JP2006339055A - 燃料電池セルの温度分布測定方法及び燃料電池セル温度分布測定用装置ならびに温度スケール作成方法及び温度スケール作成装置 - Google Patents

燃料電池セルの温度分布測定方法及び燃料電池セル温度分布測定用装置ならびに温度スケール作成方法及び温度スケール作成装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ＭＲＩ装置を用いて、燃料電池内部の温度分布等を正確に測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法を提供する。
【解決手段】電解質膜の表裏面に少なくとも触媒層、拡散層及び集電体が順次形成された燃料電池セルの温度分布を測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法であって、温度分布を、ＭＲＩ装置により測定される燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号に基づいて求める。好ましくは、集電体は、非磁性材料を主成分として構成され、集電体の拡散層に接触する部分の少なくとも一部は、非磁性金属を主成分として構成され、熱媒として流体を使用して燃料電池セルの温度調節を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気等の酸化性ガスと水素等の還元性ガス（燃料ガス）等とを原料として発電する燃料電池セルの内部の温度分布等を測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法及び燃料電池セル温度分布測定用装置に関する。
また、本発明は、ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を求めるための温度スケール作成方法及び温度スケール作成装置に関する。
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池では、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んで電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。
燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
このような燃料電池の開発を行う上で、燃料電池内部で起こっている現象、例えば、電解質膜内、触媒層内、拡散層内等における水分の分布や温度の分布等を把握することは重要である。例えば、特許文献１には、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）装置を用いて、導電性部材（燃料極、空気極）間の電解質膜に沿って、水分の水素原子に電磁波を照射して共鳴させ、電磁波の照射後に水分の水素原子が元の状態に緩和して戻る際に放出する電磁波を検出して電気信号に変換し、この電気信号に基づいて画像解析することにより、導電性部材間の電解質膜内の水分の分布を測定する方法及び測定用の燃料電池セルが記載されている。
一方、特許文献２〜４には、ＭＲＩ装置を用いて、被検体である生体の内部の温度分布を測定する方法が記載されている。
特開２００４−１７０２９７号公報 特開平８−８０２９０号公報 特開２０００−３００５３５号公報 特開２０００−３００５３６号公報
しかしながら、特許文献１に記載された測定用の燃料電池セルにおいては、集電体が非磁性体ではないため、ＭＲＩの磁場を乱してしまい、正確な水分分布の測定ができなかった。また、燃料電池は温度変化に敏感であるが、外部から供給される水素ガス、酸素ガス等の原料の供給路や燃料電池セルが保温されていないため、原料やセルの温度変化が生じ、ＭＲＩ信号にノイズが発生してしまい、正確な水分分布の測定ができなかった。さらに、燃料電池内部の温度分布を測定する方法については記載されていない。
また、特許文献２〜４には、ＭＲＩ装置を用いて、被検体である生体の内部の温度分布を測定する方法については記載されているが、燃料電池内部の温度分布を測定する方法については記載されていない。
本発明は、燃料電池内部の温度分布等を正確に測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法及び燃料電池セル温度分布測定用装置に関する。
また、本発明は、ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を正確に求めるための温度スケール作成方法及び温度スケール作成装置に関する。
