(57)【要約】      （修正有）【課題】  核磁気共鳴撮像装置による燃料電池の電流分布の検出に用いて、検出精度の向上を図ることができる燃料電池内電流分布計測用スケール冶具を提供し、また、核磁気共鳴撮像装置を用いた燃料電池内電流分布の検出精度の向上を図ることができる燃料電池内電流分布計測用固定装置を提供する。【解決手段】  スケール冶具１０は、蒸留水１２を収納した容器１４をＭＲＩ装置に収納し、核磁気共鳴現象を利用して得られる位置依存性の磁気共鳴信号を発生した状態で、容器１４の電極１６，１７を通して容器１４内の蒸留水１２に電流を流し、その電流と核スピンの歳差運動の位相差との関係を示す位相差−電流スケールを求める。そして、位相差−電流スケール１１を用いることにより、燃料電池の構造を変えることなく、非接触の状態で燃料電池の電流分布を検出する。【選択図】  図１
2007080613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静磁場に置かれた燃料電池に対して核磁気共鳴現象を利用して前記燃料電池中の所望の検査部位に対応した磁気共鳴信号を発生して画像表示を行なう核磁気共鳴撮像装置に用いられ、前記検査部位に流れる検査部位電流と、該検査部位電流による磁場変化に伴って生じる前記検査部位における核スピンの歳差運動の位相差との対応関係を示す位相差−電流スケールを得る燃料電池内電流分布計測用スケール冶具であって、
前記核磁気共鳴撮像装置内に収納され、水を収納する樹脂製の有蓋の容器と、
前記蓋及び前記容器の底部に、前記容器内の水に電流供給可能に設けられたカーボン製の電極と、を備え、
水を収納した前記容器を前記核磁気共鳴撮像装置に収納し、核磁気共鳴現象を利用して得られる位置依存性の磁気共鳴信号を発生した状態で、前記容器の電極を通して前記容器内の水に電流を流し、その電流と核スピンの歳差運動の位相差との関係を示す電流計測スケールを求めることを特徴とする燃料電池内電流分布計測用スケール冶具。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池内電流分布計測用スケール冶具により得られた電流計測スケールに基づいて電流分布が計測される燃料電池を前記核磁気共鳴撮像装置に固定する燃料電池内電流分布計測用固定装置であって、前記核磁気共鳴撮像装置における前記燃料電池配置部分には円弧状装着部を形成し、前記燃料電池には、前記円弧状装着部に沿う形状の保持具を、前記燃料電池に対して位置調整可能に設けたことを特徴とする燃料電池内電流分布計測用固定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内の電流又は温度変化などの物理現象を適切に把握するために用いられる燃料電池内電流分布計測用スケール冶具及び燃料電池内電流分布計測用固定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、環境保全及び資源確保などの観点から、燃料電池が自動車等の種々の分野で用いられるようになってきている。この燃料電池は、例えば、多孔質性材料を使用した一対の電極間に、電解質を保持する電解質層を挟み、一方の電極の背面に反応ガスとして水素ガス（燃料ガス）を接触させることにより、このときに生じる電気化学反応を利用して一対の電極間から電気エネルギーを取出すように構成されるセルを、複数個、組合せて構成されている。
【０００３】
この燃料電池では、全領域で化学反応が進行しているのではなく、化学反応の進行度合いが不均一であり、また、化学反応が行なわれていない部分もある。このため、化学反応が進んでいる部分の電流は大きく、また、化学反応が行なわれていない部分は電流が小さくなる。そして、良好な燃料電池の生産や性能検査を行なう等のために、燃料電池内の場所毎の電流、すなわち燃料電池内電流分布を把握することが望まれている。
ところで、近時、静磁場に置かれた測定対象に対して核磁気共鳴現象を利用して前記測定対象中の所望の検査部位に対応した磁気共鳴信号を発生して、検査部位における水素原子中の原子核（以下、適宜プロトンという。）の振舞を３次元的に把握して、画像表示を行なう装置、いわゆるＭＲＩ装置（装置核磁気共鳴撮像装置）が知られている。
【０００４】
