(57)【要約】【課題】膜への微小径の物質の突き刺し強度を様々な条件で測定する。【解決手段】燃料電池に用いられる膜材料の突き刺し強度測定装置であって、膜材料に突き刺す先端部を有する突き刺し器具であって、先端部の直径が１０［μｍ］以下である突き刺し器具と、突き刺し器具を５０［μｍ／ｓ］以下の速度で移動させる移動装置と、膜材料を挟んで保持する２枚の平板であって、先端部を貫通させる孔をそれぞれ向かい合う位置に有する２枚の平板、を有する膜材料保持治具と、膜材料保持治具を積載し、先端部が膜材料に突き刺されたときの突き刺し荷重を測定する突き刺し荷重測定部と、制御部と、を備え、制御部は、前記荷重の変動開始から前記荷重が最大値に至るまでの時間と、前記時間における突き刺し器具の移動速度とから突き刺しに要したストロークを算出する。【選択図】図１
2014032173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる膜材料の突き刺し強度測定装置であって、
膜材料に突き刺す先端部を有する突き刺し器具であって、前記先端部の直径が１０［μｍ］以下である突き刺し器具と、
前記突き刺し器具を５０［μｍ／ｓ］以下の速度で移動させる移動装置と、
前記膜材料を挟んで保持する２枚の平板であって、前記先端部を貫通させる孔をそれぞれ向かい合う位置に有する２枚の平板を有する膜材料保持治具と、
前記膜材料保持治具を積載し、前記先端部が前記膜材料に突き刺されたときの突き刺し荷重を測定する荷重測定部と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記荷重の変動開始から前記荷重が最大値に至るまでの時間と、前記時間における突き刺し器具の移動速度とから突き刺しに要したストロークを算出する、
突き刺し強度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記突き刺し器具は、前記先端部として、燃料電池の拡散層に使用されるカーボン繊維を交換可能に保持できる、突き刺し強度測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記先端部は、タングステンを含む超硬合金で形成されている、突き刺し強度測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記突き刺し荷重測定部は、１ｍｇ以下の荷重を測定可能である、突き刺し強度測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、さらに、
前記先端部を撮影する撮影装置と、
撮影された前記先端部を表示する表示装置と、
を備え、
前記孔は、前記突き刺し器具側の第１の平板の厚さの１０倍以上の直径を有している、突き刺し強度測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記撮影装置は、５０〜５００倍に拡大可能なレンズを有する、突き刺し強度測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、さらに、
前記膜材料の前記先端部が突き刺さる突き刺し面の裏面と、前記突き刺し器具と、の間に電圧を印加するための電圧印加装置を備え、
前記膜材料保持治具は、絶縁体で構成されており、膜材料の突き刺し面の裏に、前記膜材料と異なる燃料電池構成部材を保持し、
前記突き刺し荷重測定部は、前記移動装置が前記突き刺し器具を移動して前記膜材料に突き刺したときの突き刺し荷重を測定し、
前記制御部は、前記先端部が前記膜材料を突き抜けて前記裏面に達したことを前記突き刺し器具と前記裏面との間の電圧の変化を用いて検出し、前記先端部が前記膜材料を突き抜けたときにおける突き刺し荷重を突き刺し強度とする、突き刺し強度測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、さらに、
前記膜材料の前記先端部が突き刺さる突き刺し面の裏面と、前記突き刺し器具と、の間に電圧を印加するための電圧印加装置と、
前記電圧により前記突き刺し器具に流れる電流を測定する電流測定装置を備え、
前記制御部は、前記先端部が前記膜材料を突き抜けて前記裏面に達したことを前記突き刺し器具に流れる電流を用いて検出し、前記先端部が前記膜材料を突き抜けたときにおける突き刺し荷重を突き刺し強度とする、突き刺し強度測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記先端部が前記膜材料に接触してから前記先端部が前記膜材料を突き抜けるまでの前記先端部に流れる電流の変化を用いて、前記膜材料の欠陥を検出する、突き刺し強度測定装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記電圧印加装置は、前記膜材料の前記先端部が突き刺さる突き刺し面の裏面と、前記突き刺し器具と、の間の電圧を一定に保つ電圧安定化装置を備える、突き刺し強度測定装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、さらに、
前記突き刺し器具と直列に接続された電気抵抗を備える、突き刺し強度測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記電流測定装置は、前記電気抵抗の電圧降下を測定し、前記電圧降下を前記電気抵抗の既知の抵抗値で除算することにより前記突き刺し器具に流れる電流を測定する、突き刺し強度測定装置。
【請求項１３】
請求項７〜１２のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記燃料電池構成部材は拡散層であることを特徴とする、突き刺し強度測定装置。
【請求項１４】
請求項７〜１２のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記燃料電池構成部材はマイクロポーラス層であることを特徴とする、突き刺し強度測定装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記２枚の平板は、それぞれ直径の異なる複数の孔であって、前記先端部を貫通させる孔を含む複数の孔を有する、突き刺し強度測定装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記複数の孔の直径は、前記膜材料が用いられる燃料電池において燃料電池の拡散層に前記燃料電池のセパレータが重ねられて配置されるときの前記セパレータに形成された反応ガスの流路幅の大きさと等しい大きさである、突き刺し強度測定装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに一項に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記突き刺し強度測定装置は、前記先端部が前記膜材料に突き刺さる角度を調整可能である、突き刺し強度測定装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに一項に記載の突き刺し強度測定装置において、さらに、
