KR100866743B1 - 혼합비 검출 장치 및 이를 탑재한 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고정밀도로 소형 및 경량, 게다가 저비용이면서 또한 저소비 전력의 농도 센서를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
적외 영역의 빛을 포함하는 빛을 발생시키는 광원(10)과, 광원(10)으로부터의 적외 영역의 빛을 검출하는 제1 광검출 수단(18)과, 제1 광검출 수단과는 범위가 다른 영역의 빛을 검출하는 제2 광검출 수단(20)과, 제1 광검출 수단(18)과 제2 광검출 수단(20)으로부터의 신호를 기초로 하여 혼합 비율에 관한 신호를 출력하고, 광원(10)과 제1 광검출 수단(18)과 제2 광검출 수단(20)을 제어하는 제어 수단(16)을 구비한다.
광검출 수단, 제어 수단, 서미스터, 센서 제어부, 버퍼 탱크, 배관 유닛

Description

혼합비 검출 장치 및 이를 탑재한 연료 전지 시스템{MIXING RATIO DETECTION DEVICE AND FUEL CELL SYSTEM MOUNTING THE SAME}
본 발명은 피검출물을 포함하는 혼합액으로부터 혼합액에 대한 피검출물의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 다이렉트 메탄올 연료 전지 등에 이용되는 메탄올과 물의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치, 이른바 메탄올 수용액 농도 센서에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 발생시키는 장치로, 높은 발전 효율을 얻을 수 있다. 연료 전지의 주된 특징으로서는, 종래의 발전 방식과 같이 열에너지나 운동 에너지의 과정을 경유하지 않는 직접 발전이므로, 소규모라도 높은 발전 효율을 기대할 수 있고, 질소 화합물 등의 배출이 적고, 소음이나 진동도 작으므로 환경성이 좋은 것 등을 예로 들 수 있다. 이와 같이, 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있고, 환경에 친화적인 특성을 갖고 있으므로, 21세기를 대표하는 에너지 공급 시스템으로서 기대되고, 우주용에서부터 자동차용, 휴대 기기용까지, 대규모 발전으로부터 소규모 발전까지 다양한 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 새로운 발전 시스템으로서 주목받아, 실용화를 향해 기술 개발이 본격화되고 있다.
그 중에서도, 고체 고분자형 연료 전지는 다른 종류의 연료 전지에 비해 작동 온도가 낮고, 높은 출력 밀도를 갖는 특징이 있고, 특히 최근 고체 고분자형 연료 전지의 일형태로서, 다이렉트 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)가 주목을 모으고 있다. DMFC는 연료인 메탄올 수용액을 개질하는 일 없이 직접 애노드로 공급하여 메탄올 수용액과 산소의 전기 화학 반응에 의해 전력을 얻는 것이고, 이 전기 화학 반응에 의해 애노드로부터는 이산화탄소가, 캐소드로부터는 생성수가 반응 생성물로서 배출된다. 메탄올 수용액은 수소에 비해 단위 체적당의 에너지가 높고, 또한 저장에 적합하고, 폭발 등의 위험성도 낮기 때문에, 자동차나 휴대 기기 등의 전원에의 이용이 기대되고 있다.
이 DMFC의 애노드로 공급하는 메탄올 수용액의 농도는 높으면 DMFC 내부의 고체 고분자막의 열화를 촉진시켜 신뢰성이 저하되는 문제가 있고, 낮으면 DMFC로부터 충분한 출력을 취출할 수 없으므로 0.5 내지 4 ㏖/L, 바람직하게는 0.8 내지 1.5 ㏖/L의 농도로 조정한 쪽이 좋고, 이 농도 영역의 폭을 작게 하는 것이 DMFC를 안정적으로 운전시키는 것으로 이어지는 것을 알고 있다.
그러나, DMFC를 갖는 시스템의 경우, DMFC를 장시간에 걸쳐서 운전시키고, 또한 시스템의 소형 및 경량화를 도모하기 위해 일반적으로는 20 ㏖/L 이상의 고농도 메탄올 탱크를 구비하고, DMFC의 애노드로 공급하기 전에 농도를 얇게 조정하여 공급하는 방식을 취하고 있다. 그래서, 메탄올 수용액의 농도를 시스템 내부에서 0.8 내지 1.5 ㏖/L로 조정하기 위해 고정밀도로 소형의 메탄올 수용액 농도 센서가 요구되고 있고, 광학식(JP 2001-124695 A 참조), 초음파식, 혹은 비중에 의한 방식 등 다양한 종류의 센서가 연구되고 있지만, 고정밀도로 소형 및 경량, 게다가 저비용 또한 저소비 전력이 요구되는 DMFC 시스템 탑재용 메탄올 수용액 농도 센서는 아직 개발되어 있지 않다.
