(57)【要約】【課題】所定の加湿雰囲気下で、電解質膜のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間で測定することが可能なプロトン伝導度測定装置を提供すること。【解決手段】電解質膜におけるプロトン伝導度を測定するためのプロトン伝導度測定装置であって、電解質膜の両面の一部にそれぞれ配置される電極と、電極を押圧し、電極と電解質膜とを接触させるための押圧部材と、を備え、押圧部材は、電解質膜において各電極が重なり合った有効測定領域周辺が、プロトン伝導度測定装置の外部雰囲気に晒されるような形状に形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜におけるプロトン伝導度を測定するためのプロトン伝導度測定装置であって、
前記電解質膜の両面の一部にそれぞれ配置される電極と、
前記電極を押圧し、前記電極と前記電解質膜とを接触させるための押圧部材と、
を備え、
前記押圧部材は、前記電解質膜において各電極が重なり合った有効測定領域周辺が、前記プロトン伝導度測定装置の外部雰囲気に晒されるような形状に形成されることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプロトン伝導度測定装置において、
前記押圧部材は、平板状であって、前記有効電極領域周辺と、前記プロトン伝導度測定装置の外部と、を連通させるための貫通口を有していることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプロトン伝道度測定装置において、
前記押圧部材と前記電極との間に介装される電極緩衝材を備えることを特徴とする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、燃料電池に用いられる電解質膜のプロトン伝導度を測定するためのプロトン伝導度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池において、固体高分子型の燃料電池では、電池性能向上のため、高性能な電解質膜、すなわち、プロトン伝導度が良い電解質膜の開発が課題となっている。そこで、このような高性能な電解質膜の開発のため、電解質膜におけるプロトンの伝導度を正確に測定するためのプロトン伝導度測定装置の提案が望まれている。
【０００３】
ところで、上記電解質膜は、湿潤度でプロトン伝導度が変化するため、電解質膜のプロトン伝導度を正確に測定するためには、プロトン伝導度測定装置を種々の加湿雰囲気下に置いて、プロトン伝導度を測定する必要がある。
【０００４】
下記特許文献１には、電解質膜および電極をガラスプレートで挟持するように配置し、その状態でプロトン伝導度を測定するプロトン伝導度測定装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載のプロトン伝導度測定装置では、電解質膜がガラスプレートで覆われてしまい、プロトン伝導度測定装置を加湿雰囲気下に置いた場合であっても、その湿度に応じて電解質膜が十分に湿潤化するのに、多くの時間がかかるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、所定の加湿雰囲気下で、電解質膜のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間で測定することが可能な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。
【０００９】
[適用例１]電解質膜におけるプロトン伝導度を測定するためのプロトン伝導度測定装置であって、前記電解質膜の両面の一部にそれぞれ配置される電極と、前記電極を押圧し、前記電極と前記電解質膜とを接触させるための押圧部材と、を備え、前記押圧部材は、前記電解質膜において各電極が重なり合った有効測定領域周辺が、前記プロトン伝導度測定装置の外部雰囲気に晒されるような形状に形成されることを要旨とする。
【００１０】
