JPH07243997A - 電極の分析方法 - Google Patents

電極の分析方法

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JPH07243997A
JPH07243997A JP3168594A JP3168594A JPH07243997A JP H07243997 A JPH07243997 A JP H07243997A JP 3168594 A JP3168594 A JP 3168594A JP 3168594 A JP3168594 A JP 3168594A JP H07243997 A JPH07243997 A JP H07243997A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】迅速に電極中の貴金属を分析する。 【構成】貴金属を担持したカーボン担体をフッ素樹脂で
結着した電極触媒層31をカーボン基材33上に支持し
た電極を所定の大きさに切断し電極触媒膜31にX線を
照射して蛍光X線分析を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リン酸型燃料電池の電
極触媒の担持金属量の組成分析法に係り、詳しくは、リ
ン酸型燃料電池の出力特性等の評価のための電極触媒膜
中微量触媒金属量を触媒膜製造後および燃料電池運転後
において迅速かつ高精度に分析する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、水素を燃料としカーボン基
材付水素電極と空気電極の二つの電極およびその間に挟
まれた電解質から構成される。燃料の持つ化学エネルギ
ーを電気化学反応を用いて直接電気エネルギーに変換す
る発電装置であるが、この反応を円滑に進行させるため
には電極に触媒が必要である。この触媒には、白金ある
いは白金合金等の貴金属が用いられるが、その有効な反
応サイトを増大させ、触媒活性を増大させるために例え
ば比表面積が大きくしかも導電性のカーボン等の担体に
貴金属の微粒子を担持したものが一般的には用いられて
いる。
【0003】例えば貴金属は白金(Pt)が用いられ
る。また、燃料の水素が化石燃料の改質により得られる
リン酸型燃料電池システムでは、燃料ガス中に一酸化炭
素が含まれ触媒金属が被毒されるので触媒にルテニウム
(Ru)を添加して、一酸化炭素の被毒を低減するよう
にしている。この貴金属担持触媒の製法としては、気相
還元法,熱分解法,イオン交換法および液相還元法が知
られている。その後、触媒はフッ素樹脂が添加され、シ
ート状の膜にされて電極として用いられる。
【0004】リン酸を電解質とする燃料電池は、リン酸
電解液を担持したマトリックスを挟持する水素電極と空
気電極から形成される。ここで用いる水素電極は、カー
ボン担体に白金およびルテニウムが合金化されて担持さ
れる。この電極触媒膜を用いた電極特性評価のうえで、
電極触媒中の微量金属触媒量を触媒膜製造直後および燃
料電池運転後に求めて評価することが必要であり、電極
触媒中の白金およびルテニウムを迅速に精度よく定量す
る方法が求められている。
【0005】従来の標準的な定量方法は、日本分析化学
会編「分析化学便覧」改訂四版(1991)で述べられ
ている方法によると白金の定量は硝酸と塩酸による分解
溶液化後に塩化白金酸アンモニウム(NH4 2 PtC
6 として重量法によるか又は塩化白金酸イオン〔Pt
Cl6 2-の塩酸溶液に塩化第二錫SnCl2 を加えて
発色させて吸光光度法などの方法で求められる。また、
ルテニウムは酸に不溶解性であるため、アルカリ融解法
で分解溶液化後に吸光光度法などで求める方法が適用さ
れる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は分析試料量が十分な場合に適用されるものであ
り、カーボン担体に微量担持された電極試料の場合はグ
ラムレベルの分析試料量が必要である。さらにPtとR
uの定量分析において、それぞれ分別処理が必要であ
り、分析操作が煩雑になり試料の溶液化処理に多くの時
間を要するなど迅速性に欠ける。
【0007】一方、カーボン担体に微量担持された触媒
は、シート状に成形する前段に粉末状の試料をグラム単
位で秤り取り、触媒金属の白金およびルテニウムを前記
分析方法により定量することは可能である。しかし、目
的とする電極触媒状態では膜厚約0.15mmのシート
状で試料量が少なく、多量の試料採取は不可能であって
前記従来の分析方法を適用することができない。
【0008】燃料電池の特性評価では、少量の試料で触
媒金属量の分析が必要であるが、適切な方法がない。こ
の発明は上述の点に鑑みてなされ、その目的は少量の試
料を用いて非破壊的に定量する方法を確立して迅速な電
極分析方法を提供することにある。他の目的は非破壊の
電極分析方法において迅速な上に高精度な電極の分析方
法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の目的は第1の発明
によれば、貴金属である白金とルテニウムを担持したカ
ーボン担体をフッ素樹脂で結着した電極触媒膜をカーボ
ン基材上に支持してなる電極の分析方法において、電極
を所定の大きさに切断し、電極触媒膜に、X線を照射し
