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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-16
(45)【発行日】2024-02-27
(54)【発明の名称】電気化学デバイスの評価方法
(51)【国際特許分類】
H01G 11/06 20130101AFI20240219BHJP
H01G 11/56 20130101ALI20240219BHJP
H01G 11/32 20130101ALI20240219BHJP
H01G 11/24 20130101ALI20240219BHJP
H01G 11/86 20130101ALI20240219BHJP
H01M 4/86 20060101ALI20240219BHJP
H01M 4/96 20060101ALI20240219BHJP
H01M 8/10 20160101ALI20240219BHJP
H01G 13/00 20130101ALN20240219BHJP
【ＦＩ】
H01G11/06
H01G11/56
H01G11/32
H01G11/24
H01G11/86
H01M4/86 M
H01M4/96 M
H01M8/10 101
H01G13/00 381
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2020517075
(86)(22)【出願日】2019-04-26
(86)【国際出願番号】 JP2019018073
(87)【国際公開番号】W WO2019212056
(87)【国際公開日】2019-11-07
【審査請求日】2022-04-26
(31)【優先権主張番号】P 2018088733
(32)【優先日】2018-05-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】515295968
【氏名又は名称】株式会社カワノラボ
(74)【代理人】
【識別番号】100168583
【弁理士】
【氏名又は名称】前井 宏之
(72)【発明者】
【氏名】松井 浩志
(72)【発明者】
【氏名】今井 隆之
(72)【発明者】
【氏名】河野 誠
(72)【発明者】
【氏名】森 清香
【審査官】石坂 博明
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－２７７５０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０９１７３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０６９２６０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平１１－０４０１７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】河野誠，磁化率を利用した新しい粒子分析装置MAIty，on-line，2014年07月25日，https://shingi.jst.go.jp/pdf/2014/1418_osaka11.pdf
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｇ １１／０６
Ｈ０１Ｇ １１／５６
Ｈ０１Ｇ １１／３２
Ｈ０１Ｇ １１／２４
Ｈ０１Ｇ １１／８６
Ｈ０１Ｍ ４／８６
Ｈ０１Ｍ ４／９６
Ｈ０１Ｍ ８／１０
Ｈ０１Ｇ １３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気化学デバイスの特性を評価する評価方法であって、前記電気化学デバイスの電極部材は、担持体と、前記担持体に担持された電解材料とを含み、
前記担持体は、複数の第１粒子を含み、
前記複数の第１粒子の各々は、細孔を有し、
前記評価方法は、
前記担持体から前記第１粒子を採取する工程と、
前記第１粒子を磁気泳動させる工程と、
前記第１粒子の磁気泳動速度と、前記第１粒子の粒子径とに基づいて、前記第１粒子の体積磁化率を測定する工程と、
前記体積磁化率に対する前記第１粒子の数の割合を示すグラフを作成する工程と、
前記グラフにピーク波形が含まれるか否かを判定する工程と、
前記グラフに前記ピーク波形が含まれる場合、前記ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値が特定の範囲に含まれるか否かに基づいて、前記電気化学デバイスの特性を評価する工程と、
前記第１粒子の体積磁化率から前記第１粒子の空隙率を測定する工程と、
前記第１粒子の空隙率に基づいて前記電気化学デバイスの特性を評価する工程と
を包含し、
前記第１粒子の空隙率を測定する工程は、
前記第１粒子と同じ種類の粒子であって、前記電解材料を担持していない第２粒子を磁気泳動させる工程と、
前記第２粒子の磁気泳動速度と、前記第２粒子の粒子径とに基づいて、前記第２粒子の体積磁化率を測定する工程と、
前記第１粒子の体積磁化率と、前記第２粒子の体積磁化率とに基づいて、前記第１粒子の空隙率を測定する工程と
を包含する、電気化学デバイスの評価方法。
【請求項2】
前記電解材料は、リチウムイオンを含む、請求項１に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【請求項3】
前記担持体は、アルカリ金属成分を担持する、請求項２に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【請求項4】
前記担持体は、触媒を担持する、請求項１に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【請求項5】
前記担持体は、界面活性剤を担持する、請求項４に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【請求項6】
前記電解材料は、アイオノマーを含む、請求項４又は請求項５に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【請求項7】
前記担持体は、炭素材料を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【請求項8】
前記担持体は、活性炭を含む、請求項７に記載の電気化学デバイスの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、構造体、電気化学デバイス、及び構造体の評価支援方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電気化学デバイスとして、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ、及び燃料電池が知られている。
【0003】
リチウムイオンキャパシタは、通常、正極として、活性炭を含む電極を備え、負極として、リチウムイオン電池の負極と同様のリチウム吸蔵炭素材料を備える。リチウムイオンキャパシタは、正極でイオンを吸脱着し、負極でリチウムイオンを吸蔵放出することで充放電を行う（例えば、特許文献１参照。）。
【0004】
電気二重層キャパシタは、通常、正極及び負極として、活性炭を含む電極を備える。電気二重層キャパシタでは、電解質イオンの物理的な吸脱着により充放電が行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【0005】
リチウムイオンキャパシタ及び電気二重層キャパシタは、電極と電解液との接触面積が大きいほど静電容量が高くなる。活性炭は多孔質であり、活性炭の表面には多くの細孔が形成されている。したがって、活性炭の比表面積は大きく、電極の材料に活性炭を使用することで静電容量を高めることができる。換言すると、電極の材料に多孔質性材料を使用することで、リチウムイオンキャパシタ及び電気二重層キャパシタの性能を高めることができる。
【0006】
燃料電池は、電解質の種類や電極の種類等により種々のタイプに分類される。代表的なものとして、アルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、及び固体高分子型（ＰＥＦＣ）がある。
【0007】
