Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7568210B2 - Analysis system and analysis method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7568210B2 - Analysis system and analysis method - Google Patents

Analysis system and analysis method Download PDF

Info

Publication number
JP7568210B2
JP7568210B2 JP2020089734A JP2020089734A JP7568210B2 JP 7568210 B2 JP7568210 B2 JP 7568210B2 JP 2020089734 A JP2020089734 A JP 2020089734A JP 2020089734 A JP2020089734 A JP 2020089734A JP 7568210 B2 JP7568210 B2 JP 7568210B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
sample
intensity
spectrometer
analysis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020089734A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021183949A (en
Inventor
潤治 犬飼
克彦 押川
力矢 吉田
博通 西山
庄吾 高椋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to JP2020089734A priority Critical patent/JP7568210B2/en
Publication of JP2021183949A publication Critical patent/JP2021183949A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7568210B2 publication Critical patent/JP7568210B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

本発明は、分析システム及び分析方法に関する。 The present invention relates to an analysis system and an analysis method.

サンプルの定性分析又は定量分析のため、分光法を用いた測定が行われている。例えば、燃料電池に使用される電解質膜中の水分子の測定に、分光法の1つであるコヒーレント反ストークスマン散乱法が用いられている(特許文献1参照)。分光法は、非破壊及び非接触で測定が可能であり、製品の評価に特に有用である。 Spectroscopic measurements are used for qualitative or quantitative analysis of samples. For example, coherent anti-Stokesman scattering, a type of spectroscopy, is used to measure water molecules in electrolyte membranes used in fuel cells (see Patent Document 1). Spectroscopic methods allow for non-destructive and non-contact measurements, and are particularly useful for product evaluation.

特開2016-156813号公報JP 2016-156813 A

分光計の空間分解能を上げるには、通常、照射光の焦点を絞る。また、光の照射位置を変えることによって複数の位置での発光強度を測定する。照射光を絞るほど、また照射位置を細かく変えるほど、空間分解能は上がる。 To increase the spatial resolution of a spectrometer, the irradiated light is usually focused. Also, the emission intensity is measured at multiple positions by changing the position at which the light is irradiated. The more the irradiated light is focused and the more finely the irradiated position is changed, the higher the spatial resolution.

しかしながら、照射光を絞るにも限界がある。照射光を絞りすぎるとサンプルがダメージを受ける可能性もある。また、測定回数が増えるほど測定にもその測定結果の解析にも時間を要する。 However, there is a limit to how much the irradiated light can be narrowed. If the irradiated light is narrowed too much, the sample may be damaged. Also, the more measurements are taken, the longer it takes to measure and analyze the results.

本発明は、物質の連続的な分布を簡易な測定により得ることを目的とする。 The purpose of the present invention is to obtain continuous distribution of a substance through simple measurement.

本発明の一態様の分析システム(100)は、測定用の光をサンプルに照射し、前記サンプルにおける発光強度を測定する分光計(30)と、前記発光強度の測定結果に基づいて、前記サンプルの分析を行う診断装置(50)と、を備え、前記診断装置(50)は、前記発光強度の測定結果と、前記照射光の強度分布と、に基づいて、前記サンプルに含まれる分析対象の物質の連続的な濃度分布を計算する。 An analytical system (100) according to one aspect of the present invention includes a spectrometer (30) that irradiates a sample with measurement light and measures the luminescence intensity of the sample, and a diagnostic device (50) that analyzes the sample based on the measurement results of the luminescence intensity, and the diagnostic device (50) calculates a continuous concentration distribution of the substance to be analyzed contained in the sample based on the measurement results of the luminescence intensity and the intensity distribution of the irradiated light.

本発明の他の一態様の分析方法は、測定用の光をサンプルに照射し、前記サンプルにおける発光強度に基づいて、前記サンプルの分析を行う分析方法であって、前記発光強度の測定結果と、前記照射光の強度分布と、に基づいて、前記サンプルに含まれる分析対象の物質の連続的な濃度分布を計算するステップを含む。 Another aspect of the present invention is an analytical method that irradiates a sample with measurement light and analyzes the sample based on the emission intensity of the sample, and includes a step of calculating a continuous concentration distribution of the substance to be analyzed contained in the sample based on the measurement result of the emission intensity and the intensity distribution of the irradiated light.

本発明によれば、物質の連続的な分布を簡易な測定により得ることができる。 According to the present invention, continuous distribution of a substance can be obtained through simple measurements.

本実施形態の分析システムの構成例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of an analysis system according to an embodiment of the present invention. 燃料電池の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell. セルの構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of a cell. CARS分光計の構成例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a CARS spectrometer. 測定用の光の強度分布の測定方法を説明する模式図である。1A and 1B are schematic diagrams illustrating a method for measuring the intensity distribution of measurement light. 一定領域の物質の発光強度の計算方法を説明する模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a method for calculating the luminescence intensity of a substance in a certain region. 電解質膜に含まれる水の連続的な分布を表すプロファイルの一例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of a profile representing a continuous distribution of water contained in an electrolyte membrane. 燃料電池の出力電圧と電解質膜中の水由来の光の強度との相関を表すプロファイルの一例を示すグラフである。1 is a graph showing an example of a profile showing the correlation between the output voltage of a fuel cell and the intensity of light originating from water in an electrolyte membrane.

以下、本発明の分析システム及び分析方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する構成は、本発明の一例(代表例)であり、この構成に限定されない。 Below, an embodiment of the analysis system and analysis method of the present invention will be described with reference to the drawings. The configuration described below is one example (representative example) of the present invention, and the present invention is not limited to this configuration.

下記実施形態では、車両に搭載され、車両の駆動電力を供給する燃料電池の分析を行う例を説明するが、車両以外にも、電車等の他の移動体の発電システム、定置式発電システム等の燃料電池の分析にも本発明を適用できる。また、本発明は、燃料電池に限られず、他のサンプルの分析にも適用可能である。 In the following embodiment, an example of analyzing a fuel cell that is mounted on a vehicle and supplies driving power to the vehicle is described, but the present invention can also be applied to the analysis of fuel cells in the power generation systems of other mobile bodies such as trains, stationary power generation systems, and the like, in addition to vehicles. Furthermore, the present invention is not limited to fuel cells and can also be applied to the analysis of other samples.

図1は、本発明の一実施形態の分析システム100の構成例を示す。
図1に示すように、分析システム100は、分光計30及び診断装置50を備える。
FIG. 1 shows an example of the configuration of an analysis system 100 according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the analytical system 100 includes a spectrometer 30 and a diagnostic device 50 .

本実施形態の分析システム100は、分析対象の燃料電池10及びその制御装置60とともに車両200に搭載される。制御装置60は、車両200に搭載された各種センサーからの信号に基づいて、燃料電池10の出力電圧を制御する。制御装置60は、例えば電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)等である。 The analysis system 100 of this embodiment is mounted on a vehicle 200 together with a fuel cell 10 to be analyzed and its control device 60. The control device 60 controls the output voltage of the fuel cell 10 based on signals from various sensors mounted on the vehicle 200. The control device 60 is, for example, an electronic control unit (ECU).

(燃料電池)
図2は、燃料電池10の斜視図である。
図2に示すように、燃料電池10は、スタック10a及びケーシング10bを備える。
スタック10aの周囲は、ケーシング10bに覆われ、封止される。
(Fuel Cell)
FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell 10.
As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 includes a stack 10a and a casing 10b.
The stack 10a is surrounded by a casing 10b and sealed therewith.

スタック10aは、一列に重ねられたプレート状の複数のセル11からなる。セル11の周囲は、シーリングゴム12によって覆われ、封止される。 The stack 10a consists of multiple plate-like cells 11 stacked in a row. The periphery of the cells 11 is covered and sealed by sealing rubber 12.

