(57)【要約】      （修正有）【課題】多孔体の含水状態における酸素拡散係数を測定する技術を提供する。【解決手段】多孔体の酸素拡散係数測定装置であって、多孔体２００の第１の多孔体面を被覆する選択透過膜１６と、多孔体の第２の多孔体面を被覆する多孔質撥水膜１５と、シール部材２１０と、液水供給路１４２と、液水供給装置と、を備える。【選択図】図２
2016205840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の多孔体面と、前記第１の多孔体面の裏側の面である第２の多孔体面と、前記第１の多孔体面および前記第２の多孔体面を繋ぐ多孔体側面と、を備える多孔体の酸素拡散係数を測定する装置であって、
前記多孔体の前記第１の多孔体面を被覆する選択透過膜であって、前記多孔体と接する第１の選択透過膜面からの液水は透過させず、前記第１の選択透過膜面の裏側の第２の選択透過膜面からの液水は透過させる選択透過膜と、
前記多孔体の前記第２の多孔体面を被覆する多孔質撥水膜であって、少なくとも前記多孔体と接する第１の撥水膜面からの液水は透過しない撥水性を有し、前記第１の撥水膜面の裏側の第２の撥水膜面の少なくとも一部が酸素を含むガスと接触する多孔質撥水膜と、
少なくとも前記多孔体の前記多孔体側面と、前記選択透過膜の側面である選択透過膜側面と、をシールするシール部材と、
前記選択透過膜の前記第２の面側に配置され、前記選択透過膜を介して液水を前記多孔体に供給する液水供給路と、
前記液水供給路に前記液水を供給する液水供給装置と、
を備える、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、酸素拡散係数測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多孔体（多孔性材料）内の酸素拡散係数を測定する種々の酸素拡散係数測定装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２０５７９７号公報
【特許文献２】特開２０１３−３３０１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、薄膜状の多孔体が、燃料電池のガス拡散層（Ｇａｓ−Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ）として用いられる場合がある。燃料電池の発電において、酸素極で水が生成されると多孔体に液水が含まれる。以下、多孔体が液水を含んだ状態を、「含水状態」とも称する。特許文献１には、１００％の含水状態の多孔体がセットされた酸素拡散係数測定装置を、密閉容器に収容し、密閉容器内の温度および湿度を調整して、多孔体内の液水を蒸発させながら、多孔体の含水率と酸素拡散係数との関係を求める技術が開示されている。特許文献１に記載の技術は、多孔体内の含水量の調整が煩雑であるため、多孔体の含水率と酸素拡散係数との関係を求める他の技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、第１の多孔体面と、前記第１の多孔体面および前記第２の多孔体面を繋ぐ多孔体側面と、を備える多孔体の酸素拡散係数を測定する装置であって、前記多孔体の前記第１の多孔体面を被覆する選択透過膜であって、前記多孔体と接する第１の選択透過膜面からの液水は透過させず、前記第１の選択透過膜面の裏側の第２の選択透過膜面からの液水は透過させる選択透過膜と、前記多孔体の前記第２の多孔体面を被覆する多孔質撥水膜であって、少なくとも前記多孔体と接する第１の撥水膜面からの液水は透過しない撥水性を有し、前記第１の撥水膜面の裏側の第２の撥水膜面の少なくとも一部が酸素を含むガスと接触する多孔質撥水膜と、少なくとも前記多孔体の前記多孔体側面と、前記選択透過膜の側面である選択透過膜側面と、をシールするシール部材と、前記選択透過膜の前記第２の面側に配置され、前記選択透過膜を介して液水を前記多孔体に供給する液水供給路と、前記液水供給路に前記液水を供給する液水供給装置と、を備える。
【０００７】
この形態の多孔体の酸素拡散係数測定装置では、選択透過膜が多孔体の第１の多孔体面を被覆し、多孔質撥水膜が多孔体の第２の多孔体面を被覆し、シール部材が多孔体側面をシールするため、多孔体に供給された液水は、多孔体内に保持される。すなわち、多孔体に供給された液水の量が多孔体の含水量となる。そのため、多孔体の含水量を容易かつ正確に制御することが可能になり、多孔体の含水量と酸素拡散係数との関係を、容易かつ正確に求めることができる。
【０００８】
（２）上記の酸素拡散係数測定装置において、前記シール部材は、前記選択透過膜、前記多孔体、および前記多孔質撥水膜が、その順に積層された状態で嵌合して内包される筐体であって、前記筐体は、Ｘ線を透過可能な材料から形成され、前記選択透過膜、前記多孔体、および前記多孔質撥水膜を内包した状態で前記筐体の一端を支持した場合に、その自重によって変形しない程度の剛性を有し、前記ガスを前記多孔質撥水膜の前記第２の撥水膜面に導くガス通路、前記液水供給路、および前記透過ガス通路を備えてもてもよい。
