JP6631041B2 - Oxygen concentration measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象領域の酸素濃度を光学的に測定する酸素濃度測定装置に関し、特に燃料電池内部の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定するために好適に用いることができる酸素濃度測定装置に関する。 The present invention relates to an oxygen concentration measuring device that optically measures an oxygen concentration in a measurement target area, and particularly to an oxygen concentration measurement that can be suitably used for measuring an oxygen gas concentration in an oxygen gas flow path inside a fuel cell. Equipment related.
燃料電池は、負極側に供給される水素と正極側に供給される酸素の電気化学反応を利用して発電を行う装置である。発電に際して二酸化炭素や窒素酸化物等の有害物質を発生しない、発電効率やエネルギー利用効率が高い、燃料となる水素を容易に得ることができる、といった様々な利点を有していることから、近年様々な分野で用いられている。 A fuel cell is a device that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen supplied to a negative electrode side and oxygen supplied to a positive electrode side. In recent years, it has various advantages such as not generating harmful substances such as carbon dioxide and nitrogen oxides during power generation, high power generation efficiency and energy use efficiency, and being able to easily obtain hydrogen as fuel. It is used in various fields.
燃料電池では、負極側で水素から離脱した電子が外部回路を通って正極側に移動することにより電流が流れる。また、水素から電子が離脱した結果生成された水素イオンは正極側に向かって電解質中を移動し、正極側で電子を受け取った酸素(酸素イオン)と反応して水になる。従って、正極側での酸素の消費状況は発電状態を反映しており、これを評価することは、電池の構造、電解質膜や触媒の種類、発電条件等を改良して電池性能を向上させるために有効である。 In a fuel cell, a current flows when electrons released from hydrogen on the negative electrode side move to the positive electrode side through an external circuit. In addition, hydrogen ions generated as a result of the release of electrons from hydrogen move in the electrolyte toward the positive electrode, and react with oxygen (oxygen ions) that have received the electrons on the positive electrode to become water. Therefore, the state of oxygen consumption on the positive electrode side reflects the state of power generation, and evaluating this is necessary to improve battery performance by improving the structure of the battery, the type of electrolyte membrane and catalyst, the power generation conditions, and the like. It is effective for
本願出願人は、特許文献1及び非特許文献1において、燃料電池内部の酸素ガス濃度を光学的に測定する装置(酸素濃度測定装置)を提案している。この酸素濃度測定装置では、燃料電池の正極に接するように設けた酸素ガス流路に、酸素濃度に応じて蛍光強度が変化する酸素感応物質を予め塗布しておき、これに光透過窓を通して所定波長の励起光を照射して、酸素感応物質から放出される蛍光強度を検出する。酸素感応物質は、酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する物質であり、該酸素感応物質の蛍光強度から酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を求めることができる。
The applicant of the present application has proposed a device (oxygen concentration measuring device) for optically measuring the oxygen gas concentration in a fuel cell in
図1に、特許文献1に記載の酸素濃度測定装置100の要部構成を示す。この酸素濃度測定装置100では、光源101から所定の広がり角で発せられる光(励起光)がコリメートレンズ102で平行光に変換され、全反射ミラー103及びダイクロイックミラー104で反射された後、可視化セル105内の酸素ガス流路に照射される。前記コリメートレンズ102は励起光の光軸方向に移動可能であり、該コリメートレンズ102を移動させることによって、可視化セル105内の酸素ガス流路の大きさに応じた面積で励起光を照射することができる。酸素ガス流路105に予め塗布された酸素感応物質からの蛍光は、光検出器106により検出される。
FIG. 1 shows a main configuration of an oxygen
通常、酸素濃度の測定は、外部光を遮断した暗室で行われる。しかし、上述の酸素濃度測定装置100では、光源101から酸素ガス流路までの光路上にコリメートレンズ102や全反射ミラー103、ダイクロイックミラー104といった光学素子が配置されている。このため、外部光を遮断しても、光源から発せられた励起光の一部がコリメートレンズ102等の光学素子で散乱して迷光となる。こうした迷光が光検出器106に入射すると蛍光強度の測定結果が不正確になり酸素ガス濃度の測定精度が悪化してしまう、という問題があった。
Usually, the measurement of the oxygen concentration is performed in a dark room where external light is blocked. However, in the above-described oxygen
本発明が解決しようとする課題は、酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する酸素感応物質を用いて測定対象空間内の酸素ガス濃度を測定する酸素濃度測定装置において、測定の精度を向上させることである。 The problem to be solved by the present invention is to improve the accuracy of measurement in an oxygen concentration measurement device that measures an oxygen gas concentration in a measurement target space using an oxygen-sensitive substance that emits fluorescence having an intensity corresponding to the oxygen concentration. It is.
