JP4769987B2 - 燃料の濃度の計測装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料の濃度の計測装置および方法に係り、より具体的には、簡単且つ正確な燃料の濃度の計測装置および方法に係る。

産業の急速な発展に伴い、石炭、石油、および天然ガスなどの従来のエネルギー源の消費が益々高くなっており、天然エネルギー源の備蓄には限りがあるので、従来のエネルギー源の代替となる新たな代替エネルギー源を研究開発することもあって燃料電池は重要且つ実践的な選択肢になっている。

簡潔に言うと、燃料電池は実質的に水電解の逆反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機である。プロトン交換膜燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と２枚の電極板とを主に含む。ＭＥＡは、プロトン伝導膜、アノード触媒層、カソード触媒層、アノードガス拡散層（ＧＤＬ）、およびカソードＧＤＬを含む。アノード触媒層およびカソード触媒層は、それぞれ、プロトン伝導膜の２つの面に配設され、アノードＧＤＬおよびカソードＧＤＬは、それぞれ、アノード触媒層およびカソード触媒層に配設される。さらに、２枚の電極板は、それぞれがアノードＧＤＬおよびカソードＧＤＬに配設されるアノードおよびカソードを含む。

現在よく利用されるプロトン交換膜燃料電池は、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、これは、燃料供給源としてメタノール水溶液を直接取り込み、メタノールと酸素との間の関連する電極反応により電流を生成する。ＤＭＦＣの反応式を以下に記す。アノード：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻カソード：３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ

従来のＤＭＦＣでは、ＤＭＦＣの出力安定性は、アノードに伝導するメタノール水溶液の濃度に大きく影響される。アノードに伝導するメタノール水溶液の濃度が適切に制御されていない場合、ＤＭＦＣの出力電力効率が不安定になるばかりでなく、膜電極接合体（ＭＥＡ）もまた損失を被る場合がある。加えて、如何にしてアノードに伝導するメタノール水溶液の濃度を最適範囲に制御するかが、この分野での主要な研究開発課題である。

燃料の濃度は以下のステップにより制御されうる。先ず、燃料の濃度をセンサにより直接計測し、計測された濃度値に基づいてＤＭＦＣに供給する燃料および水分の量を判断する。この方法は、既に、ＵＳ６，５８９，６７１Ｂ１、ＵＳ６，４８８，８３７、ＵＳ２００２／０７６５８９Ａ１、ＵＳ２００３／０１９６９１３Ａ１、およびＷＯ０１／３５４７８に開示されている。ＵＳ６，４８８，８３７およびＵＳ２００３／０１９６９１３Ａ１に開示されている膜電極接合体（ＭＥＡ）は、メタノール水溶液の濃度を直接計測するセンサとして利用されていることに注意されたい。上述の方法においては、計測精度は、燃料内の不純物により影響される。加えて、計測精度は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の経年劣化または不安定性によっても影響される。

幾らかの先行技術（例えばＵＳ６，６９８，２７８Ｂ２）では、燃料の濃度は、ＤＭＦＣの温度および電流の計測により推定される。上述の方法においては、燃料の濃度はセンサを利用せずに計測される。しかし、ＵＳ６，６９８，２７８Ｂ２に記載されている方法を様々な燃料電池システムに適用すると、燃料の濃度を推定するのに適した較正が必要となる。ＵＳ６，５８９，６７９およびＴＷ９４１１９９７５がセンサを利用しない燃料の濃度計測法を開示している。

メタノール水溶液は物理的特性（例えば、メタノール水溶液を通る音速、燃料の誘電率または密度、等）に関連するので、先行技術のなかには、メタノール水溶液の濃度を、メタノール水溶液を通る音速を計測することで推定したり、燃料の濃度を、燃料の誘電率または密度を計測することで推定したりしているものもある（ＴＷＩ２５１９５４）。しかし、上述の濃度推定法に利用されるセンサは非常に高価であり、センサの精度は燃料の気泡に大いに影響される。従って、センサがサンプルする燃料は静的でなくてはならず、計測時には気泡がないことから、燃料の物理的特性を正確に計測するのは難しい。

従来の燃料計測方法では、燃料の濃度の計測が困難である。加えて、計測コストが高く、計測精度が不安定である。故に、簡単で正確な燃料の濃度の計測方法の必要性が叫ばれている。

