固体高分子形燃料電池の電極触媒超微粒子におけるナノ電気化学

固体高分子形燃料電池(PEFC)の性能を大きく左右するのが電極触媒である。固体酸化物形燃料電池(SOFC)において、電極反応が電解質-電極-気相からなる三相界面近傍において起こることが知られており、PEFCの場合も三相界面近傍でその反応が起こると一般的には考えられている。しかし、三相界面の幅や反応場などは定量的にはほとんど分かっていないのが現状である。そこで本研究では、形状の定義されたPEFCパターン電極を作製し、電気化学測定評価による局所的な電極反応プロセスを解明することを目的としている。平成18年度は、局所電気化学測定法として、パターン電極の形状も変えて、より微細な領域での電気化学特性評価を可能にした。これらの結果より、酸素還元反応が起こっている電極反応場は、Pt触媒が電解質成分に覆われている部分にまで広がっているということが分かった。これは、通常の多孔質電極で、電解質成分に覆われているPt触媒も電極反応に寄与しているということを示唆する内容になっている。また、酸素還元反応が起こっている電極反応場は、(1)酸素が膜厚方向に溶解する量、(2)膜厚方向に水素がクロスオーバーする量、(3)水の生成とカソードの電極反応の両方が起きる電極触媒表面の埋まっている深さおよび電極触媒表面の大きさで決まるということを、パターン電極を用いることで確認できた。これらの成果により、複雑な多孔構造の影響を取り除いたPEFC電極触媒反応機構についての考察が可能となるとともに、新たなナノ電気化学測定法評価手法への確立につながり、ナノイオニクスヘの学術的な貢献が可能と考えられる。また、溶液系電気化学と固体電気化学との融合へのきっかけとなると考える。さらに、将来は白金以外の材料評価や複合化効果などの評価も可能になり、微細構造の影響を排した新しい電極触媒材料探察ツールとしても有用になると考える。

固体高分子形燃料電池(PEFC)の性能を大きく左右するのが電極触媒である。固体酸化物形燃料電池(SOFC)において、電極反応が電解質-電極-気相からなる三相界面近傍において起こることが知られており、PEFCの場合も三相界面近傍でその反応が起こると一般的には考えられている。しかし、三相界面の幅や反応場などは定量的にはほとんど分かっていないのが現状である。そこで本研究では、形状の定義されたPEFCパターン電極を作製し、電気化学測定評価による局所的な電極反応プロセスを解明することを目的としている。平成18年度は、局所電気化学測定法として、パターン電極の形状も変えて、より微細な領域での電気化学特性評価を可能にした。これらの結果より、酸素還元反応が起こっている電極反応場は、Pt触媒が電解質成分に覆われている部分にまで広がっているということが分かった。これは、通常の多孔質電極で、電解質成分に覆われているPt触媒も電極反応に寄与しているということを示唆する内容になっている。また、酸素還元反応が起こっている電極反応場は、(1)酸素が膜厚方向に溶解する量、(2)膜厚方向に水素がクロスオーバーする量、(3)水の生成とカソードの電極反応の両方が起きる電極触媒表面の埋まっている深さおよび電極触媒表面の大きさで決まるということを、パターン電極を用いることで確認できた。これらの成果により、複雑な多孔構造の影響を取り除いたPEFC電極触媒反応機構についての考察が可能となるとともに、新たなナノ電気化学測定法評価手法への確立につながり、ナノイオニクスヘの学術的な貢献が可能と考えられる。また、溶液系電気化学と固体電気化学との融合へのきっかけとなると考える。さらに、将来は白金以外の材料評価や複合化効果などの評価も可能になり、微細構造の影響を排した新しい電極触媒材料探察ツールとしても有用になると考える。