例えば、固体高分子型燃料電池は、膜－電極接合体（ＭＥＡ）を備える。膜－電極接合体は、高分子電解質膜、カソード側電極、及びアノード側電極によって構成される。カソード側電極及びアノード側電極は、高分子電解質膜の両面に形成される。カソード側電極及びアノード側電極は、電極触媒層とガス拡散層とを備え、電極触媒層は、通常、カーボンブラックを有する。カーボンブラックは、白金等の触媒を担持している。また、カーボンブラックは、アイオノマー（イオン交換性高分子）を担持している（例えば、特許文献２、３参照。）。
【0008】
固体高分子型燃料電池は、触媒層内におけるアイオノマーと触媒との接触面積が大きいほど電流密度が高くなる。カーボンブラック（２次粒子）は多孔質であり、カーボンブラックの表面には多くの細孔が形成されている。したがって、カーボンブラックの比表面積は大きく、触媒担持体にカーボンブラックを使用することで、アイオノマー及び触媒の担持量を増やして電流密度を高めることができる。換言すると、触媒担持体に多孔質性材料を使用して細孔内にアイオノマー及び触媒を担持させることで、固体高分子型燃料電池の性能を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開２０１７－１６８８３２号公報
【文献】特開２０１６－０８５８９４号公報
【文献】特開２００６－００４６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、電気化学デバイスの電極の材料に多孔質性材料を使用する場合であっても、細孔内に入り込む電解液又はアイオノマーのような電解材料の量が少なければ、電気化学デバイスの特性を向上させることができない。
【0011】
本発明者は、電気化学デバイスについて鋭意検討し、本発明を完成させた。本発明の目的は、電気化学デバイスの性能を向上させる構造体、及びその構造体を備えた電気化学デバイス、並びに構造体の評価支援方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明に係る構造体は、電解材料と、前記電解材料を担持する担持体とを備える。前記担持体は、複数の粒子を含み、前記複数の粒子の各々は、細孔を有している。また、体積磁化率に対する前記粒子の数の割合を示すグラフが、ピーク波形を含み、前記ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値が、１．０×１０-6未満を示す。
【0013】
ある実施形態において、前記ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値は、０．３×１０-6以下を示す。
【0014】
ある実施形態において、前記ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値は、０．１×１０-6以下を示す。
【0015】
ある実施形態において、前記粒子の空隙率は、７５以上を示す。
【0016】
ある実施形態において、前記粒子の空隙率は、８０以上を示す。
【0017】
ある実施形態において、前記粒子の空隙率は、８５以上を示す。
【0018】
ある実施形態において、前記電解材料は、リチウムイオンを含む。
【0019】
ある実施形態において、前記担持体は、アルカリ金属成分を担持する。
【0020】
ある実施形態において、前記担持体は、触媒を担持する。
【0021】
ある実施形態において、前記担持体は、界面活性剤を担持する。
【0022】
ある実施形態において、前記電解材料は、アイオノマーを含む。
【0023】
ある実施形態において、前記担持体は、炭素材料を含む。
【0024】
ある実施形態において、前記担持体は、活性炭を含む。
【0025】
本発明に係る電気化学デバイスは、上記の構造体を備える。
【0026】
本発明に係る評価支援方法は、構造体を評価する作業を支援する。前記構造体は、電解材料と、前記電解材料を担持する担持体とを備える。前記担持体は、複数の粒子を含み、前記複数の粒子の各々は、細孔を有している。前記評価支援方法は、前記担持体から前記粒子を採取する工程と、前記粒子の体積磁化率を測定する工程と、前記体積磁化率に対する前記粒子の数の割合を示すグラフを作成する工程とを包含する。
【0027】
ある実施形態において、構造体の評価支援方法は、前記粒子の体積磁化率から前記粒子の空隙率を測定する工程を更に包含する。
【発明の効果】
【0028】
本発明によれば、電気化学デバイスの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】（ａ）は、本発明の実施形態に係るリチウムイオンキャパシタの構成を示す図である。（ｂ）は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る分析装置の模式図である。
【図3】本発明の実施形態に係る粒子の動きを示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係る分析装置の構成を示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係る構造体の評価支援方法を示すフローチャートである。
【図6】実施例１の棒グラフを示す図である。
【図7】実施例２の棒グラフを示す図である。
【図8】比較例１の棒グラフを示す図である。
【図9】実施例１の粒子数グラフを示す図である。
【図10】実施例２の粒子数グラフを示す図である。
【図11】比較例１の粒子数グラフを示す図である。
【図12】実施例３及び比較例２の粒子数グラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、図面を参照して本発明に係る構造体、電気化学デバイス及び評価支援方法の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されない。図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【0031】
［構造体］
本実施形態に係る構造体は、電解材料と、担持体とを備える。電解材料は、典型的には、電解液又はアイオノマーである。本実施形態に係る構造体は、リチウムイオンキャパシタの正極、又は電気二重層キャパシタの正極及び負極に使用される。あるいは、本実施形態に係る構造体は、燃料電池の触媒層に使用される。
本実施形態に係る構造体は、電解材料と、担持体とを備える。電解材料は、典型的には、電解液又はアイオノマーである。本実施形態に係る構造体は、リチウムイオンキャパシタの正極、又は電気二重層キャパシタの正極及び負極に使用される。あるいは、本実施形態に係る構造体は、燃料電池の触媒層に使用される。
【0032】
本実施形態に係る担持体は、複数の粒子を含み、複数の粒子の各々は、細孔を有している。具体的には、本実施形態に係る構造体が、リチウムイオンキャパシタの正極、又は電気二重層キャパシタの正極及び負極に使用される場合、担持体は、例えば活性炭のような多孔質の炭素材料を含む。また、本実施形態に係る構造体が燃料電池の触媒層に使用される場合、担持体は、例えばカーボンブラック（２次粒子）のような多孔質の炭素材料を含む。
【0033】
本実施形態に係る担持体は、電解材料を担持する。詳しくは、担持体に含まれる各粒子の表面に形成された細孔や、担持体に含まれる各粒子間の隙間に電解材料が入り込むことにより、担持体が電解材料を担持する。また、担持体に含まれる各粒子の表面を電解材料が覆うことにより、担持体が電解材料を担持する。
【0034】
本実施形態に係る構造体は、担持体から採取した各粒子の体積磁化率を測定した場合、体積磁化率に対する粒子の数の割合を示すグラフが、有意なピーク波形を含む。更に、ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値が、１．０×１０-6未満を示す。以下、体積磁化率に対する粒子の数の割合を示すグラフを「粒子数グラフ」と記載する場合がある。また、ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値を「ピーク波形の比の値」と記載する場合がある。ピーク波形の比の値は、以下の式（１）によって算出される。
比の値＝半値幅／ピーク値・・・（１）
比の値＝半値幅／ピーク値・・・（１）
【0035】
ピーク波形の比の値が特定の範囲に含まれることは、担持体から採取した粒子に担持されている電解材料の量がまんべんなく多いことを示す。詳しくは、担持されている電解材料の量が少ない場合、粒子数グラフは、有意なピーク波形を含まず、体積磁化率のばらつき、すなわち電解材料の担持量のばらつきに起因するブロードな波形となる。体積磁化率のばらつきは、粒子径のばらつきにも依存する。これに対し、ピーク波形の比の値が特定の範囲に含まれること、すなわち粒子数グラフが有意なピーク波形を含むことは、体積磁化率のばらつきが少ないこと、すなわち電解材料の担持量のばらつきが少ないことを示す。これは、担持されている電解材料の量が多い場合、粒子の体積磁化率に対して電解材料の体積磁化率が寄与する割合が高くなることに起因する。
