JP2006250878A - 光学測定方法及び光学測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】流路内に存在するガスや水蒸気等の測定対象の濃度を、非接触で正確に測定することのできる光学測定方法及び光学測定装置を提供する。
【解決手段】この光学測定方法は、空気極側セパレータ9によって周囲を囲うように形成されたガス供給流路9a内に存在する酸素ガス中の水蒸気濃度を、レーザ光Lを用いて測定する光学測定方法であって、水蒸気に所定波長のレーザ光Lを照射するステップと、水蒸気を透過した後のレーザ光Lの強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、PC25によって水蒸気の濃度を算出するステップと、を有する。
【選択図】 図1
【解決手段】この光学測定方法は、空気極側セパレータ9によって周囲を囲うように形成されたガス供給流路9a内に存在する酸素ガス中の水蒸気濃度を、レーザ光Lを用いて測定する光学測定方法であって、水蒸気に所定波長のレーザ光Lを照射するステップと、水蒸気を透過した後のレーザ光Lの強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、PC25によって水蒸気の濃度を算出するステップと、を有する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、光学測定方法及び光学測定装置に係り、特にガス濃度やガス中の水蒸気濃度を光を用いて非接触にて測定する光学測定方法及び光学測定装置に関する。本発明は、例えば自動車用動力源・家庭用電源として自動車・携帯電話・その他の電気製品等に使用され得る固体高分子形燃料電池に供給するガスの濃度及びガス中の水蒸気濃度測定に好適である。
高分子とは分子量が約1万以上の化合物であり、種々の機能を備えた機能性高分子材料が知られている。この機能性高分子材料の1つである高分子膜は、その厚さに比べて表面積の大きな材料である。この高分子膜を隔てて、両側の物質間に電気化学ポテンシャルが存在すると、膜電位、電気浸透、体積流束、熱浸透等の様々な膜現象が発生する。この膜現象は、高分子膜内を透過する物質の拡散速度の差によって誘起されるものである。
近年、このような物質透過性を有する高分子膜は燃料電池に利用されている。この高分子膜が使用された燃料電池は、高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)又は固体高分子形燃料電池と呼ばれ、この固体高分子形燃料電池において使用される高分子膜は、固体高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane:PEM)と呼ばれている。固体高分子形燃料電池は固体酸化物形燃料電池(SOFC)等の他の形式の燃料電池と比較した場合、80℃〜100℃程度の比較的低温において動作可能であるうえに高発電効率が期待されることから、自動車用の動力源や家庭用電源に適していると考えられ、注目されている。
固体高分子形燃料電池は、通常、単セルと呼ばれるユニットが積層された燃料電池スタックを備えて構成される。各単セルは、膜電極複合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)と、この両面を挟持するとともに水素ガス又は酸素ガスの供給流路が形成されたセパレータとを有して構成されている。膜電極複合体は、板状のPEMと、このPEMの両面を挟持した多孔質のガス拡散電極(燃料極、空気極)とを有して構成されている。また、発電効率を向上させるため、PEMとガス拡散電極との間に白金等を材料とする触媒層が設けられる。
そして、固体高分子形燃料電池の発電時には、燃料極側において水素が水素イオンと電子とに分解される。この電子は、外部回路を経由して空気極に移動する。一方、水素イオンはPEM中を空気極側に移動し、空気極側において酸素及び電子と反応して水を生成する。
ところでこの水素イオンは、PEM中において水と水和している。そして、固体高分子形燃料電池の発電時に水素イオンが燃料極から空気極に移動するとともにその水素イオンと水和した水分子も付随して空気極に移動する。同時に空気極では水の生成反応が起こっている。
空気極側に存在する水は、酸素ガスがガス拡散電極(空気極)に供給されるのを阻害することがわかっている。また、水蒸気濃度が高くなるとそれにしたがってガス供給流路内の酸素ガス濃度が低下し、空気極への酸素供給が充分に行われなくなる。酸素ガスが空気極にスムーズに供給されないとイオン交換反応が順調に行われず、その結果発電効率が低下してしまう。したがって、ガス供給流路内での水蒸気濃度や酸素ガス濃度を把握することが非常に重要となる。
