JP6222517B2 - 解析用セル、解析装置、および解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のアノードまたはカソードに含まれる注目対象の情報を解析する際に燃料電池を保持する解析用セル、この解析用セルを備える解析装置、およびその解析装置を用いた解析方法に関するものである。

注目対象である元素の物理的・化学的状態を調べるために、Ｘ線などの電磁波を利用する解析方法が知られている。例えば、注目対象とその周囲の局所的な構造解析などを行なうＸＡＦＳ（Ｘ線吸収微細構造：Ｘ−ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）法では、注目対象を含む試料に照射する照射Ｘ線のエネルギーを変化させ、その変化させたエネルギーに応じて得られるＸ線のスペクトルから注目対象とその周囲の局所的な構造解析を行なう。

一方、特許文献１には、被解析物に含まれる注目対象に照射されたＸ線によって注目対象から光電子を放出させ、その光電子の放出に伴って電極に生じる電気量を測定することで、注目対象の局所的な構造解析を行なう技術が開示されている。この特許文献１の方法では、Ｘ線のエネルギーを変えながら注目対象にＸ線を照射し、Ｘ線のエネルギーと、電極に生じた電気量との関係をグラフにすることで、Ｘ線吸収スペクトルに相当するものを取得している。そして、特許文献１では、そのＸ線スペクトルに相当するものを利用して注目対象の局所的な構造解析を行なっている。

特許第５０１２１５８号公報

近年、環境に対する配慮から、燃料電池が注目されている。燃料電池は、アノード（燃料極）とカソード（空気極）を電極とし、両極の間に配置される電解質層を備える。一般的な燃料電池では、アノード側の負極活物質として水素を利用し、カソード側の正極活物質として空気中の酸素を利用する。この燃料電池についてはまだまだ改良の余地がある。そのため、燃料電池における電極を構成する元素（注目対象）とその周囲の物理的・化学的な状態を把握することが望まれている。特に、燃料電池においては、その動作時における電極の劣化が課題として挙げられるため、燃料電池を動作させながら電極を構成する元素の状態を把握することが求められている。しかし、燃料電池を動作させながら電極を構成する元素の状態を詳細に把握する解析方法、およびその解析方法に好適な解析装置、並びに解析装置の構成部材であって燃料電池を保持する解析セルは今のところ提案されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、燃料電池を動作させながら燃料電池に備わる電極を構成する元素の状態を把握することに利用される解析用セルを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、本発明の解析用セルを用いた解析装置を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、本発明の解析装置を用いて、燃料電池を動作させながら燃料電池に備わる電極を構成する元素の状態を把握する解析方法を提供することにある。

本発明の解析用セルは、被解析物にＸ線を照射し、Ｘ線のエネルギー変化に応じて被解析物で発生した光電子に基づく電気量を測定し、その測定結果に基づいて被解析物に含まれる注目対象とその周囲の情報を解析する際に、被解析物を保持する解析用セルである。この本発明の解析用セルにおける被解析物は、アノードとカソードと電解質層とを有する燃料電池であり、本発明の解析用セルは、電池保持部材と、アノードカバーと、カソードカバーと、を備える。電池保持部材は、貫通孔を有し、その貫通孔を塞ぐように配置される燃料電池を保持する。アノードカバーは、電池保持部材に取り付けられ、電池保持部材に保持される燃料電池のアノードの外周を覆う。カソードカバーは、電池保持部材におけるアノードカバーと反対側に取り付けられ、電池保持部材に保持される燃料電池のカソードの外周を覆う。

本発明の解析装置は、本発明の解析用セルと、Ｘ線照射機構と、負極ガス導入機構と、ヒーターと、測定機構と、解析機構と、を備える。Ｘ線照射機構は、Ｘ線のエネルギーを変えながら、解析用セルに保持される燃料電池にＸ線を照射するＸ線源を有する。負極ガス導入機構は、燃料電池を動作させるために、解析用セルに備わるアノードカバーの内部に負極活物質を含む負極ガスを導入する。ヒーターは、燃料電池を所定温度に加熱する。測定機構は、Ｘ線によって燃料電池に生じる電気量を測定する。解析機構は、測定機構の測定結果に基づいて、燃料電池の動作時における注目対象の情報を解析する。

本発明の解析方法は、本発明の解析装置を用意し、その解析装置における本発明の解析用セルに燃料電池を保持させ、燃料電池のアノードカバーの内部に負極ガスを導入し、カソードカバーの内部に正極ガスを導入すると共に、ヒーターで燃料電池を所定温度に加熱することで、燃料電池を動作させる。そして、本発明の解析方法は、燃料電池の動作中に、Ｘ線照射機構から照射されるＸ線のエネルギーを変化させながら注目対象の情報を解析する。

本発明の解析用セルを備える解析装置を用いた解析方法によれば、燃料電池を動作させながら、燃料電池に備わるアノードまたはカソードに含まれる注目対象の情報を解析することができる。

