JP5257994B2 - Measuring apparatus and measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、核磁気共鳴法を用いる測定装置および測定方法に関し、特に、核磁気共鳴法を用いて膜特性を測定する装置および方法に関する。   The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method using a nuclear magnetic resonance method, and more particularly to an apparatus and a method for measuring film characteristics using a nuclear magnetic resonance method.

ある種の機能膜の特性を把握するためには、機能膜の厚さ方向について、プロトン性溶媒の浸透性を評価することが重要となる。浸透性の評価として、たとえば、機能膜の厚さ方向の特定の領域におけるプロトン性溶媒の濃度の経時変化を評価したい場合がある。   In order to grasp the characteristics of a certain type of functional membrane, it is important to evaluate the permeability of the protic solvent in the thickness direction of the functional membrane. For example, there is a case where it is desired to evaluate a change in the concentration of the protic solvent with time in a specific region in the thickness direction of the functional membrane.

このような機能膜の具体例としては、ダイレクトメタノール型の燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜が挙げられる。ダイレクトメタノール型の燃料電池では、燃料極側には、所定の濃度のメタノール水溶液が供給され、空気極側には空気(酸素)が供給される。両極は固体高分子電解質膜で仕切られ、燃料と酸化剤が直接反応しないようにされている。   Specific examples of such a functional membrane include a solid polymer electrolyte membrane used in a direct methanol fuel cell. In a direct methanol fuel cell, a methanol aqueous solution having a predetermined concentration is supplied to the fuel electrode side, and air (oxygen) is supplied to the air electrode side. Both electrodes are partitioned by a solid polymer electrolyte membrane so that the fuel and oxidant do not react directly.

ところが、ダイレクトメタノール型の燃料電池では、メタノールと水との親和性が強いことから、水を多く含んだ高分子電解質膜の中にメタノールが入り込み、直接酸素極に達して、発電とは無関係に酸化してしまう「燃料のクロスオーバ」が生ずる。燃料のクロスオーバにより、燃料が無駄に消費されるだけでなく、セル電圧も低下するため、ダイレクトメタノール型の燃料電池において、クロスオーバの低減が強く求められている。   However, in the direct methanol fuel cell, since the affinity between methanol and water is strong, methanol enters the polymer electrolyte membrane containing a large amount of water and reaches the oxygen electrode directly, regardless of power generation. Oxidizing “fuel crossover” occurs. The fuel crossover not only wastes fuel, but also reduces the cell voltage. Therefore, a direct methanol fuel cell is strongly required to reduce crossover.

固体高分子電解質膜のメタノールのクロスオーバ特性を把握する方法として、従来、特許文献1に記載のものがある。同文献には、燃料電池のカソードから排出されるガスの成分を計測することにより、アノードからカソードにクロスオーバした燃料量を算出し、その算出値に基づいて前記燃料消費量を補正することが記載されている。   As a method for grasping the crossover characteristic of methanol in a solid polymer electrolyte membrane, there is a conventional method described in Patent Document 1. In this document, the amount of fuel crossed from the anode to the cathode is calculated by measuring the component of the gas discharged from the cathode of the fuel cell, and the fuel consumption is corrected based on the calculated value. Have been described.

また、膜のプロトン性溶媒の透過特性を算出する技術として、他に、特許文献2に記載のものがある。同文献には、膜の面内における局所的なメタノール量の比率を求める方法が記載されている。
特開2005−26215号公報 特開2007−51990号公報
Another technique for calculating the permeation characteristics of a protic solvent through a membrane is disclosed in Patent Document 2. This document describes a method for determining the ratio of the local amount of methanol in the plane of the membrane.
JP 2005-26215 A JP 2007-51990 A

しかしながら、上述した従来の測定方法は、いずれも、高分子電解質膜に浸透していくメタノール濃度の経時変化を測定するのに適した構成となってはいなかった。
たとえば、特許文献1では、固体高分子電解質膜中のメタノール量を直接測定する方法ではなかった。
However, none of the above-described conventional measuring methods has a configuration suitable for measuring a change with time in the methanol concentration penetrating into the polymer electrolyte membrane.
For example, Patent Document 1 is not a method for directly measuring the amount of methanol in the solid polymer electrolyte membrane.

また、特許文献2では、固体高分子電解質膜の直接測定は可能であるものの、膜外との物質のやり取りのない平衡状態での測定であった。   In Patent Document 2, although the solid polymer electrolyte membrane can be directly measured, the measurement was performed in an equilibrium state in which no substance is exchanged with the outside of the membrane.

ここで、膜全体を均一な濃度のメタノール水溶液に浸した状態は、燃料電池として膜が置かれている環境とは大きく異なる。燃料電池では、膜の片側はメタノール水溶液に接し、もう一方の側は空気に接している。物質移動の観点から見れば、燃料極側には濃度の高いメタノールがあり、空気極側のメタノール濃度はほとんどゼロであるから、メタノールは両側の濃度差によって空気極側へと浸透していく。さらに、空気極側の高分子電解質膜からは水とメタノールが蒸発している。この空気極側からの蒸発によって、高分子電解質膜内をメタノールと水は常に燃料極側から空気極側へと移動しており、その状態で定常状態となっているはずである。このため、本来は、膜内をメタノールが移動している時の電解質膜内のメタノール濃度を計測すべきである。また、この状態での高分子電解質膜のメタノール浸透特性を評価することが求められる   Here, the state in which the entire membrane is immersed in an aqueous methanol solution having a uniform concentration is greatly different from the environment where the membrane is placed as a fuel cell. In a fuel cell, one side of the membrane is in contact with an aqueous methanol solution and the other side is in contact with air. From the viewpoint of mass transfer, there is a high concentration of methanol on the fuel electrode side, and the methanol concentration on the air electrode side is almost zero. Therefore, methanol permeates to the air electrode side due to the concentration difference on both sides. Furthermore, water and methanol are evaporated from the polymer electrolyte membrane on the air electrode side. Due to the evaporation from the air electrode side, methanol and water always move from the fuel electrode side to the air electrode side in the polymer electrolyte membrane, and the state should be in a steady state. Therefore, originally, the methanol concentration in the electrolyte membrane when methanol is moving in the membrane should be measured. Also, it is required to evaluate the methanol permeation characteristics of the polymer electrolyte membrane in this state

この点、特許文献2に記載の技術は、高分子電解質膜にガスやメタノール水溶液が供給され、高分子電解質膜中をメタノールや水が移動する状態、つまり燃料電池の運転状態またはそれに近い状態において、高分子電解質膜に浸透していくメタノールの濃度を測定するものではなかった。   In this regard, the technique described in Patent Document 2 is such that a gas or aqueous methanol solution is supplied to the polymer electrolyte membrane, and methanol or water moves through the polymer electrolyte membrane, that is, in an operating state of the fuel cell or a state close thereto. However, the concentration of methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane was not measured.

本発明によれば、
膜中の溶媒の透過特性を評価する装置であって、
膜を保持する膜保持部、
前記膜の一方の面に気体を供給する気体供給部および
前記膜の他方の面に、分子構造中に水素原子を有する化合物を含むプロトン性溶媒を供給する溶媒供給部を備える測定セルと、
前記膜に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記膜の厚さ方向における一部の領域における核磁気共鳴信号を取得する小型RFコイルと、
前記膜の前記一方の面に前記気体を供給するとともに前記他方の面に前記プロトン性溶媒を供給し、かつ、前記測定セルが発電していない状態で前記小型RFコイルが取得した前記核磁気共鳴信号に基づき、前記一部の領域における前記プロトン性溶媒の濃度を算出し、前記プロトン性溶媒の濃度の経時変化に基づき、前記プロトン性溶媒の濃度が定常状態に達するまでの時間または速度を算出する演算部と、
を含む、測定装置が提供される。
According to the present invention,
An apparatus for evaluating the permeation characteristics of a solvent in a membrane,
A membrane holder for holding the membrane ,
A gas supply for supplying gas to one side of the membrane; and
A measurement cell comprising a solvent supply unit for supplying a protic solvent containing a compound having a hydrogen atom in the molecular structure on the other surface of the membrane ;
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the film;
A small RF coil that applies an oscillating magnetic field for excitation to the film and acquires a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the film;
The nuclear magnetic resonance acquired by the small RF coil in a state where the gas is supplied to the one surface of the membrane and the protic solvent is supplied to the other surface and the measurement cell is not generating power. Calculate the concentration of the protic solvent in the partial region based on the signal, and calculate the time or speed until the concentration of the protic solvent reaches a steady state based on the change over time of the concentration of the protic solvent An arithmetic unit to perform,
A measuring device is provided.

また、本発明によれば、
膜中の溶媒の透過特性を評価する方法であって、
上述した測定装置を用いて行なわれ、
静磁場内に置かれた膜の一方の面に気体を供給するとともに前記膜の他方の面に分子構造中に水素原子を有する化合物を含むプロトン性溶媒を供給しつつ、前記測定セルが発電していない状態で小型RFコイルを用いて前記膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記膜の厚さ方向における一部の領域における核磁気共鳴信号を取得するステップと、
前記小型RFコイルが取得した前記核磁気共鳴信号に基づき、前記一部の領域における前記プロトン性溶媒の濃度を算出し、前記プロトン性溶媒の濃度の経時変化に基づき、前記プロトン性溶媒の濃度が定常状態に達するまでの時間または速度を算出するステップと、
を含む、測定方法が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A method for evaluating the permeation characteristics of a solvent in a membrane,
Performed using the measuring device described above,
The measurement cell generates power while supplying a gas to one side of the membrane placed in a static magnetic field and a protic solvent containing a compound having a hydrogen atom in the molecular structure to the other side of the membrane. Applying an oscillating magnetic field for excitation to the film using a small RF coil in a state where it is not, and obtaining a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the film;
Based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil, the concentration of the protic solvent in the partial region is calculated, and the concentration of the protic solvent is calculated based on the change over time of the concentration of the protic solvent. Calculating the time or speed to reach steady state ;
A measurement method is provided.

本発明においては、膜の一方の面に気体を供給しつつ他方の面に溶媒を供給した状態で、膜の核磁気共鳴(Nuclear magnetic resonance:NMR)測定が行われる。また、NMR測定においては、小型RFコイルを用いて静磁場内に配置された膜に励起用振動磁場を印加するとともに、膜の厚さ方向について、一部の領域における核磁気共鳴信号を取得する。検出コイルとして上記小型RFコイルを用いるとともに、膜の一方の面にガスを供給し、他方の面に溶媒を供給することにより、膜の他方の面から供給される溶媒が一方の面に向かって浸透していく際の、一部の領域における溶媒の濃度を算出することができ、その経時変化に基づき、膜の特性値が算出される。
このように、本発明によれば、膜中を溶媒が移動している状態で測定することができるとともに、かつ、膜の厚さ方向の特定の部分について測定することができる。これにより、従来は平衡状態での測定に限られていたのに対し、本発明では、動的状態における膜中の溶媒の透過特性を評価することが可能となる。
また、溶媒は、分子構造中に水素原子を有する化合物を含み、具体例としては、アルコール等のプロトン性溶媒が挙げられる。よって、たとえば燃料電池の固体高分子電解質膜のクロスオーバ特性を評価するのに適した構成となっている。本発明の技術を固体高分子電解質膜のクロスオーバ特性の評価に用いれば、実際の燃料電池の運転状態に準じた系での膜特性を評価することができる。
In the present invention, nuclear magnetic resonance (NMR) measurement of a film is performed in a state where a gas is supplied to one side of the film and a solvent is supplied to the other side. In NMR measurement, an excitation oscillating magnetic field is applied to a film disposed in a static magnetic field using a small RF coil, and a nuclear magnetic resonance signal is acquired in a partial region in the thickness direction of the film. . The small RF coil is used as the detection coil, and gas is supplied to one surface of the film and solvent is supplied to the other surface, so that the solvent supplied from the other surface of the film is directed toward one surface. It is possible to calculate the concentration of the solvent in a part of the region as it permeates, and the characteristic value of the film is calculated based on the change over time.
As described above, according to the present invention, it is possible to perform measurement while the solvent is moving in the film, and it is possible to measure a specific portion in the thickness direction of the film. Thus, while conventionally limited to measurement in an equilibrium state, the present invention makes it possible to evaluate the permeation characteristics of the solvent in the membrane in the dynamic state.
The solvent includes a compound having a hydrogen atom in the molecular structure, and specific examples include protic solvents such as alcohol. Therefore, for example, the structure is suitable for evaluating the crossover characteristics of the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell. If the technique of the present invention is used to evaluate the crossover characteristics of a solid polymer electrolyte membrane, the membrane characteristics in a system according to the actual operating state of the fuel cell can be evaluated.

ここで、膜の厚さ方向の一部の領域における核磁気共鳴信号を取得するとは、膜の厚さ方向の実質的に特定の部分の核磁気共鳴信号を取得することをいう。このとき検出コイルで取得される核磁気共鳴信号の測定値は、磁気共鳴信号を放出し、検出コイルが受信できる領域全体での積分値であり、より具体的には、試料からの核磁気共鳴信号の放出強度とコイルの受信感度を含めた試料の厚さ方向に重み付け係数をかけた信号の積分値となる。このため、検出コイルで計測した際に、測定値に実質的な影響を及ぼさない程度の信号の大きさであれば、膜の厚さ方向について、上記特定の部分以外の領域から信号を取得したとしてもよい。
本発明において、前記小型RFコイルは、たとえば前記膜の前記一方の面に配置されるとともに、前記一方の面から前記膜の厚みの途中位置までの特定の深さまでの領域における核磁気共鳴信号を取得し、前記演算部は、たとえば前記核磁気共鳴信号に基づき、一方の面から特定の深さまでの前記領域における前記溶媒の濃度を算出する。
Here, acquiring a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the film means acquiring a nuclear magnetic resonance signal in a substantially specific portion in the thickness direction of the film. The measured value of the nuclear magnetic resonance signal acquired by the detection coil at this time is an integral value over the entire area where the magnetic resonance signal is emitted and can be received by the detection coil, and more specifically, the nuclear magnetic resonance from the sample. It is an integrated value of the signal obtained by applying a weighting coefficient in the thickness direction of the sample including the signal emission intensity and the reception sensitivity of the coil. For this reason, when measuring with the detection coil, the signal is obtained from a region other than the specific portion in the thickness direction of the film if the signal has a magnitude that does not substantially affect the measurement value. It is good.
In the present invention, the small RF coil is arranged on, for example, the one surface of the film, and outputs a nuclear magnetic resonance signal in a region from the one surface to a specific depth from the middle of the thickness of the film. The calculation unit calculates the concentration of the solvent in the region from one surface to a specific depth based on, for example, the nuclear magnetic resonance signal.

また、膜中の溶媒(たとえばプロトン性溶媒)の濃度の経時変化は、時間に対して濃度が変化している途中の状態(過渡状態)と、時間に対して濃度が一定である状態(定常状態)の両方を含む。また、濃度の経時変化に基づき算出される膜の特性値として、たとえば、
(i)プロトン性溶媒の濃度が過渡状態にある場合での濃度の時間的な変化速度、
(ii)プロトン性溶媒の濃度が定常状態に達するまでの時間、さらには
(iii)プロトン性溶媒の定常濃度、
を算出することができる。



In addition, the time-dependent change in the concentration of the solvent (for example, protic solvent) in the membrane is a state where the concentration is changing with respect to time (transient state) and a state where the concentration is constant with respect to time (steady state). State). Further, as the characteristic value of the film calculated based on the change in concentration with time, for example,
(I) the temporal change rate of the concentration when the concentration of the protic solvent is in a transient state;
(Ii) the time until the concentration of the protic solvent reaches a steady state, and (iii) the steady concentration of the protic solvent,
Can be calculated.



このうち、上記(i)では、プロトン性溶媒を供給し始めてから定常状態に達するまでの過渡的な状態において、膜の厚さ方向における局所的なプロトン性溶媒の濃度の時間的な変化速度を、その場で直接的に計測できる。
また、上記(ii)については、濃度の時間変化速度がほぼゼロになれば、プロトン性溶媒の濃度が時間的に定常状態に達したとみなすことができ、定常状態に達するまでの時間も本手法によって計測することができる。
本発明において上記(i)または(ii)を算出するとき、たとえば、前記演算部が、前記プロトン性溶媒濃度の経時変化に基づき、一方の面から特定の深さまでの前記領域において前記プロトン性溶媒の濃度が定常状態に達するまでの時間または速度を算出する定常状態到達パラメータ算出部を含む構成としてもよい。
Among these, in the above (i), the temporal change rate of the local concentration of the protic solvent in the thickness direction of the membrane in the transitional state from the start of supplying the protic solvent until the steady state is reached. It can be measured directly on the spot.
As for (ii) above, if the time change rate of the concentration becomes almost zero, it can be considered that the concentration of the protic solvent has reached the steady state in terms of time, and the time until the steady state is reached It can be measured by a technique.
When calculating the above (i) or (ii) in the present invention, for example, the calculation unit is configured to calculate the protic solvent in the region from one surface to a specific depth based on a change with time of the protic solvent concentration. It is good also as a structure including the steady state arrival parameter calculation part which calculates the time or speed | rate until the density | concentration of reaches a steady state.

また、上記(iii)では、定常状態において膜に含まれるプロトン性溶媒を求めることができる。このとき、前記演算部が、前記プロトン性溶媒濃度の経時変化に基づき、一方の面から特定の深さまでの前記領域における前記プロトン性溶媒の定常状態における濃度を算出する定常濃度算出部を含む構成としてもよい。
さらに、上記(i)〜(iii)を組み合わせることにより、膜中のプロトン性溶媒の浸透特性を多面的に評価することができる。
In (iii) above, the protic solvent contained in the membrane in the steady state can be determined. At this time, the calculation unit includes a steady concentration calculation unit that calculates a concentration in a steady state of the protic solvent in the region from one surface to a specific depth based on a change with time of the protic solvent concentration. It is good.
Furthermore, by combining the above (i) to (iii), the permeation characteristics of the protic solvent in the membrane can be evaluated from multiple aspects.

