(57)【要約】【課題】電解質膜２０の膜厚方向の伝導度を、湿度の影響を反映させて測定する伝導度測定用電極１を提供すること。【解決手段】伝導度測用電極１は、電解質膜２０の両面上に対向して配置し、電解質膜２０の膜厚方向の伝導度を測定するための１対の電極１からなる。前記電極１は、電解質膜２０の表面と接触する導電性電極部２と、前記導電性電極部２の外周に形成され、水蒸気透過性多孔質部材からなり、電解質膜を両面から挟持する非導電性多孔質挟持部３とを備える。前記導電性電極部２が電解質膜２０と接触する接触面部４と、前記非導電性多孔質挟持部３が電解質膜２０と接触する接触面部５とは、同一平面を構成する。非導電性多孔質挟持部３としては、例えば、多孔質セラミックスを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面上に対向して配置し、電解質膜の膜厚方向の伝導度を測定するための１対の伝導度測定用電極において、
前記電極は、電解質膜の表面と接触する導電性電極部と、
前記導電性電極部の外周に形成され、水蒸気透過性多孔質部材からなり、電解質膜を両面から挟持する非導電性多孔質挟持部と、を備えることを特徴とする伝導度測定用電極。
【請求項２】
請求項１記載の伝導度測定用電極において、
前記導電性電極部が電解質膜と接触する接触面と、前記非導電性多孔質挟持部が電解質膜と接触する接触面とは、同一平面上に形成されることを特徴とする伝導度測定用電極。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の伝導度測定用電極において、
前記非導電性多孔質挟持部は、多孔質セラミックスからなることを特徴とする伝導度測定用電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の伝導度を測定する為の伝導度測定用電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
フッ素系高分子材料からなる電解質膜の一方の面に、水素ガス等の燃料ガスが反応する燃料極（アノード）を有し、他方の面に酸素ガス等の酸化ガス（通常は、空気）が反応する空気極（カソード）を有する膜−電極複合体（Membrane-Electrode Assembly、以下、ＭＥＡ）を備え、ＭＥＡ上で燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する）が知られている。この種の燃料電池は、発電時において、ＭＥＡのアノードに燃料ガスが供給される。燃料ガスは、通常、加湿された状態で供給される。供給された燃料ガスは、アノードにおいて反応し、電子を生じる。アノードで生じた電子が、アノードから所定の導体（負荷）中を流れ、移動することによって電気（電流）が生じる。
【０００３】
ところで、燃料ガスがアノードで反応する際、電子とともにプロトンが生成する。生成したプロトンは、カソードにおいて酸素および電子と反応するために、アノードからカソードへ向けて水分子を伴って電解質膜中を移動する。なおプロトンと反応する電子は、アノードで生成し、その後、所定の導体（負荷）中を通ってカソードまで移動してきた電子である。電解質膜を移動したプロトンは、カソードにおいて反応して、水を生成する。
【０００４】
上記のように、この種の燃料電池は、発電時に、ＭＥＡの電解質膜中のプロトンの移動を伴う。つまり、プロトンの移動のし易さの程度（プロトン伝導性）が、燃料電池の発電性能に影響を与える。その為、燃料電池に用いられる電解質膜を評価する際、プロトン伝導度（イオン伝導度）の測定が行われる。電解質膜のイオン伝導度を測定する方法としては、交流インピーダンス法（２端子法）がある。この交流インピーダンス法とは、電解質膜を１対の電極で挟み、電極から電解質膜へ周波数を変化させながら交流信号を与え、電圧／電流の応答信号からインピーダンスを測定する方法である。この方法によって得られたインピーダンスを、複素平面表示（コール−コールプロット）し、その表示結果から定められる電解質膜の内部抵抗の値に基づいて、電解質膜の伝導度を求めることが出来る。交流インピーダンス法を用いて、電解質膜（ＭＥＡ）の伝導度を測定する技術としては、例えば、特許文献１において開示される技術がある。
