燃料電池反応を高効率化する「助触媒」の役割を実験的に解明

白金使用量の削減・燃料電池の高効率化の同時実現に指針

2012.05.29

独立行政法人物質・材料研究機構
独立行政法人日本原子力研究開発機構

NIMS ナノ材料科学環境拠点らは、JAEAと共同で、金属酸化物系助触媒が固体高分子形燃料電池用電極反応の高効率化に果たす役割を放射光を用いたその場測定により初めて明らかにした。

概要

  1. 独立行政法人物質・材料研究機構 (理事長 : 潮田 資勝) ナノ材料科学環境拠点 (GREEN) 電池分野の増田 卓也特別研究員、森　利之GREENリーダー、魚崎 浩平コーディネーターらは同機構国際ナノアーキテクトニクス拠点・高輝度放射光ステーション、独立行政法人日本原子力研究開発機構 (理事長 : 鈴木 篤之) 量子ビーム応用研究部門の松村大樹研究員、田村和久研究員、西畑保雄研究主幹と共同で、金属酸化物系助触媒が固体高分子形燃料電池用電極反応の高効率化に果たす役割を放射光を用いたその場測定により初めて明らかにした。
  2. 固体高分子形燃料電池は、水の電気分解反応の逆反応を利用して、高い効率で電力を取り出すことが可能な発電装置である。特に水素を燃料とする水素 - 酸素燃料電池は、①比較的低温 (< 100°C) で動作　②小型化が容易　③排出物が水のみのクリーンな装置、と利点が多く、自動車やモバイル電子機器の電源、家庭用コージェネレーションシステムとしての普及が期待されている。しかし、現在、両極の電極材料として白金が使用されているが、酸素還元反応活性が低く、希少材料である白金を大量に使用する必要があることが大きな問題である。
  3. 最近、森GREENリーダーらは、助触媒として酸化セリウムを加えた白金 - 酸化セリウムナノ複合体を開発し、それらが従来の白金触媒に比べて高い酸素還元反応活性を示すことを示した。本研究では、高性能な電極材料の開発を目指して大型放射光施設 (SPring-8) のX線を用いた固液界面その場計測技術により、反応活性向上におよぼす助触媒である酸化セリウムの役割を明らかにした。
  4. その結果、通常の白金触媒では、酸素還元反応は白金表面が一部酸化された状態で進行するが、このように表面が酸化された状態では、白金本来が持つ高い反応活性が損なわれてしまう。一方、新開発した白金 - 酸化セリウムナノ複合体では、白金と酸化セリウムが接触する界面において部分的な電荷のやりとりが起こり、酸化セリウムが白金の身代わりとなって酸化されることで、白金の酸化が抑制され、白金そのものが持つ高い触媒活性が発揮されているということが示された。
  5. 以上のように、酸素還元反応時における白金/酸化セリウム界面の重要性が実証されたことから、より効率よく界面を形成することによって、白金の使用量をさらに低減できるのみならず、より高い活性を持つ燃料電池用電極材料の開発につながるものと期待される。
  6. 本研究成果は、米国科学雑誌「The Journal of Physical Chemistry C」のオンライン速報版で公開されている。
「プレス資料中の図2 : 白金および酸化セリウムの酸化状態。(a) 従来の白金触媒および(b) 白金 - 酸化セリウムナノ複合体における白金・酸化セリウムの酸化状態を示す。白金 - 酸化セリウムナノ複合体では、従来の白金触媒と比べて、白金表面の酸化が著しく抑制されている。青はプラス方向へ、赤はマイナス方向へのスキャン。」の画像

プレス資料中の図2 : 白金および酸化セリウムの酸化状態。(a) 従来の白金触媒および(b) 白金 - 酸化セリウムナノ複合体における白金・酸化セリウムの酸化状態を示す。白金 - 酸化セリウムナノ複合体では、従来の白金触媒と比べて、白金表面の酸化が著しく抑制されている。青はプラス方向へ、赤はマイナス方向へのスキャン。