(57)【要約】【課題】燃料電池セル内部の酸素分布を光学的に計測する装置において、励起光を照射するための光学系のコスト削減を図る。【解決手段】セルに照射される励起光の光軸に直交する面内での強度を均一化するために、レーザ光源２とコリメートレンズ９との間に、合成樹脂製の光拡散板７と励起光波長のみを通過させる光学フィルタ８とを挿入する。合成樹脂製の光拡散板７は石英ガラス製に比べて廉価である。また、光束径が相対的に小さな位置に光拡散板７を挿入するので、光拡散板７のサイズが小さくて済み、その点でもコスト抑制に有利である。また、光源２と光拡散板７との間に、計測時のみ開放するシャッタ６を設けることで、光拡散板７等の素子に対して不要な光が入射することを回避できるので、素子の劣化を防止するにも有利である。【選択図】図１
2011089944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極及び／又は正極に面した酸素濃度測定部位に酸素濃度に応じて蛍光特性が変化する酸素モニタ物質が固定され、該酸素モニタ物質に外部から光を照射する光透過窓が形成されてなる燃料電池セルの内部の酸素濃度を、光学的に計測する燃料電池反応計測装置であって、
前記モニタ物質に対して励起光を照射する照射光学系は、可視波長域の励起光を発する光源と、該光源から発した励起光の光路に挿入された合成樹脂からなる光拡散板と、前記励起光の波長を通過させる一方、前記光拡散板から放出される蛍光の波長を遮蔽する光学フィルタと、を含むことを特徴とする燃料電池反応計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池反応計測装置であって、
前記照射光学系は、前記光学フィルタを経た励起光をコリメートするコリメート光学系と、コリメートされた励起光を反射又は透過して計測対象試料に照射するとともに、該計測対象試料から放出された蛍光を透過又は反射させて光検出器に導く光選択光学系と、を含むことを特徴とする燃料電池反応計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池反応計測装置であって、
前記照射光学系は、前記光源と前記光拡散板との間に配設された、非計測時に励起光を遮蔽するシャッタ、を含むことを特徴とする燃料電池反応計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電池特性や電池寿命の研究・評価等に用いられる燃料電池反応計測装置に関し、さらに詳しくは、燃料電池セル内部の酸素濃度を光学的に計測する燃料電池反応計測装置の光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電に際して二酸化炭素や窒素酸化物等の有害物質を発生しない、発電効率やエネルギー利用効率が高い、燃料となる水素を容易に得ることができる、といった様々な利点を有しており、将来のエネルギー源の一つとして期待されている。こうしたことから、現在、様々な研究機関や企業において、燃料電池の研究・開発が鋭意進められている。
【０００３】
燃料電池には、コストを初めとする様々な技術課題があるが、大きな課題の一つが、経時的な電池性能の劣化である。燃料電池は基本的に水の電気分解の逆反応を利用して発電を行っており、水素を負極側、酸素を正極側に供給し、水素イオンが電解質中を通過して正極側で酸素を反応して水になることにより発電が行われる。そのため、正極側での酸素の利用・消費状況は発電状況を反映しており、これを評価することは、電池の構造、電解質や触媒の種類、発電条件等と電池性能との関係を検討するのに非常に重要である。
【０００４】
また、燃料電池では、電池性能の劣化、故障、或いはその他の原因によって、正極側の酸素導入空間から負極側の燃料（水素）導入空間のほうに酸素が漏れることがある。そのため、本来酸素が存在しない負極側の燃料導入空間における酸素濃度を検出することは、電池性能劣化やその他の不具合の解析にも有用である。
【０００５】
こうした観点から、本願出願人は特許文献１において、燃料電池セル内部での酸素濃度を光学的に計測する装置を提案している。この燃料電池反応計測装置では、例えば燃料電池セルの正極に接するように設けた酸素ガス流路に、予め酸素濃度に応じて蛍光（発光ルミネッセンス）強度が変化するポルフィリン等の酸素モニタ物質を塗布しておき、これに光透過窓を通して所定波長の励起光を照射する。すると、酸素モニタ物質は励起光を吸収して特定波長の蛍光を放出する。その蛍光強度はガス流路中の酸素濃度に依存したものとなるから、例えば燃料電池の発電動作時にこの蛍光強度を繰り返し検出して酸素濃度の変化をモニタすることにより、正極での酸素の利用状況の経時変化を得ることができる。
【０００６】
