(57)【要約】【課題】気孔が極めて小さなガス拡散層を通る酸素ガス流や空気流についても可視化できるガス流可視化方法、装置を提供する。【解決手段】酸素消光性物質層３を密着させたガス拡散層１ａに可視化対象である酸素を含むガス及び比較用ガスを切替供給するガス供給手段１１〜１３と、酸素消光性物質層３の表面に励起光１５ａを照射する励起光照射装置１５とを設ける。また、撮像装置１６とディスプレイ装置１７とを設ける。撮像装置１６は、励起光照射されつつ比較用ガス及び可視化対象ガスが切替供給される状態にて酸素消光性物質層３の表面を撮像する。ディスプレイ装置１７は撮像された明暗画像３３を表示、つまり、可視化対象ガスの流れを可視化する。トレーサ粒子を用いないガス流の可視化を実現し、燃料電池のガス拡散層のように気孔が極めて小さなガス拡散層を通るガス流についても可視化を実現した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層を通る酸素を含むガスの流れを可視化する方法において、
前記ガス拡散層の表面に酸素消光性物質層を密着させておき、その酸素消光性物質層の表面を撮像して明暗画像を得、この明暗画像をもって前記ガスの流れを可視化したことを特徴とするガス流可視化方法。
【請求項２】
酸素を含まないか、殆ど含まない比較用ガスを前記ガス拡散層に通した後に前記可視化対象である酸素を含むガスを通し、それら相互に亘る時間中に得られた前記明暗画像をもって前記ガスの流れを可視化したことを特徴とする請求項１に記載のガス流可視化方法。
【請求項３】
ガス拡散層を通る酸素を含むガスの流れを可視化する装置において、
酸素消光性物質層を密着させた前記ガス拡散層に可視化対象である前記酸素を含むガスを供給する可視化対象ガス供給手段と、前記酸素消光性物質層の表面に励起光を照射する励起光照射手段と、この励起光照射手段により励起光を照射した状態で前記酸素消光性物質層の表面を撮像して明暗画像を得る撮像手段と、この撮像手段により得られた明暗画像を表示する表示手段とを具備することを特徴とするガス流可視化装置。
【請求項４】
酸素消光性物質層を密着させた前記ガス拡散層に、酸素を含まないか、殆ど含まない比較用ガスを供給する比較用ガス供給源と、この比較用ガス供給源からの比較用ガスを前記ガス拡散層に供給した後に前記可視化対象である酸素を含むガスを切替供給する供給ガス切替手段とを具備することを特徴とする請求項３に記載のガス流可視化装置。
【請求項５】
酸素消光性物質層は、酸素消光性塗料の塗布層又は酸素消光性塗料を塗布した透光性シートの被着層であることを特徴とする請求項３又は４に記載のガス流可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス流の可視化技術、特に、気孔が極めて小さなガス拡散層を通る、酸素を含むガス流の可視化に好適なガス流可視化方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス流の可視化技術としては、計測すべきガス流中に蛍光材料を含有するトレーサ粒子を混入し、これに励起光を照射して発光させ、観察するという方法があった（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２９７０１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上記従来技術では、気孔が極めて小さなガス拡散層を通るガス流については上記発光の観察（可視化）が困難になった。
具体的には、例えば燃料電池のガス拡散層に用いる、気孔が極めて小さなガス拡散層を通るガス流については、可視化に用いるトレーサ粒子が気孔に比べて大きすぎてガス拡散層中に入ることができず、したがって可視化できず、ガス流の観察ができなかった。また、上記のようなトレーサ粒子を用いるガス流可視化方法において、仮にトレーサ粒子を数μｍ以下とすることができたとしても、この場合は、粒子が小さすぎてやはり可視化できず、ガス流の観察ができなかった。
【０００４】
