摘 要：目前，高分子燃料电池在80℃和加湿的条件下发电，而为了实现高分子燃料电池的“低成本化”和“高活性化”，已经开发了无需加湿器且有望实现高活性的“高温低加湿”条件下发电的高分子燃料电池。本研究中，首先开发了在100度以上的更高温且更低的加湿条件下表现质子电导率的新电解质。结果发现，在以聚苯并咪唑骨架为基础接枝酸基的方法中，能够通过缩短酸基的间隔来提高质子电导率。另外，将开发的新型电解质导入燃料电池催化剂层，成功构建了以酸基覆盖碳表面的新型碳载体表面结构，并制作了铂负载的新型电极催化剂。
关键字：固体高分子燃料电池，电极催化剂，质子导体，铂，聚苯并咪唑，高分子电解质表面改性，碳载体
1、研究背景
随着燃料电池汽车开始上市销售，固体高分子燃料电池（以下称为“PEFC”: Polymer Electrolyte Fuel Cell）的重要性也随着其在固定用途的增加而越来越高。为了普及燃料电池汽车，当务之急是进一步的“低成本化”和“高活性化”，因此需要实现无需加湿器的“低湿度运行”和有望提高活性的“高温化”（NEDO路线图2013）。于是，有研究人员使用在高温无加湿条件下也表现出高质子电导率的磷酸浸渍聚苯并咪唑（PBI）替代用作电解质的氟磺酸系高分子（代表例子：Nafion），进行高温无加湿的研究。但是，磷酸PBI系在100℃以下质子电导率低，必须将其加热至100℃以上，这样无法实现发电温度范围的“扩大”。因此，实际的目标不是低加湿度“高温化”，而是低加湿度“温度范围扩大化”。酸基以高密度连接的化学结构有望在宽温度范围和低加湿的条件下表现出高质子电导率，但是由于这样的结构表现出高水溶性，因此很难作为膜或离聚物来使用。
2、研究目的
本研究的目的是克服上述课题，实现宽温度范围低加湿型PEFC。研究人员致力于开发一种新型高分子燃料电池，使其发电条件从“80℃和加湿”转变为无需加湿器且有望实现高活性的“高温低加湿”。目前，磷酸浸渍高分子系已经实现了“120℃、无加湿”发电，研究人员在高耐久性方面也处于世界领先水平。但是，磷酸浸渍系在低加湿和100℃以下的条件下电导率很低，因此存在“温度范围扩大化（30~120℃）”这一新课题。针对该课题，本研究中，开发了一种在“宽温度范围”和低加湿条件下传导质子的新型电解质，并通过与研究人员独创的催化剂制备技术相结合，致力于实现下一代电池的“宽温度范围和低湿度条件下的发电”（图1）。
图1. PEFC开发的趋势
3、研究方法
在本研究中，新开发了具有高酸基密度的高分子膜以及具有离聚物的燃料电池单元。研究目标是在低加湿度（RH=20%）和30~120℃的条件下发电，实现与RH=100%的加湿条件下同等的活性（具体来说是0.8V@0.2Acm-2@30~120℃）。
研究人员在将具有高密度酸基的聚乙烯磷酸酯作为离聚物的研究中，在120℃和无加湿条件下成功抑制了离聚物的泄露，由此实现了高耐久性，但是发现存在因铂中毒导致的氧还原过电压增大的问题。由于磷酸系也被指出存在同样的问题，因此高密度酸基离聚物的铂中毒是需要解决的课题。
研究人员探索了一种离聚物，其能够将聚乙烯醇磺酸等多种高密度酸离聚物作为离聚物来将氧还原过电压抑制到最小限度，并发现了氧还原过电压最低的酸基，应用独创的技术使其离聚化，通过接枝将其作为电解质膜导入到PBI膜中。本研究致力于在组合了这些部件的燃料电池单元中实现上述目标。