JP2016131099A - 電極触媒評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を車体に実搭載することなく、電極触媒の電気化学活性表面積の低下速度が如何なる程度であるかを評価する。
【解決手段】燃料電池に対して電位掃引を行い、サイクリックボルタモグラムを得る。卑電位側から貴電位側に掃引する際、所定の第１保持電位に到達した時点で電位を保持する。さらに、この第１保持電位から卑電位側に掃引を行う。このときに電極触媒の還元反応に寄与した電荷量Ｑ１を求める。次に、卑電位側から貴電位側に掃引するときに前記第１保持電位に到達した時点で電位を保持し、さらに、この第１保持電位から卑電位側に掃引を行う際、所定の第２保持電位に到達した時点で電位を保持する。このときに電極触媒の還元反応に寄与した電荷量Ｑ２を求める。Ｑ１からＱ２を差し引いた差分Ｓ（金属ストレス）と、電極触媒の電気化学活性表面積から、電気化学活性表面積の低下速度を推定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池のアノード電極又はカソード電極に含まれる電極触媒の活性表面積を評価する電極触媒評価方法に関する。

燃料電池のアノード電極又はカソード電極は、ＰｔやＰｄ、Ｒｕ等の貴金属がカーボン担体に担持された電極触媒を含む電極触媒層を具備する。以下、アノード電極の電極触媒層を第１電極触媒層、カソード電極の電極触媒層を第２電極触媒層と表記すると、第１電極触媒層では、水素ガスがプロトンに電離するとともに電子が生じる電極反応が起こる。一方、第２電極触媒層では、固体高分子電解質膜を通過したプロトンと、外部回路を経由して到達した電子と、カソード電極に供給された酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が発生する電極反応が生起される。

上記した電極反応はいずれも、電極触媒によって促進される。すなわち、反応場は電極触媒の表面であり、電極触媒の活性表面積が小さくなると電極反応が良好に起こることが困難となる。

このような理由から、電極触媒の電気化学活性表面積（ＥＣＳＡ）を用いて該電極触媒の劣化の有無を判断することが行われている。ここで、ＥＣＳＡは、例えば、特許文献１〜３等に記載されるように、燃料電池の単位セルを構成してサイクリックボルタンメトリーを行い、卑電位側から貴電位側に掃引する際の電極触媒からの水素の脱離ないし吸着に伴う電荷量、いわゆるＱ値（「Ｑ_H値」とも表現される）に基づいて求めることができる。また、特許文献４には、貴電位側から卑電位側に掃引する際の電極触媒の酸化皮膜の還元に伴う電荷量に基づいて活性表面積を求めることが提案されている。

特開２０１０−１８６７０４号公報 特開２００３−１０９６１５号公報 特開２００８−１７１７２７号公報 国際公開第２００８／１０８４５１号

特許文献１には、電極触媒の劣化を促進させるための一工程として電位走査を行うことが記載されているのみである。また、特許文献２、３には、特定の条件下で作製された電極触媒のＥＣＳＡを求める際にサイクリックボルタンメトリーを行うことが記載されてはいるものの、燃料電池の運転−運転停止のサイクルに伴ってＥＣＳＡが如何なる程度低下していくかについては説明されていない。さらに、特許文献４記載の評価は、燃料電池スタックを車両に搭載して走行しながらサイクリックボルタンメトリーの測定を行って電極触媒の劣化の有無を判定するものであり、劣化を予測するものではない。

