JP2014102879A - 試料ホルダーおよび電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子形燃料電池を発電した状態で観察することができる試料ホルダーおよび電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料ホルダー１００は、燃料極、固体高分子膜、および空気極を有する固体高分子形燃料電池１観察用の電子顕微鏡の試料ホルダーであって、固体高分子形燃料電池１を支持する支持部と、固体高分子形燃料電池１が収容されるガス雰囲気室２０と、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを導くための酸素ガス供給管３０ａと、燃料極に水素ガスを導くための水素ガス供給管と、燃料極に接続される第１配線と、空気極に接続される第２配線と、固体高分子形燃料電池を加熱するための加熱部と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料ホルダーおよび電子顕微鏡に関する。

透過電子顕微鏡では、通常、試料は真空中に配置される。しかしながら、試料の反応過程の電子顕微鏡観察を行う場合など、試料をガスに暴露させながら電子顕微鏡観察を行う場合がある。この場合のように、試料周囲にガスを導入して通常の鏡筒内真空よりも高い圧力環境下で電子顕微鏡観察ができるシステムを装備した透過電子顕微鏡を、環境ＴＥＭ（環境制御ＴＥＭ）という。環境ＴＥＭは、その方式により、差動排気方式と隔膜方式に大別される。

差動排気方式は、鏡筒内の試料室にガスを導入する方式である。差動排気方式では、導入されたガスが鏡筒内の各部に拡散して鏡筒内の真空度が悪化するのを防ぐために、例えば、複数のオリフィスを組み込み、オリフィスで仕切られた空間を差動排気している。

隔膜方式は、試料ホルダー内にガス雰囲気室を設ける方式である。ガス雰囲気室にはガス導入・排気用通路が接続されるとともにガス雰囲気室の上下には電子線透過用の穴が開いている。導入されたガスの鏡筒内へのリークを防ぐために、これらの穴にはカーボンや窒化ケイ素の薄膜（隔膜）が貼られている（例えば、特許文献１参照）。

近年、燃料電池は、高い発電効率が得られ、優れた環境特性を有するため、石油等に代わる新エネルギーとして注目されている。特に、固体高分子形燃料電池は、電池本体がコンパクトであること、反応温度が低いこと等の理由から、電気自動車用の燃料電池、または家庭用の熱電併給装置等として、開発が進められている。

固体高分子形燃料電池の開発を進めるうえで、固体高分子形燃料電池を発電した状態で電子顕微鏡観察したいという要望がある。

特開２０００−１３３１８６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような従来の環境ＴＥＭでは、固体高分子形燃料電池を発電した状態で観察することはできなかった。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、固体高分子形燃料電池を発電した状態で観察することができる試料ホルダーおよび電子顕微鏡を提供することにある。

（１）本発明に係る試料ホルダーは、
燃料極、固体高分子膜、および空気極を有する固体高分子形燃料電池観察用の電子顕微鏡の試料ホルダーであって、
前記固体高分子形燃料電池を支持する支持部と、
前記固体高分子形燃料電池が収容されるガス雰囲気室と、
前記ガス雰囲気室に酸素ガスを導くための酸素ガス供給管と、
前記燃料極に水素ガスを導くための水素ガス供給管と、
前記燃料極に接続される第１配線と、
前記空気極に接続される第２配線と、
前記固体高分子形燃料電池を加熱するための加熱部と、
を含む。

このような試料ホルダーによれば、空気極に酸素を供給し、燃料極に水素を供給することができる。さらに、固体高分子形燃料電池を加熱することができ、燃料極に接続された第１配線および空気極に接続された第２配線によって固体高分子形燃料電池を外部回路に接続することができる。したがって、このような試料ホルダーによれば、固体高分子形燃料電池を発電した状態で観察することができる。

