JP4807077B2 - 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 - Google Patents
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3H2→6H++6e− (1)
CH3OH+H2O→6H++CO2+6e− (2)
3/2O2+6H++6e−→3H2O (3)
[図2]センサを詳細に示す図である。
[図3]センサの他の例を示す図である。
[図4]センサのまた他の例を示す図である。
[図5]本実施の形態における燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図6]図1に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
[図7]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。
[図8]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。
[図9]図1に示した燃料供給処理部の構成を詳細に示す図である。
[図10]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図11]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図12]センサの変形例を示す図である。
[図13]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。
[図14]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。
[図15]図14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。
[図16]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図17]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図18]図15に示したカートリッジの他の例を示す図である。
[図19]メタノール濃度と抵抗値との関係を示す図である。
[図20]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。
[図21]センサを詳細に示す図である。
[図22]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他の例を示す図である。
[図23]図20に示した濃度測定部の構成を詳細に示す図である。
[図24]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。
[図25]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。
[図26]図20に示した燃料供給処理部の構成を詳細に示す図である。
[図27]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図28]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図29]センサの変形例を示す図である。
[図30]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図31]センサを詳細に示す図である。
[図32]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。
[図33]図32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。
[図34]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図35]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図36]図33に示したカートリッジの他の例を示す図である。
[図37]燃料供給処理部の他の例を示す図である。
[図38]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図39]センサの他の例を示す図である。
[図40]センサの他の例を示す図である。
[図41]センサの他の例を示す図である。
[図42]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
[図43]燃料電池システムの構成の他の例を示す図である。
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。図1の燃料電池システム660は、燃料電池本体100と、燃料極タンク662と、バッファタンク664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。
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基など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など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などの共重合体;
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);
などが例示される。
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、バッファタンク664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。
燃料供給処理部674は、インバータ461および燃料供給部465を含む。燃料供給部465は、燃料収容部676からバッファタンク664に供給する燃料124の供給量を変化させる。燃料供給部465としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部465として圧電ポンプを用いた場合、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からの燃料124の供給量を制御する。
図14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。
図20は、本発明の第三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。図20の燃料電池システム692は、燃料電池本体100と、燃料極タンク662と、バッファタンク664と、センサ698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。
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基など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など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などの共重合体;
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);
などが例示される。
濃度測定部670は、第1の端子696と第2の端子697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、バッファタンク664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の端子696と第2の端子697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直流ソースメーターを用いることができる。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。
燃料供給処理部674は、インバータ461および燃料供給部465を含む。燃料供給部465は、燃料収容部676からバッファタンク664に供給する燃料124の供給量を変化させる。燃料供給部465としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部465として圧電ポンプを用いた場合、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からの燃料124の供給量を制御する。
図30に示すように、燃料電池システム692は、センサ698にかえてセンサ704を含む構成とすることもできる。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。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124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)などが例示される。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。
図32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692にはカートリッジ678が取り付けられる。
Claims (27)
- アルコールを含む液体燃料を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、
前記液体燃料を含む容器と、
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液体燃料のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
