WO2004114450A1

WO2004114450A1 - 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

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Publication number: WO2004114450A1
Application number: PCT/JP2004/008750
Authority: WO
Inventors: Takeshi Obata; Takashi Manako; Satoshi Nagao; Shin Nakamura; Tsutomu Yoshitake; Yoshimi Kubo
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Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2004-12-29
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Abstract

　燃料電池システム（６６０）は、固体高分子電解質膜（１１４）と、該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）とを含む燃料電池本体（１００）と、液体燃料（１２４）を収容する燃料収容部（６６４）と、プロトン伝導性を有し、燃料収容部（６６４）に設けられた高分子膜（６６５）と、高分子膜（６６５）のプロトン伝導度の変化に基づき、燃料収容部（６６４）中の液体燃料（１２４）のアルコール濃度を検出する濃度検出部（第１の電極端子（６６６）、第２の電極端子（６６７））、および濃度測定部（６７０）とを含む。

Description

明細書

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技術分野

[0001] 本発明は、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。

背景技術

[0002] 燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられる力近年、安価で取り扱いの容易なメタノール等のアルコールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。

[0003] 燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（1)のようになる。

3H → 6H+ + 6e— (1)

2

[0004] 燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（2)のようになる。

CH OH + H O → 6H+ + CO + 6e— (2)

3 2 2

[0005] また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（3)のようになる。

3/20 + 6H+ + 6e— → 3H O (3)

2 2

[0006] 特に、直接型の燃料電池では、アルコール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量ィ匕を図ることができる。また、液体のアルコール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。

[0007] しかし、直接型の燃料電池では、発電状況により、燃料中のアルコール濃度が変化してしまう。燃料電池の電力を安定的に保っためには、燃料中のアルコール濃度を適正な範囲に保つ必要がある。そのため、燃料電池システムには、燃料中のアルコール濃度を検出する装置が要求される。

[0008] たとえば、特許文献 1には、液体中のアルコール濃度を測定するセンサが開示されている。このセンサは、電極の間にポリチォフェン系の導電性ポリマー被覆が設けられ、アルコール濃度に応じて抵抗が変化するように構成されている。

[0009] また、特許文献 2および 3には、電解質膜を挟持したアノードと力ソードを含む（特許文献 2の図 15、特許文献 3の図 6参照）、燃料電池様のセルを用いて液体中のメタノール濃度を測定するセンサが開示されている。このセルにおいて、アノードしては Pt 一 Ru、力ソードとしては Pt等の触媒電極が用いられる。このように構成されたセルのァノード一力ソード間に定電圧を印加することにより、アノードにおいてメタノールが二酸化炭素に変換され、力ソードにおいてプロトンが水素に変換される反応が起こり、ァノ一ドー力ソード間に電流が流れる。この電流値を測定することにより、液体中のメタノール濃度が測定される。

特許文献 1：特開平 6 - 265503号公報

特許文献 2：米国特許 6254748号

特許文献 3：米国特許 6306285号

[0010] 発明の開示

[0011] しかし、上記特許文献 1に示された構成のセンサは、たとえばへキサンやガソリン等の良溶媒中に置かれた場合とメタノールや水などの貧溶媒中に置かれた場合とで側鎖のコンフオメーシヨンが異なることを利用して液体中のアルコール濃度を検出している。そのため、貧溶媒であるアルコール水溶液中のアルコール濃度を精度よく検出するのは困難である。

[0012] また、上記特許文献 2および特許文献 3に開示された構成のセンサの場合、メタノール濃度測定用に燃料電池様のセルを準備する必要があり、アノードおよびカソードとして高価な Pt等の触媒金属を利用する必要がある。また、力ソードにおいて水素ガスが発生するため、水素ガスを除去する必要もある。

[0013] 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、簡易な構造でァ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。

[0014] 本発明によれば、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つて、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、液体燃料を含む容器と、プロトン伝導性を有し、容器内または容器の壁部に設けられた高分子膜と、液体燃料を高分子膜に含浸させたときの高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、容器中の液体燃料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適用される

[0015] 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であつてもよぐまた液体燃料を改質して燃料として水素を利用するものであってもいずれでもよレ、。液体燃料を含む容器は、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み、高分子膜が液体燃料を含浸可能であれば、どのような構成とすることちでさる。

[0016] 高分子膜は、容器中の液体燃料を含浸するように構成され、液体燃料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。

[0017] 本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。本発明の燃料電池システムによれば、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出するので、貧溶媒であるァルコール水溶液中においても、アルコール濃度を精度よく検出することができる。

[0018] 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、を含むことができる。

[0019] 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、液体燃料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、液体燃料のアルコール濃度を算出することができる。 [0020] 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、液体燃料中に設けることもできるが、液体燃料に直接接しない構成とすることもできる。電極端子を液体燃料に直接接しない構成とすることにより、電極端子が液体燃料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力 sできる。

[0021] 本発明によれば、上記特許文献 2および特許文献 3に開示された構成のセンサのように触媒電極を用いる必要がないため、簡易な工程で濃度検出部を製造することができる。また、濃度検出部において、触媒金属を用いる必要がないため、燃料電池システムを安価に製造することができる。さらに、上記特許文献 2および特許文献 3に開示された構成のセンサにおいては、電極反応の出力に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出しているが、本発明の燃料電池システムにおいては、高分子膜を流れる電流の抵抗値を測定するだけなので、酸化剤極において水素ガスも発生せず、構成を簡便にすることができる。さらに、上記特許文献 2および特許文献 3においては、電極反応の出力に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出しているため、触媒電極が劣化することにより電極反応の出力が変動してアルコール濃度を正確に測定できない可能性もある。本発明の燃料電池システムにおいては、触媒反応を利用しないため、このような触媒の劣化による問題も生じない。