また、本発明において、膜の他方の面に供給するプロトン性溶媒の具体例としては、アルコール水溶液等が挙げられる。このとき、前記演算部が、前記核磁気共鳴信号より得られる核磁気共鳴スペクトルにおける、アルコールおよび水に由来するシグナルの面積と、前記アルコールに由来するシグナルの面積との比を用いて、前記領域における前記アルコールの濃度を算出してもよい。   In the present invention, a specific example of the protic solvent supplied to the other surface of the membrane includes an aqueous alcohol solution. At this time, the calculation unit uses the ratio of the area of the signal derived from alcohol and water and the area of the signal derived from alcohol in the nuclear magnetic resonance spectrum obtained from the nuclear magnetic resonance signal, The concentration of the alcohol in may be calculated.

なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。   It should be noted that any combination of these components, or a conversion of the expression of the present invention between a method, an apparatus, and the like is also effective as an aspect of the present invention.

以上説明したように本発明によれば、膜の溶媒の透過特性を確実に評価することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to reliably evaluate the solvent permeation characteristics of the membrane.

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。   The above-described object and other objects, features, and advantages will become more apparent from the preferred embodiments described below and the accompanying drawings.

実施形態における測定セルの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the measurement cell in embodiment. 実施例で作製した測定セルの構成を示す上面図である。It is a top view which shows the structure of the measurement cell produced in the Example. 実施例で用いた固体高分子電解質膜を示す図である。It is a figure which shows the solid polymer electrolyte membrane used in the Example. 実施形態における測定装置の演算部の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the calculating part of the measuring apparatus in embodiment. 実施例で用いた測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus used in the Example. 実施形態における測定装置のLC共振回路を示す図である。It is a figure which shows LC resonance circuit of the measuring apparatus in embodiment. 実施形態における測定装置の小型表面コイルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the small surface coil of the measuring apparatus in embodiment. 実施例において、固体高分子電解質膜を挟んだセルに設置した小型表面コイルをLC共振回路に接続した様子を示す図である。In an Example, it is a figure which shows a mode that the small surface coil installed in the cell which pinched | interposed the solid polymer electrolyte membrane was connected to the LC resonance circuit. 実施例におけるメタノール濃度の測定に用いた液体試料を示す図である。It is a figure which shows the liquid sample used for the measurement of the methanol density | concentration in an Example. 実施例におけるメタノール水溶液のスペクトル解析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the spectrum analysis of the methanol aqueous solution in an Example. 実施例におけるメタノール濃度とCHスペクトルの面積割合との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the methanol concentration in an Example, and the area ratio of CH spectrum. 実施例におけるCHスペクトルの面積割合の時間経過を示す図である。It is a figure which shows the time passage of the area ratio of CH spectrum in an Example. 実施例におけるOHスペクトルの面積割合の時間経過を示す図である。It is a figure which shows the time passage of the area ratio of the OH spectrum in an Example. 実施例における固体高分子電解質膜の計測データの直線近似結果を示す図である。It is a figure which shows the linear approximation result of the measurement data of the solid polymer electrolyte membrane in an Example. 実施例において固体高分子電解質膜に供給したメタノール水溶液のメタノール濃度と高分子電解質膜内へのメタノール浸透速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the methanol density | concentration of the methanol aqueous solution supplied to the solid polymer electrolyte membrane in the Example, and the methanol osmosis | permeation rate into a polymer electrolyte membrane. 実施例において固体高分子電解質膜に供給したメタノール水溶液のメタノール濃度と高分子電解質膜内へのメタノール浸透速度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the methanol density | concentration of the methanol aqueous solution supplied to the solid polymer electrolyte membrane in the Example, and the methanol osmosis | permeation rate into a polymer electrolyte membrane. 実施例において固体高分子電解質膜に供給したメタノール水溶液濃度と定常状態での高分子電解質膜内のメタノール濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the methanol aqueous solution concentration supplied to the solid polymer electrolyte membrane in the Example, and the methanol concentration in the polymer electrolyte membrane in a steady state. 実施例において定常状態に達した際の固体高分子電解質膜に供給したメタノール濃度と固体高分子電解質膜中のメタノール濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the methanol concentration supplied to the solid polymer electrolyte membrane at the time of reaching a steady state in an Example, and the methanol concentration in a solid polymer electrolyte membrane. 実施例における固体高分子電解質膜のCHスペクトルの面積割合の時間経過を示す図である。It is a figure which shows the time passage of the area ratio of the CH spectrum of the solid polymer electrolyte membrane in an Example. 実施例における固体高分子電解質膜のOHスペクトルの面積割合の時間経過を示す図である。It is a figure which shows the time passage of the area ratio of the OH spectrum of the solid polymer electrolyte membrane in an Example. 実施例において定常状態に達した際の固体高分子電解質膜に供給したメタノール濃度と固体高分子電解質膜中のメタノール濃度との比を示す図である。It is a figure which shows ratio of the methanol concentration supplied to the solid polymer electrolyte membrane at the time of reaching a steady state in an Example, and the methanol concentration in a solid polymer electrolyte membrane. 実施例における固体高分子電解質膜の計測データの直線近似結果を示す図である。It is a figure which shows the linear approximation result of the measurement data of the solid polymer electrolyte membrane in an Example. 実施例における固体高分子電解質膜のメタノール浸透速度を示す図である。It is a figure which shows the methanol penetration rate of the solid polymer electrolyte membrane in an Example. 実施形態における測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus in embodiment. 図24に示した測定装置により形成される磁場の方向を示す図である。It is a figure which shows the direction of the magnetic field formed with the measuring apparatus shown in FIG. 実施形態における測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus in embodiment. 図26に示した測定装置に用いられるコイルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the coil used for the measuring apparatus shown in FIG. 図26に示した測定装置により形成される磁場の方向を示す図である。It is a figure which shows the direction of the magnetic field formed with the measuring apparatus shown in FIG. 実施形態における測定装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the measuring apparatus in embodiment. 実施形態における測定セルの構成を示す正面図である。It is a front view which shows the structure of the measurement cell in embodiment. 実施形態における測定セルの構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the measurement cell in embodiment. 実施形態における測定装置のスイッチ部の構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a structure of the switch part of the measuring apparatus in embodiment. 実施例における表面コイルの形状および解析における座標系を示す図である。It is a figure which shows the shape of the surface coil in an Example, and the coordinate system in an analysis. 実施例における表面コイルの幾何学形状を示す図である。It is a figure which shows the geometric shape of the surface coil in an Example. 実施例における解析に用いた座標系を示す図であるIt is a figure which shows the coordinate system used for the analysis in an Example. 実施例における解析でコイルの分割に用いたパラメータを示す図である。It is a figure which shows the parameter used for the division | segmentation of a coil by the analysis in an Example. 実施例における解析で分割した円形コイルの形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of the circular coil divided | segmented by the analysis in an Example. 実施例における解析に用いた空間を示す図である。It is a figure which shows the space used for the analysis in an Example. 実施例における表面コイルのz方向磁場強度Hzの解析結果を示す等高線図である。It is a contour map which shows the analysis result of z direction magnetic field intensity Hz of the surface coil in an Example. 実施例におけるコイルと試料と位置関係を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the positional relationship between the coil and sample in an Example. 実施例における励起角度分布の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the excitation angle distribution in an Example. 実施例における励起角度分布の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the excitation angle distribution in an Example. 実施例における表面コイルのFID信号の受信強度分布を示す等高線図である。It is a contour map which shows reception intensity distribution of the FID signal of the surface coil in an Example. 実施例における表面コイルのz軸上でのFID信号の受信強度分布を示す図である。It is a figure which shows the receiving intensity distribution of the FID signal on the z-axis of the surface coil in an Example.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.

以下の実施形態においては、膜中の溶媒の透過特性を評価する。はじめに、以下の実施形態で用いる測定原理を説明する。ここでは、測定対象の膜が、固体高分子電解質膜である場合を例に説明するが、測定対象の膜はこれには限られない。また、ここでは、溶媒がメタノール水溶液等のプロトン性溶媒である場合を例示するが、溶媒はメタノール水溶液や他のアルコール水溶液には限られない。   In the following embodiments, the permeation characteristics of the solvent in the membrane are evaluated. First, the measurement principle used in the following embodiments will be described. Here, a case where the measurement target membrane is a solid polymer electrolyte membrane will be described as an example, but the measurement target membrane is not limited thereto. Moreover, although the case where a solvent is protic solvents, such as aqueous methanol solution, is illustrated here, a solvent is not restricted to aqueous methanol solution or other alcohol aqueous solution.

(測定原理)
膜中のプロトン性溶媒の透過特性の評価は、以下の手順で行う。
ステップ11:静磁場内に置かれた膜(たとえば、固体高分子電解質膜)の一方の面に気体(たとえば、窒素ガス)を供給するとともに固体高分子電解質膜の他方の面に溶媒(たとえば、メタノール水溶液)を供給しつつ、小型RFコイルを用いて固体高分子電解質膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、固体高分子電解質膜の厚さ方向における一部の領域における核磁気共鳴信号を取得し、
ステップ12:小型RFコイルが取得した核磁気共鳴信号に基づき、上記一部の領域におけるメタノール濃度を算出し、その経時変化に基づき固体高分子電解質膜中のメタノールの透過特性値を算出する。
(Measurement principle)
The permeation characteristics of the protic solvent in the membrane are evaluated by the following procedure.
Step 11: Supply a gas (for example, nitrogen gas) to one surface of a membrane (for example, a solid polymer electrolyte membrane) placed in a static magnetic field, and a solvent (for example, for example, a solid polymer electrolyte membrane) While supplying a methanol aqueous solution), an oscillating magnetic field for excitation is applied to the solid polymer electrolyte membrane using a small RF coil, and a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane Get
Step 12: Calculate the methanol concentration in the partial region based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil, and calculate the permeation characteristic value of methanol in the solid polymer electrolyte membrane based on the change over time.

さらに具体的には、ステップ11では、NMR法を基礎として、
(i)高分子電解質膜の一方の面にガス(たとえば、乾燥窒素)を供給し、他方の面に所定の濃度のプロトン性溶媒(たとえば、メタノール水溶液)を流すことができる測定セルを用い、
(ii)小型表面コイル(小型RFコイル)を一方の面(ガス極)側に設置して、膜の厚さ方向の一部の領域について1HNMR計測を行う。
また、ステップ12では、
(iii)高分子電解質膜内に浸透していくメタノール濃度を計測し、
(iv)計測結果から、プロトン性溶媒の透過特性を表す指標(膜の特性値)を算出する。
上記(iv)で算出される特性値として、たとえば、膜の一方の面にメタノール水溶液を供給し始めてからメタノール濃度が定常状態に達するまでの時間もしくは速度が挙げられる。これらは、膜内へ浸透するメタノールの浸透速度を反映するパラメータである。また、特性値の他の例として、メタノールの定常濃度、つまり定常状態でのメタノール濃度が挙げられる。
上記(i)〜(iii)について、以下、さらに具体的に説明する。
More specifically, in step 11, based on the NMR method,
(I) Using a measurement cell capable of supplying a gas (for example, dry nitrogen) to one surface of the polymer electrolyte membrane and allowing a protic solvent (for example, aqueous methanol solution) of a predetermined concentration to flow to the other surface,
(Ii) A small surface coil (small RF coil) is installed on one surface (gas electrode) side, and 1 HNMR measurement is performed on a partial region in the thickness direction of the film.
In step 12,
(Iii) Measure the methanol concentration penetrating into the polymer electrolyte membrane,
(Iv) From the measurement results, an index (membrane characteristic value) representing the permeation characteristics of the protic solvent is calculated.
As the characteristic value calculated in (iv) above, for example, the time or speed from the start of supplying the methanol aqueous solution to one surface of the membrane until the methanol concentration reaches a steady state can be mentioned. These are parameters that reflect the permeation rate of methanol penetrating into the membrane. Another example of the characteristic value is a steady concentration of methanol, that is, a methanol concentration in a steady state.
The above (i) to (iii) will be described more specifically below.

(i)測定セル
図1、図30および図31は、本実施形態における測定セルの構成の一例を示す図である。図1は、測定セルの概略構成を示す斜視図である。また、図30は測定セルの正面図であり、図31はその側面図である。
(I) Measurement cell FIG.1, FIG.30 and FIG.31 is a figure which shows an example of a structure of the measurement cell in this embodiment. FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a measurement cell. FIG. 30 is a front view of the measurement cell, and FIG. 31 is a side view thereof.

図1、図30および図31に示した測定セル201は、膜(固体高分子電解質膜(Polymer Electrolyte Membrane:PEM)203)を保持する膜保持部として機能する。測定セル201は、固体高分子電解質膜203の一方の面に当接して配置される第一基板207と、他方の面に当接して配置される第二基板205とを含む。第一基板207および第二基板205は、固体高分子電解質膜203を介して対向した状態で、ボルト217およびナット219により固定される。   The measurement cell 201 shown in FIGS. 1, 30, and 31 functions as a membrane holding unit that holds a membrane (Polymer Electrolyte Membrane (PEM) 203). The measurement cell 201 includes a first substrate 207 disposed in contact with one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203 and a second substrate 205 disposed in contact with the other surface. The first substrate 207 and the second substrate 205 are fixed by bolts 217 and nuts 219 while facing each other with the solid polymer electrolyte membrane 203 interposed therebetween.

第一基板207には、固体高分子電解質膜203の一方の面にガスを供給する気体供給部(ガス流路213)が設けられている。ガス流路213は、第一基板207に溝状に設けられており、窒素ガスや不活性ガス等が流れる流路である。たとえばガスボンベ(不図示)中の窒素ガスが、ガス流路213の一端(注入口215)からガス流路213に供給される。供給された窒素ガスは、固体高分子電解質膜203の表面に沿って流れ、その間に膜内のプロトン性溶媒などが窒素ガス中に移動するなどの相互作用をして、ガス流路213の他端(排出口)から排出される。   The first substrate 207 is provided with a gas supply unit (gas channel 213) that supplies gas to one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203. The gas channel 213 is provided in the first substrate 207 in a groove shape, and is a channel through which nitrogen gas, inert gas, or the like flows. For example, nitrogen gas in a gas cylinder (not shown) is supplied from one end (inlet 215) of the gas channel 213 to the gas channel 213. The supplied nitrogen gas flows along the surface of the solid polymer electrolyte membrane 203, and during that time, the protonic solvent and the like in the membrane move into the nitrogen gas and interact with each other. It is discharged from the end (discharge port).

同様に、第二基板205には、固体高分子電解質膜203の他方の面にプロトン性溶媒を供給する溶媒供給部(メタノール流路209)が設けられている。メタノール流路209は、第二基板205に溝状に設けられており、メタノール水溶液等のプロトン性溶媒が流れる流路である。たとえば液体タンク(不図示)中のメタノール水溶液が、メタノール流路209の一端(注入口211)からメタノール流路209に供給される。供給されたメタノール水溶液の一部は固体高分子電解質膜203中に浸透し、残りは他端(排出口)から排出される。   Similarly, the second substrate 205 is provided with a solvent supply unit (methanol channel 209) that supplies a protic solvent to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 203. The methanol channel 209 is provided in the second substrate 205 in a groove shape, and is a channel through which a protic solvent such as a methanol aqueous solution flows. For example, a methanol aqueous solution in a liquid tank (not shown) is supplied from one end (injection port 211) of the methanol channel 209 to the methanol channel 209. Part of the supplied aqueous methanol solution penetrates into the solid polymer electrolyte membrane 203, and the rest is discharged from the other end (discharge port).

なお、図1では、ガス流路213およびメタノール流路209がメアンダ状に形成された例を示したが、これらの流路の形状は、固体高分子電解質膜203の表面にガスまたは溶媒を供給できる構成であればよく、これには限られない。   FIG. 1 shows an example in which the gas flow path 213 and the methanol flow path 209 are formed in a meander shape, but the shape of these flow paths supplies gas or solvent to the surface of the solid polymer electrolyte membrane 203. Any configuration can be used, and the configuration is not limited to this.

(ii)小型表面コイルによる膜厚方向の局所計測
膜中のメタノール濃度を算出する際には、固体高分子電解質膜の一方の面に、検出コイルとして、膜より小さい小型RFコイルを配置する。そして、静磁場内に配置された固体高分子電解質膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、固体高分子電解質膜の厚さ方向の特定の部分(固体高分子電解質膜の表面から固体高分子電解質膜の厚みの途中位置までの領域)で発生したNMR信号を取得する。
(Ii) Local measurement in the film thickness direction by a small surface coil When calculating the methanol concentration in the film, a small RF coil smaller than the film is disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane as a detection coil. Then, an excitation oscillating magnetic field is applied to the solid polymer electrolyte membrane disposed in the static magnetic field, and a specific portion in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane (from the surface of the solid polymer electrolyte membrane The NMR signal generated in the middle region of the thickness of the molecular electrolyte membrane is acquired.

