(57)【要約】【課題】  電極と電解質膜との接触面積の測定精度を向上させることができるプロトン伝導度測定装置を提供する。【解決手段】プロトン伝導度測定装置（５）は、プロトン伝導性を有する電解質膜（２００）を膜厚方向に挟持する第１電極（２０）および第２電極（３０）と、第１電極の第２電極と反対側に配置された基板（４１）と、基板を第１電極と反対側から支持する剛体（４２）と、基板を第１電極と反対側から支持する弾性部材（４３）と、を有する第１電極支持手段（４０）と、を備え、弾性部材の弾性率は基板の弾性率よりも小さいことを特徴とするものである。【選択図】      図８
2011153933.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜を膜厚方向に挟持する第１電極および第２電極と、
前記第１電極の前記第２電極と反対側に配置された基板と、前記基板を前記第１電極と反対側から支持する剛体と、前記基板を前記第１電極と反対側から支持する弾性部材と、を有する第１電極支持手段と、を備え、
前記弾性部材の弾性率は前記基板の弾性率よりも小さいことを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
【請求項２】
前記電解質膜のプロトン伝導度を、前記電解質膜のインピーダンスと、前記第２電極と前記電解質膜との接触面積と、前記電解質膜の膜厚と、を用いて算出するプロトン伝導度算出手段を備えることを特徴とする請求項１記載のプロトン伝導度測定装置。
【請求項３】
前記電解質膜を支持するための電解質膜支持手段と、
前記第２電極を前記第１電極に近づく方向および前記第１電極から離れる方向へ移動させる第２電極移動手段と、
前記第２電極の移動と同方向に連動するように、前記電解質膜支持手段を前記第１電極に近づく方向および前記第１電極から離れる方向へ移動させる電解質膜移動手段と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のプロトン伝導度測定装置。
【請求項４】
前記第２電極は光透過性を有し、
前記電解質膜を前記第１電極および前記第２電極で挟持した状態で、前記第２電極の側から前記第１電極へ光を照射する照射手段と、
前記照射手段から照射された光の前記第２電極の前記第１電極側からの反射光を用いて、前記第２電極と前記電解質膜との前記接触面積を算出する接触面積算出手段と、を備え、
前記プロトン伝導度算出手段は、前記接触面積算出手段の算出結果を用いて前記プロトン伝導度を算出することを特徴とする請求項２記載のプロトン伝導度測定装置。
【請求項５】
前記第２電極は光透過性を有し、
前記第２電極を前記第１電極と反対側から支持するとともに光透過性を有する第２電極支持体と、
前記電解質膜を前記第１電極および前記第２電極で挟持した状態で、前記第２電極支持体の側から前記第１電極の側へ光を照射する照射手段と、
前記照射手段から照射された光の前記第１電極の前記第２電極側の面からの反射光と、前記第２電極支持体の前記第２電極側の面からの反射光または前記第２電極の前記第１電極側の面からの反射光と、を用いて、前記電解質膜の前記膜厚を算出する膜厚算出手段と、を備え、
前記プロトン伝導度算出手段は、前記膜厚算出手段の算出結果を用いて前記プロトン伝導度を算出することを特徴とする請求項２記載のプロトン伝導度測定装置。
【請求項６】
前記第２電極支持体の屈折率は、水を吸って膨潤状態になった前記電解質膜の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項５記載のプロトン伝導度測定装置。
【請求項７】
前記剛体は、前記基板を前記第１電極と反対側から点接触によって支持していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン伝導度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
このような燃料電池の電解質膜としてプロトン伝導性を有する電解質膜が用いられることがある。この電解質膜のプロトン伝導度は、電解質膜をその膜厚方向から一対の電極で挟持して電解質膜のインピーダンスを測定し、この測定されたインピーダンスと、電極の電解質膜への接触面積と、電解質膜の膜厚と、を用いて、算出される。
【０００４】
特許文献１には、三角プリズムの直角に対向する面に形成された透明導電性被膜に被測定物を押し当てた状態で、透明導電性被膜の被測定物への接触面積を光学的に測定する方法が開示されている。この方法をプロトン伝導度測定に応用すれば、電解質膜を挟持する一方の電極の電解質膜への接触面積を実測することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２９６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る方法をプロトン伝導度測定に応用したとしても、電解質膜の膜厚が一様でない場合には、電解質膜を一対の電極で挟持したときに、電極と電解質膜との間に隙間が生じるおそれがある。このように電極と電解質膜との密着度が悪い場合、電極と電解質膜との接触面積の測定精度が悪化するおそれがある。
【０００７】
本発明は、電極と電解質膜との接触面積の測定精度を向上させることができるプロトン伝導度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るプロトン伝導度測定装置は、プロトン伝導性を有する電解質膜を膜厚方向に挟持する第１電極および第２電極と、第１電極の第２電極と反対側に配置された基板と、基板を第１電極と反対側から支持する剛体と、基板を第１電極と反対側から支持する弾性部材と、を有する第１電極支持手段と、を備え、弾性部材の弾性率は基板の弾性率よりも小さいことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係るプロトン伝導度測定装置によれば、弾性部材の弾性率が基板の弾性率よりも小さいことから、基板は剛体を支点として傾斜することができる。それにより、第１電極および第２電極で電解質膜を挟持した際に、第１電極の第２電極側の面を電解質膜の表面に沿って傾斜させることができる。その結果、第１電極と電解質膜との密着度を向上させることができる。それにより、電極と電解質膜との接触面積の測定精度を向上させることができる。
