JP2016145723A - Cell model, measurement system and simultaneous measurement method - Google Patents

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JP2016145723A JP2015022129A JP2015022129A JP2016145723A JP 2016145723 A JP2016145723 A JP 2016145723A JP 2015022129 A JP2015022129 A JP 2015022129A JP 2015022129 A JP2015022129 A JP 2015022129A JP 2016145723 A JP2016145723 A JP 2016145723A
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邦康 小川
Kuniyasu Ogawa
邦康 小川
達佳 佐々木
Tatsuyoshi Sasaki
達佳 佐々木
茂樹 米田
Shigeki Yoneda
茂樹 米田
久美子 辻中
Kumiko Tsujinaka
久美子 辻中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measurement technology of performing both NMR measurement and CV measurement in a measurement system capable of simultaneously measuring a current flowing through a polymer electrolyte membrane (PEM), moisture in PEM, and a state of hydrogen peroxide and a simultaneous measurement method used in the measurement system regarding a cell model for stimulating an operation state of a solid polymer fuel cell.SOLUTION: An internal electrode 40 is provided in a solid polymer electrolyte membrane 31 of a solid polymer fuel cell. A compact RF coil 37 is provided obtaining a nuclear magnetic resonance signal generated together with application of a vibration magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane 31. A conductor 39 for CV measurement is provided which connects an anode-side electrode catalyst layer 34b and the internal electrode 40 to an external device for CV measurement. On the conductor 39, a filter is provided reducing the number of signals of frequency of a nuclear magnetic resonance signal. Thus, a conductor portion 39 for CV measurement in a static magnetic field is fixed.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, 以下ではPEFCと略す)の作動状態を模擬するセルモデルに関し、高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane, 以下ではPEMと略す)を流れる電流、PEM内の水分及び過酸化水素の状態を同時計測可能な計測システム、及びその計測システムで使用する同時計測方法に関する。   The present invention relates to a cell model that simulates the operating state of a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as PEFC), and relates to a current flowing through a polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as PEM). The present invention relates to a measurement system capable of simultaneously measuring the state of moisture and hydrogen peroxide in a PEM, and a simultaneous measurement method used in the measurement system.

PEMを流れる電流及び内部の水分量の計測技術として、発明者らは、特許文献1、特許文献2及び非特許文献1に開示される技術を提案してきた。
特許文献1では、計測手法として核磁気共鳴法(Nuclear Magnetic Resonance,以下ではNMRと略す、またこの手法により得られる核磁気共鳴信号をNMR信号と略す)を使用する。この文献に開示の技術は、水分を含む試料内に小型RFコイルを配置し、CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)法を使用して、得られるNMR信号の収束性を高め、膜に含まれるプロトン性溶媒の量を求める。膜には、本願が対象とするPEMが含まれ、プロトン性溶媒に水が含まれる。即ち、NMRを採用することにより、PEM内の水分量をNMR信号のT緩和時定数から得る。
The inventors have proposed the techniques disclosed in Patent Document 1, Patent Document 2, and Non-Patent Document 1 as a technique for measuring the current flowing through the PEM and the amount of moisture in the interior.
In Patent Document 1, a nuclear magnetic resonance method (Nuclear Magnetic Resonance, hereinafter abbreviated as NMR, and a nuclear magnetic resonance signal obtained by this method is abbreviated as an NMR signal) is used as a measurement method. The technology disclosed in this document includes a small RF coil in a sample containing moisture and uses the CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) method to improve the convergence of the obtained NMR signal and include it in the film. Determine the amount of protic solvent to be produced. The membrane contains the PEM targeted by the present application, and the protic solvent contains water. That is, by employing NMR, the amount of water in the PEM is obtained from the T 2 relaxation time constant of the NMR signal.

特許文献2では、NMRを使用して、PEM内の電流、水分量、水の易動性を求める。この文献に開示の技術では、電流の導出に励起用振動磁場と核磁気共鳴信号との周波数シフトを使用し、水分量の導出に関してはエコー信号のT緩和時定数を使用する。 In Patent Document 2, NMR is used to determine the current, water content, and water mobility in the PEM. In the technique disclosed in this document, the frequency shift between the excitation oscillating magnetic field and the nuclear magnetic resonance signal is used to derive the current, and the T 2 relaxation time constant of the echo signal is used to derive the moisture amount.

非特許文献1でも、NMRを使用して、PEFC内の電流密度、PEM内の水分量の空間分布及び時間変化を求める。この文献には、図1、図2に、試験装置の構成が模式的に示されている。図からも判明するよう、NMR計測では、試料であるPEFC単セルが静磁場内に配置される。さらに、セル内にガスの流れ方向に沿って配置された複数の小型RFコイルを使用して、燃料ガス(具体的には水素ガス)をアノード側に、酸化性ガス(具体的には空気)をカソード側に供給するPEFCの発電状態で、電流密度、水分量の空間分布を計測している。   Also in Non-Patent Document 1, NMR is used to determine the current density in the PEFC, the spatial distribution of the moisture content in the PEM, and the temporal change. In this document, the configuration of the test apparatus is schematically shown in FIGS. 1 and 2. As can be seen from the figure, in NMR measurement, a PEFC single cell as a sample is placed in a static magnetic field. Furthermore, using a plurality of small RF coils arranged along the gas flow direction in the cell, the fuel gas (specifically, hydrogen gas) is supplied to the anode side, and the oxidizing gas (specifically, air). The spatial distribution of current density and moisture content is measured in the power generation state of the PEFC that supplies to the cathode side.

一方、PEM内に発生することがある過酸化水素について、同じく発明者等は、非特許文献2で、試料のサイクリックボルタメトリー〈Cyclic Voltammetry、以降CVと略す。またこの手法により得られる電位掃引電流信号をCV信号と略す)を得て、過酸化水素濃度を求めることを提案している。   On the other hand, as for hydrogen peroxide that may be generated in the PEM, the inventors also refer to Cyclic Voltammetry (hereinafter referred to as CV) of the sample in Non-Patent Document 2. In addition, it is proposed to obtain a hydrogen peroxide concentration by obtaining a potential sweep current signal obtained by this method (abbreviated as CV signal).

非特許文献2では、PEM内に内部電極を設けたPEFCに対して、その燃料ガス流通路内に水素ガスを、酸化性ガス流通路内に過酸化水素を供給する状態で、PEFCのアノード側電極を基準電位電極として、内部電極との間で電位掃引を行い、PEMのCV特性(具体的にはCV曲線)を得る。この文献で、発明者等は電位上昇側の掃引過程における特定電位(具体的には1.3V)の電流量が過酸化水素濃度に正の相関を有することを確認した。従って、この手法で求められる指標(検量線等)に基づいて、CV特性上の電流値から過酸化水素濃度を得ることができる。   In Non-Patent Document 2, with respect to a PEFC having an internal electrode in the PEM, hydrogen gas is supplied into the fuel gas flow passage and hydrogen peroxide is supplied into the oxidizing gas flow passage. Using the electrode as a reference potential electrode, a potential sweep is performed between the electrode and the internal electrode to obtain a CEM characteristic (specifically, a CV curve) of the PEM. In this document, the inventors confirmed that the amount of current at a specific potential (specifically 1.3 V) in the sweep process on the potential rising side has a positive correlation with the hydrogen peroxide concentration. Therefore, the hydrogen peroxide concentration can be obtained from the current value on the CV characteristic based on an index (a calibration curve or the like) obtained by this method.

WO2006/030743号公報WO2006 / 030743 WO2008/041361号公報WO2008 / 041361

小川邦康他3名、「核磁気共鳴法を用いた小型表面コイルによる燃料電池内電流密度および固体高分子膜内含水量の空間分布と時間変化の計測(第一報:燃料ガスの相対湿度と利用率がPEM内含水量に及ぼす影響)」、日本機械学会論文集 78巻 788号、2012年4月、p.211−221Kuniyasu Ogawa et al., “Measurement of Spatial Distribution and Temporal Change of Current Density in Fuel Cell and Water Content in Solid Polymer Film by Small Surface Coil Using Nuclear Magnetic Resonance Method (1st Report: Relative Humidity of Fuel Gas and Effect of Utilization Rate on Water Content in PEM) ”, The Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 78, No. 788, April 2012, p. 211-221 米田茂樹他6名、「発電時におけるPEFC電界質膜内のin-situ測定」、第51回 電池討論会要旨集、平成22年11月11日発表、p.441Shigeki Yoneda and 6 others, “In-situ measurement in PEFC electrolyte membrane during power generation”, Abstracts of the 51st Battery Conference, November 11, 2010, p. 441

以上説明してきたように、湿潤状態で運転されるPEFCに関して、従来、その電流(PEM内の空間分布、経時的変化を含む)及び水分量(PEM内の空間分布、経時的変化を含む)と、過酸化水素濃度(PEM内の空間分布、経時変化を含む)とは、各々異なった手法を使用して独立に計測されてきた。同時計測されたことはない。
しかしながら、前2者はPEFCの運転状態を検討する上でキーとなる情報であり、後者はこれが発生するとPEFCの劣化を招来し、PEFCの運転状態、劣化状態等に大きく影響する重大要因である。
As described above, regarding the PEFC operated in a wet state, conventionally, the current (including spatial distribution in the PEM and changes over time) and the amount of moisture (including the spatial distribution in the PEM and changes over time) The hydrogen peroxide concentration (including the spatial distribution in the PEM, including the change over time) has been independently measured using different methods. It has never been measured simultaneously.
However, the former two are key information for studying the operating state of PEFC, and the latter causes deterioration of PEFC when it occurs, and is a critical factor that greatly affects the operating state, deteriorated state, etc. of PEFC. .

上記状況にも拘わらず、PEFCの発電状態(電流)、水分状態(水分量)と過酸化水素の発生状態とが、実際にどのように相関するかは現実に確認されてこなかった。   Despite the above situation, it has not been actually confirmed how PEFC power generation state (current), water state (water content) and hydrogen peroxide generation state actually correlate.

例えば、燃料ガスである水素の利用率を上昇させた場合、燃料電池にかかる負荷が変化した場合、更には、PEFCの加湿状態が変化した場合に、電流、水分及び過酸化水素の状態がどのような挙動を示すかを精密に知ることができれば、今後のPEFCの開発上、非常に有益である。   For example, when the utilization rate of hydrogen, which is a fuel gas, is increased, when the load on the fuel cell is changed, or when the humidification state of the PEFC is changed, the current, moisture, and hydrogen peroxide states are changed. It would be very useful for future PEFC development if it was possible to know precisely whether such behavior was exhibited.

本発明の目的は、湿潤状態で運転されるPEFCに関して、NMR計測とCV計測との両方を同時に精度よく行うことができる計測技術を得ることにある。   An object of the present invention is to obtain a measurement technique capable of performing both NMR measurement and CV measurement simultaneously and accurately with respect to PEFC operated in a wet state.

以下、本願発明を、静磁場内に配置されて試験に供される「セルモデル」、当該セルモデルを試料としてNMR計測、CV計測を実行する「計測システム(システム全体)」、及び当該計測システムで使用される「同時計測方法」の順に説明する。   Hereinafter, the “cell model” in which the present invention is placed in a static magnetic field and used for a test, “measurement system (whole system)” for performing NMR measurement and CV measurement using the cell model as a sample, and the measurement system Will be described in the order of “simultaneous measurement method” used in FIG.

なお、本明細書において「静磁場」は、核磁気共鳴信号(NMR信号)および電流の取得を安定的に行うことが可能な程度に時間的に安定な磁場であれば、完全に安定な磁場でなくてもよく、その範囲内で多少の変動があってもよい。   In this specification, a “static magnetic field” is a completely stable magnetic field as long as it is a magnetic field that is stable in time to such an extent that nuclear magnetic resonance signals (NMR signals) and current can be stably acquired. It may not be, and there may be some variation within the range.

上記目的を達成するための、本発明に係る固体高分子形燃料電池セルの作動状態を模擬するセルモデルは以下のように構成とされる。
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の表面に備えられるアノード側電極触媒層及び裏面に備えられるカソード側電極触媒層と、
前記アノード側電極触媒層側から前記固体高分子電解質膜に燃料ガスを供給する燃料ガス流通路と、
前記カソード側電極触媒層側から前記固体高分子電解質膜に酸化性ガスを供給する酸化性ガス流通路とを備え、
前記固体高分子電解質膜の内部に備えられる内部電極と、
前記固体高分子電解質膜に励起用振動磁場を印加するとともに、前記固体高分子電解質膜に発生する核磁気共鳴信号を取得する小型RFコイルとを備え、
前記固体高分子電解質膜、前記両電極触媒層、前記内部電極及び前記小型RFコイルを備えたセル構造体が静磁場内に収容される状態で、
前記小型RFコイルの一対の端子それぞれを静磁場外のNMR計測用外部装置と電気的に接続するNMR計測用導線と、
前記アノード側電極触媒層と前記内部電極とのそれぞれを静磁場外のCV計測用外部装置と電気的に接続するCV計測用導線とを備え、
前記CV計測用導線に、前記核磁気共鳴信号の周波数の信号を減衰するフィルターを備えるとともに、
少なくとも前記静磁場内に位置するCV計測用導線部位を位置固定した
セルモデル。
In order to achieve the above object, a cell model that simulates the operating state of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is configured as follows.
A solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side electrode catalyst layer provided on the surface of the solid polymer electrolyte membrane and a cathode-side electrode catalyst layer provided on the back surface;
A fuel gas flow passage for supplying fuel gas from the anode side electrode catalyst layer side to the solid polymer electrolyte membrane;
An oxidizing gas flow passage for supplying an oxidizing gas from the cathode side electrode catalyst layer side to the solid polymer electrolyte membrane,
An internal electrode provided inside the solid polymer electrolyte membrane;
A small RF coil that applies an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane and acquires a nuclear magnetic resonance signal generated in the solid polymer electrolyte membrane,
In a state where the cell structure including the solid polymer electrolyte membrane, the two electrode catalyst layers, the internal electrode and the small RF coil is accommodated in a static magnetic field,
NMR measurement conductors that electrically connect each of the pair of terminals of the small RF coil to an NMR measurement external device outside the static magnetic field;
A conductor for CV measurement that electrically connects each of the anode-side electrode catalyst layer and the internal electrode to an external device for CV measurement outside a static magnetic field,
The CV measurement lead is provided with a filter for attenuating the frequency signal of the nuclear magnetic resonance signal,
A cell model in which at least a CV measurement lead portion located in the static magnetic field is fixed.

