燃料電池触媒層のイオノマー中の酸素物質移動挙動の解明

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25410253
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: 稲葉 稔 同志社大学, 理工学部, 教授 (80243046)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 燃料電池 / 酸素還元反応 / イオン交換膜 / 酸素透過 / 微小電極 / 酸素透過速度 / 酸素溶解速度 / イオノマー

Outline of Annual Research Achievements

固体高分子形燃料電池(PEFC)の高電流密度運転に向けて、空気極の酸素輸送特性の向上が望まれている。特に膜中の酸素透過抵抗と気相／イオノマー界面での酸素溶解抵抗の存在が示唆されており、本研究では微小電極法を用いてイオノマー薄膜中の酸素物質移動を解析することを目的としている。
平成26年度はフッ素系イオノマー(Nafion)に代えて、炭化水素系電解質膜であるスルホン化ポリエーテルエーテルケトン (SPEEK) と50% スルホン化ポリアリレンエーテルスルホン (BPSH-50) を対象に、イオノマー種の化学構造の違いが及ぼす酸素透過挙動の変化について検討した。酸素透過度はNafion, SPEEKおよびBPSH-50の順に大きく、いずれも温度の上昇に伴い増加した。Nafionの酸素透過度と比べBPSH-50 は1/ 4以下、SPEEK は1/ 12 以下であった。また、Nafionの気相/イオノマー界面の酸素溶解速度と比べ、BPSH-50とSPEEKはいずれも1/ 6以下であった。SPEEKとBPSH-50の酸素透過度は3倍以上異なるのに対し、酸素溶解速度ではその差が小さかったことから、酸素溶解速度は主鎖骨格の種類に大きく依存することが示唆された。
すべてのイオノマー種において、温度上昇に伴い、イオノマー内部の酸素拡散速度は膜厚を薄く仮定するにつれて著しく増加したが、一方で、酸素溶解速度は緩やかに増加する傾向があった。また、膜厚数ナノメートルの各イオノマーにおいて、酸素溶解速度は酸素透過度よりも極めて小さかった。これより、Nafionに限らず炭化水素系電解質膜を用いた場合も同様に、イオノマー界面への酸素溶解が膜内部の酸素輸送よりも遅い過程であることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

白金微小電極法を用いる解析法の確立および開発した手法を用いたフッ素系イオノマーを介する酸素物質移動挙動に加えて、平成26年度では化学構造の異なる2つの炭化水素系イオノマーを解する酸素物質移動挙動を解明することができ、申請書に記載の平成26年度目標を十分に達成したと考える。また、律速過程として考えられた酸素溶解速度は、フッ素系イオノマーに対して炭化水素系イオノマーでは1/6以下であり、溶解速度は酸素の溶解度とも関連づけることもでき、今後の高速化の指針が得られたことは大きな収穫である。

Strategy for Future Research Activity

平成27年度はイオノマー中の酸素透過の律速過程（酸素の表面酸素溶解速度）に着目し、律速過程を加速させることにより、イオノマー薄膜中の酸素透過性を向上させる方法、たとえば、イオノマー表面にミクロサイズの凹凸を形成し、気相／イオノマー界面面積を増大するなどの手法を用いて、PEFCの高電流密度化の指針を得る。
また、当初計画にはなかったが、最近律速過程として気相/イオノマー界面での酸素溶解速度に加えて、イオノマー／電極界面に何らかの酸素移動障壁があるという考えも提案されている。これまではイオノマー／電極界面に何らかの酸素移動障壁を考慮せずに解析を行ってきたが、いずれが本当の律速過程であるのかはPEFCの高電流密度運転に取って非常に重要な問題であるため、この点に関しても、測定法を工夫と解明を行う。