【００１０】
上記構成は、電解質膜のプロトン伝導度を、電解質膜のインピーダンスと、第２電極と電解質膜との接触面積と、電解質膜の膜厚と、を用いて算出するプロトン伝導度算出手段を備えていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、第１電極支持手段によって第１電極と電解質膜との密着度が向上した状態で、電解質膜のプロトン伝導度を算出することができる。それにより、精度よくプロトン伝導度を測定することができる。
【００１２】
上記構成は、電解質膜を支持するための電解質膜支持手段と、第２電極を第１電極に近づく方向および第１電極から離れる方向へ移動させる第２電極移動手段と、第２電極の移動と同方向に連動するように、電解質膜支持手段を第１電極に近づく方向および第１電極から離れる方向へ移動させる電解質膜移動手段と、を備えていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、第２電極が第１電極から離れる方向へ移動したときには、電解質膜も第１電極から離れる方向へ移動することができる。それにより、電解質膜と第１電極とが結着して電解質膜が第１電極から剥がれなくなることを抑制することができる。
【００１４】
上記構成において第２電極は光透過性を有し、また上記構成は、電解質膜を第１電極および第２電極で挟持した状態で、第２電極の側から第１電極へ光を照射する照射手段と、照射手段から照射された光の第２電極の第１電極側からの反射光を用いて、第２電極と電解質膜との接触面積を算出する接触面積算出手段と、を備え、さらにプロトン伝導度算出手段は、接触面積算出手段の算出結果を用いてプロトン伝導度を算出してもよい。
【００１５】
この構成によれば、例えば第２電極と電解質膜との接触面積を第２電極の第１電極側の面の面積で代用する場合に比較して、精度よくプロトン伝導度を測定することができる。
【００１６】
上記構成において第２電極は光透過性を有し、また上記構成は、第２電極を第１電極と反対側から支持するとともに光透過性を有する第２電極支持体と、電解質膜を第１電極および第２電極で挟持した状態で、第２電極支持体の側から第１電極の側へ光を照射する照射手段と、照射手段から照射された光の第１電極の第２電極側の面からの反射光と、第２電極支持体の第２電極側の面からの反射光または第２電極の第１電極側の面からの反射光と、を用いて、電解質膜の膜厚を算出する膜厚算出手段と、を備え、さらにプロトン伝導度算出手段は、膜厚算出手段の算出結果を用いてプロトン伝導度を算出してもよい。
【００１７】
この構成によれば、例えば第１電極および第２電極によって挟持される前に測定した電解質膜の膜厚をプロトン伝導度算出時の電解質膜の膜厚に代用する場合に比較して、精度よくプロトン伝導度を測定することができる。
【００１８】
上記構成において、第２電極支持体の屈折率は、水を吸って膨潤状態になった電解質膜の屈折率よりも大きくてもよい。この構成によれば、膨潤状態の電解質膜の膜厚を算出することができる。上記構成において剛体は、基板を第１電極と反対側から点接触によって支持していてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電極と電解質膜との接触面積の測定精度を向上させることができるプロトン伝導度測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係るプロトン伝導度測定装置の概略構成を説明するための模式図であり、プロトン伝導度測定中のプロトン伝導度測定装置の模式図である。
【図２】実施例１に係るプロトン伝導度測定装置の概略構成を説明するための模式図であり、プロトン伝導度測定終了後のプロトン伝導度測定装置の模式図である。
【図３】演算制御装置の機能ブロック図である。
【図４】インピーダンス測定の詳細を説明するための模式的断面図である。
【図５】第２電極と電解質膜との接触面積算出の詳細を説明するための模式図である。
【図６】電解質膜の膜厚算出の詳細を説明するための模式図である。
【図７】演算制御装置のフローチャートの一例を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、第１電極支持部の詳細を説明するための模式的断面図である。図８（ｂ）は、弾性部材および剛体を、基板側から見た図である。
【図９】第１電極支持部の作用を説明するための模式的断面図である。
【図１０】剛体の他の形状を説明するための模式的断面図である。
【図１１】弾性部材の他の例を説明するための図である。
【図１２】図１２（ａ）は、電解質膜支持部の詳細を説明するための模式的断面図である。図１２（ｂ）は、第２ホルダの模式的斜視図である。
【図１３】電解質膜支持部の作用を説明するための模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の実施例１に係るプロトン伝導度測定装置５について説明する。図１および図２は、プロトン伝導度測定装置５の概略構成を説明するための模式図である。図１は、プロトン伝導度測定中のプロトン伝導度測定装置５の模式図であり、図２は、プロトン伝導度測定終了後のプロトン伝導度測定装置５の模式図である。プロトン伝導度測定装置５は、電解質膜支持部１０、第１電極２０、第２電極３０、第１電極支持部４０、第２電極支持部５０、第２電極変位機構６０、電解質膜変位機構７０、第１照射部８０、第１受光部９０、第２照射部１００、第２受光部１１０、インピーダンス測定部１２０および演算制御装置１３０を備える。
【００２３】
電解質膜支持部１０は、電解質膜２００を支持する部材である。電解質膜２００としては、プロトン伝導性を有する電解質膜であれば特に限定されず、固体高分子型燃料電池の電解質膜、水電解槽、食塩電解槽、塩酸電解槽等、種々の電気化学装置に用いる電解質膜を用いることができる。本実施例の電解質膜２００は、固体高分子型燃料電池の電解質膜である。
【００２４】