상기한 바와 같은 광학식 농도 센서에서는 수용액 중에 기포나 오염물 등이 존재할 경우에 측정 정밀도가 저하될 우려가 있었다. 또한, 검출 장치를 항상 가동시키고 있으면, 측정에 의한 소비 전력이 커져 버리는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 과제에 비추어 이루어진 것이며, 고정밀도로 소형 및 경량, 게다가 저비용 또한 저소비 전력의 농도 센서, 특히 DMFC 탑재용 메탄올 수용액 농도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 피검출물을 포함하는 혼합액으로부터 상기 혼합액에 대한 상기 피검출물의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치이며, 적어도 적외 영역의 빛을 포함하는 빛을 발생시키는 광원과, 상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 상기 적외 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 설치되고, 상기 적외 영역의 빛을 검출하는 적외광 검출 수단과, 상기 적외광 검출 수단으로부터의 신호를 기초로 하여 상기 혼합 비율에 관한 신호를 출력하는 동시에, 상기 광원과 상기 적외광 검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로는, 알코올을 포함하는 혼합액으로부터 상기 혼합액에 대한 상기 알코올의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치이며, 적어도 적외 영역의 빛을 포함하는 빛을 발생시키는 광원과, 상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 상기 적외 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 설치되고, 상기 적외 영역의 빛을 검출하는 제1 광검출 수단과, 상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 빛을 수광 가능한 위치에 설치되고, 상기 제1 광검출 수단과는 범위가 다른 영역의 빛을 검출하는 제2 광검출 수단과, 상기 제1 광검출 수단과 상기 제2 광검출 수단으로부터의 신호를 기초로 하여 상기 혼합 비율에 관한 신호를 출력하는 동시에, 상기 광원과 상기 제1 광검출 수단과 상기 제2 광검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비한다.
상기한 구성에 따르면, 장치를 소형 및 경량으로 할 수 있고, 게다가 고정밀도인 검출이 가능해진다.
또한, 상기 제2 광검출 수단은 상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 가시광 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 설치되고, 상기 가시광 영역의 빛을 검출하는 가시광 검출 수단인 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 기포나 오염물 등의 영향을 검출하기 쉬워진다.
또한, 상기 광원은 백열 전구를 이용하면 장치를 저비용으로 제작할 수 있다.
또한, 상기 제1 광검출 수단은 상기 가시광 영역의 빛과 상기 적외 영역의 빛을 검출 가능한 수광 소자와, 상기 적외 영역의 빛을 투과하는 적외광 투과부를 구비하고, 상기 제2 광검출 수단은 상기 가시광 영역의 빛과 상기 적외 영역의 빛 을 검출 가능한 수광 소자와, 상기 가시광 영역의 빛을 하는 가시광 투과부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 혹은, 상기 광원과 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단을 연결하는 광로 사이에 설치되고, 상기 광원으로부터의 빛을 파장에 의해 각도를 회절시키는 회절부를 구비하고, 상기 제1 광검출 수단을 상기 회절부에 의해 회절된 상기 적외 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 배치하는 동시에, 상기 제2 광검출 수단을 상기 회절부에 의해 회절된 상기 가시광 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 배치하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 부품의 종류를 적게 할 수 있으므로, 저비용화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 광원과 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단을 연결하는 광로 사이에 설치되고, 상기 광원으로부터의 빛을 반사하는 반사부를 구비하고, 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단을 상기 반사부에 의해 반사된 빛을 수광 가능한 위치에 배치하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로는, 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단을 배치하는 위치는 상기 혼합액을 거쳐서 상기 반사부와, 상기 광원 및 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단이 대향하는 위치인 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 제어 수단으로부터의 배선의 취급이 용이해진다.
