JP4006355B2 - 濃度測定ユニット並びにこの濃度測定ユニットを備えた燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイレクトメタノール形燃料電池などに搭載することが可能であり且つ低濃度から高濃度の全範囲を高精度に測定できるようにした濃度測定ユニット並びにこの濃度測定ユニットを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、急速に開発が進んでいる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の技術をベースとし、メタノールを改質せずに直接燃料とする、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）の研究が活発化している。
【０００３】
前記ＤＭＦＣは水素容器や改質器が不用であるため、コンパクトで起動が早く、負荷変動応答性も優れているため、自動車や電子機器などのポータブル電源としての利用が期待されている。
【０００４】
前記ＤＭＦＣの構造は前記ＰＥＦＣとほぼ同様であり、発電部に設けられたアノード側でメタノールが水と反応して水素、電子および二酸化炭素が生成され、前記生成された水素が固体高分子電解質膜中を移動してカソード側で酸素、電子と結合して水になるが、このとき前記アノードとカソードとの間に電流が流れる。
【０００５】
このような従来のＤＭＦＣは、燃料の濃度が性能の出しやすい３〜６％程度に設定されているため、エネルギー密度の関係から燃料タンクが大きくなりやすく、燃料電池全体として小型化することが困難という問題があった。
【０００６】
一方、高濃度メタノールを採用した場合には発電効率が悪く、ＤＭＦＣの出力電圧が不安定になるという欠点を有するが、高濃度燃料は体積エネルギー密度が高いため、燃料体積を大幅に減らすことができ、例えば３〜６％の濃度の場合よりも、燃料タンクを１０分の１以下の体積に小型化することが可能となる。
【０００７】
したがって、高濃度メタノールを燃料として採用し、発電部に供給する段階で濃度を希釈化して最適な濃度に調整するようにすれば小型で発電効率に優れた燃料電池を提供することが可能となる。
【０００８】
従来、被測定物質の濃度を測定する装置としては、例えば下記の特許文献１に示すような技術が存在する。前記特許文献１に記載された濃度測定装置（屈折率濃度計）では、光源１４から三角柱プリズム１３に入射された光を、三角柱プリズム１３と被測定物質７との境界面において透過光と反射光の２つに分け、このうち前記反射光を前記受光素子２２で受光したときに、反射光の明暗の境界位置が被測定物質７の屈折率によって移動することを利用し、その明暗の境界位置の変化を受光素子２２での受光光量の変化として検出することにより、被測定物質７の濃度を求めるというものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２８１５７４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記屈折率濃度計では、その測定結果を示す図６（特許文献１参照）に示されるように、被測定物質の濃度が高い場合には受光素子の出力値が低く、濃度が低くなると前記出力値が高くなるという傾向がある。すなわち、被測定物質の濃度が高くなると、被測定物質の屈折率が大きくなって臨界角も大きくなるため、反射光の割合が少なく透過光の割合が多くなる。よって、受光素子に与えられる光（反射光）の全体光量が少なくなるため、高濃度の領域では前記明暗の境界位置（境界線）が不鮮明になりやすく検出精度が低下するという問題がある。よって、明暗の境界位置を正確に検出して濃度を高精度で検出するためには、受光感度に優れた高額な受光素子が必要になる。
【００１１】
また前記屈折率濃度計は光の全反射の性質を利用するものであるため、三角柱プリズムの屈折率（ｎ１）が被測定物質の屈折率（ｎ２）よりも大きいこと（ｎ１＞ｎ２）が必須であるが、一般に被測定物質の屈折率は濃度が高くなるほど大きくなる傾向を示すため、前記屈折率濃度計で測定可能な濃度は被測定物質の屈折率が三角柱プリズムの屈折率よりも小さい場合に限られる。すなわち、前記屈折率濃度計では、測定可能な濃度は低濃度に限られ、高濃度の測定には限界があるという問題がある。
【００１２】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、被測定物質の濃度を低濃度から高濃度の全範囲において高精度に測定することが可能な濃度測定ユニットを提供することを目的としている。
【００１３】
また本発明は、発電効率を高め安定した電圧を供給することが可能な濃度測定ユニットを備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に被測定流体が通過する通路が設けられた光学部材であって、
検査用の光が入射する第１の入射面および前記光が射出する第１の射出面を備えた第１の光学素子と、前記第１の射出面から射出された光が入射する第２の入射面および前記光が射出する第２の射出面を備えた第２の光学素子とを有し、
前記第１の光学素子の前記第１の射出面と前記第２の光学素子の前記第２の入射面とが対向する隙間に前記通路が形成されており、
前記第１の光学素子を透過し前記第１の射出面の垂線に対して角度を有して前記通路内に入射し前記被測定流体で屈折され前記第２の入射面から前記第２の光学素子に入射されて前記第２の射出面から射出する検査用の光の光軸と、前記第１の入射面に入射する前記検査用の光の入射光軸を前記第２の射出面の外側まで直線で延長した基準光軸との距離を拡大させる拡大手段と、
前記拡大された距離を検知する検知素子と、が設けられており、
検知された前記距離から、前記被測定流体内の物質の濃度が検出されることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の光学部材および前記光学部材を備えた濃度測定ユニットでは、検査用の光が第１の光学素子から被測定物質に入射する際の屈折角が被測定物質の濃度に応じて変化することを利用したものである。
【００１７】
すなわち、第２の光学素子を透過する光の光軸は、前記屈折によって検査用の光の光軸（基準光軸）から移動させられるため、このときの移動量を検出することにより被測定物質の濃度を測定することが可能であるが、前記移動量は微少であるため、この移動量から求めた被測定物質の濃度には大きな誤差が含まれる可能性がある。
【００１８】
そこで、本願発明では前記移動量を拡大手段によって拡大させた後に測定することにより、測定誤差による影響を抑えて前記被測定物質の濃度を高精度に測定することを可能としたものである。
【００１９】
この場合、前記拡大手段は、回折手段であるものが好ましく、例えば複数の凹凸溝又はスリットなどである。
【００２０】
また前記拡大手段が前記第２の光学素子の射出面に一体に形成されているものが好ましい。
【００２１】
上記手段では、拡大手段を別個に設ける必要がないため、製造コストを低減できるとともに小型化することが可能となる。
【００２３】
さらに、前記第１の光学素子の入射面に凹曲面が一体に設けられているものが好ましい。
【００２４】
上記手段では、光源から照射される検査用の光のビーム径を絞ることができるため、さらに測定精度を高精度とすることができる。また高額なレーザー部材を使用しなくても良くなるため、製造コストを安価にできる。
【００２６】
上記発明では、ユニット化することにより小型化することができる。
上記においては、前記第１の光学素子と第２の光学素子との間の前記通路の一方の端部に、前記被測定物質を前記通路に流入させる流入口が設けられ、他方の端部に前記通路から被測定物質を流出させる流出口が設けられているものである。
【００２７】
上記手段では、流入口と流出口にそれぞれ配管することより、通路内に被測定物質を流通させることが可能となる。
【００２８】
また本発明の濃度測定ユニットを備えた燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対向配置された発電部と、前記アノード側に有機燃料を供給するとともに前記カソード側に酸化剤ガスを供給することによって発電が生じる燃料電池において、
