JP4915903B2 - 多孔体の酸素拡散係数測定方法およびその測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象となる多孔体の酸素拡散係数を測定する方法およびその測定装置に関し、詳しくは、多孔体内に液水が含まれているときでも、その酸素拡散係数を測定できる方法およびその測定装置に関する。

従来から多孔体内の細孔径などを測定する方法として様々な技術が提案されている。その一つとして、耐熱性および耐圧性の材料で形成された容器内に、測定対象となる多孔体を収容するとともに所定のガスを封入しておき、この容器内のガスに対して周期的な容積変動を与え、その容積変動と圧力変動との位相差および振幅を検出し、この検出した位相差および振幅、並びに予め測定しておいた多孔体の気孔径などの基礎データに基づいて、拡散理論式から求めたシミュレーション式により多孔体のガス拡散係数を算出するものがあった（特許文献１参照）。
特開昭６１−２０５８４３号公報

しかしながら、この特許文献１に記載の技術は、容器内に封入されたガスの圧力変動を伴う測定方法であるので、多孔体内に液水が含まれているときには利用できなかった。
すなわち、容器内に収容した多孔体の細孔内に液水が存在している場合において、容器内を高圧にするとガスが凝縮して多孔体内に浸入する一方で、容器内を低圧にすると多孔体内に含まれた液水が蒸発する。このように、容器内のガス圧力を変動させると、多孔体内の含水量が変動することになるので、基礎データとして検出するガスの容積変動と圧力変動との位相差および振幅の検出値が不安定となり、多孔体のガス拡散係数を正確に求めることができなかった。

ここで、燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane-Electrode-Assembly：膜電極一体構造の触媒層）やＧＤＬ（Gas-Diffusion-Layer：ガス拡散層）などの多孔体においては、酸素と水素とから電気をつくるときに生成された水が、多孔体内を通って外部に放出されるようになっている。このとき、多孔体内に含まれている液水の量によって、多孔体の酸素透過率が大きく変動し、燃料電池の発電能力に大きな影響を与えることになるが、上記特許文献１に記載の技術では、多孔体内の含水量に対する酸素の酸素拡散係数を測定できないという問題点があった。

そこで、本発明は、このような問題点に対処し、多孔体内に液水が含まれているときでも、その酸素拡散係数を簡便に測定できる方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、測定対象となる多孔体の一端面を所定の酸素濃度の気体に接するようにし、該多孔体の他端面をガルバニ電池式の酸素センサーの陰極側に対向させておき、酸素センサーの出力および多孔体内に含まれる液水の質量の経時変化に基づいて、多孔体の含水量に対する酸素拡散係数を算出する。

本発明によれば、ガルバニ電池式の酸素センサーを用いて、多孔体の酸素拡散係数を測定することができる。このとき、多孔体内に液水が含まれているときでも、その酸素拡散係数を測定できるので、燃料電池を構成するＭＥＡやＧＤＬなどの多孔体を測定対象とすることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明による多孔体の酸素拡散係数測定方法およびその測定装置の基本的な構成を示す断面図である。この装置は、測定対象となる多孔体１の酸素拡散係数を測定するもので、ガルバニ電池式の酸素センサー２と、多孔体ホルダー３と、演算手段４とを含んで構成されている。

図１に示すように、ガルバニ電池式の酸素センサー２は、例えば金（Ａｕ）などの貴金属でできた陰極５と、例えば鉛（Ｐｂ）などの卑金属でできた陽極６とから一対の電極を構成し、この陰極５と陽極６とを箱体７の内部に満たされた水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの電解液８に浸したものである。また、陰極５の外側には、ガス透過性の隔膜９を被覆している。

ここで、酸素センサー２の陰極５には、隔膜９を介して外部から酸素（Ｏ₂）が供給されるようになっているが、この酸素は、以下の（１）式に示すように、陽極６から放出された電子を取り込み、水酸化物イオン（ＯＨ^-）に還元される。
Ｏ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- → ４ＯＨ^- ・・・（１）
一方、酸素センサー２の陽極６では、以下の（２）〜（４）式に示す一連の酸化反応が起きている。