ここで、1Teslaの磁場中でのスピン共鳴周波数は約43MHzであり、その周波数帯を高感度に選択的に検出するためにLC共振回路が用いられる。
図6は、小型表面コイルを含むLC共振回路を示す図である。図6のように、LC共振回路のコイル部(インダクタンス部)に小型表面コイルを用いることにより、膜厚方向について計測領域が限定されるために、膜の厚さ方向の特定の部分のみからNMR信号(たとえば、FID(Free Induction Decay:自由誘導減衰)信号)を取得できる。さらに、小型表面コイルは、通常のソレノイド型コイルと異なり平面状であるために、図6に示したように、平面状の膜の上に貼り付けるだけで、NMR信号を取得することができる。
Here, the spin resonance frequency in a magnetic field of 1 Tesla is about 43 MHz, and an LC resonance circuit is used to selectively detect the frequency band with high sensitivity.
FIG. 6 is a diagram showing an LC resonance circuit including a small surface coil. As shown in FIG. 6, since the measurement region is limited in the film thickness direction by using a small surface coil for the coil part (inductance part) of the LC resonance circuit, the NMR is measured only from a specific part in the film thickness direction. A signal (for example, FID (Free Induction Decay) signal) can be acquired. Furthermore, since the small surface coil has a planar shape unlike a normal solenoid type coil, as shown in FIG. 6, an NMR signal can be acquired simply by sticking on a planar film.

図7は、小型表面コイルの一例を示す図である。図7に示した小型表面コイルは、平面状の「渦巻き型」のコイルである。本発明者の解析結果によれば、このような渦巻き型のコイルの計測領域は、幅がコイルの直径程度、深さがコイルの直径のたとえば4分の1程度である。このような小型表面コイルを用いることにより、膜の厚さ方向の局所計測が可能となる。
なお、小型表面コイルのFID信号の計測領域については、後述する実施例において、解析結果をさらに詳細に説明する。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a small surface coil. The small surface coil shown in FIG. 7 is a planar “spiral type” coil. According to the analysis result of the present inventor, the measurement area of such a spiral coil has a width of about the diameter of the coil and a depth of about a quarter of the diameter of the coil, for example. By using such a small surface coil, local measurement in the thickness direction of the film becomes possible.
In addition, about the measurement area | region of the FID signal of a small surface coil, an analysis result is demonstrated still in detail in the Example mentioned later.

(iii)膜中のメタノール濃度の計測
本実施形態では、化学シフト法により、メタノール水溶液の濃度を算出する。
すなわち、NMR法では、磁場中に置かれた原子核のスピン共鳴現象により核磁化の運動をNMR信号として検出する。たとえば、1HNMR信号からは、共鳴周波数から原子の化学結合状態として、CHとOHの別が分かり、さらに、そのCHとOHの割合やそれぞれの数密度がわかる。この共鳴周波数の相違を「化学シフト」といい、化学シフトを利用してCHとOHとを分離することを化学シフト法という。
(Iii) Measurement of methanol concentration in membrane In this embodiment, the concentration of aqueous methanol solution is calculated by the chemical shift method.
That is, in the NMR method, the movement of nuclear magnetization is detected as an NMR signal by the spin resonance phenomenon of a nucleus placed in a magnetic field. For example, from the 1 HNMR signal, it is possible to know whether CH and OH are different from the resonance frequency as the chemical bonding state of the atom, and further to know the ratio of CH and OH and the number density of each. This difference in resonance frequency is called “chemical shift”, and separation of CH and OH using the chemical shift is called a chemical shift method.

水素原子核1Hであっても、化学結合している核種や構造が異なれば、共鳴周波数が異なる。メタノールCH3OHの場合には、CHとOHで共鳴周波数が異なる。一方、水(H2O)は、メタノールのOHとほぼ同様の共鳴周波数となる。
よって、メタノール水溶液中のメタノールのみを計測する場合には、得られた、NMR信号をフーリエ解析することでCHの共鳴周波数の成分のみを分離し、OH成分との面積比やその面積を求める行うことで、メタノールの割合や量を算出することができる。
Even in the case of the hydrogen nucleus 1 H, if the nuclide and structure chemically bonded are different, the resonance frequency is different. In the case of methanol CH 3 OH, the resonance frequency differs between CH and OH. On the other hand, water (H 2 O) has a resonance frequency almost the same as OH of methanol.
Therefore, when measuring only methanol in an aqueous methanol solution, the obtained NMR signal is subjected to Fourier analysis to separate only the component of the resonance frequency of CH, and the area ratio to the OH component and its area are obtained. Thus, the ratio and amount of methanol can be calculated.

なお、本実施形態では、上記(ii)で述べたように、NMR信号を局所領域のみから取得するように、試料(膜)よりも寸法の小さい小型コイルを用いる。小型表面コイルでは計測領域が小さく、相対的に静磁場の均一性が高くなる。このために、通常のNMR装置では一般に行われる試料の回転は不要であり、試料を回転させなくてもメタノールのOHとCHのNMRスペクトルを明確に分離することができる。   In the present embodiment, as described in (ii) above, a small coil having a smaller dimension than the sample (film) is used so that the NMR signal is acquired only from the local region. A small surface coil has a small measurement area and relatively high uniformity of the static magnetic field. For this reason, the rotation of a sample generally performed in an ordinary NMR apparatus is unnecessary, and the NMR spectrum of methanol OH and CH can be clearly separated without rotating the sample.

また、膜中のメタノール濃度の算出にあたって、予め、小型検出コイルで所定の濃度のメタノール水溶液を計測し、スペクトル解析を行って、メタノール濃度とCHスペクトルの面積割合との関係を較正曲線として求めてもよい。
メタノール濃度の具体的な算出結果については、後述する実施例でさらに詳しく説明する。
In addition, when calculating the methanol concentration in the film, a methanol solution of a predetermined concentration is measured in advance with a small detection coil, and spectrum analysis is performed to obtain the relationship between the methanol concentration and the area ratio of the CH spectrum as a calibration curve. Also good.
Specific calculation results of the methanol concentration will be described in more detail in the examples described later.

以下の実施形態では、上述した測定原理に基づく測定が可能な装置構成の具体例を示す。   In the following embodiment, a specific example of an apparatus configuration capable of measurement based on the above-described measurement principle will be shown.

(第一の実施形態)
図29は、本実施形態における測定装置の構成を示す図である。
図29に示した測定装置100は、膜(固体高分子電解質膜203)中のプロトン性溶媒の透過特性を評価する装置である。測定装置100は、さらに具体的には、燃料電池の固体高分子電解質膜203のクロスオーバ特性を評価する装置である。
(First embodiment)
FIG. 29 is a diagram illustrating a configuration of a measurement apparatus according to the present embodiment.
A measuring apparatus 100 shown in FIG. 29 is an apparatus for evaluating the permeation characteristics of a protic solvent in a membrane (solid polymer electrolyte membrane 203). More specifically, the measuring apparatus 100 is an apparatus for evaluating the crossover characteristics of the solid polymer electrolyte membrane 203 of the fuel cell.

測定装置100は、固体高分子電解質膜203を保持する膜保持部(測定セル201)、;
固体高分子電解質膜203の一方の面に気体を供給する気体供給部(ガス流路213);
固体高分子電解質膜203の他方の面に溶媒を供給する溶媒供給部(メタノール流路209)、
固体高分子電解質膜203に対して静磁場を印加する静磁場印加部(磁石113);
固体高分子電解質膜203に対して励起用振動磁場を印加するとともに、固体高分子電解質膜203の厚さ方向における一部の領域の核磁気共鳴信号を取得する小型RFコイル114;および
固体高分子電解質膜203の一方の面に気体を供給するとともに他方の面に溶媒を供給した状態で小型RFコイル114が取得した核磁気共鳴信号に基づき、上記一部の領域における溶媒の濃度の経時変化を取得して、固体高分子電解質膜203中の溶媒の透過特性値を算出する演算部130を含む。
The measurement apparatus 100 includes a membrane holding unit (measurement cell 201) that holds the solid polymer electrolyte membrane 203;
A gas supply unit (gas channel 213) for supplying gas to one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203;
A solvent supply unit (methanol channel 209) for supplying a solvent to the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 203;
A static magnetic field application unit (magnet 113) for applying a static magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane 203;
A small RF coil 114 that applies an oscillating magnetic field for excitation to the solid polymer electrolyte membrane 203 and acquires a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane 203; and a solid polymer Based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil 114 in a state where gas is supplied to one surface of the electrolyte membrane 203 and solvent is supplied to the other surface, the change in the solvent concentration with time in the partial region is changed. The calculation part 130 which acquires and calculates the permeation | transmission characteristic value of the solvent in the solid polymer electrolyte membrane 203 is included.

はじめに、固体高分子電解質膜203の周辺構成を説明する。
測定対象となる固体高分子電解質膜203は、たとえばダイレクトメタノール型の燃料電池の固体高分子電解質膜として用いられる。固体高分子電解質膜203の材料に特に制限はないが、たとえば、パーフルオロ型のスルホン酸膜等のイオン交換膜である。
また、測定装置100は、固体高分子電解質膜203が配置される測定セルとして、図1、図30および図31に示した測定セル201を備える。
First, the peripheral configuration of the solid polymer electrolyte membrane 203 will be described.
The solid polymer electrolyte membrane 203 to be measured is used as a solid polymer electrolyte membrane of a direct methanol fuel cell, for example. The material of the solid polymer electrolyte membrane 203 is not particularly limited, and for example, an ion exchange membrane such as a perfluoro type sulfonic acid membrane.
Moreover, the measuring apparatus 100 includes the measuring cell 201 shown in FIGS. 1, 30 and 31 as a measuring cell in which the solid polymer electrolyte membrane 203 is disposed.

磁石113は、たとえば永久磁石であり、固体高分子電解質膜203全体に対して静磁場を印加する。この静磁場が印加された状態で励起用振動磁場が固体高分子電解質膜203に印加され、固体高分子電解質膜203中のメタノール濃度が測定される。   The magnet 113 is, for example, a permanent magnet, and applies a static magnetic field to the entire solid polymer electrolyte membrane 203. With this static magnetic field applied, an excitation oscillating magnetic field is applied to the solid polymer electrolyte membrane 203, and the methanol concentration in the solid polymer electrolyte membrane 203 is measured.

また、小型RFコイル114は、固体高分子電解質膜203の特定箇所に対し、励起用振動磁場を印加する。また、励起用振動磁場に対応するNMR信号を取得する。具体的には、小型RFコイル114は、固体高分子電解質膜203の一方の面(ガス供給面)に配置されるとともに、一方の面から特定の深さまでの領域における核磁気共鳴信号を取得する。小型RFコイル114として、たとえば図7を参照して前述した平面型の渦巻きコイルを用いる。このような平面型コイルを使用することで、固体高分子電解質膜203の深さ方向について、計測領域を膜厚方向の一部の領域に限定することができる。固体高分子電解質膜203における計測領域の厚さは、小型RFコイル114の直径に応じて変わるため、小型RFコイル114の大きさは、固体高分子電解質膜203の膜厚に応じて設定される。具体的には、固体高分子電解質膜203のガス供給面から特定の深さの領域におけるNMR信号のみを実質的に取得するようにする。   The small RF coil 114 applies an oscillating magnetic field for excitation to a specific portion of the solid polymer electrolyte membrane 203. Further, an NMR signal corresponding to the excitation oscillating magnetic field is acquired. Specifically, the small RF coil 114 is disposed on one surface (gas supply surface) of the solid polymer electrolyte membrane 203 and acquires a nuclear magnetic resonance signal in a region from one surface to a specific depth. . As the small RF coil 114, for example, the flat spiral coil described above with reference to FIG. 7 is used. By using such a planar coil, the measurement region can be limited to a partial region in the film thickness direction in the depth direction of the solid polymer electrolyte membrane 203. Since the thickness of the measurement region in the solid polymer electrolyte membrane 203 changes according to the diameter of the small RF coil 114, the size of the small RF coil 114 is set according to the film thickness of the solid polymer electrolyte membrane 203. . Specifically, only the NMR signal in a region having a specific depth from the gas supply surface of the solid polymer electrolyte membrane 203 is substantially acquired.

また、小型RFコイル114により印加される励起用振動磁場Hは、磁石113により印加される静磁場Hに対して垂直になる必要がある。
小型RFコイル114により印加される振動磁場(励起用振動磁場)は、RF発振器102、変調器104、RF増幅器106、制御部169、スイッチ部161および小型RFコイル114の連携により生成される。すなわち、RF発振器102から発振した励起用振動磁場は、パルス制御部として機能する制御部169による制御に基づいて変調器104にて変調され、パルス形状となる。生成されたRFパルスはRF増幅器106により増幅された後、小型RFコイル114へ送出される。小型RFコイル114は、このRFパルスを測定セル201中に配置された固体高分子電解質膜203の特定箇所に印加する。そして、印加されたRFパルスに対して放出されたNMR信号を小型RFコイル114が検出する。このNMR信号は、プリアンプ112により増幅された後、位相検波器110へ送出される。位相検波器110は、このNMR信号を検波し、A/D変換器118へ送出する。A/D変換器118はNMR信号をA/D変換した後、データ受付部131を経て演算部130へ送出する。
Further, the excitation oscillating magnetic field H 1 applied by the small RF coil 114 needs to be perpendicular to the static magnetic field H 0 applied by the magnet 113.
The oscillating magnetic field (exciting oscillating magnetic field) applied by the small RF coil 114 is generated by the cooperation of the RF oscillator 102, the modulator 104, the RF amplifier 106, the control unit 169, the switch unit 161, and the small RF coil 114. That is, the excitation oscillating magnetic field oscillated from the RF oscillator 102 is modulated by the modulator 104 based on control by the control unit 169 functioning as a pulse control unit, and becomes a pulse shape. The generated RF pulse is amplified by the RF amplifier 106 and then transmitted to the small RF coil 114. The small RF coil 114 applies this RF pulse to a specific portion of the solid polymer electrolyte membrane 203 disposed in the measurement cell 201. And the small RF coil 114 detects the NMR signal emitted with respect to the applied RF pulse. This NMR signal is amplified by the preamplifier 112 and then sent to the phase detector 110. The phase detector 110 detects this NMR signal and sends it to the A / D converter 118. The A / D converter 118 performs A / D conversion on the NMR signal, and then sends the NMR signal to the calculation unit 130 via the data reception unit 131.

制御部169には、シーケンステーブル127および計時部128が接続されている。シーケンステーブル127には、たとえば、膜中のメタノール濃度を測定する際の高周波パルスの印加時間、印加する高周波パルスの幅、位相、強度などが記憶されている。
制御部169は、作業者からの測定要求を受け付けると、シーケンステーブル127から取得した上記シーケンスデータ等と、計時部128での計測時間とに基づいて、変調器104の動作を制御して高周波パルスを発生させ、固体高分子電解質膜203に対して励起用振動磁場を印加する。
A sequence table 127 and a timer unit 128 are connected to the control unit 169. The sequence table 127 stores, for example, the application time of the high frequency pulse when measuring the methanol concentration in the film, the width, phase, and intensity of the applied high frequency pulse.
When the control unit 169 receives a measurement request from the operator, the control unit 169 controls the operation of the modulator 104 based on the sequence data acquired from the sequence table 127 and the measurement time in the time measuring unit 128 to control the high-frequency pulse. And an oscillating magnetic field for excitation is applied to the solid polymer electrolyte membrane 203.

以上、励起用振動磁場の印加およびNMR信号の検出について述べたが、これらは、小型RFコイル114を含むLC回路により実現することができる。小型RFコイル114を含むLC回路として、たとえば、図6を参照して前述した回路が用いられる。   The application of the excitation oscillating magnetic field and the detection of the NMR signal have been described above, but these can be realized by an LC circuit including the small RF coil 114. As the LC circuit including the small RF coil 114, for example, the circuit described above with reference to FIG. 6 is used.

また、測定装置100は、スイッチ部161をさらに備える。スイッチ部161は、小型RFコイル114、RF励起パルス生成部およびNMR信号検出部を接続する分岐部に設けられている。   The measuring apparatus 100 further includes a switch unit 161. The switch part 161 is provided in the branch part which connects the small RF coil 114, the RF excitation pulse generation part, and the NMR signal detection part.

ここで、RF励起パルス生成部は、RF発振器102、変調器104およびRF増幅器106から構成され、小型RFコイル114に励起用振動磁場を発生させるRF励起パルスを生成する。NMR信号検出部は、プリアンプ112、位相検波器110およびA/D変換器118から構成され、小型RFコイル114により取得されたNMR信号を検出するとともに、NMR信号を演算部130に送出する。   Here, the RF excitation pulse generation unit includes an RF oscillator 102, a modulator 104, and an RF amplifier 106, and generates an RF excitation pulse that causes the small RF coil 114 to generate an excitation oscillating magnetic field. The NMR signal detection unit includes a preamplifier 112, a phase detector 110, and an A / D converter 118. The NMR signal detection unit detects the NMR signal acquired by the small RF coil 114 and sends the NMR signal to the calculation unit 130.

スイッチ部161は、小型RFコイル114とRF励起パルス生成部(RF増幅器106)とが接続された第1状態、および、小型RFコイル114とNMR信号検出部(位相検波器110)とが接続された第2状態を切り替える機能を有する。つまり、スイッチ部161は、「送受信切り替えスイッチ」として機能する。具体的には、スイッチ部161は、RF power-ampで増幅された励起パルスをsurface coilに伝送する際に、受信系のPre-ampを切り離して大電圧から保護する。また、スイッチ部161は、励起後にNMR信号を受信する際に、RF power-ampから漏れてくる増幅用大型トランジスタが発するノイズを受信系のPre-ampに伝送しないように遮断する。   The switch unit 161 is connected to the first state in which the small RF coil 114 and the RF excitation pulse generation unit (RF amplifier 106) are connected, and to the small RF coil 114 and the NMR signal detection unit (phase detector 110). The second state is switched. That is, the switch unit 161 functions as a “transmission / reception switching switch”. Specifically, when transmitting the excitation pulse amplified by the RF power-amp to the surface coil, the switch unit 161 separates the pre-amp of the receiving system and protects it from a large voltage. Further, when receiving the NMR signal after excitation, the switch unit 161 blocks the noise generated by the large amplification transistor leaking from the RF power-amp so as not to be transmitted to the pre-amp of the receiving system.

