(57)【要約】【課題】触媒層の触媒活性を、電流を流すことなく測定する。【解決手段】燃料電池に用いられる触媒層の触媒活性を評価する燃料電池用触媒の評価装置（１０）であって、評価対象である触媒層（３２０）を有する電解質膜（３００）の前記触媒層（３２０）に水素原子を含む反応ガスを供給する反応ガス流路（１３０）と、前記反応ガス流路（１３０）の上流部に重水で加湿した反応ガスを供給する反応ガス供給部（１００〜１２０）と、前記反応ガス流路中の前記反応ガスが流れる方向の少なくとも２つの測定点で前記反応ガス中の重水の量を測定する重水測定部（２００）と、前記各測定点における前記重水の量から前記重水の減少率を算出し、前記重水の減少率から前記触媒層の触媒活性を評価する評価部（２２０）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられる触媒層の触媒活性を評価する燃料電池用触媒の評価装置であって、
評価対象である触媒層を有する電解質膜の前記触媒層に水素原子を含む反応ガスを供給する反応ガス流路と、
前記反応ガス流路の上流部に重水で加湿した反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記反応ガス流路中の前記反応ガスが流れる方向の少なくとも２つの測定点で前記反応ガス中の重水の量を測定する重水測定部と、
前記各測定点における前記重水の量から前記重水の減少率を算出し、前記重水の減少率から前記触媒層の触媒活性を評価する評価部と、
を備える、燃料電池用触媒の評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用触媒の評価装置において、
前記反応ガス流路は前記反応ガスが流れる方向と垂直な第１の方向の前記触媒層の幅よりも細く形成されており、
さらに、前記反応ガス流路を前記第１の方向に移動する移動装置を備える、燃料電池用触媒の評価装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池用触媒の評価装置において、
前記反応ガス流路の移動方向は、前記触媒層が前記燃料電池に用いられるときにおける前記触媒層上を流れる反応ガスの流れる方向と平行である、燃料電池用触媒の評価装置。
【請求項４】
燃料電池に用いられる触媒層の触媒活性を評価する燃料電池用触媒の評価方法であって、
触媒層を有する電解質膜を、非透水性膜の上に載置し、
前記触媒層の上に反応ガス流路を配置し、
前記反応ガス流路の上流部に重水で加湿した反応ガスを供給して前記反応ガスを前記反応ガス流路に流し、
前記反応ガス流路中の前記反応ガスが流れる方向の少なくとも２つの測定点で前記反応ガス中の重水の量を測定し、
前記測定点における重水の量の差分から前記重水の減少率を算出し、
前記重水の減少率から前記触媒層の触媒活性を算出する、
燃料電池用触媒の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に用いられる触媒を評価する評価装置及び評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用の電極触媒の性能評価方法および評価装置が知られている（特許文献１）。この評価方法、評価装置では、膜−電極接合体に、所定の電圧幅で階段状に変化する電位を印加し、各電位で得られる電流値に基づいて水素発生反応と水素吸着反応との遷移過程である遷移電位範囲を把握し、この遷移電位範囲における水素吸着反応の寄与率を算出し、この寄与率およびサイクリックボルタモグラムに基づき還元電流の電気量を求めて触媒利用率を算出する。電極電位を直線的に掃引し、応答電流を測定する手法をサイクリックボルタンメトリーと呼び、印加した電位を横軸、応答電流値を縦軸として描いたグラフをサイクリックボルタモグラムと呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１４１６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、サイクリックボルタモグラムに基づいて還元電流の電気量を求めて触媒利用率を算出している。この従来技術では、触媒層全体の評価は可能であるが、触媒層全体が電気的に接続されているため、触媒層の特定の部分の触媒活性を取得し、触媒層の触媒活性の面内分布を評価することが難しかった。
【０００５】
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、燃料電池等に用いられる触媒層の触媒活性を、電流を流すことなく測定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］