このＭＲＩ装置では、測定対象が静磁場に置かれると、測定対象中のプロトンは歳差運動し、プロトンの歳差運動と同じ周波数の電磁波（ＲＦパルス）が測定対象（プロトン）に照射されると、歳差運動がさらに進んで共鳴現象を生じてプロトンは励起され、前記電磁波の照射を停止すると、プロトンは、受けたエネルギーに相当する分のエネルギー（電波）を戻す（例えば電磁波を発生するＲＦコイルに戻す）ようになる。上述した歳差運動時に、静磁場中で電流が発生する等して静磁場が乱されると、当該部分（静磁場が乱された部分）のプロトンの歳差運動は乱され、歳差運動の位相が変化し、この位相変化（すなわち、位相差に相当する。）に相当する内容がプロトンから戻されることになる。この場合、前記位相変化（位相差）は静磁場を乱した要因、例えば前記静磁場中に発生した電流と一定の対応する関係があるものになっている。
【０００５】
燃料電池では、上述したように燃料電池内電流分布を把握することが望まれているが、この要望に対してＭＲＩ装置に燃料電池を収納して、燃料電池内電流分布の検出を図ることが考えられる。
【０００６】
なお、上述した燃料電池内電流分布を把握したいという要望に対して、特許文献１のガスセンサを用いて対処することが考えられる。すなわち、特許文献１のガスセンサは、第１測定室内の水素濃度が所定濃度となるように第１測定室に輸送する水素量を制御したときに、この水素輸送量に基づいて酸素極側の被測定ガス中の酸素濃度を検出する一方、第２測定室内の水素濃度が所定濃度となるように前記第１測定室に輸送する水素量を制御したときに、この水素輸送量に基づいて水素極側の被測定ガス中の水素濃度を検出するようにしている。そして、この検出された水素濃度から電流分布を求めるようにする。
【特許文献１】特開２００４−２２６２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述した特許文献１のガスセンサでは、燃料電池内に第１、第２測定室を設ける必要があることから、燃料電池の構成の複雑化を招く上、水素濃度と電流との対応関係が必ずしも明確なものではなかった。また、水素濃度検出のために第１、第２測定室を設ける分、燃料電池の特性に影響を与え、性能の低下を招き易いため、良好な燃料電池を得る上からは望ましいものではなかった。このため、電流分布を把握するために、特許文献１のガスセンサを採用することは困難である上、望ましいものではないというのが実情であった。
【０００８】
また、ＭＲＩ装置に燃料電池を収納して、燃料電池内電流分布を検出しようとしても、燃料電池をＭＲＩ装置内に単に収納しただけでは、ＭＲＩ装置の作動により燃料電池が変位し、これに伴い検出しようとする燃料電池内電流分布に大きな影響を与えてしまい、精度の高い検出が行なえないというのが実情であった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、核磁気共鳴撮像装置による燃料電池の電流分布の検出に用いて、検出精度の向上を図ることができる燃料電池内電流分布計測用スケール冶具を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、核磁気共鳴撮像装置を用いた燃料電池内電流分布の検出精度の向上を図ることができる燃料電池内電流分布計測用固定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、静磁場に置かれた燃料電池に対して核磁気共鳴現象を利用して前記燃料電池中の所望の検査部位に対応した磁気共鳴信号を発生して画像表示を行なう核磁気共鳴撮像装置に用いられ、前記検査部位に流れる検査部位電流と、該検査部位電流による磁場変化に伴って生じる前記検査部位における核スピンの歳差運動の位相差との対応関係を示す位相差−電流スケールを得る燃料電池内電流分布計測用スケール冶具であって、前記核磁気共鳴撮像装置内に収納され、水を収納する樹脂製の有蓋の容器と、前記蓋及び前記容器の底部に、前記容器内の水に電流供給可能に設けられたカーボン製の電極と、を備え、水を収納した容器を前記核磁気共鳴撮像装置に収納し、前記核磁気共鳴現象を利用して得られる位置依存性の磁気共鳴信号を発生した状態で、前記容器の電極を通して前記容器内の水に電流を流し、その電流と核スピンの歳差運動の位相差との関係を示す電流計測スケールを求めることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池内電流分布計測用スケール冶具により得られた電流計測スケールに基づいて電流分布が計測される燃料電池を前記核磁気共鳴撮像装置に固定する燃料電池内電流分布計測用固定装置であって、前記核磁気共鳴撮像装置における前記燃料電池配置部分には円弧状装着部を形成し、前記燃料電池には、前記円弧状装着部に沿う形状の保持具を、前記燃料電池に対して位置調整可能に設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池の構造を変えることなく、非接触の状態で、核スピンの歳差運動の位相差ひいては燃料電池の電流分布を検出することが可能となるので、良好な検出精度を確保できる。また、電流分布を検出する上で燃料電池の性能に影響を及ぼさず、良好な性能を確保できる。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、核磁気共鳴撮像装置における燃料電池配置部分には円弧状装着部を形成し、燃料電池には、前記円弧状装着部に沿う形状の保持具を、前記燃料電池に対して位置調整可能に設けたので、保持具の位置を調整することにより燃料電池の核磁気共鳴撮像装置ヘの固定を確実に行なえる。このため、核磁気共鳴撮像装置内に燃料電池を収納した状態で、例えば燃料電池の発電により大きな力が燃料電池に作用しても、燃料電池の変位が抑制されるので、燃料電池内電流分布検出を適切に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
この第１実施の形態では、図１に示すように、ＭＲＩ装置１（核磁気共鳴撮像装置）を利用して燃料電池３の燃料電池内電流分布を計測するようにしている。
図３において、ＭＲＩ装置１は、静磁場コイル２を磁気シールド状態で収納するシールド体６と、静磁場コイル２の内部に配置されて検査部位の位置を把握などに用いられるＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の傾斜磁場を発生する傾斜磁場コイル７と、傾斜磁場コイル７内に配置されて燃料電池３を収納する筒状のＲＦコイル４と、を備えている。ＭＲＩ装置１は、さらに、ＲＦコイル４からの磁気共鳴信号及び位相差信号等に基づいて演算制御を行なう制御部５と、制御プログラム、演算用データ及び演算内容を格納する記憶部８と、制御部５の制御結果に基づいて画像表示を行なう表示部９と、を備えている。
【００１５】
ＲＦコイル４は、図４に示すように、２つの分割円筒コイル４ａ，４ｂからなり、これらを接合して円筒状に形成されている。分割円筒コイル４ａ，４ｂは、１つの円筒を、中心軸を含む平面で分割することにより得られる形状をなしており、接合することにより上述したように円筒状を成すようになっている。ＲＦコイル４は、静磁場コイル２による静磁場中の燃料電池３などの測定対象に電磁波（ＲＦパルス）を当てることにより磁気共鳴現象を生じさせると共に、水素原子核が発生する電波を受信してこの電波に対応する内容の磁気共鳴信号を発生して制御部５に送る。前記電波には、燃料電池３等の測定対象に生じる電流に伴う検査部位における核スピンの歳差運動の位相のずれに相当する内容が含まれている。そして、前記電波がＲＦコイル４に受信されることにより、ＲＦコイル４から核スピンの歳差運動の位相のずれに相当する内容が位相差信号として制御部５に送られる。
【００１６】
ＭＲＩ装置１の静磁場を発生する静磁場コイル２内に燃料電池３を置き、核磁気共鳴現象を利用して燃料電池３中の所望の検査部位に対応した磁気共鳴信号を発生させ、その画像表示を行なう。また、燃料電池３は、反応中、内部で生じる電流に伴って外部に発生する磁場が変化することにより、前記検査部位における核スピンの歳差運動の位相がずれるので、電流発生前と比して、位相差を生じることになる。この位相差を示す信号が上述したようにＲＦコイル４に受信され、位相差信号として制御部５に送られる。
【００１７】
ところで、記憶部８には、燃料電池内電流分布計測用スケール冶具（以下、スケール冶具という。）１０を用い、後述するようにして得られる位相差−電流スケール（電流計測スケール）１１が格納されている。制御部５は、位相差−電流スケール１１を用いて、検査部位における核スピンの歳差運動の位相差に対応した電流（検査部位における電流）を検出できるものであり、各検査部位における電流を検出することができる。