【０００９】
このようにすると、筐体に多孔体が収容された状態で、筐体の外側からＸ線ＣＴ（Computed Tomography）により多孔体の液水分布を観察することができる。筐体は、多孔体を内包した状態で一端を支持した場合に自重で変形しない程度の剛性を有するため、筐体ごと多孔体を移動させれば、多孔体の液水分布を保持できる。その結果、酸素拡散係数測定時の液水分布を観察することが可能となり、多孔体内の液水分布が酸素拡散係数に及ぼす影響を調べる一助となる。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】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２】多孔体挟持体の概略構成を示す説明図である。
【図３】多孔体と選択透過膜との関係を示す説明図である。
【図４】支持部材，酸素消費装置，および酸素濃度検出部の概略構成を説明する説明図である。
【図５】酸素拡散係数測定装置におけるガスおよび液水の流れを示す説明図である。
【図６】第２実施形態の多孔体挟持体の概略断面構成を示す説明図である。
【図７】上部筐体および下部筐体の平面構成を概略的に示す説明図である。
【図８】第２実施形態の多孔体挟持体におけるガスおよび液水の流れを示す説明図である。
【図９】下部筐体の他の例を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ａ．第１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説明するための説明図である。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、含水状態の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。酸素拡散係数測定装置１００は、多孔体挟持体１０と、液水供給装置２０と、支持部材４０と、酸素消費装置５０と、酸素濃度検出部６０と、酸素消費量制御部７０と、酸素拡散係数算出部８０と、押圧部９２と、載置台９４と、変位計３００と、を主に備える。
【００１３】
多孔体挟持体１０は、測定対象の多孔体を挟持する（後に詳述する）。液水供給装置２０は、液水供給配管２２を介して多孔体挟持体１０に接続されており、測定対象の多孔体に液水を供給する。液水供給配管２２には、液水供給配管２２内の液水の圧力を測定する圧力センサ２４が設けられている。液水供給装置２０は、圧力センサ２４による液水の圧力に基づいて、多孔体挟持体１０に導入される液水が所定の流量になるように調整して、液水供給配管２２に液水を供給する。
【００１４】
支持部材４０は、測定対象の多孔体を透過した透過ガスを収容すると共に、酸素消費装置５０および酸素濃度検出部６０を多孔体２００の下側（図１の紙面下側）に酸素消費装置５０および酸素濃度検出部６０を配置し、支持している（後に詳述する）。酸素消費装置５０は、支持部材４０内の酸素を消費する（後に詳述する）。酸素濃度検出部６０は、支持部材４０に収容されたガスの酸素濃度を検出する（後に詳述する）。酸素消費量制御部７０は、酸素消費装置５０による酸素の消費量（消費速度）を制御する。酸素拡散係数算出部８０は、酸素濃度検出部６０による酸素濃度検出値、酸素消費装置５０による酸素消費量を用いて、酸素拡散係数を算出する（後に詳述する）。
【００１５】
載置台９４は、多孔体挟持体１０が載置される載置面と、多孔体２００を透過したガスが通過する透過ガス通路を備える。押圧部９２は、図１の紙面上下方向に移動可能に構成され、ロードセル９６による検出荷重に基づいて、多孔体挟持体１０に対して所定の面圧を付与する。
【００１６】
変位計３００は、押圧部９２の変位を計測する。酸素拡散係数算出部８０は、予め計測された多孔体２００の膜厚と、変位計３００にて計測された変位に基づいて、酸素拡散係数測定時の多孔体２００の膜厚を算出する。
【００１７】
図２は、多孔体挟持体１０の概略構成を示す説明図である。図２は、測定対象の多孔体２００を挟持した状態の多孔体挟持体１０を、図１の紙面に平行な平面で切断した切断面を示す。多孔体挟持体１０は、上部挟持体１２と、下部挟持体１４と、多孔質撥水膜１５と、選択透過膜１６と、を備える。上部挟持体１２と下部挟持体１４との間に測定対象の多孔体２００を挟持する。この際、下部挟持体１４と多孔体２００との間に選択透過膜１６を介在させると共に、上部挟持体１２と多孔体２００との間に多孔質撥水膜１５を介在させる。
【００１８】
