JP2005207737A - 濃度センサー及び燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型やポータブルタイプの燃料電池システムでも十分な濃度測定が可能なように、全体的に小型で軽量な濃度センサーを提供する。
【解決手段】 本発明の濃度センサーにおいては、圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波素子をメタノールなどの液体燃料が通過する流路に臨んで形成する。このような表面弾性波素子は比較的小型で軽量であることから、燃料電池にかかるシステムの全体の小型化や携帯化が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は液体中を伝播する波の速度変化を濃度変化に対応して検知する濃度センサー及びそれを用いた燃料電池装置に関し、特にメタノールなどの燃料電池の燃料となり得るような液体に対する濃度センサー及びそれを用いた燃料電池装置に関する。

燃料電池は、例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有しており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、上記電気化学的な反応により発電が行われる。

発電に際しては、固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜でありプロトン伝導体膜として機能する電解質膜中をイオン（プロトン）が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生し、同時に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を燃料流体流路や空気流路が形成されたセパレータで挟み込んで発電セルとし、複数の発電セルを積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成されている。

上述の燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されており、例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用も検討されている。

ところで、このような携帯型電子機器等に用いられる燃料電池においては、水素ガスに比べて取り扱いが容易なメタノールを燃料とするダイレクトメタノール方式の燃料電池システムが有利と考えられている。このダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、電子機器に装着された燃料タンクを取り外して燃料であるメタノールの補充を行い、メタノールで満たした燃料タンクを電子機器に装着し、燃料タンク内のメタノールを燃料電池に供給することで発電が行われる。

ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、液体燃料に含まれるメタノール濃度の制御が効率の高い発電を行うための重要な要素であり、例えばメタノール濃度が低すぎてしまう場合には燃料が電解質膜・電極複合体に行き渡らずに低いレベルでの発電しかできず、逆にメタノール濃度が高すぎる場合には、電解質膜・電極複合体の電解質膜が燃料中に溶出してしまうという問題も発生する。

そこで液体燃料中のメタノール濃度を厳密に制御することが要求されており、そのためには燃料電池システム中に濃度センサーを設けて、常に液体燃料に含まれるメタノール濃度をモニターすることで制御することが行なわれている。メタノール濃度を測定するための方法としては、超音波式濃度計（例えば、特許文献１参照。）、静電容量式濃度計、光学屈折式濃度計などが提案されており、また、低濃度時の限界電流を利用して濃度を測定する例も知られている。

特開平１１−２３５４１号公報

ところが、超音波型の濃度計では、連続的な液体燃料の濃度測定が可能とされるが、測定装置の規模が大きくなってしまい、大型や中型のダイレクトメタノール方式の燃料電池システムに対しては装置規模がそれほど問題にならない場合であっても、小型やポータブルタイプのシステムでは大掛かりな装置になってしまう。また、振動子間を平行に保つことが困難であったり、振動子に気泡が付いて測定できないと言った問題も発生する。また、静電容量を用いる場合では、測定のための対向電極を小さくすれば測定装置部分のサイズは小さくなる。しかしながら、一般的に静電容量式の濃度検出器では、その測定できる容量の値が極めて小さく、多少濃度が変動した場合でもあっても検出ができない場合も発生し易い。また、光学的な屈折率を用いる場合には、瞬時に非接触で測定できる利点はあるものの、やはり測定用のレーザービームなどの発生装置が不可欠であり、測定装置の規模が大型化する傾向にあって、小型な燃料電池システムには不向きとされている。

本発明は、このような従来技術の抱える問題を解決するために提案されたものであり、小型やポータブルタイプの燃料電池システムでも十分な濃度測定が可能なように、全体的に小型で軽量な濃度センサーの提供と、そのような濃度センサーを用いた燃料電池装置の提供を目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の濃度センサーは、圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波素子を液体の流路に臨んで形成してなることを特徴とする。ここで表面弾性波素子は、圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設け、所要の周波数の電気信号を一方の櫛状電極対に与えて基板表面に弾性波を生じさせ、対向する側の櫛状電極対への伝播によって基板表面に接する物質の特性を測定できる素子であり、極めて小型に構成できる構造を有している。例えば、液体の流路に臨んで表面弾性波素子を配設することで、流路通過する液体の特性を測定することができ、液体燃料の濃度に依存して表面弾性波の特性が変化すれば、その濃度測定が可能となる。

また本発明の燃料電池装置は、上述の如き小型化可能な表面弾性波素子を用いた濃度センサーを、液体燃料と酸素が供給されて発電を行う発電部に対して液体燃料が供給される流路或いは該発電部から流出される流路に形成し、更には、液体燃料を貯蔵するための液体燃料タンクから取り出される液体燃料の流路に形成した構造を有している。