２Ｐｂ → ２Ｐｂ²⁺＋４ｅ^- ・・・（２）
２Ｐｂ²⁺＋４ＯＨ^- → ２Ｐｂ（ＯＨ）₂ ・・・（３）
２Ｐｂ（ＯＨ）₂＋２ＫＯＨ → ２ＫＨＰｂＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ ・・・（４）
そして、箱体７の外面には、陰極５に接続された端子１１と、陽極６に接続された端子１２とが設けられており、これらの二つの端子１１，１２は、演算手段４に接続されている。この演算手段４は、測定対象となる多孔体１を透過する酸素の速さを示す酸素拡散係数を算出するものである。この演算手段４により、多孔体１の酸素拡散係数を算出する処理については、後に詳しく説明する。

ここで、端子１１と端子１２とを結線すると、隔膜９を透過して陰極５に到達した酸素の量に比例した電流が流れるので、演算手段４において、酸素センサー２から出力された電流を測定することにより、酸素センサー２の陰極５に到達した酸素の量およびその濃度を求めることができる。
このような構成の酸素センサー２の陰極５側には、多孔体ホルダー３が取り付けられている。この多孔体ホルダー３は、測定対象となる多孔体１を保持する部材であって、酸素センサー２の隔膜９をカバー部３ａで覆うようになっており、このカバー部３ａの略中央部には、鉛直方向に延びた円筒状の筒状部３ｂが形成されている。この多孔体ホルダー３は、多孔体１の形状や性質等に合わせて、筒状部３ｂの内径や長さを異ならせたものが複数種類ある。

この多孔体ホルダー３の筒状部３ｂの内径φは、適切な大きさの多孔体１を保持するために、例えば３〜１０ｍｍ程度が好ましい。なお、本実施形態では、図２に示すように、筒状部３ｂの内径φは５ｍｍで、その長さＬは２ｍｍとする。
そして、この多孔体ホルダー３の筒状部３ｂには、例えば燃料電池を構成するＭＥＡやＧＤＬなどの多孔体１が保持されている。このとき、多孔体１の一端面が外部の気体に接し、その他端面が酸素センサー２の陰極５に対向するように保持されている。なお、本実施形態では、多孔体１は乾燥、あるいは含水しており、その厚さを２ｍｍとする。

次に、このように構成された多孔体の酸素拡散係数測定装置による測定方法について、図１を参照して説明する。
多孔体１を保持した多孔体ホルダー３および酸素センサー２からなる測定装置１０において、酸素センサー２の隔膜９と、多孔体ホルダー３と、多孔体１とで囲まれた狭い空間Ａ内には空気が存在している。この空間Ａ内の空気中に含まれる酸素は、隔膜９を透過して陰極５で還元反応するので、空間Ａ内における酸素濃度は徐々に低下していく。これにより、多孔体１の下面側の酸素濃度は、多孔体１の上面側の空気中の酸素濃度と比べて低くなっていくので、この多孔体１の上下両面間で酸素濃度差ΔＣが生じる。すると、この酸素濃度差ΔＣにより、多孔体１の上面側の空気中に含まれる酸素が多孔体１を透過して空間Ａ内に拡散していくようになる。

また、上述したように、空間Ａ内の空気中に含まれる酸素が酸素センサー２の陰極５で還元反応すると、この陰極５に到達した酸素量に比例した電流が酸素センサー２から出力するので、この酸素センサー２の出力Ｉに基づいて、酸素センサー２の陰極５に到達した酸素の量Ｖｏ₂＝Ｖ（Ｉ）を求めることができる。また、空間Ａ内の空気に含まれる酸素濃度Ｃ₂は、酸素センサー２の出力Ｉの関数Ｃ（Ｉ）で表すことができる。

ここで、酸素センサー２の陰極５に到達した酸素の量Ｖｏ₂は、多孔体１の上下面間における酸素濃度差ΔＣに比例し、多孔体１の酸素拡散係数Ｄに比例し、多孔体１の厚さＬに反比例することから、以下の（５）式に示す関係が成立している。
酸素量Ｖｏ₂＝酸素濃度差ΔＣ×酸素拡散係数Ｄ／厚さＬ ・・・（５）
この（５）式を変形すると、以下の（６）式が得られる。

