膜評価方法、および、膜評価補助装置

【課題】湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることを抑制すること。
【解決手段】湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価するための膜評価方法であって、湿度変化した場合における収縮力または膨張力が膜より大きい変位膜を用意する変位膜用意工程と、膜に、変位膜を貼り付け、膜と変位膜とから成る貼着アセンブリを形成する貼着工程と、膜の周縁部を保持する保持工程と、貼着工程および保持工程後、貼着アセンブリを、加湿雰囲気下または乾燥雰囲気下に配置する乾湿工程と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する膜評価方法、および、その装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる電解質膜（例えば、固体高分子型電解質膜）は、湿度が変化すると、収縮または膨張し、それに伴い劣化するため、その耐久性を向上させたいという要望があった。そのためには、電解質膜の耐久性の評価をする必要があった。例えば、下記特許文献１には、電解質膜を、電解質膜が破壊されるまで加湿雰囲気下および乾燥雰囲気下に交互に配置し、すなわち、電解質膜が破壊されるまで収縮および膨張させ、耐久性を評価する評価方法が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１６６５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記評価方法では、電解質膜自体の収縮力・膨張力によって、電解質膜を収縮・膨張させているので、耐久性を評価するまでに多大な時間がかかるおそれがあった。なお、上記問題は、電解質膜に限られず、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜であれば、生じ得る問題である。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることを抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価するための膜評価方法であって、湿度変化した場合における収縮力または膨張力が前記膜より大きい変位膜を用意する変位膜用意工程と、前記膜に、前記変位膜を貼り付け、前記膜と変位膜とから成る貼着アセンブリを形成する貼着工程と、前記膜の周縁部を保持する保持工程と、前記貼着工程および前記保持工程後、前記貼着アセンブリを、加湿雰囲気下または乾燥雰囲気下に配置する乾湿工程と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の膜評価方法によれば、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることを抑制することができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の膜評価方法において、前記膜は、貫通孔が形成されており、前記貼着工程は、前記膜の前記貫通孔の少なくとも一部を覆うように、前記変位膜を貼り付け、前記貼着アセンブリを形成することを特徴とする膜評価方法。
【００１０】
このようにすれば、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることをより抑制することができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例１に記載の膜評価方法において、前記膜は、貫通孔が形成されており、前記変位膜用意工程は、前記収縮力または前記膨張力が前記膜より大きく、枠状に形成される第１変位膜と、前記収縮力または前記膨張力が前記第１変位膜より大きい第２変位膜と、を用意する工程を含み、前記貼着工程は、前記膜の前記貫通孔の周縁部に沿って、前記第１変位膜を貼り付けると共に、前記第２変位膜を、前記貫通孔の少なくとも一部を覆うように、前記第１変位膜に貼り付け、前記貼着アセンブリを形成する第２貼着工程と、を含むことを特徴とする膜評価方法。
【００１２】
このようにすれば、第２変位膜の収縮力が大きい場合であっても、電解質膜と第１変位膜、第１変位膜と第２変位膜とが、それぞれ、剥離することを抑制することができ、すなわち、第２変位膜を電解質膜にしっかりと固定することができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例２に記載の膜評価方法において、前記収縮力または前記膨張力が前記膜より小さい弱変位膜を用意する弱変位膜用意工程を備え、前記貼着工程は、前記弱変位膜を、前記変位膜に隣接するように配置すると共に、前記貫通孔の一部を覆うように、前記膜に貼り付け、前記貼着アセンブリを形成することを特徴とする膜評価方法。
【００１４】
このようにすれば、電解質膜において、変位膜と貼着している部分と弱変位膜と貼着している部分との界面付近で、大きな剪断力を生じさせることができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の膜評価方法において、前記膜は、燃料電池に用いられる電解質膜であることを特徴とする膜評価方法。
【００１６】
このようにすれば、燃料電池用電解質膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることを抑制することができる。
【００１７】
[適用例６]
湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する際に用いられる膜評価補助装置であって、湿度変化した場合における収縮力または膨張力が前記膜より大きく、前記膜に貼り付けられる変位膜と、前記膜の周縁部を保持する保持部と、を備えることを特徴とする膜評価補助装置。
