(57)【要約】【課題】多孔体の含水状態を維持して多孔体の酸素拡散係数の測定を可能とする。【解決手段】燃料電池に用いられる薄膜状の多孔体の酸素拡散係数を一対の加圧部材で挟持した加圧状態で測定する酸素拡散係数測定装置は、少なくとも一方の加圧部材は、前記多孔体に接する加圧面に凹部が設けられており、前記凹部には、前記多孔体よりも低弾性を有し、かつ、前記多孔体よりも高撥水性を有する部材が、前記凹部を満たすように設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる薄膜状の多孔体の酸素拡散係数を一対の加圧部材で挟持した加圧状態で測定する酸素拡散係数測定装置であって、
少なくとも一方の加圧部材は、前記多孔体に接する加圧面に凹部が設けられており、
前記凹部には、前記多孔体よりも低弾性を有し、かつ、前記多孔体よりも高撥水性を有する部材が、前記凹部を満たすように設けられている、酸素拡散係数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔体の酸素拡散係数を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多孔体の酸素拡散係数を測定する装置の一例として、特許文献１には、実際に使用される状態により近い環境（加圧環境）で測定を行なうために、測定対象の多孔体を加圧する加圧部材の加圧面に長尺狭幅の複数の溝部（凹部）が設けられている例が記載されている。この酸素拡散係数測定装置は、例えば、燃料電池のガス拡散層として用いられる薄膜状の多孔体の酸素拡散係数の測定に適用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−４８１７５号公報
【特許文献２】特開２０１６−２０５９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、燃料電池の発電時、反応ガスは、ガス拡散層表面を流通しつつガス拡散層内に拡散されて透過する。また、燃料電池の発電において、酸素極で水が生成されると、生成された水（以下、生成水とも称する。）はガス拡散層内を流通して、ガス拡散層表面を流れる反応ガスの流れに伴って燃料電池外に排出される。このため、燃料電池のガス拡散層として用いられる多孔体は、使用状態に応じた含水状態を維持した状態で酸素拡散係数の測定が行なわれることが望ましい。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の酸素拡散係数測定装置では、加圧面に溝部を有しているため、多孔体が加圧面で加圧された状態において、多孔体中に含まれる液体状態の水（以下、液水とも称する。）が溝部へ排出されてしまい、多孔体の含水状態を維持することができない、という問題がある。そこで、多孔体の含水状態を維持して多孔体の酸素拡散係数の測定を可能とする技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池に用いられる薄膜状の多孔体の酸素拡散係数を一対の加圧部材で挟持した加圧状態で測定する酸素拡散係数測定装置が提供される。この酸素拡散係数測定装置は、少なくとも一方の加圧部材は、前記多孔体に接する加圧面に凹部が設けられており、前記凹部には、前記多孔体よりも低弾性を有し、かつ、前記多孔体よりも高撥水性を有する部材が、前記凹部を満たすように設けられている。
この形態の酸素拡散係数測定装置によれば、凹部に設けられている部材は測定対象の多孔体よりも高撥水性であるため、多孔体が加圧面で加圧された際に、多孔体に含まれる液水が、凹部の部材へ移動することが抑制される。これにより、測定対象の多孔体の含水状態を維持して、多孔体の酸素拡散係数の測定が可能である。また、凹部に設けられている部材は測定対象の多孔体よりも低弾性であるため、多孔体が加圧面で加圧された際に、多孔体を凹部にたわみ込ませることができる。これにより、測定対象の多孔体に加わる加圧状態を実際に燃料電池に組み込まれた状態に近い加圧状態として、多孔体の酸素拡散係数の測定が可能である。従って、実際に燃料電池に組み込まれた状態に近い環境下で測定対象の多孔体の酸素拡散係数を測定できる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、酸素拡散係数測定方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態としての酸素拡散係数測定装置の概略構成を示す説明図。