또한, 상기 광원과 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단 사이에 설치되고, 상기 반사부를 거치지 않고 상기 광원으로부터 직접 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단으로 입사하는 빛을 차폐하는 차광부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 보다 정확한 검출이 가능해진다.
또한, 상기 제1 광검출 수단은 상기 제2 광검출 수단보다도 상기 광원으로부터의 거리가 멀어지도록 배치한 것을 특징으로 한다. 혹은, 상기 혼합비 검출 장치의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비하고, 상기 온도 검출 수단에서 검출된 온도를 이용하여 상기 제어 수단에서 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단으로부터 얻게 된 신호에 온도 보정을 행하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 열선의 영향을 받기 쉬운 적외광 검출 수단에 대해서도 보다 정확하게 검출이 가능해진다.
또한, 상기 혼합비 검출 장치는 단열 부재에 의해 적어도 일주면을 덮고 있는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 광로 상에 기포가 붙은 경우에도, 광원으로부터의 열에 의해 기포를 배제하는 것이 용이해진다.
또한, 혼합비 검출 장치의 제어 방법이며, 상기 광원을 점등하는 온(ON) 스텝과, 상기 광원을 소등하는 오프(OFF) 스텝을 갖고, 상기 온 스텝과 상기 오프 스텝을 소정 간격으로 반복하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 검출에 필요한 전력의 소비를 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 제1 광검출 수단 또는 상기 제2 광검출 수단으로부터 이상한 신호가 검출되었을 때에, 상기 온 스텝과 상기 오프 스텝을 소정 간격으로 반복하지 않고, 소정 시간 상기 광원을 계속 점등시키는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 광로 상에 기포가 붙은 경우에도 광원으로부터의 열에 의해 기포를 배제하는 것이 가능해진다.
또한, 적어도 상기 광원의 온과 오프 사이의 전압을 상기 광원에 가하는 제1 온 스텝과, 상기 광원을 온의 상태로 하는 데 필요한 전압을 상기 광원에 가하는 제2 온 스텝을 갖고, 상기 제1 온 스텝과 상기 제2 온 스텝과 상기 오프 스텝을 소정 간격으로 반복하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 보다 정확한 검출이 가능해진다.
또한, 애노드에 액체 연료를 공급하는 연료 전지 본체를 구비하고, 상기 연료 전지 본체에 공급되는 액체에 대한 연료 성분의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치를 탑재한 연료 전지 시스템이며, 상기 연료 전지 본체에 공급되는 액체 연료보다도 고농도의 연료가 저장되는 고농도 연료부와, 상기 고농도의 연료를 희석하여 상기 연료 전지 본체로 액체 연료를 공급하는 액체 연료 공급 수단과, 상기 연료 전지 시스템을 제어하는 시스템 제어 수단을 구비하고, 상기 시스템 제어 수단은 상기 혼합비 검출 장치로부터의 신호에 따라서 상기 고농도 연료부로부터 상기 액체 연료 공급 수단으로 상기 고농도의 연료를 공급하는 지시를 행하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 시스템 제어 수단은 상기 혼합비 검출 장치로부터 상기 연료 전지 본체로 공급되는 상기 액체 연료의 농도가 소정 농도 이하인 취지의 신호가 상기 시스템 제어 수단으로 통지되었을 때에, 상기 고농도 연료부로부터 상기 액체 연료 공급 수단으로 소정 양의 상기 고농도의 연료를 공급하는 지시를 행하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 액체 연료 펌프 등의 용량 제어 등을 필요로 하지 않고, 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 혼합비 검출 장치는 상기 액체 연료 공급 수단이며, 상기 연료 전지 본체에 상기 액체 연료가 공급되는 전방단의 액체 연료 공급 배관에 설치되는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 연료 전지 본체에 공급되는 연료의 농도를 보다 정확하게 파악하는 것이 가능해진다.
또한, 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 기재된 혼합비 검출 장치를 탑재한 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 시스템 제어 수단은 상기 액체 연료 공급 수단으로부터 액체 연료의 유속에 관한 신호를 수신하고, 상기 시스템 제어 수단에서 수신된 상기 유속에 관한 신호를 이용하여 상기 시스템 제어 수단 혹은 상기 혼합비 검출 장치의 상기 제어 수단에서 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단으로부터 얻게 된 신호에 유속 보정을 행하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 연료 전지 본체에 공급되는 연료의 농도를 더욱 정확하게 파악하는 것이 가능해지고, 연료 전지 시스템을 보다 안정적으로 운전하는 것이 가능해진다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 고정밀도로 소형 및 경량, 게다가 저비용 또 한 저소비 전력의 농도 센서를 제공하는 것이 가능해지고, 또한 다이렉트 메탄올 연료 전지 시스템을 안정적으로 운전시키는 것이 가능해진다.