このような燃料電池装置や燃料電池システムを構成する流路の一部に、前述の如き表面弾性波素子を用いた濃度センサーを配設することで、燃料電池装置を小型化や携帯用とする場合にも、濃度センサーのサイズが障害となることはない。

本発明の濃度センサー及び燃料電池装置によれば、小型で軽量に作成される表面弾性波素子を濃度測定が必要な箇所に取り付けて濃度の測定が可能になることから、小型やポータブルタイプの燃料電池システムでも十分な濃度測定が可能となる。

本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の燃料電池装置の一例を示す模式図である。この燃料電池装置は、メタノール等の液体燃料を貯蔵するための燃料タンク１２と、この燃料タンク１２からの液体燃料を循環している液体燃料と混合し該液体燃料に含まれている気泡などを除去するための混合器１１と、複数の電解質膜・電極複合体を積層させたセルスタック１０とを有している。混合器１１とセルスタック１０の間では、液体燃料が循環するように構成されており、セルスタック１０で消費された燃料分は混合器１１で燃料タンク１２からの液体燃料を補充して補われるように構成されている。

このような液体燃料の循環系を有する燃料電池装置は、メタノール等の液体燃料が燃料タンク１２から混合器１１に対して供給されると共に、混合器１１とセルスタック１０の間では、液体燃料が循環するように構成されており、それぞれ液体燃料が流れている部分でのメタノール濃度を測定することで正確な発電運転の制御が実現される。図１の例においては、燃料タンク１２から混合器１１に対して供給される液体燃料の流路に表面弾性波素子１ｃが設けられ、混合器１１からセルスタック１０に対して供給される液体燃料の流路に表面弾性波素子１ｂが設けられ、セルスタック１０から排出され混合器１１に対して供給される液体燃料の流路に表面弾性波素子１aが設けられる。

燃料電池装置としては、このような液体燃料の各流路にそれぞれ表面弾性波素子１a、１ｂ、１ｃを配設しても良く、いずれか１つ又は２つだけ配設しても良く、あるいは更に図示しない燃料電池装置の部位に他の表面弾性波素子を設けても良い。多数の表面弾性波素子を設けても、個々の表面弾性波素子は極めて小型であることから、他の部品のレイアウトの妨げになることもなく、濃度の測定が必要な箇所に必要なだけ配設することができる。また、多数の表面弾性波素子を形成しても燃料電池装置全体の重量はそれほど増加しない。後述するように、表面弾性波素子を用いて測定をするためには、電気信号を供給し、対向する電極側で取り出す必要があるが、これらの電気信号発生回路や検知部などは１つの燃料電池装置に複数個の表面弾性波素子が配設される場合において共通化することも可能である。

次に、図２を参照しながら、表面弾性波素子について説明する。表面弾性波素子とは、圧電体基板などの固体の表面に一対の櫛状電極を設け、電気信号を固体表面を伝わる音波、超音波などの表面弾性波に変換して、対向する電極まで伝達したところで再び電気信号として出力する素子をいい、入力信号を遅延させ、或いは特定の周波数の信号を取り出すことが可能である。表面弾性波素子は、高い周波数の信号を扱うことができ、さまざまな特性のフィルタを作ることができるうえ、小型軽量に製作することができる。圧電体基板を構成する材料としては、圧電効果を示すチタン酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの強誘電体や、水晶、酸化亜鉛薄膜などが挙げられる。圧電体基板はメタノール流路の内壁に薄膜形成してもよい。

例えば、表面弾性波素子が燃料流体の流路に配設される場合、一方の櫛状電極対に所要の周波数の電気信号を加えることで該櫛状電極部分で変換された音波、超音波などの表面弾性波は、音波部分（力学的波）と電磁波部分から成る。音波部分は圧電体基板の表面すなわち固体中を伝播して行くが、電磁波部分燃料流体中を伝播して行くものと考えられる。従って、固体中の音波伝播速度は液体燃料中を伝播する電磁波の影響を受け、アルコール濃度が変化した場合には位相の変動として対向する側の櫛状電極対で検知できることになる。

図２は、本実施形態の濃度センサーとしての表面弾性波素子の一例を示している。圧電効果を示すニオブ酸リチウムや水晶などの略矩形状の圧電体基板２の表面に、一対の櫛状電極３a、３ｂと一対の櫛状電極４a、４ｂが矩形状表面の長手方向端部にそれぞれ形成されている。一方の櫛状電極対３a、３ｂには、所要の周波数の電気信号を発生させるパルスジェネレーター６が接続され、他方の櫛状電極対４a、４ｂには当該表面弾性波素子を伝播した信号を検知するための検知器５が接続されている。