（２）本発明に係る試料ホルダーにおいて、
前記ガス雰囲気室の雰囲気と前記電子顕微鏡の試料室の雰囲気とを隔離し、かつ、電子線を透過させる隔膜を含んでいてもよい。

このような試料ホルダーによれば、電子顕微鏡本体に損傷を与えることなく、ガス雰囲気室に酸素ガスを供給しつつ、固体高分子形燃料電池を観察することができる。

（３）本発明に係る試料ホルダーにおいて、
前記ガス雰囲気室から前記酸素ガスを排気するための酸素ガス排気管を含んでいてもよい。

このような試料ホルダーによれば、ガス雰囲気室に酸素ガスを貫流させることができる。

（４）本発明に係る試料ホルダーにおいて、
前記水素ガス供給管から前記水素ガスを排気するための水素ガス排気管を含んでいてもよい。

このような試料ホルダーによれば、水素ガス供給管および水素ガス排気管において、水素ガスを貫流させることができる。

（５）本発明に係る試料ホルダーにおいて、
前記酸素ガス供給管に供給される前記酸素ガスの量を調整するための酸素ガス導入流量調整バルブを含んでいてもよい。

このような試料ホルダーによれば、ガス雰囲気室内の圧力を調整することができる。

（６）本発明に係る試料ホルダーにおいて、
前記水素ガス供給管に供給される前記水素ガスの量を調整するための水素ガス導入流量調整バルブを含んでいてもよい。

このような試料ホルダーによれば、水素ガス供給管内の圧力を調整することができる。

（７）本発明に係る電子顕微鏡は、
本発明に係る試料ホルダーを含む。

このような電子顕微鏡によれば、本発明に係る試料ホルダーを含むため、固体高分子形燃料電池を発電した状態で観察することができる。

第１実施形態に係る試料ホルダーのガス雰囲気室内の構成を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る試料ホルダーのガス雰囲気室内の構成を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る試料ホルダーのガスの制御系を説明するための模式図。 第１実施形態に係る試料ホルダーのガスの制御系を説明するための模式図。 第２実施形態に係る試料ホルダーのガス雰囲気室内の構成を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る試料ホルダーのガス雰囲気室内の構成を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る試料ホルダーのガスの制御系を説明するための模式図。 第２実施形態に係る試料ホルダーのガスの制御系を説明するための模式図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡の構成を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 試料ホルダーの構成
まず、第１実施形態に係る試料ホルダーの構成について、図面を参照しながら説明する。図１および図２は、第１実施形態に係る試料ホルダー１００のガス雰囲気室２０内の構成を模式的に示す断面図である。なお、図１は、試料ホルダー１００を電子線ＥＢの進行方向に対して直交する方向から見た図であり、図２は、試料ホルダー１００を電子線ＥＢの進行方向から見た図である。また、図２では、ガス雰囲気室２０を規定する壁部２２の図示を省略している。図１および図２では、試料ホルダー１００のガス雰囲気室２０が透過電子顕微鏡の試料室１０１０に位置している状態を図示している。

試料ホルダー１００は、図１および図２に示すように、支持部１０と、ガス雰囲気室２０と、酸素ガス供給管３０ａと、水素ガス供給管４０ａと、配線５０ａ，５０ｂと、加熱部６０と、を含む。試料ホルダー１００は、さらに、壁部２２と、隔膜２４と、酸素ガス排気管３０ｂと、水素ガス排気管４０ｂと、低熱伝導体７０と、シャフト部８０と、を含むことができる。

試料ホルダー１００は、固体高分子形燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ，ＰＥＦＣ）１を観察するための透過電子顕微鏡の試料ホルダーである。試料ホルダー１００では、固体高分子形燃料電池１は、ガス雰囲気室２０に収容される。試料ホルダー１００が透過電子顕微鏡の試料ホルダー支持部（図示せず）に挿入されると、ガス雰囲気室２０は、透過電子顕微鏡の試料室１０１０に位置する。試料室１０１０は、真空状態である。

固体高分子形燃料電池１は、イオン電導性を有する高分子膜（イオン交換膜）を電解質として用いる燃料電池である。固体高分子形燃料電池１は、燃料極（負極）２、固体高分子膜（電解質）４、空気極（正極）６を含んで構成されている。固体高分子形燃料電池１は、燃料極２、固体高分子膜４、空気極６を張り合わせて一体化したものである。

ここで、固体高分子形燃料電池１の発電の流れについて説明する。燃料極２では、供給
された水素を、プロトンと電子に分解する。プロトンは、固体高分子膜４へ移動し、電子は、外部回路（図示せず）を通って空気極６へ移動する。この電子の移動が電流にあたる。固体高分子膜４は、燃料極２で生成したプロトンを空気極６に移動させる。空気極６では、固体高分子膜４から来たプロトン、外部回路から来た電子、および供給された酸素が反応して水が生成する。

支持部１０は、固体高分子形燃料電池１（以下、「試料１」ともいう）を支持する。図示の例では、支持部１０は、２つの梁状部材を有し、当該２つの梁状部材に試料１が固定されている。支持部１０は、水素ガス供給管４０ａおよび水素ガス排気管４０ｂに固定されている。試料ホルダー１００では、試料１が、支持部１０と水素ガス供給管４０ａに固定される。支持部１０は、例えば、試料１を着脱可能に支持してもよい。支持部１０は、絶縁性の材料で構成されている。また、支持部１０は、熱伝導度が高いことが望ましい。これにより、加熱部６０が発生させた熱を効率よく試料１に伝えることができる。

ガス雰囲気室２０は、試料１を収容する空間である。ガス雰囲気室２０には、酸素ガス供給管３０ａが接続している。ガス雰囲気室２０には、さらに、酸素ガス排気管３０ｂが接続している。これにより、ガス雰囲気室２０内に酸素ガスを貫流させることができる。したがって、固体高分子形燃料電池１の空気極６に酸素を供給することができ、かつ、固体高分子形燃料電池１の固体高分子膜４の水分を維持することができる。ガス雰囲気室２０は、壁部２２によって囲まれている。図示の例では、ガス雰囲気室２０は、壁部２２、隔膜２４、および低熱伝導体７０によって囲まれている。

