2011 Fiscal Year Annual Research Report
その場全反射赤外分光法による燃料電池電極反応の解析
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11J08254
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
花輪 洋宇 山梨大学, 大学院・医学工学総合教育部, 特別研究員(DC2)
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| Keywords | 燃料電池 / 電極反応 / Nafion / 水 / 赤外分光法 |
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| Research Abstract |
固体高分子形燃料電池(PEFC)は、水素と酸素の化学反応により電力を作り出す発電システムである。作動温度が低く、小型・高出力化が可能であるため、次世代自動車や家庭用電源として注目を集めている。PEFCの高性能化のためには、電極触媒のより一層の活性向上が求められており、電極触媒と電解質間の界面構造の電位による変化の理解は、電極触媒や電解質膜の開発設計に指針を与える。
我々は、実用作動に近い条件での測定方法を考案し、パーフルオロスルホン酸系電解質であるNafionと、カーボン担体に白金または白金コバルト合金を高分散担持したPt/C(以下、Pt)及びPt_3Co/C(以下、Pt-Co)電極触媒界面のその場(in-situ)全反射型フーリエ変換赤外分光(ATR-FTIR)測定を実施した。既報のATR-FTIRを用いた燃料電池研究のほとんどが電解質を模擬した電解液を用い、さらに、単結晶やスパッタ膜,めっき膜といったモデル電極を用いたシステムであるため、本測定は非常に独創的かつ燃料電池研究分野の新しい領域を拓くものである。この燃料電池模擬ATR-FTHUS測定システムによる知見は、新しい電解質バインダー(電極触媒と電解質)の分子設計や新規電極触媒の開発への有用な知見を与えることが期待される。
当該年度は、本測定システムにより、水分子やエーテル基、スルホン酸基のその場同時観察に初めて成功した。これらをもとに、電位変化とともにNafion側鎖の配向が変化する界面モデルを提案した。また、Ptの結果との比較から、Pt-Coの方がより低電位からスルホン酸基が特異吸着しやすいことも初めて明らかにした。酸素還元反応が起こる実用電位で高分子電解質の特異吸着を抑制できれば、PEFCの性能向上が期待できる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高性能カソード触媒の設計・開発の指針を得るため、酸素還元反応(ORR)機構の解析に関する研究を当初計画通りに進めてきた。まず、実際の燃料電池の作動環境に近い状態で高分散白金触媒/パーフルオロスルホン酸系高分子電解質界面構造をその場赤外分光法により解析するために、新しい測定セルを考案した。そして、ナノメータサイズの白金あるいは白金合金と、水分子、高分子電解質のスルホン酸基との相互作用に関する極めて興味深い知見を得た。現在、この成果を英語論文としてまとめており、この分野の権威有る国際誌であるLangmuir(米国化学会発行)へ投稿予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後、測定温度や湿度を変数とした測定を行う。これにより、加湿に伴うNafion膜のスルホン酸基の脱プロトン化が特異吸着に与える影響を検討する。また、研究グループ内で開発された新しい炭化水素系電解質膜(スルホン酸化ポリエーテル膜:SPE、スルホン酸化ポリイミド膜:SPI)を用いた測定を予定している。本研究ではin-situ ATR-FTIRAS測定により電極表面を直接観察し、SPE・SPI両バインダーの特異吸着挙動を明らかにすると共に、その吸着サイトでどのような現象が起こっているかを解明特定する。ATR-FTIRASにより表面吸着種の形態および化学状態を解析することは非常に有効な手段である。この解析結果がSPEの実用化に与える知見は非常に大きい。
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