図３は、多孔体２００と多孔質撥水膜１５と選択透過膜１６との関係を示す説明図である。図３において、各構成に、図２と同一のハッチングを付している。多孔体２００は、平面形状が略矩形状の薄膜状を成し、選択透過膜１６と接する第１の多孔体面２０２と、第１の多孔体面２０２の裏側の面であって、多孔質撥水膜１５と接する第２の多孔体面２０４と、を有する。本実施形態では、多孔体２００として、カーボンフェルトを用いたが、カーボンペーパー，カーボンクロス，金属多孔体等の他の導電性多孔体を用いてもよい。多孔体２００は、燃料電池のＧＤＬに用いられる。多孔体２００の外周には、枠状のシール材２１０が形成されている。本実施形態において、シール材２１０はシリコーンゴムによって形成されているが、これに限定されず、シリコーン樹脂、フッ素ゴム等の種々の弾性材料を用いることができる。
【００１９】
選択透過膜１６は、平面形状がシール材２１０の外周形状と同一の略矩形状の薄膜状（シート状）を成す。選択透過膜１６は、多孔体２００と接触する第１の選択透過膜面１６１からはガスのみを透過させ、第１の選択透過膜面１６１の裏側の第２の選択透過膜面１６２からはガスおよび液水を透過させる。すなわち、選択透過膜１６は、第２の選択透過膜面１６２側からは液水を透過させ、第１の選択透過膜面１６１側では、液水を透過させない（はじく）。本実施形態において、選択透過膜１６として、三井デュポンフロロケミカル社製のテフロンＡＦ（テフロンは登録商標）を用いたが、同様の特性を有する他のＰＴＦＥ（ＰｏｌｙＴｅｔｒａＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ：ポリテトラフルオロエチレン）膜を用いてもよいし、他のフッ素系樹脂膜を用いてもよい。
【００２０】
多孔質撥水膜１５は、選択透過膜１６と同一の薄膜状を成す。多孔質撥水膜１５は、多孔体２００と接触する第１の撥水膜面１５１からは液水を透過させない（はじく）。本実施形態では、多孔質撥水膜１５として、選択透過膜１６と同じ三井デュポンフロロケミカル社製のテフロンＡＦ（テフロンは登録商標）を用いた。すなわち、選択透過膜１６の第１の選択透過膜面１６１が多孔質撥水膜１５の第１の撥水膜面１５１に相当する。したがって、多孔質撥水膜１５の第１の撥水膜面１５１は、ガスのみを透過させ、第１の撥水膜面１５１の裏側の第２の撥水膜面１５２からはガスおよび液水を透過させる。本実施形態では、多孔質撥水膜１５として選択透過膜１６と同じ薄膜を用いたが、多孔質撥水膜１５としては、少なくとも、第１の撥水膜面１５１において撥水性（水を透過しない性質）を有する薄膜を用いればよい。さらに、第２の撥水膜面１５２においても撥水性を有する構成にしてもよい。
【００２１】
上部挟持体１２は、平面形状が選択透過膜１６より大きい相似形の平板状を成し、図２に示すように、下部挟持体１４と対向する対向面１２８（図２における下側の面）に、凹部１２２を備える。凹部１２２には、選択透過膜１６，多孔体２００（シール材２１０を備える），多孔質撥水膜１５の積層体が嵌合される。多孔質撥水膜１５および選択透過膜１６の側面は、上部挟持体１２によってシールされる。また、上部挟持体１２は、対向面１２８の裏側の上面１２９（図面上側の面）から凹部１２２へ貫通するガス通路１２４を備える。上部挟持体１２は、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。後述するように、大気から、上部挟持体１２のガス通路１２４に、酸素を含むガス（空気）が拡散され、多孔質撥水膜１５を透過して多孔体２００に拡散される。すなわち、多孔質撥水膜１５の第２の撥水膜面１５２のガス通路１２４と接する部分が、酸素を含むガスと接触する。本実施形態におけるシール材２１０および上部挟持体１２が、請求項におけるシール部材に相当する。
【００２２】
下部挟持体１４は、平面形状が上部挟持体１２と同様の平板状を成し、選択透過膜１６と接する接触面１４８に開口する供給口を複数備える液水供給路１４２と、接触面１４８の裏側の下面１４９（図２における下側の面）から接触面１４８を貫通する透過ガス通路１４４と、を備える。後述するように、液水供給路１４２には液水が供給され、多孔体２００を透過した透過ガスが透過ガス通路１４４を流通する。下部挟持体１４は、上部挟持体１２と同様に緻密質カーボンによって形成されている。上部挟持体１２および下部挟持体１４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。なお、上部挟持体１２と下部挟持体１４とは、互いに異なる材料で形成してもよい。
【００２３】
図４は、支持部材４０，酸素消費装置５０，および酸素濃度検出部６０の概略構成を説明する説明図である。図４（Ａ）は、支持部材４０，酸素消費装置５０，および酸素濃度検出部６０を、載置台９４側から見た平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
