(57)【要約】【課題】電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置、及び、当該電解質膜の寸法測定装置を用いて電解質膜の特性を評価する、電解質膜の評価方法を提供する。【解決手段】電解質膜の一端を固定する第１固定手段、及び、電解質膜の他端を固定する第２固定手段と、第１固定手段及び第２固定手段によって両端を固定された電解質膜へ張力を付与可能な張力付与手段と、第１固定手段と第２固定手段との距離を測定可能な測定手段と、張力付与手段の動作を制御可能な制御手段と、を備え、電解質膜の寸法測定時にのみ、張力付与手段を介して電解質膜へ張力が付与され、電解質膜の非寸法測定時には、電解質膜に張力が付与されない、電解質膜の寸法測定装置とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一端を固定する第１固定手段、及び、前記電解質膜の他端を固定する第２固定手段と、
前記第１固定手段及び前記第２固定手段によって両端を固定された前記電解質膜へ張力を付与可能な、張力付与手段と、
前記第１固定手段と前記第２固定手段との距離を測定可能な、測定手段と、
前記張力付与手段の動作を制御可能な制御手段と、を備え、
前記電解質膜の寸法測定時にのみ、前記張力付与手段を介して前記電解質膜へ張力が付与され、前記電解質膜の非寸法測定時には、前記電解質膜に張力が付与されないことを特徴とする、電解質膜の寸法測定装置。
【請求項２】
少なくとも前記第２固定手段が移動可能に構成され、
前記電解質膜の寸法測定時には、前記張力付与手段を介して、前記第１固定手段から遠ざかる向きの力を加えられた前記第２固定手段が移動することにより、前記電解質膜へ張力が付与され、
前記電解質膜の非寸法評価時には、前記第１固定手段と前記第２固定手段との距離が、前記電解質膜が最も縮んだ時の前記第１固定手段と前記第２固定手段との距離よりも短くなるように、前記第１固定手段及び前記第２固定手段が配置されることを特徴とする、請求項１に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項３】
前記測定手段に、赤外線放出部と、前記赤外線放出部から放出された赤外線を受ける赤外線受け部とが備えられ、前記赤外線受け部が前記第２固定手段に備えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項４】
前記張力付与手段は、前記第２固定手段に一端が接続されたワイヤーと、前記ワイヤーの他端に接続された重りと、前記ワイヤーの前記一端と前記他端との間を支持する滑車と、前記重りを支持し得る上下動可能な第１支持部とを備え、
前記第１固定手段と前記第２固定手段との間に、前記第２固定手段を支持可能な第２支持部が配置され、
前記第１固定手段によって前記電解質膜の下端が固定されるとともに、前記第２固定手段によって前記電解質膜の上端が固定され、
前記電解質膜の寸法測定時には、前記第１支持部が下方へ移動するように、前記制御手段によって前記第１支持部の動作が制御され、前記重り及び前記ワイヤーを介して上向きの力が加えられた前記第２固定手段が上方へ移動することにより、前記電解質膜へ張力が付与され、
前記電解質膜の非寸法測定時には、前記第１支持部が上方へ移動するように、前記制御手段によって前記第１支持部の動作が制御され、重力で下方へ移動した第２固定手段が前記第２支持部によって支持されることにより、前記電解質膜へ張力が付与されない状態とされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項５】
さらに、前記電解質膜を加湿する加湿手段と、前記電解質膜を乾燥させる乾燥手段と、が備えられ、
前記測定手段によって、前記電解質膜の湿潤時の前記距離、及び、前記電解質膜の乾燥時の前記距離が測定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項６】
前記加湿手段は、少なくとも前記第１固定手段及び前記第２固定手段を収容する水槽、及び、前記水槽へ水を供給可能な水供給手段を備え、
前記乾燥手段に、前記水槽へ乾燥気体を供給可能な乾燥気体供給手段が備えられることを特徴とする、請求項５に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項７】
前記赤外線放出部及び前記赤外線受け部を備える請求項６に記載の電解質膜の寸法測定装置において、前記湿潤時の前記距離を測定する際に、前記赤外線放出部及び前記赤外線受け部が、前記水槽へ供給された前記水の水面よりも上方に配置されていることを特徴とする、電解質膜の寸法測定装置。
【請求項８】
さらに、前記水槽へ供給された前記水を温める加温手段を備えることを特徴とする、請求項６又は７に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項９】
さらに、温水貯留手段を備え、前記水槽へと供給される前記水が温水であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項１０】
前記赤外線放出部及び前記赤外線受け部を備える請求項８又は９に記載の電解質膜の寸法測定装置において、前記水槽の上面が蓋で覆われ、前記蓋に、前記赤外線受け部を貫通させる孔が備えられることを特徴とする、電解質膜の寸法測定装置。
【請求項１１】
前記湿潤時の前記距離を測定する際に、前記乾燥気体供給手段から前記水槽の内側へ気体が供給されることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の電解質膜の寸法測定装置。
【請求項１２】
寸法測定時にのみ電解質膜へ張力が付与され、非寸法測定時には前記電解質膜へ張力が付与されない条件下で、前記電解質膜へと吸収される液体の吸収特性、及び／又は、前記電解質膜から排出される液体の排出特性を評価する、電解質膜の評価方法であって、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電解質膜の寸法測定装置を用いて、前記電解質膜の寸法を複数回測定する、寸法測定工程と、
前記寸法測定工程で測定された前記寸法を用いて、単位時間当たりの前記寸法の変化量を算出する、変化量算出工程と、
前記変化量算出工程で算出された前記変化量を用いて、前記電解質膜の前記吸収特性、及び／又は、前記電解質膜の前記排出特性を算出する、特性算出工程と、
を備えることを特徴とする、電解質膜の評価方法。
【請求項１３】
寸法測定時にのみ電解質膜へ張力が付与され、非寸法測定時には前記電解質膜へ張力が付与されない条件下で、前記電解質膜へと吸収される液体の吸収特性、及び／又は、前記電解質膜から排出される液体の排出特性を評価する、電解質膜の評価方法であって、
請求項５〜１１のいずれか１項に記載の電解質膜の寸法測定装置を用いて、湿潤時の前記電解質膜の寸法と乾燥時の前記電解質膜の寸法とを連続して、それぞれ複数回測定する、寸法測定工程と、
前記寸法測定工程で測定された前記寸法を用いて、単位時間当たりの前記寸法の変化量を算出する、変化量算出工程と、
前記変化量算出工程で算出された前記変化量を用いて、前記電解質膜の前記吸収特性、及び／又は、前記電解質膜の前記排出特性を算出する、特性算出工程と、
を備えることを特徴とする、電解質膜の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池等に備えられる電解質膜の性能を評価する際に用いられる、電解質膜の寸法測定装置、及び、電解質膜の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」という。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域での運転が可能である。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