セルモデルは、固体高分子電解質膜、アノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層、燃料ガス流通路、酸化性ガス流通路を備えることで、燃料電池として作動可能とされる。
また、NNR計測に関しては、小型RFコイルをNMR計測用外部装置に接続することで、NMR信号の計測が可能となる。
一方、CV計測に関しては、アノード側電極触媒層と内部電極とをCV計測用外部装置に接続することで、CV信号が計測可能となる。
The cell model includes a solid polymer electrolyte membrane, an anode-side electrode catalyst layer, a cathode-side electrode catalyst layer, a fuel gas flow path, and an oxidizing gas flow path, thereby enabling operation as a fuel cell.
As for NNR measurement, NMR signals can be measured by connecting a small RF coil to an NMR measurement external device.
On the other hand, regarding CV measurement, a CV signal can be measured by connecting the anode side electrode catalyst layer and the internal electrode to an external device for CV measurement.

上記構成に加え、本願に係るセルモデルでは、CV計測用導線に前記核磁気共鳴信号の周波数の信号を減衰するフィルターを備える。
このフィルターを備えることにより、以下の実施形態で説明するように、NMR計測により得られるNMR信号において、そのノイズ部のノイズ強度(標準偏差)を低減でき、CV計測と同時にNMR計測を行う場合も、NMR計測を独立に行う程度のS/N比を確保可能となり精度及び信頼性の高い計測が行える。
In addition to the above configuration, the cell model according to the present application includes a filter for attenuating a signal having the frequency of the nuclear magnetic resonance signal in the CV measurement lead.
By providing this filter, as will be described in the following embodiment, in the NMR signal obtained by NMR measurement, the noise intensity (standard deviation) of the noise portion can be reduced, and NMR measurement may be performed simultaneously with CV measurement. The S / N ratio can be secured to the extent that NMR measurement is performed independently, and measurement with high accuracy and reliability can be performed.

一方、少なくとも静磁場内に位置するCV計測用導線部位を位置固定する。
このように固定することが必要なことは、今般、発明者らが新たに見出した新知見であり、過酸化水素の状態(例えば濃度)を精度よく計測する上で大切な構成である。
CV計測用導線部位の位置固定が必要となる理由を、発明者等は以下の様に考えている。
CV計測時には、CV計測用導線に電流が流れる。セルモデルは静磁場内に配置されるため、静磁場内に位置されるCV計測用導線部位に電流が流れると、フレミングの左手の法則によって、当該導線部位に作用力が掛かる。当該導線部位が位置固定されることなくフリーとなっている場合、この作用力により当該導線部位がたわんだり、変形したり、移動したり、振動したりする。この様な移動・振動等が発生すると、CV計測用導線の浮遊容量等が増減し、当該導線のインピーダンスが変化する。結果、後に説明する図9(a)に示されるようにCV特性(CV曲線)に細かな凹凸が現れる。これに対して、静磁場内に位置するCV計測用導線部位を位置固定すると、インピーダンスの変化を回避でき、図9(b)に示すように細かな凹凸は発生しない。
以上、静磁場内に存在するCV計測用導線部位を位置固定とすることにより、凹凸のないCV曲線(CV特性)を得ることができる。結果、例えば、過酸化水素の状態を、特定の電位で流れる電流として求める場合も、精度よく信頼性高く導出できる。
On the other hand, the position of at least the CV measurement lead wire located in the static magnetic field is fixed.
What is required to be fixed in this way is a new finding newly found by the present inventors, and is an important configuration for accurately measuring the state (for example, concentration) of hydrogen peroxide.
The inventors consider the reason why the position of the lead part for CV measurement is necessary as follows.
During CV measurement, current flows through the CV measurement lead. Since the cell model is arranged in the static magnetic field, when a current flows through the CV measurement conductor part located in the static magnetic field, an acting force is applied to the conductor part according to Fleming's left-hand rule. When the conducting wire portion is free without being fixed in position, the acting force causes the conducting wire portion to bend, deform, move, or vibrate. When such movement, vibration or the like occurs, the stray capacitance of the CV measurement lead increases or decreases, and the impedance of the lead changes. As a result, fine irregularities appear in the CV characteristic (CV curve) as shown in FIG. On the other hand, if the position of the CV measurement lead wire located in the static magnetic field is fixed, the change in impedance can be avoided, and fine irregularities do not occur as shown in FIG. 9B.
As described above, a CV curve without unevenness (CV characteristic) can be obtained by fixing the position of the CV measurement lead wire existing in the static magnetic field. As a result, for example, even when the state of hydrogen peroxide is obtained as a current flowing at a specific potential, it can be derived with high accuracy and high reliability.

従って、本願に係るセルモデルを使用することにより、NMR計測とCV計測を同時に精度良く、信頼性高く行える。   Therefore, by using the cell model according to the present application, NMR measurement and CV measurement can be performed simultaneously with high accuracy and high reliability.

上述のセルモデルにおいて、前記セル構造体に前記静磁場が印加された状態で前記セル構造体を外部から電磁波シールドする筐体を備えるとともに、前記筐体に前記フィルターとしての貫通EMIフィルターを備えることが好ましい。   In the cell model described above, a housing that shields the cell structure from an electromagnetic wave from the outside in a state where the static magnetic field is applied to the cell structure, and a through-EMI filter as the filter is provided in the housing. Is preferred.

本願に係るセルモデルを使用する場合にあっても、計測時に外部からの電磁波等のノイズを遮断する必要が生じる。従って、電磁波シールド用の筐体を備え、計測を行う場合に静磁場のみがセル構造体に印加されるようにすることで、精度、信頼性の高い計測を行える。
また、フィルターとして貫通EMIフィルターを使用することで、CV計測側からの干渉により、NMR計測においてノイズ成分(特にNMR信号の周波数成分)を筐体を利用して除去でき、NMR計測を良好に行える。
Even when the cell model according to the present application is used, it is necessary to block noise such as electromagnetic waves from the outside during measurement. Therefore, by providing a casing for electromagnetic wave shielding and performing only measurement so that only a static magnetic field is applied to the cell structure, measurement with high accuracy and reliability can be performed.
In addition, by using a penetrating EMI filter as a filter, noise components (especially frequency components of NMR signals) can be removed in the NMR measurement due to interference from the CV measurement side, and the NMR measurement can be performed satisfactorily. .

さらに、位置固定される前記CV計測用導線部位が、前記セル構造体に固定され、前記静磁場内で位置固定されていることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the position of the CV measurement conductor to be fixed is fixed to the cell structure and fixed in the static magnetic field.

この固定構造を採用することにより、セル構造体を利用して、CV曲線において問題となる小さな凹凸を解消できる。
また、セルモデルに、外部から静磁場印加箇所に侵入する電磁波等の影響を解消する目的で電磁波シールド用の筐体を設ける場合は、この筐体に固定してもよい。
また、セル構造体及び電磁波シールド用の筐体の両方で、CV計測用導線部位を固定するものとしてもよい。
By adopting this fixed structure, it is possible to eliminate small irregularities that are problematic in the CV curve by using the cell structure.
Further, when the cell model is provided with a case for electromagnetic wave shielding for the purpose of eliminating the influence of electromagnetic waves entering the static magnetic field application site from the outside, the cell model may be fixed to this case.
Moreover, it is good also as what fixes the conducting-wire site | part for CV measurement in both the cell structure and the housing | casing for electromagnetic wave shielding.

さらに、セルモデルにおいて、前記内部電極及び前記小型RFコイルが、それぞれ前記固体高分子電解質膜の広がり方向に分散配置されていることが好ましい。
この構成を採用する場合は、固体高分子電解質膜の広がり方向で、NMR計測、CV計測を空間的に行える。
Furthermore, in the cell model, it is preferable that the internal electrodes and the small RF coils are dispersedly arranged in the spreading direction of the solid polymer electrolyte membrane.
When this configuration is employed, NMR measurement and CV measurement can be performed spatially in the spreading direction of the solid polymer electrolyte membrane.

さらに、セルモデルにおいて、前記内部電極及び前記小型RFコイルが、それぞれ、少なくとも燃料ガスの流れ方向に分散配置されていることが好ましい。
この構成を採用する場合は、燃料ガスの流れ方向で、それぞれNMR計測、CV計測を空間的に行える。
Furthermore, in the cell model, it is preferable that the internal electrodes and the small RF coils are respectively distributed in at least the fuel gas flow direction.
When this configuration is employed, NMR measurement and CV measurement can be performed spatially in the fuel gas flow direction, respectively.

以上が「セルモデル」に関する説明であるが、以下、NMR計測及びCV計測を全体として実行する「計測システム」に関して説明する。
計測システムは、
これまで説明してきたセルモデルと、
前記セルモデルを内部に収容する状態で、前記固体高分子電解質膜に静磁場を印加する静磁場印加装置と、
前記NMR計測用導線及び前記小型RFコイルを介して、前記固体高分子電解質膜に励起用振動磁場を印加するとともに、前記固体高分子電解質膜に発生する核磁気共鳴信号を取得するNMR計測部と、
前記CV計測用導線を介して、前記アノード側電極触媒層と前記内部電極との間でCV特性取得用の電位掃引を実行し、CV信号を取得するCV計測部とを備え、
前記静磁場印加装置による前記固体高分子電解質膜への静磁場印加状態において、前記CV計測部によりCV特性の計測が可能とされる。
The above is a description of the “cell model”, but a “measurement system” that executes NMR measurement and CV measurement as a whole will be described below.
The measurement system
The cell model that has been described so far,
A static magnetic field application device that applies a static magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane in a state in which the cell model is accommodated therein,
An NMR measurement unit that applies an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane through the NMR measurement lead and the small RF coil, and acquires a nuclear magnetic resonance signal generated in the solid polymer electrolyte membrane; ,
A CV measurement unit that acquires a CV signal by performing a potential sweep for CV characteristic acquisition between the anode-side electrode catalyst layer and the internal electrode via the CV measurement lead;
In a state where a static magnetic field is applied to the solid polymer electrolyte membrane by the static magnetic field application device, the CV measurement unit can measure CV characteristics.

この計測システムでは、静磁場印加装置により、試料となるセルモデルを所定の静磁場下に置いて、NMR計測を良好に行える。
さらに、セルモデルに備えられる小型RFコイルをNMR計測用導線によりNMR計測部に接続して、PEMに励起用振動磁場を印加するとともに、当該PEMで発生する核磁気共鳴信号を取得することができる。
一方、セルモデルに備えられるアノード側電極触媒層と内部電極とを、CV計測用導線によりCV計測部に接続して、アノード側電極触媒を基準電位として、内部電極を電位掃引することで、CV特性を得ることができる。
In this measurement system, the cell model to be a sample is placed under a predetermined static magnetic field by the static magnetic field application device, and NMR measurement can be performed satisfactorily.
Furthermore, the small RF coil provided in the cell model can be connected to the NMR measurement unit by the NMR measurement lead, and the excitation oscillating magnetic field can be applied to the PEM, and the nuclear magnetic resonance signal generated in the PEM can be acquired. .
On the other hand, the anode-side electrode catalyst layer and the internal electrode provided in the cell model are connected to the CV measurement section by a CV measurement lead, and the internal electrode is swept with the anode-side electrode catalyst as a reference potential. Characteristics can be obtained.

NMR計測の基本的な構成は以下のとおりである。
小型RFコイルからたとえばパルス状の励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場に対応するFID(Free Induction decay:自由誘導減衰)信号を取得する。そして、取得される電流についてFID信号の実部および虚部を求める。このとき、ノイズに比べて有意なFID信号が取得できる程度の励起パルスで磁化ベクトルが励起されていればよく、励起パルスが磁化ベクトルを励起させる角度(静磁場方向を基準として傾ける角度)は任意である。この角度を任意とすることで、T1緩和時定数に関わる磁化ベクトルの回復時間を短くすることができ、より短時間の繰り返し時間で励起パルスを照射して、電流分布の短時間計測が可能となる。
The basic configuration of NMR measurement is as follows.
For example, a pulsed oscillating magnetic field is applied from a small RF coil, and an FID (Free Induction decay) signal corresponding to the exciting oscillating magnetic field is acquired. Then, the real part and the imaginary part of the FID signal are obtained for the acquired current. At this time, it is only necessary that the magnetization vector is excited by an excitation pulse that can obtain a significant FID signal compared to noise, and the angle at which the excitation pulse excites the magnetization vector (the angle that is tilted with respect to the static magnetic field direction) is arbitrary. It is. By making this angle arbitrary, the recovery time of the magnetization vector related to the T 1 relaxation time constant can be shortened, and the current can be measured in a short time by irradiating the excitation pulse with a shorter repetition time. It becomes.

また、小型RFコイルからは、たとえば励起用振動磁場を予め設定した一定のシーケンスで印加するとともに、当該励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得することが好ましい。このシーケンスを本願では「パルスシーケンス」と呼んでいる。   In addition, it is preferable that, for example, an excitation oscillating magnetic field is applied from a small RF coil in a predetermined sequence and an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field is acquired. This sequence is called a “pulse sequence” in the present application.

