(57)【要約】【課題】膜電極接合体などの板状部材において、強度を判定するための新たな技術を提供すること。【解決手段】板状部材の強度を判定するための強度判定方法であって、板状部材の第１部分を支持する工程と、第１部分を、反復回転させつつ、回転周波数を徐々に上昇させる工程と、第１部分の反復回転に伴い板状部材の弾性率を検出する検出工程と、弾性率の変化に基づいて、板状部材の強度を判定する判定工程と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状部材の強度を判定するための強度判定方法であって、
前記板状部材の第１部分を支持する工程と、
前記第１部分を、反復回転させつつ、回転周波数を徐々に上昇させる工程と、
前記第１部分の反復回転に伴い前記板状部材の弾性率を検出する検出工程と、
前記弾性率の変化に基づいて、前記板状部材の強度を判定する判定工程と、
を備えることを特徴とする強度判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の強度判定方法において、
前記弾性率は、貯蔵弾性率または損失弾性率のいずれかであることを特徴とする強度判定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の強度判定方法において、
前記検出工程は、
前記第１部分に入力され、反復回転させるための入力応力と、前記第１部分に対向する第２部分において、前記第１部分の反復回転に伴う変位を示す歪み量とを検出し、前記入力応力と前記歪み量とから弾性率を検出する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の強度判定方法において、
前記判定工程は、
前記回転周波数が第１閾値を超えた場合において、前記弾性率が、単調増加している場合に、前記板状部材の強度が、合格基準にあると判定する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の強度判定方法において、
前記弾性率が、前記回転周波数の上昇に伴って、単調増加しつつ、第２閾値を超えた場合に、前記板状部材の強度が、合格基準にあると判定する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の強度判定方法において、
前記判定工程は、
前記弾性率の極大値が、第３閾値より大きい場合に、前記板状部材の強度が、合格基準にあると判定する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の強度判定方法において、
前記板状部材は、燃料電池用電解質膜上に触媒層が形成された積層体であり、
前記判定工程では、
前記積層体における前記触媒層の強度を判定することを特徴とする強度判定方法。
【請求項８】
板状部材の強度を判定するための強度判定装置であって、
前記板状部材の第１部分を支持する支持部と、
前記支持部の前記第１部分を、反復回転させつつ、回転周波数を徐々に上昇させる回転部と、
前記第１部分の反復に伴い前記板状部材の弾性率を検出する検出部と、
前記弾性率の変化に基づいて、前記板状部材の強度を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする強度判定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の強度判定装置において、
前記板状部材の前記第１部分に対向する第２部分において、反復回転に伴う変位を示す歪み量を検出するための歪みセンサを備え、
前記検出部は、
前記回転部によって、前記板状部材の前記第１部分に入力され、前記第１部分を反復回転させるための入力応力を検出すると共に、前記歪みセンサから、前記歪み量を検出し、前記入力応力と前記歪み量とから前記弾性率を検出することを特徴とする強度判定装置。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の強度判定装置において、
前記弾性率は、貯蔵弾性率または損失弾性率のいずれかであることを特徴とする強度判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電解質膜上に触媒層が形成された積層体などの板状部材の強度を判定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、強度が大きい膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とも呼ぶ）を用いることが望まれている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１８３９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、膜電極接合体の強度を判定するための技術的な工夫が求められていた。なお、このような要望は、膜電極接合体に限らず、他の板状部材においても、同様に生じ得る。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、膜電極接合体などの板状部材において、強度を判定するための新たな技術の提供を目的とする。
