JP6600816B2 - Catalyst evaluation apparatus and evaluation method - Google Patents
Catalyst evaluation apparatus and evaluation method Download PDFInfo
- Publication number
- JP6600816B2 JP6600816B2 JP2016079344A JP2016079344A JP6600816B2 JP 6600816 B2 JP6600816 B2 JP 6600816B2 JP 2016079344 A JP2016079344 A JP 2016079344A JP 2016079344 A JP2016079344 A JP 2016079344A JP 6600816 B2 JP6600816 B2 JP 6600816B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- catalyst
- gas
- pipe
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims description 104
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title claims description 38
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 33
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 30
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 59
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 26
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 9
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- -1 Hydrogen ions Chemical class 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 3
- 229920003937 Aquivion® Polymers 0.000 description 2
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 2
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 2
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003679 aging effect Effects 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Catalysts (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
本発明は、触媒評価装置と触媒評価方法に関する。特に、燃料電池に使用される触媒の評価を行うための触媒評価装置と触媒評価方法に関するものである。 The present invention relates to a catalyst evaluation apparatus and a catalyst evaluation method. In particular, the present invention relates to a catalyst evaluation apparatus and a catalyst evaluation method for evaluating a catalyst used in a fuel cell.
固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、発電反応を起こす電解質膜の両外面に触媒層、ガス拡散層の順に接合して膜電極接合体を構成し、それらをセパレータで挟みこんだものを一つの単セルとして、必要な個数の前記単セルを積み上げて構成されている。 In the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), a membrane electrode assembly is formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer in this order on both outer surfaces of an electrolyte membrane that causes a power generation reaction, and sandwiching them with a separator. A single unit cell is used as a single unit, and a necessary number of unit cells are stacked.
近年、前記の電解質膜としては、プロトン導電性イオン交換膜が用いられ、特にスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が基本特性に優れるため広く検討されている。 In recent years, proton conductive ion exchange membranes have been used as the electrolyte membrane, and in particular, cation exchange membranes made of perfluorocarbon polymers having sulfonic acid groups are widely studied because of their excellent basic characteristics.
この固体高分子型燃料電池に水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、前記電解質膜を介して燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力、熱、及び水を同時に発生させるものである。 A fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air are supplied to the polymer electrolyte fuel cell, and the fuel gas and the oxidant gas are reacted electrochemically through the electrolyte membrane. , Electricity, heat and water are generated simultaneously.
固体高分子型燃料電池においては、下記式1、式2の反応が起こり、電気エネルギが発生する。
In the polymer electrolyte fuel cell, reactions of the following
負極では H2 → 2H+ + 2e−・・・(式1)
正極では 1/2O2 + 2H+ + 2e− → H2O・・・(式2)
負極での反応で発生した水素イオン(H+:プロトン)は前記の電解質膜内を移動し、正極での反応に使用される。
H 2 for the negative electrode → 2H + + 2e − (Formula 1)
In the positive electrode 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· ( Equation 2)
Hydrogen ions (H + : protons) generated by the reaction at the negative electrode move through the electrolyte membrane and are used for the reaction at the positive electrode.
このような電極反応は触媒層で行われる。触媒層は触媒担持カーボンと電解質から構成されており,カーボンに担持した触媒と電解質との界面で電極反応が行われる。また,触媒層内のカーボンのつながりが電子の通り道となり,電解質のつながりが水素イオンの通り道となる。なお,担持する触媒は正極,負極とも白金が多いが,正極の活性向上や負極の耐CO性向上のために白金系合金触媒を用いる場合もある。 Such an electrode reaction is performed in the catalyst layer. The catalyst layer is composed of catalyst-supported carbon and an electrolyte, and an electrode reaction is performed at the interface between the catalyst supported on the carbon and the electrolyte. In addition, the carbon connection in the catalyst layer becomes an electron path, and the electrolyte connection becomes a hydrogen ion path. The supported catalyst contains a large amount of platinum for both the positive electrode and the negative electrode, but a platinum-based alloy catalyst may be used to improve the activity of the positive electrode or the CO resistance of the negative electrode.
このように触媒の性能は燃料電池の性能に直結する。また触媒に用いられている白金等の金属は非常に高価な材料であるため、開発の早い段階で、かつより少ない使用量で、触媒性能を見極めることが重要となる。 Thus, the performance of the catalyst is directly linked to the performance of the fuel cell. Further, since metals such as platinum used for the catalyst are very expensive materials, it is important to determine the catalyst performance at an early stage of development and with a smaller amount of use.