【００１８】
上記構成の膜評価補助装置によれば、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることを抑制することができる。
【００１９】
[適用例７]
適用例６に記載の膜評価補助装置において、前記膜は、貫通孔を有しており、前記変位膜は、前記膜の貫通孔の少なくとも一部を覆うように、貼り付けられることを特徴とする膜評価補助装置。
【００２０】
このようにすれば、湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることをより抑制することができる。
【００２１】
[適用例８]
適用例６に記載の膜評価補助装置において、前記膜は、貫通孔を有しており、前記変位膜は、前記収縮力または膨張力が前記膜より大きく、枠状に形成され、前記膜の前記貫通孔の周縁部に沿って貼り付けられる第１変位膜と、前記収縮力または前記膨張力が前記第１変位膜より大きく、前記貫通孔を覆うように前記第１変位膜に貼り付けられる第２変位膜と、を備えることを特徴とする膜評価補助装置。
【００２２】
このようにすれば、第２変位膜の収縮力が大きい場合であっても、電解質膜と第１変位膜、第１変位膜と第２変位膜とが、それぞれ、剥離することを抑制することができ、すなわち、第２変位膜を電解質膜にしっかりと固定することができる。
【００２３】
[適用例９]
適用例７に記載の膜評価補助装置において、前記収縮力または前記膨張力が前記膜より小さい膜であって、前記変位膜に隣接するように配置すると共に、前記貫通孔の一部を覆うように、前記膜に貼り付けられる弱変位膜を備えることを特徴とする膜評価補助装置。
【００２４】
このようにすれば、電解質膜において、変位膜と貼着している部分と弱変位膜と貼着している部分との界面付近で、大きな剪断力を生じさせることができる。
【００２５】
[適用例１０]
適用例６ないし適用例９のいずれかに記載の膜評価補助装置において、前記膜は、燃料電池に用いられる電解質膜であることを特徴とする膜評価補助装置。
【００２６】
このようにすれば、燃料電池用電解質膜の耐久性を評価する場合に、時間がかかることを抑制することができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記した膜評価方法の他、燃料電池用電解質膜の評価方法など他の方法発明の態様として実現することも可能である。また、上記した膜評価補助装置の他、燃料電池用電解質膜の評価補助装置など他の装置発明の態様として実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．電解質膜評価方法：
図１は、第１実施例における電解質膜評価方法を示すフローチャートである。この電解質膜評価方法は、後述する電解質膜評価補助装置を用いて、湿度が変化した場合に収縮または膨張する電解質膜の耐久性を評価する方法である。この電解質膜評価方法を以下に説明する。
【００２９】
本実施例の電解質膜評価方法において、まず、図１に示すように、電解質膜、膜固定枠、変位膜を用意する（ステップＳ１０）。図２は、電解質膜１０、膜固定枠２０、および、変位膜３０の外観斜視図である。膜固定枠２０および変位膜３０は、電解質膜評価方法に用いられる電解質膜評価補助装置である。
【００３０】
電解質膜１０は、四角形状に形成され、燃料電池に用いられる固体高分子型電解質膜であり、湿度変化に応じて収縮または膨張する、パーフルオロスルホン酸などのフッ素系樹脂から成る。電解質膜１０は、フッ素系樹脂に限られず、炭化水素系樹脂で構成してもよい。また、電解質膜１０は、固体高分子型電解質膜に限られず、湿度変化に応じて収縮または膨張する他の燃料電池用電解質膜を用いても良い。
【００３１】
膜固定枠２０は、金属製であり、電解質膜１０の周縁部を固定するため内寸が電解質膜１０より若干小さく形成されている。変位膜３０は、湿度が変化した場合に、収縮率が電解質膜１０よりも大きく、すなわち、収縮力が電解質膜１０よりも大きいフッ素系樹脂から成る。変位膜３０の収縮力は、電解質膜１０よりも、１．１倍〜５倍程度大きいことが好ましく、１．５倍〜３倍程度大きいことがさらに好ましく、１．７倍〜２．５倍程度大きいことが特に好ましい。変位膜３０は、フッ素系樹脂に限られず、炭化水素系樹脂で構成してもよい。
【００３２】
続いて、電解質膜１０に貫通孔ＨＬを形成する（ステップＳ２０）。図３は、貫通孔ＨＬが形成された電解質膜を示す図である。貫通孔ＨＬが形成された電解質膜を、以下では、電解質膜１０Ａと呼ぶ。電解質膜１０Ａにおいて、貫通孔ＨＬは、略四角形であり、電解質膜１０Ａの略中央付近に形成される。電解質膜１０Ａにおいて、貫通孔ＨＬの大きさは、変位膜３０よりやや小さい程度の大きさとなっている。電解質膜１０Ａにおいて、貫通孔ＨＬの大きさは、それぞれの辺が、電解質膜１０Ａの内寸の２０％〜４０％程度の大きさとなるように形成されることが好ましい。
【００３３】
次に、膜固定枠２０に、電解質膜１０Ａの周縁部を固定する（ステップＳ３０）。図４は、電解質膜１０Ａが膜固定枠２０に固定された様子を示す図である。具体的には、図４（Ａ）は、電解質膜１０Ａが膜固定枠２０に固定された様子を示す外観斜視図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）におけるＺ−Ｚ断面図である。電解質膜１０Ａは、周縁部が、図４に示すように、膜固定枠２０に固定されるので、湿度が変化しても、収縮または膨張することができず、内部に大きな力がかかる。
【００３４】