ガス供給流路内のガス濃度や水蒸気濃度を測定する方法として、例えば濃度センサをガス供給流路内に直接挿入する方法がある(例えば、特許文献1を参照。)。ここで、ガス供給流路の断面が小さい場合(例えば1辺が数mmの正方形断面)、その内部に存在する酸素ガスの水蒸気濃度や酸素濃度を測定するには、その断面よりも小さい直径数mmの細長い挿入型の測定プローブをガス供給流路内に挿入する必要がある。
しかしながら、測定プローブの長さにも限りがあるので、ガス供給流路の挿入口から奥深い位置の水蒸気濃度等を測定するのは困難である。また、ガス供給流路が屈曲しているような場合は測定プローブがその先に入り込めないという問題もある。
さらに、測定プローブをガス供給流路内に挿入することによってガス供給流路内のガス状態が変化してしまうので、発電時と等価な状態(すなわちガス供給流路内に物体が挿入されていない状態)での水蒸気濃度等が測定できないという問題もある。そのため、発電時と等価な状態での水蒸気濃度等を、挿入型の測定プローブ等を用いることなく非接触で測定できる方法が望まれていた。
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、流路内に存在するガスや水蒸気等の測定対象の濃度を、非接触で正確に測定することのできる光学測定方法及び光学測定装置を提供することを例示的課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としての光学測定方法は、枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、測定対象に所定波長の測定光を照射するステップと、測定対象を透過した後の測定光の強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、演算処理装置によって測定対象の濃度を算出するステップと、を有することを特徴とする。
測定光を用いて非接触にて濃度を測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がない。したがって、測定対象が存在する流路の断面が小さい場合、流路が屈曲している場合、測定位置が流路の開口から奥深い場合であっても簡便に測定が可能である。また、流路内に物体を挿入せずに非接触で測定するので、測定対象が存在する場の雰囲気を乱すことなく、正確な濃度測定が可能となる。
例えば、この測定方法を、固体高分子形燃料電池に供給する酸素ガスや水素ガスのガス濃度測定やガス中の水蒸気濃度測定に適用することも可能である。すなわち、枠体としてのセパレータに流路としてのガス供給流路が形成され、その内部に供給ガスとしての酸素ガスや水素ガスが存在する場合に、それらガス濃度やガス中の水蒸気濃度を、測定光を用いて非接触にて正確に測定することが可能となる。光源として半導体レーザを用いることができ、また、光検出は、フォトトランジスタ、CCD、CMOS、光電子増倍管等の様々な光電変換手段を用いることにより行うことができる。演算処理装置としては、専用の処理回路や汎用のパーソナルコンピュータ等を使用可能である。
上記測定方法において、所定波長が1.3μm以上1.5μm以下であり、かつ測定対象が水蒸気であってもよい。波長1.3μm以上1.5μm以下、特に1.4μmの光は水分子によって強く吸収される。したがって、例えば測定光に波長1.4μmの半導体レーザ光を用いれば、水蒸気濃度を正確に測定することができる。
また、所定波長が0.7μm以上0.8μm以下であり、かつ測定対象が酸素であってもよい。波長0.7μm以上0.8μm以下、特に0.76μmの光は酸素分子によって強く吸収される。したがって、例えば測定光に波長0.76μmの半導体レーザ光を用いれば、酸素ガスの濃度を正確に測定することができる。
枠体が少なくとも部分的に所定波長に対し透明とされ、測定光が透過可能となっていてもよい。それにより、枠体による光強度の劣化を低減することができ、測定精度を向上させることができる。例えば、枠体が固体高分子形燃料電池のセパレータであり、測定対象がセパレータに形成されたガス供給流路内に存在する酸素や水素ガスである場合に、測定に必要なセパレータの一部分のみを透明材料で形成し、その他の部分をセパレータに使用する導電性材料とすることにより、よりいっそう発電時に近い状態での濃度測定を行うことができる。