触媒の評価は、回転ディスク電極(Rotating Disk Electrode)を用いた触媒単体の評価(RDE法)や、膜電極接合体(MEA)を作製し、単セル構造にて発電評価する方法がある。 The evaluation of the catalyst includes a method of evaluating a single catalyst using a rotating disk electrode (RDE method) and a method of producing a membrane electrode assembly (MEA) and evaluating power generation with a single cell structure.
しかしながら、RDE法での評価では、RDE法によって得られる触媒活性値から期待された非常に高い特性値が得られる。しかし、実際に、膜電極接合体(MEA)を作製し、単セル構造にて発電評価した際には、その高い特性値が得られないことが多い。他の要因が含まれていると思われる。 However, in the evaluation by the RDE method, a very high characteristic value expected from the catalyst activity value obtained by the RDE method can be obtained. However, when a membrane electrode assembly (MEA) is actually manufactured and evaluated for power generation in a single cell structure, the high characteristic value is often not obtained. It seems that other factors are included.
また、実際に、膜電極接合体(MEA)を作製し、単セル構造にて発電評価する方法においては、市販の単セルとして、日本自動車研究所(JARI)製の標準セルがある。しかし、電極面積が25cm2もあるため、評価のために多くの触媒が必要となる。また、セルを構成するための部品が多いため、評価結果から触媒の影響のみを考察することは困難である。 Moreover, in the method of actually producing a membrane electrode assembly (MEA) and evaluating power generation with a single cell structure, there is a standard cell manufactured by Japan Automobile Research Institute (JARI) as a commercially available single cell. However, since the electrode area is as large as 25 cm 2 , many catalysts are required for evaluation. Moreover, since there are many parts for constituting the cell, it is difficult to consider only the influence of the catalyst from the evaluation results.
また、単セル構造を構成せずに発電評価する方法として、平面上に正極、負極を配置することが提案されている(特許文献1)。特許文献1の構造を図5の断面図に示す。特許文献1では、電解質膜50を隔壁53により二つの領域に分ける。一方の領域に、触媒層51を印刷すると共に陰極56を配置する。他方の領域には、燃料電池の陽極側の構成と同一の触媒層52を印刷すると共に陽極55を配置する。陰極56が配置された領域には水素を、陽極55が配置された他方の領域には、酸素含有ガス(例えば、空気)を供給する。こうすれば燃料電池を構成することができ、発電特性を評価できる。
Further, as a method for evaluating power generation without constituting a single cell structure, it has been proposed to arrange a positive electrode and a negative electrode on a plane (Patent Document 1). The structure of
しかしながら、特許文献1の構成では、隔壁53により電解質膜50の平面方向に領域を分割し陽極55、陰極56を配置しており、実際の燃料電池が電解質膜50の膜厚方向に発電をするのとは構造が異なる。
However, in the configuration of
また供給したガスを拡散する機構、電極に荷重をかける構造がないため、正確な発電特性が測定出来ない。 In addition, since there is no mechanism for diffusing the supplied gas and a structure for applying a load to the electrodes, it is impossible to measure accurate power generation characteristics.
本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、触媒の発電特性を簡易に、精度が高く、かつ少量の触媒量で測定することができる触媒の評価装置と評価方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides a catalyst evaluation apparatus and an evaluation method capable of measuring the power generation characteristics of a catalyst simply, with high accuracy, and with a small amount of catalyst. Objective.
上記目的を達成するために、第1ガス流路を有するパイプ構造の第1電極と、平面構造の第2電極と、触媒を保持する載置台と、上記第1電極と上記第2電極間の電気的特性を測定する測定部と、を含む触媒の評価装置を用いる。第1ガス流路を有するパイプ構造の第1電極に第1ガスを流す第1工程と、平面構造の第2電極に第2ガスを供給する第2工程と、上記第1電極と上記第2電極と間に被測定対象の触媒を挟み、上記第1電極と上記第2電極と間の電気特性を測定する触媒の評価方法を用いる。 To achieve the above object, a first electrode having a pipe structure having a first gas flow path, a second electrode having a planar structure, a mounting table for holding a catalyst, and between the first electrode and the second electrode And a catalyst evaluation apparatus including a measurement unit for measuring electrical characteristics. A first step of flowing a first gas to a first electrode of a pipe structure having a first gas flow path; a second step of supplying a second gas to a second electrode of a planar structure; the first electrode and the second A catalyst evaluation method is used in which a catalyst to be measured is sandwiched between electrodes, and electrical characteristics between the first electrode and the second electrode are measured.