図3は、セル11の構成例を示す。
図3に示すように、セル11は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)3、1対のセパレータ4及びサブガスケット5を備える。MEA3は、電解質膜1及び1対の電極2を備える。1対の電極2及び1対のセパレータ4は電解質膜1を挟むように配置され、電解質膜1の両側にそれぞれ電極2及びセパレータ4が積層されている。
FIG. 3 shows an example of the configuration of the cell 11.
3, the cell 11 includes a membrane electrode assembly (MEA) 3, a pair of separators 4, and a subgasket 5. The MEA 3 includes an electrolyte membrane 1 and a pair of electrodes 2. The pair of electrodes 2 and the pair of separators 4 are arranged to sandwich the electrolyte membrane 1, and the electrodes 2 and the separators 4 are laminated on both sides of the electrolyte membrane 1, respectively.

電解質膜1、電極2及びセパレータ4は、z方向に積層される。電解質膜1及び電極2のセパレータ4で覆われない周縁部は、シーリングゴム12によって覆われ、封止される。 The electrolyte membrane 1, the electrode 2, and the separator 4 are stacked in the z direction. The peripheral portions of the electrolyte membrane 1 and the electrode 2 that are not covered by the separator 4 are covered and sealed by the sealing rubber 12.

スタック10aにおいて、複数のセル11は電解質膜1、電極2及びセパレータ4の積層方向と同じz方向に重ねられる。x方向及びy方向は、セル11の面内で互いにz方向に直交する方向である。 In the stack 10a, multiple cells 11 are stacked in the z direction, which is the same as the stacking direction of the electrolyte membrane 1, electrodes 2, and separators 4. The x and y directions are directions that are perpendicular to the z direction within the plane of the cell 11.

電解質膜1は、イオン伝導性の高分子電解質の膜である。電解質膜1としては、例えばナフィオン(登録商標)、アクイヴィオン(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸ポリマー;スルホン化ポリエーテルエーテルケトン(SPEEK)、スルホン化ポリイミド等の芳香族系ポリマー;ポリビニルスルホン酸、ポリビニルリン酸等の脂肪族系ポリマー等が挙げられる。 The electrolyte membrane 1 is an ion-conductive polymer electrolyte membrane. Examples of the electrolyte membrane 1 include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark) and Aquivion (registered trademark); aromatic polymers such as sulfonated polyether ether ketone (SPEEK) and sulfonated polyimide; and aliphatic polymers such as polyvinyl sulfonic acid and polyvinyl phosphoric acid.

電解質膜1は、耐久性向上の観点から、多孔質基材1aに高分子電解質を含浸させた複合膜であってもよい。多孔質基材1aとしては、高分子電解質を担持できるのであれば特に限定されず、多孔質、織布状、不織布状、フィブリル状等の膜を用いることができる。多孔質基材1aの材料としても特に限定されないが、イオン伝導性を高める観点から、上述したような高分子電解質を用いることができる。なかでも、フッ素系ポリマーであるポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン等は、強度及び形状安定性に優れる。 From the viewpoint of improving durability, the electrolyte membrane 1 may be a composite membrane in which a porous substrate 1a is impregnated with a polymer electrolyte. The porous substrate 1a is not particularly limited as long as it can support the polymer electrolyte, and a membrane in the form of a porous, woven, nonwoven, or fibril can be used. The material of the porous substrate 1a is also not particularly limited, but from the viewpoint of increasing ion conductivity, the above-mentioned polymer electrolyte can be used. Among them, fluorine-based polymers such as polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, and polychlorotrifluoroethylene have excellent strength and shape stability.

1対の電極2のうち、一方の電極2はアノードであり、燃料極とも呼ばれる。他方の電極2はカソードであり、空気極とも呼ばれる。燃料ガスとして、アノードには水素ガスが供給され、カソードには酸素ガス又は酸素ガスを含む空気が供給される。 Of the pair of electrodes 2, one electrode 2 is an anode, also called a fuel electrode. The other electrode 2 is a cathode, also called an air electrode. Hydrogen gas is supplied to the anode as a fuel gas, and oxygen gas or air containing oxygen gas is supplied to the cathode.

アノードでは、水素ガス(H)が供給され、当該水素ガス(H)から電子(e)とプロトン(H)を生成する反応が生じる。電子は、図示しない外部回路を経由してカソードへ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。プロトンは電解質膜1を経由してカソードへ移動する。 Hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the anode, and a reaction occurs in which electrons (e - ) and protons (H + ) are generated from the hydrogen gas (H 2 ). The electrons move to the cathode via an external circuit (not shown). This movement of electrons generates a current in the external circuit. The protons move to the cathode via the electrolyte membrane 1.

カソードでは、酸素ガス(O)が供給され、外部回路から移動してきた電子により酸素イオン(O )が生成される。酸素イオンは、電解質膜1から移動してきたプロトン(2H)と結合して、水(HO)になる。 Oxygen gas (O 2 ) is supplied to the cathode, and oxygen ions (O 2 - ) are generated by electrons transferred from an external circuit. The oxygen ions combine with protons (2H + ) transferred from the electrolyte membrane 1 to become water (H 2 O).

電極2は、触媒層21を備える。本実施形態の電極2は、燃料ガスの拡散性向上のため、さらにガス拡散層22を備える。 The electrode 2 includes a catalyst layer 21. In this embodiment, the electrode 2 further includes a gas diffusion layer 22 to improve the diffusibility of the fuel gas.

触媒層21は、触媒によって水素ガス及び酸素ガスの反応を促進する。触媒層21は、触媒と、触媒を担持する担体及びこれらを被覆するアイオノマーを含む。
触媒としては、例えば白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、コバルト(Co)、タングステン(W)等の金属、これら金属の混合物、合金等が挙げられる。なかでも、触媒活性、一酸化炭素に対する耐被毒性、耐熱性等の観点から、白金、白金を含む混合物、合金等が好ましい。
The catalyst layer 21 promotes the reaction between hydrogen gas and oxygen gas by the catalyst. The catalyst layer 21 includes a catalyst, a carrier that supports the catalyst, and an ionomer that coats the catalyst and the carrier.
Examples of the catalyst include metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), rhodium (Rh), palladium (Pd), cobalt (Co), and tungsten (W), as well as mixtures and alloys of these metals. Among these, platinum, mixtures and alloys containing platinum are preferred from the viewpoints of catalytic activity, resistance to poisoning by carbon monoxide, heat resistance, and the like.

担体としてはメソポーラスカーボンや酸化チタン等の導電性の金属化合物が挙げられる。分散性が良好で表面積が大きく、触媒の担持量が多い場合でも高温での粒子成長が少ない観点からは、メソポーラスカーボンが好ましい。
アイオノマーとしては、電解質膜1と同様のイオン伝導性の高分子電解質を使用することができる。
Examples of the carrier include mesoporous carbon and conductive metal compounds such as titanium oxide. Mesoporous carbon is preferred from the viewpoints of good dispersibility, large surface area, and little particle growth at high temperatures even when a large amount of catalyst is supported.
As the ionomer, an ion-conductive polymer electrolyte similar to that of the electrolyte membrane 1 can be used.

ガス拡散層22は、供給された燃料ガスを触媒層21に均一に拡散することができる。ガス拡散層22としては、例えば導電性、ガス透過性及びガス拡散性を有するカーボン繊維等の多孔性繊維シートの他、発泡金属、エキスパンドメタル等の金属板等を用いることができる。 The gas diffusion layer 22 can uniformly diffuse the supplied fuel gas to the catalyst layer 21. As the gas diffusion layer 22, for example, a porous fiber sheet such as carbon fiber having electrical conductivity, gas permeability, and gas diffusion properties, as well as a metal plate such as foamed metal or expanded metal can be used.

セパレータ4は、複数のリブ4bが表面に設けられたプレートであり、バイポーラプレートとも呼ばれる。各リブ4bによってセパレータ4の表面に凹部4aが設けられる。凹部4aは、セパレータ4とMEA3との間に燃料ガスの流路を形成する。この流路は、燃料ガスの反応によって生じた水の排出路でもある。 The separator 4 is a plate with multiple ribs 4b on its surface, and is also called a bipolar plate. Each rib 4b creates a recess 4a on the surface of the separator 4. The recess 4a forms a flow path for the fuel gas between the separator 4 and the MEA 3. This flow path also serves as a drain for water produced by the reaction of the fuel gas.