て蛍光X線分析により、貴金属の分析を行うとすること
により達成される。他の目的は第2の発明によれば、第
1の発明において、蛍光X線分析は励起された白金また
はルテニウムの特性X線強度を励起用X線の反射特性X
線強度により補正するとすることにより達成される。
【0010】電極触媒膜中には、担体がカーボンで担持
金属が白金とルニテウムを含むものであり、成膜時には
フッ素樹脂が混練されシート状の電極触媒膜が形成され
る。カーボン基材付の電極触媒膜は、カーボン基材が電
極触媒を固定すること、平滑な面を保持することと分析
試料の機械的強度を維持するのに効果的である。さら
に、電極触媒中の担持金属の蛍光X線分析時において下
地のカーボン基材は妨害にならない利点がある。
【0011】
【作用】リン酸型燃料電池電極触媒膜中には、担体がカ
ーボンで担持金属がPtとRuが含まれるものであり、
カーボン基材付電極触媒の状態で切り出して電極接触膜
面に蛍光X線分析方法を適用すると化学的な加工を加え
ず目的とする電極触媒膜(膜厚約0.15mm以下)で
面積が数cm2 の少量試料(数10ミリグラム)を非破
壊的に分析することができる。
【0012】蛍光X線強度測定は、例えば白金のLα線
とルテニウムのKα線を測定し、これらの特性X線強度
を蛍光X線励起用X線管球からの反射X線のうちのクロ
ムKα線強度で除して補正すると分析面の凹凸状態や深
さ方向での蛍光X線の励起や吸収の影響をなくすことが
できる。
【0013】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は第1の発明の実施例にかかる電極分析工程
を示す流れ図である。リン酸型燃料電池の電極触媒は、
カーボン粉末の担体に貴金属であるPtなどの金属を少
量担持して作られ、その後にフッ素樹脂などが添加さ
れ、混練の工程を経てシート状の膜に調製して電極触媒
膜が作られる。
【0014】この際電極触媒膜の厚さは約0.15mm
以下の場合が多い。また、電極触媒膜は電池を構成する
材料の一つであるカーボン基材に結着して、水素の電極
および空気電極がそれぞれ作られる。燃料電池は、この
電極によりリン酸電解質を保持するマトリックスを挟ん
で構成される。リン酸型燃料電池の出力特性は、電極で
の電気化学反応の効率が大きく影響するため、電極中の
触媒量の評価が重要である。この電極触媒は、薄膜のシ
ート状で試料量が少ないため、膜を直接分析できれば極
めて有効である。
【0015】電極触媒中のPt,Ruの触媒金属量を求
めるのに化学的な加工を加えずにそのまま分析に供する
試料調製を行い、蛍光X線分析測定方法によるPtおよ
びRuの定量法を確立し、迅速に精度よく分析する方法
を見出した。以下に分析試料調製手順について述べる。
分析試料のカーボン基材付電極触媒膜を用意する。この
場合は、(A)触媒膜製造後に膜をカーボン基材に結着
した状態のもので、電池の運転前に相当するものと
(B)電池解体後にカーボン基材付電極触媒膜の状態
で、電池の運転後に回収したものである。
【0016】この時の分析試料サイズは通常、電極膜厚
が約0.15mm以下,面積が約10cm2 で膜重量は
約数10ミリグラム程度である。カーボン基材の厚さは
約2mmであって、試料はカッターによって切断調製が
できる。例えば分析試料は、約30×30mm□に切り
出している。図2は、第1の発明の実施例に係るカーボ
ン基材付電極触媒膜を示す断面図である電極は電極膜3
1,カーボン基材33からなる。
【0017】次に、運転後の電極触媒の場合は、電解質
のリン酸が含まれており、リン酸は吸湿が加わって液の
流れや周辺への付着による腐食を誘発する恐れがある場
合は洗浄によって除去することができる。また、リン酸
は水に対する溶解性が高いため、純水で浸漬除去ができ
る。この操作を3〜4回繰り返し行うようにした。ただ
しこの純水洗浄の操作は行わなくとも電極中の貴金属の
分析を行うことはできる。
【0018】次に付着した水分はデシケーター中で乾燥
させる。この方法は乾燥機などの強制乾燥法に比べて膜
にかかる応力が小さく基材から剥離するなどの問題を防
止している。このようにして、電極触媒付基材を切断調
製・乾燥などの比較的簡便な方法で分析試料の調製が完
了する。次に電極触媒中のPtおよびRuの分析測定方
法について述べる。
【0019】図3は、第1の発明の実施例に係る電極試
料中のPtおよびRuを測定する蛍光X線分析装置を示
す構成図である。この分析計は、X線発生装置21,X
線管球22,分光結晶24,検出器25,データ処理部
26からなり、分析試料23のセットされる試料室27
は真空にしている。分析試料23には、X線管球から一
次X線が照射されて各元素の二次X線の特性X線(Pt
はLα線、RuはKα線)が励起される。次いで分光結
晶で分光され、検出器により光電変換が行われる。ここ
で特性X線の波長の違いで定性分析が行われ、また、特
性X線の強度から定量分析が行われる。
【0020】カーボン基材を下部にして、電極触媒を分
析面とする試料の蛍光X線分析における測定X線強度に
は、試料表面状態,電極膜厚の違いや深さ方向の分析領
域の違いが影響する。つまり,蛍光X線の励起や吸収が
試料間で異なるため、そのままの測定では定量精度が悪
くなる。そこで、蛍光X線強度はPtLα線強度とRu