前記先端部が突き刺さる部分の温度を制御する温度制御部を備える、突き刺し強度測定装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記温度制御部は、
前記膜材料保持治具の下部に取り付けられたヒータと、
前記膜材料の温度測定手段と、
測定された温度を基づいて前記ヒータの発熱量を調整する温度調整部と、
を有する、突き刺し強度測定装置。
【請求項２０】
請求項１８または請求項１９に記載の突き刺し強度測定装置において、さらに、
前記先端部が突き刺さる部分の湿度を制御する湿度制御部を備える、突き刺し強度測定装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の突き刺し強度測定装置において、
前記湿度制御部は、前記ヒータの上部に前記突き刺し器具が突き刺さる部分を加湿するための液溜めを備える、突き刺し強度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に用いられる膜の突き刺し強度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フィルムの引っ張り強度または突き刺し強度を測定する装置が知られている（特許文献１）。この装置では、フィルムを引っ張り治具の各保持部または突き刺し器具の保持部に取り付ける。その後、引っ張り治具の一方の保持部または突き刺し器具の突き刺し部をコネクト部に取り付ける。そして、引っ張り治具の他方の保持部または突き刺し器具の保持部を装置本体に取り付ける。そして、移動手段により負荷測定手段と共に引っ張り治具の一方の保持部または突き刺し器具の突き刺し部を移動させることにより、フィルムの引っ張り強度あるいは突き刺し強度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１４１６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の電解質膜の両面には一般に拡散層が配置される。この拡散層として、カーボン繊維を含む拡散層を用いる場合がある。近年、電解質膜の薄膜化により、拡散層のカーボン繊維の一部が電解質膜に突き刺さり、電解質膜の両極を短絡させるという問題が生じている。そこで、拡散層のカーボン繊維の突き刺しに対する電解質膜の強度を測定することが求められている。しかし、従来の突き刺し強度の測定装置で、径の大きな針を有する治具を用いて評価した場合、カーボン繊維のような細い径の針による場合と破壊メカニズムが異なることが考えられる。そのため、径の大きな針を用いた評価結果から径の小さなカーボン繊維の突き刺しに対する電解質膜の強度を判断することは難しかった。また、カーボン繊維のような微小径の物質の突き刺しを行う場合、折れや変形を避け、微小な突き刺し荷重を測定し、微小な突き刺し時のストロークを測定することは難しかった。さらに、燃料電池内部での突き刺し状態を再現するには電解質膜の突き刺す側の反対側に拡散層などの部材がある状態で突き刺し評価を実施する場合もある。従来の突き刺し強度測定装置では、このような評価を十分に行うことも難しかった。
【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、燃料電池に用いられる電解質膜などの様々な膜に対し、微小径の物質の突き刺し強度を様々な条件で測定すること目的とする。
【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】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池に用いられる膜材料の突き刺し強度測定装置が提供される。この突き刺し強度測定装置は、膜材料に突き刺す先端部を有する突き刺し器具であって、前記先端部の直径が１０［μｍ］以下である突き刺し器具と、前記突き刺し器具を５０［μｍ／ｓ］以下の速度で移動させる移動装置と、前記膜材料を挟んで保持する２枚の平板であって、前記先端部を貫通させる孔をそれぞれ向かい合う位置に有する２枚の平板を有する膜材料保持治具と、前記膜材料保持治具を積載し、前記先端部が前記膜材料に突き刺されたときの突き刺し荷重を測定する突き刺し荷重測定部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記荷重の変動開始から前記荷重が最大値に至るまでの時間と、前記時間における突き刺し器具の移動速度とから突き刺しに要したストロークを算出する。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、突き刺し器具の先端部を５０［μｍ／ｓ］以下の速度で膜材料に突き刺すので、突き刺し器具の折れや曲がりを起こりにくく出来る。また、先端部の折れや曲がりを撮影装置と表示装置で確認しながら評価を行うことができる。
【０００８】
（２）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記突き刺し器具は、前記先端部として、燃料電池の拡散層に使用されるカーボン繊維を交換可能に保持してもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、実際の燃料電池の拡散層のカーボン繊維を模擬した評価を行うことが出来る。
【０００９】
（３）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記先端部は、タングステンを含む超硬合金で形成されていてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、カーボン繊維よりも、先端部の強度、耐久性を大きくできる。また、先端部の微細な形状についてバラツキが少なく、突き刺し器具を交換したときの評価結果の比較が容易である。また、先端部の長さをカーボン繊維の先端部を用いるよりも長くすることができ、より厚い膜材料を評価できる。
【００１０】
（４）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記突き刺し荷重測定部は、１ｍｇ以下の荷重を測定可能であってもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、突き刺し荷重測定部は、1ｍｇ以下の荷重を測定可能であるので、突き刺し荷重を精度良く評価を行うことが出来る。
【００１１】
（５）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記先端部を撮影する撮影装置と、撮影された前記先端部を表示する表示装置と、を備え、前記孔は、前記突き刺し器具側の第１の平板の厚さの１０倍以上の直径を有していてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、孔は、突き刺し器具側の第１の平板の厚さの１０倍以上の直径を有しているので、測定者は、撮影装置と表示装置を用いて、膜材料に刺さる先端部の様子を確認しながら評価を行うことが出来る。