[0022] 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。

[0023] 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の一部を上記高分子膜として利用することができる。この場合、固体電解質膜において、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。 [0024] 本発明の燃料電池システムは、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、異濃度燃料収容部から容器に液体燃料を供給する供給部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度に応じて、供給部が供給する液体燃料の供給量を調整する制御部と、をさらに含むことができる。異濃度燃料収容部に含まれる液体燃料は、容器中の液体燃料よりも濃度が高くても低くてもどちらでもよい。本発明の燃料電池システムは、複数の異濃度燃料収容部を含むことができる。また、異濃度燃料収容部は、アルコールを含まない水を含むこともできる。この場合、液体燃料を燃料電池本体に供給した後に燃料極で生じる水を異濃度燃料収容部に回収し、循環させる構成とすることもできる。本発明の燃料電池システムによれば、容器中の液体燃料の濃度変化を検出して、アルコール濃度が適切な液体燃料を燃料電池本体に供給することができる。

[0025] 本発明の燃料電池システムにおいて、容器は、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に設けることができる。

[0026] 本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料極に液体燃料を供給する燃料極タンクと、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、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、をさらに含むことができ、容器は、カートリッジに設けることができる。

[0027] 本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料電池本体に液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含むことができ、容器は、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部と、供給部と接続する第一の接続部を有し、燃料極タンクおよび供給部に取り外し可能に構成されてよぐ異濃度燃料収容部は、供給部と接続する第二の接続部を有し、供給部に取り外し可能に構成されてよい。容器および異濃度燃料収容部は、カートリッジに設けることができる。容器および異濃度燃料収容部は、 1 つのカートリッジ内に一体に形成することができる。

[0028] 本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料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液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。

[0029] 本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料の 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に応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。

[0030] 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液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になつた場合に、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、容器中の液体燃料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液体燃料の燃料切れを知らせることができる。

[0031] 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、容器中の液体燃料の温度又は pHを考慮して、液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。

[0032] 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、ァ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高分子膜と、高分子膜のプロトン伝導度の変化に基づき、液体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。

[0033] 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、抵抗測定部が測定した抵抗値を液体中のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むことができる。

[0034] 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を含む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、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、液体中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。

[0035] 本発明のアルコール濃度測定装置において、プロトン伝導度の変化を検出するェ程は、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、抵抗値に基づき液体のアルコール濃度を算出する工程を含むことができる。

[0036] 本発明のアルコール濃度測定方法は、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、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ができる。

[0037] 本発明によれば、燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、プロトン伝導性を有する高分子膜と、高分子膜に配設され、第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続される第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器が提供される。

[0038] 本発明によれば、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つて、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、液体燃料を含む容器と、容器または容器の壁部に設けられ、液体燃料を含浸して液体燃料中のアルコールの濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき容器中の液体燃料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。

[0039] 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であつてもよぐまた液体燃料を改質して燃料として水素を利用するものであってもいずれでもよレ、。液体燃料を含む容器は、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み、高分子膜が液体燃料を含浸可能であれば、どのような構成とすることちでさる。

[0040] 高分子膜は、容器中の液体燃料を含浸するように構成され、液体燃料のアルコール濃度や水の濃度に応じて寸法が変化する材料により構成することができる。高分子膜は、液体燃料のアルコール濃度や水の濃度に応じて膨張や収縮等して寸法が変化する材料により構成することができる。

[0041] 本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出すること力 Sできる。また、本発明の燃料電池システムによれば、高分子膜の液体燃料中での寸法変化に基づき液体燃料のアルコール濃度を検出するので、貧溶媒であるアルコール水溶液中においても、アルコール濃度を精度よく検出することができる。

[0042] 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ストレインゲージと、ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗の変化を液体燃料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。

[0043] 本発明の燃料電池システムにおいて、高分子膜は、プロトン酸基を含むことができる。

[0044] 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の一部を高分子膜として利用することができる。

[0045] 本発明の燃料電池システムにおいて、濃度検出部は、高分子膜を挟んで構成されたコンデンサと、コンデンサの電気容量を測定する電気容量測定部と、電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出し、当該寸法変化の度合いを液体燃料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。この場合、高分子膜としては、絶縁性の材料を用いることができる。このような材料として、たとえば燃料電池本体の固体電解質膜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ができる。

[0046] 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水晶振動子と、当該水晶振動子の共振周波数の変化を検出する共振周波数特性測定部と、共振周波数特性測定部が測定した共振周波数特性に基づき、液体燃料のアルコール濃度に変換する濃度算出部と、を含むこと力 Sできる。

[0047] 本発明の燃料電池システムにおいて、高分子膜は、架橋されたものを用いることができる。これにより、液体燃料のアルコール濃度が変化して高分子膜が膨張'収縮を繰り返して寸法変化した場合であっても、材料の劣化を低減することができる。

[0048] 本発明の燃料電池システムは、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、異濃度燃料収容部から容器に液体燃料を供給する供給部と、濃度検出部が検出した容器中の液体燃料のアルコール濃度に応じて、供給部が供給する液体燃料の供給量を調整する制御部と、をさらに含むことができる。異濃度燃料収容部に含まれる液体燃料は、容器中の液体燃料よりも濃度が高くても低くてもどちらでもよい。本発明の燃料電池システムは、複数の異濃度燃料収容部を含むことができる。また、異濃度燃料収容部は、アルコールを含まない水を含むこともできる。この場合、液体燃料を燃料電池本体に供給した後に燃料極で生じる水を異濃度燃料収容部に回収し、循環させる構成とすることもできる。本発明の燃料電池システムによれば、容器中の液体燃料の濃度変化を検出して、アルコール濃度が適切な液体燃料を燃料電池本体に供給することができる。

[0049] 本発明の燃料電池システムにおいて、容器は、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に設けることができる。

[0050] 本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料極に液体燃料を供給する燃料極タンクと、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部を有し、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、をさらに含むことができ、容器は、カートリッジに設けることができる。