従って、本発明における「パルスシーケンス」は、励起用振動磁場を印加する時刻とその間隔とを設定するタイミングダイアグラムを規定するシーケンスとなる。ここで、タイミングダイアグラムは、時系列的に必要な操作を行う手順表も含む。   Therefore, the “pulse sequence” in the present invention is a sequence that defines a timing diagram for setting the time and interval for applying the excitation oscillating magnetic field. Here, the timing diagram also includes a procedure table for performing necessary operations in time series.

以下の説明では、パルスシーケンスとして主な2例を示す。
第一のパルスシーケンス
パルスシーケンスは、以下の(a)および(b)を含む構成とする。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス。
In the following description, two main examples of pulse sequences are shown.
First pulse sequence The pulse sequence includes the following (a) and (b).
(A) a 90 ° pulse, and
(B) A 180 ° pulse applied after elapse of time τ of the pulse in (a).

励起用振動磁場を上記(a)および(b)を含むパルスシーケンスとし、電流導出において、エコー信号の実部および虚部を取得するスピンエコー法を用いると、エコー信号の位相を収束させることができる。また、後述するように磁場の不均一性に起因する測定誤差も効果的に低減させることができる。このため、核磁気共鳴信号の実部および虚部の計測精度をさらに向上させることができる。   When the excitation oscillating magnetic field is a pulse sequence including the above (a) and (b) and the spin echo method for acquiring the real part and the imaginary part of the echo signal is used in the current derivation, the phase of the echo signal can be converged. it can. Further, as will be described later, measurement errors due to magnetic field inhomogeneities can be effectively reduced. For this reason, the measurement accuracy of the real part and the imaginary part of the nuclear magnetic resonance signal can be further improved.

また、上記パルスシーケンスに加え、90°パルス(a)より時間τだけ前の時刻に、180°パルスを印加するステップを加えた別のシーケンスを実行するようにすることも好ましい。
このパルス構成で、90°パルス(a)で取得したNMR信号の強度と、180°パルス(b)での時間τを適宜選んで取得したNMR信号の強度とを比較することで、RFコイルから照射する励起用振動磁場の強度が、正確に90°、180°に対応しているかを判断することができる。
In addition to the above pulse sequence, it is also preferable to execute another sequence in which a step of applying a 180 ° pulse is added at a time τ before the 90 ° pulse (a).
By comparing the intensity of the NMR signal acquired by the 90 ° pulse (a) and the intensity of the NMR signal acquired by appropriately selecting the time τ at the 180 ° pulse (b) with this pulse configuration, It can be determined whether the intensity of the oscillating magnetic field for excitation that corresponds to 90 ° and 180 ° accurately.

また、二つのパルス(a),(b)の強度が1対2の関係、または照射エネルギが1対4、またはパルス印加時間が1対2の関係にあり、磁化ベクトルをそれぞれ90°および180°に励起することが測定値の確からしさと再現性を向上させることができる。   In addition, the intensity of the two pulses (a) and (b) is 1 to 2, or the irradiation energy is 1 to 4, or the pulse application time is 1 to 2, and the magnetization vectors are 90 ° and 180 °, respectively. Excitation at ° can improve the accuracy and reproducibility of measured values.

第二のパルスシーケンス
パルスシーケンスは、以下の(a)(b)および(c)を含む構成とすることもできる。
(a)90°パルス、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス。
なお、nは自然数である。
Second Pulse Sequence The pulse sequence may include the following (a), (b), and (c).
(A) 90 ° pulse,
(B) 180 ° pulse applied after time τ of pulse (a), and (c) n 180 ° applied at intervals of time 2τ, starting from time 2τ of pulse (b). pulse.
Note that n is a natural number.

上記(a)〜(c)からなるパルスシーケンスを用いることにより、(b)または(c)のパルスに対応するエコー信号を用いて試料の特定箇所の電流を測定するとともに、(b)および(c)のパルスに対応する複数のエコー信号を用いて当該特定箇所における試料中の水分量を精度良く測定することができる。   By using the pulse sequence comprising the above (a) to (c), the current at a specific portion of the sample is measured using an echo signal corresponding to the pulse of (b) or (c), and (b) and ( The water content in the sample at the specific location can be accurately measured using a plurality of echo signals corresponding to the pulse c).

上記構成に加えて、NMR計測部により取得される前記核磁気共鳴信号から、セルモデルの電流状態、水分状態の何れか一方以上を導出するNMR情報解析部と、
CV計測部により計測されるCV特性から、セルモデルの過酸化水素状態を導出するCV情報解析部とを備えることにより、各計測部からえられた計測情報を使用して、本願において目的とする、PEM内を流れる電流状態(電流量、電流密度等)、PEMの水分状態(水分量、水分子の易動性等)及び過酸化水素状態(過酸化水素濃度、過酸化水素量等)を得ることができる。
ここで、求められる電流を空間的な分布として捉えると、電流が流れている面積で除して、電流密度することもできる。
また、過酸化水素濃度を固体高分子膜全体に存在する過酸化水素量としてもよい。
In addition to the above configuration, from the nuclear magnetic resonance signal acquired by the NMR measurement unit, an NMR information analysis unit for deriving one or more of the current state and moisture state of the cell model,
By providing measurement information obtained from each measurement unit by providing a CV information analysis unit for deriving the hydrogen peroxide state of the cell model from the CV characteristics measured by the CV measurement unit. The current state (current amount, current density, etc.) flowing through the PEM, the water state of the PEM (water amount, mobility of water molecules, etc.) and the hydrogen peroxide state (hydrogen peroxide concentration, hydrogen peroxide amount, etc.) Can be obtained.
Here, if the required current is regarded as a spatial distribution, the current density can be divided by the area where the current flows.
Alternatively, the hydrogen peroxide concentration may be the amount of hydrogen peroxide present in the entire solid polymer film.

この情報解析部を備えた計測システムでは、
前記NMR計測部により前記核磁気共鳴信号を取得するNMR計測用工程と、
前記CV計測部により前記CV特性を取得するCV計測工程と、を実行し、
前記NMR計測部により取得される前記核磁気共鳴信号から、前記NMR情報解析部により、セルモデルの電流状態、水分状態の何れか一方以上を導出するNMR情報解析工程と、
前記CV計測部により計測されるCV特性から、前記CV情報解析部によりセルモデルの過酸化水素状態を導出するCV情報解析工程を実行して、
セルモデルの電流状態、水分状態の何れか一方以上と、セルモデルの過酸化水素濃度との同時計測を計測することとなる。
In the measurement system equipped with this information analysis unit,
NMR measurement step of acquiring the nuclear magnetic resonance signal by the NMR measurement unit,
A CV measurement step of acquiring the CV characteristic by the CV measurement unit,
From the nuclear magnetic resonance signal acquired by the NMR measurement unit, an NMR information analysis step of deriving any one or more of the current state and moisture state of the cell model by the NMR information analysis unit,
From the CV characteristics measured by the CV measurement unit, a CV information analysis step of deriving the hydrogen peroxide state of the cell model by the CV information analysis unit is performed.
Simultaneous measurement of one or more of the current state and moisture state of the cell model and the hydrogen peroxide concentration of the cell model is measured.

ここで、NMR計測部及びCV計測部が同時に働いて、NMR計測及びCV計測同時に実行する同時計測を逐次的に実行する構成を採用しておくと、経時的なPEFCの挙動を良好に測定することができる。
この場合、先に説明した同時計測方法を逐次繰り返す。
Here, if the configuration in which the NMR measurement unit and the CV measurement unit work at the same time and the simultaneous measurement that executes the NMR measurement and the CV measurement at the same time is adopted sequentially, the behavior of the PEFC over time can be measured well. be able to.
In this case, the simultaneous measurement method described above is sequentially repeated.

以上の同時計測方法は、前記電極触媒層間に電子負荷がかかった電池発電状態で、NMR計測及びCV計測を実行できる。   The above simultaneous measurement method can execute NMR measurement and CV measurement in a battery power generation state in which an electronic load is applied between the electrode catalyst layers.

計測システムの全体構成の概略を示す図Diagram showing the overall configuration of the measurement system セルモデルにおける小型RFコイル及び内部電極の配置構成を示す図The figure which shows the arrangement configuration of the small RF coil and internal electrode in a cell model セルモデルにおけるフィルター及びCV計測用導線部位の固定構造を示す図The figure which shows the fixed structure of the filter and lead part for CV measurement in a cell model 計測システムにおける計測手順を示すフローチャートFlow chart showing measurement procedure in measurement system NMR信号の取得原理を説明する原理図Principle diagram explaining the principle of NMR signal acquisition CPMG法の補償機能を説明する原理図Principle diagram explaining compensation function of CPMG method 異なった水分量のPEMから得られるNMR信号(エコ―信号)を示す図Diagram showing NMR signals (eco-signals) obtained from PEMs with different water contents 異なった過酸化水素濃度のPEMから得られるCV曲線を示す図The figure which shows the CV curve obtained from PEM of different hydrogen peroxide concentration 筐体内に位置するCV計測用導線部位を固定しない場合と固定した場合とのCV曲線を示す図The figure which shows the CV curve with the case where it does not fix and the case where it does not fix the lead part for CV measurement located in the housing

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.

本願は、試料であるPEM(或は当該PEMを備えたPEFC)のNMR信号とCV曲線(CV特性)とを同時計測可能とする計測システム100に関し、その機能上、同一の試料に対してNMR計測用の計測系101とCV計測用の計測系102との両方を備える。   The present application relates to a measurement system 100 that enables simultaneous measurement of an NMR signal and a CV curve (CV characteristic) of a sample PEM (or a PEFC equipped with the PEM). Both a measurement system 101 for measurement and a measurement system 102 for CV measurement are provided.

NMR計測においては、試料を静磁場内に位置する必要がある。
本実施形態では、静磁場印加装置として永久磁石1を使用する例を示す。永久磁石1は、図1に示す様に、中間部位が穿たれた上方開放の概略コの字型に形成され、内部に静磁場印加領域2を備える。
In NMR measurement, it is necessary to position the sample in a static magnetic field.
In this embodiment, the example which uses the permanent magnet 1 as a static magnetic field application apparatus is shown. As shown in FIG. 1, the permanent magnet 1 is formed in an approximately U-shape that is open upward and has an intermediate portion, and includes a static magnetic field application region 2 inside.

本計測システム100において、同時計測時に、当該静磁場印加領域2内に収納されて計測対象とされるシステム機能部位をセルモデル30と称し、静磁場印加領域2外に位置されて、セルモデル30に対してNMR計測及びCV計測を実行するとともに、計測結果から、試料であるPEM内の電流、水分量及び過酸化水素濃度を導出するシステム機能部位を外部装置50と呼ぶ。   In the present measurement system 100, the system functional part that is housed in the static magnetic field application region 2 and is a measurement target at the time of simultaneous measurement is referred to as a cell model 30, and is positioned outside the static magnetic field application region 2. A system functional part that performs NMR measurement and CV measurement on the sample and derives the current, water content, and hydrogen peroxide concentration in the sample PEM from the measurement result is referred to as an external device 50.

図2に示すように、セルモデル30は計測対象であるPEM31(或は当該PEM31を備えたPEFC32)を含み、燃料ガス及び酸化性ガスを供給されて燃料電池として作動する。発電電力は、電子負荷36に供給される。無論、発電を行わない状態でも、PEFC32を所定の湿潤状態として、NMR計測、CV計測を行うことは可能である。
セルモデル30の主要部は、NMR計測時のノイズ低減を目的として、銅箔で覆われた電磁波シールド箱(以降単に筐体33と呼ぶ)に収容されている。
この筐体33は、セルモデル30が永久磁石1の凹部に収納された状態で、永久磁石1の解放部位を電磁波シールドする形状とされており、永久磁石1の静磁場Hが透過する開口(図示省略)を備えている。
As shown in FIG. 2, the cell model 30 includes a PEM 31 to be measured (or a PEFC 32 including the PEM 31), and operates as a fuel cell by being supplied with a fuel gas and an oxidizing gas. The generated power is supplied to the electronic load 36. Of course, even in a state where power generation is not performed, it is possible to perform NMR measurement and CV measurement with the PEFC 32 in a predetermined wet state.
The main part of the cell model 30 is housed in an electromagnetic shielding box (hereinafter simply referred to as a casing 33) covered with copper foil for the purpose of reducing noise during NMR measurement.
The housing 33 is shaped to shield the electromagnetic wave at the release portion of the permanent magnet 1 in a state where the cell model 30 is housed in the concave portion of the permanent magnet 1, and is an opening through which the static magnetic field H of the permanent magnet 1 is transmitted ( (Not shown).

図1に戻って、外部装置50としては、セルモデル30を電池作動させるためのガス供給用外部装置51、NMR計測用外部装置52及びCV計測用外部装置53が備えられている。
セルモデル30と各外部装置51、52、53とは、セルモデル30(具体的には後述する各ガス流通路42、43)とガス供給用外部装置51とがガス供給排出用のガス導管51aで接続され、セルモデル30(具体的には後述する小型RFコイル37)とNMR計測用外部装置52とはNMR計測用導線52aで接続され、セルモデル30(具体的には後述する計測用の電極34b、40)とCV計測用外部装置53とはCV計測用導線53aで接続される。
以上が、計測システムの主要な構成である。
Returning to FIG. 1, the external device 50 includes a gas supply external device 51 for operating the battery of the cell model 30, an NMR measurement external device 52, and a CV measurement external device 53.
The cell model 30 and the external devices 51, 52, and 53 are configured such that the cell model 30 (specifically, gas flow passages 42 and 43, which will be described later) and the gas supply external device 51 are gas supply and discharge gas conduits 51a. The cell model 30 (specifically, a small RF coil 37, which will be described later) and the NMR measurement external device 52 are connected by an NMR measurement lead wire 52a. The electrodes 34b, 40) and the CV measurement external device 53 are connected by a CV measurement lead 53a.
The above is the main configuration of the measurement system.