燃料電池に用いられる触媒層の触媒活性を評価する燃料電池用触媒の評価装置であって、評価対象である触媒層を有する電解質膜の前記触媒層に水素原子を含む反応ガスを供給する反応ガス流路と、前記反応ガス流路の上流部に重水で加湿した反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記反応ガス流路中の前記反応ガスが流れる方向の少なくとも２つの測定点で前記反応ガス中の重水の量を測定する重水測定部と、前記各測定点における前記重水の量から前記重水の減少率を算出し、前記重水の減少率から前記触媒層の触媒活性を評価する評価部と、を備える、燃料電池用触媒の評価装置。
この適用例によれば、触媒層を有する電解質膜に電流を流さないので、反応ガス流路下の状態以外の影響を受けずに、反応ガス流路の下の触媒層の触媒活性を容易に測定することが出来る。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池用触媒の評価装置において、前記反応ガス流路は前記反応ガスが流れる方向と垂直な第１の方向の前記触媒層の幅よりも細く形成されており、さらに、前記反応ガス流路を前記第１の方向に移動する移動装置を備える、燃料電池用触媒の評価装置。
この適用例によれば、触媒層の触媒活性の面内分布を容易に評価することが出来る。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池用触媒の評価装置において、前記反応ガス流路の移動方向は、前記触媒層が前記燃料電池に用いられるときにおける前記触媒層上を流れる反応ガスの流れる方向と平行である、燃料電池用触媒の評価装置。
この適用例によれば、反応ガスの流れる方向に沿った方向の触媒層の触媒活性の評価をすることが出来る。
【００１０】
［適用例４］
燃料電池に用いられる触媒層の触媒活性を評価する燃料電池用触媒の評価方法であって、触媒層を有する電解質膜を、非透水性膜の上に載置し、前記触媒層の上に反応ガス流路を配置し、前記反応ガス流路の上流部に重水で加湿した反応ガスを供給して前記反応ガスを前記反応ガス流路に流し、前記反応ガス流路中の前記反応ガスが流れる方向の少なくとも２つの測定点で前記反応ガス中の重水の量を測定し、前記測定点における重水の量の差分から前記重水の減少率を算出し、前記重水の減少率から前記触媒層の触媒活性を算出する、燃料電池用触媒の評価方法。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用触媒評価装置の他、燃料電池用触媒の評価方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施例の触媒活性評価装置を示す説明図である。
【図２】本実施例の触媒活性評価装置の斜視図である。
【図３】重水が減少する反応例を示す説明図である。
【図４】本実施例の触媒活性評価装置を用いた評価のフローチャートである。
【図５】重水が触媒上を通過するときの重水の通過距離と重水量の関係を示す説明図である。
【図６】活性の異なる触媒を本実施例の触媒活性評価装置を用いて評価した結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の実施例：
図１は、本実施例の触媒活性評価装置を示す説明図である。図２は、本実施例の触媒活性評価装置の斜視図である。触媒活性評価装置１０は、ガス供給器１００と、重水加湿器１１０と、ガス供給管１２０と、反応ガス流路１３０と、ガス排気管１４０と、非透水膜１５０と、台１６０と、ガス流路移動装置１７０と、同位体検出器２００と、サンプリング管２１０と、バルブ２１５と、触媒活性算出装置２２０と、を備える。
【００１４】
台１６０の上に非透水膜１５０が敷かれており、非透水膜１５０の上に測定対象である膜電極接合体３００が載置される。非透水膜１５０は、膜電極接合体３００中の水分が台１６０側に漏れないようにするために、設けられている。非透水膜１５０としては、例えば、シリコンシートを用いることが出来る。膜電極接合体３００は、電解質膜３１０と、触媒層３２０と、を有しており、触媒層３２０は電解質膜３１０の両面に形成されている。膜電極接合体３００は、活性を評価したい側の触媒層３２０が上側に位置するように、非透水膜１５０の上に載置される。電解質膜３１０が非透水膜１５０からはみ出さないように、非透水膜１５０は電解質膜３１０の大きさよりも大きいことが好ましい。
【００１５】
