JP2016223870A - 酸素濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する酸素感応物質を用いて測定対象空間内の酸素ガス濃度を測定する酸素濃度測定装置において、測定の精度を向上させる。【解決手段】測定対象空間に置かれた検出面５に塗布された酸素感応物質の蛍光強度を測定することによって前記測定対象空間の酸素ガス濃度を測定する酸素濃度測定装置１０において、所定波長の励起光を発する光源１と、前記励起光を前記検出面５に照射する照射光学系２、３、４と、前記酸素感応物質から発せられる蛍光を検出する検出部６であって、前記検出面５を臨む方向に開口した筒状体であるカバー部材８を光入射面７に備えた光検出部６とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象領域の酸素濃度を光学的に測定する酸素濃度測定装置に関し、特に燃料電池内部の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定するために好適に用いることができる酸素濃度測定装置に関する。

燃料電池は、負極側に供給される水素と正極側に供給される酸素の電気化学反応を利用して発電を行う装置である。発電に際して二酸化炭素や窒素酸化物等の有害物質を発生しない、発電効率やエネルギー利用効率が高い、燃料となる水素を容易に得ることができる、といった様々な利点を有していることから、近年様々な分野で用いられている。

燃料電池では、負極側で水素から離脱した電子が外部回路を通って正極側に移動することにより電流が流れる。また、水素から電子が離脱した結果生成された水素イオンは正極側に向かって電解質中を移動し、正極側で電子を受け取った酸素（酸素イオン）と反応して水になる。従って、正極側での酸素の消費状況は発電状態を反映しており、これを評価することは、電池の構造、電解質膜や触媒の種類、発電条件等を改良して電池性能を向上させるために有効である。

本願出願人は、特許文献１及び非特許文献１において、燃料電池内部の酸素ガス濃度を光学的に測定する装置（酸素濃度測定装置）を提案している。この酸素濃度測定装置では、燃料電池の正極に接するように設けた酸素ガス流路に、酸素濃度に応じて蛍光強度が変化する酸素感応物質を予め塗布しておき、これに光透過窓を通して所定波長の励起光を照射して、酸素感応物質から放出される蛍光強度を検出する。酸素感応物質は、酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する物質であり、該酸素感応物質の蛍光強度から酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を求めることができる。

図１に、特許文献１に記載の酸素濃度測定装置１００の要部構成を示す。この酸素濃度測定装置１００では、光源１０１から所定の広がり角で発せられる光（励起光）がコリメートレンズ１０２で平行光に変換され、全反射ミラー１０３及びダイクロイックミラー１０４で反射された後、可視化セル１０５内の酸素ガス流路に照射される。前記コリメートレンズ１０２は励起光の光軸方向に移動可能であり、該コリメートレンズ１０２を移動させることによって、可視化セル１０５内の酸素ガス流路の大きさに応じた面積で励起光を照射することができる。酸素ガス流路１０５に予め塗布された酸素感応物質からの蛍光は、光検出器１０６により検出される。

特開２０１１−８９９４４号公報

大野隆,他2名,"燃料電池酸素濃度可視化装置 FC-O2モニタ FCM-405-Oxy形", 島津評論, Vol. 67, No. 1・2 (2010)

通常、酸素濃度の測定は、外部光を遮断した暗室で行われる。しかし、上述の酸素濃度測定装置１００では、光源１０１から酸素ガス流路までの光路上にコリメートレンズ１０２や全反射ミラー１０３、ダイクロイックミラー１０４といった光学素子が配置されている。このため、外部光を遮断しても、光源から発せられた励起光の一部がコリメートレンズ１０２等の光学素子で散乱して迷光となる。こうした迷光が光検出器１０６に入射すると蛍光強度の測定結果が不正確になり酸素ガス濃度の測定精度が悪化してしまう、という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する酸素感応物質を用いて測定対象空間内の酸素ガス濃度を測定する酸素濃度測定装置において、測定の精度を向上させることである。

上記課題を解決するために成された本発明は、測定対象空間に置かれた検出面に塗布された酸素感応物質の蛍光強度を測定することによって前記測定対象空間の酸素ガス濃度を測定する装置であって、
a) 所定波長の励起光を発する光源と、
b) 前記励起光を前記検出面に照射する照射光学系と、
c) 前記酸素感応物質から発せられる蛍光を検出する検出部であって、前記検出面を臨む方向に開口した筒状体であるカバー部材を光入射面に備えた光検出部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る酸素濃度測定装置では、照射光学系を通して励起光を酸素感応物質が塗布された検出面に照射する。そして、光検出部により酸素感応物質の蛍光の強度を検出する。このとき、検出面を臨む方向に開口した筒状体であるカバー部材が光検出部の光入射面に取り付けられているため、照射光学系の光学素子で散乱され生じた迷光が光検出器に入射するのを防ぐことができる。従って、酸素感応物質からの蛍光の強度を正確に測定して酸素ガス濃度を高精度で測定することができる。