第１電極２０と第２電極３０とは、互いに対向するように配置されている。第１電極２０および第２電極３０は、プロトン伝導度の測定時に、電解質膜２００を挟持する。本実施例において、第１電極２０は、プロトン伝導度の測定時に電解質膜２００の下方から電解質膜２００に接触する。第２電極３０は、プロトン伝導度の測定時に電解質膜２００の上方から電解質膜２００に接触する。
【００２５】
第１電極２０は、導電性を有している。また、第１電極２０の第２電極３０側の面は、光反射性を有している。このような性質を有するものであれば、第１電極２０の材質は特に限定されない。本実施例において、第１電極２０の材質は、金（Ａｕ）である。
【００２６】
第２電極３０は、導電性および光透過性を有している。第２電極３０の材質としては、例えば、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等を用いることができる。
【００２７】
第１電極支持部４０は、第１電極２０の第２電極３０と反対側から第１電極２０を支持している。第１電極支持部４０と第１電極２０とは、電気的に絶縁されている。
【００２８】
第２電極支持部５０は、第２電極３０の第１電極２０と反対側に配置されている。第２電極支持部５０は、光透過性を有している。第２電極支持部５０の材質として、例えば、ガラス、透明アクリル等を用いることができる。また、第２電極支持部５０と第２電極３０とは電気的に絶縁されている。第２電極支持部５０の材質として、ガラス、透明アクリル等を用いた場合には、第２電極支持部５０自体が電気的絶縁性を有することから、第２電極支持部５０と第２電極３０とを電気的に絶縁することができる。第２電極支持部５０の形状は、特に限定されないが、本実施例においては直方体形状である。
【００２９】
第２電極変位機構６０は、演算制御装置１３０によって制御されて、第２電極３０を第１電極２０に近づく方向および第１電極２０から離れる方向へ移動させる機構である。第２電極変位機構６０は、このような作用を有する機構であれば特に限定されない。本実施例に係る第２電極変位機構６０は、一例として、第２電極支持部用支持体６１、ラック６２、ピニオン６３、モータ６４およびセンサ６５を備える。
【００３０】
第２電極支持部用支持体６１は、第２電極支持部５０を支持するための部材である。本実施例において、第２電極支持部用支持体６１は、第２電極支持部５０の第２電極３０と反対側の面に接続されて、第２電極支持部５０を支持している。
【００３１】
ラック６２は、第２電極支持部用支持体６１に取り付けられている。ピニオン６３は、ラック６２に噛み合うとともに、モータ６４によって駆動される。それにより、ピニオン６３は、ラック６２を第１電極２０に近づく方向および第１電極２０から離れる方向へ移動させる。モータ６４は、演算制御装置１３０によって制御されて、ピニオン６３を駆動する。センサ６５は、第２電極支持部用支持体６１の変位量を検出し、検出結果を演算制御装置１３０に伝える。
【００３２】
電解質膜変位機構７０は、演算制御装置１３０によって制御されて、電解質膜支持部１０を、第１電極２０に近づく方向および第１電極２０から離れる方向へ移動させる機構である。電解質膜変位機構７０は、このような作用を有する機構であれば特に限定されない。本実施例に係る電解質膜変位機構７０は、一例として、ラック７１、ピニオン７２、モータ７３およびセンサ７４を備える。
【００３３】
ラック７１は、電解質膜支持部１０の側面に接続している。ピニオン７２は、ラック７１に噛み合うとともに、モータ７３によって駆動される。それにより、ピニオン７２は、ラック７１を第１電極２０に近づく方向および第１電極２０から離れる方向に移動させる。モータ７３は、演算制御装置１３０によって制御されて、ピニオン７２を駆動する。センサ７４は、電解質膜支持部１０の変位量を検出し、検出結果を演算制御装置１３０に伝える。
【００３４】
第１照射部８０は、演算制御装置１３０によって制御されて光を照射する。第１受光部９０は、第１照射部８０からの照射光の反射光を受光し、反射光の情報を演算制御装置１３０に伝える。演算制御装置１３０は、第１受光部９０からの反射光の情報を用いて、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出する。
【００３５】
第２照射部１００は、演算制御装置１３０によって制御されて光を照射する。第２受光部１１０は、第２照射部１００からの照射光の反射光を受光し、反射光の情報を演算制御装置１３０に伝える。演算制御装置１３０は、第２受光部１１０からの反射光の情報を用いて、電解質膜２００の膜厚を算出する。
【００３６】
インピーダンス測定部１２０は、演算制御装置１３０によって制御されて、電解質膜２００のインピーダンスを測定する。インピーダンス測定部１２０は、測定結果を演算制御装置１３０に伝える。
【００３７】
演算制御装置１３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）１３１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）１３２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）１３３を備えるコンピュータである。演算制御装置１３０は、プロトン伝導度測定装置５の動作全般を統合的に制御するとともに、プロトン伝導度を算出する。
【００３８】
図３は、演算制御装置１３０の機能ブロック図である。演算制御装置１３０の機能は、制御部１４０、記憶部１４１、接触面積算出部１４２、膜厚算出部１４３およびプロトン伝導度算出部１４４によって実現される。制御部１４０、接触面積算出部１４２、膜厚算出部１４３およびプロトン伝導度算出部１４４における処理は、例えばＲＯＭ１３２に記憶されているプログラムに基づいてＲＡＭ１３３を一時記憶メモリとして使用しながらＣＰＵ１３１が動作することによって実行される。記憶部１４１における処理は、例えばＲＯＭ１３２およびＲＡＭ１３３によって実行される。
【００３９】
制御部１４０は、センサ６５の検出結果を受けて第２電極３０の第１電極２０に対する相対位置を取得し、この取得結果に基づいてモータ６４を制御する。それにより、第２電極３０は第１電極２０に対して相対移動する。すなわち、本実施例において、第２電極変位機構６０および制御部１４０は、第２電極３０を第１電極２０に近づく方向および第１電極２０から離れる方向へ移動させる第２電極移動手段としての機能を有する。
【００４０】
また、制御部１４０は、センサ７４の検出結果を受けて電解質膜支持部１０の第１電極２０に対する相対位置を取得し、この取得結果に基づいてモータ７３を制御する。また、制御部１４０は、モータ６４の制御と連動させてモータ７３を制御する。それにより、電解質膜支持部１０は、第２電極３０の第１電極２０に対する相対移動に連動して、第１電極２０に対して相対移動する。すなわち、本実施例において、電解質膜変位機構７０および制御部１４０は、第２電極３０の移動と同方向に連動するように、電解質膜支持部１０を第１電極２０に近づく方向および第１電極２０から離れる方向へ移動させる電解質膜移動手段としての機能を有する。
【００４１】
なお、制御部１４０は、第１電極２０に対する第２電極３０の相対移動量が第１電極２０に対する電解質膜支持部１０の相対移動量よりも大きくなるように、モータ６４およびモータ７３を制御する。この場合、第２電極３０が第１電極２０から離れる方向へ移動したとき、第２電極３０と電解質膜２００とを離すことができる。
【００４２】
また、制御部１４０は、接触面積測定時には、第１照射部８０の動作を制御し、膜厚測定時には、第２照射部１００の動作を制御する。制御部１４０は、インピーダンス測定時には、インピーダンス測定部１２０の動作を制御する。
【００４３】
記憶部１４１は、第２電極３０の厚みを記憶している。記憶部１４１は、この厚み情報を膜厚算出部１４３に伝える。
【００４４】
接触面積算出部１４２は、第１受光部９０からの情報に基づいて、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出する。接触面積算出部１４２は、算出結果をプロトン伝導度算出部１４４に伝える。
【００４５】
膜厚算出部１４３は、第２受光部１１０からの情報および記憶部１４１からの情報に基づいて、電解質膜２００が第１電極２０および第２電極３０で挟持されたときの電解質膜２００の膜厚を算出する。膜厚算出部１４３は、算出結果をプロトン伝導度算出部１４４に伝える。
【００４６】
プロトン伝導度算出部１４４は、インピーダンス測定部１２０が測定した電解質膜２００のインピーダンスＲ（Ω）、接触面積算出部１４２が算出した第２電極３０と電解質膜２００との接触面積Ｓ（ｃｍ２）および膜厚算出部１４３が算出した電解質膜２００の膜厚ｄ（ｃｍ）を受け取る。プロトン伝導度算出部１４４は、プロトン伝導度σ（Ｓ／ｃｍ）を、接触面積Ｓ、インピーダンスＲおよび膜厚ｄを用いて、下記数１に従って、算出する。
【００４７】
【数１】
2011153933.tif 000003
【００４８】
すなわち、プロトン伝導度算出部１４４は、電解質膜２００のプロトン伝導度σを、電解質膜２００のインピーダンスＲと、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積Ｓと、電解質膜２００の膜厚ｄと、を用いて算出するプロトン伝導度算出手段としての機能を有する。
【００４９】
図４は、インピーダンス測定の詳細を説明するための模式的断面図である。ここで、前述したように、本実施例において第１電極２０と第１電極支持部４０とは、電気的に絶縁されており、第２電極３０と第２電極支持部５０とは、電気的に絶縁されている。このように電極と電極支持部とが電気的に絶縁されているのは、インピーダンス測定時において電極支持部の誘電率の影響を排除するためである。
【００５０】
そこで、本実施例においては、第１電極２０および第１電極支持部４０の側面にはリード線１２１が配置されている。また、第２電極３０および第２電極支持部５０の側面には、リード線１２２が配置されている。リード線１２１およびリード線１２２は、インピーダンス測定部１２０と電気的に接続されている。これにより、第１電極２０および第２電極３０とインピーダンス測定部１２０との電気的接続が確保されている。なお、リード線１２２は、第１照射部８０からの照射光およびこの照射光の反射光に干渉しないように配置され、かつ第２照射部１００からの照射光およびこの照射光の反射光に干渉しないように配置されている。
【００５１】
なお、第２電極３０とインピーダンス測定部１２０とを電気的に接続できる態様であれば、リード線１２１は、例えば、第１電極２０および第１電極支持部４０の内部に埋め込まれていてもよい。また、第１照射部８０からの照射光およびこの照射光の反射光と干渉することなく、かつ第２照射部１００からの照射光およびこの照射光の反射光と干渉することなく第１電極２０とインピーダンス測定部１２０とを電気的に接続できる態様であれば、リード線１２２は、例えば、第２電極支持部５０および第２電極３０の内部に埋め込まれていてもよい。
【００５２】
インピーダンス測定部１２０は、制御部１４０からの測定指示を受けて、第１電極２０および第２電極３０を介して電解質膜２００に交流電圧を印加する。インピーダンス測定部１２０は、交流電圧を印加したときの電流応答に基づいて、電解質膜２００の交流インピーダンスを測定する。インピーダンス測定部１２０は、測定したインピーダンスをプロトン伝導度算出部１４４に伝える。
【００５３】
図５は、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積の算出の詳細を説明するための模式図である。制御部１４０からの照射指示を受けた第１照射部８０は、第２電極３０側から第１電極２０に向けて、第２電極３０の第１電極２０側の面と直交しない角度で光を照射する。なお、本実施例においては、第１照射部８０は、照射された光が第２電極３０の第２電極支持部５０側の面を通過するように、第２電極支持部５０の側方から光を照射している。第１照射部８０の照射光としては、例えばレーザー光、発光ダイオード光等を用いることができる。
【００５４】
第１照射部８０から照射された光の少なくとも一部は、第２電極３０の第１電極２０側の面で反射する。その後、反射光は、第２電極支持部５０の側方を通過して、第１受光部９０によって受光される。第１受光部９０は、受光した反射光の情報を接触面積算出部１４２に伝える。第１照射部８０は、第２電極３０の第１電極２０側の面全体から反射光が得られるように、照射角度を変化させながら光を照射する。