燃料電池セルにおいて或る程度の広い範囲の酸素濃度分布を調べるためには、励起光の照射領域を広げる必要がある。この際、正確な分布計測には、照射領域内での励起光強度の均一性が高いことが望ましい。通常、レーザダイオード等のレーザ光源から出射される光の光軸に直交する面内での強度分布は均一でない。一般に、このような光の強度分布を均一化するためには、石英ガラスを用いた拡散板が利用される。しかしながら、石英製の拡散板はレーザ光による熱損傷が起こりにくく高い耐久性を有しているものの、一般にかなり高価である。また、機械的な衝撃には比較的弱いという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−８７６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するものであり、燃料電池セル内での酸素の挙動や酸素濃度分布を計測することができる燃料電池反応計測装置の低コスト化を図ることを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた本発明は、正極電極及び／又は負極電極に面した酸素濃度測定部位に酸素濃度に応じて蛍光特性が変化する酸素モニタ物質が固定され、該酸素モニタ物質に外部から光を照射する光透過窓が形成されてなる燃料電池セル、の内部の酸素濃度を光学的に計測する燃料電池反応計測装置であって、
前記モニタ物質に対して励起光を照射する照射光学系は、可視波長域の励起光を発する光源と、該光源から発した励起光の光路に挿入された合成樹脂からなる光拡散板と、前記励起光の波長を通過させる一方、前記光拡散板から放出される蛍光の波長を遮蔽する光学フィルタと、を含むことを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る燃料電池反応計測装置の計測対象である燃料電池セルは、例えば特許文献１に開示されたように、正極電極に面して配設された酸素ガス流路、又は負極電極に面して配設された水素（燃料）ガス流路の少なくとも一方の一部に酸素モニタ物質が固定化され、且つ、その酸素モニタ物質に励起光が照射されるとともに酸素モニタ物質から発せられる蛍光が取り出し可能であるように光透過窓が形成された構造を有するものである。酸素ガス流路は酸素導入空間であり、この空間における酸素濃度分布は発電に伴う酸素の利用・消費を反映したものである。一方、水素ガス流路は燃料導入空間であり、この空間には本来、酸素は存在しないはずであるから、この空間における酸素濃度は酸素導入空間からの酸素の漏れを反映したものである。
【００１１】
本発明に係る燃料電池反応計測装置では、光源から発した特定の波長（可視波長域）を有する光（励起光）を光拡散板に導入し、光軸に直交する面内での強度分布を均一化する。この際に、光拡散板の材料自体が励起されて蛍光を発することがあるが、この蛍光は光学フィルタで除去され、目的とする励起光のみが計測対象である燃料電池セルに照射される。光拡散板に入射される光は可視波長域であって、そのパワーも、損傷するほど高いパワーを必要としない（またパワーが高いと燃料セル自体が損傷を受ける）ため、光拡散板が合成樹脂製であってもその内部の温度上昇は小さく、熱損傷は問題にならない。光拡散板を形成する合成樹脂の種類は特に問わないが、例えばポリカーボネイト樹脂を用いることができる。ポリカーボネイト樹脂は光透過性が高く、強度も十分にあって、且つ成形性も良好であるので、好適な材料の一つである。
【００１２】
本発明に係る燃料電池反応計測装置の一態様として、前記照射光学系は、前記光学フィルタを経た励起光をコリメートするコリメート光学系と、コリメートされた励起光を反射又は透過して被計測試料に照射するとともに、該被計測試料から放出された蛍光を透過又は反射させて光検出器に導く光選択光学系と、を含む構成とすることができる。
【００１３】
この構成では、光拡散板により光軸に直交する面内で強度が均一化された励起光が、或る程度の拡がりを有して燃料電池セルに照射される。その励起光照射により酸素モニタ物質から発せられた蛍光は、光選択光学系を経て光検出器に導入される。光選択光学系としては例えばダイクロイックミラーを用いることができる。光検出器は或る程度の広い領域から放出された蛍光を同時に、つまり２次元的に検出するために、例えばＣＣＤカメラなどの撮像装置を用いることができる。この構成によれば、光選択光学系が励起光を照射するためと蛍光を取り出すために共用されるので、光学系をコンパクトにすることができる。
【００１４】
本発明のさらに好ましい態様として、前記照射光学系は、前記光源と前記光拡散板との間に配設された、非計測時に励起光を遮蔽するシャッタ、を含むようにするとよい。
【００１５】
この構成では、燃料電池セルに励起光を照射して酸素モニタ物質からの蛍光を検出するときのみに、光拡散板以降の光学系に励起光が送られ、それ以外のときには励起光はシャッタで遮蔽される。これにより、不要な光が光拡散板や光学フィルタなどに当たるのを防止できるため、これら光学素子の劣化を軽減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池反応計測装置によれば、計測対象である燃料電池セルに照射する励起光の強度を均一化するために、合成樹脂製の光拡散板を用いたので、装置コストを抑えることができる。