測定装置100では、検出コイルとして小型RFコイル114が用いられているため、受信するNMR信号が微弱である。そこで、スイッチ部161を設けることにより、受信信号をより一層確実に検出することができる。
なお、スイッチ部161は、種々の構成を採用することができる。図32は、スイッチ部161の構成の一例を示す回路図である。
In the measuring apparatus 100, since the small RF coil 114 is used as the detection coil, the received NMR signal is weak. Therefore, by providing the switch unit 161, the received signal can be detected more reliably.
Note that the switch unit 161 can employ various configurations. FIG. 32 is a circuit diagram illustrating an example of the configuration of the switch unit 161.

以上、固体高分子電解質膜203周辺の装置構成について説明した。つづいて、NMR信号の処理ブロックについて説明する。
小型RFコイル114が検波したNMR信号は、プリアンプ112を経て位相検波器110で検波され、オーデオ周波数帯域のNMR信号となって、A/D変換器118に送出される。A/D変換器118は、NMR信号波形をA/D変換し、データ受付部131へ送出する。データ受付部131は、受け付けたデータを演算部130へ送出する。制御部169は、A/D変換器118の信号取り込みタイミングと、データ受付部131の動作を制御する。
The apparatus configuration around the solid polymer electrolyte membrane 203 has been described above. Next, an NMR signal processing block will be described.
The NMR signal detected by the small RF coil 114 is detected by the phase detector 110 through the preamplifier 112, and is transmitted to the A / D converter 118 as an NMR signal in the audio frequency band. The A / D converter 118 A / D converts the NMR signal waveform and sends it to the data receiving unit 131. The data reception unit 131 sends the received data to the calculation unit 130. The control unit 169 controls the signal capturing timing of the A / D converter 118 and the operation of the data receiving unit 131.

図4は、演算部130の構成例を示す機能ブロック図である。図4において、演算部130は、アルコール濃度算出部(メタノール濃度算出部221)、透過特性評価パラメータ算出部223および演算パラメータ記憶部225を含む。   FIG. 4 is a functional block diagram illustrating a configuration example of the calculation unit 130. In FIG. 4, the calculation unit 130 includes an alcohol concentration calculation unit (methanol concentration calculation unit 221), a transmission characteristic evaluation parameter calculation unit 223, and a calculation parameter storage unit 225.

演算パラメータ記憶部225には、たとえば、
メタノールのモル分率(メタノールのモル数/(メタノールのモル数+水のモル数))と、
水およびメタノールのスペクトルの強度(C原子に結合した水素原子核のスペクトルの強度およびO原子に結合した水素原子核のスペクトルの強度)の合計に対するメタノールのみを示すスペクトル(C原子に結合した水素原子核のスペクトル)の強度の比率と、
の関係が記憶されている。
In the calculation parameter storage unit 225, for example,
Methanol mole fraction (methanol moles / (methanol moles + water moles)),
Spectra showing only methanol (spectrum of hydrogen nuclei bonded to C atoms) relative to the sum of the spectral intensities of water and methanol (the intensity of the spectrum of hydrogen nuclei bonded to C atoms and the intensity of the spectrum of hydrogen nuclei bonded to O atoms) ) Intensity ratio,
The relationship is remembered.

メタノール濃度算出部221は、小型RFコイル114が検出したFID信号から、固体高分子電解質膜203の一方の面から特定の深さまでの領域、つまり計測領域におけるにおけるメタノール濃度を算出する。たとえば、メタノール濃度算出部221は、演算パラメータ記憶部225に格納された演算式を参照し、NMR信号より得られる核磁気共鳴スペクトルにおける、メタノールおよび水に由来するシグナルの面積と、メタノールに由来するシグナルの面積との比を用いて、測定領域における膜中のメタノールの濃度を算出する。さらに具体的には、メタノール濃度算出部221は、小型RFコイル114で取得したFID信号に基づいて、固体高分子電解質膜203の特定箇所の水およびメタノールに起因するスペクトルを取得する。そして、固体高分子電解質膜203の特定箇所における水およびメタノールに起因するスペクトルの強度の合計値に対する、メタノールのみを示すスペクトルの強度の比率を算出する。そして、メタノール濃度算出部221は、演算パラメータ記憶部225に記憶された相関関係に基づいて、メタノールのモル分率を算出し、時間に関するパラメータと関連づけて、メタノール濃度算出部221に格納する。   The methanol concentration calculation unit 221 calculates the methanol concentration in a region from one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203 to a specific depth, that is, a measurement region, from the FID signal detected by the small RF coil 114. For example, the methanol concentration calculation unit 221 refers to the calculation formula stored in the calculation parameter storage unit 225, and in the nuclear magnetic resonance spectrum obtained from the NMR signal, the area of the signal derived from methanol and water, and from the methanol. Using the ratio to the area of the signal, the concentration of methanol in the film in the measurement region is calculated. More specifically, the methanol concentration calculation unit 221 acquires a spectrum caused by water and methanol at a specific portion of the solid polymer electrolyte membrane 203 based on the FID signal acquired by the small RF coil 114. Then, the ratio of the intensity of the spectrum showing only methanol to the total value of the intensity of the spectrum caused by water and methanol at a specific location of the solid polymer electrolyte membrane 203 is calculated. Then, the methanol concentration calculation unit 221 calculates the mole fraction of methanol based on the correlation stored in the calculation parameter storage unit 225, and stores it in the methanol concentration calculation unit 221 in association with the parameter relating to time.

なお、メタノール濃度算出部221は、小型RFコイル114で取得したFID信号をフーリエ解析するデータ解析部(不図示)と、データ解析部で解析した結果を取得し、メタノールのみを示すスペクトル、すなわち、C原子に結合した水素原子核の化学シフト値に対応するスペクトルを検出する計算部(不図示)を含んでもよい。
このとき、計算部は、C原子に結合した水素原子核のスペクトルの強度を算出する。また、計算部では、O原子に結合した水素原子核の化学シフト値に対応するスペクトルの強度も検出する。次に、計算部は、水およびメタノールのスペクトルの強度の合計値(C原子に結合した水素原子核のスペクトルの強度および、O原子に結合した水素原子核のスペクトルの強度の合計値)に対する、メタノールのみを示すスペクトル(C原子に結合した水素原子核のスペクトル)の強度の比率を算出する。その後、計算部は、演算パラメータ記憶部225を参照し、算出した比率に対応するメタノールのモル分率を取得する。これにより、固体高分子電解質膜203のメタノールの透過特性としてのメタノールのモル分率を把握することができる。
なお、計算部において、メタノールのモル分率のみならず、水のモル分率を算出してもよい。
The methanol concentration calculation unit 221 acquires a data analysis unit (not shown) that performs a Fourier analysis of the FID signal acquired by the small RF coil 114 and a result obtained by analyzing the data analysis unit, and a spectrum indicating only methanol, that is, You may include the calculation part (not shown) which detects the spectrum corresponding to the chemical shift value of the hydrogen nucleus couple | bonded with C atom.
At this time, the calculation unit calculates the intensity of the spectrum of the hydrogen nucleus bonded to the C atom. The calculation unit also detects the intensity of the spectrum corresponding to the chemical shift value of the hydrogen nucleus bonded to the O atom. Next, the calculation unit calculates only the methanol with respect to the sum of the spectrum intensities of water and methanol (the sum of the spectrum intensity of the hydrogen nucleus bonded to the C atom and the spectrum intensity of the hydrogen nucleus bonded to the O atom). The ratio of the intensities of the spectra (the spectrum of hydrogen nuclei bonded to C atoms) is calculated. Thereafter, the calculation unit refers to the calculation parameter storage unit 225 and acquires the molar fraction of methanol corresponding to the calculated ratio. Thereby, the mole fraction of methanol as the methanol permeation characteristic of the solid polymer electrolyte membrane 203 can be grasped.
Note that the calculation unit may calculate not only the molar fraction of methanol but also the molar fraction of water.

透過特性評価パラメータ算出部223は、メタノール濃度の経時変化に基づき、膜の一部の領域(計測領域)における特性値を算出する。図4に示した例では、透過特性評価パラメータ算出部223は、定常状態到達パラメータ算出部227および定常濃度算出部229を含む。   The transmission characteristic evaluation parameter calculation unit 223 calculates a characteristic value in a partial region (measurement region) of the membrane based on a change in methanol concentration with time. In the example illustrated in FIG. 4, the transmission characteristic evaluation parameter calculation unit 223 includes a steady state arrival parameter calculation unit 227 and a steady concentration calculation unit 229.

このうち、定常状態到達パラメータ算出部227は、メタノール濃度の経時変化を示すデータとして、メタノール濃度算出部221に格納されたメタノール濃度と計測時間とが関連づけられたデータを取得し、取得したデータを用いて、固体高分子電解質膜203の一方の面から特定の深さまでの領域においてメタノール濃度の濃度が定常状態に達するまでの時間または速度を算出する。
また、定常濃度算出部229は、メタノール濃度算出部221に格納されたメタノール濃度と計測時間とが関連づけられたデータを取得し、取得したデータを用いて、固体高分子電解質膜203の一方の面から特定の深さまでの領域における、プロトン性溶媒の定常状態における濃度を算出する。
Among these, the steady state arrival parameter calculation unit 227 acquires data in which the methanol concentration stored in the methanol concentration calculation unit 221 is associated with the measurement time as data indicating a change in methanol concentration with time, and the acquired data is obtained. The time or speed until the concentration of the methanol concentration reaches a steady state in the region from one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203 to a specific depth is calculated.
In addition, the steady concentration calculation unit 229 acquires data in which the methanol concentration stored in the methanol concentration calculation unit 221 is associated with the measurement time, and uses one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203 using the acquired data. The concentration of the protic solvent in the steady state in the region from to a specific depth is calculated.

演算部130は、以上のようにして算出した膜の特性値を出力部138に送出する。送出された特性値は、出力部138から出力され、ユーザに提示される。提示の型式は様々な態様が可能であり、ディスプレイ上の表示、プリンタ出力、ファイル出力等、特に制限はない。   The calculation unit 130 sends the characteristic value of the film calculated as described above to the output unit 138. The sent characteristic value is output from the output unit 138 and presented to the user. Various types of presentation types are possible, and there are no particular restrictions on display on the display, printer output, file output, and the like.

次に、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態においては、小型表面コイル(小型RFコイル114)を用いることにより、計測領域を実質的に固体高分子電解質膜203の厚さよりも薄い領域のみに限定することができる。つまり、膜の厚さ方向について、局所のみからNMR信号を取得できる。さらに、本実施形態では、この小型RFコイル114を用いた計測を、固体高分子電解質膜203の一方の面に窒素ガスを供給し他方の面にメタノール水溶液を供給した状態で行う。これらの連携によって、本実施形態によれば、小型表面コイルが設置された膜面とは反対側の面から膜内部へと浸透してくるメタノール濃度をその場で測定するとともに、その時系列的な計測が可能となる。さらに、メタノール濃度の経時変化から、固体高分子電解質膜203の特性値として、固体高分子電解質膜203の片面からメタノール水溶液を供給した際の、膜内へのメタノール浸透のしやすさを示すパラメータとして、定常状態に達するまでの速度(浸透速度)もしくは時間や、定常状態でのメタノール濃度を計測することができる。これにより、膜中のメタノールの透過特性を効果的に評価することができる。
Next, the effect of this embodiment is demonstrated.
In the present embodiment, by using a small surface coil (small RF coil 114), the measurement region can be limited to only a region that is substantially thinner than the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 203. That is, the NMR signal can be acquired only from the local area in the thickness direction of the film. Further, in the present embodiment, measurement using the small RF coil 114 is performed in a state where nitrogen gas is supplied to one surface of the solid polymer electrolyte membrane 203 and methanol aqueous solution is supplied to the other surface. According to this embodiment, according to the present embodiment, the methanol concentration penetrating into the inside of the membrane from the surface opposite to the membrane surface where the small surface coil is installed is measured on the spot, and the time series Measurement is possible. Further, a parameter indicating the ease of methanol permeation into the membrane when a methanol aqueous solution is supplied from one side of the solid polymer electrolyte membrane 203 as a characteristic value of the solid polymer electrolyte membrane 203 from a change in methanol concentration over time. As described above, the rate (permeation rate) or time until the steady state is reached and the methanol concentration in the steady state can be measured. Thereby, the permeation | transmission characteristic of methanol in a film | membrane can be evaluated effectively.

また、本実施形態によれば、たとえば、以下の作用効果を得ることも可能となる。
まず、化学シフト法によりCHとOHを区別して、試料全体ではなく膜厚方向の局所的な「メタノールの割合やその量」を数100msの短時間で計測できる。
また、微小領域のみを計測するために静磁場の均一性が高く、通常の化学分析用NMR装置のように、高スペクトル分解能を達成させるための試料の回転が不要である。
また、高分子膜の表面に貼り付けるだけで、かつ電磁波を用いた非侵襲計測を行うことができる。
また、小型検出コイルを備え、高分子電解質膜の片側面にガス(乾燥窒素)を、もう片側に所定の濃度のメタノール水溶液を流すことができるセルを用いて、高分子電解質膜に浸透していくメタノール濃度を計測できる装置を用いることで、高分子電解質膜に浸透するメタノール濃度を空気側に設置された小型検出コイルによって時系列的に計測できる。
また、上記の装置と方法を用いて、時系列的に取得したメタノール濃度から、高分子電解質膜に浸透していくメタノールの浸透速度と、定常状態になった際のメタノール濃度が計測できる。
また、上記の装置と方法を用いて、異なる分子構造の電解質膜のメタノール浸透速度と定常状態でのメタノール濃度を同じ条件で計測し、両者のメタノール透過性に関する特性を直接的に比較し、評価することができる。
また、高分子電解質膜内の「メタノールの割合またはその量」を計測し、メタノールのクロスオーバが最小になるようにメタノールの濃度を調整し、最適発電状態を常に保つことができるように制御することができる。
Further, according to the present embodiment, for example, the following operational effects can be obtained.
First, CH and OH are distinguished by the chemical shift method, and the local “ratio and amount of methanol” in the film thickness direction, not the entire sample, can be measured in a short time of several hundreds of milliseconds.
In addition, since the static magnetic field is highly uniform because only a minute region is measured, it is not necessary to rotate the sample to achieve high spectral resolution as in a normal chemical analysis NMR apparatus.
Moreover, non-invasive measurement using electromagnetic waves can be performed only by pasting on the surface of the polymer film.
In addition, a small detection coil is used to penetrate the polymer electrolyte membrane using a cell that can flow a gas (dry nitrogen) on one side of the polymer electrolyte membrane and a methanol aqueous solution of a predetermined concentration on the other side. By using a device capable of measuring the methanol concentration, the methanol concentration penetrating the polymer electrolyte membrane can be measured in time series by a small detection coil installed on the air side.
Further, by using the above apparatus and method, the methanol permeation rate permeating the polymer electrolyte membrane and the methanol concentration at the steady state can be measured from the methanol concentration obtained in time series.
In addition, using the apparatus and method described above, the methanol permeation rate and steady-state methanol concentration of electrolyte membranes with different molecular structures were measured under the same conditions, and the characteristics related to methanol permeability were directly compared and evaluated. can do.
In addition, the “ratio or amount of methanol” in the polymer electrolyte membrane is measured, and the methanol concentration is adjusted to minimize methanol crossover, and control is performed so that the optimum power generation state can always be maintained. be able to.

以下の実施形態では、第一の実施形態と異なる点を中心に説明する。   The following embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment.

(第二の実施形態)
第一の実施形態では、試料全体を磁石内部に挿入して計測したが、試料の一部のみに静磁場を印加してNMR計測を行うことも可能である。本実施形態では、このような測定装置について説明する。
なお、図24〜図26および図28では、測定装置が勾配磁場コイルを有する構成を示したが、本実施形態において、勾配磁場コイルは設けなくてもよい。
(Second embodiment)
In the first embodiment, the whole sample is measured by inserting it into the magnet. However, it is also possible to perform NMR measurement by applying a static magnetic field to only a part of the sample. In this embodiment, such a measuring apparatus will be described.
Although FIGS. 24 to 26 and FIG. 28 show the configuration in which the measurement apparatus includes the gradient magnetic field coil, the gradient magnetic field coil may not be provided in the present embodiment.

図24は、本実施形態における測定装置の構成を示す図である。図24では、静磁場が棒状センサの中心軸に対して垂直方向になるように磁石が配置される。これにより、静磁場方向H0と渦巻き型RF検出コイルの励起用振動磁場の方向H1は垂直となり、NMR信号を受信できる。また、図25は、図24に示した一体型センサにより形成される磁場の方向を示す図である。FIG. 24 is a diagram illustrating the configuration of the measurement apparatus according to the present embodiment. In FIG. 24, the magnets are arranged so that the static magnetic field is perpendicular to the central axis of the bar sensor. As a result, the direction H 1 of the static magnetic field is perpendicular to the direction H 1 of the oscillating magnetic field for excitation of the spiral RF detection coil, and an NMR signal can be received. FIG. 25 is a diagram showing the direction of the magnetic field formed by the integrated sensor shown in FIG.

図24において、渦巻き型のRF検出コイルは、装置の一端に形成された突起部に配置され、試料に接して置かれる。棒状部分に磁石が入っており、それが静磁場を形成する。
図24に示した棒状センサでは、静磁場を印加する大型磁石が不要となり、熱電対のように簡単にNMR計測が可能な一体型センサとなる。
In FIG. 24, a spiral RF detection coil is placed on a protrusion formed at one end of the apparatus and placed in contact with a sample. A magnet is contained in the rod-shaped part, which forms a static magnetic field.
The rod-shaped sensor shown in FIG. 24 does not require a large magnet for applying a static magnetic field, and becomes an integrated sensor that can easily perform NMR measurement like a thermocouple.

