(57)【要約】【課題】電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を４端子法によって測定するに際し、電解質膜と４つの計測用電極との接続作業を簡略化して作業効率を向上するとともに、測定に要する材料コストを低減し得るイオン伝導度の測定装置、およびイオン伝導度の測定方法を提供する。【解決手段】イオン伝導度の測定装置５は、電解質膜８０に導電性の第１の外部膜４１を介して接触する第１の電流計用電極２１が配置された第１の測定用治具１１と、電解質膜８０に導電性の第２の外部膜４２を介して接触する第２の電流計用電極２２が配置された第２の測定用治具１２と、電解質膜と第１の外部膜との間に配置される第１の電圧計用電極と、電解質膜と第２の外部膜との間に配置される第２の電圧計用電極３２と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を４端子法によって測定するイオン伝導度の測定装置であって、
前記電解質膜に導電性の第１の外部膜を介して接触する第１の電流計用電極が配置された第１の測定用治具と、
前記電解質膜に導電性の第２の外部膜を介して接触する第２の電流計用電極が配置された第２の測定用治具と、
前記電解質膜と前記第１の外部膜との間に配置される第１の電圧計用電極と、
前記電解質膜と前記第２の外部膜との間に配置される第２の電圧計用電極と、を有し、
前記第１の電流計用電極と前記第２の電流計用電極との間において前記電解質膜を膜厚方向に挟み込むように前記第１と第２の測定用治具を配置することによって、前記電解質膜に対して前記第１と第２の電流計用電極、および前記第１と第２の電圧計用電極をそれぞれ電気的に接続させる、イオン伝導度の測定装置。
【請求項２】
前記第１と第２の測定用治具は、前記電解質膜に水蒸気を供給するための貫通孔と、
前記電解質膜の周囲に前記貫通孔に連通する蒸気流路を形成する溝部と、を有する請求項１に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項３】
前記第１と第２の電流計用電極は、前記電解質膜の面方向に広がる平面形状を有する請求項１または請求項２に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項４】
前記第１と第２の電圧計用電極は、被覆膜を有しない導電性の電極線から構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項５】
前記第１と第２の電圧計用電極は、前記電解質膜を挟んで互いに点接触するように交差して配置されている請求項４に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項６】
前記第１と第２の外部膜は、前記電解質膜の弾性率よりも小さな弾性率を有する請求項１〜５のいずれか1項に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項７】
前記電解質膜の膜厚方向に対して圧力を付与する加圧手段を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項８】
前記加圧手段は、前記第１と第２の測定用治具を締結手段によって締め付けて圧力を付与する、請求項７に記載のイオン伝導度の測定装置。
【請求項９】
電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を４端子法によって測定するイオン伝導度の測定方法であって、
第１の測定用治具に配置された第１の電流計用電極と、第２の測定用治具に配置された第２の電流計用電極とによって前記電解質膜を膜厚方向に挟み込こむように前記第１と第２の測定用治具を配置し、前記第１と第２の電流計用電極のそれぞれを導電性の第１と第２の外部膜を介して前記電解質膜に対して電気的に接続させるとともに、前記電解質膜と前記第１と第２の外部膜のそれぞれとの間に配置された第１と第２の電圧計用電極を前記電解質膜に対して電気的に接続させる、イオン伝導度の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導度の測定装置、およびイオン伝導度の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池等に用いられる電解質膜は、電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度によって性能を評価することができる。イオン伝導度の測定には、一般的に、２端子法、または４端子法による測定方法が採用されている。
【０００３】
４端子法による測定方法は、２端子法による測定方法と比較し、計測機器の内部抵抗や、測定対象と計測用電極との接続によって生じる接続抵抗の影響を受けにくく、より高精度なイオン伝導度の測定を可能にする。電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度の測定に４端子法による測定方法を採用する場合には、測定対象となる薄膜状の電解質膜と１組の電流計用電極、および１組の電圧計用電極の電気的な接続を行う必要がある。
【０００４】