[0051] 本発明の燃料電池システムは、燃料注入口を有し、燃料電池本体に液体燃料を供給する燃料極タンクをさらに含むことができ、容器は、燃料極タンクの燃料注入口と嵌合する嵌合部と、供給部と接続する第一の接続部を有し、燃料極タンクおよび供給部に取り外し可能に構成されてよぐ異濃度燃料収容部は、供給部と接続する第二の接続部を有し、供給部に取り外し可能に構成されてよい。容器および異濃度燃料収容部は、カートリッジに設けることができる。容器および異濃度燃料収容部は、 1 つのカートリッジ内に一体に形成することができる。

[0052] 本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料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液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。 [0053] 本発明の燃料電池システムは、容器中の液体燃料の 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に応じて容器中の液体燃料のアルコール濃度を補正することができる。

[0054] 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液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になつた場合に、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、容器中の液体燃料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液体燃料の燃料切れを知らせることができる。

[0055] 本発明の燃料電池システムは、温度または pHに対する寸法変化の度合い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寸法変化の度合いに基づき、容器中の液体燃料の温度又は pHを考慮して、液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。

[0056] 本発明によれば、アルコール濃度の測定装置であって、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寸法変化する高分子膜と、高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき液体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。

[0057] 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ストレインゲージと、ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、抵抗測定部が測定した抵抗の変化を液体燃料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。

[0058] 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を含む液体を当該液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜に含浸させる工程と、高分子膜の寸法変化を検出する工程と、高分子膜の寸法変化の度合いに基づき、液体中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。 [0059] 本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜に配設されたストレインゲージの抵抗変化を測定する工程を含むことができ、ァルコール濃度を検出する工程は、抵抗変化を測定する工程において測定された抵抗の変化を液体中のアルコール濃度に変換する工程を含むことができる。

[0060] 本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜を挟んで構成されたコンデンサの電気容量を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、電気容量を測定する工程において測定された電気容量の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことができる。

[0061] 本発明のアルコール濃度測定方法において、寸法変化を検出する工程は、高分子膜に配設された水晶振動子の共振周波数の変化を測定する工程を含むことができ、アルコール濃度を検出する工程は、共振周波数の変化を測定する工程において測定された共振周波数の変化に基づき高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを液体燃料のアルコール濃度に変換する工程とを含むことができる。

[0062] 本発明によれば、燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、アルコールを含む液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜と、高分子膜に配設されたストレインゲージと、第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続され、ストレインゲージの抵抗変化を取り出す第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器が提供される。

[0063] 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。

[0064] 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。図面の簡単な説明

[0065] 上述した目的、およびその他の目的、特徴及び利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

[0066] [図 1]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 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。

園 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。

園 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。

園 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。

園 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。

園 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。

園 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。

園 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。

発明を実施するための最良の形態

[0067] 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、ナビゲーシヨンシステム、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レ、られる。

[0068] (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。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 66 2と、ノくッファタンク 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。

[0069] 本実施の形態において、燃料 124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の有機液体燃料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。

[0070] 燃料電池本体 100は、固体電解質膜 114と、固体電解質膜 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の詳細な構成にっレ、ては後述する。

[0071] 本実施の形態において、燃料収容部 676は、燃料極 102に供給される燃料 124よりもアルコール濃度が高い燃料 124を収容する。

[0072] バッファタンク 664には、燃料極タンク 662に供給される燃料 124が導入される。センサ 668は、バッファタンク 664内の燃料 124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、バッファタンク 664中の燃料 124を含浸するように構成され、燃料 124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、バッファタンク 664中の燃料 124のメタノール濃度を検出することができる。 [0073] 高分子膜 665は、燃料 124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力たとえば、燃料電池本体 100の固体電解質膜 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—フエノキシベンゾイノレー 1 , 4一フエ二レン）、アルキルスルフォン化ポリべ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、ポリビュルスルフォン酸共重合体、架橋アルキノレ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；

アクリルアミドー 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—ブチルメタタリレートのようなアタ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ォロカーボン (ナフイオン (登録商標、デュポン社製）、ァシプレックス (旭化成社製)）；

カルボキシノレ基含有パーフルォロカーボン (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、ポリフエ二レンスルフイド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルォロスチレン共重合体（BAM3G、バラード社製）；

などが例示される。

[0074] また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、ェポキシ基、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。

[0075] 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、ノくッファタンク 664中の燃料 124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、バッファタンク 664中の燃料 124のァ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。

[0076] 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 124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等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 66 7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。

[0077] また、センサ 668は、図 39に示すように、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をバッファタンク 664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がバッファタンク 664 中の燃料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。

[0078] 図 3は、センサ 668の他の例を示す図である。図 3 (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 3 (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を構成することあできる。

[0079] 図 4は、センサ 668のまた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、それぞれ、配線 710aおよび配線 710bを導電性ペースト _{71 1}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等を用いることができる。図 4 (b)は、図 4 (a)に示したセンサ 668の側面図である。なお、前述した図 3 (a)および図 3 (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 71 Obが高分子膜 665にしつ力固定されるようにすることができる。

[0080] さらに、センサ 668は、図 4 (c)および図 4 (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 710 c、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。

[0081] 図 1に戻り、濃度測定部 670が測定したバッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度は制御部 672に伝達される。燃料供給処理部 674は、燃料収容部 676からバッファタンク 664に燃料 124を供給する処理を行う。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、バッファタンク 664中の燃料 124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からバッファタンク 664に供給する燃料 124の供給量を制御する。燃料供給処理部 674の詳細な構成についても後述する。

[0082] 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バッファタンク 664中の燃料 124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。