【００１２】
（６）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記撮影装置は、５０〜５００倍に拡大可能なレンズを有していてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、突き刺し強度測定装置の使用者が、突き刺し器具の先端部が膜材料に刺さるときに、先端部に折れや曲がりが生じたことを容易に発見することができる。
【００１３】
（７）上記形態の突き刺し強度測定装置において、さらに、前記膜材料の前記先端部が突き刺さる突き刺し面の裏面と、前記突き刺し器具と、の間に電圧を印加するための電圧印加装置を備え、前記膜材料保持治具は、絶縁体で構成されており、膜材料の突き刺し面の裏に、前記膜材料と異なる燃料電池構成部材を保持し、前記突き刺し荷重測定部は、前記移動装置が前記突き刺し器具を移動して前記膜材料に突き刺したときの突き刺し荷重を測定し、前記制御部は、前記先端部が前記膜材料を突き抜けて前記裏面に達したことを前記突き刺し器具と前記裏面との間の電圧の変化を用いて検出し、前記先端部が前記膜材料を突き抜けたときにおける突き刺し荷重を突き刺し強度としてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、先端部が膜材料を突き抜けたときを容易に検知できる。
【００１４】
（８）上記形態の突き刺し強度測定装置において、さらに、前記膜材料の前記先端部が突き刺さる突き刺し面の裏面と、前記突き刺し器具と、の間に電圧を印加するための電圧印加装置と、前記電圧により前記突き刺し器具に流れる電流を測定する電流測定装置を備え、前記制御部は、前記先端部が前記膜材料を突き抜けて前記裏面に達したことを前記突き刺し器具に流れる電流を用いて検出し、前記先端部が前記膜材料を突き抜けたときにおける突き刺し荷重を突き刺し強度としてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、先端部が膜材料を突き抜けたときを容易に検知できる。
【００１５】
（９）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記先端部が前記膜材料に接触してから前記先端部が前記膜材料を突き抜けるまでの前記先端部に流れる電流の変化を用いて、前記膜材料の欠陥を検出してもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、先端部に流れる電流の変化を用いて、容易に、膜材料の欠陥を検出できる。
【００１６】
（１０）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記膜材料の前記先端部が突き刺さる突き刺し面の裏面と、前記突き刺し器具と、の間の電圧を一定に保つ電圧安定化装置を備えてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、燃料電池の単セル内部で短絡が生じたときの状態を再現しつつ、電流を測定することが可能となる。
【００１７】
（１１）上記形態の突き刺し強度測定装置において、さらに、前記突き刺し器具と直列に接続された電気抵抗を備えてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、ダイナミックレンジを広げ、電流を精度良く測定することができる。
【００１８】
（１２）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記電流測定装置は、前記電気抵抗の電圧降下を測定し、前記電圧降下を前記電気抵抗の既知の抵抗値で除算することにより前記突き刺し器具に流れる電流を測定してもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、電気抵抗の電圧降下を測定することにより前記突き刺し器具に流れる電流を間接的に測定するので、電流を直接測定する場合に比べ測定系の影響を抑制できる。
【００１９】
（１３）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記燃料電池構成部材は拡散層であることを特徴としてもよい。
【００２０】
（１４）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記燃料電池構成部材はマイクロポーラス層であることを特徴としてもよい。
【００２１】
（１５）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記２枚の平板は、それぞれ直径の異なる複数の孔であって、前記先端部を貫通させる孔を含む複数の孔を有していてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、異なる大きさの孔における突き刺し強度を評価する際に、電解質膜５００を保持し直すことなく膜材料を評価できるので、評価時間を短縮することができる。また、孔の大きさの異なる平板を多数作成する必要がないので、評価コストを下げることが出来る。
【００２２】
（１６）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記複数の孔の直径は、前記膜材料が用いられる燃料電池において燃料電池の拡散層に前記燃料電池のセパレータが重ねられて配置されるときの前記セパレータに形成された反応ガスの流路幅の大きさと等しい大きさであってもよい。
【００２３】
（１７）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記突き刺し強度測定装置は、前記先端部が前記膜材料に突き刺さる角度を調整可能であってもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、先端部が膜材料に突き刺さる角度を変えて突き刺し強度を評価することができる。
【００２４】
（１８）上記形態の突き刺し強度測定装置において、さらに、前記先端部が突き刺さる部分の温度を制御する温度制御部を備えていてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、温度を変えることにより、様々な温度、例えば、燃料電池運転中の温度における膜材料の突き刺し評価を容易に行うことが出来る。
【００２５】
（１９）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記温度制御部は、前記膜材料保持治具の下部に取り付けられたヒータと、前記膜材料の温度測定手段と、測定された温度を基づいて前記ヒータの発熱量を調整する温度調整部と、を有してもよい。
【００２６】