ガス雰囲気室２０を囲む壁部２２の一部には、隔膜２４が設けられている。隔膜２４は、試料ホルダー１００を試料ホルダー支持部に挿入したときに、電子線ＥＢの光路上となる位置に設けられる。隔膜２４は、ガス雰囲気室２０の雰囲気と透過電子顕微鏡の試料室１０１０の雰囲気とを隔離し、かつ、電子線ＥＢを透過させることができる。隔膜２４の材質は、例えば、カーボン、ＳｉＮなどである。

酸素ガス供給管３０ａは、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを導くための管である。ここで、酸素ガスを導くとは、酸素ガスのみを導く場合と、酸素を含むガス（例えば空気）を導く場合と、を含む。酸素ガス供給管３０ａは、酸素ガスの通路を構成している。酸素ガス供給管３０ａは、酸素ガス供給部１１０ａ（図３参照）から供給される酸素ガスを、ガス雰囲気室２０に導く。酸素ガス供給管３０ａは、ガス雰囲気室２０に接続されている。図示の例では、酸素ガス供給管３０ａの一方の端は、低熱伝導体７０の貫通孔７２ａを介してガス雰囲気室２０に接続され、他方の端は、酸素ガス供給部１１０ａに接続されている配管１１２ａ（図３参照）に接続されている。酸素ガス供給管３０ａは、シャフト部８０内に設けられている。酸素ガス供給管３０ａは、低熱伝導体７０に固定されている。

酸素ガス排気管３０ｂは、ガス雰囲気室２０から酸素ガスを排気するための管である。ここで、酸素ガスを排気するとは、酸素ガスのみを排気する場合と、酸素を含むガスを排気する場合と、を含む。酸素ガス排気管３０ｂは、酸素ガスの通路を構成している。酸素ガス排気管３０ｂは、ガス雰囲気室２０に接続されている。図示の例では、酸素ガス排気管３０ｂの一方の端は、低熱伝導体７０の貫通孔７２ｂを介してガス雰囲気室２０に接続され、他方の端は、酸素ガス排気部１１０ｂに接続されている配管１１２ｂ（図３参照）に接続されている。酸素ガス排気管３０ｂは、シャフト部８０内に設けられている。酸素ガス排気管３０ｂは、低熱伝導体７０に固定されている。

水素ガス供給管４０ａは、試料１の燃料極２に水素ガスを導くための管である。ここで、水素ガスを導くとは、水素ガスのみを導く場合と、水素を含むガスを導く場合と、を含む。水素ガス供給管４０ａは、水素ガスの通路を構成している。水素ガス供給管４０ａは
、水素ガス供給部１２０ａ（図４参照）から供給される水素ガスを、燃料極２に導く。水素ガス供給管４０ａは、燃料極２に接続される。図示の例では、燃料極２が水素ガス供給管４０ａに挿入され、燃料極２の一部が水素ガス供給管４０ａ内で露出することによって、水素ガス供給管４０ａと燃料極２とが接続されている。水素ガス供給管４０ａの一方の端は、水素ガス排気管４０ｂに接続され、他方の端は、水素ガス供給部１２０ａに接続されている配管１２２ａ（図４参照）に接続されている。水素ガス供給管４０ａは、シャフト部８０内およびガス雰囲気室２０内に設けられている。図示の例では、水素ガス供給管４０ａの一部は、貫通孔７２ｃを含む低熱伝導体７０で構成されている。水素ガス供給管４０ａは、低熱伝導体７０に固定されている。

水素ガス排気管４０ｂは、試料１の燃料極２に供給された水素ガスを排気するための管である。ここで、水素ガスを排気するとは、水素ガスのみを排気する場合と、水素を含むガスを排気する場合と、を含む。水素ガス排気管４０ｂは、水素ガスの通路を構成している。図示の例では、水素ガス排気管４０ｂと水素ガス供給管４０ａとが一体となって水素ガスの通路を構成している。水素ガス排気管４０ｂは、燃料極２に接続される。図示の例では、燃料極２が水素ガス排気管４０ｂに挿入され、燃料極２の一部が水素ガス排気管４０ｂ内で露出することによって、水素ガス排気管４０ｂと燃料極２とが接続されている。図示の例では、水素ガス排気管４０ｂの一方の端は、水素ガス供給管４０ａに接続され、他方の端は、水素ガス排気部１２０ｂに接続されている配管１２２ｂに接続されている（図４参照）。水素ガス排気管４０ｂは、ガス雰囲気室２０内およびシャフト部８０内に設けられている。図示の例では、水素ガス排気管４０ｂの一部は、貫通孔７２ｄを含む低熱伝導体７０で構成されている。水素ガス排気管４０ｂは、低熱伝導体７０に固定されている。

水素ガス供給管４０ａおよび水素ガス排気管４０ｂは、熱伝導度が高いことが望ましい。これにより、加熱部６０が発生させた熱を効率よく試料１に伝えることができる。

第１配線５０ａは、燃料極２に接続される配線である。第１配線５０ａの一方の端は、燃料極２に接続され、第１配線５０ａの他方の端は、外部回路（図示せず）に接続される。すなわち、第１配線５０ａは、燃料極２を外部回路に接続するための配線である。第１配線５０ａは、例えば、ガス雰囲気室２０内で燃料極２に接続され、ガス雰囲気室２０の外で外部回路に接続される。第１配線５０ａは、図示はしないが、低熱伝導体７０の貫通孔およびシャフト部８０内を通って、外部回路に接続される。