[0083] また、図 5に示すように、燃料電池システム 660は、燃料収容部 676および燃料供給処理部 674を含まない構成とすることもできる。この場合、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ない場合、警告提示部 680に警告を発生させる。バッファタンク 664中の燃料 124を燃料極タンク 662に循環させて燃料電池本体 100で電気化学反応を起こさせると、通常燃料 124中のアルコールの含有量（モル比）は水の含有量（モル比）より低いため、燃料 124中のアルコールが消費され、バッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度が徐々に低下していく。図 5に示したような構成とすると、バッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度が所定濃度以下となった場合に警告提示部 680に警告を発生させることができ、バッファタンク 664中の燃料 124の利用可能終点を検知することができる。

[0084] 図 6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、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が測定した抵抗値力メタノール濃度を算出する。

[0085] また、図 7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（2)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を通過する過程において、燃料 12 4に二酸化炭素が溶け込み、燃料 124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 12 4の温度および pHも考慮して燃料 124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、バッファタンク 664中の燃料 124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 6)は、第 1の電極端子 66 6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 p H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、バッファタンク 664中の燃料 124の温度や pHをも考慮して燃料 124中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。

[0086] また、燃料電池システム 660が pHセンサ 686を含まない場合、参照データ記憶部

685 (図 6)は、燃料 124を二酸化炭素ガスで飽和させた状態における第 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記憶することができる。この場合、バッファタンク 664中の燃料 124を二酸化炭素ガスで飽和させ、濃度測定部 670によるアルコール濃度の測定を開始するようにしてよい。このようにすれば、燃料電池本体 100の電極反応において二酸化炭素が発生することによる燃料 124の pH変化を考慮することなく燃料 124中のアルコール濃度を測定することができる。

[0087] 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ちでさる。

[0088] 図 40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 40 (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 40 (b)に示すように、温度センサ 688を高分子膜 665内に坦め込んだ構成とすることもできる。また、センサ 668は、図 40 (c)に示すように、膜状の濃度測定部 670を高分子膜 665に貼り付けた構成とすることもできる。

[0089] さらに、図 8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、バッファタンク 664中の燃料 124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) ナフイオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルォロカーボン、（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 124中のアルコール濃度を検出することができる。

[0090] さらに、たとえば図 7に示したように温度センサ 688を用いると共に、 pHによってプ口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つてもバッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度および pHを測定することもできる。

[0091] 図 9は、燃料供給処理部 674の構成を詳細に示す図である。

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。

[0092] 燃料供給部 465として圧電ポンプを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量ィ匕が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料 124の供給量を、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良好に制御することができる。インバータ 461の振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、 1回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれを変化させた場合においても、燃料 124の供給量を調節することができる。

[0093] 圧電ポンプとして、たとえばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、たとえばバイモルポンプ (極光社製、登録商標）や、 FD K社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。なお、ここでは図示していないが、インバータ 461は、燃料電池本体 100からの出力を直交変換することにより、バイモルフ型圧電ポンプの駆動電源を得ることができる。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。

[0094] また、ここで図示していなレ、が、バッファタンク 664と燃料極タンク 662とは、燃料供給部 465と同様の構成の圧電ポンプを介して燃料 124が循環可能な構成とすることができる。このようにすれば、燃料 124として液体燃料を用いた際に、燃料極 102において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極 102から除去される。このため、燃料極 102における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体 100の出力を向上させることができる。

[0095] また、図 10に示すように、センサ 668は、バッファタンク 664の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図 11に示すように、センサ 668は、燃料極タンク 662に設けることもできる。この場合、燃料電池本体 100の固体電解質膜 114の一部を図 1に示した高分子膜 665として用いることができる。

[0096] また、図 42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、ここでは図示していないが、センサ 668を燃料極タンク 662 内に設けた構成とすることもできる。

[0097] 図 12は、図 10および図 11に示した構成のセンサ 668の変形例を示す図である。

図 12 (a)は、図 10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、バッファタンク 664中の燃料と直接接しないように、バッファタンク 664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がバッファタンク 664中の燃料を含浸していれば、第 1の電極端子 666および第 2の電極端子 667がバッファタンク 664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が燃料中に常時配置されないため、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。

[0098] 図 12 (b)は、図 11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中の燃料と直接接しないように、固体電解質膜 114の酸化剤極 108側に設けられた構成とすること力 S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。

[0099] 次に、図 13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 13は、単セル構造 1 01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 1 08および固体電解質膜 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 124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。

[0100] 固体電解質膜 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。

[0101] 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 11に示す構成とする場合、固体電解質膜 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が設けられてレ、なレ、領域を高分子膜 665として用いる。

[0102] 基体 104および基体 110の表面は撥水処理してもよレ、。前述したように、燃料 124 としてメタノールを用いた場合、燃料極 102で二酸化炭素が発生する。燃料極 102で発生した二酸化炭素の気泡が燃料極 102付近に滞留すると、燃料極 102への燃料 124の供給が阻害され、発電効率の低下の原因となる。そこで、基体 104の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体 104の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料 124とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体 104の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体 104の表面上における気泡の形成を軽減できる。さらに、これらの表面処理による作用と燃料電池本体 100への加振処理との相乗作用により、燃料極 102から二酸化炭素が一層効率的に除去されるため、高い発電効率が実現する。親水性コート材としては、たとえば酸化チタン、酸化ケィ素等が挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルォロエチレン、シラン等が例示される。

[0103] 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を得ること力 Sできる。

[0104] 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液体燃料のァルコール濃度を検出することができる。

[0105] (第二の実施の形態）

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。

[0106] 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 6 62、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。

[0107] 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、カートリツジ 678の燃料収容部 676に含まれる燃料 124をバッファタンク 664に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 124を導入可能に構成される。

[0108] 図 15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 14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。

[0109] また、図 16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 17に示すように、燃料電池システム 660は、燃料収容部 67 6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部分をシールなどで覆う構成とし、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 6 79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。