前記有機燃料が、前記に記載された濃度測定ユニットに設けられた通路を通じて前記アノード側に供給されることを特徴とするものである。
【００２９】
この場合、光学部材の流入口とミキシングタンクとが連結され、光学部材の流出口と前記発電部のアノード側とが連結されているものである。
【００３０】
上記発明では、燃料電池を小型化することができるとともに、発電部に供給される有機燃料の濃度を一定とすることができるため、発電効率が高まり燃料電池の出力電圧を安定にできる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態として濃度測定用の光学部材を示す平面図、図２は被測定物質を水とメタノールの混合液（メタノールの水溶液）とした場合のメタノールの水溶液の濃度[ｗｔ％]と屈折率との関係を示すグラフ、図３は図１の部分拡大図であり、光軸からの距離Δy１を説明するための図である。なお、図１に示す符号Ｏ−Ｏは基準光軸を示しており、検査用の光源の光軸（入射光軸）は前記基準光軸Ｏ−Ｏに一致させた状態で図示Ｘ１側からＸ２側へ照射されている。
【００３２】
図１に示す濃度測定用の光学部材１０は、第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とから構成されている。前記第１の光学素子１１および第２の光学素子１２は、透明なガラスあるいはアクリルなどから形成されたプリズムである。一方の第１の光学素子１１は、図示Ｘ１側に前記基準光軸Ｏ−Ｏに対して垂直に形成された入射面１１ａと、図示Ｘ２側に前記基準光軸Ｏ−Ｏに対し所定の傾斜角度φだけ傾いて形成された射出面１１ｂとを有している。また他方の第２の光学素子１２は、図示Ｘ１側に基準光軸Ｏ−Ｏに対し前記傾斜角度φだけ傾いて形成された入射面１２ａと、図示Ｘ２側に前記基準光軸Ｏ−Ｏに対して垂直に形成された射出面１２ｂとを有している。また前記第２の光学素子１２の射出面１２ｂには拡大手段１６が形成されている。前記拡大手段１６は例えば複数の凹凸溝又はスリットで形成された回折手段などであり、前記第２の光学部材１２の射出面１２ｂから射出される光の光路上に設けられている。
【００３３】
前記第１の光学素子１１の側部には、前記射出面１１ｂから図示Ｙ１方向およびＹ２方向に突出する対向片１１ｃおよび対向片１１ｄがそれぞれ形成されている。同様に前記第２の光学素子１２の側部には、前記射出面１２ｂから図示Ｙ１方向およびＹ２方向に突出する対向片１２ｃおよび対向片１２ｄがそれぞれ形成されている。
【００３４】
そして、前記第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とは、前記射出面１１ｂと入射面１２ａとの間が一定の幅寸法ｗだけ隔てて対向配置しており、この間に通路１５が形成されている。すなわち、前記射出面１１ｂは前記通路１５の一方（Ｘ１側）の面を形成し、前記入射面１２ａは前記通路１５の他方（Ｘ２側）の面を形成している。また一方の前記対向片１１ｃと対向片１２ｃとは前記通路１５の流入口１５ａを形成し、他方の前記対向片１１ｄと対向片１２ｄとは前記通路１５の流出口１５ｂを形成している。
【００３５】
以下においては、有機燃料（例えば、メタノール）などの被測定物質の濃度を前記光学部材１０を用いて測定する方法について説明する。なお、以下においては第１の光学素子１１および第２の光学素子１２の屈折率をｎ１、第１の光学素子１１を透過した光が射出面１１ｂに入射するときの入射角をθ1、被測定物質７での屈折角をθ2、被測定物質７の屈折率をｎ２、拡大手段１６から射出する光の屈折角（射出角）をθ3とする。
【００３６】
被測定物質７の濃度の測定は、被測定物質７を前記流入口１５ａから流出口１５ｂに向けて前記通路１５内に流通させた状態で行われる。
【００３７】
図示Ｘ１側に検査用の光源Ｐを設け、この光源Ｐから直線状の光（レーザー光など）Ｐ１を図示Ｘ２方向に向けて照射すると、前記光（検査用の光）Ｐ１の光軸(入射光軸)は前記基準光軸Ｏ−Ｏに一致する状態で前記第１の光学素子１１の入射面１１ａに対し垂直に入射し、前記第１の光学素子１１内を透過して被測定物質７に至る。そして、前記光Ｐ１は、第１の光学素子１１の射出面１１ｂと被測定物質７との境界面を通過して被測定物質７に入射するが、このとき被測定物質７に入射した光Ｐ２の屈折角θ2はスネルの法則より、以下の数１で示される。
【００３８】
【数１】
【００３９】
ただし、図２に示すように前記被測定物質７の屈折率ｎ２は被測定物質７の濃度に依存する。よって、前記濃度が変化すると被測定物質７に入射した光Ｐ２の屈折角θ2がそれに応じて変化させられる。
【００４０】
なお、図２に示される屈折率ｎ２は、空気の屈折率を１．００とした場合の相対的な屈折率である。
【００４１】
前記通路１５内を横断する光Ｐ２（すなわち、被測定物質７内を進む光Ｐ２）は、第２の光学素子１２の入射面１２ａから第２の光学素子１２の内部に入射させられる。このとき、第２の光学素子１２の屈折率は前記第１の光学素子１１の屈折率と同じｎ１であるため、第２の光学素子１２内を透過する光Ｐ３の光軸は前記光軸Ｏ−Ｏ（または光Ｐ１）に対し平行となる。ただし、図１に示すように光Ｐ３の光軸は、前記光軸Ｏ−Ｏから距離Δｙ１だけ図示Ｙ２方向に平行移動させられている。
【００４２】
なお、図３に示すように、距離Δｙ１を通路１５の幅寸法ｗと屈折角θ2で表わすと以下の数２となる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
第２の光学素子１２内を図示Ｘ２方向に直進する光Ｐ３は、第２の光学素子１２の射出面１２ｂから外部に射出させられるが、このとき前記射出面１２ｂには拡大手段１６が形成されているため、外部に射出させられた光Ｐ４は大きく屈折させられた状態で射出される。
【００４５】
前記射出面１２ｂからＸ２方向に所定の距離Ｌだけ隔てた位置にスクリーン（受光素子の受光面）Ｓを前記基準光軸Ｏ−Ｏに対し垂直に設けておくと、光Ｐ４によって前記スクリーンＳ上に光点Ｐ５が形成されるが、このとき前記光Ｐ３の光軸に対する光点Ｐ５（光Ｐ４の射出光軸）のＹ２方向への距離Δｙ２は以下の数３で示される。
【００４６】
【数３】
【００４７】
よって、基準光軸Ｏ−Ｏからの総距離Δｙ（＝Δｙ１＋Δｙ２）は、上記数１ないし数３を用いると以下の数４ように表わせる。
【００４８】
【数４】
【００４９】
すなわち、前記拡大手段１６は、前記距離Δｙ１を総距離Δｙに拡大する機能を有している。
【００５０】
前記数４に示されるｗ、ｎ１、θ1は定数であるから、前記総距離Δｙは被測定物質７の屈折率ｎ２に依存して変化させられる。また上述のように前記屈折率ｎ２は被測定物質７の濃度に依存して変化させられる関係がある。
【００５１】
よって、前記光点Ｐ５（光Ｐ４の射出光軸）の総距離Δｙを知ることができれば、前記被測定物質７の屈折率ｎ２、すなわち濃度を求めることが可能である。
【００５２】
具体的には、予め測定によって求めた前記総距離Δｙと被測定物質７の濃度との関係をデータとして記憶しておくき、実際に前記濃度測定用の光学部材１０を用いて測定したときに、その測定時に得た総距離Δｙからそれに対応するデータを選ぶことにより、被測定物質７の濃度を求めることが可能となる。
【００５３】
また前記屈折率ｎ２は、被測定物質７の温度による影響を受けやすく、温度の違いによっても前記総距離Δｙに変動が生じることがある。よって、例えば温度ごとに前記総距離Δｙと被測定物質７の濃度との関係をデータとして記憶しておくことが好ましい。あるいは予め温度校正用のデータを取得しておき、測定された生の総距離Δｙを前記温度校正用のデータで校正してから濃度を求めるようにしてもよい。
【００５４】
