(57)【要約】【課題】燃料電池セルにおける発電性能の評価を誤ることを防止できる。【解決手段】触媒と、前記触媒を被覆する電解質と、前記触媒と前記電解質との間を接続することによって前記触媒と前記電解質との間におけるプロトンの伝導を媒介できる水と、を含む触媒層を有する燃料電池セルにおいて、前記触媒のうち前記電解質に被覆されている前記触媒の被覆面積を評価する評価方法であって、摂氏０度以下の前記燃料電池セルに対して、反応ガスを流すことによって、前記燃料電池セルが生成した電流を測定する測定工程と、前記測定工程において測定した前記電流の値から前記被覆面積を評価する評価工程と、を備える、評価方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒と、前記触媒を被覆する電解質と、前記触媒と前記電解質との間を接続することによって前記触媒と前記電解質との間におけるプロトンの伝導を媒介できる水と、を含む触媒層を有する燃料電池セルにおいて、前記触媒のうち前記電解質に被覆されている前記触媒の被覆面積を評価する評価方法であって、
摂氏０度以下の前記燃料電池セルに対して、反応ガスを流すことによって、前記燃料電池セルが生成した電流を測定する測定工程と、
前記測定工程において測定した前記電流の値から前記被覆面積を評価する評価工程と、を備える、評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに含まれる触媒層の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルに含まれる触媒層には、触媒と、触媒を被覆する電解質と、触媒と電解質との間を接続することによって触媒と電解質との間におけるプロトンの伝導を媒介できる水と、を含むものがある。触媒と電解質と反応ガスとが接触する三相界面は、燃料電池セルにおける電気化学反応が起こる場である。しかし、触媒が電解質に被覆されている被覆面積が大きい場合、触媒と反応ガスとの接触が妨げられることによって燃料電池セルの発電性能は低下する傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１０９８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、触媒と電解質との間の界面に形成される電気二重層の容量と触媒と水との間の界面に形成される電気二重層の容量とを比較して触媒の電解質被覆率を判断することによって、燃料電池セルの発電性能を評価する評価方法が用いられている。燃料電池セルにおけるアノードで発生したプロトンが伝導する経路となっている電解質とは接続していないものの触媒を被覆している断片状の電解質が存在する場合、断片状の電解質は、触媒と反応ガスとの接触を妨げるため燃料電池セルの発電性能に影響する。しかし、断片状の電解質にはアノードで発生したプロトンが伝導できないことから、断片状の電解質と触媒との間の界面には、特許文献１の評価方法において電気二重層は形成されない。そのため、このような場合に特許文献１の評価方法を適用すると、燃料電池セルにおける発電性能の評価を誤る虞があるという課題があった。このため、燃料電池セルにおける発電性能の評価を誤ることを防止できることが可能な技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池セルに含まれる触媒層の評価方法が提供される。この評価方法は、触媒と、前記触媒を被覆する電解質と、前記触媒と前記電解質との間を接続することによって前記触媒と前記電解質との間におけるプロトンの伝導を媒介できる水とを含む触媒層を有する燃料電池セルにおいて、前記触媒のうち前記電解質に被覆されている前記触媒の被覆面積を評価する評価方法であって、摂氏０度以下の前記燃料電池セルに対して、反応ガスを流すことによって、前記燃料電池セルが生成した電流を測定する測定工程と、前記測定工程において測定した前記電流の値から前記被覆面積を評価する評価工程と、を備える。この形態によれば、触媒と水とが接触している場では、燃料電池セルにおける電気化学反応によって生成された水は、触媒表面において凍結することによって触媒と反応ガスとの接触は妨げられることから、燃料電池セルの発電に寄与しない。