上記構成のプロトン伝導度測定装置によれば、プロトン伝導度測定装置を所定加湿雰囲気下に置いた場合において、プロトン伝導度測定装置の外部の水蒸気が電解質膜に素早く到達するので、電解質膜を短時間に湿潤化することができる。その結果、その湿度において、電解質膜のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間に測定することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］適用例１記載のプロトン伝導度測定装置において、前記押圧部材は、平板状であって、前記有効電極領域周辺と、前記プロトン伝導度測定装置の外部と、を連通させるための貫通口を有していることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
【００１２】
このようにすれば、プロトン伝導度測定装置を所定加湿雰囲気下に置いた場合において、プロトン伝導度測定装置の外部の水蒸気が貫通口を介して、電解質膜に素早く到達するので、電解質膜を短時間に湿潤化することができる。その結果、その湿度において、電解質膜のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間に測定することが可能となる。
【００１３】
［適用例３］適用例１または適用例２記載のプロトン伝導度測定装置において、前記押圧部材と前記電極との間に介装される電極緩衝材を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
【００１４】
このようにすれば、電極を押圧する際に、押圧部材からの押圧力が、電極緩衝材で緩和され、適度な押圧力で電極を押圧することができる。その結果、電解質膜が破損するなどの不具合を抑制することができる。
【００１５】
なお、本発明は、上記したプロトン伝導度測定装置の他、イオン伝導度測定装置などの他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明の態様に限ることなく、プロトン伝導度の測定方法やイオン伝導度の測定方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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．プロトン伝導度測定装置１００：
図１は、本発明の一実施例としてのプロトン伝導度測定装置１００の概略断面図である。図２は、図１のプロトン伝導度測定装置１００を上から見た図である。図３は、図１のプロトン伝導度測定装置１００を下から見た図である。図１のプロトン伝導度測定装置１００は、図２及び図３のプロトン伝導度測定装置１００におけるＡ−Ａ断面に対応している。また、図２，図３において、プロトン伝導度測定装置１００の長手方向をｘ方向と呼び、図面内においてｘ方向に対して垂直方向をｙ方向と呼ぶ。図１から図３に示される有効測定領域Ｓについての詳細は、後述する。
【００１７】
本実施例のプロトン伝導度測定装置１００は、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜３０（例えば、ナフィオン（登録商標）など）のプロトン伝導度を測定するための装置であり、図１に示すように、電極用の白金線１０ａ，１０ｂと、押圧プレート２０ａ，２０ｂと、電極緩衝材４０ａ，４０ｂと、枠部材５０ａ，５０ｂと、枠状緩衝材６０と、締結用ボルト９０と、を備えている。
【００１８】
押圧プレート２０ａ，２０ｂは、テフロンから成る。押圧プレート２０ａは、図２に示すように、貫通口ｈａ，ｈｂと、貫通口２５ａ，２５ｂと、連通部Ｊａと、を備えている。押圧プレート２０ｂは、図３に示すように、貫通口ｈｃ，ｈｄと、貫通口２７ａ，２７ｂと、連通部Ｊｂと、を備えている。これら貫通口および連通部についての詳細は後述する。電極緩衝材４０ａ，４０ｂ及び枠状緩衝材６０は、シリコンゴムから成る。押圧プレート２０ａ，２０ｂは、テフロンに限られず、例えば、アクリルや、アルミなどの金属等から構成されていてもよい。また、電極緩衝材４０ａ，４０ｂ及び枠状緩衝材６０は、所定の弾力性があればよく、シリコンゴムに限られず、他のゴム材料や、樹脂などから構成されていてもよい。
【００１９】
