固体高分子形燃料電池における触媒層構造の設計

本研究では固体高分子形燃料電池における膜電極接合体の製作工程及び触媒インク溶媒が触媒層構造に与える影響を解明した。イソプロピルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールの三種類の有機溶媒を触媒インクに用いてデカル法により触媒層を作成した。作成した触媒層の構造を水銀圧入式ポロシメータによる細孔分布測定、レーザー変位計による厚み測定及び電流-電圧特性の測定により評価した。電流一電圧特性の測定時には白金使用量を0.08mg/cm^2から0.3mg/cm^2の範囲とした。得られた主な知見は以下の4点である。1.触媒層におけるカーボンのアグリゲート間隙に起因する細孔直径は、プロトン導電性ポリマーが混合されることにより約20nm増加する。2.触媒層の直径約107nm以下の細孔容積は触媒インク溶媒により制御され、イソプロピルアルコールに比べ沸点が高いエチレングリコール、プロピレングリコールを用いることで増加させることが可能である。3.触媒層と固体高分子膜をホットプレスすることにより、細孔直径が約30nm程度小さくなる。プロトン導電性ポリマーが直径約107nm以下の細孔内に浸入したと推定される。4.エチレングリコールを触媒インク溶媒に使用して製作した触媒層はプロピレングリコールを触媒インク溶媒に使用して製作した触媒層に比べ(1)細孔容積が小さく、三相界面が大きいため0.1A/cm^2以下の低電流密度域においてはいかなる白金使用量でも高い電圧が得られる。(2)しかしながら0.94A/cm^2以上の高電流密度域において白金使用量を0.3mg/cm^2とした場合には低い電圧を示した。前者は後者に比べその厚みが1/1.3であり、空隙率が小さいため、より小さい白金使用量において物質移動が性能を決定したと推定される。

本研究では固体高分子形燃料電池における膜電極接合体の製作工程及び触媒インク溶媒が触媒層構造に与える影響を解明した。イソプロピルアルコール、エチレングリコール、プロピレングリコールの三種類の有機溶媒を触媒インクに用いてデカル法により触媒層を作成した。作成した触媒層の構造を水銀圧入式ポロシメータによる細孔分布測定、レーザー変位計による厚み測定及び電流-電圧特性の測定により評価した。電流一電圧特性の測定時には白金使用量を0.08mg/cm^2から0.3mg/cm^2の範囲とした。得られた主な知見は以下の4点である。1.触媒層におけるカーボンのアグリゲート間隙に起因する細孔直径は、プロトン導電性ポリマーが混合されることにより約20nm増加する。2.触媒層の直径約107nm以下の細孔容積は触媒インク溶媒により制御され、イソプロピルアルコールに比べ沸点が高いエチレングリコール、プロピレングリコールを用いることで増加させることが可能である。3.触媒層と固体高分子膜をホットプレスすることにより、細孔直径が約30nm程度小さくなる。プロトン導電性ポリマーが直径約107nm以下の細孔内に浸入したと推定される。4.エチレングリコールを触媒インク溶媒に使用して製作した触媒層はプロピレングリコールを触媒インク溶媒に使用して製作した触媒層に比べ(1)細孔容積が小さく、三相界面が大きいため0.1A/cm^2以下の低電流密度域においてはいかなる白金使用量でも高い電圧が得られる。(2)しかしながら0.94A/cm^2以上の高電流密度域において白金使用量を0.3mg/cm^2とした場合には低い電圧を示した。前者は後者に比べその厚みが1/1.3であり、空隙率が小さいため、より小さい白金使用量において物質移動が性能を決定したと推定される。