JP2014203559A

JP2014203559A - 燃料電池セル及びそれを使用した酸素濃度計測装置

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Publication number: JP2014203559A
Application number: JP2013076693A
Authority: JP
Inventors: 大野　隆; Takashi Ono; 隆大野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: JP6136475B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、様々な形状の燃料電池の検査体において、温度の影響を除いた補正酸素濃度分布を正確に取得することができる構成と方法を提供する。
【解決手段】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膜電極接合体と、酸素極１０２の外側に固定され、酸素導入空間１０９が形成される酸素極側セパレータ板１０８と、水素極１０３の外側に固定され、水素導入空間１１１が形成される水素極側セパレータ板１１０とを備え、酸素極側セパレータ板１０８及び／又は水素極側セパレータ板１１０に、光透過性材料からなる光透過部が設けられるとともに、酸素極側セパレータ板１０８及び／又は水素極側セパレータ板１１０に、酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された燃料電池セルＳ’であって、酸素導入空間１０９及び／又は水素導入空間１１１に、複数の温度センサ１１６が配置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セル及びそれを使用した酸素濃度計測装置に関し、特に測定対象領域に蛍光塗料を塗布し、この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に関する。

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（ＤＭＦＣ）等の燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有する上に、ＣＯ_２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。

図６は、一般的な固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図である。
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（膜電極接合体）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。

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酸素極側セパレータ板１０８の内側の突出周縁部が接触している。これにより、酸素極側セパレータ板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（酸素導入空間）１０９が形成されている。また、酸素極側セパレータ板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。

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水素極側セパレータ板１１０の内側の突出周縁部が接触している。これにより、水素極側セパレータ板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（水素導入空間）１１１が形成されている。また、水素極側セパレータ板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。

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。

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。

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。このような酸素濃度計測方法では、酸素極側セパレータ板１０８を透明な材料（光透過性材料）で光透過部として構成するとともに、酸素極側セパレータ板１０８の内側にルテニウム錯体塗料（蛍光塗料）をスプレーや刷毛等を用いて塗布した模擬燃料電池セルＳ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。

また、ルテニウム錯体塗料等の蛍光塗料は、発生させる蛍光強度が温度によって変化することがわかっているため、温度の影響を除いた酸素濃度分布を得ることができる酸素濃度計測装置も開発されている（例えば、特許文献１参照）。図７は、このような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、共用ユニット１２１と、温度計測用赤外線検出器３１を有する温度計測ユニット１２２と、酸素検出用蛍光検出器３６を有する酸素濃度計測ユニット１２３と、酸素濃度算出ユニット１３４と、模擬燃料電池セルＳが配置される配置部４０とを備える。

共用ユニット１２１は、第一のビームスプリッタ１２４と第二のビームスプリッタ１２５と光源部１０とにより構成される。光源部１０は、例えばレーザ光（波長４７０ｎｍ）を出射するレーザ光源（レーザダイオード）である。第一のビームスプリッタ１２４は、波長５０００ｎｍ以上の赤外光を透過し、波長５０００ｎｍ未満のレーザ光や蛍光を反射するものである。また、第二のビームスプリッタ１２５は、波長５００ｎｍ未満の蛍光を反射し、波長５００ｎｍ以上のレーザ光を透過するものである。
このような構成により、光源部１０で出射されたレーザ光は、配置部４０の測定対象領域に照射されるようになっている。そして、配置部４０の測定対象領域で発生した蛍光は、第一のビームスプリッタ１２４と第二のビームスプリッタ１２５とで反射されて、酸素検出用蛍光検出器３６に導かれ、また、赤外光は、温度計測用赤外線検出器３１に導かれるようになっている。

酸素検出用蛍光検出器３６は、例えば高速撮影カメラ（撮像装置）である。このような高速撮影カメラは、複数の光検出素子Ｇ_ｍｎ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Ｇ_ｍｎにはそれぞれの位置に応じた強度値（例えば１０ｂｉｔ）Ｉ_ｍｎ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Ｇ_ｍｎの出力信号は、配置部４０の測定対象領域の各位置ごとの蛍光の強度値Ｉ_ｍｎを表すことになる。図４は、Ｎ行Ｍ列の画素からなる蛍光強度分布画像を示す図である。

温度計測用赤外線検出器３１は、例えば高速撮影カメラ（撮像装置）である。このような高速撮影カメラは、複数の光検出素子Ｇ_ｍｎ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Ｇ_ｍｎにはそれぞれの位置に応じた強度値（例えば１０ｂｉｔ）Ｔ_ｍｎの赤外光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子Ｇ_ｍｎの出力信号は、配置部４０の測定対象領域の各位置ごとの赤外光の強度値Ｔ_ｍｎを表すことになる。