上記光検出部は、酸素感応物質の蛍光の総強度を測定するものであってもよいが、撮像装置（カメラ）であることが好ましい。これにより検出面の画像を取得し、該画像における明度の分布（酸素感応物質の蛍光強度の分布）から測定対象空間内での酸素ガス濃度の分布を得ることができる。この構成は、特に、燃料電池内部の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定するために好適に用いることができる。

燃料電池には、用途や使用場所に応じた様々な大きさのものがあり、検出面の大きさも様々である。こうした検出面に柔軟に対応すべく、前記照射光学系は、前記励起光の光軸方向に移動可能に配置されたコリメートレンズを備えることが好ましい。これにより、検出面の大きさに応じて励起光の照射面積を変更することができる。

本発明に係る酸素濃度測定装置を用いることにより、励起光が照射光学系に含まれる光学素子で散乱して生じた迷光が光検出部に入射することを防止し、酸素感応物質からの蛍光の強度を正確に測定して測定対象空間内の酸素ガス濃度の測定精度を向上することができる。

従来の酸素濃度測定装置の要部構成図。 本発明に係る酸素濃度測定装置の一実施例の要部構成図。 本発明に係る酸素濃度測定装置の別の実施例の要部構成図。 本発明に係る酸素濃度測定装置のさらに別の実施例の要部構成図。

本発明に係る酸素濃度測定装置の一実施例について、以下、図面を参照して説明する。本実施例の酸素濃度測定装置１０は、燃料電池内部の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定する装置である。酸素ガス流路（検出面）には、約400nmの光を吸収して約650nmの蛍光を発する酸素感応物質が予め塗布されている。酸素感応物質は、酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する（例えば蛍光が酸素ガスによって消光される）白金ポルフィリン等の物質である。

図２は、本実施例の酸素濃度測定装置１０の要部構成図である。
酸素濃度測定装置１０は、ＬＥＤ光源１、コリメートレンズ２、全反射ミラー３、ダイクロイックミラー（誘電体多層膜ミラー）４、及びカメラ６を備えている。また、コリメートレンズ２は、図示しない移動機構によって励起光の光軸方向に移動可能に配置されている。なお、ＬＥＤ光源１は、ＬＥＤと、該ＬＥＤから発せられる光を所定の広がり角に成形するビームエクスパンダーを備えている。あるいは、ＬＥＤ光源１に代えて、レーザと、該レーザから発せられる光を所定の広がり角に成形するビームエクスパンダーを有するレーザ光源を用いても良い。

燃料電池では、用途や使用場所に応じて様々な大きさのものが用いられる。従って、酸素ガス流路の大きさも10mm四方程度のものから1000mm四方に至るものまで様々である。本実施例の酸素濃度測定装置１０では、コリメートレンズ２をＬＥＤ光源１から遠ざかる方向に移動すると、励起光の照射面積を大きくすることができる。従って、燃料電池の酸素ガス流路の大きさに合わせて励起光の照射面積を変更することができる。

ＬＥＤ光源１から所定の広がり角で発せられた約400nmの励起光（図中の一点鎖線）は、コリメートレンズ２により平行光に変換された後、全反射ミラー３及びダイクロイックミラー４で反射されて検出面５に入射する。これにより、検出面５に塗布された酸素感応物質から発せられた蛍光（図中の破線）はカメラ６で撮像され、所定の画像処理が施されたあと、図示しない表示部の画面上に表示される。

本実施例の酸素濃度測定装置１０では、カメラ６の光入射面７にカバー部材８が取り付けられている。カバー部材８は検出面５を臨む方向に開口した筒状体である。カバー部材８には、黒色の樹脂製や黒色塗装された金属製のものであって、表面が粗く加工され反射が抑えられたものを用いることが好ましい。また、励起光が通過する光路上に位置する光学素子（即ち、コリメートレンズ２及び全反射ミラー３）において励起光が散乱されて生じた迷光が光入射面７に直接入射するのを防ぐような長さに形成されている。つまり、コリメートレンズ２及び全反射ミラー３と、光入射面７を結ぶ直線経路を遮断するようにカバー部材８が装着されている。これは、カメラ６に取り付けられたカバー部材８の長さや形状を踏まえ、コリメートレンズ２及び全反射ミラー３で散乱された迷光が光入射面７に直接入射することがない位置にコリメートレンズ２及び全反射ミラー３が配置されている、と言い換えることもできる。従って、励起光がコリメートレンズ２及び全反射ミラー３で散乱され迷光になっても、それらが検出されることがない。そのため、検出面５の蛍光強度を正確に測定して酸素ガス濃度を高精度で測定することができる。

