JP2009216601A - プロトン伝導度測定装置 - Google Patents

Abstract

【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、電解質膜の両面にそれぞれ配置され、電解質膜を挟持する１対の電極であって、少なくとも一方の電極において、貫通孔が形成され、貫通孔の周縁部が電解質膜と接触し得る電極と、電極を電解質膜に対して押圧する押圧部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池等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。

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伝導度を正確に測定する必要があった。

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。

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。

特開２００６−３８６１１号公報

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、多くの時間が必要となるおそれがあった。それに伴い、電解質膜のプロトン伝導度の測定に時間が掛かるおそれがあった。

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。

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。

[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にそれぞれ配置され、前記電解質膜を挟持する１対の電極であって、少なくとも一方の電極において、貫通孔が形成され、前記貫通孔の周縁部が前記電解質膜と接触し得る電極と、前記電極を前記電解質膜に対して押圧する押圧部と、を備えることを要旨とする。

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。

［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１対の電極は、それぞれ、前記貫通孔が形成され、各貫通孔の周縁部が前記電解質膜と接触することを特徴とするプロトン伝導度測定装置。

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電解質膜により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。

［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、前記貫通孔が前記電極を貫通する貫通方向から見た場合において、前記貫通孔の大きさは、前記電解質膜より小さいことを特徴とするプロトン伝導度測定装置。このようにすれば、上記貫通孔の周縁部が上記電解質膜と接触し得る。

［適用例４］
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置において、前記押圧部は、前記電極を、前記電解質膜に対して押圧する押圧力を調整可能な押圧力調整部を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。このようにすれば、上記押圧力を容易に調整することができる。

［適用例５］
適用例４に記載のプロトン伝導度測定装置において、前記押圧部は、ボルトと、前記押圧力調整部としてのスプリングと、を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。

［適用例６］
適用例１ないし適用例５のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置において、前記電解質膜の周縁部であって、各電極間に配置される緩衝部材を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。

このようにすれば、電極同士が短絡することを抑制することができる。また、電解質膜に極度の押圧力が生じることを抑制することができ、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。

［適用例７］
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置において、前記貫通孔および前記電解質膜は、円盤形状であり、それぞれ、円形面が対向するように配置されることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。

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。

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の概略外観図である。図２は、図１のプロトン伝導度測定装置１００におけるＡ−Ａ断面図である。

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２０のプロトン伝導度を測定するための装置であり、図１または図２に示すように、白金電極１０Ａ，１０Ｂと、絶縁緩衝部材３０と、締結部材９０と、を備えている。電解質膜２０は、固体高分子材料で形成され、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、ＤＯＷ（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、および、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。

図３は、図１のプロトン伝導度測定装置１００において、白金電極１０Ａ，１０Ｂ、および、絶縁緩衝部材３０を抜き出して示した斜視図である。図１、図２、または、図３のいずれかに示すように、締結部材９０は、締結ボルト９５と、スプリング９７と、ナット９９と、を備える。白金電極１０Ａは、白金から成る板状の電極であり、３つの貫通孔、すなわち、円盤形状の貫通孔１２Ａと、貫通孔１２Ａの両脇に形成される２つの貫通孔１４Ａと、を備えている。白金電極１０Ｂは、白金電極１０Ａ同様に白金から成る板状の電極であり、３つの貫通孔、すなわち、円盤形状の貫通孔１２Ｂと、貫通孔１２Ｂの両脇に形成される２つの貫通孔１４Ｂと、を備えている。絶縁緩衝部材３０は、絶縁性で、所定の弾力性がある板状のシリコンゴムから成り、白金電極１０Ａ，１０Ｂ同様に、３つの貫通孔、すなわち、円盤形状の貫通孔２２と、貫通孔２２の両脇に形成される２つの貫通孔２４と、を備えている。ここで、貫通孔２２が、絶縁緩衝部材３０を貫通する方向、または、貫通孔１２Ａまたは貫通孔１２Ｂが、それぞれ白金電極１０Ａまたは白金電極１０Ｂを貫通する方向を、貫通方向とも呼ぶ。

貫通方向から見た場合において、貫通孔１２Ａおよび貫通孔１２Ｂの大きさは、貫通孔２２より小さく形成されている。すなわち、貫通孔１２Ａおよび貫通孔１２Ｂの口径は、貫通孔２２の口径より小さく形成されている。また、電解質膜２０は、貫通孔２２と同様の大きさの円盤形状であり、絶縁緩衝部材３０の貫通孔２２に嵌め込むように配置される。なお、絶縁緩衝部材３０は、絶縁性で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。