測定光の光路を窒素雰囲気としてもよい。測定光源から枠体までの光路周囲を窒素パージして空気や他のガスを排除することにより、測定対象以外のガスによる測定光の不要な吸収や散乱を防止することができ、より高強度の測定光でより正確な濃度測定を行うことができる。
本発明の他の例示的側面としての光学測定方法は、枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の温度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、測定対象に所定波長の測定光を照射するステップと、測定対象を透過した後の測定光の強度を検出するステップと、検出結果に基づいて、演算処理装置によって測定対象の温度を算出するステップと、を有することを特徴とする。
例えば、波長1.4μm近傍の光の温度依存性を利用することにより、測定対象の温度を測定することが可能である。したがって、測定光として波長1.4μm近傍の異なる2波長の半導体レーザ光を用いることにより、測定対象の温度を非接触にて正確に測定することができる。
測定光を用いて非接触にて温度を測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がない。したがって、測定対象が存在する流路の断面が小さい場合、流路が屈曲している場合、測定位置が流路の開口から奥深い場合であっても簡便に測定が可能である。また、流路内に物体を挿入せずに非接触で測定するので、測定対象が存在する場の雰囲気を乱すことなく、正確な温度測定が可能となる。
例えば、この測定方法を、固体高分子形燃料電池に供給する酸素や水素ガスの温度測定に適用することも可能である。すなわち、枠体としてのセパレータに流路としてのガス供給流路が形成され、その内部に供給ガスとしての酸素ガスや水素ガスが存在する場合に、それらの温度を、測定光を用いて非接触にて正確に測定することが可能となる。光検出は、フォトトランジスタ、CCD、CMOS、光電子増倍管等の様々な光電変換手段を用いることにより行うことができる。演算処理装置としては、専用の処理回路や汎用のパーソナルコンピュータ等を使用可能である。
本発明の他の例示的側面としての光学測定装置は、枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定装置であって、所定波長の測定光を発する光源と、測定対象を透過した後の測定光の強度を検出する光検出器と、光検出器による検出結果に基づいて測定対象の濃度を算出する演算処理装置と、を有することを特徴とする。
測定光を用いて非接触にて測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がない。したがって、測定対象が存在する流路の断面が小さい場合、流路が屈曲している場合、測定位置が流路の開口から奥深い場合であっても簡便に測定が可能である。また、流路内に物体を挿入せずに非接触で測定するので、測定対象が存在する場の雰囲気を乱すことなく、正確な濃度測定が可能となる。
例えば、この測定装置を、固体高分子形燃料電池に供給する酸素ガスや水素ガスのガス濃度測定やガス中の水蒸気濃度測定に適用することも可能である。すなわち、枠体としてのセパレータに流路としてのガス供給流路が形成され、その内部に供給ガスとしての酸素ガスや水素ガスが存在する場合に、それらガス濃度やガス中の水蒸気濃度を、測定光を用いて非接触にて正確に測定することが可能となる。光源として半導体レーザを用いることができ、また、光検出器としてはフォトトランジスタ、CCD、CMOS、光電子増倍管等の様々な光電変換手段を用いることができる。演算処理装置としては、専用の処理回路や汎用のパーソナルコンピュータ等が使用可能である。
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、流路内に存在するガスや水蒸気等の測定対象の濃度を、非接触で正確に測定することができる。光を用いた非接触測定なので、流路の形状に影響されず、また、測定場の雰囲気を乱すことがない。
[実施の形態1]
本発明の実施の形態1に係る光学測定装置について図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る光学測定装置Sの概略構成を示すブロック図であり、図2は、この光学測定装置Sの測定部の部分拡大図である。この光学測定装置Sは、測定対象の濃度を測定するためのものである。測定対象としては、酸素・水素等の各種ガスの他、水・アルコール等の液体も考えられるが、本実施の形態1においては、酸素ガス9b中に含まれる水蒸気を測定対象として説明する。測定光の波長を適宜選択することにより、例えば酸素ガスの濃度測定やガスの温度測定にもこの光学測定装置Sが適用可能である。
