JP2012151014A

JP2012151014A - 酸素濃度計測装置

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Publication number: JP2012151014A
Application number: JP2011009459A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ono; 隆大野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-08-09

Abstract

【課題】酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質を用いて燃料電池セル中の酸素濃度を計測するとき温度の影響を除いた酸素濃度を得る。
【解決手段】燃料電池セルの酸素濃度測定領域における酸素濃度測定用蛍光の像と温度測定用赤外線の像を一致させるために両検出器のそれぞれ、又はどちらか一方に位置調整用のステージを設置する。これにより同一箇所の酸素濃度と温度が計測でき、温度補正を行なった酸素濃度を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池およびダイレクトメタノール形燃料電池の電池特性や電池寿命の研究・評価に使用する酸素濃度計測装置に関する。

燃料電池は、固体高分子からなる電解質膜の一方の側にカソードである酸素極を配し、他方の側にアノードである燃料極を配したセルを用い、カソードに空気等の酸化剤ガスを、アノードに水素リッチな燃料ガスをそれぞれ供給し、水素と酸素から水を得る電池反応によって起電力を得ている。

固体高分子形燃料電池を普及するには、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、燃料電池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、燃料電池単セル内で生じている化学反応を解析する必要がある。

このような観点からこれまでに発表されている研究のひとつに、カソード側セパレータの一部を光透過窓にした可視化単セルを形成し、セル内での加湿水や生成水の挙動を観測しているものがある。これによれば、電池の電圧特性、寿命特性が電池内部の加湿水や反応生成水の水分の影響を受けることから、単セル内での生成水の移動を直接観測することに意義があることが報告されている。（非特許文献１）。

しかしながら、電池性能の変化に影響を与えるのは水分だけではない。水分以外に化学反応に影響を与える要因として、セル温度がある。また、電池反応は、酸素と水素とが結合して水を発生することであり、酸素の分布が大きな影響を与えると思われる。これまで、水分や温度を単独で可視化することは検討されていたが、燃料電池セル内での酸素分布の有効な計測手段が存在しなかったこともあって、酸素濃度分布については十分な検討がなされていない。

しかし、特許文献１に燃料電池セル内での酸素濃度分布の計測装置が開示されている。
前記特許文献１によれば、酸素導入用カソード側セパレータおよび／又は燃料導入用アノード側セパレータに、酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質を固定し、前記酸素モニタ物質の変化を光学的に測定することによって酸素濃度分布を計測する方法が述べられている。

図２に従来の装置例として、特許文献１における一実施例である燃料電池反応計測装置の概略構成を示す。燃料電池反応計測装置は、ステージユニット４１と、共用ユニット４２と、温度計測ユニット４３と、赤外吸収計測ユニット４４と、酸素濃度計測ユニット４５とにより構成される。

ステージユニット４１は、燃料電池単セル１１を載置するステージ機構５１からなる。共用ユニット４２は、凸面鏡と凹面鏡とが組み合わされたシュワルツシルド鏡５３を用いた光学系と、多層膜からなるビームスプリッタ５４、５５と、ミラー５６と、焦点を順次調整するリレー光学系レンズ５７、５８とにより構成される。

ビームスプリッタ５４は、波長範囲が５〜１０μｍの赤外線を透過し、それ以外の光線を反射する。これにより、燃料電池単セル１１の温度を反映する黒体輻射（波長５μｍ以上の赤外線）が、温度計測ユニット４３に導かれる。一方、水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素の赤外吸収測定に用いる５μｍより短波長光は反射され、ビームスプリッタ５５において、蛍光と赤外光とに分離される。すなわち、波長範囲が１μｍ以下の光を透過し、１μｍ〜５μｍの波長範囲の赤外光を反射する。
一方、酸素濃度の検出に用いられる蛍光は、ビームスプリッタ５５を透過し、ミラー５６で反射され、酸素濃度計測ユニット４５に導かれる。また、リレー光学系レンズ５７、５８は、赤外吸収計測ユニット４４、酸素濃度計測ユニット４５に導かれる検出光の焦点位置を調整するものである。

温度計測ユニット４３は、温度計測用赤外線検出器６３から構成される。また、赤外吸収計測ユニット４４は、赤外光源７１と、ビームスプリッタ７２と、赤外吸収計測用赤外検出器７３から構成される。また、酸素濃度計測ユニット４５は、発光ルミネッセンス励起用のレーザ光源８１と、ビームスプリッタ８２と、酸素検出用蛍光検出器８３から構成される。酸素検出用蛍光検出器８３は発光ルミネッセンス強度を測定することで酸素濃度を計測することができる。