【0036】
本実施形態に係る構造体によれば、ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値が、１．０×１０-6未満を示す。このことは、担持体が担持する電解材料の量がまんべんなく多いことを示す。したがって、本実施形態に係る構造体は、電気化学デバイスの特性を向上させることができる。具体的には、本実施形態に係る構造体をリチウムイオンキャパシタの正極に使用した場合、リチウムイオンキャパシタの静電容量を高めることができる。同様に、本実施形態に係る構造体を電気二重層キャパシタの正極及び負極に使用した場合、電気二重層キャパシタの静電容量を高めることができる。また、本実施形態に係る構造体を燃料電池の触媒層に使用した場合、燃料電池の電流密度を高めることができる。
【0037】
なお、ピーク波形の比の値は、０．３×１０-6以下を示すことが好ましく、０．１×１０-6以下を示すことが更に好ましい。ピーク波形の比の値が０．３×１０-6以下であることは、体積磁化率のばらつきがより小さいことを示し、ピーク波形の比の値が０．１×１０-6以下であることは、体積磁化率のばらつきが更に小さいことを示す。体積磁化率のばらつきが小さいほど、担持体が担持する電解材料の量が多くなり、電気化学デバイスの特性をより向上させることができる。
【0038】
更に、本実施形態に係る構造体において、担持体から採取した各粒子の空隙率は、７５以上を示すことが好ましい。空隙率が７５以上を示す場合、電解材料の担持量が多くなる可能性が高くなる。なお、空隙率は、８０以上を示すことがより好ましく、８５以上を示すことが更に好ましい。空隙率が高いほど、電解材料の担持量が多くなる可能性がより高くなる。
【0039】
空隙率は、担持体から採取した各粒子を溶媒のような媒体に分散させて測定する。具体的には、空隙率は、担持体から採取した各粒子に入り込んでいた電解材料の体積（％）と、空隙率の測定時に各粒子に入り込んだ媒体の体積（％）との合計の平均値を示す。電解材料の体積（％）は、粒子の体積に対する電解材料の体積（粒子に入り込んだ電解材料の体積）の割合を示す。媒体の体積（％）は、粒子の体積に対する媒体の体積（粒子に入り込んだ媒体の体積）の割合を示す。電解材料の体積と媒体の体積との合計体積は、粒子の細孔に入り込んだ電解材料及び媒体の体積を含む。粒子が凝集体である場合、電解材料の体積と媒体の体積との合計体積は、凝集体を構成する各粒子の細孔に入り込んだ電解材料及び媒体の体積と、凝集体を構成する各粒子間に入り込んだ電解材料及び媒体の体積とを含む。
【0040】
空隙率Ｐは以下の式に基づいて算出される。
Ｐ＝（Ｖｃ＋Ｖｍ）／Ｖｐ＝（Ｖｃ＋Ｖｍ）／（Ｖｂ＋Ｖｃ＋Ｖｍ）
Ｐ＝（Ｖｃ＋Ｖｍ）／Ｖｐ＝（Ｖｃ＋Ｖｍ）／（Ｖｂ＋Ｖｃ＋Ｖｍ）
【0041】
上記の式において、Ｖｃは電解材料の体積を示し、Ｖｍは媒体の体積を示し、Ｖｐは粒子の体積を示し、Ｖｂは粒子の本体部分の体積を示す。粒子の本体部分の体積Ｖｂは、電解材料及び媒体が入り込んでいない粒子の体積を示す。測定対象の粒子が凝集体である場合、粒子の本体部分の体積Ｖｂは、凝集体を構成する各粒子の本体部分の体積の合計値を示す。
【0042】
あるいは、空隙率Ｐは、電解材料と媒体とが同じ材料である場合、電解材料の体積Ｖｃは媒体の体積Ｖｍに含まれているものとして、以下の式に基づいて算出されてもよい。換言すると、空隙率Ｐとして、媒体の体積（％）を使用してもよい。
Ｐ＝Ｖｍ／Ｖｐ
Ｐ＝Ｖｍ／Ｖｐ
【0043】
［電気化学デバイス］
続いて図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、本実施形態に係る電気化学デバイスについて、リチウムイオンキャパシタ、及び燃料電池を例に説明する。なお、電気二重層キャパシタは、リチウムイオンキャパシタと比べて負極の構造が異なるが、他の部分の構造はリチウムイオンキャパシタと同様である上、電気二重層キャパシタの負極の構造は、リチウムイオンキャパシタの正極の構造と同様である。したがって、電気二重層キャパシタの説明は割愛する。
続いて図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、本実施形態に係る電気化学デバイスについて、リチウムイオンキャパシタ、及び燃料電池を例に説明する。なお、電気二重層キャパシタは、リチウムイオンキャパシタと比べて負極の構造が異なるが、他の部分の構造はリチウムイオンキャパシタと同様である上、電気二重層キャパシタの負極の構造は、リチウムイオンキャパシタの正極の構造と同様である。したがって、電気二重層キャパシタの説明は割愛する。
【0044】
［リチウムイオンキャパシタ］
図１（ａ）は、本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタ１０の構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、リチウムイオンキャパシタ１０は、正極２０、負極３０、及びセパレータ４０を備える。
図１（ａ）は、本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタ１０の構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、リチウムイオンキャパシタ１０は、正極２０、負極３０、及びセパレータ４０を備える。
【0045】
正極２０は、集電体２１と、電極層２２とを備える。電極層２２は、集電体２１の表面に形成される。電極層２２は、多孔質の炭素材料を含み、アニオン及びカチオンを吸脱着する。炭素材料は、多孔質である限り特に制限されず、例えば、活性炭、カーボン繊維、グラフェン又はカーボンナノチューブ等であり得る。詳しくは、電極層２２は、炭素材料、結着剤、及び導電助剤等を含み得る。電極層２２は、炭素材料、結着剤、及び導電助剤等を混合して調製したペーストを集電体２１の表面に塗工して、集電体２１の表面に形成する。
【0046】
負極３０は、集電体３１と、電極層３２とを備える。電極層３２は、集電体３１の表面に形成される。電極層３２は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出できる電極活物質を含む。詳しくは、電極層３２は、電極活物質、結着剤、及び導電助剤等を含み得る。電極活物質には、炭素材料を使用することが好ましい。電極層３２は、電極活物質、結着剤、及び導電助剤等を混合して調製したペーストを集電体３１の表面に塗工した後、プレドープ工程によって電極活物質にリチウムイオンを担持させることにより、集電体３１の表面に形成される。
【0047】
セパレータ４０は、正極２０と負極３０との間に配置される。一般的に、セパレータ４０は、正極２０の電極層２２及び負極３０の電極層３２に隣接する。リチウムイオンキャパシタ１０は、正極２０、負極３０及びセパレータ４０が電解液に浸漬された構成を有する。電解液は、リチウムイオンを含む限り特に限定されないが、リチウム塩を溶解した非水系有機電解液が好ましい。
【0048】
正極２０の電極層２２が、アルカリ賦活法によって製造された活性炭を含む場合、電極層２２の炭素材料（担持体）は、アルカリ金属成分を更に担持してもよい。例えば、賦活処理に水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムが使用された場合、カリウムイオン又はナトリウムイオンが電極層２２の炭素材料（担持体）によって担持され得る。
【0049】
本実施形態に係るリチウムイオンキャパシタ１０において、正極２０の電極層２２は、本発明の構造体の一例であり、正極２０の電極層２２の炭素材料は、本発明の担持体の一例である。詳しくは、電極層２２の炭素材料は多孔質であり、細孔内に入り込んだ電解液が、炭素材料によって担持される。また、電極層２２に含まれる各炭素材料間に入り込んだ電解液が、炭素材料によって担持される。
【0050】
［燃料電池］
図１（ｂ）は、本実施形態に係る燃料電池５０の構成を示す図である。詳しくは、図１（ｂ）は、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池の構成を示す。図１（ｂ）に示すように、燃料電池５０は、セパレータ５１、ガス拡散層５２、アノード電極触媒層５３（燃料極）、固体高分子電解質膜５４、及びカソード電極触媒層５５（空気極）を備える。