【００５５】
ここで、例えば図５に示すように電解質膜２００の第２電極３０側の表面形状が波打っている場合等には、第２電極３０と電解質膜２００との間に隙間が生じる箇所が出来る。この隙間には、電解質膜２００および第２電極３０よりも小さい屈折率を有する空気が存在する。この場合、第１照射部８０から同時に発光された照射光のうち、第２電極３０と電解質膜２００との間に隙間がある箇所に照射された照射光８１の反射光８２と、第２電極３０と電解質膜２００との間に隙間がない箇所に照射された照射光８３の反射光８４とは、位相が互いに異なる。したがって、反射光８２と反射光８４との位相差の情報は、第２電極３０と電解質膜２００との接触状態に関する情報を含んでいる。そこで、反射光８２と反射光８４との位相差に基づいて、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出することができる。
【００５６】
例えば、第１受光部９０は、反射光８２と反射光８４との位相差を検出する。接触面積算出部１４２は、第１受光部９０の検出結果に基づいて、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出する。すなわち、本実施例において、接触面積算出部１４２は、第１照射部８０（照射手段）から照射された光の第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射光を用いて、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出する接触面積算出手段としての機能を有する。
【００５７】
但し、このように第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を光学的に測定できる手法であれば、上記測定手法に限定されない。例えば、特許文献１に記載の方法を本実施例に応用してもよい。具体的には、空気の屈折率が電解質膜２００の屈折率よりも小さいことから、照射光８１の第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射率は、照射光８３の第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射率よりも高くなる。このため、反射光８２の明度または輝度は、反射光８４の明度または輝度よりも高くなる。そこで、第１受光部９０としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、デジタルマイクロスコープ等を用いて、この明度または輝度を検出する。そして、接触面積算出部１４２は、例えば画像処理の手法を用いて第１受光部９０が検出した明度または輝度を２値化することによって、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出してもよい。
【００５８】
図６は、電解質膜２００の膜厚算出の詳細を説明するための模式図である。ここで、第１の媒体を通過した光が屈折率の異なる第２の媒体に入射するとき、第１の媒体と第２の媒体との界面から反射光が得られるという性質がある。本実施例に係るプロトン伝導度測定装置５は、この反射光を利用して、電解質膜２００の膜厚を算出する。
【００５９】
制御部１４０からの照射指示を受けた第２照射部１００は、第２電極支持部５０の側方から第１電極２０へ向けて、第２電極３０の第１電極２０側の面と直交しない角度で光を照射する。本実施例において、第２照射部１００の照射光は、レーザー光である。
【００６０】
ここで、第２電極支持部５０の屈折率が第２電極３０の屈折率よりも大きく、かつ第２電極３０の屈折率と電解質膜２００の屈折率とが等しい場合を想定する。この場合、第２照射部１００からの照射光１０１の少なくとも一部は、第２電極支持部５０の第２電極３０側の面で反射して、反射光１０２となる。一方、前述したように第１電極２０の電解質膜２００側の面は光反射性を有していることから、電解質膜２００を通過した照射光１０１は、第１電極２０の第２電極３０側の面で反射して、反射光１０３となる。
【００６１】
ここで、反射光１０３は反射光１０２よりも光路長が長いことから、反射光１０３の位相は反射光１０２の位相より遅れる。したがって、反射光１０２と反射光１０３とが重ね合わさった干渉波は、反射光が通過した光路長に関する情報を含んでいる。したがって、干渉波の情報を用いることによって、第２電極３０および電解質膜２００の厚みの合計値を算出することができる。例えば、干渉波の情報から反射光が通過した光路長に関する情報を抽出し、この光路長に関する情報から第２電極３０および電解質膜２００の厚みの合計値を算出することができる。
【００６２】
例えば、第２受光部１１０は、反射光１０２と反射光１０３とが重ね合わさった干渉波の情報（例えば干渉波の波形に関する情報等）を検出し、検出結果を膜厚算出部１４３に伝える。膜厚算出部１４３は、第２受光部１１０が検出した干渉波の情報に基づいて、第２電極３０および電解質膜２００の厚みの合計値を算出する。そして膜厚算出部１４３は、この厚みの合計値から記憶部１４１が記憶している第２電極３０の厚みを差し引くことによって、電解質膜２００の膜厚を算出する。すなわち、膜厚算出部１４３は、第２照射部１００（照射手段）から照射された光の第１電極２０の第２電極３０側の面からの反射光と、第２電極支持部５０の前記第２電極３０側の面からの反射光と、を用いて、電解質膜２００の膜厚を算出する膜厚算出手段としての機能を有する。
【００６３】
但し、このように電解質膜２００の膜厚を光学的に測定できる手法であれば、本実施例の測定手法に限定されず、例えば、分光干渉法による非接触膜厚測定法等のような公知の測定手法を用いてもよい。
【００６４】