本発明は、計測の際に安定性があり、コスト効率のよい燃料の濃度の計測装置に関する。

本発明は、簡単で、低コストで、安定性のある、燃料の濃度の計測方法に関する。

ここで具体例を示し幅広く記載するように、燃料の濃度の計測装置が提供される。燃料の濃度の計測装置は、触媒層と、拡散層と、燃料チャンバと、反応ガスチャンバと、センサとを備える。拡散層は触媒層に接続されている。燃料チャンバは、計測対象の燃料を含有するのに適している。拡散層は、燃料チャンバと触媒層との間に配設される。反応ガスチャンバは、反応ガスを含有するのに適している。触媒層は反応ガスチャンバと拡散層との間に配設され、燃料チャンバ内の計測対象の燃料は、拡散層を通り触媒層へ拡散して、計測対象の燃料と反応ガスとの燃焼反応が触媒層内で行われて、反応ガスチャンバ内の反応ガスを消費して気体生成物を生成する。センサが反応ガスチャンバ内に配設されて、反応ガスチャンバ内の反応ガスの濃度または気体生成物の濃度を計測する。

ここで具体例を示し幅広く記載するように、燃料の濃度の計測方法が提供される。先ず、上述の燃料の濃度の計測装置が提供される。次に、計測対象の燃料を燃料チャンバに供給し、反応ガスを反応ガスチャンバに供給する。その後、反応ガスチャンバに供給する反応ガスの量を調節した後に反応ガスチャンバ内の反応ガスの消費率または気体生成物の生成率に応じて、計測対象の燃料の濃度を推定する。

本発明の上述および他の目的、特徴、および利点の理解を促すべく、図面とともに幾らかの実施形態を以下に示す。

図面を含めることで本発明のさらなる理解を促し、明細書に組み入れ、明細書の一部とする。図面は、本発明の実施形態を例示し、記載とともに参照することで、本発明の原理の理解を深めることができる。

本発明の第１実施形態による、燃料の濃度の計測方法の概略図である。 本発明の第１実施形態による、燃料の濃度の計測方法の概略図である。

燃料の濃度が１％、４％、７％、および１０％のときの、酸素濃度と時間との間の関係を示す。

燃料電池システムに利用される燃料の濃度の計測装置の概略図である。

第１実施形態 図１Ａおよび図１Ｂは、本発明の第１実施形態による、燃料の濃度の計測方法の概略図である。図１Ａを参照すると、先ず、燃料の濃度の計測装置１００が提供される。燃料の濃度の計測装置１００は、触媒層１１０、拡散層１２０、燃料チャンバ１３０、反応ガスチャンバ１４０、およびセンサ１５０を含む。拡散層１２０は触媒層１１０に接続される。燃料チャンバ１３０は、計測対象の燃料１６０を含有するのに適している。拡散層１２０は、燃料チャンバ１３０と触媒層１１０との間に配設される。反応ガスチャンバ１４０は、反応ガス１７０を含有するのに適している。触媒層１１０は、反応ガスチャンバ１４０と拡散層１２０との間に配設される。センサ１５０は反応ガスチャンバ１４０上に配設されて、反応ガスチャンバ１４０内の反応ガス１７０の濃度を計測する。当業者であれば、様々な計測対象の反応ガス１７０について、それぞれ適切なセンサ１５０を選択することができる。本発明ではセンサ１７０の種類を特に限定しない。

本発明においては、触媒層１１０の材料は、Ｐｔ触媒、高活性化触媒または粘着剤である。例えば、触媒層１１０の厚みは、１マイクロメータから５０マイクロメータの間である。拡散層１２０の材料は、セラミック、ポリマー、または燃料（メタノール）が通過できる他の材料を含む。例えば、拡散層１２０の厚みは、１０マイクロメータから１０００マイクロメータの間である。加えて例えば、反応ガスチャンバ１４０の容積は、０．１立方センチメータから１００立方センチメータの間である。反応ガスチャンバ１４０の容積は、計測対象の燃料１６０の濃度、および拡散層１２０の厚みまたは拡散係数に応じて修正が可能であることに留意されたい。上述の大きさは、単に例である。具体的には、これより高濃度の燃料１６０の計測においては、感度をより良好にする目的から、より大きい容積の反応ガスチャンバ１４０の利用が示唆される。反対に、より低濃度の燃料１６０の計測においては、計測時間を短くする目的から、より小さい容積の反応ガスチャンバ１４０の利用が示唆される。

そして、計測対象の燃料１６０を、燃料の濃度の計測装置１００内の燃料チャンバ１３０に供給し、燃料の濃度の計測装置１００内の反応ガスチャンバ１４０に反応ガス１７０を供給する。本実施形態では、燃料チャンバ１３０に供給される燃料１６０は、濃度が不明なメタノール水溶液である。代替実施形態では、燃料チャンバ１３０に供給される燃料１６０は、エタノール水溶液またはギ酸水溶液などの他の種類の燃料であってもよい。当業者であれば、実際の要件に応じて、適切な燃料および触媒を選択できる。さらに、反応ガスチャンバ１４０に供給される反応ガス１７０は、水、酸素、または他の適切な気体であってよい。燃料１６０および反応ガス１７０を燃料の濃度の計測装置１００内に供給する際、燃料チャンバ１３０内の燃料１６０の一部が拡散層１２０を通って触媒層１１０へ拡散し、反応ガス１７０が触媒層１１０内にも侵入する。燃料１６０と反応ガス１７０との燃焼反応は、触媒層１１０内で行われて反応ガス１７０を消費し気体生成物（例えば二酸化炭素）を生成する。上述の燃焼反応式を以下に示す。３／２Ｏ_２＋ＣＨ_３ＯＨ→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