（２０）上記形態の突き刺し強度測定装置において、さらに、前記先端部が突き刺さる部分の湿度を制御する湿度制御部を備えてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、膜材料に対し、湿度を制御することができる。
【００２７】
（２１）上記形態の突き刺し強度測定装置において、前記湿度制御部は、前記ヒータの上部に前記突き刺し器具が突き刺さる部分を加湿するための液溜めを備えてもよい。この形態の突き刺し強度測定装置によれば、膜材料に対し、相対湿度１００％の加湿を行うことができる。
【００２８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、突き刺し強度測定装置の他、突き刺し強度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】
【００２９】
【図１】第１の実施例の膜強度測定装置を示す説明図である。
【図２】膜保持治具の構成を示す説明図である。
【図３】突き刺し器具の先端部を示す説明図である。
【図４】突き刺し速度と荷重の関係を示すグラフである。
【図５】第２の実施例の膜強度測定装置を示す説明図である。
【図６】第３の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。
【図７】第４の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。
【図８】第５の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。
【図９】第６の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。
【図１０】第７の実施例の膜強度測定装置を示す説明図である。
【図１１】針の突き刺し距離（ストローク）と突き刺し荷重との関係を示す説明図である。
【図１２】針の突き刺し距離（ストローク）と突き刺し部における電気抵抗との関係を示す説明図である。
【図１３】針の突き刺し距離（ストローク）と針に流れる電流との関係を示す説明図である。
【図１４】針が被測定物に少し刺さった状態を示す説明図である。
【図１５】針が触媒層を貫通した状態を示す説明図である。
【図１６】電解質膜の膜強度と絶縁性との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
第１の実施例：
図１は、第１の実施例の膜強度測定装置を示す説明図である。膜強度測定装置１０は、突き刺し器具１００と、突き刺し器具保持部１１０と、突き刺し器具移動装置１２０と、台座１３０と、支柱１４０、１４５と、膜保持治具２００と、荷重測定装置３００と、カメラ４００と、表示装置４１０と、制御部６００と、を備える。突き刺し器具１００は、下側の先端部に針１０５を有している。突き刺し器具１００は、突き刺し器具保持部１１０に保持されており、台座１３０に立てられた支柱１４０に取り付けられた突き刺し器具移動装置１２０により突き刺し器具保持部１１０ごと鉛直方向に移動される。ここで、突き刺し器具移動装置１２０は、突き刺し器具１００を５０［μｍ／ｓ］以下の一定速度で直線移動させられることが好ましい。針１０５は、この速度で電解質膜５００に突き刺さる。この速度が５０［μｍ／ｓ］以下であれば、針１０５が電解質膜５００に突き刺さるときの折れや変形を抑制することができる。本実施例では、突き刺し器具移動装置１２０として、駿河精機株式会社製のKXC06020-Cを用いている。
【００３１】
台座１３０は、荷重測定装置３００を積載し、荷重測定装置３００は、膜保持治具２００を積載している。荷重測定装置３００は、１ｍｇ以下の荷重を測定できることが好ましい。本実施例では、荷重測定装置３００として、株式会社島津製作所製のUW620H電子天秤を用いている。このUW620H電子天秤は、容易に入手することが出来、１ｍｇの荷重を精度良く測定することが出来る。制御部６００は、荷重測定装置３００から荷重を取得し突き刺し荷重や突き刺しに要したストロークを算出する。膜保持治具２００は、評価対象である電解質膜５００を保持する。
【００３２】
図２は、膜保持治具の構成を示す説明図である。膜保持治具２００は、２枚の平板２１０、２２０と、ボルト２３０と、ナット２３５と、を備える。電解質膜５００は、平板２１０、２２０の間に挟まれ、ボルト２３０とナット２３５を用いて固定される。上側の平板２１０と下側の平板２２０は、それぞれ孔２１２、２２２を有し、孔２１２、２２２は、ちょうど重なる位置に開けられている。孔２１２は、カメラ４００を膜保持治具２００の斜め上方に配置したときに、針１０５が電解質膜５００に突き刺さる部分をカメラ４００で撮影することができる程度の大きさであればよく、例えば、平板２１０の厚さの１０倍以上の直径を有することが好ましい。
【００３３】
図１に戻り、説明を続ける。カメラ４００は、針１０５が電解質膜５００に突き刺さる部分を撮影できるように、台座１３０に立てられた支柱１４５に配置されている。本実施例では、カメラ４００として、株式会社キーエンス製のVH-Z50レンズ（倍率５０−５００倍、焦点距離８５［ｍｍ］）を備えたＣＣＤカメラを用いている。カメラ４００としては、ＣＣＤ素子を用いたカメラに限られず、ＭＯＳ素子や、撮像管を用いたカメラであってもよい。カメラ４００が撮影した画像は、表示装置４１０により表示される。
【００３４】
図３は、突き刺し器具の先端部を示す説明図である。突き刺し器具１００の先端部には、カーボン繊維で出来た針１０５が接着剤１０７により取り付けられており、針１０５は、例えば、折れたり曲がったりしたときは、容易に交換可能である。針１０５の直径は、燃料電池の電解質膜の両面に配置されるガス拡散層に用いられるカーボン繊維の直径と同じ太さである。具体的には、針１０５の太さは、直径５〜１０［μｍ］である。また、針１０５の突き刺し器具１００から突き出ている部分の長さ（接着剤１０７より下方の長さにほぼ等しい）は１００［μｍ］以下であることが好ましい。突き刺し器具１００から突き出ている部分の長さが長すぎると、評価対象である電解質膜に針１０５を刺したときに針１０５が折れる虞がある。なお、針１０５の材料としては、カーボン繊維の他、超硬合金を用いてもよい。超硬合金とは、硬質の金属炭化物の粉末を焼結して作られる合金である。代表的な超硬合金は、炭化タングステン（ＷＣ、タングステン・カーバイド）と結合剤（バインダ）であるコバルト（Ｃｏ）とを混合して焼結したものが挙げられる。なお超硬合金の材料特性を使用目的に応じてさらに向上させるため、炭化チタン（ＴｉＣ）や炭化タンタル（ＴａＣ）などが添加されてもよい。超硬合金は、カーボン繊維よりも、強度、耐久性が大きいため、針１０５が超硬合金で出来ている場合には、突き刺し器具１００から突き出ている部分の長さを１００［μｍ］以上とすることも可能である。その結果、針１０５が超硬合金で出来ている場合には、より厚い電解質膜を評価することが出来る。すなわち、超硬合金製の針１０５を用いると、より厚い電解質膜５００の評価が可能となる。また、カーボン繊維製の針１０５は先端の微細な形状についてバラツキがあるため、針１０５を交換したときの評価結果の比較が難しいが、超硬合金製の針１０５の場合には、先端の微細な形状についてバラツキが少なく、針１０５を交換したときの評価結果の比較が容易であるという利点もある。
