the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112 are not provided is referred to as a polymer membrane 665. Use.

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。   By stacking the single cell structures 101 configured as described above, a fuel cell main body 100 including a fuel cell stack in which a plurality of single cell structures 101 are connected in series can be obtained.

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燃料ガス124bのアルコール濃度を測定することができる。   According to the fuel cell system 660 in the present embodiment, the alcohol concentration of the fuel gas 124b is measured with a simple configuration in which the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 are simply attached to the polymer film 665. Can do.

(第二の実施の形態)
図17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。
(Second embodiment)
FIG. 17 is a diagram showing an example of the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, a cartridge 678 is attached to the fuel cell system 660.

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。   The cartridge 678 is configured to include a buffer tank 664 and a fuel storage portion 676. On the main body side 679 of the fuel cell system 660, a fuel cell main body 100, a fuel electrode tank 662, a fuel supply processing unit 674, a concentration measuring unit 670, and a control unit 672 are provided. The same components as those described in the first embodiment with reference to FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.

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に含まれる有機液体燃料124aをガス化し、バッファタンク664に燃料ガス124bを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から燃料ガス124bを導入可能に構成される。   Here, the fuel supply processing unit 674 is configured to gasify the organic liquid fuel 124a included in the fuel storage unit 676 of the cartridge 678 and supply the fuel gas 124b to the buffer tank 664 when the cartridge 678 is attached. The In the cartridge 678, the buffer tank 664 includes a sensor 668. On the main body side 679, the concentration measurement unit 670 has terminals (not shown) that are electrically connected to the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 of the sensor 668 when the cartridge 678 is attached. Provided. The fuel electrode tank 662 is configured such that the fuel gas 124 b can be introduced from the buffer tank 664.

図18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17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。   FIG. 18 is a schematic diagram showing a buffer tank 664 in the cartridge 678 and a fuel electrode tank 662 on the main body side 679. The fuel electrode tank 662 is provided with a fuel supply port 643, and the buffer tank 664 has a fitting portion 647 that fits with the fuel supply port 643 of the fuel electrode tank 662. On the side wall of the cartridge body 645, an electrode terminal 666a and an electrode terminal 667a that are electrically connected to the first electrode terminal 666 and the second electrode terminal 667 of the sensor 668, respectively, are provided. Here, the fuel cell main body 100 further includes an insulating sheet 130, a fuel electrode side current collector 132, and an oxidant electrode side current collector 134 in addition to the configuration shown in FIG. 17.

また、図19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20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部分をシール等で覆う構成とし、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。   Further, as shown in FIG. 19, the sensor 668 may be provided in the fuel electrode tank 662 on the main body side 679. Furthermore, as shown in FIG. 20, the fuel cell system 660 may be configured such that the cartridge 678 including only the fuel storage portion 676 can be removed. Although not shown, the cartridge 678 may include a valve. In addition, the sensor 668 can be provided on the wall portion of the cartridge 678. In this case, the sensor 668 exposed outside the cartridge 678 can be covered with a seal or the like, and the seal can be removed before being attached to the main body side 679. Thereby, it is possible to prevent liquid fuel from leaking from the cartridge 678 before the cartridge 678 is attached to the main body side 679.

本実施の形態における燃料電池システム660によれば、有機液体燃料124aを含むカートリッジを取り付けた場合における燃料ガス124bのアルコール濃度を検出することができる。   According to the fuel cell system 660 in the present embodiment, it is possible to detect the alcohol concentration of the fuel gas 124b when a cartridge containing the organic liquid fuel 124a is attached.

(実施例1)
ガス化処理部335として超音波振動型霧化ユニットを使用した。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Pt端子(幅約6mm角)を取り付けたセンサ668を準備した。容器内にメタノール濃度を変化させて水−メタノール混合ガスを導入し、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。
(Example 1)
An ultrasonic vibration type atomization unit was used as the gasification processing unit 335. As the polymer film 665, a Nafion N112 film (manufactured by DuPont, thickness of about 50 μm, width of about 5 mm, length of about 60 mm) is used, and Pt terminals (width of about 6 mm square) are formed on the surfaces of both ends of the polymer film 665 in the length direction. ) To which a sensor 668 was attached was prepared. The methanol-concentration was changed in the container to introduce a water-methanol mixed gas, and the resistance value between the electrodes was measured using an alternating current with a low amplitude of 10 mV or less using an alternating current impedance meter equipped with a bridge.