【０００５】
なお、発電時、ＭＥＡのカソードでは水が生成し、アノードには加湿された燃料ガスが供給される為、発電時のＭＥＡの電解質膜は、ある程度の水分を含んでいる。その為、発電時と同様の環境における電解質膜の伝導度を測定する為に、特許文献１では、電解質膜の伝導度の測定を、所定の湿度に設定した恒湿槽内で行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−７１８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
恒湿槽内で電解質膜の伝導度の測定を行っても、電解質膜が両面から電極によって挟まれていると、電極に阻まれて、電解質膜と恒湿槽内との間において、水分（水蒸気）が自由に行き来することが出来ない。したがって、単に、電解質膜の両面を挟んだ電極を用いて伝導度を測定しても、恒湿槽内の湿度の影響を反映させた伝導度を測定することが出来ず、問題であった。
【０００８】
本発明の目的は、湿度の影響を反映させつつ、電解質膜を挟持して伝導度を測定する伝導度測定電極を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る伝導度測定用電極は、電解質膜の両面上に対向して配置し、電解質膜の膜厚方向の伝導度を測定するための１対の伝導度測定用電極において、前記電極は、電解質膜の表面と接触する導電性電極部と、前記導電性電極部の外周に形成され、水蒸気透過性多孔質部材からなり、電解質膜を両面から挟持する非導電性多孔質挟持部と、を備えることを特徴とする。この伝導度測定用電極によれば、湿度の影響を反映させた伝導度を測定することが出来る。
【００１０】
上記伝導度測定用電極において、導電性電極部が電解質膜と接触する接触面と、非導電性多孔質挟持部が電解質膜と接触する接触面とは、同一平面上に形成されることが好ましい。同一平面であると、電解質膜の伝導度を正確に測定することができる。また挟まれた電解質膜内の圧力を略均一とすることができるため、圧力差によって生じる電解質膜内の水分布の偏りを抑制出来る。
【００１１】
上記伝導度測定用電極において、非導電性多孔質挟持部は、例えば、多孔質セラミックスからなる。多孔質セラミックは、非導電性であり、水蒸気を透過出来る多孔質材料であり、かつ、適度の強度、剛性を有する為、非導電性多孔質挟持部として好ましい材料である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の伝導度測定用電極によれば、湿度の影響を反映させた伝導度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る伝導度測定用電極１の斜視図である。伝導度測定用電極１（以下、単に電極と称する場合がある）は、電解質膜２０の膜厚方向の伝導度を測定する為に用いられる電極１である。本実施形態における電極１は、交流インピーダンス法（２端子法）で用いられる電極１である。この電極１を用いることによって、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる、フッ素系高分子材料からなる膜（例えば、Nafion（登録商標）、Dow（登録商標）、Aciplex（登録商標）、Flemion（登録商標）等の膜）の伝導度を測定することができる。
【００１４】
電極１は、電解質膜２０の一方の面側に配置される電極１Ａと、他方の面側に配置される電極１Ｂとの１組（１対）の電極１からなる。電極１は、導電性電極部２と、導電性電極部２の外周に形成される非導電性多孔質挟持部３とを備える。
【００１５】
