(57)【要約】【課題】測定対象領域に蛍光塗料層を均一に形成するための燃料電池セル用の酸素濃度計測シールを提供する。【解決手段】膜電極接合体と、透明な材料で形成された酸素極側／水素極側セパレータ板とを有する燃料電池セル用の酸素濃度計測シール６０であって、酸素消光性を有する蛍光塗料層６１と、光透過性材料からなる光透過層６２と、粘着剤層６３との積層体からなり、粘着剤層６３によりセパレータ板の凹凸面全面に貼り付けられ、セパレータ板を透過した励起光が蛍光塗料層６１に照射されることにより、蛍光塗料層６１から蛍光を発生させて、測定対象領域の蛍光強度分布の計測を可能にする。【選択図】図３
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
高分子固体電解質膜を中心として酸素極と水素極とで挟んだ構成を有する膜電極接合体と、
前記酸素極の外側に固定され、前記酸素極と対向する面が凹凸面をなし、前記酸素極と当該凹凸面との間に酸素導入空間が形成される酸素極側セパレータ板と、
前記水素極の外側に固定され、前記水素極と対向する面が凹凸面をなし、前記水素極と当該凹凸面との間に水素導入空間が形成される水素極側セパレータ板とを備え、
前記酸素極側セパレータ板及び／又は前記水素極側セパレータ板が透明な材料で形成された燃料電池セル用の酸素濃度計測シールであって、
前記酸素濃度計測シールは、酸素消光性を有する蛍光塗料層と、光透過性材料からなる光透過層と、粘着剤層とがこの順に形成された積層体からなり、
前記粘着剤層により、前記酸素極側セパレータ板の凹凸面全面及び／又は前記水素極側セパレータ板の凹凸面全面に貼り付けられ、
前記酸素極側セパレータ板及び／又は前記水素極側セパレータ板を透過した励起光が前記蛍光塗料層に照射されることにより、前記蛍光塗料層から蛍光を発生させて当該凹凸面全面の蛍光強度分布の計測を可能にすることを特徴とする燃料電池セル用の酸素濃度計測シール。
【請求項２】
前記光透過層は、シリコンゴム層であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル用の酸素濃度計測シール。
【請求項３】
前記光透過層の厚さは２５μｍ以上７５μｍ以下である請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池セル用の酸素濃度計測シール。
【請求項４】
前記蛍光塗料層の厚さは１μｍ以上５μｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池セル用の酸素濃度計測シール。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、燃料電池セル用の酸素濃度計測シールに関し、特に蛍光塗料面に励起光を照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光強度分布を撮影することにより、測定対象領域の酸素濃度分布を計測する燃料電池セル用の酸素濃度計測シールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題が大きくクローズアップされてきている。固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やダイレクトメタノール形燃料電池等の燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する上に、ＣＯ２の排出削減に寄与するだけでなく、酸性雨の原因や大気汚染の原因となるＮＯｘ、ＳＯｘ、塵埃等の排出がほとんどないクリーンな電池である。さらに、静粛性も高いという利点がある。そのため、燃料電池は、２１世紀に最適なエネルギー変換装置として一部実用化されつつある。特に、燃料電池の中でもＰＥＦＣは、作動温度が低くかつ出力密度が高いため、小型化が可能であるという長所を有している。
【０００３】
図４は一般的な固体高分子形燃料電池の一例を示す図であって、図４ａは平面図、図４ｂは断面図である。