第２配線５０ｂは、空気極６に接続される配線である。第２配線５０ｂの一方の端は、空気極６に接続され、第２配線５０ｂの他方の端は、外部回路に接続される。すなわち、第２配線５０ｂは、空気極６を外部回路に接続するための配線である。第２配線５０ｂは、例えば、ガス雰囲気室２０内で空気極６に接続され、ガス雰囲気室２０の外で外部回路に接続される。第２配線５０ｂは、図示はしないが、低熱伝導体７０の貫通孔およびシャフト部８０内を通って、外部回路に接続される。

試料ホルダー１００では、固体高分子形燃料電池１が発電すると、第１配線５０ａおよび第２配線５０ｂに電流が流れる。第１配線５０ａおよび第２配線５０ｂが接続される外部回路は、例えば、電圧計、電流計、または抵抗等を含んで構成されている。

加熱部６０は、試料１を加熱するための部材である。加熱部６０は、低熱伝導体７０に固定されている。加熱部６０は、水素ガス供給管４０ａ、水素ガス排気管４０ｂ、および低熱伝導体７０に接している。加熱部６０が発生させた熱は、水素ガス供給管４０ａ、水素ガス排気管４０ｂ、および支持部１０を介して、試料１に伝わる。加熱部６０は、例えば、ヒーターと、温度センサーと、を含んで構成されている。ヒーターは、例えば、熱電
線等を定電流電源に接続することで、熱を発生させる。温度センサーは、例えば、熱電対やサーミスタなどを電圧計等に接続することで構成される。

低熱伝導体７０は、シャフト部８０の先端部に固定されている。低熱伝導体７０は、シャフト部８０と加熱部６０との間に設けられている。これにより、加熱部６０からシャフト部８０に伝わる熱量を低減することができる。低熱伝導体７０には、酸素ガスが通る貫通孔７２ａ，７２ｂ、および水素ガスが通る貫通孔７２ｃ，７２ｄが設けられている。

図３は、第１実施形態に係る試料ホルダー１００のガスの制御系を説明するための模式図である。なお、図３は、試料ホルダー１００を電子線ＥＢの進行方向に対して直交する方向から見た断面図である。

試料ホルダー１００は、図３に示すように、酸素ガス供給部１１０ａと、配管１１２ａと、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａと、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａと、真空計１１８ａと、酸素ガス排気部１１０ｂと、配管１１２ｂと、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂと、酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂと、真空計１１８ｂと、を含んで構成されている。試料ホルダー１００では、これらの部材１１０ａ，１１２ａ，１１４ａ，１１６ａ，１１８ａ，１１０ｂ，１１２ｂ，１１４ｂ，１１６ｂ，１１８ｂによって、酸素ガスを制御している。

配管１１２ａは、酸素ガス供給部１１０ａから酸素ガス供給管３０ａに酸素ガスを供給するための管である。配管１１２ａの一方の端は、酸素ガス供給管３０ａに接続され、他方の端は、酸素ガス供給部１１０ａに接続されている。配管１１２ａには、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａ、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａ、および真空計１１８ａが設けられている。

酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａは、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａと真空計１１８ａとの間に配置されている。なお、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａは、配管１１２ａの任意の位置に配置されることができる。試料ホルダー１００では、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａを開くことでガス雰囲気室２０に酸素ガスが供給され、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａを閉じることで酸素ガスの供給が停止される。

酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａは、ガス雰囲気室２０に供給される酸素ガスの量を調整するためのバルブである。酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａは、ガス雰囲気室２０内の圧力を調整することができる。酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａは、酸素ガス供給部１１０ａと酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａとの間に配置されている。

真空計１１８ａは、酸素ガス供給管３０ａと酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａとの間に配置されている。真空計１１８ａは、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａより酸素ガス供給管３０ａ側の配管１１２ａ内の圧力を測定している。

酸素ガス供給部１１０ａは、配管１１２ａに接続されている。酸素ガス供給部１１０ａは、配管１１２ａ、酸素ガス供給管３０ａ、および低熱伝導体７０の貫通孔７２ａを介して、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを供給する。すなわち、酸素ガス供給部１１０ａからの酸素ガスは、配管１１２ａ、酸素ガス供給管３０ａ、貫通孔７２ａを通って、ガス雰囲気室２０に供給される。酸素ガス供給部１１０ａは、例えば、酸素ボンベである。

配管１１２ｂは、酸素ガス排気管３０ｂから酸素ガスを排気するための管である。配管１１２ｂの一方の端は、酸素ガス排気管３０ｂに接続され、他方の端は、酸素ガス排気部
１１０ｂに接続されている。配管１１２ｂには、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂ、酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂ、および真空計１１８ｂが設けられている。

酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂは、酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂと酸素ガス排気部１１０ｂとの間に配置されている。なお、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂは、配管１１２ｂの任意の位置に配置されることができる。試料ホルダー１００では、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂを開くことでガス雰囲気室２０の酸素ガスが排気され、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂを閉じることで酸素ガスの排気が停止される。

酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂは、ガス雰囲気室２０から排気される酸素ガスの量を調整するためのバルブである。酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂは、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂと真空計１１８ｂとの間に配置されている。

真空計１１８ｂは、酸素ガス排気管３０ｂと酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂとの間に配置されている。真空計１１８ｂは、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ｂより酸素ガス排気管３０ｂ側の配管１１２ｂ内の圧力を測定している。

酸素ガス排気部１１０ｂは、配管１１２ｂに接続されている。酸素ガス排気部１１０ｂは、配管１１２ｂ、酸素ガス排気管３０ｂ、および低熱伝導体７０の貫通孔７２ｂを介して、ガス雰囲気室２０から酸素ガスを排気する。すなわち、ガス雰囲気室２０の酸素ガスは、低熱伝導体７０の貫通孔７２ｂ、酸素ガス排気管３０ｂ、および配管１１２ｂを通って、酸素ガス排気部１１０ｂによって排気される。酸素ガス排気部１１０ｂは、例えば、真空ポンプである。

図４は、第１実施形態に係る試料ホルダー１００のガスの制御系を説明するための模式図である。なお、図４は、試料ホルダー１００を電子線ＥＢの進行方向から見た断面図である。

試料ホルダー１００は、図４に示すように、水素ガス供給部１２０ａと、配管１２２ａと、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａと、水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａと、真空計１２８ａと、水素ガス排気部１２０ｂと、配管１２２ｂと、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂと、水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂと、真空計１２８ｂと、を含んで構成されている。試料ホルダー１００では、これらの部材１２０ａ，１２２ａ，１２４ａ，１２６ａ，１２８ａ，１２０ｂ，１２２ｂ，１２４ｂ，１２６ｂ，１２８ｂによって、水素ガスを制御している。

配管１２２ａは、水素ガス供給部１２０ａから水素ガス供給管４０ａに酸素ガスを供給するための管である。配管１２２ａの一方の端は、水素ガス供給管４０ａに接続され、他方の端は、水素ガス供給部１２０ａに接続されている。配管１２２ａには、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａ、水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａ、および真空計１２８ａが設けられている。

水素ガス導入開閉バルブ１２４ａは、水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａと真空計１２８ａとの間に配置されている。なお、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａは、配管１２２ａの任意の位置に配置されることができる。試料ホルダー１００では、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａを開くことで燃料極２に水素ガスが供給され、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａを閉じることで水素ガスの供給が停止される。

水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａは、燃料極２に供給される水素ガスの量を調整するためのバルブである。水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａは、水素ガス供給管４０ａ
内の圧力を調整することができる。水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａは、水素ガス供給部１２０ａと水素ガス導入開閉バルブ１２４ａとの間に配置されている。

真空計１２８ａは、水素ガス供給管４０ａと水素ガス導入開閉バルブ１２４ａとの間に配置されている。真空計１２８ａは、水素ガス導入量調整バルブ１２６ａより水素ガス供給管４０ａ側の配管１２２ａ内の圧力を測定している。

水素ガス供給部１２０ａは、配管１２２ａに接続されている。水素ガス供給部１２０ａは、配管１２２ａ、水素ガス供給管４０ａを介して、燃料極２に水素ガスを供給する。すなわち、水素ガス供給部１２０ａからの水素ガスは、配管１２２ａ、および水素ガス供給管４０ａを通って、燃料極２に供給される。水素ガス供給部１２０ａは、例えば、水素ボンベである。

配管１２２ｂは、水素ガス排気管４０ｂから水素ガスを排気するための管である。配管１２２ｂの一方の端は、水素ガス排気管４０ｂに接続され、他方の端は、水素ガス排気部１２０ｂに接続されている。配管１２２ｂには、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂ、水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂ、および真空計１２８ｂが設けられている。

水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂは、水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂと水素ガス排気部１２０ｂとの間に配置されている。なお、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂは、配管１２２ｂの任意の位置に配置されることができる。試料ホルダー１００では、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂを開くことで水素ガス排気管４０ｂの水素ガスが排気され、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂを閉じることで水素ガスの排気が停止される。

水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂは、水素ガス排気管４０ｂから排気される水素ガスの量を調整するためのバルブである。水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂは、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂと真空計１２８ｂとの間に配置されている。

真空計１２８ｂは、水素ガス排気管４０ｂと水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂとの間に配置されている。真空計１２８ｂは、水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂより水素ガス排気管４０ｂ側の配管１２２ｂ内の圧力を測定している。

水素ガス排気部１２０ｂは、配管１２２ｂに接続されている。水素ガス排気部１２０ｂは、配管１２２ｂを介して、水素ガス排気管４０ｂから水素ガスを排気する。すなわち、水素ガス供給管４０ａから供給された水素ガスは、水素ガス排気管４０ｂ、および配管１２２ｂを通って、水素ガス排気部１２０ｂによって排気される。水素ガス排気部１２０ｂは、例えば、真空ポンプである。