続いて、膜固定枠２０に固定された電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬを覆うように、変位膜３０を電解質膜１０Ａに貼り付ける（貼着する）。図５は、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに変位膜３０を貼り付けた様子を示す図である。具体的には、図５（Ａ）は、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに変位膜３０を貼り付けた様子を示す外観斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。変位膜３０は、図５に示すように、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬの周縁部に貼着される。電解質膜１０Ａに変位膜３０が貼着されたアセンブリを貼着アセンブリＡＳとも呼ぶ。
【００３５】
そして、所定のチャンバー（図示せず）に貼着アセンブリＡＳを入れ、まず、そのチャンバーに加湿した空気を所定時間流すことにより貼着アセンブリＡＳを加湿雰囲気下に配置し、次に、チャンバー内に乾燥した空気を所定時間流し、貼着アセンブリＡＳを乾燥雰囲気下に配置する（ステップＳ５０）。
【００３６】
ステップＳ５０の工程において、貼着アセンブリＡＳを加湿雰囲気下および乾燥雰囲気下にそれぞれ１回づつ配置した状態を、繰り返し回数１として、カウントする（ステップＳ６０）。
【００３７】
ステップＳ５０の工程で、電解質膜１０Ａが破れなかった場合（ステップＳ７０：Ｎｏ）には、再度ステップＳ５０の工程にリターンする。
【００３８】
ステップＳ５０の工程で、電解質膜１０Ａが破れた場合（ステップＳ７０：Ｙｅｓ）には、ステップＳ６０の工程における繰り返し回数に基づいて、電解質膜１０Ａの耐久性を評価する（ステップＳ８０）。
【００３９】
以上のように、本実施例の電解質膜評価方法では、電解質膜１０Ａの周縁部が、膜固定枠２０に固定され、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬを覆うように、変位膜３０を電解質膜１０Ａに貼着し、貼着アセンブリＡＳを形成するようにしている。このようにすれば、ステップＳ５０の工程で、貼着アセンブリＡＳを湿度変化する状況に配置した場合において、変位膜３０が大きく収縮・膨張するので、電解質膜１０Ａに大きな引っ張り応力・押圧力を付加することができ、電解質膜の劣化を早めることができる。その結果、ステップＳ６０の工程における繰り返し回数のカウントを減少させることができ、電解質膜の耐久性の評価を迅速に行うことができる。
【００４０】
本実施例の貼着アセンブリＡＳの電解質膜１０Ａにおいて、変位膜３０が貼着される貫通孔ＨＬ周辺は、他の部分と比較して特に、変位膜３０により大きな引っ張り応力・押圧力が付加されると考えられる。そこで、電解質膜１０Ａにおいて、任意の場所に貫通孔ＨＬを設け、変位膜３０を貼着させるようにしてもよい。このようにすれば、貫通孔ＨＬを設けた場所周辺において、電解質膜の劣化を早めることができ、すなわち、電解質膜１０Ａにおいて、任意な場所の耐久性の評価を行うことができる。
【００４１】
Ａ２．比較例との対比：
図６は、本実施例および比較例の電解質膜評価方法を比較した比較結果を示す図である。具体的には、図６は、電解質膜評価方法において、最初に電解質膜が破れるまでの繰り返し回数を、本実施例と比較例とで対比させたグラフ図である。本実施例および比較例における電解質膜評価方法の設定条件を以下に説明する。以下では、本実施例の電解質膜評価方法を単に「実施例」とも呼び、比較例の電解質膜評価方法を単に「比較例」とも呼ぶ。
【００４２】
Ａ２−１．設定条件：
比較例における電解質膜は、電解質膜１０と同様の構成であり、貫通孔ＨＬが形成されず、また、変位膜３０も貼着されない。そして、比較例では、この電解質膜を用いて、膜固定枠２０に固定し、上記電解質膜評価方法（図１）におけるステップＳ５０〜Ｓ７０の工程を行った。本実施例および比較例の電解質膜は、収縮時の収縮率が約１０％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。
【００４３】
本実施例において、変位膜３０は、収縮時の収縮率が約２５％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。変位膜３０は、本実施例および比較例の電解質膜より厚く、収縮力が本実施例および比較例の電解質膜より約２倍程度となる膜を用いた。本実施例において、変位膜３０は、電解質膜１０Ａに約８０℃でホットプレスすることで貼着させた。
【００４４】
本実施例および比較例において、上記電解質膜評価方法のステップＳ５０の工程を行う場合には、チャンバーに電解質膜（本実施例では、貼着アセンブリＡＳ）を入れ、まず、チャンバーに相対湿度９５％の加湿空気を３０分流すことにより電解質膜を加湿雰囲気下に配置し、次に、チャンバーに相対湿度２０％の乾燥空気を３０分流すことにより電解質膜を乾燥雰囲気下に配置した。
【００４５】
Ａ２−２．対比結果：
以上の設定条件で、本実施例および比較例の電解質膜評価方法を行い、それぞれ、電解質膜が最初の膜裂けが起こるまでの繰り返し回数をカウントした。図６に示すように、本実施例では、電解質膜の最初の膜裂けが起こるまでに繰り返し回数が２００回程度であるのに対し、比較例では、３００回程度であり、本実施例の繰り返し回数は、比較例に対し３５％程度少なかった。このことから、本実施例の電解質膜評価方法は、比較例の電解質膜評価方法よりも繰り返し回数のカウントを減少させることができ、電解質膜の耐久性の評価を迅速に行うことができると実証された。
【００４６】