なお、第２電極３０と電解質膜２００との間で屈折率に差がある場合には、第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射光を得ることができる。したがって、第２電極３０の屈折率は電解質膜２００の屈折率よりも大きいことが好ましい。この場合、第２受光部１１０は、第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射光と反射光１０３との干渉波の情報を検出する。膜厚算出部１４３は、この第２受光部１１０からの情報に基づいて電解質膜２００の膜厚を算出する。すなわち、この場合、膜厚算出部１４３は、第２照射部１００（照射手段）から照射された光の第１電極２０の第２電極３０側の面からの反射光と、第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射光と、を用いて、電解質膜２００の膜厚を算出する膜厚算出手段としての機能を有する。
【００６５】
また、電解質膜２００の屈折率は、乾燥状態と水を吸った膨潤状態とで異なる。例えば、膨潤状態の電解質膜２００の屈折率は乾燥状態の電解質膜２００の屈折率よりも上昇する。具体的には、電解質膜２００の乾燥状態の屈折率は１．３程度であり、膨潤状態の屈折率は１．８程度である。電解質膜２００が膨潤状態となった場合、電解質膜２００の屈折率は、ＩＴＯ等からなる第２電極３０の屈折率に近くなる。特に、燃料電池の電解質膜の場合、発電時において電解質膜は膨潤状態となり易い。よって、燃料電池の電解質膜のプロトン伝導度を精度よく評価するためには、乾燥状態のみならず膨潤状態の電解質膜の膜厚を精度よく測定し、この測定結果を用いてプロトン伝導度を精度よく算出することが望まれる。
【００６６】
したがって、第２電極支持部５０の屈折率は、膨潤状態の電解質膜２００の屈折率よりも大きいことがより好ましい。この場合、電解質膜２００が膨潤状態となって第２電極３０の屈折率と電解質膜２００との屈折率との差が第２電極３０の第１電極２０側の面からの反射光を得られない程小さくなった場合であっても、少なくとも第２電極支持部５０の第２電極３０側の面からの反射光１０２を得ることができる。その結果、膜厚算出部１４３は、電解質膜２００の厚みを算出することができる。また、第２電極３０がＩＴＯ等からなる場合には、第２電極３０は水を吸収しないことから、第２電極３０の厚みは湿度変化による影響を受け難い。よって、第２電極３０および電解質膜２００の厚みの合計値から記憶部１４１が記憶している第２電極３０の厚みを差し引くことによって、膨潤状態の電解質膜２００の膜厚を精度よく算出することができる。それにより、膨潤状態の電解質膜２００のプロトン伝導度を精度よく算出することができる。
【００６７】
図７は、演算制御装置１３０のフローチャートの一例を示す図である。なお、演算制御装置１３０は、図７のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。まず、演算制御装置１３０の制御部１４０は、電解質膜２００を第１電極２０および第２電極で挟持するように第２電極変位機構６０および電解質膜変位機構７０を制御する（ステップＳ１０）。
【００６８】
次いで、演算制御装置１３０は、測定処理を行う（ステップＳ２０）。具体的には、演算制御装置１３０は、インピーダンス測定処理、接触面積算出処理および膜厚算出処理を行う。なお、これらの処理は、同時に行われてもよく、逐次行われてもよい。逐次行われる場合の順序は特に限定されない。
【００６９】
インピーダンス測定処理において、演算制御装置１３０の制御部１４０はインピーダンス測定部１２０にインピーダンス測定指示を与える。この指示を受けたインピーダンス測定部１２０は、電解質膜２００のインピーダンスを測定し、測定結果をプロトン伝導度算出部１４４に伝える。
【００７０】
接触面積算出処理において、制御部１４０は、第１照射部８０に照射指示を与える。演算制御装置１３０の接触面積算出部１４２は、第１受光部９０からの情報に基づいて、第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を算出し、算出結果をプロトン伝導度算出部１４４に伝える。
【００７１】
膜厚算出処理において、制御部１４０は、第２照射部１００に照射指示を与える。演算制御装置１３０の膜厚算出部１４３は、第２受光部１１０からの情報に基づいて、例えば第２電極３０および電解質膜２００の厚みの合計値を算出する。膜厚算出部１４３は、この厚みの合計値から記憶部１４１が記憶している第２電極３０の厚みを差し引くことによって、電解質膜２００の膜厚を算出する。
【００７２】
次いで、演算制御装置１３０は、プロトン伝導度算出処理を行う（ステップＳ３０）。具体的には、演算制御装置１３０のプロトン伝導度算出部１４４は、インピーダンス測定部１２０が測定した電解質膜２００のインピーダンスＲ（Ω）、接触面積算出部１４２が算出した第２電極３０と電解質膜２００との接触面積Ｓ（ｃｍ２）および膜厚算出部１４３が算出した電解質膜２００の膜厚ｄ（ｃｍ）を受け取る。そして、プロトン伝導度算出部１４４は、数１に従って、プロトン伝導度σ（Ｓ／ｃｍ）を算出する。
【００７３】
次いで、演算制御装置１３０の制御部１４０は、第２電極３０が第１電極２０から離れる方向に移動するように、第２電極変位機構６０を制御するとともに、電解質膜支持部１０が第１電極２０から離れる方向に移動するように電解質膜変位機構７０を制御する（ステップＳ４０）。次いで、演算制御装置１３０は、フローチャートの実行を終了する。
【００７４】
図８（ａ）は、第１電極支持部４０の詳細を説明するための模式的断面図である。第１電極支持部４０は、基板４１、剛体４２、弾性部材４３および支持台４４を備える。基板４１は、第１電極２０を第２電極３０と反対側の面から支持している。第１電極２０と基板４１とは、互いに剥離しないように結着している。基板４１は、第１電極２０を支持できるような基板であれば特に限定されないが、電気的絶縁性を有していることが好ましい。基板４１が電気的絶縁性を有することによって、第１電極２０と第１電極支持部４０とを電気的に絶縁することができるからである。電気的絶縁性を有する基板４１の材質として、例えば、プラスチック等を用いることができる。
【００７５】
剛体４２は、支持台４４によって支持されているとともに、基板４１を第１電極２０と反対側から点接触によって支持している。剛体４２の形状は、基板４１を第１電極２０と反対側から点接触できるものであれば特に限定されず、本実施例においては、球形状である。剛体４２の材質は、基板４１から受ける圧縮応力に耐え得る剛性を有するものであれば特に限定されず、例えば、鉄等が用いられる。