図21は、燃料極タンク662のメタノール透過量と抵抗値との関係を示す図である。ここで、水−メタノール混合ガスの湿度は100%とした。図21に示すように、メタノール透過量と抵抗値とはほぼ直線関係にあった。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。   FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the amount of methanol permeated through the fuel electrode tank 662 and the resistance value. Here, the humidity of the water-methanol mixed gas was 100%. As shown in FIG. 21, the methanol permeation amount and the resistance value were in a substantially linear relationship. Thus, by utilizing the change in proton conductivity of the polymer membrane 665, the alcohol concentration could be detected with high accuracy.

(実施例2)
まず、図16に示したのと同様の燃料電池本体100を作製した。燃料極側触媒層106および酸化剤極側触媒層112中に含まれる触媒として、炭素微粒子(デンカブラック;電気化学社製)に粒子径3〜5nmの白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金を重量比で50%担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は50at%Ruで、合金と炭素微粉末の重量比は1:1とした。この触媒担持炭素微粒子1gにアルドリッチ・ケミカル社製5wt%ナフィオン溶液18mlを加え、50℃にて3時間超音波混合機で攪拌し触媒ペーストとした。このペーストを、ポリテトラフルオロエチレンで撥水処理させたカーボンペーパー(東レ製:TGP−H−120)上にスクリーン印刷法で2mg/cm塗布し、120℃で乾燥させて燃料極102および酸化剤極108とした。次に、1枚の固体高分子電解質膜114(デュポン社製ナフィオン(登録商標)、膜厚150μm)に対し、上記で得た燃料極102および酸化剤極108を120℃で熱圧着して燃料電池本体100を作製した。
(Example 2)
First, a fuel cell main body 100 similar to that shown in FIG. 16 was produced. As a catalyst contained in the fuel electrode side catalyst layer 106 and the oxidant electrode side catalyst layer 112, platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy having a particle diameter of 3 to 5 nm is applied to carbon fine particles (Denka Black; manufactured by Denki Kagaku). Catalyst-supported carbon fine particles supported by 50% by weight were used. The alloy composition was 50 at% Ru, and the weight ratio of the alloy to the carbon fine powder was 1: 1. 18 g of 5 wt% Nafion solution manufactured by Aldrich Chemical Co. was added to 1 g of the catalyst-supporting carbon fine particles, and the mixture was stirred with an ultrasonic mixer at 50 ° C. for 3 hours to obtain a catalyst paste. 2 mg / cm 2 of this paste was applied by screen printing on carbon paper (Toray: TGP-H-120) treated with water-repellent treatment with polytetrafluoroethylene and dried at 120 ° C. The agent electrode 108 was obtained. Next, the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 108 obtained above were thermocompression bonded at 120 ° C. to a single solid polymer electrolyte membrane 114 (Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, film thickness 150 μm). A battery body 100 was produced.

このようにして作製した燃料電池本体100をステンレス製の筐体内に固定し、燃料ガスのメタノール濃度を変えて出力を測定した。なお、酸化剤極108への酸化剤の供給は、空気の自然吸気とした。その結果を表1に示す。   The fuel cell main body 100 thus manufactured was fixed in a stainless steel case, and the output was measured by changing the methanol concentration of the fuel gas. The supply of the oxidant to the oxidant electrode 108 was natural air intake. The results are shown in Table 1.

Figure 2005100864
Figure 2005100864

(比較例)
実施例2と同様にして燃料電池本体100を作製した。燃料電池本体100をステンレス製の筐体内に固定し、有機液体燃料のメタノール濃度を変えて出力を測定した。その結果を表2に示す。
(Comparative example)
A fuel cell main body 100 was produced in the same manner as in Example 2. The fuel cell main body 100 was fixed in a stainless steel casing, and the output was measured by changing the methanol concentration of the organic liquid fuel. The results are shown in Table 2.

