(57)【要約】【課題】  燃料電池の品質管理、特に、カソード触媒層の良否判定を高精度かつ簡便に行える評価方法および評価装置を提供する。【解決手段】  燃料電池の膜電極積層体の評価方法において、膜電極積層体を、ＣＯガスを含む水素ガス雰囲気に存在させた状態で、膜電極積層体の一対の電極間へパルス状の電圧を印加し、パルス状の印加電圧に伴い一対の電極間に流れる電流を測定し電流の変化に基づき膜電極積層体中の酸素拡散性能を評価する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の膜電極積層体の評価方法であって、
前記膜電極積層体を、ＣＯガスを含む水素ガス雰囲気に存在させた状態で、
前記膜電極積層体の一対の電極間へパルス状の電圧を印加し、
前記パルス状の印加電圧に伴い前記一対の電極間に流れる電流を測定し、
該電流の変化に基づき前記膜電極積層体中の酸素拡散性能を評価する、
燃料電池の膜電極積層体の評価方法。
【請求項２】
請求項１の評価方法において、更に
前記電流のピーク値に基づき前記膜電極積層体におけるプロトンの拡散性能及び／又は電子の移動性能を評価する、
燃料電池の膜電極積層体の評価方法。
【請求項３】
燃料電池の膜電極積層体の評価装置であって、
ＣＯガスを含む水素ガスを収容する筐体と、
該筐体中に前記膜電極積層体を保持する保持部と、
前記膜電極積層体の一対の電極間にパルス状の電圧を印加する電圧印加部と、
前記パルス状の印加電圧に伴い前記一対の電極間に流れる電流を測定する電流測定部と、
を有する燃料電池の膜電極積層体の評価装置。
【請求項４】
請求項３に記載の評価装置であって、更に、
該電流の変化に基づき前記膜電極積層体中の酸素拡散性能を評価する評価部を
更に有する燃料電池の膜電極積層体の評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の評価方法および評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第ＷＯ９７／４０３７１号公報において、新規なガスセンサが提案されている。このガスセンサにおいてパルス法を実行するときの原理を図１〜３に基づいて説明する。
図１に示すように、このＣＯガスセンサは検出電極１と対向電極２との間に電解質膜３を介在させた構成である。センサ制御部５により、検出電極１側に正の電圧を印加する。図２の上段に示すように比較的高いＣＯ酸化電位から比較的低いＣＯ吸着電位まで検出電極に印加する電圧を変化すると、同図下段に示すように、過渡電流（応答電流）が流れる。この応答電流の減少率は被検ガス中のＣＯ濃度に対応している。即ち、ＣＯ濃度が高くなるにつれ応答電流の減少率が大きくなる。そこで、図３に示すように、電流減少率とＣＯ濃度との関係を示す検量線を予め求めておき、測定した電流減少率を検量線に対照させることによりＣＯ濃度を特定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ９７／４０３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池の性能を確保する上で、カソード触媒層の品質管理は特に重要であり、カソード触媒層の良否は、カソード触媒層中の酸素の拡散のし易さに直接的な影響を受ける。ところが従来では、燃料電池の評価としては専ら、燃料電池全体を実際に通常通り作動させ、その場合の燃料電池全体としての性能を評価する方法等に限定されており、カソード触媒層中の酸素の拡散性能を高精度かつ簡便に測定する方法は見当たらなかった。
一方、上記ガスセンサの検出電極側触媒層中の触媒ＰｔへのＣＯ拡散のし易さは、上記ガスセンサの感度を決める大きな要因となっている。ここで、ＣＯと酸素Ｏ２とは分子サイズが近いことから、上記ガスセンサの感度は触媒Ｐｔへの酸素の拡散のし易さに略比例すると考えることができる。
以上のことから、本発明者は、上記ガスセンサの原理を、燃料電池の品質管理、特に、カソード触媒層中の酸素拡散性能の良否判定に応用できるのではないかと考えた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、この発明の目的は、燃料電池のカソード触媒層を含む膜電極積層体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の良否判定を高精度かつ簡便に行える評価方法および評価装置を提供することにある。
本発明の第１の局面は次のように規定される。即ち、
燃料電池の膜電極積層体の評価方法であって、
前記膜電極積層体を、ＣＯガスを含む水素ガス雰囲気に存在させた状態で、
前記膜電極積層体の一対の電極間へパルス状の電圧を印加し、
前記パルス状の印加電圧に伴い前記一対の電極間に流れる電流を測定し、
該電流の変化に基づき前記膜電極積層体中の酸素拡散性能を評価する、
燃料電池の膜電極積層体の評価方法。