酸素拡散係数Ｄ＝酸素量Ｖｏ₂×厚さＬ／酸素濃度差ΔＣ ・・・（６）
ここで、空気中における酸素の体積比は２０．９％であることから、空気中の酸素濃度Ｃ₁を求めることができる。よって、多孔体１の上下面間における酸素濃度差ΔＣは、演算手段４で算出した酸素濃度Ｃ（Ｉ）を用いて、以下の（７）式で表せる。
酸素濃度差ΔＣ＝（空気中の酸素濃度Ｃ₁）−Ｃ（Ｉ） ・・・（７）
なお、多孔体１の厚さＬは既知であり、本実施形態では、上述のように２ｍｍである。

よって、多孔体１の酸素拡散係数Ｄは、酸素センサー２の出力を用いて、上記（６）式および（７）式を用いて演算手段４で算出することができる。
このように、本実施形態によれば、ガルバニ電池式の酸素センサー２を用いて、多孔体１の酸素拡散係数Ｄを簡便に測定することができる。なお、以上の説明では、多孔体１は乾燥しているとしたが、内部に液水が含まれた湿状態のものでもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す説明図である。この実施形態は、測定対象となる多孔体１内に液水を含浸させておき、この液水を含浸させた多孔体１を、多孔体ホルダー３の基部側にて酸素センサー２の近傍で保持するようにしたものである。
ここで、測定対象となる多孔体１に液水を含浸させる処理について説明する。まず、多孔体ホルダー３に取り付ける前に、多孔体１を超音波洗浄して細孔内のゴミを取り除いておく。この多孔体１を十分に乾燥させ、そのときの重さを予め計測する。次に、図４に示すように、このような前処理によりゴミが取り除かれた多孔体１を、トレー１８中の純水１９に浸し、それを気密容器２０内に収納した状態で真空ポンプ２１を作動する。これにより、気密容器２０内の空気が外部に排出されて真空状態となり、その状態で多孔体１の細孔内に純水１９を含浸させることができる。そして、この液水を含浸させた多孔体１の重さも計測する。なお、本実施形態では、多孔体１の厚さを１ｍｍとし、その空隙率εを６０％とする。このように多孔体１に液水を含浸させたことによって、例えば重さが６．０ｍｇだけ増加したときは、その細孔内に６．０ｍｇの液水が含浸したことになる。

そして、図３に示すように、このように液水を含浸させた多孔体１を多孔体ホルダー３に保持しておき、この多孔体ホルダー３および酸素センサー２からなる測定装置１０を、電子天秤１５の秤量皿１５ａに載置した状態で、密閉容器１４に収容する。この密閉容器１４は、その内部の温度および湿度を調整する機能を備えている。
このとき、密閉容器１４に収容された測定装置１０の質量が電子天秤１５で計測されている。このように、測定装置１０の全体の質量を電子天秤１５で継続的に計測し、その計測結果を演算手段４に出力することで、多孔体ホルダー３に保持された多孔体１内の含水量の経時変化を測定することができる。この電子天秤１５は、多孔体１内の含水量の経時変化を高精度に測定できるものが用いられる。

また、密閉容器１４内の測定装置１０には送信器１６が設けられ、また密閉容器１４の外部の演算手段４には受信器１７が設けられている。これにより、酸素センサー２で検出した値は、送受信器１６から受信器１７に送信され、演算手段４に入力される。なお、本実施形態では、多孔体ホルダー３は、その筒状部３ｂの長さＬを５０ｍｍとする。
次に、このように構成された多孔体の酸素拡散係数測定装置による測定方法について、図５〜図７を参照して説明する。

図５（ａ）に示す初期状態においては、多孔体１に６．０ｍｇの液水が含浸しており、このときの多孔体１の含水率Ｓを１００％とする。
図６において、曲線Ｓは、電子天秤１５で測定した多孔体１内の含水量の経時変化を示すもので、多孔体１に含まれる液水が徐々に蒸発することにより、多孔体１の含水率Ｓが時間経過に伴って減少していくことが分かる。また、曲線Ａは酸素の移動速度の経時変化を示し、曲線Ｂは水蒸気の移動速度の経時変化を示している。

図５（ａ）に示す初期状態では、多孔体１の細孔内が液水で占められているので、多孔体１内を酸素が透過することはない。よって、図６の曲線Ａに示すように、経過時間が０のときの酸素の移動速度は０である。このとき、図５（ａ）に示す酸素センサー２では酸素が検出されず、演算手段４では、多孔体の酸素拡散係数Ｄの値が０と算出される。
その後、図３に示す密閉容器１４の内部の温度や湿度を調整し、多孔体１内に含浸させた液水が蒸発するように設定すると、多孔体１に含浸させた液水は、水蒸気となって多孔体１の外部に移動していく。