以上のように、燃料電池の運転を実際に行うことなく電極触媒のＥＣＳＡが如何なる程度で低下していくかについての評価が確立しているとは言い難い。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、燃料電池を運転する前に、電極触媒の活性表面積の低下速度が如何なる程度であるかの評価を容易に行うことが可能な電極触媒評価方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給し且つ他方の電極に不活性ガスを供給しながら得たサイクリックボルタモグラムに基づいて、前記他方の電極における電極触媒の触媒活性表面積の低下速度を評価する電極触媒評価方法であって、
卑電位側から貴電位側に、電極触媒の酸化反応が起こる第１保持電位まで掃引した後に該第１保持電位に所定の保持時間の間保持し、さらに、該第１保持電位から卑電位側に掃引して第１のサイクリックボルタモグラムを得て、該第１のサイクリックボルタモグラムにおける電極触媒の還元反応の際の電荷量Ｑ１を求める第１の工程と、
卑電位側から貴電位側に前記第１保持電位まで掃引した後に該第１保持電位に前記保持時間の間保持し、さらに、該第１保持電位から卑電位側に、電極触媒の還元反応が起こる第２保持電位まで掃引し、該第２保持電位に所定の保持時間の間保持した後、該第２保持電位からさらに卑電位側に掃引して第２のサイクリックボルタモグラムを得て、前記第２のサイクリックボルタモグラムにおける電極触媒の還元反応の際の電荷量Ｑ２を求める第２の工程と、
前記電荷量Ｑ１から前記電荷量Ｑ２を差し引いた差分Ｓを求める第３の工程と、
を有し、
前記差分Ｓに基づいて、前記他方の電極における電極触媒の触媒活性表面積の低下速度を推定することを特徴とする。

なお、第１保持電位に保持する所定の保持時間は、例えば、電極触媒の表面で酸化反応が進行する程度の時間とする。また、第２保持電位に保持する所定の保持時間は、例えば、電極触媒の表面で還元反応が進行する程度の時間とする。

前記差分Ｓを「金属ストレス」と定義すると、上記の工程を経ることにより、金属ストレスと触媒活性表面積の低下速度との間の直線的相関関係が得られる。従って、電極触媒に印加される電位の上限値と下限値、電位の変化速度、電位の保持時間、温度・湿度等が変化しても、金属ストレスを求めることにより、直線的相関関係に基づいて触媒活性表面積の低下速度を推定することが可能となる。

このように、金属ストレスと触媒活性表面積の低下速度との間の直線的相関関係を得ることにより、燃料電池の運転を実際に行うことなく、該直線的相関関係に基づいて、電極触媒の触媒活性表面積の低下速度について評価を容易に行うことができる。

なお、第１保持電位及び第２保持電位はいずれも、電極触媒の種類に応じて設定すればよい。すなわち、上記の通り、第１保持電位は電極触媒の酸化反応が進行する電位であり、一方、第２保持電位は電極触媒の還元反応が進行する電位である。

また、触媒活性表面積は、例えば、電極触媒の酸化反応進行時のサイクリックボルタモグラムのＱ値に基づいて導出することができる。

電極触媒の好適な例としては、Ｐｔ（白金）系貴金属が挙げられる。すなわち、ＰｔやＰｔ合金等である。この場合、第１保持電位を０．８Ｖ〜１．２Ｖの範囲内の所定電位に設定するとともに、第２保持電位を１．０Ｖ〜０．６Ｖの範囲内の所定電位に設定すればよい。

本発明によれば、金属ストレスと触媒活性表面積の低下速度との間の直線的相関関係を先ず求めるようにしている。この直線的相関関係に基づいて、電極触媒の触媒活性表面積の低下速度を推定することができる。燃料電池の評価を行う際には、一般的に、湿度や温度、保持電位等の諸条件を変更して運転する必要があるが、本発明によれば、このような数多くの運転を行うことなく、電極触媒の劣化の程度を評価することが容易となる。

本発明の実施の形態に係る電極触媒評価方法を実施するための評価装置を固体高分子形燃料電池の単位セルに取り付けた状態を模式的に示した要部概略縦断面図である。 第１の工程における前記単位セルに対する掃引電位のプロファイルである。 図２のプロファイルに基づいて得られたサイクリックボルタモグラム（第１のサイクリックボルタモグラム）である。 第２の工程における前記単位セルに対する掃引電位のプロファイルである。 図４のプロファイルに基づいて得られたサイクリックボルタモグラム（第２のサイクリックボルタモグラム）である。 金属ストレスと、電極触媒の触媒活性表面積（電気化学活性表面積）の低下速度との相関関係を示す両対数グラフである。