実施形態に係る解析装置の概略構成図である。 実施形態に係る解析用セルと、その解析用セルに保持される燃料電池の概略構成図である。 解析用セルにおける燃料電池の保持状態を説明する概略説明図である。 図３とは異なる解析用セルにおける燃料電池の保持状態を説明する概略構成図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

＜１＞実施形態に係る解析用セルは、被解析物にＸ線を照射し、Ｘ線のエネルギー変化に応じて被解析物で発生した光電子に基づく電気量を測定し、その測定結果に基づいて被解析物に含まれる注目対象とその周囲の情報を解析する際に、被解析物を保持する解析用セルである。この解析用セルにおける被解析物は、アノードとカソードと電解質層とを有する燃料電池であり、解析用セルは、電池保持部材と、アノードカバーと、カソードカバーと、を備える。電池保持部材は、貫通孔を有し、その貫通孔を塞ぐように配置される燃料電池を保持する。アノードカバーは、電池保持部材に取り付けられ、電池保持部材に保持される燃料電池のアノードの外周を覆う。カソードカバーは、電池保持部材におけるアノードカバーと反対側に取り付けられ、電池保持部材に保持される燃料電池のカソードの外周を覆う。

上記解析用セルによれば、燃料電池を保持すると共に、アノードカバーに覆われる燃料電池のアノードと、カソードカバーに覆われる燃料電池のカソードと、を別々の雰囲気下に配置することができる。そのため、上記解析用セルを用いて解析装置を構築すれば、アノードに負極ガスを、カソードに正極ガスを別個に導入することができ、燃料電池を動作させながら燃料電池の電極に含まれる注目対象の情報を解析することができる。

＜２＞実施形態に係る解析装置は、燃料電池を保持する実施形態の解析用セルと、Ｘ線照射機構と、負極ガス導入機構と、ヒーターと、測定機構と、解析機構と、を備える。解析用セルは上述した構成を備え、解析用セル以外は以下の構成を備える。
・Ｘ線照射機構は、Ｘ線のエネルギーを変えながら、燃料電池にＸ線を照射するＸ線源を有する機構である。
・負極ガス導入機構は、燃料電池を動作させるために、解析用セルに備わるアノードカバーの内部に負極活物質を含む負極ガスを導入する機構である。
・ヒーターは、燃料電池の外周を解析用セルごと覆って加熱する機構である。
・測定機構は、Ｘ線によって燃料電池に生じる電気量を測定する機構である。
・解析機構は、測定機構の測定結果に基づいて、燃料電池の動作時における注目対象の情報を解析する機構である。

上記実施形態の解析装置によれば、燃料電池を動作させた状態で、燃料電池のアノードまたはカソードに含まれる注目対象の情報を解析することができる。それは、実施形態の解析セルを用いることで、燃料電池のアノードとカソードとにそれぞれ、負極ガスと正極ガスを別個に供給することができ、かつヒーターによって燃料電池を動作温度まで昇温することができるからである。

＜３＞実施形態の解析装置として、解析装置に用いる解析用セルの電池保持部材、アノードカバー、およびカソードカバーは、ガラス製である形態を挙げることができる。

解析用セルの構成部材をガラス製とすることで、燃料電池と解析用セルとの間の絶縁を確保することができる。また、透明なガラスで解析用セルの構成部材を作製することで、解析用セルに燃料電池を取り付ける際に、電池保持部材における燃料電池の配置状態が適切かどうかを容易に確認することができる。

＜４＞実施形態の解析装置として、解析装置に備わる測定機構は、アノードの表面から電池保持部材の表面にかけて形成されたアノード側導電膜と、カソードの表面から前記電池保持部材の表面にかけて形成されたカソード側導電膜と、を備える形態を挙げることができる。この場合、測定機構は、アノード側導電膜およびカソード側導電膜を介して燃料電池の電気量を測定する。

アノードおよびカソードにリード線を接続し、これらリード線を介して燃料電池の電気量を測定する場合、リード線によって電池保持部材とアノードカバー（カソードカバー）との間に隙間ができ易い。当該隙間ができると、カバー内に導入する正極ガスや負極ガスが外部に漏れ易い。特に、アノードカバー内に導入する負極ガスが外部に漏れた場合、燃料電池の運転が不十分になる恐れがある。これに対して、アノードおよびカソードから電気を取り出す部材が薄膜状の電極膜であれば、電池保持部材とカバーとの間に隙間ができ難く、燃料電池の運転が不十分になることを抑制することができる。

＜５＞実施形態の解析装置として、Ｘ線照射機構は、Ｘ線源からのＸ線を、燃料電池に間歇的に照射させるチョッピング部を備え、測定機構は、燃料電池に間歇的に照射されるＸ線の周期に同期した電気量を測定する同期測定部を備え、解析機構は、同期測定部の測定結果に基づいて解析を行なう形態を挙げることができる。

