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本課題は、固体高分子形燃料電池(PEFC)のためのカーボンフリーカソード触媒層における高速物質移動構造の設計・開発を目的とした。カソード内部では、触媒反応、プロトン・電子の伝導、酸素ガスの拡散など、複雑な現象が起こり、電池性能を決定している。特に、高出力化に必要な高電流密度領域での運転においては生成水の影響が顕著となるため、酸素の物質移動抵抗の低減には、電極(触媒層＋拡散層)内部での水の移動や凝縮(液水形成)を考慮した構造設計が必要である。
前年度までの取り組みにおいて、カーボンフリーカソード触媒層から水を効率よく移動・排出させるために、触媒層とガス拡散層(カーボンペーパー)の間に設置するマイクロポーラス層(MPL)の細孔構造、厚み、新疎水性を制御し、発電特性との関係性を整理した。その結果、大きい細孔径を有し、薄い親水性のMPLにおいて、高電流密度領域での物質移動抵抗が低減することを示した。カーボンフリー触媒層からMPLへの水移動促進や水の凝縮抑制には、MPLの適切な設計が重要であることが示唆された。さらに、本課題が提案するラテックス粒子をテンプレートとする新規手法を用いて、カーボンフリーカソード触媒層の細孔構造の制御を検討した。2020年度は、触媒層に添加するラテックス粒子の粒径や導入量を変えることで作製した、異なる構造を有するカーボンフリー触媒層に関して、燃料電池発電試験および電気化学測定を行った。ここでは、水の影響を考察するために、異なる湿度条件で評価を行い、触媒層構造と発電特性の関係性を調査した。この様に、本課題は、MPLとカーボンフリー触媒層の系統的な構造制御を行い、電極構造が物質移動現象に与える影響について理解を深め、PEFC発電性能向上のための有用な知見を獲得した。
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