結果及び考察

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Fig.5.6 Adsorption ratio of ionomer to particles.

5.3.2 アイオノマ付着率

Fig.5.7 にアイオノマを除去する前後における，各スラリー条件に対する触媒

層の比表面積を示す。アイオノマの除去後の触媒層の比表面積は，スラリーの調 製条件が異なっていてもほぼ同程度であった。アイオノマ除去後の比表面積は，

触媒粒子の充填性によって決定されると考えられるが，Fig.5.5 に示すスラリー の充填率との相関はみられなかった。これは，MEA作製時には遠心沈降試験よ りも大きな力が加わったために，もともと小さかった触媒粒子の充填性の差が さらに小さくなり，ほとんど差がなくなったものと考えられる。

アイオノマを除去する前の触媒層の比表面積は，I/Cを大きくすること及び分 散処理時間を長くすることにより，減少していくことがわかった。

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Fig.5.7 Surface area of catalyst layer before and after heat treatment.

Fig.5.8 に，(5.1)式にて算出したアイオノマ付着率と各スラリー条件との関係

を示す。I/Cの増加及び分散処理時間を長くすることにより，アイオノマ付着率 は増加する傾向となった。文献[96]においても，アイオノマ被覆率はI/Cに対し 増加する傾向が記されており，本検討の結果においても，この傾向は合致してい る。また，分散処理時間が長くなることで，アイオノマの付着率が増加すること については，分散処理時間を長くすることで，粒子及びアイオノマがより分散し たためであると推察される。Fig.5.5 のスラリー充填率の結果から分散処理時間 が増加すると粒子が分散していることがわかり，一方で，Fig.5.6から，アイオノ マの吸着量は分散処理時間にはほとんど依存しないことから，未吸着のアイオ ノマが乾燥過程において，より分散され比表面積が大きくなった粒子に対し付 着することで，アイオノマの付着率が分散処理時間とともに増加したものと考 えられる。

Fig.5.8 Ionomer adhesion ratio of catalyst layers.

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5.3.3 発電特性

Fig.5.9 に各スラリー条件で作製した触媒層の酸素輸送抵抗及びプロトン輸送

抵抗の関係を示す。I/Cの増加及び分散処理時間を長くすることにより，プロト ン輸送抵抗は減少する一方で，酸素輸送抵抗が増加する傾向が見られた。特に I/Cを増加させたときには，プロトン輸送抵抗が減少する一方で，大きく酸素輸 送抵抗が増加している。粒子周りに，より多くアイオノマが付着したことによっ て，プロトンの伝導性は向上するが，酸素輸送が阻害され，酸素輸送抵抗が大き くなったと考えられるが，酸素輸送抵抗がI/C=1.4を超えたあたりで急激に増加 することから，文献[78]のように触媒層の空隙がアイオノマにより閉塞されてし まっていると考えられる。分散処理時間を増加させると，Fig.5.8 に示したよう にアイオノマの付着率が増大するため，やはり，プロトンの輸送抵抗が減少し，

酸素輸送抵抗が増加するが，アイオノマの量そのものが増えているわけではな いため，その変化率は小さいと考えられる。

Fig.5.9 Electrode characteristics of catalyst layer at different I/C and sonication times.

Fig.5.10に，アイオノマ付着率と発電特性（酸素輸送抵抗，プロトン輸送抵抗）

の関係を示す。アイオノマの付着率の増加に伴ってほぼ線形的にプロトン輸送 抵抗が減少している。一方で，アイオノマの付着率と酸素輸送抵抗については，

アイオノマ付着率が0.7から0.8よりも大きくなると急激に増大している。

この要因について，触媒層の細孔径分布の評価結果より考察する。Fig.5.11は，

各触媒層の細孔径分布を示す。I/Cの増加及び分散処理時間を長くすると，細孔 径のピーク位置は小さくなる傾向がわかる。また，I/Cの増加によって細孔容積 も減少することがわかった。本結果より，先述の通り，アイオノマの量が増大し たことにより，触媒層の空隙がアイオノマにより閉塞されたと考えることは妥

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当であると考える[78]。一方で，分散時間を長くすると，細孔径のピーク位置が 小さくなるため，酸素輸送抵抗が増加しているものと思われる。

Fig.5.10 Relationship between ionomer adhesion ratio and electrode characteristics of MEAs.

Fig.5.11 Pore size distribution of catalyst Layer.

以上の実験から，スラリー調製時の分散処理時間を制御することで，スラリー の組成I/Cを変えなくても，アイオノマの付着率をある程度制御できることがわ かった。アイオノマ付着率は，発電特性であるプロトン輸送抵抗と特によい相関 関係があり，アイオノマの付着率を増加させることで，プロトン輸送抵抗を減少 させることが可能なことがわかった。I/Cを増加させることで，プロトン輸送抵

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抗を減少させることは可能であるが，ある値以上にまで増加させると，粒子の周 りにより多くのアイオノマが付着するだけでなく，触媒粒子の空隙を閉塞して しまうために，酸素輸送抵抗が極端に悪化することも分かった。

分散時間を長くすることでアイオノマ付着率が向上したのは，分散処理によ り，粒子及びアイオノマがよりほぐれ，未吸着のアイオノマが粒子の隙間に入り 込み，乾燥過程で付着したためと推察される。