また、触媒と電解質とが接触している場では、燃料電池セルにおける電気化学反応によって生成された水は電解質中に移動して凍結しにくくなることから触媒表面において凍結しない。このため、触媒と反応ガスとの接触は妨げられないことから、燃料電池セルの発電に寄与できる。その結果、触媒層において燃料電池セルにおけるアノードで発生したプロトンが伝導する経路となっている電解質とは接続していないものの触媒を被覆している断片状の電解質が存在する場合であっても、燃料電池セルが生成した電流を測定することによって電解質に被覆されている触媒の被覆面積を誤ることなく評価できる。よって、燃料電池セルにおける発電性能の評価を誤ることを防止できる。
【０００７】
本発明の形態は、燃料電池セルに含まれる触媒層の評価方法に限るものではなく、例えば、燃料電池セルに含まれる触媒層の評価装置などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池セルの概略構成を示す模式図である。
【図２】アノード触媒層およびカソード触媒層における触媒を拡大した拡大図である。
【図３】触媒の被覆面積を評価する工程を説明する説明図である。
【図４】摂氏マイナス２０度に冷却されたカソード触媒層の状態を示す説明図である。
【図５】比較対象の燃料電池セルにおけるカソード触媒層を、摂氏マイナス２０度に冷却した状態を示す説明図である。
【図６】測定対象の燃料電池セルと比較対象の燃料電池セルとの測定工程における結果を示した説明図である。
【図７】測定対象の燃料電池セルが生成した電流の電流密度と比較対象の燃料電池セルが生成した電流の電流密度との比を示した説明図である。
【図８】測定対象の燃料電池セルおよび比較対象の燃料電池セルにおける発電性能の比較を示した説明図である。
【図９】触媒と水との間の界面に形成される電気二重層の容量を測定する際のカソード触媒層における触媒を拡大した拡大図である。
【図１０】触媒と電解質との間の界面に形成される電気二重層の容量を測定する際のカソード触媒層における触媒を拡大した拡大図である。
【図１１】細孔の内側に断片状の電解質が存在する場合における触媒を拡大した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池セルに含まれる触媒層の評価方法の実施例について説明する。本評価方法の説明にあたって、評価の対象となる燃料電池セル１００の概略構成について説明し、次に、その評価方法について説明する。
【００１０】
Ａ．第１実施例
（１）燃料電池セルの概略構成
図１は、燃料電池セル１００の概略構成を示す模式図である。燃料電池セル１００は、反応ガスを用いた電気化学反応によって発電する。燃料電池セル１００が用いる反応ガスは、水素と酸素とである。燃料電池セル１００は、アノード拡散層１１０と、アノード触媒層１２０と、電解質膜１３０と、カソード触媒層１４０と、カソード拡散層１５０と、セパレーター１６０と、セパレーター１７０と、を備える。アノード触媒層１２０およびカソード触媒層１４０は、アノード拡散層１１０とカソード拡散層１５０との間に挟持されている。
【００１１】
電解質膜１３０は、アノード触媒層１２０とカソード触媒層１４０との間に挟持され、プロトン伝導性を有する高分子の薄膜である。電解質膜１３０は、アイオノマ樹脂であるパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
【００１２】
アノード拡散層１１０は、アノード触媒層１２０に接して積層され、アノード触媒層１２０に水素を拡散させる。カソード拡散層１５０は、カソード触媒層１４０に接して積層され、カソード触媒層１４０に酸素を拡散させる。アノード拡散層１１０およびカソード拡散層１５０は、主にガス透過性および導電性を有する材料から構成される。例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパであってもよい。
【００１３】
セパレーター１６０は、アノード拡散層１１０に接して積層される。セパレーター１６０において、アノード拡散層１１０との当接面には、アノード拡散層１１０にガスを流すための流路が形成されている。セパレーター１７０は、カソード拡散層１５０に接して積層される。セパレーター１７０において、カソード拡散層１５０との当接面には、カソード拡散層１５０にガスを流すための流路が形成されている。アノード拡散層１１０およびカソード拡散層１５０は、セパレーター１６０とセパレーター１７０との間に挟持されている。
