(57)【要約】【課題】  幅広い湿度範囲および温度範囲における電解質膜のイオン導電率を、簡便かつ正確に測定することのできる電解質膜の導電率測定方法を提供することにある。【解決手段】  電解質膜２３に少なくとも一対の電圧測定端子２５，２６を設け、電解質膜２３に通電した際の前記電圧測定端子２５，２６間の膜面に沿った方向でのイオン導電率を測定する電解質膜の導電率測定方法において、  測定雰囲気を変化させて前記電解質膜２３に伸び縮みが生じた時に、前記一対の電圧測定端子２５，２６間の電解質膜にたるみを生じさせない状態でイオン導電率を測定することを特徴とする電解質膜の導電率測定方法。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に少なくとも一対の電圧測定端子を設け、電解質膜に通電した際の前記電圧測定端子間の膜面に沿った方向でのイオン導電率を測定する電解質膜の導電率測定方法において、
測定雰囲気を変化させて前記電解質膜に伸び縮みが生じた時に、前記一対の電圧測定端子間の電解質膜にたるみを生じさせない状態でイオン導電率を測定することを特徴とする電解質膜の導電率測定方法。
【請求項２】
前記測定雰囲気は、相対湿度０〜１００％の範囲で、また、温度２０〜１４０℃の範囲で変化させる請求項１記載の電解質膜の導電率測定方法。
【請求項３】
前記電解質膜は短冊状に形成され、長手方向の両端が測定治具に支持される請求項１記載の電解質膜の導電率測定方法。
【請求項４】
前記電解質膜は可動部を備えた測定治具に両端が支持され、前記電解質膜の伸び縮みに対応して前記測定治具の可動部がスライドすることで、電圧測定端子間の電解質膜にたるみがない状態を保持する請求項１又は３記載の電解質膜の導電率測定方法。
【請求項５】
前記電解質膜はその両端に一対の電流印加端子がそれぞれ接続され、この電流印加端子とは離れた内側位置に前記電圧測定端子が設けられる請求項１又は３記載の電解質膜の導電率測定方法。
【請求項６】
前記電解質膜はその両端に一対の電流印加端子がそれぞれ接続され、この電流印加端子の一方が前記測定治具の可動部に取り付けられている請求項４記載の電解質膜の導電率測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電解質膜の導電率測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車載用あるいは定置用の固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、携帯型電子機器、車椅子又はロボット用の燃料電池としてメタノール水溶液を燃料とするメタノール直接型（ＤＭＦＣ）の開発が進められている。
【０００３】
前記燃料電池は、イオン導電を担う電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み込んだ膜／電極接合体構造からなり、外部から供給された酸素と水素が電極触媒上で反応して外部回路を電子が通ることによって電気が発生する仕組みとなっている。前記電解質膜には固体高分子膜、無機材料膜、無機−有機複合膜などがあり、これらの膜は乾燥雰囲気から相対湿度１００％までの幅広い湿度範囲、また氷点下から１００℃以上までの幅広い温度範囲で使用される。各電解質膜の性質を予め把握しておくためには、電解質膜のイオン導電率をこのような様々な条件の雰囲気下で正確に測定する必要がある。
【０００４】
この種のイオン導電率測定法としては、例えば非特許文献１に記載の測定方法が知られている。この測定方法は所謂４端子測定法として知られているもので、一定幅の短冊形にした電解質膜を測定試料として用意し、この測定試料の両端部に電流印加端子を接続して一緒に治具で挟み込む一方、電流印加端子より内側の測定試料に一対の電圧測定端子を設け、この電圧測定端子間の膜面に沿った方向でのイオン導電率を測定するものである。
【０００５】
この４端子測定法は、電流印加端子と電圧測定端子とを別々に設けることによって電圧検出部分でのイオン電流が一様となるので、電流印加端子と電圧測定端子を共通にして測定する所謂２端子測定法に比べて、信頼性の高い測定結果が得られるメリットがある。
【０００６】
しかしながら、上記従来の測定方法にあっては、測定試料である電解質膜の両端部を冶具で固定しているために、測定時の湿度や温度の変化などによって電解質膜が膨潤した場合、一対の電圧測定端子間にたるみが生じてしまい、電圧測定端子間の距離が実際よりも長くなることから測定結果の信頼性が低下するおそれがあった。また、これとは逆に湿度や温度などの変化によって電解質膜が収縮した場合には、電解質膜が引っ張られて裂けてしまい測定不能となるおそれもあった。
