水素交通の可能性

燃料電池スタック性能向上を牽引する材料技術革新：触媒、電解質膜、GDEの最前線

Tags: 燃料電池, 材料科学, 触媒, 電解質膜, GDE, スタック技術, 耐久性, 研究開発

はじめに：水素燃料電池スタックの性能を左右する材料技術

水素交通システムの中核をなす燃料電池は、その性能、耐久性、そしてコストによって普及の可能性が大きく左右されます。中でも燃料電池スタックは、発電機能を担う最小単位である単セルを多数積層したものであり、その性能向上には構成材料の技術革新が不可欠です。特に、触媒、電解質膜、そしてガス拡散層（GDE: Gas Diffusion Layer）といった主要材料は、反応効率、イオン伝導、物質輸送、そして耐久性に直接的に影響を与えるため、これらの材料に関する最先端の研究開発は、高性能かつ低コストな燃料電池スタック実現の鍵を握っています。本稿では、これら主要材料における最新の技術動向、ブレークスルー、そして今後の研究開発における課題について深く掘り下げて解説します。

触媒技術の現状と革新：コストと耐久性の壁を破る

現在の主流であるプロトン交換膜型燃料電池（PEMFC）のカソード触媒には、白金（Pt）が広く使用されています。Ptは高い触媒活性を示しますが、高価で資源量が限られている点が大きな課題です。また、セル起動・停止時の電圧変動や、カソードでの酸素還元反応（ORR）におけるPtの溶解・マイグレーション、カーボン担体の腐食などにより、Pt触媒の劣化が耐久性のボトルネックの一つとなっています。

この課題に対し、研究開発は主に以下の方向で進められています。

  1. Pt使用量の低減（Low Platinum/Ultra-Low Platinum）：

    • Ptナノ粒子の粒径、形態、結晶面を精密に制御し、活性表面積当たりの利用効率を最大化する技術。
    • Ptと他の金属（例：Co, Ni, Fe）との合金化により、Ptの触媒活性を高めると同時にPt比率を下げる手法。特に、Ptコアに合金シェルを形成させるCore-Shell構造触媒や、原子レベルで配列を制御した規則合金触媒の研究が進んでいます。
    • 高比表面積、高導電性、高耐久性を有する新規カーボン担体や、非カーボン担体（例：酸化チタン、窒化チタン）の開発。

  2. 白金族金属フリー（PGM-free）触媒の開発：

    • 鉄、コバルト、マンガンなどの遷移金属と窒素、炭素を用いた金属-窒素-炭素（M-N-C）触媒が最も有望視されています。これらの触媒は、Pt触媒に匹敵するORR活性を示す報告もありますが、耐久性、特に酸性環境下での安定性や、発電中に生成される過酸化水素による劣化が大きな課題として残っています。
    • M-N-C触媒の活性サイト構造の解明、合成手法の最適化、耐久性向上のための異種元素ドーピングや構造制御の研究が精力的に行われています。

触媒層の構造設計も重要です。触媒粒子、担体、イオン伝導性ポリマー（アイオノマー）、細孔構造のミクロ・メゾスコピックな配置を最適化することで、反応ガス、イオン、電子の輸送抵抗を低減し、触媒利用率を向上させる研究が進められています。ナノレベルでの触媒粒子とアイオノマーの相互作用制御や、薄膜触媒層の形成技術も注目されています。

電解質膜技術の進化：高温・低湿度稼働と耐久性の両立へ

PEMFCのプロトン伝導体として広く利用されているのは、スルホン酸基を持つパーフルオロスルホン酸（PFSA）系ポリマー膜（例：Nafion®）です。PFSA膜は優れたプロトン伝導性を示しますが、高コストであること、およびプロトン伝導が水和に大きく依存するため、高温・低湿度環境下での性能が低下しやすいという課題があります。自動車用途では、システム効率向上や冷却システムの簡素化のために、より高温（100℃以上）かつ低湿度での稼働が求められています。

この要求に応えるため、以下のような次世代電解質膜の研究開発が進められています。

  1. 非PFSA系ポリマー膜：

    • スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルケトンなどの炭化水素系ポリマー膜。PFSA膜に比べて低コスト化が期待されますが、化学的・機械的耐久性、特に燃料電池環境下でのラジカル分解に対する耐性が課題です。
    • リン酸をドープしたポリベンズイミダゾール（PBI）膜は、150℃以上の高温でもプロトン伝導性を示しますが、リン酸のリークや触媒との適合性が課題です。

  2. 無機フィラー含有複合膜：

    • PFSAや炭化水素系ポリマーマトリックスに、シリカ、酸化チタン、ゼオライト、MOF (Metal-Organic Framework) などの吸湿性またはプロトン伝導性の無機フィラーを複合化した膜。フィラーが膜中の水分保持能力を高めたり、プロトン伝導パスを形成したりすることで、高温・低湿度下での性能向上や膜の寸法安定性向上を目指します。