以下、セルモデル30、外部装置51、52、53、計測システム100を使用した同時計測、PEM31(或は当該PEMを備えたPEFC32)の状態情報導出について説明する。   Hereinafter, the simultaneous measurement using the cell model 30, the external devices 51, 52, and 53 and the measurement system 100 and the derivation of the state information of the PEM 31 (or the PEFC 32 including the PEM) will be described.

(セルモデル30)
PEFC
PEFC32は、良く知られているように、PEM31と、当該PEM31の表裏両面に備えられる電極触媒層34と、さらに外側に一対のガス拡散層35(Gas Diffusion Layer 以降GDLと略する)を備えて構成されている。本実施形態では、PEM31はDu Pont社製 Nafion 117(製品名称)とし、電極触媒層34はPt触媒層とし、GDL35は東レ社製 厚さ400μmのカーボンメッシュとした。電子負荷36への電流の取出しは、GDL35からとした。
さらに、燃料ガス及び酸化性ガスの供給系として、GDL35の外側に、燃料ガス流通路42及び酸化性ガス流通路43が備えられる。これら流通路42,43へガスは、所定の加湿状態で供給され排出される。
(Cell model 30)
PEFC
As is well known, the PEFC 32 includes a PEM 31, electrode catalyst layers 34 provided on the front and back surfaces of the PEM 31, and a pair of gas diffusion layers 35 (Gas Diffusion Layer hereinafter referred to as GDL). It is configured. In this embodiment, the PEM 31 is a Nafion 117 (product name) manufactured by Du Pont, the electrode catalyst layer 34 is a Pt catalyst layer, and the GDL 35 is a carbon mesh having a thickness of 400 μm manufactured by Toray. The current was taken out from the electronic load 36 from the GDL 35.
Further, as a fuel gas and oxidizing gas supply system, a fuel gas flow passage 42 and an oxidizing gas flow passage 43 are provided outside the GDL 35. The gas is supplied to and discharged from the flow passages 42 and 43 in a predetermined humidified state.

NMR計測
セルモデル30に設けるNMR計測用の機器として、図2に示すように、カソード側の電極触媒層34aとGDL35aとの間に、複数の小型RFコイル37を配置した。これら複数の小型RFコイル37は、少なくとも酸化性ガスの移流方向(図2の図面上下方向及び表裏方向で、燃料ガスの移流方向にも当たる)に分散配置した。
各小型RFコイル37は、NMR計測用外部装置52に同軸ケーブル38にて接続される。この同軸ケーブル38が、本願の「NMR計測用導線52a」に相当する。
As shown in FIG. 2, a plurality of small RF coils 37 are arranged between the cathode-side electrode catalyst layer 34a and the GDL 35a as an NMR measurement device provided in the cell model 30. The plurality of small RF coils 37 are arranged in a distributed manner at least in the direction in which the oxidizing gas flows (in the vertical direction and the front and back directions in FIG. 2 and also in the direction in which the fuel gas flows).
Each small RF coil 37 is connected to an NMR measurement external device 52 by a coaxial cable 38. The coaxial cable 38 corresponds to the “NMR measurement lead wire 52a” of the present application.

CV計測
セルモデル30に設けるCV計測用の機器として、図2に示すように、PEM31内に内部電極40を複数設けた。これら電極40は具体的にはPt電極とした。PEFC32のアノード側の電極触媒層34bを基準電位部として、内部電極40を使用してCV特性を計測する。これら複数の内部電極40も、少なくとも燃料ガスの移流方向(図2の図面上下方向及び表裏方向)に分散配置した。
CV Measurement As a device for CV measurement provided in the cell model 30, a plurality of internal electrodes 40 are provided in the PEM 31 as shown in FIG. Specifically, these electrodes 40 were Pt electrodes. The CV characteristic is measured using the internal electrode 40 with the electrode catalyst layer 34b on the anode side of the PEFC 32 as a reference potential portion. The plurality of internal electrodes 40 are also dispersedly arranged at least in the fuel gas advection direction (the vertical direction and the front-back direction in FIG. 2).

本実施形態では、内部電極40のPEM31厚み方向における位置を、アノード電極触媒34b側とした。この理由は過酸化水素の発生率を考慮したものである。過酸化水素は、PEM31と電極触媒層34との界面で発生すると考えられており、カソード電極触媒側を検討対処とする場合、当然、カソード電極触媒側に配置してもよい。さらに、過酸化水素のPEM31内での拡散を考慮すると、膜の厚み方向の中央であってもよい。   In the present embodiment, the position of the internal electrode 40 in the thickness direction of the PEM 31 is the anode electrode catalyst 34b side. This is because the generation rate of hydrogen peroxide is taken into consideration. Hydrogen peroxide is considered to be generated at the interface between the PEM 31 and the electrode catalyst layer 34. When considering the cathode electrode catalyst side as a consideration, it may naturally be arranged on the cathode electrode catalyst side. Furthermore, when the diffusion of hydrogen peroxide in the PEM 31 is taken into consideration, the center in the thickness direction of the film may be used.

各内部電極40及びアノード側電極触媒層34b或は同電位となるGDL35bは、フィルター41を介して導線にてCV計測用外部装置53に電気的に接続した。この導線が、本願の「CV計測用導線53a」に相当する。
後に詳述するが、上記フィルター41及びCV計測用導線53aの一部部位39の構成が、NMR計測とCV計測とを同時に実行する場合に不可欠となる構成である。
Each internal electrode 40 and the anode side electrode catalyst layer 34b or the GDL 35b having the same potential were electrically connected to an external device 53 for CV measurement through a filter 41 with a conducting wire. This conducting wire corresponds to the “CV measuring conducting wire 53a” of the present application.
As will be described in detail later, the configuration of the filter 41 and the partial portion 39 of the CV measurement lead wire 53a is indispensable when performing NMR measurement and CV measurement simultaneously.

(外部装置)
ガス供給用外部装置
ガス供給用外部装置51としては、燃料ガス供給・回収機構51hと酸化性ガス供給・回収機構51oとの両方を備えている。
燃料ガス供給・回収機構51hはセルモデル30内の燃料ガス流通路42に接続され、PEFC32に燃料ガスを供給するとともに、発電に供されなかった燃料ガスを回収する。
この燃料ガス供給・回収機構51hは、燃料ガスタンク54h、供給する燃料ガスを所定の加湿状態に加湿する加湿機構55h、供給する燃料ガスの量を調整する供給ガス量調整機構56hが備えられている。
(External device)
Gas Supply External Device As the gas supply external device 51, both a fuel gas supply / recovery mechanism 51h and an oxidizing gas supply / recovery mechanism 51o are provided.
The fuel gas supply / recovery mechanism 51h is connected to the fuel gas flow passage 42 in the cell model 30, supplies the fuel gas to the PEFC 32, and recovers the fuel gas that has not been used for power generation.
The fuel gas supply / recovery mechanism 51h includes a fuel gas tank 54h, a humidifying mechanism 55h for humidifying the supplied fuel gas in a predetermined humidified state, and a supply gas amount adjusting mechanism 56h for adjusting the amount of the supplied fuel gas. .

酸化性ガス供給・回収機構51oも、基本的に同様な構成であり、セルモデル30内の酸化性ガス流通路43に接続され、PEFC32に酸化性ガスを供給するとともに、発電に供されなかった酸化性ガスを回収する。
酸化性ガスタンク54o,供給する酸化性ガスを所定の加湿状態に加湿する加湿機構55o、供給する酸化性ガスの量を調整する供給ガス量調整機構56oが備えられている。
The oxidizing gas supply / recovery mechanism 51o has basically the same configuration, and is connected to the oxidizing gas flow passage 43 in the cell model 30 to supply the oxidizing gas to the PEFC 32 and not to generate power. Collect oxidizing gas.
An oxidizing gas tank 54o, a humidifying mechanism 55o for humidifying the supplied oxidizing gas into a predetermined humidified state, and a supply gas amount adjusting mechanism 56o for adjusting the amount of the oxidizing gas to be supplied are provided.

以下、NMR計測用外部装置52及びCV計測用外部装置53に関して説明する。
図1に、NMR計測用外部装置52及びCV計測用外部装置53の構成を機能部位に分けて記載した。
これら外部計測装置52,53の各構成要素は、CPU、メモリ、メモリにロードされた各構成要素を実現するプログラム等を中心に、ハードウエアとソフトウエアの任意の組合せによって実現される。そして、その実現方法、装置にはいろいろな変形例があることは、当業者には容易に理解されるところである。
Hereinafter, the NMR measurement external device 52 and the CV measurement external device 53 will be described.
In FIG. 1, the configuration of the NMR measurement external device 52 and the CV measurement external device 53 is shown divided into functional parts.
Each component of the external measuring devices 52 and 53 is realized by an arbitrary combination of hardware and software, mainly a CPU, a memory, a program for realizing each component loaded in the memory, and the like. And it will be easily understood by those skilled in the art that there are various modifications in the implementation method and apparatus.

NMR計測用外部装置
NMR計測用外部装置52は、その機能部位として、NMR計測部52bとNMR情報解析部52cとを備えている。
NMR計測部52bは、NMR計測用導線52a及び小型RFコイル37を介して、PEM31に励起用振動磁場を印加するとともに、印加に従ってPEM31に発生する核磁気共鳴信号(NMR信号)を取得する。NMR計測部52bの小型RFコイル37との接続部位には、共振回路52dを設けて、良好にインピーダンス調整が行えるように構成している。
NMR情報解析部52cは、後述する解析原理に従って、NMR計測部52bにより取得される核磁気共鳴信号から、セルモデル30の電流、水分量の何れか一方以上を導出する。
NMR Measurement External Device The NMR measurement external device 52 includes an NMR measurement unit 52b and an NMR information analysis unit 52c as functional parts.
The NMR measurement unit 52b applies an excitation oscillating magnetic field to the PEM 31 via the NMR measurement lead wire 52a and the small RF coil 37, and acquires a nuclear magnetic resonance signal (NMR signal) generated in the PEM 31 according to the application. A resonance circuit 52d is provided at a connection portion of the NMR measurement unit 52b with the small RF coil 37 so that impedance adjustment can be performed satisfactorily.
The NMR information analysis unit 52c derives one or more of the current and moisture content of the cell model 30 from the nuclear magnetic resonance signal acquired by the NMR measurement unit 52b according to the analysis principle described later.

以下、電流の計測、水分量の計測の順に説明する。
説明に際しては、図4に示すフローチャートも参照するものとする。
このフローチャートは、本願に係る計測システム全体の計測手順を示すフローチャートであり、同図左側が電流導出のフロー、中央が水分量導出のフロー、右側が過酸化水素濃度導出のフローである。
Hereinafter, the measurement of current and the measurement of moisture content will be described in this order.
In the description, the flowchart shown in FIG. 4 is also referred to.
This flowchart is a flowchart showing a measurement procedure of the entire measurement system according to the present application, in which the left side is a current derivation flow, the center is a moisture amount derivation flow, and the right side is a hydrogen peroxide concentration derivation flow.

さらに、図5に「NMRによりNMR信号を取得する原理を説明する原理図」、図6に示す「CPMG法の補償機能を説明する原理図」を示している。図7は、NMR計測を実行する場合に観測されるNMR信号の形態を示しており、時間経過(横軸)に従って、小型RFコイル37から発生されるパルスシーケンス、NMR信号の主要部を成すエコー信号E、それ以降のノイズ部が観測されることを示している。図7で示すパルスシーケンスは、図5に示される90°パルス及び180°パルスが組み合わされた例である。   Furthermore, FIG. 5 shows a “principle diagram for explaining the principle of acquiring NMR signals by NMR” and a “principle diagram for explaining the compensation function of the CPMG method” shown in FIG. FIG. 7 shows the form of the NMR signal observed when NMR measurement is performed. The pulse sequence generated from the small RF coil 37 and the echo that constitutes the main part of the NMR signal as time elapses (horizontal axis). It shows that the noise part after the signal E is observed. The pulse sequence shown in FIG. 7 is an example in which the 90 ° pulse and the 180 ° pulse shown in FIG. 5 are combined.

以下の説明において、NMR計測部52b及びNMR情報解析部52cが、それぞれ受け持つ動作説明箇所について、適宜、指摘する。   In the following description, the explanation points of the operations that the NMR measurement unit 52b and the NMR information analysis unit 52c respectively handle are pointed out as appropriate.

(A)電流の計測
NMR計測においては、磁場中に置かれた原子核のスピン共鳴現象により核磁化の運動をNMR信号として検出する。小型RFコイル37を用いてNMR信号を計測すれば、コイル周辺部の局所NMR計測が可能となる。
局所電流の計測について、その概略を記載すると、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分を得て、得られた差分から、試料の特定箇所の電流を求めることができる。
(A) Measurement of current In NMR measurement, the movement of nuclear magnetization is detected as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. If the NMR signal is measured using the small RF coil 37, the local NMR measurement of the coil peripheral part can be performed.
When the outline of the measurement of the local current is described, the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation is obtained, and the current at a specific portion of the sample can be obtained from the obtained difference.

(i)励起用高周波パルスの印加およびNMR信号の取得
励起用振動磁場として、PEM31内の対象核に照射する励起用高周波パルスを印加する。対応して、励起用振動磁場による核磁気共鳴現象によってPEM31内の計測対象核から放出されるNMR信号を取得することができる(図4、#102−1)。
(I) Application of excitation high-frequency pulse and acquisition of NMR signal An excitation high-frequency pulse for irradiating the target nucleus in the PEM 31 is applied as the excitation oscillating magnetic field. Correspondingly, the NMR signal emitted from the measurement target nucleus in the PEM 31 can be acquired by the nuclear magnetic resonance phenomenon caused by the excitation oscillating magnetic field (FIG. 4, # 102-1).

NMR信号は、具体的には、励起用高周波パルスに対応するエコー信号Eである。エコー信号Eは、位相が収束していることが好ましい。また、高周波パルスは、これまでも説明してきたように、エコー信号の位相がそろうようなパルスシーケンスで印加する。本実施形態で採用するパルスシーケンスの具体例について、図5、図7を参照して後述する。   Specifically, the NMR signal is an echo signal E corresponding to a high frequency pulse for excitation. The echo signal E preferably has a converged phase. Further, the high frequency pulse is applied in a pulse sequence in which the phases of the echo signals are matched as described above. Specific examples of the pulse sequence employed in the present embodiment will be described later with reference to FIGS.

NMR信号は、位相敏感検波方式により、実部と虚部とを分離して検波される。これにより、核磁気共鳴信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分である周波数シフトの導出を簡便に行うことができる。
以上が、NMR計測部52bの機能である。以下、NMR情報解析部52cにより、得られたNMR信号が解析され、小型RFコイル37近傍の局所電流(電流量或は電流密度とすることも可能である)を得ることができる。
The NMR signal is detected by separating a real part and an imaginary part by a phase sensitive detection method. Thereby, it is possible to easily derive the frequency shift that is the difference between the frequency of the nuclear magnetic resonance signal and the frequency of the excitation oscillating magnetic field.
The above is the function of the NMR measurement unit 52b. Thereafter, the obtained NMR signal is analyzed by the NMR information analysis unit 52c, and a local current in the vicinity of the small RF coil 37 (a current amount or a current density can be obtained) can be obtained.

(ii)周波数シフトの導出
取得したNMR信号の周波数と励起用振動磁場の周波数との差分である周波数シフトを求める(図4 #103−1f)。
(Ii) Derivation of frequency shift A frequency shift which is a difference between the frequency of the acquired NMR signal and the frequency of the oscillating magnetic field for excitation is obtained (# 103-1f in FIG. 4).

具体的には、位相敏感検波方式により取得されたエコー信号の実部と虚部のarctanを導出することにより位相差Δφを求める。そして、周波数シフトΔωを、単位時間あたりの位相差Δφとして換算する。   Specifically, the phase difference Δφ is obtained by deriving the arctan of the real part and the imaginary part of the echo signal acquired by the phase sensitive detection method. Then, the frequency shift Δω is converted as a phase difference Δφ per unit time.

(iii)電流の導出
取得した周波数シフトΔωから、電流を導出する。
(Iii) Derivation of current A current is derived from the acquired frequency shift Δω.

計測対象に電流が流れれば、ビオ・サバールの法則から電流jに正比例した磁場Hjが発生する。そして、その磁場強度は電流が流れた位置と計測位置との距離rn(nはべき数)に反比例する。 When a current flows through the measurement target, a magnetic field H j that is directly proportional to the current j is generated from Bio-Savart's law. The magnetic field strength is inversely proportional to the distance r n (where n is a power) between the position where the current flows and the measurement position.

一方、核磁気共鳴現象では、核磁化の共鳴周波数ωが磁場強度に正比例する。小型RFコイル37で磁気共鳴信号を取得している場合には、小型RFコイル37が計測している領域の磁場強度を磁気共鳴周波数ωとして間接的に計測していることとなる。   On the other hand, in the nuclear magnetic resonance phenomenon, the resonance frequency ω of nuclear magnetization is directly proportional to the magnetic field strength. When the magnetic resonance signal is acquired by the small RF coil 37, the magnetic field intensity in the region measured by the small RF coil 37 is indirectly measured as the magnetic resonance frequency ω.

永久磁石1が作る空間的にも時間的にも安定した静磁場H(磁場ベクトルH0)の中で、電流jを流して磁場ベクトルHjを作れば、ある位置での磁場強度Hjは、両者の合成ベクトル(H0+Hj)で表される。磁場ベクトルH0は一定であるから、核磁化の共鳴周波数ωがΔωだけ増減した場合には、ある位置での磁場強度Hjは電流jと距離rnに関係することになる。 In a static magnetic field H (magnetic field vector H 0 ) that is stable both spatially and temporally created by the permanent magnet 1, if the current j is made to create the magnetic field vector H j , the magnetic field strength H j at a certain position is The combined vector (H 0 + H j ) of both. Since the magnetic field vector H 0 is constant, if the resonance frequency ω of the nuclear magnetization was increased or decreased by Δω, the magnetic field intensity H j at a certain position it will be related to the current j and the distance r n.

よって、小型RFコイル37近傍に流れる電流jと周波数シフトΔωとの関係を実験的な方法等で予め取得しておくことにより、得られた周波数シフトΔωから試料に流れた電流jを求めることができる(図4 #104−1i)。   Therefore, the current j flowing through the sample can be obtained from the obtained frequency shift Δω by acquiring the relationship between the current j flowing in the vicinity of the small RF coil 37 and the frequency shift Δω in advance by an experimental method or the like. (FIG. 4 # 104-1i).

本実施形態の様に、複数の小型RFコイル37を試料に配置して、PEM31中の複数の位置について核磁化の共鳴周波数の増減Δωを計測すれば、電流jとそれが流れた位置rを逆問題解析によって求めることができる。   As in this embodiment, if a plurality of small RF coils 37 are arranged on the sample and the increase / decrease Δω of the resonance frequency of nuclear magnetization is measured at a plurality of positions in the PEM 31, the current j and the position r through which it flows are obtained. It can be obtained by inverse problem analysis.

この際、NMRの検波方式では、ppmオーダの周波数分解能を持ち、これにより高分解能、高感度で磁場強度の変化を捉えることができる。たとえば、励起用振動磁場の周波数が43MHzである場合、10Hz程度の分解能は充分に得られる。   At this time, the NMR detection method has a frequency resolution on the order of ppm, and this makes it possible to capture changes in magnetic field strength with high resolution and high sensitivity. For example, when the frequency of the excitation oscillating magnetic field is 43 MHz, a resolution of about 10 Hz is sufficiently obtained.

以下、上記(i)励起用高周波パルスの印加(シーケンスパルス)の具体例を示す。
実際の測定においては、試料や装置特性に起因する磁場の不均一が生じ、周波数シフトが正確に得られない場合も発生する。そこで、本実施形態においては、スピンエコー法を用い、励起用高周波パルスを、たとえば以下の(a)および(b)を含む複数のパルスからなるパルスシーケンスとする(図5参照)。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス
このパルスシーケンスは、先に説明した第一のパルスシーケンスである。
Hereinafter, specific examples of (i) application of excitation high-frequency pulse (sequence pulse) will be shown.
In actual measurement, magnetic field non-uniformity caused by sample and apparatus characteristics occurs, and a frequency shift cannot be obtained accurately. Therefore, in the present embodiment, the spin echo method is used, and the excitation high-frequency pulse is set to a pulse sequence including a plurality of pulses including, for example, the following (a) and (b) (see FIG. 5).
(A) a 90 ° pulse, and
(B) 180 ° pulse applied after elapse of time τ of the pulse of (a) This pulse sequence is the first pulse sequence described above.

上記(a)および(b)のパルスシーケンスに従う励起用振動磁場を印加すると、エコー信号Eの位相が収束し、こうした磁場の不均一に起因する測定誤差が効果的に低減される。また、対応するエコー信号Eの位相のばらつきを抑制することができるため、電流をさらに正確に求めることができる。   When an excitation oscillating magnetic field according to the pulse sequences (a) and (b) is applied, the phase of the echo signal E converges, and the measurement error due to such magnetic field non-uniformity is effectively reduced. In addition, since the variation in the phase of the corresponding echo signal E can be suppressed, the current can be obtained more accurately.

図5下段に示すように、共鳴励起された磁化ベクトルM-yは時間と共に緩和してゆく。この際、実際に観測される磁気共鳴信号の時間変化は、スピン−格子緩和時定数T1、スピン−スピン緩和時定数T2のみでは表すことができない別の時定数のT2 *により緩和していく。この様子が図5の最下段に信号強度の時間変化として90°パルスの直後から示されている。一般的に、この波線で示された実際に計測される磁気共鳴信号強度は急速に減衰し、その時定数T2 *はT2よりも短い。T2緩和による減衰曲線よりも実際に観測される減衰信号が速く減衰してしまう原因は、静磁場マグネットの作る外部静磁場の不均一性、試料の磁気的性質や形状による試料内磁場の不均一性などにより試料の全体に渡って均一な磁場が確保されていないことによる。このような実際に計測される磁気共鳴信号の時間変化を自由誘導減衰、英語表記では「Free Induction decay」、略した英語表記では「FID」と呼ばれる。 As shown in the lower part of FIG. 5, the resonance-excited magnetization vector M -y relaxes with time. At this time, the time change of the actually observed magnetic resonance signal is relaxed by the spin-lattice relaxation time constant T 1 and another time constant T 2 * which cannot be expressed only by the spin-spin relaxation time constant T 2. To go. This state is shown immediately after the 90 ° pulse as the time variation of the signal intensity at the bottom of FIG. In general, the actually measured magnetic resonance signal intensity indicated by the wavy line is rapidly attenuated, and its time constant T 2 * is shorter than T 2 . The reason why the decay signal actually observed decays faster than the decay curve due to T 2 relaxation is because of the non-uniformity of the external static magnetic field created by the static magnetic field magnet and the non-uniformity of the magnetic field in the sample due to the magnetic properties and shape of the sample. This is because a uniform magnetic field is not ensured over the entire sample due to uniformity or the like. Such time change of the actually measured magnetic resonance signal is referred to as free induction decay, “Free Induction decay” in English notation, and “FID” in abbreviated English notation.

この試料や装置特性としての磁場の不均一性による位相のずれを補正する方法として「スピンエコー法」がある。これは、図5上段、或は図7に示す様に、90°パルスのτ時間後に、その2倍の励起パルス強度を持つ180°パルスを印加して、磁化ベクトルMの位相がxy平面上で乱れていく途中でその位相の乱れを反転させ、2τ時間後には位相を収束させてT2減衰曲線上にのるエコー信号Eを得るという手法である。 There is a “spin echo method” as a method for correcting a phase shift due to magnetic field inhomogeneity as a sample or device characteristic. As shown in the upper part of FIG. 5 or FIG. 7, after the 90 ° pulse τ time, a 180 ° pulse having twice the excitation pulse intensity is applied, and the phase of the magnetization vector M is on the xy plane. The phase disturbance is reversed in the middle of the disturbance, and after 2τ time, the phase is converged to obtain an echo signal E on the T 2 attenuation curve.

なお、静磁場に沿った方向を便宜上Z方向としたとき、上記(b)で印加する180°パルスとしては、X方向でもY方向でもどちらの180°パルスでも使用できる。
また、上記(b)の時間2τ経過後にさらに180°パルスを印加し、これに対応するエコー信号を用いて電流計測を行ってもよい。ただし、複数回目のエコー信号を用いて電流計測を行う際には、できるだけ強いエコー信号を観測できるように、Y軸方向の180度励起パルスを複数回照射することが有効である。その理由は、後述する図6(a)〜図6(d)の磁化ベクトルの動きで説明される。
When the direction along the static magnetic field is the Z direction for convenience, the 180 ° pulse applied in the above (b) can be used in either the X direction or the Y direction.
Alternatively, a 180 ° pulse may be further applied after the elapse of time 2τ in (b), and current measurement may be performed using an echo signal corresponding thereto. However, when current measurement is performed using a plurality of echo signals, it is effective to irradiate the 180-degree excitation pulse in the Y-axis direction a plurality of times so that the strongest possible echo signal can be observed. The reason is explained by the movement of the magnetization vector in FIGS. 6A to 6D described later.

これらの方法を採用することによって、磁化ベクトルの位相を収束させ、可能な限り強いエコー信号Eを取得する。このようなエコー信号Eであれば、NMR信号をより高い精度で実部、虚部を検波し、基準周波数からの位相のシフト量を確実に求めることができる。結果、NMR情報解析部52cにおいて、周波数シフトから電流を精度よく導出することができる。   By adopting these methods, the phase of the magnetization vector is converged and the strongest possible echo signal E is obtained. With such an echo signal E, it is possible to detect a real part and an imaginary part of the NMR signal with higher accuracy, and to reliably determine the amount of phase shift from the reference frequency. As a result, the NMR information analysis unit 52c can accurately derive the current from the frequency shift.

(B)水分量の計測
水分量の計測に関しても、NMR計測部52bの機能とNMR情報解析部52cの機能とは、基本的に変わるところがない。ただし、下記する様に、NMR情報解析部52cは、後述するCPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)法により、T2(横)緩和時定数を導出し、その後、検量線を用いて試料の局所的な水分量を導出する。
(B) Measurement of moisture content Regarding the measurement of moisture content, the function of the NMR measurement unit 52b and the function of the NMR information analysis unit 52c are basically the same. However, as described below, the NMR information analysis unit 52c derives a T 2 (lateral) relaxation time constant by a CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) method, which will be described later, and then uses a calibration curve to calculate the sample. Deriving local water content.

以下の説明において、前述した電流計測と共通の機能については、詳細な説明を適宜省略する。   In the following description, detailed description of functions common to the above-described current measurement is omitted as appropriate.

(i)励起用高周波パルスの印加およびNMR信号の取得 (I) Application of high frequency pulse for excitation and acquisition of NMR signal

パルスシーケンスは、以下の(a)、(b)および(c)を含むものとする。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ経過後に印加される180°パルス、および
(c)(b)のパルスの時間2τ経過後からはじまり、時間2τの間隔で印加されるn個の180°パルス(nは自然数である。)
上記(a)および(b)は、(A)電流の測定と共通である。
このパルスシーケンスは、先に説明した第二のパルスシーケンスである。
The pulse sequence includes the following (a), (b) and (c).
(A) a 90 ° pulse, and
(B) 180 ° pulse applied after time τ of pulse (a), and (c) n 180 ° applied at intervals of time 2τ, starting from time 2τ of pulse (b). Pulse (n is a natural number)
The above (a) and (b) are common to (A) current measurement.
This pulse sequence is the second pulse sequence described above.

上記(a)〜(c)のパルスシーケンスに従う励起用振動磁場を印加することにより、エコー信号Eの位相がさらに良好に収束し、磁場の不均一に起因する測定誤差が効果的に低減される。また、対応するエコー信号Eの位相のばらつきを抑制することができるため、水分量を正確に求めることができる(図4 #102−1)。
以上が、NMR計測部52bの機能である。以下、NMR情報解析部52cにより、得られたNMR信号が解析され、コイル近傍の水分量を得ることができる。
By applying the excitation oscillating magnetic field according to the pulse sequences of (a) to (c) above, the phase of the echo signal E converges better, and the measurement error due to the non-uniformity of the magnetic field is effectively reduced. . Moreover, since the dispersion | variation in the phase of the corresponding echo signal E can be suppressed, a moisture content can be calculated | required correctly (FIG. 4 # 102-1).
The above is the function of the NMR measurement unit 52b. Hereinafter, the obtained NMR signal is analyzed by the NMR information analysis unit 52c, and the amount of moisture in the vicinity of the coil can be obtained.

以下、第一のパルスシーケンスの有用性を図6(a)〜図6(d)を参照してさらに詳細に説明するとともに、水分量の計測に使用する第二のパルスシーケンスについて説明する。
第一のパルスシーケンス
静磁場H中に置かれた水素原子核は、静磁場に沿った方向(便宜上、Z方向とする)に正味の磁化ベクトルを持ち、特定の周波数(これを共鳴周波数と呼ぶ)のRF波をZ軸に垂直なX軸方向で外部から照射することで磁化ベクトルはY軸の正方向に傾斜し、核磁気共鳴信号(NMR信号)を観測することができる。この際、最大強度のNMR信号を取得するために照射されたX軸方向の励起用高周波パルスが90°パルスである。そして、磁化ベクトルを90°パルスによってY軸の正方向に傾斜させた後、τ時間後に「Y軸方向」に外部から180°パルスを照射して、磁化ベクトルを「Y軸を対称軸として」反転させる。この結果、2τ時間後には磁化ベクトルがY軸の「正の方向」上で収束し、大きな振幅を持つNMR信号が観測される。
Hereinafter, the usefulness of the first pulse sequence will be described in more detail with reference to FIGS. 6A to 6D, and the second pulse sequence used for measuring the moisture content will be described.
First pulse sequence A hydrogen nucleus placed in the static magnetic field H has a net magnetization vector in a direction along the static magnetic field (for convenience, the Z direction), and has a specific frequency (this is called a resonance frequency). Is irradiated from outside in the X-axis direction perpendicular to the Z-axis, the magnetization vector is tilted in the positive direction of the Y-axis, and a nuclear magnetic resonance signal (NMR signal) can be observed. At this time, the high-frequency pulse for excitation in the X-axis direction irradiated for obtaining the NMR signal having the maximum intensity is a 90 ° pulse. Then, after the magnetization vector is tilted in the positive direction of the Y axis by a 90 ° pulse, a 180 ° pulse is irradiated from the outside in the “Y axis direction” after τ time, and the magnetization vector is set to “with the Y axis as the symmetry axis”. Invert. As a result, after 2τ time, the magnetization vector converges on the “positive direction” of the Y axis, and an NMR signal having a large amplitude is observed.

このように磁化ベクトルを「Y軸を対称軸として」反転させるため、以下の補償機能が発現する。図6(a)〜図6(d)は、スピンエコー法の補償機能を説明する図である。なお、図で示される座標は、回転座標系である。   Thus, since the magnetization vector is inverted “with the Y axis as the axis of symmetry”, the following compensation function appears. FIG. 6A to FIG. 6D are diagrams for explaining the compensation function of the spin echo method. The coordinates shown in the figure are a rotating coordinate system.

試料の中に、静磁場Hの不均一性が無視できるような小さな領域の核磁化として、PとQを考える。Pにおける磁場がQにおける磁場より強いものとする。このとき、図6(a)に示すように、90°パルスをx'軸方向へ印加すると、P、Qの核磁化は、回転座標系で同じ場所(y'軸)から歳差運動を始め、時間の経過とともに、Pの位相がQの位相より進んだものとなる(図6(b))。   Let P and Q be considered as nuclear magnetization in a small region in the sample where the inhomogeneity of the static magnetic field H can be ignored. Let the magnetic field at P be stronger than the magnetic field at Q. At this time, as shown in FIG. 6A, when a 90 ° pulse is applied in the x′-axis direction, the nuclear magnetization of P and Q starts precession from the same location (y′-axis) in the rotating coordinate system. As time passes, the phase of P advances from the phase of Q (FIG. 6B).

そこで、90°パルスから時間τ経過した時点でy'軸方向に180°パルスを印加すると、P、Qの核磁化はy'軸の周りに180°回転し、パルスを印加する前とy'軸に関して対称な配置になる(図6(c))。   Therefore, when a 180 ° pulse is applied in the y′-axis direction after a time τ has elapsed from the 90 ° pulse, the nuclear magnetization of P and Q rotates 180 ° around the y′-axis, and before the pulse is applied, y ′ The arrangement is symmetric with respect to the axis (FIG. 6C).

この配置では、より進んだ位相をもっていた核磁化Pが、逆にQより遅れた位相をもつため、これからさらに時間τ経過した時刻では、どちらの核磁化も同時にy′軸に達することになる(図6(d))。   In this arrangement, since the nuclear magnetization P having a more advanced phase has a phase delayed from Q, both nuclear magnetizations simultaneously reach the y ′ axis at the time when the time τ has passed since then ( FIG. 6 (d)).

このような関係は、試料の中のあらゆる領域の核磁化について成り立つため、すべての核磁化は、この時刻にy'軸に集まり、その結果、大きなNMR信号が得られる。   Since such a relationship holds for the nuclear magnetization of all regions in the sample, all the nuclear magnetization gathers on the y ′ axis at this time, and as a result, a large NMR signal is obtained.

以上のように、はじめにx'軸方向へ90°パルスを印加し、次いでy'軸方向に180°パルスを印加することにより、図6(c)で示したように、P、Qの核磁化はx'y'平面内で反転する。この核磁化の反転により、補償機能が良好に発現する。たとえば、(a)磁場の不均一性、(b)RFコイルが照射する励起パルス強度の不均一性等の原因により、P、Qの位置がx'y'平面上方または下方の位置にずれた場合でも、x'y'平面内で核磁化が反転することにより、位相のずれが補償される。
以上より、2τ時間後には磁化ベクトルがY軸の「正の方向」上で収束し、大きな振幅を持つエコー信号が観測される。
As described above, by first applying a 90 ° pulse in the x′-axis direction and then applying a 180 ° pulse in the y′-axis direction, as shown in FIG. Reverses in the x'y 'plane. The compensation function is satisfactorily exhibited by the reversal of the nuclear magnetization. For example, the positions of P and Q have shifted to positions above or below the x'y 'plane due to (a) non-uniformity of the magnetic field and (b) non-uniformity of the excitation pulse intensity irradiated by the RF coil. Even in this case, the phase shift is compensated by reversing the nuclear magnetization in the x′y ′ plane.
As described above, after 2τ time, the magnetization vector converges on the “positive direction” of the Y axis, and an echo signal having a large amplitude is observed.

第二のパルスシーケンス
さらに、上記(c)では、3τ時間後に磁化ベクトルに「Y軸方向」に外部から180°パルスを照射して、再度、Y軸の「正の方向」上で収束させて、4τ時間後に大きな振幅を持つエコー信号を観測する。さらに、同様の2τ間隔で、180°パルスを照射し続ける。この間、2τ,4τ,6τ,・・・の偶数番目のエコー信号Eのピーク強度を抽出し、指数関数でフィッティングすることで、CPMG法によるT2(横)緩和時定数を良好に導出することが可能となる(図4 #103−1t)。
Second Pulse Sequence Further, in (c) above, the magnetization vector is irradiated with a 180 ° pulse from the outside in the “Y-axis direction” after 3τ time, and converged again on the “positive direction” of the Y-axis. An echo signal having a large amplitude is observed after 4τ time. Further, irradiation with 180 ° pulses is continued at the same 2τ interval. During this time, the peak intensity of the even-numbered echo signal E of 2τ, 4τ, 6τ,... Is extracted and fitted with an exponential function, so that the T 2 (lateral) relaxation time constant by the CPMG method can be derived well. (FIG. 4 # 103-1t).

(ii)T2緩和時定数の導出
2緩和時定数は、図5を参照して前述したスピンエコー法を利用することにより的確に測定することができる。スピンエコーを使用した際のエコー信号の強度SSEは、TR>>TEの場合には、以下の式(A)で表される。
Deriving the T 2 relaxation time constant (ii) the T 2 relaxation time constant can be accurately determined by utilizing the spin echo method described above with reference to FIG. The intensity SSE of the echo signal when using the spin echo is expressed by the following equation (A) in the case of TR >> TE.

(数1)
SSE=A×ρ(x、y、z)×{1−exp(-TR/T1)}×exp(-TE/T2) 式(A)
(Equation 1)
SSE = A × ρ (x, y, z) × {1-exp (−TR / T1)} × exp (−TE / T2) Expression (A)

上記式(A)において、ρは位置(x,y,z)の関数としての対象核種の密度分布、TRは90°パルスの繰り返し時間(100msから10s程度)、TEはエコー時間(2τ、1msから100ms程度)、AはRFコイル検出感度やアンプ等の装置特性を表す定数である。   In the above formula (A), ρ is the density distribution of the target nuclide as a function of the position (x, y, z), TR is the 90 ° pulse repetition time (about 100 ms to 10 s), TE is the echo time (2τ, 1 ms) A is a constant representing the RF coil detection sensitivity and device characteristics such as an amplifier.

従って、取得されたT2減衰曲線上にのる複数のエコー信号群(2τ,4τ,6τ,・・・)を指数関数でフィッティングすることで、上記式(A)よりT2緩和時定数を求めることができる。 Therefore, by fitting a plurality of echo signal groups (2τ, 4τ, 6τ,...) On the acquired T 2 attenuation curve with an exponential function, the T 2 relaxation time constant is obtained from the above equation (A). Can be sought.

(iii)水分量の導出
2緩和時定数から水分量を導出する。試料中の水分量とT2緩和時定数とは、正の相関を持ち、水分量の増加につれてT2緩和時定数が増大する。この相関関係は、試料の種類や形態等により異なるので、あらかじめ水分量がわかっている測定対象試料と同種の試料について指標を作成しておくことができる。すなわち、水分量が既知の複数の標準試料に対して水分量とT2緩和時定数との関係を測定し、この関係を表す指標(検量線或は検量表)をあらかじめ求めておく。このようにして作成した指標を参照することで、T2緩和時定数測定値から試料中の水分量を導出することができる(図4 #104−1w)。
(Iii) Derivation of water content The water content is derived from the T 2 relaxation time constant. The amount of water in the sample and the T 2 relaxation time constant have a positive correlation, and the T 2 relaxation time constant increases as the amount of water increases. Since this correlation varies depending on the type and form of the sample, an index can be created for a sample of the same type as the sample to be measured whose moisture content is known in advance. That is, the relationship between the moisture content and the T 2 relaxation time constant is measured for a plurality of standard samples with known moisture content, and an index (calibration curve or calibration table) representing this relationship is obtained in advance. By referring to the index created in this way, the amount of water in the sample can be derived from the measured T 2 relaxation time constant (# 104-1w in FIG. 4).

上記の例では、水分量の導出に、T2緩和時定数を使用する例を示したが、先に説明したように、水分量とエコー信号Eの強度SSEとは正の相関関係にあるためエコー信号Eの強度を水分量の導出用に使用することもできる。
図面に基づいて、この状況を説明すると、図7(a)は水がある(水分量が大きい)場合のNMR信号を示しており、図7(b)は水がない(水分量が小さい)場合のNMR信号を示している。図面にエコ―部Eを矢印で示した。結果、エコ―信号Eの強度も水分量の特定に使用することができることが判る。
In the above example, the T 2 relaxation time constant is used for the derivation of the moisture amount. However, as described above, the moisture amount and the intensity SSE of the echo signal E are positively correlated. The intensity of the echo signal E can also be used for deriving the amount of water.
This situation will be described based on the drawings. FIG. 7A shows an NMR signal when water is present (the amount of water is large), and FIG. 7B shows no water (the amount of water is small). The NMR signal in the case is shown. The eco part E is indicated by an arrow in the drawing. As a result, it can be seen that the intensity of the eco-signal E can also be used to specify the amount of water.

CV計測用外部装置
CV計測用外部装置53は、その機能部位として、CV計測部53bとCV情報解析部53cとを備えている。
CV計測部53bは、CV計測用導線53aを介して、アノード側電極触媒層34bと内部電極40との間でCV特性取得用の電位掃引を実行し、CV特性を取得する。
CV情報解析部53cは、CV計測部53bにより計測されるCV特性から、セルモデル30の過酸化水素濃度を導出する。
以下さらに説明する。
External device for CV measurement The external device for CV measurement 53 includes a CV measurement unit 53b and a CV information analysis unit 53c as functional parts.
The CV measurement unit 53b acquires a CV characteristic by performing a potential sweep for acquiring the CV characteristic between the anode side electrode catalyst layer 34b and the internal electrode 40 via the CV measurement lead wire 53a.
The CV information analysis unit 53c derives the hydrogen peroxide concentration of the cell model 30 from the CV characteristics measured by the CV measurement unit 53b.
This will be further described below.