セパレータ4の材料としては、例えばカーボンの他、ステンレス鋼等の金属が用いられる。 Materials for the separator 4 include, for example, carbon and metals such as stainless steel.

サブガスケット5は、MEA3の外周縁を囲むフィルム又はプレートであり、MEA3の支持体として機能する。サブガスケット5の材料としては、導電性が低い樹脂を用いることができる。樹脂材料としては特に限定されず、例えばポリフェニレンスルフィド(PPS)、ガラス入りポリプロピレン(PP-G)、ポリスチレン(PS)、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂等が挙げられる。 The subgasket 5 is a film or plate that surrounds the outer periphery of the MEA 3 and functions as a support for the MEA 3. The material of the subgasket 5 can be a resin with low electrical conductivity. There are no particular limitations on the resin material, and examples include polyphenylene sulfide (PPS), glass-filled polypropylene (PP-G), polystyrene (PS), silicone resin, and fluorine-based resin.

サブガスケット5は、外周縁部においてセパレータ4と当接することにより、セル11内部を封止する。 The subgasket 5 seals the inside of the cell 11 by abutting against the separator 4 at its outer peripheral edge.

(窓)
燃料電池10は、燃料電池10の外部から内部のMEA3に通じる窓B1~B3を備える。窓B1はケーシング10bに設けられ、窓B2はシーリングゴム12に設けられる。窓B3は、セパレータ4、ガス拡散層22及び触媒層21に設けられる。
(window)
The fuel cell 10 has windows B1 to B3 that communicate from the outside of the fuel cell 10 to the internal MEA 3. The window B1 is provided in the casing 10b, and the window B2 is provided in the sealing rubber 12. The window B3 is provided in the separator 4, the gas diffusion layer 22, and the catalyst layer 21.

窓B1及びB2は、x方向、y方向及びz方向のいずれの方向に開口してもよい。窓B3はz方向に開口し、同じくz方向に開口する窓B1に通じる。
窓B1~B3は、単なる開口部であってもよいが、封止の観点からは、ガラスプレート又はガラス以外の光を通す素材で構成されるプレートが設けられた開口部であってもよい。
The windows B1 and B2 may be open in any of the x, y and z directions. The window B3 opens in the z direction and communicates with the window B1 which also opens in the z direction.
The windows B1 to B3 may be simple openings, but from the viewpoint of sealing, they may be openings provided with glass plates or plates made of a light-transmitting material other than glass.

分光計30は、これらの窓B1~B3を介して、セパレータ4が配置されていない周縁部側から、又はセパレータ4側から、燃料電池10内部のMEA3にレーザー光を照射し、当該MEA3からの光を受光することができる。分光計30とMEA3との間の光路は、ミラー等の光学系、光ファイバー、導波路等によって形成され得る。 The spectrometer 30 can irradiate laser light onto the MEA 3 inside the fuel cell 10 from the peripheral side where the separator 4 is not arranged or from the separator 4 side through these windows B1 to B3, and receive light from the MEA 3. The optical path between the spectrometer 30 and the MEA 3 can be formed by an optical system such as a mirror, an optical fiber, a waveguide, etc.

(分光計)
分光計30は、サンプルに測定用の光、例えばレーザー光を照射する。分光計30は、レーザー光の照射によってサンプルから発生した反射光、散乱光、及び発光等の光(以下、これらを発光と総称する)を受光し、当該発光の強度を測定する。
(Spectrometer)
The spectrometer 30 irradiates a sample with light for measurement, such as laser light, receives light such as reflected light, scattered light, and emitted light (hereinafter, these are collectively referred to as emission light) generated from the sample by the irradiation of the laser light, and measures the intensity of the emission light.

分光計30の分光分析法としては、例えばコヒーレント反ストークスラマン散乱 (CARS:Coherent Anti-Stokes Raman Scattering)法、ラマン分光法、赤外分光法(IR:Infrared Spectroscopy)、及びFT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)法等が挙げられる。 Spectroscopic analysis methods used by the spectrometer 30 include, for example, Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), Raman spectroscopy, Infrared Spectroscopy (IR), and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR).

なかでも、分光計30は、CARS法により測定を行うCARS分光計であることが好ましい。CARS分光計は、ラマン分光法等の他の分光分析法に比べて時間分解能が高い。例えば、中性子検出器の時間分解能では検出に10秒以上を要するが、CARS分光計は1秒未満で検出が可能であり、燃料電池10の内部の状態をリアルタイムに分析することが可能になる。 In particular, it is preferable that the spectrometer 30 is a CARS spectrometer that performs measurements using the CARS method. A CARS spectrometer has a higher time resolution than other spectroscopic analysis methods such as Raman spectroscopy. For example, the time resolution of a neutron detector requires 10 seconds or more for detection, but a CARS spectrometer can perform detection in less than 1 second, making it possible to analyze the internal state of the fuel cell 10 in real time.

CARS分光計は、角振動数が異なる2つのレーザー光をサンプルに照射し、当該サンプルから発生するCARS光の強度を測定する。 A CARS spectrometer irradiates a sample with two laser beams of different angular frequencies and measures the intensity of the CARS light generated from the sample.

図4は、CARS分光計30Aの構成例を示す。
図4に示すように、CARS分光計30Aは、光源31、光分岐器32、変換器33、34、遅延回路35、検出器36及びプローブ38を備える。CARS分光計30Aにおける光路は、図示しないミラー等の光学系によって形成されるが、光ファイバー、導波路等によって形成されてもよい。
FIG. 4 shows an example of the configuration of the CARS spectrometer 30A.
4, the CARS spectrometer 30A includes a light source 31, an optical splitter 32, converters 33 and 34, a delay circuit 35, a detector 36, and a probe 38. The optical path in the CARS spectrometer 30A is formed by an optical system such as a mirror (not shown), but may be formed by an optical fiber, a waveguide, or the like.

CARS分光計30Aでは、光源31から出射されたレーザー光が、光分岐器32により2つのレーザー光に分岐する。光源31としては、例えばチタンサファイヤレーザー、パルスレーザー光源等が挙げられる。光分岐器32としては、例えばダイクロックミラー、ハーフミラー等の光学系の他、分岐を有する導波路、光ファイバー等が挙げられる。 In the CARS spectrometer 30A, the laser light emitted from the light source 31 is split into two laser lights by the optical splitter 32. Examples of the light source 31 include a titanium sapphire laser and a pulsed laser light source. Examples of the optical splitter 32 include optical systems such as a dichroic mirror and a half mirror, as well as a waveguide with a branch, an optical fiber, etc.

分岐した一方のレーザー光は、変換器33により角振動数ω2のストークス光L2に変換される。変換器33としては、例えばフォトニック結晶ファイバー、光パラメトリック発振器等が挙げられる。ストークス光L2は、異なる波長の光を含む白色光であってもよい。広波長域のストークス光L2を用いることにより、様々な振動モードを広く検出することができる。 One of the split laser beams is converted by the converter 33 into Stokes light L2 with angular frequency ω2. Examples of the converter 33 include a photonic crystal fiber and an optical parametric oscillator. The Stokes light L2 may be white light containing light of different wavelengths. By using the Stokes light L2 with a wide wavelength range, it is possible to detect a wide variety of vibration modes.

分岐したもう一方のレーザー光は、変換器34により角振動数ω1のポンプ光L1に変換される。変換器34としては、例えばフォトニック結晶ファイバー、光パラメトリック発振器等が挙げられる。ポンプ光L1の角振動数ω1は、ストークス光L2の角振動数ω2よりも高い。ポンプ光L1は、遅延回路35を経由してストークス光L2と同じ光路に導かれる。 The other branched laser light is converted by the converter 34 into pump light L1 with angular frequency ω1. Examples of the converter 34 include a photonic crystal fiber and an optical parametric oscillator. The angular frequency ω1 of the pump light L1 is higher than the angular frequency ω2 of the Stokes light L2. The pump light L1 is guided to the same optical path as the Stokes light L2 via the delay circuit 35.

