(57)【要約】【課題】流路内に存在するガスや水蒸気等の測定対象の濃度を、非接触で正確に測定することのできる光学測定方法及び光学測定装置を提供する。【解決手段】この光学測定方法は、空気極側セパレータ９によって周囲を囲うように形成されたガス供給流路９ａ内に存在する酸素ガス中の水蒸気濃度を、レーザ光Ｌを用いて測定する光学測定方法であって、水蒸気に所定波長のレーザ光Ｌを照射するステップと、水蒸気を透過した後のレーザ光Ｌの強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、ＰＣ２５によって水蒸気の濃度を算出するステップと、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、
前記測定対象に所定波長の前記測定光を照射するステップと、
該測定対象を透過した後の前記測定光の強度を検出するステップと、
該検出結果に基づいて、演算処理装置によって前記測定対象の濃度を算出するステップと、を有することを特徴とする光学測定方法。
【請求項２】
前記所定波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下であり、かつ前記測定対象が水蒸気であることを特徴とする請求項１に記載の光学測定方法。
【請求項３】
前記所定波長が０．７μｍ以上０．８μｍ以下であり、かつ前記測定対象が酸素であることを特徴とする請求項１に記載の光学測定方法。
【請求項４】
前記枠体が少なくとも部分的に前記所定波長に対し透明とされ、前記測定光が透過可能となっていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学測定方法。
【請求項５】
前記測定光の光路を窒素雰囲気とすることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学測定方法。
【請求項６】
枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の温度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、
前記測定対象に所定波長の前記測定光を照射するステップと、
該測定対象を透過した後の前記測定光の強度を検出するステップと、
該検出結果に基づいて、演算処理装置によって前記測定対象の温度を算出するステップと、を有することを特徴とする光学測定方法。
【請求項７】
枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定装置であって、
前記所定波長の測定光を発する光源と、
前記測定対象を透過した後の前記測定光の強度を検出する光検出器と、
該光検出器による検出結果に基づいて前記測定対象の濃度を算出する演算処理装置と、を有することを特徴とする光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学測定方法及び光学測定装置に係り、特にガス濃度やガス中の水蒸気濃度を光を用いて非接触にて測定する光学測定方法及び光学測定装置に関する。本発明は、例えば自動車用動力源・家庭用電源として自動車・携帯電話・その他の電気製品等に使用され得る固体高分子形燃料電池に供給するガスの濃度及びガス中の水蒸気濃度測定に好適である。
【背景技術】
【０００２】
高分子とは分子量が約１万以上の化合物であり、種々の機能を備えた機能性高分子材料が知られている。この機能性高分子材料の１つである高分子膜は、その厚さに比べて表面積の大きな材料である。この高分子膜を隔てて、両側の物質間に電気化学ポテンシャルが存在すると、膜電位、電気浸透、体積流束、熱浸透等の様々な膜現象が発生する。この膜現象は、高分子膜内を透過する物質の拡散速度の差によって誘起されるものである。
【０００３】
近年、このような物質透過性を有する高分子膜は燃料電池に利用されている。この高分子膜が使用された燃料電池は、高分子電解質形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）又は固体高分子形燃料電池と呼ばれ、この固体高分子形燃料電池において使用される高分子膜は、固体高分子電解質膜（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）と呼ばれている。