【図２】多孔体保持体の概略構成を示す説明図。
【図３】図１の酸素拡散係数測定装置のうち多孔体保持体を含む周辺部分を拡大して示す説明図。
【図４】測定対象の多孔体を予め定めた測定条件の含水状態とする方法について示す説明図。
【図５】酸素拡散係数測定装置による測定対象の多孔体の酸素拡散係数の測定手順を示すフローチャート。
【図６】図５の測定手順に従って測定される酸素拡散係数を示すグラフ。
【図７】測定対象の多孔体を予め定めた測定条件の含水状態とする他の方法について示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
Ａ．実施形態：
Ａ１．酸素拡散係数測定装置の構成：
図１は本発明の一実施形態としての酸素拡散係数測定装置の概略構成を示す説明図である。図１では、各構成を明瞭に示すために、一部の構成にハッチングを付している。本実施形態の酸素拡散係数測定装置１００は、燃料電池に用いられる薄膜状の多孔体を、一定の含水状状態とするとともに、一対の加圧部材で挟持した加圧状態とした上で、多孔体内に酸素を流通させて、多孔体の酸素拡散係数を測定することが可能な装置である。
【００１１】
酸素拡散係数測定装置１００は、測定対象の多孔体を収容する多孔体保持体１０と、押圧部３０と、載置台４０と、酸素濃度検出センサ６０と、酸素消費型電池７０と、酸素拡散係数算出装置８０と、電池制御装置９０と、を備える。酸素濃度検出センサ６０及び酸素消費型電池７０は、支持部材５０によって、載置台４０の下部に配置される。
【００１２】
図２は、多孔体保持体１０の概略構成を示す説明図である。図２は、図１の紙面に平行な平面で切断した多孔体保持体１０の断面を示す。多孔体保持体１０は、測定対象の多孔体１１０を保持するための上部保持体１２０及び下部保持体１３０を備える。
【００１３】
測定対象の多孔体１１０は、燃料電池のガス拡散層として利用される部材であり、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属製の多孔体、エキスパンドメタル等の部材が例示される。
【００１４】
上部保持体１２０は、その下面に多孔体１１０の外形に対応する大きさの上部保持溝部１２２を有しており、上部保持溝部１２２の多孔体１１０に接する底面に、燃料電池セパレータの溝流路に対応する長尺狭幅の複数の溝部(凹部）１２４を備える。上部保持体１２０は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって形成されている。
【００１５】
溝部１２４には、溝部１２４を満たすように部材１５０が埋設されている。部材１５０は、測定対象の多孔体１１０よりも低弾性で、かつ、多孔体１１０よりも高撥水性を有する部材であれば良く、特に限定は無い。
【００１６】
下部保持体１３０は、上部保持体１２０と同様に、その上面に多孔体１１０の外形に対応する大きさの下部保持溝部１３２を有している。下部保持溝部１３２の多孔体１１０に接する底面は、多孔体１１０の全面にわたって多孔体１１０に接する平面である。下部保持体１３０は、上部保持体１２０と同様に緻密質カーボンによって形成されている。なお、上部保持体１２０および下部保持体１３０は、プレス成形されたステンレス鋼などの金属材料によって形成してもよい。また、上部保持体１２０と下部保持体１３０とは、互いに異なる材料で形成してもよい。
【００１７】
多孔体保持体１０では、上部保持体１２０の上部保持溝部１２２と下部保持体１３０の下部保持溝部１３２との間で測定対象の多孔体１１０が挟持され、上部保持体１２０と下部保持体１３０のつなぎ目が接着剤１４０で覆われて固定されている。なお、上部保持体１２０および下部保持体１３０が「一対の加圧部材」に相当し、上部保持体１２０の上部保持溝部１２２の底面および下部保持体１３０の下部保持溝部１３２の底面が「多孔体に接する加圧面」に相当する。
【００１８】
上部保持体１２０の上面と上部保持溝部１２２の底面との間には、多孔体１１０へガスを導入するための上部導入孔１２６が設けられており、下部保持体１３０の下面と下部保持溝部１３２の底面との間には、多孔体１１０からガスを排出するための下部排出孔１３６が設けられている。
【００１９】
図３は、図１の酸素拡散係数測定装置１００のうち多孔体保持体１０を含む周辺部分を拡大して示す説明図である。図３も、図２と同様の断面を示す。
【００２０】