固体高分子形燃料電池Ｓは、高分子固体電解質膜１０１を中心として酸素極１０２と水素極１０３とで挟んだ構成を有する。高分子固体電解質膜１０１は、例えば、炭素繊維性の多孔性クロス基材上に、高分子固体電解質を含むスラリーを塗布し、次いで焼成することにより得られたイオン交換膜である。そして、酸素極１０２の外側は、集電体１０６に担持されるとともに、水素極１０３の外側は、集電体１０７に担持されている。
【０００４】
酸素極１０２の外側の周縁部には、枠形状のガスケット１０４の内側が接触し、さらにガスケット１０４の外側には、複数の凹部を内側に有するセパレータ板１０８の内側の突出周縁部が接触している。これにより、セパレータ板１０８の内側と酸素極１０２の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の酸素極室１０９が形成されている。また、セパレータ板１０８は、内側と外側とを貫通するように酸素極室１０９に連結する酸素ガス供給口１１２と、内側と外側とを貫通するように酸素極室１０９に連結する未反応酸素ガス及び生成水取出口１１３とを有する。
【０００５】
一方、水素極１０３の外側の周縁部には、枠形状のガスケット１０５の内側が接触し、さらにガスケット１０５の外側には、複数の凹部を内側に有するセパレータ板１１０の内側の突出周縁部が接触している。これにより、セパレータ板１１０の内側と水素極１０３の外側との間に、複数の凹部に対応するように複数の水素極室１１１が形成されている。また、セパレータ板１１０は、内側と外側とを貫通するように水素極室１１１に連結する水素ガス供給口１１４と、内側と外側とを貫通するように水素極室１１１に連結する未反応水素ガス取出口１１５とを有する。
【０００６】
次に、固体高分子形燃料電池Ｓの動作について説明する。水素が水素ガス供給口１１４から複数の水素極室１１１を順番に流通するとともに、酸素が酸素ガス供給口１１２から複数の酸素極室１０９を順番に流通すると、水素は水素極１０３により水素イオンと電子とに分離する。水素極１０３で発生した水素イオンは、高分子固体電解質膜１０１を選択的に透過する。そして、透過した水素イオンは、酸素極１０２で酸素と反応し、水となる。このとき、水素極１０３で発生した電子は、水素極１０３から外部負荷（図示せず）を通って酸素極１０２に向かうように流れる。つまり、外部負荷に電流が流れることになる。
【０００７】
ところで、固体高分子形燃料電池Ｓを普及させるには、コストをはじめ、いろいろな技術課題を解決する必要がある。例えば、固体高分子形燃料電池Ｓは、運転時間の経過とともに電池性能が劣化するため、劣化に伴う電池寿命が重要な課題となっている。このような技術課題を解決するためには、酸素が酸素ガス供給口１１２から複数の酸素極室１０９にどのように流通したり、複数の酸素極室１０９でどのように反応したりするのかを解析する必要がある。
【０００８】
そこで、複数の酸素極室１０９の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような酸素濃度計測方法では、測定対象領域となる複数の酸素極室１０９のセパレータ板１０８を透明な材料で構成するとともに、スプレーや刷毛等を用いてセパレータ板１０８にルテニウム錯体塗料（蛍光塗料）等を塗布した模擬燃料電池を作製している。そして、蛍光塗料面に励起光（波長４７０ｎｍ）を照射することにより蛍光（約６００ｎｍ）を発生させ、この蛍光強度分布を撮影している。このとき、蛍光塗料面は、励起光により蛍光を発生させるが、酸素濃度が高い箇所では酸素により蛍光が消光される。これにより、撮影した蛍光強度分布に基づいて、複数の酸素極室１０９の酸素濃度分布を計測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３３１７３３号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述したような酸素濃度計測方法では、スプレーや刷毛等を用いてセパレータ板１０８にルテニウム錯体塗料（蛍光塗料）等を塗布した模擬燃料電池を作製しているが、セパレータ板１０８には凹凸があって角部に塗料がたまりやすく、塗料を均一に塗布することは困難であった。