特許文献１に記載された発明にあっては、電圧計用電極が埋め込まれた導電性の２枚のダミー膜を利用した４端子法による測定を行っている（特許文献１を参照）。２枚のダミー膜を電流計用電極として機能させ、ダミー膜内に埋め込まれた電圧計用電極によって電解質膜の膜厚方向における電位差を測定している。測定に際し、２枚のダミー膜によって電解質膜を挟持し、ホットプレス加工によってこれらを一体化させて電解質膜と４つの計測用電極とを電気的に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９８３８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の４端子法による計測方法にあっては、薄膜状の電解質膜と、４つの計測用電極との電気的な接続を確保することは可能になる。しかしながら、電解質膜のイオン伝導度の測定を実施する度に複数枚の膜を一体化させるホットプレス加工を行うため、測定作業の作業効率を向上させることが困難である。また、異なる電解質膜に対して測定を実施する際には、ダミー膜、および電圧計用電極を別途に準備する必要があるため、測定に要する材料コストが増加するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、薄膜状の電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を４端子法によって測定するに際し、電解質膜と４つの計測用電極との接続作業を簡略化して作業効率を向上するとともに、測定に要する材料コストを低減し得るイオン伝導度の測定装置、およびイオン伝導度の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】
本発明は、電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を４端子法によって測定するイオン伝導度の測定装置である。電解質膜に導電性の第１の外部膜を介して接触する第１の電流計用電極が配置された第１の測定用治具と、電解質膜に導電性の第２の外部膜を介して接触する第２の電流計用電極が配置された第２の測定用治具と、電解質膜と第１の外部膜との間に配置される第１の電圧計用電極と、電解質膜と第２の外部膜との間に配置される第２の電圧計用電極と、を有している。そして、第１の電流計用電極と第２の電流計用電極との間において電解質膜を膜厚方向に挟み込むように第１と第２の測定用治具を配置することによって、電解質膜に対して第１と第２の電流計用電極、および第１と第２の電圧計用電極をそれぞれ電気的に接続させる。
【０００９】
本発明は、さらに、電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を４端子法によって測定するイオン伝導度の測定方法である。第１の測定用治具に配置された第１の電流計用電極と、第２の測定用治具に配置された第２の電流計用電極とによって電解質膜を膜厚方向に挟み込こむように第１と第２の測定用治具を配置する。これによって、第１と第２の電流計用電極のそれぞれを導電性の第１と第２の外部膜を介して電解質膜に対して電気的に接続させるとともに、電解質膜と第１と第２の外部膜のそれぞれとの間に配置された第１と第２の電圧計用電極を電解質膜に対して電気的に接続させる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第１と第２の電流計用電極の間に第１と第２の電圧計用電極、第１と第２の外部膜、および電解質膜を重ね合わせて配置し、これらを第１と第２の測定用治具の間において挟み込む簡易な作業によって電解質膜と４つの計測用電極とを電気的に接続することができる。このため、４端子法による測定方法に必要な接続作業の作業効率を向上させることができるとともに、測定に要する材料コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】イオン伝導度の測定装置を簡略化して示す図である。
【図２】図２（Ａ）は、第１と第２の測定用治具を分解して示す斜視図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の破線部を拡大して示す図であり、第１の電流計用電極を示す図、図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の矢印２Ｃ方向から見た矢視図である。
【図３】加圧手段を説明するための斜視図である。
【図４】図４（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の矢印４Ｂ方向から見た矢視図である。
【図５】図５（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の矢印５Ｂ方向から見た矢視図である。
【図６】図６（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢印６Ｂ方向から見た矢視図である。
【図７】図７（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の矢印７Ｂ方向から見た矢視図である。
【図８】図８（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の矢印８Ｂ方向から見た矢視図である。
【図９】図９（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の矢印９Ｂ方向から見た矢視図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、イオン伝導度の測定装置による測定方法を説明するための平面図、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の矢印１０Ｂ方向から見た矢視図である。
【図１１】電解質膜の導電率の測定結果を示す図である。
【図１２】膜電極接合体の電池性能の評価試験の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１３】