載置台４０は、多孔体保持体１０が載置される載置面４２と、多孔体保持体１０中の多孔体１１０を透過して下部排出孔１３６から排出されたガス（酸素）が通過する透過ガス通過孔４４と、を備える。押圧部３０は、紙面上下方向に移動可能に構成され、ロードセル２０による検出荷重に基づいて、多孔体保持体１０に対して所定の面圧を付与する。これにより、多孔体保持体１０は、載置台４０と押圧部３０とで挟持される。
【００２１】
支持部材５０は、凹部５２および孔部５４を備える。支持部材５０には、凹部５２の底面の端縁部に複数の酸素消費型電池７０が埋設され、貫通孔である孔部５４には、酸素濃度検出センサ６０が嵌設される。支持部材５０は、載置台４０の載置面４２の裏側の面（図１，３の紙面下側の面）に接触して配置され、載置台４０の透過ガス通過孔４４が凹部５２に連通するように配置される。支持部材５０は、多孔体１１０の下側（図３の紙面下側）に酸素消費型電池７０および酸素濃度検出センサ６０を配置し、これらを支持している。支持部材５０の凹部５２には、多孔体１１０を透過して、下部排出孔１３６および透過ガス通過孔４４を介して排出された透過ガス（酸素）が収容される。
【００２２】
酸素消費型電池７０は、支持部材５０の凹部５２に存在するガス（空気）に接触するように凹部５２の底部端縁に配置されている。酸素消費型電池７０は、接触するガスに含まれる酸素を消費することにより電力を発生する電池である。なお、酸素消費型電池７０としては、例えば、空気亜鉛電池を用いることができる。複数の酸素消費型電池７０は、直列接続されている。
【００２３】
図１に示した電池制御装置９０は、酸素消費型電池７０の動作を制御し、凹部５２（図３）に収容されたガス中の酸素の酸素消費型電池７０による消費量を制御する。凹部５２中の酸素が消費され、凹部５２中の酸素濃度が低下すると、これに応じて、多孔体保持体１０の外部の空気中の酸素が、多孔体保持体１０の上部導入孔１２６から多孔体１１０に供給される。多孔体１１０に供給された酸素は、透過ガスとして多孔体１１０を透過し、下部排出孔１３６および透過ガス通過孔４４を介して凹部５２に供給される。図３に示した実線矢印は、酸素消費型電池７０による酸素の消費に応じて発生する酸素（透過ガス）の流れを示す。なお、電池制御装置９０による酸素消費型電池７０の制御については後述する。
【００２４】
酸素濃度検出センサ６０は、支持部材５０の孔部５４に一部が嵌合して設けられる。酸素濃度検出センサ６０の一部が支持部材５０の孔部５４に嵌合されることにより孔部５４が封止される。酸素濃度検出センサ６０は、酸素拡散係数測定装置１００において、下部排出孔１３６、透過ガス通過孔４４、凹部５２および孔部５４で構成される閉塞空間内の酸素濃度を検出する。本実施形態において、酸素濃度検出センサ６０としてガルバニ電池式酸素センサを用いるが、ジルコニア式酸素センサ，磁気式酸素センサ等種々の酸素センサを用いることができる。
【００２５】
酸素拡散係数算出装置８０は、以下で説明するように、電池制御装置９０の制御により酸素消費型電池７０を動作させた場合において、電池制御装置９０により計測される酸素消費型電池７０の電流量（電池電流量）および酸素濃度検出センサ６０により検出される酸素濃度から酸素拡散係数を算出する。
【００２６】
Ａ２．酸素拡散係数の測定方法：
以下では、酸素拡散係数測定装置１００による酸素拡散係数の測定方法について説明する。図４は、測定対象の多孔体１１０を予め定めた測定条件の含水状態とする方法について示す説明図である。まず、乾燥状態の多孔体１１０を含む多孔体保持体１０の重さを測定する。次に、図４に示すように、測定対象の多孔体１１０を収容した多孔体保持体１０を、液水の入った容器の中に入れ、真空チャンバーの中で、多孔体１１０に液水を満水状態となるまで含浸させる。そして、満水状態となった多孔体１１０を含む多孔体保持体１０の重さを測定する。そして、満水状態の多孔体保持体１０の重さと乾燥状態の多孔体保持体１０の重さとの差を求めることにより、満水状態で多孔体１１０に含浸されている液水量に相当する液水の重さを求める。そして、多孔体保持体１０の重さが予め定めた測定条件の含水状態に対応する重さとなるまで、多孔体保持体１０を放置して乾燥させる。以上のようにして、測定対象の多孔体１１０を予め定めた測定条件の含水状態とすることができる。
【００２７】