上記構成によれば、Ｘ線の照射によって生じる微小な電気量を感度良く測定することができる。そのため、アノードまたはカソード中の注目対象の濃度が低い場合でも、注目対象の解析を高精度に行なうことができる。また、Ｘ線を間歇的に燃料電池に照射することで、燃料電池が発電中であっても、Ｘ線照射によって生じる電流と、燃料電池の発電した電流と、を切り分けることができる。

＜６＞実施形態の解析装置として、解析装置に備わるヒーターは、加熱・保温機能を有するマントルヒーターである形態を挙げることができる。

燃料電池は通常、環境温度よりも高温（例えば、２００℃以上）で動作する。そのため、実施形態の解析装置を用いて燃料電池を動作させながら注目対象の解析を行なう場合、燃料電池を高温に維持することが求められる。マントルヒーターは、優れた保温性能を有するため、燃料電池を高温に維持し易い。

＜７＞実施形態に係る解析方法は、上記実施形態の解析装置を用意し、その解析装置における解析用セルに燃料電池を保持させ、燃料電池を動作させた状態で注目対象の情報を解析する。具体的には、解析装置における燃料電池のアノードカバーの内部に負極ガスを導入し、カソードカバーの内部に正極ガスを導入すると共に、ヒーターで前記燃料電池を所定温度に加熱することで、燃料電池を動作させる。そして、Ｘ線照射機構から照射されるＸ線のエネルギーを変化させながら注目対象（アノードまたはカソードに含まれる元素）の情報を解析する。

上記実施形態の解析方法によれば、燃料電池の動作時における注目対象の情報、例えば注目対象の物理的・化学的状態に関する情報や、注目対象とその周辺の元素との原子間距離などの構造的な情報などを測定することができる。燃料電池の動作時に得られる情報は、燃料電池の改良に極めて重要な貢献をする。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本実施形態に係る解析用セルを用いた解析装置を説明し、次いでその解析装置を用いた解析方法を説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。

＜解析装置の全体構成＞
図１に示すように、本実施形態の解析装置１は、解析される燃料電池２と、その燃料電池２を保持する解析用セル３と、Ｘ線照射機構４と、負極ガス導入機構５と、ヒーター６と、測定機構７と、解析機構８と、Ｘ線検出器９と、を備える。以下、解析装置１の各構成を詳細に説明する。

≪燃料電池≫
燃料電池２は、図２，３に示すように、アノード２１と、カソード２２と、電解質層２３と、を備える。燃料電池２は、正極ガスをカソード２２に供給すると共に、負極ガスをアノード２１に供給することで、動作する。

アノード２１には、例えば、触媒としてニッケルを含むイットリウム安定化ジルコニア（Ｙｉｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ；ＹＳＺ）を利用することができる。この場合、Ｎｉ：ＹＳＺ＝３０体積％：７０体積％以上、７０体積％：３０体積％以下とすることが好ましい。一方、カソード２２には、例えば、ＬＳＣＦ６４２８（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）を利用することができる。また、電解質層２３には、例えばＹ_２Ｏ_３を３ｍｏｌ％以上、１０ｍｏｌ％以下含むＹＳＺを利用することができる。以上例示した構成では、正極ガスには、正極活物質として酸素を含有するガス、例えば、空気を利用することができる。また、負極ガスには、負極活物質として水素を含有する負極ガス、例えば、１００％水素や、水素とヘリウムの混合ガスを利用することができる。

本実施形態の燃料電池２の縁部には取付具２９が設けられている。この取付具２９は、燃料電池２を後述する解析用セル３に固定する際、燃料電池２が解析用セル３に直接接触することを回避する部材である。取付具２９は絶縁性を有することが好ましく、例えば、アルミナなどで構成する。アルミナであれば、アノード２１とカソード２２との間の絶縁を確保し易い上、燃料電池２を動作させる際の高温環境下で溶融することがなく、好ましい。

≪解析用セル≫
図２の概略構成図に示すように、解析用セル３は、電池保持部材３０と、アノードカバー３１と、カソードカバー３２と、を備える。本実施形態の解析用セル３はさらに、電池保持部材３０とアノードカバー３１との間、および電池保持部材３０とカソードカバー３２との間に配置されるガスケット３３を備える。これらの部材３０〜３３は、不要な電流パスが増えないように、ガラス製とすることが好ましい。その他、金属製の部材３０〜３３の表面に、ガラスなどの耐熱性絶縁膜を形成したものを利用して解析用セル３を構成することもできる。

（電池保持部材）
電池保持部材３０は概略板状の部材であって、その一面側に燃料電池２が保持される。この電池保持部材３０の厚さは特に限定されないが、１ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。この範囲の厚さを有する電池保持部材３０であれば、燃料電池２を安定して保持することができ、かつ解析用セル３の大型化を回避することができる。