支持部材４０は、略円環状に形成され、凹部４２および孔部４４を備える。支持部材４０には、凹部４２の周に沿って酸素消費装置５０が埋設され、貫通孔である孔部４４には、酸素濃度検出部６０が嵌設される。図１に示すように、支持部材４０は載置台９４の載置面の裏側の面（図１の紙面下側の面）に接触して配置され、多孔体２００の下側（図１の紙面下側）に酸素消費装置５０および酸素濃度検出部６０を配置し、支持している。また、支持部材４０の凹部４２には、多孔体２００を透過した透過ガスが収容される。
【００２５】
酸素消費装置５０は、複数（本実施形態では１０個）の直列接続された空気亜鉛電池５２を備える。図４（Ｂ）に示すように、空気亜鉛電池５２が支持部材４０の凹部４２に収容された透過ガスに接触するように、円状に配置されている（図４（Ａ））。酸素消費装置５０では、下記の式（１）の反応により酸素を消費する。
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  …（１）
【００２６】
酸素消費量制御部７０は可変抵抗を備え、抵抗値を調整することにより、酸素消費装置５０の出力電流を調整して酸素消費装置５０による酸素消費量が所定の消費量になるように制御している。
【００２７】
酸素濃度検出部６０は、支持部材４０の孔部４４に一部が嵌合して設けられる。酸素濃度検出部６０の一部が支持部材４０の孔部４４に嵌合されることにより孔部４４が封止される。酸素濃度検出部６０は、酸素拡散係数測定装置１００において、多孔体２００の第１の多孔体面２０２側（図１紙面下側）の閉塞空間（後述する）内の酸素濃度を検出する。本実施形態において、酸素濃度検出部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。
【００２８】
図５は、酸素拡散係数測定装置１００におけるガスおよび液水の流れを示す説明図である。液水供給装置２０から所定の流量で供給された液水は、液水供給配管２２を介して下部挟持体１４の液水供給路１４２に導入され、選択透過膜１６を透過して多孔体２００に供給される（図中実線矢印）。ここで、上述の通り、選択透過膜１６は、多孔体２００と接する第１の選択透過膜面１６１側からは液水を透過させず、多孔質撥水膜１５は、多孔体２００と接する第１の撥水膜面１５１側からは液水を透過させない。また、多孔体２００の外周には、シール材２１０が形成されている。そのため、一旦多孔体２００に供給された液水は、排出も蒸発もされず、多孔体２００内に保持される。また、選択透過膜１６の側面は、上部挟持体１２によってシールされているため、選択透過膜１６に供給された液水は、略全て多孔体２００に供給される。ここで、「略全て」と記載したのは、選択透過膜１６に保持される液水量を考慮したためである。
【００２９】
一方、酸素を含むガス（空気）は、後に詳述するように、支持部材４０の凹部４２内の酸素の消費に伴い、大気からガス通路１２４に拡散され、多孔質撥水膜１５を透過して、多孔体２００に拡散される。多孔体２００を透過した透過ガスは、選択透過膜１６を透過して下部挟持体１４の透過ガス通路１４４および載置台９４の透過ガス通路９４２を介して支持部材４０の凹部４２に収容される（図中破線矢印）。ここで、多孔体２００の外周にはシール材２１０が形成されているため、多孔体２００に拡散されたガスは、多孔体２００の側面からは排出されない。すなわち、多孔体２００を透過するガスは、全て、選択透過膜１６と接触する第１の多孔体面２０２から排出され、略全てが下部挟持体１４の透過ガス通路１４４，載置台９４の透過ガス通路９４２，および支持部材４０の凹部４２で形成される閉塞空間に収容される。ここで、「略全て」と記載したのは、選択透過膜１６に保持されるガスを考慮したためである。なお、選択透過膜１６と下部挟持体１４との間、下部挟持体１４と載置台９４との間、載置台９４と支持部材４０との間にさらにシール材を備えてもよい。これにより、さらにシール性が向上される。
【００３０】
Ａ２．酸素拡散係数の測定方法：
次に、図１，５に基づいて、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。まず、測定対象の多孔体２００（外周にシール材２１０が形成されている）の第１の多孔体面２０２側に選択透過膜１６、第２の多孔体面２０４側に多孔質撥水膜１５を積層したものを上部挟持体１２と下部挟持体１４とで挟持する。このとき、図５に示すように、多孔質撥水膜１５が上部挟持体１２と接し、選択透過膜１６が下部挟持体１４と接する。測定対象の多孔体２００が挟持された多孔体挟持体１０を、載置台９４に載置し、押圧部９２によって所定の面圧で押圧する（図１）。押圧部９２による面圧は、シール材２１０によるシール性が確保できる程度の面圧である。
【００３１】