また、第1ガス流路を有するパイプ構造の第1電極に第1ガスを流す第1工程と、平面構造の第2電極に第2ガスを供給する第2工程と、上記第1電極と上記第2電極と間に被測定対象の触媒を挟み、上記第1電極と上記第2電極と間の電気特性を測定する触媒の評価方法を用いる。 A first step of flowing a first gas to a first electrode of a pipe structure having a first gas flow path; a second step of supplying a second gas to a second electrode of a planar structure; the first electrode; A catalyst evaluation method is used in which a catalyst to be measured is sandwiched between second electrodes, and electrical characteristics between the first electrode and the second electrode are measured.
この構成によれば、パイプ構造の電極にガス流路とガス拡散機能を備え、かつ電極面積を小さくすることが可能となる。またパイプ構造の電極を可動式とすることで、測定時に荷重変動が出来るため、正確な発電特性が、少量の触媒で可能となる。 According to this configuration, an electrode having a pipe structure is provided with a gas flow path and a gas diffusion function, and the electrode area can be reduced. In addition, by making the electrode of the pipe structure movable, the load can be varied during measurement, so that accurate power generation characteristics can be achieved with a small amount of catalyst.
以下、本発明の実施の形態を図1〜図4に基づいて説明する。
<触媒評価装置の電極部>
図1に本実施の形態の触媒評価装置のパイプ型電極ユニット10の模式図を示す。
パイプ型電極ユニット10は、パイプ型電極1、ガス流路9a、9b、多孔質体11、樹脂ブロック2、排気ブロック3、パッドゴム4を含む。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
<Electrode part of catalyst evaluation device>
FIG. 1 shows a schematic diagram of a pipe-
The pipe-
パイプ型電極1は、電気伝導のある材料で構成されている。パイプ型電極1は、パイプ形状になっている。パイプ型電極1は、ガス流路9aと多孔質体11とを備えている。
The pipe-
多孔質体11(第2多孔質体)は、パイプ型電極1の先端にあり、焼結金属のような電気伝導がある多孔質体である。多孔質体11は、供給されてきたガスを拡散する役割と、反応により発生した電子を伝導する役割を併せ持つ。
The porous body 11 (second porous body) is a porous body at the tip of the pipe-
ガス流路9aは、反応に必要なガスを供給する役割を持つ。
The
樹脂ブロック2は、電気絶縁材料で構成されており、パイプ型電極1と排気ブロック3を、お互いに電気的に絶縁した状態で接続する。
The
排気ブロック3は、電気伝導のある材料で構成されており、ガス流路9b、パッドゴム4(カバー)が備えられている。
The
ガス流路9bは、反応で使用されなかったガスを排気する役割を持つ。
The
パッドゴム4は電解質膜5(後述)と密着し、供給したガスや反応で使用されなかったガスがガス流路9a,9b外へ漏洩することを防ぐ役割を持つカバーである。
The
<被検体20>
図2に、検査する対象物である被検体20の模式断面を示す。
<
FIG. 2 shows a schematic cross section of a
被検査対象である被検体20は、触媒層22を電気伝導のある多孔質体21(第1多孔質体)に保持させたものである。
The
触媒層22は、触媒担持カーボンと電解質から構成されており,カーボンに担持した触媒と電解質との界面で電極反応が行われる。また,触媒層内のカーボンのつながりが電子の通り道となり,電解質のつながりが水素イオンの通り道となる。なお,担持する触媒は正極,負極とも白金が多いが,正極の活性向上や負極の耐CO性向上のために白金系合金触媒を用いる場合もある。
The
多孔質体21は、電気伝導のある材料で構成されており、触媒層22へガスを拡散供給する役割と反応により発生した電子を伝達する役割を持つ。
The
触媒層22は、厚み数μm〜数十μmのため、直接単体での取り扱いは難しいが、多孔質体21に保持させることで取り扱いが容易になる。また、直接、電解質膜5(図3)に触媒層22を塗工しないため、電解質膜5の再利用が可能となる。
Since the
多孔質体21は、必須構成要素でなく、用いることが好ましい。
The
<触媒評価装置の電極と被検体の配置関係>