上記課題を解決するために成された本発明は、測定対象空間に置かれた検出面に塗布された酸素感応物質の蛍光強度を測定することによって前記測定対象空間の酸素ガス濃度を測定する装置であって、
a) 所定波長の励起光を発する光源と、
b) 前記励起光を前記検出面に照射する、光学素子を含む照射光学系と、
c) 前記酸素感応物質から発せられる蛍光が入射する光入射面と、一端が前記検出面を臨む方向に開口し、他端が前記光入射面に当接している、前記光学素子のうち前記蛍光が前記光入射面に入射する経路の外に配置された光学素子と前記光入射面とを結ぶ直線経路を遮断する筒状体であるカバー部材とを有する光検出部と、
を備えることを特徴とする。
Means for Solving the Problems The present invention made in order to solve the above-mentioned problem provides an apparatus for measuring an oxygen gas concentration in the measurement target space by measuring a fluorescence intensity of an oxygen sensitive substance applied to a detection surface placed in the measurement target space. And
a) a light source that emits excitation light of a predetermined wavelength;
b) irradiating the excitation light on the detection surface, an irradiation optical system including an optical element,
a light incident surface which the fluorescence incident emitted from c) the oxygen sensitive material, one end opening in a direction facing the detection surface, the other end is in contact with the light incident surface, the fluorescent of the optical element A light detection unit having a cover member that is a tubular body that blocks a linear path connecting the optical element and the light incident surface, which is disposed outside a path incident on the light incident surface,
It is characterized by having.
本発明に係る酸素濃度測定装置では、照射光学系を通して励起光を酸素感応物質が塗布された検出面に照射する。そして、光検出部により酸素感応物質の蛍光の強度を検出する。このとき、検出面を臨む方向に開口した筒状体であるカバー部材が光検出部の光入射面に取り付けられているため、照射光学系の光学素子で散乱され生じた迷光が光検出器に入射するのを防ぐことができる。従って、酸素感応物質からの蛍光の強度を正確に測定して酸素ガス濃度を高精度で測定することができる。 In the oxygen concentration measuring device according to the present invention, the excitation light is applied to the detection surface coated with the oxygen-sensitive substance through the irradiation optical system. Then, the intensity of the fluorescence of the oxygen-sensitive substance is detected by the light detection unit. At this time, since the cover member, which is a cylindrical body opened in the direction facing the detection surface, is attached to the light incident surface of the light detection unit, stray light generated by scattering by the optical element of the irradiation optical system is applied to the light detector. It is possible to prevent incidence. Therefore, the intensity of the fluorescence from the oxygen-sensitive substance can be accurately measured, and the oxygen gas concentration can be measured with high accuracy.
上記光検出部は、酸素感応物質の蛍光の総強度を測定するものであってもよいが、撮像装置(カメラ)であることが好ましい。これにより検出面の画像を取得し、該画像における明度の分布(酸素感応物質の蛍光強度の分布)から測定対象空間内での酸素ガス濃度の分布を得ることができる。この構成は、特に、燃料電池内部の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定するために好適に用いることができる。 The light detector may measure the total intensity of the fluorescence of the oxygen-sensitive substance, but is preferably an imaging device (camera). Thus, an image of the detection surface is obtained, and the distribution of the oxygen gas concentration in the measurement target space can be obtained from the distribution of the brightness (the distribution of the fluorescence intensity of the oxygen-sensitive substance) in the image. This configuration can be suitably used particularly for measuring the oxygen gas concentration in the oxygen gas flow path inside the fuel cell.
燃料電池には、用途や使用場所に応じた様々な大きさのものがあり、検出面の大きさも様々である。こうした検出面に柔軟に対応すべく、前記照射光学系は、前記励起光の光軸方向に移動可能に配置されたコリメートレンズを備えることが好ましい。これにより、検出面の大きさに応じて励起光の照射面積を変更することができる。 There are fuel cells of various sizes according to applications and places of use, and the size of the detection surface also varies. In order to flexibly cope with such a detection surface, it is preferable that the irradiation optical system includes a collimating lens arranged so as to be movable in an optical axis direction of the excitation light. Thereby, the irradiation area of the excitation light can be changed according to the size of the detection surface.
本発明に係る酸素濃度測定装置を用いることにより、励起光が照射光学系に含まれる光学素子で散乱して生じた迷光が光検出部に入射することを防止し、酸素感応物質からの蛍光の強度を正確に測定して測定対象空間内の酸素ガス濃度の測定精度を向上することができる。 By using the oxygen concentration measuring device according to the present invention, it is possible to prevent stray light generated by scattering of the excitation light by the optical element included in the irradiation optical system from being incident on the light detection unit, and to prevent fluorescence from the oxygen-sensitive substance from being emitted. The intensity can be accurately measured, and the measurement accuracy of the oxygen gas concentration in the measurement target space can be improved.