まず、液水供給装置２０を制御して、液水を、所定の流速で、下部挟持体１４の液水供給路１４２に供給し、所定の液水供給量になったら、液水の供給を終了する。本実施形態では、多孔体２００の空隙量を予め求め、空隙量に基づいて所定の含水率になるように、予め液水供給量を設定する。本実施形態では、所定の液水供給量を、含水率９０％に相当する量に設定する。
【００３２】
次に、酸素消費量制御部７０において通電し、酸素消費装置５０による酸素消費を開始させるとともに、酸素濃度検出部６０による酸素濃度の検出を開始させる。ここで、酸素消費量制御部７０は、可変抵抗を所定の抵抗値に設定することにより、酸素消費装置５０において所定の酸素消費量で酸素を消費させる。
【００３３】
初期状態において、上部挟持体１２のガス通路１２４，下部挟持体１４の透過ガス通路１４４，載置台９４の透過ガス通路９４２，および支持部材４０の凹部４２には、大気が満たされており、酸素濃度は略同じである。以下、下部挟持体１４，載置台９４，および支持部材４０を合わせて「透過ガス収容部」とも称する。透過ガス収容部内の空間は、下部挟持体１４の透過ガス通路１４４，載置台９４の透過ガス通路９４２，および支持部材４０の凹部４２で形成される。
【００３４】
酸素消費装置５０による酸素消費が開始されると、透過ガス収容部内の酸素濃度が低下する。そうすると、ガス通路１２４内のガスと透過ガス収容部内の酸素濃度差によって、ガス通路１２４内の酸素が多孔体２００および選択透過膜１６を透過して、透過ガス収容部に移動する（図５）。従って、透過ガス収容部内の酸素の消費に伴い、ガス通路１２４を介して大気中の酸素が多孔体２００に拡散される。酸素が多孔体２００を透過する速度は、ガス通路１２４内のガスと透過ガス収容部内のガスの酸素濃度差が大きくなるにつれて大きくなる。透過ガス収容部内のガスの酸素濃度は、酸素消費装置５０による酸素消費の開始後、徐々に減小し、多孔体２００を透過する酸素の透過速度と酸素消費装置５０による消費速度とが略同じになると略一定の値に安定する。
【００３５】
酸素濃度検出部６０によって検出される酸素濃度が安定したら、酸素消費量制御部７０における通電を終了し（すなわち、酸素消費装置５０による酸素の消費を終了し）、酸素拡散係数算出部８０によって、多孔体２００の酸素拡散係数を算出する。このとき、酸素濃度が安定した際の酸素濃度、酸素消費装置５０の出力電流値を用いる。
【００３６】
具体的には、酸素拡散係数算出部８０は、フィックの第１法則（式（２））を利用して多孔体２００の酸素拡散係数を算出する。
Ｊ＝−Ｄ×ｄｃ／ｄｘ  …  （２）
Ｊ：酸素のモル流速［ｍｏｌ／（ｍ２・ｓ）］
Ｄ：酸素拡散係数［ｍ２／ｓ］
ｄｃ／ｄｘ：酸素濃度勾配［ｍｏｌ／ｍ４］
【００３７】
上記式（２）におけるＪ（酸素のモル流速）は、下記式（３）を用いて算出される。
Ｊ＝Ｑ／Ｓ  …  （３）
Ｑ：酸素拡散量［ｍｏｌ／ｓ］
Ｓ：多孔体２００の平面面積［ｍ２］
【００３８】
上述の通り、本実施形態の酸素消費装置５０では、上記式（１）の反応により酸素を消費して発電するため、上記式（３）におけるＱ（酸素拡散量）は、酸素消費装置５０の出力電流（酸素消費量制御部７０を流れる電流）を用いて、下記式（４）によって算出される。
Ｑ＝Ｉ／（４Ｆ）  …  （４）
Ｉ：酸素消費装置５０の出力電流［Ａ］
Ｆ：ファラデー定数［ｃ／ｍｏｌ］
【００３９】
上記式（２）におけるｄｃ／ｄｘ（酸素濃度勾配）としては、酸素濃度検出部６０による酸素濃度検出値が安定したときの酸素濃度勾配を用いる。具体的には、上部挟持体１２のガス通路１２４内の酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］と、透過ガス収容部内のガスの酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］との差を、多孔体２００の厚さ［ｍ］で除する。ガス通路１２４内の酸素濃度は、大気と同じ（２０．９％）とする。透過ガス収容部内のガスの酸素濃度は、酸素濃度検出部６０による検出値を用いる。多孔体２００の厚さは、予め測定された値と変位計３００により測定された変位とを用いて算出される。
【００４０】
このように、酸素拡散係数算出部８０は、酸素消費装置５０による酸素消費量，酸素濃度検出部６０による酸素濃度を用いて、フィックの第１法則により多孔体２００の酸素拡散係数を算出する。
【００４１】