[0110] 図 18は、図 15に示したカートリッジ 678の他の例を示す図である。ここで、カートリツジ 678のバッファタンク 664は燃料供給部材 637を含む。この例において、燃料電池本体 100には燃料極タンク 662が設けられず、バッファタンク 664に含まれる燃料は燃料供給部材 637を介して燃料電池本体 100の燃料極 102に供給される。燃料供給部材 637は、燃料 124を吸収するとともに、吸収した燃料を燃料電池本体 100に供給することのできる材料により構成される。燃料供給部材 637は、たとえばウレタンにより構成すること力 Sできる。また、燃料供給部材 637は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフイドまたはポリべンズイミダゾール等の多孔質フィルム等により構成することもできる。

[0111] カートリッジ 678がこのような構成を有する場合、制御部 672は、濃度測定部 670により測定されたバッファタンク 664中のアルコール濃度が適正な範囲内でない場合、警告提示部 680に警告を発生させることができる。

[0112] 本実施の形態における燃料電池システム 660によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。

[0113] (実施例 1)

高分子膜 665としてナフイオン N112膜（デュポン社製、厚さ約 50 z m、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金端子（幅約 6m m角）を取り付けたセンサ 668を準備した。容器内に濃度が既知のメタノール水溶液を導入し、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。図 19は、メタノール濃度と抵抗値との関係を示す図である。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。

[0114] (第三の実施の形態）

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、ノくッファタンク 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。

[0115] 本実施の形態において、燃料 124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の有機液体燃料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。

[0116] 燃料電池本体 100は、固体電解質膜 114と、固体電解質膜 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に供給する酸化剤としては、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は、第一の実施の形態において図 13を参照して説明したのと同様の構成を有する。

[0117] 本実施の形態において、燃料収容部 676は、燃料極 102に供給される燃料 124よりもアルコール濃度が高い燃料 124を収容する。

[0118] バッファタンク 664には、燃料極タンク 662に供給される燃料 124が導入される。センサ 698は、バッファタンク 664内の燃料 124のアルコール濃度を検出するのに用いられる。センサ 698は、高分子膜 694と、ストレインゲージ 695と、第 1の端子 696と、第 2の端子 697とを含む。高分子膜 694は、アルコールを含浸するように構成され、燃料 124のアルコール濃度に応じて寸法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 692は、高分子膜 694の寸法変化を検出し、その寸法変化の度合いに基づき、バッファタンク 664中の燃料 124のメタノール濃度を検出する。

[0119] 高分子膜 694は、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が、たとえば、固体電解質膜 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、

スルホン化ポリ（4—フエノキシベンゾィルー 1 , 4一フエ二レン）、アルキルスルフォン化ポリべ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、架橋アルキノレ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；

カルボキシノレ基含有パーフルォロカーボン (フレミオン (登録商標） S膜 (旭硝子社製 ) )；

などが例示される。

[0120] また、上記した高分子に対して、適宜、架橋性の置換基、例えば、ビニル基、ェポキシ基、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、 U V、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。

[0121] また、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、極性基を有する材料でなくてもよぐどのような高分子により構成することもできる。

[0122] ストレインゲージ 695は、高分子膜 694の表面に貼付、または内部に坦め込まれる。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力たとえば 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、バッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度を測定する。濃度測定部 670の詳細な構成にっレ、ては後述する。

[0123] 図 21は、センサ 698を詳細に示す図である。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。

[0124] 図 20に戻り、濃度測定部 670が測定したバッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度は制御部 672に伝達される。燃料供給処理部 674は、燃料収容部 676からバッファタンク 664に燃料 124を供給する処理を行う。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、バッファタンク 664中の燃料 124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からバッファタンク 664に供給する燃料 124の供給量を制御する。燃料供給処理部 674の詳細な構成についても後述する。

[0125] 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バッファタンク 664中の燃料 124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。

[0126] また、図 22に示すように、燃料電池システム 692は、燃料収容部 676および燃料供給処理部 674を含まない構成とすることもできる。この場合、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ない場合、警告提示部 680に警告を発生させる。バッファタンク 664中の燃料 124を燃料極タンク 662に循環させて燃料電池本体 100で電気化学反応を起こさせると、燃料 124中のアルコールが消費され、バッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度が徐々に低下してレヽく。図 22に示したような構成とすると、バッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度が所定濃度以下となった場合に警告提示部 680に警告を発生させることができ、バッファタンク 664中の燃料 124の利用可能終点を検知することができる。

[0127] 図 23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（SZ〇） 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。

[0128] また、図 24に示すように、燃料電池システム 692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。 pHセンサ 686および温度センサ 688は、バッファタンク 664中の燃料 124の pHおよび温度をそれぞれ測定する。参照データ記憶部 68 5は、第 1の端子 696および第 2の端子 697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の端子 696および第 2の端子 697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、バッファタンク 664中の燃料 124の温度や pHをも考慮して燃料 124中のメタノーノレ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。

[0129] 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ちでさる。

[0130] さらに、図 25に示すように、温度および pHに対する寸法変化の度合い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 698a、 698b,および 698cを組み合わせて用いることにより、バッファタンク 664中の燃料 124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)ナフイオン等のスルホン酸基含有ポリパーフルォロカーボン、（2) 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、高分子膜 698a、 698b,および 698c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、 6 82b、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 124中のアルコール濃度を検出することができる。

[0131] さらに、たとえば図 25に示したように温度センサ 688を用いると共に、 pHに対する電気抵抗の変化が異なる二種の高分子膜を組み合わせて用いることによつてもバッファタンク 664中の燃料 124のアルコール濃度および pHを測定することもできる。

[0132] 図 26は、燃料供給処理部 674の構成を詳細に示す図である。

[0133] また、ここで図示していなレ、が、バッファタンク 664と燃料極タンク 662とは、燃料供給部 465と同様の構成の圧電ポンプを介して燃料 124が循環可能な構成とすることができる。このようにすれば、燃料 124として液体燃料を用いた際に、燃料極 102において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極 102から除去される。このため、燃料極 102における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体 100の出力を向上させることができる。