ＰＥＦＣの単セルは、電解質膜と、少なくとも触媒層を備えるアノード及びカソードと、を含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。ＰＥＦＣの運転時には、アノードに水素含有ガス（以下、「水素」という。）が供給され、カソードに酸素含有ガス（以下、「空気」という。）が供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層（以下、「アノード触媒層」という。）に含まれる触媒金属の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層（以下、「カソード触媒層」という。）へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給される空気に含まれる酸素とが反応することにより、水が生成される。
【０００４】
このように、ＰＥＦＣの運転時には水が生成されるため、当該水を吸収することにより、電解質膜は膨張する。これに対し、ＰＥＦＣの運転停止時には水が生成されないため、電解質膜は乾燥し、収縮する。それゆえ、ＰＥＦＣの運転／停止が繰り返されると、電解質膜が膨張／収縮し、電解質膜の寸法が変化する。近年の研究により、寸法が変化しやすい電解質膜は耐久性が低下しやすく、当該電解質膜を備えるＰＥＦＣは、運転時間が増加するにつれて発電性能が低下しやすいという知見が得られている。それゆえ、燃料電池の発電性能を向上させるためには、寸法が変化しにくい（寸法変化率の小さい）電解質膜を開発することが重要である。
【０００５】
寸法変化率の小さい電解質膜を備えるＰＥＦＣに関する技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、パーフルオロカーボン重合体型電解質からなる燃料電池用電解質膜の水やメタノール等のアルコール類による膨潤を抑制し、寸法安定性を改良した燃料電池用電解質膜、電解質膜−電極接合体、燃料電池および燃料電池用電解質膜の製造方法に関する技術が開示されている。そして、特許文献１には、電解質膜の長さを定規で測定することが記載されている。また、特許文献２には、電池製造時及び使用時の、実質的な寸法変化が少ないＰＥＦＣ用電解質膜の製造方法に関する技術が開示され、特許文献２にも、電解質膜の性能を評価する際に、その寸法変化率を算出することが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４７１８２号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、これまでは、電解質膜の寸法を自動で測定する装置が存在しなかったため、電解質膜の重要な性質の一つである寸法変化率を算出する場合には、特許文献１にも記載されているように、電解質膜の寸法を定規で測定していた。ところが、従来のように手作業で電解質膜の寸法を測定すると、電解質膜の寸法を測定できる時間が作業者の立ち会える時間に限定され、手作業での測定を繰り返す間に誤って電解質膜を傷つけることがあるため、電解質膜の寸法を測定する際の効率が極めて低いという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置、及び、当該電解質膜の寸法測定装置を用いて電解質膜の特性を評価する、電解質膜の評価方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、電解質膜の一端を固定する第１固定手段、及び、電解質膜の他端を固定する第２固定手段と、第１固定手段及び第２固定手段によって両端を固定された電解質膜へ張力を付与可能な、張力付与手段と、第１固定手段と第２固定手段との距離を測定可能な、測定手段と、張力付与手段の動作を制御可能な制御手段と、を備え、電解質膜の寸法測定時にのみ、張力付与手段を介して電解質膜へ張力が付与され、電解質膜の非寸法測定時には、電解質膜に張力が付与されないことを特徴とする、電解質膜の寸法測定装置である。
【００１０】
ここに、第１の本発明において、「第１固定手段」及び「第２固定手段」は、電解質膜の一端及び他端を固定可能であれば、その形態は特に限定されない。第１の本発明にかかる第１固定手段及び第２固定手段の具体例としては、電解質膜の端部を挟むことにより、電解質膜の一端及び他端をそれぞれ固定する手段等を挙げることができる。さらに、第１の本発明、及び、以下に示す本発明（以下これらをまとめて単に「本発明」ということがある。）において電解質膜に付与される「張力」は、電解質膜に皺が生じた場合に当該皺を伸ばすために必要とされる最小の力以上であり、かつ、寸法を測定される電解質膜の弾性限以下であれば、特に限定されない。さらに、第１の本発明において、「張力付与手段」は、両端を固定された電解質膜に張力を付与可能であれば、その形態は特に限定されない。第１の本発明にかかる張力付与手段の具体例としては、電解質膜の中央部を押して両端を固定された電解質膜を伸ばすことにより、電解質膜に張力を付与する手段のほか、第１固定手段及び／又は第２固定手段を移動させて第１固定手段と第２固定手段との間隔を広げることにより、電解質膜に張力を付与する手段等を挙げることができる。さらに、第１の本発明において、「測定手段」は、第１固定手段と第２固定手段との距離を測定可能なものであれば特に限定されない。第１の本発明にかかる測定手段の具体例としては、赤外線センサーのように、波動（例えば、赤外線）を対象物（第１固定手段及び／又は第２固定手段）へ放出することにより、第１固定手段と第２固定手段との距離を測定する手段のほか、変位計等を挙げることができる。さらに、第１の本発明において、「制御手段」は、張力付与手段の動作を制御可能なものであれば、その形態は特に限定されない。第１の本発明にかかる制御手段の具体例としては、パーソナルコンピュータに備えられる中央処理装置（ＣＰＵ）等を挙げることができる。さらに、本発明において、「電解質膜の非寸法測定時には、電解質膜に張力が付与されない」とは、電解質膜の非寸法測定時には張力が付与されないように、電解質膜が弛んだ状態で保持されることを意味する。
【００１１】
上記第１の本発明において、少なくとも第２固定手段が移動可能に構成され、電解質膜の寸法測定時には、張力付与手段を介して、第１固定手段から遠ざかる向きの力を加えられた第２固定手段が移動することにより、電解質膜へ張力が付与され、電解質膜の非寸法評価時には、第１固定手段と第２固定手段との距離が、電解質膜が最も縮んだ時の第１固定手段と第２固定手段との距離よりも短くなるように、第１固定手段及び第２固定手段が配置されることが好ましい。
【００１２】
ここに、「電解質膜が最も縮んだ時の第１固定手段と第２固定手段との距離」とは、内部の水分が略完全に取り除かれたと判断される電解質膜（以下、「乾燥時の電解質膜」という。）に生ずる皺を引き伸ばし、乾燥時の電解質膜に張力が加わる直前の状態における、第１固定手段と第２固定手段との距離を意味する。
【００１３】
また、上記第１の本発明において、測定手段に、赤外線放出部と、該赤外線放出部から放出された赤外線を受ける赤外線受け部とが備えられ、赤外線受け部が第２固定手段に備えられることが好ましい。
【００１４】
ここに、第１の本発明における赤外線放出部の具体例としては、赤外線センサーに備えられる赤外線放出部等を例示することができる。さらに、第１の本発明における赤外線受け部は、第２固定手段の一部分によって構成することができる。
【００１５】
また、上記第１の本発明において、張力付与手段は、第２固定手段に一端が接続されたワイヤーと、ワイヤーの他端に接続された重りと、ワイヤーの一端と他端との間を支持する滑車と、重りを支持し得る上下動可能な第１支持部とを備え、第１固定手段と第２固定手段との間に、第２固定手段を支持可能な第２支持部が配置され、第１固定手段によって電解質膜の下端が固定されるとともに、第２固定手段によって電解質膜の上端が固定され、電解質膜の寸法測定時には、第１支持部が下方へ移動するように、上記制御手段によって第１支持部の動作が制御され、重り及びワイヤーを介して上向きの力が加えられた第２固定手段が上方へ移動することにより、電解質膜へ張力が付与され、電解質膜の非寸法測定時には、第１支持部が上方へ移動するように、上記制御手段によって第１支持部の動作が制御され、重力で下方へ移動した第２固定手段が第２支持部によって支持されることにより、電解質膜へ張力が付与されない状態とされることが好ましい。
【００１６】