図１Ｂを参照すると、反応ガスチャンバ１４０に供給する反応ガス１７０の量を、切り替え弁（不図示）または反応ガス１７０の流量を制御することのできる他の部材により調節することで、反応ガスチャンバ１４０に供給する反応ガス１７０の量を低減することができる。好適な実施形態においては、燃料１６０の濃度計測を開始するときに、反応ガスチャンバ１４０への反応ガス１７０の供給を止める。触媒層１１０に到達する燃料１６０の単位時間当りの量は、計測対象の燃料１６０の濃度に比例しており、反応ガスチャンバ１４
０での反応ガス１７０の消費率は、触媒層１１０に到達する燃料１６０の単位時間当りの量と関連する。故に、燃料１６０の濃度は、反応ガスチャンバ１４０内の反応ガス１７０の消費率を計測することで、推定可能である。具体的には、反応ガスチャンバ１４０に供給する反応ガス１７０を調節する（低減する、または止める）と、反応ガス１７０と燃料１６０との燃焼反応は、反応ガス１７０が徐々に消費されるよう触媒層１１０内で行われる。故に、燃料１６０の濃度は、反応ガスチャンバ１４０内の反応ガス１７０の消費率に応じて推定可能である。

上述の実施形態において、センサ１５０を利用して反応ガス１７０の濃度を計測して、これにより反応ガス１７０の消費率を推定する。加えて、反応ガス１７０の消費率は気体生成物（例えば二酸化炭素）の生成率に比例しているので、気体生成物の濃度を計測するセンサは、気体生成物の生成率を推定するように適合されてよい。本実施形態においては、センサ１５０は、二酸化炭素濃度を計測するセンサである。このようにして、センサ１５０の出力に応じて二酸化炭素濃度の増加率を計算して、これにより燃料１６０の濃度を推定する。代替実施形態においては、二酸化炭素濃度が所定値に達する時間を利用することで、燃料１６０の濃度を推定することもできる。

本実施形態では、反応ガスチャンバ１４０への反応ガス１７０の供給を止めると、反応ガスチャンバ１４０内の反応ガス１７０の濃度変化率（消費率）は、計測対象の燃料１６０に関連する度合いが高くなる。具体的には、燃料１６０が高濃度の場合、燃料チャンバ１３０から触媒層１１０へと拡散する燃料１６０の単位時間当たりの量が多くなる。このとき、反応ガス１７０の消費率は高い。反対に、燃料１６０が低濃度の場合、燃料チャンバ１３０から触媒層１１０へと拡散する燃料１６０の単位時間当たりの量は少ない。このとき、反応ガス１７０の消費率は低い。反応ガス１７０の反応ガスチャンバ１４０への供給を止めると、反応ガスチャンバ１４０内の反応ガス１７０の量は、反応ガスチャンバ１４０の容積に略等しい。

計測対象の燃料１６０の濃度が反応ガス１７０の消費率に関連しているので、反応ガスチャンバ１４０内の反応ガス１７０の濃度はセンサ１５０により直接計測でき、燃料１６０の濃度を、反応ガス１７０の消費率に応じて迅速に推定することができる。実験例

本実験例においては、燃料はメタノール水溶液であり、反応ガスは空気であり、センサは、酸素濃度計測用センサであり、反応ガスチャンバの容積は約５立方センチメータであり、メタノール水溶液の濃度は１％、４％、７％、および１０％である。

図２は、燃料の濃度が１％、４％、７％、および１０％のときの、酸素濃度と時間との間の関係を示す。図２を参照すると、メタノール水溶液の濃度が１％、４％、７％、および１０％のときでは、反応ガスの消費率は非常に異なっている。加えて、同じ濃度のメタノール水溶液に対応する曲線同士は非常に近接しており、異なる濃度のメタノール水溶液に対応する曲線同士を見分けるのは容易である。故に、メタノール水溶液の濃度は、図２の曲線から容易且つ正確に推定することができる。

本実験例においては、計測対象の燃料の濃度を、反応ガス濃度が所定値に減少する時間に応じて推定することができる。しかし、燃料の濃度の推定法は、上述の実施形態および実験例に限られない。反応ガス濃度の減少率に応じて、燃料の濃度を推定することも可能である。第２実施形態