【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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
板状部材の強度を判定するための強度判定方法であって、前記板状部材の第１部分を支持する工程と、前記第１部分を、反復回転させつつ、回転周波数を徐々に上昇させる工程と、前記第１部分の反復回転に伴い前記板状部材の弾性率を検出する検出工程と、前記弾性率の変化に基づいて、前記板状部材の強度を判定する判定工程と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の強度判定方法によれば、板状部材の強度判定を容易に正確に行うことができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の強度判定方法において、前記弾性率は、貯蔵弾性率または損失弾性率のいずれかであることを特徴とする強度判定方法。
【００１０】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の強度判定方法において、前記検出工程は、前記第１部分に入力され、反復回転させるための入力応力と、前記第１部分に対向する第２部分において、前記第１部分の反復回転に伴う変位を示す歪み量とを検出し、前記入力応力と前記歪み量とから弾性率を検出する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【００１１】
[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の強度判定方法において、前記判定工程は、前記回転周波数が第１閾値を超えた場合において、前記弾性率が、単調増加している場合に、前記板状部材の強度が、合格基準にあると判定する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【００１２】
[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の強度判定方法において、前記弾性率が、前記回転周波数の上昇に伴って、単調増加しつつ、第２閾値を超えた場合に、前記板状部材の強度が、合格基準にあると判定する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【００１３】
[適用例６]
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の強度判定方法において、前記判定工程は、前記弾性率の極大値が、第３閾値より大きい場合に、前記板状部材の強度が、合格基準にあると判定する工程を含むことを特徴とする強度判定方法。
【００１４】
[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の強度判定方法において、前記板状部材は、燃料電池用電解質膜上に触媒層が形成された積層体であり、前記判定工程では、前記積層体における前記触媒層の強度を判定することを特徴とする強度判定方法。
【００１５】
このようにすれば、燃料電池用電解質膜上に触媒層が形成された積層体の強度判定を容易に正確に行うことができる。
【００１６】
[適用例８]
板状部材の強度を判定するための強度判定装置であって、前記板状部材の第１部分を支持する支持部と、前記支持部の前記第１部分を、反復回転させつつ、回転周波数を徐々に上昇させる回転部と、前記第１部分の反復に伴い前記板状部材の弾性率を検出する検出部と、前記弾性率の変化に基づいて、前記板状部材の強度を判定する判定部と、を備えることを要旨とする。
【００１７】
上記構成の強度判定装置によれば、板状部材の強度判定を容易に正確に行うことができる。
【００１８】
[適用例９]