【００１４】
アノード触媒層１２０とカソード触媒層１４０とは、電解質膜１３０を挟持し、電解質膜１３０を介して行われる電気化学反応を促進させる。本実施例では、アノード触媒層１２０は、水素の酸化反応を促進し、カソード触媒層１４０は、酸素の還元反応を促進する。尚、本実施例の説明では、アノード触媒層１２０およびカソード触媒層１４０の各々を総称する場合には「触媒層」と呼ぶ。アノード触媒層１２０およびカソード触媒層１４０は、触媒２００と、担体２１０と、電解質２２０とを備える層である。
【００１５】
図２は、アノード触媒層１２０およびカソード触媒層１４０における触媒２００を拡大した拡大図である。触媒２００は、燃料電池セル１００における電気化学反応を促進する。担体２１０は、触媒２００を担持している。担体２１０の表面には、多数の細孔２１０ｈが形成されている。触媒２００は、担体２１０における細孔２１０ｈを除いた表面および細孔２１０ｈの内表面に担持されている。細孔２１０ｈの開口は、触媒２００の直径よりは大きいとともに電解質２２０の侵入を防止できる大きさである。
【００１６】
本実施例では、担体２１０は、カーボン粒子である。他の実施形態では、担体２１０は、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等であってもよい。
【００１７】
電解質２２０は、電解質膜１３０に含まれる電解質と同種の電解質である。電解質２２０のうち少なくとも一部は、触媒２００を被覆している。電解質２２０は、担体２１０における細孔２１０ｈを除いた表面に担持されている触媒２００を被覆している。電解質２２０は、細孔２１０ｈの内表面に担持されている触媒２００は被覆していない。
【００１８】
（２）燃料電池セルに含まれる触媒層の評価方法
上述した燃料電池セル１００（測定対象）に含まれる触媒層において、触媒２００のうち電解質２２０に被覆されている触媒２００の被覆面積を評価する方法について、説明する。
【００１９】
（２ａ）測定工程（Ｓ１００）
図３は、触媒２００の被覆面積を評価する工程を説明する説明図である。測定工程（Ｓ１００）は、摂氏０度以下の燃料電池セル１００に対して、反応ガスである水素と酸素を流すとともに電圧を一定の値（０．１Ｖ）に制御することによって、燃料電池セル１００が生成した電流を測定する工程である。本実施例では、摂氏マイナス２０度に冷却された燃料電池セル１００が生成した電流を測定する。
【００２０】
尚、本実施例では、８０％ＲＨに加湿した窒素ガスを燃料電池セル１００に流した後に、燃料電池セル１００を摂氏マイナス２０度に冷却してから測定工程に入る。８０％ＲＨに加湿した窒素ガスが触媒層を湿らすことによって、触媒２００と電解質２２０との間を接続して触媒２００と電解質２２０との間におけるプロトンの伝導を媒介する水を、触媒層内に導入する。
【００２１】
図４は、摂氏マイナス２０度に冷却された燃料電池セル１００におけるカソード触媒層１４０の状態を示す説明図である。予めカソード触媒層１４０内に８０％ＲＨに加湿した窒素ガスを流すことによって導入された水は、摂氏マイナス２０度において、カソード触媒層１４０内における様々な位置で凍結して氷３００を形成している。
【００２２】
摂氏マイナス２０度に冷却されたカソード触媒層１４０内において、触媒２００と水（この場合は氷３００）とが接触している場では、燃料電池セル１００による電気化学反応によって生成された水は、触媒２００表面において凍結することによって触媒２００と酸素との接触は妨げられることから、燃料電池セル１００の発電に寄与しない。また、触媒２００と電解質２２０とが接触している場では、燃料電池セル１００による電気化学反応によって生成された水は電解質２２０中に移動して凍結しにくくなることから触媒２００表面において凍結しない。このため、触媒２００と酸素との接触は妨げられないことから、燃料電池セル１００の発電に寄与できる。
【００２３】