본 발명에 관한 메탄올 수용액 농도 센서(이하, 농도 센서라 함)(100)의 구성에 대해 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 실시 형태에 관한 농도 센서(100)의 구성을 도시한 모식도이고, 농도 센서(100)는 도9의 DMFC 시스템(200)의 S에서 나타내는 부분, 즉 DMFC의 애노드에 메탄올 수용액이 공급되기 직전의 배관(212)에 설치되어 있다. 메탄올 수용액 공급 배관(212)은 도9에 도시한 바와 같이 유닛화되어 있고, 수지 재료를 사출 성형함으로써 제조된 복수의 판형 부재를 조합하여 배관 유닛(210)을 구성하고 있다.
농도 센서(100)는 광원(10)과 1개 내지 복수의 수광 소자, 메탄올 수용액 공급 배관(212)을 거쳐서 광원(10) 및 수광 소자와 대향하는 위치에 배치된 미러(12), 수광 소자의 근방에 배치된 서미스터(14), 광원(10)이나 수광 소자나 서미스터(14)의 제어 및 신호의 주고 받음을 행하는 센서 제어부(16) 등으로 이루어져 있고, 본 실시 형태에서는 물의 흡수 파장인 1450 ㎚ 부근의 근적외 영역에 수광 감도를 갖는 제1 수광 소자(18)와, 제1 수광 소자(18)보다도 단파장측의 가시광 영역에 수광 감도를 갖는 제2 수광 소자(20)의 2개의 수광 소자(18, 20)를 이용한다. 2종류의 수광 소자를 이용함으로써, 메탄올 수용액의 농도를 정확하게 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 더러운 오염물의 존재에 대해서도 파장 영역이 다른 신호의 조합으로부터 검출이 가능해진다.
광원(10)은 텅스텐 등을 필라멘트에 이용한 백열 전구가 가시광 영역으로부터 적외 영역까지 출사하고, 게다가 소형이면서 또한 저가이므로 적합하다. 본 실시 형태에서는 정격 100 ㎃, 5 V의 백열 전구를 이용하였다. 미러(12)는 가시광 영역으로부터 근적외 영역의 넓은 범위에 대해 높은 반사율로 반사하는 것을 선택하는 것이 바람직하다. 또한, 서미스터(14)는 제1 수광 소자(18)와 제2 수광 소자(20) 사이에 배치하고, 수광 소자(18, 20)로부터의 신호에 온도 보정을 행하는 데 이용한다. 따라서, 사이에 배치할 수 없는 경우에는, 특히 온도(열선)의 영향을 받기 쉬운 제1 수광 소자(18)에 가까운 곳에 배치하는 쪽이 좋다.
센서 제어부(16)에는 도시하지 않지만, 광원(10)의 온/오프의 제어, 특히 광원(10)이 본 실시 형태와 같이 백열 전구인 경우에는, 전류를 흐르게 한 직후에 돌입 전류(필라멘트가 저온일 때에는 저항이 낮기 때문에, msec 정도의 시간이기는 하지만, 통상 사용시의 10 내지 1000배 정도의 전류가 흘러 버리는 현상)가 흐르지 않도록 하는 회로도 포함하는 광원 제어 회로, 수광 소자(18, 20)로부터의 신호 및 서미스터(14)로부터의 신호를 기초로 메탄올 수용액 농도를 연산하는 연산 회로, 연산 회로에서 도출된 메탄올 수용액 농도를 외부로 송신하는 통신 회로 등으로 이루어져 있다. 이들 회로는 농도 센서(100)의 외부에 설치하고, 수광 소자(18, 20)로부터의 신호 및 서미스터(14)로부터의 신호 등을 외부의 센서 제어부(16)에서 메탄올 수용액 농도로 연산해도 좋다.
