JP4677604B2 - Fuel cell and fuel cell reaction measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子形燃料電池(PEFC)の電池特性や電池寿命の研究・評価に用いる燃料電池セルおよびこれを用いた燃料電池反応計測装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell used for research and evaluation of battery characteristics and battery life of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and a fuel cell reaction measuring device using the same.

固体高分子形燃料電池の単セルは、固体高分子電極膜の片側の面にアノード電極、他方側の面にカソード電極を接合した膜電極接合体(MEA)と、膜電極接合体のアノード電極と導通し、アノード電極面との間に燃料ガス流路となる燃料導入空間を形成するアノード側セパレータと、膜電極接合体のカソード電極と導通しカソード電極面との間に酸素ガス流路となる酸素導入空間を形成するカソード側セパレータとからなり、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが膜電極接合体を挟持するように構成してある。
そして、この単セルを複数個直列に接続したスタック構造にすることにより、積層型の固体高分子形燃料電池を形成し、所望の直流電圧を得るようにしてある。
A single cell of a polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which an anode electrode is bonded to one surface of a solid polymer electrode membrane and a cathode electrode is bonded to the other surface, and an anode electrode of the membrane electrode assembly And an anode separator that forms a fuel introduction space serving as a fuel gas channel between the anode electrode surface and an oxygen gas channel between the cathode electrode surface of the membrane electrode assembly and the cathode electrode surface. The cathode side separator that forms the oxygen introduction space is configured such that the anode side separator and the cathode side separator sandwich the membrane electrode assembly.
Then, by forming a stack structure in which a plurality of single cells are connected in series, a stacked solid polymer fuel cell is formed, and a desired DC voltage is obtained.

固体高分子形燃料電池を普及するには、コストをはじめ、いろいろな技術課題を解決する必要がある。例えば、燃料電池は運転時間の経過とともに電池性能が劣化するため、劣化に伴う電池寿命が重要な課題となっている。このような技術課題を解決するためには、燃料電池単セル内で生じている化学反応を解析する必要がある。   In order to popularize polymer electrolyte fuel cells, it is necessary to solve various technical problems including cost. For example, since the battery performance of a fuel cell deteriorates with the passage of operating time, the battery life associated with the deterioration is an important issue. In order to solve such a technical problem, it is necessary to analyze a chemical reaction occurring in the single fuel cell.

このような観点からこれまでに発表されている研究のひとつに、カソード側セパレータの一部を光透過窓にした可視化単セルを形成し、セル内での加湿水や生成水の挙動を観測しているものがある。これによれば、電池の電圧特性、寿命特性が電池内部の加湿水や反応生成水の水分の影響を受けることから、単セル内での生成水の移動を直接観測することに意義があることが報告されている。(非特許文献1)。
第12回燃料電池シンポジウム講演予稿集、平成17年5月11日〜12日、2005年東京、78P〜81P、可視化単セル装置による固体高分子形燃料電池の水分移動解析、三菱電機株式会社 先端技術総合研究所 重岡浩昭、吉岡省二
From this point of view, one of the researches published so far is to form a visualization unit cell with a part of the cathode separator as a light transmission window, and observe the behavior of humidified water and generated water in the cell. There is something that is. According to this, since the voltage characteristics and life characteristics of the battery are affected by the moisture of the humidified water and reaction product water inside the battery, it is meaningful to directly observe the movement of the generated water in the single cell. Has been reported. (Non-Patent Document 1).
Proceedings of the 12th Fuel Cell Symposium, May 11-12, 2005, Tokyo, 78P-81P, Moisture transfer analysis of polymer electrolyte fuel cells using a visualization single cell device, Mitsubishi Electric Corporation Research Institute of Technology Hiroaki Shigeoka, Shoji Yoshioka

上述したように、セパレータの一部を光透過性材料にした可視化燃料電池セルによって、セル内の化学反応で生じた生成水の分布や加湿水等の水分に関する観測を行うことで、水分と電池性能との関係については解析がなされている。
しかしながら、電池性能の変化に影響を与えるのは水分だけではないことから、水分分布やその経時変化を観測するだけでは電池反応の解析は十分ではない。
水分以外に化学反応に影響を与える要因として、セル温度も影響を与えることがわかっている。温度分布を可視化することも有用であるが、温度分布単独のデータでも十分ではない。
As described above, by using a visualized fuel battery cell in which a part of the separator is made of a light-transmitting material, it is possible to observe the distribution of generated water generated by a chemical reaction in the cell and the moisture such as humidified water, thereby The relationship with performance has been analyzed.
However, since it is not only moisture that affects changes in battery performance, it is not sufficient to analyze the battery reaction simply by observing the moisture distribution and its change over time.
It is known that the cell temperature also affects the chemical reaction other than moisture. It is useful to visualize the temperature distribution, but the data of the temperature distribution alone is not sufficient.

そもそも電池反応は、酸素と水素とが結合して水を発生することである。したがって、酸素の分布が大きな影響を与えるはずである。これまで、水分や温度を単独で可視化することは検討されていたが、燃料電池セル内での酸素分布の有効な計測手段が無かったこともあって、酸素濃度分布については十分な検討がなされていなかった。   In the first place, the battery reaction is that oxygen and hydrogen combine to generate water. Therefore, the oxygen distribution should have a great influence. Until now, the visualization of moisture and temperature alone has been studied, but due to the lack of an effective means of measuring the oxygen distribution in fuel cells, the oxygen concentration distribution has been fully studied. It wasn't.

また、電池性能の劣化、故障、その他の原因によって、酸素導入空間側から燃料導入空間の方に酸素が漏れることがある。そのため、本来酸素が存在しないアノード電極側の燃料導入空間における酸素濃度を検出することは電池性能劣化等その他の不具合研究にも役立つこととなる。
逆に、電池性能の劣化等によって、燃料導入空間中の物質が酸素導入空間の方に漏れることもある。そのため、本来燃料導入空間中にあるべき燃料、反応生成物などを酸素導入空間で検出することも電池性能劣化等の不具合研究に役立つこととなる。
Moreover, oxygen may leak from the oxygen introduction space side to the fuel introduction space due to deterioration of battery performance, failure, or other causes. For this reason, detecting the oxygen concentration in the fuel introduction space on the anode electrode side where oxygen originally does not exist is useful for studying other problems such as battery performance deterioration.
Conversely, substances in the fuel introduction space may leak toward the oxygen introduction space due to deterioration of battery performance or the like. For this reason, detecting fuel, reaction products, and the like that should originally be in the fuel introduction space in the oxygen introduction space is also useful for studying defects such as cell performance degradation.

そこで、本発明は、まず、セル内での酸素の分布を可視化した燃料電池セルを提供することを目的とする。
また、本発明は酸素導入空間と燃料導入空間との間の酸素や燃料の漏れの分布を可視化した燃料電池セルを提供することを目的とする。
また、本発明は、セル内での酸素の挙動や酸素分布を解析し、あるいはセル内での酸素分布の経時変化を計測し、セル内の酸素分布を改善して電圧特性、寿命等の電池性能に優れた燃料電池開発をするための研究、評価に利用することができる燃料電池セル、および、これを用いた燃料電池反応計測装置を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the distribution of oxygen in the cell is visualized.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell that visualizes the distribution of leakage of oxygen and fuel between the oxygen introduction space and the fuel introduction space.
In addition, the present invention analyzes the oxygen behavior and oxygen distribution in the cell, or measures the change over time of the oxygen distribution in the cell and improves the oxygen distribution in the cell to improve the battery characteristics such as voltage characteristics and life. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be used for research and evaluation for developing a fuel cell with excellent performance, and a fuel cell reaction measuring device using the fuel cell.

また、本発明は、酸素分布とともに水分等のその他のセル内に生じる物質の分布、温度分布を同時に計測し、電池性能に影響を与える複数パラメータを総合的に解析することができる燃料電池計測装置を提供することを目的とする。   The present invention also provides a fuel cell measuring device capable of simultaneously measuring the distribution of oxygen and other substances generated in other cells such as moisture and the temperature distribution, and comprehensively analyzing a plurality of parameters affecting battery performance. The purpose is to provide.

他方、メタノール燃料電池では、アノード側の燃料導入空間に、メタノール水溶液、又はその蒸気を燃料として供給すると、未反応メタノール、反応生成物の二酸化炭素、少量のメタノール酸化中間体がアノード側の出口から排出される。一部のメタノールは電解質膜中をクロスオーバーしてカソード側に到達し、ここで酸化されて二酸化炭素になり、カソード出口から最終的に排出される。アノード側における反応進行度や環境汚染物質の生成度、あるいはクロスオーバーするメタノール量(カソードで生成する二酸化炭素量に相当)のカソード側の空間分布をモニタすることは、電池特性の向上やセルの最適運転条件を決定する上で重要であるが、これまでこれら物質は可視化観測されていない。   On the other hand, in a methanol fuel cell, when an aqueous methanol solution or its vapor is supplied as fuel to the fuel introduction space on the anode side, unreacted methanol, carbon dioxide of the reaction product, and a small amount of methanol oxidation intermediate are discharged from the outlet on the anode side. Discharged. Some methanol crosses over the electrolyte membrane and reaches the cathode side, where it is oxidized to carbon dioxide and finally discharged from the cathode outlet. Monitoring the degree of reaction progress on the anode side, the degree of environmental pollutants, or the spatial distribution on the cathode side of the amount of methanol crossing over (corresponding to the amount of carbon dioxide produced at the cathode) can improve battery characteristics and improve cell performance. Although it is important in determining the optimal operating conditions, so far these materials have not been visualized and observed.