図３は、燃料電池システムに利用される燃料の濃度の計測装置の概略図である。図３を参照すると、本発明の燃料電池システム２００は、上述の燃料の濃度の計測装置１００、燃料循環装置２１０、燃料貯留タンク２２０、および燃料電池モジュール２３０を含む。燃料循環装置２１０は、燃料貯留タンク２２０から燃料の濃度の計測装置１００および燃料電池モジュール２３０へ、燃料を送るのに利用される。本実施形態においては、燃料電池モジュール２３０は、１以上の燃料電池ユニット２３２を含み、各燃料電池ユニット２３２は直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）ユニットである。当業者であれば、実際の要件に応じて適切な燃料電池ユニット２３２を選択することができる。本発明では燃料電池の種類を特に限定しない。

本発明はセンサを利用して反応ガスチャンバ内の反応ガス濃度または気体生成物の濃度を直接計測することで、反応ガスの消費率または気体生成物の生成率を推定しているので、計測対象の燃料の濃度を正確に判断することができる。従って、燃料の濃度の計測方法および計測装置は簡単で正確である。加えて、本発明の燃料の濃度の計測値はとても安定しており、燃料の流れ、燃料の気泡、燃料の不純物、膜電極接合体（ＭＥＡ）の経年劣化等による影響を受けない。

本発明を上述の実施形態に関して説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明の精神から逸脱せずに、記載された実施形態の変形例を作成することが可能である。故に、本発明の範囲は、上述の詳細な記載によってではなく、以下に記す請求項により定義がなされる。

Claims (11)

1. 計測対象の燃料の濃度の計測装置であって、
   触媒層と、
   前記触媒層で被覆される拡散層と、
   前記計測対象の燃料を含有する燃料チャンバと、
   反応ガスを含有する反応ガスチャンバと、
   前記反応ガスチャンバ上に配設されたセンサと、を備え、
   前記拡散層は、前記燃料チャンバと前記触媒層との間に配設され、
   前記触媒層は、前記反応ガスチャンバと前記拡散層との間に配設され、かつ前記反応ガスチャンバに直接接続され、
   前記燃料チャンバ内の前記計測対象の燃料は、前記拡散層から前記触媒層へと拡散し、
   前記計測対象の燃料と前記反応ガスとの燃焼反応は、前記触媒層内で行われて、前記反応ガスチャンバ内の前記反応ガスを消費して気体生成物を生成し、
   前記センサは、前記反応ガスチャンバ内の前記反応ガスの濃度、または、前記気体生成物の濃度を計測する、計測装置。
2. 前記センサは、前記反応ガスチャンバ内の前記反応ガスの酸素濃度を計測する酸素センサを含む、請求項１に記載の計測装置。
3. 前記センサは、前記反応ガスチャンバ内の前記気体生成物の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素センサを含む、請求項１に記載の計測装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の計測装置と、
   燃料電池モジュールと、
   燃料を貯留する燃料貯留タンクと、
   前記燃料貯留タンクから前記計測装置および前記燃料電池モジュールへ燃料を送る燃料循環装置と
   を備える燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の計測装置を提供する段階と、
   計測対象の燃料を前記燃料チャンバに供給する段階と、
   前記反応ガスチャンバに反応ガスを供給する段階と、
   前記反応ガスチャンバに供給する前記反応ガスの量を減少させて、前記反応ガスチャンバ内の前記反応ガスの消費率または前記気体生成物の生成率に応じて、前記計測対象の燃料の濃度を推定する段階と、を備える、燃料の濃度の計測方法。
6. 前記反応ガスチャンバ内の前記反応ガスの消費率に応じて、前記計測対象の燃料の濃度を推定する段階は、
   前記反応ガスの濃度を前記センサにより直接計測する段階と、
   前記反応ガスの濃度と時間との関係に応じて、前記計測対象の燃料の濃度を推定する段階と、を含む、請求項５に記載の計測方法。
7. 前記計測対象の燃料の濃度は、反応ガスの濃度が所定値に減少する時間に応じて推定される、請求項６に記載の計測方法。
8. 前記計測対象の燃料の濃度は、反応ガスの濃度の減少率に応じて推定される、請求項６に記載の計測方法。
9. 前記計測対象の燃料の濃度は、気体生成物の濃度が所定値に増加する時間に応じて推定される、請求項６に記載の計測方法。
10. 前記計測対象の燃料の濃度は、気体生成物の濃度の増加率に応じて推定される、請求項６に記載の計測方法。
11. 前記反応ガスチャンバに供給する前記反応ガスの量の調節は、
    前記反応ガスチャンバに供給する前記反応ガスを減少させることで行う、請求項５に記載の計測方法。

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