図１〜３を参照して、実施形態に係るイオン伝導度の測定装置５を概説すれば、電解質膜８０の膜厚方向（図１中矢印ａで示す上下方向）のイオン伝導度を４端子法によって測定するイオン伝導度の測定装置５であって、電解質膜８０に導電性の第１の外部膜４１を介して接触する第１の電流計用電極２１が配置された第１の測定用治具１１と、電解質膜８０に導電性の第２の外部膜４２を介して接触する第２の電流計用電極２２が配置された第２の測定用治具１２と、電解質膜８０と第１の外部膜４１との間に配置される第１の電圧計用電極３１と、電解質膜８０と第２の外部膜４２との間に配置される第２の電圧計用電極３２と、を有している。第１の電流計用電極２１と第２の電流計用電極２２との間において電解質膜８０を膜厚方向に挟み込むように第１と第２の測定用治具１１、１２を配置することによって、電解質膜８０に対して第１と第２の電流計用電極２１、２２、および第１と第２の電圧計用電極３１、３２をそれぞれ電気的に接続させることが可能になっている（図９をも参照）。
【００１４】
そして、第１と第２の測定用治具１１、１２は、電解質膜８０に水蒸気ｖを供給するための貫通孔５１と、電解質膜８０の周囲に貫通孔５１に連通する蒸気流路５３を形成する蒸気流路用の溝部５２（蒸気流路を形成する溝部に相当する）と、を有している（図１０をも参照）。
【００１５】
さらに、第１と第２の電流計用電極２１、２２は、電解質膜８０の面方向に広がる平面形状を有している。第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、被覆膜を有しない導電性の電極線から構成している。第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、電解質膜８０を挟んで互いに点接触するように交差して配置している。第１と第２の外部膜４１、４２は、電解質膜８０の弾性率よりも小さな弾性率を有している。
【００１６】
イオン伝導度の測定装置５には、電解質膜８０の膜厚方向に対して圧力を付与する加圧手段７０を設けている。加圧手段７０は、第１と第２の測定用治具１１、１２をねじ部材７１（締結手段に相当する）によって締め付けて電解質膜８０の膜厚方向に対して圧力を付与する（図３をも参照）。
【００１７】
実施形態にあっては、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜８０の膜厚方向のイオン伝導度の測定に本発明の測定装置、および測定方法を適用している。測定には、第１と第２の電流計用電極２１、２２、および第１と第２の電圧計用電極３１、３２の４つの計測用電極を用いた４端子法による測定を実施している。
【００１８】
以下、実施形態について詳述する。
【００１９】
図１を参照して、イオン伝導度の測定装置５は、電解質膜８０を配置する第１と第２の測定用治具１１、１２と、電解質膜８０のインピーダンスを測定する測定計器６と、を有している。
【００２０】
測定計器６には、インピーダンス測定に一般的に用いられるインピーダンスアナライザを利用している。測定計器６は、第１と第２の電流計用電極２１、２２によって電解質膜８０に電流を供給しつつ、第１と第２の電圧計用電極３１、３２によって電解質膜８０の膜厚方向における電位差、および電解質膜８０のインピーダンスを測定する。
【００２１】
測定計器６は、測定結果に基づいて、電解質膜８０の抵抗値Ｒを決定する。イオン伝導度σは、電解質膜８０の抵抗値Ｒ、電解質膜８０の膜厚寸法ｔ１、電解質膜８０の幅寸法ｗ、および第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄに基づいて、算出式（σ＝ｄ／（Ｒ・ｔ１・ｗ）［Ｓ／ｍ］）によって算出する（図６（Ｂ）、および図８（Ｂ）を参照）。
【００２２】
予め作成した動作制御プログラムを測定計器６に入力し、上記のイオン伝導度の測定作業を自動で実施させることが可能になっている。測定は、電解質膜８０と計測用電極との接続作業が終了した後、恒温恒湿槽（図中省略する）内に第１と第２の測定用治具１１、１２を配置し、所定の湿度、および温度条件下において実施する。
【００２３】
第１と第２の電流計用電極２１、２２は、測定計器６に設けられた電流系統用の端子８に電気的に接続する。接続には、電極の接続に一般的に用いられるケーブル類を利用することができる。図示例にあっては、接続用のクリップが設けられた公知の電極用ケーブル７を利用している。第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、測定計器６に設けられた電圧系統用の端子９に電気的に接続する。接続には、電流計用電極２１、２２の接続に利用する電極用ケーブル７と同種の物を利用できる。
【００２４】
次に、第１の測定用治具１１について説明する。なお、第１と第２の測定用治具１１、１２は、測定に際して対にして利用されるものであり、構成上に大きな差異はない。このため、第１の測定用治具１１について詳細に説明し、第２の測定用治具１２の説明は一部省略する。
【００２５】
図２、および図３を参照して、第１の測定用治具１１は、第１の治具構成片１３と第２の治具構成片１４とからなる１組の治具構成片１３、１４を連結して構成している。連結には、ねじ部材７１を利用している。連結の際には、位置決めピン１５を位置決め穴７３に挿入しながら連結作業を行う。連結作業を円滑に行うことを可能にするためである。
【００２６】
第１と第２の治具構成片１３、１４には、第１の電流計用電極２１を取り付けるための電流電極用の溝部１６を設けている。電流電極用の溝部１６は、第１と第２の治具構成片１３、１４が互いに向かい合う連結端面７４に形成している。第１の電流計用電極２１は、第１の治具構成片１３、または第２の治具構成片１４の電流電極用の溝部１６にはめ込んで取り付ける。電流電極用の溝部１６へのはめ込みによる簡易な作業によって取り付けを行うことが可能になっている。
【００２７】
第１の電流計用電極２１を電流電極用の溝部１６にはめ込んだ状態で第１の治具構成片１３と第２の治具構成片１４とを連結し、第１の測定用治具１１を構成させる。第１の電流計用電極２１は、連結端面７４の間において挟み込む。この挟み込みによって第１の電流計用電極２１を第１の測定用治具１１に対して固定させる。
【００２８】