【００１８】
スケール冶具１０は、図１に示すように、ＭＲＩ装置１のＲＦコイル４内に収納され、蒸留水１２を収納する樹脂製の有蓋１３の容器１４（蓋１３及び容器１４が共に樹脂製とされている。）と、蓋１３及び容器１４の底部１５に、容器１４内の蒸留水１２に電流供給可能に設けられたカーボン膜からなる電極１６，１７と、を備えている。以下、蓋１３に設けられた電極１６を第１電極１６、容器１４の底部１５に設けられた電極１７を第２電極１７という。第１、第２電極１６，１７は配線１８で接続されている。配線１８には、電圧発生装置１９及び電流計２０が介在されており、第１、第２電極１６，１７に電圧を印加して、容器１４内の蒸留水１２に電流を流すと共に、その電流値を計測し得るようにしている。なお、蒸留水１２を流れる電流に直交する静磁場がかかるように容器１４がＭＲＩ装置１にセットされる。電流計２０には、解析用コンピュータ２１が接続されている。この解析用コンピュータ２１には、ＲＦコイル４が接続され、位相差信号の入力を受けるようになっている。
【００１９】
上述した電流の計測は、蒸留水１２を収納した容器１４をＭＲＩ装置１のＲＦコイル４内に挿入し、静磁場がかけられた状態で行なわれる。そして、蒸留水１２に電流が流れることにより、この電流に伴う磁場変化により所望の検査部位における核スピンの歳差運動の位相がずれ、電流発生前と比して、位相差を生じ、この位相差を示す内容がＲＦコイル４に受信されて位相差信号として解析用コンピュータ２１に送られる。解析用コンピュータ２１は、電流計２０からの電流値及びＲＦコイル４からの位相差信号が示す位相差値に基づいて、図２に示すように、横軸を電流値、縦軸を位相差とした１つの点情報Ｂを得る。
【００２０】
上述と同様にして、電圧発生装置１９の電圧値を調整して蒸留水１２に流れる電流値を種々変えることにより、当該各電流値に対応した位相差値を求め、複数の点情報Ｂを得る。このようにして得られた複数の点情報Ｂを結び合わせるようにして直線状の位相差−電流スケール１１を得るようにしている。
このように得られた位相差−電流スケール１１は、上述したようにＭＲＩ装置１の記憶部８に格納され、ＲＦコイル４からの位相差信号を受けて、位相差信号を位相差−電流スケール１１に照らして、測定対象における検査部位の電流値、すなわち電流分布を検出するようにしている。
【００２１】
本実施の形態のスケール冶具１０により得られる位相差−電流スケール１１によれば、燃料電池３の構造を変えることなく、非接触の状態で燃料電池３の電流分布を検出するので、良好な検出精度を確保できる。また、電流分布を検出する上で燃料電池３の性能に影響を及ぼさず、良好な性能を確保することができる。
【００２２】
次に、本発明の第２実施の形態に係る燃料電池内電流分布計測用固定装置を、図５に基づき、図３を参照して、説明する。
図５において、燃料電池内電流分布計測用固定装置２５は、燃料電池３の長手方向の両端にそれぞれ装着され、外周面がＲＦコイル４（燃料電池配置部分）の内周面４ｃ（円弧状装着部）に沿う形状の保持具２７を備えている。
燃料電池３は、例えば、多孔質性材料を使用した一対の電極２９，２９間に、電解質を保持する電解質層３０を挟み、一方の電極１６の背面に反応ガスとして水素ガス（燃料ガス）を接触させることにより、このときに生じる電気化学反応を利用して一対の電極２９，２９間から電気エネルギーを取出すように構成された発電要素３１を備え、発電要素３１を樹脂製で略ロ字形のカバー３２に収納させて複数本の樹脂製のボルト３３により固定し、略直方体形状に構成されている。
【００２３】
保持具２７は、燃料電池３の端部に嵌合されて、燃料電池３の長手方向（図５左右方向）に移動可能とされた略コ字型の樹脂製の第１保持具３４と、第１保持具３４に対して蟻溝などのレール機構５１を介して図５上下方向に移動可能に装着される樹脂製の第２保持具３５と、を備えている。保持具２７は、さらに、燃料電池３に対する第１保持具３４の移動を抑制する樹脂製のテーパボルト（以下、第１ボルトという。）３６と、第１保持具３４に対する第２保持具３５の移動を抑制する樹脂製のボルト（以下、第２ボルトという。）３７と、を備えている。