図3に本実施の形態のパイプ型電極ユニット10の先端部10aと、被検体20との配置関係の断面図を示す。パイプ型電極ユニット10の先端部10aは、図1に示すパイプ型電極ユニット10の先端部を拡大した模式図である。
<Relationship between the electrode of the catalyst evaluation apparatus and the specimen>
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the arrangement relationship between the
上記構成においては被検体20を挟み込むようにお互いが対峙する位置に、パイプ型電極ユニット10の先端部10a、電解質膜5、触媒層6、ガス拡散層7、平面型電極8が配置されている。
In the above configuration, the
電解質膜5として、プロトン導電性イオン交換膜が用いられる。特に、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が、基本特性に優れるため好ましい。負極での反応で発生した水素イオン(H+:プロトン)は電解質膜5内を移動し、正極での反応に使用される。
A proton conductive ion exchange membrane is used as the
触媒層6は、触媒担持カーボンと電解質から構成されており,触媒担持カーボンと電解質との界面で電極反応が行われる。また,触媒層6の内のカーボンのつながりが電子の通り道となり,電解質のつながりが水素イオンの通り道となる。なお,担持する触媒は正極,負極とも白金が多いが,正極の活性向上や負極の耐CO性向上のために白金系合金触媒を用いる場合もある。
The
ガス拡散層7は、電気伝導のある材料で構成されている。ガス拡散層7は、触媒層6へガスを拡散供給する役割と、反応により発生した電子を平面型電極8へ伝達する役割とを持つ。
The
<プロセス>
パイプ型電極1のガス流路9aより供給されたガスは、被検体20で反応に使用された後に排気ブロック3のガス流路9bより排出される。
<Process>
The gas supplied from the
また排気ブロック3に備えられたパッドゴム4は、電解質膜5に密着しており、ガス流路9a,9b外へのガス漏洩を防ぐ。
The
平面型電極8は、メッシュ状の金属や焼結金属のような電気伝導がある多孔質体で構成されており、側面もしくは底面より供給されたガスはガス拡散層7を通り触媒層6へ供給される(図示せず)。
The
上記の構成で、固体高分子型燃料電池40が、パイプ型電極1と平面型電極8の間に構成される。つまり、触媒層6、ガス拡散層7、電解質膜5、被検体20、多孔質体11で固体高分子型燃料電池40が構成される。
With the above configuration, the polymer
パイプ型電極1のガス流路9aより供給されたガスは、多孔質体11を通り被検体20に供給される。平面型電極8より供給されたガスは、ガス拡散層7を通り触媒層6へそれぞれ供給される。このように電解質膜5を狭持する被検体20と触媒層6において電気化学反応が行われ、発電状態になる。
The gas supplied from the
なおパイプ型電極1、多孔質体11および平面型電極8は電気抵抗を低減するために、金、白金などでメッキ処理することが望ましい。
The
パイプ型電極1と平面型電極8の対峙している部分、すなわちパイプ型電極1の先端の多孔質体11の面積の部分が、電極として作用する。パイプ型電極1の先端の多孔質体11の面積は1mm2以上1cm2以下であること望ましく、面積が1mm2より小さい場合、電極を被検体に正確に対峙させることが困難となり、正確な測定を実施することができない。面積が1cm2より大きい場合、測定に必要な触媒量が増えてしまう。
A portion where the pipe-
平面型電極8の面積(パイプ型電極1と対向する面の面積)はパイプ型電極1の先端の多孔質体11の面積(平面型電極8と対向する面の面積)より大きければ良い。
The area of the planar electrode 8 (the area of the surface facing the pipe electrode 1) may be larger than the area of the
尚、被検体20の触媒層22を、パイプ型電極1の先端の多孔質体11に直接保持させても良い。その場合、パイプ型電極1、多孔質体11、電解質膜5、触媒層6、ガス拡散層7、平面型電極8を、お互いが対峙する位置に配置する。
Note that the
<触媒評価装置>
図4に本実施の形態の触媒評価装置30の断面図を示す。
<Catalyst evaluation device>
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the
パイプ型電極1と平面型電極8の間に電子負荷31と抵抗計32と電圧計33とを、それぞれ並列に接続する。電極間の電気的特性を評価する。
An
また、被検体20、電解質膜5、触媒層6、ガス拡散層7は平面型電極8上に積層し、パイプ型電極1により狭持される場所に配置する。
In addition, the subject 20, the
パイプ型電極ユニット10は、パイプ型電極1と多孔質体11、樹脂ブロック2、排気ブロック3から構成され、排気ブロック3において、パイプ型電極ユニット10の可動手段35と接続されている。
The pipe-
パイプ型電極ユニット10の可動手段35によりパイプ型電極ユニット10を可動させ、多孔質体11を被検体20に接触させ平面型電極8の方向に所定の圧力を加える。
The pipe-