固体高分子形燃料電池は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等の他の形式の燃料電池と比較した場合、８０℃〜１００℃程度の比較的低温において動作可能であるうえに高発電効率が期待されることから、自動車用の動力源や家庭用電源に適していると考えられ、注目されている。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、通常、単セルと呼ばれるユニットが積層された燃料電池スタックを備えて構成される。各単セルは、膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、この両面を挟持するとともに水素ガス又は酸素ガスの供給流路が形成されたセパレータとを有して構成されている。膜電極複合体は、板状のＰＥＭと、このＰＥＭの両面を挟持した多孔質のガス拡散電極（燃料極、空気極）とを有して構成されている。また、発電効率を向上させるため、ＰＥＭとガス拡散電極との間に白金等を材料とする触媒層が設けられる。
【０００５】
そして、固体高分子形燃料電池の発電時には、燃料極側において水素が水素イオンと電子とに分解される。この電子は、外部回路を経由して空気極に移動する。一方、水素イオンはＰＥＭ中を空気極側に移動し、空気極側において酸素及び電子と反応して水を生成する。
【０００６】
ところでこの水素イオンは、ＰＥＭ中において水と水和している。そして、固体高分子形燃料電池の発電時に水素イオンが燃料極から空気極に移動するとともにその水素イオンと水和した水分子も付随して空気極に移動する。同時に空気極では水の生成反応が起こっている。
【０００７】
空気極側に存在する水は、酸素ガスがガス拡散電極（空気極）に供給されるのを阻害することがわかっている。また、水蒸気濃度が高くなるとそれにしたがってガス供給流路内の酸素ガス濃度が低下し、空気極への酸素供給が充分に行われなくなる。酸素ガスが空気極にスムーズに供給されないとイオン交換反応が順調に行われず、その結果発電効率が低下してしまう。したがって、ガス供給流路内での水蒸気濃度や酸素ガス濃度を把握することが非常に重要となる。
【０００８】
ガス供給流路内のガス濃度や水蒸気濃度を測定する方法として、例えば濃度センサをガス供給流路内に直接挿入する方法がある（例えば、特許文献１を参照。）。ここで、ガス供給流路の断面が小さい場合（例えば１辺が数ｍｍの正方形断面）、その内部に存在する酸素ガスの水蒸気濃度や酸素濃度を測定するには、その断面よりも小さい直径数ｍｍの細長い挿入型の測定プローブをガス供給流路内に挿入する必要がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２０６７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、測定プローブの長さにも限りがあるので、ガス供給流路の挿入口から奥深い位置の水蒸気濃度等を測定するのは困難である。また、ガス供給流路が屈曲しているような場合は測定プローブがその先に入り込めないという問題もある。
【００１１】
さらに、測定プローブをガス供給流路内に挿入することによってガス供給流路内のガス状態が変化してしまうので、発電時と等価な状態（すなわちガス供給流路内に物体が挿入されていない状態）での水蒸気濃度等が測定できないという問題もある。そのため、発電時と等価な状態での水蒸気濃度等を、挿入型の測定プローブ等を用いることなく非接触で測定できる方法が望まれていた。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、流路内に存在するガスや水蒸気等の測定対象の濃度を、非接触で正確に測定することのできる光学測定方法及び光学測定装置を提供することを例示的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としての光学測定方法は、枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、測定対象に所定波長の測定光を照射するステップと、測定対象を透過した後の測定光の強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、演算処理装置によって測定対象の濃度を算出するステップと、を有することを特徴とする。
【００１４】
測定光を用いて非接触にて濃度を測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がない。したがって、測定対象が存在する流路の断面が小さい場合、流路が屈曲している場合、測定位置が流路の開口から奥深い場合であっても簡便に測定が可能である。また、流路内に物体を挿入せずに非接触で測定するので、測定対象が存在する場の雰囲気を乱すことなく、正確な濃度測定が可能となる。