なお、前記数２に示される距離Δｙ１を測定することによっても、上記同様に被測定物質７の濃度を測定することが可能である。ただし、前記距離Δｙ１は距離Δｙ２に比較して小さく、特に図２、数１および数２からもわかるように、屈折率ｎ２の変化量はわずかであるため、前記距離Δｙ１も微少である。このため前記微少な距離Δｙ１にわずかな測定誤差が含まれると、被測定物質７の濃度の測定精度を低下させる可能性がある。これに対し前記距離Δｙ２は、前記微少な距離Δｙ１を実質的に拡大したものであるため、前記距離Δｙ２の測定の際に同じような測定誤差が含まれたとしても、そのような誤差の影響を小さくすることができる。よって、前記濃度測定用の光学部材１０における濃度の測定精度を低下させることがない。
【００５５】
したがって、前記スクリーンＳの位置に設けるべき受光素子として高精度のものを使用する必要がなくなる。よって、コストの安価な受光素子を使用することが可能となる。
【００５６】
なお、前記拡大手段１６は、前記第２の光学素子１２の射出面１２ｂに一体に設けられているものに限られるものではなく、前記第２の光学素子１２の射出面１２ｂと前記スクリーン（受光素子の受光面）Ｓとの間で且つ前記の光Ｐ３の光路上に別個に設けられた構成であってもよい。ただし、上記のように第２の光学素子１２の射出面１２ｂに一体に形成しておくと別部材として設けた場合に比較し、部品点数を削減することができるため、製造コストを安価にすることが可能となる。
【００５７】
また本発明では、第１の光学素子１１の射出面１１ｂと被測定物質７との境界面を透過する透過光を利用するものであり、上記特許文献１に記載された屈折率濃度計のように全反射の性質を利用するものではない。よって、第１の光学素子１１の屈折率ｎ１と被測定物質７の屈折率ｎ２との関係がｎ１＞ｎ２である必要がない。
【００５８】
そして、ｎ１≦ｎ２（高濃度）の場合には、全反射が生じることはないため、前記第１の光学素子１１を直進する光Ｐ１は前記境界面を透過することが可能である。
【００５９】
またｎ１＞ｎ２（低濃度）の場合であっても、前記光Ｐ１の入射角θ1が臨界角よりも小さければ、境界面を透過することが可能となる。
ここで、ｎ１＞ｎ２の場合における臨界角θｃは以下の数５で規定される。
【００６０】
【数５】
【００６１】
前記被測定物質７の濃度が低くなると、屈折率ｎ２が小さくなるため、臨界角θｃも小さくなる。よって、被測定物質７の濃度が低い場合では、常に臨界角θｃ＞入射角θ1の関係が維持されるとは限らず、光Ｐ１は前記境界面を透過しない場合も想定される。
【００６２】
ただし、前記入射角θ1の設定は、第１の光学素子１１の入射面１１ａの傾斜角度φに依存するため、前記傾斜角度φを可能な限り大きくなるように前記入射面１１ａを形成しておくことにより、前記臨界角θｃ＞入射角θ1の関係を維持することが可能となり、低濃度の場合においても前記光Ｐ１が前記境界面を透過することが可能となる。よって、本発明における光学部材１０は、低濃度から高濃度の全範囲において被測定物質７の濃度を高精度で測定することが可能となる。
【００６３】
なお、前記前記第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とは一体で形成されていてもよく、この場合の前記通路１５の断面は矩形状の貫通孔とすればよい。このように一体化すると、光学素子をより安価に形成することができる。しかも前記射出面１１ｂと前記入射面１２ａとの平行度の精度をさらに高めることが可能となる。
【００６４】
次に、濃度測定ユニットについて説明する。
図４は図１の光学部材を用いた濃度測定ユニットを示す断面図である。図４に示す濃度測定ユニット２０は、ハウジング２１の内部に前記濃度測定用の光学部材１０を設けたものである。前記ハウジング２１は合成樹脂で形成されており、一方（図示Ｘ１側）の端面に取付け孔２１ａが形成され、この取付け孔２１ａ内に検査用の光源として機能する発光素子２２が固定されている。また他方（図示Ｘ２側）の端面にも取付け孔２１ｂが形成されており、この取付け孔２１ｂ内には受光素子２３が固定されている。
【００６５】
前記発光素子２２は例えば指向特性に優れた発光ダイオードなどであり、より好ましくは直線的な光を出力することが可能な半導体レーザーダイオードである。また受光素子２３は、例えばフォトダイオード、半導体位置検出素子（ＰＳＤ；Position Sensitivity Diodes）またはＣＣＤ（Charge Couple Device）などである。
【００６６】
なお、前記発光素子２２から照射される光の指向特性だけでは直線性に乏しく、前記総距離Δｙの測定精度（濃度の測定精度）が優れない場合には、図４に示すように前記第１の光学素子１１の入射面１１ａに球面状の凹曲面１１ｆを形成しておくことが好ましい。この場合、前記凹曲面１１ｆがレンズの役目を果たすため、発光素子２２から拡散して射出される光のビーム径を集束させて絞ることができ、前記総距離Δｙの測定精度を高めることが可能となる。
【００６７】
なお、発光素子２２と第１の光学素子１１の入射面１１ａとの間に凸レンズを配置することによっても光を絞ることが可能であるが、上記のように第１の光学素子１１の入射面１１ａに一体に凹曲面１１ｆを形成しておくと別部材として設ける必要のある前記凸レンズを不要とすることができるため、製造コストを安価にすることが可能となる。
【００６８】
前記ハウジング２１の図示Ｙ方向の両側面には開口部２１ｃおよび開口部２１ｄが形成され、また前記ハウジング２１の内壁には段差部２１ｅおよび段差部２１ｆが形成されている。前記光学部材１０である第１の光学素子１１と前記第２の光学素子１２とは、ともに前記対向片１１ｃおよび対向片１２ｃが前記開口部２１ｃに挿入され、且つ前記対向片１１ｄおよび対向片１２ｄが前記開口部２１ｄに挿入される。そして、前記第１の光学素子１１は前記入射面１１ａの両側部が前記ハウジング２１の段差部２１ｅに位置決めされた状態で接着材によって固定され、同様に前記第２の光学素子１２は前記射出面１２ｂの両側部が前記ハウジング２１の段差部２１ｆに位置決めされた状態で固定される。よって、前記第１の光学素子１１の射出面１１ｂと第２の光学素子１２の入射面１２ａとは一定の幅寸法ｗを有し全体として平行な状態で対面させられている。
【００６９】
前記光学部材１０、発光素子２２および受光素子２３が一体に設けられたハウジング２１は図示しないカバーで封止されることにより、濃度測定ユニット２０の組み立ては完成する。前記濃度測定ユニット２０では、前記第１の光学素子１１の射出面１１ｂおよび第２の光学素子１２の入射面１２ａに対面する空間が、前記ハウジング２１の底板と図示しないにカバーとによって四方から密封されることによって前記通路１５が形成される。よって、前記対向片１１ｃと対向片１２ｃとの流入口１５ａから対向片１１ｄと対向片１２ｄとの流出口１５ｂへ向けて被測定物質７を流通させることが可能となる。
【００７０】
そして、前記濃度測定ユニット２０の通路１５に被測定物質７を流通させた状態において、前記発光素子２２から受光素子２３に向けて光を照射させると、前記受光素子２３が被測定物質７の濃度に応じて変化する前記総距離Δｙを検出することができる。よって、前記総距離Δｙと被測定物質７の濃度との関係を示すデータから被測定物質７の濃度を求めることが可能となる。
【００７１】
次に上記濃度測定ユニットが搭載された燃料電池について説明する。
図５は図４の濃度測定ユニットが組み込まれた燃料電池の循環システムを示す構成図である。図５に示す燃料電池３０は、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）型であり、発電部４０を中心に燃料（メタノール水溶液）を循環させて供給するシステムが構築されている。
【００７２】
前記発電部４０は、水素（Ｈ+）を伝導する固体高分子からなる電解質膜（例えば、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜）４３をアノード４１とカソード４２からなる電極で挟んだセルユニットが複数段積み重ねられた構造である。
【００７３】
前記発電部４０の外部には、高濃度のメタノール（ＣＨ3ＯＨ）が貯蔵された燃料タンク５１とミキシングタンク５２が設けられている。前記燃料タンク５１とミキシングタンク５２の入力部との間には補充ポンプ６１が設けられており、前記メタノールが燃料タンク５１からミキシングタンク５２に送出されるようになっている。
【００７４】