１．２． 試料ホルダーの動作
次に、第１実施形態に係る試料ホルダーの動作について、図１〜図４を参照しながら説明する。

試料ホルダー１００を透過電子顕微鏡の試料ホルダー保持部に挿入する前に、加熱部６０のヒーターに電流を流し、温度センサーと試料１との間の温度の関係を測定する。

次に、試料ホルダー１００を透過電子顕微鏡の試料ホルダー保持部に挿入する。そして、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａおよび酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂを開いた状態にして、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを貫流させる。また、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａおよび酸素ガス排気流量調整バルブ１１６ｂを調整して、ガス雰囲気室２０内の圧力を所与の値に調整する。さらに、加熱部６０のヒーターに電流を流し、試料１が所与
の温度になるように加熱する。

次に、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａおよび水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂを開いた状態にして、水素ガス供給管４０ａおよび水素ガス排気管４０ｂに水素ガスを貫流させる。また、水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａおよび水素ガス排気流量調整バルブ１２６ｂを調整して、水素ガス供給管４０ａ内および水素ガス排気管４０ｂ内の圧力を所与の値に調整する。これにより、第１配線５０ａおよび第２配線５０ｂに電流が流れて、固体高分子形燃料電池１が発電する。固体高分子形燃料電池１が発電した状態で、隔膜２４を通じて固体高分子形燃料電池１に電子線ＥＢを照射することにより、固体高分子形燃料電池１が発電した状態を観察することができる。

第１実施形態に係る試料ホルダー１００は、例えば、以下の特徴を有する。

試料ホルダー１００は、燃料極２、固体高分子膜４、および空気極６を有する固体高分子形燃料電池観察用の透過電子顕微鏡の試料ホルダーであって、固体高分子形燃料電池１を支持する支持部１０と、固体高分子形燃料電池１が収容されるガス雰囲気室２０と、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを導くための酸素ガス供給管３０ａと、燃料極２に水素ガスを導くための水素ガス供給管４０ａと、燃料極２に接続される第１配線５０ａと、空気極６に接続される第２配線５０ｂと、固体高分子形燃料電池１を加熱するための加熱部６０と、を含む。そのため、空気極６に酸素を供給し、燃料極２に水素を供給することができる。さらに、固体高分子形燃料電池１を加熱することができ、燃料極２に接続された第１配線５０ａおよび空気極６に接続された第２配線５０ｂによって、固体高分子形燃料電池１を外部回路に接続することができる。したがって、固体高分子形燃料電池１を発電した状態で観察することができる。

試料ホルダー１００では、ガス雰囲気室２０の雰囲気と透過電子顕微鏡の試料室１０１０の雰囲気とを隔離し、かつ、電子線ＥＢを透過させる隔膜２４を含む。これにより、電子顕微鏡本体に損傷を与えることなく、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを供給しつつ、試料１を観察することができる。

試料ホルダー１００によれば、酸素ガスを排気するための酸素ガス排気管３０ｂを含むため、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを貫流させることができる。

試料ホルダー１００によれば、水素ガスを排気するための水素ガス排気管４０ｂを含むため、水素ガス供給管４０ａおよび水素ガス排気管４０ｂにおいて、水素ガスを貫流させることができる。

試料ホルダー１００によれば、酸素ガス供給管３０ａに供給される酸素ガスの量を調整するための酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａを含むため、ガス雰囲気室２０内の圧力を調整することができる。

試料ホルダー１００によれば、水素ガス供給管４０ａに供給される水素ガスの量を調整するための水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａを含むため、水素ガス供給管４０ａ内の圧力を調整することができる。

２． 第２実施形態
２．１． 試料ホルダーの構成
次に、第２実施形態に係る試料ホルダーの構成について、図面を参照しながら説明する。図５および図６は、第２実施形態に係る試料ホルダー２００のガス雰囲気室２０内の構成を模式的に示す断面図である。なお、図５は、試料ホルダー２００を電子線ＥＢの進行
方に対して直交する方向から見た図であり、図６は、試料ホルダー２００を電子線ＥＢの進行方向から見た図である。また、図６では、ガス雰囲気室２０を規定する壁部２２の図示を省略している。図５および図６は、試料ホルダー２００のガス雰囲気室２０が透過電子顕微鏡の試料室１０１０に位置している状態を図示している。以下、試料ホルダー２００において、上述した試料ホルダー１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した試料ホルダー１００では、図１および図２に示すように、酸素ガス供給管３０ａを通じてガス雰囲気室２０に酸素ガスを供給し、酸素ガス排気管３０ｂを通じて酸素ガスを排気していた。また、試料ホルダー１００では、水素ガス供給管４０ａを通じて固体高分子形燃料電池１の燃料極２に水素ガスを供給し、水素ガス排気管４０ｂを通じて水素ガスを排気していた。

これに対して、試料ホルダー２００では、酸素ガス通路管２３０を通じて、ガス雰囲気室２０に酸素ガスを供給し、かつ、酸素ガスを排気している。また、試料ホルダー２００では、水素ガス通路管２４０を通じて、燃料極２に水素ガスを供給し、かつ、水素ガスを排気している。