Kα線強度をそれぞれ測定し、蛍光X線励起用X線管球
からの反射X線中のCrKα線強度で除して補正するよ
うにした。ここで、反射X線の強度は、分析試料面およ
び深さ方向での蛍光X線の励起や吸収を分析元素の測定
線と同じ効果を受けており、蛍光X線強度補正に用いる
ことが効果的である。
【0021】さらに、蛍光X線強度測定値の反射X線強
度による補正値を代表的な標準試料の強度の一つを基に
正規化して強度比を求め、次に標準試料の強度比と濃度
の関係から、最小自乗法により検量線を求める。この方
法によって、測定の日間変動などの補正ができ、安定し
た分析ができるようにした。なお、標準試料とは単位面
積当たりのPt,Ru量(mg/cm2 )の異なる濃度
既知の電極触媒を作製したカーボン基材付電極触媒膜で
ある。
【0022】標準試料のPt,Ru量と蛍光X線強度比
の内容を表1に示し、主な測定条件を表2に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
【表2】 図4は、第2の発明の実施例に係る検量関係を示す線図
で、Ptの検量線41,Ruの検量線42を示す。
【0025】いずれも直線性の良好な検量線が得られ
た。この時の実験式は次の通りである。電極触媒膜中の
PtおよびRu量の濃度の単位はmg/cm2 である。 x(Pt)=0.3095y−0.0197 相関係数=0.999 x(Ru)=0.4215y−0.1304 相関係数=0.999 ここでyはX線強度比である。X線強度比と各元素の電
極中の濃度との相関係数は0.999で良好であること
が分かる。本法での検量線から、電極触媒膜中のPtお
よびRuの定量範囲は0.05〜0.7mg/cm2
ベルである。
【0026】次に先の試料調製法で作製したカーボン基
材付電極触媒膜の試料について,PtとRuの蛍光X線
強度測定を行い、図4に示す検量線を適用して繰り返し
分析精度の検討を行った結果を表3に示す。
【0027】
【表3】 電極触媒膜中のPt,Ru濃度の繰り返し分析精度は変
動係数で1%以下で良好であることが分かる。
【0028】次にリン酸型燃料電池の運転前後に採取し
た電極触媒膜の実試料についてPtとRuの分析に適用
した結果を表4に示す。分析結果の単位は、単位面積当
たりのミリグラム(mg/cm2 )で示した。
【0029】
【表4】 試料調製は、乾燥時間を除いて約10分程度ででき、元
素の定量は数分で完了することから,、分析所要時間が
従来の数10時間に比べてかなり短縮される。
【0030】このようにして、この分析方法は分析精度
が高く、かつ迅速な測定が可能である。リン酸型燃料電
池の電極の触媒担持金属の組成分析評価に適用して極め
て有効であることがわかった。
【0031】
【発明の効果】第1の発明によれば、電極を所定の大き
さに切断して蛍光X線分析により電極の貴金属を定量す
るので、少量試料を非破壊的に分析することができ、迅
速な電極の分析ができる。第2の発明によれば、電極の
蛍光X線分析に際し、励起された貴金属の特性X線強度
を励起用X線の反射特性X線強度で除して補正するの
で、分析面の凹凸等による影響をなくすことができ高精
度の電極分析を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明の実施例に係る電極の分析工程を示
す流れ図
【図2】第1の発明の実施例に係るカーボン基材付電極
触媒を示す断面図
【図3】第1の発明の実施例に係る電極試料中のPtお
よびRuを測定する蛍光X線分析装置を示す構成図
【図4】第2の発明の実施例に係る検量関係を示す線図
【符号の説明】
21 X線発生装置 22 X線管球 23 分析試料 24 分光器 25 検出器 26 データ処理装置 27 分析試料室 31 電極触媒膜 33 カーボン電極基材 41 Ptの検量線 42 Ruの検量線

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】貴金属である白金とルテニウムを担持した
    カーボン担体をフッ素樹脂で結着した電極触媒膜をカー
    ボン基材上に支持してなる電極の分析方法において、電
    極を所定の大きさに切断し、電極触媒膜に、X線を照射
    して蛍光X線分析により、貴金属の分析を行うことを特
    徴とする電極の分析方法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の分析方法において、蛍光
    X線分析は励起された白金またはルテニウムの特性X線
    強度を励起用X線の反射特性X線強度により補正するこ
    とを特徴とする電極の分析方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019144123A (ja) * 2018-02-21 2019-08-29 株式会社島津製作所 電池材料の化学状態分析方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2019144123A (ja) * 2018-02-21 2019-08-29 株式会社島津製作所 電池材料の化学状態分析方法

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