プロトン伝導度測定装置１００は、図１、図２、または、図３に示すように、電解質膜２０が配置された絶縁緩衝部材３０を、白金電極１０Ａおよび白金電極１０Ｂで挟持すると共に、スプリング９７が通された締結ボルト９５を貫通孔１４Ａ、貫通孔２４、および、貫通孔１４Ｂに通して、ナット９９で締結する。これにより、プロトン伝導度測定装置１００は、白金電極１０Ａ，１０Ｂと電解質膜２０との間に所定の押圧力が掛かかった状態で保持され、図２に示すように、電解質膜２０の周縁部と、白金電極１０Ａにおける貫通孔１２Ａの周縁部および白金電極１０Ｂにおける貫通孔１２Ｂの周縁部が、接触する。これについての詳細は、図４を用いて後述する。また、スプリング９７は、締結ボルト９５に通された状態で、締結ボルト９５のボルトヘッド９５Ａと白金電極１０Ａとの間に配置される。これにより、プロトン伝導度測定装置１００は、締結ボルト９５の締め具合によって、白金電極１０Ａ，１０Ｂと電解質膜２０との間の押圧力を容易に調整することができる。

図４は、プロトン伝導度測定装置１００において電解質膜２０と白金電極１０Ａおよび白金電極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２０において、図４に示すように、白金電極１０Ａと白金電極１０Ｂとが重なり合う部分が、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。つまり、電解質膜２０において、有効測定領域Ｓは、白金電極１０Ａの貫通孔１２Ａまたは白金電極１０Ｂの貫通孔１２Ｂに対応する部分の周縁部に形成される。

また、白金電極１０Ａおよび白金電極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。

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２０において、有効測定領域Ｓが、白金電極１０Ａの貫通孔１２Ａ近傍または白金電極１０Ｂの貫通孔１２Ｂ近傍に形成される。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孔１２Ａまたは貫通孔１２Ｂを介して、電解質膜２０における有効測定領域Ｓまたはその近傍に素早く到達し、その部分を短時間に湿潤化することができる。その結果、その相対湿度において、電解質膜２０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。

また、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００では、白金電極１０Ａと白金電極１０Ｂとの間に、絶縁緩衝部材３０が配置されている。このようにすれば、白金電極１０Ａと白金電極１０Ｂとの短絡を抑制できる。また、電解質膜２０に極度の押圧力が生じることを抑制することができ、電解質膜２０が破損するなどの不具合を抑制することができる。

図５は、比較例のプロトン伝導度測定装置の一部を示す図である。この比較例のプロトン伝導度測定装置では、電極としての白金線が、電解質膜を介して交差するように配置されている。なお、この比較例のプロトン伝導度測定装置では、白金線を電解質膜に押圧する押圧部材など、他の構成部材は省略され、電解質膜および白金線のみが示されている。この比較例のプロトン伝導度測定装置では、電解質膜において、図５に示すように、白金線が交差する交差領域が、有効測定領域Ｓ１となる。この構成では、有効測定領域Ｓ１に非常に大きな押圧力が掛かり、電解質膜が破損するなどの不具合が生じるおそれがあった。一方、本実施例のプロトン伝導度測定装置１００では、図４に示すように、有効測定領域Ｓは、ドーナッツ状で、比較的広く形成されるので、有効測定領域Ｓ１に大きな押圧力が掛かることを抑制することができ、その結果、電解質膜２０が破損するなどの不具合を抑制することができる。

なお、白金電極１０Ａ，１０Ｂは、請求項における電極に該当し、貫通孔１２Ａ，１２Ｂは、請求項における貫通孔に該当し、締結部材９０は、請求項における押圧部に該当し、スプリング９７は、請求項における押圧力調整部に該当し、絶縁緩衝部材３０は、請求項のおける緩衝部材に該当する。

Ａ２．ＲＨ依存性測定処理：
本実施例のプロトン伝導度測定装置１００の有効性を実証するため、以下のＲＨ依存性測定処理を実行した。

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、相対湿度の調整可能な加湿装置を備える実験箱に入れ、実験箱内の相対湿度（以下では、相対湿度ＲＨ［％］とも呼ぶ）を時系列に変化させて、電解質膜２０のプロトン伝導度（以下では、プロトン伝導度σ［Ｓ（ジーメンス）／ｍ］とも呼ぶ）を測定し、プロトン伝導度σが、実験箱内の雰囲気湿度と相関しているか否かを検証するための処理である。なお、このＲＨ依存性測定処理において、プロトン伝導度σを求める場合には、電解質膜２０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）を測定し、電解質膜２０の膜厚Ｄ［ｍ］として下記の式（１）より算出する。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。
σ＝１／ＲＤ・・・（１）

具体的には、まず、プロトン伝導度測定装置を実験箱内に配置し（ステップＳ１０）、実験箱内部の相対湿度ＲＨ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、上記式（１）からプロトン伝導度σを算出する（ステップＳ４０）。