【００７６】
なお、本実施例において、第１電極２０および第２電極３０の中心軸線は一致している。剛体４２の中心点は、この中心軸線上にある。これにより、剛体４２は、第２電極３０が電解質膜２００に与える押圧力に対する抗力を、基板４１に効率的に与えることができる。
【００７７】
また、剛体４２の直径は、特に限定されないが、小さすぎると第２電極３０が電解質膜２００に加える押圧力を十分に受け止められなくなり、大きすぎると第１電極支持部４０全体が大きくなり過ぎる。剛体４２の直径は、第２電極３０の第１電極２０側の面の幅（面の長さ）の半分が好適である。
【００７８】
図８（ｂ）は、弾性部材４３および剛体４２を、基板４１側から見た図である。なお、図８（ｂ）の縮尺と図８（ａ）の縮尺とは一致していない。弾性部材４３は、支持台４４によって支持されているとともに、基板４１を第１電極２０と反対側から支持している。基板４１と弾性部材４３とは、互いに剥離しないように結着している。弾性部材４３と支持台４４とは、互いに剥離しないように結着している。弾性部材４３の厚みは、剛体４２の直径と等しい。本実施例においては、弾性部材４３の形状は、中心部に球形状の剛体４２を収容するための円形の貫通穴４５を有する平板形状である。すなわち、弾性部材４３は、剛体４２の周囲に配置されている。
【００７９】
弾性部材４３の弾性率は、基板４１の弾性率よりも小さい。また、弾性部材４３の弾性率は、剛体４２の弾性率よりも小さい。このような弾性率を有するのであれば、弾性部材４３の材質は特に限定されず、例えば、シリコンゴム等を用いることができる。なお、本実施例において、弾性率とは、一定応力が加わったときの変形し難さを示す指標をいう。
【００８０】
支持台４４は、剛体４２および弾性部材４３を第１電極２０と反対側から支持している。支持台４４の形状は、特に限定されないが、本実施例においては平板形状である。支持台４４の材質は、剛体４２と同等以上の剛性を有するものであれば特に限定されず、例えば鉄等が用いられる。なお、支持台４４は、プロトン伝導度測定装置５の使用時には、例えば作業台、床等に固定される。
【００８１】
図９は、第１電極支持部４０の作用を説明するための模式的断面図である。例えば、厚みが一様でない電解質膜２００のプロトン伝導度を測定することがある。このような電解質膜２００を第１電極２０と第２電極３０とで挟持した場合、弾性部材４３の弾性率が基板４１の弾性率よりも小さいことから、基板４１は、剛体４２を支点として傾斜することができる。それにより、第１電極２０および第２電極３０で電解質膜２００を挟持した際に、第１電極２０の第２電極３０側の面を電解質膜２００の表面に沿って傾斜させることができる。その結果、第１電極２０と電解質膜２００との密着度を向上させることができる。
【００８２】
なお、剛体４２の形状は、基板４１に点接触できるのであれば、球形状に限定されない。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、剛体の他の形状を説明するための模式的断面図である。例えば、剛体４２は、基板４１に接する側の面が曲面形状を有するものであってもよい。この一例として、剛体４２は、図１０（ａ）に示すように、円柱の基板４１に接する側の面が球面に加工された形状であってもよい。あるいは、剛体４２は、錘形状であってもよい。錘形状の一例として、剛体４２は、図１０（ｂ）に示すような円錐形状であってもよい。あるいは、剛体４２は、角錘形状であってもよい。なお、剛体４２は、必ずしも点接触で基板４１を支持していなくてもよい。基板４１が剛体４２を支点として傾斜することができれば、線接触、面接触等であってもよい。
【００８３】
また、弾性部材４３は、基板４１が傾斜した場合であっても基板４１を第１電極２０と反対側から支持できるものであれば、図８（ｂ）で説明したものに限られない。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）は、弾性部材４３の他の例を説明するための図である。例えば、図１１（ａ）に示すように、弾性部材４３の貫通穴４５は矩形であってもよい。さらに、図１１（ｂ）に示すように、貫通穴４５の幅より狭い幅を有する切り欠き部４６が、弾性部材４３の側面から貫通穴４５にかけて形成されていてもよい。また、図１１（ｃ）に示すように、切り欠き部４６の幅は貫通穴４５の幅と同じであってもよい。
【００８４】
また、弾性部材４３は複数あってもよい。例えば、図１１（ｄ）に示すように、４つの弾性部材４３が、剛体４２の周りに９０°間隔で配置されていてもよい。この場合においても、４つの弾性部材４３によって、基板４１を支持することができる。
【００８５】
図１２（ａ）は、電解質膜支持部１０の詳細を説明するための模式的断面図である。電解質膜支持部１０は、第１ホルダ１１および第２ホルダ１２を備える。第１ホルダ１１は、電解質膜２００の第１電極２０が接触する部分の周囲および電解質膜２００の第２電極３０が接触する部分の周囲を保持している。本実施例において第１ホルダ１１は、一例として、電解質膜２００の第１電極２０側の面に配置された、中心部に第１電極２０が電解質膜２００に接触するための貫通穴１３を有する平板と、電解質膜２００の第２電極３０側の面に配置された、中心部に第２電極３０が電解質膜２００に接触するための貫通穴１３を有する平板と、からなる。
【００８６】
図１２（ｂ）は、第２ホルダ１２の模式的斜視図である。図１２（ａ）および図１２（ｂ）を参照して、第２ホルダ１２は、底面および天上面に第１電極２０および第２電極３０が電解質膜２００に接触するための貫通穴１４が形成された箱形状を有しており、かつ少なくとも一つの側面に電解質膜２００および第１ホルダ１１が出入りするための開口部１５を有している。図１２（ａ）に示すように、第２ホルダ１２は、第１ホルダ１１の電解質膜２００と反対側の面から接触することによって、第１ホルダ１１を保持している。すなわち、第１ホルダ１１は、第２ホルダ１２の内部において電解質膜２００を保持する内部ホルダとしての機能を有し、第２ホルダ１２は、第１ホルダ１１の外部から電解質膜２００および第１ホルダ１１を保持する外部ホルダとしての機能を有する。