Ａ３．第１実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の酸素拡散係数測定装置１００は、多孔質撥水膜１５，選択透過膜１６，および液水供給装置２０を備える。多孔質撥水膜１５および選択透過膜１６は、多孔体２００と接触する面（それぞれ、第１の撥水膜面１５１，第１の選択透過膜面１６１）からは液水を透過させない（はじく）。多孔体２００の含水状態における酸素拡散係数を測定する際に、多孔質撥水膜１５の第１の撥水膜面１５１、および選択透過膜１６の第１の選択透過膜面１６１が多孔体２００に接触させて配置されるため、多孔体２００に供給された液水は、第１の多孔体面２０２および第２の多孔体面２０４から排出されない。また、多孔体２００の側面は、シール材２１０によってシールされているため、多孔体２００に供給された液水は、側面からも排出されない。すなわち、液水供給装置２０から供給された液水は、選択透過膜１６を透過して多孔体２００に導入された後、多孔体２００から排出されないため、多孔体２００内に保持される。そのため、液水供給装置２０から供給された液水量から液水供給配管２２，液水供給路１４２，および選択透過膜１６内の液水量を減じた液水量が、多孔体２００に保持されている液水量となる。液水供給配管２２および液水供給路１４２内の液水量は、それぞれの容積から、選択透過膜１６内の液水量は、空隙量から既知である。したがって、液水供給装置２０によって、容易かつ正確に多孔体２００の含水量を調整することができる。なお、液水供給配管２２，液水供給路１４２，および選択透過膜１６内の液水量が、多孔体２００の含水量に対して、無視できる程度に少量の場合には、液水供給装置２０から供給された液水量を、多孔体２００に保持されている液水量（含水量）としてもよい。
【００４２】
例えば、発電に伴い酸素極において水が生成される燃料電池において、酸素極側のＧＤＬとして多孔体２００を用いる場合、燃料電池の発電中、生成水の一部が多孔体２００内に保持される。燃料電池の発電中の多孔体２００の含水量（含水率）は、発電状態等によって異なると考えられる。本実施形態では、多孔体２００の含水量（含水率）を正確に調整することができるため、所定の含水状態における多孔体２００の酸素拡散係数を正確に測定することができる。例えば、上記の通り、多孔体２００の含水率を９０％に調整して、酸素拡散係数を算出した後、別の個体の多孔体２００を酸素拡散係数測定装置１００にセットして、多孔体２００の含水率を８０％に調整して酸素拡散係数を測定し…と、多孔体２００の含水率を変えて、その含水率における酸素拡散係数を測定することにより、多孔体２００の含水量（含水率）に対する酸素拡散係数のＭＡＰを作成することができる。そのＭＡＰに基づいて燃料電池に供給するガス流量等を調整することにより、燃料電池の発電を適切に制御することができる。
【００４３】
Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態の酸素拡散係数測定装置は、第１実施形態の酸素拡散係数測定装置１００と、多孔体挟持体１０の構成が異なる。他の構成は、第１実施形態と同一であるため、同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４４】
図６は、第２実施形態の多孔体挟持体１０Ａの概略断面構成を示す説明図である。図６は、測定対象の多孔体２００を挟持した状態の多孔体挟持体１０Ａを示している。多孔体挟持体１０Ａは、上部挟持体１２Ａと、下部挟持体１４と、上部筐体１７と、下部筐体１８と、多孔質撥水膜１５と、選択透過膜１６と、を備える。以下、上部筐体１７と、下部筐体１８とを合わせて、単に「筐体」とも称する。上部挟持体１２と下部挟持体１４との間に測定対象の多孔体２００を内包した筐体が挟持される。この際、下部筐体１８と多孔体２００との間に選択透過膜１６を介在させると共に、上部筐体１７と多孔体２００との間に多孔質撥水膜１５を介在させる。
【００４５】
上部挟持体１２Ａは、平面形状が選択透過膜１６より大きい相似形の平板状を成し、第１実施形態の上部挟持体１２と同様のガス通路１２４を備える。
【００４６】
図７は、上部筐体１７および下部筐体１８の平面構成を概略的に示す説明図である。図７（Ａ）は、上部筐体１７の下部筐体１８と対向する対向面１７８（図６における下側の面）側から見た図を示す。図７では、対向面および凹部を明瞭に示すために、ハッチングを付している。上部筐体１７は、上部挟持体１２Ａと平面形状が略同一の平板状を成し、対向面１７８に、凹部１７６を備える。図６に示すように、凹部１７６には、多孔質撥水膜１５および多孔体２００の一部が嵌合される。また、上部筐体１７は、上部挟持体１２Ａのガス通路１２４と連通する上部筐体ガス通路１７４を備える。
【００４７】
図７（Ｂ）は、下部筐体１８の上部筐体１７と対向する対向面１８８（図６における上側の面）を示す。下部筐体１８は、上部筐体１７と同様の平板状を成し、対向面１８８に、凹部１８６を備える。図６に示すように、凹部１８６には、選択透過膜１６および多孔体２００の一部が嵌合される。また、下部筐体１８は、下部挟持体１４の液水供給路１４２と連通する複数の下部筐体液水供給路１８２と、下部挟持体１４の透過ガス通路１４４と連通する下部筐体ガス通路１８４と、を備える。本実施形態における下部挟持体１４の液水供給路１４２、および下部筐体１８の下部筐体液水供給路１８２が、請求項における液水供給路に相当する。