図１（ｂ）は、本実施形態に係る燃料電池５０の構成を示す図である。詳しくは、図１（ｂ）は、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池の構成を示す。図１（ｂ）に示すように、燃料電池５０は、セパレータ５１、ガス拡散層５２、アノード電極触媒層５３（燃料極）、固体高分子電解質膜５４、及びカソード電極触媒層５５（空気極）を備える。
【0051】
触媒層５３、５５は、アイオノマー及び触媒を担持させた炭素材料を含む。炭素材料は、多孔質である限り特に制限されず、例えば、アセチレンブラックのようなカーボンブラック、活性炭、カーボン繊維、グラフェン又はカーボンナノチューブ等であり得る。触媒は、燃料電池の燃料極及び空気極において電池反応を起こさせるものであれば特に限定されないが、白金又は遷移金属が好ましい。
【0052】
本実施形態において、触媒層５３、５５の炭素材料は、電解材料として、アイオノマーを担持する。アイオノマーは、炭素材料の表面を覆い、導電パスとして機能する。
【0053】
触媒層５３、５５の炭素材料は、界面活性剤を更に担持してもよい。炭素材料が界面活性剤を担持することにより、アイオノマー及び触媒が炭素材料の細孔内に入り込み易くなる。界面活性剤は、特に制限されず、例えば、エステル型やエーテル型、エステル・エーテル型等の種々の非イオン系界面活性剤を使用し得る。
【0054】
本実施形態に係る燃料電池５０において、触媒層５３、５５は本発明の構造体の一例であり、触媒層５３、５５の炭素材料は、本発明の担持体の一例である。詳しくは、触媒層５３、５５の炭素材料は多孔質であり、細孔内に入り込んだアイオノマーが、炭素材料によって担持される。また、炭素材料の表面を覆うアイオノマーが、炭素材料によって担持される。
【0055】
なお、本実施形態に係る構造体は、リチウムイオンキャパシタの正極、電気二重層キャパシタの正極及び負極、並びに燃料電池の触媒層にのみ使用されるものではなく、細孔を有する複数の粒子（担持体）が電解材料を担持する構造である限り、種々の電極部材に使用し得る。
【0056】
【0057】
図２は、本実施形態に係る分析装置１００の模式図である。本実施形態において、分析装置１００は、電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子の個々の体積磁化率及び空隙率を測定する。分析装置１００は、磁場生成部２００と、観察部３００と、情報処理部４００とを備える。磁場生成部２００の近傍にセル２０１が配置される。
【0058】
磁場生成部２００は、磁場を生成してセル２０１内の粒子ｐを磁気泳動させる。観察部３００は、セル２０１内の粒子ｐを観察する。情報処理部４００は、観察部３００による観察の結果から、粒子ｐの粒子径及び磁気泳動速度を測定し、測定した粒子径及び磁気泳動速度に基づいて、粒子ｐの体積磁化率を測定する。また、情報処理部４００は、粒子ｐの体積磁化率に基づいて、粒子ｐの空隙率を測定する。更に、情報処理部４００は、体積磁化率に対する粒子の数の割合を示すグラフ（粒子数グラフ）を作成する。以下、分析装置１００について更に詳細に説明する。
【0059】
磁場生成部２００は、磁場勾配（磁束密度の勾配）を生成して、セル２０１内の粒子ｐに磁気力を作用させる。この結果、粒子ｐが磁気泳動する。本実施形態において、磁場生成部２００は、磁場勾配を生成する一対の永久磁石を備える。一対の永久磁石を構成する２つの永久磁石は、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下の一定距離の空隙を空けて配置される。セル２０１は、２つの永久磁石の間の空隙に配置される。
【0060】
本実施形態において、セル２０１はキャピラリー管である。セル２０１の材質は、可視光あるいはレーザー光を透過し得る材質であれば特に限定されない。例えば、セル２０１は、ガラス製あるいはプラスチック製であり得る。
【0061】
粒子ｐは、媒体ｍ中に存在する。媒体ｍ中に１つの粒子ｐが存在してもよいし、媒体ｍ中に複数の粒子ｐが存在してもよい。媒体ｍ中に複数の粒子ｐが存在する場合、複数の粒子ｐは、媒体ｍ中で分散していてもよいし、媒体ｍ中で偏在していてもよい。媒体ｍは、液体であってもよく、気体であってもよい。媒体ｍは、例えば、プロピレンカーボネート又はアセトニトリルであり得る。あるいは、媒体ｍは、例えば空気であり得る。なお、媒体ｍは、電解材料の成分、すなわちアイオノマーの成分又は電解液の成分を含んでもよいし、含まなくてもよい。
【0062】
粒子ｐは、例えばマイクロシリンジ、マイクロポンプ、又はオートサンプラーにより、媒体ｍと共にセル２０１に導入される。あるいは、粒子ｐは、サイフォンの原理に基づいて、媒体ｍと共にセル２０１に導入され得る。あるいは、粒子ｐを含む液滴を毛細管現象によってセル２０１（キャピラリー管）に導入してもよい。粒子ｐを含む液滴がキャピラリー管の一方端に滴下されると、毛細管現象によって液滴がキャピラリー管を流れる。
【0063】
観察部３００は、セル２０１内の粒子ｐを観察して、観察結果を示す信号を生成する。情報処理部４００は、観察部３００が生成する信号に基づいて、粒子ｐの粒子径及び磁気泳動速度を測定する。情報処理部４００は、記憶装置４０１と、処理装置４０２と、表示装置４０３とを備える。情報処理部４００は、典型的には、パーソナルコンピューターのような汎用コンピューターである。
【0064】
記憶装置４０１は、プログラム及び設定情報などを記憶する。記憶装置４０１は、例えば、ストレージデバイス及び半導体メモリーによって構成され得る。ストレージデバイスは、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）である。記憶装置４０１は、半導体メモリーとして、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を有し得る。
【0065】
処理装置４０２は、記憶装置４０１に記憶されたプログラムを実行することによって、数値計算や情報処理、機器制御のような様々な処理を行う。処理装置４０２は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のようなプロセッサーによって構成される。
【0066】
表示装置４０３は、例えば液晶ディスプレー又は有機ＥＬディスプレーのようなディスプレーを含む。表示装置４０３は、処理装置４０２によって制御されて、各種の画像及び各種の画面を表示する。本実施形態において、表示装置４０３は、粒子数グラフを表示する。
【0067】
処理装置４０２は、観察部３００の観察結果から、セル２０１内における粒子ｐの位置の時間的な変化を取得する。例えば、処理装置４０２は、所定の時間間隔ごとに、セル２０１内における粒子ｐの位置を測定する。換言すると、異なる時刻の粒子ｐの位置を測定する。処理装置４０２は、粒子ｐの位置の時間的な変化から、粒子ｐの磁気泳動速度を測定する。
【0068】
また、処理装置４０２は、観察部３００が生成する信号から、粒子ｐの粒子径を測定する。処理装置４０２は、更に、粒子ｐの粒子径及び磁気泳動速度に基づいて、粒子ｐの体積磁化率を測定する。
【0069】
例えば、処理装置４０２は、以下の式（２）に基づいて、粒子ｐの体積磁化率を算出する。
ｖ＝｛２（χｐ－χｍ）ｒ2／９ημo｝Ｂ（ｄＢ／ｄｘ）・・・（２）
ｖ＝｛２（χｐ－χｍ）ｒ2／９ημo｝Ｂ（ｄＢ／ｄｘ）・・・（２）
【0070】
式（２）において、ｖは粒子ｐの磁気泳動速度であり、χｐは粒子ｐの体積磁化率であり、χｍは媒体ｍの体積磁化率であり、ｒは粒子ｐの半径であり、ηは媒体ｍの粘性率であり、μoは真空の透磁率であり、Ｂは磁束密度であり、ｄＢ／ｄｘは磁場勾配（磁束密度の勾配）である。なお、式（２）は、セル２０１（キャピラリー管）の軸方向（ｘ方向）において粒子ｐ及び媒体ｍが受ける磁気力の差と、粘性抵抗力とがほぼ等しいことから導かれる。
【0071】
なお、粒子ｐの磁気泳動速度ｖ及び体積磁化率χｐは、処理装置４０２が測定した測定値である。粒子ｐの半径ｒは、例えば、処理装置４０２が、測定した粒子ｐの粒子径から算出する。媒体ｍの体積磁化率χｍ、媒体ｍの粘性率η、真空の透磁率μo、磁束密度Ｂ、及び磁場勾配ｄＢ／ｄｘは、記憶装置４０１に予め記憶されている。例えば、分析者は、キーボード、マウス又はタッチディスプレイのような入力装置を操作して、媒体ｍの体積磁化率χｍ、媒体ｍの粘性率η、真空の透磁率μo、磁束密度Ｂ、及び磁場勾配ｄＢ／ｄｘを記憶装置４０１に記憶させることができる。媒体ｍの体積磁化率χｍ、媒体ｍの粘性率η、真空の透磁率μoは、例えば文献値である。磁束密度Ｂ、及び磁場勾配ｄＢ／ｄｘは、例えば測定値である。
【0072】
処理装置４０２は、電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子の個々の体積磁化率を測定すると、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。処理装置４０２は、測定結果を示すデータに基づいて、粒子数グラフを作成し、表示装置４０３に表示させる。
【0073】
処理装置４０２は、更に、電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子の個々の空隙率を測定する。具体的には、電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子は、電解材料を担持している。空隙率を測定する場合、電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子と同じ種類の粒子を用意する。換言すると、電解材料を担持していない粒子を用意する。そして、電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子の体積磁化率及び粒子径の測定に加えて、電解材料を担持していない粒子の体積磁化率及び粒子径の測定を行う。
【0074】
多孔質の粒子ｐ、すなわち細孔を有する粒子ｐは、電解材料を担持していない場合、本体部分ｂと、空隙部分ｓ１とに分けることができる。この場合、空隙部分ｓ１の体積（％）は、以下の式（３）で表すことができる。
Ｐ１＝Ｖｓ１／Ｖｐ＝Ｖｓ１／（Ｖｂ＋Ｖｓ１）・・・（３）
Ｐ１＝Ｖｓ１／Ｖｐ＝Ｖｓ１／（Ｖｂ＋Ｖｓ１）・・・（３）
【0075】
式（３）において、Ｐ１は粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積（％）であり、Ｖｓ１は粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積であり、Ｖｐは粒子ｐの体積であり、Ｖｂは粒子ｐの本体部分ｂの体積である。粒子ｐの体積Ｖｐは、以下の式（４）に示すように、粒子ｐの本体部分ｂの体積と、粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積との和で表すことができる。なお、粒子ｐが凝集体である場合、粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積Ｖｓ１は、凝集体を構成する各粒子に形成されている細孔の体積の合計値と、凝集体を構成する各粒子間の隙間の体積とを合計した値を示す。
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ１・・・（４）
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ１・・・（４）
【0076】
粒子ｐの空隙部分ｓ１に媒体ｍが充填されている場合、体積磁化率と体積との積の関係は、以下の式（５）の関係を示す。
χｐＶｐ＝χｂＶｂ＋χｍＶｓ１・・・（５）
χｐＶｐ＝χｂＶｂ＋χｍＶｓ１・・・（５）
【0077】
式（５）において、χｐは粒子ｐの体積磁化率であり、χｂは粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率であり、χｍは媒体ｍの体積磁化率である。なお、粒子ｐが凝集体である場合、粒子ｐの本体部分の体積磁化率は、凝集体を構成する粒子の本体部分の体積磁化率を示す。
【0078】
上記の式（３）～式（５）に基づき、式（３）は、以下の式（６）に変換することができる。本実施形態において、処理装置４０２は、以下の式（６）に基づき、粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積（％）を測定する。換言すると、処理装置４０２は、粒子ｐに入り込んだ媒体の体積（％）を測定する。処理装置４０２は、粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積（％）を測定すると、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。
Ｐ１＝（χｐ－χｂ）／（χｍ－χｂ）・・・（６）
Ｐ１＝（χｐ－χｂ）／（χｍ－χｂ）・・・（６）
【0079】
なお、粒子ｐの体積磁化率χｐは、処理装置４０２が測定した測定値である。粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率χｂ、及び媒体ｍの体積磁化率χｍは、記憶装置４０１に予め記憶されている。例えば、分析者は、入力装置を操作して、粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率χｂ、及び媒体ｍの体積磁化率χｍを記憶装置４０１に記憶させることができる。粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率χｂ、及び媒体ｍの体積磁化率χｍは、例えば文献値である。
【0080】
また、上記式（３）より、粒子ｐの空隙部分ｓ１の体積Ｖｓ１、すなわち粒子ｐに入り込んだ媒体ｍの体積Ｖｍ１は、以下の式（７）で表すことができる。
Ｖｍ１＝Ｖｓ１＝Ｐ１×Ｖｐ・・・（７）
Ｖｍ１＝Ｖｓ１＝Ｐ１×Ｖｐ・・・（７）
【0081】
したがって、上記式（４）は、以下の式（８）に変換することができる。
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ１＝Ｖｂ＋Ｐ１×Ｖｐ・・・（８）
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ１＝Ｖｂ＋Ｐ１×Ｖｐ・・・（８）
【0082】
よって、粒子ｐの本体部分ｂの体積Ｖｂは、以下の式（９）で表すことができる。
Ｖｂ＝Ｖｐ－Ｖｓ１＝Ｖｐ－Ｐ１×Ｖｐ・・・（９）
Ｖｂ＝Ｖｐ－Ｖｓ１＝Ｖｐ－Ｐ１×Ｖｐ・・・（９）
【0083】
処理装置４０２は、上記式（９）に基づいて、粒子ｐの本体部分ｂの体積Ｖｂを測定し、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。あるいは、分析者が、上記式（９）に基づいて、粒子ｐの本体部分ｂの体積Ｖｂを算出する。この場合、分析者は、入力装置を操作して、算出した体積Ｖｂを示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。なお、粒子ｐの体積Ｖｐは、処理装置４０２によって測定された粒子ｐの粒子径から、分析者が算出することができる。この場合、分析者が入力装置を操作して、算出した体積Ｖｐを示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。あるいは、処理装置４０２が、粒子ｐの粒子径に基づいて粒子ｐの体積Ｖｐを測定してもよい。この場合、処理装置４０２が、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。
【0084】
一方、多孔質の粒子ｐが電解材料を担持している場合、粒子ｐは、本体部分ｂと、空隙部分ｓ２と、担持された電解材料とに分けることができる。この場合、空隙部分ｓ２の体積（％）は、以下の式（１０）で表すことができる。
Ｐ２＝Ｖｓ２／Ｖｐ＝Ｖｓ２／（Ｖｂ＋Ｖｓ２＋Ｖｃ）・・・（１０）
Ｐ２＝Ｖｓ２／Ｖｐ＝Ｖｓ２／（Ｖｂ＋Ｖｓ２＋Ｖｃ）・・・（１０）
【0085】
式（１０）において、Ｐ２は粒子ｐの空隙部分ｓ２の体積（％）であり、Ｖｓ２は粒子ｐの空隙部分ｓ２の体積であり、Ｖｐは粒子ｐの体積であり、Ｖｂは粒子ｐの本体部分ｂの体積であり、Ｖｃは粒子ｐに担持された電解材料の体積である。粒子ｐの体積Ｖｐは、以下の式（１１）に示すように、粒子ｐの本体部分ｂの体積と、粒子ｐの空隙部分ｓ２の体積と、粒子ｐに担持された電解材料の体積との和で表すことができる。なお、粒子ｐが凝集体である場合、粒子ｐの空隙部分ｓ２の体積Ｖｓは、凝集体を構成する各粒子に形成されている細孔の体積の合計値と、凝集体を構成する各粒子間の隙間の体積とを合計した値を示す。
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ２＋Ｖｃ・・・（１１）
