固体高分子形燃料電池の反応工学的カソードモデルの開発

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固体高分子形燃料電池（PEFC）のカソード触媒層（CCL）内の白金担持触媒には導電性高分子のアイオノマーが添加されており、プロトンの輸送経路となっている。一方アイオノマーは白金担持カーボンの表面を被覆しているため、酸素輸送の障害となる。アイオノマー内酸素透過係数が相対湿度や温度、アイオノマー膜厚さにどう依存するかは定式化されていない。本研究では、白金担持触媒の代わりに白金板にスリット状の空隙を設けたスリット触媒を作製し発電を行い、解析を容易にすることで酸素透過抵抗を定量化した。2022年度の研究では、反応温度60 °Cから80 °C、相対湿度0.3から1、アイオノマー膜厚さ240 nm、410 nmでの実験を終えた。酸素透過係数は、相対湿度の関数である含水率の指数関数で表せることを明らかにした。また、透過抵抗はアイオノマー厚さに比例することも確認した。温度依存性について、透過係数は低温ほど小さくなるという予想と反する結果が得られた。白金スリット触媒とは別に、市販の炭素担持白金触媒層を用いて電流電圧曲線を測定した。市販の担持触媒層を用いても、電流電圧曲線の酸素分圧依存性を測定することで、触媒層厚さ方向の物質輸送抵抗を定量化できることを示した。セル温度80 °C、セル湿度79 %、界面電位差0.80 V、酸素分圧66 kPaのとき、セル性能に与える物質輸送抵抗の影響の大きさは、プロトン輸送抵抗の方が酸素輸送抵抗よりも3.2倍大きいことを明らかにした。2023年度は透過係数のアイオノマー厚さ依存性のデータの拡充を行う。また、市販の炭素担持白金触媒を用いた測定から、担体の違いや導電性高分子の違いなど、触媒構造の違いがどの輸送に直結するかを定量的に議論する。