(57)【要約】【課題】イオン透過膜に生じたクロスリークを燃料電池の特性に影響を与えることなく測定して、例えば固体高分子型の燃料電池の状態を的確に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のイオン透過膜６の劣化状態を評価する燃料電池評価装置であって、イオン透過膜６の燃料極３側に当接するように燃料電池１内に埋設させてなる光伝送可能なプローブ１２を有することで、イオン透過膜６を透過した酸素を検出可能にする酸素分析計１０を備えると共にイオン透過膜６から燃料極３側への酸素の拡散量を酸素分析計１０で測定し、この測定結果に基づいてイオン透過膜６の劣化状態を評価する処理装置２５を備えた。【選択図】  図１
2004265667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のイオン透過膜の劣化状態を評価する燃料電池評価装置であって、前記イオン透過膜の燃料極側に当接するように前記燃料電池内に埋設させてなる光伝送可能なプローブを有することで、前記イオン透過膜を透過した酸素を検出可能にする酸素分析計を備えると共に、前記イオン透過膜から前記燃料極側への酸素の拡散量を前記酸素分析計で測定し、この測定結果に基づいて前記イオン透過膜の劣化状態を評価する処理装置を備えたことを特徴とする燃料電池評価装置。
【請求項２】
前記プローブの先端部は蛍光体を有し、酸素分析計本体は、光ファイバまたは光ファイバの束を介して前記プローブの先端部に光を照射する光源と、前記蛍光体への光の照射に伴って発光する蛍光の強度が該蛍光体の周辺の酸素により減衰することを利用することによって前記蛍光の強度を検出する蛍光強度検出部とを備えた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】
前記プローブは、前記燃料電池内に埋設される先細部分と、前記光ファイバの束からの光を前記先細部分へ導くと共に、前記先細部分からの光を前記光ファイバの束へ導くためのガイド部分とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池評価装置。
【請求項４】
前記イオン透過膜の異なる位置における酸素の拡散状態をそれぞれ検出するための複数のプローブを備え、各プローブに対する光の照射および蛍光の検出を行なうための複数の光ファイバまたは複数の光ファイバの束を時分割的に切り替えるファイバ切替器を備えたことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の燃料電池評価装置。
【請求項５】
前記プローブは、前記イオン透過膜の二次元方向に等間隔に並べて配置されたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池評価装置。
【請求項６】
燃料電池のイオン透過膜の劣化状態を評価する燃料電池評価方法であって、前記燃料電池内に酸素分析計のプローブを埋設させ、該プローブを前記イオン透過膜の燃料極側に当接するように配置し、該プローブによって前記イオン透過膜における酸素量を計測することで、前記燃料極側への酸素の拡散量を求め、該拡散量から前記イオン透過膜の劣化状況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】
前記プローブが光ファイバまたは光ファイバの束を介して光源からの光を前記イオン透過膜における前記プローブ当接位置まで導入し、前記光を前記プローブの先端に取り付けられた蛍光体に照射することにより蛍光を発光させ、該蛍光の強度が該蛍光体の周辺の酸素により減衰することを利用することによって、前記プローブの先端部における酸素の微量検出を行なうことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池評価方法。
【請求項８】
前記プローブを先端側に細くなるように形成して、該プローブが光ファイバの束によって伝送される光を集光し、前記蛍光体からの蛍光を前記光ファイバの束に入射させることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池評価方法。
【請求項９】
複数のプローブを前記イオン透過膜の異なる位置に配置した状態で前記燃料電池内に埋設し、各プローブに対する光の照射および蛍光の検出を行なうための複数の光ファイバまたは複数の光ファイバの束を切り替えることで、イオン透過膜の異なる位置における酸素の拡散状態を検出することを特徴とする請求項６または請求項７または請求項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、燃料電池の劣化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】