本発明の実施の形態1に係る光学測定装置について図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る光学測定装置Sの概略構成を示すブロック図であり、図2は、この光学測定装置Sの測定部の部分拡大図である。この光学測定装置Sは、測定対象の濃度を測定するためのものである。測定対象としては、酸素・水素等の各種ガスの他、水・アルコール等の液体も考えられるが、本実施の形態1においては、酸素ガス9b中に含まれる水蒸気を測定対象として説明する。測定光の波長を適宜選択することにより、例えば酸素ガスの濃度測定やガスの温度測定にもこの光学測定装置Sが適用可能である。
また、この光学測定装置Sは、固体高分子形燃料電池(以下、燃料電池という。)1の空気極側のセパレータ(枠体)9に形成されたガス供給流路(流路)9a内に存在する酸素ガス9bの水蒸気濃度を測定するのに適している。この燃料電池1についての詳細は後述する。
光学測定装置Sは、半導体レーザ光源21、窒素供給装置22、光検出器としてのフォトダイオード23、処理回路24、演算処理装置としてのパーソナルコンピュータ(以下、PCという。)25を有して大略構成されている。
半導体レーザ光源21は、測定光としてのレーザ光Lを発するものである。本実施の形態1においては、酸素ガス中の水蒸気濃度を測定するために波長1.4μmの半導体レーザ光源が使用されている。近赤外領域である波長1.3μm〜1.5μmの光、特に波長1.4μmのレーザ光は、水分子によって強く吸収されるので、水蒸気濃度測定に適している。
窒素供給装置22は、主として不活性ガスとしての窒素ガスNを貯留する窒素ボンベ22aとボンベからの窒素ガスNをレーザ光Lの光路に導く配管22bと窒素流量を制御するバルブ22cとを有している。この窒素供給装置22は、光路中の空気等によるレーザ光Lの吸収・散乱を防止するために、レーザ光Lの光路中、特に半導体レーザ光源21から空気極セパレータ9までの光路中(以下、空隙部Gという。)に窒素ガスNを供給する。レーザ光Lの光路を窒素雰囲気とすることにより、レーザ光Lの強度劣化が低減され、測定精度の向上に寄与することができる。
フォトダイオード23は、測定対象を透過した後のレーザ光Lの強度Iを検出するためのものである。図3に測定原理の概略を示すように、波長1.4μmのレーザ光Lが水分子Wに照射されると、水分子Wによってレーザ光Lが吸収される。水分子Wを透過したレーザ光Lの強度Iは、入射レーザ光強度I0に対して、I/I0倍となっている。この強度比I/I0が水蒸気濃度の関数となっており、水分子Wの数が多い(すなわち水蒸気濃度が高い)ほど透過後の光強度Iが弱くなり強度比I/I0が小さくなる。具体的には両者は略反比例関係にある。
本実施の形態1においてフォトダイオード23は、酸素ガス9b中に含まれる水分子を透過した後に空気極側セパレータ9の内壁によって反射された反射光を検出する。そのため、ガス供給流路9aが形成された空気極側セパレータ9に対して、半導体レーザ光源21とフォトダイオード23とは同じ側に配置されている。もちろん、必要に応じてフォトダイオード23を枠体に対して半導体レーザ光源21の反対側に配置し、測定対象を透過した後の測定光を反射させずに検出するように構成してもよい。フォトダイオード23は、水分子からの反射光を検出して光電変換を行い、光強度に応じた電流を処理回路24に向けて出力する。
光検出器としては、フォトダイオード23の他にもCCD、CMOS、光電子増倍管等の光電変換手段を用いることができる。例えば光検出器としてCCDを用いた場合、測定部位の大きさに応じてライン型CCDやエリア型CCD等が適宜選択して使用してもよい。
処理回路24は、フォトダイオード23からの出力電流を増幅しAD変換する機能を有する。処理回路24によって出力電流が増幅され、さらに数値化されてパーソナルコンピュータ25へと送信される。
パーソナルコンピュータ(以下、PCという。)25は、フォトダイオード23によって検出された光の強度に基づいて水蒸気濃度を算出するものである。波長1.4μmのレーザ光Lは、ガス供給流路9a内の酸素分子には影響を殆ど受けないが、水分子によって吸収される。したがって、レーザ光Lの光路中に水分子が多く存在するほど、検出される反射光の強度は弱くなる。フォトダイオード23によって検出された光の強弱に応じて出力される電流値が変動し、それに伴い処理回路24から出力される数値が変動する。その出力数値に対してPC25を用いて所定の演算処理を行う(例えば強度比の逆数I0/Iに定の濃度係数を積算する。)ことにより、測定部位における水蒸気濃度を算出することができる。
