JP2010271291A - Device and method for measuring ionic conductivity - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、イオン伝導度の測定装置、およびイオン伝導度の測定方法に関する。 The present invention relates to an ion conductivity measuring device and an ion conductivity measuring method.
固体高分子型燃料電池等に用いられる電解質膜は、電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度によって性能を評価することができる。イオン伝導度の測定には、一般的に、2端子法、または4端子法による測定方法が採用されている。 The performance of an electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell or the like can be evaluated by ionic conductivity in the film thickness direction of the electrolyte membrane. For measurement of ion conductivity, a measurement method by a two-terminal method or a four-terminal method is generally employed.
4端子法による測定方法は、2端子法による測定方法と比較し、計測機器の内部抵抗や、測定対象と計測用電極との接続によって生じる接続抵抗の影響を受けにくく、より高精度なイオン伝導度の測定を可能にする。電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度の測定に4端子法による測定方法を採用する場合には、測定対象となる薄膜状の電解質膜と1組の電流計用電極、および1組の電圧計用電極の電気的な接続を行う必要がある。 Compared to the measurement method using the two-terminal method, the measurement method using the four-terminal method is less affected by the internal resistance of the measuring instrument and the connection resistance caused by the connection between the measurement object and the measurement electrode, and provides more accurate ion conduction. Allows measurement of degrees. When the measurement method using the four-terminal method is used to measure the ionic conductivity in the film thickness direction of the electrolyte membrane, a thin film electrolyte membrane to be measured, a set of ammeter electrodes, and a set of voltmeters It is necessary to make electrical connection of the electrodes for use.
特許文献1に記載された発明にあっては、電圧計用電極が埋め込まれた導電性の2枚のダミー膜を利用した4端子法による測定を行っている(特許文献1を参照)。2枚のダミー膜を電流計用電極として機能させ、ダミー膜内に埋め込まれた電圧計用電極によって電解質膜の膜厚方向における電位差を測定している。測定に際し、2枚のダミー膜によって電解質膜を挟持し、ホットプレス加工によってこれらを一体化させて電解質膜と4つの計測用電極とを電気的に接続している。
In the invention described in
上記の4端子法による計測方法にあっては、薄膜状の電解質膜と、4つの計測用電極との電気的な接続を確保することは可能になる。しかしながら、電解質膜のイオン伝導度の測定を実施する度に複数枚の膜を一体化させるホットプレス加工を行うため、測定作業の作業効率を向上させることが困難である。また、異なる電解質膜に対して測定を実施する際には、ダミー膜、および電圧計用電極を別途に準備する必要があるため、測定に要する材料コストが増加するという問題がある。 In the measurement method based on the above four-terminal method, it is possible to ensure electrical connection between the thin-film electrolyte membrane and the four measurement electrodes. However, it is difficult to improve the working efficiency of the measurement work because hot pressing is performed to integrate a plurality of films each time the ion conductivity of the electrolyte membrane is measured. In addition, when performing measurement on different electrolyte membranes, it is necessary to prepare a dummy membrane and a voltmeter electrode separately, which increases the material cost required for measurement.
そこで、本発明の目的は、薄膜状の電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を4端子法によって測定するに際し、電解質膜と4つの計測用電極との接続作業を簡略化して作業効率を向上するとともに、測定に要する材料コストを低減し得るイオン伝導度の測定装置、およびイオン伝導度の測定方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to simplify the connection work between the electrolyte membrane and the four measuring electrodes and improve the working efficiency when measuring the ion conductivity in the film thickness direction of the thin electrolyte membrane by the four-terminal method. In addition, an object of the present invention is to provide an ion conductivity measuring device and an ion conductivity measuring method capable of reducing the material cost required for measurement.
本発明は、電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を4端子法によって測定するイオン伝導度の測定装置である。電解質膜に導電性の第1の外部膜を介して接触する第1の電流計用電極が配置された第1の測定用治具と、電解質膜に導電性の第2の外部膜を介して接触する第2の電流計用電極が配置された第2の測定用治具と、電解質膜と第1の外部膜との間に配置される第1の電圧計用電極と、電解質膜と第2の外部膜との間に配置される第2の電圧計用電極と、を有している。そして、第1の電流計用電極と第2の電流計用電極との間において電解質膜を膜厚方向に挟み込むように第1と第2の測定用治具を配置することによって、電解質膜に対して第1と第2の電流計用電極、および第1と第2の電圧計用電極をそれぞれ電気的に接続させる。 The present invention is an ion conductivity measuring device that measures ion conductivity in the film thickness direction of an electrolyte membrane by a four-terminal method. A first measuring jig in which a first ammeter electrode is placed in contact with the electrolyte membrane via a conductive first external membrane; and an electrolyte membrane via a conductive second external membrane. A second measuring jig having a second ammeter electrode in contact therewith, a first voltmeter electrode disposed between the electrolyte membrane and the first external membrane, an electrolyte membrane, And a second voltmeter electrode disposed between the two outer membranes. Then, by arranging the first and second measurement jigs so as to sandwich the electrolyte membrane in the film thickness direction between the first ammeter electrode and the second ammeter electrode, the electrolyte membrane On the other hand, the first and second ammeter electrodes and the first and second voltmeter electrodes are electrically connected to each other.
