Fuel Cell
固体高分子系燃料電池の開発
エレクトロニクス全盛の現代社会において、エネルギーといえば電気のことを意味するといっても過言ではないでしょう。エネルギーデバイスでは「電極」が必須となります。CNTは、高い電気伝導性、機械的強度、物質拡散に有利なメッシュ構造を有するため「電極」として理想的な材料です。このCNTを自由に使いこなすためには、多くのノウハウが必要です。ここに私たちの技術の真髄があります。
最近の動向
1. 高分子電解質膜燃料電池触媒のアイオノマー吸着に及ぼすアルコール含有量の影響
固体高分子形燃料電池（PEMFC）において、触媒複合体とアイオノマーからなる触媒層（CL）は重要な構成要素です。特に、触媒複合体分散液とアイオノマー分散液による触媒層の調製条件は、PEMFCの性能に大きく影響します。本研究では、水とエタノールからなる2種類の二元混合溶媒を用いて、分散溶媒中のアルコール含有量の影響を検討しました。さらに、白金担持カーボンブラック（CB）および白金担持ポリマー被覆CBを触媒複合材料として用い、アイオノマーと炭素担体表面の相互作用に対するアルコール含有量の影響を検討しました。その結果、水（80 wt%）で調製したCLは、アルコール（13 wt%）で調製したCLと比較して、高い電解質膜性能を示しました。このことから、アイオノマーと触媒複合体間の相互作用の制御は、PEMFCの性能を制御する上で重要であることが明らかになりました。
2. 銅触媒を用いた環化付加反応によるアジド系高分子の非局在化カチオンの後修飾によるアニオン交換膜の作製
アニオン交換膜の側鎖として縮環ピリジニウム（FEP）部位を含むスチレン系ポリマーを合成しました。銅触媒を用いたアルキン-アジド環化付加反応（クリックケミストリー）によりポリ（4-アジドメチルスチレン）にFEPを組み込み、FEP供給比率に依存するFEP含有率を10.5 mol％としました。10.5 mol%のFEPを含むFEPポリマー膜は、相対湿度80%の条件下、80℃で123.4 (±13.3) mS cm-1と高い水酸化物伝導度を示した一方、イオン交換容量は0.77 (±0.03) と比較的低い値でした。密度汎関数計算の結果、FEPは剛直なπ構造の中で正電荷が大きく非局在化するため、軟らかい酸であることが明らかになりました。高いイオン伝導度と低いイオン交換容量は、硬い塩基（水酸化物イオン）と柔らかい酸（FEP）の間の弱い相互作用に起因していると考えられます。
3. カーボンナノチューブ触媒層の表面粗さが固体高分子形燃料電池性能に与える影響
高分子電解質膜燃料電池（PEMFC）は、カーボンフリー発電が可能なため、エネルギーシステムの脱炭素化において中心的な役割を担っています。しかし、白金電極触媒の利用効率が低いため、PEMFCの普及を妨げています。本研究では、固体高分子形燃料電池の電解質膜に接触するカーボンナノチューブ（CNT）系触媒層（CL）の表面粗さの影響を調べ、その表面粗さと白金利用効率の関係を調査しました。レーザー顕微鏡を用いて真空ろ過したCLシートの表面粗さを調査したところ、CLシートのフィルター膜に接する面は、空気に接する面よりも平滑であった。この平滑なCLシートを電解質膜と積層して膜電極接合体（MEA）を作製したところ，相対湿度100%，80℃における単セルの出力密度は604.6 mW cm-2で，CL表面の粗いMEA（542.4 mW cm-2）より大きいことが明らかになりました。
4. 固体高分子形燃料電池の耐久性に及ぼすアセチレンブラックへのポリマーコーティングの影響
高結晶性炭素材料は、電気化学的安定性に優れているため、固体高分子形燃料電池の耐久性向上のために有望な材料です。このような炭素材料に白金ナノ粒子を均一に担持させるユニークな方法として、炭素材料表面への高分子コーティングがあります。本研究では、固体高分子形燃料電池の耐久性試験において、ポリマーコーティングが白金ナノ粒子の安定性に及ぼす影響について検討しました。ポリベンズイミダゾール（PBI）コーティングしたアセチレンブラック（AB）上に白金ナノ粒子を担持することで、膜-電極接合体（MEA）の電極触媒を作製しました。0.6〜1.0Vでの加速耐久試験(ADT)をアノード及びカソードにそれぞれH2及びN2を用いて行ったところ、PBIコーティングしたABを用いたMEAはADT後に最大出力密度の減少が8%と少なく、非コーティングABを用いたMEAは34%減少することが明らかになりました。ADT後の電極触媒の構造解析から、PBIはADT時に白金ナノ粒子とアイオノマーの両方を固定し、それらの界面構造を維持することが明らかになりました。このことからポリマーコーティング法は、固体高分子形燃料電池の耐久性と活性を向上させるための有効な手段であることが分かりました。
5. 酸グラフトカーボンブラックをプロトン伝導性担体として用いたアイオノマーフリー電極触媒
高分子膜電解質燃料電池（PEMFC）の開発は、触媒層の戦略的設計が性能と耐久性の向上の鍵を握っています。特に、カーボン担体、白金ナノ粒子、高分子電解質からなる電極触媒の界面構造はアイオノマーと呼ばれ、その性能を支配しています。アイオノマーが白金ナノ粒子に付着すると、触媒層で過電圧が発生することが知られています。そこで本研究では、炭素担体にベンゼンスルホン酸を共有結合させて炭素表面のプロトン伝導を促進し、白金ナノ粒子を酸グラフトした炭素担体に付着させることで、アイオノマーフリーの電極触媒を開発しました。単セル測定では、アイオノマーを含まない電極触媒は従来のアイオノマーを用いた電極触媒よりも大きなプロトン抵抗を示したが、酸素還元反応活性の上昇と酸素拡散抵抗の減少により、低い電流密度（<0.01 A cm-2）と高い電流密度（>1.7 A cm-2）でそれぞれ高い活性が得られました。アイオノマーを除去することにより、酸素の界面過電位と拡散過電位の両方が減少することが明らかになりました。