本発明は、電解質膜の表裏面に少なくとも触媒層、拡散層及び集電体が順次形成された燃料電池セルの温度分布を測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法であって、前記温度分布を、ＭＲＩ装置により測定される前記燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号に基づいて求める。
また、前記燃料電池セルの温度分布測定方法において、前記集電体は、非磁性材料を主成分として構成され、前記集電体の前記拡散層に接触する部分の少なくとも一部は、非磁性金属を主成分として構成されることが好ましい。
また、前記燃料電池セルの温度分布測定方法において、熱媒として流体を使用して前記燃料電池セルの温度調節を行うことが好ましい。
また、前記燃料電池セルの温度分布測定方法において、前記燃料電池セルに外部から供給される原料の温度調節を行うことが好ましい。
また、前記燃料電池セルの温度分布測定方法において、水及び少なくとも前記温度分布を測定する温度範囲で前記水とゲルを形成するゲル化用材料を混合して形成したゲル状物質の温度と、前記ゲル状物質中の水の前記温度におけるＭＲＩ信号との相関関係を測定し、前記燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号を測定して、前記相関関係に基づいて前記温度分布を求めることが好ましい。
また、本発明は、燃料電池セルの温度分布を測定するための燃料電池セル温度分布測定用装置であって、前記燃料電池セル温度分布測定用装置は、電解質膜の表裏面に少なくとも触媒層、拡散層及び集電体が順次形成された燃料電池セルと、前記燃料電池セルの温度調節を行う温度調節手段と、を有し、前記温度分布は、ＭＲＩ装置により測定される前記燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号に基づいて求められる。
また、本発明は、ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を求めるための温度スケール作成方法であって、水及び少なくとも前記相関関係を求める温度範囲で前記水とゲルを形成するゲル化用材料を混合して形成したゲル状物質の温度と、前記ゲル状物質中の水の前記温度におけるＭＲＩ信号との相関関係を測定する。
さらに、本発明は、ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を求めるための温度スケール作成装置であって、水及び少なくとも前記相関関係を求める温度範囲で前記水とゲルを形成するゲル化用材料を混合して形成したゲル状物質と、前記ゲル状物質を入れるための、非磁性材料を主成分として構成される容器と、非磁性材料を主成分として構成される温度計測手段と、を有する。
本発明において、ＭＲＩ装置を用いることにより、燃料電池内部の温度分布等を正確に測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法及び燃料電池セル温度分布測定用装置を提供することができる。
また、本発明において、ゲル状物質を使用することにより、ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を正確に求めるための温度スケール作成方法及び温度スケール作成装置に関する。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池セル温度分布測定用装置１の構成を図面を参照して説明する。燃料電池セル温度分布測定用装置１は、ＭＲＩ装置の測定部に取り付けられる測定用装置である。
図１に本発明の実施形態に係る燃料電池セル温度分布測定用装置１の構成の一例を示す。燃料電池セル温度分布測定用装置１は、燃料電池セル３を含む。燃料電池セル３は、電解質膜１０、燃料極（アノード触媒層）１２、空気極（カソード触媒層）１４、拡散層１６、集電体１８等により構成される。燃料電池セル温度分布測定用装置１は、さらに、セパレータ２０、加熱部２２、保温層２４、ガスケット２６、締結部２８等を備える。