次に燃料電池1について説明する。図4は、燃料電池1を示す図で、図4(a)はその外観斜視図であり、図4(b)は、その内部に備えられた発電ユニット6の構成を示す概略ブロック図である。この燃料電池1は、ハウジング2の内部に発電ユニット6を備えた燃料電池スタック3を有して概略構成される。ハウジング2は、例えばアルミニウム・鉄等の金属材料を用いて形成されるが、アクリル・ポリカーボネート等の樹脂材料を用いて形成されてもよい。
図に示すように、ハウジング2の上部には水素ガス供給管2aと酸素ガス供給管2bとが設けられ、ハウジング2の下部には水素ガス排気管2cと酸素ガス排気管2dとが設けられている。この水素ガス供給管2aは、燃料電池スタック3の燃料極側に所定のガスの一部としての水素ガス(燃料ガス)8bを供給するためのもので、図示しない水素ボンベ等の水素供給手段に接続されている。水素ガス排気管2cは、燃料電池スタック3を経た後の水素ガス8bを排気するためのものである。
酸素ガス供給管2bは、燃料電池スタック3の空気極側に所定のガスの一部としての酸素ガス9bを供給するためのものである。例えば、図示しない酸素ボンベ等の酸素供給手段に接続されてその酸素供給手段から酸素ガス9bが供給されるように構成されてもよいし、酸素ガス供給管2bが大気に開放されて、大気中から酸素を取り込むように構成されていてもよい。
燃料電池スタック3は、単セルと呼ばれる発電ユニット6が一般に複数積層されて構成されるが、本実施の形態1においては簡単のために1つの発電ユニット6によって燃料電池スタック3が構成されていると仮定して説明する。この発電ユニット6は、図4(b)に示すように膜電極複合体(以下、MEAと略す。)7、燃料極側セパレータ8、空気極側セパレータ9を有して大略構成される。そのMEA7は、固体高分子電解質膜(以下、PEMと略す。)10及び電極としての燃料極11と空気極12とを有して大略構成される。
この燃料極側セパレータ8は、空気極側セパレータ9とともにMEA7を保持するためのものであり、カーボングラファイト等の多孔質導電性材料で構成されている。燃料極側セパレータ8には燃料極11に当接する面にガス供給流路(流路)8aが形成されており、そのガス供給流路(流路)8aを水素ガス8bが燃料極11に接触しつつ通過することにより燃料極11に水素ガス8bが供給されるように構成されている。
空気極側セパレータ9もカーボングラファイト等の多孔質導電性材料で構成され、空気極側セパレータ9は、空気極12に当接する面にガス供給流路(流路)9aが形成されている。そのガス供給流路(流路)9aを酸素ガス8bが空気極12に接触しつつ通過することにより空気極12に酸素ガス9bが供給されるように構成されている。
燃料極11、空気極12も、カーボングラファイト等の多孔質導電性材料で構成された電極であり、PEM10を挟むようにその両面に配置されている。このPEM10とその両面に配置された燃料極11、空気極12とはヒートプレスにより熱圧着されている。図4(b)中の符号13はPEM10に水分を供給する加水装置である。この発電ユニット6では加水装置13によりPEM10に水分を供給するので、PEM10内のイオンの移動がスムーズに行われ、発電効率が高いものとなっている。
空気極側セパレータ9にはガラス窓部26が形成されている。このガラス窓部26は、レーザ光Lを透過させてガス供給流路9a内部の水分子に照射するためのもので、レーザ光Lの波長1.4μmに対して略透明とされている。もちろん、酸素ガス9bの濃度を測定するために波長0.76μmの測定光が使用される場合には、その波長0.76μmに対して略透明なガラス窓部が空気極セパレータ9に形成される。測定光の波長に対して略透明なガラス窓部26を採用することにより、測定光の強度劣化を低減することができ、測定精度向上に寄与することができる。水分子によって散乱されたレーザ光Lは再びガラス窓部26を透過してCCD23に受光されるようになっている。本実施の形態1においては、実際の発電状態と略等価な状態を再現するために、空気極セパレータ9のガラス窓部26以外の部分は、導電性材料で形成されているので不透明である。しかし、もちろん空気極側セパレータ9全体をレーザ光Lの波長に対して透明な材料、例えばガラスやアクリル樹脂等で形成してももちろんよい。
電子負荷装置27は、燃料極11、空気極12と接続されて、外部回路として機能する。すなわち、燃料電池1の発電により燃料極11側で生じた電子が電子負荷装置27を介して空気極12側へと移動し、電子負荷装置27に電流が流れることとなるが、燃料電池1の動作の詳細については省略する。
