固体高分子形燃料電池における触媒層スラリーの特性および触媒層微構造が発電性能におよぼす影響の検討

摘要

In order to understand microstructure formation process of the catalyst layer for a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), we tried to evaluate the catalyst slurry properties. The catalyst slurries were prepared changing the water/ alcohol ratio of the solvent and their flow curve and packing ability were investigated. In addition the size and the adsorbed amount of the ionomer were also measured. On the other hand, the electrode was fabricated from the prepared slurry and its performance was examined. rnIt was shown that the mean diameter of ionomer measured by dynamic light scattering and the adsorbed amount of ionomer on Pt/C particles decreased with an increase in alcohol ratio of solvent. It was also found that the packing ability of slurry became poorer when the alcohol ratio of solvent increased due to less adsorbed amount of ionomer onto Pt/C particles. From the results of the slurry and the electrode characterization, it was suggested that the adsorbed amount of ionomer and the size of free ionomer could play an important role to improve the PEFC performance.%持続可能な社会を実現するために，温室効果ガスであるCO_2を排出しないゼロエミッション車として燃料電池 車（FCEV)の普及は大いに期待されている。現状，FCEV の普及に向けてさまざまな技術課題は解決されつつある が,コスト低減が大きな課題として残っている。特に， 固体高分子形燃料電池（PEFC)の力ソード層は触媒とし て多量の白金が使用されており，高コストの最大の要因となっている。これまで，白金レスの触媒担体におい て出力特性の発展がなされているが，白金がいまだに高 い性能を発揮しているのが現状である。そのため， 低白金使用量で高性能を実現することが重要課題となる。 PEFCのアノードおよび力ソードの触媒層は，白金担持 カーボンとアイオノマの2つの材料より構成される。カ ソード触媒層の白金担持カーボン表面上では，供給され るO_2ガスとアノード層より生成する電子および水素イ オン（プロトン）との化学反応が起こり発電する。触媒 層中でアイオノマは，白金近傍へとプロトンを輸送する 機能と白金担持カーボンを固定するバインダとしての機 能を有している。アイオノマの付着状況は，プロトン輸 送経路を変化させるとともに，白金担持カーボンの充填 構造を変化させるため，電池性能を制御する上で重要な 因子となる。これまでの研究においても，多くの研究者 が白金担持カーボン表面上のアイオノマの付着状態の研 究を実施しており，白金表面上におけるアイオノマの被 覆率は，酸素輸送特性と相関があることがわかってきている。