そして、算出したプロトン伝導度σを保存する（ステップＳ５０）。続いて、相対湿度ＲＨ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。相対湿度ＲＨを変更しない場合（ステップＳ６０：ｎｏ）であって、この処理を終了しない場合（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、この処理を終了する場合（ステップＳ７０：ｙｅｓ）には、このＲＨ依存性実行処理を終了する。

図７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。この実験条件として、インピーダンス測定装置における印加交流電圧を０．０１［Ｖ］、インピーダンス測定装置における交流電流の測定周波数を１００〜１Ｍ［Ｈｚ］とした。電解質膜２０と白金電極間の締め付けトルクを０．２［Ｎｍ］とした。また、実験では、まず、実験箱において、相対湿度ＲＨを１００％に設定（図６：ステップＳ２０）し、４時間静定（図６：ステップＳ３０）後、プロトン伝導度σを算出した（図６：ステップＳ４０）。そして、その後、相対湿度ＲＨを８０％、５０％、３０％に設定し、それぞれ、１．５時間静定後、それぞれプロトン伝導度σを算出した。

本実施例のプロトン伝導度測定装置１００は、図７に示すように、相対湿度ＲＨの変化に伴い、プロトン伝導度σがそれに応じて追従しており、相対湿度ＲＨとプロトン伝導度σとの相関関係がよく示され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１００を所定加湿雰囲気下に置いた場合において、電解質膜２０を素早く湿潤化することができ、電解質膜２０のプロトン伝導度σ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。

Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例のプロトン伝導度測定装置１００では、白金電極１０Ａおよび白金電極１０Ｂにそれぞれ、貫通孔１２Ａおよび貫通孔１２Ｂを備えており、電解質膜２０において、各貫通孔を介して、プロトン伝導度測定装置１００の外部雰囲気に触れることが可能となっているが、本発明はこれに限られるものではない。白金電極１０Ａまたは白金電極１０Ｂのどちらか一方のみに、電解質膜２０がプロトン伝導度測定装置１００の外部雰囲気に触れることが可能な貫通孔を有するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例のプロトン伝導度測定装置１００では、電極として、白金電極１０Ａおよび白金電極１０Ｂを用いているが、本発明はこれに限られるものではなく、白金以外の導電性部材、例えば、パラジウムなどを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果の少なくとも一部を奏することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例のプロトン伝導度測定装置１００では、白金電極１０Ａの貫通孔１２Ａまたは白金電極１０Ｂの貫通孔１２Ｂの形状は、円盤状としたが、本発明はこれに限られるものではなく、四角柱状としてもよい。

本発明の一実施例としてのプロトン伝導度測定装置１００の概略外観図である。 図１のプロトン伝導度測定装置１００におけるＡ−Ａ断面図である。 図１のプロトン伝導度測定装置１００において白金電極１０Ａ，１０Ｂおよび絶縁緩衝部材３０を抜き出して示した斜視図である。 プロトン伝導度測定装置１００において電解質膜２０と白金電極１０Ａおよび白金電極１０Ｂのみを抜き出して示した図である。 比較例のプロトン伝導度測定装置の一部を示す図である。 ＲＨ依存性測定処理のフローチャートである。 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。

符号の説明

１０Ａ…白金電極
１０Ｂ…白金電極
１２Ａ，１２Ｂ,１４Ａ,１４Ｂ,２２,２４…貫通孔
２０…電解質膜
３０…絶縁緩衝部材
９０…締結部材
９５…締結ボルト
９５Ａ…ボルトヘッド
９７…スプリング
９９…ナット
１００…プロトン伝導度測定装置

Claims (7)

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にそれぞれ配置され、前記電解質膜を挟持する１対の電極であって、少なくとも一方の電極において、貫通孔が形成され、前記貫通孔の周縁部が前記電解質膜と接触し得る電極と、
   前記電極を前記電解質膜に対して押圧する押圧部と、
   を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
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１対の電極は、
   それぞれ、前記貫通孔が形成され、各貫通孔の周縁部が前記電解質膜と接触することを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプロトン伝導度測定装置において、
   前記貫通孔が前記電極を貫通する貫通方向から見た場合において、前記貫通孔の大きさは、前記電解質膜より小さいことを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置において、
   前記押圧部は、
   前記電極を、前記電解質膜に対して押圧する押圧力を調整可能な押圧力調整部を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
5. 請求項４に記載のプロトン伝導度測定装置において、
   前記押圧部は、
   ボルトと、
   前記押圧力調整部としてのスプリングと、
   を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置において、
   前記電解質膜の周縁部であって、各電極間に配置される緩衝部材を備えることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のプロトン伝導度測定装置において、
   前記貫通孔および前記電解質膜は、円盤形状であり、それぞれ、円形面が対向するように配置されることを特徴とするプロトン伝導度測定装置。

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