以下、本発明に係る電極触媒評価方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

はじめに、図１を参照し、本実施の形態に係る電極触媒評価方法を実施するための評価装置１０の構成につき説明する。この評価装置１０は、固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池とも表記する）の単位セル１２に対して電気的に接続されたポテンショスタット１４と、該ポテンショスタット１４を制御するポテンシャルスイーパ１６を有する。

単位セル１２につき説明すると、該単位セル１２は、電解質膜・電極接合体１８と、この電解質膜・電極接合体１８を挟持する第１及び第２セパレータ２０、２２とを備える。

電解質膜・電極接合体１８は、電解質膜２４がアノード電極２６とカソード電極２８の間に介装されることで構成される。この中の電解質膜２４は、プロトン伝導性を備えるポリマーからなる固体高分子膜で形成される。なお、この種のポリマーとしては、パーフルオロスルホン酸系フッ素樹脂等が例示される。

アノード電極２６は、電解質膜２４の一端面に設けられる。該アノード電極２６は、水素等の燃料ガスが供給される第１ガス拡散層３０と、電解質膜２４に臨む第１電極触媒層３２とを有する。

一方、電解質膜２４の他端面には、前記カソード電極２８が設けられる。カソード電極２８は、アノード電極２６と同様に、空気や酸素等の酸化剤ガスが供給される第２ガス拡散層３４と、電解質膜２４に臨む第２電極触媒層３６とを有する。

本実施の形態において、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層３６は、電極触媒としての白金（Ｐｔ）を含む薄膜からなる。白金は、単独であってもよいし、カーボンブラック等の担体に担持されていてもよい。

第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等の金属板からなる。また、これらの金属板の表面に防食用の表面処理が施されたものやカーボン板が用いられる場合もある。

第１セパレータ２０における第１ガス拡散層３０に臨む端面には、燃料ガス流路３８が形成され、一方、第２セパレータ２２における第２ガス拡散層３４に臨む端面には、酸化剤ガス流路４０が形成される。

なお、複数個の単位セル１２を積層してスタックを構成するようにしてもよい。

評価装置１０を構成する前記ポテンショスタット１４は、制御線４２、４４を介して単位セル１２に電気的に接続される。ここで、制御線４２、４４は、第１セパレータ２０及び第２セパレータ２２に個別に隣接する集電板（図示せず）に接続されるが、電気的に等価であることから、図１では、第１セパレータ２０、第２セパレータ２２の各々に制御線４２、４４を接続した状態を模式的に示している。

ポテンショスタット１４には、さらに、制御線４６を介してポテンシャルスイーパ１６が電気的に接続される。ポテンショスタット１４及びポテンシャルスイーパ１６により、電位の掃引を繰り返し行うことができる。

ポテンショスタット１４及びポテンシャルスイーパ１６の構成、及び上記した電位の掃引は、サイクリックボルタンメトリーにおいて周知であるので、その詳細な説明は省略する。

次に、本実施の形態に係る電極触媒評価方法について説明する。

電極触媒であるＰｔの評価は、サイクリックボルタモグラムに基づいて行われる。このため、先ず、組み立てられた単位セル１２を、評価装置１０に電気的に接続する。

そして、アノード電極２６に加湿した燃料ガスを供給するとともに、カソード電極２８に加湿した不活性ガスを供給する。勿論、燃料ガス及び不活性ガスは、それぞれ、第１セパレータ２０の燃料ガス流路３８、第２セパレータ２２の酸化剤ガス流路４０を流通する。燃料ガス及び不活性ガスの温度や湿度、圧力、流通速度等は、スタックを実運転（発電）する際の諸条件に準じて設定することが好ましい。なお、燃料ガス、不活性ガスのそれぞれの好適な例としては、水素、窒素が挙げられる。

この状態で、ポテンショスタット１４及びポテンシャルスイーパ１６の制御作用下に、単位セル１２に対して電位を掃引する。この際には、アノード電極２６を基準とし、アノード電極２６とカソード電極２８との電位差を掃引電位とする。

次に、ポテンシャルスイーパ１６の制御作用下に、掃引電位を上昇及び下降させてサイクリックボルタモグラムを得る第１の工程を行う。掃引電位のプロファイルを、図２に示す。