また、静磁場が棒状センサの中心軸と同じ方向になるように磁石を配置することもできる。図26は、このような測定装置の構成を示す図であり、図27は、図26に示した測定装置に用いられるコイルの構成を示す図である。図26においても、図24と同様に、検出コイルは突起部に配置され、試料に接して置かれる。   Moreover, a magnet can also be arrange | positioned so that a static magnetic field may become the same direction as the central axis of a rod-shaped sensor. FIG. 26 is a diagram showing a configuration of such a measuring apparatus, and FIG. 27 is a diagram showing a configuration of a coil used in the measuring apparatus shown in FIG. In FIG. 26 as well, as in FIG. 24, the detection coil is disposed on the protrusion and placed in contact with the sample.

ただし、図26では、棒の中心軸と垂直方向に励起用振動磁場H1が加えられる必要がある。このため、図26では、RF検出コイルとして、図27に示した「8の字型コイル」(または、「バタフライ型コイル」、「Double-D型コイル」)が用いられる。図26においても、静磁場方向H0と8の字型コイルの励起用振動磁場の方向H1は垂直となり、NMR信号を受信できる。図28は、図26に示した一体型センサにより形成される磁場の方向を示す図である。However, in FIG. 26, the excitation oscillating magnetic field H 1 needs to be applied in the direction perpendicular to the central axis of the rod. For this reason, in FIG. 26, the “8-shaped coil” (or “butterfly coil”, “Double-D coil”) shown in FIG. 27 is used as the RF detection coil. Also in FIG. 26, the direction H 1 of the static magnetic field H 0 and the direction H 1 of the oscillating magnetic field for excitation of the 8-shaped coil are perpendicular, and an NMR signal can be received. FIG. 28 is a diagram showing the direction of the magnetic field formed by the integrated sensor shown in FIG.

本実施形態によれば、第一の実施形態の作用効果が得られるのに加えて、さらに、RF検出コイルと磁石とを一体型にすることで、磁石の大きさに制限を受けないセンサとなる。また、棒状にすることにより、測定装置を小型化するとともに、熱電対のように容易にNMR計測を行うことが可能となる。   According to this embodiment, in addition to obtaining the operational effects of the first embodiment, the sensor that is not limited by the size of the magnet can be obtained by integrating the RF detection coil and the magnet. Become. Moreover, by making it rod-shaped, it is possible to reduce the size of the measuring apparatus and to easily perform NMR measurement like a thermocouple.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

たとえば、以上の実施形態においては、測定装置が1つの小型RFコイル114を有する構成を例に説明したが、複数の小型RFコイル114を備える構成としてもよい。こうすれば、膜中のメタノール透過性について、膜の面内方向の分布やばらつきをさらに算出することができるため、固体高分子電解質膜203のクロスオーバ特性をさらに詳細に評価することができる。   For example, in the above embodiment, the configuration in which the measurement apparatus has one small RF coil 114 has been described as an example, but a configuration including a plurality of small RF coils 114 may be employed. By doing so, the distribution and variation in the in-plane direction of the membrane can be further calculated for the methanol permeability in the membrane, so that the crossover characteristics of the solid polymer electrolyte membrane 203 can be evaluated in more detail.

また、以上の実施形態においては、固体高分子電解質膜のガス供給側の面に小型RFコイルを配置する例を説明したが、液体供給面側に小型RFコイルを配置してもよい。   In the above embodiment, the example in which the small RF coil is disposed on the gas supply side surface of the solid polymer electrolyte membrane has been described. However, the small RF coil may be disposed on the liquid supply surface side.

また、以上の実施形態において、計測対象とする核種(たとえば、CHのみ、またはOHのみ)を励起し、PGSE(Pulsed-Gradient Spin-Echo)法を用いて計測すれば、対象核種の自己拡散係数または易動度をさらに計測することもできる。小型コイルを用いれば、局所計測も可能となる。   In the above embodiment, if a nuclide (for example, only CH or only OH) to be measured is excited and measured using a PGSE (Pulsed-Gradient Spin-Echo) method, the self-diffusion coefficient of the target nuclide Alternatively, the mobility can be further measured. If a small coil is used, local measurement is also possible.

また、以上の実施形態によれば、たとえば、以下の作用効果を得ることが可能となる。
(i)小型検出コイルを備え、高分子電解質膜の片側面にガス(乾燥窒素)を、もう片側に所定の濃度のメタノール水溶液を流すことができるセルを用いて、高分子電解質膜に浸透していくメタノール濃度を計測できる装置を用いることにより、高分子電解質膜の全体をメタノール水溶液に浸して平衡状態でメタノールの吸収量を計測するのではなく、高分子電解質膜にガス(乾燥窒素など)やメタノール水溶液を供給して、高分子電解質膜中をメタノールや水が移動できるセルで、メタノール濃度を計測することが可能となる。
(ii)上記(i)の装置を用いることで、高分子電解質膜に浸透するメタノール濃度を空気側に設置された小型検出コイルによって時系列的に計測できる。これにより、試料全体を計測する従来のNMR装置では、膜が平衡状態にある場合しか計測できなかったのに対し、膜内をメタノールが時間的に浸透していく様子をメタノール浸透量として計測することができるため、クロスオーバ量を的確に計測することが可能となる。
(iii)上記(i)の装置と(ii)の方法を用いて、時系列的に取得したメタノール濃度から、高分子電解質膜に浸透していくメタノールの浸透速度と、定常状態になった際のメタノール濃度が計測できる。このため、高分子電解質膜内へ浸透していくメタノールの浸透速度を計測することが可能となる。
(iv)上記(i)の装置と(ii)および(iii)の方法とを用いて、異なる分子構造の電解質膜のメタノール浸透速度と定常状態でのメタノール濃度を同じ条件で計測し、両者のメタノール透過性に関する特性を評価することができる。これにより、高分子電解質膜内へのメタノール浸透速度、定常状態でのメタノール濃度をその膜のメタノール透過性として定量化し、異なる分子構造の膜とで比較することができる。
(v)燃料電池構造に近い状況で、短時間にメタノール透過特性の評価ができる。
(vi)特性評価を基にして、メタノールのクロスオーバ量を低減させた高分子電解質膜の開発に役立つ。
(vii)常時、高分子電解質膜に浸透してくるメタノールを計測することで、クロスオーバ量が少なくなる、最適なメタノール濃度の燃料が供給でき、高効率発電が可能となる。
(viii)高分子電解質膜や触媒の劣化による性能低下のモニタリングが可能となる。
(ix)高分子膜の表面に貼り付けるだけで、かつ電磁波を用いた非侵襲計測を行う。
(x)小型検出コイルと磁石を一体型にすることで、試料の大きさに合わせて磁石の形状や寸法を変える必要が無くなり、また逆に、試料は磁石に挿入できる寸法でなければならないという制限が無くなり、試料および磁石の寸法に制限を設けないセンサとなる。また、棒状にすれば熱電対のように容易にNMR計測が可能となる。
Moreover, according to the above embodiment, the following effects can be obtained, for example.
(I) Provided with a small detection coil, using a cell that can flow a gas (dry nitrogen) on one side of the polymer electrolyte membrane and a methanol aqueous solution of a predetermined concentration on the other side, penetrate the polymer electrolyte membrane. By using a device that can measure the concentration of methanol going through, the polymer electrolyte membrane is not immersed in an aqueous methanol solution and the amount of methanol absorbed is measured in an equilibrium state. It is possible to measure the methanol concentration in a cell in which methanol or water can move through the polymer electrolyte membrane by supplying a methanol aqueous solution.
(Ii) By using the apparatus of (i) above, the methanol concentration penetrating the polymer electrolyte membrane can be measured in time series by a small detection coil installed on the air side. As a result, in the conventional NMR apparatus that measures the entire sample, measurement was possible only when the membrane was in an equilibrium state, whereas the state of methanol permeating through the membrane was measured as the amount of methanol permeation. Therefore, it is possible to accurately measure the crossover amount.
(Iii) The permeation rate of methanol permeating the polymer electrolyte membrane from the methanol concentration obtained in time series using the apparatus (i) and the method (ii), and when the steady state is reached. The methanol concentration can be measured. For this reason, it is possible to measure the permeation rate of methanol permeating into the polymer electrolyte membrane.
(Iv) Using the apparatus (i) and the methods (ii) and (iii), the methanol permeation rate and the methanol concentration in the steady state of electrolyte membranes having different molecular structures were measured under the same conditions. Properties relating to methanol permeability can be evaluated. Thereby, the methanol permeation rate into the polymer electrolyte membrane and the methanol concentration in the steady state can be quantified as the methanol permeability of the membrane, and compared with the membranes having different molecular structures.
(V) Methanol permeation characteristics can be evaluated in a short time in a situation close to the fuel cell structure.
(Vi) Based on the characteristic evaluation, it is useful for the development of a polymer electrolyte membrane with a reduced amount of methanol crossover.
(Vii) By constantly measuring methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane, it is possible to supply a fuel with an optimal methanol concentration that reduces the amount of crossover and enables high-efficiency power generation.
(Viii) It is possible to monitor performance degradation due to deterioration of the polymer electrolyte membrane or the catalyst.
(Ix) Non-invasive measurement using electromagnetic waves is performed only by pasting on the surface of the polymer film.
(X) By integrating the small detection coil and magnet, it is not necessary to change the shape and size of the magnet according to the size of the sample, and conversely, the sample must be of a size that can be inserted into the magnet. There is no limitation, and the sensor has no limitation on the dimensions of the sample and the magnet. Moreover, if it is made into a rod shape, NMR measurement can be easily performed like a thermocouple.

(実施例1)
本実施例では、ダイレクトメタノール燃料電池を模擬した測定セルとして、図1および図2に示す流路付セルを作製した。図2は、本実施例で作製した測定セルの構成を示す上面図である。
Example 1
In this example, the cell with flow path shown in FIGS. 1 and 2 was produced as a measurement cell simulating a direct methanol fuel cell. FIG. 2 is a top view showing the configuration of the measurement cell produced in this example.

測定セルのガス供給流路および液体供給流路の寸法は、いずれも、幅1.0mm、深さ1.0mmとした。後述する実施例2〜4では、セルに高分子電解質膜または液体試料を挟み、図中上側の流路に窒素ガスを50ml/minで供給し、下側の流路に水またはメタノール水溶液を0.5ml/minで流した。
また、小型検出コイルは、図2に示したように、ガス側のセルに埋め込まれており、こちら側から高分子電解質膜の表面に押し付けられている。
The dimensions of the gas supply channel and liquid supply channel of the measurement cell were both 1.0 mm wide and 1.0 mm deep. In Examples 2 to 4 described later, a polymer electrolyte membrane or a liquid sample is sandwiched between cells, nitrogen gas is supplied to the upper channel in the figure at 50 ml / min, and water or methanol aqueous solution is added to the lower channel. Flowed at 5 ml / min.
Further, as shown in FIG. 2, the small detection coil is embedded in the cell on the gas side, and is pressed against the surface of the polymer electrolyte membrane from this side.

また、図2に示したように、測定セルの内部には、温度を調整するためのD2O流路(図2中の温調流路、図1では不図示)が通っており、D2Oの温度を変えることで、高分子電解質膜の温度環境を変更または制御することができる。このD2Oはセルの内部を通過するだけで、高分子電解質膜に触れることはない。後述する実施例2〜4では、いずれも、セル温度は20℃とした。Further, as shown in FIG. 2, a D 2 O channel (temperature control channel in FIG. 2, not shown in FIG. 1) for adjusting the temperature passes through the measurement cell, and D By changing the temperature of 2 O, the temperature environment of the polymer electrolyte membrane can be changed or controlled. The D 2 O only passes through the inside of the cell and does not touch the polymer electrolyte membrane. In Examples 2 to 4 described later, the cell temperature was 20 ° C. in all cases.

(実施例2)
本実施例では、実施例1で作製した測定セルを用いて、所定の濃度のメタノール水溶液の局所NMR計測を行った。図2に示したように、セルの中心に円形の小型表面コイル(図中、小型検出コイル)を配置した。
(Example 2)
In this example, using the measurement cell produced in Example 1, local NMR measurement of a methanol aqueous solution having a predetermined concentration was performed. As shown in FIG. 2, a small circular surface coil (small detection coil in the figure) was arranged at the center of the cell.

図5は、本実施例で用いた測定装置の構成を示す図である。図5に示した装置は、図29に示した装置に準じた構成であって、第一の実施形態で前述したスイッチ部161(図中、「□」(白抜きの四角)の中に「×」印の記号で示す。)を有する。なお、図5に示した装置は、勾配磁場コイルをさらに有し、固体高分子電解質膜203に適宜勾配磁場を印加することが可能な構成となっている。
また、本実施例では、図7に示した小型表面コイルを含むLC共振回路(図6)を用いた。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the measuring apparatus used in this example. The apparatus shown in FIG. 5 is configured in accordance with the apparatus shown in FIG. 29. In the switch unit 161 (“□” (open square in the drawing) described above in the first embodiment, “ It is indicated by a symbol of “×”. The apparatus shown in FIG. 5 further includes a gradient magnetic field coil, and is configured to be able to apply a gradient magnetic field to the solid polymer electrolyte membrane 203 as appropriate.
In this example, the LC resonance circuit (FIG. 6) including the small surface coil shown in FIG. 7 was used.

(メタノール濃度とCHスペクトルの面積割合との関係)
固体高分子電解質膜の測定に先立ち、所定の濃度のメタノール水溶液を、上記の小型検出コイルで計測し、スペクトル解析を行って、メタノール濃度とCHスペクトルの面積割合との関係を較正曲線として求めた。
(Relationship between methanol concentration and CH spectrum area ratio)
Prior to measurement of the solid polymer electrolyte membrane, a methanol aqueous solution having a predetermined concentration was measured with the above-described small detection coil, and a spectrum analysis was performed to obtain a relationship between the methanol concentration and the area ratio of the CH spectrum as a calibration curve. .

メタノール濃度を0、2.5、5.0、7.5および10vol%としたメタノール水溶液を用意した。寸法が18mm×18mm、厚さ0.5mmのアクリル板に直径10mmの穴を空け、寸法が18mm×18mm、厚さ0.12mmのカバーガラス2枚をアクリルの両面に接着して密閉容器とし、その中に、メタノール水溶液を封入した。図9は、用いた液体試料を示す図である。   Methanol aqueous solutions with methanol concentrations of 0, 2.5, 5.0, 7.5 and 10 vol% were prepared. A 10 mm diameter hole is made in an acrylic plate with dimensions 18 mm x 18 mm and thickness 0.5 mm, and two cover glasses with dimensions 18 mm x 18 mm and thickness 0.12 mm are adhered to both sides of the acrylic to form a sealed container, An aqueous methanol solution was enclosed in the solution. FIG. 9 is a diagram showing the liquid sample used.

小型表面コイルから40μsのパルス幅で励起パルスを照射し、FID信号を小型表面コイルで受信した。A/D変換器のサンプリング間隔は40μs、データ点数は8192点、計測時間は約320msとして、NMR信号を実部と虚部の二成分信号として取得した。なお、OHとCHでは核磁気共鳴周波数が数ppmだけ異なる。
得られたFID信号を複素フーリエ解析し、フーリエ係数を算出してスペクトル解析した。ここでフーリエ係数は、複素フーリエ解析によって得られた実数と虚数のフーリエ係数を二乗し、和を取って平方根した値である。
An excitation pulse was irradiated from the small surface coil with a pulse width of 40 μs, and the FID signal was received by the small surface coil. The sampling interval of the A / D converter was 40 μs, the number of data points was 8192, the measurement time was about 320 ms, and the NMR signal was acquired as a two-component signal of a real part and an imaginary part. Note that OH and CH differ in nuclear magnetic resonance frequency by several ppm.
The obtained FID signal was subjected to complex Fourier analysis, Fourier coefficients were calculated, and spectrum analysis was performed. Here, the Fourier coefficient is a value obtained by squaring the real and imaginary Fourier coefficients obtained by the complex Fourier analysis and taking the sum to obtain the square root.

典型的な計測例として、5vol%メタノール水溶液のスペクトル解析の結果を図10に示す。図10において、横軸が周波数シフト量であり、OHスペクトルのピークを原点とした。ここでは、横軸をNMR周波数の43.1MHzで規格化し、単位をppmで示した。周波数分解能は0.142ppmである。CHスペクトルが約1.5ppmに現れていることがわかる。また、図10のOHスペクトルから、小型表面コイルを用いて約0.2ppm程度の線幅のスペクトルが得られていることがわかる。一般的には静磁場強度を上げてスペクトル分解能を上げる方法が用いられるが、小型表面コイルでは直径を小さくすることで、計測領域内での静磁場の空間的な均一性は相対的に高くなり、非常に容易にスペクトル分解能を向上させることができ、これにより高分解能なNMRスペクトルの計測が可能となる。   As a typical measurement example, the result of spectral analysis of a 5 vol% methanol aqueous solution is shown in FIG. In FIG. 10, the horizontal axis represents the frequency shift amount, and the peak of the OH spectrum is the origin. Here, the horizontal axis is normalized by the NMR frequency of 43.1 MHz, and the unit is shown in ppm. The frequency resolution is 0.142 ppm. It can be seen that the CH spectrum appears at about 1.5 ppm. Further, it can be seen from the OH spectrum of FIG. 10 that a spectrum having a line width of about 0.2 ppm is obtained using a small surface coil. Generally, a method is used in which the static magnetic field strength is increased to increase the spectral resolution. However, in the case of a small surface coil, the spatial uniformity of the static magnetic field in the measurement region becomes relatively high by reducing the diameter. Therefore, it is possible to improve the spectral resolution very easily, thereby enabling high-resolution NMR spectrum measurement.