【００３５】
膜強度測定装置１０による評価は、以下のように行うことが出来る。まず、膜保持治具２００に評価対象である電解質膜５００を保持する。このとき、膜保持治具２００を荷重測定装置３００の上に配置したときに電解質膜５００が水平になるようにボルト２３０上のナット２３５の位置を調整する。次に膜保持治具２００を荷重測定装置３００の上に配置する。そして、荷重測定装置３００をリセットする。すなわち、膜保持治具２００を荷重測定装置３００に載せた状態で、荷重測定装置３００の測定値がゼロとなるようにリセットする。
【００３６】
測定者は、突き刺し器具１００の先端部の針１０５を表示装置４１０で観察しながら、突き刺し器具移動装置１２０を操作して、針１０５を５０［μｍ／ｓ］以下の速度で電解質膜５００に突き刺すことが好ましく、１０［μｍ／ｓ］以下の速度で突き刺すことが特に好ましい。このような低速度であれば、針１０５の折れや曲がりを起こりにくく出来る。なお、測定者は、針１０５の折れや曲がりを表示装置４１０の画像を用いて確認することができ、評価中に針１０５が折れたりや曲がったりした場合には、評価を中断して針１０５を交換することができる。
【００３７】
図４は、突き刺し速度と荷重との関係を示すグラフである。針１０５が電解質膜５００に刺さると、針１０５から電解質膜５００に力が加わる。この力は、膜保持治具２００を介して荷重測定装置３００に伝わる。荷重測定装置３００は、この力を荷重として測定する。図４は、針１０５がちょうど電解質膜５００に接触したときを時間０［ｓ］ゼロ、荷重０［ｍＮ］としたグラフである。すなわち、針１０５がより下がると針１０５が電解質膜５００により強く押しつけられるため、測定される荷重がだんだんと大きくなる。そして、針１０５が電解質膜５００を突き抜けると、測定される荷重は急激に下がる。すなわち、針１０５が電解質膜５００を突き抜ける直前で荷重が最大となる。制御部６００は、荷重が変動開始し始めた時から荷重が最大値に至るまでの時間と、その時間における突き刺し器具の移動速度とから突き刺しに要したストロークを算出する。
【００３８】
図４では、針１０５の速度が５０［μｍ／ｓ］と６０［μｍ／ｓ］の２つ場合を示している。時間０［ｓ］で針１０５が電解質膜５００に接触する。この時の荷重は０［ｍＮ］である。その後、針１０５が電解質膜５００に向かって下がっていくと、電解質膜５００が伸びて荷重測定装置３００で計測される荷重が大きくなる。針１０５の速度が早いほど単位時間に針１０５が電解質膜５００を押す量も大きいので、荷重の上がり方が大きい。針１０５の速度が５０［μｍ／ｓ］の場合、時刻ｔ１で荷重がｇ１［ｍＮ］となり、その直後に荷重が０［ｍＮ］に落ちている。すなわち、時刻ｔ１で針１０５が電解質膜５００を貫通したため、荷重がほぼ０［ｍＮ］になったものと考えられる。荷重が０［ｍＮ］になる直前の荷重は、最も大きな荷重であり、電解質膜５００の突き刺し強度に相当する。一方、針１０５の速度が６０［μｍ／ｓ］の場合、時刻ｔ２で荷重が０［ｍＮ］に落ちている。その直前の荷重はｇ２［ｍＮ］（ｇ２＜ｇ１）である。すなわち、荷重がｇ１［ｍＮ］に達する前に荷重がほぼ０［ｍＮ］に落ちる。この原因は、針１０５の折損である。すなわち、針１０５が折損することにより針１０５からの荷重は電解質膜５００に伝わらなくなり、荷重がほぼ０［ｍＮ］となる。なお、荷重が急激に０［ｍＮ］に戻る場合、荷重の測定結果だけからは、針１０５の電解質膜５００の貫通なのか、針１０５の折損なのか、判別が困難な場合もある。このような場合には、カメラ４００を用いて判別することが可能である。出願人が検討したところ、針１０５の速度が５０［μｍ／ｓ］以下のゆっくりした速度であれば、針１０５の折損があまり発生せず、安定して測定できることが判明した。また、針１０５の速度が１０［μｍ／ｓ］以下であれば針１０５の折損がほとんど発生しないので、さらに好ましい。なお、針１０５の移動速度が、５０［μｍ／ｓ］以下であれば、カメラ４００を備えなくても良い。
【００３９】
以上、本実施例によれば、針１０５を５０［μｍ／ｓ］以下のゆっくりした速度で電解質膜５００に突き刺すので、針１０５の折れや曲がりを起こりにくく出来る。また、測定者は、針１０５の折れや曲がりをカメラ４００と表示装置４１０で確認しながら評価を行うことができる。また、荷重測定装置３００として、１ｍｇを測定可能な電子天秤といった、汎用の測定装置を用いることができるので、電解質膜５００の突き刺し評価を容易に行うことが出来る。
【００４０】
第２の実施例：
図５は、第２の実施例の膜強度測定装置を示す説明図である。第２の実施例の膜強度測定装置１１は、針１０５が突き抜けたことを検知する検知手段を備えることを除いて、第１の実施例の膜強度測定装置１０と同じである。膜強度測定装置１１は、例えば、ガス拡散層５１０を備えた電解質膜５００を測定する時に用いることが出来る。膜強度測定装置１１の膜保持治具２０１は、平板２２０が導電体で形成され、平板２１０とボルト２３０とが絶縁体で形成されている。そして、膜強度測定装置１１は、針１０５と平板２２０との間に電圧を印加する電圧印加装置４２０と、オシロスコープ４３０と、を備える。なお、針１０５は細いため、電圧印加装置４２０は、針１０５そのものではなく、突き刺し器具１００に接続されている。オシロスコープ４３０には、針１０５と平板２２０とが接続されるとともに、荷重測定装置３００の出力が接続されており、針１０５と平板２２０間の電圧と、荷重測定装置３００が測定した荷重を電気信号で表したものが表示される。
【００４１】
電解質膜５００は、例えば水素イオンのようなイオンをキャリアとした導電性を有しているが、自由電子を有しないため、電子をキャリアとした導電性は有していない。膜強度測定装置１１を用いる場合、電解質膜５００には水素が供給されないため、電解質膜５００に水素イオンが形成されない。したがって、膜強度測定装置１１を用いる場合、電解質膜５００自体には導電性が生じない。一方、ガス拡散層５１０は、炭素繊維を有しているので、電子（π電子）をキャリアとした導電性を有する。したがって、針１０５が、電解質膜５００を突き破り、ガス拡散層５１０に接すると、電子をキャリアとして、電流が流れる。
【００４２】
針１０５が電解質膜５００を突き抜ける前は、針１０５から平板２２０に電流は流れず、針１０５と平板２２０との間の電圧は、電圧印加装置４２０が発生させる電圧に等しい。一方、針１０５が電解質膜５００を突き抜けてガス拡散層５１０に接触すると、針１０５からガス拡散層５１０を通って平板２２０に電流が流れる。すなわち、針１０５と平板２２０との間の電圧は、小さくなる。したがって、この電圧の変化をオシロスコープ４３０で観察することにより、針１０５が電解質膜５００を突き抜けたときを検知することができる。ここで、電圧印加装置４２０が発生させる電圧としては、１．０［Ｖ］以下が好ましい。電圧が１．０［Ｖ］を越えると、針１０５が貫通する直前で電流が流れてしまい、電解質膜５００を突き抜けたときと、電流変化したときとが異なる虞がある。また、針１０５が電解質膜５００を貫通すると、短絡電流が流れるが、この短絡電流が大きくなると、針１０５に損傷を与える虞がある。したがって、電圧印加装置４２０が発生させる電圧として、１．０［Ｖ］以下とすることが好ましく、さらに、電流リミッターを備えることが好ましい。