【００１５】
例えば、この測定方法を、固体高分子形燃料電池に供給する酸素ガスや水素ガスのガス濃度測定やガス中の水蒸気濃度測定に適用することも可能である。すなわち、枠体としてのセパレータに流路としてのガス供給流路が形成され、その内部に供給ガスとしての酸素ガスや水素ガスが存在する場合に、それらガス濃度やガス中の水蒸気濃度を、測定光を用いて非接触にて正確に測定することが可能となる。光源として半導体レーザを用いることができ、また、光検出は、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管等の様々な光電変換手段を用いることにより行うことができる。演算処理装置としては、専用の処理回路や汎用のパーソナルコンピュータ等を使用可能である。
【００１６】
上記測定方法において、所定波長が１．３μｍ以上１．５μｍ以下であり、かつ測定対象が水蒸気であってもよい。波長１．３μｍ以上１．５μｍ以下、特に１．４μｍの光は水分子によって強く吸収される。したがって、例えば測定光に波長１．４μｍの半導体レーザ光を用いれば、水蒸気濃度を正確に測定することができる。
【００１７】
また、所定波長が０．７μｍ以上０．８μｍ以下であり、かつ測定対象が酸素であってもよい。波長０．７μｍ以上０．８μｍ以下、特に０．７６μｍの光は酸素分子によって強く吸収される。したがって、例えば測定光に波長０．７６μｍの半導体レーザ光を用いれば、酸素ガスの濃度を正確に測定することができる。
【００１８】
枠体が少なくとも部分的に所定波長に対し透明とされ、測定光が透過可能となっていてもよい。それにより、枠体による光強度の劣化を低減することができ、測定精度を向上させることができる。例えば、枠体が固体高分子形燃料電池のセパレータであり、測定対象がセパレータに形成されたガス供給流路内に存在する酸素や水素ガスである場合に、測定に必要なセパレータの一部分のみを透明材料で形成し、その他の部分をセパレータに使用する導電性材料とすることにより、よりいっそう発電時に近い状態での濃度測定を行うことができる。
【００１９】
測定光の光路を窒素雰囲気としてもよい。測定光源から枠体までの光路周囲を窒素パージして空気や他のガスを排除することにより、測定対象以外のガスによる測定光の不要な吸収や散乱を防止することができ、より高強度の測定光でより正確な濃度測定を行うことができる。
【００２０】
本発明の他の例示的側面としての光学測定方法は、枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の温度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、測定対象に所定波長の測定光を照射するステップと、測定対象を透過した後の測定光の強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、演算処理装置によって測定対象の温度を算出するステップと、を有することを特徴とする。
【００２１】
例えば、波長１．４μｍ近傍の光の温度依存性を利用することにより、測定対象の温度を測定することが可能である。したがって、測定光として波長１．４μｍ近傍の異なる２波長の半導体レーザ光を用いることにより、測定対象の温度を非接触にて正確に測定することができる。
【００２２】
測定光を用いて非接触にて温度を測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がない。したがって、測定対象が存在する流路の断面が小さい場合、流路が屈曲している場合、測定位置が流路の開口から奥深い場合であっても簡便に測定が可能である。また、流路内に物体を挿入せずに非接触で測定するので、測定対象が存在する場の雰囲気を乱すことなく、正確な温度測定が可能となる。
【００２３】
例えば、この測定方法を、固体高分子形燃料電池に供給する酸素や水素ガスの温度測定に適用することも可能である。すなわち、枠体としてのセパレータに流路としてのガス供給流路が形成され、その内部に供給ガスとしての酸素ガスや水素ガスが存在する場合に、それらの温度を、測定光を用いて非接触にて正確に測定することが可能となる。光検出は、フォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管等の様々な光電変換手段を用いることにより行うことができる。演算処理装置としては、専用の処理回路や汎用のパーソナルコンピュータ等を使用可能である。