プロトン伝導度測定装置１００は、図１に示すように、枠部材５０ａ，５０ｂを挟持するように押圧プレート２０ａ，２０ｂが配置され、枠部材５０ａ，５０ｂの内枠部において、測定用の電解質膜３０が配置される。また、このプロトン伝導度測定装置１００は、電解質膜３０の両面にそれぞれ白金線１０ａ，１０ｂが配置され、白金線１０ａ，１０ｂが配置された電解質膜３０の各面を押圧するように電極緩衝材４０ａ，４０ｂが配置される。この場合、押圧プレート２０ａ，２０ｂは、これら電解質膜３０、白金線１０ａ，１０ｂ、電極緩衝材４０ａ，４０ｂから成る積層体を挟持するように配置される。そして、プロトン伝導度測定装置１００は、押圧プレート２０ａ，２０ｂを締結用ボルト９０によって締結することにより構成される。これにより、押圧プレート２０ａ，２０ｂは、電極緩衝材４０ａ，４０ｂを介して、それぞれ白金線１０ａ，１０ｂを電解質膜３０に押圧し、それに伴い、白金線１０ａ，１０ｂは、電解質膜３０の面にそれぞれ接触する。なお、枠部材５０ａと枠部材５０ｂとの間には、枠状緩衝材６０が設けられている。また、電解質膜３０は、略長方形状であり、長手方向がｘ方向となるようにして、枠部材５０ａ，５０ｂの内枠部の略中央部付近に配置される。
【００２０】
白金線１０ａは、図１及び図２に示すように、電極緩衝材４０ａと電解質膜３０との間をｘ方向に沿うように設けられ、白金線１０ａの各端部は、貫通口２５ａ，２５ｂを介して、プロトン伝導度測定装置１００の外部に配される。また、白金線１０ｂは、図１及び図３に示すように、電極緩衝材４０ｂと電解質膜３０との間をｙ方向に沿うように設けられ、白金線１０ｂの各端部は、貫通口２７ａ，２７ｂを介して、プロトン伝導度測定装置１００の外部に配される。白金線１０ａ及び白金線１０ｂの各端部は、所定の交流インピーダンス測定装置（図示せず）に接続される。
【００２１】
図４は、プロトン伝導度測定装置１００において電解質膜３０と白金線１０ａ及び白金線１０ｂのみを抜き出して示した図である。この図４は、図１のプロトン伝導度測定装置１００を上から見た図に相当する。電解質膜３０において、図４に示すように、白金線１０ａと白金線１０ｂとが交差して重なり合う部分が、プロトン伝導度を測定するための有効測定領域Ｓとなる。
【００２２】
押圧プレート２０ａの貫通口ｈａ，ｈｂは、図２に示すように、ｘ方向に長い略長方形状であり、ｘ方向は電解質膜３０と略同様の長さであり、一方で、ｙ方向が電解質膜３０の略半分程度の長さとなっている。これら貫通口ｈａ，ｈｂは、押圧プレート２０ａにおいて、押圧プレート２０ａの略中央部付近であって、ｙ方向に並列に形成されている。これにより、電解質膜３０において白金線１０ａとの接触部位周辺（特に有効測定領域Ｓ周辺）が、貫通口ｈａ，ｈｂを介してプロトン伝導度測定装置１００の外部雰囲気に晒される。押圧プレート２０ａにおいて、貫通口ｈａと貫通口ｈｂとの間が連通部Ｊａとなる。また、押圧プレート２０ａの貫通口２５ａ，２５ｂは、連通部Ｊａの端部にそれぞれ形成されている。
【００２３】
押圧プレート２０ｂの貫通口ｈｃ，ｈｄは、図３に示すように、ｙ方向に長い略長方形状であり、ｙ方向は電解質膜３０と略同様の長さであり、一方で、ｘ方向が電解質膜３０の略半分程度の長さとなっている。これら貫通口ｈｃ，ｈｄは、押圧プレート２０ｂにおいて、押圧プレート２０ｂの略中央部付近であって、ｘ方向に並列に形成されている。これにより、電解質膜３０において白金線１０ｂとの接触部位周辺（特に有効測定領域Ｓ周辺）が、貫通口ｈｃ，ｈｄを介してプロトン伝導度測定装置１００の外部雰囲気に晒される。押圧プレート２０ｂにおいて、貫通口ｈｃと貫通口ｈｄとの間が連通部Ｊｂとなる。また、押圧プレート２０ｂの貫通口２７ａ，２７ｂは、連通部Ｊｂの端部にそれぞれ形成されている。
【００２４】
プロトン伝導度測定装置１００では、電極緩衝材４０ａ，４０ｂを押圧プレート２０ａ，２０ｂで挟持する場合には、押圧プレート２０ａ，２０ｂにおいて、連通部Ｊａ，Ｊｂの位置で電極緩衝材４０ａ，４０ｂを挟持する（図１〜図３参照）。
【００２５】
以上のように、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００は、電解質膜３０において白金線１０ａとの接触部位周辺（特に有効測定領域Ｓ周辺）、および、電解質膜３０において白金線１０ｂとの接触部位周辺（特に有効測定領域Ｓ周辺）が、貫通口ｈａ，ｈｂ、および、貫通口ｈｃ，ｈｄを介して、プロトン伝導度測定装置１００の外部雰囲気に晒されるようになっている。このようにすれば、プロトン伝導度測定装置１００を所定の加湿雰囲気下に置いた場合において、プロトン伝導度測定装置１００の外部の水蒸気が貫通口ｈａ，ｈｂ，ｈｃ，ｈｄを介して、電解質膜３０に素早く到達するので、電解質膜３０を短時間に湿潤化することができる。その結果、その湿度において、電解質膜３０のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間に測定することが可能となる。
【００２６】
また、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００は、白金線１０ａ，１０ｂと押圧プレート２０ａ，２０ｂとの間に電極緩衝材４０ａ，４０ｂが配置されている。このようにすれば、白金線１０ａ，１０ｂを電解質膜３０に押圧する際に、押圧プレート２０ａ，２０ｂからの押圧力が、電極緩衝材４０ａ，４０ｂで緩和され、適度な押圧力で白金線１０ａ，１０ｂを電解質膜３０に押圧することができる。その結果、電解質膜３０が破損するなどの不具合を抑制することができる。
【００２７】
なお、有効測定領域Ｓは、請求項における有効測定領域に該当し、白金線１０ａ，１０ｂは、請求項における電極に該当し、押圧プレート２０ａ，２０ｂは、請求項における押圧部材に該当し、貫通口ｈａ，ｈｂ，ｈｃ，ｈｄは、請求項のおける貫通口に該当し、電極緩衝材４０ａ，４０ｂは、請求項のおける電極緩衝材に該当する。
【００２８】
Ａ２．比較例との比較：
ここで、下記の比較例としてのプロトン伝導度測定装置（図示せず）と比較して、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００の有効性を検討する。図５は、比較例としてのプロトン伝導度測定装置１００Ｒの概略断面構成を示す説明図である。比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒは、図５に示すように、電極緩衝材４０ａ，４０ｂ、枠部材５０ａ，５０ｂ、および枠状緩衝材６０を備えておらず、また、押圧プレート２０ａ，２０ｂにおいて、貫通口ｈａ，ｈｂ，ｈｃ，ｈｄが形成されていない構成となっている。比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒにおいて、プロトン伝導度測定装置１００と同様の構成の部材については、プロトン伝導度測定装置１００と同様の符号を付している。
【００２９】
本実施例のプロトン伝導度測定装置１００と、比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒとを比較するために、それぞれの装置を用いて、以下の図６に示すＲＨ依存性測定処理を実行した。
【００３０】
図６は、ＲＨ依存性測定処理のフローチャートである。このＲＨ依存性実行処理は、プロトン伝導度測定装置を所定の実験箱（以下では、実験箱Ｘと呼ぶ）に入れ、実験箱Ｘ内の相対湿度（ＲＨ）（以下では、加湿度Ｑとも呼ぶ）を時系列に変化させて、電解質膜３０の交流インピーダンス（：膜抵抗、以下では、交流インピーダンスＲとも呼ぶ）を測定する処理である。なお、交流インピーダンスＲの測定は、例えば、ＦＦＴアナライザ法やＦＲＡ法などを用いる。交流インピーダンスＲは、下記の式（１）のように、電解質膜３０のプロトン伝導度Ｍと反比例する相関関係にある。すなわち、交流インピーダンスＲが高いということは、プロトン伝導度Ｍが低いということを示し、交流インピーダンスＲが低いということは、プロトン伝導度Ｍが高いということを示す。また、プロトン伝導度測定装置は、所定の交流インピーダンス測定装置に接続され、実験箱Ｘには、内部の湿度を調整可能な所定の加湿装置が備えられている。
Ｒ＝１／Ｍ・・・（１）
【００３１】
具体的には、まず、プロトン伝導度測定装置を実験箱Ｘ内に配置し（ステップＳ１０）、実験箱Ｘ内部の加湿度Ｑを所定値に設定する（ステップＳ２０）。次に、所定時間経過していない場合（ステップＳ３０：ｎｏ）には、待機し、所定時間経過すると（ステップＳ３０：ｙｅｓ）、上記交流インピーダンス測定装置で交流インピーダンスＲを測定し（ステップＳ４０）、保存する（ステップＳ５０）。そして、加湿度Ｑを変更する場合（ステップＳ６０：ｙｅｓ）には、ステップＳ２０の処理にリターンする。加湿度Ｑを変更しない場合（ステップＳ６０：ｎｏ）であって、終了しない場合（ステップＳ７０：ｎｏ）には、ステップＳ３０の処理にリターンする。ステップＳ７０の処理において、終了の場合（ステップＳ７０：ｙｅｓ）には、このＲＨ依存性実行処理を終了する。
【００３２】