Figure 2005100864
Figure 2005100864

表2に示すように、燃料極102に供給する燃料として、有機液体燃料を用いた場合、メタノール濃度が高くなると(15体積%)、クロスオーバーが生じ、出力が大幅に低下してしまう。一方、燃料として燃料ガスを用いた場合、メタノール濃度が高くなっても(15体積%)、出力の低下は見られなかった。しかし、燃料ガスを用いた場合でも、さらにメタノール濃度を高くすると(20体積%)、出力が低下することが判明した。このように、燃料ガスを用いた場合でも、高出力を得るために適正なアルコールの濃度範囲があることが示された。   As shown in Table 2, when an organic liquid fuel is used as the fuel to be supplied to the fuel electrode 102, when the methanol concentration is high (15% by volume), a crossover occurs and the output is greatly reduced. On the other hand, when fuel gas was used as the fuel, even if the methanol concentration was high (15% by volume), no reduction in output was observed. However, it has been found that even when fuel gas is used, the output decreases when the methanol concentration is further increased (20% by volume). Thus, even when fuel gas was used, it was shown that there was an appropriate alcohol concentration range in order to obtain high output.

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。   The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are within the scope of the present invention. is there.

以上の実施の形態においては、燃料ガス124b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を含むセンサ668を用いて燃料ガス124bのアルコール濃度を測定する形態を説明したが、燃料ガス124b中のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を含むセンサを用いて燃料ガス124bのアルコール濃度を測定することもできる。   In the above embodiment, the embodiment has been described in which the alcohol concentration of the fuel gas 124b is measured using the sensor 668 including a material whose proton conductivity changes according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b. It is also possible to measure the alcohol concentration of the fuel gas 124b using a sensor including a material whose dimensions change according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b.

図22は、燃料ガス124b中のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を含むセンサ698を示す図である。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。   FIG. 22 is a diagram showing a sensor 698 that includes a material whose dimensions change depending on the alcohol concentration in the fuel gas 124b. The sensor 698 may include a polymer film 694 and a strain gauge 695 disposed on the polymer film 694, and the surface of the strain gauge 695 may be covered with a waterproof film 712. An electrical signal from the strain gauge 695 can be extracted from the wiring 713a and the wiring 713b.

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、燃料極タンク662中の燃料ガス124bのアルコール濃度を測定する。   The strain gauge 695 is attached to the surface of the polymer film 694 or embedded therein. The strain gauge 695 can also be configured integrally with the polymer film 694. The strain gauge 695 may have any configuration. For example, a Wheatstone bridge circuit may be configured by four strain gauges, and the first terminal 696 and the second terminal may be configured by using a resistance change of the strain gauge due to strain as an electrical signal. 697 can be taken out. The concentration measuring unit 670 measures the alcohol concentration of the fuel gas 124b in the fuel electrode tank 662 based on the resistance value between the first terminal 696 and the second terminal 697.

高分子膜694は、燃料ガス124b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、固体高分子電解質膜114と同様の材料により構成することができる。   The polymer membrane 694 can be made of any material as long as the material changes in size according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b. For example, the polymer membrane 694 is made of the same material as the solid polymer electrolyte membrane 114. can do.

また、センサ698は、図23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。   In addition, as shown in FIG. 23, the sensor 698 can have a structure in which a first terminal 696 and a second terminal 697 are provided on a quartz 722 attached to the surface of the polymer film 694. In this case, the concentration measuring unit 670 changes the transmission frequency from the first terminal 696 of the sensor 698, transmits a microwave or the like, receives the reflected wave from the second terminal 697, and increases the frequency according to the resonance frequency characteristic. A change in the size of the molecular film 694 can be detected.

図24は、燃料ガス124b中のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を含むセンサの他の例を示す図である。
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。図24(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24(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、濃度測定部670に電気的に接続される。
FIG. 24 is a diagram illustrating another example of a sensor including a material whose dimensions change according to the alcohol concentration in the fuel gas 124b.
The sensor 704 is a capacitor including a first electrode 701 and a second electrode 702. 24A is a side view of the polymer film 700 and the first electrode 701 and the second electrode 702 that sandwich the polymer film 700, and FIG. 24B shows the sensor 704 as the first electrode. It is the top view seen from the 701 side. The first electrode 701 and the second electrode 702 are electrically connected to the concentration measurement unit 670 via a wiring 714a and a wiring 714b, respectively.

