專利名稱：濃度測量用光學(xué)部件、濃度測量單元及燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量被測量物質(zhì)的濃度用的光學(xué)部件，特別涉及能夠裝載在直接甲醇型燃料電池等上且能夠高精度地測量從低濃度到高濃度的全范圍的濃度測量用光學(xué)部件、具有該光學(xué)部件的濃度測量單元、及具有該濃度測量單元的燃料電池。
背景技術(shù)：
近年來，以快速發(fā)展的固體高分子型燃料電池(PEFC)的技術(shù)為基礎(chǔ)、不對甲醇進(jìn)行改性而作為直接燃料的直接甲醇型燃料電池(DMFC)的研究很活躍。
由于上述DMFC不使用氫容器和改性器，所以緊湊且啟動快，負(fù)荷變化響應(yīng)性也好，因此對于它作為汽車或電子設(shè)備等的便攜式電源的利用寄予希望。
上述DMFC的構(gòu)造與上述PEFC大致相同，在設(shè)于發(fā)電部上的陽極側(cè)，甲醇與水反應(yīng)而生成氫、電子和二氧化碳，上述生成的氫在固體高分子電解質(zhì)膜中移動，在陰極側(cè)與氧、電子結(jié)合而變成水，此時電流在上述陽極和陰極之間流動。
這種以往的DMFC由于將燃料的濃度設(shè)定為容易產(chǎn)生其性能的3～6％左右，所以有因能量密度的關(guān)系而使燃料箱容易變大、燃料電池整體難以小型化的問題。
另一方面，在采用高濃度甲醇的情況下，有發(fā)電效率較差、DMFC的輸出電壓變得不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，但高濃度燃料由于體積能量密度較高，所以能夠大幅度減小燃料體積，與例如3～6％濃度的情況相比，能夠?qū)⑷剂舷湫⌒突癁槭种换蚋〉捏w積。
因而，如果采用高濃度甲醇作為燃料，在向發(fā)電部供給的階段將濃度稀釋化而調(diào)整到最合適的濃度，則能夠提供小型化且發(fā)電效率優(yōu)良的燃料電池。
以往，作為測量被測量物質(zhì)的濃度的裝置，存在例如特開平11-281574號公報(bào)的專利文獻(xiàn)所示那樣的技術(shù)。在專利文獻(xiàn)中所述的濃度測量裝置(折射率濃度計(jì))中，將從光源14入射到三角柱棱鏡13中的光，在三角柱棱鏡13與被測量物質(zhì)7的分界面上兩分為透射光和反射光，在由上述受光元件22接受到其中的反射光時，利用反射光的明暗的分界位置因被測量物質(zhì)7的折射率不同而移動的特點(diǎn)，通過將該明暗的分界位置的變化作為由受光元件22受光的光量的變化檢測出來，能夠求得被測量物質(zhì)7的濃度。
但是，在上述折射率濃度計(jì)中，如表示其測量結(jié)果的圖6(參照特許文獻(xiàn)1)所示，有在被測量物質(zhì)的濃度較高時受光元件的輸出值較低、如果濃度變低則上述輸出值變低的趨勢。即，如果被測量物質(zhì)的濃度變高，則被測量物質(zhì)的折射率變大，臨界角也變大，所以反射光的比例變少而透射光的比例變多。由此，給予受光元件的光(反射光)的整體光量變少，所以在高濃度的區(qū)域中有上述明暗的分界位置(分界線)容易變得不明顯、檢測精度降低的問題。由此，為了正確地檢測明暗的分界位置而高精度地檢測濃度，需要受光靈敏度優(yōu)良的昂貴的受光元件。
此外，由于上述折射率濃度計(jì)是利用光的全反射性質(zhì)的設(shè)備，所以三角柱棱鏡的折射率(n1)必須比被測量物質(zhì)的折射率(n2)大(n1＞n2)，但由于一般被測量物質(zhì)的折射率表現(xiàn)出濃度越高折射率越大的趨勢，所以能夠由上述折射率濃度計(jì)測量的濃度限定為被測量物質(zhì)的折射率比三角柱棱鏡的折射率低的情況。即，在上述折射率濃度計(jì)中，有可測量的濃度限定為低濃度、對于高濃度的測量有局限的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是用來解決上述以往的課題的，目的是提供一種能夠從低濃度到高濃度的全范圍中高精度地測量被測量物質(zhì)的濃度的光學(xué)部件、以及具有該光學(xué)部件的濃度測量單元。
