(57)【要約】【課題】１００℃前後の高温環境下でも使用可能なグラッシーカーボン電極を提供する。【解決手段】触媒の電気化学特性を評価するために使用されるグラッシーカーボン電極１０は、円柱状のグラッシーカーボン部１１と、グラッシーカーボン部１１の側面のうち少なくとも触媒が塗布される方の端面１１ａに隣接した部分を覆う中空円柱状の内側被覆部１２と、内側被覆部１２の側面の全部を覆う中空円柱状の外側被覆部１３とを備える。内側被覆部１２は、疎水性を有する第１材料からなり、外側被覆部１３は、第１材料よりも線膨張係数が小さい第２材料からなる。また、グラッシーカーボン部１１の端面１１ａと、内側被覆部１２の端面１２ａと、外側被覆部１３の端面１３ａは、面一である。【選択図】図２
2019078673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒の電気化学特性を評価するために使用されるグラッシーカーボン電極であって、
円柱状のグラッシーカーボン部と、
前記グラッシーカーボン部の側面のうち、少なくとも前記触媒が塗布される方の端面に隣接した部分を覆う中空円柱状の内側被覆部と、
前記内側被覆部の側面の全部を覆う中空円柱状の外側被覆部と、
を備え、
前記内側被覆部は、疎水性を有する第１材料からなり、
前記外側被覆部は、前記第１材料よりも線膨張係数が小さい第２材料からなり、
前記グラッシーカーボン部の前記端面と、前記内側被覆部の端面と、前記外側被覆部の端面とが面一である
ことを特徴とするグラッシーカーボン電極。
【請求項２】
前記外側被覆部の肉厚は、前記内側被覆部の肉厚よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載のグラッシーカーボン電極。
【請求項３】
前記外側被覆部の前記端面の面積は、前記内側被覆部の前記端面の面積よりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載のグラッシーカーボン電極。
【請求項４】
前記内側被覆部の高さは、前記グラッシーカーボン部の高さの１／２以下である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のグラッシーカーボン電極。
【請求項５】
前記グラッシーカーボン部の側面のうち、前記内側被覆部に覆われていない部分は、前記外側被覆部に覆われている
ことを特徴とする請求項４に記載のグラッシーカーボン電極。
【請求項６】
前記第１材料は、テフロン樹脂であり、
前記第２材料は、ピーク樹脂である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のグラッシーカーボン電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池等に用いられる触媒の電気化学特性を評価するためのグラッシーカーボン電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車（Fuel Cell Vehicle：ＦＣＶ）に搭載される固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）では、酸素還元反応を促進させるために白金系触媒が使用されている。また、近年では、資源量が少なく、それゆえ高価な白金の使用量の削減を可能にする様々な触媒の開発も進められている。
【０００３】
触媒の開発においては、通常、当該触媒の電気化学特性を評価するためにグラッシーカーボン（Glassy Carbon：ＧＣ）電極が用いられる。図６および図７に示すように、従来のグラッシーカーボン電極１００は、円柱状のグラッシーカーボン部１０１と、円柱状のシャフト１０３と、テフロン（登録商標）樹脂からなる中空円柱状の被覆部１０２とを備えている。グラッシーカーボン電極１００は、被覆部１０２の中空部分にグラッシーカーボン部１０１およびシャフト１０３を圧入することにより組み立てられる。この際、グラッシーカーボン部１０１とシャフト１０３との間にバネ１０４を配置することにより、グラッシーカーボン部１０１の端面１０１ｂとシャフト１０３の端面１０３ａとが確実に電気的に接続される。
【０００４】
電気化学特性評価では、グラッシーカーボン電極１００の先端（これにはグラッシーカーボン部１０１の端面１０１ａと被覆部１０２の端面１０２ａとが含まれる）を鏡面研磨し、触媒を分散させた所定量のアルコール溶媒（以下、単に「触媒」という）を研磨後の端面１０１ａに塗布して乾燥させることにより作用極が準備される。ここで、グラッシーカーボン部１０１の端面１０１ａは親水性を有する一方、テフロン樹脂からなる被覆部１０２の端面１０２ａは疎水性を有する。このため、端面１０１ａに塗布された触媒は、端面１０２ａとの境界まで広がってそこで止まる。つまり、上記の手順で作製されたグラッシーカーボン電極１００では、グラッシーカーボン部１０１の端面１０１ａ上に所定量の触媒が必ず存在する。このことは、触媒の電気化学特性を高精度に評価する上で極めて重要である。
【０００５】