また、上記第１の本発明において、さらに、電解質膜を加湿する加湿手段と、電解質膜を乾燥させる乾燥手段と、が備えられ、測定手段によって、電解質膜の湿潤時の上記距離、及び、電解質膜の乾燥時の上記距離が測定されることが好ましい。
【００１７】
ここに、第１の本発明における「加湿手段」は、電解質膜を加湿することが可能な手段であれば、その形態は特に限定されない。当該加湿手段の具体例としては、少なくとも第１固定手段及び第２固定手段によって両端を固定された電解質膜を収容可能な水槽及び当該水槽へ水を供給可能な配管が備えられる形態のほか、電解質膜を加湿する蒸気を放出可能な加湿器等が備えられる形態等を挙げることができる。さらに、第１の本発明における「乾燥手段」は、電解質膜に含有される水分を除去し得る手段であれば、その形態は特に限定されない。当該乾燥手段の具体例としては、電解質膜へ乾燥気体（例えば、相対湿度１０％未満の乾燥空気等）を供給することが可能な送風機が備えられる形態等を挙げることができる。さらに、「電解質膜の湿潤時の上記距離」とは、加湿された電解質膜の両端を固定している第１固定手段と第２固定手段との距離を意味する。さらに、「電解質膜の乾燥時の上記距離」とは、乾燥した電解質膜の両端を固定している第１固定手段と第２固定手段との距離を意味する。
【００１８】
また、加湿手段及び乾燥手段が備えられる上記第１の本発明において、加湿手段は、少なくとも第１固定手段及び第２固定手段を収容する水槽、及び、該水槽へ水を供給可能な水供給手段を備え、乾燥手段に、水槽へ乾燥気体を供給可能な乾燥気体供給手段が備えられることが好ましい。
【００１９】
ここに、第１の本発明における「水供給手段」は、水槽へ水又は温水を供給可能な手段であれば、その形態は特に限定されず、水道の蛇口や温水タンク等の水源、及び、当該水源から水槽へと供給される水又は温水が流通する配管等が備えられる形態を例示することができる。水槽へと供給された水又は温水は、湿潤時の電解質膜の寸法測定後に、排水手段によって排出することができる。当該排水手段は、水槽に供給された水又は温水を水槽の外へ排出し得る手段であれば、その形態は特に限定されず、水槽内の水又は温水を排出し得る配管等が備えられる形態を例示することができる。さらに、第１の本発明における「乾燥気体供給手段」は、水槽へ乾燥気体を供給させ得るものであれば、その形態は特に限定されず、乾燥気体のみを供給させ得る手段のほか、乾燥気体及び湿度が制御されていない気体を供給させ得る手段であっても良い。乾燥気体供給手段から供給される乾燥気体の具体例としては、相対湿度１０％未満の空気等を挙げることができる。
【００２０】
また、赤外線放出部及び赤外線受け部を備え、かつ、加湿手段に少なくとも水槽及び水供給手段が備えられる上記第１の本発明において、湿潤時の上記距離を測定する際に、赤外線放出部及び赤外線受け部が、水槽へ供給された水の水面よりも上方に配置されていることが好ましい。
【００２１】
ここに、第１の本発明において、「湿潤時の上記距離」とは、水の中に浸漬されることにより膨潤した電解質膜の両端を固定している第１固定手段と第２固定手段との距離を意味する。
【００２２】
また、加湿手段に少なくとも水槽及び水供給手段が備えられる上記第１の本発明において、さらに、水槽へ供給された水を温める加温手段を備えることが好ましい。
【００２３】
ここに、第１の本発明における「加温手段」は、水槽の水を温めることが可能なものであれば、特に限定されず、例えば、一般に流通しているヒーター及びサーモスタット等を例示することができる。
【００２４】
また、加湿手段に少なくとも水槽及び水供給手段が備えられる上記第１の本発明において、さらに、温水貯留手段を備え、水槽へと供給される水が温水であることが好ましい。
【００２５】
ここに、第１の本発明における「温水貯留手段」は、水を温めることにより所定の温度（例えば、８０℃）の温水とし、当該温水を溜めることが可能であれば、その形態は特に限定されない。
【００２６】
また、赤外線放出部及び赤外線受け部を備え、かつ、加湿手段に少なくとも水槽及び水供給手段が備えられる上記第１の本発明において、水槽の上面が蓋で覆われ、該蓋に、赤外線受け部を貫通させる孔が備えられることが好ましい。
【００２７】
ここに、第１の本発明における「蓋」は、少なくとも赤外線放出部に温水の蒸気が付着することを抑制する機能を有するものであれば、その形態は特に限定されない。当該蓋を構成する材料としては、例えば、８０℃以上の温度に耐え得る各種材料（樹脂、ガラス、金属等）を挙げることができる。
【００２８】
また、加湿手段に少なくとも水槽及び水供給手段が備えられる上記第１の本発明において、湿潤時の上記距離を測定する際に、乾燥気体供給手段から水槽の内側へ気体が供給されることが好ましい。
【００２９】
ここに、第１の本発明において、乾燥気体供給手段から水槽の内側へと供給される「気体」は、温水の水面と赤外線放出部との間に存在する蒸気（水槽に蓋が備えられる場合には、温水の水面と蓋との間に存在する蒸気）を除去可能であれば、特に限定されない。当該気体の具体例としては、上記乾燥気体のほか、湿度が制御されていない通常の空気等を挙げることができる。
【００３０】
第２の本発明は、寸法測定時にのみ電解質膜へ張力が付与され、非寸法測定時には電解質膜へ張力が付与されない条件下で、電解質膜へと吸収される液体の吸収特性、及び／又は、電解質膜から排出される液体の排出特性を評価する、電解質膜の評価方法であって、上記第１の本発明にかかる電解質膜の寸法測定装置を用いて、電解質膜の寸法を複数回測定する寸法測定工程と、該寸法測定工程で測定された寸法を用いて、単位時間当たりの寸法の変化量を算出する変化量算出工程と、該変化量算出工程で算出された変化量を用いて、電解質膜の吸収特性、及び／又は、電解質膜の排出特性を算出する特性算出工程と、を備えることを特徴とする、電解質膜の評価方法である。
【００３１】
第２の本発明、及び、以下に示す本発明において、「液体」の具体例としては、水等を挙げることができる。また、第２の本発明、及び、以下に示す本発明において、「吸収特性」は、少なくとも、電解質膜へ液体が吸収される前の寸法と、電解質膜へ液体が吸収されている途中、及び／又は、電解質膜へ液体が吸収され終わった後の寸法とを測定し、測定した当該寸法を用いて単位時間当たりの液体の吸収量等を計算することにより算出される。また、第２の本発明、及び、以下に示す本発明において、「排出特性」は、少なくとも、電解質膜から液体が排出される前の寸法と、電解質膜から液体が排出されている途中、及び／又は、電解質膜から液体が排出され終わった後の寸法とを測定し、測定した当該寸法を用いて単位時間当たりの液体の排出量等を計算することにより算出される。
【００３２】
第３の本発明は、寸法測定時にのみ電解質膜へ張力が付与され、非寸法測定時には電解質膜へ張力が付与されない条件下で、電解質膜へと吸収される液体の吸収特性、及び／又は、電解質膜から排出される液体の排出特性を評価する、電解質膜の評価方法であって、加湿手段及び乾燥手段が備えられる上記第１の本発明にかかる電解質膜の寸法測定装置を用いて、湿潤時の電解質膜の寸法と乾燥時の電解質膜の寸法とを連続してそれぞれ複数回測定する寸法測定工程と、該寸法測定工程で測定された寸法を用いて、単位時間当たりの寸法の変化量を算出する変化量算出工程と、該変化量算出工程で算出された変化量を用いて、電解質膜の吸収特性、及び／又は、電解質膜の排出特性を算出する特性算出工程と、を備えることを特徴とする、電解質膜の評価方法である。
【発明の効果】
【００３３】
第１の本発明によれば、寸法測定時にのみ電解質膜へ張力が付与され、非寸法測定時には電解質膜へ張力が付与されないように、張力付与手段の動作が制御される。そのため、電解質膜の膨張時のみならず、収縮して皺が生じている電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００３４】
また、第１の本発明において、電解質膜の非寸法評価時に、電解質膜が最も縮んだ時の第１固定手段と第２固定手段との距離よりも短くなるように、第１固定手段及び第２固定手段が配置されることにより、簡易な構成で、非寸法測定時に電解質膜へ張力が付与されない形態とすることができる。
【００３５】