図７は、本実施例の電解質膜評価方法において最初の膜裂けの発生例を示す図である。上記実施例と比較例との対比において、本実施例の電解質膜評価方法を行った際、図７に示すように、貼着アセンブリＡＳにおいて、膜固定枠２０の角部周辺の電解質膜１０Ａが最初に膜裂けを起こした。
【００４７】
なお、本実施例において、電解質膜１０は、特許請求の範囲における膜または電解質膜に該当し、貫通孔ＨＬは、特許請求の範囲における貫通孔に該当し、膜固定枠２０は、特許請求の範囲における保持部に該当し、変位膜３０は、特許請求の範囲における変位膜に該当し、貼着アセンブリＡＳは、特許請求の範囲における貼着アセンブリに該当する。
【００４８】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．電解質膜評価方法：
図８は、第２実施例における電解質膜評価方法を示すフローチャートである。この電解質膜評価方法は、第１実施例とは異なる後述の電解質膜評価補助装置を用いて、湿度が変化した場合に収縮または膨張する電解質膜の耐久性を評価する方法である。この電解質膜評価方法を以下に説明する。
【００４９】
本実施例の電解質膜評価方法において、まず、図８に示すように、電解質膜、膜固定枠、第１変位膜、第２変位膜を用意する（ステップＳ１００）。ここで用意する電解質膜および膜固定枠は、第１実施例の電解質膜１０および膜固定枠２０と同様の構成であり、その説明を省略すると共に以下同符号で示す。
【００５０】
図９は、第１変位膜４０、および、第２変位膜５０の外観斜視図である。膜固定枠２０、第１変位膜４０、および、第２変位膜５０は、本実施例の電解質膜評価方法に用いられる電解質膜評価補助装置である。
【００５１】
第１変位膜４０は、枠状に形成され、湿度が変化した場合に、収縮率が電解質膜１０よりも大きく、すなわち、収縮力が電解質膜１０よりも大きいフッ素系樹脂から成る。第２変位膜５０は、四角形状に形成され、第１変位膜４０よりも湿度が変化した場合に、収縮率が電解質膜１０よりも大きく、すなわち、収縮力が電解質膜１０よりも大きいフッ素系樹脂から成る。第１変位膜４０または第２変位膜５０は、フッ素系樹脂に限られず、炭化水素系樹脂で構成してもよい。
【００５２】
続いて、第１実施例における図３のごとく、電解質膜１０に貫通孔ＨＬを形成する（ステップＳ１１０）。第１実施例同様に、貫通孔ＨＬが形成された電解質膜を、電解質膜１０Ａと呼ぶ。
【００５３】
次に、第１実施例における図４のごとく、膜固定枠２０に、電解質膜１０Ａの周縁部を固定する（ステップＳ１２０）。
【００５４】
続いて、膜固定枠２０に固定された電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに沿って、第１変位膜４０を電解質膜１０Ａに貼り付ける（貼着する）。図１０は、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬの周縁部に沿って第１変位膜４０を貼り付けた様子を示す図である。具体的には、図１０（Ａ）は、貫通孔ＨＬの周縁部に沿って第１変位膜４０を貼り付けた様子を示す外観斜視図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。第１変位膜４０は、図１０に示すように、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬの周縁部に貼着される。電解質膜１０Ａに第１変位膜４０が貼着されたアセンブリを貼着アセンブリＡＳ１とも呼ぶ。
【００５５】
さらに、貼着アセンブリＡＳ１における貫通孔ＨＬを覆うように、第２変位膜５０を第１変位膜４０に貼り付ける（貼着する）。図１１は、第１変位膜４０に第２変位膜５０を貼り付けた様子を示す図である。具体的には、図１１（Ａ）は、第１変位膜４０に第２変位膜５０を貼り付けた様子を示す外観斜視図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。第２変位膜５０は、図１１に示すように、第１変位膜４０の内枠周縁部に貼着される。貼着アセンブリＡＳ１に第２変位膜５０が貼着されたアセンブリを貼着アセンブリＡＳ２とも呼ぶ。
【００５６】
そして、所定のチャンバー（図示せず）に貼着アセンブリＡＳ２を入れ、まず、そのチャンバーに加湿した空気を所定時間流すことにより貼着アセンブリＡＳ２を加湿雰囲気下に配置し、次に、チャンバー内に乾燥した空気を所定時間流し、貼着アセンブリＡＳ２を乾燥雰囲気下に配置する（ステップＳ１５０）。
【００５７】
ステップＳ１５０の工程において、貼着アセンブリＡＳ２を加湿雰囲気下および乾燥雰囲気下にそれぞれ１回づつ配置した状態を、繰り返し回数１として、カウントする（ステップＳ１６０）。
【００５８】
ステップＳ１５０の工程で、電解質膜１０Ａが破れなかった場合（ステップＳ１７０：Ｎｏ）には、再度ステップＳ１５０の工程にリターンする。
【００５９】
ステップＳ１５０の工程で、電解質膜１０Ａが破れた場合（ステップＳ１７０：Ｙｅｓ）には、ステップＳ１６０の工程における繰り返し回数に基づいて、電解質膜１０Ａの耐久性を評価する（ステップＳ１８０）。
【００６０】
ところで、上記第１実施例の電解質膜評価方法では、変位膜３０を電解質膜１０Ａに貼着するようにしているが、変位膜３０の収縮力が非常に大きいと、変位膜３０が湿度変化により収縮する際、変位膜３０が収縮により波うち、変位膜３０と電解質膜１０Ａとの貼着部分（図５（Ｂ））で、変位膜３０と電解質膜１０Ａとが剥離するおそれがあった。
【００６１】