【００８７】
また、第２ホルダ１２の側面には、電解質膜変位機構７０のラック７１が取り付けられている。それにより、第２ホルダ１２は、電解質膜変位機構７０によって駆動されることによって、第１電極２０に対して相対変位する。第２ホルダ１２が第１電極２０に対して相対変位することによって、第２ホルダ１２に保持された第１ホルダ１１および第１ホルダ１１に保持された電解質膜２００も第１電極２０に対して相対変位する。
【００８８】
図１３は、電解質膜支持部１０の作用を説明するための模式的断面図である。具体的には、図１３は、電解質膜２００が第１電極２０に結着した状態で、電解質膜支持部１０が第１電極２０から離れる方向へ移動したときの電解質膜支持部１０、電解質膜２００および第１電極２０を模式的に断面図示している。図１３の状態のとき、電解質膜２００は、第１電極２０から力Ｆ（Ｎ）を受ける。この力Ｆによって、電解質膜２００はｈ（ｍｍ）撓んでいる。
【００８９】
この場合、電解質膜２００の第１ホルダ１１が接触している部分（以下、第１ホルダ接触部分と称する）においては、電解質膜２００の中央へ向いた力Ｆ１（Ｎ）がかかる。この力Ｆ１に対抗するようにして、第１ホルダ接触部分には、力Ｆ１と反対方向の摩擦力Ｆ２（Ｎ）がかかる。ここで、第１ホルダ接触部分の面積をＳ１（ｍｍ２）とした場合、下記数２が満たされるとき、Ｆ２はＦ１よりも大きな値を有する。なお、Ｌ（ｍｍ）は第２ホルダ１２の貫通穴１４の半径であり、Ｅは電解質膜２００のヤング率であり、μは電解質膜２００と第１ホルダ１１との摩擦係数である。
【００９０】
【数２】
2011153933.tif 000004
【００９１】
本実施例の第１ホルダ接触部分の面積Ｓ１は、数２を満たしている。この場合、第１ホルダ接触部分における摩擦力Ｆ２が電解質膜２００と第１電極２０との結着力によって電解質膜２００を第１ホルダから外そうとする力Ｆ１よりも大きいことから、電解質膜支持部１０が第１電極２０から離れる方向へ移動したときにおける電解質膜２００の第１ホルダ１１からの外れが抑制されている。
【００９２】
なお、μの値を大きくするために、例えば、第１ホルダ１１の電解質膜２００に接触する部分には、粘着剤を塗布する等の表面処理が施されていてもよい。この場合、電解質膜２００の第１ホルダ接触部分の面積Ｓ１を小さくすることができる。
【００９３】
以上説明したように、本実施例に係るプロトン伝導度測定装置５によれば、弾性部材４３の弾性率が基板４１の弾性率よりも小さいことから、第１電極２０と電解質膜２００との密着度を向上させることができる。それにより、電極と電解質膜２００との接触面積の測定精度を向上させることができる。その結果、精度よくプロトン伝導度を測定することができる。
【００９４】
また、プロトン伝導度測定装置５によれば、第２電極３０が第１電極２０から離れる方向へ移動したときには、電解質膜２００も第１電極２０に対して第１電極２０から離れる方向へ移動している。これにより、プロトン伝導度の測定が終了して第２電極３０が第１電極２０から離れた場合には、電解質膜２００も第１電極２０から離すことができる。その結果、例えば、電解質膜２００を第１電極２０上に配置したままの状態でプロトン伝導度を繰り返し測定する場合であっても、電解質膜２００が第１電極２０に結着して第１電極２０から剥がれなくなることを抑制することができる。
【００９５】
さらに、プロトン伝導度測定装置５によれば、電解質膜支持部１０の第１ホルダ接触部分の面積Ｓ１が数２を満たしていることから、電解質膜支持部１０が第１電極２０から離れる方向へ移動したときにおける電解質膜２００の第１ホルダ１１からの外れは抑制されている。
【００９６】
また、プロトン伝導度算出部１４４が接触面積算出部１４２の算出結果を用いてプロトン伝導度を算出していることから、例えば第２電極３０と電解質膜２００との接触面積を第２電極３０の第１電極２０側の面の面積で代用する場合に比較して、精度よくプロトン伝導度を測定することができる。
【００９７】
また、プロトン伝導度算出部１４４が膜厚算出部１４３の算出結果を用いてプロトン伝導度を算出していることから、例えば第１電極２０および第２電極３０で挟持される前に測定した電解質膜２００の膜厚をプロトン伝導度算出時の電解質膜２００の膜厚に代用する場合に比較して、精度よくプロトン伝導度を測定することができる。また、第１電極２０と電解質膜２００との密着度が向上した状態で電解質膜２００の膜厚が算出されることから、電解質膜２００の膜厚の算出精度は良好である。
【００９８】
さらに、第２電極支持部５０の屈折率が膨潤状態の電解質膜２００の屈折率よりも大きいことから、膨潤状態の電解質膜２００の膜厚を算出することができる。
【符号の説明】
【００９９】
５  プロトン伝導度測定装置
１０  電解質膜支持部
２０  第１電極
３０  第２電極
４０  第１電極支持部
４１  基板
４２  剛体
４３  弾性部材
４４  支持台
４５  貫通穴
５０  第２電極支持部
６０  第２電極変位機構
７０  電解質膜変位機構
８０  第１照射部
９０  第１受光部
１００  第２照射部
１１０  第２受光部
１２０  インピーダンス測定部
１３０  演算制御装置
１４０  制御部
１４１  記憶部
１４２  接触面積算出部
１４３  膜厚算出部
１４４  プロトン伝導度算出部
２００  電解質膜
【図１】
2011153933.tif 000005
【図２】
2011153933.tif 000006
【図３】
2011153933.tif 000007
【図４】
2011153933.tif 000008
【図５】
2011153933.tif 000009
【図６】
2011153933.tif 000010
【図７】
2011153933.tif 000011
【図８】
2011153933.tif 000012
【図９】
2011153933.tif 000013
【図１０】
2011153933.tif 000014
【図１１】
2011153933.tif 000015
【図１２】
2011153933.tif 000016
【図１３】
2011153933.tif 000017