第１の電流計用電極２１は、第１の外部膜４１を介して電解質膜８０に電気的に接続させる第１の電極部２５と、測定計器６の電流系統用の端子８に電気的に接続させる第２の電極部２６と、電流電極用の溝部１６からの脱落を防止する凸部２７と、を有している。
【００２９】
第１の電極部２５は、電解質膜８０の面方向に広がる平面形状に形成している。第１の電極部２５と電解質膜８０との接触面積を増加させるためである。測定の際、膨潤等によって電解質膜８０や第１の外部膜４１の外形形状に変形が生じることがある。このような場合であっても、電解質膜８０と第１の電流計用電極２１との電気的な接続を安定的に維持することが可能になる。測定結果にばらつきが生じることを防止でき、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。
【００３０】
第１の電流計用電極２１に設けられた凸部２７は、電流電極用の溝部１６からの脱落を防止する。第１の電流計用電極２１が電流電極用の溝部１６から脱落すると、連結作業に手間がかかり、作業遅延を招くことになる。凸部２７を形成することによって、連結作業時に生じ得る作業遅延を未然に防止することが可能になっている。
【００３１】
第１と第２の電流計用電極２１、２２には、電極として一般的に用いられる白金電極を利用している。外形寸法は、厚さ寸法ｔ２を０．７ｍｍ、高さ寸法ｈを１０ｍｍ程度に形成している（図２（Ｂ）を参照）。第１と第２の電流計用電極２１、２２の材質、および外形形状等は上記のものに限定されず、適宜変更することが可能である。
【００３２】
イオン伝導度の測定に際し、第１と第２の測定用治具１１、１２は、電解質膜８０を膜厚方向に挟み込むように互いに向かい合わせて配置する。電解質膜８０において、第１と第２の電流計用電極２１、２２の間に挟み込まれ、さらに第１と第２の電圧計用電極３１、３２の間に挟み込まれた部位がイオン伝導度の測定部位８１となる（図９を参照）。
【００３３】
測定部位８１周辺の湿度および温度状態の管理は、第１と第２の測定用治具１１、１２に設けられた貫通孔５１から水蒸気ｖを供給することによって行う（図１０を参照）。第１と第２の測定用治具１１、１２に設けられた蒸気流路用の溝部５２が互いに向かい合う部位には、貫通孔５１に連通する蒸気流路５３を形成させることが可能になっている。蒸気流路５３は、測定部位８１の周辺に水蒸気ｖを十分に行き渡らせることを可能にする。これによって、測定部位８１における湿度および温度状態の管理を精度よく行うことができ、設定された測定環境を模擬したイオン伝導度の測定が可能になる。
【００３４】
第１の電流計用電極が配置される平坦部１７と貫通孔５１との間には、傾斜面１８を設けている。貫通孔５１から供給された水蒸気ｖを傾斜面１８によって導流させ、測定部位８１周辺への水蒸気ｖの供給量を増加させることを可能にしている。
【００３５】
電解質膜８０のイオン伝導度の測定の際には、第１と第２の測定用治具１１、１２の間にイオン伝導度を測定するための積層構造を形成させる。第１の測定用治具１１に配置された第１の電流計用電極２１上に膜厚方向に第１の外部膜４１を配置する。第１の外部膜４１上には、第１の電圧計用電極３１を配置し、さらに、第１の電圧計用電極３１上には、測定対象である電解質膜８０を配置する。電解質膜８０上には、第２の電圧計用電極３２を配置し、第２の電圧計用電極３２上には、第２の外部膜４２を配置する。そして、第１の電流計用電極２１と第２の電流計用電極２２との間において電解質膜８０を挟み込むように第２の測定用治具１２を配置する（図９を参照）。
【００３６】
第１の電流計用電極２１と電解質膜８０とは、第１の外部膜４１を介して電気的に接続する。第２の電流計用電極２２と電解質膜８０とは、第２の外部膜４２を介して電気的に接続する。第１の電流計用電極２１と第２の電流計用電極２２とを導通させることによって測定対象である電解質膜８０へ電流を付与することが可能になる。
【００３７】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、電解質膜８０に直接接触させて電気的に接続する。第１と第２の電圧計用電極３１、３２によって電解質膜８０の膜厚方向における電位差を測定することが可能になる。第１の電圧計用電極３１と第１の電流計用電極２１とは、第１の外部膜４１を介して接触させる。これによって、両者が直接接触して導通することを防止している。同様に、第２の電圧計用電極３２と第２の電流計用電極２２とは、第２の外部膜４２を介して接触させている。
【００３８】
上記のように、第１と第２の電流計用電極２１、２２の間に第１と第２の電圧計用電極３１、３２、第１と第２の外部膜４１、４２、および電解質膜８０を重ね合わせて配置し、これらを第１と第２の測定用治具１１、１２の間において挟み込む簡易な作業によって４端子法によるイオン伝導度の測定に必要な電気的な接続を行うことが可能になっている。第１と第２の測定用治具１１、２１、およびその他測定に要する部材等は、異なる電解質膜８０に対して共用化することが可能になっている。
【００３９】
図３を参照して、第１と第２の測定用治具１１、１２は、電解質膜８０の膜厚方向に圧力を付与する加圧手段７０を有している。電解質膜８０は、第１の測定用治具１１に配置された第１の電流計用電極２１と、第２の測定用治具１２に配置された第２の電流計用電極２２とによって挟み込まれるが、この挟み込みによって膜厚方向に過剰に圧力が付与されると、電解質膜８０に塑性変形が生じる虞がある。また、測定時には、供給された水蒸気ｖによって電解質膜８０が膨潤し、膜厚寸法ｔ１に変化が生じることがある（図６（Ｂ）を参照）。膜厚寸法ｔ１が変化すると、第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄも変化する。膜厚寸法ｔ１、および第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄの変化がイオン伝導度の測定結果に影響を及ぼすことになる。そこで、加圧手段７０を設けることによって、電解質膜８０に対して膜厚方向に付与する圧力を調整することを可能にし、電解質膜８０の膜厚方向の変形量を調整する。これによって、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。さらに、加圧手段７０を利用することによって、異なる圧力条件下における測定を実施することが可能になる。