メタノール濃度の増加と共に、CHスペクトルの強度は増加した。また、メタノール濃度が低い場合には、OHスペクトルの裾野が広がり、CHスペクトルと重なった。そこで、OHスペクトル分布を外挿してCHスペクトルのみを抽出する方法を用いた。また、スペクトルの面積は、OHとCHスペクトルのそれぞれのフーリエ係数が最大値の半分となる位置までの面積とした。
これにより得られたメタノール濃度とCHスペクトルの面積割合(CH/(CH+OH))との関係を図11に示す。図11を、両者を関係付ける較正曲線として用いた。
With increasing methanol concentration, the intensity of the CH spectrum increased. When the methanol concentration was low, the base of the OH spectrum was widened and overlapped with the CH spectrum. Therefore, a method of extracting only the CH spectrum by extrapolating the OH spectrum distribution was used. The area of the spectrum was the area up to the position where each Fourier coefficient of the OH and CH spectra was half of the maximum value.
The relationship between the methanol concentration thus obtained and the area ratio of the CH spectrum (CH / (CH + OH)) is shown in FIG. FIG. 11 was used as a calibration curve relating both.

(実施例3)
本実施例では、実施例2で用いた測定セルおよび測定装置により、高分子電解質膜内に浸透していくメタノール濃度の計測を行った。
固体高分子電解質膜として、寸法15mm×15mm、厚さ500μmのパーフルオロ型スルホン酸膜(以下、膜Aと呼ぶ。)を用いた。膜Aの構造式を下記式(1)に示す。
(Example 3)
In this example, the concentration of methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane was measured by the measurement cell and measurement device used in Example 2.
As the solid polymer electrolyte membrane, a perfluoro sulfonic acid membrane (hereinafter referred to as membrane A) having a size of 15 mm × 15 mm and a thickness of 500 μm was used. The structural formula of the film A is shown in the following formula (1).

上記式(1)において、x、y、mおよびnは、それぞれ独立して、ゼロまたは正数である。
また、図3は、本実施例で用いた膜Aの試料を示す図である。また、図8は、本実施例において、膜Aを挟んだセルに設置した小型表面コイルをLC共振回路に接続した様子を示す図である。なお、本実施例および実施例4において、膜表面に触媒などは付着してない。
In the above formula (1), x, y, m and n are each independently zero or a positive number.
FIG. 3 is a diagram showing a sample of the film A used in this example. FIG. 8 is a diagram showing a state in which a small surface coil installed in a cell sandwiching the film A is connected to an LC resonance circuit in this example. In this example and example 4, no catalyst or the like is attached to the film surface.

図3に示した高分子電解質膜を、図1に示した流路付セルに挟み、上側の流路には窒素ガスを50ml/minで、下側の流路には水を流した。この状態で2時間保持し、定常状態とした。セル温度は20℃である。NMR信号は小型検出コイルの直径1.3mmの4分の1程度の領域から取得しているので、このコイルを用いることで高分子電解質膜内の窒素ガス側のメタノール濃度を計測していることになる。   The polymer electrolyte membrane shown in FIG. 3 was sandwiched between cells with a flow path shown in FIG. 1, nitrogen gas was flowed at 50 ml / min in the upper flow path, and water was flowed in the lower flow path. This state was maintained for 2 hours to obtain a steady state. The cell temperature is 20 ° C. Since the NMR signal is acquired from the area of about 1/4 of the 1.3 mm diameter of the small detection coil, the methanol concentration on the nitrogen gas side in the polymer electrolyte membrane is measured by using this coil. become.

メタノール水溶液を流し始めた時間をゼロとし、時間経過と共に増加するCHスペクトルの面積割合を算出した。結果を図12に示す。この実験では、10、20、30vol%と三つの異なる濃度のメタノール水溶液を用いて行った。図12より、電解質膜内のメタノール濃度は時間と共に増加し、2500秒が経過するとほぼ一定値となることがわかる。この一定値になった状態は、電解質膜の片面から供給されるメタノール水溶液ともう片面からの蒸発とが釣り合った定常状態にあると考えられる。   The time when the methanol aqueous solution started flowing was set to zero, and the area ratio of the CH spectrum increasing with the passage of time was calculated. The results are shown in FIG. In this experiment, methanol aqueous solutions having three different concentrations of 10, 20, and 30 vol% were used. From FIG. 12, it can be seen that the methanol concentration in the electrolyte membrane increases with time, and becomes almost constant after 2500 seconds. This constant value state is considered to be in a steady state in which the aqueous methanol solution supplied from one side of the electrolyte membrane and the evaporation from the other side are balanced.

また、本計測ではCHスペクトルの面積割合を算出する際には、OHスペクトルの面積割合も算出している。両者を足すと常に1となる関係である。図13は、OHスペクトルの面積割合の時間経過を示す図である。図13からは、時間の経過とともに高分子電解質膜から水の割合が低下し、メタノールが浸透して、その分だけ水が排出されていることがわかる。   In this measurement, when calculating the area ratio of the CH spectrum, the area ratio of the OH spectrum is also calculated. When both are added, the relationship is always 1. FIG. 13 is a diagram showing the time passage of the area ratio of the OH spectrum. From FIG. 13, it can be seen that the proportion of water decreases from the polymer electrolyte membrane with the passage of time, methanol permeates, and water is discharged accordingly.

続いて、高分子電解質膜内へ浸透するメタノールの浸透速度と、定常状態でのメタノール濃度の算出を行った。
すなわち、図12の計測結果を基に「高分子電解質膜内へ浸透するメタノールの浸透速度tau[1/s]」を算出する。浸透速度tauは、メタノール水溶液を注入して定常状態になるまでの間(0〜2500秒)で得られたCHスペクトルの面積割合の増加率として求められる。ここでは、0〜2500秒の間のデータを最小自乗法によって直線近似し、その勾配を浸透速度tau[1/s]とした。図14は、典型的な例として、30vol%メタノール水溶液の場合の計測データを最小自乗法によって直線で近似した時の様子を示す図である。これより、浸透速度は、
tau(膜A,30vol%)=4.04×10-5[1/s]
と算出された。
なお、図12の縦軸は、CHスペクトルの面積割合CH/(CH+OH)としたが、これを、図11の関係を用いてメタノール濃度に変換することもできる。ただし、この変換の際には、図11の関係について、高分子電解質膜でもメタノール水溶液でもほぼ同じ関係が保たれると仮定する。この変換を用いれば、図12の縦軸は、CHスペクトルの面積割合CH/(CH+OH)からメタノール濃度[vol%]となり、それに伴って、上記の「高分子電解質膜内へ浸透するメタノールの浸透速度tauの単位」は[vol%/s]と書くこともできる。
Subsequently, the permeation rate of methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane and the methanol concentration in a steady state were calculated.
That is, “the permeation speed tau [1 / s] of methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane” is calculated based on the measurement result of FIG. The permeation rate tau is obtained as an increase rate of the area ratio of the CH spectrum obtained during the period from 0 to 2500 seconds after injecting the methanol aqueous solution. Here, the data for 0 to 2500 seconds was linearly approximated by the method of least squares, and the gradient was defined as the permeation speed tau [1 / s]. FIG. 14 is a diagram showing, as a typical example, a state in which measurement data in the case of a 30 vol% methanol aqueous solution is approximated by a straight line by the least square method. From this, the penetration rate is
tau (membrane A, 30 vol%) = 4.04 × 10 −5 [1 / s]
And calculated.
In addition, although the vertical axis | shaft of FIG. 12 was made into the area ratio CH / (CH + OH) of CH spectrum, this can also be converted into methanol concentration using the relationship of FIG. However, in the case of this conversion, it is assumed that the relationship shown in FIG. 11 is substantially the same in both the polymer electrolyte membrane and the methanol aqueous solution. If this conversion is used, the vertical axis of FIG. 12 becomes the methanol concentration [vol%] from the CH spectrum area ratio CH / (CH + OH), and accordingly, the above-mentioned “permeation of methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane”. “Unit of velocity tau” can also be written as [vol% / s].

30vol%の場合と同様な方法を10、20vol%メタノール水溶液の結果にも適用して、それぞれの浸透速度を求めた。図15および図16は、供給したメタノール水溶液のメタノール濃度と高分子電解質膜内へのメタノール浸透速度の関係を示す図である。   The same method as in the case of 30 vol% was also applied to the results of 10 and 20 vol% methanol aqueous solution to determine the permeation rate of each. 15 and 16 are diagrams showing the relationship between the methanol concentration of the supplied aqueous methanol solution and the methanol permeation rate into the polymer electrolyte membrane.

さらに、高分子電解質膜の内部であっても、図11に示した「メタノール水溶液のメタノール濃度とCHスペクトルの面積割合の関係」が適用できると仮定して、図12の2500秒以降のCHスペクトルの面積割合の平均値から、高分子電解質膜内のメタノール濃度を換算した。結果を図17に示す。図17は、供給したメタノール水溶液濃度と定常状態での高分子電解質膜内のメタノール濃度の関係を示す図である。   Further, assuming that the “relation between the methanol concentration of the methanol aqueous solution and the area ratio of the CH spectrum” shown in FIG. 11 can be applied even inside the polymer electrolyte membrane, the CH spectrum after 2500 seconds in FIG. From the average value of the area ratio, the methanol concentration in the polymer electrolyte membrane was converted. The results are shown in FIG. FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the supplied aqueous methanol solution concentration and the methanol concentration in the polymer electrolyte membrane in a steady state.

図17に示した関係から、高分子電解質膜内のメタノール濃度CPEM [vol%]と、供給されたメタノール水溶液のメタノール濃度Cfuel[vol%]との比を算出した。この結果を図18に示す。図18は、高分子電解質膜内のメタノール濃度CPEM [vol%]と供給されたメタノール水溶液のメタノール濃度Cfuel[vol%]との比CPEM/Cfuelの関係を示す図である。図18より、高分子電解質膜の片面から蒸発、もう片面からメタノール水溶液が供給され、それが定常状態にある場合には、両者の比CPEM /Cfuelは約20〜30%の範囲にあることが分かった。From the relationship shown in FIG. 17, the ratio between the methanol concentration C PEM [vol%] in the polymer electrolyte membrane and the methanol concentration C fuel [vol%] of the supplied aqueous methanol solution was calculated. The result is shown in FIG. FIG. 18 is a graph showing the relationship of the ratio C PEM / C fuel between the methanol concentration C PEM [vol%] in the polymer electrolyte membrane and the methanol concentration C fuel [vol%] of the supplied aqueous methanol solution. As shown in FIG. 18, when the polymer electrolyte membrane is evaporated from one side and the methanol aqueous solution is supplied from the other side and it is in a steady state, the ratio C PEM / C fuel of both is in the range of about 20-30%. I understood that.

(実施例4)
本実施例では、実施例3で用いた固体高分子電解質膜と異なる分子構造の高分子電解質膜について、メタノールの透過特性を評価し、実施例3の結果と比較した。
Example 4
In this example, the methanol permeation characteristics of the polymer electrolyte membrane having a molecular structure different from that of the solid polymer electrolyte membrane used in Example 3 were evaluated and compared with the results of Example 3.

高分子電解質膜として、具体的には、実施例3で用いた膜Aと同じパーフルオロ型スルホン酸膜であって、上記式(1)におけるx、y、mおよびnが膜Aとは異なる膜Bを用いた。
膜Bの寸法は、17mm×17mmであり、厚さが356μmであった。なお、本実施例では、市販されている厚さ178μmのシートを2枚張り合わせて、厚さを356μmとした。2枚のシートの張り合わせには、膜Bと同じ材料のポリマーの分散液をシートに塗布して重ね合わせ、真空中で高温プレスして行った。
得られた膜Bについて、実施例3と同じ20vol%濃度のメタノール水溶液を供給した際のメタノール浸透速度と比CPEM /Cfuelを求め、膜Aの結果と比較した。
Specifically, the polymer electrolyte membrane is the same perfluoro type sulfonic acid membrane as the membrane A used in Example 3, and x, y, m and n in the above formula (1) are different from the membrane A. Membrane B was used.
The dimension of the membrane B was 17 mm × 17 mm and the thickness was 356 μm. In this example, two commercially available sheets having a thickness of 178 μm were laminated to a thickness of 356 μm. To laminate the two sheets, a polymer dispersion of the same material as membrane B was applied to the sheets and stacked, and then hot pressed in a vacuum.
For the obtained membrane B, the methanol permeation rate and the ratio C PEM / C fuel when supplying the same 20 vol% methanol aqueous solution as in Example 3 were obtained and compared with the results of the membrane A.

実施例3と同様のセルと小型検出コイルを用いて実験を行った。膜Bを図1に示した流路付セルに挟み、上側の流路には窒素ガスを50ml/minで、下側の流路には水を流した。この状態で2時間保持し、定常状態とした。セル温度は20℃である。   Experiments were performed using the same cell and small detection coil as in Example 3. The membrane B was sandwiched between cells with a flow path shown in FIG. 1, nitrogen gas was flowed at 50 ml / min in the upper flow path, and water was flowed in the lower flow path. This state was maintained for 2 hours to obtain a steady state. The cell temperature is 20 ° C.

20vol%濃度のメタノール水溶液を流し始めた時間をゼロとし、時間経過と共に増加するCHスペクトルの面積割合を図19に示す。図19では、膜Bに20vol%のメタノール水溶液を流した場合のCHスペクトルの面積割合の時間経過を示すとともに、比較のために、実施例3で行った膜Aの20vol%濃度のメタノール水溶液での計測結果も併記した。
図19より、膜Bでも膜内のメタノール濃度は時間と共に増加し、2500秒から3000秒が経過するとほぼ一定値となることがわかる。しかし、両者のメタノール浸透速度と定常状態でのメタノール濃度には、明らかな差異が見られる。
FIG. 19 shows the area ratio of the CH spectrum that increases with the passage of time, assuming that the time when the 20 vol% aqueous methanol solution started flowing is zero. FIG. 19 shows the time lapse of the area ratio of the CH spectrum when a 20 vol% methanol aqueous solution was passed through the membrane B, and for comparison, the 20 vol% methanol aqueous solution of the membrane A in Example 3 was used for comparison. The measurement results were also shown.
From FIG. 19, it can be seen that also in the membrane B, the methanol concentration in the membrane increases with time, and becomes substantially constant after 2500 seconds to 3000 seconds. However, there is a clear difference between the methanol penetration rate and the methanol concentration in the steady state.

本実施例においても、実施例3と同様に、CHスペクトルの面積割合を算出する際には、OHスペクトルの面積割合も算出している。両者を足すと常に1となる関係である。図20は、膜BのOHスペクトルの面積割合の時間経過を示す図である。図20においても、膜Bに加えて膜Aに20vol%のメタノール水溶液を流した場合のOHスペクトルの面積割合の時間経過を併記した。図20より、時間の経過とともに高分子電解質膜から水の割合が低下し、メタノールが浸透して、その分だけ水が排出されていることがわかる。   Also in the present embodiment, similarly to the third embodiment, when calculating the area ratio of the CH spectrum, the area ratio of the OH spectrum is also calculated. When both are added, the relationship is always 1. FIG. 20 is a diagram showing the time passage of the area ratio of the OH spectrum of film B. FIG. Also in FIG. 20, the time course of the area ratio of the OH spectrum in the case where a 20 vol% methanol aqueous solution was passed through the membrane A in addition to the membrane B is also shown. As can be seen from FIG. 20, the proportion of water decreases from the polymer electrolyte membrane with the passage of time, methanol permeates, and water is discharged accordingly.

次に、二つの試料(膜A、膜B)の厚さが異なることで計測結果に及ぼす効果を検討した。上述したように、膜Aの厚さは500μm、膜Bの厚さは356μmである。   Next, the effect of the two samples (film A and film B) on the measurement results due to the different thicknesses was examined. As described above, the thickness of the film A is 500 μm, and the thickness of the film B is 356 μm.

ここで、均質な物質中を熱や物質が時間と共に拡散していく現象を表す無次元数として、下記式で示されるフーリエ数Foがある。
Fo=L2/(D×t)
上記式中、Lは膜の厚さ[m]、Dは移動する物質の拡散係数[m2/s]、tは時間[s]である。
Here, as a dimensionless number representing a phenomenon in which heat or a substance diffuses with time in a homogeneous substance, there is a Fourier number Fo represented by the following equation.
Fo = L 2 / (D × t)
In the above formula, L is the film thickness [m], D is the diffusion coefficient [m 2 / s] of the moving substance, and t is the time [s].

フーリエ数Foは、膜の厚さLが異なったときに、時間tの尺度がどのように変化するかを示している。同一の境界条件(今回の場合は、同一の濃度の境界条件)であれば、同一のフーリエ数となるときに、まったく相似の現象が起きることを示している。たとえば、膜内の物質拡散を考えてみる。膜の厚さがLの時に時間tである濃度分布に達したとする。膜の厚さが半分(L/2)になった時、先と同一の濃度分布になるのに要する時間は4分の1(t/4)である。膜が薄いほど、同じ濃度分布となる時間が短くなる。   The Fourier number Fo shows how the scale of time t changes when the film thickness L is different. If the boundary conditions are the same (in this case, the boundary conditions of the same concentration), it is shown that a completely similar phenomenon occurs when the Fourier numbers are the same. For example, consider material diffusion in a membrane. It is assumed that the concentration distribution at time t is reached when the thickness of the film is L. When the thickness of the film is halved (L / 2), the time required to obtain the same concentration distribution as before is ¼ (t / 4). The thinner the film, the shorter the time for the same concentration distribution.