【００４３】
以上、本実施例によれば、針１０５が電解質膜５００を貫通したときを、電圧の変化により確実に検知することができ、このときの荷重を突き刺し強度とすることができる。なお、針１０５が折損した場合には、針１０５が突き抜けたことを検知する検知手段において電圧の変化が起こる前に、荷重測定装置３００により測定される荷重が０［ｍＮ］になる。そのため、カメラ４００を備えなくても、針１０５が折損したのか、電解質膜５００を貫通したのか、を容易に判断することもできる。
【００４４】
本実施例では、電解質膜５００の平板２２０側にガス拡散層５１０を配置したが、ガス拡散層の代わりに、マイクロポーラス層を配置しても良い。また、ガス拡散層５１０を配置する代わりに、電解質膜５００に触媒層を形成し、膜電極接合体としても良い。
【００４５】
第３の実施例：
図６は、第３の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。第３の実施例において、膜保持治具２０２以外の構成は、第２の実施例と同じである。膜保持治具２０２は、評価対象である電解質膜５００を挟む２枚の平板２１１、２２１と、ボルト２３０とを備える。平板２１１が第２の実施例の平板２１０に対応し、平板２２１が第２の実施例の平板２２０に対応する。平板２１１は、平板２１０と比較すると、孔２１２に加え、第２の孔２１４をさらに備えており、孔の数が２つである点が異なる。平板２２０についても孔２２２、２２４と２つの孔を有している点は同じである。なお、孔２２２は孔２１２に対応する位置にあり、孔２２４は、孔２１４に対応する位置にある。
【００４６】
燃料電池に用いられる場合、電解質膜５００は、両面にガス拡散層５１０、５２０が配置され、さらにセパレータ５３０、５４０が配置される。セパレータ５３０は酸化ガスを通すための溝５３５を有しており、セパレータ５４０は、水素を通すための溝５４５を有している。孔２１２、２１４の直径は、それぞれ、溝５３５、５４５の幅に等しい大きさである。
【００４７】
本実施例では、孔２１２、２１４、２２２、２２４を、実際の燃料電池に用いられるセパレータ５３０、５４０の溝５３５、５４５の幅に合わせた大きさとしている。このように孔２１２、２１４、２２２、２２４の大きさを設定することにより、燃料電池内部を模擬して電解質膜の強度や針１０５が突き抜けるまでのストロークを評価することができる。また、平板２１１、２２１に複数の孔２１２、２１４、２２２、２２４を設けることにより、電解質膜５００を保持し直すことなく電解質膜５００を評価できるので、評価時間を短縮することができる。また、平板を多数作成する必要がないので、評価コストを下げることが出来る。
【００４８】
第４の実施例：
図７は、第４の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。第４の実施例では、膜保持治具２０３のボルト２３０は、第１〜第３の実施例のボルト２３０よりも長い。そして、図７に示すように、平板２１０、２２０を止めるナット２３５のボルト２３０上の位置を変えることにより、電解質膜５００を、針１０５の突き刺さる方向に対して直角ではなく、斜めに配置することができる。
【００４９】
以上、本実施例によれば、第１の実施例よりもボルト２３０の長さを長くし、平板２１０、２２０を止めるナット２３５のボルト２３０上の位置を変えることにより、針１０５の電解質膜５００に突き刺さる角度を容易に変えることが出来る。その結果、針１０５が電解質膜５００に突き刺さる角度を変えて突き刺し強度を評価することができる。
【００５０】
なお、本実施例では、ボルト２３０を長くし、平板２１０、２２０を止めるナット２３５のボルト２３０上の位置を変えることにより、電解質膜５００を水平から傾けているが、針１０５の取り付け角度及び移動方向を変えることにより、針１０５の電解質膜５００に突き刺さる角度を変えても良い。
【００５１】
第５の実施例：
図８は、第５の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。第５の実施例は、電解質膜５００を加熱する加熱機構を備える。加熱機構は、ヒータ４４０と、熱伝導板４５０と、熱電対４６０と、温度制御装置４７０と、を備える。また、第５の実施例では、膜保持治具２０４の平板２１０、２２０は、アルミニウムなどの熱伝導性のよい材料で形成され、ボルト２３０とナット２３５は、樹脂などの断熱性の高い材料で形成されている。熱伝導板４５０は、平板２１０、２２０とほぼ同じ大きさの平板であり、平板２１０、電解質膜５００、平板２２０、熱伝導板４５０の順番に、ボルト２３０とナット２３５により固定されている。熱伝導板４５０の平板２２０と反対側の面には、ヒータ４４０が配置されている。ヒータ４４０の熱は、熱伝導板４５０、平板２２０を介して、電解質膜５００に伝わる。熱電対４６０は、平板２２０の孔２２２と、電解質膜５００により閉ざされた空間２２５を測定する。この空間２２５の温度は、電解質膜５００の温度とほぼ同じである。温度制御装置４７０は、熱電対４６０から得られる電圧から、電解質膜５００の温度を算出し、電解質膜５００の温度が目標温度になるように、ヒータ４４０の温度を制御する。温度制御装置４７０は、目標温度として、例えば室温から１５０℃以上まで制御可能である。
【００５２】
以上、第５の実施例によれば、例えば、目標温度として、運転中の燃料電池の温度とすることで、燃料電池運転中における電解質膜５００の突き刺し評価を容易に行うことが出来る。また、第５の実施例によれば、膜保持治具２０４のみの温度を制御でき、膜強度測定装置全体を加熱する必要がない。
【００５３】
第５の実施例では、ヒータ４４０を用いて電解質膜５００を加熱したが、ヒータ４４０の代わりにペルチェ素子を用いることにより、電解質膜５００を冷却することもできる。
【００５４】
第６の実施例：
図９は、第６の実施例の膜強度測定装置で用いられる膜保持治具を示す説明図である。第６の実施例は、第５の実施例と比較すると、熱伝導板４５０の形状が異なる。熱伝導板４５０は、平板２２０側に液溜め４５２が形成されている。液溜め４５２の直径の大きさは、平板２２０の孔２２２と同じであり、液溜め４５２は、孔２２２とちょうど重なる位置に形成されている。液溜め４５２は、電解質膜５００を加湿する液水４５５を溜める。液溜め４５２中の液水４５５は、ヒータ４４０からの加熱により蒸発し、電解質膜５００に対し、相対湿度１００％の加湿を行う。
【００５５】
以上、本実施例によれば、加湿状態の電解質膜５００の突き刺し強度を評価することができる。
