第5章 触媒層のアイオノマ付着率と発電特性の関係
5.2 実験方法
5.2.1 カソードスラリーの調製と触媒層作製方法
カソード層の構成部材として，白金担持カーボン（TEC10F50E，52.3mass%-Pt， Tanaka Kikinzoku Kogyo）とアイオノマ（D2020，Du pont ）を使用した。スラリ ー中の白金担持カーボンとアイオノマの総重量（固形分濃度）を 12mass%で一 定とし，アイオノマのカーボンに対する添加量（I/C）を1.0，1.2，1.4，1.6，1.8 と変化させた。秤量した白金担持カーボンは，水とエタノールの混合溶媒（6： 4）に投入後、自転公転ミキサーにて撹拌した（公転2000 rpm，自転800 rpm，
処理時間2 min）。その後で所望のI/Cとなるようアイオノマ溶液を添加後，再度
自転公転ミキサー（公転2000 rpm，自転800 rpm，処理時間 2min）にて撹拌し た。撹拌したスラリーは，超音波ホモジナイザーにて氷冷しながら， 5min分散 処理した。I/C = 1.4にて調製したスラリーについては，分散処理時間を 5，15，
30，60minと変えて分散処理した。
調製したスラリーは，ドクターブレード法により単位面積当たりの白金目付
量が0.25 mg/cm2となるようブレードのギャップを調整し，移動速度0.60 m/min
にてPTFE（polytetrafluoroethylene）シートに塗布した。塗布した触媒層は，常温 で1時間程度静置し，乾燥させた。その後，作製したカソード触媒層は，2.3に 記載する手順にて，MEAを作製した。
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5.2.2 スラリー特性/触媒層特性/発電特性
5.2.2.1 スラリー特性
スラリー特性評価項目として，アイオノマ吸着量とスラリーの充填率を評価 した。スラリーの遠心分離条件（遠心加速度，時間）は，アイオノマ吸着量測定 においては，遠心加速度1060G，数日間，充填率測定においては，遠心加速度180G， 20日間とした。詳細な手順は，2.2を参照されたい。
5.2.2.2 触媒層のアイオノマ付着率
ガス吸着量測定装置（BET3000，Quantachrome Instruments.）を用いて，BET 1 点法により，触媒層の比表面積を計測した。すべての計測サンプルは，150℃に て，1日前処理を実施し，液体窒素温度77Kにて，N2ガスとHeガスの混合気体（3:7） を通過させ，吸着したガス容積より，比表面積を求めた。
アイオノマの付着率を算出するための手順は，Fig.5.1に示した。まず，PTFE シートより，触媒層を削り取り，触媒層の比表面積Sを計測し，次に Fig.5.2に 示す熱処理装置にて，白金担持カーボンよりアイオノマを除去した。熱処理条件 を以下に示す。まず，120℃に熱したN2ガスを供給しながら，電気炉を10℃/min で昇温し，550℃で30min保持し，冷却速度5℃/minで冷却した。冷却時は，供 給するN2ガスは25℃に設定をし，常温になったところで，サンプルを取り出し た。取り出したサンプルの比表面積を計測し，焼成後の触媒層の比表面積 S0と
し，(5.1)式にてアイオノマ付着率θを算出した。
0 0
S S S
(5.1)
ここで，触媒層の比表面積S[m2/g-particle]，焼成後の触媒層の比表面積S0 [m2
/g-particle] アイオノマ付着率θ [-]とした。
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Fig.5.1 Schematic of measuring method of specific surface are and adhesion ratio of ionomer.
Fig.5.2 Schematic of heat treatment devise.
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なお，触媒層のアイオノマ除去条件についての予備検討は，熱重量測定により 実施しており，その結果を以下に記す。
・N
2ガス雰囲気におけるアイオノマ熱重量変化
熱重量測定装置（TGA-50，Shimadzu CO.,LTD）を使用し，N2雰囲気にて，10℃ /minにて昇温した際の，アイオノマの熱重量変化をFig.5.3に示す。この結果よ り，アイオノマは，約450℃にて分解することがわかる。
Fig.5.3 TG curve of ionomer in a N2 atmosphere.
・N
2ガス雰囲気における Pt/C の熱重量変化
同様に，Pt/Cにおいてもガス雰囲気を変え，熱重量測定を実施した。まず，N2
雰囲気にて，10℃/minで550℃まで昇温後10min保持し，その後200℃まで冷却 をし，10min 保持した。次に，ガスを Air に切り替え，再度 10℃/min で昇温し た。その際の，熱重量変化をFig.5.4に示す。本検討で使用した白金担持カーボ
ンは52.3mass%-Ptであり，分解量が仕込み量のおよそ 50%であったことから，
カーボンが分解したものと思われる。この結果より，Pt/CはN2雰囲気では分解 せず，Air雰囲気で約400~500℃に達した時点で，分解することがわかった。
以上の検討から，触媒粉末に付着するアイオノマは，N2雰囲気にて焼成するこ
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とで，アイオノマのみを分解することができると考える。加熱焼成前後における 比表面積は，加熱処理前359.8m2/g，加熱処理後は358.2m2/gであることから，加 熱処理による比表面積の差はないものと考える。
Fig.5.4 TG curve of Pt/C powder in a N2 and air atmosphere.
5.2.2.3 触媒層の細孔径分布
各スラリー条件で作製したカソード触媒層について，水銀ポロシメータ(Auto
Pore 9510，Shimadzu Corp.)を用いて，触媒層の細孔径分布を評価した。
5.2.2.4 発電特性
各スラリー条件で作製したカソード触媒層を用いて，2.3に記載した実験手順 にて，MEAを作製し，酸素輸送抵抗，プロトン輸送抵抗を評価した。
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