2019 Fiscal Year Research-status Report
真に水素社会に貢献する燃料電池自動車用の革新的な超耐久空気極触媒の創製
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18K05291
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
松澤 幸一 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80500743)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石原 顕光 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(教授) (30754006)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 燃料電池 / 固体高分子形燃料電池 / 空気極 / 担体 / 酸化物系触媒 / 酸化チタン / 脱炭素 / 脱白金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はタイトルである「真に水素社会に貢献する燃料電池自動車用の革新的な超耐久空気極触媒の創製」とある様に、高耐久ではなく、それよりも更に耐久性があると考えられる「超(高)耐久空気極触媒の創製」が目的である。本研究でのターゲットなる固体高分子形燃料電池(PEFC)は家庭用定置電源や燃料電池自動車に用いられているが、現行材料の空気極担体のカーボンは今後の自動車用の作動条件(高温、高電圧化)を見据えた場合、耐久面で問題があり使用ができないため、脱炭素で高耐久な担体の開発を初年度に行ってきた。本年度は去年度に引き続き1)担体材料の開発、更には2)担体上に担持した「触媒安定性」の評価、そして、3)「触媒基礎材料の化学的安定性」の3つについて検討した。
1) 担体材料の開発についてはSiO2コートを施したNbドープTiO2は、電子伝導性を保ちつつ、粒成長を抑制し比表面積を向上させることが可能であることを示した。このことからSiO2コートはPEFCカソード用の非炭素担体として高い比表面積と高い導電性の両方を得るのに有用であることがわかった。
2）アークプラズマ蒸着(APD)法を用いて、十分な導電性を有するカーボンナノチューブ に、ナノサイズの酸化物系ナノ粒子を担持した粉末触媒を作製した。(加速劣化を促す)起動停止試験においては、APD 法で作製された触媒は、従来の触媒と比べて圧倒的に高耐久であったが、それは被覆カーボンを含まず、高電位耐性の高い酸化物系ナノ粒子を形成しているためと考える。
3)酸化チタンナノ粒子の溶解度は過塩素酸、硫酸中において温度の上昇に伴って低下する傾向が見られ、酸化チタンナノ粒子の酸性電解質への溶解反応は発熱反応であることが分かった。従って、この材料はPEFCの高温作動環境下で有利な材料であることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2年目は初年度の実績を基にTi4O7担体の作製し、「脱白金・脱炭素の燃料電池空気極の評価」としたが、触媒/担体の相互作用により脱白金(酸化物系ナノ粒子)/脱炭素(導電性酸化物)での空気極は十分な高性能化や高耐久化までは到達しなかったものの、当初の目的である「(燃料電池自動車用の)革新的な超(高)耐久空気極触媒の創製」にむけては要素間では非常に有用な結果が得られた。
即ち、概要でも述べた1)担体の開発については、導電性は昨年度と比較して、100 Scm-1以上向上し、更に比表面積も3倍以上向上した。酸化物系ナノ粒子にシリカコートすることにより、熱処理中の粒成長を抑制できたことが主な理由であるが、その過程で結晶構造と導電率及び比表面積との関係も明らかにした。
2)触媒の安定性評価については、現行材料では加速劣化促す自動車用の起動停止試験に対し、現行材料は5000サイクル程度で初期性能が半分以下であるが、これまで我々の酸化物系ナノ粒子はこれまで作製条件によっては初期性能の1/3程度まで劣化する材料もあったが、今回は全く劣化が見られず、文字通り電気化学的には超高耐久であることが明らかになった。
3)材料の化学的安定性については酸化物ナノ粒子の溶解度を硫酸及び過塩素酸中で測定し、温度及びpHを変化させることで主な溶解種及び溶解機構を解明した。その結果、PEFCで用いられる酸性電解質中で白金系材料は温度の上昇に伴って溶解度が上昇し化学的に不安定になる一方、我々のターゲットする酸化物系ナノ粒子は温度の上昇に伴って溶解度が低下し、高温になるほど化学的に安定になることが分かり、今後のPEFCを用いた自動車用途の高温作動下においては材料自体として優位な系であることが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は脱白金触媒である酸化物系ナノ粒子、脱炭素担体である導電性酸化物それぞれの耐久性及び高性能化を完遂したため、来年度はそれぞれの知見を活かし、「脱白金・脱炭素の燃料電池空気極の評価」を行う。触媒材料の疑似電気化学表面積評価(電気二重層容量測定)、その後に脱白金・脱炭素触媒作製条件の最適化や触媒性能評価及び律速段階評価を行い、最終的には触媒安定性評価を行う予定である。その際、脱炭素担体については当初のTi4O7などのマグネリ相チタン酸化物に囚われず、様々な材料の適応を行い、タイトルの自動車用途の超(高)耐久な空気極触媒の創製を目指して、研究開発を行う。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により研究中断で、当初の計画通りの執行が出来なかった。
特に材料の化学的安定性の研究において、触媒として使用している酸化物系ナノ粒子の溶解度の測定とそれらの観察も含めた解析が行えなかったことから、溶解度測定及び解析に必要な消耗品などの購入するなどにして次年度に使用する予定である。
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