このような酸素検出用蛍光検出器３６で撮影された蛍光強度分布画像における各画素Ｇ_ｍｎの強度値Ｉ_ｍｎと、温度計測用赤外線検出器３１で撮影された温度分布画像における各画素Ｇ_ｍｎの強度値Ｔ_ｍｎとは、酸素濃度算出モジュール１６１に送られる。そして、酸素濃度算出モジュール１６１は、メモリ等に記憶された温度値Ｔと蛍光強度値Ｉと酸素分圧値Ｄとの関係を示す温度蛍光量補正テーブル６２を用いて、温度Ｔの影響を除去した各画素Ｇ_ｍｎの酸素分圧値Ｄ_ｍｎをそれぞれ算出し、Ｍ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる補正酸素濃度画像を作成している。なお、図８は、白金ポルフィリンの「発光量の温度依存性」の実験データである。

ところで、酸素濃度計測装置５１では、温度計測用赤外線検出器３１で撮影される測定領域と、酸素検出用蛍光検出器３６で撮影される測定領域とが一致しているとは限らない。よって、正確なＭ行Ｎ列の画素Ｇ_ｍｎからなる補正酸素濃度画像を得るためには、温度計測用赤外線検出器３１で撮影された温度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎと、酸素検出用蛍光検出器３６で撮影された蛍光強度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎと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とのそれぞれに、ＸＹ平面で移動させるためのステージ機構１３３、１３８が配設されている。このようなステージ機構１３３、１３８を用いて、測定者は、モニタ等に表示された温度分布画像と蛍光強度分布画像とを観察しながら、温度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎと蛍光強度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎとを一致させるべく調整を行う必要がある。

特開２０１２−１５１０１４号公報

しかしながら、上述したような酸素濃度計測装置５１では、高分解能（Ｍ行Ｎ列）で温度情報が得られるが、温度計測用赤外線検出器３１と酸素検出用蛍光検出器３６との合計２台の高速撮影カメラ（撮像装置）が用いられているため、構成部品が増えることになり、装置のコストが高くなるという問題点があった。また、２台の高速撮影カメラを用いているため、温度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎと蛍光強度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎとを一致させるべく調整を行う手間がかかるという問題点があった。

さらに、温度計測用赤外線検出器３１で撮影された温度分布画像では、模擬燃料電池セルＳの表面の温度情報が得られ、厚みのある模擬燃料電池セルＳの酸素極室１０９内部の温度情報が得られないことがあった。また、鏡面や反射率が低い材料からなる模擬燃料電池セルＳでは、正確な温度情報が得られないこともあった。
そこで、本発明は、簡単な構成で、厚みのあるもの等の様々な種類の検査体において、温度の影響を除いた補正酸素濃度分布を正確に取得することができる燃料電池セル及びそれを使用した酸素濃度計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の燃料電池セルは、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、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、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に、光透過性材料からなる光透過部が設けられるとともに、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に、酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された燃料電池セルであって、前記酸素導入空間及び／又は前記水素導入空間に、複数の温度センサが配置されているようにしている。

ここで、「酸素消光性を有する蛍光塗料」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。

以上のように、本発明の燃料電池セルによれば、燃料電池セルの酸素導入空間や水素導入空間に複数の温度センサが配置されているため、厚みのあるもの等の様々な種類のものにおいても所望の深さ（位置）の温度値を正確に検出することができる。また、温度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎと蛍光強度分布画像の各画素Ｇ_ｍｎとを一致させる調整を行う必要がなくなる。さらに、蛍光を検出する１台のカメラ（撮像装置）を配置すればよいため、コストダウンに寄与する。

（他の課題を解決するための手段及び効果）
また、上記の発明において、前記温度センサは、熱電対又は測温抵抗体であるようにしてもよい。

また、上記の発明において、測定対象領域における第一の平面中に複数の温度センサが配置されているようにしてもよい。
本発明の燃料電池セルによれば、線形補間法や重み付けを加味した方法等が実行されることにより、蛍光強度分布画像に対応した温度分布画像を作成することができる。

また、上記の発明において、測定対象領域における第一の平面と異なる深さとなる第二の平面中に複数の温度センサが配置されているようにしてもよい。
本発明の燃料電池セルによれば、線形補間法や重み付けを加味した方法等が実行されることにより、所望の深さにおける温度分布画像を作成することができる。