また、セパレータ板１０８にスプレーや刷毛等を用いてルテニウム錯体塗料（蛍光塗料）等を塗布する際には、ルテニウム錯体塗料等は有機溶媒（トルエン等）を含有しているため、模擬燃料電池をドラフタ内にセッティングすることになるが、その寸法が大きく重いときには、持ち運び作業が容易でないばかりかドラフタ内に収まらないこともあった。
なお、この問題点を解決すべく模擬燃料電池を専用の工場等で作製させることも考えられるが、模擬燃料電池には機密情報が含まれており、この機密情報が外部業者に漏れる恐れがある。
そこで、本考案は、測定対象領域に蛍光塗料層を均一に形成するための燃料電池セル用の酸素濃度計測シールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた本考案の燃料電池セル用の酸素濃度計測シールは、高分子固体電解質膜を中心として酸素極と水素極とで挟んだ構成を有する膜電極接合体と、前記酸素極の外側に固定され、前記酸素極と対向する面が凹凸面をなし、前記酸素極と当該凹凸面との間に酸素導入空間が形成される酸素極側セパレータ板と、前記水素極の外側に固定され、前記水素極と対向する面が凹凸面をなし、前記水素極と当該凹凸面との間に水素導入空間が形成される水素極側セパレータ板とを備え、前記酸素極側セパレータ板及び／又は前記水素極側セパレータ板が透明な材料で形成された燃料電池セル用の酸素濃度計測シールであって、前記酸素濃度計測シールは、酸素消光性を有する蛍光塗料層と、光透過性材料からなる光透過層と、粘着剤層とがこの順に形成された積層体からなり、前記粘着剤層により、前記酸素極側セパレータ板の凹凸面全面及び／又は前記水素極側セパレータ板の凹凸面全面に貼り付けられ、前記酸素極側セパレータ板及び／又は前記水素極側セパレータ板を透過した励起光が前記蛍光塗料層に照射されることにより、前記蛍光塗料層から蛍光を発生させて当該凹凸面全面の蛍光強度分布の計測を可能にすることを特徴としている。
【００１２】
ここで、「酸素消光性を有する蛍光塗料層」としては、例えば、バインダにポリスチレン等の酸素透過性のある高分子材料が用いられ、色素に白金ポルフィリンやルテニウム等の紫外から青色の励起光に反応して発光し、かつ、酸素消光性を有する材料が用いられたもの等が挙げられる。
【考案の効果】
【００１３】
以上のように、本考案の燃料電池セル用の酸素濃度計測シールによれば、測定対象領域に傾斜等のうねりや凹凸があっても、粘着剤層によって貼り付けて作製するため、測定対象領域に蛍光塗料層を均一に形成することができる。また、ドラフタ内や専用の工場等で作業する必要がなくなる。
【００１４】
＜他の課題を解決するための手段及び効果＞
また、上記の考案において、前記光透過層は、シリコンゴム層であるようにしてもよい。
また、上記の考案において、前記光透過層の厚さは２５μｍ以上７５μｍ以下であるようにしてもよい。
【００１５】
また、上記の考案において、前記蛍光塗料層の厚さは１μｍ以上５μｍ以下であるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本考案の燃料電池セル用の酸素濃度計測シールを用いた酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。
【図２ａ】本考案に係る固体高分子形燃料電池セルの一例を示す平面図。
【図２ｂ】本考案に係る固体高分子形燃料電池セルの一例を示す断面図。
【図３】本考案に係る燃料電池セル用の酸素濃度計測シールの一例を示す断面図。
【図４ａ】一般的な固体高分子形燃料電池の一例を示す平面図。
【図４ｂ】一般的な固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図。
【考案を実施するための形態】
【００１７】
以下、本考案の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本考案は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１８】
図１は、燃料電池セル用の酸素濃度計測シールを用いた酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