수광 소자(18, 20)는 상술한 바와 같이 수광 감도 영역이 다른 소자를 이용해도 좋지만, 도2에 도시한 바와 같이 수광 감도 영역이 같은 것을 준비하여 수광 소자(18, 20)의 앞에 회절 격자(22)를 배치[도2의 (a)]해도, 혹은 근적외 영역의 빛을 투과하는 필터(24a) 및 가시광 영역의 빛을 투과하는 필터(24b)를 배치[도2의 (b)]해도 같은 효과를 얻을 수 있다. 어느 쪽의 경우에도 근적외 영역의 빛을 수광하는 쪽의 수광 소자(18)를, 광원(10)으로부터 떨어뜨려 배치하는 쪽이 광원(10)으로부터의 열선의 영향이 작아지므로 바람직하다.
농도 센서(100)의 주위는 단열재(26)로 덮어, 광원(10)으로부터의 열이 외부로 방출되는 일 없이 메탄올 수용액 공급 배관(212)을 따뜻하게 하는 데 이용되도록 한다. 또한, 광원(10)은 메탄올 수용액 공급 배관(212)에 근접하도록 배치하면 효과적으로 따뜻하게 할 수 있다. 이에 의해, 농도 센서(100)의 광로 상에 기포가 부착하여 빛을 가려 농도를 측정할 수 없게 된 경우라도, 광원(10)으로부터의 열로 따뜻해져 기포가 팽창하여 깨지기 쉬워지고, 혹은 물 유동의 저항이 커져 흐르기 쉬워진다.
광원(10) 및 수광 소자(18, 20)는 수지 재료로부터 제조된 하우징(28)에 끼워 넣어지도록 부착되어 있고, 이와 같이 부착함으로써 위치가 고정되어 충격 등의 외란의 영향을 받기 힘든 동시에, 차광 효과도 있으므로, 광원(10)으로부터 메탄올 수용액 속을 지나지 않고 직접 수광 소자(18, 20)로 도달하는 빛을 차폐하는 것이 가능해진다.
다음에, 농도 센서(100)의 제어 방법에 대해 각 실시예에서 설명한다.
[제1 실시예]
도3의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 실시예에서는 광원(10)을 30초 간격으로 1.5초 점등시킨다. 본 실시 형태와 같이 광원(10)으로서 백열 전구를 이용하는 경우에는, 상술한 바와 같이 돌입 전류의 영향을 받으므로, 광원(10)으로부터의 빛이 안정되기까지의 시간을 고려하여 수광 소자(18, 20)는 광원(10)의 점등 후 1초 경과한 시점의 빛을 측정하여 전압으로 변환한다. 이 때, 미리 메탄올 수용액의 농도가 소정의 고농도 상태, 예를 들어 2 ㏖/L일 때의 투과광에 대해 수광 소자(18, 10)가 5 V를 출력하도록 설정해 둔다.
통상의 운전시라면, 도3의 (b)에 도시한 바와 같이 임계치를 예를 들어 상한을 1.2 ㏖/L, 하한을 0.8 ㏖/L로 설정하고, 하한치를 소정 시간 하회하고 있는 것을 검출하였을 때에는, 농도 센서(10)로부터 DMFC 시스템(200)의 제어부(220)로 농도가 저하되어 있는 취지의 신호가 보내지고, 이를 받아 고농도 메탄올 탱크(230)로부터 고농도의 메탄올이 버퍼 탱크(232)로 공급된다. 그리고, 상한치를 초과한 결과, 혹은 소정의 공급량을 공급한 결과, 고농도 메탄올 탱크(230)로부터의 공급을 정지한다.
도4의 (a)와 같이 메탄올 수용액 중에 기포 등이 혼입하여 측정시의 광로 상에 걸린 경우에는 도3의 (b)의 X1과 같이 이상한 값이 검출된다. 기포 등이 측정시에 통과한 것뿐이라면, 다음 측정시에는 통상의 값으로 복귀되지만, 도4의 (b)와 같이 메탄올 수용액 공급 배관(212)의 광로를 방해하는 위치에 부착된 경우에는 다음 측정시에도 통상의 값으로 복귀되지 않고 이상한 값이 검출된다. 이와 같은 경우에는, 광원(10)을 1.5초에서 소등하는 일 없이 점등시킨 상태로 하고, 광원(10)으로부터의 열에 의해 기포를 팽창시킨다.
