(57)【要約】【課題】簡単な構成で、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を測定でき、燃料電池の状態を評価することができる燃料電池評価装置および燃料電池評価方法を提供する。【解決手段】燃料電池１の燃料極側の状態を評価する燃料電池評価装置であって、ガス供給流路内の所定位置から赤外光を照射するようにガス供給流路に配置された発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎと、発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎからの赤外光が燃料ガス中を透過した透過光を受光するようにガス供給流路に配置された受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎとを備えると共に、発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎを介して赤外光を照射する光源部１３と、受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎを介して受光する透過光の強度を検出する光強度検出部１５と、透過光の強度が水滴によって散乱して減衰することを利用して水滴の発生状況を検出し燃料極側に流れるガスの加湿状態を評価する機能を有する処理部１６とを有する分析計本体１８を備えた。【選択図】  図１
2004296233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガス供給流路内の所定位置から所定波長の光を照射するように前記ガス供給流路に配置された発光用ファイバと、この発光用ファイバからの光がガス中を透過した透過光を受光するように前記ガス供給流路に配置された受光用ファイバとを備えると共に、前記発光用ファイバを介して前記光を照射する光源部と、前記受光用ファイバを介して受光した透過光の強度を検出する光強度検出部と、前記透過光の強度が液滴によって散乱して減衰することを利用して液滴の発生状況を検出し前記ガスの加湿状態を評価する機能を有する処理部とを有する分析計本体を備えたことを特徴とする燃料電池評価装置。
【請求項２】
前記液滴が水滴であり、前記所定波長の光が、水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池評価装置。
【請求項３】
燃料電池のガス供給流路内の所定位置から赤外光を照射するように前記ガス供給流路に配置された発光用ファイバと、この発光用ファイバからの赤外光がガス中を透過した透過光を受光するように前記ガス供給流路に配置された受光用ファイバとを備えると共に、前記発光用ファイバを介して前記赤外光を照射する光源部と、前記受光用ファイバを介して受光した透過光の強度を検出する光強度検出部と、前記透過光の強度が水滴によって散乱して減衰することを利用して水滴の発生状況を検出し前記ガスの加湿状態を評価する機能を有する処理部とを有する分析計本体を備えたことを特徴とする燃料電池評価装置。
【請求項４】
前記光源部が、少なくとも水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とを発光するものであり、前記処理部が、前記光強度検出部によって検出された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光の透過光の強度差から前記ガス供給流路内の気化した水分の量を算出して前記ガスの加湿状態を評価する機能を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池評価装置。
【請求項５】
前記発光用ファイバと前記受光用ファイバとの光ファイバ対を複数設け、複数の光ファイバ対を択一的に前記分析計本体に接続するファイバ切替器を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の燃料電池評価装置。
【請求項６】
燃料電池のガス供給流路内に所定波長の光を入射し、前記ガス供給流路からの前記所定波長の光による出射光に基づいて、前記ガス供給流路内の加湿状態を検出することによって前記燃料電池におけるガス供給流路内の状態を評価することを特徴とする燃料電池評価方法。
【請求項７】
燃料電池のガス供給流路内に、水による光吸収のある波長の第１の光と、水による光吸収のない波長の第２の光とを入射し、前記ガス供給流路内の水滴によって生じる散乱と光吸収とにより減衰した第１の光の減衰を測定すると共に、前記ガス供給流路内の水滴によって生じる散乱により減衰した第２の光の減衰を測定し、前記第１の光の減衰と前記第２の光の減衰との差に基づいて気相状態による光吸収を測定し、前記第２の光減衰に基づいて水滴の情報を判断することを特徴とする燃料電池評価方法。
【請求項８】
燃料電池におけるガス供給流路に対面するように発光用ファイバと受光用ファイバとからなる光ファイバ対を配置し、前記発光用ファイバを用いて前記ガス供給流路内の所定位置から赤外光を照射したときにガス中を透過した透過光を、前記受光用ファイバを介して受光することで、前記ガス供給流路内の水滴によって生じた散乱光によって減衰した透過光の強度を測定し、この測定された透過光の強度に基づいて前記ガス供給流路内に流れるガスの加湿状態を評価することを特徴とする燃料電池評価方法。