導電性電極部２は、棒状（線状）の導電性部材からなる。本実施形態においては、導電性電極部２は、円柱状の導電性部材からなる。導電性部材としては、例えば、白金、金、白金黒、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス等の金属、カーボン等の良導電性部材等が挙げられる。導電性電極部２の先端には、電解質膜２０の表面と接触する為の接触面部４が備えられる。電解質膜２０と接触する接触面部４の表面は、平面状の電解質膜２０の表面と隙間無く接触する為に、平面（平滑）となっている。接触面部４の形状は、円形、正方形、矩形等の種々形状であっても良い。なお電解質膜２０の伝導度を求める際、正確な接触面部４の面積Ａを把握する必要がある。
【００１６】
図２は、電解質膜２０を両側から挟み、対向して配置される１対の伝導度測定用電極１（１Ａ，１Ｂ）の断面図を示す。図２において示されるように、電解質膜２０のそれぞれの面上に配置される電極１Ａ，１Ｂの導電性電極部２Ａ，２Ｂの接触面部４Ａ，４Ｂは、それぞれ同じ形状であり、同じ面積Ａを有する。図２の電解質膜２０中の破線によって示されるように、一方の導電性電極部２Ａの延長上に、他方の導電性電極部２Ｂが電解質膜２０を挟み、対向して配置される。正確な伝導度を測定するためには、それぞれの導電性電極部２Ａ，２Ｂの接触面部４Ａ，４Ｂが、電解質膜２０を介して完全に重なるように配置されることが好ましい。
【００１７】
導電性電極部２の外側の周囲には、図１において示されるように、非導電性多孔質挟持部３（以下、単に、挟持部と称する場合がある）が備えられる。挟持部３は、非導電性である。また、挟持部３は、水蒸気透過性多孔質部材からなる。水蒸気透過性多孔質部材とは、少なくとも水蒸気（気体状の水、エアロゾルを含む）を透過させることが出来る孔を備える多孔質部材である。非導電性多孔質挟持部３としては、例えば、多孔質セラミックス（例：Ａｌ2Ｏ3＋２Ａｌ2Ｏ3・２ＭｇＯ・５ＳｉＯ2）を用いることが出来る。
【００１８】
挟持部３（３Ａ，３Ｂ）は、また、電解質膜２０を両側から挟み、電解質膜２０を固定する機能を備える。電解質膜２０は、柔らかく、剛性に乏しい。また、電解質膜２０の膜厚方向における正確な伝導度を測定する為には、電解質膜２０の両面が水平であり、かつ水平な面同士が平行に配置されることが望ましい。その為、挟持部３には、少なくとも、電解質膜２０の両面に配置して、電解質膜２０を挟持、固定できる程度の強度、剛性が要求される。例えば、上記多孔質セラミックスであれば電解質膜２０を挟持、固定できる程度の強度、剛性を備える。
【００１９】
電解質膜２０と接触する非導電性多孔質挟持部３（３Ａ，３Ｂ）の接触面部５（５Ａ，５Ｂ）は、ほぼ平滑である。但し、挟持部３は多孔質からなり、孔の開口部が表面に存在するため、電解質膜２０との接触面部５（５Ａ，５Ｂ）は、多数の凹部を備えた形状となっている。
【００２０】
導電性電極部２が電解質膜２０と接触する接触面４と、非導電性多孔質挟持部３が電解質膜２０と接触する接触面５とは、同一平面上に形成される。即ち、導電性電極部２の接触面部４と、導電性電極部２の外周に形成される非導電性多孔質挟持部３の接触面部５とが、同一平面を構成する。導電性電極部２の接触面部４と、挟持部３の接触面部５とが同一平面を構成する電極１を電解質膜２０の両面上に、対向して配置すれば、電解質膜２０を水平な状態に保ちつつ、正確な伝導度を測定することが出来る。
【００２１】
伝導度測定用電極１（１Ａ，１Ｂ）を電解質膜２０の両面上へ配置する際、例えば、図３において示される外枠固定器１０が用いられる。外枠固定器１０は、一方の電解質膜２０の面上に配置される電極１Ａを固定する為の固定器１０Ａと、他方の電解質膜２０の面上に配置される電極１Ｂを固定するための固定器１０Ｂとからなる。外枠固定器１０は、電極１を挿着し、固定するための挿着孔１１（１１Ａ，１１Ｂ）を備える。外枠固定器１０は、挿着孔１１内で、電極１を挿着固定し、電極１の導電性電極部２の接触面部４を、電解質膜２０を介して向かい合わせた状態とする。外枠固定器１０Ａ，１０Ｂ同士は、導電性電極部２Ａ，２Ｂの接触面部４Ａ，４Ｂを、向かい合わせた状態で、所定の固定手段１２によって固定される。本実施形態においては、直方体状の固定器１０Ａ，１０Ｂ同士を向かい合わせ、ボルトとナットとによって、締結固定している。外枠固定器１０は、例えば、耐食性、耐熱性に優れたプラスチックからなる。