本発明は、さらに、電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度を4端子法によって測定するイオン伝導度の測定方法である。第1の測定用治具に配置された第1の電流計用電極と、第2の測定用治具に配置された第2の電流計用電極とによって電解質膜を膜厚方向に挟み込こむように第1と第2の測定用治具を配置する。これによって、第1と第2の電流計用電極のそれぞれを導電性の第1と第2の外部膜を介して電解質膜に対して電気的に接続させるとともに、電解質膜と第1と第2の外部膜のそれぞれとの間に配置された第1と第2の電圧計用電極を電解質膜に対して電気的に接続させる。 The present invention is also a method for measuring ionic conductivity in which the ionic conductivity in the film thickness direction of the electrolyte membrane is measured by a four-terminal method. The electrolyte membrane is sandwiched between the first ammeter electrode arranged on the first measurement jig and the second ammeter electrode arranged on the second measurement jig in the film thickness direction. The first and second measuring jigs are arranged so as to avoid this. Thus, the first and second ammeter electrodes are electrically connected to the electrolyte membrane via the conductive first and second outer membranes, respectively, and the electrolyte membrane and the first and second electrodes are connected. The first and second voltmeter electrodes arranged between each of the outer membranes are electrically connected to the electrolyte membrane.
本発明によれば、第1と第2の電流計用電極の間に第1と第2の電圧計用電極、第1と第2の外部膜、および電解質膜を重ね合わせて配置し、これらを第1と第2の測定用治具の間において挟み込む簡易な作業によって電解質膜と4つの計測用電極とを電気的に接続することができる。このため、4端子法による測定方法に必要な接続作業の作業効率を向上させることができるとともに、測定に要する材料コストを低減させることができる。 According to the present invention, the first and second voltmeter electrodes, the first and second outer membranes, and the electrolyte membrane are disposed to overlap between the first and second ammeter electrodes, The electrolyte membrane and the four measurement electrodes can be electrically connected by a simple operation of sandwiching the electrode between the first and second measurement jigs. For this reason, while being able to improve the work efficiency of the connection operation | work required for the measuring method by a 4 terminal method, the material cost required for a measurement can be reduced.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
図1〜3を参照して、実施形態に係るイオン伝導度の測定装置5を概説すれば、電解質膜80の膜厚方向(図1中矢印aで示す上下方向)のイオン伝導度を4端子法によって測定するイオン伝導度の測定装置5であって、電解質膜80に導電性の第1の外部膜41を介して接触する第1の電流計用電極21が配置された第1の測定用治具11と、電解質膜80に導電性の第2の外部膜42を介して接触する第2の電流計用電極22が配置された第2の測定用治具12と、電解質膜80と第1の外部膜41との間に配置される第1の電圧計用電極31と、電解質膜80と第2の外部膜42との間に配置される第2の電圧計用電極32と、を有している。第1の電流計用電極21と第2の電流計用電極22との間において電解質膜80を膜厚方向に挟み込むように第1と第2の測定用治具11、12を配置することによって、電解質膜80に対して第1と第2の電流計用電極21、22、および第1と第2の電圧計用電極31、32をそれぞれ電気的に接続させることが可能になっている(図9をも参照)。
1-3, the ion
そして、第1と第2の測定用治具11、12は、電解質膜80に水蒸気vを供給するための貫通孔51と、電解質膜80の周囲に貫通孔51に連通する蒸気流路53を形成する蒸気流路用の溝部52(蒸気流路を形成する溝部に相当する)と、を有している(図10をも参照)。
The first and second measurement jigs 11 and 12 include a through
さらに、第1と第2の電流計用電極21、22は、電解質膜80の面方向に広がる平面形状を有している。第1と第2の電圧計用電極31、32は、被覆膜を有しない導電性の電極線から構成している。第1と第2の電圧計用電極31、32は、電解質膜80を挟んで互いに点接触するように交差して配置している。第1と第2の外部膜41、42は、電解質膜80の弾性率よりも小さな弾性率を有している。
Further, the first and
イオン伝導度の測定装置5には、電解質膜80の膜厚方向に対して圧力を付与する加圧手段70を設けている。加圧手段70は、第1と第2の測定用治具11、12をねじ部材71(締結手段に相当する)によって締め付けて電解質膜80の膜厚方向に対して圧力を付与する(図3をも参照)。
The ion
実施形態にあっては、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜80の膜厚方向のイオン伝導度の測定に本発明の測定装置、および測定方法を適用している。測定には、第1と第2の電流計用電極21、22、および第1と第2の電圧計用電極31、32の4つの計測用電極を用いた4端子法による測定を実施している。
In the embodiment, the measuring apparatus and the measuring method of the present invention are applied to the measurement of ion conductivity in the film thickness direction of the
以下、実施形態について詳述する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail.