すなわち、試料ホルダー２００では、酸素ガス供給管３０ａと酸素ガス排気管３０ｂとが１つの酸素ガス通路管２３０で構成されている。また、試料ホルダー２００では、水素ガス供給管４０ａと水素ガス排気管４０ｂとが１つの水素ガス通路管２４０で構成されている。

試料ホルダー２００では、ガス雰囲気室２０には、酸素ガス通路管２３０が接続されている。また、燃料極２には、水素ガス通路管２４０が接続されている。水素ガス通路管２４０の一方の端部は、低熱伝導体７０によって閉じられている。

図７は、第２実施形態に係る試料ホルダー２００のガスの制御系を説明するための模式図である。なお、図７は、試料ホルダー２００を電子線ＥＢの進行方向に対して直交する方向から見た断面図である。

試料ホルダー２００では、酸素ガス通路管２３０には、配管２１２が接続されている。配管２１２は、酸素ガス供給部１１０ａから酸素ガス通路管２３０に酸素ガスを供給し、かつ、酸素ガス通路管２３０から酸素ガスを排気するための管である。配管２１２の一方の端は、酸素ガス通路管２３０に接続され、他方の端は、酸素ガス供給部１１０ａおよび酸素ガス排気部１１０ｂに接続されている。配管２１２には、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａ、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａ、真空計１１８ａ、および酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂが設けられている。

図８は、第２実施形態に係る試料ホルダー２００のガスの制御系を説明するための模式図である。なお、図８は、試料ホルダー２００を電子線ＥＢの進行方向から見た断面図である。

水素ガス通路管２４０には、配管２２２が接続されている。配管２２２は、水素ガス供給部１２０ａから水素ガス通路管２４０に水素ガスを供給し、かつ、水素ガス通路管２４０から水素ガスを排気するための管である。配管２２２の一方の端は、水素ガス通路管２４０に接続され、他方の端は、水素ガス供給部１２０ａおよび水素ガス排気部１２０ｂに接続されている。配管２２２には、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａ、水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａ、真空計１２８ａ、および水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂが設けられている。

２．２． 試料ホルダーの動作
次に、第２実施形態に係る試料ホルダーの動作について、図５〜図８を参照しながら説明する。

試料ホルダー２００を透過電子顕微鏡に装着する前に、加熱部６０のヒーターに電流を流し、温度センサーと試料１との間の温度の関係を測定する。

次に、試料ホルダー２００を透過電子顕微鏡に装着する。そして、ガス雰囲気室２０内を酸素ガス排気部１１０ｂで１０^３Ｐａ程度に排気し、水素ガス通路管２４０内を水素ガス排気部１２０ｂで１０^３Ｐａ程度に排気する。

そして、酸素ガス導入開閉バルブ１１４ａを開いた状態、酸素ガス排気開閉バルブ１１４ｂを閉じた状態にして、酸素ガス導入流量調整バルブ１１６ａを調整して、ガス雰囲気室２０内の圧力を所与の値に調整する。さらに、加熱部６０のヒーターに電流を流し、試料１が所与の温度になるように加熱する。

次に、水素ガス導入開閉バルブ１２４ａを開いた状態、水素ガス排気開閉バルブ１２４ｂを閉じた状態にして、水素ガス導入流量調整バルブ１２６ａを調整して、水素ガス通路管２４０内の圧力を所与の値に調整する。これにより、第１配線５０ａおよび第２配線５０ｂに電流が流れて、固体高分子形燃料電池１が発電する。固体高分子形燃料電池１が発電した状態で、隔膜２４を通じて固体高分子形燃料電池１に電子線ＥＢを照射することにより、固体高分子形燃料電池１が発電した状態を観察することができる。

試料ホルダー２００によれば、上述した試料ホルダー１００と同様の作用効果を奏することができる。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図９は、第３実施形態に係る電子顕微鏡の構成を説明するための図である。第３実施形態に係る電子顕微鏡１０００は、本願発明に係る試料ホルダーを含んで構成されている。ここでは、電子顕微鏡１０００が、試料ホルダー１００を含んで構成されている場合について説明する。

電子顕微鏡１０００は、図９に示すように、電子線源１００１と、照射レンズ１００２と、試料ホルダー１００と、対物レンズ１００４と、投影レンズ１００６と、撮像装置１００８と、鏡筒１００９と、を含んで構成されている。ここでは、電子顕微鏡１０００が、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）である場合について説明するが、電子顕微鏡１０００は、走査透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＥＭ）であってもよい。

電子線源１００１、照射レンズ１００２、対物レンズ１００４、投影レンズ１００６は、鏡筒１００９の内部に収容されている。鏡筒１００９の内部は、排気装置（図示省略）によって減圧排気されている。

電子線源１００１は、電子線ＥＢを発生させる。電子線源１００１は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線ＥＢを放出する。電子線源１００１として、公知の電子銃を用いることができる。

照射レンズ１００２は、電子線源１００１の後段に配置されている。照射レンズ１００
２は、電子線源１００１で発生した電子線ＥＢを試料１に照射するためのレンズである。照射レンズ１００２は、複数の集束レンズ（図示せず）を含んで構成されている。