【００２４】
第１保持具３４は、燃料電池３の端面部３ａに対面して配置される保持具本体３８と、保持具本体３８の端部に保持具本体３８と直交して延設された第１、第２延設部３９，４０と、からなっており、第１延設部３９に形成したねじ孔（以下、第１ねじ孔という。）４１に螺合される第１ボルト３６の先端部がカバー３２に差込まれることにより燃料電池３に保持されるようになっている。
第２保持具３５は、略かまぼこ形で、弧状をなす外周面（以下、弧状外周面という。）４２がＲＦコイル４の内周面４ｃに沿う形状になっている。第２保持具３５は、弧状外周面４２と反対側の底部（以下、第２保持具底部という。）４３が、レール機構５１を介して第１保持具３４の保持具本体３８に摺動して、保持具本体３８の長手方向（図５上下方向）に移動可能とされている。そして、第２保持具３５は、弧状外周面４２から第２保持具底部４３まで延びて形成されたねじ孔（以下、第２ねじ孔という。）４４に螺合される第２ボルト３７が第１保持具３４を押圧することにより第１保持具３４に保持されるようになっている。
【００２５】
そして、燃料電池３の電流分布を検出するために、例えば第１実施の形態に係るスケール冶具１０を用いて燃料電池３の電流分布を計測する場合、上述したように構成された燃料電池内電流分布計測用固定装置２５を燃料電池３に装着し、ＭＲＩ装置１における静磁場の中心部分に、燃料電池３の中心がセットできるように第１、第２ボルト３６，３７を用いて、両側の保持具２７の位置を調整し、燃料電池内電流分布計測用固定装置２５を介して燃料電池３をＲＦコイル４に嵌合させる。
保持具２７の位置を調整することにより燃料電池３のＲＦコイル４への嵌合を確実に行なえ、燃料電池３がＭＲＩ装置１に確実に固定されることになる。
【００２６】
このため、スケール冶具１０を用いて燃料電池３の電流分布を計測する（この場合、位相差信号を求めて、位相差信号を位相差−電流スケール１１に照合して電流分布を求める）場合、ＭＲＩ装置１の静磁場（強磁界）内で燃料電池３が発電するため、燃料電池３にはフレミングの法則により大きな力が作用することになる。しかし、燃料電池３は、上述したようにＭＲＩ装置１に確実に固定されていることから変位が確実に抑制される。このため、位相差信号ひいては燃料電池３の電流分布は良好な検出精度をもって検出できる。
【００２７】
この第２実施の形態では、燃料電池内電流分布計測用固定装置２５を用いる例として、燃料電池３内の物理現象が燃料電池３の電流分布である場合を例にしたが、燃料電池３の水分量、温度などの燃料電池内の物理現象を計測する場合に、燃料電池内電流分布計測用固定装置２５を用いるようにしてもよい。
【００２８】
保持具２７（第１、第２保持具３４，３５及び第１、第２ボルト３６，３７）は樹脂製（非磁性材料）とされており、ＭＲＩ装置１を用いた燃料電池３内の物理現象計測を行う上で、静磁場への影響がなく、その分、物理現象計測を良好に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る燃料電池内電流分布計測用スケール冶具を模式的に示す図である。
【図２】図１の燃料電池内電流分布計測用スケール冶具で得られる電流計測スケールを示す図である。
【図３】図１の燃料電池内電流分布計測用スケール冶具で得られる電流計測スケールが用いられるＭＲＩ装置を模式的に示す図である。
【図４】図３のＲＦコイルを模式的に示す分解斜視図である。
【図５】本発明の第２実施の形態に係る燃料電池内電流分布計測用固定装置を模式的に示し、（Ａ）は燃料電池側部分、（Ｂ）はＲＦコイル側部分を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…ＭＲＩ装置（核磁気共鳴撮像装置）、３…燃料電池、４…ＲＦコイル（燃料電池配置部分）、４Ｃ…ＲＦコイルの内周面（円弧状装着部）、１０…スケール冶具（燃料電池内電流分布計測用スケール冶具）、１１…位相差−電流スケール（電流計測スケール）、２５…燃料電池内電流分布計測用固定装置、２７…保持具。
【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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