また、第１の本発明において、測定手段に赤外線放出部と赤外線受け部とが備えられることにより、非接触で第１固定手段と第２固定手段との距離を測定できる。したがって、かかる形態とすることにより、非接触で電解質膜の寸法を測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００３６】
また、第１の本発明において、張力付与手段が、ワイヤー、重り、滑車、及び、第１支持部を備え、当該第１支持部の上下動が制御手段によって制御されることにより、第１支持部を下へ移動させることで電解質膜へ張力が付与される状態にすることができ、第１支持部を上へ移動させることで電解質膜へ張力が付与されない状態にすることができる。加えて、下方へ移動した第２固定手段が第２支持部によって支持される構成とすることにより、電解質膜を弛ませた状態で保持できるので、非寸法測定時に張力が付与されない形態で、電解質膜を保持できる。
【００３７】
また、第１の本発明において、加湿手段及び乾燥手段が備えられることにより、加湿されて膨張した電解質膜の湿潤時の寸法と、乾燥して収縮した電解質膜の乾燥時の寸法を、自動で測定することが可能になる。したがって、かかる形態とすることにより、膨張・収縮の加速試験に供される電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００３８】
また、第１の本発明において、加湿手段が少なくとも水槽及び水供給手段を備え、乾燥手段に乾燥気体供給手段が備えられることにより、電解質膜を容易に加湿し乾燥させることができる。したがって、かかる形態とすることにより、膨張・収縮の加速試験に供される電解質膜の寸法を自動で容易に測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００３９】
また、第１の本発明において、赤外線放出部及び赤外線受け部が水面の上方に配置されることにより、電解質膜の寸法測定の精度を向上させることが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００４０】
また、第１の本発明において、加温手段を備えることにより、実際のＰＥＦＣに備えられる電解質膜の環境を模擬した、電解質膜の膨張・収縮の加速試験を行うことが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００４１】
また、第１の本発明において、温水貯留手段を備えることにより、実際のＰＥＦＣに備えられる電解質膜の環境を模擬した膨張・収縮の加速試験を行うことが可能であり、かつ、温められた温水が水槽へ供給されることにより電解質膜の膨張・収縮の加速試験に要する時間を短縮させることが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００４２】
また、第１の本発明において、水槽の上面が蓋で覆われ、かつ、当該蓋に孔が設けられることにより赤外線放出部と赤外線受け部との間に蓋が配置されない形態とすることができる。かかる形態とすることにより、温水に起因する蒸気が赤外線放出部及び赤外線受け部に付着することを抑制できるので、電解質膜の寸法測定の精度を向上させることが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００４３】
また、第１の本発明において、電解質膜を水中へ浸漬させた時の距離を測定する際に、水槽へ気体を供給することにより、さらに、水面と赤外線放出部との間に存在する蒸気を除去して電解質膜の寸法測定の精度を向上させることが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供できる。
【００４４】
第２の本発明によれば、第１の本発明にかかる電解質膜の寸法測定装置を用いて電解質膜の寸法を測定する寸法測定工程が備えられる。そのため、第２の本発明によれば、自動で測定された、電解質膜の膨張時の寸法、及び／又は、収縮して皺が生じている電解質膜の寸法を用いて、電解質膜の特性を評価することが可能な、電解質膜の評価方法を提供することができる。
【００４５】
第３の本発明によれば、加湿手段及び乾燥手段が備えられる上記第１の本発明にかかる電解質膜の寸法測定装置を用いて電解質膜の寸法を測定する、寸法測定工程が備えられる。そのため、第３の本発明によれば、自動で測定された、加湿されて膨張した電解質膜の湿潤時の寸法、及び／又は、乾燥して収縮した電解質膜の乾燥時の寸法を用いて、電解質膜の特性を評価することが可能な、電解質膜の評価方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
近年の研究により、ＰＥＦＣの性能及び耐久性と電解質膜の寸法変化率との間に相関が認められることが判明し、寸法変化率の小さい電解質膜を備える形態とすることで、ＰＥＦＣの性能及び耐久性を向上させることが可能になるという知見が得られている。そのため、ＰＥＦＣの開発を行う上で、電解質膜の寸法変化率を把握することは極めて重要である。これまでは、電解質膜の寸法を自動で測定する装置が存在しなかったため、手作業で電解質膜の寸法を測定していた。それゆえ、電解質膜の寸法を測定する時間が作業者の立ち会える時間に限定され、１日でこなせる測定回数に限度があるという問題があった。また、例えば、温水に浸した膨潤時の電解質膜の寸法を測定した後に温水から電解質膜を取り出す際や、乾燥させた収縮時の電解質膜の寸法を測定した後に乾燥雰囲気から電解質膜を取り出す際等に、誤って電解質膜を傷つける場合があるという問題もあった。それゆえ、電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な、寸法測定装置の開発が望まれている。
【００４７】
一方、ＰＥＦＣに備えられる電解質膜は、ＰＥＦＣの運転状態によって膨張・収縮を繰り返すと考えられるため、電解質膜の寿命等を評価する上で、液体を吸収して膨張する際の液体吸収特性や、液体を排出して収縮する際の液体排出特性を把握することも極めて重要である。従来、電解質膜の液体吸収特性や液体排出特性（以下これらをまとめて「吸排出特性」ということがある。）は、膨張した電解質膜の質量、及び、収縮した電解質膜の質量を測定し、これらの差を用いて評価していた。ところが、当該方法による評価では、加湿時のセル環境の模擬が困難であり、電解質膜の吸排出特性を評価することが困難であった。それゆえ、電解質膜の吸排出特性を評価することが可能な、電解質膜の評価方法の開発が望まれている。
【００４８】
本発明は、かかる観点からなされたものであり、その第１の要旨は、電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な、電解質膜の寸法測定装置を提供することにあり、第２の要旨は、当該電解質膜の寸法測定装置を用いて電解質膜の吸排出特性を評価することが可能な、電解質膜の評価方法を提供することにある。
【００４９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の電解質膜の寸法測定装置、及び、本発明の電解質膜の評価方法について具体的に説明する。
【００５０】
１．電解質膜の寸法測定装置
図１は、本発明の電解質膜の寸法測定装置（以下、「本発明の装置」という。）の一部（測定部）を簡略化して示す正面図である。図２及び図３は、本発明の装置の一部（測定部）を簡略化して示す側面図である。図１及び図２は、寸法測定時の様子を概略的に示しており、図３は、非寸法測定時の様子を概略的に示している。図４は、本発明の装置の構成を簡略化して示す概念図である。図が煩雑になることを防ぐため、図４では一部符号の記載を省略している。
【００５１】
図１〜図３に示すように、本発明の装置１００には、電解質膜１の一端を固定する第１固定手段としての固定チャック２と、電解質膜１の他端を固定する第２固定手段としてのスライドチャック３と、寸法測定時に電解質膜１へ張力を付与する張力付与手段４と、固定チャック２とスライドチャック３との距離を測定する測定手段５と、スライドチャック３を支持し得る第２支持部７、７と、を備える測定部８と、張力付与手段４の動作を制御する制御手段（以下、「制御装置」という。）６と、が備えられている。張力付与手段４には、スライドチャック３に一端が接続されたワイヤー４ａと、ワイヤー４ａの他端に接続された重り４ｂと、ワイヤー４ａを支持する滑車４ｃと、重り４ｂを支持し得る第１支持部４ｄと、が備えられている。測定手段５には、赤外線を放出する赤外線放出部５ａと、赤外線放出部５ａから放出された赤外線を受ける赤外線受け部５ｂと、が備えられ、赤外線受け部５ｂは、スライドチャック３と一体になるように設けられている。そして、制御装置６には、張力付与手段４に備えられる第１支持部４ｄの動作制御を実行するＣＰＵ６１と、当該ＣＰＵ６１に対する記憶装置とが設けられている。