いま、ステージ機構５１上に燃料電池単セル１１を載置し、赤外光源７１からの赤外吸収測定用赤外光およびレーザ光源８１からの励起光を照射すると、温度計測用赤外線検出器６３、赤外吸収計測用赤外検出器７３、酸素検出用蛍光検出器８３によりそれぞれの温度データ、赤外吸収データ、酸素濃度データを同時かつ独立に測定することができる。

なお、燃料電池単セル１１は、固体高分子からなる膜電極接合体１２をカソード側セパレータ１４と、アノード側セパレータ１３で挟持し、さらにその外側に両面より密閉固定する導電性平板１７、１８より構成される。また、導電性平板１７の一部に光透過窓１６を備えることにより、カソード側セパレータ１４内に固定された酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ１５ａ〜１５ｅの変化を光学的に測定可能にする。

特開２００７−８７６９１号公報

第１２回燃料電池シンポジウム講演予稿集、平成１７年５月１１日〜１２日、２００５年東京、７８Ｐ〜８１Ｐ、可視化単セル装置による固体高分子形燃料電池の水分移動解析、三菱電機株式会社先端技術総合研究所、重岡浩昭、吉岡省二、出版２００５年度版

ところで、酸素モニタ物質には酸素濃度により光特性が変化する白金ポルフィリン等の発光ルミネッセンス材料が使用されるが、これらの物質は励起光に対する蛍光量が温度によって変化することがわかっている。（参考として、図３に白金ポルフィリンの「発光量の温度依存性」の実験データを示す。）

一方検査の対象である固体高分子形燃料電池(PEFC)およびダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)は作動温度が常温より高い１００℃前後であり、かつ検査物内で温度分布を持っているため、検査物内での温度分布によって同じ酸素濃度でも発光する蛍光量が異なり、温度による補正を行なわないと正確な酸素濃度データを得ることができない。したがって、温度の影響を除いた酸素濃度の計測データを得ることが課題である。

酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質をセル内に固定するとともに光透過窓を備えた燃料電池セルを計測対象とする酸素濃度計測装置において、前記燃料電池セルに励起光を照射する光源と、前記燃料電池セルの温度分布を光学的に測定する温度検出器と、前記温度検出器による温度分布測定と同時に前記酸素モニタ物質からの蛍光を測定して前記燃料電池セルの酸素濃度分布を光学的に測定する酸素濃度検出器と、前記温度検出器と前記酸素濃度検出器により得られる両方の分布測定結果を位置合わせするために、前記温度検出器あるいは前記酸素濃度検出器の少なくとも一方の位置を調整する位置調整用ステージを備えたものである。

さらに本発明は、前記酸素モニタ物質が発する蛍光量の温度依存性を示す温度特性テーブルと、前記温度検出器によって得られた温度測定値と前記温度特性テーブルに基づいて温度による酸素濃度測定値への影響を除去する補正手段を備えることが望ましい。

したがって本発明により、前記酸素モニタ物質を介して燃料電池セルの同一領域の温度と酸素濃度を測定できるので、温度補正を行った酸素濃度データを取得することができる。

本発明によれば、燃料電池セル内での温度補正を行った酸素の分布を可視化することができる。すなわち、セル内での酸素の挙動や消費状況による酸素分布、あるいは酸素の漏れ分布を解析することができ、セル内での酸素分布とその経時変化を計測することができる。したがって、セル内の酸素分布を改善して電圧特性、寿命等の電池性能に優れた燃料電池開発をするための研究、セル評価に利用することができる。

本発明の一実施例である酸素濃度計測装置の構成の概要を示す図である。従来の一実施例である燃料電池反応計測装置の構成の概要を示す図である。白金ポルフィリンの「発光量の温度依存性」の実験データを示す。

図１に、本発明の一実施例である酸素濃度計測装置の構成の概要を示す。酸素濃度計測装置は、共用ユニット２１と、温度計測ユニット２２と、酸素濃度計測ユニット２３、酸素濃度算出ユニット３４および燃料電池単セル１により構成される。

共用ユニット２１は、ビームスプリッタ２４、２５と、照明系２８およびに光源２６より構成される。なお、照明系２８は、光源の拡散角調整用レンズと、光源の均一化用拡散板と、蛍光および散乱光の抑制用のフィルタより構成される。

ビームスプリッタ２４は、波長範囲が５〜１０μｍの赤外線を透過し、それ以外の光線を反射する。これにより、燃料電池単セル１の温度を反映する黒体輻射（波長５μｍ以上の赤外線）が、温度計測用赤外線検出器３１に導かれる。一方、発光ルミネッセンス材料で構成された酸素モニタ５ａ〜５ｅより発光した蛍光がビームスプリッタ２５で反射され、酸素検出用蛍光検出器３６に導かれ、酸素濃度の検出に用いられる。なお、温度計測用赤外線検出器３１および酸素検出用蛍光検出器３６は、レンズと光を感じる２次元の受光素子などで構成されたカメラである。