前記発電部４０のカソード４２側と前記ミキシングタンク５２の入力部との間には循環ポンプ６２が設けられ、また前記ミキシングタンク５２の出力部と前記発電部４０のアノード４１側とが前記濃度測定ユニット２０を介して連結されている。すなわち、チューブなどの配管部材を用いることにより、前記ミキシングタンク５２の出力部と前記濃度測定ユニット２０の前記流入口１５ａとが連結されており、同様に前記濃度測定ユニット２０の前記流出口１５ｂと前記発電部４０のアノード４１側とが連結されている。
【００７５】
また前記発電部４０と前記ミキシングタンク５２とが連結されており、発電部４０で生成される水（Ｈ2Ｏ）をミキシングタンク５２に供給することができるようになっている。さらに前記発電部４０のカソード４２側には送出ポンプ６３が連結されており、外部から酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ2）をカソード４２に供給できるようになっている。
【００７６】
なお、前記燃料電池３０には制御部７０が設けられており、前記補充ポンプ６１、循環ポンプ６２および送出ポンプ６３などから送出される液体や気体の供給量の調整や、前記濃度測定ユニット２０の受光素子２３から出力される出力データから前記総距離Δｙを求めることにより被測定物質（メタノール水溶液）の濃度の測定などを行うことが可能となっている。
【００７７】
前記燃料電池３０では、高濃度のメタノールが前記燃料タンク５１からミキシングタンク５２に送出される。このとき、メタノールの供給量は、前記制御部７０の指令を受けた補充ポンプ６１が行う。前記ミキシングタンク５２には、発電部４０から循環ポンプ６２を用いて送出される残余のメタノール（低濃度）と、同じく発電部４０から排出される水と、前記燃料タンク５１から送出される高濃度のメタノールとが集められる。これらは、前記ミキシングタンク５２において混合され、所定の低濃度のメタノール水溶液（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ）に生成し直されて前記循環ポンプ６２によって発電部４０のアノード４１側に送出される。
【００７８】
このとき前記濃度測定ユニット２０が、前記メタノール水溶液の濃度を測定しており、濃度測定ユニット２０で検出された出力データは制御部７０に送られる。制御部７０は、前記出力データから前記通路１５内を流通する被測定物質７であるメタノール水溶液の濃度を上記の方法で求める。そして、測定された濃度が、所定の濃度未満である場合には、前記補充ポンプ６１の出力弁を開く方向に駆動させることにより、燃料タンク５１から送出される前記高濃度のメタノールの供給量が多くなるような調整を行う。また前記濃度が、所定の濃度を越えた場合には、前記補充ポンプ６１の出力弁を閉じる方向に駆動させることにより、高濃度のメタノールの供給量が少なくなるような調整を行う。よって、前記ミキシングタンク５２から送出されるメタノール水溶液を、常に所定の濃度に維持することが可能となっている。
【００７９】
このように、前記燃料電池３０では、所定の濃度に設定されたメタノール水溶液が前記発電部４０のアノード４１に送られる。また発電部４０のカソード４２には、制御部７０によって調整された送出ポンプ６３から所定の量の酸素が供給されている。
【００８０】
前記発電部４０内のアノード４１では、前記メタノール（ＣＨ3ＯＨ）が水（Ｈ2Ｏ）と反応して水素（Ｈ+）、電子（ｅ-）および二酸化炭素（ＣＯ2）が生成される。このときの反応は一般に以下の化学式で示される。
【００８１】
【化１】
【００８２】
このときアノード４１とカソード４２と間に負荷抵抗Ｒを接続しておくと前記電子（ｅ-）がカソード４２に移動するため、前記負荷抵抗Ｒに電流が流れる。アノード４１で生成された水素（Ｈ+）は、前記電解質膜４３中を移動しカソード４２に至るが、前記カソード４２では前記送出ポンプ６３から供給される酸素（Ｏ2）およびカソード４２に移動した電子（ｅ-）と結合して水（Ｈ2Ｏ）が生成される。このときの反応は一般に以下の化学式で示される。
【００８３】
【化２】
【００８４】
なお、全体の反応は一般に以下の化学式で示される。
【００８５】
【化３】
【００８６】
そして、前記カソード４２において生成された水（Ｈ2Ｏ）はミキシングタンク５２に供給され、前記高濃度のメタノールを薄めるための水として再利用される。
【００８７】
また前記発電部４０において使用されなかった残余のメタノールは循環ポンプ６２によって再びミキシングタンク５２に送られ、発電部４０のアノード４１に送られる所定の低濃度メタノール水溶液の生成に再利用される。
【００８８】
上記燃料電池３０では、常に一定の濃度のメタノール水溶液を発電部４０に供給することができるため、燃料電池の発電効率が高まり安定した出力電圧を提供することができる。しかも高濃度のメタノールを使用することが可能となるため、燃料タンク、すなわち燃料電池３０全体を小型薄型化することができるとともに電池としての寿命を延ばすことが可能となる。
【００８９】
なお、上記実施の形態においては、被測定物質として有機燃料であるメタノールを用いた場合について説明したが、本発明における濃度測定用の光学部材および濃度測定ユニットにおいて測定可能な被測定物質は、有機燃料やメタノールに限られるものではない。
【００９０】
【発明の効果】
以上のように本発明では、被測定物質の濃度を高精度に測定することが可能な光学部材を提供することができる。
【００９１】
また光学部材、発光素子および受光素子をハウジング内に収納することにより、一体化された濃度測定ユニットを提供することができる。
【００９２】
また濃度測定ユニットを組み込んだ燃料電池では、メタノールの濃度を一定に維持することが可能となるため、発電効率が高まり安定した出力電圧を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態として濃度測定用の光学部材を示す平面図、
【図２】メタノールの水溶液の濃度[ｗｔ％]と屈折率との関係を示すグラフ、
【図３】図１の部分拡大図であり、基準光軸からの距離Δy１を説明するための図、
【図４】図１の光学部材を用いた濃度測定ユニットを示す断面図、
【図５】濃度測定ユニットが組み込まれた燃料電池の循環システムを示す構成図、
【符号の説明】
７ 被測定物質（メタノール水溶液など）
１０ 光学部材
１１ 第１の光学素子
１１ａ 入射面
１１ｂ 射出面
１１ｆ 凹曲面
１２ 第２の光学素子
１２ａ 入射面
１２ｂ 射出面
１５ 通路
１６ 拡大手段（回折手段）
２０ 濃度測定ユニット
２１ ハウジング
２２ 発光素子
２３ 受光素子
３０ 燃料電池
４０ 電源部
４１ アノード
４２ カソード
４３ 電解質膜
７０ 制御部
θ1 入射角
θ2 屈折角
θ3 屈折角（射出角）
ｎ１ 第１および第２の光学素子の屈折率
ｎ２ 被測定物質の屈折率
Δｙ 総距離（基準光軸と第２の光学素子を射出した光の光軸との間の距離）
Δｙ１ 距離（基準光軸と第２の光学素子を透過する光の光軸との間の距離）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイレクトメタノール形燃料電池などに搭載することが可能であり且つ低濃度から高濃度の全範囲を高精度に測定できるようにした濃度測定ユニット並びにこの濃度測定ユニットを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、急速に開発が進んでいる固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の技術をベースとし、メタノールを改質せずに直接燃料とする、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）の研究が活発化している。
【０００３】
前記ＤＭＦＣは水素容器や改質器が不用であるため、コンパクトで起動が早く、負荷変動応答性も優れているため、自動車や電子機器などのポータブル電源としての利用が期待されている。
【０００４】