ストークス光L2及びポンプ光L1は、プローブ38により集光されてサンプルSに照射される。ポンプ光L1は遅延回路35を経由するため、ストークス光L2よりも遅延してサンプルSに照射される。ポンプ光L1とストークス光L2の角振動数の差(ω1-ω2)がサンプルS中の物質固有の振動モードと一致すると、分子の双極子モーメントが共鳴的に誘起され、角振動数が2ω1-ω2のCARS光L3が発生する。 The Stokes light L2 and the pump light L1 are focused by the probe 38 and irradiated onto the sample S. The pump light L1 passes through the delay circuit 35, and is irradiated onto the sample S with a delay relative to the Stokes light L2. When the difference in angular frequency (ω1-ω2) between the pump light L1 and the Stokes light L2 matches the inherent vibration mode of the substance in the sample S, the molecular dipole moment is resonantly induced, and CARS light L3 with an angular frequency of 2ω1-ω2 is generated.

検出器36は、ストークス光L2及びポンプ光L1の照射によってサンプルSから発生した、角振動数が2ω1-ω2のCARS光Lcの強度を検出する。検出器36は、例えば分光器、CCD(Charge Coupled Device)、ICCD(Intensified CCD)等の光電変換素子により構成されるが、各波長の光の強度が計測できるのであればこれらに限定されない。 The detector 36 detects the intensity of CARS light Lc with an angular frequency of 2ω1-ω2, which is generated from the sample S by irradiation with the Stokes light L2 and the pump light L1. The detector 36 is composed of a photoelectric conversion element such as a spectrometer, a CCD (Charge Coupled Device), or an ICCD (Intensified CCD), but is not limited to these as long as it can measure the intensity of light at each wavelength.

なお、窓B1及びB3を介してセパレータ4側からレーザー光を照射する場合、分光計30のレーザー光の焦点位置をx方向及びy方向(面内方向)に変更するか、又はz方向(厚み方向)に変更することによって、レーザー光を照射するx、y又はz方向の位置を変更できる。また、窓B1及びB2を介して電解質膜1の周縁部側からレーザー光を照射する場合、プローブ38の位置又は姿勢を変更する等してレーザー光を照射する面内方向の位置を変更できる。照射位置の変更により、サンプルSを電解質膜1又は電極2に切り替えることも可能である。 When the laser light is irradiated from the separator 4 side through the windows B1 and B3, the position in the x, y or z direction where the laser light is irradiated can be changed by changing the focal position of the laser light of the spectrometer 30 in the x and y directions (in-plane directions) or in the z direction (thickness direction). When the laser light is irradiated from the peripheral edge side of the electrolyte membrane 1 through the windows B1 and B2, the in-plane position where the laser light is irradiated can be changed by changing the position or attitude of the probe 38, for example. By changing the irradiation position, it is also possible to switch the sample S to the electrolyte membrane 1 or the electrode 2.

(診断装置)
診断装置50は、分光計30による測定結果に基づいて、燃料電池10内の分析対象の定性分析又は定量分析を行う。診断装置50としては、例えばCPU、CPUが実行するプログラムを記憶するメモリ等を備えたコンピュータ、マイクロコンピュータ等を使用できる。
(Diagnostic device)
The diagnostic device 50 performs qualitative or quantitative analysis of the analysis target in the fuel cell 10 based on the measurement results by the spectrometer 30. As the diagnostic device 50, for example, a computer equipped with a CPU, a memory for storing a program executed by the CPU, etc., or a microcomputer can be used.

定性分析は、分光計30によって得られる光の強度のスペクトルにおいて、分析対象の物質を含む原子間の振動モードに起因するピークを同定することによって行うことができる。例えば、200cm-1付近にPt-Pt分子に起因するピークが現れ、3500cm-1付近に水分子に起因するピークが現れる。 Qualitative analysis can be performed by identifying peaks due to vibrational modes between atoms that comprise the substance to be analyzed in the spectrum of light intensity obtained by the spectrometer 30. For example, a peak due to Pt-Pt molecules appears near 200 cm −1 , and a peak due to water molecules appears near 3500 cm −1 .

定量分析の方法は特に限定されないが、例えばリファレンスデータを用いて分析対象の物質の量を計算することができる。リファレンスデータは、存在量が既知の分析対象に対し、分光計30により検出された光の強度が関連付けられたデータである。光の強度は、分析対象を含む物質の振動モードに起因するピークの強度又は面積として求めることができる。 The method of quantitative analysis is not particularly limited, but for example, the amount of the substance to be analyzed can be calculated using reference data. The reference data is data in which the intensity of light detected by the spectrometer 30 is associated with the amount of the substance to be analyzed, the amount of which is known. The intensity of light can be calculated as the intensity or area of a peak resulting from the vibration mode of the substance that contains the substance to be analyzed.

分析対象としては、電解質膜1、電解質膜1に含まれる白金、白金酸化物等の白金化合物又は水が挙げられる。例えば、診断装置50は、分光計30による電解質膜1の厚み方向(z方向)又は面内方向(x-y平面)の測定結果に基づいて、電解質膜1、電解質膜1中の白金、白金化合物又は水の分析を行うことにより、電解質膜1の厚み方向又は面内方向に分布する白金又は水のプロファイル等を作成することができる。このような電解質膜1の分解プロファイルにより、電解質膜1の分解過程を把握することができる。また、白金又は水のプロファイルにより、触媒層21から電解質膜1へ白金が溶出するプラチナバンド形成の現象を把握することができる。 The analysis targets include the electrolyte membrane 1, platinum contained in the electrolyte membrane 1, platinum compounds such as platinum oxide, or water. For example, the diagnostic device 50 can analyze the electrolyte membrane 1, platinum, platinum compounds, or water in the electrolyte membrane 1 based on the measurement results of the thickness direction (z direction) or in-plane direction (x-y plane) of the electrolyte membrane 1 by the spectrometer 30, thereby creating a profile of platinum or water distributed in the thickness direction or in-plane direction of the electrolyte membrane 1. From such a decomposition profile of the electrolyte membrane 1, the decomposition process of the electrolyte membrane 1 can be understood. In addition, from the platinum or water profile, the phenomenon of platinum band formation in which platinum dissolves from the catalyst layer 21 into the electrolyte membrane 1 can be understood.

分析対象は、電解質膜1だけでなく、電極2又はサブガスケット5中の白金又は白金化合物であってもよい。このような分析により、電極2からの白金の溶出量又はサブガスケット5への白金の溶出量等を把握することができる。 The subject of analysis may be not only the electrolyte membrane 1, but also platinum or platinum compounds in the electrode 2 or subgasket 5. By such an analysis, it is possible to ascertain the amount of platinum eluted from the electrode 2 or the amount of platinum eluted into the subgasket 5, etc.

分析対象は、電解質膜1、電極2又はサブガスケット5中のニッケル、クロム等の白金以外の金属又は金属化合物であってもよい。このような分析により、金属不純物の混入を把握することができる。 The subject of analysis may be a metal or metal compound other than platinum, such as nickel or chromium, in the electrolyte membrane 1, the electrode 2, or the subgasket 5. Such an analysis can identify the presence of metal impurities.

(分析システムの分析方法)
上記分析システム100は、サンプルS中の分析対象の物質の連続的な濃度分布を、分光計30による発光強度の測定結果と、分光計30の照射光の強度分布とに基づいて、診断装置50により計算する。以下、具体的に説明する。
(Analysis method of analysis system)
The above-mentioned analysis system 100 calculates the continuous concentration distribution of the substance to be analyzed in the sample S by the diagnostic device 50 based on the emission intensity measurement results by the spectrometer 30 and the intensity distribution of the irradiated light from the spectrometer 30. A specific description will be given below.

最初に、分光計30において測定用に照射される光の3次元強度分布が測定される。強度分布の変動を減らすため、測定時の温度、湿度等の環境条件は一定とする。 First, the spectrometer 30 measures the three-dimensional intensity distribution of the light irradiated for measurement. To reduce fluctuations in the intensity distribution, the environmental conditions during measurement, such as temperature and humidity, are kept constant.