前記容器中の前記液体燃料のpHを測定するpH測定部と
を含み、
前記濃度検出部は、前記pH測定部が測定した前記pHに応じて前記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。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
プロトン伝導性を有し、前記容器内または前記容器の壁部に設けられた前記高分子膜をさらに含み、
前記濃度検出部は、
前記液体燃料を前記高分子膜に含浸させたときの前記高分子膜の抵抗を測定することによりプロトン伝導度の変化を測定することで、
前記容器中の前記液体燃料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。 - 請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記抵抗値と前記アルコール濃度との関係を前記pH毎に記憶する参照データ記憶部をさらに含み、
前記濃度検出部は、前記参照データ記憶部を参照して前記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。 - 請求項2又は3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いて前記プロトン伝導度の変化を測定して前記液体燃料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。 - 請求項4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。 - 請求項4又は5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。 - 請求項2〜6のいずれか一項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。 - 請求項2〜7のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記pH測定部は、pHに対するプロトン伝導度が異なる複数の前記高分子膜であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2〜8のいずれか一項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。 - 請求項8又は9に記載の燃料電池システムにおいて、
前記pH測定部は、pHに対する寸法変化の度合いが異なる複数の前記高分子膜であることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜10のいずれか一項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。 - 請求項1〜11のいずれか一項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たカートリッジをさらに含み、
前記容器は、前記カートリッジに設けられたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料注入口を有し、前記燃料極に前記液体燃料を供給する燃料極タンクと、
前記燃料極タンクの前記燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、前記燃料極タンクに取り外し可能に構成されたカートリッジと、
をさらに含み、
前記容器は、前記カートリッジに設けられたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜13のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の液体燃料とはアルコール濃度が異なる液体燃料を収容する異濃度燃料収容部と、
前記異濃度燃料収容部から前記容器に液体燃料を供給する供給部と、
前記濃度検出部が検出した前記容器中の前記液体燃料のアルコール濃度に応じて、前記供給部が供給する前記液体燃料の供給量を調整する制御部と、
をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項14に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料注入口を有し、前記燃料電池本体に前記液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含み、
前記容器は、前記燃料極タンクの前記燃料注入口と嵌合する嵌合部と、前記供給部と接続する第一の接続部を有し、前記燃料極タンクおよび前記供給部に取り外し可能に構成され、
前記異濃度燃料収容部は、前記供給部と接続する第二の接続部を有し、前記供給部に取り外し可能に構成されたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項15に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器および前記異濃度燃料収容部は、一体に形成されたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜16のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器中の前記液体燃料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液体燃料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。 - 請求項1〜17のいずれか一項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液体燃料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。 - アルコール濃度の測定装置であって、
高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づきアルコールを含む液体中のアルコール濃度を検出する濃度検出部と、
前記液体のpHを測定するpH測定部と、
を含み、
前記濃度検出部は、前記pH測定部が測定したpHに応じて前記液体のアルコール濃度を補正することを特徴とするアルコール濃度測定装置。 - 請求項19に記載のアルコール濃度測定装置において、
プロトン伝導性を有し、アルコールを含む液体を含浸した際に当該液体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前記高分子膜をさらに含み、
前記濃度検出部は、前記高分子膜の抵抗を測定することにより前記プロトン伝導度の変化を測定し、前記高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、前記液体中のアルコール濃度を検出することを特徴とするアルコール濃度測定装置。 - 請求項20に記載のアルコール濃度測定装置において、
前記抵抗値と前記アルコール濃度との関係を前記pH毎に記憶する参照データ記憶部をさらに含み、
前記濃度検出部は、前記参照データ記憶部を参照して前記アルコール濃度を補正することを特徴とするアルコール濃度測定装置。 - 請求項21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、前記抵抗測定部が測定した抵抗値を前記液体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。 - 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を含む液体中のアルコール濃度を検出する工程と、
前記液体のpHを測定し、測定したpHに応じて前記液体のアルコール濃度を補正する工程と、
を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。 - 請求項23に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記測定対象のアルコールを含む液体中のアルコール濃度を検出する工程は、
前記液体をプロトン伝導性を有する高分子膜に含浸させる工程と、
前記高分子膜の抵抗を測定することにより前記プロトン伝導度の変化を測定する工程と、
前記プロトン伝導度の変化に基づき、前記液体中のアルコール濃度を検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。 - 請求項24に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記液体のpHを測定し、測定したpHに応じて前記液体のアルコール濃度を補正する工程は、
前記抵抗値と前記アルコール濃度との関係を前記pH毎に記憶する参照データ記憶部を参照して前記アルコール濃度を補正することを特徴とするアルコール濃度測定方法。 - 請求項24又は25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液体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。 - 請求項24〜26のいずれか一項に記載のアルコール濃度測定方法において、
前記高分子膜のプロトン伝導度の変化を検出する工程の前に、前記液体を二酸化炭素ガスで飽和させる工程をさらに含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。
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