図１に示すように、燃料電池セル３は、電解質膜１０の両面に燃料極１２と空気極１４とが電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜電極複合体３０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜電極複合体３０を挟んで両面に設けられた拡散層１６と、拡散層１６の両外側を挟持する櫛型状の集電体１８とを備える。燃料電池セル３は、セパレータ２０により覆われ、さらにセパレータ２０の両側に加熱部２２が設けられ、加熱部２２は保温層２４で覆われている。各セパレータ２０間、セパレータ２０と保温層２４との間にはガスケット２６が設けられている。また、セパレータ２０と保温層２４とは、締結部２８により締結されている。櫛型状の集電体１８の空洞部は、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路３２，３４となっている。
ここで、電解質膜１０としては、プロトン（Ｈ＋）や酸素イオン（Ｏ２−）等のイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、例えば、固体高分子電解質膜、安定化ジルコニア膜等が挙げられるが、好ましくはパーフルオロスルホン酸系等の固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することができる。電解質膜１０の膜厚は例えば、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは３０μｍ〜５０μｍの範囲である。
燃料極１２としては、例えば、白金（Ｐｔ）等をルテニウム（Ｒｕ）等の他の金属と共に担持したカーボン等の触媒が用いられる。燃料極１２の膜厚は例えば、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。
空気極１４としては、例えば、白金（Ｐｔ）等を担持したカーボン等の触媒が用いられる。空気極１４の膜厚は例えば、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは１μｍ〜２０μｍの範囲である。
燃料極１２及び空気極１４は、例えば、超音波分散法、沈降法、スプレー法、印刷法、転写法等により電解質膜１０上に形成することができる。また必要に応じて、燃料極１２及び空気極１４を電解質膜１０上に形成した後、加熱、圧着して、燃料極１２及び空気極１４と電解質膜１０との接合面を強固にしてもよい。
拡散層１６としては、導電性が高く、燃料及び空気等の原料の拡散性が高い材料であれば特に制限はないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられ、カーボンクロス、ガラス状カーボン等のカーボン材料が好ましく、カーボンクロス等の多孔質カーボン材料であることがより好ましい。拡散層１６の膜厚は例えば、１００μｍ〜１０００μｍ、好ましくは２００μｍ〜６００μｍの範囲である。
集電体１８は、樹脂等の非磁性材料を主成分として構成され、集電体１８の拡散層１６に接触する部分の少なくとも一部は、非磁性金属を主成分として構成される。集電体１８は、図１に示すような櫛型形状であり、拡散層１６と接触する櫛部分の少なくとも一部が非磁性金属を主成分として構成される。図２に、集電体１８の櫛部分の拡大図を示す。樹脂等で形成された集電体１８の拡散層１６と接触する櫛部分の一部に非磁性金属を主成分とする材料が集電部３６として埋め込まれている。非磁性金属としては特に制限はないが、例えば、白金（Ｐｔ）や、金メッキした銅等が挙げられる。また、集電体を主成分として形成する樹脂は、燃料電池の動作温度以上、例えば７０℃〜９０℃以上で耐熱性のある樹脂であれば特に制限はないが、例えば、ポリカーボネートが挙げられる。また、集電体１８は、櫛型形状に限らない。
このように、集電体１８を非磁性体である樹脂等で構成し、拡散層１６と接触する集電部３６としてＰｔ等の非磁性金属を使用することにより、真鍮等の磁性金属やＰｔ等の非磁性金属だけで集電体を形成した場合に比べて、少量の非磁性金属で集電体１８を構成することができるので、ＭＲＩ装置に燃料電池セル温度分布測定用装置１を装着して使用したときに、集電体１８が磁化されることによる渦電流の発生を抑制し、ＭＲＩの磁場を乱すことを抑制することができる。したがって、ＭＲＩ装置により、燃料電池内部の温度分布等をより正確に測定することができる。
集電部３６は集電板３７に電気的に接続され、外部回路に接続される。発電時に燃料極１２で生成した電子（ｅ−）が集電部３６から集電板３７及び外部回路を経由して電解質膜１０を挟んで反対側の集電板３７及び集電部３６を介して空気極１４に到達する。集電板３７は、アルミニウム、白金、銅等の非磁性金属を主成分として構成される。