そこで、本発明は、メタノール燃料電池の場合に、メタノールとその酸化生成物の分布を可視化した燃料電池を提供することを目的とする。さらにメタノール燃料電池の場合において、アノード反応生成物中の反応中間体の計測、特にアルデヒドの計測、クロスオーバーメタノール量の可視化計測を行うことを目的とする。また、メタノール燃料電池の場合における電池運転条件の最適化、触媒、電解質材料の改善に役立つ可視化燃料セル、燃料電池計測装置を提供することを目的とする。
また、本発明はメタノール燃料電池の場合に、セル内での酸素、メタノール、その他の酸化生成物の分布を可視化した燃料電池セルを提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the distribution of methanol and its oxidation product is visualized in the case of a methanol fuel cell. Further, in the case of a methanol fuel cell, it is intended to measure a reaction intermediate in an anode reaction product, particularly to measure an aldehyde and visualize a crossover methanol amount. It is another object of the present invention to provide a visualized fuel cell and a fuel cell measurement device that are useful for optimizing battery operating conditions and improving catalysts and electrolyte materials in the case of a methanol fuel cell.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell that visualizes the distribution of oxygen, methanol, and other oxidation products in the cell in the case of a methanol fuel cell.

上記課題を解決するためになされた本発明の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜の片面にアノード電極、反対面にカソード電極を接合した膜電極接合体と、アノード電極に導通するとともに膜電極接合体のアノード電極に面して燃料導入空間を形成するアノード側セパレータと、カソード電極に導通するとともに膜電極接合体のカソード電極に面して酸素導入空間を形成するカソード側セパレータとを備え、アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより膜電極接合体を挟持し、酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質を酸素導入空間内および/又は燃料導入空間内のいずれかの酸素濃度測定部位に固定し、酸素モニタ物質を固定した側のアノード側セパレータ又は/およびカソード側セパレータの一部に光透過性材料からなる光透過窓を形成し、燃料電池セルの外部から光透過窓を介して酸素導入空間中又は/および燃料導入空間中の酸素モニタ物質の変化を光学的に測定可能に構成した燃料電池セルであって、酸素モニタ物質として、検出波長域が異なる複数種類の酸素モニタ物質を酸素導入空間又は/および燃料導入空間の異なる位置に固定し、それぞれの場所の酸素濃度を独立に計測するようにしている。
The fuel cell of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, comprises a membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one side of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode joined to the opposite side; An anode-side separator that faces the anode electrode of the assembly and forms a fuel introduction space; and a cathode-side separator that conducts to the cathode electrode and faces the cathode electrode of the membrane electrode assembly and forms an oxygen introduction space; The membrane electrode assembly is sandwiched between the anode-side separator and the cathode-side separator, and the oxygen monitor substance whose optical characteristics change depending on the oxygen concentration is fixed to either the oxygen introduction space and / or the oxygen concentration measurement site in the fuel introduction space. If the oxygen monitor substance is fixed to the anode side separator and / or part of the cathode side separator, Comprising a light transmitting window formed in the outside from through the light transmission window oxygen introduction space of the fuel cell or / and the change in the oxygen monitor substances in the fuel introduction space in optically measurable configured fuel cell As oxygen monitor substances, multiple types of oxygen monitor substances with different detection wavelength ranges are fixed at different positions in the oxygen introduction space and / or the fuel introduction space, and the oxygen concentration at each location is measured independently. Yes.

本発明によれば、膜電極接合体と、これを挟持するアノード側セパレータとカソード側セパレータとにより単セルが形成され、カソード側セパレータの一部、またはアノード側セパレータの一部、あるいは両側セパレータに、光透過窓が形成してあり、単セルの外部からカソード電極面、またはアノード電極面、または両電極面が観測できるようにしてある。また、カソード電極に面して形成される酸素導入空間には、酸素濃度を測定しようとする部位に酸素モニタ物質が固定してある。あるいはアノード電極に面して形成される燃料導入空間には、酸素導入空間側から燃料導入空間側に漏れ出してきた酸素を検出しようとする場所に、酸素モニタ物質が固定してある。酸素モニタ物質は、酸素濃度により光特性が変化するので、酸素モニタ物質の光特性を、光透過窓を介して燃料電池セルの外部から光学的に観測することにより、酸素モニタ物質の光特性からセル内の酸素分布や酸素分布の経時変化、あるいは酸素の漏れ分布を観測する。   According to the present invention, a single cell is formed by a membrane electrode assembly, and an anode side separator and a cathode side separator sandwiching the membrane electrode assembly, and a part of the cathode side separator, part of the anode side separator, or both side separators are formed. A light transmission window is formed so that the cathode electrode surface, the anode electrode surface, or both electrode surfaces can be observed from the outside of the single cell. Further, in the oxygen introduction space formed facing the cathode electrode, an oxygen monitor substance is fixed at a site where the oxygen concentration is to be measured. Alternatively, in the fuel introduction space formed facing the anode electrode, an oxygen monitor substance is fixed at a location where oxygen leaking from the oxygen introduction space side to the fuel introduction space side is to be detected. Since the optical characteristics of the oxygen monitor substance change depending on the oxygen concentration, the optical characteristics of the oxygen monitor substance can be optically observed from the outside of the fuel cell through the light transmission window. Observe oxygen distribution in the cell, changes in oxygen distribution over time, or oxygen leakage distribution.

ここで、酸素導入空間内や燃料導入空間に固定される酸素モニタ物質には、例えば、光特性として発光ルミネッセンス特性や吸光特性が変化したり色が変化したりする物質を用いることができ、それぞれの発光ルミネッセンス波長領域、吸光波長領域、発色波長領域に対応した光透過性材料を光透過窓に用いることにより、外部から光透過窓を介して変化を観測することができる。
また、アノード側セパレータが形成する燃料導入空間、カソード側セパレータが形成する酸素導入空間の空間形状は特に限定されないが、実際の燃料電池セルでは燃料ガスや酸素を流通させる流路が形成されているので、そのような流路と同じ形状にするのが好ましい。
そして、検出波長域が異なる複数種類の酸素モニタ物質を、酸素導入空間又は/および燃料導入空間の異なる位置に固定し、それぞれの場所の酸素濃度を独立に計測するようにする。異なる材料としては、例えば、発光ルミネッセンス波長が異なる複数種類の金属ポルフィリン錯体を用いることができる。
Here, for the oxygen monitor substance fixed in the oxygen introduction space or the fuel introduction space, for example, a substance whose light emission luminescence characteristic or light absorption characteristic changes or color changes can be used as the light characteristic, By using a light transmissive material corresponding to the light emission luminescence wavelength region, the light absorption wavelength region, and the color development wavelength region for the light transmission window, a change can be observed from the outside through the light transmission window.
Moreover, the space shape of the fuel introduction space formed by the anode side separator and the oxygen introduction space formed by the cathode side separator is not particularly limited, but in the actual fuel cell, a flow path for flowing fuel gas and oxygen is formed. Therefore, it is preferable to make it the same shape as such a flow path.
A plurality of types of oxygen monitor substances having different detection wavelength ranges are fixed at different positions in the oxygen introduction space and / or the fuel introduction space, and the oxygen concentration at each location is measured independently. As the different materials, for example, a plurality of types of metal porphyrin complexes having different emission luminescence wavelengths can be used.

本発明によれば、燃料電池セル内での酸素の分布を可視化することができる。これにより、セル内での酸素の挙動や酸素分布、あるいはアノード側の酸素の漏れ分布を解析することができ、セル内での酸素分布の経時変化を計測することができる。そして、セル内の酸素分布を改善して電圧特性、寿命等の電池性能に優れた燃料電池開発をするための研究、セル評価に利用することができる。
特に、本発明によれば、検出波長域が異なる複数種類の酸素モニタ物質(発光ルミネッセンス波長領域や吸光波長領域や発色波長領域が異なる複数種類の材料)を、それぞれ異なる部位に固定して、窓を介して観測することにより、それぞれの部位の酸素濃度を独立に計測することが可能になる。
According to the present invention, the distribution of oxygen in the fuel cell can be visualized. As a result, it is possible to analyze the oxygen behavior and oxygen distribution in the cell, or the oxygen leakage distribution on the anode side, and to measure the temporal change of the oxygen distribution in the cell. And it can utilize for the research and cell evaluation for improving the oxygen distribution in a cell, and developing the fuel cell excellent in battery performance, such as a voltage characteristic and a lifetime.
In particular, according to the present invention, a plurality of types of oxygen monitor substances having different detection wavelength ranges (a plurality of types of materials having different emission luminescence wavelength regions, light absorption wavelength regions, and color development wavelength regions) are fixed to different parts, respectively, By observing via, it becomes possible to measure the oxygen concentration of each part independently.

(その他の課題を解決するための手段および効果)
上記発明において、酸素導入空間に酸素流路を形成する流路壁又は/および燃料導入空間に燃料流路を形成する流路壁が形成され、流路壁がカソード電極とカソード側セパレータとの間、アノード電極とアノード側セパレータとの間を導通する導電性材料で形成されるようにしてもよい。
本発明によれば、実際の燃料電池の単セルと同様の流路構造を有する酸素導入空間、燃料導入空間にすることができるので、単セル内の化学反応により発生した電子についても実際の燃料電池と同様の電子の流れを生じさせることができ、実際の燃料電池単セルに近い状況での酸素分布を観測することができる。
具体的には、実際の燃料電池単セルでは、カソード側セパレータのカソード電極面側をリブ構造にし(アノード側セパレータのアノード電極面側についても同様)、リブの溝部分をガス流路とし、リブ自体をカソード電極面と接触するようにして流路壁としているので、これと同様のリブ構造をカソード側セパレータに形成することより、実際の燃料電池単セルと同じ流路状態で評価を行うことができる。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, a flow path wall that forms an oxygen flow path in the oxygen introduction space and / or a flow path wall that forms a fuel flow path in the fuel introduction space is formed, and the flow path wall is between the cathode electrode and the cathode side separator. Alternatively, it may be formed of a conductive material that conducts between the anode electrode and the anode-side separator.
According to the present invention, an oxygen introduction space and a fuel introduction space having a flow path structure similar to that of a single cell of an actual fuel cell can be provided, so that electrons generated by a chemical reaction in the single cell can also be actually fueled. An electron flow similar to that of a battery can be generated, and an oxygen distribution in a situation close to that of an actual fuel cell single cell can be observed.
Specifically, in an actual fuel cell unit cell, the cathode electrode surface side of the cathode separator has a rib structure (the same applies to the anode electrode surface side of the anode side separator), and the groove portion of the rib serves as a gas flow path. Since the channel wall itself is made in contact with the cathode electrode surface, the same rib structure is formed on the cathode side separator, so that the evaluation is performed in the same channel state as that of an actual fuel cell single cell. Can do.

また、上記発明において、流路壁の少なくとも一部が光透過性材料により形成され、流路壁の表面に酸素モニタ物質が固定されるようにしてもよい。
本発明によれば、光透過性材料で形成された流路壁の部分については、流路壁とカソード電極との接触部分についても可視化することができ、接触部分の表面に酸素モニタ物質を固定しておけば、接触部分の酸素分布についても計測することができる。
In the above invention, at least a part of the channel wall may be formed of a light transmissive material, and the oxygen monitor substance may be fixed to the surface of the channel wall.
According to the present invention, it is possible to visualize the contact portion between the flow passage wall and the cathode electrode with respect to the portion of the flow passage wall formed of the light transmissive material, and fix the oxygen monitor substance on the surface of the contact portion. If this is done, the oxygen distribution at the contact portion can also be measured.

上記発明において、光透過性材料で形成される流路壁には透明導電膜が成膜されるようにしてもよい。
本発明によれば、光透過性材料で形成される流路壁についても導電性を持たせることができるので、実際の流路壁のように導電性がある状態で可視化による評価を行うことができる。
In the above invention, a transparent conductive film may be formed on the flow path wall formed of the light transmissive material.
According to the present invention, the flow path wall formed of the light-transmitting material can be made conductive, so that the evaluation by visualization can be performed in a state where there is conductivity like the actual flow path wall. it can.

上記発明において、酸素モニタ物質は酸素濃度により発光ルミネッセンス強度が変化する発光ルミネッセンス材料、または酸素濃度により色変化する発色材料を用いるようにしてもよい。
酸素濃度により発光ルミネッセンス強度が変化する発光ルミネッセンス材料の場合は、励起光を光透過窓から照射することにより生じる発光ルミネッセンスを観測することにより、酸素モニタ物質付近の酸素濃度を測定することができる。また、酸素濃度により色変化する発色材料の場合は、白色光を照射して、発色材料からの反射光を観測することにより、酸素モニタ物質付近の酸素濃度を測定することができる。
In the above invention, the oxygen monitor substance may be a light-emitting luminescent material whose light-emitting luminescence intensity changes depending on the oxygen concentration, or a color-forming material whose color changes depending on the oxygen concentration.
In the case of a light-emitting luminescent material whose light-emitting luminescence intensity varies depending on the oxygen concentration, the oxygen concentration in the vicinity of the oxygen monitor substance can be measured by observing the light-emitting luminescence generated by irradiating excitation light from the light transmission window. In the case of a coloring material that changes color depending on the oxygen concentration, the oxygen concentration in the vicinity of the oxygen monitor substance can be measured by irradiating white light and observing the reflected light from the coloring material.

上記発明において、酸素モニタ物質は金属ポルフィリンまたは金属ポルフィリン錯体を含む発光ルミネッセンス材料を用いてもよい。
ここで、金属ポルフィリンを構成する金属は、鉄イオンまたはコバルトイオンであることが好ましい。また、鉄ポルフィリンまたはコバルトポルフィリンに配位子を有する高分子を配位結合させてなる高分子錯体を用いることができる。この配位子を有する高分子には、例えばビニルイミダゾール類とメタクリレートとの共重合体を用いることができる。これらの発光ルミネッセンス材料はレーザ光照射(例えば波長532nm)により発光ルミネッセンスを発生し、酸素濃度に応じて発光ルミネッセンス強度が変化するので、発光ルミネッセンスを利用した酸素モニタを実現することができる
In the above invention, the oxygen monitor substance may be a light-emitting luminescent material containing a metal porphyrin or a metal porphyrin complex.
Here, it is preferable that the metal which comprises metal porphyrin is an iron ion or a cobalt ion. Alternatively, a polymer complex in which a polymer having a ligand is coordinated to iron porphyrin or cobalt porphyrin can be used. As the polymer having the ligand, for example, a copolymer of vinylimidazoles and methacrylate can be used. These light-emitting luminescent materials generate light-emitting luminescence by laser light irradiation (for example, wavelength 532 nm), and the light-emitting luminescence intensity changes according to the oxygen concentration. Therefore, an oxygen monitor using light-emitting luminescence can be realized .

また、金属ポルフィリンまたはその錯体は、被膜として測定部位に形成することができるので、容易に酸素導入空間の測定部位へ取り付けることができる。Moreover, since the metal porphyrin or the complex thereof can be formed as a film at the measurement site, it can be easily attached to the measurement site in the oxygen introduction space.

上記発明において、酸素モニタ物質が黒化チタンを含む発色材料を用いてもよい。
この発明によれば、発色の変化を利用した酸素モニタを実現することができる。
In the above invention, a coloring material containing blackened titanium as the oxygen monitor substance may be used .
According to the present invention, it is possible to realize an oxygen monitor that utilizes changes in color development .

上記発明において、カソード電極面の一部又は/およびアノード電極面の一部に、赤外光を反射する金属膜(例えば金)を形成するようにしてもよい。
この発明によれば、赤外光を反射する金属膜により、赤外光を効率的に反射することができるので、外部から水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素のいずれかの赤外光吸収波長域の赤外光を照射し、その反射光を検出することによって、反射光におけるこれらの物質による吸収の影響を効果的に計測することができる。
In the above invention, a metal film (for example, gold) reflecting infrared light may be formed on a part of the cathode electrode surface and / or a part of the anode electrode surface.
According to this invention, since the infrared light can be efficiently reflected by the metal film that reflects the infrared light, the infrared light of any one of water, methanol, methanol oxidation intermediate, and carbon dioxide from the outside. By irradiating infrared light in the absorption wavelength region and detecting the reflected light, the influence of absorption by these substances in the reflected light can be effectively measured.

また、上記課題を解決するため、別の観点からなされた本発明の燃料電池反応計測装置は、上述した本発明にかかるいずれかの燃料電池セルと、酸素モニタ物質の光特性を計測する光検出器と、光透過窓を介して酸素モニタ物質からの検出光を光検出器に導く酸素測定光学系とを備えるようにしている。
この発明によれば、酸素測定光学系により、可視化した燃料電池単セルの光透過窓を介して酸素モニタ物質から発せられる検出光を光検出器に導く。光検出器は、光透過窓から導光された検出光により酸素モニタ物質の光特性を計測し、酸素濃度を計測する。これにより、燃料電池単セルで反応中の酸素の挙動、分布を可視化し、リアルタイムで計測することができる反応計測装置を実現することができる。
Further, in order to solve the above problems, the fuel cell reaction measuring device of the present invention, which has been made from another point of view, is one of the above-described fuel cells according to the present invention, and light detection for measuring the optical characteristics of the oxygen monitor substance. And an oxygen measuring optical system for guiding the detection light from the oxygen monitor substance to the light detector through the light transmission window.
According to the present invention, the detection light emitted from the oxygen monitor substance is guided to the photodetector through the light transmission window of the visualized fuel cell single cell by the oxygen measuring optical system. The photodetector measures the optical characteristics of the oxygen monitor substance by the detection light guided from the light transmission window, and measures the oxygen concentration. This makes it possible to realize a reaction measuring device that can visualize the behavior and distribution of oxygen during reaction in a single fuel cell and can measure in real time.

上記燃料電池反応計測装置の発明において、酸素モニタ物質が発光ルミネッセンス材料である場合に、酸素測定光学系を利用して光透過窓から酸素モニタ物質に励起光を照射するようにしてもよい。
この発明によれば、励起光を照射することにより発光ルミネッセンスを発する発光ルミネッセンス物質を酸素モニタ物質として使用することができ、検出光を光検出器に導く酸素測定光学系を共用して、励起光を照射するので、コンパクトな装置構成とすることができる。
In the invention of the fuel cell reaction measuring device, when the oxygen monitor substance is a luminescent material, the oxygen monitor substance may be irradiated with excitation light from a light transmission window using an oxygen measurement optical system.
According to this invention, a light-emitting luminescence substance that emits light emission luminescence by irradiating excitation light can be used as an oxygen monitor substance, and the oxygen measurement optical system that guides the detection light to the photodetector is shared, so that the excitation light Can be made into a compact device configuration.

上記燃料電池反応計測装置の発明において、光透過窓には可視光領域および赤外光領域を透過する材料が用いられ、少なくとも水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素のいずれかの赤外光吸収波長域の赤外光を光透過窓から照射しその反射光を赤外吸収スペクトル測定用赤外検出器に導く赤外吸収測定光学系と、膜電極接合体から光透過窓を介して発せられる黒体輻射を温度計測用赤外検出器に導く温度測定光学系との少なくともいずれかの測定光学系をさらに備え、酸素濃度とともに、前記水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素のいずれかの物質の赤外吸収、または温度のいずれかまたはこれら両方について測定を行うようにしてもよい。
この発明によれば、燃料電池内での酸素分布とともに、水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素の分布または温度分布のいずれかあるいは両方を同時に計測することができるので、電池性能に影響を与える複数パラメータを総合的に解析することができる。
In the invention of the fuel cell reaction measuring device, a material that transmits the visible light region and the infrared light region is used for the light transmission window, and at least infrared light of water, methanol, methanol oxidation intermediate, or carbon dioxide is used. An infrared absorption measurement optical system that irradiates infrared light in the absorption wavelength range from the light transmission window and guides the reflected light to an infrared detector for infrared absorption spectrum measurement, and emits light from the membrane electrode assembly through the light transmission window. Further comprising at least one of a temperature measuring optical system that guides the black body radiation to the temperature detecting infrared detector, and together with the oxygen concentration, any one of the water, methanol, methanol oxidation intermediate, and carbon dioxide Measurements may be performed for either or both of the infrared absorption and / or temperature of the material.
According to the present invention, since the oxygen distribution in the fuel cell and either or both of the moisture, methanol, methanol oxidation intermediate, carbon dioxide distribution and temperature distribution can be measured simultaneously, the battery performance is affected. Multiple parameters to be given can be analyzed comprehensively.

上記燃料電池反応計測装置の発明において、酸素測定光学系は凹凸面鏡からなる光学系を含み、赤外吸収測定光学系または温度測定光学系またはこれら2つの測定光学系は、酸素測定光学系の凹凸面鏡からなる光学系部分を共通光学系として共用するようにしてもよい。
ここで、凹凸面鏡からなる光学系としては、シュワルツシルド鏡、カセグレン鏡を用いることができる。
この発明によれば、視野が広く結像性能に優れた光学系を使用することができる。また、凹凸面鏡としてシュワルツシルド鏡を用いる場合は、測定光学系と燃料電池との距離を長くすることができ、燃料電池セルからの熱の影響を極力避けることができる。
In the invention of the fuel cell reaction measuring apparatus, the oxygen measuring optical system includes an optical system including a concave and convex surface mirror, and the infrared absorption measuring optical system or the temperature measuring optical system or these two measuring optical systems are concave portions of the oxygen measuring optical system. You may make it share the optical system part which consists of a convex mirror as a common optical system.
Here, a Schwarzschild mirror or a Cassegrain mirror can be used as the optical system composed of the uneven surface mirror.
According to the present invention, an optical system having a wide field of view and excellent imaging performance can be used. Further, when a Schwarzschild mirror is used as the concavo-convex mirror, the distance between the measurement optical system and the fuel cell can be increased, and the influence of heat from the fuel cell can be avoided as much as possible.

また、上記燃料電池反応計測装置の発明において、共通光学系に対し、燃料電池セルを相対的に走査する走査手段を備えるようにしてもよい。
ここで、走査手段は、共通光学系あるいは燃料電池セル側のいずれかを走査すればよい。
この発明によれば、走査手段により、共通光学系に対し燃料電池セルを相対的に走査するようにして測定することにより、燃料電池セルの広い範囲についての酸素分布データあるいはこれとともに水分等の赤外吸収測定分布データ、温度分布データを同時に測定することができる。
In the invention of the fuel cell reaction measuring device, a scanning unit that relatively scans the fuel cell may be provided with respect to the common optical system.
Here, the scanning means may scan either the common optical system or the fuel cell side.
According to the present invention, the measurement is performed by scanning the fuel cell relative to the common optical system by the scanning unit, so that the oxygen distribution data for a wide range of the fuel cell or the red of water and the like is also collected. External absorption measurement distribution data and temperature distribution data can be measured simultaneously.

また、上記燃料電池反応計測装置の発明において、燃料電池セルの少なくともいずれかのセパレータの外側に空間を設けるようにして光透過性カバーを取り付けるとともに、光透過カバーとセパレータとの間に温度調節のための気体を供給する温度調節機構を設けるようにしてもよい。
この発明によれば、燃料電池セル内の反応により発熱したとしても、温度調節機構が温度調節のための気体をセパレータ外側空間に流すことによる放熱作用により、セル温度の上昇を抑えることができる。
In the invention of the fuel cell reaction measuring device, a light-transmitting cover is attached so as to provide a space outside at least one of the separators of the fuel cell, and temperature adjustment is performed between the light-transmitting cover and the separator. You may make it provide the temperature control mechanism which supplies the gas for this.
According to the present invention, even if heat is generated due to a reaction in the fuel battery cell, an increase in the cell temperature can be suppressed by the heat dissipation action caused by the temperature adjusting mechanism flowing the temperature adjusting gas into the separator outer space.

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it is needless to say that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.

(燃料電池単セル)
図1は、本発明の一実施形態である燃料電池単セルの構成を示す断面図である。
燃料電池単セル1は、膜電極接合体(MEA)11と、アノード側セパレータ12と、カソード側セパレータ13とから構成され、アノード側セパレータ12とカソード側セパレータ13とが膜電極接合体11を挟持している。
(Single fuel cell)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell single cell according to an embodiment of the present invention.
The single fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly (MEA) 11, an anode side separator 12, and a cathode side separator 13, and the anode side separator 12 and the cathode side separator 13 sandwich the membrane electrode assembly 11. is doing.

膜電極接合体11は、高分子電解質膜14の両面に、アノード電極15とカソード電極16とが接合してある。アノード電極15は白金触媒等の触媒金属層15aと、カーボンペーパ等の導電性多孔質支持層15bとからなり、同様にカソード電極16は白金等の触媒金属層16aとカーボンペーパ等の導電性多孔質支持層16bとからなる。   In the membrane / electrode assembly 11, an anode electrode 15 and a cathode electrode 16 are joined to both surfaces of a polymer electrolyte membrane 14. The anode electrode 15 includes a catalyst metal layer 15a such as a platinum catalyst and a conductive porous support layer 15b such as carbon paper. Similarly, the cathode electrode 16 includes a catalyst metal layer 16a such as platinum and a conductive porous layer such as carbon paper. And a quality support layer 16b.

アノード側セパレータ12は、金属製の平板20とリブ構造体21とにより構成される。これらは一体に形成してもよい。リブ構造体21に代えて、単にスペーサを設けただけでもよい。リブ構造体21により形成されるリブ溝22は、水素等の燃料ガスが流される燃料ガス流路となり、燃料導入空間として機能する。   The anode-side separator 12 includes a metal flat plate 20 and a rib structure 21. These may be formed integrally. Instead of the rib structure 21, a spacer may be simply provided. The rib groove 22 formed by the rib structure 21 serves as a fuel gas passage through which a fuel gas such as hydrogen flows, and functions as a fuel introduction space.

カソード側セパレータ13は、アノード側セパレータ12と同様の金属製の平板23とリブ構造体24とにより構成される(リブ構造体24に代えて、単にスペーサを設けただけでもよい)。カソード側セパレータ13には、さらに平板23の一部に孔が形成され、この孔部分に光透過性材料からなる光透過窓25が設けてある。光透過窓の材料は、後述するポルフィリン被膜に照射するレーザ光およびポルフィリン被膜が発する発光ルミネッセンスを透過する材料であればよい。本実施形態ではガラスを用いる。なお、赤外光を同時に観測する場合には、赤外光を透過する材料にする。具体的にはフッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化バリウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、フッ素系樹脂等の窓材とする。この光透過窓25の周囲は図示しないガスケットにより密封してある。
リブ構造体24により形成されるリブ溝26は、酸素が流される酸素流路となり、酸素導入空間として機能する。
なお、光透過窓25の内面に透明導電膜を形成し、光透過窓25に接するリブ構造体24についてもカソード側セパレータ23と導通するようにするのがより好ましい。
The cathode-side separator 13 includes a metal flat plate 23 and a rib structure 24 similar to those of the anode-side separator 12 (instead of the rib structure 24, a spacer may be simply provided). The cathode side separator 13 is further provided with a hole in a part of the flat plate 23, and a light transmission window 25 made of a light transmitting material is provided in the hole part. The material of the light transmission window may be any material that transmits laser light applied to the porphyrin film described later and light-emitting luminescence emitted from the porphyrin film. In this embodiment, glass is used. Note that when infrared light is observed simultaneously, a material that transmits infrared light is used. Specifically, a window material such as calcium fluoride, magnesium fluoride, barium fluoride, zinc selenide, zinc sulfide, or fluorine-based resin is used. The periphery of the light transmission window 25 is sealed with a gasket (not shown).
The rib groove 26 formed by the rib structure 24 serves as an oxygen flow path through which oxygen flows, and functions as an oxygen introduction space.
It is more preferable to form a transparent conductive film on the inner surface of the light transmission window 25 so that the rib structure 24 in contact with the light transmission window 25 is also electrically connected to the cathode side separator 23.

カソード側セパレータ13の光透過窓25から観測できる領域にあるリブ溝26の一部には、酸素濃度に応じて発光ルミネッセンス強度が変化するポルフィリン被膜が塗布され、酸素モニタ30a〜30cが形成される。酸素モニタには、光透過窓25や平板23面に形成された酸素モニタ30a、リブ構造体24側壁に形成された酸素モニタ30b、カソード電極16に形成された酸素モニタ30cがあり、それぞれの位置での酸素濃度に応じて発光ルミネッセンス強度が変化するようになっている。   A porphyrin film whose emission luminescence intensity changes according to the oxygen concentration is applied to a part of the rib groove 26 in the region that can be observed from the light transmission window 25 of the cathode side separator 13 to form oxygen monitors 30a to 30c. . The oxygen monitor includes an oxygen monitor 30a formed on the surface of the light transmission window 25 and the flat plate 23, an oxygen monitor 30b formed on the side wall of the rib structure 24, and an oxygen monitor 30c formed on the cathode electrode 16. The light emission luminescence intensity changes in accordance with the oxygen concentration at.

次に、この燃料電池単セル1の動作について説明する。膜電極接合体(MEA)11を挟んで、燃料ガスである水素がリブ溝22(燃料導入空間)を流れ、酸素がリブ溝26(酸素導入空間)を流れると、水素はアノード電極15の触媒金属層15aの白金触媒により水素イオンと電子とに分離する。水素イオンは高分子電解質膜14を選択的に透過する。
透過した水素イオンは、カソード電極16の触媒金属層16aで酸素と反応し、水となる。このとき電極で発生した電子には、アノード電極15から外部負荷を通ってカソード電極16に向かう起電力が発生し、電子が流れる。
Next, the operation of the single fuel cell 1 will be described. When hydrogen, which is a fuel gas, flows through the rib groove 22 (fuel introduction space) and oxygen flows through the rib groove 26 (oxygen introduction space) with the membrane electrode assembly (MEA) 11 interposed therebetween, the hydrogen is a catalyst of the anode electrode 15. The metal layer 15a is separated into hydrogen ions and electrons by the platinum catalyst. Hydrogen ions selectively permeate the polymer electrolyte membrane 14.
The permeated hydrogen ions react with oxygen in the catalytic metal layer 16a of the cathode electrode 16 to become water. Electrons generated at the electrode at this time generate an electromotive force from the anode electrode 15 toward the cathode electrode 16 through an external load, and the electrons flow.

以上の反応を起こさせることによって、燃料電池単セル1は発電することになるが、カソード電極16およびカソード側セパレータ13における酸素の分布によって、単セル内10の酸素モニタ30a〜30cの発光ルミネッセンス強度が変化する。
したがって、この発光ルミネッセンス強度を、光透過窓25を介して観測することにより、反応中の燃料電池単セル内の酸素分布を測定することができる。
The fuel cell single cell 1 generates electric power by causing the above reaction, but the emission luminescence intensity of the oxygen monitors 30a to 30c in the single cell 10 depends on the distribution of oxygen in the cathode electrode 16 and the cathode separator 13. Changes.
Therefore, by observing the emission luminescence intensity through the light transmission window 25, the oxygen distribution in the single fuel cell during the reaction can be measured.

図2は、本発明の他の一実施形態である燃料電池単セル2の構成を示す一部断面図である。図において、図1と同じものは同符号を付すことにより、説明を省略する。
この燃料電池単セル2では、図1におけるリブ構造体24の一部がガラス等の光透過性材料を用いた光透過性リブ31に置き換えられている。そして、光透過性リブ31の表面には透明導電膜32が形成してあり、カソード電極16と平板23との双方と導通するようにしてある。光透過性リブ31と光透過窓25とが接触する位置では、光透過窓25にも透明導電膜を塗布しておき、導電性を確保するようにしてもよい。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell single cell 2 according to another embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG.
In the single fuel cell 2, a part of the rib structure 24 in FIG. 1 is replaced with a light transmitting rib 31 using a light transmitting material such as glass. A transparent conductive film 32 is formed on the surface of the light transmissive rib 31 so as to be electrically connected to both the cathode electrode 16 and the flat plate 23. At the position where the light transmissive rib 31 and the light transmissive window 25 are in contact, a transparent conductive film may be applied to the light transmissive window 25 to ensure conductivity.

光透過性リブ31とカソード電極16との接触面には、ポルフィリン被膜からなる酸素モニタ30dが塗布してある(図1と同様の場所に酸素モニタ30a〜30cを塗布してもよいがここでは省略してある)。なお、光透過性リブ31に形成された透明導電膜32とカソード電極16との導電性を維持するために、酸素モニタ30dは接触面の一部だけに塗布するようにしている。
この燃料電池単セル2によれば、光透過リブ31の真下における酸素分布についても観測することができるので、流路壁近傍における酸素分布の変化や影響をさらに詳細に評価することができる。
An oxygen monitor 30d made of a porphyrin film is applied to the contact surface between the light-transmitting rib 31 and the cathode electrode 16 (the oxygen monitors 30a to 30c may be applied to the same locations as in FIG. Omitted). In order to maintain the conductivity between the transparent conductive film 32 formed on the light-transmitting rib 31 and the cathode electrode 16, the oxygen monitor 30d is applied only to a part of the contact surface.
According to the single fuel cell 2, it is possible to observe the oxygen distribution directly below the light transmitting rib 31, so that the change and influence of the oxygen distribution in the vicinity of the flow path wall can be evaluated in more detail.

以上の説明では、酸素モニタ30a〜30cとして、発光ルミネッセンス材料であるポルフィリンを用いたが、これに代えて、発色材料を用いてもよい。例えば黒化チタンを用いてもよい。黒化チタンは酸素に接触すると酸化し、白色に変化する。したがって、光透過窓25から色変化を観測することにより、酸素分布を測定することができる。   In the above description, porphyrin which is a light-emitting luminescence material is used as the oxygen monitors 30a to 30c, but a color forming material may be used instead. For example, blackened titanium may be used. Blackened titanium oxidizes when it comes into contact with oxygen and turns white. Therefore, by observing a color change from the light transmission window 25, the oxygen distribution can be measured.

上述した2つの実施形態では、水分等の他の物質の計測については特に考慮した構造にしていないが、酸素濃度とともに水分等を検出したい場合は、膜電極接合体11におけるカソード電極16の導電性多孔質支持層16b表面の一部に赤外光を反射する金属膜、例えば金をコーティングし、赤外光を反射しやすくしてもよい。
この赤外光を反射する金属膜の存在により、赤外光を効率的に反射することができるようになるので、外部から水分等の赤外光吸収波長域の赤外光を照射し、その反射光を検出することによって、反射光における水分等の赤外光吸収波長域の変化からその分布を感度よく計測することができる。なお、図示しないが赤外光を反射するための金属膜を、アノード電極の導電性多孔質支持層に形成した場合も同様である。
In the two embodiments described above, the measurement of other substances such as moisture is not particularly considered. However, when the moisture and the like are detected together with the oxygen concentration, the conductivity of the cathode electrode 16 in the membrane electrode assembly 11 is not detected. A part of the surface of the porous support layer 16b may be coated with a metal film that reflects infrared light, such as gold, so that the infrared light can be easily reflected.
The presence of the metal film that reflects the infrared light enables the infrared light to be efficiently reflected, so that infrared light in the infrared light absorption wavelength region such as moisture is irradiated from the outside. By detecting the reflected light, the distribution can be measured with high sensitivity from the change in the infrared light absorption wavelength region such as moisture in the reflected light. Although not shown, the same applies to the case where a metal film for reflecting infrared light is formed on the conductive porous support layer of the anode electrode.

また、図3は、本発明の他の一実施形態である燃料電池単セル3の構成を示す断面図である。この燃料電池単セル3は、ひとつは電池性能の劣化、故障等によって酸素導入空間側から燃料導入空間に酸素が漏れた場合に、これを検出し可視化する場合に利用することができる。また、メタノール水溶液やその蒸気を燃料として用いるメタノール燃料電池の場合に、アノード電極側に存在する可能性がある物質(メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素、カソード側から漏れた水分や酸素)を検出し可視化する場合に利用することができる。
図において、図1と同じものは同符号を付すことにより、説明を省略する。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a single fuel cell 3 that is another embodiment of the present invention. This single fuel cell 3 can be used to detect and visualize when oxygen leaks from the oxygen introduction space side to the fuel introduction space due to deterioration or failure of battery performance. In addition, in the case of a methanol fuel cell using methanol aqueous solution or its vapor as fuel, substances (methanol, methanol oxidation intermediate, carbon dioxide, moisture or oxygen leaked from the cathode side) that may exist on the anode side are removed. It can be used for detection and visualization.
In the figure, the same components as those in FIG.

この燃料電池単セル3では、アノード側セパレータ12の金属製の平板20にも光透過窓25’が取り付けられている。そして光透過窓25’から観測できる領域にあるリブ溝22の一部には、ポルフィリン被膜が塗布され、光透過窓25’に固定した酸素モニタ30d、リブ構造体21に固定した酸素モニタ30e、アノード電極15の導電性多孔質支持層15bに固定した酸素モニタ30fが形成される。これらはそれぞれの位置での酸素濃度に応じて発光ルミネッセンス強度が変化するようになっている。なお、位置が異なる酸素モニタ30d、30e、30fは、それぞれ種類が異なるようにして、独立に検出するようにしてもよい。例えば、光透過窓25’の位置の酸素濃度と導電性多孔質支持層15bの酸素濃度とを個別に測定するようにしてもよい(カソード電極側についても同様である)。
この実施形態では、カソード側の光透過窓25およびアノード側の光透過窓25’からそれぞれの側の酸素濃度分布を計測することができる。
また、後述する燃料電池反応計測装置によって、アノード側の光透過窓25’から赤外吸収を観測すれば、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素、水分についても観測することができる。
In the single fuel cell 3, a light transmission window 25 ′ is also attached to the metal flat plate 20 of the anode side separator 12. A porphyrin film is applied to a part of the rib groove 22 in the region that can be observed from the light transmission window 25 ′, and an oxygen monitor 30d fixed to the light transmission window 25 ′, an oxygen monitor 30e fixed to the rib structure 21, An oxygen monitor 30f fixed to the conductive porous support layer 15b of the anode electrode 15 is formed. As for these, the light emission luminescence intensity changes according to the oxygen concentration in each position. Note that the oxygen monitors 30d, 30e, and 30f at different positions may be detected independently by being of different types. For example, the oxygen concentration at the position of the light transmission window 25 ′ and the oxygen concentration of the conductive porous support layer 15b may be individually measured (the same applies to the cathode electrode side).
In this embodiment, the oxygen concentration distribution on each side can be measured from the light transmission window 25 on the cathode side and the light transmission window 25 ′ on the anode side.
Further, if infrared absorption is observed from the light transmission window 25 ′ on the anode side by a fuel cell reaction measuring device described later, methanol, methanol oxidation intermediate, carbon dioxide, and moisture can also be observed.

(燃料電池反応計測装置)
次に、上述した燃料電池単セル1(あるいは2、3)を用いて、燃料電池セルの反応をリアルタイムで計測する燃料電池反応計測装置について説明する。
図4は、本発明の一実施形態である燃料電池反応計測装置の概略構成を示す図である。この燃料電池反応計測装置4では、上述した燃料電池単セル1内の酸素濃度、水分等の赤外吸収、温度について同時計測するようにしたものである。
燃料電池反応計測装置4は、ステージ機構41と、共用ユニット42と、温度計測ユニット43と、赤外吸収計測ユニット44と、酸素濃度計測ユニット45とにより構成される。
なお、本実施形態で用いる燃料電池単セル1は、光透過窓材料にフッ化カルシウムを用いるようにして赤外光から可視光までを観測できるようにしてある。
(Fuel cell reaction measuring device)
Next, a fuel cell reaction measuring device that measures the reaction of the fuel cell in real time using the above-described single fuel cell 1 (or 2, 3) will be described.
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell reaction measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In this fuel cell reaction measuring device 4, the oxygen concentration in the fuel cell single cell 1, infrared absorption such as moisture, and temperature are measured simultaneously.
The fuel cell reaction measurement device 4 includes a stage mechanism 41, a shared unit 42, a temperature measurement unit 43, an infrared absorption measurement unit 44, and an oxygen concentration measurement unit 45.
In addition, the fuel cell single cell 1 used in the present embodiment can observe infrared light to visible light by using calcium fluoride as a light transmission window material.

ステージ機構41は、燃料電池単セル1を載置するXYステージ51と、XYステージ51を二次元面のXY方向に移動する制御を行うステージ駆動制御部52とからなる。XYステージ51およびステージ駆動制御部52は、市販の顕微鏡装置等に付設してある周知のXYステージ装置を利用することができる。   The stage mechanism 41 includes an XY stage 51 on which the fuel cell single cell 1 is placed, and a stage drive control unit 52 that performs control to move the XY stage 51 in the XY direction on a two-dimensional surface. As the XY stage 51 and the stage drive control unit 52, a well-known XY stage apparatus attached to a commercially available microscope apparatus or the like can be used.

共用ユニット42は、凸面鏡と凹面鏡とが組み合わされたシュワルツシルド鏡53を用いた光学系と、多層膜からなるビームスプリッタ54、55と、ミラー56と、焦点を順次調整するリレー光学系レンズ57、58とにより構成される。
シュワルツシルド鏡53は、燃料電池単セル1から発せられる熱の影響が光学系に及びにくくするため、燃料電池単セル1からの距離(作動距離)が長くなるような凸面鏡および凹面鏡を選択するようにしている。
The shared unit 42 includes an optical system using a Schwarzschild mirror 53 in which a convex mirror and a concave mirror are combined, beam splitters 54 and 55 formed of multilayer films, a mirror 56, and a relay optical system lens 57 that sequentially adjusts the focal point. 58.
The Schwarzschild mirror 53 selects a convex mirror and a concave mirror that increase the distance (operating distance) from the single fuel cell 1 so that the influence of heat generated from the single fuel cell 1 does not easily affect the optical system. I have to.

ビームスプリッタ54は、波長範囲が5〜10μmの赤外線を透過し、それ以下の短波長範囲の赤外線および可視光線を反射する選択透過性素子を用いている。これにより、燃料電池単セル1の温度を反映する黒体輻射(波長5μm以上の赤外線)がビームスプリッタ54を透過し、温度計測ユニット43に導かれるようにしてある。一方、燃料電池単セル1からの赤外線のうちで水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素の赤外吸収測定に用いる5μmより短波長光は反射され、ビームスプリッタ55に向けられるようにしてある。 The beam splitter 54 uses a selectively transmissive element that transmits infrared rays having a wavelength range of 5 to 10 μm and reflects infrared rays and visible rays having a shorter wavelength range than that. Thereby, black body radiation (infrared ray having a wavelength of 5 μm or more) reflecting the temperature of the single fuel cell 1 is transmitted through the beam splitter 54 and guided to the temperature measurement unit 43. On the other hand, light having a wavelength shorter than 5 μm used for infrared absorption measurement of moisture, methanol, methanol oxidation intermediate, and carbon dioxide among infrared rays from the single fuel cell 1 is reflected and directed to the beam splitter 55. .

ビームスプリッタ55は、可視光と赤外光とを分離する選択透過性素子が用いられる。すなわち、波長範囲が1μm以下の光を透過し、1μm〜5μmの波長範囲の赤外光を反射する選択透過性の素子を用いている。これにより、水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素の検出に用いる2.5μm〜5μmの波長範囲の赤外光はビームスプリッタ55で反射され、赤外吸収計測ユニット44に導かれるようにしてある。一方、酸素濃度の検出に用いられる可視光は、ビームスプリッタ55を透過し、ミラー56に向けられるようにしてある。   As the beam splitter 55, a selectively transmissive element that separates visible light and infrared light is used. That is, a selectively transmissive element that transmits light having a wavelength range of 1 μm or less and reflects infrared light having a wavelength range of 1 μm to 5 μm is used. Thereby, infrared light in the wavelength range of 2.5 μm to 5 μm used for detection of moisture, methanol, methanol oxidation intermediate, and carbon dioxide is reflected by the beam splitter 55 and guided to the infrared absorption measurement unit 44. . On the other hand, visible light used for detecting the oxygen concentration passes through the beam splitter 55 and is directed to the mirror 56.

ミラー56は、可視光を反射し、酸素濃度計測ユニット45に導くようにしてある。
リレー光学系レンズ57、58は、赤外吸収計測ユニット44、酸素濃度計測ユニット45に導かれる検出光の焦点位置を調整するために配置してあり、各計測ユニット44、45の検出器に焦点がくるようにしている。
The mirror 56 reflects visible light and guides it to the oxygen concentration measurement unit 45.
The relay optical system lenses 57 and 58 are arranged to adjust the focal position of the detection light guided to the infrared absorption measurement unit 44 and the oxygen concentration measurement unit 45, and are focused on the detectors of the measurement units 44 and 45, respectively. Is coming.

温度計測ユニット43は、共用ユニット41の上に配置されており、温度計測用赤外線検出器61と、フィルタ62とから構成される。
フィルタ62は、フィルタ面が2、3の領域に分割してあり、各領域はそれぞれ異なる赤外波長を選択的に透過できるようにしてある。そしてフィルタ各領域を順次光路上に挿入し(例えば回転セクタ機構を用いる)、そのときの赤外線強度が温度計測用赤外線検出器61により測定できるようにしてある。
フィルタ62を透過した2,3の赤外線の赤外線強度比を計測することにより、燃料電池単セル1から発せられる温度を測定することができる。
The temperature measurement unit 43 is disposed on the shared unit 41 and includes a temperature measurement infrared detector 61 and a filter 62.
The filter 62 has a filter surface divided into two or three regions, and each region can selectively transmit different infrared wavelengths. Each region of the filter is sequentially inserted into the optical path (for example, using a rotating sector mechanism), and the infrared intensity at that time can be measured by the infrared detector 61 for temperature measurement.
By measuring the infrared intensity ratio of a few infrared rays transmitted through the filter 62, the temperature emitted from the single fuel cell 1 can be measured.

赤外吸収計測ユニット44は、ビームスプリッタ55の上に配置されており、赤外光源71と、ビームスプリッタ72と、赤外吸収計測用赤外検出器73と、フィルタ74とから構成される。
赤外光源71は、1μm〜5μmの波長範囲の入射赤外光を照射するようにしてある。入射赤外光は、ビームスプリッタ72と、共用ユニット42の光学系を介して燃料電池単セル1に照射され、そこからの反射赤外光が同じく共用ユニット42の光学系を介してビームスプリッタ55に導かれて反射され、さらにビームスプリッタ72を透過するようにしてある。ビームスプリッタ72を透過した反射赤外光は、フィルタ74に至るようにしてある。フィルタ74は、フィルタ面が測定物質に対応した透過波長を有する複数の領域に分割してあり、各領域はそれぞれ2.5μm〜5μmの波長範囲内の異なる赤外波長を選択的に透過できるようにしてある。そしてフィルタ74の各領域を光路上に順次挿入し、赤外吸収計測用赤外検出器73により測定を行うようにしてある。
これらの赤外線の強度比を計測することで、水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素を計測することができる。
The infrared absorption measurement unit 44 is disposed on the beam splitter 55 and includes an infrared light source 71, a beam splitter 72, an infrared absorption measurement infrared detector 73, and a filter 74.
The infrared light source 71 emits incident infrared light in a wavelength range of 1 μm to 5 μm. Incident infrared light is applied to the fuel cell single cell 1 via the beam splitter 72 and the optical system of the shared unit 42, and reflected infrared light from the incident infrared light is also passed through the optical system of the shared unit 42. Is reflected by the light beam and is further transmitted through the beam splitter 72. The reflected infrared light transmitted through the beam splitter 72 reaches the filter 74. The filter 74 has a filter surface divided into a plurality of regions having transmission wavelengths corresponding to the measurement substance, and each region can selectively transmit different infrared wavelengths within a wavelength range of 2.5 μm to 5 μm. It is. Each region of the filter 74 is sequentially inserted on the optical path, and measurement is performed by the infrared detector 73 for infrared absorption measurement.
By measuring the intensity ratio of these infrared rays, moisture, methanol, methanol oxidation intermediate, and carbon dioxide can be measured.

酸素濃度計測ユニット45は、ミラー56の上に配置されており、発光ルミネッセンス励起用のレーザ光源81と、ビームスプリッタ82と、可視光検出器83と、励起光をカットするフィルタ84とから構成される。
レーザ光源81には、例えば波長532nmのグリーンレーザが用いてあり、ビームスプリッタ82に向けて入射レーザ光を照射するようにしてある。入射レーザ光はビームスプリッタ82、共用ユニット41の光学系を介して、燃料電池単セル1を照射するようにしてある。燃料電池単セル1では、酸素濃度を測定しようとする箇所にポルフィリンが固定されており、これにレーザ光が照射されると発光ルミネッセンスが発せられる。燃料電池単セル1からの反射レーザ光およびポルフィリンからの発光ルミネッセンスは、共用ユニット41の光学系を介してミラー56に導かれて反射され、ビームスプリッタ82を透過する。ビームスプリッタ82を透過した反射レーザ光および発光ルミネッセンスは、フィルタ84に至る。フィルタ84は、反射レーザ光をカットし、発光ルミネッセンスを透過して可視光検出器83に導くようにしてある。可視光検出器83は発光ルミネッセンス強度を測定することで酸素濃度を計測することができる。
The oxygen concentration measurement unit 45 is disposed on the mirror 56, and includes a laser light source 81 for light emission luminescence excitation, a beam splitter 82, a visible light detector 83, and a filter 84 that cuts excitation light. The
As the laser light source 81, for example, a green laser having a wavelength of 532 nm is used, and incident laser light is irradiated toward the beam splitter 82. The incident laser light is applied to the single fuel cell 1 through the beam splitter 82 and the optical system of the shared unit 41. In the fuel cell single cell 1, porphyrin is fixed at a position where the oxygen concentration is to be measured, and when this is irradiated with laser light, light emission luminescence is emitted. The reflected laser light from the single fuel cell 1 and the emission luminescence from the porphyrin are guided to the mirror 56 through the optical system of the shared unit 41 and reflected, and pass through the beam splitter 82. The reflected laser light and the emitted luminescence transmitted through the beam splitter 82 reach the filter 84. The filter 84 cuts the reflected laser light, transmits the emitted luminescence, and guides it to the visible light detector 83. The visible light detector 83 can measure the oxygen concentration by measuring the luminescence intensity.