【非特許文献１】高須芳雄・吉武優・石原達己編「燃料電池の解析手法」  「P151  5.4.1 気相雰囲気中での膜面方向のイオン導電率測定」の項  株式会社化学同人2005年8月15日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、幅広い湿度範囲および温度範囲における電解質膜のイオン導電率を、簡便かつ正確に測定することのできる電解質膜の導電率測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る電解質膜の導電率測定方法は、電解質膜に少なくとも一対の電圧測定電極を設け、電解質膜に通電した際の前記電圧測定電極間の膜面に沿った方向でのイオン導電率を測定する電解質膜の導電率測定方法において、前記電解質膜の伸び縮みに対応して前記一対の電圧測定電極間の電解質膜にたるみがない状態を保ち、その状態でイオン導電率を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、幅広い湿度範囲および温度範囲での電解質膜の膨潤や収縮に対応して一対の電圧測定端子間の距離が変化するので、膨潤した場合にも従来のようなたるみを生じさせることなく電圧測定端子間の距離を一定に保つことができるため、信頼性のある測定結果が得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る電解質膜の導電率測定方法の好ましい実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
本発明に係る電解質膜の導電率測定方法は、例えば、図１乃至図３に示すような測定治具１を用いて行うことができる。この測定治具１は、固定部２と、この固定部２にスライド可能に取り付けられる可動部３とからなる。
【００１２】
前記固定部２は、上下に二分割された２枚のベース板４，５と、上部ベース板４の前面側に取り付けられる被覆板６とで構成される。上部ベース板４及び被覆板６は、いずれも同じ大きさの矩形状の平板からなり、重ね合わせて上端両隅をビス７によって固定し、下端両隅を下部ベース板５と一緒にボルト８・ナット９で固定することによって一体となる。また、前記被覆板６の内面には凹部１０が形成され、前記上部ベース板４の前面との間に空間１１を形成している。
【００１３】
下部ベース板５は、前記上部ベース板４とほぼ同じ大きさの矩形状の平板からなり、上端部には幅全体に亘って薄板状の段部１２が形成され、中央部の両サイドには下部ベース板５を前後方向に貫通する一対の長溝１３ａ，１３ｂが形成されている。この長溝１３ａ，１３ｂは上下方向に長く形成されており、可動部３の上下方向へのスライドを可能としている。下部ベース板５は、上端部の段部１２を上部ベース板４の下端部に裏面から押し当てた後、前記のボルト８・ナット９によって上部ベース板４及び被覆板６に固定される。
【００１４】
一方、可動部３は細長い長方形状の２枚の可動板１５，１６を備える。これら２枚の可動板１５，１６には両者を前後に重ねた状態で固定するためのネジ孔１７と、前記下部ベース板５にスライド可能に取り付けるためのネジ挿通孔１８がそれぞれ設けられ、また前側の可動板１５の内面にはパッキン１９を収容する凹部２０が設けられている。
【００１５】
固定された２枚の可動板１５，１６は、ネジ挿通孔１８から下部ベース板５の長溝１３に挿通したボルト２１を下部ベース板５の後面側でナット２２により締めることによって、下部ベース板５に対してスライド可能に取り付けられる。その際、測定治具１を立てた時に、可動板１５，１６が自重で下がる程度にナット２２の締め具合を調整することが望ましい。
【００１６】
上記構成からなる測定治具１には、測定試料としての電解質膜２３が取り付けられる。この電解質膜２３は、例えば図１及び図２に示したような短冊状に形成した薄い膜からなり、その上端部が一方の電流印加端子２４ａと一緒に上部ベース板４と被覆板６との間に挟み込まれた状態で固定される。また、電解質膜２３の下端部は、前記２枚の可動板１５，１６を固定する際に、その間に他方の電流印加端子２４ｂ及びパッキン１９と一緒に挟み込んだ状態で取り付けられる。このように、可動板１５，１６が下部ベース板５に対してスライド可能に取り付けられていることから、電解質膜２３は常にたるみのない状態で固定部２と可動部３との間に張り渡されることになる。なお、上記電流印加端子２４ａ，２４ｂは、比較的大きな形状の電極（白金、金、カーボンなど）が好ましい。
【００１７】
上記被覆板６には、電解質膜２３のイオン導電率を測定するため、一対の電圧測定端子２５，２６が設けられている。この電圧測定端子２５，２６は、被覆板６のほぼ中央部において上下の位置に設けられ、被覆板６を貫通して内部の空間１１にまで突出し、その先端２５ａ，２６ａが電解質膜２３の表面に押し当てられている。なお、電圧測定端子２５，２６は、電解質膜２３との接触が十分であり、かつ、膨潤・収縮にともなう接触点の移動を妨げないことが必要である。一般的には、先端を球状に加工した白金線などが好ましく用いられる。前記電流印加端子２４ａ，２４ｂ間に所定電流を流した時の電圧測定端子２５，２６間の電圧を測定することで、膜面に沿った方向でのイオン導電率を得ることができる。具体的には以下の数式（１）、（２）に基づいて求める。
【００１８】
Ｒ＝Ｅ／Ｉ・・・・・・・（１）
σ＝１／Ｒ×ｌ／ｓ・・・（２）
ここで、σは電圧測定端子２５，２６間のイオン導電率を、ｌは電圧測定端子２５，２６間の距離、ｓは電解質膜２３の断面積、Ｅは測定電圧、Ｉは印加電流である。
【００１９】
なお、上記実施形態では、一対の電圧測定端子２５，２６を電流印加端子２４ａ，２４ｂとは別に設けた４端子測定法によってイオン導電率を求めているが、本発明は電流印加端子と電圧測定端子とを共通にした２端子測定法にも適用されるものである。