上記配置において触媒の評価をするには、パイプ型電極1側、平面型電極8側にそれぞれガスを供給する。ガス容器34は、平面型電極8側にガスを供給する。
In order to evaluate the catalyst in the above arrangement, gas is supplied to the
その結果、前記2つの電極間に固体高分子型燃料電池40が構成され発電状態となる。固体高分子型燃料電池40から取り出す電流を変化させた時の抵抗値および電圧値を測定する。なお、評価する触媒層22は固体高分子型燃料電池40に位置するので、ガス容器34は、評価する触媒層22を保持する載置台と言える。
As a result, the polymer
本測定においては電子負荷31、抵抗計32、電圧計33を用いている。測定から得られる電流値、抵抗値、電圧値から被検体20の発電特性評価が出来る。
In this measurement, an
被検体20を、電解質膜5上に複数個並べて配置しても良く、パイプ型電極ユニット10の可動手段35によりパイプ型電極ユニット10を可動させて評価が出来、被検体以外の条件を同一にした発電特性評価が可能である。
A plurality of
尚、図4においては、多孔質体11と被検体20の位置関係が明確になるように、それぞれ間隔をあけて記載しているが、実際に測定を行う場合には、多孔質体11と被検体20とは接触して配置されている。
In FIG. 4, the positional relationship between the
また、説明を容易にするためにパイプ型電極1に水素ガス(H2)を供給して負極に、平面型電極8側に酸素ガス(O2)を供給して正極としている。しかし、実際に評価を行う場合には、被検体20に応じて、それぞれ供給するガスを入れ替えてパイプ型電極1を正極に、平面型電極8を負極としても良い。
For ease of explanation, hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the pipe-
<効果>
本発明によれば、可動式のパイプ型電極ユニット10を用いて測定を実施する事により、少量の触媒で精度の高い発電特性評価が可能である。
(実施例)
<測定装置の作製>
パイプ型電極1はステンレス鋼材(SUS304)で製作した。多孔質体11として先端に焼結金属(型番:ステンレスエレメント,SMC社製)を溶接した。パイプ型電極1の先端は直径6mmの円とした。
<Effect>
According to the present invention, by performing measurement using the movable pipe-
(Example)
<Production of measuring device>
The pipe-
パイプ型電極1を、ポリフェニレンサルファイド樹脂(Poly Phenylene Sulfide Resin)で製作した樹脂ブロック2を介して、ステンレス鋼材(SUS304)で製作した排気ブロック3に固定した。また、排気ブロック3にはパッドゴム4(型番:KPP−20−F,コガネイ社製)を取り付けた。
The pipe-
平面型電極8は金属メッシュ(型番:アブソルタ,竹中金網社製)を用いて36cm2の面積で製作した。ステンレス鋼材(SUS304)で製作したガス容器34にシール材を介して取り付けた。
The
平面型電極8上に、ガス拡散層7(型番:FCPJGDL,パナソニック社製)を形成した。その上に、触媒担持カーボン(型番:TEC10E50E,田中貴金属工業社製)とイオノマ(型番:Aquivion,Solvay Solexis社製)を混合して製作した触媒インクをスプレー塗工し、触媒層6を形成した。その上に、電解質膜5(型番:NR−211,DUPONT社製)を形成した。
A gas diffusion layer 7 (model number: FCPJGDL, manufactured by Panasonic Corporation) was formed on the
パイプ型電極ユニット10の可動手段35として水平方向の可動用にXYロボット(型番:ROBO CYLINDER、IAI社製)、垂直方向の可動用にエアスライドテーブル(型番:MXQ8−20Z−M9NV,SMC社製)を用意した。パイプ型電極ユニット10の押し圧力測定手段として感圧素子(型番:LMA−A−20N,共和電業社製)を用いて7.5kgf/cm2に調整した。
The movable means 35 of the pipe-
パイプ型電極ユニット10と平面型電極8を取り付けたガス容器34にはヒータを取り付けて80℃に加熱した。
A heater was attached to the
<被測定対象の作成>
多孔質体21としてガス拡散層(型番:FCPJGDL,パナソニック社製)を用意した。触媒インクとして、触媒担持カーボン(型番:TEC10E50E,田中貴金属工業社製)とイオノマ(型番:Aquivion,Solvay Solexis社製)を混合して製作した。多孔質体21上へ触媒インクを塗布し、触媒層22を作製し、被検体20とした。
<Create measurement target>
A gas diffusion layer (model number: FCPJGDL, manufactured by Panasonic Corporation) was prepared as the
塗布量が異なるものを2種類準備した。7.5μL(白金量:0.6mg/cm2相当)を塗布したものを被検体A、2.0μL(白金量:0.16mg/cm2相当)を塗布したものを被検体Bとした。