次に、燃料電池反応計測装置4による計測動作について説明する。
XYステージ51上に燃料電池単セル1を載置し、光透過窓25がシュワルツシルド鏡53の真下にくるようにXYステージを駆動して位置を定める。
続いて、赤外光源71からの赤外吸収測定用赤外光およびレーザ光源81からの励起光を照射する。そして、温度計測用赤外線検出器61、赤外吸収計測用赤外検出器73、可視光検出器83によりそれぞれの温度データ、赤外吸収データ、酸素濃度データを同時かつ独立に測定する。
続いて、XYステージを駆動して異なる位置で同様の測定を繰り返す。このようにして、温度、赤外吸収、酸素濃度の分布データを採取する。採取したデータを蓄積し、図示しないモニタ画面に一覧表示することにより、これら温度分布、赤外吸収分布、酸素濃度分布のマッピングデータを得ることができる。
以上の動作を、カソード側光透過窓25からと、アノード側光透過窓25’からとで順次行う。
Next, the measurement operation by the fuel cell reaction measurement device 4 will be described.
The fuel cell single cell 1 is placed on the XY stage 51, and the XY stage is driven so that the light transmitting window 25 is directly below the Schwarzschild mirror 53, and the position is determined.
Subsequently, infrared light for infrared absorption measurement from the infrared light source 71 and excitation light from the laser light source 81 are irradiated. The temperature data, infrared absorption data, and oxygen concentration data are measured simultaneously and independently by the temperature measurement infrared detector 61, the infrared absorption measurement infrared detector 73, and the visible light detector 83.
Subsequently, the XY stage is driven and the same measurement is repeated at different positions. In this way, temperature, infrared absorption, and oxygen concentration distribution data are collected. By collecting the collected data and displaying a list on a monitor screen (not shown), mapping data of these temperature distribution, infrared absorption distribution, and oxygen concentration distribution can be obtained.
The above operation is sequentially performed from the cathode side light transmission window 25 and from the anode side light transmission window 25 ′.

本実施形態では、温度、赤外吸収、酸素濃度のデータを同時に測定するようにしたが、それぞれを単独で測定するようにしてもよい。
本実施形態では、酸素濃度により発光ルミネッセンス強度が変化する燃料電池単セルを用いたが、これに代えて、酸素濃度により色変化する発色材料(例えば酸化により白色に変化する黒化チタン等)を用いた燃料電池単セルを用いてもよい。この場合は、レーザ光源81に代えて、照明用として白色光の光源を取り付ければよい。
In this embodiment, temperature, infrared absorption, and oxygen concentration data are measured simultaneously, but each may be measured independently.
In this embodiment, a single fuel cell whose emission luminescence intensity changes depending on the oxygen concentration is used. Instead, a coloring material that changes color depending on the oxygen concentration (for example, blackened titanium that changes to white by oxidation) is used. The used fuel cell single cell may be used. In this case, instead of the laser light source 81, a white light source may be attached for illumination.

図5は、本発明の他の一実施形態である燃料電池反応計測装置5の概略構成を示す図である。この実施形態では、燃料電池セルの温度を一定に保つようにしている。図において、図4と同じ構成については同符号を付すことにより、説明を一部省略する。
この燃料電池反応計測装置4では、燃料電池単セル1(あるいは2、3)の上に空気流路91を有する光透過カバー92を取り付けるようにしてあり、空気流路91には乾燥空気供給装置93から一定温度の乾燥空気が送られるようにしてある。本構成により、燃料電池単セル1で発生した熱は、乾燥空気によって温度調節されることとなり、一定温度で計測することが可能となる。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell reaction measuring device 5 which is another embodiment of the present invention. In this embodiment, the temperature of the fuel cell is kept constant. In the figure, the same components as those in FIG.
In this fuel cell reaction measuring device 4, a light transmission cover 92 having an air flow path 91 is attached on the fuel cell single cell 1 (or 2, 3). A dry air having a constant temperature is sent from 93. With this configuration, the heat generated in the single fuel cell 1 is temperature-controlled by dry air, and can be measured at a constant temperature.

また、図6は、本発明の他の一実施形態である燃料電池反応計測装置6の酸素濃度計測ユニットの概略構成を示す図である。この実施形態では、燃料電池セル1の酸素濃度分布を計測する際に、測定場所ごとに、独立に測定できるようにしている。なお、図4で説明した温度計測ユニット43と、赤外吸収計測ユニット44とに相当する部分については省略するが、リレー光学系を用いて、これらを同時に計測するようにしてもよい。   FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of an oxygen concentration measuring unit of the fuel cell reaction measuring device 6 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, when measuring the oxygen concentration distribution of the fuel battery cell 1, the measurement can be performed independently for each measurement place. Although the portions corresponding to the temperature measurement unit 43 and the infrared absorption measurement unit 44 described with reference to FIG. 4 are omitted, these may be measured simultaneously using a relay optical system.

この実施形態の光学系は、凸面鏡と凹面鏡とが組み合わされたシュワルツシルド鏡53と、発光ルミネッセンス励起用のレーザ光源81と、ビームスプリッタ82a、82bと、励起光をカットするフィルタ84a、84bと、可視光検出器83a、83bとを有している。   The optical system of this embodiment includes a Schwarzschild mirror 53 in which a convex mirror and a concave mirror are combined, a laser light source 81 for exciting luminescence excitation, beam splitters 82a and 82b, filters 84a and 84b for cutting excitation light, Visible light detectors 83a and 83b.

レーザ光源81には波長532nmのグリーンレーザが用いてあり、ビームスプリッタ82aに向けて入射レーザ光を照射するようにしてある。入射レーザ光はビームスプリッタ82a、82b、シュワルツシルド鏡53を介して、燃料電池単セル1を照射するようにしてある。そして、可視光検出器83aは、焦点が膜電極接合体(MEA)11のカソード電極表面に合わせてあり、可視光検出器83bは、焦点が光透過窓25の表面に合わせてある。
一方、燃料電池単セル1の光透過窓25の表面に、第一のポルフィリン30g(例えば鉄ポルフィリン)を固定し、膜電極接合体(MEA)11のカソード電極の表面に、第二のポルフィリン30h(例えばコバルトポルフィリン)を固定してある。
A green laser having a wavelength of 532 nm is used as the laser light source 81, and incident laser light is irradiated toward the beam splitter 82a. Incident laser light is applied to the fuel cell single cell 1 via beam splitters 82 a and 82 b and a Schwarzschild mirror 53. The visible light detector 83 a is focused on the surface of the cathode electrode of the membrane electrode assembly (MEA) 11, and the visible light detector 83 b is focused on the surface of the light transmission window 25.
On the other hand, the first porphyrin 30g (for example, iron porphyrin) is fixed to the surface of the light transmission window 25 of the fuel cell single cell 1, and the second porphyrin 30h is fixed to the surface of the cathode electrode of the membrane electrode assembly (MEA) 11. (For example, cobalt porphyrin) is fixed.

このような構成により、同時に、酸素導入空間の上下2面で酸素濃度分布を測定することができ、各深さ方向での分布情報も得ることができる。   With such a configuration, the oxygen concentration distribution can be measured simultaneously on the upper and lower surfaces of the oxygen introduction space, and distribution information in each depth direction can also be obtained.

本発明は、燃料電池の電池性能や電池寿命を改良する研究開発用の反応計測装置に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in a reaction measuring device for research and development that improves the battery performance and battery life of a fuel cell.