【特許文献１】特開平８−１８５８７９号公報
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、水のみを排出して電気エネルギーを作り出す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６は、この種の燃料電池の基本構成図である。図６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】
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Ｒに電流Ｉが流れることになる。
【０００５】
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＋  を図示の左方向（陽極４側の方向）に透過することが必要である。ところが、このイオン透過膜６は、その固体高分子の構造が破損して孔が開くことにより、仮想線矢印で示すように酸素Ｏ２  が図示の右方向（陰極５側の方向）に漏れる（以下、これをクロスリークという）ことがあり、これが燃料電池１の効率を低下させるものとなっていた。そして、このイオン透過膜６のクロスリークが多くなると、燃料電池１は、起電力が低下して電池として働かなくなり、寿命が来ることになる。そこで、イオン透過膜６を透過して陰極５の方へ流れる酸素Ｏ２  の量を測定することにより、燃料電池１の劣化状態を判断することが考えられる。
【０００６】
また、図６において、７はイオン透過膜６の近傍において少量のサンプルガスＳＧを採取するためのガスサンプリングチューブ、８はガスサンプリングチューブ７によって採取されたサンプルガスＳＧの成分を分析するガス分析計である。つまり、燃料電池１内から少量のサンプルガスＳＧを採取して、ガス分析計８によって分析することにより、クロスリークの発生状況を判断することが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料電池１においてガス分析計８を用いて燃料電池１内から採取されたサンプルガスＳＧを分析する場合には、測定に必要な相当量のサンプルガスＳＧを採取し、別置きのガス分析計８へ送る必要があった。しかし、燃料電池１において、例えば燃料極３側にて支配的である水素Ｈ２の供給量は数Ｌ／ｍｉｎであるから、場合によっては数ｍＬ／ｍｉｎのサンプルガスＳＧを採取するだけで、測定対象の燃料電池１の特性に大きな影響を与えることがあった。
【０００８】
また、燃料電池１の寿命を長くするための手法を研究するためには、イオン透過膜６における酸素Ｏ２  の漏れが発生している部分を特定することも重要であるが、一つの位置からサンプルガスＳＧを採取する場合は、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ので、複数のガスサンプリングチューブ７を設けて複数の位置からサンプルガスＳＧを採取する方法が考えられるが、このような方法は構造上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、イオン透過膜に生じたクロスリークを燃料電池の特性に影響を与えることなく測定して、例えば固体高分子型の燃料電池の状態を的確に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、燃料電池のイオン透過膜の劣化状態を評価する燃料電池評価装置であって、前記イオン透過膜の燃料極側に当接するように前記燃料電池内に埋設させてなる光伝送可能なプローブを有することで、前記イオン透過膜を透過した酸素を検出可能にする酸素分析計を備えると共に、前記イオン透過膜から前記燃料極側への酸素の拡散量を前記酸素分析計で測定し、この測定結果に基づいて前記イオン透過膜の劣化状態を評価する処理装置を備えたことを特徴としている（請求項１）。
【００１１】
この構成の燃料電池評価装置においては、燃料電池内に測定用の探り針としてのプローブを埋設させることで、従来のように燃料電池内からサンプルガスを採取するなどして燃料電池内の状態を変えることがなく、燃料電池内における酸素拡散の発生状態を直接的に測定することができる。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】
前記プローブの先端部は蛍光体を有し、酸素分析計本体は、光ファイバまたは光ファイバの束を介して前記プローブの先端部に光を照射する光源と、前記蛍光体への光の照射に伴って発光する蛍光の強度が該蛍光体の周辺の酸素により減衰することを利用することによって前記蛍光の強度を検出する蛍光強度検出部とを備えた場合（請求項２）には、前記蛍光体への励起光の伝送および前記蛍光体からの蛍光の伝送を光ファイバまたは光ファイバの束によって行うので、前記プローブの先端部における酸素の微量検出を燃料電池から離れた位置に配置された酸素分析計本体によって行なうことができる。また、前記酸素分析計本体は既存の蛍光法による分析計を流用できるため、装置構造上簡便となる。また、プローブは、測定に必要な光量の光さえ伝送できればよいので、その径を細くすることができると共にシールも容易になり、プローブの埋設によって燃料電池内の化学反応に悪影響を及ぼすことがない。
【００１３】
さらに、酸素による蛍光体の蛍光励起エネルギーの吸収を用いて酸素を検出する例えば青色光誘起蛍光法を用いた酸素の検出は、極めて高感度に検出可能であり、クロスリークによって燃料電池の燃料極側に拡散した酸素の量を局所的にｐｐｍオーダにて測定できる。
【００１４】
前記蛍光体は、光によって蛍光を起こすような蛍光体であって、例えばＲｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩ）−ｔｒｉｓ−４，７−ｄｉｐｈｅｎｙｌ−１，１０−ｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｉｎｅ  ｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ  を用いている。この蛍光体は４５０ｎｍ  の青色光を吸収し６１０ｎｍ  付近の橙色の蛍光を生じる。しかし、酸素は前記蛍光体と反応し蛍光エネルギーの吸収体（Ｑｕｅｎｃｈｅｒ）として振る舞う。蛍光体の蛍光強度は、酸素濃度と励起寿命とエネルギー変換比で表わされるシュテルン・ホルマーの式と呼ばれる比例方程式で表わすことができる。つまり、蛍光体の蛍光強度の減衰を用いて、溶液中やガス中の酸素を局所的に測定することができる。
【００１５】
前記プローブは、燃料電池内に埋設される先細部分と、光ファイバの束からの光を前記先細部分へ導くと共に、前記先細部分からの光を前記光ファイバの束へ導くためのガイド部分とを有する場合（請求項３）には、前記プローブの先端部分の径を更に小さくして、例えば、その先端部の直径を数十μｍにすることができるので、前記プローブの先細部分を燃料電池内に埋設した状態において、前記プローブが燃料電池に与える影響を必要最小限に抑えることができる。また複数の光ファイバからなる光ファイバの束を用いて光の伝送を行うので、伝送できる光量を増やすことができ、これにより、検出感度を更に上げることができる。
【００１６】
前記イオン透過膜の異なる位置における酸素の拡散状態をそれぞれ検出するための複数のプローブを備え、各プローブに対する光の照射および蛍光の検出を行なうための複数の光ファイバを時分割的に切り替えるファイバ切替器を備えた場合（請求項４）には、複数のプローブを前記ファイバ切替器により切り替えて酸素分析計本体に接続可能とすることで、イオン透過膜の二次元方向及び／又は三次元方向の多くの位置における酸素の拡散状態をそれぞれ検出可能であり、より的確な前記イオン透過膜の劣化状態の検出を行うことができる。また、前記ファイバ切替器を備えていることにより、該ファイバ切替器と酸素分析計本体とを接続する光ファイバは例えば１本で済むので、酸素分析計本体内に構成する比較的高価な光学系の数を削減して、その製造コストを低減できる。
【００１７】
前記プローブは、前記イオン透過膜の二次元方向に等間隔に並べて配置された場合（請求項５）には、燃料電池内のイオン透過膜における酸素分布を二次的に測定することで、燃料電池の寿命特性を的確に調べることができる。
【００１８】
また、本発明は、燃料電池のイオン透過膜の劣化状態を評価する燃料電池評価方法であって、燃料電池内に酸素分析計のプローブを埋設させ、該プローブを前記イオン透過膜の燃料極側に当接するように配置し、該プローブによって前記イオン透過膜における酸素量を計測することで、前記燃料極側への酸素の拡散量を求め、該拡散量から前記イオン透過膜の劣化状況を評価することを特徴としている（請求項６）。
【００１９】
この燃料電池評価方法においては、燃料電池内に測定用の探り針としてのプローブを埋設させることで、従来のように燃料電池内からサンプルガスを採取するなどして燃料電池内の状態を変えることがなく、燃料電池内における酸素拡散の発生状態を直接的に測定することができる。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。
【００２０】
前記プローブが光ファイバまたは光ファイバの束を介して光源からの光を前記イオン透過膜における前記プローブ当接位置まで導入し、前記光を前記プローブの先端に取り付けられた蛍光体に照射することにより蛍光を発光させ、該蛍光の強度が該蛍光体の周辺の酸素により減衰することを利用することによって、前記プローブの先端部における酸素の微量検出を行なう場合（請求項７）、前記蛍光体への励起光の伝送および前記蛍光体からの蛍光の伝送を光ファイバまたは光ファイバの束によって行うので、前記プローブの先端部における酸素の微量検出を燃料電池から離れた位置に配置された酸素分析計によって行なうことができる。また、前記酸素分析計本体は既存の蛍光法による分析計を流用できるため、装置構造上簡便となる。また、プローブは測定に必要な光量の光さえ伝送できればよいので、その径を細くできるだけでなくシールが容易であり、プローブの埋設によって燃料電池内の反応に悪影響を及ぼすことがない。
【００２１】
さらに、酸素による蛍光体の蛍光励起エネルギーの吸収を用いて酸素を検出する例えば青色光誘起蛍光法を用いた酸素の検出は、極めて高感度に検出可能であり、クロスリークによって燃料極中に入った酸素の量を局所的にｐｐｍオーダにて測定できる。
【００２２】
前記プローブの先端部を先端側に細くなるように形成して、該プローブが光ファイバの束によって伝送される光を集光し、前記蛍光体からの蛍光を前記光ファイバの束に入射させる場合（請求項８）には、複数の光ファイバからなる光ファイバの束を用いて光の伝送を行うので、伝送できる光量を増やすことができ、これにより、検出感度を更に上げることができる。
【００２３】
複数のプローブを前記イオン透過膜の異なる位置に配置した状態で前記燃料電池内に埋設し、各プローブに対する光の照射および蛍光の検出を行なうための複数の光ファイバまたは複数の光ファイバの束を切り替えることで、イオン透過膜の異なる位置における酸素の拡散状態を検出する場合（請求項９）には、イオン透過膜の二次元方向及び／又は三次元方向の多くの位置における酸素の拡散状態をそれぞれ検出可能であり、より的確な前記イオン透過膜の劣化状態の検出を行うことができる。
【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構成を示すブロック図である。図１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。
【００２５】
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Ｈ２Ｏ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Ｒに電流Ｉが流れることになる。
【００２６】
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＋を図示の左方向（陽極４側の方向）に透過することが必要である。ところが、このイオン透過膜６は、その固体高分子の構造が破損して孔が開くことにより、仮想線矢印で示すように酸素Ｏ２  が図示の右方向（陰極５側の方向）に漏れる（これをクロスリークという）ことがあり、これが燃料電池１の効率を低下させるものとなっていた。そして、このイオン透過膜６のクロスリークが多くなると、燃料電池１は、起電力が低下して電池として働かなくなり、寿命が来ることになる。そこで、イオン透過膜６を透過して陰極５の方へ流れる酸素Ｏ２  の量を測定することにより、燃料電池１の劣化状態を判断することができる。
【００２７】
また、図１において、酸素分析計１０は酸素分析計本体１１と複数のプローブ１２とを備えている。この酸素分析計１１には、ファイバ切替器１４、ファイバ結合器１５、フィルタ１６、受光素子１７、フィルタ１８、発光素子１９、光制御部２０、および蛍光強度検出部２１が備えられている。
【００２８】
プローブ１２は、図２および図３に示すように、その先端部には、例えばテフロン（登録商標）などの多孔質カバー１２ｃで覆われた蛍光体（金属錯体）１２ｂが設けられている。また、光ファイバの束１３の端部が接続されるプローブ１２の端部には光ファイバの束１３によって伝送されてきた光をプローブ１２の先細部分１２ｄに集光させると共に、蛍光体１２ｂからの蛍光を光ファイバの束１３に入射させるための略ラッパ形状のガイド部分１２ａが設けられている。ガイド部分１２ａに接続される光ファイバの束１３の周囲の所定部分にはシリング１３ａが設けられている。プローブ１２の先端部は、燃料電池１のイオン透過膜６の燃料極３側に当接するように配置され、イオン透過膜６に埋設される。
【００２９】
酸素分析計本体１１において、ファイバ切替器１４は、各プローブ１２に対する光の照射および蛍光の検出を行うための複数の光ファイバの束１３を時分割的に切り替えることで各プローブ１２を選択的に酸素分析計本体１１に接続してイオン透過膜６の各位置における酸素の拡散状態を検出可能にするものである。ファイバ結合器１５には、ファイバ切替器１４と接続された光ファイバ２２と、フィルタ１６と接続された光ファイバ２３と、フィルタ１８と接続された光ファイバ２４とが接続されており、このファイバ結合器１５は、光ファイバ２４からの光が光ファイバ２２に伝送されるように光ファイバ２４と光ファイバ２２とを結合したり、光ファイバ２２からの光が光ファイバ２３に伝送されるように光ファイバ２２と光ファイバ２３とを結合したりする。
【００３０】
発光素子１９は、例えばＬＥＤなどで実現され、フィルタ１８を介して光ファイバ２４に伝送する光を出射する光源である。受光素子１７は、例えばフォトダイオードなどで実現され、光ファイバ２３からの光をフィルタ１６を介して入射し電気信号に変換するものである。光制御部２０は、受光素子１７と発光素子１９とファイバ切替器１４を制御するものである。蛍光強度検出部２１は、プローブ１２の先端に設けられた蛍光体１２ｂからの蛍光の強度を受光素子１７からの電気信号に基づいて検出するものである。
【００３１】
以上のような構成要素を有する酸素分析計本体１１の出力、即ち蛍光強度検出部２１の出力は、処理装置２５に接続される。処理装置２５は、蛍光強度検出部２１からの蛍光強度検出信号に基づいて燃料電池１のイオン透過膜６内の微量酸素分布の状態を検出し、この検出結果を画面表示したり、プリント出力したりするものである。なお、本実施形態では、プローブ１２に複数の光ファイバからなる光ファイバの束１３を接続したが、これに限らず、プローブ１２に１本の光ファイバを接続しても良い。だだし、プローブ１２に１本の光ファイバを接続した場合は、プローブ１２に光ファイバの束１３を接続した場合に比べ、プローブ１２への光強度が劣ることになる。
【００３２】
図４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４において、燃料電池１は、図１でも説明したように、空気（酸素Ｏ２  ）の流路である空気極２と、水素Ｈ２  の流路である燃料極３と、空気極２に隣接する多孔質の陽極４と、燃料極３に隣接する多孔質の陰極５と、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６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個の燃料電池を構成している。
【００３３】
また、イオン化透過膜６内の微量酸素分布を測定するために、複数のプローブ１２がイオン透過膜６の二次元方向に等間隔に並べて配置されている。詳しくは複数のプローブ１２における一番左側の各プローブ１２Ｌの先端は、一番上側のイオン透過膜６に等間隔をおいてそれぞれ埋設され、一番右側の各プローブ１２Ｒの先端は、一番下側のイオン透過膜６に等間隔をおいてそれぞれ埋設される。一番上側のイオン透過膜６と一番下側のイオン透過膜６との間のイオン透過膜（図示せず）にも同様にしてプローブが埋設される。
【００３４】
図５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５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のイオン透過膜６（図４参照）には、各光ファイバの束１３に接続された各プローブ１２が所定間隔をおいて埋設されている。ガス供給容器２８は、水素を供給するための燃料入口３ａと、水素の残留ガスを排出するための燃料出口３ｂと、空気（酸素）を供給するための空気入口２ａと、空気（残留酸素）を排出するための空気出口２ｂとを備えている。また、ガス供給容器２８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２７ａと、その冷却水を排出するための冷却水出口２７ｂとを備えている。この冷却水出口２７ｂ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。酸素分析計本体１１には、複数の光ファイバの束１３が接続され、また、処理装置２５が接続されている。