此外，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高發(fā)電效率并供給穩(wěn)定的電壓的具有濃度測量單元的燃料電池。
本發(fā)明是一種設(shè)置有用于被測量物質(zhì)從中通過的通路的光學(xué)部件，其中，設(shè)置有第1光學(xué)元件，其具有入射檢查用光的入射面和面對上述通路的射出面；第2光學(xué)元件，其具有面對上述通路的入射面和射出上述光的射出面；放大機(jī)構(gòu)，其用于將透過上述第1光學(xué)元件而被上述通路內(nèi)的被測量物質(zhì)折射并透過上述第2光學(xué)元件的光的射出光軸、和上述檢查用光的入射光軸之間的距離放大。
在上述技術(shù)方案中，上述衍射機(jī)構(gòu)優(yōu)選為多個凹凸槽或縫隙。
在本發(fā)明的光學(xué)部件及具有上述光學(xué)部件的濃度測量單元中，利用了檢查用光從第1光學(xué)元件入射到被測量物質(zhì)中時的折射角根據(jù)被測量物質(zhì)的濃度而變化的特點(diǎn)。
即，透過第2光學(xué)元件的光的光軸因上述折射而相對于檢查用光的光軸(基準(zhǔn)光軸)發(fā)生移動，所以通過檢測此時的移動量而能夠測量被測量物質(zhì)的濃度，但由于上述移動量很小，所以在根據(jù)該移動量求出的被測量物質(zhì)的濃度中有可能包含較大的誤差。
所以在本發(fā)明中通過由放大機(jī)構(gòu)放大后測量上述移動量，能夠抑制測量誤差帶來的影響，能夠高精度地測量上述被測量物質(zhì)的濃度。
此時，上述放大機(jī)構(gòu)優(yōu)選為衍射機(jī)構(gòu)，例如為多個凹凸槽或縫隙等。
此外，上述放大機(jī)構(gòu)優(yōu)選為一體地形成在上述第2光學(xué)元件的射出面上。
在上述機(jī)構(gòu)中，由于不需要單獨(dú)設(shè)置放大機(jī)構(gòu)，所以能夠降低制造成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。
此外，上述第1光學(xué)元件的射出面與第2光學(xué)元件的射出面相互平行且相對于檢查用光的入射光軸的軸向是傾斜的。
進(jìn)而，優(yōu)選為在上述第1光學(xué)元件的入射面上一體地設(shè)有凹曲面。
上述機(jī)構(gòu)由于能夠縮小從光源照射的檢查用光的束徑，所以能夠使測量精度成為高精度。此外，由于可以不使用昂貴的激光部件，所以能夠使制造成本變得低廉。
此外，本發(fā)明的濃度測量單元的特征在于，設(shè)有上述任一項(xiàng)所述的光學(xué)部件；發(fā)光元件，其使檢查用光入射至上述第1光學(xué)元件的入射面；受光元件，其用于接受透過上述放大機(jī)構(gòu)的光。
上述發(fā)明通過單元化而能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。
在上述技術(shù)方案中，在上述第1光學(xué)元件與第2光學(xué)元件之間的上述通路的一個端部上設(shè)有使上述被測量物質(zhì)流入上述通路中的流入口；在另一個端部上設(shè)有使被測量物質(zhì)從上述通路流出的流出口。
上述機(jī)構(gòu)通過分別在流入口和流出口配管，能夠使被測量物質(zhì)在通路內(nèi)流通。
此外，本發(fā)明的具有濃度測量單元的燃料電池，其通過夾著電解質(zhì)膜而對置配置有陽極和陰極的發(fā)電部，并向所述陽極側(cè)供給有機(jī)燃料的同時向所述陰極側(cè)供給氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電，其中，上述有機(jī)燃料是通過設(shè)置在前面所述的濃度測量單元中的通路供給至上述陽極側(cè)。