電池保持部材３０の中央部には貫通孔３０Ｈが形成されている。貫通孔３０Ｈの内壁の輪郭形状は、図示するような円形とすることが好ましいが、矩形などの多角形状としても良いし、雲形や星型のような異形としても良い。電池保持部材３０における燃料電池２は、この貫通孔３０Ｈの一端の位置に取り付けられ、貫通孔３０Ｈを塞いでいる。本実施形態では、燃料電池２のカソード２２が貫通孔３０Ｈに露出した状態となるように燃料電池２が電池保持部材３０に保持されている（特に、図３を参照）。具体的には、燃料電池２の縁部に設けられる取付具２９を電池保持部材３０の貫通孔３０Ｈの周辺の面に接着することで、燃料電池２が電池保持部材３０に保持されている。上記接着には、東亞合成株式会社製アロンセラミックス（登録商標）などのガラス接着剤を利用することができる。なお、燃料電池２のアノード２１が貫通孔３０Ｈに露出した状態となるように燃料電池２を電池保持部材３０に保持させても良い。

上記貫通孔３０Ｈは、図３に示すように、燃料電池２の縁部に設けられる取付具２９よりも小さければ良い。そうすることで、アノード２１は、アノード２１よりも左側（貫通孔３０Ｈとは反対側）の領域にのみ露出した状態となり、カソード２２は、貫通孔３０Ｈにのみ露出した状態となる。その結果、アノード２１は、電池保持部材３０を挟む紙面左側の雰囲気下に配置され、カソード２２は、電池保持部材３０を挟む紙面右側の雰囲気、即ちアノード２１とは異なる雰囲気下に配置される。

電池保持部材３０に保持される燃料電池２のアノード２１の表面から電池保持部材３０の表面に至る部分には、アノード側導電膜７Ａが形成されている。また、電池保持部材３０に保持される燃料電池２のカソード２２の表面から電池保持部材３０の表面に至る部分には、カソード側導電膜７Ｋが形成されている。両導電膜７Ａ，７Ｋは、アノード２１，カソード２２の表面の縁部（取付具２９で覆われている部分の近傍）には形成されているものの、当該表面の中央部分には形成されていない。従って、両導電膜７Ａ，７Ｋによって、アノード２１，カソード２２と、燃料電池２を動作させる反応ガスと、の接触が妨げられることはない。これら導電膜７Ａ，７Ｋは、燃料電池２で発生した電気を外部に取り出す端子として機能するもので、後述する測定機構７（図１参照）の一部を構成するものである。これら導電膜７Ａ，７Ｋは真空蒸着などにより形成することができる。また、導電膜７Ａ，７Ｋは、金や銀、銅などの高導電性材で構成することが好ましい。

（アノードカバー）
アノードカバー３１は、図２に示すように、フランジ３１Ｆを有する筒状部材であって、電池保持部材３０における燃料電池２が取り付けられる側の面に取り付けられ、燃料電池２のアノード２１の外周を覆う。アノードカバー３１と電池保持部材３０との間にはガスケット３３が設けられており、部材３１，３０間の気密性が確保されている。なお、アノードカバー３１は、図示しないボルトでアノードカバー３１と電池保持部材３０と後述するカソードカバー３２とを一体に連結することで、電池保持部材３０に取り付けることができる。

アノードカバー３１におけるフランジ３１Ｆとは反対側の端部は閉口している。閉口端にはＸ線を透過させる窓３１ｗが形成されている。窓３１ｗは、例えば東レ・デュポン株式会社製カプトン（登録商標）などの耐熱性膜で構成することが好ましい。燃料電池２の動作温度で不具合が生じないことが保証されていない部材で窓３１ｗを形成する場合、窓３１ｗを冷却する冷却装置を設けて、窓３１ｗの損傷を防止することが好ましい。

アノードカバー３１には、二本の枝管が設けられている。そのうちの燃料電池２に近い側の枝管は、アノードカバー３１に負極ガスを導入する導入管であり、他方の枝管は、アノードカバー３１内の負極ガスを排出する排出管である（図１参照）。

（カソードカバー）
カソードカバー３２は、フランジ３２Ｆを有する筒状部材であって、電池保持部材３０における燃料電池２が取り付けられていない側の面に取り付けられ、燃料電池２のカソード２２の外周を覆う。カソードカバー３２と電池保持部材３０との間にはガスケット３３が設けられており、部材３２，３０間の気密性が確保されている。

カソードカバー３２におけるフランジ３２Ｆとは反対側の端部は開口している。このカソードカバー３２には、アノードカバー３１と同様に、正極ガスの導入管（燃料電池２に近い側の枝管）と排出管とが備わっている。本例では、正極ガスに空気を利用しているものの、導入管と排出管を備える構成であれば、燃料電池２の動作に最適なように成分を調整した正極ガスを導入管から導入することができる。正極ガスの導入には、図示しない正極ガス導入機構を利用することができる。