[0134] また、図 27に示すように、センサ 698は、バッファタンク 664の壁部に設けた構成とすることもできる。さらに、図 28に示すように、センサ 698は、燃料極タンク 662に設けることもできる。この場合、燃料電池本体 100の固体電解質膜 114の一部を図 20に示した高分子膜 694として用いることができる。

[0135] また、図 43に示すように、センサ 698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、ここでは図示していないが、センサ 698を燃料極タンク 662 内に設けた構成とすることもできる。

[0136] 図 29は、図 27および図 28に示した構成のセンサ 698の変形例を示す図である。

図 29 (a)は、図 27に示したセンサ 698の変形例を示す。センサ 698において、ストレインゲージ 695、第 1の端子 696、および第 2の端子 697は、バッファタンク 664中の燃料と直接接しないように、ノくッファタンク 664の外部に設けられた構成とすることができる。高分子膜 694がバッファタンク 664中の燃料を含浸していれば、ストレインゲージ 695、第 1の端子 696、および第 2の端子 697がバッファタンク 664中に設けられていなくても、第 1の端子 696および第 2の端子 697から高分子膜 694の寸法変化に基づく抵抗値の変化を取り出すことができる。このような形態とした場合、ストレインゲージ 695は、図 21に示したような防水フィルム 712を設けない構成とすることもできる。また、このような構成とすると、第 1の端子 696および第 2の端子 697が燃料中に常時配置されないため、第 1の端子 696および第 2の端子 697が燃料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の端子 696および第 2の端子 697を安定に保つことができる。

[0137] 図 29 (b)は、図 28に示したセンサ 698の変形例を示す。ここで、ストレインゲージ 6 95、第 1の端子 696、および第 2の端子 697は、燃料極タンク 662中の燃料と直接接しないように、固体電解質膜 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、ストレインゲージ 695、第 1の端子 696、および第 2の端子 697が燃料中に常時配置されないため、ストレインゲージ 695、第 1の端子 696、および第 2の端子 697を安定に保つことができる。 [0138] 本実施の形態における燃料電池システム 692によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。

[0139] また、センサ 698は、図 41に示すように、高分子膜 694表面に貼り付けたクォーツ 7 22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。

[0140] (第四の実施の形態）

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、ポリフエ二レンスルフイド、ポリイミド、ポリホスファゼン、トリフルォ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。

[0141] このとき、濃度測定部 670は、図 23に示した抵抗測定部 682にかえて、センサ 704 の第 1の電極 701および第 2の電極 702間の電気容量を測定する電気容量測定部を含む。濃度算出部 684は、電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき、バッファタンク 664中のアルコール濃度を算出する。また、参照データ記憶部 685 は、第 1の電極 701および第 2の電極 702間の電気容量と液体燃料のアルコール濃度との関係を示す参照データを記憶する。高分子膜 700として燃料 124のアルコール濃度に応じて寸法が変化する材料を用いた場合、センサ 704を燃料 124に含浸させると、燃料 124のアルコール濃度に応じて高分子膜 700の膜厚が変化し、それに伴い第 1の電極 701および第 2の電極 702間の距離が変化する。コンデンサの電気容量は、第 1の電極 701および第 2の電極 702間の距離に反比例するので、第 1の電極 701および第 2の電極 702間の電気容量を測定することにより高分子膜 700の膜厚変化を検出することができ、高分子膜 700の膜厚変化に基づきバッファタンク 66 4中のアルコール濃度を算出することができる。

[0142] 図 31は、センサ 704を詳細に示す図である。図 31 (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 31 (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、図 30に示した濃度測定部 670に電気的に接続される。

[0143] また、図示していないが、高分子膜 700の寸法の変化は、高分子膜 700にマイクロ波等をあて、発振周波数を変化させて反射波を受信し、共振周波数特性に応じて高分子膜 700の寸法 (膜厚)変化を検出する方法を用いることもできる。

[0144] 本実施の形態における燃料電池システム 692によれば、簡易な構成で液体燃料のアルコール濃度を検出することができる。

[0145] (第五の実施の形態）

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。

[0146] 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 692の本体側 679には、燃料電池本体 100、燃料極タンク 6 62、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。第三の実施の形態において図 20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。

[0147] 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、カートリツジ 678の燃料収容部 676に含まれる燃料 124をバッファタンク 664に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 698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 698の第 1の端子 696および第 2の端子 697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 124を導入可能に構成される。

[0148] 図 33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 698の第 1の端子 696および第 2 の端子 697とそれぞれ電気的に接続された端子 696aおよび端子 697aが設けられる

[0149] また、図 34に示すように、センサ 698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 35に示すように、燃料電池システム 692は、燃料収容部 67 6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。

[0150] 図 36は、図 33に示したカートリッジ 678の他の例を示す図である。ここで、カートリツジ 678のバッファタンク 664は燃料供給部材 637を含む。この例において、燃料電池本体 100には燃料極タンク 662が設けられず、バッファタンク 664に含まれる燃料は燃料供給部材 637を介して燃料電池本体 100の燃料極 102に供給される。燃料供給部材 637は、燃料 124を吸収するとともに、吸収した燃料を燃料電池本体 100に供給することのできる材料により構成される。燃料供給部材 637は、たとえばウレタンにより構成すること力 Sできる。また、燃料供給部材 637は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフイドまたはポリべンズイミダゾール等の多孔質フィルム等により構成することもできる。

[0151] なお、第四の実施の形態において説明したセンサ 704を含む燃料電池システム 69 2についても、本実施の形態で説明したようなカートリッジを含む構成とすることができる。

[0152] (実施例 2)