【請求項９】
前記赤外光が、少なくとも水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とであり、両赤外光による透過光の強度差に基づいて前記ガス供給流路内の気化した水分の量を算出してガスの加湿状態を評価することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の状態を評価する燃料電池評価装置および燃料電池評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保護を目的として二酸化炭素や有害物質を一切排出することなく水のみを排出する燃料電池が注目されている。また、この燃料電池は車両への応用が期待されていると共に、種々の方面における実用化に向けて研究が行われている。
【０００３】
図７は、従来の燃料電池評価方法を説明するための燃料電池の基本構成を示す斜視図である。図７に示す燃料電池１において、２は空気（酸素Ｏ２  ）の流路である空気極、３は燃料としての水素Ｈ２  の流路である燃料極、４は空気極２に隣接する多孔質の陽極、５は燃料極３に隣接する多孔質の陰極、６は陰極５側から陽極４側に水素イオンＨ＋  （プロトン）を透過することができる高分子（例えば固体高分子膜）からなるイオン透過膜である。
【０００４】
２ａは空気極２に当接する板状のセパレータであり、３ａは燃料極３に当接する板状のセパレータである。２ｂはセパレータ２ａとの間に空気（酸素Ｏ２  ）の流れの方向に形成された複数の溝からなる空気ガス供給流路、３ｂは水素Ｈ２  の流れの方向に形成された複数の溝からなる燃料ガス供給流路である。酸素Ｏ２  および水素Ｈ２  は、空気ガス供給流路２ｂおよび燃料ガス供給流路３ｂをそれぞれ通って流れることにより、空気極２および燃料極３の全面をムラなく流れて陽極４および陰極５にそれぞれ接触するようになっている。
【０００５】
燃料極３を通る水素Ｈ２  は陰極５に電子を渡して水素イオンＨ＋  となり、この水素イオンＨ＋  が、イオン透過膜６を透過して陽極４側に移動する。次いで、２個の水素イオンＨ＋  が陽極４から２個の電子をもらって水素Ｈ２  となり、この１個の水素Ｈ２  と１／２個の酸素Ｏ２  と結合して水Ｈ２  Ｏを生成する。即ち、この一連の化学反応により、陽極４と陰極５間に起電力が発生し、陽極４と陰極５間に接続された負荷（図示せず）に電流が流れ全体として電池として動作する。
【０００６】
つまり、燃料電池１が電池として動作するためには、イオン透過膜６が水素イオンＨ＋  を陽極４の方向に透過することが必要である。ところで、特に、このイオン透過膜６の燃料極３側の面においては、十分に加湿されていることが、水素Ｈ２  のイオン化にあたり重要であり、このために燃料ガスである水素Ｈ２  は水蒸気によって加湿された状態で供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料極３に供給される燃料ガスである水素Ｈ２  は幾らかの圧力をかけた状態で供給されるだけでなく、特にイオン透過膜６として例えば固体高分子膜を用いたような燃料電池は動作温度が低いため、燃料ガスである水素Ｈ２  に加えて供給する水蒸気が燃料極３の燃料ガス供給流路３ｂ内で結露して水滴Ｗとなり、この水滴Ｗが燃料ガス供給流路３ｂを閉鎖することがあった。燃料ガス供給流路３ｂが閉鎖されると、燃料ガスである水素Ｈ２  が燃料ガス供給流路３ｂ内には流れないので、閉鎖されていないその他の燃料ガス供給流路３ｂだけに水素Ｈ２  が流れ、その分、発電効率が低下するという問題があった。また、こういった発電効率の低下の問題は、空気極２に空気を供給する場合にも生じている。
【０００８】
そこで、このような発電効率の低下の原因となる燃料電池１内での結露や水分蒸気濃度の測定手法として、例えば、次のような方法が考えられる。燃料電池１において、ポンプ９を用い、１本のガスサンプリングチューブ７を介して、燃料電池１内から採取されたサンプリングガスＳＧをガス分析計８で分析し、燃料電池１内の結露や水分蒸気濃度を測定する方法も考えられるが、燃料電池１の燃料ガス供給流路３ｂ内の例えば、一つの位置からサンプリングガスＳＧを採取すると、燃料電池１の特性に影響を与えることが懸念されている。また、複数本のガスサンプリングチューブ７を設けて燃料電池１内の複数の位置からサンプリングガスＳＧを採取する構成も考えられるが、このような構成は実現することが難しく、また現実的ではなかった。
【０００９】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を測定でき、燃料電池の状態を評価することができる燃料電池評価装置および燃料電池評価方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、燃料電池のガス供給流路内の所定位置から所定波長の光を照射するように前記ガス供給流路に配置された発光用ファイバと、この発光用ファイバからの光がガス中を透過した透過光を受光するように前記ガス供給流路に配置された受光用ファイバとを備えると共に、前記発光用ファイバを介して前記光を照射する光源部と、前記受光用ファイバを介して受光した透過光の強度を検出する光強度検出部と、前記透過光の強度が液滴によって散乱して減衰することを利用して液滴の発生状況を検出し前記ガスの加湿状態を評価する機能を有する処理部とを有する分析計本体を備えたことを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