図５は、担体２１０とは異なる構造を持つ担体２１０ａを有する燃料電池セル（比較対象）におけるカソード触媒層を、摂氏マイナス２０度に冷却した状態を示す説明図である。図５における状態は、図４と同様、予めカソード触媒層内に８０％ＲＨに加湿した窒素ガスを流した後に、燃料電池セルを摂氏マイナス２０度に冷却したものである。
【００２４】
担体２１０ａは、担体２１０の表面に形成された多数の細孔２１０ｈのような構造を持たない。また、担体２１０ａにおける単位重量当たりの触媒２００の重量は、担体２１０と同様である。
【００２５】
担体２１０において、触媒２００は、担体２１０における細孔２１０ｈを除いた表面および細孔２１０ｈの内表面に担持されている。それに対して、担体２１０ａでは、触媒２００は、担体２１０ａの表面にのみ担持されている。電解質２２０は、担体２１０ａの表面に担持されているほとんど全ての触媒２００を被覆している。
【００２６】
このため、カソード触媒層内に８０％ＲＨに加湿した窒素ガスを流された状態における触媒２００のうち、水と接触しているものは、ほとんどない。カソード触媒層内に８０％ＲＨに加湿した窒素ガスを流された状態における触媒２００のうち、電解質２２０と接触しているものがほとんどである。
【００２７】
（２ｂ）評価工程（Ｓ１０２）
図６は、測定対象の燃料電池セル１００と比較対象の燃料電池セルとの測定工程（Ｓ１００）における結果を示した説明図である。図６は、測定対象の燃料電池セル１００および比較対象の燃料電池セルを摂氏マイナス２０度に冷却してから経過した時間を横軸にとり、電流密度を縦軸にとる。曲線Ｃｎ１は、比較対象の燃料電池セルの測定結果である。曲線Ｅｘ１は、測定対象の燃料電池セル１００の測定結果である。評価工程（Ｓ１０２）では、測定工程（Ｓ１００）において測定した電流の値から、燃料電池セル１００における触媒２００のうち電解質２２０に被覆されている触媒２００の被覆面積を評価する。
【００２８】
図６において、測定対象の燃料電池セル１００が生成した電流の電流密度は、比較対象の燃料電池セルが生成した電流の電流密度と比べて、低い。この差は、測定対象の燃料電池セル１００における触媒２００のうち水と接触している触媒２００の割合が、比較対象の燃料電池セルにおける触媒２００のうち水と接触している触媒２００の割合より大きいためである。
【００２９】
図７は、図６における測定対象の燃料電池セル１００が生成した電流の電流密度と図６における比較対象の燃料電池セルが生成した電流の電流密度との比を示した説明図である。図７は、測定対象の燃料電池セル１００および比較対象の燃料電池セルを摂氏マイナス２０度に冷却してから経過した時間を横軸にとり、比較対象の燃料電池セルが生成した電流の電流密度に対する測定対象の燃料電池セル１００が生成した電流の電流密度の比を縦軸にとる。図７より、比較対象の燃料電池セルが生成した電流の電流密度を１とした場合、測定対象の燃料電池セル１００が生成した電流の電流密度は、０．４に収束している。よって、燃料電池セル１００における触媒２００のうち、約６０％の触媒２００は電解質２２０に被覆されていないと評価できる。
【００３０】
図８は、測定対象の燃料電池セル１００および比較対象の燃料電池セルにおける発電性能の比較を示した説明図である。図８において、測定対象の燃料電池セル１００および比較対象の燃料電池セルは、摂氏８０度の状態で発電をしている。図８は、電流を横軸にとり、電圧を縦軸にとる。曲線Ｃｎ２は、比較対象の燃料電池セルにおける発電性能である。曲線Ｅｘ２は、測定対象の燃料電池セル１００における発電性能である。曲線Ｃｎ２および曲線Ｅｘ２で示すように、測定対象の燃料電池セル１００における発電性能は、比較対象の燃料電池セルにおける発電性能より高い。
【００３１】
触媒２００が電解質２２０に被覆されている被覆面積が大きい場合、触媒２００と反応ガスとの接触が妨げられることによって燃料電池セルの発電性能は低下する傾向がある。このため、図８に示された結果は、本評価方法による評価と対応していると考えられる。
【００３２】
Ｂ．参考例
図９および図１０を用いて、電気二重層容量を測定することによって、燃料電池セル１００の発電性能を評価する参考例の評価方法について説明する。
【００３３】