図1を参照して、イオン伝導度の測定装置5は、電解質膜80を配置する第1と第2の測定用治具11、12と、電解質膜80のインピーダンスを測定する測定計器6と、を有している。
Referring to FIG. 1, the ion
測定計器6には、インピーダンス測定に一般的に用いられるインピーダンスアナライザを利用している。測定計器6は、第1と第2の電流計用電極21、22によって電解質膜80に電流を供給しつつ、第1と第2の電圧計用電極31、32によって電解質膜80の膜厚方向における電位差、および電解質膜80のインピーダンスを測定する。
As the measuring
測定計器6は、測定結果に基づいて、電解質膜80の抵抗値Rを決定する。イオン伝導度σは、電解質膜80の抵抗値R、電解質膜80の膜厚寸法t1、電解質膜80の幅寸法w、および第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dに基づいて、算出式(σ=d/(R・t1・w)[S/m])によって算出する(図6(B)、および図8(B)を参照)。
The measuring
予め作成した動作制御プログラムを測定計器6に入力し、上記のイオン伝導度の測定作業を自動で実施させることが可能になっている。測定は、電解質膜80と計測用電極との接続作業が終了した後、恒温恒湿槽(図中省略する)内に第1と第2の測定用治具11、12を配置し、所定の湿度、および温度条件下において実施する。
A previously created operation control program can be input to the measuring
第1と第2の電流計用電極21、22は、測定計器6に設けられた電流系統用の端子8に電気的に接続する。接続には、電極の接続に一般的に用いられるケーブル類を利用することができる。図示例にあっては、接続用のクリップが設けられた公知の電極用ケーブル7を利用している。第1と第2の電圧計用電極31、32は、測定計器6に設けられた電圧系統用の端子9に電気的に接続する。接続には、電流計用電極21、22の接続に利用する電極用ケーブル7と同種の物を利用できる。
The first and
次に、第1の測定用治具11について説明する。なお、第1と第2の測定用治具11、12は、測定に際して対にして利用されるものであり、構成上に大きな差異はない。このため、第1の測定用治具11について詳細に説明し、第2の測定用治具12の説明は一部省略する。
Next, the
図2、および図3を参照して、第1の測定用治具11は、第1の治具構成片13と第2の治具構成片14とからなる1組の治具構成片13、14を連結して構成している。連結には、ねじ部材71を利用している。連結の際には、位置決めピン15を位置決め穴73に挿入しながら連結作業を行う。連結作業を円滑に行うことを可能にするためである。
With reference to FIG. 2 and FIG. 3, the
第1と第2の治具構成片13、14には、第1の電流計用電極21を取り付けるための電流電極用の溝部16を設けている。電流電極用の溝部16は、第1と第2の治具構成片13、14が互いに向かい合う連結端面74に形成している。第1の電流計用電極21は、第1の治具構成片13、または第2の治具構成片14の電流電極用の溝部16にはめ込んで取り付ける。電流電極用の溝部16へのはめ込みによる簡易な作業によって取り付けを行うことが可能になっている。
The first and second
第1の電流計用電極21を電流電極用の溝部16にはめ込んだ状態で第1の治具構成片13と第2の治具構成片14とを連結し、第1の測定用治具11を構成させる。第1の電流計用電極21は、連結端面74の間において挟み込む。この挟み込みによって第1の電流計用電極21を第1の測定用治具11に対して固定させる。
The first
第1の電流計用電極21は、第1の外部膜41を介して電解質膜80に電気的に接続させる第1の電極部25と、測定計器6の電流系統用の端子8に電気的に接続させる第2の電極部26と、電流電極用の溝部16からの脱落を防止する凸部27と、を有している。
The
第1の電極部25は、電解質膜80の面方向に広がる平面形状に形成している。第1の電極部25と電解質膜80との接触面積を増加させるためである。測定の際、膨潤等によって電解質膜80や第1の外部膜41の外形形状に変形が生じることがある。このような場合であっても、電解質膜80と第1の電流計用電極21との電気的な接続を安定的に維持することが可能になる。測定結果にばらつきが生じることを防止でき、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。
The
第1の電流計用電極21に設けられた凸部27は、電流電極用の溝部16からの脱落を防止する。第1の電流計用電極21が電流電極用の溝部16から脱落すると、連結作業に手間がかかり、作業遅延を招くことになる。凸部27を形成することによって、連結作業時に生じ得る作業遅延を未然に防止することが可能になっている。
The
第1と第2の電流計用電極21、22には、電極として一般的に用いられる白金電極を利用している。外形寸法は、厚さ寸法t2を0.7mm、高さ寸法hを10mm程度に形成している(図2(B)を参照)。第1と第2の電流計用電極21、22の材質、および外形形状等は上記のものに限定されず、適宜変更することが可能である。
As the first and
イオン伝導度の測定に際し、第1と第2の測定用治具11、12は、電解質膜80を膜厚方向に挟み込むように互いに向かい合わせて配置する。電解質膜80において、第1と第2の電流計用電極21、22の間に挟み込まれ、さらに第1と第2の電圧計用電極31、32の間に挟み込まれた部位がイオン伝導度の測定部位81となる(図9を参照)。
When measuring the ionic conductivity, the first and second measuring jigs 11 and 12 are arranged facing each other so as to sandwich the
測定部位81周辺の湿度および温度状態の管理は、第1と第2の測定用治具11、12に設けられた貫通孔51から水蒸気vを供給することによって行う(図10を参照)。第1と第2の測定用治具11、12に設けられた蒸気流路用の溝部52が互いに向かい合う部位には、貫通孔51に連通する蒸気流路53を形成させることが可能になっている。蒸気流路53は、測定部位81の周辺に水蒸気vを十分に行き渡らせることを可能にする。これによって、測定部位81における湿度および温度状態の管理を精度よく行うことができ、設定された測定環境を模擬したイオン伝導度の測定が可能になる。
Management of the humidity and temperature around the
第1の電流計用電極が配置される平坦部17と貫通孔51との間には、傾斜面18を設けている。貫通孔51から供給された水蒸気vを傾斜面18によって導流させ、測定部位81周辺への水蒸気vの供給量を増加させることを可能にしている。
An
電解質膜80のイオン伝導度の測定の際には、第1と第2の測定用治具11、12の間にイオン伝導度を測定するための積層構造を形成させる。第1の測定用治具11に配置された第1の電流計用電極21上に膜厚方向に第1の外部膜41を配置する。第1の外部膜41上には、第1の電圧計用電極31を配置し、さらに、第1の電圧計用電極31上には、測定対象である電解質膜80を配置する。電解質膜80上には、第2の電圧計用電極32を配置し、第2の電圧計用電極32上には、第2の外部膜42を配置する。そして、第1の電流計用電極21と第2の電流計用電極22との間において電解質膜80を挟み込むように第2の測定用治具12を配置する(図9を参照)。
When measuring the ionic conductivity of the