一方、以上のように、本実施例の電解質膜評価方法では、収縮力が大きい第２変位膜５０を直接的に電解質膜１０Ａに貼着（固定）せず、電解質膜１０Ａよりは収縮力が大きく第２変位膜５０よりは収縮力が小さい中間的な第１変位膜４０を介して電解質膜１０Ａに固定するようにしている。このようにすれば、電解質膜１０Ａと第１変位膜４０との貼着部分（図１１（Ｂ））において、第１変位膜４０が収縮により波うっても電解質膜１０Ａも同調するように波うち、また、第１変位膜４０と第２変位膜５０との貼着部分（図１１（Ｂ））において、第２変位膜５０が収縮により波打っても第１変位膜４０も同調するように波うつ。従って、第２変位膜５０の収縮力が非常に大きい場合であっても、電解質膜１０Ａと第１変位膜４０、第１変位膜４０と第２変位膜５０とが、それぞれ、剥離することを抑制することができ、すなわち、第２変位膜５０を電解質膜１０Ａにしっかりと固定することができる。
【００６２】
また、本実施例の電解質膜評価方法では、収縮力が大きい第２変位膜５０を電解質膜１０Ａに固定し、貼着アセンブリＡＳ２を形成するようにしている。このようにすれば、ステップＳ１５０の工程で、貼着アセンブリＡＳ２を湿度変化する状況に配置した場合において、第２変位膜５０が大きく収縮・膨張するので、電解質膜１０Ａに大きな引っ張り応力・押圧力を付加することができ、電解質膜の劣化を早めることができる。その結果、ステップＳ１６０の工程における繰り返し回数のカウントを減少させることができ、電解質膜の耐久性の評価を迅速に行うことができる。
【００６３】
本実施例の貼着アセンブリＡＳ２の電解質膜１０Ａにおいて、第１変位膜４０が貼着され、第２変位膜５０が固定される貫通孔ＨＬ周辺は、他の部分と比較して特に、第２変位膜５０により大きな引っ張り応力・押圧力が付加されると考えられる。そこで、電解質膜１０Ａにおいて、任意の場所に貫通孔ＨＬを設け、第１変位膜４０を貼着し、第２変位膜５０を固定させるようにしてもよい。このようにすれば、貫通孔ＨＬを設けた場所周辺において、電解質膜の劣化を早めることができ、すなわち、電解質膜１０Ａにおいて、任意な場所の耐久性の評価を行うことができる。
【００６４】
Ｂ２．比較例との対比：
図１２は、本実施例および比較例の電解質膜評価方法を比較した比較結果を示す図である。具体的には、図１２は、電解質膜評価方法において、最初に電解質膜が破れるまでの繰り返し回数を、本実施例と比較例とで対比させたグラフ図である。本実施例および比較例における電解質膜評価方法の設定条件を以下に説明する。以下では、本実施例の電解質膜評価方法を単に「実施例」とも呼び、比較例の電解質膜評価方法を単に「比較例」とも呼ぶ。
【００６５】
Ｂ２−１．設定条件：
比較例における電解質膜は、電解質膜１０と同様の構成であり、貫通孔ＨＬが形成されず、また、変位膜３０も貼着されない。そして、比較例では、この電解質膜を用いて、膜固定枠２０に固定し、上記電解質膜評価方法（図８）におけるステップＳ１５０〜Ｓ１７０の工程を行った。本実施例および比較例の電解質膜は、収縮時の収縮率が約１０％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。
【００６６】
本実施例において、第１変位膜４０は、収縮時の収縮率が約２０％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。第２変位膜５０は、収縮時の収縮率が約３５％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。第２変位膜５０は、本実施例および比較例の電解質膜より厚く、収縮力が本実施例および比較例の電解質膜より約３倍程度となる膜を用いた。本実施例において、第１変位膜４０は、電解質膜１０Ａに約８０℃でホットプレスすることで貼着させた。第２変位膜５０は、第１変位膜４０に約８０℃でホットプレスすることで貼着させた。
【００６７】
本実施例および比較例において、上記電解質膜評価方法のステップＳ１５０の工程を行う場合には、チャンバーに電解質膜（本実施例では、貼着アセンブリＡＳ２）を入れ、まず、チャンバーに相対湿度９５％の加湿空気を３０分流すことにより電解質膜を加湿雰囲気下に配置し、次に、チャンバーに相対湿度２０％の乾燥空気を３０分流すことにより電解質膜を乾燥雰囲気下に配置した。
【００６８】
なお、本実施例において、電解質膜１０は、特許請求の範囲における膜または電解質膜に該当し、第１変位膜４０は、特許請求の範囲における第１変位膜に該当し、第２変位膜５０は、特許請求の範囲における第２変位膜に該当し、貫通孔ＨＬは、特許請求の範囲における貫通孔に該当する。
【００６９】
Ｂ２−２．対比結果：
以上の設定条件で、本実施例および比較例の電解質膜評価方法を行い、それぞれ、電解質膜が最初の膜裂けが起こるまでの繰り返し回数をカウントした。図１２に示すように、本実施例では、電解質膜の最初の膜裂けが起こるまでに繰り返し回数が１５０回程度であるのに対し、比較例では、３００回程度であり、本実施例の繰り返し回数は、比較例に対し５０％程度少なかった。このことから、本実施例の電解質膜評価方法は、比較例の電解質膜評価方法よりも繰り返し回数のカウントを減少させることができ、電解質膜の耐久性の評価を迅速に行うことができると実証された。
【００７０】
図１３は、本実施例の電解質膜評価方法において最初の膜裂けの発生例を示す図である。上記実施例と比較例との対比において、本実施例の電解質膜評価方法を行った際、図１３に示すように、貼着アセンブリＡＳにおいて、膜固定枠２０の角部周辺の電解質膜１０Ａが最初に膜裂けを起こした。
【００７１】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ１．電解質膜評価方法：
図１４は、第３実施例における電解質膜評価方法を示すフローチャートである。この電解質膜評価方法は、第１実施例とは異なる後述の電解質膜評価補助装置を用いて、湿度が変化した場合に収縮または膨張する電解質膜の耐久性を評価する方法である。この電解質膜評価方法を以下に説明する。
【００７２】