【００４０】
加圧手段７０は、第１と第２の測定用治具１１、１２を膜厚方向に締め付けるねじ部材７１と、ねじ穴７２と、を有している。ねじ穴７２は、第１の測定用治具１１、および第２の測定用治具１２を膜厚方向に貫通するように形成している。加圧手段７０によってトルク量を管理し、電解質膜８０に付与する圧力を調整する。ねじ部材７１を利用した簡易な方法によって圧力を調整することが可能であり、加圧手段７０の利用に伴って生じ得る作業遅延を低減させることができる。
【００４１】
第１と第２の測定用治具１１、１２同士は、ねじ部材７１によって固定させることが可能である。両者を固定する作業と、膜厚方向に付与する圧力の調整とを同時に行うことができ、測定に要する作業効率を向上させることが可能になっている。第１と第２の測定用治具１１、１２の固定の際には、位置決めピン１５を位置決め穴７３に挿入させながら固定作業を行う。固定作業を円滑に行うことを可能にするためである。
【００４２】
第１と第２の外部膜４１、４２には、導電性のイオン透過膜を利用している。イオン透過膜の材質や形状には、特に制限はないが、第１の電流計用電極２１上に配置した際に、貫通孔５１を塞ぐことのない外形形状に形成されていることが望ましい。貫通孔５１から供給した水蒸気ｖを測定部位８１周辺に行き渡らせることを可能にするためである。
【００４３】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２に対して膜厚方向に挟み込む力が付与されると、第１と第２の電圧計用電極３１、３２が電解質膜８０内に埋没し、第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄに変化が生じる虞がある。このような第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄに変化が生じることを防止するために、第１と第２の外部膜４１、４２は、電解質膜８０の弾性率よりも小さな弾性率を有するように形成している。電解質膜８０の弾性率よりも小さな弾性率を有する第１と第２の外部膜４１、４２は、第１と第２の電圧計用電極３１、３２を膜厚方向に包み込むように変形し、第１と第２の電圧計用電極３１、３２が電解質膜８０内に埋没することを防止する。したがって、膜厚方向に挟み込む力が過剰に付与されるような場合であっても、第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄが変化することを防止でき、測定結果の信頼性が低下することを防止できる。第１と第２の外部膜４１、４２の弾性率の値は特に限定されるものではない。少なくとも電解質膜８０の弾性率と比較し、小さな弾性率を有していればよく、この範囲内において適宜選択することが可能である。
【００４４】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２には、導電性の電極線を利用している。電極線には、ワイヤ状に加工された細径の銅線等を選択することが可能である。汎用されている電極線を利用することによって材料費の低減を図ることができる。電極線への被覆膜の形成を省略し、材料費をより低減させている。第１と第２の電圧計用電極３１、３２に細径の電極線を利用しているため、第１と第２の電圧計用電極３１、３２同士が接触する面積を減少させることができる。これによって、電解質膜８０の膜厚寸法ｔ１と第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄとの差を減少させることができ、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になっている。電極線には、例えば、１〜５０μｍ程度の外径寸法のものを利用するのが望ましい。
【００４５】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、電解質膜８０を挟んで互いに点接触するように配置している。このように配置することによって、第１と第２の電圧計用電極３１、３２に対して電解質膜８０を挟み込む方向に力が付与された場合に、点接触させた部位以外の部位に付与される圧力を緩和させることが可能になる。測定部位８１周辺に広い範囲で電圧計用電極３１、３２同士が接触することを防止でき、測定部位８１への水蒸気ｖの供給量を増加させることが可能になる。さらに、第１と第２の電圧計用電極３１、３２同士を点接触させて配置することによって、第１と第２の電流計用電極２１、２２と第１と第２の電圧計用電極３１、３２とが誤って接触することをより確実に防止することができる。
【００４６】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２の一部は、第１と第２の測定用治具１１、１２に設けられた電圧電極用の溝部１９に配置し、樹脂性の接着剤や、その他簡易な方法によって固定させることが可能になっている。
【００４７】
次に作用について説明する。
【００４８】
図４（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第１の治具構成片１３と第２の治具構成片１４とを連結して構成された第１の測定用治具１１を準備し、第１の電流計用電極２１上に第１の外部膜４１を配置する。
【００４９】