本発明に係る酸素濃度測定装置の一実施例について、以下、図面を参照して説明する。本実施例の酸素濃度測定装置10は、燃料電池内部の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定する装置である。酸素ガス流路(検出面)には、約400nmの光を吸収して約650nmの蛍光を発する酸素感応物質が予め塗布されている。酸素感応物質は、酸素濃度に応じた強度の蛍光を発する(例えば蛍光が酸素ガスによって消光される)白金ポルフィリン等の物質である。
An embodiment of the oxygen concentration measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The oxygen
図2は、本実施例の酸素濃度測定装置10の要部構成図である。
酸素濃度測定装置10は、LED光源1、コリメートレンズ2、全反射ミラー3、ダイクロイックミラー(誘電体多層膜ミラー)4、及びカメラ6を備えている。また、コリメートレンズ2は、図示しない移動機構によって励起光の光軸方向に移動可能に配置されている。なお、LED光源1は、LEDと、該LEDから発せられる光を所定の広がり角に成形するビームエクスパンダーを備えている。あるいは、LED光源1に代えて、レーザと、該レーザから発せられる光を所定の広がり角に成形するビームエクスパンダーを有するレーザ光源を用いても良い。
FIG. 2 is a main part configuration diagram of the oxygen
The oxygen
燃料電池では、用途や使用場所に応じて様々な大きさのものが用いられる。従って、酸素ガス流路の大きさも10mm四方程度のものから1000mm四方に至るものまで様々である。本実施例の酸素濃度測定装置10では、コリメートレンズ2をLED光源1から遠ざかる方向に移動すると、励起光の照射面積を大きくすることができる。従って、燃料電池の酸素ガス流路の大きさに合わせて励起光の照射面積を変更することができる。
Fuel cells of various sizes are used depending on the application and the place of use. Therefore, the size of the oxygen gas flow path also varies from about 10 mm square to 1000 mm square. In the oxygen
LED光源1から所定の広がり角で発せられた約400nmの励起光(図中の一点鎖線)は、コリメートレンズ2により平行光に変換された後、全反射ミラー3及びダイクロイックミラー4で反射されて検出面5に入射する。これにより、検出面5に塗布された酸素感応物質から発せられた蛍光(図中の破線)はカメラ6で撮像され、所定の画像処理が施されたあと、図示しない表示部の画面上に表示される。
Excitation light of about 400 nm (dashed-dotted line in the figure) emitted from the
本実施例の酸素濃度測定装置10では、カメラ6の光入射面7にカバー部材8が取り付けられている。カバー部材8は検出面5を臨む方向に開口した筒状体である。カバー部材8には、黒色の樹脂製や黒色塗装された金属製のものであって、表面が粗く加工され反射が抑えられたものを用いることが好ましい。また、励起光が通過する光路上に位置する光学素子(即ち、コリメートレンズ2及び全反射ミラー3)において励起光が散乱されて生じた迷光が光入射面7に直接入射するのを防ぐような長さに形成されている。つまり、コリメートレンズ2及び全反射ミラー3と、光入射面7を結ぶ直線経路を遮断するようにカバー部材8が装着されている。これは、カメラ6に取り付けられたカバー部材8の長さや形状を踏まえ、コリメートレンズ2及び全反射ミラー3で散乱された迷光が光入射面7に直接入射することがない位置にコリメートレンズ2及び全反射ミラー3が配置されている、と言い換えることもできる。従って、励起光がコリメートレンズ2及び全反射ミラー3で散乱され迷光になっても、それらが検出されることがない。そのため、検出面5の蛍光強度を正確に測定して酸素ガス濃度を高精度で測定することができる。
In the oxygen
また、カバー部材8は検出面5のサイズに応じて形状を変化させることができる。例えば、検出面5が光入射面7よりも大きい場合に、検出面5の大きさに合わせてカバー部材8全体を大きくするように変形可能に構成することができる。カメラ6の大きさに比べてカバー部材8を適宜に大きくすることで、迷光の進入をより効果的に抑えることができる。
The shape of the cover member 8 can be changed according to the size of the
上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更可能である。上記実施例ではLED光源を用いたが、酸素感応物質による光吸収が起こる波長を含み該酸素感応物質の蛍光波長を含まない波長範囲の光を発する白色光源を用いても良い。また、本実施例では燃料電池の酸素ガス流路内の酸素ガス濃度を測定する場合を例に挙げたが、当然、それ以外の測定対象空間内の酸素ガス濃度も同様に測定することができる。 The above embodiment is an example, and can be appropriately changed in accordance with the gist of the present invention. Although an LED light source is used in the above embodiment, a white light source that emits light in a wavelength range that includes a wavelength at which light is absorbed by the oxygen-sensitive substance but does not include the fluorescence wavelength of the oxygen-sensitive substance may be used. Further, in the present embodiment, the case where the oxygen gas concentration in the oxygen gas flow path of the fuel cell is measured has been described as an example, but it goes without saying that the oxygen gas concentration in other measurement target spaces can be similarly measured. .