そして、本発明の酸素濃度計測装置は、上述したような燃料電池セルにおける光透過部を介して測定対象領域に、励起光を照射する光源を有する光源部と、前記測定対象領域に塗布された蛍光塗料面からの蛍光を検出することで、当該蛍光塗料面の蛍光強度分布画像を取得する撮像装置を有する撮像部と、前記蛍光強度分布画像に基づいて、前記測定対象領域の酸素濃度分布を計測する制御部とを備える酸素濃度計測装置であって、前記制御部は、複数の温度センサで検出された温度値に基づいて、前記蛍光強度分布画像における各画素又は前記酸素濃度分布における各位置における温度値を算出し、温度による影響が除去された補正酸素濃度分布を作成するようにしてもよい。

本発明に係る酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。本発明に係る固体高分子形燃料電池セルの一例を示す断面図。固体高分子形燃料電池セルにおける熱電対の配置位置を説明する図。Ｎ行Ｍ列の画素からなる蛍光強度分布画像を示す図。固体高分子形燃料電池セルの計測方法について説明するフローチャート。一般的な固体高分子形燃料電池の一例を示す断面図。従来の酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図。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。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、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、本発明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。

図１は、本発明に係る酸素濃度計測装置の一例を示す概略構成図である。なお、上述した従来の酸素濃度計測装置５１と同様のものについては、同じ符号を付している。
酸素濃度計測装置１は、共用ユニット２１と、酸素検出用蛍光検出器３６を有する酸素濃度計測ユニット２３と、酸素濃度算出ユニット３４と、固体高分子形燃料電池セルＳ’が配置される配置部４０とを備える。すなわち、本発明に係る酸素濃度計測装置１は、温度計測ユニット１２２を備えていない。

まず、このような酸素濃度計測装置１に使用される固体高分子形燃料電池セルＳ’について説明する。図２は、本発明に係る固体高分子形燃料電池セルの一例を示す断面図である。なお、上述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、図２の左側から、水素極側セパレータ板１１０と、集電体１０７及びガスケット１０５と、酸素極１０２と、高分子固体電解質膜１０１と、水素極１０３と、集電体１０６及びガスケット１０４と、酸素極側セパレータ板１０８とをこの順に備えている。

水素極側セパレータ板１１０の内側と水素極１０３の外側との間には、複数の水素極室１１１が形成されている。また、水素極側セパレータ板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。

酸素極側セパレータ板１０８の内側と酸素極１０２の外側との間には、複数の酸素極室１０９が形成されている。また、酸素極側セパレータ板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。

そして、酸素極側セパレータ板１０８外周側壁には、酸素極室１０９の内部と外部とを水平方向（Ｘ方向やＹ方向）に連通させるように、２４個の貫通孔が形成されている。具体的には、Ｚ方向から視ると、第１の貫通孔と第９の貫通孔と第１７の貫通孔とは、右上部でＸ方向に形成されており、第２の貫通孔と第１０の貫通孔と第１８の貫通孔とは、右中部でＸ方向に形成されており、第３の貫通孔と第１１の貫通孔と第１９の貫通孔とは、右下部でＸ方向に形成されており、第４の貫通孔と第１２の貫通孔と第２０の貫通孔とは、中央下部でＹ方向に形成されており、第５の貫通孔と第１３の貫通孔と第２１の貫通孔とは、左下部でＸ方向に形成されており、第６の貫通孔と第１４の貫通孔と第１２の貫通孔とは、左中部でＸ方向に形成されており、第７の貫通孔と第１５の貫通孔と第１３の貫通孔とは、左上部でＸ方向に形成されており、第８の貫通孔と第１６の貫通孔と第２４の貫通孔とは、中央上部でＹ方向に形成されている。
また、Ｙ方向から視ると、第１の貫通孔〜第８の貫通孔は、酸素極室１０９内周面の上面付近に形成されており、第９の貫通孔〜第１６の貫通孔は、酸素極室１０９内部の中心付近に形成されており、第１７の貫通孔〜第２４の貫通孔は、酸素極室１０９内周面の下面付近に形成されている。

２４個の貫通孔には、熱電対（温度取得機構）１１６がそれぞれ挿入されている。図３は、固体高分子形燃料電池セルＳ’における熱電対１１６の配置位置を説明するための図である。図３に示すように、蛍光強度分布画像の右上部の画素Ｇ_ｍｎと右中部の画素Ｇ_ｍｎと右下部の画素Ｇ_ｍｎと中央下部の画素Ｇ_ｍｎと左下部の画素Ｇ_ｍｎと左中部の画素Ｇ_ｍｎと左上部の画素Ｇ_ｍｎと中央上部の画素Ｇ_ｍｎとに対応する８か所で３段階の深さの位置における温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４が、検出されるようになっている。そして、検出された温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４は、設定時間間隔Δｔ_１（例えば１秒間隔）で酸素濃度算出ユニット３４に送られるようになっている。

次に、固体高分子形燃料電池セルＳ’を計測するための酸素濃度計測装置１について詳細に説明する。
共用ユニット２１は、ビームスプリッタ２５と光源部１０とにより構成される。光源部１０は、例えばレーザ光（波長４７０ｎｍ）を出射するレーザ光源（レーザダイオード）である。ビームスプリッタ２５は、波長５００未満の蛍光を透過し、波長５００ｎｍ以上のレーザ光を反射するものである。これにより、光源部１０で出射されたレーザ光は、配置部４０の測定対象領域に照射されるようになっている。そして、配置部３０の測定対象領域で発生した蛍光は、酸素検出用蛍光検出器３６に導かれるようになっている。

酸素検出用蛍光検出器３６は、例えば高速撮影カメラ（撮像装置）である。このような高速撮影カメラは、複数の光検出素子Ｇ_ｍｎ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Ｇ_ｍｎにはそれぞれの位置に応じた強度値（例えば１０ｂｉｔ）Ｉ_ｍｎ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Ｇ_ｍｎの出力信号は、配置部４０の測定対象領域の各位置ごとの蛍光の強度値Ｉ_ｍｎを表すことになる。図４は、Ｎ行Ｍ列の画素からなる蛍光強度分布画像を示す図である。
そして、入力装置等により測定条件（設定露光時間Δｔ_２（例えば０．５秒間）や設定時間間隔Δｔ_３（例えば０．５秒間隔）等）が入力されると、測定条件に基づいて酸素検出用蛍光検出器３６から蛍光強度分布画像が、酸素濃度算出ユニット３４に送られるようになっている。

温度補間モジュール（温度データ補間機構）６３は、温度値Ｔ_１〜Ｔ_８を用いて線形補間法や重み付けを加味した方法等を実行し、蛍光強度分布画像に対応するＭ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる上面温度分布画像を作成したり、温度値Ｔ_９〜Ｔ_１６を用いて線形補間法や重み付けを加味した方法等を実行し、Ｍ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる内部温度分布画像を作成したり、温度値Ｔ_１７〜Ｔ_２４を用いて線形補間法や重み付けを加味した方法等を実行し、Ｍ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる下面温度分布画像を作成したり、温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４を用いて、３段階の深さの温度値を平均した後、線形補間法や重み付けを加味した方法等を実行し、Ｍ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる平均温度分布画像を作成したりする。そして、上面温度分布画像や内部温度分布画像や下面温度分布画像や平均温度分布画像は、酸素濃度算出モジュール６１にリアルタイムで送られるようになっている。

酸素濃度算出モジュール６１は、メモリ等に記憶された温度値Ｔと蛍光強度値Ｉと酸素分圧値Ｄとの関係を示す温度蛍光量補正テーブル６２を用いて、所望の温度値Ｔ（例えば燃料電池作動温度８０℃）とした各画素Ｇ_ｍｎの酸素分圧値Ｄ_ｍｎをそれぞれ算出し、メモリ等に記憶された酸素分圧値Ｄ_ｍｎをカラーに対応付けたカラーテーブルに基づいて、所望の温度値ＴにおけるＭ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる上面補正酸素濃度画像や内部補正酸素濃度画像や下面補正酸素濃度画像や平均酸素濃度画像を作成する。そして、入力装置等が用いられて表示条件（「内部補正酸素濃度画像の表示」）が入力されると、表示条件に基づいて内部補正酸素濃度画像をモニタ等にリアルタイムで表示する。

ここで、本発明に係る酸素濃度計測装置１の使用方法について説明する。図５は、固体高分子形燃料電池セルＳ’を計測する計測方法について説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１の処理において、測定者は、固体高分子形燃料電池セルＳ’を配置部４０に配置して、固体高分子形燃料電池セルＳ’を作動させる。
次に、ステップＳ１０２の処理において、測定者は、入力装置等を用いて測定条件（設定露光時間Δｔ_２（例えば０．５秒間）や設定時間間隔Δｔ_３（例えば０．５秒間隔）等）や表示条件（「内部補正酸素濃度画像の表示」）を入力する。

次に、ステップＳ１０３の処理において、時間ｔ_ｎを時間ｔ_ｎ+１に更新する。
次に、ステップＳ１０４の処理において、酸素濃度算出モジュール６１は、酸素検出用蛍光検出器３６から時間ｔ_ｎの蛍光強度分布画像を取得する。