前記ＤＭＦＣの構造は前記ＰＥＦＣとほぼ同様であり、発電部に設けられたアノード側でメタノールが水と反応して水素、電子および二酸化炭素が生成され、前記生成された水素が固体高分子電解質膜中を移動してカソード側で酸素、電子と結合して水になるが、このとき前記アノードとカソードとの間に電流が流れる。
【０００５】
このような従来のＤＭＦＣは、燃料の濃度が性能の出しやすい３〜６％程度に設定されているため、エネルギー密度の関係から燃料タンクが大きくなりやすく、燃料電池全体として小型化することが困難という問題があった。
【０００６】
一方、高濃度メタノールを採用した場合には発電効率が悪く、ＤＭＦＣの出力電圧が不安定になるという欠点を有するが、高濃度燃料は体積エネルギー密度が高いため、燃料体積を大幅に減らすことができ、例えば３〜６％の濃度の場合よりも、燃料タンクを１０分の１以下の体積に小型化することが可能となる。
【０００７】
したがって、高濃度メタノールを燃料として採用し、発電部に供給する段階で濃度を希釈化して最適な濃度に調整するようにすれば小型で発電効率に優れた燃料電池を提供することが可能となる。
【０００８】
従来、被測定物質の濃度を測定する装置としては、例えば下記の特許文献１に示すような技術が存在する。前記特許文献１に記載された濃度測定装置（屈折率濃度計）では、光源１４から三角柱プリズム１３に入射された光を、三角柱プリズム１３と被測定物質７との境界面において透過光と反射光の２つに分け、このうち前記反射光を前記受光素子２２で受光したときに、反射光の明暗の境界位置が被測定物質７の屈折率によって移動することを利用し、その明暗の境界位置の変化を受光素子２２での受光光量の変化として検出することにより、被測定物質７の濃度を求めるというものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２８１５７４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記屈折率濃度計では、その測定結果を示す図６（特許文献１参照）に示されるように、被測定物質の濃度が高い場合には受光素子の出力値が低く、濃度が低くなると前記出力値が高くなるという傾向がある。すなわち、被測定物質の濃度が高くなると、被測定物質の屈折率が大きくなって臨界角も大きくなるため、反射光の割合が少なく透過光の割合が多くなる。よって、受光素子に与えられる光（反射光）の全体光量が少なくなるため、高濃度の領域では前記明暗の境界位置（境界線）が不鮮明になりやすく検出精度が低下するという問題がある。よって、明暗の境界位置を正確に検出して濃度を高精度で検出するためには、受光感度に優れた高額な受光素子が必要になる。
【００１１】
また前記屈折率濃度計は光の全反射の性質を利用するものであるため、三角柱プリズムの屈折率（ｎ１）が被測定物質の屈折率（ｎ２）よりも大きいこと（ｎ１＞ｎ２）が必須であるが、一般に被測定物質の屈折率は濃度が高くなるほど大きくなる傾向を示すため、前記屈折率濃度計で測定可能な濃度は被測定物質の屈折率が三角柱プリズムの屈折率よりも小さい場合に限られる。すなわち、前記屈折率濃度計では、測定可能な濃度は低濃度に限られ、高濃度の測定には限界があるという問題がある。
【００１２】
本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、被測定物質の濃度を低濃度から高濃度の全範囲において高精度に測定することが可能な濃度測定ユニットを提供することを目的としている。
【００１３】
また本発明は、発電効率を高め安定した電圧を供給することが可能な濃度測定ユニットを備えた燃料電池を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内部に被測定流体が通過する通路が設けられた光学部材であって、
検査用の光が入射する第１の入射面および前記光が射出する第１の射出面を備えた第１の光学素子と、前記第１の射出面から射出された光が入射する第２の入射面および前記光が射出する第２の射出面を備えた第２の光学素子とを有し、
前記第１の光学素子の前記第１の射出面と前記第２の光学素子の前記第２の入射面とが対向する隙間に前記通路が形成されており、
前記第１の光学素子を透過し前記第１の射出面の垂線に対して角度を有して前記通路内に入射し前記被測定流体で屈折され前記第２の入射面から前記第２の光学素子に入射されて前記第２の射出面から射出する検査用の光の光軸と、前記第１の入射面に入射する前記検査用の光の入射光軸を前記第２の射出面の外側まで直線で延長した基準光軸との距離を拡大させる拡大手段と、
前記拡大された距離を検知する検知素子と、が設けられており、
検知された前記距離から、前記被測定流体内の物質の濃度が検出されることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の光学部材および前記光学部材を備えた濃度測定ユニットでは、検査用の光が第１の光学素子から被測定物質に入射する際の屈折角が被測定物質の濃度に応じて変化することを利用したものである。
【００１７】
すなわち、第２の光学素子を透過する光の光軸は、前記屈折によって検査用の光の光軸（基準光軸）から移動させられるため、このときの移動量を検出することにより被測定物質の濃度を測定することが可能であるが、前記移動量は微少であるため、この移動量から求めた被測定物質の濃度には大きな誤差が含まれる可能性がある。
【００１８】
そこで、本願発明では前記移動量を拡大手段によって拡大させた後に測定することにより、測定誤差による影響を抑えて前記被測定物質の濃度を高精度に測定することを可能としたものである。
【００１９】
この場合、前記拡大手段は、回折手段であるものが好ましく、例えば複数の凹凸溝又はスリットなどである。
【００２０】
また前記拡大手段が前記第２の光学素子の射出面に一体に形成されているものが好ましい。
【００２１】
上記手段では、拡大手段を別個に設ける必要がないため、製造コストを低減できるとともに小型化することが可能となる。
【００２３】
さらに、前記第１の光学素子の入射面に凹曲面が一体に設けられているものが好ましい。
【００２４】
上記手段では、光源から照射される検査用の光のビーム径を絞ることができるため、さらに測定精度を高精度とすることができる。また高額なレーザー部材を使用しなくても良くなるため、製造コストを安価にできる。
【００２６】
上記発明では、ユニット化することにより小型化することができる。
上記においては、前記第１の光学素子と第２の光学素子との間の前記通路の一方の端部に、前記被測定物質を前記通路に流入させる流入口が設けられ、他方の端部に前記通路から被測定物質を流出させる流出口が設けられているものである。
【００２７】
上記手段では、流入口と流出口にそれぞれ配管することより、通路内に被測定物質を流通させることが可能となる。
【００２８】
また本発明の濃度測定ユニットを備えた燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対向配置された発電部と、前記アノード側に有機燃料を供給するとともに前記カソード側に酸化剤ガスを供給することによって発電が生じる燃料電池において、
前記有機燃料が、前記に記載された濃度測定ユニットに設けられた通路を通じて前記アノード側に供給されることを特徴とするものである。
【００２９】
この場合、光学部材の流入口とミキシングタンクとが連結され、光学部材の流出口と前記発電部のアノード側とが連結されているものである。
【００３０】
上記発明では、燃料電池を小型化することができるとともに、発電部に供給される有機燃料の濃度を一定とすることができるため、発電効率が高まり燃料電池の出力電圧を安定にできる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態として濃度測定用の光学部材を示す平面図、図２は被測定物質を水とメタノールの混合液（メタノールの水溶液）とした場合のメタノールの水溶液の濃度[ｗｔ％]と屈折率との関係を示すグラフ、図３は図１の部分拡大図であり、光軸からの距離Δy１を説明するための図である。なお、図１に示す符号Ｏ−Ｏは基準光軸を示しており、検査用の光源の光軸（入射光軸）は前記基準光軸Ｏ−Ｏに一致させた状態で図示Ｘ１側からＸ２側へ照射されている。