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、燃料ガス124b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)等が例示される。また、上述したような燃料電池本体100の固体高分子電解質膜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。   In the sensor 704, the first electrode 701 and the second electrode 702 sandwich the polymer film 700. In this case, the polymer film 700 is made of an insulating material. The polymer film 700 can be made of any material as long as it is insulative and its dimensions change according to the alcohol concentration of the fuel gas 124b. Examples of the polymer film 700 include aromatic polyether, polyphenylene sulfide, polyimide, polyphosphazene, trifluorostyrene copolymer (BAM3G, manufactured by Ballard), and the like. In addition, the polymer membrane having a sulfonic acid group used as the solid polymer electrolyte membrane 114 of the fuel cell main body 100 as described above is irradiated with an electron beam, UV, X-rays, or immersed in a salt to obtain an insulating property. It is also possible to use what has been done.

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。It is a figure which shows an example of a structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. センサを詳細に示す図である。It is a figure which shows a sensor in detail. センサの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a sensor. センサのまた他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a sensor. センサのまた他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a sensor. 燃料供給処理部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a fuel supply process part. 燃料供給処理部の構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a fuel supply process part. 図1に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。It is a figure which shows the structure of the density | concentration measurement part shown in FIG. 1 in detail. 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。It is a figure which shows the structure of the fuel cell system which further contains a pH sensor and a temperature sensor. センサの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a sensor. 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。It is a figure which shows the density | concentration measurement part of the structure which combined the 3 or more types of polymer film from which the change of the electrical resistance with respect to temperature and pH differs. 燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a fuel cell system. 燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a fuel cell system. センサの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a sensor. 燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a fuel cell system. 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。It is sectional drawing which showed typically the single cell structure of the fuel cell main body. 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。It is a figure which shows an example of a structure of the fuel cell system in embodiment of this invention. 図17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。It is a schematic diagram which shows the buffer tank in the cartridge shown in FIG. 17, and the fuel electrode tank in a main body side. 燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a fuel cell system. 燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a fuel cell system. 燃料極タンクのメタノール透過量と抵抗値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the methanol permeation amount of a fuel electrode tank, and resistance value. センサの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a sensor. センサの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a sensor. センサの構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a structure of a sensor.