図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第１の外部膜４１、４２上に第１の電圧計用電極３１を配置する。第１の電圧計用電極３１は、第１の電流計用電極２１の中心位置を通るように配置し、電圧電極用の溝部１９において接着剤等によって固定する。
【００５０】
第１の電圧計用電極３１と第１の電流計用電極２１とは、第１の外部膜４１を介して接触させる。両者が直接接触して導通することを防止する。
【００５１】
図６（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第１の電圧計用電極３１上に測定対象である電解質膜８０を配置する。
【００５２】
第１の電流計用電極２１には、電解質膜８０の面方向に広がる第１の電極部２５を形成しているため、電解質膜８０と第１の電流計用電極２１との接触面積を増加させることができる。電解質膜８０と第１の電流計用電極２１との電気的な接続を安定的に維持することが可能になり、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。
【００５３】
図７（Ａ）、（Ｂ）を参照して、電解質膜８０上に第２の電圧計用電極３２を配置する。
【００５４】
第２の電圧計用電極３２は、電解質膜８０を挟んで第１の電圧計用電極３１と点接触するように配置する。第２の電圧計用電極３１、３２は、電圧電極用の溝部１９において固定する。
【００５５】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２同士を点接触させて配置し、測定部位８１周辺に広い範囲で両者が接触することを防止する。測定部位８１への水蒸気ｖの供給量を増加させることが可能になっている。
【００５６】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２に細径の電極線を利用しているため、第１と第２の電圧計用電極３１、３２同士が接触する面積を減少させることが可能になっている。電解質膜８０の膜厚寸法ｔ１と第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄとの差を減少させることが可能になる。
【００５７】
電解質膜８０において、第１の電圧計電極３１と第２の電圧計用電極３２とに挟み込まれた部位は、イオン伝導度を測定する測定部位８１となる。
【００５８】
図８（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第２の電圧計用電極３２上に第２の外部膜４２を配置する。
【００５９】
第１と第２の外部膜４１、４２は、電解質膜８０の弾性率よりも小さな弾性率を有するように形成している。第１と第２の外部膜４１、４２は、第１と第２の電圧計用電極３１、３２を膜厚方向に包み込むように変形し、第１と第２の電圧計用電極３１、３２が電解質膜８０内に埋没することを防止する。これによって、第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄが変化することを防止する。
【００６０】
図９（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第１の電流計用電極２１と第２の電流計用電極２２との間において電解質膜８０を膜厚方向に挟み込むように第２の測定用治具１２を配置する。
【００６１】
第２の電流計用電極２２と第２の電圧計用電極３２とは、第２の外部膜４２を介して接触させる。両者が直接接触して導通することを防止する。
【００６２】
第１の電流計用電極２１と電解質膜８０とは、第１の外部膜４１を介して電気的に接続する。第２の電流計用電極２２と電解質膜８０とは、第２の外部膜４２を介して電気的に接続する。第１の電流計用電極２１と第２の電流計用電極２２とを導通させることによって測定対象である電解質膜８０へ電流を付与することが可能になる。
【００６３】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、電解質膜８０に直接接触させて電気的に接続する。第１と第２の電圧計用電極３１、３２によって電解質膜８０の膜厚方向における電位差を測定することが可能になる。
【００６４】
ここで、公知の技術として、薄膜状の電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度の測定に際し、電圧計用電極が埋め込まれた導電性の２枚のダミー膜を利用した４端子法による測定方法が知られている。この測定方法にあっては、２枚のダミー膜によって電解質膜を挟持し、ホットプレス加工によって一体化させて電解質膜と４つの計測用電極とを電気的に接続している。この方法を採用した場合には、薄膜状の電解質膜と、４つの計測用電極との電気的な接続を確保することは可能になるが、電解質膜のイオン伝導度の測定を実施する度に複数枚の膜を一体化させるホットプレス加工を行う必要がある。したがって、測定作業の作業効率を向上させることが困難である。さらに、異なる電解質膜に対して測定を実施する際には、ダミー膜、および電圧計用電極を別途に準備する必要があるため、測定に要する材料コストの増加が招かれる。
【００６５】
これに対して本実施形態にあっては、第１と第２の電流計用電極２１、２２の間に第１と第２の電圧計用電極３１、３２、第１と第２の外部膜４１、４２、および電解質膜８０を重ね合わせて配置し、これらを第１と第２の測定用治具１１、１２の間において挟み込む簡易な作業によって電解質膜８０と４つの計測用電極とを電気的に接続することができる。このため、４端子法による膜厚方向のイオン伝導度の測定に際し、接続作業の作業効率を向上させることができる。第１と第２の測定用治具１１、２１、およびその他測定に要する部材等は、異なる電解質膜８０に対して共用化することができる。したがって、繰り返して使用する場合において測定に要する材料コストを低減させることが可能になる。
【００６６】