【００５６】
上記各実施例では、電解質膜５００の突き刺し強度を評価したが、電解質膜５００の少なくとも一方の面に触媒層が形成された膜電極接合体、あるいは、シート状のマイクロポーラス層などの突き刺し強度評価にも適用することができる。  
【００５７】
第７の実施例：
図１０は、第７の実施例の膜強度測定装置１２を示す説明図である。第７の実施例の膜強度測定装置１２は、突き刺し器具１００あるいは、突き刺し器具１００の先端部の針１０５に流れる電流を測定し、電流の変化を用いて針１０５が電解質膜５００を突き抜けたことを検知する。また、第７の実施例においては、電流の大きさを用いて、電解質膜５００の良否を判断することが可能である。
【００５８】
膜強度測定装置１２は、突き刺し器具１００と、突き刺し器具保持部１１０と、突き刺し器具移動装置１２０と、台座１３０と、支柱１４０、１４５と、膜保持治具２００と、荷重測定装置３００と、カメラ４００と、表示装置４１０と、制御部６００と、電圧印加装置４２０と、電気抵抗４２２と、電圧安定化装置４２４と、オシロスコープ４３０とを備える。
【００５９】
突き刺し器具１００は、下側の先端部に針１０５を有している。突き刺し器具１００は、突き刺し器具保持部１１０に保持されており、台座１３０に立てられた支柱１４０に取り付けられた突き刺し器具移動装置１２０により突き刺し器具保持部１１０ごと鉛直方向に移動される。ここで、突き刺し器具移動装置１２０は、突き刺し器具１００を５０［μｍ／ｓ］以下の一定速度で直線移動させられることが好ましい。針１０５は、この速度で電解質膜５００に突き刺さる。この速度が５０［μｍ／ｓ］以下であれば、針１０５が電解質膜５００に突き刺さるときの折れや変形を抑制することができる。本実施例では、突き刺し器具移動装置１２０として、駿河精機株式会社製のKXC06020-Cを用いている。
【００６０】
台座１３０は、荷重測定装置３００を積載し、荷重測定装置３００は、膜保持治具２００を積載している。荷重測定装置３００は、１ｍｇ以下の荷重を測定できることが好ましい。本実施例では、荷重測定装置３００として、株式会社島津製作所製のUW620H電子天秤を用いている。このUW620H電子天秤は、容易に入手することが出来、１ｍｇの荷重を精度良く測定することが出来る。制御部６００は、荷重測定装置３００から荷重を取得し突き刺し荷重や突き刺しに要したストロークを算出する。膜保持治具２００は、評価対象である電解質膜５００を保持する。
【００６１】
膜保持治具２００は、２枚の平板２１０、２２０と、ボルト２３０と、ナット２３５と、を備える。電解質膜５００は、平板２１０、２２０の間に挟まれ、ボルト２３０とナット２３５を用いて固定される。カメラ４００を膜保持治具２００の斜め上方に配置したときに、針１０５が電解質膜５００に突き刺さる部分をカメラ４００で撮影する。表示装置４１０は、カメラ４００が撮影した画像を表示する。なお、カメラ４００と、表示装置４１０は、無くても良い。
【００６２】
電圧印加装置４２０は、突き刺し器具１００の針１０５と、平板２２０と、の間に電圧を印加する。電気抵抗４２２は、電圧印加装置４２０と突き刺し器具１００との間に、直列に配置されている。オシロスコープ４３０は、電気抵抗４２２の両端に接続されており、電気抵抗４２２の両端の電圧を測定する。電気抵抗４２２の両端の電圧の差は、電気抵抗を流れる電流による電圧降下により生じる。電圧安定化装置４２４は、電解質膜５００に掛かる電圧（点Ｘと点Ｙの間の電圧）を一定の電圧に保つ。
【００６３】
測定者は、突き刺し器具１００の先端部の針１０５を表示装置４１０で観察しながら、突き刺し器具移動装置１２０を操作して、針１０５を５０［μｍ／ｓ］以下の速度で電解質膜５００に突き刺す。針１０５が電解質膜５００に接触すると、荷重測定装置３００に掛かる荷重が増加していき、針１０５が電解質膜５００を貫通すると、荷重測定装置３００に掛かる荷重が瞬時に減少する。荷重測定装置３００が荷重を検知してから、針１０５が電解質膜５００を貫通して荷重が減少するまでの時間と、針１０５の移動速度とから、突き刺し時における、針１０５が電解質膜５００に接触してから貫通するまでのストロークを算出することができる。
【００６４】
図１１は、針１０５の突き刺し距離（ストローク）と、突き刺し荷重との関係を示す説明図である。突き刺し荷重は、針１０５が被測定物（例えば電解質膜５００）に接触してからストロークが大きくなるに従って大きくなる。そして、針１０５が被測定物を貫通すると、突き刺し荷重は急激に低下する。
【００６５】
図１２は、針１０５の突き刺し距離（ストローク）と、突き刺し部における電気抵抗との関係を示す説明図である。針１０５が被測定物に接触すると、ストロークが大きくなるにつれて突き刺し部における電気抵抗はだんだんと小さくなっていく。針１０５が被測定物を貫通すると、電気抵抗の測定値は、急激に低下する。したがって、この電気抵抗を測定することで、針１０５が貫通したときのストロークを求めることができる。針１０５が貫通した後は、電気抵抗が大きくなっているが、この理由としては、針１０５が貫通すると大電流が流れるため、この電流により針１０５が損傷したためと考えられる。本実施例では、良品と不良品の２つのサンプルについて電気抵抗を測定したところ、針１０５が被測定物に接触してから貫通するまでの電気抵抗は、良品に比べ、不良品の方が早く小さくなることがわかった。したがって、針１０５が被測定物に接触してから貫通するまでの電気抵抗を用いて、被測定物の良否を判断することが可能である。なお、良品、不良品いずれであっても、貫通してからの電気抵抗の変化は、ほぼ同じである。
【００６６】
図１３は、針１０５の突き刺し距離（ストローク）と、針１０５に流れる電流との関係を示す説明図である。針１０５が被測定物に接触すると、ストロークが大きくなるにつれて、針１０５に流れる電流はだんだんと大きくなっていく。針１０５が被測定物を貫通すると、針１０５に流れる電流は、急激に増大する。したがって、この電流を測定することで、針１０５が貫通したときのストロークを求めることができる。針１０５が貫通した後は、電流が小さくなっているが、この理由としては、針１０５が貫通すると大電流が流れるため、この電流により針１０５が損傷したためと考えられる。本実施例では、良品と不良品の２つのサンプルについて電流を測定したところ、針１０５が被測定物に接触してから貫通するまでの電流は、良品に比べ、不良品の方が早く大きくなることがわかった。したがって、針１０５が被測定物に接触してから貫通するまでの電流を用いて、被測定物の良否を判断することが可能である。なお、良品、不良品いずれであっても、貫通してからの電流の変化は、ほぼ同じである。
【００６７】