セパレータ２０は、燃料電池の動作温度以上、例えば７０℃〜９０℃以上で耐熱性のある樹脂であれば特に制限はないが、例えば、ポリカーボネートが挙げられる。セパレータ２０を非磁性材料である樹脂で構成することにより、ＭＲＩの磁場を乱すことがないため、ＭＲＩ装置により、燃料電池内部の水分分布、温度分布等をより正確に測定することができる。
加熱部２２及び保温層２４は、温度変化に敏感である燃料電池部を保温する役割を果たす。加熱部２２としては、セパレータ２０を通して燃料電池セル３（電解質膜１０、燃料極１２、空気極１４、拡散層１６、集電体１８）を加熱することができる手段であれば特に制限はないが、各種ヒータ；温水、蒸気、各種オイル等の各種熱媒；等を使用することができる。ＭＲＩの信号へのノイズ発生を抑制するために、また燃料電池部を均一に加熱するために、加熱部２２としては電熱線等のヒータを使用するよりも、温水、各種オイル等の流体を熱媒として使用することが好ましく、温水を使用することがより好ましい。この場合、温水、蒸気、各種オイル等の熱媒は外部より供給することができる。
使用する温水の温度は、燃料電池の動作温度以上の温度、例えば、燃料電池を７０℃〜９０℃で動作させる場合、９０℃〜９５℃である。
保温層２４は、加熱部２２による加熱温度に対する耐熱性があり、熱容量が大きく保温性がある材料であれば特に制限はないが、例えば、アクリル系樹脂等が挙げられる。保温層２４を非磁性材料である樹脂で構成することにより、ＭＲＩの磁場を乱すことがないため、ＭＲＩ装置により、燃料電池内部の温度分布等をより正確に測定することができる。
ガスケット２６としては、加熱部２２による加熱温度に対する耐熱性があり、気密性、水密性の高い材料であれば特に制限はないが、例えば、シリコン、ポリカーボネート等の樹脂等が挙げられ、シリコンがより好ましい。ガスケット２６を使用することにより、原料ガス等のリークを防止することができる。
締結部２８は、具体的には、ボルト、ナット、ワッシャ等であり、材質には特に制限はないが、ＭＲＩの信号へのノイズ発生を抑制するために、アルミニウム、チタン等の非磁性金属であることが好ましい。また、締結部２８は、集電板３７と接触することによる燃料極１２及び空気極１４間の短絡の防止のために、塩化ビニル樹脂等の樹脂製の熱収縮チューブで覆うことが好ましい。
このように構成された燃料電池セル温度分布測定用装置１を、ＭＲＩ装置に取り付け、燃料電池内部の温度分布等を測定する。測定時には、温水等の熱媒を外部より加熱部２２に供給して、燃料電池セル３を保温し、さらに原料供給管４２を温水等の熱媒を外部より供給して保温しながら、水素ガス及び空気等を原料供給路３２，３４に供給して燃料電池セル３を作動させる。なお、本発明において、燃料電池セル温度分布測定用装置１を使用してＭＲＩ装置により燃料電池セル３内部の水分分布を測定してもよい。
燃料電池セル３において、例えば、燃料極１２に供給する原料を水素ガス、空気極１４に供給する原料を空気として運転した場合、燃料極１２において、
２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−
で示される反応式を経て、水素ガス（Ｈ２）から水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。電子（ｅ−）は集電体１８から外部回路を通り、電解質膜１０を挟んで反対側の集電体１８から空気極１４に到達する。空気極１４において、供給される空気中の酸素（Ｏ２）と、電解質膜１０を通過した水素イオン（Ｈ＋）と、外部回路を通じて空気極１４に到達した電子（ｅ−）により、
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ
で示される反応式を経て、水が生成する。このように燃料極１２及び空気極１４において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。
図３には、本実施形態に係る燃料電池セル温度分布測定用装置１を動作させるための燃料電池セル温度分布測定用システム５の構成の一例を示す。燃料電池セル温度分布測定用装置１は、ＭＲＩ装置６２の測定部に取り付けられる。燃料電池セル温度分布測定用装置１には、水素ボンベ等の水素ガス供給手段３８から水素ガスを、ベビーコンプレッサ等の空気供給手段４０から空気を、それぞれ原料供給管４２を通して供給する。水素ガス及び空気の供給量は制御部４４により制御される。原料供給管４２は、原料が供給時に温度が下がりＭＲＩ装置内で結露することを防止するために、図４に示すように、原料が通る管の外部を温水等の熱媒が通るように二重構造として保温することが好ましい。また、このように原料供給管４２を保温することにより、温度変化に敏感である燃料電池部内のＭＲＩ信号を測定する際のノイズを減少させることができる。なお、温水は、ヒータ等の加熱手段４６により加熱され供給される。