図２から諒解されるように、電極触媒がＰｔである本実施の形態においては、掃引電位を０．０５〜１．０Ｖの範囲内とし、且つ卑電位側から貴電位側に掃引して１．０Ｖに到達した後、該１．０Ｖで所定時間保持するようにしている。すなわち、第１保持電位を１．０Ｖに設定している。この掃引を行って得られたサイクリックボルタモグラムを、図３に示す。

上記の電位保持により、下記の反応式（Ａ）に従って、電極触媒であるＰｔの酸化が進行する。
Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏ→ＰｔＯ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（Ａ）

ここで、反応式（Ａ）中のｅ^-は電子を表す。なお、第１保持電位の保持時間は、この酸化反応が進行する程度の時間であり、例えば、５秒程度である。

図３の２箇所のハッチング中、電流値が正である上方にハッチングを付した部分の面積に基づき、反応式（Ａ）に示される酸化反応に関与した電荷量を求めることができる。当該電荷量をＱ_Hと表すとすると、このとき、電極触媒であるＰｔの電気化学活性表面積、Electro Chemical Surface Area（ＥＣＳＡ０）は、下記の式（Ｂ）によって算出される。
ＥＣＳＡ０［ｍ²／ｇ−Ｐｔ］
＝Ｑ_H［Ｃ］／（２１０［μＣ／ｃｍ²］×Ｐｔ量［ｇ］） …（Ｂ）

卑電位側から貴電位側に電位の掃引を行う際に電位が１．０Ｖ（第１保持電位）に到達したときに保持を行い、貴電位側から卑電位側に電位の掃引を行う際の途中の電位では保持を行わない第１の工程においては、以上のようにしてＥＣＳＡ０が求められる。

一方、貴電位側から卑電位側に掃引する際、０．８Ｖ近傍において、下記の反応式（Ｃ）に従い、ＰｔＯの還元が進行する。
ＰｔＯ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｐｔ＋Ｈ₂Ｏ …（Ｃ）

図３の２箇所のハッチング中、電流値が負である下方にハッチングを付した部分の面積に基づき、反応式（Ｂ）に示される還元反応に関与した電荷量Ｑ１を求めることができる。

なお、このサイクルを数回繰り返し、波形が安定した後のサイクリックボルタモグラムからＥＣＳＡ０及びＱ１を求めるようにしてもよい。

このようにしてＥＣＳＡ０及びＱ１を求めた後、次に、第２の工程を行う。すなわち、図４に示すように、卑電位側から貴電位側に電位の掃引を行う際には所定の第１の第１保持電位で電位保持を行い、且つ、貴電位側から卑電位側に電位の掃引を行う際にも、所定の第２保持電位で電位保持を行う。なお、第２の工程における第１保持電位は、第１の工程での第１保持電位と等しい電位とする。すなわち、本実施の形態では１．０Ｖである。また、第２保持電位は、例えば、０．８Ｖに設定することができる。この場合、１．０Ｖから卑電位側に掃引する途中、０．８Ｖに到達した際に電位保持を行えばよい。

卑電位側から掃引して１．０Ｖ（第１保持電位）に到達したときの保持時間は、ＥＣＳＡ０及びＱ１を求めた際の保持時間と同一である。一方、１．０Ｖから卑電位側に掃引して０．８Ｖ（第２保持電位）に到達したときの保持時間、換言すれば、第２保持電位の保持時間は、上記の反応式（Ｃ）に示される還元反応が進行する程度の時間であり、例えば、５秒程度である。すなわち、第２保持電位の保持時間は、前記２つの保持時間（図２中の第１保持電位と、図４中の第１保持電位）と同一とすることができる。ただし、第２保持電位の保持時間が前記２つの保持時間と相違していてもよい。

この電位掃引を行うことで得られたサイクリックボルタモグラムを、図５に示す。上記したように、０．８Ｖ近傍においてはＰｔＯの還元反応が進行する。第２工程では０．８Ｖで保持を行うようにしているので、０．８Ｖから０．４Ｖにかけて出現しているピークは、０．８Ｖでの保持によってもなお還元されずに残留したＰｔＯの還元反応に由来するものである。

上記と同様に、図５中のハッチングが付された部分の面積に基づき、反応式（Ｃ）に示される還元反応に関与した電荷量Ｑ２を求めることができる。第３の工程では、この電荷量Ｑ２を、前記電荷量Ｑ１から差し引いた差分Ｓを求める。すなわち、差分Ｓは、下記の式（Ｄ）により求められる。
Ｓ［Ｃ］＝Ｑ１−Ｑ２ …（Ｄ）

以降、この差分Ｓを「金属ストレス」と定義する。結局、以上の第１〜第３の工程を経ることにより、所定のＥＣＳＡ０における金属ストレスが求まる。金属ストレスは、触媒金属が酸化された電荷量から、触媒金属が還元されず酸化されたままで有している電荷量を差し引いた量と換言することができる。

以上の第１〜第３の工程を、カソード電極２８の第２電極触媒層３６の触媒活性表面積が相違する単位セル１２についても行い、各々について金属ストレスを求める。なお、電気化学活性表面積を相違させるには、例えば、０．８Ｖから貴電位側に電位掃引して１．０Ｖに到達したときに所定の時間電位保持し、その後、１．０Ｖから貴電位側に電位掃引して０．８Ｖに到達したときに所定の時間電位保持するサイクルを複数回、例えば、数回〜数万回行えばよい。この場合、サイクルの繰り返し数や、電位保持時間を相違させることによって、電気化学活性表面積を種々相違させることができる。

そして、サイクルを終了した単位セル１２につき、上記と同様にしてＱ_H、Ｑ１及びＱ２を求めることにより、該単位セル１２におけるＥＣＳＡ及び金属ストレスが得られる。

その一方で、金属ストレスを変化させる。このために、例えば、卑電位から電位を掃引して１．０Ｖに到達した際の第１保持時間と、１．０Ｖから卑電位側に掃引する最中に０．８Ｖに到達した際の第２保持時間を種々変更する。第１保持時間及び第２保持時間の各々は、例えば、１０秒〜１００秒の間の任意の時間とすることができる。

この際にも、第１工程及び第２工程のそれぞれでサイクリックボルタモグラムが取得される。そして、式（Ｄ）を用い、差分Ｓ（金属ストレス）を算出する。

以上のようにして、様々な値の金属ストレスに対する電気化学活性表面積の変化の度合い（変化速度）が求まる。金属ストレスを横軸、電気化学活性表面積の低下速度を縦軸とした両対数グラフを図６に示す。

この図６から、金属ストレスと電気化学活性表面積との間に直線的相関関係が存在することが分かる。すなわち、金属ストレスが大きくなるほど電気化学活性表面積の低下速度が大きくなる。換言すれば、図６の両対数グラフを得た単位セル１２に準拠して第１の工程〜第３の工程を行って金属ストレスを求めれば、図６から、低下速度を推定することが可能となる。

従って、例えば、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層３６（図１参照）を形成した際の塗工条件と相違する条件下で形成された第１電極触媒層及び第２電極触媒層を有する単位セルについても、如何なる程度で電気化学活性表面積が低下するかを予測することができる。このことは、燃料電池を車体に搭載した後や、定置位置に設置した後等に実際に運転することなく単位セル（ひいては燃料電池スタック）の性能低下を見積もることができることを意味する。結局、本実施の形態によれば、燃料電池の評価が可能となる。

同様にして、アノード電極２６の第１電極触媒層３２の状態を調べることもできる。この場合、アノード電極２６に不活性ガス（Ｎ₂等）、カソード電極２８に燃料ガス（Ｈ₂等）を供給し、ポテンショスタット１４によって上記とは極性を逆にして電位掃引を行えばよい。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、第１保持電位及び第２保持電位を適宜変更してもよい。さらに、第１保持電位ないし第２保持電位や保持時間を変更することに代え、燃料ガスないし不活性ガスの温度、湿度、圧力等を適宜変更してサイクリックボルタモグラムを得るようにすることもできる。