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ２＋Ｖｃ・・・（１１）
【0086】
粒子ｐの空隙部分ｓ２に媒体ｍが充填されている場合、体積磁化率と体積との積の関係は、以下の式（１２）の関係を示す。
χｐＶｐ＝χｂＶｂ＋χｍＶｓ２＋χｃＶｃ・・・（１２）
χｐＶｐ＝χｂＶｂ＋χｍＶｓ２＋χｃＶｃ・・・（１２）
【0087】
式（１２）において、χｐは粒子ｐの体積磁化率であり、χｂは粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率であり、χｍは媒体ｍの体積磁化率であり、χｃは電解材料の体積磁化率である。なお、粒子ｐが凝集体である場合、粒子ｐの本体部分の体積磁化率は、凝集体を構成する粒子の本体部分の体積磁化率を示す。
【0088】
上記の式（１０）～式（１２）に基づき、式（１０）は、以下の式（１３）に変換することができる。本実施形態において、処理装置４０２は、以下の式（１３）に基づき、粒子ｐの空隙部分ｓ２の体積（％）を測定する。換言すると、処理装置４０２は、粒子ｐに入り込んだ媒体の体積（％）を測定する。
Ｐ２＝（χｃ－χｐ）／（χｃ－χｍ）－（χｃ－χｂ）×Ｖｂ／（（χｃ－χｍ）×Ｖｐ）・・・（１３）
Ｐ２＝（χｃ－χｐ）／（χｃ－χｍ）－（χｃ－χｂ）×Ｖｂ／（（χｃ－χｍ）×Ｖｐ）・・・（１３）
【0089】
なお、粒子ｐの体積磁化率χｐは、処理装置４０２が測定した測定値である。電解材料の体積磁化率χｃ、媒体ｍの体積磁化率χｍ、及び粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率χｂは、記憶装置４０１に予め記憶されている。例えば、分析者は、入力装置を操作して、電解材料の体積磁化率χｃ、媒体ｍの体積磁化率χｍ、及び粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率χｂを記憶装置４０１に記憶させることができる。電解材料の体積磁化率χｃ、媒体ｍの体積磁化率χｍ、及び粒子ｐの本体部分ｂの体積磁化率χｂは、例えば文献値である。粒子ｐの本体部分の体積Ｖｂは、上記式（９）に基づいて測定又は算出された値であり、記憶装置４０１に記憶されている。粒子ｐの体積Ｖｐは、処理装置４０２によって測定された粒子ｐの粒子径から、分析者が算出することができる。この場合、分析者が入力装置を操作して、算出した体積Ｖｐを示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。あるいは、処理装置４０２が、粒子ｐの粒子径に基づいて粒子ｐの体積Ｖｐを測定してもよい。この場合、処理装置４０２が、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。
【0090】
また、上記式（１０）より、粒子ｐの空隙部分ｓ２の体積Ｖｓ２、すなわち粒子ｐに入り込んだ媒体の体積Ｖｍ２は、以下の式（１４）で表すことができる。処理装置４０２は、以下の式（１４）に基づいて、媒体の体積Ｖｍ２を測定し、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。あるいは、分析者が、以下の式（１４）に基づいて、媒体の体積Ｖｍ２を算出してもよい。この場合、分析者は、入力装置を操作して、算出した体積Ｖｍ２を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。
Ｖｍ２＝Ｖｓ２＝Ｐ２×Ｖｐ・・・（１４）
Ｖｍ２＝Ｖｓ２＝Ｐ２×Ｖｐ・・・（１４）
【0091】
また、上記式（１１）は、上記式（１４）に基づき、以下の式（１５）に変換することができる。
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ２＋Ｖｃ＝Ｖｂ＋Ｐ２×Ｖｐ＋Ｖｃ・・・（１５）
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｖｓ２＋Ｖｃ＝Ｖｂ＋Ｐ２×Ｖｐ＋Ｖｃ・・・（１５）
【0092】
よって、粒子ｐに担持された電解材料の体積Ｖｃは、以下の式（１６）で表すことができる。
Ｖｃ＝Ｖｐ－Ｖｂ－Ｖｓ２＝Ｖｐ－Ｖｂ－Ｐ２×Ｖｐ・・・（１６）
Ｖｃ＝Ｖｐ－Ｖｂ－Ｖｓ２＝Ｖｐ－Ｖｂ－Ｐ２×Ｖｐ・・・（１６）
【0093】
処理装置４０２は、上記式（１６）に基づいて、粒子ｐに担持された電解材料の体積Ｖｃを測定し、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。あるいは、分析者が、上記式（１６）に基づいて、粒子ｐに担持された電解材料の体積Ｖｃを算出してもよい。この場合、分析者は、入力装置を操作して、算出した体積Ｖｃを示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。
【0094】
処理装置４０２は、記憶装置４０１に記憶された粒子ｐの体積Ｖｐ（電気化学デバイスの電極部材から採取した粒子の体積）、媒体の体積Ｖｍ２、及び電解材料の体積Ｖｃを用いて、以下の式（１７）に基づき、空隙率Ｐを測定する。
Ｐ＝（Ｖｃ＋Ｖｍ２）／Ｖｐ・・・（１７）
Ｐ＝（Ｖｃ＋Ｖｍ２）／Ｖｐ・・・（１７）
【0095】
処理装置４０２は、空隙率Ｐを測定すると、測定結果を示すデータを記憶装置４０１に記憶させる。処理装置４０２は、測定結果を示すデータに基づいて、空隙率Ｐを示すデータを表示装置４０３に表示させる。
【0096】
なお、電解材料と媒体とが同じ材料である場合、処理装置４０２は、電気化学デバイスの電極部材から採取した各粒子から測定した体積磁化率を参照して、上記式（６）に基づき、空隙率Ｐ（媒体の体積（％））を測定してもよい。
【0097】
続いて図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、粒子ｐの動きを説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、粒子ｐの動きを示す図である。詳しくは、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、粒子ｐ及び媒体ｍの体積磁化率と粒子ｐの移動方向との関係を示す。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、磁場生成部２００は、磁極がＮ極の永久磁石２００ａと、磁極がＳ極の永久磁石２００ｂとを備える。２つの永久磁石２００ａ、２００ｂは、セル２０１を挟んで対向する。
【0098】
図３（ａ）に示すように、粒子ｐの体積磁化率が媒体ｍの体積磁化率よりも小さい場合、粒子ｐは磁場（磁場生成部２００）から遠ざかる方向に移動する。一方、図３（ｂ）に示すように、粒子ｐの体積磁化率が媒体ｍの体積磁化率よりも大きい場合、粒子ｐは磁場（磁場生成部２００）に近づく方向に移動する。
【0099】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、粒子ｐの動きは、粒子ｐ及び媒体ｍの体積磁化率に応じて決定される。なお、粒子ｐは永久磁石２００ａ、２００ｂの端部の近傍において力を受ける。例えば、粒子ｐは永久磁石２００ａ、２００ｂの端部の近傍から±２００μｍ程度の範囲で力を受ける。
【0100】
続いて図４を参照して、分析装置１００について更に説明する。図４は、分析装置１００の構成を示す図である。図４に示すように、分析装置１００は、光源５００を更に備える。また、観察部３００は、拡大部３０１及び撮像部３０２を備える。
【0101】
光源５００は、可視光成分を含む比較的高い強度の光を出射する。光源５００は、セル２０１に光を照射する。この結果、粒子ｐに光が照射される。光源５００から出射される光の波長スペクトルは比較的ブロードであってもよい。光源５００として、例えば、ハロゲンランプが好適に用いられる。
【0102】
セル２０１に導入された粒子ｐは、拡大部３０１によって適当な倍率で拡大されて、撮像部３０２で撮像される。撮像部３０２の撮像結果（撮像部３０２が撮像した画像）から、粒子ｐの位置を特定できる。例えば、拡大部３０１は対物レンズを含み、撮像部３０２は電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）を含む。あるいは、撮像部３０２の各画素は、フォトダイオード又は光電子倍増管で構成されてもよい。撮像部３０２は、例えば、所定の時間間隔ごとに粒子ｐを撮像する。なお、撮像部３０２は、光源５００から出射されてセル２０１を透過した光を撮像してもよいし、光源５００から出射されて粒子ｐによって散乱された光を撮像してもよい。