高分子膜 694としてナフイオン Ni l 7膜（デュポン社製、厚さ約 50 z m、幅約 5mm 、長さ約 60mm)を用レ、、高分子膜 694の表面にストレインゲージを貼付し、センサ 6 98を準備した。容器内に濃度が既知のメタノール水溶液 (メタノール濃度 0%、 20% 、 40%、および 60%)を導入し、ブリッジを備えた直流ソースメーターを用いてストレインゲージの電極間の抵抗値を測定した。表 1に、メタノール水溶液中のメタノール濃度と抵抗値の変化率との関係を示す。このように、高分子膜 694の歪みを検出することにより、精度よくアルコール濃度を検出することができた。

[表 1]

MeOH ( % ) 抵抗変化（％)

0 0 . 0

2 0 5 . 0

4 0 1 0

6 0 2 2

[0154] 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。

[0155] また、燃料電池システム 660は、図 37に示すように、燃料収容部および燃料供給部をそれぞれ 2つずつ含む構成とすることができる。この場合、図 37 (a)に示すように、燃料電池システム 660は、図 1に示した燃料収容部 676にかえて、第 1の燃料収容部 407および第 2の燃料収容部 409を含む。燃料供給処理部 674は、第 1の燃料供給部 465aと、第 2の燃料供給部 465bと、インバータ 461と、混合部 485とを含む。第 1の燃料供給部 465aは、第 1の燃料収容部 407から混合部 485に第 1燃料成分 48 1を供給する。第 2の燃料収容部 409は、第 2の燃料収容部 409から混合部 485に第二燃料成分 483を供給する。第 1の燃料収容部 407および第 2の燃料収容部 409から供給された第 1の燃料成分 481および第 2の燃料成分 483は、混合部 485で混合されて燃料 124として燃料電池本体 100に供給される。第 1の燃料供給部 465aおよび第 2の燃料供給部 465bは、いずれもインバータ 461に接続されており、制御部 67 2によってそれぞれの供給量が制御される。ここで、第 1の燃料成分 481および第 2の燃料成分 483は、たとえば水およびメタノールとすることができる。混合部 485は、たとえばスロットバノレブまたは圧電バルブとすることができる。

[0156] また、図 37 (b)に示すように、燃料電池システム 660は、濃度調整部 592をさらに含むことができる。濃度調整部 592は混合部 485を調整して第 1の燃料収容部 407 および第 2の燃料収容部 409からそれぞれ供給される第 1の燃料成分 481および第 2の燃料成分 483の混合率を制御する。濃度調整部 592は、インバータ 461に接続されており、制御部 672によって制御される。

[0157] このように、図 37に示した構成の燃料供給処理部 674においては、 2つの燃料成分の供給量が個別に制御されるので、燃料 124の濃度を適宜調整することができる。また、 2つの燃料成分は、混合部 485で混合されて燃料電池本体 100に供給されるので、 2つの燃料成分を均一に混合して燃料電池本体 100に供給することができる

[0158] 第三の実施の形態一第五の実施の形態において説明した燃料電池システム 692 についても、同様に、燃料収容部および燃料供給部をそれぞれ 2つずつ含む構成とすること力 Sできる。

[0159] なお、燃料供給処理部 674は、 3つ以上の燃料供給部を含むこともできる。この場合、燃料電池システム 660も 3つ以上の燃料収容部を含むことができる。

[0160] また、燃料電池システム 660は、図 38に示すような構成とすることもできる。図 38に示すように、カートリッジ 678は、第 1の燃料収容部 676aおよび第 1の燃料収容部 67 6aとはアルコール濃度の異なる燃料を収容する第 2の燃料収容部 676bを含む構成とすることができる。なお、第 1の燃料収容部 676aおよび第 2の燃料収容部 676bのいずれか一方は、アルコールを含まない水を収容することもできる。ここでは図示していないが、燃料を燃料電池本体 100に供給した後、排出される水が第 1の燃料収容部 676aまたは第 2の燃料収容部 676bのいずれかに返却されて循環する形態とすることちできる。

[0161] 図 38 (a)は、本体側 679に第 1のポンプ 707aおよび第 2のポンプ 707bが設けられた例を示す図である。本体側 679の第 1のポンプ 707aおよび第 2のポンプ 707bの先にはシリンジ 709が設けられている。カートリッジ 678の第 1の燃料収容部 676aおよび第 2の燃料収容部 676bには、たとえばシリコンゴム等のキャップ 708が設けられてレヽる。本体側 679のシリンジ 709をカー卜]；ッジ 678のキャップ 708に突き刺し、第 1 のポンプ 707aおよび第 2のポンプ 707bを駆動させることにより、第 1の燃料収容部 6 76aおよび第 2の燃料収容部 676bから本体側 679に燃料を供給することができる。ここで図示していなレ、が、第 1のポンプ 707aおよび第 2のポンプ 707bは、制御部 67 2 (図 14等参照）により制御することができ、センサ 668により測定されたバッファタンク 664中の燃料の濃度に応じて第 1の燃料収容部 676aおよび第 2の燃料収容部 67 6bからの燃料の供給量を調整することができる。なお、ここではセンサ 668がバッファタンク 664に設けられた例を示している力センサ 668は、燃料極タンク 662内に設けられてもよぐまたバッファタンク 664と燃料極タンク 662とを結ぶ配管 705中に設けられてもよぐ第 1のポンプ 707aおよび第 2のポンプ 707bとバッファタンク 664とを結ぶ配管 706中に設けられてもよレ、。

[0162] さらに、図 38 (b)に示すように、第 1のポンプ 707aおよび第 2のポンプ 707bは、力ートリッジ 678内に設けられた構成とすることもできる。この場合も、第 1のポンプ 707a および第 2のポンプ 707bは、カートリッジ 678力 S本体側 679に取り付けられたときに、制御部 672 (図 14等参照）に電気的に接続されるように構成することができ、制御部 672により制御することができる。