【００５２】
ＣＰＵ６１は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ６１に対する記憶装置は、例えば、第１支持部４ｄの動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ６２と、ＣＰＵ６１の作業領域として機能するＲＡＭ６３と、タイマー６４等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ６１が、ＲＯＭ６２に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の装置１００における制御装置６が機能する。
【００５３】
図１及び図２に示すように、本発明の装置１００により電解質膜１の寸法を測定する際には、まず、寸法測定試験の開始を指示する出力信号が、入力ポート６５を介して、入力信号としてＣＰＵ６１へと到達する。ＣＰＵ６１は、上記入力信号及びＲＯＭ６２に記憶されたプログラムに基いて、非寸法測定時には上方に位置している第１支持部４ｄを下方へ移動させるべく、出力ポート６６を介して第１支持部４ｄに対する動作指令を制御する。第１支持部４ｄは、ＣＰＵ６１から与えられた動作指令に応じて、非寸法測定時よりも下方へと移動し、重り４ｂと接触しない位置へ移動した段階で停止する。重り４ｂが第１支持部４ｄによって支持されない状態になると、ワイヤー４ａが重り４ｂによって引っ張られ、これにより、スライドチャック３に上向きの力が付与され、電解質膜１に張力が付与される。このようにして電解質膜１に張力が付与されると、スライドチャック３に加えられる上向きの力と、当該力に抗して電解質膜１が引っ張られないようにする力とが釣り合った時点で、スライドチャック３が静止する。スライドチャック３が静止すると、赤外線放出部５ａから赤外線受け部５ｂに向けて赤外線が放出されることにより、スライドチャック３の位置が測定され、固定チャック２とスライドチャック３との距離、すなわち、固定チャック２及びスライドチャック３によって両端を固定された電解質膜１の寸法が測定される。
【００５４】
赤外線放出部５ａから赤外線が放出されたことを知らせる出力信号が、入力ポート６５を介して、入力信号としてＣＰＵ６１へと到達すると、ＣＰＵ６１は、上記入力信号及びＲＯＭ６２に記憶されたプログラムに基いて、寸法測定が終了したと判断し、下方へ移動した第１支持部４ｄを上方へ移動させるべく、出力ポート６６を介して第１支持部４ｄに対する動作指令を制御する。第１支持部４ｄは、ＣＰＵ６１から与えられた動作指令に応じて、寸法測定時よりも上方へと移動し、重り４ｂと接触してワイヤー４ａに張力が加えられない位置へ移動した段階で停止する。このようにしてワイヤー４ａに張力が付与されない状態になると、スライドチャック３を上方へ引っ張る力が付与されなくなるため、スライドチャック３は、重力によって下方へと移動し、スライドチャック３と固定チャック２との間に設けられる第２支持部７、７と接触する。第２支持部７、７は、電解質膜１の非寸法測定時にスライドチャック３を保持するために設けられる部材であり、第２支持部７、７によって保持されるスライドチャック３と固定チャック２との距離が、電解質膜１が最も縮んだ時のスライドチャック３と固定チャック２との距離よりも短くなる位置に、第２支持部７、７が設けられている。すなわち、電解質膜１の非寸法測定時には、重り４ｂが第１支持部４ｄによって保持されるとともに、スライドチャック３が第２支持部７、７によって保持され、電解質膜１が弛んだ状態で保持される（図３参照）。
【００５５】
本発明の装置１００において、重り４ｂの重さは、電解質膜１に、その弾性限以下の力を付与する重さであって、かつ、電解質膜１が縮んだ際に生じる皺を伸ばすことが可能な重さ（例えば、縦５０ｍｍ×横１０ｍｍの固体高分子膜の寸法を測定する場合には、１０ｇ〜３０ｇ程度）とされる。そのため、水を含んで膨張した電解質膜１の寸法を測定する場合には、電解質膜１を破損することがない。また、乾燥して収縮した電解質膜１の寸法を測定する場合であっても、皺が伸ばされた電解質膜１の寸法を測定することができ、電解質膜１を破損することがない。従来は、電解質膜の寸法を自動で測定し得る装置が存在しなかったため、定規等で皺を伸ばしてから、電解質膜の乾燥時の寸法を測定していたが、本発明によれば、皺を伸ばすために必要とされる張力が電解質膜へ自動で付与されるので、従来と同様の測定環境を再現しつつ、電解質膜の寸法を自動で測定することができる。
【００５６】
図４に示すように、本発明の装置１００には、複数の測定部８、８、…を収容する水槽９と、当該水槽９と接続された水供給手段としての配管１０及び排水手段としての配管１１と、配管１０及び配管１１と接続された温水貯留手段としての温水タンク１２と、水槽９へ乾燥気体（以下、「乾燥空気」という。）を供給し得る乾燥気体供給手段１３と、が備えられている。水槽９の上面には、蓋１４が備えられ、当該蓋１４には、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…を貫通させ得る孔１４ａ、１４ａ、…が備えられている。そして、乾燥気体供給手段１３には、乾燥空気を発生させる乾燥空気発生部１３ａと、乾燥空気発生部１３ａで発生させた乾燥空気を水槽９へと供給する配管１３ｂと、が備えられている。
【００５７】
以下、図１〜図４を参照しつつ、本発明の装置１００を用いた電解質膜１の寸法測定について説明する。なお、以下の説明では、本発明の装置１００に電解質膜１を配置した後、電解質膜１の湿潤時の寸法を測定し、その後、電解質膜１の乾燥時の寸法を測定する１サイクルが繰り返される形態を例示するが、本発明の装置１００を用いた電解質膜１の寸法測定は、当該形態に限定されない。本発明の装置１００を用いた電解質膜１の寸法測定は、電解質膜１の乾燥時の寸法を測定した後に、電解質膜１の湿潤時の寸法を測定する１サイクルが繰り返される形態とすることも可能である。
【００５８】
本発明の装置１００を用いて電解質膜１の湿潤時の寸法及び乾燥時の寸法を測定する場合には、まず、水槽９に収容されている各測定部８、８、…に、電解質膜１、１、…を取り付ける。具体的には、測定部８、８、…に備えられる固定チャック２、２、…で電解質膜１、１、…の下端を固定するとともに、スライドチャック３、３、…で電解質膜１、１、…の上端を固定することにより、電解質膜１、１、…を測定部８、８、…に固定する。そして、電解質膜１、１、…の上端を固定するスライドチャック３、３、…が第２支持部７、７、…によって保持されることにより、電解質膜１、１、…に張力が付与されない形態とされる。
【００５９】
このようにして電解質膜１、１、…を固定したら、寸法測定のサイクル数を入力し、制御装置６に備えられるＥｎｔｅｒキー（不図示）を押す等により、電解質膜１の寸法測定を開始する。電解質膜１、１、…の寸法測定が開始されると、常温常湿下における電解質膜１、１、…の寸法を測定するため、ＣＰＵ６１によって動作を制御される第１支持部４ｄ、４ｄ、…が下方へと移動し、重り４ｂ、４ｂ、…が第１支持部４ｄ、４ｄ、…によって支持されない状態へと移行する。当該状態へと移行すると、重り４ｂ、４ｂ、…、及び、ワイヤー４ａ、４ａ、…によって、スライドチャック３、３、…に上向きの力が付与され、電解質膜１、１、…へ張力が付与される。その後、電解質膜１、１、…へ張力が付与された状態でスライドチャック３、３、…が静止すると、測定手段５によってスライドチャック３、３、…の位置が測定され、電解質膜１、１、…の常温常湿下における寸法（基準寸法）が測定される。そして、基準寸法の測定が終了すると、ＣＰＵ６１によって動作を制御される第１支持部４ｄ、４ｄ、…が上方へと移動することにより、重り４ｂ、４ｂ、…が第１支持部４ｄ、４ｄ、…によって支持され、電解質膜１、１、…へ張力が付与されない状態へと移行する。
【００６０】