【００２２】
外枠固定器１０（１０Ａ，１０Ｂ）内に固定された電極１（１Ａ，１Ｂ）は、図３において示されるように、非導電性多孔質挟持部３（３Ａ，３Ｂ）の一部が挿着孔１１（１１Ａ，１１Ｂ）の開口部１３（１３Ａ，１３Ｂ）から表出した状態にある。この非導電性多孔質挟持部３（３Ａ，３Ｂ）の表出した個所から、水蒸気を電極１（１Ａ，１Ｂ）内へ侵入させることができる。表出個所から、多孔質からなる挟持部３（３Ａ，３Ｂ）の内部へ侵入した水（水蒸気）は、挟持部３（３Ａ，３Ｂ）内部に存在する孔を通って、電解質膜２０まで到達することができる。また電極１（１Ａ，１Ｂ）の導電性電極部２（２Ａ，２Ｂ）は、挿着孔１１（１１Ａ，１１Ｂ）の開口部１３（１３Ａ，１３Ｂ）よりも外側へ張り出した状態となっている。この張り出した導電性電極部２（２Ａ，２Ｂ）は、正弦波信号（交流信号）を入力するための入力端子として機能し、また入力された正弦波信号に応答した信号を出力させる出力端子としても機能する。
【００２３】
図４は、伝導度測定用電極１を用いて、電解質膜２０の伝導度を測定する方法（装置）の概略構成図である。上記したように、電解質膜２０を挟み、外枠固定器１０に挿着、固定された伝導度測定用電極１は、所定の温度、湿度に設定された恒温恒湿器３０（例えば、ＩＳＵＺＵ  ＨＰＡＶ−４８−２０、制御温度範囲：−２０〜１２０℃、制御湿度範囲：３０〜９８％ＲＨ、いすゞ製作所社製）内に設置される。恒温恒湿器３０内に設置された電極１は、インピーダンスアナライザ４０（例えば、インピーダンスアナライザ１２６０型、Solartron社製、）とリード線３５，３６を介して接続される。本実施形態において、インピーダンスアナライザ４０は、電極１に挟まれた電解質膜２０に対して、周波数の異なる正弦波電位を印加するものである。またインピーダンスアナライザ４０は、印加した正弦波電位に対する電流応答を読み取り、インピーダンスを算出する。なお、図４において、破線で示したリード線３５（３５Ａ，３５Ｂ）は、電解質膜２０に正弦波電位を印加するためのものであり、リード線３５Ａは、電極１Ａの導電性電極部２Ａと接続され、リード線３５Ｂは、電極１Ｂの導電性電極部２Ｂと接続される。実線で示したリード線３６（３６Ａ，３６Ｂ）は、電流応答を読み取るためのものである。リード線３６Ａは、電極１Ａの導電性電極部２Ａと接続され、リード線３６Ｂは、電極１Ｂの導電性電極部２Ｂと接続される。インピーダンスアナライザ４０の制御は、インピーダンスアナライザ４０と接続する所定の制御部５０によって行われる。
【００２４】
適当な等価回路を仮定してフィッティングを行い、算出されたインピーダンスを、複素平面表示（コール−コールプロット）し、その表示結果から、電解質膜の内部抵抗Ｒを求める。求められた抵抗Ｒを、以下に示す式（１）に代入することにより、伝導度σ（Ｓｃｍ-1）を求めることが出来る。
σ＝Ｌ／（Ｒ・Ａ）・・・（１）
【００２５】
なお、式中、Ｌは、電解質膜２０の膜厚（ｃｍ）（図２を参照）、Ｒは電解質膜２０の内部抵抗（Ω）、Ａは、導電性電極部２の接触面部４の面積（ｃｍ2）である。
【００２６】