【００１７】
また、合成樹脂製の光拡散板は或る程度の弾性や可撓性を有しており、金属に匹敵するほど機械的な衝撃に対して強いので、例えば装置搬送時に振動などが加えられても破損しにくく、耐熱性と難燃性も優れている。また、光拡散板から放出される蛍光は光学フィルタで除去されるため、こうした不所望の波長光が計測対象の燃料電池セルに照射されることがなく、正確な酸素濃度計測が行える。
【００１８】
さらにまた、光源とコリメート光学系との間の光路中に光拡散板及び光学フィルタを設置する構成とすることで、光拡散板及び光学フィルタを通過する光束径はコリメート光学系でコリメートされた光の光束径よりも小さくて済む。これにより、光拡散板や光学フィルタの径方向のサイズが小さくて済み、これによって一層、装置コストの抑制が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池酸素濃度計測装置の要部の構成図。
【図２】本実施例の計測装置の計測対象である燃料電池セルの一例の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施例である燃料電池反応計測装置について、添付図面を用いて説明する。この燃料電池反応計測装置は、例えば特許文献１に開示されているような様々な形態の燃料電池セルについて、その燃料電池セルの反応に伴う酸素濃度の分布をリアルタイムで計測可能な装置である。
【００２１】
この燃料電池反応計測装置は、試料ステージ２０上に載置された計測対象試料である燃料電池セル２１に対して励起光を照射する光学系１として、レーザ光源２と、ビームスプリット用ガラス３と、シャッタ６と、光拡散板７と、光学フィルタ８と、コリメートレンズ９と、ミラー１０と、ダイクロイックミラー１１と、を含む。また、励起光の照射により燃料電池セル２１中の酸素モニタ物質から放出された蛍光の強度を検出するために、集光レンズ１３と検出器１４とを含む撮像部１２が備えられ、撮像部１２による信号は信号処理部１５に入力される。
【００２２】
レーザ光源２は紫〜青の波長域に含まれる特定波長の可視光を出射するレーザ光源である。ビームスプリット用ガラス３は光軸に対して４５°の角度をもって設置された素ガラス（特別なコーティングが施されていないガラス）であり、入射光の８％程度の光量の光を反射してモニタ用検出器４に入射させる。モニタ用検出器４の検出信号はＬＤ駆動制御部５に入力され、ＬＤ駆動制御部５はその検出信号に基づいてレーザ光源２からの光の出射パワー調整を行うほか、レーザ光源２の劣化の判断等を行う。
【００２３】
シャッタ６は図示しない駆動機構により機械的に開閉されるものであり、酸素濃度の計測実行時には図１中に実線で示すように光路上から退避され、計測を行っていないときには図１中に点線で示すように光路上に挿入される。これにより、計測を行っていないときに、このシャッタ６よりも下流側の光学素子に励起光が当たることを回避し、光照射による劣化や損傷を防止することができる。また、励起光が外部に漏れることも軽減できる。
【００２４】
光拡散板７は合成樹脂（例えばポリカーボネイト樹脂）の成形品であり、入射した光の光軸に直交する面内での光の強度を均一化する。ポリカーボネイト樹脂からなる光拡散板は液晶ディスプレイパネルのバックライト用等に使用されており、かなり廉価に入手可能である。一枚の光拡散板で拡散効果が不足している場合には、複数枚の光拡散板を重ねて用いてもよい。また、光学フィルタ８は励起光の波長を高い透過率で透過する一方、励起光の通過に伴って光拡散板７で発生する蛍光の波長を遮蔽する光学特性を有するものである。
【００２５】
コリメートレンズ９は、光拡散板７及び光学フィルタ８を経て拡がりつつ（光束径が増加しつつ）入射してくる励起光をコリメート光に変換する。このコリメートレンズ９は図１中に矢印で示すように、図示しない駆動機構により光軸方向に所定範囲で移動可能となっており、その移動によりコリメート光の光束径を変化させる、即ち、燃料電池セル２１に照射される励起光の照射面積を変化させることが可能である。
【００２６】
ミラー１０は可視光を高い効率で反射させるミラーであればよく、金属蒸着型、誘電体多層膜型など、その構造は特に問わない。ダイクロイックミラー１１は励起光Ｅexの波長を効率良く反射させ、それ以外の波長（蛍光Ｅemの波長含む）を効率良く透過させる光学特性を有する。また、撮像部１２は例えば高感度のＣＣＤカメラを用いることができる。
【００２７】
計測対象である燃料電池セル２１は特許文献１に開示された各種構成を有する。ここで、その一例を図２を参照して概略的に説明する。図２は燃料電池セル２１の一例の断面図である。
この燃料電池セルは、正極側セパレータ３１と負極側セパレータ３２との間に膜電極接合体３０が挟持された構成を有する。膜電極接合体３０は、高分子電解質膜３０１の両面に正極電極３０２と負極電極３０３とが接合された構成を有する。図示しないが、正極電極３０２及び負極電極はともに、白金触媒等の触媒金属層とカーボンペーパ等の導電性多孔質支持層とからなる。
