触媒層内の”水”を定量的に評価する新手法の確立

2025年4月17日
一般財団法人 総合科学研究機構
株式会社 豊田中央研究所
国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構
J-PARCセンター

　地球温暖化対策として、再生可能エネルギーを活用したクリーンな発電システムの開発が世界的な課題となっています。水素を燃料として利用する固体高分子形燃料電池（PEFC）は、発電時の排出物が水のみという環境にやさしい特徴を持ち、特に燃料電池自動車への応用が期待されています。発電特性は燃料電池内部の水の挙動と密接に関連しており、その制御は極めて重要です。しかし、触媒層を構成するアイオノマー（イオン伝導性高分子）の中の水の挙動の理解は不十分でした。
　一般財団法人 総合科学研究機構中性子科学センターの岩瀬裕希副主任研究員、有馬寛副主任研究員（現、京都大学複合原子力科学研究所 准教授）、株式会社 豊田中央研究所の原田雅史主任研究員、および国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構・物質科学研究センターの熊田高之研究主幹の研究グループは、中性子小角散乱法を用いて、PEFC内部の触媒層におけるアイオノマーの含水率を定量化する新たな評価方法を提案しました。
　従来の研究では加湿された触媒層に対して複雑なモデルを構築してきましたが、本研究では乾燥状態と含水状態の実験結果を直接比較することで、含水率を評価できることを見出しました。
　本手法を用いた解析の結果、相対湿度が増加すると、触媒層のアイオノマーが水を強く保持することが明らかになりました。発電中の燃料電池に適用したところ、触媒層内のアイオノマーの含水率が発電性能に大きな影響を与えることを確認し、性能向上と耐久性強化に向けた新たな設計指針を提供することが可能になりました。
　本研究成果は、Elsevierの化学工学分野の専門誌「Chemical Engineering Journal」に2025年4月15日に掲載されました。