プレスリリース

燃料電池の未来を拓く
- 触媒層内の"水"を定量的に評価する新手法の確立 -

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

 

新評価方法で定量化された燃料電池触媒層内の水分布の様子

発表概要

  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）^※1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（図1）。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）^※2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（CROSS）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（SANS）法^※3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。

研究の背景

  気候変動への取り組みには、燃料電池技術の進歩が不可欠です。現在、PEFCは自動車など様々な分野で使用されていますが、性能と耐久性の向上が必要です。PEFCの発電性能は触媒層で決まり、この層は白金触媒付きカーボン粒子とアイオノマーで構成されています。水素と酸素が反応する際、水は必要不可欠な役割を果たしますが、多すぎると燃料供給を阻害します。そのため、触媒層のアイオノマーにおける水分量の正確な制御が課題となっています。
  触媒層の構造解析には、電子顕微鏡観察と中性子・X線散乱法が用いられています。電子顕微鏡観察では触媒層の微細構造を直接観察できますが、触媒層のアイオノマー内の水の評価が困難です。X線散乱法では、白金触媒の強い散乱により、触媒層内の含水率を正確に評価できません。これに対し、中性子散乱法は水素を高感度で検出でき、燃料電池内部の水の状態を可視化するのに適しています。
  従来のアイオノマー含水率評価は、白金、炭素粒子、アイオノマー、水の4成分からなる構造モデルを使用し、実験データから構造を特定していました。この方法で触媒層内の水量を推定していましたが、成分が多いため解析が非常に複雑でした。触媒層の構造を詳細に把握するためには、広範な波数Q範囲^※4の散乱強度測定や、水素・重水素の散乱能の違いを利用した測定が不可欠でした。この複雑な手順のため、構造解析に数カ月かかり、新材料の評価ではさらに時間を要していました。

研究内容と成果

  本研究では、SANS法を活用し、触媒層内のアイオノマーの含水率を効率的に評価する方法を確立しました（図2）。この手法では、従来の広範な波数Q範囲測定に代えて、中性子レンズ^※5で集光した中性子線を用い、波数Qがゼロ近傍における散乱強度を精密測定します。乾燥状態と加湿状態の試料を比較分析することで、触媒層内のアイオノマーの含水率を算出することに成功しました。また、アイオノマー以外の触媒層内の水の有無は、加湿ガス内の軽水素と重水素^※6の比率を変えた測定により判別可能です。本手法は多様な炭素粒子やアイオノマーに適用でき、構造モデルを必要としないため、含水率評価を1日から1週間程度で完了できる利点があります。
  この手法を80℃での燃料電池の作動条件下で適用した結果（図3）、相対湿度40％以下ではアイオノマーがほとんど水を含まず、相対湿度80％で水が飽和することを実証しました。また、大強度中性子を利用した時間分解SANS測定により、アイオノマー内の水分子は、同一分子構造を持つ高分子電解質膜内の水分子と比較して、より強い結合特性を示すことが明らかになりました。さらに、本手法を既に発表された発電中の燃料電池の測定データに適用した結果、触媒層の水分量と発電性能の低下が相関することが確認され、燃料電池の性能最適化に向けた有力な指針を提供しました。

研究の意義と今後の展望

  本研究で開発された評価法により、燃料電池の触媒層内のアイオノマーの含水率をこれまでより短時間で正確に定量化できるようになりました。この成果は、燃料電池の性能向上に向けて、主に二つの重要な応用が期待されます。一つ目は触媒層の材料開発への活用です。様々な触媒層材料の水分布を評価できることから、新規材料開発のスクリーニング手法として、より効率的な材料設計指針の確立に貢献します。二つ目は、アイオノマーの含水率の定量的評価に基づく運転条件の最適化です。特に、水管理方法の改善と耐久性向上に向けた運転制御方法の開発が可能になります。これにより、燃料電池自動車をはじめとする水素エネルギー利用の普及が加速すると期待されます。

研究支援

  大強度陽子加速器施設（J-PARC）の物質・生命科学実験施設（MLF）^※7におけるSANS実験は、MLF施設枠課題 (課題番号2021C0004) に基づき実施されました。また、研究用原子炉JRR-3^※8におけるSANS実験は、原子力機構施設供用利用（課題番号2021A-A211）により実施されました。

各研究機関の役割

  • 総合科学研究機構：研究計画立案、SANS実験 (J-PARC MLF BL15, JRR-3 SANS-J) 、解析、論文執筆
  • 豊田中央研究所：SANS実験 (JRR-3 SANS-J) 、論文執筆
  • 日本原子力研究開発機構：SANS実験 (JRR-3 SANS-J) 、論文執筆

論文情報

タイトル	Confined Water Distribution in the Ionomer within the Catalyst Layers of Polymer Electrolyte Fuel Cells: A Small-Angle Neutron Scattering Study
著者	Hiroki Iwase1, Hiroshi Arima-Osonoi1, Masashi Harada2, Takayuki Kumada3
掲載誌	Chemical Engineering Journal
著者所属	1 Neutron Science and Technology Center, Comprehensive Research Organization for Science and Society (CROSS), Tokai, Ibaraki 319-1106, Japan 2 Toyota Central R&D Labs., Inc., 41-1 Yokomichi, Nagakute, Aichi 480-1192, Japan 3 Materials Sciences Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Tokai, Ibaraki, 319-1195, Japan
DOI	10.1016/j.cej.2025.161321

図1. 燃料電池セル内のマルチスケール水分布の概要図.
高分子電解質膜の水和水は中性子小角散乱（SANS）により、ガス拡散層内の滞留水は中性子ラジオグラフィー法などにより調べられてきた。一方、触媒層内の水は、SANSやラジオグラフィー法を含む様々な手法で研究されてきたものの、加湿中や作動（発電）中の水の評価方法は確立されていなかった。

図2. 触媒層をコートした電解質膜（CCM）の中性子小角散乱（SANS）測定結果.
(上) 加湿および発電時における触媒層内の水分布の考察.（下）中性子小角散乱（SANS）実験結果.（a）温度80℃におけるCCMのSANS結果の相対湿度依存性。低い波数Q領域を精度よく測定することで、触媒層アイオノマーの評価が実現。（b）温度80℃、相対湿度80％におけるCCMを加湿ガス内の軽水と重水の比率を変えて測定した結果。

図3. 触媒層内のアイオノマーの体積に対する水の体積量の湿度依存性.

用語の説明

本件問い合わせ先