第1の電流計用電極21と電解質膜80とは、第1の外部膜41を介して電気的に接続する。第2の電流計用電極22と電解質膜80とは、第2の外部膜42を介して電気的に接続する。第1の電流計用電極21と第2の電流計用電極22とを導通させることによって測定対象である電解質膜80へ電流を付与することが可能になる。
The
第1と第2の電圧計用電極31、32は、電解質膜80に直接接触させて電気的に接続する。第1と第2の電圧計用電極31、32によって電解質膜80の膜厚方向における電位差を測定することが可能になる。第1の電圧計用電極31と第1の電流計用電極21とは、第1の外部膜41を介して接触させる。これによって、両者が直接接触して導通することを防止している。同様に、第2の電圧計用電極32と第2の電流計用電極22とは、第2の外部膜42を介して接触させている。
The first and
上記のように、第1と第2の電流計用電極21、22の間に第1と第2の電圧計用電極31、32、第1と第2の外部膜41、42、および電解質膜80を重ね合わせて配置し、これらを第1と第2の測定用治具11、12の間において挟み込む簡易な作業によって4端子法によるイオン伝導度の測定に必要な電気的な接続を行うことが可能になっている。第1と第2の測定用治具11、21、およびその他測定に要する部材等は、異なる電解質膜80に対して共用化することが可能になっている。
As described above, the first and
図3を参照して、第1と第2の測定用治具11、12は、電解質膜80の膜厚方向に圧力を付与する加圧手段70を有している。電解質膜80は、第1の測定用治具11に配置された第1の電流計用電極21と、第2の測定用治具12に配置された第2の電流計用電極22とによって挟み込まれるが、この挟み込みによって膜厚方向に過剰に圧力が付与されると、電解質膜80に塑性変形が生じる虞がある。また、測定時には、供給された水蒸気vによって電解質膜80が膨潤し、膜厚寸法t1に変化が生じることがある(図6(B)を参照)。膜厚寸法t1が変化すると、第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dも変化する。膜厚寸法t1、および第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dの変化がイオン伝導度の測定結果に影響を及ぼすことになる。そこで、加圧手段70を設けることによって、電解質膜80に対して膜厚方向に付与する圧力を調整することを可能にし、電解質膜80の膜厚方向の変形量を調整する。これによって、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。さらに、加圧手段70を利用することによって、異なる圧力条件下における測定を実施することが可能になる。
Referring to FIG. 3, the first and second measuring jigs 11 and 12 have a pressurizing
加圧手段70は、第1と第2の測定用治具11、12を膜厚方向に締め付けるねじ部材71と、ねじ穴72と、を有している。ねじ穴72は、第1の測定用治具11、および第2の測定用治具12を膜厚方向に貫通するように形成している。加圧手段70によってトルク量を管理し、電解質膜80に付与する圧力を調整する。ねじ部材71を利用した簡易な方法によって圧力を調整することが可能であり、加圧手段70の利用に伴って生じ得る作業遅延を低減させることができる。
The pressurizing means 70 has a
第1と第2の測定用治具11、12同士は、ねじ部材71によって固定させることが可能である。両者を固定する作業と、膜厚方向に付与する圧力の調整とを同時に行うことができ、測定に要する作業効率を向上させることが可能になっている。第1と第2の測定用治具11、12の固定の際には、位置決めピン15を位置決め穴73に挿入させながら固定作業を行う。固定作業を円滑に行うことを可能にするためである。
The first and second measurement jigs 11 and 12 can be fixed by a
第1と第2の外部膜41、42には、導電性のイオン透過膜を利用している。イオン透過膜の材質や形状には、特に制限はないが、第1の電流計用電極21上に配置した際に、貫通孔51を塞ぐことのない外形形状に形成されていることが望ましい。貫通孔51から供給した水蒸気vを測定部位81周辺に行き渡らせることを可能にするためである。
As the first and second
第1と第2の電圧計用電極31、32に対して膜厚方向に挟み込む力が付与されると、第1と第2の電圧計用電極31、32が電解質膜80内に埋没し、第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dに変化が生じる虞がある。このような第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dに変化が生じることを防止するために、第1と第2の外部膜41、42は、電解質膜80の弾性率よりも小さな弾性率を有するように形成している。電解質膜80の弾性率よりも小さな弾性率を有する第1と第2の外部膜41、42は、第1と第2の電圧計用電極31、32を膜厚方向に包み込むように変形し、第1と第2の電圧計用電極31、32が電解質膜80内に埋没することを防止する。したがって、膜厚方向に挟み込む力が過剰に付与されるような場合であっても、第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dが変化することを防止でき、測定結果の信頼性が低下することを防止できる。第1と第2の外部膜41、42の弾性率の値は特に限定されるものではない。少なくとも電解質膜80の弾性率と比較し、小さな弾性率を有していればよく、この範囲内において適宜選択することが可能である。
When a force for sandwiching the first and
第1と第2の電圧計用電極31、32には、導電性の電極線を利用している。電極線には、ワイヤ状に加工された細径の銅線等を選択することが可能である。汎用されている電極線を利用することによって材料費の低減を図ることができる。電極線への被覆膜の形成を省略し、材料費をより低減させている。第1と第2の電圧計用電極31、32に細径の電極線を利用しているため、第1と第2の電圧計用電極31、32同士が接触する面積を減少させることができる。これによって、電解質膜80の膜厚寸法t1と第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dとの差を減少させることができ、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になっている。電極線には、例えば、1〜50μm程度の外径寸法のものを利用するのが望ましい。
As the first and
第1と第2の電圧計用電極31、32は、電解質膜80を挟んで互いに点接触するように配置している。このように配置することによって、第1と第2の電圧計用電極31、32に対して電解質膜80を挟み込む方向に力が付与された場合に、点接触させた部位以外の部位に付与される圧力を緩和させることが可能になる。測定部位81周辺に広い範囲で電圧計用電極31、32同士が接触することを防止でき、測定部位81への水蒸気vの供給量を増加させることが可能になる。さらに、第1と第2の電圧計用電極31、32同士を点接触させて配置することによって、第1と第2の電流計用電極21、22と第1と第2の電圧計用電極31、32とが誤って接触することをより確実に防止することができる。
The first and
第1と第2の電圧計用電極31、32の一部は、第1と第2の測定用治具11、12に設けられた電圧電極用の溝部19に配置し、樹脂性の接着剤や、その他簡易な方法によって固定させることが可能になっている。
A part of the first and
次に作用について説明する。 Next, the operation will be described.