上記実施例における照射光学系に代えて、図3あるいは図4に示すような構成を採ることもできる。
図3に示す酸素濃度測定装置20では、LED光源11からの励起光をコリメートレンズ12で平行光に変換し、斜方向から検出面15に照射する。そして、検出面15に塗布された酸素感応物質からの蛍光をカメラ16により撮像する。カメラ16は上記実施例と同様に、光入射面17にカバー部材18を備えている。この構成では、全反射ミラーやダイクロイックミラーを用いないため、迷光の発生要因を少なくすることができる。
Instead of the irradiation optical system in the above embodiment, a configuration as shown in FIG. 3 or FIG. 4 can be adopted.
In the oxygen
図4に示す酸素濃度測定装置30では、LED光源21からの励起光をコリメートレンズ22で平行光に変換し、ダイクロイックミラー23を通過させて検出面25に照射する。検出面25からの蛍光は、ダイクロイックミラー23及び全反射ミラー24で反射された後、カメラ26で撮像される。カメラ26も、上記実施例と同様に、光入射面27にカバー部材28を備えている。図4の構成で使用するダイクロイックミラー23には、図2の構成で用いるダイクロイックミラーと違い、励起光の波長の光を透過して蛍光の波長の光を反射するものを用いる。なお、この構成では全反射ミラー24に代えて、励起光を透過し蛍光を反射するダイクロイックミラーを用いてもよい。ダイクロイックミラーを用いることにより、励起光の散乱により生じた迷光(即ち、励起光と同一波長の迷光)をより確実に遮断し、酸素ガスの測定精度をより一層高めることができる。
In the oxygen
1、11、21…LED光源
10、20、30…酸素濃度測定装置
2、12、22…コリメートレンズ
3、24…全反射ミラー
4、23…ダイクロイックミラー
5、15、25…検出面
6、16、26…カメラ
7、17、27…光入射面
8、18、28…カバー部材
1, 11, 21 ...
Claims (4)
a) 所定波長の励起光を発する光源と、
b) 前記励起光を前記検出面に照射する、光学素子を含む照射光学系と、
c) 前記酸素感応物質から発せられる蛍光が入射する光入射面と、一端が前記検出面を臨む方向に開口し、他端が前記光入射面に当接している、前記光学素子のうち前記蛍光が前記光入射面に入射する経路の外に配置された光学素子と前記光入射面とを結ぶ直線経路を遮断する筒状体であるカバー部材とを有する光検出部と、
を備えることを特徴とする酸素濃度測定装置。 An apparatus for measuring the oxygen gas concentration of the measurement target space by measuring the fluorescence intensity of the oxygen-sensitive substance applied to the detection surface placed in the measurement target space,
a) a light source that emits excitation light of a predetermined wavelength;
b) irradiating the excitation light on the detection surface, an irradiation optical system including an optical element,
a light incident surface which the fluorescence incident emitted from c) the oxygen sensitive material, one end opening in a direction facing the detection surface, the other end is in contact with the light incident surface, the fluorescent of the optical element A light detection unit having a cover member that is a tubular body that blocks a linear path connecting the optical element and the light incident surface, which is disposed outside a path incident on the light incident surface,
An oxygen concentration measuring device comprising:
所定波長の励起光を、光学素子を含む照射光学系によって前記検出面に照射し、
前記検出面に塗布された前記酸素感応物質からの蛍光を、該蛍光が入射する光入射面と、一端が前記検出面を臨む方向に開口し、他端が前記光入射面に当接している、前記光学素子のうち前記蛍光が前記光入射面に入射する経路の外に配置された光学素子と前記光入射面とを結ぶ直線経路を遮断する筒状体であるカバー部材とを有する光検出部によって検出する
ことを特徴とする酸素濃度測定方法。
Apply an oxygen-sensitive substance that emits fluorescence of different intensity according to the oxygen concentration on the detection surface placed in the measurement target space,
Excitation light of a predetermined wavelength is irradiated on the detection surface by an irradiation optical system including an optical element,
Fluorescence from the oxygen-sensitive substance applied to the detection surface, a light incident surface on which the fluorescence is incident, one end is opened in a direction facing the detection surface, and the other end is in contact with the light incident surface. A light detection device having a cover member that is a cylindrical body that blocks a linear path connecting the optical element and the optical element , the optical element being disposed outside a path through which the fluorescence is incident on the light incident surface; A method for measuring oxygen concentration, characterized in that the oxygen concentration is detected by a part.
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