このような構造の濃度センサーとしての表面弾性波素子は、略矩形状の圧電体基板２の表面が液体燃料の流路に臨むように配設され、その流路を通過する液体燃料のメタノール濃度を、伝播する音波の速度の違いから、精度良く検出することができる。測定に際しては、先ず、一対の櫛状電極３a、３ｂにパルスジェネレーター６で発生した所要の周波数の電気信号が与えられ、この電気信号は一対の櫛状電極３a、３ｂで表面弾性波に変換される。この表面弾性波は一対の櫛状電極３a、３ｂと他の一対の櫛状電極４a、４ｂの間の圧電体基板２の表面を伝播して行くが、この伝播中に液体燃料のメタノール濃度の違いによる伝播速度差が生じ、結果として他の一対の櫛状電極４a、４ｂには、音波速度に応じた電気信号が現れる。この他の一対の櫛状電極４a、４ｂに現れる液体燃料のメタノール濃度を反映した信号を検知器５で検知することで、液体燃料のメタノール濃度について測定できることになる。

図３は濃度センサーとしての表面弾性波素子を円筒形の流路内に配置した状態を示す図である。流路２２は所要の内径を有する内壁２３が設けられ、その内壁２３で囲まれた管状の部分を流体である液体燃料が通過する。この内壁２３の表面には、表面弾性波素子２０が取り付けられており、その表面２０ａは、流体に対する抵抗を減らす目的で流路２２の内壁２３と略面一となるように設けられている。また、表面弾性波素子２０の取り付け位置は、気泡などの影響を避けるため、気泡の通過しない下部側に設けることが好ましい。流路２２の一部を分岐してその分岐した流路に表面弾性波素子２０を設けても良い。また、表面弾性波素子２０の表面を周面に沿った断面円弧状として、液体の流れ方向と垂直な面を伝播する表面弾性波を検知できるように表面弾性波素子２０を配置することも可能である。

このような表面弾性波素子２０は、極めて小型で軽量であることから、流路２２の種々の部分に比較的自由度も高く配設することができる。また、小型で軽量であるという利点から、燃料電池装置に複数個配設することも容易であり、同じ流路に複数個形成しても良い。

なお、上述の実施の形態においては、本発明の濃度センサーを燃料電池装置に設けた例について説明したが、本発明の濃度センサーが取り付けられる機器は、燃料電池装置や燃料電池システムに限定されるものではない。例えば、飲料、アルコール飲料及び食品などの製造ラインにおける各種溶液の濃度管理のための濃度センサーや、洗剤及び洗浄液の生産ラインにおける濃度管理のための濃度センサーや、化学製品及び薬品類の生産ラインにおける濃度管理のための濃度センサーや、油類及び油脂の生産ラインにおける品質管理と水分管理のための濃度センサーや、製紙工場における白液、黒液、緑液などの品質管理や、各種溶媒の成分濃度の管理などのための濃度センサーなどその用途は広く極めて有用なものである。

本発明の燃料電池装置の一例を示す模式図である。 本発明の濃度センサーの一例を示す平面図である。 本発明の濃度センサーを燃料電池装置の流路に形成したところ示す斜視図である。

符号の説明

１a、１ｂ、１ｃ 表面弾性波素子
２ 圧電体基板
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 櫛状電極
５ 検知器
６ パルスジェネレーター
１０ セルスタック
１１ 混合器
１２ 燃料タンク
２０ 表面弾性波素子
２２ 流路
２３ 内壁

Claims (8)

1. 圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波素子を液体の流路に臨んで形成してなることを特徴とする濃度センサー。
2. 前記圧電体基板の櫛状電極が形成された面は、前記流路の面と略面一となるように形成されることを特徴とする請求項１記載の濃度センサー。
3. 前記流路は円筒状であり、前記表面弾性波素子は前記流路の内周面に形成されることを特徴とする請求項１記載の濃度センサー。
4. 圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波素子を液体の流路に挿入してなることを特徴とする濃度センサー。
5. 前記液体は燃料電池の液体燃料であることを特徴とする請求項４記載の濃度センサー。
6. 液体燃料と酸素が供給されて発電を行う発電部と、
   前記発電部に供給される前記液体燃料の流路と、
   前記流路に臨んで形成され圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波
7. 液体燃料と酸素が供給されて発電を行う発電部と、
   前記発電部から流出される前記液体燃料の流路と、
   前記流路に臨んで形成され圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波素子とを有することを特徴とする燃料電池装置。素子とを有することを特徴とする燃料電池装置。
8. 液体燃料を貯蔵するための液体燃料タンクと、
   前記液体燃料タンクから取り出される前記液体燃料の流路と、
   前記流路に臨んで形成され圧電体基板上に一対の櫛状電極を対向して設けた表面弾性波素子とを有することを特徴とする燃料電池装置。

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