CV計測部
CVは、電極電位を直線的に掃引し応答電流を計測する手法である。
本実施形態にあっては、基準電位部位をセルモデル30のアノード側電極触媒層34bとし、内部電極40に計測用の電位を印加する。CV計測部53bは、電位掃引動作と、応答電流の計測を実行する(図4 #102−2)。
通常、電位掃引は、電位0から正側に掃引し、所定の電位となった状態で電位上昇を停止する。その後、電位を負の所定電位まで掃引し、0まで上昇回復される。ここで、所定の電位は、電位の上昇又は下降操作に対して、電流がほぼ一定となる電位である。
CV measuring unit CV is a method of measuring a response current by linearly sweeping an electrode potential.
In the present embodiment, the reference potential portion is the anode-side electrode catalyst layer 34 b of the cell model 30, and a measurement potential is applied to the internal electrode 40. The CV measurement unit 53b performs a potential sweep operation and a response current measurement (# 102-2 in FIG. 4).
Normally, the potential sweep sweeps from the potential 0 to the positive side, and stops increasing the potential when the potential has reached a predetermined potential. After that, the potential is swept to a predetermined negative potential and recovered to rise to zero. Here, the predetermined potential is a potential at which the current becomes substantially constant with respect to the increase or decrease of the potential.

図8に、CV曲線(CV特性の一種)と呼ばれる計測結果を示した。
この図は、過酸化水素濃度が、5ppm、10ppm、20ppmと変化した場合のCV曲線をそれぞれ示している。
FIG. 8 shows a measurement result called a CV curve (a kind of CV characteristic).
This figure shows CV curves when the hydrogen peroxide concentration is changed to 5 ppm, 10 ppm, and 20 ppm, respectively.

CV情報解析部
図8からも判明するように、PEM31内の過酸化水素濃度が増加するに従って、CV曲線における安定域の電流は増加する。即ち、過酸化水素濃度と特定電位の電流は正の相関を示す。例えば、図8における、1.3Vの電流を、過酸化水素濃度の推定指標として、予め校正線を得ておくことで計測を良好に行える。電位1.3Vの電流〔mA〕をy、過酸化水素濃度〔ppm〕をxとして、y=0,08xと正の比例関係となる。
従って、CV情報解析部52cは、具体的にはCV計測部52bにより計測されるCV特性から、電流安定域に位置する特定電位の電流を求め(図4 #103−2)、過酸化水素濃度を導出する(図4 #104−2)。
CV Information Analysis Unit As can be seen from FIG. 8, the current in the stable region in the CV curve increases as the hydrogen peroxide concentration in the PEM 31 increases. That is, the hydrogen peroxide concentration and the current at a specific potential have a positive correlation. For example, the measurement can be performed satisfactorily by obtaining a calibration line in advance using a current of 1.3 V in FIG. 8 as an estimation index of the hydrogen peroxide concentration. The electric current [mA] at a potential of 1.3 V is y, and the hydrogen peroxide concentration [ppm] is x.
Therefore, the CV information analysis unit 52c specifically obtains the current of the specific potential located in the current stable region from the CV characteristic measured by the CV measurement unit 52b (# 103-2 in FIG. 4), and the hydrogen peroxide concentration Is derived (# 44-2 in FIG. 4).

NMR計測・CV計測
以上説明した計測システムを利用したNMR計測及びCV計測の同時計測は図4に従って、行われる。
# 101
セルモデル30を、永久磁石1の磁界領域内に設置するとともに、NMR計測用導線52aをNMR計測用外部装置52に、CV計測用導線53aをCV計測用外部装置53に接続する。
セルモデル30が電磁波シールド用の筐体33を備えていることより、外部電磁波の影響を低減した状態で、且つ、静磁場Hが印加された状態で、NMR測定及びCV測定を行うことができる。
NMR Measurement / CV Measurement Simultaneous measurement of NMR measurement and CV measurement using the measurement system described above is performed according to FIG.
# 101
The cell model 30 is installed in the magnetic field region of the permanent magnet 1, and the NMR measurement lead 52 a is connected to the NMR measurement external device 52 and the CV measurement lead 53 a is connected to the CV measurement external device 53.
Since the cell model 30 includes the casing 33 for electromagnetic wave shielding, NMR measurement and CV measurement can be performed in a state where the influence of external electromagnetic waves is reduced and a static magnetic field H is applied. .

NMR計測は以下のシーケンスで行われる。
#102−1
励起用高周波パルス(具体的には測定目的に適したパルスシーケンス)を小型RFコイル37を使用してPEM31に印加する。
NMR信号(エコー信号)を取得する。
このステップ102−1の動作は、NMR計測用外部装置52に備えられるNMR計測部52bにより実行される。
NMR measurement is performed in the following sequence.
# 102-1
A high frequency pulse for excitation (specifically, a pulse sequence suitable for measurement purposes) is applied to the PEM 31 using a small RF coil 37.
An NMR signal (echo signal) is acquired.
The operation of Step 102-1 is executed by the NMR measurement unit 52b provided in the NMR measurement external device 52.

#103−1f、#103−1t
#102−1により得られるNMR信号から、電流計測に関しては周波数シフトを導出する。一方、水分計測に関しては、T緩和時定数を導出する。
#104−1i、#104−1w
さらに導出された周波数シフトから電流を、T緩和時定数から水分量を導出する。
これら動作は、NMR計測用外部装置52に備えられるNMR情報解析部52cにより実行される。
# 103-1f, # 103-1t
A frequency shift is derived for current measurement from the NMR signal obtained by # 102-1. On the other hand, for moisture measurement, a T 2 relaxation time constant is derived.
# 104-1i, # 104-1w
Further, the current is derived from the derived frequency shift, and the moisture content is derived from the T 2 relaxation time constant.
These operations are executed by the NMR information analysis unit 52c provided in the NMR measurement external device 52.

CV計測は以下のシーケンスで行われる。
# 102−2
アノード側電極層34bと内部電極40との間で電位掃引を実行し、電流検出を行って、CV特性(CV曲線)を計測する。
このステップ102−2の動作は、CV計測用外部装置53に備えられるCV計測部53bにより実行される。
CV measurement is performed in the following sequence.
# 102-2
A potential sweep is performed between the anode-side electrode layer 34b and the internal electrode 40, current detection is performed, and CV characteristics (CV curve) are measured.
The operation of Step 102-2 is executed by the CV measurement unit 53b provided in the CV measurement external device 53.

#103−2、#104−2
ステップ102−2により得られるCV特性から、特定の電位に対応する電流を求め、過酸化水素濃度を導出する。
この動作は、CV計測用外部装置53に備えられるCV情報解析部53cにより実行される。
# 103-2, # 104-2
A current corresponding to a specific potential is obtained from the CV characteristic obtained in step 102-2, and the hydrogen peroxide concentration is derived.
This operation is executed by the CV information analysis unit 53c provided in the external device 53 for CV measurement.

# 105
導出された結果は、適宜出力可能となるとともに所定の記憶部(図外)に記憶される。
# 105
The derived result can be output as appropriate and is stored in a predetermined storage unit (not shown).

以上説明したように、本願に係る計測システム100では、
NMR計測部52bによりNMR信号を取得するNMR計測用工程と、
CV計測部53bによりCV特性を取得するCV計測工程とを実行し、
NMR計測部52bにより取得されるNMR信号から、NMR情報解析部52cにより、セルモデル30の電流、水分量の何れか一方以上を導出するNMR情報解析工程と、
CV計測部53bにより計測されるCV特性から、CV情報解析部53cによりセルモデルの過酸化水素濃度を導出するCV情報解析工程を実行して、
セルモデル30の電流、水分量と、セルモデル30の過酸化水素濃度との同時計測を実行することとなる。
さらに、同時計測方法を逐次繰り返すことができる。
As described above, in the measurement system 100 according to the present application,
An NMR measurement step of acquiring an NMR signal by the NMR measurement unit 52b;
A CV measurement step of acquiring CV characteristics by the CV measurement unit 53b,
An NMR information analysis step of deriving one or more of the current and water content of the cell model 30 from the NMR signal acquired by the NMR measurement unit 52b by the NMR information analysis unit 52c;
A CV information analysis step of deriving the hydrogen peroxide concentration of the cell model from the CV characteristic measured by the CV measurement unit 53b by the CV information analysis unit 53c,
Simultaneous measurement of the current and water content of the cell model 30 and the hydrogen peroxide concentration of the cell model 30 is executed.
Furthermore, the simultaneous measurement method can be repeated sequentially.

また、電極触媒層34間に電気的負荷がかかり、燃料ガス流通路42より燃料ガスを、酸化性ガス流通路43より酸化性ガスを供給する電池発電状態で、NMR計測及びCV計測を実行することができる。   Further, NMR measurement and CV measurement are performed in a battery power generation state in which an electrical load is applied between the electrode catalyst layers 34 and fuel gas is supplied from the fuel gas flow passage 42 and oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas flow passage 43. be able to.

以上が、本願の計測システム100においてNMR計測及びCV計測を実行するための基本的構造である。
本願の計測システム100では、NMR計測、CV計測を同時に行うこととするため、セルモデル30は、静磁場Hを形成する永久磁石1内に配置されて使用される。さらに、NMR計測及びCV計測で、電磁波シールド用の筐体33内に配される電極触媒層34、内部電極40、小型RFコイル37、NMR計測用導線38、CV計測用導線39を使用する。結果、両計測系の相互干渉が問題となる。
The above is the basic structure for executing NMR measurement and CV measurement in the measurement system 100 of the present application.
In the measurement system 100 of the present application, since the NMR measurement and the CV measurement are performed simultaneously, the cell model 30 is disposed and used in the permanent magnet 1 that forms the static magnetic field H. Further, in the NMR measurement and the CV measurement, the electrode catalyst layer 34, the internal electrode 40, the small RF coil 37, the NMR measurement lead 38, and the CV measurement lead 39 arranged in the electromagnetic wave shielding casing 33 are used. As a result, mutual interference between both measurement systems becomes a problem.

本システム100には、このような相互干渉を低減するための対策が取られている。
このような相互干渉として発明者等が新たに見出した課題は以下の2点であった。以下、それぞれの課題に対する対策(構造的な対策)について、順に説明する。
In the system 100, measures are taken to reduce such mutual interference.
The problems newly found by the inventors as such mutual interference were the following two points. Hereinafter, countermeasures (structural countermeasures) for each problem will be described in order.

CV計測に伴う、NMR信号上のノイズ解消
図2、図3に示すように、CV計測用導線53aに於ける、電磁波シールド用の筐体33の導線貫通部位に、貫通EMIフィルター41を設けた。貫通EMIフィルター41は、NMR信号の44MHzを中心周波数とした遮断フィルター(バンド幅:数MHz、遮断率:40dB)とした。また、電磁波シールド用の筐体33は貫通EMIフィルター41のフィルターグラウンドとした。遮断フィルターは減衰フィルターの一種である。
このフィルター41の有効性を検討した結果、NMR計測により得られるNMR信号において、そのノイズ部のノイズ強度(標準偏差)を、フィルターを備えない場合と比較して、1/4程度まで低減できた。ここでノイズ部とは、例えば、図7上段に示すNMR信号において、エコー信号Eより時間経過後に現れているノイズ部である。このノイズ強度は、CV計測を同時に行わない場合(基準)に対して、同程度となった。結果、同時計測において有効であることが判明した。
Elimination of noise on NMR signal due to CV measurement As shown in FIGS. 2 and 3, a penetrating EMI filter 41 is provided in the lead penetration portion of the electromagnetic wave shielding casing 33 in the lead wire 53 a for CV measurement. . The penetration EMI filter 41 was a cutoff filter (bandwidth: several MHz, cutoff rate: 40 dB) having an NMR signal of 44 MHz as a center frequency. The electromagnetic wave shielding casing 33 is used as a filter ground for the penetrating EMI filter 41. The cutoff filter is a kind of attenuation filter.
As a result of investigating the effectiveness of the filter 41, in the NMR signal obtained by NMR measurement, the noise intensity (standard deviation) of the noise part could be reduced to about ¼ compared with the case where no filter was provided. . Here, the noise part is a noise part that appears after elapse of time from the echo signal E in the NMR signal shown in the upper part of FIG. This noise intensity was comparable to the case where CV measurement was not performed simultaneously (reference). As a result, it was proved effective in simultaneous measurement.

静磁場内においてCV曲線に出現する微小な凹凸の解消
図2、図3に示すように、筐体33内に配置されるPEFC32は、PEM31、両表面の電極触媒層34、両側のGDL35、さらに、内部電極40、小型RFコイル37を一体としたセル構造体45としている。このセル構造体45は、これまで説明してきた筐体33とともに機器の固定系となる。
本願に係るセルモデル30においては、前記筐体33内に位置するCV計測用導線部位39をセル構造体45に位置固定した。具体的には、図3に示すようにセル構造体45と筐体33とを繋ぐ構成とし、CV計測用導線部位39を複数(図示する例では内部電極40に接続される導線について、それぞれ3か所)のフック46により固定した。
Removal of minute irregularities appearing in CV curve in static magnetic field As shown in FIGS. 2 and 3, PEFC 32 arranged in the housing 33 includes PEM 31, electrode catalyst layers 34 on both surfaces, GDL 35 on both sides, The cell structure 45 is formed by integrating the internal electrode 40 and the small RF coil 37. The cell structure 45 becomes a fixed system of the device together with the casing 33 described so far.
In the cell model 30 according to the present application, the CV measurement lead wire portion 39 located in the housing 33 is fixed to the cell structure 45. Specifically, as shown in FIG. 3, the cell structure 45 and the housing 33 are connected to each other, and a plurality of CV measurement conductor portions 39 (three conductors connected to the internal electrode 40 in the example shown in the drawing) are provided. ).