本実施例の電解質膜評価方法において、まず、図１４に示すように、電解質膜、膜固定枠、変位膜、および、非変位膜を用意する（ステップＳ２００）。ここで用意する電解質膜および膜固定枠は、第１実施例の電解質膜１０および膜固定枠２０と同様の構成であり、その説明を省略すると共に以下同符号で示す。
【００７３】
図１５は、変位膜３０Ａおよび非変位膜７０の外観斜視図である。膜固定枠２０、変位膜３０Ａ、および、非変位膜７０は、本実施例の電解質膜評価方法に用いられる電解質膜評価補助装置である。
【００７４】
変位膜３０Ａは、四角形状に形成され、湿度が変化した場合に、収縮率が電解質膜１０よりも大きく、すなわち、収縮力が電解質膜１０よりも大きいフッ素系樹脂から成る。変位膜３０Ａは、第１実施例の変位膜３０と比較して、面積が約半分程度となっている。変位膜３０Ａの収縮力は、電解質膜１０よりも、１．１倍〜５倍程度大きいことが好ましく、１．５倍〜３倍程度大きいことがさらに好ましく、１．７倍〜２．５倍程度大きいことが特に好ましい。変位膜３０Ａは、フッ素系樹脂に限られず、炭化水素系樹脂で構成してもよい。
【００７５】
非変位膜７０は、変位膜３０Ａと同一形状、同一の大きさであり、吸湿性がなく、すなわち、湿度が変化しても収縮しない膜であり、ポリエチレンから成る。非変位膜７０は、湿度が変化しても収縮しない膜であればよく、プラスチックやカーボン等で構成してもよい。
【００７６】
続いて、第１実施例における図３のごとく、電解質膜１０に貫通孔ＨＬを形成する（ステップＳ２１０）。第１実施例同様に、貫通孔ＨＬが形成された電解質膜を、電解質膜１０Ａと呼ぶ。
【００７７】
次に、第１実施例における図４のごとく、膜固定枠２０に、電解質膜１０Ａの周縁部を固定する（ステップＳ２２０）。
【００７８】
続いて、膜固定枠２０に固定された電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬの半分程度を覆うように、変位膜３０Ａを電解質膜１０Ａに貼り付ける（貼着する）。図１６は、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに変位膜３０Ａを貼り付けた様子を示す図である。具体的には、図１６（Ａ）は、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに変位膜３０Ａを貼り付けた様子を示す外観斜視図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）におけるＤ−Ｄ断面図である。変位膜３０Ａは、図１６に示すように、電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬの半分程度を覆うように、貫通孔ＨＬの周縁部に貼着される。電解質膜１０Ａに変位膜３０Ａが貼着されたアセンブリを貼着アセンブリＡＳ３とも呼ぶ。
【００７９】
そして、貼着アセンブリＡＳ３における貫通孔ＨＬの残り半分程度を覆うように、非変位膜７０を電解質膜１０Ａに貼り付ける（貼着する）。図１７は、貼着アセンブリＡＳ３における貫通孔ＨＬに非変位膜７０を貼り付けた様子を示す図である。具体的には、図１７（Ａ）は、貼着アセンブリＡＳ３における貫通孔ＨＬに非変位膜７０を貼り付けた様子を示す外観斜視図であり、図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）におけるＥ−Ｅ断面図である。非変位膜７０は、図１７に示すように、貼着アセンブリＡＳ３の貫通孔ＨＬの残り半分程度を覆うと共に、変位膜３０Ａに隣接して貫通孔ＨＬの周縁部に貼着される。貼着アセンブリＡＳ３に変位膜３０Ａが貼着されたアセンブリを貼着アセンブリＡＳ４とも呼ぶ。
【００８０】
そして、所定のチャンバー（図示せず）に貼着アセンブリＡＳ４を入れ、まず、そのチャンバーに加湿した空気を所定時間流すことにより貼着アセンブリＡＳ４を加湿雰囲気下に配置し、次に、チャンバー内に乾燥した空気を所定時間流し、貼着アセンブリＡＳ４を乾燥雰囲気下に配置する（ステップＳ２５０）。
【００８１】
ステップＳ２５０の工程において、貼着アセンブリＡＳ４を加湿雰囲気下および乾燥雰囲気下にそれぞれ１回づつ配置した状態を、繰り返し回数１として、カウントする（ステップＳ２６０）。
【００８２】
ステップＳ２５０の工程で、電解質膜１０Ａが破れなかった場合（ステップＳ２７０：Ｎｏ）には、再度ステップＳ２５０の工程にリターンする。
【００８３】
ステップＳ２５０の工程で、電解質膜１０Ａが破れた場合（ステップＳ２７０：Ｙｅｓ）には、ステップＳ２６０の工程における繰り返し回数に基づいて、電解質膜１０Ａの耐久性を評価する（ステップＳ２８０）。
【００８４】
以上のように、本実施例の電解質膜評価方法では、貼着アセンブリＡＳ４において、貫通孔ＨＬを覆うように、変位膜３０Ａおよび非変位膜７０が貼着されると共に、変位膜３０Ａと非変位膜７０とが隣接して配置されている。このようにすれば、電解質膜１０Ａにおいて、変位膜３０と貼着している部分では、引っ張り応力・押圧力が大きいのに対し、非変位膜７０と貼着している部分では、引っ張り応力・押圧力が小さいので、電解質膜１０Ａを収縮または膨張させると、変位膜３０Ａと貼着している部分と非変位膜７０と貼着している部分との界面付近で、大きな剪断力を生じさせることができる。従って、電解質膜の劣化を早めることができる。その結果、ステップＳ２６０の工程における繰り返し回数のカウントを減少させることができ、電解質膜の耐久性の評価を迅速に行うことができる。
【００８５】
本実施例の貼着アセンブリＡＳ４の電解質膜１０Ａにおいて、変位膜３０Ａが貼着される部分と非変位膜７０が貼着される部分との界面周辺は、他の部分と比較して、大きな剪断力が生じると考えられる。そこで、電解質膜１０Ａにおいて、任意の場所に貫通孔ＨＬを設け、変位膜３０Ａおよび非変位膜７０を隣接するように貼着させるようにしてもよい。このようにすれば、貫通孔ＨＬを設けた場所周辺（上記界面周辺）において、電解質膜の劣化を早めることができ、すなわち、電解質膜１０Ａにおいて、任意な場所の耐久性の評価を行うことができる。