本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、例えば燃料電池のガス拡散層に用いる、気孔が極めて小さなガス拡散層を通るガス流（酸素を含むガス流）についても可視化できるガス流可視化方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、ガス拡散層を通る酸素を含むガスの流れを可視化する方法において、前記ガス拡散層の表面に酸素消光性物質層を密着させておき、その酸素消光性物質層の表面を撮像して明暗画像を得、この明暗画像をもって前記ガスの流れを可視化したことを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、酸素を含まないか、殆ど含まない比較用ガスを前記ガス拡散層に通した後に前記可視化対象である酸素を含むガスを通し、それら相互に亘る時間中に得られた前記明暗画像をもって前記ガスの流れを可視化したことを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項３に記載の発明は、ガス拡散層を通る酸素を含むガスの流れを可視化する装置において、酸素消光性物質層を密着させた前記ガス拡散層に可視化対象である前記酸素を含むガスを供給する可視化対象ガス供給手段と、前記酸素消光性物質層の表面に励起光を照射する励起光照射手段と、この励起光照射手段により励起光を照射した状態で前記酸素消光性物質層の表面を撮像して明暗画像を得る撮像手段と、この撮像手段により得られた明暗画像を表示する表示手段とを具備することを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、酸素消光性物質層を密着させた前記ガス拡散層に、酸素を含まないか、殆ど含まない比較用ガスを供給する比較用ガス供給源と、この比較用ガス供給源からの比較用ガスを前記ガス拡散層に供給した後に前記可視化対象である酸素を含むガスを切替供給する供給ガス切替手段とを具備することを特徴とする。
特許請求の範囲の請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の発明において、酸素消光性物質層は、酸素消光性塗料の塗布層又は酸素消光性塗料を塗布した透光性シートの被着層であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
特許請求の範囲の請求項１〜５に記載の発明によれば、各請求項に記載した構成により、気孔が極めて小さなガス拡散層を通るガス流（酸素を含むガス流）についても可視化できるガス流可視化方法／装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明によるガス流可視化方法が適用された装置（本発明によるガス流可視化装置）の一例を示す構成図である。図１においては、ガス拡散層として、気孔が極めて小さな燃料電池のガス拡散層を例に採り、また、このガス拡散層を通る酸素ガス流や空気流等の酸素を含むガス流、ここでは空気流を可視化対象ガスとして例に採った場合を示す。
【０００８】
図中、１は燃料電池セル部分、詳しくは１セル部分のうちの片側のガス流路に係る構造部分を示す。
上述したように、ここではガス拡散層としての燃料電池のガス拡散層１ａを通る空気流２を可視化する場合を例示するものであり、ガス拡散層１ａの表面には酸素消光性物質層３が密着されている。この酸素消光性物質層３は、本実施形態ではガス拡散層１ａの表面に酸素消光性塗料を塗布してなる酸素消光性塗料塗布層であるが、ガス拡散層１ａの表面に酸素消光性塗料を塗布した透光性シートを被着してなる酸素消光性塗料塗布シート被着層であってもよい。後者のシート被着層によれば、前者の塗料塗布層に比べて酸素消光性物質層３のガス拡散層１ａへの密着形成が容易に行える。
なお図中、１ｂは燃料電池のセパレータに相当する透光性セパレータモデルであり、アクリル材や石英材によって形成されている。１ｃは燃料電池のセパレータに形成された空気又は酸素ガスの流路に相当する疑似ガス流路である。１ｄは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）又はＭＥＡモデル（ガス流の障壁体）、ここではＭＥＡである。