次に、予め定めた測定条件の含水状態を有する多孔体１１０を含む多孔体保持体１０を載置台４０に載置し、押圧部３０によって予め定めた測定条件の面圧で押圧する（図１）。押圧部３０による予め定めた測定条件の面圧は、多孔体保持体１０の上部保持体１２０によって多孔体１１０に加えられる面圧が、実際の使用環境化で多孔体１１０に加えられる面圧の状態となるように設定される。
【００２８】
図５は、酸素拡散係数測定装置１００による測定対象の多孔体１１０の酸素拡散係数の測定手順を示すフローチャートである。図６は、図５の測定手順に従って測定される酸素拡散係数を示すグラフである。
【００２９】
まず、酸素拡散係数算出装置８０は、電池制御装置９０により酸素消費型電池７０をＣＣモードで制御し（ステップＳ１０）、酸素濃度検出センサ６０によって酸素濃度Ｃｇの計測を行なう（ステップＳ２０）。ＣＣモードは、酸素消費型電池７０が出力する電流量（電池電流量）が一定となるように酸素消費型電池７０による酸素消費量を制御するモードである。そして、酸素拡散係数算出装置８０は、酸素濃度ＣｇがＣｇ＝０となるまで（ステップＳ３０）、酸素消費型電池７０のＣＣモード制御（ステップＳ１０）および酸素濃度Ｃｇ計測（ステップＳ２０）を継続する。
【００３０】
そして、酸素濃度ＣｇがＣｇ＝０となった時点で（ステップＳ３０）、電池制御装置９０により酸素消費型電池７０をＣＶモードに切り替えて制御し（ステップＳ４０）、酸素濃度Ｃｇの計測および電池電流量Ｉの計測を行い（ステップＳ５０）、酸素拡散係数Ｄの算出を行なう（ステップＳ６０）。ＣＶモードは、酸素消費型電池７０の出力電圧が一定電圧となるように酸素消費量を制御するモードである。酸素拡散係数Ｄ［ｍ２／ｓ］は、下式（１）に従って算出される。
Ｄ＝（Ｌ／（Ｗ×Ｈ））×（Ｑ／ΔＣ）  …（１）
Ｌ，Ｗ，Ｈは測定対象の多孔体１１０の長さ［ｍ］，幅［ｍ］，厚さ［ｍ］である。Ｑは酸素拡散量（酸素消費型電池７０による酸素消費量）［ｍｏｌ／ｓ］である。ΔＣは多孔体保持体１０の外部（上部導入孔１２６側）における酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］と、酸素濃度検出センサ６０で検出される酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］との差である。なお、多孔体保持体１０の外部における酸素濃度は、大気中の酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］である。
【００３１】
ここで、酸素拡散量Ｑは下式（２）に従って算出される。
Ｑ＝Ｉ／（４Ｆ）  …（２）
Ｉは酸素消費型電池７０が出力する電流量（電池電流量）［Ａ］（［ｃ／ｓ］）である。
【００３２】
そして、酸素拡散係数算出装置８０は、酸素濃度Ｃｇが最大値Ｃｇｍａｘに安定するまで、酸素消費型電池７０のＣＶモード制御（ステップＳ４０）、酸素濃度Ｃｇと電池電流量Ｉの計測（ステップＳ５０）、および酸素拡散係数Ｄ（ステップＳ６０）の算出を継続し、終了する。
【００３３】
以上のようにして、酸素拡散係数算出装置８０は、Ｃｇ＝Ｃｇｍａｘで安定した状態で算出した酸素拡散係数Ｄを算出することができる。なお、測定対象の多孔体１１０の温度は、あらかじめ定めた温度に設定する必要はなく、測定実行時の雰囲気温度が測定されていればよい。
【００３４】
なお、上記の酸素拡散係数の測定手順において、まず、ＣＣモードにて酸素消費型電池７０を動作させることにより、測定開始時に、酸素濃度検出センサ６０によって酸素濃度が測定される酸素濃度測定空間（透過ガス通過孔４４、凹部５２、および孔部５４）内に残存している酸素を消費して、酸素濃度の測定誤差を抑制することができる。また、ＣＣモードの後ＣＶモードで酸素消費型電池７０を動作させることにより、以下の効果を得ることができる。すなわち、酸素濃度測定空間の酸素濃度が低い時には、酸素消費型電池７０の酸素消費量（電池電流量に対応する）を小さく抑えることができ、安定した計測が可能である。一方、酸素濃度測定空間の酸素濃度が高くなった時には、酸素消費型電池７０の酸素消費量が大きくなって、多孔体保持体１０の外部（上部導入孔１２６側）と酸素濃度測定空間との間の酸素濃度差をできるだけ大きくすることができるので、酸素濃度の計測の精度を向上させ、酸素拡散係数Ｄの測定精度を向上させることができる。
【００３５】
Ａ３．実施形態の効果：
