細孔径制御したカーボン粒子を担体に用いたPEFC用カソード電極触媒

摘要

固体高分子形燃料電池の触媒層は、一般的に、触媒（通常Ptナノ粒子）、担体（主にカーボン系粉末）、および高分子電解質から構成されている。例えば、カソードでは、プロトン（H~＋）と酸素が反応物、水（気体もしくは液体）が生成物として反応に関わるが、プロトンは高分子電解質（ionomer）を、酸素及び水は担体間に形成される粒子間細孔を通じて供給·排出され、また、反応に関わる電子は担体であるカーボン内部を経由して触媒に到達する。したがって、燃料電池の触媒層中にはこれらの異なる相を経由して供給される反応物が会する場（一般に、三相界面と呼ばれる）、ならびに、酸素及び水の移動を妨げない細孔が存在する必要がある。以上のことから細孔中における物質のミクロ·マクロな移動現象および触媒近傍の物質のミクロな界面構造が反応に及ぼす影響は大きいと考えられ、PEFCの触媒層における反応の基礎的な研究では、電極内部のミクロからマクロにおよぶ細孔構造を正確に制御·把握する必要がある。図1に、PEFCの細孔構造の模式図を示した（IUPACによる細孔の定義では、2nm以下のものをマイクロ孔、2～50nmをメソ孔、50nm以上がマクロ孔となっている）。しかしながら、MEAの触媒層中の反応場であり物質の経路である粒子間細孔構造は、その作製の過程で形成され、一般に作製時の種々の条件に強く依存する。通常、MEAの触媒層は、触媒分散液の塗布·ホットプレスによる電解質膜への転写などのいくつかの過程を経て形成されるが、この場合、触媒層の構造は触媒の濃度·プレス時の温度·圧力等で変化する。この問題に対して、触媒層をパルススプレーコーティングや電気泳動法等の方法で作製し、比較的均一な細孔構造に制御する試みが積極的になされている。