（解析用セルにおける燃料電池の保持状態の別例）
解析用セル３の電池保持部材３０における燃料電池２の保持状態は、図３に示す保持状態に限定されるわけではない。例えば、図３において、燃料電池２に取付具２９の外形を、貫通孔３０Ｈの内形に相似する形状とし、かつ取付具２９の外径を貫通孔３０Ｈの内径よりも若干小さくし、取付具２９を含む燃料電池２が貫通孔３０Ｈの内部に嵌まり込むようにしても構わない。その場合、取付具２９の外周面と貫通孔３０Ｈの内周面とはガラス接着剤などで接着し、両者２９，３０Ｈの間に隙間が形成されないようにする。そうすることで、貫通孔３０Ｈが燃料電池２で塞がれ、燃料電池２のアノード２１とカソード２２とがそれぞれ、燃料電池２を挟む別々の雰囲気下に露出された状態になる。

あるいは、図４に示すように、貫通孔３０Ｈの内形を燃料電池２の外形に沿った形状とし、貫通孔３０Ｈの内径を燃料電池２の外径よりも若干大きくして、ガラス接着剤２９ｂなどを用いて燃料電池２の外縁部を貫通孔３０Ｈの内周面に接着しても良い。そうすることで、貫通孔３０Ｈを塞ぐように燃料電池２が電池保持部材３０に保持され、燃料電池２のアノード２１とカソード２２とがそれぞれ、燃料電池２を挟む別々の雰囲気下に露出された状態になる。

≪Ｘ線照射機構≫
Ｘ線照射機構４は、図１に示すように、所定の強度のＸ線を照射できるＸ線源４０と、Ｘ線源４０からのＸ線を燃料電池２に間歇的に照射させるチョッピング部４１と、を備える。

（Ｘ線源）
Ｘ線源４０として、本例では、佐賀県立九州シンクロトロン光研究センターのシンクロトロンを用いている。その他、ＳＰｒｉｎｇ−８（Ｓｕｐｅｒ Ｐｈｏｔｏｎ ｒｉｎｇ−８）をＸ線源４０として利用しても良いし、回転対陰極を用いた実験室レベルのＸ線発生装置をＸ線源４０に利用しても良い。

（チョッピング部）
チョッピング部４１は、複数の孔が形成された円盤と、この円盤を回転させる回転機構部（図示せず）と、で構成すると良い。このような構成であれば、回転する円盤における孔の箇所でＸ線を透過し、孔のない箇所でＸ線を遮蔽することで、燃料電池２にＸ線を間歇的に照射させることができる。円盤の材質は、Ｘ線を効果的に遮蔽することができる材質であれば特に限定されず、例えばアルミニウムを挙げることができる。

（Ｘ線）
上記Ｘ線源４０から照射され燃料電池２のアノード２１（図２参照）に到達したＸ線は、燃料電池２の厚みによって燃料電池２を透過することはできない。つまり、本実施形態の解析方法は、Ｘ線が照射されるアノード２１に含まれる注目対象の物理的・化学的な状態、並びに注目対象周辺の元素の状態を解析する解析方法であると言える。なお、解析用セル３の左右を入れ換えれば、燃料電池２のカソード２２（図２参照）に含まれる注目対象の物理的・化学的な状態、並びに注目対象周辺の元素の状態を解析することができる。

≪負極ガス導入機構≫
負極ガス導入機構５は、図１に示すように、アノードカバー３１内に負極ガスを導入する機構である。例えば、負極ガス導入機構５は、負極ガスを貯留するガスタンク（図示せず）と、ガスタンクからアノードカバー３１の枝管（導入管）に連絡する管路（図示せず）と、アノードカバー３１内への負極ガスの導入量を調整する調整部（図示せず）と、を備える構成とすることができる。

ここで、本実施形態の解析装置１においては、カソードカバー３２内に正極ガスを導入する正極ガス導入機構を設けていない。一般的な燃料電池２では、カソード２２に導入される正極ガスには空気が用いられることが多く、積極的にカソードカバー３２内に空気を導入する正極ガス導入機構は必要ない。もちろん、燃料電池２の構成によっては、成分を調製した正極ガスをカソードカバー３２に内に導入しても良く、その場合には正極ガス導入機構を設けると良い。

≪ヒーター≫
ヒーター６は、燃料電池２を解析用セル３ごと外周から覆い、燃料電池２を高温環境下に維持する機構である。ヒーター６としては、加熱・保温機能を有するマントルヒーターを利用することが好ましい。マントルヒーターは、通電によって赤熱する電熱線と、熱が逃げないようにする断熱材と、を備え、電熱線が電磁波を遮蔽するシールドの役割を兼ねる。

≪測定機構≫
測定機構７は、燃料電池２で生じる電気量を測定する。測定機構７は、図３を参照して説明したアノード側導電膜７Ａと、カソード側導電膜７Ｋと、これら導電膜７Ａ，７Ｋに繋がるアンプ７０と、アンプ７０に繋がる同期測定部７１と、を備える。