此時，光學(xué)部件的流入口與有機(jī)燃料的燃料箱連結(jié)，光學(xué)部件的流出口與上述發(fā)電部的陰極側(cè)連結(jié)。
上述發(fā)明能夠使燃料電池小型化，并且能夠使供給到發(fā)電部的有機(jī)燃料的濃度為一定，所以能夠提高發(fā)電效率、能夠使燃料電池的輸出電壓變得穩(wěn)定。


圖1是表示作為本發(fā)明的實(shí)施方案的濃度測量用光學(xué)部件的俯視圖。
圖2是表示甲醇的水溶液的濃度(wt％)和折射率的關(guān)系的曲線圖。
圖3是圖1的局部放大圖，是用來說明與基準(zhǔn)光軸的距離Δy1的圖。
圖4是表示使用了圖1的光學(xué)部件的濃度測量單元的剖視圖。
圖5是表示組裝了濃度測量單元的燃料電池的循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示作為本發(fā)明的實(shí)施方案的濃度測量用光學(xué)部件的俯視圖，圖2是表示被測量物質(zhì)為水與甲醇的混合液(甲醇的水溶液)時的甲醇的水溶液的濃度(wt％)和折射率的關(guān)系的曲線圖，圖3是圖1的局部放大圖，是用來說明與光軸的距離Δy1的圖。另外，圖1所示的附圖標(biāo)記O-O表示基準(zhǔn)光軸，檢查用的光源的光軸(入射光軸)在與上述基準(zhǔn)光軸O-O一致的狀態(tài)下從圖示X1側(cè)向X2側(cè)照射。
圖1所示的濃度測量用光學(xué)部件10由第1光學(xué)元件11和第2光學(xué)元件12構(gòu)成。上述第1光學(xué)元件11和第2光學(xué)元件12是由透明玻璃或丙烯酸類樹脂等形成的棱鏡。一邊的第1光學(xué)元件11具有在圖示X1側(cè)相對于上述基準(zhǔn)光軸O-O垂直形成的入射面11a、和在圖示X2側(cè)相對于上述基準(zhǔn)光軸O-O以規(guī)定的傾斜角度φ傾斜而形成的射出面11b。另一邊的第2光學(xué)元件12具有在圖示X1側(cè)相對于上述基準(zhǔn)光軸O-O上述的傾斜角度φ傾斜而形成的入射面12a、和在圖示X2側(cè)相對于上述基準(zhǔn)光軸O-O垂直形成的射出面12b。此外，在上述第2光學(xué)元件12的射出面12b上形成有放大機(jī)構(gòu)16。上述放大機(jī)構(gòu)16為例如由多個凹凸槽或縫隙形成的衍射機(jī)構(gòu)等，設(shè)在從上述第2光學(xué)元件12的射出面12b射出的光的光路上。
在上述第1光學(xué)元件11的側(cè)部上分別形成有從上述射出面11b向圖示Y1方向和Y2方向突出的對置片11c和對置片11d。同樣，在上述第2光學(xué)元件12的側(cè)部上分別形成有從上述射出面12b向圖示Y1方向和Y2方向突出的對置片12c和對置片12d。
并且，上述第1光學(xué)元件11和第2光學(xué)元件12在上述射出面11b和入射面12a之間隔開一定的寬度尺寸w而對置配置，在其間形成通路15。即，上述射出面11b形成上述通路15的一個(X1側(cè))面，上述入射面12a形成上述通路15的另一個(X2側(cè))面。此外，一邊的上述對置片11c和對置片12c形成上述通路15的流入口15a，另一邊的上述對置片11d和對置片12d形成上述通路15的流出口15b。
下面說明用上述光學(xué)部件10測量有機(jī)燃料(例如甲醇)等被測量物質(zhì)的濃度的方法。另外，以下將第1光學(xué)元件11和第2光學(xué)元件12的折射率設(shè)為n1，將透過第1光學(xué)元件11的光入射到射出面11b上時的入射角設(shè)為θ1，將在被測量物質(zhì)7上的折射角設(shè)為θ2，將被測量物質(zhì)7的折射率設(shè)為n2，將從放大機(jī)構(gòu)16射出的光的折射角(射出角)設(shè)為θ3。
被測量物質(zhì)7的濃度測量，是在使被測量物質(zhì)7從上述流入口15a向著流出口15b在上述通路15內(nèi)流通的狀態(tài)下進(jìn)行的。
如果在圖示X1側(cè)設(shè)置檢查用光源P，從該光源P向圖示X2方向照射直線狀的光(激光等)P1，則上述光(檢查用光)P1的光軸(入射光軸)在與上述基準(zhǔn)光軸O-O一致的狀態(tài)下相對于上述第1光學(xué)元件11的入射面11a垂直入射，透過上述第1光學(xué)元件11內(nèi)而到達(dá)被測量物質(zhì)7。于是，上述光P1透過第1光學(xué)元件11的射出面11b和被測量物質(zhì)7的邊界面而入射到被測量物質(zhì)中，此時入射到被測量物質(zhì)7中的光P2的折射角θ2由斯內(nèi)爾法則，用下式表示。
θ2=sin-1(n1n2·sinθ1)]]>其中，如圖2所示，上述被測量物質(zhì)7的折射率n2與被測量物質(zhì)7的濃度有關(guān)。由此，如果上述濃度發(fā)生變化，則入射到被測量物質(zhì)7中的光P2的折射角θ2與其相對應(yīng)地變化。
另外，圖2所示的折射率n2是設(shè)空氣的折射率為1.00時的相對折射率。
使橫截上述通路15內(nèi)的光P2(即在被測量物質(zhì)7內(nèi)前進(jìn)的光P2)從第2光學(xué)元件12的入射面12a入射到第2光學(xué)元件12的內(nèi)部中。此時，由于第2光學(xué)元件12的折射率為與上述第1光學(xué)元件11的折射率相同的n1，所以透過第2光學(xué)元件12內(nèi)的光P3的光軸相對于上述光軸O-O(或光P1)平行。但是，如圖1所示，光P3的光軸相對于上述光軸O-O在圖示Y2方向被平行移動了距離Δy1。
另外，如圖3所示，如果用通路15的寬度尺寸w和折射角θ2表示距離Δy1，則為以下的公式。
Δy1＝w·(tanθ1-tanθ2)·cosθ1在第2光學(xué)元件12內(nèi)沿圖示X2方向直線傳播的光P3從第2光學(xué)元件12的射出面12b射出到外部，但由于此時在上述射出面12b上形成有放大機(jī)構(gòu)16，所以射出到外部的光P4在被較大地折射的狀態(tài)下射出。
如果在從上述射出面12b沿X2方向隔開規(guī)定距離L的位置上，相對于上述基準(zhǔn)光軸O-O垂直地設(shè)置屏幕(受光元件的受光面)S，則由光P4在上述屏幕S上形成光點(diǎn)P5，此時相對于上述光P3的光軸的光點(diǎn)P5(光P4的射出光軸)向Y2方向的距離Δy2用以下的公式表示。
Δy2＝L·tanθ3由此，距離基準(zhǔn)光軸O-O的總距離Δy(＝Δy1+Δy2)，如果使用上述式1至式3，則如以下的式4那樣表示。
Δy=Δy1+Δy2]]>=w·(tanθ1-tanθ2)·cosθ1+L·tanθ3]]>=w·(tanθ1-tan[sin-1(n1n2·sinθ1)])·cosθ1+L·tanθ3]]>即，上述放大機(jī)構(gòu)16具有將上述距離Δy1放大為總距離Δy2的功能。
因?yàn)樯鲜鍪?所示的w、n1、θ1為常數(shù)，所以上述總距離Δy依賴于被測量物質(zhì)7的折射率n2而變化。此外，如上述那樣，上述折射率n2具有依賴于被測量物質(zhì)7的濃度而變化的關(guān)系。
由此，如果能夠知道上述光點(diǎn)P5(光P4的射出光軸)的總距離Δy，則能夠求出上述被測量物質(zhì)7的折射率n2、即濃度。
具體地講，將預(yù)先通過測量求得的上述總距離Δy與被測量物質(zhì)7的濃度的關(guān)系作為數(shù)據(jù)事先存儲起來，在實(shí)際使用上述濃度測量用的光學(xué)部件10測量時，根據(jù)在該測量時得到的總距離Δy選擇與其對應(yīng)的數(shù)據(jù)，由此能夠求出被測量物質(zhì)7的濃度。
此外，上述折射率n2容易受到被測量物質(zhì)7的溫度帶來的影響，有時也會因溫度的不同而在上述總距離Δy中產(chǎn)生變動。由此，優(yōu)選為將例如每個溫度下的上述總距離Δy與被測量物質(zhì)7的濃度的關(guān)系作為數(shù)據(jù)事先存儲起來。或者也可以預(yù)先取得溫度校正用的數(shù)據(jù)，用上述溫度校正用數(shù)據(jù)校正所測量的原始的總距離Δy后求出濃度。