図4(A)、(B)を参照して、第1の治具構成片13と第2の治具構成片14とを連結して構成された第1の測定用治具11を準備し、第1の電流計用電極21上に第1の外部膜41を配置する。
Referring to FIGS. 4A and 4B, a
図5(A)、(B)を参照して、第1の外部膜41、42上に第1の電圧計用電極31を配置する。第1の電圧計用電極31は、第1の電流計用電極21の中心位置を通るように配置し、電圧電極用の溝部19において接着剤等によって固定する。
With reference to FIGS. 5A and 5B, the
第1の電圧計用電極31と第1の電流計用電極21とは、第1の外部膜41を介して接触させる。両者が直接接触して導通することを防止する。
The
図6(A)、(B)を参照して、第1の電圧計用電極31上に測定対象である電解質膜80を配置する。
With reference to FIGS. 6A and 6B, an
第1の電流計用電極21には、電解質膜80の面方向に広がる第1の電極部25を形成しているため、電解質膜80と第1の電流計用電極21との接触面積を増加させることができる。電解質膜80と第1の電流計用電極21との電気的な接続を安定的に維持することが可能になり、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。
Since the
図7(A)、(B)を参照して、電解質膜80上に第2の電圧計用電極32を配置する。
With reference to FIGS. 7A and 7B, the
第2の電圧計用電極32は、電解質膜80を挟んで第1の電圧計用電極31と点接触するように配置する。第2の電圧計用電極31、32は、電圧電極用の溝部19において固定する。
The
第1と第2の電圧計用電極31、32同士を点接触させて配置し、測定部位81周辺に広い範囲で両者が接触することを防止する。測定部位81への水蒸気vの供給量を増加させることが可能になっている。
The first and
第1と第2の電圧計用電極31、32に細径の電極線を利用しているため、第1と第2の電圧計用電極31、32同士が接触する面積を減少させることが可能になっている。電解質膜80の膜厚寸法t1と第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dとの差を減少させることが可能になる。
Since thin electrode wires are used for the first and
電解質膜80において、第1の電圧計電極31と第2の電圧計用電極32とに挟み込まれた部位は、イオン伝導度を測定する測定部位81となる。
In the
図8(A)、(B)を参照して、第2の電圧計用電極32上に第2の外部膜42を配置する。
With reference to FIGS. 8A and 8B, the second
第1と第2の外部膜41、42は、電解質膜80の弾性率よりも小さな弾性率を有するように形成している。第1と第2の外部膜41、42は、第1と第2の電圧計用電極31、32を膜厚方向に包み込むように変形し、第1と第2の電圧計用電極31、32が電解質膜80内に埋没することを防止する。これによって、第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dが変化することを防止する。
The first and second
図9(A)、(B)を参照して、第1の電流計用電極21と第2の電流計用電極22との間において電解質膜80を膜厚方向に挟み込むように第2の測定用治具12を配置する。
With reference to FIGS. 9A and 9B, the second measurement is performed so that the
第2の電流計用電極22と第2の電圧計用電極32とは、第2の外部膜42を介して接触させる。両者が直接接触して導通することを防止する。
The
第1の電流計用電極21と電解質膜80とは、第1の外部膜41を介して電気的に接続する。第2の電流計用電極22と電解質膜80とは、第2の外部膜42を介して電気的に接続する。第1の電流計用電極21と第2の電流計用電極22とを導通させることによって測定対象である電解質膜80へ電流を付与することが可能になる。
The
第1と第2の電圧計用電極31、32は、電解質膜80に直接接触させて電気的に接続する。第1と第2の電圧計用電極31、32によって電解質膜80の膜厚方向における電位差を測定することが可能になる。
The first and
ここで、公知の技術として、薄膜状の電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度の測定に際し、電圧計用電極が埋め込まれた導電性の2枚のダミー膜を利用した4端子法による測定方法が知られている。この測定方法にあっては、2枚のダミー膜によって電解質膜を挟持し、ホットプレス加工によって一体化させて電解質膜と4つの計測用電極とを電気的に接続している。この方法を採用した場合には、薄膜状の電解質膜と、4つの計測用電極との電気的な接続を確保することは可能になるが、電解質膜のイオン伝導度の測定を実施する度に複数枚の膜を一体化させるホットプレス加工を行う必要がある。したがって、測定作業の作業効率を向上させることが困難である。さらに、異なる電解質膜に対して測定を実施する際には、ダミー膜、および電圧計用電極を別途に準備する必要があるため、測定に要する材料コストの増加が招かれる。 Here, as a known technique, a measurement method by a four-terminal method using two conductive dummy films in which electrodes for a voltmeter are embedded is used for measuring ion conductivity in the film thickness direction of a thin-film electrolyte film. It has been known. In this measurement method, the electrolyte membrane is sandwiched between two dummy membranes and integrated by hot pressing to electrically connect the electrolyte membrane and the four measurement electrodes. When this method is adopted, it is possible to ensure electrical connection between the thin electrolyte membrane and the four measurement electrodes, but every time the ion conductivity of the electrolyte membrane is measured. It is necessary to perform hot pressing to integrate a plurality of films. Therefore, it is difficult to improve the work efficiency of the measurement work. Furthermore, when performing measurements on different electrolyte membranes, it is necessary to prepare a dummy membrane and a voltmeter electrode separately, which increases the material cost required for the measurement.