【００２４】
本発明の他の例示的側面としての光学測定装置は、枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定装置であって、所定波長の測定光を発する光源と、測定対象を透過した後の測定光の強度を検出する光検出器と、光検出器による検出結果に基づいて測定対象の濃度を算出する演算処理装置と、を有することを特徴とする。
【００２５】
測定光を用いて非接触にて測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がない。したがって、測定対象が存在する流路の断面が小さい場合、流路が屈曲している場合、測定位置が流路の開口から奥深い場合であっても簡便に測定が可能である。また、流路内に物体を挿入せずに非接触で測定するので、測定対象が存在する場の雰囲気を乱すことなく、正確な濃度測定が可能となる。
【００２６】
例えば、この測定装置を、固体高分子形燃料電池に供給する酸素ガスや水素ガスのガス濃度測定やガス中の水蒸気濃度測定に適用することも可能である。すなわち、枠体としてのセパレータに流路としてのガス供給流路が形成され、その内部に供給ガスとしての酸素ガスや水素ガスが存在する場合に、それらガス濃度やガス中の水蒸気濃度を、測定光を用いて非接触にて正確に測定することが可能となる。光源として半導体レーザを用いることができ、また、光検出器としてはフォトトランジスタ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管等の様々な光電変換手段を用いることができる。演算処理装置としては、専用の処理回路や汎用のパーソナルコンピュータ等が使用可能である。
【００２７】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、流路内に存在するガスや水蒸気等の測定対象の濃度を、非接触で正確に測定することができる。光を用いた非接触測定なので、流路の形状に影響されず、また、測定場の雰囲気を乱すことがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る光学測定装置について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る光学測定装置Ｓの概略構成を示すブロック図であり、図２は、この光学測定装置Ｓの測定部の部分拡大図である。この光学測定装置Ｓは、測定対象の濃度を測定するためのものである。測定対象としては、酸素・水素等の各種ガスの他、水・アルコール等の液体も考えられるが、本実施の形態１においては、酸素ガス９ｂ中に含まれる水蒸気を測定対象として説明する。測定光の波長を適宜選択することにより、例えば酸素ガスの濃度測定やガスの温度測定にもこの光学測定装置Ｓが適用可能である。
【００３０】
また、この光学測定装置Ｓは、固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池という。）１の空気極側のセパレータ（枠体）９に形成されたガス供給流路（流路）９ａ内に存在する酸素ガス９ｂの水蒸気濃度を測定するのに適している。この燃料電池１についての詳細は後述する。
【００３１】
光学測定装置Ｓは、半導体レーザ光源２１、窒素供給装置２２、光検出器としてのフォトダイオード２３、処理回路２４、演算処理装置としてのパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという。）２５を有して大略構成されている。
【００３２】
半導体レーザ光源２１は、測定光としてのレーザ光Ｌを発するものである。本実施の形態１においては、酸素ガス中の水蒸気濃度を測定するために波長１．４μｍの半導体レーザ光源が使用されている。近赤外領域である波長１．３μｍ〜１．５μｍの光、特に波長１．４μｍのレーザ光は、水分子によって強く吸収されるので、水蒸気濃度測定に適している。
【００３３】
窒素供給装置２２は、主として不活性ガスとしての窒素ガスＮを貯留する窒素ボンベ２２ａとボンベからの窒素ガスＮをレーザ光Ｌの光路に導く配管２２ｂと窒素流量を制御するバルブ２２ｃとを有している。この窒素供給装置２２は、光路中の空気等によるレーザ光Ｌの吸収・散乱を防止するために、レーザ光Ｌの光路中、特に半導体レーザ光源２１から空気極セパレータ９までの光路中（以下、空隙部Ｇという。）に窒素ガスＮを供給する。レーザ光Ｌの光路を窒素雰囲気とすることにより、レーザ光Ｌの強度劣化が低減され、測定精度の向上に寄与することができる。