適用例８に記載の強度判定方法において、前記板状部材の前記第１部分に対向する第２部分において、反復回転に伴う変位を示す歪み量を検出するための歪みセンサを備え、前記検出部は、前記回転部によって、前記板状部材の前記第１部分に入力され、前記第１部分を反復回転させるための入力応力を検出すると共に、前記歪みセンサから、前記歪み量を検出し、前記入力応力と前記歪み量とから前記弾性率を検出することを特徴とする強度判定装置。
【００１９】
[適用例１０]
適用例８または適用例９に記載の強度判定装置において、
前記弾性率は、貯蔵弾性率または損失弾性率のいずれかであることを特徴とする強度判定装置。
【００２０】
なお、本発明は、上記した強度判定方法の他、膜電極接合体強度判定方法など他の方法発明の態様で実現することも可能である。また、方法発明の態様に限ることなく、装置発明の態様として実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００２１】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．強度判定装置１００の構成：
図１は、本発明の一実施例としての強度判定装置１００の概略構成を示す図である。この強度判定装置１００は、後述する強度判定方法において、一定の基準に基づいて、ＭＥＡ３００（特に、後述する触媒層）の強度が合格か不合格かを判定するために用いられる装置である。
【００２３】
ＭＥＡ３００は、電解質膜３１０と、触媒層３２０とを備え、電解質膜３１０の両面に触媒層３２０が形成されて成る。電解質膜３１０は、例えば、フッ素系樹脂や炭化水素系樹脂から成る固体高分子電解質膜を用いることができる。触媒層３２０は、例えば、電解質と、カーボンに白金が担持されて成る白金担持カーボンとから成る。
【００２４】
強度判定装置１００は、図１に示すように、ＭＥＡ３００を支持するためのトーションレクタンギュラ１０と、歪みセンサ２０と、モータ３０と、制御回路４０と、を備えている。
【００２５】
トーションレクタンギュラ１０は、図１に示すように、第１支持部１０Ａと、第２支持部１０Ｂとから成り、第１支持部１０Ａと第２支持部１０Ｂとを対向するように配置すると共に、ＭＥＡ３００の両端部を、第１支持部１０Ａと第２支持部１０Ｂとで支持する。
【００２６】
モータ３０は、シャフト３０Ａと、回転駆動部３０Ｂとを備えている。モータ３０は、シャフト３０Ａがトーションレクタンギュラ１０の第１支持部１０Ａに連結されると共に、重力方向に沿うように配置される。モータ３０は、回転駆動部３０Ｂによって、シャフト３０Ａを回転させ、それに伴い、第１支持部１０Ａを回転させることができる。モータ３０は、第１支持部１０Ａを回転させる場合には、反復回転させる。「反復回転」とは、一定の範囲内を往復するように回転させることを示す。
【００２７】
歪みセンサ２０は、トーションレクタンギュラ１０の第２支持部１０Ｂに取り付けられ、第１支持部１０Ａの反復回転に伴って、第２支持部１０Ｂ付近のＭＥＡ３００の変位（以下では、変位Ｗとも呼ぶ）を検出するためのセンサである。
【００２８】
制御回路４０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。この制御回路４０は、後述する強度判定方法において、モータ３０（回転駆動部３０Ｂ）の回転周波数γ（以下では、単に周波数γとも呼ぶ）［Ｈｚ］を可変制御し、また、歪みセンサ２０から変位Ｗを検出する。
【００２９】
Ａ２．強度判定方法：
図２は、強度判定方法を示すフローチャートである。この強度判定方法では、まず、ＭＥＡ３００を用意する（ステップＳ１０）。
【００３０】
ＭＥＡ３００を、上述したようにトーションレクタンギュラ１０にセットする（ステップＳ２０）。
【００３１】
制御回路４０は、モータ３０の周波数γを初期値Ｌとし、モータ３０の回転トルクτをＴとして、第１支持部１０Ａの反復回転を開始させる（ステップＳ３０）。これにより、ＭＥＡ３００は、応力を受ける。この応力を以下では、入力応力σ［Ｎ／ｍ2］と呼ぶ。入力応力σは、下記式（１）を満たす。ｆは、モータ３０の回転トルクによって生じる力（以下では、トルク力ｆとも呼ぶ）を表し、ｔは、時間を表す。
【数１】
2010019668.tif 000003
なお、初期値Ｌは、比較的低い周波数値であり、具体的には、後述する閾値γｔｈより十分に小さい値に設定されている。
【００３２】
制御回路４０は、歪みセンサ２０から変位Ｗを検出し、変位ＷをＭＥＡ３００の長さで除した歪み量ｘを検出する（ステップＳ４０）。この歪み量ｘは、無次元量であり、ＭＥＡ３００が、第１支持部１０Ａの反復回転に伴って、すなわち、入力応力σの入力に伴って、第２支持部１０Ｂ付近のＭＥＡ３００が歪んだ程度を表す。
【００３３】