膜Bの膜厚は膜Aの膜厚の356/500であるから、同じ拡散係数を仮定すると、現象は時間が、
(356/500)2=0.51
に短縮されて早く進むことになる。膜Bは薄いにも関わらず、メタノール濃度の増加速度は膜Aよりも遅く、定常状態に達した際のメタノール濃度も小さいといえる。これより、今回用いた膜Bの方が膜Aよりもメタノール透過性が小さいといえる。
Since the film thickness of film B is 356/500 of the film thickness of film A, assuming the same diffusion coefficient, the phenomenon is time
(356/500) 2 = 0.51
It will be shortened and will proceed quickly. Although the membrane B is thin, the increase rate of the methanol concentration is slower than that of the membrane A, and it can be said that the methanol concentration when the steady state is reached is also small. From this, it can be said that the membrane B used this time has smaller methanol permeability than the membrane A.

次に、ほぼ定常状態となった2500秒以降のCHスペクトルの面積割合(図19)から、高分子電解質膜内のメタノール濃度CPEM [vol%]と、供給されたメタノール水溶液のメタノール濃度Cfuel[vol%]との比を算出した。結果を図21に示す。図21は、Cfuel=20vol%メタノール水溶液[vol%]を高分子電解質膜(膜Aと膜B)に供給した際のメタノール濃度CPEM [vol%]との比CPEM /Cfuelの関係を示す図である。
図21より、高分子電解質膜の片面から蒸発、もう片面からメタノール水溶液が供給され、それが定常状態にある場合には、膜Bでの比CPEM /Cfuelが、膜Aのそれと比較して、約3分の2程度であることが分かった。
Next, from the area ratio of the CH spectrum after 2500 seconds, which became almost steady (FIG. 19), the methanol concentration C PEM [vol%] in the polymer electrolyte membrane and the methanol concentration C fuel of the supplied aqueous methanol solution The ratio with [vol%] was calculated. The results are shown in FIG. FIG. 21 shows the ratio C PEM / C fuel with the methanol concentration C PEM [vol%] when C fuel = 20 vol% methanol aqueous solution [vol%] is supplied to the polymer electrolyte membrane (membrane A and membrane B). FIG.
FIG. 21 shows that when the polymer electrolyte membrane is evaporated from one side and the methanol aqueous solution is supplied from the other side and is in a steady state, the ratio C PEM / C fuel in the membrane B is compared with that in the membrane A. It was found that it was about two-thirds.

さらに、図19の計測結果を基に「高分子電解質膜内へ浸透するメタノールの浸透速度tau[1/s]」を算出した。浸透速度tauは、メタノール水溶液を注入して定常状態になるまでの間(0〜2500秒)で得られたCHスペクトルの面積割合の増加率として求めた。ここでは、0〜2500秒の間のデータを最小自乗法によって直線近似し、その勾配を浸透速度tau[1/s]とした。   Furthermore, based on the measurement result of FIG. 19, “the penetration rate tau [1 / s] of methanol penetrating into the polymer electrolyte membrane” was calculated. The permeation rate tau was determined as the rate of increase of the area ratio of the CH spectrum obtained during the period from 0 to 2500 seconds after injecting the methanol aqueous solution. Here, the data for 0 to 2500 seconds was linearly approximated by the method of least squares, and the gradient was defined as the permeation speed tau [1 / s].

図22は、膜Bの計測データの直線近似結果を示す図である。図22より、浸透速度は、
tau(膜B,20vol%)=2.25×10-5[1/s]
と算出された。
FIG. 22 is a diagram illustrating a linear approximation result of the measurement data of the film B. From FIG. 22, the penetration rate is
tau (membrane B, 20 vol%) = 2.25 × 10 −5 [1 / s]
And calculated.

膜AおよびBについて、tauの計算結果を図23にまとめた。図23は、20vol%メタノール水溶液を高分子電解質膜(膜Aおよび膜B)に供給した際のメタノール浸透速度の比較を示す図である。
図23より、膜Bは、膜Aに対する膜厚が356/500と薄いにも関わらず、膜Aよりも浸透速度が小さいという結果を得た。
The calculation results of tau for membranes A and B are summarized in FIG. FIG. 23 is a diagram showing a comparison of methanol permeation rates when a 20 vol% aqueous methanol solution was supplied to the polymer electrolyte membranes (membrane A and membrane B).
FIG. 23 shows that the membrane B has a lower permeation rate than the membrane A even though the membrane A has a thin film thickness of 356/500.

この結果が示すように、小型検出コイルを備え、高分子電解質膜の片側面にガス(乾燥窒素)を、もう片側に所定の濃度のメタノール水溶液を流すことができるセルを用いて、膜Aおよび膜Bのメタノール浸透速度と定常状態でのメタノール濃度を同じ条件で計測し、両者のメタノール透過性に関する性質を数値として評価することができた。   As this result shows, using a cell equipped with a small detection coil and capable of flowing a gas (dry nitrogen) on one side of the polymer electrolyte membrane and a methanol aqueous solution of a predetermined concentration on the other side, the membrane A and The methanol permeation rate of the membrane B and the methanol concentration in the steady state were measured under the same conditions, and both of the properties relating to methanol permeability could be evaluated as numerical values.

本実施例により、膜Aおよび膜Bのメタノール透過特性を評価でき、さらに両者の差異を定量的に示すことができることが示された。   This example shows that the methanol permeation characteristics of the membrane A and the membrane B can be evaluated, and that the difference between the two can be quantitatively shown.

(実施例5)
本実施例では、以上の実施例での測定で用いた小型表面コイル(図7)について、FID信号を取得した際の計測領域を解析した。この解析では、表面コイルが作る励起磁場分布を求め、コイル中心(x=0,y=0,z=0)での磁化ベクトルの励起角度を90度とし、NMR信号の受信感度を考慮して、FID信号の強度分布を以下の手順で算出した。
(i)表面コイルの幾何学形状を決定し、解析にあたっての仮定を導入する、
(ii)表面コイルが位置(xp,yp,zp)に作る磁場Hz(xp,yp,zp)を理論的に解析する、
(iii)表面コイルの中心位置での励起角度αを90度とした場合の励起角度分布α(xp,yp,zp)を理論的に解析する、そして
(iv)表面コイルの信号受信感度は(ii)での磁場Hz(xp,yp,zp)に比例するものとし、受信感度分布も考慮したFID信号強度分布SFID,Detect(xp,yp,zp)を算出する。
(Example 5)
In this example, the measurement region when the FID signal was acquired was analyzed for the small surface coil (FIG. 7) used in the measurement in the above example. In this analysis, the excitation magnetic field distribution created by the surface coil is obtained, the excitation angle of the magnetization vector at the coil center (x = 0, y = 0, z = 0) is set to 90 degrees, and the reception sensitivity of the NMR signal is taken into consideration. The intensity distribution of the FID signal was calculated by the following procedure.
(I) determine the geometry of the surface coil and introduce assumptions in the analysis;
(Ii) theoretically analyzing the magnetic field Hz (x p , y p , z p ) created by the surface coil at the position (x p , y p , z p ),
(Iii) theoretically analyzing the excitation angle distribution α (x p , y p , z p ) when the excitation angle α at the center position of the surface coil is 90 degrees, and (iv) receiving the signal of the surface coil magnetic field Hz in sensitivity (ii) shall (x p, y p, z p) is proportional to, FID signal intensity distribution S FID also reception sensitivity distribution considering, Detect (x p, y p , z p) of calculate.

(i)表面コイルの幾何学形状と解析時の仮定
図33は、表面コイルの形状と解析における座標系を示す図である。この小型表面コイルは、外径1.3mm、内径0.91mm、3回巻きの渦巻き型のコイルである。
図34は、3回巻き表面コイルの幾何学形状を示す図である。図34においては、銅線の中心位置を図33より計測し、最も外側の銅線の中心位置を1.24mm、二番目の銅線の中心位置を1.08mm、最も内側の銅線の中心位置を0.96mmとした。
(I) Geometric shape of surface coil and assumption at the time of analysis FIG. 33 is a diagram showing the shape of the surface coil and the coordinate system in the analysis. This small surface coil is a spiral coil having an outer diameter of 1.3 mm, an inner diameter of 0.91 mm, and three turns.
FIG. 34 is a diagram showing the geometric shape of a 3-turn surface coil. In FIG. 34, the center position of the copper wire is measured from FIG. 33. The center position of the outermost copper wire is 1.24 mm, the center position of the second copper wire is 1.08 mm, and the center position of the innermost copper wire. The position was 0.96 mm.

また、図7、図33および図34に示したコイルの幾何学形状について、以下の仮定をおいた。
コイルの線径はゼロとする。つまり、無限小の線径とする。
導電時に表皮効果はないとする。線径がゼロとしたことから、コイルの表面のみで電流が流れる効果も無視したこととなる。
3回巻きコイルは、渦巻状ではなく、直径の異なる3つの円を同心円状に配置された形状であるとする。
コイルは導線のみでできており、被覆膜は無視する。誘電率、透磁率としては、真空の値を使用する。
試料はないものとし、空間全域で誘電率、透磁率は真空の値を使用する。
リード部(円形コイル以外の配線部)は無視する。
In addition, the following assumptions were made about the geometrical shapes of the coils shown in FIGS. 7, 33, and 34.
The coil wire diameter is zero. That is, the wire diameter is infinitely small.
It is assumed that there is no skin effect when conducting. Since the wire diameter is zero, the effect of current flowing only on the coil surface is ignored.
It is assumed that the 3-turn coil is not spiral but has a shape in which three circles having different diameters are concentrically arranged.
The coil is made of only conductive wire, and the coating film is ignored. As the dielectric constant and magnetic permeability, vacuum values are used.
It is assumed that there is no sample, and vacuum values are used for permittivity and permeability throughout the space.
Lead parts (wiring parts other than circular coils) are ignored.

(ii)表面コイルが作る励起磁場Hz(xp,yp,zp)の解析
導電体に流れる電流Iが作る磁場Hはビオ・サバールの法則に基づいて算出した。すなわち、表面コイルが真空中(透磁率が4π×10-7N/A2)に置かれた場合に、表面コイルが位置(xp,yp,zp)に作る磁場H(xp,yp,zp)は式(51)で表される。
(Ii) a surface coil makes the magnetic excitation field Hz (x p, y p, z p) magnetic field H created by the current I flowing in the analysis conductor was calculated based on the Biot-Savart law. That is, when the surface coil is placed in a vacuum (permeability is 4π × 10 −7 N / A 2 ), the magnetic field H (x p , x p , y p , z p ) created by the surface coil at the position (x p , y p , z p ). y p , z p ) is expressed by equation (51).

上記式(51)中の記号は以下の通りである。
H:位置rでの磁場の強さ[A/m](ベクトル)
r:空間中の点Pの位置(xp,yp,zp)[m](ベクトル)
r':コイル上の点Qの位置(xp,yp,zp)[m](ベクトル)
I:電流[A](スカラー)
t:電流が流れる方向を表す単位ベクトル[−](ベクトル)。これは、点Qでのコイルの形状を表す。図35(a)および図35(b)において、点Qとx軸との角度θとするとき、tはt=(sinθ,cosθ,0)である。
積分の意味:コイル全周に渡って線積分を行う。点Pに生ずる磁場は、コイル上にある点Qをコイルに沿って移動させ、各点Qの位置で作られる磁場をコイル全周に渡って積分する(総和を取る)ことで求められる。
また、図35(a)および図35(b)は、上記式(51)における座標系を示す図である。
Symbols in the above formula (51) are as follows.
H: Magnetic field strength at position r [A / m] (vector)
r: position (x p , y p , z p ) [m] (vector) of point P in space
r ′: position of the point Q on the coil (x p , y p , z p ) [m] (vector)
I: Current [A] (scalar)
t: a unit vector [−] (vector) representing the direction in which the current flows. This represents the shape of the coil at point Q. 35 (a) and 35 (b), when the angle θ between the point Q and the x axis is t, t = (sin θ, cos θ, 0).
Meaning of integration: Line integration is performed over the entire circumference of the coil. The magnetic field generated at the point P is obtained by moving the point Q on the coil along the coil, and integrating (summing) the magnetic field generated at the position of each point Q over the entire circumference of the coil.
FIGS. 35A and 35B are diagrams showing a coordinate system in the above equation (51).

また、上記式(51)の線積分について、以下の近似計算を用いた。すなわち、コイルは円形で、角度θの増加に伴ってtは滑らかに変化していくが、これを多数の区間に分割し、区間内では長さL[m]の直線で表されると近似する。これによって、式(51)を数値的に計算することが可能となる。ここでは円を32の直線に分割した。図36に、分割時のパラメータを示し、図37に、図36に従って円形コイルを分割した際の直線近似で表現した形状を示す。   Moreover, the following approximate calculation was used about the line integral of said Formula (51). That is, the coil is circular, and t changes smoothly as the angle θ increases, but this is divided into a number of sections and approximated by being represented by a straight line of length L [m] within the section. To do. This makes it possible to calculate Equation (51) numerically. Here, the circle was divided into 32 straight lines. FIG. 36 shows parameters at the time of division, and FIG. 37 shows a shape expressed by linear approximation when a circular coil is divided according to FIG.

以上の前提のもと、図38に示した空間、つまりyp=0mmのxz平面について、z方向磁場強度Hz(xp,yp,zp)を式(51)により数値解析した。コイルに流れる電流Iを1.0Aとした。なお、この計算ではコイル上は特異点となり計算できないために、コイル近傍の半径0.05mm以内の領域では計算していない。
図39は、本解析で求められた3回巻き表面コイルのz方向磁場強度Hz(xp,yp,zp)を示す等高線図である。図39より、磁場強度分布の等値面形状は、最も内側のコイルから等値面が外側に向けて広がっており、一番内側のコイルによって磁場の等値面形状が決定されると言える。なお、本解析時に設定したコイルに流す電流値は実験値とは異なるため、図39に示された磁場強度の絶対値自体にはNMR計測には直接の意味はない。
Based on the above assumption, the z-direction magnetic field strength Hz (x p , y p , z p ) was numerically analyzed by the equation (51) for the space shown in FIG. 38, that is, the xz plane with y p = 0 mm. The current I flowing through the coil was set to 1.0A. In this calculation, since it is a singular point on the coil and cannot be calculated, it is not calculated in a region within a radius of 0.05 mm near the coil.
FIG. 39 is a contour map showing the z-direction magnetic field strength Hz (x p , y p , z p ) of the 3-turn surface coil obtained in this analysis. From FIG. 39, it can be said that the isosurface shape of the magnetic field strength distribution is such that the isosurface spreads outward from the innermost coil, and the isosurface shape of the magnetic field is determined by the innermost coil. Note that since the value of the current passed through the coil set during this analysis is different from the experimental value, the absolute value of the magnetic field intensity shown in FIG. 39 has no direct meaning in NMR measurement.

(iii)励起角度分布α(xp,yp,zp)の理論解析
励起角度αを解析する際には、以下の仮定を置いた。すなわち、表面コイルによってPEMのNMR計測を行う場合には、図40に示すように、コイル中心から少し離れた位置に試料がある。図40は、コイルと試料と位置関係を示す断面図である。図40において、具体的には、表面コイルとPEMの間には絶縁皮膜としてのポリイミドフィルムが存在し、さらに、PEM表面には触媒層が存在する。しかし、コイル銅線の直径は50μm、ポリイミドフィルムは30μm、触媒層は10μmであり、すべてを加算しても0.09mmと充分に薄い。そこで本解析では、この厚さを無視し、励起角度αを90度に設定する基準点を、表面コイルの中心位置(zp=0.0mm)とした。
(Iii) Theoretical analysis of excitation angle distribution α (x p , y p , z p ) The following assumptions were made when analyzing the excitation angle α. That is, when PEM NMR measurement is performed using a surface coil, the sample is located slightly away from the center of the coil, as shown in FIG. FIG. 40 is a cross-sectional view showing the positional relationship between the coil and the sample. In FIG. 40, specifically, a polyimide film as an insulating film exists between the surface coil and the PEM, and further, a catalyst layer exists on the PEM surface. However, the diameter of the coil copper wire is 50 μm, the polyimide film is 30 μm, the catalyst layer is 10 μm, and even if all are added, it is sufficiently thin as 0.09 mm. Therefore, in this analysis, this thickness is ignored, and the reference point for setting the excitation angle α to 90 degrees is set as the center position of the surface coil (z p = 0.0 mm).

また、1Teslaの磁場中での1Hの核磁気共鳴周波数は42.6MHzである。この際の一周期は0.023μsであり、核磁化を励起する振動磁場H1の照射時間64μsに比べて充分に小さい。これより、上記(ii)項で解析した表面コイルに定常電流を流して誘起される静的な磁場強度Hzと等しい強度で振動磁場H1が形成されるとみなした。
さらに、表面コイルが作る振動磁場H1は静磁場H0の1Teslaに比べて充分に小さいとみなせることから、両者の合成ベクトルは静磁場H0と等しいと仮定して、核磁化の励起角度αを計算した。
Further, the nuclear magnetic resonance frequency of 1 H in a magnetic field of 1 Tesla is 42.6 MHz. One period at this time is 0.023 μs, which is sufficiently shorter than the irradiation time 64 μs of the oscillating magnetic field H1 for exciting the nuclear magnetization. From this, it was considered that the oscillating magnetic field H 1 was formed with a strength equal to the static magnetic field strength Hz induced by flowing a steady current through the surface coil analyzed in the above section (ii).
Furthermore, since it regarded as oscillating magnetic field H 1 in which the surface coil made is sufficiently smaller than the 1Tesla of the static magnetic field H 0, assuming both the resultant vector is equal to the static magnetic field H 0, of the nuclear magnetization excited angle α Was calculated.