また、電極触媒の評価を行い得る燃料電池は、固体高分子形燃料電池に特に限定されるものではなく、例えば、リン酸型燃料電池や直接メタノール型燃料電池の電極触媒の電気化学活性表面積の低下速度を評価することも可能である。さらに、電極触媒も、Ｐｔ以外の金属であってもよい。

そして、燃料電池を構成する際には、ガス拡散層と電極触媒層との間に、撥水性と親水性を調節するための多孔質層からなる中間層を介在させるようにしてもよい。

また、本発明に係る評価方法を、燃料電池スタック中の積層位置が相違する単位セルについて実施することにより、各単位セルの劣化度合いの相違を推定することもできる。さらに、第１電極触媒層（又は第２電極触媒層）の発電面内における様々な部位について上記の評価を行えば、発電面内での劣化分布を得ることもできる。

嵩密度が０．３１ｇ／ｍ²、厚みが１９０μｍであるカーボンペーパーに対し、三井・デュポンフロロケミカル社製のＦＥＰ１２０−ＪＲＢ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ（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の分散液の商品名）を浸透させ、１２０℃で３０分間乾燥することでガス拡散層を得た。なお、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の浸透量は、乾燥後の重量が２．４重量％となるように設定した。

１２ｇのバルカンＸＣ７２Ｒ（キャボット社製のブラックカーボン粒子の商品名）と、２０ｇのＦＥＰ１２０−ＪＲＢと、１５５ｇのエチレングリコールとをボールミルにて撹拌混合した。これにより、アノード電極側の第１中間層用ペーストを形成した。

前記第１中間層用ペーストをスクリーン印刷にて前記ガス拡散層上に塗布し、３８０℃で３０分間加熱することによって乾燥させ、ガス拡散層と第１中間層との積層物である第１積層体を得た。なお、第１中間層用ペーストは、乾燥後の単位面積当たりの重量が１．２ｍｇ／ｃｍ²となる量で塗布した。

その一方で、昭和電工社製の気相成長カーボンであるＶＧＣＦを１２ｇ、ＦＥＰ１２０−ＪＲＢを２０ｇ秤量し、これらを２００ｇのエチレングリコールに添加した後、ボールミルで撹拌混合することでカソード電極側の第２中間層用ペーストを形成した。

前記第２中間層用ペーストをスクリーン印刷にて前記ガス拡散層上に塗布し、３８０℃で３０分間加熱することによって乾燥させ、ガス拡散層と第２中間層との積層物としての第２積層体を得た。第２中間層用ペーストは、上記と同様に乾燥後の単位面積当たりの重量が１．２ｍｇ／ｃｍ²となる量で塗布した。

また、田中貴金属工業社製の白金担持カーボンであるＴＥＣ１０ＥＡ５０Ｅ−ＨＴと、デュポン社製のプロトン伝導性ポリマー溶液であるＤ２０２０ＣＳとを重量比で１：１となるように秤量した後、ボールミルで撹拌混合してアノード側の第１触媒ペーストを調製した。

この第１触媒ペーストを、白金が０．１ｍｇ／ｃｍ²となるような条件でポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上にスクリーン印刷を行った。その後、１２０℃で６０分間の熱処理を行うことにより、アノード側の第１電極触媒シートを得た。

その一方で、ＴＥＣ１０ＥＡ５０Ｅ−ＨＴとＤ２０２０ＣＳとを重量比で１：１．５となるように秤量したことを除いては上記と同様にして、カソード側の第２触媒ペーストを調製した。

次に、第２触媒ペーストを、白金が０．３５ｍｇ／ｃｍ²となるような条件でＰＴＦＥシート上にスクリーン印刷を行った。その後、１２０℃で５分間の熱処理を行うことにより、カソード側の第２電極触媒シートを得た。

次に、前記第１電極触媒シート及び前記第２電極触媒シートを、デュポン社製のＮＲ２１１（プロトン電導性の固体高分子電解質膜）の各端面に圧着しながら加熱し、所定時間が経過した後、前記ＰＴＦＥシートを剥離させた。これにより、両端面に第１電極触媒層、第２電極触媒層が転写された固体高分子電解質膜を得た。