電解質膜１、１、…の基準寸法の測定が終了すると、電解質膜１、１、…の湿潤時の寸法を測定すべく、配管１０を介して温水タンク１２から水槽９へと温水が供給され、当該温水に電解質膜１、１、…が浸される。予め設定された量の温水が水槽９へと供給されると、温水の供給が停止され、温水の供給停止後、一定時間（例えば、１時間程度）に亘って電解質膜１、１、…を温水に浸すことにより、電解質膜１、１、…に温水を吸収させる。当該一定時間が経過すると、電解質膜１、１、…の寸法測定が開始される。電解質膜１、１、…の寸法測定時には、乾燥気体供給手段１３によって、水槽９の温水の水面と蓋１４との間に乾燥空気が供給される。さらに、上述のように、ＣＰＵ６１によって動作を制御される第１支持部４ｄ、４ｄ、…が下方へと移動し、電解質膜１、１、…へ張力が付与され、湿潤時の電解質膜１、１、…の寸法が測定される。湿潤時の寸法測定が終了すると、ＣＰＵ６１によって動作を制御される第１支持部４ｄ、４ｄ、…が上方へと移動し、電解質膜１、１、…へ張力が付与されない状態とされる。
【００６１】
湿潤時の電解質膜１、１、…の寸法が測定される際、測定部８、８、…に備えられる赤外線放出部５ａ、及び、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…は、水槽９の温水の水面よりも上方に位置し、さらに、水槽９の蓋１４よりも上方に位置している。水槽９へ温水を供給すると、当該温水から発生する蒸気が赤外線放出部５ａ、及び／又は、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…に付着し、スライドチャック３、３、…の位置測定の精度が低下する恐れがある。そこで、本発明の装置１００では、赤外線放出部５ａ、及び、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…に蒸気が付着しにくい構成とするため、水槽９に蓋１４を設け、当該蓋１４に赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…を貫通させ得る孔１４ａ、１４ａ、…が備えられる構成とし、さらに、当該構成に加えて乾燥空気を供給することにより、より一層蒸気が付着しにくい構成としている。
【００６２】
湿潤時の電解質膜１、１、…の寸法測定が終了すると、電解質膜１、１、…の乾燥時の寸法を測定すべく、配管１１を介して水槽９内の温水が排水され、乾燥気体供給手段１３から水槽９へ乾燥空気（例えば、相対湿度５％、温度５０℃の空気）が供給される。乾燥空気の供給は、電解質膜１、１、…の内部の水分が略完全に蒸発したと判断し得る状態となる時間（例えば、１時間程度）に亘って継続され、当該時間が経過すると、電解質膜１、１、…の寸法測定が開始される。電解質膜１、１、…の寸法測定時には、上述のように、ＣＰＵ６１によって動作を制御される第１支持部４ｄ、４ｄ、…が下方へと移動し、電解質膜１、１、…へ張力が付与され、乾燥時の電解質膜１、１、…の寸法が測定される。乾燥時の寸法測定が終了すると、ＣＰＵ６１によって動作を制御される第１支持部４ｄ、４ｄ、…が上方へと移動し、電解質膜１、１、…へ張力が付与されない状態とされる。
【００６３】
かかる過程を経ることにより、湿潤時の寸法測定及び乾燥時の寸法測定からなる１サイクルの寸法測定を行うことができる。２サイクル以上の寸法測定を行う場合には、上記湿潤時の寸法測定及び上記乾燥時の寸法測定を繰り返すことにより、所定のサイクルの寸法測定を行うことができる。入力したサイクル数の寸法測定が終了したら、測定部８、８、…から電解質膜１、１、…を取り外す。かかる工程を経ることにより、本発明の装置１００による電解質膜１、１、…の寸法測定の全工程が終了する。
【００６４】
このように、本発明の装置１００によれば、寸法測定サイクルは自動で進行するため、寸法測定サイクル実行時には人手を必要とせず、電解質膜１、１、…の取り付け時と、電解質膜１、１、…の取り外し時との間は、測定者の時間が拘束されない。したがって、本発明の装置１００を用いることで、寸法測定サイクルを２４時間フル稼働させることができ、寸法測定の全サイクルが終了するまでに要する時間を大幅に短縮することができる。例えば、定規を用いた従来の測定では、１００サイクル終了までに１００日程度の期間を要していたが、本発明の装置１００を用いることで、１００サイクルの寸法測定が終了するまでの期間を１２日程度に短縮することができる。
【００６５】
また、本発明の装置１００によれば、電解質膜１、１、…の取り付け時及び取り外し時にのみ、測定者が電解質膜１、１、…に触れ、寸法測定が開始されてから寸法測定が終了するまでの間は、測定者が電解質膜１、１、…に触れることがない。それゆえ、本発明の装置１００を用いない従来の寸法測定時に問題とされた、寸法測定が開始されてから寸法測定が終了するまでの間における電解質膜１、１、…の破損（例えば、電解質膜を湿潤環境から乾燥環境へ移動する際の破損等）を防止できる。したがって、本発明によれば、寸法測定の作業効率を大幅に向上させることができる。
【００６６】
本発明の装置１００に関する上記説明では、温水タンク１２が備えられる形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。当該形態のほか、例えば、水槽９を温めることが可能な加温手段（例えば、ヒーター及びサーモスタット）が備えられる構成とし、水槽へ供給された水、又は、温水タンク１２から供給された温水を、当該加温手段によって温める形態や、温水タンクも加温手段も備えられない形態とすることも可能である。ただし、ＰＥＦＣの運転時の環境を模擬することにより、寸法測定試験（加速試験）の信頼性を向上させる等の観点からは、温水タンク１２及び／又は加温手段が備えられる形態とすることが好ましく、水が温まるまでの時間を短縮することにより湿潤時の寸法測定に要する時間を短縮する等の観点からは、少なくとも温水タンク１２が備えられる形態とすることが好ましい。また、本発明の装置１００に関する上記説明では、湿潤時の電解質膜１、１、…の寸法を測定する際に、８０℃の温水に浸される形態を例示したが、温水の温度は当該温度に限定されない。温水の温度は、常温〜９０℃程度とすることができる。ただし、ＰＥＦＣの運転時の環境を模擬するという観点からは、８０℃以上９０℃以下の温度とすることが好ましい。
【００６７】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、蓋１４が備えられる形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。ただし、測定手段５に蒸気が付着しにくい形態とすることにより、測定手段５の測定精度を向上させる等の観点からは、蓋１４が備えられる形態とすることが好ましい。
【００６８】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、蓋１４に赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…を貫通させる孔１４ａ、１４ａ、…が備えられる形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。ただし、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…を蓋１４よりも上方に位置させて、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…に蒸気が付着しにくい構成として測定手段５の測定精度を向上させる等の観点からは、蓋１４に赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…を貫通させる孔１４ａ、１４ａ、…が備えられる形態とすることが好ましい。
【００６９】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、湿潤時の寸法を測定する際に乾燥空気が供給される形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。ただし、測定手段５に蒸気が付着しにくい形態とすることにより、測定手段５の測定精度を向上させる等の観点からは、乾燥空気又は通常の空気を供給しながら湿潤時の寸法が測定されることが好ましい。