【００８６】
Ｃ２．比較例との対比：
図１８は、本実施例および比較例の電解質膜評価方法を比較した比較結果を示す図である。具体的には、図１８は、電解質膜評価方法において、最初に電解質膜が破れるまでの繰り返し回数を、本実施例と比較例とで対比させたグラフ図である。本実施例および比較例における電解質膜評価方法の設定条件を以下に説明する。以下では、本実施例の電解質膜評価方法を単に「実施例」とも呼び、比較例の電解質膜評価方法を単に「比較例」とも呼ぶ。
【００８７】
Ｃ２−１．設定条件：
比較例における電解質膜は、電解質膜１０と同様の構成であり、貫通孔ＨＬが形成されず、また、変位膜３０も貼着されない。そして、比較例では、この電解質膜を用いて、膜固定枠２０に固定し、上記電解質膜評価方法（図１４）におけるステップＳ２５０〜Ｓ２７０の工程を行った。本実施例および比較例の電解質膜は、収縮時の収縮率が約１０％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。
【００８８】
本実施例において、変位膜３０Ａは、収縮時の収縮率が約２５％、膨張時の膨張率が約２％程度の膜を用いた。変位膜３０Ａは、本実施例および比較例の電解質膜より厚く、収縮力が本実施例および比較例の電解質膜より約２倍程度となる膜を用いた。本実施例において、変位膜３０Ａおよび非変位膜７０は、電解質膜１０Ａに約８０℃でホットプレスすることで貼着させた。
【００８９】
本実施例および比較例において、上記電解質膜評価方法のステップＳ２５０の工程を行う場合には、チャンバーに電解質膜（本実施例では、貼着アセンブリＡＳ４）を入れ、まず、チャンバーに相対湿度９５％の加湿空気を３０分流すことにより電解質膜を加湿雰囲気下に配置し、次に、チャンバーに相対湿度２０％の乾燥空気を３０分流すことにより電解質膜を乾燥雰囲気下に配置した。
【００９０】
Ｃ２−２．対比結果：
以上の設定条件で、本実施例および比較例の電解質膜評価方法を行い、それぞれ、電解質膜が最初の膜裂けが起こるまでの繰り返し回数をカウントした。図１８に示すように、本実施例では、電解質膜の最初の膜裂けが起こるまでに繰り返し回数が１５０回程度であるのに対し、比較例では、３００回程度であり、本実施例の繰り返し回数は、比較例に対し５０％程度少なかった。このことから、本実施例の電解質膜評価方法は、比較例の電解質膜評価方法よりも繰り返し回数のカウントを減少させることができ、電解質膜の耐久性の評価を迅速に行うことができると実証された。
【００９１】
図１９は、本実施例の電解質膜評価方法において最初の膜裂けの発生例を示す図である。上記実施例と比較例との対比において、本実施例の電解質膜評価方法を行った際、図１８に示すように、貼着アセンブリＡＳ４において、変位膜３０Ａが貼着される部分と非変位膜７０が貼着される部分との界面部分が最初に膜裂けを起こした。このことは、変位膜３０Ａが貼着される部分と非変位膜７０が貼着される部分との界面部分に、大きな剪断力が生じることを実証している。
【００９２】
なお、本実施例において、電解質膜１０は、特許請求の範囲における膜または電解質膜に該当し、変位膜３０Ａは、特許請求の範囲における変位膜に該当し、非変位膜７０は、特許請求の範囲における弱変位膜に該当し、貫通孔ＨＬは、特許請求の範囲における貫通孔に該当する。
【００９３】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。
【００９４】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、電解質膜に貫通孔を設け、その周縁部を覆うように、収縮力が大きい変位膜を貼着するようにしているが、本発明は、これに限られるものではなく、電解質膜に貫通孔を設けず、電解質膜の所定部位に変位膜を貼着するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【００９５】
Ｄ２．変形例２：
上記第３実施例において、非変位膜７０は、吸湿性がなく、すなわち、湿度が変化しても収縮しない膜としているが、本発明は、これに限られるものではなく、非変位膜７０は、湿度が変化した場合において、電解質膜１０よりも収縮力が小さい膜であればよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。
【００９６】
Ｄ３．変形例３：
上記第３実施例において、非変位膜７０は、変位膜３０Ａと同一形状、同一の大きさとしているが、本発明は、これに限られるものではなく、非変位膜７０は、変位膜３０Ａより大きくしてもよいし、小さいくしてもよい。このようにすれば、電解質膜１０Ａにおいて、変位膜３０Ａが貼着される部分と非変位膜７０が貼着される部分との界面部分の位置を変えることができ、電解質膜１０Ａにおける任意の位置の耐久性を評価することができる。
【００９７】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例において、電解質膜に貫通孔を設け、その周縁部を覆うように、収縮力が大きい変位膜を用いているが、この変位膜の角を丸みを帯びさせるようにしても良い。このようにすれば、変位膜と電解質膜との貼着部分において、接着力を高めることができる。
【００９８】
Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池用の電解質膜を評価するようにしているが、種々の膜に対して、上記評価方法を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】第１実施例における電解質膜評価方法を示すフローチャートである。