【００３２】
図１に示す濃度測定用の光学部材１０は、第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とから構成されている。前記第１の光学素子１１および第２の光学素子１２は、透明なガラスあるいはアクリルなどから形成されたプリズムである。一方の第１の光学素子１１は、図示Ｘ１側に前記基準光軸Ｏ−Ｏに対して垂直に形成された入射面１１ａと、図示Ｘ２側に前記基準光軸Ｏ−Ｏに対し所定の傾斜角度φだけ傾いて形成された射出面１１ｂとを有している。また他方の第２の光学素子１２は、図示Ｘ１側に基準光軸Ｏ−Ｏに対し前記傾斜角度φだけ傾いて形成された入射面１２ａと、図示Ｘ２側に前記基準光軸Ｏ−Ｏに対して垂直に形成された射出面１２ｂとを有している。また前記第２の光学素子１２の射出面１２ｂには拡大手段１６が形成されている。前記拡大手段１６は例えば複数の凹凸溝又はスリットで形成された回折手段などであり、前記第２の光学部材１２の射出面１２ｂから射出される光の光路上に設けられている。
【００３３】
前記第１の光学素子１１の側部には、前記射出面１１ｂから図示Ｙ１方向およびＹ２方向に突出する対向片１１ｃおよび対向片１１ｄがそれぞれ形成されている。同様に前記第２の光学素子１２の側部には、前記射出面１２ｂから図示Ｙ１方向およびＹ２方向に突出する対向片１２ｃおよび対向片１２ｄがそれぞれ形成されている。
【００３４】
そして、前記第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とは、前記射出面１１ｂと入射面１２ａとの間が一定の幅寸法ｗだけ隔てて対向配置しており、この間に通路１５が形成されている。すなわち、前記射出面１１ｂは前記通路１５の一方（Ｘ１側）の面を形成し、前記入射面１２ａは前記通路１５の他方（Ｘ２側）の面を形成している。また一方の前記対向片１１ｃと対向片１２ｃとは前記通路１５の流入口１５ａを形成し、他方の前記対向片１１ｄと対向片１２ｄとは前記通路１５の流出口１５ｂを形成している。
【００３５】
以下においては、有機燃料（例えば、メタノール）などの被測定物質の濃度を前記光学部材１０を用いて測定する方法について説明する。なお、以下においては第１の光学素子１１および第２の光学素子１２の屈折率をｎ１、第１の光学素子１１を透過した光が射出面１１ｂに入射するときの入射角をθ1、被測定物質７での屈折角をθ2、被測定物質７の屈折率をｎ２、拡大手段１６から射出する光の屈折角（射出角）をθ3とする。
【００３６】
被測定物質７の濃度の測定は、被測定物質７を前記流入口１５ａから流出口１５ｂに向けて前記通路１５内に流通させた状態で行われる。
【００３７】
図示Ｘ１側に検査用の光源Ｐを設け、この光源Ｐから直線状の光（レーザー光など）Ｐ１を図示Ｘ２方向に向けて照射すると、前記光（検査用の光）Ｐ１の光軸(入射光軸)は前記基準光軸Ｏ−Ｏに一致する状態で前記第１の光学素子１１の入射面１１ａに対し垂直に入射し、前記第１の光学素子１１内を透過して被測定物質７に至る。そして、前記光Ｐ１は、第１の光学素子１１の射出面１１ｂと被測定物質７との境界面を通過して被測定物質７に入射するが、このとき被測定物質７に入射した光Ｐ２の屈折角θ2はスネルの法則より、以下の数１で示される。
【００３８】
【数１】
ただし、図２に示すように前記被測定物質７の屈折率ｎ２は被測定物質７の濃度に依存する。よって、前記濃度が変化すると被測定物質７に入射した光Ｐ２の屈折角θ2がそれに応じて変化させられる。
【００４０】
なお、図２に示される屈折率ｎ２は、空気の屈折率を１．００とした場合の相対的な屈折率である。
【００４１】
前記通路１５内を横断する光Ｐ２（すなわち、被測定物質７内を進む光Ｐ２）は、第２の光学素子１２の入射面１２ａから第２の光学素子１２の内部に入射させられる。このとき、第２の光学素子１２の屈折率は前記第１の光学素子１１の屈折率と同じｎ１であるため、第２の光学素子１２内を透過する光Ｐ３の光軸は前記光軸Ｏ−Ｏ（または光Ｐ１）に対し平行となる。ただし、図１に示すように光Ｐ３の光軸は、前記光軸Ｏ−Ｏから距離Δｙ１だけ図示Ｙ２方向に平行移動させられている。
【００４２】
なお、図３に示すように、距離Δｙ１を通路１５の幅寸法ｗと屈折角θ2で表わすと以下の数２となる。
【００４３】
【数２】
第２の光学素子１２内を図示Ｘ２方向に直進する光Ｐ３は、第２の光学素子１２の射出面１２ｂから外部に射出させられるが、このとき前記射出面１２ｂには拡大手段１６が形成されているため、外部に射出させられた光Ｐ４は大きく屈折させられた状態で射出される。
【００４５】
前記射出面１２ｂからＸ２方向に所定の距離Ｌだけ隔てた位置にスクリーン（受光素子の受光面）Ｓを前記基準光軸Ｏ−Ｏに対し垂直に設けておくと、光Ｐ４によって前記スクリーンＳ上に光点Ｐ５が形成されるが、このとき前記光Ｐ３の光軸に対する光点Ｐ５（光Ｐ４の射出光軸）のＹ２方向への距離Δｙ２は以下の数３で示される。
【００４６】
【数３】
よって、基準光軸Ｏ−Ｏからの総距離Δｙ（＝Δｙ１＋Δｙ２）は、上記数１ないし数３を用いると以下の数４ように表わせる。
【００４８】
【数４】
すなわち、前記拡大手段１６は、前記距離Δｙ１を総距離Δｙに拡大する機能を有している。
【００５０】
前記数４に示されるｗ、ｎ１、θ1は定数であるから、前記総距離Δｙは被測定物質７の屈折率ｎ２に依存して変化させられる。また上述のように前記屈折率ｎ２は被測定物質７の濃度に依存して変化させられる関係がある。
【００５１】
よって、前記光点Ｐ５（光Ｐ４の射出光軸）の総距離Δｙを知ることができれば、前記被測定物質７の屈折率ｎ２、すなわち濃度を求めることが可能である。
【００５２】
具体的には、予め測定によって求めた前記総距離Δｙと被測定物質７の濃度との関係をデータとして記憶しておくき、実際に前記濃度測定用の光学部材１０を用いて測定したときに、その測定時に得た総距離Δｙからそれに対応するデータを選ぶことにより、被測定物質７の濃度を求めることが可能となる。
【００５３】
また前記屈折率ｎ２は、被測定物質７の温度による影響を受けやすく、温度の違いによっても前記総距離Δｙに変動が生じることがある。よって、例えば温度ごとに前記総距離Δｙと被測定物質７の濃度との関係をデータとして記憶しておくことが好ましい。あるいは予め温度校正用のデータを取得しておき、測定された生の総距離Δｙを前記温度校正用のデータで校正してから濃度を求めるようにしてもよい。
【００５４】
なお、前記数２に示される距離Δｙ１を測定することによっても、上記同様に被測定物質７の濃度を測定することが可能である。ただし、前記距離Δｙ１は距離Δｙ２に比較して小さく、特に図２、数１および数２からもわかるように、屈折率ｎ２の変化量はわずかであるため、前記距離Δｙ１も微少である。このため前記微少な距離Δｙ１にわずかな測定誤差が含まれると、被測定物質７の濃度の測定精度を低下させる可能性がある。これに対し前記距離Δｙ２は、前記微少な距離Δｙ１を実質的に拡大したものであるため、前記距離Δｙ２の測定の際に同じような測定誤差が含まれたとしても、そのような誤差の影響を小さくすることができる。よって、前記濃度測定用の光学部材１０における濃度の測定精度を低下させることがない。
【００５５】
したがって、前記スクリーンＳの位置に設けるべき受光素子として高精度のものを使用する必要がなくなる。よって、コストの安価な受光素子を使用することが可能となる。
【００５６】
なお、前記拡大手段１６は、前記第２の光学素子１２の射出面１２ｂに一体に設けられているものに限られるものではなく、前記第２の光学素子１２の射出面１２ｂと前記スクリーン（受光素子の受光面）Ｓとの間で且つ前記の光Ｐ３の光路上に別個に設けられた構成であってもよい。ただし、上記のように第２の光学素子１２の射出面１２ｂに一体に形成しておくと別部材として設けた場合に比較し、部品点数を削減することができるため、製造コストを安価にすることが可能となる。
【００５７】
また本発明では、第１の光学素子１１の射出面１１ｂと被測定物質７との境界面を透過する透過光を利用するものであり、上記特許文献１に記載された屈折率濃度計のように全反射の性質を利用するものではない。よって、第１の光学素子１１の屈折率ｎ１と被測定物質７の屈折率ｎ２との関係がｎ１＞ｎ２である必要がない。