另外，通過測量上述式2所示的距離Δy1，也能夠與上述同樣地測量被測量物質(zhì)7的濃度。但是，由于上述距離Δy1比距離Δy2小，特別是由圖2、式1及式2可知，折射率n2的變化量很小，所以上述距離Δy1也很小。因此，如果在上述很小的距離Δy1中包含少量的測量誤差，則有可能降低對被測量物質(zhì)7的濃度的測量精度。與此相對應(yīng)，由于上述距離Δy2是將上述很小的距離Δy1實(shí)際上放大后的距離，所以即使在上述距離Δy2的測量時包含同樣的測量誤差，也能夠減小這種誤差的影響。由此，不會降低上述濃度測量用光學(xué)部件10的濃度測量精度。
因而，作為應(yīng)設(shè)置在上述屏幕S的位置上的受光元件，不再需要使用高精度的元件。由此，能夠使用成本較低廉的受光元件。
另外，上述放大機(jī)構(gòu)16并不限于一體地設(shè)置在上述第2光學(xué)元件12的射出面12b上，也可以是在上述第2光學(xué)元件12的射出面12b與上述屏幕(受光元件的受光面)S之間、且單獨(dú)設(shè)置在上述光P3的光路上的結(jié)構(gòu)。但是，如上述那樣一體地形成在上述第2光學(xué)元件12的射出面12b上與作為其它部件設(shè)置的情況相比較，由于能夠削減部件件數(shù)，所以能夠使制造成本變得低廉。
此外，在本發(fā)明中，利用了透過第1光學(xué)元件11的射出面11b與被測量物質(zhì)7的邊界面的透射光，而不是像上述特許文獻(xiàn)1所述的折射率濃度計(jì)那樣利用全反射的性質(zhì)。由此，不需要使第1光學(xué)元件11的折射率n1與被測量物質(zhì)7的折射率n2的關(guān)系為n1＞n2。
并且，在n1≤n2(高濃度)的情況下，由于不發(fā)生全反射，所以在上述第1光學(xué)元件11中直線傳播的光P1能夠透過上述邊界面。
此外，即使在n1＞n2(低濃度)的情況下，如果上述光P1的入射角θ1比臨界角小，也能夠透過邊界面。
這里，n1＞n2情況下的臨界角θc由以下的式5規(guī)定。
θc=sin-1n2n1]]>如果上述被測量物質(zhì)7的濃度變低，則折射率n2變小，所以臨界角θc也變小。由此，在被測量物質(zhì)7的濃度較低的情況下，并不一定總維持著臨界角θc＞入射角θ1的關(guān)系，也可以假想光P1不透過上述邊界面的情況。
但是，上述入射角θ1的設(shè)定依賴于第1光學(xué)元件11的入射面11a的傾斜角度φ，所以通過按照使上述傾斜角度φ盡可能地大的方式形成上述入射面11a，就能夠維持上述臨界角θc＞入射角θ1的關(guān)系，即使在低濃度的情況下上述光P1也能夠透過上述邊界面。由此，本發(fā)明的光學(xué)部件10能夠在從低濃度到高濃度的全范圍內(nèi)高精度地測量被測量物質(zhì)7的濃度。
另外，上述第1光學(xué)元件11與第2光學(xué)元件12也可以一體地形成，此時的上述通路15的截面做成矩形狀的貫通孔就可以。如果這樣一體化，則能夠更低成本地形成上述光學(xué)元件。并且能夠進(jìn)一步提高上述射出面11b與上述入射面12a的平行度的精度。
接著說明濃度測量單元。
圖4是表示使用了圖1的光學(xué)部件的濃度測量單元的剖視圖。圖4所示的濃度測量單元20在殼體21的內(nèi)部中設(shè)有上述濃度測量用光學(xué)部件10。上述殼體21由合成樹脂形成，在一個(圖示X1側(cè))端面上形成有安裝孔21a，在該安裝孔21a內(nèi)固定有作為檢查用光源而起作用的發(fā)光元件22。此外，在另一個(圖示X2側(cè))的端面上也形成有安裝孔21b，在該安裝孔21b內(nèi)固定有受光元件23。
上述發(fā)光元件22為例如指向性優(yōu)良的發(fā)光二極管等，更優(yōu)選為能夠輸出直線光的半導(dǎo)體激光二極管。此外，受光元件23為例如光敏二極管、半導(dǎo)體位置檢測元件(PSDPosition Sensitivity Diodes)或CCD(Charge Couple Device)等。