図5は、測定用の照射光の強度分布の測定方法の一例を示す。
図5に示すように、分光計30からz方向に照射された光L0は、x-y平面で切り出され、x-y平面上の各位置(x,y)での光強度が測定される。測定には、例えばCCD等が使用され得る。この測定がz方向の位置を変更して繰り返され、3次元の複数の位置(x,y,z)での光強度が求められる。実測値を補間することにより連続的な光強度分布が求められてもよい。なお、照射光L0の光径は焦点位置に近づくほど小さい。
FIG. 5 shows an example of a method for measuring the intensity distribution of the measurement light.
As shown in Fig. 5, the light L0 irradiated in the z direction from the spectrometer 30 is cut out in the xy plane, and the light intensity at each position (x, y) on the xy plane is measured. For example, a CCD or the like may be used for the measurement. This measurement is repeated by changing the position in the z direction, and the light intensity at multiple three-dimensional positions (x, y, z) is obtained. A continuous light intensity distribution may be obtained by interpolating the actual measured values. Note that the light diameter of the irradiated light L0 becomes smaller as it approaches the focal position.

次に、分光計30によりサンプルSに光L0が照射され、サンプルSからの発光L3の強度が測定される。このときの環境条件は、照射光L0の強度分布の測定時と同じであることが好ましい。診断装置50は、この測定結果を用いて物質の濃度分布を計算する。
以下、図6に示すように、サンプルS中の立方体の領域Vに含まれる物質の3次元の濃度分布を計算する例を説明する。
Next, the light L0 is irradiated onto the sample S by the spectrometer 30, and the intensity of the light emission L3 from the sample S is measured. The environmental conditions at this time are preferably the same as those when the intensity distribution of the irradiated light L0 was measured. The diagnostic device 50 uses the measurement results to calculate the concentration distribution of the substance.
An example of calculating the three-dimensional concentration distribution of a substance contained in a cubic region V in a sample S as shown in FIG. 6 will be described below.

立方体の領域Vは、さらに小さな立方体の領域に分割される。この例では、10個の領域に分割される。各分割領域の位置(x,y,z)は、(0,0,0)~(10,10,10)で表される。各分割領域での発光L3の光強度は、光L0の強度が増加するほど単調増加する(例えば比例する)。照射光L0は広がりを有するため、診断装置50は、照射光L0のすべてが領域V全体に照射されると仮定して下記計算を行う。 The cubic region V is further divided into smaller cubic regions. In this example, it is divided into 10 9 regions. The position (x, y, z) of each divided region is expressed as (0, 0, 0) to (10 9 , 10 9 , 10 9 ). The light intensity of the emitted light L3 in each divided region increases monotonically (for example, proportionally) as the intensity of the light L0 increases. Since the irradiated light L0 has a spread, the diagnostic device 50 performs the following calculation assuming that all of the irradiated light L0 is irradiated to the entire region V.

診断装置50は、照射光L0の各位置(x,y,z)の光強度の測定結果から、各分割領域(0,0,0)~(10,10,10)に照射される光L0の光強度の割合を計算し、各分割領域(0,0,0)~(10,10,10)における係数m(x,y,z)(%)とする。各分割領域の係数m(x,y,z)の合計は100%である。なお、光L0が照射される範囲に限りがあると仮定する場合、診断装置50は、領域V中の光L0が照射されない分割領域の係数をm(x,y,z)=0に設定すればよい。 From the measurement results of the light intensity of each position (x, y, z) of the irradiated light L0, the diagnostic device 50 calculates the ratio of the light intensity of the light L0 irradiated to each divided region (0, 0, 0) to (10 9 , 10 9 , 10 9 ), and sets the ratio as a coefficient m(x, y, z) (%) for each divided region (0, 0 , 0) to (10 9 , 10 9 , 10 9 ). The sum of the coefficients m(x, y, z) for each divided region is 100%. Note that, if it is assumed that there is a limit to the range irradiated with the light L0, the diagnostic device 50 may set the coefficient m(x, y, z) = 0 for the divided regions in region V that are not irradiated with the light L0.

診断装置50は、i個のパラメータを用いて物質の3次元の濃度分布を表す関数F(x,y,z)を定義する。iは、自然数である。例えば、関数F(x,y,z)は、5個のパラメータa~eを用いて、下記多項式(1)で表される。
(1) F(x,y,z)
=a×x+b×y+c×x+d×y+e×z
The diagnostic device 50 defines a function F(x, y, z) that represents a three-dimensional concentration distribution of a substance using i parameters, where i is a natural number. For example, the function F(x, y, z) is expressed by the following polynomial (1) using five parameters a to e.
(1) F(x, y, z)
=a×x 2 +b×y 2 +c×x+d×y+e×z

なお、関数F(x,y,z)は式(1)に限定されず、適宜設計された式を使用できる。例えば、より高次元化された多項式を使用することにより、濃度分布の精度を高めることができる。また、物質の特性に応じた式に設計することにより、濃度分布の精度が高まる。例えば水の場合、重力方向に水が多く存在することが予想されるため、重力方向に重み付けした式であってもよい。 The function F(x, y, z) is not limited to equation (1), and any appropriately designed equation can be used. For example, the accuracy of the concentration distribution can be improved by using a higher-dimensional polynomial. The accuracy of the concentration distribution can also be improved by designing an equation according to the properties of the substance. For example, in the case of water, since it is expected that there is more water in the direction of gravity, an equation weighted in the direction of gravity may be used.

各分割領域において対象物質から得られる発光L3の強度I(x,y,z)が、物質の濃度Dに比例する場合、I=R×Dの関係式が成り立つ。Rは、濃度と発光との関係を表す係数である。また、強度I(x,y,z)は、照射光L0の強度にも比例するため、濃度Dとして関数F(x,y,z)を用いると次のように表される。
I(0,0,0)
={a×0+b×0+c×0+d×0+e×0}×R×m(0,0,0)
I(0,0,1)
={a×0+b×0+c×0+d×0+e×1}×R×m(0,0,1)
・・・
I(10,10,10
={a×(10+b×(10+c×(10)+d×(10
+e×(10)}×R×m(10,10,10
When the intensity I(x, y, z) of the light emission L3 obtained from the target substance in each divided region is proportional to the concentration D of the substance, the relational expression I=R×D holds, where R is a coefficient expressing the relationship between concentration and light emission. In addition, since the intensity I(x, y, z) is also proportional to the intensity of the irradiated light L0, the concentration D can be expressed as follows using a function F(x, y, z):
I(0,0,0)
= {a×0 2 +b×0 2 +c×0+d×0+e×0}×R×m(0,0,0)
I(0,0,1)
= {a×0 2 +b×0 2 +c×0+d×0+e×1}×R×m(0,0,1)
...
I (10 9 , 10 9 , 10 9 )
= {a×(10 9 ) 2 +b×(10 9 ) 2 +c×(10 9 )+d×(10 9 )
+e×(10 9 )}×R×m(10 9 ,10 9 ,10 9 )

発光L3の光強度は、各分割領域の強度I(x,y,z)の合計に等しいため、下記式(2)が成り立つ。診断装置50は、式(2)の左辺として分光計30による発光強度の測定結果を入力し、パラメータa~eの関係式を得る。ここで入力される測定結果は、分析対象の物質から得られる発光強度の測定結果である。例えば、分析対象の物質が水である場合、水由来のピーク強度等が入力される。

Figure 0007568210000001
Since the light intensity of the emission L3 is equal to the sum of the intensities I(x, y, z) of the divided regions, the following formula (2) is established. The diagnostic device 50 inputs the measurement result of the emission intensity by the spectrometer 30 as the left side of formula (2) to obtain a relational expression of parameters a to e. The measurement result input here is the measurement result of the emission intensity obtained from the substance to be analyzed. For example, when the substance to be analyzed is water, the peak intensity derived from water or the like is input.
Figure 0007568210000001

一方、分光計30は、サンプルSにおける照射光L0の照射位置をz方向に異ならせて、発光L3の強度を測定する。診断装置50は、z方向の位置が異なる一定領域において上記と同様に式(2)からパラメータa~eの関係式を計算する。位置が異なる一定領域では、各分割領域の光強度I(x,y,z)が異なるため、前回の測定時とは異なる関係式が得られる。 Meanwhile, the spectrometer 30 measures the intensity of the light emission L3 by varying the irradiation position of the irradiation light L0 on the sample S in the z direction. The diagnostic device 50 calculates the relational equation of the parameters a to e from equation (2) in the same manner as above for fixed regions with different positions in the z direction. In fixed regions with different positions, the light intensity I(x, y, z) of each divided region is different, and therefore a different relational equation is obtained from the previous measurement.

上記発光L3の光強度Iの測定と式(2)の計算は、少なくともパラメータの数と同じi回行われる。パラメータa~eの場合は、5回の測定により式(2)から5元連立方程式が得られる。診断装置50は、この連立方程式を解くことによりパラメータa~eを計算する。診断装置50は、計算されたパラメータa~eを式(1)に入力することにより、物質の濃度分布を表す関数F(x,y,z)を得る。この濃度分布は、5回の測定で照射された光L0の照射位置を含む3次元領域における分布である。 The measurement of the light intensity I of the light emission L3 and the calculation of equation (2) are performed at least i times, which is the same as the number of parameters. For parameters a to e, a five-dimensional simultaneous equation is obtained from equation (2) by five measurements. The diagnostic device 50 calculates the parameters a to e by solving this simultaneous equation. The diagnostic device 50 inputs the calculated parameters a to e into equation (1) to obtain a function F(x, y, z) that represents the concentration distribution of the substance. This concentration distribution is a distribution in a three-dimensional region that includes the irradiation position of the light L0 irradiated in the five measurements.

i回の測定において、光L0の照射範囲は重複していても重複していなくてもよい。重複する場合、濃度分布の計算の精度が向上しやすい。重複しない場合は、広い範囲の濃度分布を計算することができる。濃度分布の計算にはi回の測定が必要だが、i回以上の測定により計算の精度をより向上させることもできる。 In the i measurements, the irradiation range of light L0 may or may not overlap. If there is overlap, the accuracy of the concentration distribution calculation is likely to improve. If there is no overlap, the concentration distribution over a wide range can be calculated. Although i measurements are required to calculate the concentration distribution, the accuracy of the calculation can be further improved by measuring more than i times.

分光計30がCARS用分光計30Aである場合、角振動数ω1のポンプ光L1と角振動数ω2のストークス光L2の照射により発生するCARS光L3の強度は、ω1×ω2に比例する。角振動数ω1及びω2は、それぞれポンプ光L1及びストークス光L2の強度を含む。診断装置50は、ポンプ光L1とストークス光L2の強度分布からω1×ω2の分布を計算する。診断装置50は、ω1×ω2の分布から各分割領域(x,y,z)の係数m(x,y,z)を計算し、式(2)の計算に用いる。 When the spectrometer 30 is a CARS spectrometer 30A, the intensity of the CARS light L3 generated by irradiation with the pump light L1 of angular frequency ω1 and the Stokes light L2 of angular frequency ω2 is proportional to ω1 2 ×ω2. The angular frequencies ω1 and ω2 include the intensities of the pump light L1 and the Stokes light L2, respectively. The diagnostic device 50 calculates the distribution of ω1 2 ×ω2 from the intensity distributions of the pump light L1 and the Stokes light L2. The diagnostic device 50 calculates the coefficient m(x, y, z) of each divided region (x, y, z) from the distribution of ω1 2 ×ω2, and uses it in the calculation of equation (2).

なお、照射光L0の強度分布は、サンプルSの分析を行うごとに測定されてもよい。または、一度測定された強度分布が診断装置50に保存されて、その後のサンプルSの分析に繰り返し用いられてもよい。 The intensity distribution of the irradiated light L0 may be measured each time an analysis of the sample S is performed. Alternatively, the intensity distribution measured once may be stored in the diagnostic device 50 and used repeatedly in subsequent analyses of the sample S.

図7は、診断装置50により作成された水の分布を表すプロファイルの一例を示す。
図7に示すプロファイルにおいて、横軸は、カソードに接する0μmから10μmまでのz方向の位置を表す。縦軸は、分光計30により測定された水由来の発光の強度Kを表す。強度Kが大きい位置ほど水が多く存在する。このプロファイルは、z方向の各位置での発光の強度Kが連続しており、水の連続的な濃度分布を表す。
FIG. 7 shows an example of a profile representing the distribution of water generated by the diagnostic device 50. In FIG.
In the profile shown in Fig. 7, the horizontal axis represents the z-direction position from 0 µm to 10 µm in contact with the cathode. The vertical axis represents the intensity K of the luminescence originating from water measured by the spectrometer 30. The greater the intensity K, the more water is present at the position. In this profile, the luminescence intensity K at each position in the z direction is continuous, and represents a continuous concentration distribution of water.

なお、分析システム100は、上記分析対象の連続的な分布を表すプロファイル以外のプロファイルも作成することができる。例えば、分析システム100は、燃料電池10の出力電圧と、電解質膜1中の水又は白金由来の発光の強度との相関を表すプロファイルを作成することにより、運転中の水輸送又は白金の溶出等の現象をより正確に測定することができる。 The analysis system 100 can also create profiles other than the profile that represents the continuous distribution of the analysis target. For example, the analysis system 100 can more accurately measure phenomena such as water transport or platinum elution during operation by creating a profile that represents the correlation between the output voltage of the fuel cell 10 and the intensity of luminescence originating from water or platinum in the electrolyte membrane 1.

図8は、燃料電池10の出力電圧と、電解質膜1の厚み方向において測定された水由来の発光の強度Kとの相関を表すプロファイルの一例を示す。
このプロファイルにおいて、カソードからの厚み方向(z方向)の距離が0、5、10、15及び20μmの地点において一定時間ごとに測定された発光の強度Kがそれぞれプロットされている。
FIG. 8 shows an example of a profile showing the correlation between the output voltage of the fuel cell 10 and the intensity K of the luminescence originating from water measured in the thickness direction of the electrolyte membrane 1. In FIG.
In this profile, the emission intensity K measured at regular intervals at points 0, 5, 10, 15 and 20 μm away from the cathode in the thickness direction (z direction) is plotted.

0.1A/cmの出力電圧で燃料電池10を発電させている間、強度Kの変化は少なく、カソードから遠いほど強度Kも小さい。しかし、時間T1において出力電圧を0.1A/cmから1.0A/cmに引き上げると、急激な出力電圧の上昇により強度Kも全体的に上昇し、水が多く発生していることが分析できる。カソードに近いほど強度Kは大きく、カソードに接する0μmの地点では特に急激な水の上昇が観察される。 While the fuel cell 10 is generating electricity at an output voltage of 0.1 A/ cm3 , there is little change in the intensity K, and the intensity K decreases the further away from the cathode. However, when the output voltage is increased from 0.1 A/ cm3 to 1.0 A/ cm3 at time T1, the intensity K increases overall due to the sudden increase in output voltage, and it can be analyzed that a lot of water is being generated. The intensity K increases the closer to the cathode, and a particularly sudden increase in water is observed at the 0 μm point in contact with the cathode.

(燃料電池の物性決定)
診断装置50は、燃料電池10の分析結果に基づいて、燃料電池10の各種物性を決定することができる。例えば、診断装置50は、電解質膜1に含まれる水のプロファイルに基づいて、電解質膜1の水の透過係数、電気浸透係数、厚さ、ガス拡散層22の水の拡散係数等の物性を決定することができる。
(Determination of fuel cell properties)
The diagnostic device 50 can determine various physical properties of the fuel cell 10 based on the analysis results of the fuel cell 10. For example, the diagnostic device 50 can determine physical properties such as the water permeability coefficient, electro-osmosis coefficient, and thickness of the electrolyte membrane 1, and the water diffusion coefficient of the gas diffusion layer 22, based on the profile of water contained in the electrolyte membrane 1.

通常は、電解質膜1に用いられた材料の物性から計算によりシミュレーションが行われ、その結果によって水拡散係数、電気振動係数、厚さ等の最適な膜物性が決定される。しかし、計算によるシミュレーション結果は、実際の最適な膜物性とは乖離することがある。 Normally, a simulation is performed by calculation based on the physical properties of the material used in the electrolyte membrane 1, and the optimum membrane properties such as the water diffusion coefficient, electric vibration coefficient, and thickness are determined based on the results. However, the results of the simulation by calculation may deviate from the actual optimum membrane properties.