【００２８】
負極側セパレータ３２は、金属平板３２２とリブ溝３２１が形成されたリブ構造体とからなる。リブ溝３２１は燃料導入空間であり、水素等の燃料ガスが流される燃料ガス流路となる。正極側セパレータ３１は、負極側セパレータ３２と同様に、金属平板３１２とリブ溝３１１が形成されたリブ構造体とからなる。正極側セパレータ３１では、さらに金属平板３２２の一部に孔が形成され、この孔部分に光透過性材料からなる光透過窓３４が設けてある。この光透過窓３４の周囲は図示しないガスケットにより密封されている。リブ溝３１１は酸素導入空間であり、酸素が流される酸素流路となる。
【００２９】
正極側セパレータ３１の光透過窓３４を通して観測可能な領域にあるリブ溝３１１の一部には、酸素濃度に応じて蛍光強度が変化するポルフィリン被膜が酸素モニタ物質３５として塗布されている。図２では、酸素モニタ物質は正極電極３０２に塗布されているが、光透過窓３４や金属平板３１２面、リブ溝３１１側壁内面に塗布されていてもよい。いずれにしても、各位置での酸素濃度に応じて蛍光強度は変化する。
【００３０】
この燃料電池セルの動作を説明する。膜電極接合体３０を挟んで、燃料ガスである水素がリブ溝３２１（燃料導入空間）を流れ、酸素がリブ溝３１１（酸素導入空間）を流れると、水素は負極電極３０３の触媒金属層の白金触媒により水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは高分子電解質膜３０１を選択的に透過する。透過した水素イオンは、正極電極３０２の触媒金属層で酸素と反応し、水となる。このとき電極で発生した電子には、負極電極３０３から外部負荷を通って正極電極３０２に向かう起電力が発生し、電子が流れる。
【００３１】
上記反応を生起させることにより燃料電池セル２１は発電するが、正極電極３０２及び正極側セパレータ３１における酸素の分布によって、燃料電池セル内の酸素モニタ物質３５の励起光に対する蛍光強度が変化する。そこで、図２中に示すように、光透過窓３４を介してリブ溝３１１内に励起光を照射し、これに応じて酸素モニタ物質３５が発する蛍光を光透過窓３５を介して取り出してその強度を検出することにより、反応時の燃料電池セル内の酸素濃度分布を測定することができる。
【００３２】
上記実施例の燃料電池反応計測装置の動作を説明する。
計測実行時にはシャッタ６が開放され、ＬＤ駆動制御部５の制御の下に、レーザ光源２から出射した特定波長の励起光は、光拡散板７を経てその光軸に直交する面内での強度が均一化され、光学フィルタ８で不所望の波長光が除去される。そして、この励起光はコリメートレンズ９で所定の光束径のコリメート光に変換され、ミラー１０、ダイクロイックミラー１１を経て燃料電池セル２１に照射される。前述のように励起光は光透過窓３４を透過してリブ溝３１１内の酸素モニタ物質３５に当たり、酸素モニタ物質３５はそれぞれの位置の酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する。このときの励起光の強度は照射範囲でほぼ均一化されているため、正確に各位置の酸素濃度を反映した強度の蛍光が発せられる。
【００３３】
この蛍光は光透過窓３４を透過し、ダイクロイックミラー１１を経て撮像部１２に導入される。撮像部１２は蛍光強度の２次元的な分布を示す画像を取得し、信号処理部１５はこの信号に基づいて各位置の酸素濃度を算出して酸素濃度分布を求める。
【００３４】
このようにして、本実施例の燃料電池反応計測装置を用いれば、燃料電池セル内部の酸素濃度分布を高い精度で取得することができる。その燃料電池反応計測装置の光学系１において、光拡散板７には合成樹脂の成形品を用いており、さらには、励起光をコリメートする以前の光束径が相対的に小さな位置に光拡散板７を挿入しているので、小さなサイズの光拡散板でよい。それによって、光学系１のコストを抑えることができる。また、計測の終了後速やかにシャッタ６を閉じることにより、光拡散板７以降の光路に励起光が送られず、励起光の照射による各光学素子の劣化を軽減することができる。それによって、各光学素子の長寿命化を図ることができる。
【００３５】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に、変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００３６】
１…光学系
２…レーザ光源
３…ビームスプリット用ガラス
４…モニタ用検出器
５…ＬＤ駆動制御部
６…シャッタ
７…光拡散板
８…光学フィルタ
９…コリメートレンズ
１０…ミラー
１１…ダイクロイックミラー
１２…撮像部
１３…集光レンズ
１４…検出器
１５…信号処理部
２０…試料ステージ
２１…燃料電池セル
Ｅem…蛍光
Ｅex…励起光
【図１】
2011089944.tif 000003
【図２】
2011089944.tif 000004