（導電膜）
アノード側導電膜７Ａとカソード側導電膜７Ｋはそれぞれ、図３に示すように、アノード２１とカソード２２とに繋がっている。アノード側導電膜７Ａ（カソード側導電膜７Ｋ）は、図２のアノードカバー３１（カソードカバー３２）のフランジ３１Ｆ（３２Ｆ）よりも径方向外方にまで伸びている。そのため、解析用セル３の内側に配置される燃料電池２から、解析用セル３で発生した電気を解析用セル３の外側に引き出すことができる。

ここで、導電膜７Ａ，７Ｋの厚さが非常に薄く、かつほぼ均一的であるため、導電膜７Ａ，７Ｋの存在により、電池保持部材３０とカバー３１，３２との間に隙間ができ難い。そのため、カバー３１，３２内に導入したガスがカバー３１，３２外に漏れることを抑制することができる。

（アンプ）
アンプ７０は、燃料電池２で発生した電気量を増幅して検出する。アンプ７０で電気量を増幅するのは、Ｘ線の照射により燃料電池２に発生する電気量は非常に僅か（数ｐＡもしくはそれ以下）である。このアンプ７０としては、燃料電池２で発生した電流を電圧に変化して測定する電流電圧変換アンプを利用することができる。

（同期測定部）
同期測定部７１は、チョッピング部４１によって燃料電池２に間歇的に照射されるＸ線の周期に同期した電気量を測定する。同期測定部７１は、アンプ７０を介して測定される電気量（本実施形態では電圧）のうち、間歇的なＸ線の周期に同時した電気量のみを抽出する。この同期測定部７１によって、燃料電池２で生じる微小な電気量を感度良く測定することができる。同期測定部７１としては、例えばロックインアンプを利用することができる。

≪Ｘ線検出器≫
Ｘ線検出器９は、チョッピング部４１と解析用セル３との間に配置され、燃料電池２に照射される前のＸ線の強度を測定する。

≪解析機構≫
解析機構８は、Ｘ線検出器９から得られる測定結果と、同期測定部７１から得られる測定結果に基づいて、燃料電池２のアノード２１に含まれる注目対象（元素）の状態を解析する。解析機構８として、例えば、解析ソフトを実装した汎用コンピューター、あるいは専用コンピューターを利用することができる。具体的な解析方法については後述する。

＜解析方法＞
図１に示す解析装置１を用いて燃料電池２のアノードに含まれる触媒元素であるニッケル（注目対象）の局所構造解析を行なう手順を以下に説明する。なお、言うまでもないが、注目対象はニッケルに限定されない。

解析にあたり、燃料電池２を動作させる。具体的には、負極ガス導入機構５からアノードカバー３１内に負極ガスを導入すると共に、ヒーター６を作動させる。正極ガスは空気であり、カソードカバー３２の導入管からカソードカバー３２内に自然に導入される。ヒーター６による加熱温度は、例えば２００℃以上、８００℃以下とすることが挙げられる。

次いで、Ｘ線照射機構４から所定の強度のＸ線を照射する。その際、チョッピング部４１によってＸ線は間歇的に燃料電池２に照射される。間歇的に照射されたＸ線は、アノードカバー３１の内部を通ってアノード２１（図２参照）に到達する。なお、Ｘ線の照射は、燃料電池２の動作前から行なっても構わない。燃料電池２の動作前からＸ線の照射を開始すれば、燃料電池２の動作開始直後における注目対象の化学的挙動などを追跡できる。

チョッピング部４１の回転数は解析機構８に入力され、解析機構８は同期測定部（ロックインアンプ）７１がＸ線の照射周期に同期する測定結果を取得するように同期測定部７１を制御する。

アノード２１にＸ線が照射されると、アノード２１中のニッケルにおいてＸ線の吸収が起こり、その際、ニッケルの内殻電子が励起されて光電子として放出される。このＸ線の吸収に伴ってアノード２１に生じる電気量は、ニッケルから放出される電子量に応じた値となっていると考えられる。そのため、Ｘ線のエネルギーを変えながらアノード２１へのＸ線の照射を行い、Ｘ線の強度と、アノード２１で発生した電気量と、の関係をグラフとして求めれば、このグラフがＸ線吸収スペクトルに相当するものとなる。

ここで、ニッケルに照射されたＸ線は電子が励起（放出）された分だけ強度が落ちる。ニッケルは、それぞれ電子が原子の電子束縛ポテンシャルから抜け出すための特有のエネルギーを持ち、そのエネルギーよりも高いエネルギーを持つＸ線は、原子の内殻電子を殻外へと励起することができるため吸収されやすくなる。この吸収量が急激に変化する特性吸収端のエネルギーは各元素に固有で、内殻の種類（Ｋ殻、Ｌ殻、Ｍ殻）に応じてＸ線吸収スペクトルにはいくつかの吸収端が存在する。