次に、この光学測定装置Sの動作について、図5に示すフローチャートを用いて説明する。燃料電池1の燃料極11及び空気極12に電子負荷装置27を接続し、水素ガス8b及び酸素ガス9bをそれぞれガス供給流路8a,9aに供給する。それにより、燃料電池1は発電を開始する(S.1)。窒素供給装置22より空隙部Gに窒素ガスNを供給する(S.2)。半導体レーザ光源21より空気極側セパレータ9のガラス窓部26を通してガス供給流路9a内に存在する酸素ガス9bに向けて強度I0のレーザ光Lを照射する(S.3)。
レーザ光Lの波長1.4μmは酸素ガス9bの分子には殆ど影響を受けないが、酸素ガス9b中に含まれる水分子Wによって吸収される。フォトダイオード23は、水分子Wを透過した後に空気極側セパレータ9の内壁で反射されたレーザ光Lを、再びガラス窓部26を通して検出する(S.4)。さらにフォトダイオード23は、このときの検出光強度Iに対応する電流値を処理回路24に向けて出力する(S.5)。
処理回路24は、受け取った電流値を増幅し、その増幅後の電流値をAD変換して数値化を行う。そしてその出力数値をPC25に向けて送信する(S.6)。
PC25は、処理回路24から送信された出力数値を受け取り、その出力数値に基づいて測定部位における水蒸気濃度を算出する(S.7)。具体的には、予め設定されたレーザ光Lの測定光強度I0と、受け取った出力数値に基づいて算出される検出光強度Iとの比の逆数I/I0に所定の濃度係数を積算することにより酸素ガス9b中の水蒸気濃度を算出する。
レーザ光Lを用いて非接触にて水蒸気濃度を測定するので、挿入型の測定プローブを用いる必要がなく、ガス供給流路9aの形状等に影響を受けることなく簡便に測定が可能である。また、ガス供給流路9a内に測定プローブ等の物体を挿入せずに非接触で測定するので、流路内の場の雰囲気を乱すことなく、正確な濃度測定が可能となる。
なお、水分子等の測定対象による測定光の吸収の度合いは、温度によって変化する。したがって、濃度測定中の測定対象の温度は、例えば一定に維持される等の管理を必要とする。
[実施の形態2]
上記実施の形態1においては、ガス供給流路9a内に存在する酸素ガス9bの水蒸気濃度を測定するために、測定レーザ光Lの波長を1.4μmとした。しかしながら、波長0.76μmの光は、水分子に殆ど影響を受けないが、酸素分子により強く吸収される性質を持つ。そこで、波長0.76μmのレーザ光を測定光として用いることにより、ガス供給流路9a内に存在する酸素ガス9bの濃度(酸素濃度)を測定することが可能となる。
上記実施の形態1においては、ガス供給流路9a内に存在する酸素ガス9bの水蒸気濃度を測定するために、測定レーザ光Lの波長を1.4μmとした。しかしながら、波長0.76μmの光は、水分子に殆ど影響を受けないが、酸素分子により強く吸収される性質を持つ。そこで、波長0.76μmのレーザ光を測定光として用いることにより、ガス供給流路9a内に存在する酸素ガス9bの濃度(酸素濃度)を測定することが可能となる。
この実施の形態2に係る光学測定は、光学測定装置に波長0.76μmの測定レーザ光を発する半導体レーザ光源とその測定光を検出可能な光検出器を用い、空気極側セパレータに波長0.76μmの測定光に対して略透明なガラス窓部を設けること以外は、実施の形態1に説明したものと略同様の構成にて行うことができる。
[実施の形態3]
図6は、濃度10%の水蒸気の吸収スペクトルの温度依存性を説明するためのグラフであり、横軸が波長〔cm−1〕、縦軸が吸収係数〔cm−1〕を示す。図よりわかるように、一定の濃度においては、温度により光の吸収の度合いが異なる。この性質を利用することにより、測定対象の温度を測定することが可能となる。また、吸収係数の異なる2つの波長の測定光を用いることにより、測定対象の濃度が不明の場合であっても正確な温度測定が可能となる。
図6は、濃度10%の水蒸気の吸収スペクトルの温度依存性を説明するためのグラフであり、横軸が波長〔cm−1〕、縦軸が吸収係数〔cm−1〕を示す。図よりわかるように、一定の濃度においては、温度により光の吸収の度合いが異なる。この性質を利用することにより、測定対象の温度を測定することが可能となる。また、吸収係数の異なる2つの波長の測定光を用いることにより、測定対象の濃度が不明の場合であっても正確な温度測定が可能となる。