図９は、触媒２００と水との間の界面に形成される電気二重層の容量を測定する際のカソード触媒層１４０における触媒２００を拡大した拡大図である。図９におけるカソード触媒層１４０は、１００％ＲＨに加湿したガスＧを流された高加湿条件下にある。ハッチングで示した領域は、ガスＧが存在している領域である。図９において、触媒２００と水（この場合はガスＧが存在している領域）との間の界面に、電気二重層が形成される。
【００３４】
図１０は、触媒２００と電解質２２０との間の界面に形成される電気二重層の容量を測定する際のカソード触媒層１４０における触媒２００を拡大した拡大図である。図１０におけるカソード触媒層１４０には、窒素ガスＮを流された条件下にある。図１０において、触媒２００と電解質２２０との間の界面に、電気二重層が形成される。
【００３５】
参考例の評価方法では、触媒２００と水との間の界面に形成される電気二重層の容量と、触媒２００と電解質２２０との間の界面に形成される電気二重層の容量とを比較して触媒２００の電解質被覆率を判断することによって、燃料電池セル１００の発電性能を評価する。
【００３６】
図１１は、細孔２１０ｈの内側に断片状の電解質２２０ａが存在する場合における触媒２００を拡大した拡大図である。図１１では、担体２１０における細孔２１０ｈの内側に、担体２１０における細孔２１０ｈを除いた表面に担持されている触媒２００を被覆している電解質２２０とは異なる断片状の電解質２２０ａが存在する。断片状の電解質２２０ａの分子量は、電解質２２０の分子量より小さいため、細孔２１０ｈの内側に侵入する可能性がある。図１１における電解質２２０には、アノード触媒層１２０において発生したプロトンが電解質膜１３０を介して伝導されるが、断片状の電解質２２０ａとは接続していないため、断片状の電解質２２０ａと触媒２００との間の界面には、電気二重層が形成されない。しかし、細孔２１０ｈの内側に断片状の電解質２２０ａがあることによって、触媒２００と反応ガスとの接触は妨げられることから、参考例の評価方法を用いて図１１のような状態にある燃料電池セル１００における発電性能を評価する場合、評価を誤る虞がある。
【００３７】
これに対して、第１実施例の評価方法は、細孔２１０ｈの内側に断片状の電解質２２０ａが存在する場合であっても、燃料電池セル１００が生成した電流を測定することによって電解質に被覆されている触媒２００の被覆面積を誤ることなく評価できる。よって、燃料電池セル１００における発電性能の評価を誤ることを防止できる。
【００３８】
以上説明した実施形態によれば、触媒２００と水とが接触している場では、燃料電池セル１００における電気化学反応によって生成された水は、触媒２００表面において凍結することによって触媒２００と反応ガスとの接触は妨げられることから、燃料電池セル１００の発電に寄与しない。また、触媒２００と電解質２２０とが接触している場では、燃料電池セル１００における電気化学反応によって生成された水は電解質２２０中に移動して凍結しにくくなることから触媒２００表面において凍結しない。このため、触媒２００と反応ガスとの接触は妨げられないことから、燃料電池セル１００の発電に寄与できる。その結果、カソード触媒層１４０において燃料電池セルにおけるアノードで発生したプロトンが伝導する経路となっている電解質２２０とは接続していないものの触媒２００を被覆している断片状の電解質２２０ａが存在する場合であっても、燃料電池セル１００が生成した電流を測定することによって電解質２２０に被覆されている触媒２００の被覆面積を誤ることなく評価できる。よって、燃料電池セル１００における発電性能の評価を誤ることを防止できる。
【００３９】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１００…燃料電池セル
１１０…アノード拡散層
１２０…アノード触媒層
１３０…電解質膜
１４０…カソード触媒層
１５０…カソード拡散層
２００…触媒
２１０…担体
２１０ａ…担体
２１０ｈ…細孔
２２０…電解質
２２０ａ…電解質
３００…氷
Ｃｎ１…曲線
Ｃｎ２…曲線
Ｅｘ１…曲線
Ｅｘ２…曲線
Ｇ…ガス
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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