後に詳述するように、膜電極積層体中のＣＯ拡散性能の良否は、上記電流の変化の差として表れる。また、ＣＯと酸素Ｏ２とは分子サイズが近いため、膜電極積層体中のＣＯ拡散性能と酸素拡散性能は近似すると考えられる。よって、上記電流の変化を測定することにより、膜電極積層体中のＣＯ拡散性能を定量的に把握することが可能となり、もって、膜電極積層体中の酸素拡散性能を定量的に把握することが可能となる。こうして、膜電極積層体の良否判定を高精度かつ簡便に行い得る方法が提供される。
【０００６】
本発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面による評価方法において、更に
前記電流のピーク値に基づき前記膜電極積層体におけるプロトンの拡散性能及び／又は電子の移動性能を評価する、
燃料電池の膜電極積層体の評価方法。
上記電流のピーク値は、膜電極積層体のイオン抵抗と相関がある。よって、上記局面によれば、上記電流のピーク値に基づき膜電極積層体におけるプロトンの拡散性能及び／又は電子の移動性能を評価することが可能である。
【０００７】
本発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、
燃料電池の膜電極積層体の評価装置であって、
ＣＯガスを含む水素ガスを収容する筐体と、
該筐体中に前記膜電極積層体を保持する保持部と、
前記膜電極積層体の一対の電極間にパルス状の電圧を印加する電圧印加部と、
前記パルス状の印加電圧に伴い前記一対の電極間に流れる電流を測定する電流測定部と、
を有する燃料電池の膜電極積層体の評価装置。
【０００８】
本発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第３の局面の評価装置であって、更に、
該電流の変化に基づき前記膜電極積層体中の酸素拡散性能を評価する評価部を
更に有する燃料電池の膜電極積層体の評価装置。
このように、本発明の第３および第４の局面により、膜電極積層体の良否判定を高精度かつ簡便に行える評価装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＣＯガスセンサの動作原理を説明する図である。
【図２】パルス法における印加電圧と応答電流の関係を示す。
【図３】ＣＯ濃度と応答電流の減少率との検量線を示す。
【図４】この発明の膜電極積層体評価装置の概略構成図である。
【図５】この発明の良否判定装置の構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の膜電極積層体評価装置による評価例における印加電圧および応答電流を示す図である。
【図７】この発明の膜電極積層体評価装置による評価例における検量線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態につき説明する。
図４はこの発明の膜電極積層体評価装置１０及びその評価対象である膜電極積層体２０（ＭＥＡ）の基本的な構成を示している。膜電極積層体２０は、カソード触媒層２１およびアノード触媒層２２を電解質膜２３の両面に積層してなる。この膜電極積層体評価装置１０による評価対象となる膜電極積層体２０の材質、構造は特に限定されない。膜電極積層体２０は燃料電池において一般的に用いられるものである。
【００１１】
評価装置１０は、制御部１５、筐体３０、およびガス供給装置４０を有する。筐体３０は、ガス供給口３２とガス排出口３４とを有する。ガス供給口３２にはガス供給装置４０が接続される。膜電極積層体２０の評価に際して、膜電極積層体２０は筐体３０の内部に保持部材（図示省略）を介して設置される。そして、ガス供給装置４０から、所定濃度のＣＯおよびＨ２を含むガスを筐体３０内に供給する。これにより、筐体３０内のＣＯ濃度が一定の値（５０〜１００ｐｐｍ）に保たれる。また、膜電極積層体２０の評価に際して、筐体３０内の温度、湿度、圧力は一定に保たれる。
【００１２】
カソード触媒層２１とアノード触媒層２２の間に電圧を印可する電圧印加装置としての制御部１５は、直流電源１６、電圧変更回路１７及び電流計１８を備えている。電圧変更回路１７は直流電源１６の電圧を、例えば図２の上段に示す矩形波パルスのように、変更する。その高電位側がＣＯ酸化電位にあり、その低電位側がＣＯ吸着電位にあればパルス波形は特に制限されない。ＷＯ９７／４０３７１号公報に示される三角波や正弦波なども採用することができる。かかる電圧変更回路１７には周知のパルス波形成回路を用いることができる。電流計１８は、電圧がＣＯ酸化電位からＣＯ吸着電位に変化したときにカソード触媒層２１とアノード触媒層２２の間に流れる応答電流を検出する。
【００１３】
得られた応答電流から膜電極積層体２０の良否判定を行う良否判定装置５０を図５に示す。良否判定装置５０は応答電流減少率演算回路５１、ＣＰＵ５３及びメモリ５５を備えてなる。応答電流減少率演算回路５１は電流計１８で検出された応答電流の波形を解析し、その所定時間当たりの減少率を演算する。メモリ５５には、ＣＰＵ５３の動作を規定するコントロールプログラムおよび判定に用いる基準値が保存されている。基準値及び判定の方法については後述する。判定結果はディスプレイや印刷装置などからなる表示装置５７に表示される。