ところで、歪み量ｘは、以下の式（２）で表すことができる。なお、式中のｂは、第２支持部１０Ｂ付近における振動波の最大振幅であり、δは、ＭＥＡ３００において、第１支持部１０Ａ付近と第２支持部１０Ｂ付近との間における振動波の位相差を表す。
【数２】
2010019668.tif 000004
【００３４】
制御回路４０は、式（２）に基づく歪み量ｘの波形と、ステップＳ４０の工程で検出した歪み量ｘとに基づいて、最大振幅値ｂを検出すると共に、式（１）に基づく入力応力σの波形と歪み量ｘの波形とから位相差δを検出する（ステップＳ５０）。
【００３５】
なお、ＭＥＡ３００の変形のしにくさを表す弾性率Ｇは、以下の式（３）で表すことができる。
【数３】
2010019668.tif 000005
ここで、上記式（３）において、実数項は、エネルギとしての貯蔵項であり、貯蔵弾性率（弾性成分）Ｇ’（ジープライム）を表す。虚数項は、熱としての損失項であり、損失弾性率（粘性成分）Ｇ”（ジーダブルプライム）を表す。貯蔵弾性率Ｇ’を式（４）に、損失弾性率Ｇ”を式（５）に、それぞれ示す。
【数４】
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【数５】
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【００３６】
制御回路４０は、トルク力ｆ、最大振幅値ｂ、および、位相差δから、式（４）に基づいて、貯蔵弾性率Ｇ’を検出する（ステップＳ６０）。
【００３７】
続いて、制御回路４０は、モータ３０の回転トルクτをΔＴ上昇させ、モータ３０の周波数γをΔｈ上昇させる（ステップＳ７０）。
【００３８】
制御回路４０は、ステップＳ４０〜Ｓ６０の工程と同様の処理を行い、最大振幅値ｂおよび位相差δを検出し、貯蔵弾性率Ｇ’を検出する（ステップＳ８０）。
【００３９】
次に、制御回路４０は、今回検出した貯蔵弾性率Ｇ’と、前回の貯蔵弾性率Ｇ’とを比較し、貯蔵弾性率Ｇ’が単調増加したか否かを判断する（ステップＳ９０）。
【００４０】
ここで、モータ３０の周波数γと、弾性率Ｇとの関係を、本発明の発明者が行った実験を基に説明する。図３は、周波数γと、弾性率Ｇとの関係が示された実験結果を表す図である。本発明の発明者が行った実験では、図３に示すように、周波数γを、０．０１［Ｈｚ］から７［Ｈｚ］程度になるまで徐々に増加させ、その際の弾性率Ｇ（貯蔵弾性率Ｇ’または損失弾性率Ｇ”）の変化をプロットした。なお、図３では、弾性率Ｇうち、実線が貯蔵弾性率Ｇ’を示し、波線が損失弾性率Ｇ”を示す。
【００４１】
図３に示すように、弾性率Ｇ（貯蔵弾性率Ｇ’または損失弾性率Ｇ”）は、周波数γの上昇と共にあるピーク値までは、単調増加するが、そのピーク値に到達した瞬間から、急激な単調減少に転じることがわかった。なお、ピーク値は、ＭＥＡ３００の素材、大きさ等、ＭＥＡ３００の具体的な構造によって決まる値である。本実施例では、後述する閾値γｔｈを、図３に示すように、弾性率Ｇがピーク値となる直前の周波数値となるように設定する。
【００４２】
制御回路４０は、貯蔵弾性率Ｇ’が、単調増加している場合（ステップＳ９０：Ｙｅｓ）には、続いて、モータ３０の周波数γが、閾値γｔｈより大きいか否かを判断する（ステップＳ１００）。
【００４３】
制御回路４０は、モータ３０の周波数γが、閾値γｔｈ以下の場合（ステップＳ１００：Ｎｏ）には、ステップＳ７０の工程にリターンする。
【００４４】
制御回路４０は、モータ３０の周波数γが、閾値γｔｈより大きい場合（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）には、ＭＥＡ３００の強度（特に触媒層３２０の強度）が合格基準にあると判断する（ステップＳ１１０）。
【００４５】
一方、制御回路４０は、単調増加していない場合（ステップＳ９０：Ｎｏ）には、ＭＥＡ３００の強度（特に触媒層３２０の強度）が合格基準になく、不合格であると判断する（ステップＳ１２０）。
【００４６】
以上のように、本実施例の強度判定方法では、モータ３０の周波数γを徐々に上昇させつつ、貯蔵弾性率Ｇ’を検出し、貯蔵弾性率Ｇ’に基づいて、ＭＥＡ３００（特に、触媒層３２０）の強度を判定するようにしている。このようにすれば、ＭＥＡ３００の強度判定を容易に行うことができる。
【００４７】
本実施例の強度判定方法では、モータ３０の周波数γが、閾値γｔｈに達した際に、貯蔵弾性率Ｇ’が単調増加している場合には、ＭＥＡ３００の強度が合格と判定し、閾値γｔｈに達していない際に、貯蔵弾性率Ｇ’が単調減少に転じた場合には、ＭＥＡ３００の強度が不合格と判定するようにしている。このようにすれば、ＭＥＡ３００の強度判定を正確に行うことができる。
【００４８】