另外，僅就上述發(fā)光元件22照射的光的指向性而言，在缺乏直線性、上述總距離Δy的測量精度(濃度的測量精度)不好的情況下，優(yōu)選為如圖4那樣在上述第1光學(xué)元件11的入射面11a上形成球面狀的凹曲面11f。此時，上述凹曲面11f發(fā)揮透鏡的作用，所以能夠?qū)陌l(fā)光元件22擴(kuò)散射出的光的束徑聚集而縮小光圈，能夠提高上述總距離Δy的測量精度。
另外，通過在發(fā)光元件22與第1光學(xué)元件11的入射面11a之間配置凸透鏡也能夠?qū)⒐饪s小光圈，但如果如上述那樣在上述第1光學(xué)元件11的入射面11a上一體地形成凹曲面11f，則可以不需要有作為其它部件設(shè)置的所需要的上述凸透鏡，所以能夠使制造成本變得低廉。
在上述殼體21的圖示Y方向的兩側(cè)面上形成有開口部21c和開口部21d，此外，在上述殼體21的內(nèi)壁上形成有段差部21e和段差部21f。作為上述光學(xué)部件10的第1光學(xué)元件11和上述第2光學(xué)元件12都將上述對置片11c和對置片12c插入到上述開口部21c中，并將上述對置片11d和對置片12d插入到上述開口部21d中。并且，上述第1光學(xué)元件11在上述入射面11a的兩側(cè)部由上述殼體21的段差部21e定位的狀態(tài)下通過粘接材料被固定，同樣，上述第2光學(xué)元件12在上述射出面12b的兩側(cè)部由上述殼體21的段差部21f定位的狀態(tài)下被固定。由此，上述第1光學(xué)元件11的射出面11b和第2光學(xué)元件12的入射面12a具有一定的寬度尺寸w而整體以平行的狀態(tài)相對置。
一體地設(shè)置有上述光學(xué)部件10、發(fā)光元件22和受光元件23的殼體21通過由未圖示的蓋封閉，就完成了濃度測量單元20的組裝。在上述濃度測量單元20中，與上述第1光學(xué)元件11的射出面11b和第2光學(xué)元件12的入射面12a對置的空間，通過由上述殼體21的底板和未圖示的蓋從四面密封，從而形成上述通路15。由此，能夠使被測量物質(zhì)7從上述對置片11c和對置片12c的流入口15a向?qū)χ闷?1d和對置片12d的流出口15b流通。
并且，在使被測量物質(zhì)7流通到上述濃度測量單元20的通路15中的狀態(tài)下，如果從上述發(fā)光元件22向受光元件23照射光，則上述受光元件23能夠檢測到對應(yīng)于被測量物質(zhì)7的濃度而變化的上述總距離Δy。由此，能夠根據(jù)表示上述總距離Δy與被測量物質(zhì)7的濃度的關(guān)系的數(shù)據(jù)求出被測量物質(zhì)7的濃度。
接著說明裝載有上述濃度測量單元的燃料電池。
圖5是表示組裝有圖4的濃度測量單元的燃料電池的循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖5所示的燃料電池30為直接甲醇型燃料電池(DMFCDirectMethanol Fuel Cell)型，構(gòu)建出使燃料(甲醇水溶液)以發(fā)電部40為中心循環(huán)供給的系統(tǒng)。
上述發(fā)電部40為由陽極41和陰極42構(gòu)成的電極夾著由傳導(dǎo)氫(H+)的固體高分子構(gòu)成的電解質(zhì)膜(例如全氟磺酸類離子交換膜)43而成的電池單元經(jīng)多級層疊而得到的結(jié)構(gòu)。
在上述發(fā)電部40的外部設(shè)有儲存有高濃度的甲醇(CH3OH)的燃料箱51和混合箱52。在上述燃料箱51和混合箱52的輸入部之間設(shè)置有補(bǔ)充泵61，上述甲醇從燃料箱51被輸送到混合箱52。
在上述發(fā)電部40的陰極42側(cè)和上述混合箱52的輸入部之間設(shè)有循環(huán)泵62，并且上述混合箱52的輸出部與上述發(fā)電部40的陽極41側(cè)經(jīng)由上述濃度測量單元20連結(jié)。即，通過使用軟管等配管部件，將上述混合箱52的輸出部與上述濃度測量單元20的上述流入口15a連結(jié)，同樣，將上述濃度測量單元20的上述流出口15b與上述發(fā)電部40的陽極41側(cè)連結(jié)。