【００４８】
図６に示すように、上部筐体１７と下部筐体１８との間に、選択透過膜１６，多孔体２００，多孔質撥水膜１５が下から順に積層された積層体を挟持して、多孔質撥水膜１５の対向面１７８と下部筐体１８の対向面１８８とを接着剤で接着することにより、積層体が筐体に内包される。多孔体２００および選択透過膜１６の側面は、筐体（上部筐体１７と下部筐体１８）によってシールされているため、多孔体２００に供給された液水は、多孔体２００内に保持される。本実施形態における上部筐体１７および下部筐体１８が、請求項におけるシール部材に相当する。すなわち、下部筐体１８は、シール部材として機能するとともに、透過ガス収容部としても機能する。
【００４９】
本実施形態において、上部筐体１７および下部筐体１８は、上部挟持体１２と同様の緻密質カーボンによって形成されている。上部筐体１７および下部筐体１８は、Ｘ線を透過可能な材料によって形成されればよく、例えば、樹脂によって形成されてもよい。上部筐体１７および下部筐体１８は、Ｘ線透過係数が高い材料で形成されるのが好ましい。また、筐体は、少なくとも、選択透過膜１６，多孔体２００，多孔質撥水膜１５を内包した状態で一端を支持した場合に、自重で変形しない程度の剛性を有することが好ましい。
【００５０】
図８は、第２実施形態の多孔体挟持体１０Ａにおけるガスおよび液水の流れを示す説明図である。液水供給装置２０から所定の流速で供給された液水は、液水供給配管２２を介して下部挟持体１４の液水供給路１４２に導入され、下部筐体１８の下部筐体液水供給路１８２を流通し、選択透過膜１６を透過して多孔体２００に供給される（図中実線矢印）。一方、酸素を含むガス（空気）は、大気から上部挟持体１２Ａのガス通路１２４、および上部筐体１７の上部筐体ガス通路１７４を流通し、多孔質撥水膜１５を透過して、多孔体２００に拡散される。多孔体２００を透過した透過ガスは、選択透過膜１６を透過して、下部筐体１８の下部筐体ガス通路１８４，下部挟持体１４の透過ガス通路１４４および載置台９４(図５)の透過ガス通路９４２(図５)を介して支持部材４０の凹部４２(図５)に収容される（図中破線矢印）。本実施形態において、多孔体２００の外周にはシール材２１０が形成されていないが、上述の通り、多孔体２００は、上部筐体１７の凹部１７６および下部筐体１８の凹部１８６に嵌合しており、多孔体２００の側面は、上部筐体１７および下部筐体１８と接触しているため、多孔体２００に供給されたガスは、多孔体２００の側面からは排出されない。すなわち、多孔体２００を透過するガスは、全て、選択透過膜１６と接触する第１の多孔体面２０２から排出される。そして、選択透過膜１６の側面は、下部筐体１８によってシールされ、選択透過膜１６の第２の選択透過膜面１６２は、透過ガス通路１４４と接する部分以外は、下部筐体１８および液水によってシールされているため、多孔体２００を透過したした透過ガスは、略全て、下部筐体ガス通路１８４に導入される。ここで、「略全て」と記載したのは、選択透過膜１６に選択透過膜１６に保持されるガスを考慮したためである。
【００５１】
本実施形態の多孔体挟持体１０Ａでは、測定対象の多孔体２００の両面に多孔質撥水膜１５と選択透過膜１６とがそれぞれ配置されると共に、上部筐体１７と下部筐体１８とで構成される筐体に内包される。筐体は、緻密質カーボンで形成されており、剛性が高いため、薄膜状の多孔体２００が筐体に内包されたまま、筐体ごと移動させれば、多孔体の含水分布に影響がない。また、筐体は、緻密質カーボンで形成されており、Ｘ線透過係数が比較的高いため、多孔体２００が筐体に内包されたまま、筐体の外側からＸ線ＣＴにて多孔体２００の液水分布を観察することができる。そのため、本実施形態の酸素拡散係数測定装置を用いて、所定の含水量（含水率）における多孔体２００の酸素拡散係数を測定した後、筐体ごと、Ｘ線ＣＴ装置に持って行き、多孔体２００が筐体に内包された状態で、Ｘ線ＣＴにより多孔体２００の液水分布を観察することができる。すなわち、酸素拡散係数を測定した際の、多孔体２００の液水分布がわかる。その結果、液水分布が多孔体の酸素拡散係数に及ぼす影響を調べる一助となる。
【００５２】
・他の例：
図９は、下部筐体の他の例を概略的に示す平面図である。図９（Ａ）は他の例１、（Ｂ）は他の例２を示す。他の例１の下部筐体１８Ａは、下部筐体液水供給路１８２を２個備え、第２実施形態に示した下部筐体１８と、下部筐体液水供給路１８２の数が異なる。他の例２の下部筐体１８Ｂは、他の例１と同様に、下部筐体液水供給路１８２を２個備えるが、その配置が他の例１と異なる。このように、下部筐体液水供給路１８２の数や配置が異なる下部筐体１８を用いて多孔体２００に液水を供給すると、多孔体２００内の液水分布を異ならせることができる。そのため、液水分布が多孔体の酸素拡散係数に及ぼす影響を、より詳細に検討する一助となる。なお、下部筐体液水供給路１８２の数および配置は、ここに示したものに限定されない。数は、１，３，４個でもよいし、６個以上でもよい。下部筐体液水供給路１８２の配置も適宜設定可能である。