これに対し、本実施形態によれば、実際に製品として稼働する燃料電池10を分析してプロファイルを作成することができる。計算ではなく、燃料電池10における水の輸送現象が実測されるため、より最適な膜物性の選択が可能である。 In contrast, according to this embodiment, a profile can be created by analyzing a fuel cell 10 that is actually in operation as a product. Because the water transport phenomenon in the fuel cell 10 is actually measured, rather than calculated, it is possible to select more optimal membrane properties.

なお、シミュレーション時に実際の最適な膜物性との差を埋めるために、実測値が補助的に用いられることがあるが、この実測値として本実施形態において実測されたプロファイルが用いられてもよい。シミュレーションとの組み合わせによってより有用な膜物性の選択が可能となる。 In addition, in order to fill in the gap between the actual optimum film properties during simulation, actual measured values may be used as auxiliary values, and the profile actually measured in this embodiment may be used as the actual measured values. Combining with simulation makes it possible to select more useful film properties.

以上のように、本実施形態によれば、診断装置50が、i個のパラメータを用いて光L0が照射された一定領域中の物質の濃度分布を表す関数F(x,y,z)を定義する。分光計30は、光L0の照射位置を異ならせて発光の強度の測定をi回繰り返す。診断装置50は、光L0の強度分布と物質の濃度を表す関数F(x,y,z)とから計算される発光L3の強度I(x,y,z)と、分光計30による発光L3の強度Iの測定結果との関係式(例えば式(2))を計算する。診断装置50は、i回の測定により得られるi個の関係式に基づいてi個のパラメータを計算し、パラメータが特定された関係式F(x,y,z)を得る。 As described above, according to this embodiment, the diagnostic device 50 defines a function F(x, y, z) that represents the concentration distribution of a substance in a certain area irradiated with light L0 using i parameters. The spectrometer 30 repeats measuring the intensity of the light emission i times by changing the irradiation position of the light L0. The diagnostic device 50 calculates a relational expression (e.g., equation (2)) between the intensity I(x, y, z) of the light emission L3 calculated from the intensity distribution of the light L0 and the function F(x, y, z) that represents the concentration of the substance, and the measurement result of the intensity I of the light emission L3 by the spectrometer 30. The diagnostic device 50 calculates i parameters based on the i relational expressions obtained by the i measurements, and obtains the relational expression F(x, y, z) in which the parameters are specified.

これにより、分光計30から照射する測定用の光を絞ることなく、物質の連続的な濃度分布を計算することができる。少なくともパラメータの数と同じi回の測定により濃度分布を計算できるため、簡易な測定により広い範囲の濃度分布も少ない測定回数で得ることができる。また、光の絞りすぎによるサンプルSのダメージを減らすことができる。 This makes it possible to calculate a continuous concentration distribution of a substance without narrowing the measurement light emitted from the spectrometer 30. Since the concentration distribution can be calculated by at least i measurements, which is the same as the number of parameters, a wide range of concentration distribution can be obtained by simple measurements with a small number of measurements. In addition, damage to the sample S caused by narrowing the light too much can be reduced.

なお、上記実施形態では計算の精度を高めるため、複数回の測定により濃度分布を計算したが、照射光L0の強度分布を計算に用いるのであれば、1回の測定により濃度分布を求めてもよい。 In the above embodiment, the concentration distribution is calculated by multiple measurements to improve the accuracy of the calculation, but if the intensity distribution of the irradiated light L0 is used in the calculation, the concentration distribution may be obtained by a single measurement.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments.

例えば、上記実施形態において分析システム100は、車両200上で発電中の燃料電池200の分析を行うが、車両200ではなく、実験用の負荷に接続された燃料電池200を対象に分析を行ってもよい。 For example, in the above embodiment, the analysis system 100 analyzes the fuel cell 200 while it is generating electricity on the vehicle 200, but the analysis may also be performed on the fuel cell 200 connected to an experimental load instead of the vehicle 200.

また、サンプルは燃料電池10に限られず、細胞内の生体分子等の様々なサンプルに本発明を適用できる。 In addition, the sample is not limited to the fuel cell 10, and the present invention can be applied to various samples such as intracellular biomolecules.

100・・・分析システム、30・・・分光計、31・・・光源、33,34・・・変換器、36・・・検出器、50・・・診断装置、10・・・燃料電池、1・・・電解質膜、2・・・電極、21・・・触媒層、22・・・ガス拡散層、3・・・MEA、4・・・セパレータ、5・・・サブガスケット、B1~B3・・・窓

100: Analysis system, 30: Spectrometer, 31: Light source, 33, 34: Converter, 36: Detector, 50: Diagnostic device, 10: Fuel cell, 1: Electrolyte membrane, 2: Electrode, 21: Catalyst layer, 22: Gas diffusion layer, 3: MEA, 4: Separator, 5: Subgasket, B1 to B3: Windows

Claims (7)

測定用の光をサンプルに照射し、前記サンプルにおける発光強度を測定する分光計(30)と、
前記発光強度の測定結果に基づいて、前記サンプルの分析を行う診断装置(50)と、
を備え、
前記診断装置(50)は、前記発光強度の測定結果と、前記サンプルへの照射光の強度分布と、に基づいて、前記サンプルに含まれる分析対象の物質の連続的な濃度分布を計算する、
分析システム(100)。
A spectrometer (30) for irradiating a sample with measurement light and measuring the emission intensity at the sample;
a diagnostic device (50) for analyzing the sample based on the measurement result of the luminescence intensity;
Equipped with
the diagnostic device (50) calculates a continuous concentration distribution of the substance to be analyzed contained in the sample based on the measurement result of the luminescence intensity and the intensity distribution of the light irradiated onto the sample.
An analysis system (100).
前記分光計(30)は、前記サンプルの厚さ方向又は面内方向において、前記照射光の位置を移動させて、前記発光強度の測定を複数回繰り返し、
前記診断装置(50)は、前記発光強度の複数回の測定結果と、前記サンプルへの照射光の強度分布と、に基づいて、前記サンプルに含まれる分析対象の物質の連続的な濃度分布を計算する、
請求項1に記載の分析システム(100)。
The spectrometer (30) moves the position of the irradiated light in the thickness direction or in-plane direction of the sample, and repeats the measurement of the emission intensity multiple times;
The diagnostic device (50) calculates a continuous concentration distribution of the substance to be analyzed contained in the sample based on the results of multiple measurements of the luminescence intensity and the intensity distribution of the light irradiated onto the sample.
The analytical system (100) of claim 1.
前記診断装置(50)は、前記物質の3次元領域における濃度分布を計算する、
請求項1又は2に記載の分析システム(100)。
The diagnostic device (50) calculates a concentration distribution of the substance in a three-dimensional region.
The analytical system (100) of claim 1 or 2.
前記測定用の光は、角振動数が異なる2つのレーザー光であり、
前記分光計(30)は、前記角振動数が異なる2つのレーザー光を前記サンプルに照射し、前記サンプルから発生したCARS光の強度を測定するCARS分光計である、
請求項1~3のいずれか一項に記載の分析システム(100)。
The measurement light is two laser beams having different angular frequencies,
The spectrometer (30) is a CARS spectrometer that irradiates the sample with two laser beams having different angular frequencies and measures the intensity of CARS light generated from the sample.
An analytical system (100) according to any one of claims 1 to 3.
前記発光強度は、前記角振動数が高い方の照射光の強度の二乗と、前記角振動数が低い方の照射光の強度の積に比例する、
請求項4に記載の分析システム(100)。
The light emission intensity is proportional to the product of the square of the intensity of the irradiated light having the higher angular frequency and the intensity of the irradiated light having the lower angular frequency.
The analytical system (100) of claim 4.
前記サンプルは、燃料電池(10)が備える電解質膜(1)か、又は前記電解質膜(1)の両側に配置される1対の電極(2)であり、
前記分析対象は、前記電解質膜(1)又は前記電極(2)に含まれる金属、金属化合物又は水である
請求項1~5のいずれか一項に記載の分析システム(100)。
The sample is an electrolyte membrane (1) included in a fuel cell (10), or a pair of electrodes (2) arranged on both sides of the electrolyte membrane (1);
The analysis system (100) according to any one of claims 1 to 5, wherein the analysis target is a metal, a metal compound, or water contained in the electrolyte membrane (1) or the electrode (2).
測定用の光をサンプルに照射し、前記サンプルにおける発光強度に基づいて、前記サンプルの分析を行う分析方法であって、
前記発光強度の測定結果と、前記サンプルへの照射光の強度分布と、に基づいて、前記サンプルに含まれる分析対象の物質の連続的な濃度分布を計算するステップを含む、
分析方法。
1. An analysis method comprising: irradiating a sample with light for measurement and analyzing the sample based on a light emission intensity of the sample, the method comprising:
calculating a continuous concentration distribution of an analyte substance contained in the sample based on the emission intensity measurement result and the intensity distribution of the light irradiated onto the sample;
Analysis methods.
JP2020089734A 2020-05-22 2020-05-22 Analysis system and analysis method Active JP7568210B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020089734A JP7568210B2 (en) 2020-05-22 2020-05-22 Analysis system and analysis method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020089734A JP7568210B2 (en) 2020-05-22 2020-05-22 Analysis system and analysis method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021183949A JP2021183949A (en) 2021-12-02
JP7568210B2 true JP7568210B2 (en) 2024-10-16