【００５８】
そして、ｎ１≦ｎ２（高濃度）の場合には、全反射が生じることはないため、前記第１の光学素子１１を直進する光Ｐ１は前記境界面を透過することが可能である。
【００５９】
またｎ１＞ｎ２（低濃度）の場合であっても、前記光Ｐ１の入射角θ1が臨界角よりも小さければ、境界面を透過することが可能となる。
ここで、ｎ１＞ｎ２の場合における臨界角θｃは以下の数５で規定される。
【００６０】
【数５】
前記被測定物質７の濃度が低くなると、屈折率ｎ２が小さくなるため、臨界角θｃも小さくなる。よって、被測定物質７の濃度が低い場合では、常に臨界角θｃ＞入射角θ1の関係が維持されるとは限らず、光Ｐ１は前記境界面を透過しない場合も想定される。
【００６２】
ただし、前記入射角θ1の設定は、第１の光学素子１１の入射面１１ａの傾斜角度φに依存するため、前記傾斜角度φを可能な限り大きくなるように前記入射面１１ａを形成しておくことにより、前記臨界角θｃ＞入射角θ1の関係を維持することが可能となり、低濃度の場合においても前記光Ｐ１が前記境界面を透過することが可能となる。よって、本発明における光学部材１０は、低濃度から高濃度の全範囲において被測定物質７の濃度を高精度で測定することが可能となる。
【００６３】
なお、前記前記第１の光学素子１１と第２の光学素子１２とは一体で形成されていてもよく、この場合の前記通路１５の断面は矩形状の貫通孔とすればよい。このように一体化すると、光学素子をより安価に形成することができる。しかも前記射出面１１ｂと前記入射面１２ａとの平行度の精度をさらに高めることが可能となる。
【００６４】
次に、濃度測定ユニットについて説明する。
図４は図１の光学部材を用いた濃度測定ユニットを示す断面図である。図４に示す濃度測定ユニット２０は、ハウジング２１の内部に前記濃度測定用の光学部材１０を設けたものである。前記ハウジング２１は合成樹脂で形成されており、一方（図示Ｘ１側）の端面に取付け孔２１ａが形成され、この取付け孔２１ａ内に検査用の光源として機能する発光素子２２が固定されている。また他方（図示Ｘ２側）の端面にも取付け孔２１ｂが形成されており、この取付け孔２１ｂ内には受光素子２３が固定されている。
【００６５】
前記発光素子２２は例えば指向特性に優れた発光ダイオードなどであり、より好ましくは直線的な光を出力することが可能な半導体レーザーダイオードである。また受光素子２３は、例えばフォトダイオード、半導体位置検出素子（ＰＳＤ；Position Sensitivity Diodes）またはＣＣＤ（Charge Couple Device）などである。
【００６６】
なお、前記発光素子２２から照射される光の指向特性だけでは直線性に乏しく、前記総距離Δｙの測定精度（濃度の測定精度）が優れない場合には、図４に示すように前記第１の光学素子１１の入射面１１ａに球面状の凹曲面１１ｆを形成しておくことが好ましい。この場合、前記凹曲面１１ｆがレンズの役目を果たすため、発光素子２２から拡散して射出される光のビーム径を集束させて絞ることができ、前記総距離Δｙの測定精度を高めることが可能となる。
【００６７】
なお、発光素子２２と第１の光学素子１１の入射面１１ａとの間に凸レンズを配置することによっても光を絞ることが可能であるが、上記のように第１の光学素子１１の入射面１１ａに一体に凹曲面１１ｆを形成しておくと別部材として設ける必要のある前記凸レンズを不要とすることができるため、製造コストを安価にすることが可能となる。
【００６８】
前記ハウジング２１の図示Ｙ方向の両側面には開口部２１ｃおよび開口部２１ｄが形成され、また前記ハウジング２１の内壁には段差部２１ｅおよび段差部２１ｆが形成されている。前記光学部材１０である第１の光学素子１１と前記第２の光学素子１２とは、ともに前記対向片１１ｃおよび対向片１２ｃが前記開口部２１ｃに挿入され、且つ前記対向片１１ｄおよび対向片１２ｄが前記開口部２１ｄに挿入される。そして、前記第１の光学素子１１は前記入射面１１ａの両側部が前記ハウジング２１の段差部２１ｅに位置決めされた状態で接着材によって固定され、同様に前記第２の光学素子１２は前記射出面１２ｂの両側部が前記ハウジング２１の段差部２１ｆに位置決めされた状態で固定される。よって、前記第１の光学素子１１の射出面１１ｂと第２の光学素子１２の入射面１２ａとは一定の幅寸法ｗを有し全体として平行な状態で対面させられている。
【００６９】
前記光学部材１０、発光素子２２および受光素子２３が一体に設けられたハウジング２１は図示しないカバーで封止されることにより、濃度測定ユニット２０の組み立ては完成する。前記濃度測定ユニット２０では、前記第１の光学素子１１の射出面１１ｂおよび第２の光学素子１２の入射面１２ａに対面する空間が、前記ハウジング２１の底板と図示しないにカバーとによって四方から密封されることによって前記通路１５が形成される。よって、前記対向片１１ｃと対向片１２ｃとの流入口１５ａから対向片１１ｄと対向片１２ｄとの流出口１５ｂへ向けて被測定物質７を流通させることが可能となる。
【００７０】
そして、前記濃度測定ユニット２０の通路１５に被測定物質７を流通させた状態において、前記発光素子２２から受光素子２３に向けて光を照射させると、前記受光素子２３が被測定物質７の濃度に応じて変化する前記総距離Δｙを検出することができる。よって、前記総距離Δｙと被測定物質７の濃度との関係を示すデータから被測定物質７の濃度を求めることが可能となる。
【００７１】
次に上記濃度測定ユニットが搭載された燃料電池について説明する。
図５は図４の濃度測定ユニットが組み込まれた燃料電池の循環システムを示す構成図である。図５に示す燃料電池３０は、ダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）型であり、発電部４０を中心に燃料（メタノール水溶液）を循環させて供給するシステムが構築されている。
【００７２】
前記発電部４０は、水素（Ｈ+）を伝導する固体高分子からなる電解質膜（例えば、パーフルオロスルホン酸系イオン交換膜）４３をアノード４１とカソード４２からなる電極で挟んだセルユニットが複数段積み重ねられた構造である。
【００７３】
前記発電部４０の外部には、高濃度のメタノール（ＣＨ3ＯＨ）が貯蔵された燃料タンク５１とミキシングタンク５２が設けられている。前記燃料タンク５１とミキシングタンク５２の入力部との間には補充ポンプ６１が設けられており、前記メタノールが燃料タンク５１からミキシングタンク５２に送出されるようになっている。
【００７４】
前記発電部４０のカソード４２側と前記ミキシングタンク５２の入力部との間には循環ポンプ６２が設けられ、また前記ミキシングタンク５２の出力部と前記発電部４０のアノード４１側とが前記濃度測定ユニット２０を介して連結されている。すなわち、チューブなどの配管部材を用いることにより、前記ミキシングタンク５２の出力部と前記濃度測定ユニット２０の前記流入口１５ａとが連結されており、同様に前記濃度測定ユニット２０の前記流出口１５ｂと前記発電部４０のアノード４１側とが連結されている。
【００７５】
また前記発電部４０と前記ミキシングタンク５２とが連結されており、発電部４０で生成される水（Ｈ2Ｏ）をミキシングタンク５２に供給することができるようになっている。さらに前記発電部４０のカソード４２側には送出ポンプ６３が連結されており、外部から酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ2）をカソード４２に供給できるようになっている。
【００７６】
なお、前記燃料電池３０には制御部７０が設けられており、前記補充ポンプ６１、循環ポンプ６２および送出ポンプ６３などから送出される液体や気体の供給量の調整や、前記濃度測定ユニット２０の受光素子２３から出力される出力データから前記総距離Δｙを求めることにより被測定物質（メタノール水溶液）の濃度の測定などを行うことが可能となっている。
【００７７】