本実施例では、ＭＥＡ３００は、特許請求の範囲における板状部材または積層体に該当し、電解質膜３１０は、特許請求の範囲における燃料電池用電解質膜に該当し、触媒層３２０は、特許請求の範囲における触媒層に該当し、トーションレクタンギュラ１０は、特許請求の範囲における支持部に該当し、モータ３０は、特許請求の範囲における回転部に該当し、制御回路４０は、特許請求の範囲における検出部または判定部に該当する。閾値γｔｈは、特許請求の範囲における第１閾値に該当する。
【００４９】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例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り、例えば以下のような変形も可能である。
【００５０】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の強度判定方法では、モータ３０の周波数γが、閾値γｔｈに達した際に、貯蔵弾性率Ｇ’が単調増加している場合には、ＭＥＡ３００（特に触媒層３２０）の強度が合格と判定し、閾値γｔｈに達していない際に、貯蔵弾性率Ｇ’が単調減少に転じた場合には、ＭＥＡ３００の強度が不合格と判定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、以下のように、ＭＥＡ３００の強度を判定するようにしてもよい。
【００５１】
モータ３０の周波数γの上昇に伴って、貯蔵弾性率Ｇ’が、単調増加しつつ、閾値Ｇｔｈ１を超えた場合には、ＭＥＡ３００の強度が合格と判定し、モータ３０の周波数γの上昇に伴って、貯蔵弾性率Ｇ’が、単調減少に転じた場合であって、閾値Ｇｔｈ１以下の場合には、ＭＥＡ３００の強度が不合格と判定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。なお、閾値Ｇｔｈ１は、ＭＥＡ３００の具体的な構造によって適宜決定される。閾値Ｇｔｈ１は、特許請求の範囲における第２閾値に該当する。
【００５２】
また、貯蔵弾性率Ｇ’の極大値が、閾値Ｇｔｈ２より大きい場合には、ＭＥＡ３００の強度が合格と判定し、貯蔵弾性率Ｇ’の極大値が、閾値Ｇｔｈ２以下の場合には、ＭＥＡ３００の強度が不合格と判定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。なお、閾値Ｇｔｈ２は、ＭＥＡ３００の具体的な構造によって適宜決定される。閾値Ｇｔｈ２は、特許請求の範囲における第３閾値に該当する。
【００５３】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の強度判定方法では、貯蔵弾性率Ｇ’の変化に基づいて、ＭＥＡ３００の強度を判定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではなく、例えば、損失弾性率Ｇ”の変化に基づいて、ＭＥＡ３００の強度を判定するようにしてもよいし、弾性率Ｇそのものの変化に基づいて、ＭＥＡ３００の強度を判定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。
【００５４】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例の強度判定方法では、ＭＥＡ３００の強度を判定するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。上記強度判定方法を、例えば、燃料電池用多孔体流路部材や、ガス拡散層を有するＭＥＡなどの種々の板状部材の強度判定に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施例としての強度判定装置１００の概略構成を示す図である。
【図２】強度判定方法を示すフローチャートである。
【図３】周波数γと弾性率Ｇとの関係が示された実験結果を表す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…トーションレクタンギュラ
１０Ａ…第１支持部
１０Ｂ…第２支持部
２０…歪みセンサ
３０…モータ
３０Ａ…シャフト
３０Ｂ…回転駆動部
４０…制御回路
１００…強度判定装置
３００…ＭＥＡ
３１０…電解質膜
３２０…触媒層
ｆ…トルク力
ｘ…歪み量
ｂ…最大振幅値
δ…位相差
Ｇ…弾性率
Ｇ’…貯蔵弾性率
Ｇ”…損失弾性率
Ｇｔｈ１…閾値
Ｇｔｈ２…閾値
【図１】
2010019668.tif 000008
【図２】
2010019668.tif 000009
【図３】
2010019668.tif 000010