図9に、CV計測用導線部位39を固定しない場合と固定した場合との、CV曲線を示した。図9(a)が導線を固定しない場合のCV曲線であり、図9(b)が導線を固定した場合のCV曲線である。固定しない場合に、CV曲線に現れた微小な凹凸が、固定したことによって解消していることが判る。   FIG. 9 shows a CV curve when the CV measurement lead wire portion 39 is not fixed and when it is fixed. FIG. 9A is a CV curve when the conducting wire is not fixed, and FIG. 9B is a CV curve when the conducting wire is fixed. When not fixed, it can be seen that minute irregularities appearing on the CV curve are eliminated by fixing.

〔別実施形態〕
A 上記の実施形態においては、計測システムの計測対象として、NMR計測に基づいて電流及び水分量の両方を求めることとしたが、いずれか一方としてもよい。
B さらに、NMR計測を実行する場合に、試料に対して勾配磁場を印加する勾配磁場印加部を設け、小型RFコイルで取得されたNMR信号に基づいて、試料中の水分の易動性を導出する易動性解析部を備えてもよい。この構成では、小型RFコイルが、試料に励起用振動磁場を印加するとともに、励起用振動磁場および勾配磁場に対応するNMR信号を取得し、易動性解析部が、異なる勾配磁場に対応して得られたNMR信号に基づいて、試料の特定箇所の易動性を導出する構成とできる。
C 上記の実施の形態では、CV計測において、電極間の電位掃引をプラス側及びマイナス側の両方向に実行し、所謂、CV曲線を取得してから、特定電位の電流に基づいて過酸化水素濃度を求める例を示したが、予め、特定電位として、電位掃引の上昇操作における特定電位の電流を過酸化水素濃度の導出に使用することを定めておけば、電位掃引を0電位から特定電位までの上昇掃引操作のみとし、特定電位で流れる電流から過酸化水素濃度を求めることとしてもよい。
D さらに、本願構成の場合、局所的な過酸化水素濃度を計測可能となるため膜全体の過酸化水素量として出力するものとしてもよい。
F 上記の実施の形態では、CV計測用導線部位39の位置固定をフック46によるものとしたが、固定方法はいかなる方法でもよく、例えば接着等による固定等、任意の固定手段を採用できる。
[Another embodiment]
A In the above embodiment, both the current and the water content are determined based on the NMR measurement as the measurement target of the measurement system, but either one may be used.
B In addition, when NMR measurement is performed, a gradient magnetic field application unit that applies a gradient magnetic field to the sample is provided, and the mobility of moisture in the sample is derived based on the NMR signal acquired by the small RF coil. A mobility analysis unit may be provided. In this configuration, the small RF coil applies the excitation oscillating magnetic field to the sample, acquires NMR signals corresponding to the excitation oscillating magnetic field and the gradient magnetic field, and the mobility analyzer responds to the different gradient magnetic fields. Based on the obtained NMR signal, it can be configured to derive the mobility of a specific portion of the sample.
C In the above embodiment, in the CV measurement, the potential sweep between the electrodes is executed in both the positive side and the negative side, and a so-called CV curve is obtained, and then the hydrogen peroxide concentration is determined based on the current of the specific potential. However, if it is determined in advance that the current of the specific potential in the operation of raising the potential sweep is used for deriving the hydrogen peroxide concentration as the specific potential, the potential sweep is from 0 potential to the specific potential. The hydrogen peroxide concentration may be obtained from the current flowing at a specific potential.
D Furthermore, in the case of the configuration of the present application, since the local hydrogen peroxide concentration can be measured, it may be output as the hydrogen peroxide amount of the entire film.
F In the above-described embodiment, the position of the CV measurement lead wire portion 39 is fixed by the hook 46. However, any fixing method may be used, and any fixing means such as fixing by adhesion or the like may be employed.

以上、NMR計測とCV計測との両方を同時的に精度よく行える計測技術を確立することができた。   As mentioned above, the measurement technique which can perform both NMR measurement and CV measurement simultaneously and accurately was able to be established.

1 永久磁石
30 セルモデル
31 固体高分子電解質膜(PEM)
32 固体高分子形燃料電池(PEFC)
33 筐体
34 電極触媒層
36 電子負荷
37 小型RFコイル
39 CV計測用導線部位
40 内部電極
41 フィルター
42 燃料ガス流通路
43 酸化性ガス流通路
50 外部装置
52 NMR計測用外部装置
52 a NMR計測用導線
52 b NMR計測部
52 c NMR情報解析部
53 CV計測用外部装置
53 a CV計測用導線
53 b CV計測部
53 c CV情報解析部
100 計測システム

1 Permanent magnet 30 Cell model 31 Solid polymer electrolyte membrane (PEM)
32 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC)
33 Housing 34 Electrode catalyst layer 36 Electronic load 37 Small RF coil 39 CV measurement conductor 40 Internal electrode 41 Filter 42 Fuel gas flow path 43 Oxidative gas flow path 50 External device 52 NMR measurement external device 52 a For NMR measurement Conductor 52 b NMR measurement unit 52 c NMR information analysis unit 53 CV measurement external device 53 a CV measurement lead 53 b CV measurement unit 53 c CV information analysis unit 100 Measurement system

Claims (11)

固体高分子形燃料電池セルの作動状態を模擬するセルモデルであって、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の表面に備えられるアノード側電極触媒層及び裏面に備えられるカソード側電極触媒層と、
前記アノード側電極触媒層側から前記固体高分子電解質膜に燃料ガスを供給する燃料ガス流通路と、
前記カソード側電極触媒層側から前記固体高分子電解質膜に酸化性ガスを供給する酸化性ガス流通路とを備え、
前記固体高分子電解質膜の内部に備えられる内部電極と、
前記固体高分子電解質膜に励起用振動磁場を印加するとともに、前記固体高分子電解質膜に発生する核磁気共鳴信号を取得する小型RFコイルとを備え、
前記固体高分子電解質膜、前記両電極触媒層、前記内部電極及び前記小型RFコイルを備えたセル構造体が静磁場内に収容される状態で、
前記小型RFコイルの一対の端子それぞれを静磁場外のNMR計測用外部装置と電気的に接続するNMR計測用導線と、
前記アノード側電極触媒層と前記内部電極とのそれぞれを静磁場外のCV計測用外部装置と電気的に接続するCV計測用導線とを備え、
前記CV計測用導線に、前記核磁気共鳴信号の周波数の信号を減衰するフィルターを備えるとともに、
少なくとも前記静磁場内に位置するCV計測用導線部位を位置固定した
セルモデル。
A cell model that simulates the operating state of a polymer electrolyte fuel cell,
A solid polymer electrolyte membrane;
An anode-side electrode catalyst layer provided on the surface of the solid polymer electrolyte membrane and a cathode-side electrode catalyst layer provided on the back surface;
A fuel gas flow passage for supplying fuel gas from the anode side electrode catalyst layer side to the solid polymer electrolyte membrane;
An oxidizing gas flow passage for supplying an oxidizing gas from the cathode side electrode catalyst layer side to the solid polymer electrolyte membrane,
An internal electrode provided inside the solid polymer electrolyte membrane;
A small RF coil that applies an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane and acquires a nuclear magnetic resonance signal generated in the solid polymer electrolyte membrane,
In a state where the cell structure including the solid polymer electrolyte membrane, the two electrode catalyst layers, the internal electrode and the small RF coil is accommodated in a static magnetic field,
NMR measurement conductors that electrically connect each of the pair of terminals of the small RF coil to an NMR measurement external device outside the static magnetic field;
A conductor for CV measurement that electrically connects each of the anode-side electrode catalyst layer and the internal electrode to an external device for CV measurement outside a static magnetic field,
The CV measurement lead is provided with a filter for attenuating the frequency signal of the nuclear magnetic resonance signal,
A cell model in which at least a CV measurement lead portion located in the static magnetic field is fixed.
前記セル構造体に前記静磁場が印加された状態で前記セル構造体を外部から電磁波シールドする筐体を備えるとともに、前記筐体に前記フィルターとしての貫通EMIフィルターを備えた請求項1記載のセルモデル。   2. The cell according to claim 1, further comprising: a casing that shields the cell structure from the outside in a state where the static magnetic field is applied to the cell structure, and a penetrating EMI filter as the filter. model. 位置固定される前記CV計測用導線部位が前記セル構造体に固定され、前記静磁場内で位置固定される請求項1又は2記載のセルモデル。   The cell model according to claim 1 or 2, wherein the position of the CV measurement lead wire to be fixed is fixed to the cell structure and fixed in the static magnetic field. 前記内部電極及び前記小型RFコイルが、それぞれ前記固体高分子電解質膜の広がり方向に分散配置されている請求項1〜3の何れか一項記載のセルモデル。   The cell model according to any one of claims 1 to 3, wherein the internal electrodes and the small RF coils are dispersedly arranged in the spreading direction of the solid polymer electrolyte membrane. 前記内部電極及び前記小型RFコイルが、それぞれ少なくとも燃料ガスの流れ方向に分散配置されている請求項1〜4の何れか一項記載のセルモデル。   The cell model according to any one of claims 1 to 4, wherein the internal electrodes and the small RF coils are each distributed and arranged at least in the fuel gas flow direction. 請求項1〜5の何れか一項記載のセルモデルと、
前記セルモデルを内部に収容する状態で、前記固体高分子電解質膜に静磁場を印加する静磁場印加装置と、
前記NMR計測用導線及び前記小型RFコイルを介して、前記固体高分子電解質膜に励起用振動磁場を印加するとともに、前記固体高分子電解質膜に発生する核磁気共鳴信号を取得するNMR計測部と、
前記CV計測用導線を介して、前記アノード側電極触媒層と前記内部電極との間でCV特性取得用の電位掃引を実行し、CV信号を取得するCV計測部とを備え、
前記静磁場印加装置による前記固体高分子電解質膜への静磁場印加状態において、前記CV計測部によりCV特性の計測が可能とされている計測システム。
The cell model according to any one of claims 1 to 5,
A static magnetic field application device that applies a static magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane in a state in which the cell model is accommodated therein,
An NMR measurement unit that applies an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane through the NMR measurement lead and the small RF coil, and acquires a nuclear magnetic resonance signal generated in the solid polymer electrolyte membrane; ,
A CV measurement unit that acquires a CV signal by performing a potential sweep for CV characteristic acquisition between the anode-side electrode catalyst layer and the internal electrode via the CV measurement lead;
A measurement system in which CV characteristics can be measured by the CV measurement unit in a state where a static magnetic field is applied to the solid polymer electrolyte membrane by the static magnetic field application device.
前記NMR計測部により取得される前記核磁気共鳴信号から、セルモデルの電流状態、水分状態の何れか一方以上を導出するNMR情報解析部と、
前記CV計測部により計測されるCV特性から、セルモデルの過酸化水素状態を導出するCV情報解析部とを備える請求項6記載の計測システム。
From the nuclear magnetic resonance signal acquired by the NMR measurement unit, an NMR information analysis unit for deriving one or more of the current state and moisture state of the cell model;
The measurement system according to claim 6, further comprising: a CV information analysis unit that derives a hydrogen peroxide state of the cell model from the CV characteristics measured by the CV measurement unit.
前記NMR計測部及び前記CV計測部が同時に働いて、NMR計測及びCV計測を同時に実行する同時計測を逐次的に実行する請求項6又は7記載の計測システム。   The measurement system according to claim 6 or 7, wherein the NMR measurement unit and the CV measurement unit work simultaneously to sequentially execute simultaneous measurement for simultaneously executing NMR measurement and CV measurement. 請求項7記載の計測システムを使用して、
前記NMR計測部により前記核磁気共鳴信号を取得するNMR計測用工程と、
前記CV計測部により前記CV特性を計測するCV計測工程とを実行し、
前記NMR計測部により取得される前記核磁気共鳴信号から、前記NMR情報解析部により、セルモデルの電流状態、水分状態の何れか一方以上を導出するNMR情報解析工程と、
前記CV計測部により計測されるCV特性から、前記CV情報解析部によりセルモデルの過酸化水素状態を導出するCV情報解析工程を実行して、
セルモデルの電流状態、水分状態の何れか一方以上と、セルモデルの過酸化水素状態との同時計測を実行する同時計測方法。
Using the measurement system according to claim 7,
NMR measurement step of acquiring the nuclear magnetic resonance signal by the NMR measurement unit,
A CV measurement step of measuring the CV characteristics by the CV measurement unit;
From the nuclear magnetic resonance signal acquired by the NMR measurement unit, an NMR information analysis step of deriving any one or more of the current state and moisture state of the cell model by the NMR information analysis unit,
From the CV characteristics measured by the CV measurement unit, a CV information analysis step of deriving the hydrogen peroxide state of the cell model by the CV information analysis unit is performed.
A simultaneous measurement method for executing simultaneous measurement of at least one of a current state and a moisture state of a cell model and a hydrogen peroxide state of the cell model.
請求項9記載の同時計測方法を逐次繰り返す逐次同時計測方法。   A sequential simultaneous measurement method for sequentially repeating the simultaneous measurement method according to claim 9. 前記両電極触媒層間に電子負荷がかかり、前記燃料ガス流通路より燃料ガスを、前記酸化性ガス流通路より酸化性ガスを供給する電池発電状態で、NMR計測及びCV計測を実行する請求項9又は10記載の同時計測方法。

10. An NMR measurement and a CV measurement are performed in a battery power generation state in which an electronic load is applied between the electrode catalyst layers and fuel gas is supplied from the fuel gas flow passage and oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas flow passage. Or the simultaneous measurement method of 10.

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