これに対して本実施形態にあっては、第1と第2の電流計用電極21、22の間に第1と第2の電圧計用電極31、32、第1と第2の外部膜41、42、および電解質膜80を重ね合わせて配置し、これらを第1と第2の測定用治具11、12の間において挟み込む簡易な作業によって電解質膜80と4つの計測用電極とを電気的に接続することができる。このため、4端子法による膜厚方向のイオン伝導度の測定に際し、接続作業の作業効率を向上させることができる。第1と第2の測定用治具11、21、およびその他測定に要する部材等は、異なる電解質膜80に対して共用化することができる。したがって、繰り返して使用する場合において測定に要する材料コストを低減させることが可能になる。
On the other hand, in the present embodiment, the first and
第1と第2の測定用治具11、12同士の固定は、ねじ部材71によって行う。ねじ部材71によってトルク量を調整し、電解質膜80の膜厚方向に付与する圧力を調整する。膜厚方向における電解質膜80の変形を防止し、より信頼性の高い測定結果を取得することが可能になる。
The first and second measuring jigs 11 and 12 are fixed to each other by a
第1と第2の測定用治具11、12に設けられた蒸気流路用の溝部52が互いに向かい合う部位には、貫通孔51に連通する蒸気流路53を形成させる。
A
図10(A)、(B)を参照して、第1と第2の電流計用電極21、22と、測定計器6に設けられた電流系統用の端子8とを接続する。同様に、第1と第2の電圧計用電極31、32と、測定計器6に設けられた電圧系統用の端子9とを接続する(図1を参照)。第1と第2の測定用治具11、21は、恒湿恒温槽内に配置する。
Referring to FIGS. 10A and 10B, the first and
第1と第2の電流計用電極21、22を介して電解質膜80に電流を付与する。第1と第2の電圧計用電極31、32によって、電解質膜80の膜厚方向における電位差を測定する。測定結果に基づいて電解質膜80の膜厚方向におけるイオン伝導度を決定し、その結果を取得する。
A current is applied to the
測定中は、第1と第2の測定用治具11、12に設けられた貫通孔51を介して電解質膜80に水蒸気vを供給する。測定部位81周辺の湿度および温度状態を管理する。
During the measurement, water vapor v is supplied to the
蒸気流路53は、測定部位81の周辺に水蒸気vを十分に行き渡らせることを可能にする。これによって、測定部位81における湿度および温度状態の管理を精度よく行うことが可能になり、設定された測定環境を模擬したイオン伝導度の測定が可能になる。
The
上述したように、本実施形態にあっては、第1と第2の電流計用電極21、22の間に第1と第2の電圧計用電極31、32、第1と第2の外部膜41、42、および電解質膜80を重ね合わせて配置し、これらを第1と第2の測定用治具11、12の間において挟み込む簡易な作業によって電解質膜80と4つの計測用電極とを電気的に接続することができる。このため、4端子法による膜厚方向のイオン伝導度の測定に際し、接続作業の作業効率を向上させることができる。第1と第2の測定用治具11、21、およびその他測定に要する部材等は、異なる電解質膜80に対して共用化することができる。したがって、繰り返して使用する場合において測定に要する材料コストを低減させることができる。
As described above, in the present embodiment, the first and
第1と第2の測定用治具11、12に設けた貫通孔51を介して電解質膜80に水蒸気vを供給することが可能になる。第1の電流計用電極21と第2の電流計用電極22との間において挟み込まれた測定部位81周辺の湿度および温度状態を管理することができる。蒸気流路53は、測定部位81の周辺に水蒸気vを十分に行き渡らせることを可能にする。測定部位81における湿度および温度状態の管理を精度よく行うことができる。
Water vapor v can be supplied to the
第1と第2の電流計用電極21、22は、電解質膜80の面方向に広がる平面形状に形成された第1の電極部25を有している。電解質膜80との接触面積を増加させることができ、電解質膜80と第1と第2の電流計用電極21、22との電気的な接続を安定的に維持することができる。測定結果にばらつきが生じることを防止し、より信頼性の高い測定結果を取得することができる。
The first and
第1と第2の電圧計用電極31、32には、導電性の電極線を利用している。電極線への被覆膜の形成を省略し、材料費を低減させている。第1と第2の電圧計用電極31、32に細径の電極線を利用しているため、第1と第2の電圧計用電極31、32同士が接触する部位の面積を減少させることができる。電解質膜80の膜厚寸法t1と第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離dとの差を減少させることができ、より信頼性の高い測定結果を取得することができる。
As the first and
第1と第2の電圧計用電極31、32は、電解質膜80を挟んで互いに点接触するように配置する。第1と第2の電圧計用電極31、32に対して電解質膜80を挟み込む方向に力が付与された場合に、点接触させた部位以外の部位に付与される圧力を緩和することが可能になる。第1と第2の電圧計用電極31、32に挟み込まれた測定部位81周辺に広い範囲で電圧計用電極31、32同士が接触することを防止でき、測定部位81への水蒸気vの供給量を増加させることが可能になる。
The first and
第1と第2の外部膜41、42は、電解質膜80の弾性率よりも小さな弾性率を有するように形成している。第1と第2の外部膜41、42は、第1と第2の電圧計用電極31、32を膜厚方向に包み込むように変形する。膜厚方向に挟み込む力が過剰に付与されるような場合であっても、第1と第2の電圧計用電極31、32間の距離が変化することを防止できる。
The first and second
加圧手段70を利用して膜厚方向に付与する圧力を調整し、電解質膜80の膜厚方向の変形量を調整することができる。これによって、より信頼性の高い測定結果を取得することができる。
The pressure applied in the film thickness direction using the pressurizing means 70 can be adjusted, and the amount of deformation in the film thickness direction of the
加圧手段70には、第1と第2の測定用治具11、21を膜厚方向に締め付けるねじ部材71、およびねじ穴72を利用している。トルク量を管理することによって、電解質膜80に付与する圧力を調整することができる。
The pressurizing means 70 utilizes a
上述した実施形態にあっては、第1の測定用治具11上に第1の外部膜41、第1の電圧計用電極31を順に重ね合わせて配置する構成としているが、例えば、予めこれらを第1の測定用治具11に対して固定させた状態で準備しておくことも可能である。同様にして予め準備された第2の測定用治具21との間において電解質膜80を挟み込むだけの簡易な作業によって電気的な接続を行うことが可能になる。
In the above-described embodiment, the first
加圧手段70には、ねじ部材71、およびねじ穴72を利用し、第1と第2の測定用治具11、12を締め付けて圧力を調整しているが、このような構成のみに限定されるものではない。例えば、第1と第2の測定用治具11、12に対して互いに向かい合う方向に圧力を付与する調圧器などを利用することも可能である。
The pressurizing means 70 uses the
実施形態にあっては、固体高分子型燃料電池に用いられる薄膜状の電解質膜の膜厚方向のイオン伝導度の測定に本発明の測定装置、および測定方法を適用しているが、測定対象はこれに限定されるものではなく、その他イオン伝導度の測定対象となり得る電解質膜に対して広く適用することが可能である。 In the embodiment, the measurement apparatus and the measurement method of the present invention are applied to the measurement of ion conductivity in the film thickness direction of a thin film electrolyte membrane used in a polymer electrolyte fuel cell. However, the present invention is not limited to this, and can be widely applied to other electrolyte membranes that can be measured for ion conductivity.