  3. 耐久性向上技術：

    • 膜の化学的安定性を高めるためのポリマー骨格設計や、ラジカルスカベンジャーの導入。
    • 機械的強度を高めるための架橋構造の導入や、強化材（例：ePTFE）を用いた複合化。
    • 膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）作製プロセスにおける膜の劣化抑制技術。

電解質膜の薄膜化も、内部抵抗低減による性能向上に寄与しますが、機械的強度の低下やピンホール発生リスクが増大するため、薄膜化と耐久性の両立が重要な研究課題です。

ガス拡散層（GDE）の機能設計：物質輸送と水の管理

GDEは、触媒層と集電体（セパレーター）の間に位置し、以下の多岐にわたる機能を有しています。

GDEは通常、カーボンペーパーやカーボンクロスを基材とし、撥水処理されたカーボンブラックとPTFEなどのバインダーからなるミクロ多孔質層（MPL: Micro-Porous Layer）が塗布された構造をとります。

GDEの性能は、その多孔質構造、撥水性/親水性のバランス、および導電性によって大きく左右されます。特に、燃料電池運転中に触媒層やGDE内部に水が溜まる「フラッディング」は、ガス供給を阻害し、セル性能を著しく低下させる主要因です。効果的な水の管理は、GDE設計における最も重要な課題の一つです。

最新の研究開発では、以下のようなアプローチが取られています。

  1. 構造の最適化：

    • 基材の繊維構造、孔径分布、厚さの制御。
    • MPLのカーボンブラックの種類、バインダー量、厚さ、クラックパターンなどの最適化。
    • 階層的な細孔構造設計（マクロ、メソ、ミクロ細孔の連携）による物質輸送抵抗の低減と水排出性の向上。

  2. 表面特性の制御：

    • 基材およびMPL表面への撥水性材料（PTFE, フッ素系ポリマー）の精密な塗布技術。
    • 部分的な親水性サイトの導入や、疎水性・親水性のパターン形成による水の挙動制御。例えば、触媒層側のMPLをより親水性にする、あるいは特定の箇所に親水性チャネルを設けるなどの設計が検討されています。

  3. 新しい材料の適用：

    • カーボンナノチューブ（CNT）やグラフェンなどの一次元・二次元ナノ構造体をMPL材料として使用することで、導電性や細孔構造を制御する試み。
    • 耐久性の高い非カーボン系材料の検討。

GDEの設計は、触媒層や電解質膜との界面特性と密接に関連しています。MEA全体での物質輸送、水の管理、熱管理を最適化するためには、各構成要素の特性と界面での相互作用を理解し、統合的に設計する必要があります。

セル構成要素間の界面設計と統合

燃料電池単セルの性能と耐久性は、触媒層/電解質膜界面、触媒層/GDE界面など、異なる構成要素間の界面特性に大きく依存します。これらの界面では、プロトン伝導、電子伝導、反応ガス輸送、水の移動といった複雑な現象が同時に発生します。

これらの界面設計においては、MEAの製造プロセス技術が極めて重要になります。インク組成、塗布方法（スプレー、デカール転写、スロットダイなど）、乾燥条件、ホットプレス条件などが、界面構造や構成要素の微細構造に影響を与え、最終的なセル性能と耐久性を決定します。ナノスケールでの界面構造解析や、MEA全体の物質・電荷輸送シミュレーションを活用した最適設計が今後の研究開発においてますます重要になります。

まとめ：材料技術革新が拓く水素交通の未来

本稿では、水素燃料電池スタックの性能向上に不可欠な主要材料である触媒、電解質膜、GDEに焦点を当て、それぞれの最新技術動向と課題を解説しました。Pt使用量低減やPGM-free触媒の開発、高温・低湿度稼働可能な次世代電解質膜、高効率な物質輸送と水管理を実現するGDEなど、各材料分野で着実に技術革新が進んでいます。

これらの材料技術の進展は、単に個々の部品性能を向上させるだけでなく、セル全体の効率、耐久性、そしてコストを大幅に改善し、ひいては水素交通システムの実用化と普及を強力に後押しするものです。特に、自動車用途で求められる厳しい運転サイクルや耐久性基準をクリアするためには、材料自体の根本的な改良に加え、構成要素間の界面特性の最適化や、MEA全体の統合的な設計アプローチが不可欠です。

今後の研究開発においては、基礎的な材料科学からのアプローチと、実際のセル・スタックレベルでの評価・フィードバックループを強化し、材料技術とシステム設計が連携していくことが重要となるでしょう。材料技術の継続的なブレークスルーこそが、水素エネルギーを社会実装し、持続可能な交通システムを構築する上で最も重要な要素の一つであると言えます。