また、露点温度、セル温度、供給原料温度等を測定するために熱電対等の温度測定部４８を設けてもよい。温度測定部４８としては、ＭＲＩの信号へのノイズ発生を抑制するために、ステンレス等の材質の熱電対を使用することが好ましい。
ＭＲＩ装置６２は、静磁場を発生させる静磁場発生手段と、傾斜磁場を発生させる傾斜磁場発生手段と、電磁波を照射させる電磁波照射手段と、電磁波を検出する電磁波検出手段と、検出した電磁波を電気信号に変換する変換手段と、この電気信号に基づきＭＲＩ画像を作成・出力する画像処理手段とを備えて構成される。なお、ＭＲＩ画像は、前記電気信号に基づき、電気信号をグラフ化したものを含む。
ＭＲＩ装置６２を用いて、例えば、燃料極１２及び空気極１４間の電解質膜１０に沿って、水分の水素原子に電磁波を照射して共鳴させ、電磁波の照射後に水分の水素原子が元の状態に緩和して戻る際に放出する電磁波を検出して電気信号（ＭＲＩ信号）に変換し、この電気信号の強度に基づいて画像解析することにより、燃料極１２及び空気極１４間の電解質膜１０内等の水分の分布を膜厚方向、面内方向等に３次元的に測定することができる。
また、水のプロトンの核磁気共鳴周波数が温度に比例する（−０．０１ｐｐｍ／℃）ことが知られており、化学シフト量と温度との関係を予め測定しておけば、水のプロトンの化学シフトを測定することにより温度を算出することができる。この場合、温度変化前後の化学シフト変化は、位相変化量に比例するので、ＭＲＩ信号の位相変化量から温度を算出することができる。したがって、ＭＲＩ装置６２を用いて、例えば、燃料極１２及び空気極１４間の電解質膜１０に沿って、水分の水素原子に電磁波を照射して共鳴させ、電磁波の照射後に水分の水素原子が元の状態に緩和して戻る際に放出する電磁波を検出して電気信号（ＭＲＩ信号）に変換し、この電気信号の位相変化量に基づいて画像解析することにより、燃料極１２及び空気極１４間の電解質膜１０内等の温度の分布を膜厚方向、面内方向等に３次元的に測定することができる。
この場合、水の温度に対する、水のプロトンから得られる位相変化量を予め正確に測定する必要があるが、単にサンプルとして水を使用して、水の温度を変えてＭＲＩ測定を行い、水の温度とＭＲＩ信号の位相変化量との関係を求めようとしても、水の対流の影響を受け、正確に求めることが困難である。そこで、本実施形態では、以下のようにして水の対流の影響を少なくして水の温度とＭＲＩ信号の位相変化量との関係を求める。
図５に、本実施形態に係る温度スケール作成方法に使用する温度スケール作成装置７を示す。有底の円筒状、四角柱状等の容器５０の内部に少なくとも１つの温度計測手段５２が設置されている。容器５０の内部には水でゲル化したゲル状物質５４が入れられている。治具の上面はふた５６で封止される。温度計測手段５２は外部の温度計測部５８に接続され、温度計測部５８はさらに制御部６０に接続されている。また、ＭＲＩ装置６２が、制御部６０に接続されている。
次に、この温度スケール作成装置７を使用した温度スケール作成方法について説明する。ゲル化用材料６４を水に加えて加熱することによりゲル化させたゲル状物質５４が入れられた容器５０を、計測対象温度の上限より高い温度に加熱した後、ＭＲＩ装置６２の測定部に設置する。自然冷却しながら、温度計測手段５２により容器５０内部のゲル状物質５４の温度を計測すると同時に、温度を計測しているポイントのＭＲＩ信号を計測する。温度計測データと、ＭＲＩ計測データとは制御部６０に送られて解析され、水の温度とＭＲＩ信号の位相変化量との関係が求められ、温度スケールが作成される。
容器５０及びふた５６は、計測対象温度の上限より高い温度、例えば、燃料電池の動作温度である７０℃〜９０℃以上の温度で耐熱性のある材料であり、非磁性である材料であれば特に制限はない。そのような材料としては例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート等の樹脂やアルミニウム、ステンレス、白金、銅等の非磁性金属等が挙げられるが、非磁性金属でも磁化されることにより渦電流が発生し、ＭＲＩの磁場を乱す場合があることから、樹脂材料であることが好ましい。
温度計測手段５２としては、例えば、熱電対が用いられる。熱電対を構成する材料は、非磁性であればよく特に制限はないが、例えば、ステンレス等の金属材料が用いられる。熱電対等の温度計測手段５２により計測された温度は温度計測部５８から制御部６０に出力される。また、熱電対等の温度計測手段５２は温度を正確に測定するために、少なくとも２つ以上設置し、その平均値を採用することが好ましい。