例えば、温度依存性の比較的強い波長7181cm−1(1.3926μmに相当)と波長7183cm−1(1.3922μmに相当)との2つの波長の光を測定光として用いてガス供給流路9a内に存在する酸素ガス9b中の水分子にその測定光を照射し、それぞれの波長の検出光をCCD23によって検出し、その検出結果をPC25によって演算処理することにより、ガス供給流路9a内のガス温度を非接触にて正確に測定することが可能となる。
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
G:空隙部(光路)
L:レーザ光(測定光)
N:窒素ガス(不活性ガス)
W:水分子
1:燃料電池(固体高分子形燃料電池)
2:ハウジング
2a:水素ガス供給管
2b:酸素ガス供給管
2c:水素ガス排気管
2d:酸素ガス排気管
3:燃料電池スタック
6:発電ユニット(単セル)
7:膜電極複合体(MEA)
8:燃料極側セパレータ
8a:ガス供給流路(流路)
8b:水素ガス(所定のガスの一部、燃料ガス)
9:空気極側セパレータ(枠体)
9a:ガス供給流路(流路)
9b:酸素ガス
10:固体高分子電解質膜(PEM)
11:燃料極(電極)
12:空気極(電極)
S:光学測定装置
21:半導体レーザ光源
22:窒素供給装置
22a:窒素ボンベ
22b:配管
22c:バルブ
23:フォトダイオード(光検出器)
24:処理回路
25:パーソナルコンピュータ(演算処理装置)
26:ガラス窓部
27:電子負荷装置(外部回路)
L:レーザ光(測定光)
N:窒素ガス(不活性ガス)
W:水分子
1:燃料電池(固体高分子形燃料電池)
2:ハウジング
2a:水素ガス供給管
2b:酸素ガス供給管
2c:水素ガス排気管
2d:酸素ガス排気管
3:燃料電池スタック
6:発電ユニット(単セル)
7:膜電極複合体(MEA)
8:燃料極側セパレータ
8a:ガス供給流路(流路)
8b:水素ガス(所定のガスの一部、燃料ガス)
9:空気極側セパレータ(枠体)
9a:ガス供給流路(流路)
9b:酸素ガス
10:固体高分子電解質膜(PEM)
11:燃料極(電極)
12:空気極(電極)
S:光学測定装置
21:半導体レーザ光源
22:窒素供給装置
22a:窒素ボンベ
22b:配管
22c:バルブ
23:フォトダイオード(光検出器)
24:処理回路
25:パーソナルコンピュータ(演算処理装置)
26:ガラス窓部
27:電子負荷装置(外部回路)
Claims (7)
- 枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、
前記測定対象に所定波長の前記測定光を照射するステップと、
該測定対象を透過した後の前記測定光の強度を検出するステップと、
該検出結果に基づいて、演算処理装置によって前記測定対象の濃度を算出するステップと、を有することを特徴とする光学測定方法。 - 前記所定波長が1.3μm以上1.5μm以下であり、かつ前記測定対象が水蒸気であることを特徴とする請求項1に記載の光学測定方法。
- 前記所定波長が0.7μm以上0.8μm以下であり、かつ前記測定対象が酸素であることを特徴とする請求項1に記載の光学測定方法。
- 前記枠体が少なくとも部分的に前記所定波長に対し透明とされ、前記測定光が透過可能となっていることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の光学測定方法。
- 前記測定光の光路を窒素雰囲気とすることを特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載の光学測定方法。
- 枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の温度を、測定光を用いて測定する光学測定方法であって、
前記測定対象に所定波長の前記測定光を照射するステップと、
該測定対象を透過した後の前記測定光の強度を検出するステップと、
該検出結果に基づいて、演算処理装置によって前記測定対象の温度を算出するステップと、を有することを特徴とする光学測定方法。 - 枠体によって周囲を囲うように形成された流路内に存在する測定対象の濃度を、測定光を用いて測定する光学測定装置であって、
前記所定波長の測定光を発する光源と、
前記測定対象を透過した後の前記測定光の強度を検出する光検出器と、
該光検出器による検出結果に基づいて前記測定対象の濃度を算出する演算処理装置と、を有することを特徴とする光学測定装置。
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---|---|---|---|
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