Two types with different coating amounts were prepared. Sample A was coated with 7.5 μL (platinum amount: 0.6 mg / cm 2 equivalent), and sample B was coated with 2.0 μL (platinum amount: 0.16 mg /
<被測定対象の設置>
被検体A、被検体Bを個別に電解質膜5上に配置した。
<Installation of measurement target>
A subject A and a subject B were individually arranged on the
<発電特性の測定方法>
電子負荷31(型番:LSA−165V1 ,TEXIO社製)、抵抗計32と電圧計33として両方の機能を持つ低抵抗計(型番:3566 ,鶴賀電機社製)を用意した。まずは、XYロボットによりパイプ型電極ユニット10を被検体Aに位置合わせをし、エアスライドテーブルで所定の荷重をかけた。パイプ型電極1のガス流路9a側に加湿した水素ガスを供給し負極として、平面型電極8側に加湿した空気を供給して正極として発電をさせた。ガス露点はいずれも65℃とした。電子負荷31により取り出す電流値を変化させたときの電圧値と抵抗値の変化をプロットした。
<Measurement method of power generation characteristics>
A low resistance meter (model number: 3566, manufactured by Tsuruga Electric Co., Ltd.) having both functions was prepared as an electronic load 31 (model number: LSA-165V1, manufactured by TEXIO), an
引き続いてエアスライドテーブル、XYロボットを用いてパイプ型電極ユニット10を被検体Bに位置合わせをし、被検体Aと同様の測定を実施した。
Subsequently, the pipe-
また被検体Aについては発電状態と非発電状態を繰返し実施するエージングを実施し、1回目のデータと4回目(エージング後)のデータを取得した。
その結果を図6、図7に示す。
In addition, the subject A was subjected to aging in which the power generation state and the non-power generation state were repeatedly performed, and the first data and the fourth data (after aging) were acquired.
The results are shown in FIGS.
図6は、横軸を電子負荷により取り出した単位面積当たりの電流量(A/cm2)、縦軸に電圧値(V)をプロットしたものである。 In FIG. 6, the horizontal axis represents a current amount (A / cm 2 ) per unit area taken out by an electronic load, and the vertical axis represents a voltage value (V).
図7は、横軸を電子負荷により取り出した単位面積当たりの電流量(A/cm2)、縦軸に抵抗値(Ω)をプロットしたものである。 In FIG. 7, the horizontal axis represents the amount of current per unit area (A / cm 2 ) taken out by the electronic load, and the vertical axis represents the resistance value (Ω).
インク塗布量の異なる2つの被検体で、発電性能を比較した。触媒塗布量が少ない場合、発電電圧が低くなる傾向が確認できた。 The power generation performance was compared between two specimens with different ink application amounts. When the amount of catalyst applied was small, it was confirmed that the generated voltage tends to be low.
また、被検体Aのエージング効果の確認においても、エージングを実施することにより電圧は上昇、抵抗値は下降している。一般的な単セル構造にて発電評価する方法でも、初期発電特性が、不十分でエージングすることで、発電性能が向上すると言われている。 Also, in the confirmation of the aging effect of the subject A, the voltage is increased and the resistance value is decreased by performing aging. Even in a method for evaluating power generation with a general single cell structure, it is said that the power generation performance is improved by aging due to insufficient initial power generation characteristics.