Family

ID=78767298

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020089734A Active JP7568210B2 (en) 2020-05-22 2020-05-22 Analysis system and analysis method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7568210B2 (en)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010066239A (en) 2008-09-12 2010-03-25 Olympus Corp Laser microscope apparatus
JP2011170212A (en) 2010-02-22 2011-09-01 Nikon Corp Nonlinear type microscope
JP2011257691A (en) 2010-06-11 2011-12-22 Olympus Corp Laser microscope device
WO2012046423A1 (en) 2010-10-06 2012-04-12 パナソニック株式会社 Method for measuring concentration of biogenic substance contained in living body
JP2013517491A (en) 2010-01-22 2013-05-16 セントレ ナショナル デ ラ ルシェルシェ サイエンティフィック−シーエヌアールエス Method for detecting a resonant nonlinear optical signal and apparatus for implementing the method
JP2013517490A (en) 2010-01-22 2013-05-16 セントレ ナショナル デ ラ ルシェルシェ サイエンティフィック−シーエヌアールエス Method for detecting a resonant nonlinear optical signal and apparatus for implementing the method
JP2014501915A (en) 2010-11-16 2014-01-23 カール ツァイス マイクロスコピー ゲーエムベーハー Microscope inspection with improved depth resolution
JP2016535855A (en) 2013-10-10 2016-11-17 マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツル フォルデルング デル ヴィッゼンシャフテン イー.ヴイ. How to image a sample
JP2018515744A (en) 2014-12-09 2018-06-14 バイオアキシアル エスエーエス Optical measuring device and process
JP2019035859A (en) 2017-08-16 2019-03-07 株式会社ニコン microscope
JP2019035669A (en) 2017-08-16 2019-03-07 株式会社ニコン Observation apparatus and observation method
WO2019142907A1 (en) 2018-01-19 2019-07-25 株式会社ニコン Optical analysis device, and optical analysis method

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2520665B2 (en) * 1987-10-16 1996-07-31 理化学研究所 Fluorescence microspectrometer
JPH0727945B2 (en) * 1991-09-26 1995-03-29 信越半導体株式会社 Evaluation method of deep level density distribution in semiconductor crystal

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010066239A (en) 2008-09-12 2010-03-25 Olympus Corp Laser microscope apparatus
JP2013517491A (en) 2010-01-22 2013-05-16 セントレ ナショナル デ ラ ルシェルシェ サイエンティフィック−シーエヌアールエス Method for detecting a resonant nonlinear optical signal and apparatus for implementing the method
JP2013517490A (en) 2010-01-22 2013-05-16 セントレ ナショナル デ ラ ルシェルシェ サイエンティフィック−シーエヌアールエス Method for detecting a resonant nonlinear optical signal and apparatus for implementing the method
JP2011170212A (en) 2010-02-22 2011-09-01 Nikon Corp Nonlinear type microscope
JP2011257691A (en) 2010-06-11 2011-12-22 Olympus Corp Laser microscope device
WO2012046423A1 (en) 2010-10-06 2012-04-12 パナソニック株式会社 Method for measuring concentration of biogenic substance contained in living body
JP2014501915A (en) 2010-11-16 2014-01-23 カール ツァイス マイクロスコピー ゲーエムベーハー Microscope inspection with improved depth resolution
JP2016535855A (en) 2013-10-10 2016-11-17 マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツル フォルデルング デル ヴィッゼンシャフテン イー.ヴイ. How to image a sample
JP2018515744A (en) 2014-12-09 2018-06-14 バイオアキシアル エスエーエス Optical measuring device and process
JP2019035859A (en) 2017-08-16 2019-03-07 株式会社ニコン microscope
JP2019035669A (en) 2017-08-16 2019-03-07 株式会社ニコン Observation apparatus and observation method
WO2019142907A1 (en) 2018-01-19 2019-07-25 株式会社ニコン Optical analysis device, and optical analysis method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021183949A (en) 2021-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zucconi et al. Challenges and opportunities for characterisation of high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells: a review
Cheng et al. Mapping of heterogeneous catalyst degradation in polymer electrolyte fuel cells
Bultel et al. Investigation of mass transport in gas diffusion layer at the air cathode of a PEMFC
Hobson et al. Modified Nafion 117 as an improved polymer electrolyte membrane for direct methanol fuel cells
Jeong et al. Investigation of electrolyte leaching in the performance degradation of phosphoric acid-doped polybenzimidazole membrane-based high temperature fuel cells
Hanawa et al. In situ ATR-FTIR analysis of the structure of Nafion–Pt/C and Nafion–Pt3Co/C interfaces in fuel cell
Deabate et al. 3 In situ and operando determination of the water content distribution in proton conducting membranes for fuel cells: a critical review
Chen et al. Proton conduction and oxygen diffusion in ultra-thin nafion films in PEM fuel cell: how thin?
Rahman et al. The application of power-generating fuel cell electrode materials and monitoring methods to breath alcohol sensors
Zhang et al. Polarization decomposing of proton exchange membrane fuel cell considering liquid water accumulation
Avakov et al. Study of degradation of membrane-electrode assemblies of hydrogen-oxygen (air) fuel cell under the conditions of life tests and voltage cycling
Hara et al. Temperature dependence of the water distribution inside a Nafion membrane in an operating polymer electrolyte fuel cell. A micro-Raman study
Xu et al. Determination of transverse water concentration profile through MEA in a fuel cell using neutron scattering
Kalyvas et al. Spatially resolved diagnostic methods for polymer electrolyte fuel cells: a review
US9170216B2 (en) Pinhole detection system of fuel cell
Bogar et al. Capabilities of a novel electrochemical cell for operando XAS and SAXS investigations for PEM fuel cells and water electrolysers
Bogar et al. A small angle X-ray scattering approach for investigating fuel cell catalyst degradation for both ex situ and in operando analyses
Aliyah et al. Operando scanning small-/wide-angle x-ray scattering for polymer electrolyte fuel cells: Investigation of catalyst layer saturation and membrane hydration–capabilities and challenges
Basu et al. In situ optical diagnostics for measurements of water vapor partial pressure in a PEM fuel cell
JP7568210B2 (en) Analysis system and analysis method
JP7565554B2 (en) Spectrometer, analysis system and analysis method
Chen et al. In situ Studies of Electrochemical Energy Conversion and Storage Technologies: From Materials, Intermediates, and Products to Surroundings
JP7501851B2 (en) Analysis system and analysis method
JP2021183941A (en) Spectrometer, analysis system, and analysis method
Jacobsen et al. Spectroscopic investigation of catalyst inks and thin films toward the development of ionomer quality control

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230222

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240227

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20240524

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20240722

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240826

TRDD Decision of grant or rejection written
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20240827

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240917

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240925

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7568210

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150