【0103】
情報処理部４００（処理装置４０２）は、撮像部３０２の撮像結果から、粒子ｐの位置の時間的な変化を取得し、粒子ｐの位置の時間的な変化から粒子ｐの磁気泳動速度を測定する。
【0104】
また、情報処理部４００（処理装置４０２）は、粒子ｐの撮像結果から粒子ｐの粒子径を測定する。例えば、情報処理部４００（処理装置４０２）は、以下の処理を実行する。即ち、まず、撮像部３０２によって撮像された画像をモノクロ化し、その輝度を数値化する。次に、輝度値の微分値をしきい値と比較して粒子ｐの境界を設定する。次に、設定した境界から粒子ｐの面積を検出し、その面積に対応する円の半径から粒子径を求める。あるいは、粒子ｐの中心を規定し、粒子ｐの中心を通過する複数の直線を引き、各直線において粒子ｐの境界と交わる２つの点の間の距離の平均を求める。
【0105】
［評価支援方法］
続いて図５を参照して、本実施形態に係る構造体の評価支援方法について説明する。図５は、本実施形態に係る構造体の評価支援方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る評価支援方法は、図２～図４を参照して説明した分析装置１００を使用して実行し得る。
続いて図５を参照して、本実施形態に係る構造体の評価支援方法について説明する。図５は、本実施形態に係る構造体の評価支援方法を示すフローチャートである。本実施形態に係る評価支援方法は、図２～図４を参照して説明した分析装置１００を使用して実行し得る。
【0106】
図５に示すように、まず、構造体の担持体から粒子ｐ１を採取する（ステップＳ１）。具体的には、電気化学デバイスの電極部材から粒子ｐ１を採取する。詳しくは、電極部材の一部を削り取り、削り取った電極部材の一部を粉砕して粒子ｐ１を取得する。例えば、電気化学デバイスがリチウムイオンキャパシタである場合、正極の電極層から粒子ｐ１を採取する。電気化学デバイスが電気二重層キャパシタである場合、正極の電極層又は負極の電極層から粒子ｐ１を採取する。電気化学デバイスが燃料電池である場合、触媒層から粒子ｐ１を採取する。
【0107】
次に、磁気泳動する粒子ｐ１を観察して、観察結果から粒子ｐ１の磁気泳動速度及び粒子径を測定する（ステップＳ２）。次に、測定した粒子ｐ１の磁気泳動速度及び粒子径に基づいて粒子ｐ１の体積磁化率を測定する（ステップＳ３）。
【0108】
次に、測定した粒子ｐ１の体積磁化率に基づいて粒子ｐ１の空隙率を測定する（ステップＳ４）。例えば、粒子ｐ１と同じ種類の粒子ｐ２を用意し、ステップＳ２及びステップＳ３と同様に、粒子ｐ２の粒子径及び体積磁化率を測定する。次に、測定した粒子ｐ２の体積磁化率及び粒子径に基づいて、粒子ｐ２の本体部分の体積を測定する。更に、粒子ｐ１の体積磁化率、粒子ｐ１の粒子径、及び粒子ｐ２の本体部分の体積に基づいて、粒子ｐ１の体積、粒子ｐ１に担持されている電解材料の体積、及び粒子ｐ１に入り込んだ媒体の体積を測定する。次に、粒子ｐ１の体積、電解材料の体積及び媒体の体積を参照して、粒子ｐ１の空隙率Ｐを測定する。
【0109】
次に、測定した粒子ｐ１の体積磁化率に基づいて、体積磁化率に対する粒子ｐ１の数の割合を示すグラフ（粒子数グラフ）を作成する（ステップＳ５）。
【0110】
分析者は、作成された粒子数グラフに有意なピーク波形が含まれるか否かを判定する。分析者は、有意なピーク波形がグラフに含まれる場合、グラフから、ピーク波形の半値幅とピーク値との比の値（ピーク波形の比の値）を求める。そして、分析者は、ピーク波形の比の値が特定の範囲に含まれるか否かにより、構造体を評価する。
【0111】
なお、本実施形態では、空隙率の測定後に粒子数グラフを作成したが、空隙率の測定前に粒子数グラフを作成してもよい。また、本実施形態では、分析者がピーク波形の比の値を求めたが、情報処理部４００が、粒子数グラフに有意なピーク波形が含まれるか否かを判定し、有意なピーク波形がグラフに含まれる場合に、ピーク波形の比の値を算出して、その算出結果を表示装置４０３に表示させてもよい。更に、情報処理部４００が、ピーク波形の比の値が特定の範囲に含まれるか否かを判定し、その判定結果を表示装置４０３に表示させてもよい。
【0112】
以上、本発明の実施形態について図面（図１～図５）を参照しながら説明した。本実施形態によれば、電気化学デバイスの特性を向上させることができる。なお、本発明は、上記の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で種々の態様において実施することが可能である。
【0113】
例えば、本発明の実施形態では、粒子数グラフを表示装置４０３に表示させたが、粒子数グラフを印刷してもよい。同様に、空隙率の測定結果を印刷してもよい。
【0114】
また、本発明の実施形態では、空隙率を測定したが、空隙率の測定は省略され得る。
【0115】
また、本発明の実施形態では、磁場生成部２００が一対の永久磁石２００ａ、２００ｂを備えたが、磁場生成部２００は、磁場勾配を生成するために一対の磁極片（ポールピース）を備えてもよい。あるいは、磁場生成部２００は、磁場勾配を生成するために、電磁石、磁気回路、又は超電導磁石を備えてもよい。磁場生成部２００が一対の磁極片を備える場合、一対の磁極片を構成する２つの磁極片は、例えば１００μｍ以上５００μｍ以下の一定距離の空隙を空けて配置される。セル２０１は、２つの磁極片の間の空隙に配置される。磁極片は、例えば、磁化された鉄片であり得る。鉄片は、例えば永久磁石、電磁石、磁気回路、又は超電導磁石によって磁化し得る。
【0116】
また、本発明の実施形態では、セル２０１がキャピラリー管であったが、セル２０１は、ガラスセル又はプラスチックセルであってもよい。ガラスセル及びプラスチックセルは、粒子ｐを含む媒体ｍを保持する凹部を有する。あるいは、ガラスセル及びプラスチックセルは、粒子ｐを含む媒体ｍが流れる流路を有する。セル２０１が、マイクロ流路を有するガラスセル又はプラスチックセルである場合、粒子ｐを含む液滴がマイクロ流路の一方端に滴下されると、毛細管現象によって液滴がマイクロ流路を流れる。
【0117】
また、本発明の実施形態では、分析装置１００が光源５００を備えたが、分析装置１００は、光源５００に替えてレーザーを備えてもよいし、光源５００に加えてレーザーを更に備えてもよい。分析装置１００が光源５００とレーザーとを備える場合、光源５００から光を出射する際には、レーザーからのレーザー光の出射を停止させ、レーザーからレーザー光を出射する際には、光源５００からの光の出射を停止させる。レーザーを使用する場合、セル２０１に導入された粒子ｐにレーザー光を照射する。撮像部３０２は、粒子ｐによって散乱されたレーザー光（散乱光）を、拡大部３０１を介して撮像する。
【0118】
レーザー光を粒子ｐに照射する場合、キャピラリー管は、その軸方向に直交する断面形状が正方形の正方形型キャピラリーであることが好ましい。正方形型キャピラリーを使用することにより、セル２０１の側面のうちレーザー光が照射される面を鏡面仕上げにすることが容易になる。
【0119】
また、本発明の実施形態では、画像解析によって粒子ｐの粒子径を取得したが、粒子ｐのブラウン運動を解析して、粒子ｐの粒子径を測定してもよい。具体的には、キャピラリー管の軸方向（ｘ方向）に直交する方向（ｙ方向）における粒子ｐの位置の変化（変位）の分散から拡散係数を求め、この拡散係数から粒子ｐの粒子径を求めることができる。あるいは、レーザーを使用して、例えば動的光散乱法又は静的光散乱法に基づいて粒子ｐの粒子径を取得してもよい。
【0120】
また、本発明の実施形態では、情報処理部４００（処理装置４０２）が粒子ｐの粒子径を測定したが、撮像部３０２が撮像した画像を表示装置４０３に表示させ、表示装置４０３に表示された画像から、分析者が粒子ｐの粒子径を測定してもよい。あるいは、撮像部３０２が撮像した画像を印刷して、印刷した画像から、分析者が粒子ｐの粒子径を測定してもよい。
【0121】
また、本発明の実施形態では、撮像部３０２が所定の時間間隔ごとに粒子ｐを撮像することにより、粒子ｐの磁気泳動速度を取得したが、レーザーを使用して、例えばレーザードップラー法に基づいて粒子ｐの磁気泳動速度を測定してもよい。
【0122】
また、本発明の実施形態では、磁気泳動速度の測定値に基づいて粒子ｐの体積磁化率を取得したが、ＳＱＵＩＤ素子、又は磁気天秤などを用いて粒子ｐの体積磁化率を取得してもよい。
【0123】