【００３４】
フォトダイオード２３は、測定対象を透過した後のレーザ光Ｌの強度Ｉを検出するためのものである。図３に測定原理の概略を示すように、波長１．４μｍのレーザ光Ｌが水分子Ｗに照射されると、水分子Ｗによってレーザ光Ｌが吸収される。水分子Ｗを透過したレーザ光Ｌの強度Ｉは、入射レーザ光強度Ｉ０に対して、Ｉ／Ｉ０倍となっている。この強度比Ｉ／Ｉ０が水蒸気濃度の関数となっており、水分子Ｗの数が多い（すなわち水蒸気濃度が高い）ほど透過後の光強度Ｉが弱くなり強度比Ｉ／Ｉ０が小さくなる。具体的には両者は略反比例関係にある。
【００３５】
本実施の形態１においてフォトダイオード２３は、酸素ガス９ｂ中に含まれる水分子を透過した後に空気極側セパレータ９の内壁によって反射された反射光を検出する。そのため、ガス供給流路９ａが形成された空気極側セパレータ９に対して、半導体レーザ光源２１とフォトダイオード２３とは同じ側に配置されている。もちろん、必要に応じてフォトダイオード２３を枠体に対して半導体レーザ光源２１の反対側に配置し、測定対象を透過した後の測定光を反射させずに検出するように構成してもよい。フォトダイオード２３は、水分子からの反射光を検出して光電変換を行い、光強度に応じた電流を処理回路２４に向けて出力する。
【００３６】
光検出器としては、フォトダイオード２３の他にもＣＣＤ、ＣＭＯＳ、光電子増倍管等の光電変換手段を用いることができる。例えば光検出器としてＣＣＤを用いた場合、測定部位の大きさに応じてライン型ＣＣＤやエリア型ＣＣＤ等が適宜選択して使用してもよい。
【００３７】
処理回路２４は、フォトダイオード２３からの出力電流を増幅しＡＤ変換する機能を有する。処理回路２４によって出力電流が増幅され、さらに数値化されてパーソナルコンピュータ２５へと送信される。
【００３８】
パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという。）２５は、フォトダイオード２３によって検出された光の強度に基づいて水蒸気濃度を算出するものである。波長１．４μｍのレーザ光Ｌは、ガス供給流路９ａ内の酸素分子には影響を殆ど受けないが、水分子によって吸収される。したがって、レーザ光Ｌの光路中に水分子が多く存在するほど、検出される反射光の強度は弱くなる。フォトダイオード２３によって検出された光の強弱に応じて出力される電流値が変動し、それに伴い処理回路２４から出力される数値が変動する。その出力数値に対してＰＣ２５を用いて所定の演算処理を行う（例えば強度比の逆数Ｉ０／Ｉに定の濃度係数を積算する。）ことにより、測定部位における水蒸気濃度を算出することができる。
【００３９】
次に燃料電池１について説明する。図４は、燃料電池１を示す図で、図４（ａ）はその外観斜視図であり、図４（ｂ）は、その内部に備えられた発電ユニット６の構成を示す概略ブロック図である。この燃料電池１は、ハウジング２の内部に発電ユニット６を備えた燃料電池スタック３を有して概略構成される。ハウジング２は、例えばアルミニウム・鉄等の金属材料を用いて形成されるが、アクリル・ポリカーボネート等の樹脂材料を用いて形成されてもよい。
【００４０】
図に示すように、ハウジング２の上部には水素ガス供給管２ａと酸素ガス供給管２ｂとが設けられ、ハウジング２の下部には水素ガス排気管２ｃと酸素ガス排気管２ｄとが設けられている。この水素ガス供給管２ａは、燃料電池スタック３の燃料極側に所定のガスの一部としての水素ガス（燃料ガス）８ｂを供給するためのもので、図示しない水素ボンベ等の水素供給手段に接続されている。水素ガス排気管２ｃは、燃料電池スタック３を経た後の水素ガス８ｂを排気するためのものである。
【００４１】
酸素ガス供給管２ｂは、燃料電池スタック３の空気極側に所定のガスの一部としての酸素ガス９ｂを供給するためのものである。例えば、図示しない酸素ボンベ等の酸素供給手段に接続されてその酸素供給手段から酸素ガス９ｂが供給されるように構成されてもよいし、酸素ガス供給管２ｂが大気に開放されて、大気中から酸素を取り込むように構成されていてもよい。
【００４２】
燃料電池スタック３は、単セルと呼ばれる発電ユニット６が一般に複数積層されて構成されるが、本実施の形態１においては簡単のために１つの発電ユニット６によって燃料電池スタック３が構成されていると仮定して説明する。この発電ユニット６は、図４（ｂ）に示すように膜電極複合体（以下、ＭＥＡと略す。）７、燃料極側セパレータ８、空気極側セパレータ９を有して大略構成される。そのＭＥＡ７は、固体高分子電解質膜（以下、ＰＥＭと略す。）１０及び電極としての燃料極１１と空気極１２とを有して大略構成される。