さらに、前記第１積層体及び前記第２積層体を、前記第１中間層が前記第１電極触媒層に対向し、且つ前記第２中間層が前記第２電極触媒層に対向するようにして固体高分子電解質膜に重畳し、１４０℃において３０ｋｇｆ／ｃｍ²の面圧で熱圧着を行った。以上により、電解質膜・電極接合体を作製した。

次に、この電解質膜・電極接合体を、金属メッキが施され且つ流路部が貫通形成された１組のセパレータで挟持し、さらに、各セパレータの外方に、該セパレータよりも表面積が若干大きなアクリル板で挟むことで単位セルを構成した。

この単位セルを、ポテンショスタットを介してポテンシャルスイーパに電気的に接続した。さらに、７０℃、相対湿度７３％のＨ₂を１３０ｋＰａでアノード電極に供給するとともに、７０℃、相対湿度７３％のＮ₂を１００ｋＰａでカソード電極に供給した。その後、第１保持電位を０．８Ｖ、０．９Ｖ、１．０Ｖのいずれか、第１保持時間を１〜１０００秒の間の所定の時間、第２保持電位を０．６Ｖ、０．７Ｖ、０．８Ｖのいずれか、第２保持時間を１〜１０００秒の間の所定の時間としてサイクリックボルタンメトリーを行い、金属ストレスを求めた。

この算出を、電気化学活性表面積が種々相違する第２電極触媒層を有する単位セルについても行った。その結果として得られた、金属ストレスと、電気化学活性表面積の低下速度との関係を表１に示す。なお、図６は、表１に示される値をプロットしたものである。

表１及び図６から、金属ストレスと、電気化学活性表面積の低下速度との間に直線的相関関係があることが分かる。従って、任意の燃料電池スタックにつき金属ストレスを求めれば、この図６から、電気化学活性表面積が如何なる程度で低下するかを推測することができる。

１０…評価装置 １２…固体高分子形燃料電池（単位セル）
１４…ポテンショスタット １６…ポテンシャルスイーパ
１８…電解質膜・電極接合体 ２０、２２…セパレータ
２４…電解質膜 ２６…アノード電極
２８…カソード電極 ３０、３４…ガス拡散層
３２、３６…電極触媒層 ３８…燃料ガス流路
４０…酸化剤ガス流路

Claims (3)

1. 燃料電池の一方の電極に燃料ガスを供給し且つ他方の電極に不活性ガスを供給しながら得たサイクリックボルタモグラムに基づいて、前記他方の電極における電極触媒の触媒活性表面積の低下速度を評価する電極触媒評価方法であって、
   卑電位側から貴電位側に、電極触媒の酸化反応が起こる第１保持電位まで掃引した後に該第１保持電位に所定の保持時間の間保持し、さらに、該第１保持電位から卑電位側に掃引して第１のサイクリックボルタモグラムを得て、該第１のサイクリックボルタモグラムにおける電極触媒の還元反応の際の電荷量Ｑ１を求める第１の工程と、
   卑電位側から貴電位側に前記第１保持電位まで掃引した後に該第１保持電位に前記保持時間の間保持し、さらに、該第１保持電位から卑電位側に、電極触媒の還元反応が起こる第２保持電位まで掃引し、該第２保持電位に所定の保持時間の間保持した後、該第２保持電位からさらに卑電位側に掃引して第２のサイクリックボルタモグラムを得て、前記第２のサイクリックボルタモグラムにおける電極触媒の還元反応の際の電荷量Ｑ２を求める第２の工程と、
   前記電荷量Ｑ１から前記電荷量Ｑ２を差し引いた差分Ｓを求める第３の工程と、
   を有し、
   前記差分Ｓに基づいて、前記他方の電極における電極触媒の触媒活性表面積の低下速度を推定することを特徴とする電極触媒評価方法。
2. 請求項１記載の電極触媒評価方法において、前記触媒活性表面積を、前記電極触媒の酸化反応進行時のサイクリックボルタモグラムのＱ値に基づいて導出することを特徴とする電極触媒評価方法。
3. 請求項１又は２記載の電極触媒評価方法において、前記電極触媒としてＰｔ系貴金属を使用することを特徴とする電極触媒評価方法。

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