此外，上述發(fā)電部40的陰極42側(cè)與上述混合箱52連結(jié)，能夠?qū)⒂砂l(fā)電部40產(chǎn)生的水(H2O)供給至混合箱52。進(jìn)而，在上述發(fā)電部40的陰極42側(cè)連結(jié)著輸送泵63，能夠從外部將作為氧化劑氣體的氧(O2)供給至陰極42。
另外，在上述燃料電池30中設(shè)置有控制部70，能夠進(jìn)行對從上述補(bǔ)充泵61、循環(huán)泵62及輸送泵63等輸送出的液體或氣體的供給量的調(diào)整，以及通過根據(jù)從上述濃度測量單元20的受光元件23輸出的輸出數(shù)據(jù)求出上述總距離Δy來進(jìn)行被測量物質(zhì)(甲醇水溶液)的濃度測量等。
在上述燃料電池30中，高濃度的甲醇被從上述燃料箱51向混合箱52輸送。此時，甲醇的供給量是由接受到上述控制部70的指令的輔助泵61來進(jìn)行的。在上述混合箱52中，使用循環(huán)泵62從發(fā)電部40輸送的殘余的甲醇(低濃度)、同樣從發(fā)電部40排出的水、和從上述燃料箱51輸送的高濃度的甲醇被聚集在一起。它們在混合箱52中被混合，重新生成規(guī)定的低濃度的甲醇水溶液(CH3OH+H2O)，通過上述循環(huán)泵62輸送給發(fā)電部40的陽極41側(cè)。
此時，上述濃度測量單元20測量上述甲醇水溶液的濃度，將由濃度測量單元20所檢測的輸出數(shù)據(jù)輸送給控制部70。控制部70用上述方法根據(jù)上述輸出數(shù)據(jù)求出在上述通路15內(nèi)流通的被測量物質(zhì)7即甲醇水溶液的濃度。并且，在測量的濃度低于規(guī)定的濃度時，通過向打開方向驅(qū)動上述補(bǔ)充泵61的輸出閥，進(jìn)行使從燃料箱51輸送出的上述高濃度的甲醇的供給量增多的調(diào)整。此外，在上述濃度超過了規(guī)定的濃度時，通過向關(guān)閉方向驅(qū)動上述補(bǔ)充泵61的輸出閥，進(jìn)行使高濃度的甲醇的供給量減少的調(diào)整。由此，能夠?qū)纳鲜龌旌舷?2輸送出的甲醇水溶液總維持為規(guī)定的濃度。
這樣，在上述燃料電池30中，將設(shè)定為規(guī)定濃度的甲醇水溶液輸送給上述發(fā)電部40的陽極41。此外，將規(guī)定量的氧從通過控制部70調(diào)整的輸送泵63供給至發(fā)電部40的陰極42。
對于上述發(fā)電部40內(nèi)的陽極41，上述甲醇(CH3OH)與水(H2O)反應(yīng)，生成氫(H+)、電子(e-)和二氧化碳(CO2)。此時的反應(yīng)一般用以下的化學(xué)公式表示。
此時，如果在陽極41與陰極42之間連接負(fù)荷電阻R，則上述電子(e-)移動到陰極42，所以在上述負(fù)荷電阻R中有電流流過。在陽極41中生成的氫(H+)在上述電解質(zhì)膜43中移動而到達(dá)陰極42，在上述陰極42中，與從上述輸送泵63供給的氧(O2)及移動到陰極42的電子(e-)結(jié)合而生成水(H2O)。此時的反應(yīng)一般用以下的化學(xué)公式表示。
另外，整體的反應(yīng)一般用以下的化學(xué)公式表示。
并且，在上述陰極42中生成的水(H2O)被供給到混合箱52，作為用來稀釋上述高濃度甲醇的水而再利用。
此外，在上述發(fā)電部40中沒有被使用的殘余的甲醇通過循環(huán)泵62被再次輸送給混合箱52，在輸送給發(fā)電部40的陽極41的規(guī)定的低濃度甲醇水溶液的生成中再利用。
上述燃料電池30能夠?qū)⒖倿橐欢舛鹊募状妓芤汗┙o到發(fā)電部40，所以能夠提高燃料電池的發(fā)電效率、提供穩(wěn)定的輸出電壓。并且由于能夠使用高濃度的甲醇，所以能夠使燃料箱、即整個燃料電池30小型薄型化，并且能夠延長作為電池的壽命。