【００７０】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、相対湿度５％、温度５０℃の空気が供給されることにより、電解質膜１が乾燥状態とされる形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。水槽９へと供給される乾燥空気の温度は、例えば、常温〜１００℃以下とすることができ、乾燥空気の相対湿度は０％以上１０％以下とすることができる。ただし、ＰＥＦＣの運転時の環境を模擬するという観点から、乾燥空気の温度は８０℃以上１００℃以下とすることが好ましい。
【００７１】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、赤外線放出部５ａ、及び、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…が水面よりも上方に位置した状態で、湿潤時の寸法が測定される形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。ただし、測定手段５による測定精度を向上させる等の観点からは、赤外線放出部５ａ、及び、赤外線受け部５ｂ、５ｂ、…が水面よりも上方に位置した状態で、湿潤時の寸法が測定されることが好ましい。
【００７２】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、赤外線放出部５ａ及び赤外線受け部５ｂを備える測定手段５が備えられる形態を例示したが、本発明の装置に備えられる測定手段は当該形態に限定されない。当該形態のほか、例えば、変位計、及び、当該変位計及びスライドチャック３に接続されたセンサーを有する測定手段が備えられる形態とすることも可能である。ただし、複数の測定部が水槽に収容される場合等には、センサーの個数を低減することにより装置のコストを低減することが可能になるため、赤外線放出部５ａ及び赤外線受け部５ｂを備える測定手段５が備えられる形態とすることが好ましい。本発明の装置１００において、測定手段５として赤外線センサーを用いる場合、当該センサーの測定精度は特に限定されるものではないが、例えば、固定チャック２とスライドチャック３との間に位置する縦５０ｍｍの電解質膜１の１％の変位（０．５ｍｍの変位）を確実に検知可能な精度とする観点からは、０．１ｍｍ程度の変位を検知可能な精度とすることが好ましい。
【００７３】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、複数の測定部８、８、…が備えられる形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。ただし、一度に複数種類の電解質膜の寸法測定を可能な装置とする等の観点からは、複数の測定部が備えられる形態とすることが好ましい。
【００７４】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、ワイヤー４ａ、重り４ｂ、滑車４ｃ、及び、第１支持部４ｄを有する張力付与手段４が備えられる形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。当該形態のほか、例えば、電解質膜の左端を第１固定手段で固定するとともに、同右端を第２固定手段で固定し、移動可能に構成される第１固定手段及び／又は第２固定手段の動作を制御手段（制御装置６）によって制御することにより、電解質膜１へ張力を付与する形態とすることも可能である。当該形態の場合、移動可能な第１固定手段及び／又は第２固定手段を、張力付与手段として機能させることができる。ただし、簡易な構成とすることにより本発明の装置のコストを低減する等の観点からは、張力付与手段４が備えられる形態とすることが好ましい。
【００７５】
また、本発明の装置１００に関する上記説明では、スライドチャック３が第２支持部７、７によって支持される形態を例示したが、本発明の装置は当該形態に限定されない。当該形態のほか、例えば、制御装置６でスライドチャック３の動作を制御することにより、非寸法測定時には電解質膜１へ張力が付与されない位置にスライドチャック３が保持される形態とすることも可能である。ただし、より簡易な構成で電解質膜１の寸法を自動で測定可能な装置を提供する等の観点からは、スライドチャック３が第２支持部７、７によって支持される形態とすることが好ましい。
【００７６】
また、本発明の装置１００によって寸法を測定される電解質膜１は、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば、特に限定されない。電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。
【００７７】
２．電解質膜の評価方法
図５は、本発明にかかる電解質膜の評価方法に備えられる工程例を示すフローチャートである。図６は、電解質膜の吸排出特性を示す図であり、寸法測定結果の一部のみを抽出している。以下、図１〜図６を参照しつつ、本発明の電解質膜の評価方法について説明する。
【００７８】
図５に示すように、本発明にかかる電解質膜の評価方法は、寸法測定工程（工程Ｓ１）と、変化量算出工程（工程Ｓ２）と、特性算出工程（工程Ｓ３）と、を備え、工程Ｓ１〜工程Ｓ３を経て、電解質膜１の吸排出特性が評価される。
【００７９】
２．１．寸法測定工程（工程Ｓ１）
工程Ｓ１は、本発明の装置１００を用いて、電解質膜１の寸法を測定する工程である。電解質膜１の寸法は、上述の方法により測定することができ、工程Ｓ１は、例えば、湿潤時の電解質膜１の寸法を複数回に亘って測定（例えば、数秒間隔で複数回に亘って測定。以下同じ。）した後、乾燥時の電解質膜１の寸法を複数回に亘って測定する１サイクルが、所定のサイクル数まで繰り返される形態とすることができる。
【００８０】
２．２．変化量算出工程（工程Ｓ２）
工程Ｓ２は、上記工程Ｓ１で測定した寸法を用いて、電解質膜の単位時間当たりの寸法変化量を算出する工程である。工程Ｓ２は、例えば、まず、横軸が時間、縦軸が電解質膜の寸法であるグラフにプロットされた、上記工程Ｓ１の寸法測定結果を用いて、図６に示すような電解質膜１の吸排出特性を求めることができる。その後、当該グラフの傾きを計算することにより、電解質膜の単位時間当たりの寸法変化量を算出する工程、とすることができる。
【００８１】
２．３．特性算出工程（工程Ｓ３）
工程Ｓ３は、上記工程Ｓ２で算出された単位時間当たりの寸法変化量を用いて、電解質膜の吸収特性や排出特性、より具体的には、単位体積当たりの電解質膜へ単位時間当たりに吸収される液体の量Ｘ［ｇ／ｃｍ３／ｓｅｃ］（＝吸収特性）、及び、単位体積当たりの電解質膜から単位時間当たりに排出される液体の量Ｙ［ｇ／ｃｍ３／ｓｅｃ］（＝排出特性）を算出する工程である。本発明の装置１００を用いて上記工程Ｓ１で測定された、電解質膜１の寸法の最大値をＬｍａｘ［ｍｍ］、電解質膜１の寸法の最小値をＬｍｉｎ［ｍｍ］、上記工程Ｓ２で算出された、単位時間当たりの寸法変化量をΔＬ［ｍｍ／ｓｅｃ］、電解質膜１の飽和含水率をｗ［％］、及び、電解質膜１の密度をρ［ｇ／ｃｍ３］、とするとき、上記Ｘ及びＹは、下記式により算出することができる。
Ｘ＝ΔＬ／（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）×ｗ×ρ
Ｙ＝ΔＬ／（Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎ）×ｗ×ρ
【００８２】
このように、本発明の電解質膜の評価方法によれば、電解質膜の寸法を自動で測定することが可能な本発明の装置１００を用いて、電解質膜の吸排出特性を評価することができる。本発明の装置１００により、加湿時のセル内の環境を模擬した水中浸漬時の電解質膜の寸法を自動で測定することができるので、本発明によれば、電解質膜の寸法測定装置を用いて電解質膜の吸排出特性を評価することが可能な、電解質膜の評価方法を提供することができる。
【００８３】
本発明において、上記工程Ｓ１で電解質膜の寸法を測定する回数、及び、測定の時間間隔は、上記ΔＬ、Ｌｍａｘ、及び、Ｌｍｉｎの正確な値を特定可能であれば、限定されるものではなく、任意の回数、時間間隔とすることができる。