【００３５】
次に、本実施形態の燃料電池評価装置を用いて燃料電池１のイオン透過膜６内の微量酸素の分布状態を測定する方法と、そのときの動作について説明する。
【００３６】
本実施形態では、先端に前述の蛍光体（金属金属錯体）１２ｂを固定したプローブ（ガラス電極）１２を必要分用意しておく。プローブ１２は、その先端部分にシリコンなどのコーディングを施したものを使用する。各プローブ１２は、燃料電池１の燃料極３において等間隔に配置され、先端に固定した蛍光体（金属金属錯体）１２ｂを含むプローブ１２の先端部分が、燃料電池１の陰極５を貫通してイオン透過膜（固体高分子層）６に埋設される。なお、蛍光体１２ｂを含むプローブ１２の先端部分は陰極５を貫通せずに燃料電池１の側面から挿入しても良い。
【００３７】
また、前述したようにプローブ１２の他端には、例えば波長６１０ｎｍ〜４５０ｎｍ付近の光を伝送できる光ファイバの束（複数の光ファイバから成る束）１３が接続されている。１本のプローブ１２に対して１つの光ファイバの束１３が接続されるので、複数本のプローブ１２に対して複数の光ファイバの束１３が接続されることになる。これらの光ファイバの束１３は、全てファイバ切替器１４の一方側へ導入される。ファイバ切替器１４の他方側には、前述したように、ファイバ結合器１５、フィルタ１６、受光素子１７、フィルタ１８、発光素子１９などから成る光学系が配置される。
【００３８】
前記フィルタ１６は例えば波長６１０ｎｍ付近の橙色光を通過させるもので、その光は受光素子１７で受光される。受光素子１７としては、フォトダイオードや光電子増倍管などが用いられる。なお、前記フィルタ１６の代わりに分光器を設けても良い。前記発光素子１９としてはＬＥＤ（発光ダイオード）などが用いられ、この発光素子１９からの光は例えば波長６１０ｎｍ〜４５０ｎｍ付近の光を通過するフィルタ１８に入射され、フィルタ１８からは波長６１０ｎｍ〜４５０ｎｍ付近の光が出射される。また、発光素子１９とフィルタ１８との間に集光レンズを配置し、光ファイバ２４に伝送する光の強度を高めても良い。
【００３９】
ここで、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２８において、空気入口２ａから空気を送り込むと共に、燃料入口３ａから水素を送り込む。また、ガス供給容器２８の冷却水入口２７ａ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２７ｂ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２８、前記冷却器という経路で循環する。
【００４０】
このようなガス供給容器２８の作用により、燃料電池１においては、空気極２に空気（酸素）が流れると共に、燃料極３に水素が流れる。この結果、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。すなわち、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Ｒに電流Ｉが流れることになる。
【００４１】
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＋  を図示の左方向（陽極４側の方向）に透過することが必要である。ところが、このイオン透過膜６は、その固体高分子の構造が破損して孔が開くことにより、仮想線矢印で示すように酸素Ｏ２  が図示の右方向（陰極５側の方向）に漏れることがある。この漏れた酸素を測定するために、酸素分析計１０を用いる。
【００４２】
この酸素分析計１０において、酸素分析計本体１１内の光制御部２０は発光素子１９を駆動させる。これにより、発光素子１９からは光が出射され、この光はファイバ結合器１５から光ファイバ２２を介して伝送されファイバ切替器１４に入射される。このファイバ切替器１４は光制御部２０の制御により光ファイバの束１３を予め定めた順序に従って時分割に選択する。したがって、光ファイバ２２からの光は、各光ファイバの束１３に時分割で伝送されて、各プローブ１２を介して燃料電池１内のイオン透過膜６の中に埋設された蛍光体１２ｂに照射される。
【００４３】
このとき蛍光体１２ｂは、例えば波長４５０ｎｍの青色光を吸収し、波長６１０ｎｍ付近の蛍光を発するが、この蛍光の強度は、蛍光体１２ｂの周辺の酸素濃度に依存して減衰するという性質を有する。プローブ１２を介して伝送されてきた光は蛍光体１２ｂに照射され、このとき、蛍光体１２ｂは前記性質により蛍光体１２ｂの周辺の酸素濃度に応じた強度の蛍光を発光し、この蛍光はプローブ１２および光ファイバの束１３を逆方向に伝送され、ファイバ切替器１４に入射される。
【００４４】
そして、その入射された蛍光は、ファイバ切替器１４から光ファイバ２２を介してファイバ結合器１５に入射されて光ファイバ２３に伝送され、フィルタ１６を通って受光素子１７で受光され、電気信号に変換される。なお、フィルタ１６を通過する蛍光は、前述したように例えば波長６１０ｎｍ付近の光であり、この光が受光素子１７で受光され、電気信号に変換される。蛍光強度検出部２１は前記電気信号を入力して蛍光強度を検出する。処理装置２５は前記蛍光強度に基づいて測定対象である燃料電池１の劣化状態を評価する。即ち、処理装置２５は燃料電池１におけるイオン透過膜６の劣化状態を評価する。
【００４５】
なお、ファイバ切替器１４から光ファイバの束１３およびプローブ１２を介してプローブ１２の先端の蛍光体１２ｂに光を照射する場合と、蛍光体１２ｂからの蛍光を逆にプローブ１２および光ファイバの束１３を介してファイバ切替器１４に伝送する場合の切り替え動作は、光制御部２０により行われる。
【００４６】
即ち、光制御部２０は、例えば、図１から見て１番上のプローブ１２に光を伝送する場合、発光素子１９を駆動し、この発光素子１９からの光を、フィルタ１８、光ファイバ２４、ファイバ結合器１５および光ファイバ２２を介してファイバ切替器１４に伝送し、この伝送された光を１番上のプローブ１２に伝送できるようにファイバ切替器１４を制御し、１番上の光ファイバの束１３を介して１番上のプローブ１２に光を伝送する。これにより、その光が１番上のプローブ１２の先端の蛍光体１２ｂに照射する。
【００４７】
次に、光制御部２０は、発光素子１９の発光を停止させ、１番上のプローブ１２の蛍光体１２ｂからの蛍光を受光素子１７まで伝送するため、ファイバ切替器１４が１番上のプローブ１２からの蛍光を入射して光ファイバ２２に伝送できるようにファイバ切替器１４を制御し、これにより、１番上の光ファイバの束１３を介して１番上のプローブ１２の先端の蛍光体１２ｂからの蛍光をファイバ結合器１５に伝送する。そして、ファイバ結合器１５は、光ファイバ２２からの蛍光を光ファイバ２３に伝送し、フィルタ１６を介して受光素子１７に入射させる。
【００４８】
この後、光制御部２０は、再び発光素子１９を駆動し、この発光素子１９からの光を、フィルタ１８、光ファイバ２４、ファイバ結合器１５および光ファイバ２２を介してファイバ切替器１４に伝送し、この伝送された光を２番目のプローブ１２に伝送できるようにファイバ切替器１４を制御し、２番目の光ファイバの束１３を介して２番目のプローブ１２に光を伝送する。これにより、その光が２番目のプローブ１２の先端の蛍光体１２ｂに照射する。
【００４９】
次に、光制御部２０は、発光素子１９の発光を停止させ、２番目のプローブ１２の蛍光体１２ｂからの蛍光を受光素子１７まで伝送するため、ファイバ切替器１４が２番目のプローブ１２からの蛍光を入射して光ファイバ２２に伝送できるようにファイバ切替器１４を制御し、２番目の光ファイバの束１３を介して２番目のプローブ１２の先端の蛍光体１２ｂからの蛍光をファイバ結合器１５に伝送する。そして、ファイバ結合器１５は、光ファイバ２２からの蛍光を光ファイバ２３に伝送し、フィルタ１６を介して受光素子１７に入射させる。
【００５０】
以下同様にして、各プローブ１２の選択が時分割で行われ、各プローブ１２の蛍光体１２ｂに発光素子１９からの光を照射し、各プローブ１２からの蛍光を受光素子１７で順次受光することが可能になる。
【００５１】
以上説明したように本実施形態によれば、プローブ１２をイオン透過膜６に等間隔に並べて埋設することで、イオン透過膜６中の酸素濃度の分布状態を測定することができる。原理的にはイオン透過膜６中のガスのサンプリングが必要でないため、燃料電池１に対する影響を小さくできる。また、イオン透過膜６の部分的な酸素濃度を測定することができ、燃料電池１の寿命特性を局所的に調べることが可能になる。また、イオン透過膜６中の高濃度水素ラインでの微量酸素を多点にて測定できる。また、プローブ１２は、極めて細く、長さ方向に延長可能であるので、イオン透過膜６への埋め込み深さを深くすることができ、燃料電池１中の三次元方向である深さ方向（セル内部）の酸素濃度を知ることができる。
【００５２】
また、プローブ１２の蛍光体１２ｂへの励起光の伝送および蛍光体１２ｂからの蛍光の伝送を光ファイバの束１３によって行うので、プローブ１２の先端部における酸素の微量検出を燃料電池１から離れた位置に配置された酸素分析計本体１１によって行なうことができる。また、酸素分析計本体１１は既存の蛍光法による分析計を流用できるため、装置構造上簡便となる。また、プローブ１２は、測定に必要な光量の光さえ伝送できればよいので、その径を細くすることができると共にシールも容易になり、プローブ１２の埋設によって燃料電池１内の化学反応に悪影響を及ぼすことがない。
【００５３】
さらに、酸素による蛍光体の蛍光励起エネルギーの吸収を用いて、酸素を検出する例えば青色光誘起蛍光法を用いた酸素の検出は、極めて高感度に検出可能であり、クロスリークによって燃料電池１の燃料極３中に入った酸素の量を局所的にｐｐｍオーダにて測定できる。また、光ファイバの束１３を用いてプローブ１２への光の伝送を行うので、伝送できる光量を増やすことができ、これにより、検出感度を更に上げることができる。
【００５４】
また、複数のプローブ１２をファイバ切替器１４により切り替えてファイバ結合器１５に接続可能とすることで、多くの位置における酸素の拡散状態をそれぞれ検出可能であり、より的確なイオン透過膜６の劣化状態の検出を行うことができる。また、ファイバ切替器１４とファイバ結合器１５とを接続する光ファイバ２２は１本で済むので、酸素分析計本体内に構成する比較的高価な光学系の数を削減して、その製造コストを低減できる。
【００５５】
なお、図１ではファイバ切替器１４を酸素分析計本体１１内に設けた構成を示したが、ファイバ切替器１４を酸素分析計本体１１の外部に設けてもよい。この場合は、ファイバ切替器１４と酸素分析計本体１１とを接続する光ファイバ２２は、前記と同様に１本で済むので、酸素分析計本体１１内に構成する比較的高価な光学系の数を削減して、その製造コストを低減できる。
【００５６】
【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、燃料電池におけるイオン透過膜の燃料極側に当接するように燃料電池内に埋設させてなる光伝送可能なプローブを有することで、イオン透過膜を透過した酸素を検出可能にする酸素分析計を備えると共に、イオン透過膜から燃料極側への酸素の拡散量を酸素分析計で測定し、この測定結果に基づいてイオン透過膜の劣化状態を評価する処理装置を備えている。したがって、この構成によれば、燃料電池内に測定用の探り針としてのプローブを埋設させることにより、従来のように燃料電池内からサンプルガスを採取するなどして燃料電池内の状態を変えることがなく、燃料電池内における酸素拡散の発生状態を直接的に測定することができる。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。
【００５７】
また、本発明の燃料電池評価方法によれば、燃料電池内に酸素分析計のプローブを埋設させ、該プローブをイオン透過膜の燃料極側に当接するように配置し、該プローブによってイオン透過膜における酸素量を計測することで、燃料極側への酸素の拡散量を求め、該拡散量からイオン透過膜の劣化状況を判断する。したがって、この方法によれば、燃料電池内に測定用の探り針としてのプローブを埋設させることで、従来のように燃料電池内からサンプルガスを採取するなどして燃料電池内の状態を変えることがなく、燃料電池内における酸素拡散の発生状態を直接的に測定することができる。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。
【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構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池評価装置における酸素分析計に備えられるプローブの構成図である。
【図３】前記プローブの先端付近を示す構成図である。
【図４】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５】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６】燃料電池の基本構成図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、３…燃料極、６…イオン透過膜、１０…酸素分析計、１２…プローブ、１２ａ…ガイド部分、１２ｂ…蛍光体、１２ｄ…先細部分、１３…光ファイバの束、１４…ファイバ切替器、１９…発光素子（光源）、２１…蛍光強度検出部、２５…処理装置。
【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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