一方、ステップＳ１０５の処理において、温度補間モジュール６３は、２４個の熱電対１１６から時間ｔ_ｎの温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４を取得する。
次に、ステップＳ１０６の処理において、温度補間モジュール６３は、温度値Ｔ_９〜Ｔ_１６を用いて時間ｔ_ｎのＭ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる内部温度分布画像を作成する。

次に、ステップＳ１０７の処理において、酸素濃度算出モジュール６１は、時間ｔ_ｎの蛍光強度分布画像と、時間ｔ_ｎの内部温度分布画像と、温度蛍光量補正テーブル６２とを用いて、所望の温度値Ｔ（例えば燃料電池作動温度８０℃）とした各画素Ｇ_ｍｎの酸素分圧値Ｄ_ｍｎをそれぞれ算出する。
次に、ステップＳ１０８の処理において、酸素濃度算出モジュール６１は、カラーテーブルに基づいて、所望の温度値ＴにおけるＭ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる内部補正酸素濃度画像を作成して表示する。

次に、ステップＳ１０９の処理において、測定者は測定を終了するか否かを判断する。測定を続けると判定したときには、ステップＳ１０３の処理に戻る。つまり、ステップＳ１０４〜Ｓ１０８の処理は繰り返される。
一方、測定を終了すると判定したときには、本フローチャートを終了させる。

以上のように、酸素濃度計測装置１によれば、固体高分子形燃料電池セルＳ’の酸素極室１０９の内部に２４個の熱電対１１６が配置されているため、温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４を正確に検出することができる。そして、酸素極室１０９の内部における第一の平面中に８個の熱電対１１６が配置され、酸素極室１０９の内部における第二の平面中に８個の熱電対１１６が配置され、酸素極室１０９の内部における第三の平面中に８個の熱電対１１６が配置されているので、蛍光強度分布画像に対応した３段階の深さにおける温度分布画像を作成することができる。その結果、所望の深さで所望の温度値Ｔ（例えば燃料電池作動温度８０℃）におけるＭ行（例えば１０００行）Ｎ列（例えば１０００列）の画素Ｇ_ｍｎからなる内部補正酸素濃度画像を評価することができる。

＜他の実施形態＞
（１）上述した酸素濃度計測装置１において、蛍光強度分布画像における８か所で３段階の深さの位置における温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４が検出される構成としたが、蛍光強度分布画像における１０か所等の任意の数で、２段階等の任意の数の深さの位置における温度値が検出されるように構成してもよい。また、酸素極室１０９の温度値Ｔ_１〜Ｔ_２４が検出される構成としたが、水素極室の温度値が検出されるように構成してもよい。

（２）上述した酸素濃度計測装置１において、内部補正酸素濃度画像を作成して表示する構成としたが、内部補正酸素濃度画像と上面補正酸素濃度画像と下面補正酸素濃度画像と平均補正酸素濃度画像とを作成して表示するように構成してもよい。

本発明は、測定対象領域に蛍光塗料を塗布し、この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。

１酸素濃度計測装置
１０１高分子固体電解質膜
１０２酸素極
１０３水素極
１０８酸素極側セパレータ板
１０９酸素室（酸素導入空間）
１１０水素極側セパレータ板
１１１水素室（水素導入空間）
１１６熱電対（温度センサ）
Ｓ’ 燃料電池セル

Claims

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、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、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に、光透過性材料からなる光透過部が設けられるとともに、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に、酸素消光性を有する蛍光塗料が塗布された燃料電池セルであって、
前記酸素導入空間及び／又は前記水素導入空間に、複数の温度センサが配置されていることを特徴とする燃料電池セル。
前記温度センサは、熱電対又は測温抵抗体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。
測定対象領域における第一の平面中に複数の温度センサが配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セル。
測定対象領域における第一の平面と異なる深さとなる第二の平面中に複数の温度センサが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池セルにおける光透過部を介して、測定対象領域に励起光を照射する光源を有する光源部と、
前記測定対象領域に塗布された蛍光塗料面からの蛍光を検出することで、当該蛍光塗料面の蛍光強度分布画像を取得する撮像装置を有する撮像部と、
前記蛍光強度分布画像に基づいて、前記測定対象領域の酸素濃度分布を計測する制御部とを備える酸素濃度計測装置であって、
前記制御部は、複数の温度センサで検出された温度値に基づいて、前記蛍光強度分布画像における各画素又は前記酸素濃度分布における各位置における温度値を算出し、温度による影響が除去された補正酸素濃度分布を作成することを特徴とする酸素濃度計測装置。