ガス供給器１００は反応ガスを貯蔵し、ガス供給管１２０を介して反応ガス流路１３０に供給する。本実施例では、反応ガスとして水素ガスを用いている。重水加湿器１１０はガス供給管１２０上に設けられており、ガス供給管１２０を流れる水素ガスに対し、重水（Ｄ2Ｏ）による加湿を行う。反応ガス流路１３０は膜電極接合体３００の上に配置される。反応ガス流路１３０は膜電極接合体３００側が開口しており、膜電極接合体３００に重水で加湿された水素ガスを供給する。なお、図２に示すように、反応ガス流路１３０の幅Ｗ１３０は、触媒層３２０の幅Ｗ３２０よりも細く、例えば、触媒層３２０の幅Ｗ３２０の半分以下の幅で形成されていることが好ましい。反応ガス流路１３０の幅Ｗ１３０は、触媒層３２０の幅Ｗ３２０の１／ｎ（ｎは２以上の自然数）であってもよい。反応ガス流路１３０を幅Ｗ１３０ずつ（ｎ−１）回移動させることにより、触媒層３２０の全領域を評価することができる。
【００１６】
水素ガス中の重水は、触媒層３２０の白金を触媒として、水素ガスと反応し、減少する。図３は、重水が減少する反応例を示す説明図である。図３の式（１）に示すように、重水（Ｄ2Ｏ）と水素ガス（Ｈ2）とは、触媒層３２０の白金を触媒として反応し、重水中の重水素原子が水素ガス中の水素原子と置換され、半重水（ＤＨＯ）と重水素化水素（ＨＤ）とを生成する。その結果、触媒層３２０通過後の水素ガス中の重水の量は、触媒層３２０通過前の水素ガス中の重水の量よりも減少する。したがって、同位体検出器２００を用いてこの重水の減少量を測定し、さらに、触媒活性算出装置２２０を用いて重水の減少率を演算することにより、触媒層３２０の触媒活性を評価することができる。なお、重水が減少する反応例としては、式（２）に示すように、重水（Ｄ2Ｏ）と水素ガス（Ｈ2）とが反応し、軽水（Ｈ2Ｏ）と重水素（Ｄ2）とを生成する反応も起こり得る。また、重水が減少する反応ではないため図３には示していないが、式（１）により生成した半重水（ＤＨＯ）と、水素ガス（Ｈ2）とが反応し、軽水（Ｈ2Ｏ）と重水素化水素（ＨＤ）とを生成反応も起こり得る。
ＤＨＯ  ＋  Ｈ2  →  Ｈ2Ｏ  ＋  ＨＤ  …（３）
【００１７】
図２に戻り、説明を続ける。ガス流路移動装置１７０はワイヤー１８０により反応ガス流路１３０に接続されており、ワイヤー１８０を巻き取ることで反応ガス流路１３０を矢印１９０の方向に移動させる。なお、この反応ガス流路１３０の移動方向は、膜電極接合体３００が燃料電池に用いられるときにおける、膜電極接合体３００上の触媒層３２０の上を流れる反応ガスの流れる方向と平行である。このように反応ガス流路１３０を移動させることにより、触媒層３２０の上流部から下流部にかけての触媒活性の分布を算出することが可能となる。なお、ガス流路移動装置１７０の構成は、反応ガス流路１３０を移動できる構成であれば本実施例の構成に限られない。また、触媒活性評価装置１０がガス流路移動装置１７０を備えない構成とし、測定者は、膜電極接合体３００上の一カ所の測定後、反応ガス流路１３０を手動にて膜電極接合体３００上の他の場所に配置し直し、次の測定を行ってもよい。
【００１８】
サンプリング管２１０は反応ガス流路１３０に接続されており、反応ガス流路１３０を流れる反応ガスの一部を取得し、同位体検出器２００に送る。なお、サンプリング管２１０は、二股に分かれており、二股の先端はそれぞれ反応ガス流路１３０の上流部と下流部の２カ所に接続されている。サンプリング管２１０の二股部分には、それぞれバルブ２１５が設けられている。そして、バルブ２１５を開閉することにより、反応ガス流路１３０上流部、及び下流部の反応ガスを別個に取得する。取得された反応ガスは、触媒層３２０と接しなくなるので、反応ガス中の重水は、水素と反応しなくなる。同位体検出器２００は、取得した反応ガス中の重水（Ｄ2Ｏ）の量を検出する。触媒活性算出装置２２０は、反応ガス流路１３０の上流部と下流部の２カ所における反応ガス中の重水（Ｄ2Ｏ）の量から、重水の減少率を算出し、膜電極接合体３００の触媒活性を算出する。
【００１９】
図４は、本実施例の触媒活性評価装置を用いた評価のフローチャートである。ステップＳ１００では、評価者は、非透水膜１５０の上に、測定対象である膜電極接合体３００を載置する。このとき、評価者は、膜電極接合体３００の活性を評価したい側の触媒層３２０が上側になるように載置する。ステップＳ１１０では、評価者は、膜電極接合体３００の一方の端部に反応ガス流路１３０を載置する。このときの端部は、膜電極接合体３００を燃料電池に用いたときの、水素ガスの流れる方向の最上流部、あるいは最下流部であることが好ましい。分割方法は、短冊状に限らずメッシュ状にしても良い。本実施例では、水素ガスの流れる方向の最上流部として説明を続ける。なお、評価者は、反応ガス流路１３０を流れる水素ガスの流れる方向と、膜電極接合体３００を燃料電池に用いたときに流れる水素ガスの流れる方向とが、直交するように反応ガス流路１３０を載置する。
【００２０】
