非平衡プラズマプロセスを用いた有機傾斜機能性薄膜材料の開発

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固体高分子電解質型燃料電池は、高出力密度が得られるため、電気自動車用電源として、活発に研究開発が進められているが、さらなる高性能化のためには、電極の過電圧、特に活性化過電圧の大きいカソードでの酸素過電圧を低減する必要がある。そのためには、電極の反応領域の三次元化をする必要および、電極/電解質界面での酸素濃度を高めることにより交換電流密度を増加させる必要がある。本研究では、プラズマ重合法によって触媒電極を酸素の溶解度の高い疎水性のフッ素系高分子超薄膜でつきまわりよく被覆し、更にその上にイオン導電性薄膜層を被覆した傾斜機能性薄膜を作製した。ヘキサフルオロプロピレンとトリフルオロメタンスルホン酸を用いて、プラズマ重合を行い、イオン導電性薄膜を作製した。膜厚方向に組成の異なった傾斜機能性薄膜は、出発物質の流量比を経時変化させることによって作製した。作製したフッ素系のイオン交換性の薄膜で電極を被覆することによって、有効電極面積の大幅な増大が可能であることがわかった。さらに、電極表面を酸素の溶解度の大きいフッ素の含有量の大きい超薄膜で被覆し、さらにその上にイオン導電率の大きな薄膜層を形成する、傾斜機能性薄膜を作製することを試みた。傾斜機能性薄膜で被覆した白金電極と、単一組成膜で被覆した白金電極の分極特性を調べた。カソードの分極特性において、傾斜機能性薄膜で被覆した電極の分極は単一組成膜に比べて著しく向上した。これは、活性化過電圧が大きい。傾斜機能性薄膜と電極との界面でのフッ素含有量の大きな超薄膜層中の酸素の溶解度が大きく、活性化過電圧を低減するために、傾斜機能性薄膜の場合に分極が小さくなったと考えられる。