この構成の燃料電池評価装置においては、光源部からの所定波長の光が発光用ファイバを介してガス供給流路内を照射し、この照射した光が液滴によって散乱して減衰し、その減衰後の透過光の強度が光強度検出部によって検出される。そして、前記検出された透過光の強度に基づいて処理部は、前記ガス供給流路内に流れるガスの加湿状態を検出する。つまり、燃料電池のガス供給流路内に発光用ファイバと受光用ファイバを配置させることで、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になる。これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００１２】
前記液滴が水滴であり、前記所定波長の光が、水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とである場合（請求項２）、前記光強度検出部に入射する第１の赤外光による透過光と、第２の赤外光による透過光とに強度差が生じ、これにより、前記ガス供給流路内の加湿状態を検出することが可能になる。
【００１３】
また、本発明は、燃料電池のガス供給流路内の所定位置から赤外光を照射するように前記ガス供給流路に配置された発光用ファイバと、この発光用ファイバからの赤外光がガス中を透過した透過光を受光するように前記ガス供給流路に配置された受光用ファイバとを備えると共に、前記発光用ファイバを介して前記赤外光を照射する光源部と、前記受光用ファイバを介して受光した透過光の強度を検出する光強度検出部と、前記透過光の強度が水滴によって散乱して減衰することを利用して水滴の発生状況を検出し前記ガスの加湿状態を評価する機能を有する処理部とを有する分析計本体を備えたことを特徴とする（請求項３）。
【００１４】
この構成の燃料電池評価装置においては、光源部からの赤外光が発光用ファイバを介してガス供給流路内を照射し、この照射した赤外光が水滴によって散乱し減衰し、その減衰後の透過光の強度が光強度検出部によって検出される。そして、前記検出された透過光の強度に基づいて処理部は、前記ガス供給流路内に流れるガスの加湿状態を検出する。つまり、ガス供給流路内に発光用ファイバと受光用ファイバを配置させることで、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になる。これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００１５】
前記光源部が、少なくとも水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とを発光するものであり、前記処理部が、前記光強度検出部によって検出された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光の透過光の強度差から前記ガス供給流路内の気化した水分の量を算出して前記ガスの加湿状態を評価する機能を有する場合（請求項４）は、燃料電池内に水滴があると、前記光源部からの第１，第２の赤外光が燃料ガス中を透過した第１，第２の透過光の強度に差が生じ、この強度差に基づいてガスの加湿状態を評価することが可能になる。
【００１６】
前記発光用ファイバと前記受光用ファイバとの光ファイバ対を複数設け、複数の光ファイバ対を択一的に前記分析計本体に接続するファイバ切替器を有する場合（請求項５）は、前記分析計本体と前記ファイバ切替器との間を接続する光ファイバは例えば２本で済むので、前記分析計本体の構成を簡単にすることができる。
【００１７】
また、本発明は、燃料電池のガス供給流路内に所定波長の光を入射し、前記ガス供給流路からの前記所定波長の光による出射光に基づいて、前記ガス供給流路内の加湿状態を検出することによって前記燃料電池におけるガス供給流路内の状態を評価することを特徴とする（請求項６）。
【００１８】
この燃料電池評価方法によれば、所定波長の光を、ガス供給流路内に照射し、この照射した光がガス中を透過し、この透過した出射光の強度に基づいて前記ガス供給流路内に流れるガスの加湿状態が検出される。つまり、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することができ、これによって燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定することが可能になり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００１９】
また、本発明は、燃料電池のガス供給流路内に、水による光吸収のある波長の第１の光と、水による光吸収のない波長の第２の光とを入射し、前記ガス供給流路内の水滴によって生じる散乱と光吸収とにより減衰した第１の光の減衰を測定すると共に、前記ガス供給流路内の水滴によって生じる散乱により減衰した第２の光の減衰を測定し、前記第１の光の減衰と前記第２の光の減衰との差に基づいて気相状態による光吸収を測定し、前記第２の光減衰に基づいて水滴の情報を判断することを特徴とする（請求項７）。