【０００９】
エアーコンプレッサ１１は空気（Ａｉｒ）の供給源、窒素ボンベ１２は窒素（Ｎ2）ガスの供給源であって、これらエアーコンプレッサ１１や窒素ボンベ１２からのガス（Ａｉｒ，Ｎ2ガス）は、供給ガス切替装置１３及び流量制御装置１４を順に介してガス拡散層１ａに、矢印イに示すように側方から供給可能に構成されている。矢印ロはガス拡散層１ａからの排気ガスを示す。
上記空気の供給源としては、エアーコンプレッサ１１に代えてエアーボンベを用いてもよい。
【００１０】
供給ガス切替装置１３は、ガス拡散層１ａに供給するガスを空気又は窒素ガスのいずれにするか切替制御可能の装置で、本実施形態においては、始めに窒素ガスを供給し、その直後に空気を供給するように制御される。この供給ガス切替装置１３は、上記ガス拡散層１ａに、エアーコンプレッサ１１からの空気を供給するように切り替えられているときは空気供給手段（可視化対象ガス供給手段）として機能し、窒素ボンベ１２からの窒素ガスを供給するように切り替えられているときは窒素ガス供給手段（比較用ガス供給手段）として機能している。
流量制御装置１４は、供給ガス切替装置１３からのガス（Ａｉｒ，Ｎ2）の流量を制御する装置である。
【００１１】
励起光照射装置１５は、酸素消光性物質層３の表面に励起光１５ａを照射し、酸素消光性物質層３を励起して発光させる光源である。図示例では、空気流２に交差する上下方向に一対配置されている。
撮像装置１６は、励起光照射装置１５により励起光１５ａを照射した状態で上記酸素消光性物質層３の表面を撮像して明暗画像を得る装置で、例えばＣＣＤカメラ等の動画像を取り込むカメラである。
撮像装置１６のレンズ１６ａの前面には発光波長透過光学フィルタ１７が配置されている。この発光波長透過光学フィルタ１７は、酸素消光性物質層（酸素消光性塗料）３の発光を透過させ、励起光照射装置１５による励起光１５ａや室内照明光等の外光を透過させない光学フィルタである。したがって、撮像装置１６が撮像する画像は、酸素消光性物質層３の発光像である。
ディスプレイ装置１７は、撮像装置１６により得られた明暗画像、つまり酸素消光性物質層３の発光像を表示する表示装置であり、本実施形態では上記明暗画像に対して適宜の画像処理を可能に画像処理プログラムが搭載されたパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）１８に接続されている。
【００１２】
以上の構成において、励起光照射装置１５、撮像装置１６、パソコン１８及びディスプレイ装置１７を予め作動させておく。この状態において、まず、窒素ガス供給側に供給ガス切替装置１３を作動させると、窒素ボンベ１２からの窒素ガスが矢印イに示すようにガス拡散層１ａに供給される。次に、空気供給側に供給ガス切替装置１３を切替作動させると、エアーコンプレッサ１１からの空気が矢印イに示すようにガス拡散層１ａに供給される。
ここで、酸素消光性物質層３は、図２に示すように酸素濃度が高いと暗発光し（発光が暗く）、低いと明発光（明るく発光）する。つまり、ガス拡散層１ａに、窒素ガスが供給された場合は明発光し、空気が供給された場合は暗発光する。したがって、窒素ガスの供給後、ここでは供給直後に空気を供給すると、撮像装置１６で撮像されてディスプレイ装置１７に表示される画像は、図３に示すように、明領域３１の後に暗領域３２が続く、明暗画像３３が矢印ハに示すように図中右方向に移動する動画像が表示される。
【００１３】
明領域３１と暗領域３２との境界線３４は、ガス拡散層１ａを通る空気流２の先頭部分を表すことになるので、この境界線３４の移動表示をもって空気流２の可視化が実現される。
この境界線３４（明，暗領域３１，３２のコントラスト）の明瞭度は、供給ガス切替装置１３の窒素ガスから空気への供給切替に要する時間や切替供給の立上がり特性ないしガスの流量等により、またガス拡散層１ａの気孔の分布等、様々な要因によって異なるが、ガス拡散層１ａを通る空気流２はこの境界線３４の形状により観察できる。例えば、境界線３４のピーク３５が急峻であれば空気流２のばらつきが大きく、緩慢であれば空気流２のばらつきが小さいというように観察できる。また、境界線３４の移動速度によって、空気流２の流速が観察できる。