이와 같은 광원(10)의 온/오프의 제어를 행함으로써 광원(10)에 의한 소비에너지를 저감시킬 수 있는 동시에, 기포 등에 의해 측정이 방해된 경우에도 기포를 제거하여 측정하는 것이 가능해진다.
[제2 실시예]
다음에 도5에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에서는 광원(10)을 30초 간격으로 1.5초씩 전압을 바꾸어 점등시킨다. 광원(10)이 백열 전구인 경우, 광원(10)에 가하는 전압을 변화시킴으로써, 도6과 같이 광원(10)으로부터 출사되는 빛의 파장 영역을 변화시키는 것이 가능해진다. 수광 소자(18, 20)가 수광하는 빛은 광원(10)의 발광 특성, 미러(12)의 반사 특성, 수용액의 흡수 특성 및 수광 소자(18, 20) 자체의 수광 특성에 의존하므로, 도5와 같이 광원(10)에 가하는 전압을 3단계로 변화시켜 발광 특성을 조절함으로써, 2개의 수광 소자(18, 20)로부터 합쳐서 6종류의 신호를 얻을 수 있고, 메탄올 수용액의 농도를 보다 정확하게 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 더러운 오염물의 존재에 대해서도 파장 영역이 다른 신호의 조합으로부터 검출이 용이해진다.
또한, 도4와 같이 기포 등이 혼입한 경우에는, 제1 실시예와 마찬가지로 광원(10)을 소등하는 일 없이 점등시킨 상태로 하고, 광원(10)으로부터의 열에 의해 기포를 팽창시키면, 광원(10)에 의한 소비 에너지를 저감시킬 수 있는 동시에, 기포 등에 따라서 측정이 방해된 경우에도 기포를 제거하여 측정하는 것이 가능해진다.
[참고예]
도7은 참고예의 농도 센서(300)의 구성을 도시하는 모식도이다. 본 참고예의 농도 센서(300)의 설치 장소는 실시예와 마찬가지로 좋다.
참고예의 농도 센서(300)의 광원은 간섭성 빛을 출사하는 광원(레이저광을 출사하는 광원)이 적합하고, 메탄올 검출용 파장 2310 ㎚의 제1 광원(310)과 수분 검출용 파장 1378 ㎚의 제2 광원(311)의 2종류의 광원을 이용한다.
각 광원(310, 311)으로부터 출사된 빛을 각각 제1 편광 빔 스플리터(312) 및 제2 편광 빔 스플리터(313)로 분할하여, 분할된 각각의 빛(314, 315, 316, 317)을 동일한 광원으로부터 분할된 빛끼리[빛(314)과 빛(315), 혹은 빛(316)과 빛(317)] 조금씩 주파수가 다르도록 음향 광학 소자(Acousto-Optic Modulator : AOM)(318, 319, 320, 321)를 이용하여 빛의 주파수를 약 40 ㎒(수십 ㎒ 내지 수백 ㎒ 정도) 변화시킨다.
분할된 한 쪽의 빛(314, 316)은 측정광(314, 316)으로서 메탄올 수용액이 흐르는 메탄올 수용액 공급 배관(212)에 조사하고, 광로가 메탄올 수용액 속을 지나도록 한다. 또한, 분할된 다른 쪽 빛(315, 317)은 참조광(315, 317)으로서 메탄올 수용액 속을 통과하지 않고 공기 속을 지나도록 광로를 설치한다.
측정광(314, 316)이 메탄올 수용액을 통과 후, 제3 편광 빔 스플리터(322) 및 제4 편광 빔 스플리터(323)에서 동일한 광원으로부터 분할된 빛끼리[빛(314)과 빛(315), 혹은 빛(316)과 빛(317)]를 합쳐서 편광판(324, 325)을 통과시키면, 조금씩 주파수가 다른 빛이 곱해지고, 빛의 강도가 곱해진 빛끼리의 주파수 차로 강약하는 신호가 수광 소자(326, 327)로부터 얻게 된다. 이른바, 광헤테로다인 간섭계 이다.