ゲル化用材料６４としては、計測対象温度範囲で水とゲルを形成する物質であれば特に制限はないが、例えば、片栗粉（馬鈴薯でんぷん）、コーンスターチ、ポテトスターチ等のでんぷん；寒天；高分子凝集剤；等が挙げられる。ゲル化用材料６４は、計測対象温度範囲に応じて選択すればよい。７０℃〜９０℃で動作する燃料電池の場合は、７０℃より高い温度でゲル状となる片栗粉、ポテトスターチが好ましい。
また、上記のようにゲル状物質５４をＭＲＩ信号の測定直前に、ＭＲＩ信号の計測対象温度の上限より高い温度に加熱するが、自然冷却による温度低下を考慮して、計測対象温度の上限より１０℃以上、好ましくは２０℃以上、より好ましくは３０℃以上高い温度に加熱しておくことが好ましい。例えば、７０℃〜９０℃が計測対象温度範囲の場合には、ＭＲＩ測定直前に１２０℃程度に、ゲル状物質５４を入れた容器５０を加熱する。また、冷間動作時の燃料電池内部の温度変化測定のために、通常の動作温度よりも低い温度、例えば、室温（１５℃〜３５℃）や０℃以下での計測を行う場合もあるが、その場合は室温や０℃以下の計測対象温度範囲でもゲル状態を保持する材料を使用することが好ましい。
なお、ゲル状物質５４を入れた容器５０を、各種ヒータ、冷却器、各種熱媒、冷媒等の温度調整手段により温度調節を行いながら、ＭＲＩ測定を行ってもよい。
ＭＲＩ信号の測定は通常１つの測定対象点につき５分〜１０分かけて行われる。この場合、単に水を媒体としてＭＲＩ信号の測定を行うと、水の対流の影響を受け、図７に示すように測定温度とＭＲＩ信号の位相変化量との間に直線関係が成立しない。しかし、ゲル状物質５４内の水のプロトンの温度及びＭＲＩ信号を測定することにより、単に水を対象に測定した場合に比べて、水の対流による影響を少なくすることができ、図６に示すように測定温度とＭＲＩ信号の位相変化量との間に直線性が高くなる。したがって、正確な温度スケールを作成することができる。
この温度スケール作成方法および温度スケール作成装置により作成した温度スケールは、ＭＲＩ装置を用いて燃料電池セル内部の温度分布を測定するために好適に用いられるが、燃料電池セル内部の温度分布の測定以外にも、例えば、生体組織、蓄熱槽中の水の測定等に用いることができる。
このように、本実施形態において、集電体の集電部に少量の非磁性材料を使用して、燃料電池セル及び燃料電池セル温度分布測定用装置の構成材料中の磁性材料及び非磁性金属の使用量を減らすことにより、ＭＲＩ測定時の磁場の乱れ等を減少することができ、ＭＲＩ装置を用いて、燃料電池内部の水分分布、温度分布等を正確に測定することができる。
また、本実施形態において、セパレータ、保温層等に非磁性材料である樹脂材料を使用して、燃料電池セルの構成材料中の磁性材料及び非磁性金属の使用量を減らすことにより、ＭＲＩ測定時の磁場の乱れ等を減少することができ、ＭＲＩ装置を用いて、燃料電池内部の水分分布、温度分布等を正確に測定することができる。
また、本実施形態において、熱媒として流体を使用して燃料電池セルの温度調節を行うことにより、ＭＲＩ装置を用いて、温度に敏感である燃料電池内部の水分分布、温度分布等を正確に測定することができる。
また、本実施形態において、燃料電池セルに外部から供給される原料の温度調節を行うことにより、ＭＲＩ装置を用いて、温度に敏感である燃料電池内部の水分分布、温度分布等を正確に測定することができる。
このような燃料電池セルの構成とすることにより、実際の燃料電池セルと材料は異なるが、構成が近いため、燃料電池としての性能面にも大きな違いがない。したがって、実際の燃料電池セルのモデルとして、燃料電池セル内部の水分分布、温度分布等を正確に測定することができる。
また、本実施形態において、ゲル状物質を使用して温度スケールを作成することにより、ＭＲＩ装置を用いて、燃料電池セル等の温度分布を正確に測定することができる。
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
＜温度スケールの作成＞
片栗粉３０ｇをイオン交換水１００ｇに加え、ウオーターバスで８０℃に加熱しながら、ガラス棒により５分間撹拌し、ゲル状物質５４を作成した。このゲル状物質５４を、図５に示すような有底の円筒状の容器５０（材質:ポリカーボネート、直径８０ｍｍ×高さ１００ｍｍ）内に添加した。容器５０には熱電対（ステンレス製）を底面から２５ｍｍ、５０ｍｍ、７５ｍｍの位置に３つ設置した。ゲル状物質５４を入れた容器５０にふた５６（材質：ポリカーボネート）をしてから、オイルバスにより１２０℃に加熱した後、ＭＲＩ装置（Ｖａｒｉａｎ社 ＵＮＩＴＹ ＩＮＯＶＡ）の測定部にセットし、ＭＲＩ測定を行った。測定中は容器５０は自然冷却状態とした。熱電対の先端の温度が測定温度９５℃、９０℃、８５℃、８０℃、７５℃、７０℃の６点について、測定時間を各点につき５分間として熱電対の先端部分のＭＲＩ信号を測定した。ＭＲＩ信号の測定条件は下記の通りとした。測定温度とＭＲＩ信号から求めた位相信号との関係を図６に示す。