本実施形態の酸素拡散係数測定装置１００では、上記したように、測定対象の多孔体１１０を挟持する上部保持体１２０の上部保持溝部１２２の底面に、燃料電池セパレータの溝流路に対応する長尺狭幅の複数の溝部（凹部）１２４を備える。そして、溝部１２４には、溝部１２４を満たすように部材１５０が埋設されている。溝部１２４に設けられている部材１５０は多孔体１１０よりも高撥水性を有するので、多孔体１１０が加圧された際に、多孔体１１０に含まれる液水が、溝部１２４へ移動して排水されてしまうことが抑制される。これにより、予め定めた測定条件の含水状態を維持して多孔体１１０の酸素拡散係数Ｄの測定を行なうことが可能である。
【００３６】
また、溝部１２４に設けられている部材１５０は多孔体１１０よりも低弾性を有するので、予め定めた測定条件の面圧で多孔体１１０が加圧された際に、面圧の大きさに応じて多孔体１１０を溝部１２４にたわみ込ませることができる。これにより、多孔体１１０に加わる加圧状態を実際に燃料電池に組み込まれて燃料電池セパレータから加圧された状態に近い状態として、多孔体１１０の酸素拡散係数の測定を行なうことが可能である。
【００３７】
以上のように、本実施形態の酸素拡散係数測定装置１００では、実際に燃料電池に組み込まれた状態に近い環境（含水状態および加圧状態）の下で測定対象の多孔体１１０の酸素拡散係数を測定することができる。
【００３８】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記実施形態や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
【００３９】
（１）図７は、測定対象の多孔体１１０を予め定めた測定条件の含水状態とする他の方法について示す説明図である。上記実施形態では、図４に示したように、測定対象の多孔体１１０を収容した多孔体保持体１０を、液水の入った容器の中に入れ、真空チャンバーの中で、多孔体１１０に液水を満水状態となるまで含浸させていた。そして、多孔体保持体１０の重さが予め定めた測定条件の含水状態に対応する重さとなるまで、多孔体保持体１０を放置して乾燥させていた。これに対して、図７に示すように、予め定めた測定条件の含水状態に対応する量の液水を、液水注入装置１６０から多孔体保持体１０に接続された配管１６２を介して、圧力センサ１６１で検出される液水の供給圧力が所定の圧力となるように保って、強制的に注入するようにしてもよい。この方法によれば、測定対象の多孔体１１０に短時間で所望量の液水を含水させることができる。
【００４０】
（２）上記実施形態において、複数の酸素消費型電池７０が直列接続された構成を例示したが、これに限定されない。例えば、複数の酸素消費型電池７０が並列接続された構成にしても良いし、１つの酸素消費型電池７０を備える構成にしても良い。
【００４１】
（３）上記実施形態において、酸素消費型電池７０として空気亜鉛電池を用いた構成を例示したが、リチウム，アルミニウム等他の金属を用いた空気金属電池を用いても良い。また、酸素と水素を用いて発電する種々の燃料電池を用いても良い。なお、酸素消費型電池７０において用いられる電池の種類に応じて、式（２）を変更すれば良い。
【００４２】
（４）上記実施形態において、多孔体保持体１０の上部保持体１２０の上部保持溝部１２２の底面に溝部１２４を有する構成を例示した。しかしながら、これに限定されるものではなく、下部保持体１３０の下部保持溝部１３２の底面に溝部を有する構成としても良く、上部保持体１２０および下部保持体１３０の両方に溝部を有する構成としても良い。
【００４３】
なお、この発明は上記の実施形態や変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…多孔体保持体
２０…ロードセル
３０…押圧部
４０…載置台
４２…載置面
４４…透過ガス通過孔
５０…支持部材
５２…凹部
５４…孔部
６０…酸素濃度検出センサ
７０…酸素消費型電池
８０…酸素拡散係数算出装置
９０…電池制御装置
１００…酸素拡散係数測定装置
１１０…多孔体
１２０…上部保持体
１２２…上部保持溝部
１２４…溝部
１２６…上部導入孔
１３０…下部保持体
１３２…下部保持溝部
１３６…下部排出孔
１４０…接着剤
１５０…部材
１６０…液水注入装置
１６１…圧力センサ
１６２…配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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