[0163] なお、図 38では、本体側 679にバッファタンク 664が設けられた例を示した力燃料電池システム 660は、バッファタンク 664を含まない構成とすることもでき、カートリッジ 678から供給される燃料が配管 706または配管 705を介して燃料極タンク 662に直接導入される形態とすることもできる。

[0164] また、センサ 668、センサ 698、およびセンサ 704は、メタノール等を水素ガスに改質し、燃料として水素を利用する燃料電池システムにおいて、改質前のアルコール濃度を測定するのに用いることもできる。

[0165] さらに、センサ 668、センサ 698、およびセンサ 704は、燃料電池システム 660または燃料電池システム 692中のアルコール濃度測定に限定されず、種々の溶液中のアルコール濃度を測定するのに用いることができる。たとえば、アルコール飲料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。

Claims

請求の範囲

[1] 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、

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高分子膜と、

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、

を含むことを特徴とする燃料電池システム。

[2] 請求の範囲第 1項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。

[3] 請求の範囲第 2項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。

[4] 請求の範囲第 2項または第 3項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。

[5] 請求の範囲第 1項乃至第 4項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。

[6] 請求の範囲第 1項乃至第 5項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、前記容器中の前記液体燃料の温度又は pHを考慮して、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。

[7] 請求の範囲第 1項乃至第 6項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。

[8] 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、

前記液体燃料を含む容器と、

前記容器内または前記容器の壁部に設けられ、前記液体燃料を含浸して前記液体燃料中のアルコールの濃度に応じて寸法変化する高分子膜と、

前記高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合い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、

を含むことを特徴とする燃料電池システム。

[9] 請求の範囲第 8項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ストレインゲージと、前記ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗の変化を前記液体燃料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燃料電池システム。

[10] 請求の範囲第 8項または第 9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。

[11] 請求の範囲第 8項に記載の燃料電池システムにおいて、

前記濃度検出部は、前記高分子膜を挟んで構成されたコンデンサと、前記コンデンサの電気容量を測定する電気容量測定部と、前記電気容量測定部が測定した電気容量の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出し、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料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燃料電池システム。

[12] 請求の範囲第 8項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水晶振動子と、当該水晶振動子の共振周波数の変化を検出する共振周波数特性測定部と、前記共振周波数特性測定部が測定した共振周波数特性に基づき、前記液体燃料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燃料電池システム。

[13] 請求の範囲第 8項乃至第 12項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。

[14] 請求の範囲第 6項乃至第 13項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に対する寸法変化の度合い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寸法変化の度合いに基づき、前記容器中の前記液体燃料の温度又は pHを考慮して、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。

[15] 請求の範囲第 1項乃至第 14項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。

[16] 請求の範囲第 1項乃至第 15項いずれか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。

[17] 請求の範囲第 1項乃至第 16項いずれか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。

[18] 請求の範囲第 1項乃至第 17項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。

[19] 請求の範囲第 18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。

[20] 請求の範囲第 19項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。

[21] 請求の範囲第 1項乃至第 20項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。

[22] 請求の範囲第 1項乃至第 21項いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記容器中の前記液体燃料の 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。

[23] 請求の範囲第 1項乃至第 22項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液体燃料のアルコール濃度が所定の範囲外になつた場合に、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。

[24] 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、前記液体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。

[25] 請求の範囲第 24項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。

[26] アルコール濃度の測定装置であって、

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寸法変化する高分子膜と、

前記高分子膜の寸法変化の度合いを検出し、その寸法変化の度合いに基づき前記液体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。

[27] 請求の範囲第 26項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ストレインゲージと、前記ストレインゲージの抵抗変化を検出する抵抗測定部と、前記抵抗測定部が測定した抵抗の変化を前記液体燃料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。

[28] 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、前記液体中のアルコール濃度を検出するェ程と、

を含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。

[29] 請求の範囲第 28項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。

[30] 請求の範囲第 28項または第 29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。

[31] 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を当該液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜に含浸させる工程と、

前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、

前記高分子膜の寸法変化の度合いに基づき、前記液体中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。

[32] 請求の範囲第 31項に記載のアルコール濃度測定方法において、

前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設されたストレインゲージの抵抗変化を測定する工程を含み、

前記アルコール濃度を検出する工程は、前記抵抗変化を測定する工程において測定された抵抗の変化を前記液体中のアルコール濃度に変換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。

[33] 請求の範囲第 31項に記載のアルコール濃度測定方法において、

前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜を挟んで構成されたコンデンサの電気容量を測定する工程を含み、

前記アルコール濃度を検出する工程は、前記電気容量を測定する工程において測定された電気容量の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換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。

[34] 請求の範囲第 31項に記載のアルコール濃度測定方法において、

前記寸法変化を検出する工程は、前記高分子膜に配設された水晶振動子の共振周波数の変化を測定する工程を含み、

前記アルコール濃度を検出する工程は、前記共振周波数の変化を測定する工程において測定された共振周波数の変化に基づき前記高分子膜の寸法変化を検出する工程と、当該寸法変化の度合いを前記液体燃料のアルコール濃度に変換するェ程とを含むことを特徴とするアルコール濃度測定方法。

[35] 燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、前記第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、前記燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、

プロトン伝導性を有する高分子膜と、

前記高分子膜に配設され、前記第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続される第三の電極端子および第四の電極端子と、

を含むことを特徴とする燃料収容容器。

[36] 燃料電池本体と、第一の電極端子および第二の電極端子と、前記第一の電極端子および第二の電極端子間に電圧を印加する電圧印加手段と、を含む燃料電池システムに取り外し可能に構成され、前記燃料電池本体に供給する液体燃料を収容する燃料収容容器であって、

アルコールを含む液体を含浸することにより寸法変化する高分子膜と、前記高分子膜に配設されたストレインゲージと、

前記第一の電極端子および第二の電極端子とそれぞれ電気的に接続され、前記ストレインゲージの抵抗変化を取り出す第三の電極端子および第四の電極端子と、を含むことを特徴とする燃料収容容器。