符号の説明Explanation of symbols

100 燃料電池本体
101 単セル構造
102 燃料極
104 基体
106 燃料極側触媒層
108 酸化剤極
110 基体
112 酸化剤極側触媒層
114 固体高分子電解質膜
120 燃料極側セパレータ
122 酸化剤極側セパレータ
124a 有機液体燃料
124b 燃料ガス
126 酸化剤
130 絶縁シート
132 燃料極側集電体
134 酸化剤極側集電体
335 ガス化処理部
336 ガス透過膜
338 筐体
339 吸気口
340 排気口
341 貫通口
461 インバータ
481 第1燃料成分
483 第2燃料成分
643 燃料供給口
645 カートリッジ本体
647 嵌合部
660 燃料電池システム
662 燃料極タンク
664 バッファタンク
665 高分子膜
666 第1の電極端子
666a 電極端子
667 第2の電極端子
667a 電極端子
668 センサ
668a、668b、668c センサ
670 濃度測定部
672 制御部
674 燃料供給処理部
675 回収処理部
676 燃料収容部
676a 第1の燃料収容部
676b 第2の燃料収容部
678 カートリッジ
679 本体側
680 警告提示部
682 抵抗測定部
682a、682b、682c 抵抗測定部
684 濃度算出部
685 参照データ記憶部
686 pHセンサ
688 温度センサ
694 高分子膜
695 ストレインゲージ
696 第1の端子
697 第2の端子
698 センサ
700 高分子膜
701 第1の電極
702 第2の電極
704 センサ
710a、710b、710c、710d 配線
711 導電性ペースト
712 防水フィルム
713a、713b 配線
714a、714b 配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Fuel cell main body 101 Single cell structure 102 Fuel electrode 104 Base 106 Fuel electrode side catalyst layer 108 Oxidant electrode 110 Base body 112 Oxidant electrode side catalyst layer 114 Solid polymer electrolyte membrane 120 Fuel electrode side separator 122 Oxidant electrode side separator 124a Organic liquid fuel 124b Fuel gas 126 Oxidant 130 Insulating sheet 132 Fuel electrode side current collector 134 Oxidant electrode side current collector 335 Gasification processing unit 336 Gas permeable membrane 338 Housing 339 Inlet port 340 Exhaust port 341 Through port 461 Inverter 481 First fuel component 483 Second fuel component 643 Fuel supply port 645 Cartridge body 647 Fitting portion 660 Fuel cell system 662 Fuel electrode tank 664 Buffer tank 665 Polymer film 666 First electrode terminal 666a Electrode terminal 667 Second electrode Terminal 667a Electrode terminal 668 668a, 668b, 668c Sensor 670 Concentration measurement unit 672 Control unit 674 Fuel supply processing unit 675 Recovery processing unit 676 Fuel storage unit 676a First fuel storage unit 676b Second fuel storage unit 678 Cartridge 679 Main body side 680 Warning presentation unit 682 Resistance measurement unit 682a, 682b, 682c Resistance measurement unit 684 Concentration calculation unit 685 Reference data storage unit 686 pH sensor 688 Temperature sensor 694 Polymer film 695 Strain gauge 696 First terminal 697 Second terminal 698 Sensor 700 Polymer film 701 First electrode 702 Second electrode 704 Sensor 710a, 710b, 710c, 710d Wiring 711 Conductive paste 712 Waterproof film 713a, 713b Wiring 714a, 714b Wiring

Claims (21)