【００２０】
この燃料電池評価方法によれば、第１の光と第２の光とをガス供給流路内に照射し、第１の光は水滴によって生じる散乱と光吸収とにより光減衰（第１の光減衰）し、第２の光は水滴によって生じる散乱によって光減衰（第２の光減衰）する。これらの第１の光減衰と第２の光減衰との差をとれば、気相による光吸収が定量でき、第２の光減衰から水滴情報（定量・定性・有無）が判断できる。つまり、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になり、これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化をその動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００２１】
また、本発明は、燃料電池におけるガス供給流路に対面するように発光用ファイバと受光用ファイバとからなる光ファイバ対を配置し、前記発光用ファイバを用いて前記ガス供給流路内の所定位置から赤外光を照射したときにガス中を透過した透過光を、前記受光用ファイバを介して受光することで、前記ガス供給流路内の水滴によって生じた散乱光によって減衰した透過光の強度を測定し、この測定された透過光の強度に基づいて前記ガス供給流路内に流れるガスの加湿状態を評価することを特徴とする（請求項８）。
【００２２】
この燃料電池評価方法によれば、赤外光を発光用ファイバを介してガス供給流路内に照射し、この照射した赤外光が水滴によって散乱して減衰し、その減衰後の透過光が受光用ファイバを介して取り出され検出される。そして、前記検出された透過光の強度に基づいて燃料極側に流れる燃料ガスの加湿状態が検出される。つまり、発光用ファイバと受光用ファイバとを燃料電池内のガス供給流路に配置することで、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になる。これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００２３】
前記赤外光が、少なくとも水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とであり、両波長の透過光の強度差に基づいて前記ガス供給流路内の気化した水分の量を算出して、ガスの加湿状態を評価する場合（請求項９）は、燃料電池内に水滴があると、ガス中を透過した第１，第２の透過光の強度に差が生じ、この強度差に基づいて燃料ガスの加湿状態を評価することが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池評価装置の特徴的構成を示すブロック図である。この燃料電池評価装置は、燃料電池１内の各ガス供給流路（以下では、特に燃料ガス供給流路を挙げて説明し、詳細は後述する）の所定位置から赤外光（所定波長の光）を照射するように各燃料ガス供給流路に配置された各発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎと、各発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎから生じて燃料電池１の燃料ガス中を透過した透過光を受光するように各燃料ガス供給流路内の所定位置に配置された受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎとを備えると共に、ファイバ切替器１９および各発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎを介して赤外光（所定波長の光）を照射する光源部１３と、各受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎおよびファイバ切替器１９を介し受光部１４で受光する透過光の強度を検出する光強度検出部１５と、前記透過光の強度が水滴によって散乱して減衰することを利用して水滴の発生状況を検出し燃料極（後述する）側に流れる燃料ガスの加湿状態を評価する機能を有する処理部１６と、これらの各部を制御する制御部１７とを有する分析計本体１８を備えている。
【００２５】
詳しくは、分析計本体１８において、光源部１３は、少なくとも水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とを発光するものであり、処理部１６は、光強度検出部１５によって検出された第１，第２の透過光の強度差から気化した状態の水分の量を算出して燃料ガスの加湿状態を評価する機能を有するものである。また、ファイバ切替器１９は、各発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎと各受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎとの各ファイバ対を択一的に分析計本体１８に接続するものである。
【００２６】
図２は本実施形態における燃料電池１の簡略化した構成を示す分解斜視図である。図２において、燃料電池１は、空気（酸素Ｏ２）の流路である空気極２７と、水素Ｈ２の流路である燃料極２５と、空気極２７に隣接する多孔質の陽極２８と、燃料極２５に隣接する多孔質の陰極２９と、陰極２９側から陽極２８側に水素イオンＨ＋  （プロトン）を透過することができる高分子（例えば固体高分子膜）からなるイオン透過膜３０とを基本構成要素とし、この基本構成要素がセパレータ２６を挟んで複数個重ねられて、１個の燃料電池１を構成している。
また、前記空気極及び燃料極には、それぞれ空気（酸素Ｏ２  ）又は水素Ｈ２  を供給するためのガス供給流路として空気供給流路２７ａ又は燃料ガス供給流路２５ａを有している。
【００２７】
そして、本実施形態では、燃料ガス供給流路２５ａを例にとり説明するが、各層における燃料極２５の各燃料ガス供給流路２５ａの一端には、各燃料ガス供給流路２５ａ内に赤外光をそれぞれ照射するための発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎがそれぞれ配置されている。また、各燃料ガス供給流路２５ａの他端には、発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎから生じて燃料ガス中を透過した透過光を受光するように、受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎがそれぞれ配置されている。
【００２８】
図３は本実施形態における燃料電池評価装置および燃料電池評価方法を説明するための全体構成図である。図３に示す燃料電池評価装置において、測定対象である燃料電池１における燃料極の燃料ガス供給流路の一端（図２参照）には、燃料ガス供給流路内に赤外光を照射するための発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎがそれぞれ配置されている。なお、発光用ファイバ１１−１は複数個のファイバからなる束であり、各ファイバは各層の燃料ガス供給流路の一端に配置される。その他の発光用ファイバ１１−ｎなどについても同様である。また、燃料ガス供給流路の他端には、発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎからの赤外光が燃料ガスである水素ガス中を透過した透過光を受光するように、受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎがそれぞれ配置されている。なお、受光用ファイバ１２−１は、複数個のファイバからなる束であり、各ファイバは各層の燃料ガス供給流路の他端に配置される。その他の受光用ファイバ１２−ｎなどについても同様である。
【００２９】
また、ガス供給容器３１は、燃料ガスとなる水素を供給するための燃料入口３３ａと、水素の残留ガスを排出するための燃料出口３３ｂと、空気（酸素）を供給するための空気入口３２ａと、空気（残留酸素）を排出するための空気出口３２ｂとを備えている。また、ガス供給容器３１は、燃料電池１の起電力発生時において電気抵抗により生じる熱エネルギーのために燃料電池１内のセルの温度が上昇するのを抑えるために、冷却水を供給するための冷却水入口３４ａと、その冷却水を排出するための冷却水出口３４ｂとを備えている。この冷却水出口３４ｂから排出される冷却水は、温められているので、給湯や暖房などに利用することもできる。分析計本体１８の光入出力側には、複数の発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎおよび複数の受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎが接続され、その信号出力側には処理装置２０が接続されている。
【００３０】
ここで、本実施形態の燃料電池評価装置を用いて燃料電池１における燃料ガス供給流路２５ａ内の水分の測定を可能にする原理について説明しておく。
【００３１】
代表的な各種気体は、図４に示すように近赤外領域にそれぞれ固有の吸収波長帯を持っており、その吸収波長帯には多くの吸収線が存在している。例えば、水の吸収波長は１．３６５μｍであり、この波長の赤外光が水により最も多く吸収されることが分かる。また、図５に示すように、例えば、吸収線５１，５２，５３のうちの１本に対して、例えば半導体レーザダイオードから出力される発振波長の赤外光を掃引することによって吸収波５４を測定することができる。この吸収波５４の波形と参照光波形との比を取ることによりスペクトルプロファイル５５を測定する。例えば、水の場合、波長λ１が１．３６５μｍ（図４参照）となり、この波長λ１で吸収度が最大になる。
【００３２】
本実施形態では、少なくとも水に吸収される波長の第１の赤外光を発光する第１発光素子（図示せず）と、水に吸収されない波長の第２の赤外光を発光する第２発光素子（図示せず）とが図１中の光源部１３に備えられているものとする。例えば、図６（ａ）に示すように、燃料ガス供給流路２５ａ内に水蒸気（図示せず）のみが存在する場合、第１発光素子からの第１の赤外光６１は、前記図５で説明したスペクトルプロファイル５５に従って光吸収された第１の透過光６２となり、この第１の透過光６２が図１中の受光部１４で受光される。また、図６（ｃ）に示すように、同じく燃料ガス供給流路２５ａ内に水蒸気（図示せず）のみが存在する場合、第２発光素子からの第２の赤外光６４は前記スペクトルプロファイルに従わない（気相による吸収がない）第２の透過光６５となり、この第２の透過光６５が図１中の受光部１４で受光される。
【００３３】
一方、図６（ｂ），（ｄ）に示すように、燃料ガス供給流路２５ａ内に液相の水（液滴）６７のみが存在する場合を想定すると、第１発光素子からの第１の赤外光６１と第２発光素子からの第２の赤外光６４とはそれぞれ水６７によって乱反射が生じ、第１の赤外光６１が減衰した第１の透過光６３と、第２の赤外光６４が減衰した第２の透過光６６とが、受光部１４で受光されることになる。
【００３４】
さらに、燃料ガス供給流路２５ａ内に水蒸気と水６７が共存する場合、第１の赤外光６１と第２の赤外光６４とは共に光減衰が生じるが、第１の赤外光６１においては、水６７による散乱と気相の水（水蒸気の水）による吸収が重畳した減衰となる。ここでの両光減衰量の差を気相による吸収量と見なせば（両赤外光間の散乱強度に分散がないと仮定）、気相濃度を決定することが可能になる。第２の赤外光６４における散乱光のみの強度を水６７の存在量と関係付けられる可能性もある。なお、第１の赤外光６１としては、例えば温度範囲２７３Ｋ〜３６０Ｋでの水蒸気の吸収感度が最大になる波長の赤外光を選び、第２の赤外光６４としては、例えば前記温度範囲で水蒸気の吸収感度がない波長の赤外光を選ぶ。図１に示す光源部１３では、第１の赤外光６１を発光する第１の半導体レーザダイオードと、第２の赤外光６４を発光する第２の半導体レーザダイオードを備えて構成しても良いし、あるいは第１の赤外光６１および第２の赤外光６４の両方を発光することができるチューナブル（波長可変）半導体レーザダイオードを備えて構成しても良い。
【００３５】
次に、図１〜図３を参照して本実施形態の燃料電池評価装置を用いて燃料電池１における燃料ガス供給流路２５ａ（図２参照）内の水分を測定する方法と、そのときの動作について説明する。
【００３６】
測定対象である燃料電池１を動作させるためにガス供給容器３１において、空気入口３２ａから空気（酸素）を送り込むと共に、燃料入口３３ａから水素を送り込む。また、ガス供給容器３１の冷却水入口３４ａには冷却器（図示しない）からの冷却水が供給されて、燃料電池１の各セルを冷却し、温まった冷却水は冷却水出口３４ｂから放出されて前記冷却器に戻る。このように冷却水は、前記冷却器、ガス供給容器３１、前記冷却器という経路で循環する。
【００３７】
このようなガス供給容器３１の作用により、燃料電池１においては、空気極２７（図２参照）に空気（酸素）が流れると共に、燃料極２５の燃料ガス供給流路２５ａに水素が流れる。この結果、燃料ガス供給流路２５ａを通る水素Ｈ２  は陰極２９に電子を渡して水素イオンＨ＋  となり、この水素イオンＨ＋  がイオン透過膜３０を透過して陽極２８側に移動する。次いで、２個の水素イオンＨ＋  が陽極２８から２個の電子をもらって水素Ｈ２  となり、この１個の水素Ｈ２  と１／２個の酸素Ｏ２  と結合して水Ｈ２  Ｏを生成する。即ち、この一連の化学反応により、陽極２８と陰極２９間に起電力が発生し、陽極２８と陰極２９間に接続された負荷（図示せず）に電流が流れることになる。
【００３８】
このようにして燃料電池１が動作しているとき、燃料ガスとしての水素ガスが燃料ガス供給流路２５ａを流れるが、加湿により水素ガス中に水分が含まれるので、この水分を測定するために、分析計本体１８は光源部１３から赤外光を発光させる。そして、制御部１７の制御により、ファイバ切替器１９は例えば発光用ファイバ１１−１および受光用ファイバ１２−１を選択するので、光源部１３からの赤外光は発光用ファイバ１１−１を介して燃料ガス供給流路２５ａに照射される。ここでは、一番上の層の燃料ガス供給流路２５ａに配置された発光用ファイバ１１−１が選択されたと仮定する。
【００３９】
発光用ファイバ１１−１を介して燃料ガス供給流路２５ａに照射される赤外光としては、水による光吸収のある波長の第１の赤外光と、水による光吸収のない波長の第２の赤外光とが有り、第１の赤外光が燃料ガス供給流路２５ａに照射されたときは、その第１の赤外光は燃料ガス（水素ガス）中に含まれる水分により散乱すると共に光吸収され、水素ガス中を透過した第１の透過光は、受光用ファイバ１２―１で受光されファイバ切替器１９を介して受光部１４に伝送される。受光部１４で受光された第１の透過光は光強度検出部１５に入射され、この透過光の光強度が検出される。第１の赤外光の強度と前記検出された光強度との差が第１の赤外光の光減衰量を意味する。
【００４０】
次に、第２の赤外光が燃料ガス供給流路２５ａに照射されたときは、その第２の赤外光は、燃料ガス（水素ガス）中に含まれる水分により散乱し、水素ガス内を透過した第２の透過光は、受光用ファイバ１２−１で受光され、ファイバ切替器１９を介して受光部１４に伝送される。受光部１４で受光された第２の透過光は光強度検出部１５に入射され、この第２の透過光の光強度が検出される。第２の赤外光の強度と前記検出された光強度との差が第２の赤外光の光減衰量を意味する。
【００４１】
処理部１６では、第１の赤外光に対する光減衰（第１の透過光の強度）と、第２の赤外光に対する光減衰（第２の透過光の強度）とを比較し、この強度差から燃料電池１の燃料ガス供給流路２５ａ内の気化した状態の水分量を算出して、燃料ガス（水素ガス）の加湿状態を評価する。
【００４２】