ＭＲＩ信号測定条件：繰り返し時間（ＴＲ）＝１０００ｍｓｅｃ、エコー時間（ＴＥ）＝１００ｍｓｅｃ、スライス厚＝５ｍｍ、視野（ＦＯＶ）＝１５０ｍｍ×１５０ｍｍ
（比較例１）
ゲル状物質の代わりにイオン交換水を使用した以外は実施例１と同様にして測定を行った。測定温度とＭＲＩ信号から求めた位相信号との関係を図７に示す。
図６及び図７からわかるように、ゲル状物質を使用した実施例１の場合、水を使用した比較例１に比べて、測定温度とＭＲＩ信号から求めた位相信号との関係が良好な直線性を示すことがわかる。
（実施例２）
＜燃料電池の温度分布測定＞
図１に示すような燃料電池セルを作製した。大きさ１００ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ５０μｍのパーフルオロスルホン酸系固体高分子の電解質膜１０の表裏面に、燃料極１２及び空気極１４を大きさ１００ｍｍ×１５ｍｍ、膜厚１０μｍで電解質膜１０を挟んで対向するように形成し、膜電極複合体（ＭＥＡ）３０を得た。燃料極１２には、ＰｔをＲｕとともにカーボンブラックに担持した触媒、空気極１４には、Ｐｔをカーボンブラックに担持した触媒をそれぞれ使用した。膜電極複合体（ＭＥＡ）３０の表裏面に、拡散層１６（材質カーボン）を大きさ１００ｍｍ×１５ｍｍ、膜厚２５０μｍで、膜電極複合体（ＭＥＡ）３０を挟んで対向するように形成した。さらに、この拡散層１６両面に、図２に示すような櫛型形状の集電体（材質：ポリカーボネート樹脂、大きさ１２０ｍｍ×１５ｍｍ×一番高い部分の高さ２．０ｍｍ、櫛の幅ｖ：１ｍｍ、櫛の高さｗ：０．５ｍｍ、櫛の間隔ｚ：１ｍｍ、櫛の先端部分に幅ｘ：０．８ｍｍ，高さｙ：０．４ｍｍのＰｔが集電部３６として埋め込まれている）を拡散層１６に櫛部分が密着するように設置し、さらに集電部３６と電気的に接続した集電板３７（材質：銅に金メッキを施したもの）を設置した。その後、その表裏面及び測面をガスケット２６（材質：シリコン製、膜厚：０．２ｍｍ）を挟んでセパレータ２０（材質：ポリカーボネート樹脂）で覆い、セパレータ２０の表裏面に加熱部２２及び保温層２４（材質：アクリル系樹脂）を設けた。加熱部２２には外部で加熱した９０〜９５℃の温水を循環して流し、燃料電池セル３を保温する構造とした。セパレータ２０と保温層２４とは、締結部２８（厚さ０．１ｍｍの塩化ビニル樹脂製の熱収縮チューブで覆ったアルミニウム製のボルト、ナット、ワッシャ）により締結した。燃料極１２から発生する電子は、集電部３６から集電板３７を介して外部回路へ取り出し、集電部３６を介して空気極１４に導かれるように構成した。
このように形成した燃料電池セル温度分布測定用装置１を、図３に示すようにＭＲＩ装置（Ｖａｒｉａｎ社 ＵＮＩＴＹ ＩＮＯＶＡ）の測定部にセットし、原料供給路３２には水素ガス、原料供給路３４には空気を外部から供給した。原料供給管４２は、図４のように、全体の内径４０ｍｍの温水通路に内径８ｍｍの原料通路を有する構造とし、温水通路には９０〜９５℃の温水を外部から循環させた。
このような燃料電池セル温度分布測定用システム５を使用してＭＲＩ装置により燃料電池セル内部の水分分布、温度分布を測定した。集電部３６として非磁性材料であるＰｔを使用して、保温手段により燃料電池部及び原料供給路４２等を保温することにより、ＭＲＩ装置を用いて、燃料電池内部の水分分布、温度分布を正確に測定することができた。また特に、実施例１で作成した温度スケール（測定温度とＭＲＩ信号から求めた位相信号との関係）を使用することにより、より正確な温度分布の測定が可能となった。
本発明の実施形態に係る燃料電池セル温度分布測定用装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの集電体の櫛部分の断面を示す拡大図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セル温度分布測定用システムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る原料供給管の断面を示す図である。 本発明の実施形態に係る温度スケール作成装置の構成の一例を示す図である。 実施例１における温度スケール作成方法で測定した、ゲル状物質中の水の温度とその水の温度に対するＭＲＩ信号の位相変化量との関係を示す図である。 