ここで、図５（ｂ）は、多孔体１に含浸している液水の一部が蒸発し、多孔体１の内部に３．０ｍｇの液水が残っている状態を示している。このとき、多孔体１の含水率Ｓは、５０％であり、多孔体１内の半数の細孔が酸素の通り道となるので、図６の曲線Ａに示すように、酸素の移動速度が０より大きな値となる。このとき、図５（ｂ）に示すように、空気中に含まれている酸素が多孔体ホルダー３の筒状部３ｂから取り込まれて、多孔体１を通過して酸素センサー２に拡散していく。このような多孔体１の酸素拡散係数Ｄを、演算手段４で継続的に算出しておく。

そして、このまま時間が経過すると、多孔体１に含浸させた液水は、さらに蒸発する。図５（ｃ）は、多孔体１の内部に１．５ｍｇの液水が残っている状態を示している。このとき、多孔体１の含水率Ｓは２５％であり、多孔体１の細孔内に占める液水の量がさらに少なくなって酸素の通り道が広くなるので、図６の曲線Ａに示すように、酸素の移動速度はさらに増大する。この多孔体１の酸素拡散係数Ｄについても、演算手段４で継続的に算出しておく。

このような多孔体１の含水率Ｓと、演算手段４で算出した酸素拡散係数Ｄとの関係を表すグラフを図７に示す。多孔体１の含水率Ｓは、測定時間の経過に伴って減少していくのに対し、演算手段４で算出される多孔体１の酸素拡散係数Ｄの値は、時間経過に伴って増加していく。この図７に示す測定結果のグラフから、多孔体１の含水率Ｓに対する酸素拡散係数Ｄを求めることができる。

ここで、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂ内の酸素が多孔体１を透過するときには、まず多孔体１の上面に近い位置にある酸素から移動し始め、多孔体１から離れた位置にある酸素が徐々に移動して拡散が進んでいく。したがって、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂの先端部側においては、酸素濃度が空気中の酸素濃度（２０．９％）とほとんど等しいと推定できるが、多孔体１の上面の近傍では、筒状部３ｂの先端部よりも酸素濃度が低くなる。このように筒状部３ｂの内側では、酸素の濃度勾配が発生するので、上記（６）式および（７）式を用いて、多孔体１の酸素拡散係数Ｄを算出することができない。

この場合は、密閉容器１４内の空気中の酸素が、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂ内の空気と、この多孔体ホルダー３に保持された多孔体１とを通過するときの拡散抵抗Ｒを用いて、多孔体１の酸素拡散係数Ｄを求める。この拡散抵抗Ｒは、図３に示すように、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂにて空気が占める部分の長さをＬ１とし、この空気中の酸素拡散抵抗をＤ１とし、多孔体１の厚さをＬ２とし、この多孔体１の酸素拡散係数をＤ２とすると、以下の（８）式で表せる。

拡散抵抗Ｒ＝Σ（Ｌ／Ｄ）＝Ｌ１／Ｄ１＋Ｌ２／Ｄ２ ・・・（８）
このとき、酸素センサー２で検出する酸素の量Ｖｏ₂は、筒状部３ｂの先端部と基部との酸素濃度差ΔＣに比例し、拡散抵抗Ｒに反比例することから、以下の（９）式に示す関係が成立している。
酸素量Ｖｏ₂＝酸素濃度差ΔＣ／拡散抵抗Ｒ ・・・（９）
この（９）式に上記（８）式を代入すると、以下の（１０）式が得られる。

酸素量Ｖｏ₂＝ΔＣ／（Ｌ１／Ｄ１＋Ｌ２／Ｄ２） ・・・（１０）
なお、本実施形態では、上述のように、多孔体１の厚さＬ２が１ｍｍであり、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂの長さＬが５０ｍｍであるので、Ｌ１＝４９ｍｍである。また、湿度および温度が標準状態のときは、空気中の酸素拡散係数Ｄ１の値は、Ｄ１＝Ｄair-O₂＝２×１０^-5（ｍ²／ｓ）であることが知られている。よって、これらの値を上記（１０）式に代入すると、液水を含む多孔体１の酸素拡散係数Ｄ２を算出することができる。