次に、制御部１７の制御により、ファイバ切替器１９は発光用ファイバ１１−２および受光用ファイバ１２−２の光ファイバ対を選択するので、光源部１３からの第１の赤外光は、発光用ファイバ１１−２を介して燃料ガス供給流路２５ａに照射される。
【００４３】
発光用ファイバ１１−２からの第１の赤外光を燃料ガス供給流路２５ａ内に照射したときは、その第１の赤外光は、燃料ガスである水素ガス中に含まれる（燃料ガス供給流路２５ａに含まれる）水分により散乱すると共に光吸収され、水素ガス中を透過した第１の透過光は、受光用ファイバ１２−２で受光され、ファイバ切替器１９を介して受光部１４に伝送される。受光部１４で受光された第１の透過光は光強度検出部１５に入射され、その光強度が検出される。
【００４４】
次に、同じく発光用ファイバ１１−２からの第２の赤外光が燃料ガス供給流路２５ａに照射されたときは、その第２の赤外光は燃料ガス（水素ガス）中に含まれる水分により散乱し、水素ガス中を透過した第２の透過光は、受光用ファイバ１２−２で受光され、ファイバ切替器１９を介して受光部１４に伝送される。受光部１４で受光された第２の透過光は光強度検出部１５に入射され、その光強度が検出される。
【００４５】
処理部１６では、前記と同様、第１の赤外光に対する光減衰（第１の透過光の強度）と、第２の赤外光に対する光減衰（第２の透過光の強度）とを比較し、この強度差から燃料電池１の燃料ガス供給流路２５ａ内の気化した水分量を算出して燃料ガスである水素ガスの加湿状態を評価する。
【００４６】
このようにして、発光用ファイバと受光用ファイバとの光ファイバ対を順次選択し、同様な処理により、燃料ガス供給流路２５ａ内で気化した水分量を算出して燃料ガスの加湿状態を評価し、この評価結果を処理装置２０に入力して、測定対象である燃料電池１の燃料極２５側に流れる燃料ガスの加湿状態を画面表示したりプリント出力したりする。このように画面表示やプリント出力された加湿状態の情報を見ることにより、今後の燃料電池の高効率化および長寿命を図るための開発に役立てることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、光源部１３から異なる波長の第１，第２の赤外光を交互に出射する構成について述べたが、これに限らず、光源部１３から同時に異なる波長の赤外光を出射し、受光部１４に分光器を設け、受光部１４に入射される異なる波長の透過光を分光して光強度検出部１５に導いても良い。
【００４８】
以上説明したように上記実施形態によれば、光源部１３からの水に吸収される波長の第１の赤外光と、水に吸収されない波長の第２の赤外光とを発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎを介して燃料ガス供給流路２５ａ内に照射し、この照射した第１，第２の赤外光が水滴によって散乱して燃料ガス中を透過した第１，第２の透過光が受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎを介して受光部１４で受光され各透過光の強度が光強度検出部１５によって検出される。第１の透過光は、第１の赤外光が燃料ガス中において水滴による散乱と光吸収によって減衰した光であり第２の透過光は、第２の赤外光が燃料ガス中において水滴による散乱のみによって減衰した光であるので、第１の透過光と第２の透過光との強度差をとれば気相による光吸収のみが定量できる（光吸収量が測定できる）。一方、第２の透過光の強度によって液滴情報（定量・定性・有無）が判断できる。
【００４９】
また、燃料ガス供給流路２５ａ内に発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎと受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎを配置させることで、燃料電池１内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になる。これによって、燃料電池１を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００５０】
また、発光用ファイバ１１−１〜１１−ｎと受光用ファイバ１２−１〜１２−ｎとの光ファイバ対を複数設け、複数の光ファイバ対を択一的に分析計本体１８に接続するファイバ切替器１９を備えたので、分析計本体１８とファイバ切替器１９との間を接続する光ファイバは光ファイバ１９ａ，１９ｂの２本で済むので分析計本体１８の構成を簡単にすることができる。なお、分析計本体１８とファイバ切替器１９との間の光ファイバを１本とし、光源部１３からファイバ切替器１９へ赤外光を伝送するタイミングと、ファイバ切替器１９から受光部１４へ透過光を伝送するタイミングとを時分割で制御しても良い。
【００５１】
さらに、上記実施形態では、発光用ファイバ及び受光用ファイバを燃料ガス供流路内に設けたが、それらファイバを空気（酸素Ｏ２  ）供給流路内にも設けてもよい。空気供給流路内に設けた場合には、空気中の水分の相別（気相又は液相）の水分の定量を行うことができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池評価装置によれば、燃料電池のガス供給流路内に発光用ファイバと受光用ファイバを配置させ、光源部からの所定波長の光を発光用ファイバを介してガス供給流路内に照射させ、この照射した光が液滴によって散乱して、ガス中を透過した透過光を受光用ファイバを介して光強度検出部に入射させ、その強度を検出し、この検出した透過光の強度に基づいて処理部は、ガス供給流路内のガスの加湿状態を評価するように構成したので、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になり、これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００５３】