また、カバー部材８は検出面５のサイズに応じて形状を変化させることができる。例えば、検出面５が光入射面７よりも大きい場合に、検出面５の大きさに合わせてカバー部材８全体を大きくするように変形可能に構成することができる。カメラ６の大きさに比べてカバー部材８を適宜に大きくすることで、迷光の進入をより効果的に抑えることができる。

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更可能である。上記実施例ではＬＥＤ光源を用いたが、酸素感応物質による光吸収が起こる波長を含み該酸素感応物質の蛍光波長を含まない波長範囲の光を発する白色光源を用いても良い。また、本実施例では燃料電池の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定する場合を例に挙げたが、当然、それ以外の測定対象空間内の酸素ガス濃度も同様に測定することができる。

上記実施例における照射光学系に代えて、図３あるいは図４に示すような構成を採ることもできる。
図３に示す酸素濃度測定装置２０では、ＬＥＤ光源１１からの励起光をコリメートレンズ１２で平行光に変換し、斜方向から検出面１５に照射する。そして、検出面１５に塗布された酸素感応物質からの蛍光をカメラ１６により撮像する。カメラ１６は上記実施例と同様に、光入射面１７にカバー部材１８を備えている。この構成では、全反射ミラーやダイクロイックミラーを用いないため、迷光の発生要因を少なくすることができる。

図４に示す酸素濃度測定装置３０では、ＬＥＤ光源２１からの励起光をコリメートレンズ２２で平行光に変換し、ダイクロイックミラー２３を通過させて検出面２５に照射する。検出面２５からの蛍光は、ダイクロイックミラー２３及び全反射ミラー２４で反射された後、カメラ２６で撮像される。カメラ２６も、上記実施例と同様に、光入射面２７にカバー部材２８を備えている。図４の構成で使用するダイクロイックミラー２３には、図２の構成で用いるダイクロイックミラーと違い、励起光の波長の光を透過して蛍光の波長の光を反射するものを用いる。なお、この構成では全反射ミラー２４に代えて、励起光を透過し蛍光を反射するダイクロイックミラーを用いてもよい。ダイクロイックミラーを用いることにより、励起光の散乱により生じた迷光（即ち、励起光と同一波長の迷光）をより確実に遮断し、酸素ガスの測定精度をより一層高めることができる。

１、１１、２１…ＬＥＤ光源
１０、２０、３０…酸素濃度測定装置
２、１２、２２…コリメートレンズ
３、２４…全反射ミラー
４、２３…ダイクロイックミラー
５、１５、２５…検出面
６、１６、２６…カメラ
７、１７、２７…光入射面
８、１８、２８…カバー部材

Claims (5)

1. 測定対象空間に置かれた検出面に塗布された酸素感応物質の蛍光強度を測定することによって前記測定対象空間の酸素ガス濃度を測定する装置であって、
   a) 所定波長の励起光を発する光源と、
   b) 前記励起光を前記検出面に照射する照射光学系と、
   c) 前記酸素感応物質から発せられる蛍光を検出する検出部であって、前記検出面を臨む方向に開口した筒状体であるカバー部材を光入射面に備えた光検出部と、
   を備えることを特徴とする酸素濃度測定装置。
2. 前記照射光学系が、前記励起光の光軸方向に移動可能に配置されたコリメート光学素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
3. 前記筒状体が、前記照射光学系に含まれる光学素子のうち、前記検出面から前記光入射面に至る前記蛍光の光路上に位置する光学素子を除いた光学素子と、前記入射面を結ぶ直線経路を遮断するように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の酸素濃度測定装置。
4. 前記カバー部材の形状を、前記検出面の大きさに応じて変更可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素濃度測定装置。
5. 測定対象空間におかれた検出面に、酸素濃度に応じて異なる強度の蛍光を発する酸素感応物質を塗布し、
   所定波長の励起光を前記検出面に照射し、
   前記検出面に塗布された前記酸素感応物質からの蛍光を、前記検出面を臨む方向に開口した筒状体であるカバー部材を光入射面に備えた光検出部によって検出する
   ことを特徴とする酸素濃度測定方法。

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