【図２】電解質膜１０、膜固定枠２０、および変位膜３０の外観斜視図である。
【図３】貫通孔ＨＬが形成された電解質膜を示す図である。
【図４】電解質膜１０Ａが膜固定枠２０に固定された様子を示す図である。
【図５】電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに変位膜３０を貼り付けた様子を示す図である。
【図６】第１実施例および比較例の電解質膜評価方法を比較した比較結果を示す図である。
【図７】第１実施例の電解質膜評価方法において最初の膜裂けの発生例を示す図である。
【図８】第２実施例における電解質膜評価方法を示すフローチャートである。
【図９】第１変位膜４０および第２変位膜５０の外観斜視図である。
【図１０】電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬの周縁部に沿って第１変位膜４０を貼り付けた様子を示す図である。
【図１１】第１変位膜４０に第２変位膜５０を貼り付けた様子を示す図である。
【図１２】第２実施例および比較例の電解質膜評価方法を比較した比較結果を示す図である。
【図１３】第２実施例の電解質膜評価方法において最初の膜裂けの発生例を示す図である。
【図１４】第３実施例における電解質膜評価方法を示すフローチャートである。
【図１５】変位膜３０Ａおよび非変位膜７０の外観斜視図である。
【図１６】電解質膜１０Ａの貫通孔ＨＬに変位膜３０Ａを貼り付けた様子を示す図である。
【図１７】貼着アセンブリＡＳ３における貫通孔ＨＬに非変位膜７０を貼り付けた様子を示す図である。
【図１８】第３実施例および比較例の電解質膜評価方法を比較した比較結果を示す図である。
【図１９】第３実施例の電解質膜評価方法において最初の膜裂けの発生例を示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１０…電解質膜
１０Ａ…電解質膜
２０…膜固定枠
３０…変位膜
３０Ａ…変位膜
４０…第１変位膜
５０…第２変位膜
７０…非変位膜
ＨＬ…貫通孔
ＡＳ…貼着アセンブリ
ＡＳ１…貼着アセンブリ
ＡＳ２…貼着アセンブリ
ＡＳ３…貼着アセンブリ
ＡＳ４…貼着アセンブリ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価するための膜評価方法であって、
湿度変化した場合における収縮力または膨張力が前記膜より大きい変位膜を用意する変位膜用意工程と、
前記膜に、前記変位膜を貼り付け、前記膜と変位膜とから成る貼着アセンブリを形成する貼着工程と、
前記膜の周縁部を保持する保持工程と、
前記貼着工程および前記保持工程後、前記貼着アセンブリを、加湿雰囲気下または乾燥雰囲気下に配置する乾湿工程と、
を備えることを特徴とする膜評価方法。
【請求項２】
請求項１に記載の膜評価方法において、
前記膜は、貫通孔が形成されており、
前記貼着工程は、
前記膜の前記貫通孔の少なくとも一部を覆うように、前記変位膜を貼り付け、前記貼着アセンブリを形成することを特徴とする膜評価方法。
【請求項３】
請求項１に記載の膜評価方法において、
前記膜は、貫通孔が形成されており、
前記変位膜用意工程は、
前記収縮力または前記膨張力が前記膜より大きく、枠状に形成される第１変位膜と、前記収縮力または前記膨張力が前記第１変位膜より大きい第２変位膜と、を用意する工程を含み、
前記貼着工程は、
前記膜の前記貫通孔の周縁部に沿って、前記第１変位膜を貼り付けると共に、前記第２変位膜を、前記貫通孔の少なくとも一部を覆うように、前記第１変位膜に貼り付け、前記貼着アセンブリを形成する第２貼着工程と、
を含むことを特徴とする膜評価方法。
【請求項４】
請求項２に記載の膜評価方法において、
前記収縮力または前記膨張力が前記膜より小さい弱変位膜を用意する弱変位膜用意工程を備え、
前記貼着工程は、
前記弱変位膜を、前記変位膜に隣接するように配置すると共に、前記貫通孔の一部を覆うように、前記膜に貼り付け、前記貼着アセンブリを形成することを特徴とする膜評価方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の膜評価方法において、
前記膜は、燃料電池に用いられる電解質膜であることを特徴とする膜評価方法。
【請求項６】
湿度が変化した場合に収縮または膨張する膜の耐久性を評価する際に用いられる膜評価補助装置であって、
湿度変化した場合における収縮力または膨張力が前記膜より大きく、前記膜に貼り付けられる変位膜と、
前記膜の周縁部を保持する保持部と、
を備えることを特徴とする膜評価補助装置。
【請求項７】
請求項６に記載の膜評価補助装置において、
前記膜は、貫通孔を有しており、
前記変位膜は、
前記膜の貫通孔の少なくとも一部を覆うように、貼り付けられることを特徴とする膜評価補助装置。
【請求項８】
請求項６に記載の膜評価補助装置において、
前記膜は、貫通孔を有しており、
前記変位膜は、
前記収縮力または膨張力が前記膜より大きく、枠状に形成され、前記膜の前記貫通孔の周縁部に沿って貼り付けられる第１変位膜と、
前記収縮力または前記膨張力が前記第１変位膜より大きく、前記貫通孔を覆うように前記第１変位膜に貼り付けられる第２変位膜と、
を備えることを特徴とする膜評価補助装置。
【請求項９】
請求項７に記載の膜評価補助装置において、
前記収縮力または前記膨張力が前記膜より小さい膜であって、前記変位膜に隣接するように配置すると共に、前記貫通孔の一部を覆うように、前記膜に貼り付けられる弱変位膜を備えることを特徴とする膜評価補助装置。
【請求項１０】
請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の膜評価補助装置において、
前記膜は、燃料電池に用いられる電解質膜であることを特徴とする膜評価補助装置。

【図１】