なお、上記のようなグラッシーカーボン電極は、例えば、非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Ｅ３シリーズ回転ディスク電極チップ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、インターケミ株式会社、［平成２９年９月２５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.autolabj.com/construction.files/option.files/E3.htm＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、現行の固体高分子形燃料電池の作動温度は約８０℃であるが、次世代の固体高分子形燃料電池ではこれよりも高い１００℃前後になると予想されている。したがって、今後は、固体高分子形燃料電池向けの触媒の電気化学特性の評価も将来の作動温度と同等の１００℃前後で行う必要がある。
【０００８】
しかしながら、従来のグラッシーカーボン電極１００を１００℃前後で使用すると、テフロン樹脂からなる被覆部１０２が径方向に膨張し、その結果、グラッシーカーボン部１０１が被覆部１０２から評価中に脱落したり、被覆部１０２がシャフト１０３から評価中に脱落したりする場合がある。
【０００９】
そこで、本発明は、１００℃前後の高温環境下でも使用可能なグラッシーカーボン電極を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係るグラッシーカーボン電極は、触媒の電気化学特性を評価するために使用されるグラッシーカーボン電極であって、円柱状のグラッシーカーボン部と、グラッシーカーボン部の側面のうち少なくとも触媒が塗布される方の端面に隣接した部分を覆う中空円柱状の内側被覆部と、内側被覆部の側面の全部を覆う中空円柱状の外側被覆部とを備え、内側被覆部は、疎水性を有する第１材料からなり、外側被覆部は、第１材料よりも線膨張係数が小さい第２材料からなり、グラッシーカーボン部の端面と、内側被覆部の端面と、外側被覆部の端面とが面一であることを特徴とする。
【００１１】
上記グラッシーカーボン電極は、外側被覆部の肉厚が内側被覆部の肉厚よりも大きいか、外側被覆部の端面の面積が内側被覆部の端面の面積よりも大きいことが好ましい。
【００１２】
また、上記グラッシーカーボン電極は、内側被覆部の高さがグラッシーカーボン部の高さの１／２以下であることが好ましい。この場合、グラッシーカーボン部の側面のうち内側被覆部に覆われていない部分は、外側被覆部に覆われていることがさらに好ましい。
【００１３】
なお、第１材料の一例はテフロン樹脂であり、第２材料の一例はピーク樹脂であるが、第１材料および第２材料はこれに限定されない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、１００℃前後の高温環境下でも使用可能なグラッシーカーボン電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係るグラッシーカーボン電極の斜視図である。
【図２】実施例に係るグラッシーカーボン電極の図であって、（Ａ）は先端側から見た端面図、（Ｂ）は縦断面図である。
【図３】触媒の広がり方を示す図であって、（Ａ）実施例に係るグラッシーカーボン電極における広がり方を示す図、（Ｂ）は従来のグラッシーカーボン電極における広がり方を示す図である。
【図４】本発明の変形例に係るグラッシーカーボン電極の縦断面図である。
【図５】本発明の別の変形例に係るグラッシーカーボン電極の縦断面図である。
【図６】従来のグラッシーカーボン電極の斜視図である。
【図７】従来のグラッシーカーボン電極の図であって、（Ａ）は先端側から見た端面図、（Ｂ）は縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るグラッシーカーボン電極の実施例について説明する。
【００１７】
図１および図２に、本発明の実施例に係るグラッシーカーボン電極１０を示す。これらの図に示されているように、グラッシーカーボン電極１０は、円柱状のグラッシーカーボン部１１と、グラッシーカーボン部１１の側面の一部を覆う中空円柱状の内側被覆部１２と、内側被覆部１２の側面の全部を覆う中空円柱状の外側被覆部１３と、円柱状のシャフト１４と、位置決め部１５とを備えている。
【００１８】
グラッシーカーボン部１１は、触媒が塗布される端面１１ａと、これに対向する端面１１ｂとを有している。グラッシーカーボン部１１の外径φ１１および高さＨ１１は、いずれも６ｍｍである。
【００１９】
内側被覆部１２は、第１材料（本実施例では、テフロン樹脂）からなっている。内側被覆部１２は、端面１１ａと面一な端面１２ａを有している。また、内側被覆部１２の外径φ１２および高さＨ１２は、８ｍｍおよび３ｍｍである。図２（Ｂ）に示されているように、内側被覆部１２は、グラッシーカーボン部１１の側面のうち端面１１ａに隣接した部分を覆っている。
【００２０】
外側被覆部１３は、第１材料としてのテフロン樹脂よりも線膨張係数が小さい第２材料（本実施例では、ピーク樹脂）からなっている。外側被覆部１３は、端面１１ａおよび端面１２ａと面一な端面１３ａを有している。また、外側被覆部１３の外径φ１３は、１２ｍｍである。図２（Ｂ）に示されているように、外側被覆部１３は、内側被覆部１２の側面の全部と、グラッシーカーボン部１１の側面のうち内側被覆部１２に覆われていない部分と、シャフト１４の側面の一部とを覆っている。
【００２１】
シャフト１４は、導電性を有する材料からなっている。シャフト１４は、端面１４ａを有している。