このように、本実施形態によれば、測定対象となる多孔体１に液水を含浸させておき、この多孔体１を多孔体ホルダー３にて酸素センサー２の近傍に保持することにより、酸素の濃度勾配を考慮して、多孔体１が液水を含浸している状態から乾燥状態に変化するときの酸素拡散係数Ｄ２の変化を測定することができる。
また、上述したように、密閉容器１４は、その内部の温度および湿度を調整する機能を備えており、多孔体ホルダー３に保持された多孔体１内に含浸させた液水の蒸発速度を制御できるようになっている。

ここで、密閉容器１４内の温度および湿度を調整し、多孔体１内に含まれた液水の蒸発速度をコントロールする。図６において、酸素の移動速度を曲線Ａ′で示し、また水蒸気の移動速度を曲線Ｂ′で示
している。ここでは、多孔体１内に含まれた液水を蒸発し易くすると、図６の曲線Ｂ′に示すように、水蒸気の移動速度が曲線Ｂに比べて大きくなる。また、水蒸気の移動する方向と、酸素が多孔体１内を拡散していく方向とは反対方向であるので、曲線Ａ′に示すように、酸素の移動速度が曲線Ａに比べて小さくなる。

このように、本実施形態においては、密閉容器１４の内部の温度および湿度を調整し、多孔体１内の液水の蒸発速度を制御することにより、この水蒸気の移動速度が多孔体１の酸素拡散係数Ｄに与える影響を測定することができる。よって、多孔体１の中でのガス拡散条件を想定してその拡散特性を測定できる。
なお、以上の説明においては、多孔体１に含まれる液水の蒸発速度と、多孔体１の酸素拡散係数Ｄとの関係についてのみ説明したが、密閉容器１４内に収容された気体が、水蒸気と酸素の他に、ヘリウム（Ｈｅ）または窒素（Ｎ₂）などを含む多成分共存のものであっても、同様に測定することができる。

また、以上の説明では、多孔体１に含浸している液水が、酸素センサー２と多孔体ホルダー３と多孔体１とに囲まれた狭い空間Ａ（図１参照）側に蒸発する影響については考慮していないが、実際には、多孔体１から蒸発した液水が空間Ａに拡散し、多孔体１の含水率Ｓの測定に影響することが懸念される。そこで、実験の測定精度を向上するため、数種類厚さのスペーサを用いて多孔体１と隔膜９の隙間を調整し、この隙間による測定精度の影響を特定して実験データを補正してもよい。

図８は、本発明の第３の実施形態を示す説明図である。この実施形態は、液水を含浸させた多孔体１を、多孔体ホルダー３の先端部にて酸素センサー２から離れた位置で保持するようにしたものである。
この場合は、多孔体１に含浸させた液水は、酸素センサー２と多孔体ホルダー３と多孔体１とに囲まれた広い空間Ｂ側にも蒸発していき、この空間Ｂ内の気体に占める水蒸気の割合が徐々に大きくなる。そして、所定時間が経過すると、空間Ｂ内は水蒸気で飽和した状態となる。

ここでは、空気中の酸素が、多孔体ホルダー３の先端部に保持された多孔体１と、筒状部３ｂ内の空間Ｂ中の空気とを通過するときの拡散抵抗Ｒを用いて、多孔体１の酸素拡散係数Ｄ２を求める。この拡散抵抗Ｒは、液水を含浸させた多孔体１の厚さをＬ２とし、この多孔体１の酸素拡散係数をＤ２とし、筒状部３ｂ内に空気が占める部分の長さをＬ１とし、この水蒸気の割合が変化していく空気中の酸素拡散抵抗をＤ１とすると、上記（８）式で表すことができ、上記（１０）式が成立する。

なお、本実施形態においても、多孔体１の厚さＬ２を１ｍｍとし、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂの長さＬを５０ｍｍとすれば、Ｌ１＝４９ｍｍである。また、液水を含浸させた多孔体１の酸素拡散係数Ｄ２は、上述のように求めたものを用いればよい。よって、これらの値を上記（１０）式に代入すると、水蒸気の割合が変化していく空気中における酸素拡散係数Ｄ１を算出することができる。（ただし、筒状部３ｂの長さＬは、５０ｍｍ以下の範囲で可変に設定して良い。）
このように、本実施形態においては、測定対象となる多孔体１内に液水を含浸させておき、この多孔体１を多孔体ホルダー３の先端部にて酸素センサー２から離れた位置に保持することにより、本装置を有効に利用して、飽和水蒸気中の酸素拡散係数を求めることができる。