【００１４】
図６は、本発明の膜電極積層体評価装置１０を用いて燃料電池の膜電極積層体２０の良否判定を実施した例を表す。図６の上段はカソード触媒層２１に正の電圧を印加するように触媒層２１、２２間に印加されたパルス状電圧であり、図２の場合と同様に、ＣＯ酸化電位（High）と、ＣＯ吸着電位（Low）の状態間で切り替えられつつ、印加される。図６の下段は、パルス状電圧の印可に応じて触媒層２１、２２間に流れた応答電流を示す。実線aは膜電極積層体２０が良品である場合の応答電流を表し、破線bおよびcは不良品である場合の応答電流を表している。その良否判定の基準について以下に説明する。
【００１５】
本発明においては、膜電極積層体２０の良否判定の基準として、２つの基準を用いている。即ち、一つ目の判定基準は、パルス状電圧の印加に伴う応答電流のピーク値が、イオン抵抗良品判定領域（図６参照）に入っているか否かである。この判定基準は、膜電極積層体のイオン抵抗、つまり膜電極積層体におけるプロトンの拡散性能及び／又は電子の移動性能を判定するための基準である。
【００１６】
応答電流ピーク値がイオン抵抗良品判定領域未満である場合は、イオン抵抗が異常に高い、即ち、プロトンの拡散性能及び／又は電子の移動性能が不良であると判定される。実線aで表されるものは応答電流ピーク値がイオン抵抗良品判定領域に入っているため、良品と判定される。一方、破線bで表されるものは応答電流ピーク値がイオン抵抗良品判定領域未満であり、不良品と判定される。
【００１７】
２つ目の判定基準は、印加電圧のＣＯ吸着電位への立下り後の応答電流の変化についてのものであり、膜電極積層体２０中における酸素拡散性能を判定するためのものである。当該応答電流の変化は、例えば図６に示す電流減少率（即ち、ＣＯ吸着電位期間の応答電流減少値）によって代表される。この応答電流の変化の態様は、膜電極積層体２０中におけるＣＯの拡散性能の良否に応じて差異を生じる。
【００１８】
つまり、ＣＯ拡散性能が良く、ＣＯ吸着電位にて吸着したＣＯの膜電極積層体２０内部への拡散が促進される場合には、膜電極積層体２０の触媒の活性が大幅に下がり、結果として触媒層２１、２２間を流れる電流値が大幅に低下する。一方、ＣＯ拡散性能が不良であり、吸着したＣＯの膜電極積層体２０内部への拡散が乏しい場合には、膜電極積層体２０の触媒の活性の下がり具合が抑制され、結果として、触媒層２１、２２間を流れる電流値の減少幅も小さくなる。なお、膜電極積層体２０中のＣＯ拡散性能を評価することにより酸素拡散性能を評価できることについては上述した通りである。
【００１９】
図６中の直線aで表されるものでは、パルス状電圧のＣＯ吸着電位への立下り後の応答電流の変化a'（即ち電流減少率a'）が比較的大きいのに対して、破線cのものでは、パルス状電圧のＣＯ吸着電位への立下り後の応答電流の変化c'（即ち電流減少率c'）が比較的小さい。図７は、ＣＯ濃度と応答電流減少率との関係を表す検量線図であり、そこに上記の電流減少率a'、c'を、その時の設定環境ＣＯ濃度γに対してプロットした。
【００２０】
既に説明したように、ＣＯ拡散性能（即ち酸素拡散性能）の良い良品においては電流減少率が比較的大きく、ＣＯ拡散性能（即ち酸素拡散性能）の悪い不良品においては電流減少率が比較的小さい。そこで、評価時の設定ＣＯ濃度における電流減少率が図７の酸素拡散性能良品判定領域に入るかどうかで、当該膜電極積層体２０の酸素拡散性能の良否を判定することができる。図７で、点a'のものは酸素拡散性能良品判定領域に入っているため酸素拡散性能良品と判定される。点c'のものは酸素拡散性能良品判定領域未満であるため、酸素拡散性能不良品と判定される。
【００２１】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００２２】
例えば、上記実施形態および実施例では、膜電極積層体２０の酸素拡散性能の良否判定に用いる応答電流の減少率として、ＣＯ吸着電位期間の応答電流減少値を用いたが、これに代えて、応答電流の減少の傾きや、パルス状電圧印加終了後所定時間が経過するまでの応答電流減少量、あるいは応答電流がパルス状電圧印加終了後に所定量減少するまでに要する時間等としても良い。
本発明の装置および方法により膜電極積層体２０の評価をする際は、筐体３０内の温度、湿度、圧力を一定としたが、これらの値を種々変更して評価を実施することにより、膜電極積層体２０のロバスト性の評価を行うこともできる。
【符号の説明】
【００２３】
１０  膜電極積層体評価装置
１５  制御部
２０  膜電極積層体
２１  カソード触媒層
２２  アノード触媒層
２３  電解質膜
３０  筐体
４０  ガス供給装置
５０  良否判定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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