另外，在上述實(shí)施方案中，說明了使用有機(jī)燃料即甲醇作為被測量物質(zhì)的情況，但在本發(fā)明的濃度測量用光學(xué)部件及濃度測量單元中可測量的被測量物質(zhì)并不限于有機(jī)燃料或甲醇。
如上所述，在本發(fā)明中，能夠提供可高精度地測量被測量物質(zhì)的濃度的光學(xué)部件。
此外，通過將光學(xué)部件、發(fā)光元件及受光元件收容在殼體內(nèi)，能夠提供一體化的濃度測量單元。
此外，組裝了濃度測量單元的燃料電池由于能夠?qū)⒓状嫉臐舛染S持為一定，所以能夠提高發(fā)電效率、提供穩(wěn)定的輸出電壓。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)置有用于被測量物質(zhì)從中通過的通路的濃度測量用光學(xué)部件，其中，設(shè)置有第1光學(xué)元件，其具有入射檢查用光的入射面和面對所述通路的射出面；第2光學(xué)元件，其具有面對所述通路的入射面和射出所述光的射出面；放大機(jī)構(gòu)，其用于將透過所述第1光學(xué)元件而被所述通路內(nèi)的被測量物質(zhì)折射并透過所述第2光學(xué)元件的光的射出光軸、和所述檢查用光的入射光軸之間的距離放大。
2.如權(quán)利要求1所述的濃度測量用光學(xué)部件，其中，所述放大機(jī)構(gòu)為衍射機(jī)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的濃度測量用光學(xué)部件，其中，所述放大機(jī)構(gòu)一體地形成在所述第2光學(xué)元件的射出面上。
4.如權(quán)利要求1或2所述的濃度測量用光學(xué)部件，其中，所述第1光學(xué)元件的射出面與第2光學(xué)元件的射出面相互平行且相對于檢查用光的入射光軸的軸向是傾斜的。
5.如權(quán)利要求1或2所述的濃度測量用光學(xué)部件，其中，在所述第1光學(xué)元件的入射面上一體地設(shè)置有凹曲面。
6.一種濃度測量單元，其中，設(shè)置有上述權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的光學(xué)部件；發(fā)光元件，其使檢查用光入射至所述第1光學(xué)元件的入射面；受光元件，其用于接受透過所述放大機(jī)構(gòu)的光。
7.如權(quán)利要求6所述的濃度測量單元，其中，在所述第1光學(xué)元件與第2光學(xué)元件之間的所述通路的一個端部上設(shè)置有使所述被測量物質(zhì)流入所述通路中的流入口；在另一個端部上設(shè)置有使被測量物質(zhì)從所述通路流出的流出口。
8.一種具有濃度測量單元的燃料電池，其通過夾著電解質(zhì)膜而對置配置有陽極和陰極的發(fā)電部，并向所述陽極側(cè)供給有機(jī)燃料的同時向所述陰極側(cè)供給氧化劑氣體來進(jìn)行發(fā)電，其中，所述有機(jī)燃料是通過設(shè)置在權(quán)利要求6或7所述的濃度測量單元中的通路供給至所述陽極側(cè)。
9.如權(quán)利要求8所述的具有濃度測量單元的燃料電池，其特征在于，光學(xué)部件的流入口與有機(jī)燃料的燃料箱連結(jié)，光學(xué)部件的流出口與所述發(fā)電部的陰極側(cè)連結(jié)。
全文摘要
提供一種能夠從低濃度到高濃度進(jìn)行高精度測量的濃度測量用光學(xué)部件。從檢查用光源(P)射出的光(P1)在第1光學(xué)元件(11)的射出面(11b)和流通于通路(15)內(nèi)的被測量物質(zhì)(7)的邊界面，對應(yīng)于被測量物質(zhì)(7)的濃度(折射率)而以折射角(θ
文檔編號H01M8/04GK1781017SQ20048001152
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者荒澤龍 申請人:阿爾卑斯電氣株式會社