本発明の一実施形態である燃料電池単セルの構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the fuel cell single cell which is one Embodiment of this invention. 本発明の他の一実施形態である燃料電池単セルの構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the fuel cell single cell which is other one Embodiment of this invention. 本発明の他の一実施形態である燃料電池単セルの構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the fuel cell single cell which is other one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である燃料電池反応計測装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell reaction measuring device according to an embodiment of the present invention. 本発明の他の一実施形態である燃料電池反応計測装置の概略構成を示すブロック図。The block diagram which shows schematic structure of the fuel cell reaction measuring apparatus which is other one Embodiment of this invention. 本発明の他の一実施形態である燃料電池反応計測装置の概略構成を示すブロック図。The block diagram which shows schematic structure of the fuel cell reaction measuring apparatus which is other one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、2: 燃料電池単セル
3: 燃料電池反応計測装置
11: 膜電極接合体(MEA)
12: アノード側セパレータ
13: カソード側セパレータ
14: 高分子電解質膜
15: アノード電極
16: カソード電極
20、23: 導電性平板
21、24: リブ構造体
22: リブ溝(燃料導入空間)
25、25’: 光透過窓
26: リブ溝(酸素導入空間)
30a〜30h: 酸素モニタ(ポルフィリン膜)
31: 光透過リブ
32: 透明導電膜
41: ステージ機構
42: 共用ユニット
43: 温度計測ユニット
44: 水分計測ユニット
45: 酸素濃度計測ユニット
51: XYステージ
52: ステージ駆動制御部
61: 温度計測用検出器
73: 赤外吸収計測用検出器
83、83a、83b: 酸素検出用可視光検出器
91: 空気流路
92: 光透過性カバー
93: 乾燥空気供給装置
1, 2: Fuel cell single cell 3: Fuel cell reaction measuring device
11: Membrane electrode assembly (MEA)
12: Anode side separator 13: Cathode side separator 14: Polymer electrolyte membrane 15: Anode electrode 16: Cathode electrode 20, 23: Conductive plate 21, 24: Rib structure 22: Rib groove (fuel introduction space)
25, 25 ': Light transmission window 26: Rib groove (oxygen introduction space)
30a-30h: Oxygen monitor (porphyrin membrane)
31: Light transmission rib 32: Transparent conductive film 41: Stage mechanism 42: Shared unit 43: Temperature measurement unit 44: Moisture measurement unit 45: Oxygen concentration measurement unit 51: XY stage 52: Stage drive control unit 61: Detection for temperature measurement Device 73: Detector for infrared absorption measurement 83, 83a, 83b: Visible light detector for oxygen detection 91: Air flow path 92: Light transmissive cover 93: Dry air supply device

Claims (14)

固体高分子電解質膜の片面にアノード電極、反対面にカソード電極を接合した膜電極接合体と、アノード電極に導通するとともに膜電極接合体のアノード電極に面して燃料導入空間を形成するアノード側セパレータと、カソード電極に導通するとともに膜電極接合体のカソード電極に面して酸素導入空間を形成するカソード側セパレータとを備え、
アノード側セパレータとカソード側セパレータとにより膜電極接合体を挟持し、
酸素濃度により光特性が変化する酸素モニタ物質を酸素導入空間内および/又は燃料導入空間内のいずれかの酸素濃度測定部位に固定し、
酸素モニタ物質を固定した側のアノード側セパレータ又は/およびカソード側セパレータの一部に光透過性材料からなる光透過窓を形成し、
燃料電池セルの外部から光透過窓を介して酸素導入空間中又は/および燃料導入空間中の酸素モニタ物質の変化を光学的に測定可能に構成した燃料電池セルであって、
前記酸素モニタ物質として、検出波長域が異なる複数種類の酸素モニタ物質を酸素導入空間又は/および燃料導入空間の異なる位置に固定し、それぞれの場所の酸素濃度を独立に計測することを特徴とする燃料電池セル。
A membrane electrode assembly in which an anode electrode is joined to one side of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is joined to the other side, and an anode side that is electrically connected to the anode electrode and forms a fuel introduction space facing the anode electrode of the membrane electrode assembly A separator and a cathode-side separator that conducts to the cathode electrode and faces the cathode electrode of the membrane electrode assembly to form an oxygen introduction space;
The membrane electrode assembly is sandwiched between the anode side separator and the cathode side separator,
An oxygen monitor substance whose optical characteristics change depending on the oxygen concentration is fixed to any oxygen concentration measurement site in the oxygen introduction space and / or the fuel introduction space,
A light transmitting window made of a light transmitting material is formed on a part of the anode side separator and / or cathode side separator on the side where the oxygen monitor substance is fixed,
A fuel battery cell configured to be capable of optically measuring a change in oxygen monitor substance in the oxygen introduction space or / and in the fuel introduction space through a light transmission window from the outside of the fuel battery cell,
A plurality of types of oxygen monitor substances having different detection wavelength ranges are fixed as oxygen monitor substances at different positions in the oxygen introduction space and / or the fuel introduction space, and the oxygen concentration at each location is measured independently. Fuel cell.
酸素導入空間に酸素流路を形成する流路壁又は/および燃料導入空間に燃料流路を形成する流路壁が形成され、流路壁がカソード電極とカソード側セパレータとの間、アノード電極とアノード側セパレータとの間を導通する導電性材料で形成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。 A flow path wall that forms an oxygen flow path in the oxygen introduction space and / or a flow path wall that forms a fuel flow path in the fuel introduction space is formed, and the flow path wall is between the cathode electrode and the cathode side separator, The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is formed of a conductive material that conducts between the anode-side separator and the anode-side separator. 流路壁の少なくとも一部が光透過性材料により形成され、流路壁の表面に酸素モニタ物質が固定されることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 2, wherein at least a part of the flow path wall is formed of a light transmissive material, and an oxygen monitor substance is fixed to a surface of the flow path wall. 光透過性材料で形成される流路壁には透明導電膜が成膜されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 3, wherein a transparent conductive film is formed on a flow path wall formed of a light transmissive material. 酸素モニタ物質は酸素濃度により発光ルミネッセンス強度が変化する発光ルミネッセンス材料、または酸素濃度により色変化する発色材料であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the oxygen monitor substance is a light-emitting luminescent material whose emission luminescence intensity changes depending on an oxygen concentration, or a color-developing material whose color changes depending on the oxygen concentration. 酸素モニタ物質が金属ポルフィリンまたは金属ポルフィリン錯体を含む発光ルミネッセンス材料であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池セル。 6. The fuel cell according to claim 5, wherein the oxygen monitor substance is a light emitting luminescence material containing a metal porphyrin or a metal porphyrin complex. 酸素モニタ物質が黒化チタンを含む発色材料であることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池セル。 6. The fuel cell according to claim 5, wherein the oxygen monitor substance is a coloring material containing blackened titanium. カソード電極面又は/およびアノード電極面の一部に赤外光を反射する金属膜を形成することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1, wherein a metal film that reflects infrared light is formed on a part of the cathode electrode surface and / or the anode electrode surface. 請求項1〜請求項のいずれかに記載の燃料電池セルと、
酸素モニタ物質の光特性を計測する光検出器と、
光透過窓を介して酸素モニタ物質からの検出光を光検出器に導く酸素測定光学系とを備えたことを特徴とする燃料電池反応計測装置。
The fuel battery cell according to any one of claims 1 to 8 ,
A photodetector for measuring the optical properties of the oxygen monitor substance;
A fuel cell reaction measuring apparatus comprising: an oxygen measuring optical system for guiding detection light from an oxygen monitor substance to a light detector through a light transmission window.
酸素モニタ物質が発光ルミネッセンス材料である場合に、酸素測定光学系を利用して光透過窓から酸素モニタ物質に励起光を照射することを特徴とする請求項に記載の燃料電池反応計測装置。 10. The fuel cell reaction measuring apparatus according to claim 9 , wherein when the oxygen monitor substance is a luminescent material, the oxygen monitor substance is irradiated with excitation light from a light transmission window using an oxygen measurement optical system. 請求項8に記載の燃料電池セルと、
酸素モニタ物質の光特性を計測する光検出器と、
光透過窓を介して酸素モニタ物質からの検出光を光検出器に導く酸素測定光学系とを備えた燃料電池反応計測装置であって、
光透過窓には可視光領域および赤外光領域を透過する材料が用いられ、少なくとも水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素のいずれかの赤外光吸収波長域の赤外光を光透過窓から照射し、その反射光を赤外吸収スペクトル測定用赤外検出器に導く赤外吸収測定光学系と、膜電極接合体から光透過窓を介して発せられる輻射で波長が5μm以上の赤外線を温度計測用赤外検出器に導く温度測定光学系との少なくともいずれかの測定光学系をさらに備え、酸素濃度とともに、前記水分、メタノール、メタノール酸化中間体、二酸化炭素のいずれかの物質の赤外吸収、または温度のいずれかまたはこれら両方について測定を行うことを特徴とする燃料電池反応計測装置。
A fuel cell according to claim 8;
A photodetector for measuring the optical properties of the oxygen monitor substance;
A fuel cell reaction measurement device comprising an oxygen measurement optical system for guiding detection light from an oxygen monitor substance to a photodetector through a light transmission window,
The light transmission window uses a material that transmits the visible light region and infrared light region, and transmits at least infrared light in the infrared light absorption wavelength region of water, methanol, methanol oxidation intermediate, or carbon dioxide. An infrared absorption measurement optical system that irradiates through a window and guides the reflected light to an infrared detector for measuring an infrared absorption spectrum, and an infrared ray having a wavelength of 5 μm or more due to radiation emitted from a membrane electrode assembly through a light transmission window And at least one of a temperature measurement optical system that guides the temperature to an infrared detector for temperature measurement, along with the oxygen concentration, the red of any one of the water, methanol, methanol oxidation intermediate, and carbon dioxide A fuel cell reaction measuring device that measures either external absorption or temperature, or both.
酸素測定光学系は凹凸面鏡からなる光学系を含み、赤外吸収測定光学系または温度測定光学系またはこれら2つの測定光学系は、酸素測定光学系の凹凸面鏡からなる光学系部分を共通光学系として共用することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池反応計測装置。 The oxygen measuring optical system includes an optical system composed of a concave and convex surface mirror, and the infrared absorption measuring optical system, the temperature measuring optical system, or these two measuring optical systems share the optical system portion composed of the concave and convex surface mirror of the oxygen measuring optical system as a common optical system. The fuel cell reaction measuring device according to claim 11 , wherein the fuel cell reaction measuring device is shared as 共通光学系に対し、燃料電池セルを相対的に走査する走査手段を備えたことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池反応計測装置。 13. The fuel cell reaction measuring apparatus according to claim 12 , further comprising scanning means for scanning the fuel cell relative to the common optical system. 燃料電池セルの少なくともいずれかのセパレータの外側に空間を設けるようにして光透過性部材を取り付けるとともに、光透過性部材とセパレータとの間に温度調節のための気体を供給する温度調節機構を設けたことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池反応計測装置。 A light transmissive member is attached so as to provide a space outside at least one of the separators of the fuel battery cell, and a temperature adjustment mechanism for supplying a gas for temperature adjustment is provided between the light transmissive member and the separator. 10. The fuel cell reaction measuring device according to claim 9, wherein
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