ステップＳ１２０では、評価者は重水で加湿した水素ガスを反応ガス流路１３０に供給する。ステップＳ１３０では、評価者は反応ガス流路１３０上の２点でサンプリング管２１０を用いて反応ガスを取得し、同位体検出器２００を用いて反応ガス中の重水の量を測定する。この２点の重水の量の差分が重水の減少量である。なお、重水で加湿した反応ガスを反応ガス流路１３０流した場合、時間の経過とともに図３の式（１）あるいは式（２）に示した反応が進んでいき重水の量は減少していく。通常は、逆反応も常に行われており、その結果、正味では、どちらか一方に反応が進むように見える。そして、十分に時間が経過すると、反応は平衡状態に達し、重水の量は変化しなくなる。後述するように、一般に、触媒活性は、平衡状態に達するまでの時間に影響を与えるが、平衡定数には影響を与えない。したがって、触媒活性が低下すると、平衡状態に達するまでの時間が長くなる。そこで、評価者は、重水で加湿した反応ガスを反応ガス流路に流し始めてからあらかじめ定められた時間経過した後の重水の量を測定することが好ましい。なお、このあらかじめ定められた時間は、触媒層３２０の触媒活性が最も高い状態（初期状態）において、上述した反応（１）、（２）が平衡状態に達する時間をｔ［秒］とすると、ｔ［秒］よりも短い時間であればよく、例えばｔ／１０〜ｔ／２［秒］の値を採用することができる。ステップＳ１４０では、評価者は触媒活性算出装置２２０を用いて重水の減少率を算出する。そして、ステップＳ１５０では、評価者は触媒活性算出装置２２０を用いて、重水の減少率から触媒活性を算出する。
【００２１】
ステップＳ１６０では、評価者は、ガス供給器１００からの水素ガスの供給を停止する。ステップＳ１７０では、評価者は、ガス流路移動装置１７０に対して、反応ガス流路１３０を膜電極接合体３００の反対側端部方向に所定の距離だけ移動させる。この移動距離は、例えば、反応ガス流路１３０の幅Ｗ１３０（図２）と同じ大きさであってもよい。ステップＳ１８０では、評価者は、反応ガス流路１３０の下に触媒層３２０が存在しているか否かについて判断する。反応ガス流路１３０の下に触媒層３２０が存在している場合には、評価者は処理をステップＳ１２０に移行し、さらに触媒層の活性の評価を続ける。一方、反応ガス流路１３０の下に触媒層３２０が存在していない場合には、評価者はすでに全領域の触媒層の活性評価が終了したと判断できるので、評価を終了する。
【００２２】
図５は、重水が触媒上を通過するときの重水の通過距離と重水量の関係を示す説明図である。重水（Ｄ2Ｏ）と水素ガス（Ｈ2）の同位体交換反応は、触媒の活性が高いほど速やかに進行する。そして、重水が触媒層３２０上で十分な距離を移動、あるいは、重水が触媒層３２０上で十分な時間が経過すれば、平衡状態に達する。したがって、平衡状態に達する前に重水の量を測定することが好ましい。なお、一般に、触媒活性は、平衡状態に達するまでの時間に影響を与える。これに対し、式（１）の反応における平衡定数は、重水蒸気、水素ガス、半重水蒸気、重水素化水素ガスの濃度の影響を受けるが、触媒活性の影響は受けない。
【００２３】
図６は、活性の異なる触媒を本実施例の触媒活性評価装置を用いて評価した結果を示す説明図である。活性の高い高活性標準品では、低活性比較品に比べ、重水の減少率が高かった。
【００２４】
本実施例では、反応ガス流路１３０の上流部と下流部の２点間における重水の量の減少率を比較したが、反応ガス流路１３０の上流から下流にかけて３点以上のポイント、例えば上流部、中流部、下流部の３点、で反応ガスをサンプリングし、これらの各点間での重水の量の減少率を比較してもよい。こうすれば、評価者は、反応ガス流路１３０に反応ガス（水素）を１回流すことにより、上流部〜中流部における触媒活性と、中流部〜下流部における触媒活性と、を切り分けて評価することができる。また、同位体交換量の比較手段は、重水の減少量を用いて行うものに限定するものではなく、たとえば水素ガスの流量や重水の量を変えた場合の濃度変化（例えば重水濃度の変化）の時定数の変化を用いても良い。また、サンプリング位置を変えることにより、重水が一定量減少するまでの距離の違いによって、同位体交換量や触媒活性を評価しても良い。また、重水（Ｄ2Ｏ）の減少ではなく、半重水（ＤＨＯ）や重水素化水素（ＨＤ）の増加量を測定して、同位体交換量を算出し、触媒活性を評価してもよい。
【００２５】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００２６】
１０…触媒活性評価装置
１００…ガス供給器
１１０…重水加湿器
１２０…ガス供給管
１３０…反応ガス流路
１４０…ガス排気管
１５０…非透水膜
１６０…台
１７０…ガス流路移動装置
１８０…ワイヤー
１９０…矢印
２００…同位体検出器
２１０…サンプリング管
２１５…バルブ
２２０…触媒活性算出装置
３００…膜電極接合体
３１０…電解質膜
３２０…触媒層
【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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