比較例１における、従来の温度スケール作成方法で測定した、水の温度とその水の温度に対するＭＲＩ信号の位相変化量との関係を示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池セル温度分布測定用装置、３ 燃料電池セル、５ 燃料電池セル温度分布測定用システム、７ 温度スケール作成装置、１０ 電解質膜、１２ 燃料極（アノード触媒層）、１４ 空気極（カソード触媒層）、１６ 拡散層、１８ 集電体、２０ セパレータ、２２ 加熱部、２４ 保温層、２６ ガスケット、２８ 締結部、３０ 膜電極複合体（ＭＥＡ）、３２，３４ 原料供給路、３６ 集電部、３７ 集電板、３８ 水素ガス供給手段、４０ 空気供給手段、４２ 原料供給管、４４，６０ 制御部、４６ 加熱手段、４８ 温度測定部、５０ 容器、５２ 温度計測手段、５４ ゲル状物質、５６ ふた、５８ 温度計測部、６２ ＭＲＩ装置、６４ ゲル化用材料。

Claims (8)

  1. 電解質膜の表裏面に少なくとも触媒層、拡散層及び集電体が順次形成された燃料電池セルの温度分布を測定するための燃料電池セルの温度分布測定方法であって、
    前記温度分布を、ＭＲＩ装置により測定される前記燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号に基づいて求めることを特徴とする燃料電池セルの温度分布測定方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池セルの温度分布測定方法であって、
    前記集電体は、非磁性材料を主成分として構成され、
    前記集電体の前記拡散層に接触する部分の少なくとも一部は、非磁性金属を主成分として構成されることを特徴とする燃料電池セルの温度分布測定方法。
  3. 請求項１または２に記載の燃料電池セルの温度分布測定方法であって、
    熱媒として流体を使用して前記燃料電池セルの温度調節を行うことを特徴とする燃料電池セルの温度分布測定方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルの温度分布測定方法であって、
    前記燃料電池セルに外部から供給される原料の温度調節を行うことを特徴とする燃料電池セルの温度分布測定方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルの温度分布測定方法であって、
    水及び少なくとも前記温度分布を測定する温度範囲で前記水とゲルを形成するゲル化用材料を混合して形成したゲル状物質の温度と、前記ゲル状物質中の水の前記温度におけるＭＲＩ信号との相関関係を測定し、
    前記燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号を測定して、前記相関関係に基づいて前記温度分布を求めることを特徴とする燃料電池セルの温度分布測定方法。
  6. 燃料電池セルの温度分布を測定するための燃料電池セル温度分布測定用装置であって、
    前記燃料電池セル温度分布測定用装置は、
    電解質膜の表裏面に少なくとも触媒層、拡散層及び集電体が順次形成された燃料電池セルと、
    前記燃料電池セルの温度調節を行う温度調節手段と、
    を有し、
    前記温度分布は、ＭＲＩ装置により測定される前記燃料電池セル内部の水のＭＲＩ信号に基づいて求められることを特徴とする燃料電池セル温度分布測定用装置。
  7. ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を求めるための温度スケール作成方法であって、
    水及び少なくとも前記相関関係を求める温度範囲で前記水とゲルを形成するゲル化用材料を混合して形成したゲル状物質の温度と、前記ゲル状物質中の水の前記温度におけるＭＲＩ信号との相関関係を測定することを特徴とする温度スケール作成方法。
  8. ＭＲＩ装置による、水の温度とＭＲＩ信号との相関関係を求めるための温度スケール作成装置であって、
    水及び少なくとも前記相関関係を求める温度範囲で前記水とゲルを形成するゲル化用材料を混合して形成したゲル状物質と、
    前記ゲル状物質を入れるための、非磁性材料を主成分として構成される容器と、
    非磁性材料を主成分として構成される温度計測手段と、
    を有することを特徴とする温度スケール作成装置。
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