광헤테로다인 간섭계는 측정광이 미약해져 버리는 측정계라도 참조광에 의해 신호를 크게 할 수 있으므로, 노이즈에 강하고, 고정밀도 및 고감도인 측정이 가능해지는 특성을 갖고 있다. 따라서, 메탄올이나 물의 흡광 특성이 현저한 2310 ㎚, 1378 ㎚의 광원을 이용해도 측정이 가능해지고, 또한 현저한 흡광 특성을 나타내는 파장이므로 정확한 농도 측정이 가능해진다. 또한, 메탄올 검출용 참조 파장으로서 1669 ㎚의 제3 광원을 이용하면, 보다 정확한 메탄올 수용액 농도 검출이 가능해진다.
[그 밖의 사항]
상기 실시 형태에서는 농도 센서(100)는 DMFC의 애노드에 메탄올 수용액이 공급되기 직전의 배관에 부착하는 경우에 대해 설명하였지만, 부착 장소는 메탄올 수용액이 공급되기 직전의 배관에 한정되는 것은 아니고, 버퍼 탱크(232), DMFC 본체(240)의 매니폴드의 부분, 메탄올 수용액의 배출측 배관 등이라도 좋다. 또한, 배관의 치수는 농도 센서(100)에 있어서 광로 길이가 5 ㎜를 초과하지 않도록 설정하는 것이 바람직하고, 필요한 유량을 확보하기 위해 배관의 내측 치수가 2.5 ㎜ 이상(광로 길이가 5 ㎜ 이상)이 되어 버리는 경우에는, 두께 치수가 작은 유로를 마련하여 그 부분에 배치하는 것이 바람직하다.
그 밖에, 도8에 도시한 바와 같이, 광원(10)으로부터 제1 수광 소자(18)까지와 광원(10)으로부터 제2 수광 소자(20)까지의 광로 길이 차(L)와, 메탄올 수용액 공급 배관(212) 속을 흐르는 메탄올 수용액의 유속(V)과의 관계로부터 메탄올 수용 액 중의 동일한 부분을 측정한 빛은 제1 수광 소자(18) 쪽이 늦어져 수광 소자에 입사한다고 생각된다. 그래서, 제1 수광 소자(18)로 빛을 측정하는 타이밍을 제2 수광 소자(20)보다도 늦추는 보정을 가하면, 더 정확하게 측정하는 것이 가능해진다.
본 발명의 실시 형태에서는, DMFC에 특화하여 설명하였지만, 메탄올 수용액 등 알코올류의 농도를 고정밀도로 측정할 수 있는 본 발명은 알코올 함유 음료의 제조 과정이나 검사에도 이용할 수 있다.
도1은 본 실시의 일형태에 관한 농도 센서의 구성을 도시하는 모식도.
도2는 본 실시의 다른 형태에 관한 농도 센서의 구성을 도시하는 모식도.
도3은 제1 실시예에 관한 광원의 온/오프 제어와 측정 결과를 나타내는 그래프.
도4는 메탄올 수용액 중에 기포가 혼입한 경우의 모식도.
도5는 제2 실시예에 관한 광원의 온/오프 제어와 측정 결과를 나타내는 그래프.
도6은 백열 전구의 발광 파장 특성을 나타내는 모식도.
도7은 참고예에 관한 농도 센서의 구성을 도시하는 모식도.
도8은 광로와 메탄올 수용액의 유속이 관계를 나타내는 모식도.