アルコールガスを燃料として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、
前記アルコールガスを含む容器と、
前記容器中の前記アルコールガス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。
A fuel cell system using alcohol gas as fuel,
A fuel cell main body including a solid polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode and an oxidizer electrode disposed on the solid polymer electrolyte membrane;
A container containing the alcohol gas;
A concentration detector for detecting the alcohol concentration of the alcohol gas in the container;
A fuel cell system comprising:
請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部は、プロトン伝導性を有し、前記容器内に設けられた高分子膜を含み、前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記容器中の前記アルコールガス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。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
The concentration detector has proton conductivity, includes a polymer membrane provided in the container, and determines the alcohol concentration of the alcohol gas in the container based on a change in proton conductivity of the polymer membrane. A fuel cell system for detecting.
請求項2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アルコールガス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。
The fuel cell system according to claim 2, wherein
The concentration detection unit includes a pair of electrode terminals disposed on the polymer film, a resistance measurement unit that measures a resistance value between the electrode terminals, and the alcohol gas based on the resistance value measured by the resistance measurement unit. And a concentration calculation unit for calculating the alcohol concentration of the fuel cell system.
請求項3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。
The fuel cell system according to claim 3, wherein
In the concentration detection unit, the electrode terminal is provided outside the container.
請求項3または4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。
The fuel cell system according to claim 3 or 4,
The fuel cell system, wherein the concentration detector has a hydrophobic film covering the electrode terminal.
請求項2乃至5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は前記容器中に設けられ、
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。
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5,
The solid polymer electrolyte membrane is provided in the container;
A fuel cell system, wherein a part of the solid polymer electrolyte membrane is used as the polymer membrane.
請求項2乃至6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、前記容器中の前記アルコールガスの温度又はpHを考慮して、前記アルコールガス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。
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 6,
Including a plurality of polymer membranes having different proton conductivities with respect to temperature or pH;
The concentration detector detects the alcohol concentration of the alcohol gas in consideration of the temperature or pH of the alcohol gas in the container based on a change in proton conductivity of each of the plurality of polymer membranes. A fuel cell system.
請求項2乃至7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。
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 7,
The fuel cell system, wherein the polymer membrane includes a protonic acid group.
請求項2乃至8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。
The fuel cell system according to any one of claims 2 to 8,
The fuel cell system, wherein the polymer membrane is crosslinked.
請求項1乃至9いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
アルコールを含む液体燃料をガス化するガス化手段をさらに含み、ガス化した前記アルコールガスが前記容器に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9,
A fuel cell system, further comprising gasification means for gasifying a liquid fuel containing alcohol, wherein the gasified alcohol gas is supplied to the container.
請求項10に記載の燃料電池システムにおいて、
前記濃度検出部が検出したアルコール濃度に応じて、前記ガス化手段の駆動を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 10, wherein
The fuel cell system further comprising a control unit that controls driving of the gasification means in accordance with the alcohol concentration detected by the concentration detection unit.
請求項10または11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るとともに前記液体燃料を収容するカートリッジをさらに含み、
前記ガス化手段は、前記カートリッジに収容された前記液体燃料をガス化することを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 10 or 11,
The cartridge further includes a cartridge configured to be removable from the fuel cell main body and containing the liquid fuel,
The fuel cell system characterized in that the gasification means gasifies the liquid fuel contained in the cartridge.
請求項10または11に記載の燃料電池システムにおいて、
アルコール濃度が異なる液体燃料をそれぞれ収容する複数の液体燃料収容部をさらに含み、
前記ガス化手段は、前記液体燃料毎に、前記液体燃料をガス化させることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 10 or 11,
It further includes a plurality of liquid fuel storage portions that respectively store liquid fuels having different alcohol concentrations,
The fuel gas system, wherein the gasification means gasifies the liquid fuel for each liquid fuel.
請求項13に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液体燃料収容部は、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であることを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 13, wherein
The fuel cell system according to claim 1, wherein the liquid fuel container is a cartridge configured to be detachable from the fuel cell main body.
請求項1乃至14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アルコールガス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。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 14,
Further comprising a temperature sensor for measuring the temperature in the container;
The fuel cell system, wherein the concentration detector corrects an alcohol concentration of the alcohol gas in the container according to a temperature measured by the temperature sensor.
請求項1乃至15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アルコールガス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。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 15,
A pH measurement unit for measuring pH in the container;
The concentration detection unit corrects the alcohol concentration of the alcohol gas in the container according to the pH measured by the pH measurement unit.
請求項1乃至16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アルコールガス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。
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 16,
A warning presenting section for presenting warnings;
A control unit that instructs the warning presenting unit to present a warning when the alcohol concentration of the alcohol gas in the container detected by the concentration detecting unit is outside a predetermined range;
The fuel cell system further comprising:
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、アルコールを含むガス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、前記ガス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。
A device for measuring alcohol concentration,
A polymer membrane having proton conductivity and having proton conductivity changed according to the alcohol concentration in the gas containing alcohol;
Based on a change in proton conductivity of the polymer membrane, a concentration detector that detects an alcohol concentration in the gas;
An alcohol concentration measuring device comprising:
請求項18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、前記伝導度測定部が測定した抵抗値を前記ガス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。
The alcohol concentration measuring apparatus according to claim 18,
The concentration detection unit includes a pair of electrode terminals disposed on the polymer film, a resistance measurement unit that measures a resistance value between the electrode terminals, and a resistance value measured by the conductivity measurement unit in the gas. And an alcohol concentration measuring device for converting the alcohol concentration into an alcohol concentration measuring device.
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ガスを含む容器にプロトン伝導性を有する高分子膜を導入する工程と、
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、前記アルコールガス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。
A method for measuring alcohol concentration,
Introducing a polymer film having proton conductivity into a container containing alcohol gas to be measured;
Detecting a change in proton conductivity of the polymer membrane;
Detecting the alcohol concentration of the alcohol gas based on the change in proton conductivity;
A method for measuring an alcohol concentration, comprising:
請求項20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アルコールガス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。
In the alcohol concentration measuring method according to claim 20,
The step of detecting the change in proton conductivity includes a step of measuring a resistance value between a pair of electrode terminals disposed in the polymer membrane,
The step of detecting the alcohol concentration includes a step of calculating an alcohol concentration of the alcohol gas based on the resistance value.
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