ここで、伝導度測定用電極１を用いて伝導度を測定する際、電極１の導電性電極部２の接触面部４に挟まれた部分の電解質膜２０に水蒸気が供給される様子を、図２〜図４を用いて説明する。外枠固定器１０に挿着、固定された電極１が、所定の温度、湿度に設定された恒温恒湿器３０内に設置されると、恒温恒湿器３０内の水蒸気が、外枠固定器１０から表出した非導電性多孔質挟持部３から侵入する（図３における矢印の向きを参照）。侵入した水蒸気は、例えば、図２の矢印の向きのように、非導電性多孔質挟持部３Ｂ内の通過を通過する。非導電性多孔質挟持部３Ｂ内を通過した水蒸気は、電解質膜２０へ至り、導電性電極部２（２Ａ，２Ｂ）の接触面部４（４Ａ，４Ｂ）で挟まれた個所の電解質膜２０へ至る。導電性電極部２（２Ａ，２Ｂ）の接触面部４（４Ａ，４Ｂ）と、電解質膜２０の表面（両面）との間には、隙間は殆ど無い。その為、導電性電極部２（２Ａ，２Ｂ）の接触面部４（４Ａ，４Ｂ）で挟まれた電解質膜２０に、表面から水分を補うことは出来ない。しかし、非導電性多孔質挟持部３内を通過してきた水蒸気（水分）が電解質膜２０へ至り、その後、水分が電解質膜２０中を移動（拡散）することによって、導電性電極部２（２Ａ，２Ｂ）の接触面部４（４Ａ，４Ｂ）で挟まれた個所の電解質膜２０に水分を供給することができる。また、上記水分の供給とは反対に、電解質膜２０中の水分を、条件（湿度、温度）によっては、電極１の非導電性多孔質挟持部３内を通して、電極１の外部へ放出することが出来る。
【００２７】
ところで、電解質膜２０の伝導度と、電解質膜２０中の水分量との間には、相関関係が存在する。図５は、電解質膜２０の伝導度（縦軸）と、相対湿度（横軸）との関係を示すグラフである。本発明のような、電解質膜２０と外部との間の水分が自由に行き来できる構造を備えた電極１を用いて伝導度を測定した場合、湿度が高くなると、外部より電極１内へ水分（水蒸気）が侵入し、電解質膜２０中の水分量が多くなる。電解質膜２０中の水分量が多くなると、電解質膜２０の内部抵抗が小さくなり、伝導度が高くなる。これに対し、湿度が低くなると、電解質膜２０中の水分が電極１内を通り、外部へ放出され、電解質膜２０中の水分量が少なくなる。電解質膜中の水分量が少なくなると、電解質膜中の内分抵抗が大きくなり、伝導度が低くなる（実線で示されるグラフを参照）。したがって、本発明に係る伝導度測定用電極１を用いれば、図５に示されるような、伝導度と、相対湿度との間の相関関係を、把握することができる。つまり、本発明に係る伝導度測定用電極１は、湿度を反映させた伝導度を測定することができる。これに対し、例えば、電解質膜２０と外部との間を水分が自由に行き来できない電極を用いて伝導度を測定した場合、図５の破線で示されるグラフのような、湿度を十分に反映させた伝導度を測定することができない。この場合、湿度が高くなっても、電極間に挟まれた電解質膜内へ水分を供給することが出来ないため、測定される伝導度の値が高くならない。
【００２８】
なお、本実施形態においては、インピーダンスアナライザを例示したが、例えば、ＬＣＲメータ（３５３２−８０ケミカルインピーダンス、日置電気株式会社製）を用い、かつ電極１を用いて伝導度を測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係る伝導度測定用電極の斜視図である。
【図２】電解質膜を両側から挟み、対向して配置される１対の伝導度測定用電極の断面図である。
【図３】外枠固定器に挿着、固定された伝導度測定用電極の説明図である。
【図４】伝導度測定用電極を用いる伝導度測定装置の概略構成図である。
【図５】電解質膜の伝導度と、相対湿度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１，１Ａ，１Ｂ  伝導度測定用電極、２，２Ａ，２Ｂ  導電性電極部、３，３Ａ，３Ｂ  非導電性多孔質挟持部、４，４Ａ，４Ｂ  導電性電極部の接触面部、５，５Ａ，５Ｂ  非導電性多孔質挟持部の接触面部、１０，１０Ａ，１０  外枠固定器、１１，１１Ａ，１１Ｂ  挿着孔、１２  固定手段、１３，１３Ａ，１３Ｂ  挿着孔の開口部、２０  電解質膜、３０  恒温恒湿器、３５，３５Ａ，３５Ｂ，３６，３６Ａ，３６Ｂ  リード線、４０  インピーダンスアナライザ、５０  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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