図９は、本発明の第４の実施形態を示す説明図である。この実施形態は、測定対象となる第１の多孔体１内に液水を含浸させておき、この第１の多孔体１を多孔体ホルダー３の筒状部３ｂの基部側にて酸素センサー２の近傍に保持するとともに、乾燥させた第２の多孔体２２を、第１の多孔体１に接触しないように多孔体ホルダー３の先端部側に保持するようにしたものである。なお、これら二つの多孔体（１，２２）は、同じ材質のものを用いる。

この場合は、第１の多孔体１に含浸させた液水は、水蒸気となって第２の多孔体２２を通過して外部に移動していく。
ここでは、空気中の酸素が、多孔体ホルダー３の筒状部３ｂに保持された二つの多孔体（１，２２）を通過するときの拡散抵抗Ｒを用いて、これらの多孔体（１，２２）の酸素拡散係数を同時に求める。この拡散抵抗Ｒは、第１の多孔体１の厚さをＬ１とし、その酸素拡散係数をＤ１とし、第２の多孔体２２の厚さをＬ２とし、その酸素拡散係数をＤ２とすると、上記（８）式で表すことができ、上記（１０）式が成立する。

まず、初期状態において、第１の多孔体１が液水を含浸させた湿状態で、また第２の多孔体２２が乾燥状態の場合には、上記（１０）式は以下の（１１）式のように表すことができる。
Ｖｏ₂／ΔＣ＝（Ｌ１／Ｄ１wet＋Ｌ２／Ｄ２dry） ・・・（１１）
なお、（１１）式において、Ｄ１wetとは、第１の多孔体１に液水を含浸させたときの酸素拡散係数を示し、Ｄ２dryとは、第２の多孔体２２が乾燥した状態の酸素拡散係数を示している。

そして、所定時間が経過し、二つの多孔体（１，２２）のいずれも乾燥状態となった場合には、上記（１０）式は以下の（１２）式のように表すことができる。
Ｖｏ₂／ΔＣ＝（Ｌ１／Ｄ１dry＋Ｌ２／Ｄ２dry） ・・・（１２）
なお、（１１）式において、Ｄ１dryとは、第１の多孔体１が乾燥した状態の酸素拡散係数を示している。

ここで、二つの多孔体（１，２２）は、同じ材質であるので、Ｄ１dry＝Ｄ２dryの関係が成立し、上記（１２）式は、以下の（１３）式のように変形できる。
Ｖｏ₂／ΔＣ＝（Ｌ１＋Ｌ２）Ｄ１dry ・・・（１３）
なお、二つの多孔体（１，２２）の厚さＬ１，Ｌ２は、予め計測されている。また、上述したように、酸素センサー２の出力を用いて酸素濃度差ΔＣを求めることができる。よって、上記（１１）式および（１３）式から、二つの変数Ｄ１wetおよびＤ２dryを求めることができる。

このように、本実施形態においては、液水を含浸させた湿状態の多孔体１を多孔体ホルダー３の基部側にて酸素センサー２の近傍に保持するとともに、乾燥状態の多孔体２２を多孔体ホルダー３の先端部側に保持することにより、湿状態と乾燥状態の多孔体の酸素拡散係数を同時に測定することができる。
図１０は、本発明の第５の実施形態を示す説明図である。この実施形態は、酸素センサー２と多孔体ホルダー３とからなる測定装置１０を、電子天秤１５の秤量皿１５ａに吊り下げて、この測定装置１０のみを密閉容器１４に収容したものである。

なお、ここで用いられる高精度の電子天秤１５は、例えば５〜５０℃の温度範囲で使用することが規定されているが、燃料電池は、５０℃以上の高温環境下で使用されることもあるので、このような高温下における多孔体のガス拡散条件を想定して、その拡散特性を測定する必要がある。
本実施形態では、測定装置１０を収容する密閉容器１４と、電子天秤１５とを分離したので、電子天秤１５は、密閉容器１４内の温度変化の影響を受けることがない。これにより、この密閉容器１４内の温度を、例えば５０℃以上の高温に設定したときでも、電子天秤１５は温度変化の影響を受けることがなく、上述したと同様に、多孔体１の酸素透過係数の経時変化を計測することができる。