(実施例)
以下、本発明の実施形態を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
(Example)
Embodiments of the present invention will be specifically described below based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples, It can change suitably.
本実施例にあっては、上述したイオン伝導度の測定装置5を利用し、電解質膜80の膜厚方向における導電率の測定を実施した。実施条件は、以下の通りである。
In this example, the measurement of electrical conductivity in the film thickness direction of the
第1と第2の測定用治具11、12に電解質膜80を設置し、第1と第2の電流計用電極21、22、および第1と第2の電圧計用電極31、32を利用して4端子法による測定を行った。電解質膜80を設置した後、第1と第2の測定用治具11、12は、恒温恒湿槽(楠本化成株式会社製、ETAC HIFLEX−FX407P型)内に配置し、測定部位81の周辺環境を室温80℃、相対湿度30%の状態で保持した。測定計器6には、インピーダンスアナライザ(ソーラトロン社製、1260型)を利用した。
The
電解質膜80は、技術文献(Polymer 49、pp.715−723(2008))に記載された方法に従ってランダムコポリマー、またはブロックコポリマーからなる下記の4種類のものを生成し、サンプル膜として利用した。
(1)ランダムコポリマー(「random」と記す)。
(2)ブロック長が3kg/molのブロックコポリマー(「3k」と記す)。
(3)ブロック長が7kg/molのブロックコポリマー(「7k」と記す)。
(4)ブロック長が10kg/molのブロックコポリマー(「10k」と記す)。
As the
(1) Random copolymer (denoted as “random”).
(2) A block copolymer having a block length of 3 kg / mol (denoted as “3k”).
(3) A block copolymer having a block length of 7 kg / mol (denoted as “7k”).
(4) A block copolymer having a block length of 10 kg / mol (denoted as “10k”).
第1と第2の外部膜41、42には、NR211膜(DuPont社製)を利用した。
As the first and second
図11には、測定して得られた電解質膜80の膜厚方向における導電率を示す。図中には、既存の4端子法による測定方法によって測定した電解質膜80の膜面方向における導電率も同時に示す。なお、イオン伝導度は、導電率に比例して増加する値であるため、測定結果によって示される導電率は、イオン伝導度の大小関係を示す目安になる。また、導電率は、電解質膜80をMEA(膜電極接合体)に用いた場合の発電性能を示す目安にもなる。
In FIG. 11, the electrical conductivity in the film thickness direction of the
膜厚方向における導電率の測定では、ブロックコポリマー同士を比較すると、7kが最大となり、3k、10kの順に低下していることが確認できる。これに対し、膜面方向における導電率の測定では、7kが最大となり、10k、3kの順に低下していることが確認できる。 In the measurement of the conductivity in the film thickness direction, when block copolymers are compared with each other, it can be confirmed that 7k is the maximum and decreases in the order of 3k and 10k. On the other hand, in the measurement of the conductivity in the film surface direction, it can be confirmed that 7k is the maximum and decreases in the order of 10k and 3k.