도9는 본 실시 형태 관한 DMFC 시스템의 구성을 도시한 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광원
12 : 미러
14 : 서미스터
16 : 센서 제어부
18 : 제1 수광 소자
20 : 제2 수광 소자
22 : 회절 격자
24 : 필터
26 : 단열재
28 : 하우징
100 : 메탄올 수용액 농도 센서
200 : 다이렉트 메탄올 연료 전지 시스템
210 : 배관 유닛
212 : 메탄올 수용액 공급 배관
220 : DMFC 시스템 제어부
230 : 고농도 메탄올 탱크
232 : 버퍼 탱크
240 : DMFC 본체

Claims (15)

  1. 피검출물을 포함하는 혼합액으로부터 상기 혼합액에 대한 상기 피검출물의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치이며,
    적어도 적외 영역의 빛을 포함하는 빛을 발생시키는 광원과,
    상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 상기 적외 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 설치되고, 상기 적외 영역의 빛을 검출하는 제1 광검출 수단과,
    상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 빛을 수광 가능한 위치에 상기 제1 광검출 수단보다도 상기 광원으로부터의 거리가 작게 되도록 설치되고, 상기 제1 광검출 수단과는 범위가 다른 영역의 빛을 검출하는 제2 광검출 수단과,
    상기 제1 광검출 수단과 상기 제2 광검출 수단으로부터의 신호를 기초로 하여 상기 혼합 비율에 관한 신호를 출력하는 동시에, 상기 광원과 상기 제1 광검출 수단과 상기 제2 광검출 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단은 상기 광원을 점등하는 온 스텝과, 상기 광원을 소등하는 오프 스텝을 갖고, 상기 오프 스텝은 상기 온 스텝보다 길게 되도록 반복하고,
    상기 광원으로부터 방사되는 열은 상기 혼합액에 의해 열전도가능하고,
    상기 제어 수단은 상기 제1 광검출 수단 또는 상기 제2 광검출 수단으로부터 이상 신호가 검출되었을 때에, 상기 온 스텝과 상기 오프 스텝을 반복하지 않고 상기 광원을 계속 점등시켜 상기 혼합액을 가열하는 것을 특징으로 하는 혼합비 검출 장치.
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  12. 피검출물을 포함하는 혼합액으로부터 상기 혼합액에 대한 상기 피검출물의 혼합 비율을 검출하는 혼합비 검출 장치이며,
    적어도 적외 영역의 빛을 포함하는 빛을 발생시키는 광원과, 상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 상기 적외 영역의 빛을 수광 가능한 위치에 설치되고 상기 적외 영역의 빛을 검출하는 제1 광검출 수단과, 상기 혼합액을 거쳐서 상기 광원으로부터의 빛을 수광 가능한 위치에 상기 제1 광검출 수단보다도 상기 광원으로부터의 거리가 작게 되도록 설치되고 상기 제1 광검출 수단과는 범위가 다른 영역의 빛을 검출하는 제2 광검출 수단과, 상기 광원과 상기 제1 광 검출 수단 및 상기 제2 광 검출 수단과 대향하는 위치에 설치되고 상기 광원으로부터의 광을 반사하는 반사부와, 상기 광원과 상기 제1 광 검출 수단 및 상기 제2 광 검출 수단이 끼워 넣어지고 상기 반사부를 통하지 않고 상기 광원으로부터 직접 상기 제1 광 검출 수단 및 상기 제2 광 검출 수단으로 입사하는 광을 차폐하는 하우징과, 상기 제1 광검출 수단과 상기 제2 광검출 수단으로부터의 신호를 기초로 하여 상기 혼합 비율에 관한 신호를 출력하는 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합비 검출 장치.
  13. 애노드에 액체 연료를 공급하는 연료 전지 본체를 구비하고, 상기 연료 전지 본체에 공급되는 액체에 대한 연료 성분의 혼합 비율을 검출하는 제1항 또는 제12항에 따른 혼합비 검출 장치를 탑재한 연료 전지 시스템이며,
    상기 연료 전지 본체에 공급되는 액체 연료보다도 고농도의 연료가 저장되는 고농도 연료부와, 상기 고농도의 연료를 희석하여 상기 연료 전지 본체로 액체 연료를 공급하는 액체 연료 공급 수단과, 상기 연료 전지 시스템을 제어하는 시스템 제어 수단을 구비하고,
    상기 시스템 제어 수단은 상기 혼합비 검출 장치로부터의 신호에 따라서 상기 고농도 연료부로부터 상기 액체 연료 공급 수단으로 상기 고농도의 연료를 공급하는 지시를 행하는 것을 특징으로 하는, 혼합비 검출 장치를 탑재한 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 시스템 제어 수단은 상기 액체 연료 공급 수단으로부터 액체 연료의 유속에 관한 신호를 수신하고, 상기 시스템 제어 수단에서 수신된 상기 유속에 관한 신호를 이용하여 상기 시스템 제어 수단 혹은 상기 혼합비 검출 장치의 상기 제어 수단에서 상기 제1 광검출 수단 및 상기 제2 광검출 수단으로부터 얻게 된 신호에 유속 보정을 행하는 것을 특징으로 하는, 혼합비 검출 장치를 탑재한 연료 전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 액체 연료는 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는, 혼합비 검출 장치를 탑재한 연료 전지 시스템.
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