このＸ線吸収スペクトルにおける吸収端近傍を詳細に調べてみると、特性吸収端の付近から高エネルギー側の領域に微細構造が現れる。つまり、本例の場合、ニッケルから放出された電子量、つまりアノード２１の電気量をプローブとするＸＡＦＳを得ることができる。

ＸＡＦＳは、吸収端近傍のＸＡＮＥＳ（Ｘ−ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｎｅａｒ Ｅｄｇｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）領域と、それより高エネルギー側のＥＸＡＦＳ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｘ−ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の領域からなる。ＸＡＮＥＳからは主に注目対象の種類や電子状態などに関する情報が得られ、ＥＸＡＦＳからは主に注目対象の周囲の局所構造に関する情報が得られる。例えば、Ｘ線吸収スペクトルを分析することで、（１）Ｘ線を吸収した元素（吸収原子）の種類や価数、（２）吸収原子の周りに近接する原子の種類、（３）吸収原子の周りに近接する原子の数（配位数）、（４）吸収原子からその周りに近接する原子までの距離（原子間距離）などがわかる。

より具体的には、ＸＡＮＥＳにおいて、吸収の立ち上がりのエネルギーは注目対象の原子の価数によって変化するため、この立ち上がりのエネルギーから注目対象となる元素の酸化数が容易にわかる。その他、ＥＸＡＦＳからは吸収原子と近接する原子までの原子間距離がわかる。吸収されるＸ線の強度が変化すると、吸収原子から放出される電子の波長が変化する。吸収原子から放出された電子は、隣接原子に当って散乱され、その散乱波の一部は吸収原子に戻ってくる。その際、放出された電子の波長が吸収原子と隣接原子との往復距離の整数倍になれば定在波が生じ、Ｘ線の吸収強度が大きくなる。逆に、放出された電子の波長が吸収原子と隣接原子との往復距離の半整数倍になれば、往復の電子の波は打ち消しあってＸ線の吸収強度が小さくなる。従って、この吸収強度の変動のみを抽出すると、その変動の周期から上記原子間距離を求めることができる。

通常、ＥＸＡＦＳは、まずＸ線吸収スペクトルからバックグラウンドを減じる。次に、バックグラウンドを除去したスペクトルのうち、吸収端から高エネルギー側のスペクトルを拡大し、そのスペクトルのほぼ中心線を求める。そして、中心線を横軸とした波形をフーリエ変換する。

このように、ニッケルイオンの内殻電子が励起されて放出された電子量を、電極の電気量として測定機構７で計測することで、電子量をプローブとするＸＡＦＳを行うことができる。

＜試験例＞
上記実施形態の解析装置１を用いて、燃料電池２の動作時におけるアノードのニッケルの情報を解析した。

燃料電池２の構成は以下の通りであった。
・カソード…ＬＳＣＦ６４２８
・電解質層…ＹＳＺ（Ｙ_２Ｏ_３＝５ｍｏｌ％）
・アノード…Ｎｉ−ＹＳＺ（Ｎｉ：ＹＳＺ＝３０体積％：７０体積％）

燃料電池２に導入する正極ガスと負極ガスは以下の通りであった。
・正極ガス…空気
・負極ガス…３体積％のＨ_２を含むＨｅガス

燃料電池２に上記正極ガスと負極ガスを導入すると共に、ヒーター６によって燃料電池２を４００℃の高温環境下に維持し、燃料電池２を動作させた。そして、Ｘ線のエネルギーを変えながらＸ線を燃料電池２のアノード２１（図２，３参照）に照射した。その際、チョッピング部４１を回転させ、燃料電池２のアノード２１に照射されるＸ線の周波数を１００Ｈｚとした。

燃料電池２で発生した電流は、電流電圧変換アンプ７０で電圧の信号に増幅・変換され、その増幅された信号のうち、同期測定部７１でＸ線の照射周期に同期する信号のみが抽出され、解析機構８に伝送される。

解析機構８は、Ｘ線検出器９で測定したＸ線の強度と、同期測定部７１で測定したＸ線の照射に伴ってアノード２１で発生した電気量と、に基づいてＸ線吸収スペクトルに相当するものを求める。なお、燃料電池２の発電に伴う電気量と、Ｘ線の照射に伴う電気量との分離は、燃料電池２にＸ線が照射されたときに測定された電気量から、Ｘ線が遮蔽されたときに測定された電気量を減じることで行なう。

本試験例では、燃料電池２の動作開始から１５分後におけるＸ線吸収スペクトル（第一スペクトル）を取得し、さらに燃料電池２の動作開始から５０分後にＸ線吸収スペクトル（第二スペクトル）を取得した。第一スペクトルと第二スペクトルにおける吸収エネルギーの解析範囲は、８２５０ｅＶ〜８４５０ｅＶとした。

第一スペクトルと第二スペクトルの結果を比較したところ、両スペクトルにおける約８３５０ｅＶの位置にＸ線の吸収端が見られた。これは、ニッケルのＫ殻電子の吸収端に一致する。また、第一スペクトルと第二スペクトルとを比較することで、第二スペクトルにおいて吸収端のピーク強度の低下を確認することができた。これは、ニッケルがメタリックな状態に変化してことを示唆している。

以上説明したように、燃料電池２を動作させながら燃料電池２のアノード２１に含まれるニッケル（注目対象）の化学的な状態を確認することができた。

本発明の解析用セル、およびその解析用セルを用いた本発明の解析装置、並びに本発明の解析方法は、燃料電池の動作時におけるアノードまたはカソードの状態を調べることに好適に利用可能である。

１ 解析装置
２ 燃料電池
２１ アノード ２２ カソード ２３ 電解質層
２９ 取付具 ２９ｂ 接着剤
３ 解析用セル
３０ 電池保持部材 ３０Ｈ 貫通孔
３１ アノードカバー ３１Ｆ フランジ ３１ｗ 窓
３２ カソードカバー ３２Ｆ フランジ
３３ ガスケット
４ Ｘ線照射機構 ４０ Ｘ線源 ４１ チョッピング部
５ 負極ガス導入機構
６ ヒーター
７ 測定機構
７０ アンプ（電流電圧変換アンプ）
７１ 同期測定部（ロックインアンプ）
７Ａ アノード側導電膜 ７Ｋ カソード側導電膜
８ 解析機構
９ Ｘ線検出器

Claims (7)

1. 被解析物にＸ線を照射し、Ｘ線のエネルギー変化に応じて前記被解析物で発生した光電子に基づく電気量を測定し、その測定結果に基づいて前記被解析物に含まれる注目対象とその周囲の情報を解析する際に、前記被解析物を保持する解析用セルであって、
   前記被解析物は、アノードとカソードと電解質層とを有する燃料電池であり、
   貫通孔を有し、その貫通孔を塞ぐように配置される前記燃料電池を保持する電池保持部材と、
   前記電池保持部材に取り付けられ、前記電池保持部材に保持される前記燃料電池の前記アノードの外周を覆うアノードカバーと、
   前記電池保持部材における前記アノードカバーと反対側に取り付けられ、前記電池保持部材に保持される前記燃料電池の前記カソードの外周を覆うカソードカバーと、
   前記アノードの表面から前記電池保持部材の表面にかけて形成され、前記アノードカバーの外側にまで伸びるアノード側導電膜と、
   前記カソードの表面から前記電池保持部材の表面にかけて形成され、前記カソードカバーの外側にまで伸びるカソード側導電膜と、
   を備える解析用セル。
2. 前記アノード側導電膜は、前記電池保持部材の表面における前記アノードカバーと接する部分、または前記アノードカバーと前記電池保持部材との間に介在されるガスケットに接する部分を封止するように設けられ、
   前記カソード側導電膜は、前記電池保持部材の表面における前記カソードカバーと接する部分、または前記カソードカバーと前記電池保持部材との間に介在されるガスケットに接する部分を封止するように設けられる請求項１に記載の解析用セル。
3. 前記解析用セルの前記電池保持部材、前記アノードカバー、および前記カソードカバーは、ガラス製である請求項１または請求項２に記載の解析用セル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の解析用セルと、
   Ｘ線のエネルギーを変えながら、前記解析用セルに保持される前記燃料電池にＸ線を照射するＸ線源を有するＸ線照射機構と、
   前記燃料電池を動作させるために、前記解析用セルに備わる前記アノードカバーの内部に負極活物質を含む負極ガスを導入する負極ガス導入機構と、
   前記燃料電池を所定温度に加熱するヒーターと、
   前記Ｘ線によって前記燃料電池に生じる電気量を、前記アノード側導電膜および前記カソード側導電膜を介して測定する測定機構と、
   前記測定機構の測定結果に基づいて、前記燃料電池の動作時における前記注目対象の情報を解析する解析機構と、
   を備える解析装置。
5. 前記Ｘ線照射機構は、前記Ｘ線源からのＸ線を、前記燃料電池に間歇的に照射させるチョッピング部を備え、
   前記測定機構は、前記燃料電池に間歇的に照射されるＸ線の周期に同期した電気量を測定する同期測定部を備え、
   前記解析機構は、前記同期測定部の測定結果に基づいて解析を行なう請求項４に記載の解析装置。
6. 前記ヒーターは、加熱・保温機能を有するマントルヒーターである請求項４または請求項５に記載の解析装置。
7. 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の解析装置を用意し、
   前記燃料電池の前記アノードカバーの内部に負極ガスを導入し、前記カソードカバーの内部に正極ガスを導入すると共に、前記ヒーターで前記燃料電池を所定温度に加熱することで、前記燃料電池を動作させ、
   前記燃料電池の動作中に、前記Ｘ線照射機構から照射されるＸ線のエネルギーを変化させながら前記注目対象の情報を解析する解析方法。

Images