第１と第２の測定用治具１１、１２同士の固定は、ねじ部材７１によって行う。ねじ部材７１によってトルク量を調整し、電解質膜８０の膜厚方向に付与する圧力を調整する。膜厚方向における電解質膜８０の変形を防止し、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。
【００６７】
第１と第２の測定用治具１１、１２に設けられた蒸気流路用の溝部５２が互いに向かい合う部位には、貫通孔５１に連通する蒸気流路５３を形成させる。
【００６８】
図１０（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第１と第２の電流計用電極２１、２２と、測定計器６に設けられた電流系統用の端子８とを接続する。同様に、第１と第２の電圧計用電極３１、３２と、測定計器６に設けられた電圧系統用の端子９とを接続する（図１を参照）。第１と第２の測定用治具１１、２１は、恒湿恒温槽内に配置する。
【００６９】
第１と第２の電流計用電極２１、２２を介して電解質膜８０に電流を付与する。第１と第２の電圧計用電極３１、３２によって、電解質膜８０の膜厚方向における電位差を測定する。測定結果に基づいて電解質膜８０の膜厚方向におけるイオン伝導度を決定し、その結果を取得する。
【００７０】
測定中は、第１と第２の測定用治具１１、１２に設けられた貫通孔５１を介して電解質膜８０に水蒸気ｖを供給する。測定部位８１周辺の湿度および温度状態を管理する。
【００７１】
蒸気流路５３は、測定部位８１の周辺に水蒸気ｖを十分に行き渡らせることを可能にする。これによって、測定部位８１における湿度および温度状態の管理を精度よく行うことが可能になり、設定された測定環境を模擬したイオン伝導度の測定が可能になる。
【００７２】
上述したように、本実施形態にあっては、第１と第２の電流計用電極２１、２２の間に第１と第２の電圧計用電極３１、３２、第１と第２の外部膜４１、４２、および電解質膜８０を重ね合わせて配置し、これらを第１と第２の測定用治具１１、１２の間において挟み込む簡易な作業によって電解質膜８０と４つの計測用電極とを電気的に接続することができる。このため、４端子法による膜厚方向のイオン伝導度の測定に際し、接続作業の作業効率を向上させることができる。第１と第２の測定用治具１１、２１、およびその他測定に要する部材等は、異なる電解質膜８０に対して共用化することができる。したがって、繰り返して使用する場合において測定に要する材料コストを低減させることができる。
【００７３】
第１と第２の測定用治具１１、１２に設けた貫通孔５１を介して電解質膜８０に水蒸気ｖを供給することが可能になる。第１の電流計用電極２１と第２の電流計用電極２２との間において挟み込まれた測定部位８１周辺の湿度および温度状態を管理することができる。蒸気流路５３は、測定部位８１の周辺に水蒸気ｖを十分に行き渡らせることを可能にする。測定部位８１における湿度および温度状態の管理を精度よく行うことができる。
【００７４】
第１と第２の電流計用電極２１、２２は、電解質膜８０の面方向に広がる平面形状に形成された第１の電極部２５を有している。電解質膜８０との接触面積を増加させることができ、電解質膜８０と第１と第２の電流計用電極２１、２２との電気的な接続を安定的に維持することができる。測定結果にばらつきが生じることを防止し、より信頼性の高い測定結果を取得することができる。
【００７５】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２には、導電性の電極線を利用している。電極線への被覆膜の形成を省略し、材料費を低減させている。第１と第２の電圧計用電極３１、３２に細径の電極線を利用しているため、第１と第２の電圧計用電極３１、３２同士が接触する部位の面積を減少させることができる。電解質膜８０の膜厚寸法ｔ１と第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離ｄとの差を減少させることができ、より信頼性の高い測定結果を取得することができる。
【００７６】
第１と第２の電圧計用電極３１、３２は、電解質膜８０を挟んで互いに点接触するように配置する。第１と第２の電圧計用電極３１、３２に対して電解質膜８０を挟み込む方向に力が付与された場合に、点接触させた部位以外の部位に付与される圧力を緩和することが可能になる。第１と第２の電圧計用電極３１、３２に挟み込まれた測定部位８１周辺に広い範囲で電圧計用電極３１、３２同士が接触することを防止でき、測定部位８１への水蒸気ｖの供給量を増加させることが可能になる。
【００７７】
第１と第２の外部膜４１、４２は、電解質膜８０の弾性率よりも小さな弾性率を有するように形成している。第１と第２の外部膜４１、４２は、第１と第２の電圧計用電極３１、３２を膜厚方向に包み込むように変形する。膜厚方向に挟み込む力が過剰に付与されるような場合であっても、第１と第２の電圧計用電極３１、３２間の距離が変化することを防止できる。
【００７８】
加圧手段７０を利用して膜厚方向に付与する圧力を調整し、電解質膜８０の膜厚方向の変形量を調整することができる。これによって、より信頼性の高い測定結果を取得することができる。
【００７９】
加圧手段７０には、第１と第２の測定用治具１１、２１を膜厚方向に締め付けるねじ部材７１、およびねじ穴７２を利用している。トルク量を管理することによって、電解質膜８０に付与する圧力を調整することができる。
【００８０】
上述した実施形態にあっては、第１の測定用治具１１上に第１の外部膜４１、第１の電圧計用電極３１を順に重ね合わせて配置する構成としているが、例えば、予めこれらを第１の測定用治具１１に対して固定させた状態で準備しておくことも可能である。同様にして予め準備された第２の測定用治具２１との間において電解質膜８０を挟み込むだけの簡易な作業によって電気的な接続を行うことが可能になる。
【００８１】