また、本発明の実施形態では、情報処理部４００が粒子径を測定したが、粒子ｐの粒子径に文献値を利用してもよい。
【実施例】
【0124】
以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は、以下で説明する実施例に限定されるものではない。
【0125】
［実施例１、２及び比較例１］
本実施例では、３種類の活性炭を用意して、３種類の試料を作製した。具体的には、活性炭、結着剤、及び導電助剤を主成分とするペースト状の試料を調製した。次に、ペースト状の試料を板状部材の表面に塗工して電極板を作製し、電解液の簡易的な代用品であるプロピレンカーボネートに電極板を浸漬させた。板状部材には、複数の貫通孔を有するアルミ箔を使用した。結着剤には、アクリルポリマ系バインダを使用した。導電助剤には、アセチレンブラックを使用した。その後、プロピレンカーボネートから電極板を取り出して、試料の一部を削り取り、削り取った試料の一部を乳鉢内で粉末状にした。そして、粉末状の試料を媒体（プロピレンカーボネート）中に分散させ、試料を分散させた媒体の一部を分取してセルに導入し、粒子個々の体積磁化率及び空隙率（媒体の体積（％））を測定した。更に、体積磁化率ごとに粒子の数を測定して、体積磁化率に対する粒子の数の割合（粒子数％）を示す棒グラフを作成し、棒グラフから粒子数グラフを作成した。なお、３種類の試料のうちの１つは比較例１である。
本実施例では、３種類の活性炭を用意して、３種類の試料を作製した。具体的には、活性炭、結着剤、及び導電助剤を主成分とするペースト状の試料を調製した。次に、ペースト状の試料を板状部材の表面に塗工して電極板を作製し、電解液の簡易的な代用品であるプロピレンカーボネートに電極板を浸漬させた。板状部材には、複数の貫通孔を有するアルミ箔を使用した。結着剤には、アクリルポリマ系バインダを使用した。導電助剤には、アセチレンブラックを使用した。その後、プロピレンカーボネートから電極板を取り出して、試料の一部を削り取り、削り取った試料の一部を乳鉢内で粉末状にした。そして、粉末状の試料を媒体（プロピレンカーボネート）中に分散させ、試料を分散させた媒体の一部を分取してセルに導入し、粒子個々の体積磁化率及び空隙率（媒体の体積（％））を測定した。更に、体積磁化率ごとに粒子の数を測定して、体積磁化率に対する粒子の数の割合（粒子数％）を示す棒グラフを作成し、棒グラフから粒子数グラフを作成した。なお、３種類の試料のうちの１つは比較例１である。
【0126】
測定時に印加した磁場の最大値は２．７Ｔであった。Ｎ極の永久磁石とＳ極の永久磁石との間隔は０．４ｍｍであった。セルには、ガラス製の角形チューブ状セルを使用した。詳しくは、セルは、その軸方向に直交する方向の断面形状が、１００μｍ×１００μｍの正方形であった。媒体には、プロピレンカーボネート（体積磁化率：－７．５０×１０-6）を使用した。
【0127】
表１に、実施例１の体積磁化率及び空隙率の測定結果を示す。
【表1】
【0128】
表２に、実施例２の体積磁化率及び空隙率の測定結果を示す。
【表2】
【0129】
表３に、比較例１の体積磁化率及び空隙率の測定結果を示す。
【表3】
【0130】
表１及び表２から明らかなように、実施例１の空隙率は８５以上であった。また、実施例２の空隙率は８０以上であった。一方、比較例１の空隙率は７５以上ではなかった。
【0131】
図６は、実施例１の棒グラフを示す図である。図７は、実施例２の棒グラフを示す図である。図８は、比較例１の棒グラフを示す図である。また、図９は、実施例１の粒子数グラフを示す図である。図１０は、実施例２の粒子数グラフを示す図である。図１１は、比較例１の粒子数グラフを示す図である。図６～図１１において、縦軸は粒子数（％）を示し、横軸は体積磁化率を示す。詳しくは、図９に示す粒子数グラフは、図６に示す各棒グラフの頂点を線分で結び、それらの線分をスムージング処理して得た。同様に、図７、図８に示す棒グラフから図１０、図１１に示す粒子数グラフを得た。
【0132】
表４に、実施例１、実施例２、及び比較例１のそれぞれの半値幅、粒子数のピーク値（％）、及びピーク波形の比の値（半値幅とピーク値との比の値）の測定結果を示す。
【表4】
【0133】
図９に示すように、実施例１の粒子数グラフは有意なピーク波形を含み、表４に示すように、ピーク波形の比の値は、およそ０．０６×１０-6となった。また、図１０に示すように、実施例２の粒子数グラフも有意なピーク波形を含み、表４に示すように、ピーク波形の比の値は、およそ０．３３×１０-6となった。したがって、実施例１のピーク波形の比の値は、１．０×１０-6未満の範囲内に含まれていた。同様に、実施例２のピーク波形の比の値は、０．３×１０-6以下の範囲内に含まれていた。一方、比較例１の粒子数グラフは、図１１に示すように、ブロードな波形となり、表４に示すように、ピーク波形の比の値は、およそ１．１７×１０-6となった。
【0134】
また、実施例１の試料が塗工された電極板を用いてリチウムイオンキャパシタを製造した結果、単位重量当たりの静電容量は７８［Ｆ］であった。同様に、実施例２の試料が塗工された電極板を用いてリチウムイオンキャパシタを製造した結果、単位重量当たりの静電容量は５６［Ｆ］であった。比較例１の試料が塗工された電極板を用いてリチウムイオンキャパシタを製造した結果、単位重量当たりの静電容量は５３［Ｆ］であった。よって、ピーク波形の比の値が１．０×１０-6未満である実施例１、２は、比較例１と比べて、リチウムイオンキャパシタの性能を向上させた。
【0135】
［実施例３及び比較例２］
実施例３では、カーボンブラックに対してアイオノマーを０．３質量％複合化させた試料を用いた。比較例２では、試料として、カーボンブラックを用いた。実施例１、２及び比較例１と同様に、粉末状の試料を媒体中に分散させ、試料を分散させた媒体の一部を分取してセルに導入し、粒子個々の体積磁化率を測定した。但し、実施例１、２及び比較例１と異なり、媒体には水を使用した。更に、体積磁化率ごとに粒子の数を測定して、体積磁化率に対する粒子の数の割合（粒子数％）を示す棒グラフを作成し、棒グラフから粒子数グラフを作成した。
実施例３では、カーボンブラックに対してアイオノマーを０．３質量％複合化させた試料を用いた。比較例２では、試料として、カーボンブラックを用いた。実施例１、２及び比較例１と同様に、粉末状の試料を媒体中に分散させ、試料を分散させた媒体の一部を分取してセルに導入し、粒子個々の体積磁化率を測定した。但し、実施例１、２及び比較例１と異なり、媒体には水を使用した。更に、体積磁化率ごとに粒子の数を測定して、体積磁化率に対する粒子の数の割合（粒子数％）を示す棒グラフを作成し、棒グラフから粒子数グラフを作成した。
【0136】
表５に、実施例３及び比較例２のそれぞれの半値幅、粒子数のピーク値（％）、及びピーク波形の比の値（半値幅とピーク値との比の値）の測定結果を示す。
【表5】
【0137】
図１２は、実施例３及び比較例２の粒子数グラフを示す図である。図１２において、縦軸は粒子数（％）を示し、横軸は体積磁化率を示す。図１２に示すように、実施例３の粒子数グラフは有意なピーク波形を含み、表５に示すように、ピーク波形の比の値は、およそ０．１２×１０-6となった。したがって、実施例３のピーク波形の比の値は、０．３×１０-6以下の範囲内に含まれていた。一方、比較例２の粒子数グラフは、図１２に示すように、ブロードな波形となり、表５に示すように、ピーク波形の比の値は、およそ１．０×１０-6となった。
【産業上の利用可能性】
【0138】
本発明は、電気化学デバイスに有用である。
【符号の説明】
【0139】
１０ リチウムイオンキャパシタ
２０ 正極
２１ 集電体
２２ 電極層
３０ 負極
３１ 集電体
３２ 電極層
４０ セパレータ
５０ 燃料電池
５１ セパレータ
５２ ガス拡散層
５３ アノード電極触媒層
５４ 固体高分子電解質膜
５５ カソード電極触媒層
１００ 分析装置
２００ 磁場生成部
２０１ セル
３００ 観察部
３０１ 拡大部
３０２ 撮像部
４００ 情報処理部
ｍ 媒体
ｐ 粒子
２０ 正極
２１ 集電体
２２ 電極層
３０ 負極
３１ 集電体
３２ 電極層
４０ セパレータ
５０ 燃料電池
５１ セパレータ
５２ ガス拡散層
５３ アノード電極触媒層
５４ 固体高分子電解質膜
５５ カソード電極触媒層
１００ 分析装置
２００ 磁場生成部
２０１ セル
３００ 観察部
３０１ 拡大部
３０２ 撮像部
４００ 情報処理部
ｍ 媒体
ｐ 粒子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】