【００５３】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態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。例えば次のような変形も可能である。
【００５４】
（１）上記実施形態において、酸素消費装置５０が直列接続された複数の空気亜鉛電池５２を備える構成を例示したが、これに限定されない。例えば、複数の空気亜鉛電池５２が並列接続される構成にしてもよいし、空気亜鉛電池５２を１つ備える構成にしてもよい。
【００５５】
（２）上記実施形態において、酸素消費装置５０の空気亜鉛電池５２が支持部材４０の凹部４２に設けられる例を示したが、例えば、載置台９４の透過ガス通路９４２に設けてもよい。このようにしても、多孔体２００の下側（ガス透過側）のガスの酸素濃度を検出することができる。
【００５６】
（３）上記実施形態において、酸素消費装置５０が空気亜鉛電池を備える構成を例示したが、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よい。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よい。このようにしても、酸素消費装置５０によって酸素を消費させて、酸素の拡散を促進することができる。なお、酸素消費装置５０において用いられる電池の種類に応じて、式（４）を変更すればよい。
【００５７】
（４）上記実施形態において、下部挟持体１４が液水供給路１４２および透過ガス通路１４４を備える構成を例示したが、載置台９４が液水供給路１４２および透過ガス通路１４４を備える構成にしてもよい。このようにする場合には、載置台９４の上に選択透過膜１６、多孔体２００、多孔質撥水膜１５、上部挟持体１２の順に載置すればよい。このようにしても、多孔体２００の第１の多孔体面２０２から多孔体２００に液水を供給して含水させ、多孔体２００の第１の多孔体面２０２から排出される透過ガスを収集することができる。
【００５８】
また、第２実施形態において、上部挟持体１２Ａおよび下部挟持体１４を備えない構成にしてもよい。下部挟持体１４の下部筐体液水供給路１８２に液水供給配管２２を接続して、下部筐体液水供給路１８２に液水を供給する構成にしてもよい。このようにしても、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
（５）酸素拡散係数の算出方法は、上記実施形態に限定されず、公知の種々の方法により算出することができる。
【００６０】
（６）上記実施形態では、多孔質撥水膜１５，多孔体２００，および選択透過膜１６を透過した透過ガスを収容する構成を例示したが、透過ガスを収容する構成を備えなくてもよい。透過ガスを収容せず（貯めず）、流量計等と用いて多孔体を透過した酸素量を計測する構成にしてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０，１０Ａ…多孔体挟持体
１２，１２Ａ…上部挟持体
１４…下部挟持体
１５…多孔質撥水膜
１６…選択透過膜
１７…上部筐体
１８，１８Ａ，１８Ｂ…下部筐体
２０…液水供給装置
２２…液水供給配管
２４…圧力センサ
４０…支持部材
４２…凹部
４４…孔部
５０…酸素消費装置
５２…空気亜鉛電池
６０…酸素濃度検出部
７０…酸素消費量制御部
８０…酸素拡散係数算出部
９２…押圧部
９４…載置台
９６…ロードセル
１００…酸素拡散係数測定装置
１２２…凹部
１２４…ガス通路
１２８…対向面
１２９…上面
１４２…液水供給路
１４４…透過ガス通路
１４８…接触面
１４９…下面
１５１…第１の撥水膜面
１５２…第２の撥水膜面
１６１…第１の選択透過膜面
１６２…第２の選択透過膜面
１７２…凹部
１７４…上部筐体ガス通路
１７６…凹部
１７８…対向面
１８２…下部筐体液水供給路
１８４…下部筐体ガス通路
１８６…凹部
１８８…対向面
２００…多孔体
２０２…第１の多孔体面
２０４…第２の多孔体面
２１０…シール材
３００…変位計
９４２…透過ガス通路
【図１】
2016205840.tif 000003
【図２】
2016205840.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016205840.tif 000008
【図７】
2016205840.tif 000009
【図８】
2016205840.tif 000010
【図９】
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