【００８４】
本発明の電解質膜の評価方法に関する上記説明では、加湿手段９、１０及び乾燥手段１３が備えられる本発明の装置１００を用いて、電解質膜１の吸収特性及び電解質膜１の排出特性が算出される形態を例示したが、本発明の電解質膜の評価方法は、当該形態に限定されるものではない。本発明の電解質膜の評価方法では、必要に応じて、電解質膜１の吸収特性、又は、電解質膜１の排出特性のみが算出される形態とすることも可能である。
【実施例】
【００８５】
以下、実施例を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下の説明では、本発明の装置１００を用いた寸法測定を実施例といい、定規を用いた電解質膜の寸法測定を比較例という。
【００８６】
１．電解質膜の寸法測定
１．１．寸法測定
フッ素系のポリマーを含有する、縦７０ｍｍ×横１０ｍｍの電解質膜１を本発明の装置１００にセットし、上述の過程で基準寸法を測定した。ここで、固定チャック２で電解質膜１の下端１０ｍｍを固定し、かつ、スライドチャック３で電解質膜１の上端１０ｍｍを固定したため、固定チャック２とスライドチャック３との間の電解質膜１の寸法は、縦５０ｍｍ×横１０ｍｍであった。その後、上述の過程を経て湿潤時の寸法を測定し、引き続き、上述の過程を経て乾燥時の寸法を測定する１サイクルを１０回繰り返すことにより、本発明の装置１００を用いて電解質膜１の寸法を測定した（実施例）。本実施例で使用した重り４ｂの重さは２０ｇ、水槽９へと供給した温水の温度は８０℃、水槽９へと供給した空気の温度は５０℃、相対湿度は５％であった。実施例の試験条件を表１に、実施例にかかる電解質膜の寸法測定における、電解質膜の寸法とサイクル数との関係を図７に、それぞれ示す。図７及び以下の説明において、「Ｌｎｗｅｔ’」は、本発明の装置１００で測定した、ｎサイクル目の水中浸漬状態における電解質膜の寸法（Ｌ１ｗｅｔ’は、本発明の装置１００で測定した１サイクル目の水中浸漬状態における電解質膜の寸法、Ｌ２ｗｅｔ’は、本発明の装置１００で測定した２サイクル目の水中浸漬状態における電解質膜の寸法）を意味する。一方、「Ｌｎｄｒｙ’」は、本発明の装置１００で測定したｎサイクル目の乾燥状態における電解質膜の寸法（Ｌ１ｄｒｙ’は、本発明の装置１００で測定した１サイクル目の乾燥状態における電解質膜の寸法、Ｌ２ｄｒｙ’は、本発明の装置１００で測定した２サイクル目の乾燥状態における電解質膜の寸法）を意味する。
【００８７】
これに対し、比較例では、上記電解質膜１の寸法を定規で測定することにより、基準寸法を測定した。その後、８０℃の温水が入ったビーカーに電解質膜１を１時間に亘って浸した。１時間経過後、電解質膜１をピンセットで掴んで、水が入ったパレットへと移し、当該パレットで湿潤時の電解質膜１の寸法を定規で測定した。このようにして湿潤時の寸法を測定したら、引き続き、ピンセットで電解質膜１を掴んでパレットから取り出し、６０℃に設定された真空乾燥機へと移し、真空引きして１時間放置した。１時間経過後、電解質膜１をピンセットで掴んで真空乾燥機から取り出し、密封可能な透明な袋に電解質膜１を入れた。そして、密封された袋に入れた状態で、乾燥時の電解質膜１の寸法を定規で測定した。上記工程（湿潤時の電解質膜１の寸法測定、及び、乾燥時の電解質膜１の寸法測定）を１０回繰り返すことにより、定規を用いて電解質膜１の寸法を測定した（比較例）。比較例の試験条件を表１に、比較例にかかる電解質膜の寸法測定における、電解質膜の寸法とサイクル数との関係を図８に、それぞれ示す。図８及び以下の説明において、「Ｌｎｗｅｔ」は、手作業で測定した、ｎサイクル目の水中浸漬状態における電解質膜の寸法（Ｌ１ｗｅｔは、手作業で測定した１サイクル目の水中浸漬状態における電解質膜の寸法、Ｌ２ｗｅｔは、手作業で測定した２サイクル目の水中浸漬状態における電解質膜の寸法）を意味する。一方、「Ｌｎｄｒｙ」は、手作業で測定した、ｎサイクル目の乾燥状態における電解質膜の寸法（Ｌ１ｄｒｙは、手作業で測定した１サイクル目の乾燥状態における電解質膜の寸法、Ｌ２ｄｒｙは、手作業で測定した２サイクル目の乾燥状態における電解質膜の寸法）を意味する。図７及び図８に示すように、電解質膜を水中に浸漬させると、電解質膜は膨張して寸法が大きくなるのに対し、電解質膜を乾燥させると、電解質膜は収縮して寸法が小さくなる。
【００８８】
【表１】
2009008653.tif 000003
【００８９】
上記条件で電解質膜の寸法を測定し、下記式１を用いて、５サイクル目の水中浸漬状態における相違率、及び、１０サイクル目の水中浸漬状態における相違率を算出し、下記式２を用いて、５サイクル目の乾燥状態における相違率、及び、１０サイクル目の乾燥状態における相違率を算出した。
【００９０】
【数１】
2009008653.tif 000004
【００９１】
【数２】
2009008653.tif 000005
相違率の結果を、図９に併せて示す。図９の縦軸は相違率［％］である。
【００９２】
１．２．結果
図９より、相違率は、何れも５％前後の値となった。したがって、本発明の装置１００を用いた電解質膜の寸法測定は、手作業による電解質膜の寸法測定を高精度で再現できることが確認された。すなわち、本発明の装置１００を用いることで、手作業よりも寸法測定の作業性を向上させつつ、手作業と同等の結果を得ることが可能になる。
【００９３】
２．電解質膜の吸排出特性評価
２．１．電解質膜の吸排出特性の算出
上記実施例において、８０℃の温水へ３０分間に亘って電解質膜１を浸漬させている間に、湿潤時の電解質膜１の寸法を２秒毎に測定し、さらに、温度５０℃、相対湿度５％の乾燥空気を供給することにより３０分間に亘って乾燥状態が維持されている間に、乾燥時の電解質膜１の寸法を２秒毎に測定し、その測定結果をグラフへプロットすることにより、図６に示す電解質膜の吸排出特性を表すグラフを作成した。その後、当該グラフから、上記ΔＬ、Ｌｍａｘ、及び、Ｌｍｉｎを求めることにより、電解質膜１の吸排出特性を求めた。結果を図１０に併せて示す。
【００９４】
２．２．結果
図１０より、電解質膜１の吸収特性Ｘは、Ｘ≒０．００８［ｇ／ｃｍ３／ｓｅｃ］であり、電解質膜１の排出特性Ｙは、Ｙ≒０．０２２［ｇ／ｃｍ３／ｓｅｃ］であった。したがって、本発明の電解質膜の評価方法によれば、電解質膜の吸排出特性を算出することができた。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の装置の一部（測定部）を簡略化して示す正面図である。
【図２】本発明の装置の一部（測定部）を簡略化して示す側面図である。
【図３】本発明の装置の一部（測定部）を簡略化して示す側面図である。
【図４】本発明の装置の構成を簡略化して示す概念図である。
【図５】本発明にかかる電解質膜の評価方法に備えられる工程例を示すフローチャートである。
【図６】電解質膜の吸排出特性を示す図である。
【図７】電解質膜の寸法とサイクル数との関係を示す図である。
【図８】電解質膜の寸法とサイクル数との関係を示す図である。
【図９】寸法変化率の結果を示す図である。
【図１０】電解質膜の吸排出特性の算出結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９６】
１…電解質膜
２…固定チャック（第１固定手段）
３…スライドチャック（第２固定手段）
４…張力付与手段
４ａ…ワイヤー
４ｂ…重り
４ｃ…滑車
４ｄ…第１支持部
５…測定手段
５ａ…赤外線放出部
５ｂ…赤外線受け部
６…制御装置（制御手段）
７…第２支持部
８…測定部
９…水槽（加湿手段）
１０…配管（水供給手段、加湿手段）
１１…配管（排水手段）
１２…温水タンク（温水貯留手段）
１３…乾燥気体供給手段（乾燥手段）
１３ａ…乾燥空気発生部
１３ｂ…配管
１４…蓋
１４ａ…孔
１００…装置（電解質膜の寸法測定装置）
【図１】
2009008653.tif 000006
【図２】
2009008653.tif 000007
【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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