【００２２】
位置決め部１５は、中空筒状を有している。位置決め部１５は、ネジ、ボルト等の固定具によってシャフト１４の所定位置に固定されている。
【００２３】
本実施例に係るグラッシーカーボン電極１０は、外側被覆部１３と位置決め部１５とが当接するまで外側被覆部１３の中空部分にシャフト１４を圧入した後に、外側被覆部１３の中空部分に内側被覆部１２およびグラッシーカーボン部１１を圧入することにより組み立てられる。この際、グラッシーカーボン部１１とシャフト１４との間にバネ１６を配置することにより、グラッシーカーボン部１１の端面１１ｂとシャフト１４の端面１４ａとが確実に電気的に接続される。
【００２４】
内側被覆部１２を構成するテフロン樹脂、および外側被覆部１３を構成するピーク樹脂の特徴を下表に示す。
【表１】
2019078673.tif 000003
【００２５】
上表に示されている通り、内側被覆部１２を構成するテフロン樹脂は、疎水性を有している。そして、グラッシーカーボン部１１は、内側被覆部１２によって外周が完全に包接されている。したがって、端面１１ａに塗布された触媒Ｓは、従来と同様、端面１２ａとの境界まで広がってそこで止まる（図３（Ａ）参照）。なお、本発明では、外側被覆部１３を構成する第２材料は、疎水性を有していてもよいし、親水性を有していてもよい。
【００２６】
また、上表に示されている通り、外側被覆部１３を構成するピーク樹脂は、線膨張係数が内側被覆部１２を構成するテフロン樹脂の約１／３である。そして、内側被覆部１２は、外側被覆部１３によって外周が完全に包接されている。したがって、高温環境下で内側被覆部１２が径方向に膨張しようとしても、その膨張は外側被覆部１３によって制限され、その結果、内側被覆部１２からのグラッシーカーボン部１１の脱落が防がれる。
【００２７】
なお、非特許文献１には、ピーク樹脂からなる被覆部１３’のみでグラッシーカーボン部１１を包接した構成も開示されている（図３（Ｂ）参照）。しかしながら、このような構成にすると、高温環境下でのグラッシーカーボン部１１の脱落の問題は解消することができるが、端面１１ａに塗布された触媒Ｓが親水性を有する被覆部１３’の端面１３ａ’にまで広がってしまい、所定量の触媒の全部を端面１１ａ上に留めておくことができなくなる。この点、本実施例に係るグラッシーカーボン電極１０では、グラッシーカーボン部１１（端面１１ａ）と外側被覆部１３（端面１３ａ）との間に疎水性を有する内側被覆部１２（端面１２ａ）が存在しているので、このような問題は起こらない。
【００２８】
以上、本発明に係るグラッシーカーボン電極の実施例について説明してきたが、本発明の構成はこれに限定されない。
【００２９】
例えば、内側被覆部１２の高さＨ１２は、グラッシーカーボン部１１の高さＨ１１と同一であってもよいし（図４参照）、Ｈ１１より大きくてもよい。ただし、線膨張係数が小さい第２材料からなる外側被覆部１３でグラッシーカーボン部１１をしっかりと保持するために、高さＨ１２は高さＨ１１の１／２以下であることが好ましい。
【００３０】
また、端面１２ａにおける内側被覆部１２の肉厚（実施例では１ｍｍ）および端面１３ａにおける外側被覆部１３の肉厚（実施例では２ｍｍ）の比率は、適宜変更することができる。ただし、内側被覆部１２の径方向への膨張を確実に制限するため、外側被覆部１３の肉厚は内側被覆部１２の肉厚よりも大きいことが好ましい。
【００３１】
また、内側被覆部１２の端面１２ａの面積および外側被覆部１３の端面１３ａの面積の比率も、適宜変更することができる。ただし、内側被覆部１２の径方向への膨張を確実に制限するため、端面１３ａの面積は端面１２ａの面積よりも大きいことが好ましい。
【００３２】
また、グラッシーカーボン部１１およびシャフト１４は、バネ１６以外の導電性を有する部材を介して接続されていてもよいし、図５に示すように、直接的に接続されていてもよい。
【００３３】
また、内側被覆部１２は、疎水性を有する任意の第１材料からなっていてもよく、外側被覆部１３は、第１材料よりも線膨張係数が小さい任意の第２材料からなっていてもよい。テフロン樹脂以外の第１材料の候補としては、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体）等がある。また、ピーク樹脂以外の第２材料の候補としては、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等がある。
【符号の説明】
【００３４】
１０    グラッシーカーボン電極
１１    グラッシーカーボン部
１１ａ    （グラッシーカーボン部の）端面
１１ｂ    （グラッシーカーボン部の）端面
１２    内側被覆部
１２ａ    （内側被覆部の）端面
１３    外側被覆部
１３ａ    （外側被覆部の）端面
１４    シャフト
１４ａ    （シャフトの）端面
１５    位置決め部
１６    バネ
Ｓ    触媒
【図１】
2019078673.tif 000004
【図２】
2019078673.tif 000005
【図３】
2019078673.tif 000006
【図４】
2019078673.tif 000007
【図５】
2019078673.tif 000008
【図６】
2019078673.tif 000009
【図７】
2019078673.tif 000010