酸素濃度計測装置５１は、光照射部１０と、撮像部２０と、検査体となる固体高分子形燃料電池セルＳ’が配置される配置部３０と、酸素濃度計測装置５１全体の制御を行うコンピュータ９０とを備える。
【００１９】
光照射部１０は、レーザ光（例えば波長４７０ｎｍ）を出射するレーザ光源（レーザダイオード）１５と、電子シャッタ１２と、拡散フィルタ１３と、レンズ１４と、レーザ光（励起光）の強度Ｉｔを検知するパワーメータ１１と、レーザ光を２方向へ分割するハーフミラー１６とを有する。
このような光照射部１０の構成において、レーザ光源１５で出射されたレーザ光は、ハーフミラー１６で２方向へ分割される。ハーフミラー１６で分割されたレーザ光が進行する２方向のうちの１方向のレーザ光は、電子シャッタ１２と拡散フィルタ１３とレンズ１４とをこの順で通過して、配置部３０の設定領域に照射されるようになっている。一方、ハーフミラー１６で分割されたレーザ光が進行する２方向のうちの残りのもう１つの方向のレーザ光は、パワーメータ１１で強度Ｉｔが検出されるようになっている。
【００２０】
撮像部２０は、レンズ２１ａを有する高速撮影カメラ（撮像装置）２１を有する。高速撮影カメラ２１は、複数の光検出素子ＧｍｎがＭ行（例えば１０００行）とＮ列（例えば１０００列）とに並べられたものであり、各光検出素子Ｇｍｎにはそれぞれの位置に応じた強度値（例えば１０ｂｉｔ）Ｆｍｎの蛍光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子Ｇｍｎの出力信号は、配置部３０の設定領域の各位置ごとの蛍光の強度値Ｆｍｎを表すことになる。
そして、入力装置等を用いて撮影条件（設定露光時間Δｔ（例えば５００ミリ秒間）や撮影回数ｘ（例えば５回）等）が入力されると、設定された撮影条件に基づいて、高速撮影カメラ２１から蛍光強度分布画像がコンピュータ９０に送られるようになっている。
【００２１】
また、検査体Ｓ’にＸ方向からレーザ光を照射するとともに、−Ｘ方向に進行する蛍光を検出するために、レーザ光を透過させるとともに蛍光を反射する平板形状のミラー３１が配置されている。これにより、Ｘ方向に進行するレーザ光は、ミラー３１を透過することにより、配置部３０の設定領域に照射され、配置部３０の設定領域で発生した蛍光は、−Ｘ方向に進行して、ミラー３１によって進行方向を変え、さらにミラー３２によって進行方向を変え、高速撮影カメラ２１に入射するようになっている。
【００２２】
コンピュータ９０は、ＣＰＵ（制御部）４１とメモリ９４とを備え、さらにモニタ４２と操作部４３とが連結されている。ＣＰＵ４１が処理する機能をブロック化して説明すると、レーザ光源１５を制御するレーザ光強度取得部４１ａと、高速撮影カメラ２１から蛍光強度分布画像を取得する撮像装置制御部４１ｂと、酸素濃度分布を算出する酸素濃度分布算出部４１ｃとを有する。
【００２３】
ここで、上記した本考案に係る酸素濃度計測装置５１に使用される固体高分子形燃料電池セル（検査体）Ｓ’について説明する。図２は本考案に係る固体高分子形燃料電池の一例を示す図であって、図２ａは平面図、図２ｂは断面図である。なお、前記した固体高分子形燃料電池Ｓと同様のものについては、同じ符号を付している。
固体高分子形燃料電池セルＳ’は、高分子固体電解質膜１０１と、酸素極１０２と、水素極１０３と、透明な酸素極側セパレータ板１０８及び水素極側セパレータ板１１０と、集電体１０６、１０７及びガスケット１０４、１０５とを備えている。
【００２４】
また、図３は、本考案に係る酸素濃度計測シールの一例を示す断面図であって、図３（ａ）は酸素濃度計測シールの使用前の状態を示し、図３（ｂ）は使用中の状態を示している。
酸素濃度計測シール６０は、蛍光塗料層６１と、光透過層６２と、粘着剤層６３と、粘着剤保護層６４とからなる積層体である。
【００２５】
蛍光塗料層６１は、例えば、酸素消光性を有する蛍光塗料が光透過層６２の上面にスプレーや刷毛等を用いて塗布することにより形成される層である。
上記蛍光塗料層６１の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
光透過層６２は、シリコンゴム層や、テフロン（登録商標）層や、ポリカーボネート層や、サランラップ（登録商標）層や、カプトン（登録商標）テープ層等であるが、これらの中ではシリコンゴム層であることが好ましい。つまり、シリコンゴム層は、透明で柔らかく伸縮する性質を有し、表面の粗さからも蛍光塗料層６１との接触が良好で蛍光塗料層６１が形成しやすく、柔軟性等の観点から好ましい。
上記光透過層の厚さは、２５μｍ以上７５μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
粘着剤層６３は、粘着剤が光透過層６２の下面にスプレーや刷毛等を用いて塗布することにより形成される層であり、測定対象領域に固定させるためのものである。このような粘着剤としては、エポキシ樹脂系接着剤やアクリル樹脂系接着剤等が挙げられる。
上記粘着剤層６３の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
粘着剤保護層６４は、粘着剤層６３の下面に貼り付けられることで形成されており、粘着剤層６３が他のものに固定されることを防止するための層である。そして、酸素濃度計測シール６０が測定対象領域に貼り付けられる際には、使用者によって粘着剤保護層６４は図３（ｂ）に示すように粘着剤層６３の下面から除去されることになる。
【００２９】
また、このような酸素濃度計測シール６０は、蛍光塗料層６１の上面に蛍光塗料保護層（図示せず）が形成されたり、蛍光塗料保護層で形成された袋等（図示せず）に収納されたりして保存されることになる。
【００３０】
次に、固体高分子形燃料電池セルＳ’の作製方法について説明する。まず、固体高分子形燃料電池Ｓと酸素濃度計測シール６０とを準備する（図３（ａ）参照）。次に、固体高分子形燃料電池Ｓのネジ（図示せず）等を外して分解することにより酸素極側セパレータ板１０８を取り外す。次に、ハサミ等を用いて酸素濃度計測シール６０を酸素極側セパレータ板１０８の形状に合わせて所定の大きさに切断し、その所定の大きさの酸素濃度計測シール６０から粘着剤保護層６４をはがした後に、酸素極側セパレータ板１０８の測定対象領域（凹凸面全面を含む）に貼り付ける（図３（ｂ）参照）。このとき、酸素濃度計測シール６０を酸素極側セパレータ板１０８の測定対象領域に貼り付けるだけなので、ドラフタ内や専用の工場等で作業する必要がない。そして、複数の測定対象領域がある場合には、所定の大きさに切断した複数の酸素濃度計測シール６０を酸素極側セパレータ板１０８の測定対象領域に貼り付けることになる。最後に、ネジ（図示せず）等を用いて固体高分子形燃料電池セルＳ’に酸素極側セパレータ板１０８を取り付けて組み立てる。
【００３１】
以上のように、本考案の酸素濃度計測シール６０によれば、光透過層６２に柔軟性があり、また測定対象領域に傾斜等のうねりや凹凸があっても、粘着剤層６３によって貼り付けて作製するため、測定対象領域に蛍光塗料層６１を均一に形成することができる。
【００３２】
＜他の実施形態＞
上述した実施形態では、酸素濃度計測シール６０を固体高分子形燃料電池Ｓの酸素極側セパレータ板１０８の測定対象領域に貼り付ける構成としたが、酸素濃度計測対象となるもの（例えば部屋等）に貼り付けるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本考案は、蛍光塗料面に励起光を照射することにより蛍光を発生させ、この蛍光強度分布を撮影することにより、測定対象領域の酸素濃度分布を計測する酸素濃度計測装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
Ｓ’  固体高分子形燃料電池セル
６０  酸素濃度計測シール
６１  蛍光塗料層
６２  光透過層
６３  粘着剤層
【図１】
0003214949.tif 000003
【図２ａ】
0003214949.tif 000004
【図２ｂ】
0003214949.tif 000005
【図３】
0003214949.tif 000006
【図４ａ】
0003214949.tif 000007
【図４ｂ】
0003214949.tif 000008