【００１４】
なお上述実施形態では、図１に示し、また図４に拡大して示すように、ガス拡散層１ａの、セパレータ（透光性セパレータモデル１ｂ）側における空気流２を可視化する例について述べたが、どの位置における空気流２を可視化するかについて、上述実施形態のみに限定されないことは勿論である。
例えば、図５に示すように、ガス拡散層１ａの、セパレータ（透光性セパレータモデル１ｂ）側とは反対側、つまり、ＭＥＡモデル１ｄ側における空気流２を可視化するものであってもよい。この場合、酸素消光性物質層３はガス拡散層１ａの裏面側に密着され、また、ＭＥＡモデル１ｄは透光性を有して形成され、この透光性を有するＭＥＡモデル１ｄ側に励起光１５ａが照射され、酸素消光性物質層３面が撮像される。
【００１５】
図１、図４の例と同様に、ガス拡散層１ａの、セパレータ（透光性セパレータモデル１ｂ）側における空気流２を可視化する場合であっても、図１、図４のようにガス拡散層１ａの全面ではなく、図６に例示するように、ガス拡散層１ａの一部における空気流２を可視化するようにしてもよい。図６は、ガス拡散層１ａの横縞状に並ぶ部分における空気流２を可視化する場合を例示するもので、この場合は、ガス拡散層１ａの上下方向に所定間隔置いて並行する部分に酸素消光性物質層３を密着させればよい。図示例では、透光性セパレータモデル１ｂの疑似ガス流路１ｃ側において、同疑似ガス流路１ｃ部分を除いた端面部分に酸素消光性塗料を塗布することで、ガス拡散層１ａの表面に密着する部分的な酸素消光性物質層３が形成される。
【００１６】
また上述実施形態では、可視化対象である酸素を含むガスを通すガス拡散層が、燃料電池のガス拡散層である場合を例に採って説明したが、燃料電池用以外のガス拡散層であってもよい。酸素を含むガスを通す前に通される比較用ガスも、窒素ガスに限らない。酸素を含まないか殆ど含まず、つまり明るく撮像され、かつ、空気等のような酸素を含むガス（酸素ガスを含む。）に、重量や粒子径等の性状（ガス拡散層に通すに当たっての性状）が近いガスであれば窒素ガス以外のガスであってもよい。ガス拡散層ヘは、比較用ガスを先に通し、その後に酸素を含むガスを通すようにしてもよい。
更に本実施形態では、酸素を含むガスの流れを可視化しているが、この可視化によれば、ガス拡散層に通すに当たっての重量や粒子径等の性状が本来の可視化対象である酸素を含むガスに近いガスについても、その流れについて観測（推測）可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるガス流可視化装置の一例を示す構成図である。
【図２】図１中の酸素消光性物質層の発光特性を示すグラフである。
【図３】図１中のディスプレイ装置に表示される明暗画像の説明図である。
【図４】図１中の燃料電池セル部分の要部を取り出し拡大して示す図である。
【図５】図４とは異なる部分の空気流の可視化に用いる燃料電池セル部分の構成例（その１）を示す図である。
【図６】図４とは異なる部分の空気流の可視化に用いる燃料電池セル部分の構成例（その２）を示す図である。
【符号の説明】
【００１８】
１：燃料電池セル部分、１ａ：ガス拡散層、１ｂ：透光性セパレータモデル、１ｄ：ＭＥＡ又はＭＥＡモデル、２：空気流（酸素を含むガス流）、３：酸素消光性物質層、１１：エアーコンプレッサ（空気の供給源）、１２：窒素ボンベ（窒素ガスの供給源）、１３：供給ガス切替装置（供給ガス切替手段）、１４：流量制御装置、１５：励起光照射装置（励起光照射手段）、１５ａ：励起光、１６：撮像装置（撮像手段）、１７：ディスプレイ装置（表示手段）、３３：明暗画像。
【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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