また、本発明の燃料電池評価装置によれば、燃料電池のガス供給流路内に発光用ファイバと受光用ファイバとを配置させ、光源部からの赤外光を発光用ファイバを介してガス供給流路内に照射させ、この照射した赤外光が水滴によって散乱して、ガス中を透過した透過光を受光用ファイバを介して光強度検出部に入射させ、その強度を検出し、この検出した透過光の強度に基づいて処理部は、ガス供給流路内のガスの加湿状態を評価するように構成したので、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になり、これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００５４】
また、本発明の燃料電池評価方法によれば、燃料電池のガス供給流路内に所定波長の光を入射し、ガス供給流路からの所定波長の光による出射光に基づいて、ガス供給流路内の加湿状態を検出することによって、燃料電池におけるガス供給流路内の状態を評価するようにしたので、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することができ、これによって燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定することが可能になり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００５５】
また、本発明の燃料電池評価方法によれば、燃料電池のガス供給流路内に水による光吸収のある波長の第１の光と、水による光吸収のない波長の第２の光とを入射し、第１の光がガス供給流路内の液滴によって生じる散乱と光吸収とにより減衰した第１の光減衰を測定すると共に、第２の光がガス供給流路内の液滴によって生じる散乱により減衰した第２の光減衰を測定し、第１の光減衰と第２の光減衰との差に基づいて気相による光吸収を測定し、第２の光減衰に基づいて液滴の情報を判断するようにしたので、第１の光減衰と第２の光減衰との差をとれば、気相による光吸収が定量でき、第２の光減衰から液滴情報（定量・定性・有無）が判断できる。即ち、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になり、これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化をその動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【００５６】
また、本発明の燃料電池評価方法によれば、ガス供給流路に対面するように発光用ファイバと受光用ファイバとからなる光ファイバ対を配置し、発光用ファイバを用いてガス供給流路内の所定位置から赤外光を照射したときにガス中を透過した透過光を、受光用ファイバを介して受光することで、ガス供給流路内の水滴によって生じた散乱光により減衰した透過光の強度を測定し、この測定された透過光の強度に基づいてガス供給流路内のガスの加湿状態を評価するようにしたので、燃料電池内における結露や水分蒸気濃度を直接的に測定することが可能になり、これによって、燃料電池を動作している状態における経時的な変化を、その動作に影響を与えることなく測定可能であり、燃料電池内の状態を解析して、高効率で長寿命の燃料電池の開発に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池評価装置の特徴的構成を示すブロック図である。
【図２】前記実施形態における燃料電池の簡略化した構成を示す分解斜視図である。
【図３】前記実施形態における燃料電池評価装置および燃料電池評価方法を説明するための全体構成図である。
【図４】前記実施形態において近赤外領域における各種代表的ガスの吸収波長を示す図である。
【図５】前記実施形態において波長と吸収度との関係を示すスペクトルプロファイルを説明するための図である。
【図６】前記実施形態において赤外光がガス供給流路内で減衰することを説明するための図である。
【図７】従来の燃料電池評価方法を説明するための燃料電池の基本構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、１１−１〜１１−ｎ…発光用ファイバ、１２−１〜１２−ｎ…受光用ファイバ、１３…光源部、１５…光強度検出部、１６…処理部、１８…分析計本体、１９…ファイバ切替器。
【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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【図７】
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