このことにより本測定方法は、少量の触媒で発電性能を簡易かつ精度良く測定することが出来る。また単セル構造での発電評価と同様な結果が得ることが出来ることが確認できた。 Thus, this measurement method can easily and accurately measure the power generation performance with a small amount of catalyst. In addition, it was confirmed that the same result as the power generation evaluation in the single cell structure can be obtained.
<効果>実施の形態の触媒の評価装置、評価方法は、少量の触媒で発電性能を簡易かつ精度良く測定することが可能である。触媒の性能向上は固体高分子型燃料電池の耐久性や発電性能の向上に直結し、触媒開発では性能の早期見極めは重要である。固体高分子型燃料電池は、低温で動作し、出力電流密度が高く小型化できるという特徴を有し、家庭用コジェネレーションシステム、燃料電池自動車、移動体通信の基地局などの用途に対し有望視されている。燃料電池の触媒だけでなく、種々の触媒の評価をすることができる。 <Effect> The catalyst evaluation apparatus and evaluation method of the embodiment can easily and accurately measure the power generation performance with a small amount of catalyst. Improving the performance of the catalyst is directly linked to improving the durability and power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell, and early identification of the performance is important in catalyst development. Solid polymer fuel cells are characterized by their low-temperature operation, high output current density, and miniaturization, and promise for applications such as home cogeneration systems, fuel cell vehicles, and mobile communication base stations. Has been. In addition to fuel cell catalysts, various catalysts can be evaluated.
本願触媒の評価装置、評価方法は、燃料電池だけでなく、種々の分野で使用される触媒の評価をすることができる。 The catalyst evaluation apparatus and the evaluation method of the present application can evaluate not only the fuel cell but also a catalyst used in various fields.
1 パイプ型電極
2 樹脂ブロック
3 排気ブロック
4 パッドゴム
5 電解質膜
6 触媒層
7 ガス拡散層
8 平面型電極
9a ガス流路
9b ガス流路
10 パイプ型電極ユニット
10a 先端部
11 多孔質体
20 被検体
21 多孔質体
22 触媒層
30 触媒評価装置
31 電子負荷
32 抵抗計
33 電圧計
34 ガス容器
35 可動手段
40 固体高分子型燃料電池
50 電解質膜
51 触媒層
52 触媒層
53 隔壁
55 陽極
56 陰極
A,B 被検体
DESCRIPTION OF
Claims (8)
触媒を間に挟んで、前記第1電極と対峙する平面構造の第2電極と、
前記第2電極を上面に保持する載置台と、
前記第1電極と前記第2電極間の電気的特性を測定する測定部と、を含む触媒の評価装置。 A first electrode of a pipe structure having a first gas flow path;
A second electrode having a planar structure facing the first electrode with a catalyst interposed therebetween ;
A mounting table for holding the second electrode on the upper surface ;
An apparatus for evaluating a catalyst, comprising: a measurement unit that measures electrical characteristics between the first electrode and the second electrode.
平面構造の第2電極に第2ガスを供給する第2工程と、
前記第1電極と前記第2電極と間に被測定対象の触媒を挟み、前記第1電極と前記第2電極と間の電気特性を測定する測定工程と、を有する触媒の評価方法。 A first step of flowing a first gas through a first electrode of a pipe structure having a first gas flow path;
A second step of supplying a second gas to the second electrode having a planar structure;
A catalyst evaluation method comprising: a measurement step of sandwiching a catalyst to be measured between the first electrode and the second electrode and measuring electrical characteristics between the first electrode and the second electrode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016079344A JP6600816B2 (en) | 2016-04-12 | 2016-04-12 | Catalyst evaluation apparatus and evaluation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016079344A JP6600816B2 (en) | 2016-04-12 | 2016-04-12 | Catalyst evaluation apparatus and evaluation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017190969A JP2017190969A (en) | 2017-10-19 |
JP6600816B2 true JP6600816B2 (en) | 2019-11-06 |
Family
ID=60085091
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016079344A Active JP6600816B2 (en) | 2016-04-12 | 2016-04-12 | Catalyst evaluation apparatus and evaluation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6600816B2 (en) |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5250770A (en) * | 1975-10-21 | 1977-04-23 | Hitachi Plant Eng & Constr Co Ltd | Apparent specific electric resistance measuring device |
JPH0227618B2 (en) * | 1980-06-09 | 1990-06-19 | Berorususukii Horitehinichesukii Inst | |
JPH05205762A (en) * | 1992-01-23 | 1993-08-13 | Fuji Electric Co Ltd | Device for evaluating characteristics of unit fuel cell |
JP3251245B2 (en) * | 1998-06-10 | 2002-01-28 | 松下電器産業株式会社 | Method for evaluating semiconductor substrate and method for managing manufacturing process of semiconductor device |
US20020019054A1 (en) * | 1998-09-04 | 2002-02-14 | Judit E. Puskas | Characterization of heterogeneous catalysts by electrical measurements |