前記燃料電池３０では、高濃度のメタノールが前記燃料タンク５１からミキシングタンク５２に送出される。このとき、メタノールの供給量は、前記制御部７０の指令を受けた補充ポンプ６１が行う。前記ミキシングタンク５２には、発電部４０から循環ポンプ６２を用いて送出される残余のメタノール（低濃度）と、同じく発電部４０から排出される水と、前記燃料タンク５１から送出される高濃度のメタノールとが集められる。これらは、前記ミキシングタンク５２において混合され、所定の低濃度のメタノール水溶液（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ）に生成し直されて前記循環ポンプ６２によって発電部４０のアノード４１側に送出される。
【００７８】
このとき前記濃度測定ユニット２０が、前記メタノール水溶液の濃度を測定しており、濃度測定ユニット２０で検出された出力データは制御部７０に送られる。制御部７０は、前記出力データから前記通路１５内を流通する被測定物質７であるメタノール水溶液の濃度を上記の方法で求める。そして、測定された濃度が、所定の濃度未満である場合には、前記補充ポンプ６１の出力弁を開く方向に駆動させることにより、燃料タンク５１から送出される前記高濃度のメタノールの供給量が多くなるような調整を行う。また前記濃度が、所定の濃度を越えた場合には、前記補充ポンプ６１の出力弁を閉じる方向に駆動させることにより、高濃度のメタノールの供給量が少なくなるような調整を行う。よって、前記ミキシングタンク５２から送出されるメタノール水溶液を、常に所定の濃度に維持することが可能となっている。
【００７９】
このように、前記燃料電池３０では、所定の濃度に設定されたメタノール水溶液が前記発電部４０のアノード４１に送られる。また発電部４０のカソード４２には、制御部７０によって調整された送出ポンプ６３から所定の量の酸素が供給されている。
【００８０】
前記発電部４０内のアノード４１では、前記メタノール（ＣＨ3ＯＨ）が水（Ｈ2Ｏ）と反応して水素（Ｈ+）、電子（ｅ-）および二酸化炭素（ＣＯ2）が生成される。このときの反応は一般に以下の化学式で示される。
【００８１】
【化１】
このときアノード４１とカソード４２と間に負荷抵抗Ｒを接続しておくと前記電子（ｅ-）がカソード４２に移動するため、前記負荷抵抗Ｒに電流が流れる。アノード４１で生成された水素（Ｈ+）は、前記電解質膜４３中を移動しカソード４２に至るが、前記カソード４２では前記送出ポンプ６３から供給される酸素（Ｏ2）およびカソード４２に移動した電子（ｅ-）と結合して水（Ｈ2Ｏ）が生成される。このときの反応は一般に以下の化学式で示される。
【００８３】
【化２】
なお、全体の反応は一般に以下の化学式で示される。
【００８５】
【化３】
そして、前記カソード４２において生成された水（Ｈ2Ｏ）はミキシングタンク５２に供給され、前記高濃度のメタノールを薄めるための水として再利用される。
【００８７】
また前記発電部４０において使用されなかった残余のメタノールは循環ポンプ６２によって再びミキシングタンク５２に送られ、発電部４０のアノード４１に送られる所定の低濃度メタノール水溶液の生成に再利用される。
【００８８】
上記燃料電池３０では、常に一定の濃度のメタノール水溶液を発電部４０に供給することができるため、燃料電池の発電効率が高まり安定した出力電圧を提供することができる。しかも高濃度のメタノールを使用することが可能となるため、燃料タンク、すなわち燃料電池３０全体を小型薄型化することができるとともに電池としての寿命を延ばすことが可能となる。
【００８９】
なお、上記実施の形態においては、被測定物質として有機燃料であるメタノールを用いた場合について説明したが、本発明における濃度測定用の光学部材および濃度測定ユニットにおいて測定可能な被測定物質は、有機燃料やメタノールに限られるものではない。
【００９０】
【発明の効果】
以上のように本発明では、被測定物質の濃度を高精度に測定することが可能な光学部材を提供することができる。
【００９１】
また光学部材、発光素子および受光素子をハウジング内に収納することにより、一体化された濃度測定ユニットを提供することができる。
【００９２】
また濃度測定ユニットを組み込んだ燃料電池では、メタノールの濃度を一定に維持することが可能となるため、発電効率が高まり安定した出力電圧を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態として濃度測定用の光学部材を示す平面図、
【図２】メタノールの水溶液の濃度[ｗｔ％]と屈折率との関係を示すグラフ、
【図３】図１の部分拡大図であり、基準光軸からの距離Δy１を説明するための図、
【図４】図１の光学部材を用いた濃度測定ユニットを示す断面図、
【図５】濃度測定ユニットが組み込まれた燃料電池の循環システムを示す構成図、
【符号の説明】
７ 被測定物質（メタノール水溶液など）
１０ 光学部材
１１ 第１の光学素子
１１ａ 入射面
１１ｂ 射出面
１１ｆ 凹曲面
１２ 第２の光学素子
１２ａ 入射面
１２ｂ 射出面
１５ 通路
１６ 拡大手段（回折手段）
２０ 濃度測定ユニット
２１ ハウジング
２２ 発光素子
２３ 受光素子
３０ 燃料電池
４０ 電源部
４１ アノード
４２ カソード
４３ 電解質膜
７０ 制御部
θ1 入射角
θ2 屈折角
θ3 屈折角（射出角）
ｎ１ 第１および第２の光学素子の屈折率
ｎ２ 被測定物質の屈折率
Δｙ 総距離（基準光軸と第２の光学素子を射出した光の光軸との間の距離）
Δｙ１ 距離（基準光軸と第２の光学素子を透過する光の光軸との間の距離）
Claims (8)
- 内部に被測定流体が通過する通路が設けられた光学部材であって、
検査用の光が入射する第１の入射面および前記光が射出する第１の射出面を備えた第１の光学素子と、前記第１の射出面から射出された光が入射する第２の入射面および前記光が射出する第２の射出面を備えた第２の光学素子とを有し、
前記第１の光学素子の前記第１の射出面と前記第２の光学素子の前記第２の入射面とが対向する隙間に前記通路が形成されており、
前記第１の光学素子を透過し前記第１の射出面の垂線に対して角度を有して前記通路内に入射し前記被測定流体で屈折され前記第２の入射面から前記第２の光学素子に入射されて前記第２の射出面から射出する検査用の光の光軸と、前記第１の入射面に入射する前記検査用の光の入射光軸を前記第２の射出面の外側まで直線で延長した基準光軸との距離を拡大させる拡大手段と、
前記拡大された距離を検知する検知素子と、が設けられており、
検知された前記距離から、前記被測定流体内の物質の濃度が検出されることを特徴とする濃度測定ユニット。 - 前記拡大手段は、回折手段である請求項１記載の濃度測定ユニット。
- 前記拡大手段が前記第２の光学素子の射出面に一体に形成されている請求項１または２記載の濃度測定ユニット。
- 前記第１の光学素子の入射面に凹曲面が一体に設けられている請求項１ないし３のいずれか記載の濃度測定ユニット。
- 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子とが同じ光学材料で一体に形成される請求項１ないし４のいずれかに記載の濃度測定ユニット。
- 前記第１の光学素子と第２の光学素子との間の前記通路の一方の端部に、前記被測定流体を流入させる流入口が設けられ、他方の端部に前記通路から被測定流体を流出させる流出口が設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載の濃度測定ユニット。
- 電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対向配置された発電部と、前記アノード側に有機燃料を供給するとともに前記カソード側に酸化剤ガスを供給することによって発電が生じる燃料電池において、
前記有機燃料が、前記請求項６に記載された濃度測定ユニットに設けられた通路を通じて前記アノード側に供給されることを特徴とする濃度測定ユニットを備えた燃料電池。 - 光学部材の流入口とミキシングタンクとが連結され、光学部材の流出口と前記発電部のアノード側とが連結されている請求項７記載の濃度測定ユニットを備えた燃料電池。
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