このように、本実施形態によれば、酸素センサー２と多孔体ホルダー３とからなる測定装置１０を、電子天秤１５の秤量皿１５ａに吊り下げて、この測定装置１０のみを密閉容器１４に収容したことにより、高温環境下における多孔体１の酸素拡散条件を想定して、その拡散特性を測定することができる。

本発明の基本的な構成を示す断面図である。 多孔体ホルダーに多孔体を保持した状態を示す要部拡大図である。 本発明の第２の実施形態を示す説明図である。 測定対象となる多孔体内に液水を含浸させる処理の説明図である。 多孔体に含浸させた液水が徐々に蒸発していく様子を示す説明図である。 多孔体の含水率に対する水蒸気と酸素の移動速度を示すグラフである。 多孔体の含水率に対する酸素拡散係数を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１…多孔体、２…酸素センサー、３…多孔体ホルダー、３ｂ…筒状部、４…演算手段、５…陰極、６…陽極、７…箱体、８…電解液、９…隔膜、１０…測定装置、１４…密閉容器、１５…電子天秤、１６…送信器、１７…受信器、２２…多孔体

Claims (8)

1. 測定対象となる多孔体の一端面を所定の酸素濃度の気体に接するようにし、該多孔体の他端面をガルバニ電池式の酸素センサーの陰極側に対向させておき、
   前記酸素センサーの出力および前記多孔体内に含まれる液水の質量の経時変化に基づいて、前記多孔体の含水量に対する酸素拡散係数を算出することを特徴とする多孔体の酸素拡散係数測定方法。
2. ガルバニ電池式の酸素センサーと、
   前記酸素センサーに取り付けられており、測定対象となる多孔体の一端面が所定の酸素濃度の気体に接し、その他端面が前記酸素センサーの陰極側に対向するように該多孔体を保持する多孔体ホルダーと、
   前記酸素センサーおよび前記多孔体ホルダーからなる測定装置を収容する密閉容器と、
   前記密閉容器に収容された前記測定装置の質量を計測する電子天秤と、
   前記酸素センサーの出力を用いて前記多孔体の酸素拡散係数を算出する演算手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする多孔体の酸素拡散係数測定装置。
3. 前記演算手段は、
   前記多孔体ホルダーの長さと、
   前記多孔体の厚さと、
   前記酸素センサーの出力に基づいて求められる該酸素センサーに到達した酸素の量と、
   同じく前記酸素センサーの出力に基づいて求められる前記多孔体の両端面側における酸素濃度差と、
   を用いて前記多孔体の酸素拡散係数を算出することを特徴とする請求項２に記載の多孔体の酸素拡散係数測定装置。
4. 前記多孔体ホルダーは、両端が開口した筒形状をしており、前記酸素センサーの陰極側に近いほうの開口端部に液水を含浸させた状態の多孔体を保持することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の多孔体の酸素拡散係数測定装置。
5. 前記多孔体ホルダーは、両端が開口した筒形状をしており、前記酸素センサーの陰極側から離れたほうの開口端部に液水を含浸させた状態の多孔体を保持することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の多孔体の酸素拡散係数測定装置。
6. 前記多孔体ホルダーは、両端が開口した筒形状をしており、前記酸素センサーの陰極側に近いほうの開口端部に液水を含浸させた状態の第１の多孔体を保持するとともに、前記酸素センサーの陰極側から離れたほうの開口端部に乾燥状態の第２の多孔体を保持することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の多孔体の酸素拡散係数測定装置。
7. 前記演算手段は、前記酸素センサーの出力および前記電子天秤で計測した前記測定装置の質量の経時変化に基づいて、前記多孔体の含水量に対する酸素拡散係数を算出することを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか一つに記載の酸素拡散係数測定装置。
8. 前記密閉容器は、その内部の温度および湿度を調整する機能を備えており、前記多孔体ホルダーに保持された前記多孔体内の液水の蒸発速度を制御することを特徴とする請求項２〜請求項７のいずれか一つに記載の多孔体の酸素拡散係数測定装置。

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