| 研究課題/領域番号 |
25410201
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 同志社大学 |
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研究代表者 |
久貝 潤一郎 同志社大学, 研究開発推進機構, 学術研究員 (80617134)
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| 研究分担者 |
山本 孝夫 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00174798)
中川 貴 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70273589)
清野 智史 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90432517)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 金属―酸化物界面 / 一酸化炭素選択酸化 / 一酸化炭素被毒 / 電極酸化 / 燃料電池 |
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| 研究概要 |
一酸化炭素耐久性を有する固体高分子形燃料電池用アノード材料の合成を目的とし、常温の水溶液に電子線を照射して金属イオンを還元する｢電子線還元法｣で炭素担持PtCu触媒の合成を行った。合成したPtCu触媒は水素中に含まれる微量の一酸化炭素を高い選択率で酸化した。水素の電極酸化反応においても微量の酸素を吹き込むことにより一酸化炭素を選択的に酸化し、一酸化炭素による触媒の被毒を抑制することができると考えられた。合成したPtCu触媒の水素酸化性能と一酸化炭素耐性を実際の燃料電池作動条件で評価するため、アノードにPtCu触媒、カソードに市販のPt触媒、電解質にナフィオン膜を用いた2.2cm角の膜-電極接合体(MEA)を作製し、純水素と空気または一酸化炭素を含む水素と空気をアノードとカソードにそれぞれ供給して発電試験を行った。その結果、純水素燃料を供給した場合のPtCu触媒の性能は市販のPtRu触媒のそれよりも低かった。PtCuの粒子径は3～4nm程度と比較的小さかったことから、銅がほとんど寄与しなかったか、溶出してしまったと考えられる。さらに、一酸化炭素を50ppm含む水素を供給したところ、文献に報告されたPt触媒よりも大きな性能低下が認められた。既報文献によれば、銅の添加により白金への一酸化炭素の吸着が抑制され、また赤外吸収スペクトルにおいてもこの事実が確認されていることから、発電試験中に銅が溶出してしまい、白金の構造が変わったと考えられる。純水素中での試験においても既に銅が溶出していた可能性が高い。高温酸性条件下では、常温付近でのハーフセルを用いた試験に比べて卑金属の溶出が著しく、遷移金属類は使用に耐えないことを示唆しており、酸性条件に更なる耐性を持つ酸化物が必要となることが明らかとなった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
触媒合成および構造解析については設備が整っており、技術の蓄積がある。電極性能評価についてもハーフセルを用いた評価は可能である。一酸化炭素耐性を評価する方法としてハーフセルを用いた液相メタノール酸化が考えたが、少量の酸素を添加する条件を再現するには回転電極を用いて触媒への酸素供給量を制御する必要があった。これには電極塗布において高度な技術を要する。実際にPtCu触媒を回転電極に塗布し、サイクリックボルタンメトリーや酸素還元活性を測定し、ある程度の精度で測定できることを確認したが、酸素拡散性が電極塗布状態に敏感であり、更なる電極塗布技術の向上が必要である。一方、MEAを用いた電極性能評価は他大学にて実習を行ったが、評価条件の確定や装置類の選定に時間を要し、評価システムの完成には至っていない。
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| 今後の研究の推進方策 |
炭素担持PtCuをアノード電極として用いた水素酸化試験、耐一酸化炭素被毒試験の結果に基づき、高温酸性溶液中でも溶出が起こらない酸化物を触媒成分として用いる。電子線還元法を用いて白金に酸化セリウムを添加した触媒の合成を既に実施している。セリウムイオン共存下では塩化白金酸水溶液の電子線照射による還元効率は低下したが、小粒径の白金粒子と酸化セリウムの複合物が生成した。今後、触媒性能の評価を行う予定である。酸性条件に耐えうる他の酸化物元素として希土類と4族から6族の添加を試みる。気相一酸化炭素選択酸化反応と液相メタノール酸化反応を用いて一酸化炭素耐性に関する予備試験を行った後、最も性能が高い白金―酸化物の組み合わせについてMEAを作製し、一酸化炭素耐性を評価する。少量の酸素を添加し、一酸化炭素耐性への効果を調べる。一酸化炭素選択酸化と水素の電極酸化がバランスよく進行する触媒組成と構造、反応条件を見い出し、触媒粒子の形状分析や構造解析と合わせて、それぞれの反応に寄与する界面や表面を特定し、触媒構造の最適化に繋げる。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
電極性能評価に用いる治具のサイズやそこに流すガス流量を決定するために、他大学にて実習を行う必要があったため。
昨年度、実習を終え、性能評価条件を決定したので、本年度購入し実際に使用する。
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