【００４３】
この燃料極側セパレータ８は、空気極側セパレータ９とともにＭＥＡ７を保持するためのものであり、カーボングラファイト等の多孔質導電性材料で構成されている。燃料極側セパレータ８には燃料極１１に当接する面にガス供給流路（流路）８ａが形成されており、そのガス供給流路（流路）８ａを水素ガス８ｂが燃料極１１に接触しつつ通過することにより燃料極１１に水素ガス８ｂが供給されるように構成されている。
【００４４】
空気極側セパレータ９もカーボングラファイト等の多孔質導電性材料で構成され、空気極側セパレータ９は、空気極１２に当接する面にガス供給流路（流路）９ａが形成されている。そのガス供給流路（流路）９ａを酸素ガス８ｂが空気極１２に接触しつつ通過することにより空気極１２に酸素ガス９ｂが供給されるように構成されている。
【００４５】
燃料極１１、空気極１２も、カーボングラファイト等の多孔質導電性材料で構成された電極であり、ＰＥＭ１０を挟むようにその両面に配置されている。このＰＥＭ１０とその両面に配置された燃料極１１、空気極１２とはヒートプレスにより熱圧着されている。図４（ｂ）中の符号１３はＰＥＭ１０に水分を供給する加水装置である。この発電ユニット６では加水装置１３によりＰＥＭ１０に水分を供給するので、ＰＥＭ１０内のイオンの移動がスムーズに行われ、発電効率が高いものとなっている。
【００４６】
空気極側セパレータ９にはガラス窓部２６が形成されている。このガラス窓部２６は、レーザ光Ｌを透過させてガス供給流路９ａ内部の水分子に照射するためのもので、レーザ光Ｌの波長１．４μｍに対して略透明とされている。もちろん、酸素ガス９ｂの濃度を測定するために波長０．７６μｍの測定光が使用される場合には、その波長０．７６μｍに対して略透明なガラス窓部が空気極セパレータ９に形成される。測定光の波長に対して略透明なガラス窓部２６を採用することにより、測定光の強度劣化を低減することができ、測定精度向上に寄与することができる。水分子によって散乱されたレーザ光Ｌは再びガラス窓部２６を透過してＣＣＤ２３に受光されるようになっている。本実施の形態１においては、実際の発電状態と略等価な状態を再現するために、空気極セパレータ９のガラス窓部２６以外の部分は、導電性材料で形成されているので不透明である。しかし、もちろん空気極側セパレータ９全体をレーザ光Ｌの波長に対して透明な材料、例えばガラスやアクリル樹脂等で形成してももちろんよい。
【００４７】
電子負荷装置２７は、燃料極１１、空気極１２と接続されて、外部回路として機能する。すなわち、燃料電池１の発電により燃料極１１側で生じた電子が電子負荷装置２７を介して空気極１２側へと移動し、電子負荷装置２７に電流が流れることとなるが、燃料電池１の動作の詳細については省略する。
【００４８】
次に、この光学測定装置Ｓの動作について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。燃料電池１の燃料極１１及び空気極１２に電子負荷装置２７を接続し、水素ガス８ｂ及び酸素ガス９ｂをそれぞれガス供給流路８ａ，９ａに供給する。それにより、燃料電池１は発電を開始する（Ｓ．１）。窒素供給装置２２より空隙部Ｇに窒素ガスＮを供給する（Ｓ．２）。半導体レーザ光源２１より空気極側セパレータ９のガラス窓部２６を通してガス供給流路９ａ内に存在する酸素ガス９ｂに向けて強度Ｉ０のレーザ光Ｌを照射する（Ｓ．３）。
【００４９】
レーザ光Ｌの波長１．４μｍは酸素ガス９ｂの分子には殆ど影響を受けないが、酸素ガス９ｂ中に含まれる水分子Ｗによって吸収される。フォトダイオード２３は、水分子Ｗを透過した後に空気極側セパレータ９の内壁で反射されたレーザ光Ｌを、再びガラス窓部２６を通して検出する（Ｓ．４）。さらにフォトダイオード２３は、このときの検出光強度Ｉに対応する電流値を処理回路２４に向けて出力する（Ｓ．５）。
【００５０】
処理回路２４は、受け取った電流値を増幅し、その増幅後の電流値をＡＤ変換して数値化を行う。そしてその出力数値をＰＣ２５に向けて送信する（Ｓ．６）。
【００５１】
ＰＣ２５は、処理回路２４から送信された出力数値を受け取り、その出力数値に基づいて測定部位における水蒸気濃度を算出する（Ｓ．７）。具体的には、予め設定されたレーザ光Ｌの測定光強度Ｉ０と、受け取った出力数値に基づいて算出される検出光強度Ｉとの比の逆数Ｉ／Ｉ０に所定の濃度係数を積算することにより酸素ガス９ｂ中の水蒸気濃度を算出する。
【００５２】