ここで、上記(ii)項で前述した磁場強度Hzの解析結果を水素原子核が作る核磁化の励起角度αに絶対値で関係付けるには、複雑な解析を要することから、本実施例では、下記式(52)に示す相対的な関係のみを用いて「励起角度αは磁場強度Hzに比例する」と簡略化した。下記式(52)の関係を用いることにより、下記式(52)'に示すように、磁場強度の空間分布Hz(xp,yp,zp)から励起角度の空間分布α(xp,yp,zp)を求めることができる。Here, in order to relate the analysis result of the magnetic field intensity Hz described in the above (ii) to the excitation angle α of the nuclear magnetization generated by the hydrogen nucleus with an absolute value, a complicated analysis is required. Using only the relative relationship shown in the following formula (52), it was simplified as “excitation angle α is proportional to magnetic field strength Hz”. By using the relationship of the following formula (52), as shown in the following formula (52) ′, the spatial distribution α (x p , x p , p p ) is obtained from the spatial distribution Hz (x p , y p , z p ) of the magnetic field strength. y p , z p ) can be obtained.

図41および図42は、励起角度分布α(xp,yp,zp)の解析結果を示す図である。図41には、基準点つまり表面コイルの中心軸上0.0mmの点での励起角度αを90度とした場合の、励起角度分布α(xp,yp,zp)を理論的に解析した際の励起角度α(xp,yp =0,zp)の等値面を示した。また、図42には、z軸上の励起角度α(zp)の分布を示した。
図41および図42より、測定領域である励起角度αが90度プラスマイナス5度となる領域は、コイルの中心付近にのみ現れ、z方向への広がりが狭いことがわかる。
41 and 42 are diagrams showing the analysis results of the excitation angle distribution α (x p , y p , z p ). 41 theoretically shows the excitation angle distribution α (x p , y p , z p ) when the excitation angle α at the reference point, that is, a point 0.0 mm on the central axis of the surface coil is 90 degrees. The isosurface of the excitation angle α (x p , y p = 0, z p ) at the time of analysis is shown. FIG. 42 shows the distribution of the excitation angle α (z p ) on the z axis.
41 and 42, the region where the excitation angle α, which is the measurement region, is 90 degrees plus or minus 5 degrees appears only in the vicinity of the center of the coil, and the spread in the z direction is narrow.

(iv)FID信号強度分布SFID,Detect(xp,yp,zp)の算出
FID信号の信号強度SFIDは励起角度αと
FID=A(sinα)
なる関係がある。ただし、上記式中のAは励起角度と信号強度を関係付ける比例係数である。この関係式を用いることにより、FID信号強度分布SFID(xp,yp,zp)を算出することができる。
また、矩形波状の励起パルス(振動磁場強度Hα)を一回だけ照射して核磁化を励起角度αで励起するようなFIDシーケンスの場合には、励起角度αとFID信号強度SFIDの関係は下記式(53)で表される。
(Iv) Calculation of FID signal intensity distribution S FID, Detect (x p , y p , z p ) The signal intensity S FID of the FID signal is the excitation angle α and S FID = A (sin α)
There is a relationship. However, A in the above formula is a proportionality coefficient that relates the excitation angle and the signal intensity. By using this relational expression, the FID signal intensity distribution S FID (x p , y p , z p ) can be calculated.
Further, in the case of an FID sequence in which a nuclear wave excitation pulse (oscillating magnetic field intensity H α ) is irradiated only once to excite nuclear magnetization at an excitation angle α, the relationship between the excitation angle α and the FID signal intensity S FID . Is represented by the following formula (53).

上記(iii)項で示したように、表面コイルの振動磁場強度には分布がある。これに対応してコイルには信号を受信する際にも感度分布Det(xp,yp,zp)がある。その信号受信の感度分布は振動磁場強度と同様であると考えてよい。従って、下記式(54)に示すように、感度Det(xp,yp,zp)は磁場Hz(xp,yp,zp)に比例するとして解析を行った。As shown in the section (iii) above, the oscillating magnetic field strength of the surface coil has a distribution. Correspondingly, the coil also has a sensitivity distribution Det (x p , y p , z p ) when receiving a signal. It may be considered that the sensitivity distribution of the signal reception is the same as the oscillating magnetic field strength. Therefore, as shown in the following equation (54), the analysis was performed assuming that the sensitivity Det (x p , y p , z p ) is proportional to the magnetic field Hz (x p , y p , z p ).

式(53)および(54)を考慮して、FID信号の受信強度分布SFID,Detect(xp,yp,zp)を算出した。図43は、3回巻き表面コイルでのFID信号の受信強度分布SFID,Detect(xp,yp,zp)を示す等高線図である。また、図44は、z軸上でのFID信号の受信強度分布のプロファイルSFID,Detect(xp,yp=0,zp=0)を示す図である。The reception intensity distribution S FID, Detect (x p , y p , z p ) of the FID signal was calculated in consideration of the equations (53) and (54). FIG. 43 is a contour diagram showing the received intensity distribution S FID, Detect (x p , y p , z p ) of the FID signal in the 3-turn surface coil. FIG. 44 is a diagram showing a profile S FID, Detect (x p , y p = 0, z p = 0) of the reception intensity distribution of the FID signal on the z-axis.

図44より、FID信号強度が半分(0.5)となる位置zpは、0.34mmであることがわかった。コイルの内径が0.91mmであるから、コイルが計測している深さは、コイル設置面からコイル内径の約3分の1の深さまでの領域であると言える。
さらに、外径1.3mmのコイルについて同様の計算をすると、コイル設置面からコイル内径の約4分の1の深さまでの領域となる。
From FIG. 44, it was found that the position z p at which the FID signal intensity is half (0.5) is 0.34 mm. Since the inner diameter of the coil is 0.91 mm, it can be said that the depth measured by the coil is a region from the coil installation surface to a depth of about one third of the inner diameter of the coil.
Further, when the same calculation is performed for a coil having an outer diameter of 1.3 mm, an area from the coil installation surface to a depth of about one quarter of the coil inner diameter is obtained.

本実施例より、本寸法の小型表面コイルを用いて計測される領域は、実施例3で用いた膜A(厚さ500μm)のおおよそ70%の深さであることが分かった。   From this example, it was found that the area measured using a small surface coil of this size was approximately 70% deep of the film A (thickness 500 μm) used in Example 3.

(実施例6)
ここでは、実施例2で用いた測定セルおよび測定装置により、フッ素系の高分子電解質膜(膜Cとする)のメタノールの浸透性と、この膜Cとは異なる膜でありフッ素を含まない高分子電解質膜(膜Dとする)のメタノールの浸透性との比較を行った。
小型表面コイル(小型RFコイル)は線径50μmのポリウレタン被覆銅線を3回巻いたものである。コイルの外径は1.3 mm、最も内側のコイル内径は約0.96mmである。形状を保つために、厚さ30μmのポリイミドフィルムで挟んで固定した。厚さ500μmの高分子電解質膜に上記コイルを貼り付けてFIDを取得した場合には、計測深度は高分子電解質膜の厚さの約70%となる。これより、高分子電解質膜内部に浸み込んできたメタノール濃度が計測できる。
膜C、膜Dの寸法は15 mm×15 mm、厚さ500μmである。各膜の表面には触媒などは塗布されてはいない。
膜C、膜Dをそれぞれ、図1に示した流路付セルに挟んだ。流路の幅は1.0mm、深さ1.0mmである。小型コイルは窒素ガス流路側のセルに埋め込み、各膜の表面に押し付けた。この位置関係では、膜C、膜Dに浸み込むメタノール水溶液のNMR信号を取得できる。実験中のセル温度は24℃であった。上側の流路には窒素ガスを50 ml/minで、下側の流路には水を流した。この状態で2時間保持し、定常状態とした。その後、計測開始(時間t = 0 s)と共に下側流路に30vol%のメタノール水溶液を流した。それと同時にNMR信号を取得した。計測中もメタノール水溶液を0.5 l/minで流し続けた。メタノールを流しはじめた時間をゼロとし、時間経過とともに増加するCHスペクトルの面積割合を算出した。
膜C、膜Dでは、いずれも、CHスペクトルの面積割合であるCH/(CH+OH)はほぼ同一勾配で増加していくことがわかった。ただし、CH/(CH+OH)が一定となるのにかかる時間は、膜Cよりも膜Dの方が長くかかることがわかった。
このように、本実施例においても膜の種類により定常状態となるまでの時間が異なることを把握することができた。
(Example 6)
Here, by the measurement cell and measurement apparatus used in Example 2, the methanol permeability of the fluorine-based polymer electrolyte membrane (referred to as membrane C) and a membrane different from this membrane C and containing no fluorine The molecular electrolyte membrane (referred to as membrane D) was compared with the methanol permeability.
A small surface coil (small RF coil) is obtained by winding a polyurethane-coated copper wire having a wire diameter of 50 μm three times. The outer diameter of the coil is 1.3 mm, and the innermost coil inner diameter is about 0.96 mm. In order to maintain the shape, it was fixed by being sandwiched between polyimide films having a thickness of 30 μm. When the FID is obtained by attaching the coil to a 500 μm thick polymer electrolyte membrane, the measurement depth is about 70% of the thickness of the polymer electrolyte membrane. Thus, the concentration of methanol that has soaked into the polymer electrolyte membrane can be measured.
The dimensions of the films C and D are 15 mm × 15 mm and the thickness is 500 μm. No catalyst or the like is applied to the surface of each film.
Membrane C and membrane D were each sandwiched between cells with flow channels shown in FIG. The width of the flow path is 1.0 mm and the depth is 1.0 mm. The small coil was embedded in a cell on the nitrogen gas flow path side and pressed against the surface of each film. In this positional relationship, the NMR signal of the methanol aqueous solution that permeates into the film C and the film D can be acquired. The cell temperature during the experiment was 24 ° C. Nitrogen gas was flowed at 50 ml / min in the upper flow path, and water was flowed in the lower flow path. This state was maintained for 2 hours to obtain a steady state. Then, 30 vol% methanol aqueous solution was poured into the lower flow path at the start of measurement (time t = 0 s). At the same time, NMR signals were acquired. During the measurement, the methanol aqueous solution was kept flowing at 0.5 l / min. The area ratio of the CH spectrum that increases with the passage of time was calculated with the time when methanol began to flow being zero.
In both the film C and the film D, it was found that CH / (CH + OH), which is the area ratio of the CH spectrum, increased with substantially the same gradient. However, it was found that the time required for CH / (CH + OH) to be constant was longer in the film D than in the film C.
In this way, it was also possible to grasp that the time until the steady state varies depending on the type of film in this example.

Claims (8)

膜中の溶媒の透過特性を評価する装置であって、
膜を保持する膜保持部、
前記膜の一方の面に気体を供給する気体供給部および
前記膜の他方の面に、分子構造中に水素原子を有する化合物を含むプロトン性溶媒を供給する溶媒供給部を備える測定セルと、
前記膜に対して静磁場を印加する静磁場印加部と、
前記膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記膜の厚さ方向における一部の領域における核磁気共鳴信号を取得する小型RFコイルと、
前記膜の前記一方の面に前記気体を供給するとともに前記他方の面に前記プロトン性溶媒を供給し、かつ、前記測定セルが発電していない状態で前記小型RFコイルが取得した前記核磁気共鳴信号に基づき、前記一部の領域における前記プロトン性溶媒の濃度を算出し、前記プロトン性溶媒の濃度の経時変化に基づき、前記プロトン性溶媒の濃度が定常状態に達するまでの時間または速度を算出する演算部と、
を含む、測定装置。
An apparatus for evaluating the permeation characteristics of a solvent in a membrane,
A membrane holder for holding the membrane ,
A gas supply for supplying gas to one side of the membrane; and
A measurement cell comprising a solvent supply unit for supplying a protic solvent containing a compound having a hydrogen atom in the molecular structure on the other surface of the membrane ;
A static magnetic field application unit that applies a static magnetic field to the film;
A small RF coil that applies an oscillating magnetic field for excitation to the film and acquires a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the film;
The nuclear magnetic resonance acquired by the small RF coil in a state where the gas is supplied to the one surface of the membrane and the protic solvent is supplied to the other surface and the measurement cell is not generating power. Calculate the concentration of the protic solvent in the partial region based on the signal, and calculate the time or speed until the concentration of the protic solvent reaches a steady state based on the change over time of the concentration of the protic solvent An arithmetic unit to perform,
Including a measuring device.
請求項1に記載の測定装置において、
前記小型RFコイルが、前記膜の前記一方の面に配置されるとともに、前記一方の面から前記膜の厚みの途中位置までの特定の深さまでの領域における核磁気共鳴信号を取得し、
前記演算部が、前記核磁気共鳴信号に基づき、一方の面から特定の深さまでの前記領域における前記プロトン性溶媒の濃度を算出する、測定装置。
The measuring apparatus according to claim 1,
The small RF coil is arranged on the one surface of the film, and acquires a nuclear magnetic resonance signal in a region from the one surface to a specific depth to a middle position of the thickness of the film,
The measurement apparatus, wherein the calculation unit calculates a concentration of the protic solvent in the region from one surface to a specific depth based on the nuclear magnetic resonance signal.
請求項記載の測定装置において、前記演算部が、前記プロトン性溶媒の濃度の経時変化に基づき、一方の面から特定の深さまでの前記領域における前記プロトン性溶媒の定常状態における濃度を算出する定常濃度算出部を含む、測定装置。 3. The measuring apparatus according to claim 2 , wherein the calculation unit calculates a concentration of the protic solvent in a steady state in the region from one surface to a specific depth based on a change with time of the concentration of the protic solvent. A measuring device including a steady concentration calculation unit. 請求項1乃至3のいずれかに記載の測定装置において、
前記プロトン性溶媒が、アルコール水溶液であって、
前記演算部が、前記核磁気共鳴信号より得られる核磁気共鳴スペクトルにおける、アルコールおよび水に由来するシグナルの面積と、前記アルコールに由来するシグナルの面積との比を用いて、前記領域における前記アルコールの濃度を算出するアルコール濃度算出部を含む、測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 3 ,
The protic solvent is an aqueous alcohol solution,
The arithmetic unit uses the ratio of the area of the signal derived from alcohol and water and the area of the signal derived from alcohol in the nuclear magnetic resonance spectrum obtained from the nuclear magnetic resonance signal to determine the alcohol in the region. A measurement device including an alcohol concentration calculation unit for calculating the concentration of the alcohol.
請求項に記載の測定装置において、
アルコールおよび水に由来するシグナルの面積と、前記アルコールに由来するシグナルの面積との比と、
アルコールおよび水に対するアルコール濃度と
の関係を記憶した記憶部を有し、
前記アルコール濃度算出部では、前記核磁気共鳴信号より得られる核磁気共鳴スペクトルにおける、アルコールおよび水に由来するシグナルの面積と、前記アルコールに由来するシグナルの面積との前記比と、前記記憶部に記憶された前記関係とから、前記領域における前記アルコールの濃度を算出する測定装置。
The measuring apparatus according to claim 4 , wherein
The ratio of the area of the signal derived from alcohol and water to the area of the signal derived from the alcohol;
Having a storage unit that stores the relationship between alcohol concentration and alcohol concentration relative to water;
In the alcohol concentration calculation unit, the ratio of the area of the signal derived from alcohol and water and the area of the signal derived from the alcohol in the nuclear magnetic resonance spectrum obtained from the nuclear magnetic resonance signal, and the storage unit A measuring device that calculates the concentration of the alcohol in the region from the stored relationship.
請求項1乃至5のいずれかに記載の測定装置において、
前記膜が燃料電池の固体高分子電解質膜であって、
当該測定装置が、前記固体高分子電解質膜のクロスオーバ特性を評価する装置である、測定装置。
In the measuring apparatus in any one of Claims 1 thru | or 5 ,
The membrane is a solid polymer electrolyte membrane of a fuel cell,
A measuring apparatus, wherein the measuring apparatus is an apparatus for evaluating a crossover characteristic of the solid polymer electrolyte membrane.
膜中の溶媒の透過特性を評価する方法であって、
請求項1乃至6のいずれかの測定装置を用いて行なわれ、
静磁場内に置かれた膜の一方の面に気体を供給するとともに前記膜の他方の面に分子構造中に水素原子を有する化合物を含むプロトン性溶媒を供給しつつ、前記測定セルが発電していない状態で小型RFコイルを用いて前記膜に対して励起用振動磁場を印加するとともに、前記膜の厚さ方向における一部の領域における核磁気共鳴信号を取得するステップと、
前記小型RFコイルが取得した前記核磁気共鳴信号に基づき、前記一部の領域における前記プロトン性溶媒の濃度を算出し、前記プロトン性溶媒の濃度の経時変化に基づき、前記プロトン性溶媒の濃度が定常状態に達するまでの時間または速度を算出するステップと、
を含む、測定方法。
A method for evaluating the permeation characteristics of a solvent in a membrane,
Carried out using the measuring device according to claim 1,
The measurement cell generates power while supplying a gas to one side of the membrane placed in a static magnetic field and a protic solvent containing a compound having a hydrogen atom in the molecular structure to the other side of the membrane. Applying an oscillating magnetic field for excitation to the film using a small RF coil in a state where it is not, and obtaining a nuclear magnetic resonance signal in a partial region in the thickness direction of the film;
Based on the nuclear magnetic resonance signal acquired by the small RF coil, the concentration of the protic solvent in the partial region is calculated, and the concentration of the protic solvent is calculated based on the change over time of the concentration of the protic solvent. Calculating the time or speed to reach steady state ;
Including a measuring method.
請求項7に記載の測定方法において、前記膜が、固体高分子電解質膜である、測定方法。 The measurement method according to claim 7 , wherein the membrane is a solid polymer electrolyte membrane.
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