図12には、参考例として、上記の各電解質膜80にGDE(触媒層付きガス拡散電極、ジョンソン・マッセイ・フュエル・セル社製)をホットプレスしてMEA化(130℃、4MPa下において10分間)したものの発電性能を示す。各MEAに対し、発電性能の評価試験(100%の加湿ガス(H2/O2)雰囲気中において、セル温度を80℃)を実施した。
In FIG. 12, as a reference example, GDE (gas diffusion electrode with a catalyst layer, manufactured by Johnson Matthey Fuel Cell) is hot-pressed on each of the
ブロックコポリマー同士を比較すると、7kの電解質膜80を利用したMEAが最も発電性能が優れており、次いで3k、10kの順に低下していることが確認できる。上述した電解質膜80の膜厚方向における測定結果と一致し、膜面方向における測定結果とは異なっていることが確認できる。この結果から、電解質膜80のイオン伝導度は、膜面方向に測定した場合よりも膜厚方向に測定した場合の方がより信頼性の高い測定結果を取得することが可能になるということを確認できる。
Comparing the block copolymers, it can be confirmed that the MEA using the 7-
電解質膜80には、製造した段階で膜面方向に材料の異方性が生じ得る。このため、電解質膜80のイオン伝導度を膜面方向に測定すると、信頼性の低い測定結果が取得される虞がある。イオン伝導度の測定装置5を利用した膜厚方向におけるイオン伝導度の測定にあっては、材料の異方性の影響を正当に反映することが可能になり、より信頼性の高い測定結果を取得し得るという効果が確認できた。
The
5 イオン伝導度の測定装置、
6 測定計器、
7 電極用ケーブル、
8 電流系統用の端子、
9 電圧系統用の端子、
11 第1の測定用治具、
12 第2の測定用治具、
13 第1の治具構成片、
14 第2の治具構成片、
15 位置決めピン、
16 電流電極用の溝部、
17 平坦部、
18 傾斜面、
19 電圧電極用の溝部、
21 第1の電流計用電極、
22 第2の電流計用電極、
25 第1の電極部、
26 第2の電極部、
27 凸部、
31 第1の電圧計用電極、
32 第2の電圧計用電極、
41 第1の外部膜、
42 第2の外部膜、
51 貫通孔、
52 蒸気流路用の溝部、
53 蒸気流路、
70 加圧手段、
71 ねじ部材(締結手段)、
72 ねじ穴、
73 位置決め穴、
74 連結端面、
80 電解質膜、
81 測定部位、
v 水蒸気、
t1 膜厚寸法、
w 膜の幅寸法、
d 電極間距離。
5 Ion conductivity measuring device,
6 Measuring instruments,
7 Electrode cable,
8 Terminal for current system,
9 Terminal for voltage system,
11 First measuring jig,
12 Second measuring jig,
13 1st jig | tool component piece,
14 Second jig component piece,
15 locating pin,
16 Groove for current electrode,
17 flat part,
18 inclined surface,
19 Groove for voltage electrode,
21 First ammeter electrode;
22 Second ammeter electrode,
25 1st electrode part,
26 second electrode part,
27 Convex,
31 First voltmeter electrode,
32 Second voltmeter electrode,
41 first outer membrane,
42 second outer membrane,
51 through holes,
52 Groove for steam flow path,
53 Steam flow path,
70 pressure means,
71 Screw member (fastening means),
72 screw holes,
73 Positioning hole,
74 connecting end face,
80 electrolyte membrane,
81 measurement site,
v water vapor,
t1 film thickness dimension,
w The width of the membrane,
d Distance between electrodes.
Claims (9)
前記電解質膜に導電性の第1の外部膜を介して接触する第1の電流計用電極が配置された第1の測定用治具と、
前記電解質膜に導電性の第2の外部膜を介して接触する第2の電流計用電極が配置された第2の測定用治具と、
前記電解質膜と前記第1の外部膜との間に配置される第1の電圧計用電極と、
前記電解質膜と前記第2の外部膜との間に配置される第2の電圧計用電極と、を有し、
前記第1の電流計用電極と前記第2の電流計用電極との間において前記電解質膜を膜厚方向に挟み込むように前記第1と第2の測定用治具を配置することによって、前記電解質膜に対して前記第1と第2の電流計用電極、および前記第1と第2の電圧計用電極をそれぞれ電気的に接続させる、イオン伝導度の測定装置。 An ionic conductivity measuring device that measures the ionic conductivity in the film thickness direction of an electrolyte membrane by a four-terminal method,
A first measuring jig in which a first ammeter electrode is disposed in contact with the electrolyte membrane via a conductive first outer membrane;
A second measuring jig in which a second ammeter electrode is disposed in contact with the electrolyte membrane via a conductive second outer membrane;
A first voltmeter electrode disposed between the electrolyte membrane and the first outer membrane;
A second voltmeter electrode disposed between the electrolyte membrane and the second outer membrane,
By disposing the first and second measuring jigs so as to sandwich the electrolyte membrane in the film thickness direction between the first ammeter electrode and the second ammeter electrode, An apparatus for measuring ion conductivity, wherein the first and second ammeter electrodes and the first and second voltmeter electrodes are electrically connected to an electrolyte membrane, respectively.
前記電解質膜の周囲に前記貫通孔に連通する蒸気流路を形成する溝部と、を有する請求項1に記載のイオン伝導度の測定装置。 The first and second measuring jigs include a through hole for supplying water vapor to the electrolyte membrane,
The ion conductivity measuring device according to claim 1, further comprising: a groove portion that forms a vapor flow path that communicates with the through hole around the electrolyte membrane.
第1の測定用治具に配置された第1の電流計用電極と、第2の測定用治具に配置された第2の電流計用電極とによって前記電解質膜を膜厚方向に挟み込こむように前記第1と第2の測定用治具を配置し、前記第1と第2の電流計用電極のそれぞれを導電性の第1と第2の外部膜を介して前記電解質膜に対して電気的に接続させるとともに、前記電解質膜と前記第1と第2の外部膜のそれぞれとの間に配置された第1と第2の電圧計用電極を前記電解質膜に対して電気的に接続させる、イオン伝導度の測定方法。 An ion conductivity measurement method for measuring ion conductivity in the film thickness direction of an electrolyte membrane by a four-terminal method,
The electrolyte membrane is sandwiched in the film thickness direction by the first ammeter electrode disposed on the first measurement jig and the second ammeter electrode disposed on the second measurement jig. The first and second measuring jigs are arranged in such a manner that the first and second ammeter electrodes are respectively connected to the electrolyte membrane via conductive first and second outer membranes. And electrically connecting the first and second voltmeter electrodes disposed between the electrolyte membrane and each of the first and second outer membranes to the electrolyte membrane. Ion conductivity measurement method for connection.
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EP3236248A4 (en) * | 2014-12-19 | 2018-12-26 | Dalian Institute Of Chemical Physics Chinese Academy of Sciences | Ionic conductivity test device, and test method using same |
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