【００２０】
本発明における電解質膜は、固体高分子膜、無機材料膜、無機−有機複合膜など幅広く利用可能であり、その材質には特に限定されない。例えば、水素イオン導電性電解質膜として、ナフィオン、フレミオン、アシプレックスなどのポリパーフルオロスルホン酸、スルホン酸やホスホン酸を置換した炭化水素系高分子（例えば、ポリイミド、ポリエーテル、ポリアリーレンエーテルスルホン、ポリフェニレン、ポリホスファゼン、ポリベンズイミダゾールなど）、及びそれらと酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、ゼオライト、リン酸ジルコニウム、ポリタングステン酸などの無機材料とからなる無機−有機ハイブリット電解質膜の測定が可能である。
【００２１】
また、水酸化物イオン導電性電解質膜として、ポリスチレンアンモニウム、ポリビニルアンモニウムなどのアンモニウム基を含む高分子、及びそれらと酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、ゼオライトなどの無機材料とからなる無機−有機ハイブリット電解質膜の測定が可能である。
【００２２】
さらに、リチウムイオン導電性電解質膜として、ポリエーテル、ポリカーボネートなどの熱可塑性高分子及びそれらの混合物、あるいは熱可塑性高分子とシロキサンやボロシロキサンなどの無機骨格を複合させた有機−無機ハイブリット高分子に、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウムなどのリチウム塩を溶解あるいは分散させた電解質膜の測定が可能である。
【００２３】
イオン導電率の測定時には、湿度や温度を変化させて様々な異なる雰囲気の中で測定し、測定雰囲気の違いによってイオン導電率がどのように変化していくかを調べる。湿度や温度を次第に上げていくと電解質膜２３が膨潤して次第に伸びるため、図３に示すように、電圧測定端子２５ａ，２５ｂ間にたるみ２７が生じ易いが、本発明では電解質膜２３の下端が可動部３に吊り下げられた状態で取り付けられているので、図３において仮想線で示したように、電解質膜２３の膨潤による伸び量（従来のたるみ量）に対応した距離だけ可動部が下方にスライドするため、電圧測定端子２５，２６間はたるみが生じることなくピンと張った状態が保たれ、両者間の正確な距離に基づいたイオン導電率が得られることになる。
【００２４】
逆に、測定雰囲気の湿度や温度を次第に下げていくと乾燥して電解質膜２３が収縮するが、前述したように電解質膜２３の下端部が固定された可動部３が上方にもスライド可能であるため、電解質膜２３の収縮に対応して可動部３が上昇し、電解質膜２３が破断されることなく、電圧測定端子２５，２６間での電圧測定を可能としている。
【００２５】
このように、本発明に係る電解質膜の導電率測定方法では、幅広い湿度範囲および温度範囲の変化に対応して、電解質膜のイオン導電率を簡便かつ正確に測定することのできるものである。
【実施例】
【００２６】
図４は、上記の測定治具１に高分子電解質膜（Nafion１１２）（長さ５ｍｍ、幅４５ｍｍ、厚さ５０μｍ）を取り付け、温度８０−１４０℃、相対湿度１０−１００％の範囲で、イオン導電率を求めた時の結果をグラフで示したものである。この測定結果によれば、温度を８０℃から１００℃、１２０℃、１４０℃の４段階に変化させたときの同じ相対湿度における導電率は、いずれの場合もほぼ一致した値を示している。このことから、電解質膜の膨潤による導電率のバラツキを生じることなく、信頼性の高い正確な測定が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る電解質膜の導電率測定方法は、燃料電池用として用いられる高分子電解質、無機材料電解質、無機−有機複合電解質のイオン導電率を正確に評価することが可能である。また、測定温度範囲は、使用する部品の使用可能範囲にもよるが、例えばポリイミド樹脂を用いる場合には−２０℃〜＋１４０℃の広い範囲で測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る電解質膜の導電率測定方法に用いる測定治具の一実施例を示す斜視分解図である。
【図２】前記測定治具の正面図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】前記測定治具を用いて電解質膜の導電率を測定したときのグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１  測定治具
２  固定部
３  可動部
４  上部ベース板
５  下部ベース板
６  被覆板
１０  凹部
１１  空間
１２  段部
１３  長溝
１５，１６  可動板
１９  パッキン
２０  凹部
２３  電解質膜
２４ａ，２４ｂ  電流印加端子
２５，２６  電圧測定端子
２７  たるみ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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