WO2002006807A2 (en) * | 2000-07-19 | 2002-01-24 | Nuvant Systems, Inc. | High throughput screening device for combinatorial chemistry |
JP4624528B2 (en) * | 2000-08-01 | 2011-02-02 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell component performance evaluation apparatus and performance evaluation method |
JP2005044716A (en) * | 2003-07-25 | 2005-02-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell inspection device and method |
DE202004018521U1 (en) * | 2004-11-29 | 2005-06-02 | H.I.A.T. Ggmbh | Active test fuel cell for characterizing and quantifying fuel cell components comprises a receiver housing having housing plates with one plate coupled to a piston-cylinder unit which penetrates the housing plate |
JP2008243404A (en) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Toyota Motor Corp | Power generation inspection system for fuel cell |
JP2013167609A (en) * | 2012-02-17 | 2013-08-29 | Mitsubishi Paper Mills Ltd | Electrode set for measuring ac impedance of separator for electrochemical element and method for measuring ac impedance of separator for electrochemical element |
JP2013224934A (en) * | 2012-03-21 | 2013-10-31 | National Institute For Materials Science | Sensor element for measuring trace quantity of samples |
-
2016
- 2016-04-12 JP JP2016079344A patent/JP6600816B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2017190969A (en) | 2017-10-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Inaba et al. | Benchmarking high surface area electrocatalysts in a gas diffusion electrode: measurement of oxygen reduction activities under realistic conditions | |
Klingele et al. | A completely spray-coated membrane electrode assembly | |
US8617770B2 (en) | Electrodes containing oxygen evolution reaction catalysts | |
CN105228741A (en) | Catalyst and use the electrode catalyst layer of this catalyst, membrane-electrode assembly and fuel cell | |
CN105518917A (en) | Catalyst, electrode catalyst layer using said catalyst, membrane electrode assembly, and fuel cell | |
US10090532B2 (en) | Method for producing fuel cell electrode | |
US20080138695A1 (en) | Fuel Cell | |
US20090068519A1 (en) | Fuel cell and method of manufacturing the same | |
US9673467B2 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
JP2008135274A (en) | Method of manufacturing fuel cell | |
KR20200074539A (en) | Durability testing method and device for membrane electrode assembly of fuel cell | |
EP1622218A1 (en) | Method for supporting catalyst for polymer electrolyte fuel cell and membrane electrode assembly | |
JP6600816B2 (en) | Catalyst evaluation apparatus and evaluation method | |
Hsieh et al. | Effects of anode and cathode perforated flow field plates on proton exchange membrane fuel cell performance | |
Glass et al. | Effect of the cathode catalyst layer thickness on the performance in direct methanol fuel cells | |
JP2002110190A (en) | Fuel cell | |
Yi et al. | Performance Improvement of Wave‐Like PEMFC Stack with Compound Membrane Electrode Assembly | |
JP5570878B2 (en) | Catalyst layer and catalyst paste for polymer electrolyte fuel cell | |
EP2157643B1 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
KR100705553B1 (en) | Process for forming catalyst layers on a proton exchange membrane within membrane electrode assembly for fuel cell | |
KR100432523B1 (en) | The grid type bipolar plate for performance testing of fuel cells, and its manufacturing method | |
KR101724730B1 (en) | Activity measurement method for electrode of fuel cell | |
KR102686557B1 (en) | Cell for performance evaluation of catalyst layer for fuel cell and method of performance evaluation of catalyst layer for fuel cell using the same | |
GB2567226A (en) | Fuel cell or electrolyser assembly | |
KR101540514B1 (en) | Voltage measuring apparatus for Solid oxide fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20160526 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180807 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20190118 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190619 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190702 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190724 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190827 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190909 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6600816 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |