JP5046203B2 - Measuring device, fuel cell including the same, and measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、測定装置およびこれを備える燃料電池、ならびに測定方法に関し、特に、膜中のプロトン性溶媒量の分布を局所的に測定する技術に関する。   The present invention relates to a measurement device, a fuel cell including the same, and a measurement method, and more particularly to a technique for locally measuring the distribution of the amount of protic solvent in a membrane.

膜等の機能材料においては、材料中の溶媒量がその材料の性能を支配することがある。このような材料の設計開発にあっては、溶媒量の分布を局所的に計測することが重要な技術的課題となる。こうした機能材料の例として、燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜が挙げられる。   In a functional material such as a film, the amount of solvent in the material may dominate the performance of the material. In the design and development of such materials, it is an important technical problem to locally measure the distribution of the amount of solvent. Examples of such functional materials include solid polymer electrolyte membranes used in fuel cells.

固体高分子電解質膜を備える燃料電池においては、運転中、セパレータに形成された流路溝から、燃料および酸化剤として、水蒸気を含むガスが供給される。燃料および酸化剤の供給により、固体高分子電解質膜中の水分量には分布が生じ、また、分布状態が経時的に変化する。こうした燃料電池の運転効率を向上させるためには、固体高分子電解質膜の湿潤状態を的確に把握して、燃料および酸化剤の供給を制御することが重要となる。   In a fuel cell including a solid polymer electrolyte membrane, a gas containing water vapor is supplied as a fuel and an oxidant from a channel groove formed in a separator during operation. Due to the supply of the fuel and the oxidant, a distribution occurs in the amount of water in the solid polymer electrolyte membrane, and the distribution state changes with time. In order to improve the operating efficiency of such a fuel cell, it is important to accurately grasp the wet state of the solid polymer electrolyte membrane and control the supply of fuel and oxidant.

以上、燃料電池の場合を例に挙げたが、膜中に含まれるプロトン性溶媒量の分布をその場で局所的に把握することができれば、材料の性能評価に有用である。   As described above, the case of the fuel cell has been described as an example. If the distribution of the amount of the protic solvent contained in the membrane can be locally grasped on the spot, it is useful for evaluating the performance of the material.

ここで、試料の特定箇所のプロトン性溶媒量を局所的に測定する技術として、従来、特許文献1に記載のものがある。同文献には、試料の特定箇所に対して局所的にマルチエコー法を適用して、1H−NMRにより緩和時定数を測定し、試料の特定箇所のプロトン性溶媒量を局所的に測定する技術が記載されている。この技術によれば、NMRの測定結果を利用して物質中の特定箇所の局所的プロトン性溶媒量を比較的短時間で測定することができる。   Here, as a technique for locally measuring the amount of the protic solvent at a specific portion of a sample, there is a conventional one described in Patent Document 1. In this document, a technique of locally applying a multi-echo method to a specific part of a sample, measuring a relaxation time constant by 1H-NMR, and locally measuring the amount of a protic solvent in the specific part of the sample. Is described. According to this technique, it is possible to measure the amount of local protic solvent at a specific location in a substance in a relatively short time using the NMR measurement result.

また、試料のNMR測定に関する他の従来技術としては、特許文献2および3に記載のものがある。
特許文献2には、U字磁石とソレノイドコイルを用いて試料のNMR測定を行うことが記載されている。
また、特許文献3には、高分子膜の水分分布測定装置が記載されている。この方法では、高分子膜のMRI画像を取得して、水分分布を取得する。
Other conventional techniques related to NMR measurement of samples include those described in Patent Documents 2 and 3.
Patent Document 2 describes that NMR measurement of a sample is performed using a U-shaped magnet and a solenoid coil.
Patent Document 3 describes a moisture distribution measuring device for a polymer film. In this method, an MRI image of a polymer film is acquired and a moisture distribution is acquired.

国際公開第2006/030743号パンフレットInternational Publication No. 2006/030743 Pamphlet 特開昭54−127785号公報JP 54-127785 A 特開2004−170297号公報JP 2004-170297 A Tsushima S他2名、「Magnetic resonance imaging of the water distribution within a polymer electrolyte membrane in fuel cells」、ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE LETTERS、7 (9)、A269-A272、2004年Tsushima S and two others, "Magnetic resonance imaging of the water distribution within a polymer electrolyte membrane in fuel cells", ELECTROCHEMICAL AND SOLID-STATE LETTERS, 7 (9), A269-A272, 2004 竹中啓恭、「固体高分子電解質水電解技術とその応用」、ソーダと塩素、Vol.37、pp.323−337(1986)Takenaka Keigo, “Solid Polymer Electrolyte Water Electrolysis Technology and Its Applications”, Soda and Chlorine, Vol. 37, pp. 323-337 (1986)

ここで、膜表面の一部からプロトン性溶媒が膜中に厚さ方向と面方向に拡散していく時のプロトン性溶媒の分布を計測することができれば、膜の特性評価に有用である。また、たとえば上述の燃料電池の固体高分子電解質膜では、電池運転時における運転状態の最適制御に有用である。   Here, if the distribution of the protic solvent when the protic solvent diffuses in the thickness direction and the plane direction in the film from a part of the film surface can be measured, it is useful for evaluating the characteristics of the film. Further, for example, the above-described solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell is useful for optimal control of the operating state during battery operation.

燃料電池の固体高分子電解質膜では、湿潤ガス中の水(プロトン性溶媒成分)が、セパレータの溝部に対向している領域から膜中に拡散していく。膜のプロトン性溶媒量は、湿潤ガスからの水分供給と、燃料ガスと酸化剤とが反応して生成される水(プロトン性溶媒成分)によって調整されている。燃料電池のセパレータ内では、入口と出口の間に燃料ガスと酸化剤の濃度に分布があり、さらには、触媒の活性状態などによっても、膜で生成される水(プロトン性溶媒成分)の量に空間的な分布がある。また、膜の周囲に湿潤ガスを流すことによって、膜中のプロトン性溶媒量を調整する場合でも、湿潤ガスの入口と出口ではプロトン性溶媒の濃度に差があり、セパレータ流路内でもプロトン性溶媒の濃度の空間的な分布が生ずる。この結果、膜のプロトン性溶媒量には空間的な分布が形成されてしまう。   In the solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell, water (protic solvent component) in the wet gas diffuses into the membrane from the region facing the separator groove. The amount of the protic solvent in the membrane is adjusted by the water supply from the wet gas and the water (protic solvent component) generated by the reaction between the fuel gas and the oxidant. Within the fuel cell separator, the concentration of fuel gas and oxidant is distributed between the inlet and outlet, and the amount of water (protic solvent component) produced in the membrane also depends on the active state of the catalyst. Has a spatial distribution. In addition, even when the amount of protic solvent in the membrane is adjusted by flowing a wet gas around the membrane, there is a difference in the concentration of the protic solvent at the inlet and outlet of the wet gas, and there is a difference between the protic solvent in the separator channel. A spatial distribution of the solvent concentration occurs. As a result, a spatial distribution is formed in the amount of protic solvent in the membrane.

そこで、このような膜のプロトン性溶媒量分布をできるだけなくすような膜の開発を行ったり、最適なプロトン性溶媒量で燃料電池を運転できるように供給する湿潤ガスのプロトン性溶媒の濃度を制御することが必要となる。   Therefore, we have developed a membrane that minimizes the amount of protic solvent in the membrane, and controlled the concentration of the protic solvent in the wet gas supplied so that the fuel cell can be operated with the optimum amount of protic solvent. It is necessary to do.

このためには、膜のプロトン性溶媒量の空間分布を計測するための装置が必要とされるが、上述した従来の測定装置は、膜の特定箇所からプロトン性溶媒が膜中に拡散する際の膜中のプロトン性溶媒量を計測するのに、必ずしも適した構成とはなっていなかった。   For this purpose, a device for measuring the spatial distribution of the amount of protic solvent in the membrane is required. However, the conventional measuring device described above is used when the protic solvent diffuses into the membrane from a specific location of the membrane. However, it was not always suitable for measuring the amount of protic solvent in the membrane.

本発明によれば、
核磁気共鳴法を用いて膜中の特定箇所のプロトン性溶媒の量を局所的に測定する装置であって、
前記膜に対して静磁場を印加する永久磁石と、
前記膜の一部に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得するRFコイルと、
前記エコー信号の強度から、前記膜の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を算出する溶媒量算出部と、
を備え、
前記永久磁石に、前記プロトン性溶媒を含む流体が流れる流路溝が設けられ、
前記膜が、前記永久磁石の流路形成面に平行に設けられる、測定装置が提供される。
According to the present invention,
An apparatus for locally measuring the amount of a protic solvent at a specific location in a film using a nuclear magnetic resonance method,
A permanent magnet for applying a static magnetic field to the film;
An RF coil that applies an excitation oscillating magnetic field to a part of the film and acquires an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
From the intensity of the echo signal, a solvent amount calculation unit for calculating the amount of the protic solvent at a specific location of the membrane;
With
The permanent magnet is provided with a channel groove through which a fluid containing the protic solvent flows,
A measuring device is provided in which the film is provided in parallel to the flow path forming surface of the permanent magnet.

また、本発明によれば、
流路溝が形成された永久磁石の流路形成面に平行に膜を配置して、核磁気共鳴法を用いて前記膜中の特定箇所のプロトン性溶媒の量を局所的に測定する方法であって、
前記永久磁石の前記流路溝に前記プロトン性溶媒を含む流体を流しつつ、永久磁石により前記膜に対して静磁場を印加し、前記静磁場におかれた前記膜の一部に対し、RFコイルを用いて励起用振動磁場を複数回順次印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応する複数のエコー信号を取得する第1ステップと、
前記複数のエコー信号の強度から、前記膜の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を求める第2ステップと、
を含む、測定方法が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A method of locally measuring the amount of the protic solvent at a specific location in the film by using a nuclear magnetic resonance method by disposing a film in parallel with the flow path forming surface of the permanent magnet in which the flow path groove is formed. There,
While flowing a fluid containing the protic solvent in the flow channel groove of the permanent magnet, a static magnetic field is applied to the film by a permanent magnet, and RF is applied to a part of the film placed in the static magnetic field. A first step of sequentially applying the excitation oscillating magnetic field a plurality of times using a coil and acquiring a plurality of echo signals corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
A second step of determining the amount of the protic solvent at a specific location of the membrane from the intensity of the plurality of echo signals;
A measurement method is provided.

本発明においては、流路形成面を有する特定の形状の永久磁石を用いるため、膜に静磁場を印加するとともに、流路溝にプロトン性溶媒を流して膜中のプロトン性溶媒量に分布を形成することができる。そして、プロトン性溶媒量の分布が形成された膜の一部にRFコイルを用いて励起用振動磁場を印加してエコー信号を取得することにより、膜中のプロトン性溶媒の分布を検出することができる。
また、膜が永久磁石の流路形成面と平行に配置されるため、特定形状の永久磁石とRFコイルとを用いた測定を行う際の測定箇所の位置あわせを確実に行うことができる。
In the present invention, since a permanent magnet having a specific shape having a flow path forming surface is used, a static magnetic field is applied to the film, and a protic solvent is allowed to flow in the flow path groove to distribute the amount of protic solvent in the film. Can be formed. Then, the distribution of the protic solvent in the film is detected by applying an excitation oscillating magnetic field to the part of the film in which the distribution of the amount of the protic solvent is formed using an RF coil to obtain an echo signal. Can do.
In addition, since the film is arranged in parallel with the flow path forming surface of the permanent magnet, it is possible to reliably align the measurement location when performing the measurement using the permanent magnet having a specific shape and the RF coil.

よって、本発明によれば、たとえば、流路溝を流れるプロトン性溶媒が膜内に供給されたり、逆に、膜内からプロトン性溶媒が排出されたりする状態において、局所的な膜内のプロトン性溶媒の量がその場で測定できる。
また、膜に静磁場を印加するとともに、流路溝にプロトン性溶媒を流して膜にプロトン性溶媒を供給したり、逆に膜から溶媒を排出したりして、膜が所望のプロトン性溶媒量になるように調整することができる。その際、膜内のプロトン性溶媒量が空間的に均一になっているのか、空間的な分布が形成されているのかを確認するために、RFコイルを用いて膜の一部に励起用振動磁場を印加して、エコー信号を取得し、プロトン性溶媒量の分布を得ることができる。
また、膜の面内方向のプロトン性溶媒の拡散挙動を評価することが可能となるため、たとえば燃料電池の固体高分子電解質膜中のプロトン性溶媒の分布を評価するシミュレーション装置等の膜の評価装置にも好ましく適用することができる。また、後述するように、本発明の測定装置をたとえば燃料電池内に組み込むこともできる。
Therefore, according to the present invention, for example, in the state where the protic solvent flowing through the flow channel is supplied into the membrane, or conversely, the proton solvent in the membrane is discharged from the membrane, The amount of the neutral solvent can be measured in situ.
In addition, a static magnetic field is applied to the membrane, and a protic solvent is allowed to flow through the channel groove to supply the protic solvent to the membrane, or conversely, the solvent is discharged from the membrane so that the membrane has a desired protic solvent. The amount can be adjusted. At that time, in order to confirm whether the amount of the protic solvent in the membrane is spatially uniform or a spatial distribution is formed, vibration for excitation is applied to a part of the membrane using an RF coil. An echo signal is acquired by applying a magnetic field, and a distribution of the amount of protic solvent can be obtained.
In addition, since it is possible to evaluate the diffusion behavior of the protic solvent in the in-plane direction of the membrane, for example, the evaluation of the membrane such as a simulation device for evaluating the distribution of the protic solvent in the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell The present invention can also be preferably applied to an apparatus. Further, as will be described later, the measuring apparatus of the present invention can be incorporated in, for example, a fuel cell.

なお、本発明によれば、永久磁石の流路溝にプロトン性溶媒を含む流体を流しながら測定を行い、エコー信号を取得することができるが、プロトン性溶媒を含む流体を流路溝に流すことは本発明において必須ではなく、流体を流さない状態で測定を行ってもよい。プロトン性溶媒としては、たとえば、水や、メタノール、エタノール等のアルコール類が挙げられる。   In addition, according to the present invention, measurement can be performed while flowing a fluid containing a protic solvent in the flow channel groove of the permanent magnet, and an echo signal can be acquired. This is not essential in the present invention, and the measurement may be performed without flowing a fluid. Examples of the protic solvent include water and alcohols such as methanol and ethanol.

また、本明細書において、「エコー信号」は、励起用振動磁場に対応するとともにT緩和時定数の算出が可能なNMR信号として機能する信号であればよい。 Further, in this specification, the “echo signal” may be any signal that corresponds to the excitation oscillating magnetic field and functions as an NMR signal capable of calculating the T 2 relaxation time constant.

また、本明細書において、「静磁場」は、エコー信号およびT2緩和時定数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。 Further, in this specification, the “static magnetic field” is a completely stable magnetic field as long as it is a time-stable magnetic field that can stably acquire an echo signal and a T 2 relaxation time constant. There may not be, and there may be some variation within the range.

本発明の測定装置において、前記溶媒量算出部が、前記エコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出し、算出した前記T2緩和時定数から、前記膜の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を算出してもよい。
また、本発明の測定方法において、第2ステップが、前記エコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出するステップと、前記膜中のプロトン性溶媒量とT2緩和時定数との相関関係を示すデータを取得し、該データとT2緩和時定数を算出する前記ステップで算出された前記T2緩和時定数とから、前記プロトン性溶媒の量を求めるステップと、を含んでいてもよい。
2緩和時定数からプロトン性溶媒量を算出することにより、装置構成に依存する測定値の校正操作をさらに簡素化することができる。
In the measurement apparatus of the present invention, the solvent amount calculation unit calculates a T 2 relaxation time constant from the intensity of the echo signal, and the calculated protic solvent at a specific location of the membrane from the calculated T 2 relaxation time constant. May be calculated.
In the measurement method of the present invention, the second step is a step of calculating a T 2 relaxation time constant from the intensity of the echo signal, and a correlation between the amount of protic solvent in the membrane and the T 2 relaxation time constant. And obtaining the amount of the protic solvent from the data and the T 2 relaxation time constant calculated in the step of calculating the T 2 relaxation time constant. .
By calculating the amount of the protic solvent from the T 2 relaxation time constant, it is possible to further simplify the calibration operation of the measured value depending on the apparatus configuration.

ここで、永久磁石の表面近傍においては、静磁場の大きさは、当該表面の法線方向に沿って変化する。また、永久磁石の表面に流路を設けた場合、流路形成面の上部において、静磁場の大きさに、流路を有しない場合とは異なる空間的な分布が生じる。膜の測定における共鳴周波数は、測定箇所における静磁場の強度に依存して変化するため、エコー信号を確実に取得するためには、永久磁石と膜の測定箇所との相対位置を確実に調整するとともに、膜中の測定箇所に励起用振動磁場を確実に形成することが重要となる。   Here, in the vicinity of the surface of the permanent magnet, the magnitude of the static magnetic field changes along the normal direction of the surface. Further, when the flow path is provided on the surface of the permanent magnet, a spatial distribution different from the case where the flow path is not formed in the magnitude of the static magnetic field is generated in the upper part of the flow path forming surface. Since the resonance frequency in the measurement of the film changes depending on the strength of the static magnetic field at the measurement location, the relative position between the permanent magnet and the measurement location of the membrane is reliably adjusted in order to reliably acquire the echo signal. At the same time, it is important to reliably form an oscillating magnetic field for excitation at the measurement location in the film.

永久磁石と膜との間隔をさらに精密に調整する観点では、たとえば、永久磁石の前記流路溝が、互いに平行に配置された複数の溝部を含む構成としてもよい。こうすることにより、測定対象がたわみやすい膜である場合にも、複数の溝部の間に形成された凸部(流路形成面)により、流路形成面から特定の間隔で、膜の一方の面を支持することができる。よって、流路形成面の放線方向についての膜と流路形成面との間隔を特定の大きさに規制した状態で保ち、膜を流路形成面の近傍に安定的に保持することができる。なお、このとき、膜の一方の面が、永久磁石の流路形成面に直接接触していてもよいし、流路形成面と膜との間に、非磁性材料により構成された間隔調整部材が介在する構成となっていてもよい。   In view of adjusting the distance between the permanent magnet and the film more precisely, for example, the flow path groove of the permanent magnet may include a plurality of groove portions arranged in parallel to each other. In this way, even when the measurement target is a flexible membrane, one of the membranes is formed at a specific interval from the flow path formation surface by the convex portions (flow path formation surface) formed between the plurality of grooves. The surface can be supported. Therefore, it is possible to keep the distance between the film and the flow path forming surface in the normal direction of the flow path forming surface in a specific size and stably hold the film near the flow path forming surface. At this time, one surface of the film may be in direct contact with the flow path forming surface of the permanent magnet, or a gap adjusting member made of a nonmagnetic material between the flow path forming surface and the film. It may be configured to intervene.

また、本発明において、前記RFコイルが、前記流路形成面内方向であって前記溝部の延在方向に垂直な方向の振幅を有する前記励起用振動磁場を形成してもよい。このようにすれば、流路形成面の上部の領域のうち、特に以下の(i)および(ii)の領域に、流路形成面に平行な面内における静磁場強度が一様な領域を形成することができる。
(i)隣接する前記溝部に挟まれた領域であって、流路形成面の延在方向に沿った領域、および
(ii)単一の溝部の上部の領域であって、溝部の延在方向に沿った領域。
In the present invention, the RF coil may form the excitation oscillating magnetic field having an amplitude in a direction perpendicular to the extending direction of the groove portion in the flow path forming plane. In this way, among the upper regions of the flow path formation surface, particularly in the following regions (i) and (ii), a region having a uniform static magnetic field strength in a plane parallel to the flow path formation surface is provided. Can be formed.
(I) a region sandwiched between adjacent groove portions, along a direction in which the flow path forming surface extends, and (ii) a region above the single groove portion, in which the groove portion extends. The area along.

上記(i)では、溝部の延在方向に垂直な断面内における静磁場が極大となるため、上記(i)の領域は、流路形成面に平行な面内で溝部の延在方向の静磁場の変化が小さい領域である。また、上記(ii)では、溝部の延在方向に垂直な断面内における静磁場が極小となるため、上記(ii)の領域は、流路形成面に平行な面内で溝部の延在方向の静磁場の変化が小さい領域である。   In the above (i), the static magnetic field in the cross section perpendicular to the extending direction of the groove portion is maximized. Therefore, the region (i) is formed in a static direction in the extending direction of the groove portion in a plane parallel to the flow path forming surface. This is a region where the change of the magnetic field is small. In (ii) above, since the static magnetic field in the cross section perpendicular to the extending direction of the groove portion is minimized, the region (ii) is the extending direction of the groove portion in a plane parallel to the flow path forming surface. This is a region where the change of the static magnetic field is small.

よって、上記(i)または(ii)を測定領域とすることにより、局所的なプロトン性溶媒量の測定をさらに精度よく行うことができる。また、静磁場強度が一様な領域を複数形成すれば、多点測定を正確に行う観点でもさらに好適である。   Therefore, by making the above (i) or (ii) as a measurement region, the local protic solvent amount can be measured with higher accuracy. In addition, if a plurality of regions having a uniform static magnetic field strength are formed, it is further preferable from the viewpoint of accurately performing multipoint measurement.

上記(i)または(ii)を測定領域とする際には、たとえば前記RFコイルが、一対のコイル部を含むとともに、前記一対のコイル部に挟まれた領域に前記励起用振動磁場を形成し、前記永久磁石の前記流路形成面の上部から見たときに、前記一対のコイル部に挟まれた領域が、単一の前記溝部の形成領域内または隣接する前記溝部に挟まれた領域内に含まれる構成とすることができる。   When the above (i) or (ii) is used as the measurement region, for example, the RF coil includes a pair of coil portions, and the excitation oscillating magnetic field is formed in a region sandwiched between the pair of coil portions. , When viewed from above the flow path forming surface of the permanent magnet, a region sandwiched between the pair of coil portions is within a single groove portion forming region or a region sandwiched between adjacent groove portions. It can be set as the structure contained in.

このうち、上記(i)を測定領域とする場合、永久磁石の流路形成面、RFコイルおよび膜の位置ずれをさらに確実に抑制する観点では、前記RFコイルが、第一直線領域を含む第一コイル部と、第二直線領域を含む第二コイル部とを連結した平面型コイルであって、前記第一コイル部と前記第二コイル部とは、導線が逆巻きであって、前記第一直線領域および前記第二直線領域が、前記溝部の延在方向に平行に配置され、前記永久磁石の前記流路形成面の上部から見たときに、前記第一直線領域と前記第二直線領域との間に挟まれた領域が、隣接する前記溝部に挟まれた領域内に含まれる構成としてもよい。   Among these, when (i) is used as the measurement region, the RF coil includes a first linear region including the first straight region from the viewpoint of further reliably suppressing the displacement of the flow path forming surface of the permanent magnet, the RF coil, and the film. A planar coil in which a coil portion and a second coil portion including a second linear region are connected, wherein the first coil portion and the second coil portion are conductively wound in a reverse direction, and the first linear region And the second linear region is arranged in parallel with the extending direction of the groove, and when viewed from above the flow path forming surface of the permanent magnet, between the first linear region and the second linear region. It is good also as a structure where the area | region pinched | interposed into is contained in the area | region pinched | interposed into the said adjacent groove part.

永久磁石の流路形成面の上部にRFコイルの直線領域を配置することにより、流路溝形成面に平行な平面内における静磁場強度が一様な領域を計測領域とすることができる。また、流路形成面の上部に直線領域を配置することにより、直線領域を流路形成面で直接または間接的に支えることができるため、流路形成面と直線領域との間隔のずれをより一層抑制し、プロトン性溶媒量測定をさらに精度よく行うことができる。   By disposing the linear region of the RF coil on the upper part of the flow path forming surface of the permanent magnet, a region having a uniform static magnetic field strength in a plane parallel to the flow path groove forming surface can be set as the measurement region. In addition, since the linear region can be supported directly or indirectly by the flow path forming surface by arranging the linear region above the flow path forming surface, the gap between the flow path forming surface and the linear region can be further increased. This further suppresses the measurement of the amount of protic solvent more accurately.

また、上記(ii)を測定領域とする場合、前記RFコイルが、第一直線領域を含む第一コイル部と、第二直線領域を含む第二コイル部とを連結した平面型コイルであって、前記第一コイル部と前記第二コイル部とは、導線が逆巻きであって、前記第一直線領域および前記第二直線領域が、前記溝部の延在方向に平行に配置され、前記永久磁石の前記流路形成面の上部から見たときに、前記第一直線領域と前記第二直線領域との間に挟まれた領域が、単一の前記溝部の形成領域内に含まれる構成としてもよい。   Further, when the above (ii) is used as a measurement region, the RF coil is a planar coil in which a first coil portion including a first linear region and a second coil portion including a second linear region are connected, In the first coil portion and the second coil portion, a conducting wire is reversely wound, and the first linear region and the second linear region are arranged in parallel to the extending direction of the groove portion, and the permanent magnet When viewed from above the flow path forming surface, a region sandwiched between the first straight region and the second straight region may be included in a single groove forming region.

溝部の上部の領域では、図3(b)を参照して後述するように、流路形成面の法線方向において、流路形成面から特定の距離で静磁場強度が極大となる。静磁場強度が極大となる領域を測定領域とすることにより、測定時の静磁場の変動をより一層抑制することができるため、プロトン性溶媒量をより一層正確に測定することができる。   In the region above the groove, as will be described later with reference to FIG. 3B, the static magnetic field strength becomes maximum at a specific distance from the flow path formation surface in the normal direction of the flow path formation surface. By setting the region where the static magnetic field strength is maximized as the measurement region, the fluctuation of the static magnetic field during measurement can be further suppressed, and therefore the amount of the protic solvent can be measured more accurately.

また、永久磁石の流路形成面、RFコイルおよび膜の位置ずれをより一層確実に抑制する観点では、前記RFコイルが、前記永久磁石の前記流路形成面と前記膜との間に配置され、前記永久磁石の前記流路形成面と前記平面型コイルとの間、および前記平面型コイルと前記膜との間に、非磁性材料により構成された特定の厚さの間隔調整部材が配置されていてもよい。   Further, from the viewpoint of more reliably suppressing the displacement of the flow path forming surface of the permanent magnet, the RF coil, and the film, the RF coil is disposed between the flow path forming surface of the permanent magnet and the film. A gap adjusting member having a specific thickness made of a nonmagnetic material is disposed between the flow path forming surface of the permanent magnet and the planar coil, and between the planar coil and the film. It may be.

本発明によれば、上述した本発明の測定装置を備える、燃料電池が提供される。この燃料電池は、たとえば固体高分子電解質膜を膜として含んでもよい。このとき、固体高分子電解質膜の局所的なプロトン性溶媒量を測定することができるため、固体高分子電解質膜中のプロトン性溶媒の分布を直接求めることができる。   According to the present invention, a fuel cell comprising the above-described measuring device of the present invention is provided. This fuel cell may include, for example, a solid polymer electrolyte membrane as a membrane. At this time, since the amount of the local protic solvent in the solid polymer electrolyte membrane can be measured, the distribution of the protic solvent in the solid polymer electrolyte membrane can be directly obtained.

特に、本発明の測定装置においては、永久磁石の膜との対向面に流路溝が設けられているため、たとえば燃料電池の燃料極または酸化剤極に対向して設けられたセパレータの少なくとも一部を測定装置の永久磁石で構成することができる。これにより、燃料電池全体の装置構成を簡素化しつつ、燃料電池の電極に燃料または酸化剤、さらには水蒸気を供給しつつ、固体高分子電解質膜中の局所的なプロトン性溶媒量を測定することができる。   In particular, in the measuring apparatus of the present invention, since the flow channel is provided on the surface facing the permanent magnet film, for example, at least one of the separators provided facing the fuel electrode or the oxidant electrode of the fuel cell. The part can be composed of a permanent magnet of the measuring device. As a result, the amount of local protic solvent in the solid polymer electrolyte membrane is measured while supplying fuel or an oxidant and further water vapor to the electrode of the fuel cell while simplifying the device configuration of the entire fuel cell. Can do.

この構成において、前記永久磁石の前記流路形成面が、当該燃料電池の燃料極に対向配置されるとともに、前記流路溝に燃料ガスが供給されてもよいし、前記永久磁石の前記流路形成面が、当該燃料電池の酸化剤極に対向配置されるとともに、前記流路溝に酸化剤ガスが供給されてもよい。   In this configuration, the flow path forming surface of the permanent magnet is disposed opposite to the fuel electrode of the fuel cell, and fuel gas may be supplied to the flow path groove, or the flow path of the permanent magnet The forming surface may be disposed to face the oxidant electrode of the fuel cell, and oxidant gas may be supplied to the flow channel.

以上説明したように本発明によれば、流路形成面を有する特定形状の永久磁石により膜に静磁場を印加し、静磁場に置かれた膜の一部に対してRFコイルが励起用振動磁場を印加して、これに対応する複数のエコー信号を取得するため、膜中のプロトン性溶媒量に分布を形成するとともに、その分布状態を的確に検出することができる。
また、流路溝に、燃料または酸化剤とプロトン性溶媒とを含む流体を流すことで、膜中のプロトン性溶媒量を調整し、これに対応する複数のエコー信号を取得して、膜中のプロトン性溶媒量の空間分布状態を的確に検出することができる。
これにより、永久磁石の流路溝にプロトン性溶媒を含む流体を流しつつ、膜中の局所的なプロトン性溶媒量をその場で測定することができる。
また、膜の平面方向へのプロトン性溶媒量の拡散特性を評価することができる。
As described above, according to the present invention, a static magnetic field is applied to a film by a permanent magnet having a specific shape having a flow path forming surface, and an RF coil is excited for vibration with respect to a part of the film placed in the static magnetic field. Since a plurality of echo signals corresponding to a magnetic field are applied and a distribution is formed in the amount of protic solvent in the membrane, the distribution state can be accurately detected.
In addition, by flowing a fluid containing fuel or an oxidant and a protic solvent through the flow channel, the amount of the protic solvent in the membrane is adjusted, and a plurality of echo signals corresponding to this are obtained, It is possible to accurately detect the spatial distribution state of the amount of the protic solvent.
Thereby, the local amount of the protic solvent in the membrane can be measured in-situ while flowing a fluid containing the protic solvent through the channel groove of the permanent magnet.
In addition, the diffusion characteristics of the amount of protic solvent in the plane direction of the membrane can be evaluated.

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

以下の実施形態では、核磁気共鳴(NMR)法を用いて膜中のプロトン性溶媒量を算出する。
NMR法では、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ことで、原子数密度や緩和時定数を取得することができる。原子数密度に対応する物理量として、たとえば、高分子電解質膜内の含水量が挙げられる。また、緩和時定数としては、たとえば、T1、T2緩和時定数があり、CPMG法を用いれば、含水量に強く依存したT2(CPMG)緩和時定数が得られる。以下、CPMG法を用い、励起用振動磁場を高周波パルスシーケンスとして与える場合を例に説明する。
In the following embodiments, the amount of protic solvent in the film is calculated using a nuclear magnetic resonance (NMR) method.
In the NMR method, the number density and relaxation time constant can be obtained by detecting the movement of nuclear magnetization as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. Examples of the physical quantity corresponding to the atomic number density include the water content in the polymer electrolyte membrane. As relaxation time constants, for example, there are T 1 and T 2 relaxation time constants. If the CPMG method is used, a T 2 (CPMG) relaxation time constant strongly dependent on the water content can be obtained. Hereinafter, the case where the excitation oscillating magnetic field is applied as a high-frequency pulse sequence using the CPMG method will be described as an example.

また、本発明の測定装置は、流路溝を有する特定形状の永久磁石と、励起用振動磁場を印加するRF検出コイル(単に「RFコイル」とも呼ぶ。)を備える。そこで、以下においては、まず、第一の実施形態および第二の実施形態において、測定装置を構成する永久磁石およびRFコイルの具体例を示す。そして、第三の実施形態において、上記永久磁石およびRFコイルを組み合わせた測定装置の具体的構成を説明する。さらに、第四の実施形態において、第三の実施形態に記載の測定装置を備える燃料電池の具体例を示す。   In addition, the measurement apparatus of the present invention includes a specific-shaped permanent magnet having a channel groove and an RF detection coil (also simply referred to as “RF coil”) that applies an excitation oscillating magnetic field. Therefore, in the following, first, specific examples of the permanent magnet and the RF coil constituting the measuring device in the first embodiment and the second embodiment will be shown. And in 3rd embodiment, the specific structure of the measuring apparatus which combined the said permanent magnet and RF coil is demonstrated. Furthermore, in 4th embodiment, the specific example of a fuel cell provided with the measuring apparatus as described in 3rd embodiment is shown.

(第一の実施形態)
本実施形態では、第三の実施形態で用いられる永久磁石の構成を説明する。
図1(a)および図1(b)は、本実施形態の永久磁石の構成を示す図である。図1(b)は、図1(a)のA−A'断面図である。
なお、図1(a)および図1(b)に、永久磁石113の形状および寸法の一例を示したが、永久磁石113の形状および寸法は、図示したものには限られない。図1において、特に断りのない場合、寸法の単位はmmである。なお、図2は、図1に示した寸法で作製した永久磁石を示す図である。
(First embodiment)
In the present embodiment, the configuration of the permanent magnet used in the third embodiment will be described.
Fig.1 (a) and FIG.1 (b) are figures which show the structure of the permanent magnet of this embodiment. FIG.1 (b) is AA 'sectional drawing of Fig.1 (a).
In addition, although an example of the shape and dimension of the permanent magnet 113 is shown in FIGS. 1A and 1B, the shape and dimension of the permanent magnet 113 are not limited to those illustrated. In FIG. 1, unless otherwise specified, the unit of dimension is mm. FIG. 2 is a diagram showing a permanent magnet manufactured with the dimensions shown in FIG.

図1および図2に示した永久磁石は、磁性材料からなり、プロトン性溶媒量の測定装置において、計測対象となる膜に静磁場を印加する部材である。永久磁石113の材料として、たとえばNEOMAX社製NEOMAX(登録商標)等のネオジウム、鉄、ボロン系材料が挙げられる。   The permanent magnet shown in FIGS. 1 and 2 is made of a magnetic material and is a member that applies a static magnetic field to a film to be measured in a protic solvent amount measuring device. Examples of the material of the permanent magnet 113 include neodymium, iron, and boron-based materials such as NEOMAX (registered trademark) manufactured by NEOMAX.

なお、図1(a)および図1(b)では、永久磁石113が、複数の磁性材料からなるブロックが接合されてなる構成を例示したが、永久磁石113が単一のブロック、からなり接合部を有しない構成であってもよい。   1A and 1B exemplify a configuration in which the permanent magnet 113 is formed by joining blocks made of a plurality of magnetic materials. However, the permanent magnet 113 is made up of a single block and joined. The structure which does not have a part may be sufficient.

永久磁石113には、流路形成面が設けられ、流路形成面に、プロトン性溶媒を含む流体が流れる流路溝101が設けられている。測定対象となる膜は、永久磁石113の流路形成面に平行に設けられる。永久磁石113は、膜の法線方向に前記静磁場を印加する。   The permanent magnet 113 is provided with a flow path forming surface, and a flow path groove 101 through which a fluid containing a protic solvent flows is provided on the flow path forming surface. The film to be measured is provided in parallel to the flow path forming surface of the permanent magnet 113. The permanent magnet 113 applies the static magnetic field in the normal direction of the film.

以下の説明において、永久磁石113の流路形成面は、凸部103の頂面に対応し、流路溝101に含まれる溝部は、凹部105に対応する。
永久磁石113の流路形成面は、連続して交互に設けられた複数の凹部105および凸部103により構成された凹凸面を含む。複数の凸部103および複数の凹部105は、いずれも互いに平行に延在している。凸部103および凹部105は、いずれも、特定の一方向(図中x方向)に直線状に延在している。
In the following description, the flow path forming surface of the permanent magnet 113 corresponds to the top surface of the convex portion 103, and the groove portion included in the flow channel groove 101 corresponds to the concave portion 105.
The flow path forming surface of the permanent magnet 113 includes an uneven surface constituted by a plurality of recesses 105 and protrusions 103 provided alternately and continuously. The plurality of convex portions 103 and the plurality of concave portions 105 all extend in parallel with each other. Both of the convex portion 103 and the concave portion 105 extend linearly in one specific direction (x direction in the figure).

また、複数の凸部103の頂面は、いずれも同一平面内に位置しており、複数の凹部105の底面は、いずれも凸部103の頂面に平行な同一の平面内に位置している。図1(a)では、凸部103の頂面および凹部105の底面が、いずれもxy平面に水平な面である場合が例示されている。
また、A−A'断面において、複数の凸部103の幅(y方向)および複数の凹部105の幅は、いずれも略等しい。
Further, the top surfaces of the plurality of convex portions 103 are all located in the same plane, and the bottom surfaces of the plurality of concave portions 105 are all located in the same plane parallel to the top surface of the convex portion 103. Yes. FIG. 1A illustrates a case where the top surface of the convex portion 103 and the bottom surface of the concave portion 105 are both horizontal to the xy plane.
Further, in the AA ′ cross section, the width of the plurality of convex portions 103 (y direction) and the width of the plurality of concave portions 105 are both substantially equal.

このような構成の永久磁石113を空間内に配置すると、凸部103の上部および凹部105の上部に、流路形成面に平行な面内(図中xy平面)方向の静磁場強度が一様な領域が形成される。
このうち、凸部103の上部においては、流路形成面に平行な面内における静磁場強度が一様な領域が、凸部103の延在方向に沿って形成されるとともに、凸部103の幅方向に、特定の幅にわたって形成される。
また、凹部105の上部においても、流路形成面に平行な面内における静磁場強度が一様な領域が、凹部105の延在方向に沿って形成されるとともに、凹部105の幅方向に、特定の幅にわたって形成される。
これらの領域は、膜の局所的なNMR計測を行う際に、計測領域として好適に用いられる。
When the permanent magnet 113 having such a configuration is arranged in the space, the static magnetic field strength in the in-plane direction (xy plane in the figure) parallel to the flow path forming surface is uniform on the upper part of the convex part 103 and the upper part of the concave part 105. Areas are formed.
Among these, in the upper part of the convex portion 103, a region having a uniform static magnetic field strength in a plane parallel to the flow path forming surface is formed along the extending direction of the convex portion 103, and It is formed over a specific width in the width direction.
In addition, in the upper part of the recess 105, a region having a uniform static magnetic field strength in a plane parallel to the flow path forming surface is formed along the extending direction of the recess 105, and in the width direction of the recess 105, It is formed over a specific width.
These regions are suitably used as measurement regions when performing local NMR measurement of the film.

以下、凸部103および凹部105の上部に、これらの延在方向に沿って一様な静磁場の平面が形成されることをさらに具体的に説明する。
本発明者は、図2に示した永久磁石を用いて、静磁場強度の空間分布を評価した。計測装置として、ガウスメータ(KANETEC製TM−501)を用いた。静磁場強度はz方向成分のみを計測した。図3、図4および図5に、計測した静磁場強度(z方向成分)のz軸方向(流路形成面の法線方向)の位置、y軸方向(溝部の断面方向)の位置およびx軸方向(溝部の延在方向)の位置の分布を示した。ここでは、図2に示した永久磁石の5つの凸部の中央列の中心をy=0mmとした。
Hereinafter, it will be described more specifically that a uniform static magnetic field plane is formed on the top of the convex portion 103 and the concave portion 105 along the extending direction.
The inventor evaluated the spatial distribution of the static magnetic field intensity using the permanent magnet shown in FIG. A Gauss meter (TM-501 manufactured by KANETEC) was used as a measuring device. For the static magnetic field strength, only the z-direction component was measured. 3, 4, and 5, the measured static magnetic field intensity (z-direction component) in the z-axis direction (normal direction of the flow path forming surface), the y-axis direction (cross-sectional direction of the groove), and x The distribution of the position in the axial direction (extending direction of the groove) is shown. Here, the center of the central row of the five convex portions of the permanent magnet shown in FIG. 2 is set to y = 0 mm.

図3(a)および図3(b)は、静磁場強度H0(z方向成分)のz軸方向の位置分布の測定結果を説明する図である。また、図4(a)および図4(b)は、静磁場強度H0(z方向成分)のy軸方向の位置分布の測定結果を説明する図である。 FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the measurement results of the position distribution in the z-axis direction of the static magnetic field intensity H 0 (z-direction component). FIGS. 4A and 4B are diagrams illustrating measurement results of the position distribution in the y-axis direction of the static magnetic field strength H 0 (z-direction component).

図3(b)および図4(b)より、凸部103(y=0mm)の上部の領域では、磁石表面(z=0mm)で磁場強度が最も強く、磁石から離れるほど、つまりzが大きくなるほど磁場強度が減少することがわかる。一方、凹部105(y=6.35mm)の上部の領域では、磁場強度はz=5〜6mm程度で極大となり、それ以降では磁石から離れるほど磁場強度は減少する。   From FIG. 3B and FIG. 4B, in the region above the convex portion 103 (y = 0 mm), the magnetic field strength is strongest on the magnet surface (z = 0 mm), and the distance from the magnet increases, that is, z increases. It can be seen that the magnetic field strength decreases. On the other hand, in the upper region of the recess 105 (y = 6.35 mm), the magnetic field strength becomes maximum when z = 5 to 6 mm, and thereafter, the magnetic field strength decreases as the distance from the magnet increases.

また、永久磁石113を用いた測定において、z方向の磁場強度の急激な変動を抑制する観点では、流路形成面の凹部105の上部の領域において、高さが凹部105の深さの1/4以上の位置、好ましくは1/3以上の位置を測定領域とすることができる。また、測定領域の高さの上限に特に制限はないが、たとえば図3(b)より、凹部105の深さの1.5倍程度の高さまでについては、z方向の静磁場の急激な変動を抑制することができる。   Further, in the measurement using the permanent magnet 113, from the viewpoint of suppressing abrupt fluctuations in the magnetic field strength in the z direction, the height is 1 / depth of the depth of the recess 105 in the region above the recess 105 on the flow path forming surface. Four or more positions, preferably one third or more positions can be set as the measurement region. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular in the upper limit of the height of a measurement area | region, For example, from FIG.3 (b), about the height of about 1.5 times the depth of the recessed part 105, the rapid fluctuation | variation of the static magnetic field of az direction is carried out. Can be suppressed.

また、図3(b)より、凹部105の上部には、磁場強度が極大となる領域が形成される。磁場強度が極大となる領域は、流路溝101を有しない永久磁石の平面上には形成されず、流路溝101を有する永久磁石113に特有の現象である。凹部105の上部の磁場強度が極大となる領域の近傍、たとえば凹部105の深さの1/3以上3/2以下の領域の高さの領域では、流路形成面に水平な面内方向における静磁場強度の変化量がさらに小さいため、膜のNMR測定を行う際に、測定位置の位置ずれによる測定値の変化をより一層抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 3B, a region where the magnetic field strength is maximized is formed above the recess 105. The region where the magnetic field intensity becomes maximum is not formed on the plane of the permanent magnet having no flow channel 101 and is a phenomenon peculiar to the permanent magnet 113 having the flow channel 101. In the vicinity of the region where the magnetic field strength at the upper part of the recess 105 is maximized, for example, in the region having a height of 1/3 or more and 3/2 or less of the depth of the recess 105, in the in-plane direction horizontal to the flow path forming surface. Since the amount of change in the static magnetic field strength is even smaller, the change in the measured value due to the displacement of the measurement position can be further suppressed when performing NMR measurement of the film.

また、図3(b)より、磁石から離れた位置、たとえばz>10mmであっても、磁場強度は0.2〜0.3Tesla程度である。後述する実施例で示すように、この程度の磁場強度であれば、NMR計測は充分に可能である。   Further, from FIG. 3B, the magnetic field strength is about 0.2 to 0.3 Tesla even at a position away from the magnet, for example, z> 10 mm. As shown in the examples described later, NMR measurement is sufficiently possible with such a magnetic field strength.

また、図4(b)より、zの位置によらず、凸部103の中心軸(y=0mm)と凹部105の中心軸(y=6.35mm)の位置で、磁場強度はそれぞれ極大値および極小値となる。この二つのy位置の近傍では磁場が平坦になっており、本実施形態では、この領域がNMR計測を行う位置となる。   Further, from FIG. 4B, the magnetic field strength is a maximum value at the position of the central axis (y = 0 mm) of the convex portion 103 and the central axis (y = 6.35 mm) of the concave portion 105 regardless of the position of z. And the minimum value. In the vicinity of these two y positions, the magnetic field is flat, and in this embodiment, this region is a position where NMR measurement is performed.

図5(a)〜図5(c)は、静磁場強度H0(z方向成分)のx軸方向の位置分布の測定結果を説明する図である。図5(a)は、凸部103および凹部105の延在方向に対する永久磁石113の断面を示し、図5(b)は、凸部103および凹部105の延在方向に垂直な永久磁石113の断面を示している。 Figure 5 (a) ~ FIG. 5 (c) is a diagram illustrating the measurement results of the positional distribution of the x-axis direction of the static magnetic field strength H 0 (z-direction component). FIG. 5A shows a cross section of the permanent magnet 113 with respect to the extending direction of the convex portion 103 and the concave portion 105, and FIG. 5B shows the permanent magnet 113 perpendicular to the extending direction of the convex portion 103 and the concave portion 105. A cross section is shown.

また、図5(c)は、静磁場強度H0(z方向成分)のx軸方向の位置分布を示す図である。つまり、図5(c)は、溝方向の磁場強度を示す。図5(c)より、凸部103の上部および凹部105の上部のいずれについても、磁場強度はこれらの延在方向に沿ってほぼ一様であることがわかる。また、NMR測定の際の膜の核磁気共鳴周波数が、溝部の延在方向、つまり凸部103および凹部105の延在方向には一様であることがわかる。 FIG. 5C is a diagram showing a position distribution in the x-axis direction of the static magnetic field strength H 0 (z-direction component). That is, FIG. 5C shows the magnetic field strength in the groove direction. From FIG. 5C, it can be seen that the magnetic field strength is substantially uniform along the extending direction in both the upper portion of the convex portion 103 and the upper portion of the concave portion 105. Further, it can be seen that the nuclear magnetic resonance frequency of the film at the time of NMR measurement is uniform in the extending direction of the groove, that is, in the extending direction of the convex portion 103 and the concave portion 105.

以上の結果より、たとえば図6に示した第一領域107および第二領域109をNMR測定領域とするように膜およびRFコイルを配置することにより、測定時の静磁場強度を適宜選定でき、さらに静磁場の空間分布も適宜選定できることで、計測したい核磁気共鳴周波数と計測領域を調整でき、装置と計測試料に合わせたより一層高い精度でのNMR計測が可能となる。   From the above results, for example, by arranging the film and the RF coil so that the first region 107 and the second region 109 shown in FIG. 6 are the NMR measurement regions, the static magnetic field strength at the time of measurement can be appropriately selected. Since the spatial distribution of the static magnetic field can also be appropriately selected, the nuclear magnetic resonance frequency to be measured and the measurement region can be adjusted, and NMR measurement can be performed with higher accuracy in accordance with the apparatus and the measurement sample.

図6は、本実施形態の永久磁石113でNMR計測がしやすい第一領域107および第二領域109を示す斜視図である。図6において、第一領域107は、y=0mm近傍の凸部103上部の領域であり、第一領域107は、凸部103の延在方向に沿って形成されている。また、第二領域109は、y=6.35mm近傍の凹部105の上部の領域であり、凹部105の延在方向に沿って形成されている。   FIG. 6 is a perspective view showing the first region 107 and the second region 109 that are easily subjected to NMR measurement by the permanent magnet 113 of the present embodiment. In FIG. 6, the first region 107 is a region above the convex portion 103 in the vicinity of y = 0 mm, and the first region 107 is formed along the extending direction of the convex portion 103. The second region 109 is an upper region of the recess 105 in the vicinity of y = 6.35 mm, and is formed along the extending direction of the recess 105.

図6に示したように、永久磁石113の流路形成面の上部から見たときに、流路形成面に平行な面内における静磁場強度が一様な領域(第一領域107および第二領域109)は、凸部103の上部および凹部105の上部に、それぞれ、円筒形の領域として形成される。   As shown in FIG. 6, when viewed from the upper part of the flow path forming surface of the permanent magnet 113, the static magnetic field strength is uniform in the plane parallel to the flow path forming surface (the first region 107 and the second region). The region 109) is formed as a cylindrical region on the upper portion of the convex portion 103 and the upper portion of the concave portion 105, respectively.

なお、凹部105の延在方向の断面視において、第一領域107および第二領域109の幅は、図4(b)に示したように、z方向の位置に応じて変動するものの、たとえば第一領域107については、凸部103の中心(極大点)から両側に凸部103の幅の1/4程度の領域については、静磁場の空間的な不均一度が小さい領域とすることができる。また、第二領域109についても、凹部105の中心(極小点)から両側に凹部105の幅の1/4程度の領域については、静磁場の空間的な不均一度が小さい領域とすることができる。   In addition, in the cross-sectional view in the extending direction of the recess 105, the widths of the first region 107 and the second region 109 vary depending on the position in the z direction as shown in FIG. As for one region 107, a region having about ¼ of the width of the convex portion 103 on both sides from the center (maximum point) of the convex portion 103 can be a region where the spatial nonuniformity of the static magnetic field is small. . In addition, as for the second region 109, a region having about 1/4 of the width of the concave portion 105 on both sides from the center (minimum point) of the concave portion 105 may be a region having a small static magnetic field non-uniformity. it can.

また、本実施形態の永久磁石113は、凹凸面を備える形状であり、この凹凸面を膜に平行に対向配置してNMR測定が行われる。このため、たとえば永久磁石113をセパレータ(ガス流路部)として燃料電池に組み込むことが可能となる。永久磁石113を燃料電池のセパレータとして用いることにより、固体高分子電解質膜等の燃料電池の電解質層のプロトン性溶媒量の測定が可能となる。なお、永久磁石113を有する測定装置を備えた燃料電池の構成例については、第四の実施形態でさらに詳細に説明する。   Moreover, the permanent magnet 113 of this embodiment is a shape provided with an uneven surface, and the NMR measurement is performed by disposing the uneven surface in parallel with the film. For this reason, for example, the permanent magnet 113 can be incorporated into the fuel cell as a separator (gas flow path portion). By using the permanent magnet 113 as a fuel cell separator, it is possible to measure the amount of the protic solvent in the electrolyte layer of the fuel cell such as a solid polymer electrolyte membrane. Note that a configuration example of a fuel cell including a measuring device having a permanent magnet 113 will be described in more detail in the fourth embodiment.

なお、本実施形態においては、永久磁石113の流路形成面に、複数の凹部105(溝部)が独立に設けられた構成を例示したが、流路溝101の形状は、断面視において、複数の凸部103と凹部105とが繰り返し設けられたものであればよく、平面視においては、複数の溝部が連通している構成であってもよい。複数の溝部が連通している場合にも、図3〜図6を参照して前述した断面形状を有する永久磁石であれば、図3〜図6に示した静磁場分布に準ずる静磁場分布が形成されるため、膜中のプロトン性溶媒量の分布の測定に用いる永久磁石として用いることができる。
また、本実施形態においては、流路溝に含まれる複数の流部が互いに平行に延在している構成を例示したが、流路の平面形状および平面配置はこれには限られない。
In the present embodiment, the configuration in which a plurality of recesses 105 (grooves) are independently provided on the flow path forming surface of the permanent magnet 113 is illustrated, but the flow path groove 101 has a plurality of shapes in cross-sectional view. As long as the convex portion 103 and the concave portion 105 are repeatedly provided, a plurality of groove portions may be connected in plan view. Even in the case where a plurality of grooves are in communication, if the permanent magnet has the cross-sectional shape described above with reference to FIGS. 3 to 6, the static magnetic field distribution conforming to the static magnetic field distribution shown in FIGS. Since it is formed, it can be used as a permanent magnet used for measuring the distribution of the amount of protic solvent in the film.
Moreover, in this embodiment, although the structure which the some flow part contained in the flow-path groove extended mutually parallel was illustrated, the planar shape and planar arrangement | positioning of a flow path are not restricted to this.

(第二の実施形態)
本実施形態では、第三の実施形態の測定装置に用いられるRFコイルの構成を説明する。なお、以下の説明では、NMR測定対象の膜が固体高分子電解質膜である場合を例に説明する。
(Second embodiment)
In the present embodiment, the configuration of the RF coil used in the measurement apparatus of the third embodiment will be described. In the following description, the case where the NMR measurement target film is a solid polymer electrolyte film will be described as an example.

第一の実施形態において図6を参照して前述したように、プロトン性溶媒量の測定装置に用いられる永久磁石113においては、凸部103頂面および凹部105底面に垂直な方向(z方向、図中上向き)に静磁場H0が形成される。また、凸部103および凹部105の上部の領域に、これらの延在方向に沿って、NMR計測をさらに容易に行いやすい領域が形成される。 As described above with reference to FIG. 6 in the first embodiment, in the permanent magnet 113 used in the apparatus for measuring the amount of protic solvent, the direction perpendicular to the top surface of the convex portion 103 and the bottom surface of the concave portion 105 (z direction, A static magnetic field H 0 is formed in the upward direction in the figure. In addition, in the upper region of the convex portion 103 and the concave portion 105, a region in which NMR measurement is more easily performed is formed along these extending directions.

そこで、本実施形態においては、RFコイルとして、第一領域107または第二領域109に励起用振動磁場を形成するように構成された平面コイルを用いる。以下、平面型コイルが、静磁場に垂直な方向に励起用振動磁場を形成する、具体的には、流路形成面内方向であって溝部の延在方向に垂直な方向の振幅を有する励起用振動磁場を形成する場合を例に説明する。   Therefore, in the present embodiment, a planar coil configured to form an excitation oscillating magnetic field in the first region 107 or the second region 109 is used as the RF coil. Hereinafter, the planar coil forms an oscillating magnetic field for excitation in a direction perpendicular to the static magnetic field, specifically, excitation having an amplitude in the direction in the flow path forming plane and perpendicular to the extending direction of the groove. An example of forming an oscillating magnetic field will be described.

図8は、平面型コイルの構成を示す図である。図8に示した平面型コイル114は、一対のコイル部(第一コイル部119、第二コイル部121)を含むとともに、一対のコイル部に挟まれた領域に励起用振動磁場を形成する。また、平面型コイル114は、たとえば、永久磁石113の流路形成面の上部から見たときに、一対のコイル部に挟まれた領域が、単一の溝部の形成領域内または隣接する溝部に挟まれた領域内に含まれる配置で用いられる。   FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the planar coil. The planar coil 114 shown in FIG. 8 includes a pair of coil parts (a first coil part 119 and a second coil part 121) and forms an excitation oscillating magnetic field in a region sandwiched between the pair of coil parts. Further, for example, when the planar coil 114 is viewed from the upper part of the flow path forming surface of the permanent magnet 113, the region sandwiched between the pair of coil portions is formed in a single groove portion forming region or adjacent groove portions. Used in an arrangement contained within the sandwiched area.

なお、図8では、第一コイル部119が、第一直線領域123を含み導線が右巻きに巻かれたコイル部であり、第二コイル部121が、第二直線領域125を含み導線が左巻きに巻かれたコイル部である例を示したが、各コイル部の導線の巻き方はこれには限られない。第一直線領域123および第二直線領域125に同じ向きに電流が流れれば、これらの直線領域の間に、直線領域に垂直でコイル面に平行な励起用振動磁場が形成される。   In FIG. 8, the first coil portion 119 is a coil portion including the first straight region 123 and the conducting wire is wound in a right-handed manner, and the second coil portion 121 includes the second straight region 125 and the conducting wire is provided in a left-handed manner. Although the example which is the coil part wound was shown, how to wind the conducting wire of each coil part is not restricted to this. When current flows in the same direction in the first linear region 123 and the second linear region 125, an excitation oscillating magnetic field perpendicular to the linear region and parallel to the coil surface is formed between these linear regions.

平面型コイル114は、さらに具体的には、Double−D型(別名、8の字コイル、または、バタフライコイルとも呼ばれる。)である。Double−D型コイルは、導線を半円型に巻き、二つのコイルを向かい合わせにした形状であって、二つの半円の弦が直線部分に対応し、弦同士が互いに平行に配置される。   More specifically, the planar coil 114 is a Double-D type (also referred to as an 8-shaped coil or a butterfly coil). The Double-D type coil has a shape in which a conducting wire is wound in a semicircular shape and two coils are opposed to each other, and the two semicircular strings correspond to straight portions, and the strings are arranged in parallel to each other. .

なお、図8には、具体的な平面型コイル114の寸法とLC共振回路が示されている。このコイルの共振周波数は、たとえば13.07MHzである。また、製作したコイルのクロリティファクターQ値は25である。図示した平面型コイル114の寸法は、図1に示した永久磁石113の寸法に合わせて設計した例であり、この寸法には限られない。
また、図9は、図8の設計に基づき作製したコイルを示す図である。
FIG. 8 shows specific dimensions of the planar coil 114 and the LC resonance circuit. The resonance frequency of this coil is, for example, 13.07 MHz. The manufactured coil has a chlority factor Q value of 25. The dimension of the illustrated planar coil 114 is an example designed according to the dimension of the permanent magnet 113 shown in FIG. 1, and is not limited to this dimension.
FIG. 9 is a view showing a coil manufactured based on the design of FIG.

Double−D型コイルのように、互いに平行な二つの直線領域を有するコイル部を組み合わせた構成の平面型コイル114では、第一直線領域123と第二直線領域125との間の領域、つまり二つの半円型のコイルの対称軸の周辺に振動磁場H1が形成される。後述する実施例の解析結果に示されるように、この対称軸の周辺が平面型コイル114の検出領域(測定領域)となる。このため、平面型コイル114の検出領域に、図6に示した永久磁石113の二つの第一領域107または第二領域109を重ね合わせれば、静磁場H0と振動磁場H1とが垂直となるため、一対のコイル部の対称軸付近の領域は、NMR計測を行うのにさらに好ましい領域である。
なお、平面型コイル114により形成される振動磁場の空間分布については、後述する実施例でさらに詳細に説明する。
In the planar coil 114 configured by combining coil portions having two linear regions parallel to each other like a Double-D type coil, a region between the first linear region 123 and the second linear region 125, that is, two An oscillating magnetic field H 1 is formed around the axis of symmetry of the semicircular coil. As shown in the analysis results of the examples described later, the periphery of this axis of symmetry is the detection region (measurement region) of the planar coil 114. Therefore, if the two first regions 107 or the second regions 109 of the permanent magnet 113 shown in FIG. 6 are superimposed on the detection region of the planar coil 114, the static magnetic field H 0 and the oscillating magnetic field H 1 are perpendicular to each other. Therefore, the region in the vicinity of the symmetry axis of the pair of coil portions is a more preferable region for performing NMR measurement.
Note that the spatial distribution of the oscillating magnetic field formed by the planar coil 114 will be described in more detail in an embodiment described later.

本実施形態の平面型コイル114を第一の実施形態と組み合わせて用いることにより、静磁場が面内で一様な領域(第一領域107、第二領域109)を形成しつつ、これらの領域に励起用振動磁場を確実に形成することができる。そして、第一領域107または第二領域109の上部に膜を配置して、第一領域107または第二領域109の上部の領域を測定領域としてエコー信号を取得することにより、膜のNMR測定の精度を向上させることができる。   By using the planar coil 114 of this embodiment in combination with the first embodiment, the static magnetic field forms a uniform region (first region 107, second region 109) in the plane, and these regions are formed. In addition, the excitation oscillating magnetic field can be reliably formed. Then, a film is disposed on the first region 107 or the second region 109, and an echo signal is acquired by using the region above the first region 107 or the second region 109 as a measurement region. Accuracy can be improved.

また、平面型コイル114のような平面型コイルは、複数積層してもかさばらないため、膜の厚さ方向の多点測定にも適した構造である。永久磁石113の流路形成面の上部からみたときに、複数の平面型コイル114を重ねて配置すれば、膜の面内の特定箇所における厚さ方向のプロトン性溶媒量の分布を測定することができる。また、一つの平面型コイル114を用いて、膜の厚さ方向について異なる位置の測定を行うこともできる。NMR計測における共鳴周波数は静磁場強度によって変わり、この磁石では、膜の厚さ方向に磁場強度が変化していき、これに対応して共鳴周波数も変わっていくことを利用して、共鳴周波数の相違によって膜の厚さ方向の計測位置を選定してNMR計測することができる。この共鳴周波数の相違によって、NMR信号の干渉も抑制できる。   In addition, since a plurality of planar coils such as the planar coil 114 need not be stacked, the structure is suitable for multipoint measurement in the thickness direction of the film. When a plurality of planar coils 114 are arranged so as to overlap each other when viewed from the upper part of the flow path forming surface of the permanent magnet 113, the distribution of the amount of protic solvent in the thickness direction at a specific location within the surface of the membrane is measured. Can do. Further, by using one planar coil 114, it is possible to perform measurement at different positions in the film thickness direction. The resonance frequency in NMR measurement varies depending on the strength of the static magnetic field. With this magnet, the magnetic field strength changes in the thickness direction of the film, and the resonance frequency changes accordingly. NMR measurement can be performed by selecting a measurement position in the thickness direction of the film depending on the difference. Due to this difference in resonance frequency, the interference of NMR signals can also be suppressed.

また、第一領域107または第二領域109内に複数の平面型コイル114を並べて配置すれば、同じ静磁場内での多点測定が可能となるため、膜の面内方向での分布の測定や、膜が特定の凹部105と対向する領域について、プロトン性溶媒量を複数回計測する場合にも適した構成となっている。
また、流路形成面に平行な平面内の静磁場の大きさは、凸部103の上部と凹部105の上部とで異なるため、これらのそれぞれに平面型コイル114を配置すれば、信号の干渉をさらに効果的に抑制することができる。
In addition, if a plurality of planar coils 114 are arranged side by side in the first region 107 or the second region 109, it becomes possible to perform multipoint measurement in the same static magnetic field, and therefore, measurement of the distribution in the in-plane direction of the film. In addition, the region is suitable for a case where the amount of the protic solvent is measured a plurality of times in the region where the membrane faces the specific recess 105.
In addition, since the magnitude of the static magnetic field in a plane parallel to the flow path forming surface is different between the upper part of the convex part 103 and the upper part of the concave part 105, if the planar coil 114 is arranged in each of these, the signal interference Can be more effectively suppressed.

また、第四の実施形態で後述するように、永久磁石113を燃料電池のセパレータとして用いる場合、高分子電解質膜とセパレータ(ガス拡散層はセパレータ側)との間に、RF検出コイルを挟み込むことが望ましい。   Further, as will be described later in the fourth embodiment, when the permanent magnet 113 is used as a fuel cell separator, an RF detection coil is sandwiched between the polymer electrolyte membrane and the separator (the gas diffusion layer is on the separator side). Is desirable.

この点、ソレノイド型コイルのような円筒形では、立体的な形状であるために、その隙間に挟み込むことはできない。
これに対し、RF検出コイルが平面状(シート状)であれば、容易にその隙間に挟み込むことができる。本実施形態において、RFコイルとして平面型コイル114を用いることにより、永久磁石113を燃料電池のセパレータとして用いて固体高分子電解質膜を測定する場合にも、燃料電池内に組み込むことが容易で、燃料電池全体の大型化を抑制することができる。
In this respect, a cylindrical shape such as a solenoid type coil has a three-dimensional shape and cannot be sandwiched in the gap.
On the other hand, if the RF detection coil is planar (sheet-like), it can be easily sandwiched in the gap. In this embodiment, by using the planar coil 114 as the RF coil, it is easy to incorporate into the fuel cell even when measuring the solid polymer electrolyte membrane using the permanent magnet 113 as the separator of the fuel cell. The enlargement of the whole fuel cell can be suppressed.

なお、以上においては、平面型コイル114が、二つの半月型のコイル部を有するDouble−D型コイルである場合を例示したが、平面型コイル114は、第一直線領域123を備える第一コイル部119および第二直線領域125を備える第二コイル部121を含み、これらのコイル部の導線が逆巻きの構成であればよく、コイル部の平面形状は半月型に限られない。たとえば、二つのコイル部の平面形状が、正方形、矩形、三角形等の多角形であってもよい。   In addition, although the case where the planar coil 114 is a Double-D type coil having two half-moon-shaped coil sections has been described above, the planar coil 114 is a first coil section including the first linear region 123. 119 and the 2nd coil part 121 provided with the 2nd linear area | region 125 should be included, and the conducting wire of these coil parts should just be the structure of reverse winding, and the planar shape of a coil part is not restricted to a half-moon shape. For example, the planar shape of the two coil portions may be a polygon such as a square, a rectangle, or a triangle.

また、平面型コイル114は、膜の一部に励起用振動磁場を印加する構成であれば、その寸法に特に制限はないが、たとえば測定対象の膜より小さくすることができる。また、平面型コイル114は、たとえば永久磁石113の流路形成面よりも小さくすることができる。さらに具体的には、永久磁石113の溝部の延在方向に対する断面視において、平面型コイル114の幅を、永久磁石113の凸部103と凹部105の幅の合計よりも大きく、凸部103、凹部105および凸部103の幅の合計より小さくしてもよい。こうすれば、平面型コイル114を永久磁石113の流路形成面と膜との間に配置する際に、平面型コイル114と永久磁石113および膜とのz方向の間隔をより一層確実に規制することができる。   The planar coil 114 is not particularly limited in size as long as it is configured to apply an excitation oscillating magnetic field to a part of the film, but can be made smaller than the film to be measured, for example. Further, the planar coil 114 can be made smaller than the flow path forming surface of the permanent magnet 113, for example. More specifically, in a cross-sectional view with respect to the extending direction of the groove portion of the permanent magnet 113, the width of the planar coil 114 is larger than the total width of the convex portion 103 and the concave portion 105 of the permanent magnet 113, and the convex portion 103, You may make it smaller than the sum total of the width | variety of the recessed part 105 and the convex part 103. FIG. In this way, when the planar coil 114 is disposed between the flow path forming surface of the permanent magnet 113 and the film, the spacing in the z direction between the planar coil 114, the permanent magnet 113, and the film is more reliably regulated. can do.

(第三の実施形態)
本実施形態は、第一の実施形態に記載の永久磁石113および第二の実施形態に記載のRFコイル(平面型コイル114)を備える測定装置に関する。
(Third embodiment)
The present embodiment relates to a measuring apparatus including the permanent magnet 113 described in the first embodiment and the RF coil (planar coil 114) described in the second embodiment.

図10は、本実施形態の測定装置の構成を示す図である。図10に示した測定装置100は、核磁気共鳴法を用いて膜中の特定箇所のプロトン性溶媒量を局所的に測定する装置である。以下、プロトン性溶媒が水の場合を例に説明する。   FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the measurement apparatus of the present embodiment. A measuring apparatus 100 shown in FIG. 10 is an apparatus that locally measures the amount of a protic solvent at a specific location in a film using a nuclear magnetic resonance method. Hereinafter, the case where the protic solvent is water will be described as an example.

測定装置100は、
測定対象の膜115に対して、特定方向に静磁場を印加する永久磁石113、
膜115に対して、静磁場に垂直な方向に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エコー信号を取得する、平面型コイル114、および
エコー信号の強度から、T緩和時定数を算出し、算出した前記T緩和時定数から、膜115中の特定箇所におけるプロトン性溶媒量を算出する溶媒量算出部(溶媒量算出部124)
を備える。
The measuring device 100 is
A permanent magnet 113 for applying a static magnetic field in a specific direction to the film 115 to be measured;
An excitation oscillating magnetic field is applied to the film 115 in a direction perpendicular to the static magnetic field, an echo signal corresponding to the oscillating magnetic field for excitation is acquired, and T 2 relaxation is obtained from the intensity of the echo signal. A time constant is calculated, and from the calculated T 2 relaxation time constant, a solvent amount calculation unit (solvent amount calculation unit 124) that calculates a protic solvent amount at a specific location in the membrane 115
Is provided.

永久磁石113は、第一の実施形態で上述したように、磁性材料により構成される。膜115は、永久磁石113の流路形成面に平行に配置される。また、永久磁石113は、膜115の厚さ方向に静磁場を印加する。この静磁場が印加された状態で励起用高周波パルスが膜115に印加され、T2緩和時定数の測定がなされる。 The permanent magnet 113 is made of a magnetic material as described above in the first embodiment. The film 115 is disposed in parallel to the flow path forming surface of the permanent magnet 113. The permanent magnet 113 applies a static magnetic field in the thickness direction of the film 115. An excitation high-frequency pulse is applied to the film 115 in a state where the static magnetic field is applied, and the T 2 relaxation time constant is measured.

平面型コイル114は、励起用高周波パルスを印加する。平面型コイル114は、さらに具体的には、第二の実施形態で前述したDouble−D型RF検出コイルである。なお、図10では、平面型コイル114の二つの直線領域を、凹部105の上部に配置する例を示したが、平面型コイル114の配置はこれには限られず、たとえば凸部103の上部に配置してもよい。   The planar coil 114 applies a high frequency pulse for excitation. More specifically, the planar coil 114 is the Double-D type RF detection coil described above in the second embodiment. FIG. 10 shows an example in which two linear regions of the planar coil 114 are arranged on the upper portion of the concave portion 105. However, the arrangement of the planar coil 114 is not limited to this, for example, on the upper portion of the convex portion 103. You may arrange.

また、図11は、図10に示した測定装置100において、永久磁石113、平面型コイル114および膜115の配置をさらに詳細に示す断面図である。図11では、膜115が固体高分子電解質膜117である場合が例示されている。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing in more detail the arrangement of the permanent magnet 113, the planar coil 114, and the film 115 in the measuring apparatus 100 shown in FIG. FIG. 11 illustrates the case where the membrane 115 is a solid polymer electrolyte membrane 117.

平面型コイル114は、永久磁石113の流路形成面の上部に配置される、たとえば永久磁石113の流路形成面(凹凸面)と固体高分子電解質膜117との間に配置される。
また、図11に示したように、測定装置100においては、永久磁石113の凸部103と平面型コイル114との間、および平面型コイル114と固体高分子電解質膜117との間に、非磁性材料により構成された特定の厚さの間隔調整部材(第一のスペーサ127、第二のスペーサ129)が配置されている。永久磁石113が作る静磁場H0の方向と、Double−D型コイル(平面型コイル114)が作る振動磁場H1の方向は垂直の関係にある。
The planar coil 114 is disposed above the flow path forming surface of the permanent magnet 113, for example, between the flow path forming surface (uneven surface) of the permanent magnet 113 and the solid polymer electrolyte membrane 117.
As shown in FIG. 11, in the measuring apparatus 100, non-periphery is provided between the convex portion 103 of the permanent magnet 113 and the planar coil 114 and between the planar coil 114 and the solid polymer electrolyte membrane 117. An interval adjusting member (a first spacer 127 and a second spacer 129) having a specific thickness made of a magnetic material is disposed. The direction of the static magnetic field H 0 created by the permanent magnet 113 and the direction of the oscillating magnetic field H 1 created by the Double-D type coil (planar type coil 114) are perpendicular to each other.

また、Double−D型RF検出コイルでは、固体高分子電解質膜117とのz方向の距離を変えるとエコー信号強度が変わる。これは、振動磁場H1の強度分布とコイルの受信感度が距離に依存して変わるためである。たとえば、本発明者の検討によれば、実施例で後述するように、図9に示したDouble−D型コイルにおいて、最大エコー信号強度が得られる距離は約1mmのときである。振動磁場H1の強度分布を予め実験的に取得しておくことにより、図11に示したように、Double−D型検出コイルと固体高分子電解質膜117との位置を決めることができる。 Further, in the Double-D type RF detection coil, the echo signal intensity changes when the distance in the z direction from the solid polymer electrolyte membrane 117 is changed. This is because the intensity distribution of the oscillating magnetic field H 1 and the reception sensitivity of the coil change depending on the distance. For example, according to the study of the present inventor, as will be described later in the embodiment, in the Double-D coil shown in FIG. 9, the distance at which the maximum echo signal intensity can be obtained is about 1 mm. By experimentally acquiring the intensity distribution of the oscillating magnetic field H 1 in advance, the positions of the Double-D type detection coil and the solid polymer electrolyte membrane 117 can be determined as shown in FIG.

図11に示したように、測定装置100では、永久磁石113と平面型コイル114との間に特定の厚さの第一のスペーサ127を配置することにより、これらを特定の間隔に保持する。また、平面型コイル114と固体高分子電解質膜117との間に第二のスペーサ129を配置することにより、これらを特定の間隔に保持する。これらのセパレータを用いて永久磁石113の凹凸面、平面型コイル114設置面および固体高分子電解質膜117の相対位置(z方向)を調整することにより、固体高分子電解質膜117の厚さ方向の計測位置を精密に調整して、測定領域において、エコー信号の受信感度を向上させることができる。このため、固体高分子電解質膜117の局所的なT2測定を高感度で精度よく行うことができる。 As shown in FIG. 11, in the measuring apparatus 100, a first spacer 127 having a specific thickness is disposed between the permanent magnet 113 and the planar coil 114, thereby holding them at a specific interval. Further, by arranging the second spacer 129 between the planar coil 114 and the solid polymer electrolyte membrane 117, these are held at a specific interval. By using these separators to adjust the concave / convex surface of the permanent magnet 113, the planar coil 114 installation surface, and the relative position (z direction) of the solid polymer electrolyte membrane 117, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 117 is adjusted. The reception position of the echo signal can be improved in the measurement region by precisely adjusting the measurement position. Therefore, local T 2 measurement of the solid polymer electrolyte membrane 117 can be performed with high sensitivity and accuracy.

また、固体高分子電解質膜117のたわみをさらに確実に抑制する観点では、平面型コイル114が配置されていない凸部103の上部に、第三のスペーサ135を設けるとともに、第三のスペーサとともに、第三のスペーサ135と固体高分子電解質膜117との間に形成された空隙137に、ビーズ状の間隔調整部材(不図示)を充填してもよい。こうすれば、永久磁石113と固体高分子電解質膜117との間隔をさらに精密に調整し、その状態で固体高分子電解質膜117を保持することができる。このとき、第三のスペーサ135の厚さは、第一のスペーサ127、第二のスペーサ129および平面型コイル114の厚さの合計よりも小さくしておき、さらに具体的には、第一のスペーサ127と第二のスペーサ129の厚さの合計と同程度の厚さとする。   In addition, from the viewpoint of further reliably suppressing the deflection of the solid polymer electrolyte membrane 117, the third spacer 135 is provided on the upper portion of the convex portion 103 where the planar coil 114 is not disposed, together with the third spacer, You may fill the space | gap 137 formed between the 3rd spacer 135 and the solid polymer electrolyte membrane 117 with the bead-shaped space | interval adjustment member (not shown). In this way, the distance between the permanent magnet 113 and the solid polymer electrolyte membrane 117 can be adjusted more precisely, and the solid polymer electrolyte membrane 117 can be held in that state. At this time, the thickness of the third spacer 135 is set to be smaller than the total thickness of the first spacer 127, the second spacer 129, and the planar coil 114, and more specifically, the first spacer The thickness is approximately the same as the total thickness of the spacer 127 and the second spacer 129.

また、図11に示した配置は、たとえば燃料電池用固体高分子電解質膜(PEM)をセパレータ(永久磁石113)で押さえ、両者の隙間にDouble−D型RF検出コイル(平面型コイル114)を設置する態様に容易に適用できるため、測定装置100は、燃料電池の固体高分子電解質膜の局所的な水分測定にも好適に用いられる。このように、本実施形態の測定装置100は、たとえば固体高分子電解質膜等の膜の局所的な水分量の評価装置として用いることができる。   Further, in the arrangement shown in FIG. 11, for example, a solid polymer electrolyte membrane (PEM) for a fuel cell is held by a separator (permanent magnet 113), and a Double-D type RF detection coil (planar coil 114) is placed in the gap therebetween. Since it can be easily applied to the installation mode, the measuring apparatus 100 is also preferably used for local moisture measurement of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell. Thus, the measuring apparatus 100 of this embodiment can be used as an apparatus for evaluating the local water content of a film such as a solid polymer electrolyte membrane.

なお、図11に示した配置で各種試料のNMR計測を行った結果および算出されたT2(CPMG)値については、実施例で後述する。 In addition, the result of having performed NMR measurement of various samples with the arrangement shown in FIG. 11 and the calculated T 2 (CPMG) value will be described later in Examples.

図10にもどり、測定装置100の構成をさらに説明する。
平面型コイル114は、単数でも複数でもよい。複数とすれば、膜115中の水分量分布を測定することが可能となる。この場合、膜115の表面に沿って2次元的に配置すれば、膜表面における2次元水分量分布を求めることができる。また、膜115中に3次元的に配置すれば、膜中における3次元水分量分布を求めることができる。
Returning to FIG. 10, the configuration of the measuring apparatus 100 will be further described.
The planar coil 114 may be single or plural. If the number is plural, the moisture content distribution in the film 115 can be measured. In this case, if it is arranged two-dimensionally along the surface of the film 115, a two-dimensional moisture content distribution on the film surface can be obtained. Further, if the film 115 is three-dimensionally arranged, the three-dimensional moisture content distribution in the film can be obtained.

平面型コイル114により印加される振動磁場(励起用振動磁場)は、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106、パルス制御部108、スイッチ部161および平面型コイル114の連携により生成される。すなわち、RF発振器102から発信した励起用高周波RFは、パルス制御部108による制御に基づいて変調器104にて変調され、パルス形状となる。生成されたRFパルスはRF増幅器106により増幅された後、平面型コイル114へ送出される。平面型コイル114は、このRFパルスを膜の一部の特定箇所に印加する。そして、印加されたRFパルスのエコー信号を平面型コイル114が検出する。このエコー信号は、プリアンプ112により増幅された後、位相検波器110へ送出される。位相検波器110は、このエコー信号を検波し、A/D変換器118へ送出する。A/D変換器118はエコー信号をA/D変換した後、演算部130へ送出する。   The oscillating magnetic field (exciting oscillating magnetic field) applied by the planar coil 114 is generated by the cooperation of the RF oscillator 102, the modulator 104, the RF amplifier 106, the pulse control unit 108, the switch unit 161, and the planar coil 114. That is, the excitation high-frequency RF transmitted from the RF oscillator 102 is modulated by the modulator 104 based on the control by the pulse control unit 108 and becomes a pulse shape. The generated RF pulse is amplified by the RF amplifier 106 and then sent to the planar coil 114. The planar coil 114 applies this RF pulse to a specific part of the film. The planar coil 114 detects an echo signal of the applied RF pulse. This echo signal is amplified by the preamplifier 112 and then sent to the phase detector 110. The phase detector 110 detects this echo signal and sends it to the A / D converter 118. The A / D converter 118 performs A / D conversion on the echo signal and then sends it to the arithmetic unit 130.

スイッチ部161は、平面型コイル114、RF信号生成部およびエコー信号検出部を接続する分岐部に設けられている。
RF信号生成部は、RF発振器102、変調器104およびRF増幅器106からなり、平面型コイル114に励起用振動磁場を発生させるRF信号を生成する。エコー信号検出部は、プリアンプ112、位相検波器110およびA/D変換器118から構成され、平面型コイル114により取得されたエコー信号を検出するとともに、エコー信号を演算部130に送出する。
The switch part 161 is provided in a branch part that connects the planar coil 114, the RF signal generation part, and the echo signal detection part.
The RF signal generation unit includes an RF oscillator 102, a modulator 104, and an RF amplifier 106, and generates an RF signal that causes the planar coil 114 to generate an oscillating magnetic field for excitation. The echo signal detection unit includes a preamplifier 112, a phase detector 110, and an A / D converter 118. The echo signal detection unit detects an echo signal acquired by the planar coil 114 and sends the echo signal to the arithmetic unit 130.

スイッチ部161は、平面型コイル114とRF信号生成部(RF増幅器106)とが接続された第1状態、および、平面型コイル114とエコー信号検出部(位相検波器110)とが接続された第2状態を切り替える機能を有する。つまり、スイッチ部161は、このような「送受信切り替えスイッチ」の役目を果たす。   The switch unit 161 has a first state in which the planar coil 114 and the RF signal generation unit (RF amplifier 106) are connected, and a planar coil 114 and the echo signal detection unit (phase detector 110). It has a function of switching the second state. That is, the switch unit 161 serves as such a “transmission / reception switching switch”.

上記分岐部にスイッチ部161を設けることにより、平面型コイル114から膜115に印加される励起用高周波パルス信号の損失を低減し、この結果、90°パルスおよび180°パルスのパルス角を正確に制御することが可能となる。パルス角の正確な制御は、パルスエコー法における補償効果を確実に得る上で重要な技術的課題であり、本実施形態では、かかる課題をスイッチ部161の配設により解決している。   By providing the switch part 161 at the branch part, the loss of the excitation high-frequency pulse signal applied from the planar coil 114 to the film 115 is reduced, and as a result, the pulse angles of the 90 ° pulse and the 180 ° pulse are accurately set. It becomes possible to control. Accurate control of the pulse angle is an important technical problem for reliably obtaining a compensation effect in the pulse echo method, and in the present embodiment, this problem is solved by providing the switch unit 161.

また、局所計測のための平面型コイル114は微小化し、NMR受信時の低ノイズ化が、計測の確からしさを確実なものとするためには重要な因子となる。NMR信号を受信する際に、プリアンプ112に入り込むノイズには、RF波の送信系が主にあり、励起用パルスを増幅するRF増幅器106からの「RF波の漏れ」や「大電力増幅器が発するノイズ」がある。NMR信号の受信時には、送信側から漏れてくる励起波をスイッチ部161で確実に遮断し、低ノイズでNMR信号を受信する必要がある。本実施形態では、かかる課題についても、スイッチ部161の配設により解決している。   In addition, the planar coil 114 for local measurement is miniaturized, and the reduction in noise during NMR reception is an important factor for ensuring the accuracy of measurement. When receiving an NMR signal, noise that enters the preamplifier 112 mainly includes an RF wave transmission system, which is caused by “RF wave leakage” or “high power amplifier” from the RF amplifier 106 that amplifies the excitation pulse. There is "noise". When receiving the NMR signal, it is necessary to reliably block the excitation wave leaking from the transmission side by the switch unit 161 and receive the NMR signal with low noise. In the present embodiment, this problem is also solved by the arrangement of the switch unit 161.

以上、励起用高周波パルスの印加およびエコー信号の検出について述べたが、これらは、小型コイルを含むLC回路(図8)により実現することができる。図8においては、共振回路のコイル部(インダクタンス部)は、前述したように小型RFコイルとしている。核磁気共鳴(NMR)法は、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ことで原子数密度とスピン緩和時定数を計測することができる。1Teslaの磁場中でのスピン共鳴周波数は約43MHz(この周波数帯をRadio frequencyと呼ぶ)であり、その周波数帯を高感度に選択的に検出するために、図8に示すようなLC共振回路が用いられる。   The application of the excitation high-frequency pulse and the detection of the echo signal have been described above. However, these can be realized by an LC circuit (FIG. 8) including a small coil. In FIG. 8, the coil portion (inductance portion) of the resonance circuit is a small RF coil as described above. In the nuclear magnetic resonance (NMR) method, the atomic number density and the spin relaxation time constant can be measured by detecting the movement of nuclear magnetization as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. The spin resonance frequency in a magnetic field of 1 Tesla is about 43 MHz (this frequency band is called radio frequency). In order to selectively detect the frequency band with high sensitivity, an LC resonance circuit as shown in FIG. Used.

平面型コイル114が膜115に印加する励起用高周波パルスは、たとえば、
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ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
からなるパルスシーケンスとすることができる。T緩和時定数と膜中の水分量との相関関係を明確に把握するためには、振動磁場の与え方を適切にすることが重要となる。上記のようなパターンとすることにより、T緩和時定数と膜中の水分量との相関関係を明確に把握することが可能となる。
The excitation high frequency pulse applied to the film 115 by the planar coil 114 is, for example,
(A) a 90 ° pulse, and
(B) A pulse sequence including n 180 ° pulses applied at intervals of time 2τ, starting after the time τ of the pulses in (a) elapses. In order to clearly grasp the correlation between the T 2 relaxation time constant and the amount of moisture in the film, it is important to appropriately apply the oscillating magnetic field. By setting it as the above patterns, the correlation between the T 2 relaxation time constant and the amount of moisture in the film can be clearly grasped.

ここで、90°パルスが第1位相にあり、n個の180°パルスが、第1位相と90°ずれた第2位相にあるパルスシーケンスとすれば、T緩和時定数と膜中の水分量との明確な相関関係を安定的に取得することができる。 Here, if the 90 ° pulse is in the first phase and the n 180 ° pulses are in the second phase that is 90 ° shifted from the first phase, the T 2 relaxation time constant and the moisture in the film A clear correlation with the quantity can be obtained stably.

なお、平面型コイル114を用いる場合、上記(a)および(b)の励起パルス強度の調整が困難となる場合がある。たとえば、測定対象の領域、つまり平面型コイル114で囲まれた領域のうち、中央部と周縁部とで励起のされかたに差異が生じてしまい、全体を均一の励起角度となるように、つまり(a)および(b)における励起磁場の強度比が一定となるように励起することが困難となる場合がある。(a)および(b)における励起角度比がばらつくと、正確なT2測定が困難となる。 When the planar coil 114 is used, it may be difficult to adjust the excitation pulse intensities (a) and (b). For example, in the region to be measured, that is, the region surrounded by the planar coil 114, a difference occurs in the excitation method between the central portion and the peripheral portion, so that the whole becomes a uniform excitation angle. That is, it may be difficult to excite so that the intensity ratio of the excitation magnetic field in (a) and (b) is constant. If the excitation angle ratio in (a) and (b) varies, accurate T 2 measurement becomes difficult.

そこで、このような場合には、パルス制御部108が、上記パルスシーケンスにくわえ、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。そして、これら2つのシーケンスに対応する180°パルス(b)の減衰曲線の挙動を比較することにより、90°パルス(a)および180°パルス(b)の励起パルス強度が正確であるか否かを判別できる。この結果、装置の異常等により励起パルス強度がずれた場合でも、測定を行う前の段階で異常を検知でき、測定値をより正確なものとすることができる。   Therefore, in such a case, in addition to the above pulse sequence, the pulse control unit 108 adds another sequence in which a step of applying a 180 ° pulse is added at a time τ before the 90 ° pulse (a). Make it run. Then, by comparing the behavior of the attenuation curve of the 180 ° pulse (b) corresponding to these two sequences, whether the excitation pulse intensity of the 90 ° pulse (a) and the 180 ° pulse (b) is accurate or not. Can be determined. As a result, even when the excitation pulse intensity is deviated due to an abnormality of the apparatus, the abnormality can be detected at a stage before the measurement is performed, and the measurement value can be made more accurate.

以上、膜周辺の装置構成について説明した。つづいて、エコー信号の処理ブロックについて説明する。   The apparatus configuration around the film has been described above. Next, an echo signal processing block will be described.

演算部130は、エコー信号の強度から、T緩和時定数を算出し、算出した前記T緩和時定数から、膜中の特定箇所における前記水分量を算出する。 The calculation unit 130 calculates a T 2 relaxation time constant from the intensity of the echo signal, and calculates the water content at a specific location in the film from the calculated T 2 relaxation time constant.

演算部130の内部では、まず、データ受付部120によりエコー信号が取得され、次いで、緩和時定数算出部122によるT緩和時定数が算出される。 Inside the calculation unit 130, first, an echo signal is acquired by the data reception unit 120, and then a T 2 relaxation time constant is calculated by the relaxation time constant calculation unit 122.

緩和時定数が算出されると、そのデータは溶媒量算出部124へ送出される。溶媒量算出部124は、検量線テーブル(記憶部)126にアクセスし、膜に対応する検量線データを取得する。検量線テーブル126には、膜の種類毎に、膜中の水分量とT緩和時定数との相関関係を示す検量線データが格納されている。 When the T 2 relaxation time constant is calculated, the data is sent to the solvent amount calculation unit 124. The solvent amount calculation unit 124 accesses the calibration curve table (storage unit) 126 and acquires calibration curve data corresponding to the film. The calibration curve table 126 stores calibration curve data indicating the correlation between the amount of moisture in the membrane and the T 2 relaxation time constant for each type of membrane.

溶媒量算出部124は、取得された検量線データと、上記のようにして算出されたT緩和時定数とを用い、膜中の水分量を算出する。算出された水分量は、出力部132によりユーザに提示される。提示の型式は様々な態様が可能であり、ディスプレイ上の表示、プリンタ出力、ファイル出力等、特に制限はない。 The solvent amount calculation unit 124 calculates the amount of moisture in the film using the obtained calibration curve data and the T 2 relaxation time constant calculated as described above. The calculated amount of water is presented to the user by the output unit 132. Various types of presentation types are possible, and there are no particular restrictions on display on the display, printer output, file output, and the like.

なお、本実施形態において、膜内部、膜表面または膜近傍に平面型コイル114を複数個配置することもできる。これにより、膜の複数箇所に対して、励起用振動磁場の印加およびこれに対応するエコー信号の取得を行うことができるように構成されている。溶媒量分布算定部128は、膜中の複数箇所における水分量に基づき、膜中の水分量分布を算出する。出力部132は、この水分量分布を出力する。   In the present embodiment, a plurality of planar coils 114 may be arranged inside the film, on the film surface, or in the vicinity of the film. Thereby, it is comprised so that the application of the oscillating magnetic field for excitation and the acquisition of the echo signal corresponding to this can be performed with respect to several places of a film | membrane. The solvent amount distribution calculation unit 128 calculates the moisture amount distribution in the film based on the moisture amounts at a plurality of locations in the film. The output unit 132 outputs this moisture content distribution.

上記装置において、励起用高周波パルスは、CPMG法によるものを用いることが好ましい。こうすることにより、T緩和時定数と膜中の水分量との明確な相関関係を安定的に取得することができる。 In the above apparatus, it is preferable to use a high frequency pulse for excitation by the CPMG method. By doing so, a clear correlation between the T 2 relaxation time constant and the amount of water in the film can be stably obtained.

そこで次に、測定装置100においてCPMG法により膜115のプロトン性溶媒(たとえば、水分)量を測定する方法を説明する。
この測定方法は、流路溝が形成された永久磁石113の流路形成面に平行に膜115を配置して、核磁気共鳴法を用いて膜115中の特定箇所のプロトン性溶媒の量を局所的に測定する方法であって、以下のステップを含む。
まず、永久磁石113の流路溝に上記プロトン性溶媒を含む流体を流しつつ、永久磁石113により膜115の厚さ方向に静磁場を印加する(S102)。この状態で、静磁場におかれた膜115の一部に対し、RFコイル(平面型コイル114)を用いて励起用振動磁場を複数回順次印加するとともに、励起用振動磁場に対応する複数のエコー信号を取得する(S104、以上第1ステップ)。そして、これらのエコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出する(S106)。そして、膜115中のプロトン性溶媒量とT2緩和時定数との相関関係を示すデータを取得し、該データと第2ステップで算出されたT2緩和時定数とから、膜115中の特定箇所におけるプロトン性溶媒量を求める(S108、以上第2ステップ)。その後、結果を出力する(S110)。
Therefore, a method for measuring the amount of protic solvent (for example, moisture) of the membrane 115 by the CPMG method in the measuring apparatus 100 will be described next.
In this measurement method, the film 115 is arranged in parallel to the flow path forming surface of the permanent magnet 113 in which the flow path groove is formed, and the amount of the protic solvent at a specific location in the film 115 is measured using the nuclear magnetic resonance method. A local measurement method includes the following steps.
First, a static magnetic field is applied in the thickness direction of the film 115 by the permanent magnet 113 while flowing the fluid containing the protic solvent in the flow channel groove of the permanent magnet 113 (S102). In this state, an excitation vibration magnetic field is sequentially applied to a part of the film 115 placed in a static magnetic field using an RF coil (planar coil 114) a plurality of times, and a plurality of vibration vibration magnetic fields corresponding to the excitation vibration magnetic field are applied. An echo signal is acquired (S104, first step above). Then, a T 2 relaxation time constant is calculated from the intensity of these echo signals (S106). Then, data indicating the correlation between the amount of the protic solvent in the membrane 115 and the T 2 relaxation time constant is acquired, and the data in the membrane 115 is identified from the data and the T 2 relaxation time constant calculated in the second step. The amount of protic solvent at the location is determined (S108, second step above). Thereafter, the result is output (S110).

ステップ104では、膜に対し励起用高周波パルスを印加するが、この励起用高周波パルスは、複数のパルスからなるパルスシーケンスとし、これに対応するエコー信号群を取得するようにすることが好ましい。こうすることにより、T緩和時定数を正確に求めることができる。パルスシーケンスは、以下の(a)、(b)からなるものとすることが好ましい。
(a)90°パルス、および、
(b)(a)のパルスの時間τ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
In step 104, an excitation high-frequency pulse is applied to the film. The excitation high-frequency pulse is preferably a pulse sequence composed of a plurality of pulses, and an echo signal group corresponding to the pulse sequence is acquired. By doing so, the T 2 relaxation time constant can be accurately obtained. The pulse sequence is preferably composed of the following (a) and (b).
(A) a 90 ° pulse, and
(B) n 180 ° pulses applied at intervals of time 2τ, starting after the time τ of the pulse in (a) has elapsed.

緩和時定数と膜中の水分量との相関関係を明確に把握するためには、振動磁場の与え方を適切にすることが重要となる。上記のようなパターンとすることにより、T緩和時定数と膜中の水分量との相関関係を明確に把握することが可能となる。上記のパルスシーケンスを用いる方法によれば、90°励起パルスのτ時間後に、その2倍の励起パルス強度を持つ180°励起パルスを印加して、磁化ベクトルMの位相がxy平面(回転座標系)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T減衰曲線上にのるエコー信号を得ることができる。 In order to clearly grasp the correlation between the T 2 relaxation time constant and the amount of moisture in the film, it is important to appropriately apply the oscillating magnetic field. By setting it as the above patterns, the correlation between the T 2 relaxation time constant and the amount of moisture in the film can be clearly grasped. According to the method using the above pulse sequence, after τ time of the 90 ° excitation pulse, a 180 ° excitation pulse having twice the excitation pulse intensity is applied, and the phase of the magnetization vector M is changed to the xy plane (rotating coordinate system). ) reverses the disturbance of the phase turbulence will prematurely on, after 2τ time can be obtained echo signal to get on and converges the phase T 2 decay curves on.

ここで、90°パルスが第1位相にあり、n個の180°パルスが、第1位相と90°ずれた第2位相にあるパルスシーケンスとすれば、T緩和時定数と膜中の水分量との明確な相関関係を安定的に取得することができる。CPMG法は、このようなパルスシーケンスを与える方法の一例である。 Here, if the 90 ° pulse is in the first phase and the n 180 ° pulses are in the second phase that is 90 ° shifted from the first phase, the T 2 relaxation time constant and the moisture in the film A clear correlation with the quantity can be obtained stably. The CPMG method is an example of a method for providing such a pulse sequence.

CPMG法では、まず、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°励起パルスを照射して、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、大きな振幅を持つエコー信号が観測される。さらに、3τ時間後に磁化ベクトルに「Y軸方向」に外部から180°励起パルスを照射して、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T(横)緩和時定数を算出することができる。 In the CPMG method, first, the magnetization vector is tilted in the positive direction of the Y-axis by a 90 ° pulse, and after 180 hours, a 180 ° excitation pulse is irradiated from the outside in the “Y-axis direction”, so As a symmetry axis. As a result, 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. Furthermore, after 180 hours, the magnetization vector is irradiated with a 180 ° excitation pulse from the outside in the “Y-axis direction” and converged again on the “positive direction” on the Y-axis, and an echo signal having a large amplitude after 4τ time. Observe. Further, irradiation with 180 ° pulses is continued at the same 2τ interval. During this time, the peak intensity of even-numbered echo signals of 2τ, 4τ, 6τ,... Is extracted and fitted with an exponential function, whereby the T 2 (lateral) relaxation time constant by the CPMG method can be calculated.

ステップ106では、スピンエコー法を利用することによりT緩和時定数を測定する。
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。
In step 106, the T 2 relaxation time constant is measured by utilizing the spin echo method.
Strength S SE of the echo signal that may occur when using spin echo, in the case of TR >> TE is represented by the following formula (A).

ここで、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°励起パルスの繰り返し時間(100msから10s程度)、TEはエコー時間(2t、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。   Where ρ is the density distribution of the target nuclide as a function of the position (x, y, z), TR is the 90 ° excitation pulse repetition time (about 100 ms to about 10 s), and TE is the echo time (about 2 t, about 1 ms to 100 ms) ), A is a constant that represents device characteristics such as RF coil detection sensitivity and amplifier.

減衰曲線上にのるエコー信号群と、上記式(A)から、T緩和時定数を求めることができる。
詳細に説明すると、2τ間隔で、180°パルスを照射し続け、2τ,4τ,6τ,・・・の偶数番目のエコー信号のピーク強度を取得する。この複数のエコー信号のピーク強度は時間とともに、徐々に小さくなる。時間とともに減衰する複数のエコー信号の強度を、指数関数でフィッティングし、上記式(A)から、T緩和時定数を求めることができる。
An echo signal group riding on T 2 decay curves, from the above equation (A), can be obtained the T 2 relaxation time constant.
More specifically, the peak intensity of even-numbered echo signals of 2τ, 4τ, 6τ,... The peak intensity of the plurality of echo signals gradually decreases with time. By fitting the intensities of a plurality of echo signals that decay with time with an exponential function, the T 2 relaxation time constant can be obtained from the above equation (A).

ステップ108では、緩和時定数から水分量を算出する。膜中の水分量とT緩和時定数とは、正の相関を持つ。水分量の増加につれてT緩和時定数が増大する。この相関関係は、膜の種類や形態等により異なるので、あらかじめ、水分濃度がわかっている測定対象膜と同種の膜について検量線を作成しておくことが望ましい。すなわち、水分量が既知の複数の標準試料膜に対して水分量とT緩和時定数との関係を測定し、この関係を表す検量線をあらかじめ求めておくことが望ましい。このようにして作成した検量線を参照することで、T緩和時定数測定値から膜中の水分量を算出することができる。 In step 108, the water content is calculated from the relaxation time constant. The amount of water in the film and the T 2 relaxation time constant have a positive correlation. As the amount of water increases, the T 2 relaxation time constant increases. Since this correlation varies depending on the type and form of the membrane, it is desirable to prepare a calibration curve for a membrane of the same type as the membrane to be measured whose moisture concentration is known in advance. That is, it is desirable to measure the relationship between the moisture content and the T 2 relaxation time constant for a plurality of standard sample films with known moisture content, and to obtain a calibration curve representing this relationship in advance. By referring to the calibration curve thus created, the amount of water in the film can be calculated from the measured T 2 relaxation time constant.

膜全体のT緩和時定数は、最も単純な式で表した場合には、以下の式で表される。
1/T(全体)=(吸着した水の量)/(吸着した水のT')+(自由な水の量)/(自由な水のT'')・・・(1)
The T 2 relaxation time constant of the entire film is expressed by the following formula when expressed by the simplest formula.
1 / T 2 (total) = (adsorbed water amount) / (adsorbed water T 2 ′) + (free water amount) / (free water T 2 ″) (1)

観測者はこのT(全体)を計測することになる。空間を満たす自由な水が増えるとT(全体)が大きくなることから、T(全体)の測定結果より高分子中の水の量を求めることが可能となる。 The observer measures this T 2 (total). When free water that fills the space increases, T 2 (overall) increases, and therefore the amount of water in the polymer can be determined from the measurement result of T 2 (overall).

次に、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態においては、永久磁石113および平面型コイル114として特定の形状のものを用いるとともに、これらと膜115とを特定の位置関係で配置している。これにより、まず、永久磁石113の凹部105にプロトン性溶媒を含む流体を流して膜115中のプロトン性溶媒量に分布を形成し、形成した分布を平面型コイル114で測定することができる。また、膜115中のプロトン性溶媒量を調整し、膜115中のプロトン性溶媒量の空間分布を平面型コイル114で測定することもできる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the present embodiment, the permanent magnet 113 and the planar coil 114 are of a specific shape, and these and the film 115 are arranged in a specific positional relationship. Thereby, first, a fluid containing a protic solvent is caused to flow in the concave portion 105 of the permanent magnet 113 to form a distribution in the amount of the protic solvent in the film 115, and the formed distribution can be measured by the planar coil 114. It is also possible to adjust the amount of protic solvent in the film 115 and measure the spatial distribution of the amount of protic solvent in the film 115 with the planar coil 114.

よって、測定装置100によれば、たとえば膜115中の水分量分布をその場で測定することができる。また、膜115の面内方向への水の分散挙動を評価することもできる。   Therefore, according to the measuring apparatus 100, for example, the moisture content distribution in the film 115 can be measured on the spot. Further, the dispersion behavior of water in the in-plane direction of the film 115 can be evaluated.

また、膜115の測定領域が第一領域107および第二領域109中に含まれるようにとることにより、膜115の局所的な水分量測定をより一層高精度で再現性よく行うことができる。特に、凸部103の上部の領域である第二領域109については、図3(b)を参照して前述したように、永久磁石113の流路形成面に垂直な方向(z方向)に、静磁場が極大となる位置が存在する。このような位置で測定を行えば、測定領域の位置ずれによる測定値の変動を抑制し、さらに正確な測定が可能となる。   Further, by taking the measurement region of the film 115 to be included in the first region 107 and the second region 109, the local moisture content measurement of the film 115 can be performed with higher accuracy and good reproducibility. In particular, as described above with reference to FIG. 3B, the second region 109 that is an upper region of the convex portion 103 is in a direction (z direction) perpendicular to the flow path forming surface of the permanent magnet 113. There is a position where the static magnetic field is maximized. If measurement is performed at such a position, fluctuations in the measurement value due to the displacement of the measurement region can be suppressed, and more accurate measurement can be performed.

たとえば、本実施形態においては、高分子電解質のような薄いシート状の膜115に対し、計測したい位置や場所のみに磁場を印加し、磁石と膜との隙間に平面状のRF検出コイルを用いて局所の含水量を計測できる。また、局所計測がMRI計測に比べて短時間で行うことができる。   For example, in the present embodiment, a magnetic field is applied only to a position and place where measurement is desired on a thin sheet-like film 115 such as a polymer electrolyte, and a planar RF detection coil is used in the gap between the magnet and the film. To measure the local water content. Also, local measurement can be performed in a shorter time than MRI measurement.

また、測定装置100では、NMRセンサのコンパクト化が可能となるため、装置の設置箇所の制限が緩和される。また、機器の低価格化が実現できる。また、平面型コイル114と永久磁石113を組み合わせた一体型の装置とすれば、両者の位置合わせが不要で、簡便に計測ができる。   Moreover, in the measuring apparatus 100, since the NMR sensor can be made compact, restrictions on the installation location of the apparatus are relaxed. In addition, the price of the equipment can be reduced. In addition, if an integrated apparatus combining the planar coil 114 and the permanent magnet 113 is used, it is not necessary to align the two, and measurement can be performed easily.

また、本実施形態においては、永久磁石113を小型化することができる。ここで、図10および図12においては、永久磁石113の凹凸面が膜115よりも大きい構成を例示したが、永久磁石113は、膜115の測定箇所に静磁場を形成することができればよく、凹凸面が膜115よりも大きい場合には限られない。永久磁石として小型磁石を用いて、膜の一部にのみ磁場を印加し、その磁場を印加した領域のみから小型RF検出コイルによってNMR信号を受信することができれば、たとえば、以下の利点を生むことが可能となる。
第一に、膜の寸法は任意であり、磁石寸法に制限されない。
第二に、磁石形状を任意にできる。よって、たとえば燃料電池に適用したときに、ガス流路部を磁石に組み込んだ構造とすることができる。
第三に、薄いシート状の高分子電解質膜に適合した磁石とRF検出コイルを用いることで、計測したい位置での膜の局所含水量が計測できる。
第四に、局所計測が可能で、かつ、MRI計測に比べて短時間計測が可能である。
第五に、使用できる装置材質の制限が緩和され、装置の全て非磁性材料にする必要はないため、実機に近い燃料電池にも搭載できる可能性がある。
第六に、NMRセンサーのコンパクト化、設置の容易さ、機器の低価格化が実現できる。
このような新しい永久磁石113を備えたNMR計測装置の開発により、NMRセンサーの適用範囲を拡大させることが可能となる。
In the present embodiment, the permanent magnet 113 can be downsized. Here, in FIG. 10 and FIG. 12, the configuration in which the uneven surface of the permanent magnet 113 is larger than that of the film 115 is illustrated, but the permanent magnet 113 only needs to be able to form a static magnetic field at the measurement location of the film 115. It is not limited to the case where the uneven surface is larger than the film 115. If a small magnet is used as a permanent magnet, a magnetic field is applied only to a part of the film, and an NMR signal can be received from only a region where the magnetic field is applied by a small RF detection coil, for example, the following advantages are produced. Is possible.
First, the dimensions of the membrane are arbitrary and are not limited to magnet dimensions.
Second, the magnet shape can be arbitrarily set. Therefore, for example, when applied to a fuel cell, a structure in which a gas flow path portion is incorporated in a magnet can be obtained.
Thirdly, by using a magnet and an RF detection coil suitable for a thin sheet polymer electrolyte membrane, the local water content of the membrane at the position to be measured can be measured.
Fourthly, local measurement is possible, and measurement can be performed in a shorter time than MRI measurement.
Fifth, restrictions on the device material that can be used are relaxed, and it is not necessary to use all non-magnetic material for the device, so there is a possibility that it can be installed in a fuel cell close to the actual device.
Sixth, the NMR sensor can be made more compact, easier to install, and less expensive.
With the development of an NMR measurement apparatus equipped with such a new permanent magnet 113, the applicable range of the NMR sensor can be expanded.

なお、本実施形態における測定装置の構成は、たとえば図12のようにしてもよい。図12は、永久磁石113および平面型コイル114を備える測定装置の別の構成を示す図である。   Note that the configuration of the measuring apparatus in the present embodiment may be as shown in FIG. 12, for example. FIG. 12 is a diagram illustrating another configuration of the measuring apparatus including the permanent magnet 113 and the planar coil 114.

(第四の実施形態)
本実施形態では、第三の実施形態に記載の測定装置100(図10)を備える固体高分子電解質型燃料電池について説明する。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell including the measuring apparatus 100 (FIG. 10) described in the third embodiment will be described.

燃料電池の固体高分子電解質膜の水分量をNMR法により測定しようとしたとき、被計測対象の膜全体を覆うような磁石を用いる場合には、燃料電池のすべての構成部品を非磁性材料で製作する必要があり、NMR/MRI計測のための装置を製作する必要がある。しかし、その製作は耐熱性・耐久性の面から困難である。
また、膜全体を覆うような磁石を用いる場合には、大きな磁石も実機の燃料電池に組み込んでモニタリング装置として用いることとなる。しかし、磁石が大きすぎて搭載は不可能であり、実際的なセンサーにはならない。
When the moisture content of the solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell is measured by the NMR method, if a magnet that covers the entire membrane to be measured is used, all components of the fuel cell are made of non-magnetic materials. It is necessary to manufacture, and it is necessary to manufacture an apparatus for NMR / MRI measurement. However, its manufacture is difficult from the viewpoint of heat resistance and durability.
In addition, when a magnet that covers the entire membrane is used, a large magnet is also incorporated into the actual fuel cell and used as a monitoring device. However, the magnet is too large to be mounted, and it is not a practical sensor.

これに対し、第三の実施形態で前述した測定装置100は、永久磁石113の凹部105をガス流路部として用いることができる構造となっている。
そこで、本実施形態では、永久磁石113を燃料電池のセパレータの一部として燃料電池装置に組み込んで、膜115つまり固体高分子電解質膜117の水分量測定を可能とする。
測定装置100を燃料電池に組み込むことにより、燃料電池の高分子電解質膜の含水量を常時モニタリングし、高分子電解質膜が高い伝導度を常に保つことができるように制御することができるようになる。このため、燃料電池の発電効率を高く維持するように、燃料電池の運転を制御することが可能となる。
On the other hand, the measuring apparatus 100 described in the third embodiment has a structure in which the concave portion 105 of the permanent magnet 113 can be used as a gas flow path portion.
Therefore, in this embodiment, the permanent magnet 113 is incorporated in the fuel cell device as a part of the separator of the fuel cell, and the moisture content of the membrane 115, that is, the solid polymer electrolyte membrane 117 can be measured.
By incorporating the measuring apparatus 100 into the fuel cell, the water content of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell can be constantly monitored and controlled so that the polymer electrolyte membrane can always maintain high conductivity. . For this reason, it becomes possible to control the operation of the fuel cell so as to keep the power generation efficiency of the fuel cell high.

図45は、本実施形態の燃料電池の構成を示す図である。
図45に示した燃料電池131は、測定装置100、セル133と、セル133に酸化剤ガス(たとえば酸素や空気)を供給する酸化剤ガス供給部32、セル133に燃料ガス(たとえば水素ガス)を供給する燃料ガス供給部33、酸化剤ガス供給部32からセル133に向かって供給される酸化剤ガスおよび燃料ガス供給部33からセル133に向かって供給される燃料ガスに水蒸気を混合する水蒸気混合部34、水蒸気混合部35ならびに制御部36を有する。
FIG. 45 is a diagram showing the configuration of the fuel cell of the present embodiment.
45 includes a measuring apparatus 100, a cell 133, an oxidant gas supply unit 32 that supplies an oxidant gas (for example, oxygen or air) to the cell 133, and a fuel gas (for example, hydrogen gas) to the cell 133. The fuel gas supply unit 33 for supplying gas, the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply unit 32 toward the cell 133, and the water vapor mixed with the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 33 toward the cell 133 It has a mixing unit 34, a water vapor mixing unit 35, and a control unit 36.

図46は、図45に示した燃料電池131のセル133の構成を示す断面図である。
セル133は、測定対象の試料である固体高分子電解質膜117と、固体高分子電解質膜117の両側に設けられた触媒層311Aおよび触媒層311Bと、多孔質の拡散層312Aおよび拡散層312Bと、セパレータ313Aおよびセパレータ313Bとを有する。
FIG. 46 is a cross-sectional view showing a configuration of cell 133 of fuel cell 131 shown in FIG.
The cell 133 includes a solid polymer electrolyte membrane 117 as a sample to be measured, a catalyst layer 311A and a catalyst layer 311B provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 117, a porous diffusion layer 312A and a diffusion layer 312B, , Separator 313A and separator 313B.

触媒層311Aと、拡散層312Aとで、燃料極314が構成され、触媒層311Bと拡散層312Bとで、酸化剤極315が構成される。   The catalyst layer 311A and the diffusion layer 312A constitute a fuel electrode 314, and the catalyst layer 311B and the diffusion layer 312B constitute an oxidant electrode 315.

セパレータ313Aには、燃料ガスの流路となる溝が形成されている。セパレータ313Aの流路溝には、プロトン性溶媒を含む流体として、水蒸気を含む燃料ガスが供給される。また、セパレータ313Bには、酸化剤ガスの流路となる溝が形成されている。セパレータ313Bの流路溝には、プロトン性溶媒を含む流体として、水蒸気を含む酸化剤ガスが供給される。   The separator 313A is formed with a groove serving as a fuel gas flow path. A fuel gas containing water vapor is supplied to the flow path groove of the separator 313A as a fluid containing a protic solvent. Further, the separator 313B is formed with a groove serving as a flow path for the oxidant gas. An oxidant gas containing water vapor is supplied to the flow path groove of the separator 313B as a fluid containing a protic solvent.

燃料電池131において、燃料極または酸化剤極に対向して設けられたセパレータ、つまりセパレータ313Aまたはセパレータ313Bのうち、少なくとも一方は、第一の実施形態で前述した永久磁石113から構成される。永久磁石113の流路形成面が、燃料電池131の燃料極に対向配置されて、凹部105に燃料ガスが供給されるか、または、燃料電池131の酸化剤極に対向配置されて、凹部105に酸化剤ガスが供給される。なお、セパレータ313Aまたはセパレータ313Bが永久磁石113からなる構成であってもよいし、永久磁石113がセパレータ313Aまたはセパレータ313Bの一部を構成していてもよい。   In the fuel cell 131, at least one of the separators provided opposite to the fuel electrode or the oxidant electrode, that is, the separator 313A or the separator 313B, includes the permanent magnet 113 described in the first embodiment. The flow path forming surface of the permanent magnet 113 is disposed so as to face the fuel electrode of the fuel cell 131 and fuel gas is supplied to the recess 105, or is disposed to face the oxidant electrode of the fuel cell 131, so that the recess 105 Is supplied with an oxidant gas. The separator 313A or the separator 313B may be composed of the permanent magnet 113, or the permanent magnet 113 may constitute a part of the separator 313A or the separator 313B.

酸化剤ガス供給部32は、セル133に対して酸化剤ガスを供給する。また、燃料ガス供給部33は、セル133に対して燃料ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部32とセル133との間には、水蒸気混合部34が設けられている。水蒸気混合部34では、水蒸気を発生させ、酸化剤ガス供給部32からセル133に向かって供給される酸化剤ガスに水蒸気を混合する。このようにして水蒸気と混合された酸化剤ガスが、セル133に供給される。
同様に、燃料ガス供給部33と、セル133との間にも、水蒸気混合部35が設けられている。この水蒸気混合部35では、水蒸気を発生させ、燃料ガス供給部33からセル133に向かって供給される燃料ガスに水蒸気を混合している。水蒸気と混合した燃料ガスは、セル133に送られる。
このように、水蒸気を酸化剤ガス、燃料ガスに混合することでセル133の固体高分子電解質膜117を湿潤させている。
The oxidant gas supply unit 32 supplies oxidant gas to the cell 133. The fuel gas supply unit 33 supplies fuel gas to the cell 133.
A water vapor mixing unit 34 is provided between the oxidant gas supply unit 32 and the cell 133. The water vapor mixing unit 34 generates water vapor and mixes the water vapor with the oxidant gas supplied from the oxidant gas supply unit 32 toward the cell 133. The oxidant gas thus mixed with the water vapor is supplied to the cell 133.
Similarly, a steam mixing unit 35 is provided between the fuel gas supply unit 33 and the cell 133. In the water vapor mixing unit 35, water vapor is generated and mixed with the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 33 toward the cell 133. The fuel gas mixed with the water vapor is sent to the cell 133.
As described above, the solid polymer electrolyte membrane 117 of the cell 133 is wetted by mixing the water vapor with the oxidant gas and the fuel gas.

セル133の固体高分子電解質膜117中の水分量の測定を行う場合には、測定装置100の複数の平面型コイル114を固体高分子電解質膜117の表面に接触させる。これにより、固体高分子電解質膜117中の水分量の測定を行うことができる。   When measuring the moisture content in the solid polymer electrolyte membrane 117 of the cell 133, the plurality of planar coils 114 of the measuring device 100 are brought into contact with the surface of the solid polymer electrolyte membrane 117. Thereby, the water content in the solid polymer electrolyte membrane 117 can be measured.

制御部36は、測定装置100、水蒸気混合部34および水蒸気混合部35に接続されている。
制御部36では、測定装置100からの水分量の測定結果および、水分量の分布を取得し、この測定結果に基づいて、水蒸気混合部34および水蒸気混合部35で生成され、セル133に供給される水蒸気量を調整するように、水蒸気混合部34および水蒸気混合部35を制御する。
The control unit 36 is connected to the measuring device 100, the water vapor mixing unit 34, and the water vapor mixing unit 35.
The control unit 36 acquires the moisture content measurement result and the moisture content distribution from the measuring device 100, and is generated by the steam mixing unit 34 and the steam mixing unit 35 based on the measurement result and supplied to the cell 133. The water vapor mixing unit 34 and the water vapor mixing unit 35 are controlled so as to adjust the amount of water vapor.

たとえば、セル133が発電を行っている場合には、燃料極314側で発生した水素イオンの移動に伴い、固体高分子電解質膜117中の水分が燃料極314側から酸化剤極315側に移動する。
また、酸化剤極315側での水素イオンと酸素ガスとの反応により水が生成する。そのため、固体高分子電解質膜117中、特に酸化剤極315側の水分量が過剰となることがある。水分量が過剰となると、セパレータ313Bの流路内に水が凝集し、酸化剤ガスの流れを妨げることとなり、発電効率が下がる可能性がある。
一方で、固体高分子電解質膜117に充分な水蒸気が供給されず、固体高分子電解質膜117が乾燥している状態になると、プロトン伝導性が低下し、セル133の発電効率が低下する。従って、固体高分子電解質膜117が乾燥状態となり、プロトン伝導性が低下することは好ましくない。
For example, when the cell 133 is generating power, the water in the solid polymer electrolyte membrane 117 moves from the fuel electrode 314 side to the oxidant electrode 315 side as hydrogen ions generated on the fuel electrode 314 side move. To do.
Further, water is generated by the reaction between hydrogen ions and oxygen gas on the oxidant electrode 315 side. Therefore, the amount of water in the solid polymer electrolyte membrane 117 may be excessive particularly on the oxidant electrode 315 side. If the amount of water is excessive, water aggregates in the flow path of the separator 313B, which obstructs the flow of the oxidant gas, and power generation efficiency may be reduced.
On the other hand, when sufficient water vapor is not supplied to the solid polymer electrolyte membrane 117 and the solid polymer electrolyte membrane 117 is in a dry state, proton conductivity is lowered and the power generation efficiency of the cell 133 is lowered. Therefore, it is not preferable that the solid polymer electrolyte membrane 117 is in a dry state and proton conductivity is lowered.

そこで、制御部36では、測定装置100から水分量の分布を取得するとともに、取得した分布における水分量の値が所定の範囲内にあるかどうか、すなわち、固体高分子電解質膜117が適度な湿潤状態となっているかどうか判断する。所定の範囲を超えると判断した場合には、制御部36は、水蒸気混合部34または水蒸気混合部35に対し、生成する水蒸気量を減らすように要求する。   Therefore, the control unit 36 acquires the moisture content distribution from the measuring apparatus 100 and determines whether the moisture content value in the acquired distribution is within a predetermined range, that is, the solid polymer electrolyte membrane 117 is moderately wet. Determine if it is in a state. When it is determined that the predetermined range is exceeded, the control unit 36 requests the water vapor mixing unit 34 or the water vapor mixing unit 35 to reduce the amount of water vapor generated.

一方、測定装置100から取得した水分量の分布における水分量の値が所定の範囲外であり、水分量が少ないと判断した場合には、制御部36は、水蒸気混合部34または水蒸気混合部35に対し、生成する水蒸気量を増やすように要求し、固体高分子電解質膜117の乾燥を防止する。   On the other hand, when it is determined that the value of the moisture content in the moisture content distribution obtained from the measuring apparatus 100 is outside the predetermined range and the moisture content is small, the control unit 36 performs the steam mixing unit 34 or the steam mixing unit 35. On the other hand, the amount of water vapor to be generated is required to be increased, and the solid polymer electrolyte membrane 117 is prevented from being dried.

なお、本実施形態では、制御部36により、水蒸気混合部34および水蒸気混合部35双方の水蒸気生成量、およびセル133への水蒸気供給量を調整したが、これに限らず、たとえば、水蒸気混合部35の水蒸気生成量およびセル133への水蒸気供給量のみを調整してもよい。   In the present embodiment, the control unit 36 adjusts the water vapor generation amount of both the water vapor mixing unit 34 and the water vapor mixing unit 35 and the water vapor supply amount to the cell 133. However, the present invention is not limited to this. Only the water vapor generation amount of 35 and the water vapor supply amount to the cell 133 may be adjusted.

これを利用すれば、内部に複数のRF検出コイルを設置することで、より内部の複数枚の高分子電解質膜のNMR計測を行うことが可能となる。たとえば後述の図7の配置とすることにより、一つの磁石で複数枚のPEMの含水量を計測することができる。   By utilizing this, it is possible to perform NMR measurement of a plurality of polymer electrolyte membranes by installing a plurality of RF detection coils inside. For example, with the arrangement shown in FIG. 7 described later, the water content of a plurality of PEMs can be measured with one magnet.

次に、本実施形態の作用効果を説明する。
燃料電池131では、永久磁石113をセパレータとして用いることができるため、永久磁石113の流路溝に燃料または酸化剤を流しながら、固体高分子電解質膜117の局所的な水分量分布を測定することができる。運転中の固体高分子電解質膜117中の水分量分布をその場で測定できるため、電池の運転効率を向上させる制御が可能となる。
たとえば、凹部105の上部における固体高分子電解質膜117中の水分量を測定すれば、燃料または酸化剤が膜中に供給される領域近傍における膜中の水分量をリアルタイムで測定できる。
また、凸部103の上部における固体高分子電解質膜117中の水分量を測定すれば、流路溝から供給されたプロトン性溶媒の拡散状態を把握することもできる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the fuel cell 131, since the permanent magnet 113 can be used as a separator, the local water content distribution of the solid polymer electrolyte membrane 117 is measured while fuel or an oxidant is allowed to flow in the flow channel of the permanent magnet 113. Can do. Since the moisture content distribution in the solid polymer electrolyte membrane 117 during operation can be measured on the spot, it is possible to control to improve the operation efficiency of the battery.
For example, if the amount of water in the solid polymer electrolyte membrane 117 at the top of the recess 105 is measured, the amount of water in the membrane near the region where fuel or oxidant is supplied into the membrane can be measured in real time.
Further, if the amount of water in the solid polymer electrolyte membrane 117 at the top of the convex portion 103 is measured, the diffusion state of the protic solvent supplied from the channel groove can also be grasped.

また、高分子電解質膜のような薄いシート状の試料に対しては、電池の全体形状を大きく変更することなく、計測したい位置や場所のみに磁場を印加するRF検出コイルを設置できる必要がある。この点、本実施形態の燃料電池では、永久磁石113をセパレータとして用いることにより、固体高分子電解質膜117が、セパレータ表面に平行に配置されるとともにセパレータの近傍に配置される。このため、セパレータの流路形成面の近傍に形成される磁場中に配置された固体高分子電解質膜117の測定に適した構成となっている。また、RFコイルとして平面型コイル114を用いることにより、コイルを固体高分子電解質膜117の表面近傍の所定の位置に積層することが容易な構成となっており、セル133の厚さを大幅に変えることなく、水分量の測定装置を組み込むことが可能である。このように、燃料電池131においては、永久磁石113および平面型コイル114の構成が、薄いシート状の固体高分子電解質膜117に適合した構成となっており、計測したい位置での膜の局所含水量が計測可能となる。   In addition, for thin sheet-like samples such as polymer electrolyte membranes, it is necessary to be able to install an RF detection coil that applies a magnetic field only to the position and location where measurement is desired, without greatly changing the overall shape of the battery. . In this regard, in the fuel cell according to the present embodiment, by using the permanent magnet 113 as a separator, the solid polymer electrolyte membrane 117 is disposed in parallel to the separator surface and in the vicinity of the separator. For this reason, it has a configuration suitable for measurement of the solid polymer electrolyte membrane 117 disposed in a magnetic field formed in the vicinity of the flow path forming surface of the separator. Further, by using the planar coil 114 as the RF coil, it is easy to stack the coil at a predetermined position near the surface of the solid polymer electrolyte membrane 117, and the thickness of the cell 133 is greatly increased. It is possible to incorporate a moisture measuring device without change. As described above, in the fuel cell 131, the configuration of the permanent magnet 113 and the planar coil 114 is adapted to the thin sheet-like solid polymer electrolyte membrane 117, and the local area of the membrane at the position where measurement is desired. The water content can be measured.

また、本実施形態では、磁場が装置の一部にのみ印加されるために、使用できる装置材質の制限が緩和され、装置のすべてを非磁性材料にする必要はなく、実用化に適した構成となっている。   Further, in this embodiment, since the magnetic field is applied only to a part of the apparatus, restrictions on usable apparatus materials are alleviated, and it is not necessary to use all of the apparatus as a non-magnetic material. It has become.

また、燃料電池131では、固体高分子電解質膜117の燃料極314側の表面、酸化剤極315側の表面それぞれに、平面型コイル114を当接させて、燃料極314側の表面近傍、酸化剤極315側の表面近傍の水分量をそれぞれ把握し、各電極の表面近傍の水分量と、発電効率との関係を把握することもできる。これにより、燃料極314側、あるいは、酸化剤極315側のどちらからの側の水蒸気の供給が、発電効率に有効であるかどうかを把握することも可能である。   Further, in the fuel cell 131, the planar coil 114 is brought into contact with the surface on the fuel electrode 314 side and the surface on the oxidant electrode 315 side of the solid polymer electrolyte membrane 117, and the vicinity of the surface on the fuel electrode 314 side is oxidized. It is also possible to grasp the amount of water near the surface on the agent electrode 315 side and grasp the relationship between the amount of water near the surface of each electrode and the power generation efficiency. Thereby, it is also possible to grasp whether the supply of water vapor from either the fuel electrode 314 side or the oxidant electrode 315 side is effective for power generation efficiency.

さらに、本実施形態の燃料電池131は、セル133が長時間運転された際に生じる発電効率の低下の原因を探るための有用なデータを「高分子膜の含水量」という視点から提供することができる。   Furthermore, the fuel cell 131 of the present embodiment provides useful data for searching for the cause of the decrease in power generation efficiency that occurs when the cell 133 is operated for a long time from the viewpoint of “water content of polymer membrane”. Can do.

なお、本実施形態の燃料電池は、図7に示すように、複数のセルが積層されたスタック型であってもよい。スタック型の燃料電池の場合にも、永久磁石113を「ガス流路付永久磁石」つまりセパレータとすることができる。
図7は、固体高分子電解質膜117aおよび固体高分子電解質膜117bを含む複数のセルを備えたスタック型燃料電池の構成を示す断面図である。
図7では、永久磁石113が、最も外側のセパレータとして設けられている。永久磁石113は、燃料電池スタックの一番端のセル(固体高分子電解質膜117b)に対向して設けられており、永久磁石113の凸部103で固体高分子電解質膜117bを保持し、凹部105に燃料ガスまたは酸化剤ガスが流れる。なお、図7において、セパレータ111は、永久磁石113を有しない通常のセパレータである。
Note that the fuel cell of the present embodiment may be of a stack type in which a plurality of cells are stacked as shown in FIG. Also in the case of a stack type fuel cell, the permanent magnet 113 can be a “permanent magnet with gas flow path”, that is, a separator.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a stack type fuel cell including a plurality of cells including a solid polymer electrolyte membrane 117a and a solid polymer electrolyte membrane 117b.
In FIG. 7, the permanent magnet 113 is provided as the outermost separator. The permanent magnet 113 is provided to face the endmost cell (solid polymer electrolyte membrane 117b) of the fuel cell stack, holds the solid polymer electrolyte membrane 117b with the convex portion 103 of the permanent magnet 113, and has a concave portion. A fuel gas or an oxidant gas flows through 105. In FIG. 7, the separator 111 is a normal separator that does not have the permanent magnet 113.

また、前述した図3(b)より、磁石から離れた位置(z>10mm)であっても、磁場強度は0.2〜0.3Tesla程度である。この程度の磁場強度であれば、NMR計測は充分に可能である。したがって、燃料電池スタックの一番端に磁石を置いたとしても、スタック内部にまで磁場は形成される。しかも、静磁場強度は距離が離れるに従って徐々に低下するため、共鳴周波数も磁石から離れるに従って低下していく。共鳴周波数がことなれば、複数のRFコイルでの励起パルスの干渉は生じにくくなる。   Further, from FIG. 3B described above, the magnetic field strength is about 0.2 to 0.3 Tesla even at a position away from the magnet (z> 10 mm). With such a magnetic field strength, NMR measurement is sufficiently possible. Therefore, even if a magnet is placed at the extreme end of the fuel cell stack, a magnetic field is formed even inside the stack. Moreover, since the static magnetic field strength gradually decreases as the distance increases, the resonance frequency also decreases as the distance from the magnet increases. If the resonance frequency is different, interference of excitation pulses in a plurality of RF coils is less likely to occur.

また、本発明の燃料電池の用途に特に制限はない。たとえば、実際に電池として用いるだけでなく、固体高分子電解質膜117の評価装置として用いてもよい。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the use of the fuel cell of this invention. For example, it may be used not only as a battery but also as an evaluation apparatus for the solid polymer electrolyte membrane 117.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

たとえば、以上の実施形態において、測定装置100が平面型コイル114を複数備え、複数の平面型コイル114が、膜115の複数箇所に対し、励起用振動磁場を印加するとともに、当該励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得し、溶媒量算出部124が、膜115の複数箇所におけるプロトン性溶媒量を算出するように構成されていてもよい。膜115の複数箇所に平面型コイル114を配置してプロトン性溶媒量を測定することにより、膜115のプロトン性溶媒量の分布をさらに短時間で測定することが可能となる。このとき、図6を参照して前述した一つの第一領域107上または一つの第二領域109上に複数の平面型コイル114を配置すれば、膜厚方向における静磁場強度のずれを抑制し、より一層高精度な多点測定が可能となる。   For example, in the above embodiment, the measuring apparatus 100 includes a plurality of planar coils 114, and the plurality of planar coils 114 applies an excitation oscillating magnetic field to a plurality of locations of the film 115 and the excitation oscillating magnetic field. And the solvent amount calculation unit 124 may be configured to calculate the amount of protic solvent at a plurality of locations of the membrane 115. By disposing the planar coil 114 at a plurality of locations on the membrane 115 and measuring the amount of protic solvent, the distribution of the amount of protic solvent in the membrane 115 can be measured in a shorter time. At this time, if a plurality of planar coils 114 are arranged on one first region 107 or one second region 109 described above with reference to FIG. 6, the deviation of the static magnetic field strength in the film thickness direction is suppressed. Thus, multipoint measurement with even higher accuracy becomes possible.

また、以上の実施形態においては、CPMG法により取得されたエコー信号から緩和時定数T2を算出し、算出されたT2から膜中のプロトン性溶媒量を算出する場合を例に説明したが、実施例で後述するように、エコー信号の信号強度からプロトン性溶媒量を求めることも可能である。
なお、T2は、RFコイルの感度、アンプの倍率、フィルター特性等の装置構成に依存しないため、T2から膜中のプロトン性溶媒量を算出することにより、プロトン性溶媒量をさらに簡便に算出することができる。また、信号強度からプロトン性溶媒量を算出する際には、測定装置の構成に応じて、信号強度とプロトン性溶媒量とを対応づける校正曲線を予め実験により取得してもよい。
In the above embodiment, the case where the relaxation time constant T 2 is calculated from the echo signal acquired by the CPMG method and the amount of the protic solvent in the membrane is calculated from the calculated T 2 has been described as an example. As will be described later in the embodiment, the amount of the protic solvent can be obtained from the signal intensity of the echo signal.
Since T 2 does not depend on the device configuration such as RF coil sensitivity, amplifier magnification, filter characteristics, etc., calculating the amount of protic solvent in the membrane from T 2 makes the amount of protic solvent even easier. Can be calculated. Further, when calculating the amount of protic solvent from the signal intensity, a calibration curve for associating the signal intensity with the amount of protic solvent may be obtained in advance by experiments in accordance with the configuration of the measuring apparatus.

また、以上の実施形態において、たとえば、以下のようにすることも可能となる。
すなわち、磁石にガス流路部を付け、燃料電池のセパレータの一部として燃料電池装置に組み込みが可能なガス流路付磁石を用い、薄いシート状の高分子電解質膜に適合したDouble−D型RF検出コイルによって、計測したい位置(深度)での膜の局所含水量が計測できる。
また、ガス流路付磁石とDouble−D型コイルを燃料電池の計測したい位置や場所に設置して計測すれば、その場所のみに磁場を印加するだけでよい。これにより、磁場印加箇所以外の位置の装置は、非磁性材料で製作する必要がなくなるため、NMRセンサをより実際的な燃料電池装置に適用できる。
また、NMRセンサのコンパクト化、設置の容易さ、機器の低価格化が実現できる。
また、RF検出コイルと磁石を組み合わせた一体型の装置とすれば、両者の位置合わせが不要で、簡便に計測ができる。
また、このセンサを燃料電池に組み込めば、燃料電池の高分子電解質膜の含水量を常時モニタリングし、それが高い伝導度を常に保つことができるように制御することができるようになり、燃料電池の発電効率を高く維持することが可能となる。
Further, in the above embodiment, for example, the following can be performed.
That is, a double-D type suitable for a thin sheet-like polymer electrolyte membrane using a gas flow path magnet attached to a magnet and using a gas flow path magnet that can be incorporated into a fuel cell device as a part of a fuel cell separator The local moisture content of the membrane at the position (depth) to be measured can be measured by the RF detection coil.
Further, if the gas flow path magnet and the Double-D type coil are installed and measured at the position or place where the fuel cell is to be measured, it is only necessary to apply the magnetic field only to that place. This eliminates the need for the device at a position other than the magnetic field application location to be made of a non-magnetic material, so that the NMR sensor can be applied to a more practical fuel cell device.
In addition, the NMR sensor can be made compact, easy to install, and low in equipment cost.
In addition, if an integrated apparatus combining an RF detection coil and a magnet is used, positioning of the two is unnecessary and measurement can be performed easily.
Also, if this sensor is incorporated into a fuel cell, the water content of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell can be constantly monitored and controlled so that it can always maintain high conductivity. It is possible to maintain high power generation efficiency.

また、以上の実施形態では、燃料電池の固体高分子電解質膜のプロトン性溶媒量を測定する場合を主として例示したが、測定対象の試料は、膜状のものであればよい。
また、試料は膜状であれば固体のものには限られず、たとえば、所定の厚さの空間内に充填されているプロトン性溶媒を含む液体であってもよい。また、試料は、固体高分子電解質等の膜からなるものには限られず、たとえば膜の一方の面または両面に、触媒層等の所定の層が形成されていてもよい。
Moreover, although the case where the amount of the protic solvent of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell is mainly exemplified in the above embodiment, the sample to be measured may be in the form of a membrane.
Further, the sample is not limited to a solid sample as long as it is in the form of a film, and may be, for example, a liquid containing a protic solvent filled in a space having a predetermined thickness. Further, the sample is not limited to a film made of a solid polymer electrolyte or the like, and for example, a predetermined layer such as a catalyst layer may be formed on one or both surfaces of the film.

(実施例1)
本実施例では、以下に示す試料A〜試料Cについて、図12に示した測定装置(第三の実施形態)を用いてCPMG法により試料のT(CPMG)値を計測した。
(試料A)液体試料(水)
(試料B)高分子電解質膜(PEM)
(試料C)電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)
を用いた。なお、本実施例において、図2に示した永久磁石を用いた。永久磁石の材料は、NEOMAX社製NEOMAX−44Hとした。
Example 1
In this example, T 2 (CPMG) values of the samples A to C shown below were measured by the CPMG method using the measurement apparatus (third embodiment) shown in FIG.
(Sample A) Liquid sample (water)
(Sample B) Polymer electrolyte membrane (PEM)
(Sample C) Polymer electrolyte membrane with electrode and catalyst (MEA)
Was used. In this example, the permanent magnet shown in FIG. 2 was used. The material of the permanent magnet was NEOMAX-44H manufactured by NEOMAX.

(試料A)液体試料(水)
図13は、本実施例の試料を示す図である。試料の作製は、以下の手順で行った。まず、2枚のカバーガラス(寸法18mm×18mm、厚さ0.12mm)を0.5mmの隙間を空けて接着し、容器を製作した。その容器の中に水を注入して、容器を密閉した。水の部分の寸法は15mm×15mm×厚さ0.5mmである。以下、この試料を「0.5mm厚水試料」とも呼ぶ。
(Sample A) Liquid sample (water)
FIG. 13 is a diagram showing a sample of this example. The sample was prepared according to the following procedure. First, two cover glasses (dimensions 18 mm × 18 mm, thickness 0.12 mm) were bonded with a gap of 0.5 mm to produce a container. Water was poured into the container and the container was sealed. The dimensions of the water part are 15 mm × 15 mm × thickness 0.5 mm. Hereinafter, this sample is also referred to as a “0.5 mm thick water sample”.

0.5mm厚水試料をPEMに見立て、図10に示した配置の固体高分子電解質膜(PEM)117の位置に置いた。図14(a)は、ガス流路付永久磁石の上にDouble−D型コイルが置かれ、その上に「0.5mm厚水試料」が置かれている様子を示す図である。   A 0.5 mm thick water sample was regarded as a PEM and placed at the position of a solid polymer electrolyte membrane (PEM) 117 having the arrangement shown in FIG. FIG. 14A is a diagram showing a state in which a Double-D coil is placed on a permanent magnet with a gas flow path, and a “0.5 mm thick water sample” is placed thereon.

また、NMR計測に用いた装置を図14(b)に示した。磁石とコイルと試料(図14(a))は、図14(b)中左下の真鍮製電磁波シールド箱の中に入れて測定した。このシールドによって、外部からのノイズが遮断される。この装置を用いてCPMG計測を行った。   Moreover, the apparatus used for NMR measurement was shown in FIG.14 (b). A magnet, a coil, and a sample (FIG. 14A) were placed in a brass electromagnetic shielding box at the lower left in FIG. 14B and measured. Noise from the outside is blocked by this shield. CPMG measurement was performed using this apparatus.

0.5mm厚水試料でCPMG計測によって得られたエコー信号を図15に示す。NMR計測のパラメータは次の値とした。90度励起パルスの繰り返し時間(TR)は5秒、90度励起パルスのダミー回数は4回、NMR信号の積算回数は64回、共鳴周波数は13.07MHzである。0.5mm厚水試料の温度は約25℃であった。   An echo signal obtained by CPMG measurement with a 0.5 mm thick water sample is shown in FIG. The NMR measurement parameters were as follows. The 90-degree excitation pulse repetition time (TR) is 5 seconds, the 90-degree excitation pulse dummy count is 4, the NMR signal integration count is 64, and the resonance frequency is 13.07 MHz. The temperature of the 0.5 mm thick water sample was about 25 ° C.

取得したエコー信号の中から、「偶数番目のエコー信号強度」のみを抽出し、それを対数プロットした様子を図16に示す。このデータを基にして、最小二乗法によって直線近似を行い、その直線の勾配からT2(CPMG)を算出した。この結果、T2(CPMG)は24msであった。 FIG. 16 shows a state where only the “even-numbered echo signal intensity” is extracted from the acquired echo signals and is logarithmically plotted. Based on this data, linear approximation was performed by the least square method, and T 2 (CPMG) was calculated from the gradient of the straight line. As a result, T 2 (CPMG) was 24 ms.

Double−D型RF検出コイルと0.5mm厚水試料の距離を0.5mm刻みで変えて、CPMG計測を行い、エコー信号強度との関係を求めた。その結果を図17に示す。
図17より、コイルと試料との距離(隙間)が1mmの時にエコー信号強度が最大となることがわかる。試料厚さが0.5mmであるから、距離が1mmという意味は、コイルから1.0mmから1.5mmの間に水試料があるということである。この距離は、Double−D型コイルの二つの半円状コイルの隙間の距離(1.2mm)に相当している。この結果から、Double−D型コイルでは、半月状コイルの隙間程度だけ離れた位置(深度)を計測でき、試料の少し内部を計測することができる。
CPMG measurement was performed by changing the distance between the Double-D type RF detection coil and the 0.5 mm thick water sample in 0.5 mm increments, and the relationship with the echo signal intensity was obtained. The result is shown in FIG.
FIG. 17 shows that the echo signal intensity becomes maximum when the distance (gap) between the coil and the sample is 1 mm. Since the sample thickness is 0.5 mm, a distance of 1 mm means that there is a water sample between 1.0 mm and 1.5 mm from the coil. This distance corresponds to the distance (1.2 mm) between the two semicircular coils of the Double-D coil. From this result, in the Double-D type coil, it is possible to measure the position (depth) separated by about the gap of the half-moon shaped coil, and to measure the inside of the sample a little.

本実施例より、Double−D型コイルでは、コイルの幾何学寸法に合わせて計測深度が変わることがわかる。よって、所望の計測深度に合わせたコイルを用いることで、高分子膜内の厚さ方向(深さ方向)分布を計測することが可能となる。   From this example, it can be seen that in the Double-D type coil, the measurement depth changes in accordance with the geometric dimension of the coil. Therefore, it is possible to measure the thickness direction (depth direction) distribution in the polymer film by using a coil according to a desired measurement depth.

(試料B)高分子電解質膜(PEM)
高分子電解質膜(PEM)として、旭硝子株式会社製フレミオン(登録商標)を用いた。PEMの寸法は15mm×15mm×厚さ0.5mmである。膜は予め80℃の3%過酸化水素水、イオン交換水、1N塩酸、イオン交換水の順に各1時間浸して標準化処理をした。
(Sample B) Polymer electrolyte membrane (PEM)
As a polymer electrolyte membrane (PEM), Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. was used. The dimensions of the PEM are 15 mm × 15 mm × thickness 0.5 mm. The membrane was previously standardized by immersing in an order of 3% hydrogen peroxide solution at 80 ° C., ion exchange water, 1N hydrochloric acid, and ion exchange water for 1 hour each.

実験直前にイオン交換水の中に浸されたPEMを取り出し、乾いたキムワイプ(登録商標)で水を拭き取り、適度に乾燥させてPEMの含水量を調整した。調整後は速やかに2枚のカバーガラス(寸法18mm×18mm、厚さ0.12mm)でPEMを挟み、ポリイミドフィルムで密封して乾燥させないようにした。図18にその様子を示す。PEMの質量を電子天秤で計測し、含水量がNMR計測の前と後で変化していないことを確認した。   Immediately before the experiment, the PEM soaked in ion-exchanged water was taken out, wiped with dry Kimwipe (registered trademark), and dried appropriately to adjust the water content of the PEM. After the adjustment, the PEM was quickly sandwiched between two cover glasses (dimensions 18 mm × 18 mm, thickness 0.12 mm) and sealed with a polyimide film so as not to be dried. This is shown in FIG. The mass of PEM was measured with an electronic balance, and it was confirmed that the water content did not change before and after NMR measurement.

PEMの含水量は、充分に乾燥させたPEMの質量を電子天秤で計測し、含水状態のPEMの質量も計測して、その質量増加分から算出した。
本実施例では、PEMの含水量を14.9[H2O/SO3 -+]と12.4[H2O/SO3 -+]と変えて行った。PEM試料そのものは同一試料であり、含水量のみが異なる状態である。
The water content of the PEM was calculated from the increase in mass by measuring the mass of the sufficiently dried PEM with an electronic balance and measuring the mass of the PEM in the water-containing state.
In this example, the water content of PEM was changed to 14.9 [H 2 O / SO 3 H + ] and 12.4 [H 2 O / SO 3 H + ]. The PEM sample itself is the same sample, and only the water content is different.

試料Aの「0.5mm厚水試料」での計測と同様に、PEMを図10に示した位置に置き、計測を行った。ガス流路付永久磁石の上にDouble−D型コイルを配置し、その上に「高分子電解質膜(PEM)」を置き、これを真鍮製のシールド箱に入れてCPMG計測を行った。   Similar to the measurement with the “0.5 mm thick water sample” of sample A, the PEM was placed at the position shown in FIG. A Double-D type coil was placed on a permanent magnet with a gas flow path, a “polymer electrolyte membrane (PEM)” was placed thereon, and this was placed in a brass shield box to perform CPMG measurement.

含水量が14.9[H2O/SO3 -+]のPEMを試料としてCPMG計測によって得られたエコー信号を図19に示す。NMR計測のパラメータは次の値とした。90度励起パルスの繰り返し時間(TR)は5秒、90度励起パルスのダミー回数は0回、NMR信号の積算回数は64回、共鳴周波数は13.07MHzである。高分子電解質膜(PEM)の温度は約25℃であった。 FIG. 19 shows an echo signal obtained by CPMG measurement using a PEM having a water content of 14.9 [H 2 O / SO 3 H + ] as a sample. The NMR measurement parameters were as follows. The 90-degree excitation pulse repetition time (TR) is 5 seconds, the 90-degree excitation pulse dummy count is 0, the NMR signal integration count is 64, and the resonance frequency is 13.07 MHz. The temperature of the polymer electrolyte membrane (PEM) was about 25 ° C.

0.5mm厚水試料と同様の方法で、PEMで取得したエコー信号の中から、「偶数番目のエコー信号強度」のみを抽出し、それを対数プロットした様子を図20に示す。このデータを基にして、最小二乗法によって直線近似を行い、その直線の勾配からT2(CPMG)を算出した。この結果、T2(CPMG)は34msであった。 FIG. 20 shows a state where only the “even-numbered echo signal intensity” is extracted from the echo signal acquired by the PEM and logarithmically plotted in the same manner as the 0.5 mm thick water sample. Based on this data, linear approximation was performed by the least square method, and T 2 (CPMG) was calculated from the gradient of the straight line. As a result, T 2 (CPMG) was 34 ms.

また、含水量が12.4[H2O/SO3 -+]のPEMでも同様の計測を行った。それぞれの含水量のPEMでCPMG計測を3回行い、算出したT2(CPMG)の値を図21に示した。直線は3回のT2(CPMG)値の平均値を基に結んだものである。 Moreover, the same measurement was performed with PEM having a water content of 12.4 [H 2 O / SO 3 H + ]. The CPMG measurement was performed 3 times with each water content PEM, and the calculated T 2 (CPMG) value is shown in FIG. The straight line is connected based on the average value of three T 2 (CPMG) values.

図21より、含水量が低下するほど、T2(CPMG)値が短くなることがわかる。
また、PEMの含水量が低下すると、エコー信号強度も低下した。二つの含水量のPEMから取得されたエコー信号強度と含水量の関係を図22に示す。ここで用いたエコー信号強度はCPMG計測で得られた2、4、6番目の三つのエコー信号強度の平均値である。信号強度のばらつきを抑えるためにこのような平均化操作を行った。
FIG. 21 shows that the T 2 (CPMG) value decreases as the water content decreases.
Moreover, when the water content of PEM decreased, the echo signal intensity also decreased. FIG. 22 shows the relationship between the echo signal intensity and the water content acquired from the two water content PEMs. The echo signal intensity used here is an average value of the third, fourth, and sixth echo signal intensities obtained by CPMG measurement. Such an averaging operation was performed in order to suppress variations in signal intensity.

図21および図22より、PEMの含水量とエコー信号強度との定量的な関係が得られることがわかった。よって、エコー信号の強度を基にしてPEMの含水量を換算することもできる。   From FIG. 21 and FIG. 22, it was found that a quantitative relationship between the water content of PEM and the echo signal intensity can be obtained. Therefore, the water content of the PEM can be converted based on the intensity of the echo signal.

(試料C)電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)
さらに、高分子電解質膜(PEM)の表面に電極兼触媒を付与した電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)を試料としてT2(CPMG)値の取得実験を行った。
MEAは、非特許文献2を参考に行った。具体的には、旭硝子社製の高分子電解質膜に、アノード側にPtとIrを、カソード側にPtを無電解めっきして製作した。MEAの寸法は17mm×15mm角、500μm厚さである。
(Sample C) Polymer electrolyte membrane with electrode and catalyst (MEA)
Furthermore, an experiment for obtaining a T 2 (CPMG) value was performed using an electrode / catalyst-attached polymer electrolyte membrane (MEA) provided with an electrode and catalyst on the surface of the polymer electrolyte membrane (PEM).
MEA was performed with reference to Non-Patent Document 2. Specifically, a polymer electrolyte membrane manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. was electrolessly plated with Pt and Ir on the anode side and Pt on the cathode side. The dimensions of the MEA are 17 mm × 15 mm square and 500 μm thickness.

標準化処理されたMEAは実験直前にイオン交換水から引き上げ、キムワイプに押し付けて水を充分に拭き取った。実験直前のMEAの含水量は約15[H2O/SO3 -+]である。水を拭き取った後は速やかに2枚のカバーガラス(寸法18mm×18mm、厚さ0.12mm)でMEAを挟み、ポリイミドフィルムで密封して乾燥させないようにした。図23にその様子を示す。 The standardized MEA was pulled up from ion-exchanged water just before the experiment and pressed against Kimwipe to sufficiently wipe off the water. The water content of the experimental immediately preceding MEA about 15 [H 2 O / SO 3 - H +] is. After wiping off the water, the MEA was quickly sandwiched between two cover glasses (dimensions 18 mm × 18 mm, thickness 0.12 mm) and sealed with a polyimide film to prevent drying. This is shown in FIG.

試料Aの「0.5mm厚水試料」での計測と同様に、MEAを図10に示した位置に置き、計測を行った。ガス流路付永久磁石の上にDouble−D型コイルを配置し、その上に「電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)」を配置した。これを真鍮製のシールド箱に入れてCPMG計測を行った。   Similar to the measurement with the “0.5 mm thick water sample” of sample A, the MEA was placed at the position shown in FIG. A Double-D type coil was disposed on a permanent magnet with a gas flow path, and a “polymer electrolyte membrane with electrode / catalyst (MEA)” was disposed thereon. This was put into a brass shield box and CPMG measurement was performed.

MEAを試料としてCPMG計測によって得られたエコー信号を図24に示す。NMR計測のパラメータは次の値とした。90度励起パルスの繰り返し時間(TR)は5秒、90度励起パルスのダミー回数は0回、NMR信号の積算回数は64回、共鳴周波数は13.07MHzである。電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)の温度は約25℃であった。
試料Aの0.5mm厚水試料と同様の方法で、MEAで取得したエコー信号の中から、「偶数番目のエコー信号強度」のみを抽出し、それを対数プロットした様子を図25に示す。このデータを基にして、最小二乗法によって直線近似を行い、その直線の勾配からT2(CPMG)を算出した。この結果、T2(CPMG)は41msであった。
FIG. 24 shows an echo signal obtained by CPMG measurement using MEA as a sample. The NMR measurement parameters were as follows. The 90-degree excitation pulse repetition time (TR) is 5 seconds, the 90-degree excitation pulse dummy count is 0, the NMR signal integration count is 64, and the resonance frequency is 13.07 MHz. The temperature of the electrode / catalyst-attached polymer electrolyte membrane (MEA) was about 25 ° C.
FIG. 25 shows a state in which only the “even-numbered echo signal intensity” is extracted from the echo signal acquired by the MEA and logarithmically plotted in the same manner as the sample A 0.5 mm thick water sample. Based on this data, linear approximation was performed by the least square method, and T 2 (CPMG) was calculated from the gradient of the straight line. As a result, T 2 (CPMG) was 41 ms.

以上より、試料を電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)としても、妥当なT2(CPMG)値が計測できた。
よって、燃料電池内に実装できるように製作したガス流路付永久磁石とDouble−D型RFコイルを用いて、電極・触媒付高分子電解質膜(MEA)のCPMG計測ができ、算出されたT2(CPMG)値から高分子電解質膜内の含水量が推算できることがわかる。
From the above, even when the sample was a polymer electrolyte membrane with electrode / catalyst (MEA), an appropriate T 2 (CPMG) value could be measured.
Therefore, CPMG measurement of the electrode / catalyst polymer electrolyte membrane (MEA) can be performed using the permanent magnet with gas flow path and the Double-D type RF coil manufactured so as to be mounted in the fuel cell, and the calculated T 2 It can be seen that the water content in the polymer electrolyte membrane can be estimated from the (CPMG) value.

以上のように、試料A〜試料Cのいずれについても、CPMG計測により、有意なT2(CPMG)値が算出できることが確認された。 As described above, it was confirmed that for any of Sample A to Sample C, a significant T 2 (CPMG) value can be calculated by CPMG measurement.

なお、非特許文献1には、燃料電池の固体高分子電解質膜の含水量値は、4〜6[H2O/SO3 -+]程度であることが記載されていることから、たとえば2[H2O/SO3 -+]程度の含水量の変動を検出することができれば、燃料電池の固体高分子電解質膜の評価に好適に用いることができると考えられる。この点、本実施例の方法は、以上の測定結果より、固体高分子膜の含水量の変動を充分検出できる程度の検出感度を有することがわかる。 Non-Patent Document 1 describes that the water content value of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell is about 4 to 6 [H 2 O / SO 3 H + ]. 2 [H 2 O / sO 3 - H +] if it is possible to detect the variation in the degree of water content, considered can be suitably used for the evaluation of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell. In this respect, it can be seen from the above measurement results that the method of this example has a detection sensitivity that can sufficiently detect fluctuations in the water content of the solid polymer membrane.

また、燃料電池の運転中にセパレータ流路内を流れる燃料ガスおよび酸化剤ガス中のプロトン性溶媒の単位体積あたりの濃度は、高分子電解質膜内のプロトン性溶媒の濃度に比べて非常に小さく、この結果、ガスからのエコー信号は無視できるほどに小さい。このため、永久磁石の流路溝にプロトン性溶媒を含むガスを流したとしても、流さない状態と同様の測定精度でT2(CPMG)計測ができる。 Further, the concentration per unit volume of the protic solvent in the fuel gas and the oxidant gas flowing in the separator channel during the operation of the fuel cell is very small compared to the concentration of the protic solvent in the polymer electrolyte membrane. As a result, the echo signal from the gas is negligibly small. For this reason, even if a gas containing a protic solvent is caused to flow in the flow channel groove of the permanent magnet, T 2 (CPMG) measurement can be performed with the same measurement accuracy as in the state where no flow is made.

(実施例2)
本実施例では、Double-D型コイルが作る励起磁場分布Hxを理論解析し、CPMG法を用いた際のコイルが受信するエコー信号強度分布SSE_Detect(計測領域と同等)を定量的に算出した。特に、二つのD型コイルの間隔Lを変えたときに、NMR信号取得領域がコイルから離れていくことを確認した。また、間隔Lを調整することによって計測深度が変えられることを示した。
(Example 2)
In this embodiment, the excitation magnetic field distribution H x created by the Double-D type coil is theoretically analyzed, and the echo signal intensity distribution S SE_Detect (equivalent to the measurement region) received by the coil when the CPMG method is used is quantitatively calculated. did. In particular, it was confirmed that the NMR signal acquisition region was separated from the coil when the distance L between the two D-type coils was changed. It was also shown that the measurement depth can be changed by adjusting the interval L.

Double-D型コイルの幾何学形状は、実施例1で使用した形状とほぼ等しくし、直径D=12mm、3回巻き、二つのD型コイルの間隔はL=1.2mmとした。図26(a)および図26(b)は、本実施例で解析したDouble-D型コイルの構成を示す図である。なお、図26(a)には、1回巻きの場合のDouble-D型コイルの形状を示したが、実際の計算では、図26(b)に示したように、3回巻きとした。   The geometric shape of the Double-D coil was almost the same as the shape used in Example 1, the diameter D = 12 mm, three turns, and the distance between the two D-type coils was L = 1.2 mm. FIG. 26A and FIG. 26B are diagrams showing the configuration of the Double-D type coil analyzed in this example. FIG. 26 (a) shows the shape of the Double-D coil in the case of one turn, but in actual calculation, as shown in FIG. 26 (b), three turns were used.

形状パラメータとして、二つのD型コイルの間隔Lを0.6mm、1.2mm、1.8mmおよび2.4mmと変えて、コイルで受信されるNMR信号取得領域(計測領域)の変化を調べた。   As the shape parameter, the distance L between the two D-shaped coils was changed to 0.6 mm, 1.2 mm, 1.8 mm, and 2.4 mm, and the change in the NMR signal acquisition region (measurement region) received by the coil was examined. .

(励起用振動磁場の形成領域の解析)
はじめに、図27に示した幾何学形状を有する3回巻きDouble-D型コイルの形成する励起磁場Hx(xp,yp,zp)を以下の仮定の下で解析した。
(i)コイルの線径はゼロとする(無限小の線径)。
(ii)導電時に表皮効果はないとする。線径をゼロとしたことから、コイルの表面のみで電流が流れる効果も無視したこととなる。
(iii)3回巻きコイルでは、図26(b)のように直径の異なる三つの円を同心円状に配置し、最大の円弧から順に1巻き目直線部導線の間隔をL1、2巻き目直線部導線の間隔をL2、3巻き目直線部導線の間隔をL3とした(L1>L2>L3)。
(iv)コイルは導線のみでできており、被覆膜は無視する。誘電率、透磁率は真空の値を使用する。
(v)試料(膜)は存在しない。空間全域で誘電率、透磁率は真空の値を使用する。
(vi)リード部(円形コイル以外の配線部)は無視する。
(Analysis of formation region of oscillating magnetic field for excitation)
First, the excitation magnetic field H x (x p , y p , z p ) formed by the three-turn Double-D coil having the geometric shape shown in FIG. 27 was analyzed under the following assumptions.
(I) The coil wire diameter is zero (infinitely small wire diameter).
(Ii) There is no skin effect during conduction. Since the wire diameter is zero, the effect of current flowing only on the coil surface is ignored.
(Iii) In the three-turn coil, three circles having different diameters are arranged concentrically as shown in FIG. 26 (b), and the interval between the first and second straight wire portions is set to L1 and the second turn straight line in order from the largest arc. The interval between the partial conductors was L2, and the interval between the third winding straight portion conductors was L3 (L1>L2> L3).
(Iv) The coil is made only of a conductive wire, and the coating film is ignored. The dielectric constant and permeability use vacuum values.
(V) There is no sample (membrane). Vacuum values are used for permittivity and permeability throughout the space.
(Vi) Lead parts (wiring parts other than circular coils) are ignored.

上記仮定の下、導電体に流れる電流Iが作る磁場Hをビオ・サバールの法則に基づいて算出した。説明のために、図28(a)および図28(b)に示した円形コイルを例に挙げて説明をする。なお、図28では、説明の便宜上、コイルの平面形状を円形としたが、解析では図26(b)に示した形状とした。   Under the above assumption, the magnetic field H generated by the current I flowing through the conductor was calculated based on Bio-Savart's law. For explanation, the circular coil shown in FIGS. 28A and 28B will be described as an example. In FIG. 28, for convenience of explanation, the planar shape of the coil is circular, but in the analysis, it is the shape shown in FIG.

円形コイルが真空中(透磁率が4π×10-7N/A2)に置かれた場合に、円形コイルが位置(xp,yp,zp)に作る磁場H(xp,yp,zp)は式(2)で表される。 When the circular coil is placed in a vacuum (permeability is 4π × 10 −7 N / A 2 ), the magnetic field H (x p , y p ) created by the circular coil at the position (x p , y p , z p ) , Z p ) is expressed by equation (2).

上記式(2)の座標系は図28に示した通りであり、式(2)中の記号の意味は以下の通りである。
H:位置rでの磁場の強さ[A/m](ベクトル)
r:空間中の点Pの位置(xp,yp,zp)[m](ベクトル)
r':コイル上の点Qの位置(xq,yq,zq)[m](ベクトル)
I:電流[A](スカラー)
t:電流が流れる方向を表す単位ベクトル(点Qでのコイルの形状を表す。図28において、点Qとx軸との角度をθとするとき、tはt=(sinθ,cosθ,0)である。)[−](ベクトル)
積分の意味:コイル全周に渡って線積分を行う。点Pに生ずる磁場は、コイル上にある点Qをコイルに沿って移動させ、各点Qの位置で作られる磁場をコイル全周に渡って積分する(総和を得る)ことで求められる。
The coordinate system of the above formula (2) is as shown in FIG. 28, and the meanings of symbols in the formula (2) are as follows.
H: Magnetic field strength at position r [A / m] (vector)
r: position (x p , y p , z p ) [m] (vector) of point P in space
r ′: position of the point Q on the coil (x q , y q , z q ) [m] (vector)
I: Current [A] (scalar)
t: unit vector representing the direction of current flow (represents the shape of the coil at point Q. In FIG. 28, when the angle between point Q and the x-axis is θ, t is t = (sin θ, cos θ, 0). [-] (Vector)
Meaning of integration: Line integration is performed over the entire circumference of the coil. The magnetic field generated at the point P is obtained by moving the point Q on the coil along the coil and integrating the magnetic field created at the position of each point Q over the entire circumference of the coil (obtaining the sum).

Double-D型コイルの場合には、円弧部分と直線部分が組み合わされて構成されている。そこで、次のようにコイル形状を近似して、Double-D型コイルの形状とほぼ等しくした。
すなわち、Double-D型コイルの円弧部はこれを多数の区間に分割し、区間内では長さcL_ds[m]の直線で表されると近似した。その区間でのtは、角度θの増加に伴って滑らかに変化していくものとした。また、コイルの直線部は直線の要素として分割した。これによって、式(2)を数値的に計算することが可能となる。本実施例では一つの片側D型コイルを16の直線に分割し、曲線部も16の直線に分割した。この分割方法を外側の一巻き目、二巻き目、三巻き目(最内側)で同様にした。図29に、分割時のパラメータを示す。分割した要素の中心を点で記し、全体の形状を示したのが図26(b)である。
In the case of a Double-D type coil, a circular arc part and a straight line part are combined. Therefore, the coil shape was approximated as follows to make it almost equal to the shape of the Double-D type coil.
That is, the arc portion of the Double-D type coil is divided into a number of sections and approximated to be represented by a straight line having a length cL_ds [m] within the section. It is assumed that t in the section changes smoothly as the angle θ increases. Moreover, the linear part of the coil was divided as a linear element. This makes it possible to numerically calculate equation (2). In the present embodiment, one single-side D-shaped coil was divided into 16 straight lines, and the curved portion was also divided into 16 straight lines. This division method was the same for the first roll, the second roll, and the third roll (innermost). FIG. 29 shows parameters at the time of division. The center of the divided element is indicated by a point, and the entire shape is shown in FIG.

コイルに流れる電流Iを1A、L=1.2mmとして、図30に示した空間中のx方向磁場強度Hx(xp,yp,zp)を式(2)により数値解析した。yp=0mmのxz平面である。ただし、この計算ではコイル上は特異点となり計算できないために、コイル近傍の半径0.05mm以内の領域については計算対象外とした。図31は、3回巻きDouble-D型コイルの全体等高線を示す図である。また、図32は、x方向磁場強度のz位置分布Hx(zp)を示す図である。また、図34および図35は、それぞれ、図31および図32の直線導線部(図33)のみを拡大して示す図である。なお、図31および図34においては、コイルの断面を白丸(○)で示した。 The current I flowing through the coil was set to 1A and L = 1.2 mm, and the x-direction magnetic field strength H x (x p , y p , z p ) in the space shown in FIG. 30 was numerically analyzed by the equation (2). It is an xz plane with y p = 0 mm. However, since this calculation is a singular point on the coil and cannot be calculated, an area within a radius of 0.05 mm in the vicinity of the coil is excluded from calculation. FIG. 31 is a diagram showing overall contour lines of a 3-turn Double-D type coil. FIG. 32 is a diagram illustrating the z-position distribution H x (z p ) of the x-direction magnetic field strength. FIGS. 34 and 35 are enlarged views showing only the linear conductor portion (FIG. 33) of FIGS. 31 and 32, respectively. In FIGS. 31 and 34, the cross section of the coil is indicated by a white circle (◯).

図34および図35より、磁場強度が最も高くなる頂点の周辺で、一様とみなせる磁場が形成されることがわかる。この領域をDouble-D型コイルでの計測領域とするようにコイルを配置することにより、励起用振動磁場のばらつきを抑制し、より精度の高い計測が可能となる。計測領域はコイルから約0.6〜0.7mm程度離れた領域とすればよいことがわかる。   34 and 35, it can be seen that a magnetic field that can be considered uniform is formed around the apex where the magnetic field strength is highest. By arranging the coil so that this region is a measurement region of the Double-D type coil, variations in the excitation oscillating magnetic field can be suppressed, and more accurate measurement can be performed. It can be seen that the measurement region may be a region approximately 0.6 to 0.7 mm away from the coil.

二つのD型コイルの間隔Lを0.6mm、1.2mm、1.8mmおよび2.4mmと変えて、同様の磁場解析を行った。図36(a)は、間隔Lが0.6mmの場合のコイル形状を示す図であり、図36(b)は、L=2.4mmの場合のコイル形状を示す図である。   Similar magnetic field analysis was performed by changing the distance L between the two D-type coils to 0.6 mm, 1.2 mm, 1.8 mm, and 2.4 mm. FIG. 36A is a diagram showing a coil shape when the distance L is 0.6 mm, and FIG. 36B is a diagram showing a coil shape when L = 2.4 mm.

磁場解析の一例として、二つのD型コイルの間隔Lが2.4mmの時の3回巻きDouble-D型コイルのx方向磁場強度分布Hx(xp,yp,zp)を図37に示す。また、図38は、Lが2.4mmの時x方向磁場強度のz位置分布Hx(zp)を示す図である。 As an example of a magnetic field analysis, x-direction magnetic field strength of the three turns the Double-D coil when the distance L of two D-type coil 2.4mm distribution H x (x p, y p , z p) Figure 37 Shown in FIG. 38 is a diagram showing the z-position distribution H x (z p ) of the x-direction magnetic field strength when L is 2.4 mm.

図37および図38をL=1.2mmの場合の解析結果と比較すると、L=2.4mmとすることで、磁場強度が最大となり強度が一様となる計測領域がコイルから離れていることがわかる。   Comparing FIG. 37 and FIG. 38 with the analysis result in the case of L = 1.2 mm, by setting L = 2.4 mm, the measurement area where the magnetic field intensity becomes maximum and the intensity becomes uniform is separated from the coil. I understand.

図39は、Double-D型コイルの二つのD型コイルの間隔Lを変えたときのx方向磁場強度のz位置分布Hx(zp)を示す図である。図39より、二つのD型コイルの間隔Lを大きくするほど、計測領域がコイルから離れていくことがわかる。 FIG. 39 is a diagram showing the z-position distribution H x (z p ) of the x-direction magnetic field strength when the distance L between the two D-type coils of the Double-D type coil is changed. From FIG. 39, it can be seen that the measurement region is further away from the coil as the distance L between the two D-type coils is increased.

以上の解析結果より、Double-D型コイルでは、二つのD型コイルの間隔Lを調整することで、計測領域の深度を変えることができることが明らかになった。   From the above analysis results, it became clear that in the Double-D type coil, the depth of the measurement region can be changed by adjusting the distance L between the two D type coils.

(エコー信号強度分布の形成領域の解析)
次に、以上の磁場分布の解析結果を用い、「Double-D型コイルの信号受信感度」と、実験的な関係式に基づいた「核磁化の励起角度αと信号強度の関係」の両方を組み合わせて、以下の手順により表面コイルでの計測領域を算定した。
(i)Double-D型コイルの中心軸上でHx(0,0,zp)が最大となる位置での励起角度αを90度とした場合の励起角度分布α(xp,yp,zp)を理論的に解析した。
(ii)スピンエコー法でのエコー信号強度SSEが励起角度αとSSE=(sinα)3なる実験的な関係式を用いて、エコー信号強度分布SSE(xp,yp,zp)を算出した。この際、CPMG法とエコー法は同様であると実験結果から判断した。
(iii)Double-D型コイルの信号受信感度は、上述の磁場Hx(xp,yp,zp)に比例するとし、受信感度分布も考慮したエコー信号受信強度分布SSE,Detect(xp,yp,zp)を算出した。
(Analysis of formation area of echo signal intensity distribution)
Next, using the analysis results of the magnetic field distribution above, both the “signal reception sensitivity of the Double-D coil” and the “relationship between the excitation angle α of nuclear magnetization and the signal intensity” based on an experimental relational expression In combination, the measurement area of the surface coil was calculated by the following procedure.
(I) Excitation angle distribution α (x p , y p when the excitation angle α at the position where H x (0, 0, z p ) is maximum on the central axis of the Double-D coil is 90 degrees. , Z p ) were theoretically analyzed.
(Ii) Echo signal intensity distribution S SE (x p , y p , z p ) using an experimental relational expression that the echo signal intensity S SE in the spin echo method is an excitation angle α and S SE = (sin α) 3. ) Was calculated. At this time, it was judged from the experimental results that the CPMG method and the echo method are the same.
(Iii) The signal reception sensitivity of the Double-D type coil is proportional to the magnetic field H x (x p , y p , z p ), and the echo signal reception intensity distribution S SE, Detect ( x p, y p, was calculated z p).

図40は、Double-D型コイルの直径Dが12mm、3回巻きで二つのD型コイルの間隔がL=1.2mmの場合を解析して得られたエコー信号受信強度分布SSE,Detect(xp,yp,zp)を示す図である。図40においては、Double-D型コイルの中心部領域のみのxz平面を拡大して示した。図中には、Double-D型コイルの3本の直線部導線の断面を模式的に示した。模式的の意味は、導線の直径はゼロとして解析しているためである。 FIG. 40 shows the echo signal reception intensity distribution S SE, Detect obtained by analyzing the case where the diameter D of the Double-D coil is 12 mm, the number of turns is 3 and the distance between the two D coils is L = 1.2 mm. (x p, y p, z p) is a diagram showing a. In FIG. 40, the xz plane of only the central region of the Double-D type coil is shown enlarged. In the figure, a cross section of three straight line conductors of a Double-D type coil is schematically shown. The schematic meaning is that the diameter of the conducting wire is analyzed as zero.

また、図40において、信号強度がおおよそ0.8以上となる領域を太線で囲んで示した。この太線で囲まれた領域でDouble-D型コイルにより主にエコー信号が取得され、この領域がこの場合のDouble-D型コイルでの計測領域とみなせる領域である。   In FIG. 40, a region where the signal intensity is approximately 0.8 or more is indicated by being surrounded by a thick line. In the region surrounded by the bold line, echo signals are mainly acquired by the Double-D type coil, and this region can be regarded as a measurement region in the Double-D type coil in this case.

図41は、図40のz軸上のエコー信号受信強度分布SSE,Detect(0,0,zp)を示す図である。この分布の場合には、信号強度がおおよそ0.8以上となる領域をDouble-D型コイルでの計測領域とみなせば、図41において太線で囲まれた領域と同じとなる。 41 is a diagram showing the echo signal reception intensity distribution S SE, Detect (0, 0, z p ) on the z axis in FIG. In the case of this distribution, if a region where the signal intensity is approximately 0.8 or more is regarded as a measurement region in the Double-D type coil, it is the same as the region surrounded by the thick line in FIG.

また、図42は、Double-D型コイルの直径Dが12mm、3回巻きで二つのD型コイルの間隔がL=2.4mmの場合を解析して得られたエコー信号受信強度分布SSE,Detect(xp,yp,zp)を示す図である。図42においても、図40と同様に、Double-D型コイルの中心部領域のみのxz平面を拡大して示した。 FIG. 42 shows the echo signal reception intensity distribution S SE obtained by analyzing the case where the diameter D of the Double-D coil is 12 mm, the number of turns is 3 and the distance between the two D coils is L = 2.4 mm. , Detect (x p , y p , z p ). 42, as in FIG. 40, the xz plane of only the central region of the Double-D coil is shown enlarged.

また、図42においても、信号強度がおおよそ0.8以上となる領域を太線で囲んで示した。図42では、図40と比べて、信号強度がおおよそ0.8以上となる領域が広がると同時に、コイルから離れていくことがわかる。   Also in FIG. 42, a region where the signal intensity is approximately 0.8 or more is shown surrounded by a thick line. In FIG. 42, as compared with FIG. 40, it can be seen that the region where the signal intensity is approximately 0.8 or more is widened and at the same time, the region is separated from the coil.

また、図43は、図42のz軸上のエコー信号受信強度分布SSE,Detect(0,0,zp)を示す図である。図43中にもDouble-D型コイルでの計測領域と見なせる範囲を示した。図43においても、図41と比べて、計測領域が広がると同時に、コイルから離れていくことがわかる。 FIG. 43 is a diagram showing the echo signal reception intensity distribution S SE, Detect (0, 0, z p ) on the z axis of FIG. FIG. 43 also shows a range that can be regarded as a measurement region of the Double-D type coil. Also in FIG. 43, it can be seen that the measurement area expands and at the same time moves away from the coil as compared with FIG.

図44は、二つのD型コイルの間隔L=0.6mm、1.2mm、1.8mmおよび2.4mmと変えた場合のz軸上のエコー信号受信強度分布SSE,Detect(0,0,zp)を示す図である。
図44より、D型コイルの間隔Lを増加させるほど、縦軸の規格化されたエコー信号受信強度分布SSE,Detectが0.8以上となる領域は広がり、さらにそれが離れた位置へと移動していくことがわかる。これより、二つのD型コイルの間隔Lを調整することで、計測領域をコイルの近い位置から遠い位置へと変えることが可能であると言える。
FIG. 44 shows the echo signal reception intensity distribution S SE, Detect (0,0) on the z-axis when the distance L between the two D-type coils is changed to 0.6 mm, 1.2 mm, 1.8 mm, and 2.4 mm. , Z p ).
44, as the interval L between the D-type coils is increased , the region where the normalized echo signal reception intensity distribution S SE, Detect on the vertical axis is 0.8 or more increases, and further to a position where it is further away. You can see it moving. From this, it can be said that the measurement region can be changed from a position close to the coil to a position far away by adjusting the distance L between the two D-type coils.

以上の結果より、Double-D型コイルをたとえば燃料電池に設置する際に、間隔Lを変えた複数のコイルを設置し、送受信機から個々のコイルを切り替えて計測することで、様々な厚さ位置での含水量計測が実現できる。   From the above results, when installing Double-D type coils in a fuel cell, for example, by installing multiple coils with different intervals L and switching individual coils from the transceiver, various thicknesses can be obtained. Water content measurement at the position can be realized.

なお、本実施例では、3回巻きコイルについて解析したが、実施例1で用いた5回巻きコイルについても、「コイルの束」としてみれば、コイルの束の幅は本実施例で用いたコイルとほぼ同様な形状となっている。この幅が同じ程度であれば、実施例1で用いた5回巻きのコイルと同様の磁場が形成されると考えてよい。   In this example, the analysis was performed with respect to the three-turn coil. However, regarding the five-turn coil used in Example 1, the width of the coil bundle was used in this example when viewed as a “coil bundle”. It has almost the same shape as the coil. If the widths are about the same, it may be considered that a magnetic field similar to the five-turn coil used in Example 1 is formed.

実施形態における永久磁石の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the permanent magnet in embodiment. 実施形態における永久磁石の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the permanent magnet in embodiment. 実施形態における永久磁石により形成される静磁場強度のz位置分布の測定結果を説明する図である。It is a figure explaining the measurement result of z position distribution of the static magnetic field strength formed with the permanent magnet in an embodiment. 実施形態における永久磁石により形成される静磁場強度のy位置分布の測定結果を説明する図である。It is a figure explaining the measurement result of y position distribution of the static magnetic field strength formed with the permanent magnet in an embodiment. 実施形態における永久磁石により形成される静磁場強度のx位置分布の測定結果を説明する図である。It is a figure explaining the measurement result of x position distribution of the static magnetic field strength formed with the permanent magnet in an embodiment. 実施形態における永久磁石により形成される静磁場を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the static magnetic field formed by the permanent magnet in an embodiment. 実施形態における燃料電池の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell in embodiment. 実施形態における平面型コイルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the planar coil in embodiment. 実施形態における平面型コイルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the planar coil in embodiment. 実施形態における測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus in embodiment. 実施形態の測定装置の永久磁石、平面型コイルおよび試料の配置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows arrangement | positioning of the permanent magnet of the measuring apparatus of embodiment, a planar coil, and a sample. 実施形態における測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus in embodiment. 実施例で用いた試料を示す図である。It is a figure which shows the sample used in the Example. 実施例における測定装置を示す図である。It is a figure which shows the measuring apparatus in an Example. 実施例におけるエコー信号の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the echo signal in an Example. 実施例におけるエコー信号の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the echo signal in an Example. 実施例におけるコイルと試料との距離とエコー信号強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the distance of the coil and sample in an Example, and echo signal intensity | strength. 実施例で用いた試料を示す図である。It is a figure which shows the sample used in the Example. 実施例におけるエコー信号の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the echo signal in an Example. 実施例におけるエコー信号の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the echo signal in an Example. 実施例における試料の含水量とT2との関係を示す図である。Is a diagram showing the relationship between water content and T 2 of the samples in Examples. 実施例における試料の含水量とエコー信号強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the moisture content of the sample in an Example, and echo signal intensity | strength. 実施例で用いた試料を示す図である。It is a figure which shows the sample used in the Example. 実施例におけるエコー信号の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the echo signal in an Example. 実施例におけるエコー信号の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the echo signal in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the Double-D type coil in an Example. 実施例における磁場の解析方法を説明する図である。It is a figure explaining the analysis method of the magnetic field in an Example. 実施例における磁場の解析条件を示す図である。It is a figure which shows the analysis conditions of the magnetic field in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのx方向磁場強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the x direction magnetic field strength of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルにより形成される磁場の等高線を示す図である。It is a figure which shows the contour line of the magnetic field formed with the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのx方向磁場強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the x direction magnetic field strength of the Double-D type coil in an Example. 実施例における磁場の解析条件を示す図である。It is a figure which shows the analysis conditions of the magnetic field in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルにより形成される磁場の等高線を示す図である。It is a figure which shows the contour line of the magnetic field formed with the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのx方向磁場強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the x direction magnetic field strength of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのx方向磁場強度分布Hxを示す図である。It is a figure which shows x direction magnetic field strength distribution Hx of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのx方向磁場強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the x direction magnetic field strength of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのx方向磁場強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the x direction magnetic field strength of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのエコー信号受信強度分布を示す図である。It is a figure which shows the echo signal receiving intensity distribution of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのエコー信号受信強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the echo signal receiving intensity of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのエコー信号受信強度分布を示す図である。It is a figure which shows the echo signal receiving intensity distribution of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのエコー信号受信強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the echo signal receiving intensity of the Double-D type coil in an Example. 実施例におけるDouble-D型コイルのエコー信号受信強度のz位置分布を示す図である。It is a figure which shows z position distribution of the echo signal receiving intensity of the Double-D type coil in an Example. 実施形態における燃料電池の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell in embodiment. 実施形態における燃料電池のセルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cell of the fuel cell in embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

32 酸化剤ガス供給部
33 燃料ガス供給部
34 水蒸気混合部
35 水蒸気混合部
36 制御部
100 測定装置
101 流路溝
102 RF発振器
103 凸部
104 変調器
105 凹部
106 RF増幅部
107 第一領域
108 パルス制御部
109 第二領域
110 位相検波器
111 セパレータ
112 プリアンプ
113 永久磁石
114 平面型コイル
115 膜
117 固体高分子電解質膜
117a 固体高分子電解質膜
117b 固体高分子電解質膜
118 A/D変換器
119 第一コイル部
120 データ受付部
121 第二コイル部
122 緩和時定数算出部
123 第一直線領域
124 溶媒量算出部
125 第二直線領域
126 検量線テーブル
127 第一のスペーサ
128 溶媒量分布算定部
129 第二のスペーサ
130 演算部
131 燃料電池
132 出力部
133 セル
135 第三のスペーサ
137 空隙
161 スイッチ部
311A 触媒層
311B 触媒層
312A 拡散層
312B 拡散層
313A セパレータ
313B セパレータ
314 燃料極
315 酸化剤極
32 Oxidant Gas Supply Unit 33 Fuel Gas Supply Unit 34 Water Vapor Mixing Unit 35 Water Vapor Mixing Unit 36 Control Unit 100 Measuring Device 101 Channel Groove 102 RF Oscillator 103 Convex Part 104 Modulator 105 Concave Part 106 RF Amplifying Part 107 First Area 108 Pulse Control unit 109 Second region 110 Phase detector 111 Separator 112 Preamplifier 113 Permanent magnet 114 Planar coil 115 Membrane 117 Solid polymer electrolyte membrane 117a Solid polymer electrolyte membrane 117b Solid polymer electrolyte membrane 118 A / D converter 119 First Coil unit 120 Data reception unit 121 Second coil unit 122 Relaxation time constant calculation unit 123 First linear region 124 Solvent amount calculation unit 125 Second linear region 126 Calibration curve table 127 First spacer 128 Solvent amount distribution calculation unit 129 Second Spacer 130 Arithmetic unit 131 Fuel cell 132 Output unit 133 Cell 135 Third spacer 137 Air gap 161 Switch unit 311A Catalyst layer 311B Catalyst layer 312A Diffusion layer 312B Diffusion layer 313A Separator 313B Separator 314 Fuel electrode 315 Oxidant electrode

Claims (15)

核磁気共鳴法を用いて膜中の特定箇所のプロトン性溶媒の量を局所的に測定する装置であって、
前記膜に対して静磁場を印加する永久磁石と、
前記膜の一部に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応するエコー信号を取得するRFコイルと、
前記エコー信号の強度から、前記膜の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を算出する溶媒量算出部と、
を備え、
前記永久磁石に、前記プロトン性溶媒を含む流体が流れる流路溝が設けられ、
前記膜が、前記永久磁石の流路形成面に平行に設けられる、測定装置。
An apparatus for locally measuring the amount of a protic solvent at a specific location in a film using a nuclear magnetic resonance method,
A permanent magnet for applying a static magnetic field to the film;
An RF coil that applies an excitation oscillating magnetic field to a part of the film and acquires an echo signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
From the intensity of the echo signal, a solvent amount calculation unit for calculating the amount of the protic solvent at a specific location of the membrane;
With
The permanent magnet is provided with a channel groove through which a fluid containing the protic solvent flows,
The measurement apparatus, wherein the film is provided in parallel to a flow path forming surface of the permanent magnet.
請求項1に記載の測定装置において、
前記溶媒量算出部が、前記エコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出し、算出した前記T2緩和時定数から、前記膜の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を算出する、測定装置。
The measuring apparatus according to claim 1,
The solvent amount calculation unit calculates a T 2 relaxation time constant from the intensity of the echo signal, and calculates the amount of the protic solvent at a specific location of the membrane from the calculated T 2 relaxation time constant. apparatus.
請求項1または2に記載の測定装置において、
前記永久磁石の前記流路溝が、複数の溝部からなり、これらの前記溝部が互いに平行に配置された、測定装置。
The measuring apparatus according to claim 1 or 2,
The measuring device in which the flow channel groove of the permanent magnet is composed of a plurality of groove portions, and the groove portions are arranged in parallel to each other.
請求項3に記載の測定装置において、
前記RFコイルが、前記流路形成面内方向であって前記溝部の延在方向に垂直な方向の振幅を有する前記励起用振動磁場を形成する、測定装置。
The measuring device according to claim 3,
The measurement apparatus, wherein the RF coil forms the excitation oscillating magnetic field having an amplitude in a direction in the flow path forming plane and perpendicular to the extending direction of the groove.
請求項4に記載の測定装置において、
前記RFコイルが、一対のコイル部を含むとともに、前記一対のコイル部に挟まれた領域に前記励起用振動磁場を形成し、
前記永久磁石の前記流路形成面の上部から見たときに、前記一対のコイル部に挟まれた領域が、単一の前記溝部の形成領域内または隣接する前記溝部に挟まれた領域内に含まれる、測定装置。
The measuring apparatus according to claim 4, wherein
The RF coil includes a pair of coil parts, and forms the excitation oscillating magnetic field in a region sandwiched between the pair of coil parts,
When viewed from above the flow path forming surface of the permanent magnet, the region sandwiched between the pair of coil portions is within a single groove portion forming region or a region sandwiched between adjacent groove portions. Measurement equipment included.
請求項3乃至5いずれかに記載の測定装置において、
前記RFコイルが、第一直線領域を含む第一コイル部と、第二直線領域を含む第二コイル部とを連結した平面型コイルであって、
前記第一コイル部と前記第二コイル部とは、導線が逆巻きであって、
前記第一直線領域および前記第二直線領域が、前記溝部の延在方向に平行に配置され、
前記永久磁石の前記流路形成面の上部から見たときに、前記第一直線領域と前記第二直線領域との間に挟まれた領域が、隣接する前記溝部に挟まれた領域内に含まれる、測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 3 thru | or 5,
The RF coil is a planar coil in which a first coil part including a first linear region and a second coil part including a second linear region are connected,
The first coil portion and the second coil portion have a conductive wire reversely wound,
The first straight region and the second straight region are arranged in parallel to the extending direction of the groove,
When viewed from above the flow path forming surface of the permanent magnet, a region sandwiched between the first linear region and the second linear region is included in a region sandwiched between the adjacent groove portions. ,measuring device.
請求項3乃至5いずれかに記載の測定装置において、
前記RFコイルが、第一直線領域を含む第一コイル部と、第二直線領域を含む第二コイル部とを連結した平面型コイルであって、
前記第一コイル部と前記第二コイル部とは、導線が逆巻きであって、
前記第一直線領域および前記第二直線領域が、前記溝部の延在方向に平行に配置され、
前記永久磁石の前記流路形成面の上部から見たときに、前記第一直線領域と前記第二直線領域との間に挟まれた領域が、単一の前記溝部の形成領域内に含まれる、測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 3 thru | or 5,
The RF coil is a planar coil in which a first coil part including a first linear region and a second coil part including a second linear region are connected,
The first coil portion and the second coil portion have a conductive wire reversely wound,
The first straight region and the second straight region are arranged in parallel to the extending direction of the groove,
When viewed from the upper part of the flow path forming surface of the permanent magnet, a region sandwiched between the first linear region and the second linear region is included in a single groove forming region, measuring device.
請求項6または7に記載の測定装置において、
前記RFコイルが、前記永久磁石の前記流路形成面と前記膜との間に配置され、
前記永久磁石の前記流路形成面と前記平面型コイルとの間、および前記平面型コイルと前記膜との間に、非磁性材料により構成された特定の厚さの間隔調整部材が配置された、測定装置。
The measuring apparatus according to claim 6 or 7,
The RF coil is disposed between the flow path forming surface of the permanent magnet and the film,
An interval adjusting member having a specific thickness made of a nonmagnetic material is disposed between the flow path forming surface of the permanent magnet and the planar coil, and between the planar coil and the film. ,measuring device.
請求項1乃至8いずれかに記載の測定装置において、前記プロトン性溶媒が水である、測定装置。   The measuring apparatus according to claim 1, wherein the protic solvent is water. 請求項1乃至9いずれかに記載の測定装置を備える、燃料電池。   A fuel cell comprising the measuring device according to claim 1. 請求項10に記載の燃料電池において、
燃料極または酸化剤極に対向して設けられたセパレータを含み、
前記セパレータが前記永久磁石を含む、燃料電池。
The fuel cell according to claim 10, wherein
Including a separator provided opposite the fuel electrode or the oxidant electrode,
A fuel cell, wherein the separator includes the permanent magnet.
請求項11に記載の燃料電池において、
前記永久磁石の前記流路形成面が、当該燃料電池の燃料極に対向配置されるとともに、前記流路溝に燃料ガスが供給される、燃料電池。
The fuel cell according to claim 11, wherein
The fuel cell in which the flow path forming surface of the permanent magnet is disposed to face the fuel electrode of the fuel cell, and fuel gas is supplied to the flow path groove.
請求項11に記載の燃料電池において、
前記永久磁石の前記流路形成面が、当該燃料電池の酸化剤極に対向配置されるとともに、前記流路溝に酸化剤ガスが供給される、燃料電池。
The fuel cell according to claim 11, wherein
The fuel cell, wherein the flow path forming surface of the permanent magnet is disposed opposite to the oxidant electrode of the fuel cell, and an oxidant gas is supplied to the flow channel groove.
流路溝が形成された永久磁石の流路形成面に平行に膜を配置して、核磁気共鳴法を用いて前記膜中の特定箇所のプロトン性溶媒の量を局所的に測定する方法であって、
前記永久磁石の前記流路溝に前記プロトン性溶媒を含む流体を流しつつ、永久磁石により前記膜に対して静磁場を印加し、前記静磁場におかれた前記膜の一部に対し、RFコイルを用いて励起用振動磁場を複数回順次印加するとともに、前記励起用振動磁場に対応する複数のエコー信号を取得する第1ステップと、
前記複数のエコー信号の強度から、前記膜の特定箇所における前記プロトン性溶媒の量を求める第2ステップと、
を含む、測定方法。
A method of locally measuring the amount of the protic solvent at a specific location in the film by using a nuclear magnetic resonance method by disposing a film in parallel with the flow path forming surface of the permanent magnet in which the flow path groove is formed. There,
While flowing a fluid containing the protic solvent in the flow channel groove of the permanent magnet, a static magnetic field is applied to the film by a permanent magnet, and RF is applied to a part of the film placed in the static magnetic field. A first step of sequentially applying an excitation oscillating magnetic field a plurality of times using a coil and acquiring a plurality of echo signals corresponding to the excitation oscillating magnetic field;
A second step of determining the amount of the protic solvent at a specific location of the membrane from the intensity of the plurality of echo signals;
Including a measuring method.
請求項14に記載の測定方法において、
前記第2ステップが、
前記エコー信号の強度から、T2緩和時定数を算出するステップと、
前記膜中のプロトン性溶媒量とT2緩和時定数との相関関係を示すデータを取得し、該データとT2緩和時定数を算出する前記ステップで算出された前記T2緩和時定数とから、前記プロトン性溶媒の量を求めるステップと、
を含む、測定方法。
The measurement method according to claim 14,
The second step includes
Calculating a T 2 relaxation time constant from the intensity of the echo signal;
Data indicating the correlation between the amount of protic solvent in the membrane and the T 2 relaxation time constant is obtained, and the data and the T 2 relaxation time constant calculated in the step of calculating the T 2 relaxation time constant are obtained. Determining the amount of the protic solvent;
Including a measuring method.
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