レーザ光Ｌを用いて非接触にて水蒸気濃度を測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がなく、ガス供給流路９ａの形状等に影響を受けることなく簡便に測定が可能である。また、ガス供給流路９ａ内に測定プローブ等の物体を挿入せずに非接触で測定するので、流路内の場の雰囲気を乱すことなく、正確な濃度測定が可能となる。
【００５３】
なお、水分子等の測定対象による測定光の吸収の度合いは、温度によって変化する。したがって、濃度測定中の測定対象の温度は、例えば一定に維持される等の管理を必要とする。
【００５４】
［実施の形態２］
上記実施の形態１においては、ガス供給流路９ａ内に存在する酸素ガス９ｂの水蒸気濃度を測定するために、測定レーザ光Ｌの波長を１．４μｍとした。しかしながら、波長０．７６μｍの光は、水分子に殆ど影響を受けないが、酸素分子により強く吸収される性質を持つ。そこで、波長０．７６μｍのレーザ光を測定光として用いることにより、ガス供給流路９ａ内に存在する酸素ガス９ｂの濃度（酸素濃度）を測定することが可能となる。
【００５５】
この実施の形態２に係る光学測定は、光学測定装置に波長０．７６μｍの測定レーザ光を発する半導体レーザ光源とその測定光を検出可能な光検出器を用い、空気極側セパレータに波長０．７６μｍの測定光に対して略透明なガラス窓部を設けること以外は、実施の形態１に説明したものと略同様の構成にて行うことができる。
【００５６】
［実施の形態３］
図６は、濃度１０％の水蒸気の吸収スペクトルの温度依存性を説明するためのグラフであり、横軸が波長〔ｃｍ−１〕、縦軸が吸収係数〔ｃｍ−１〕を示す。図よりわかるように、一定の濃度においては、温度により光の吸収の度合いが異なる。この性質を利用することにより、測定対象の温度を測定することが可能となる。また、吸収係数の異なる２つの波長の測定光を用いることにより、測定対象の濃度が不明の場合であっても正確な温度測定が可能となる。
【００５７】
例えば、温度依存性の比較的強い波長７１８１ｃｍ−１（１．３９２６μｍに相当）と波長７１８３ｃｍ−１（１．３９２２μｍに相当）との２つの波長の光を測定光として用いてガス供給流路９ａ内に存在する酸素ガス９ｂ中の水分子にその測定光を照射し、それぞれの波長の検出光をＣＣＤ２３によって検出し、その検出結果をＰＣ２５によって演算処理することにより、ガス供給流路９ａ内のガス温度を非接触にて正確に測定することが可能となる。
【００５８】
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す光学測定装置の測定部近傍を拡大して示す部分拡大図である。
【図３】本発明に係る光学測定の原理を説明するための説明図である。
【図４】図１に示す光学測定装置による測定に適用する固体高分子形燃料電池を示し、（ａ）はその外観斜視図であり、（ｂ）は内部に備えられた発電ユニットの構成を示す概略ブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光学測定装置の動作を説明するフローチャートである。
【図６】水蒸気の吸収スペクトルの温度依存性を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
Ｇ：空隙部（光路）
Ｌ：レーザ光（測定光）
Ｎ：窒素ガス（不活性ガス）
Ｗ：水分子
１：燃料電池（固体高分子形燃料電池）
２：ハウジング
２ａ：水素ガス供給管
２ｂ：酸素ガス供給管
２ｃ：水素ガス排気管
２ｄ：酸素ガス排気管
３：燃料電池スタック
６：発電ユニット（単セル）
７：膜電極複合体（ＭＥＡ）
８：燃料極側セパレータ
８ａ：ガス供給流路（流路）
８ｂ：水素ガス（所定のガスの一部、燃料ガス）
９：空気極側セパレータ（枠体）
９ａ：ガス供給流路（流路）
９ｂ：酸素ガス
１０：固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）
１１：燃料極（電極）
１２：空気極（電極）
Ｓ：光学測定装置
２１：半導体レーザ光源
２２：窒素供給装置
２２ａ：窒素ボンベ
２２ｂ：配管
２２ｃ：バルブ
２３：フォトダイオード（光検出器）
２４：処理回路
２５：パーソナルコンピュータ（演算処理装置）
２６：ガラス窓部
２７：電子負荷装置（外部回路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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