温度計測ユニット２２は、温度計測用赤外線検出器３１とステージ機構３３より構成され、また酸素濃度計測ユニット２３は、酸素検出用蛍光検出器３６とステージ機構３８より構成される。なお、ステージ機構３３とステージ機構３８は、温度計測用赤外線検出器３１と酸素検出用蛍光検出器３６の撮影像を合致させるために両検出器の位置調整を行なうものであり、Ｘ方向、Ｙ方向および回転方向の動作が可能である。

ところで、温度計測用赤外線検出器３１と酸素検出用蛍光検出器３６のそれぞれの測定は、測定領域が一致しているとは限らない。したがって、正確な酸素濃度を得るためには、前記測定領域を一致させることが必要であり、温度計測用赤外線検出器３１と酸素検出用蛍光検出器３６のそれぞれに、ステージ機構３３、３８が配設される。ステージ機構３３、３８により、燃料電池単セル１からの蛍光量を撮像する酸素濃度測定の像と赤外線にて温度を観測する温度測定の像を一致させるべく調整がなされる。なお、ステージ機構３３、３８は温度計測用赤外線検出器３１と酸素検出用蛍光検出器３６のどちらか一方に配設してもよく、ステージ機構を配設した検出器の像をステージ機構を配設しない検出器の像に合わせるべく調整してもよい。

いま、燃料電池単セル１に、光源２６から励起光を照射すると、温度計測用赤外線検出器３１、酸素検出用蛍光検出器３６により温度および酸素濃度を同時かつ独立に測定することができる。それらの温度データおよび酸素濃度データは、酸素濃度算出モジュール６１および温度―蛍光量補正テーブル６２から構成される酸素濃度算出ユニット３４に送られ、酸素モニタを構成する発光ルミネッセンス材料の「発光量の温度依存性」データ（図３参照）より作成された温度―蛍光量補正テーブル６２を使って、温度の影響を除去した酸素濃度を算出し、そのデータをもとに燃料電池単セル１の酸素濃度分布表および酸素濃度分布図等を作成することができる。

なお、燃料電池単セル１は、固体高分子からなる膜電極接合体２をカソード側セパレータ４と、アノード側セパレータ３で挟持し、さらにその外側に両面より密閉固定する導電性平板７、８より構成される。また、導電性平板７の一部に光透過窓６を備えることにより、カソード側セパレータ４内に固定された酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ５ａ〜５ｅの変化を光学的に測定可能にする。

１、１１：燃料電池単セル
２、１２：膜電極接合体（ＭＥＡ）
３、１３：アノード側セパレータ
４、１４：カソード側セパレータ
５ａ〜５ｅ：酸素モニタ
１５ａ〜１５ｅ：酸素モニタ
６、１６：光透過窓
７、８、１７、１８、：導電性平板
２１、４２：共用ユニット
２２、４３：温度計測ユニット
２３、４５：酸素濃度計測ユニット
２４、２５：ビームスプリッタ
５４、５５：ビームスプリッタ
７２、８２：ビームスプリッタ
２６：光源
２８：照明系
３１、６３：温度計測用赤外線検出器
３３、３８、５１：ステージ機構
３４：酸素濃度算出ユニット
３６、８３：酸素検出用蛍光検出器
４１：ステージユニット
４４：赤外吸収計測ユニット
５３：シュワルツシルド鏡
５６：ミラー
５７、５８：レンズ
６１：酸素濃度算出モジュール
６２：温度―蛍光量補正テーブル
７１：赤外光源
７３：赤外吸収計測用赤外検出器
８１：レーザ光源

Claims

酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質をセル内に固定するとともに光透過窓を備えた燃料電池セルを計測対象とする酸素濃度計測装置において、前記燃料電池セルに励起光を照射する光源と、前記燃料電池セルの温度分布を光学的に測定する温度検出器と、前記温度検出器による温度分布測定と同時に前記酸素モニタ物質からの蛍光を測定して前記燃料電池セルの酸素濃度分布を光学的に測定する酸素濃度検出器と、前記温度検出器と前記酸素濃度検出器により得られる両方の分布測定結果を位置合わせするために、前記温度検出器あるいは前記酸素濃度検出器の少なくとも一方の位置を調整する位置調整用ステージを備えることを特徴とする酸素濃度計測装置。
前記酸素モニタ物質が発する蛍光量の温度依存性を示す温度特性テーブルと、前記温度検出器によって得られた温度測定値と前記温度特性テーブルに基づいて温度による酸素濃度測定値への影響を除去する補正手段を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素濃度計測装置。