図７は、比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒを用いて、ＲＨ依存性測定処理を実行した場合の測定結果を表すグラフである。図８は、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００を用いて、ＲＨ依存性測定処理を実行した場合の測定結果を表すグラフである。比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒは、図７に示すように、加湿度Ｑと交流インピーダンスＲ（プロトン伝導度Ｍ）との相関関係が実現されていない。一方、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００は、図８に示すように、加湿度Ｑと交流インピーダンスＲ（プロトン伝導度Ｍ）との相関関係がよく示されており、すなわち、加湿度Ｑが変化した場合には、それに対応して素早く交流インピーダンスＲ（プロトン伝導度Ｍ）が変化している。例えば、図８において、加湿度Ｑが４０％程度から６０％程度に上昇した場合、それに対応して、交流インピーダンスＲが急激に低下し、言い換えれば、プロトン伝導度Ｍが急激に上昇していることがわかる。以上のことから、プロトン伝導度測定装置を所定加湿雰囲気下に置いた場合において、比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒに比べて、プロトン伝導度測定装置１００は、電解質膜３０を素早く湿潤化することができ、電解質膜のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間に測定することができると考えられる。
【００３３】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。
【００３４】
Ｂ１．変形例１：
図９は、変形例１としてのプロトン伝導度測定装置の上面及び下面図である。上記実施例のプロトン伝導度測定装置１００では、貫通口ｈａ，ｈｂ、貫通口ｈｃ，ｈｄをそれぞれ備えた押圧プレート２０ａ，２０ｂを用いて、白金線１０ａ，１０ｂを電解質膜３０に押圧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、押圧プレート２０ａ，２０ｂの代わりに、図９に示すように、細長い押圧プレート２０ｋ，ｌを用いて、白金線１０ａ，１０ｂを押圧するようにしてもよい。この場合、押圧プレート２０ｋ，ｌの大きさは、例えば、上記連通部Ｊａ，Ｊｂと同じ程度であればよい。また、押圧プレート２０ｋ，ｌは、例えば、所定の締結ボルトで固定するようにしてもよいし、押圧プレート２０ｋ，ｌを挟み込むように固定する所定の固定具を用いて固定するようにしてもよい。このようにしても、本変形例のプロトン伝導度測定装置を所定加湿雰囲気下に置いた場合において、プロトン伝導度測定装置の外部の水蒸気が電解質膜３０に素早く到達するので、電解質膜３０を短時間に湿潤化することができる。その結果、その湿度において、電解質膜３０のプロトン伝導度を測定する場合に、短時間に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例としてのプロトン伝導度測定装置１００の概略断面図である。
【図２】図１のプロトン伝導度測定装置１００を上から見た図である。
【図３】図１のプロトン伝導度測定装置１００を下から見た図である。
【図４】プロトン伝導度測定装置１００において電解質膜３０と白金線１０ａ及び白金線１０ｂのみを抜き出して示した図である。
【図５】比較例としてのプロトン伝導度測定装置１００Ｒの概略断面構成を示す説明図である。
【図６】ＲＨ依存性測定処理のフローチャートである。
【図７】比較例のプロトン伝導度測定装置１００Ｒを用いてＲＨ依存性測定処理を実行した場合の測定結果を表すグラフである。
【図８】上記実施例のプロトン伝導度測定装置１００を用いてＲＨ依存性測定処理を実行した場合の測定結果を表すグラフである。
【図９】変形例１としてのプロトン伝導度測定装置の上面及び下面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ａ…白金線
１０ｂ…白金線
２０ａ，２０ｂ…押圧プレート
３０…電解質膜
４０ａ，４０ｂ…電極緩衝材
５０ａ，ｂ…枠部材
６０…枠状緩衝材
９０…締結用ボルト
１００，１００Ｒ…プロトン伝導度測定装置
Ｘ…実験箱
ｈａ〜ｈｄ…貫通口
Ｊａ，Ｊｂ…連通部
【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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