図１４は、針１０５が被測定物に少し刺さった状態を示す説明図である。被測定物５０８は、複数の層を備えており、複数の層は、針１０５側から、触媒層５０２、電解質膜５００、触媒層５０４、撥水層５０６、ガス拡散層５１０である。撥水層５０６は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を有しており、マイクロポーラス層（ＭＰＬ）とも呼ばれる。撥水層５０６は導電性を有している。なお、撥水層５０６は無くても良い。ガス拡散層５１０は、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを有している。カーボンクロスやカーボンペーパーは、炭素繊維を有しているので、電子（π電子）をキャリアとした導電性を有する。したがって、ガス拡散層５１０も導電性を有している。
【００６８】
図１４に示す状態は、針１０５は、触媒層５０２を貫通し、電解質膜５００に突き刺さっているが、電解質膜５００を貫通していない、状態を示している。この状態では、針１０５から触媒層５０４に向かってリーク電流が流れる場合がある。図１３に示される電流は、このリーク電流と等しい。なお、リーク電流の大きさは、電解質膜５００の状態に依存する。すなわち、電解質膜５００に欠陥（例えば孔や異物）があると、リーク電流が大きくなる。したがって、リーク電流の大きさを測定することにより、電解質膜５００の欠陥を検出することが可能である。なお、図１１に示すように、突き刺し荷重は、針１０５が被測定物（例えば電解質膜５００）に接触してからストロークが大きくなるに従って大きくなるので、突き刺し荷重により電解質膜の強度を測定することは可能である。しかし、欠陥による差異は、突き刺し荷重には現れないので、突き刺し荷重から欠陥を検出することは困難である。したがって、このリーク電流を用いて電解質膜５００の欠陥の評価を行ってもよい。
【００６９】
図１５は、針１０５が触媒層５０４を貫通した状態を示す説明図である。この状態では、電圧印加装置４２０と、突き刺し器具１００と、針１０５と、平板２２０は、閉回路を形成し、短絡電流Ｉが流れる。この短絡電流Ｉは、電気抵抗４２２の両端の電圧Ｖおよび電気抵抗４２２の電気抵抗値Ｒを用いて算出（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）することができる。
【００７０】
また、本実施例によれば、短絡時に発熱も評価できる。針１０５に掛かる電圧は、電圧印加装置４２０の印加電圧ＶＤＤから電気抵抗４２２による電圧降下（Ｖ＝ＲＩ）を引いた値（ＶＤＤ−ＲＩ）である。この針１０５に掛かる電圧（ＶＤＤ−ＲＩ）に短絡電流Ｉを掛けると、針１０５のジュール熱を求めることができる。実際の燃料電池の運転状態を模擬する場合、針１０５の材料としてガス拡散層５１０に用いられているカーボン繊維を用いても良い。このジュール熱は、膜材料の耐熱温度設計の目安とすることができる。
【００７１】
短絡電流Ｉは大きな電流であるため、針１０５を損傷する場合もある。本実施例では、閉回路に電気抵抗４２２を備える。そのため、短絡電流Ｉの大きさを小さくし、針１０５の損傷を抑制することができる。また、電気抵抗４２２の電気抵抗値を適宜選択することで、ダイナミックレンジを広げてもよい。針１０５の突き刺し前後の電流を精度良く測定することができる。なお、電気抵抗４２２の電気抵抗値を大きくしすぎると、電気抵抗４２２の両端の電圧が大きくなり、針１０５に流れる電流が小さくなる。本実施例では、電圧安定化装置４２４を備えており、点Ｘと点Ｙの間の電圧を一定の電圧に保つことで、針１０５の電圧（被測定物５０８に掛かる電圧）を一定に保つことが可能となる。これにより、燃料電池の単セル内部で短絡が生じたときの状態を再現しつつ、短絡電流を測定することが可能となる。なお、電圧安定化装置４２４が保つ一定電圧の値として、例えば、燃料電池の単セルの運転時の電圧である０．６〜１．２Ｖとしても良い。ただし、電圧安定化装置４２４が保つ一定電圧の値は、積層したセル中の１つの単セルが逆電位を生じたときに発生しうる電圧である２Ｖ程度など、０．６Ｖ〜１．２Ｖ以外の値であってもよい。
【００７２】
図１６は、電解質膜５００の膜強度と絶縁性との関係を示す説明図である。電解質膜５００の膜強度は、針１０５が電解質膜５００に接触してから貫通するまでのストロークを用いて評価できる。また、電解質膜５００の絶縁性は、電解質膜５００の電気抵抗あるいは、電解質膜５００に流れるリーク電流を用いて評価できる。図１６からわかるように、電解質膜５００の膜強度と絶縁性の間には相関があり、膜強度が大きければ、絶縁性も大きい。ただし、上述したように、電解質膜５００に膜強度があっても、電解質膜５００に欠陥があるため、絶縁性が低い場合もある。したがって、膜強度、絶縁性のいずれもが良い領域を良品とすることが好ましい。
【００７３】
以上、第７の実施例によれば、針１０５が被測定物を突き抜けたときを、針１０５に流れる電流を用いて検出し、突き刺し荷重を求めるので、針１０５が被測定物を突き抜けたときを正確に判断し、そのときの突き刺し荷重を測定できる。また電流値を用いて、電解質膜の欠陥を評価できる。
【００７４】
第７の実施例によれば、針１０５と直列に接続された電気抵抗４２２を備えるので、短絡電流Ｉの大きさを小さくし、針１０５の損傷を抑制することができる。また、電気抵抗４２２の電気抵抗値を適宜選択することで、ダイナミックレンジを広げ、電流を精度良く測定することができる。
【００７５】
第７の実施例によれば、オシロスコープ４３０を用いて、電気抵抗４２２の電圧降下を測定することにより針１０５に流れる電流を間接的に測定するので、電流を直接測定する場合に比べ、測定系の影響を少なくできる。
【００７６】
第７の実施例によれば、電圧安定化装置４２４を備えるので、針１０５が被測定物を貫通して短絡電流が流れても、針１０５に一定の電圧を印加することが可能であり、燃料電池の単セル内部で短絡が生じたときの状態を再現しつつ、短絡電流を測定することが可能となる。
【００７７】
第７の実施例では、オシロスコープ４３０を用いて、電気抵抗４２２の電圧降下を測定することにより針１０５に流れる電流を間接的に測定しているが、電流計を直列に接続して、電流を直接的に測定しても良い。
【００７８】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００７９】
１０、１１、１２…膜強度測定装置
１００…突き刺し器具
１０５…針
１０７…接着剤
１１０…突き刺し器具保持部
１２０…治具移動装置
１３０…台座
１４０、１４５…支柱
２００〜２０４…膜保持治具
２１０、２１１、２２０、２２１…平板
２１２、２１４、２２２、２２４…孔
２２５…空間
２３０…ボルト
２３５…ナット
３００…荷重測定装置
４００…カメラ
４１０…表示装置
４２０…電圧印加装置
４２２…電気抵抗
４２４…電圧安定化装置
４３０…オシロスコープ
４４０…ヒータ
４５０…熱伝導板
４５５…液水
４６０…熱電対
４７０…温度制御装置
５００…電解質膜
５１０…ガス拡散層
５３０、５４０…セパレータ
５３５、５４５…溝
６００…制御部
【図１】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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