試料ホルダー１００は、試料室１０１０に試料１を保持している。試料ホルダー１００は、試料ホルダー支持部（図示せず）に挿入される。これにより、ガス雰囲気室２０が電子顕微鏡１０００の試料室１０１０に位置する。試料ホルダー１００は、電子顕微鏡１０００の駆動機構（図示せず）によって、移動可能となっている。これにより、固体高分子形燃料電池１を透過する電子線ＥＢの位置を調整することができる。また、試料ホルダー１００では、試料ホルダー１００の挿入方向を軸として、固体高分子形燃料電池１を回転させることができる。

対物レンズ１００４は、照射レンズ１００２の後段に配置されている。対物レンズ１００４は、試料１を透過した電子線ＥＢで結像するための初段のレンズである。

投影レンズ１００６は、対物レンズ１００４の後段に配置されている。投影レンズ１００６は、対物レンズ１００４によって結像された像をさらに拡大し、撮像装置１００８上に結像させる。

撮像装置１００８は、電子線ＥＢを検出するための検出器を有している。検出器は、例えば、２次元的に配置されたＣＣＤを有するＣＣＤカメラである。撮像装置１００８は、電子顕微鏡像を検出し、この電子顕微鏡像の情報を出力する。

電子顕微鏡１０００は、試料ホルダー１００を含んで構成されているため、固体高分子形燃料電池１を発電した状態で観察することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、図１および図３に示す第１実施形態に係る試料ホルダー１００の酸素ガスの制御系と、図６および図８に示す第２実施形態に係る試料ホルダー２００の水素ガスの制御系と、を組み合わせてもよい。同様に、図２および図４に示す第１実施形態に係る試料ホルダー１００の水素ガスの制御系と、図５および図７に示す第２実施形態に係る試料ホルダー２００の酸素ガスの制御系と、を組み合わせてもよい。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…固体高分子形燃料電池、２…燃料極、４…固体高分子膜、６…空気極、１０…支持部、２０…ガス雰囲気室、２２…壁部、２４…隔膜、３０ａ…酸素ガス供給管、３０ｂ…酸素ガス排気管、４０ａ…水素ガス供給管、４０ｂ…水素ガス排気管、５０ａ…第１配線、５０ｂ…第２配線、６０…加熱部、７０…低熱伝導体、７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ…貫通孔、８０…シャフト部、１００…試料ホルダー、１１０ａ…酸素ガス供給部、１１０ｂ…酸素ガス排気部、１１２ａ，１１２ｂ…配管、１１４ａ…酸素ガス導入開閉バルブ、１１４ｂ…酸素ガス排気開閉バルブ、１１６ａ…酸素ガス導入流量調整バルブ、１１６ｂ…酸素ガス排気流量調整バルブ、１１８ａ，１１８ｂ…真空計、１２０ａ…水素ガス供
給部、１２０ｂ…水素ガス排気部、１２２ａ，１２２ｂ…配管、１２４ａ…水素ガス導入開閉バルブ、１２４ｂ…水素ガス排気開閉バルブ、１２６ａ…水素ガス導入流量調整バルブ、１２６ｂ…水素ガス排気流量調整バルブ、１２８ａ，１２８ｂ…真空計、２００…真空計、２１２，２２２…配管、２３０…酸素ガス通路管、２４０…水素ガス通路管、１０００…電子顕微鏡、１００１…電子線源、１００２…照射レンズ、１００４…対物レンズ、１００６…投影レンズ、１００８…撮像装置、１００９…鏡筒、１０１０…試料室

Claims (7)

1. 燃料極、固体高分子膜、および空気極を有する固体高分子形燃料電池観察用の電子顕微鏡の試料ホルダーであって、
   前記固体高分子形燃料電池を支持する支持部と、
   前記固体高分子形燃料電池が収容されるガス雰囲気室と、
   前記ガス雰囲気室に酸素ガスを導くための酸素ガス供給管と、
   前記燃料極に水素ガスを導くための水素ガス供給管と、
   前記燃料極に接続される第１配線と、
   前記空気極に接続される第２配線と、
   前記固体高分子形燃料電池を加熱するための加熱部と、
   を含む、試料ホルダー。
2. 請求項１において、
   前記ガス雰囲気室の雰囲気と前記電子顕微鏡の試料室の雰囲気とを隔離し、かつ、電子線を透過させる隔膜を含む、試料ホルダー。
3. 請求項１または２において、
   前記ガス雰囲気室から前記酸素ガスを排気するための酸素ガス排気管を含む、試料ホルダー。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記水素ガス供給管から前記水素ガスを排気するための水素ガス排気管を含む、試料ホルダー。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記酸素ガス供給管に供給される前記酸素ガスの量を調整するための酸素ガス導入流量調整バルブを含む、試料ホルダー。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記水素ガス供給管に供給される前記水素ガスの量を調整するための水素ガス導入流量調整バルブを含む、試料ホルダー。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の試料ホルダーを含む、電子顕微鏡。

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