加圧手段７０には、ねじ部材７１、およびねじ穴７２を利用し、第１と第２の測定用治具１１、１２を締め付けて圧力を調整しているが、このような構成のみに限定されるものではない。例えば、第１と第２の測定用治具１１、１２に対して互いに向かい合う方向に圧力を付与する調圧器などを利用することも可能である。
【００８２】
実施形態にあっては、固体高分子型燃料電池に用いられる薄膜状の電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度の測定に本発明の測定装置、および測定方法を適用しているが、測定対象はこれに限定されるものではなく、その他イオン伝導度の測定対象となり得る電解質膜に対して広く適用することが可能である。
【００８３】
（実施例）
以下、本発明の実施形態を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
【００８４】
本実施例にあっては、上述したイオン伝導度の測定装置５を利用し、電解質膜８０の膜厚方向における導電率の測定を実施した。実施条件は、以下の通りである。
【００８５】
第１と第２の測定用治具１１、１２に電解質膜８０を設置し、第１と第２の電流計用電極２１、２２、および第１と第２の電圧計用電極３１、３２を利用して４端子法による測定を行った。電解質膜８０を設置した後、第１と第２の測定用治具１１、１２は、恒温恒湿槽（楠本化成株式会社製、ＥＴＡＣ  ＨＩＦＬＥＸ−ＦＸ４０７Ｐ型）内に配置し、測定部位８１の周辺環境を室温８０℃、相対湿度３０％の状態で保持した。測定計器６には、インピーダンスアナライザ（ソーラトロン社製、１２６０型）を利用した。
【００８６】
電解質膜８０は、技術文献（Ｐｏｌｙｍｅｒ  ４９、ｐｐ．７１５−７２３（２００８））に記載された方法に従ってランダムコポリマー、またはブロックコポリマーからなる下記の４種類のものを生成し、サンプル膜として利用した。
（１）ランダムコポリマー（「ｒａｎｄｏｍ」と記す）。
（２）ブロック長が３ｋｇ／ｍｏｌのブロックコポリマー（「３ｋ」と記す）。
（３）ブロック長が７ｋｇ／ｍｏｌのブロックコポリマー（「７ｋ」と記す）。
（４）ブロック長が１０ｋｇ／ｍｏｌのブロックコポリマー（「１０ｋ」と記す）。
【００８７】
第１と第２の外部膜４１、４２には、ＮＲ２１１膜（ＤｕＰｏｎｔ社製）を利用した。
【００８８】
図１１には、測定して得られた電解質膜８０の膜厚方向における導電率を示す。図中には、既存の４端子法による測定方法によって測定した電解質膜８０の膜面方向における導電率も同時に示す。なお、イオン伝導度は、導電率に比例して増加する値であるため、測定結果によって示される導電率は、イオン伝導度の大小関係を示す目安になる。また、導電率は、電解質膜８０をＭＥＡ（膜電極接合体）に用いた場合の発電性能を示す目安にもなる。
【００８９】
膜厚方向における導電率の測定では、ブロックコポリマー同士を比較すると、７ｋが最大となり、３ｋ、１０ｋの順に低下していることが確認できる。これに対し、膜面方向における導電率の測定では、７ｋが最大となり、１０ｋ、３ｋの順に低下していることが確認できる。
【００９０】
図１２には、参考例として、上記の各電解質膜８０にＧＤＥ（触媒層付きガス拡散電極、ジョンソン・マッセイ・フュエル・セル社製）をホットプレスしてＭＥＡ化（１３０℃、４ＭＰａ下において１０分間）したものの発電性能を示す。各ＭＥＡに対し、発電性能の評価試験（１００％の加湿ガス（Ｈ２／Ｏ２）雰囲気中において、セル温度を８０℃）を実施した。
【００９１】
ブロックコポリマー同士を比較すると、７ｋの電解質膜８０を利用したＭＥＡが最も発電性能が優れており、次いで３ｋ、１０ｋの順に低下していることが確認できる。上述した電解質膜８０の膜厚方向における測定結果と一致し、膜面方向における測定結果とは異なっていることが確認できる。この結果から、電解質膜８０のイオン伝導度は、膜面方向に測定した場合よりも膜厚方向に測定した場合の方がより信頼性の高い測定結果を取得することが可能になるということを確認できる。
【００９２】
電解質膜８０には、製造した段階で膜面方向に材料の異方性が生じ得る。このため、電解質膜８０のイオン伝導度を膜面方向に測定すると、信頼性の低い測定結果が取得される虞がある。イオン伝導度の測定装置５を利用した膜厚方向におけるイオン伝導度の測定にあっては、材料の異方性の影響を正当に反映することが可能になり、より信頼性の高い測定結果を取得し得るという効果が確認できた。
【符号の説明】
【００９３】
５      イオン伝導度の測定装置、
６      測定計器、
７      電極用ケーブル、
８      電流系統用の端子、
９      電圧系統用の端子、
１１    第１の測定用治具、
１２    第２の測定用治具、
１３    第１の治具構成片、
１４    第２の治具構成片、
１５    位置決めピン、
１６    電流電極用の溝部、
１７    平坦部、
１８    傾斜面、
１９    電圧電極用の溝部、
２１    第１の電流計用電極、
２２    第２の電流計用電極、
２５    第１の電極部、
２６    第２の電極部、
２７    凸部、
３１    第１の電圧計用電極、
３２    第２の電圧計用電極、
４１    第１の外部膜、
４２    第２の外部膜、
５１    貫通孔、
５２    蒸気流路用の溝部、
５３    蒸気流路、
７０    加圧手段、
７１    ねじ部材（締結手段）、
７２    ねじ穴、
７３    位置決め穴、
７４    連結端面、
８０    電解質膜、
８１    測定部位、
ｖ      水蒸気、
ｔ１    膜厚寸法、
ｗ      膜の幅寸法、
ｄ      電極間距離。
【図１】
2010271291.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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